JPH0540048A - 格子干渉型変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学系を簡素化を図るとともに、スケールの
変位速度の制限を緩和できる格子干渉型変位検出装置を
提供する。 【構成】 透過型回折格子２を有するスケール１に対し
て、干渉縞生成用回折格子３を所定の傾き角Δθをもっ
て配置する。回折格子２を透過した透過光Ｃ0は干渉縞
生成用回折格子３によって回折された後、回折格子２で
得られた１次回折光Ｃ1 と干渉される。ここで、透過光
Ｃ0 の１次回折光Ｃ01は実質的に０次光と等価であるか
ら、０次光と１次回折光との干渉によって、スケール１
の回折格子２の１ピッチ分の変位に対して、検出器５１
からは１周期分の正弦波信号が得られるから、スケール
の変位速度制限を緩和でき、部品点数も大幅に削減でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、格子干渉型変位検出装
置に関する。詳しくは、光源からの光束をスケールの回
折格子上に入射させ、そこで生成された０次光と１次回
折光とを干渉させて正弦波信号として取り出すようにし
た格子干渉型変位検出装置に係り、特に、光学系の簡素
化および応答速度の倍増化に利用できる。

【０００２】

【背景技術】従来の光電型エンコーダの高分解能化を図
ったものの１つとして、スケールにホログラフィの技術
を用いて微細なピッチ（通常、１μｍ程度）の目盛りを
形成し、その目盛りを回折格子として利用して相対変位
を高精度に検出する格子干渉型変位検出装置が知られて
いる。これは、光源からの光束を２波に分岐してスケー
ルの回折格子上の１または２つの回折点に入射させ、そ
の回折点で生成された複数の光束の混合波を電気信号と
して検出するもので、反射型回折格子を用いたものと、
透過型回折格子を用いたものとに分類できる。

【０００３】後者の透過型回折格子を用いた格子干渉型
変位検出装置として、例えば、特開平２−１６７４２７
号公報が知られている。これは、図６に示す如く、図中
左右方向へ変位可能に設けられかつその変位方向に沿っ
てピッチｐの回折格子２が形成された透過型移動スケー
ル１と、レーザ光源１１と、このレーザ光源１１から出
射されたレーザビームＣをその偏向方向に従って２波に
分岐する偏光ビームスプリッタ２２と、各分岐光束Ａ，
Ｂを反射してスケール１の回折格子２上の同一回折点Ｐ
にそれぞれ対称方向から入射させる一対のミラー２３
Ａ，２３Ｂと、回折点Ｐで生成された各１次回折光Ａ1
，Ｂ1 を反射させる一対のミラー３２Ａ，３２Ｂと、
その反射光を混合させるハーフミラー３３と、その混合
波を電気信号に変換する検出器４１Ａ，４１Ｂとから構
成されている。

【０００４】ここで、前記偏光ビームスプリッタ２２お
よび一対のミラー２３Ａ，２３Ｂから光束分岐手段２１
が、前記一対のミラー３２Ａ，３２Ｂおよびハーフミラ
ー３３から光束混合手段３１がそれぞれ構成されてい
る。また、前記検出器４１Ａは、前記ハーフミラー３３
で混合された一方の混合波を電気信号に変換する受光素
子４２Ａおよび一方の混合波の偏光方向を一致させて干
渉させる偏光板４３Ａから構成されている。前記検出器
４１Ｂは、前記ハーフミラー３３で混合された他方の混
合波を電気信号に変換する受光素子４２Ｂ、他方の混合
波の偏光方向を一致させて干渉させる偏光板４３Ｂおよ
びその混合波を検出器４１Ａに入射する混合波に対して
位相を９０度遅らせる１／４波長板４４から構成されて
いる。

【０００５】いま、レーザ光源１１からレーザビームＣ
が出射されると、そのレーザビームＣは、偏光ビームス
プリッタ２２の偏向方向に従って２分される。各分岐光
束Ａ，Ｂは、各ミラー２３Ａ，２３Ｂで反射された後、
スケール１の回折格子２上の同一回折点Ｐにそれぞれ対
称方向から入射される。すると、その回折点Ｐで各分岐
光束Ａ，Ｂの１次回折光Ａ1 ，Ｂ1 が生成される。各１
次回折光Ａ1 ，Ｂ1 は、ミラー３２Ａ，３２Ｂによって
反射され、続いて、ハーフミラー３３で混合された後、
検出器４１Ａ，４１Ｂによって電気信号に変換される。

【０００６】従って、１次回折光Ａ1 ，Ｂ1 同士の干渉
を利用しているから、スケール１が回折格子２の１ピッ
チ分だけ変位したとすると、各検出器４１Ａ，４１Ｂか
らは９０度位相差の異なる２周期分の完全正弦波信号φ
Ａ，φＢが得られる。例えば、回折格子２の１ピッチを
０．５μｍとすると、図７に示す如く、各検出器４１
Ａ，４１Ｂから得られる正弦波信号φＡ，φＢの周期は
０．２５μｍとなるから、回折格子２の１ピッチを光学
的に２分割したことになり、分解能の向上が図られてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した構
成の格子干渉型変位検出装置では、スケール１の変位に
対して正弦波信号φＡ，φＢの周波数が高くなり、受光
素子や信号増幅回路の周波数特性によってスケール１の
変位速度が制限されるという問題がある。これは、高速
移動する物体の変位検出には適用できないことになるか
ら、適用用途が制限される。その上、上述したような１
次回折光Ａ1 ，Ｂ1 同士を干渉させて正弦波信号φＡ，
φＢを得る構造では、光学系が複雑化し、装置自体の大
型化、しいては、コストアップの要因になっている。

【０００８】ここに、本発明の目的は、このような従来
の欠点を解消し、光学系の簡素化を図るとともに、スケ
ールの変位速度の制限を緩和できる格子干渉型変位検出
装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明の格子
干渉型変位検出装置は、透過型回折格子が形成されたス
ケールと、このスケールの回折格子上に入射される光束
を出射する光源と、前記スケールに対して所定の傾き角
をもって配置されかつ前記回折格子を透過した透過光を
回折させるとともに前記回折格子によって回折された１
次回折光と干渉させて干渉縞をつくる干渉縞生成用回折
格子と、前記干渉縞を電気信号として読み取る検出器と
を備えた、ことを特徴としている。

【００１０】また、透過型回折格子が形成されたスケー
ルと、このスケールの回折格子上に入射される光束を出
射する光源とを有し、前記回折格子を透過した透過光と
前記回折格子によって回折された１次回折光との干渉に
よって干渉縞が得られるように、前記スケールに対する
前記光束の入射角と前記回折格子によって回折される１
次回折光の回折角とが互いに等しくなるように構成する
とともに、前記干渉縞を電気信号として読み取る検出器
を設けた、ことを特徴としている。

【００１１】

【作用】光源からの光束がスケールの回折格子上に入射
すると、１次回折光と透過光とが得られる。透過光が干
渉縞生成用回折格子に入射すると、そこで、１次回折光
が得られる。すると、その１次回折光と前記スケールの
回折格子によって得られた１次回折光との干渉によって
干渉縞が作られ、その干渉縞が検出器によって電気信号
として読み取られる。

【００１２】ここで、干渉縞生成用回折格子によって得
られた１次回折光は実質的に０次光と等価であるから、
０次光と１次回折光との干渉によって、スケールの回折
格子の１ピッチ分の相対変位に対して、検出器からは１
周期分の完全正弦波信号が得られるから、相対変位速度
の制限を従来の２倍に緩和することができる。また、光
学部品としては、スケールを除くと、光源、干渉縞生成
用回折格子および検出器のみでよいから、従来のものに
比べ部品点数を大幅に削減できる。よって、光学系を簡
素化でき、その結果、装置の小型化、組立ての簡易化お
よびローコスト化を達成することができる。

【００１３】また、スケールに対する光束の入射角と回
折格子によって回折される１次回折光の回折角とが互い
に等しくなるように構成しておいても、回折格子を透過
した透過光と回折格子によって回折された１次回折光と
の干渉によって干渉縞が得られるから、上記と同様な効
果が期待できる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明に係る格子干渉型変位検出装置
について好適な実施例を挙げ、添付の図面を参照しなが
ら詳細に説明する。なお、以下の説明に当たって、前述
した図６と同一構成要件については、同一符号を付し、
その説明を省略もしくは簡略化する。

【００１５】第１実施例 第１実施例を図１〜図３に示す。本実施例の格子干渉型
変位検出装置は、図１に示す如く、前記透過型回折格子
２が形成された透過型移動スケール１と、このスケール
１の回折格子２上に入射される光束としてのレーザビー
ムＣを出射するレーザ光源１１と、前記スケール１に対
して所定の傾き角Δθをもって配置されかつ前記回折格
子２を透過した透過光Ｃ０を回折させるとともに前記回
折格子２によって回折された１次回折光Ｃ１と干渉させ
て干渉縞をつくるピッチＰの透過型干渉縞生成用回折格
子４を有する透過型基準スケール３と、前記干渉縞を電
気信号として読み取る検出器５１とから構成されてい
る。

【００１６】このような構成であるから、レーザ光源１
１から出射されたレーザビームＣがスケール１の回折格
子２上に入射すると、図２に示す如く、１次回折光Ｃ1
と回折格子２を透過する透過光Ｃ0 とが得られる。１次
回折光Ｃ1 は、基準スケール３の回折格子４を透過した
後、検出器５１に導かれる。透過光Ｃ0 は、基準スケー
ル３の回折格子４によって回折された後、前記１次回折
光Ｃ1 と干渉される。ここで、１次回折光Ｃ1 は移動ス
ケール１が回折格子２の１ピッチ分変位すると位相が１
周期分ずれるのに対し、透過光Ｃ0 の１次回折光Ｃ01は
移動スケール１の変位に対しても位相が変化することが
ないから、実質的に０次光と等価である。

【００１７】また、移動スケール１に対して基準スケー
ル３が所定の傾き角Δθをもって配置されているから、
１次回折光Ｃ1 と透過光Ｃ0 の１次回折光Ｃ01との波面
は平行でなく、ある角度をもつ。従って、Ｄ点から観察
すると、図のような干渉縞Ｅが観察される。干渉縞Ｅの
間隔Ｌは、移動スケール１と基準スケール３との傾き角
Δθの値によって変化する。しかし、傾き角Δθの値に
かかわらず、移動スケール１が回折格子２の１ピッチ分
変位すると干渉縞Ｅは間隔Ｌだけ移動し、また、移動ス
ケール１の変位方向が逆になると、干渉縞Ｅの移動方向
も逆になるから、検出器５１の構成としてＤ点に２つの
受光素子５２Ａ，５２Ｂを配置するとともに、その間隔
をＬ／４とすれば、移動スケール１の回折格子２の１ピ
ッチ分の変位に対して、受光素子５２Ａ，５２Ｂからは
９０度位相のずれた１周期分の完全正弦波信号φＡ，φ
Ｂが得られる．

【００１８】従って、第１実施例によれば、レーザ光源
１１からのレーザビームＣをスケール１の回折格子２上
に入射させ、その透過光Ｃ0 を基準スケール３の回折格
子４によって回折させるとともに１次回折光Ｃ1 と干渉
させて干渉縞Ｅを作るようにしたので、つまり、実質的
に０次光と等価な透過光Ｃ0 の１次回折光Ｃ01と１次回
折光Ｃ1 との干渉であるから、スケール１の回折格子２
の１ピッチ分の変位に対して、受光素子５２Ａ，５２Ｂ
からは１周期分の完全正弦波信号φＡ，φＢが得られる
から、スケール１の変位速度の制限を従来の２倍に緩和
することができる。

【００１９】このことは、スケール１の変位に対する応
答速度を従来に比べ倍増することができる。例えば、回
折格子２の１ピッチを０．５μｍとすると、図３に示す
如く、各受光素子５２Ａ，５２Ｂからは周期が０．５μ
ｍの完全正弦波信号φＡ，φＢが得られるから、従来と
同じ受光素子や信号増幅回路を用いた場合に比べ、スケ
ール１の変位速度の制限を従来の２倍に緩和することが
できる。

【００２０】ただ、従来と同じ分割回路を用いた場合、
分解能は従来に比べ１／２に低下する。しかし、分割数
を２倍、例えば、２５分割であったものを５０分割にす
れば従来通りの分解能が得られる。ちなみに、受光素子
５２Ａ，５２Ｂから得られる正弦波信号φＡ，φＢは光
の干渉信号で完全な正弦波であるから、分割数を２倍と
しても精度に与える悪影響は少ない。また、分割数を２
倍にすることは技術的にも容易である。

【００２１】また、構成的には，従来の光束分岐手段を
構成する偏光ビームスプリッタやミラーおよび光束混合
手段を構成するミラーやハーフミラーなどの光学系を省
略することができるから、部品点数を大幅に削減でき
る。よって、光学系を簡素化でき、その結果、装置の小
型化、組立ての簡易化およびローコスト化を達成するこ
とができる。

【００２２】第２実施例 第２実施例を図４および図５に示す、本実施例の格子干
渉型変位検出装置では、図４に示す如く、前記回折格子
４を有する基準スケール３が省略されているとともに、
前記回折格子２を透過した透過光Ｃ0 と前記回折格子２
によって回折された１次回折光Ｃ1 との干渉によって干
渉縞が得られるように、前記スケール１に対する前記レ
ーザビームＣの入射角αと前記回折格子２によって回折
される１次回折光Ｃ１の回折角βとが互いに等しくなる
ように構成されている。

【００２３】このような構成であるから、レーザ光源１
１から出射されたレーザビームＣがスケール１の回折格
子２上に入射すると、１次回折光Ｃ1 と回折格子２を透
過する透過光Ｃ0 とが得られる。ここで、１次回折光Ｃ
1は移動スケール１が回折格子２の１ピッチ分変位する
と位相が１周期分ずれるのに対し、透過光Ｃ0 （０次
光）は移動スケール１の変位に対しても位相が変化する
ことがない。

【００２４】また、レーザビームＣの入射角αと１次回
折光Ｃ1 の回折角βとが互いに等しくなるようにされて
いるから、１次回折光Ｃ1 と透過光Ｃ0 との干渉によっ
て干渉縞Ｅが作られる。干渉縞Ｅの間隔Ｌ′は、レーザ
ビームＣの波長をλとすると、 Ｌ′＝λ sinθ で与えられる。干渉縞Ｅは、移動スケール１が回折格子
２の１ピッチ分変位すると間隔Ｌだけ移動し、また、移
動スケール１の変位方向が逆になると、移動方向も逆に
なるから、干渉縞Ｅを検出器によって読み取れば、スケ
ール１の変位を検出することができる。

【００２５】例えば、図５に示す如く、干渉縞Ｅを読み
取る検出器６１を構成する。つまり、ピッチＬ′の２つ
のインデックススケール６４Ａ，６４Ｂを用い、一方の
インデックススケール６４Ｂを他方のインデックススケ
ール６４Ａに対してＬ′／４だけ位相をずらして配置す
れば、移動スケール１の回折格子２の１ピッチ分の変位
に対して、受光素子６２Ａ，６２Ｂからは９０度位相の
ずれた１周期分の完全正弦波信号φＡ，φＢが得られ
る。なお、６３Ａ，６３Ｂはレンズである。

【００２６】従って、第２実施例によれば、第１実施例
で述べた効果のほかに、第１実施例に比べ部品点数をよ
り削減（基準スケール不要）できる上、スケール１のギ
ャップ方向の移動に影響を受けることなくスケール１の
変位を高精度に検出することができる。

【００２７】以上、本発明について好適な実施例を挙げ
て説明したが、本発明はこの実施例に限定されるもので
なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改
良並びに設計の変更が可能なことは勿論である。

【００２８】例えば、上記実施例では、レーザ光源１１
や検出器５１，６１などの光学系に対してスケール１が
変位可能に設けられていたが、スケール１に対して上記
光学系が変位するものでもよく、あるいは、両者が共に
変位するものでもよい。要は、スケール１と光学系とが
相対変位するもの全てに適用することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上の通り、本発明の格子干渉型変位検
出装置によれば、従来に比べ部品点数を大幅に削減でき
るから、光学系を簡素化でき、その結果、装置の小型
化、組立ての簡易化およびローコスト化を達成すること
ができる。また、１次回折光と実質的に０次光と等価な
光との干渉であるから、スケールの回折格子１ピッチ分
の相対変位に対して、検出器からは１周期分の完全正弦
波信号が得られるから、相対変位速度の制限を従来の２
倍に緩和することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す図である。

【図２】図１の要部を拡大した図である。

【図３】図１および図２の装置によって得られる信号の
波形図である。

【図４】本発明の第２実施例を示す図である。

【図５】図４で用いる検出器を示す図である。

【図６】従来の格子干渉型変位検出装置を示す図であ
る。

【図７】従来の装置によって得られる信号の波形図であ
る。

【符号の説明】

１ 透過型移動スケール ２ 透過型回折格子 ３ 透過型基準スケール ４ 透過型干渉縞生成用回折格子 １１ レーザ光源（光源） ５１ 検出器 ６１ 検出器 Ｃ レーザビーム（光束） α 入射角 β 回折角

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透過型回折格子が形成されたスケールと、
   このスケールの回折格子上に入射される光束を出射する
   光源と、前記スケールに対して所定の傾き角をもって配
   置されかつ前記回折格子を透過した透過光を回折させる
   とともに前記回折格子によって回折された１次回折光と
   干渉させて干渉縞をつくる干渉縞生成用回折格子と、前
   記干渉縞を電気信号として読み取る検出器とを備えた、
   ことを特徴とする格子干渉型変位検出装置。
2. 【請求項２】透過型回折格子が形成されたスケールと、
   このスケールの回折格子上に入射される光束を出射する
   光源とを有し、前記回折格子を透過した透過光と前記回
   折格子によって回折された１次回折光との干渉によって
   干渉縞が得られるように、前記スケールに対する前記光
   束の入射角と前記回折格子によって回折される１次回折
   光の回折角とが互いに等しくなるように構成するととも
   に、前記干渉縞を電気信号として読み取る検出器を設け
   た、ことを特徴とする格子干渉型変位検出装置。