JPH0914916A

JPH0914916A - 格子干渉型変位検出装置

Info

Publication number: JPH0914916A
Application number: JP16554695A
Authority: JP
Inventors: Osamu Kawatoko; 修川床; Naoya Ko; 尚弥胡
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 1995-06-30
Filing date: 1995-06-30
Publication date: 1997-01-17

Abstract

(57)【要約】【目的】スケールの幅寸法を小さくでき、しかも、ス
ケールにコヒーレント光を導くための光学系を簡素化で
きる高分解能な格子干渉型変位検出装置を提供する。【構成】スケールＳに、格子角度α₁,α₂,α₃が異な
り、かつ、ピッチＰ_1,Ｐ _2,Ｐ₃がわずかに異なる複数の
格子パターンＰＴ_1,ＰＴ_2,ＰＴ₃を多重形成して回折格
子Ｇを形成し、これに光束を照射する。１つの格子パタ
ーンで生成された異なる次数の回折光を混合し干渉縞を
つくる第１の光混合手段と、異なる格子パターンで生成
された同じ次数の回折光を混合し干渉縞を作る第２の光
混合手段とを設けることにより、周期の異なる複数の検
出信号を得る。

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、光の干渉を利用してスケールと
検出器との絶対的な変位量を検出するようにした格子干
渉型変位検出装置において、スケールの小型化に利用で
きる。

【０００２】

【背景技術】光電型エンコーダの高分解能化をはかった
ものの１つとして、スケールにホログラフィ技術を用い
て微細なピッチ（通常、１μｍ程度）の目盛を形成し、
その目盛を回折格子として積極的に回折を生じさせて検
出信号を得る格子干渉型変位検出装置が提案されている
（特開昭４７−１００３４号公報）。

【０００３】一方、格子ピッチの異なる複数の格子トラ
ックをもつ第１スケールと、各格子トラックに対応して
格子窓を設けた第２スケールと、各格子窓に対向配置さ
れた光源および光電変換素子とによって構成された光学
式の絶対位置エンコーダが知られている（特開平４−７
６４１９号の従来技術参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前者の格子
干渉型変位検出装置は、格子ピッチが小さいので、スケ
ールの移動速度が速くなると、検出回路の処理が追従で
きずミスカウントが生じてしまうため、移動速度が制約
される、あるいは、検出回路の処理速度を十分に高めな
ければならないという問題があった。そこで、後者の絶
対位置エンコーダの格子トラックの１つに、前記格子干
渉型変位検出装置の微細ピッチの回折格子を用いれば、
高分解能な絶対位置エンコーダが実現でき、移動速度の
制約も解消できる。

【０００５】しかし、長いピッチの格子はホログラフィ
技術でつくることが困難なため、スケールの格子は別々
の工程で作らざるを得ず、スケールの製造プロセスが複
雑になるという問題が生じる。また、長いピッチの検出
は、第２スケールを必要とし、微細なピッチの検出はコ
ヒーレントな光源を必要とするなど検出原理の違う検出
器を混載するために検出器が大型化、複雑化するという
問題も生じる。

【０００６】そこで、本出願人は、上述した従来の格子
干渉型変位検出装置のもつ問題点を解消し、１つの製造
技術でスケールができ、しかも、検出器が大型化、複雑
化することもなく、かつ、移動速度に制約のない高分解
能な格子干渉型変位検出装置を本発明と同時に提案し
た。これを、図４〜図７を参照しながら説明する。

【０００７】図４は上記変位検出装置の検出光学系を示
す斜視図、図５はスケールを上面からみた平面図であ
る。これらの図に示すように、スケールＳ上には、格子
ピッチがわずかに異なる複数（ここでは、３本）の回折
格子トラックＴ_1,Ｔ_2,Ｔ₃がそれぞれ形成されている。
つまり、格子ピッチＰ₁の第１回折格子トラックＴ
₁と、格子ピッチＰ₂（Ｐ₂＞Ｐ₁）の第２回折格子ト
ラックＴ₂と、格子ピッチＰ ₃（Ｐ₂＞Ｐ₃＞Ｐ₁）の
第３回折格子トラックＴ₃とがそれぞれ形成されてい
る。

【０００８】これらの回折格子トラックＴ_1,Ｔ_2,Ｔ₃に
レーザビームを照射するための光源として、レーザダイ
オードＬＤ₁が設けられている。レーザダイオードＬＤ
₁から発射されたレーザビームはハーフミラーＨＭ₁で
分割され、一方のレーザビームは第１回折格子トラック
Ｔ₁の中心を通る面内に方向を曲げられ第１回折格子ト
ラック照射用光源となる。他方のレーザビームはハーフ
ミラーＨＭ₂に向かい、そこで、さらに分割される。ハ
ーフミラーＨＭ₂で分割された一方のレーザビームは第
２回折格子トラックＴ₂の中心を通る面内に方向を曲げ
られ第２回折格子トラック照射用光源となる。他方のレ
ーザビームはミラーＭ₁に向かい、そこで、第３回折格
子トラックＴ₃の中心を通る面内に方向を曲げられ第３
回折格子トラック照射用光源となる。

【０００９】第１回折格子トラックＴ₁の検出系は、基
本的に特公平６−３８０５０号と同等である。ただし、
説明の簡略化のため、ここでは、９０度位相差信号を得
るための光学系は省略する。第１回折格子トラック照射
用レーザビームは、ハーフミラーＨＭ₃で２分割され、
その後、両ビームはミラーＭ_2,Ｍ₃で反射され、同一の
入射角でそれぞれ対称に第１回折格子トラックＴ₁の同
一点に入射される。ミラーＭ₂から第１回折格子トラッ
クＴ₁を通った１次回折光Ｌ₁はハーフミラーＨＭ₄に
向かう。ミラーＭ₃から第１回折格子トラックＴ₁を通
った−１次回折光Ｌ_1cはハーフミラーＨＭ₅に向かう。
ハーフミラーＨＭ_4,ＨＭ₅でそれぞれ反射されたビーム
は、ハーフミラーＨＭ₆で混合され、光電変換素子（受
光素子）ＰＤ₁上で干渉縞を作り、そこで電気信号に変
換される。

【００１０】第２回折格子トラック照射用レーザビーム
は、ミラーＭ₄で反射され、第２回折格子トラックＴ₂
に入射される。そこで、回折された１次回折光Ｌ₂はハ
ーフミラーＨＭ₇に向かう。一方、前記第１回折格子ト
ラックＴ₁で回折された１次回折光Ｌ₁でかつハーフミ
ラーＨＭ₄を透過した方のビームは、ミラーＭ₅で反射
され、ハーフミラーＨＭ₇に向かう。ハーフミラーＨＭ
₇で２つのビームＬ_2,Ｌ₁は混合され、光電変換素子
（受光素子）ＰＤ₂上で干渉縞を作り、そこで電気信号
に変換される。

【００１１】第３回折格子トラック照射用レーザビーム
は、ミラーＭ_6,Ｍ₇で反射され、第３回折格子トラック
Ｔ₃に入射される。そこで、回折された−１次回折光Ｌ
_3cはハーフミラーＨＭ₈に向かう。一方、前記第１回折
格子トラックＴ₁で回折された−１次回折光Ｌ_1cでかつ
ハーフミラーＨＭ₅を透過した方のビームは、ミラーＭ
₈で反射され、ハーフミラーＨＭ₈に向かう。ハーフミ
ラーＨＭ₈で２つのビームＬ_3c,Ｌ_1cは混合され、光電
変換素子（受光素子）ＰＤ₃上で干渉縞を作り、そこで
電気信号に変換される。

【００１２】ここで、各回折光の電場をスケールの変位
ｘの複素振幅で表すと、

【数１】ただし、振幅は全て同じ１とした。

【００１３】従って、受光素子ＰＤ₁上に現れる干渉縞
の電場Ｅ₁は、

【数２】

【００１４】光の強度は電場の複素振幅の絶対値の２乗
に比例するので、この干渉光の強度Ｉ₁は、

【数３】

【００１５】従って、受光素子ＰＤ₁で検出される信号
は、スケールＳの動きｘに対して格子ピッチＰ₁の２倍
のピッチで周期変化する。このピッチＰ_m1は、Ｐ_m1＝Ｐ₁／２…………………………………………………………（７）で表せる。たとえば、第１回折格子トラックＴ₁の格子
ピッチＰ₁が０．５〔μｍ〕とすると、受光素子ＰＤ₁
で検出される信号のピッチＰ_m1はＰ_m1＝０．５／２＝０．２５〔μｍ〕である。

【００１６】同様に、受光素子ＰＤ₂上に現れる干渉縞
の電場Ｅ₂は、

【数４】

【００１７】干渉光の強度Ｉ₂は、

【数５】

【００１８】従って、受光素子ＰＤ₂で検出される信号
は、スケールＳの動きｘに対して第１回折格子トラック
Ｔ₁の格子ピッチＰ₁と第２回折格子トラックＴ₂の格
子ピッチＰ₂から、次のように算出されるピッチＰ_m2で
周期変化する。Ｐ_m2＝１／｛（１／Ｐ₁）−（１／Ｐ₂）｝＝（Ｐ₁・Ｐ₂）／（Ｐ₂−Ｐ₁）……………………………（１０）

【００１９】ここで、Ｐ_m2をＰ_m1のｋ₁倍に設定するに
は、（７）式と（１０）式とから、Ｐ_m2＝ｋ₁・Ｐ_m1 （Ｐ₁・Ｐ₂）／（Ｐ₂−Ｐ₁）＝ｋ₁・Ｐ₁／２Ｐ₂＝（ｋ₁・Ｐ₁）／（ｋ₁−２）………………………………（１１）となる。

【００２０】たとえば、ｋ₁＝６４倍とすると、前述の
ようにＰ₁＝０．５〔μｍ〕として、Ｐ₂＝（６４×０．５）／（６４−２）＝０．５１６１２９〔μｍ〕に設定すれば、Ｐ_m2＝６４×０．２５＝１６〔μｍ〕のピッチをもつ周期信号が得られる。

【００２１】同様に、受光素子ＰＤ₃上に現れる干渉縞
の電場Ｅ₃は、

【数６】

【００２２】干渉光の強度Ｉ₃は、

【数７】

【００２３】従って、受光素子ＰＤ₃で検出される信号
は、スケールＳの動きｘに対して第１回折格子トラック
Ｔ₁の格子ピッチＰ₁と第３回折格子トラックＴ₃の格
子ピッチＰ₃から、次のように算出されるピッチＰ_m3で
周期変化する。Ｐ_m3＝１／｛（１／Ｐ₁）−（１／Ｐ₃）｝＝（Ｐ₁・Ｐ₃）／（Ｐ₃−Ｐ₁）……………………………（１４）

【００２４】ここで、Ｐ_m3をＰ_m1のｋ₂倍に設定するに
は、（７）式と（１４）式とから、Ｐ_m3＝ｋ₂・Ｐ_m1 （Ｐ₁・Ｐ₃）／（Ｐ₃−Ｐ₁）＝ｋ₁・Ｐ₁／２Ｐ₃＝（ｋ₂・Ｐ₁）／（ｋ₁−２） ……………………………（１５）となる。

【００２５】たとえば、ｋ₂＝６４×６４＝４０９６倍
とすると、前述のようにＰ₁＝０．５〔μｍ〕として、Ｐ₃＝（４０９６×０．５）／（４０９６−２）＝０．５００２４４〔μｍ〕に設定すれば、Ｐ_m3＝４０９６×０．２５＝１０２４〔μｍ〕のピッチをもつ周期信号が得られる。

【００２６】このように、ピッチの非常に長い信号を取
出すのに、ピッチのわずかに異なる複数の回折格子トラ
ックを形成すればよいので、１つのスケール製造技術、
たとえば、ホログラフィ技術でつくることができる。ま
た、それぞれのピッチの検出信号を得る検出系は基本的
に同等なため、検出器の大型化、複雑化を最小限に抑え
ることができる。

【００２７】以上のようにして、３つのピッチＰ_m1,Ｐ
_m2,Ｐ_m3の周期信号を得ることができるが、実際には９
０度位相差（ピッチの１／４周期ずれた）信号を検出す
る光学系を挿入して、合計６つの検出信号を得る必要が
ある。ちなみに、９０度位相差信号を検出する光学系と
しては、特公平６−３８０５０号公報記載の格子干渉型
変位検出装置と同じように、各ハーフミラーＨＭ_6,ＨＭ
_7,ＨＭ₈の後方にビームスプリッタを設け、各ハーフミ
ラーＨＭ_6,ＨＭ_7,ＨＭ₈で混合された混合波を２分し、
一方の光路中に１／４波長板を挿入することによって、
他方の混合波の検出信号と９０度位相の異なる検出信号
を得ることができる。

【００２８】そこで、このようにして得られたピッチＰ
_m1の信号をＩ_1cosとＩ_1sin、ピッチＰ_m2の信号をＩ_2cos
とＩ_2sin、ピッチＰ_m3の信号をＩ_3cosとＩ_3sin、として
表し、これらを電気回路で演算することによってピッチ
Ｐ_m3の範囲の絶対位置データＸ_absを得る方法を、図６
に示す回路ブロック図を参照しながら説明する。

【００２９】図６において、９０度位相差の２つの信号
Ｉ_1cos，Ｉ_1sinを位相変換回路１に通し、ピッチＰ_m1の
１周期中のどの位置にいるか（位相θ₁）を算出する。
位相変換回路１は一般的には内挿回路と呼ばれており、
数種類の方法があるが、ここでは、Ａ／Ｄ変換器１１
Ａ，１１Ｂとメモリ（位相データ変換ＲＯＭ）１２とを
用いた方法で説明する。入力信号Ｉ_1cos，Ｉ_1sinをＡ／
Ｄ変換器１１Ａ，１１ＢでＡ／Ｄ変換し、その出力デー
タで位相データ変換ＲＯＭ１２のアドレスを指定する。
位相データ変換ＲＯＭ１２には、入力データの組合せで
決まる位相情報を格納しておく。この場合の位相は、０
〜２４９までの離散値となるように設定すると、Ｐ_m1＝
０．２５〔μｍ〕の場合、分解能が１ｎｍとなる。

【００３０】Ｉ_2cos，Ｉ_2sinについても、同様の位相変
換回路２に通し、位相θ₂を算出する。この場合の位相
は、０〜２５５までの離散値とする。Ｉ_3cos，Ｉ_3sinに
ついても、同様の位相変換回路３に通し、位相θ₃を算
出する。この場合の位相は、０〜２５５までの離散値と
する。

【００３１】ここで、スケールＳの動きｘに対するそれ
ぞれの位相θ_1,θ_2,θ₃の変化を図７に示す。ピッチＰ
_m2はピッチＰ_m3の１／６４であり、θ₃の位相分解能は
Ｐ_m3の１／２５６に設定しているので、Ｐ_m2よりも小さ
い（高い）分解能をもっている。同様に、ピッチＰ_m1は
ピッチＰ_m2の１／６４であり、θ₂の位相分解能はＰ_m2
の１／２５６に設定しているので、Ｐ_m1よりも小さい
（高い）分解能をもっている。このように、１段階長い
ピッチの位相分解能を１段階短いピッチよりも小さく
（高く）とることで、短いピッチの位相が長いピッチの
中の何番目の周期のものであるかを特定することができ
る。

【００３２】図７において、スケールＳがある位置で止
まったとき、位相θ₁はθ₁', θ₂はθ₂', θ₃はθ₃'
を示したとする。θ₂'はピッチＰ_m3の中のＭ番目の周期
であることがθ₃'から、そして、θ₁'はピッチＰ_m2の中
のＮ番目の周期であることがθ₂'から、適当な論理演算
を行うことで特定できる。たとえば、図７において、θ
₃の４ステップがピッチＰ_m2に相当する。そこで、θ₂'
がＰ_m3の中のＭ番目であることを特定するには、θ₃'を
４で割った商を求めればよい。

【００３３】ただし、θ₂が２５５から０に切りかわる
時とθ₃のステップとが、必ずしも一致するとは限らな
いので、次のような演算を行って冗長性を持たせる。θ
₃'を４で割った商をｍ、余りをｓ₁とすると、もし、ｓ
₁＝０、かつ、１２８≦θ₂'ならば、Ｍ＝ｍ−１、も
し、ｓ₁＝３、かつ、θ₂'＜１２８ならば、Ｍ＝ｍ＋
１、その他の条件では、Ｍ＝ｍである。また、θ₁'がＰ
_m2の中のＮ番目であることを特定するのも同様である。
θ₂'を４で割った商をｎ、余りをｓ₂とすると、もし、
ｓ₂＝０、かつ、１２５≦θ₁'ならば、Ｎ＝ｎ−１、も
し、ｓ₂＝３、かつ、θ₁'＜１２５ならば、Ｎ＝ｎ＋
１、その他の条件では、Ｎ＝ｎである。

【００３４】このようにして、θ₃', θ₂'からＭ，Ｎを
特定した後、図６の合成演算回路４において、Ｘ_abs＝Ｍ・Ｐ_m2＋Ｎ・Ｐ_m1 ＋（θ₁'／２５０）Ｐ_m1 ……………………（１６）の演算を行うことで、絶対位置データＸ_absを算出でき
る。ただし、Ｍ，Ｎ番は０から始まるとする。以上のよ
うにすることで、１０２４〔μｍ〕のピッチＰ_m3の間の
絶対位置を１ｎｍ分解能で読み取れる高分解能な格子干
渉型変位検出装置が実現できる。

【００３５】ところが、上述した格子干渉型変位検出装
置に用いられるスケールＳは移動方向に沿って平行な複
数の回折格子トラックＴ_1,Ｔ_2,Ｔ₃をもつため、スケー
ルＳの幅寸法が大きくなってしまうという問題があっ
た。しかも、光源（レーザダイオードＬＤ₁）からのレ
ーザビームを各回折格子トラックＴ_1,Ｔ_2,Ｔ₃に導くた
めの光学系が複雑であるという問題があった。

【００３６】本発明の目的は、上述した本出願人提案の
格子干渉型変位検出装置の利点を維持しつつ、その欠点
を解消した格子干渉型変位検出装置を提供することにあ
る。つまり、１つの製造技術でスケールができ、しか
も、検出器が大型化、複雑化することもなく、かつ、移
動速度に制約のない高分解能な変位検出装置で、さら
に、スケールの幅寸法を小さくでき、しかも、スケール
にコヒーレント光を導くための光学系が簡素化できる格
子干渉型変位検出装置を提供することにある。

【００３７】

【課題を解決するための手段】本発明の格子干渉型変位
検出装置は、格子角度が互いに異なり、かつ、格子ピッ
チがわずかに異なる複数の格子パターンが多重形成され
た回折格子をもつスケールと、このスケールの回折格子
に光束を照射する光源と、前記回折格子の各格子パター
ンで生成された方向の異なる回折光のうち１つの格子パ
ターンで生成された異なる次数の回折光を混合し干渉縞
をつくる第１の光混合手段と、前記異なる格子パターン
で生成された同じ次数の回折光を混合し干渉縞を作る第
２の光混合手段と、これらの干渉縞を光電変換する受光
素子を含む検出器とを備え、前記スケールと検出器との
相対変位に応じて周期の異なる複数の検出信号を同時に
生成することを特徴とする。

【００３８】

【作用】本発明の格子干渉型変位検出装置によれば、回
折格子の各格子パターンで生成された方向の異なる回折
光のうち１つの格子パターンで生成された異なる次数の
回折光を混合し干渉縞をつくる第１の光混合手段によっ
て短い周期で変化する検出信号を得ることができ、ま
た、異なる格子パターンで生成された同じ次数の回折光
を混合し干渉縞を作る第２の光混合手段によって長い周
期で変化する検出信号を得ることができる。また、これ
らの検出信号を得るにも、格子角度が互いに異なり、か
つ、格子ピッチがわずかに異なる複数の格子パターンを
スケール上に形成すればよいから、１つのスケール製造
技術でつくることができる。しかも、複数の格子パター
ンはスケール上に多重形成されているから、スケールの
幅寸法を小さくでき、かつ、スケールにコヒーレント光
を導くための光学系も簡素化できる。また、それぞれの
ピッチの検出信号を得る検出系も基本的に同等なため、
検出器の大型化、複雑化を抑えることができる。もとよ
り、移動速度にも制約がない。

【００３９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図を参照しながら
詳細に説明する。図１に本実施例に係る変位検出装置の
スケールを示す。（Ａ）に示すように、スケールＳに
は、回折格子Ｇが形成されている。回折格子Ｇは、格子
角度が互いに異なり、かつ、格子ピッチがわずかに異な
る複数（３つ）の格子パターンＰＴ _1,ＰＴ_2,ＰＴ₃が多
重（順に重なって）形成されている。

【００４０】第１格子パターンＰＴ₁は、図１（Ｂ）に
示すように、スケールＳの移動方向に対して格子角度が
直角（α₁＝９０度）に刻まれ、かつ、格子ピッチ（移
動方向でのピッチ）がＰ₁に形成されている。第２格子
パターンＰＴ₂は、図１（Ｃ）に示すように、スケール
Ｓの移動方向に対して格子角度がある角度（α₂＝４５
度）に刻まれ、かつ、格子ピッチ（移動方向でのピッ
チ）がＰ₂（Ｐ₂＞Ｐ₁）に形成されている。第３格子
パターンＰＴ₃は、図１（Ｄ）に示すように、スケール
Ｓの移動方向に対して格子角度が第２格子パターンＰＴ
₂とは反対にある角度（α₃＝４５度）に刻まれ、か
つ、格子ピッチ（移動方向でのピッチ）がＰ₃（Ｐ₂＞
Ｐ₃＞Ｐ ₁）に形成されている。ちなみに、このような
スケールＳをホログラフィ技術で作る場合は、参照光と
３方向からの光を順次干渉させて作ることができる。あ
るいは、ＥＢ（電子描画）装置を使っても描画分解能の
点で問題が残るが製作は可能である。

【００４１】図２は図１のスケールＳを用いた検出光学
系を示す斜視図、図３はその検出光学系を上から見た図
である。第１格子パターンＰＴ₁の干渉信号を得るため
の光学系は、基本的に特公平６−３８０５０号と同等で
ある。ただし、説明の簡略化のため、ここでは、９０度
位相差信号を得るための光学系は省略する。光源である
レーザダイオードＬＤ₁から発射されたレーザビーム
は、ハーフミラーＨＭ₁で２分割され、その後、両ビー
ムはミラーＭ_1,Ｍ₂で反射され、同一の入射角でそれぞ
れ対称に回折格子Ｇの同一点に入射される。入射点をＰ
としたとき、Ｐ，Ｍ_1,ＨＭ₁で形成される面はスケール
Ｓの移動方向と平行に設置されているものとする

【００４２】前記ミラーＭ₁から回折格子Ｇを通った回
折光は、直進する１つの０次光と、３つの１次回折光Ｌ
_1,Ｌ_2,Ｌ₃に別れる。第１格子パターンＰＴ₁で回折さ
れた１次回折光Ｌ₁は、スケールＳの移動方向上のハー
フミラーＨＭ₂に進む。第２格子パターンＰＴ₂で回折
された１次回折光Ｌ₂は、スケールＳの移動方向から外
れたミラーＭ₄に進む。第３格子パターンＰＴ₃で回折
された１次回折光Ｌ₃は、１次回折光Ｌ₁を挟み１次回
折光Ｌ₂とは反対側に進む。

【００４３】前記ミラーＭ₂から回折格子Ｇを通った回
折光も、直進する１つの０次光と、３つの−１次回折光
Ｌ_1c,Ｌ_2c,Ｌ_3cに別れる。第１格子パターンＰＴ₁で
回折された−１次回折光Ｌ_1cは、スケールＳの移動方向
上のハーフミラーＨＭ₃に進む。第２格子パターンＰＴ
₂で回折された−１次回折光Ｌ_2cは、スケールＳの移動
方向から外れた方向に進む。第３格子パターンＰＴ₃で
回折された−１次回折光Ｌ_3cは、−１次回折光Ｌ_1cを挟
み−１次回折光Ｌ_2cとは反対側のミラーＭ₆に進む。

【００４４】前記第１格子パターンＰＴ₁で回折された
１次回折光Ｌ₁と−１次回折光Ｌ_1cのうち、ハーフミラ
ーＨＭ_2,ＨＭ₃で反射された光は、ハーフミラーＨＭ₄
で混合され、光電変換素子（受光素子）ＰＤ₁上で干渉
縞を作り、そこで電気信号に変換される。ここに、ハー
フミラーＨＭ_2,ＨＭ_3,ＨＭ₄により、各格子パターンＰ
Ｔ_1,ＰＴ_2,ＰＴ₃で生成された方向の異なる回折光のう
ち１つの格子パターンＰＴ₁で生成された異なる次数の
回折光Ｌ_1,Ｌ_1cを混合し干渉縞を作る第１の光混合手段
が構成されている。

【００４５】前記ハーフミラーＨＭ₂を透過した１次回
折光Ｌ₁は、ミラーＭ₃で方向を曲げられハーフミラー
ＨＭ₅に進む。一方、第２格子パターンＰＴ₂で回折さ
れた１次回折光Ｌ₂は、ミラーＭ₄で方向を曲げられハ
ーフミラーＨＭ₅に進む。ハーフミラーＨＭ₅で２つの
光Ｌ_1,Ｌ₂は混合され、光電変換素子（受光素子）ＰＤ
₂上で干渉縞を作り、そこで電気信号に変換される。こ
こに、ハーフミラーＨＭ₅およびミラーＭ_3,Ｍ₄によ
り、異なる格子パターンＰＴ_1,ＰＴ₂で生成された同じ
次数の回折光Ｌ_1,Ｌ₂を混合し干渉縞を作る第２の光混
合手段が構成されている。

【００４６】前記ハーフミラーＨＭ₃を透過した−１次
回折光Ｌ_1cは、ミラーＭ₅で方向を曲げられハーフミラ
ーＨＭ₆に進む。一方、第３格子パターンＰＴ₃で回折
された−１次回折光Ｌ_3cは、ミラーＭ₆で方向を曲げら
れハーフミラーＨＭ₆に進む。ハーフミラーＨＭ₆で２
つの光Ｌ_1c,Ｌ_3cは混合され、光電変換素子（受光素
子）ＰＤ₃上で干渉縞を作り、そこで電気信号に変換さ
れる。ここに、ハーフミラーＨＭ₆およびミラーＭ_5,Ｍ
₆により、異なる格子パターンＰＴ_1,ＰＴ₃で生成され
た同じ次数の回折光Ｌ_1c,Ｌ_3cを混合し干渉縞を作る第
２の光混合手段が構成されている。

【００４７】このように、スケールＳの移動方向に対し
て、格子角度（α_1,α_2,α₃）が互いに異なる複数の格
子パターンＰＴ_1,ＰＴ_2,ＰＴ₃を多重形成した回折格子
Ｇを用いることで、それぞれの格子パターンＰＴ_1,ＰＴ
_2,ＰＴ₃で回折される回折光の方向を変えることができ
る。従って、それぞれの格子パターン情報を独立に取り
出すことができるから、図４〜図７に示す複数の回折格
子トラックを用いたものと同じように変位検出が可能と
なる。

【００４８】すなわち、図４〜図７に示す格子干渉型変
位検出装置と同じように、Ｐ₁＝０．５〔μｍ〕Ｐ₂＝０．５１６２１９〔μｍ〕Ｐ₃＝０．５００２４４〔μｍ〕とすると、受光素子ＰＤ₁での干渉信号は０．２５〔μ
ｍ〕、受光素子ＰＤ₂での干渉信号は１６〔μｍ〕、受
光素子ＰＤ₃での干渉信号は１０２４〔μｍ〕のピッチ
をもつ周期信号を得ることができる。

【００４９】従って、９０度位相差信号を検出する光学
系を挿入して、合計６つの検出信号を得、これを図６に
示す検出回路に入力すれば、１０２４〔μｍ〕の範囲の
間の絶対位置を１ｎｍ分解能で読み取れる高分解能な格
子干渉型変位検出装置が実現できる。しかも、この実施
例によれば、複数の格子パターンＰＴ_1,ＰＴ_2,ＰＴ₃は
スケールＳ上に多重形成されているから、図４〜図７に
示す格子干渉型変位検出装置の利点を維持しつつ、その
欠点を解消できる。つまり、スケールＳの幅寸法を小さ
くでき、かつ、スケールＳにコヒーレント光を導くため
の光学系を簡素化できる。

【００５０】上記実施例では、３つの格子パターンＰＴ
_1,ＰＴ_2,ＰＴ₃を多重形成した回折格子Ｇを用いたが、
格子角度を変えた４つ以上の格子パターンを多重形成し
て回折格子を構成し、かつ、光学系を増やすことで、よ
り多くの情報が得られるようにすれば、より正確に、あ
るいは、より長いストロークに亘って絶対位置の検出が
可能となる。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、１つの製造技術でスケ
ールができ、しかも、検出器が大型化、複雑化すること
もなく、かつ、移動速度に制約のない高分解能な格子干
渉型変位検出装置を得ることができる。しかも、スケー
ルの幅寸法を小さくでき、かつ、スケールにコヒーレン
ト光を導くための光学系を簡素化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る格子干渉型変位検出装置の一実施
例で用いるスケールを示す図である。

【図２】同上実施例で用いられる検出光学系を示す斜視
図である。

【図３】図２の検出光学系を上から見た図である。

【図４】本発明に係る格子干渉型変位検出装置の基本原
理を示す斜視図である。

【図５】図４で用いられるスケールの平面図である。

【図６】図４で用いられる検出回路を示すブロック図で
ある。

【図７】図６で求められる位相θ_1,θ_2,θ₃の変化を示
す図である。

【符号の説明】

ＳスケールＧ回折格子ＰＴ_1,ＰＴ_2,ＰＴ₃ 格子パターンＰＤ₁レーザダイオード（光源）ＨＭ_2,ＨＭ_3,ＨＭ₄ハーフミラー（第１の光混合手段）ＨＭ₅ハーフミラーおよびＭ_3,Ｍ₄ミラー（第２の光混
合手段）ＨＭ₆ハーフミラーおよびＭ_5,Ｍ₆ミラー（第２の光混
合手段）ＰＤ_1,ＰＤ_2,ＰＤ₃光電変換素子（受光素子）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】格子角度が互いに異なり、かつ、格子ピ
ッチがわずかに異なる複数の格子パターンが多重形成さ
れた回折格子をもつスケールと、このスケールの回折格子に光束を照射する光源と、前記回折格子の各格子パターンで生成された方向の異な
る回折光のうち１つの格子パターンで生成された異なる
次数の回折光を混合し干渉縞をつくる第１の光混合手段
と、前記異なる格子パターンで生成された同じ次数の回折光
を混合し干渉縞を作る第２の光混合手段と、これらの干渉縞を光電変換する受光素子を含む検出器と
を備え、前記スケールと検出器との相対変位に応じて周期の異な
る複数の検出信号を同時に生成することを特徴とする格
子干渉型変位検出装置。