(57)【要約】      （修正有）【課題】多数の光学部品を用いることなく、少なくとも所定の軸周りの角度変位を計測可能な変位計測装置及び変位計測方法を提供する。【解決手段】変位計測装置１００は、対向する回折格子対２０と、複数の受光領域Ａ及びＢを有するＰＤ３１を備える。回折格子対２０の所定の軸周りの相対的な回転の角度変位に応じて、ＰＤ３１の検出領域で得られる干渉光の光量が変化する。また、回折格子対の相対的な回転の所定角度範囲においては、受光領域Ａ及びＢの中心を境にして、それら受光領域Ａ及びＢで得られる光量が異なる。したがって、演算回路は、受光領域Ａ及びＢで得られた信号に基づいて所定の演算を行うことにより、回折格子対２０の所定の軸周りの相対的な回転の角度変位を算出することができる。【選択図】図２
2014228491.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光線の進路に沿って配置され、相対移動可能であり、回折光をそれぞれ発生する回折格子対と、
前記回折格子対のうちいずれか１つの回折格子から発生したｎ次回折光（ｎは０以外の整数）の進路に沿う一組の回折光の干渉光を検出可能な複数の受光領域と、
前記複数の受光領域でそれぞれ得られた信号に基づき、前記回折格子対の相対的な回転の角度変位を算出する演算手段と
を具備する変位計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の変位計測装置であって、
前記回折格子対は、複数の格子線をそれぞれ有し、
前記複数の受光領域は、前記複数の格子線の配列方向である第１の方向に配列され、
前記演算手段は、前記格子線の方向である第２の方向に沿う軸の周りの前記角度変位を算出する
変位計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の変位計測装置であって、
前記演算手段は、前記複数の受光領域として２つの受光領域でそれぞれ得られた信号の演算値に基づいて、前記第２の方向に沿う軸の周りの前記角度変位を算出する
変位計測装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の変位計測装置であって、
前記第２の方向でさらに配列されて構成された複数の受光領域をさらに具備し、
前記演算手段は、前記第１の方向での複数の受光領域及び前記第２の方向での複数の受光領域でそれぞれ得られた信号に基づき、前記回折格子対の光軸の方向である第３の方向に沿う軸の周りの前記角度変位を算出する
変位計測装置。
【請求項５】
請求項４に記載の変位計測装置であって、
前記複数の受光領域は、マトリクス状に配置された４つの受光領域であり、
前記演算手段は、前記４つの受光領域のうち、第１の対角線上に位置する２つの受光領域でそれぞれ得られた信号の演算値と、前記第１の対角線に交わる第２の対角線上に位置する２つの受光領域でそれぞれ得られた信号の演算値とに基づく値を算出することで、前記第３の方向に沿う軸の周りの前記角度変位を算出する
変位計測装置。
【請求項６】
請求項１に記載の変位計測装置であって、
前記複数の受光領域は、前記ｎ次回折光のうち、＋ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）の進路側に配置される第１の受光領域群と、−ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）の進路側に配置される第２の受光領域群として構成される
変位計測装置。
【請求項７】
請求項６に記載の変位計測装置であって、
前記回折格子対は、複数の格子線をそれぞれ有し、
前記第１の受光領域群は、前記複数の格子線の配列方向である第１の方向で配列された第１の受光領域及び第２の受光領域を有し、
前記第２の受光領域群は、前記第１の方向で配列された第３の受光領域及び第４の受光領域を有し、
前記第３の受光領域は、前記回折格子対の光軸を中心として、前記第１の方向で前記第１の受光領域と同じ側に位置し、前記第４の受光領域は、前記第１の方向で前記第２の受光領域と同じ側に位置し、
前記演算手段は、前記第１及び前記第３の受光領域でそれぞれ得られた信号の演算値と、前記第２及び前記第４の受光領域でそれぞれ得られた信号の演算値とに基づく値を算出することで、前記格子線の方向である第２の方向に沿う軸の周りの前記角度変位を算出する
変位計測装置。
【請求項８】
光源からの光線の進路に沿って配置された相対移動可能な回折格子対に、前記光源からの光が入射することにより、前記回折格子対から回折光をそれぞれ発生させ、
複数の受光領域により、前記回折格子対のうちいずれか１つの回折格子から発生したｎ次回折光（ｎは０以外の整数）の進路に沿う一組の回折光の干渉光を検出し、
前記複数の受光領域でそれぞれ得られた信号に基づき、前記回折格子対の相対的な回転の角度変位を算出する
変位計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉を利用した変位計測装置及び変位計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、光干渉を利用した変位計測装置が開示されている。この変位計測装置は、光源側から順に、レーザ光源、コリメータレンズ、第１の回折格子、第２の回折格子及び光センサを備えている。光センサは、第１の回折格子で回折された回折光（例えば１次）と、第１の回折格子を直進した０次光が第２の回折光で回折されて発生する回折光（例えば１次）との干渉光を検出する。この変位計測装置は、光センサで検出される干渉光の明暗による光量の変化に基づき、第１及び第２の回折格子の距離の変化、つまり計測対象となる変位を計測する（例えば、特許文献１の明細書段落［００２０］、［００２３］、［００２７］、図１〜３等参照）。
【０００３】
特許文献２に記載の光電式エンコーダは、２つの回折格子と、移動格子とを備える。移動格子には、２つの回折格子で回折されて生成された６つの光束（２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ）が入射し、この移動格子５から出射される３つの異なる方向の光束を、３つの受光素子によりそれぞれ受ける。これらの受光素子の出力信号に基づき、エンコーダ処理回路が干渉光強度の位相情報の演算を行うことで、移動格子のｘ及びｚ方向の変位と、ｙ軸周りの傾きであるピッチ角の変位の情報が得られる（例えば、特許文献２の明細書段落［０００８］〜［００１４］、図１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０４３３５４号パンフレット
【特許文献２】特開２００５−３２６２３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２の光電式エンコーダでは、上記のように直線方向の変位及び軸周りの角度変位を計測するために、光学部品数が多くなり小型化が難しい。
【０００６】
本発明の目的は、多数の光学部品を用いることなく、少なくとも所定の軸周りの角度変位を計測可能な変位計測装置及び変位計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る変位計測装置は、光源と、回折格子対と、複数の受光領域と、演算手段とを具備する。
前記回折格子対は、前記光源からの光線の進路に沿って配置され、相対移動可能であり、回折光をそれぞれ発生する。
前記複数の受光領域は、前記回折格子対のうちいずれか１つの回折格子から発生したｎ次回折光（ｎは０以外の整数）の進路に沿う一組の回折光の干渉光を検出可能である。
前記演算手段は、前記複数の受光領域でそれぞれ得られた信号に基づき、前記回折格子対の相対的な回転の角度変位を算出する。
【０００８】
上記変位計測装置は、対向する回折格子対と、干渉光を検出可能な複数の受光領域とを主に備えることにより、演算手段の演算処理によって、回折格子対の相対的な角度変位を算出することができる。すなわち、少ない光学部品でその角度変位を計測することができ、装置の小型化を実現することができる。
【０００９】
前記回折格子対は、複数の格子線をそれぞれ有し、前記複数の受光領域は、前記複数の格子線の配列方向である第１の方向に配列されてもよい。また、前記演算手段は、前記格子線の方向である第２の方向に沿う軸の周りの前記角度変位を算出してもよい。各受光領域が受ける上記干渉光の光量は、その第２の方向に沿う軸周りの回折格子対の角度変位に応じてそれぞれ変化する。したがって、演算手段は、第２の方向に沿う軸の周りの角度変位を算出することができる。
【００１０】
演算手段が上記角度変位を算出するためには、複数の受光領域全体を検出領域とすると、検出領域の第１の方向の幅より、前記検出領域で検出される干渉光の干渉縞の前記第１の方向の幅が狭い、という条件が必要となる。
【００１１】
前記演算手段は、前記複数の受光領域として２つの受光領域でそれぞれ得られた信号の演算値に基づいて、前記第２の方向に沿う軸の周りの前記角度変位を算出してもよい。
【００１２】
前記変位計測装置は、前記第２の方向でさらに配列されて構成された複数の受光領域をさらに具備してもよい。また、前記演算手段は、前記第１の方向での複数の受光領域及び前記第２の方向での複数の受光領域でそれぞれ得られた信号に基づき、前記回折格子対の光軸の方向である第３の方向に沿う軸の周りの前記角度変位を算出してもよい。それらの受光領域が受ける上記干渉光の光量に基づく所定の演算値は、第３の方向に沿う軸周りの回折格子対の角度変位に応じて変化する。したがって、演算手段は、第３の方向に沿う軸周りの角度変位を算出することができる。
【００１３】
例えば、前記複数の受光領域は、マトリクス状に配置された４つの受光領域であってもよい。そして、前記演算手段は、前記４つの受光領域のうち、第１の対角線上に位置する２つの受光領域でそれぞれ得られた信号の演算値と、前記第１の対角線に交わる第２の対角線上に位置する２つの受光領域でそれぞれ得られた信号の演算値とに基づく値を算出することで、前記第３の方向に沿う軸の周りの前記角度変位を算出してもよい。
【００１４】
前記複数の受光領域は、前記ｎ次回折光のうち、＋ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）の進路側に配置される第１の受光領域群と、−ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）の進路側に配置される第２の受光領域群として構成されてもよい。第１及び第２の受光領域群を用いることにより、回折格子対の角度変位に応じた干渉光の変化の検出感度を高めることができる。あるいは、演算手段は、第１の受光領域群で得られた信号に基づき、所定方向に沿う軸周りの角度変位を検出し、第２の受光領域群で得られた信号に基づき、その軸とは異なる方向の軸周りの角度変位を検出することもできる。
【００１５】
前記回折格子対は、複数の格子線をそれぞれ有してもよい。前記第１の受光領域群は、前記複数の格子線の配列方向である第１の方向で配列された第１の受光領域及び第２の受光領域を有し、前記第２の受光領域群は、前記第１の方向で配列された第３の受光領域及び第４の受光領域を有してもよい。そして、前記第３の受光領域は、前記回折格子対の光軸を中心として、前記第１の方向で前記第１の受光領域と同じ側に位置し、前記第４の受光領域は、前記第１の方向で前記第２の受光領域と同じ側に位置してもよい。また、前記演算手段は、前記第１及び前記第３の受光領域でそれぞれ得られた信号の演算値と、前記第２及び前記第４の受光領域でそれぞれ得られた信号の演算値とに基づく値を算出することで、前記格子線の方向である第２の方向に沿う軸の周りの前記角度変位を算出してもよい。
【００１６】
本発明に係る変位計測方法は、光源からの光線の進路に沿って配置された相対移動可能な回折格子対に、前記光源からの光が入射することにより、前記回折格子対から回折光をそれぞれ発生させることを含む。
複数の受光領域により、前記回折格子対のうちいずれか１つの回折格子から発生したｎ次回折光（ｎは０以外の整数）の進路に沿う一組の回折光の干渉光が検出される。
前記複数の受光領域でそれぞれ得られた信号に基づき、前記回折格子対の相対的な回転の角度変位が算出される。
【発明の効果】
【００１７】
以上、本発明によれば、多数の光学部品を用いることなく、少なくとも所定の軸周りの角度変位を計測可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る変位計測装置の基本的な光学系の構成を模式的に示す図である。
【図２】図２は、図１に示す変位計測装置の斜視図である。
【図３】図３は、図１に示したＰＤの受光領域を模式的に示す図である。
【図４】図４は、回折格子対から出射される各回折光の干渉パターンを示す。
【図５】図５Ａ〜Ｃは、回折格子対間のｙ軸周りのチルト角ごとの、上記干渉パターンの変化を示す。
【図６】図６は、第２の実施形態に係る変位計測装置の構成を示す斜視図である。
【図７】図７は、図６に示したＰＤ４１の検出領域を示す。
【図８】図８は、回折格子対間の相対的なｙ軸周りのチルト角と、演算値との関係を示す実測のグラフである。
【図９】図９は、本発明の第３の実施形態を説明するために、回折格子間のｚ軸周りのチルト角の発生を示す図である。
【図１０】図１０Ａ〜Ｅは、回折格子対２０のｚ軸回りのチルト角ごとの、干渉パターンの変化を示す。
【図１１】図１１は、回折格子対間の相対的なｚ軸周りのチルト角と、演算値との関係を示す実測のグラフである。
【図１２】図１２は、本発明の第４の実施形態に係る変位計測装置の構成を示す斜視図である。
【図１３】図１３は、第４の実施形態において、回折格子対間の相対的なｙ軸周りのチルト角が発生した時の干渉パターンと、２つのＰＤがそれぞれ受ける光量を示す。
【図１４】図１４は、本発明の第５の実施形態に係る変位計測装置の構成を示す斜視図である。
【図１５】図１５は、本発明の第８の実施形態において、回折格子対間の相対的なｚ方向の変位と、ＰＤで検出される信号との関係を模式的に示すグラフである。
【図１６】図１６は、図２及び６等に示す光学系及びこれを収容する筐体を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００２０】
１．第１の実施形態
（１）変位計測装置の基本的構成
図１及び２は、本発明の第１の実施形態に係る変位計測装置の基本的な光学系の構成を模式的に示す図である。
【００２１】
変位計測装置１００は、光源１２、コリメータレンズ１４、回折格子対２０、光センサとしてのＰＤ（Photo Detector）３１を備える。
【００２２】
光源１２は、ＬＤ（Laser Diode）、あるいはＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、図示しないドライバにより駆動される。
【００２３】
コリメータレンズ１４は、光源１２から出射された光を平行光１５にする。少なくともこれら光源１２及びコリメータレンズ１４により、平行光を発生する光学系が構成される。
【００２４】
回折格子対２０には、光源１２及びコリメータレンズ１４からの光が入射され、回折光を出射する。回折格子対２０は、第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２によって構成される。第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２は、光源１２及びコリメータレンズ１４からの光線の進路に沿って、ここでは光源１２及びコリメータレンズ１４の光軸に沿って対向して配置されており、後述するように所定方向に相対的に移動可能となっている。
【００２５】
第１の回折格子２１は、入射した平行光１５を、０次光である直進光３０と、ｎ次回折光（ｎは０以外の整数）２３とに分けて進行させる。なお、本明細書において「ｎ」の正負の符号を示さない場合は、ｎは０以外の整数を取り得、正負のうちいずれか一方のｎに着目している。
【００２６】
また、−ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）とは、ｚ方向に沿った軸線について、＋ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）と線対称となる回折光である。本実施形態では、回折光２３として、１次回折光が利用される。
【００２７】
第２の回折格子２２は、第１の回折格子２１から出射して第２の回折格子２２に入射した直進光３０を、さらに直進光３０（０次光）と、ｎ次回折光２５とに分けて進行させる。本実施形態では、回折光２５として、上記１次回折光２３の進路に沿って進む１次回折光が利用される。
【００２８】
また、第２の回折格子２２は、第１の回折格子２１から出射した１次回折光２３を、それと同方向に進行させる０次光も発生する。ここでは、説明の便宜上、第１の回折格子２１の１次回折光２３及びその進路に沿った第２の回折格子２２の０次光を、まとめて１次回折光２３と表現する。さらに、第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２を経由した後に、平行光１５と同方向に進行する０次光をまとめて直進光３０と表現している。
【００２９】
まとめると、回折光２３及び２５の構成は以下のようになる。
【００３０】
回折光２３：回折格子２１の１次回折光と回折格子２２の０次光
回折光２５：回折格子２１の０次光と回折格子２２の１次回折光
【００３１】
第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２で発生した各回折光のうち、第１の回折格子２１による１次回折光２３の進路に沿う少なくとも一組の回折光の干渉光２７が、この回折格子対２０から発生する。例えば、第１の回折格子２１による１次回折光２３と、直進光３０が第２の回折格子２２に入射して発生する１次回折光２５とが干渉して干渉光２７が発生する。
【００３２】
なお、本実施形態では、０次光及び１次回折光を利用することとしているが、他の所定次数の回折光を利用して、変位の計測が行われてもよい。また、実際には、図１に示す以外にも多数の回折光が存在するが、以下の説明を容易にするため、図示を省略している。
【００３３】
第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２は、実質的に同じ形状及び同じサイズを有する。例えば、回折格子２１（及び２２）は、図１において、ｚ方向に直交するｙ方向に沿った溝である複数の格子線２１ａ（及び２２ａ）を有する。第１の回折格子２１の格子線２１ａのピッチＰと、第２の回折格子２１の格子線２２ａのピッチＰとは実質的に同じに形成されている。格子線２１ａ及び２２ａの例として、ピッチＰが３．３μmであり、溝深さが４７３μmである。もちろん、これらの値に限られない。
【００３４】
本実施形態に係る変位計測装置１００は、格子線２１ａ及び２２ａに沿う軸であるｙ軸の周りの、第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２の相対的な回転の角度変位Δθを計測対象とする。すなわち、第１の回折格子２１と第２の回折格子２２とのｙ軸周りのチルト角Δθが計測対象とされる。
【００３５】
本明細書では、ｚ方向に直交する２軸をｘ、ｙ軸と定めている。上述したように、各回折格子の格子線２１ａ及び２２ａに沿う方向をｙ方向（第２の方向）とし、格子線２１ａ及び２２ａの配列方向をｘ方向（第１の方向）としている。ＰＤ３１は、この干渉光２７を検出することが可能な位置に配置されている。具体的には図２に示すように、ＰＤ３１は、回折格子対２０の光軸であるｚ軸からｘ方向へずれて配置されている。
【００３６】
図３は、ＰＤ３１の受光領域を模式的に示す図である。ＰＤ３１は、複数の受光領域を有する。具体的には、ＰＤ３１は、受光面全体の領域である検出領域が２つに分割されて構成された受光領域Ａ及びＢを有する。このように１つのＰＤ３１の検出領域が分割されて構成される受光領域Ａ及びＢが、回折格子対２０の格子線２１ａ及び２２ａの配列方向、つまりｘ方向に沿って配列されるように、ＰＤ３１と回折格子対２０とが相対的に配置される。
【００３７】
演算手段として機能する演算回路４０は、ＰＤ３１で得られる信号に基づいて、所定の演算処理を行うことで、チルト角Δθを算出する。演算回路４０は、例えばＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のハードウェアを主に備える。演算回路４０は、ＭＰＵに加え、またはＭＰＵに代えて、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のＰＬＤ(Programmable Logic Device)を備えていてもよいし、あるいは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等を備えていてもよい。また、演算回路４０は、物理的に分離した複数のチップパッケージや素子等で構成されていてもよい。
【００３８】
（２）回折格子対のｙ軸周りのチルト角の検出原理
図４は、回折格子対２０から出射される各回折光の干渉パターンを示す。図では、干渉パターンが、５つのほぼ円形の領域に分かれ、それらがｘ方向に沿って並んでいる。つまり、この図４は、概念的には５つのＰＤをｘ方向に沿って並べて配置した状態でそれらのＰＤが検出する光量（あるいは明度）の状態を示す。それらの５つのＰＤのうち中央のＰＤが、主に直進光３０を含む光を受ける。
【００３９】
その中央のＰＤの両側のうち右側に位置する２つのＰＤが、主に１次回折光の進路に沿って進む光（代表的には回折光２３及び２５）を受けるＰＤ３１である。
【００４０】
図５Ａ〜Ｃは、第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２間のｙ軸周りのチルト角Δθごとの、上記干渉パターンの変化を示す。チルト角Δθの変化に伴って、ＰＤ３１で検出される光量も変化する。特に、本発明者らは、チルト角Δθが大きくなるにしたがって、ＰＤ３１の検出領域で受ける光（つまり主に干渉光２７）の、当該検出領域のｘ方向での中心線ｍを境とした明度の差が大きくなることを発見した。したがって、受光領域Ａ、Ｂで得られる信号（例えば電圧信号レベル）をそれぞれＳA、ＳBとすると、それら受光領域Ａ及びＢで得られた信号の差分値ＳA−ＳBを算出することで、チルト角Δθを検出することができることがわかった。
【００４１】
演算回路４０は、算出した差分値ＳA−ＳBとチルト角Δθとの関係を示すルックアップテーブルによるデータを予め記憶しておくことにより、チルト角Δθを出力することができる。また、演算回路４０は、算出した差分値ＳA−ＳBの正負符号の違いにより、回折格子対２０間の相対的な回転方向を判別することができる。
【００４２】
以上のように、本実施形態に係る変位計測装置１００は、対向する回折格子対２０と、複数の受光領域Ａ及びＢを有するＰＤ３１を備えることにより、演算回路４０の演算処理によって、回折格子対２０の相対的な回転の角度変位を算出することができる。すなわち、少ない光学部品でその角度変位を計測することができ、装置の小型化を実現することができる。
【００４３】
２．第２の実施形態
次に、本発明の第２の実施形態に係る変位計測装置について説明する。以降の説明では、上記第１の実施形態に係る変位計測装置１００が含む部材や機能等について同様のものは説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。
【００４４】
図６は、第２の実施形態に係る変位計測装置の構成を示す斜視図である。この変位計測装置２００は、上記変位計測装置１００のＰＤ３１の受光領域と異なる受光領域を有するＰＤ４１を備える。
【００４５】
図７は、そのＰＤ４１の検出領域を示す。ＰＤ４１は、ｘ方向に配列された複数の受光領域を有するだけでなく、ｙ方向に配列された複数の受光領域を有する。すなわち、当該検出領域は、例えばマトリクス状に４つの受光領域Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤに分割されている。
【００４６】
ＰＤ４１は、上記第１の実施形態におけるＰＤ３１と同様に、例えば１次回折光の進路に沿う干渉光２７（図１参照）を受ける。演算回路４０（図１参照）は、このＰＤ４１の４つの受光領域で得られた信号に基づき演算し、上記第１の実施形態と同様の趣旨で、回折格子対２０間のｙ軸周りの相対的な回転の角度変位Δθを算出する。
【００４７】
受光領域Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤで得られる信号レベルをそれぞれＳA、ＳB、ＳC及びＳDとする。演算回路４０は、以下の演算値Ｓ1を求める。
【００４８】
Ｓ1＝（ＳA＋ＳB）−（ＳC＋ＳD）
【００４９】
この演算式により求められた演算値は、第１の実施形態に係るＰＤ３１での受光領域Ａ及びＢで得られる信号の差分値ＳA−ＳBと等価である。
【００５０】
図８は、回折格子対２０間の相対的なチルト角Δθ（deg）と、演算値Ｓ1との関係を示す実測のグラフである。縦軸の演算値は正規化されている。本実験では、回折格子対２０の格子線間のピッチＰが３．３μm、ＰＤ４１の光の検出領域のサイズが１mm四方とされた。
【００５１】
このような条件下では、チルト角Δθが０．９８°以下の場合、干渉縞のｘ方向の幅がＰＤ４１の検出領域のｘ方向の幅以上になるため、演算値Ｓ1は０であった。チルト角Δθが０．９８°を超えると、演算値Ｓ1が０より大きくなり、チルト角Δθを算出することができる。
【００５２】
回折格子対２０の格子線間のピッチＰが３．３μmの場合において、ＰＤ４１の検出領域のサイズが１mm四方を超えるサイズであれば、チルト角Δθが０．９８°以下であっても、原理的にはそのチルト角Δθを検出可能である。また、図８の実験データでは示されていないが、チルト角Δθが１．５°より大きい場合にも、演算回路４０は演算値Ｓ1を算出可能である。
【００５３】
演算回路４０は、以上のようなチルト角Δθと、演算値Ｓ1との関係を示すデータを予め記憶しておくことにより、（ＳA＋ＳB）−（ＳC＋ＳD）を演算し、その演算値に対応するチルト角Δθを求めることができる。また、演算回路４０は、演算値の正負符号の違いにより、チルト角Δθのチルト方向を判別することができる。
【００５４】
３．第３の実施形態
本発明の第３の実施形態に係る変位計測装置の構成は、上記４分割の受光領域Ａ〜Ｄを有するＰＤ４１を備えた変位計測装置２００と同様である。両者の異なる点は、検出対象である回折格子対２０の相対的な回転の方向と、その検出ための演算回路４０による演算方法である。
【００５５】
本実施形態に係る演算回路は、図９に示すように、２つの回折格子２１及び２２間の、光軸方向（第３の方向）であるｚ軸周りの角度変位であるチルト角Δφを算出する。
【００５６】
図１０Ａ〜Ｅは、２つの回折格子２１及び２２のｚ軸回りのチルト角Δφごとの、干渉パターンの変化を示す。このように、チルト角Δφが発生すると、干渉縞はその回転方向に捩れるように現れる。この場合、図１０において、ＰＤ４１の受光領域Ａ〜Ｄに注目すると、チルト角Δφが大きいほど、受光領域Ａ及びＤで得られる光量が、受光領域Ｂ及びＣで得られる光量より少なくなることがわかった。
【００５７】
すなわち、第１の対角線上に位置する２つの受光領域Ａ及びＤで得られた信号の演算値と、第１の対角線に交わる第２の対角線上に位置する２つの受光領域Ｃ及びＤで得られた信号の演算値とに基づく演算値Ｓ2により、チルト角Δφを求めることができる。例えば演算値Ｓ2は、以下の式により求められる。
【００５８】
Ｓ2＝（ＳA＋ＳD）−（ＳB＋ＳC）
【００５９】
図１１は、回折格子対２０間の相対的なチルト角Δφ（deg）と、演算値Ｓ2との関係を示す実測のグラフである。縦軸の演算値は正規化されている。ここでも、回折格子対２０の格子線間のピッチＰが３．３μm、ＰＤ４１の検出領域のサイズが１mm四方とされた。
【００６０】
このような条件下では、チルト角Δφが０．１４７°以下の場合、干渉縞のｘ方向の幅が、ＰＤ４１の検出領域のｘ方向の幅以上になり、その場合、演算値Ｓ2は０であった。したがって、チルト角Δφが０．１４７°を超えると、演算値Ｓ2が０より大きくなり、チルト角Δθを算出することができる。
【００６１】
回折格子対２０の格子線間のピッチＰが３．３μmの場合において、ＰＤ４１の検出領域のサイズが１mm四方を超えるサイズであれば、チルト角Δθが０．１４７°以下であっても、原理的にはそのチルト角Δθを検出可能である。また、図１１の実験データでは示されていないが、チルト角Δθが０．３°より大きい場合にも、演算回路４０は演算値Ｓ2を算出可能である。
【００６２】
４．第４の実施形態
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る変位計測装置の構成を示す斜視図である。この変位計測装置３００では、回折格子対２０の光軸であるｚ軸を中心として、ｘ軸上で対称位置に、第１のＰＤ４１（第１の光センサ）及び第２のＰＤ４２（第２の光センサ）が配置されている。すなわち、第１のＰＤ４１は、例えば第１の回折格子２１による＋ｎ次回折光（例えば＋１次回折光）の進路に沿う干渉光を検出し、第２のＰＤ４２は、例えば第１の回折格子２１による−ｎ次回折光（例えば−１次回折光）の進路に沿う干渉光を検出する。
【００６３】
ＰＤ４１は、上記したようにそれぞれ４分割された受光領域Ａ〜Ｄ（第１の受光領域群）を有する（図７参照）。また、ＰＤ４２は、同様にマトリクス状に４分割された受光領域Ｅ、Ｆ、Ｇ及びＨ（第２の受光領域群）を有する。回折格子対２０の光軸であるｚ軸を中心として、受光領域Ａ＋Ｂ（第１の受光領域）と、受光領域Ｅ＋Ｆ（第３の受光領域）とが、ｘ方向で検出領域内の同じ側に位置する。また、ｚ軸を中心として、受光領域Ｃ＋Ｄ（第２の受光領域）と、受光領域Ｇ＋Ｈ（第４の受光領域）とが、ｘ方向で検出領域内の同じ側に位置する。
【００６４】
図１３は、回折格子対２０間の相対的な回転の角度変位であるチルト角Δθが発生した時の干渉パターンと、ＰＤ４１及び４２がそれぞれ受ける光量を示す。受光領域Ｅ、Ｆ、Ｇ及びＨで得られた信号をそれぞれＳE、ＳF、ＳG、ＳHとする。図１３に示した明度の分布から理解できるように、演算回路４０は、以下の演算値Ｓ3を求める。
【００６５】
Ｓ3＝（ＳA＋ＳB＋ＳE＋ＳF）−（ＳC＋ＳD＋ＳG＋ＳH）
【００６６】
つまり、演算回路４０は、ｚ軸を中心として、ｘ方向で同じ側に位置する受光領域同士を加算して得られた演算値の差分値を求める。このようにして得られた出力値は、上記第２の実施形態のようにＰＤ４１のみで得られた出力値に比べて大きくなるので、結果的に検出感度を高めることができ、高精度にチルト角Δθを求めることができる。
【００６７】
５．第５の実施形態
図１４は、本発明の第５の実施形態に係る変位計測装置の構成を示す斜視図である。この変位計測装置４００は、ｘ方向に２分割された受光領域Ａ及びＢ（第１の受光領域群）を有する第１のＰＤ３１（第１の光センサ）と、これと同じようにｘ方向に２分割された受光領域Ｅ及びＦ（第２の受光領域群）を有する第２のＰＤ（第２の光センサ）３２とを備える。これらＰＤ３１及び３２は、ｚ軸を中心としてｘ方向で対称位置に配置されている。これにより、演算回路４０は以下の式により演算値Ｓ4を算出し、チルト角Δθを求めることができる。
【００６８】
Ｓ4＝（ＳA＋ＳE）−（ＳB＋ＳF）
【００６９】
本実施形態に係る変位計測装置によっても、上記第４の実施形態に係る変位計測装置と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
６．第６の実施形態
第６の実施形態に係る変位計測装置は、例えば図６に示した変位計測装置２００の構成を備え、回折格子対２０間の相対的なｙ及びｚ軸周りの両方のチルト角Δθ及びΔφを検出するものである。
【００７１】
例えば、演算回路４０は、ＰＤ４１の各受光領域Ａ〜Ｄから信号をそれぞれ取得する。そして演算回路４０は、ｙ軸周りのチルト角Δθを、第２の実施形態と同様に演算値Ｓ1＝（ＳA＋ＳB）−（ＳC＋ＳD）に基づいて算出し、ｚ軸周りのチルト角Δφを、第３の実施形態と同様に演算値Ｓ2＝（ＳA＋ＳD）−（ＳB＋ＳC）に基づいて算出する。
【００７２】
演算回路４０は、計測対象としてチルト角Δθ及びΔφのうちいずれか１つを選択するためのソフトウェアによるスイッチを有していればよい。例えば、変位計測装置は、ユーザの操作に基づくスイッチの切り替え、または、所定のアルゴリズムにしたがった自動的なスイッチの切り替えにより、計測対象を選択して出力することができる。
【００７３】
本実施形態の場合、回折格子対２０がｙ及びｚ軸の両方の軸周りに、軸ごとに個別に回転できるような機構を、変位計測装置が備えることが望ましい。
【００７４】
ここで、上記特許文献２に記載の光電式エンコーダは、直交２軸方向の変位及び１軸の周りの角度変位、つまり合計３つの変位を計測する。このため、この光電式エンコーダは、レーザのドップラーシフトの原理を応用し、３つの回折格子及び３つの受光素子を用いて位相情報を演算しているので、処理回路は複雑な計算を行う必要がある。これに対して本実施形態に係る変位計測装置は、２つの回折格子及び２つの光センサを備える。本変位計測装置がこのようにΔθ及びΔφの両方の変位を計測する場合、特許文献２の光電式エンコーダの計測対象より１つ少ないものの、その光電式エンコーダに比べ、回折格子及び光センサを１つずつ減らすことができる。したがって、装置の小型化を実現することができる。
【００７５】
７．第７の実施形態
第７の実施形態に係る変位計測装置は、例えば図１２に示した変位計測装置３００の構成を備え、回折格子対２０間の相対的なｙ及びｚ軸周りの両方のチルト角Δθ及びΔφを検出するものである。
【００７６】
例えば、演算回路４０は、ＰＤ４１の各受光領域Ａ〜Ｄから、また、ＰＤ４２の各受光領域Ｅ〜Ｈから、信号をそれぞれ取得する。そして演算回路４０は、ｙ軸周りのチルト角Δθを、第２の実施形態と同様に演算値Ｓ1＝（ＳA＋ＳB）−（ＳC＋ＳD）に基づいて算出する。一方、演算回路４０は、ｚ軸周りのチルト角Δφを、第３の実施形態と同様に演算値Ｓ5＝（ＳE＋ＳH）−（ＳF＋ＳG）に基づいて算出する。
【００７７】
本実施形態の場合、回折格子対２０がｙ及びｚ軸の両方の軸周りに、軸ごとに個別に回転できるような機構を、変位計測装置が備えることが望ましい。
【００７８】
本実施形態に係る変位計測装置では、２つの回折格子及び１つの光センサを備える。本計測装置がこのようにΔθ及びΔφの両方の変位を計測する場合、特許文献２の光電式エンコーダの計測対象より１つ少ないものの、その光電式エンコーダに比べ、回折格子を１つ減らし、光センサを２つ減らすことができる。したがって、装置の小型化を実現することができる。
【００７９】
８．第８の実施形態
本発明の第８の実施形態に係る変位計測装置は、例えば上記第１〜７の実施形態に係る変位計測装置のうちいずれか１つの変位計測装置の構成を備え、チルト角Δθ及びΔφのうち少なくとも１つを検出し、また、回折格子対２０間の相対的なｚ方向の直線上での変位Δｚを検出するものである。
【００８０】
図１を参照して、例えば第１の回折格子２１に対して第２の回折格子２２がｚ方向に変位すると、回折光２３及び２５のそれぞれの行路（光路）差が発生する。したがって、第１の回折格子２１による回折光２３と、第２の回折格子２２による回折光２５との干渉光２７による干渉縞が発生する。ＰＤ３１は、この干渉縞の光量の変化を検出する。
【００８１】
図１５は、そのΔｚと、ＰＤ３１で検出される信号（電圧信号）との関係を模式的に示すグラフである。このように、ＰＤ３１の検出信号は、干渉縞の明暗の繰り返しに応じてサインカーブを描く。このサインカーブは、計測対象となるｚ方向の変位に対応する。演算回路４０は、この干渉縞のサインカーブの光量変化のうち、例えば半波長分の概ねリニアな領域を用いることにより、ｚ方向の所定範囲の変位に応じた信号強度を得ることができる。
【００８２】
本実施形態の場合、回折格子対２０が、ｙ軸周りの回転及びｚ軸方向の移動を個別に行うことができるような機構を、変位計測装置が備えることが望ましい。
【００８３】
９．変位計測装置の光学部品を支持する筐体
図１６は、図２及び６等に示す光学系及びこれを収容する筐体５０の一実施形態を示す断面図である。
【００８４】
筐体５０は、光路が配置される孔部５５を有する。孔部５５は、光源１２から回折格子対２０までの第１の孔部５５ａと、回折格子対２０からＰＤ３１までの第２の孔部５５ｂとを含む。第２の孔部５５ｂは、ｎ次、ここでは１次回折光の進路に沿う干渉光２７を通すような角度で形成されている。
【００８５】
第１の孔部５５ａの長手方向に沿った軸はｚ軸と一致する。ｚ軸方向における筐体５０の両端部には、実装基板５１及び５２がそれぞれ装着されている。実装基板５１には光源１２が実装され、実装基板５２の基板にはＰＤ３１が実装されている。
【００８６】
筐体５０は、光源側部材５０ａと、センサ側部材５０ｂと、これらの間に設けられたバネ部５０ｃとを有する。バネ部５０ｃは、筐体５０の、対向する２つの側面にそれぞれ２つずつ切り欠き５３が設けられ、かつ、内部にスリット５４が設けられることにより形成されている。回折格子対２０は、そのスリット５４を挟むように筐体５０に保持されている。バネ部５０ｃによって、筐体５０がｚ軸に沿う方向に伸縮可能となり、またｙ及びｚ軸周りに変形可能となるため、第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２の相対移動が可能となり、Δｚ、Δθ、Δφの変位計測が可能となる。
【００８７】
なお、このようなバネ部５０ｃの構造では、ｚ軸周りのバネ部５０ｃの剛性はｙ軸周りのそれより高くなるので、ｚ軸周りの検出可能な角度範囲は、ｙ軸周りの検出可能な角度範囲より狭くなる。
【００８８】
以上のように、光源側部材５０ａとセンサ側部材５０ｂとがバネ部５０ｃによって接続されている。したがって、光源１２、コリメータレンズ１４及び第１の回折格子２１の組に対して、第２の回折格子２１及びＰＤ３１の組が一体的に動くことができる。これにより、ＰＤ３１には、ｚ軸に沿う方向、ｙ軸周り、またはｚ軸周りの変位に応じた干渉光を正確に検出することができる。
【００８９】
筐体５０の材質としては、金属や樹脂が用いられる。金属の場合、例えばステンレス、アルミニウム等が挙げられる。光源側部材５０ａ及びセンサ側部材５０ｂが第１の材料で形成され、バネ部５０ｃが、第１の材料のヤング率より低いヤング率を有する第２の材料で形成されていてもよい。この場合、第１の材料は金属であり、第２の材料が樹脂とされる。もちろん、第１及び第２の材料として共に異なる種類の金属が用いられもよいし、異なる種類の樹脂が用いられてもよい。
【００９０】
上記筐体５０の変形例として、例えば回折格子対２０の光軸を中心に、第２の孔部５５ｂと線対称に配置された孔部を有する筐体を、図１２または１４で示した光学系を支持する筐体として実現することができる。
【００９１】
１０．その他の実施形態
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。
【００９２】
上記各実施形態に係る演算回路４０は、各受光領域で得られた信号を加算したり、減算したりしていた。しかし、その加算の代わりに乗算が行われてもよいし、または、減算の代わりに除算が行われてもよい。あるいは、他の所定の演算式にしたがって、チルト角Δθ、Δφが算出されてもよい。
【００９３】
上記各実施形態に係るＰＤは、例えば２分割または４分割の受光領域を有するセンサであった。しかし、ＰＤの検出領域は、例えばｘ方向に３以上に分割されていてもよいし、ｙ方向に３以上に分割されてもよいし、あるいは、ｘ及びｙの両方向に３以上に分割されていてもよい。そして、チルト角Δθ及び／またはΔφと、その１以上のＰＤによって得られる信号を所定の演算式により得られる値との関係をデータ化し、演算回路４０がそのデータを予め記憶しておけばよい。
【００９４】
図２に示したＰＤ３１と、図１２に示したＰＤ４２とを組み合わせて、Δθ及びΔφの両方を検出することも可能である。
【００９５】
上記実施形態では、光源１２から出射された光がコリメータレンズ１４に入射し、コリメータレンズ１４が平行光１５を発生した。しかし、必ずしも平行光１５を形成しなくてもよく、例えば所定の光の配向角を持つ拡散光または収束光を、光源、または光源を含む光学系が発生し、これら拡散光または収束光が回折格子対２０に入射してもよい。回折格子対２０の光軸は、典型的には、その光源または光学系の光軸と一致するように構成されるが、それらは一致しないように構成されてもよい。
【００９６】
上記各実施形態で用いられたＰＤの複数の受光領域を含む検出領域は、矩形であったが、円、楕円等でもよく、複数の受光領域を形成するために等面積に分割されて構成されていれば、どのような形状であってもよい。
【００９７】
上記各実施形態では、例えば１つのＰＤの検出領域が分割されることにより複数の受光領域が設けられた。しかし、１つのＰＤが１つの受光領域に対応するように、複数のＰＤが設けられていてもよい。
【００９８】
以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１２…光源
２０…回折格子対
２１ａ、２２ａ…格子線
２３、２５…回折光
２７…干渉光
３０…直進光
３１…ＰＤ
４０…演算回路
４１…第１のＰＤ
４２…第２のＰＤ
１００、２００、３００、４００…変位計測装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図４】
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【図５】
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【図１０】
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【図１３】
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