(57)【要約】【課題】  小型でありながら出力信号の劣化を防止できる光学式変位測定装置を提供する。【解決手段】  光源１９、第１光学格子３３、第２光学格子１３、第３光学格子３５、第１受光部５３は、変位量検出用である。光源２３、スリット３９、基準位置マーク１７、スリット３７、第２受光部５７は、基準位置（いわゆる原点）検出用である。遮光領域５９は、二分割された第１光学格子３３間に配置されると共にスリット３７の幅以上の広がりを有する。非受光領域６１は、二分割された第３光学格子３５間に配置されると共にスリット３７の幅以上の広がりを有する。【選択図】  図１
2006138816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位量検出光及び基準位置検出光の光源を有するセンサヘッドをスケールに対して測定軸に沿って相対移動させて変位を測定する光学式変位測定装置であって、
前記測定軸に沿った一方側部及び他方側部を有すると共に前記スケールの基板となるスケール基板と、
前記センサヘッドの基板となるセンサ基板と、
前記測定軸に沿って二分割されて前記センサ基板に配置された透過型の第１光学格子と、
前記一方側部側の前記スケール基板上に前記測定軸に沿って配置されると共に前記一方側部側の斜め方向から変位量検出光が前記第１光学格子を介して照射される反射型の第２光学格子と、
前記第１光学格子より前記他方側部側に位置するように前記センサ基板に配置された第３光学格子と、
前記第３光学格子を介して前記第２光学格子で反射された変位量検出光を受光する第１受光部と、
二分割された前記第１光学格子間を通って前記一方側部側から前記他方側部側に延びる線上に位置するスリットと、
前記他方側部側の前記スケール基板上に配置されると共に前記他方側部側の斜め方向から基準位置検出光が前記スリットを介して照射される反射型の基準位置マークと、
前記線上に位置するように前記センサ基板に配置されると共に前記基準位置マークで反射された基準位置検出光を受光する第２受光部と、
二分割された前記第１光学格子間に配置されると共に前記スリットの幅以上の広がりを有する遮光領域と、    
前記第１受光部の前記線上に配置されると共に前記スリットの幅以上の広がりを有する非受光領域と、を備える
ことを特徴とする光学式変位測定装置。
【請求項２】
前記第２受光部は前記非受光領域に配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光学式変位測定装置。
【請求項３】
変位量検出光及び基準位置検出光の光源を有するセンサヘッドをスケールに対して測定軸に沿って相対移動させて変位を測定する光学式変位測定装置であって、
前記測定軸に沿った一方側部及び他方側部を有すると共に前記スケールの基板となるスケール基板と、
前記スケール基板と面する第１の面及びこの反対側の第２の面を有すると共に前記センサヘッドの基板となるセンサ基板と、
前記センサ基板に配置された透過型の第１光学格子と、
前記一方側部側の前記スケール基板上に前記測定軸に沿って配置されると共に前記一方側部側の斜め方向から変位量検出光が前記第１光学格子を介して照射される反射型の第２光学格子と、
前記第１光学格子より前記他方側部側に位置するように前記第２の面上に配置された第３光学格子と、
前記第３光学格子を介して前記第２光学格子で反射された変位量検出光を受光する第１受光部と、
前記一方側部側から前記他方側部側に延びる線上に位置するスリットと、
前記他方側部側の前記スケール基板上に配置されると共に前記他方側部側の斜め方向から基準位置検出光が前記スリットを介して照射される反射型の基準位置マークと、
前記第１受光部より前記他方側部側に位置するように前記第２の面上に配置され、前記基準位置マークで反射された基準位置検出光を受光する第２受光部と、
前記基準位置マークで反射された基準位置検出光が照射されると共に前記第１受光部と前記第２受光部との境界と対応する前記第１の面上の領域に、前記第１受光部の一部及び前記第２受光部の一部を覆うように形成された遮光膜と、を備える    
ことを特徴とする光学式変位測定装置。
【請求項４】
前記第２受光部の前面にさらにスリットを備える
ことを特徴とする請求項１又は３に記載の光学式変位測定装置。
【請求項５】
前記光源は前記他方側部側に配置されており、
前記センサヘッドは、前記一方側部側に配置されると共に前記光源からの光を前記一方側部側の斜め方向に反射する反射部を備え、
前記光源からの光は、基準位置検出光となる前記他方側部側の斜め方向の光成分及び変位量検出光となる前記反射部の方向の光成分を含む、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学式変位測定装置。
【請求項６】
前記第３光学格子と前記第１受光部とを兼用する受光素子アレイを備える
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学式変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアゲージ、リニアエンコーダ等に応用される、光学式変位測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から直線変位や角度変位などの精密な測定に光学式変位測定装置が利用されている。この装置は、光学式エンコーダとも称され、例えば、光学格子が設けられた表面を有するスケール及びこのスケールに沿って移動可能なセンサヘッドにより構成される。センサヘッド内には、光源、光学格子、受光部等が収容されている。
【０００３】
光源からの光をスケールの光学格子に照射すると明暗パターンが生成される。センサヘッドをスケールに沿って移動させながら、この明暗パターンをセンサヘッド内の光学格子に照射する。これにより、光の強弱が正弦波状に変化する光信号が生成される。光信号は受光部で光電変換され、これによって発生した出力信号を利用して直線などの変位量が算出される。
【０００４】
光学式変位測定装置のうちインクリメンタル型は、上記出力信号を内挿処理等して生成されたパルスをカウントすることにより変位量を測定する。このため、センサヘッドをメインスケールの基準位置（原点と称されることもある）を示すマーク上を通過させて、基準位置を検出してから測定を開始するように使われることが多い。したがって、上記変位量検出用の受光部の他に、基準位置検出用の受光部が必要となる（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特開２０００−２７５０６３号公報（段落００１０、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
基準位置検出用の受光部で受光する光（基準位置検出光）が変位量検出用の受光部で受光されたり、逆に変位量検出用の受光部で受光する光（変位量検出光）が基準位置検出用の受光部で受光されたりすると、これらの受光部からそれぞれ出力される出力信号が劣化し、精密測定を実現できない。
【０００６】
変位量検出用の受光部と基準位置検出用の受光部とを互いに離して配置すれば、基準位置検出光が変位量検出用の受光部で受光されたり、変位量検出光が基準位置検出用の受光部で受光されたりすることを防止できる。しかし、その分だけセンサヘッド、ひいては光学式変位測定装置の小型化を図ることができない。    
【０００７】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、小型でありながら出力信号の劣化を防止できる光学式変位測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光学式変位測定装置の一態様は、変位量検出光及び基準位置検出光の光源を有するセンサヘッドをスケールに対して測定軸に沿って相対移動させて変位を測定する光学式変位測定装置であって、前記測定軸に沿った一方側部及び他方側部を有すると共に前記スケールの基板となるスケール基板と、前記センサヘッドの基板となるセンサ基板と、前記測定軸に沿って二分割されて前記センサ基板に配置された透過型の第１光学格子と、前記一方側部側の前記スケール基板上に前記測定軸に沿って配置されると共に前記一方側部側の斜め方向から変位量検出光が前記第１光学格子を介して照射される反射型の第２光学格子と、前記第１光学格子より前記他方側部側に位置するように前記センサ基板に配置された第３光学格子と、前記第３光学格子を介して前記第２光学格子で反射された変位量検出光を受光する第１受光部と、二分割された前記第１光学格子間を通って前記一方側部側から前記他方側部側に延びる線上に位置するスリットと、前記他方側部側の前記スケール基板上に配置されると共に前記他方側部側の斜め方向から基準位置検出光が前記スリットを介して照射される反射型の基準位置マークと、前記線上に位置するように前記センサ基板に配置されると共に前記基準位置マークで反射された基準位置検出光を受光する第２受光部と、二分割された前記第１光学格子間に配置されると共に前記スリットの幅以上の広がりを有する遮光領域と、前記第１受光部の前記線上に配置されると共に前記スリットの幅以上の広がりを有する非受光領域と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る光学式変位測定装置の一態様によれば、上記位置に形成された遮光領域及び非受光領域を備えるので、基準位置検出光が第１受光部で受光されたり、変位量検出光が第２受光部で受光されたりすることを防止できる。したがって、（１）変位量検出用の出力信号や基準位置検出用の出力信号が劣化するのを防止でき、（２）第１受光部と第２受光部とを互いに離して配置する必要がなく、近づけて配置することができるため光学式変位測定装置の小型化を実現できる。
【００１０】
本発明に係る光学式変位測定装置の一態様において、前記第２受光部を前記非受光領域に配置することができる。これによれば、光学式変位測定装置のさらなる小型化を図れる。
【００１１】
本発明に係る光学式変位測定装置の他の態様は、変位量検出光及び基準位置検出光の光源を有するセンサヘッドをスケールに対して測定軸に沿って相対移動させて変位を測定する光学式変位測定装置であって、前記測定軸に沿った一方側部及び他方側部を有すると共に前記スケールの基板となるスケール基板と、前記スケール基板と面する第１の面及びこの反対側の第２の面を有すると共に前記センサヘッドの基板となるセンサ基板と、前記センサ基板に配置された透過型の第１光学格子と、前記一方側部側の前記スケール基板上に前記測定軸に沿って配置されると共に前記一方側部側の斜め方向から変位量検出光が前記第１光学格子を介して照射される反射型の第２光学格子と、前記第１光学格子より前記他方側部側に位置するように前記第２の面上に配置された第３光学格子と、前記第３光学格子を介して前記第２光学格子で反射された変位量検出光を受光する第１受光部と、前記一方側部側から前記他方側部側に延びる線上に位置するスリットと、前記他方側部側の前記スケール基板上に配置されると共に前記他方側部側の斜め方向から基準位置検出光が前記スリットを介して照射される反射型の基準位置マークと、前記第１受光部より前記他方側部側に位置するように前記第２の面上に配置され、前記基準位置マークで反射された基準位置検出光を受光する第２受光部と、前記基準位置マークで反射された基準位置検出光が照射されると共に前記第１受光部と前記第２受光部との境界と対応する前記第１の面上の領域に、前記第１受光部の一部及び前記第２受光部の一部を覆うように形成された遮光膜と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る光学式変位測定装置の他の態様によれば、上記位置に形成された遮光膜を備えるため、基準位置検出光が第１受光部で受光されたり、変位量検出光が第２受光部で受光されたりすることを防止できる。したがって、上記一の態様と同様に（１）、（２）のことが言える。  
【００１３】
本発明に係る光学式変位測定装置の一態様及び他の態様において、前記第２受光部の前面にさらにスリットを備えるようにすることができる。
【００１４】
本発明に係る光学式変位測定装置の一態様及び他の態様において、前記光源は前記他方側部側に配置されており、前記センサヘッドは、前記一方側部側に配置されると共に前記光源からの光を前記一方側部側の斜め方向に反射する反射部を備え、前記光源からの光は、基準位置検出光となる前記他方側部側の斜め方向の光成分及び変位量検出光となる前記反射部の方向の光成分を含むようにすることができる。これによれば、第１受光部と第２受光部とで光源を共用しているので、光学式変位測定装置のさらなる小型化を実現できる。
【００１５】
本発明に係る光学式変位測定装置の一態様及び他の態様において、前記第３光学格子と前記第１受光部とを兼用する受光素子アレイを備えるようにすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る光学式変位測定装置によれば、基準位置検出光が第１受光部で受光されたり、変位量検出光が第２受光部で受光されたりすることを防止できる。よって、小型でありながら出力信号の劣化を防止できる光学式変位測定装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明に係る光学式変位測定装置の第１〜第８実施形態を説明する。なお、第２〜第８実施形態を説明する図において、既に説明した実施形態の符号で示すものと同一又は同等のものについては、同一符号を付すことにより説明を省略する。
【００１８】
［第１実施形態］
第１実施形態に係る光学式変位測定装置について、まず、その構成から説明する。図１は、第１実施形態に係る光学式変位測定装置１の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す装置１のうち光源を除いた平面図である。図３は、図２のＡ１−Ａ２線に沿った断面図である。図４は、図２のＢ１−Ｂ２線に沿った断面図である。図５は、図２のセンサヘッド５を示す平面図である。図６は、図２のスケール３の一部を示す平面図である。
【００１９】
図１に示すように、光学式変位測定装置１は、スケール３とセンサヘッド５とにより構成される。センサヘッド５をスケール３に対して測定軸Ｘに沿って移動させることにより、変位量が測定される。装置１は、インクリメンタル型であり、したがって、以下に説明する装置１を構成する光学部品の中には、変位量検出用と基準位置（原点と称されることもある）検出用のものとがある。
【００２０】
なお、光学式変位測定装置１は、スケール３を固定し、センサヘッド５を測定軸Ｘに沿って移動可能に構成されているが、その逆でも第１実施形態を適用することができる。したがって、センサヘッド５はスケール３に対して相対移動可能と言うことができる。
【００２１】
スケール３の構成について、図１〜図４、図６を用いて説明する。スケール３はガラス等を材料とする長尺状のスケール基板７を含み、図１、図２及び図６にはその一部が表れている。スケール基板７は、測定軸Ｘに沿った一方側部９及び他方側部１１を有しており、これらによりスケール３の幅が規定される。
【００２２】
一方側部９側のスケール基板７上に、変位量検出用の反射型の第２光学格子１３が形成されている。第２光学格子１３は、光を反射する反射ライン１５が所定のピッチ（例えば５μｍ）を設けて測定軸Ｘに沿って配列された構成を有する。反射ライン１５は、測定軸Ｘと直交する方向に延びている。
【００２３】
他方側部１１側のスケール基板７上に、図６に示す反射型の基準位置マーク１７が一個形成されている。マーク１７は、基準位置検出用であり、反射ライン１５より広い幅を有し、反射ライン１５と同じ方向に延びている。基準位置マーク１７や反射ライン１５は、金属（クロム等）のような光を反射する材料から構成される。
【００２４】
次に、図１〜図５を用いてセンサヘッド５の構成を説明する。センサヘッド５は、スケール３の第２光学格子１３等が形成された表面に対してエアギャップＧを設けて配置されている。センサヘッド５には、以下の光学部品が収容されている。  
【００２５】
一方側部９側のセンサヘッド５内の上部には、変位量検出用の光源１９及びコリメータレンズ２１が配置され、他方側部１１側のセンサヘッド５内の上部には、基準位置検出用の光源２３及びコリメータレンズ２５が配置されている。光源１９，２３は、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。ＬＥＤの替わりにレーザ（ＬＤ）を用いることもできる。光源１９，２３の光軸中心ＡＸは、斜め下方向にセンサヘッド５の内部側に向いている。
【００２６】
センサヘッド５の底部には、光源１９，２３及びコリメータレンズ２１，２５と離されて、センサヘッド５の基板となるセンサ基板２７が配置されている。センサ基板２７は、インデックス基板とも称され、ガラス等の透明材料で構成される。センサ基板２７は、スケール基板７と面する第１の面２９及びこの反対側の第２の面３１を有する。
【００２７】
図７は、図３及び図４のセンサ基板２７の第２の面３１上に形成された第１光学格子等の平面図である。第２の面３１上には、一方側部９から他方側部１１に向けて順に、第１光学格子３３、第３光学格子３５、スリット３７，３９が形成されている。第１光学格子３３及び第３光学格子３５は、変位量検出用の透過型の格子であり、スリット３７，３９は基準位置検出用である。これら以外の第２の面３１上には、遮光膜４１が形成されている。遮光膜４１となる膜（例えばクロム膜）を第２の面３１の全面に形成し、所定のパターニングをすることにより、第１光学格子３３、第３光学格子３５、スリット３７，３９が形成される。既に説明した図及びこれから説明する図の中でセンサ基板２７を示す平面図において、図７以外は、遮光膜４１の図示が省略されている。
【００２８】
第１光学格子３３及び第３光学格子３５は、測定軸Ｘに沿って二分割に配置されている。これらの格子３３，３５は、光を遮光する遮光ライン４３が第２光学格子１３の反射ライン１５と同じピッチを設けて測定軸Ｘに沿って配列された構成を有する。遮光ライン４３は、反射ライン１５と同じ方向に延びている。スリット３７，３９は、二分割された第１光学格子３３間及び二分割された第３光学格子３５間を通って一方側部９側から他方側部１１側に延びる線Ｋ上に位置する。
【００２９】
第３光学格子３５及びスリット３７上（第３光学格子３５及びスリット３７の前面と言うこともできる。）には、それぞれ、図８に示すように受光チップ４５，４７が配置される。受光チップ４５は、ｐ型シリコン基板の表面に二つのｎ型不純物領域４９ａ，４９ｂが形成されたものである。ｐ型シリコン基板とｎ型不純物領域４９ａにより、フォトダイオード５１ａが構成され、ｐ型シリコン基板とｎ型不純物領域４９ｂにより、フォトダイオード５１ｂが構成される。領域４９ａ，４９ｂが受光面となる。ｎ型不純物領域４９ａが第３光学格子３５ａと面し、ｎ型不純物領域４９ｂが第３光学格子３５ｂと面している。受光チップ４５及び二分割された第３光学格子３５（３５ａ，３５ｂ）により変位量検出用の第１受光部５３が構成される。
【００３０】
なお、第３光学格子３５が受光チップ４５に形成されたものを第１受光部５３にすることもできる。この場合、図８の第３光学格子３５の形成領域は、遮光膜を除去した光透過領域となる。また、第１受光部５３を一つの受光チップでなく、フォトダイオード５１ａを有する受光チップとフォトダイオード５１ｂを有する受光チップとで構成してもよい。
【００３１】
受光チップ４７は、ｐ型シリコン基板の全面にｎ型不純物領域５５を形成したフォトダイオードである。ｎ型不純物領域５５のスリット３７と面する領域が受光面として機能する。受光チップ４７及びスリット３７により基準位置検出用の第２受光部５７が構成される。第２受光部５７は、第１受光部５３より他方側部１１側で第１受光部５３と突き合わせて配置されている。なお、受光チップ４５，４７は、フォトトランジスタでもよい。また、受光チップ４５，４７を別々にせずに、一つのチップにしてもよい。
【００３２】
第１実施形態に係る光学式変位測定装置１の構成の説明の最後として、第１実施形態の主な特徴となる遮光領域５９及び非受光領域６１について図５及び図７を用いて説明する。図５は遮光膜４１の図示を省略している。遮光膜４１のうち、二分割された第１光学格子３３間に配置されると共にスリット３７の幅以上の広がりを有する部分が遮光領域５９となる。また、遮光膜４１のうち、第１受光部５３の線Ｋ上に配置されると共にスリット３７の幅以上の広がりを有する部分が第１受光部５３の非受光領域６１となる。遮光領域５９及び非受光領域６１を備えることにより生じる効果は、後で説明する。なお、非受光領域６１としたのは、この領域が遮光領域でもよいし、フォトダイオードが形成されていない領域でもよいからである。第１実施形態の非受光領域６１は、遮光領域である。
【００３３】
次に、第１実施形態に係る光学式変位測定装置１の測定動作について、図１、図３、図４及び図８を用いて説明する。装置１はインクリメンタル型である。このため、センサヘッド５をスケール３の基準位置マーク１７上を通過させて、基準位置を検出してからでなければ絶対位置測定ができない。したがって、まず、次のようにして基準位置の検出操作を実行する。光源２３から光を照射すると、この光はコリメータレンズ２５で平行光（以下、基準位置検出光Ｌ１）にされて、他方側部１１側の斜め方向からスケール３に向かう。この状態で、センサヘッド５を測定軸Ｘに沿って移動させ、センサヘッド５が基準位置に到達すると、基準位置検出光Ｌ１は、スリット３９を介して基準位置マーク１７に照射される。マーク１７に照射された基準位置検出光Ｌ１はここで反射され、スリット３７を介して第２受光部５７で受光される。これにより、第２受光部５７から基準位置マーク１７を介した光に対応した出力信号φｒ（図８）が出力される。以上により、基準位置の検出操作が終了する。
【００３４】
そして、光源１９から光が出された状態で、センサヘッド５を測定軸Ｘに沿ってスケール３上を移動させて、変位の測定を実行する。一方側部９側の斜め方向から出射された光源１９からの光は、コリメータレンズ２１で平行光（以下、変位量検出光Ｌ２）にされて、第１光学格子３３に照射され、ここで回折される。この回折光はスケール３の第２光学格子１３に照射され、ここで回折され、反射光としてセンサヘッド５に向かう。
【００３５】
この反射光は、第１受光部５３下において干渉縞（明暗パターンの一例）を生成する。その干渉縞は、第３光学格子３５でフィルタリングされて、第１受光部５３で受光される。ここで光電変換され、図８のフォトダイオード５１ａ，５１ｂから、それぞれ、正弦波状の出力信号φａ，φｂが出力される。
【００３６】
出力信号φａはａ相（０度）の信号であり、出力信号φｂはａ相より９０度だけ位相がずれたｂ相（９０度）の信号である。出力信号φａ，φｂを内挿処理等して生成されたパルスの数をカウントすることにより、変位量が求められる。ａ相及びｂ相の信号を利用するのは、先に検出されるのがａ相かｂ相かによって、センサヘッド５の移動方向が往き方向か戻り方向かを判断するためである。ａ相（０度）及びｂ相（９０度）の信号を生成するために、第３光学格子３５ｂの遮光ライン４３は、第３光学格子３５ａの遮光ライン４３に対して９０度位相をずらして配列されている。
【００３７】
次に、第１実施形態の主な効果を説明する。第１実施形態に係る光学式変位測定装置１が遮光領域５９、非受光領域６１を備えることにより、図８に示す変位量検出用の出力信号φａ，φｂや基準位置検出用の出力信号φｒの劣化を防止できる。まず、この効果について比較形態と比較して説明する。図９及び図１０は比較形態に係る光学式変位測定装置６９の断面図であり、図３と対応する。図９はスケール３とセンサヘッド５とのエアギャップＧが設計値の場合であり、図１０はエアギャップＧが設計値より大きい場合を示している。
【００３８】
比較形態の第１光学格子３３や第３光学格子３５は、二分割されておらず、つながっている。したがって、比較形態は、第１実施形態のように遮光領域５９や非受光領域６１を備えていない。図９に示すように、エアギャップＧが設計値の場合、基準位置検出光Ｌ１が第１受光部５３で受光されることはなく、同様に、変位量検出光Ｌ２が第２受光部５７で受光されることはない。一方、図１０に示すように、エアギャップＧが設計値より大きくなると、基準位置検出光Ｌ１の一部が第１受光部５３で受光され、変位量検出光Ｌ２の一部が第２受光部５７で受光される。したがって、変位量検出用の出力信号φａ，φｂや基準位置検出用の出力信号φｒが劣化し、精密測定を実現できない。
【００３９】
これに対して、第１実施形態では、エアギャップＧが設計値より大きくなっても、図３に示すように、基準位置検出光Ｌ１は第１受光部５３の非受光領域６１及び第２受光部５７に照射されるのであり、第１受光部５３で受光されることはない。この状態の平面図が図１１である。照射領域Ｒ１は、非受光領域６１に照射された基準位置検出光Ｌ１の範囲を示している。よって、変位量検出用の出力信号φａ，φｂが劣化することはない。
【００４０】
また、図３に示すように、遮光領域５９が存在するため、変位量検出光Ｌ２はスリット３７を介して第２受光部５７で受光されることはなく、第１受光部５３で受光される。この状態の平面図が図１２である。照射領域Ｒ２は、第２受光部５７に照射された変位量検出光Ｌ２の範囲を示している。照射領域Ｒ２は、スリット３７との重なりがない。よって、基準位置検出用の出力信号φｒが劣化することはない。
【００４１】
第１実施形態によれば、光学式変位測定装置１を小型化できる効果も生じる。上記の通り、第１実施形態では、エアギャップＧが設計値より大きくなっても、基準位置検出光Ｌ１が第１受光部５３に照射されたり、変位量検出光Ｌ２が第２受光部５７に照射されたりすることを防止できる。したがって、第１受光部５３と第２受光部５７とを互いに離して配置する必要がなく、近づけて配置することができる。よって、センサヘッド５の寸法を小さくできるため、光学式変位測定装置１を小型化することができる。特に、第１実施形態では、第１受光部５３と第２受光部５７とを突き合わせて配置しているので、これらを近づけて配置した場合に比べてさらに光学式変位測定装置１を小型化することができる。
【００４２】
さらに、第１実施形態によれば、エアギャップＧが設計値より大きくなっても、基準位置検出光Ｌ１が第１受光部５３に照射されたり、変位量検出光Ｌ２が第２受光部５７に照射されたりすることを防止できることにより、スケール３とセンサヘッド５との位置合わせの余裕が大きくなる。このため、光学式変位測定装置１の組み立てが容易となる。
【００４３】
［第２実施形態］
第２実施形態の第１受光部は、フォトダイオードがアレイ状に形成された受光素子アレイにより構成されている。このアレイが第３光学格子として機能するので、図７に示す第１実施形態のように、センサ基板２７に第３光学格子３５を配置することが不要となる。以下、第２実施形態について説明する。図１３は第２実施形態に係る受光チップ４５の一部の平面図であり、図１４は図１３のＣ１−Ｃ２線に沿った断面図である。
【００４４】
受光チップ４５は、複数のフォトダイオード（以下、「フォトダイオード」をＰＤという場合がある。）７１がアレイ状に配置された半導体チップである。詳細には、受光チップ４５は、ｐ型シリコン基板７３と、その表面に形成されたｎ型不純物領域７５と、を含む。
【００４５】
ＰＤ７１は図８に示す遮光ライン４３と同方向に延びる細長形状を有している。ＰＤ７１が測定軸Ｘに沿って所定のピッチＰ（例えば５μｍ）で配列されている。つまり、ａ相用のＰＤ７１ａ、ｂ相用のＰＤ７１ｂ、ａａ相用のＰＤ７１ａａ、ｂｂ相用のＰＤ７１ｂｂを一つのセット７７として、図には三つのセット７７が表れている。
【００４６】
図１５は、第２実施形態に係る第１受光部５３及び第２受光部５７の斜視図である。第２実施形態では図８の第３光学格子３５が不要なので、受光チップ４５が第１受光部５３となる。また、第２実施形態において、第３光学格子３５の形成領域は、遮光膜を除去した光透過領域７９となる。
【００４７】
図１４に示すように、ＰＤ７１ａ，７１ｂ，７１ａａ，７１ｂｂから出力された信号をそれぞれ、出力信号φａ，φｂ，φａａ，φｂｂと表す。出力信号φａａはａ相より１８０度だけ位相がずれたａａ相（１８０度）の信号であり、出力信号φｂｂはａ相より２７０度だけ位相がずれたｂｂ相（２７０度）の信号である。ａ相やｂ相以外にこれらを反転させた、ａａ相やｂｂ相を利用するのは、ａ相やｂ相の信号に含まれる直流成分の除去、並びに、信号の信頼性及び高速追従性の確保のためである。なお、第１実施形態において、ａａ相やｂｂ相の信号を利用する場合、図８のフォトダイオード５１ａ，５１ｂに加えてさらにａａ相、ｂｂ相用のフォトダイオードを追加し、第３光学格子３５ａ，３５ｂに加えてさらにａａ相、ｂｂ相用の第３光学格子を追加すればよい。
【００４８】
［第３実施形態］
図１６は、第３実施形態に係る受光チップ４５の一部の平面図であり、図１７は、第３実施形態に係る第１受光部５３及び第２受光部５７の斜視図である。第３実施形態では、第１受光部５３となる受光チップ４５に非受光領域８１を形成している。非受光領域８１には、フォトダイオードが形成されていない。第３実施形態では、非受光領域８１が受光チップ４５に形成されているので、図７に示す第１実施形態のようにセンサ基板２７上に非受光領域６１を形成する必要がなく、したがって光透過領域７９が二分割されていない。
【００４９】
［第４実施形態］
上記第３実施形態では図１６及び図１７に示すように、第１受光部５３の非受光領域８１は、基準位置検出光が第１受光部５３で受光されるのを防止するために形成されたものである。また、第１光学格子は二分割されているので、非受光領域８１には変位量検出光も照射されない。そこで、第４実施形態は、第１受光部５３の非受光領域８１に第２受光部５７を形成したことを主な特徴とする。
【００５０】
図１８は、第４実施形態に係る受光チップ８３の平面図であり、図１６と対応する。第４実施形態では、非受光領域８１にｎ型不純物領域８５が形成されている。ｎ型不純物領域８５とｐ型シリコン基板７３とで、フォトダイオード８７が構成される。
【００５１】
図１９は、第４実施形態に係る第１受光部５３及び第２受光部５７の斜視図である。二分割された光透過領域７９の間にスリット３７を有する図示しない遮光膜が形成されている。スリット３７とフォトダイオード８７とにより第２受光部５７が構成される。フォトダイオード７１のアレイにより第１受光部５３が構成される。
【００５２】
図２０は、第４実施形態に係る光学式変位測定装置１のうち光源を除いた平面図である。図２１は、図２０のＤ１−Ｄ２線に沿った断面図である。エアギャップＧが設計値よりも大きくなっても、基準位置検出光Ｌ１は、非受光領域８１にある第２受光部５７で受光され、第１受光部５３で受光されない。また、変位量検出光Ｌ２は、第１受光部５３で受光され、遮光領域５９があるので第２受光部５７で受光されない。
【００５３】
以上のように、第４実施形態によれば、第１受光部５３の非受光領域８１に第２受光部５７を形成しているので、光学式変位測定装置１のさらなる小型化を図れる。
【００５４】
［第５実施形態］
図１に示すように第１実施形態では、二つの光源１９，２３を用いているが、第５実施形態では光源が一つである。図２２は、第５実施形態に係る光学式変位測定装置１の概略構成を示す斜視図である。光源８９は、スケール３の他方側部１１側に配置されている。光源３９の光軸中心は、スケール３の表面と直交する方向及び測定軸Ｘの方向に対して、直交する方向を向いている。
【００５５】
センサヘッド５内には、光軸中心上に配置されたコリメータレンズ９１が収容されている。光源８９から出射された拡散光Ｌは、コリメータレンズ９１で平行光にされる。この平行光（変位量検出光Ｌ２となる反射部９３の方向の光成分）は、一方側部９側に配置された反射部９３に導かれる。反射部９３は長方形状の薄いミラーであり、ミラーの長手方向が測定軸Ｘ方向を向いている。平行光は反射部９３において斜め下方向に反射される。光源８９、コリメータレンズ９１及び反射部９３は、スケール３を基準にした高さが同じにされている。この反射された平行光は、変位量検出光Ｌ２となり、第１光学格子３３に照射される。変位量検出用の残りの光学部品は第１実施形態と同じである。
【００５６】
一方、光源８９とコリメータレンズ９１とは所定の距離が設けられている。これにより、光源８９から出射して拡散した光Ｌのうち一部の光成分（基準位置検出光Ｌ１となる他方側部１１側の斜め方向の光成分）がコリメータレンズ９１を通過せずに、スリット３９に入射する。基準位置検出用の残りの光学部品は第１実施形態と同じである。
【００５７】
第５実施形態の主な効果を説明する。第５実施形態によれば、第１受光部５３と第２受光部５７とで光源を共用しているので、光学式変位測定装置１の小型化を実現できる。
【００５８】
また、第５実施形態によれば、スケール３を基準にした光源８９と反射部９３の高さを同じにしている。これにより、光源８９の光軸中心がスケール３の表面に対して斜めではなく、平行になる。よって、センサヘッド５の厚みを小さくできる。そして、光源８９からの光Ｌを反射部９３でスケール３に向けて斜めに反射させ、変位量検出光Ｌ２にしている。これにより、センサヘッド５の平面の寸法を小さくできる。以上により、第５実施形態によれば、センサヘッド５内の空間をコンパクトにすることができるため、光学式変位測定装置１の小型化を実現できる。
【００５９】
［第６実施形態］
図２３は、第６実施形態に係る光学式変位測定装置１のうち光源を除いた平面図である。図２４は、図２３のＥ１−Ｅ２線に沿った断面図である。第６実施形態は、センサ基板２７の第１の面２９上に遮光膜９５を形成したことを主な特徴とする。
【００６０】
遮光膜９５は、第１受光部５３と第２受光部５７との境界と対応する第１の面２９上の領域に第１受光部５３の一部及びスリット３７の一部を覆うように形成された、測定軸Ｘに沿って延びる細長い膜である。したがって、遮光膜９５は、基準位置マーク１７で反射された基準位置検出光Ｌ１が照射される第１の面２９上の領域に第１受光部５３の一部及び第２受光部５７の一部を覆うように形成されていることになる。遮光膜９５の材料は、クロム等である。エアギャップＧが設計値より大きくなっても、遮光膜９５が存在することにより、基準位置検出光Ｌ１が第１受光部５３で受光されたり、変位量検出光Ｌ２が第２受光部５７で受光されたりすることを防止できる。したがって、第６実施形態によっても、第１実施形態と同様に、（１）第１受光部５３及び第２受光部５７からの出力信号の劣化を防止でき、（２）光学式変位測定装置１を小型化でき、（３）光学式変位測定装置１の組み立てが容易となる。
【００６１】
第６実施形態は、遮光膜９５で上記効果を達成できるので、図２に示す第１実施形態のように遮光領域５９や非受光領域６１が形成されておらず、したがって、第１光学格子３３及び第３光学格子３５は非分割である。
【００６２】
なお、第６実施形態では、基準位置の検出に、一本のスリット３９、一本の基準位置マーク１７及び一本のスリット３７を用いているが、スリット３９、基準位置マーク１７、スリット３７をそれぞれ複数本配置した構成でもよい。
【００６３】
また、第６実施形態の第１受光部５３として図１３に示す第１受光部５３を用いることもできるし、また、変位量検出光及び基準位置検出光の生成に図２２に示す光源８９及び反射部９３を用いることもできる。
【００６４】
［第７実施形態］  
図２３に示す第６実施形態に係る光学式変位測定装置１の遮光膜９５の長さは、第１受光部５３や第２受光部５７の長手方向の寸法と同じにされている。これに対して図２５に示す第７実施形態では、スリット３７及びその付近にのみ遮光膜９５を配置した構成を有する。この構成でも、遮光膜９５は、基準位置マークで反射された基準位置検出光が照射されると共に第１受光部５３と第２受光部５７との境界と対応する第１の面上の領域に、第１受光部５３の一部及び第２受光部５７の一部を覆うように形成されていることになる。
【００６５】
［第８実施形態］
図２６に示す第８実施形態に係る光学式変位測定装置１が、図２３に示す第６実施形態のそれと異なる点は、基準位置の検出に用いるパターンである。すなわち、図２３及び図２４に示すスリット３９、基準位置マーク１７、スリット３７の位置に、図２６に示す第８実施形態では、第１、第２及び第３光学格子３３，１３，３５の格子ピッチと異なる格子ピッチの光学格子９７，９９，１０１を配置している。または、ピッチや間隔が一定でない格子、いわゆるランダムパターンで基準位置検出用の光学格子９７，９９，１０１を構成することも可能である。  
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】第１実施形態に係る光学式変位測定装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す装置のうち光源を除いた平面図である。
【図３】図２のＡ１−Ａ２線に沿った断面図である。
【図４】図２のＢ１−Ｂ２線に沿った断面図である。
【図５】図２のセンサヘッドを示す平面図である。
【図６】図２のスケールの一部を示す平面図である。
【図７】図３及び図４のセンサ基板上に形成された第１光学格子等の平面図である。
【図８】図１の二つの受光部の斜視図である。
【図９】比較形態に係る光学式変位測定装置の断面図である（エアギャップが設計値の場合）。
【図１０】比較形態に係る光学式変位測定装置の断面図である（エアギャップが設計値からずれた場合）。
【図１１】第１実施形態において、基準位置検出光が第１受光部で受光されていない状態を示す平面図である。
【図１２】第１実施形態において、変位量検出光が第２受光部で受光されていない状態を示す平面図である。
【図１３】第２実施形態に係る受光チップの一部の平面図である。
【図１４】図１３のＣ１−Ｃ２線に沿った断面図である。
【図１５】第２実施形態に係る二つの受光部の斜視図である。
【図１６】第３実施形態に係る受光チップの一部の平面図である。
【図１７】第３実施形態に係る二つの受光部の斜視図である。
【図１８】第４実施形態に係る受光チップの平面図である。
【図１９】第４実施形態に係る二つの受光部の斜視図である。
【図２０】第４実施形態に係る光学式変位測定装置のうち光源を除いた平面図である。
【図２１】図２０のＤ１−Ｄ２線に沿った断面図である。
【図２２】第５実施形態に係る光学式変位測定装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２３】第６実施形態に係る光学式変位測定装置のうち光源を除いた平面図である。
【図２４】図２３のＥ１−Ｅ２線に沿った断面図である。
【図２５】第７実施形態に係る光学式変位測定装置のうち光源を除いた平面図である。
【図２６】第８実施形態に係る光学式変位測定装置のうち光源を除いた平面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１・・・光学式変位測定装置、３・・・スケール、５・・・センサヘッド、７・・・スケール基板、９・・・一方側部、１１・・・他方側部、１３・・・第２光学格子、１５・・・反射ライン、１７・・・基準位置マーク、１９・・・光源、２１・・・コリメータレンズ、２３・・・光源、２５・・・コリメータレンズ、２７・・・センサ基板、２９・・・第１の面、３１・・・第２の面、３３・・・第１光学格子、３５・・・第３光学格子、３７，３９・・・スリット、４１・・・遮光膜、４３・・・遮光ライン、４５，４７・・・受光チップ、４９ａ，４９ｂ・・・ｎ型不純物領域、５１ａ，５１ｂ・・・フォトダイオード、５３・・・第１受光部、５５・・・ｎ型不純物領域、５７・・・第２受光部、５９・・・遮光領域、６１・・・非受光領域、６９・・・光学式変位測定装置、７１・・・フォトダイオード、７３・・・ｐ型シリコン基板、７５・・・ｎ型不純物領域、７７・・・セット、７９・・・光透過領域、８１・・・非受光領域、８３・・・受光チップ、８５・・・ｎ型不純物領域、８７・・・フォトダイオード、８９・・・光源、９１・・・コリメータレンズ、９３・・・反射部、９５・・・遮光膜、９７，９９，１０１・・・光学格子、Ｘ・・・測定軸、ＡＸ・・・光源の光軸中心、Ｋ・・・二分割された第１光学格子間を通って一方側部側から他方側部側に延びる線、Ｌ・・・拡散光、Ｌ１・・・基準位置検出光、Ｌ２・・・変位量検出光、Ｇ・・・エアギャップ、Ｒ１，Ｒ２・・・照射領域、φａ，φｂ，φａａ，φｂｂ，φｒ・・・出力信号
【図１】
2006138816.tif 000003
【図２】
2006138816.tif 000004
【図３】
2006138816.tif 000005
【図４】
2006138816.tif 000006
【図５】
2006138816.tif 000007
【図６】
2006138816.tif 000008
【図７】
2006138816.tif 000009
【図８】
2006138816.tif 000010
【図９】
2006138816.tif 000011
【図１０】
2006138816.tif 000012
【図１１】
2006138816.tif 000013
【図１２】
2006138816.tif 000014
【図１３】
2006138816.tif 000015
【図１４】
2006138816.tif 000016
【図１５】
2006138816.tif 000017
【図１６】
2006138816.tif 000018
【図１７】
2006138816.tif 000019
【図１８】
2006138816.tif 000020
【図１９】
2006138816.tif 000021
【図２０】
2006138816.tif 000022
【図２１】
2006138816.tif 000023
【図２２】
2006138816.tif 000024
【図２３】
2006138816.tif 000025
【図２４】
2006138816.tif 000026
【図２５】
2006138816.tif 000027
【図２６】
2006138816.tif 000028