(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動可能なディスク型回折格子スケールと、
前記ディスク型回折格子スケールを可干渉光束で照射する光源手段と、
円弧または円環状の曲線を格子状に配列した円弧状素子と、を有し、
前記可干渉光束を照射された前記ディスク型回折格子スケールで発生した２つの異なる次数の回折光を前記円弧状素子で回折偏向し、該ディスク型回折格子スケールに再照射させ、再度回折させて、それぞれの回折光同士を重ね合わせて、干渉させ該干渉光を受光素子に導いて、該ディスク型回折格子スケールの相対移動にともなう周期信号を検出する変位情報検出装置であって、
前記円弧状素子の円弧または円環状の曲線は、前記ディスク型回折格子スケールに照射される光束の位置がディスクの半径方向にずれても、前記円弧状素子で回折偏向され前記ディスク型回折格子スケールに再入射する光束が略点状になるよう、半径方向の外側にいくにつれて格子ピッチが細かくなるように構成されることを特徴とする変位情報検出装置。
【請求項２】
前記光源手段より前記ディスク型回折格子スケール上に照射される光束を集光光束とするためのレンズを有することを特徴とする請求項１の変位情報検出装置。
【請求項３】
前記ディスク型回折格子スケール上に照射される光束位置と、前記円弧状素子で回折偏向され前記ディスク型回折格子スケールに再入射する光束の位置は異なる位置であることを特徴とする請求項１の変位情報検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は変位情報検出装置に関し、特に変位物体（光学スケール）に光を照射した際に発生する回折を利用して変位物体の位置情報や回転情報や移動等の変位情報の物理量を高精度に求めることのできる産業用計測機械等に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より産業用計測機械等には物体（変位物体）の位置情報、移動量、回転量等の変位情報を検出する為に、ロータリーエンコーダやリニアエンコーダ等の変位情報検出装置（エンコーダ）が多く使用されている。
【０００３】
本出願人は、これまで光の回折干渉現象を応用して、物体の位置や速度の変動を検出するいわゆる格子干渉方式のエンコーダを種々と提案している。とくにミクロンオーダの微細スケールを採用し、該微細スケールにて回折された光束を２つ取り出して各々干渉させることで、幾何光学式のエンコーダよりはるかに高分解能のエンコーダを提案している。
【０００４】
これらのエンコーダは、２つの回折光の波面を合成し、干渉パターンを生成する構成を取っているが、干渉光学系であるがゆえに、各光学素子の加工、配置に非常に厳しい精度が要求されている。とくにスケール部と検出ヘッド部が分離したいわゆる組み込みタイプのエンコーダの場合は、ユーザがスケールと検出ヘッド部をモータやステージ等に装着しなければならず、その作業における組立上の困難さが問題になっていた。また、実際の装置に装着する場合は、装置自体の小型化に伴って、さらなる小型なエンコーダが要求されてきている。
【０００５】
そこでこれまで本出願人は、各種光学素子の組立上の誤差を補正できる補正光学系を利用し、取り付け時のアライメント誤差の影響を軽減した、高精度の変位情報を検出することができるエンコーダを、例えば特願２００１−２５１２４で提案している。
【０００６】
図４は本出願人が先に提案した補正光学系を利用し、高精度な変位情報の検出ができるエンコーダの光学系の要部概略図である。
【０００７】
図４において、半導体レーザＬＤから射出された光束Ｒは、ビームスプリッタＢＳの部分透過部Ｗを透過し、反射ミラーＭ１と円環状素子ＣＧの透過部を介して回折格子スケール（スケール格子）ＧＴに照明される。スケールＧＴで回折された反射回折光Ｒ＋、Ｒ−は、それぞれ円環状素子ＣＧの円環状反射格子ＣＧ１、ＣＧ２上に照明される。ここで回折格子スケールＧＴ上の格子ピッチをＰ１とすると、円環状反射格子ＣＧ１、ＣＧ２の格子ピッチＰ２は、
Ｐ２＝Ｐ１／２
の関係で設定してある。
【０００８】
円環状反射格子ＣＧ１、ＣＧ２は局所的に見ると格子ピッチＰ２の回折格子として作用し、元の方位（回折格子スケールＧＴ側）へ回折され、回折格子スケール格子ＧＴの略同一位置に向けて照明され、再回折され、それぞれ光束を重ね合わせて元の光路を戻り、ビームスプリッタＢＳまで戻される。この光束は、それぞれビームスプリッタＢＳ裏面の反射回折格子ＧＴ４にて半導体レーザＬＤと異なる方向へ取り出され、干渉光束として受光素子ＰＤ４にて検出される。なお、±１次回折光を使用した場合は、受光素子ＰＤ上における干渉の明暗周期は回折格子スケール格子ＧＴの１ピッチ分の移動につき４周期である。
【０００９】
この従来例におけるエンコーダは、円環状反射格子ＣＧ１、ＣＧ２の効果によって、光源の波長変動に対して光路ずれを補正する効果および各光学素子のアライメント誤差に対して補正が働くので、スケール格子ＧＴと検出ヘッド（ＰＤ４）を分離したエンコ−ダでも取り付けが比較的容易になる。また、構成部品点数が非常に少ないので小型薄型化が可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示すエンコーダは回折格子スケールＧＴ上の格子ピッチをＰ１とすると、円環状反射格子ＣＧ１、ＣＧ２のピッチＰ２は、
Ｐ２＝Ｐ１／２
の関係で設定してあるため、特にロータリーエンコーダのディスクスケールを小径化する場合、光束照明位置が半径方向にずれると、設定からずれやすくなる。
【００１１】
そこで、特に小径ディスクを用いた場合に、半径方向の光束照明位置のずれに依存しない安定した変位情報が得られる３格子干渉光学系が要望されている。
【００１２】
本発明は高分解能で安定した変位情報が得られる３格子干渉光学系を利用した小型薄型で小径ディスクに良好に適用できる変位情報検出装置の提供を目的とする。
【００１３】
請求項１の発明は、
移動可能なディスク型回折格子スケールと、
前記ディスク型回折格子スケールを可干渉光束で照射する光源手段と、
円弧または円環状の曲線を格子状に配列した円弧状素子と、を有し、
前記可干渉光束を照射された前記ディスク型回折格子スケールで発生した２つの異なる次数の回折光を前記円弧状素子で回折偏向し、該ディスク型回折格子スケールに再照射させ、再度回折させて、それぞれの回折光同士を重ね合わせて、干渉させ該干渉光を受光素子に導いて、該ディスク型回折格子スケールの相対移動にともなう周期信号を検出する変位情報検出装置であって、
前記円弧状素子の円弧または円環状の曲線は、前記ディスク型回折格子スケールに照射される光束の位置がディスクの半径方向にずれても、前記円弧状素子で回折偏向され前記ディスク型回折格子スケールに再入射する光束が略点状になるよう、半径方向の外側にいくにつれて格子ピッチが細かくなるように構成されることを特徴としている。
【００１４】
請求項２の発明は請求項１の発明において、
前記光源手段より前記ディスク型回折格子スケール上に照射される光束を集光光束とするためのレンズを有することを特徴としている。
請求項３の発明は請求項１の発明において、
前記ディスク型回折格子スケール上に照射される光束位置と、前記円弧状素子で回折偏向され前記ディスク型回折格子スケールに再入射する光束の位置は異なる位置であることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明をロータリーエンコーダに適用したときの実施形態１の光学系の要部概略図である。
【００１６】
本実施形態では適切に格子ピッチを変化させた円弧状反射回折格子と、格子スケールに光束を集光照明することによって安定した格子干渉型エンコーダを示している。
【００１７】
図１において、半導体レーザＬＤから射出された光束Ｒは、レンズＬ１により集光光束とし、反射膜および部分透過窓Ｗを有するビームスプリッタＢＳの部分透過窓Ｗを透過し、反射ミラーＭ１および円環状素子（円弧状素子）（円弧格子素子基板）ＣＧの透過部ＣＧＴに入射する。
【００１８】
該円弧格子素子基板ＣＧの透過部ＣＧＴを透過した光束は、ロータリーエンコーダで用いられる放射状の回折格子スケール（格子スケール）ＧＴ上の点Ｓ１に略点状に照明され、そこで反射回折される。
【００１９】
本実施形態では、格子スケールＧＴに略点状照明するために、レンズ（コリメータレンズ）Ｌ１により直接集光特性を付与し、斜入射にて照明している。このときの±１次の反射回折光Ｒ＋、Ｒ−は、回折格子スケールＧＴより発散光束として射出し、それぞれの光路中に設けられた１／８波長板ＱＺ１、ＱＺ２を透過して、それぞれ外側（半径方向の外側）へ行くにつれて格子ピッチが細かくなる円弧回折格子ＣＧ１、ＣＧ２上に照明される。
【００２０】
ここで該円弧回折格子ＣＧ１、ＣＧ２は、格子ピッチを適切に変化させて配置することで、該円弧回折格子（円環状反射格子）ＣＧ１、ＣＧ２にて再度回折反射された特定次数の回折光は、回折格子スケールＧＴ上の点Ｓ１とは半径方向に微小異なる点Ｓ２に略点状に再照明され、更に回折される。
【００２１】
ここで、本実形態のロータリーエンコーダでは、光束の照明位置が、点Ｓ１と点Ｓ２で半径方向に微小に異なるため、点Ｓ２にて再回折（３度目）された２光束の光軸方位は若干ずれることになる。しかし、両者の光束共に点Ｓ２を仮想点光源とした場合の発散光束であるため、２光束ともに、球面状の波面が一致することになり、２光束が共存する領域の干渉状態は非常に安定する。
【００２２】
回折格子スケールＧＴ上の点Ｓ２にて再回折された２光束は、それぞれ光束を大部分重ね合わせて透過部ＣＧＴ、ミラーＭ１を介し、レンズＬ２により集光特性を付与されてビームスプリッタＢＳまで戻される。
【００２３】
また、この２つの再回折光束は、さらに光学軸を９０度ずらして配置された１／８波長板ＱＺ１、ＱＺ２を往復透過しているので、互いに逆周りの円偏光光束となっていて、ベクトル的に偏光状態を合成すると、＋１次回折光と−１次回折光の位相差に応じて偏光面を回転させる直線偏光になっている。
【００２４】
そして、ビームスプリッタＢＳに導光された光束は反射面に記録された千鳥状位相格子ＧＴ４にて反射回折され、４つの光束に分割されて、それぞれの受光面の前面に異なる方位に偏光面を向けた４つの偏光素子ＰＯＬ４１、ＰＯＬ４２、ＰＯＬ４３、ＰＯＬ４４より成る偏光手段ＰＯＬ４を配置した４分割した受光素子ＰＤ４１、ＰＤ４２、ＰＤ４３、ＰＤ４４より成る受光手段（受光素子アレイ）ＰＤ４にて検出される。
【００２５】
なお、±１次回折光を使用した場合は、受光手段ＰＤ４で得られる干渉の明暗周期の変化はスケール格子ＧＴの１ピッチ分の移動につき４周期である。また、受光手段ＰＤ４の４つの受光素子から得られる明暗周期信号は正弦波でありそれぞれ互いに位相がずれている。
【００２６】
前記４つの偏光素子の方位を互いに４５度ずつずらせば、９０度位相がずれる。なお、本実施形態では受光素子の数は４つであるが、通常は２つまたは３つあれば良い。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態では適切にピッチを変化させた円弧状等の円弧回折格子ＣＧ１、ＣＧ２と、放射状格子スケールＧＴに略点状照明する条件とを組み合わせることで、小型で安定した高分解能の３格子干渉型エンコーダに最適な光学系を構成している。
【００２８】
特に本実施形態では回折格子スケールＧＴ上の円弧状回折格子を等ピッチではなく、適切にピッチを変化させた円弧状等の反射回折格子とし、さらに適切な照明条件と組み合わせることで、小型な高分解能のエンコーダ光学系を構成している。
【００２９】
本実施形態では、格子スケールＧＴの格子ピッチが変化した場合、回折光の回折角が変わり、円弧回折格子ＣＧ１、ＣＧ２に入射する位置がずれる。そこで、円弧回折格子ＣＧ１、ＣＧ２の格子ピッチ間隔を（例えばフレネルレンズのように）適切に配置することで、反射回折光を元の方位に射出させている。
【００３０】
例えば、円弧回折格子ＣＧ１、ＣＧ２としてフレネル反射ミラーを想定する場合は、格子スケールＧＴと該円弧状反射回折格子ＣＧ１、ＣＧ２との間隔を、該円弧回折格子ＣＧ１、ＣＧ２の所謂焦点距離の２倍の関係にしている。これにより所望の光学効果を得ている。格子スケールＧＴに再入射する光路を元の光路と一致させ、これによって常に安定した干渉情報を得ている。
【００３１】
本実施形態のロータリーエンコーダの場合はディスク（放射状ディスク）が半径方向にずれた場合は、光束が入射する回折格子の格子ピッチが変わった場合に相当し、同様の理由により安定した干渉情報を得ている。
【００３２】
格子スケールＧＴの配列方向と、円弧回折格子ＣＧ１、ＣＧ２の光束入射位置における格子の配列方位は、取付け誤差がない状態では、完全に平行になるが、角度がつく場合がある。この場合は、格子スケールＧＴで再回折された±１次の光束が完全に一致せず、異なる方位に射出する。
【００３３】
そこで光束が、格子スケールＧＴ上の再回折位置に点状に集光させて、そこから射出する光束の波面が球面となり、ひろがって射出させている。±１次回折光の主光線の光軸は上述の通りずれているが、波面は互いに共有するので全体としては、所謂ワンカラー状態の安定した干渉状態になる。本実施形態においては、他の部材の取付け誤差についても同様の効果がある。
【００３４】
図２は本発明の実施形態２の要部概略図である。
【００３５】
本実施形態は図１の実施形態１に比べて、ミラーＭ１と円弧格子素子基板ＣＧとの間に新たにレンズＬ３を設けている点が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。
【００３６】
本実施形態ではレンズＬ１とレンズＬ３によって光源ＬＤからの光束に対して、集光特性を付与して、スケール格子ＧＴに略点状に斜入射照明している。これによって実施形態１と同様の効果を得ている。
【００３７】
図３は本発明の実施形態３の要部概略図である。
【００３８】
本実施形態は、図１の実施形態１に比べて、格子スケールＧＴに略点状照明する際に、半径方向にずらして斜入射にて点Ｓ１および点Ｓ２に照明する代わりに格子スケールＧＴの移動方位（円弧方向）にずらして点Ｓ１および点Ｓ２に照明している点が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。これによって実施形態１と同様の効果を得ている。
【００３９】
以上の各実施形態において、格子スケールＧＴをリニアスケール格子とし、本発明をリニアエンコーダに適用しても良い。
【００４０】
レンズＬ１またはレンズＬ３により格子スケールＧＴ上に点状照明する条件の厳密さは必要なく、実際はビームウエストのサイズは、有限であり、また最小集光位置が格子スケールＧＴから多少前後しても良い。
【００４１】
以上説明した各実施形態によれば、３格子干渉光学系の第２の回折格子ＣＧに適切に格子ピッチを変化させた円弧状反射格子を使用すること、および光束をスケール格子ＧＴ上に略集光照明することで
◎  小径のロータリーエンコーダ用のディスク上の放射状格子へ光束を照明する位置が、取りつけ時の誤差やディスクの偏芯によりずれても、安定した格子干渉信号が得られる。
◎  格子スケールＧＴの格子ピッチが変化しても、安定した検出ができるので、同一サイズ（照明半径）のディスクにて、異なるパルス数のエンコーダが実現する。
◎  格子スケールの格子ピッチが変化しても、安定した検出ができるので、ディスクと光学検出装置を分離した所謂組込みタイプのエンコーダが容易に実現する。
◎  該円弧状反射格子は、ＥＢ描画や露光、ガラスエッチング等の半導体プロセスにより加工することが容易であるので量産性がある。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、高分解能で安定した変位情報が得られる３格子干渉光学系を利用した小型薄型で小径ディスクに良好に適用できる変位情報検出装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態１の光学構成（ダイレクト集光）の要部概略図
【図２】  本発明の実施形態２の光学構成（レンズ集光）の要部概略図
【図３】  本発明の実施形態３の光学構成（照明位置を横にずらした場合）の要部概略図
【図４】  従来の円弧反射格子による従来のエンコーダの要部概略図
【符号の説明】
ＧＴ  格子スケール
ＣＧ  円弧状素子
ＬＤ  半導体レーザ、
Ｒ    光束、
Ｒ＋  ＋１次回折光、
Ｒ−  −１次回折光、
ＣＧ１、ＣＧ２  円弧回折格子
ＰＤ４  ４分割受光素子アレイ、
Ｍ    反射面、
ＱＺ１、ＱＺ２  １／８波長板、
ＰＯＬ４  ４分割偏光板アレイ
【図１】
0003977126.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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