(57)【要約】【課題】回折格子の光軸周りのチルトが発生しても所望の計測精度を維持できる変位計測装置を提供すること。【解決手段】変位計測装置１００は、光源１２と、前記光源１２からの光が入射する回折格子２０と、前記光が前記回折格子を透過して得られる干渉光を受光するＰＤ３０と、前記ＰＤ３０で得られる信号に基づき、前記回折格子２０と前記ＰＤ３０との相対的な変位を出力する出力部４０とを具備する。回折格子２０が１つのみ設けられるので、回折格子２０とＰＤ３０とに相対的に、光軸周りのチルトが発生しても、変位の計測精度の低下が少ない。すなわち、所望の計測精度を維持できる。【選択図】図１
2017161294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光が入射する回折格子と、
前記光が前記回折格子を透過して得られる干渉光を受光する受光部と
前記受光部で得られる信号に基づき、前記回折格子と前記受光部との相対的な変位を出力する出力部と
を具備する変位計測装置。
【請求項２】
前記受光部は、前記回折格子から出射される回折光のうち、ｎを自然数として、＋ｎ次回折光と−ｎ次回折光による干渉光を受光する
請求項１に記載の変位計測装置。
【請求項３】
前記出力部は、前記受光部から直接出力されたサイン波信号を取得する
請求項１または２に記載の変位計測装置。
【請求項４】
前記回折格子は、前記干渉光の干渉縞を構成する複数の明部および複数の暗部のうち、これら明部および暗部の配列方向における１つの明部の幅が、前記配列方向における前記受光部の幅以上となるように設定された格子ピッチを有する
請求項１から３のうちいずれか１項に記載の変位計測装置。
【請求項５】
前記受光部は、複数の受光部で構成され、
前記格子ピッチは、前記配列方向における前記１つの明部の幅が、前記配列方向における前記複数の受光部の全体の幅以上となるように設定される
請求項４に記載の変位計測装置。
【請求項６】
前記受光部は、前記干渉光を形成する２つの回折光の光軸同士が交わる位置に受光面が位置するように配置される
請求項１から５のうちいずれか１項に記載の変位計測装置。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、光源側に近い第１回折格子と、それに対向する第２回折格子とで構成される回折格子対を備えた変位計測装置が開示されている。回折格子対では、第１回折格子による＋ｎ次回折光が第２回折格子に入射して第２回折格子から発生する−ｎ次回折光と、第１回折格子による−ｎ次回折光が第２回折格子に入射して第２回折格子から発生する＋ｎ次回折光との干渉光を発生する。変位計測装置は、受光部であるＰＤにより当該干渉光を受光し、その受光信号に基づき、第１回折格子および第２回折格子の相対変位を出力する（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2015-21890号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の装置では、第１回折格子および第２回折格子に、相対的に、光軸周りのねじれ（チルト）が発生すると、計測精度が低下するという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、回折格子の光軸周りのチルトが発生しても所望の計測精度を維持できる変位計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、回折格子と、受光部と、出力部とを具備する。
前記回折格子には、前記光源からの光が入射する
前記受光部は、前記光が前記回折格子を透過して得られる干渉光を受光する。
前記出力部は、前記受光部で得られる信号に基づき、前記回折格子と前記受光部との相対的な変位を出力する。
【０００７】
この変位計測装置では、回折格子が１つのみ設けられるので、回折格子と受光部とに相対的に、光軸周りのチルトが発生しても、変位の計測精度の低下が少ない。すなわち、本発明によれば、所望の計測精度を維持できる。
【０００８】
前記受光部は、前記受光部は、前記回折格子から出射される回折光のうち、ｎを自然数として、＋ｎ次回折光と−ｎ次回折光による干渉光を受光するように構成されていてもよい。
これにより、変位計測装置の光学的な設計が容易となる。
【０００９】
前記出力部は、前記受光部から直接出力されたサイン波信号を取得してもよい。
これにより、サイン波信号を意図的に形成する必要がなく、演算部として高価なＩＣを用いる必要もない。
【００１０】
前記回折格子は、前記干渉光の干渉縞を構成する複数の明部および複数の暗部のうち、これら明部および暗部の配列方向における１つの明部の幅が、前記配列方向における前記受光部の幅以上となるように設定された格子ピッチを有していてもよい。
【００１１】
前記受光部は、複数の受光部で構成され、前記格子ピッチは、前記配列方向における前記１つの明部の幅が、前記配列方向における前記複数の受光部の全体の幅以上となるように設定されていてもよい。
【００１２】
前記受光部は、前記干渉光を形成する２つの回折光の光軸同士が交わる位置に受光面が位置するように配置されていてもよい。
これにより、受光部は高い強度の信号を得ることができるため、ＳＮ比を上げ、計測精度を高めることができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上、本発明によれば、回折格子の光軸周りのチルトが発生しても所望の計測精度を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１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】ＰＤの受光部（受光面）と、それに入射する干渉光を重ねて示した図である。
【図３】図３Ａは、本実施形態についてのリサージュ波形を示し、図３Ｂは、装置Ａについてのリサージュ波形を示す。
【図４】図４は、回折格子とＰＤとの配置関係を説明するための光学系を示す図である。
【図５】図５Ａは、本発明の第２実施形態に係る変位計測装置において、複数の受光部、例えば３つの受光部を有するＰＤを示す。図５Ｂは、図５Ａに示すＰＤで得られる信号（出力部に入力される信号）を示す。
【図６】図６Ａは、回折格子の格子ピッチおよびＰＤの受光部サイズのバリエーション例を示す。図６Ｂは、それら受光部により得られる信号を示す。
【図７】図７Ａは、回折格子の格子ピッチおよびＰＤの受光部サイズのバリエーション例を示す。図７Ｂは、それら受光部により得られる信号を示す。
【図８】図８は、本発明の第３実施形態に係る変位計測装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
１．第１実施形態
【００１７】
１．１）変位計測装置
【００１８】
図１は、本発明の第１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。
【００１９】
変位計測装置１００は、光源１２、コリメータレンズ１４、回折格子２０、受光部として機能するＰＤ（Photo Detector）３０、出力部４０を備える。
【００２０】
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。
【００２１】
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。光源１２とコリメータレンズ１４との間に、アパーチャが設けられていてもよい。
【００２２】
回折格子２０は、透過型のものが用いられる。回折格子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、複数の回折光を出射する。複数の回折光（±ｎ次回折光、ｎは自然数）のうち、例えば、＋ｎ次回折光と−ｎ次回折光による干渉光が生成され、ＰＤ３０は、その干渉光を受光する位置に配置されている。典型的には、ＰＤ３０は、＋１次回折光と−１次回折光による干渉光を受光する。
【００２３】
例えば＋１次と＋２次の回折光による干渉光、−１次と−２次の回折光による干渉光、あるいは、±２次回折光による干渉光などが、ＰＤ３０の受光対象であってもよい。すなわち、回折格子２０を出射した回折光の光軸が、回折格子２０から離れた位置で交差するような回折光が用いられればよい。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、説明を容易にするため、それらの図示を省略している。
【００２４】
回折格子２０は、図１においてｙ方向に沿った溝である複数の格子線を有する。格子線のピッチ（格子ピッチ）Ｐは特に限定されないが、例えば50μm〜500μmである。より好ましくは、100μm〜300μmとされる。
【００２５】
本実施形態に係る変位計測装置１００は、これら格子線の配列方向であるｘ方向における、回折格子２０の並進変位、つまりｘ方向における回折格子２０とＰＤ３０との相対変位を計測対象としている。
【００２６】
本明細書では、主光軸方向（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２０の格子線に沿う方向をｙ方向とし、格子線の配列方向をｘ方向としている。
【００２７】
光源１２、コリメータレンズ１４および回折格子２０は、例えば筐体やフレーム等の支持構造１０により一体的に支持され、ＰＤ３０に対してｘ方向に一体的に移動可能とされる。ＰＤ３０も筐体やフレーム等の別の支持構造１３により支持される。これらの支持構造１０および１３は、例えば図示しないガイドおよび弾性部材により接続され、ｘ方向に相対移動可能に構成されている。
【００２８】
例えば、ＰＤ３０は、出力部４０を構成するＩＣと一体的に支持されていてもよい。
【００２９】
出力部４０は、ＰＤ３０で得られる信号を処理することで変位を出力する。出力部４０は、典型的には、アナログＩＣ、あるいはデジタルＩＣで構成される。
【００３０】
出力部４０は、デジタル回路で構成される場合、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のハードウェアを主に備える。出力部４０は、ＣＰＵに加え、またはＣＰＵに代えて、ＰＬＤ(Programmable Logic Device)を備えていてもよいし、あるいは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）を備えていてもよい。出力部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。
【００３１】
図２は、ＰＤ３０の受光部（受光面）と、それに入射する干渉光を重ねて示した図である。ＰＤ３０の受光面の形状は、例えば矩形とされている。干渉光は、例えば明部と暗部とが交互にｘ方向に配列されて構成される。干渉光の明部のピッチａや、明部の幅ｂは、回折格子２０の格子ピッチで決まる値である。本実施形態に係る回折格子２０は、明部の幅ｂがＰＤ３０のｘ方向の幅ｃ以上となるように設定された格子ピッチ（例えば上述した50μm〜500μm）を有する。
【００３２】
回折格子２０の移動に応じて、ＰＤ３０で得られる干渉光の強度信号は、サイン波信号となる。したがって、出力部４０は、ＰＤ３０から直接出力されるサイン波信号を取得する。
【００３３】
本実施形態では、１プレート方式を採用する。つまり、本実施形態に係る変位計測装置１００は、１つの回折格子２０を用いて、その回折格子２０とＰＤ３０との相対変位を計測するものである。
【００３４】
これに対し、一般の１プレート方式は、リニアエンコーダやロータリエンコーダのように、複数のスリットを有する１つのプレートを使用する。そして、スリットからの透過光（干渉光ではない）を光センサが受光し、そのプレートと光センサの相対変位が計測される。この場合、光センサで得られる信号は、三角波信号となる。
【００３５】
しかし、三角波信号を処理する場合、その三角波の頂点部分を処理するための高い周波数帯域が必要となるため、回路設計が難しくなり、あるいは高価なＩＣが必要となる。したがって、一般には、光センサでサイン波信号を得られるように光学的な要素を付加するか、または、光センサからの三角波信号を回路（演算）によりサイン波信号を生成する必要がある。
【００３６】
これに対し、本実施形態は、回折格子２０で得られる干渉光を利用するため、ＰＤ３０からサイン波の強度信号を出力することができる。そして、出力部４０はそのサイン波信号を取得し、それを変位に変換して出力することができる。
【００３７】
なお、出力部４０は、取得した強度信号に基づき、例えばインクリメント方式やルックアップテーブル方式により変位に変換することができる。
【００３８】
以上のように、この変位計測装置１００は、回折格子２０が１つのみ設けられる構造を採るので、回折格子２０とＰＤ３０とに相対的に、光軸周りのチルトが発生しても、変位の計測精度の低下が少ない。すなわち、本実施形態によれば、所望の計測精度を維持できる。
【００３９】
また、本実施形態では、光学系の構造がシンプルであるので、当該光学系の製造が容易となる。
【００４０】
１．２）チルトが発生した状態における繰り返し計測精度
【００４１】
本発明者らは、本実施形態に係る変位計測装置１００と、上記特許文献１の第１実施形態（図１）に示された変位計測装置（以下、装置Ｘと言う。）とについて、チルトが発生した状態における繰り返し計測精度を、シミュレーションにより比較した。繰り返し計測とは、例えば回折格子２０とＰＤ３０との相対変位の最大範囲内で、当該相対変位に対応する複数周期分のサイン波信号を取得することである。チルト角ごとに取得されたサイン波信号が、図３Ａ、Ｂに示すようにリサージュ波形に変換される。
【００４２】
図３Ａは、本実施形態についてのリサージュ波形を示し、図３Ｂは、装置Ｘについてのリサージュ波形を示す。こここで、本実施形態では、チルト角を0°、1°、5°とし、装置Ｘでは、0°、1°とした。
【００４３】
本実施形態では、図３Ａに示すように、３つのチルト角でリサージュ波形に変化がなく（すべてのリサージュ波形がほぼ重なって一致しており）、繰り返し計測精度の劣化がないことがわかる。これに対し、装置Ｘでは、図３Ｂに示すように、チルトが発生すると、繰り返し計測精度が低することがわかる。リサージュ波形が真円に近いほど、繰り返し計測精度が高いことを意味する。
【００４４】
装置Ｘのチルト許容度は-1°〜+2°に対し、変位計測装置１００のチルト許容度を例えば±5°以上であり、チルト許容度が高い。
【００４５】
１．３）計測スケールの精度（分解能）
【００４６】
ただし、本実施形態に係る変位計測装置１００の計測スケールの精度、つまり分解能は、装置Ｘに比べ低くなる。分解能は、格子ピッチにより決まる。具体的には、回折の式sinθ= mλ/dより、格子ピッチdが大きいほど、入射角θは小さく、干渉光の幅（例えば図２に示した明部の幅ｂ）は大きくなり、分解能は低くなる。すなわち、分解能は、格子ピッチとトレードオフの関係にある。
【００４７】
１．４）回折格子とＰＤとの配置関係
【００４８】
図４は、回折格子２０とＰＤ３０との配置関係を説明するための光学系を示す。回折格子２０から出射された２つの回折光の光軸同士が交わる位置（ｂ）に、ＰＤ３０の受光面が配置されるのが最適である。
【００４９】
図４の下に、位置（ａ）〜（ｃ）における回折光の光束同士の重なり具合を示す。通常、光束はガウシアンビームの強度分布を示すため、光束の中心、つまり光軸での光強度が最も高い。位置（ａ）、（ｃ）では、２つの回折光の光束が交わっているが、位置（ｂ）に比べると強度は低くなる。
【００５０】
ＰＤ３０が、位置（ｂ）に配置されることにより、できるだけ高い強度の信号を得ることができ、ＳＮ比を上げ、計測精度を高めることができる。
【００５１】
２．第２実施形態
【００５２】
次に、本発明の第２実施形態に係る変位計測装置について説明する。これ以降の説明では、上記第１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実質的に同様の要素については同一の符号を付し、その説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。
【００５３】
２．１）変位計測装置の構成
【００５４】
図５Ａは、複数の受光部、例えば３つの受光部３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃを有するＰＤ３５を示す。これらの受光部３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃの配列方向は、回折格子２０（図１参照）の格子線が並ぶ方向であるｘ方向である。本実施形態に係る回折格子２０は、明部の幅ｂが各受光部３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃの全体の幅ｅ以上となるように設定された格子ピッチを有する。格子ピッチは、1600μmに設定された。
【００５５】
図５Ｂは、このように構成された変位計測装置のＰＤ３５で得られる信号（出力部４０に入力される信号）を示す。横軸は変位（回折格子２０とＰＤ３５の相対変位）であり、縦軸が明るさ（光強度）を示す。３つの受光部３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃにより、信号Ａ、Ｂ、Ｃがそれぞれ得られる。信号ＡとＣの位相は180°ずれている。信号Ｂの位相は、ＡおよびＣに対して90°ずれている。
【００５６】
なお、図５Ｂには、ＤＣ信号として、Ａ＋Ｃの信号も載せてある。例えば出力部４０が、180°異なる位相を持つ信号Ａ、Ｃの和を算出することにより、当該ＤＣ信号が得られる。例えば、このＤＣ値は、回折格子２０から直進して出射する０次光の強度を含む。出力部４０は、このＤＣ信号を監視することにより、光源の状態、例えばパワー変動や、経時劣化等を監視することができる。
【００５７】
２．２）回折格子の格子ピッチと受光部サイズのバリエーション
【００５８】
図６Ａは、回折格子２０の格子ピッチを図５Ａのものより小さくし、かつ、それに合わせてＰＤ３６の各受光部のサイズを図５Ａのものに比べ小さく例を示す。格子ピッチは、1000μmに設定された。
【００５９】
図６Ｂは、図６Ａに示したＰＤ３６により得られる信号を示す。図６Ｂに示すように、格子ピッチを小さくした分、分解能も高くなっている。
【００６０】
このように、受光部のサイズを十分に小さくしても、各受光部は、多少の信号の乱れはあるものの、適切な信号を得ることができる。
【００６１】
図７Ａは、回折格子２０の格子ピッチを図５Ａのものより大きくし、かつ、それに合わせてＰＤ３７の各受光部のサイズを図５Ａのものに比べ大きくした例を示す。格子ピッチは、2000μmに設定された。
【００６２】
図７Ｂは、図７Ａに示したＰＤ３７により得られる信号を示す。図７Ｂに示すように、格子ピッチを大きくした分、分解能は低くなっている。また、信号Ｃと、Ａ＋Ｃの信号については、変位が0〜600μm程度の範囲の信号のみが使用可能であり、600μm以上では計測不能となっている。
【００６３】
３．第３実施形態
【００６４】
図８は、本発明の第３実施形態に係る変位計測装置を示す図である。この変位計測装置では、例えば光源１２、コリメータレンズ１４、およびＰＤ３０が、筐体やフレーム等の支持構造１１により一体的に支持される。そして、回折格子２０が、別の支持構造２１により支持される。これら支持構造１１、２１同士が相対的に移動可能になっている。
【００６５】
このような構成を備える変位計測装置は、上記実施形態に係る変位計測装置１００と同様に作用し、同様の効果を得ることができる。
【００６６】
４．他の種々の形態
【００６７】
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。
【００６８】
例えば、上記した回折格子２０は、透過型のものであったが、反射型のものが用いられてもよい。その場合、ミラーや別の光学素子を用いることにより、ＰＤへ干渉光が導光されるようにしてもよい。図１のように、透過型の回折格子２０が用いられる場合であてもよい、ミラーや別の光学素子を用いることにより、光路が途中で折れるように構成されていてもよい。
【００６９】
例えば、上記回折格子２０はｘ方向のみに配列された格子線を有していたが、これに加え、ｙ方向にも配列された格子線を有していてもよい。この場合、少なくともＰＤは、ｘおよびｙ方向の変位をそれぞれ受光する２つ以上の受光部を有し、出力部は、それら２方向の変位に応じた信号をそれぞれ出力する。
【００７０】
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】
【００７１】
１２…光源
２０…回折格子
３０、３５、３６、３７…ＰＤ（受光部）
４０…出力部
１００…変位計測装置
【図１】
2017161294.tif 000003
【図２】
2017161294.tif 000004
【図３】
2017161294.tif 000005
【図４】
2017161294.tif 000006
【図５】
2017161294.tif 000007
【図６】
2017161294.tif 000008
【図７】
2017161294.tif 000009
【図８】
2017161294.tif 000010