(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可干渉光源からの光線を複数の方向からスケールへ入射させ、それぞれの回折光同士を干渉させて検出信号を得るようにした格子干渉型変位測定装置において、
偏光分割手段により偏光方向を互いに変えて分割した複数の光線のスケール格子への入射位置を、該スケール格子上での光線径より離すと共に、
各光線のスケールへの入射角度と回折光の出射角度をほぼ同一とし、
更に、偏光板で、この回折光の±１次光は通過するが、０次光は通過しないように構成したことを特徴とする格子干渉型変位測定装置。
【請求項２】
前記複数の光線のスケール格子への入射位置を、スケール表面への入射位置をずらすことにより、スケール格子上での光線径より離すことを特徴とする請求項１に記載の格子干渉型変位測定装置。
【請求項３】
前記複数の光線のスケール格子への入射位置を、ガラスにより被覆されたスケール表面の一点に入射した後、被覆ガラスの下にあるスケール格子に至る迄の被覆ガラスの厚み分、光線が進む間に、スケール格子上での光線径より離すことを特徴とする請求項１に記載の格子干渉型変位測定装置。
【請求項４】
前記スケールに入射する光線の径を制限する開口が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３乃至のいずれかに記載の格子干渉型変位測定装置。
【請求項５】
前記複数の光線のスケール透過光を遮光する手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の格子干渉型変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、格子干渉型変位測定装置に係り、特に、センサ部とスケールの相対変位量を計測する直線型エンコーダ、該直線型エンコーダを組み込んだリニアゲージ等の測定器や形状測定器、内外径測定器等の測定装置、及び、工作機械や検査機械等の移動ステージの位置決めや速度制御等を行なう装置に用いるのに好適な、可干渉光源からの光線を複数の方向からスケールへ入射させ、それぞれの回折光同士を干渉させて検出信号を得るようにした格子干渉型変位測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一定ピッチの光学的な目盛が形成されたスケールを用いて、周期的な検出信号を生成する光学式エンコーダが普及している。更に、この光学式エンコーダの高分解能化を図ったものの１つに、スケールにホログラフィの技術を用いて微細なピッチの目盛を形成し、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。
【０００３】
図１は、出願人が特開平１−１８５４１５で提案した格子干渉型変位検出装置を示すものである。この変位測定装置は、光源波長λと同じオーダーの例えば１μｍ以下のピッチｐの回折格子が形成されたスケール１０と、前記回折格子に波長λのレーザ光線１４を照射するための、例えばレーザダイオード（ＬＤ）からなる可干渉光源（以下、単に光源とも称する）３２、コリメータレンズ３４、及び、前記回折格子によって生成された複数の光線の混合波を光電変換する受光素子２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、検光子２８Ｂ、２８Ｃ、１／４波長板３０を含むセンサ部２０とを備え、前記スケール１０とセンサ部２０の相対変位に応じて周期的に変化する検出信号を生成する格子干渉型変位検出装置において、前記光源３２からのレーザ光線１４を２分するハーフミラー４０、及び、該２分されたレーザ光線を同一の入射角度θでそれぞれ対称に前記回折格子上の同一の回折点１０Ａに入射させる一対のミラー４２Ａ、４２Ｂを前記センサ部２０に備えると共に、前記回折格子での前記２分された入射光線ａ、ｂの一方の０次光と他方の１次（回折）光が分離できる程度に入射角度θと回折角度φとを異ならせて設定し（φ＜θ）、分離された１次光を一対のミラー４４Ａ、４４Ｂで反射し、偏光子４６Ａ、４６Ｂで互いに直交する偏光方向とした後、その混合波を、ハーフミラー４８、５０により前記受光素子２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃにそれぞれ入射するようにされている。
【０００４】
この変位測定装置においては、スケール１０への光線の入射角度θと回折角度φを異なった角度としている。又、スケール１０とそれ以外の部分（センサ部２０）の相対変位を測定する装置であるため、機器類に取り付ける際には、スケール１０とセンサ部２０は別々の部材に取り付けられ、どちらか一方が変位することになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この光学系の構成の場合、センサ部２０とスケール１０のピッチ角（光学系の要部を示した図２における紙面上の回転方向位置関係）が、適正位置からずれた場合、スケール１０からの出射角度φは、左右の光路で異なった角度となり、図３にピッチ角を変化させた場合の出力信号レベルとピッチ角の関係の実測値を示す如く、干渉させた時のコントラストが低下し、出力信号レベルが劣化する。このため、十分な性能を発揮できないという問題点を有していた。
【０００６】
従って、図１の光学系を持つ格子干渉型変位測定装置の機能を十分に引出すためには、装置に取り付ける際に、出力信号レベルが最大となるようにピッチ角を調整する必要があり、もう一方向の調整も必要であるため、２方向の調整となって、機器類への取付けに時間がかかるという問題点を有していた。
【０００７】
なお、特開平１−１８５４１５では、更に、図４に示す如く、入射角度θと回折角度φをほぼ等しくする変形例も記載しているが、０次光と１次光が混合して分離できないため、良好な信号が得られなかった。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、検出信号の強度がピッチ角のずれの影響を受け難く、且つ、良好な信号を得ることができ、従って、機器類への簡単な取付けを実現し、装置の使い勝手を向上させることを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、可干渉光源からの光線を複数の方向からスケールへ入射させ、それぞれの回折光同士を干渉させて検出信号を得るようにした格子干渉型変位測定装置において、偏光分割手段により偏光方向を互いに変えて分割した複数の光線のスケール格子への入射位置を、該スケール格子上での光線径より離すと共に、各光線のスケールへの入射角度と回折光の出射角度をほぼ同一とし、更に、偏光板で、この回折光の±１次光は通過するが、０次光は通過しないように構成することにより、前記課題を解決したものである。
【００１０】
又、前記複数の光線のスケール格子への入射位置を、スケール表面への入射位置をずらすことにより、スケール格子上での光線径より離すようにしたものである。
【００１１】
あるいは、前記複数の光線のスケール格子への入射位置を、ガラスにより被覆されたスケール表面の一点に入射した後、被覆ガラスの下にあるスケール格子に至る迄の被覆ガラスの厚み分、光線が進む間に、スケール格子上での光線径より離すようにしたものである。
【００１２】
又、前記スケールに入射する光線の径を制限する開口を設けて、０次光と１次回折光の分離を確実としたものである。
【００１３】
又、前記複数の光線のスケール透過光を遮光する手段を設けて、０次光と１次回折光の分離をより確実としたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１５】
本発明の第１実施形態は、図５に示す如く、図４に示した従来例と同様の格子干渉型変位測定装置において、スケール１０に入射する光線の径を制限するための、例えば円形の開口６０をコリメータレンズ３４の出側に設けると共に、この開口６０の大きさによって決まる光線径より十分に離れるようにスケール１０上での２つの光線の入射位置１０Ａ、１０Ｂを決めている。
【００１６】
更に、ハーフミラー４０の代わりに偏光ビームスプリッタ６２を用いて、スケール１０に入射される２つの光線の偏光方向を変えると共に、スケール１０の出側に、０次光の偏光方向の光線をカットし、且つ、１次光の偏光方向の光線を通過させる方位で、偏光板６４Ａ、６４Ｂを設けている。
【００１７】
図において、６６Ａ、６６Ｂ、６８Ａ、６８Ｂは、それぞれ、ハーフミラー４４Ａ、４４Ｂを通過した光から、例えばＬＤ３２の光量をフィードバック制御する参照信号を得るためのレンズ及び受光素子、７０は無偏光ビームスプリッタ(ハーフミラー)、７４Ａ、７６Ａ、７８Ａは、それぞれ、前記ハーフミラー７０を通過した光からＡ相信号を得るための偏光板、レンズ及び受光素子、７２Ｂ、７４Ｂ、７６Ｂ、７８Ｂは、それぞれ、前記ハーフミラー７０を通過した光から、前記Ａ相信号に対して位相が９０°ずれたＢ相信号を得るための１／４波長板、偏光板、レンズ及び受光素子である。
【００１８】
本実施形態において、ＬＤ３２から出射された光線は、コリメータレンズ３４を通過して平行光となり、開口６０により光線径が制限され、偏光ビームスプリッタ６２により、直交した２つの直線偏光に分けられる。
【００１９】
それぞれの光線は、左右対称に配置されたミラー４２Ａ、４２Ｂにより反射され、角度θで、スケール１０上の光線径より大きく離れた２点１０Ａ、１０Ｂへ入射する。
【００２０】
スケール１０による±１次（回折）光は、入射角度θと同じか、ほぼ同じ回折角度φで出射する。
【００２１】
このときの光源波長λ、該光源波長λと同じオーダーの例えば１μｍ以下のスケールの格子ピッチｐと、入射角度θ、回折角度φの間には、次式の関係が成立する。
【００２２】
sinθ−sinφ＝λ／ｐ        …（１）
【００２３】
スケール１０が、図の左右方向に変位量ｄだけ変位した場合、それぞれの回折光の位相は、ｄ／ｐだけ、それぞれ逆方向に変化する。光の位相差に変換されたスケールの変位量は、２つの光束を干渉させることで、ｄ／２ｐ周期分ずれた干渉光強度として観測される。
【００２４】
回折された光線は、それぞれの直線偏光成分を透過する方位に配置された偏光板６４Ａ、６４Ｂを通過する。又、このとき、スケールから入射角度と同じ角度θで、ノイズ成分となる透過光（０次光）が出射するが、前記のように、光線径以上に離れた２点で回折していることから、±１次光と０次光の光束は重ならず、更に、前記偏光板６４Ａ、６４Ｂは、０次光を遮光する位置に配置されているため、その光の殆どが透過しない。ここで、完全に遮光することができないのは、光源３２の偏光度や偏光ビームスプリッタ６２の偏光能により、偏光板６４Ａ、６４Ｂに入射する光線が、完全な直線偏光ではないためである。
【００２５】
そして、偏光板６４Ａ、６４Ｂを通過したそれぞれの回折光は、左右対称に配置されたハーフミラー４４Ａ、４４Ｂにより反射され、中央の無偏光ビームスプリッタ７０へ入射する。
【００２６】
ここで、ハーフミラー４４Ａ、４４Ｂを通過した光は、レンズ６６Ａ、６６Ｂを介して受光素子６８Ａ、６８Ｂに入射し、参照信号となる。なお、図１又は図４に示した従来例と同様に、受光素子６８Ａ、６８Ｂのいずれか一方を省略して、一方のみで代用することも可能である。
【００２７】
無偏光ビームスプリッタ７０に入射する２つの直線偏光は、それぞれ半分ずつ透過、反射し、更に同一光路を通って、受光素子７８Ａ、７８Ｂに向かう。
【００２８】
一方の光路（図の右側の光路）には、４５°方位に偏光板７４Ａが配置されており、２光線を干渉させ、受光素子７８Ａによりスケールの位置を電気信号強度に変換して出力する。
【００２９】
他方の光路（図の左側の光路）には、更に１／４波長板７２Ｂが配置され、片方の直線偏光の位相のみを９０°遅らせ、更に偏光板７４Ｂを通過させ干渉させることで、位相の９０°異なる電気信号に変換する。
【００３０】
受光素子７８Ａ、７８Ｂによって得られた９０°位相の異なる２信号を処理することで、スケールの移動方向を判定することができる。
【００３１】
このとき、偏光板６４Ａ、６４Ｂでカットし切れなかったスケールの透過光（０次光）も、受光素子に向かうが、光線径以上に光路がずれており、有効な光線とは干渉することがなく、出力信号が劣化することはない。このため、完全な２光束干渉となり、ほぼ理想的な正弦波信号が出力される。
【００３２】
又、左右それぞれのハーフミラー４４Ａ、４４Ｂを透過した光線は、回折光の強度モニタとして使用され、強度が一定になるようにＬＤ３２の光量を制御するのに用いられる。
【００３３】
図６に、本実施形態におけるスケールのピッチ角と信号強度の関係の実測値を示す。図３に比べてピッチ角に対する出力信号強度の落ち込みが小さくなっていることが分かる。
【００３４】
このようにして、入射角度θと回折角度φを同じか、ほぼ同じとすることで、ピッチ角のずれが発生した場合に、受光素子への左右光路を通過した光線の入射角度間に差が発生し難くなる。これは、入射角度θと回折角度φの間に、（１）式の関係があり、θとφが反比例関係であるため、θとφがほぼ等しい時には、θとφの和がほぼ一定となり、左右の光路を通過した光線間に角度差が発生し難く、信号強度の劣化が起こり難くなるためである。
【００３５】
本実施形態においては、円形の開口６０を設けているので、入射光線の径を絞ることにより、スケール１０上で入射位置をずらす量を小さくすることができる。なお、開口６０の形状は円形に限定されず、更に、入射光線の径がもともと小さい場合や、あるいは、装置のサイズに余裕がある場合には、開口６０を省略することができる。
【００３６】
本実施形態においては、更に、スケールに入射する光の偏光方向を異なるものとし、その出側に偏光板６４Ａ、６４Ｂを設けて０次光を遮蔽するようにしているので、ノイズの影響を確実に低減することができる。
【００３７】
次に、図７を参照して、本発明の第２実施形態を詳細に説明する。
【００３８】
本実施形態は、ガラス基板１２Ａの上にスケール格子１２Ｂが形成され、更に、その上がガラス１２Ｃによって被覆されたスケール１２を用いた格子干渉型変位測定装置において、第１実施形態の偏光ビームスプリッタ６２及び無偏光ビームスプリック７０の代りに、プリズム８０、８２を用いて、スケール１２の表面１２Ｓ（即ちガラス１２Ｃの表面）への入射点が１点であったものが、ガラス１２Ｃの厚みｔ分、光線が進むと、光線径以上離れて、スケール格子１２Ｂに入射するようにしたものである。
【００３９】
他の点については、第１実施形態と同じであるため、同じ符号を付して、説明は省略する。
【００４０】
本実施形態においては、複数の光線がガラス１２Ｃの表面の１点に入射するため、ガラス表面（入射側）のうねりによる誤差を生じにくい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、スケールと検出器の取付角度差による検出信号効率の劣化が小さくなり、取付けの際の同位置調整が不要になる。機器取付時の位置関係は、取付基準面の加工精度基準で十分であり、取扱いが簡単になるだけでなく、特別な調整機構も不要となり、構成を簡略化して、部品点数を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】出願人が特開平１−１８５４１５で提案した従来の格子干渉型変位検出装置の構成を示す光路図
【図２】図１の光路の要部を示す光路図
【図３】図１の光学系における出力信号強度のピッチ角変動特性を示す線図
【図４】出願人が特開平１−１８５４１５に記載した変形例の構成を示す光路図
【図５】本発明の第１実施形態を示す光路図
【図６】第１実施形態における出力信号強度のピッチ角変動特性の例を示す線図
【図７】本発明の第２実施形態を示す光路図
【符号の説明】
１０、１２…スケール
１０Ａ、１０Ｂ…回折点
１２Ａ・・・ガラス基板
１２Ｂ・・・スケール格子
１２Ｃ・・・ガラス
３２…レーザダイオード（ＬＤ）
３４…コリメータレンズ
６０…開口
６２…偏光ビームスプリッタ
６４Ａ、６４Ｂ、７４Ａ、７４Ｂ…偏光板
６６Ａ、６６Ｂ、７６Ａ、７６Ｂ…レンズ
６８Ａ、６８Ｂ、７８Ａ、７８Ｂ…受光素子
７０…無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）
７２Ｂ…１／４波長板
８０、８２・・・プリズム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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