JPH07119625B2 - 変位検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は移動物体の移動状態を光電的に測定する変位検
出装置に関し、特に移動物体に取付けた回折格子（格子
パターン）に光束、特に可干渉性光束を入射させ該回折
格子からの回折光を互いに干渉させて干渉縞を形成し、
干渉縞の明暗の縞を計数することによって移動物体の移
動状態を測定する際の基準位置信号を効率的に、かつ高
精度に得るようにした変位検出装置に関するものであ
る。

（従来の技術） 近年NC工作機械や半導体焼付装置等の精密機械において
は１μｍ以下（サブミクロン）の単位で測定することの
できる精密な測定器が要求されている。

従来よりサブミクロンの単位で測定することのできる測
定器としては、レーザー等の可干渉性光束を用い移動物
体からの回折光より干渉縞を形成させ、該干渉縞を利用
したリニアエンコーダーやロータリーエンコーダーが良
く知られている。

光電的なロータリーエンコーダーは例えば第３図に示す
ように回転軸30に連絡した円板35の周囲に透光部と遮光
部を等間隔に設けた、所謂メインスケール31とこれに対
応してメインスケールと等しい間隔で透光部と遮光部と
を設けた所謂固定のインデックススケール32との双方の
スケールを投光手段33と受光手段34で挟んで対向配置し
た所謂インデックススケール方式の構成を採っている。

この方法はメインスケールの回転に伴って双方のスケー
ルの透光部と遮光部の間隔に同期した信号が得られ、こ
の信号を周波数解析して回転軸の回転速度の変動を検出
している。

又このとき円板35の一部に基準位置信号を得る為に基準
位置検出用のスリット状のパターン36と光源38と受光手
段37を設けている。

これにより円板35が１回転する毎に１パルスの信号出力
を得るようにし測定誤差のチェックや絶対量の測定等を
行っている。

このとき受光手段37によりパターン36を光束が通過する
瞬時のみ受光し、このときの受光手段37からの出力が基
準値を越えたときを基準位置とする方法をとっている
為、パターン36が通過する方向によって基準位置がずれ
てしまい、更に光束の強度や受光手段の感度変化により
基準位置がずれてしまうという欠点があった。

この他、光源としてLED（発光ダイオード）等のインコ
ヒーレント光を用い２枚のスリット列を重ね合わせて横
ずらしによる透過光量の変化を受光して、その透過光量
の最大値に対応する回転位置を基準位置とする方法もあ
る。

この方法における分解能はスリット列の最高空間周波数
（最小格子ピッチ幅）で制限され、分解能を上げる為に
はスリット列の格子ピッチ幅を狭める必要がある。しか
しながら格子ピッチ幅を狭め、例えば光源の波長近くま
で狭めると回折の影響でスリット列からの透過光が減少
し、更に２枚のスリット列の間隔を高精度に調整しなく
てはならず製作上大変困難となってくる。

移動物体の移動に関する基準位置信号を検出する方法と
して、特開昭59−102104号公報では、ポジショナ等の移
動体を基準原点に位置決めする際に被検体上に２個のス
リットをずらして配置し、該２個のスリットからの各光
を固定スリットを介して光電変換し、基準位置信号を得
る光学式定点位置決め方法を開示している。

又特開昭59−166812号公報では、一対の磁気センサーを
用いて磁性円盤の切欠部を検出し、磁性円盤が１回転し
たことを検出する電動機の一回転検出方法を開示してい
る。

（発明が解決しようとする問題点） 一般にロータリーエンコーダーや、リニアエンコーダー
等の変位検出装置においては、被検移動物体の移動状態
を測定する際には移動情報と共に移動物体に関する基準
位置信号を、高精度にしかも効率的に検出することが重
要になっている。

基準位置信号を高精度に、しかも効率良く検出するには
移動物体に設ける基準マーク（基準位置検出部）の形状
や光照射手段からの基準マークを照明する際の光束の光
束径や集光状態等の入射条件、そして基準マークを介し
た光束を検出する受光手段等の構成を適切に設定する必
要がある。

例えば、基準マークを照明する光束径が基準マークより
も小さいと基準マークの位置を高精度に検出することが
難しくなってくる。又基準マークを光源から射出する発
散光束が照明し、該基準マークを介した光束を受光手段
で検出すると検出される光量が少なくなり、S/N比が低
下して検出精度が悪化してくる。

本発明は、受光手段に設ける２つの受光部の配置や移動
物体に設ける基準位置検出部の形状や該基準位置検出部
を照明する光照射手段と該基準位置検出部からの光束を
受光する受光手段に各々シリンドリカルレンズを用い
て、所定幅の線状光束として照明及び受光することによ
り光束の有効利用を図りつつ、２つの受光部で得られる
信号より移動情報に関する基準位置信号を高精度に検出
することができる変位検出装置の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明の変位検出装置は、移動物体に設けた格子パター
ンに光照射手段からの光束を入射させ、該格子パターン
を介した光束を第１受光手段で検出して該移動物体の変
位を検出すると共に該移動物体の所定位置に設けた単一
のパターンより成る基準位置検出部に光源手段からの光
束をシリンドリカルレンズによって該移動物体の変位方
向の光束径が該基準位置検出部の幅より大きくなるよう
に線状に集光させて入射し、該基準位置検出部を介した
光束をシリンドリカルレンズを介して該移動物体の変位
方向に２つの受光部を該基準位置検出部の位置関係に応
じて出力信号が変化するように並置した第２受光手段で
検出し、該第２受光手段からの信号を用いて該移動物体
の基準位置信号を得ていることを特徴としている。

（実施例） 第１図は本発明の変位検出装置をロータリーエンコーダ
ーに適用したときの一実施例の光学系の概略図である。

本実施例ではレーザー１より放射された光束をコリメー
ターレンズ２によって平行光束とし偏光ビームスプリッ
ター３に入射させ、略等光量の反射光束と透過光束の２
つの直線偏光の光束に分割している。このうち反射した
光束は1/4波長板４を経て、円偏光とし、２つの反射面
を有するプリズム16を介した後、被測定回転物体と連結
した円板６上の放射状の回折格子（格子パターン）が設
けられている放射格子７の位置M₁に入射させている。

そして放射格子７に入射し回折した透過回折光のうち特
定次数の回折光を反射手段８により反射させ、同一光路
を逆行させ放射格子７上の略同一位置M₁に再入射させて
いる。そして放射格子７により再回折された特定次数の
回折光を1/4波長板４を介して入射したときと90度偏光
方位の異なる直線偏光とし偏光ビームスプリッター３に
入射させている。

本実施例では偏光ビームスプリッター３から反射手段７
に至る特定次数の回折光の往復光路を同一としている。
第２図は第１図で示した反射手段の一実施例の説明図で
ある。

同図においては反射鏡40を集光レンズ41の略焦点面上に
配置し、集光レンズ41に平行に入射してきた特定次数の
回折光のみをマスク42の開口部43を通過させ反射鏡40で
反射させた後、元の光路を逆戻りするようにしている。
そして、その他の次数の回折光をマスク42により遮光し
ている。反射手段としては、この他第２図に示す機能と
同一のものであれば、例えばキャッツアイ光学系等どの
ような構成のものでも良い。このような光学系を用いれ
ば例えばレーザーの発振波長が変化し、回折角が多少変
化しても略同じ光路で戻すことができる特徴がある。

又、キャッツアイ光学系に、屈折率分布型レンズ、例え
ば日本板硝子社製のセルフォックマイクロレンズ（商品
名）等を適用し、その両端平面な円に着目して片面に反
射膜を設けることにより、構成が簡便で且つ又生産性に
富む光学素子として本発明に有効に適用することができ
る。

第１図に戻り偏光ビームスプリッター３で分割された２
つの光束のうち透過した光束は1/4波長板５を介し円偏
光とし、円板６上の放射格子７上の位置M₁と回転軸50に
対して略点対称の位置M₂に入射させている。そして放射
格子７に入射し回折した透過回折光のうち特定次数の回
折光を前述の反射手段８と同様の反射手段９により同一
光路を逆行させて、反射格子７の略同一位置M₂に再入射
させている。そして放射格子７より再回折された特定次
数の回折光を1/4波長板５を介し入射したときとは90度
偏光方位の異なる直線偏光とし偏光ビームスプリッター
３に入射させている。

このとき、透過光束も前述の反射光束と同様に偏光ビー
ムスプリッター３から反射手段９に至る特定次数の回折
光の往復光路を同一としている。そして反射手段８を介
し入射してきた回折光と重なり合わせた後、1/4波長板1
0を介し円偏光とし、光分割器11で２つの光束に分割
し、各々の光束を互いの偏光方位を45度傾けて配置した
偏光板12,13を介し双方の光束に90度の位相差を付けた
直線偏光として各々の受光手段14,15（第１受光手段）
に入射させている。そして受光手段14,15により形成さ
れた２光束の干渉縞の強度を検出している。

本実施例では以上の各要素１〜5,8〜17は第１検出光学
系の一要素を構成している。又各要素１〜5,16,17は光
照射手段の一要素を構成している。又受光手段14,15は
第１受光手段の一要素を構成している。

一方、本実施例ではレーザー１から直接導いた光束若し
くは別個に設けた不図示の光源（光源手段）からの光束
若しくは放射格子７の位置M₁に入射し、回折した光束の
うち反射手段８に入射する特定次数の回折光、例えばｍ
次の回折光以外の回折光の中から特定次数の回折光、例
えば−ｍ次、ｍ＋１次等の回折光束を反射鏡18とビーム
スプリッター19を介し、シリンドリカルレンズ21により
光束を線状光束とし、円板６上に設けた矩形の反射面か
ら成る基準位置検出部（基準マーク）22に入射させてい
る。

基準位置検出部22は矩形の反射面の単一パターンから成
っている。そして基準位置検出部22で反射した反射光を
シリンドリカルレンズ21,ビームスプリッター19を介し
て２つの受光器（受光部）24A,24Bを有する第２受光手
段24により光電的に受光し、これにより基準位置信号を
得ている。

ここでビームスプリッター19からのシリンドリカルレン
ズ21によって移動物体（円板６）の変位方向の光束径が
基準位置検出部22の幅より大きくなり、かつ線状の光束
となるように基準位置検出部22の形状に合わせ、集光さ
せて基準位置検出部22に入射させている。

そして基準位置検出部22からの反射光をシリンドリカル
レンズ21を介して第２の受光手段24で受光している。

このようにシリンドリカルレンズを介して基準位置検出
部22への線状光束の投受光を行うことにより、基準位置
検出部22の照明効率を高めると共に受光手段24で受光す
る際の検出光量を増大させてS/N比の高い基準位置信号
を得て検出精度を高めている。

尚、第２受光手段24は一体化した２つの受光面を有する
１つの受光素子より構成しても良い。これにより円板６
の回転状態を測定する際の基準信号、例えば１回転毎に
１つの基準信号を得ている。

本実施例では、各要素19,21,24A,24Bは第２検出光学系
の一要素を構成している。

このように線状光束を用い、かつ基準位置検出部22の反
射面も図１に示すように同様な線状形状とすることによ
り前述した照明効率の向上と共に基準位置信号を検出す
る際のゴミやキズ等の悪影響を軽減させている。

第４図（Ａ）は本実施例における基準位置信号を検出す
る際の一部分の詳細図である。第４図（Ｂ）は基準位置
検出部22として幅Ｐの反射面が幅Ｐ′の光束の集光領域
にさしかかったときの様子を模式的に示した説明図であ
る。

尚図４（Ｂ）においては簡単の為に図４（Ａ）のシリン
ドリカルレンズ21を省略して図示している。

本実施例ではレーザーからの光束をビームスプリッター
19により一部を反射し、シリンドリカルレンズ21により
円板６上の基準位置検出部22が配置されている近傍に線
状に集光している。円板６の移動に伴い円板６がある位
置まできたときに基準位置検出部22の反射面22′により
反射される。

このとき第４図（Ａ）に示すように反射面22′が左方か
ら右方へ移動中なら最初に反射される光束はシリンドリ
カルレンズ21を経て、ビームスプリッター19を経て一方
の受光器24Aに入射する。

更に反射面22′が右方に移動すると受光器24Bにも入射
してくる。この結果、受光器24Aと受光器24Bへの入射光
量が等しくなる瞬間が生じる。

本実施例では、このときの２つの受光器24A,24Bからの
出力信号が等しくなる位置を零位置、即ち基準位置とし
Ｚ相信号を発生させている。

第５図（Ａ）〜（Ｅ）は第４図に示す実施例において基
準位置検出部22の反射面22′の幅Ｐと線状光束の集光領
域幅Ｐ′との相対的関係における２つの受光器24A,24B
に入射する光量の変化の様子を示す説明図である。同図
（Ｂ）より明らかのようにＰ′≒2Pとなるように設定す
るのがＺ相信号を精度良く検出するのに好ましい。

本実施例ではこのように、光束幅Ｐ′が反射面22′の幅
Ｐよりも大きくなるようにしており（Ｐ′＞Ｐ）、これ
によりレーザ光の出力変動や受光系の感度変動があって
も、２つの受光器24A,24Bからの出力信号A,Bが交差する
位置（第５図A,B,C）が変わらず、安定した基準位置信
号が得られるようにしている。

これに対して同図（Ｅ）のＰ′≦Ｐとなったときでは信
号A,Bの交差する点が定まらず、零位置（基準位置）を
精度良く検出するのが困難となってくる。

尚本実施例では２個の独立した受光器24A,24Bを用いて
いるが、１個の素子上に２つの受光面を備えた所謂２分
割センサーを用いれば、更に構成が簡便となり、配置も
簡素化される。

又、シリンドリカルレンズを介して平行光束となった反
射光を検出しているが、更に正の屈折力のレンズを配置
し収斂光とした後に受光素子へ導けば、小型の受光素子
を用いることが出来、やはり装置の小型変、簡便化が図
れる。

又、本実施例でおいては光束の有効利用を図る為にビー
ムスプリッターを用いずに第６図に示すようにレーザー
80からの光束をシリンドリカルレンズ21を介し、円板６
上に斜め上方から入射させ、円板６上からの反射光束を
シリンドリカルレンズ81により集光し、受光器24A,24B
に導光させても良い。

以上の実施例では基準位置検出部22を反射した光束を用
いて基準位置信号を得た場合について示したが、例えば
第７図に示すように透過光束を利用するようにしても良
い。

即ち下方よりレーザー90からの光束をシリンドリカルレ
ンズ21を介し透明板より構成した円板６に入射させ、円
板６からの透過光束をシリンドリカルレンズ91により受
光器24A,24Bに導光させても良い。

次に本実施例のエンコーダーとしての動作を説明する。

本実施例において被測定回転物体が放射格子７の１ピッ
チ分だけ回転するとｍ次の回折光の位相は2mπだけ変化
する。同様に放射格子７により再回折されたｎ次の回折
光の位相は2nπだけ変化する。これにより全体として受
光手段からは（2m−2n）個の正弦波形が得られる。

本実施例ではこのときの正弦波形を検出することにより
回転量を測定している。

例えば回折格子のピッチが3.2μｍ、回折光として１次
及び−１次を利用したとすれば回転物体がピッチの3.2
μｍ分だけ回転したとき受光素子からは４個の正弦波形
が得られる。即ち正弦波形１個当りの分解能として回折
格子の１ピッチの1/4の3.2/4＝0.8μｍが得られる。

本実施例では光分割器11により光束を２分割し各々の光
束間に90度の位相差をつけることにより回転物体の回転
方向も判別出来るようにしている。

尚、回転量のみを測定するのであれば光分割器11、偏光
板12,13及び一方の受光手段は不要である。又、得られ
る正弦波形の周波数を計測すれば回転速度を検出するこ
とも可能である。

本実施例では回転中心に対して略点対称の２つの位置
M₁,M₂からの回折光を利用することにより回転物体の回
転中心と放射格子の中心との偏心による測定誤差を軽減
させている。

尚、本実施例に於る構成は略点対称な２点からの回折光
を利用しているわけであるが、略点対称に限らず複数の
位置からの回折光を用いることにより略同等の効果を得
ることが出来る。例えば、互いに120゜の角度を成す３
点からの回折光を利用したり、近接しない任意の２点か
らの回折光を利用するのも有効である。

更に一方の光束の回転軸中心寄りの光束要素と略点対称
な位置に入射させた他方の光束の回転軸中心寄りの光束
要素とを互いに重なり合わせ、同様に回転中心の外側寄
りの光束要素同志を重ね合わせることにより、放射格子
の外側と内側のピッチの違いより生じる波面収差の影響
を除去している。

本実施例では偏光ビームスプリッター３から反射手段8,
9に至る特定次数の回折光の往復の光路を同一とするこ
とにより、偏光ビームスプリッター３における２つの回
折光束の重なり具合を容易にし、装置全体の組立精度を
向上させている。

尚、測定精度があまり要求されない場合には回転軸に対
して点対称の２点からの光束を利用する代わりに片方の
光束のみを使用するようにしても良い。

尚、以上の各実施例において1/4波長板4,5は偏光ビーム
スプリッター３と反射手段との間であればどこに配置し
ても良い。

又、各実施例において受光手段14,15に導光する回折光
を透過回折光の代わりに反射回折光を利用しても良い。

以上の実施例はロータリーエンコーダーについて説明し
たが、本発明の技術的思想はそのままリニアエンコーダ
ーにも適用することができる。

尚、本発明において使用する回折格子は、透光部と遮光
部から成る所謂振幅型の回折格子、互いに異なる屈折率
を有する部分から成る位相型の回折格子である。

特に位相型の回折格子は、例えば透明円盤の円周上に凹
凸のレリーフパターンを形成することにより作成出来、
エンボス、スタンパ等のプロセスにより量産が可能であ
る。

（発明の効果） 本発明によれば以上のように、移動物体に設ける基準位
置検出部の形状や該基準位置検出部を照明する光照射手
段と該基準位置検出部からの光束を受光する受光手段に
各々シリンドリカルレンズを用い、該シリンドリカルレ
ンズを介して線状光束として照明及び受光をすることに
より、光束の有効利用を図ると共に２つの検出器からの
出力信号を交差点を安定して決定し、移動情報に関する
基準位置信号を高精度に検出することができる変位検出
装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光学系の概略図、第２図は
第１図の一部分の説明図、第４図（Ａ），（Ｂ）は各々
第１図の基準位置検出系の一部分の説明図、第５図は本
発明に係る２つの受光器からの出力信号の説明図、第６
図，第７図は本発明に係る基準位置検出系の他の実施例
の一部分の説明図、第３図は従来の光電的ロータリーエ
ンコーダーの説明図である。 図中1,80,90はレーザー、２はコリメーターレンズ、３
は偏光ビームスプリッター、4,5,10は1/4波長板、６は
移動板である円板、７は放射格子、8,9,18,は各々反射
手段、19はビームスプリッター、12,12は各々偏光板、1
4,15は第１受光手段、24は第２受光手段、21,81,91はシ
リンドリカルレンズ、22は基準位置検出部、24A,24Bは
各々受光器、22′は反斜面である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】移動物体に設けた格子パターンに光照射手
   段からの光束を入射させ、該格子パターンを介した光束
   を第１受光手段で検出して該移動物体の変位を検出する
   と共に該移動物体の所定位置に設けた単一のパターンよ
   り成る基準位置検出部に光源手段からの光束をシリンド
   リカルレンズによって該移動物体の変位方向の光束径が
   該基準位置検出部の幅より大きくなるように線状に集光
   させて入射し、該基準位置検出部を介した光束をシリン
   ドリカルレンズを介して該移動物体の変位方向に２つの
   受光部を該基準位置検出部の位置関係に応じて出力信号
   が変化するように並置した第２受光手段で検出し、該第
   ２受光手段からの信号を用いて該移動物体の基準位置信
   号を得ていることを特徴とする変位検出装置。