JP4136059B2 - 変位情報検出装置 - Google Patents
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Description
【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ロータリーエンコーダ等に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりＮＣ工作機械等には物体（変位物体）の移動量，回転量等の変位情報を検出する為の変位情報検出装置としてロータリーエンコーダやリニアエンコーダ（以下「エンコーダ」という。）が使用されている。
【０００３】
特にエンコーダは簡易な構成でありながら高精度で角度変位量や移動量等を検出できるので工作機械や計測装置に広く使用されている。
【０００４】
図１７は特公昭３６−１１７９３号公報で提案されているエンコーダの要部概略図である。同図において光源２０１からの光束は、基板２０２に設けた開口２０２ａを通過した後にレンズ系２０３で略平行光束として放射格子（直線状格子）を設けた変位物体としての光学スケール２０４の第１領域２０４ａに入射している。
【０００５】
光学スケール２０４の第１領域２０４ａの格子で回折した±ｎ次の回折光はレンズ系２０５，コーナーキューブ２０６、そしてレンズ系２０７を介して光学スケール２０４の第２領域２０４ｂに導光され、その面上に干渉パターンを形成する。第２領域２０４ｂを通過した干渉パターンに基づく光束をレンズ系２０８で集光して受光素子２０９で検出している。
【０００６】
このとき光学スケール２０４が矢印２０４ｃの方向に移動すると、光学スケール２０４上に形成される干渉パターンは逆方向に変位するので受光素子２０９では格子分解能（格子ピッチ）の２倍の周期の信号が得られる。
【０００７】
同図に示すエンコーダは受光素子２０９で得られる周期信号を利用して光学スケール２０４の変位情報を得ている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１７に示すエンコーダでは光源２０１からの光束の光学スケール２０４への入射領域（第１領域２０４ａ）と光学スケール２０４で回折した回折光束を光学部材２０５，２０６，２０７を介して該光学スケール２０４へ再入射させるときの再入射領域（第２領域２０４ｂ）が光学スケール２０４上の変位方向２０４ｃに位置するように設定している。
【０００９】
この為、特にロータリーエンコーダに応用しようとすると、光源，複数のレンズ系，そして受光素子等の各要素の配置に大きな空間を必要とし、又光学スケールからの回折光を該光学スケールに再入射させる為に多くの光学部材を必要とし、装置全体が複雑化及び大型化する傾向があった。
【００１０】
この他光学スケールに対して略垂直に入出射する光束（回折光）を用いている為に受光素子の左右に射出する回折光が迷光となりやすく、装置全体の小型化，簡素化を図りつつ、高精度の変位情報を得るのが難しいという問題点があった。
又、光学スケールと複数のレンズ系との間隔が設計値よりずれていると（ギャップ変化があると）受光手段で得られる信号のＳ／Ｎ比が低下してくるという問題点があった。特にこのギャップの設計値からの許容値は格子ピッチが微細化してくるにつれて厳しいものとなってくる。
【００１１】
本発明は、装置全体の簡素化を図りつつ回転変位を高精度に検出するロータリーエンコーダに好適な変位情報検出装置の提供を第１の目的とする。
【００１２】
各部材の配置上の空間を少なくすると共に装置全体の簡素化を図りつつ、又各部材の配置上の許容誤差を緩和しつつ変位物体の変位情報を高精度に検出するロータリーエンコーダに好適な変位情報検出装置の提供を第２の目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の変位情報検出装置は、平坦部位とＶ溝形状部位の周期的な構造からなる格子部を有する相対変位可能なスケール手段と、
前記格子部は、一方の面から光束が入射されたときに振幅格子として作用する第１領域と、
前記第１領域に対してその変位方向に略垂直な方向に配置され、前記第１領域の格子幅とは異なる格子幅を有し、前記第１領域と同一方向に変位し、他方の面から光束が入射されたときに波面分割を実行する第２領域を有し、
前記第１領域の一方の面に、該第１の領域と該第２の領域との光路の間で収束する光束を投光するための光照射手段と、
前記第１領域を透過し、回折した光束を反射し、他方の面から前記第２領域に入射させ前記第２領域にスケール手段の移動方向とは逆の方向に移動する干渉パターンを得るための反射手段と、
前記第２領域に入射し、前記格子部の平坦部位とV溝形状部位の作用により波面分割された複数の光束を各々受光し、前記スケール手段の相対変位情報を得る為の受光素子と、を有す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、前記スケール手段との間の相対変位情報は相対的回転変位情報であることを特徴としている。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記反射手段は凹面ミラーであることを特徴としている。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記光照射手段からの光束を集光性の光束とする為のレンズ系を有し、前記第１領域からの±ｎ次回折光は前記凹面ミラーの面又はその近傍に集光しており、該凹面ミラーは前記格子部の第１領域を第２領域に等倍で結像していることを特徴としている。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記±ｎ次回折光の複数の回折光は、前記凹面ミラーで反射して前記格子部の第２領域で重ね合わされて干渉パターンを形成していることを特徴としている。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項４又は５の発明において、前記スケール手段の一部は前記凹面ミラーの曲率中心に位置していることを特徴としている。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１，図２は本発明の実施形態１の一部分の要部斜視図、図３は本発明の実施形態１の一部分の要部断面図、図４は本発明の実施形態１の一部分の光学スケールと凹面ミラーとの説明図、図５は本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの説明図、図６は本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの格子部と受光手段からの信号の説明図、図７は本発明の実施形態１の光学スケール上の再結像した像の説明図、図８は本発明の実施形態１における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図、図９は本発明の実施形態１における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図、図１０は本発明の実施形態１の一部分の要部断面図、図１１は本発明の実施形態１における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図、図１２は本発明の実施形態１における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図である。
【００３１】
図中１は光源であり、例えばＬＥＤや半導体レーザで構成し、波長λ（６３２．８ｎｍ）の可干渉性光束を発している。２はレンズ系であり、球面レンズ又は非球面レンズより成り、光源１からの光束を集光して、後述する光学スケール３に導光している。
【００３２】
光源１とレンズ系２等は光照射手段ＬＲの一要素を構成している。３は位相差検出機能と振幅型の回折格子機能とを有する光学スケールであり、図５，図６に示すように円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射状格子（スリット数２５００又は５０００のＶ溝格子）より成る格子部３ｄを設けて構成している。光学スケール３の基板３ｃは透孔性の光学材料、例えばポリカーボやプラスチックより成り、回転体（不図示）の一部に取り付けており、回転体と一体的に回転軸３ｅを中心に矢印６方向に回転している。
【００３３】
図６（Ａ），（Ｂ）は光学スケール３の格子部３ｄの詳細図であり、Ｖ溝部を構成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２と１つの平面部３０ａが所定のピッチＰで交互に配列されて格子部３ｄを形成している。Ｖ溝幅は（１／２）Ｐ、又Ｖ溝を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２は各々（１／４）Ｐの幅を有し、各々の傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２はＶ溝の底部と平坦部３０ａの垂線とを結ぶ直線に対し各々臨界角以上、本実施形態ではθ＝４５°で傾いている。
【００３４】
本実施形態では光学スケール３からの回折光のうち０次回折光と±１次回折光の３つの光束を利用している。ここで、この格子部３ｄのＶ溝は光学スケール３に対して放射状に構成されている為、光学スケール３の内周側と外周側ではピッチが異なっている。ここでピッチとは周方向の平坦部３０ａの幅と２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２の幅との合計した値をいう。
【００３５】
本実施形態では光学スケール３の材質をポリカーボやプラスチックとし、射出成形もしくは圧縮成形当の製法によって作成している。４は凹面ミラーであり、球面ミラー，楕円ミラー，放物ミラー，非球面ミラー等から成っている。凹面ミラー４は格子部３ｄのフーリエ変換面に一致している。
【００３６】
本実施形態では図３，図４に示すようにレンズ系２で集光され、光学スケール３の第１領域３ａに入射した光束１０１が光学スケール３の格子部で回折し、このときｎ次の回折光（０次と±１次の回折光Ｌ（０），Ｌ（＋１），Ｌ（−１））が凹面ミラー４の面４ｂ又はその近傍（凹面ミラー４の瞳位置又はその近傍）に集光するように各要素を設定している。
【００３７】
凹面ミラー４の光軸４ａと入射光束１０１の中心光線（主光線）１０１ａは図４に示すように偏心量Δだけ偏心している。凹面ミラー４は光学スケール３で回折し、集光してきた収束光束（３つの回折光束Ｌ（０），Ｌ（＋１），Ｌ（−１））を反射させ、光学スケール３面上の第２領域３ｂに図７に示すような３つの回折光に基づく干渉パターン像（像）を再結像させている。このとき光学スケール３が回転方向６に移動すると再結像した像は回転方向６とは反対の方向に移動する。即ち、格子部と干渉パターン像は相対的に光学スケール３の移動量の２倍の値で相対変位する。
【００３８】
本実施形態ではこれにより光学スケール３に構成されている格子部の２倍の分解能の回転情報を得ている。
【００３９】
５は受光手段であり、光学スケール３の格子部３ｄの第２領域３ｂ近傍に形成した図７に示すような干渉パターンと格子部のＶ溝との位相関係に基づく光束が第２領域３ｂで幾何学的に屈折され、射出した３つの光束を各々受光する為の３つのフォトディテクタ（受光素子）５ａ，５ｂ，５ｃを有している。この受光手段５からの信号をパルスカウント回路や回転方向の判別回路を有する信号処理回路１０３によって処理し、これより回転情報を得ている。尚、光源１，レンズ系２，そして受光手段５は筐体ＰＫ内に固定保持されている。
【００４０】
次に本実施形態における光学スケール（回転体）３の回転情報の検出方法について説明する。光照射手段の一要素であるＬＥＤ１からの光束をレンズ系２により凹面ミラー面上４の反射面４ｂ又はその近傍に集光するようにしている。この収束光を図３，図４に示すように光学スケール３の格子部３ｄ上の第１領域３ａに入射させる。第１領域３ａに入射した収束光のうち図６に示す格子部３ｄの平面部３０ａに到達した光線は該平面部３０ａを通過して凹面ミラー４に進み、その面上に結像する。またＶ溝を構成する傾斜面３０ｂ−１に到達した光線は、傾斜面３０ｂ−１の傾斜角が臨界角以上に設定されている為、図６に示すように全反射してＶ溝を構成する他方の傾斜面３０ｂ−２に向けられ、傾斜面３０ｂ−２においても全反射する。
【００４１】
このように最終的に格子部３ｄの傾斜面３０ｂ−１へ到達した光線は、凹面ミラーに進入することなく、入射方向に戻されることになる。同様にＶ溝を構成する他方の傾斜面３０ｂ−２に到達した光線も全反射を繰り返して戻される。従って第１領域３ａにおいてＶ溝を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２の範囲に到達する光束は、光学スケール３内に進入することなく反射され、平面部３０ａに到達した光線のみが光学スケール３を進むことになる。
【００４２】
即ち、第１領域３ａにおいてＶ溝型の格子部３ｄは透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有する。この第１領域３ａの格子部３ｄで光束は回折され、格子部の作用により０次，±１次，±２次‥‥の回折光が生じ、凹面ミラー４の面上にその回折光が集光する。集光した回折光は、主光線１０１ａに対して偏芯している凹面ミラー４によって反射し、光学スケール３の第２領域３ｂ部で再結像し、光学スケール３面上に像（放射状の溝の像）を再結像する。
【００４３】
ここで第１領域３ａと第２領域３ｂは光学スケール３面の放射状格子の格子部３ｄに対して半径方向に異なった（一部が重複していても良い）領域である。このとき、光学スケール３は放射状の格子部３ｄを有するため、第１領域３ａと第２領域３ｂの格子ピッチが異なる。さらに、第２領域３ｂの照射領域においても光学スケール３の内周側と外周側のピッチが異なっている。
【００４４】
そこで本実施形態では、格子部３ｄ上の第２領域３ｂに第１領域３ａの格子部を拡大投影し、光学スケール３の放射状の格子部３ｄのピッチと同様の像（反転像）を形成するようにしている。そのために本実施形態では凹面ミラー４を所望の曲率半径Ｒに設定し、入射光束の主光線１０１ａに対して偏心配置するとともに入射光軸に対するずれ量Δも最適な値にしている。
【００４５】
これによって第１領域３ａの格子部の像が凹面ミラー４によって第２領域３ｂ面上に再結像するとき放射状格子の一部のピッチが合致するようにしてＳ／Ｎ比の良い検出信号を得ている。
【００４６】
第２領域３ｂにおいて平面部３０ａに入射した光束は、図６（Ｂ）に示すように直線透過し、受光手段５の中央部のフォトディテクタ５ｃに到着する。また、Ｖ溝面を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１及び３０ｂ−２に到達した光線は、各々の面に４５°の入射角を持って入射するため、それぞれ異なる方向に大きく屈折して受光手段５の両側のフォトディテクタ５ａ及び５ｂに到達する。
【００４７】
このように第２領域３ｂにおいて、入射光束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２及びＶ溝の間の平面部３０ａの合計３種の傾き方向の異なる面により、光束は３つの方向に別れて進み、各々の面に対応した位置に設けられた各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに到達する。即ち第２領域３ｂにおいてＶ溝の格子部３ｄは光波波面分割素子として機能する。
【００４８】
即ち第２領域３ｂの格子部と、その面上に結像した干渉パターン像との位相関係に基づく光束が３方向に偏向され、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに入射している。
【００４９】
ここで光学スケール３が回転すると、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃで検出される光量が変化する。格子部３ｄの位置と像の位置の相対的変位に応じ、各フォトディテクタに入射する光量バランスが変化し、その結果、光学スケール３が反時計廻りに回転したとすると、図６（Ｃ）に示すような光学スケール３の回転に伴う光量変化が得られる。ここで横軸は光学スケール３の回転量、縦軸は受光光量である。
【００５０】
信号ａ，ｂ，ｃはそれぞれフォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに対応している。尚、逆に光学スケール３が時計廻りに回転した場合は、信号ａはフォトディテクタ５ｂ、信号ｂはフォトディテクタ５ａ、信号ｃはフォトディテクタ５ｃの出力となる。これらの信号を基に光学スケール３の回転角度や回転量あるいは回転速度や回転加速度等の回転情報を得ている。
【００５１】
尚、図６（Ｃ）は第２領域３ｂに形成される像のコントラストが非常に高く理想に近い場合の理論的な光量変化の様子を示している。
【００５２】
図８，図９は本実施形態において光学スケール３上の格子部として１周当り２５００パルス（２５００Ｐ／Ｒ）と５０００パルス（５０００Ｐ／Ｒ）のとき、光学スケール３の第１領域３ａに入射する光束１０１の主光線１０１ａが凹面ミラー４で反射して第２領域３ｂに入射するときの凹面ミラー４の光軸４ａに対してΔだけ偏心したとき（偏心量Δのとき）の第２領域３ｂでの入射主光線からの距離に対する格子部のスケールピッチを示している。
【００５３】
又偏心量Δのときに凹面ミラー４によって第１領域３ａの格子部が第２領域３ｂに形成されるときの格子部の像の入射主光線からの距離に対する重ね合わせピッチを示している。
【００５４】
図８，図９に示すように偏心量ΔがΔ：０．６２（ｎｍ）のとき第２領域３ｂの入射主光線からの距離が１．８ｍｍ近傍でスケールピッチと重ね合わせピッチが略一致している。
【００５５】
本実施形態では入射主光線１０１ａからの距離が１．８ｍｍ近傍の領域を利用している。
【００５６】
本実施形態ではレンズ系２によって光源１と凹面ミラー４の反射面４ｂとが略共役関係となるようにし、光学スケール３からの±ｎ次回折光が凹面ミラー４の反射面４ｂ上又はその近傍に集光するようにしている。又光学スケール３の一部が凹面ミラー４の曲率中心に合致するようにしている。
【００５７】
これによって光学スケール３と凹面ミラー４との間隔（ギャップ）が多少設定値から変位しても受光手段５で得られる変位情報の誤差を少なくしている。即ち、ギャップ特性の許容値を緩和させている。
【００５８】
図１０（Ａ），（Ｂ）は光学スケール３と凹面ミラー４とのギャップに誤差があったときの入射光と反射光の説明図である。
【００５９】
図１０（Ａ）のように光学スケール３が凹面ミラー４の曲率半径の位置、即ちベストギャップの位置にある場合は、Ｖ溝によって回折した回折光が凹面ミラー４で反射して光学スケール面３の面上に集光するため、干渉縞のコントスラトが最大値を示す。
【００６０】
しかし、図１０（Ｂ）のように光学スケール３がベストギャップの位置からずれた場合には、光学スケール３の面上で回折光が凹面ミラー４で反射した後に光学スケール３上に集光しないため干渉パターンのコントラストが低下する。
【００６１】
このような干渉パターンのコントラストの低下は、受光手段で検出される出力信号の低下と連動しているため、光学スケールがベストギャップからずれることにより、どの程度コントラストが低下するかは重要な値となる。
【００６２】
そこで本実施形態では光学スケール３の一点近傍に凹面ミラー４の曲率中心が位置するようにし、又光源１と凹面ミラー４とがレンズ系２によって略共役関係となるようにして光学スケール３がベストギャップからずれた場合のコントラストの低下を少なくし、Ｓ／Ｎ比の良い信号を得ている。
【００６３】
本実施形態では以上のように光学スケールに入射し、凹面ミラーで反射して光学スケールに再入射するときの主光線の入射位置が半径方向に異なるように設定することによって、光源，光学スケール，受光手段等の配置の自由度を増し、装置全体の小型化を図りつつ、回転物体（光学スケール）の回転情報を高精度に検出している。
【００６４】
又、光源と凹面ミラーとがレンズ系によって略共役関係となるようにし、更に光学スケールの一部が凹面ミラーの略曲率半径の位置となるように設定することによって光学スケールと凹面ミラーとの間隔（ギャップ）の設計値からの許容値の緩和を図っている。
【００６５】
図１１，図１２は各々本実施形態において光源から射出し、レンズ系を介した光束１０１が光学スケール３の第１領域３ａに入射した後に回折し、凹面ミラー４面上に結像し，凹面ミラー４で反射して光学スケール３の第２領域３ｂを通過する光束１０２の他の実施形態の光路を示す説明図である。
【００６６】
図１１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はレンズ系を介した光束１０１が光学スケール３の格子部上の回転軸３ｅに近い方の第１領域３ａから入射し、凹面ミラー４で反射して回転軸３ｅの遠い方の第２領域３ｂに再入射する場合を示している。
【００６７】
即ち凹面ミラー４により第１領域３ａの格子部を第２領域３ｂに拡大結像する場合を示している。このうち、図１１（Ａ）では光束１０１が第１領域３ａに垂直に入射し、凹面ミラー４で反射した後に第２領域３ｂに斜入射する場合、図１１（Ｂ），（Ｃ）では光束１０１が第１領域３ａと第２領域３ｂに各々斜入射する場合を示している。
【００６８】
図１２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はレンズ系を介した光束１０１が光学スケール３の格子部上の回転軸３ｅに遠い方の第１領域３ａから入射し、凹面ミラー４で反射して、回転軸３ｅの近い方の第２領域３ｂに再入射する場合を示している。
即ち凹面ミラー４によって第１領域３ａの格子部を第２領域３ｂに縮小結像する場合を示している。このうち、図１２（Ａ）は光束１０１が第１領域３ａに斜入射し、凹面ミラー４で反射した後に第２領域３ｂに垂直に入射する場合、図１２（Ｂ），（Ｃ）は光束１０１が第１領域３ａと第２領域３ｂに各々斜入射する場合を示している。図１１，図１２の各構成においても前述の実施形態１と同様の効果を得ている。
【００６９】
図１３は本発明の実施形態２の要部概略図である。本実施形態は図１〜図１２に示した実施形態１に比べて、
・光照射手段１からの光束をレンズ系２によって平行光束として光学スケール３の第１領域３ａに入射させていること。
【００７０】
・光学スケール３の第１領域３ａからの０次光と±ｎ次回折光を凹面ミラー４によってその焦点位置４ｃに集光した後に発散光として光学スケール３の第２領域３ｂに入射させて、その面上に干渉縞を形成していること。
の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。
【００７１】
即ち本実施形態では図１３に示すように、光照射手段１からの光束をレンズ系で平行光束として放射状のＶ溝を一定周期に配設した格子部を円板上の周上に設けた回転可能な光学スケール３上の第１領域３ａに入射させ、第１領域３ａの格子部で回折した回折光を凹面ミラー４で反射させ焦点位置４ｃに集光させた後に発散光として光学スケールの第２領域３ｂに入射させ、第２領域３ｂの格子部を介した光束を受光手段５で受光することにより、該光学スケール３の変位情報を検出している。
【００７２】
このとき第１領域３ａと第２領域３ｂは該光学スケール３の回転軸３ｅの半径方向に対して異なった領域に位置しており、凹面ミラー４は該光学スケール３の第１領域３ａを第２領域３ｂに偏心系で結像している。
【００７３】
図１４は本発明の実施形態３の要部概略図である。本実施形態は図１〜図１２に示した実施形態１に比べて、
・光照射手段１からの光束をレンズ系２によって集光させて光学スケール３の第１領域３ａに入射させるとき凹面ミラー４の焦点位置４ｃに集光するようにしていること。
【００７４】
・光学スケール３の第１領域３ａからの回折光が焦点位置４ｃで集光した後に、発散光となって凹面ミラー４で反射した後に平行光束となって光学スケール３の第２領域３ｂに入射して、その面上に干渉縞を形成していること。
の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。
【００７５】
即ち本実施形態では図１４に示すように、光照射手段１からの光束をレンズ系２で集光して放射状のＶ溝を一定周期に配設した格子部を円板上の周上に設けた回転可能な光学スケール３上の第１領域３ａに入射させ、第１領域３ａの格子部で回折した回折光を凹面ミラー４の焦点位置４ｃに集光した後に発散光束として凹面ミラー４で反射させて平行光束とした後に光学スケール３の第２領域３ｂに入射させ、該第２領域３ｂの格子部を介した光束を受光手段５で受光することにより、光学スケール３の変位情報を検出している。
【００７６】
このとき、第１領域３ａと第２領域３ｂは該光学スケール３の回転軸３ｅの半径方向に対して異なった領域に位置しており、凹面ミラー４は光学スケール３の第１領域３ａを第２領域３ｂに偏心系で結像している。
【００７７】
図１５は本発明の実施形態４の要部概略図、図１６は図１５の一部分の拡大斜視図である。本実施形態は図１〜図１２に示した実施形態１に比べて
・光照射手段１からの光束をレンズ系２によって平行光束として光学スケール３の第１領域３ａに入射させていること。
【００７８】
・第１領域３ａの格子部で回折された０次光と±ｎ次回折光の平行光を各々平面ミラー４１，４２，４３で反射させて、光学スケール３の第２領域３に入射させて、その面上に干渉縞を形成していること。
の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。
【００７９】
即ち本実施形態では図１５，図１６に示すように、光照射手段１からの光束をレンズ系２で平行光束１０１として直線状のＶ溝を一定周期に配設した格子部を基板上に設けた移動可能な光学スケール３上の第１領域３ａに入射させ、第１領域３ａの格子部で回折した０次光Ｌ（０）と±ｎ次（ｎ＝１）回折光Ｌ（＋），Ｌ（−１）の平行光を平面ミラー４１，４２，４３で各々反射させて光学スケール３の第２領域３ｂに入射させ、第２領域３ｂの格子部を介した光束を受光手段５で受光することにより、光学スケール３の変位情報を検出している。
【００８０】
ここで第１領域３ａと第２領域３ｂは該光学スケール３の回転軸３ｅの半径方向に対して異なった領域に位置している。
【００８１】
尚、本実施形態において光学スケール３の第１領域を透過した回折光は、３光束以上であっても良い。
【００８２】
尚、本発明において光学スケールの位相差の検出する為の格子部として断面形状がＶ形状のＶ溝格子を用いたが、他の形状で同様の機能を有するものであれば同様に適用可能である。
【００８３】
例えば図１８〜図２２に示すような格子部を有する光学スケールを用いても良い。
【００８４】
図１８（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る光学スケール３の格子部３ｄの他の実施形態の要部断面図である。本実施形態は図６に示した格子部３ｄを構成する平面より成る傾斜面の代わりに曲率を有した曲面より構成した点が異なっており、その他の構成は同じである。
【００８５】
即ち円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射格子より成る格子部３ｄを設けている。この格子部３ｄは１つの平面部３０ａと曲率を有した２つの曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２が所定のピッチＰで交互に配列して構成している。
【００８６】
図１８（Ａ）は第１領域３ａに相当し、格子部３ｄの平面部３０ａに入射した光束のみが光学スケール３を通過し、曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）に入射した光束は曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）及び平面部３０ａで全反射し、入射方向に戻されている状態を示している。
【００８７】
図１８（Ｂ）は光学スケールの第２領域３ｂに入射した光束の光路を示している。このように格子部３ｄは図６（Ａ），（Ｂ）で示したのと同様に、透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有している。
【００８８】
図１９（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る光学スケール３の格子部３ｄの他の実施形態の要部断面図である。本実施形態は図６に示した格子部３ｄを構成する平面より成る傾斜面の代わりに曲率を有した曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２とし、かつ曲面と曲面との間に平面部３０ｂ−３より構成した点が異なっており、その他の構成は同じである。
【００８９】
即ち円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射格子より成る格子部３ｄを設けている。この格子部３ｄは１つの平面部３０ａと曲率を有した２つの曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２、そして平面部３０ｂ−３が所定のピッチＰで交互に配列して構成している。
【００９０】
図１９（Ａ）は第１領域３ａに相当し、格子部３ｄの平面部３０ａと平面部３０ｂ−３に入射した光束のみが光学スケール３を通過し、曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）に入射した光束は曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）及び平面部３０ａで全反射し、入射方向に戻されている状態を示している。
【００９１】
図１９（Ｂ）は光学スケールの第２領域３ｂに入射した光束の光路を示している。このように格子部３ｄは図６（Ａ），（Ｂ）で示したのと同様に、透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有している。
【００９２】
図２０（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る光学スケール３の格子部３ｄの他の実施形態の要部断面図である。本実施形態は図６のＶ溝の代わりに３角形状の突出部（３０ｂ−１，３０ｂ−２）より構成した点が異なっており、その他の構成は同じである。
【００９３】
即ち円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射格子より成る格子部３ｄを設けている。この格子部３ｄは１つの平面部３０ａと平面より成る２つの平面部３０ｂ−１，３０ｂ−２が所定のピッチＰで交互に配列して構成している。
【００９４】
図２０（Ａ）は第１領域３ａに相当し、格子部３ｄの平面部３０ａに入射した光束のみが光学スケール３を通過し、平面部３０ｂ−１（３０ｂ−２）に入射した光束は他の平面部３０ｂ−２（３０ｂ−１）で全反射し、入射方向に戻されている状態を示している。
【００９５】
図２０（Ｂ）は光学スケールの第２領域３ｂに入射した光束の光路を示している。このように格子部３ｄは図６（Ａ），（Ｂ）で示したのと同様に、透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有している。
【００９６】
図２１（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る光学スケール３の格子部３ｄの他の実施形態の要部断面図である。本実施形態は図６のＶ溝の代わりに曲率を有した２つの曲面３０ｂ−ｂ，３０ｂ−２より成る突出部を形成した点が異なっており、その他の構成は同じである。
【００９７】
即ち円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射格子より成る格子部３ｄを設けている。この格子部３ｄは１つの平面部３０ａと曲率を有し、突出した２つの曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２が所定のピッチＰで交互に配列して構成している。
【００９８】
図２１（Ａ）は第１領域３ａに相当し、格子部３ｄの平面部３０ａに入射した光束のみが光学スケール３を通過し、曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）に入射した光束は曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）で全反射し、入射方向に戻されている状態を示している。
【００９９】
図２１（Ｂ）は光学スケールの第２領域３ｂに入射した光束の光路を示している。このように格子部３ｄは図６（Ａ），（Ｂ）で示したのと同様に、透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有している。
【０１００】
図２２（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る光学スケール３の格子部３ｄの他の実施形態の要部断面図である。本実施形態は図６に示した格子部３ｄを構成する平面より成る傾斜面の代わりに曲率を有した曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２とし、曲面と曲面との間に平面部３０ｂ−３より構成した点が異なっており、その他の構成は同じである。
【０１０１】
即ち円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射格子より成る格子部３ｄを設けている。この格子部３ｄは１つの平面部３０ａと曲率を有した２つの曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２が所定のピッチＰで交互に配列して構成している。
【０１０２】
図２２（Ａ）は第１領域３ａに相当し、格子部３ｄの平面部３０ａと平面部３０ｂ−３に入射した光束のみが光学スケール３を通過し、曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）に入射した光束は曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）及び曲面３０ｂ−２（３０ｂ−１）で全反射し、入射方向に戻されている状態を示している。
【０１０３】
図２２（Ｂ）は光学スケールの第２領域３ｂに入射した光束の光路を示している。このように格子部３ｄは図６（Ａ），（Ｂ）で示したのと同様に、透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有している。
【０１０４】
【発明の効果】
本発明によれば、第１領域からの光を反射して格子幅の異なる第２領域に入射させて受光する構成により回転検出を装置全体を簡素化して高精度に実行できる。
【０１０５】
又、本発明によれば集光光を円板上格子部の第１領域に入射させ、回折光を集光位置又は近傍にある凹面ミラーにより偏心系で半径方向に異なった第２領域に結像させ、第２領域の格子部を介した光を受光する構成により、各部材の配置上の空間を少なくすると共に装置全体の簡素化を図りつつ、又各部材の配置上の許容誤差を緩和しつつ変位物体の変位情報を高精度に検出するロータリーエンコーダ等に好適な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の一部分の要部斜視図
【図２】本発明の実施形態１の一部分の要部斜視図
【図３】本発明の実施形態１の一部分の要部断面図
【図４】本発明の実施形態１の一部分の光学スケールと凹面ミラーとの説明図
【図５】本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの説明図
【図６】本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの格子部と受光手段からの信号の説明図
【図７】本発明の実施形態１の光学スケール上の再結像した像の説明図
【図８】本発明の実施形態１における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図
【図９】本発明の実施形態１における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図
【図１０】本発明の実施形態１の一部分の要部断面図
【図１１】本発明の実施形態１における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図
【図１２】本発明の実施形態１における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図
【図１３】本発明の実施形態２の一部分の要部断面図
【図１４】本発明の実施形態３の一部分の要部断面図
【図１５】本発明の実施形態４の一部分の要部断面図
【図１６】図１５の一部分の拡大斜視図
【図１７】従来のエンコーダの要部概略図
【図１８】本発明に係る光学スケールの他の実施形態の説明図
【図１９】本発明に係る光学スケールの他の実施形態の説明図
【図２０】本発明に係る光学スケールの他の実施形態の説明図
【図２１】本発明に係る光学スケールの他の実施形態の説明図
【図２２】本発明に係る光学スケールの他の実施形態の説明図
【符号の説明】
１ 光源
２ レンズ系
３ 光学スケール
３ａ 第１領域
３ｂ 第２領域
３ｃ 基板
３ｄ 格子部
３ｅ 回転軸
４ 凹面ミラー
４ａ 光軸
４１，４２，４３ 平面ミラー
５ 受光手段
１０１，１０２ 入射光束
１０１ａ，１０２ａ 主光線
１０３ 信号処理回路
【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ロータリーエンコーダ等に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりＮＣ工作機械等には物体（変位物体）の移動量，回転量等の変位情報を検出する為の変位情報検出装置としてロータリーエンコーダやリニアエンコーダ（以下「エンコーダ」という。）が使用されている。
【０００３】
特にエンコーダは簡易な構成でありながら高精度で角度変位量や移動量等を検出できるので工作機械や計測装置に広く使用されている。
【０００４】
図１７は特公昭３６−１１７９３号公報で提案されているエンコーダの要部概略図である。同図において光源２０１からの光束は、基板２０２に設けた開口２０２ａを通過した後にレンズ系２０３で略平行光束として放射格子（直線状格子）を設けた変位物体としての光学スケール２０４の第１領域２０４ａに入射している。
【０００５】
光学スケール２０４の第１領域２０４ａの格子で回折した±ｎ次の回折光はレンズ系２０５，コーナーキューブ２０６、そしてレンズ系２０７を介して光学スケール２０４の第２領域２０４ｂに導光され、その面上に干渉パターンを形成する。第２領域２０４ｂを通過した干渉パターンに基づく光束をレンズ系２０８で集光して受光素子２０９で検出している。
【０００６】
このとき光学スケール２０４が矢印２０４ｃの方向に移動すると、光学スケール２０４上に形成される干渉パターンは逆方向に変位するので受光素子２０９では格子分解能（格子ピッチ）の２倍の周期の信号が得られる。
【０００７】
同図に示すエンコーダは受光素子２０９で得られる周期信号を利用して光学スケール２０４の変位情報を得ている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１７に示すエンコーダでは光源２０１からの光束の光学スケール２０４への入射領域（第１領域２０４ａ）と光学スケール２０４で回折した回折光束を光学部材２０５，２０６，２０７を介して該光学スケール２０４へ再入射させるときの再入射領域（第２領域２０４ｂ）が光学スケール２０４上の変位方向２０４ｃに位置するように設定している。
【０００９】
この為、特にロータリーエンコーダに応用しようとすると、光源，複数のレンズ系，そして受光素子等の各要素の配置に大きな空間を必要とし、又光学スケールからの回折光を該光学スケールに再入射させる為に多くの光学部材を必要とし、装置全体が複雑化及び大型化する傾向があった。
【００１０】
この他光学スケールに対して略垂直に入出射する光束（回折光）を用いている為に受光素子の左右に射出する回折光が迷光となりやすく、装置全体の小型化，簡素化を図りつつ、高精度の変位情報を得るのが難しいという問題点があった。
又、光学スケールと複数のレンズ系との間隔が設計値よりずれていると（ギャップ変化があると）受光手段で得られる信号のＳ／Ｎ比が低下してくるという問題点があった。特にこのギャップの設計値からの許容値は格子ピッチが微細化してくるにつれて厳しいものとなってくる。
【００１１】
本発明は、装置全体の簡素化を図りつつ回転変位を高精度に検出するロータリーエンコーダに好適な変位情報検出装置の提供を第１の目的とする。
【００１２】
各部材の配置上の空間を少なくすると共に装置全体の簡素化を図りつつ、又各部材の配置上の許容誤差を緩和しつつ変位物体の変位情報を高精度に検出するロータリーエンコーダに好適な変位情報検出装置の提供を第２の目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の変位情報検出装置は、平坦部位とＶ溝形状部位の周期的な構造からなる格子部を有する相対変位可能なスケール手段と、
前記格子部は、一方の面から光束が入射されたときに振幅格子として作用する第１領域と、
前記第１領域に対してその変位方向に略垂直な方向に配置され、前記第１領域の格子幅とは異なる格子幅を有し、前記第１領域と同一方向に変位し、他方の面から光束が入射されたときに波面分割を実行する第２領域を有し、
前記第１領域の一方の面に、該第１の領域と該第２の領域との光路の間で収束する光束を投光するための光照射手段と、
前記第１領域を透過し、回折した光束を反射し、他方の面から前記第２領域に入射させ前記第２領域にスケール手段の移動方向とは逆の方向に移動する干渉パターンを得るための反射手段と、
前記第２領域に入射し、前記格子部の平坦部位とV溝形状部位の作用により波面分割された複数の光束を各々受光し、前記スケール手段の相対変位情報を得る為の受光素子と、を有す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、前記スケール手段との間の相対変位情報は相対的回転変位情報であることを特徴としている。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記反射手段は凹面ミラーであることを特徴としている。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記光照射手段からの光束を集光性の光束とする為のレンズ系を有し、前記第１領域からの±ｎ次回折光は前記凹面ミラーの面又はその近傍に集光しており、該凹面ミラーは前記格子部の第１領域を第２領域に等倍で結像していることを特徴としている。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記±ｎ次回折光の複数の回折光は、前記凹面ミラーで反射して前記格子部の第２領域で重ね合わされて干渉パターンを形成していることを特徴としている。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項４又は５の発明において、前記スケール手段の一部は前記凹面ミラーの曲率中心に位置していることを特徴としている。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１，図２は本発明の実施形態１の一部分の要部斜視図、図３は本発明の実施形態１の一部分の要部断面図、図４は本発明の実施形態１の一部分の光学スケールと凹面ミラーとの説明図、図５は本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの説明図、図６は本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの格子部と受光手段からの信号の説明図、図７は本発明の実施形態１の光学スケール上の再結像した像の説明図、図８は本発明の実施形態１における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図、図９は本発明の実施形態１における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図、図１０は本発明の実施形態１の一部分の要部断面図、図１１は本発明の実施形態１における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図、図１２は本発明の実施形態１における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図である。
【００３１】
図中１は光源であり、例えばＬＥＤや半導体レーザで構成し、波長λ（６３２．８ｎｍ）の可干渉性光束を発している。２はレンズ系であり、球面レンズ又は非球面レンズより成り、光源１からの光束を集光して、後述する光学スケール３に導光している。
【００３２】
光源１とレンズ系２等は光照射手段ＬＲの一要素を構成している。３は位相差検出機能と振幅型の回折格子機能とを有する光学スケールであり、図５，図６に示すように円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射状格子（スリット数２５００又は５０００のＶ溝格子）より成る格子部３ｄを設けて構成している。光学スケール３の基板３ｃは透孔性の光学材料、例えばポリカーボやプラスチックより成り、回転体（不図示）の一部に取り付けており、回転体と一体的に回転軸３ｅを中心に矢印６方向に回転している。
【００３３】
図６（Ａ），（Ｂ）は光学スケール３の格子部３ｄの詳細図であり、Ｖ溝部を構成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２と１つの平面部３０ａが所定のピッチＰで交互に配列されて格子部３ｄを形成している。Ｖ溝幅は（１／２）Ｐ、又Ｖ溝を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２は各々（１／４）Ｐの幅を有し、各々の傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２はＶ溝の底部と平坦部３０ａの垂線とを結ぶ直線に対し各々臨界角以上、本実施形態ではθ＝４５°で傾いている。
【００３４】
本実施形態では光学スケール３からの回折光のうち０次回折光と±１次回折光の３つの光束を利用している。ここで、この格子部３ｄのＶ溝は光学スケール３に対して放射状に構成されている為、光学スケール３の内周側と外周側ではピッチが異なっている。ここでピッチとは周方向の平坦部３０ａの幅と２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２の幅との合計した値をいう。
【００３５】
本実施形態では光学スケール３の材質をポリカーボやプラスチックとし、射出成形もしくは圧縮成形当の製法によって作成している。４は凹面ミラーであり、球面ミラー，楕円ミラー，放物ミラー，非球面ミラー等から成っている。凹面ミラー４は格子部３ｄのフーリエ変換面に一致している。
【００３６】
本実施形態では図３，図４に示すようにレンズ系２で集光され、光学スケール３の第１領域３ａに入射した光束１０１が光学スケール３の格子部で回折し、このときｎ次の回折光（０次と±１次の回折光Ｌ（０），Ｌ（＋１），Ｌ（−１））が凹面ミラー４の面４ｂ又はその近傍（凹面ミラー４の瞳位置又はその近傍）に集光するように各要素を設定している。
【００３７】
凹面ミラー４の光軸４ａと入射光束１０１の中心光線（主光線）１０１ａは図４に示すように偏心量Δだけ偏心している。凹面ミラー４は光学スケール３で回折し、集光してきた収束光束（３つの回折光束Ｌ（０），Ｌ（＋１），Ｌ（−１））を反射させ、光学スケール３面上の第２領域３ｂに図７に示すような３つの回折光に基づく干渉パターン像（像）を再結像させている。このとき光学スケール３が回転方向６に移動すると再結像した像は回転方向６とは反対の方向に移動する。即ち、格子部と干渉パターン像は相対的に光学スケール３の移動量の２倍の値で相対変位する。
【００３８】
本実施形態ではこれにより光学スケール３に構成されている格子部の２倍の分解能の回転情報を得ている。
【００３９】
５は受光手段であり、光学スケール３の格子部３ｄの第２領域３ｂ近傍に形成した図７に示すような干渉パターンと格子部のＶ溝との位相関係に基づく光束が第２領域３ｂで幾何学的に屈折され、射出した３つの光束を各々受光する為の３つのフォトディテクタ（受光素子）５ａ，５ｂ，５ｃを有している。この受光手段５からの信号をパルスカウント回路や回転方向の判別回路を有する信号処理回路１０３によって処理し、これより回転情報を得ている。尚、光源１，レンズ系２，そして受光手段５は筐体ＰＫ内に固定保持されている。
【００４０】
次に本実施形態における光学スケール（回転体）３の回転情報の検出方法について説明する。光照射手段の一要素であるＬＥＤ１からの光束をレンズ系２により凹面ミラー面上４の反射面４ｂ又はその近傍に集光するようにしている。この収束光を図３，図４に示すように光学スケール３の格子部３ｄ上の第１領域３ａに入射させる。第１領域３ａに入射した収束光のうち図６に示す格子部３ｄの平面部３０ａに到達した光線は該平面部３０ａを通過して凹面ミラー４に進み、その面上に結像する。またＶ溝を構成する傾斜面３０ｂ−１に到達した光線は、傾斜面３０ｂ−１の傾斜角が臨界角以上に設定されている為、図６に示すように全反射してＶ溝を構成する他方の傾斜面３０ｂ−２に向けられ、傾斜面３０ｂ−２においても全反射する。
【００４１】
このように最終的に格子部３ｄの傾斜面３０ｂ−１へ到達した光線は、凹面ミラーに進入することなく、入射方向に戻されることになる。同様にＶ溝を構成する他方の傾斜面３０ｂ−２に到達した光線も全反射を繰り返して戻される。従って第１領域３ａにおいてＶ溝を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２の範囲に到達する光束は、光学スケール３内に進入することなく反射され、平面部３０ａに到達した光線のみが光学スケール３を進むことになる。
【００４２】
即ち、第１領域３ａにおいてＶ溝型の格子部３ｄは透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有する。この第１領域３ａの格子部３ｄで光束は回折され、格子部の作用により０次，±１次，±２次‥‥の回折光が生じ、凹面ミラー４の面上にその回折光が集光する。集光した回折光は、主光線１０１ａに対して偏芯している凹面ミラー４によって反射し、光学スケール３の第２領域３ｂ部で再結像し、光学スケール３面上に像（放射状の溝の像）を再結像する。
【００４３】
ここで第１領域３ａと第２領域３ｂは光学スケール３面の放射状格子の格子部３ｄに対して半径方向に異なった（一部が重複していても良い）領域である。このとき、光学スケール３は放射状の格子部３ｄを有するため、第１領域３ａと第２領域３ｂの格子ピッチが異なる。さらに、第２領域３ｂの照射領域においても光学スケール３の内周側と外周側のピッチが異なっている。
【００４４】
そこで本実施形態では、格子部３ｄ上の第２領域３ｂに第１領域３ａの格子部を拡大投影し、光学スケール３の放射状の格子部３ｄのピッチと同様の像（反転像）を形成するようにしている。そのために本実施形態では凹面ミラー４を所望の曲率半径Ｒに設定し、入射光束の主光線１０１ａに対して偏心配置するとともに入射光軸に対するずれ量Δも最適な値にしている。
【００４５】
これによって第１領域３ａの格子部の像が凹面ミラー４によって第２領域３ｂ面上に再結像するとき放射状格子の一部のピッチが合致するようにしてＳ／Ｎ比の良い検出信号を得ている。
【００４６】
第２領域３ｂにおいて平面部３０ａに入射した光束は、図６（Ｂ）に示すように直線透過し、受光手段５の中央部のフォトディテクタ５ｃに到着する。また、Ｖ溝面を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１及び３０ｂ−２に到達した光線は、各々の面に４５°の入射角を持って入射するため、それぞれ異なる方向に大きく屈折して受光手段５の両側のフォトディテクタ５ａ及び５ｂに到達する。
【００４７】
このように第２領域３ｂにおいて、入射光束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２及びＶ溝の間の平面部３０ａの合計３種の傾き方向の異なる面により、光束は３つの方向に別れて進み、各々の面に対応した位置に設けられた各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに到達する。即ち第２領域３ｂにおいてＶ溝の格子部３ｄは光波波面分割素子として機能する。
【００４８】
即ち第２領域３ｂの格子部と、その面上に結像した干渉パターン像との位相関係に基づく光束が３方向に偏向され、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに入射している。
【００４９】
ここで光学スケール３が回転すると、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃで検出される光量が変化する。格子部３ｄの位置と像の位置の相対的変位に応じ、各フォトディテクタに入射する光量バランスが変化し、その結果、光学スケール３が反時計廻りに回転したとすると、図６（Ｃ）に示すような光学スケール３の回転に伴う光量変化が得られる。ここで横軸は光学スケール３の回転量、縦軸は受光光量である。
【００５０】
信号ａ，ｂ，ｃはそれぞれフォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに対応している。尚、逆に光学スケール３が時計廻りに回転した場合は、信号ａはフォトディテクタ５ｂ、信号ｂはフォトディテクタ５ａ、信号ｃはフォトディテクタ５ｃの出力となる。これらの信号を基に光学スケール３の回転角度や回転量あるいは回転速度や回転加速度等の回転情報を得ている。
【００５１】
尚、図６（Ｃ）は第２領域３ｂに形成される像のコントラストが非常に高く理想に近い場合の理論的な光量変化の様子を示している。
【００５２】
図８，図９は本実施形態において光学スケール３上の格子部として１周当り２５００パルス（２５００Ｐ／Ｒ）と５０００パルス（５０００Ｐ／Ｒ）のとき、光学スケール３の第１領域３ａに入射する光束１０１の主光線１０１ａが凹面ミラー４で反射して第２領域３ｂに入射するときの凹面ミラー４の光軸４ａに対してΔだけ偏心したとき（偏心量Δのとき）の第２領域３ｂでの入射主光線からの距離に対する格子部のスケールピッチを示している。
【００５３】
又偏心量Δのときに凹面ミラー４によって第１領域３ａの格子部が第２領域３ｂに形成されるときの格子部の像の入射主光線からの距離に対する重ね合わせピッチを示している。
【００５４】
図８，図９に示すように偏心量ΔがΔ：０．６２（ｎｍ）のとき第２領域３ｂの入射主光線からの距離が１．８ｍｍ近傍でスケールピッチと重ね合わせピッチが略一致している。
【００５５】
本実施形態では入射主光線１０１ａからの距離が１．８ｍｍ近傍の領域を利用している。
【００５６】
本実施形態ではレンズ系２によって光源１と凹面ミラー４の反射面４ｂとが略共役関係となるようにし、光学スケール３からの±ｎ次回折光が凹面ミラー４の反射面４ｂ上又はその近傍に集光するようにしている。又光学スケール３の一部が凹面ミラー４の曲率中心に合致するようにしている。
【００５７】
これによって光学スケール３と凹面ミラー４との間隔（ギャップ）が多少設定値から変位しても受光手段５で得られる変位情報の誤差を少なくしている。即ち、ギャップ特性の許容値を緩和させている。
【００５８】
図１０（Ａ），（Ｂ）は光学スケール３と凹面ミラー４とのギャップに誤差があったときの入射光と反射光の説明図である。
【００５９】
図１０（Ａ）のように光学スケール３が凹面ミラー４の曲率半径の位置、即ちベストギャップの位置にある場合は、Ｖ溝によって回折した回折光が凹面ミラー４で反射して光学スケール面３の面上に集光するため、干渉縞のコントスラトが最大値を示す。
【００６０】
しかし、図１０（Ｂ）のように光学スケール３がベストギャップの位置からずれた場合には、光学スケール３の面上で回折光が凹面ミラー４で反射した後に光学スケール３上に集光しないため干渉パターンのコントラストが低下する。
【００６１】
このような干渉パターンのコントラストの低下は、受光手段で検出される出力信号の低下と連動しているため、光学スケールがベストギャップからずれることにより、どの程度コントラストが低下するかは重要な値となる。
【００６２】
そこで本実施形態では光学スケール３の一点近傍に凹面ミラー４の曲率中心が位置するようにし、又光源１と凹面ミラー４とがレンズ系２によって略共役関係となるようにして光学スケール３がベストギャップからずれた場合のコントラストの低下を少なくし、Ｓ／Ｎ比の良い信号を得ている。
【００６３】
本実施形態では以上のように光学スケールに入射し、凹面ミラーで反射して光学スケールに再入射するときの主光線の入射位置が半径方向に異なるように設定することによって、光源，光学スケール，受光手段等の配置の自由度を増し、装置全体の小型化を図りつつ、回転物体（光学スケール）の回転情報を高精度に検出している。
【００６４】
又、光源と凹面ミラーとがレンズ系によって略共役関係となるようにし、更に光学スケールの一部が凹面ミラーの略曲率半径の位置となるように設定することによって光学スケールと凹面ミラーとの間隔（ギャップ）の設計値からの許容値の緩和を図っている。
【００６５】
図１１，図１２は各々本実施形態において光源から射出し、レンズ系を介した光束１０１が光学スケール３の第１領域３ａに入射した後に回折し、凹面ミラー４面上に結像し，凹面ミラー４で反射して光学スケール３の第２領域３ｂを通過する光束１０２の他の実施形態の光路を示す説明図である。
【００６６】
図１１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はレンズ系を介した光束１０１が光学スケール３の格子部上の回転軸３ｅに近い方の第１領域３ａから入射し、凹面ミラー４で反射して回転軸３ｅの遠い方の第２領域３ｂに再入射する場合を示している。
【００６７】
即ち凹面ミラー４により第１領域３ａの格子部を第２領域３ｂに拡大結像する場合を示している。このうち、図１１（Ａ）では光束１０１が第１領域３ａに垂直に入射し、凹面ミラー４で反射した後に第２領域３ｂに斜入射する場合、図１１（Ｂ），（Ｃ）では光束１０１が第１領域３ａと第２領域３ｂに各々斜入射する場合を示している。
【００６８】
図１２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はレンズ系を介した光束１０１が光学スケール３の格子部上の回転軸３ｅに遠い方の第１領域３ａから入射し、凹面ミラー４で反射して、回転軸３ｅの近い方の第２領域３ｂに再入射する場合を示している。
即ち凹面ミラー４によって第１領域３ａの格子部を第２領域３ｂに縮小結像する場合を示している。このうち、図１２（Ａ）は光束１０１が第１領域３ａに斜入射し、凹面ミラー４で反射した後に第２領域３ｂに垂直に入射する場合、図１２（Ｂ），（Ｃ）は光束１０１が第１領域３ａと第２領域３ｂに各々斜入射する場合を示している。図１１，図１２の各構成においても前述の実施形態１と同様の効果を得ている。
【００６９】
図１３は本発明の実施形態２の要部概略図である。本実施形態は図１〜図１２に示した実施形態１に比べて、
・光照射手段１からの光束をレンズ系２によって平行光束として光学スケール３の第１領域３ａに入射させていること。
【００７０】
・光学スケール３の第１領域３ａからの０次光と±ｎ次回折光を凹面ミラー４によってその焦点位置４ｃに集光した後に発散光として光学スケール３の第２領域３ｂに入射させて、その面上に干渉縞を形成していること。
の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。
【００７１】
即ち本実施形態では図１３に示すように、光照射手段１からの光束をレンズ系で平行光束として放射状のＶ溝を一定周期に配設した格子部を円板上の周上に設けた回転可能な光学スケール３上の第１領域３ａに入射させ、第１領域３ａの格子部で回折した回折光を凹面ミラー４で反射させ焦点位置４ｃに集光させた後に発散光として光学スケールの第２領域３ｂに入射させ、第２領域３ｂの格子部を介した光束を受光手段５で受光することにより、該光学スケール３の変位情報を検出している。
【００７２】
このとき第１領域３ａと第２領域３ｂは該光学スケール３の回転軸３ｅの半径方向に対して異なった領域に位置しており、凹面ミラー４は該光学スケール３の第１領域３ａを第２領域３ｂに偏心系で結像している。
【００７３】
図１４は本発明の実施形態３の要部概略図である。本実施形態は図１〜図１２に示した実施形態１に比べて、
・光照射手段１からの光束をレンズ系２によって集光させて光学スケール３の第１領域３ａに入射させるとき凹面ミラー４の焦点位置４ｃに集光するようにしていること。
【００７４】
・光学スケール３の第１領域３ａからの回折光が焦点位置４ｃで集光した後に、発散光となって凹面ミラー４で反射した後に平行光束となって光学スケール３の第２領域３ｂに入射して、その面上に干渉縞を形成していること。
の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。
【００７５】
即ち本実施形態では図１４に示すように、光照射手段１からの光束をレンズ系２で集光して放射状のＶ溝を一定周期に配設した格子部を円板上の周上に設けた回転可能な光学スケール３上の第１領域３ａに入射させ、第１領域３ａの格子部で回折した回折光を凹面ミラー４の焦点位置４ｃに集光した後に発散光束として凹面ミラー４で反射させて平行光束とした後に光学スケール３の第２領域３ｂに入射させ、該第２領域３ｂの格子部を介した光束を受光手段５で受光することにより、光学スケール３の変位情報を検出している。
【００７６】
このとき、第１領域３ａと第２領域３ｂは該光学スケール３の回転軸３ｅの半径方向に対して異なった領域に位置しており、凹面ミラー４は光学スケール３の第１領域３ａを第２領域３ｂに偏心系で結像している。
【００７７】
図１５は本発明の実施形態４の要部概略図、図１６は図１５の一部分の拡大斜視図である。本実施形態は図１〜図１２に示した実施形態１に比べて
・光照射手段１からの光束をレンズ系２によって平行光束として光学スケール３の第１領域３ａに入射させていること。
【００７８】
・第１領域３ａの格子部で回折された０次光と±ｎ次回折光の平行光を各々平面ミラー４１，４２，４３で反射させて、光学スケール３の第２領域３に入射させて、その面上に干渉縞を形成していること。
の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。
【００７９】
即ち本実施形態では図１５，図１６に示すように、光照射手段１からの光束をレンズ系２で平行光束１０１として直線状のＶ溝を一定周期に配設した格子部を基板上に設けた移動可能な光学スケール３上の第１領域３ａに入射させ、第１領域３ａの格子部で回折した０次光Ｌ（０）と±ｎ次（ｎ＝１）回折光Ｌ（＋），Ｌ（−１）の平行光を平面ミラー４１，４２，４３で各々反射させて光学スケール３の第２領域３ｂに入射させ、第２領域３ｂの格子部を介した光束を受光手段５で受光することにより、光学スケール３の変位情報を検出している。
【００８０】
ここで第１領域３ａと第２領域３ｂは該光学スケール３の回転軸３ｅの半径方向に対して異なった領域に位置している。
【００８１】
尚、本実施形態において光学スケール３の第１領域を透過した回折光は、３光束以上であっても良い。
【００８２】
尚、本発明において光学スケールの位相差の検出する為の格子部として断面形状がＶ形状のＶ溝格子を用いたが、他の形状で同様の機能を有するものであれば同様に適用可能である。
【００８３】
例えば図１８〜図２２に示すような格子部を有する光学スケールを用いても良い。
【００８４】
図１８（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る光学スケール３の格子部３ｄの他の実施形態の要部断面図である。本実施形態は図６に示した格子部３ｄを構成する平面より成る傾斜面の代わりに曲率を有した曲面より構成した点が異なっており、その他の構成は同じである。
【００８５】
即ち円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射格子より成る格子部３ｄを設けている。この格子部３ｄは１つの平面部３０ａと曲率を有した２つの曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２が所定のピッチＰで交互に配列して構成している。
【００８６】
図１８（Ａ）は第１領域３ａに相当し、格子部３ｄの平面部３０ａに入射した光束のみが光学スケール３を通過し、曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）に入射した光束は曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）及び平面部３０ａで全反射し、入射方向に戻されている状態を示している。
【００８７】
図１８（Ｂ）は光学スケールの第２領域３ｂに入射した光束の光路を示している。このように格子部３ｄは図６（Ａ），（Ｂ）で示したのと同様に、透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有している。
【００８８】
図１９（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る光学スケール３の格子部３ｄの他の実施形態の要部断面図である。本実施形態は図６に示した格子部３ｄを構成する平面より成る傾斜面の代わりに曲率を有した曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２とし、かつ曲面と曲面との間に平面部３０ｂ−３より構成した点が異なっており、その他の構成は同じである。
【００８９】
即ち円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射格子より成る格子部３ｄを設けている。この格子部３ｄは１つの平面部３０ａと曲率を有した２つの曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２、そして平面部３０ｂ−３が所定のピッチＰで交互に配列して構成している。
【００９０】
図１９（Ａ）は第１領域３ａに相当し、格子部３ｄの平面部３０ａと平面部３０ｂ−３に入射した光束のみが光学スケール３を通過し、曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）に入射した光束は曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）及び平面部３０ａで全反射し、入射方向に戻されている状態を示している。
【００９１】
図１９（Ｂ）は光学スケールの第２領域３ｂに入射した光束の光路を示している。このように格子部３ｄは図６（Ａ），（Ｂ）で示したのと同様に、透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有している。
【００９２】
図２０（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る光学スケール３の格子部３ｄの他の実施形態の要部断面図である。本実施形態は図６のＶ溝の代わりに３角形状の突出部（３０ｂ−１，３０ｂ−２）より構成した点が異なっており、その他の構成は同じである。
【００９３】
即ち円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射格子より成る格子部３ｄを設けている。この格子部３ｄは１つの平面部３０ａと平面より成る２つの平面部３０ｂ−１，３０ｂ−２が所定のピッチＰで交互に配列して構成している。
【００９４】
図２０（Ａ）は第１領域３ａに相当し、格子部３ｄの平面部３０ａに入射した光束のみが光学スケール３を通過し、平面部３０ｂ−１（３０ｂ−２）に入射した光束は他の平面部３０ｂ−２（３０ｂ−１）で全反射し、入射方向に戻されている状態を示している。
【００９５】
図２０（Ｂ）は光学スケールの第２領域３ｂに入射した光束の光路を示している。このように格子部３ｄは図６（Ａ），（Ｂ）で示したのと同様に、透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有している。
【００９６】
図２１（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る光学スケール３の格子部３ｄの他の実施形態の要部断面図である。本実施形態は図６のＶ溝の代わりに曲率を有した２つの曲面３０ｂ−ｂ，３０ｂ−２より成る突出部を形成した点が異なっており、その他の構成は同じである。
【００９７】
即ち円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射格子より成る格子部３ｄを設けている。この格子部３ｄは１つの平面部３０ａと曲率を有し、突出した２つの曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２が所定のピッチＰで交互に配列して構成している。
【００９８】
図２１（Ａ）は第１領域３ａに相当し、格子部３ｄの平面部３０ａに入射した光束のみが光学スケール３を通過し、曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）に入射した光束は曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）で全反射し、入射方向に戻されている状態を示している。
【００９９】
図２１（Ｂ）は光学スケールの第２領域３ｂに入射した光束の光路を示している。このように格子部３ｄは図６（Ａ），（Ｂ）で示したのと同様に、透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有している。
【０１００】
図２２（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る光学スケール３の格子部３ｄの他の実施形態の要部断面図である。本実施形態は図６に示した格子部３ｄを構成する平面より成る傾斜面の代わりに曲率を有した曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２とし、曲面と曲面との間に平面部３０ｂ−３より構成した点が異なっており、その他の構成は同じである。
【０１０１】
即ち円板状の基板３ｃの表面上に一定周期の複数の放射格子より成る格子部３ｄを設けている。この格子部３ｄは１つの平面部３０ａと曲率を有した２つの曲面３０ｂ−１，３０ｂ−２が所定のピッチＰで交互に配列して構成している。
【０１０２】
図２２（Ａ）は第１領域３ａに相当し、格子部３ｄの平面部３０ａと平面部３０ｂ−３に入射した光束のみが光学スケール３を通過し、曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）に入射した光束は曲面３０ｂ−１（３０ｂ−２）及び曲面３０ｂ−２（３０ｂ−１）で全反射し、入射方向に戻されている状態を示している。
【０１０３】
図２２（Ｂ）は光学スケールの第２領域３ｂに入射した光束の光路を示している。このように格子部３ｄは図６（Ａ），（Ｂ）で示したのと同様に、透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有している。
【０１０４】
【発明の効果】
本発明によれば、第１領域からの光を反射して格子幅の異なる第２領域に入射させて受光する構成により回転検出を装置全体を簡素化して高精度に実行できる。
【０１０５】
又、本発明によれば集光光を円板上格子部の第１領域に入射させ、回折光を集光位置又は近傍にある凹面ミラーにより偏心系で半径方向に異なった第２領域に結像させ、第２領域の格子部を介した光を受光する構成により、各部材の配置上の空間を少なくすると共に装置全体の簡素化を図りつつ、又各部材の配置上の許容誤差を緩和しつつ変位物体の変位情報を高精度に検出するロータリーエンコーダ等に好適な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の一部分の要部斜視図
【図２】本発明の実施形態１の一部分の要部斜視図
【図３】本発明の実施形態１の一部分の要部断面図
【図４】本発明の実施形態１の一部分の光学スケールと凹面ミラーとの説明図
【図５】本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの説明図
【図６】本発明の実施形態１の一部分の光学スケールの格子部と受光手段からの信号の説明図
【図７】本発明の実施形態１の光学スケール上の再結像した像の説明図
【図８】本発明の実施形態１における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図
【図９】本発明の実施形態１における凹面ミラーの偏心量に対するスケールピッチと重ね合わせピッチの説明図
【図１０】本発明の実施形態１の一部分の要部断面図
【図１１】本発明の実施形態１における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図
【図１２】本発明の実施形態１における光学スケールへの光束の入射状態を示す他の実施形態の説明図
【図１３】本発明の実施形態２の一部分の要部断面図
【図１４】本発明の実施形態３の一部分の要部断面図
【図１５】本発明の実施形態４の一部分の要部断面図
【図１６】図１５の一部分の拡大斜視図
【図１７】従来のエンコーダの要部概略図
【図１８】本発明に係る光学スケールの他の実施形態の説明図
【図１９】本発明に係る光学スケールの他の実施形態の説明図
【図２０】本発明に係る光学スケールの他の実施形態の説明図
【図２１】本発明に係る光学スケールの他の実施形態の説明図
【図２２】本発明に係る光学スケールの他の実施形態の説明図
【符号の説明】
１ 光源
２ レンズ系
３ 光学スケール
３ａ 第１領域
３ｂ 第２領域
３ｃ 基板
３ｄ 格子部
３ｅ 回転軸
４ 凹面ミラー
４ａ 光軸
４１，４２，４３ 平面ミラー
５ 受光手段
１０１，１０２ 入射光束
１０１ａ，１０２ａ 主光線
１０３ 信号処理回路
Claims (6)
- 平坦部位とＶ溝形状部位の周期的な構造からなる格子部を有する変位可能なスケール手段と、
前記格子部は、一方の面から光束が入射されたときに振幅格子として作用する第１領域と、
前記第１領域に対してその変位方向に略垂直な方向に配置され、前記第１領域の格子幅とは異なる格子幅を有し、前記第１領域と同一方向に変位し、他方の面から光束が入射されたときに波面分割を実行する第２領域を有し、
前記第１領域の一方の面に、該第１の領域と該第２の領域との光路の間で収束する光束を投光するための光照射手段と、
前記第１領域を透過し、回折した光束を反射し、他方の面から前記第２領域に入射させ前記第２領域にスケール手段の移動方向とは逆の方向に移動する干渉パターンを得るための反射手段と、
前記第２領域に入射し、前記格子部の平坦部位とＶ溝形状部位の作用により波面分割された複数の光束を各々受光し、前記スケール手段の変位情報を得る為の受光素子と、
を有することを特徴とする変位情報検出装置。 - 前記スケール手段との間の相対変位情報は相対的回転変位情報であることを特徴とする請求項１に記載の変位情報検出装置。
- 前記反射手段は凹面ミラーであることを特徴とする請求項１の変位情報検出装置。
- 前記光照射手段からの光束を集光性の光束とする為のレンズ系を有し、前記第１領域からの±ｎ次回折光は前記凹面ミラーの面又はその近傍に集光しており、該凹面ミラーは前記格子部の第１領域を第２領域に等倍で結像していることを特徴とする請求項３の変位情報検出装置。
- 前記±ｎ次回折光の複数の回折光は、前記凹面ミラーで反射して前記格子部の第２領域で重ね合わされて干渉パターンを形成していることを特徴とする請求項４の変位情報検出装置。
- 前記スケール手段の一部は前記凹面ミラーの曲率中心に位置していることを特徴とする請求項４、又は５の変位情報検出装置。
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