JP6593868B2 - 変位検出装置 - Google Patents
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Description
光学系が主として回折格子だけで構成されており、極めてシンプルな構造である。この変位測定装置では、±1次光だけでなく0次光も光電検出器18に入射する構造となっている。ここで、インデックススケール14の格子高さhを上手く調整することで、インデックススケール14による±1次光と0次光との位相差が所定位相(位相差Ω)になるようにしている。
理想の設計通りに実現すればよいが、インデックススケール14の極僅かな製造誤差や光源光の波長の極僅かなズレがあるだけで、検出信号に乱れが生じ、計測精度が格段に低下する。
しかしながら、この構造にあっては、マスクで0次光を確実に遮蔽するため、入射ビーム径を十分に小さくしなければならない。すると、スケール回折格子が極僅かでも汚れていると回折光の光量が大きく変動してしまう。したがって、スケール汚れに極めて敏感になってしまうという問題が生じる。
図3は、本出願人によって提案された光学式エンコーダの構成例である(特許文献3:特許4938926)。
この光学式エンコーダにおいては、スケール回折格子に対して光源光を斜めから入射させる。そして、0次光をノイズ光ではなく「信号光」として利用する。つまり、0次光と1次回折光との二光束干渉とする。これにより、0次光が受光部に入射することによる検出信号の乱れを間接的に解決するというアイデアである。
光源光の波長が変動したとする。このとき、0次光の回折角(反射角)は変化を受けない。
その一方、波長の変動に伴って1次回折光の回折角は変化する。すると、左右の光路長(0次光の光路長と1次回折光の光路長)が非対称になって、光路長に差が生じ、干渉信号(干渉縞)の変化を生じさせる。
このように、光源光の波長変動が検出精度に大きく影響してしまう。
回折格子を有するメインスケールと、
前記メインスケールに対して相対移動可能に設けられ、前記メインスケールに対する相対変位量を検出する検出ヘッド部と、を具備し、
前記検出ヘッド部は、
光を前記メインスケールに向けて発射する光源と、
前記メインスケールで回折された信号光を受光する受光部と、
前記メインスケールから受光部に至る光路の途中に配設されたインデックススケール群と、を有し、
前記インデックススケール群は、回折格子からなる二以上のインデックススケールを含み、
前記メインスケールによる回折光のうち+s次回折光と−s次回折光とを信号光とする光電式エンコーダであって、
次の第1条件および第2条件を満たす
ことを特徴とする。
(第1条件):λ×(u1−u2)×(mN÷g)=2×sinα
(第2条件):λ×u1×(mN÷g)-sinα≠λ÷g×Σi=1 N(ti×mi)
各パラメータの意味は実施形態の説明のなかで明らかになる。
N=2、m1=2、m2=2、u1=1、u2=0とする
ことである。
(本発明の原理説明)
図4、図5、図6を参照しながら本発明を説明する。
なお、図6は図5の部分拡大図である。
変位検出装置100は、メインスケール110と、メインスケール110に対して相対移動可能な検出ヘッド部130と、を備える。
メインスケール110は、測長軸方向となる長手方向に沿って回折格子112を有する。ここでは、差し当って透過型の回折格子とするが、反射型の回折格子であってもよい。
説明のため、メインスケール110の長手方向(測長軸方向)にX軸をとり、メインスケール110の短手方向にY軸をとり、メインスケール110の法線方向にZ軸をとることとする。
カラス基板の上に、例えばアルミニウム、クロム、金などを蒸着した後、エッチングによって格子ピッチgの回折格子112にパターニングする。
その他、ガラス基板上に透明な樹脂で凹凸を作るようにしてもよいし、非透過部の部分を削るなどして回折格子112を形成してもよく、特段限定されない。
光源131としては、レーザー光を発射する光源であって、例えばレーザーダイオード(LD)であってもよい。光源131は、Z軸に沿って光Lを発射し、光Lはメインスケール110に垂直に入射する。なお、過干渉光を発することができればよいのであって、光源の種類は限定されない。
メインスケール110に入射した光Lは、メインスケール110の回折格子112で回折される。このとき、±1次、±2次・・・±s次・・・の回折光が生じるととともに、回折を受けずに透過する0次光L0がある。
メインスケール110を透過型としたので、インデックススケール群140は、メインスケール110を間にして光源131とは反対側にある。
いま、インデックススケールをメインスケール110に近い側から順に1、2、3・・・、N−1、Nと番号付けする。そして、各インデックススケールの格子ピッチを次のように表わす。すなわち、メインスケール110の格子ピッチP0、第1インデックススケールの格子ピッチP1、第2インデックススケールの格子ピッチP2、第3インデックススケールの格子ピッチP3、・・・、第(N−1)インデックススケールの格子ピッチPN−1、第Nインデックススケールの格子ピッチPN、を次のように表わす。
P1=g/m1
P2=g/m2
P3=g/m3
・・・
PN−1=g/mN−1
PN=g/mN
ここで、メインスケール110からの回折光のうち、±s次の回折光を最終的に受光部132に入射させて計測に利用したいとする。(sは1以上の整数である)。
メインスケール110からの回折光のうちの+s次回折光Ls1は、インデックススケール群140に入射する。すると、この+s次回折光Ls1は、各インデックススケール1〜Nを通過する際に、複数回の回折をうける。
もちろん、いくつかのインデックススケール1〜Nでは回折を受けずに0次の透過光として透過してもよい。
+s次回折光Ls1が第(N−1)インデックススケールから第Nインデックススケールに入射する入射角を+αとする。そして、+s次回折光Ls1が第Nインデックススケールで回折(あるいは第Nインデックススケールを透過)して第Nインデックススケールから射出する。
+s次回折光Ls1が第Nインデックススケールで回折(あるいは透過)した光束のうちu1次光Lu1が受光部132に入射するとする。
このu1次光Lu1が第Nインデックススケールから射出する射出角を+β1とする。
メインスケール110からの回折光のうちの−s次回折光Ls2は、インデックススケール群140に入射する。
−s次回折光Ls2は、各インデックススケールを通過する際に複数回の回折を受け、あるいは、いくつかのインデックススケールでは回折を受けずに0次の透過光として透過する。
−s次回折光Ls2がインデックススケール群140から射出するところに注目する。すなわち、−s次回折光Ls2が第(N−1)インデックススケールから第Nインデックススケールに入射し、第Nインデックススケールから射出して受光部132に至る光路に注目する。
−s次回折光Ls2が第(N−1)インデックススケールから第Nインデックススケールに入射する入射角を−αとする。
このu2次光Lu2が第Nインデックススケールから射出する射出角を+β2とする。
メインスケール110を透過した0次光L0はインデックススケール群140に入射し、複数回の回折あるいは透過をして、インデックススケール群140から射出する。
0次光L0がインデックススケール群140から射出するところに注目する。
すなわち、0次光L0が第(N−1)インデックススケールから第Nインデックススケールに入射し、第Nインデックススケールから射出する光路に注目する。
0次光L0が第(N−1)インデックススケールから出射するときの角度を+δとする。(図6を参照されたい。)
0次光L0が第Nインデックススケールに入射する入射角は、錯角の関係なので、−δとなる。
そして、0次光L0は、第Nインデックススケールで回折(あるいは第Nインデックススケールを透過)して第Nインデックススケールから射出する。
そして、メインスケール110からの0次光L0が第Nインデックススケールで回折(あるいは透過)した光を総称的にtN次光LtNと称することとする。
このtN次光LtNが第Nインデックススケールから射出するときの射出角を+γとする。
本発明の趣旨としては、このtN次光LtNが受光部132に入射しないようにしたいわけである。
λ×(u1−u2)×(mN÷g)=2×sinα ・・・(式1)
λ×u1×(mN÷g)-sinα≠λ÷g×Σi=1 N(ti×mi) ・・・(式2)
また、tiは、メインスケール110を透過した0次光L0がインデックススケール群140のi番目のインデックススケールで回折するときの回折次数を表わす。
第1条件および第2条件のそれぞれの導出を説明する。
まず、第1条件式について説明する。
第1条件は、メインスケール110からの回折光のうちの+s次回折光Ls1と−s次回折光Ls2とが重なって受光部132に入射するための条件である。
+s次回折光Ls1が第Nインデックススケールから回折角β1で射出して受光部132に入射する式(回折条件の式)は次のように表わされる。
sinβ1=λ×u1×(mN÷g)−sinα ・・・(式5)
sinβ2=λ×u2×(n÷g)−sin(−α) ・・・(式6)
λ×u1×(mN÷g)−sinα=λ×u2×(mN÷g)−sin(−α)
λ×(u1−u2)×(mN÷g)=2×sinα ・・・(式1)
次に、第2条件式について説明する。
メインスケール110を透過した0次光L0がインデックススケール群140のi番目のインデックススケールで回折するときの回折次数をtiと表わした。
したがって、メインスケール110からの0次光L0が第Nインデックススケールで回折(あるいは透過)した光を総称的にtN次光LtNと称することとする。
第2条件式は、このtN次光LtNが受光部132に入射しないための条件式である。
このとき、回折の式は次のようになる。
sinδ=+Σi=1 N−1{ti×λ×(mi÷g)} ・・・(式8)
と表わすことができる。
(なお、tiは、メインスケール110を透過した0次光L0がインデックススケール群140のi番目のインデックススケールで回折するときの回折次数である(再掲))
(なお、γ≠β1が成り立てば、第1条件式により、γ≠β2は自動的に成立する。)
sinγ=λ×tN×(mN÷g)−sin(−δ) ・・・(式9)
(式8)を代入すると、
sinγ=λ×tN×(mN÷g)+Σi=1 N−1{ti×λ×(mi÷g)} ・・・(式10)
である。
整理して、
sinγ=(λ÷g)×Σi=1 N(ti×mi) ・・・(式11)
となる。
λ×u1×(mN÷g)−sinα
≠(λ÷g)×Σi=1 N(ti×mi) ・・・(式2)
そして、信号光として±s次光Ls1、Ls2を使用するのであるから信号光(±s次光Ls1、Ls2)の光路が対称構造になっているのが当然の前提であり、したがって、光源131光の波長変動に対するロバスト性を確保することができる。
また、従来技術のごとく0次光を遮蔽するためのマスクやアパーチャーを要しないので、光源光Lのビーム径に制限を設ける必要はない。
たとえば、光源光Lのビーム径がある程度の大きさになるようにすることでメインスケール110の汚れに対する感度(光量変化率)を抑制し、メインスケール110の汚れに対するロバスト性を確保することができる。
図7は本発明に基づく実施例1である。
メインスケール110の回折格子112の格子ピッチをgとする。
インデックススケール群140は2つのインデックススケールを有し、第1インデックススケールと第2インデックススケールとを有する。
第1インデックススケールおよび第2インデックススケールの格子ピッチはg/2とする。
この構成であれば、信号光と0次光とを分離できる。
各パラメータは次の通りである。
g(メインスケール110の格子ピッチ):任意
N(インデックススケール群140を構成するインデックススケールの数):2
m1(メインスケール110の格子ピッチと第1インデックススケールの格子ピッチとの比):2
m2(メインスケール110の格子ピッチと第2インデックススケールの格子ピッチとの比):2
s(信号光の回折次数):1
α(信号光が第2インデックススケールに入射する角度):sin−1(λ/g)
u1(信号光(+1次回折光Ls1)が第2インデックススケールで回折するときの回折次数):1
u2(信号光(−1次回折光Ls2)が第2インデックススケールで回折するときの回折次数):0
(左辺)=λ×1×(2÷g)
=2λ/g
(右辺)=2×sin(sin−1(λ/g))
=2λ/g
したがって、(左辺)=(右辺)であるので、第1条件式を満たす。
第2条件式(式2)の(左辺)を計算してみる。
(左辺)=λ×1×(2÷g)−sin(sin−1(λ/g))
=λ/g ・・・(式9)
(右辺)=λ÷g×(t2×2)+λ÷g×2×t1
=(t2+t1)×2×λ/g ・・・(式10)
一方、第2条件式(式2)の(右辺)をみると、λ/gの係数には2が含まれる。つまり、偶数である。
したがって、t2とt1とがどんな値であっても、(左辺)≠(右辺)が成立する構成になっている。
言葉を換えて詳しく表現する。
メインスケール110での+1次回折光のうち第2インデックススケールで+1次回折した光を一方の信号光と取り出す。
また、メインスケール110での−1次回折光のうち第2インデックススケールを透過した光(0次光)を他方の信号光と取り出す。
この+1次回折光と透過光(0次光)とが最終的に到達する位置が受光部132である。
この受光部132の位置に対し、メインスケール110からの0次光(透過光)が到達する位置は必ず異なる。
第1インデックススケールでの±1次光と透過光(0次光)とを考え、(0、+1)、(0−1)、(0、0)と表わし図8中に記す。
これら(0、+1)、(0−1)、(0、0)はそれぞれ第2インデックススケールで回折あるいは透過する。
例えば、(0、0)光は第2インデックススケールで回折あるいは透過して、(0、0、+1)、(0、0、−1)、(0、0、0)などとなるが、そのいずれも受光部132に到達しない。
(0、+1)や(0−1)の回折光(あるいは透過光)を考えても同様で、いずれも受光部132に到達しない。
次に比較例を示す。
図9は、特開平8−219812号公報に開示された従来技術である。
この従来技術においては、メインスケール110の格子ピッチ:第1インデックススケールの格子ピッチ:第2インデックススケールの格子ピッチ=1:1/2:1、となっている。
このような格子ピッチ比をもつ光学系を採用してしまうと、メインスケール110からの信号光と0次光とが重なってしまうのである。
各パラメータは次の通りである。
g(メインスケール110の格子ピッチ):任意
N(インデックススケール群140を構成するインデックススケールの数):2
m1(メインスケール110の格子ピッチと第1インデックススケールの格子ピッチとの比):2
m2(メインスケール110の格子ピッチと第2インデックススケールの格子ピッチとの比):1
s(信号光の回折次数):1
α(信号光が第2インデックススケールに入射する角度):sin−1(λ/g)
u1(信号光(+1次回折光Ls1)が第2インデックススケールで回折するときの回折次数):1
u2(信号光(−1次回折光Ls2)が第2インデックススケールで回折するときの回折次数):−1
(左辺)=λ×(1−(−1))×(1÷g)
=2λ/g
(右辺)=2×sin(sin−1(λ/g))
=2λ/g
したがって、(左辺)=(右辺)であるので、第1条件式を満たす。
つまり、受光部132で信号光による干渉信号を検出することはできる。
第2条件式(式2)の(左辺)を計算してみる。
(左辺)=λ×1×(1÷g)−sin(sin−1(λ/g))
=0 ・・・(式11)
(右辺)=λ÷g×(t2×1)+λ÷g×2×t1
=(t2+2・t1)×λ/g ・・・(式12)
第2条件式(式2)の(右辺)をみると、t2とt1の組み合わせによっては0になることが有り得る。
したがって、(左辺)=(右辺)となる可能性があり、メインスケール110からの0次光が受光部132に入射してしまう。
信号光にメインスケール110の透過光(0次光)が混入してしまう従来技術は本発明の技術的範囲に属さないことがわかる。
例えば、メインスケールが反射型であっても本発明は成り立つ。
110…メインスケール、112…回折格子、
130…検出ヘッド部、131…光源、
132…受光部、
140…インデックススケール群。
Claims (2)
- 回折格子を有するメインスケールと、
前記メインスケールに対して相対移動可能に設けられ、前記メインスケールに対する相対変位量を検出する検出ヘッド部と、を具備し、
前記検出ヘッド部は、
光を前記メインスケールに向けて発射する光源と、
前記メインスケールで回折された信号光を受光する受光部と、
前記メインスケールから受光部に至る光路の途中に配設されたインデックススケール群と、を有し、
前記インデックススケール群は、回折格子からなる二以上のインデックススケールを含み、
前記メインスケールによる回折光のうち+s次回折光と−s次回折光とを信号光とする変位検出装置であって、
次の第1条件および第2条件を満たす
ことを特徴とする変位検出装置。
(第1条件):λ×(u1−u2)×(mN÷g)=2×sinα
(第2条件):λ×u1×(mN÷g)-sinα≠λ÷g×Σi=1 N(ti×mi)
ここで、
λは光源光の波長である。
sは1以上の整数である。
インデックススケール群を構成する複数のインデックススケールに対しメインスケールに近い側から1、2、・・・N−1、Nと付番し、メインスケールの格子ピッチP0、第1インデックススケールの格子ピッチP1、第2インデックススケールの格子ピッチP2、第3インデックススケールの格子ピッチP3、・・・、第(N−1)インデックススケールの格子ピッチPN−1、第Nインデックススケールの格子ピッチPN、を次のように表わす。
P0=g、P1=g/m1、P2=g/m2、P3=g/m3、・・、Pi=g/mi、・・PN−1=g/mN−1、PN=g/mN。
+s次回折光が第(N−1)インデックススケールから第Nインデックススケールに入射する入射角を+αとする。
スケール回折格子からの+s次回折光が第Nインデックススケールで回折(あるいは透過)した光束のうちu1次光が受光部に入射し、スケール回折格子からの−s次回折光が第Nインデックススケールで回折(あるいは透過)した光束のうちu2次光が受光部に入射する。(u1、u2は整数である。)
tiは、スケール回折格子を透過した0次光がインデックススケール群のi番目のインデックススケールで回折するときの回折次数を表わす。 - 請求項1に記載の光電式エンコーダにおいて、
N=2、m1=2、m2=2、u1=1、u2=0とする
ことを特徴とする光電式エンコーダ。
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