JP2005147828A - 変位検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 検出分解能を向上させるとともに耐環境性を向上させる変位検出装置を提供する。
【解決手段】 変位検出装置１００は、メインスケール１１０と、検出ヘッド部１２０と、を備える。検出ヘッド部１２０は、発光受光部１３０と、光学デバイスユニット部１４０と、を備える。光学デバイスユニット部１４０は、第１回折スケール１４１と、第２回折スケール１４３と、を備えている。第１回折スケール１４１は、透過型の第１回折格子１４２を有する。第２回折スケール１４３は、回折格子を有する。第２回折スケール１４３において金属膜１４６の両側領域に透過型の第２回折格子１４４が構成され、金属膜１４６により、第２回折スケール１４３をメインスケール１１０側から見たときに反射型の第３回折格子１４５が構成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、変位検出装置に関する。例えば、レーザー干渉式の変位検出装置に関する。

従来、レーザー干渉式の変位検出装置が知られている。従来のレーザー干渉式変位検出装置１００は、図１１に示されるように、メインスケール１１０と、検出ヘッド部１２０と、を備えて構成されている。メインスケール１１０は、測長方向である長手方向に沿って反射型の回折格子１１１を有する。検出ヘッド部１２０は、発光受光部１３０と、光学デバイスユニット部６００と、を備えている。
発光受光部１３０は、レーザー光を発射する光源１３１と、メインスケール１１０で反射されてきた光の干渉光を受光する受光手段１３４と、を備えている。
光学デバイスユニット部６００は、光源１３１からの光を分波するビームスプリッタ６０１と、ビームスプリッタ６０１で分波された一方の光をメインスケール１１０に向けて反射する第１ミラー６０２と、ビームスプリッタ６０１で分波された他方の光をメインスケール１１０に向けて反射する第２ミラー６０３および第３ミラー６０４と、メインスケール１１０からの一方の反射回折光をハーフミラー６０７に向けて反射する第４ミラー６０５と、メインスケール１１０からの他方の反射回折光をハーフミラー６０７に向けて反射する第５ミラー６０６と、を備えて構成されている。

このような構成において、光源１３１から発射された光は、ビームスプリッタ６０１で分波されたのちメインスケール１１０で回折される。メインスケール１１０で回折された光はハーフミラー６０７で干渉して、この干渉光が受光手段１３４で受光される。そして、メインスケール１１０が変位すると、干渉光の明暗が変化するので、この明暗変化の様子からメインスケール１１０の変位量が検出される。また、光を分波してメインスケール１１０から回折される二光束を干渉させることで、メインスケール１１０の変位の方向が検出される。

ここで、光の分波や反射は回折格子を用いて行うことができ、ビームスプリッタやミラーに代えて回折格子を配設することも行われている（例えば、特許文献１）。

特開２００２−３７２４０７号公報

光源１３１からの光を分波し、これら分波された光をメインスケール１１０で反射、回折させて回折光の干渉を得るためには、ビームスプリッタ６０１やミラー６０２〜６０６等の多くの光学部品を用いなければならない。また、多くのミラー６０２〜６０６等を調整して光軸を合わせることには非常な手間を要する。
そして、多くの光学部品を備えると、装置が大型化され、光学経路も長くなる。レーザー光は、空気密度の揺らぎでも干渉状態が変化してしまうところ、光学経路が長くなると、検出精度が低減されるおそれがある。

ここで、ビームスプリッタやミラーの変わりに回折格子を利用できるが、例えば、メインスケールでの反射回数を多くして検出分解能を向上させるためには、メインスケールからの回折光をメインスケールに向けて再帰させる必要がある。すると、反射ミラーを備えることとなるので、検出分解能を向上させることと、部品点数を削減して光学経路を短くすることとは同時に両立できない問題となっていた。

本発明の目的は、検出分解能を向上させるとともに耐環境性を向上させることができる変位検出装置を提供することにある。

請求項１に記載の変位検出装置は、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るとともにこの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、可干渉光を発射する光源および前記メインスケールにて回折された光を受光する受光素子を有する発光受光部と、前記光源からの光を回折して少なくとも二つの異なる次数の回折光に分波する分波用回折格子と、前記分波用回折格子で回折された光を回折して前記メインスケール上にスポット投影するように偏向する偏向用回折格子と、前記メインスケールのスポット投影位置からの回折光を反射回折することで前記メインスケール上に再照射してスポット投影する再照射用回折格子と、前記メインスケールに再照射されて回折された回折光を重ね合わせて干渉させる合波手段と、を備えることを特徴とする。

このような構成において、光源から可干渉光（例えばレーザー光）が発射される。この光は、分波用回折格子で回折されることにより分波され、例えば二光束に分波される。これら分波された光は偏向用回折格子で回折されることにより偏向される。偏向用回折格子で偏向された光はメインスケールの回折格子に照射され、メインスケールで回折される。
メインスケールで回折された光は、再照射用回折格子で反射回折されてメインスケールに再照射される。再照射された光はメインスケールで再び回折されたあと、回折光が合波手段で合波されて干渉光とされる。この干渉光は受光素子で受光される。そして、干渉光の変化に基づいて受光素子から出力される信号からメインスケールと検出ヘッド部との相対変位量が検出される。

このような構成によれば、偏向用回折格子からメインスケールに照射された光は、再照射用回折格子によって反射されてメインスケールに再帰される。すると、メインスケールによって２回回折されることになる。すると、受光素子で受光される光束は、メインスケールで一回だけ回折された光束に比べて、４逓倍の位相情報を有している。結果として、受光素子から出力される干渉正弦波信号によって、４倍の分解能でメインスケールの移動量が検出される。さらに、分波用回折格子での分波によって、光がメインスケールと検出ヘッド部との相対移動方向に沿った方向で分波された場合、メインスケールからの回折光はメインスケールの進行方向によって互いに逆の位相変化を示す。すると、受光素子で受光される信号からメインスケールの進行方向の情報が得られる。

一の光束を二光束に分けたり、メインスケールに向けて光を再照射したりするにはビームスプリッタやミラーの機能を有する光学デバイスを複数要するが、これらの機能を回折格子によって実現すれば、光学デバイスの数を少なくでき、部品コストおよび組立てコストを低減させることができる。また、光学デバイスが少なくて良いので光路調整も簡便であり、さらに光路調整ミスによる検出誤差を少なくして、検出精度を向上させることができる。また、回折格子を用いることによって構成要素を少なくできるので、全体構成をコンパクトにすることができる。すると、全体の光路長を短くすることができる。例えば、レーザー光は、空気密度の変化でも干渉波が揺らいでしまうところ、光路長を短くすることによって耐環境性に優れた変位検出装置とすることができる。

ここで、分波用回折格子、偏向用回折格子、再照射用回折格子およびメインスケールの回折格子は、光を回折したときに特定の次数の回折光を特に強く回折するように構成されていることが好ましい。例えば、分波用回折格子は、光源からの光を回折して二光束に分割する構成とすることが好ましい。
このような構成は、回折条件の式から特定の干渉次数を強めあうようにすればよく、たとえば、回折格子を表面凹凸のレリーフで構成する場合には回折格子の格子高さを光の波長に対してｎ分の１（ｎは正の整数）にしたり、ブレーズド回折格子としたりしてもよく、あるいは、回折格子を周期的な光学的粗密で構成する場合には粗密の周期を所定長さにすればよい。

請求項２に記載の変位検出装置は、請求項１に記載の変位検出装置において、前記検出ヘッド部は、前記発光受光部と前記偏向用回折格子との間に配設され透過型の回折格子を有する第１回折スケールを備え、前記第１回折スケールにて前記光源からの光が分波されることにより前記分波用回折格子が構成されているとともに、前記メインスケールからの回折光が前記第１回折スケールにて合波されることにより前記合波手段が構成されていることを特徴とする。

このような構成によれば、一の光束を二光束に分波し、かつ、二光束を合波するのに一つの回折格子だけでよいので、構成要素を少なくしして全体構成をコンパクトにすることができる。すると、全体の光路長も短くすることができるので、耐環境性に優れた変位検出装置とすることができる。また、構成要素を少なくすることにより部品コストや組立てコストを削減することができるので、安価でありながらも検出精度を向上させることができる。

請求項３に記載の変位検出装置は、請求項１または請求項２に記載の変位検出装置において、前記検出ヘッド部は、前記分波用回折格子からの光が一面側から入射されるとともに他面側から前記メインスケールに向けて光を透過回折する透過型の第２回折スケールを備え、前記偏向用回折格子は、前記第２回折スケールの前記一面側に設けられた回折格子を備えて構成され、前記再照射用回折格子は、前記第２回折スケールの一面側から前記回折格子の一部に覆設されて前記第２回折スケールの他面側から入射する光を反射させる反射手段を備えて構成されていることを特徴とする。

このような構成によれば、第２回折スケールの他面側から入射して反射手段で反射されると、第２回折スケールの一面側に設けられた回折格子の働きによって反射手段で光が反射されるときに回折される。
再照射用回折格子は、第２回折スケールに反射手段を設けることによって構成されるので、再照射用回折格子を簡便に形成できるとともに、再照射用回折格子を第２回折スケールに一体化させることによって部品点数を少なくすることができる。また、回折格子を別個に形成するにはコストが掛かるが、第２回折スケールに反射手段を設けるという簡便な方法で、精度の高い反射型の回折格子を得ることができる。

ここで、再照射用回折格子は、第２回折スケールの他面側に設けられていてもよい。つまり、前記分波用回折格子からの光が一面側から入射されるとともに他面側から前記メインスケールに向けて光を透過回折する透過型の第２回折スケールを備え、前記偏向用回折格子は、前記第２回折スケールの前記一面側に設けられた回折格子を備えて構成され、前記再照射用回折格子は、前記回折スケールの他面側から前記回折格子の一部に覆設されて前記回折スケールの他面側から入射する光を反射させる反射手段を備えて構成されてもよい。ただし、この場合には、反射手段の表面に回折格子を構成する凹凸のレリーフを刻設する必要がある。

なお、再照射用回折格子は、偏向用回折格子とともに第２回折スケールに設けられていなくても、再照射用回折格子として反射型回折格子が独立して配設されていてもよいことはもちろんである。

請求項４に記載の変位検出装置は、請求項１に記載の変位検出装置において、前記メインスケールは、反射型の回折格子を有し、前記検出ヘッド部は、前記発光受光部と前記メインスケールとの間に配設され表裏両面に透過型の回折格子を有する回折スケールを備え、前記回折スケールの前記発光受光部側に設けられた回折格子にて前記光源からの光が分波されることにより前記分波用回折格子が構成されているとともに、前記メインスケールからの回折光が合波されることにより前記合波手段が構成され、前記偏向用回折格子は、前記回折スケールの前記メインスケール側に設けられた回折格子にて構成され、前記再照射用回折格子は、前記回折スケールの前記メインスケール側の一部に覆設されて前記メインスケールからの反射回折光を前記メインスケールに向けて反射回折させる反射型回折格子を備えて構成されていることを特徴とする。

このような構成によれば、分波用回折格子、合波手段、偏向用回折格子および再照射用回折格子が一の回折スケールに一体的に構成されているので、部品点数を極限的に削減することができる。よって、部品コストや組立てコストを削減することができる。そして、組み立て時の光路調整を非常に簡便にできる。また、部品点数が極限的に少なくなることによって、光学経路を極限的に短くすることができる。よって、耐環境性に優れた変位検出装置とすることができる。

請求項５に記載の変位検出装置は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の変位検出装置において、前記メインスケールは反射型の回折格子を有し、前記再照射用回折格子は、前記メインスケールからの反射回折光を前記メインスケールとの間で二回以上反射回折して再照射することを特徴とする。

このような構成において、再照射用回折格子で光をメインスケールに再照射させる回数を多くすると、受光素子で受光される光束は、メインスケールで一回反射された光束に比べて、数倍の位相情報を有することになる。結果として、メインスケールの相対移動量を検出する分解能を向上させることができる。

前記メインスケールからの反射回折光を前記メインスケールとの間で二回以上反射回折して再照射させる構成としては、例えば、メインスケールからの反射光が再照射用回折格子にて複数回反射されるように再照射用回折格子を幅広に構成して反射面を大きくすることが一例として挙げられる。

請求項６に記載に記載の変位検出装置は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の変位検出装置において、前記検出ヘッド部は、前記発光受光部、前記分波用回折格子、前記偏向用回折格子および前記再照射用回折格子を、それぞれの長手方向を前記メインスケールの長手方向に揃えた状態で備えているとともに、前記偏向用回折格子と前記メインスケールとの間に配設され、前記偏向用回折格子にて偏向された光を前記メインスケールの長手方向に沿った中心線の方に向けて屈折させる光屈折手段を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、光屈折手段によってメインスケールの中心線に向けて光を屈折させることができる。例えば、光源から光屈折手段に入射する光がメインスケールに対して略垂直であった場合でも、光屈折手段から射出される光は屈折されてメインスケールに照射される。すると、メインスケールからの回折光は、メインスケールへの入射光に対して角度を有するので、入射光とは異なる経路でメインスケールからの回折光を再照射用回折格子に入射させることができ、また、メインスケールからの回折光を受光素子に入射させることができる。
光源からの光の発射方向を垂直近くにできれば、例えば、分波用回折格子や偏向用回折格子の端手方向の幅をレーザーのビーム径程度にまで短くすることができるなど、変位検出装置の短手方向の長さを短くすることができる。そして、短手方向が短くなることによって、装置がコンパクトになり光学経路も短くなるため、結果として、耐環境性に優れた変位検出装置とすることができる。

ここで、光屈折手段としては、光を屈折させるプリズムやレンズなどが例として挙げられる。

請求項７に記載の変位検出装置は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の変位検出装置において、前記検出ヘッド部は、前記合波手段で合波された光を前記光源の側へ反射させる反射部材を備え、前記発光受光部は、前記光源と前記受光素子とを前記反射部材の反射面に対して同じ側に備えることを特徴とする。

このような構成において、合波手段で合波された光を反射部材の反射面により光源と同じ側に向けて反射させて、この反射された光を受光素子で受光させるとすると、受光素子が光源と同じ側に配置されることになる。すると、光源や受光素子といった電気関係部品を同じ側で近接して配置できるので、電気配線をまとめることができ、配線を簡素化することができる。
ここで、反射部材の反射面は、メインスケールの測長方向に垂直な面に平行であってもよく、あるいは、測長方向を含みメインスケールに垂直な面に平行であってもよい。
なお、光源と受光素子とが同じ側に配置され、さらには、光源と受光素子とが一所にまとめて配置されていることが好ましい。

以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の変位検出装置に係る第１実施形態について説明する。
図１に、変位検出装置１００の内部構造を透視した斜視図を示す。図２に、変位検出装置の基本構成とともに光学経路を示す。
変位検出装置１００は、メインスケール１１０と、検出ヘッド部１２０と、を備えている。
メインスケール１１０は、測長方向となる長手方向に沿ってスライド移動可能に設けられている。メインスケール１１０において検出ヘッド部１２０に対向する面には、長手方向に沿って反射型の回折格子１１１が設けられている。
検出ヘッド部１２０は、メインスケール１１０に向けて光を照射するとともにメインスケール１１０からの反射光を受光する。そして、反射光の位相情報に基づいてメインスケール１１０と検出ヘッド部１２０との相対移動量が検出される。

検出ヘッド部１２０は、発光受光部１３０と、光学デバイスユニット部１４０と、枠体１５０と、を備えている。
発光受光部１３０は、光学デバイスユニット部１４０を通ってメインスケール１１０に向かう光を発射するとともにメインスケール１１０から反射されて光学デバイスユニット部１４０を通過してきた光を受光する。
発光受光部１３０は、光源１３１と、受光素子１３２A、１３２Bと、位相差板１３３A、１３３Bと、を備えている。
光源１３１は可干渉のレーザー光を発射するレーザー光源である。なお、光源１３１からのレーザー発射方向については、図２、図３および図４を参照して後述する。
受光素子１３２A、１３２Bは、メインスケール１１０からの反射光を受光して光電変換することにより干渉正弦波信号を出力する素子である。受光素子としては、受光素子１３２Aと受光素子１３２Bとの二つが設けられ、発光受光部１３０に向けて反射されてくる光束のうちの二光束が受光される。
位相差板１３３A、１３３Bは、受光素子１３２Aと受光素子１３２Bとの手前にそれぞれ配置され、受光素子１３２Aと受光素子１３２Bとにそれぞれ入射される光束に対して互いに９０°ずれた位相差を与える。

光学デバイスユニット部１４０は、発光受光部１３０とメインスケール１１０との間に配置されて、光を分波、合波あるいは反射させる。光学デバイスユニット部１４０は、発光受光部１３０に対してはその位置が固定的であり、発光受光部１３０と一体的にメインスケール１１０に対して相対移動する。
光学デバイスユニット部１４０は、第１回折スケール１４１と、第２回折スケール１４３と、を備えている。
第１回折スケール１４１は、発光受光部１３０とメインスケール１１０との間において発光受光部１３０側でメインスケール１１０に平行に配設されている。第１回折スケール１４１は、ガラス等の透明な部材で扁平直方体形状に形成され、メインスケール１１０の回折格子１１１と同じ方向に透過型の第１回折格子（分波用回折格子、合波手段）１４２を有する。第１回折格子１４２は、第１回折スケールの発光受光部１３０側の面において所定ピッチで溝が刻設された位相格子である。また、第１回折格子１４２は、所定干渉次数の光を特に強く回折するような格子高さに形成されている。

第２回折スケール１４３は、発光受光部１３０とメインスケール１１０との間においてメインスケール１１０側でメインスケール１１０に平行に配設されている。
第２回折スケール１４３は、ガラス等の透明な部材で形成されているとともに発光受光部１３０側の面においてメインスケール１１０の回折格子１１１と同じ方向に所定ピッチの回折格子が刻設されている。この回折格子は、所定干渉次数の光を特に強く回折するような格子高さに形成されている。
また、第２回折スケール１４３の発光受光部１３０側の面において、短手方向の略中央部分で長手方向に沿って金属膜（反射手段）１４６が蒸着されている。金属膜１４６は、第２回折スケール１４３の短手方向を３等分した程度の幅で設けられている。
そして、第２回折スケール１４３において金属膜１４６の両側領域に透過型の第２回折格子（偏向用回折格子）１４４が構成されている。また、金属膜１４６により、第２回折スケール１４３をメインスケール１１０側から見たときに反射型の第３回折格子（再照射用回折格子）１４５が構成されている。

発光受光部１３０および光学デバイスユニット部１４０は、枠体１５０で囲繞されて、検出ヘッド部１２０として一体化されている。

次に、図２、図３および図４を参照して、光源１３１から発射された光がメインスケール１１０で反射されて受光素子１３２A、１３２Bに入射するまでの光学経路について説明する。
図２には、変位検出装置１００の基本構成を斜視図で示すとともに、光学経路を三次元的に示す。図３には、変位検出装置１００を測長方向に垂直方向から見た正面図に光学経路を示す。図４には、変位検出装置１００を測長方向から見た側面図に光学経路を示す。

まず、光源１３１から光学デバイスユニット部１４０に向けてレーザー光Ｌが発射される。
このとき、図３に示されるように、メインスケール１１０の測長方向に垂直方向から見たとき、レーザー光Ｌの発射方向は、メインスケール１１０の短手方向に沿った垂直面に対して傾斜している。また、図４に示されるように、メインスケール１１０の測長方向から見たとき、レーザー光Ｌの発射方向は、メインスケール１１０の長手方向に沿った垂直面に対しても傾斜している。そして、図２あるいは図４に示されるように、レーザー光Ｌは、第１回折スケール１４１において短手方向の中央よりも端側の一点Ｐに照射される。

光源１３１から発射された光は、第１回折スケール１４１に入射して、第１回折格子１４２により回折光となって出射される。
このとき、第１回折格子１４２によって複数の回折光が生じるが、検出にはゼロ次回折光Ｌ０とマイナス１次回折光Ｌ１とを使用するので、図面中ではゼロ次回折光Ｌ０およびマイナス１次回折光Ｌ１のみを示す。このように、第１回折格子１４２によってレーザー光Ｌがゼロ次回折光Ｌ０とマイナス１次回折光Ｌ１とにビームスプリット（分波）される。
なお、以下の説明では、ゼロ次回折光を透過光と称し、マイナス１次回折光を1次回折光と称する。

第１回折格子１４２で回折した１次回折光Ｌ１および透過光Ｌ０は、第２回折スケール１４３の第２回折格子１４４に入射して、回折光として出射される。回折光のうち１次回折光のみが検出に使用され、第１回折格子１４２の１次回折光Ｌ１に対応して第２回折格子１４３から１次回折光Ｌ２が出射され、第１回折格子１４２の透過光Ｌ０に対応して第２回折格子１４４から１次回折光Ｌ３が出射される。このように、第２回折格子１４４によって１次回折光Ｌ１および透過光Ｌ０はメインスケール１１０上の一点にスポット投影されるように偏向される。

第２回折格子１４４からの１次回折光Ｌ２および１次回折光Ｌ３は、メインスケール１１０に照射される。このとき、１次回折光Ｌ２および１次回折光Ｌ３は、メインスケール１１０上における一点Ｐ１に照射される。メインスケール１１０の反射型回折格子によって１次回折光Ｌ２および１次回折光Ｌ３は反射されると同時に回折されて、一点Ｐ１から１次回折光Ｌ２および１次回折光Ｌ３の反射回折光として、回折光L４と回折光Ｌ５とが出射される。ここで、第２回折格子１４４からの１次回折光Ｌ２の入射方向と同じ側に反射されてくる回折光を回折光Ｌ４とし、第２回折格子１４４からの１次回折光Ｌ３の入射方向と同じ側に反射されてくる回折光を回折光Ｌ５とする。

メインスケール１１０で反射された回折光Ｌ４および回折光Ｌ５は、第２回折スケール１４３の第３回折格子１４５に入射する。反射型の第３回折格子１４５によってメインスケール１１０からの回折光Ｌ４および回折光Ｌ５は反射されると同時に回折される。そして、メインスケール１１０からの回折光Ｌ４および回折光Ｌ５は、第３回折格子１４５によって回折光Ｌ６および回折光Ｌ７として再びメインスケール１１０に向けて反射される。このとき、第３回折格子１４５による回折光Ｌ６および回折光Ｌ７は、メインスケール１１０の略一点Ｐ２に再照射される。

第３回折格子１４５からの回折光Ｌ６および回折光Ｌ７は、メインスケール１１０の一点Ｐ２において回折格子によって反射されると同時に回折されて回折光Ｌ８および回折光Ｌ９として第２回折スケール１４３の第２回折格子１４４に入射される。
ここで、第３回折格子１４５からの回折光Ｌ６の入射方向と同じ側に反射されてくる回折光を回折光Ｌ８とし、第３回折格子１４５からの回折光Ｌ７の入射方向と同じ側に反射されてくる回折光を回折光Ｌ９とする。

メインスケール１１０からの回折光Ｌ８および回折光Ｌ９は、第２回折格子１４４によって回折され、回折光Ｌ８に対応して１次回折光Ｌ１０が射出され、回折光Ｌ９に対応して１次回折光Ｌ１１が射出される。このように、第２回折格子１４４によって、回折光Ｌ８および回折光Ｌ９は、第１回折スケール１４１の一点に向けて偏向される。

第２回折格子１４４からの１次回折光Ｌ１０および１次回折光Ｌ１１は、第１回折格子１４２の一点Ｐ３に照射される。そして、第２回折格子１４４からの１次回折光Ｌ１０、Ｌ１１が第１回折格子１４２で合波されることによって干渉光として射出される。ここで、第２回折格子１４４からの１次回折光Ｌ１０が入射するのと同じ側に回折あるいは透過されてくる回折光を回折光Ｌ１２とし、第２回折格子１４４からの１次回折光Ｌ１１が入射するのと同じ側に回折あるいは透過されてくる回折光を回折光Ｌ１３とする。
回折光Ｌ１２および回折光Ｌ１３は、それぞれ位相差板１３３Ａ、１３３Ｂによって９０度の位相差が付けられた状態で受光素子１３２Ａ、１３２Ｂで受光される。

このような光学経路をとる光束を受光素子１３２Ａ、１３２Ｂで受光する状態で、メインスケール１１０をスライド移動させると、メインスケール１１０の回折格子１１１が移動される。すると、回折光の位相が変化され、結果として、受光素子から出力される干渉正弦波信号が変化される。
そして、受光素子１３２Ａ、１３２Ｂからの正弦波信号は図示しない信号処理部において処理されて、例えば、受光素子１３２Ａ、１３２Ｂからの正弦波信号が差動増幅された後にリサージュ図形として合成されて、このリサージュ図形の運動の様子からメインスケール１１０の相対移動量が検出される。

このような構成を備える第１実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（１）第２回折格子１４４を透過してメインスケール１１０に照射された光は、第３回折格子１４５によって反射されてメインスケール１１０に再帰される。つまり、メインスケール１１０によって２回反射回折されることになる。すると、受光素子１３２Ａ，１３２Ｂで受光される光束は、メインスケール１１０で一回反射回折された光束に比べて、４逓倍の位相情報を有している。結果として、受光素子１３２Ａ、１３２Ｂから出力される干渉正弦波信号によって、４倍の分解能でメインスケール１１０の移動量を検出することができる。

（２）第１回折格子１４２で分波された１次回折光Ｌ１と透過光Ｌ０とは、メインスケール１１０の進行方向によって互いに逆の位相変化を示すので、受光素子１３２Ａ、１３２Ｂで受光されるメインスケール１１０の進行方向の情報が得られる。

（３）一の光束を二光束に分けたり、メインスケール１１０に向けて光を再帰させたりするにはビームスプリッタやミラーの機能を有する光学デバイスを複数要するが、これらの機能を第１回折スケール１４１および第２回折スケール１４３の二つの光学デバイスによって行うことができる。よって、光学デバイスの数が少なくて良く、部品コストおよび組立てコストを低減させることができる。また、光学デバイスが少なくて良いので光路調整も簡便であり、さらに光路調整ミスによる検出誤差を少なくして、検出精度を向上させることができる。

（４）光学デバイスとしてメインスケール１１０の他は、第１回折スケール１４１および第２回折スケール１４３だけでよく、構成要素が少ないので全体構成をコンパクトにすることができる。すると、全体の光路長を短くすることができる。例えば、レーザー光は、空気密度の変化でも干渉波が揺らいでしまうところ、光路長を短くすることによって耐環境性に優れた変位検出装置１００とすることができる。

（５）第３回折格子１４５は、第２回折スケール１４３に金属膜を蒸着することによって構成されている。よって、第３回折格子１４５を簡便に形成することができるとともに、第２回折スケール１４３に一体化させることによって部品点数を少なくすることができる。さらに、金属板を加工して位相格子となる凹凸を精密に形成することは難しいが、第２回折格子１４４の位相格子に金属膜を蒸着するという簡便な方法で、精度の高い反射型の回折格子を得ることができる。

（６）第３回折格子１４５を構成する金属膜２０４が外面に露出していると、腐食や剥離等が生じるおそれがあるところ、第２回折スケール１４３と第１回折スケール１４１とに保護されて外面に露出していない。よって、金属膜２０４が保護されることによって、耐久性を向上させることができる。そして、金属膜２０４の表面に腐食等が生じた場合であっても、位相格子として機能するのは第２回折格子１４４をメインスケール１１０側から見た面であるので、金属膜２０４の表面の腐食等は光学性能に影響を与えない。

（第２実施形態）
次に、本発明の変位検出装置に係る第２実施形態について説明する。
第２実施形態の基本的構成は第１実施形態に同様であるが、第２実施形態は、光学デバイスユニット部が一つの回折スケールで構成されている点に特徴を有する。
図５に、第２実施形態を光学デバイスユニット部とメインスケール１１０との間から見た図を示す。
図５において、光学デバイスユニット部２００は、一の回折スケール２０１で構成されている。回折スケール２０１は、発光受光部１３０とメインスケール１１０との間において、メインスケール１１０に平行に配設されている。回折スケール２０１はガラス等の透明部材で扁平直方体形状に形成されている。
回折スケール２０１において発光受光部１３０側の一面に第１回折格子１４２が設けられている。また、回折スケール２０１においてメインスケール１１０側の一面に第２回折格子２０２が設けられている。さらに、回折スケール２０１のメインスケール側１１０の一面において短手方向の略中央部分で長手方向に沿って金属膜２０４が蒸着されている。ここで、金属膜２０４は、第２回折格子２０２の凹凸に同じくした凹凸を表面に有し、この金属膜２０４によって反射型の第３回折格子２０３が構成されている。

このような構成を備える第２実施形態おいて、光源１３１から発せられた光は、第１実施形態と同様の経路を通って受光素子１３２Ａ、１３２Ｂで受光され、メインスケール１１０の相対移動量が検出される。
このような第２実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）（２）に加えて、次の効果を奏することができる。
（７）光学デバイスユニット部２００が一の回折スケール２０１で構成されているので、部品点数を極限的に削減することができる。よって、部品コストや組立てコストを削減することができる。そして、組み立て時の光路調整を非常に簡便にできる。
（８）部品点数が極限的に少なくなることによって、光学経路を極限的に短くすることができる。さらに、光学デバイスユニット部２００が一の回折スケール２０１で構成されることによって、光路の略総てがデバイス内となり、空気中を走る行程を少なくすることができる。よって、耐環境性に優れた変位検出装置１００とすることができる。

なお、金属膜２０４が回折スケール２０１においてメインスケール１１０側に設けられることによって検出ヘッド部１２０から露出するおそれもあるが、金属膜２０４に透明の保護膜を設けてもよく、あるいは、メインスケール１１０と検出ヘッド部１２０との間を外部から遮蔽する筐体を設けてもよい。

（第３実施形態）
次に、本発明の変位検出装置に係る第３実施形態について図６を参照して説明する。
第３実施形態の基本的構成は第１実施形態に同様であるが、第３実施形態は、光学デバイスユニット部１４０において、第１回折スケール１４１と第２回折スケール１４３とを近接させた点に特徴を有する。
ここで、第２回折格子１４４で光を回折させる必要があるので、第２回折格子１４４と第１回折スケール１４１との間には、第１および第２回折スケール１４１、１４３とは屈折率の異なる空気などの媒質が存在している必要がある。あるいは、第１回折スケール１４１と第２回折スケール１４３とを屈折率が異なる材料で形成した場合には、第１回折スケール１４１と第２回折格子１４４とが当接してしてもよい。なお、第１回折スケール１４１と金属膜１４６とは当接していてもよい。

このような構成によれば、上記実施形態の効果（１）〜（６）に加えて、次の効果を奏することができる。
（９）第１回折スケール１４１と第２回折スケール１４３とを近接させることによって、全体構成をコンパクトにできる。すると、全体の光路長を短くすることができる。また、光路の略総てがデバイス内となり、空気中を走る行程を少なくすることができる。その結果、耐環境性に優れた変位検出装置１００とすることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の変位検出装置に係る第４実施形態について図７を参照して説明する。
第４実施形態の基本的構成は第１実施形態に同様であるが、第4実施形態は、金属蒸着膜の幅を広くする点に特徴を有する。例えば、第２回折スケール１４３の短手方向（測長方向に垂直方向）において３分の２の領域に金属膜１４６を蒸着してもよい。

このような構成において、光源１３１から発せられた光は、光学デバイスユニット部１４０によって分波、偏向されて、回折光Ｌ１４としてメインスケール１１０に照射される。回折光Ｌ１４は、メインスケール１１０によって反射されるとともに回折され、回折光Ｌ１５として第３回折格子１４５に入射する。回折光Ｌ１５は、第３回折格子１４５によって反射されるとともに回折されてメインスケール１１０に入射される。そして、光は、メインスケール１１０と第３回折格子１４５との間で複数回反射回折された後、メインスケール１１０から第２回折格子１４４および第１回折格子１４２を通って受光素子１３２Ａ、１３２Ｂで受光される。

このような構成を備えた第４実施形態によれば、上記実施形態の効果（１）〜（６）に加えて、次の効果を奏することができる。
（１０）金属蒸着膜１４６を幅広にすることによって、光をメインスケール１１０に再帰させる回数を多くすることができる。すると、受光素子１３２Ａ、１３２Ｂで受光される光束は、メインスケール１１０で一回反射回折された光束に比べて、数倍の位相情報を有している。結果として、メインスケール１１０の相対移動量を検出する分解能を向上させることができる。そして、金属蒸着膜１４６を広くするという簡便な方法によって、第３回折格子１４５での反射回数を増やして検出分解能を飛躍的に向上させることができる。

なお、金属蒸着膜１４６の幅は特に限定されず、第２回折スケール１４３において第２回折格子１４４の領域を残す限度で幅広に形成してもよい。

（第５実施形態）
次に、本発明の変位検出装置に係る第５実施形態について図８を参照して説明する。
第５実施形態の基本的構成は第１実施形態に同様であるが、第５実施形態は、光学デバイスユニット部１４０において第３回折スケール３０１が設けられている点に特徴を有する。
光学デバイスユニット部１４０は、第１回折スケール１４１と、第２回折スケール１４３と、第３回折スケール３０１と、を備えている。
第１回折スケール１４１は、第１実施形態で説明した構成に同様であって、第１回折格子１４２を備えている。第２回折スケール１４３は、第１実施形態において説明したように第２回折格子１４４を備えている一方、金属蒸着膜は蒸着されていない。
第３回折スケール３０１は、第２回折スケール１４３とメインスケール１１０との間において、メインスケール１１０に略平行に配設されている。第３回折スケール３０１は、第１回折スケール１４１および第２回折スケール１４３よりも幅狭の扁平直方体形状であって、第２回折スケール１４３側の一面に位相格子が形成されているとともに金属膜３０３が蒸着されている。この位相格子に金属膜３０３が蒸着されることによって反射型の第３回折格子３０２が構成されている。

このような構成を備える第５実施形態において、光源１３１から発せられた光は、第１実施形態と同様の経路を通って受光素子１３２Ａ、１３２Ｂで受光され、メインスケール１１０の相対移動量が検出される。

このような第５実施形態によれば、上記実施形態の効果（１）（２）に加えて、次の効果を奏することができる。
（１１）第３回折スケール３０１を第２回折スケール１４３とは別個に備え、第３回折スケール３０１をメインスケール１１０側に配設することにより、第３回折格子３０２をメインスケール１１０に近接させることができる。すると、全体として光学経路を短くすることができる。例えば、レーザー光は、空気密度の変化でも干渉波が揺らいでしまうところ、光路長を短くすることによって耐環境性に優れた変位検出装置とすることができる。

（第６実施形態）
本発明の変位検出装置に係る第６実施形態について図９を参照して説明する。
第６実施形態の基本的構成は第１実施形態に同様であるが、測長方向に垂直な短手方向において、第２回折格子または第３回折格子からの入射光に対して入射角よりも大きな屈折角で出射光をメインスケールに向けて射出するプリズム（光屈折手段）が設けられている点に特徴を有する。
図９において、光学デバイスユニット部４００は、第１回折スケール１４１と、第２回折スケール１４３とに加えて、プリズム４０１を備えている。
プリズム４０１は、第２回折スケール１４３においてメインスケール１１０側の面に設けられている。プリズム４０１は、測長方向に垂直な短手方向において、略中央付近に厚みを有するとともに端に向けて直線的に肉薄になる形状である。

光源１３１から発射されて第２回折格子１４４で回折された光Ｌ２がプリズム４０１に入射すると、プリズム４０１からメインスケール１１０に向けて出射光Ｌ１４が出射される。このとき、入射光Ｌ２の入射角に対してプリズム４０１から出射する出射光Ｌ１４の屈折角は大きくなる。
同様に、第３回折格子１４５で回折されて反射されてくる光Ｌ１５もプリズム４０１から出射光Ｌ１６として出射するときには屈折角が大きくなる。
一方、メインスケール１１０で回折されて反射される光Ｌ１７、Ｌ１８がプリズムに入射すると、プリズム４０１から出射する出射光Ｌ１９、Ｌ２０の屈折角は小さくなる。

このような構成を備える第６実施形態によれば、上記実施形態の効果に加えて次の効果を奏することができる。
（１２）プリズム４０１によって入射角よりも屈折角を大きくしてメインスケール１１０に光を照射できるので、光源１３１から第１回折スケール１４１に向けて光を発射する際の発射角度をより垂直に向けることができる。すると、変位検出装置１００の短手方向の長さを短くすることができる。

ここで、プリズム４０１を設けない状態で光源１３１からの光を垂直に発射すると、メインスケール１１０から反射光が垂直に反射されてくるので、光源１３１からの入射光とメインスケール１１０からの反射光とが重なってしまうことになる。すると、メインスケール１１０からの反射光を第３回折格子１４５に入射させることができなくなり、また、メインスケール１１０からの反射光を受光素子１３２Ａ、１３２Ｂで受光することも難しくなる。
第６実施形態では、プリズム４０１を備えているので、光源１３１からの光の発射方向が垂直に近くてもプリズム４０１からの出射光の屈折角を大きくしてメインスケール１１０への入射角を大きくすることができる。すると、光源１３１からの光とは異なる経路でメインスケール１１０からの反射光を第３回折格子１４５に光を入射させることができ、また、メインスケール１１０からの反射光を受光素子１３２Ａ、１３２Ｂに入射させることができる。光源１３１からの光の発射方向を垂直近くにできるので、例えば、第２回折格子１４４の幅はレーザーのビーム径程度にまで短くすることができるなど、変位検出装置１００の短手方向の長さを短くすることができる。そして、短手方向が短くなることによって、装置がコンパクトになり光学経路も短くなるため、結果として、耐環境性に優れた変位検出装置１００とすることができる。

（第７実施形態）
本発明の変位検出装置に係る第７実施形態について図１０を参照して説明する。
第7実施形態の基本的構成は第1実施形態に同様であるが、第７実施形態は、メインスケール１１０から反射されて第1回折スケール１４１で回折された光を光源１３１が配置されている側に反射する反射部材５０１を備えている点に特徴を有する。
図１０において、発光受光部５００は、光源１３１、受光素子１３２Ａ、１３２Ｂおよび位相差板１３３Ａ、１３３Ｂに加えて反射部材５０１を備えている。反射部材５０１は、第1回折スケール１４１の第1回折格子１４２の格子面に対して短手方向に沿って垂直に設けられた反射面５０２を有する。反射面５０２は、光源１３１の光発射方向に対向している。
受光素子１３２Ａ、１３２Ｂは、二つとも光源１３１側に配置され、受光素子の一方（１３２Ａ）は第1回折格子１４２からの回折光を直接に受光するが、受光素子の他方（１３２Ｂ）は、第1回折格子１４２で回折されたのち反射面５０２で反射されてきた光を受光する。

このような構成において、メインスケール１１０から反射されて第1回折格子１４２で回折されると、光源１３１側に向けて回折される光と、光源１３１とは逆方向に向けて回折される光とができる（第１実施形態の図２参照）。光源１３１側に向けて回折された光はそのまま受光素子１３２Ａで受光され、光源１３１とは逆方向に向けて回折された光は反射面５０２で反射されたのち受光素子１３２Ｂで受光される。

このような構成を備える第７実施形態によれば、上記実施形態の効果（１）〜（６）に加えて次の効果を奏することができる。
（１３）反射部材５０１が設けられているので、光が光源１３１側に向けて反射される。すると、光源１３１および二つの受光素子１３２Ａ、１３２Ｂが同じ側に配設されることとなり、発光および受光の光学部品を一つの領域にまとめることができる。特に、受光素子１３２Ａ、１３２Ｂの位置を同じ側にできるので、受光素子１３２Ａ、１３２Ｂから出力される信号を処理する処理手段への接続配線を短縮することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
例えば、メインスケール１１０は反射型の回折格子１１１を有するとして説明したが、メインスケール１１０の回折格子は透過型であってもよい。この場合、第３回折格子（再照射用回折格子）は、メインスケール１１０を間にして発光受光部１３０とは反対側に配設されることになる。

検出ヘッド部１２０に対してメインスケール１１０が移動する場合のみならず、メインスケール１１０がが固定されていて検出ヘッド部１２０が移動してもよいことはもちろんである。
回折格子の格子形状は、矩形波状、サイン波状、三角波状などでもよく、特に限定されない。また、回折格子は、表面に凹凸のレリーフを有する回折格子に限られず、媒質内部の屈折率が周期的に変化する位相格子であってもよい。

第１回折格子（分波用回折格子、合波手段）１４２で分波された光のうち０次回折光とマイナス１次回折光とを用いるとして説明したが、光源１３１からの光が可干渉光であれば何次の回折光を用いても干渉光を検出できるので、何次の干渉光を用いるかは限定されない。

本発明は、回折格子を用いた光学式エンコーダに利用することが一例として挙げられる。

本発明の変位検出装置に係る第１実施形態の内部構造を透視した斜視図である。 前記第１実施形態において、変位検出装置の基本構成を斜視図で示すとともに光学経路を示した図である。 前記第１実施形態において、変位検出装置を測長方向に垂直な方向から見た正面図に光学経路を示した図である。 前記第１実施形態において、変位検出装置を測長方向から見た側面図に光学経路を示した図である。 本発明の変位検出装置に係る第２実施形態を示す図である。 本発明の変位検出装置に係る第３実施形態において、光学デバイスユニット部を示す図である。 本発明の変位検出装置に係る第４実施形態において、測長方向から見た側面図に光学経路を示した図である。 本発明の変位検出装置に係る第５実施形態の斜視図である。 本発明の変位検出装置に係る第６実施形態において、測長方向から見た側面図である。 本発明の変位検出装置に係る第７実施形態において、測長方向に垂直な方向から見た正面図に光学経路を示した図である。 従来の変位検出装置の構成を示す図である。

符号の説明

１００…変位検出装置、１１０…メインスケール、１１１…回折格子、１２０…検出ヘッド部、１３０…発光受光部、１３１…光源、１３２A…受光素子、１３２B…受光素子、１３３A…位相差板、１３３Ａ…位相差板、１３４…受光手段、１４０…光学デバイスユニット部、１４１…第１回折スケール、１４２…第１回折格子（分波用回折格子、合波手段）、１４３…第２回折スケール、１４４…第２回折格子（偏向用回折格子）、１４５…第３回折格子（再照射用回折格子）、１４６…金属膜（反射手段）、１５０…枠体、２００…光学デバイスユニット部、２０１…回折スケール、２０２…第２回折格子、２０３…第３回折格子、２０４…金属膜、３０１…第３回折スケール、３０２…第３回折格子、３０３…金属膜、４００…光学デバイスユニット部、４０１…プリズム（光屈折手段）、５００…発光受光部、５０１…反射部材、５０２…反射面、６００…光学デバイスユニット部、６０１…ビームスプリッタ、６０２…第１ミラー、６０３…第２ミラー、６０４…第３ミラー、６０５…第４ミラー、６０６…第５ミラー、６０７…ハーフミラー、

Claims (7)

1. 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るとともにこの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、可干渉光を発射する光源および前記メインスケールにて回折された光を受光する受光素子を有する発光受光部と、
   前記光源からの光を回折して少なくとも二つの異なる次数の回折光に分波する分波用回折格子と、
   前記分波用回折格子で回折された光を回折して前記メインスケール上にスポット投影するように偏向する偏向用回折格子と、
   前記メインスケールのスポット投影位置からの回折光を反射回折することで前記メインスケール上に再照射してスポット投影する再照射用回折格子と、
   前記メインスケールに再照射されて回折された回折光を重ね合わせて干渉させる合波手段と、を備える
   ことを特徴とした変位検出装置。
2. 請求項１に記載の変位検出装置において、
   前記検出ヘッド部は、前記発光受光部と前記偏向用回折格子との間に配設され透過型の回折格子を有する第１回折スケールを備え、
   前記第１回折スケールにて前記光源からの光が分波されることにより前記分波用回折格子が構成されているとともに、前記メインスケールからの回折光が前記第１回折スケールにて合波されることにより前記合波手段が構成されている
   ことを特徴とした変位検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の変位検出装置において、
   前記検出ヘッド部は、前記分波用回折格子からの光が一面側から入射されるとともに他面側から前記メインスケールに向けて光を透過回折する透過型の第２回折スケールを備え、
   前記偏向用回折格子は、前記第２回折スケールの前記一面側に設けられた回折格子を備えて構成され、
   前記再照射用回折格子は、前記第２回折スケールの一面側から前記回折格子の一部に覆設されて前記第２回折スケールの他面側から入射する光を反射させる反射手段を備えて構成されている
   ことを特徴とする変位検出装置。
4. 請求項１に記載の変位検出装置において、
   前記メインスケールは、反射型の回折格子を有し、
   前記検出ヘッド部は、前記発光受光部と前記メインスケールとの間に配設され表裏両面に透過型の回折格子を有する回折スケールを備え、
   前記回折スケールの前記発光受光部側に設けられた回折格子にて前記光源からの光が分波されることにより前記分波用回折格子が構成されているとともに、前記メインスケールからの回折光が合波されることにより前記合波手段が構成され、
   前記偏向用回折格子は、前記回折スケールの前記メインスケール側に設けられた回折格子にて構成され、
   前記再照射用回折格子は、前記回折スケールの前記メインスケール側の一部に覆設されて前記メインスケールからの反射回折光を前記メインスケールに向けて反射回折させる反射型回折格子を備えて構成されている
   ことを特徴とする変位検出装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の変位検出装置において、
   前記メインスケールは反射型の回折格子を有し、
   前記再照射用回折格子は、前記メインスケールからの反射回折光を前記メインスケールとの間で二回以上反射回折して再照射する
   ことを特徴とした変位検出装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の変位検出装置において、
   前記検出ヘッド部は、前記発光受光部、前記分波用回折格子、前記偏向用回折格子および前記再照射用回折格子を、それぞれの長手方向を前記メインスケールの長手方向に揃えた状態で備えているとともに、
   前記偏向用回折格子と前記メインスケールとの間に配設され、前記偏向用回折格子にて偏向された光を前記メインスケールの長手方向に沿った中心線の方に向けて屈折させる光屈折手段を備える
   ことを特徴とする変位検出装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の変位検出装置において、
   前記検出ヘッド部は、前記合波手段で合波された光を前記光源の側へ反射させる反射部材を備え、
   前記発光受光部は、前記光源と前記受光素子とを前記反射部材の反射面に対して同じ側に備える
   ことを特徴とする変位検出装置。

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