JPH02304313A - 光学式変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は基準となる物体と検出対象物との間の距離の
変化を計測する光学式変位計に関するものである。

［従来の技術］ 従来、この種の光学式変位計として、対向配置された２
枚の回折格子を備え、それら２枚の回折格子によって回
折を受けた回折光の変化を検出することにより、２枚の
回折格子の平行方向への相対的な変位を計測するように
したものが知られている。このような回折光の変化を利
用した変位計は、原理的に高分解能を実現できるため、
光学式リニアエンコーダや半導体製造装置の分野等で既
に実用化されている。

例えば、第７図に示す光学式変位計では、光源２１から
発射された光（レーザ光等）がコリメータレンズ２２に
よって平行光にされた後、互いに対向配置されたメイン
スケール（可動回折格子）２３及びインデックススケー
ル（固定回折格子）２４を通過される。これら２枚の回
折格子２３゜２４は、予め定められた微小間隙りだけ離
して平行に配置されており、両回折格子２３．２４によ
って回折を受けた透過型の回折光は、別のレンズ２５を
介して集光されてフォトデテクタ２６に入射される。

前記２枚の回折格子２３．２４のうち、可動回折格子２
３は図示しない所定の被加工ワークを支持するためのフ
レーム等に固着され、そのフレームの移動変位に追従し
て平行方向Ｘへ往復動可能になっている。又、固定回折
格子２４は定位置にて固定されている。そして、両回折
格子２３　、２４によって回折を受けた透過型の回折光
はフォトデテクタ２６に入射されて電気信号に変換され
、可動回折格子２３の平行方向Ｘへの変位量に応じて、
両回折格子２３．２４のピッチＰに等し゛い周期の正弦
波状の信号となる。従って、この信号に基いて可動回折
格子２３、延いては被加工ワークの平行方向Ｘへの変位
量を割り出すようになっている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、前記従来の光学式変位計では、可動回折格子
２３と固定回折格子２４とが互いに平行になるように対
向配置されているので、第８図に示すように両回折格子
２３．２４を通過する光が両回折格子２３．２４の間で
多重反射を起こし、その多重反射光Ｌ１が参照したい正
規の回折光ＬＯと干渉してノイズの原因になっていた。

そして、このノイズは前記微小間隙りの変動に対して、
正規の回折光ＬＯの検出精度を阻害するように作用する
という問題があった。

即ち、前記ノイズの発生は、両回折格子２３゜２４が平
行であるために、微小間隙りの僅かな変動によっても大
きく影響される。つまり、第９図に点線で示す正規の回
折光の信号に対して、ノイズを含んだ信号は実線で示す
ようにリップルが重畳した信号となる。

例えば、λ＝０．６３３．ｃｒｍのＨｅ−Ｎｅレーザを
光源として使用した場合、λ／２＝０．３１７μｍの微
小間隙りの変動によってリップルが一周期変動すること
になる。従って、このリップルの影響を無視できる程度
に抑えるには、微小間隙りの変動をλ／１０００のオー
ダで抑える必要がある。

この発明は前述した事情に迄みてなされたものであって
、その目的は、互いに対向配置された２枚の回折格子の
間隙の僅かな変動に起因する検出精度の低減を排除して
検出精度を向上させることが可能な光学式変位計を提供
することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するためにこの発明においては、光源
から発射された光を通過させるために互いに対向配置さ
れた一対をなす固定回折格子及び可動回折格子と、固定
回折格子と可動回折格子との平行方向への相対変位を検
出するために、両回折格子によって回折を受けた回折光
を入射して電気信号に変換する光電変換手段とを備えた
光学式変位計において、両回折格子間での回折光と多重
反射光とを分離するために、両回折格子の対向面を相対
的に微小角度だけ傾けて配置している。

［作用］ 従って、互いに対向配置された固定回折格子と可動回折
格子との平行方向への相対変位を検出するために、光源
から発射された光はそれら両回折格子によって回折を受
け、その回折光は光電変換手段に入射されて電気信号に
変換される。

そして、両回折格子の対向面は相対的に微小角度だけ傾
けて配置しているので、両回折格子間での回折光の進行
方向に対して多重反射光が異なる方向へ進行することに
なり、正規の回折光と多重反射光とが分離される。

［実施例］ 以下、この発明を具体化した一実施例を図面に基いて詳
細に説明する。

第１．２図は光学式変位計の概略構成を示している。こ
の実施例の光学式変位計は光源としての半導体レーザ１
を備え、その半導体レーザ１から発射されたレーザ光は
コリメータレンズ２によって平行光にされた後、一対を
なす可動回折格子３及び固定回折格子４に入射される。

これら２枚の回折格子３，４は、予め定められた微小間
隙りだけ離れて対向配置されており、その長手方向に沿
って一定のピッチＰで並列する多数のスリット５をそれ
ぞれに有したものである。

又、２枚の回折格子３，４のうち、可動回折格子３は図
示しない所定の被加工ワークを支持・するためのフレー
ム等に固着され、そのフレームの移動変位に追従して平
行方向Ｘへ往復動可能になっている。又、固定回折格子
４は定位置にて固定されている。

そして、両回折格子３，４によって回折を受けた回折光
は別のレンズ６を介して集光されて、光電変換手段とし
てのフォトダイオード及びフォトトランジスタ等を含む
光導電セルよりなるフォトデテクタフに入射されて電気
信号に変換される。

即ち、第４図に示すように、可動回折格子３の変位量に
応じ、各回折格子３，４のピッチＰに等しい周期の正弦
波状の信号に変換さる。従って、この信号に基いて可動
回折格子３、延いては被加工ワークの変位量を割り出す
ようになっている。

更に、前記２枚の回折格子３，４は、それらの間で生じ
る回折光、同じく両回折格子３，４の間で生じる多重反
射光とを分離させるために、両回折格子３．４の対向面
が相対的に微小角度θだけ傾けて配置されている。即ち
、可動回折格子３は半導体レーザ１からのレーザ光の光
軸に対して垂直になるように配置され、固定回折格子４
は可動回折格子３に対して微小角度θだけ傾けて配置さ
れている。この微小角度θは、両回折格子３．４のスリ
ット５が互いに平行を保持する状態で設定された角度で
あり、０．５＠程度の角度が望ましいものである。

従って、上記のように構成した光学式変位計では、両回
折格子３．４を相対的に微小角度θだけ傾けて配置して
いるので、第３図に示すように両回折格子３，４の間で
の回折を受けた正規の回折光ＬＯの進行方向に対し、両
回折格子３．４の間で生じる多重反射光Ｌ１が異なる方
向へ進行することになり、回折光ＬＯと多重反射光Ｌ１
とが互　′いに分離される。

このため、参照したい正規の回折光ＬＯに対して多重反
射光Ｌ１が干渉することはなく、それら両光ＬＯ，ＬＬ
の干渉によるノイズの発生を極力防止することができる
。即ち、フォトデテクタ７にて検出される正規の回折光
ＬＯの信号に対し、リップルが重畳することを防止する
ことができる。

この場合、両回折格子３，４の間に微小角度θを設けた
ことから、信号のコントラストに多少の影響は出るもの
の、信号検出に差し支えることはない。

そして、ノイズの発生を防止できることから、変位計自
体の機構上の安定性に対し、正規の回折光の検出精度を
向上させることができる０例えば、λ＝０．６３３．ｃ
ｒｍのＨｅ−Ｎｅレーザを光源として使用した場合に、
微小間隙りに数μｍ程度の変動が生じてもリップルの影
響を無視できる程度に抑えることができ、正規の回折光
の検出精度を向上させることができる。つまり、微小間
隙りの僅かな変動に起因する検出精度の低減を排除して
、検出精度をより向上させることができる。

尚、この発明は前記実施例に限定されるものではなく、
発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成の一部を適宜
に変更して次のように実施することもできる。

（１）前記実施例では、単一の位相の回折光を検出する
ように構成したが、複数の位相の回折光を検出してそれ
らの位相差に基いて変位計の分解能を面上させるように
構成してもよい。

即ち、第５図に示すように、固定回折格子４において、
上下に僅かにピッチをずらせた複数列（この場合２列）
のスリット８．９を形成し、それら各スリット８．９を
通過した２つの回折光を光電変換手段としての２個のフ
ォトデテクタ１０゜１１に直接入射して検出する。この
場合、各フォトデテクタ１０．１１からの信号出力は、
第６図（ａ）（ｂ）に示すように、位相差をもった正弦
波の信号となる。この正弦波の位相差は、固定回折格子
４の各スリット８．９のピッチのずれに相当するもので
ある。従って、その位相差をもった２つの信号出力を処
理することによって、可動回折格子３の変位方向を識別
したり、高分解能の変位検出を行ったりすることが可能
となる。

（２）前記実施例では、半導体レーザ１に近い側に可動
回折格子３を配置し、フォトデテクタフに近い側に固定
回折格子４を配置したが、その配置を逆にしてもよい。

（３）前記実施例では、可動回折格子３をレーザ光の光
軸に対して垂直になるように配置し、その可動回折格子
３に対して固定回折格子４を微小角度θだけ傾けて配置
したが、固定回折格子４を光軸に対して垂直になるよう
に配置し、その固定回折格子４に対して可動回折格子３
を微小角度θだけ傾けて配置してもよい。

（４）前記実施例では、半導体レーザ１から出射された
レーザ光を両回折格子３，４を透過させてフォトデテク
タ１０に入射させる透過型の光学式変位針に具体化した
が、半導体レーザから出射されたレーザ光を両回折格子
にて反射させてフォトデテクタに入射させる反射型の光
学式変位計に具体化してもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したようにこの発明によれば、互いに対向配置
された２枚の回折格子を経由した回折光と多重反射光と
の干渉を防止することができ、両回折格子の間隙の僅か
な変動に起因する検出精度の低減を排除して検出精度を
より向上させることができるという優れた効果を発揮す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はこの発明を具体化した一実施例を示す
図面であって、第１図は光学式変位計の概略構成を説明
する斜視図、第２図は同じく光学式変位計の概略構成を
説明する平面図、第３図は２枚の回折格子によって回折
を受けた回折光と多重反射光との関係を説明する図、第
４図は可動回折格子の変位量に対するフォトデテクタの
信号出力の関係を説明する図である。第５図はこの発明
を具体化した別の実施例を示す光学式変位計の概略構成
を説明する斜視図、第６図はその変位計における可動回
折格子の変位量に対する２個のフォトデテクタの信号出
力の関係を説明する図である。 第７図は従来例の光学式変位計の概略構成を説明する平
面図、第８図はその変位計の２枚の回折格子の間におい
て回折光と多重反射光との関係を説明する図、第９図は
その変位計におけるフォトデテクタの信号出力にリップ
ルが重畳した状態を説明する図である。 図中、１は光源としての半導体レーザ、３は可動回折格
子、４は固定回折格子、７．１０．１１は光電変換手段
としてのフォトデテクタ、ＬＯは回折光、Ｌｌは多重反
射光、θは微小角度である。 特許出願人　　株式会社　豊田自動織機製作所代理人　
弁理士　　恩　１）博　宣（ほか１名）第１図 第３ＷＪ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　光源から発射された光を通過させるために互いに対
   向配置された一対をなす固定回折格子及び可動回折格子
   と、 前記固定回折格子と前記可動回折格子との平行方向への
   相対変位を検出するために、前記両回折格子によって回
   折を受けた回折光を入射して電気信号に変換する光電変
   換手段と を備えた光学式変位計において、 前記両回折格子間での回折光と多重反射光とを分離する
   ために、前記両回折格子の対向面を相対的に微小角度だ
   け傾けて配置した光学式変位計。