変位測定装置

トップ :: G 物理学 :: G01 測定;試験

【発明の名称】	変位測定装置
【発明者】	【氏名】豊島伸朗
【要約】	【課題】部品点数が少なく簡単な構成で微少変位を高精度に計測する。【解決手段】光源２の波長以下の周期で配列された開口部が設けられたパターン部３２を有するスケール３に光源２からの光を照射し、パターン部３２でから生じるエバネッセント波を散乱体３で散乱し、散乱光を集光して検出し、スケール３の微少な移動量に対し大きな信号強度の変化を検出する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】光源とスケールと散乱体とレンズ及び受光素子を有し、スケールは光源の波長以下の周期で配列された開口部を有し、散乱体はスケールの光源と反対側の表面近傍で、光源から出射する光の波長又は波長より短い距離の近接場に設けられ、スケールからのエバネッセント波を散乱し、レンズは散乱体で散乱した光を受光素子に集光することを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】上記散乱体はスケールの表面を摺動するスライダに取付けられた請求項１記載の変位量測定装置。
【請求項３】上記散乱体はスケールに設けられた開口部の長手方向と平行な方向に伸びた形状を有する請求項１又は２記載の変位測定装置。
【請求項４】上記散乱体はスケールに設けられた開口部の周期の整数倍の間隔で複数設けられている請求項３記載の変位測定装置。
【請求項５】上記散乱体は光源から出射する光の波長以下のピッチで並べたスリットを有する請求項１又は２記載の変位測定装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、各種測長機器や計測装置，工作機械，複写機などにおいて、移動体の移動量を検出する変位測定装置、特に微少変位の検出精度の向上に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】工作機械，複写機等において移動体の変位量を測定するために光学式のエンコーダが使用されている。例えば従来の光電式リニアエンコーダは、図９の斜視図に示すように、光源５１からの光をコリメートレンズ５２によって平行光線にして一定の格子定数の光学格子を有し相対移動するスケール５３へ投射する。このスケール５３を透過した光を移動方向を認識するためのインデックススケール５４を透過させて２組の光検出器５５ａ，５５ｂへと導く。このインデックススケール５４は、スケール５３と同じ幅で１／４ピッチだけ位相をずらした２組の格子を有し、それぞれを透過した光を光検出器５５ａ，５５ｂで検出すると、スケール５３の１ピッチ分の相対的な移動に応じて、位相が９０度異なる２組の１周期の正弦波が得られる。この移動量に対応した周期的な信号を用いて移動体であるスケール５３の移動量を検出し、さらに移動方向を弁別する。
【０００３】このような光学式エンコーダは比較的簡単な構成で移動体の変位量を測定できるが、光の波動性の問題から回折や波長により限定され、ナノメータオーダの変位量を検出しようとすると、複雑な信号処理を加えるなどの必要があり結果的に装置全体として小型化することは困難である。これに対して、エバネッセント波を利用してナノメーターオーダーの変位量を検出する変位測定装置が例えば特開平６－２８１４１４号公報に開示されている。この変位測定装置は、図１０の断面図に示すように、光導波路６１の端面に設けた微少開口６２を有する反射膜６３に半導体レーザ等のレーザ光源６４からレーザ光を照射し、これと相対変位する基準格子６５との近接場相互作用の変化を光導波路６１を介して光検出器６６で検出するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】特開平６－２８１４１４号公報に示された変位測定装置は、光導波路６１の微少な領域にレーザ光源６４や光検出器６６などの素子を組み込むため、その作成は容易でなかった。また、微少開口６２を介した近接場相互作用の反射光を検出するため、信号光が微弱であり、さらに同一の光導波路６１中にレーザ光源６４と光検出器６６の両方を設けているため、信号光以外の光が光検出器６６に入り測定精度が低下してしまうおそれがある。
【０００５】この発明はかかる短所を改善し、部品点数が少なく簡単な構成で微少変位を高精度に計測することができる変位測定装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明に係る変位測定装置は、光源とスケールと散乱体とレンズ及び受光素子を有し、スケールは光源の波長以下の周期で配列された開口部を有し、散乱体はスケールの光源と反対側の表面近傍で、光源から出射する光の波長又は波長より短い距離の近接場に設けられ、スケールからのエバネッセント波を散乱し、レンズは散乱体で散乱した光を受光素子に集光することを特徴とする。
【０００７】上記散乱体はスケールの表面を摺動するスライダに取付けると良い。
【０００８】また、上記散乱体はスケールに設けられた開口部の長手方向と平行な方向に伸びた形状を有することが望ましい。
【０００９】さらに、上記散乱体をスケールに設けられた開口部の周期の整数倍の間隔で複数設けると良い。
【００１０】また、上記散乱体を光源から出射する光の波長以下のピッチで並べたスリットを有するように構成しても良い。
【００１１】
【発明の実施の形態】この発明の変位測定装置は、半導体レーザ素子からなる光源とスケールと散乱体とレンズ及び受光素子を有する。スケールは透明基板と、透明基板の一方の表面に形成されたパターン部を有する。パターン部は透明材料からなる保護膜の表面上に金属などの遮光性を有する材料で遮光部が形成され、遮光部の中央部に周期的に形成されたストライプパターンの開口部を有し、移動体と共にともに光源の光軸と直交する方向に移動する。ストライプパターンの開口部の周期は、光源から出射するレーザ光の波長よりも短く形成されている。散乱体は針状に形成され、先端をスケールに向けて光源と反対側のスケールのパターン部表面のごく近傍で、光源から出射するレーザ光の波長又は波長より短い距離である近接場に設けられ、光源からの光がスケールに照射されたときに、スケールのパターン部から生じるエバネッセント波を散乱する。レンズは散乱体で散乱した散乱光を受光素子６に集光する。受光素子は集光した光を検出してスケールの移動量に応じた周期的な電気信号を出力する。
【００１２】
【実施例】図１はこの発明の一実施例の構成図である。図に示すように、変位測定装置１は半導体レーザ素子からなる光源２とスケール３と散乱体４とレンズ５及び受光素子６を有する。スケール３は、図２の断面図に示すように、透明基板３１と、透明基板３１の一方の表面に形成されたパターン部３２を有する。パターン部３２は透明材料からなる保護膜３３の表面上に金属などの遮光性を有する材料で遮光部３４が形成され、図３の平面図に示すように、遮光部３４の中央部に周期的に形成されたストライプパターンの開口部３５を有し、移動体と共に光源２の光軸と直交する方向に移動する。ストライプパターンの開口部３５の周期は、光源２から出射するレーザ光の波長よりも短く形成されている。このスケール３は例えばフォトレジストを用い金属膜をパターニングして形成する。散乱体４は、針状に形成され、先端をスケール３に向けて光源２と反対側のスケール３のパターン部３２表面のごく近傍で、光源２から出射するレーザ光の波長又は波長より短い距離である近接場に設けられ、光源２からの光によりスケール３のパターン部３２から生じるエバネッセント波を散乱する。レンズ５は散乱体４で散乱した光を受光素子６に集光する。受光素子６はフォトダイオード等からなり、集光した光を検出してスケール３の移動量に応じた周期的な電気信号に変換する。
【００１３】上記のように構成された変位測定装置１で光源２から出射する光をスケール３に照射すると、スケール３に照射された光により、スケール３のパターン部３２の背面の光の波長程度の距離の領域である近接場にエバネッセント場という局所電磁場を生じ、エバネッセント波を生じさせる。このエバネッセント波は、エバネッセント場の領域に設けられた針状の散乱体４により散乱され、エバネッセント波の強度に対応した散乱光を生じる。エバネッセント波の強度分布はスケール３のパターン部３２に形成された開口部３５のストライプパターンに対応する。したがってスケール３を光源２の光軸と直交する方向に移動すると、スケール３の移動量に応じてエバネッセント波の強度分布が変化し、散乱体４で散乱した散乱光の強度変化が生じる。この散乱光をレンズ５で受光素子６に集光することにより、受光素子６からスケール３の移動量に応じて周期的に変化する電気信号を得ることができる。このようにしてエバネッセント波の強度分布の変化を検出することにより、光の回折の影響を超えた高分解能でスケール３の移動量を検出することができる。
【００１４】上記のようにエバネッセント波を散乱体４で散乱させてエバネッセント波の強度分布の変化を検出するためには、散乱体４をスケール３のパターン部３２の背面の光の波長程度の距離の領域である近接場に常時安定して配置しておく必要がある。一方、スケール３の平坦性とスケール３が移動する際のブレなどが光の波長程度あると、散乱体３の先端がスケール３に衝突して先端を破損したり、散乱体３が近接場からはずれる可能性がある。そこで、図４に示すように、スケール３のパターン部３２の表面に接触して摺動する摺動部７を表面に有し、透明な材質からなるスライダ８の表面に散乱体４を取付ける。このスライダ８を、図５に示すように、支持体９によりスケール３側に押圧して、スライダ８の摺動部７が常にスケール３のパターン部３２の表面に接触させることにより、散乱体４を移動するスケール３のパターン部３２背面の近接場に常時安定して配置することができる。
【００１５】また、上記のように針状に形成した散乱体４でエバネッセント光を散乱させた場合、散乱光の強度は非常に微弱である。一方、受光素子６で検出された信号のＳ／Ｎを上げるためには、できるだけ散乱光の強度が大きい方が望ましい。そこで、図６の斜視図に示すように、散乱体４ａをスケール３の開口部３５と平行な方向に伸びた三角柱形状とし、この三角柱形状の散乱体４ａの先端部分でエバネッセント光を散乱させると良い。このようにしてエバネッセント光の散乱させる部分を拡大することにより、受光素子６で受光する散乱光の強度を増大させて受光素子６で検出された信号のＳ／Ｎを向上させ、スケール３の移動量をより精度良く測定することができる。
【００１６】上記実施例は散乱体４ａを１個設けた場合について説明したが、図７の断面図に示すように、スライダ８の表面に三角柱形状の散乱体４ａを、スケール３の開口部３５のストライプパターンのピッチの整数倍のピッチで複数個、例えば４個設け、複数個の散乱体４ａでスケール３からのエバネッセント光を散乱させるようにしても良い。このように散乱体４ａをスケール３の開口部３５のストライプパターンのピッチの整数倍のピッチで設け、各散乱体４ａをスケール３に対して同じ位置関係で揃え、複数の場所でエバネッセント光を散乱させることができ、散乱光の強度をより効率良く増加させることができる。また、複数個の散乱体４ａのピッチを小さくすることにより、散乱光の強度をより高めることができる。
【００１７】上記実施例は三角柱形状の散乱体４ａをスケール３のパターン部３２表面のごく近傍に設けた場合について説明したが、図８の断面図に示すように、スケール３の開口部３５のストライプパターンと同様なストライプパターンのスリット４１を光源２から出射する光の波長以下のピッチで並べた散乱体４ｂを使用しても良い。このように光の波長以下のピッチのストライプパターンのスリット４１を有する散乱体４ｂを使用することにより、スケール３からのエバネッセント光を効率良く散乱することができ、十分な散乱光を受光素子６に導いて、受光素子６で検出された信号のＳ／Ｎをより向上させることができる。また、散乱体４ｂを例えばフォトレジストを用い金属膜をパターニングすることにより簡単に作製することができる。
【００１８】
【発明の効果】この発明は以上説明したように、光源の波長以下の周期で配列された開口部が設けられたパターン部を有するスケールに光源からの光を照射し、パターン部でから生じるエバネッセント波を散乱体で散乱し、散乱光を集光して検出し、スケールの移動量を測定するようにしたから、スケールの微少な移動量に対し大きな信号強度の変化を検出することができ、複雑な信号処理を用いることなしにナノメータオーダでスケールの移動量を測定することができる。
【００１９】また、散乱体をスケールの表面を摺動するスライダに取付けることにより、散乱体を移動するスケールのパターン部背面の近接場に常時安定して配置することができ、スケールの移動量を安定して測定することができる。
【００２０】さらに、散乱体をスケールに設けられた開口部の長手方向と平行な方向に伸びた形状に形成してエバネッセント光の散乱させる部分を拡大することにより、受光素子で受光する散乱光の強度を増大させ、受光素子で検出された信号のＳ／Ｎを向上させてスケールの移動量をより精度良く測定することができる。
【００２１】また、散乱体をスケールに設けられた開口部の周期の整数倍の間隔で複数設けることにより、散乱光の強度をより効率良く増加させることができ、受光素子の検出信号のＳ／Ｎをより向上させることができる。
【００２２】さらに、散乱体として光源から出射する光の波長以下のピッチで並べたスリットを有するように構成することにより、複数の散乱体を高密度に並べて配列することができ、散乱光の強度をより増大して受光素子の検出信号のＳ／Ｎをさらに向上させることができる。

【出願人】	【識別番号】０００００６７４７【氏名又は名称】株式会社リコー
【出願日】	平成１１年１月２１日（１９９９．１．２１）
【代理人】	【識別番号】１０００９３９２０【弁理士】【氏名又は名称】小島俊郎
【公開番号】	特開２０００－２１３９１０（Ｐ２０００－２１３９１０Ａ）
【公開日】	平成１２年８月４日（２０００．８．４）
【出願番号】	特願平１１－１２６０５