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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024034222
(43)【公開日】2024-03-13
(54)【発明の名称】変位検出部材および変位検出装置
(51)【国際特許分類】
G01B 11/00 20060101AFI20240306BHJP
【ＦＩ】
G01B11/00 G
【審査請求】有
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022138327
(22)【出願日】2022-08-31
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2023-02-20
(71)【出願人】
【識別番号】000146847
【氏名又は名称】ＤＭＧ森精機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002273
【氏名又は名称】弁理士法人インターブレイン
(72)【発明者】
【氏名】見寺 祥幸
(72)【発明者】
【氏名】田宮 英明
【テーマコード（参考）】
2F065
【Ｆターム（参考）】
2F065AA04
2F065DD02
2F065FF48
2F065GG04
2F065GG06
2F065GG07
2F065GG22
2F065GG24
2F065HH12
2F065JJ01
2F065JJ08
2F065JJ23
2F065LL12
2F065LL20
2F065LL22
2F065LL36
2F065LL37
2F065LL42
2F065MM02
2F065MM03
2F065PP22
(57)【要約】
【課題】被測定部材側への設置スペースが有効活用できる変位検出装置を提供する。
【解決手段】変位検出部材は、被測定部材の第１方向の第１変位を検出する第１検出ヘッドと、被測定部材の第１方向と異なる第２方向である高さ方向の第２変位を検出する第２検出ヘッドと、で検出された検出信号に基づいて被測定部材の変位を検出する。変位検出部材は、回折格子と、回折格子を保護する保護層と、第１波長帯域の光が保護層を通り回折格子に向かうように透過させ、第２波長帯域の光を反射させる波長帯域選択層と、を備える。波長帯域選択層は、第１検出ヘッドにより検出される第１波長帯域の光が通過する通過領域を有し、通過領域上で反射した第２波長帯域の光を第２検出ヘッドが検出し、検出された検出信号に基づいて第２検出ヘッドが第２変位を検出できるように形成されている。
【選択図】図２
【解決手段】変位検出部材は、被測定部材の第１方向の第１変位を検出する第１検出ヘッドと、被測定部材の第１方向と異なる第２方向である高さ方向の第２変位を検出する第２検出ヘッドと、で検出された検出信号に基づいて被測定部材の変位を検出する。変位検出部材は、回折格子と、回折格子を保護する保護層と、第１波長帯域の光が保護層を通り回折格子に向かうように透過させ、第２波長帯域の光を反射させる波長帯域選択層と、を備える。波長帯域選択層は、第１検出ヘッドにより検出される第１波長帯域の光が通過する通過領域を有し、通過領域上で反射した第２波長帯域の光を第２検出ヘッドが検出し、検出された検出信号に基づいて第２検出ヘッドが第２変位を検出できるように形成されている。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
被測定部材の第１方向の第１変位を検出する第１検出ヘッドと、前記被測定部材の前記第１方向と異なる第２方向である高さ方向の第２変位を検出する第２検出ヘッドと、で検出された検出信号に基づいて前記被測定部材の変位を検出するための変位検出部材であって、
回折格子と、
前記回折格子を保護する保護層と、
第１波長帯域の光が前記保護層を通り前記回折格子に向かうように透過させ、第２波長帯域の光を反射させる波長帯域選択層と、を備え、
前記波長帯域選択層は、前記第１検出ヘッドにより検出される前記第１波長帯域の光が通過する通過領域を有し、前記通過領域上で反射した前記第２波長帯域の光を前記第２検出ヘッドが検出し、検出された検出信号に基づいて前記第２検出ヘッドが前記第２変位を検出できるように形成されている、変位検出部材。
回折格子と、
前記回折格子を保護する保護層と、
第１波長帯域の光が前記保護層を通り前記回折格子に向かうように透過させ、第２波長帯域の光を反射させる波長帯域選択層と、を備え、
前記波長帯域選択層は、前記第１検出ヘッドにより検出される前記第１波長帯域の光が通過する通過領域を有し、前記通過領域上で反射した前記第２波長帯域の光を前記第２検出ヘッドが検出し、検出された検出信号に基づいて前記第２検出ヘッドが前記第２変位を検出できるように形成されている、変位検出部材。
【請求項2】
Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能なステージに設置可能な、Ｘ軸方向に平行な方向の第１格子ベクトルを有する反射型の回折格子と、その反射型の回折格子の表面に、一定の厚みを有した保護層と、第１波長帯域の光が前記保護層を通り前記回折格子に向かうように透過させ、第２波長帯域の光を反射させる波長帯域選択層で構成された回折格子スケールと、
Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向に移動可能な被測定部材に設けられた前記回折格子スケールのＸ軸方向の変位を検出する第１格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記回折格子スケールの前記ＸＹ平面に対して直交したＺ軸方向の変位を検出する第２格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記第１格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号と、前記第２格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号に基づいてＸ軸方向もしくはＹ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能な被測定部材に設けられた前記回折格子スケールのＸ軸方向とＺ軸方向の変位を算出し出力する演算機と、
を備え、
前記第１格子干渉型変位検出ヘッドは、第１波長帯域の光源と、第１波長帯域の光源のビームを二分割し、その後再び重ね合す第１偏光ビームスプリッタと、前記各々のビームを反射させる第１反射手段と、前記第１偏光ビームスプリッタによって重ね合わせられた各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する第１受光手段と、を含み、
前記第２格子干渉型変位検出ヘッドは、第２波長帯域の光源と、第２波長帯域の光源のビームを二分割する第２偏光ビームスプリッタと、前記各々のビームを反射させる第２反射手段と、前記各々のビームを回折させるＺ軸に平行方向に格子ベクトルを持つ透過型の回折格子と、各々のビームを重ね合わせるビーム結合手段と、前記第２偏光ビームスプリッタによって重ね合わせられた前記各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する第２受光手段と、を含み、
被測定部材に設けられた回折格子スケールのＸ軸方向の変位情報とＺ軸方向の変位情報を出力する、変位検出装置。
Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向に移動可能な被測定部材に設けられた前記回折格子スケールのＸ軸方向の変位を検出する第１格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記回折格子スケールの前記ＸＹ平面に対して直交したＺ軸方向の変位を検出する第２格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記第１格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号と、前記第２格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号に基づいてＸ軸方向もしくはＹ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能な被測定部材に設けられた前記回折格子スケールのＸ軸方向とＺ軸方向の変位を算出し出力する演算機と、
を備え、
前記第１格子干渉型変位検出ヘッドは、第１波長帯域の光源と、第１波長帯域の光源のビームを二分割し、その後再び重ね合す第１偏光ビームスプリッタと、前記各々のビームを反射させる第１反射手段と、前記第１偏光ビームスプリッタによって重ね合わせられた各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する第１受光手段と、を含み、
前記第２格子干渉型変位検出ヘッドは、第２波長帯域の光源と、第２波長帯域の光源のビームを二分割する第２偏光ビームスプリッタと、前記各々のビームを反射させる第２反射手段と、前記各々のビームを回折させるＺ軸に平行方向に格子ベクトルを持つ透過型の回折格子と、各々のビームを重ね合わせるビーム結合手段と、前記第２偏光ビームスプリッタによって重ね合わせられた前記各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する第２受光手段と、を含み、
被測定部材に設けられた回折格子スケールのＸ軸方向の変位情報とＺ軸方向の変位情報を出力する、変位検出装置。
【請求項3】
前記回折格子スケールは、Ｘ軸方向に平行な方向の第１格子ベクトルと、Ｙ軸方向に平行な方向の第２格子ベクトルを有する反射型の２次元回折格子と、その反射型の２次元回折格子の表面に、一定の厚みを有した保護層と、第１波長帯域の光が前記保護層を通り前記回折格子に向かうように透過させ、第２波長帯域の光を反射させる波長帯域選択層と、を含む２次元の回折格子スケールであり、
当該変位検出装置は、
前記Ｘ軸方向の変位を検出する前記第１格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記回折格子スケールの前記ＸＹ平面に対して直交したＺ軸方向の変位を検出する前記第２格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記Ｙ軸方向の変位を検出する第３格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記第１格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号と、前記第２格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号と、前記第３格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号に基づいてＸ軸方向もしくはＹ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能なステージに設置可能な前記回折格子スケールのＸ軸方向の変位とＹ軸方向の変位と、Ｚ軸方向の変位を算出し出力する演算機と、
を備え、
前記第３格子干渉型変位検出ヘッドは、第１波長帯域の光源と、第１波長帯域の光源のビームを二分割し、その後再び重ね合す第３偏光ビームスプリッタと前記各々のビームを反射させる第３反射手段と、前記第３偏光ビームスプリッタによって重ね合わせられた各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する第３受光手段と、を含み、
被測定部材に設けられた回折格子スケールのＸ軸方向の変位情報とＹ軸方向の変位情報とＺ軸方向の変位情報を出力する、請求項２に記載の変位検出装置。
当該変位検出装置は、
前記Ｘ軸方向の変位を検出する前記第１格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記回折格子スケールの前記ＸＹ平面に対して直交したＺ軸方向の変位を検出する前記第２格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記Ｙ軸方向の変位を検出する第３格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記第１格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号と、前記第２格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号と、前記第３格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号に基づいてＸ軸方向もしくはＹ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能なステージに設置可能な前記回折格子スケールのＸ軸方向の変位とＹ軸方向の変位と、Ｚ軸方向の変位を算出し出力する演算機と、
を備え、
前記第３格子干渉型変位検出ヘッドは、第１波長帯域の光源と、第１波長帯域の光源のビームを二分割し、その後再び重ね合す第３偏光ビームスプリッタと前記各々のビームを反射させる第３反射手段と、前記第３偏光ビームスプリッタによって重ね合わせられた各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する第３受光手段と、を含み、
被測定部材に設けられた回折格子スケールのＸ軸方向の変位情報とＹ軸方向の変位情報とＺ軸方向の変位情報を出力する、請求項２に記載の変位検出装置。
【請求項4】
Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能な被測定部材に設置可能な、前記２次元の回折格子スケールと、
前記２次元の回折格子スケールのＸ軸方向の変位を検出する１つの第１格子干渉型変位検出ヘッドと、
３つのＺ軸方向の変位を検出する第２格子干渉型変位検出ヘッドと、
２つのＹ軸方向の変位を検出する第３格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記１つの第１格子干渉型変位検出ヘッドと、前記３つのＺ軸方向の変位を検出する第２格子干渉型変位検出ヘッドと、前記２つのＹ軸方向の変位を検出する第３格子干渉型変位検出ヘッドのそれぞれで検出した信号に基づいて、Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能なステージに設置可能な前記２次元回折格子スケールのＸ軸方向の変位とＹ軸方向の変位と、Ｚ軸方向の変位と、Ｘ軸方向回りの角度と、Ｙ軸方向回りの角度と、Ｚ軸方向回りの角度を算出し出力する演算機と、
を備える、６自由度変位検出装置。
前記２次元の回折格子スケールのＸ軸方向の変位を検出する１つの第１格子干渉型変位検出ヘッドと、
３つのＺ軸方向の変位を検出する第２格子干渉型変位検出ヘッドと、
２つのＹ軸方向の変位を検出する第３格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記１つの第１格子干渉型変位検出ヘッドと、前記３つのＺ軸方向の変位を検出する第２格子干渉型変位検出ヘッドと、前記２つのＹ軸方向の変位を検出する第３格子干渉型変位検出ヘッドのそれぞれで検出した信号に基づいて、Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能なステージに設置可能な前記２次元回折格子スケールのＸ軸方向の変位とＹ軸方向の変位と、Ｚ軸方向の変位と、Ｘ軸方向回りの角度と、Ｙ軸方向回りの角度と、Ｚ軸方向回りの角度を算出し出力する演算機と、
を備える、６自由度変位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光源から出射された光を用いる非接触センサによって被測定部材の変位を検出する変位検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、被測定部材の変位や姿勢を非接触で測定する装置として、光を用いる変位検出装置が広く利用されている（特許文献１参照）。
【0003】
特許文献１には、移動体にスケールを設け、移動体の移動面内における位置情報をエンコーダシステムにより計測する技術が開示されている。このエンコーダシステムでは、スケールに光を照射し、スケールの回折格子で反射された光を受光することにより位置情報を計測する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】米国特許出願公開第２００８／０９４５９２号明細書 （国際公開第２００８／０２６７４２号）
【特許文献2】米国特許第７５７３５８１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、このようなエンコーダシステムでは移動体について複数の異なる方向の変位を計測する場合、その方向ごとに対応させてスケールを設ける必要性がある。そのため、移動体への設置スペースの関係上、各スケールでの検出可能範囲が制限される。
【課題を解決するための手段】
【0006】
そこで、本発明は、これらの課題を解決できる変位検出装置等を提供するものである。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、被測定部材側への設置スペースが有効活用できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】第１実施形態に係る変位検出装置の構成を模式的に表す図である。
【図2】スケールの構成を表す断面図である。
【図3】波長帯域選択層の特性の一例を示す図である。
【図4】第１検出ヘッドの構成を表す図である。
【図5】受光部の構成を表す図である。
【図6】第２検出ヘッドの構成を表す図である。
【図7】スケールの構造を模式的に表す図である。
【図8】演算機の具体例を表す図である。
【図9】第２実施形態に係る変位検出装置の構成を模式的に表す図である。
【図10】スケールの構成を模式的に表す図である。
【図11】演算機の具体例を表す図である。
【図12】第３実施形態に係る変位検出装置の構成を模式的に表す図である。
【図13】演算機の具体例を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態およびその変形例について、ほぼ同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る変位検出装置の構成を模式的に表す図である。
変位検出装置１は、スケール２、第１検出ヘッド３、第２検出ヘッド４および演算機５を備える。スケール２は、回折格子を内蔵する変位検出部材であり、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能なステージに設置可能である。ステージは、図示略の移動体（被測定部材）に設けられる。本実施形態では、スケール２の面が広がる方向、つまりスケール２が設置される平面の方向にＸ軸方向およびＹ軸方向を設定し、その平面（ＸＹ平面）と直交するスケール２の高さ方向をＺ軸方向とする。なお、回折格子を内蔵するスケールを「回折格子スケール」ともよぶ。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る変位検出装置の構成を模式的に表す図である。
変位検出装置１は、スケール２、第１検出ヘッド３、第２検出ヘッド４および演算機５を備える。スケール２は、回折格子を内蔵する変位検出部材であり、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能なステージに設置可能である。ステージは、図示略の移動体（被測定部材）に設けられる。本実施形態では、スケール２の面が広がる方向、つまりスケール２が設置される平面の方向にＸ軸方向およびＹ軸方向を設定し、その平面（ＸＹ平面）と直交するスケール２の高さ方向をＺ軸方向とする。なお、回折格子を内蔵するスケールを「回折格子スケール」ともよぶ。
【0010】
第１検出ヘッド３は、「第１格子干渉型変位検出ヘッド」として機能し、スケール２のＸ軸方向（第１方向）の変位情報（第１変位）を出力する。つまり、第１検出ヘッド３は、移動体の第１方向の第１変位を検出する。第２検出ヘッド４は、「第２格子干渉型変位検出ヘッド」として機能し、Ｚ軸方向（第２方向）の変位情報（第２変位）を出力する。つまり、第２検出ヘッド４は、移動体の第２方向である高さ方向の第２変位を検出する。変位検出装置１は、第１検出ヘッド３および第２検出ヘッド４で検出された検出信号に基づいて移動体の変位を検出する。
【0011】
図２は、スケール２の構成を表す断面図である。
スケール２は、基材２ａ上に回折格子２ｂを配置して構成される。回折格子２ｂの表面は、一定の厚みを有する保護層２ｃにより覆われて保護される。保護層２ｃの上面は平滑であり、波長帯域選択層２ｄが配置される。波長帯域選択層２ｄは、第１波長帯域の光が通過する通過領域を有し、その通過領域上（上面）で第２波長帯域の光を反射させる。波長帯域選択層２ｄは、第１波長帯域の光を透過させ、第２波長帯域の光を反射させる多層膜である。
スケール２は、基材２ａ上に回折格子２ｂを配置して構成される。回折格子２ｂの表面は、一定の厚みを有する保護層２ｃにより覆われて保護される。保護層２ｃの上面は平滑であり、波長帯域選択層２ｄが配置される。波長帯域選択層２ｄは、第１波長帯域の光が通過する通過領域を有し、その通過領域上（上面）で第２波長帯域の光を反射させる。波長帯域選択層２ｄは、第１波長帯域の光を透過させ、第２波長帯域の光を反射させる多層膜である。
【0012】
基材２ａとして、ガラス基板や金属基板、樹脂シートなどを採用する。回折格子２ｂは、Ｘ軸方向に平行な第１格子ベクトルを有する反射型の回折格子である。回折格子２ｂは、例えば周期的な凹凸が記録されたクロム膜の上に、反射率の高いアルミや金、銀などを反射層としてコーティングしたものでもよい。凹凸の周期Λは、格子のピッチでありサブミクロンから数ミクロンを想定する。
【0013】
保護層２ｃは、回折格子２ｂを保護する役割と、上面に波長帯域選択層２ｄを配置する役割を有し、本実施形態では二層構造を有する。波長帯域選択層２ｄとしては、第１波長帯域を効率よく透過させるよう、厚みがサブミクロンから数ミリメートルのものを想定する。波長帯域選択層２ｄは、材料としてのＳｉＯ２をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）やスパッタリングにより保護層２ｃに成膜して形成してもよい。また樹脂の接着剤等でカバーガラスを接着してもよい。その際、接着剤の屈折率とカバーガラスの屈折率を合わせるのが好ましい。波長帯域選択層２ｄは、例えば７９０ｎｍを中心波長とする第１波長帯域の光を透過させ、６５５ｎｍを中心波長とする第２波長帯域の光を反射させる特性を有するものでよい。
【0014】
図３は、波長帯域選択層２ｄの特性の一例を示す図である。
波長帯域選択層２ｄは、「バンドパスフィルタ」として機能し、６５５±１０ｎｍ（６４５～６６５ｎｍ）の波長帯域（「第２波長帯域」に対応する）をもつ入射光においては９３％以上を反射し、１％以下を透過する。また、７９０±１０ｎｍ（７８０～８００ｎｍ）の波長帯域（「第１波長帯域」に対応する）をもつ入射光においては９３％以上を透過し、１％以下を反射する。
波長帯域選択層２ｄは、「バンドパスフィルタ」として機能し、６５５±１０ｎｍ（６４５～６６５ｎｍ）の波長帯域（「第２波長帯域」に対応する）をもつ入射光においては９３％以上を反射し、１％以下を透過する。また、７９０±１０ｎｍ（７８０～８００ｎｍ）の波長帯域（「第１波長帯域」に対応する）をもつ入射光においては９３％以上を透過し、１％以下を反射する。
【0015】
波長帯域選択層２ｄは、第１波長帯域の光に対し、特定の波長と波長帯域選択層２ｄへの入射角で高い透過率を有する。第１波長帯域として波長の帯域幅をもたせるのは、光源の波長のばらつきや、波長帯域選択層２ｄへの入射角のばらつきを許容するためである。また、波長帯域選択層２ｄは、第２波長帯域の光に対し、特定の波長と波長帯域選択層２ｄへの入射角で高い反射率を有する。第２波長帯域として波長の帯域幅をもたせるのは、光源の波長のばらつきや、波長帯域選択層２ｄへの入射角のばらつきを許容するためである。
【0016】
図２には、中心波長が７９０ｎｍの光Ｂ１（第１波長帯域の光）と、中心波長が６５５ｎｍの光Ｂ２（第２波長帯域の光）のそれぞれのスケール２における反射の一例が示されている。光Ｂ１は、例えば入射角２７．７°でスケール２に導かれ、波長帯域選択層２ｄの表面では反射せず、波長帯域選択層２ｄおよび保護層２ｃを透過し、回折格子２ｂの表面で反射、回折される（点線矢印参照）。
【0017】
一方、光Ｂ２は、例えば入射角４５°でスケール２に導かれ、波長帯域選択層２ｄの表面で反射される（実線矢印参照）。図２に示すように、光Ｂ１，Ｂ２がスケール２の表面の同じ位置Ｐ１に導かれたとしても、一方は透過し、他方は反射する。言い換えれば、第１波長帯域の光と第２波長帯域の光について、スケール２の同じ入射箇所を利用できる。
【0018】
図４は、第１検出ヘッド３の構成を表す図である。
第１検出ヘッド３は、光源３ａ、偏光ビームスプリッタ３ｂ、ミラー３ｃ，３ｄ、ミラー付位相板３ｅ，３ｆおよび受光部３ｇを含む。偏光ビームスプリッタ３ｂは「第１偏光ビームスプリッタ」として機能し、ミラー３ｃ，３ｄは「第１反射手段」として機能し、受光部３ｇは「第１受光手段」として機能する。なお、以下では便宜上、偏光ビームスプリッタ（Polarizing Beam Splitter）を「ＰＢＳ」とも表記する。第１検出ヘッド３は、スケール２において波長帯域選択層２ｄを透過して回折格子２ｂで反射された第１波長帯域の光を検出する。
第１検出ヘッド３は、光源３ａ、偏光ビームスプリッタ３ｂ、ミラー３ｃ，３ｄ、ミラー付位相板３ｅ，３ｆおよび受光部３ｇを含む。偏光ビームスプリッタ３ｂは「第１偏光ビームスプリッタ」として機能し、ミラー３ｃ，３ｄは「第１反射手段」として機能し、受光部３ｇは「第１受光手段」として機能する。なお、以下では便宜上、偏光ビームスプリッタ（Polarizing Beam Splitter）を「ＰＢＳ」とも表記する。第１検出ヘッド３は、スケール２において波長帯域選択層２ｄを透過して回折格子２ｂで反射された第１波長帯域の光を検出する。
【0019】
光源３ａは、第１波長帯域の光を出射する第１光源であり、例えばレーザダイオードやＬＥＤ、スーパールミネッセントダイオード、個体レーザ、ガスレーザ等の可干渉性光源を採用できる。特に、可干渉性光源でありながら可干渉距離が極めて短い、マルチモードレーザやＬＥＤ、スーパールミネッセントダイオードなどが、不要干渉光の発生を防止する上で望ましい。不要干渉光は、変位検出となる干渉信号を形成する際に正弦波の波形を崩し、変位検出の精度を悪化させるためである。
【0020】
光源３ａから出射されたビームＬは、ＰＢＳ３ｂによってビームＬ１とビームＬ２に二分割される。このとき、ビームＬ１とビームＬ２の光量がほぼ等しくなるように光源３ａから出射されるビームＬの偏光の角度が定められる。
【0021】
分割された一方のビームＬ１は偏光状態がＰ波成分であるためＰＢＳ３ｂを透過し、ミラー３ｃで反射されてスケール２に入射する。このとき、ビームＬ１は第１波長帯域の光であるため、スケール２の波長帯域選択層２ｄを透過し、保護層２ｃを通り回折格子２ｂに向かう。そして、回折格子２ｂによって回折してミラー付位相板３ｅに導かれる。ビームＬ１は、ミラー付位相板３ｅで反射される。
【0022】
ミラー付位相板３ｅとしては、λ／４位相板にミラーが付けられたものを想定する。ビームＬ１は、ミラー付位相板３ｅを経ることでＳ波成分となり、再びスケール２に入射し、２回目の回折をして先の経路を戻る。すなわち、ビームＬ１は、ミラー３ｃに導かれて反射され、ＰＢＳ３ｂに戻る。ビームＬ１は、このときＳ波成分となっているため、ＰＢＳ３ｂにて反射されつつ後述のビームＬ２と重ね合わされ、受光部３ｇに導かれる。
【0023】
分割されたもう一方のビームＬ２は、偏光状態がＳ波成分であるためＰＢＳ３ｂにて反射される。このビームＬ２は、ミラー３ｄで反射されてスケール２に入射する。このとき、ビームＬ２は第１波長帯域の光であるため、スケール２の波長帯域選択層２ｄを透過し、保護層２ｃを通り回折格子２ｂに向かう。そして、回折格子２ｂによって回折してミラー付位相板３ｆに導かれる。ビームＬ２は、ミラー付位相板３ｆで反射される。
【0024】
ミラー付位相板３ｆとしては、λ／４位相板にミラーが付けられたものを想定する。ビームＬ２は、ミラー付位相板３ｆを経ることでＰ波成分となり、再びスケール２に入射し、２回目の回折をして先の経路を戻る。すなわち、ビームＬ２は、ミラー３ｄに導かれて反射され、ＰＢＳ３ｂに戻る。ビームＬ２は、このときＰ波成分となっているため、ＰＢＳ３ｂを透過しつつビームＬ１と重ね合わされ、受光部３ｇに導かれる。
【0025】
第１検出ヘッド３は、ＰＢＳ３ｂによって二分割されたビームＬ１とビームＬ２の光路長が等しくなるよう調整されている。これは光源３ａとして可干渉性の低い光源を使用する場合に有効である。光源３ａとしてさらに安価な半導体レーザを用いる場合、温度変化による光源３ａの波長変化の影響についても、ビームＬ１とビームＬ２の光路長が等しいことでキャンセルできる。光路内に気圧や湿度、温度変化による空気の屈折率の変化があっても、同様にキャンセルする効果が発揮される。これらは、長時間計測において、安定した計測を実現させる。
【0026】
図５は、受光部３ｇの構成を表す図である。
受光部３ｇは、位相板５０、ハーフミラー５２、ＰＢＳ５４、ＰＢＳ５６および受光素子１１ａ～１１ｄを含む。ＰＢＳ５４に受光素子１１ａ，１１ｂが配置され、ＰＢＳ５６に受光素子１１ｃ，１１ｄが配置される。
受光部３ｇは、位相板５０、ハーフミラー５２、ＰＢＳ５４、ＰＢＳ５６および受光素子１１ａ～１１ｄを含む。ＰＢＳ５４に受光素子１１ａ，１１ｂが配置され、ＰＢＳ５６に受光素子１１ｃ，１１ｄが配置される。
【0027】
ＰＢＳ３ｂによって重ね合わされた２つのビームＬ１，Ｌ２の偏光成分は、それぞれＳ波成分とＰ波成分で互いに偏光軸が直交するため、そのままでは干渉しない。そこで、ビームＬ１，Ｌ２を位相板５０に通すことで、Ｓ波成分とＰ波成分の光の位相状態によって特定の偏光軸の干渉強度が変化するビームとする。このビームをハーフミラー５２によって二分割し、それぞれＰＢＳ５４、ＰＢＳ５６に入射させる。
【0028】
ＰＢＳ５４は、ＰＢＳ５６に対して入射ビーム方向回りに４５度回転させて配置される。ＰＢＳ５４，５６は、それぞれ特定の偏光成分を透過及び反射させ、その干渉光が受光素子１１ａ～１１ｄによって受光され光電変換されることで干渉信号が得られる。各受光素子１１ａ～１１ｄで得られる干渉信号は、Ａｃｏｓ（４Ｋｘ＋δ）で表せられる。Ａは干渉の振幅であり、Ｋは２π／Λで示される波数である。δは初期位相を示している。Λは。スケール２における格子のピッチである。
【0029】
つまり、上記特定の偏光成分の干渉強度は、スケール２が格子ベクトルの方向（Ｘ軸方向）に１／４格子ピッチ（つまりΛ／４）だけ移動すると、１周期の明暗の光量変化として信号が得られる。受光素子１１ａと受光素子１１ｂとは、ＰＢＳ５４を通過することで互いに明暗が反転した干渉光を受光し、光電変換する。さらに、ＰＢＳ５４をＰＢＳ５６に対して略４５度回転させて配置し、受光素子１１ａ，１１ｂに対して受光素子１１ｃ，１１ｄの位相を９０度ずらしている。これによって干渉信号の位相は、受光素子１１ａと受光素子１１ｂが１８０°、受光素子１１ａと受光素子１１ｃが９０°、受光素子１１ｃと受光素子１１ｄが１８０°の位相差が発生する。
【0030】
図６は、第２検出ヘッド４の構成を表す図である。
第２検出ヘッド４は、光源４ａ、ＰＢＳ４ｂ、ミラー４ｃ～４ｇ、スケール４ｈ、ＰＢＳ４ｉおよび受光部４ｊを含む。ＰＢＳ４ｂは「第２偏光ビームスプリッタ」として機能し、ミラー４ｃ～４ｇは「第２反射手段」として機能し、ＰＢＳ４ｉは「ビーム結合手段」として機能し、受光部４ｊは「第２受光手段」として機能する。第２検出ヘッド４は、スケール２における波長帯域選択層２ｄの通過領域上で反射した第２波長帯域の光を検出する。
第２検出ヘッド４は、光源４ａ、ＰＢＳ４ｂ、ミラー４ｃ～４ｇ、スケール４ｈ、ＰＢＳ４ｉおよび受光部４ｊを含む。ＰＢＳ４ｂは「第２偏光ビームスプリッタ」として機能し、ミラー４ｃ～４ｇは「第２反射手段」として機能し、ＰＢＳ４ｉは「ビーム結合手段」として機能し、受光部４ｊは「第２受光手段」として機能する。第２検出ヘッド４は、スケール２における波長帯域選択層２ｄの通過領域上で反射した第２波長帯域の光を検出する。
【0031】
光源４ａは、第２波長帯域の光を出射する第２光源であり、例えばレーザダイオードやＬＥＤ、スーパールミネッセントダイオード、個体レーザ、ガスレーザ等の可干渉性光源を採用できる。特に、可干渉性光源でありながら可干渉距離が極めて短い、マルチモードレーザやＬＥＤ、スーパールミネッセントダイオードなどが、不要干渉光の発生を防止する上で望ましい。不要干渉光は、変位検出となる干渉信号を形成する際に正弦波の波形を崩し、変位検出の精度を悪化させるためである。
【0032】
光源４ａから出射されたビームＬ１０は、ＰＢＳ４ｂによってビームＬ１１とビームＬ１２に二分割される。このとき、ビームＬ１１とビームＬ１２の光量がほぼ等しくなるように光源４ａから出射されるビームＬ１０の偏光の角度が定められる。
【0033】
分割された一方のビームＬ１１は偏光状態がＰ波成分であるためＰＢＳ４ｂを透過し、ミラー４ｇおよび４ｅで順次反射されてスケール４ｈに入射する。スケール４ｈは、透過型の回折格子（後述の透過型回折格子６２）を含む「回折格子スケール」である。この回折格子は、Ｚ軸に平行方向な格子ベクトルを有し、入射する各ビームを回折させる。ビームＬ１１は、スケール４ｈの回折格子で回折された後、ミラー４ｆおよび４ｇで順次反射され、ＰＢＳ４ｉに導かれる。
【0034】
分割されたもう一方のビームＬ１２は、偏光状態がＳ波成分であるためＰＢＳ４ｂにて反射され、スケール２に導かれる。ビームＬ１２は第２波長帯域の光であるため、このときスケール２の波長帯域選択層２ｄを透過せずに反射し、さらにミラー４ｃで反射してスケール４ｈにて回折する。そして、ミラー４ｄで反射されて再びスケール２に導かれて反射される。このビームＬ１２は、ＰＢＳ４ｉにて反射されつつビームＬ１１と重ね合わされ、受光部４ｊに導かれる。受光部４ｊは、ＰＢＳ４ｉによって重ね合わせられた各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する。
【0035】
図７は、スケール４ｈの構造を模式的に表す図である。
スケール４ｈは、ガラス基板６０上に格子ピッチｄの透過型回折格子６２が配置される。この透過型回折格子６２としてボリュームタイプのホログラムを使用し、ブラッグ条件で回折させることで高い回折効率が得られる。
スケール４ｈは、ガラス基板６０上に格子ピッチｄの透過型回折格子６２が配置される。この透過型回折格子６２としてボリュームタイプのホログラムを使用し、ブラッグ条件で回折させることで高い回折効率が得られる。
【0036】
図６に戻り、第２検出ヘッド４は、ＰＢＳ４ｂによって二分割されたビームＬ１１とビームＬ１２の光路長が等しくなるよう調整されている。スケール２がＺ軸方向に移動しても、ビームＬ１１とビームＬ１２の光路長は変化しない。これは光源４ａとして可干渉性の低い光源を使用する場合に有効である。光源４ａとしてさらに安価な半導体レーザを用いる場合、温度変化による光源４ａの波長変化の影響についても、ビームＬ１１とビームＬ１２の光路長が等しいことでキャンセルできる。光路内に気圧や湿度、温度変化による空気の屈折率の変化があっても、同様にキャンセルする効果が発揮される。これらは、長時間計測において、安定した計測を実現させる。
【0037】
受光部４ｊの構成は、第１検出ヘッド３の受光部３ｇと同様である（図５参照）。なお、以下では説明の便宜上、受光部４ｊの各受光素子を「受光素子２１ａ～２１ｄ」とする。すなわち、第２検出ヘッド４の受光素子２１ａ～２１ｄは、それぞれ第１検出ヘッド３の受光素子１１ａ～１１ｄに対応する。
【0038】
ＰＢＳ４ｉによって重ね合わされた２つのビームＬ１１，Ｌ１２の偏光成分は、それぞれＳ波成分とＰ波成分で互いに偏光軸が直交するため、そのままでは干渉しない。そこで、ビームＬ１，Ｌ２を位相板５０に通すことで、Ｓ波成分とＰ波成分の光の位相状態によって特定の偏光軸の干渉強度が変化するビームとする。このビームをハーフミラー５２によって二分割し、それぞれＰＢＳ５４、ＰＢＳ５６に入射させる。
【0039】
各受光素子２１ａ～２１ｄで得られる干渉信号は、Ａｃｏｓ（２Ｋｘ＋δ）で表せられる。Ａは干渉の振幅であり、Ｋは２π／ｄで示される波数である。δは初期位相を示す。ｄは、スケール４ｈの透過型回折格子６２における格子のピッチである。特定の偏光成分の干渉強度は、スケール２がＺ軸方向に移動すると、スケール４ｈの透過型回折格子６２に入射するビームＬ１２の入射位置がＺ軸方向に移動する。例えば、スケール２がＺ軸方向に透過型回折格子６２の１／２格子ピッチ（つまりｄ／２）だけ移動すると、１周期の明暗の光量変化として信号が得られる。
【0040】
図８は、演算機５の具体例を表す図である。
演算機５は、第１検出ヘッド３により検出される変位情報を出力する変位出力部１０と、第２検出ヘッド４により検出される変位情報を出力する変位出力部２０を備える。変位出力部１０は、差動増幅器１２ａ，１２ｂ、Ａ／Ｄ変換器１３ａ，１３ｂ、波形補正処理回路１４およびインクリメンタル信号発生器１５を含む。変位出力部２０は、差動増幅器２２ａ，２２ｂ、Ａ／Ｄ変換器２３ａ，２３ｂ、波形補正処理回路２４およびインクリメンタル信号発生器２５を含む。
演算機５は、第１検出ヘッド３により検出される変位情報を出力する変位出力部１０と、第２検出ヘッド４により検出される変位情報を出力する変位出力部２０を備える。変位出力部１０は、差動増幅器１２ａ，１２ｂ、Ａ／Ｄ変換器１３ａ，１３ｂ、波形補正処理回路１４およびインクリメンタル信号発生器１５を含む。変位出力部２０は、差動増幅器２２ａ，２２ｂ、Ａ／Ｄ変換器２３ａ，２３ｂ、波形補正処理回路２４およびインクリメンタル信号発生器２５を含む。
【0041】
第１検出ヘッド３で光電変換された干渉信号のうち、受光素子１１ａと受光素子１１ｂの干渉信号は、差動増幅器１２ａによってＤＣキャンセルされる。これにより干渉強度の増減による電気信号のＤＣオフセットがキャンセルされる。同様に受光素子１１ｃと受光素子１１ｄも差動増幅器１２ｂによってＤＣキャンセルされる。差動増幅器１２ａと差動増幅器１２ｂの出力に９０度の位相差があるため、干渉信号は、ＳＩＮとＣＯＳの正弦波として検出できるため、位相の進行の向きが判別できる。
【0042】
各々の干渉信号は、Ａ／Ｄ変換器１３ａとＡ／Ｄ変換器１３ｂによりデジタル変換され、波形補正処理回路１４でＳＩＮとＣＯＳのそれぞれの振幅やオフセットのずれとＳＩＮ－ＣＯＳ間の位相のずれを補正し、インクリメンタル信号発生器１５で内挿されＸ軸方向の変位情報として出力される。
【0043】
同様に、第２検出ヘッド４で光電変換された干渉信号のうち、受光素子２１ａと受光素子２１ｂの干渉信号は差動増幅器２２ａによってＤＣキャンセルされ、受光素子２１ｃと受光素子２１ｄは差動増幅器２２ｂによってＤＣキャンセルされる。そして、それぞれＡ／Ｄ変換器２３ａとＡ／Ｄ変換器に２３ｂによってデジタル信号に変換される。差動増幅器２２ａと差動増幅器２２ｂの出力に９０度の位相差があるため、干渉信号について位相の進行の向きが判別できる。
【0044】
各々の干渉信号は、Ａ／Ｄ変換器２３ａとＡ／Ｄ変換器２３ｂによりデジタル変換され、波形補正処理回路２４でＳＩＮとＣＯＳのそれぞれの振幅やオフセットのずれとＳＩＮ－ＣＯＳ間の位相のずれを補正し、インクリメンタル信号発生器２５で内挿されＺ軸方向の変位情報として出力される。
【0045】
変位出力部１０，２０の各Ａ／Ｄ変換器は、クロック発生器６０により同期がとられている。インクリメンタル信号発生器１５，２５は、１クロックあたりに変化した相対位置情報を出力する。これにより、Ｘ軸方向の変位情報とＺ軸方向の変位情報が同期したタイミングで出力される。
【0046】
以上に説明したように、本実施形態では、スケール２の表面に波長帯域選択層２ｄを設け、スケール２の内部に反射型の回折格子２ｂを設けることで、スケール２の表面積を大きくすることなく、Ｘ軸方向の変位およびＺ軸方向の変位を同時に検出できる。検出する変位の方向ごとに対応させてスケールを設ける必要がなく、スケールをコンパクトに構成することが可能となる。言い換えれば、スケールの大きさに対して検出可能範囲を大きくすることができる。すなわち、本実施形態によれば、スケールをコンパクトにして移動体（被測定部材）への設置スペースが有効活用できる。
【0047】
［第２実施形態］
図９は、第２実施形態に係る変位検出装置の構成を模式的に表す図である。
変位検出装置２０１は、第１実施形態の第１検出ヘッド３および第２検出ヘッド４に加え、さらに第３検出ヘッド７を備える。第３検出ヘッド７は、「第３格子干渉型変位検出ヘッド」として機能し、２次元のスケール２０２のＹ軸方向の変位情報を出力する。それにより、変位検出装置２０１は、スケール２０２の平面の方向と高さ方向の変位情報を出力できる。
図９は、第２実施形態に係る変位検出装置の構成を模式的に表す図である。
変位検出装置２０１は、第１実施形態の第１検出ヘッド３および第２検出ヘッド４に加え、さらに第３検出ヘッド７を備える。第３検出ヘッド７は、「第３格子干渉型変位検出ヘッド」として機能し、２次元のスケール２０２のＹ軸方向の変位情報を出力する。それにより、変位検出装置２０１は、スケール２０２の平面の方向と高さ方向の変位情報を出力できる。
【0048】
図１０は、スケール２０２の構成を模式的に表す図である。図１０の上段は平面図であり、下段は断面図である。
スケール２０２は、基材２０２ａの上に２次元の回折格子２０２ｂが配置される。回折格子２０２ｂは、Ｙ軸方向に平行な方向の第２格子ベクトルを有する反射型の回折格子である。回折格子２０２ｂの表面は、保護層２０２ｃで保護される。保護層２０２ｃの上面は平滑であり、波長帯域選択層２０２ｄが配置される。波長帯域選択層２０２ｄは、第１波長帯域の光を透過させ、第２波長帯域の光を反射させる多層膜である。
スケール２０２は、基材２０２ａの上に２次元の回折格子２０２ｂが配置される。回折格子２０２ｂは、Ｙ軸方向に平行な方向の第２格子ベクトルを有する反射型の回折格子である。回折格子２０２ｂの表面は、保護層２０２ｃで保護される。保護層２０２ｃの上面は平滑であり、波長帯域選択層２０２ｄが配置される。波長帯域選択層２０２ｄは、第１波長帯域の光を透過させ、第２波長帯域の光を反射させる多層膜である。
【0049】
基材２０２ａとして、ガラス基板や金属基板、樹脂シートなどを採用する。回折格子２０２ｂは、反射型の回折格子であり、周期的な凹凸を有する。この凹凸は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に等間隔に配列されたドットであり、Ｘ軸方向とＹ軸方向の２つの格子ベクトルを持つ。この凹凸のパターンは、クロム膜をエッチングして形成してもよいし、ガラス基板にドライエッチングで直接形成してもよい。また、回折格子２０２ｂの上に、反射率の高い、アルミや金、銀などをコーティングしてもよい。凹凸の周期Λは、格子のピッチでありサブミクロンから数ミクロンを想定する。
【0050】
保護層２０２ｃは、回折格子２０２ｂを保護する役割と、上面に波長帯域選択層２０２ｄを配置する役割を有する。波長帯域選択層２０２ｄとしては、第１波長帯域を効率よく透過させるよう、厚みがサブミクロンから数ミリメートルのものを想定する。波長帯域選択層２０２ｄは、材料としてのＳｉＯ２をＣＶＤやスパッタリングにより保護層２０２ｃに成膜して形成してもよい。また樹脂の接着剤等でカバーガラスを接着してもよい。その際、接着剤の屈折率とカバーガラスの屈折率を合わせるのが好ましい。波長帯域選択層２０２ｄは、例えば７９０ｎｍを中心波長とする第１波長帯域の光を透過させ、６５５ｎｍを中心波長とする第２波長帯域の光を反射させる特性（第１実施形態と同様の特性）を有するものでよい。
【0051】
第３検出ヘッド７は、第１検出ヘッド３と同様の原理で機能する。第３検出ヘッド７は、第１波長帯域の光を出射する光源（第３光源）と、その光源から出射されたビームを二分割し、その後再び重ね合せるＰＢＳ（第３偏光ビームスプリッタ）と、各々のビームを反射させるミラー（第３反射手段）と、ＰＢＳによって重ね合わせられた各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する受光部（第３受光手段）を含む。
【0052】
ただし、第３検出ヘッド７は、変位を検出する方向がＹ軸方向であり、スケール２０２の格子ベクトルに平行になるように配置される。変位検出装置２０１は、第１検出ヘッド３、第２検出ヘッド４および第３検出ヘッド７を備えることから、Ｘ軸方向の変位を示す干渉信号とＹ軸方向の変位を示す干渉信号とＺ軸方向の変位を示す干渉信号の３方向の変位検出の演算が必要となる。
【0053】
図１１は、演算機５の具体例を表す図である。
演算機５は、第１検出ヘッド３により検出される変位情報を出力する変位出力部１０と、第２検出ヘッド４により検出される変位情報を出力する変位出力部２０と、第３検出ヘッド７により検出される変位情報を出力する変位出力部３０を備える。変位出力部１０および変位出力部２０は、第１実施形態と同様である。変位出力部３０は、差動増幅器３２ａ，３２ｂ、Ａ／Ｄ変換器３３ａ，３３ｂ、波形補正処理回路３４およびインクリメンタル信号発生器３５を含む。これによりＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の変位情報を出力することができる。
演算機５は、第１検出ヘッド３により検出される変位情報を出力する変位出力部１０と、第２検出ヘッド４により検出される変位情報を出力する変位出力部２０と、第３検出ヘッド７により検出される変位情報を出力する変位出力部３０を備える。変位出力部１０および変位出力部２０は、第１実施形態と同様である。変位出力部３０は、差動増幅器３２ａ，３２ｂ、Ａ／Ｄ変換器３３ａ，３３ｂ、波形補正処理回路３４およびインクリメンタル信号発生器３５を含む。これによりＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の変位情報を出力することができる。
【0054】
本実施形態によれば、回折格子２０２ｂを２次元構造とすることで、第１実施形態で示したＸ軸方向およびＺ軸方向だけでなく、さらにＹ軸方向（第３方向）の変位（第３変位）を同時に検出できる。すなわち、スケールをコンパクトに構成することが可能となり、スケールの大きさに対して検出可能範囲を大きくできる。
【0055】
［第３実施形態］
図１２は、第３実施形態に係る変位検出装置の構成を模式的に表す図である。
変位検出装置３０１は、スケール２０２と、１つの第１検出ヘッド３（第１検出ヘッドＸ１）と、３つの第２検出ヘッド４（第２検出ヘッドＺ１～Ｚ３）と、２つの第３検出ヘッド７（第３検出ヘッドＹ１，Ｙ２）を備える。変位検出装置３０１は、６自由度変位検出装置である。演算機５は、これらの検出ヘッドで検出した信号に基づいて、スケール２０２のＸ軸方向の変位、Ｙ軸方向の変位、Ｚ軸方向の変位、Ｘ軸方向回りの角度、Ｙ軸方向回りの角度およびＺ軸方向回りの角度を算出して出力する。なお、各検出ヘッドの原理については上述と同様であるため、説明を省略する。
図１２は、第３実施形態に係る変位検出装置の構成を模式的に表す図である。
変位検出装置３０１は、スケール２０２と、１つの第１検出ヘッド３（第１検出ヘッドＸ１）と、３つの第２検出ヘッド４（第２検出ヘッドＺ１～Ｚ３）と、２つの第３検出ヘッド７（第３検出ヘッドＹ１，Ｙ２）を備える。変位検出装置３０１は、６自由度変位検出装置である。演算機５は、これらの検出ヘッドで検出した信号に基づいて、スケール２０２のＸ軸方向の変位、Ｙ軸方向の変位、Ｚ軸方向の変位、Ｘ軸方向回りの角度、Ｙ軸方向回りの角度およびＺ軸方向回りの角度を算出して出力する。なお、各検出ヘッドの原理については上述と同様であるため、説明を省略する。
【0056】
図１３は、演算機５の具体例を表す図である。
演算機５は、第１検出ヘッド３により検出される変位情報を出力する変位出力部Ｘ１、第３検出ヘッドＹ１、Ｙ２により検出される変位情報を出力する変位出力部Ｙ１，Ｙ２、および第２検出ヘッドＺ１～Ｚ３により検出される変位情報を出力する変位出力部Ｚ１～Ｚ３を有する。各変位出力部は、差動増幅器、Ａ／Ｄ変換器、波形補正処理回路およびインクリメンタル信号発生器を含むが、第１実施形態と同様であるため、その説明については省略する。
演算機５は、第１検出ヘッド３により検出される変位情報を出力する変位出力部Ｘ１、第３検出ヘッドＹ１、Ｙ２により検出される変位情報を出力する変位出力部Ｙ１，Ｙ２、および第２検出ヘッドＺ１～Ｚ３により検出される変位情報を出力する変位出力部Ｚ１～Ｚ３を有する。各変位出力部は、差動増幅器、Ａ／Ｄ変換器、波形補正処理回路およびインクリメンタル信号発生器を含むが、第１実施形態と同様であるため、その説明については省略する。
【0057】
ここで、図１２に示したように各検出ヘッドを配置し、第１検出ヘッドＸ１により検出される変位値をＸ１、第２検出ヘッドＺ１～Ｚ３により検出される変位値をＺ１～Ｚ３、第３検出ヘッドＹ１，Ｙ２により検出される変位値をＹ１，Ｙ２とする。その場合、Ｘ軸方向の変位、Ｙ軸方向の変位、Ｚ軸方向の変位、Ｘ軸方向回りの角度、Ｙ軸方向回りの角度、およびＺ軸方向回りの角度は、以下のように算出される。
Ｘ軸方向の変位＝Ｘ１
Ｙ軸方向の変位＝（Ｙ１＋Ｙ２）／２
Ｚ軸方向の変位＝（Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚ３）／３
Ｚ軸方向回りの角度＝ｔａｎ－１（（Ｙ１－Ｙ２）／ＬＹ）
Ｙ軸方向回りの角度＝ｔａｎ－１（（Ｚ１－Ｚ３）／ＬＺｘ）
Ｘ軸方向回りの角度＝ｔａｎ－１（（Ｚ２－（（Ｚ１＋Ｚ３）／２））／ＺＬｙ）
Ｘ軸方向の変位＝Ｘ１
Ｙ軸方向の変位＝（Ｙ１＋Ｙ２）／２
Ｚ軸方向の変位＝（Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚ３）／３
Ｚ軸方向回りの角度＝ｔａｎ－１（（Ｙ１－Ｙ２）／ＬＹ）
Ｙ軸方向回りの角度＝ｔａｎ－１（（Ｚ１－Ｚ３）／ＬＺｘ）
Ｘ軸方向回りの角度＝ｔａｎ－１（（Ｚ２－（（Ｚ１＋Ｚ３）／２））／ＺＬｙ）
【0058】
本実施形態によれば、検出ヘッドの数および配置を工夫することで、スケール２が大きくなることを抑制しつつ、６自由度の変位を検出することができる。
【符号の説明】
【0059】
１ 変位検出装置、２ スケール、２ａ 基材、２ｂ 回折格子、２ｃ 保護層、２ｄ 波長帯域選択層、３ 第１検出ヘッド、３ａ 光源、３ｂ ＰＢＳ、３ｃ ミラー、３ｄ ミラー、３ｅ ミラー付位相板、３ｆ ミラー付位相板、４ 第２検出ヘッド、４ａ 光源、４ｂ ＰＢＳ、４ｆ ミラー、４ｈ スケール、４ｉ ＰＢＳ、４ｊ 受光部、５ 演算機、７ 第３検出ヘッド、１０ 変位出力部、２０ 変位出力部、３０ 変位出力部、５０ 位相板、５２ ハーフミラー、５４ ＰＢＳ、５６ ＰＢＳ、６０ ガラス基板、６０ クロック発生器、６２ 透過型回折格子、２０１ 変位検出装置、２０２ スケール、２０２ａ 基材、２０２ｂ 回折格子、２０２ｃ 保護層、２０２ｄ 波長帯域選択層、３０１ 変位検出装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【手続補正書】
【提出日】2023-01-24
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
被測定部材の第１方向の第１変位を検出する第１検出ヘッドと、前記被測定部材の前記第１方向と異なる第２方向である高さ方向の第２変位を検出する第２検出ヘッドと、で検出された検出信号に基づいて前記被測定部材の変位を検出するための変位検出部材であって、
回折格子と、
前記回折格子を保護する保護層と、
第１波長帯域の光が前記保護層を通り前記回折格子に向かうように透過させ、第２波長帯域の光を反射させる波長帯域選択層と、を備え、
前記波長帯域選択層は、前記第１検出ヘッドにより検出される前記第１波長帯域の光が通過する通過領域を有し、前記通過領域上で反射した前記第２波長帯域の光を前記第２検出ヘッドが検出し、検出された検出信号に基づいて前記第２検出ヘッドが前記第２変位を検出できるように形成されている、変位検出部材。
回折格子と、
前記回折格子を保護する保護層と、
第１波長帯域の光が前記保護層を通り前記回折格子に向かうように透過させ、第２波長帯域の光を反射させる波長帯域選択層と、を備え、
前記波長帯域選択層は、前記第１検出ヘッドにより検出される前記第１波長帯域の光が通過する通過領域を有し、前記通過領域上で反射した前記第２波長帯域の光を前記第２検出ヘッドが検出し、検出された検出信号に基づいて前記第２検出ヘッドが前記第２変位を検出できるように形成されている、変位検出部材。
【請求項2】
Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能なステージに設置可能な、Ｘ軸方向に平行な方向の第１格子ベクトルを有する反射型の回折格子と、その反射型の回折格子の表面に、一定の厚みを有した保護層と、第１波長帯域の光が前記保護層を通り前記回折格子に向かうように透過させ、第２波長帯域の光を反射させる波長帯域選択層で構成された回折格子スケールと、
Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向に移動可能な被測定部材に設けられた前記回折格子スケールのＸ軸方向の変位を検出する第１格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記回折格子スケールの前記ＸＹ平面に対して直交したＺ軸方向の変位を検出する第２格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記第１格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号と、前記第２格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号に基づいてＸ軸方向もしくはＹ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能な被測定部材に設けられた前記回折格子スケールのＸ軸方向とＺ軸方向の変位を算出し出力する演算機と、
を備え、
前記第１格子干渉型変位検出ヘッドは、第１波長帯域の光源と、第１波長帯域の光源のビームを二分割し、その後再び重ね合す第１偏光ビームスプリッタと、前記各々のビームを反射させる第１反射手段と、前記第１偏光ビームスプリッタによって重ね合わせられた各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する第１受光手段と、を含み、
前記第２格子干渉型変位検出ヘッドは、第２波長帯域の光源と、第２波長帯域の光源のビームを二分割する第２偏光ビームスプリッタと、前記各々のビームを反射させる第２反射手段と、前記各々のビームを回折させるＺ軸に平行方向に格子ベクトルを持つ透過型の回折格子と、各々のビームを重ね合わせるビーム結合手段と、前記第２偏光ビームスプリッタによって重ね合わせられた前記各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する第２受光手段と、を含み、
被測定部材に設けられた回折格子スケールのＸ軸方向の変位情報とＺ軸方向の変位情報を出力する、変位検出装置。
Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向に移動可能な被測定部材に設けられた前記回折格子スケールのＸ軸方向の変位を検出する第１格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記回折格子スケールの前記ＸＹ平面に対して直交したＺ軸方向の変位を検出する第２格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記第１格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号と、前記第２格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号に基づいてＸ軸方向もしくはＹ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能な被測定部材に設けられた前記回折格子スケールのＸ軸方向とＺ軸方向の変位を算出し出力する演算機と、
を備え、
前記第１格子干渉型変位検出ヘッドは、第１波長帯域の光源と、第１波長帯域の光源のビームを二分割し、その後再び重ね合す第１偏光ビームスプリッタと、前記各々のビームを反射させる第１反射手段と、前記第１偏光ビームスプリッタによって重ね合わせられた各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する第１受光手段と、を含み、
前記第２格子干渉型変位検出ヘッドは、第２波長帯域の光源と、第２波長帯域の光源のビームを二分割する第２偏光ビームスプリッタと、前記各々のビームを反射させる第２反射手段と、前記各々のビームを回折させるＺ軸に平行方向に格子ベクトルを持つ透過型の回折格子と、各々のビームを重ね合わせるビーム結合手段と、前記第２偏光ビームスプリッタによって重ね合わせられた前記各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する第２受光手段と、を含み、
被測定部材に設けられた回折格子スケールのＸ軸方向の変位情報とＺ軸方向の変位情報を出力する、変位検出装置。
【請求項3】
前記回折格子スケールは、Ｘ軸方向に平行な方向の第１格子ベクトルと、Ｙ軸方向に平行な方向の第２格子ベクトルを有する反射型の２次元回折格子と、その反射型の２次元回折格子の表面に、一定の厚みを有した保護層と、第１波長帯域の光が前記保護層を通り前記回折格子に向かうように透過させ、第２波長帯域の光を反射させる波長帯域選択層と、を含む２次元の回折格子スケールであり、
当該変位検出装置は、
前記Ｘ軸方向の変位を検出する前記第１格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記回折格子スケールの前記ＸＹ平面に対して直交したＺ軸方向の変位を検出する前記第２格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記Ｙ軸方向の変位を検出する第３格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記第１格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号と、前記第２格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号と、前記第３格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号に基づいてＸ軸方向もしくはＹ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能なステージに設置可能な前記回折格子スケールのＸ軸方向の変位とＹ軸方向の変位と、Ｚ軸方向の変位を算出し出力する演算機と、
を備え、
前記第３格子干渉型変位検出ヘッドは、第１波長帯域の光源と、第１波長帯域の光源のビームを二分割し、その後再び重ね合す第３偏光ビームスプリッタと前記各々のビームを反射させる第３反射手段と、前記第３偏光ビームスプリッタによって重ね合わせられた各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する第３受光手段と、を含み、
被測定部材に設けられた回折格子スケールのＸ軸方向の変位情報とＹ軸方向の変位情報とＺ軸方向の変位情報を出力する、請求項２に記載の変位検出装置。
当該変位検出装置は、
前記Ｘ軸方向の変位を検出する前記第１格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記回折格子スケールの前記ＸＹ平面に対して直交したＺ軸方向の変位を検出する前記第２格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記Ｙ軸方向の変位を検出する第３格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記第１格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号と、前記第２格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号と、前記第３格子干渉型変位検出ヘッドで検出した信号に基づいてＸ軸方向もしくはＹ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能なステージに設置可能な前記回折格子スケールのＸ軸方向の変位とＹ軸方向の変位と、Ｚ軸方向の変位を算出し出力する演算機と、
を備え、
前記第３格子干渉型変位検出ヘッドは、第１波長帯域の光源と、第１波長帯域の光源のビームを二分割し、その後再び重ね合す第３偏光ビームスプリッタと前記各々のビームを反射させる第３反射手段と、前記第３偏光ビームスプリッタによって重ね合わせられた各々のビームを干渉させ、その干渉光を光電変換する第３受光手段と、を含み、
被測定部材に設けられた回折格子スケールのＸ軸方向の変位情報とＹ軸方向の変位情報とＺ軸方向の変位情報を出力する、請求項２に記載の変位検出装置。
【請求項4】
Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能な被測定部材に設置可能な、前記２次元の回折格子スケールと、
前記２次元の回折格子スケールのＸ軸方向の変位を検出する１つの前記第１格子干渉型変位検出ヘッドと、
Ｚ軸方向の変位を検出する３つの前記第２格子干渉型変位検出ヘッドと、
Ｙ軸方向の変位を検出する２つの前記第３格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記１つの第１格子干渉型変位検出ヘッドと、前記３つのＺ軸方向の変位を検出する第２格子干渉型変位検出ヘッドと、前記２つのＹ軸方向の変位を検出する第３格子干渉型変位検出ヘッドのそれぞれで検出した信号に基づいて、Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能なステージに設置可能な前記２次元の回折格子スケールのＸ軸方向の変位とＹ軸方向の変位と、Ｚ軸方向の変位と、Ｘ軸方向回りの角度と、Ｙ軸方向回りの角度と、Ｚ軸方向回りの角度を算出し出力する前記演算機と、
を備える、請求項３に記載の変位検出装置。
前記２次元の回折格子スケールのＸ軸方向の変位を検出する１つの前記第１格子干渉型変位検出ヘッドと、
Ｚ軸方向の変位を検出する３つの前記第２格子干渉型変位検出ヘッドと、
Ｙ軸方向の変位を検出する２つの前記第３格子干渉型変位検出ヘッドと、
前記１つの第１格子干渉型変位検出ヘッドと、前記３つのＺ軸方向の変位を検出する第２格子干渉型変位検出ヘッドと、前記２つのＹ軸方向の変位を検出する第３格子干渉型変位検出ヘッドのそれぞれで検出した信号に基づいて、Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向もしくはＺ軸方向に移動可能なステージに設置可能な前記２次元の回折格子スケールのＸ軸方向の変位とＹ軸方向の変位と、Ｚ軸方向の変位と、Ｘ軸方向回りの角度と、Ｙ軸方向回りの角度と、Ｚ軸方向回りの角度を算出し出力する前記演算機と、
を備える、請求項３に記載の変位検出装置。