JP5563366B2

JP5563366B2 - 測長スケール、光学式変位検出装置、及び測長スケールの製造方法

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Publication number: JP5563366B2
Application number: JP2010109826A
Authority: JP
Inventors: 敏彦青木
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: JP2011237309A

Description

本発明は、測長スケール、光学式変位検出装置、及び測長スケールの製造方法に関する。

従来、光学式変位検出装置として、例えば、リニアエンコーダやロータリーエンコーダのような光学式エンコーダが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この光学式エンコーダ１００は、例えば、図７（ａ）（ｂ）に示すように、スケール部１１０と、スケール部１１０に対して光を照射する発光部１２０と、スケール部１１０を透過した光を受光する受光部１３０と、を備えて構成されている。スケール部１１０は、直方体状のスケール基材１１１の表面に、その長手方向に沿って光透過部及び光不透過部を交互に備えた平面状の光学格子１１２が形成されて成り、受光部１３０にて検出される干渉縞の変化よりスケール部１１０の相対移動量が検出される構成となっている。

特開２０００−２４１１９８号公報

しかしながら、図７（ａ）（ｂ）に示すように、光学格子１１２がスケール基材１１１の中心軸から外れて形成されていると、光学格子１１２に曲がりが発生した場合に検出誤差が生じる。
なお、光学格子に曲がりが発生する原因としては、以下のようなものが挙げられる。
１．加工精度に起因するスケール基材そのもののうねり、反り、曲がりなどの形状誤差、２．格子形成工程や位置検出時などにおいてスケール基材を支持したときの変形、３．光学格子の形成時と位置検出時とのスケール基材の変形の仕方との違い。

ここで、スケール基材１１１の表面において、光学格子１１２の配置位置を改善することは可能であるが、光学格子１１２をスケール基材１１１の表面に形成する構成である以上、図８に示すように、スケール基材１１１が厚さ方向に曲がった場合に、この厚さ方向の曲がりに起因する検出誤差の発生を避けることは困難である。

本発明の課題は、スケールの基材の厚さ方向の変形に因る検出誤差を低減し、高精度に測定を行える測長スケール、光学式変位検出装置及び測長スケールの製造方法を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
光学式変位検出装置に用いる測長スケールにおいて、
所定の厚さを有し、円柱形状で長尺な基材と、
前記基材の長手方向に沿って光透過部および光不透過部を交互に備えた平面状の光学格子と、を備え、
前記光学格子は、前記基材を厚さ方向に二等分する中心面上に配されていることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の測長スケールにおいて、
前記光学格子の長手方向の中心軸が、前記基材の長手方向の中心軸と一致することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、光学式変位検出装置において、
請求項１又は２に記載の測長スケールと、
前記測長スケールに対して光を照射する光源と、
前記測長スケールの変位を検出する検出部と、
を備えることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、
請求項１又は２に記載の測長スケールの製造方法において、
フェムト秒レーザ光によって、前記基材を厚さ方向に二等分する中心面上を局部的に変質処理させることで前記光学格子の前記光不透過部を形成するレーザ照射工程を有することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、
請求項１又は２に記載の測長スケールの製造方法において、
前記基材は、同一形状の第１基材及び第２基材とからなり、
前記第１基材の表面に前記光学格子の前記光不透過部を形成する光学格子形成工程と、
前記第１基材の前記光学格子の形成された面上に、前記第２基材を接合する接合工程と、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、光学式変位検出装置に用いる測長スケールにおいて、所定の厚さを有する長尺な基材と、基材の長手方向に沿って光透過部及び光不透過部を交互に備えた平面状の光学格子と、を備え、光学格子は、基材を厚さ方向に二等分する中心面上に配されている。
よって、基材が厚さ方向に曲がった場合にその影響を極力小さくすることができることとなり、基材の厚さ方向の変形に因る検出誤差が低減され、高精度に測定を行うことができる。

第１実施形態の光学式変位検出装置を示す外観斜視図である。（ａ）は、図１の光学式変位検出装置の側面図であり、（ｂ）は、図１の光学式変位検出装置の平面図である。図１の光学式変位検出装置の製造方法を説明するための図である。変形例１の光学式変位検出装置を示す外観斜視図である。第２実施形態の光学式変位検出装置を示す外観斜視図である。図５の光学式変位検出装置の製造方法を説明するための図である。（ａ）は、従来の光学式変位検出装置の側面図であり、（ｂ）は、従来の光学式変位検出装置の平面図である。図７の光学式変位検出装置のスケール基材が厚さ方向に曲がった状態を説明するための図である。

以下、図を参照して、本発明にかかる光学式変位検出装置について、詳細に説明する。

［第１実施形態］
先ず、光学式変位検出装置１の構成について説明する。
本実施形態の光学式変位検出装置１は、例えば、透過型の光学式リニアエンコーダであり、図１に示すように、スケール部（測長スケール）１０と、発光部（光源）２０と、受光部（検出部）３０と、を備えている。
なお、以下の説明において、スケール部１０の長手方向をＸ方向とし、スケール部１０の厚さ方向をＹ方向とする。

スケール部１０は、図１、２に示すように、ガラスなどの透明な基材１１と、測長のための光学格子１２と、を備えて構成されている。
基材１１は、所定の厚さを有する長尺な直方形状に形成されている。
光学格子１２は、フェムト秒レーザ光によって、基材１１を厚さ方向（Ｙ方向）に二等分する仮想平面である中心面Ｇ上に全体として平面形状に形成されている。この光学格子１２は、基材１１の長手方向（Ｘ方向）に沿って、光透過部及び光不透過部を交互に備えている。

発光部２０は、スケール部１０の一面側において、当該スケール部１０と対向するように配されている。発光部２０は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子を備え、スケール部１０に対して光を照射する。
なお、発光部２０から出射する光は平行光が好ましく、発光部２０とスケール部１０の間にビーム成形のためのコリメータレンズを配置してもよいし、或いは、発光部２０として、レンズなしでほぼ平行光を出射できる面発光レーザを用いてもよい。

受光部３０は、スケール部１０の他面側において、当該スケール部１０と対向するように配されている。受光部３０は、例えば、フォトダイオードアレイなどの受光素子を備え、発光部２０から出力されてスケール部１０の光学格子１２を透過した光を受光して干渉縞を生成する。

具体的に、受光部３０の発光素子から出射された光は、スケール部１０の光学格子１２に照射される。そして、光学格子１２を透過した光は受光部３０のフォトダイオードアレイ上に格子目盛と同じ周期の干渉縞を生成する。このとき、スケール部１０がX方向に移動すると、その干渉縞が移動し、受光部３０から格子目盛と同じ周期の正弦波信号が出力されるようになっている。

次に、光学式変位検出装置１の製造方法について説明する。
本実施形態における光学式変位検出装置１の製造方法は、レーザ照射工程を有している。
レーザ照射工程は、基材１１を所定の大きさの直方体状に加工した後、図３（ａ）に示すように、フェムト秒レーザ光によって、この基材１１をＹ方向に二等分する中心面Ｇ上を局部的に変質処理させることで、基材１１に光学格子１２を形成する工程である。

フェムト秒レーザ光は、パルス幅がフェムト秒オーダ（例えば、７００フェムト秒）と極めて短く（１フェムト秒は１０^−１５秒）、レーザパルスのピーク値が極めて大きいことから、超微細加工に適している。
本実施形態においては、図３（ａ）に示すように、スケール部１０の基材１１内部（中心面Ｇ上）にフェムト秒レーザ光を集光させることにより、光学格子１２の形成を行う。
なお、変質処理とは、基材１１の透過性を無くす処理をいい、例えば、レーザ光によって基材１１を焼き焦がして、処理前の透明色の暗色化を行う処理である。この結果、基材１１の変質処理を施した部分（光不透過部）は透過性が失われ、常に光を透過しない状態となる。
また、フェムト秒レーザ光の集光点においては、大きなエネルギーが局部的に注入されるので、変質処理部分（光不透過部）を局部的に形成することができる。したがって、微小面積の変質処理によって、その周囲に悪影響を与えることなく、光不透過部を形成することが可能である。
なお、レーザ波長は、基材１１の材質によって適宜設定可能であるが、基材１１が吸収し易い波長領域とすることが好ましい。
このようにして本実施形態の光学式変位検出装置１は、図３（ｂ）に示すように、基材１１の厚さ方向の中心面Ｇに光学格子１２が配された構成となる。

次に、光学式変位検出装置１の作用について説明する。
ここで、スケール部１０の基材１１が上面が凸となるようにＹ方向に曲がった場合を考える。
このとき、基材１１は厚みを有するため、基材１１の上面は、基材１１の厚さ方向の中心面に比べて伸びることとなる一方、基材の下面は、基材１１の厚さ方向の中心面Ｇに比べて縮むこととなる。
従って、基材１１の表面（上面又は下面）に光学格子１２を形成したとすると、基材１１が厚さ方向に曲がった場合の影響が大きくなってしまう。
しかしながら、本実施形態の光学式変位検出装置１においては、光学格子１２は、基材１１の中心面Ｇ上に形成されているため、このように基材１１がＹ方向に曲がった場合に、その影響を極力小さくすることができるようになっている。

以上のように、本実施形態によれば、スケール部１０は、所定の厚さを有する長尺な基材１１と、基材１１のＸ方向に沿って光透過部及び光不透過部を備えた平面状の光学格子１２と、を備え、光学格子１２は、基材１１をＹ方向に二等分する中心面Ｇ上に配されている。
よって、基材１１がＹ方向に曲がった場合にその影響を極力小さくすることができることとなり、基材１１のＹ方向の変形に因る検出誤差が低減され、高精度に測定を行うことができる。

（変形例１）
次に、上記第１実施形態の変形例を変形例１として説明する。
変形例１における光学式変位検出装置１Ａは、図４に示すように、円柱形状のスケール部１０Ａを備えている。
具体的に、スケール部１０Ａは、その基材１１Ａが、所定の長さを有する円柱形状の透明部材からなり、その中心軸を通る中心面Ｇ上に、光学格子１２が形成されている。
このスケール部１０Ａの形成方法としては、上記第１実施形態と同様に、基材１１Ａを円柱形状に加工した後、フェムト秒レーザ光によって、当該基材１１Ａを厚さ方向に二等分する中心面Ｇ上を局部的に変質処理させることで光学格子１２を形成すれば良い。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

第２実施形態の光学式変位検出装置２は、スケール部（測長スケール）４０と、発光部２０と、受光部３０と、を備えている。
具体的に、スケール部４０は、図５に示すように、第１基材４１ａと第２基材４１ｂを接合してなる基材４１と、その接合面に形成された光学格子４２と、から成る。
第１基材４１ａ及び第２基材４１ｂは、同一素材で同一の大きさを有し、扁平な直方体状の透明部材である。そして、第１基材４１ａ（又は第２基材４１ｂ）の一面に光学格子４２を形成し、その上から第２基材４１ｂ（又は第１基材４１ａ）を重ねて接合することで、第１基材４１ａ及び第２基材４１ｂの接合面（中心面Ｇ）に光学格子４２の形成されたスケール部４０が構成される。
なお、光学格子４２は、第１実施形態の光学格子１２と同様の構成である。
このように、本実施形態の光学式変位検出装置２も、その厚さ方向の中心面Ｇに光学格子４２が配されるようになっている。

次に、本実施形態の光学式変位検出装置２の製造方法について説明する。
光学式変位検出装置２の製造方法は、光学格子形成工程Ｓ２１と、接合工程Ｓ２２と、を有している。
光学格子形成工程Ｓ２１では、図６（ａ）に示すように、第１基材４１ａの表面に光学格子４２の光不透過部を形成する。
ここで、光学格子の形成方法としては、例えば、金属蒸着やスパッタリングなどの公知の方法を使用することができる。
次いで、接合工程Ｓ２２では、図６（ｂ）に示すように、第１基材４１ａの光学格子４２の形成された面上に、第２基材４１ｂを接合する。
ここで、接合方法としては、例えば、常温接合、接着剤による接合、加熱による接合、等が挙げられる。
これにより、図６（ｃ）に示すように、光学式変位検出装置２のスケール部４０が形成される。

以上のように、本実施形態によれば、光学格子４２が、基材４１を厚さ方向に二等分する中心面Ｇ上に配されているため、基材４１がＹ方向に曲がった場合にその影響を極力小さくすることができることとなり、基材４１のＹ方向の変形に因る検出誤差が低減され、高精度に測定を行うことができる。
また、本実施形態によれば、従来の格子形成方法を活用できるため、低コストである。

なお、本実施形態においても、基材を円柱形状とすることとしてもよい。
その場合には、第１基材及び第２基材として同一な大きさの断面視半円形上の棒状部材を用い、第１基材（又は第２基材）の一面に光学格子を形成した後、第２基材（又は第１基材）を光学格子の形成された面上に接合すれば良い。

また、上記第１、２実施形態においては、光学式変位検出装置として、透過型の光学式リニアエンコーダを例示して説明したが、これ以外にも、反射型のものやロータリー型エンコーダ等、如何なるタイプのエンコーダであっても適用可能である。

１、１Ａ、２光学式変位検出装置
１０、１０Ａ、４０スケール部（測長スケール）
１１基材
１１Ａ基材
３１基材
３１ａ第１基材
３１ｂ第２基材
１２、４２光学格子
２０発光部（光源）
３０受光部（検出部）
Ｇ中心面

Claims

光学式変位検出装置に用いる測長スケールにおいて、
所定の厚さを有し、円柱形状で長尺な基材と、
前記基材の長手方向に沿って光透過部および光不透過部を交互に備えた平面状の光学格子と、を備え、
前記光学格子は、前記基材を厚さ方向に二等分する中心面上に配されていることを特徴とする測長スケール。
前記光学格子の長手方向の中心軸が、前記基材の長手方向の中心軸と一致することを特徴とする請求項１に記載の測長スケール。
請求項１又は２に記載の測長スケールと、
前記測長スケールに対して光を照射する光源と、
前記測長スケールの変位を検出する検出部と、
を備えることを特徴とする光学式変位検出装置。
請求項１又は２に記載の測長スケールの製造方法において、
フェムト秒レーザ光によって、前記基材を厚さ方向に二等分する中心面上を局部的に変質処理させることで前記光学格子の前記光不透過部を形成するレーザ照射工程を有することを特徴とする測長スケールの製造方法。
請求項１又は２に記載の測長スケールの製造方法において、
前記基材は、同一形状の第１基材及び第２基材とからなり、
前記第１基材の表面に前記光学格子の前記光不透過部を形成する光学格子形成工程と、
前記第１基材の前記光学格子の形成された面上に、前記第２基材を接合する接合工程と、
を有することを特徴とする測長スケールの製造方法。