JP6251126B2 - 変位検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械、産業機械やロボット等における位置決め及び直線方向の変位量を検出する際に用いられる変位検出装置に関する。

従来から、工作機械、産業機械やロボット等の位置決め、制御及び位置表示用などで直線移動量、直線位置を検出するためにスケールと、検出ヘッドを備えた変位検出装置が用いられている。また、近年では、検出ヘッドの変位（移動）量だけでなく、バーニア式のスケールを用いて、原点マークを検出することでスケールに対する検出ヘッドの絶対位置を検出する変位検出装置も提案されている。

従来の、この種の変位検出装置としては、例えば、特許文献１に記載されているようなものがある。この特許文献１に記載された変位検出装置では、所定の間隔で位置情報が記録されている第１の領域及び第１の領域とは異なる間隔で位置情報が記録されている第２の領域が形成されたスケールを備えている。さらに、特許文献１に記載された変位検出装置は、第１の領域の位置情報を読み取る第１の読取手段と、第２の領域の位置情報を読み取る第２の読取手段とを備えている。

そして、この特許文献１に記載されている変位検出装置では、第１の領域の位置情報を読み取ることで検出した第１の位相と、第２の領域の位置情報を読み取ることで検出した第２の位相との差が任意に設定された値になったときに原点信号を発生させている。この原点信号を基準にすることで、スケールに対する検出ヘッドの絶対位置を検出している。すなわち、特許文献１に記載された変位検出装置では、第１の領域と第２の領域の位相差によって原点マークを任意に形成している。

特開２００４−１７０１５３号公報

しかしながら、従来の特許文献１に記載された変位検出装置では、スケールの計測方向の一方に第１の領域が配置され、スケールの計測方向の他方に第２の領域が配置されていた。また、第１の読取手段が第１の領域から外れた場合や、第２の読取手段が第２の領域から外れた場合には、原点マークを形成することができないため、変位を検出することができなかった。その結果、特許文献１に記載された変位検出装置では、計測範囲が第１の領域及び第２の領域の計測方向の長さに制限されていた。

さらに、第１の領域と第２の領域の間隔を広げて計測範囲を広くすることが考えられるが、スケールがチルトしたときやスケールが温度変化により膨縮したとき等に検出精度が大きく低下する、という不具合を有していた。

また、第２の領域を第１の領域に対してスケールの計測面と平行をなし、かつ計測方向と直交する方向（直交方向）に配置することが考えられる。しかしながら、この場合では、第１の読取手段又は第２の読取手段が直交方向に移動した際の計測範囲が制限される、という問題も有していた。

本発明の目的は、原点マークや原点信号に制限されることなく計測範囲の向上を図ることができる変位検出装置を提供することにある。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の変位検出装置は、スケールと、目盛と、変位検出部と、変位演算部と、移動検出部と、移動量演算部と、比較演算部と、絶対位置演算部とを備えた。目盛は、スケールに設けられ計測方向に沿ってピッチの間隔の積算が３次以上の次数の多項式に近似可能で、かつ計測方向と直交しスケールの計測面と平行をなすトラック方向に沿ってピッチの間隔の積算が２次以上の次数の多項式に近似可能に変化する。変位検出部は、スケールの計測面に対向して配置され、目盛の変位を検出する。変位演算部は、変位検出部が検出した目盛の変位に基づいて、目盛のスケールに対する変位量を演算する。移動検出部は、変位検出部におけるスケールに対するトラック方向への移動を検出する。移動量演算部は、移動検出部が検出した信号をもとに変位検出部におけるスケールに対するトラック方向への変位量を演算する。比較演算部は、変位検出部又はスケールがトラック方向へ移動した際に、変位演算部が演算した変位量を、移動量演算部が演算したスケールに対するトラック方向への移動量に基づいて微分し、トラック方向への２階微分量を演算する。絶対位置演算部は、比較演算部が演算した２階微分量に基づいてスケールに対する計測方向の絶対位置を演算し、出力する。

本発明の変位検出装置によれば、原点マークや原点信号によらずにスケールの計測方向に対する絶対位置を検出することができる。これにより、計測方向及び、スケールの計測面と平行をなし、かつ計測方向と直交する方向に対して原点マークによる制限がないため、計測可能な範囲を広げることができる。また、１つの変位検出部でスケールに対する計測方向の絶対位置を出力することができる。

本発明の第１の実施の形態例における変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施の形態例における変位検出装置にかかる変位検出部の構成を示すものである。 本発明の第１の実施の形態例における変位検出装置のスケールの製造方法について説明する説明図である。 本発明の第１の実施の形態例における変位検出装置のトラック方向の変位と出力値の関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態例における変位検出装置のトラック方向の変位と変位検出部の２階微分量との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態例における変位検出装置の計測方向の変位と変位検出部の２階微分量との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態例における変位検出装置のインクリメンタル上方と絶対位置情報との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態例における変位検出装置の変位検出部の第１の変形例を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施の形態例における変位検出装置の変位検出部の第２の変形例を示す概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態例における変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第２の実施の形態例における変位検出装置にかかる変位検出部の構成を示すもので、図１１Ａは概略構成図、図１１Ｂは動作を示す概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態例における変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態例における変位検出装置の光源周りの変形例を示す概略構成図である。 図１３に示す要部を拡大して示す説明図である。 本発明の第４の実施の形態例における変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第４の実施の形態例における変位検出装置のトラック方向の変位と第１の変位検出部及び第２の変位検出部の出力値及び差分との関係を示すグラフである。 本発明の第５の実施の形態例における変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第５の実施の形態例における変位検出装置のメモリに記憶されているデータテーブルの一例を示す図である。 本発明の第６の実施の形態例における変位検出装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第６の実施の形態例における変位検出装置の第１のメモリに記憶されているデータテーブルの一例を示す図である。 本発明の第６の実施の形態例における変位検出装置の第２のメモリに記憶されているデータテーブルの一例を示す図である。 本発明の実施の形態例における変位検出装置のスケールの第１の変形例を示すもので、図２２Ａは拡大平面図、図２２Ｂは拡大断面図である。 本発明の実施の形態例における変位検出装置のスケールの第２の変形例を示すもので、図２３Ａは拡大平面図、図２３Ｂは拡大断面図である。 本発明の実施の形態例における変位検出装置のスケールの第３の変形例を示すもので、図２４Ａは拡大平面図、図２４Ｂは拡大断面図である。 本発明の実施の形態例における変位検出装置のスケールの第４の変形例を示すもので、図２５Ａは拡大正面図、図２５Ｂは拡大断面図である。 本発明の実施の形態例における変位検出装置のスケールの第５の変形例を示す拡大断面図である。

以下、本発明の実施の形態例の変位検出装置について、図１〜図２６を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。また、本発明は、以下の形態に限定されるものではない。

まず、本発明の第１の実施の形態例（以下、「本例」という。）における変位検出装置の構成を図１〜図３に従って説明する。
図１は、変位検出装置の構成を示す概略構成図である。

本例の変位検出装置１は、反射型の回折格子を用いて、直線の変位及びスケールに対する絶対位置を検出することができる変位検出装置である。図１に示すように、変位検出装置１は、スケール２と、検出ヘッド３と、変位検出部９と、検出ヘッド３に接続された変位演算部４と、移動量演算部５と、比較演算部６と、絶対位置演算部７と、移動量演算部５に接続された移動検出部１０を備えている。

［スケール］
スケール２は、略平板状に形成されている。スケール２の計測面２ａには、検出ヘッド３が計測面２ａと対向して配置されている。また、スケール２と検出ヘッド３は、スケール２の計測面２ａに沿って相対的に移動する。本例では、検出ヘッド３は、計測面２ａに沿ってスケール２の計測方向Ｘ１と、計測方向Ｘ１と直交し、かつ計測面２ａと平行をなすトラック方向Ｙ１へ移動する。なお、スケール２を計測面２ａに沿って計測方向Ｘ１へ移動させてもよく、すなわち、検出ヘッド３及びスケール２は、計測面２ａに沿って計測方向Ｘ１へ相対的に移動できればよい。このスケール２の計測面２ａには、計測方向Ｘ１に沿って間隔ｔを開けて目盛の一例となる複数のスリットが形成されている。そして、この複数のスリットによって回折格子８（図２参照）が構成されている。

回折格子８における隣り合うスリットの間隔（以下、「ピッチ間隔」という）ｔは、計測方向Ｘ１に沿って、連続的に変化している。この回折格子８のピッチ間隔ｔの積算の変化は、スケール２における計測方向Ｘ１の座標に対して３次の多項式で近似可能で、かつトラック方向Ｙ１の座標に対して２次の多項式で近似可能に設定されている。

なお、本例では、回折格子８のピッチ間隔ｔの積算の変化を計測方向Ｘ１の座標に対して３次の多項式で表した例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、計測方向Ｘ１の座標に対して４次以上の高次の多項式に近似するように、回折格子８のピッチ間隔ｔの変化を設定してもよい。また、トラック方向Ｙ１の座標に対して２次の多項式で表した例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、トラック方向Ｙ１の座標に対して３次以上の高次の多項式に近似するように、回折格子８のピッチ間隔ｔの変化を設定してもよい。

なお、近似の範囲は、変位検出装置１に要求する計測精度によって種々に設定されるものである。すなわち、変位検出装置１に高い精度を要求する場合、後述する検出した絶対位置の誤差が、変位演算部４が検出した相対位置情報の一周期の範囲内に収まることが好ましい。

［検出ヘッド］
図１及び図２に示すように、検出ヘッド３は、回折格子８の格子のピッチを検出する変位検出部９を有している。

図２は、変位検出部９の構成を示す概略構成図である。
図２に示すように、変位検出部９は、光源２０と、レンズ１１と、第１の反射部１２と、第２の反射部１３と、第１のミラー１４と、第２のミラー１６と、ビームスプリッタ１７と、第１の受光部１８と、第２の受光部１９と、を有している。

光源２０は、スケール２の計測面２ａに対して略垂直に配置されている。光源２０としては、可干渉性光源が望ましく、例えばガスレーザ、半導体レーザダイオード、スーパールミネッセンスダイオードや発光ダイオード等が挙げられる。

なお、本例では、光源２０を変位検出部９内に配置した例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、光源２０は、光ファイバによって変位検出部９の外部に設けた光源から光を供給する構成であってもよい。また、これをさらに脱着可能な構成とすることで、変位検出装置１から離れた場所での光源のメンテナンスが可能となり、作業性が向上する。

また、光源２０とスケール２との間には、レンズ１１が配置されている。このレンズ１１は、光源２０から照射された光Ｌを任意の径に集光している。レンズ１１は、使用する波長領域によって色消し対策を施したものを用いてもよい。レンズ１１に色消す対策を施すことで、光源２０の波長変動によって焦点距離の変動を受けにくくすることができる。その結果、より安定した変位計測を行うことが可能となる。

光源２０から照射された光Ｌは、レンズ１１を介してスケール２の回折格子８の任意のスポットＯに照射される。

回折格子８に照射された光Ｌは、回折格子８によって１回目の回折（反射）がなされる。これにより、回折格子８に照射された光Ｌは、回折格子８によって、正の次数を有する１回目の回折が行われた回折光（以下、「１回回折光」という）Ｌ１と、負の次数を有する１回回折光−Ｌ１に分けられる。

第１の反射部１２と、第２の反射部１３は、光源２０を間に挟むようにして、第１の計測方向Ｘ１に沿って配置されている。この第１の反射部１２及び第２の反射部１３としては、例えばプリズムや複数のミラーから構成される。

第１の反射部１２には、回折格子８によって１回回折された正の次数を有する１回回折光Ｌ１が入射し、第２の反射部１３には、回折格子８によって１回回折された負の次数を有する１回回折光−Ｌ１が入射する。第１の反射部１２は、入射した１回回折光Ｌ１を第１の反射部１２内で２回反射させて再び回折格子８のスポットＯに反射する。また、第２の反射部１３は、入射した１回回折光−Ｌ１を第２の反射部１３内で２回反射させて再び回折格子８のスポットＯに反射する。

なお、本例では、第１の反射部１２及び第２の反射部１３として、プリズムを用いて、それぞれの反射部内に１回回折光Ｌ１、−Ｌ１を２回反射させた例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第１の反射部１２及び第２の反射部１３として、一枚のミラーを用いて、入射した１回回折光Ｌ１、−Ｌ１を１回反射させて再び回折格子８へ戻すようにしてもよい。

第１の反射部１２によって再び回折格子８へ入射した正の次数を有する１回回折光Ｌ１は、回折格子８によって２回目の回折が行われ、正の次数を有する２回目の回折が行われた回折光（以下、「２回回折光」という）Ｌ２として回折格子８から出射される。また、第２の反射部１３によって再び回折格子８へ入射した負の次数を有する１回回折光−Ｌ１は、回折格子８によって２回目の回折が行われ、負の次数を有する２回回折光−Ｌ２として回折格子８から出射される。

第１のミラー１４と、第２のミラー１６は、光源２０を間に挟むようにして、計測方向Ｘ１に沿って配置されている。第１のミラー１４には、正の次数を有する２回回折光Ｌ２が入射し、第２のミラー１６には、負の次数を有する２回回折光−Ｌ２が入射する。そして、第１のミラー１４は、入射した２回回折光Ｌ２をビームスプリッタ１７に反射し、第２のミラー１６は、入射した２回回折光−Ｌ２をビームスプリッタ１７に反射する。

光源２０における回折格子８と反対方向である上方には、ビームスプリッタ１７が配置されている。このビームスプリッタ１７は、第１のミラー１４及び第２のミラー１６から反射された２つの２回回折光Ｌ２、−Ｌ２を重ね合わせて干渉光を得る。さらに、ビームスプリッタ１７は、干渉光を第１の干渉光Ｌｄ１と第２の干渉光Ｌｄ２の２つに分割し、出射する。そして、このビームスプリッタ１７における第１の干渉光Ｌｄ１の出射口には、第１の受光部１８が設けられており、ビームスプリッタ１７における第２の干渉光Ｌｄ２の出射口には、第２の受光部１９が設けられている。

変位検出部９における第１の受光部１８及び第２の受光部１９は、変位演算部４に接続されている。

第１の受光部１８では、干渉光Ｌｄを受信し、光電変換することで、Ａｃｏｓ（４ＫΔｘ＋δ）の干渉信号が得られる。Ａは、干渉の振幅であり、Ｋは２π／ｔで示される波数である。また、Δｘは、検出ヘッド３の計測方向Ｘ１の移動量を示しており、δは、初期位相を示している。

ここで、本例の変位検出装置１の変位検出部９では、光源２０から照射された光Ｌを回折格子８によって正の次数の１回回折光Ｌ１と、負の次数の１回回折光−Ｌ１に分けている。さらに、回折格子８によって２回の回折（２Ｋ）を行い、ビームスプリッタ１７によって２つの２回回折した回折光Ｌ２、−Ｌ２を重ね合わせている（２Ｋ＋２Ｋ＝４Ｋ）。そのため、上述した干渉信号のようにｘの移動量に４Ｋをかけることになる。

よって、回折格子８と変位検出部９が計測方向Ｘ１に相対的に移動することによって、回折格子８の１ピッチ（１ｔ）あたり、４つの波、すなわち４回の光の明暗が第１の受光部１８によって得ることができる。これにより、高分解能の変位検出が可能となる。

なお、第２の受光部１９によって得られる信号は、第１の受光部１８によって得られる干渉信号に対して９０度位相が異なっている。これにより、ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号を得ることができる。そして、このｓｉｎ信号とｃｏｓ信号は、変位演算部４に出力される。

［移動検出部］
また、移動検出部１０は、スケール２に接続されており、スケール２におけるトラック方向Ｙ１に移動した際の変化を検出する。移動検出部１０は、外部の検出装置である。この移動検出部１０としては、例えば、磁気式や静電容量式の検出装置、またはレーザ干渉計等のその他各種の検出装置を用いることができる。移動検出部１０は、移動量演算部５に接続させている。移動量演算部５は、移動検出部１０で得られた信号をもとにスケール２のトラック方向への移動量を演算する。

さらに、移動検出部１０として側長装置の例を示したが、これに限定されるものではない。移動検出部１０は、例えば、スケール２を駆動させるためにつけられているステッピングモータのカウント値やリニアモータへのパルス数や定点カメラの画像データ等でもよい。

［変位演算部］
変位演算部４では、変位検出部９から送られてきた信号を、デジタル変換すると共に内挿し、インクリメンタル情報に変換する。そして、変位演算部４は、図示しないカウンタによってインクリメンタル情報のパルス数をカウントすることにより、干渉光強度が上述の何周期分変化したのかを計測する。これにより、変位演算部４は、変位検出部９における変位量を演算する。

上述したように、回折格子８のピッチ間隔ｔの積算の変化は、スケール２における計測方向Ｘ１の座標に対して３次の多項式で近似可能に設定され、スケール２におけるトラック方向Ｙ１の座標に対して２次の多項式で近似可能に設定されている。そのため、検出ヘッド３を計測方向Ｘ１に移動させたときの変位演算部４における出力値（変位量）ｆｘ（ｘ、ｙ）は、下記式１で表すことができる。
［式１］
ｆｘ（ｘ、ｙ）＝Ａ＋Ｂｘ＋Ｃｘ^２＋Ｄｘ^３＋Ｅｘｙ＋Ｆｙ^２
なお、ｘは、計測方向Ｘ１の座標を示しており、ｙは、トラック方向Ｙ１の座標を示している。また、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆは、式１の係数を示している。

また、検出ヘッド３をトラック方向Ｙ１に移動させたときの変位演算部４における出力値（変位量）ｆｙ（ｘ、ｙ）は、下記式２で表すことができる。
［式２］
ｆｙ（ｘ、ｙ）＝Ｇ＋Ｈｙ＋Ｉｙ^２＋Ｊｘｙ＋Ｋｘｙ^２
なお、Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋは、式２の係数を示している。

［比較演算部］
変位演算部４及び移動量演算部５は、比較演算部６及び絶対位置演算部７に接続されている。比較演算部６には、変位演算部４から検出ヘッド３におけるスケール２に対する変位量が出力され、移動量演算部５から検出ヘッド３におけるトラック方向Ｙ１への移動量が出力される。比較演算部６は、変位演算部４と移動量演算部５から出力された情報を比較演算する。

［絶対位置演算部］
絶対位置演算部７には、比較演算部６が接続されている。そして、絶対位置演算部７は、比較演算部６が演算した情報に基づいてスケール２に対する検出ヘッド３の計測方向Ｘ１への絶対位置を算出し、出力する。

［回折格子の製造方法］
次に、図３を参照して回折格子８の製造方法について説明する。
本例の回折格子８は、例えば、図３に示す露光装置２００を用いて製造される。露光装置２００は、２つの光束を用いて干渉露光方式により感光性の材料（以下、「感光材料」という）の表面に干渉パターンを露光する装置である。そして、感光材料２１０の表面に露光された干渉パターンが回折格子８となる。

図３に示すように、露光装置２００は、可干渉光源である光源２０１と、分配器２０２と、第１のミラー２０４と、第２のミラー２０５と、第１のレンズ２０６と、第２のレンズ２０７と、第３のレンズ２０８と、第４のレンズ２０９とから構成されている。

光源２０１には、可干渉光源として、例えばレーザダイオードやスーパールミネッセンスダイオード、ガスレーザ、固体レーザ、発光ダイオード等が挙げられる。

光源２０１から出射した光束Ｌａは、分配器２０２によって第１の光束Ｌｂ１と、第２の光束Ｌｂ２と分けられる。第１の光束Ｌｂ１は、第１のミラー２０４に入射し、第２の光束Ｌｂ２は、第２のミラー２０５に入射する。

第１のミラー２０４とスケール２の間には、第１のレンズ２０６と、第２のレンズ２０７が配置されている。また、第２のミラー２０５とスケール２の間には、第３のレンズ２０８と、第４のレンズ２０９が配置されている。

第１のミラー２０４に入射した第１の光束Ｌｂ１は、第１のミラー２０４によって反射され、第１のレンズ２０６及び第２のレンズ２０７を介して感光材料２１０の表面に入射する。また、第２のミラー２０５に入射した第２の光束Ｌｂ２は、第２のミラー２０５によって反射され、第３のレンズ２０８及び第４のレンズ２０９を介して感光材料２１０表面に入射する。

なお、第１の光束Ｌｂ１は、第１のレンズ２０６及び第２のレンズ２０７によって波面が平面な平面波に変換されて感光材料２１０に入射する。また、第２の光束Ｌｂ２は、第３のレンズ２０８及び第４のレンズ２０９によって波面が第１の光束Ｌｂ１の波面に対して所定の収差を有する平面波に変換されて感光材料２１０に入射する。第１の光束Ｌｂ１と第２の光束Ｌｂ２が重なり合い、所望の周期を有する干渉縞パターンが感光材料２１０の表面に形成される。そして、感光材料２１０の表面が干渉縞パターンに沿って露光されることで、回折格子８が形成される。

なお、図３に示す露光装置２００では、第２の光束Ｌｂ２の平面波の波面に収差を持たせた例を説明したが、これに限定されるものではなく、第１の光束Ｌｂ１の平面波の波面及び第２の光束Ｌｂ２の平面波の波面の両方に所定の収差を持たせてもよい。

また、回折格子８の形成方法としては、上述した露光装置２００を用いた方法に限定されるものではなく、例えば、レーザビームを絞り感光材料２１０の表面にスリットを１本ずつ形成してもよく、その他各種の方法を用いてもよい。

次に、本例の変位検出装置を用いた絶対位置の検出動作について図１、図２、図４〜図６を参照して説明する。図４は、変位演算部４が演算した変位量とトラック方向Ｙ１の座標位置との関係を示すグラフである。

まず、図１、図２に示すように、まず、スケール２が外部に設けた駆動装置によってトラック方向Ｙ１に沿って所定の量だけ移動する。なお、スケール２を移動させた例を説明したが、検出ヘッド３をステール２に対してトラック方向Ｙ１へ移動させてもよい。この場合、移動検出部１０は、検出ヘッド３に接続される。

そして、検出ヘッド３は、変位検出部９を用いてｓｉｎ信号とｃｏｓ信号からなるリサージュ信号を変位演算部４に出力する。次に、変位演算部４は、送られてきた信号に基づいて変位量を演算する。そして、変位演算部４は、演算した変位量を比較演算部６へ出力する。

また、移動検出部１０は、スケール２におけるトラック方向Ｙ１への移動量を検出し、検出した信号を移動量演算部５に出力する。そして、移動量演算部５は、移動検出部１０からの信号に基づいて検出ヘッド３におけるスケール２に対するトラック方向Ｙ１への移動量を演算する。次に、移動量演算部５は、演算した検出ヘッド３におけるスケール２に対するトラック方向Ｙ１への移動量を比較演算部６へ出力する。

ここで、上述した式２及び図４に示すように、変位演算部４が演算した変位量は、トラック方向Ｙ１の座標位置に対して２次の近似式で変化している。また、変位演算部４が演算した変位量とトラック方向Ｙ１の座標位置との関係は、検出ヘッド３がスケール２に対する計測方向Ｘ１のある位置（ｘ１、ｘ２，ｘ３）に対して変化している。

図５は、トラック方向Ｙ１の座標位置と変位演算部４が演算した変位量の２階微分量との関係を示すグラフである。
図５に示すように、変位演算部４が演算した変位量におけるトラック方向Ｙ１の２階微分量は、検出ヘッド３がスケール２に対する計測方向Ｘ１のある位置（ｘ１，ｘ２，ｘ３）毎に、変化する。

比較演算部６は、変位演算部４から入力された情報を移動量演算部５から入力された情報に基づいて２階微分量を演算する。次に、比較演算部６は、演算した２階微分量を絶対位置演算部７へ出力する。

図６は、計測方向Ｘ１の計測位置と変位検出部の２階微分量の関係を示すグラフである。
図６に示すように、検出ヘッド３がトラック方向Ｙ１へ移動した際の変位検出部９の変位量の２階微分量は、計測方向Ｘ１の計測位置（座標）に比例する一次関数で表すことができる。そのため、２階微分量によって、計測方向Ｘ１の計測位置が一意的に決定される。

また、絶対位置演算部７には、２階微分量とスケール２の計測位置との関係を示す情報が予め格納されている。そのため、絶対位置演算部７は、比較演算部６が演算した２階微分量に基づいて検出ヘッド３におけるスケール２の計測方向Ｘ１の絶対位置を演算し、出力する。これにより、本例の変位検出装置１を用いた検出ヘッド３における計測方向Ｘ１の絶対位置の検出動作が完了する。

本例の変位検出装置１によれば、原点マークや原点信号によらずに、スケール２に対する計測方向Ｘ１の絶対位置を検出することができる。さらに、一つの変位検出部９によって絶対位置を検出することができるため、変位検出装置１の部品点数を削減することが可能となり、変位検出装置１の小型化を図ることもできる。

次に、図７を参照して、インクリメンタル情報と絶対位置情報との関係について説明する。
図７は、インクリメンタル情報と絶対位置情報との関係を示すグラフである。

図７に示すように、光の干渉信号の周期がピッチ間隔ｔの１／４になるため、インクリメンタル情報の１周期は、約２５０ｎｍとなる。ここで、変位演算部４は、周期的な信号をＡ／Ｄ変換して、例えば分割数２５００で分割し、分解能０．１ｎｍで演算する。そのため、本例の変位演算部４は、インクリメンタル情報の１周期分、すなわち２５０ｎｍ内であれば、分解能０．１ｎｍの絶対位置の情報を持っていることになる。そして、変位演算部４では、この情報を連続的に加算することで、相対位置情報を演算している。

しかしながら、電源が切れた場合や、回折格子８に異物が付着した場合等において、信号の加算が途切れると、元の位置が分からなくなる、という不具合を有している。これに対し、本例では、検出ヘッド３をトラック方向Ｙ１へ移動させることで、スケール２に対する検出ヘッド３の計測方向Ｘ１の絶対位置を算出している。

また、絶対位置演算部７は、演算した絶対位置情報に基づいて、インクリメンタル情報の１周期毎に、例えば、１番地Ｐ１、２番地Ｐ２、３番地Ｐ３という番地を付けることができる。そして、絶対位置演算部７は、演算した絶対位置情報に基づいて、現在の位置がインクリメンタル情報の何番地であるかを判別する。例えば、図７に示すように、絶対位置情報がＱである場合、現在の位置は、インクリメンタル情報の２番地Ｐ２の１周期内であることが分かる。

なお、上述したように、回折格子８のピッチ間隔ｔは、計測方向Ｘ１に沿って連続的に変化している。そのため、インクリメンタル情報の１周期分の長さも変化する。しかしながら、演算した絶対位置情報により、回折格子８に対する計測方向Ｘ１の位置が分かるため、ピッチ間隔ｔの変化量も分かる。そのため、絶対位置演算部７は、インクリメンタル情報の１周期分の長さをピッチ間隔ｔの変化量に応じて補正するようにしてもよい。

なお、絶対位置演算部７は、演算した絶対位置情報を出力する絶対位置の上位の桁の変位情報とし、相対位置情報のインクリメンタル情報を出力する絶対値の下位の桁の変位情報としてもよい。ここで、上位の桁としては、例えば少なくとも最上位の桁とする。

次に、図８を参照して変位検出部の第１の変形例について説明する。
図８は、変位検出部の第１の変形例を示す概略構成図である。

上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１では、変位検出部として図３に示すような回折格子８の回折を利用した変位検出部を用いた例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図８に示すモアレ式の変位検出部３０を適用してもよく、その他各種の変位検出部を適用してもよい。

図８に示す変位検出部３０は、不図示の検出ヘッドに設けられる光源３３と、光源３３から照射された光を受光する受光部３４と、光源３３と受光部３４の間に介在される主尺３５と、副尺３８とを有している。

主尺３５は、光源３３と共に不図示の検出ヘッドに取り付けられている。主尺３５には、一定のピッチ間隔で形成された複数のスリットＳ３が設けられている。複数のスリットＳ３は、主尺３５における光源３３が照射される一面と平行をなし、かつ計測方向Ｘ１と直交する方向に延在している。光源３３から照射された光は、複数のスリットＳ３を通過して副尺３８に入射する。

副尺３８は、主尺３５よりも受光部３４側に配置されている。この副尺３８には、複数のスリットＳ４が設けられている。このスリットＳ４は、主尺３５における光源３３が照射される一面と平行をなし、かつ計測方向Ｘ１と直交する方向に延在している。副尺３８におけるスリットＳ４の間隔ｔは、第１の実施の形態例の回折格子８と同様に、計測方向Ｘ１及びトラック方向Ｙ１に沿って連続的に変化している。また、ピッチ間隔ｔの積算の変化は、副尺３８における計測方向Ｘ１の座標に対して３次以上の多項式、トラック方向Ｙ１の座標に対して２次以上の多項式に設定されている。また、光源３３から照射され、主尺３５を通過した光りは、複数のスリットＳ４を通過して、受光部３４に入射する。

主尺３５と副尺３８は、不図示の支持部材により、計測方向Ｘ１に沿って相対的に移動可能に支持されている。

受光部３４は、光源３３から照射され、主尺３５及び副尺３８を通過した光りが入射する。そして、受光部３４は、光が主尺３５及び副尺３８を通過する際に形成された干渉縞を受光することで、副尺３８のピッチを検出している。

この第１の変形例にかかる変位検出部３０を用いても、上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。

次に、図９を参照して変位検出部の第２の変形例について説明する。
図９は、変位検出部の第２の変形例を示す概略構成図である。

上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１の変位検出部９では、光源２０から出射した光Ｌを回折格子８によって正の次数を有する１回回折光Ｌ１と、負の次数を有する１回回折光−Ｌ１に分けた例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図９に示すように、光源２０から出射した光Ｌをビームスプリッタによって２つの光ＬＡ，ＬＢに分ける変位検出部３００を適用してもよい。なお、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１の変位検出部９と共通する部分には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図９に示す変位検出部３００は、光源２０と、レンズ３０１と、第１の反射部３０２と、第２の反射部３０３と、第１のミラー３０４と、第２のミラー３０６と、ビームスプリッタ３０７と、第１の波長板３０８と、第２の波長板３０９と、受光部３１０を有している。

光源２０から出射された光Ｌは、レンズ３０１に入射する。レンズ３０１は、入射した光Ｌを任意の径に集光する。なお、このレンズ３０１は、図２に示す変位検出部９のレンズ１１と同一の構成を有している。レンズ３０１の出射側には、ビームスプリッタ３０７が配置されている。レンズ３０１によって集光された光Ｌは、ビームスプリッタ３０７に入射する。

ビームスプリッタ３０７は、光Ｌを第１の光ＬＡと、第２の光ＬＢに分割する。ビームスプリッタ３０７における第１の光ＬＡが出射する側には、第１のミラー３０４が配置されており、第２の光ＬＢが出射する側には、第２のミラー３０６が配置されている。そして、第１のミラー３０４は、ビームスプリッタ３０７から出射した第１の光ＬＡを回折格子８のスポットＯに向けて反射する。また、第２のミラー３０６は、ビームスプリッタ３０７から出射した第２の光ＬＢを回折格子８のスポットＯに向けて反射する。

回折格子８に照射された第１の光ＬＡ及び第２の光ＬＢは、回折格子８によって１回目の回折（反射）が行われる。これにより、回折格子８に照射された第１の光ＬＡは、回折格子８によって１回目の回折が行われ、第１の１回回折光ＬＡ１となる。また、回折格子８に照射された第２の光ＬＢは、回折格子８によって１回目の回折が行われ、第２の１回回折光ＬＢ１となる。

第１の反射部３０２と第２の反射部３０３は、ビームスプリッタ３０７を間に挟むようにして配置されている。また、第１の反射部３０２と回折格子８との間には、第１の波長板３０８が配置されており、第２の反射部３０３と回折格子８との間には、第２の波長板３０９が配置されている。第１の波長板３０８と第２の波長板３０９は、それぞれ１／４波長板から構成されている。

回折格子８によって反射及び回折された第１の１回回折光ＬＡ１は、第１の波長板３０８を通過して第１の反射部３０２に入射される。第１の反射部３０２は、入射された第１の１回回折光ＬＡ１を再び回折格子８のスポットＯに向けて反射する。このとき、第１の１回回折光ＬＡ１における回折格子８から第１の反射部３０２へ入射する光路と、第１の反射部３０２から回折格子８へ反射される光路は、重なり合っている。

また、回折格子８によって反射及び回折された第２の１回回折光ＬＢ１は、第２の波長板３０９を通過して第２の反射部３０３に入射される。第２の反射部３０３は、入射された第２の１回回折光ＬＢ１を再び回折格子８のスポットＯに向けて反射する。このとき、第２の１回回折光ＬＢ１における回折格子８から第２の反射部３０３へ入射する光路と、第２の反射部３０３から回折格子８へ反射される光路は、重なり合っている。

さらに、第１の反射部３０２と回折格子８との間の光路上や、第２の反射部３０３と回折格子８との間の光路上に、レンズを設けてもよい。

なお、この第２の変形例にかかる変位検出部３００においても、上述した図３に示す変位検出部９，１０と同様に、回折格子８から第１の反射部３０２又は第２の反射部３０３へ入射する光路と、第１の反射部３０２又は第２の反射部３０３から回折格子８へ反射される光路は、重なり合わないようにしてもよい。すなわち、第１の反射部３０２及び第２の反射部３０３を、例えばプリズムや複数のミラーから構成し、第１の１回回折光ＬＡ１及び第２の１回回折光ＬＢ１を第１の反射部３０２及び第２の反射部３０３で複数回反射させるようにしてもよい。

第１の反射部３０２によって再び回折格子８へ入射した第１の１回回折光ＬＡ１は、回折格子８によって２回目の回折が行われ、第１の２回回折光ＬＡ２として、回折格子８から出射される。また、第２の反射部３０３によって再び回折格子８へ入射した第２の１回回折光ＬＢ１は、回折格子８によって２回目の回折が行われ、第２の２回回折光ＬＢ２として、回折格子８から出射される。

第１の２回回折光ＬＡ２は、第１のミラー３０４によって反射され、ビームスプリッタ３０７へ入射する。第２の２回回折光ＬＢ２は、第２のミラー３０６によって反射され、ビームスプリッタ３０７へ入射する。ビームスプリッタ３０７は、第１の２回回折光ＬＡ２と第２の２回回折光ＬＢ２を重ね合わせて、干渉光Ｌｄを得る。干渉光Ｌｄは、ビームスプリッタ３０７から出射し、受光部３１０に入射する。受光部３１０は、変位演算部４に接続されている。

受光部３１０の構成は、図２に示す変位検出部９の第１の受光部１８及び第２の受光部１９と同様の構成を有しているため、ここではその説明は省略する。その他の構成は、図２に示す変位検出部９と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出部３００によっても、上述した図２に示す変位検出部９と同様の作用効果を得ることができる。

このように、本発明の変位検出装置における変位検出部としては、第１の変形例にかかる変位検出部３０及び第２の変形例にかかる変位検出部３００のように、様々な変位検出部を適用できるものである。

次に、図１０及び図１２を参照して本発明の第２の実施の形態例にかかる変位検出装置について説明する。
図１０は、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置４０の構成を示す概略構成図、図１１Ａ及び図１１Ｂは、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置４０の変位検出部を示す概略構成図である。

この第２の実施の形態例にかかる変位検出装置４０が、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と異なる点は、検出ヘッド３をトラック方向Ｙ１へ移動させる揺動機構を設けた点である。そのため、ここでは、揺動機構について説明し、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と共通する部分には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１０及び図１１Ａに示すように、変位検出装置４０は、スケール２と、検出ヘッド３と、検出ヘッド３に設けられた変位検出部９と、検出ヘッド３に接続された変位演算部４と、移動量演算部５と、比較演算部６と、絶対位置演算部７と、移動検出部１０と、を備えている。また、変位検出装置４０は、検出ヘッド３に接続された揺動機構２１を有している。この第２の実施の形態例では、移動検出部１０は、検出ヘッド３に装着されている。

図１１Ａに示すように、変位検出部９には、揺動機構２１が接続されている。図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、揺動機構２１は、変位検出部９をトラック方向Ｙ１に沿って所定の移動量で揺動させる。揺動機構２１としては、例えば、ピエゾ素子、モータ、ばね、磁力や静電気力による駆動方法が考えられる。また、揺動機構２１は、常に駆動させる必要はなく、絶対位置情報を求めるときにのみ駆動させ、絶対位置が検出されたらその駆動を止めるようにしてもよい。

また、上述した例では、揺動機構２１を変位検出部９に接続して変位検出部９全体をトラック方向Ｙ１へ揺動させる例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、揺動機構２１を光源２０に設け、光源２０をトラック方向Ｙ１に移動させることで、光源２０の焦点Ｏがトラック方向Ｙ１に移動するようにしてもよい。

図１０に示すように、移動検出部１０は、検出ヘッド３に接続されている。移動検出部１０は、揺動機構２１により変位検出部９が移動した量を検出し、移動情報を移動量演算部５に出力する。そして、移動量演算部５は、移動検出部１０から送られてきた信号に基づいて検出ヘッド３におけるトラック方向Ｙ１への移動量を演算する。

移動検出部１０としては、例えば、レーザ変位計、静電気容量式変位計や接触式電気μメータ等が適用される。

また、移動検出部１０を検出ヘッド３に装着した例を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、揺動機構２１に移動検出部１０を接続し、揺動機構２１の駆動量を検出してもよい。具体的には、揺動機構２１がピエゾ素子の場合、移動検出部１０は、その電圧値を検出する。または、揺動機構２１がモータの場合では、移動検出部１０は、そのステッピング量を検出し、揺動機構２１が電磁石の場合では、移動検出部１０は、その電流値を検出する。

また、本例の変位検出装置４０によれば、回折格子８に異物が付着し、変位検出部９が一時的に検出信号を失っても、検出ヘッド３をトラック方向Ｙ１へ移動させることで、検出ヘッド３の絶対位置を演算することができ、検出誤差が生じることなく正確な絶対位置を検出することができる。

その他の構成は、第１の実施の形態にかかる変位検出装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置４０によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。

次に、図１２を参照して本発明の第３の実施の形態例にかかる変位検出装置について説明する。
図１２は、第３の実施の形態例にかかる変位検出装置５０の構成を示す概略構成図である。

この第３の実施の形態例にかかる変位検出装置５０は、第１の計測方向Ｘ１の変位と、スケールの計測面と平行をなし、第１の計測方向Ｘ１と直交する第２の計測方向（トラック方向）Ｙ１の変位を検出するものである。すなわち、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置５０は、２次元（平面）の変位及び位置を検出することができる変位検出装置である。なお、ここでは、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１２に示すように、変位検出装置５０は、スケール５２と、検出ヘッド５３と、第１の変位検出部５９と、トラック方向変位検出部６０と、第１の変位検出部５９に接続された第１の変位演算部５４と、トラック方向変位検出部６０に接続されたトラック方向変位演算部５５と、比較演算部５６と、絶対位置演算部５７とを備えている。

スケール５２は、略平板状に形成されているスケール５２の計測面５２ａには、第１の計測方向Ｘ１に沿って間隔ｔを開けて第１の目盛に相当する複数の第１のスリットＳ１と、第２の計測方向Ｙ１に沿って間隔ｓを開けて第２の目盛に相当する複数の第２のスリットＳ２が形成されている。複数の第１のスリットＳ１によって第１の回折格子が形成され、複数の第２のスリットＳ２によって第２の回折格子が形成されている。

すなわち、この第３の実施の形態例にかかるスケール４２は、第１の計測方向Ｘ１と第２の計測方向Ｙ１の２方向にそれぞれ格子ベクトルを有する回折格子である。

第１の回折格子におけるピッチ間隔ｔは、第１の実施の形態例にかかる回折格子８と同一であるため、その説明は省略する。

第２の回折格子におけるピッチ間隔ｓは、第２の計測方向Ｙ１に沿って等間隔に形成されている。

検出ヘッド５３は、第１の変位検出部５９と、トラック方向変位検出部６０とを有している。第１の変位検出部５９及びトラック方向変位検出部６０の構成は、第１の実施の形態例にかかる変位検出部９と同一であるため、その説明は省略する。

第１の変位検出部５９は、第１の変位演算部５４に接続されており、トラック方向変位検出部６０は、トラック方向変位演算部５５に接続されている。第１の変位検出部５９が得たリサージュ信号は、第１の変位演算部５４に出力され、トラック方向変位検出部６０が得たリサージュ信号は、トラック方向変位演算部５５に出力される。

なお、トラック方向変位検出部６０は、第１の実施の形態例にかかる移動検出部１０に対応し、トラック方向変位演算部５５は、第１の実施の形態例にかかる移動量演算部５に対応している。そして、トラック方向変位演算部５５は、トラック方向変位検出部６０の検出信号に基づいて、検出ヘッド５３の第２の計測方向Ｙ１の変位量を演算する。

第１の変位演算部５４及びトラック方向変位演算部５５は、比較演算部５６に接続されている。そして、比較演算部５６は、絶対位置演算部５７に接続されている。

この第３の実施の形態例にかかる変位検出装置５０では、検出ヘッド５３が第２の計測方向Ｙ１へ移動すると、比較演算部５６は、第１の変位演算部５４が演算した変位量を、トラック方向変位演算部５５が演算した変位量に基づいて微分し、２階微分量を演算する。次に、比較演算部５６は、演算した２階微分量を絶対位置演算部５７へ出力する。そして、絶対位置演算部５７は、入力された２階微分量に基づいて検出ヘッド５３における第１の計測方向Ｘ１の絶対位置を演算する。

その他の構成は、第１の実施の形態にかかる変位検出装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置５０によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。

この第３の実施の形態例にかかる変位検出装置５０によれば、第１の変位検出部５９とトラック方向変位検出部６０で検出ヘッド５３における第１の計測方向Ｘ１の絶対位置と、第２の計測方向Ｙ１の相対位置を検出することができる。

［光源の変形例］
次に、光源まわりの変形例について図１３及び図１４を参照して説明する。
図１３は、光源周りの変形例を示す概略構成図である。

また、上述した第３の実施の形態例にかかる変位検出装置５０では、第１の変位検出部５９及びトラック方向変位検出部６０にそれぞれ光源２０を設けた例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図１３に示すように、第１の変位検出部５９とトラック方向変位検出部６０に対して、１つの光源４０１と、レンズ４０２と、光ファイバ４０３を設ける。光ファイバ４０３として、マルチモードファイバでもよく、あるいはシングルモードファイバや偏光保持ファイバを適用してもよい。

１つの光源４０１から出射された光は、レンズ４０２によって集光されて、光ファイバ４０３へ入射される。また、光ファイバ４０３は、分岐部４０３ａと、第１の出射端４０３ｂと、第２の出射端４０３ｃとを有している。すなわち、光ファイバ４０３の出射端側は、２つに分岐している。そして、第１の出射端４０３ｂには、第１の偏光板４０４が臨み、第２の出射端４０３ｃには、第２の偏光板４０５が臨むように配置されている。

光ファイバ４０３は、入射した光を分岐部４０３ａで２つに分岐させ、第１の変位検出部５９及びトラック方向変位検出部６０まで導光する。２つに分岐した光のうち一方は、第１の出射端４０３ｂから出射し、第１の偏光板４０４を通過して第１の変位検出部５９へ照射される。また、２つに分岐した光のうち残りの他方は、第２の出射端４０３ｃから出射し、第２の偏光板４０５を通過してトラック方向変位検出部６０へ照射される。

このように、第１の変位検出部５９及びトラック方向変位検出部６０に対して１つの光源４０１から光を照射させることで、光源４０１の温度変化や長期的な特性の変化をそれぞれの変位検出部５９，６０において同一に共有させることができる。その結果、第１の変位検出部５９とトラック方向変位検出部６０とで、光源の違いから生じる誤差をなくすことができ、安定して変位検出が可能になる。また、

また、図１３では、光ファイバ４０３内で光を複数に分岐させた例を説明したが、これに限定されるものではなく、ビームスプリッタ等を用いて光源４０１から出射した光を複数に分岐させてもよい。なお、分岐させる数は、２つに限定されるものではなく、変位検出部が３つ、あるいは４つ以上設けられている場合は、分岐させる数は、設けられた変位検出部の数に合わせて適宜設定されるものである。

図１４は、図１３に示す要部を拡大して示す説明図である。
図１４に示すように、光ファイバ４０３の入射口側には、入射側フェルール４０７が設けられ、光ファイバ４０３の出射口側には、出射側フェルール４０８が設けられている。入射側フェルール４０７における光Ｌが入射する入射端面４０７ａは、光軸に対して傾斜している。また、出射側フェルール４０８における光Ｌが出射する出射端面４０８ａは、入射端面４０７ａと同様に、光軸に対して傾斜している。

また、出射端面４０８ａには、出射端面４０８ａには、光ファイバ４０３から出射した光Ｌが光学系によって反射された戻り光Ｌｒが入射する。そして、戻り光Ｌｒは、出射端面４０８ａによって反射される。なお、出射端面４０８ａは、光学系における光の使用する可能領域αの外側へ戻り光Ｌｒを反射させる。これにより、戻り光Ｌｒが再び光学系へ入射され、実際に使用される光と干渉することを防ぐことができる。なお、ここでいう光学系は、変位検出部５９に設けた各種部品や回折格子８を指す。

なお、図１４では、出射端面４０８ａを光軸に対して傾斜させた例を説明したが、これに限定されるものではない。従来から実施されているように、例えば、出射端面４０８ａに反射防止膜を施したり、出射側フェルールとして反射の少ない透過性のある硝子フェルールを用いたりすることで、戻り光Ｌｒが再び光学系へ入射されることを防いでもよい。

なお、図１３及び図１４に示す光ファイバの構成は、図８に示す第２の変形例にかかる変位検出部３０や図９に示す第３の変形例にかかる変位検出部３００や、後述する他の実施形態にかかる変位検出装置７０，５００，６００にも適用できるものである。

次に、図１５を参照して本発明の第４の実施の形態例にかかる変位検出装置について説明する。
図１５は、第４の実施の形態例にかかる変位検出装置７０の構成を示す概略構成図である。

この第４の実施の形態例にかかる変位検出装置７０は、第３の実施の形態例に係る変位検出装置５０に第２の変位検出部を設けたものである。そのため、ここでは、第３の実施の形態例にかかる変位検出装置５０と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１５に示すように、変位検出装置７０は、スケール７２と、検出ヘッド７３と、第１の変位検出部８２と、トラック方向変位検出部８３と、第２の変位検出部８４と、第１の変位演算部７４と、トラック方向変位演算部７５と、第２の変位演算部７６とを有している。さらに、変位検出装置７０は、比較演算部７７と、差動比較演算部７８と、第１の絶対位置演算部８０と、第２の絶対位置演算部８１とを有している。

スケール７２、比較演算部７７及び第１の絶対位置演算部８０の構成は、第２の実施の形態例にかかる変位検出装置４０のスケール４２、比較演算部４６及び絶対位置演算部４７と同様であるため、その説明は、省略する。

図１５に示すように、第２の変位検出部８４は、第１の変位検出部８２に対して第２の計測方向Ｙ１に沿って所定の間隔Ｄを開けて配置されている。第２の変位検出部８４は、第２の変位演算部７６に接続されている。第２の変位検出部８４及び第２の変位演算部７６の構成は、第１の変位検出部８２及び第１の変位演算部７４と同様であるため、その説明は省略する。また、第１の変位検出部８２、第１の変位演算部７４、第２の変位検出部８４及び第２の変位演算部７６は、第１のスリットＳ１のピッチ間隔ｔの変位を検出し、第１の計測方向Ｘ１の相対位置情報を演算する。トラック方向変位検出部８３及びトラック方向変位演算部７５は、第２のスリットＳ２のピッチ間隔ｓの変位を検出し、第２の計測方向Ｙ１の相対位置情報を演算する。

第１の変位演算部７４と第２の変位演算部７６は、差動比較演算部７８に接続されている。そして、差動比較演算部７８は、第２の絶対位置演算部８１に接続されている。そして、第４の実施の形態例にかかる変位検出装置７０は、第１の計測方向Ｘ１の絶対位置だけでなく、第２の計測方向Ｙ１の絶対位置を検出することができる。なお、第１の計測方向Ｘ１の絶対位置の検出方法は、第３の実施の形態例にかかる変位検出装置４０と同様であるため、その説明は省略する。ここでは、第２の計測方向Ｙ１の絶対位置の検出方法について説明する。

上述したように、第１の回折格子のピッチ間隔ｔの積算は、スケール７２における第１の計測方向Ｘ１の座標に対して３次の多項式で近似可能に設定され、第２の回折格子のピッチ間隔ｓの積算は、スケール７２における第２の計測方向Ｙ１の座標に対して２次の多項式で近似可能に設定されている。そして、検出ヘッド７３を第２の計測方向Ｙ１に移動させたときの第１の変位演算部７４の出力値（変位量）ｆｙ（ｘ、ｙ）は、上記式２で表すことができる。このとき、第２の変位検出部８４に着目すると、第２の変位演算部７６の出力値（変位量）は、下記３で表すことができる。
［式３］
ｆｙ（ｘ、ｙ＋Ｄ）＝Ｇ＋Ｈ（ｙ＋Ｄ）＋Ｉ（ｙ＋Ｄ）^２＋Ｊｘ（ｙ＋Ｄ）＋Ｋｘ（ｙ＋Ｄ）^２

図１６は、第２の計測方向と第１の変位検出部及び第２の変位検出部の変位量、及び第１の変位検出部の変位量と第２の変位検出部の変位量の差分の関係を示すグラフである。
図１６に示すように、第１の変位検出部８２の変位量と第２の変位検出部８４の変位量の差分は、第２の計測方向Ｙ１の座標（計測位置）ｙに比例する一次関数で表すことができる。そのため、差分によって、第２の計測方向Ｙ１の計測位置が一意的に決定される。

すなわち、差動比較演算部７８は、第１の変位演算部７４が演算した変位量と、第２の変位演算部７６が演算して変位量の差分を演算する。そして、差動比較演算部７８は、演算して差分を第２の絶対位置演算部８１に出力する。第２の絶対位置演算部８１には、第１の変位演算部７４が演算した変位量と、第２の変位演算部７６が演算して変位量の差分と、第２の計測方向Ｙ１の計測位置との関係を示す情報が予め格納されている。そのため、第２の絶対位置演算部８１は、差動比較演算部７８が演算した差分に基づいて検出ヘッド７３におけるスケール７２の第２の計測方向Ｙ１の絶対位置を演算し、出力する。これにより、第４の実施の形態例にかかる変位検出装置７０を用いた検出ヘッド３における第２の計測方向Ｙ１の絶対位置の検出動作が完了する。

その他の構成は、第１の実施の形態にかかる変位検出装置１及び第３の実施の形態例にかかる変位検出装置５０と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置７０によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。

また、第４の実施の形態例にかかる変位検出装置７０では、第１の計測方向Ｘ１の相対位置を検出する第１の変位検出部８２の変位量を微分することで、第１の計測方向Ｘ１の絶対位置を算出した例を説明したが、これに限定されるものではない。

例えば、検出ヘッド７３が第２の計測方向Ｙ１へ移動した際に、第１の変位演算部７４が演算した変位量と、第２の変位演算部７６が演算した変位量の差分を、差動比較演算部７８で演算する。次に、演算した差分を、トラック方向変位演算部７５が演算した第２の計測方向Ｙ１の相対位置情報に基づいて微分する。なお、演算した微分量は、第１の計測方向Ｘ１の計測位置に比例する。そのため、演算した微分量に基づいて第１の計測方向Ｘ１の絶対位置を演算してもよい。

さらに、第４の実施の形態例にかかる変位検出装置７０によれば、第１の変位検出部８２と第２の変位検出部８４の検出信号に基づいて、第１の計測方向Ｘ１に対する検出ヘッド７３の傾きを検出することができる。

また、上述したように、第１の変位演算部７４が演算した変位量と、第２の変位演算部７６が演算した変位量の差分は、第２の計測方向Ｙ１の計測位置に対して比例している。そのため、何らかの不具合により、トラック方向変位検出部８３から信号が出力されなくなっても、第１の変位演算部７４が演算した変位量と、第２の変位演算部７６が演算した変位量の差分の変化から、検出ヘッド７３に対するスケール７２の第２の計測方向Ｙ１への移動を検出することができる。

次に、図１７及び図１８を参照して本発明の第５の実施の形態例にかかる変位検出装置について説明する。
図１７は、第５の実施の形態例にかかる変位検出装置５００の構成を示す概略構成図である。図１８は、第５の実施の形態例にかかる変位検出装置５００のメモリに記憶されているデータテーブルの一例を示す図である。

この第５の実施の形態例にかかる変位検出装置５００は、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１に補正部５０１とメモリ５０２を設けたものである。そのため、ここでは、補正部５０１及びメモリ５０２について説明し、第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１７に示すように、補正部５０１は、絶対位置演算部７に接続されている。補正部５０１には、絶対位置演算部７からスケール２に対する検出ヘッド３の絶対位置が入力される。メモリ５０２は、絶対位置演算部７と補正部５０１に接続されている。そして、補正部５０１は、入力された絶対位置と、メモリ５０２に格納されている補正データに基づいて絶対位置の補正を行い、補正された絶対位置を出力する。

図１８に示すように、メモリ５０２には、補正値テーブルが記憶されている。補正値テーブルは、スケール２の絶対位置に応じて補正部５０１で用いる補正値を規定している。ここで、スケール２のピッチ間隔ｔの積算の変化は、スケール本体の厚みのムラや作成時における計測面２ａに対する研磨ムラ等によって、上述した２次の多項式の近似式である式１に対して誤差が発生する。そのため、メモリ５０２には、この誤差を解消するための補正値が予め格納されている。

そして、補正部５０１は、スケール２に対する検出ヘッド３の絶対位置に応じて補正値テーブルから補正値を取得する。補正部５０１は、取得した補正値を絶対位置演算部７が演算した絶対位置に加算し、補正する。

これにより、上述した式１で近似できないような微少な誤差も補正することができ、より精度の高い変位検出を行うことができる。

その他の構成は、第１の実施の形態にかかる変位検出装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置５００によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。

次に、図１９〜図２１を参照して本発明の第６の実施の形態例にかかる変位検出装置について説明する。
図１９は、第６の実施の形態例にかかる変位検出装置６００の構成を示す概略構成図である。図２０は、第６の実施の形態例にかかる変位検出装置６００の第１のメモリに記憶されているデータテーブルの一例を示す図である。図２１は、第６の実施形態例にかかる変位検出装置の第２のメモリに記憶されているデータテーブルの一例を示す図である。

この第６の実施の形態例にかかる変位検出装置６００は、第４の実施の形態例にかかる変位検出装置７０に補正部６０１と、第１のメモリ６０２と、第２のメモリ６０３を設けたものである。また、この補正部６０１は、第５の実施の形態例にかかる変位検出装置５００の補正部５０１と同様のものである。そのため、ここでは、補正部６０１、第１のメモリ６０２及び第２のメモリ６０３について説明し、第４の実施の形態例にかかる変位検出装置７０と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１９に示すように、補正部６０１は、第１の絶対位置演算部８０及び第２の絶対位置演算部８１に接続されている。また、第１のメモリ６０２及び第２のメモリ６０３は、第１の絶対位置演算部８０及び第２の絶対位置演算部８１と、補正部６０１に接続されている。補正部６０１には、第１の絶対位置演算部８０から第１の計測方向Ｘ１の絶対位置と、第２の絶対位置演算部８１から第２の計測方向Ｙ１の絶対位置が入力される。

図２０に示すように、第１のメモリ６０２には、第１の計測方向Ｘ１の補正値テーブルが記憶されている。第１の計測方向Ｘ１の補正値テーブルは、スケール７２の第１の計測方向Ｘ１の絶対位置と第２の計測方向Ｙ１の絶対位置に応じて、第１の計測方向Ｘ１の補正値を規定する。

また、図２１に示すように、第２のメモリ６０３には、第２の計測方向Ｙ１の補正値テーブルが記憶されている。第２の計測方向Ｙ１の補正値テーブルは、スケール７２の第１の計測方向Ｘ１の絶対位置と第２の計測方向Ｙ１の絶対位置に応じて、第２の計測方向Ｙ１の補正値を規定する。

図１９に示すように、補正部６０１は、入力されたスケール７２に対する検出ヘッド７３の第１の計測方向Ｘ１及び第２の計測方向Ｙ１の絶対位置に応じて、第１のメモリ６０２及び第２のメモリ６０３から第１の計測方向Ｘ１の補正値と、第２の計測方向Ｙ１の補正値を取得する。そして、補正部６０１は、取得した補正値を第１の絶対位置演算部８０及び第２の絶対位置演算部８１が演算した絶対位置に加算し、補正する。

その他の構成は、第１の実施の形態にかかる変位検出装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する変位検出装置６００によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる変位検出装置１と同様の作用効果を得ることができる。

次に、図２２〜図２６を参照してスケールの変形例について説明する。
図２２〜図２６に示すスケールは、第１の計測方向Ｘ１及び第２の計測方向Ｙ１に沿って第１の格子ベクトルＭ１と第２の格子ベクトルＮ１の２つの格子ベクトルを持った回折格子を有するスケールである。

図２２Ａは、第１の変形例にかかるスケールの拡大平面図、図２２Ｂは、第１の変形例にかかるスケールの拡大断面図である。
図２２Ａに及び図２２Ｂ示すように、第１の変形例にかかるスケール１００は、基板１０１の一面から略垂直に突出する略円柱状の複数の突起１０２が設けられている。複数の突起１０２は、第１の格子ベクトルＭ１及び第２の格子ベクトルＮ１に沿ってそれぞれ間隔を開けて格子状に配置されている。

図２３Ａは、第２の変形例にかかるスケールの拡大平面図、図２３Ｂは、第２の変形例にかかるスケールの拡大断面図である。
図２３Ａ及び図２３Ｂに示すように、第２の変形例にかかるスケール１１０は、基板１１１の一面から略円柱状に窪んだ複数の凹部１１２が設けられている。複数の凹部１１２は、第１の格子ベクトルＭ１及び第２の格子ベクトルＮ１に沿ってそれぞれ間隔を開けて格子状に配置されている。また、このスケール１１０では、複数の凹部１１２の間に形成された隙間が格子のスリットとなる。

図２４Ａは、第３の変形例にかかるスケールの拡大平面図、図２４Ｂは、第３の変形例にかかるスケールの拡大断面図である。
図２４Ａ及び図２４Ｂに示すように、第３の変形例にかかるスケール１２０は、基板１２１の一面から略垂直に突出する略四角柱状の複数の突起１２２が設けられている。複数の突起１２２は、第１の格子ベクトルＭ１及び第２の格子ベクトルＮ１に沿ってそれぞれ間隔を開けて格子状に配置されている。

図２４Ａに示すように、複数の突起１２２は、対向する２つの側面部の面方向が第１の格子ベクトルＭ１及び第２の格子ベクトルＮ１に対して傾斜している。

図２５Ａは、第４の変形例にかかるスケールの拡大平面図、図２４Ｂは、第４の変形例にかかるスケールの拡大断面図である。
図２５Ａ及び図２５Ｂに示すように、第４の変形例にかかるスケール１３０は、基板１３１の一面から略垂直に突出する略四角柱状の複数の突起１３２が設けられている。複数の突起１３２は、第１の格子ベクトルＭ１及び第２の格子ベクトルＮ１に沿ってそれぞれ間隔を開けて格子状に配置されている。

図２５Ａに示すように、複数の突起１３２は、対向する２つの側面部の面方向がそれぞれ第１の格子ベクトルＭ１及び第２の格子ベクトルＮ１に沿って配置されている。

図２６は、第５の変形例にかかるスケールの拡大断面図である。
なお、上述する第１の変形例、第３の変形例及び第４の変形例にかかるスケール１００、１２０及び１３０は、突起１０２、１２２、１３２の断面形状が矩形状に形成されている。しかしながら、突起１０２、１２２、１３２の断面形状は、矩形状に限定されるものではない。例えば、図２６に示すスケール１４０は、基板１４１の一面から断面形状が正弦波状に形成された突起１４２が突出している。

また、スケール１４０の突起１４２の表面には、反射膜１４３が形成されている。反射膜１４３の材質としては、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）やクロム（Ｃｒ）等が挙げられる。この反射膜１４３を儲けることで回折効率を上げることができる。なお、第１〜第４の変形例にかかるスケール１００〜１３０においても表面に反射膜を設けてもよい。

さらに、スケール１４０の反射膜１４３上には、保護層１４４が形成されている。保護層１４４の材質としては、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、カーボン（Ｃ）、ＭｇＦ_２（フッ化マグネシウム）やＴｉ（チタン）等が挙げられる。そして、保護層１４４は、例えば蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等によって形成される。この保護層１４４を設けることで、スケールの取り扱い性の向上を図ることができる。また、第１〜第４の変形例にかかるスケール１００〜１３０においても表面に保護層を設けてもよい。

また、上述したスケール１００〜１４０の基板１０１〜１４１の材質としては、セラミック、ガラス、金属や樹脂等が用いられる。また、上述したスケール１００〜１４０の突起１０２、１２２，１３２，１４２及び凹部１１２は、例えば、クロムなどの金属膜をエッチングして形成してもよく、あるいはシリコンやエポキシ樹脂等でインプリントして形成してもよい。また、上述したスケール１００〜１４０の突起１０２、１２２，１３２，１４２及び凹部１１２は、写真乾板などのゼラチン質であってもよい。

なお、本発明は上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施の形態例では、変位検出装置として、光学式の変位検出装置を用いた例を説明したが、これに限定されるものではなく、磁気式の変位検出装置にも適用できるものである。

１，４０，５０，７０，５００，６００…変位検出装置、 ２，４２，７２…スケール、 ２ａ，４２ａ，７２ａ…計測面、 ３，４３、７３…検出ヘッド、 ４，４４，７４…第１の変位演算部、 ５…移動量演算部、 ６，４６，７７…比較演算部、 ７，４７，８０…絶対位置演算部（第１の絶対位置演算部）、 ８…回折格子、 ９，５９，８２…第１の変位検出部、 １０…移動検出部、２１…揺動機構、 ６０，８３…トラック方向変位検出部、 ４５，７５…トラック方向変位演算部、 ７６…第２の変位検出部、 ７６…第２の変位演算部、 ７８…差動比較演算部、 ８１…第２の絶対位置演算部、 ５０１，６０１…補正部、 ５０２，６０２，６０３…メモリ、 Ｘ１…計測方向（第１の計測方向）、 Ｙ１…トラック方向（第２の計測方向）、 ｔ，ｓ…ピッチ間隔

Claims (7)

1. スケールと、
   前記スケールに設けられ計測方向に沿ってピッチの間隔の積算が３次以上の次数の多項式に近似可能で、かつ前記計測方向と直交し前記スケールの計測面と平行をなすトラック方向に沿ってピッチの間隔の積算が２次以上の次数の多項式に近似可能に変化する目盛と、
   前記スケールの計測面に対向して配置され、前記目盛の変位を検出する変位検出部と、
   前記変位検出部が検出した前記目盛の変位に基づいて、前記目盛の前記スケールに対する変位量を演算する変位演算部と、
   前記変位検出部における前記スケールに対する前記トラック方向への移動を検出する移動検出部と、
   前記移動検出部が検出した信号をもとに前記変位検出部における前記スケールに対する前記トラック方向への変位量を演算する移動量演算部と、
   前記変位検出部又は前記スケールが前記トラック方向へ移動した際に、前記変位演算部が演算した変位量を、前記移動量演算部が演算した前記スケールに対する前記トラック方向への移動量に基づいて微分し、前記トラック方向への２階微分量を演算する比較演算部と、
   前記比較演算部が演算した２階微分量に基づいて前記スケールに対する前記計測方向の絶対位置を演算し、出力する絶対位置演算部と、
   を備えた変位検出装置。
2. 前記目盛は、第１の目盛であり、
   前記スケールには、前記トラック方向に沿って等間隔のピッチを有する第２の目盛が設けられ、
   前記スケールの計測面に対向して配置され、前記第２の目盛の変位を検出するトラック方向変位検出部と、
   前記トラック方向変位検出部が検出した前記第２の目盛の変位に基づいて、前記トラック方向への前記スケールに対する変位量を演算するトラック方向変位演算部と、を備え、
   前記比較演算部は、前記トラック方向変位演算部が演算した前記トラック方向への前記スケールに対する変位量に基づいて、前記変位演算部が演算した変位量を微分する
   請求項１に記載の変位検出装置。
3. 前記トラック方向変位検出部は、前記移動検出部であり、前記トラック方向変位演算部が前記移動量演算部である
   請求項２に記載の変位検出装置。
4. 前記スケールの計測面に対向して配置され、前記変位検出部から前記トラック方向に所定の間隔を開けて配置され、前記目盛の変位を検出する第２の変位検出部と、
   前記第２の変位検出部が検出した前記目盛の変位に基づいて、前記目盛の前記スケールに対する変位量を演算する第２の変位演算部と、
   を更に備えた請求項１〜３のいずれかに記載の変位検出装置。
5. 前記変位検出部及び前記第２の変位検出部が前記トラック方向へ移動した際、前記変位演算部が演算した変位量と、前記第２の変位演算部が演算した変位量の、単位変位当たりの差分を算出する差動比較演算部と、
   前記差動比較演算部が演算した前記差分と、前記トラック方向変位演算部が演算した前記トラック方向への前記スケールに対する移動量に基づいて前記スケールの前記トラック方向に対する絶対位置を演算し、出力する第２の絶対位置演算部と、
   を更に備えた請求項４に記載の変位検出装置。
6. 前記変位検出部を前記トラック方向に沿って所定の移動量で揺動させる揺動機構を備えた
   請求項１に記載の変位検出装置。
7. 前記絶対位置に応じた補正値を規定する補正値テーブルが記憶されたメモリと、
   前記絶対位置演算部が演算した前記絶対位置を、前記補正値テーブルが規定する前記補正値を用いて補正する補正部をさらに備えた
   請求項１〜６のいずれかに記載の変位検出装置。

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