JP2501714B2 - 干渉位置測定装置 - Google Patents
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Description
構造パターンが等しいかあるいは僅かに異なっている少
なくとも二つの回折部材と、回折して相互に干渉する分
割ビーム束を検出する複数の検出器とを用いて、信号を
発生するため光干渉動作する装置に関する。
一定の零点を確認して再現するため基準マークを使用す
ることが知られている。米国特許第 4,677,293号明細書
には、基準パルスを発生する基準マークの構成が開示さ
れている。この場合、位相格子が目盛分割マークとして
使用され、この位相格子が光源のビームを回折させて検
出器に偏向させる。逆相あるいは準逆相信号を評価する
と、照明強度に(および或る限界内で間隔の変化にも)
無関係な基準パルスを与える。この基準パルスのパルス
幅は、大体、目盛ホルダー上の目盛マークの幅と、走査
板中の分割幅によって決まる。明暗の投影に基づくこの
装置を用いると、回折効果のため、高分解能の増分測定
系で要求されているような、非常に狭いパルス幅の基準
パルスを発生させることができない。その外、走査板と
目盛ホルダーを狭い間隔に保持する必要がある。
上に説明した難点のない基準パルス変換器が知られてい
る。この基準パルス変換器は、格子間隔の異なった周期
的な目盛を有する多数の格子で構成されている。これ等
の格子から、3格子変換器の原理により(J. Willhelm
の学位論文, 「3格子増分変換器−位置変化を測定する
光電検出器」("Dreigittershrittgeber−photoelektri
sche Aufnehmer zur Messung von Lageaenderungen", T
U Hannover) 周期の異なる信号を導くていいる。フーリ
エ級数によりこれ等の信号を合成している。従って、非
常に幅の狭い基準パルスを発生させることができ、これ
等の基準パルスは走査板と目盛ホルダーの間の間隔に殆
ど依存していない。もっとも、この装置はただ個々の基
準パルスだけでなく、周期的に続くパルスも出力する。
それ故、付加的な手段によってこれ等のパルスを区別す
る必要がある。パルス幅を勝手に大きくすることができ
ないので、一つのパルスを選び出すには相当な経費が必
要になる。
題は、非常に幅の狭い信号を出力し、広い限界内で照明
強度や、走査格子と目盛ホルダーの間の間隔に依存しな
い、冒頭に述べた種類の装置を提供することにある。更
に、種々異なった構成の基準マークでも基準マークの区
別が可能である必要がある。
により、一つの光源と、回折構造パターンが等しいかあ
るいは僅かに異なり、ほぼ平行な二つの面内で互いに移
動する少なくとも二つの回折部材と、回折して互いに干
渉する分割ビーム束を検出する複数の検出器とを用い
て、位置測定装置で電気信号を発生するため光干渉動作
する装置にあって、回折部材A,B,A′の回折構造パ
ターンの目盛周期dが測定方向の位置xに対して常時増
加あるいは減少する関数d(x) で表されることによって
解決されている。
求の範囲の従属請求項に記載されている。
きより詳しく説明する。図1には入射光法で動作する測
定装置1が模式的に示してある。三つの回折格子A,
B,A′は周期目盛を有していない。むしろ、この格子
定数d=d(x) は測定方向Xに沿った位置xに応じて変
化する。文献では、このような格子を連続可変格子と称
している。ここでは、先ず連続可変格子A,B,A′が
等しい目盛を有すると仮定する。図1には、簡単のた
め、ただ数本の回折ビームしか記入していない。コリメ
ート非干渉性の光源L(LED) の光束は格子Aで分割
ビーム束に分割される。これ等の分割ビーム束は格子B
で偏向し、次いで格子A′で重畳して干渉する。検出器
D-1, D0,D1 は、−1.,0.と+1.回折次数のビー
ム束を検出する。
=0 にあり、この位置で格子のウェブに合わせて格子
A,A′とBが対向すれば、位置に依存する格子定数の
影響により分割ビーム束の間の位相差と成るビームの傾
きδΘ,δφ,δφ′が生じ、これ等の位相差は格子定
数aに依存する。これ等の位相差を小さく維持する必要
がある。何故ならその時のみ検出器D-1, D0,D1 によ
り得られた信号波形Sn(x), n= -1, 0, 1 が格子A,
B,A′の間隔aに無関係であるからである。この場
合、指数「n」はn回折次数である。この条件は、局部
的な格子定数d(x)の変化、δd(x)/δx が小さい値に制
限されている時に満たされる。これは、実際には、適当
に長い格子目盛により必ず達成できる。
分に等しい周期信号を出力する通常の3格子変換器から
派出している。連続可変格子を使用する場合には、この
格子は基本的にそれぞれ一定であるが互いに異なった格
子定数の多くの小さな部分格子に分解される。各部分格
子は、格子Bが僅かに移動 xすると、異なった周波数の
周期信号を出力する。全ての信号周波数を重ね合わせ
て、非周期的な信号波形Sn(x),つまりフーリェ積分で
連続周波数スペクトルの重ね合わせに似ている波形が生
じる。
々の関数依存性は異なった信号波形Sn(x) を与える。
ウェブの高さ、ウェブの幅、ウェブの長さ、透過度、吸
収度、ウェブの形状のような格子の他のパラメータを位
置に応じて変化させても、連続可変格子を使用する場
合、信号波形Sn(x) に影響を与える。その外、信号波
形Sn(x) は個々の部分格子が寄与する個々の周波数成
分の位相角によっても決まる。回折格子Bの部分格子中
の個々の格子のウェブを回折格子AとA′の対応するウ
ェブに対して移動させて、これ等の位相角を可変でき
る。つまり、信号波形Sn(x) を広い限界内で可変でき
る。
置の一例が示してある。光源L(LED) のビームは集
光レンズ2で平行ビームにされ、位相格子AとBで回折
して反射される。集光レンズ2の焦点面には、光源Lの
0次および高次の回折像が生じる。これ等の回折像は受
光素子D-1, D0,D1 により検出される。受光素子D-1
とD1 は、生じた−1. あるいは+1. 次の連続可変格
子の種々の回折角を捕捉できるのに充分な長さを持って
いる。
測定装置の平面図が示してある。光源Lは光軸からずら
して配設されている。従って、0次の回折像は光源に戻
ってこなくて、適当に配設されている受光検出器D0 に
ずれて入射する。しかし、これ等の光源は、0次より高
次のもののみを評価する場合には、光軸上にある。欧州
特許第 0 163 362 B1 号明細書により、格子パラメータ
により生じる回折次数の間の位相のずれを調節できるこ
とが知られている。この位相のずれは、この発明によれ
ば、各周波数成分に対して独立に調節でき、局部的な格
子パラメータをそれに応じて選択している。
図2の IV/IVおよび V/V方向から見た矢視図に相当する
ようにして、模式的に示してある。ここでは、格子Aの
n次の格子ウェブの縁XAn- とXAn+ が格子Bのn次の
ウェブの縁XBn- とXBn+ に対して移動し、信号の一位
相のずれに成る。図6は、図2の VI/VIから見た矢視図
に相当する受光検出器D-1, D0,D1 と光源Lの配置を
示す。
査板Aと目盛ホルダーB上の格子の可能な配置を示す。
走査板Aの周期的な目盛視野4は、測長変換器の増分信
号を発生させる目盛ホルダーBの周期的な目盛板の目盛
7と共に使用される。目盛視野3a の連続可変格子は目
盛ホルダーBの目盛トラック6を用いて基準パルスを発
生する。この目盛トラック6は連続可変格子を有する領
域Rと、それに続き周期的に分離する領域Sとに分割さ
れている。基準パルスが発生する目盛ホルダーBの零点
位置 x=0では、走査板Aの目盛視野3が目盛トラック
6の領域Rに対向する。連続可変格子は、0.回折次数
で正相信号が、また±1.回折次数で逆相信号が発生す
るように設計されている。目盛ホルダーBを零位置から
ずらすと、周期的な格子が目盛トラック6の領域Sで、
また光が正相の受光素子より逆相の受光素子により多く
入射することを保証する。周知のように、正相信号と逆
相信号が差を持って切り換わり、しきい値レベルが零レ
ベルの近くで基準パルスをトリガーする。こうして、基
準パルスが広い範囲で照明強度に無関係になっている。
プリズム5は結局基準パルスの回折ビームと増分測長変
換器の回折ビームを分離するために使用される。
換器の他の実施例を示す。走査板Aには、増分式測長変
換器の目盛視野4の傍に、連続可変格子を有する二つの
分離した目盛視野8a と8b,および目盛のない窓8c が
ある。プリズム10は目盛視野8a の0. 回折次数の光
を正相信号用の受光素子に偏向させる。目盛視野8bと
8c の0. 回折次数の光はプリズム11で一緒に逆相信
号用の受光素子に導入される。±1. 回折次数の光は基
準パルス変換器のこの配置では評価されない。
点 x=0では、連続的に変わる目盛視野8a が目盛ホル
ダーBのトラック12a の領域Tの上に、また目盛視野
8bが領域GTの上にある。連続可変格子は、零点位置
x=0で最大の正相信号と最小の逆相信号が発生するよ
うに設計されている(図9を参照)。この場合、零点位
置 x=0での最小の逆相信号は、目盛視野8b の格子ウ
ェブがトラック12a 上で領域GTの付属する格子ウェ
ブに対して局部格子定数の約4分の1ほど移動させると
生じる。更に、注意すべきことは、正相と逆相の連続可
変格子が逆向きになっているため、最小の局部格子定数
がその都度内側にあることである。例えば、正相に付属
する目盛視野8a がトラック12a の領域GTにわたっ
て移動すると、他の信号パルスは発生しない。
補助トラック12b により零点位置X±0の外で逆相信
号が正相信号に比べて大きくなっているので、乱れに対
する安全姓が向上する。更に、このトラック12b には
位相格子13があり、この格子の0. 回折次数の光は格
子のパラメータを選択して抑制され、位相格子には反射
領域が接続している。位置 x=0でのみ、格子13は窓
8c を通してビームが逆相の受光素子に入射することを
防止する。
入射するのを防止するため、一個の格子の代わりに、例
えばトラック12b 上に光吸収領域を設けてもよい。3
格子原理は、回転変換器、つまりロータリエンコーダに
応用することもできることが知られている。それ故、図
16に示すように、連続的に変わるラジアル目盛を使用
するか、連続的に変わる目盛を円筒面上に付けて、この
発明による回転変換器を構成することもこの発明の枠内
にある。
の構成に応じて、移動量 xに応じて非常に異なった信号
波形を形成できる。この場合、上記の装置の応用は基準
パルスの発生に限定されるものではない。つまり、種々
の零点センサに適する信号波形も発生させることができ
る。図10は位置測定装置の構成、特に回折格子A,B
とA′の特別な構造をもう一度示す。
装置111が模式的に示してある。この装置の機能は、図
2に示した装置に似ているが、相違点は走査目盛として
連続的に変わる振幅格子A11を使用して、この3格子変
換器111の異なった回折次数の光が同じ位相の信号を出
力するので、最早受光素子D11に別々に偏向させる必要
がない。従って、ここでは焦点距離の短いレンズ211も
実現できる。
12がここではどの位置でも連続的に変わる走査目盛A
12の対応する位置と比較して局部的な目盛周期の半分
(格子定数)を有する。光源L12のコリメートされた光
束は、連続可変目盛A12(好ましくは位相格子)により
+1. と−1. 回折次数の光に分割される。目盛板の目
盛B12(同様に好ましくは位相格子)はこの回折次数の
光をそれぞれ再び反対方向に戻すので、前記回折次数の
光は目盛A12を通過して0. 回折次数の光と干渉し、受
光素子D12により検出される。
換えれば、説明した3格子変換器の走査方法以外の走査
方法も想定される。目盛板の走査がその間隔に(大幅
に)無関係となる方法は特に有利である。と言うのは、
連続可変目盛を使用する場合、どの局部的な目盛周期も
目盛板の間隔が一定であると、対応する振動信号成分を
出力するからである。間隔に依存しない走査方法では、
好ましくは目盛板の対称な回折次数(大抵、±1. 次)
の光が干渉する。これは、目盛周期の数分の1に等しい
上記方法にとって典型的な信号周期となる。以下では連
続可変格子によって参照パルスを発生させる適当な他の
方法の幾つかを枚挙する。
13: 目盛A13(好ましくは位相格子)の二つの第一
回折次数の光は目盛B13の位置に干渉縞を形成する。こ
の干渉縞は目盛A13の対応する位置に比べて局部的な目
盛周期の半分を有する振幅格子B13で走査され、検出器
D13により検出される。振幅格子B13は検出器D13に直
接装着することもできる。従って、言わばこの回折部材
はパターン構造にされた検出器で形成される。
束は、連続可変目盛A14(好ましくは位相格子)を通過
して+1. と−1. 回折次数の光に分離され、連続可変
目盛B14(同様に好ましくは位相格子)を通過して、再
び0. 回折次数の光の方向に戻す。受光素子D14はこの
0. 回折次数の光を検出する。図15には、念のため、
単一格子変換器115が示してある。光源L15(好ましく
は半導体レーザー)の光がレンズ215によりコリメート
され、連続可変目盛A15(好ましくは位相格子)の方に
偏向される。この反射された光束は、この場合、+1.
と−1.回折次数の光に分離される。結像光学系(ここ
では、同じレンズ215)は連続的に変わる目盛A15を検
出器D15の上に結像し、両方の回折次数の光を重畳させ
る。変化する縞の間隔が変化するこの発生した干渉縞は
受光素子D15で検出される。この検出器は連続可変格子
に合わせてパターン構造にされている。受光素子D15の
局部的なパターン周期は、この場合、主に結像光学系2
15の結像倍率に依存する。
用する必要はない。回折構造パターン、例えば格子スト
ライプの代わりに、図18から分かるように、点(円
板)が位置に依存して、しかも常時変化する場合、他の
回折部材も使用できる。更に、連続可変格子を所謂超格
子として構成することもできる。周期的に分割された超
格子には各目盛周期内に一つ以上の格子ウェブがある。
超格子構造により種々の回折次数の光の回折効果を強め
たり弱めたりすることがきる。3格子変換器中で走査目
盛や目盛板目盛として周期的な超格子を使用すれば、高
調波成分が超格子構造に依存する走査信号を得ることが
できる。超格子構造を適当に選ぶと、二重周波数(信号
周期の半分、2次の高調波)や高次の信号成分を基本波
の振幅値以上に強くできる。
の各々の内に一個以上の格子ウェブを有する。これは図
19に目盛板A19として示してある。超格子構造を適当
に選べば、格子の零点 x=0の近くの格子配置の各箇所
が、局部目盛周期の半分(基本波)に等しい周期の信号
成分だけでなく、局部目盛周期の4分の1に等しい周期
の信号成分(2次の高調波)あるいは、更に高次の高調
波も与える。連続可変格子の局部的な目盛周期が、例え
ばd0 から 2d0 まで変わると、零点 x=0の近くで得
られる信号は、信号周期d0 /2 . . .d0 (基本波) お
よびd0 /4 . ..d0 /2(2次の高調波)あるいはd0 /
2n . . . d0 /n(n次の高調波)の成分を有する。つ
まり、局部的な目盛周期を僅かに変えるだけで、広い周
波数スペクトルの信号が得られる。しかし、局部的な目
盛周期(既に述べた連続可変パラメータδd(x)/δx で
規定される) が僅かに変化すると、格子の間隔変化や、
連続可変格子の長さの短縮に対して特に大きな許容公差
が許される。
装置の利点は、基準パルスの幅が非常に狭くても、基準
マークの走査が広い走査間隔でも可能であり、従って、
基準マークの走査が走査間隔の変化に対して鈍感である
点にある。更に、この装置では、基準マークを異なった
構成にして種々の信号波形を発生させることができる。
従って、例えばより多くの基準マークを区別できる。つ
まり、信号波形が広い限界内で適当な格子パラメータに
よって設定できる零点センサに対する零点信号もを発生
させることができる。
格子を有する透過光位置測定装置の零位置(X=0)で
の模式断面図、
面図、
装置の平面図、
分面、
の部分面、
の焦点面内での光源と受光素子の部分図、
Aと目盛ホルダーBの上の格子の有利な配置図、
格子の配置の他の実施例を示す図面、
基準パルスの典型的な信号波形、
造を明確にする模式図、
図、
図、
図、
図、
図、
図、
Claims (14)
- 【請求項1】 一つの光源と、回折構造パターンが等し
いか、あるいは僅かに異なり、ほぼ平行な二つの面内で
互いに移動する少なくとも二つの回折部材と、回折して
互いに干渉する分割ビーム束を検出する複数の検出器と
を用いて、位置測定装置で電気信号を発生するため光干
渉動作する装置において、回折部材(A,B,A′)の
回折構造パターンの目盛周期(d)が測定方向の位置
(x)に対して常時増加あるいは減少する関数(d(x)
)で表されることを特徴とする装置。 - 【請求項2】 前記回折部材(A,B,A′)は回折格
子として構成されていることを特徴とする請求項1に記
載の装置。 - 【請求項3】 前記回折格子の目盛周期は前記位置xで
異なる関数で表せることを特徴とする請求項2に記載の
装置。 - 【請求項4】 前記回折格子は同心円A17として形成
され、この回折格子の周回方向の間隔が異なり常時変化
することを特徴とする請求項2に記載の装置。 - 【請求項5】 前記回折格子は位相格子として形成さ
れ、この回折格子のウェブの高さが前記位置に応じて変
化することを特徴とする請求項2に記載の装置。 - 【請求項6】 前記回折格子は位相格子として形成さ
れ、この回折格子のウェブの幅が前記位置に応じて変化
することを特徴とする請求項2に記載の装置。 - 【請求項7】 前記回折格子は位相格子として形成さ
れ、この回折格子のウェブの長さが位置に応じて変化す
ることを特徴とする請求項2に記載の装置。 - 【請求項8】 前記回折格子は透過度が局所的に異なる
領域を有することを特徴とする請求項2に記載の装置。 - 【請求項9】 前記回折格子は吸収度が局所的に異なる
領域を有することを特徴とする請求項2に記載の装置。 - 【請求項10】 前記回折格子は位相格子として形成さ
れ、この回折格子のウェブの形状が前記位置に応じて変
化することを特徴とする請求項2に記載の装置。 - 【請求項11】 周期的な付加格子目盛(4,7)によ
り増分式測長あるいは測角装置1が形成されていること
を特徴とする請求項2に記載の装置。 - 【請求項12】 光干渉動作する装置が零点センサとし
て形成されていることを特徴とする請求項1に記載の装
置。 - 【請求項13】 光源(L)は非干渉性であることを特
徴とする請求項1に記載の装置。 - 【請求項14】 光源(L)は発光ダイオード(LE
D) であることを特徴とする請求項13に記載の装置。
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