JP2718440B2 - 測長または測角装置 - Google Patents
測長または測角装置Info
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- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 14
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 5
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/36—Forming the light into pulses
- G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、分離格子、目盛格子
および合致格子から成り、光源から出た光を回折させ、
回折した分割ビーム束を更に干渉させる測定方向に相対
移動する複数の格子を備え、干渉により生じた分割ビー
ム束の強度変調を少なくとも一つの検出器で互いに位相
のずれた電気信号に変換する干渉動作の測長または測角
装置に関する。
および合致格子から成り、光源から出た光を回折させ、
回折した分割ビーム束を更に干渉させる測定方向に相対
移動する複数の格子を備え、干渉により生じた分割ビー
ム束の強度変調を少なくとも一つの検出器で互いに位相
のずれた電気信号に変換する干渉動作の測長または測角
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】欧州特許第 0 163 362 B1 号明細書によ
り知られている従来の技術には三重格子干渉計が開示さ
れている。この三重格子干渉計は、実際に使用する格子
のなかの一つを反射モードで使用して２格子構造に還元
している。干渉した分割ビーム束を評価すると、両方の
格子の間の相対移動量とその向きを測定できる。
り知られている従来の技術には三重格子干渉計が開示さ
れている。この三重格子干渉計は、実際に使用する格子
のなかの一つを反射モードで使用して２格子構造に還元
している。干渉した分割ビーム束を評価すると、両方の
格子の間の相対移動量とその向きを測定できる。
【０００３】それ故、複数の検出器で検出された分割ビ
ーム束の間には位相のずれが必要になる。ドイツ公開特
許第 23 16 248号明細書は、透過格子と反射格子を用い
て移動量を測定する装置が開示されている。その場合、
三つの検出器は０次、正と負の二次の回折群を検出す
る。一次の回折群を検出しない検出器で検出された光ビ
ームの間の位相関係は明確に開示されていない。
ーム束の間には位相のずれが必要になる。ドイツ公開特
許第 23 16 248号明細書は、透過格子と反射格子を用い
て移動量を測定する装置が開示されている。その場合、
三つの検出器は０次、正と負の二次の回折群を検出す
る。一次の回折群を検出しない検出器で検出された光ビ
ームの間の位相関係は明確に開示されていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、目
盛格子のサブミクロン程度の目盛周期を有する微細格子
を使用して、分解能が非常に高く、部材の組込精度に関
して許容公差が大まかなとなる測定装置を提供すること
にある。その場合、変調度が高く、高調波成分が少な
く、しかも測定装置の構造が単純で小さければ、位相の
ずれた信号を種々の方法で発生する可能性と同様に望ま
しい。
盛格子のサブミクロン程度の目盛周期を有する微細格子
を使用して、分解能が非常に高く、部材の組込精度に関
して許容公差が大まかなとなる測定装置を提供すること
にある。その場合、変調度が高く、高調波成分が少な
く、しかも測定装置の構造が単純で小さければ、位相の
ずれた信号を種々の方法で発生する可能性と同様に望ま
しい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、冒頭に述べた種類の測長または測角装置にあっ
て、目盛格子４，４２の目盛周期ＴＰ1 が光の波長λよ
り短く、分離格子と合致格子３２ａ，３２ｂ；３３ａ，
３３ｂの目盛周期ＴＰ2 が目盛格子４の目盛周期ＴＰ1
のほぼ二倍か、あるいは正確に二倍で、しかも光の波長
λよりも長く、光源２；２２の時間的なコヒーレント特
性が分離格子と合致格子３２ａ，３２ｂ；３３ａ，３３
ｂの間で等しい長さの光路長を進む回折した分割ビーム
束のみを干渉させ、光源２；２２の空間的なコヒーレン
ト特性が合致格子３２ｂ；３３ｂのところで測定方向Ｘ
にずれないで重なる分割ビーム束のみを干渉させること
によって解決されている。
により、冒頭に述べた種類の測長または測角装置にあっ
て、目盛格子４，４２の目盛周期ＴＰ1 が光の波長λよ
り短く、分離格子と合致格子３２ａ，３２ｂ；３３ａ，
３３ｂの目盛周期ＴＰ2 が目盛格子４の目盛周期ＴＰ1
のほぼ二倍か、あるいは正確に二倍で、しかも光の波長
λよりも長く、光源２；２２の時間的なコヒーレント特
性が分離格子と合致格子３２ａ，３２ｂ；３３ａ，３３
ｂの間で等しい長さの光路長を進む回折した分割ビーム
束のみを干渉させ、光源２；２２の空間的なコヒーレン
ト特性が合致格子３２ｂ；３３ｂのところで測定方向Ｘ
にずれないで重なる分割ビーム束のみを干渉させること
によって解決されている。
【０００６】この発明による他の有利な構成は、特許請
求の範囲の従属請求項に記載されている。
求の範囲の従属請求項に記載されている。
【０００７】
【実施例】以下に、この発明を好適実施例に基づきより
詳しく説明する。図１によれば、測長装置１には光源
１，走査格子３，反射目盛格子４および光検出器５があ
る。この光検出器５は信号ビーム束Ｊ0 , Ｊ+1，Ｊ-1を
検出する。実際の構成では、部材２，３と５は反射型の
目盛格子４に対して相対的に移動する読取ヘッドの中に
装備されている。光検出器５の電気出力信号は動かない
目盛格子４に対する読取ヘッドの移動方向と移動量に対
する尺度を与える。部材３と４の間の直線移動量あるい
は角度移動量は適当な装置で測定できる。
詳しく説明する。図１によれば、測長装置１には光源
１，走査格子３，反射目盛格子４および光検出器５があ
る。この光検出器５は信号ビーム束Ｊ0 , Ｊ+1，Ｊ-1を
検出する。実際の構成では、部材２，３と５は反射型の
目盛格子４に対して相対的に移動する読取ヘッドの中に
装備されている。光検出器５の電気出力信号は動かない
目盛格子４に対する読取ヘッドの移動方向と移動量に対
する尺度を与える。部材３と４の間の直線移動量あるい
は角度移動量は適当な装置で測定できる。
【０００８】図示する測長装置の特異性は、特定のコヒ
ーレンス特性を有する光を放出するＬＥＤ（発光ダイオ
ード）を光源２として使用している点にある。走査格子
３の目盛周期ＴＰ2 は目盛格子４の目盛周期ＴＰ1 のほ
ぼ二倍か、あるいは正確に二倍でる。この場合に重要な
ことは両方の目盛周期の比が正確に２：１か、またはほ
ぼ２：１である点にある。図示する目盛格子４の目盛周
期ＴＰ1 は 0.5μm であり、付属する走査格子３の目盛
周期ＴＰ2 は 0.9982 μm である。もっとも、この目盛
周期は１μm あるいは 1.0018 μm のように大きくて
も、あるいは微細であってもよい。
ーレンス特性を有する光を放出するＬＥＤ（発光ダイオ
ード）を光源２として使用している点にある。走査格子
３の目盛周期ＴＰ2 は目盛格子４の目盛周期ＴＰ1 のほ
ぼ二倍か、あるいは正確に二倍でる。この場合に重要な
ことは両方の目盛周期の比が正確に２：１か、またはほ
ぼ２：１である点にある。図示する目盛格子４の目盛周
期ＴＰ1 は 0.5μm であり、付属する走査格子３の目盛
周期ＴＰ2 は 0.9982 μm である。もっとも、この目盛
周期は１μm あるいは 1.0018 μm のように大きくて
も、あるいは微細であってもよい。
【０００９】目盛格子４と走査格子３は互いに平行に配
置されている。ＬＥＤの光ビーム束は走査格子３のとこ
ろで一次の回折次数の二つの分割ビーム束−１と＋１に
分割され、これ等の分割ビーム束は入射する光ビーム束
に対して対称に進む。上に述べた目盛格子４の目盛周期
に対する走査格子３の目盛周期の比により、反射型の目
盛板として形成されている目盛格子４のところで回折し
た二つの分割ビーム束が生じ、これ等の分割ビーム束が
一点鎖線で示すように自分自身に対して正確にあるいは
ほぼ平行に進む。
置されている。ＬＥＤの光ビーム束は走査格子３のとこ
ろで一次の回折次数の二つの分割ビーム束−１と＋１に
分割され、これ等の分割ビーム束は入射する光ビーム束
に対して対称に進む。上に述べた目盛格子４の目盛周期
に対する走査格子３の目盛周期の比により、反射型の目
盛板として形成されている目盛格子４のところで回折し
た二つの分割ビーム束が生じ、これ等の分割ビーム束が
一点鎖線で示すように自分自身に対して正確にあるいは
ほぼ平行に進む。
【００１０】目盛板４のところで回折したこれ等の分割
ビーム束は走査格子３のところでもう一度回折して干渉
する。ＴＰ2/ＴＰ1 ≒２：１では、これ等の分割ビーム
束が走査格子３のところで回折して僅かに異なった方向
に干渉し、レンズの焦点面内で干渉縞を発生する。この
干渉縞からパターン構造を持つ検出器により所望の位相
差の出力信号を導くことができる。
ビーム束は走査格子３のところでもう一度回折して干渉
する。ＴＰ2/ＴＰ1 ≒２：１では、これ等の分割ビーム
束が走査格子３のところで回折して僅かに異なった方向
に干渉し、レンズの焦点面内で干渉縞を発生する。この
干渉縞からパターン構造を持つ検出器により所望の位相
差の出力信号を導くことができる。
【００１１】ＴＰ2/ＴＰ1 ＝２：１では、前記分割ビー
ム束が走査格子３のところで正確に等しい方向に干渉
し、目盛格子４が走査格子３に対して相対移動すると、
得られた信号ビーム束Ｊ0 , Ｊ+1，Ｊ-1に強度変調が生
じ、走査格子３を適当に形成すれば、これ等の信号ビー
ム束の位相差が好ましくは 120°となる。この構成は図
１の図面に相当する。
ム束が走査格子３のところで正確に等しい方向に干渉
し、目盛格子４が走査格子３に対して相対移動すると、
得られた信号ビーム束Ｊ0 , Ｊ+1，Ｊ-1に強度変調が生
じ、走査格子３を適当に形成すれば、これ等の信号ビー
ム束の位相差が好ましくは 120°となる。この構成は図
１の図面に相当する。
【００１２】図２の模式的な光線図は三重格子１２の展
開されたビーム通路を示す。ここでは、第一格子３２ａ
と第三格子３２ｂが空間的に分離されていて、それぞれ
分離格子３２ａと合致格子３２ｂとして機能することが
容易に認識できる。ＬＥＤ２２から出た光ビーム束は第
一格子３２ａに垂直に入射し、この格子で回折して０と
±１回折次数の分割ビーム束が生じる。これ等の分割ビ
ーム束は目盛格子４２に入射し、この目盛格子で分割ビ
ーム束が新たに回折する。格子の法線方向に回折した複
数の分割ビーム束は合致格子３ｂに順次入射し、そこで
新たな回折により干渉する。
開されたビーム通路を示す。ここでは、第一格子３２ａ
と第三格子３２ｂが空間的に分離されていて、それぞれ
分離格子３２ａと合致格子３２ｂとして機能することが
容易に認識できる。ＬＥＤ２２から出た光ビーム束は第
一格子３２ａに垂直に入射し、この格子で回折して０と
±１回折次数の分割ビーム束が生じる。これ等の分割ビ
ーム束は目盛格子４２に入射し、この目盛格子で分割ビ
ーム束が新たに回折する。格子の法線方向に回折した複
数の分割ビーム束は合致格子３ｂに順次入射し、そこで
新たな回折により干渉する。
【００１３】この光源２２の時間的なコヒーレンス特性
は、分離格子３２ａの０回折次数の分割ビーム束が三つ
の格子３２ａ，４２と３２ｂの間で±１回折次数の二つ
の分割ビーム束とは異なる光路長を進むから、干渉に寄
与しないようになっている。この光源２２の空間的なコ
ヒーレンス特性は、目盛格子４２のところで分離格子３
２ａの±１回折次数の分割ビーム束から生じる０回折次
数の分割ビーム束が測定方向ｘにずれて合致格子３２ｂ
に出射するから、干渉に寄与しないようになっている。
従って、格子の間で同じ光通路を通過し、しかも合致格
子３２ｂのところで測定方向Ｘにずれなしで重なる分割
ビーム束のみが干渉する。
は、分離格子３２ａの０回折次数の分割ビーム束が三つ
の格子３２ａ，４２と３２ｂの間で±１回折次数の二つ
の分割ビーム束とは異なる光路長を進むから、干渉に寄
与しないようになっている。この光源２２の空間的なコ
ヒーレンス特性は、目盛格子４２のところで分離格子３
２ａの±１回折次数の分割ビーム束から生じる０回折次
数の分割ビーム束が測定方向ｘにずれて合致格子３２ｂ
に出射するから、干渉に寄与しないようになっている。
従って、格子の間で同じ光通路を通過し、しかも合致格
子３２ｂのところで測定方向Ｘにずれなしで重なる分割
ビーム束のみが干渉する。
【００１４】図３は、角度εで照明した場合の状況を表
す（広がった光源２３の一つの放出点から出た光ビーム
束の）光線図を示す。容易に理解できるように、信号を
形成する分割ビーム束の光路長（平行四辺形）は等しく
なっている。従って、これ等の分割ビーム束は照明角度
εに無関係に同じ位相で干渉する。
す（広がった光源２３の一つの放出点から出た光ビーム
束の）光線図を示す。容易に理解できるように、信号を
形成する分割ビーム束の光路長（平行四辺形）は等しく
なっている。従って、これ等の分割ビーム束は照明角度
εに無関係に同じ位相で干渉する。
【００１５】これに反して、目盛格子４３のところで分
離格子３３ａの±１回折次数の分割ビーム束から生じる
０回折次数の分割ビーム束の光路長は種々の照明角度に
対して異なる。広がった光源による多くの入射方向を混
合させると、任意の位相の干渉を重ね合わせることにな
る。
離格子３３ａの±１回折次数の分割ビーム束から生じる
０回折次数の分割ビーム束の光路長は種々の照明角度に
対して異なる。広がった光源による多くの入射方向を混
合させると、任意の位相の干渉を重ね合わせることにな
る。
【００１６】このため、分割ビーム束Ｊ0 *, Ｊ+1 *, Ｊ
-1 * とＪ0 **, Ｊ+1 **, Ｊ-1 **が検出器上でただ一定の
定常光成分のみを発生させる。この実施例では、最初の
格子と最後の格子が構造上同一でないので、両方の格子
が分離格子としての役目と合致格子の役目を最適に満た
すように格子パラメータを選択できる。
-1 * とＪ0 **, Ｊ+1 **, Ｊ-1 **が検出器上でただ一定の
定常光成分のみを発生させる。この実施例では、最初の
格子と最後の格子が構造上同一でないので、両方の格子
が分離格子としての役目と合致格子の役目を最適に満た
すように格子パラメータを選択できる。
【００１７】この最適化は、図１の走査格子３を図４に
示すような走査板３４と入れ換えれば、反射型の測定装
置でも可能である。この走査板３４にはこの応用例に対
して異なった格子構造３４ａと３４ｂを有する二つの領
域があり、これ等の構造は分離格子３４ａと合致格子３
４ｂとしての役目に対して最適にされている。この発明
による測長装置または測角装置により、目盛格子４の目
盛周期ＴＰ1が使用する光の波長より短いと言う条件下
で、光源２の時間的および空間的なコヒーレンス特性の
みで周期ＴＰ1/2 の高調波を含まない信号を発生させる
ことができる。
示すような走査板３４と入れ換えれば、反射型の測定装
置でも可能である。この走査板３４にはこの応用例に対
して異なった格子構造３４ａと３４ｂを有する二つの領
域があり、これ等の構造は分離格子３４ａと合致格子３
４ｂとしての役目に対して最適にされている。この発明
による測長装置または測角装置により、目盛格子４の目
盛周期ＴＰ1が使用する光の波長より短いと言う条件下
で、光源２の時間的および空間的なコヒーレンス特性の
みで周期ＴＰ1/2 の高調波を含まない信号を発生させる
ことができる。
【００１８】更に、走査装置を適当に設計するか、ある
いはパターン構造を持つ検出器で干渉縞を評価すること
により、位相のずれた信号を得ることができる。
いはパターン構造を持つ検出器で干渉縞を評価すること
により、位相のずれた信号を得ることができる。
【００１９】
【発明の効果】この発明の著しい利点は、目盛格子の非
常に微細な目盛周期を用いて処理できるので、後で行う
信号の内挿または補間処理の前に高い分解能が既に得ら
れている点にある。
常に微細な目盛周期を用いて処理できるので、後で行う
信号の内挿または補間処理の前に高い分解能が既に得ら
れている点にある。
【図１】 移動を測定するこの発明による装置の光学配
置図、
置図、
【図２】 模式的な光線図、
【図３】 広がった光源を使用した光線図、
【図４】 異なった格子パターンを備えた模式的に示す
走査板。
走査板。
１ 測長装置 ２，２２，２３ 光源 ３ 走査格子 ３２ａ，３３ａ 分離格子（走査格子と同一） ３２ｂ，３３ｂ 合致格子（走査格子と同一） ４，４２，４３ 目盛格子 ５，５２ 光検出器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−61608（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−172204（ＪＰ，Ａ)
Claims (4)
- 【請求項１】 分離格子、目盛格子および合致格子から
成り、光源から出た光を回折させ、回折した分割ビーム
束を更に干渉させる、測定方向に相対移動する複数の格
子を備え、干渉により生じた分割ビーム束の強度変調を
少なくとも一つの検出器で互いに位相のずれた電気信号
に変換する干渉動作の測長または測角装置において、目
盛格子（４，４２）の目盛周期（ＴＰ1 ）が光の波長
（λ）より短く、分離格子と合致格子（３２ａ，３２
ｂ；３３ａ，３３ｂ）の目盛周期（ＴＰ2 ）が目盛格子
（４）の目盛周期（ＴＰ1 ）のほぼ二倍か、あるいは正
確に二倍で、しかも光の波長（λ）よりも長く、光源
（２；２２）の時間的なコヒーレンス特性が分離格子と
合致格子（３２ａ，３２ｂ；３３ａ，３３ｂ）の間で等
しい長さの光路長を進む回折した分割ビーム束のみを干
渉させ、光源（２；２２）の空間的なコヒーレンス特性
が合致格子（３２ｂ；３３ｂ）のところで測定方向
（Ｘ）にずれないで重なる分割ビーム束のみを干渉させ
ることを特徴とする測長または測角装置。 - 【請求項２】 光源から出た光が分離格子により０と±
１回折次数の分割ビーム束に回折し、これ等の分割ビー
ム束が目盛格子に入射し、この目盛格子のとろろで前記
分割ビーム束が新たに回折し、合致格子のところで新た
な回折して干渉し、分離格子で発生した０回折次数の分
割ビーム束が分離格子と合致格子の間で±１回折次数の
二つの分割ビーム束とは異なる光通路を進むので干渉に
寄与することなく、目盛格子のところで分離格子の±１
回折次数の分割ビーム束から生じる０回折次数の分割ビ
ーム束が±１回折次数の分割ビーム束に対して測定方向
Ｘにずれて合致格子に入射し、そのため干渉に寄与しな
いことを特徴とする請求項１に記載の測長または測角装
置。 - 【請求項３】 分離格子と合致格子は透明で一部品で形
成され、目盛格子は反射型に形成されていることを特徴
とする請求項１または２に記載の測長または測角装置。 - 【請求項４】 合致格子のところで相互位相差が 120°
である０と±１回折次数の分割ビーム束が生じることを
特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の測長また
は測角装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE92116126:1 | 1992-09-21 | ||
| EP19920116126 EP0590163B1 (de) | 1992-09-21 | 1992-09-21 | Längen- oder Winkelmesseinrichtung |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06174424A JPH06174424A (ja) | 1994-06-24 |
| JP2718440B2 true JP2718440B2 (ja) | 1998-02-25 |
Family
ID=8210029
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5221407A Expired - Fee Related JP2718440B2 (ja) | 1992-09-21 | 1993-09-06 | 測長または測角装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0590163B1 (ja) |
| JP (1) | JP2718440B2 (ja) |
| DE (2) | DE59204952D1 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0741282A3 (fr) * | 1995-05-04 | 1998-06-17 | CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique S.A. - Recherche et Développement | Dispositif optique de mesure d'un déplacement relatif entre deux éléments |
| JP3641316B2 (ja) * | 1995-05-08 | 2005-04-20 | 松下電器産業株式会社 | 光学式エンコーダ |
| DE19652563A1 (de) * | 1996-12-17 | 1998-06-18 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung |
| DE19716058B4 (de) * | 1997-04-17 | 2011-03-17 | Dr. Johannes Heidenhain Gmbh | Optische Positionsmeßeinrichtung |
| FR2825150B1 (fr) * | 2001-05-28 | 2003-09-26 | Univ Jean Monnet | Dispositif de caracterisation de reseaux optiques et procede de fabrication de reseaux optiques avec une frequence spatiale predefinie |
| DE102005028996B4 (de) * | 2005-06-21 | 2009-12-31 | Ust Umweltsensortechnik Gmbh | Verfahren zum Anordnen eines elektronischen Bauteils in einer Ummantelung und Vorrichtung zum Fixieren eines elektronischen Bauteils in einer Ummantelung |
| US8604413B2 (en) * | 2011-06-13 | 2013-12-10 | Mitutoyo Corporation | Optical encoder including displacement sensing normal to the encoder scale grating surface |
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