JPH0228518A - 変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は、光学式リニアエンコーダや光学式ロータリー
エンコーダ等の、変位測定装置に関するものである。

〔従来技術〕

従来、例えばＵ、Ｓ、Ｐａｔ、Ｎｏ、４，６２９，８８
６やＵ、Ｓ、Ｐａｔ、Ｎｏ、４，６７６．６４５に示さ
れる様に、リニアスケールにレーザ光を照射し、リニア
スケールからの光を光検出器で検出することにより、リ
ニアスケールが取付けられた被検物体の変位を測定する
装置が知られている。

上記のＵ、Ｓ、Ｐａｔｅｎｔｓが示す変位測定装置は、
スケールを回折格子で形成し、レーザ光の照射によりス
ケールから射出する回折光で干渉縞を形成し、この干渉
縞を光電変換して得られる信号に基づいて被検物体若し
くはスケールの変位を測定するものであり、極めて分解
能の高い測定が可能である。しかしながら、被検物体の
移動に伴ないリニアスケールが有効長以上移動してしま
ったり、或いは、リニアスケールが変位の方向に対しで
ある程度以上傾いていたり、変位方向と直交する方向に
ずれている場合、レーザ光が読取りヘッドから外部に漏
れてしまう危険性があった。

〔発明の概要〕

本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり
、レーザ光の読取りヘッドからの漏れを防止することが
可能な変位測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に、本発明の変位測定装置は、光
学式スケールを形成した可動基板にレーザ光を照射し、
前記光学式スケールからの光を光検出器で検出すること
により前記可動基板の変位を測定する変位測定装置にお
いて、前記レーザ光の前記可動基板への入射位置と前記
光学式スケールの位置関係を検出する検出手段を有し、
該検出手段からの出力信号に基づいて前記レーザ光の照
射を制御することを特徴としている。

又、本発明の他の形態の変位測定装置は、光学式スケー
ルを形成した可動基板にレーザ光を照射し、前記光学式
スケールからの光を光検出器で検出することにより前記
可動基板の変位を測定する変位測定装置において、前記
レーザ光の前記可動基板への照射位置と前記光学式スケ
ールの位置関係を検出する検出手段を有し、該検出手段
からの出力信号に基づいて前記レーザ光を供給する光源
と前記光検出器とを含む読取りヘッドと前記可動基板の
位置関係を調整することを特徴としている。

本発明の更なる特徴と具体的な形態は後述する実施例に
記載されている。

〔実施例〕

第１図は本発明の変位測定装置の一実施例を示す光学系
概略図を示す。

第１図において、半導体レーザ１からの可干渉性を有す
るレーザ光をコリメーターレンズ２によって略平行光束
とし、偏光ビームスプリッタ−９に入射させ、偏光ビー
ムスプリッタ−９で互いに偏光方向が直交するＰ偏光の
透過光束とＳ偏光の反射光束の２つの光束に分割してい
る。このときレーザーｌの出射光束の偏光方向が偏光ビ
ームスプリッタ−９の偏光面の偏光方位に対して４５度
となるようにレーザーｌの取付位置を調整している。こ
れにより偏光ビームスプリッタ−９からの透過光束と反
射光束の強度比が略ｌ：ｌとなるようにしている。

そして偏光ビームスプリッタ−９からの反射光束と透過
光束を夫々１／４波長板５１，５□を介して円偏光とし
、又、゛反、射鏡１０．，１０２で反射させて、光学式
スケールを成す回折格子３に入射させた時、対象とする
回折格子３からのｍ次回舌先が回折格子３から略垂直に
反射するように入射させている。

即ち、回折格子３の格子ピッチをＰ１可干渉性光束の波
長をλ、ｍを整数とし、可干渉性光束の回折格子３への
入射角度をθ□としたとき０ｍ　　５ｉｎ−’（ｍλ／
Ｐ）　　　　　　　　　（１）となるように入射させて
いる。

回折格子３は本測定装置の光学式スケールとなる部材で
あり、又、回折格子３は振幅型又は位相型の格子として
可動基板１００上に形成されている。そして、基板１０
０がＸ方向に移動することにより回折格子３もＸ方向に
変位する。

回折格子３から略垂直に射出した２つのｍ次回舌先は光
学部材ｌｌに入射する。光学部材１１の焦点面近傍には
反射膜１２が施されているので、入射した光束は、反射
膜１２で反射した後、元の光路を戻り光学部材１１から
射出し、再度回折格子３に入射する。

そして回折格子３で再度回折されたｍ次の反射回折光は
元の光路を戻り、反射鏡１０．．１０２で反射し、１／
４波長板５１，５□を透過し偏光ビームスプリッタ−９
に再入射する。

このとき再回折光は１／４波長板５Ｉ、５□を往復して
いる為、偏光ビームスプリッタ−９で最初反射した光束
は再入射するときは偏光ビームスプリッタ−９に対して
偏光方位が９０度異なり、偏光ビームスプリッタ−９を
透過するようになる。逆に偏光ビームスプリッタ−９で
最初透過した光束は偏光ビームスプリッタ−９に再入射
したとき反射されるようになる。

こうして偏光ビームスプリッタ−９で２つの回折光を重
なり合わせ、ビームスプリッタ−３１とｌ／４波長板５
３を介した後、円偏光とし、ビームスプリッタ−６で２
つの光束に分割し、各々偏光板７１゜７□を介した後、
直線偏光とし受光素子８□、８゜に各々入射させている
。

尚、（１）式の角度θ□は回折光が集光系２ｏに入射し
、再度回折格子、３に入射出来る程度の範囲内であれば
良いことを示している。

本実施例においてｍ次の回折光の位相は回折格子が１ピ
ツ・チ移動すると２ｍπだけ変化する。従って受光素子
８８，８□からは正と負のｍ次の回折を２回ずつ受けた
光束の干渉を受光している為、回折格子が格子の１ピッ
チ分移動すると４ｍ個の正弦波信号が得られる。

例えば回折格子３のピッチ３．２μｍ１回折光として１
次（ｍ　＝　１　）を利用したとすれば回折格子３が３
．２μｍ移動したとき受光素子８１，８□からは４個の
正弦波信号が得られる。即ち正弦波１個当りの分解能と
して回折格子３のピッチの１／４、即ち３．２／４　＝
　０．８μｍが得られる。

又、１／４波長板５８，５□、５３及び偏光板７□、７
□の組み合わせによって受光素子８１ｅ８□からの出力
信号間に９０度の位相差をつけ、回折格子３の移動方向
も判別出来るようにしている。

尚、単に移動量のみを測定するのであれば受光素子は１
つでも良（、又、１／４波長板５３、ビームスプリッタ
−６は不要である。

尚、第１図において、回折格子３の変位を測定する為の
読取りヘッドを符号Ｒで示している。

本実施例において、基板１００上には回折格子３と共に
所定の反射部が形成されている。この様子を第２図に示
す。

第２図中、符番３５で示す部分が反射部であり、回折格
子３の格子配列方向（Ｘ方向）に長（延びた線状パター
ンが回折格子３に隣接して形成されている。この反射部
３５は、レーザ光の基板１００に対する入射位置と回折
格子３との位置関係を検出する為に設けられており、第
１図、に示す発光素子３３と受光素子３４の組から成る
反射部検出系Ｍと協力して、レーザ光が回折格子３に入
射する位置に基板ｌＯＯがあるか否かをモニターする。

第１図の発光素子３３は、レーザとは異なり、人体に影
響のない光を放射する素子であり、本実施例ではＬＥＤ
を使用している。発光素子３３からの光は反射部３５を
照射し、反射部３５からの反射光が受光素子３４で受光
される。

又、発光素子３３と受光素子３４とから成る反射部検出
系Ｍと前述の第１図で示す変位測定用光学系とは同一の
読取りヘッドＲに格納されている。

ここでは、レーザ光の照射位置が回折格子３からはずれ
る場合に若しくはずれる手前で受光素子３４で受光され
る反射光の強度が所定のしきい値以下になる様、レーザ
光の照射位置と発光素子３３からの光の照射位置及び回
折格子３と反射部３５の配置を決めている。

従って、レーザ光が回折格子３を照射しているか否かが
、発光素子３３と受光素子３４の組から成る検出系の出
力信号、即ち、受光素子３４による光電変換信号に基づ
いて検出できる。この為、受光素子３４からの信号の強
度変化をモニターし、この強度がしきい値以下となった
場合、例えばレーザ１の駆動を停止することにより、読
取りヘッドから外部ヘレーザ光が漏れるのを防ぐことが
できる。

第１図に戻り、ビームスプリッタ−３１は偏光ビームス
プリッタ−９からの光束の一部を反射し、この一部の光
を受光素子３２に向ける。偏光ビームスプリッタ−９か
らの光束は、互いに偏光方向が直交する回折光が重なり
合った光である為、回折格子３が移動しても強度の変化
は生じない。従って、受光素子３２は回折格子３の移動
に関係なく、単に回折光の強度をモニターすることが可
能であり、レーザｌの出力変動や、回折格子３と入射レ
ーザ光の相対的位置関係に依存する回折光の強度変化が
検出できる。

この受光素子３２と前述の受光素子３４からの出力信号
は、例えば第３図に示す回路により処理される。第３図
において、４１と４２は増幅器、４３と４４は比較器、
４５と４６と４９と５０は抵抗、４７と４８は基準電圧
電源、５１と５２はＬＥＤなどから成る表示用発光素子
を示す。又、５３．　５４は比較器４３゜４４からの“
ＨＩＧＨ”又は“ＬＯＷ″の信号を後段の制御回路（不
図示）へ入力する為の端子であり、例えば図示する様に
、比較器４４からの信号は、レーザ１の駆動回路を制御
する為に使用される。

受光素子３２．３４で発生する光強度に応じた電流は、
増幅器４１．４２および抵抗４５．４６により光強度に
応じた電圧に変換される。これを各々所定の基準電圧（
しきい値）４７．４８と比較器４３゜４４で比較し、強
度が所定の値より大きいとき出力端子５３．５４をＬＯ
Ｗ電圧とし、ＬＥＤ５１．５２を点灯させる。強度が所
定の値より小さいときは出力端子５３．５４はＨＩＧＨ
電圧となりＬＥＤは消灯する。これにより、各受光素子
３２．３４が受光した光の強度を知ることができる。発
光素子３３からの光束は径が大きく、しかも指向性がな
いので、受光素子３４に入射する光の強度の変化は基板
１００が本来の位置に対し多少Ｙ方向に変位しても小さ
くなる。これに対し、受光素子３２に入射するレーザ光
の強度は、ビーム径が小さいこと、はぼ平行光であるこ
と、光路が長いことなどから、基板１００のＹ方向の変
位に対して大きく変化するので基板１００へのレーザ光
入射位置の最適な範囲がせま（なる。従つて、まず、受
光素子３４に入射する光の強度をモニタしながら、基板
１００即ち回折格子３の位置の粗調整を行い、次に受光
素子３２に入射する光の強度をモニタしながら回折格子
３の位置の微調整を行うようにすれば、調整が非常に行
いやすく、容易に最適位置に基板１ＯＯ１即ち回折格子
３を追い込み、レーザ光を回折格子３に入射させること
ができる。

また、先に述べた様に受光素子３４に入射する光の強度
がある所定の値に達しないときはレーザｌの動作を停止
させ、ある所定の値に達したときにレーザ１を駆動する
ようにしておけば、回折格子３がレーザ光の入射位置に
ない状態のまま不用意に電源を投入したり、或いは変位
測定中に回折格子３がその有効長以上移動したりしても
レーザー光が射出されない。従って、安全である。

この制御は端子５４の出力をレーザ１の駆動回路に作用
させ、端子５４の出力がＨＩＧＨ電圧のときレーザｌの
発光を停止させ、端子５４の出力がＬＯＷ電圧のときレ
ーザ１を駆動するようにする。これにより、回折格子３
がレーザ光の入射位置にないときに、不用意に、レーザ
ｌからレーザー光が発せられることがなくなる。

又、各光強度の変化は増幅器４１．４２の出力電圧を直
接モニタしてもよいことはいうまでもない。

以上説明した動作をまとめると、次の表１の様になる。

表 発光素子３３から基板１００の反射部３５へ照射する光
束の入射角度は特に限定されず、第４図（Ａ）の様にほ
ぼ垂直方向から入射させてもよい。又、検出系は、第４
図（Ｂ）に示す様に発光・受光容素子がペアでパッケー
ジに入れられたものでもよい。また、発光素子３３は、
ＬＥＤ以外にも、安全性の高いものであれば何でもよい
し、受光素子３４もフォトダイオード、フォトトランジ
スタ等特に限定されない。

また、第３図で示した回路で得られる２つの信号の表示
は、エンコーダの読取りヘッドで表、示させたり、読取
りヘッドから得られる信号を処理するインターフェイス
ユニット内に表示させたりすることができるが、どこで
表示しても本発明の趣旨から外れるものではない。

また、第１図において、ビームスプリッタ３１の配置は
この位置に限定されず、たとえば１／４波長板５３とビ
ームスプリッタ６との間にありてもよい。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、レーザ光の可動基板への入射位
置と可動基板に、形成された回折格子等の光学式スケー
ルとの位置関係を検出する検出手段を設け、この検出手
段からの出力信号に基づいてレーザ光の照射を制御する
ことにより、読取りヘッドからレーザ光が漏れることの
ない、安全性の高い変位測定装置とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の変位測定装置の一実施例を示す光学
系概略図。 第２図は基板上の回折格子と反射部を示す上面図。 第３図は２つの受光素子からの出力信号を処理する処理
回路を示す回路図。 第４図（Ａ）、（Ｂ）は反射部検出系の変形例を示す図
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光学式スケールを形成した可動基板にレーザ光を照射し
   、前記光学式スケールからの光を光検出器で検出するこ
   とにより前記可動基板の変位を測定する変位測定装置に
   おいて、前記レーザ光の前記可動基板への入射位置と前
   記光学式スケールの位置関係を検出する検出手段を有し
   、該検出手段からの出力信号に基づいて前記レーザ光の
   照射を制御することを特徴とする変位測定装置。