JPH0245126B2 - - Google Patents
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- JPH0245126B2 JPH0245126B2 JP62282931A JP28293187A JPH0245126B2 JP H0245126 B2 JPH0245126 B2 JP H0245126B2 JP 62282931 A JP62282931 A JP 62282931A JP 28293187 A JP28293187 A JP 28293187A JP H0245126 B2 JPH0245126 B2 JP H0245126B2
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- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 25
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Classifications
-
- 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
- G01D5/363—Direction discrimination
-
- 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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は一平面に於ける自由度１の直線運動又
は回転運動に対応する態様での第一部材の第二部
材に対する変位を測定する装置に係り、より詳細
には、度量衡的格子（metrological grating）を
利用するこの種の装置に係る。
は回転運動に対応する態様での第一部材の第二部
材に対する変位を測定する装置に係り、より詳細
には、度量衡的格子（metrological grating）を
利用するこの種の装置に係る。
この種の種々の装置が工作機械の制御等の分野
に使用されている。従来のこの種の装置は、相対
変位を測定すべき第一及び第二部材の夫々に対し
て固定位置に設けられた同一周波数又はほぼ同一
周波数の一対の格子を有する。この一対の格子の
うちの一方の格子は透過性であり、他方の格子は
透過性又は反射性である。一対の格子の組合体は
適当な光源で照射される。更に、二つの格子の相
対運動に応じて変化する格子の組合体による透過
又は反射光の変化に応答する手段が設けられてい
る。
に使用されている。従来のこの種の装置は、相対
変位を測定すべき第一及び第二部材の夫々に対し
て固定位置に設けられた同一周波数又はほぼ同一
周波数の一対の格子を有する。この一対の格子の
うちの一方の格子は透過性であり、他方の格子は
透過性又は反射性である。一対の格子の組合体は
適当な光源で照射される。更に、二つの格子の相
対運動に応じて変化する格子の組合体による透過
又は反射光の変化に応答する手段が設けられてい
る。
この従来の装置には設計上乃至使用上多くの問
題がある。特に高度のコリメートして格子系を照
射する必要があり、格子間の間隔を非常に正確に
維持する必要があり、ときには格子間の間隔を非
常に小さくする必要がある。細かい格子を使用す
る場合、特にこれらの問題が避け難い。一般には
測定に必要な分解能を直接与える格子より粗い格
子が使用され、必要な精度乃至分解能の結果を得
るべく補間法が用いられるが、この補間自体が誤
差の原因になる虞れがある。
題がある。特に高度のコリメートして格子系を照
射する必要があり、格子間の間隔を非常に正確に
維持する必要があり、ときには格子間の間隔を非
常に小さくする必要がある。細かい格子を使用す
る場合、特にこれらの問題が避け難い。一般には
測定に必要な分解能を直接与える格子より粗い格
子が使用され、必要な精度乃至分解能の結果を得
るべく補間法が用いられるが、この補間自体が誤
差の原因になる虞れがある。
本発明は前記した点に鑑みなされたものであ
り、その目的とするところは、空間的に周期的な
光学的物体（すなわちコリメートされていない光
を出す）に対する格子の光学的結線特性を利用す
るという考え方に立脚して、前記した問題点の少
なくとも一部を解決し得、補間法を用いることな
くしても所望の分解能を有する比較的簡単で容易
に製造される相対変位測定装置を提供することに
ある。
り、その目的とするところは、空間的に周期的な
光学的物体（すなわちコリメートされていない光
を出す）に対する格子の光学的結線特性を利用す
るという考え方に立脚して、前記した問題点の少
なくとも一部を解決し得、補間法を用いることな
くしても所望の分解能を有する比較的簡単で容易
に製造される相対変位測定装置を提供することに
ある。
前記考え方に従う本発明の相対変位測定装置
は、原理的には、 一つの平面内での自由度１の運動に対応する様
態での第二部材に対する第一部材の相対変位を測
定するための装置であつて、 相互に実質的に一様な間隔となるように夫々が
第一及び第二部材に対して固定位置に設けられて
おり、前記運動方向に空間的に周期的に線を有し
ている第一及び第二の格子と、 第二の格子をコリメートされていない光で照ら
す照射手段と、光検出器手段とからなり、 前記第一及び第二の格子並びに前記照射手段
は、 第二の格子によつて規定された空間的に周期的
な光学的物体の、前記運動方向に空間的に周期的
であり且つ第一の格子から実質的に一様に離間し
た実像が前記第一の格子によつて形成されるよう
に、且つ 第一及び第二部材間に前記相対運動が生じた
際、前記実像が一つの平面内での自由度１の運動
に応じて第二部材に対して相対運動するように配
置されており、 前記光検出器手段は、前記第二部材に対して固
定位置に設けられた前記運動方向に空間的に周期
的な構造体を有しており、前記実像を形成してい
る光を受け取るべく構成されており、且つ第一及
び第二部材間に前記相対運動が生じた際、前記構
造体が前記像と相互作用して光検出手段の出力が
周期的に変動するように構成されている、相対変
位測定装置からなる。
は、原理的には、 一つの平面内での自由度１の運動に対応する様
態での第二部材に対する第一部材の相対変位を測
定するための装置であつて、 相互に実質的に一様な間隔となるように夫々が
第一及び第二部材に対して固定位置に設けられて
おり、前記運動方向に空間的に周期的に線を有し
ている第一及び第二の格子と、 第二の格子をコリメートされていない光で照ら
す照射手段と、光検出器手段とからなり、 前記第一及び第二の格子並びに前記照射手段
は、 第二の格子によつて規定された空間的に周期的
な光学的物体の、前記運動方向に空間的に周期的
であり且つ第一の格子から実質的に一様に離間し
た実像が前記第一の格子によつて形成されるよう
に、且つ 第一及び第二部材間に前記相対運動が生じた
際、前記実像が一つの平面内での自由度１の運動
に応じて第二部材に対して相対運動するように配
置されており、 前記光検出器手段は、前記第二部材に対して固
定位置に設けられた前記運動方向に空間的に周期
的な構造体を有しており、前記実像を形成してい
る光を受け取るべく構成されており、且つ第一及
び第二部材間に前記相対運動が生じた際、前記構
造体が前記像と相互作用して光検出手段の出力が
周期的に変動するように構成されている、相対変
位測定装置からなる。
前記原理に基づく本発明は、実際上光の回折を
無視し得、光学的物体の影の実像を形成するよう
な格子を用いるものであり、かかる本発明によれ
ば前記目的は、 一つの平面内での自由度１の運動に対応する様
態での第二部材に対する第一部材の相対変位を測
定するための装置であつて、 距離ｕだけ一様に離れ夫々が第一及び第二部材
に対して固定位置に設けられており、前記運動方
向にそれぞれ周波数f1及びf2（ただしf1は実質的に
f2の２倍に等しい）で空間的に周期的に線を有し
ている反射性の第一の格子及び透過性の第二の格
子と、距離ｕだけ前記第一の格子から一様に離れ
たところに、周波数f2で前記方向に空間的に周期
的であり、第一及び第二部材間に前記様態での運
動が生じた際第二部材に対して前記様態で動く、
光学的物体としての第二の格子の影の実像を第一
の格子によつて生ぜしめるべく、f1及びf2とは比
較にならない程高い周波数のコリメートされてい
ない光で第二の格子を照らす照射手段と、 第一及び第二部材間に相対運動が生じた際出力
に周期的変化を生ずるような前記第二の格子との
相互関係を有し、前記像に応答する光検出器手段
とを有する相対変位測定装置によつて達成され
る。
無視し得、光学的物体の影の実像を形成するよう
な格子を用いるものであり、かかる本発明によれ
ば前記目的は、 一つの平面内での自由度１の運動に対応する様
態での第二部材に対する第一部材の相対変位を測
定するための装置であつて、 距離ｕだけ一様に離れ夫々が第一及び第二部材
に対して固定位置に設けられており、前記運動方
向にそれぞれ周波数f1及びf2（ただしf1は実質的に
f2の２倍に等しい）で空間的に周期的に線を有し
ている反射性の第一の格子及び透過性の第二の格
子と、距離ｕだけ前記第一の格子から一様に離れ
たところに、周波数f2で前記方向に空間的に周期
的であり、第一及び第二部材間に前記様態での運
動が生じた際第二部材に対して前記様態で動く、
光学的物体としての第二の格子の影の実像を第一
の格子によつて生ぜしめるべく、f1及びf2とは比
較にならない程高い周波数のコリメートされてい
ない光で第二の格子を照らす照射手段と、 第一及び第二部材間に相対運動が生じた際出力
に周期的変化を生ずるような前記第二の格子との
相互関係を有し、前記像に応答する光検出器手段
とを有する相対変位測定装置によつて達成され
る。
本明細書中「光」という用語は可視光線並びに
紫外線及び赤外線を含むものとする。
紫外線及び赤外線を含むものとする。
本発明の相対変位測定装置では、第一部材と第
二部材との間の相対変位によつて、像と第二部材
との間により大きな相対変位が生じる。
二部材との間の相対変位によつて、像と第二部材
との間により大きな相対変位が生じる。
一般に前記第一の格子、光学的物体を構成する
前記第二の格子はすべて前記所与の平面に実質的
に平行な平面内に位置するように配設される。
前記第二の格子はすべて前記所与の平面に実質的
に平行な平面内に位置するように配設される。
次に添付図面を参照して本発明を詳細に設明す
る。
る。
第１図は本発明の前堤となる基本原理を示すも
のである。第１図に示す光学系において、ランプ
１からの光はレンズ２により集光され、三つの線
形の透過格子３，４，５を通過し、光電池６に達
する。第二の格子としての格子３及び第一の格子
としての格子４は、相互に距離ｕ隔てられた平行
面内に夫々の線が平行になるように設けられてい
る。第一の格子４は空間周波数f1を有し、第二の
格子３は空間周波数f2を有する。格子３は格子４
を散漫に照射する空間的に周期的な光学的物体を
規定している。以上において第二の格子３をコリ
メートされていない光で照らす照射手段は、ラン
プ１及びレンズ２からなる。
のである。第１図に示す光学系において、ランプ
１からの光はレンズ２により集光され、三つの線
形の透過格子３，４，５を通過し、光電池６に達
する。第二の格子としての格子３及び第一の格子
としての格子４は、相互に距離ｕ隔てられた平行
面内に夫々の線が平行になるように設けられてい
る。第一の格子４は空間周波数f1を有し、第二の
格子３は空間周波数f2を有する。格子３は格子４
を散漫に照射する空間的に周期的な光学的物体を
規定している。以上において第二の格子３をコリ
メートされていない光で照らす照射手段は、ラン
プ１及びレンズ２からなる。
格子４の結像特性を考えるに際して、ランプ１
及びレンズ２からのコリメートされていない光の
周波数は格子３，４の空間周波数f2，f1とは比較
にならない程大きく、格子４による回折効果が無
視できる状態にある。このため光は直線的に伝播
し、格子４から距離ｖにある格子４に平行な面内
に、格子４の影が実像の形で形成される。ここで
f2とf1は次の式(1)の関係にある。
及びレンズ２からのコリメートされていない光の
周波数は格子３，４の空間周波数f2，f1とは比較
にならない程大きく、格子４による回折効果が無
視できる状態にある。このため光は直線的に伝播
し、格子４から距離ｖにある格子４に平行な面内
に、格子４の影が実像の形で形成される。ここで
f2とf1は次の式(1)の関係にある。
f2／f1＝１／２ ……(1)
この影の像は次の式(2)により与えられる空間周
波数f3を有する。
波数f3を有する。
f3／f1＝１／２ ……(2)
格子３に対して格子４を、格子３，４の面に平
行に且つ格子３，４の線に垂直に大きさｄだけ変
位させると、映像が大きさＤだけ平行に変位す
る。ここで映像の変位の大きさＤは次の式(3)によ
り決定される。
行に且つ格子３，４の線に垂直に大きさｄだけ変
位させると、映像が大きさＤだけ平行に変位す
る。ここで映像の変位の大きさＤは次の式(3)によ
り決定される。
Ｄ＝2d ……(3)
従つて空間周波数がf3の格子５を形成し、この
格子５を、格子３，４の線と格子５の線とが平行
になるように格子３，４に平行に格子４からｖの
距離に格子３に対して固定的に設置すると、格子
３及び４が格子面に平行に且つ格子の線に垂直に
相対的に移動されるにつれ、格子４により形成さ
れる影像が格子５と相互作用して光電池６に達す
る光の強度が周期的に変化する。更に、格子５が
格子３に対して静止している故、光電池６の出力
から前記相対運動の大きさを求め得る。
格子５を、格子３，４の線と格子５の線とが平行
になるように格子３，４に平行に格子４からｖの
距離に格子３に対して固定的に設置すると、格子
３及び４が格子面に平行に且つ格子の線に垂直に
相対的に移動されるにつれ、格子４により形成さ
れる影像が格子５と相互作用して光電池６に達す
る光の強度が周期的に変化する。更に、格子５が
格子３に対して静止している故、光電池６の出力
から前記相対運動の大きさを求め得る。
以上において、光検出器手段は空間的に周期的
な構造体としての格子５と光電池６とからなる。
な構造体としての格子５と光電池６とからなる。
本発明においてはｕ＝ｖであり、かつ1/2f1＝
f2＝f3であつて、第１図に示す光学系の格子４の
代りに反射格子７が使用される。これにより鏡像
面を格子３の面と一致させることが可能となつ
た。この結果、上記光学系は三つの格子を有する
構造から二つの格子のみを有する構造に簡略化さ
れ、これらの格子３，７のうちの一方の格子３が
二つの機能（第１図の格子３と格子５の機能）を
果す。即ち、例えば第２図の格子３は空間的に周
期的な光学的物体を構成する第二の格子として働
くのみならず影像と相互作用する光検出器手段の
空間的に周期的な構造体としても働く。この変更
を加えた特定の光学系についての詳細は後述す
る。
f2＝f3であつて、第１図に示す光学系の格子４の
代りに反射格子７が使用される。これにより鏡像
面を格子３の面と一致させることが可能となつ
た。この結果、上記光学系は三つの格子を有する
構造から二つの格子のみを有する構造に簡略化さ
れ、これらの格子３，７のうちの一方の格子３が
二つの機能（第１図の格子３と格子５の機能）を
果す。即ち、例えば第２図の格子３は空間的に周
期的な光学的物体を構成する第二の格子として働
くのみならず影像と相互作用する光検出器手段の
空間的に周期的な構造体としても働く。この変更
を加えた特定の光学系についての詳細は後述す
る。
格子３に入射する光が完全にコリメートされて
いる場合影像は全く形成されない。更に部分的に
コリメートされている入射光の場合、ほぼ（Ｎ−
１／２）／λf1f2なる距離ｕに対しては良好な影像は
形成されない。ここでＮは整数であり、λは使用
する光の平均波長である。一般に距離ｖが増加す
るにつれ、光が直進するという仮定は次第に有効
性を失うため、影像のコントラストは減少する。
いる場合影像は全く形成されない。更に部分的に
コリメートされている入射光の場合、ほぼ（Ｎ−
１／２）／λf1f2なる距離ｕに対しては良好な影像は
形成されない。ここでＮは整数であり、λは使用
する光の平均波長である。一般に距離ｖが増加す
るにつれ、光が直進するという仮定は次第に有効
性を失うため、影像のコントラストは減少する。
上記の例に対応する光学系において、格子３，
４，５は全てその線が平行になるように設けられ
ており、従つて光強度の周期的変化を生じさせる
像と格子５の相互作用は、「シヤツタリング」効
果（shuttering effect）とみなされ得る。勿論、
別の方法も可能である。格子４の線を格子３，５
の線に対してわずかに傾斜させてもよく、像が格
子５と相互作用するとき、（複数の）モアレ縞が
生成される。これは単一のモアレ縞に亘る複数の
光電池により検出され得る。格子５が格子４によ
り形成される像の空間周波数とわずか異なる空間
周波数を有していてもよく、この場合には、バー
ニヤ縞として知られる縞が生成され、モアレ縞と
同様な方法で検出され得る。
４，５は全てその線が平行になるように設けられ
ており、従つて光強度の周期的変化を生じさせる
像と格子５の相互作用は、「シヤツタリング」効
果（shuttering effect）とみなされ得る。勿論、
別の方法も可能である。格子４の線を格子３，５
の線に対してわずかに傾斜させてもよく、像が格
子５と相互作用するとき、（複数の）モアレ縞が
生成される。これは単一のモアレ縞に亘る複数の
光電池により検出され得る。格子５が格子４によ
り形成される像の空間周波数とわずか異なる空間
周波数を有していてもよく、この場合には、バー
ニヤ縞として知られる縞が生成され、モアレ縞と
同様な方法で検出され得る。
上記の説明は又回転変位の測定に使用される放
射状格子の場合にも適用できる。しかし乍ら、こ
の場合、線形格子に比較して、系の使用可能光学
的アパーチヤ上のピツチ変化に応じる程度の像の
コントラストが悪くなる。
射状格子の場合にも適用できる。しかし乍ら、こ
の場合、線形格子に比較して、系の使用可能光学
的アパーチヤ上のピツチ変化に応じる程度の像の
コントラストが悪くなる。
第２図及び第３図は第１図に示された本発明の
前提となる基本原理に基づき、これを具体化する
ための実施例を示すもので、透過格子４の代りに
反射格子７を使用している。第２図の光学系にお
いて、ランプ１からの光はレンズ２により集光さ
れ、ハーフミラー８で反射され、透過型指標格子
３を通つて反射型スケール格子７に入射される。
格子７からの反射光は再び格子３を通り、ハーフ
ミラー８を透過して光電池６に入る。
前提となる基本原理に基づき、これを具体化する
ための実施例を示すもので、透過格子４の代りに
反射格子７を使用している。第２図の光学系にお
いて、ランプ１からの光はレンズ２により集光さ
れ、ハーフミラー８で反射され、透過型指標格子
３を通つて反射型スケール格子７に入射される。
格子７からの反射光は再び格子３を通り、ハーフ
ミラー８を透過して光電池６に入る。
第３図の光学系では、ランプ１からの光は鏡９
で反射され、レンズ２で集光され、指標格子３を
透過した後、反射スケール格子７に入射される。
格子７からの反射光は再び格子３を通り、レンズ
１０及び鏡１１を介して光電池６に達する。光学
要素１，９，２，３，１０，１１，６は固定的に
組み立てられた読取ヘツド１２を構成している。
読取ヘツド１２と反射格子７とからなる相対変位
測定装置では、読取ヘツド１２と格子７との間の
横方向相対運動が測定される。これらの両光学系
に於いて、格子３，７の空間周波数及びこれら相
互の間隔は勿論上記の原理に従つて選択されてい
る。
で反射され、レンズ２で集光され、指標格子３を
透過した後、反射スケール格子７に入射される。
格子７からの反射光は再び格子３を通り、レンズ
１０及び鏡１１を介して光電池６に達する。光学
要素１，９，２，３，１０，１１，６は固定的に
組み立てられた読取ヘツド１２を構成している。
読取ヘツド１２と反射格子７とからなる相対変位
測定装置では、読取ヘツド１２と格子７との間の
横方向相対運動が測定される。これらの両光学系
に於いて、格子３，７の空間周波数及びこれら相
互の間隔は勿論上記の原理に従つて選択されてい
る。
第２図及び第３図に示す装置に於いて、光検出
手段は格子３と光電池６との組み合わせにより効
果的に構成され、透過格子と空間的に周期的な光
検出器の機能とを結した単一の周期的構造体に代
えることが可能となつた。この構造体は格子７に
より反射された光を受けるために格子の線と夫々
協働する感光素子列からなる。前記構造体は例え
ば英国特許1231029号明細書に述べられている。
これらの変形で、透過格子の照射に使われる装置
は勿論第１図の格子３の照射に使用した装置と同
様なものでもよい。
手段は格子３と光電池６との組み合わせにより効
果的に構成され、透過格子と空間的に周期的な光
検出器の機能とを結した単一の周期的構造体に代
えることが可能となつた。この構造体は格子７に
より反射された光を受けるために格子の線と夫々
協働する感光素子列からなる。前記構造体は例え
ば英国特許1231029号明細書に述べられている。
これらの変形で、透過格子の照射に使われる装置
は勿論第１図の格子３の照射に使用した装置と同
様なものでもよい。
反射格子を使つて結像させる装置に原則として
適用可能な別の変形としては、別個の光源で照射
される格子３と、空間的に周期的な光学的物体を
構成する発光素子列を内蔵する装置に置き代える
ことである。この発光素子列は、該発光素子と感
光素子とを交互に並べてなる空間的に周期的な構
造体の一部分となつてもよい。
適用可能な別の変形としては、別個の光源で照射
される格子３と、空間的に周期的な光学的物体を
構成する発光素子列を内蔵する装置に置き代える
ことである。この発光素子列は、該発光素子と感
光素子とを交互に並べてなる空間的に周期的な構
造体の一部分となつてもよい。
次に第４図及び第５図に示す本発明の具体例に
ついて説明する。この装置は第二部材としての部
材１４に固定的に設けられた読み取りヘツド１３
と、第一部材としての部材１７の機械加工面１６
に固定的に設けられた線形の反射スケール格子１
５とからなる。部材１４は格子１５の面に平行に
且つ該格子ラインに垂直に部材１７に対して移動
可能である。案内ねじ１９の動作により部材１４
が部材１７に形成された溝１８内をすべり、その
結果読み取りヘツド１３が格子１５に対して移動
し、部材１４，１７間の相対運動の程度及び方向
が測定可能となる。この相対運動は制御の対象で
ある工作機械の構成要素の運動と一致させてもよ
い。
ついて説明する。この装置は第二部材としての部
材１４に固定的に設けられた読み取りヘツド１３
と、第一部材としての部材１７の機械加工面１６
に固定的に設けられた線形の反射スケール格子１
５とからなる。部材１４は格子１５の面に平行に
且つ該格子ラインに垂直に部材１７に対して移動
可能である。案内ねじ１９の動作により部材１４
が部材１７に形成された溝１８内をすべり、その
結果読み取りヘツド１３が格子１５に対して移動
し、部材１４，１７間の相対運動の程度及び方向
が測定可能となる。この相対運動は制御の対象で
ある工作機械の構成要素の運動と一致させてもよ
い。
第５図は第４図の読み取りヘツド１３の部分を
示す透視図であり、線形の透過型指標格子２０は
格子１５，２０間の間隔が一様になるように格子
１５に対向して読み取りヘツド１３に装着されて
いる。格子２０の背面には４つの同一ユニツト２
１が適当な接着剤により固定されている。各ユニ
ツト２１は合成樹脂でシールドされた固体発光器
２２と固体光検出器２３とを有している。更に発
光器２２に電力を供給し光検出器２３から出力信
号をとりだす導線が設けられている。光源２２か
ら出た光は格子２０を通り、格子２０の面に像が
形成されるように格子１５で反射される。格子２
０を通過した反射光は光検出器２３に達する。各
光検出器２３は基本的に各検出器２３が属するユ
ニツト２１内の光源２２から出た光を受け取るた
め、部材１４，１７間に相対運動が生じた場合、
各光検出器２３の出力は周期的に変化する。
示す透視図であり、線形の透過型指標格子２０は
格子１５，２０間の間隔が一様になるように格子
１５に対向して読み取りヘツド１３に装着されて
いる。格子２０の背面には４つの同一ユニツト２
１が適当な接着剤により固定されている。各ユニ
ツト２１は合成樹脂でシールドされた固体発光器
２２と固体光検出器２３とを有している。更に発
光器２２に電力を供給し光検出器２３から出力信
号をとりだす導線が設けられている。光源２２か
ら出た光は格子２０を通り、格子２０の面に像が
形成されるように格子１５で反射される。格子２
０を通過した反射光は光検出器２３に達する。各
光検出器２３は基本的に各検出器２３が属するユ
ニツト２１内の光源２２から出た光を受け取るた
め、部材１４，１７間に相対運動が生じた場合、
各光検出器２３の出力は周期的に変化する。
格子２０はその線が格子１５の線に対してわず
かに傾斜した状態で読み取りヘツド１３内に設け
られており、格子１５によつて形成された像が格
子２０と相互作用したとき、この像はモアレ縞を
生じさせる。
かに傾斜した状態で読み取りヘツド１３内に設け
られており、格子１５によつて形成された像が格
子２０と相互作用したとき、この像はモアレ縞を
生じさせる。
４つの光検出器２３が単一のモアレ縞に亘り、
部材１４，１７間の相対運動によつて生じる４つ
の光検出器２３の検出出力の周期的変化の位相が
順次90゜増で変化するように、ユニツト２１は格
子２０上に設置されている。
部材１４，１７間の相対運動によつて生じる４つ
の光検出器２３の検出出力の周期的変化の位相が
順次90゜増で変化するように、ユニツト２１は格
子２０上に設置されている。
第６図は光検出器２３の出力を用いて部材１
４，１７間の相対運動の方向と大きさとを決定す
る１方法を示す図である。第６図の回路におい
て、光検出器２３の出力は整合された増幅器２４
によつて増幅され、位相順にみて第１及び第３の
光検出器２３の増幅出力は差動回路２５で減算さ
れる。回路２５の出力は信号Ａを発生する矩形波
用のシユミツトトリガ26に入る。第２及び第４の
光検出器２３の増幅出力は差動回路２７で減算さ
れ、回路２７の出力は信号Ｂを出力するシユミツ
トトリガ２８によつて矩形波化される。部材１
４，１７間の相対運動の結果生ずる各信号Ａ、Ｂ
の大きさの変化は90゜ずれた位相関係にある。信
号Ａ及びＢは一対のＪ−Ｋフリツプフロツプ２
９，３０に加えられる。信号Ａはフリツプフロツ
プ２９のクロツク入力３１とフリツプフロツプ３
０のリセツト入力３２に与えられ、信号Ｂはフリ
ツプフロツプ２９のリセツト入力３３とフリツプ
フロツプ３０のクロツク入力３４に与えられる。
各フリツプフロツプ２９，３０のＪ及びＫ入力は
論理１に維持された端子３５に接続されている。
フリツプフロツプ２９のＱ出力は両方向計数器３
７の「アツプ」入力３６に入り、フリツプフロツ
プ３３のＱ出力は計数器３７の「ダウン」入力３
８に入る。計数器３７の出力は適当な文字及び数
字表示装置３９により表示される。
４，１７間の相対運動の方向と大きさとを決定す
る１方法を示す図である。第６図の回路におい
て、光検出器２３の出力は整合された増幅器２４
によつて増幅され、位相順にみて第１及び第３の
光検出器２３の増幅出力は差動回路２５で減算さ
れる。回路２５の出力は信号Ａを発生する矩形波
用のシユミツトトリガ26に入る。第２及び第４の
光検出器２３の増幅出力は差動回路２７で減算さ
れ、回路２７の出力は信号Ｂを出力するシユミツ
トトリガ２８によつて矩形波化される。部材１
４，１７間の相対運動の結果生ずる各信号Ａ、Ｂ
の大きさの変化は90゜ずれた位相関係にある。信
号Ａ及びＢは一対のＪ−Ｋフリツプフロツプ２
９，３０に加えられる。信号Ａはフリツプフロツ
プ２９のクロツク入力３１とフリツプフロツプ３
０のリセツト入力３２に与えられ、信号Ｂはフリ
ツプフロツプ２９のリセツト入力３３とフリツプ
フロツプ３０のクロツク入力３４に与えられる。
各フリツプフロツプ２９，３０のＪ及びＫ入力は
論理１に維持された端子３５に接続されている。
フリツプフロツプ２９のＱ出力は両方向計数器３
７の「アツプ」入力３６に入り、フリツプフロツ
プ３３のＱ出力は計数器３７の「ダウン」入力３
８に入る。計数器３７の出力は適当な文字及び数
字表示装置３９により表示される。
上記方法でフリツプフロツプ２９及び３０に信
号Ａ及びＢを送ると、部材１４，１７間の相対運
動の一対向に対して単に１個のみのフリツプフロ
ツプが計数器３７に出力を出し得る。他方のフリ
ツプフロツプではクロツク入力に信号が発生する
間、リセツト入力に信号が現われ従つてそのＱ出
力の変化を抑制するからである。フリツプフロツ
プ２９，３０のいずれが出力を与えるかは、部材
１４，１７間の相対運動の向きにより決定される
信号ＡとＢの位相差の向きに依存している適切な
フリツプフロツプにより計数器３７に送られるパ
ルス数は勿論相対運動の程度に比例する。
号Ａ及びＢを送ると、部材１４，１７間の相対運
動の一対向に対して単に１個のみのフリツプフロ
ツプが計数器３７に出力を出し得る。他方のフリ
ツプフロツプではクロツク入力に信号が発生する
間、リセツト入力に信号が現われ従つてそのＱ出
力の変化を抑制するからである。フリツプフロツ
プ２９，３０のいずれが出力を与えるかは、部材
１４，１７間の相対運動の向きにより決定される
信号ＡとＢの位相差の向きに依存している適切な
フリツプフロツプにより計数器３７に送られるパ
ルス数は勿論相対運動の程度に比例する。
第４図及び第５図に示す装置において、格子１
５及び２０の空間周波数及びその間隔は当然上記
の原理に従つて式(1)及び(2)を満たすように選択さ
れている。例えば光源２２として、ピークが波長
940ナノメータにあるガリウムヒ素赤外線用発光
ダイオードを使用し、光検出器２３とＮ−Ｐ−Ｎ
シリコンフオトトランジスタを使用する際、格子
１５及び２０の夫々の空間周波数が100ライン／
cm及び50ライン／cmで、格子１５，２０間の間隔
を２cmあけた配列が適当である。
５及び２０の空間周波数及びその間隔は当然上記
の原理に従つて式(1)及び(2)を満たすように選択さ
れている。例えば光源２２として、ピークが波長
940ナノメータにあるガリウムヒ素赤外線用発光
ダイオードを使用し、光検出器２３とＮ−Ｐ−Ｎ
シリコンフオトトランジスタを使用する際、格子
１５及び２０の夫々の空間周波数が100ライン／
cm及び50ライン／cmで、格子１５，２０間の間隔
を２cmあけた配列が適当である。
以上のとおり、本発明相対変位測定装置では、
第二の格子をコリメートされていない光で照らす
照射手段が設けられており、第二の格子が空間的
に周期的な光学的物体を規定するように第二の格
子及び照射手段が構成されているために、 第二の格子が光学的物体として散漫な光を出
し、 しかも、前記光学的物体の、第一及び第二部材
の相対運動方向に空間的に周期的であり且つ第一
の格子から実質的に一様に離間した実際が第一の
格子によつて形成されるように第一及び第二の格
子が構成されているために、 空間的に周期的な光学的物体として働く第二の
格子からの散漫な光が第一の格子によつて実像と
して結像される。
第二の格子をコリメートされていない光で照らす
照射手段が設けられており、第二の格子が空間的
に周期的な光学的物体を規定するように第二の格
子及び照射手段が構成されているために、 第二の格子が光学的物体として散漫な光を出
し、 しかも、前記光学的物体の、第一及び第二部材
の相対運動方向に空間的に周期的であり且つ第一
の格子から実質的に一様に離間した実際が第一の
格子によつて形成されるように第一及び第二の格
子が構成されているために、 空間的に周期的な光学的物体として働く第二の
格子からの散漫な光が第一の格子によつて実像と
して結像される。
本発明の相対変位測定装置では、第二の格子を
散漫な光を出す光学的物体として機能させ、第一
の格子を結像手段として機能させるようにしたた
め、第二部材に対する第一部材の相対変位を第二
部材に対する像の拡大された変位に変換し得る。
散漫な光を出す光学的物体として機能させ、第一
の格子を結像手段として機能させるようにしたた
め、第二部材に対する第一部材の相対変位を第二
部材に対する像の拡大された変位に変換し得る。
しかも、本発明の相対変位測定装置では、光検
出器手段が、実像を形成した光を受け取るべく構
成されているために、前記の拡大された像変位
を、周期的に変動する出力の形で出し得、高精度
の相対変位測定を可能にしている。
出器手段が、実像を形成した光を受け取るべく構
成されているために、前記の拡大された像変位
を、周期的に変動する出力の形で出し得、高精度
の相対変位測定を可能にしている。
第１図は本発明の前提となる基本原理を示す説
明図、第２図及び第３図はそれぞれ第１図の配列
の変形態様を示す説明図、第４図は本発明に係る
装置の概略透視図、第５図は第４図の装置の一部
の概略透視図、第６図は第４図の装置に使用する
電気回路の概略を示す回路図である。 １，２２……光源、２，１０……レンズ、３，
４，５，７，１５，２０……格子、６，２３……
光検出器、８，９，１１……鏡、１２，１３……
読取ヘツド。
明図、第２図及び第３図はそれぞれ第１図の配列
の変形態様を示す説明図、第４図は本発明に係る
装置の概略透視図、第５図は第４図の装置の一部
の概略透視図、第６図は第４図の装置に使用する
電気回路の概略を示す回路図である。 １，２２……光源、２，１０……レンズ、３，
４，５，７，１５，２０……格子、６，２３……
光検出器、８，９，１１……鏡、１２，１３……
読取ヘツド。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 一つの平面内での自由度１の運動に対応する
様態での第二部材に対する第一部材の相対変位を
測定するための装置であつて、 距離ｕだけ一般に離れて夫々が第一及び第二部
材に対して固定位置に設けられており、前記運動
方向に夫々周波数f1及びf2（ただしf1は実質的にf2
の２倍に等しい）で空間的に周期的に線を有して
いる反射性の第一の格子及び透過性の第二の格
子、 距離ｕだけ前記第一の格子から一様に離れたと
ころに、周波数f2で前記方向に空間的に周期的で
あり、第一及び第二部材間に前記様態での運動が
生じた際、第二部材に対して前記様態で動く光学
的物体としての第二の格子の影の実像を第一の格
子によつて生ぜしめるべく、f1及びf2とは比較に
ならない程高い周波数のコリメートされていない
光で第二の格子を照らす照射手段、及び 第一及び第二部材間に相対運動が生じた際出力
に周期的変化を生ずるような前記第二の格子との
相互関係を有し、前記像に応答する光検出器手段
とを有する 相対変位測定装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB11598/74A GB1504691A (en) | 1974-03-15 | 1974-03-15 | Measurement apparatus |
| GB44522/74 | 1974-10-14 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63153408A JPS63153408A (ja) | 1988-06-25 |
| JPH0245126B2 true JPH0245126B2 (ja) | 1990-10-08 |
Family
ID=9989194
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62082179A Pending JPS6333604A (ja) | 1974-03-15 | 1987-04-01 | 相対変位測定装置 |
| JP62282931A Granted JPS63153408A (ja) | 1974-03-15 | 1987-11-09 | 相対変位測定装置 |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62082179A Pending JPS6333604A (ja) | 1974-03-15 | 1987-04-01 | 相対変位測定装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4051367A (ja) |
| JP (2) | JPS6333604A (ja) |
| CA (1) | CA1034368A (ja) |
| GB (1) | GB1504691A (ja) |
Families Citing this family (38)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CH626169A5 (ja) * | 1976-11-25 | 1981-10-30 | Leitz Ernst Gmbh | |
| US4265542A (en) * | 1977-11-04 | 1981-05-05 | Computervision Corporation | Apparatus and method for fine alignment of a photomask to a semiconductor wafer |
| US4218615A (en) * | 1978-10-23 | 1980-08-19 | Martin Marietta Corporation | Incremental digital shaft encoder |
| JPS5726004U (ja) * | 1980-07-21 | 1982-02-10 | ||
| JPS57157118A (en) * | 1981-03-24 | 1982-09-28 | Mitsutoyo Mfg Co Ltd | Photoelectric type displacement detecting device |
| GB8432574D0 (en) * | 1984-12-22 | 1985-02-06 | Renishaw Plc | Opto-electronic scale-reading apparatus |
| DE3541199C1 (de) * | 1985-11-21 | 1987-06-25 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Lichtelektrische Positionsmesseinrichtung |
| DE3543179A1 (de) * | 1985-12-06 | 1987-06-11 | Philips Patentverwaltung | Optischer weg-sensor mit einem filter |
| GB8615197D0 (en) * | 1986-06-21 | 1986-07-23 | Renishaw Plc | Opto-electronic scale reading apparatus |
| GB8615196D0 (en) * | 1986-06-21 | 1986-07-23 | Renishaw Plc | Opto-electronic scale reading apparatus |
| IN168444B (ja) * | 1986-08-15 | 1991-04-06 | Mitutoyo Mfg Co Ltd | |
| US5064290A (en) * | 1987-12-12 | 1991-11-12 | Renishaw Plc | Opto-electronic scale-reading apparatus wherein phase-separated secondary orders of diffraction are generated |
| GB8729246D0 (en) * | 1987-12-15 | 1988-01-27 | Renishaw Plc | Opto-electronic scale-reading apparatus |
| US4806034A (en) * | 1988-02-10 | 1989-02-21 | Polaroid Corporation | Write head controller with grid synchronization |
| US5099116A (en) * | 1990-10-25 | 1992-03-24 | The Perkin-Elmer Corporation | Optical device for measuring displacement |
| GB9023659D0 (en) * | 1990-10-31 | 1990-12-12 | Renishaw Plc | Opto-electronic scale reading apparatus |
| EP0543513B2 (en) * | 1991-11-06 | 2007-10-24 | Renishaw Transducer Systems Limited | Opto-electronic scale-reading apparatus |
| EP0599601A3 (en) * | 1992-11-23 | 1995-07-19 | British Aerospace | Swingplate analysis. |
| GB9425907D0 (en) * | 1994-12-22 | 1995-02-22 | Renishaw Plc | Opto-electronic scale reading apparatus |
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| GB9605278D0 (en) * | 1996-03-13 | 1996-05-15 | Renishaw Plc | Opto-electronic scale reading apparatus |
| DE19859669A1 (de) * | 1998-12-23 | 2000-06-29 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Integrierter optoelektronischer Sensor und Verfahren zu dessen Herstellung |
| DE19859670A1 (de) | 1998-12-23 | 2000-06-29 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Abtastkopf und Verfahren zu dessen Herstellung |
| DE19917950A1 (de) * | 1999-04-21 | 2000-10-26 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Integrierter optoelektronischer Dünnschichtsensor und Verfahren zu dessen Herstellung |
| DE19918101A1 (de) * | 1999-04-22 | 2000-10-26 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Optische Positionsmeßeinrichtung |
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| JP4791811B2 (ja) * | 2005-12-06 | 2011-10-12 | 株式会社ミツトヨ | 光電式ロータリエンコーダ |
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- 1987-11-09 JP JP62282931A patent/JPS63153408A/ja active Granted
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3812352A (en) * | 1972-08-28 | 1974-05-21 | Itek Corp | Encoder readout system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB1504691A (en) | 1978-03-22 |
| JPS6333604A (ja) | 1988-02-13 |
| US4051367A (en) | 1977-09-27 |
| CA1034368A (en) | 1978-07-11 |
| JPS63153408A (ja) | 1988-06-25 |
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