JPH05133769A - 干渉位置測定装置 - Google Patents
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Abstract
照明強度や走査格子と目盛ホルダーの間の間隔に無関係
であって、光源と、少なくとも二つの回折部材と、互い
に干渉する分割ビームを検出する検出器とを用いて信号
を発生させる干渉で動作する装置を提供する。 【構成】 回折部材A,B,A′の回折構造パターンの
パラメータが位置に依存して変化し、この変化が絶えず
行われる。
Description
構造パターンが同じであるか、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干渉的に動作する装置に関する。
は測角装置の場合、一定の原点を確認し、再現するでき
るために知られている。
パルスを発生するための基準マークの構成が開示されて
いる。この場合、光源のビームを回折させて、検出器に
偏向させる目盛分割マークとしての位相格子が使用され
ている。逆相、あるいは準逆槽信号の評価部が、照明強
度(および或る限界内で間隔の変化)に相対的に無関係
な基準パルスを供給する。この基準パルスのパルス幅
は、大体、目盛ホルダー上の分割目盛マークの幅と、走
査板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。
上に説明した難点を保有していない基準パルス発生器は
公知である。この基準パルス発生器は、異なった格子間
隔の周期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格子発生器原理によって(J. Willh
elm の学位論文, 「3段格子発生器−位置変化を測定す
る光電検出器」("Dreigittershrittgeber−photoelekt
rische Aufnehmer zurMessung von Lageaenderungen",
TU Hannover))異なった周期の信号を導くていいる。フ
ーリエ級数によって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
る。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
個別基準パルスだけでなく、周期的な列のパルスも出力
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、種々異なって構成されている基準マークによって基
準マークの区別が可能である必要がある。
により、ことによって解決されている。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。
的な図面に基づき説明する。図1には、入射光法で働く
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′は周期的な目盛りを保有していない。むしろ、
この格子定数は目盛方向xに沿って、d=d(x) のよう
に変わる。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、先ず連続可変格子が同じ目盛を
有すると仮定する。図1には、簡単のため、ただ僅かな
回折ビームしか記入していない。 コリメートされた非
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,D
0,D1は、−1.,0.および+1.の合成回折次数
のビーム束を検出する。
X=0にあり、この位置で格子線に応じて、格子A,
A′およびBが対向しているなら、位置に依存する格子
定数の影響によって、分割ビーム束の間の位相のずれと
成るビームの傾きδΘ,δφ,δφ′が生じる。これ等
の位相のずれは格子定数aに依存する。これ等の位相の
ずれを小さく維持する必要がある。何故なら、検出器D
−1,D0,D1によって得られた信号波形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次の合成次数
である。この条件は、局部的な格子定数d(x) の変化、
δd(X)/δx の変動が小さい値に制限されている時に満
たされる。このことは、実際に、必ずそれに相当する長
い格子目盛によって達成できる。
い一周期の周期信号を出力する通常の3格子発生器から
派出している。連続可変格子を使用する場合、この格子
は基本的にそれぞれ一定であるが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ることによっ
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。
関数依存性は異なった信号波形Sn(x) を与える。格子
の刻線部分に相当するウェブの高さ、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他の
格子パラメータの場所に依存する変化によっても、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。
子に寄与する個々の周波数成分の位相によっても決定さ
れる。回折格子Bの部分格子中の個々の格子の刻線部分
であるウェブを回折格子AとA′の対応するものに対し
て移動させることによって、これ等の位相を可変でき
る。つまり、信号波形Sn(x) を広い限界の内で可変で
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によって平行ビームにされ、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とD1によって検出される。受
光素子D−1とD1は、合成された−1あるいは+1次
の連続可変格子の異なった回折角度を捕捉できるのに充
分な長さを持っている。
た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、それに応じて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。
り、格子パラメータによって合成回折次数間の位相のず
れを調節できることは公知である。上記の位相のずれ
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+ に比べて移動していて、信号
の1位相のずれに成っている。
相当する受光検出器D−1,D0,D1と光源Lの配置
が示してある。図7には、走査板Aと、基準パルスを使
う増分測長系の目盛ホルダーBとの上にある格子の可能
性のある一つの配置が示してある。走査板Aの周期的な
目盛視野4は、測長検出器の増分信号を発生させる目盛
ホルダーBの周期的な目盛板目盛7と一緒に使用され
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、それに続く、周期的に目盛ってある領域S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の原点
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の上にある。連続可変格子は、合成0次の回
折次数で正相信号が、また±1の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、逆相の受光素子に光が入射しなく、正相の受光素
子に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、しきい値レベルの
とき、零レベルの近くで基準パルスを作動させる。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、最終的に基準パルスの回折ビー
ムと増分測長検出器の回折ビームを分離するために使用
される。
検出器の他の実施例が示してある。走査板Aには、増分
式測長検出器の目盛視野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は視野8aの0次の合成
回折次数の光を正相信号用の受光素子に偏向させる。視
野8bと8cの0次の回折次数の光はプリズム11によ
って一緒に逆相信号用の受光素子に導入される。±1の
合成回折次数の光は、基準パルス発生器のこの配置では
評価されない。
点X=0では、連続可変目盛視野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)。
の場合、トラック12aの上の領域GTの付属格子ウェ
ブに対して目盛窓8bの格子ウェブを約局部格子定数の
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内側にあることである。例
えば、正相に付属する目盛窓8aがトラック12aの領
域GTにわたって移動すると、他の信号パルスが発生し
ない。
上の補助トラック12bによって、零点位置X±0の外
では、逆相信号が正相信号に比べてずれているので、乱
れに対する安全姓が向上する。
を担持している。この格子の0次の回折次数の光は格子
のパラメータを選択して抑制され、それには反射領域が
接続している。位置X=0でのみ、格子13は窓8cを
経由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。
に入射するのを防止するため、一つの格子の代わりに、
例えばトラック12bの上に光吸収領域を設けてもよ
い。3格子原理を回転検出器、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、連続可変ラジアル目盛を使用
するか、連続可変目盛を円筒面上に付けて、この発明に
よる回転検出器も構成することも、この発明の枠内にあ
る。
子の構成に応じて、移動量Xに依存して非常に異なった
信号波形を形成できる。その場合、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、
異なった零センサに適する信号波形も発生させることが
できる。
す。殊に回折格子A,BとA′の特別な構造を示す。図
11には、3格子発生器としての他の測定装置が模式的
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可変振幅格子
A11を使用して、この3格子発生器111の異なった
合成回折次数の光が同じ位相の信号を出力し、そのため
最早受光素子D11に分離して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を実現さ
せることもできる。
こではどの位置でも連続可変走査目盛A12の対応する
位置に一致する局部目盛の半分の周期(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(主として位相格子)を通過して+1次と−
1次の回折次数の光に分割される。目盛板の目盛B12
(同様に主に位相格子)がこの回折次数の光をそれぞれ
再び反対方向に戻す、その結果、前記回折次数の光は目
盛A12を経由して0次の合成回折次数の光と干渉し、
受光素子D12によって検出される。
換えれば、説明した3格子発生器の走査方法とは異なっ
た方法も想定される。目盛板の走査がその間隔に対して
(大幅に)無関係に許され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、局部的な目盛
周期の各々が目盛板の間隔が一定に成っていると振動す
る適当な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回折次数
(大抵、±1次)の光が干渉する。このことは、このこ
とは、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。
てある。 図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113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
半分の局部目盛周期を有する振幅格子B13によって走
査され、検出器D13によって検出される。振幅格子B
13は検出器13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がパターン化された検出器によ
って形成される。
光束は、連続可変目盛A14(好ましくは位相格子)を
通過して+1次と−1次の回折次数の光に分割され、連
続可変目盛B14(同様に好ましくは位相格子)を通過
して、再び合成0次回折次数の光の方向に反射する。受
光素子D14はこの合成0次回折次数の光を検出する。
格子発生器115が示してある。光源L15(好ましく
は半導体レーザー光源)の光がレンズ215によってコ
リメートされ、連続可変目盛A15の方に偏向される。
この反射された光束は、この場合、+1次と−1次の回
折次数の光に分割される。結像光学系(ここでは、同じ
レンズ215)は連続可変目盛A15を検出器D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
の間隔を有するこの発生した干渉縞は、連続可変格子に
合わせてパターン化されている受光素子D15によって
検出される。受光素子D15の局部的なパターン周期
は、この場合、もっぱら結像光学系215の結像目盛板
に依存する。
用する必要はない。回折構造パターン、例えば格子のス
トライプの代わりに、図18から判るように、点(円
板)が位置に依存して、しかも急激に変化する場合、他
の回折部材も使用できる。
成することもできる。周期的に分割された超格子には、
各目盛周期ないに一つ以上の格子ウェブがある。超格子
構造によって、種々の回折次数の光の回折効果を高めた
り低めることがきる。3格子発生器に走査目盛や目盛板
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が得られる。超格子構造
を適当に選ぶと、二重周波数(半分の信号周期、2次の
高調波)を有する信号成分や、基本波の振幅値に対する
もっと高次の高調波が増幅される。
内に一つ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、もっと高次の高調波
も供給する。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、局部目盛周
期(既に述べた連続可変パラメータδd(x)/δx によっ
て規定される) 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関する特に大きな許容
誤差が許される。
装置の利点は、基準マーク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
成にして異なった信号波形を発生させることができる。
従って、例えば多数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
って設定できる原点センサに対する原点信号を発生させ
ることができる。
装置の零位置(X=0)での模式断面図である。
ある。
面図である。
である。
分面である。
点面内での光源と受光素子の部分図である。
と目盛ホルダーBの上の格子の有利な配置図である。
子の配置の他の実施例を示す図面である。
準パルスの典型的な信号波形である。
明確にする模式図である。
ある。
ある。
ある。
ある。
ある。
ある。
Claims (20)
- 【請求項1】 一つの光源と、回折構造パターンが同じ
であるか、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
干渉的に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パラメータが位置に依存して変わ
り、この変化が絶えず行われることを特徴とする装置。 - 【請求項2】 回折部材は回折格子A,B,A′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】 回折格子A,B,A′の格子定数は異な
っていて、位置に絶えず依存して変わることを特徴とす
る請求項2に記載の装置。 - 【請求項4】 回折格子は同心円A17として形成さ
れ、その半径の間隔は異なっていて、絶えず変わること
を特徴とする請求項2に記載の装置。 - 【請求項5】 回折格子A,B,A′のウェブの高さは
位置に依存して変わることを特徴とする請求項2に記載
の装置。 - 【請求項6】 回折格子A,B,A′のウェブの幅は位
置に依存して変わることを特徴とする請求項2に記載の
装置。 - 【請求項7】 回折格子A,B,A′のウェブの長さは
位置に依存して変わることを特徴とする請求項2に記載
の装置。 - 【請求項8】 回折格子A,B,A′の透過度は位置に
依存して変わることを特徴とする請求項2に記載の装
置。 - 【請求項9】 回折格子A,B,A′の吸収度は位置に
依存して変わることを特徴とする請求項2に記載の装
置。 - 【請求項10】 回折格子A,B,A′のウェブの形状
は位置に依存して変わることを特徴とする請求項2に記
載の装置。 - 【請求項11】 回折格子A,B,A′は連続可変格子
として構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】 周期的な付加格子目盛4,7によって
増分式の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1に記載の装置。 - 【請求項13】 干渉的に動作する装置は零センサとし
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14】 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15】 光源Lは発光ダイオード(LED) である
ことを特徴とする請求項14に記載の装置。 - 【請求項16】 回折構造パターンA18は連続個別回
折部材に合成されていて、円板状に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17】 回折部材は超格子構造パターンを有す
る回折格子A19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18】 超格子構造パターンは1局部格子定数
当たり1個以上の格子ウェブによって形成されているこ
とを特徴とする請求項17に記載の装置。 - 【請求項19】 回折構造パターンは半径方向の目盛A
16として形成されていることを特徴とする請求項1ま
たは12に記載の装置。 - 【請求項20】 回折部材は位相格子A,B;B11;
A12,B12;A13;A14,B14;A15;A
19として、あるいは振幅格子A11;B13;D15
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。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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