JPH085331A - 光学式変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ２光束の干渉により発生する光束の明暗を受
光素子によって計測し、これを利用して相対的に移動す
る物体の変位情報を検出する光学式変位センサにおい
て、スケール送り機構の精度特性によって干渉縞が発生
しても、十分な振幅の干渉信号が得られる高精度の光学
式変位センサを達成すること。 【構成】 受光素子を複数の受光セルより構成し、変位
情報の検出に際して演算手段が設定手段からの信号に基
づいて前記複数の受光セルのうちから所定の受光セルの
信号を選択して用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学式変位測定装置に関
し、特に２光束の干渉を利用した光学的手段によって物
体の変位情報や速度情報等（以下「変位情報」と略称す
る）を検出する変位センサ、速度センサ、加速度センサ
等の光学式変位測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より光を物体に照射し、該物体を介
した光を用いて物体の変位量や速度などの変位情報を高
精度に求める光学式変位測定装置、たとえば、光学式エ
ンコーダ、レーザードップラ速度計、レーザー干渉計な
どが、ＮＣ工作機械、ＯＡ機器、ロボット、精密製造装
置等の分野で広く利用されている。本出願人は、こうし
た光学式変位測定装置の例を、特開平5-340719号公報や
特願平4-347414号にて提案している。

【０００３】上記の光学式変位測定装置は、使用に際し
て通常図７に図示するように配置する。図に於いて５０
と６０は相対的な変位情報を得たい２つの物体であり、
物体５０は固定され、物体６０がステージにより図の矢
印方向に移動する。３０は光学ヘッドであり、これは発
光素子、レンズ、光束分割用回折格子，光束重畳用回折
格子、受光素子及び制御演算回路などを一つの筐体に収
めている。４０は電源供給や信号の取り出しのためのケ
ーブルである。

【０００４】変位情報の検出に際しては、回折格子２１
が形成されたスケール２０を移動物体６０に、又ヘッド
３０は固定物体５０に所定の間隔を確保して取り付けて
測定する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】これらで提案している
光学式変位測定装置は、物体に設けたスケール２０を介
した２光束の干渉を光学ヘッドで検出し、これによって
該物体と光学ヘッドとの相対的な変位情報を得ている。
そこで、２つの光束に波面形状の違い・光路長差・重な
りのずれ等があれば、受光素子に入射する光束の断面方
向に干渉縞が発生し、本来の振幅や位相差を有する信号
が得られなくなってしまうおそれがある。そこで、かか
る光学式変位測定装置の実用化に際してはこれらの影響
を的確に把握し、適用する機器に応じて最適な設計をす
る必要がある。

【０００６】エアステージのように精度良く走行するも
のに適用する場合は、スケールと光学ヘッドの位置関係
が理想に近い状態が保たれるので、上記のような問題が
生じるおそれはほとんどないが、スケールの送り精度が
良くない物体へ適用する場合には重大な問題となる。例
えば図８に示すようにスケール２０の送り精度が良くな
い場合、光学ヘッド３０を基準に考えるとスケール２０
の相対的送り誤差は同図に示すようにＸ，Ｙ，Ｚ各軸の
回りの回転及びギャップの変動として発生する。そこ
で、使用される送り手段によってスケール２０が構造的
にどの種類の送り誤差が生じ易いかということを配慮し
て、光学式変位測定装置の設計を行なわなければならな
い。

【０００７】本発明は、スケール送り機構の精度特性に
よって種々な干渉縞が発生しても、十分な振幅の干渉信
号が容易に得られ、安定して高精度の変位情報が得られ
る、使い易い、種々な用途に適用可能な光学式変位測定
装置の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の光学式変位測定
装置は、 （１−１） 相対移動する物体間を介した２光束に基づ
く干渉情報を受光素子で検出し、該受光素子からの信号
を用いて演算手段により該物体間の変位情報を求める
際、該受光素子は複数の受光セルを有しており、該演算
手段は該複数の受光セルのうち所定の受光セルからの信
号を用いていることを特徴としている。特に、（１−１
−１） 前記演算手段は設定手段からの信号に基づいて
前記複数の受光セルのうちから所定の受光セルの信号を
選択して用いている、（１−１−２） 前記設定手段を
光学式変位測定装置の一要素を構成する発光素子、光束
分割用回折格子、光束重畳用回折格子及び受光素子等を
収めた筐体より離れた位置に設置している、こと等を特
徴としている。

【０００９】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図を示す
ものである。同図において、１は発光素子であり、半導
体レーザや発光ダイオード等から構成されている。２は
レンズであり、発光素子１から放射される光を略平行光
束に変換する。３Ａは光束分割用の回折格子であり、２
１は被測定物に取り付けたスケール２０に設置した回折
格子であり、３Ｃは光束重畳用の回折格子（４分割回折
格子）である。３つの回折格子は全て同じピッチ（たと
えば１．６μｍ）であり、夫々の格子線方向及び格子配
列方向も同じである。

【００１０】本実施例では格子ピッチをＰ，格子線方向
をＹ方向、格子配列方向をＸ方向とする。回折格子３Ｃ
は図３に示すように４つの部分３Ｃ１，３Ｃ２，３Ｃ
３，３Ｃ４から構成しており、夫々は同図に示すように
1/4 ピッチづつずれており、これによって相互にπ/2の
波面位相差が付くように構成している。４Ｃは受光素子
であり、これは図２（Ａ）に示すように４つの受光素子
４Ｃ１，４Ｃ２，４Ｃ３，４Ｃ４から構成しており、更
に各受光素子４Ｃ１〜４Ｃ４は夫々４つの受光セルａ，
ｂ，ｃ，ｄから構成している。

【００１１】発光素子１、レンズ２、回折格子３Ａ，３
Ｃ、受光素子４Ｃ等は筐体内に収納されて、光学ヘッド
３０の一要素を構成している。

【００１２】次に本実施例の動作を説明する。発光素子
１を出てレンズ２によって略平行にされた光束は回折格
子３Ａに入射する。この光束はここで透過回折され、０
次回折光R0、−１次回折光R-1 の２つを含む複数の光束
に分かれ、スケール上に形成された回折格子２１に入射
する。直進した０次回折光R0は回折格子２１に入射（光
束の中心光線は点Ｐ１に入射する）して、そこで反射回
折されて＋１次回折光R0+1、−１次回折光R0-1等に分割
されると同時にそれぞれは位相変調される。即ち回折格
子２１がx だけ相対移動すると、各光束の位相は-2πx/
P だけずれる。次いで、上記の複数の回折光のうち−１
次回折光R0-1は回折格子３Ｃにて透過回折を受け、０次
回折光R0-10 、＋１次回折光R0-1+1等に分割される。こ
のうち＋１次回折光R0-1+1は、回折格子３Ｃ面から垂直
に出射し、その波面の位相は基本的に-2πx/P だけずれ
ている。

【００１３】ところで、回折格子３Ｃを構成する３Ｃ１
〜３Ｃ４の格子配列の位相はP/4 ずつずらしているの
で、上記の回折光R0-1+1は４つに分かれ夫々の波面の位
相はさらに-2π・(1/4)＝ -π/2ずつずれる。したがっ
て、３Ｃ１〜３Ｃ４の各回折格子を通過した波面の位相
のずれは次のようになる。

【００１４】３Ｃ１ ： -2πx/P ３Ｃ２ ： -2πx/P-π/2 ３Ｃ３ ： -2πx/P-π ３Ｃ４ ： -2πx/P- 3π/2 一方、回折格子３Ａにて−１次回折した光束R-1 は、ス
ケール２０上の回折格子２１に入射（光束の中心光線は
点Ｐ２に入射する）して、そこで反射回折されて、＋１
次回折光R-1+1 、０次回折光R-10およびその他の光束に
分割され、同時にそれぞれ位相変調される。このうち、
＋１次回折光R-1+1 はその位相が+2πx/P だけずれて回
折格子３Ｃに入射し、そこで透過回折を受ける。その
内、そのまま直進した０次回折光R-1+10の波面の位相は
基本的に+2πx/P だけずれている。そして、この光束は
回折格子３Ｃ１〜３Ｃ４によって４つに分けられ、夫々
は更に-2π・(1/4)づつ位相がずれる。

【００１５】回折格子３Ｃ１〜３Ｃ４にて光路を重ね合
わされた光束R-1+10と光束R0-1+1は、干渉光となって、
受光素子４Ｃに入射する。このとき受光素子４Ｃ１、４
Ｃ２、４Ｃ３、４Ｃ４に入射する２つの干渉光の位相差
は、それぞれ、 （-2πx/P)-(+2πx/P)＝-4πx/P （-2πx/P-π/2)-( +2πx/P)＝-4πx/P-π/2 （-2πx/P-π)-( +2πx/P)＝-4πx/P-π （-2πx/P- 3π/2)-( +2πx/P)＝-4πx/P- 3π/2 となり、受光素子４Ｃ１〜４Ｃ４の１つ１つからはスケ
ール上の回折格子２１が1/2 ピッチ移動するごとに１周
期の明暗信号が発生し、更に受光素子４Ｃ１〜４Ｃ４相
互では位相が夫々1/4 周期だけずれた信号が得られる。

【００１６】以上のようにして、スケール２０の変位に
伴って、受光素子４Ｃ１〜４Ｃ４から1/4 周期ずつずれ
た周期信号が得られる。これをもとに、不図示の演算手
段により光学ヘッド３０とスケール２０との相対的な変
位量を演算して求めている。

【００１７】図２は本実施例の受光素子の説明図であ
る。演算手段は図２（Ａ）に示す４つの受光セルａ、
ｂ、ｃ、ｄからの受光信号のうち、どの信号を用いて演
算するかを選択して演算する。本実施例において、２光
束の干渉によって例えば縦方向の干渉縞が生じた場合、
受光素子４Ｃ上には例えば図２（Ｂ）のような干渉縞が
発生する。この場合、演算手段が受光セルａ，ｂ，ｃ，
ｄ全ての受光信号を用いるように選択すれば、各受光セ
ルからの信号が平均化され、受光素子からの信号の振幅
が小さくなってしまう。しかしながら、この場合に演算
手段が受光素子４Ｃ１〜４Ｃ４夫々の中の受光セルａと
ｃ（または受光セルｂとｄ）の部分のみからの受光信号
を選択すれば、この部分では干渉縞の発生度合いが小さ
いので信号の振幅は大きくなり、位相差も明確に付けら
れる。また、受光部４Ｃの実効面積は全面積の１／２程
度なので、受光光量が半減する程度でありS/N 比も十分
確保することができる。

【００１８】本実施例の場合、Ｙ軸を軸とする回転送り
誤差（回転角）がある場合には縦縞が発生し、Ｚ軸を軸
とする回転送り誤差（アジマス角）がある場合には横縞
が発生することが判っている。したがって、スケール送
り精度が、機構上、回転角を発生し易い場合は受光セル
ａとｃ（または受光セルｂとｄ）、アジマス角を発生し
易い場合は受光セルａとｂ（または受光セルｃとｄ）か
らの受光信号を選択することにより、この場合でも大き
い振幅の信号が得られる。

【００１９】さらに、Ｘ軸を軸とする回転送り誤差（ア
オリ角）が発生した場合には、干渉２光束の重なりがず
れて光束の上下の周辺で干渉信号が得られなくなるの
で、この場合も前と同様に光束の上下方向の中央付近を
受光するように受光セルを選択（たとえば、受光素子４
Ｃ１、４Ｃ２では受光セルｃとｄ、受光素子４Ｃ３，４
Ｃ４では受光セルａとｂ）して使用するとよい。

【００２０】また、固定回折格子と移動回折格子のギャ
ップが変動すれば干渉をする２光束の重なりがずれて光
束の左右周辺で干渉信号が得られなくなるので、ギャッ
プが変動しやすい場合は、光束の左右方向の中央付近を
受光するように受光セルを選択し（たとえば、受光素子
４Ｃ１、４Ｃ３では受光セルｂとｄ、受光素子４Ｃ２、
４Ｃ４では受光セルａとｃ）使用するとよい。

【００２１】以上のように本実施例によればスケール２
０の送り機構の精度が多少良くない移動物体を計測する
場合でも、発生する干渉縞に応じて演算手段が受光セル
からの信号を選択するように構成していることにより大
きい振幅の信号が得られ、これによって安定して高い精
度の計測が達成できる。

【００２２】なお、回折格子と受光素子間の距離や光束
の状況（発散・収束状況）によっては、レンズを追加し
たり省略したりする。

【００２３】図４は、本発明の実施例１における信号処
理回路の説明図である。この信号処理回路は演算手段の
一部であり、４つの受光素子の夫々に設けている。この
回路では、受光セルａ、ｂ、ｃ、ｄのアノードはコモン
となっており、各受光セルのカソード側には各受光セル
に対応してアナログスイッチ１０１（４回路入り）を接
続している。そして演算増幅器１０２、抵抗Ｒとで、受
光電流を電圧に変換し、出力端子１０３に導出する。キ
ャパシタＣはフィードバック系の安定度を確保するため
に使用している。一方、受光セル選択端子１０４〜１０
７は各々ＨｉｇｈまたはＬｏｗの受光セル選択信号を設
定する設定手段に繋がっており、スケール２０の送り手
段に応じて設定手段を適切にセットしてアナログスイッ
チ４回路のＯＮ、ＯＦＦの組合せを決定する。これによ
り、受光セルａ，ｂ，ｃ，ｄのうち受光信号を取り出す
受光セルの組合せを任意に選択することができる。

【００２４】このような構成を用いれば、移動物体の移
動機構の特性上発生しやすい干渉縞の方向に対応して受
光セル選択端子１０４〜１０７を設定することにより、
適用対象に最適な光学式変位測定装置を達成できる。

【００２５】更に、前記の設定手段を光学式変位測定装
置のヘッド３０から離れた位置に構成すれば、本装置の
使用者が、変位情報を検出する移動物体の移動機構に応
じてその都度最適な受光セルからの受光信号の選択を外
部から設定することができる。

【００２６】図５は本発明の実施例２及び３に係る受光
素子の複数の受光セルの配置に関する概略図である。受
光セルの数は実施例１の場合は４個用いたが、数に限定
されず、実施例２及び３のように３つ又は８つ等任意の
数に設定し得る。本発明に係る受光素子を構成する受光
セルの数は適用対象に応じて適宜、最適に設定すればよ
い。この例では、光束の外周周辺にあたる光量の小さい
部分は受光セルを省いている。

【００２７】また、信号処理回路の構成も図４の例に限
定されず、さまざまな構成が考えられる。アナログスイ
ッチを用いずに個々の受光セルの配線を変更する構成に
しても良い（図示せず）。また、図６の信号処理回路の
ように、各受光セルからの受光電流を個別に電圧変換し
てからアナログスイッチ１０１によって選択し、合成す
る方法をとっても良い。この例では、アナログスイッチ
１０１によって受光セルを選択したあと、演算増幅器１
０８を用いたバッファを通して信号を出力している。本
実施例の信号処理回路では受光セル選択端子は１０４、
１０５の２端子しかないが、論理回路１０９によってあ
らかじめ設定された４通りの組合せから最適な組合せを
選択することができるようにしたものである。

【００２８】なお、本発明は、上記説明で用いた光学系
に限らず、２光束の干渉により発生する光束の明暗を受
光素子によって計測し、これを利用する光学式変位測定
装置であれば同じ様に適用することができる。又受光素
子としては４Ｃ１〜４Ｃ４の４チャンネルがある場合に
ついて述べたが、受光チャンネルの数はいくつであって
も適用可能である。受光素子及び受光セルの形状や極性
なども限定されない。

【００２９】また、説明で用いた直線型の光学式変位測
定装置に限定されず、回転型変位センサ、速度測定装
置、加速度測定装置、測長装置など、２光束の干渉によ
って明暗が生じることを利用して変位情報を得る装置お
よびその応用装置であれば、同様に適用可能である。

【００３０】

【発明の効果】本発明は以上のように各要素を構成した
ので、スケール送り機構の精度特性によって干渉縞が発
生しても、十分な振幅の干渉信号が得られ、安定して高
精度の変位情報が得られる、使い易い、種々な用途に最
適な光学式変位測定装置を達成している。

【００３１】更に、受光セルからの受光信号を選択する
設定手段を光学式変位測定装置の光学ヘッドから離れた
位置に構成すれば、本測定装置の使用者が、変位情報を
検出する移動物体の移動機構に応じてその都度最適な受
光セルからの受光信号の選択を外部から設定することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の要部概略図

【図２】 本発明の実施例１の受光素子の説明図 （Ａ）受光素子の配置 （Ｂ）干渉光束

【図３】 ４分割回折格子の説明図

【図４】 本発明の実施例１における信号処理回路

【図５】 本発明の実施例２及び３に係る複数の受光セ
ルの配置に関する概略図

【図６】 本発明の実施例における信号処理回路の別の
例

【図７】 光学式変位測定装置の使用状態を説明する図

【図８】 光学式変位測定装置におけるスケールの取付
誤差を説明する図

【符号の説明】

１ 光源 ２ レンズ ３Ａ 光束分割用の回折格子 ２１ スケールに設置した回折格子 ３Ｃ、（３Ｃ１，３Ｃ２，３Ｃ３，３Ｃ４） 光束重畳
用の回折格子 ４Ｃ、（４Ｃ１，４Ｃ２，４Ｃ３，４Ｃ４） 受光素子 ａ，ｂ，ｃ，ｄ 受光セル ２０ スケール ３０ 光学ヘッド ５０ 物体（固定） ６０ 物体（移動） １０１ アナログスイッチ １０２ 演算増幅器 １０３ 出力端子 １０４〜１０７ 受光セル選択端子 １０８ 演算増幅器 １０９ 論理回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久本 憲司 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相対移動する物体間を介した２光束に基
   づく干渉情報を受光素子で検出し、該受光素子からの信
   号を用いて演算手段により該物体間の変位情報を求める
   際、 該受光素子は複数の受光セルを有しており、該演算手段
   は該複数の受光セルのうち所定の受光セルからの信号を
   用いていることを特徴とする光学式変位測定装置。
2. 【請求項２】 前記演算手段は設定手段からの信号に基
   づいて前記複数の受光セルのうちから所定の受光セルの
   信号を選択して用いていることを特徴とする請求項１の
   光学式変位測定装置。
3. 【請求項３】 前記設定手段を光学式変位測定装置の一
   要素を構成する発光素子、光束分割用回折格子、光束重
   畳用回折格子及び受光素子等を収めた筐体より離れた位
   置に設置していることを特徴とする請求項２の光学式変
   位測定装置。