JP2862417B2 - 変位測定装置及び方法 - Google Patents

変位測定装置及び方法

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    • G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は物体の移動量や移動速度
などの変位情報を光学的に測定する変位測定の分野に関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来から物体の移動量や移動速度などを
測定するためにエンコーダが広く用いられている。図９
は従来の光学式のエンコーダの典型的な構成を示す。図
中、１は光束を生成する光源で、２は該光束を平行光束
に変換するレンズ、１３は格子状スリットが形成された
移動スケール、１４は固定スケールであり移動スケール
１３のスリットと同一ピッチの格子状スリットが形成さ
れている。なお、この格子状スリットは実質的に回折作
用を有さない大きなピッチのスリットである。１５はフ
ォトディテクタであり、移動スケール１３、固定スケー
ル１４を透過した光の光量を検出する。１６は信号処理
回路である。この構成において、移動スケール１３が移
動すると移動に応じてフォトディテクタ１５で検出され
る光量が周期的に変化する。より具体的には、光源側か
ら見て２つのスリットの位相が一致した時に最大光量
が、又、２つのスリットの位相が１８０度ずれた時に最
小光量が得られ、移動スケール１３がスリットの１ピッ
チ分移動すると１周期の周期信号が得られる。信号処理
回路１６においては、この周期信号をパルス化してパル
ス数をカウントすることにより移動スケールの変位量を
測定する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な移動スケールと固定スケールの２枚のスケールを用い
る方式のエンコーダでは、２個のスケールの相対的位置
合わせあるいはスケールと検出系との相対的位置合わせ
が必要で、特に検出分解能を高めようとすると高い組立
て精度が要求され、コストアップの要因となってしま
う。又、検出分解能を高めるためにはスリットのピッチ
を小さくすれば良いが、あまり小さくすると回折光が発
生してしまい変位の測定に支障をきたしてしまう。その
ためこの方式のエンコーダでは検出分解能の向上には限
界があった。
【０００４】本発明の目的は上記従来の課題を解決する
ことにあり、新規な測定原理を用いた高分解能な変位測
定の装置及び方法の提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用】上記課題を解決
する本発明の概要は、透光性の平行部の両面に第１、第
２の光学格子部を形成したスケール、あるいは透光性の
平行部の片面に第１、第２の光学格子部を兼用して形成
したスケールを用意する。そしてこのスケール上の第１
の光学格子に光束を照射して、該第１の光学格子を介し
た光を焦点を結ばせることにより、第１の光学格子の像
を二次元的に像反転させる。そしてこの反転像を前記第
２の光学格子に投影する。投影される第１の光学格子部
の反転像と第２の格子部はスケールの移動に伴って互い
に逆方向に変位するため、これらの相対的な変位量はス
ケールの移動量よりも大きくなり高分解能な変位検出が
行なえる。
【０００６】
【実施例】以下、本発明をエンコーダに適用した実施例
を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の第１の
実施例の構成図であり光学系の断面を表わす。又、図２
は実施例の構成の斜視図である。両図において、１は半
導体レーザであり、波長λの可干渉性光束を発生する。
２は半導体レーザ１からの光束を収束光束に変換するレ
ンズ系であり、半導体レーザ１とレンズ系２とで光照射
手段が構成される。なお可干渉性の光源であれば半導体
レーザ以外にも使用可能である。４は透光性の平行平板
から成る光学リニアスケールである。該スケール４の光
照射手段側の面には回折格子作用を有するピッチＰ１の
第１の光学格子部Ｇ１が形成され、又、スケール４の光
照射手段とは反対側の面には前記Ｇ１の格子と平行に、
回折格子作用を有するピッチＰ１の第２の光学格子部Ｇ
２が形成されている。スケール４を挟んで光照射手段と
対抗する位置には、受光手段であるフォトディテクタ３
が配置されている。フォトディテクタ３の出力はパルス
化回路、カウント回路等を有する信号処理回路６に接続
され、スケール４の変位量や変位速度等の変位情報を測
定する。
【０００７】このように構成された変位測定装置の光学
系の作用を説明する。半導体レーザ１からの光束はレン
ズ系２により収束光束に変換され、この収束光束をスケ
ール４の第１の格子部Ｇ１に入射させる。格子部Ｇ１を
透過した光束はスケール４に設けられている２つの格子
面の中心位置で焦点を結び、ここで収束光束から発散光
束に変化して第２の格子部Ｇ２に入射する。そして第２
の領域を透過した光は受光部であるフォトディテクタ３
に入射する。
【０００８】次に本発明の測定原理について説明する
が、まず本発明の前提となる収束光束による干渉像形成
の現象について説明する。この収束光束による干渉像の
形成は所謂ロンキー干渉計等において従来から知られて
おり、例えば APPLIED OPTICS(April 1964/vol.3, no.
4)の中に詳しく述べられているが、以下簡単に紹介する
ことにする。
【０００９】レンズ等の光学手段により得られる収束性
の光線を回折格子へ照射した場合、図３のように、光束
は多数の回折光に分離され、特にプラス１次、マイナス
１次、０次、の回折光に注目すれば、各光束は、Ｐ0,Ｐ
+1, Ｐ-1，の各点に焦点を結ぶ。再び発散光束となった
各光束は、互いに干渉し重なり合った部分にて干渉縞を
形成する。この干渉縞は同図のように、回折格子への入
射光束は波面が球面波のとき回折格子の格子と平行で、
等間隔の直線状の格子像となる。また、その格子像の格
子ピッチＡは、照射された回折格子の格子ピッチの値を
ａとすると、 Ａ＝ａ×（ｒ／ｘ） となる。
【００１０】前記ロンキー干渉計は、主にレンズテスト
用として開発されたものであるが、本発明はこの原理を
更に発展させて変位測定に応用したことを特徴とする。
本発明の特徴は、収束性の光束により回折格子を照射
し、１度焦点を結んだ各回折光同志の重ね合わせの結果
生じる回折像は、格子がある方向に変位すると各回折光
の位相シフトにより、格子の移動方向とは反対の方向に
回折像が移動する現象、すなわち回折像が像反転する現
象を利用したことである。
【００１１】ここで、本発明の測定原理を示す図４を用
いて、収束光束がスケール４の格子部Ｇ１に入射し、そ
の後の回折光の作用について説明する。格子部Ｇ１に照
射された光束は、多数の回折光に分かれて透過するが、
特にエネルギレベルの高いプラス１次光、マイナス１次
光び０次光の光束が重なり合う領域（図中、ハッチング
部）には干渉像（２光束もしくは３光束による干渉回折
像）が形成され、特に格子部Ｇ１からＬの距離に収束光
束の焦点が位置するとき、格子部Ｇ１から２Ｌの距離に
Ｇ１と同じピッチの像反転した格子回折像Ｚ１が形成さ
れる。例えば格子部Ｇ１が図４の上方へ移動した場合、
像Ｚ１は下方に移動する。格子回折像Ｚ１は第２の格子
部Ｇ２上に形成され、格子Ｇ２が上方に移動することに
なるので格子像Ｚ１と格子部Ｇ２は互いに反対方向に移
動することになり、この時の相対的な変位量は実質的に
２倍になる。従って格子像Ｚ１と第２の領域の格子の重
ね合わせにより生ずる干渉縞、所謂モアレ縞はスケール
４の変位Ｐに対してＰ／２の変位でモアレ縞は１つ移動
する。この結果、格子部の移動に応じてフォトディテク
タ３に入射する光量が変動し、ほぼ正弦波状の出力信号
として得られ、これを信号処理回路６により処理して変
位情報を検出する。
【００１２】このように本発明によれば、従来のような
固定格子が不要で部品点数の削減となり、位置検出分解
能は光学格子ピッチの２倍の正弦波出力が得ることがで
きる。更には回折像は二次元的に像反転するため、仮に
スケールのアジマス角度ずれが生じてもこの影響を受け
ず、安定してコントラストの高い信号を得ることができ
る。
【００１３】さて図５は本発明の第２の実施例を説明す
るための図である。全体の光学配置は先の実施例と同様
の構成であるので詳細な説明は省略する。先の実施例と
異なる点は、スケール４上に形成される光学格子部Ｇ１
の光学格子の格子ピッチがＰ１で、光学格子部Ｇ２の光
学格子の格子ピッチがＰ２であり、収束光束の焦点位置
が先の実施例とは異なることである。スケール４の厚み
をＴとするならば、先の収束光束の焦点位置が第１の格
子部からＬだけ離れたところに置くことにより同様の効
果が得られる。ここで、Ｌの値として、次の関係が条件
となる。
【００１４】Ｌ＝Ｔ×Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２） 光学格子面Ｇ２上に結像される格子回折像は、ここでは
（Ｐ２／Ｐ１）倍されているためにスケール４の変位に
対しても同率の倍率分だけ変位する。又、重ね合わされ
る光学格子の格子ピッチはＰ２で、しかもスケール４と
一体的に運動するため、相対変位量はスケール４の変位
に対して（１＋Ｐ２／Ｐ１）倍となる。これにより、単
位変位量当たりの出力パルス数は（１＋Ｐ１／Ｐ２）／
Ｐ２となる。
【００１５】図６は本発明の第３の実施例を説明するた
めの光学系の断面図であり、図中、先の実施例と同一の
符号は同一あるいは同等の部材を表わす。本実施例では
第１と第２の格子部を兼用して格子部の数を一つにした
ことを特徴とする。図６に示す如く、スケール４の光照
射側の面に上記実施例と同様の光学格子を設け、裏面に
は光反射面Ｍを形成し、収束光束の焦点面が光反射面Ｍ
となるように光学配置している。又、スケール４の反射
面からの反射光束をフォトディテクタ３に導くためにハ
ーフミラー５をレンズ系２と光学スケール４との間に設
けてある。
【００１６】本実施例は、先の第１の実施例の光束の焦
点面に光反射面を配置したものと同等であり、光反射面
Ｍで焦点を結んで格子回折像が二次元的に像反転して反
射され、再び同一の格子部に照射される。この時、格子
部の移動方向と格子回折像の移動方向は逆方向になるの
で、相対変位量は実質的に２倍になり、先の実施例と同
様に２倍のパルス信号が得られる。本実施例では格子部
を光学スケールの片面に設けるだけで、他面は反射面に
すれば良いのでスケール製作が簡易であり一層のコスト
ダウンが可能である。
【００１７】図７は本発明の第４の実施例を説明するた
めの光学系の断面図であり、図中、先の実施例と同一の
符号は同一あるいは同等の部材を表す。本実施例は先の
図６の実施例を変形したものであり、第１と第２の格子
部Ｇ1、Ｇ2 を兼用して格子の数を１つにし、ここに収束
性の光束を入射させる構成は図６と同様である。本実施
例ではスケール４の光源側に回折格子を設け、光源を挟
んでスケールの反対側にミラー７を配置する。ここでミ
ラー７の反射面は収束光束の焦点面と一致している。
【００１８】この構成において変位測定の作用は先の図
６の実施例と同様であるが、本実施例の構成では、仮に
スケール４の格子部が光軸方向に変動してしも、焦点位
置は常に変化しないので、スケール４の取り付け精度や
スケール４自体の平面精度に対する許容度が大きいとい
う利点を有している。
【００１９】図８は本発明の第５の実施例を説明するた
めの光学系の断面図であり、図中、先の実施例と同一の
符号は同一あるいは同等の部材を表す。本実施例ではス
ケール４とは別に、レンズ部と反射部が一体となってキ
ャッツアイ反射系を構成する光学素子８を配置してい
る。光源１からの光はレンズ系２によって平行光束に変
換され、ハーフミラー５、スケール４を透過した光を光
学素子８で反射させる。キャッツアイ反射系の作用によ
り、スケール４上の格子部の回折像は二次元的に像反転
する。よってこれまでの全ての実施例と同様、仮にスケ
ールのアジマス角度ずれが生じてもこの影響を受けず、
安定してコントラストの高い信号を得ることができる。
又、スケールが光軸方向に変動してもその影響を受けな
いという先の図７の実施例と同様の効果を有する。更に
は格子部に対して平行光束を照射しているため、格子部
を透過した光束の各回折光同士の干渉領域が広くなり、
よりコントラストの高い信号を得ることができるという
本実施例に特有の効果も有する。なお、図８では好まし
い実施例として平行光束を用いたが、これまでの実施例
と同様に収束性の光束をスケールに入射させるようにし
ても変位測定装置として機能する。
【００２０】さて、図９は上記説明してきた実施例のリ
ニアエンコーダの代わりにロータリーエンコーダに適用
した場合の斜視図である。この実施例では、先のリニア
スケールの代わりにロータリー状のスケールを使用し、
該スケールの表面と裏面に同心で同じ半径位置に第１と
第２の光学格子を形成している。この構成により先のリ
ニアエンコーダと同様の信号処理でロータリースケール
の回転情報を得ることができる。なお、先の図６、図
７、図８のような構成にして変位検出しても良いことは
勿論である。
【００２１】図１０は上記リニアエンコーダあるいはロ
ータリーエンコーダを有するシステムの一例を示すもの
で、エンコーダを有する駆動システムのシステム構成図
である。モータやアクチユエータ、内燃機関等の駆動源
を有する駆動手段１００の変位部には上記説明したエン
コーダのスケールが接続され、変位量や変位速度等の変
位状態を検出する。このエンコーダ１０１の検出出力は
制御手段１０２にフイードバツクされ、制御手段１０２
においては設定手段１０３で設定された状態となるよう
に駆動手段１００に駆動信号を伝達する。このようなフ
イードバツク系を構成することによって設定手段１０３
で設定された駆動状態を得ることができる。このような
駆動システムは各種工作機械や製造機械、計測機器、ロ
ボツト、カメラ、映像音響機器、情報機器、更にはこれ
らに限らず駆動機構を有する装置全般に広く適用するこ
とができる。
【００２２】
【発明の効果】本発明によれば部品点数の削減につなが
り組み立ても容易なためコストダウンが可能になると共
に、より高分解能の装置が容易に構成できる。又、二次
元的に像反転したものを投影するため、仮にスケールの
アジマス角度ずれが生じてもこの影響を受けず、安定し
てコントラストの高い信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の構成図である。
【図２】第１の実施例の斜視図である。
【図３】干渉縞形成の現象の説明図である。
【図４】本発明の測定原理の説明図である。
【図５】第２の実施例の構成図である。
【図６】第３の実施例の構成図である。
【図７】第４の実施例の構成図である。
【図８】第５の実施例の構成図である。
【図９】ロータリーエンコーダに適用した場合の構成図
である。
【図１０】エンコーダを有する駆動システムの構成図で
ある。
【図１１】従来例の構成図である。
【符号の説明】
１ 光源 ２ レンズ ３ フォトディテクタ ４ スケール ５ ハーフミラー ６ 信号処理回路 ７ 光反射ミラー ８ 光学素子

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の光学格子と、 該第１の光学格子と同一方向に一体的に変位する第２の
    光学格子と、 光束を前記第１の光学格子に照射して、像反転した前記
    第１の光学格子の像を前記第２の光学格子に投影する光
    学系と、 前記第２の光学格子を介した光を検出する手段と、を有
    することを特徴とする変位測定装置。
  2. 【請求項２】 第１の光学格子に光束を照射し、 該第１の光学格子を介した光を焦点を結ばせ、 該焦点を結んだ後に、前記第１の光学格子と同一方向に
    一体的に変位する第２の光学格子に照射し、 該第２の光学格子を介した光を検出することにより前記
    光束と前記光学格子との相対的な変位情報を得ることを
    特徴とする変位測定方法。
  3. 【請求項３】 駆動機構と、 該駆動機構の駆動状態を測定する変位測定装置とを有
    し、前記変位測定装置は、 前記駆動機構の変位部に取付けられスケールと、 該スケール上に形成される第１の光学格子と、 該同一スケール上に形成される第２の光学格子と、 光束を前記第１の光学格子に照射して、像反転した前記
    第１の光学格子の像を前記第２の光学格子に投影する光
    学系と、 前記第２の光学格子を介した光を検出する手段を有し、
    前記光学系と前記スケールとの相対的な変位情報を得る
    ことにより前記駆動状態を測定する手段を有することを
    特徴とする変位測定装置を有する駆動システム。
  4. 【請求項４】 像反転した第１の光学格子の回折像を第
    ２の光学格子に投影することによりモアレ縞を形成し、
    該モアレ縞の移動を検出することによって変位情報を得
    る請求項１記載の装置、又は請求項２記載の方法、又は
    請求項３記載のシステム。
  5. 【請求項５】 透光性の平行部を有するスケールの光束
    入射側の面に前記第１の光学格子が形成され、該スケー
    ルの他方の面に前記第２の光学格子が形成される請求項
    １記載の装置、又は請求項２記載の方法、又は請求項３
    記載のシステム。
  6. 【請求項６】 第１、第２の光学格子は共通の格子とし
    て形成され、該光学格子を挟んで光源の反対側に反射面
    が設けられる請求項１記載の装置、又は請求項２記載の
    方法、又は請求項３記載のシステム。
  7. 【請求項７】 透光性の平行部を有するスケールの光束
    入射側の面に第１、第２の光学格子が共通の格子として
    形成され、該スケールの他方の面に反射面が形成される
    請求項１記載の装置、又は請求項２記載の方法、又は請
    求項３記載のシステム。
  8. 【請求項８】 透光性の平行部を有するスケールの光束
    入射側の面に第１、第２の光学格子が共通の格子として
    形成され、該スケールとは別に反射面を有するミラー部
    材が配置される請求項１記載の装置、又は請求項２記載
    の方法、又は請求項３記載のシステム。
  9. 【請求項９】 前記第１、第２の光学格子は格子ピツチ
    が同一である請求項１記載の装置、又は請求項２記載の
    方法、又は請求項３記載のシステム。
  10. 【請求項１０】 前記第１、第２の光学格子は格子ピツ
    チが異なる請求項１記載の装置、又は請求項２記載の方
    法、又は請求項３記載のシステム。
  11. 【請求項１１】 透光性の平行部の両面に光学格子部を
    形成したことを特徴とする変位測定装置用スケール。
  12. 【請求項１２】 透光性の平行部の一方の面に光学格子
    部を形成し、他方の面に反射面を形成したことを特徴と
    する変位測定装置用スケール。
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