JP2019511723A

JP2019511723A - 絶対式の格子スケール

Info

Publication number: JP2019511723A
Application number: JP2018552216A
Authority: JP
Inventors: リ、シンフイ; ニ、カイ; ワン、ファンファン; ゾウ、チエン; ワン、シャオハオ; マオ、シンユ; ゼン、リジアン; シャオ、シャン
Original assignee: グラジュエートスクールアットシェンチェン、ツィングワユニバーシティー
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2017-04-14
Publication date: 2019-04-25
Anticipated expiration: 2037-04-14
Also published as: CN105758435A; WO2017177968A1; CN105758435B; JP6641650B2

Abstract

本願発明は、絶対式の格子スケールを提供する。主格子（１５）に複数の基準コードバー（２）が設けられ、任意の隣接する２つの基準コードバー（２）の間の距離は、残りの任意の隣接する２つの基準コードバー（２）の間の距離と異なる。第１のビームスプリッタ（１２）は、光源（１１）の発射した光を主格子（１５）に出射するビームと、増分変位測定部（２３）に出射するビームとに分割し、主格子（１５）に出射するビームは、マスクプレート（１３）を透過して主格子（１５）に到達し且つ反射された後、再度マスクプレート（１３）を透過して基準位置光電検出器（１４）により受信される。マスクプレート（１３）に基準コードバー（２）と同一のコードバーが設けられ、マスクプレート（１３）は、マスクプレート（１３）に出射するビームがマスクプレート（１３）により反射された後、基準位置光電検出器（１４）により受信されないように、図示のθｘ方向を中心に小さな角度で傾斜するように設けられる。本願発明は、基準信号のコントラストを高め、０．６μｍの精度で基準点の位置特定を実現できる。

Description

本願発明は、計測の分野に係り、詳しく言えば、絶対式の格子スケールに関する。

絶対式の格子スケールの主格子に２つのコードバーが設けられ、そのうち一方は増分コードバーで、増分変位を測定するための格子線が等間隔に印刻され、他方のコードバーに、格子スケールを起動させる時に基準点の位置を特定するための複数の基準点マークが印刻される。増分変位の測定と基準点の位置特定を組み合わせると、格子スケールによる絶対測定を実現できる。現在、市場で販売される格子スケールでは、その大半が反射により測定する読取りヘッドを利用し、得られた基準点信号が負のパルス信号であるため、一般的にピークでの信号強度が低く、わずかな外部の光信号からの干渉でも、信号のコントラストが大幅に下がるため、基準点の位置を正確に特定することは難しい。

本願発明は、従来技術の欠点を解消するために、基準信号のコントラストが効果的に向上する絶対式の格子スケールを提供することを目的とする。

本願発明に係る絶対式の格子スケールは、主格子と、読取りヘッド装置とを備える。前記読取りヘッド装置は、増分変位測定部を備える。前記読取りヘッド装置は、第１のビームスプリッタと、マスクプレートと、基準位置光電検出器とをさらに備える。前記主格子に複数の基準コードバーが設けられ、任意の隣接する２つの基準コードバーの間の距離は、残りの任意の隣接する２つの基準コードバーの間の距離と異なる。前記第１のビームスプリッタは、光源の発射した光を主格子に出射するビームと、増分変位測定部に出射するビームとに分割し、主格子に出射するビームは、前記マスクプレートを透過して前記主格子に到達し且つ反射された後、再度前記マスクプレートを透過して前記基準位置光電検出器により受信される。前記マスクプレートに前記基準コードバーと同一のコードバーが設けられ、前記マスクプレートは、前記マスクプレートに出射するビームが前記マスクプレートにより反射された後、前記基準位置光電検出器により受信されないように設けられる。

好ましくは、前記マスクプレートに出射するビームと前記マスクプレートの法線は鋭角を形成し、すなわち、前記マスクプレートは、主格子に平行である状態から、図２のθｘ方向を中心に所定の角度で回転するように構成されることで、前記マスクプレートに出射するビームと前記マスクプレートの法線が鋭角を形成する。

パルス信号のコントラストを高めるために、読取りヘッドのマスクプレートは、スリットに垂直な方向を中心に小さな角度で回転するように構成される。これにより、ビームがマスクプレートを透過した後の光場の分布は、透過する前と一致し、且つ、マスクプレート自体により反射される光は、光電検出器により受信されることなく偏向される。パルス信号のコントラストを効果的に高め、基準位置（基準コードバー）に対する認識の精度を向上させることができる。

好ましくは、前記鋭角が５°未満である。

好ましくは、前記マスクプレートのコードバーに光透過部と、光反射部とが設けられる。

好ましくは、前記マスクプレートに出射するビームが前記マスクプレートのコードバーの幅よりも大きい。

好ましくは、前記コードバーからなるコードが０１１００００１００００００００１００１１００００１１０１０００００００１００００００００００１１００１００００００１００００００００１０１０００００１１０００１００００００１００１０００００１１１０であり、１は光透過部を表し、０は光反射部を表す。

好ましくは、光透過部および光反射部のそれぞれの幅が１０μｍである。

パルス信号のピークにより基準位置に揃えることができる。パルス信号のピーク幅はコードバーの線幅に比例し、コードバーの線幅を１０μｍに設定すると、得られたピーク幅が２６μｍであるため、０．６μｍの精度での基準点の位置特定を実現できる。

前記コードバーは、実際の回折効果を考慮して設計するものである。最小のスリット幅が１０μｍで、６６０ｎｍの波長をはるかに超えているが、わずかな回折効果でも基準信号のパルスピークを大幅に弱めてしまうため、回折効果からの影響を考慮する必要がある。上記のような光路構造では、ビームが読取りヘッドのマスクプレートを透過した後に１回目の回折を生じ、この回折をフレネル回折として処理する。ビームが主格子の基準点領域に到達すると、反射光が２回目のフレネル回折を生じ、読取りヘッドのマスクプレートに反射された後、２回目のフレネル回折の光場とマスクプレートのスリット構造を関連付けることにより、基準点の位置を特定するためのパルス信号の波形を得ることができる。

本願発明は、上記のように構成されることにより、以下の利点を有する。
１．斜めに設けられるマスクプレートは、それ自体により反射される光を光電検出器以外の領域に反射できるため、基準信号のコントラストを高め、基準点の位置特定の精度を向上させることができる。
２．実際の回折効果を考慮して設計する１００ビットのランダムコードにより、ピークの幅が２６μｍのパルス信号を得ることができ、０．６μｍの精度で基準点の位置特定を実現できる。

本願発明のいくつかの実施例による絶対式の格子スケールの原理概略図である。図１の部分概略図である。本願発明のいくつかの実施例による主格子の増分コードバーおよびその基準コードバーである。本願発明のいくつかの実施例による読取りヘッドのマスクプレートにおけるコードバーである。本願発明のいくつかの実施例による基準パルス信号である。

以下、本願発明の好ましい実施例について詳しく説明する。

図１および図２に示すように、一実施例による絶対式の格子スケールは、主格子１５と、読取りヘッド装置とを備える。前記読取りヘッド装置は、増分変位測定部２３と、基準位置測定部２２とを備える。基準位置測定部２２は、第１のビームスプリッタ１２と、マスクプレート１３と、基準位置光電検出器１４とを備える。主格子１５に複数の基準コードバー２が設けられる。

光源１１（例えば、レーザダイオード）が波長６６０ｎｍの赤色レーザ光Ｌ０を発射し、コリメートレンズを透過して平行ビームになり、次いで開口絞りを透過すると、ビームが直径１．２ｍｍのビームに整形される。第１のビームスプリッタ（エネルギービームスプリッタ）１２は、光源１１の発射した光を２つのレーザ光に分割する。そのうち一方は９０°屈折して主格子１５に出射し、他方は第１のビームスプリッタ１２を透過して増分変位測定部２３に出射し、読取りヘッドが主格子１５に対して移動する増分変位を測定する。主格子に出射するビームＬ１は、マスクプレート１３を透過して主格子１５に到達し、且つ主格子１５により反射された後、再度マスクプレート１３を透過して（すなわちビームＬ２）、第１のビームスプリッタ１２を透過して基準位置光電検出器１４により受信される。

増分変位測定部２３は、従来技術で一般的に用いられる構成とすることができ、読取りヘッドの主格子１５移動に対して移動する増分変位を測定する。

マスクプレート１３には、一連の光透過部８（例えば、図４に示す白色のスリット）と非透過部７（例えば、図４に示す黒色の線）とで構成される、前記基準コードバーに対応するコードバーが設けられる。

増分変位測定部２３は、干渉光路を含み、増分変位測定部２３に入射するレーザビームが第２のビームスプリッタ１６によりさらに２つのビームに分割される。そのうち一方は、基準格子１９に出射し、他方は主格子１５に出射する。基準格子の＋Ｎ次回折光と主格子の＋Ｎ次回折光は干渉縞を形成し（例えば、基準格子１９の＋１次回折光がミラー２４および第２のビームスプリッタ１６により反射された後、主格子１５の＋１次回折光がミラー２０および第２のビームスプリッタ１６を透過した後のビームにおいて回折する）、基準格子の−Ｎ次回折光と主格子のＮ次回折光は干渉縞を形成する（例えば、基準格子１９の−１次回折光がミラー２１および第２のビームスプリッタ１６により反射された後、主格子１５の−１次回折光がミラー２５および第２のビームスプリッタ１６を透過した後のビームにおいて回折する）。読取りヘッドが主格子の長手方向に変位する時、ドップラー効果により、干渉縞に１回の明暗変化を生じる。読取りヘッドが１格子周期だけ移動するたびに、干渉縞に明暗変化が認められる。光路には、干渉縞における光の強度の変化を検出するための複数の光電検出器１７および光電検出器１８も設けられ、干渉縞の周期的な明暗変化の数を計数することにより、読取りヘッドが移動する増分変位を算出できる。

図３に示すように、主格子１５に複数の基準コードバー２が設けられ、残りは格子線、すなわち増分コードバー１である。増分コードバー１では、周期が１μｍの格子線が等間隔に設けられ、格子に反射型のホログラフィック回折格子を用いる。主格子１５では、任意の隣接する２つの基準コードバー２の間の距離が、残りの任意の隣接する２つの基準コードバーの間の距離と異なり、すなわち、基準コードバー２は、隣接する２つの基準コードバーの間の距離が一意に決まる値となるよう距離でコードするように、増分コードバー１に設定される。例えば、２つの隣接する基準コードバーの間の距離はＤ０＋ｋδで、残りの２つの隣接する基準コードバーの間の距離はＤ０＋（ｋ＋１）δである。２つの基準コードバーの間の距離が一意に決まるために、読取りヘッドが隣接する２つの基準コードバーを通過するたびに、読取りヘッドが最初に位置する絶対位置を算出できる。

読取りヘッドの初期位置を点ａとすると、読取りヘッドが移動して隣接する２つの基準コードバー３および基準コードバー４を通過する時、増分変位測定部１３は、増分変位ｘ１を算出でき、読取りヘッドが基準コードバー３に到達する時、マスクプレート１３が基準コードバー３に揃えられ、この時、マスクプレート１３を透過したビームが光パルスであるため、基準位置光電検出器１４は対応する基準パルス信号を検出でき、そして増分変位測定部１３は、距離ｘ２を計算する。読取りヘッドが基準コードバー４に到達する時、マスクプレート１３が基準コードバー４に揃えられ、この時、マスクプレート１３を透過したビームが光パルスであるため、基準位置光電検出器１４は対応する基準パルス信号を検出でき、これで増分変位測定部１３は距離ｘ２の値を確定できる。主格子の基準コードバーは距離でコードするように設定されるため、任意の２つの基準コードバーの間の距離が決まり、算出される距離ｘ２により基準コードバーの位置する絶対位置は決まり、ｘ１−ｘ２により読取りヘッドの最初に位置する点ａの絶対位置は決まる。

図１および図２に示すように、入射光はまずマスクプレートを透過し、１回目に変調され、マスクプレート１３のコードバーは、入射するビームを変調させて明暗交互の縞状のビームを形成できる。次いで、変調された縞状のビームが主格子の基準コードバー領域に入射し且つ反射されてマスクプレートに戻り、この時に、光が２回目に変調される。最後に再度マスクプレート１３を透過して３回目に変調された後、光電検出器により受信される。本実施例では、主格子１５および基準格子１９に反射型の格子を用いる。マスクプレートと主格子１５が相対的に変位する時、光電検出器により受信される光の強度も変化し、これはマスクプレート自体のコード構造における自己相関に相当する。マスクプレートのコードバーが主格子の同一の基準コードバー２に正確に揃えられる時、相関性が最も高く、検出器により受信される光の強度が最小である。マスクプレートのコードバーが主格子の基準コードバーから１ビットだけオフセットする時、光の強度が大幅に増加し、これにより基準位置に揃えるための負の基準パルス信号が形成される。図５に示すように、マスクプレートが主格子の基準点に正確に揃えられる時、検出器により受信される光の強度は、理論的に０であり、すなわちパルス信号のピークＷ２に対応し、このピーク値を用いて基準コードバーの位置を特定できる。

図３に示すように、基準パルス信号のピークでの光の強度が極めて小さいため、外部の光が検出器にわずかな干渉を与える場合でも、基準信号のコントラストに深刻な影響を及ぼすことになる。実際に、マスクプレートは一般的にガラス繊維からなるため、その表面に反射防止材料がコーティングされても反射を解消できないため、マスクプレート自体が一部の光を検出器に反射する。これは基準パルス信号に直流成分を加えることに相当し、そのコントラストが大幅に下がり、基準コードバーの位置特定の精度に影響を与えるが、マスクプレートをスリットに垂直な方向に５°未満の小さな角度で回転させ、それ自体の反射した光を検出器以外の領域に反射することにより、光の強度信号のコントラストを高め、基準コードバーの位置特定の精度を向上させることができる。

一実施例では、マスクプレートのコードバーをコードするビット数を１００ビットとし、線幅を１０μｍとし、光透過部８を２３個、非透過部７を７７個とする。図２に示すように、全幅が１ｍｍであり、直径１．２ｍｍのビームは、１ｍｍの領域をカバーできる。本実施例では、スリットの幅が１０μｍで、利用されるレーザ光の６６０ｎｍの波長をはるかに超えているため、わずかな回折効果を生じるが、基準パルスのピークでの信号が極めて弱いため、わずかな回折効果でもノイズにより信号が遮蔽される可能性がある。したがって、コードの設定に際して回折効果からの影響も考慮する。列挙法により１００ビットのコード構造を設定し、具体的には、「０１１００００１００００００００１００１１００００１１０１０００００００１００００００００００１１００１００００００１００００００００１０１０００００１１０００１００００００１００１０００００１１１０」である。ピークを有するパルス信号を含み、ピークの幅Ｗ１は２６μｍで、回路によりさらに分割されることにより、０．６μｍの精度での基準点の位置特定を実現できる。

以上記載されている内容は、好ましい実施形態により本願発明を詳しく説明するものに過ぎず、本願発明の実施形態は、上記説明に限定されるものではない。なお、当業者が本願発明の趣旨を逸脱することなく種々の変更または変形を加えることもでき、これらはいずれも添付される特許請求の範囲により特定される保護対象と見なされる。

Claims

主格子と、増分変位測定部を含む読取りヘッド装置とを備える絶対式の格子スケールにおいて、前記読取りヘッド装置は、第１のビームスプリッタと、マスクプレートと、基準位置光電検出器とをさらに備え、前記主格子に複数の基準コードバーが設けられ、任意の隣接する２つの基準コードバーの間の距離は、残りの任意の隣接する２つの基準コードバーの間の距離と異なり、前記第１のビームスプリッタは、光源の発射した光を前記主格子に出射するビームと、増分変位測定部に出射するビームとに分割し、前記主格子に出射するビームは、前記マスクプレートを透過して前記主格子に到達し且つ反射された後、再度前記マスクプレートを透過して前記基準位置光電検出器により受信され、前記マスクプレートに前記基準コードバーと同一のコードバーが設けられ、前記マスクプレートは、前記マスクプレートに出射するビームが前記マスクプレートにより反射された後、前記基準位置光電検出器により受信されないように設けられる、絶対式の格子スケール。
前記マスクプレートに出射するビームと前記マスクプレートの法線は、鋭角を形成する、請求項１に記載の絶対式の格子スケール。
前記鋭角は、５°未満である、請求項２に記載の絶対式の格子スケール。
前記マスクプレートのコードバーに、光透過部と、光反射部とが設けられる、請求項１から３のいずれか１項に記載の絶対式の格子スケール。
前記マスクプレートに出射するビームは、前記マスクプレートのコードバーの幅より大きい、請求項１から４のいずれか１項に記載の絶対式の格子スケール。
前記コードバーからなるコードは、０１１００００１００００００００１００１１００００１１０１０００００００１００００００００００１１００１００００００１００００００００１０１０００００１１０００１００００００１００１０００００１１１０であり、１は光透過部で、０は光反射部である、請求項１から５のいずれか１項に記載の絶対式の格子スケール。
光透過部および光反射部のそれぞれの幅は１０μｍである、請求項６に記載の絶対式の格子スケール。