JP3303506B2 - 光学式変位測定装置 - Google Patents

光学式変位測定装置

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JP3303506B2 JP03194094A JP3194094A JP3303506B2 JP 3303506 B2 JP3303506 B2 JP 3303506B2 JP 03194094 A JP03194094 A JP 03194094A JP 3194094 A JP3194094 A JP 3194094A JP 3303506 B2 JP3303506 B2 JP 3303506B2
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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、回折格子が形成された
回転、移動する物体に光を照射した際に発生する回折光
を干渉させ、その干渉光束が変調されることを利用し
て、回転速度、移動変位などの物理量を測定する光学式
変位測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の光学式変位測定装置とし
ては、たとえば光学式リニアエンコーダ,光学式ロータ
リエンコーダ,レーザドップラー速度計,レーザ干渉計
などが利用されている。そして、これらの光学式変位測
定装置は、より広い分野に応用されるために、小型化
(ミリオーダのサイズ)、高精度、高分解能(0.1μ
mオーダ)、高安定性が必要になってきている。ミリオ
ーダのサイズになれば、測定される対象物体に直接貼り
付けて使用できるので、より小型な物体の物理量を測定
することができるようになる。
【0003】図27は例えば特開平5−157583号
公報に示された従来の光学式ロータリーエンコーダを示
す斜視図であり、図10において、101は半導体レー
ザなどの光源、102はレンズ、103はビームスプリ
ッタ、104はビームスプリッタ103を透過したビー
ムが直角に入射する位置の回転軌跡上に放射状に、かつ
一定間隔毎に回折格子105が形成された回転ディスク
板、106は回折格子105から反射し、かつビームス
プリッタ103から反射したビームを集光する集光レン
ズ、107は集光レンズ106からのビームを反射させ
て上記回転ディスク板104の回折格子105上に直角
に入射するビームスプリッタ、108は回折格子105
から反射しビームスプリッタ107を透過したビームを
反射させるミラー、109はミラー108の反射ビーム
を受光素子110へ導くビームスプリッタである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、 ディスクの取付け偏心によって測定精度が悪化しやす
く、それを回避するための光学系を必要とし、構成が複
雑になりやすい。 光の位相変調手段としての回折格子が、回転ディスク
板上に放射状に形成されているため、回折格子に照射す
る位置が半径方向にずれると、回折格子ピッチが変化
し、干渉光学系の光路がズレて、安定化しにくい。 回転角とその方向を測定しようとしたとき、光学系が
複雑になり、小型化、安定化しにくい。 2方向以上の変位量と変位方向を測定しようとしたと
き、1方向につき1つのエンコーダとそれを含めた機構
が必要になり、その機構が大型化をし、小型化が困難に
なる。などの問題点があった。
【0005】本発明は上記のような問題点を解消した光
学式変位測定装置を得ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明に係る光
学式変位測定装置は発光素子と受光素子および光束を該
受光素子に入射させ回折格子が設けられたヘッド部と、
光束を位相変調させる回折格子が設けられた回転部とを
有する光学式変位測定装置において、前記回転部に設け
られた回折格子は多重螺旋で形成され、その多重螺旋格
子に対応して複数に分割され、格子の配列方向に任意の
距離だけ分離された前記ヘッド部に設けられた回折格子
に対応する出力信号同士を用いて変位方向を決定し、回
転変位信号を出力する信号処理手段を具備したことによ
り、回転角と回転方向を測定可能にし、回転体の偏心に
よる影響を受けない簡単な光学系を構成することができ
る。
【0007】請求項2の発明に係る光学式変位測定装置
は発光素子から出射された光束を分割する第1の回折格
子、この分割された光束を合成する第3の回折格子、こ
の合成された干渉信号光束を受光する複数個の受光素子
が設けられたヘッド部と、光束を位相変調させる第2の
回折格子が設けられた回転部とを有する光学式変位測定
装置において、前記第2の回折格子は互いに配列方向が
異なる分離独立した複数の多重螺旋に形成され、その第
2の回折格子に対応して複数に分割され、格子の配列方
向に任意の距離だけ分離された前記第3の回折格子に対
応する出力信号同士を用いて変位方向を決定し、回転変
位信号を出力する信号処理手段を具備したことにより、
軸方向のズレの影響を軽減し、出力を安定化させること
ができる。
【0008】請求項3の発明に係る光学式変位測定装置
は発光素子と受光素子および光束を該受光素子に入射さ
せ回折格子が設けられたヘッド部と、光束を位相変調さ
せる回折格子が設けられた回転部とを有する光学式変位
測定装置において、前記回転部に設けられた回折格子
は、互いに配列方向が異なる複数個の多重螺旋で形成さ
れ、その多重螺旋の回折格子に対応して複数に分割さ
れ、格子の配列方向に任意の距離だけ分離された前記ヘ
ッド部に設けられた回折格子を介して前記螺旋格子によ
って変調された信号光をそれぞれ入射する受光素子と、
その各受光素子の出力信号同士を用いて、複数種類の変
位信号を出力する信号処理手段を具備したことにより、
複数種類の変位信号を安定に出力することができる。
【0009】請求項4の発明に係る光学式変位測定装置
は発光素子から出射された光束を分割する第1の回折格
子と、この分割された光束を合成する第3の回折格子、
この合成された干渉信号光束を受光する複数個の受光素
子が設けられたヘッド部と、光束を位相変調させる第2
の回折格子が設けられた回転部とを有する光学式変位測
定装置において、前記第2の回折格子は互いに配列方向
が異なる複数の多重螺旋を交差させて形成し、この第2
の回折格子に対応して複数に分割され、格子の配列方向
に任意の距離だけ分離された前記第3の回折格子によっ
て変調された信号光をそれぞれ入射する受光素子と、そ
の各受光素子の出力信号同士を用いて、複数種類の変位
信号を出力する信号処理手段を具備したことにより、測
定精度を高く保ちながらミリサイズの小型化で、組み込
み時の誤差の影響を受けにくく、複数のモードの変位測
定ができる。
【0010】
【実施例】
実施例1.図1は本発明による光学式変位測定装置の実
施例1を示す斜視図、図2がその光路を示した上面図、
図3はその側面図、図4はヘッド部の回折格子の配置を
示した図、図5,図6は回転部に設けられた回折格子を
構成する図、図7は出力信号の処理回路図である。
【0011】図1乃至図7において、1は発光素子、2
はヘッド部、3a,3bは受光素子、G1は発光光束を
分割するための第1の回折格子、G2は分割された光束
を位相変調するため回転部としての円筒5の表面に多重
螺旋状に形成された第2の回折格子(以下、円筒多重螺
旋格子と称す)、G3a,G3bは回折格子の配列方向
に4分の1ピッチだけずらして配置され光束を合成する
ための回折格子、4はコリメータレンズである。
【0012】上記円筒多重螺旋格子G2の螺旋の詳しい
形状を以下に説明する。点Oを中心とし、点qを出発点
として半径rの円筒形の表面の螺旋曲線の位置ベクトル
Vは、i,j,kをそれぞれx,y,z軸方向の単位
ベクトルとし、θを出発点qからのx−y平面内の角度
とし、f(θ)を角度θの1次関数とすると、 rV =rCos(θ)i+rSin(θ)j+f(θ)
k となる。
【0013】上記方程式の軌跡は、円筒が一回転するご
とにz方向にf(θ)だけずれることになる(図6)。
この間にn本の螺旋格子が入るとすると、そのm番目の
螺旋曲線の位置ベクトルrVmは、Pを螺旋格子間のピッ
チとし、zm をrVmの始まりのz方向の位置とすると、 rVm=rCos(θ)i+rSin(θ)j+(nP′
θ/(2π)+zm)k ただし、P′=P/(1−(nP/(2πr))2
1/2 ・・・・(a) となる。
【0014】上記円筒多重螺旋格子G2が一回転するご
とに見かけ上、n本の螺旋格子が格子配列方向に移動し
た様に見えることになる。この結果、円筒多重螺旋格子
G2で反射回折された±1次回折光の位相は、±2πn
だけズレる。すなわち、角度θだけ回転したときの位相
ズレは±nθである。
【0015】以下、本実施例1の原理を説明する。図3
において、発光素子1から射出した発散光束は、コリメ
ータレンズ4で略平行光にされ、回折格子G1にて透過
回折されて、0次回折光R0,+1次回折光R+1 ,−
1次回折光R-1 に3分割されて射出する。
【0016】回折格子G1を直進した光束R0 は、円筒
多重螺旋格子G2の点P1にて反射回折されて、+1次
回折光R0+1 ,−1次回折光R0-1 に分割し位相変調さ
れ、+1次回折光R0+1 の位相は+nθだけずれて、−
1次回折光R0-1 の位相は−nθだけずれる。但し、こ
こでnは円筒多重螺旋格子G2の多重にしている格子の
本数、θは円筒多重螺旋格子G2の回転角(ラジアン)
とする。
【0017】+1次回折光R0+1 は2分割された回折格
子G3a,G3bにて透過回折されて、0次回折光R
0+10 ,−1次回折光R0+1-1 およびその他の光束の分
割され、このうち−1次回折光R0+1-1 は回折格子面と
垂直に取り出され、G3aを透過回折した波面の位相は
+nθであり、G3bを透過回折した波面の位相は+n
θ+π/2である。
【0018】回折格子G1にて+1次回折した光束R+1
は、円筒多重螺旋格子G2の点P2にて反射回折されて
−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、それぞれ位相変調される。
【0019】このうち−1次回折光R+1-1の位相は、−
nθだけずれて回折格子G3a,G3bに入射し、この
まま直進してG3aを透過した0次回折光R+1-10 の波
面の位相は−nθであり、G3bを透過した0次回折光
+1-10 の波面の位相も−nθである。
【0020】回折格子G3a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3aに入射する。このときの干渉位相は、 {+nθ}−{−nθ} =2nθ となり、円筒多重螺旋格子G2が1回転すると、2n周
期の明暗信号A1が発生する。
【0021】上記回折格子G3bにて光路を重ね合わさ
れた図示しない光束R-1+10 と光束R-1+1は、干渉光と
なって受光素子3bに入射する。このときの干渉位相
は、 {nθ+π/2}−{−nθ} =2nθ+π/2 となり、円筒多重螺旋格子G2が1回転すると2n周期
の明暗信号B1が発生する。この2つの信号出力A1,
B1に互いにπ/2だけ位相がずれた信号(2相信号)
となっており、図7に示す信号処理手段としての回転方
向判別手段兼用計数手段6に入力して計数することによ
り、円筒多重螺旋格子G2の回転方向が測定可能とな
る。
【0022】上記実施例1は干渉光学系が非常にシンプ
ルな構成であり、ヘッド部が発光源、受光素子、レンズ
のみで出来ているため、部品点数が少なく、組立が簡単
となり、非常に小型化が可能である。また多重螺旋格子
は円筒表面に形成されていることにより、細型化、中空
化が可能である。この結果、非常に小型で取付け易い変
位測定装置を実現できる。
【0023】また、上記回転部は円筒状の表面に多重螺
旋格子を形成した構成であるため、この多重螺旋格子の
至る所で格子ピッチが一定で、回転部の偏心等の取付け
精度の影響を受けない。
【0024】本実施例1は光束を分割する回折格子G
1、光束を位相変調する回折格子G2、光束を合成する
回折格子G3a,G3bによる3枚格子の光学系の構成
をとっているので、3枚の回折格子の内の1枚の回折格
子が格子の配列方向に1ピッチずれると、受光素子上で
2周期の明暗信号が生じる特性がある。この変位する多
重螺旋格子は本実施例の場合、円筒表面に螺旋上に形成
されているために、回転部がヘッド部と相対的に一回転
すると、ヘッド部の前面を見かけ上、n本の格子が横切
ることになる。
【0025】さらにMを整数とすると、回折格子G3
a,G3bが(M±1/4)Pだけ格子の配列方向にず
らして配置しているため、信号出力の位相がπ/2だけ
ずれた2相信号が得られ、円筒多重螺旋格子G2の回転
方向の測定が可能となる。
【0026】実施例2.図8は本発明による光学式変位
測定装置の実施例を示す斜視図、図9はその光路を示し
た上面図、図10はその側面図、図11はヘッド部の回
折格子の配置を示した図、図12は出力信号の処理回路
図である。前記図1から図7に示す実施例1と同一部分
には同一符号を付して重複説明を省略した図8から図1
2において、3a1,3b1,3a2,3b2は受光素
子、G3a1,G3b1,G3a2,G3b2は光束を
合成するための第3の回折格子G2a,G2bは第2の
回折格子であり、互いに配列方向が右回りと、左回りと
異なる複数の多重螺旋で分離独立して形成されている。
【0027】本実施例2で用いられる円筒多重螺旋格子
G2a,G2bの螺旋の詳しい形状を以下に記述する。
なお、G2aとG2bは同一であるからG2aについて
説明する。この円筒多重螺旋格子G2aの基本的構成は
前記実施例1と同じであり、この円筒多重螺旋格子G2
aが何らかの原因でz軸方向にΔzだけズレたときの±
1次回折光の位相は以下の様になる。
【0028】円筒多重螺旋格子G2aがΔzだけズレる
と、Δz/P′本の格子が格子配列方向に移動したこと
になる。この円筒多重螺旋格子G2aで反射回折された
±1次回折光の位相は(a)式のP′を用いると、 ±2πΔz/P′ となる。
【0029】すなわち、円筒多重螺旋格子G2aがθだ
け回転し、z軸方向にΔzだけのズレが生じたとき、円
筒多重螺旋格子G2aで反射回折された±1次回折光の
位相は、 ±{nθ+2πΔz/P′} となる。
【0030】以下、本実施例2の原理を説明する。発光
素子1から射出した発散光束は、コリメータレンズ4で
略平行光にされ、回折格子G1上の点O1にて透過回折
されて、0次回折光R0 ,+1次回折光R+1 ,−1次
回折光R-1に3分割されて射出する。
【0031】回折格子G1を直進した光束R0 は、円筒
多重螺旋格子G2a,G2bの境界点P1にて反射回折
され、+1次回折光R0+1 ,−1次回折光R0-1 に分割
し位相変調され、+1次回折光R0+1 の位相は+nθ+
2πΔz/P′だけずれて、−1次回折光R0-1 の位相
は−nθ+2πΔz/P′だけずれる。但し、ここで、
nは円筒多重螺旋格子G2a,G2bの多重にしている
格子の本数、θは円筒多重螺旋格子G2の回転角(ラジ
アン)、Δzは円筒多重螺旋格子G2a,G2bの回転
軸方向のズレ量(以下、ラストズレと称する)、Pは格
子のピッチ、Rは円筒多重螺旋格子G2a,G2bの半
径とする。
【0032】+1次回折光R0+1 は回折格子G3a1,
G3a2にて透過回折されて、0次回折光R0+10 ,−
1次回折光R0+1-1 およびその他の光束の分割され、こ
のうち−1次回折光R0+1-1 は回折格子面と垂直に取り
出され、回折格子G3a1,G3a2が格子の配列方向
にP(M+1/4)もしくはP(M+3/4)だけずら
して配置されていれば(Mは整数)、回折格子G3a1
を透過回折された波面の位相は+nθ+2πΔz/P′
であり、回折格子G3a2を透過回折された波面の位相
は+nθ+2πΔz/P′+π/2である。
【0033】−1次回折光R0-1 は回折格子G3b1,
G3b2で透過回折されて、0次回折光R0-10 ,+1
次回折光R0-1+1 およびその他の光束の分割され、この
うち+1次回折光R0-1+1 は回折格子面と垂直に取り出
され、回折格子G3b1,G3b2が格子の配列方向に
P(M+1/4)もしくはP(M+3/4)だけずらし
て配置されて入れば(Mは整数)、回折格子G3b1を
透過回折された波面の位相は−nθ+2πΔz/P′で
あり、回折格子G3b2を透過回折された波面の位相は
−nθ+2πΔz/P′+π/2である。
【0034】回折格子G1で+1次回折した光束R
+1は、円筒多重螺旋格子G2aの点P2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、それぞれ位相変調される。このう
ち−1次回折光R+1-1の位相は−nθ+2πΔz/P′
だけずれて回折格子G3a1,G3a2に入射し、回折
格子G3a1,G3a2を直進した0次回折光R+1-10
の波面の位相はnθ+2πΔz/P′である。
【0035】回折格子G1で−1次回折した光束R
-1は、円筒多重螺旋格子G2aの点P3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、それぞれ位相変調される。この
うち+1次回折光R-1+1の位相は+nθ+2πΔz/P
だけずれて回折格子G3b1,G3b2に入射し、G3
b1,G3b2を直進した0次回折光R+1-10 の波面の
位相は、+nθ−2πΔz/P′である。
【0036】回折格子G3a1で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3a1に入射する。このときの干渉位相は、 {+nθ+2πΔz/P′}−{−nθ−2πΔz/P′} =2nθ+4πΔz/P′ となる。
【0037】また回折格子G3a2で光路を重ね合わさ
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3a2に入射する。このときの干渉位相は、 {+nθ+2πΔz/P′+π/2}−{−nθ−2πΔz/P′} =2nθ+4πΔz/P′+π/2 となり、回折格子G3a1で光路を合わされた光束とπ
/2だけ位相のずれた干渉位相が得られる。
【0038】すなわち、円筒多重螺旋格子G2a,G2
bが1回転し、その間にスラストズレがΔzだけ生じる
と、位相がπ/2だけずれた2相の明暗信号から回転方
向が判別可能な2n+2Δz/P′周期の明暗信号A
1,A2が受光素子3a1,3a2から発生する。
【0039】回折格子G3b1で光路を重ね合わされた
光束R0-1+1 は、干渉光となって受光素子3b1に入射
する。このときの干渉位相は、 {nθ−2πΔz/P′}−{−nθ+2πΔz/P′} =2nθ−4πΔz/P′ となる。
【0040】また、回折格子G3b2で光路を重ね合わ
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3b2に入射する。このときの干渉位相は、 {nθ−2πΔz/P′+π/2}−{−nθ+2πΔz/P′} =2nθ−4πΔz/P′+π/2 となり、回折格子G3b1で光路を合わされた光束とπ
/2だけ位相のずれた干渉位相が得られる。
【0041】したがって、円筒多重螺旋格子G2a,G
2bが1回転し、その間にスラストズレがΔzだけ生じ
ると、位相がπ/2だけずれた2相の明暗信号から回転
方向が判別可能な2n−2Δz/P′周期の明暗信号B
1,B2が受光素子3b1,3b2から発生する。
【0042】上記の明暗信号A1,A2,B1,B2を
回転方向判別手段兼用計数手段6A,6Bに入力し、デ
ィジタル出力に変換すると、円筒多重螺旋格子G2が1
回転し、スラストズレがΔzとなるごとに上記出力信号
A1,A2によって、±(2n+2Δz/P′)パルス
の出力A0が得られ、上記の出力信号B1,B2によっ
て、±(2n−2Δz/P′)パルスの出力B0が得ら
れ、回転の方向により正負の符号がつく。上記の2つの
出力A0,B0を上記手段6A,6Bとで信号処理手段
11を構成する算術手段7を入力し、その和を取ると (A0)+(B0)=±4n となり、スラストズレによらず、円筒多重螺旋格子G2
が1回転すると、4nパルスの信号が得られ、符号の正
負で回転の方向が識別できる。
【0043】本実施例2は上記のように、円筒多重螺旋
格子G2a,G2bが互いに配列方向が異なる右回り
と、左回りの多重螺旋を上下に2分割して配置したもの
であるために、円筒多重螺旋格子G2a,G2bが回転
すると互いに逆方向に動くように見える。このため、右
回りと、左回りの回折格子G2a,G2bに対応して配
置された受光素子3a1,3a2,3b1,3b2の出
力の和を出力信号として用いることにより、円筒多重螺
旋格子G2のスラストズレの影響がなくなる。
【0044】実施例3.図13は本発明による光学式変
位測定装置の実施例3を示す斜視図、図14はその光路
を示した上面図、図15はその側面図、図16はヘッド
部の格子配置を示した図、図17は出力信号の処理回路
図である。前記図8から図12に示す実施例2と同一部
分には同一符号を付して重複説明を省略した図13から
図17において、3Aa1,3Ab1,3Aa2,3A
b2,3Ba1,3Bb1,3Ba2,3Bb2は受光
素子、G3Aa1,G3Ab1,G3Aa2,G3Ab
2,G3Ba1,G3Bb1,G3Ba2,G3Bb2
は光束を合成するための第3の回折格子である。
【0045】光学系の基本的構成は、前記実施例2と同
じで、回折格子G1で分割された光束を合成する回折格
子G3Aa〜G3Ab2,G3Ba1〜G3Bb2が格
子の配列方向に互いに任意の距離だけ離して配置されて
いる。さらにその分割された各回折格子に対応して受光
素子3Aa1〜3Bb2が配置されている。これによ
り、受光素子3Aa1〜3Ab2,3Ba1〜3Bb2
の2組の各相から各々π/2だけずれた2組の4相出力
を得ることができる。
【0046】図16の様にヘッド部2に回折格子が配置
してある場合、図1に示すように一対の受光素子3Aa
1・3Aa2,3Ab1・3Ab2,3Bb1・3Bb
2,3Ba1・3Ba2の出力信号A1,A2,B1,
B2を回転方向判別手段兼用計数手段6A,6Bで演算
処理し、両手段6A,6Bからの周力A0,B0を算術
手段7に入力することで、円筒多重螺旋格子G2a,G
2bが一回転すると、スラストズレによらず、高分解能
で、4nパルスの信号が得られ、回転方向判別手段にお
いて回転の方向が識別できる。
【0047】本実施例3は円筒多重螺旋格子G2a、G
2bに対応してヘッド部2に設けられた第3の回折格子
G3Aa1〜G3Bb1が図16の様に分割、配置さ
れ、さらに各受光素子3Aa1〜3Bb2からの出力を
図17に示す各手段6A,6B,7において演算処理す
ることで、信号光以外の外部光等による受光素子出力の
オフセットズレ等の影響を減少させ、高分割が可能な安
定した出力得ることが可能となる。
【0048】実施例4.図18は本発明による光学式変
位測定装置の実施例4を示す斜視図、図9はその光路を
示した上面図、図20はその側面図、図21はヘッド部
2の格子配置を示した図、図22は出力信号の処理回路
図である。前記図8から図12に示す実施例2と同一部
分には同一符号を付して重複説明を省略した図18から
図22において、3Aa〜3Bbは受光素子、G2は分
割された光束を位相変調するため円筒形の表面に交差さ
せて形成された互いに配列方向が異なる複数の多重螺旋
の回折格子(以下、円筒多重螺旋格子と称す)、G3A
a〜G3Bbは光束を合成するための回折格子である。
【0049】本実施例4で用いられる円筒多重螺旋格子
G2の基本的構成は前記実施例2と同じであり、円筒多
重螺旋格子G2が1回転し、回転軸方向にΔzズレるご
とに、前記実施例2で説明した位相がπ/2だけずれた
2相の2n+2Δz/P′周期の明暗信号A1,A2が
発生する。
【0050】この2つの明暗信号A1,A2を変位方向
判別手段とカウンター等の計数手段6Aに入力すると、
出力信号は円筒多重螺旋格子G2a,G2bが1回転
し、回転軸方向にΔzズレるごとに2n+2Δz/P′
パルスの変位方向が判別された出力A0が得られる。
【0051】回折格子G3Baにて光路を重ね合わされ
た光束R-1+10 と光束R0-1+1 は、干渉光となって光電
素子3Baに入射する。このときの干渉位相は、 {nθ−2πΔz/P′}−{−nθ+2πΔz/P′} =2nθ−4πΔz/P′ となる。
【0052】また回折格子G3Bb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3Bbに入射する。このときの干渉位相は、 {nθ−2πΔz/P′}−{−nθ+2πΔz/P′+π/2} =2nθ−4πΔz/P′+π/2 となり、回折格子G3Baにて光路を合わされた光束と
π/2だけ位相のずれた干渉位相が得られる。すなわ
ち、円筒多重螺旋格子G2a,G2bが1回転し、回転
軸方向にΔzズレるごとに、位相がπ/2だけずれた2
相の2n−2Δz/P′周期の明暗信号B1,B2が発
生する。
【0053】この2つの明暗信号B1,B2を変位方向
判別手段とカウンター等の計数手段6Bに入力すると、
出力信号は円筒多重螺旋格子G2が1回転し、回転軸方
向にΔzズレるとごに2n−2Δz/P′パルスの変位
方向が判別された出力B0が得られる。この出力A0と
出力B0の出力の和を取ると(A0)−(B0)=4n
となり、回転軸方向のズレによらず、円筒多重螺旋格子
G2a,G2bが1回転すると、回転方向の判別された
4nパルスの信号が得られる。また、上記2つの出力の
偏差(2つの出力をA0,B0とすると、偏差Sは、S
=(A0−B0)/2)をとると、 S=2Δz/P′ となり、ズレ方向の判別されたスラストズレΔzだけに
対する出力2Δz/P′パルスをえることができる。即
ち、円筒の回転変位量と回転変位方向と、直線変位量と
直線変位方向が同時に、測定されたことになる。
【0054】本実施例4は干渉光学系が非常にシンプル
な構成であり、角度と距離変位が同時に測定できる変位
測定装置を非常に小型で実現できる。また、本実施例の
場合、円筒の表面に多重螺旋の回折格子を形成している
ので、円筒5がヘッド部2と相対に一回転すると、ヘッ
ド部2の前面を見かけ上、n本の格子が横切ることにな
る。このヘッド部2に設けられた回折格子が2分割さ
れ、互いにP/4ずれて配置されているため、この2相
信号を利用することで変位の方向が識別可能となる。そ
して、受光素子の出力の和と差を取っていることによ
り、多重螺旋の回折格子G2a,G2bの回転軸方向の
ズレによる影響のない回転方向と回転量に対する出力
と、回転による影響のないスラストズレ量とスラストズ
レ方向に対する出力を分離して得ることができる。実施
例5.図23は本発明による光学式変位測定装置の実施
例5を示す斜視図、図24はその光路を示した上面図、
図25はその側面図、図26はヘッド部の格子配置を示
した図である。前記図18から図22に示す実施例4と
同一部分には同一符号を付して重複説明を省略した図2
3から図26において、3Aa1,3Aa2,3Ab
1,3Ab2,3Bb1,3Bb2,3Ba1,3Ba
2は受光素子、G3Aa1,G3Ba2,G3Ab1,
G3Ab2,G3Bb1,G3Bb2,G3Ba1,G
3Ba2は光束を合成するための回折格子である。
【0055】光学系の基本的構成は、前記実施例4と同
じで、回折格子G1で分割された光束を合成する回折格
子G3Aa1〜G3Ab2,G3Ba1〜G3Bb2が
格子の配列方向に互いに任意の距離だけ離して配置され
ている。さらにその分割された格子に対応して受光素子
3Aa1〜3Bb2が配置されている。これにより3A
a1〜3Ab2,3Ba1〜3Bb2の2組の各相は各
々π/2だけずれた2組の4相出力を得ることができ
る。
【0056】図26の様にヘッド部の格子が配置してあ
る場合、前記図17に示す実施例3の出力処理回路と同
一構成の出力処理回路で出力信号を処理することで、円
筒多重螺旋格子G2が1回転し、回転軸方向にΔzだけ
ズレると、回転量の出力としえ4nパルスの信号が得ら
れ、回転軸方向のズレ量として2Δz/P′パルスの信
号が得られ、信号光以外の外部光の影響によらない、高
分割可能な安定した出力を得ることができ、回転方向と
ズレ方向が識別できる。
【0057】
【発明の効果】請求項1の発明によれば、多重螺旋の回
折格子を回転体に設け、この回転体に対応するヘッド部
に該回折格子で位相変調された光束を合成する回折格子
を、複数に分割し、格子の配列方向に任意の距離だけ分
離して設けたので、回転角と回転方向が測定可能であ
り、部品点数が少なく組立が簡単となり、非常に小型化
が可能である。
【0058】請求項2の発明によれば、互いに配列方向
が異なる分離独立した複数の多重螺旋の回折格子を回転
体に設け、この回転体に対応するヘッド部に該回折格子
で位相変調された光束を合成する回折格子を、複数に分
割し、格子の配列方向に任意の距離だけ分離して設けた
ので、回転体の軸方向のブレの影響を軽減し、出力を安
定化させることができる。
【0059】請求項3の発明によれば、回折格子からの
光束を複数の受光素子に入射させ、この各受光素子から
の出力を演算処理するように構成したので、複数種類の
変位信号を安定に出力することができる。
【0060】請求項4の発明によれば、互いに配列方向
が異なる複数の多重螺旋の回折格子を交差させて回転体
に設けたので、上記の各効果を有するとともに装置全体
の小型化にきわめて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例1を示す光学式変位測定装置
の要部斜視図。
【図2】 実施例1の光路が書かれた上面図。
【図3】 図2の側面図。
【図4】 実施例1のヘッド部の回折格子の配置図。
【図5】 実施例1の回転部に設けられた円筒多重螺旋
格子の構成図。
【図6】 円筒多重螺旋格子の螺旋形状図。
【図7】 実施例1の信号処理回路図。
【図8】 本発明の実施例2を示す光学式変位測定装置
の要部斜視図。
【図9】 実施例2の光路が書かれた上面図。
【図10】 図9の側面図。
【図11】 実施例2のヘッド部の回折格子の配置図。
【図12】 実施例2の信号処理回路図。
【図13】 本発明の実施例3を示す光学式変位測定装
置の要部斜視図。
【図14】 実施例3の光路が書かれた上面図。
【図15】 図14の側面図。
【図16】 実施例3のヘッド部の回折格子の配置図。
【図17】 実施例3の信号処理回路図。
【図18】 本発明の実施例4を示す光学式変位測定装
置の要部斜視図。
【図19】 実施例4の光路が書かれた上面図。
【図20】 図19の側面図。
【図21】 実施例4のヘッド部の回折格子の配置図。
【図22】 実施例4の信号処理回路図。
【図23】 本発明の実施例5を示す光学式変位測定装
置の要部斜視図。
【図24】 実施例5の光路が書かれた上面図。
【図25】 図24の側面図。
【図26】 実施例5のヘッド部の回折格子の配置図。
【図27】 従来の光学式変位測定装置を示す斜視図。
【符号の説明】 1 発光素子 5 円筒(回転部) 3Aa〜3Bb,3Aa1〜3Bb2 受光素子 G1 光束を分割するための回折格子(第1の回折格
子) G2 分割された光束を位相変調させる円筒多重他薦格
子(第2の回折格子) G3a,G3b,G3Aa〜G3Bb,G3Aa1〜G
3Bb2 光束を合成するための回折格子(第3の回折
格子) 11 信号処理手段
───────────────────────────────────────────────────── 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 (56)参考文献 特開 平2−285214(JP,A) 特開 平4−115017(JP,A) 特開 平1−72020(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/26 G01B 11/00 G01D 5/38

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 発光素子と受光素子および光束を該受光
    素子に入射させるための回折格子が設けられたヘッド部
    と、光束を位相変調させる回折格子が設けられた回転部
    とを有する光学式変位測定装置において、前記回転部に
    設けられた回折格子は多重螺旋で形成され、その多重螺
    旋格子に対応してヘッド部に設けられた格子が複数に分
    割され、格子の配列方向に任意の距離だけ分離され、そ
    の分離された回折格子に対応する出力信号同士を用いて
    変位方向を決定し、回転変位信号を出力する信号処理手
    段を具備したことを特徴とする光学式変位測定装置。
  2. 【請求項2】 発光素子から出射された光束を分割する
    第1の回折格子、この分割された光束を合成する第3の
    回折格子、この合成された干渉信号光束を受光する複数
    個の受光素子が設けられたヘッド部と、光束を位相変調
    させる第2の回折格子が設けられた回転部とを有する光
    学式変位測定装置において、前記第2の回折格子は互い
    に配列方向が異なる分離独立した複数の多重螺旋状に形
    成され、その第2の回折格子に対応して複数に分割さ
    れ、格子の配列方向に任意の距離だけ分離された前記第
    3の回折格子に対応する出力信号同士を用いて変位方向
    を決定し、回転変位信号を出力する信号処理手段を具備
    したことを特徴とする光学式変位測定装置。
  3. 【請求項3】 発光素子と受光素子および光束を該受光
    素子に入射させ回折格子が設けられたヘッド部と、光束
    を位相変調させる回折格子が設けられた回転部とを有す
    る光学式変位測定装置において、前記回転部に設けられ
    た回折格子は、互いに配列方向が異なる複数個の多重螺
    旋で形成され、その多重螺旋の回折格子に対応して複数
    に分割され、格子の配列方向に任意の距離だけ分離され
    た前記ヘッド部に設けられた回折格子を介して前記螺旋
    格子によって変調された信号光をそれぞれ入射する受光
    素子と、その各受光素子の出力信号同士を用いて、複数
    種類の変位信号を出力する信号処理手段を具備したこと
    を特徴とする光学式変位測定装置。
  4. 【請求項4】 発光素子から出射された光束を分割する
    第1の回折格子、この分割された光束を合成する第3の
    回折格子、この合成された干渉信号光束を受光する複数
    個の受光素子が設けられたヘッド部と、光束を位相変調
    させる第2の回折格子が設けられた回転部とを有する光
    学式変位測定装置において、前記第2の回折格子は互い
    に配列方向が異なる複数の多重螺旋を交差させて形成
    し、この第2の回折格子に対応して複数に分割され、格
    子の配列方向に任意の距離だけ分離された前記第3の回
    折格子によって変調された信号光をそれぞれ入射する受
    光素子と、その各受光素子の出力信号同士を用いて、複
    数種類の変位信号を出力する信号処理手段を具備したこ
    とを特徴とする光学式変位測定装置。
  5. 【請求項5】 前記ヘッド部に設けられた第1,第3の
    回折格子は、前記回転部に形成された第2の回折格子の
    配列方向と平行になるように配置されたことを特徴とす
    る請求項1乃至4いずれかに記載の光学式変位測定装
    置。
  6. 【請求項6】 前記受光素子からの出力信号の周期数を
    カウントする計数手段と、それらのカウント値の和、差
    等の演算処理により得られた結果を、複数種類の変位信
    号として出力する加減算手段を有することを特徴とする
    請求項3または4記載の光学式変位測定装置。
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