JP6231297B2 - Displacement measuring device and displacement measuring method - Google Patents

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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

本発明は、光干渉を利用した変位計測装置及び変位計測方法に関する。   The present invention relates to a displacement measuring apparatus and a displacement measuring method using optical interference.

例えば特許文献1には、光干渉を利用した変位計測装置が開示されている。この変位計測装置は、光源側から順に、レーザ光源、コリメータレンズ、第1の回折格子、第2の回折格子及び光センサを備えている。光センサは、第1の回折格子で回折された回折光(例えば1次)と、第1の回折格子を直進した0次光が第2の回折光で回折されて発生する回折光(例えば1次)との干渉光を検出する。この変位計測装置は、光センサで検出される干渉光の明暗による光量の変化に基づき、第1及び第2の回折格子の距離の変化、つまり計測対象となる変位を計測する(例えば、特許文献1の明細書段落[0020]、[0023]、[0027]、図1〜3等参照)。   For example, Patent Document 1 discloses a displacement measuring device using optical interference. This displacement measuring device includes a laser light source, a collimator lens, a first diffraction grating, a second diffraction grating, and an optical sensor in this order from the light source side. The optical sensor diffracted light (for example, 1st order) diffracted by the first diffraction grating and diffracted light (for example, 1st order) generated by diffracting the 0th order light traveling straight through the first diffraction grating with the second diffracted light. Next, the interference light is detected. This displacement measuring device measures a change in the distance between the first and second diffraction gratings, that is, a displacement to be measured based on a change in the amount of light due to the brightness of the interference light detected by the optical sensor (for example, patent document). 1 specification paragraphs [0020], [0023], [0027], see FIGS.

特許文献2に記載の光電式エンコーダは、2つの回折格子と、移動格子とを備える。移動格子には、2つの回折格子で回折されて生成された6つの光束(21a,21b,22a,22b,23a,23b)が入射し、この移動格子5から出射される3つの異なる方向の光束を、3つの受光素子によりそれぞれ受ける。これらの受光素子の出力信号に基づき、エンコーダ処理回路が干渉光強度の位相情報の演算を行うことで、移動格子のx及びz方向の変位と、y軸周りの傾きであるピッチ角の変位の情報が得られる(例えば、特許文献2の明細書段落[0008]〜[0014]、図1等参照)。   The photoelectric encoder described in Patent Document 2 includes two diffraction gratings and a moving grating. Six light beams (21a, 21b, 22a, 22b, 23a, 23b) generated by being diffracted by two diffraction gratings are incident on the moving grating, and light beams in three different directions are emitted from the moving grating 5. Are received by three light receiving elements, respectively. Based on the output signals of these light receiving elements, the encoder processing circuit calculates the phase information of the interference light intensity, so that the displacement of the moving grating in the x and z directions and the displacement of the pitch angle that is the inclination around the y axis are reduced. Information is obtained (see, for example, paragraphs [0008] to [0014] in FIG. 1 of Patent Document 2).

国際公開第2011/043354号パンフレットInternational Publication No. 2011/043354 Pamphlet 特開2005−326232号公報JP 2005-326232 A

特許文献2の光電式エンコーダでは、上記のように直線方向の変位及び軸周りの角度変位を計測するために、光学部品数が多くなり小型化が難しい。   In the photoelectric encoder of Patent Document 2, since the linear displacement and the angular displacement around the axis are measured as described above, the number of optical components is increased and it is difficult to reduce the size.

本発明の目的は、多数の光学部品を用いることなく、所定方向の変位を計測可能な変位計測装置及び変位計測方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a displacement measuring device and a displacement measuring method capable of measuring a displacement in a predetermined direction without using many optical components.

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る変位計測装置は、光源、第1の回折格子、第2の回折格子、第1の光センサ及び第2の光センサを具備する。
前記第1及び第2の回折格子は、前記光源からの光線の進路に沿って配置され、相対移動可能であり、回折光をそれぞれ発生する。
前記第1の光センサは、前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子で発生した回折光のうち、前記第1の回折格子による+n次回折光(nは1以上の自然数)の進路に沿う一組の回折光の干渉光を検出する。
前記第2の光センサは、前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子で発生した回折光のうち、前記第1の回折格子による−n次回折光の進路に沿う一組の回折光の干渉光を検出する。
In order to achieve the above object, a displacement measuring apparatus according to an aspect of the present invention includes a light source, a first diffraction grating, a second diffraction grating, a first optical sensor, and a second optical sensor.
The first and second diffraction gratings are disposed along the path of the light beam from the light source, are movable relative to each other, and generate diffracted light.
The first optical sensor has a path of + n-order diffracted light (n is a natural number equal to or greater than 1) by the first diffraction grating among diffracted lights generated by the first diffraction grating and the second diffraction grating. Detect the interference light of a set of diffracted light along.
The second optical sensor includes a set of diffracted light along a path of −n-order diffracted light by the first diffraction grating among diffracted lights generated by the first diffraction grating and the second diffraction grating. Interfering light is detected.

本発明の一形態に係る変位計測方法は、光源からの光線の進路に沿って配置され、相対移動可能であり、同じ方向に格子線を有し、回折光をそれぞれ発生する第1の回折格子及び第2の回折格子を用いて、変位を計測する方法である。
前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子で発生した回折光のうち、前記第1の回折格子による+n次回折光(nは1以上の自然数)の進路に沿う一組の回折光の干渉光が第1の光センサで検出される。
前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子で発生した回折光のうち、前記第1の回折格子による−n次回折光の進路に沿う一組の回折光の干渉光が第2の光センサで検出される。
そして、前記第1の光センサ及び前記第2の光センサにより得られた信号に基づき、前記格子線の方向に沿う軸周りの、前記第1及び前記第2の回折格子の相対的な回転の角度変位が算出される。
A displacement measurement method according to an aspect of the present invention is a first diffraction grating that is arranged along a path of a light beam from a light source, is relatively movable, has a grating line in the same direction, and generates diffracted light. And a method of measuring displacement using the second diffraction grating.
Among the diffracted lights generated by the first diffraction grating and the second diffraction grating, interference of a set of diffracted lights along the path of + n-order diffracted light (n is a natural number of 1 or more) by the first diffraction grating. Light is detected by the first photosensor.
Among the diffracted lights generated by the first diffraction grating and the second diffraction grating, the interference light of a set of diffracted lights along the path of −n-order diffracted light by the first diffraction grating is a second optical sensor. Is detected.
Then, based on the signals obtained by the first optical sensor and the second optical sensor, relative rotation of the first and second diffraction gratings about an axis along the direction of the grating line. Angular displacement is calculated.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る変位計測装置の基本的な光学系の構成を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a basic optical system of a displacement measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. 図2は、チルトが発生していない回折格子対の状態を示す。FIG. 2 shows a state of the diffraction grating pair in which no tilt is generated. 図3は、チルトが発生している回折格子対の状態を示す。FIG. 3 shows a state of the diffraction grating pair in which tilt has occurred. 図4は、チルトが発生していない回折格子対における、正及び負の両方の次数側の干渉光を示す。FIG. 4 shows both positive and negative order side interference light in a diffraction grating pair in which no tilt occurs. 図5は、チルトが発生していない回折格子対における、正及び負の両方の次数側の干渉光を示す。FIG. 5 shows both positive and negative order interference light in a diffraction grating pair in which no tilt occurs. 図6は、回折格子間のチルト量と、第1及び第2ののPDで得られる信号強度の差との関係を示す実測のグラフである。FIG. 6 is an actual measurement graph showing the relationship between the amount of tilt between the diffraction gratings and the difference in signal intensity obtained between the first and second PDs. 図7は、本発明の第2の実施形態に係る変位計測装置の光学系を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an optical system of a displacement measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. 図8は、回折格子対の相対的なz方向の変位と、第1のPDで検出される信号との関係を概略的に示すグラフである。FIG. 8 is a graph schematically showing the relationship between the relative displacement in the z direction of the diffraction grating pair and the signal detected by the first PD. 図9は、図8のグラフのうちリニア領域を検出領域として用いた場合の第1のPDの受光領域で検出される光量の変化を示す。FIG. 9 shows a change in the amount of light detected in the light receiving region of the first PD when the linear region is used as the detection region in the graph of FIG. 図10は、回折格子間のチルト量に応じて、第1のPDの受光領域に入射する干渉光の変化を示す。FIG. 10 shows a change in the interference light incident on the light receiving region of the first PD according to the tilt amount between the diffraction gratings. 図11は、基本的なチルトの補正処理のフローチャートを示す。FIG. 11 shows a flowchart of basic tilt correction processing. 図12は、チルトを調整する調整機構を示す斜視図である。FIG. 12 is a perspective view showing an adjustment mechanism for adjusting the tilt. 図13は、図12に示す調整機構の平面図である13 is a plan view of the adjustment mechanism shown in FIG. 図14は、他の実施形態に係る駆動機構を示す。FIG. 14 shows a drive mechanism according to another embodiment. 図15は、他のチルト補正方法を説明する図である。FIG. 15 is a diagram for explaining another tilt correction method. 図16は、他のチルト補正方法に係る処理を示すフローチャートである。FIG. 16 is a flowchart showing processing according to another tilt correction method. 図17は、変位計測装置の構成を示し、図1及び7に示す光学系及びこれを収容する筐体を示す断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view showing the configuration of the displacement measuring device and showing the optical system shown in FIGS. 1 and 7 and a housing for housing the optical system. 図18は、変位計測装置が、計測対象物として例えばフレーム等の構造物に取り付けられた状態を示す。FIG. 18 shows a state where the displacement measuring device is attached to a structure such as a frame as a measurement object.

上記の変位計測装置は、回折格子対、第1の光センサ及び第2の光センサを主に備え、これら第1及び第2の光センサで得られた信号に基づく演算処理によって、所定の方向の変位を計測することができる。すなわち、少ない光学部品で変位を計測することができ、装置の小型化を実現することができる。   The displacement measuring device mainly includes a diffraction grating pair, a first optical sensor, and a second optical sensor, and a predetermined direction is obtained by arithmetic processing based on signals obtained by the first and second optical sensors. Can be measured. That is, the displacement can be measured with a small number of optical components, and the apparatus can be miniaturized.

前記変位計測装置は、前記第1の光センサ及び前記第2の光センサにより得られた信号に基づき、前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子のそれぞれの格子線の方向に沿う軸周りの、前記第1及び前記第2の回折格子の相対的な回転の角度変位を算出する処理部をさらに具備してもよい。この変位計測装置が計測対象物に取り付けられた場合に、計測対象物の当該軸周りの角度変位、つまりチルト量を検出することができる。   The displacement measuring device has axes along the direction of the respective grating lines of the first diffraction grating and the second diffraction grating based on the signals obtained by the first optical sensor and the second optical sensor. A processing unit that calculates an angular displacement of the relative rotation of the surrounding first and second diffraction gratings may be further included. When this displacement measuring device is attached to a measurement object, it is possible to detect an angular displacement around the axis of the measurement object, that is, a tilt amount.

前記処理部は、前記第1及び前記第2の光センサで得られた信号の差分値に基づき、前記角度変位を算出してもよい。計測対象である角度変位と各検出値の差分とは相関があるので、この差分を求めることにより、角度変位を求めることができる。   The processing unit may calculate the angular displacement based on a difference value between signals obtained by the first and second optical sensors. Since there is a correlation between the angular displacement that is the measurement target and the difference between the detected values, the angular displacement can be obtained by obtaining this difference.

前記処理部は、前記第1及び前記第2の光センサのうちいずれか1つにより得られた信号に基づき、前記第1及び前記第2の回折格子の光軸に沿う方向の変位を検出してもよい。これにより、変位計測装置は、回折格子間の光軸に沿う方向の変位及び上記チルト量の両方を検出することができる。   The processing unit detects a displacement in a direction along the optical axis of the first and second diffraction gratings based on a signal obtained by any one of the first and second optical sensors. May be. Accordingly, the displacement measuring device can detect both the displacement in the direction along the optical axis between the diffraction gratings and the tilt amount.

前記処理部は、前記角度変位を補正する処理を実行してもよい。回折格子間の光軸に沿う方向の変位を計測する場合に、回折格子のチルトを補正することにより、回折格子間の光軸に沿う方向の変位の計測精度を高めることができる。   The processing unit may execute processing for correcting the angular displacement. When measuring the displacement in the direction along the optical axis between the diffraction gratings, the measurement accuracy of the displacement in the direction along the optical axis between the diffraction gratings can be improved by correcting the tilt of the diffraction grating.

例えば、前記処理部は、前記算出した角度変位が閾値を超えるか否かを判定し、前記角度変位が前記閾値を超える場合、前記角度変位を補正する処理を実行してもよい。前記処理部は、前記それぞれの検出値の差分が閾値を超える場合、前記角度変位を補正する処理を実行してもよい。   For example, the processing unit may determine whether or not the calculated angular displacement exceeds a threshold value, and may execute processing for correcting the angular displacement when the angular displacement exceeds the threshold value. The processing unit may execute a process of correcting the angular displacement when a difference between the detection values exceeds a threshold value.

前記変位計測装置は、前記角度変位の方向に前記第1または前記第2の回折格子を回転させる調整機構をさらに具備してもよい。そして、前記処理部は、前記算出した角度変位に基づき、前記調整機構を制御してもよい。調整機構が動作することにより、2つの回折格子のチルトを補正することができる。   The displacement measuring device may further include an adjustment mechanism that rotates the first or second diffraction grating in the direction of the angular displacement. The processing unit may control the adjustment mechanism based on the calculated angular displacement. The tilt of the two diffraction gratings can be corrected by operating the adjustment mechanism.

前記第1の光センサは、前記第1の回折格子から発生する0次光が前記第2の回折格子に入射することで発生する前記第2の回折格子の+1次回折光と、前記第1の回折格子から発生する+1次回折光が前記第2の回折格子に入射して前記第2の回折格子から発生する0次光との干渉光を検出してもよい。また、前記第2の光センサは、前記第1の回折格子から発生する0次光が前記第2の回折格子に入射することで発生する前記第2の回折格子の−1次回折光と、前記第1の回折格子から発生する−1次回折光が前記第2の回折格子に入射して前記第2の回折格子から発生する0次光との干渉光を検出してもよい。   The first optical sensor includes + 1st order diffracted light of the second diffraction grating generated by incidence of 0th order light generated from the first diffraction grating to the second diffraction grating, and the first optical sensor. The + 1st order diffracted light generated from the diffraction grating may enter the second diffraction grating, and interference light with the 0th order light generated from the second diffraction grating may be detected. In addition, the second optical sensor includes the -1st order diffracted light of the second diffraction grating generated when the 0th order light generated from the first diffraction grating enters the second diffraction grating, and The −1st order diffracted light generated from the first diffraction grating may enter the second diffraction grating, and interference light with the 0th order light generated from the second diffraction grating may be detected.

光量の大きい0次光及び±1次回折光が用いられることにより、できるだけ大きい電圧信号を第1及び第2の光センサにより得ることができ、計測精度を高めることができる。   By using 0th-order light and ± 1st-order diffracted light with a large amount of light, a voltage signal as large as possible can be obtained by the first and second photosensors, and measurement accuracy can be improved.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

1.第1の実施形態   1. First embodiment

(1)変位計測装置の基本的構成
図1は、本発明の第1の実施形態に係る変位計測装置の基本的な光学系の構成を模式的に示す図である。
(1) Basic Configuration of Displacement Measuring Device FIG. 1 is a diagram schematically showing a basic optical system configuration of a displacement measuring device according to the first embodiment of the present invention.

変位計測装置100は、光源12、コリメータレンズ14、回折格子対20、光センサとしての第1のPD(Photo Detector)31及び第2のPD32を備える。   The displacement measuring apparatus 100 includes a light source 12, a collimator lens 14, a diffraction grating pair 20, a first PD (Photo Detector) 31 as a photosensor, and a second PD32.

光源12は、LD(Laser Diode)、あるいはLED(Light Emitting Diode)であり、図示しないドライバにより駆動される。   The light source 12 is an LD (Laser Diode) or an LED (Light Emitting Diode), and is driven by a driver (not shown).

コリメータレンズ14は、光源12からの出射された光を平行光15にする。少なくともこれら光源12及びコリメータレンズ14により平行光を発生する光学系が構成される。   The collimator lens 14 turns the light emitted from the light source 12 into parallel light 15. At least the light source 12 and the collimator lens 14 constitute an optical system that generates parallel light.

回折格子対20には、光源12及びコリメータレンズ14からの光が入射され、回折光を出射する。回折格子対20は、第1の回折格子21及び第2の回折格子22によって構成される。第1の回折格子21及び第2の回折格子22は、光源12及びコリメータレンズ14からの光線の進路に沿って、ここでは光源12及びコリメータレンズ14の光軸に沿って対向して配置されており、後述するように所定方向に相対的に移動可能となっている。   Light from the light source 12 and the collimator lens 14 enters the diffraction grating pair 20 and emits diffracted light. The diffraction grating pair 20 includes a first diffraction grating 21 and a second diffraction grating 22. The first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22 are arranged so as to face each other along the paths of the light beams from the light source 12 and the collimator lens 14, here along the optical axes of the light source 12 and the collimator lens 14. As described later, it is relatively movable in a predetermined direction.

第1の回折格子21は、入射した平行光15を、0次光である直進光30と、+n次回折光(nは1以上の自然数。以下同じ。)23と、−n次回折光24とに分けて進行させる。本実施形態では、回折光23として+1次回折光が利用され、回折光24として−1次回折光が利用される。   The first diffraction grating 21 converts the incident parallel light 15 into 0-order light, straight-ahead light 30, + n-order diffracted light (n is a natural number greater than or equal to 1; the same applies hereinafter) 23, and −n-order diffracted light 24 Divide and advance. In the present embodiment, + 1st order diffracted light is used as the diffracted light 23, and −1st order diffracted light is used as the diffracted light 24.

なお、図において、0次光である直進光30に対してx方向の一方側に発生する回折光の次数を+n次とし、x方向において他方側に発生する回折光の次数を−n次として、便宜上、説明内容を統一する。   In the figure, the order of the diffracted light generated on one side in the x direction with respect to the straight light 30 that is the zeroth order light is + n order, and the order of the diffracted light generated on the other side in the x direction is -n order For convenience, the description content is unified.

第2の回折格子22は、第1の回折格子21から出射して第2の回折格子22に入射した直進光30を、さらに直進光30と、+n次回折光25と、−n次回折光26とに分けて進行させる。本実施形態では、回折光25として+1次回折光が利用され、回折光26として−1次回折光が利用される。   The second diffraction grating 22 emits the straight light 30 emitted from the first diffraction grating 21 and made incident on the second diffraction grating 22, further the straight light 30, the + n-order diffracted light 25, and the −n-order diffracted light 26. It is divided and progressed. In the present embodiment, + 1st order diffracted light is used as the diffracted light 25, and −1st order diffracted light is used as the diffracted light 26.

また、第2の回折格子22は、第1の回折格子21から出射した±1次回折光23及び24を、それらと同方向にそれぞれ進行させる0次光も発生する。ここでは、説明の便宜上、第1の回折格子21の1次回折光23(または24)及びその進路に沿った第2の回折格子22の0次光を、まとめて1次回折光23(または24)と表現する。さらに、第1の回折格子21及び第2の回折格子22を経由した後に、平行光15と同方向に進行する0次光をまとめて直進光30と表現している。   The second diffraction grating 22 also generates zero-order light that causes the ± first-order diffracted lights 23 and 24 emitted from the first diffraction grating 21 to travel in the same direction. Here, for convenience of explanation, the first-order diffracted light 23 (or 24) of the first diffraction grating 21 and the 0th-order light of the second diffraction grating 22 along the path thereof are collectively combined into the first-order diffracted light 23 (or 24). It expresses. Further, after passing through the first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22, the 0th order light traveling in the same direction as the parallel light 15 is collectively expressed as a straight traveling light 30.

回折光23〜26の構成を以下に列挙する(図4参照)。
回折光23:回折格子21の+1次回折光と回折格子22の0次光
回折光24:回折格子21の−1次回折光と回折格子22の0次光
回折光25:回折格子21の0次光と回折格子22の+1次回折光
回折光26:回折格子21の0次光と回折格子22の−1次回折光
The configurations of the diffracted beams 23 to 26 are listed below (see FIG. 4).
Diffraction light 23: + 1st order diffracted light of diffraction grating 21 and 0th order light of diffraction grating 22 Diffraction light 24: -1st order diffracted light of diffraction grating 21 and 0th order light of diffraction grating 22 Diffraction light 25: 0th order light of diffraction grating 21 And + 1st order diffracted light from diffraction grating 22 Diffracted light 26: 0th order light from diffraction grating 21 and −1st order diffracted light from diffraction grating 22

第1の回折格子21及び第2の回折格子22で発生した各回折光のうち、第1の回折格子21による+1次回折光23(−1次回折光24)の進路に沿う少なくとも一組の回折光の干渉光が、この回折格子対20から発生する。   Of each diffracted light generated by the first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22, at least one set of diffracted light along the path of the + 1st order diffracted light 23 (-1st order diffracted light 24) by the first diffraction grating 21. Interfering light is generated from the diffraction grating pair 20.

具体的には、第1の回折格子21による+1次回折光23と、直進光30が第2の回折格子22に入射して発生する+1次回折光25とが干渉して干渉光27が発生する。また、第1の回折格子21による−1次回折光24と、直進光30が第2の回折格子22に入射して発生する−1次回折光26とが干渉して干渉光28が発生する。第1のPD31は、正の次数側の干渉光27を検出し、第2のPD32は、負の次数側の干渉光28を検出する。   Specifically, the + 1st-order diffracted light 23 by the first diffraction grating 21 interferes with the + 1st-order diffracted light 25 generated when the straight traveling light 30 enters the second diffraction grating 22 to generate interference light 27. Further, the -1st order diffracted light 24 from the first diffraction grating 21 interferes with the -1st order diffracted light 26 generated when the straight traveling light 30 enters the second diffraction grating 22 to generate interference light 28. The first PD 31 detects the interference light 27 on the positive order side, and the second PD 32 detects the interference light 28 on the negative order side.

なお、本実施形態では、0次光、±1次回折光を利用することとしているが、他の所定次数の回折光を利用して、変位の計測が行われてもよい。また、実際には、図1に示す以外にも多数の回折光が存在するが、以下の説明を容易にするため、図示を省略している。これらのことは、後述する他の実施形態以降の説明についても同様である。   In this embodiment, 0th-order light and ± 1st-order diffracted light are used, but displacement may be measured using other predetermined orders of diffracted light. In practice, there are many diffracted lights other than those shown in FIG. 1, but the illustration is omitted to facilitate the following description. The same applies to the description of other embodiments and later described later.

第1の回折格子21及び第2の回折格子22は、実質的に同じ形状及び同じサイズを有する。例えば、これら回折格子21及び22は、図1において、z方向に直交するy方向に沿った溝である複数の格子線21a及び22aを有する。第1の回折格子21の格子線21aのピッチPと、第2の回折格子21の格子線22aのピッチPとは実質的に同じに形成されている。格子線21a及び22aの例として、ピッチPが3.3μmであり、溝深さが473μmである。もちろん、これらの値に限られない。   The first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22 have substantially the same shape and the same size. For example, these diffraction gratings 21 and 22 have a plurality of grating lines 21a and 22a, which are grooves along the y direction orthogonal to the z direction in FIG. The pitch P of the grating lines 21a of the first diffraction grating 21 and the pitch P of the grating lines 22a of the second diffraction grating 21 are formed substantially the same. As an example of the lattice lines 21a and 22a, the pitch P is 3.3 μm and the groove depth is 473 μm. Of course, it is not restricted to these values.

本実施形態に係る変位計測装置100は、格子線21a及び22aに沿う軸であるy軸の周りの、第1の回折格子21及び第2の回折格子22の相対的な回転の角度変位Δθを計測対象とする。すなわち、第1の回折格子21と第2の回折格子22と間のチルト量が計測対象とされる。   The displacement measuring apparatus 100 according to the present embodiment calculates the angular displacement Δθ of the relative rotation of the first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22 around the y axis that is an axis along the grating lines 21a and 22a. Measured. That is, the amount of tilt between the first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22 is a measurement target.

演算回路40は、第1のPD31及び第2のPD32で得られる信号に基づいて、所定の演算処理を行うことで、チルトΔθを算出する。この場合、演算回路40は、処理部として機能する。演算回路40は、例えばMPU(Micro Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等のハードウェアを主に備える。演算回路40は、MPUに加え、またはMPUに代えて、FPGA(Field Programmable Gate Array)等のPLD(Programmable Logic Device)を備えていてもよいし、あるいは、DSP(Digital Signal Processor)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等を備えていてもよい。また、演算回路40は、物理的に分離した複数のチップパッケージや素子等で構成されていてもよい。   The arithmetic circuit 40 calculates a tilt Δθ by performing a predetermined arithmetic processing based on signals obtained by the first PD 31 and the second PD 32. In this case, the arithmetic circuit 40 functions as a processing unit. The arithmetic circuit 40 mainly includes hardware such as an MPU (Micro Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), and a ROM (Read Only Memory). The arithmetic circuit 40 may include a PLD (Programmable Logic Device) such as an FPGA (Field Programmable Gate Array) in addition to or instead of the MPU, or a DSP (Digital Signal Processor), ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or the like may be provided. The arithmetic circuit 40 may be configured by a plurality of physically separated chip packages or elements.

光源12、コリメータレンズ14、回折格子対20、第1のPD31及び第2のPD32は、後述するように、筐体等のこれら部品を収容可能な手段や、フレーム等のこれら部品を支持可能な手段によって一体的に保持される。これらフレームまたは筐体は、第1の回折格子21及び第2の回折格子22が相対的に動くことができるように、これらを保持する部分を有し、この部分は、他の部分より剛性が低く設定されている。   As will be described later, the light source 12, the collimator lens 14, the diffraction grating pair 20, the first PD 31 and the second PD 32 are capable of supporting these parts such as a frame and the parts such as a frame. Are held together by means. These frames or housings have a part for holding them so that the first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22 can move relatively, and this part is more rigid than the other parts. It is set low.

(2)回折格子間のチルトの検出原理   (2) Tilt detection principle between diffraction gratings

図2は、チルトが発生していない回折格子対20の状態を示す。ここでは、正及び負の次数の回折光のうち、正次数側のみが示されている。回折格子21及び22間の所期の距離をDとし、第1の回折格子21で発生した回折光23の回折角をθとする。   FIG. 2 shows a state of the diffraction grating pair 20 in which no tilt is generated. Here, of the positive and negative order diffracted light, only the positive order side is shown. The desired distance between the diffraction gratings 21 and 22 is D, and the diffraction angle of the diffracted light 23 generated by the first diffraction grating 21 is θ.

図2に示すように、第1の回折格子21を出射した回折光23及び直進光30、第2の回折格子22までの光路長をそれぞれA、Bとする。それらの光路差B−Aは、次の式(1)で表せる。   As shown in FIG. 2, the optical path lengths from the diffracted light 23 and the straight traveling light 30 emitted from the first diffraction grating 21 to the second diffraction grating 22 are A and B, respectively. The optical path difference B-A can be expressed by the following equation (1).

この光路差B−Aが、mλ(λは光の波長)を満たす時、干渉光27は強め合い、m(1+1/2)λを満たす時、弱め合う。   When this optical path difference B-A satisfies mλ (λ is the wavelength of light), the interference light 27 is intensified, and when it satisfies m (1 + 1/2) λ, it is weakened.

上記式(1)の導出方法は、次の通りである。   The derivation method of the above formula (1) is as follows.

図3は、チルトが発生している回折格子対20の状態を示す。このようにチルトが発生している状態では、光路差B1−Aは、次の式(2)で表される。   FIG. 3 shows a state of the diffraction grating pair 20 in which tilt has occurred. In such a state where the tilt is generated, the optical path difference B1-A is expressed by the following equation (2).

図3の右下の図は、図3において線A、線B1及び第2の回折格子22で形成される三角形を示す。上記式(2)の導出方法は、下記の通りである。   3 shows a triangle formed by the line A, the line B1, and the second diffraction grating 22 in FIG. The method for deriving the above formula (2) is as follows.

図4は、チルトが発生していない回折格子対20における、正及び負の両方の次数側の干渉光27及び28を示す。チルトが発生していない場合、図4においてz方向の光軸に対して、正次数側の光路と負次数側の光路とが対称配置となり、光路差B−Aと、負次数側の光路差B’−A’とは、同じ値を示す。この時、B−A(=B’−A’)は、式(1)として表される。したがって、この時、第1のPD31及び第2のPD32でそれぞれ検出される干渉光27及び28の光量は、実質的に同じとなる。   FIG. 4 shows both positive and negative order side interference lights 27 and 28 in the diffraction grating pair 20 in which no tilt occurs. When no tilt occurs, the optical path on the positive order side and the optical path on the negative order side are symmetrically arranged with respect to the optical axis in the z direction in FIG. 4, and the optical path difference B-A and the optical path difference on the negative order side B′-A ′ represents the same value. At this time, B−A (= B′−A ′) is expressed as Expression (1). Therefore, at this time, the light amounts of the interference lights 27 and 28 detected by the first PD 31 and the second PD 32 are substantially the same.

しかし、図5に示すように、回折格子21及び22間にチルトが発生した場合には、正次数側の光路差B1−Aは上記次式(2)で表され、負次数側の光路差B1’−A’は次式(3)で表され、正次数側と負次数側とが異なる値となる。   However, as shown in FIG. 5, when tilt occurs between the diffraction gratings 21 and 22, the optical path difference B1-A on the positive order side is expressed by the following equation (2), and the optical path difference on the negative order side. B1′−A ′ is expressed by the following equation (3), and the positive order side and the negative order side have different values.

したがって、この場合、第1のPD31及び第2のPD32による検出値が異なる。   Therefore, in this case, the detection values of the first PD 31 and the second PD 32 are different.

図6は、回折格子21及び22間のチルト量と、第1のPD31及び第2のPD32で得られる信号強度の差との関係を示す実測のグラフである。この信号強度の差は、各PD31及び32の受光領域における各干渉光27及び28の明度差あるいは光量と等価である。   FIG. 6 is an actual measurement graph showing the relationship between the amount of tilt between the diffraction gratings 21 and 22 and the difference in signal intensity obtained between the first PD 31 and the second PD 32. This difference in signal intensity is equivalent to the lightness difference or light quantity of each interference light 27 and 28 in the light receiving area of each PD 31 and 32.

光源12の光の波長が633nm、回折格子対20における回折角度が11degとされた。縦軸の明度差は正規化されており単位は無次元である。このグラフから分かるように、チルト量が増加するにしたがって、明度差が顕著となる。演算回路40は、この図6の関係をメモリしておくことで、算出された明度差に対応するチルト量を出力することができる。   The wavelength of the light from the light source 12 was 633 nm, and the diffraction angle in the diffraction grating pair 20 was 11 deg. The brightness difference on the vertical axis is normalized and the unit is dimensionless. As can be seen from this graph, the brightness difference becomes more significant as the tilt amount increases. The arithmetic circuit 40 can output a tilt amount corresponding to the calculated brightness difference by storing the relationship of FIG.

以上のように、本実施形態では、回折格子対20、第1のPD31及び第2のPD32を備え、これらPD31及び32で得られた信号の差分値を演算することによって、y軸周りの角度変位を計測することができる。すなわち、少ない光学部品で変位を計測することができ、変位計測装置100の小型化を実現することができる。   As described above, in this embodiment, the diffraction grating pair 20, the first PD 31, and the second PD 32 are provided, and the angle around the y axis is calculated by calculating the difference value between the signals obtained by the PD 31 and 32. Displacement can be measured. That is, the displacement can be measured with a small number of optical components, and the displacement measuring apparatus 100 can be downsized.

本実施形態では、光量の大きい0次光及び1次回折光が用いられることにより、できるだけ大きい電圧信号をPD31及び32により得ることができ、計測精度を高めることができる。   In the present embodiment, by using the 0th-order light and the 1st-order diffracted light with a large amount of light, as large a voltage signal as possible can be obtained by the PDs 31 and 32, and the measurement accuracy can be improved.

2.第2の実施形態   2. Second embodiment

(1)基本的な概念
図7は、本発明の第2の実施形態に係る変位計測装置の光学系を示す図である。本実施形態に係る変位計測装置内の光学部品の構成は、上記第1の実施形態に係る変位計測装置100の構成と実質的に同じである。異なる点は、演算回路40による処理である。図7に示すように、演算回路40は、第1のPD31及び第2のPD32のうちいずれか1つ、ここでは第1のPD31で得られた信号に基づき、回折格子21及び22の相対的なz方向の変位Δzを算出する。
(1) Basic Concept FIG. 7 is a diagram showing an optical system of a displacement measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. The configuration of the optical component in the displacement measuring device according to the present embodiment is substantially the same as the configuration of the displacement measuring device 100 according to the first embodiment. The difference is the processing by the arithmetic circuit 40. As shown in FIG. 7, the arithmetic circuit 40 has a relative relationship between the diffraction gratings 21 and 22 based on a signal obtained from any one of the first PD 31 and the second PD 32, here the first PD 31. The displacement Δz in the z direction is calculated.

(2)z方向の変位の検出原理
図1を参照して、例えば第1の回折格子21に対して第2の回折格子22がz方向に変位すると、回折光23及び25のそれぞれの行路(光路)差が発生する。したがって、第1の回折格子21による回折光23と、第2の回折格子22による回折光25との干渉光27による干渉縞が発生する。第1のPD31は、この干渉縞の光量の変化を検出する。
(2) Detection principle of displacement in z direction Referring to FIG. 1, for example, when the second diffraction grating 22 is displaced in the z direction with respect to the first diffraction grating 21, each path of the diffracted light 23 and 25 ( Optical path) difference occurs. Therefore, interference fringes are generated by the interference light 27 between the diffracted light 23 by the first diffraction grating 21 and the diffracted light 25 by the second diffraction grating 22. The first PD 31 detects a change in the amount of interference fringes.

図8は、回折格子対20の相対的なz方向の変位と、第1のPD31で検出される信号(電圧値)との関係を概略的に示すグラフである。なお、図8では、後述するように回折格子対20間のチルトが発生していない場合(実線で示す)と、所定のチルトが発生した場合(破線で示す)の両方が示されている。このように、第1のPD31の検出信号は、干渉縞の明暗の繰り返しに応じてサインカーブを描く。このサインカーブは、計測対象となるz方向の変位に対応する。演算回路40は、この干渉縞のサインカーブの光量変化のうち、例えば半波長分の概ねリニアな領域を用いることにより、z方向の所定範囲の変位に応じた信号強度を得ることができる。   FIG. 8 is a graph schematically showing the relationship between the relative displacement in the z direction of the diffraction grating pair 20 and the signal (voltage value) detected by the first PD 31. In FIG. 8, as described later, both the case where the tilt between the diffraction grating pairs 20 does not occur (shown by a solid line) and the case where a predetermined tilt occurs (shown by a broken line) are shown. As described above, the detection signal of the first PD 31 draws a sine curve in accordance with the repeated bright and dark interference fringes. This sine curve corresponds to the displacement in the z direction to be measured. The arithmetic circuit 40 can obtain a signal intensity corresponding to a displacement in a predetermined range in the z direction by using, for example, a substantially linear region corresponding to a half wavelength among the light amount change of the sine curve of the interference fringes.

図9は、そのリニア領域を検出領域として用いた場合の第1のPD31の受光領域で検出される光量(あるいは明度)の変化を示す。このように、第1のPD31の受光領域全体で一様な明度を持つ光が入射し、z方向の回折格子間の距離ごとにその明度が変化する。   FIG. 9 shows a change in the amount of light (or brightness) detected in the light receiving region of the first PD 31 when the linear region is used as a detection region. In this way, light having uniform brightness enters the entire light receiving region of the first PD 31, and the brightness changes for each distance between the diffraction gratings in the z direction.

第1のPD31は、干渉光27の干渉縞による光量変化に対応する電流を、出力信号として演算回路40に出力する。演算回路40は、光量変化に対応して第1のPD31から出力される電流を電圧に変換する。これにより、演算回路40は、z方向の回折格子間の変位を高精度に出力することができる。   The first PD 31 outputs a current corresponding to a change in light amount due to the interference fringes of the interference light 27 to the arithmetic circuit 40 as an output signal. The arithmetic circuit 40 converts the current output from the first PD 31 into a voltage corresponding to the change in the light amount. Thereby, the arithmetic circuit 40 can output the displacement between the diffraction gratings in the z direction with high accuracy.

(3)チルトの発生による計測精度への影響
図10は、回折格子21及び22間のチルト量Δθ(図1参照)に応じて、第1のPD31の受光領域に入射する干渉光27の変化を示す。チルト量が大きくなるにしたがって、干渉縞の発生が顕著になりその干渉縞の数が多くなる。図10の最も左の図では、チルトが発生しておらず、第1のPD31は、上述したように一様な光量の干渉光27を受けることができ、これによりz方向の回折格子21及び22間の変位の計測精度を一定に維持できる。しかし、例えば図10の右側2つの図のように、所定量以上のチルトが発生すると、第1のPD31の受光領域で受ける光量は安定せず、z方向の回折格子21及び22間の変位の計測精度が低下する。
(3) Influence on Measurement Accuracy due to Generation of Tilt FIG. 10 shows a change in the interference light 27 incident on the light receiving region of the first PD 31 according to the tilt amount Δθ between the diffraction gratings 21 and 22 (see FIG. 1). Indicates. As the tilt amount increases, the generation of interference fringes becomes more prominent and the number of interference fringes increases. In the leftmost diagram of FIG. 10, no tilt is generated, and the first PD 31 can receive the interference light 27 with a uniform light amount as described above, whereby the diffraction grating 21 in the z direction and The measurement accuracy of the displacement between 22 can be kept constant. However, for example, as shown in the two diagrams on the right side of FIG. 10, when a tilt of a predetermined amount or more occurs, the amount of light received in the light receiving area of the first PD 31 is not stable, and the displacement between the diffraction gratings 21 and 22 in the z direction is not stable. Measurement accuracy decreases.

図8は、そのことを説明するグラフである。回折格子21及び22間にチルトが発生していない状態で、検出信号の振幅を最大とする。図8に示したグラフからわかるように、所定量のチルトが発生していると、第1のPD31は、実際の変位量に対応する電圧値とは異なる電圧値を出力し、検出精度が低下する。また、チルトが発生している場合、信号の振幅が小さくなるので、検出領域として用いることができる上述のリニア領域のレンジが狭くなる。   FIG. 8 is a graph explaining this. The amplitude of the detection signal is maximized in a state where no tilt occurs between the diffraction gratings 21 and 22. As can be seen from the graph shown in FIG. 8, when a predetermined amount of tilt occurs, the first PD 31 outputs a voltage value different from the voltage value corresponding to the actual displacement amount, and the detection accuracy decreases. To do. In addition, when the tilt is generated, the amplitude of the signal is reduced, so that the range of the linear region that can be used as the detection region is narrowed.

そこで、本実施形態に係る変位計測装置は、このチルト量による検出値の誤差を減らすため、以下のようにしてこのチルトを補正する。   Therefore, the displacement measuring apparatus according to the present embodiment corrects the tilt as follows in order to reduce the error in the detected value due to the tilt amount.

(4)チルトの補正
図11は、基本的なチルトの補正処理のフローチャートを示す。この変位計測装置の電源ONとされると(ステップ101)、第1のPD31及び第2のPD32でそれぞれ干渉光27及び28が受光さることにより、演算回路40は、それらの電圧値を得る(ステップ102)。演算回路40は、それらの差分値を算出し(ステップ103)、その差分値が閾値T(図6参照)以下であるか否かを判定する(ステップ104)。差分値が閾値T以下である場合、チルト量が許容範囲内であるとして、演算回路40は、z方向の変位を計測する(ステップ107)。
(4) Correction of Tilt FIG. 11 shows a flowchart of basic tilt correction processing. When the power source of the displacement measuring device is turned on (step 101), the interference light 27 and 28 are received by the first PD 31 and the second PD 32, respectively, and the arithmetic circuit 40 obtains their voltage values ( Step 102). The arithmetic circuit 40 calculates those difference values (step 103) and determines whether or not the difference values are equal to or less than a threshold value T (see FIG. 6) (step 104). If the difference value is equal to or less than the threshold value T, the arithmetic circuit 40 measures the displacement in the z direction assuming that the tilt amount is within the allowable range (step 107).

一方、ステップ104の判定処理で、差分値が閾値Tを超えた場合、演算回路40は、そのチルト量をメモリに保存し(ステップ105)、そのチルト量を補正するための処理を実行する(ステップ106)。以下、具体的なチルトの補正方法について説明する。   On the other hand, if the difference value exceeds the threshold value T in the determination process of step 104, the arithmetic circuit 40 stores the tilt amount in the memory (step 105) and executes a process for correcting the tilt amount (step 105). Step 106). A specific tilt correction method will be described below.

(A)チルトの補正方法1
図12は、回折格子対20のうち第1の回折格子21及び第2の回折格子22のうちいずれか1つを駆動することによりチルトを調整する調整機構を示す斜視図である。図13は、その平面図である。これらの図の例では、第1の回折格子21は固定であり、第2の回折格子22を調整機構60が駆動する構成となっている。
(A) Tilt correction method 1
FIG. 12 is a perspective view showing an adjustment mechanism that adjusts the tilt by driving any one of the first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22 in the diffraction grating pair 20. FIG. 13 is a plan view thereof. In the example of these drawings, the first diffraction grating 21 is fixed, and the second diffraction grating 22 is driven by the adjusting mechanism 60.

調整機構60は、第2の回折格子22を支持する回転体63と、回転体63をy軸周りに回転させる駆動部65とを備える。回転体63は、例えば平面部63bを含む半円柱状を有している。第2の回折格子22は、その回転体63の平面部63bに取り付けられて固定されている。回転体63は、y軸方向に沿って設けられた駆動軸64を有し、駆動軸64は、駆動部65によって駆動される。駆動軸64には例えばギア状に形成されている。   The adjustment mechanism 60 includes a rotating body 63 that supports the second diffraction grating 22 and a drive unit 65 that rotates the rotating body 63 about the y-axis. The rotating body 63 has, for example, a semi-cylindrical shape including a flat portion 63b. The second diffraction grating 22 is attached and fixed to the flat surface portion 63 b of the rotating body 63. The rotating body 63 has a drive shaft 64 provided along the y-axis direction, and the drive shaft 64 is driven by the drive unit 65. The drive shaft 64 is formed in a gear shape, for example.

駆動部65は、例えばステッピングモータ62及びこれに接続されたネジ部66等を有する。例えばウォームギアのように、ネジ部66は駆動軸64に係合しており、ネジ部66の回転によって、回転体63がy軸周りに回転することができる。   The drive unit 65 includes, for example, a stepping motor 62 and a screw unit 66 connected thereto. For example, like the worm gear, the screw portion 66 is engaged with the drive shaft 64, and the rotating body 63 can rotate around the y-axis by the rotation of the screw portion 66.

この調整機構60には、V溝形状の壁面68aを有する壁部材68が設けられている。図13に示すように、回転体63の円筒面状に形成された側面部63aが、その壁面68aに2箇所で接している。このように、回転体63がV溝形状の壁面68aに支持されることにより、その壁面68aに接しながら安定して回転することができる。したがって、第2の回折格子22のz軸に沿う方向以外及びy軸周りの方向以外の動きを確実に規制することができる。回折格子対20のz方向の動きは、例えば後述する筐体の構造によって保証される。   The adjustment mechanism 60 is provided with a wall member 68 having a V-groove-shaped wall surface 68a. As shown in FIG. 13, the side surface portion 63a formed in a cylindrical surface shape of the rotating body 63 is in contact with the wall surface 68a at two locations. As described above, the rotating body 63 is supported by the V-groove shaped wall surface 68a, so that the rotating body 63 can be stably rotated while being in contact with the wall surface 68a. Therefore, the movement of the second diffraction grating 22 other than the direction along the z axis and the direction other than the direction around the y axis can be reliably restricted. The movement of the diffraction grating pair 20 in the z direction is ensured by, for example, a structure of a casing described later.

なお、この回転体63及び壁部材68には、回折格子対20から出射された干渉光27及び28(図1及び7参照)のそれぞれの少なくとも一部を通過させる通路63c及び68cが設けられている。これらの通路63c及び68cは、回転体63及び壁部材68を貫通して形成されている。   The rotating body 63 and the wall member 68 are provided with passages 63c and 68c through which at least a part of the interference lights 27 and 28 (see FIGS. 1 and 7) emitted from the diffraction grating pair 20 pass. Yes. These passages 63 c and 68 c are formed through the rotating body 63 and the wall member 68.

演算回路40は、ステップ106において、図11に示したステップ103で得られた差分値に基づき、調整機構60の駆動部65を駆動するための制御信号を発生する。駆動部65の図示しないドライバは、演算回路40から出力された制御信号に基づいて、その差分値に応じた回転体63の駆動量を駆動部65が出力するように、駆動信号を発生する。具体的には、その回転体63の駆動量は、発生しているチルト量が上記閾値T以下となるような駆動量である。   In step 106, the arithmetic circuit 40 generates a control signal for driving the drive unit 65 of the adjustment mechanism 60 based on the difference value obtained in step 103 shown in FIG. A driver (not shown) of the driving unit 65 generates a driving signal based on the control signal output from the arithmetic circuit 40 so that the driving unit 65 outputs the driving amount of the rotating body 63 corresponding to the difference value. Specifically, the driving amount of the rotating body 63 is a driving amount such that the generated tilt amount is equal to or less than the threshold value T.

以上のように、調整機構60によってチルトが補正され、z方向の変位検出への影響を減らし、z方向の変位の計測精度が向上する。   As described above, the tilt is corrected by the adjusting mechanism 60, the influence on the z-direction displacement detection is reduced, and the measurement accuracy of the z-direction displacement is improved.

図14は、他の実施形態に係る調整機構を示す。この調整機構70は、駆動部として、例えば支持体69に支持された圧電アクチュエータ67を備えている。この圧電アクチュエータ67は回転体63の駆動軸61に接触している。圧電アクチュエータ67が矢印方向に可動することによってその動力が駆動軸61に伝達され、回転体63が回転する。   FIG. 14 shows an adjustment mechanism according to another embodiment. The adjustment mechanism 70 includes, for example, a piezoelectric actuator 67 supported by a support 69 as a drive unit. The piezoelectric actuator 67 is in contact with the drive shaft 61 of the rotating body 63. When the piezoelectric actuator 67 moves in the direction of the arrow, the power is transmitted to the drive shaft 61, and the rotating body 63 rotates.

調整機構としては、図12〜14に示した形態に限られない。例えば、上記回転体63等の部材がなく、第2の回折格子22に回転軸が設けられ、その回転軸が駆動されてもよい。このような微細な構造の回折格子は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術により実現され得る。   As an adjustment mechanism, it is not restricted to the form shown in FIGS. For example, there may be no member such as the rotating body 63, the second diffraction grating 22 may be provided with a rotating shaft, and the rotating shaft may be driven. A diffraction grating having such a fine structure can be realized by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology.

(B)チルトの補正方法2
上記調整機構を用いる形態に限られず、演算回路40はソフトウェアによりチルトを補正してもよい。図16は、この補正処理を示すフローチャートである。例えば、演算回路40は、図8に示したように、チルトが発生していない状態の第1のPD31の検出信号Sと変位量との関係をメモリしておく(ステップ200)。このステップ200は、装置の設計段階や製造段階で行われればよい。ステップ201〜205は、上記ステップ101〜105と同様である。
(B) Tilt correction method 2
It is not restricted to the form using the said adjustment mechanism, The arithmetic circuit 40 may correct | amend a tilt with software. FIG. 16 is a flowchart showing this correction processing. For example, as shown in FIG. 8, the arithmetic circuit 40 stores the relationship between the detection signal S of the first PD 31 and the amount of displacement in a state where no tilt has occurred (step 200). This step 200 may be performed at the device design stage or manufacturing stage. Steps 201 to 205 are the same as steps 101 to 105 described above.

演算回路40は、ステップ206では、図15に示すように検出信号について、第1のPD31の破線で示すような、チルトが発生している時のz方向の変位量の検出信号S’を、上記メモリした検出信号Sに置き換える処理を行う。すなわち、演算回路40は、許容範囲を超えたチルト量によってz方向で検出される変位量の誤差を補償する処理を行う(ステップ206)。例えば、使用対象の半波長分の領域分の検出値について当該置換処理を行えばよい。   In step 206, the arithmetic circuit 40, as shown in FIG. 15, with respect to the detection signal, as shown by the broken line of the first PD 31, the detection signal S ′ of the displacement amount in the z direction when the tilt is occurring, Processing to replace the stored detection signal S is performed. That is, the arithmetic circuit 40 performs a process of compensating for an error in the displacement amount detected in the z direction by the tilt amount exceeding the allowable range (step 206). For example, the replacement process may be performed on the detection values for the half wavelength region to be used.

具体的には、例えばこの装置の設計段階あるいは製造段階で、演算回路40は、チルト量に応じた、検出信号Sと検出信号S’とのレベルの差分値を予め記憶しておけばよい。これにより、演算回路40は、ステップ206では、ステップ205で保存されたチルト量に応じて、上記記憶されたチルト量及びレベル差分値の関係を示すテーブルを参照して、検出信号S’から信号Sへの置換処理を行うことができる。   Specifically, for example, at the design stage or manufacturing stage of the apparatus, the arithmetic circuit 40 may store in advance a difference value between the levels of the detection signal S and the detection signal S ′ according to the tilt amount. As a result, in step 206, the arithmetic circuit 40 refers to the table indicating the relationship between the stored tilt amount and the level difference value according to the tilt amount stored in step 205, and outputs a signal from the detection signal S ′. Substitution processing for S can be performed.

演算回路40は、以上のように置換された後の検出値に対応する、上記メモリされた変位量を、実際の変位量であるとして出力する(ステップ207)。   The arithmetic circuit 40 outputs the stored displacement amount corresponding to the detected value after the replacement as described above as an actual displacement amount (step 207).

なお、上記チルトの補正方法1及び2は、この変位計測装置としての製品の出荷後に行われる処理であってもよいし、製品出荷前(製造段階)において行われる処理であってもよいし、これらの両方で行われる処理であってもよい。   Note that the tilt correction methods 1 and 2 may be processing performed after shipment of the product as the displacement measuring device, or processing performed before product shipment (manufacturing stage), The process performed in both of these may be sufficient.

本実施形態に係る変位計測装置は、回折格子21及び22間のz方向の変位Δzを計測対象としたが、このΔzに加え、上記第1の実施形態と同様にチルト量Δθを計測対象としてもよい。   The displacement measuring apparatus according to the present embodiment uses the displacement Δz in the z direction between the diffraction gratings 21 and 22 as a measurement object. In addition to this Δz, the tilt amount Δθ is used as a measurement object as in the first embodiment. Also good.

上記特許文献2に記載された光電式エンコーダは、直交2軸方向の変位及び1軸の周りの角度変位、つまり合計3つの変位を計測する。このため、この光電式エンコーダは、レーザのドップラーシフトの原理を応用し、3つの回折格子及び3つの受光素子を用いて位相情報を演算しているので、処理回路は複雑な計算を行う必要がある。これに対して本実施形態に係る変位計測装置は、2つの回折格子及び2つの光センサを備える。本変位計測装置が上記のようにΔz及びΔθの両方の変位を計測する場合、特許文献2の光電式エンコーダの計測対象より1つ少ないものの、その光電式エンコーダに比べ、回折格子及び光センサを1つずつ減らすことができる。したがって、小型化を実現することができる。   The photoelectric encoder described in Patent Document 2 measures displacement in two orthogonal axes and angular displacement around one axis, that is, a total of three displacements. For this reason, this photoelectric encoder applies the principle of laser Doppler shift and calculates phase information using three diffraction gratings and three light receiving elements, so the processing circuit needs to perform complicated calculations. is there. On the other hand, the displacement measuring apparatus according to this embodiment includes two diffraction gratings and two optical sensors. When this displacement measuring apparatus measures both displacements of Δz and Δθ as described above, although it is one less than the measurement target of the photoelectric encoder of Patent Document 2, the diffraction grating and the optical sensor are compared with the photoelectric encoder. One by one can be reduced. Therefore, downsizing can be realized.

以上説明した第2の実施形態では、第1のPD31で得られた信号が、回折格子21及び22間のz方向の変位の検出に用いられたが、もちろん第2のPD32で得られた信号がそのために用いられてもよい。   In the second embodiment described above, the signal obtained by the first PD 31 was used to detect the displacement in the z direction between the diffraction gratings 21 and 22, but of course the signal obtained by the second PD 32. May be used for this purpose.

3.変位計測装置の光学部品を支持する筐体   3. Housing that supports the optical components of the displacement measuring device

図17は、上述の変位計測装置100の構成を示し、図1及び7に示す光学系及びこれを収容する筐体50を示す断面図である。   FIG. 17 is a cross-sectional view showing the configuration of the above-described displacement measuring apparatus 100 and showing the optical system shown in FIGS. 1 and 7 and a housing 50 that accommodates the optical system.

筐体50は、光路が配置される孔部55を有する。孔部55は、光源12から回折格子対20までの第1の孔部55aと、回折格子対20から第1のPD31までの第2の孔部55bと、回折格子対20から第2のPD32までの第3の孔部55cとを含む。第2の孔部55b及び第3の孔部55cは、±n次、ここでは±1次回折光の進路に沿う干渉光27及び28をそれぞれ通すような角度で形成されている。   The housing 50 has a hole 55 in which the optical path is disposed. The hole 55 includes a first hole 55 a from the light source 12 to the diffraction grating pair 20, a second hole 55 b from the diffraction grating pair 20 to the first PD 31, and a second PD 32 from the diffraction grating pair 20. Up to the third hole 55c. The second hole portion 55b and the third hole portion 55c are formed at angles that allow the interference lights 27 and 28 along the path of the ± nth order, here ± 1st order diffracted light, to pass therethrough.

第1の孔部55aの長手方向に沿ったz軸を、以下では便宜的に主軸という。この主軸の方向は、回折格子対20の光軸と平行となっている。   Hereinafter, the z-axis along the longitudinal direction of the first hole 55a is referred to as a main axis for convenience. The direction of the main axis is parallel to the optical axis of the diffraction grating pair 20.

主軸方向における筐体50の両端部には、実装基板51及び52がそれぞれ装着されている。実装基板51には光源12が実装され、実装基板52の基板には第1のPD31及び第2のPD32が実装されている。   Mounting boards 51 and 52 are mounted on both ends of the housing 50 in the main axis direction, respectively. The light source 12 is mounted on the mounting substrate 51, and the first PD 31 and the second PD 32 are mounted on the mounting substrate 52.

筐体50は、光源側部材50aと、センサ側部材50bと、これらの間に設けられたバネ部50cとを有する。バネ部50cは、筐体50の、対向する2つの側面にそれぞれ2つずつ切り欠き53が設けられ、かつ、内部にスリット54が設けられることにより形成されている。回折格子対20は、そのスリット54を挟むように筐体50に保持されている。バネ部50cによって、筐体50が主軸方向及びy軸周りに伸縮可能となるため、第1の回折格子21及び第2の回折格子22の相対移動が可能となり、Δz及びΔθの変位計測が可能となる。   The housing 50 includes a light source side member 50a, a sensor side member 50b, and a spring portion 50c provided therebetween. The spring portion 50c is formed by providing two cutouts 53 on each of two opposing side surfaces of the casing 50 and providing a slit 54 therein. The diffraction grating pair 20 is held by the housing 50 so as to sandwich the slit 54. Since the casing 50 can be expanded and contracted in the main axis direction and the y-axis by the spring portion 50c, the first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22 can be relatively moved, and the displacement measurement of Δz and Δθ can be performed. It becomes.

筐体50の材質としては、金属や樹脂が用いられる。金属の場合、例えばステンレス、アルミニウム等が挙げられる。光源側部材50a及びセンサ側部材50bが第1の材料で形成され、バネ部50cが、第1の材料のヤング率より低いヤング率を有する第2の材料で形成されていてもよい。この場合、第1の材料は金属であり、第2の材料が樹脂とされる。もちろん、第1及び第2の材料として共に異なる種類の金属が用いられもよいし、異なる種類の樹脂が用いられてもよい。   As a material of the housing 50, metal or resin is used. In the case of a metal, for example, stainless steel, aluminum and the like can be mentioned. The light source side member 50a and the sensor side member 50b may be formed of a first material, and the spring portion 50c may be formed of a second material having a Young's modulus lower than that of the first material. In this case, the first material is a metal and the second material is a resin. Of course, different types of metals may be used as the first and second materials, or different types of resins may be used.

図18は、この変位計測装置100が、計測対象物として例えばフレーム等の構造物に取り付けられた状態を示す。構造物150は、例えば住宅のフレーム(柱や梁)があるが、これに限られず、任意のフレームでよい。また、構造物150としてフレームに限られず、比較的高い剛性を持つ対象物であれば何でもよい。   FIG. 18 shows a state in which the displacement measuring apparatus 100 is attached to a structure such as a frame as a measurement object. The structure 150 includes, for example, a housing frame (column or beam), but is not limited thereto, and may be an arbitrary frame. The structure 150 is not limited to a frame, and any object having a relatively high rigidity may be used.

4.その他の実施形態   4). Other embodiments

本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and other various embodiments can be realized.

上記第2の実施形態に係る演算回路40は、第1のPD31及び第2のPD32の検出値の差分が閾値を超えるか否かを判定し、その判定結果に基づいてチルト補正を行った。しかし、演算回路40は、PD31及び32の検出値の差分からチルト量を求め、このチルト量が閾値を超えるか否かを判定し、その判定結果に基づいてチルト補正を行ってもよい。   The arithmetic circuit 40 according to the second embodiment determines whether or not the difference between the detection values of the first PD 31 and the second PD 32 exceeds a threshold value, and performs tilt correction based on the determination result. However, the arithmetic circuit 40 may obtain the tilt amount from the difference between the detection values of the PDs 31 and 32, determine whether the tilt amount exceeds a threshold value, and perform tilt correction based on the determination result.

上記各実施形態では、PD31及び32の両方が、0次光及び1次回折光の干渉光を検出する例、つまり、z軸に対して対称な干渉光を検出する例を示した。しかし、PD31及び32は、z軸に対して非対称な干渉光を検出してもよい。例えば。第1のPD31が0次及び1次回折光の干渉光を検出し、第2のPD32が2次光及び1次回折光の干渉光を検出する等である。

In each of the embodiments described above, an example in which both the PDs 31 and 32 detect the interference light of the 0th order light and the 1st order diffracted light, that is, an example in which the interference light symmetric with respect to the z axis is detected is shown. However, PD 31 and 32 may detect a non-symmetrical interference light with respect to the z-axis. For example. The first PD 31 detects the interference light of the 0th order and the 1st order diffracted light, the second PD 32 detects the interference light of the 2nd order light and the 1st order diffracted light, and so on.

上記実施形態では、光源12から出射された光がコリメータレンズ14に入射し、コリメータレンズ14が平行光15を発生した。しかし、必ずしも平行光15を形成しなくてもよく、例えば所定の光の配向角を持つ拡散光または収束光を、光源、または光源を含む光学系が発生し、これら拡散光または収束光が回折格子対20に入射してもよい。この場合、回折格子対20の光軸は、典型的には、その光源または光学系の光軸と一致するように構成されるが、それらは必ずしも一致しないように構成されてもよい。   In the above embodiment, the light emitted from the light source 12 is incident on the collimator lens 14, and the collimator lens 14 generates the parallel light 15. However, the parallel light 15 does not necessarily have to be formed. For example, diffused light or convergent light having a predetermined light orientation angle is generated by a light source or an optical system including the light source, and the diffused light or convergent light is diffracted. It may be incident on the grating pair 20. In this case, the optical axis of the diffraction grating pair 20 is typically configured to coincide with the optical axis of the light source or the optical system, but they may be configured not to coincide with each other.

以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも2つの特徴部分を組み合わせることも可能である。   It is also possible to combine at least two feature portions among the feature portions of each embodiment described above.

12…光源
20…回折格子対
21…第1の回折格子
21a、22a…格子線
22…第2の回折格子
22a…格子線
23、25…+n次(+1次)回折光
24、26…−n次(−1次)回折光
27、28…干渉光
30…直進光
31…第1のPD
32…第2のPD
40…演算回路
51、52…実装基板
54…スリット
55(55a、55b、55c)…孔部
60、70…調整機構
65…駆動部
67…圧電アクチュエータ
100…変位計測装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Light source 20 ... Diffraction grating pair 21 ... 1st diffraction grating 21a, 22a ... Grating line 22 ... 2nd diffraction grating 22a ... Grating line 23, 25 ... + n-order (+ 1st-order) diffracted light 24, 26 ...- n Next (-1st order) diffracted light 27, 28 ... Interference light 30 ... Straight light 31 ... First PD
32 ... Second PD
DESCRIPTION OF SYMBOLS 40 ... Arithmetic circuit 51, 52 ... Mounting board 54 ... Slit 55 (55a, 55b, 55c) ... Hole 60, 70 ... Adjustment mechanism 65 ... Drive part 67 ... Piezoelectric actuator 100 ... Displacement measuring device

Claims (8)

光源と、
前記光源からの光線の進路に沿って配置され、相対移動可能であり、回折光をそれぞれ発生する第1の回折格子及び第2の回折格子と、
前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子で発生した回折光のうち、前記第1の回折格子による+n次回折光(nは1以上の自然数)の進路に沿う一組の回折光の干渉光を検出する第1の光センサと、
前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子で発生した回折光のうち、前記第1の回折格子による−n次回折光の進路に沿う一組の回折光の干渉光を検出する第2の光センサと
前記第1の光センサ及び前記第2の光センサにより得られた信号の差分値に基づき、前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子のそれぞれの格子線の方向に沿う軸周りの、前記第1及び前記第2の回折格子の相対的な回転の角度変位を算出する処理部と
を具備する変位計測装置。
A light source;
A first diffraction grating and a second diffraction grating, which are arranged along a path of a light beam from the light source, are relatively movable, and each generate diffracted light;
Among the diffracted lights generated by the first diffraction grating and the second diffraction grating, interference of a set of diffracted lights along the path of + n-order diffracted light (n is a natural number of 1 or more) by the first diffraction grating. A first light sensor for detecting light;
A second detector for detecting interference light of a set of diffracted light along a path of -n-order diffracted light by the first diffraction grating out of diffracted light generated by the first diffraction grating and the second diffraction grating; An optical sensor ;
Based on the difference value of the signals obtained by the first optical sensor and the second optical sensor, around the axis along the direction of the respective grating lines of the first diffraction grating and the second diffraction grating, A displacement measuring device comprising: a processing unit that calculates an angular displacement of relative rotation of the first and second diffraction gratings .
請求項に記載の変位計測装置であって、
前記処理部は、前記第1及び前記第2の光センサのうちいずれか1つにより得られた信号に基づき、前記第1及び前記第2の回折格子の光軸に沿う方向の変位を検出する
変位計測装置。
The displacement measuring apparatus according to claim 1 ,
The processing unit detects displacement in a direction along the optical axis of the first and second diffraction gratings based on a signal obtained by any one of the first and second optical sensors. Displacement measuring device.
請求項に記載の変位計測装置であって、
前記処理部は、前記角度変位を補正する処理を実行する
変位計測装置。
The displacement measuring device according to claim 2 ,
The processing unit executes a process of correcting the angular displacement.
請求項に記載の変位計測装置であって、
前記処理部は、前記算出した角度変位が閾値を超えるか否かを判定し、前記角度変位が前記閾値を超える場合、前記角度変位を補正する処理を実行する
変位計測装置。
The displacement measuring apparatus according to claim 3 ,
The said process part determines whether the calculated angular displacement exceeds a threshold value, and when the said angular displacement exceeds the said threshold value, the process which correct | amends the said angular displacement is performed.
請求項3に記載の変位計測装置であって、
前記処理部は、前記差分値が閾値を超える場合、前記角度変位を補正する処理を実行する
変位計測装置。

The displacement measuring apparatus according to claim 3,
The said process part performs the process which correct | amends the said angular displacement, when the said difference value exceeds a threshold value The displacement measuring device.

請求項からのうちいずれか1項に記載の変位計測装置であって、
前記角度変位の方向に前記第1または前記第2の回折格子を回転させる調整機構をさらに具備し、
前記処理部は、前記算出した角度変位に基づき、前記調整機構を制御する
変位計測装置。
A displacement measuring apparatus according to any one of the claims 3 5,
An adjustment mechanism for rotating the first or second diffraction grating in the direction of the angular displacement;
The processing unit controls the adjustment mechanism based on the calculated angular displacement.
請求項1からのうちいずれか1項に記載の変位計測装置であって、
前記第1の光センサは、前記第1の回折格子から発生する0次光が前記第2の回折格子に入射することで発生する前記第2の回折格子の+1次回折光と、前記第1の回折格子から発生する+1次回折光が前記第2の回折格子に入射して前記第2の回折格子から発生する0次光との干渉光を検出し、
前記第2の光センサは、前記第1の回折格子から発生する0次光が前記第2の回折格子に入射することで発生する前記第2の回折格子の−1次回折光と、前記第1の回折格子から発生する−1次回折光が前記第2の回折格子に入射して前記第2の回折格子から発生する0次光との干渉光を検出する
変位計測装置。
The displacement measuring device according to any one of claims 1 to 6 ,
The first optical sensor includes + 1st order diffracted light of the second diffraction grating generated by incidence of 0th order light generated from the first diffraction grating to the second diffraction grating, and the first optical sensor. + 1st order diffracted light generated from the diffraction grating is incident on the second diffraction grating and detects interference light with 0th order light generated from the second diffraction grating;
The second optical sensor includes a −1st order diffracted light of the second diffraction grating generated by incidence of 0th order light generated from the first diffraction grating on the second diffraction grating, and the first optical sensor. Displacement measuring device that detects interference light with zero-order light generated from the second diffraction grating when −1st-order diffracted light generated from the second diffraction grating is incident on the second diffraction grating.
光源からの光線の進路に沿って配置され、相対移動可能であり、同じ方向に格子線を有し、回折光をそれぞれ発生する第1の回折格子及び第2の回折格子を用いて、変位を計測する方法であって、
前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子で発生した回折光のうち、前記第1の回折格子による+n次回折光(nは1以上の自然数)の進路に沿う一組の回折光の干渉光を第1の光センサで検出し、
前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子で発生した回折光のうち、前記第1の回折格子による−n次回折光の進路に沿う一組の回折光の干渉光を第2の光センサで検出し、
前記第1の光センサ及び前記第2の光センサにより得られた信号に基づき、前記格子線の方向に沿う軸周りの、前記第1及び前記第2の回折格子の相対的な回転の角度変位を算出し、
前記角度変位の算出では、前記第1の光センサ及び前記第2の光センサにより得られた信号の差分値に基づき、前記第1の回折格子及び前記第2の回折格子のそれぞれの格子線の方向に沿う軸周りの、前記第1及び前記第2の回折格子の相対的な回転の角度変位を算出する
変位計測方法。
The first diffraction grating and the second diffraction grating, which are arranged along the path of the light beam from the light source, are relatively movable, have grating lines in the same direction, and generate diffracted light, respectively, are used to change the displacement. A method of measuring,
Among the diffracted lights generated by the first diffraction grating and the second diffraction grating, interference of a set of diffracted lights along the path of + n-order diffracted light (n is a natural number of 1 or more) by the first diffraction grating. Light is detected by a first light sensor;
Of the diffracted light generated by the first diffraction grating and the second diffraction grating, a pair of diffracted light interference light along the path of -n-order diffracted light by the first diffraction grating is used as a second optical sensor. Detect with
An angular displacement of relative rotation of the first and second diffraction gratings about an axis along the direction of the grating line based on signals obtained by the first optical sensor and the second optical sensor is calculated,
In the calculation of the angular displacement, based on the difference value between the signals obtained by the first optical sensor and the second optical sensor, the respective grating lines of the first diffraction grating and the second diffraction grating are calculated. A displacement measurement method for calculating an angular displacement of a relative rotation of the first and second diffraction gratings about an axis along a direction .
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