JPH032624A

JPH032624A - 測角装置

Info

Publication number: JPH032624A
Application number: JP1264128A
Authority: JP
Inventors: Ernst Schwefel; エルンスト・シュウエーフェル; Dieter Michel; ディーテル・ミヒェル; Olivier Pariaux; オリビエ・パリョー
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1988-10-28
Filing date: 1989-10-12
Publication date: 1991-01-09
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: EP0365806A2; EP0365806B1; EP0365806A3; ATE101264T1; JPH0749940B2; DE3836703A1; ES2050745T3; DE3836703C2; US5001340A; DE58906887D1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、リング目盛を備えた目盛板とリング目盛を
円周上に走査する走査装置とを具備した干渉測定方式の
光電測角装置に関する。

〔従来の技術］この種の測角装置は、特に工作機械に使用する場合、加
工すべき工作品に対して工具の相対位置を測定するため
に使用される。

Ｆ、　ｆｌｏｃｋによる１９７５年の学位論文「回折格
子を用いた長さ又は角度変化の光電測定」の第８６図に
は、目盛円板の角度目盛のセンタリング誤差を消去する
測角装置が記載されている。この装置では、光源の光ビ
ームが集束レンズを経由して目盛円板の角度目盛の第一
角度目盛領域に導入され、第一五角形プリズム、第一偏
向プリズム及び第一対物レンズを経由して二つの部分ビ
ーｌ、に分割するウオーラストンプリズムに導入される
。前記二つの部分ビームは第二対物レンズ、第二五角形
プリズム及び第二偏向プリズムを経由して目盛円板の角
度目盛の第−角度頭載に円周上対向する第二角度領域を
通り抜け、偏光分離プリズムを経由して二個の受光素子
に入射する。この測角装置は、多数の光学部材を用いて
いるため、寸法が大きく、高い組立・調整経費が必要で
ある。

雑誌”Ｍｏｔｉｏｎ　　７〜９月号、１９８７年の曲材
等の論文”Ｌａ５ｅｒ　Ｒｏｔａｒｙ　１ｉｎｃｏｄｅ
ｒ”の第３頁と第４頁には、目盛円板の角度目盛のセン
タリング誤差を消去する測角装置が開示されている。こ
の装置では、レーザーダイオードの光ビームが偏光分離
プリズムを通過して二つの部分ビームに分割される。第
一部分ビームは第一位相板と第一反射鏡を経由して回折
ビームを発生させる目盛円板の角度目盛の第一角度目盛
領域に入射する。−次の正の回折ビームハ第一反射体に
よって第一角度目盛領域、第−反射鏡及び第一位相板を
経由して偏光分離プリズムに戻り、第三の位相板、ビー
ム分離器及び第一偏光板を経由して第一受光部に入射す
る。第二部分ビームは第二位相板と第二反射鏡を経由し
て回折光を発生させる目盛円板の角度目盛の第二角度目
盛領域に入射する。−次の負の回折ビームは第二反射体
によって第二角度目盛領域、第二反射鏡及び第二位相板
を通過して偏光分離プリズムに帰り、第三位相板、ビー
ム分離器及び第二偏光板を経由して第二受光部に入射す
る。この比較的高価な測角装置も高い組立・調整経費が
要求される。

簡単な構成で、低価格で作製される寸法のより小さい測
角装置は、西独特許第３６３３５７４号明細書に開示さ
れている。そこに開示された測角装置は目盛板のぐらつ
き誤差に対して鈍感で、センタリング誤差が消去されて
いる。

〔発明の課題〕

この発明の課題は、測定精度と動作信頼性が従来の測角
装置より向上した、形状がより小さく、構造が単純な高
分解能測角装置を提供することにある。

〔課題の解決〕

上記の課題は、この発明により、走査装置（ＡＡ、、Ａ
、、Ａ、、Ａ５）を集積光学回路で形成しであることに
よって解決されている。

〔発明の効果］この発明の利点は、走査装置の集積光学構造によって極
端に小さい寸法の測角装置と周囲の影響に対する鈍感性
にある。

［実施例とその作用］実施例の助けを借りて、この発明を図面に基づきより詳
しく説明する。

第１図に模式的に示す測角装置１の場合、第一走査領域
でレーザー２の光が目盛円板４のリング目盛３に入射す
る。位相格子として形成したリング目盛３では光が回折
し、−次の」川と一１回折次数の二つの部分ビーム束が
反射する。他の次数の回折波は評価しない。

レーザー（半導体レーザー）２は、一体集積光学回路を
有する基板５上に集積される。この回路は走査装置Ａに
よって形成されている。一体集積した光回路である走査
装置Ａは、二つの入射格子６と７を保有する。入射格子
６には正の一次反射部分ビーム束＋１が、また入射格子
７には負の一次反射部分ビーム東−１が入射する。

集束入射する入射格子６と７から、回折光が帯状光導体
１０と１１に導入される。

回折した部分ビーム束＋１と−１は、基板５の帯状光導
体１０と１１中で円周上に置かれた第二走査領域に導入
される。帯状光導体１０と１１には、出射格子１４と１
５が続いている。これ等の格子は回折した部分ビーム束
＋１と−１の光をリング目盛３上で偏向させる。光はそ
こでもう一度回折し、他の入射格子１６．１７に導入さ
れ、他の光導体１Ｂ、、１９．を経由して結合器２０に
供給される。そこで、＋１次と一１次の部分ビーム束は
干渉するので、結合？：″＆２０の出力端では位相のず
れた三個の光束が三個の検出器２１．２２及び２３によ
って検出される。

走査装置Ａと目盛円板４の間の相対運動により、リング
目盛３で二度回折したビー１、束の位相が変わるので、
周期がリング目盛の目盛周回の四分の１に相当する信号
が発生する。

円周上の走査領域で二重に走査することによって、場合
によって存在する偏芯が消去される。

他の実施例は、第２図に示しである。この装置は透過光
で動作する。半導体レーザー２□から出射した光は、位
相格子として形成したリング目盛３、で回折する。＋１
と一１回折次数の部分ビーム束は集束させた入射格子６
２と７２に当たる。

これ等の格子から前記ビーム束は層状光導体１０２によ
って円周上に配設した出射格子１４２と１５２に導入さ
れる。集束した入射格子６２と７２の焦点では、部分ビ
ーム束＋１と−１が相互に影響を及ぼすことなく交差す
る。出射格子１４．と１５２は部分ビーム束＋１と−１
を再び偏向させるので、両部分ビーム束はリング目盛３
□によって新たに回折される。両部分ビーム束＋１と−
１は偏光光学手段（Ｊ）を通過した後偏光光学分離プリ
ズム２０□中で干渉し、二つの光電検出器ＰとＰ２に入
射し、これ等の光電検出器は９０゜互いに位相おずれた
周期走査信号を供給する。この実施例の場合でも、走査
信号には周波数に対して四倍にする効果が生じ、偏芯を
消去する。

第３図には、再び所謂反射測角装置１３が示しである。

図示していないレーザービームが層状光導体１０３中の
開口を通過して目盛円板４３に存在するリング目盛３３
上に入射する。リング目盛３３の位相格子で回折して、
正の一次回折次数と負の一次回折次数の部分ビーム束＋
１と−ｌが発生し、コリメート入射格子６３と７３で反
射する。

コリメートされた部分ビーム束＋１と−１は層状光導体
１０３中に供給され、対向円周上に配設した出射格子１
４３と１５３に導入される。

層状光導体１０３には、付属する円周上の出射格子１４
３．１５３に誘導する場合両方の部分ビーム束＋１と−
１の一方を通過させる必要のある領域で位相をずらす部
材Ｑがあるので、部分ビーム束＋１と−１の半分が出射
格子１４３又は１５３に位相をずらして入射する。

出射格子１４３と１５３は、部分ビーム束＋１と＝１を
再びリング目盛３．に偏向させる。そこで部分ビーム束
＋１と−１を干渉させ、層状光導体１０ｚの他の開口を
通過して検出器Ｐｔ３とＰＩ２３に反射される。検出２
ＦＰ１３とＰＩ３．は再び前に説明した様な方式の位相
のずれた走査信号を供給する。

位相をずらる部材Ｑは層状光導体１０３中及び／又はと
ころの成る領域であってよい。この領域は計算できる幅
と長さにわたって層状光導体とは異なった屈折率を有す
る。

この実施例も、特に有利に集積光学回路として構成でき
る。

第４図と第５図には、上に説明した三種の実施形状とは
異なった構造様式の測角装置が示しである。第４Ａ図に
は、所謂ドラム測定器が断面にして示しである。回転軸
の回りに回転できるシリンダ４４の内壁には、測定目盛
３４が付けである。

この目盛は見通しを良くするため完全には示してない。

シリンダ４４の中心には、集積光学回路として常設走査
装置Ａ４がある。この回路の側面図が第４Ｃ図に示しで
ある。第４Ｂ図には、切り抜きにして平面図が示しであ
る。

走査を説明するために、第４Ａ図、第４Ｂ図及び第４Ｃ
図の全て三つの部分図を思考上組み合わせる必要がある
。その理由は、計算上図示できる可能性が非常に制限さ
れた空間的に進行するビーム光路が生じるからである。

このため、「上」、「下」、「右Ｊ、「左」、「後」、
「前」等のような用語も使用される。これ等の用語は光
学の専門用語を引用していないが、この発明を理解する
のに役立つ。

半導体レーザー２４は光導体Ｗ、中の集積光学コリメー
タ・レンズＬによって平行ビームにされた光を出射する
。出射格子ＧＡによってこの光はシリンダ４４の測定目
盛３４に向けられる。この光路はシリンダ４４の測定目
盛３４に対して角度α傾斜して出射格子ＧＡから測定目
盛３４に進行する。そこで反射して回折するので、正と
負の一次回折次数の画部分ビーム東＋１と−１は、シリ
ンダ４４の回転軸Ｒ４に対して同じ角度α傾斜して入射
格子６４と７４に向かい、走査装置Ａ４に向かう。しか
し、部分ビーム束＋１と一■は更に回折角度βを受ける
。この状況は第４Ｂ図から理解できる。即ち、部分ビー
ム束＋１は入射格子６４の［左下Ｊ　　（ｌｕ）に当た
り、部分ビーム束ｌは入射格子７４の「右下Ｊ　　（ｒ
ｕ）に当たる。

光導体１０４と１１４は部分ビーム束±１と−１を対向
する出射格子１４４と１５．に導く（第４Ｃ図参照）。

光導体１０４と１１４が交差していることは、選択した
幾何学のため部分ビーム束＋１と−１の伝播に何も明確
な影響を与えない。

出射格子１４４は入射格子７４の上（右下）にある。し
かし、この格子は「左通路」の出射公知７４であるから
、それを「左上Ｊ（１０）と記すと、ただ見掛は上誤っ
ている。同様に、出射公知１５、を［右上Ｊ　　（ｒｏ
）と記せば、ただ見掛は上誤っている。何故なら、それ
は左下の入射格子６、の上に存在するからである。

この見掛は上の不調和は、他の光路を説明するとき理解
できる。つまり、第４図で考慮している走査装置Ａ４の
基板の図面が前側と見なせると仮定すると、出射格子１
４．と１５４は基板の反対側になる。走査装置Ａ４が第
４Ａ図と第４Ｂ図の電顕であると想定すると、基板を裏
面から見た場合、出射格子１４４は「右上」にあり、出
射格子１５４は「左上」にある。

光導体１０４で入射格子６４　（左下）から出射格子１
４４　（左上）に誘導される部分ビーム束＋１は、巻頭
で説明した領域に対向している測定目盛３４の領域に向
かう。そうして、再び円周上の両端での走査が行われる
。

光導体１１４で入射格子７４　（右下）から出射格子１
５４　（右上）に誘導される部分ビーム束ｌは、同じよ
うに測定目盛３４の前記領域に指向する。部分ビーム束
＋１と−ｌは回折し、干渉しくこの場合、位相のずれは
第３図で既に説明したものと同じ方法で行われる〕、反
射する。従って、合成したビーム束は走査装置Ａ４の基
板上の入射格子に指向する。ここでは、このビーム束が
光導体ＷＦの平面に偏向され、少なくとも一個のフォト
ダイオードＰ４が強度変調されたビーム束を電気出力信
号に変換する。

他のドラム測定器は第５Ａ図から第５Ｃ図に図示しであ
る。ここでも、再び走査装置Ａ、を集積光学構造様式に
した第５Ｃ図に示した基板をそれぞれ第５Ａ図と第５Ｂ
図の平面図に同じ位置で示すと効果的である。

半導体レーザー２５は半導体レンズＷ、に向けて光を放
出する。平行に揃えた光束は、所謂ブラッグ角で音響表
面波発生器Ｇによって生じた所謂音響表面波ＳＡＷに衝
突する。この音響表面波ＳＡＷは回折格子のような作用
を及ぼすので、零次の波は影響されることなく更に進行
する。これに反して、ブラッグ条件下の第一次数の波は
回折して音響表面波ＳＡＷの周波数に応じて周波数をず
らす。

光導体１０４中で出射格子６．に導入さえる部分ビーム
束０は第４図の説明の意味で「前に」に出射し、シリン
ダレンズ４５のリング目盛３５に向かう。そこで、部分
ビーム束０は再び回折し、反射して走査装置Ａ、の基板
上の入射格子巳、に向かう。

一次の回折した部分ビーム束子１は、光導体１１５を経
由して出射格子７４に誘導されて、［後ろ」に向けて出
射する。部分ビーム束０がリング目盛３５に生じる領域
に正確に対向している領域で、部分ビーム束＋１がリン
グ目盛３．に当たる。

そこで、このビーム束は回折して反射するので、部分ビ
ーム束＋１は「後ろ」から入射格子Ｅ、に当たり、そこ
で部分ビーム束Ｏと干渉する。合成されたビーム束は光
導体Ｗ　Ｅ　Ｓによって検出ＫＭ　Ｐ　ｓに導入される
。この検出器は公知の方法で走査信号を発生する。

入射格子と出射格子は、利用状態に応して一方又は多数
の方向に出射、ないし一方又は多数の方向に入射するよ
うに構成できる（例えば、磨き格子、反射層を備えた格
子等）。

上に示した種々の実施例の構造及び幾何学配置は、当然
なことであるが非常に模式的に示しである。その理由は
、実際の比率を光学集積回路中で数値的に正しく表すこ
とできないためである。

【図面の簡単な説明】

第１図、帯状光導体と結合器を備えた測角装置の模式図
。第２図、層状光導体と集束格子を備えた測角装置の模式
図。第３図、層状光導体とコリメータ格子を備えた測角装置
の模式図。第４Ａ図、シリンダ形状の測角装置の断面図。第４Ｂ図、第４Ａ図の測角装置の部分平面図。第４Ｃ図、第４Ａ図の測角装置の走査装置の平面図。第５Ａ図、第４Ａ図の測角装置の変形種の断面第１Ｃ図
、第５Ａ図の測角装置の走査装置の平面図。図中引用記号：１・・・測角装置、２・　・　・レーザー３・・・リング目盛、４・・・目盛円板、５・・・基板、６．７，１６．１７・・・入射格子、１０、（１・・・帯状光導体、１４．１５・・・出射格子、２０・・・結合器、２１、．２２．２３・・・検出器、Ａ・・・走査装置。

Claims

【特許請求の範囲】１、リング目盛を有する目盛板と、リング目盛を円周上
で走査する走査装置とを具備し、干渉計測方式の光電測
角装置において、前記走査装置（Ａ、Ａ＿２、Ａ＿３、
Ａ＿４、Ａ＿５）は集積された光学回路として形成され
ていることを特徴とする光電測角装置。２、走査装置（Ａ）は円周上走査範囲で入射部材（６、
７、８、９）と出射部材（１２、１３、１４、１５）を
有し、両者はそれぞれ帯状光導体（１０、１１）によっ
て互いに連結していて、出射部材（１２、１３、１４、
１５）には、他の入射部材（１６、１７、１８、１９）
が付属されていて、前記他の入射部材は他の帯状光導体
（１８＿ａ、１９＿ａ）を介して結合器（２０）の入力
端に連結し、連結器の出力端にはセンサ（２１、２２、
２３）が配設してあることを特徴とする請求項１記載の
光電測角装置。３、入射部材（６、７、８、９）又は（１６、１７、１
８、１９）は入射格子（６、７又は１６、１７）及び光
学狭窄部（８、９又は１８、１９）から成り、出射部材
（１２、１３、１４、１５）は光学拡大部（１２、１３
）及び出射格子（１４、１５）から成ることを特徴とす
る請求項２記載の光電測角装置。４、走査装置（Ａ＿２）は集束入射格子（６＿２又は７
＿２）を有し、前記集束入射格子は光導体（１０＿２）
を介して付属する出射格子（１４＿２又は１５＿２）に
連結し、この出射格子（１４＿２又は１５＿２）には少
なくとも一個の偏光光学部材（Ｊ）が光学的に後続して
いることを特徴とする請求項１記載の光電測角装置。５、光導体（１０＿２）は層状又は帯状光導体として形
成してあることを特徴とする請求項４記載の光電測角装
置。６、走査装置（Ａ＿３、Ａ＿４）は集束入射格子（６＿
３、６＿４又は７＿３、７＿４）を有し、それ等の入射
格子は光導体（１０＿３、１０＿４、１１＿４）を経由
して付属する出射格子（１４＿３、１４＿４又は１５＿
３、１５＿４）に連結し、入射格子（６＿３、６＿４又
は７＿３、７＿４）から（１４＿３、１４＿４又は１５
＿３、１５＿４）に向かう少なくとも光学通路に位相を
ずらす部材（Ｑ）が配設してあることを特徴とする請求
項１記載の光電測角装置。７、測角装置（１＿３）には、放射状のリング目盛（３
＿３）を有する部分円板（４＿３）があり、走査装置（
Ａ＿３）は部分円板（４＿３）に平行に、つまり回転軸
（Ｒ＿３）に垂直に配設してあることを特徴とする請求
項１又は６記載の光電測角装置。８、光導体（１０＿３、１０＿４、１１＿４）は層状光
導体（１０＿３）又は帯状光導体（１０＿４、１１＿４
）として形成してあることを特徴とする請求項６記載の
光電測角装置。９、位相をずらす部材（Ｑ）は屈折率が光導体（１０＿
３、１０＿４）の屈折率と異なる光導体（１０＿３、、
１０＿４）中又はそのところの領域であることを特徴と
する請求項６記載の光電測角装置。１０、走査装置（Ａ＿５）には、円周上で出射する出射
格子（６＿５、７＿５）を有する光導体（Ｗ＿５、１０
＿５、１１＿５）があり、この出射格子には前方又は後
方側に作動する入射格子（Ｅ＿５）が配設してあり、こ
の入射格子には少なくとも一個のセンサ（Ｐ＿５）で終
了する光導体（Ｗ＿Ｅ＿５）が光学的に後続しているこ
とを特徴とする請求項１記載の光電測角装置。１１、走査装置（Ａ＿５）は光導体（Ｗ＿５）中で音響
表面波（ＳＡＷ）を発生させる音響表面波発生器（Ｇ）
を有することを特徴とする請求項１０記載の光電測角装
置。１２、測角装置（１＿４、１＿５）は同心状のリング目
盛（３＿４、３＿５）を備えたシリンダ（４＿４、４＿
５）を有し、走査装置（Ａ＿４、Ａ＿５）は回転軸（Ｒ
＿４、Ｒ＿５）に平行にほぼ中心に配設してあることを
特徴とする請求項１、６、１０のいずれか１項に記載の
光電測角装置。