JPH10506719A - ２つの物体の相対的な変位を測定する光電式距離及び角度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ２つの物体の相対的な変位を測定する光電式距離及び角度測定装置は、数式Ｎ＝ｎ・４で表される数量のフォトレシーバー（１）を有し、同フォトレシーバー（１）はフォトレシーバー・マトリックス（２）内に配置され、同配置は複数のフォトレシーバー（１）の対角線（ａ）がフォトレシーバー・マトリックス（２）の対角線（ｃ）に対して平行に延びるように行われ、同一位相を検出する複数のフォトレシーバー（１）は互いに電気的に接続され、これらの信号は評価回路に入力される。

Description

【発明の詳細な説明】 ２つの物体の相対的な変位を測定する光電式距離及び角度測定装置 本発明は２つの物体の相対的な変位を測定する光電式距離及び角度測定装置（ fotoelektrisches weg-und Ｗinkelmesssystem zum Ｍessen der Ｖerschiebung zweler Ｏbjekte zueinander）であつて、距離及び角度測定装置等への使用に適 する装置に関する。 各種の距離及び角度測定装置が知られている。一般的に、これらの測定装置に おいて、基準回折格子（Ｒeferenzgitters）は複数のフィールドに分割されてお り、さらにはスケール（Ｍassstab）または同心円目盛り（Ｋreisteilung）の上 に位置決めされている。各フィールド内の複数の目盛りは目盛り周期(Ｔeilungs periode)の１／４または１／３だけ位置が互いにずれている。適切な電子装置内 において、基準回折格子のフィールド内に位置する複数の光電式検出器（fotoel ektrischen Ｄetektoren）は位相が互いに９０度または１２０度ずれた信号をそ れぞれ出力し、さらには方向の関数としてスケールの変位または同心円目盛りの 回動を検出する。 ドイツ特許第３９０４８９８号は非平行光線源と、非平行光線源及びスケール 回折格子（Ｍassstabsgitter）の間に配置された１つの基準回折格子と、フォト レシーバー（Ｆotoempfaenger）及びスケール回折格子の間に配置された別の基 準回折格子とを使用する光学エンコーダ（Ｏptischer Ｋodierer）を開示してい る。２つの基準回折格子は平面内に位置する。フォトレシーバー及びスケール回 折格子の間の基準回折格子は複数のフィールドに分割されている。フィールド内 の複数の回折格子目盛り（Ｇitterteilungen）は目盛り周期の１／４だけ互いに 変位されている。基準フィールドに付随する複数のフォトレシーバーは０度、９ ０度、１８０度及び２７０度の位相（Ｐhasenlagen）を有する信号をそれぞれ検 出する。 しかし、前記の３つの回折格子を使用するエンコーダ（Ｄreigittergeber）は レシーバー信号の位相に関して、スケールから測定ヘッドまでの距離の変化及び 回 動に敏感である。 更に、マトリックス状に配置されたレシーバーを使用して対象物の変位及び回 動を測定する装置が知られている。基準回折格子フィールドは位相がずれた回折 格子線（phasenverschobenen Ｇittedinien）に付随しており、さらには振幅誤 差、位相誤差及び目盛り誤差を補償すべく統計学的に互いに結びついている。 この装置は平行光線を使用する伝搬光線測定装置（Ｄurchlichtmesssysteme） に特に適する一方、製造に関する比較的高い要件を有する。 本発明は前述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、スケール から測定ヘッドまでの距離の変化及びスケールに対する測定ヘッドの回動に敏感 でなく、さらには簡単、かつ経済的な構造を可能にする２つの物体の相対的な変 位を測定する光電式距離及び角度測定装置を提供することにある。 本発明の目的は、光電式距離及び角度測定装置であって、フォトレシーバーの 対角線がフォトレシーバー・マトリックスの対角線及び光学縞パターンに対して 平行に延び、フォトレシーバー・マトリックスの対角線に隣接する同一位相を検 出しない複数のフォトレシーバーの対角線は互いに同一距離だけ離間し、複数の フォトレシーバーの対角線は重心（Ｆlaechenschwerpunkte）を形成するポイン トを有し、同一位相を検出する複数のフォトレシーバーは互いに電気的に接続さ れ、これらの信号は評価回路に入力される装置によって達成される。 本発明の光電式距離及び角度測定装置の別の好ましい構成において、光源の光 線は基準回折格子を通過し、さらにはスケール回折格子で反射され、次いで基準 回折格子を再度通過した後でフォトレシーバー・マトリックス上に入射する。 本発明の更に別の効果的な構成において、光学縞パターンは基準回折格子及び スケール回折格子の間で角度αを調整することによって形成され、角度αは０度 より大きく、かつ１０度より小さい。 光源は複数のフォトレシーバーと同一の平面内に配置されるか、またはフォト レシーバー・マトリックス上に配置されている。 更に、光源をＬＥＤ（発光ダイオード）として形成することは効果的である。 本発明の別の好ましい構成において、基準回折格子はスケール回折格子の少な くとも２倍の長さの目盛り周期（Ｔ）を有する。 本発明の解決策は簡単、かつ経済的な構造を実現するとともに、スケールから 測定ヘッドまでの距離の変化及びスケールに対する測定ヘッドの回動に比較的敏 感でない光電式距離及び角度測定装置を使用者に提供する。 本発明を図面に基づいて以下に詳述する。 図１は本発明の装置の概略図である。 図２は本発明の実施の形態に基づく装置の構成を示す横断面図である。 図１に示す装置は数式Ｎ＝ｎ・４（Ｎはフォトレシーバー１の数量を示し、ｎ は２以上の偶数を示す）で表される数量のフォトレシーバー１からなるフォトレ シーバー・マトリックス２を有する。 本発明の効果的な装置は８個、２４個または４８個のフォトレシーバー１を有 するフォトレシーバー・マトリックス２によって実現される。 フォトレシーバー１は正方形または菱形をなすチェッカー盤パターン内に配置 されている。更に、フォトレシーバー１はチェッカー盤パターンの中央には配置 されていない。 本発明の装置の動作を示すべく、光学縞パターン４が組込まれている（図１参 照）。光学縞パターン４は基準回折格子をスケール回折格子に対して角度α（角 度αは１０度＞α＞０度の範囲内に属する）だけ回動させることによって形成さ れるモアレ・パターンであり得る。 各フォトレシーバー１の対角線ａと、フォトレシーバー・マトリックス２の対 角線は光学縞パターン４に対して平行に延びている。 同一位相を有し、さらには対角線が基準軸Ｃに対して平行に延びる全てのフォ トレシーバー１は平行フォトレシーバー群（Ｐarallelenschar）を形成する。平 行フォトレシーバー群を構成するフォトレシーバーの対角線ａが右側または左側 に位置する別のフォトレシーバーの対角線ａから距離ｂだけ離間していることに より、同フォトレシーバーは隣接する別のフォトレシーバーが検出する信号に対 し て位相が＋９０度または−９０度ずれた信号を検出する。 従って、９０度位相に応答する９０度フォトレシーバー（即ち、図１において 、９０度を付して示すフォトレシーバー）は電気的に互いに接続されている。 同一位相を有する信号を検出する全てのフォトレシーバー１はフォトレシーバ ー.マトリックス２内または評価回路内において互いに接続されている。従って 、位相が互いに９０度ずれた４つの信号が存在することになる。 フォトレシーバー・マトリックス２内に配置された複数のフォトレシーバー１ は、同一数量のフォトレシーバー１が各信号の形成に使用されることと、４つの 信号の振幅が同一になることを保証する。フォトレシーバー・マトリックス２の 基準軸ｃに対する直交対角線（３）上の同一位相の信号を検出する複数のフォト レシーバー１の間隔ｅはモアレ・パターン、即ち干渉縞の光学縞間隔を決定する 。 前記のフォトレシーバー・マトリックスの構成は強い位相補償効果（hochgrad igphasenkompensierende Ｗirkung）を有する。フォトレシーバー・マトリック スに対する光学縞パターンの回動は信号内の位相変化を招来することはなく、寧 ろ信号の振幅のみを変化させる。光学縞間隔の変化は信号内の位相誤差を招来す ることはなく、寧ろ振幅のみを変化させる。 測定装置の解像度を高める従来の補間方法において、信号の振幅変化は測定精 度に対して無視し得る影響を及ぼすのみである一方、信号の位相誤差及びオフセ ット誤差は測定精度を大きく低下させる。このため、これは信号の補間にとって 重要な特徴である。 図２は本発明の光電式距離及び角度測定装置の概略を示す。 この部分横断面図において、フォトレシーバー・マトリックス２の複数のフォ トレシーバー１は光源１０とともに１つの平面内に配置されている。ＬＥＤ等の 光源１０は波長λの発散光線を放射する。 ＬＥＤの光線は格子間隔、即ち格子定数ｇ２を有する基準回折格子７上に入射 する。基準回折格子７はガラス等の基体６上に位置する。スケール８上に配置さ れたスケール回折格子９は基準回折格子７から距離ｆだけ離間した位置に配置さ れている。ヌケール回折格子９は格子定数ｇ１を有する振幅格子または反射型回 折格子である。 距離ｆは格子定数ｇ１，ｇ２と、光源１０の波長λと、フォトレシーバーの間 隔ｅと、スケール回折格子９からフォトレシーバー・マトリックス２及び光源１ ０までの間隔ｇとから以下の数式に基づいて算出される。 スケール回折格子９から反射された光線は基準回折格子７を通過し、かつフォ トレシーバー１上に入射する。基準回折格子７は連続的に円滑に目盛り付けされ た回折格子である。高い効率を実現すべく格子定数ｇ２は格子定数ｇ１の２倍よ り大きいことか好ましい。光学縞パターン４を形成すべく基準回折格子７及びス ケール回折格子９は角度αだけ相対的に回動されている。角度αは回折格子定数 ｇ１及びフォトレシーバーの間隔ｅから以下の数式に基づいて算出される。 この回動角度αは基準回折格子７に目盛り付けを行う際にも考慮され得る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２つの物体の相対的な変位を測定する光電式距離及び角度測定装置であって 、光源、基準回折格子、スケール回折格子、複数のフォトレシーバーの配列及び 評価回路を有する装置において、Ｎがフォトレシーバー（１）の数量を示し、ｎ が２以上の偶数を示す数式、即ちＮ＝ｎ・４で表される数量のフォトレシーバー （１）はフォトレシーバー・マトリックス（２）内に配置され、同配置はフォト レシーバー（１）の対角線（ａ）がフォトレシーバー・マトリックス（２）の対 角線（ｃ）及び光学縞パターン（４）に対して平行に延びるように行われ、フォ トレシーバー・マトリックス（２）の対角線（ｃ）に隣接する同一位相を検出し ない複数のフォトレシーバー（１）の対角線（ａ）は互いに同一距離（ｂ）だけ 離間し、前記複数のフォトレシーバー（１）の対角線（ａ）は重心を形成するポ イントを有し、前記同一位相を検出する複数のフォトレシーバー（１）は互いに 電気的に接続され、これらの信号は評価回路に入力される装置。 ２．前記光源（１０）の光線は基準回折格子（７）を通過し、さらにはスケール 回折格子（９）で反射され、次いで基準回折格子（７）を再度通過した後でフォ トレシーバー・マトリックス（２）上に人射する請求項１に記載の光電式距離及 び角度測定装置。 ３．前記光学縞パターン（４）は基準回折格子（７）及びスケール回折格子（９ ）の間で角度αを調整することによって形成され、前記角度αは０度より大きく 、かつ１０度より小さい請求項１または２に記載の光電式距離及び角度測定装置 。 ４．前記光源（１０）はフォトレシーバー・マトリックスの中心に配置されてい る請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光電式距離及び角度測定装置。 ５．前記光源（１０）は複数のフォトレシーバー（１）と同一の平面内に配置さ れるか、またはフォトレシーバー・マトリックス（２）上に配置されている請求 項１乃至４のいずれか一項に記載の光電式距離及び角度測定装置。 ６．前記光源（１０）はＬＥＤとして形成されている請求項１乃至５のいずれか 一項に記載の光電式距離及び角度測定装置。 ７．前記基準回折格子（７）はスケール回折格子（９）の少なくとも２倍の長さ の目盛り周期（Ｔ）を有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光電式距離 及び角度測定装置。