JPS63115011A - 変位測定装置 - Google Patents

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） 本発明は被測定物体の回転状態や移動状態等の変位を測
定する変位測定装置に関し、特に被測定物体に連絡した
チャート板上に設けた周期的若しくは所定模様の回折格
子に可干渉性の光束を入射させ、該回折格子から生ずる
回折光を互いに干渉させて干渉縞を形成し、この干渉縞
の明暗を計数することにより被測定物体の変位を求める
変位測定装置に関するものである。

（従来の技術） 従来より産業用工作機械における移動物体の移動量検出
やロボットアームの回転、移動１位置等の検出や回転機
構の回転量１回転速度等の検出を行う為の変位測定装置
として充電的なロータリーエンコーダーやりニアエンコ
ーダーが多く利用されている。

このうち被測定物体に回折格子を設け、該回折格子より
生ずる回折光を利用して、被測定物体の移動量や回転量
等の変位量を求める回折方式の変位測定装置が種々と提
案されている。この変位測定装置は高精度な測定が比較
的容易である為、特にＮＣ工作機械や半導体焼付装置等
の７に密機械用に多く用いられている。

この回折方式の変位測定装置においては回折格子から生
ずる回折光を互いに干渉させて干渉縞を形成し、この干
渉縞の明暗を受光手段により計数して変位に関する干渉
信号を得ている。

従って光源の出力が温度変化等の環境変化によって変動
したり、回折格子の透過率（反射回折格子の場合は反射
率）が−様でなかったり、振幅型の回折格子を用いた場
合に透過部若しくは反射部の線幅の太さが均一でなかっ
たりすると受光手段からの干渉縞に関する出力値Ｅが例
えば第６図（Ａ）に示すように不安定な波形となって出
力されてくる。

特に回折格子は製作時のエツチングむらが生じやすく、
測定領域全域での線幅（位相型回折格子のときは段差等
の形状）の不均一を改善することが大変難しく、この傾
向が特に顕著に現われてくる。

以上のような原因により受光手段からの出力値が第６図
（Ａ）に示す如く変動し、後段の計数回路における比較
器のスライスレベル以下となったときは出力波形を精度
良く計数することができなくなってくる。又たとえスラ
イスレベル以上の出力値があっても振幅の中心レベルが
不安定な為、同図（Ｂ）に示す如く比較器の出力の“Ｈ
”レベルと“Ｌ”レベルの幅が不安定になってくる。

このス）後段の電気回路における電気分割が困難となり
、高精度で、かつ高い分解能で変位測定をするのが大変
難しくなってくる。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は光源の出力変動や回折格子の製作上の誤差によ
り回折効率が変動しても回折光を互いに干渉させて形成
した干渉縞の明暗を受光手段で計数する際、受光手段か
らの出力値が一定となるようにし、常に高精度な変位測
定が可能な回折方式の変位測定装置の提供を目的とする
。

（問題点を解決する為の手段） 被測定物体に連結した回折格子から生ずる回折光を互い
に干渉させて、干渉縞を形成し、該干渉縞の明暗に対応
した干渉信号を前記被測定物体の変位に関する信号とし
て抽出する変位測定装置において、前記干渉信号を抽出
する際、光学手段により互いに１２０度以下の位相差を
付与した少なくとも３つの干渉信号として抽出し、この
少なくとも３つの干渉信号を利用して、該干渉信号に含
まれる誤差信号を補正したことである。

（実施例） 第１図は本発明をリニアエンコーダーに適用したときの
一実施例の光学系の概略図である。同図において１は半
導体レーザー等の可干渉性の光束を放射する単色の光源
、２は矢印２１方向に移動している不図示の被測定物体
に連絡している回折格子、３１．３２はコーナーキュー
ブ、４１゜４２は％波長板、５は非偏光のビームスプリ
ッタ−１６１，６２，６３は偏光板で互いに１２０度の
位相差を付与するように構成している。７１゜７２．７
３は受光素子である。

光源１からの光束は回折格子２によって回折される。こ
のとき正と負の次数の回折光は各々コーナーキューブ３
１．３２で反射され、Ａ波長板４１．４２を介して再度
、回折格子２に入射する。ここで再び回折された正と負
の回折光は重ね合わされ、ビームスプリッタ−５に入射
し、ハーフミラ−而５１で反射光束と透過光束の２つの
光束に分割される。このうち透過光束は偏光板６１を通
過し受光素子７１に入射する。一方ハーフミラー５１か
らの反射光束はハーフミラ−５２で再び反射光束と透過
光束に分割され、このうち反射光束は偏光板６２を通過
し受光素子７２に入射する。そしてハーフミラ−５２を
通過した透過光束は反射面５３で反射され偏光板６３を
介し受光素子７３に入射する。このとき受光素子７１゜
７２．７３で受光される光束は互いに干渉した干渉縞の
明暗の強度に相当するものとなり、受光素子７１，７２
．７３は干渉信号Ｅｌ　、Ｅ２．Ｅ３を出力する。

即ち回折格子２のピッチをＰ、正と負の回折光の次数な
ｍとすれば受光素子７１，７２．７３は回折格子２の移
動量Ｐ　／　４　ｍ毎に１個の正弦波形の信号を出力す
る。

第２図（八）〜（Ｃ）は第１図の実施例における受光素
子７１〜７３から得られる干渉信号Ｅ１〜Ｅ３の説明図
である。本実施例では偏光板６１〜６３を各々の偏光方
位を互いに６０度ずつ異なるように配置し、各偏光板６
１〜６３を通過する光束間に１２０度の位相差を付与し
ている。この為受光素子７１〜７３から得られる干渉信
号Ｅｌ　−Ｅ３は各々　θ度、１２０度、２４０度の位
相差を有している。

又各党光素子７１〜７３から得られる干渉信号Ｅｌ−Ｅ
３には光源１の出力変動や回折格子の製造誤差による回
折効率の違いによフて生ずる誤差信号が重畳され、干渉
信号は振幅の揃った正弦波形とならず、同図の点線で示
すように振幅方向にうねりが存在したものとなっている
。

このときのうねりの位相は同図に示すように各受光素子
７１〜７３間で一致している。本実施例はこの性質を利
用して互いに位相差が１２０度異ｌ６３つの干渉信号、
Ｅｌ、Ｅ２．Ｅ３を用いて、このときの誤差信号に基づ
くうねりを補正し、振幅が一定となるような正弦波形を
得ている。

第３図はこのときの信号処理を示す電気回路のブロック
図である。同図では１２０度位相が異なる受光素子７１
，７２．７３からの干渉信号Ｅｌ。

Ｅ２　、Ｅ３を加算器８１．で加算し、加算信号Ｅ１２
３＝Ｅｌ　＋Ｅ２　＋Ｅ３を得ている。このときの加算
信号Ｅ１２３は第４図（Ａ）に示すようにＡＣ成分が除
去され、第２図の点線で示すうねりの振幅に相当する信
号のみとなる。

そこでこの加算信号Ｅ１２３を用いて振幅が不均一の干
渉信号Ｅｌを除算器８３で割り、補正信号Ｅｌ　＝Ｅ１
　／Ｅ１２３を求めている。

このときの補正信号Ｅｌは第４図（Ｂ）に示すように振
幅が一定の正弦波形を有している。本実施例ではこの補
正信号百１を後段の計数回路８６に入力して干渉縞の明
暗の計数を行っている。

又受光素子７２．７３からの干渉信号Ｅ２゜Ｅ３につい
ても同様に除算器８４．８５で補正信号百２　＝Ｅ２　
／Ｅ１２３　、補正信号Ｅ３４Ｅ３７Ｅ１２３を求めて
いる。このときの補正信号Ｅ２゜百３は補正信号Ｅｌと
位相は異なるが第４図（Ｂ）と同様な一定の振幅を有し
た正弦波形となっている。

本実施例ではこのときの３つの補正信号百ｌ。

百２．百３を用いて被測定物の変位及び変位方向を求め
ている。

このように本実施例ではうねりを含んだ干渉信号をうね
りの出力値そのものでレベル制御し、振幅レベルを一定
にした正弦波形の干渉信号を得、このときの正弦波形を
一定のスライスレベルで処理し、パルス信号を得て、こ
のパルス信号の位相差及び数を求めることにより被測定
物体の変位状態を求めている。

又本実施例では除算器８３〜８５から得られる振幅が一
定で、位相が互いに１２０度異ｌ６３つの補正信号Ｅｌ
、Ｅ２．Ｅ３を各々反転回路８７゜８８．８９に人力し
て第５図に示すような逆相の信号Ｅｌ’、　Ｅ２’、　
Ｅ３’を得ている。これにより全体として６相の補正信
号を得てこれらの信号を計数回路８６に人力し、干渉縞
の明暗の位相差及び数を求めることによって被測定物体
の変位状態を更に高精度に測定することを可能にしてい
る。

例え′ばこれらの各信号を比較器により一定のスライス
レベルでレベル制御し、デユーティの揃ったパルス信号
を得て、このパルス信号の位相差及び数を求めることに
より被測定物体の変動量及び変位方向を測定している。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば互いに１２０度の位相差を
打する３つの干渉信号を利用することにより、光源の出
力変動や回折格子の回折効率の変動等があっても、干渉
縞の明暗を計数する際の干渉信号が不安定にならず一定
とすることができる為、常に高精度な測定が可能の変位
測定装置を達成することができる。

又本発明では干渉信号に基づく３つの補正信号の極性を
反転させた３つの信号の全体として６つの信号を利用す
ることにより更に高７〃度な変位測定を可能とした変位
測定装置を達成している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実ｈｈ例の光学系の概略図、第２図
は第１図の各受光素子からの出力信号の説明図、第３図
は第１図の各受光素子からの出力信号の処理を示す電気
回路のブロック図、第４図は第３図のブロック図から得
られる出力信号の説明図、第５図は本発明に係る補正信
号を反転させた信号の説明図、第６図は従来の変位測定
装置から得られる出力信号の説明図である。 図中１は光源、２は回折格子、３１．３２はコーナーキ
ューブ、４１．４２はイ波長板、５はビームスプリッタ
−１６１，６２，６３は偏光板、７１，７２．７３は受
光素子、８１は加算器、８３，８４．８５は除算器、８
６は計数回路である。 特許出願人　　キャノン株式会社 夷　　３　　図 交に 男　　５　　図 第　　４　　図 兆　　６　　記

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物体に連結した回折格子から生ずる回折光
   を互いに干渉させて、干渉縞を形成し、該干渉縞の明暗
   に対応した干渉信号を前記被測定物体の変位に関する信
   号として抽出する変位測定装置において、前記干渉信号
   を抽出する際、光学手段により互いに１２０度以下の位
   相差を付与した少なくとも３つの干渉信号として抽出し
   、この少なくとも３つの干渉信号を利用して、該干渉信
   号に含まれる誤差信号を補正したことを特徴とする変位
   測定装置。
2. （２）前記３つの干渉信号を分割し全体として６つの干
   渉信号を利用したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の変位測定装置。