KR900008877B1 - Position detective device - Google Patents
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Abstract
내용 없음.No content.
Description
제1도는 본 발명의 일실시예에 있어서도 위치검출장치도의 구성도.1 is a block diagram of a position detection apparatus in one embodiment of the present invention.
제2도는 제1의 실시예에서의 제1도의 슬릿부의 상세도.FIG. 2 is a detailed view of the slit portion of FIG. 1 in the first embodiment. FIG.
제3도는 프라운호퍼 회절의 위치 관계도.3 is a positional relationship diagram of Fraunhofer diffraction.
제4도는 동일개구의 규칙적 배열과 구형단개구(矩形單開口)를 조합한 프라운호퍼 회절상(像)의 광강도 분포도.4 is a light intensity distribution diagram of a Fraunhofer diffraction image combining a regular array of identical openings and a spherical end opening.
제5도는 S/F와 최대진폭의 관계도.5 is a relationship between S / F and maximum amplitude.
제6도는 a/d1과 L의 변화에 의한 최소진폭의 관계도.6 is a relationship between the minimum amplitude due to the change of a / d 1 and L.
제7도는 제2의 실시예에서의 제1도의 슬릿부의 상세도.FIG. 7 is a detailed view of the slit portion of FIG. 1 in the second embodiment. FIG.
제8도는 종래의 광전식부호기의 구성도.8 is a block diagram of a conventional photoelectric encoder.
제9도는 2개의 동일격자 정수의 슬릿의 간격과 진폭의 관계도.9 is a relationship between the spacing and the amplitude of the slits of two equal lattice constants.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
11 : 레이저다이오우드 12 : 콜리메이터렌즈11: laser diode 12: collimator lens
13 : (이동)슬릿판 14 : (고정)슬릿판13: (moving) slit plate 14: (fixed) slit plate
15 : 광검출기(광검출소자)15: photodetector (photodetector)
본 발명은 위치결정장치에서의 위치검출장치에 관한 것이다. 기계장치의 회전각을 위치검출장치로 검출하여, 기계장치의 위치결정을 행하는 위치결정장치가 잘 알려져 있다. 이와같은 위치검출장치로서 광전부호기가 널리 이용되고 있다. 이하 도면을 참조하면서, 상술한 종래의 광전부호기의 일례에 대해서 설명한다.The present invention relates to a position detection device in a positioning device. BACKGROUND OF THE INVENTION Positioning devices that detect the rotation angle of a mechanical device with a position detection device and perform positioning of the mechanical device are well known. Photoelectric encoders are widely used as such position detection devices. An example of the conventional photoelectric encoder mentioned above is demonstrated, referring drawings below.
제8도는 종래의 광전부호기를 도시한 것이다. 제8도에 있어서, (1)은 광원, (2)는 콜리메이터렌즈, (3)은 회전디스크, (4)는 고정마스크, (5)는 수광소자, (6)은 파형정형회로이다.8 shows a conventional photoelectric encoder. In Fig. 8,
이상과 같이 구성된 광전부호기에 대하여, 이하 그 동작에 대해서 설명한다. 광원(1)으로부터 방사한 광속이 콜리메이터렌즈(2)에서 평행광으로 되고, 회전디스크(3)상의 슬릿과 고정마스크(4)상의 슬릿을 통과한 수광소자(5)에서 광전변환하여, 파형정형회로(6)로부터 신호출력한다. 부재의 회전에 따라서 회전디스크(3)가 회전하면, 회전디스크(3)상의 슬릿과 고정마스크(4)상의 슬릿이 일치, 불일치를 반복하므로서, 파형정형회로(6)로부터 정형파형상신호가 출력되며, 이 신호를 검출하므로서 부재의 회전위치를 검출한다.The operation of the photoelectric encoder configured as described above will be described below. The light beam radiated from the
이런 종류의 광전부호기의 광원으로서는, 종래에는 필라멘트전구 및 발광다이오우드가 사용되고 있었다.As a light source of this kind of photoelectric encoder, a filament bulb and a light emitting diode have conventionally been used.
이와같은 회전디스크상에 규칙적으로 그리고 주기적으로 형성된 슬릿에 주사하기 때문에 회전디스크와 고정마스크의 사이에 단일의 특정한 거리로 유지되지 않으면 안된다.Scanning into such slits formed regularly and periodically on such a rotating disk must be maintained at a single specific distance between the rotating disk and the fixed mask.
회전디스크의 슬릿에 평행광선이 투과되면, 회전디스크의 슬릿평면의 후방의 특정평면에 회전디스크의 슬릿으로 회절된 광선의 간섭에 의해서, 회전디스크의 슬릿에서 회절상이 발생하고, 회절상은 동일격자 정수의 고정슬릿에 의해서 주사하게 할수 있다.When parallel light is transmitted through the slit of the rotating disk, a diffraction image is generated in the slit of the rotating disk by the interference of light diffracted by the slit of the rotating disk to a specific plane behind the slit plane of the rotating disk, and the diffraction image is the same lattice constant. Can be injected by the fixed slit of.
이들 평면은 회전디스크의 슬릿의 격자정수 PM및 광의 파장 λ 의 경우 회전디스크의 슬릿평면으로부터 거리 n·(n=0, 1 ,2…)를 가진다. 따라서 최적의 전기적주사신호는 회전디스크의 슬릿평면으로부터 고정마스크의 슬릿평면의 거리 n·의 경우에 생기며, 오차가 ±0.1되어야 한다[Machine Shop Magazine, 1962년 4월 208페이지].These planes are the distance n · from the slit plane of the rotating disk in the case of lattice constant P M of the slit of the rotating disk and the wavelength λ of the light. (n = 0, 1, 2 ...). Therefore, the optimal electric scanning signal is the distance n of the slit plane of the fixed mask from the slit plane of the rotating disk. Occurs in the case of an error of ± 0.1 [Machine Shop Magazine, April 1962, page 208].
제9도에 있어서, 2개의 동일격자 정수의 슬릿의 사이의 상대운동으로 생긴 광변조의 진폭이 대향거리 a에 관해서 도시되어 있다.In Fig. 9, the amplitude of light modulation resulting from the relative motion between two equal lattice constant slits is shown with respect to the opposing distance a.
그러나 상기와 같은 구성에서는, 광원으로서의 필라멘트전구, 발광다이오우드는 발광면적이 크기 때문에 완전한 평행 광속을 얻기가 어렵고, 광속의 평행성이 나쁘기 때문에, 또한 발광의 파장대역이 넓기 때문에 회전디스크의 슬릿의 회절상이 고정마스크상에서는 흐려지게 되어, 회전디스크와 고정마스크의 간격 L을 크게할 수 없으며, 일반적으로는 L 이며, 격자정수 PM을 미소하게 하면 먼지등의 침입에 의한 슬릿의 오손 및 파손이 있었다.However, in the above structure, since the filament bulb and the light emitting diode as the light source have a large light emitting area, it is difficult to obtain a perfect parallel luminous flux, and because the parallelism of the luminous flux is poor, and the wavelength band of the light emission is wide, the diffraction image of the slit of the rotating disk is wide. On this fixed mask, it becomes blurred, so that the distance L between the rotating disk and the fixed mask cannot be increased. When the lattice constant P M was made to be small, the slits were damaged and damaged due to the intrusion of dust or the like.
또 격자정수에 대하여 슬릿의 광의 투과부는 일반적으로는 1/2 이하로 0.45∼0.5의 값을 취하는 일이 많고 L=(n-1/2)·에서는 광변조의 진폭은, 대략 0으로 저하하게 되어 L의 변화에 따라 정형파형상 신호도 크게 변화하게 되어, 고안정의 위치검출을 행하기 위하여는 L의 변화를 작게 억제할 필요가 있었다.In addition, the transmission part of the light of the slit with respect to the lattice constant is generally 1/2 or less and often takes a value of 0.45 to 0.5, and L = (n-1 / 2). In this case, the amplitude of the light modulation is reduced to approximately 0, and the square wave signal also changes greatly with the change of L. In order to detect the position of the high crystal, it is necessary to suppress the change of L small.
종래의 광전식부호기에서는 상기 문제점을 해결하기 위하여, 회전디스크의 평탄성을 향상시키며 회전디스크 베어링의 고정밀도화를 행하므로서 L의 변화를 억제하여, 소형화 및 고분해능화를 도모한 것이었다.In the conventional photoelectric encoder, in order to solve the above problems, the flatness of the rotating disk is improved and the precision of the rotating disk bearing is reduced, thereby suppressing the change of L, thereby miniaturizing and increasing the resolution.
L의 변화를 작게 유지하기 위하여 사용온도조건 및 회전디스크 베어링에 대한 부하조건을 엄격히 제한하여 정밀계측기로서의 구성하기 때문에, 일반산업용으로서의 사용은 어려웠다.In order to keep the change of L small, it was difficult to use for general industrial use because it was configured as a precision measuring instrument by strictly limiting the use temperature condition and the load condition for the rotating disk bearing.
또 높은 광량을 가지는 필라멘트전구와 초점이 긴 콜리메이터렌즈에 의해 비교적평 행도가 높은 광속을 얻어서, 슬릿 회절상이 흐려지는 영향을 억제하여, L의 변화에 크게하고, 고분해능화를 도모하는 방법도 있지마는 높은 광량을 얻기위한 필라멘트전구는 진동에 약하고 수명이 짧고 또한 평행도가 높은 광속을 얻기위한 초점이 긴 렌즈 사용하므로서 조명계통이 대형화로 되므로 일반산업용으로서의 사용은 어려웠다.In addition, a light beam having a relatively high degree of parallelism is obtained by a filament bulb having a high amount of light and a long focal collimator lens, which suppresses the effect of blurring the slit diffraction image, increases the change in L, and achieves high resolution. The filament bulb to obtain the light amount is difficult to use for general industry because the illumination system is enlarged by using a long focal lens to obtain a light beam having a weak vibration, short life and high parallelism.
이상 종래예에서는 기구의 구성에 따른 제약으로 인해 일반산업용으로서의 소형화 및 고분해능화가 곤란한 문제점을 가지고 있었다.In the above-described conventional example, due to the constraints of the configuration of the mechanism, it has been difficult to miniaturize and high resolution for general industrial use.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 일반산업용으로서 사용할 수 있는 소형 및 고분해능의 위치검출장치를 제공하는 것이다.The present invention is to provide a small size and high resolution position detection device that can be used as a general industrial in view of the above problems.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 제1의 발명은, 광전식 위치검출장치에 있어서, 광원으로서 레이저광원을 사용하고, 레이저광원의 발광원의 크기 S와 콜리메이터렌즈의 초점거리 F간의 관계를 S/Fd1/2L로 하고, 광원쪽의 슬릿판상의 슬릿의 폭 a이 ad1/2의 주기적 슬릿에 의해 생기는 프라운호퍼 회절상의 명암줄무늬를 광검출기로 검출한다고 하는 구성을 구비한 것이다.In a first aspect of the present invention for solving the above problems, in the photoelectric position detection device, a laser light source is used as a light source, and the relationship between the size S of the light emission source of the laser light source and the focal length F of the collimator lens is S. FIG. / F d 1 / a 2L, and the width a of the slit plate of the light source side a slit The light streaks on the Fraunhofer diffraction formed by the slit of d 1/2 are provided with a photodetector.
또, 본 발명의 제2의 발명은, 광원으로서 레이저광원을 사용하고, 레이저광원의 발광원의 크기 S와 콜리메이터렌즈의 초점거리 F간의 관계를 S/Fd2/L로 하고, 광원쪽의 슬릿판상의 슬릿폭 a을 ad2/2L로 하고, 광원쪽의 슬릿판상의 주기적 슬릿과 광검출기쪽의 슬릿판상의 주기적 슬릿간의 거리를, 상기 광원쪽의 주기적 슬릿의 프라운호퍼 회절상의 0차의 주극대(主極大)와 1차의 주극대의 간격은 상기 주기적 슬릿의 슬릿간격의 정수배이고, 또한 상기 프라운호퍼 회절상의 주극대의 폭은 상기 광검출기쪽의 주기적 슬릿의 슬릿간격의 1/2이하로 하고, 상기 광원쪽의 주기적 슬릿의 슬릿간격의 정수분의 1의 슬릿간격으로 설정된 상기 광검출기쪽의 주기적 슬릿을 개재해서, 상기 프라운호퍼 회절상의 명암줄무늬를 광검출기로 검출한다고 하는 구성을 구비한 것이다.In the second aspect of the present invention, a laser light source is used as the light source, and the relationship between the size S of the light emitting source of the laser light source and the focal length F of the collimator lens is S / F. Let d 2 / L and set the slit width a on the slit plate on the light source side to a The distance between the periodic slit on the slit plate on the light source side and the periodic slit on the slit plate on the photodetector side is d 2 / 2L, and the zero-order main band on the Fraunhofer diffraction of the periodic slit on the light source side and 1 The interval between the main poles of the difference is an integer multiple of the slit gaps of the periodic slits, and the width of the main poles on the Fraunhofer diffraction is less than 1/2 of the slit gaps of the periodic slits on the photodetector side, and the periodicity on the light source side The photodetector detects light and dark stripes on the Fraunhofer diffraction via a periodic slit on the photodetector side, which is set to a slit interval of an integer number of slit intervals of the slit.
본 발명은 제1의 발명의 작용은, 레이저광원과 콜리메이터렌즈에 의해 양질의 평행광속을 얻어, 레이저광의 가간섭성(可干涉性)에 의한 주기적 슬릿의 프라운호퍼 회절상이 큰 0차의 주극대를 얻으므로서, 명암줄무늬의 선명도가 증가하는 동시에 밝은 부분이 예리한 비임형상으로 되므로서, 슬릿판과 광검출기의 간격을 크게할 수 있어, 소형화 및 고분해능화를 용이하게 행할 수 있게 된다.According to the first aspect of the present invention, a high-quality parallel beam is obtained by a laser light source and a collimator lens, and a zero-order main pole having a large Fraunhofer diffraction image of a periodic slit due to coherence of the laser light is obtained. As a result, the sharpness of the contrast stripes increases and the bright portion becomes a sharp beam shape, so that the distance between the slit plate and the photodetector can be increased, making it possible to easily downsize and high resolution.
본 발명의 제2의 발명의 작용은, 주기적 슬릿의 프라운호퍼 회절상이 큰 0차의 주극대를 얻으므로서, 밝은부분이 폭이 좁은 예리한 비임형상으로 되므로서 2장의 슬릿판의 간격을 감소시키는 일없이, 광검출기쪽의 슬릿판상의 주기적 슬릿의 간격을 작게하는 것만으로서 고분해능화가 가능하게되어, 한층의 소형화 및 고분해능화를 용이하게 행해지게 된다.The action of the second invention of the present invention is to reduce the spacing of the two slit plates while the bright portion becomes a narrow, sharp beam shape while obtaining the zero-order main pole having a large Fraunhofer diffraction image of the periodic slit. Without this, high resolution can be achieved only by reducing the interval of the periodic slits on the slit plate on the photodetector side, and further miniaturization and high resolution can be easily performed.
본 발명은 적어도 1개의 가간섭성과 평행성을 가진 레이저광원(11), (12)과, 상기 레이저광이 조사하는 위치를 형성한 주기적 슬릿을 가진 제1의 슬릿수단(13)과, 상기 제1의 슬릿수단의 적어도 2개 이상의 주기적 슬릿을 통과한 광상호간에 발생하는 간섭상의 동위상차를 가진 광파를 투과시켜 얻은 거리에 배치한 주기적 슬릿을 가진 제2의 슬릿수단(14)과, 상기 제2의 슬릿수단이 적어도 2개 이상의 주기적 슬릿에 의해 발생하는 간섭상의 총광량을 검출하는 거리에 배치한 광검출기(15)를 가진 것을 특징으로 하고, ㉠ 상기 제1의 슬릿판위에 있는 주기적 슬릿에 의해 발생하는 회절 및 간섭상의 동위상차를 가진 광파만을 투과하는 거리에 주기적 슬릿을 가진 제2의 슬릿판을 배치하는데 따라서 제1의 슬릿판과 제2의 슬릿판의 간격을 크게하게되어 종래의 기술로는 10∼20μ정도의 정밀도를 요하는 조립을 필요로 하였던 것이 200μ이상의 간격에서 배치가능하게 되어 조립을 상당히 용이하게 할수 있으며, ㉡ 상기 제2의 슬릿판위에 있는 주기적 슬릿에 의해서 발생하는 회절 및 간섭상의 총광량을 광검출기에 의해 검출하며, 광의 파동성과 입자성중에서 입자성의 성질만을 이용해서 광을 검출하고 있기 때문에, 일반적인 광을 사용한 검출에서 문제가 되는 광의 간섭에 의한 영향이 없고 안정된 출력이 얻어진다.According to the present invention, there is provided a laser light source (11) and (12) having at least one coherence and parallelism, a first slit means (13) having a periodic slit having a position to which the laser light is irradiated, and the first Second slit means (14) having periodic slits disposed at a distance obtained by transmitting light waves having interfering in-phase differences occurring between optical signals passing through at least two or more periodic slits of the first slit means; Slit means having a
또한, 본원 발명은 회절간섭상의 동위상차를 가진 광파만을 투과하는 제2의 슬릿수단을 형성하는데 따라서 간섭상 전체로부터 동위상차를 가진 광파(즉, 간섭상이 동일한 밝기를 가지부분) 모두를 광검출기로 받기 때문에 수광량이 많고 출력신호의 S/N도 양호하다.In addition, the present invention forms a second slit means for transmitting only light waves having a phase difference of diffraction interference phase, so that all light waves having the same phase difference from the entire interference image (that is, portions having the same brightness) are transferred to the photodetector. The amount of received light is high, and the S / N of the output signal is good.
이하 본 발명의 제1의 실시예에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, 1st Example of this invention is described, referring drawings.
제1도는 본 발명의 실시예에 있어서의 위치검출장치의 구성도를 도시한 것이다.1 is a block diagram of a position detection device in an embodiment of the present invention.
제1도에 있어서, (11)은 레이저다이오우드, (12)는 콜리메이터렌즈, (13)은 이동슬릿판, (14)는 고정슬릿판, (15)는 광검출소자이다.In Fig. 1, reference numeral 11 denotes a laser diode, reference numeral 12 denotes a collimator lens, reference numeral 13 denotes a movable slit plate, reference numeral 14 denotes a fixed slit plate, and
이상과 같이 구성된 위치검출장치의 광학부분에 대해서, 이하 그 동작을 설명한다.The operation of the optical portion of the position detection device configured as described above will be described below.
먼저 상기 레이저다이오우드(11)의 발광면으로부터 방출한 광은 상기 콜리메이터렌즈(12)에서 평행광속으로 되어, 상기 이동슬릿판(13)을 조사한다.First, the light emitted from the light emitting surface of the laser diode 11 becomes a parallel light beam in the collimator lens 12 to irradiate the moving slit plate 13.
제2도에 도시한 바와같이, 상기 이동슬릿판(13)상에는, 개구폭 a의 슬릿(16)이 간격 d1으로 다수개를 나란하게 배치하였으며, 광은 상기 슬릿(16)부에서 투과되며 다른 부분에서 차단되고, 투과된 광은 상기 고정슬릿판(14)을 조사한다.As shown in FIG. 2, on the movable slit plate 13, a plurality of
이때 상기 슬릿(16)을 투과한 파장 λ의 프라운호퍼 회절상은, 상기 슬릿(16)에 동일구형을 가지는 슬릿개구를 규칙적으로 다수개 배치하였으므로 상기 슬릿(16)의 광의 회절로서 동일개구의 규칙적 배열과 구형단개구를 조합시킨 것이다.In this case, the Fraunhofer diffraction image having the wavelength? Transmitted through the
상기 슬릿(16)의 방향은 제3도의 y측에 평행이며 그 중심이 X축상에 일정한 간격 d1을 가지고 규칙적으로 나란하게 배치되어 있다. 광원 S은 X1-Y1평면상에 있는 Y1축에 평행이고 중심이 X1축상에 있는 슬릿으로 하면, 회절상 P은 X2축상에 중심을 가지고 Y2축에 평행인 가는 선으로 되며, 회절상의 강도분포 I(P)는Direction of the
I(P)=Io(P) │F(P)│2…………………………………………………… (1)I (P) = Io (P ) │F (P) │ 2 ... … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (One)
로 된다. Io(P)는 구형단개구에서의 회절상의 강도분포로서,It becomes Io (P) is the intensity distribution of the diffraction image at the spherical end opening.
로 되며, │F(P)│2는 N개의 동일개구와 원점에 있는 제1개구로부터 X축상에 d1의 간격을 가지면서 순차적으로 나란하게 배치되어 있을 때의 회절상의 상대적 강도분포로서,F (P) | 2 is a relative intensity distribution of diffraction images when they are sequentially arranged side by side with a spacing of d 1 on the X axis from N identical openings and the first opening at the origin,
로 되며, 광원이 파장 λ의 단색광원의 경우, (1)식의 I(P)를 │F(P)│2중의 d1(sinθ1+sinθ2)의 함수로서 그려진 것이 제4도이다(참고문헌 : 광학기술핸드북[일본아사쿠라서점]).As is, to the fourth light source it is a monochromatic light source is drawn for a wavelength λ, the I (P) of equation (1) as a function of │F (P) │ 2 of the first d (sinθ 1 + sinθ 2) ( Reference: Optical Technology Handbook [Asakura Bookstore, Japan]).
여기서 광원에서는 상기 레이저다이오우드(11)와 상기 콜리메이터렌즈(12)를 사용하여 평행광속으로 되므로 상기(3), (5)식은 각각,In the light source, since the laser diode 11 and the collimator lens 12 are used as parallel beams, Equations (3) and (5) are respectively
로 되어, 주극대가 나오는 조건은The condition that the main pole comes out is
dsinθ2=mλ(m=0, ±1, ±2) …………………………………………… (8)dsin θ 2 = m λ (m = 0, ± 1, ± 2). … … … … … … … … … … … … … … … … (8)
이 된다.Becomes
주극대의 폭은 주극대의 간격의 2/N로서 N이 커질수록 주극대가 점점 가늘게 되어 끝이 예리하게 된다. 또 제4도에 도시한 바와같이│F(P)│2의 각 차수의 주극대를 연결한 점선을 구형단개구의 Io(P)의 분포를 표시한다.The width of the main pole is 2 / N of the gap of the main pole. As N increases, the main pole becomes thinner and the edge becomes sharper. As shown in Fig. 4, the dotted line connecting the main poles of each order of | F (P) | 2 represents the distribution of Io (P) of the spherical end opening.
이상과 같이 해서 구해진 상기 슬릿(16)의 프라운호퍼 회절상은, 상기 고정슬릿판(14)상에 투영된다.The Fraunhofer diffraction image of the
제2도에 도시한 바와같이, 상기 고정슬릿판(14)상에는, 개구폭 b의 슬릿(17)이 d2=d1으로 설정된 간격 d2으로 다수개가 나란하게 배치되어 있으며, 광은 상기 슬릿(17)부에서는 투과되며, 다른 부분에서는 차광되고, 투과된 광은 상기 광검출소자(15)를 조사한다.As shown in FIG. 2, on the fixed slit plate 14, a plurality of
이때 상기 고정슬릿판(14)상에 투영된 프라운호퍼 회절상의 주극대의 간격이, 상기 고정슬릿판상에 나란하게 배치되어 있는 상기 슬릿(17)의 간격 d2과 일치할 때, 근사적으로는 주극대의 피이크가 상기 슬릿(17)내에 있을 때, 상기 이동슬릿판(13)의 이동에 따라서 상기 광검출소자(15)로부터 출력되는 검출신호의 진폭은 최대로 된다. 단, 프라운호퍼의 회절상의 주극대의 간격은 강기 고정슬릿판상에서는 차수(次數)가 높아질수록 길어지는 부등간격이며, 또, 차수가 높아질수록 강도는 낮아지므로서 실용적인 허용도에 의해 고려해야하는 주극대의 차수는 결정된다. 실용적인 허용도를 결정하는 요인으로서 상기 슬릿(16)의 간격 d1과 개구폭 a의 비로 되어있으며, 대표적인 예로서는, d1≒ 2a가 된다. 이때 0차의 주극대에 대하여, 2차 이상의 주극대의 강도는 약 1/22이하로 되므로서 2차 이상의 주극대를 무시하고, 0차와 1차의 주극대의 피이크가 상기 슬릿(17)내에 있으면 검출신호의 진폭은 검출하기에 충분하다.At this time, when the spacing of the main pole of the Fraunhofer diffraction projected on the fixed slit plate 14 coincides with the spacing d 2 of the
또, 프라운호퍼 회절상의 각차의 주극대의 크기는, 제4도에 도시한 바와 같이 상기 슬릿(16)의 간격 d1과 개구폭 a의 비에 의해서 결정된다. 0차의 주극대에 대하여 1차 이상의 주극대는 d1/a이 작아질수록 작아지며, d1/a을 작게할수록, 즉 a를 크게할수록 보다 낮은차수의 주극대를 무시할 수 있다.The size of the main maximum of the Fraunhofer diffraction image gakcha is determined by the ratio of the distance d 1 and a aperture width of the
또 실용적인 허용도를 결정하는 다른 요인으로서는, 광원의 크기 S가 있다. 제3도에 있어서 광원 S을 점광원으로 생각하고 있으나, 실용적으로는, 크기 S를 가진 광원을 초점거리 F의 콜리메이터렌즈에 의해 광학적으로 무한대에 설치한 것으로 된다. 따라서 광원은 점광원의 집합으로 생각되며, 무한대에서 S/F인 각도범위내에 점광원이 분포하고 있는 것으로 생각해도 좋으며, 그 결과로 생기는 상기 슬릿(16)의 프라운호퍼 회절상도, 근사적으로 S/F의 확대각을 가지게 된다.Another factor that determines practical tolerance is the size S of the light source. In FIG. 3, the light source S is regarded as a point light source. However, practically, a light source having a size S is optically infinity with a collimator lens having a focal length F. Therefore, the light source may be considered as a set of point light sources, and may be considered to be a point light source distributed in an angular range of S / F at infinity, and the resulting Fraunhofer diffraction image of the
이상의 요인과는 별도로, 장치의 구성상에서 일어날 수 있는 것으로는 상기 이동슬릿판(13)과 상기 고정슬릿판(14)간의 간격의 변화가 발생하며, 이에 따라서 프라운호퍼 회절상의 주극대의 간격에 변화가 발생하는 일이다. 이때 0차의 주극대와 1차의 주극대의 평균적 간격을 상기 슬릿(17)의 간격 d2와 일치시키면, 상기 이동슬릿판(13)과 상기 고정슬릿판(14)의 간격의 변화를 최대로 허용할 수 있는 것으로 된다. 0차의 주극대와 1차의 주극대의 간격이 상기 슬릿(17)의 간격 d과 일치하는 상기 이동슬릿판(13)과 상기 고정슬릿판(14)의 간격 L은, (8)식에 있어서,Apart from the above factors, a change in the spacing between the movable slit plate 13 and the fixed slit plate 14 may occur in the configuration of the apparatus, and thus a change in the spacing of the main pole on the Fraunhofer diffraction is caused. It happens. At this time, if the average spacing of the 0th primary pole and the primary primary pole coincides with the interval d 2 of the
m=1……………………………………………………………………… (9)m = 1… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (9)
로부터from
으로 된다. 또 프라운호퍼 회절상의 주극대와 1차의 주극대의 간격이 Md1(M은 정의 정수)일때, 주극대의 폭 W은Becomes In addition, when the distance between the main pole and the primary pole in the Fraunhofer diffraction is Md 1 (M is a positive integer), the width of the main pole is
로 주어지며, N과 M으로 결정되는 주극대의 폭 W이 상기 슬릿(17)의 간격의 1/2를 넘지않는 범위에서, 즉In the range where the width W of the main pole determined by N and M does not exceed 1/2 of the interval of the
인 조건내에서는 검출신호의 진폭은 검출하기에 충분하므로In the condition of, the amplitude of the detection signal is sufficient to detect
가 된다.Becomes
또, 주극대의 실용적인 폭 W은, 광원의 크기 S와 콜리메이터렌즈의 초점거리 F에도 관계하여,Moreover, the practical width W of the main pole also relates to the size S of the light source and the focal length F of the collimator lens.
로 주어지며, N이 충분히 크고, 주극대의 폭 W이 상기 슬릿(17)의 1/2을 넘지않는 범위에서, 즉,Where N is large enough, and the width W of the main pole does not exceed half of the
인 조건에서, 검출신호의 진폭은 검출하기에 충분하다.In the condition of, the amplitude of the detection signal is sufficient to detect.
제5도에, S/F의 변화에 의한 최대진폭의 변화를 도시한다.5 shows the change of the maximum amplitude due to the change of S / F.
다음에, 상기 이동슬릿판(13)과 상기 고정슬릿판(14)간의 간격 L의 변화에 의한 검출신호의 진폭변화는 각차의 주극대 간격이 슬릿간격의 정수배와 일치하지 않을때에 발생하며, 검출신호의 진폭변화의 크기는 1차 이상의 주극대의 크기에 의존한다.Next, the amplitude change of the detection signal due to the change of the distance L between the movable slit plate 13 and the fixed slit plate 14 occurs when the main maximum interval of each difference does not coincide with an integer multiple of the slit interval, The magnitude of the amplitude change of the detection signal depends on the magnitude of the primary maximum or higher.
제6도는 (1), (2), (4)식으로부터 a/d1의 값에 의해서 각차의 주극대의 크기와 간격을 구하고, L을 변화시켰을때의 검출신호의 최소진폭을 0차의 주극대의 크기와의 비로서 플로트한 결과이며, 최소진폭치가 크면 최대진폭치와의 차가 작아서, L의 변화에 의한 진폭변화가 작은 것으로 된다.6 shows the magnitude and spacing of the main pole of each difference according to the values of a / d 1 from equations (1), (2) and (4), and shows the minimum amplitude of the detected signal when The result of the float as a ratio to the size of the main electrode is large. If the minimum amplitude is large, the difference with the maximum amplitude is small, and the amplitude change due to the change of L is small.
이상과 같이 본 실시예에 의하면, 광원으로서 레이저다이오우드와 콜리메이터렌즈를 사용하고, 이동슬릿 판상에 규칙적으로 다수 배치한 슬릿에 의하여 발생하는 프라운호퍼 회절상을 고정슬릿판상에 투영하여 주극대를 검출하므로서, 선명도가 높은 명암줄무늬를 검출하게되어, 소형화·고분해능화를 용이하게 행할 수가 있다. 또한, 이동슬릿판상의 주기적 슬릿의 슬릿폭을 슬릿간격의 1/2이상으로 설정하므로서, 0차의 주극대의 크기에 대한 1차 이사의 주극대의 크기의 비를 작게할 수 있어, 이동슬릿판과 고정슬릿판간의 간격의 변화에 대하여 안정된 검출신호를 얻음으로서 소형화 및 고분해능화를 용이하게 행할 수 있다.As described above, according to this embodiment, the laser diode and the collimator lens are used as the light source, and the Fraunhofer diffraction image generated by the slit regularly arranged on the movable slit plate is projected onto the fixed slit plate to detect the main pole, High contrast stripes can be detected, making it possible to easily downsizing and high resolution. In addition, by setting the slit width of the periodic slit on the moving slit plate to be 1/2 or more of the slit interval, the ratio of the size of the primary pole to the primary pole of the 0th primary pole can be reduced, and the movable slit By obtaining a stable detection signal against a change in the gap between the plate and the fixed slit plate, miniaturization and high resolution can be easily performed.
또, 레이저광원과 함께 구성되는 콜리메이터렌즈의 초점거리와 레이저다이오우드의 발광원의 크기의 비를, 이동슬릿판과 고정슬릿판간의 거리와 이동슬릿판상에 있는 주기적 슬릿의 슬릿간격의 1/2의 비보다 작게하여, 프라운호퍼 회절상의 흐림을 작게할 수 있어, 선명도가 높은 명암줄무늬를 얻게되므로서, 소형화 및 고분해능화를 용이하게 행할 수 있다.In addition, the ratio of the focal length of the collimator lens constituted with the laser light source and the size of the light emitting source of the laser diode is 1/2 of the distance between the moving slit plate and the fixed slit plate and the slit interval of the periodic slit on the moving slit plate. By making it smaller than the ratio, the blur of the Fraunhofer diffraction image can be made small, and high contrast sharpness can be obtained, making it easy to downsize and high resolution.
또한, 0차의 주극대와 1차의 주극대의 간격이 슬릿간격의 정수배 가까이로되게 고정슬릿판상에 투영하므로서, 프라운호퍼 회절상의 명암줄무늬의 진폭을 손상시키는 일없이 이동슬릿판과 고정슬릿판의 간격을 크게할 수 있고, 이동슬릿판과 고정슬릿판간에의 먼지등의 침입에 의한 슬릿판의 오손 및 파손에 의한 슬릿판 수명의 단축영향을 경미하게 할 수 있으므로, 소형화 및 고분해능화를 용이하게 행할 수 있다.In addition, the projection of the movable slit plate and the fixed slit plate is performed without damaging the amplitude of the light and dark streaks in the Fraunhofer diffraction by projecting the gap between the zero and primary maximal poles closer to an integer multiple of the slit interval. The gap can be increased, and the slit plate life can be shortened by the dirt and damage of the slit plate due to the intrusion of dust and the like between the moving slit plate and the fixed slit plate. I can do it.
또, 0차의 주극대와 1차의 주극대의 간격만을 취급하므로서, 실용상 충분한 정밀도로 이동슬릿판과 고정슬릿판간의 간격을 설정할 수 있으므로 이동슬릿판과 고정슬릿판간의 간격을 용이하게 결정할 수 있었다.In addition, the gap between the movable slit plate and the fixed slit plate can be easily determined by handling only the gap between the primary and the primary pole bands of
또, 0차의 주극대와 1차의 주극대의 간격이 슬릿간격이 정수배와 일치하도록 고정슬릿판상에 투영하므로서, 이동슬릿판과 고정슬릿판의 간격변화에 의한 검출신호변화를 최대한 허용할 수 있는 구성으로 되어, 기구의 구성상에 의한 이동슬릿판과 고정슬릿판의 간격정밀도의 영향을 경미하게 할수 있어, 소형화 및 고분해능화를 용이하게 행할 수 있다.In addition, since the interval between the 0th primary pole and the primary primary pole is projected on the fixed slit plate so that the slit interval coincides with an integer multiple, the detection signal change due to the change of the gap between the movable slit plate and the fixed slit plate can be allowed to the maximum. In this configuration, the influence of the gap accuracy between the movable slit plate and the fixed slit plate due to the configuration of the mechanism can be made light, and the miniaturization and high resolution can be easily performed.
또, 0차의 주극대로부터 n차의 주극대가 고정슬릿판상의 슬릿내에 들어갈 수 있도록 투영하므로서, 프라운호퍼 회절상의 명암줄무늬의 진폭을 최대한 검출신호의 진폭으로 변환할 수 있는 구성으로되어, 보다 큰 진폭의 검출신호를 얻게되어서, 소형화 및 고분해능화를 용이하게 행할 수 있다.Also, by projecting the n-th order maximal band from the 0th order maximal band into the slit on the fixed slit plate, it is possible to convert the amplitude of the light and dark stripes on the Fraunhofer diffraction to the amplitude of the detected signal as much as possible. By obtaining an amplitude detection signal, miniaturization and high resolution can be easily performed.
또한, 본 실시예에 있어서는 광원쪽에 이동슬릿판을 배치하였으나, 광원쪽에 고정슬릿판을 배치해도 좋다.In this embodiment, the movable slit plate is arranged on the light source side, but the fixed slit plate may be arranged on the light source side.
또한, 본 실시예에 있어서는 고정슬릿판을 배치하였으나, 고정슬릿판의 슬릿기능을 가진 광학검출소자만을 사용한 경우도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있는 것은 물론이므로 설명을 생략한다.In addition, in this embodiment, although the fixed slit plate is disposed, the same effect can be obtained even when only the optical detection element having the slit function of the fixed slit plate is used.
또, 본 실시예에 있어서는, 광원으로 레이저다이오우드와 콜리메이터렌즈를 사용하였으나, 평행광속을 얻을 수 있는 레이저광원이면 어느것을 사용해도 된다.In this embodiment, although a laser diode and a collimator lens are used as the light source, any laser light source capable of obtaining parallel light beams may be used.
다음에, 본 발명의 제2의 실시예에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다. 제1도와 같이 구성된 위치검출장치에 있어서, 제1의 실시예와 마찬가지로하여 상기 슬릿(16)의 프라운호퍼 회절상은, 상기 고정슬릿판(14)상에 투영된다. 제7도에 도시한 바와같이, 상기 고정슬릿판(14)상에는, 개구폭 b의 슬릿(17)이, d2가 d1의 정수분의 1로 설정된 간격 d2으로 다수를 나란히 배치하였으며, 광은 상기 슬릿(17)부에서는 투과되며 다른 부분에서는 차광되고, 투과된 광은 상기 광검출소자(15)를 조사한다.Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the position detection device configured as in FIG. 1, the Fraunhofer diffraction image of the
이때 상기 고정슬릿판(14)상에 투영된 프라운호퍼 회절상의 주극대의 간격이, 상기 고정슬릿상에 늘어놓인 상기 슬릿(17)의 간격 d2의 정수배와 일치하고, 상기 주극대의 폭 W이 상기 슬릿(17)의 간격 d2의 1/2을 넘지않는 범위에 있을때, 상기 이동슬릿판(13)의 이동에 따라서 상기 광검출소자(15)로부터 출력되는 검출신호의 진폭은 최대가 된다.At this time, the interval between the main poles of the Fraunhofer diffraction projected on the fixed slit plate 14 is equal to an integral multiple of the interval d 2 of the
여기서, 상기 프라운호퍼 회절상 0차의 주극대와 1차의 주극대의 간격이 M1D1(M1은 정의 정수)일 때, 주극대의 폭 W은,Here, when the distance between the primary pole pole and the primary pole pole of the
로 주어지며, 상기 고정슬릿판(14)상의 슬릿(17)의 간격 d2이 d1/M2(M2는 정의 정수) 일 때,When the distance d 2 of the
즉,In other words,
인 조건내에서, 검출신호의 진폭은 충분히 있다고 생각되며, 일실시예로서 M1=1로 했을 때,Within the conditions of, it is considered that the amplitude of the detection signal is sufficient, and when M 1 = 1 as an example,
가 되어, 상기 이동슬릿판(13)상에 있는 슬릿(16)의 간격 d1의 4/N까지 상기 고정슬릿판(14)상의 슬릿(17)의 간격 d2을 작게하여도 검출신호의 진폭은 충분히 있는 것으로 되어, d1=d2로 놓는 경우에 비해 N/4배의 분해등의 향상이 가능해진다.The amplitude of the detection signal is reduced even if the interval d 2 of the
또, 이때의 상기 이동슬릿판(13)과 상기 고정슬릿판(14)의 간격 L은 (8)식에 있어서,In addition, the space | interval L of the said moving slit board 13 and the said fixed slit board 14 at this time is represented by (8) Formula,
m=1 …………………………………………………………………… (21)m = 1… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (21)
로부터,from,
로 되며,Will be
따라서, (19)식의 조건내에서,Therefore, within the condition of equation (19),
가 된다.Becomes
상기 이동슬릿판(13)과 상기고정슬릿판(14)의 간격을 좁히지 않고, 분해능의 향상이 가능해진다.The resolution can be improved without narrowing the distance between the movable slit plate 13 and the fixed slit plate 14.
이상과 같이 본 실시예에 의하면, 광원으로서 레이저다이오우드와 콜리메이터렌즈를 사용하고, 이동슬릿판상의 주기적 슬릿에 의해 발생하는 프라운호퍼 회절상의 0차의 주극대와 1차의 주극대의 간격이 상기 주기적 슬릿의 간격의 정수배가되는 위치에 고정슬릿판을 설치하고, 상기 고정슬릿판상의 주기적 슬릿의 간격을 이동슬릿판상의 주기적 슬릿의 간격의 정수분의 1이고, 이동슬릿판상의 주기적 슬릿에 의해 생기는 프라운호퍼 회절상의 주극대의 폭의 2배 이상으로 설정하므로서, 프라운호퍼 회절상의 명암줄무늬의 진폭을 손상시키는 일없이 고분해능화가 가능해지고, 고분해능화에 따른 이동슬릿판과 고정슬릿판의 간격을 감소시키는 일없이 소형화 및 고분해능화를 용이하게 행할 수 있다.As described above, according to the present embodiment, a laser diode and a collimator lens are used as a light source, and the interval between the 0th and the 1st main poles of the Fraunhofer diffraction generated by the periodic slits on the moving slit plate is the periodic slits. The fixed slit plate is provided at a position that is an integer multiple of the interval of the slit plate, and the interval of the periodic slit on the fixed slit plate is one-integer of the interval of the periodic slit on the movable slit plate, and the Fraunhofer produced by the periodic slit on the movable slit plate By setting the width of the diffraction peak at least twice as large as the width of the diffraction phase, high resolution can be achieved without compromising the amplitude of the contrast stripes on the Fraunhofer diffraction image, and miniaturization can be achieved without reducing the distance between the moving slit plate and the fixed slit plate due to the high resolution. And high resolution can be performed easily.
또한, 본 실시예에 있어서는, 광원쪽에 이동슬릿을 배치하였으나, 광원쪽에 고정슬릿판을 배치해도 좋다.In addition, in this embodiment, although the moving slit is arrange | positioned at the light source side, you may arrange | position a fixed slit plate at the light source side.
또, 본 실시예에 있어서는 고정슬릿판을 설치하였으나, 고정슬릿판의 슬릿기능을 가진 광검출소자만을 사용한 경우도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있는것은 말할것도 없다.Incidentally, in this embodiment, although the fixed slit plate is provided, the same effect can be obtained even when only the photodetecting device having the slit function of the fixed slit plate is used.
또, 본 실시예에 있어서는, 광원레이저다이오우드와 콜리메이터렌즈를 사용하였으나, 평행광속을 얻을 수 있는 레이저광원이면 어느것을 사용해도 좋은 것은 말할것도 없다.In this embodiment, the light source laser diode and the collimator lens are used, but it goes without saying that any laser light source capable of obtaining parallel light beams may be used.
이상 설명한 바와같이, 본 발명의 제1의 발명에 의하면, 레이저광원과 콜리메이터렌즈에 의해 양질의 평행광속을 얻고, 레이저광의 가간섭성에 의한 주기적슬릿의 프라운호퍼 회절상이 큰 0차의 주극대를 얻으므로서, 명암줄무늬의 선명도가 증가하는 동시에 밝은부분이 예리한 비임형상으로되는 동시에, 주극대의 간격을 슬릿간격과 일치시키게하는 거리에 2장의 슬릿판을 설치하므로서, 기구의 구성상에 의한 2장의 슬릿판의 간격정밀도의 영향을 경미하게하고, 2장의 슬릿판의 수명을 길게할 수 있고, 소형화 및 고분해능화를 용이하게 행할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.As described above, according to the first aspect of the present invention, a high quality parallel beam is obtained by a laser light source and a collimator lens, and a zero-order main band having a large Fraunhofer diffraction image of periodic slits due to coherence of the laser light is obtained. In contrast, the sharpness of the contrast stripes increases, the bright part becomes a sharp beam shape, and the two slit plates are arranged at a distance that allows the gap between the main poles to match the slit gap, thereby providing two slits due to the configuration of the mechanism. It is possible to minimize the influence of the spacing accuracy of the plate, to lengthen the life of the two slit plates, and to achieve the effect of easily miniaturization and high resolution.
또, 본 발명의 제2의 발명에 의하면, 주기적 슬릿의 프라운호퍼 회절상의 큰 0차의 주극대를 얻으므로서, 밝은부분이 폭이접은 예리한 비임형상으로되는 동시에, 주극대의 간격을 슬릿간격과 일치시키게하는 거리에 2장의 슬릿판을 설치하고, 광검출기쪽의 슬릿판상에 있는 주기적 슬릿의 슬릿간격을 광원쪽의 슬릿판상에 있는 주기적슬릿의 슬릿간격의 정수분의 1이고, 주극대의 폭의 2배이상으로 설정하므로서, 2장의 슬릿판의 간격을 감소시키는 일없이, 광검출기쪽의 슬릿판상의 주기적 슬릿의 슬릿간격을 작게하는 것만으로서 고분해능화를 할수 있어, 소형화 및 고분해능화가 용이하게 행할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있는 뛰어난 위치검출장치를 실현할 수 있는 것이다.Further, according to the second invention of the present invention, a large zero-order main pole in the Fraunhofer diffraction of the periodic slit is obtained, and the bright part becomes a sharp beam shape having a width tangent, and the interval between the main poles and the slit gap. Two slit plates are provided at a distance to match, and the slit interval of the periodic slit on the slit plate on the photodetector side is an integral number of the slit interval of the periodic slit on the slit plate on the light source side, and the width of the main pole is By setting it to more than twice, the high resolution can be achieved simply by reducing the slit interval of the periodic slits on the slit plate toward the photodetector without reducing the spacing of the two slit plates, making it easier to downsize and high resolution. It is possible to realize an excellent position detection device that can achieve the effect.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
G160 | Decision to publish patent application | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 19951209 Year of fee payment: 6 |
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LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |