JPS58191906A - 基準尺を用いた測長方法 - 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】 本発明は、有限長の基準尺を使用し、この基準尺の長さ
以上の移動量を計測するようにした基準尺を用いた測長
方法に関するものである。

長さや位置計測の分野では、従来から純機械的な物差し
、ノギス、マイクロメータ等を用いて人間の目による計
測は依然として行われているが、ｐＬｍ単位を問題とす
る所謂精密計測の領域ではこれらの測定用具はその用を
なさない。近年、測定機器の電子化が進み、電子回路と
共に光Φ磁気等の技術を用いた測定装置が開発され、加
工・検査に多用されている。光を用いる測定装置の一例
としては、レーザー光の波長を基準とした光波干渉測長
器が知られている。この測長器の精度は、現在の工業水
準の要求に十分対応できるものであるが、むしろ過剰な
精度を有するとも云え価格的にも高価である。また、磁
気を用いた方式として、帯状又は棒状の磁性体に予め寸
法の基準としての磁気パターンを記録しておき、この磁
気パターンと磁気ヘッドとの相互の位置関係を求める一
磁−気スケールも知られている。この方式は磁性体に記
録できる基準パターンのピッチにより精度が決定され、
安定に記録し得るピッチは５Ｂｍ−１０１ｉｍのピッチ
であり、測定精度は光波干渉測長器と比較して実用上２
桁程度精度が低い、そこで、光波干渉測長器と磁気スケ
ールとの中間的な精度を有する測長器を工作機等に付設
することが要求され、このための基準として数＃Ｌｍ程
度のピッチを持つ光学的回折格子を用いて、精度的及び
価格的に前記両者の中間的な測長装置の実用化が進んで
いる。この場合に基準となる回折格子ｌは、第１図に示
すように、ガラス又は金属板に機械的なルーリングエン
ジン、光学的リングラフィ、電子ビームリソグラフィ等
を用いて極細の格子線２が密集して並列するように造ら
れている。しかし、この回折格子１の製造可能な長さ寸
法は高々１００〜２００ｍｍ程度であり、光波干渉計又
は磁気的な測定装置が共に１ｍを超す測定範囲を有する
のに対して大きな弱点となっている。

本発明の目的は、基準尺よりも十分に長い所要の測定範
囲が得られ精度的、経済的に有利な基準尺を用いた測長
方法を提供することにあり、その要旨は、相対的に移動
する２物体の一方に基準量を有する有限長の基準尺を設
置し、他方に前記基準尺との相対的位置関係を前記基準
量を単位として求める測定ヘッド部を設け、前記２物体
の相対的移動方向に前記基準尺の有効長以内の間隔を鐙
いて複数個の前記測定ヘッド部を配置し、別に設けた位
置検知器により適用すべき測定ヘッド部を選択し、測定
へ−２ド部の基準量を単位とする出力を計数して、２物
体間の相対的移動量を測定することを特徴とする方法で
ある。

第２図は本発明に係る方法の原理的説明図であり、複数
個の測定ヘッド部３１．３ｊ、３ｋ、・・・が間隔りで
等間隔に固定的に配置されている。基準尺となる回折格
子ｌの有効長は、前記間隔夕よりも稍々長い寸法を有し
、回折格子１は測定ヘッド部３１．３ｊ、・拳Φの配列
方向に沿って測定ヘッド部３１．３ｊ、Φ・・内を通過
して、一点鎖線で示すように移動できるようになってい
る。回折格子１は光透過材より成り、更に支持部材４が
附設されていて、この支持部材４には例えばピンホール
５が設けられ、測定ヘッド部３と同様に間隔ρで配置さ
れた投受光器から成る複数個の位置検知器６により支持
部材４の位置を検知し得るようにされている。

第３図は測定ヘッド部３の具体的な構成図を示し、回折
格子ｌの手前側に光源７．２個の検出器８ａ、８ｂ、レ
ンズ系９、偏向鏡ｌＯａ、ｌＯｂ、偏光ビームスプリッ
タ１１が配置され、回折格子ｌの反対側にダハプリズム
１２ａ、１２ｂ、位相差板１３ａ、１３ｂが配置されて
いる。光源７は発光ダイオードや半導体レーザー等の半
導体発光素子であり、レンズ系９は光源７から射出され
る光線りをほぼ平行光束にするためのものであって、偏
向鏡１０ａ、１０ｂは偏向鏡１０ａへの入射光と、偏向
鏡１０ｂからの射出光とが平行になるように、これらの
相対角度は９０度に設定されている。また、位相差板１
３ａ、１３ｂは光源７からの直線偏光を回折格子ｌに再
入射するときに、右廻り及び左廻りの円偏光にする働き
をしている。

従って、光源７から発光された光線りはレンズ系９で平
行光束とされ、偏向鏡１０ａにより回折格子ｌの点Ａに
入射する。そして、回折格子１により回折され、回折格
子ｌの位相δが回折波面に加算され、入射光の初期位相
をＯとすると回折波の位相項はｅｘｐ（ｉ（ωｔ＋ｍδ
））となる。ここでｍは回折次数であり、例えば＋１次
項と−１次項はそれぞれｅｘｐ（ｉ（ωを十δ））、　
ｅｘｐ（ｉ（ωｔ−δ））となり、＋１次項である光線
Ｌｌ、゛−１次項である光線Ｌ２はそれぞれ位相差板１
３ａ、１３ｂを経由しコーナーキューブプリズム又は図
示のダハプリズム１２ａ、１２ｂに入射する。光線Ｌ１
．　Ｌ２はダハプリズム１２ａ、１２ｂで入射方向と平
行方向に反射され、位相差板１３ａ、１３ｂにより右廻
り及び左廻りの円偏光にされ、回折格ｆ１の点ＡとＸ方
向に異なる点Ｂにおいて再び回折され、更に偏向鏡ｆｏ
ｂを介して偏光ビームスプリッタ１１に入射する。この
偏光ビームスプリッタ１１に入射した右廻り及び左廻り
の円偏光特性を有する光線Ｌ１．Ｌ２は、偏光ビームス
プリッタ１１を透過及び反射する。透過光及び反射光は
それぞれ直線偏光になり、Ｍいに干渉し合って検出器８
ａ及び８ｂに入射することになる。

検出器８ａ及び８ｂは２つの円偏光の直交成分を干渉光
強度として検出するため、回折格子ｌが移動した場合の
検出器８ａ、８ｂの出力Ｒ，Ｓは、第４図（ａ）　、　
（ｂ）に示すように９０度の位相差を有する。この２つ
の信号Ｒ，Ｓを一定しヘルの基に（ｃ）　、　（ｄ）に
示すように図示しない回路によってそれぞれ二値化し、
その立上りと立下りのタイミングで（ｅ）に示すように
パルスを発生させ、そのパルス数を計数することによっ
て回折格ｆｌの移動閂を計測できる。また、この計数時
には回折格子１の移動方向を考慮して、加算又は減算か
を決定すればよい。この場合は、回折格子１の１周期の
移動により干渉縞の出力は４Ｎ周期の移動となり、その
出力からパルスを計数すると１６個のパルスを得ること
になる。

第５図はその（ａ）　、　（ｂ）に示す２つの信号Ｒ１
Ｓを、更に（ｃ）　、　（ｄ）に示すように加算及び減
算をして、４５度ずつ位相の異なった信号Ｒ＋Ｓ、Ｒ−
３を作成し、（ｅ）〜（ｈ）に示すように二値化して１
回折格子ｌの１周期の移動によって（１）に示すような
３２個のパルスを発生するようにした場合の例を示して
いる。また、これらの信号を確実に処理するためには、
光量の変動及び回折効率の変動等を考慮する必要がある
ため、第３図に示すように、一方のダハプリズム１２ｂ
の頂点から回折光を取り出し、その光量をライトガイド
１４を介して検出器１５で検出し信号処理に利用しても
よい。

なお、第６図に示すＡｌ１１定ヘッド部３は、前述の第
３図の実施例では透過を応用した場合に対して１回折格
子１を反射型格子にした場合であり、第３図と同一の符
号は同一の部材を示している。

回折格子１を反射型にした場合は、光学系の占めるスペ
ースを小さくすることが可能となり、各部材が回折格子
ｌに対して一方向に配置されるために取り扱いが容易と
なる利点がある。

ここで第２図において、回折格子１が移動すると、その
ときの回折格子ｌが位置する測定ヘッド部３１．３ｊ、
３ｋ、・・番からは第７７に示すようなパルスＰｉ、　
Ｐｊ、　Ｐｋ、・・争が得られる。距離ｇの倍数距＃ｇ
、２ρ、３ｇ、・・・イ・１近では、２個の測定ヘッド
部３により回折格子ｌの両端が計測されるために、パル
スが重複して発生される。この場合、これらのパルスが
例えば距＃ｇにおけるように詩間的に重なり合っていれ
ば計数誤差は生しないが、距＃２９のようにパルスが若
干ずれて発生されると誤計数となり、測定誤差を招来す
ることになる。このように回折格子ｌを２個の測定ヘッ
ド部３が同時に検出する場合には、位置検知器６により
択一的に測定ヘッド部３を選択し、選択された測定ヘッ
ド部３のパルス数を計数するようにすればよい。この測
定ヘッド部３の切換えは、各位置検知器６及び測定ヘッ
ド部３の出力信号の組合わせによる論理回路により容易
に実現できるところである。従って、回折格子ｌの移動
距離は、測定ヘッド部３からの出力パルス数を回折格子
１の移動方向を検出した信号を基に、加算又は減算する
ことにより求められることになる。

第８図は他の実施例であり、前述の実施例が１個の回折
格子ｌを複数個の測定ヘッド部３１．３ｊ、３に、Φ・
・に沿って移動させたのに対し、複数個の回折格子１ｉ
、ｌｊ、ｌｋ、・・・を等間隔に配置し、回折格子１の
有効長よりも短い間隔に保持部１６により保持した２個
の測定ヘッド部３ｕ、３ｖを、回折格子１１．１ｊ、１
に、−・・に対して移動するようにしている。この場合
は、２個の測定ヘッド部３ｕ、３ｖの少なくとも１個が
、何れかの回折格子１ｉ、ｌｊ、ｌｋ、・拳・を検出で
きるので、位置検知器により測定ヘッド部３ｕ、３ｖの
動きを検出し、測定ヘッド部３ｕ、３ｖの何れかを選択
し、移動量は選択された測定へフド部３から得られる出
力パルスを計数すればよい。。

上述の幾つかの実施例においては、測定ヘッド部３を回
折格子ｌによる回折光の干渉を利用し、回折光は回折格
子ｌを２回に捗り通過又は反射し、高精度の測定値が得
られるようになっているが、回折格子ｌの通過又は反射
は１回のみとしても本発明の方法は十分実現が可能であ
る。また、本発明の方法では基準尺として回折格子を用
いることが理想的ではあるが、角度の測定に対しては回
転角を検出するロータリーエンコーダを用いてもよく、
更には他の光学的機構、磁気的機構により検出される基
準尺を利用しても同様に測定が可能である。

また、実施例では使用する測定ヘッド部３を択一的に選
択するために、回折格子１の支持部材４にピンホール５
を設けるようにしたが、この検出は他の方式でもよいこ
とは勿論であり、ピンホール５に相当するようなマーク
を回折格子１に蒸着、塗布、添付等で耐着させることも
できる。

以−ヒ説明したように本発明に係る基準尺を用いた測長
方法は、高価な基準尺を全長にわたり配置することなく
、１個又は間欠的に配置された基準尺を用いて、高精度
の長さ測定を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は回折格子の正面図、第２図は本発明の測定原理
の説明図、第３図は測定ヘッド部の構成図、第４図、第
５図は測定ヘッド部から得られる信号のタイムチャート
図、第６図は他の実施例の測定ヘッド部の構成図、第７
図は測定ヘッド部から得られるパルス波形図、第８図は
測定の変形例の説明図である。 符号ｌは回折格子、２は格子線、３は測定ヘッド部、４
は支持部材、５はピンホール、６は位置検知器、８ａ、
８ｂは検出器、１０　ａ、　　ｌ　Ｏｂｌ±偏向鏡、１
１はビームスプリッタ、１２ａ、１２ｂはダハプリズム
、１３ａ、１３ｂは位相差板である。 特許出願人　　キャノン株式会社 １１２図 第３図 箇４図 纂５図 １６１１ １１７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、相対的に移動する２物体の一方に基＄１を有する有
   限長の基準尺を設置し、他方に前記基準尺との相対的位
   置関係を前記基準量を単位として求める測定ヘッド部を
   設け、前記２物体の相対的移動方向に前記基準尺の有効
   長以内の間隔を置いて複数個の前記測定ヘッド部を配置
   し、別に設けた位置検知器により適用すべき測定ヘッド
   部を選択し、測定ヘッド部の基準量を単位とする出力を
   計数して、２物体間の相対的移動量を測定することを特
   徴とする基準尺を用いた測長方法。 ２、　前記基準尺を回折格子とした特許請求の範囲第１
   項記載の基準尺を用いた測長方法。 ３、前記測定ヘッド部は回折光の干渉により移動量を測
   定するようにした特許請求の範囲第２項記載の基準尺を
   用いた測長方法。 ４、前記測定ヘッド部を等間隔に固定的に配置し、前記
   間隔よりも長い有効長を有する１個の基準尺を移動する
   ようにした特許請求の範囲第１項記載の基準尺を用いた
   測長方法。 ５、複数個の基準尺を等間隔に固定的に配置し、２個の
   測定ヘッド部を前記間隔よりも狭い間隔で保持し、これ
   ら測定ヘッド部を移動するようにした特許請求の範囲第
   １項記載の基準尺を用いた測長方法。