JPH03115922A

JPH03115922A - 信号処理回路及び該回路を備えた変位測定装置

Info

Publication number: JPH03115922A
Application number: JP25551789A
Authority: JP
Inventors: Satoru Ishii; 哲石井; Yoichi Kubota; 洋一窪田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1989-09-29
Publication date: 1991-05-16

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】〔技術分野〕本発明は、信号処理回路に関するものであり、特に被検
物体の移動（並進移動又は回転）量や移動速度を測定す
る変位測定装置などに使用される信号処理回路に関する
ものである。

〔従来技術〕

近年、ＮＣ工作機械や半導体焼付装置等の精密機械にお
いては１μｍ以下（サブミクロン）の分解能で、被検物
体の位置を測定することができる精密な測定器が要求さ
れている。

サブミクロンの分解能で変位を測定することのできる測
定器としては、レーザー等の可干渉性光束を用い、移動
物体からの一対の回折光を干渉させて干渉光を形成し、
該干渉光を光電変換するロータリーエンコーダーやリニ
アエンコーダーが良く知られている。

この種のエンコーダーは、例えば、本件出願人による特
開昭６２−１９３９２２号公報や特開昭６２１９３９２
３号公報等で提案されており、これらの公報の装置では
、レーザーからのレーザー光を２つに分割し、各レーザ
ー光を回転物体や並進移動物体に連結されている回折格
子上の２箇所に入射させている。

そして該回折格子から生ずる一対の正負同次数の回折光
を互いに干渉させることにより干渉光を形成し、該干渉
光を受光手段により検出し、電気信号に変換することに
より、該回折格子の移動状態を高精度に求めている。

受光手段は、通常、一対若しくはそれ以」二の数の受光
素子より構成され、例えば一対の受光素子に対して、互
いに位相が】８０°異なる干渉光を入射させ、これらの
受光素子からの電気信号を処理して、回折格子の移動量
を求める。この処理を行うための回路は差動増幅器を含
み、この増幅器によって、これらの受光素子からの互い
に位相が１８０゜異なる信号の差を検出し、検出により
得られた信号をコンパレーターに入力してパルスに変換
し、このパルスを計数することにより移動量を求めるよ
う構成されている。この処理回路では、各受光素子から
の信号の直流成分が減算されるため、レーザーの発光強
度の変化等の影響で測定精度が劣化することがあまりな
い。しかしながら、各受光素子から出力される信号の直
流成分のレベルは互いに異なっているため、従来の回路
では、差動増幅器からの信号に直流成分が含まれており
、この直流成分の影響で、測定精度の更なる向上を達成
することが困難であった。

〔発明の概要〕

本発明の第１の目的は、上記問題を解消することができ
る、改良された信号処理回路を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、上記問題を解消すること
ができる、改良された信号処理回路を備えた変位測定装
置を提供することにある。

上記第１の目的を達成するために、本発明の信号処理回
路は、互いに位相が１８０’異なる第１と第２の信号を
生成する生成手段と、該生成手段からの第１信号と第２
信号の差を検出し、検出した差に応じた第３信号を出力
する減算手段とを備え、上記生成手段及び／又は減算手
段が、上記減算手段からの第３信号の直流成分をほぼ零
にするための調整手段を有しており、このような構成と
することにより、例えばリニアエンコーダーやロータリ
ーエンコーダーなどの変位測定装置に使用して、装置の
測定精度を更に向上させることができる。

また、上記第２の目的を達成するために、本発明の変位
測定装置は、回転若しくは並進移動する、可動スケール
に形成された目盛りを読取って、スケールの変位応じた
、互いに位相が１８０°異なる第１と第２信号を出力す
るスケール読取手段と、該読取手段からの第１と第２信
号の差を検出し、検出した差に応じた第３信号を出力す
る減算手段とを有し、該第３信号に基づいてスケールの
変位を測定する変位測定装置において、上記読取手段及
び／又は上記減算手段が、上記減算手段からの第３信号
の直流成分をほぼ零にするための調整手段を有すること
を特徴としている。そして、このような調整手段を備え
ることにより、直流成分がほぼ零に近い第３信号に基づ
いて測定ができるので、測定精度が向上する。

本発明のいくつかの特徴と具体的形態例は、後述する実
施例に記載されている。

第１図は変位測定装置の一例を示すブロック図、第２図
及び第３図は第１図の装置を具体的に示す、本信号処理
回路が備えられた変位測定装置を示す。

第１図、第２図において、１は半導体レーザー２はレー
ザーｌから出射する光束を平行光束にするコリメータレ
ンズ、３は２個の台形プリズム３１゜３□を貼合わせて
なる光学部品、４は第１光分割手段であり、光学部品３
のプリズム３□、３゜の貼合わせ面より成り、この手段
４は偏光ビームスプリッタ−と同機能の光分割を行なう
。５及び７は第１光学手段としての反射鏡、６は被測定
回転物体としての回転円板」二に設けた放射格子（回折
格子タイプのスケール）、８及びＩＯは１７４波長板で
ある。９及び１１は反射手段であり、例えばキャッツア
イ光学系から成っている。

１２は１／４波長板、１３は偏光ビームスプリッタ−１
４および１５は受光素子である。また、○は放射格子６
の中心、Ｍ、、Ｍ２は放射格子６上の任意の点を示す。

コリメータレンズ２から１／４波長板１２までの各要素
を１つにまとめてブロック化したものを、第１図に示す
如く、回折光干渉手段２１と称することにする。尚、第
２図で示す回折光干渉手段２１は、−例にすぎず、例の
公知の様々な形態が採り得ることは言うまでもない。

本実施例では、レーザー１より放射されるレーザー光を
コリメークレンズ２によって平行光束とし、この光束を
光学部品３をなす台形プリズム３．の斜面で反射した後
、光分割面４へ所定の角度で入射するように、光学部品
３へ指向する。光分割面４に入射した光束は、略１：１
の比率で、反射光束と透過光束の２つの直線偏光光束に
分割される。尚、レーザー１から光束は、光分割面４の
直交偏波面に対して４５°の方位へ偏光した直線偏光光
より成る。

光分割面４で分割された２光束は、各々、台形プリズム
３０，３゜内で２度反射し、光学部品３から出射し、反
射鏡５，７により、放射格子６の所定の位置Ｍ１及びＭ
２へ所定の入射角で入射する。放射格子６で回折した透
過回折光のうち、＋１次の回折光を、１／４波長板８，
１０を介して反射手段９゜１１により反射し、同一光路
を逆行させる。そして、放射格子６の略同−位置Ｍ１及
びＭ２へ再入射させ、ここで再回折された＋１次の回折
光を反射鏡５゜７で反射し、同一光路を逆行させ、光学
部品３の内面で反射せしめて、光分割面４へ導光してい
る。ここでの各光束（±１次回折光）は、反射手段９．
】１で反射される前後で２度１／４波長板を通過する為
、それらの偏光方位は、放射格子６へ入射する前とは各
々９０°異なっている。従って、第２光学手段を兼ねる
光分割面４で先に反射した光であった光束が今度は透過
し、先・に透過した光であった光束が今度は反射して重
なり合い、光学部品３で内面反射して１／４波長板１２
へ入射する。１／４波長板１２を通過した各光束は、互
いに逆回りの円偏光となる。

この光束は、偏光ビームスプリッタ−１３によって、偏
光方位の直交する２つの光に分割され、受光素子１４、
　１５に入射する。そして、受光素子１４．　１５が、
各々対応する干渉光を光電変換し、電気信号を出力する
。

本実施例において、被測定回転物体が放射格子６の１ピ
ツチ分だけ回転すると、＋１次の再回折光の位相は２π
だけ変化する。同様に放射格子６により再回折された一
１次の回折光の位相は一２πだけ変化する。これにより
全体として受光素子１４．　１５からは（２−（−２）
＝４個の正弦波信号が得られる。本実施例ではこのとき
の各正弦波信号を検出することにより、放射格子６の回
転量を測定している。

例えば放射格子６のピッチが３．２μｍだとすれば、回
転物体が３．２μｍ分だけ回転したとき、受光素子１４
．　１５からは４個の正弦波形が得られるから、正弦波
形１個当たりの分解能として、回折格子１ピツチの１／
４の３．２／４＝０．８μｍが得られる。

本実施例では、１／４波長板１２からの±１次回目折光
より成る光を、偏光ビームスプリッタ−１３により、偏
光方位が互いに９０°異なる２つの干渉光に分割してい
るので、受光素子１４．　１５からは、位相が互いに１
８０°ずれた一対の正弦波信号が出力される。

尚、被測定回転物体の角度検出や回転方向検出のために
、別の位相を持つ信号を得る必要があるときは、光分割
手段や偏光板などを適宜用いて所望の位相の干渉光を取
り出せば良い。

次に、第２図の装置に備えられる信号処理回路について
説明する。第３図は、信号処理回路の一例を示す回路図
である。第３図において、１４．　１５は第１図と第２
図で同じ符号で示した受光素子であり、ここではフォト
ダイオードを用いている。４１．４２゜４３は演算増幅
器、５１〜５５は抵抗器、６１は可変抵抗器、Ｃ，、Ｃ
２はコンデンサである。また、４４は本回路の出力端子
である。

受光素子１４．１５により得られた光電流（信号）は、
演算増幅器４１．４２で各々互いに位相が１８０゜異な
る電圧信号に変換され、演算増幅器４３（減算手段）で
それらの電圧信号の差が検出されて増幅される。コンデ
ンサＣ，，Ｃ２は高周波領域での回路の動作の安定を図
るものであり、異常発振を防止している。

いま、受光素子１４．１５で得られる光電流（信号）を
’＋４＋’１５とし、各抵抗値をＲ＋（抵抗器５１）、
Ｒ２（可変抵抗器６１）、Ｒ３（抵抗器５２．　５４）
、Ｒ４（抵抗器５３．５５）とすると、出力端子４４に
得られる出力電圧Ｖ。は、Ｖｏ　”＝　（Ｉ１４Ｒ＋　　ｌｌ５Ｒ２）　Ｒ４／Ｒ
３−（１）で表わされる。

■！４１　１１！ｌは理想的には、一定の正弦波信号で
あるが、実際には次に述べるような理由により、複雑な
信号となっている。第一に、放射格子６のピッチや線幅
にばらつきがあったり、格子のエツジに乱れがあったり
すると、そこを通過する光の強度が変化する。第二に、
干渉光形成のための本来の光路以外を通ってきて受光素
子］、４．，１５に混入する光束（ゴースト成分と称す
ることにする）が存在する。しかもこれらは被測定回転
物体の回転に伴って微妙に変動する。

これらを加味すると、一定速度で回転しているときの’
＋４＋１１５は、一般に次のような式で表わされる。

１　、、　＝ａ＋ｂｓｉｎ　ωｔ　　　　　　　　　・
＝　（２）１１６　”　＜Ｚ　ａ−βｂｓｉｎ　（ＩＪ
　ｔ　　　　　　　−（３）ここでα、βは定数、ａ、
ｂは回転に応じて若干変動する係数である。一般にαと
βは近い値をとるが、受光素子１４．　１５までの±１
次回目折光の光路長の差や、互いの偏光方位の違いなど
により多少異なる。又、ωは信号の角周波数、ｔは時間
である。これらを（１）式に代入すると、出力端子４４
に出力される出力電圧Ｖ。は、・・・（４）となる。本実施例の特徴は、ここでＲ１−αＲ２０とな
るような調整手段を設けることにある。これは、演算増
幅器４２に可変抵抗器６１を付加することによってＲ２
＝　Ｒｌ　／αに調整できるようにして、達成している
。

この可変抵抗器６１の作用によって、２つの受光素子１
４．１５によって得られた各正弦波信号の直流成分及び
回転に伴う直流成分の変動分をキャンセルすることがで
き、出力端子４４からの出力信号の直流成分をほぼ零に
してオフセットの非常に安定な正弦波信号を得ることが
できる。

第４図に波形の例を示す。第４図（Ａ）、　　（Ｂ）は
、それぞれ信号工１４＋ＩＩＳの例である。第４図（Ｃ
）は従来の同一比率で減算したとき（すなわちＲ２＝Ｒ
２としたとき）の端子４４からの出力波形であり、若干
のオフセット変動が残っている。一方、第４図（Ｄ）は
本実施例の場合の端子４４からの出力波形を示す。第４
図（Ｄ）に示すように、本実施例では、正負対称でオフ
セットの安定した波形を具えた信号を端子４４から得る
ことができる。

従って、本実施例の出力端子４４からの信号を用いて測
定を行なうようにすれば、正確に被検回転物体の回転量
を測定することができる。

なお、上記実施例では可変抵抗器６１を用いて、演算増
幅器４３に入力される信号１１４＋ＩＩＩ＋に相当する
各電圧の比率を調整しているが、これに限ることはなく
、たとえば、６１を抵抗値Ｒ８の抵抗器として、抵抗５
４または抵抗５５を可変抵抗器とすること及び抵抗６１
と抵抗５４又は５５を可変抵抗器とすることも出来る。

また、回路構成は、上記実施例に限定されることなく、
信号ｆ１４＋１１Ｂの直流成分の差を実質的にキャンセ
ルできるような構成になっていればよい。

また、光分割器、偏光板、偏光ビームスプリッタ、波長
板などの各種光学部分を用いて、上記の０°、１８０°
に対応する信号だけでなく、任意の位相角の、例えば９
０°の信号を取出す手段が併用されていても、この発明
の主旨を逸脱するものではない。さらに、この任意の位
相角の、例えば９０゜の信号と、これに対して位相が１
８０’　ずれた別の信号、例えば２７０°の信号とを取
出す手段を設け、上記実施例の考え方を用いて合成し、
オフセットの安定な信号を作り出すことも可能である。

この場合、第３図に示した回路を更に１個付加し、位相
角９０°　と２７０°の信号を処理して、出力端子４４
から、上記実施例において出力端子４４から出力される
信号と位相が９０°異なる信号を出力させることができ
、この位相角０°　と位相角９０°の信号を使って、被
検回転移動物体の回転方向の判別や、信号の内挿による
高分解能化などを実施できる。

また、上記実施例と同様な考え方は、従来からある固定
スケールと移動スケールとを組合わせて成る光学式エン
コーダーにも用いることが可能である。そして、ここで
は、ロータリーエンコーダーを例に」二げたが、リニア
エンコーダーにも応用できることは言うまでもなく、光
学式のエンコーダーに限らず、磁気式エンコーダーなど
の他タイプのエンコーダーに対しても応用できる。

〔発明の効果〕

以上、本発明では、互いに位相が１８０°異なる信号間
の差を検出する減算手段からの信号の直流成分がほぼ零
となるように、回路を調整する調整手段を備えたので、
減算手段からオフセットが安定した信号を得ることがで
きる。従って、正確に被検物体の変位（並進移動や回転
）を測定することができる変位測定装置の提供も可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は変位測定装置の一例を示すブロック図。第２図及び第３図は第１図の装置を具体的に示す、本信
号処理回路を備えた変位測定装置の説明図。第４図（Ａ）〜（Ｄ）は第３図に示す回路における信号
波形と従来のものの信号波形を示す波形図。ｌ・・・レーザー６・・・放射格子（スケール）１４、　１５・・・受光素子２１・・・回折光干渉手段４１、　４２．４３・・・演算増幅器５１、　５２．　５３．　５４・・・抵抗器６１・・・
可変抵抗器４４・・・出力端子Ｏ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）互いに位相が１８０゜異なる第１と第２の信号を
生成する生成手段と、該生成手段からの第１信号と第２
信号の差を検出し、検出した差に応じた第３信号を出力
する減算手段とを備え、上記生成手段及び／又は上記減
算手段が、上記減算手段からの第３信号の直流成分をほ
ぼ零にするための調整手段を有する信号処理回路。
（２）可動スケールに形成された目盛りを読取って、ス
ケールの変位に応じた、互いに位相が１８０゜異なる第
１と第２信号を出力するスケール読取手段と、該読取手
段からの第１と第２信号の差を検出し、検出した差に応
じた第３信号を出力する減算手段とを有し、該第３信号
に基づいてスケールの変位を測定する変位測定装置にお
いて、上記読取手段及び／又は減算手段が、上記減算手
段からの第３信号の直流成分をほぼ零にするための調整
手段を有することを特徴とする変位測定装置。
（３）上記スケール読取手段は、上記スケールからの互
いに位相が１８０゜異なる第１光束と第２光束とを受光
する第１受光素子と第２受光素子と、該第１受光素子か
らの信号を増幅し前記第１信号を出力する第１演算増幅
器と、該第２受光素子からの信号を増幅し前記第２信号
を出力する第２演算増幅器とを有し、前記調整手段が、
該第２演算増幅器の可変抵抗を含むことを特徴とする特
許請求の範囲第（２）項記載の変位測定装置。