(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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）上に入射する請求項１に記載の光電式距離及び角度測定装置。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
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 zweier Objekte zueinander）であって、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（Teilungsperiode）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（fotoelektrisches 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、90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 Gitterlinien）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（hochgradig phasenkompensierende 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。スケール回折格子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10までの間隔ｇとから以下の数式に基づいて算出される。
0003644687.tif 000002
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倍より大きいことが好ましい。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。
0003644687.tif 000003
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。
【図１】
0003644687.tif 000004
【図２】
0003644687.tif 000005