JP2000121390A - 計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ａ相及びＢ相計測パルス信号を１系統の伝送
線路で出力できるようにする。 【解決手段】 光源１からスケールを透過する光が形成
するモアレ縞を、受光部２によって電気信号に変換し、
アンプ３、波形整形回路４、ゲートアレイ５を介してマ
イコン６に供給し、スケールの上位のアブソリュート値
を検出する。また、Ａ相信号又はＢ相信号は平衡変調器
７に入力され、ピッチ間を内挿する信号処理を行なった
後に、ローパスフイルタ８、波形整形回路９を介してマ
イコン６に入力され、下位のアブソリュート値をＡ相パ
ルス信号、Ｂ相パルス信号として検出する。このＡ相パ
ルス信号及びＢパルス信号は、スケールの移動方向に応
じてＰＷＭ変調され計測パルス変換部１０から１系統の
Ａ／Ｂ相パルス信号として出力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物の相対的
な移動量を測定する計測装置に関わり、特に光学的なリ
ニヤスケールから出力されるＡ相パルス信号及びＢ相パ
ルス信号の伝送を効率的に行うことができる計測装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】工作機械等において、被加工物に対する
工具の相対的な移動量を正確に測定することは、精密加
工を行う上で極めて重要であり、通常は被加工物の動き
に応じてその移動量や位置を確定するための計測装置が
使用されている。精密加工を行う際に使用されているこ
のような計測装置としては、被測定部の移動量を検出す
る回転機構を利用したエンコーダや、光学格子を２枚重
ね合わせることにより得られるモアレ縞を利用した光学
式スケール等が従来から知られている。

【０００３】図５は光学式スケールによる測定装置１１
０と、その使用態様の概要を示したものである。この図
において１０１は後で説明するように、微細な間隔で長
手方向に目盛りが付けられているメインスケールであ
り、メインスケール１０１は、図７に示すようにこのメ
インスケール１０１と相対的に移動するように配置され
ているインデックススケール１０３を備えている。

【０００４】この光学式スケールは、メインスケール１
０１とインデックススケール１０３の相対的な移動によ
って発生するモアレ縞を光学的に検出し、そのモアレ縞
を電気信号に変換し演算処理をすることによって、最終
的に図６に示すようなスケールの１ピッチ内を内挿する
Ａ相パルス信号とＢ相パルス信号を出力する。そして、
例えばφ（９０度）位相差の有するＡ相パルス信号とＢ
相パルス信号を伝送線路１１４ａ、１１４ｂを介して表
示装置１２０に入力し、パルスの個数をＡ相及びＢ相信
号の位相差に応じて、加算及び減算しながら計数するこ
とにより、スケールの相対的な移動距離を知るようにし
ている。また、前記Ａ相パルス信号及びＢ相パルス信号
は、そのままＮＣ装置１３０等に入力されサーボ基準等
に使用されている。

【０００５】図７はメインスケール１０１とインデック
ススケール１０３の概要を示したものであって、透明な
ガラススケール１００の一面に透光部と非透光部が所定
のピッチで配列するよう格子（刻線）を設けたメインス
ケール１０１と、透明のガラススケール１０２の一面に
透光部と非透光部が所定のピッチで配列するよう格子
（刻線）を設けたインデックススケール１０３とを有
し、同図（ａ）に示すように、このメインスケール１０
１にインデックススケール１０３を微小間隔を持って対
向させると共に、同図（ｂ）に示すように、メインスケ
ール１０１の格子に対し微小角度傾けられるようにイン
デックススケール１０３の格子を配置している。

【０００６】このようなスケールを介して光を透過する
と、図８に示すモアレ縞が発生する。このモアレ縞の間
隔はＷとなり、間隔Ｗ毎に暗い部分或いは明るい部分が
発生する。この暗い部分或いは明るい部分は、メインス
ケール１０１に対し、インデックススケール１０３が相
対的に左右に移動する方向に応じて上から下、或いは下
から上に移動していく。この場合、メインスケール１０
１及びインデックススケール１０３の格子のピッチを
Ｐ、相互の傾斜角度をθ［ｒａｄ］とすると、モアレ縞
の間隔Ｗは、 Ｗ＝Ｐ／θ・・・（１） と示され、スケールのピッチＰはモアレ縞の間隔Ｗをθ
倍に拡大した値として計測することになる。そして、格
子が１ピッチＰだけ移動するとモアレ縞はＷだけ移動す
ることになり、Ｗの上下方向の変化を読み取ることによ
り、格子の移動量を１／θで精密に測定することができ
るようになる。

【０００７】図９に示すように、モアレ縞の間隔Ｗを３
６０度とし、さらに９０゜ずらした位置に２つの受光素
子（光電変換素子）１０７，１０８を設けると、受光素
子１０７に流れるＡ相の電流に対して受光素子１０８に
流れるＢ相の電流は、図１０に示すように９０度偏位し
た電流となる。すなわち、スケールを１ピッチ移動した
ときの周期がＰとなるＡ相の受光素子１０７に流れる電
流をサイン波とすると、同様にＢ相の受光素子１０８に
流れる電流はコサイン波となる。この場合、メインスケ
ール１０１とインデックススケール１０３との相対的な
移動方向により、Ａ相の受光素子１０７に流れる電流に
対するＢ相の受光素子１０８に流れる電流の位相は９０
゜進相、或いは９０゜遅相となるため、９０゜ずらして
配置した２つの受光素子１０７，１０８を設けると、両
者の位相を検出することにより相対的な移動方向を検出
することができる。

【０００８】また、刻線のピッチをＰ、搬送波周波数の
角速度をω、レベル変位をｘとし、Ａ相の出力信号とＢ
相の出力信号で搬送波周波数を平衡位相変調すると、 Ｓ＝ＫＣｏｓ（ωｔ−２π・ｘ／Ｐ）・・・（２） となる変調波信号Ｓが得られ、この信号の移相量を示す
２π・ｘ／Ｐに対応してパルス信号をカウントすること
によって、スケールのピッチＰをさらに分割した精度の
高い計測値を得ることが知られている（例えば特開昭６
２−１３２１０４号公報）。

【０００９】なお、メインスケール１０１とインデック
ススケール１０３に設けられた格子のピッチＰが４０ミ
クロンである時、上記位相変調波を使用したアブソリュ
ート内挿回路を設けることによって、Ａ相或いはＢ相信
号の一周期において、４０個のパルスを計数するように
しており、分解能を１ミクロンとした光学式スケール１
１０とすることができる。

【００１０】またこのような光学式スケール１１０は、
図５の点線で示すように直交する方向にもう１本のスケ
ール１０１Ｙを配置すると、工作機械のテーブルの動き
等をＸ−Ｙ軸方向で測定することができ、この場合もＹ
軸方向のＡ相及びＢ相信号を位相変調して信号処理を施
して内挿パルス信号を形成し、伝送線路１１４ＹＡ、１
１４ＹＢを介して表示装置１２０に転送することで、工
作物の動きを平面的に測定することができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
測定装置を工作機械等にセットして使用する際は、スケ
ールを含めた測定部と表示装置との間に、少なくとも一
対の導線を撚線構造とした２本の伝送線路（４本の導
線）を配設する必要があり、そのために少なくとも２個
のＡ相及びＢ相出力アンプを設ける必要がある。したが
って、このＡ相及びＢ相信号のパルス信号の伝送を行う
ためのケーブル線の配線が作業環境で邪魔になったり、
消費電力の増加を生じという問題があった。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記したような
問題点を解決するために、被測定物の移動方向とその移
動距離を互いに９０度の位相差を有するＡ相パルス信号
とＢ相パルス信号との位相情報と、パルス数によって検
出する計測装置において、Ａ相又はＢ相パルス信号の周
期と同一のパルス列信号を発生すると共に、このパルス
列信号のパルス波形が、Ａ相パルス信号とＢ相パルス信
号の位相情報に基づいて、パルス幅変調される計測パル
ス変換部を設け、このパルス変換部を介してＡ／Ｂ相デ
ジタル情報を伝送するようしたものである。

【００１３】本発明によれば、従来のエンコーダや、光
学式リニヤスケール等における２相の測定信号が１系統
の伝送線によって表示装置や、工作機械の制御機構等に
供給できるので、測定のための配線が容易になると共
に、測定器の電力を低減することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態として
本発明が適応される計測装置の概要を示したものであ
り、この図において１はガラススケールを照射する光源
ランプ、２はスケールを透過した光を受光するフォトダ
イオード等の受光素子、３は受光した光のモアレ縞から
図１０に示したようなＡ相信号、及びＢ相信号を検出し
て所定のレベルに増幅するアンプである。

【００１５】本実施の形態の場合は、移動量をｘ軸方向
でのみ測定する場合を示しているが、ｙ軸方向の測定を
行うときは同一の装置が配置されることはいうまでもな
い。また、ガラススケールは、例えば４０μｍのピッチ
を有する刻線を刻んだスケールによって構成されてお
り、このスケールによって出現するモアレ縞の動きを示
す正弦波状の信号を位相分割することによって、ピッチ
内を内挿する出力パルスの解像度を１μｍ単位で測定で
きるようにする場合を示している。

【００１６】アンプ３によって増幅されたＡ相及びＢ相
の基準となる方の信号は波形整形回路４に入力され、正
弦波状に変化する信号の零クロスで反転する２値信号に
変換される。そして、この２値信号に変換された信号を
ゲートアレイ回路５において、例えばその立ち上がりエ
ッジを計測することによってスケールの１ピッチの移動
に対して１個のパルス信号が出力するように構成し、こ
のパルス列信号をマイクロコンピュータ（以下、「マイ
コン」という）６によってカウントすることによりスケ
ールの移動に伴って変化する上位のアブソリュート値
（４０μｍ単位）を記憶する。

【００１７】また、アンプ３で所定のレベルに増幅され
たＡ相信号又はＢ相信号は平衡変調器７に入力され、ピ
ッチ間を内挿する信号処理を行うために、前記した数式
に示されているようにＡ相、Ｂ相信号のレベル変化が搬
送波信号の位相変化となるような信号に変換され、その
位相変調された正弦波状の信号を形成するローパスフイ
ルタ８が設けられている。また、ローパスフイルタ８か
ら出力された位相変位をしている正弦波状の信号が、波
形整形回路９において零クロス点で反転する２値信号に
変換されマイコン６に入力されている。

【００１８】そして、上記公開公報に記載されているよ
うに、マイコン６はクロック信号を分周（１／４０）し
た信号から、平衡変調器７に対して搬送波信号ＣＫ
（ａ，ｂ，ｃ）を供給すると共に、位相変調を受けてい
る波形整形回路９の出力信号の位相を、搬送波信号の基
準エッジに基づいて所定のサンプリング周期で計測し、
スケールのモアレ縞の変化から１ピッチ内をさらに分割
した内挿パルス信号を形成すると共に、サンプリング毎
に内挿されたパルス数をスケールの下位のアブソリュー
ト値のデータとして検出する。

【００１９】マイコン６によって検出されたスケールの
移動に伴う相対的な測定値は、次にＡ相パルス信号及び
Ｂ相パルス信号として出力され、このパルス信号が前記
図５に示した表示装置１２０に供給されることによって
スケール移動距離が１μ単位で表示される。また、Ａ相
パルス信号及びＢ相パルス信号は、スケールの動き情報
をそのまま示しているので、工作機械のフイードバック
系の信号としてＮＣマシーン１３０等に供給すると自動
的な切削加工等を行うとができるようになる。基準位置
データ出力部１１は、ＮＣマシーン１３０等のリクエス
トに応じて基準位置データを出力するようになされてい
る。

【００２０】ところで、本発明の場合はこのＡ相パルス
信号およびＢパルス信号を、１系統のＡ／Ｂ相パルス信
号に変換して出力する計測パルス変換部１０を備えるよ
うにしている。図２はこの計測パルス変換部１０の一例
をブロック図としたもので、２１はマイコン６から出力
された内挿パルスデータがプリセットされるカウンタで
ある。２２はカウンタ２１から出力された信号から１系
統のＡ／Ｂ相デジタル信号を出力するためのパルス幅変
調部を示し、カウンタ２１の出力パルスによってランプ
信号を発生する鋸歯状波発生器２３と、カウンタ２１か
ら出力されたスケールの移動方向を示す方向信号ＤＩＲ
の論理値に基づいて第１のスレッシュルドレベルＴｈ
１、および第２のスレッシュルドレベルＴｈ２を出力す
る基準レベル発生器２５と、比較器２４を備えている。

【００２１】カウンタ２１には、前記したマイコン６か
ら、所定のサンプル期間ごとにスケールの１ピッチ内を
内挿するデータがプリセットされ、このデータは本例の
場合は、スケールが移動しているときに、その移動方向
に対応した符号と共に、「０〜３９」として出力され
る。例えば＋２がプリセットされると、図３に示すよう
に、まず最初に１個の内挿パルスＰｃが出力され、この
パルスＰｃによって鋸歯状波発生器２３からランプ信号
Ｓが出力される。また、スケールの移動方向を示すＤｉ
ｒ信号がプラスであれば、高レベルの第１のスレッショ
ルド信号Ｔｈ１が基準レベル発生器２５から比較器２４
に供給され、ランプ信号Ｓと、この第１のスレッショル
ド信号Ｔｈ１のレベルが比較されることによって、スケ
ールが＋方向に移動していることを示すパルス幅の狭い
Ａ相のパルス信号Ｐ（＋）が出力される。

【００２２】そして、このパルス信号Ｐ（＋）が図２の
スイッチ回路２６を介してカウンタ２１の減算端子に供
給されることによって、カウンタ２１のカウント値が＋
１となり、カウンタ２１のクロックに同期して、前回と
同様なパルス信号Ｐｃが次のタイミングで出力される。
この２回目のパルス信号Ｐｃも同様なパルス変調を受け
ることによって２個目のＡ相パルス信号Ｐ（＋）を発生
するが、このようにしてカウンタ２１にデータ＋２がプ
リセットされると、２個のＡ相パルス信号Ｐ（＋）が出
力され、カウンタ２１の計数値が零になることによって
カウンタから出力されるパルスＰｃが途絶える。

【００２３】カウンタ２１に入力されたデータが−２の
場合は、このデータがクロック毎に読み出されてランプ
信号Ｓを出力すると共に、方向信号Ｄｉｒがハイレベル
となることによって第２のスレッシュルド信号Ｔｈ２が
比較器２４に供給される。そのため、スケールが逆方向
に移動していることを示すマイナスデータが入力される
と、比較器２５からは幅が広くなったＢ相のパルス信号
Ｐ（−）が出力される。また、この信号はスイッチ回路
２６を介してカウンタ２１を加算する方向に帰還されて
いるので、カウントデータは−１となる。このようにし
て、このカウンタ２１が零になるまでに２個のパルス幅
が広くなったＢ相パルス信号Ｐ（−）が出力される。

【００２４】本実施の形態の計測装置の場合は、上記し
たようにスケールのピッチを内挿する内挿データからＡ
相パルス信号及びＢ相パルス信号を出力するときに、パ
ルス幅変換回路を介して１系統のＡ／Ｂ相パルス信号列
Ｐｍとして出力するようにしているので、この信号で制
御されるＮＣマシーンや、表示装置への伝送線路数を低
減することができると共に、Ａ／Ｂ相パルス信号列Ｐｍ
を出力する低インピーダンスのアンプの数も半減し、電
力消費を低減することができる。

【００２５】なお、本実施の形態では、Ａ／Ｂ相パルス
信号が光学式スケールの計測装置から得られる場合につ
いて述べたが、通常のＦＧ（周波数発生器）によって回
転数を検出する場合や、ロータリエンコーダによってＡ
相及びＢ相パルス信号を発生し、伝送線路を介して遠距
離に送信するような場合でも適応することができる。

【００２６】なお、本発明の計測装置から出力された１
系統のＡ／Ｂ相パルス信号を、表示装置により表示する
場合と、このＡ／Ｂ相パルス信号を通常の位相差を有す
る２系統のＡ相パルス信号及びＢ相パルス信号に変換す
る回路例を図４に示す。この図において３１は上記１系
統のＡ／Ｂ相パルス列信号Ｐｍをカウントとしている計
数器、３２は計数器３１の出力データを表示用のセグメ
ント駆動信号に変換するデコーダ、３３は測定値を表示
する蛍光表示部、又はＬＥＤによる表示部である。

【００２７】また、３４は入力されたＡ／Ｂ相パルス信
号列Ｐｍのパルス幅を検出するＰＷＭ検出器を示し、例
えば各パルス毎にそのパルス幅の期間にランプ信号を発
生し、そのピーク点を各パルス毎に保持するパルス幅検
出器３４ａと、このパルス幅検出器３４ａの検出値と基
準レベルＥｃを比較する比較器３４ｂによって構成され
る。そして、パルス幅検出器３４ａの出力が基準レベル
Ｅｃを超えていない場合はＬレベル、越えているときは
Ｈレベルの信号を上記計数器３１に供給してスケールの
移動方向に応じてそのカウント値が減算又は加算される
ようにしている。

【００２８】また、上記ＰＷＭ検出器３４の出力をＡ／
Ｂ相パルス発生器３５に供給することによって、図６で
示したようにスケールの移動方向によってＡ相信号がＢ
相信号より遅れたり、進んだりする２系統のＡ相パルス
信号と、Ｂ相パルス信号を形成することもできる。

【００２９】

【発明の効果】本発明は以上説明したように、測定結果
がＡ相のパルス信号とＢ相のパルス信号で検出されるよ
うな計測装置において、計測パルス変換部を設けること
によって、１系統のＡ／Ｂ相パルス信号として出力でき
るようにしているので、計測装置を利用して計測値を表
示する機器や、計測値を受け入れる側の機器に対するデ
ータの伝送が一つの伝送線路によって構成することがで
き、測定環境を改善すると共に、データの送出電力を半
減することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態とされる計測装置の概要を
示したブロック図である。

【図２】本実施の形態の計測パルス変換部の一例を示す
ブロック図である。

【図３】パルス変換処理の説明波形図である。

【図４】パルス幅変調されたＡ／Ｂ相パルス信号により
表示を行うブロック、及びＡ／Ｂ相パルス信号をＡ相、
Ｂ相信号に変換するブロックの一例を示した図である。

【図５】リニヤスケールを使用した測定装置の概要を示
す模式図である。

【図６】Ａ相パルス信号とＢ相パルス信号の波形図であ
る。

【図７】光学式リニヤスケールの説明図である。

【図８】モアレ縞のパターンを示した図である。

【図９】モアレ縞から２相の出力信号を得る光電変換素
子の配置図である。

【図１０】光学変換素子から出力された２相信号の波形
図である。

【符号の説明】

１０ 計測パルス変換部、１１０ （ｘ、ｙ）リニヤス
ケール、１２０ 表示装置、１３０ ＮＣマシーン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F069 AA06 BB01 DD04 GG06 GG07 GG15 GG39 GG52 GG56 GG58 JJ02 MM04 MM34 NN01 NN02 NN08 PP02 QQ05 2F077 AA36 CC09 NN30 PP19 QQ03 QQ11 TT31 TT52 TT71 WW08 2F103 BA13 CA02 CA05 DA02 DA12 EA02 EA15 EA20 EB05 EB12 EB34 ED21 ED27 FA01 FA06 FA12

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物の移動方向とその移動距離を９
   ０度の位相差を有するＡ相パルス信号とＢ相パルス信号
   との位相情報と、パルス数によって検出する計測装置に
   おいて、 前記Ａ相パルス信号又はＢ相パルス信号の周期と同一の
   パルス列信号を発生すると共に、該パルス列信号のパル
   ス波形が、前記Ａ相パルス信号とＢ相パルス信号との位
   相情報に基づいてパルス幅変調される計測パルス変換部
   を備えていることを特徴とする計測装置。
2. 【請求項２】 当該計測装置は、光学的なリニヤスケー
   ルと、該リニヤスケールから出力されたＡ相及びＢ相信
   号を演算してスケールの測定単位を内挿するパルス信号
   を形成する信号処理部から構成されていることを特徴と
   する請求項１に記載の計測装置。
3. 【請求項３】 前記計測パルス変換部から出力された単
   一のパルス列信号は、１系統の伝送線路を介して表示装
   置に供給されるように構成したことを特徴とする請求項
   １に記載の計測装置。