JP2002081963A - リニヤスケールにおける計測信号生成回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リニヤスケールの測定用信号のＳ／Ｎ比を向
上させる。 【解決手段】フォトディテクタＰｄ１〜Ｐｄ４から出力
されたＡ相信号、−Ａ相信号、Ｂ相信号、−Ｂ相信号
は、Ｇａ１はＡ相信号の増幅器、同じくＧａ２は−Ａ相
信号の増幅器、Ｇｂ１はＢ相信号の増幅器、Ｇｂ２は−
Ｂ相信号の増幅器を介して加算器Ｇａ３，およびＧｂ３
に供給され、その出力に直流成分が除去された正弦波状
の測定用Ａ相信号、およびＢ相信号が形成される。加算
器の後段にさらに低域周波数通過させるフイルタ（以
下、ローパスフイルタＬＰＦともいう）Ｇａ４、および
Ｇｂ４が追加される。このローパスフイルタＧａ４，Ｇ
ｂ４はリニヤスケールの最高速度で出力される正弦波状
の信号の周波数に基づいてその遮断周波数が設定され、
その周波数以上の信号が混入されたときはノイズ信号と
して除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二物体間の相対移
動量を測定するリニヤスケールにおける計測信号生成回
路に関わり、特に光電変換手段から出力されるリサージ
ュ信号のＳ／Ｎ比を向上させる際に有用な信号処理回路
に関する。

【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、このための測定装置が種々
製品化されている。そのひとつとして、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
学式スケールが従来から知られている。この光学式スケ
ールは、図５に示すように透明のガラススケール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１０１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ともに、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１０
３の格子を配置している。

【０００３】なお、メインスケール１０１及びインデッ
クススケール１０３に設けた格子は、ガラススケール１
００、１０２にクロムを真空蒸着し、エッチングするこ
とにより形成された同一ピッチの格子により形成されて
いる。このように配置すると、図６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
い部分あるいは明るい部分が発生する。この暗い部分あ
るいは明るい部分は、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、あるいは下から上に移動してい
く。この場合、メインスケール１０１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 と示され、モアレ縞の間隔Ｗは、光学的に格子間隔Ｐを
１／θ倍に拡大した間隔とされていることになる。この
ため、格子が１ピッチＰ移動すると、モアレ縞はＷだけ
変位することになり、Ｗの上下方向の変化を読み取るこ
とにより、ピッチＰ内の移動量を精密に測定することが
できるようになる。

【０００４】例えば、図７に示すようにモアレ縞の変化
を光学的に検出する光電変換素子１１０をインデックス
スケールに設け、メインスケールの反対側に光源を設け
るようにして、メインスケール１０１に対しインデック
ススケール１０３を相対的に移動させながら、この光電
変換素子１１０に流れる電流の変化を読み取る。すなわ
ち、モアレ縞のパターンがＡの状態となっていると、光
電変換素子１１０に照射される光量は最も多くなり、光
電変換素子１１０に流れる電流は最大値Ｉ１ となる。
次に、相対的に移動してＢの状態になると光電変換素子
１１０に照射される光量はやや減少し、その電流はＩ２
となり、更に、移動してＣの状態になると光電変化素
子１１０には最も少ない光量が照射され、その電流も最
も小さいＩ３ となる。そして、更に移動してＤの状態
になると光電変換素子１１０に照射される光量はやや増
加し、その電流はＩ２ となり、Ｅの状態になるまで移
動すると、再び最も光量の多い位置となり、その電流は
最大値Ｉ１ となる。このように、光電変換素子１１０
に流れる電流は正弦波状に変化するとともに、その変化
が１周期経過した時に、格子間隔Ｐだけメインスケール
１０１とインデックススケール１０３とが相対的に移動
したことになる。

【０００５】図７においては、光電変換素子１１０を一
つだけ設けるようにしたが、図８に示すように、一周期
（間隔Ｗ）と９０゜ずらせて２つの光電変換素子１１
１、１１２を設けるようにすると、Ａ相の光電変換素子
１１１に流れる電流に対してＢ相の光電変換素子１１２
に流れる電流は、図９に示すように９０゜偏移した電流
となる。すなわち、Ａ相の光電変換素子１１１に流れる
電流をサイン波とすると、Ｂ相の光電変換素子１１２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相の光電変換素子１１１に流れる電
流に対するＢ相の光電変換素子１１２に流れる電流の位
相は９０゜進相あるいは９０゜遅相となるため、９０゜
ずらせて配置した２つの光電変換素子を設けると、両者
の間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。なお、実際は光電変換素子を所定
の位置に追加配置して、Ａ相信号及びＢ相信号を１８０
°反転した−Ａ相信号及び−Ｂ相信号も同時に出力する
ように構成し、検出信号に含まれる直流成分を除去する
と共に、信号の信頼性及び高速追従性の確保のためであ
る。

【０００６】図４（ａ）はＡ相信号、Ｂ相信号を形成す
る装置において、インデックススケールの所定の位置に
４個のフォトディテクタを設けることによって得られた
上記Ａ相信号と反転された−Ａ相信号、およびＢ相信号
と反転したＢ相信号を示している。また、図４（ｂ）
は、上記２つのＡ相信号波形から、合成されたＡ相信号
を形成する回路を示したもので、ＡＰ、−ＡＰはスケー
ルの刻線間を透過した光によって形成されたモアレ縞を
検出して電気信号に変換するフォトディテクタである。
各フォトディテクタから出力された逆位相の正弦波状の
電流は一方の信号が反転増幅器Ａ１を介して位相が反転
され、演算増幅器ＯＰを使用した加算回路ＡＤＤで合成
される。Ｂ相信号を合成する場合も同様な回路で構成さ
れる。この回路構成は１つの演算増幅器ＯＰで直流信号
を除去した計測信号が合成できるため、コストダウンを
図ることができるが、合成前のオフセットを調整が困難
であり、Ａ相（Ｂ相）信号と、−Ａ相（−Ｂ相）信号の
バランスが悪いという問題が生じる

【０００７】そこで、同図（ｃ）に示されているように
フォトディテクタＡＰ、およびフォトディテクタ−ＡＰ
から出力された信号をそれぞれ単独に所定の電圧レベル
となるように電流電圧変換器Ａ１．Ａ２を介して増幅
し、その出力同志を差動増幅器ＯＰ１によって数値的に
加算しＡ相信号を得るようにする。この場合は、Ａ相信
号と−Ａ相信号のバランスがとれているのでスケールが
高速で移動したときでも合成された計測用のＡ相信号の
信号波形に歪みが発生しないという特徴が生じる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このように
構成された光学式スケールは、ＮＣ工作機械に取りつけ
られて被加工物と工具との相対的移動量を測定している
が、一般にスケールを取り付け、信号を検出するフォト
ディテクタは工作機械側にあるのに対して、検出された
正弦波状のリサージュ信号の信号処理を行い、実際の計
測信号を表示するような信号処理部は信号伝送ケーブル
に接続されて異なる位置に配置される。

【０００９】また、リニヤスケールは一般に工作機械等
が配置されているところで使用されるため、工場内のノ
イズを拾いやすく、検出された信号波形にノイズ成分が
混入すると言う問題が生じる。スケールの移動に対して
このようなノイズ成分が混入している信号を処理して、
高精度の位相分割された測定値を演算すると、表示部分
の数値が間違った数値を示し、スケールが相対的な測長
値を出力する場合は、その誤差値が容易に修復されない
という問題があった。

【００１０】特に４組のＡ相信号、−Ａ相信号、Ｂ相信
号、−Ｂ相信号を検出するフォトディテクタは、所定の
間隔を置いて支持部材に取り付けられているが、スケー
ルが高速で移動するときや、工作機械に負荷がかかった
ときなどは、この支持部材が固有振動周波数に共振し、
高い振動周波数が各相の信号位相に関係なく生じこれが
ノイズとして信号処理回路に混入すると異相のノイズに
なり、同相ノイズに対して効果のある差動増幅型の信号
生成回路でも取りきれないという問題があった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のリニヤスケール
の計測信号生成回路はかかる問題点を解消することを目
的としてなされたもので、 移動方向に対して等間隔な
目盛を設けたスケールと、前記スケールの相対的な移動
量を正弦波状のＡ相信号、該Ａ相信号を反転した−Ａ相
信号、前記Ａ相信号に対して９０度移相されているＢ相
信号、該Ｂ相信号を反転した−Ｂ相信号からなる４組の
計測信号として検出する検出手段と、前記４組の計測信
号をそれぞれ所定のレベルに増幅する増幅回路と、前記
各増幅回路から出力された逆相成分同志を加算して出力
する差動増幅器を備え、前記差動増幅器の後段に高周波
ノイズ成分を除去する低域通過フイルタ回路を設けるよ
うにしたものである。

【００１２】上記低域通過フイルタ回路は通常の受動型
のフイルタ、またはアクティブフイルタによって構成さ
れ、その遮断周波数はスケールの移動速度によって変化
するように構成することが好ましい。遮断周波数を変化
させるための低域通過フイルタ回路は、時定数回路にス
イッチドキャパシタを使用し、該スイッチドキャパシタ
がスケールの移動速度に対応したクロック信号によって
駆動されるように構成するようにすることもできる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明のリニヤスケールにおける
計測信号生成回路の実施の態様を以下の図面に従い説明
する。

【００１４】図１は、本発明の測定用信号生成装置の主
要部を示したもので、フォトディテクタＰｄ１〜Ｐｄ４
から出力されたＡ相信号、−Ａ相信号、Ｂ相信号、−Ｂ
相信号を合成して計測用のＡ相信号、及びＢ相信号を形
成する回路構成を示している。 この図において、Ｇａ
１はＡ相信号の増幅器、同じくＧａ２は−Ａ相信号の増
幅器、Ｇｂ１はＢ相信号の増幅器、Ｇｂ２は−Ｂ相信号
の増幅器である。これらの増幅器は抵抗Ｒ１、コンデン
サＣ１を帰還回路として付けており、良く知られている
ように、高利得の増幅器を構成する際に安定化を図って
いる。なお、逆相信号で出力される−Ａ相信号、及び−
Ｂ相信号の増幅器に対しては抵抗Ｒの１部を可変抵抗Δ
Ｒとして、後段の加算回路Ｇａ３またはＧｂ３で合成さ
れる際の信号の振幅がほぼ一致するように調整される。

【００１５】また、これらの増幅器にはそれぞれオフセ
ット電圧が正相入力端子から供給され直流成分が同一の
レベルとなるようにしている。このようにして各増幅器
の逆相成分同志が抵抗Ｒ２を介して加算器Ｇａ３，およ
びＧｂ３に供給され、その出力に直流成分が除去された
正弦波状の測定用Ａ相信号、およびＢ相信号が形成され
る。各加算器Ｇａ３、Ｇｂ３にも位相状態を安定化する
ためにインピーダンスＺ１とされた帰還回路が設けられ
ており、高域周波数の位相廻りに基づく不安定要素を低
減するようにしている。

【００１６】本発明の検出回路にはこの加算器の後段に
さらに低域周波数通過させるフイルタ（以下、ローパス
フイルタＬＰＦともいう）Ｇａ４、およびＧｂ４が追加
される。このローパスフイルタＧａ４，Ｇｂ４はリニヤ
スケールの最高速度で出力される正弦波状に信号の周波
数に基づいてその遮断周波数が設定され、その周波数以
上の信号が混入されたときはノイズ信号として除去する
ように構成している。

【００１７】検出された信号の最高周波数はスケールに
刻設されている刻線のピッチＰと、スケールの最高の動
き速度によって決定され、例えば、刻線ピッチが２０μ
ｍスケールが動きが毎秒１ｍの場合はほぼ５０ＫＨｚに
達する。

【００１８】したがって、上記ローパスフイルタＧａ
４、Ｇｂ４の遮断周波数は、この周波数以上の信号を減
衰する特性を有する回路によって構成されることにな
る。ローパスフイルタの回路構成として図２の（ａ）に
示すように電圧ホロワァ回路とされているＯＰアンプＯ
Ｐの入力端子に抵抗Ｒ、及びコンデンサＣからなる積分
回路を設ける１次ローパスフイルタが最も簡明である。

【００１９】この場合の減衰特性は６ｄＢ／ｏｃｔの特
性となり、−３ｄＤ減衰する遮断周波数は１／２πＣＲ
に設定される。したがって、増幅器がＧａ１加算器Ｇａ
３の高域減衰特性と合わせると３次のＬＰＦ特性とな
る。

【００２０】図２（ｂ）に示すようにＯＰアンプＯＰの
出力をコンデンサを介して入力側に帰還させるアクティ
ブフイルタは２次のパターワースロー型のパスフイルタ
と知られており、その減衰特性は１２ｄＢ／ｏｃｔとな
る。遮断周波数は１／２×（２πＲＣ）^1/2 で設定され
る。このタイプのフィルタは振幅特性が平坦であり通過
帯域内でリップルが生じないが、位相廻りが比較的大き
いという欠点がある。

【００２１】なお、信号の位相遅れが比較的一定で波形
の再現性がよいタイプのフイルタとしてはベッセルタイ
プのローパスフイルタがあり、このベッセルタイプのロ
ーパスフイルタを使用することができる。

【００２２】図３（ａ）は３個のオペアンプＡ１、Ａ
２，Ａ３を使用したステートバリアブル型のフイルタで
ある。このフイルタは各オペアンプの出力から種種の特
性信号が出力されるがＯＰアンプＡ３の出力Ｙ（ＬＰ
Ｆ）を使用すると低域通過フイルタ特性となる。 すなわち、遮断周波数ωｃは ωｃ＝（R2/R3R6Rr7C1C
2）^1/2 総合利得はＧは Ｇ＝R3/R1となる。このように遮断
周波数は各インピーダンス素子の値によって設定される
が、抵抗R6，及びR7を同一の割合で可変すると、遮断周
波数のみ独立して可変することができるという利点があ
る。

【００２３】そこで、上記抵抗Ｒ６．およびＲ７として
スイッチドキャパシタを使用し、このスイッチドキャパ
シタが呈する抵抗をクロック周波数によって制御する
と、リニヤスケールの動き速度に応じて遮断周波数が変
化し、効率的にノイズ成分を除去することができるよう
になる。

【００２４】スイッチドキャパシタは図３（ｂ）に示す
ようにコンデンサＣとスイッチＳにより形成され、スイ
ッチＳの接点ｘ１，ｘ２間をクロック周波数ｆによって
交互に切り換えると。等価抵抗となる抵抗値ＲｓはＲｓ
＝ｆ・１／Ｃになる。したがって、スケールの移動時の
速度、または、測長される正弦波状の信号の周期に対応
して、上記スイッチを駆動するクロック信号を形成し、
上記スイッチドキャパシタを駆動するようにすると、ス
ケールの高速移動時には遮断周波数が高くなり、低速移
動時には遮断周波数が低くなるようなＬＰＦ特性を作る
ことができ、低速の移動時にも有効なノイズ除去効果が
得られる。

【００２５】

【発明の効果】本発明は、以上に説明したように、フォ
トディテクタ、または計測信号生成回路に混入したノイ
ズを除去するためのローパスフイルタが、合成されたＡ
相信号生成回路の後段、及びＢ相信号生成回路の後段に
付加されているので、合成時には同相のノイズは元より
異相のノイズ成分も効果的に除去することができ、リニ
ヤスケールの測長誤差を低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】本発明の計測信号生成回路のブロック図を示
す。

【図２】各種のローパスフイルタの回路図である。

【図３】ステートバリアブルタイプにＬＰＦの回路図を
示す。

【図４】測定用信号生成回路の原理図である。

【図５】光学式スケールの原理図である。

【図６】モアレ縞を示す図である。

【図７】モアレ縞の移動を示す図である。

【図８】光電変換素子を設置する位置を示す図である。

【図９】Ａ相信号とＢ相信号の波形図である。

【符号の説明】

Ｐｄ（１〜４） フォトディテクタ Ｇａ１、Ｇａ２ Ａ相信号の増幅器 Ｇｂ１、Ｇｂ２ Ｂ相信号の増幅器 Ｇａ３，Ｇｂ３ 加算器 Ｇａ４、Ｇｂ４ ローパスフイルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F077 AA21 NN27 QQ03 TT06 UU22 2F103 BA10 BA31 BA42 CA02 DA02 DA12 EA19 EB01 EB12 ED01 ED39 FA11

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動方向に対して等間隔な目盛を設けた
   スケールと、 前記スケールの相対的な移動量を正弦波状のＡ相信号、
   該Ａ相信号を反転した−Ａ相信号、前記Ａ相信号に対し
   て９０度移相されているＢ相信号、該Ｂ相信号を反転し
   た−Ｂ相信号からなる４組の計測信号として検出する検
   出手段と、 前記４組の計測信号をそれぞれ所定のレベルに増幅する
   増幅回路と、 前記各増幅回路から出力された逆相成分同志を加算して
   出力する差動増幅器を備え、 前記差動増幅器の後段に高周波ノイズ成分を除去する低
   域通過フイルタ回路が設けられていることを特徴とする
   リニヤスケールにおける計測信号生成回路。
2. 【請求項２】 上記低域通過フイルタ回路はアクティブ
   フイルタによって構成されていることを特徴とする請求
   項１に記載のリニヤスケールにおける計測信号生成回
   路。
3. 【請求項３】 上記低域通過フイルタ回路はその遮断周
   波数がスケールの移動速度によって変化するように構成
   したことを特徴とする請求項１に記載のリニヤスケール
   における計測信号生成回路。
4. 【請求項４】 上記低域通過フイルタ回路は時定数回路
   にスイッチドキャパシタを使用し、該スイッチドキャパ
   シタがスケールの移動速度に対応したクロック信号によ
   って駆動されるように構成したことを特徴とする請求項
   ３に記載のリニヤスケールにおける計測信号生成回路。