JP2003083772A - 光学スケールを用いた寸法測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学スケールを用いた寸法測定装置におい
て、光学系の構造と調整を簡素化すること。 【解決手段】 １個の移動格子と２個の固定格子から成
る光学スケーから位相がπ／２シフトした２相信号を作
成する構成において、移動格子、あるいは固定格子を液
晶素子で作成し、液晶駆動電圧を変化させることで格子
の光強度分布を反転させる。触針が移動中は位相がπ／
２シフトした基準２相信号を出力し、カウンター動作を
行って格子１ピッチ長の整数倍の移動距離を検出する。
触針が停止中は基準２相信号と共に、基準２相信号とは
位相が反転した参照２相信号を出力し、４相信号の相互
の強度の関係から信号の位相を検出して格子１ピッチ長
以下の移動距離を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リニアー格子を用
いた寸法測定装置における格子の構造と信号の作成手段
に関し、液晶素子で格子を形成して所定の信号を作成す
る構成である。

【０００２】

【従来の技術】精密部材などの生産ラインでは、被加工
物の寸法や形状などを、インラインでミクロンメートル
オーダの精度で測定するニーズが強い。そのための簡易
的な寸法測定器として、白黒２値の光強度分布を有する
矩形パターンが一定のピッチで周期的に形成されたリニ
アー格子から成る光学スケールを触針に取り付けて移動
させ、移動に伴って変化する光強度信号を検出、信号処
理して、触針の移動距離から寸法を測定する構成のもの
が多く用いられている。

【０００３】図５（ａ）に光学スケールを用いた従来の
寸法測定装置の構成ブロック図、図５（ｂ）に４相信号
の波形例を示して測定動作を説明する。白色ランプや発
光ダイオードなどの光源５０から放射された発散光をコ
リメートレンズ５１で平行光に変換して、移動格子５２
と固定格子５３から構成される光学スケールを照明す
る。移動格子５２を構成する各格子は、白黒二値の光透
過分布を持つ対称な矩形パタンをなし、格子１ピッチ長
がａである。通常の格子１ピッチ長は１０〜２０μｍ程
度で、１ピッチ長ａが寸法測定の基準目盛りとなる。移
動格子５２は触針（図示せず）に取り付けられ、触針の
移動に伴って矢印で示すＡ方向、Ｂ方向に移動する。

【０００４】固定格子５３は移動格子５２の後方の特定
の位置に固定して設置され、同じ格子形状の４個の格子
グループから構成される。各格子グループの格子は移動
格子５２の格子パタンと等しい対称な矩形状の白黒のパ
タンからなり、格子１ピッチ長がａである。４個の格子
グループは互いの格子位置をａ／４ずつシフトして設置
し、固定格子５３の後方に受光器５４を設置する。受光
器５４も固定格子５３に対応して４個の受光素子からな
り、移動格子５２と固定格子５３の各々を透過した光強
度を各受光素子で個別に検出し、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ
相の４相信号を同時に出力する。

【０００５】以上の構成の光学系で出力された４相信号
の波形例を図５（ｂ）に示す。４相信号の各々は正弦波
信号で、固定格子５３の各格子グループの格子位置が互
いに１／４ピッチずつシフトしているため、４相信号の
位相もπ／２ずつシフトしている。波形５４０、５４
２、５４４、及び５４６がＡ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相信号
で、移動格子５２の格子１ピッチの移動で正弦波が１周
期変化する。１周期の期間Ｐが格子１ピッチ長ａに対応
する。以上のように従来の光学系は４個の固定格子を用
いて、位相がπ／２ずつ異なる４相信号を同時に出力し
ている。

【０００６】位相がπ／２ずつシフトした４相信号のう
ち、特定の位相関係にある２相信号をカウンタ部５５で
信号処理すると共に、停止位置での４相信号の強度情報
を位相検出部５６で演算処理する。寸法算出部５７は、
カウンタ部５５と位相検出部５６で検出した寸法データ
の和を演算して寸法を算出する。

【０００７】カウンタ部５５は、移動格子５２の移動方
向を検出して格子の整数の移動個数をカウントし、格子
１ピッチの整数倍の移動距離を検出する。例えば、位相
差がπ／２のＡ相、Ｂ相信号の２相信号間の位相の進み
遅れの関係を検出して移動格子５２の移動方向を判定す
る。図５（ｂ）はＢ相信号の位相が進んでいる例で、例
えば移動格子５２が矢印のＡ方向に移動していると判定
する。このとき、Ａ相信号が中間強度になる基準位置５
８２、５８４などをカウンタ動作のトリガ点にして、移
動格子５２の移動個数をアップ／ダウン型カウンタで計
数する。

【０００８】寸法測定では格子１ピッチ以下の移動距離
（端数ピッチ距離）の検出が重要である。図５（ｂ）の
波形で、位置５８０で触針が移動を開始し、位置５８６
で移動を停止すれば、停止位置５８０とＡ相信号の基準
位置５８２までの距離Ｌ１と基準位置５８４と停止位置
５８６までの距離Ｌ２が端数ピッチ距離である。この端
数ピッチ距離は、停止位置５８０及び５８６での信号の
位相を位相検出部５６で算出することによって検出す
る。

【０００９】端数ピッチ距離の検出法を触針の移動開始
位置で説明する。図５（ｂ）での移動開始位置５８０で
のＡ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相信号の強度をＶａ、Ｖｂ、Ｖ
ｃ、Ｖｄとする。４個の強度のａｒｃｔａｎ｛（Ｖａ−
Ｖｃ）／（Ｖｄ−Ｖｂ）｝の演算を行って停止位置の正
弦波信号の位相を算出する。検出された正弦波の位相を
φ（０≦φ≦２π）とすれば、停止位置５８０は１周期
Ｐ内でＰφ／（２π）の位置で、端数ピッチ距離Ｌ１＝
Ｐ｛（１−φ／２π）｝である。したがって、従来の寸
法測定装置では位相がπ／２ずつシフトした４相正弦波
信号の強度から正弦波の位相を検出し、その位相から端
数ピッチ距離を検出している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の寸法測定装置
は、４相信号を出力するために４個の固定格子と４個の
受光器を設置し、同時に４相信号を常時出力する構成で
ある。位相が１／４ピッチずつシフトした４個の固定格
子および受光器が照射光の中心に対して均等で対称な位
置に設置せねばならず、光源に対する設置位置の調整が
複雑になるという問題がある。また、４相信号の相互の
強度（振幅とオフセットレベル）が一致している必要が
ある。そのために格子位置設定の調整と共に、４個の受
光器のアンプ系のゲインなどの調整が複雑になるという
問題点もある。

【００１１】信号処理の面から見ると、移動格子が停止
している位置では位相がπ／２ずつ異なる４相信号の相
互の強度間の三角関数演算から停止位置の位相を検出す
る。しかし、移動格子が移動中は位相がπ／２異なる２
相信号だけを用いてカウンタ動作を行っている。このよ
うに、４相信号が必要になるのは停止位置の位相検出だ
けであり、常時４相信号を出力するのは冗長なシステム
と言える。従来の格子は強度分布が固定されているた
め、２個の固定格子からは２相信号の位相が反転した信
号を出力できない。そのために最初から４相信号を出力
する構成としていることで、上記の課題が生じる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の光学スケールを用いた寸法測定装置は、
触針と共に移動する移動格子と一定位置に固定された２
個の固定格子からなる光学スケールと、光学スケールを
照明する光源と、２個の受光器から構成される光学系
と、受光器から出力される信号を信号処理して触針の移
動距離から寸法を測定する信号処理系とを備えた光学ス
ケールを用いた寸法測定装置において、移動格子または
固定格子を構成する格子を光強度分布が可変できる素子
から構成し、格子が基準強度分布のときに互いの位相が
π／２異なる基準２相信号を発し、基準強度分布が反転
した光強度分布のときは基準２相信号の位相が反転した
参照２相信号を発する構成にし、触針が停止していると
きは基準２相信号と参照２相信号を出力し、触針が移動
中は基準２相信号だけを出力し、基準２相信号と参照２
相信号を信号処理して寸法を測定するように構成され
る。

【００１３】また、本発明の光学スケールを用いた寸法
測定装置は、上述の構成に加えて、移動格子が移動中は
基準２相信号でカウンタ動作を行って格子の整数個の移
動個数を検出して格子１ピッチ長の整数倍に移動距離を
検出し、移動格子が停止しているときは基準２相信号と
参照２相信号の４個の強度値から停止位置での信号の位
相を検出して格子１ピッチ長以下の移動距離を検出する
こともできる。

【００１４】さらに、移動格子または固定格子は液晶素
子から構成し、液晶素子を駆動する電圧を変化させて格
子の光強度分布を変化させるように構成することもでき
る。

【００１５】また、液晶素子は２値の電圧からなる信号
で駆動し、基準２相信号を発生させるときに液晶素子を
駆動する電圧信号に対して、参照２相信号を発生すると
きは、液晶駆動電圧の電位レベルが反転した電圧を印加
するように構成することもできる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明による寸法測定装置の光学
スケールは、１個の移動格子と２個の固定格子から構成
し、２個の固定格子に対応して配置された２個の受光器
から同時に２相信号を出力する構成である。このとき、
移動格子、あるいは固定格子は光強度分布が可変できる
素子で構成し、触針の移動中と停止中とで光強度分布を
変化させる。触針が移動中は格子の光強度分布を基準分
布に設定して位相がπ／２シフトしたＡ相、Ｂ相の基準
２相信号だけを出力する。触針が停止中は、移動中での
格子の光強度分布を反転させ、Ａ相、Ｂ相信号とは位相
がπシフト（反転）したＣ相、Ｄ相の参照２相信号を基
準２相信号と共に異なるタイミングで出力する。すなわ
ち、２相信号を出力する構成の光学スケールから、基準
２相信号と参照２相信号を個別に出力する。

【００１７】触針が停止しているときは、位相がπ／２
ずつ異なるＡ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相の４相信号の強度の
三角関数演算から停止位置の位相を算出し、格子１ピッ
チ長以下の移動距離を検出する。触針が移動していると
きは位相がπ／２異なる通常のＡ相、Ｂ相信号のカウン
タ動作を行って格子１ピッチ長の整数倍の移動距離を検
出する。

【００１８】格子の光強度分布を変化させるために移動
格子、あるいは固定格子を液晶素子で構成し、２値の電
圧レベルの信号で駆動する。このとき、液晶素子の駆動
電圧を変化させて格子の光強度分布を反転させる。例え
ば２個の固定格子を液晶素子で構成するとき、各々の固
定格子はピッチが１／４シフトした状態で作成してお
き、位相がπ／２異なるＡ相、Ｂ相の基準信号を出力す
る。Ｃ相、Ｄ相の参照信号を出力するときは、液晶駆動
電圧を反転して格子の光強度分布を反転させる。移動格
子を液晶素子で構成するときも同様で、駆動信号の電圧
レベルを反転させることで光強度分布を反転させ、位相
が反転した参照信号を作成する。

【００１９】以下に図面を用いて本発明の実施の形態を
詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の寸法測定装置の
実施例を示す構成ブロック図、図１（ｂ）は本発明で得
られる信号の波形例を示す図である。図１（ａ）におい
て、光源１０から放射された発散光をコリメートレンズ
１１で平行光に変換して移動格子１２と２個の固定格子
１３Ａ、１３Ｂから成る光学スケールを照射する。光学
スケールを構成する各格子は光を透過しない黒パタンと
光を透過する白パタンの幅と形状が等しい矩形パタン
で、格子の１ピッチ長がａである。また、固定格子１３
Ａと１３Ｂの格子位置は１／４ピッチだけシフトする。

【００２０】この光学スケールにおいて、移動格子１
２、あるいは固定格子１３Ａ、１３Ｂの光強度分布が可
変できる素子、例えば液晶素子で格子を構成する。図は
移動格子１２を液晶素子から構成する例である。固定格
子１３Ａ、１３Ｂの後方には２個の受光器１４Ａ、１４
Ｂを配置する。本構成では２個の受光器を用いるため、
同時に２相信号だけを出力する構成である。固定格子１
３Ａと１３Ｂの格子位置が１／４ピッチだけシフトして
いるため、得られる２相信号の位相はπ／２だけシフト
した信号で、Ａ相、Ｂ相信号と称する。

【００２１】移動格子１２を液晶素子で構成するとき、
液晶駆動部１５から発せられる液晶駆動信号で格子の光
強度分布を変化させる。移動格子１２の光強度分布が基
準強度分布のときにＡ相、Ｂ相信号となる基準２相信号
を出力する構成のとき、液晶駆動部１５の駆動信号を変
化させて基準強度分布が反転した光強度分布に設定す
る。このとき基準２相信号の位相が反転したＣ相、Ｄ相
なる参照２相信号を出力する。Ｃ相、Ｄ相信号の互いの
位相はπ／２シフトしている。このようにして、移動格
子１２の光強度分布を可変とすることで、異なるタイミ
ングで基準２相信号と参照２相信号の２組の２相信号を
出力する。

【００２２】触針が移動中は、基準２相信号だけを出力
する。このとき、カウンタ部１６では位相がπ／２シフ
トしたＡ相、Ｂ相信号で格子の整数個の移動個数をカウ
ントし、格子１ピッチ長ａの整数倍の移動距離を検出す
る。このカウント動作は図５（ａ）に示した従来のカウ
ント動作と同じである。

【００２３】触針が移動開始前と移動後に停止した状態
のときは、基準２相信号と共に参照２相信号を作成し、
位相検出部１７で４個の信号の停止位置の強度から停止
位置の位相をａｒｃｔａｎ演算で算出して端数ピッチ距
離を検出する。この動作も従来の端数ピッチ距離の検出
法と同じである。寸法算出部１８はカウンタ部１６と位
相検出部１７で検出された寸法データの和から寸法を算
出する。

【００２４】図１（ｂ）に基準２相信号と参照２相信号
の例を示す。位置１００で触針が移動を開始し、位置１
１０で移動を停止したとする。移動中は位相がπ／２シ
フトしたＡ相信号１０２とＢ相信号１０４の基準２相信
号を出力する。停止中は点線で示したＣ相信号１０６と
Ｄ相信号１０８の参照２相信号を出力すると、４個の強
度データが得られる。図１（ｂ）では位相の反転を説明
するために移動中でも４相信号を図示したが、実際には
Ｃ相、Ｄ相信号は存在しない。なお、触針の停止状態は
Ａ相、Ｂ相信号の強度の差分値が０になったときに判定
する。

【００２５】図２は固定格子１３Ａ、１３Ｂの光強度分
布を反転させる例である。このとき移動格子１２の強度
分布は一定に保っておく。固定格子が１３Ａ、１３Ｂに
示す基準強度分布のとき、光強度分布を反転させて１３
ＡＲと１３ＢＲの状態に変化させる。基準強度分布のと
きに波形２０に示した基準２相信号を出力すれば、光強
度分布を反転させることで、波形２２に示す位相が反転
した参照２相信号が得られる。

【００２６】図３は移動格子１２の光強度分布を反転さ
せる実施例である。固定格子１３Ａと１３Ｂの光強度分
布は一定に保ち、移動格子１２の基準強度分布を反転さ
せて１２Ｒの光強度分布に変化させる。基準強度分布の
ときに波形３０に示した基準２相信号を出力すれば、光
強度分布を反転させることで位相が反転した参照２相信
号波形３２が得られる。参照２相信号は基準２相信号と
位相が反転していることを説明するために図２と図３で
は移動中に得られる波形を示したが、実際の参照２相信
号は停止中に検出するために直流の一定強度の信号であ
る。

【００２７】図４に移動格子１２を液晶素子で構成する
場合の電極接続と液晶格子の駆動信号波形例を示す。液
晶格子の一方のパタン部（図では黒パタン）を結ぶ電極
４１と他方のパタン部（図では白パタン）を結ぶ電極４
２は液晶素子の一方のガラス側に形成された信号電極で
ある。その信号電極と対向するガラス側には全面を一つ
の共通電極（図示せず）を形成しておく。すなわち、液
晶素子はスタティック型の電極構成である。液晶格子の
駆動信号は波形４３、４４、４５に示すように２値の電
圧レベルから成る。

【００２８】共通電極に信号４３を印加したとき、電極
４１に信号４４を印加し、電極４２に信号４５を印加す
る。このときは電極４１の各パタンの実効電圧は０にな
って光を透過しない黒パタンになる。電極４２の各パタ
ンの実効電圧はＶとなって光を透過する白パタンにな
る。この駆動状態で得られる光強度分布を基準強度分布
とする。この強度分布を反転させる場合は、電極４１に
は信号４５を印加し、電極４２には信号４４を印加す
る。各パタンの実効電圧は反転し、黒パタンと白パタン
が反転する。このように、格子を液晶素子で形成すれ
ば、簡単な駆動信号で強度分布を反転させることが可能
である。

【００２９】

【発明の効果】本発明の固定格子は２個で、それに対応
して２個の受光器で２相信号を出力する構成である。ま
た、移動格子、あるいは固定格子を液晶素子で構成する
ことにより、格子の光強度分布を電気信号の制御で容易
に可変できる。光強度分布を変えることにより、２相信
号を出力する構成であっても、触針が停止中は実質的に
は４相信号が作成できる。そのため、測定システムの簡
素化と測定の信頼性が向上する。さらに、光学スケール
の構成が簡略化されると共に、格子の設置位置の調整も
簡素化でき、測定器のコストを低減させ、小型化を実現
することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の寸法測定装置の実施形態を示
すブロック図、（ｂ）は得られる信号の波形を示す図で
ある。

【図２】固定格子の光強度分布を反転させる実施例を示
す図である。

【図３】移動格子の光強度分布を反転させる実施例を示
す図である。

【図４】移動格子を液晶素子で構成するときの電極接続
と液晶の駆動信号波形を示す図である。

【図５】（ａ）は従来の寸法測定装置の構成例を示すブ
ロック図、（ｂ）は４相信号の波形を示す図である。

【符号の説明】

１２ 移動格子 １３Ａ、１３Ｂ 固定格子 １４Ａ、１４Ｂ 受光器 １５ 液晶駆動部 １６ カウンタ部 １７ 位相検出部 １８ 寸法算出部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 触針と共に移動する移動格子と一定位置
   に固定された２個の固定格子からなる光学スケールと、
   該光学スケールを照明する光源と、２個の受光器から構
   成される光学系と、前記受光器から出力される信号を信
   号処理して前記触針の移動距離から寸法を測定する信号
   処理系とを備えた光学スケールを用いた寸法測定装置に
   おいて、 前記移動格子または前記固定格子を構成する格子を光強
   度分布が可変できる素子から構成し、前記格子が基準強
   度分布のときに互いの位相がπ／２異なる基準２相信号
   を発し、前記基準強度分布が反転した光強度分布のとき
   は前記基準２相信号の位相が反転した参照２相信号を発
   する構成とし、前記触針が停止しているときは前記基準
   ２相信号と参照２相信号を出力し、前記触針が移動中は
   前記基準２相信号だけを出力し、前記基準２相信号と参
   照２相信号を信号処理して寸法を測定することを特徴と
   する光学スケールを用いた寸法測定装置。
2. 【請求項２】 前記移動格子が移動中は前記基準２相信
   号でカウンタ動作を行って前記格子の整数個の移動個数
   を検出して格子１ピッチ長の整数倍に移動距離を検出
   し、前記移動格子が停止しているときは前記基準２相信
   号と参照２相信号の４個の強度値から停止位置での信号
   の位相を検出して格子１ピッチ長以下の移動距離を検出
   することを特徴とする請求項１に記載の光学スケールを
   用いた寸法測定装置。
3. 【請求項３】 前記移動格子または前記固定格子のうち
   の少なくとも一方は液晶素子から構成し、該液晶素子を
   駆動する電圧を変化させて前記格子の光強度分布を変化
   させることを特徴とする請求項１に記載の光学スケール
   を用いた寸法測定装置。
4. 【請求項４】 前記液晶素子は２値の電圧からなる信号
   で駆動し、前記基準２相信号を発生させるときに前記液
   晶素子を駆動する電圧信号に対して、前記参照２相信号
   を発生するときは、前記液晶駆動電圧の電位レベルが反
   転した電圧を印加することを特徴とする請求項１から請
   求項３のいずれか一に記載の光学スケールを用いた寸法
   測定装置。