JP2575935B2 - 位置検出装置 - Google Patents
位置検出装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、例えば旋盤，フライス盤等の工作機械や半
導体製造装置の位置計測に利用することができる位置検
出装置に関する。
導体製造装置の位置計測に利用することができる位置検
出装置に関する。
（従来の技術） 第３図は従来の位置検出装置である光学式エンコーダ
の一例を示す斜視構造図であり、第１の回折格子（以
下、第１格子という）１に対して図示矢印方向に相対移
動する第２の回折格子（以下、第２格子という）２が第
１格子１の後方に配置され、光電変換素子３が第２格子
２の後方に配置されている。第１格子１及び第２格子２
には、光を透過させる部分（以下、透過部という）及び
透過させない部分（以下、非透過部という）が所定の長
さ（以下、格子ピッチという）で繰返されている格子部
が設けられており、特に第２格子２には所定の位相差を
有する２つの格子部が設けられている。そして、光電変
換素子３にはデータ変換部５が接続されており、光電変
換素子３の出力が位置データに変換されて出力されるよ
うになっている。
の一例を示す斜視構造図であり、第１の回折格子（以
下、第１格子という）１に対して図示矢印方向に相対移
動する第２の回折格子（以下、第２格子という）２が第
１格子１の後方に配置され、光電変換素子３が第２格子
２の後方に配置されている。第１格子１及び第２格子２
には、光を透過させる部分（以下、透過部という）及び
透過させない部分（以下、非透過部という）が所定の長
さ（以下、格子ピッチという）で繰返されている格子部
が設けられており、特に第２格子２には所定の位相差を
有する２つの格子部が設けられている。そして、光電変
換素子３にはデータ変換部５が接続されており、光電変
換素子３の出力が位置データに変換されて出力されるよ
うになっている。
このような構成において、平行光束Ｌを第１格子１に
照射すると、第１格子１及び第２格子２を透過した光が
光電変換素子３に入射する。そして、光電変換素子３は
入射光をその光強度に応じた電気信号に変換する。この
電気信号は、第１格子１と第２格子２との相対変位によ
って第１格子１及び第２格子２を透過する光量が変化す
ることにより得られるものであり、その基本周期が格子
ピッチの変位信号である。また、この変位信号は、本来
第１格子１と第２格子２との重なり具合により発光側か
ら見た見掛け上の透過部の変化に比例した三角波信号と
なるはずであるが、実際には光の回折等により三角波が
鈍って疑似正弦波となっている。変位信号の歪率は第１
格子１と第２格子２との格子間隙が変化すると大きく変
動してしまい、変位信号は第４図のように変化する。な
お、この図では格子間隙を0.04×P2/λ〜0.275×P2/λ
まで変化させている（但し、P:格子定数，λ：光源の波
長）。この歪率の変動は主に変位信号に含まれる基本波
の周期の1/3倍の周期信号や1/5倍の周期信号（以下、３
次高調波成分、５次高調波成分という）によるものであ
る。これら変位信号の基本波成分,3次高調波成分,5次高
調波成分の格子間隙に対する振幅比を第５図に、その部
分拡大図を第６図に示す。これらの各成分は、変位信号
をｆ（ｘ）としたとき次式（１）で近似される。
照射すると、第１格子１及び第２格子２を透過した光が
光電変換素子３に入射する。そして、光電変換素子３は
入射光をその光強度に応じた電気信号に変換する。この
電気信号は、第１格子１と第２格子２との相対変位によ
って第１格子１及び第２格子２を透過する光量が変化す
ることにより得られるものであり、その基本周期が格子
ピッチの変位信号である。また、この変位信号は、本来
第１格子１と第２格子２との重なり具合により発光側か
ら見た見掛け上の透過部の変化に比例した三角波信号と
なるはずであるが、実際には光の回折等により三角波が
鈍って疑似正弦波となっている。変位信号の歪率は第１
格子１と第２格子２との格子間隙が変化すると大きく変
動してしまい、変位信号は第４図のように変化する。な
お、この図では格子間隙を0.04×P2/λ〜0.275×P2/λ
まで変化させている（但し、P:格子定数，λ：光源の波
長）。この歪率の変動は主に変位信号に含まれる基本波
の周期の1/3倍の周期信号や1/5倍の周期信号（以下、３
次高調波成分、５次高調波成分という）によるものであ
る。これら変位信号の基本波成分,3次高調波成分,5次高
調波成分の格子間隙に対する振幅比を第５図に、その部
分拡大図を第６図に示す。これらの各成分は、変位信号
をｆ（ｘ）としたとき次式（１）で近似される。
（但し、x:変位,Z:格子間隙） 尚、偶数次高調波成分及びオフセット成分は光学配置
により一般にキャンセルされ、また７次,9次以上の高調
波成分もほとんど検出精度に影響しないため０とするこ
とができる。そして、光源にLED等の低コヒーレントな
ものを使用すると、格子間隙が増すにつれて変位信号ｆ
（ｘ）の振幅が減衰してしまうが、その基本的な特質は
上式（１）に等しい。
により一般にキャンセルされ、また７次,9次以上の高調
波成分もほとんど検出精度に影響しないため０とするこ
とができる。そして、光源にLED等の低コヒーレントな
ものを使用すると、格子間隙が増すにつれて変位信号ｆ
（ｘ）の振幅が減衰してしまうが、その基本的な特質は
上式（１）に等しい。
光電変換素子３から出力される信号Wa,Wbの位相差を
π/2（rad）とすると、各信号Wa,Wbは次式（２）で表わ
される。
π/2（rad）とすると、各信号Wa,Wbは次式（２）で表わ
される。
データ変換部５は信号Wa,Wbの位相をシフトさせる抵
抗アレイやコンバレータを有しており、位置データPOS
を求めて出力する。
抗アレイやコンバレータを有しており、位置データPOS
を求めて出力する。
（発明が解決しようとする課題） 従来は上述した特質を示す変位信号を最も正弦波に近
い歪率（波形）で使用していたが、基本波成分が充分に
得られ、かつ３次,5次高調波成分の両方が０になる格子
間隙は存在しない為、少なからずある３次,5次高調波成
分により変位検出量に誤差を生じさせていた。例えば第
６図に示すように格子間隙をZ2′に設定して変位信号の
３次高調波成分を０として歪みの少ない波形となるよう
に設定しても、少なからずある５次高調波成分により誤
差をまねいていた。
い歪率（波形）で使用していたが、基本波成分が充分に
得られ、かつ３次,5次高調波成分の両方が０になる格子
間隙は存在しない為、少なからずある３次,5次高調波成
分により変位検出量に誤差を生じさせていた。例えば第
６図に示すように格子間隙をZ2′に設定して変位信号の
３次高調波成分を０として歪みの少ない波形となるよう
に設定しても、少なからずある５次高調波成分により誤
差をまねいていた。
本発明は上述した事情から成されたものであり、本発
明の目的は、変位検出量に誤差を生じさせない位置検出
装置を提供することにある。
明の目的は、変位検出量に誤差を生じさせない位置検出
装置を提供することにある。
（課題を解決するための手段） 本発明は、相対変位物体の変位に応じて出力される少
なくとも２つの周期的な信号に基づいて位置データを出
力する位置検出装置に関するものであり、本発明の上記
目的は、前記信号にその周期の1/3倍の成分及び1/5倍の
成分をほぼ同量含ませて出力する変位検出機構と、この
変位検出機構からの信号を入力して逆正接演算を行なっ
て、位置データを求めて出力する演算手段とを具備する
ことによって達成される。
なくとも２つの周期的な信号に基づいて位置データを出
力する位置検出装置に関するものであり、本発明の上記
目的は、前記信号にその周期の1/3倍の成分及び1/5倍の
成分をほぼ同量含ませて出力する変位検出機構と、この
変位検出機構からの信号を入力して逆正接演算を行なっ
て、位置データを求めて出力する演算手段とを具備する
ことによって達成される。
（作用） 本発明にあっては、少なくとも２つの周期的な変位信
号に含まれる信号周期の1/3倍の成分及び1/5倍の成分が
同振幅，同位相だけ含まれるようにして、これらの変位
信号の逆正接演算を行なって位置データを求めるように
しているので、信号周期の1/3倍の成分及び1/5倍の成分
が互いに打消されるように作用して誤差の全く無い位置
データを得ることができる。
号に含まれる信号周期の1/3倍の成分及び1/5倍の成分が
同振幅，同位相だけ含まれるようにして、これらの変位
信号の逆正接演算を行なって位置データを求めるように
しているので、信号周期の1/3倍の成分及び1/5倍の成分
が互いに打消されるように作用して誤差の全く無い位置
データを得ることができる。
（実施例） 第１図は本発明の位置検出装置の一例を示すブロック
図であり、変位検出機構10は、相対変位する物体11との
相対変位に応じて少なくとも２つの周期的な信号Wa′,
W′ｂを出力する。なお、相対変位物体11は変位検出機
構10と明確に区別できない場合もあるが、第１図では区
別してある。そして、演算手段12は、これらの信号
Wa′,Wb′により逆正接演算を行なう。
図であり、変位検出機構10は、相対変位する物体11との
相対変位に応じて少なくとも２つの周期的な信号Wa′,
W′ｂを出力する。なお、相対変位物体11は変位検出機
構10と明確に区別できない場合もあるが、第１図では区
別してある。そして、演算手段12は、これらの信号
Wa′,Wb′により逆正接演算を行なう。
ここで、まずWa′とWb′との比を求める（次式
（３））。
（３））。
なお、変位検出機構10で３次高調波成分と５次高調波
成分が同量になるように設定されているのでｋ＝１とな
り、これを上式（３）に代入して展開すると次式（４）
となる。
成分が同量になるように設定されているのでｋ＝１とな
り、これを上式（３）に代入して展開すると次式（４）
となる。
そして、逆正接演算を行なうと、 となり、全く誤差のない変位ｘを求めることが可能とな
る。
る。
第２図は本発明の位置検出装置である光学式エンコー
ダの一例を第３図に対応させて示す斜視構造図であり、
同一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。この光
学式エンコーダは第１格子１と第２格子２の間隙を0.17
319×P2/λに設定することにより３次高調波成分と５次
高調波成分の振幅値が同量かつ同位相となるので、第１
図で説明したと同様に全く誤差のない変位ｘを求めるこ
とが可能となる。
ダの一例を第３図に対応させて示す斜視構造図であり、
同一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。この光
学式エンコーダは第１格子１と第２格子２の間隙を0.17
319×P2/λに設定することにより３次高調波成分と５次
高調波成分の振幅値が同量かつ同位相となるので、第１
図で説明したと同様に全く誤差のない変位ｘを求めるこ
とが可能となる。
上述した実施例では誤差を０にする手段として格子間
隙を0.17319P2/λにする構成をとることを示したが、こ
の格子間隙は第６図に示すようにZ1〜Z4まで存在するの
でいずれの値を設定しても同様の効果を呈する。ただ
し、基本波の振幅が充分にとれる領域を考慮すると、Z1
もしくはZ2に設定することが望ましい。また、光源に半
導体レーザ等を使用するとZ6,Z7,Z8,…の設定も可能で
はあるが、光源にLED等を使用すると格子間隙が大きい
ため振幅が減衰してしまい、充分なコントラストは得ら
れにくい。
隙を0.17319P2/λにする構成をとることを示したが、こ
の格子間隙は第６図に示すようにZ1〜Z4まで存在するの
でいずれの値を設定しても同様の効果を呈する。ただ
し、基本波の振幅が充分にとれる領域を考慮すると、Z1
もしくはZ2に設定することが望ましい。また、光源に半
導体レーザ等を使用するとZ6,Z7,Z8,…の設定も可能で
はあるが、光源にLED等を使用すると格子間隙が大きい
ため振幅が減衰してしまい、充分なコントラストは得ら
れにくい。
なお、上述した実施例においては、直線変位を検出す
る光学式エンコーダについて記述したが、光学式ロータ
リエンコーダや磁気式エンコーダやレゾルバについても
本発明を適用することが可能である。
る光学式エンコーダについて記述したが、光学式ロータ
リエンコーダや磁気式エンコーダやレゾルバについても
本発明を適用することが可能である。
（発明の効果） 以上のように本発明の位置検出装置によれば、誤差の
発生しない高精度な位置検出を行なうことができるの
で、例えば工作機械において精度の高い加工を容易に行
なうことが可能となり、生産効率の向上を図ることがで
きる。
発生しない高精度な位置検出を行なうことができるの
で、例えば工作機械において精度の高い加工を容易に行
なうことが可能となり、生産効率の向上を図ることがで
きる。
第１図は本発明の位置検出装置の一例を示すブロック
図、第２図は本発明の位置検出装置である光学式エンコ
ーダの一例を示す斜視構造図、第３図は従来の位置検出
装置である光学式エンコーダの一例を示す斜視構造図、
第４図は光学式エンコーダの格子間隙に対する変位信号
を示す図、第５図は光学式エンコーダの格子間隙に対す
る変位信号の基本波成分,1/3周期成分,1/5周期成分の振
幅を示す図、第６図はその部分拡大図である。 １……第１格子、２……第２格子,3……光電変換素子、
4,12……演算手段、５……データ変換部、10……変位検
出機構、11……相対変位物体。
図、第２図は本発明の位置検出装置である光学式エンコ
ーダの一例を示す斜視構造図、第３図は従来の位置検出
装置である光学式エンコーダの一例を示す斜視構造図、
第４図は光学式エンコーダの格子間隙に対する変位信号
を示す図、第５図は光学式エンコーダの格子間隙に対す
る変位信号の基本波成分,1/3周期成分,1/5周期成分の振
幅を示す図、第６図はその部分拡大図である。 １……第１格子、２……第２格子,3……光電変換素子、
4,12……演算手段、５……データ変換部、10……変位検
出機構、11……相対変位物体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−141308（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−219511（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−110005（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−300628（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】相対変位物体の変位に応じて出力される少
なくとも２つの周期的な信号に基づいて位置データを出
力する位置検出装置において、前記信号にその周期の1/
3倍の成分及び1/5倍の成分をほぼ同量含ませて出力する
変位検出機構と、この変位検出機構からの信号を入力し
て逆正接演算を行なって、位置データを求めて出力する
演算手段とを備えたことを特徴とする位置検出装置。 - 【請求項２】前記変位検出機構は、波長λの光を発する
光源装置と、この光源装置により照射され、格子定数Ｐ
を有する回折格子から成る第１スケールと、この第１ス
ケールと相対変位し、所定の位相差を有する数個の回折
格子群から成る第２スケールとを備え、前記第１スケー
ルと第２スケールとの間隙は前記信号に含まれる当該信
号の周期の1/3倍の成分及び1/5倍の成分がほぼ同量とな
る距離に設定されている請求項１に記載の位置検出装
置。 - 【請求項３】前記第１スケールと第２スケールとの間隙
が0.05777P2/λ,0.17319P2/λ,0.28814P2/λ,0.40178P2
/λのいずれかの近傍である請求項２に記載の位置検出
装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2201715A JP2575935B2 (ja) | 1990-07-30 | 1990-07-30 | 位置検出装置 |
| US07/735,908 US5182613A (en) | 1990-07-30 | 1991-07-25 | Position detecting apparatus generating periodic detection signals having equal third and fifth harmonic components |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2201715A JP2575935B2 (ja) | 1990-07-30 | 1990-07-30 | 位置検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0486513A JPH0486513A (ja) | 1992-03-19 |
| JP2575935B2 true JP2575935B2 (ja) | 1997-01-29 |
Family
ID=16445731
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2201715A Expired - Lifetime JP2575935B2 (ja) | 1990-07-30 | 1990-07-30 | 位置検出装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5182613A (ja) |
| JP (1) | JP2575935B2 (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08145719A (ja) * | 1994-09-22 | 1996-06-07 | Canon Inc | 位置または角度の検出方法 |
| JP2695623B2 (ja) * | 1994-11-25 | 1998-01-14 | 株式会社ミツトヨ | 光学式エンコーダ |
| JP3215289B2 (ja) * | 1995-04-17 | 2001-10-02 | オークマ株式会社 | スケール及びエンコーダ |
| DE19532246A1 (de) * | 1995-09-01 | 1997-03-06 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Vorrichtung zur Filterung von Oberwellen-Signalanteilen |
| US6094307A (en) * | 1996-05-17 | 2000-07-25 | Okuma Corporation | Optical grating and encoder |
| WO2004008201A2 (en) | 2002-07-11 | 2004-01-22 | Hymite A/S | Accurate positioning of components of an optical assembly |
| JP2007076027A (ja) * | 2005-09-12 | 2007-03-29 | Seiko Epson Corp | 位置検出装置およびこの位置検出装置を備える液体吐出装置 |
| JP5378316B2 (ja) * | 2009-07-29 | 2013-12-25 | 山洋電気株式会社 | 光学式エンコーダ装置 |
| GB201301186D0 (en) | 2012-12-20 | 2013-03-06 | Renishaw Plc | Optical element |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4346447A (en) * | 1979-12-28 | 1982-08-24 | Nippon Kogaku K.K. | Divisional reading device for sine signals |
| KR900004269B1 (ko) * | 1986-06-11 | 1990-06-18 | 가부시기가이샤 도시바 | 제 1물체와 제 2 물체와의 위치 맞추는 방법 및 장치 |
| JPS6449914A (en) * | 1987-08-20 | 1989-02-27 | Fanuc Ltd | Signal processor for pulse encoder |
| US4943716A (en) * | 1988-01-22 | 1990-07-24 | Mitutoyo Corporation | Diffraction-type optical encoder with improved detection signal insensitivity to optical grating gap variations |
| JP2539269B2 (ja) * | 1989-07-17 | 1996-10-02 | オークマ株式会社 | 光学式エンコ―ダ |
-
1990
- 1990-07-30 JP JP2201715A patent/JP2575935B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1991
- 1991-07-25 US US07/735,908 patent/US5182613A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0486513A (ja) | 1992-03-19 |
| US5182613A (en) | 1993-01-26 |
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