JP2638456B2

JP2638456B2 - 光学式アブソリュートスケール

Info

Publication number: JP2638456B2
Application number: JP5320921A
Authority: JP
Inventors: 聡石井; 敏彦久我
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1993-11-29
Filing date: 1993-11-29
Publication date: 1997-08-06
Anticipated expiration: 2012-08-06
Also published as: JPH07174588A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、二物体間の相対移動量
を測定する光学式のアブソリュートスケールに関するも
のであり、特に分解能の向上を図った光学式アブソリュ
ートスケール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１２に示すように透明のガラススケール１０
０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。

【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刻線により形成されて
いる。このように配置すると、図１３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Ｐ移動するとモアレ縞はＷ移動することに
なり、拡大されたＷの変化を読み取ることにより、格子
の移動量を精密に測定することができるようになる。

【０００４】そこで、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と、図１４に示すようにな
る。すなわち、メインスケール１０１に対しインデック
ススケール１０３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Ｉ
₃ 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共に、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１４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１５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１
１１，１１２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１１
２に流れる電流は、図１６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１１
２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、９
０゜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。

【０００６】以上説明した原理を利用した光学式スケー
ルの斜視図の概要を図１７に示す。この図において、細
長いメインスケール１０１の一面には蒸着されたクロム
により形成された同一ピッチの格子が刻線されており、
このメインスケール１０１を抱持するコの字形ホルダ１
０４の一面にインデックススケール１０３が固着されて
いる。このインデックススケール１０３のメインスケー
ルに対向する面には、メインスケール１０１と同様に蒸
着されたクロムにより形成された同一ピッチの格子が刻
線されており、このインデックススケール１０３の裏側
には光電変換素子１１３が設けられている。

【０００７】さらに、コの字形ホルダ１０４のメインス
ケール１０１の反対側に位置する面には、図１８に示す
ように光源１０５が固着されており、メインスケール１
０１とインデックススケール１０３とは互いに移動可能
とされている。なお、前記したようにメインスケール１
０１の格子に対してインデックススケール１０３の格子
は図１８に示すように微小間隔を持って対向していると
共に、微小角度傾けられるようにされている。

【０００８】このように構成された光学式スケールの原
理構造の横断面図を図１８に示すが、光源１０５から照
射された光はガラス製のメインスケール１０１を透過
し、メインスケール及びインデックススケール１０３に
刻線された格子により形成される前記モアレ縞を透過し
て、さらにガラス製のインデックススケール１０３を透
過した後、光電変換素子１１３により受光される。この
光電変換素子１１３からは前記図１６に示す互いに９０
゜の位相差を有するＡ相の信号とＢ相の信号とが出力さ
れ、この２つの信号から前記のように移動方向及び移動
距離を測定することができる。なお、光電変換素子１１
３には３個の光電変換素子が設けられているが、そのう
ちの２つは上記Ａ相の信号とＢ相の信号とを出力し、残
る一つは基準レベルの信号を出力している。その理由
は、光電変換素子により受光された光は正弦波状に変化
しているが、その基準レベル（零レベル）の信号は明ら
かではない。そこで、受光される光の平均信号レベル
を、基準レベルの信号として３番目の光電変換素子から
出力しているのである。

【０００９】次に、図１８に示す光学式スケールから出
力される信号の処理回路のブロック図を図１９に示す。
この図において、光源である発光ダイオード１２０から
照射された光は前記のようにメインスケール及びインデ
ックススケールの格子を透過して、光電変換素子１１３
であるフォトダイオード１２１により受光される。フォ
トダイオード１２１により受光されたＡ相の信号及びＢ
相の信号は光電変換アンプ１２２により増幅されて内挿
回路１２３に印加される。この内挿回路１２３により前
記格子間隔Ｐの間を細かく分割する内挿パルスが発生さ
れ、この内挿パルスは移動方向に応じて位置データバッ
クアップカウンタ１２４により加算あるいは減算計数さ
れ、位置データとされて図示しない処理回路へ供給され
ている。

【００１０】また、内挿回路１２３の出力パルスは位置
データをパルスの個数で示したデータとして数値制御
（ＮＣ）装置に供給される。このデータは通常Ａ相のパ
ルス信号とＢ相のパルス信号とからなり、移動方向と移
動量とを示すデータとされている。なお、メインスケ
ールとインデックススケールに設けられた格子の間隔Ｐ
が４０ミクロンである時、上記内挿回路１２３がＡ相信
号あるいはＢ相信号の一周期において、４０個のパルス
を内挿するようにすると、分解能が１ミクロンのスケー
ルとすることができる。

【００１１】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、一般に数値制御する場合は
原点からの移動量としてプログラムされるため、この相
対的移動量は原点からの移動量として測定する必要があ
る。そこで、通常メインスケールに予め原点位置が設け
られ、この原点位置をインデックススケールが通過した
時に原点が検出され、この原点検出信号はＮＣ装置に供
給されてＮＣ装置をリセットすることにより、原点位置
をＮＣ装置にセッテイングするようにしていた。したが
って、この原点のセッテイングはＮＣ装置の電源投入の
つど行うようにしなければならなかった。

【００１２】しかしながら、電源投入のつど原点をセッ
テイングする作業は煩雑であるため、常にスケールの位
置をバックアップしている光学式アブソリュートスケー
ルが製品化されている。この光学式アブソリュートスケ
ールには、図１９に示すようにバックアップ電源が供給
されており、ＮＣ装置の電源がオフされても、このバッ
クアップ電源によりスケールの位置データがバックアッ
プされている。また、ＮＣ電源がオフされても工具ある
いは工作テーブルは移動される可能性があるため、光学
式スケールは常にその位置データを測定し続ける必要が
ある。そこで、図１９に示すようにバックアップ電源は
光学式アブソリュートスケールの全体に電源を供給する
ようにされている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】前記図１９に示すバッ
クアップ方式によると、工作機械の工具と工作テーブル
の相対位置が移動しても光学式スケールはその位置を常
に正確にバックアップすることができるが、光学式スケ
ール全体をバックアップしているため消費電力が大きく
なり、バックアップできる時間が限られてしまう。これ
を解決するために、バックアップ時に格子ピッチを単位
とする位置データを検出する部分をバックアップし、消
費電力の大きい内挿回路に電力を供給しないようにして
低電力化を図ることが提案されている。この方式による
と現在の位置データは、内挿回路から格子ピッチＰ内を
内挿する位相差データを読み出し、格子ピッチを単位と
する位置データと加算するようにして、スケールの現在
位置を精密に得るようにしている。

【００１４】しかしながら、格子ピッチを単位とする位
置データを出力する位置データ検出手段と、格子ピッチ
内を内挿する位相差データを出力する内挿回路とは異な
る回路とされているため、両出力データのタイミングが
一致しないおそれがあり、一致しない場合には算出され
た現在位置データに誤りが含まれるという問題点があっ
た。そこで、本発明は格子ピッチを単位とする位置デー
タの出力タイミングと、格子ピッチ内を内挿する位相差
データの出力タイミングとが一致しない場合にあって
も、誤りのない現在位置データを算出できるようにする
と共に、正弦波状の信号の単位周期幅の偏移データを２
つのパルス信号列で表すことのできる光学式アブソリュ
ートスケールを提供することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は格子ピッチＰ内を内挿する位相差データの
出力タイミング時において、Ａ相信号及びＢ相信号の正
負のレベル状態を検出し、このレベル状態に応じて格子
ピッチＰを単位とする位置データと上記位相差データと
の加算処理の態様を変えるようにしている。さらに、位
相分割手段から出力される上記２つのパルス信号列の第
１のパルス信号列および第２のパルス信号列のパルスの
個数で偏移量が示されると共に、互いに９０°位相がず
れている前記第１のパルス列および前記第２のパルス列
のうちのいずれの位相が進んでいるかで偏移方向が示さ
れるようにしている。

【００１６】

【作用】本発明によれば、格子ピッチを単位とする位置
データの出力タイミングと、格子ピッチ内を内挿する位
相差データの出力タイミングとが一致しない場合であっ
ても、位置データと位相差データとの加算処理の態様を
変えることにより誤りのない現在位置データを算出でき
るようになる。また、本発明はメインスケールとインデ
ックススケールとの相対的な移動に伴い、位相変調搬送
波の周期が移動方向に応じて偏移することを利用して、
位相変調搬送波の偏移方向と偏移量とを示す２つのパル
ス信号列を発生している。そして、この２つのパルス信
号列を数値制御（ＮＣ）装置に供給することにより、数
値制御を好適に行うことができる。

【００１７】

【実施例】本発明の前提となる光学式アブソリュートス
ケールのブロック図を、図１に示す。この図１に示す光
学式アブソリュートスケールにおいて、光源である発光
ダイオード１から照射された光はメインスケール及びイ
ンデックススケールに刻線されたピッチＰの格子を透過
して、光電変換素子であるフォトダイオード２により受
光される。フォトダイオード２により受光されたＡ相の
信号及びＢ相の信号は光電変換アンプ３により増幅され
て、コンパレータ４に印加され二値データとされる。こ
の二値データは位置データバックアップカウンタ５によ
り、ピッチＰ移動する毎に移動方向に応じて加算あるい
は減算カウントされピッチＰを単位とする位置データと
される。

【００１８】さらに、光電変換アンプ３からのＡ相信号
及びＢ相信号はアブソリュート内挿回路６に供給され、
このアブソリュート内挿回路６により前記格子ピッチＰ
を細かく分割する内挿パルスを計数するようにして、ピ
ッチＰ内を分割した位相差データを図示しない処理装置
へ出力している。さらに、アブソリュート内挿回路６か
ら印加された信号に基づいて、位相分割回路７はピッチ
Ｐ内を分割した位相差データをパルスの個数で示した出
力パルス信号を発生し、数値制御（ＮＣ）装置に供給し
ている。この出力パルス信号は通常Ａ相のパルスとＢ相
のパルス信号とからなり、移動方向と移動量とを示すデ
ータとされている。

【００１９】なお、メインスケールとインデックススケ
ールに設けられた格子の間隔Ｐが４０ミクロンである
時、上記アブソリュート内挿回路６に入力されたＡ相信
号あるいはＢ相信号の一周期において、４０個のパルス
を計数するようにすると、分解能を１ミクロンとした光
学式スケールとすることができる。そして、バックアッ
プ時にはバックアップ電源から位置データバックアップ
カウンタ５，コンパレータ４，光電変換アンプ３及び発
光ダイオード１には電源が供給されるが、アブソリュー
ト内挿回路６及び位相分割回路７には電源が供給されな
いようにして、低消費電力化している。さらに、光電変
換アンプ３に設けられている端子を切り替えて低速とす
ることにより、この光電変換アンプ３の消費電力を低減
すると共に、発光ダイオード１を駆動する電源をサンプ
リング回路８によりサンプリング及び低電流化して、低
電流によりダイナミック駆動することにより低消費電力
化している。なお、コンパレータ４及び位置データバッ
クアップカウンタ５はＣＭＯＳ構造とされているため消
費電力は少なくされている。

【００２０】さらに、コンパレータ４及び位置データバ
ックアップカウンタ５に入力される信号は内挿されてい
ない信号、すなわち格子ピッチＰが４０ミクロンである
場合は４０ミクロン移動する毎に位置データバックアッ
プカウンタ５は計数されるだけであるため、消費電力は
一層低減されることになる。つまり、本発明においては
バックアップ時には格子間隔Ｐを単位とする位置データ
だけを検出して位置データバックアップカウンタ５に保
持しておき、電源投入時において、格子ピッチＰ内を分
割した位相差データをアブソリュート内挿回路６及び位
相分割回路７により発生させ、上記位置データバックア
ップカウンタ５の計数データとアブソリュート内挿回路
６よりのピッチＰ内を分割した位相差データとを処理装
置により処理することにより、現在の位置を演算してＮ
Ｃ装置へこの現在位置データをセッテングしている。こ
のため、分解能を下げることなく低消費電力のバックア
ップを可能とすることができる。

【００２１】このアブソリュート内挿回路６は、入力さ
れたＡ相信号，Ｂ相信号のレベルに応じた位相偏移を搬
送波に与える位相変調回路２１と、この位相変調回路２
１の位相偏移された階段状の出力信号を滑らかにするロ
ーパスフィルタ（ＬＰＦ）２２と、ローパスフィルタ２
２の出力信号を二値化するコンパレータ２３と、搬送波
のエッジで計数がスタートされコンパレータ２３の出力
信号のエッジにより計数がストップするカウンタ２５
と、カウンタ２５が計数するクロック及び搬送波を作成
するためのクロックを発生するクロック発生器２４と、
クロック発生器２４のクロックを分周する分周器２６
と、この分周器２６の出力より搬送波を発生する搬送波
発生器２７とから構成されており、分解能を向上するた
めに格子ピッチＰ内を分割する機能を有する回路であ
る。

【００２２】位相変調器２１は、例えば特開昭６２−１
３２１０４号公報に記載されている構成とされており、
その詳細な構成は図２に示すように、入力されたＡ相信
号はバッファとして動作するオペアンプＯＰ１を介して
抵抗ネットワークＲＴに供給されると共に、オペアンプ
ＯＰ２により反転されて抵抗ネットワークＲＴに供給さ
れる。また、Ｂ相信号はバッファとして動作するオペア
ンプＯＰ３を介して抵抗ネットワークＲＴに供給される
と共に、オペアンプＯＰ４により反転されて抵抗ネット
ワークＲＴに供給される。

【００２３】すなわち、Ａ相信号，反転Ａ相信号，Ｂ相
信号，反転Ｂ相信号を抵抗ネットワークＲＴにより混合
加算し、位相が反対で同電圧の８分割された混合信号を
作成し、マルチプレクサＡＭの８つの入力端子（０）〜
（７）にそれぞれ供給している。このマルチプレクサＡ
Ｍの入力端子Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３には図３（ｃ）に示す選
択信号Ａ，Ｂ，Ｃが入力され、この選択信号Ａ，Ｂ，Ｃ
によりマルチプレクサＡＭの入力端子（０）〜（７）が
順次選択されて、出力端子ｔｏから図３（ａ）に示す階
段状の出力信号Ｓが出力される。このマルチプレクサＡ
Ｍから出力される信号Ｓの周波数は、図３に図示するよ
うに選択信号Ｃの周期と同一であり、結局のところ、選
択信号Ｃを搬送波としてその位相をＡ相信号（Ｂ相信
号）のレベルにより平衡変調した出力信号Ｓがマルチプ
レクサＡＭから出力されるようになる。すなわち、Ａ相
信号（Ｂ相信号）のレベルに応じて位相偏移された搬送
波が出力されるのである。

【００２４】このように平衡変調された搬送波はＬＰＦ
２２に印加されて、図３（ｂ）に示すように滑らかな正
弦波状とされ、コンパレータ２３によりその零レベルの
点がエッジとされる二値信号に変換される。このコンパ
レータ２３より出力される二値信号の位相と、アブソリ
ュート内挿回路６に入力されるＡ相信号及びＢ相信号の
レベルとの関係を図４に示す。この図の左側に示す正弦
波状に変化している信号がＡ相信号及びＢ相信号であ
り、右側に示すパルス波形は位相偏移を受けたコンパレ
ータ２３よりの搬送波の二値信号であり、その破線位置
が位相変調回路２１に供給される搬送波の零位相の位置
である。

【００２５】そして、この図のイに示すように、Ａ相信
号が正の最大レベルでＢ相信号が零レベルの場合は９０
゜位相偏移された二値信号とされ、Ａ相信号が零レベル
でＢ相信号が正の最大レベルの同図ロの場合は１８０゜
位相偏移された二値信号とされ、Ａ相信号が負の最大レ
ベルでＢ相信号が零レベルの同図ハの場合は２７０゜位
相偏移された二値信号とされ、Ａ相信号が零レベルでＢ
相信号が負の最大レベルの同図ニの場合は３６０゜位相
偏移されて、位相偏移されていない元の状態に戻った二
値信号とされる。

【００２６】このように、位相変調回路２１，ＬＰＦ２
２，コンパレータ２３は構成されているため、格子ピッ
チＰ内を分割した位相差データを得ることができる。例
えば、搬送波の零位相位置からコンパレータ２３出力が
立ち上がるまでクロックを計数することにより格子ピッ
チＰ内を分割した位相差データとすることができる。そ
こで、搬送波発生回路２７よりの搬送波のエッジにより
カウンタ２５の計数をスタートさせ、コンパレータ２３
の二値出力の立ち上がりエッジによりカウンタ２５の計
数をストップさせると、カウンタ２５より格子ピッチＰ
内を分割した位相差データを検出できるようになる。こ
の場合の計数パルスを図５に示す。ただし、この図にお
いてクロック発生器から発生されるクロックは搬送波発
生器２７より発生される搬送波の４０倍の周波数とされ
ている（分周器２６は１／４０に分周している）。

【００２７】図５（ａ）はクロック発生器２４から発生
されるクロックを示しており、同図（ｂ）は図４のイに
示す場合であり、１０個のクロックをカウンタ２５は計
数する。また同図（ｃ）は図４のロに示す場合であり、
２０個のクロックをカウンタ２５は計数する。さらに、
同図（ｄ）は図４のハに示す場合であり、３０個のクロ
ックをカウンタ２５は計数する。また同図（ｅ）は図４
のニに示す場合であり、位相偏移は３６０゜とされてい
るため、カウンタ２５が計数するクロックはない。この
ように、カウンタ２５が計数するクロックの周波数が搬
送波周波数の４０倍とされていると、カウンタ２５は格
子ピッチＰを４０分割した量だけ移動する毎にパルスを
計数することになるため、分解能を４０倍にすることが
できる。したがって、格子ピッチが４０ミクロンの場合
は１ミクロンの分解能とすることができる。すなわち、
内挿されるパルス数は「４０」とされていることにな
る。この時、搬送波発生回路２７には分周比が「４０」
に設定された分周器２６により分周されたクロックが供
給されているが、この分周器２６の分周比を例えば「２
００」に設定すると、０．２ミクロンの分解能とするこ
とができる。

【００２８】次に、位相分割回路７のブロック図を図６
に示す。位相分割回路７は、図６に示すようにアブソリ
ュート内挿回路６のコンパレータ２３の出力信号の周期
を測定する周期カウンタ３１と、周期測定カウンタ３１
よりの計数値から所定の設定値を減算する減算器３２
と、減算器３２よりの減算値がプリセットされその計数
値がゼロになるまで、ＡＢ相パルス発生器３４から発生
されるフィードバックパルスＦＢを計数するアップダウ
ンカウンタ３３と、アップダウンカウンタ３３よりのイ
コール信号ＥＱとディレクション信号ＤＩＲを受けて、
イコール信号ＥＱが消失するまでフィードバックパルス
ＦＢを１パルスづつ発生すると共に、このフィードバッ
クパルスＦＢとディレクション信号ＤＩＲとによりＡ相
パルス信号とＢ相パルス信号とを発生して、ＮＣ装置等
へ供給するＡＢ相パルス発生器３４と、周期測定カウン
タ３１が計数するクロックを発生する基準クロック発生
器３５より構成されている。

【００２９】周期測定カウンタ３１はアブソリュート内
挿回路６内の位相変調回路２１により位相変調された搬
送波の周期を測定するカウンタであり、メインスケール
とインデックススケールとが相対的に静止している場合
は、位相変調搬送波の周期は変化されず図７（ａ）に示
すように、基準クロックを４０クロック計数する。ただ
し、この時は、アブソリュート内挿回路６における内挿
パルス数が「４０」とされて、分解能が４０倍に向上さ
れている場合である。すなわち、基準クロックとアブソ
リュート内挿回路６内のクロック発生器２４よりのクロ
ックとは同周波数のクロックとなるため、通常はアブソ
リュート内挿回路６内のクロック発生器２４より発生さ
れるクロックを基準クロックとして兼用して周期測定カ
ウンタ３１は計数している。

【００３０】また、メインスケールとインデックススケ
ールとが相対的に左方向に１μｍ移動した場合は、例え
ば、同図（ｂ）に示すように位相変調搬送波の周期は短
くなり、周期測定カウンタ３１の計数クロック数は３９
パルスとなり、逆に相対的に右方向に１μｍ移動した場
合は、例えば、同図（ｃ）に示すように位相変調搬送波
の周期は長くなり、周期測定カウンタ３１の計数クロッ
ク数は４１パルスとなる。このように、移動している時
に周期測定カウンタ３１に入力する位相変調搬送波のパ
ルス幅が変化するのは、位相変調器２１により位相変調
される搬送波の位相が、移動に伴い連続的に偏移するこ
とになり、これは周波数が変化していることと同じとな
るからである。

【００３１】このようにして、周期測定カウンタ３１に
より測定された位相変調搬送波の周期のデータは減算器
３２に供給され、設定値である「４０」が減算される。
したがって、図７（ａ）の場合は「０」が減算器３２か
ら出力され、アップダウンカウンタ３３に「０」がプリ
セットされる。また、同図（ｂ）の場合は「−１」が減
算器３２から出力され、アップダウンカウンタ３３に
「−１」がプリセットされる。さらに、（ｃ）の場合は
「１」が減算器３２から出力され、アップダウンカウン
タ３３に「１」がプリセットされる。なお、減算器３２
に設定される設定値は格子ピッチＰ内に内挿するパルス
数と同じとされているため、「４０」を設定値とした
が、アブソリュート内挿回路６において内挿されるパル
ス数が「２００」の場合は、設定値は「２００」とされ
る。

【００３２】次に、図８を参照しながらアップダウンカ
ウンタ３３とＡＢ相パルス発生器３４の動作を説明する
が、この図には一例としてアップダウンカウンタ３３に
「３」あるいは「−３」がプリセットされた場合を示し
ている。まず、図８（ａ）に示すように、「３」がアッ
プダウンカウンタ３３にプリセットされると、このカウ
ンタ３３からは計数値が「０」でない時に「Ｌ」レベル
となるイコール信号ＥＱと、移動方向を示す「Ｈ」レベ
ルのディレクション信号ＤＩＲが同図（ｂ），（ｃ）に
示すように出力される。そして、ＡＢ相パルス発生器３
４は、この信号ＥＱと信号ＤＩＲとをうけて、同図
（ｄ）に示すようにフィードバックパルスＦＢを１パル
ス（Ａ１）発生してアップダウンカウンタ３３に供給す
る。

【００３３】この時、信号ＤＩＲが「Ｈ」レベルのた
め、フィードバックパルスＦＢによりアップダウンカウ
ンタ３３はダウン計数され、その計数値は「２」となる
が、信号ＥＱの「Ｌ」レベル状態は維持されるため、さ
らにフィードバックパルスＦＢが１パルス（Ａ２）発生
され、このフィードバックパルスＦＢによりアップダウ
ンカウンタ３３はさらにダウン計数され、その計数値は
「１」となる。しかしながら、信号ＥＱの「Ｌ」レベル
状態は維持されるため、さらにフィードバックパルスＦ
Ｂが１パルス（Ａ３）発生され、このフィードバックパ
ルスＦＢによりアップダウンカウンタ３３はダウン計数
されて、その計数値は「０」となり、イコール信号ＥＱ
のレベルが「Ｈ」となる。したがって、ＡＢ相パルス発
生器３４から出力されるフィードバックパルスＦＢは停
止される。

【００３４】一方、ＡＢ相パルス発生器３４において、
図８（ｅ），（ｆ）に示すように、Ａ１のフィードバッ
クパルスＦＢの立ち下がりエッジにおいて、Ａ相パルス
信号が「Ｈ」レベルに反転され、Ａ２のフィードバック
パルスＦＢの立ち下がりエッジにおいて、Ｂ相パルス信
号が「Ｈ」レベルに反転され、さらに、Ａ３のフィード
バックパルスＦＢの立ち下がりエッジにおいて、Ａ相パ
ルス信号が「Ｌ」レベルに反転される。アップダウンカ
ウンタ３３の計数値が「０」の時、移動方向が逆転する
とディレクション信号ＤＩＲが図８（ｃ）に示すように
「Ｌ」レベルに反転し、移動量として例えば「−３」
が、図８（ａ）に示すように、アップダウンカウンタ３
３にプリセットされたとする。すると、このカウンタ３
３からは計数値が「０」でない時に「Ｌ」レベルとなる
イコール信号ＥＱと、移動方向を示す「Ｌ」レベルのデ
ィレクション信号ＤＩＲが同図（ｂ），（ｃ）に示すよ
うに出力される。そして、ＡＢ相パルス発生器３４は、
この信号ＥＱと信号ＤＩＲとをうけて、同図（ｄ）に示
すようにフィードバックパルスＦＢを１パルス（Ｂ１）
発生してアップダウンカウンタ３３に供給する。

【００３５】この時、信号ＤＩＲが「Ｌ」レベルのた
め、フィードバックパルスＦＢによりアップダウンカウ
ンタ３３はアップ計数して、その計数値は「−２」とな
るが、信号ＥＱの「Ｌ」レベル状態は維持されるため、
さらにフィードバックパルスＦＢが１パルス（Ｂ２）発
生され、このフィードバックパルスＦＢによりアップダ
ウンカウンタ３３はさらにアップ計数され、その計数値
は「−１」となる。しかしながら、信号ＥＱの「Ｌ」レ
ベル状態は維持されるためさらにフィードバックパルス
ＦＢが１パルス（Ｂ３）発生され、このフィードバック
パルスＦＢによりアップダウンカウンタ３３はアップ計
数して、その計数値は「０」となり、イコール信号ＥＱ
のレベルが「Ｈ」となる。したがって、ＡＢ相パルス発
生器３４から出力されるフィードバックパルスＦＢは停
止される。一方、ＡＢ相パルス発生器３４において、図
８（ｅ），（ｆ）に示すように、Ｂ１のフィードバック
パルスＦＢの立ち下がりエッジによりＡ相パルス信号が
「Ｈ」レベルに反転し、Ｂ２のフィードバックパルスＦ
Ｂの立ち下がりエッジによりＢ相パルス信号が「Ｌ」レ
ベルに反転し、さらに、Ｂ３のフィードバックパルスＦ
Ｂの立ち下がりエッジによりＡ相パルス信号が「Ｌ」レ
ベルに反転する。

【００３６】このようにして発生されたＡ相パルス信号
とＢ相パルス信号とはＮＣ装置へ供給され、ＮＣ装置は
供給されたＡ相信号とＢ相信号とのエッジを検出するこ
とにより、移動量パルスを検出すると共に、Ａ，Ｂ相パ
ルス信号の位相関係より移動方向を検出するようにす
る。また、格子ピッチＰを単位とする位置データバック
アップカウンタ５からの位置データと、アブソリュート
内挿回路６よりの格子ピッチＰ内を分割した位相差デー
タとは信号処理装置１０に供給され、位置データバック
アップカウンタ５よりの位置データを４０倍して、アブ
ソリュート内挿回路６よりの位置を示す位相差データと
加算されて、電源投入時の位置データが算出されてＮＣ
装置にセッテイングされるようになる。

【００３７】上記位置データと位相差データとを加算す
ることにより、現在の位置データが求められるのは、格
子ピッチＰ毎に出力されるパルスを位置データバックア
ップカウンタ５が計数した後で、格子ピッチ内を分割し
た位相差データがアブソリュート内挿回路６により出力
されることが前提とされている。しかしながら、前記の
ようにアブソリュート内挿回路６は搬送波の周期に基づ
いて周期的に位相差データを検出しているが、位置デー
タバックアップカウンタ５がパルスをカウントするタイ
ミングはスケールの移動に基づくタイミングであって、
前記搬送波とはタイミング上何らの関係もないため、上
記前提が崩れるおそれがある。すると、信号処理装置１
０において位相差データと位置データとを加算して得た
位置データは誤ったデータとなる可能性が生じる。

【００３８】このことを図１１を参照しながら説明す
る。図１１において、（ａ），（ｂ）はＡ相信号とＢ相
信号であり、この両信号はコンパレータ４に入力され
て、（Ｃ），（Ｄ）に示すパルス信号に変換される。こ
のＡ相パルス信号とＢ相パルス信号が位置データバック
アップカウンタ５に入力されて、このカウンタ５は入力
されたパルスを計数するが、その計数タイミングはＡ相
パルス信号が「Ｌ」レベルの状態におけるＢ相パルス信
号の立ち上がりエッジとされている。したがって、同図
（ｅ）に示すように、たとえば位置データバックアップ
カウンタ５はＡのタイミングでアップカウントして計数
値が「Ｎ」となる。

【００３９】一方、同図（ｆ）に示すパルス波形は位相
変調された搬送波を示しており、その立ち上がりエッジ
により前記カウンタ２５は計数がストップされるため、
そのタイミングで位相差データが出力されるようにな
る。この搬送波は前記したように、同図（ｃ），（ｄ）
に示すＡ，Ｂ相パルス信号とは非同期関係にあるため、
例えば（ｆ）に示すＢのタイミングのようにＡのタイミ
ングと競合する場合がある。この場合において、カウン
タ５が計数した直後に、「３９」に近い位相差データが
出力される時は、明らかにアブソリュート内挿回路６か
ら出力される位相差データの出力タイミングが遅れてい
る場合である。また、カウンタ５が計数する直前に、
「０」に近い位相差データが出力される時は、カウンタ
５が計数するタイミングが遅れている場合である。な
お、この場合は格子ピッチＰ内を分割するパルス数は
「４０」とされた場合である。

【００４０】そこで、本発明は位置データを誤って算出
しないように、図９に示すラッチ回路９を図１に示す光
学式アブソリュートスケールに付加している。このラッ
チ回路９は、アブソリュート内挿回路６におけるカウン
タ２５の計数をストップさせる搬送波の立ち上がりエッ
ジのタイミングで、コンパレータ４から出力されるＡ，
Ｂ相パルス信号をそれぞれラッチしている。このラッチ
回路９の出力は信号処理装置１０に供給されて、カウン
タ５からの位置データとアブソリュート内挿回路６より
の位相差データとのタイミング関係を判定し、そのタイ
ミング関係と位相差データ値とにより、加算処理の態様
を変えるようにしている。

【００４１】例えば、前記したカウンタ５が計数した直
後に、「３９」に近い位相差データが出力される時は、
アブソリュート内挿回路６から出力される位相差データ
の出力タイミングが遅れている場合であるから、図１１
（ｇ）の実線及び（ｈ）の破線で示すように、ラッチ回
路９においてラッチされるＡ相パルス信号は「Ｌ」レベ
ル、Ｂ相パルス信号は「Ｈ」レベルとなるから、この時
には、カウンタ５の値から「４０」を引いて位相差デー
タを加算すればよい（「４０」を引くのは、カウンタ５
の値を４０倍して位相差データに加算するからであ
る。）。また、カウンタ５が計数する直前に、「０」に
近い位相差データが出力される時は、カウンタ５が計数
するタイミングが遅れている場合であるから、図１１
（ｇ），（ｈ）の実線で示されるように、ラッチ回路９
においてラッチされるＡ相パルス信号は「Ｌ」レベル、
Ｂ相パルス信号は「Ｌ」レベルとなるから、この時に
は、カウンタ５の値に「４０」を足して位相差データを
加算すればよいこのような加算処理をまとめた表を図１
０に示し、この表に基づいて加算処理を行うようにする
と、カウンタ５のカウンタデータとアブソリュート内挿
回路６の位相差データとのタイミングによらず、正しい
位置データを信号処理装置１０は算出することができる
ようになる。

【００４２】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されているの
で、格子ピッチを単位とする位置データの出力タイミン
グと、格子ピッチ内を内挿する位相差データの出力タイ
ミングとが一致しない場合であっても、位置データと位
相差データとの加算処理の態様を変えることにより誤り
のない現在位置データを算出できるようになる。また、
本発明はメインスケールとインデックススケールとの相
対的な移動に伴い、位相変調搬送波の周期が移動方向に
応じて偏移することを利用して、位相変調搬送波の偏移
方向と偏移量とを示す２つのパルス信号列を発生してい
る。そして、この２つのパルス信号列を数値制御（Ｎ
Ｃ）装置に供給することにより、数値制御を好適に行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学式アブソリュートスケールのブロ
ック図である。

【図２】位相変調回路の回路図である。

【図３】位相変調回路のタイミング図である。

【図４】アブソリュート内挿回路のタイミング図であ
る。

【図５】内挿パルスのタイミング図である。

【図６】位相分割回路のブロック図である。

【図７】周期測定カウンタのタイミング図である。

【図８】ＡＢ相パルス発生器の動作タイミング図であ
る。

【図９】本発明の付加回路を示す図である。

【図１０】本発明の加算処理の態様を示す表である。

【図１１】本発明のタイミング図である。

【図１２】光学式スケールの原理図である。

【図１３】モアレ縞を示す図である。

【図１４】モアレ縞の移動を示す図である。

【図１５】光電変換素子を設置する位置を示す図であ
る。

【図１６】Ａ相信号とＢ相信号との波形図である。

【図１７】光学式スケールの斜視図である。

【図１８】光学式スケールの断面図である。

【図１９】光学式スケールのブロック図である。

【符号の説明】

１，１２０発光ダイオード２，１２１フォトダイオード３，１２２光電変換アンプ４，２３コンパレータ５，１２４位置データバックアップカウンタ６アブソリュート内挿回路７位相分割回路９ラッチ回路１０信号処理装置１１位相差カウンタ２１位相変調回路２２ＬＰＦ２４クロック発生器２５カウンタ２６分周器３１周期測定カウンタ３２減算器３３アップダウンカウンタ３４ＡＢ相パルス発生器１０１メインスケール１０３インデックススケール１０４コの字形ホルダ１０５光源１１０，１１１，１１２，１１３光電変換素子１２３内挿回路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】メインスケールに対し、移動可能に配置
されているインデックススケールと、前記両スケール間において、相対的に単位長移動する毎
に１周期変化する互いに９０゜位相の異なる二つの正弦
波状の信号を発生するスケール部と、上記二つの正弦波状の信号から上記両スケール間の相対
的な移動量と移動方向を検出して位置データを出力する
検出手段と、上記正弦波状の信号の所定位相偏移に応じた内挿パルス
信号を発生して、上記単位長を内挿する位相差データを
出力する内挿手段と、上記検出手段から出力される位置データと、上記内挿手
段から出力される位相差データとから現在位置データを
得る信号処理手段と、上記正弦波状の信号の単位周期幅の偏移量と偏移方向を
示す偏移データを２つのパルス信号列として出力する位
相分割手段とを備え、上記信号処理手段は、上記位相差データが出力されたタ
イミング時における、上記二つの正弦波状の信号の正負
のレベル状態に応じた加算処理を行うようにされてお
り、上記位相分割手段から出力される上記２つのパルス信号
列の第１のパルス信号列および第２のパルス信号列のパ
ルスの個数で上記偏移量が示されると共に、互いに９０
°位相がずれている上記第１のパルス列および上記第２
のパルス列のうちのいずれの位相が進んでいるかで上記
偏移方向が示されるようにしたことを特徴とする光学式
アブソリュートスケール。
【請求項２】上記位相分割手段は、上記正弦波状の信
号の周期を測定する周期測定手段と、該周期測定手段に
より測定された周期データから、上記単位長を内挿する
内挿パルス数と同値を差し引く減算手段と、該減算手段
から出力されるデータ値の符号に応じた位相関係で、か
つ、該データ値の値と等しいエッジを有する互いに９０
°位相がずれている上記第１のパルス信号列および上記
第２のパルス信号列を発生するようにされていることを
特徴とする請求項１記載の光学式アブソリュートスケー
ル。