JP3391260B2 - アブソリュート光学式リニヤスケール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、二物体間の絶対的
な移動量を測定する光学式のリニヤスケールに関するも
のであり、特にこのようなスケールにおいて、リニヤス
ケールの実際の移動距離を絶対値として出力することに
より、例えば、工作機械等の工作物の移動量を絶対値で
知ることができるようにしたアブソリュート光学式リニ
ヤ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９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１０
３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】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１００，
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、スケールの移動に応じて図１０
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
に左右に移動すると上から下、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、ピッチＰは光学的にモアレ縞の間隔Ｗをθ倍
に拡大して検出することができる。すなわち、格子が１
ピッチ移動すると、モアレ縞はＷだけ変位するが、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】そこで、図１１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。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
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１１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１２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１３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】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、一般に数値制御
する場合は常に工作物、又は工作テーブルの絶対的な位
置を把握することが要求される。そこで、通常メインス
ケールに相対的な距離を測定する微少な刻線スケールと
共に、現在のスケールの絶対的な位置を検出するアブソ
リュート測定用の刻線を付けることがある。 【０００７】ところで、絶対位置を検出するために設け
られたスケールのモアレ縞によって検出される図１１の
ような正弦波波形は、図１４のＭ１に示すようにスケー
ルの長さ方向にある周期で繰り返す信号になっているだ
けであって、この信号の同一レベルとなっている点は長
さ方向に多数発生し、単にレベルを検出しただけではス
ケールが停止しているときの絶対的な位置を検出するこ
とができない。そこで同図に示すように刻線の傾きθ又
はピッチＰを少しずつ変化した別の刻線トラックを多数
設け、これらのトラックから得られるモアレ縞による正
弦波状に変化した周期が２倍、または４倍となるような
信号Ｍ２、Ｍ３、．．．．．Ｍｎを出力するように多ト
ラックの刻線を設け、これらの信号レベルも同時に検出
すると、各トラックの信号レベルの情報から、スケール
の現在の停止位置を特定することができるようになる。 【０００８】すなわち、図１４に示すように、相対的な
位置を検出する最も小さい目盛とされている第１の刻線
Ｐ１に対して、この刻線の整数倍（例えば８／７倍）の
間隔を有する第２の刻線Ｐ２を設ける。さらに、長尺の
スケールの場合で広い範囲の絶対距離を求める場合はこ
の第２の刻線に対してモアレ縞のピッチがさらに整数倍
となるように傾けた第３の刻線Ｐ３、この第３の刻線に
対してさらに整数倍のモアレ縞の間隔となるように傾け
た第４の刻線Ｐ４というように、整数倍、例えばピッチ
単位が８倍となるような多数のトラックを設定すること
によって、４５度周期で下位の測定目盛りの位置をスケ
ール全体にわたって特定できるようにすることが行われ
ている。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな方法で長尺のスケールの全体について絶対値を検出
するように構成すると、刻線トラックの数が多くなりす
ぎ、スケールの規模が拡大すると共に、検出したモアレ
縞の信号を処理する回路が多トラックになり回路規模を
複雑にするという問題が生じる。例えば、約６．５ｍの
スケールについてのその絶対的な移動量を数ミクロンの
単位で測定する場合は、下位のモアレ縞の１周期を４５
度づつ特定するように構成したときでも、７本の刻線ト
ラック（Ｓ１〜Ｓ７）が必要になり、スケール自体が長
大になると共に、その各トラックから得られるモアレ縞
の信号処理を行うために必要とされる信号回路はかなり
複雑なものになり、スケール全体の価格が高くなるとい
う問題が生じる 【００１０】 【課題を解決するための手段】本発明は上記したような
問題点を解消するために、少なくとも長さ方向に等間隔
で目盛られている第１の刻線と、第１の刻線から得られ
る計測単位が整数倍となるように形成された複数の刻線
を有するメインスケールと、メインスケールに対して、
移動可能に配置され第１の刻線及び複数の刻線に対して
交差する刻線が設けられているインデックススケール
と、両スケール間の第１の刻線と複数の刻線によって発
生するモアレ縞を検出し、相対的に単位長移動する毎に
第１の刻線と複数の刻線によって周期的に変化する信号
を発生する光電変換手段と、電源投入時、又はスケール
の停止時に、第１の刻線と複数の刻線によって周期的に
変化する信号を時分割的に取り込むスイッチング手段
と、平衡変調器とフイルタ回路、及びコンパレータによ
って構成され、スイッチング手段で取り込んだそれぞれ
の信号を位相変調する変調手段と、変調手段で変調され
た変調信号の移相情報から位相偏移に応じた内挿パルス
信号を発生して第１の刻線の間隔を内挿する内挿パルス
信号を出力するアブソリュート内挿手段と、変調手段の
搬送周波数、及びフイルタ回路の特性をスイッチング手
段のタイミングに同期して変更されるように制御する制
御手段を備え、電源投入時、又はスケールの停止時に
は、アブソリュート内挿手段から出力されたデータに基
づいて前記メインスケールの絶対位置を算出するととも
に、スケールの移動中には絶対位置に対して第１の刻線
から導かれる相対位置を加算するようにしたものであ
る。 【００１１】本発明によれば、絶対的な位置検出を行う
スケールの刻線から得られたモアレ縞情報を、相対的な
移動距離を示すために位相分割して信号処理を行うアブ
ソリュート内挿手段に時分割的に入力して、より細かい
位置情報が得られるようにしているので、刻線トラック
の数を従来のものより少なくすることができるとと共
に、絶対位置を示す信号の内挿処理が、相対的な移動距
離を算出する内挿手段を利用して行われるようにしてい
るので、スケール自体や、回路規模を比較的に小さいも
のにしても長尺のアブソリュート値を算出することがで
きるようになる。 【００１２】 【発明の実施の形態】本発明のアブソリュート光学スケ
ールの一実施例の概要を図１に示す。この図において１
Ｓは前記したように、リニヤスケールの相対的な動きに
よって発生するモアレ縞を検出する光学素子からスケー
ルが移動したときに変化する周期信号を発生する光学手
段、２Ｓ、３Ｓは同様な光学素子によって別の測長単位
となる刻線トラックの位置を絶対値として検出するため
の光学手段である。かかる光学手段は、前述したように
刻線ピッチが形成されているスケールに対してインデッ
クススケールを移動させたときに生じる周期性のモアレ
縞を電気信号に変換するものであって、後で述べるよう
に通常は９０度位相差を有するＡ相の信号とＢ相の信号
によって出力される。 【００１３】この実施例の場合は、光学手段１Ｓは例え
ば４０μｍのピッチを有するスケールによって構成さ
れ、２Ｓは１６００μｍのピッチを有するスケール、３
Ｓは５２０００μｍの刻線ピッチとされている。従っ
て、本実施例では３トラックのスケールから移動情報を
得ることになるが、このトラック数は後で述べる、測定
スケールの長さや、位相分割によって内挿する出力パル
スの解像度によって適宜変更できるものである。 【００１４】４は前記光学手段１Ｓ、２Ｓ、３Ｓの出力
を時分割的に取り込むアナログスイッチであり、その選
択はマイコン８によって制御される。そして取り込まれ
た信号は、ピッチ間を内挿する信号処理を行うために、
まず変調器５に入力され、モアレ縞のレベル変化が交番
信号の位相変化となるような信号に変換され、その位相
変調された信号を正弦波にするローパスフイルタ６に入
力される。また、正弦波に変換された交流信号はその零
クロスポイントで反転すようにコンパレータ７に入力さ
れ、２値信号に変換されたデジタル出力がマイコン８に
供給されるようにしている。 【００１５】マイコン８は入力されて光学素子１Ｓ、２
Ｓ、３Ｓからのスケールの読み出し情報から刻線間をさ
らに細かく分割する内挿パルス信号を形成すると共に、
従来の相対的な移動情報を示しているＡ／Ｂ相信号発生
器９からの信号を受けて、移動時にも絶対位置が示され
るように動作することができる。 【００１６】前記変調器５は、本出願人が先に特開昭６
２−１３２１０４号公報として公開しているように、正
弦波状の信号レベルを変調信号として搬送波周波数を平
衡変調するものであって、信号レベルが搬送波の位相情
報として出力されるようにしており、例えば図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。 【００１７】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。 【００１８】このように平衡変調された搬送波は次にロ
ーパスフイルタ６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る。このローパスフイルタ６
は例えば図４に示すように３個のオペレーションアンプ
ＯＰ（１、２、３）と抵抗Ｒ（１、２、３、４、５、
６、７）及びコンデンサＣ１、Ｃ２からなる状態変数型
（ステートバリアブル）フイルタによって構成されてお
り、このフィルタはよく知られているように、抵抗Ｒ
６、およびＲ７を可変することによって遮断周波数ωｃ
のみを独立して調整することができるようにしている。
マイコンのクロックによって抵抗Ｒ６、Ｒ７を可変する
ために、本発明の場合はこの抵抗部分を図４（ｂ）に示
すように一端が接地されているスイッチドキャパシタＣ
ｓとクロック信号によって接点ａ，ｂ間を選択するスイ
ッチＳによって構成している。このようなスイッチドキ
ャパシタの抵抗値Ｒは、１／Ｃｓ・ｆｃによって表すこ
とができ、マイコン８から供給されるクロック信号の周
波数ｆｃを選択することによって種種の遮断特性を有す
るローパスフイルタを構築することができる。 【００１９】この正弦波状に変換された信号は搬送波の
周波数の角速度をω、スケールの格子（刻線）間隔を
ｐ、移動量をｘとしたときに Ｓ＝Ｋ・Ｃｏｓ（ωｔー２π・ｘ／ｐ） によって示される信号となり、スケールの移動量ｘとピ
ッチｐの比ｘ／ｐが位相の変化として示される交流信号
となる。 【００２０】そして、この位相変調された交流信号が次
のコンパレータ７によって零レベルの点がエッジとされ
る２値信号に変換される。このコンパレータ７より出力
される２値信号の位相と、光学手段から出力されたＡ相
信号及びＢ相信号のレベルとの関係を図５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、ある刻
線のスケールから出力された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７よりの搬送波の２値信号であり、その破線位置が
位相変調回路５に供給される搬送波の零位相の位置であ
る。 【００２１】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２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２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２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２
値信号とされる。 【００２２】マイコン８はそのキャプチャ機能を利用し
て、コンパレータ７から出力されている２値信号の立ち
上がり点と、点線で示す基準位相の間隔Ｔを検出する。
この間隔Ｔは、格子ピッチＰ内を分割したしたときの情
報を示しているので、この間隔Ｔを所定のクロックによ
って計数することにより、スケールの１ピッチを内挿す
る内挿パルス信号を形成すると共に、この内挿パルス信
号を計数して１ピッチを細分割したスケールのデータを
得ることができる。例えば、マイコン８から出力されて
いる搬送波のエッジによりカウンタの計数をスタートさ
せ、コンパレータ７の２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、マイコンの
カウンタより格子ピッチＰ内を分割した内挿アブソリュ
ート値を検出できるようになる。この実施例の場合、光
学手段Ｓ１から出力されるモアレ縞の１ピッチは４０μ
ｍを示しているが、マイコン内のカウンタ機能によって
搬送波の４０倍の周波数とされているクロックによって
図５の期間Ｔをカウントすると、１／４０ピッチの精度
で計数パルスが得られ、光学手段Ｓ１の出力から１μｍ
の偏位を検出することができる。 【００２３】次に、ａ／ｂ相信号発生回路９の概要をブ
ロック図として図６（ａ）に示す。この図に示されてい
るように、コンパレータ７の出力信号の周期をスケール
が移動中に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、Ａ／Ｂ相パルス発生器３
４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３
３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Ａ相／Ｂ相パルス信号を出力する
ＡＢ相パルス発生器３４と、マイコン８から周期測定カ
ウンタ３１に供給される基準クロック信号３５より構成
されている。 【００２４】周期カウンタ３１は変調器５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６
（ｂ）の（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、分解能が４０倍に向
上されている場合である。 【００２５】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、その
瞬間に例えば、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、周期
カウンタ３１はメインスケールとインデックススケール
の相対的な動きが生じたときに、その格子内の動きに応
じて分解能が４０倍の時は４０を中心としてその計数値
が位相変調波の周期毎に変化する。 【００２６】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、静止しているときは「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、左に移動しているときは、「−１
以下」が減算器３２から出力され、アップダウンカウン
タ３３に例えば「−１以下」がプリセットされる。さら
に、右側に動いているときは「１以上」が減算器３２か
ら出力され、アップダウンカウンタ３３に例えば「１以
上」がプリセットされる。 【００２７】次に、図７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スケールの移動によってある
位置から（＋）または（−）３／４０ピッチ動いた場合
を示し、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７（ａ）に示すように、スケールが移動して「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（Ａ１）発生してアップダウンカウンタ３３に供
給する。 【００２８】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。 【００２９】一方、ＡＢ相パルス発生器３４において、
図７（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」となった後に、移動方向が
逆転するとディレクション信号ＤＩＲが図７（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７（ａ）に示すように、アップダウンカ
ウンタ３３にプリセットされたとする。すると、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「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。 【００３０】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Ｅ
Ｑ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。 【００３１】一方、ＡＢ相パルス発生器３４において、
図７（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
ＦＢ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
ＦＢ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。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。 【００３２】ところで、上記スイッチ４によって電源投
入時のようにスケールが停止しているときには光学手段
１Ｓの出力が選択されていると、この出力が変調器５、
フイルタ６、コンパレータ７を介してマイコン８に取り
込まれ、停止位置で光学手段１Ｓから出力されている最
も精度の高い距離情報を１μｍの単位で内挿する出力パ
ルス信号Ｐｆを図５の期間Ｔを計数することにより得る
ことができ、そのカウント数Ｎｆによって１ピッチ４０
μｍ内の位置を検出することができる。また、本発明の
場合は電源投入時の初期設定時には、スイッチ４によっ
て刻線のピッチが異なる光学手段２Ｓ、及び３Ｓの出力
が時分割的に取り込まれ、それぞれ位相変調をされた後
に、図５に示したように各刻線トラックから出力される
Ａ／Ｂ相信号の位相状態によって位相分割された内挿パ
ルス信号を出力する。 【００３３】光学手段２Ｓの刻線ピッチは例えば１６０
０μｍであり、このピッチを前記したように４０倍の精
度で内挿するパルスに変換することによって、４０μｍ
までの距離で１パルスの信号を内挿した出力パルスＰｓ
を出力することができる。従って、このパルス信号Ｐｓ
のカウント数Ｎｓによって４０μ変位する毎に計数値が
インクリメントされ、そのカウント値Ｎｓと先のカウン
ト数Ｎｆにより距離１６００μ迄を１μを単位で特定す
ることができる。 【００３４】光学手段３Ｓは刻線の１ピッチが例えば５
４０００とされており、この光学手段から出力されるモ
アレ縞の１周期の変化を同様に位相分割して４０倍の精
度を示す内挿パルス信号Ｐｔを出力すると、１６００μ
ｍ移動する毎に１パルスを出力する精度でパルスを内挿
することができる。したがって、このパルス信号Ｐｔを
１６００μｍ毎にカウントした計数値Ｎｔと、前記した
計数値Ｎｓ、およびＮｆによって、５．４Ｃｍ迄を１μ
の精度で測定することができるようになる。すなわち、
光学手段１Ｓ、２Ｓ、３Ｓから出力されるモアレ縞の位
相変化をスイッチ４を介して時分割的に取り込み、これ
らの各トラックのピッチをそれぞれ４０倍の位相分割に
よって分割した内挿パルス信号Ｐｆ、Ｐｓ、Ｐｔを出力
し、この各トラックのパルス計数値をそれぞれＮｆ、Ｎ
ｓ、Ｎｔとすると、絶対的な移動距離ＬはＬ＝Ｎｆ＋４
０・Ｎｓ＋１６００・Ｎｔとなり３トラックの刻線スケ
ールによって１μｍ単位で５．４Ｃｍの絶対的な距離を
測定することができる。 【００３５】上記実施例においてさらにもう１トラック
の刻線スケールを配置し、たとえば５４０００の４０倍
の刻線ピッチとされているトラックを作ると、さらに４
０倍の長尺の距離、２．１６ｍを１μｍの精度で測定し
て絶対値で出力することができる。 【００３６】上記の場合は電源投入時や、スケールが停
止しているときに各光学手段１Ｓ、２Ｓ、３Ｓの出力を
取り込んでその演算から絶対値を出力するようにした
が、ある計測点から移動しているときは、その点の絶対
値と、図１に示したＡ／Ｂ相発生器９から出力される１
μ単位の移動中のＡ／Ｂ相信号の計数値を加算すること
によって、移動中でもその位置を絶対値で示すことがで
きる。この場合、Ａ／Ｂ相出力は移動方向の情報を持っ
ているので、Ａ相信号とＢ相信号の進み、遅れを考慮し
て加算、又は減算する必要があることはいうまでもな
い。 【００３７】図８はマイコン８が絶対値を検出するとき
の測定動作を制御する流れ図の一例を示したものであ
る。マイコン８は通常電源が投入されたか否かを判断し
ており（Ｓ１０１）、電源投入された時点で、絶対値の
測長動作が開始される。まず、ステップＳ１０２から光
学手段の１Ｓを選択してスケールの内挿パルスを生成す
ると共に、そのパルス数Ｎｆを保持する。（Ｓ１０３） 次に、ステップＳ１０４からＳ１０５を経由して、２Ｓ
を選択してそのスケールの内挿パルスを生成すると共
に、そのパルスをカウントして計数値Ｎｓを保存すると
共に、次に３Ｓを選択してさらに上位のスケールの内挿
パルス信号を生成し、そのパルス数をカウントする。そ
してその計数値Ｎｔを保存する。（Ｓ１０６，Ｓ１０
７） その後に上記カウント数Ｎｆ，Ｎｓ及びＮｔからスケー
ルの絶対値を示すＮａを演算する（Ｓ１０８）。そし
て、この演算値を初期値としてホールド（Ｓ１０９）す
る。この演算結果はメモリ等に保存されるが、次に電源
が投入され、再び絶対値が計測されたときには、その内
容を書き換えることになる。この状態で初期の絶対値が
確定すると、次にステップＳ１１０で光学手段１Ｓを選
択して相対値の計測モードになり、スケールが移動して
Ａ／Ｂ相パルス信号が出力されると、そのパルス信号の
個数（Ｎｂ）を前記絶対値Ｎａに対し加算、又は減産す
る（Ｓ１１１）。したがって、ある測定値からスケール
が移動したときにも絶対値が変化する表示が行われるよ
うにしている。 【００３８】 【発明の効果】本発明は以上説明したように従来の相対
的な移動距離を測定している位相分割による内挿パルス
出力手段を利用して、アブソリュートを示す刻線ピッチ
の精度を高くするような信号処理回路としているので、
従来のように単純に多トラックのアブソリュートスケー
ルからの信号を加算していって位置を検出する場合に比
較し、格段に少ない刻線トラックから長尺スケールの絶
対値を求めることができ、機械的、及び電気的により少
ない部品点数によって高精度アブソリュート値を求める
ことができるという効果ある。また、アブソリュートト
ラックの本数が少なくなることによってスケールから検
出される信号のレベルを大きくすることができるので、
検出信号（モアレ縞）のＳ／Ｎ比が高くなり、同じＳ／
Ｎ比であるときはスケールの幅を小さくすることができ
るという利点がある。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の光学式リニヤスケールの原点検出装置
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】フイルタの１例を示す回路図である。 【図５】内挿パルス数を生成するときの説明波形図であ
る。 【図６】ａ／ｂ相信号発生回路と周期カウンタのカウン
ト波形の説明図である。 【図７】ａ／ｂ相信号波形の説明図である。 【図８】マイコンの動作の位置例を示す流れ図である。 【図９】光学式スケールの原理図である。 【図１０】モアレ縞を示す図である。 【図１１】モアレ縞の移動を示す図である。 【図１２】光電変換素子を設置する位置を示す図であ
る。 【図１３】Ａ相信号とＢ相信号との波形図である。 【図１４】アブソリュート値を測定するときの刻線トラ
ックの説明図である。 【符号の説明】 １Ｓ，２Ｓ，３Ｓ 光学手段 ４ アナログスイッチ ５ 変調器 ６ ローパスフイルタ ７ コンパレータ ８ マイコン ９ ａ／ｂ相信号発生部 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 １０９ 原点位置 １１０，１１１，１１２，１１３ 光電変換素子

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 少なくとも長さ方向に等間隔で目盛られ
   ている第１の刻線と、前記第１の刻線から得られる計測
   単位が整数倍となるように形成された複数の刻線を有す
   るメインスケールと、 前記メインスケールに対して、移動可能に配置され前記
   第１の刻線及び前記複数の刻線に対して交差する刻線が
   設けられているインデックススケールと、 前記両スケール間の第１の刻線と前記複数の刻線によっ
   て発生するモアレ縞を検出し、相対的に単位長移動する
   毎に前記第１の刻線と前記複数の刻線によって周期的に
   変化する信号を発生する光電変換手段と、電源投入時、又はスケールの停止時に、 前記第１の刻線
   と前記複数の刻線によって周期的に変化する信号を時分
   割的に取り込むスイッチング手段と、平衡変調器とフイルタ回路、及びコンパレータによって
   構成され、 前記スイッチング手段で取り込んだそれぞれ
   の信号を位相変調する変調手段と、 前記変調手段で変調された変調信号の移相情報から位相
   偏移に応じた内挿パルス信号を発生して前記第１の刻線
   の間隔を内挿する内挿パルス信号を出力するアブソリュ
   ート内挿手段と、前記変調手段の搬送周波数、及び前記フイルタ回路の特
   性 を前記スイッチング手段のタイミングに同期して変更
   されるように制御する制御手段を備え、電源投入時、又はスケールの停止時には、 前記アブソリ
   ュート内挿手段から出力されたデータに基づいて前記メ
   インスケールの絶対位置を算出するとともに、スケール
   の移動中には前記絶対位置に対して第１の刻線から導か
   れる相対位置を加算するようにしたことを特徴とするア
   ブソリュート光学式リニヤスケール。