JP4416560B2 - 光学式変位測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、デジタル式ノギス、リニヤゲージ、リニヤスケール等に応用される、光学式変位測定装置に関する。

従来から直線変位や角度変位などの精密な測定に光学式変位測定装置が利用されている。この装置は、光学式エンコーダとも呼ばれ、例えば、光学格子が設けられた表面を有するスケール及びこのスケールに沿って移動可能なセンサヘッドにより構成される。センサヘッド内には、光源、光学格子、受光部等が収容されている。

光源からの光をスケールの光学格子に照射すると明暗パターンが生成される。センサヘッドをスケールに沿って移動させながら、この明暗パターンをセンサヘッド内の光学格子に照射する。これにより、光の強弱が正弦波状に変化する光信号が生成される。光信号は受光部で光電変換され、これによって発生した電気信号を利用して直線などの変位量が算出される。

光学式変位測定装置には、スケールの光学格子が光を透過するタイプ（透過型）とスケールの光学格子が光を反射するタイプ（反射型）がある。このうち、反射型は、例えば特許文献１に開示されている。
特開２００３−２７９３８３号公報（段落［００１４］、図９）

特許文献１に開示された光学式変位測定装置は、光源から出射された光を斜め方向からスケールの光学格子に当て、そこから斜め方向に反射された光を受光部で受光する構成を有する。この変位測定装置では、スケールに入射する光及びスケールで反射される光の光軸がスケールの表面に対して斜めにされている。

スケールの表面を基準とした光軸の角度が小さいと、センサヘッドの厚みを小さくできる。しかし、光源と受光部との距離が大きくなるため、センサヘッドの平面の寸法が大きくなる。一方、上記光軸の角度を大きくすると、光源と受光部との距離を小さくできるので、センサヘッドの平面の寸法を小さくできる。しかし、センサヘッドの厚みは大きくなる。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、小型化を実現できる光学式変位測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光学式変位測定装置は、光源と、前記光源からの光を反射する反射部と、前記反射部からの光が照射されることにより明暗パターンを生成する反射型の光学格子が設けられた測定軸方向に延びるスケールと、前記光源及び前記反射部と共に前記スケールの一方の面側に配置されており、前記光源及び前記反射部と一緒に前記スケールに対して前記測定軸方向に相対移動しながら前記光学格子で生成された明暗パターンを受光して、前記相対移動の量に対応した第１出力信号を出力する第１受光部と、前記スケールには参照信号用マークが設けられており、前記参照信号用マークを介して前記光源からの光を受光して第２出力信号を出力する第２受光部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る光学式変位測定装置によれば、光源からの光を反射して、これを スケールに設けられた反射型の光学格子に照射する反射部を備えているため、光源と第１受光部が配置される空間をコンパクトにすることができる。また、第１受光部と第２受光部とで光源を共用している。これらにより、本発明によれば、光学式変位測定装置の小型化を実現できる。

本発明に係る光学式変位測定装置において、前記光源の光軸中心は前記スケールと平行に配置されている、ようにすることができる。これによれば、光源、反射部等を収容する筐体の厚みを薄くすることができるため、光学式変位測定装置の小型化を実現することができる。

本発明に係る光学式変位測定装置において、前記光源からの光をコリメートして前記反射部へ導くレンズを備え、前記レンズの周辺部が前記スケールと平行な面でカットされている、ようにすることができる。これによれば、レンズのうち光を反射部に導くのに不要な部分をカットできるので、光学式変位測定装置の小型化を実現できる。

本発明に係る光学式変位測定装置において、前記光源からの光のうち前記光軸中心に対して斜めに放射された光成分を前記参照信号用マークに入射する、ようにすることができる。これによれば、光学格子に照射される光と参照信号用マークに照射される光とのクロストークを防ぐことが可能である。

本発明に係る光学式変位測定装置において、前記光源からの光は前記反射部側から前記光学格子及び前記参照信号用マークに入射する、ようにすることができる。これによれば、参照信号用マークに入射する光の強度を大きくすることが可能となる。

本発明に係る光学式変位測定装置において、前記第１受光部から出力された第１出力信号の強度に応じたフィードバック信号を前記光源にフィードバックすることにより前記光源の発光量を制御するフィードバック部を備える、ようにすることができる。

これによれば、第１受光部から出力された第１出力信号の強度を、フィードバック部により調節している。第２受光部は第１受光部と光源を共用しているので、第２受光部の専用のフィードバック部を設けることなく、第２受光部はフィードバック効果を得ることができる。第２受光部にフィードバック効果が生じることにより、参照信号の強度を安定化できる。

本発明に係る光学式変位測定装置において、前記第１及び第２受光部は同一の半導体基板に形成されている、ようにすることができる。

これによれば、第２受光部の特性（例えば、受光感度特性、温度特性）を第１受光部のそれとほぼ同じにできる。このように、第２受光部が第１受光部と光源及び半導体基板を共用することにより、第２受光部に対するフィードバック効果を向上させることができる。

本発明に係る光学式変位測定装置において、前記フィードバック部から出力されたフィードバック信号の強度の調節機能を含み、このフィードバック信号を基準にして前記第２受光部から出力された第２出力信号から参照信号を生成する参照信号生成部を備える、ようにすることができる。これによれば、参照信号の強度をさらに安定にすることができる。

本発明に係る光学式変位測定装置において、第３出力信号を出力する遮光された第３受光部と、前記第２受光部から出力された第２出力信号が一方の入力端子から入力し、前記第３受光部から出力された第３出力信号が他方の入力端子から入力する差動増幅器と、前記差動増幅器からの出力を基にして参照信号を生成する参照信号生成部と、を備える、ようにすることができる。

これによれば、第２受光部と差動増幅器との間で第２出力信号に混じったノイズをキャンセルすることができる。第２受光部と参照信号生成部とを接続する配線が長くなると、第２出力信号にノイズが混じりやすくなるので、上記配線が長くなる場合に特に有効となる。

本発明に係る光学式変位測定装置によれば、光源からの光を反射して、これを スケールに設けられた反射型の光学格子に照射する反射部を備えているので、光学式変位測定装置の小型化を実現できる。

以下、図面を参照して、本発明に係る光学式変位測定装置の第１〜第４実施形態を説明する。なお、第２〜第４実施形態を説明する図において、既に説明した実施形態の符号で示すものと同一のものについては、同一符号を付すことにより説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る光学式変位測定装置１の概略構成を示す図である。この実施形態は、光源３からの光Ｌが反射部５を介して反射型の光学格子７に照射される点を主な特徴とする。まず、光学式変位測定装置１の構成を説明する。装置１は、スケール９とセンサヘッド１１とにより構成される。スケール９はガラス等を材料とする長尺状のスケール用基板１３を含み、図１にはその一部が表れている。スケール９は一方の側部１５及び他方の側部１７を有しており、これらによりスケール９の幅が規定される。スケール９の幅方向は測定軸Ｘ方向と直交する。

スケール９の表面（スケール９の一方の面）１９は、センサヘッド１１側を向いている。表面１９に、反射型の光学格子７が形成されている。光学格子７は、光を反射する反射ライン２１が所定のピッチ（例えば２０μｍ）を設けてスケール９の長手方向に沿って配列された構成を有する。スケール９の延びる方向が測定軸Ｘとなる。反射ライン２１は、スケール９の表面１９上で測定軸Ｘと直交する方向に延びる。反射ライン２１は金属（例えばクロム）などから構成される。

センサヘッド１１はスケール９に対してエアギャップを設けて配置され、測定軸Ｘに沿って移動可能にされている。センサヘッド１１は、これから説明する光学部品（光源３、反射部５、光学格子３１等）を収容する筐体であり、これらの光学部品はスケール９の表面（スケール９の一方の面）１９側に配置されている。

光源３は、スケール９の一方の側部１５側に配置されている。光源３は、発光チップ２３とこれを収容するケース２５とを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）である。ＬＥＤの替わりにレーザ（ＬＤ）を用いることもできる。光源３の光軸中心ＡＸは、スケール９の表面１９と直交する方向及び測定軸Ｘの方向に対して、直交する方向を向いている。

センサヘッド１１内には、光軸中心ＡＸ上に配置されたレンズ２７が収容されている。光源３から出射された光Ｌは、レンズ２７でコリメートされ、平行光となる。この平行光は、スケール９の他方の側部１７側に配置された反射部５に導かれる。反射部５は長方形状の薄いミラーであり、ミラーの長手方向が測定軸Ｘ方向を向いている。平行光は反射部５において斜め下方向に反射される。光源３、レンズ２７及び反射部５は、スケール９を基準にした高さが同じにされている。

この反射された平行光は、センサヘッド１１内の基板２９に設けられた光学格子３１に照射される。基板２９は、スケール９と対向するように、レンズ２７とスケール９との間に配置されている。光学格子３１は、スケール９の他方の側部１７側に配置されている。光学格子３１は、光を遮光する遮光ライン３３が光学格子７の反射ライン２１と同じピッチを設けてスケール９の長手方向に沿って配列された構成を有する。遮光ライン３３は、反射ライン２１と同じ方向に延びている。

基板２９はガラス等の透明材料で構成されている。光学格子３１のうち遮光ライン３３間のスペースは光を透過する領域となる。反射部５からの平行光は、光学格子３１を介してスケール９の光学格子７に照射される。この光は光学格子７で斜め上方向に反射されて、第１受光部３５で受光される。第１受光部３５は、スケール９の一方の側部１５側の基板２９に配置されている。遮光ライン３３間のスペース及び第１受光部３５が配置される領域以外の基板２９の表面には、図示しないが遮光膜が形成されている。これにより、反射部５で反射された光が光学格子３１を透過しないで、スケール９の光学格子７に照射されるのを防止している。

図２は第１受光部３５の一部の平面図であり、図３は図２のIII(a)-III(b)線に沿った断面図である。第１受光部３５は、複数のフォトダイオード（以下、「フォトダイオード」をＰＤという場合がある。）３７がアレイ状に配置されたＰＤアレイ３９を有する半導体チップである。

詳細には、ＰＤ３７は、ｐ型のシリコン基板４１と、その表面に形成されたｎ型の不純物領域４３と、を含む。ＰＤ３７は受光素子の一例である。受光素子として、ＰＤの替わりにフォトトランジスタを用いることもできる。

ＰＤ３７は図１に示すライン２１,３３と同方向に延びる細長形状を有している。ＰＤ３７が測定軸Ｘ方向に沿って所定のピッチＰ（例えば５μｍ）で配列されている。つまり、ａ相用のＰＤ３７ａ、ｂ相用のＰＤ３７ｂ、ａａ相用のＰＤ３７ａａ、ｂｂ相用のＰＤ３７ｂｂを一つのセット４５として、図には三つのセット４５が表れている。したがって、互いに位相が異なるように配置された複数のＰＤを一つのセット４５とし、複数のセット４５が測定軸Ｘ方向に沿って並べられていることになる。ＰＤアレイ３９は二つ以上のセット４５により構成される。なお、ａ相、ｂ相、ａａ相及びｂｂ相については光学式変位測定装置１の動作において説明する。

第１受光部３５はＰＤアレイ３９が図１の光学格子７側に向くように、基板２９に取り付けられている。ＰＤアレイ３９は受光素子としての機能に加えて格子として機能する。したがって、光学式変位測定装置１は、光学格子７,３１、ＰＤアレイ３９を含む三格子型となる。

なお、図１に示すように、光学式変位測定装置１は、スケール９を固定し、センサヘッド１１を測定軸Ｘに沿って移動可能に構成されているが、その逆でも本実施形態を適用することができる。したがって、第１受光部３５は、光源３及び反射部５と一緒にスケール９に対して相対移動可能と言うことができる。

次に、図１に示す光学式変位測定装置１の測定動作について説明する。光源３から光Ｌが出された状態で、センサヘッド１１を測定軸Ｘに沿ってスケール９上を移動させることにより、変位の測定が実行される。光Ｌはレンズ２７及び反射部５を介して光学格子３１に照射され、ここで回折される。この回折光はスケール９の光学格子７に照射され、ここで回折され、反射光としてセンサヘッド１１に向かう。

この反射光は、第１受光部３５のＰＤアレイ３９（図２）の面上において干渉縞（明暗パターンの一例）を生成する。その干渉縞は、図２に示す各フォトダイオード３７で受光される。ここで光電変換され、ＰＤ３７から正弦波状の電気信号が出力される。ＰＤ３７ａ，３７ｂ，３７ａａ，３７ｂｂから出力された信号をそれぞれ、図３に示すように第１出力信号φａ，φｂ，φａａ，φｂｂと表す。

第１出力信号φａはａ相（０度）の信号である。第１出力信号φｂはａ相より９０度だけ位相がずれたｂ相（９０度）の信号であり、第１出力信号φａａはａ相より１８０度だけ位相がずれたａａ相（１８０度）の信号であり、第１出力信号φｂｂはａ相より２７０度だけ位相がずれたｂｂ相（２７０度）の信号である。第１出力信号φａ，φｂ，φａａ，φｂｂを合成処理や内挿処理等して生成されたパルスの数をカウントすることにより、変位量が求められる。以上のように、第１受光部３５は、スケール９に対して相対移動しながら光学格子７，３１により生成された干渉縞（明暗パターンの一例）を受光して、相対移動の量に対応した第１出力信号を出力している。

ａ相及びｂ相の信号を利用するのは、先に検出されるのがａ相かｂ相かによって、センサヘッド１１の移動方向が往き方向か戻り方向かを判断するためである。また、ａ相やｂ相以外にこれらを反転させた、ａａ相やｂｂ相を利用するのは、ａ相やｂ相の信号に含まれる直流成分の除去、並びに、信号の信頼性及び高速追従性の確保のためである。

第１実施形態の主な効果を説明する。第１実施形態によれば、スケール９を基準にした光源３と反射部５の高さを同じにしている。これにより、光源３の光軸中心ＡＸがスケール９の表面１９に対して斜めではなく、平行になる。よって、筐体であるセンサヘッド１１の厚みを小さくできる。そして、光源３からの光Ｌを反射部５でスケール９に向けて斜めに反射させ、光学格子７，３１を介して、光源３側に配置された第１受光部３５に導いている。これにより、センサヘッド１１の平面の寸法を小さくできる。以上により、第１実施形態によれば、センサヘッド１１内の空間をコンパクトにすることができるため、光学式変位測定装置１の小型化を実現できる。

また、第１実施形態によれば、次の点からも光学式変位測定装置１の小型化を図れる。図４は第１実施形態に係る光源３、レンズ２７及び反射部５の位置関係を示す図である。レンズ２７の周辺部４７は、スケール９と平行な平面４９でカットされている。このように、レンズ２７の周辺部を非円周状にカットすることにより、レンズ２７のうち光を反射部５に導くのに不要な部分をカットできるので、光学式変位測定装置１の小型化を実現できる。

なお、図２及び図３に示すように、第１受光部３５は、ａ相用のＰＤ３７ａ、ｂ相用のＰＤ３７ｂ、ａａ相用のＰＤ３７ａａ、ｂｂ相用のＰＤ３７ｂｂを、それぞれ複数設けた構成を有している。しかしながら、第１受光部３５の替わりに、ａ相用のＰＤ、ｂ相用のＰＤ、ａａ相用のＰＤ、ｂｂ相用のＰＤがそれぞれ一つずつ設けられ、各ＰＤに光学格子が配置された構成を有する第１受光部を用いることもできる。

また、第１実施形態は、三つの光学格子（図１の光学格子７,３１、図２のＰＤアレイ３９）を有する三格子型であるが、二つの光学格子を有する二格子型にも適用することができる。二格子型の場合、図１の光学格子３１を設けない構成となる。

［第２実施形態］
第２実施形態については、第１実施形態との相違を中心に説明する。第２実施形態はいわゆる原点を検出するための光学系の構成を主な特徴とする。すなわち、第１実施形態は、第１出力信号φａ，φｂ，φａａ，φｂｂを合成処理や内挿処理等して生成されたパルスの数をカウントすることにより、変位量を測定するインクリメンタル型である。このため、センサヘッド１１をスケール９上の原点を示す原点マークを通過させて、原点を検出してからでなければ絶対位置測定ができない。この原点を検出する操作を原点取りという。

したがって、インクリメンタル型では、原点を検出するための光学系が必要となる。第１実施形態ではこれの説明を省略している。第２実施形態は、上記光学系を加えた場合の光学式変位測定装置である。

図５は、第２実施形態に係る光学式変位測定装置６１の概略構成を示す図である。図６は、この装置６１の光源３の光軸中心ＡＸに沿った図である。光源３と反射部５との間には、光源３から拡散された光Ｌをコリメートして、反射部５に導くレンズ６３が配置されている。光源３とレンズ６３とは所定の距離が設けられている。これにより、光源３から出射して拡散した光Ｌのうち一部の光成分Ｌ１がレンズ６３を通過せずに、次に説明する光透過部６５に入射できるようにしている。

光透過部６５は基板２９の光源３側に形成されている。光源３からの光成分Ｌ１は光透過部６５を通過して、スケール９に導かれる。スケール９の表面１９のうち、光源３側には参照信号用マーク６７が配置され、反射部５側には光学格子７が配置されている。よって、参照信号用マーク６７は光学格子７よりも光源３側に配置されていることになる。参照信号用マーク６７は金属（クロム等）のような光を反射する材料から構成される。

マーク６７の位置がインクリメンタル測定における基準位置となる。つまり、センサヘッド１１を測定軸Ｘに沿って移動させ、センサヘッド１１が基準位置に到達すると、光透過部６５を通過した光成分Ｌ１が参照信号用マーク６７に照射される。参照信号用マーク６７に照射された光成分Ｌ１はここで反射され、基板２９に配置された第２受光部６９で受光される。これにより、第２受光部６９から参照信号用マークを介した光に対応した第２出力信号が出力される。

第２受光部６９はフォトダイオードやフォトトランジスタである。第２受光部６９は光透過部６５と第１受光部３５との間に位置している。したがって、基板２９の表面には、光源３側から反射部５側に向けて順に、光透過部６５、第２受光部６９、第１受光部３５、光学格子３１が並んでいる。これらが配置される領域以外の基板２９の表面には、図６に示すように遮光膜７０が形成されている。

インクリメンタル測定における基準位置を検出する光学系は、光源３、参照信号用マーク６７及び第２受光部６９により構成される。よって、光源３からの光Ｌ１は反射部５を介することなく、光源３側から参照信号用マーク６７に入射することになる。言い換えれば、光源３からの光のうち光軸中心ＡＸに対して斜めに放射された光成分Ｌ１が参照信号用マーク６７に入射することになる。したがって、第２実施形態によれば、光学格子７に照射される光Ｌと参照信号用マーク６７に照射される光成分Ｌ１とのクロストークを防ぐことが可能となる。これにより、光学式変位測定装置６１の測定精度を向上させることができる。

また、第２実施形態によれば、第１受光部３５と第２受光部６９とで光源３を共用しているので、光学式変位測定装置６１の小型化を実現できる。

なお、光源３からの光成分Ｌ１は光源３側から参照信号用マーク６７に入射するようにされているが、光源３からの光を反射部５側から参照信号用マーク６７に入射するようにしてもよい。これを第２実施形態の変形例として説明する。図７は、この変形例に係る光学式変位測定装置７１の概略構成を示す図である。

光透過部６５は光学格子３１と第１受光部３５との間に配置されている。光源３の光の出射面上にコリメータレンズ７３が取り付けられている。これにより、光源３から出射された光は拡散することなく、コリメートされて、反射部５に導かれる。反射部５で反射された光のうち一部の光成分Ｌ２が光透過部６５を通過して参照信号用マーク６７に照射される。この光はマーク６７で反射されて第２受光部６９に導かれる。

この変形例によれば、第２受光部６９で受光される光成分Ｌ２もコリメータレンズ７３でコリメートされている。このため、第２受光部６９で受光される光量を比較的大きくすることができるので、基準位置の検出精度を向上させることができる。

［第３実施形態］
図８は第３実施形態に係る光学式変位測定装置８１の回路図である。光源３から第１受光部３５及び第２受光部６９までの構成は図５に示す第２実施形態と同じである。第１受光部３５において、ａ相用のＰＤ３７ａ、ｂ相用のＰＤ３７ｂ、ａａ相用のＰＤ３７ａａ、ｂｂ相用のＰＤ３７ｂｂは、それぞれ一つずつ表されているが、図３に示すように、各相用のＰＤ３７の個数は複数である。

ＰＤ３７ａ，３７ｂ，３７ａａ，３７ｂｂから出力された信号をそれぞれ第１出力信号φａ，φｂ，φａａ，φｂｂと表す。各第１出力信号は、各第１出力信号に対応する電流電圧変換器８３に入力し、そこで各第１出力信号は電流から電圧に変換される。これらの第１出力信号は、図９（ａ）に示すように、直流成分Ｖｄｃに正弦波が重ねられた信号となる。

その後、第１出力信号φａは差動増幅器８５の反転入力端子から差動増幅器８５に入力し、第１出力信号φａａは差動増幅器８５の非反転入力端子から差動増幅器８５に入力し、ここで信号φａ，φａａは合成処理される。これにより、信号φａに含まれる直流成分の除去等がなされ、図９（ｂ）に示すように、第１出力信号φＡが出力される。

第１出力信号φｂ，φｂｂは差動増幅器８７に入力して、信号φａ，φａａと同様の処理がされる。これにより、図９（ｂ）に示すように、第１出力信号φＡと９０度の位相差を持つ第１出力信号φＢが差動増幅器８７から出力される。そして、第１出力信号φＡ，φＢを内挿処理等して生成されたパルスの数をカウントすることにより、変位量が求められる。

ところで、図９（ａ）に示すような正弦波状の第１出力信号φａ，φｂ，φａａ，φｂｂを用いて、正しい変位量を測定するためには、これらの第１出力信号の振幅値が予め設定された値に正確に制御されている必要がある。光源３である発光ダイオードは、発光ダイオードの周囲の温度変化や発光ダイオードの経年変化等により、発光量が変化する。これにより、第１出力信号φａ，φｂ，φａａ，φｂｂの振幅値が変動する。

そこで、第３実施形態は、第１出力信号φａ，φｂ，φａａ，φｂｂの強度に応じたフィードバック信号φＦＢを光源３にフィードバックすることにより光源３の発光量を制御するフィードバック部８９を備える。これにより、第１出力信号の強度（振幅値）が調節される。次に、フィードバック部８９について説明する。

電流電圧変換器８３で電圧に変換された第１出力信号φａ，φｂ，φａａ，φｂｂは、フィードバック部８９の４相加算器９１にも供給される。これらの信号は４相加算器９１で加算される。これにより、図９（ｃ）に示すように、直流成分４Ｖｄｃが４相加算器９１から出力される。この出力は、フィードバック部８９のＡＰＣ（オートパワーコントロール）部９３に入力する。ＡＰＣ部９３は、上記出力を基準値と比較して、その差分値に応じて、光源３に印加する電圧（つまり光源３の発光量）を制御する。以上のように、４Ｖｄｃが一定になるように光源３の発光量を制御することにより、第１出力信号φａ，φｂ，φａａ，φｂｂの振幅値の変動を抑制しているのである。

次に、第２受光部６９について説明する。第２受光部６９が光成分Ｌ１を受光した時に出力される第２出力信号φｒを基にして参照信号φＲが生成される。したがって、第２出力信号φｒの強度が変化すると、参照信号φＲの強度も変化することになる。これにより、インクリメンタル測定における基準位置にずれが生じ、正確な変位量を得ることができなくなる。このため、第２受光部６９についてもフィードバックをするのが好ましい。

第３実施形態では、第２受光部６９は第１受光部３５と光源３を共用しているので、第２受光部６９の専用のフィードバック部を設けることなく、第２受光部６９にフィードバック効果を与えることができる。よって、第２出力信号φｒの強度が安定するので、参照信号φＲの強度も安定にすることができる。

第３実施形態はこれに加えて、フィードバック部８９から出力されたフィードバック信号（光源３に印加する電圧）φＦＢを基準にして第２出力信号φｒから参照信号φＲを生成することにより、参照信号φＲの強度をさらに安定化させることができる。以下、これについて説明する。

第２受光部６９から出力された第２出力信号φｒは、電流電圧変換器９５で電流から電圧に変換されて非反転増幅器９７に入力する。ここから参照信号生成部９９となる。非反転増幅器９７の出力端子は加算器１０１の反転入力端子と接続されている。加算器１０１の非反転入力端子は、可変増幅器１０３を介してフォードバック部８９の出力端子と接続されている。加算器１０１の出力端子はコンパレータ１０５の反転入力端子に接続されている。

参照信号生成部９９において、各構成部の端子の付近に矢印で示されている数値は、第２受光部６９が光成分Ｌ１を受光した時の電圧の一例であり、括弧内の数値は、第２受光部６９が光成分Ｌ１を受光していない時の電圧の一例である。

まず、第２受光部６９が光成分Ｌ１を受光していない場合から説明する。この場合、各構成部において２．５Ｖが入出力されたのち、コンパレータ１０５から０Ｖが出力されるように設定されている。詳細には、第２受光部６９からは２．５Ｖが出力されている。非反転増幅器９７は、非反転入力端子に２．５Ｖの電圧が印加されると、２．５Ｖを出力するように設定されている。したがって、加算器１０１の反転入力端子に２．５Ｖの電圧が印加される。加算器１０１は、反転入力端子に２．５Ｖの電圧が印加されると、２．５Ｖを出力するように設定されている。このため、加算器１０１からは２．５Ｖが出力される。コンパレータ１０５は、１．２Ｖを基準に、それよりも大きい値が反転入力端子に印加されると０Ｖを出力するように設定されている。以上より、コンパレータ１０５からは０Ｖが出力されることになる。

次に、第２受光部６９が光成分Ｌ１を受光した場合を説明する。この場合、コンパレータ１０５からは５Ｖが出力されるように設定されている。これが参照信号φＲとなる。詳細には、第２受光部６９からの出力電圧は２．５Ｖから３．０Ｖに上がる。非反転増幅器９７は、非反転入力端子に２．５Ｖより大きい電圧が印加されると、３．５Ｖを出力するように設定されている。このため、加算器１０１の反転入力端子に３．５Ｖの電圧が印加される。加算器１０１は、反転入力端子に２．５Ｖより大きい電圧が印加されると、０．５Ｖを出力するように設定されている。したがって、加算器１０１からは０．５Ｖが出力される。コンパレータ１０５は、１．２Ｖを基準に、それよりも小さい値が反転入力端子に印加されると５Ｖを出力するように設定されているため、５Ｖが出力されることになる。

さて、加算器１０１では２．５Ｖを基準にして、それより大きい電圧が反転入力端子に印加されると、０．５Ｖが出力されるようにされている。したがって、加算器１０１の非反転入力端子に印加される電圧が２．５Ｖからずれると、加算器１０１が正確な動作をせず、この結果、参照信号φＲの強度が変化する可能性がある。一方、フィードバック信号φＦＢの強度は第１出力信号φａ，φｂ，φａａ，φｂｂを基準に決められるため、２．５Ｖでない可能性がある。そこで、可変増幅器１０３でフィードバック信号φＦＢの強度を調節して、加算器１０１の非反転入力端子に２．５Ｖが印加されるようにする。このように、第３実施形態によれば、参照信号φＲの強度をさらに安定化できる。

［第４実施形態］
第４実施形態は、第３実施形態との相違を中心に説明する。図１０は第４実施形態に係る光学式変位測定装置１１１の回路図である。第２受光部６９の近く、つまり光成分Ｌ１が入射可能な位置に第３受光部１１３が配置されている。第３受光部１１３は遮光されており、第３出力信号φｓが出力される。第３受光部１１３は電流電圧変換器１１５と接続されている。

電流電圧変換器１１５からの出力は、差動増幅器１１７の反転入力端子から差動増幅器１１７に入力し、電流電圧変換器９５からの出力は、差動増幅器１１７の非反転入力端子から差動増幅器１１７に入力する。よって、差動増幅器１１７は、第２受光部６９から出力された第２出力信号φｒが一方の入力端子から入力し、第３受光部１１３から出力された第３出力信号φｓが他方の入力端子から入力する、と言うことができる。

差動増幅器１１７の出力端子は参照信号生成部１１９を構成する加算器１２１の非反転入力端子と接続されている。加算器１２１の反転入力端子は接地されている。加算器１２１の出力端子は、参照信号生成部１１９を構成するコンパレータ１０５の反転入力端子と接続されている。

なお、差動増幅器１１７の端子及び参照信号生成部１１９の各構成部の端子において、これらの付近に矢印で示されている数値は、第３実施形態と同様に第２受光部６９が光成分Ｌ１を受光した時の電圧の一例であり、括弧内の数値は、第２受光部６９が光成分Ｌ１を受光していない時の電圧の一例である。

まず、第２受光部６９が光成分Ｌ１を受光していない場合から説明する。この場合、第３実施形態と同様に、各構成部において２．５Ｖが入出力されたのち、コンパレータ１０５から０Ｖが出力されるように設定されている。詳細には、第２受光部６９及び第３受光部１１３は２．５Ｖが出力されている。差動増幅器１１７は、非反転入力端子に２．５Ｖの電圧が印加されると、２．５Ｖを出力するように設定されている。したがって、加算器１２１の非反転入力端子に２．５Ｖの電圧が印加される。加算器１２１は、非反転入力端子に２．５Ｖの電圧が印加されると、２．５Ｖを出力するように設定されている。このため、加算器１２１からは２．５Ｖが出力される。コンパレータ１０５の動作は第３実施形態と同じであり、よって、コンパレータ１０５から０Ｖが出力されることになる。

次に、第２受光部６９が光成分Ｌ１を受光した場合を説明する。第２受光部６９からの出力電圧は２．５Ｖから３．０Ｖに上がる。第３受光部１１３は遮光されているので、２．５Ｖのままである。これにより、差動増幅器１１７から３．５Ｖが出力される。加算器１２１は、反転入力端子に２．５Ｖより大きい電圧が印加されると、０．５Ｖを出力するように設定されている。したがって、加算器１２１からは０．５Ｖが出力される。コンパレータ１０５は、第３実施形態と同様であり、よって、５Ｖが出力されることになる。これが参照信号φＲとなる。

ところで、ノイズが混じった第２出力信号φｒが参照信号生成部１１９に入力すると、参照信号φＲの強度が変化する可能性がある。これにより、インクリメンタル測定における基準位置にずれが生じ、正確な変位量を得ることができない。

第２受光部６９と差動増幅器１１７との間で、第２出力信号φｒにノイズが何らかの原因で混じった場合、第３受光部１１３からの出力にも同じ原因でノイズが混じる。第２受光部６９と第３受光部１１３とを差動増幅器１１７の入力端子に接続することにより、第２受光部６９と差動増幅器１１７との間で第２出力信号φｒにノイズが混じっても、これをキャンセルすることができる。差動増幅器１１７からはノイズが除去された信号が出力される。この出力を基にして参照信号生成部１１９から参照信号φＲが生成される。

以上のように、第４実施形態によれば、第２受光部６９と差動増幅器１１７との間で第２出力信号φｒに混じったノイズをキャンセルすることができる。第２受光部６９と参照信号生成部１１９とを接続する配線が長くなると、第２出力信号φｒにノイズが混じりやすくなるので、上記配線が長くなる場合に特に有効となる。

なお、第３受光部１１３を遮光しているのは、第２出力信号φｒ自体が差動増幅器１１７でキャンセルされるのを防止するためである。また、第２受光部６９と第３受光部１１３とは、個別の半導体チップにされているが、同一の半導体チップにしてもよい。

なお、第３及び第４実施形態において、第１受光部３５と第２受光部６９とは個別の半導体チップでもよいが、同一の半導体チップにすれば、第２受光部６９に対するフィードバック効果が向上する。すなわち、第１受光部３５と第２受光部６９とが同一の半導体基板に形成されるので、第２受光部６９の特性（例えば、受光感度特性、温度特性）を第１受光部３５のそれとほぼ同じにすることが可能となる。このように、第２受光部６９が第１受光部３５と光源３及び半導体基板を共用することにより、第２受光部６９から出力された第２出力信号φｒの強度を安定にすることができる。

第１実施形態に係る光学式変位測定装置の構成の概略を示す図である。 第１実施形態に係る第１受光部の一部の平面図である。 図２のIII(a)-III(b)線に沿った断面図である。 第１実施形態に係る光源、レンズ及び反射部の位置関係を示す図である。 第２実施形態に係る光学式変位測定装置の構成の概略を示す図である。 図５に示す装置の光源の光軸中心に沿った図である。 第２実施形態に係る光学式変位測定装置の変形例の構成の概略を示す図である。 第３実施形態に係る光学式変位測定装置の回路図である。 第３実施形態に係る光学式変位測定装置の回路の波形図である。 第４実施形態に係る光学式変位測定装置の回路図である。

符号の説明

１・・・光学式変位測定装置、３・・・光源、５・・・反射部、７・・・光学格子、９・・・スケール、１１・・・センサヘッド、１３・・・スケール用基板、１５・・・スケールの一方の側部、１７・・・スケールの他方の側部、１９・・・スケールの表面（スケールの一方の面の一例）、２１・・・反射ライン、２３・・・発光チップ、２５・・・ケース、２７・・・レンズ、２９・・・基板、３１・・・光学格子、３３・・・遮光ライン、３５・・・第１受光部、３７・・・フォトダイオード、３９・・・ＰＤアレイ、４１・・・シリコン基板、４３・・・不純物領域、４５・・・ＰＤのセット、４７・・・レンズの周辺部、４９・・・レンズの平面、６１・・・光学式変位測定装置、６３・・・レンズ、６５・・・光透過部、６７・・・参照信号用マーク、６９・・・第２受光部、７０・・・遮光膜、７１・・・光学式変位測定装置、７３・・・コリメータレンズ、８１・・・光学式変位測定装置、８３・・・電流電圧変換器、８５，８７・・・差動増幅器、８９・・・フィードバック部、９１・・・４相加算器、９３・・・ＡＰＣ部、９５・・・電流電圧変換器、９７・・・非反転増幅器、９９・・・参照信号生成部、１０１・・・加算器、１０３・・・可変増幅器、１０５・・・コンパレータ、１１１・・・光学式変位測定装置、１１３・・・第３受光部、１１５・・電流電圧変換器、１１７・・・差動増幅器、１１９・・・参照信号生成部、１２１・・・加算器、Ｌ・・・光、Ｘ・・・測定軸、Ｐ・・・フォトダイオードのピッチ、ＡＸ・・・光源の光軸中心、Ｌ１，Ｌ２・・・光成分、φａ，φｂ，φａａ，φｂｂ・・・第１出力信号、φｒ・・・第２出力信号、φＲ・・・参照信号、φＦＢ・・・フィードバック信号、φｓ・・・第３出力信号

Claims (6)

1. 測定軸方向に延びるスケールと、
   このスケールの一方の面と対向し前記スケールに対して前記測定軸方向に移動可能に配置されたセンサヘッドと
   を有し、
   前記センサヘッドは、
   拡散光を出射する光源と、
   前記光源からの拡散光のうちの一部を前記スケール側に透過させる光透過部と、
   前記光源からの拡散光のうち他の一部をコリメートするレンズと、
   前記レンズでコリメートされた光を前記スケールに反射する反射部と、
   前記スケールで反射された前記反射部からの光を受光する第１受光部と、
   前記スケールで反射された前記光透過部からの光を受光する第２受光部と
   を有し、
   前記光源、レンズ及び反射部は、前記スケールの一方の面と平行で且つ前記測定軸方向と直交する方向を光軸方向とするように配置され、前記光透過部は、前記光源から前記光軸方向に対して斜めに放射された光成分を前記スケールに透過させ、
   前記スケールは、
   前記反射部からの光が照射されることにより明暗パターンを生成する測定軸方向に延びる反射型の光学格子と、
   前記光学格子よりも前記光源側に配置されて前記測定軸方向の基準位置を示す参照信号用マークと
   を有し、
   前記第１受光部は、前記センサヘッドが前記スケールに対して相対移動することにより前記光学格子で生成された明暗パターンを受光して、前記相対移動の量に対応した第１出力信号を出力し、
   前記第２受光部は、前記光透過部及び前記参照信号用マークを介して前記光源からの光を受光して第２出力信号を出力する
   ことを特徴とする光学式変位測定装置。
2. 前記レンズの周辺部が前記スケールと平行な面でカットされている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学式変位測定装置。
3. 前記第１受光部から出力された第１出力信号の強度に応じたフィードバック信号を前記光源にフィードバックすることにより前記光源の発光量を制御するフィードバック部を備える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式変位測定装置。
4. 前記第１及び第２受光部は同一の半導体基板に形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学式変位測定装置。
5. 前記フィードバック部から出力されたフィードバック信号の強度の調節機能を含み、このフィードバック信号を基準にして前記第２受光部から出力された第２出力信号から参照信号を生成する参照信号生成部を備える
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学式変位測定装置。
6. 第３出力信号を出力する遮光された第３受光部と、
   前記第２受光部から出力された第２出力信号が一方の入力端子から入力し、前記第３受光部から出力された第３出力信号が他方の入力端子から入力する差動増幅器と、
   前記差動増幅器からの出力を基にして参照信号を生成する参照信号生成部と、を備える
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学式変位測定装置。

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