JP5345269B2 - 光学式変位測定装置 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は光学式変位測定装置に関し、特に、光電式透過型リニアエンコーダを用いた高精度な光学式変位測定装置に関するもので、接触式のデジタル変位計に使用されるものである。

【従来の技術】
従来から、レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた光学式測長器、及び光学式エンコーダを用いた光学式エンコーダ測長器が知られている。光学式測長器は、レーザやＬＥＤの波長を単位として測長するため、高い精度を得ることができる。また、光学式測長器は、主に２点間の長さを測長する相対位置測長に用いられる。

光学式エンコーダ測長器は、ガラス板、フィルム又は金属薄板等から構成されるスケールと、スケールに所定のピッチで設けられた光学格子と、スケールに対して所定の距離をおいて対向配置された固定インデックス格子（光学格子の位相と固定インデックス格子の位相は９０度ずれている）と、スケールに平行光を照射するための固定された光源と、受光センサとから構成されている。スケールが移動すると、光学格子と固定インデックス格子とが重なり合い、明暗が発生する。受光センサは、この明暗を検出する。光学式エンコーダ測長器は、デジタル変位計として実用化されており、主に２点間の長さを測長する相対位置測長に用いられている。

以下、図面を参照して従来技術における光学式エンコーダ測長器について説明する。
図１は光電式透過型リニアエンコーダを組み込んだ接触式デジタル変位計４０の使用状態を示すものである。接触式デジタル変位計４０は接続ケーブル７によりカウンタ４１に接続して使用される。接触式デジタル変位計４０はカウンタ４１から電源供給を受けて測定を行い、測定値をカウンタ４１に出力する。カウンタ４１は接触式デジタル変位計４０からの出力信号の演算処理を行い、得られた測定値を表示部４２にデジタル表示する。よって、接触式デジタル変位計４０で計測した測定対象の変位量は、この表示部４２にデジタル値で表示される。

接触式デジタル変位計４０には、上カバー９Ａと下カバー９Ｂで覆われたフレーム８があり、このフレーム８の両端に軸受け１８が固着されている。軸受け１８にはスピンドル５が支持されており、スピンドル５の先端に接触子６がねじ込まれている。

長さや厚さ等を測定する際には、スピンドル５の先端にねじ込まれた接触子６を被測定物に接触させる。被測定物の変位により、スピンドル５が矢印方向に移動し、このスピンドル５の変位が、接触式デジタル変位計４０に組み込まれた光電式透過型リニアエンコーダにより検出され、その検出出力がカウンタ４１で演算処理されて被測定物の変位量が表示部４２に表示される。

図２は、図１で説明した接触式デジタル変位計４０に組み込まれた従来の光電式透過型リニアエンコーダの原理を説明するものである。接触子６がねじ込まれたスピンドル５には、透明な部材から構成された移動スケール３が接続されている。移動スケール３には等ピッチの光学格子１１が形成されている。

移動スケール３の一方の側には光源１とコンデンサレンズ２が設けられており、他方の側には等ピッチの光学格子４７，４８が形成された固定スケール３４と受光素子であるフォトダイオード２８が設けられている。光源１とフォトダイオード２８は、被測定物の変位に応じて移動する移動スケール３と一定位置に固定された固定スケール３４を挟んで向かい合っている。

移動スケール３に設けられている光学格子１１と固定スケール３４の設けられている光学格子４７，４８は同じピッチ、同じ線幅、例えばピッチ２０μｍ、線幅１０μｍであり、両者は非常に高精度なスケールに製作されている。

測定時にスピンドル５が矢印方向に移動し、移動スケール３の光学格子１１の透明な部分と固定スケール３４の光学格子４７，４８の透明な部分が一致したとき両者を透過する光量は最大となる。一方、この状態から移動スケール３が光学格子の１／２ピッチだけ移動すると、光学格子の透明な部分と不透明な部分が重なり合うので透過光量は最小となる。即ち、移動スケール３の移動に伴いフォトダイオード２８からの出力信号は正弦波信号となる。この周期の数を計数すれば移動スケール３の移動距離が求められる。

一般に、固定スケール３４は通常２組の光学格子４７，４８を備えており、これに対応させてフォトダイオード２８も２組設けられている。そして、一方の光学格子４７に対して、他方の光学格子４８は１／４ピッチだけずれている。

図３は移動スケール３が移動した時２つのフォトダイオード２８の出力信号を示したものである。固定スケール３４の一方の光学格子４７を透過した光を図３に信号Ａとして表すと、固定スケール３４の他方の光学格子４８を透過した光を表す信号Ｂは、信号ＡのピッチＰに対して位相が１／４ピッチずれる。信号Ｂの信号Ａに対する位相の進み遅れで移動スケール３の移動方向の右、左を知ることが出来る。

図４は図１で説明した接触式デジタル変位計４０に組み込まれた光電式透過型リニアエンコーダの第１の従来技術の構成を示すものであり、リニアエンコーダの断面が示されている。リニアエンコーダには主として、光源として２個のＬＥＤ１、移動スケール３、スピンドル５、固定スケール３４、２個のフォトダイオード２８が設けられている。

フレーム８には上カバー２９Ａと下カバー２９Ｂ、及びリニアエンコーダ支持台３０がネジ止めされており、スピンドル５はフレーム８に固着された２個の軸受け１８で支持され、被測定物に接する接触子６がスピンドル５の片方の先端にネジ込まれている。移動スケール３は移動スケール支持台３１に位置決め固着され、移動スケール支持台３１はスピンドル５に位置決め固着されているので、スピンドル５の動きが移動スケール３の動きとなる。移動スケール３は光源であるＬＥＤ１、コンデンサレンズ２と受光側の固定スケール３４、フォトダイオード２８に挟まれている。

スピンドル５の回り止め機構は、図示していないが、回り止めロッドが一端をスピンドル５に固着され、他端がフレーム８に設けられた溝の中を摺動することで回り止めを果たし、さらにフレーム８との間を引っ張りバネで連結し、被測定物に適当な接触圧を加圧するように設定されている。

発光側は２個のＬＥＤ１がＬＥＤ支持台３２に固着され、コンデンサレンズ２がそれぞれのＬＥＤ１上に固着されている。ＬＥＤ支持台３２は受光側との位置出しが容易なようにリニアエンコーダ支持台３０に位置決めネジ止めされている。２個のＬＥＤ１、コンデンサレンズ２は移動スケール３を挟んで、受光側の固定スケール３４と２個のフォトダイオード２８と向かい合っている。

受光側は２個のフォトダイオード２８はＰＣＢ（プリント回路基板）３３上にセットされ、ＰＣＢ３３はリニアエンコーダ支持台３０に固定されている。固定スケール３４はフォトダイオード２８と移動スケール３の間でリニアエンコーダ支持台３０にセットされ、２組の目盛りが刻まれている。図２で原理を説明したように、固定スケール３４に設けられた２組の光学格子４７，４８のピッチ、線幅は移動スケール３の光学格子１１と全く同じであるが、２個のフォトダイオード２８のそれぞれに対応して相対位置が１／４ピッチだけずれた目盛りとなっている。

測定によりスピンドル５が移動し移動スケール３が動かされるとＬＥＤ１、コンデンサレンズ２からの光が移動スケール３の光学格子１１を通ることにより明暗が発生し、光学格子１１の透明部分が固定スケール３４の光学格子４７，４８の透明部分と一致したときは明るく、位相が１８０°ずれたときは暗くなる。この光の明暗の繰り返しをフォトダイオード２８が検出する。図３に示すように、固定スケール３４の２組の１／４ピッチずれた光学格子４７，４８により、同じ周期で９０°の位相差を持つ２つの正弦波信号Ａ，Ｂがフォトダイオード２８より出力され、この信号Ａ，Ｂを増幅してデジタル化した後に電気的に分割し、１μｍのパルスとして出力し長さが測定される。

図５は、第２の従来技術の光電式透過型リニアエンコーダの構成を示す図である。図５に示される光電式透過型リニアエンコーダは、ガラススケール１０（第１の従来技術の移動スケール３）と、ガラススケール１０に設けられた光学格子１１と、ガラススケール１０に平行光を照射するための光源１と、ガラススケール１０を通過した光を受ける固定インデックス格子５１〜５４と、固定インデックス格子５１〜５４が設けられたインデックス基台５０と、固定インデックス格子５１〜５４を通過した光を受光するための受光素子６１〜６４と、受光素子６１〜６４が設けられた基板２０から構成される。更に、基板２０には、半導体集積回路（ＩＣ）２２、及びケーブル７０を接続するための端子２１を備えている。

なお、固定インデックス格子５１〜５４の位相は、光学格子１１に対して、９０度ずつずれるように構成されている。また、受光素子６１〜６４は、フォトセンサーの様な単一の受光素子によって構成されている。得られた信号は、電圧を距離換算する、いわゆる、内挿という従来の技術を使って長さに変えている。

図６は、第３の従来技術の光学式透過型リニアエンコーダの構成を示す図である。図６に示される光学式透過型リニアエンコーダは、ガラススケール１０と、ガラススケール１０に設けられた光学格子１１と、ガラススケール１１に平行光を照射するための光源１と、ガラススケール１０を通過した光を受光する受光素子列３７と、受光素子列３７が設けられた基板２０から構成される。更に基板２０には、半導体集積回路（ＩＣ）２３、及びケーブル７０を接続するための端子２１が設けられている。

図７を使って、第３の従来技術の光学式透過型リニアエンコーダの構成を更に詳しく説明する。受光素子列３７は、複数の受光素子から構成されている。Ｓは光学格子１１のピッチ、Ｐは受光素子のピッチを示し、ｕは受光有効部分３５の幅を示し、ｒは受光無効部分の幅を示している。ここでは、Ｐ＝Ｓ×３／４に、ｕ＝Ｓ／２に、ｒ＝Ｓ／４に設定されている。即ち、ｕとｒの比は２：１となっている。

したがって、３つの光学格子ｅ１、ｅ２及びｅ３に対して、４つの受光素子ｇ１、ｇ２、ｇ３及びｇ４が対応するように構成されている。また、受光素子は４つ毎に同じ受光量が得られるように構成されている。更に、４つの受光素子ｇ１、ｇ２、ｇ３及びｇ４の位相は、それぞれ９０度ずつずれるように構成されている。そこで、４つの受光素子毎に配線して、それらの値を加算する。ここで、受光素子３７の受光有効部分ａ１、ａ２、ａ３・・・からの出力を加算した合計をＡとし、受光素子３７の受光有効部分ｂ１、ｂ２、ｂ３・・・からの出力を加算した合計をＢとし、受光素子３７の受光有効部分ｃ１、ｃ２、ｃ３・・・からの出力を加算した合計をＣとし、受光素子３７の受光有効部分、ｄ１、ｄ２、ｄ３・・・からの出力を加算した合計をＤとする。すると、加算された出力信号Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤの位相は、それぞれ９０度ずれた関係にある。第３の従来技術の光学式透過型リニアエンコーダは、出力信号Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを処理して測長を行なう。これらの出力信号Ａ〜Ｄは、従来の内挿技術を使って長さに変えていた。

【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の第１の従来技術では、移動スケール３と固定スケール３４の重なりの明暗をフォトダイオード２８で検出するため、固定スケール３４が必須であり、接触式デジタル変位計４０の厚さを薄くすることができず、接触式デジタル変位計４０が大型化していた。また、移動スケール３と固定スケール３４の間隙を１０〜５０μｍと狭くせねばならず、２つのスケールの面と面の位置合わせのための調整が非常に難しいという課題があった。

また、第２の従来技術における光電式透過型リニアエンコーダは、ガラススケール１０、第１の従来技術における固定スケール３４に対応する固定インデックス格子５１〜５４、及び受光素子６１〜６４の組み合わせによって構成されており、固定インデックス格子５１〜５４が必須であり、接触式デジタル変位計４０が大型化していた。そして、高精度の測定のためには、インデックス格子間の距離、固定インデックス格子５１〜５４のピッチ、固定インデックス格子５１〜５４の透明部分と不透明部分の割合、ガラススケール１０と固定インデックス格子５１〜５４との距離、及び固定インデックス格子５１〜５４と受光素子６１〜６４との距離を正確に合わせなければならなかった。

更に、受光素子６１〜６４は、フォトセンサのような単一の受光素子によって構成されているため、お互いに接近して配置することが難しく、広い面積を占有し、光が当たる部分の活用効率を下げていた。

一方、第３の従来技術では、受光素子のサイズをＳ×３／４と固定しなければならず、受光無効部分の幅ｒはＳ／４に設定されて、これ以下にすることは出来なかった。

また、第２と第３の従来技術の共通の課題として、光が当たっている部分で、受光素子の受光有効部分をいかに広げて、効率を上げるか、また、光源の照度に斑が有る場合や、ガラススケールに傷やゴミが付着している場合の対策が問題となっていた。

すなわち、光が当たっている部分で、受光素子の受光有効部分の面積が小さいと出力が小さくなり、ノイズに弱く、測定精度に悪影響を及すことになる。また、光源の照度にむらや斑が有る場合には、常に同一の受光センサーが正常な値とは異なる値を示し、測定精度に悪影響を及ぼしていた。更に、ガラススケール１０に傷やゴミが付着している場合は、ガラススケール１０の移動と共に、照度の異なる場所が移動し、これを受けた受光素子が異なる値を示して測定精度に悪影響を及ぼしていた。

従って、本発明の第１の目的は、移動スケールと固定スケールの重なりの明暗を検出するための固定スケールを廃し、接触式デジタル変位計の厚さを薄くすると共に、２つのスケールの面と面の位置合わせのための調整が容易な接触式デジタル変位計を提供することである。

また、本発明の第２の目的は、光源の照度にむらや斑が有る場合や、ガラススケールに傷やゴミが付着している場合においても、その影響を抑えることができ、光学式変位測定装置の測定精度に悪影響を与えることがないようにすることである。

また、本発明の第３の目的は、光源からの光が当たっている部分における受光素子の受光有効部分の面を大きくして受光効率を上げると共に、光源の照度にむらや斑が有る場合や、ガラススケールに傷やゴミが付着している場合においてもその影響を抑制し、光学式変位測定装置の測定精度に悪影響を与えないようにすることである。

【課題を解決するための手段】
第１の目的を達成する本発明は、光学格子を有し、変位可能な第１の部材と、第１の部材を照射するための光源と、かつ、第１の部材を通過した光を受光する受光素子部とを有する光学式変位測定装置の場合、第１の部材と受光素子部との間隔をタルボット距離の１／２に設定し、かつ、受光素子部を受光素子群から構成したことを特徴とする。また、ＬＥＤとコンデンサレンズからなる光源と、移動スケールからなる第１の部材と、第１の部材と同じピッチでマスキングされたフォトダイオードからなる光電式透過型リニアエンコーダの場合、第１の部材とフォトダイオードの間隙をタルボット距離の１／２に設定したことを特徴とする。

ここで、タルボット現象とは回折格子のような周期構造物体に平面単色光を入射させたとき、Ｄを格子ピッチ、λを波長として、
Ｚｔ＝（２×Ｄ ^２ ）／λ
で与えられる距離（タルボット距離）の整数倍の距離に、周期構造物体面上と同じ光強度分布が再現される現象であり、１８３６年にＨ．Ｆ．Ｔａｌｂｏｔによって発見されたものである。

第２の目的を達成する本発明の光学式変位測定装置は、光学格子を有する変位可能な第１の部材と、第１部材を照射するための光源と、第１の部材を通過した光を受光する受光素子部とを有する光学式変位測定装置であって、受光素子部が受光素子群からなり、かつ第１の部材の変位方向に対して所定の距離毎にずらせて配置されていることを特徴としている。

この場合、受光素子群を、受光有効部分と受光無効部分とで所定のピッチで設けられた受光素子列を複数設けて構成することができる。また、複数の受光素子列は第１の部材の変位方向に所定の距離毎にずらせて配置させることができる。光学格子は、透明部分と不透明部分とから構成し、この透明部分の幅と不透明部分の幅の比率が１：１となるピッチＳで設けることができる。更に、受光素子列を構成する受光素子は、受光有効部分の幅と受光無効部分の幅が１：１であるようにピッチＳで設けることができる。

第３の目的を達成する本発明の光学式変位測定装置は、光学格子を有する変位可能な第１の部材と、第１部材を照射するための光源と、第１の部材を通過した光を受光し、且つ受光有効部分と受光無効部分とで、複数の受光素子を有する受光素子列を有し、光学格子のピッチは、受光素子のピッチより大きく、且つ受光素子列は第１の部材の変位方向に配置されていることを特徴としている。

この場合、第１部材の光学格子の透明部分の幅と不透明部分の幅の比率を１：１とし、受光素子の受光有効部分の幅と受光無効部分の幅は、受光有効部分の幅の方を、受光無効部分の幅より大きく構成することができる。

これに加えて、受光無効部分の幅を２〜３μｍであるように構成することができる。
更に、複数の受光素子列を複数有した受光素子群を設けても良いものである。

【発明の効果】
第１の目的を達成する発明の手段によれば移動スケールのピッチが２０μｍ、発光素子の波長λが７００ｎｍとするとタルボット像の形成する距離は、
（２×Ｄ ^２ ）／λ＝Ｚｔ＝１，１４２μｍ
となる。従ってＺｔ／２＝５７１μｍの位置に受光素子であるフォトダイオードを設置すれば良く、従来に比べ１０〜５００倍も間隙を拡大することが可能となり、組立性の向上が図れ、安価な接触式デジタル変位計が提供できる。

第２の目的を達成する発明の構成によると、特定の位置情報を持つ受光素子が複数個あり、且つその特定の位置情報を持つ、複数の受光素子で構成された受光素子列を分散させて複数列有するので、光源の照度にむらや斑が有る場合や、ガラススケールに傷やゴミが付着している場合においても、全ての受光素子がその影響を少しずつ受け持って平均化し、測定精度に悪影響を与えないようにすることが出来る。

第３の目的を達成する構成によると、受光素子の受光有効部分の幅と受光無効部分の幅は受光有効部分の幅の方が、受光無効部分の幅より大きいので、光が当たっている部分で、受光素子の受光有効部分の面積を大きくすることができ、ノイズに強く、測定精度に悪影響を及ぼさないようにすることができる。

また、特定の位置情報を持つ受光素子が複数個分散されており、若しくは、その特定の位置情報を持つ分散された複数の受光素子で構成された素子列を複数個分散させてあるので、光源の照度にむらや斑が有る場合や、ガラススケールに傷やゴミが付着している場合も、全ての位置情報の受光素子がその影響を少しずつ受け持って平均化し、測定精度に悪影響を与えないようにすることができる。

【発明の実施の形態】
図８は本発明の光学式変位測定装置の原理を説明する図である。図において、１は光源、２はコンデンサレンズ、３は移動スケール、４はマスキングされた受光素子であるフォトダイオード、５はスピンドル、６は接触子、１１は移動スケール３にマーキングされた光学格子を示している。この図では光源１にはＬＥＤが使用されており、光学格子１１は所定線幅で所定長を有する光を遮断するバーが所定ピッチで移動スケール３の上にマーキングされたものである。ＬＥＤ１とフォトダイオード４が変位に応じて移動する移動スケール３を挟んで対向配置され、移動スケール３にスピンドル５が突設され、スピンドル５の先端に被測定物と接触する接触子６がねじ込まれている。

フォトダイオード４の受光面には２組のマスキングが施されている。このマスキングのピッチと線幅は移動スケール３の光学格子１１と同様だが、２組のマスキングは互いが１／４ピッチずれた状態となっている。移動スケール３とフォトダイオード４の間隙はタルボット（Ｔａｌｂｏｔ）距離Ｚｔの半分の値Ｚｔ／２に設定されている。

移動スケール３に平面単光色を入射させた時、タルボット距離Ｚｔは、Ｄをスケールピッチ、λを波長として、Ｚｔ＝（２×Ｄ ^２ ）／λで与えられ、その位置に移動スケール３と同じ光強度分布が再現される。又、その距離の半分の位置に１／２周期ずれた移動スケール３の光強度分布も再現される。

実際には、ＬＥＤ１は完全な平面単光色でないため、タルボット距離Ｚｔよりその半分のＺｔ／２の短い距離の方に移動スケール３の光強度分布が再現され、鮮明な像を得ることが出来る。

被測定物に接触子６を接触させて被測定物の移動を測定する場合は、スピンドル５が被測定物の変位に伴って矢印で示す方向に移動する。この場合、マスキングされたフォトダイオード４の受光面に形成された移動スケール３のタルボット像の明るい部分と、受光面のマスクされていない部分が一致したときフォトダイオード４の受光量は最大となり、タルボット像がこの位置からそのピッチの１／２だけ移動したとき受光量は最小となる。しかも、フォトダイオード４は１／４ピッチずれた２組の受光部を持つため、マスキングされたフォトダイオード４からの２つの出力信号は１／４ピッチずれた正弦波信号となる。この信号の周期の数を計数すれば移動スケールの移動距離が、信号の位相ずれから左右の移動方向が求められる。

次に、本発明の実施例につき図面を用いて説明する。本発明の光電式透過型リニアエンコーダを組み込んだ接触式デジタル変位計４０も図１で説明したように、接続ケーブル７でカウンタ４１に接続して使用される。そして、接触式デジタル変位計４０で計測された計測値がカウンタ４１の表示部４２に表示される。

図９は本発明の第１の実施例を示すものであり、図１で説明した光電式透過型リニアエンコーダを組み込んだ接触式デジタル変位計４０の断面を示すものである。フレーム８には上カバー９Ａと下カバー９Ｂ及びリニアエンコーダ支持台１７がネジ止めされており、スピンドル５はフレーム８に固着された２個の軸受け１８で支持され、スピンドル５の片方の先端にネジ込まれた接触子６が被測定物に接する。移動スケール３は移動スケール支持台１９に位置決め固着され、移動スケール支持台１９はスピンドル５に位置決め固着されているので、スピンドル５の動きが移動スケール３の動きと同じになる。移動スケール３は発光側のコンデンサレンズ２を備えたＬＥＤ１と、受光側のマスキングされたフォトダイオード４に挟まれている。

スピンドル５の回り止め機構は図示していないが、回り止めロッドの一端がスピンドル５に固着され、他端がフレーム８に設けられた溝の中を摺動することで回り止めを果たし、さらにフレーム８との間を引っ張りバネで連結し、被測定物に適当な接触圧を加圧するように設定されている。

発光側は、コンデンサレンズ２が固着されたＬＥＤ１がフレーム８にネジ止めされたＬＥＤ支持台１４に固着されており、移動スケール３を挟んで、受光側のマスキングされたフォトダイオード４と向かい合っている。ＬＥＤ支持台１４は受光側との位置出しが容易なようにリニアエンコーダ支持台１７にネジ止めされて位置決めされている。受光側のマスキングされたフォトダイオード４はＰＣＢ１５上に位置決め固着され、その周囲はフォトダイオード４とほぼ同じ高さのフォトダイオード保護部材１６で囲まれている。

図１０はフォトリソ法により直接フォトダイオード４に焼き付けられたマスクの実施例を示すものである。マスキングされたフォトダイオード４の受光面４３は第１のマスキング部４４と第２のマスキング部４５の２つに分けられる。第１のマスキング部４４と第２のマスキング部４５は共に、移動スケール３の光学格子１１と同じピッチ、同じ線幅でマスキングされている。そして、第１のマスキング部４４と第２のマスキング部４５は従来例の固定スケール３４（図２）と同様に、１／４ピッチずれて配置され、移動スケール３が左右の何れかに移動したかを識別する。

図１１は図１０のＬ部を更に拡大したものである。フォトダイオード４の受光部４３は移動スケール３の光学格子１１のピッチに一致し、線幅もほぼ等しく設定されている。本実施例では、移動スケールのピッチが２０μｍ、線幅が１０μｍの時に、受光部の１つのピクセル４６は、そのピッチが２０μｍ、線幅が８μｍに構成されており、その長さは３６μｍになっている。

ここで図９に戻って接触式デジタル変位計４０の動作を説明する。ＬＥＤ１から出た光は、コンデンサレンズ２、移動スケール３を透過し、ＬＥＤ１の波長と移動スケール３のピッチに基づき移動スケール３から定められた位置にタルボット像が形成される。即ち、移動スケールのピッチ２０μｍ、ＬＥＤ１の波長を７００ｎｍとすると、移動スケール３からＺｔ／２＝（２×２０ ^２ ／０．７）／２＝５７１μｍの位置である。従って、この位置にマスキングされたフォトダイオード４をセットすることで、移動スケール３のタルボット像がフォトダイオード４の受光部４３に形成される。

移動スケール３のタルボット像の明るい部分とフォトダイオード４の受光部４３にある受光ピクセル４６が一致したときは、フォトダイオード４から出力される正弦波信号が最大となり、暗い部分と受光ピクセル４６が一致したときは出力される正弦波信号が最小となる。

図１０で説明したように受光部４３は、ピッチが１／４ピッチずれている第１のマスキング部４４と第２のマスキング部４５を持つため、図３で説明したように第１のマスキング部４４から信号Ａ、第２のマスキング部４５から信号Ｂを得て、移動スケール３の左右の移動方向も知ることが出来る。

以上述べたように本発明によれば、マスキングされたフォトダイオード４と移動スケール３の間隙は、Ｚｔ／２のタルボット距離にすることで、５７０μｍに設定出来、従来に比べ１０〜５００倍も間隙が拡大出来るため、組立や間隙調整が非常にやりやすくなり、固定スケールも不要でコストも削減できる。

以上の説明でも明らかなように、マスキングされたフォトダイオード４はいわゆるＣＣＤのピクセルの集合体でもよく、移動スケールとピッチが同じならば、２個のＣＣＤを１／４ピッチずらしてセッティングすればよい。

図１２は本発明の第２から第４の実施例を適用する光電式透過型リニアエンコーダの構成を示すものであり、図１で説明した接触式デジタル変位計４０の内部構成の一つの実施例を示すものである。１０は移動スケールとしてのガラススケールであり、この上に長さＥで、遮光性の光学格子１１が設けられている。このガラススケール１０は図１に示したスピンドル５に接続されており、被測定物の変位によりＡ−Ｂ方向に移動する。１はガラススケール１０に平行光を照射するための光源である。

２００は、基板２０上に設けられたガラススケール１０を通過した光を受光するための受光素子群の集まりであり、図８で説明したフォトセンサ４に相当するものである。受光素子群の集まり２００は受光素子群２０１〜２０４から構成される。２２は位置演算のための半導体集積回路（ＩＣチップ）であり、２１はケーブル７０と接続するための端子である。ケーブル７０は基板２０上の回路に電源供給を行なうものである。また、基板２０上の回路からの信号は、ケーブル７０により表示装置などの外部装置に伝達される。

図１３は、本発明の第２の実施例を示すものであり、受光素子群の集まり２００の中の１つの受光素子群２０１を拡大してその詳細を示す図である。受光素子群２０１には、８つの受光素子列３３１〜３３８が、ガラススケール１０の移動方向Ａ−Ｂと平行に並んでいる。受光素子列３３１〜３３８は、それぞれ複数の受光素子３９から構成されている。

ここで、受光素子列３３１〜３３８にある受光素子３９と、ガラススケール１０にある光学格子１１との関係を図１４を用いて説明する。図１４は、光学格子１１と受光素子列３３１の一部を拡大した図であり、各部分の寸法関係を示している。矢印Ａ−Ｂはガラススケール１０の移動方向を示している。Ｓは光学格子１１のピッチを示し、Ｗは光学格子１１の透明部分１２の幅を示し、Ｖは光学格子１１の不透明部分１３の幅を示している。ここで透明部分１２の幅Ｗと不透明部分１３の幅Ｖは、それぞれ光学格子１１のピッチＳの１／２に設定されている。例えば、ガラススケール１０の光学格子１１のピッチＳを８μｍと設定すると、光学格子１１の透明部分１２の幅Ｗは４μｍ、光学格子１１の不透明部分１３の幅Ｖも４μｍである。

一方、受光素子列３３１を構成する複数の受光素子３９は、それぞれ、光を受光することができる受光有効部分３５と、光を受光することが出来ない受光無効部分３６とから構成されている。Ｐは受光素子３９の幅を示し、ｕは受光有効部分３５の幅を示し、ｒは受光無効部分３６の幅を示している。ここで、受光素子３９の幅Ｐは光学格子１１のピッチＳに等しく、受光有効部分３５の幅ｕと受光無効部分３６の幅ｒは、それぞれ光学格子１１のピッチＳの１／２に設定されている。

図１３から分かるように、各受光素子列３３１〜３３８は全て同一の寸法で構成されており、各受光素子列３３１〜３３８は、横方向（Ａ−Ｂと平行な方向）に１００個の受光素子３９が並び、縦方向（Ａ−Ｂと垂直な方向）に１個の受光素子３９を備えている。

１つの受光素子３９のピッチＰは、光学格子１１のピッチＳと同様に８μｍに構成されている。また、受光有効部分ｕと受光無効部分ｒは、光学格子１１の透明部分１２と不透明部分１３と同様に、それぞれ４μｍに設定されている。したがって、１個の受光素子列の横方向の長さＬｘは、８００μｍ（８μｍ×１００）となる。また、１つの受光素子３９の縦方向の長さｑは１００μｍに設定されているので、８つの受光素子列３３１〜３３８の縦方向の全長ＬＬｙは８００μｍである。

また、第２の実施例では、隣接する受光素子列は互いに横方向に光学格子１１のピッチＳの１／８、即ち、距離ｆ＝Ｓ／８＝１μｍだけシフトされて配置されている。したがって、受光素子列群２０１の横方向の全長ＬＬｘは、１個の受光素子列の横方向の長さＬｘに、このシフト距離ｆの７倍を加えた長さ８０７μｍとなる。なお、ここでは、図の最も上にある受光素子列３３１に対して、各受光素子列を１μｍずつＡ方向にシフトさせて配置したが、必要に応じてシフト量ｆをｆ＝Ｓ×ｎ（ｎは整数）＋Ｓ／８としても良い。また受光素子列３３１〜３３８は、図１３に示すように、隙間なく接触させて配置したが、隣接する受光素子間３３１〜３３８の間にスペースを設けて配置することもできる。

図１５は、受光素子群の集まり２００の中の１つの別の受光素子群２０２の詳細を示す図である。受光素子群２０２は、図の最も上にある受光素子列３３８に対して、隣接する７つの受光素子列３３７〜３３１が、ガラススケール１０の移動方向Ａ−Ｂと平行に、Ｂ方向に１μｍずつシフトされて並んでいる。受光素子群２０２が受光素子群２０１と異なる点は、図の最も上にある受光素子列に対して隣接する受光素子列のシフトの方向が逆になっている点のみであり、受光素子３９の大きさ、受光素子列のピッチ、数については、受光素子群２０１と同じである。

したがって、受光素子列群２０２の横方向の全長ＬＬｘは８０７μｍであり、図の最も上にある受光素子列３３８に対して、隣接する受光素子列をガラススケール１０の移動方向Ａ−ＢのＢ方向に１μｍずつシフトさせていくと、最も下にある受光素子列３３１のガラススケール１０の移動方向の位置は、受光素子列群２０１の受光素子列３３１と同じになる。よって、図１５の受光素子列群２０２における受光素子列３３１〜３３８までの番号は、ガラススケール１０の移動により、図１４における受光素子群２０１の受光素子列３３１〜３３８と同じ信号を出す受光素子列に対応させてある。

図１６は第２の実施例における受光素子群の集まり２００の全体構成を示すものである。受光素子群２０１、受光素子群２０２は図１３と図１５により説明したが、受光素子群２０３は受光素子群２０２と同じ受光素子群であり、受光素子群２０４は受光素子群２０１と同じ受光素子群である。受光素子群２０１と受光素子群２０２の間隔Ｃは任意でよい。また、各受光素子群２０１〜２０４の中で同じ信号を出す受光素子列の内、受光素子列３３１の位置のみが示されている。

受光素子群２０１と受光素子群２０２の受光素子列３３１は、ガラススケール１０の透明部分１２と不透明部分１３に対して相対的に同一の位置関係に置かれており、受光素子群２０３と受光素子群２０４の受光素子列３３１も同じく、ガラススケール１０の透明部分１２と不透明部分１３に対して相対的に同一の位置関係に置かれている。また、受光素子群２０１と受光素子群２０３の受光素子列３３１の位置関係は、ガラススケール１０のピッチＳの整数倍の所に配置されている。

ゆえに、これら４つの受光素子列３３１は、ガラススケール１０の透明部分１２と不透明部分１３に対して全て相対的に同一の位置関係に置かれている。このことから、これら４つの受光素子列３３１からは同一の信号が発生することになる。図１６を使ってこれらのことを説明する。

受光素子群２０１と受光素子群２０２の受光素子列３３１は、その先頭位置が同一位置から始まり、受光素子群２０３と受光素子群２０４の受光素子列３３１も同じく、その先頭位置が同一位置から始まっている。そしてこれら受光素子列３３１の位置関係は、受光素子群２０１の受光素子列３３１の全長ＬＬｙ＝８００μｍであり、受光素子群２０１の受光素子列３３１の終わりから、受光素子群２０３の受光素子列３３１の先頭までの距離ｄは光学格子１１のピッチＳの整数倍となっている（整数をｎとしてＳ×ｎ）。即ち、全ての受光素子列３３１の先頭位置はガラススケール１０のピッチＳ＝８μｍの整数倍の位置にあり、ガラススケール１０の移動によりこれら４つの受光素子列３３１からは同一の信号が発生することになる。

残りの受光素子列３３２〜３３８についても、受光素子列３３１との位置関係から、ガラススケール１０の移動により同じ番号の受光素子列からは同一の信号が発生する。すなわち、ガラススケール１０の移動により同一の信号が発生する受光素子列が４箇所に分散されていることが分かる。

このことから、第２の実施例では、特定の位置情報を持つ受光素子が複数個あり、且つその特定の位置情報を持つ複数の受光素子で構成された受光素子列が分散されて複数列あることが分かる。したがって、光源の照度にむらや斑が有る場合や、ガラススケール１０に傷やゴミが付着している場合においても、その影響は全ての位置情報の受光素子によって少しずつ受け持たれて平均化され、測定精度に悪影響を与えないようにすることが出だ来る。

次に、受光素子群２０１〜２０４から出力される信号の流れを、受光素子列３３１を例にとりながら説明する。ガラススケール１０と受光素子列３３１とが図１４に示すような位置関係にあったとする。すなわちガラススケール１０の透明部分１２と受光素子３９の受光有効部分３５とが一致し、ガラススケール１０の不透明部分１３と受光素子３９の受光無効部分３６とが一致しているとする。このとき受光素子３９から得られる信号は最大となり、これらを全て加えた４つの受光素子列３３１からの信号も最大となる。

ガラススケール１０がＡ方向に移動すると、ガラススケール１０の不透明部分１３により、徐々に受光素子３９の受光有効部分３５が覆われる。この結果、受光素子３９の出力は徐々に小さくなり、光学格子１１がそのピッチＳの１／４だけ移動した所では、受光素子３９の出力は最大出力の１／２になり、ピッチＳの１／２だけ移動した所では、不透明部分１３により受光有効部分３５が完全に覆われるので、受光素子３９の出力は最小出力となる。ガラススケール１０が更に移動して、ピッチＳの３／４移動した所では、受光素子３９の出力は再び最大出力の１／２に戻り、１ピッチＳだけ移動すると再び受光素子３９からは最大出力が得られる。

このことは、他の受光素子列３３２〜３３８についても同じである。一方、受光素子列３３２〜３３８は受光素子列３３１に対して１μｍずつずれた位置にあるので、各受光素子３９の出力は、受光素子列３３１に対して１μｍ遅れて最大となる。この関係を図１７に波形Ｉ３１〜Ｉ３８で示す。図中、Ｉ３１が受光素子列３３１の出力信号であり、Ｉ３２〜Ｉ３８は各々受光素子列３３２〜３３８に対応する。

信号Ｉ３１〜Ｉ３８を、スレショルド値を、（最大出力−最小出力）／２にしたコンパレータを使ってデジタル化すると、デジタル信号Ｊ３１〜Ｊ３８のようになる。ここにデジタルＪ３１は信号Ｉ３１をデジタル化したものであり、（最大出力−最小出力）／２で反転している。デジタルＪ３２〜Ｊ３８は各々信号Ｉ３２〜Ｉ３８に対応する。

更に、デジタル信号Ｊ３１〜Ｊ３８を、論理演算回路により、
ＫＡ＝Ｊ３１・Ｊ３７＋Ｊ３３・Ｊ３５
ＫＢ＝Ｊ３２・Ｊ３８＋Ｊ３４・Ｊ３６
なる、２つの信号ＫＡ，ＫＢに変換する。信号ＫＡ，ＫＢのタイミングも図１７に示される。図１７から分かるように、信号Ｉ３１の１周期はガラススケール１０の光学格子１１のピッチＳ（＝８μｍ）に等しいことから、信号ＫＡの立ち上がり若しくは立ち下がりから、信号ＫＢの立ち下り若しくは立ち上がりまでの間隔は、丁度１μｍである。

よって、信号ＫＡ，ＫＢの立ち上がり若しくは立ち下がりの数をカウントすると、光学格子１１のピッチＳ（１周期）で８となる。これを表示すれば光学格子１１、即ちガラススケール１０の移動距離を測定することができる。また、ガラススケール１０の移動方向の弁別については、信号ＫＢの立ち上がりに注目すると、ガラススケール１０がＡ方向に移動する時には、信号ＫＡは”１”になっており、移動方向がＢの時には”０”になっていることから区別が可能である。

図１８は本発明の第３の実施例を示すものであり、受光素子群の集まり２００’の全体構成を示すものである。受光素子群の集まり２００’は受光素子群２０１’〜２０４’で構成されている。光源１、ガラススケール１０、及び基板２０の位置関係は、図１２と同様である。

受光素子群の集まり２００’の中の受光素子列群２０１’の構成は、図１６で説明した第１の実施例の受光素子群の集まり２００の中の、受光素子列群２０１と同一の構成となっている。そして、受光素子群の集まり２００’の中の他の受光素子列群２０２’〜２０４’の構成は受光素子列群２０１’と全く同じである。そして、これ等４つの受光素子群をお互いに設定された距離で相対的にずらして配置される。受光素子群２０１と受光素子群２０２の間隔Ｃは任意でよい。

図１８において、受光素子群２０１’の中の受光素子列３３１のみに注目して説明する。受光素子列３３１は、受光素子群２０１’の符号１で示す列（以後１番の列という）である。以後同様に、受光素子列３３２〜３３８は２番の列〜８番の列である。受光素子群２０２’は受光素子列２０１’に対して、２μｍだけガラススケール１０の移動方向Ａ−ＢのＡ方向にずらして配置されている。受光素子群２０１’の１番〜８番の列は、ガラススケール１０の移動方向Ａ−ＢのＡ方向に１μｍずつずらして配置されており、また、ガラススケール１０の光学格子１１のピッチＳは８μｍである。

よって、受光素子群２０２’の１番から８番までの列のうち、受光素子群２０１’の１番の列と、ガラススケール１０に対して相対的に同じ位置にあるのは７番の列である。すなわち、受光素子群２０１’の１番の列と受光素子群２０２’の７番の列とは、ガラススケール１０の移動により、同一の信号を出す。よって、受光素子群２０２’の７番の列が受光素子列３３１に相当する。

同様に、受光素子群２０１’と受光素子群２０２’の各列は、以下に示すように全ての番号の列が１対１に対応する。即ち、受光素子群２０２’の１番の列〜６番の列が、受光素子群２０１’の３番の列〜８番の列にそれぞれ対応し、受光素子群２０２’の７番の列と８番の列が、受光素子群２０１’の１番の列と２番の列にそれぞれ対応する。

次に、受光素子群２０３’の１番の列は、受光素子群２０１’の１番の列に対して、光学格子１１のピッチＳ（＝８μｍ）の整数倍＋４μｍの位置に配置されている。図１８においては、ＬＬｙ＋ｄがこれに相当し、ＬＬｙ＝８００μｍ、ｄ＝８×ｎ（ｎは整数）＋４μｍであることから、このことが確認できる。

このように配置すると、受光素子群２０１’の１番の列と、ガラススケール１０の光学格子１１に対して相対的に同じ位置にあるのは、５番の列である。これは、受光素子群２０３’の、１番の列は光学格子１１のピッチＳの整数倍から４μｍずれており、５番の列は１番の列から更に４μｍずれているからである。よって、受光素子群２０１’の１番の列と受光素子群２０３’の５番の列とから同一の信号が出力され、この５番の列が受光素子列３３１に相当する。

同様に、受光素子群２０１’と受光素子群２０３’の各列は、以下に示すように全ての番号の列が１対１に対応する。即ち、受光素子群２０１’の１番の列〜４番の列が、受光素子群２０３’の５番の列〜８番の列にそれぞれ対応し、受光素子群２０１’の５番の列〜８番の列が、受光素子群２０３’の１番の列〜４番の列にそれぞれ対応する。

更に、受光素子群２０４’の１番の列は、受光素子群２０３’の１番の列に対して、２μｍだけガラススケール１０の移動方向Ａ−ＢのＡ方向にずれた位置に配置されている。故に、受光素子群２０４’の１番の列は、受光素子群２０１’の１番の列に対して、８μｍの整数倍＋６μｍの位置に配置されたことになる。

このように配置すると、受光素子群２０１’の１番の列と、ガラススケール１０の光学格子１１に対して相対的に同じ位置にあるのは、３番の列である。これは、受光素子群２０４’の、１番の列は光学格子１１のピッチＳの整数倍から６μｍずれており、３番の列は１番の列から更に２μｍずれているからである。よって、受光素子群２０１’の１番の列と受光素子群２０４’の３番の列とから同一の信号が出力され、この３番の列が受光素子列３３１に相当する。

同様に、受光素子群２０１’と受光素子群２０４’の各列は、以下に示すように全ての番号の列が１対１に対応する。即ち、受光素子群２０１’の１番の列〜６番の列が、受光素子群２０４’の３番の列〜８番の列にそれぞれ対応し、受光素子群２０１’の７番の列と８番の列が、受光素子群２０４’の１番の列と２番の列にそれぞれ対応する。

よって、ガラススケール１０の移動により、同じ信号が出力される受光素子列３３１に注目すると、受光素子群２０１’では１番の列、受光素子群２０２’では７番の列、受光素子群２０３’では５番の列、受光素子群２０４’では３番の列が受光素子列３３１に相当する。よって、受光素子列３３１は４つの受光素子群２０１’〜２０４’に分散して配置されていることが分かる。

残りの受光素子列３３２〜３３８についても、受光素子列３３１と同様に、分散していることが分かる。すなわち、同一の信号が発生する受光素子列が４箇所に分散されていることが分かる。

このことから、この実施例でも、特定の位置情報を持つ受光素子が複数個あり、且つその特定の位置情報を持つ複数の受光素子で構成された受光素子列を分散して複数列あることが分かる。したがって、光源の照度にむらや斑が有る場合や、ガラススケール１０に傷やゴミが付着している場合においても、その影響は全ての位置情報の受光素子によって少しずつ受け持たれて平均化され、測定精度に悪影響を与えないようにすることが出来る。

図１８に示される第３の実施例の受光素子群の集まり２００から得られた信号の処理については、図１６で説明した形態と同様であるので、その説明を省略する。

図１９，２０は本発明の第４の実施例を示すものである。光源１、ガラススケール１０、及び基板２０の位置関係は、図１２で説明した構成と同じである。ただし、第４の実施例では、図２０に示すように、受光素子群の集まり２００が受光素子群の集まり２００”に変更されている。

本発明の第２と第３の実施例においては、受光素子群２０１〜２０４と２０１’〜２０４’の中の受光素子列３３１〜３３８は、ガラススケール１０の移動方向に対して垂直方向に隣接配置されており、隣接する受光素子列３３１〜３３８はそれぞれ１μｍずつガラススケール１０の移動方向にシフトされて配置されていた。

一方、本発明の第４の実施例においては、図２０に示すように、４つの受光素子群２０１”〜２０４”はガラススケール１０の移動方向に垂直な方向に、所定間隔Ｃのスペースを開けて平行に並んで配置されている。そして、各受光素子群２０１”〜２０４”は受光素子列３３１〜３３８から構成されており、各受光素子列３３１〜３３８は、ガラススケール１０の移動方向に平行な方向に並んで配置されており、隣接する受光素子列の間には、それぞれ１μｍのスペースが設けられている。

各受光素子列３３１〜３３８は、図１９に示すように、複数の受光素子３９から構成されている。各受光素子３９は、光を受光することができる受光有効部分３５と、光を受光することが出来ない受光無効部分３６とから構成されている。Ｐは受光素子３９の幅を示し、ｕは受光有効部分３５の幅を示し、ｒは受光無効部分の幅を示している。ここで、受光素子３９の幅Ｐは光学格子１１のピッチＳに設定され、受光有効部分３５の幅ｕ及び受光無効部分の幅ｒは、それぞれＳ／２に設定されている。

図１９から分かるように、８つの受光素子列３３１〜３３８は全て同一の寸法で構成されており、各受光素子列３３１〜３３８は横方向（Ａ−Ｂと平行な方向）に２５個の受光素子３９が並んでおり（図面の都合上、各受光素子列３３１〜３３８に、受光素子３９は破断線なしで３つしか書いていない）、縦方向（Ａ−Ｂと垂直な方向）に１個の受光素子３９から構成されている。

１つの受光素子３９のピッチＰは、光学格子１１のピッチＳと同様に８μｍに構成されている。また、受光有効部分の幅ｕ及び受光無効部分の幅ｒは、光学格子１１の透明部分１２及び不透明部分１３と同様に、それぞれ４μｍに設定されている。したがって、１個の受光素子列の横方向の長さＬｘは、２００μｍ（８μｍ×２５）となる。また、各受光素子群の全長ＬＬｘは１６０７μｍ（８μｍ×２００＋７μｍ）である。また、１つの受光素子の長さｑは４００μｍに設定されているので、各受光素子列３３１〜３３８の長さＬｙも４００μｍである。

ここで、受光素子群２０１”における、ガラススケール１０の移動方向Ｂの左端の受光素子列３３１を、ガラススケール１０の透明部分１２と不透明部分１３に対して相対的に同一の位置関係に置く。このようにすると、受光素子列３３１は、第２及び第３の実施例において示した受光素子列３３１と同一の関係となる。

受光素子群２０１”における左端から２番目の受光素子列は受光素子列３３１に対して１μｍずれており、これは第２の実施例において示した受光素子列３３２と同一の関係となる。同様に受光素子群２０１”における左端から３番目は受光素子列３３３に、左端から４番目は受光素子列３３４に、と言う具合に対応し、右端の受光素子列が受光素子列３３８に対応する。

受光素子群２０２”は、受光素子群２０１”に対して、ガラススケール１０の移動方向とは垂直方向に、かつガラススケール１０の移動方向Ａ−ＢのＡ方向に、２μｍシフトさせて配置されたものである。受光素子群２０３”は受光素子群２０２”に対して同様に２μｍシフトさせて配置されたものであり、受光素子群２０４”は受光素子群２０３”に対して同様に２μｍシフトさせて配置されたものであり、これら４つの受光素子群２０１”、受光素子群２０２”、受光素子群２０３”、受光素子群２０４”の構成は全く同じであるが、ガラススケール１０に対する相対位置が異なる。

今、受光素子群２０１”における受光素子列３３１に注目する。ガラススケール１０に対して、受光素子群２０１”の受光素子列３３１と相対的に同じ位置にある受光素子群２０２”の受光素子列は７番目の受光素子列であり、これが受光素子列３３１に相当する。同様に、受光素子群２０１”の受光素子列３３１は、受光素子群２０３”の５番目の受光素子列と、受光素子群２０４”の３番目の受光素子列に対応する。

受光素子群２０１”の残りの受光素子列３３２〜３３８も、同様に受光素子群２０２”から受光素子群２０４”の何番かの受光素子列に対応する。

よって、ガラススケール１０の移動により同じ信号を出力する受光素子列３３１は、受光素子群２０１”では１番目、受光素子群２０２”では７番目、受光素子群２０３”では５番目、受光素子群２０４”では３番目の受光素子列となっている。他の同一信号を出力する受光素子列３３２〜３３８も同様に分散していることが分かる。すなわち、同一の信号が出力される受光素子列は、受光素子群２０１”〜２０４”の４箇所に分散されていることが分かる。

このことから、この実施例でも、特定の位置情報を持つ受光素子が複数個あり、且つその特定の位置情報を持つ複数の受光素子で構成された受光素子列を分散して複数列ある。したがって、光源の照度にむらや斑が有る場合や、ガラススケール１０に傷やゴミが付着している場合においても、その影響は全ての位置情報の受光素子によって少しずつ受け持たれて平均化され、測定精度に悪影響を与えないようにすることが出来る。

受光素子群の集まり２００”から出力された信号の処理については、第２と第３の実施例と同様であるので、ここではその説明を省略する。
第２から第４の実施例に於いては、受光素子群が４つある例を示したが、受光素子群の数は４つに限定されるものではなく、正常でない光源からの光が分散されるのであればいくつでも良い。また、受光素子群をシフトする距離や、受光素子列をシフトする距離についても、前述の実施例と同様の効果が得られるのであれば、前述の数値の限定しないことは言うまでもない。

以上のように、本発明の第２から第４の実施例によれば、特定の位置情報を持つ受光素子が複数個あり、且つその特定の位置情報を持つ、複数の受光素子で構成された受光素子列が複数列あり、その特定の位置情報を持つ受光素子列が、複数箇所に分散されているので、光源の照度にむらや斑が有る場合や、ガラススケールに傷やゴミが付着している場合においても、複数個の受光素子によりその影響が少しずつ分散されて平均化されるので、測定精度に悪影響を与えないようにすることが出来る。

図２１は本発明の第５から第１０の実施例を適用する光電式透過型リニアエンコーダの構成を示すものであり、図１で説明した接触式デジタル変位計４０の内部構成の一つの実施例を示すものである。１０は光学格子１１が設けられているガラススケールであり、１はガラススケール１０に平行光を照射するための光源である。２００Ａはガラススケール１０を通過した光を受光するための受光素子の集まりである。２２は位置演算のための半導体集積回路（ＩＣチップ）である。２１はケーブル７０と接続するための端子である。ケーブル７０は電源供給を行ない、また表示装置などの外部装置へ信号を伝達するものである。受光素子の集まり２００Ａ、半導体集積回路２２、及び端子２１は、基板２０に搭載されている。

図２２は、本発明の第５の実施例における光学格子１１と受光素子の集まり２００Ａの詳細を示す図である。２０個の受光素子３９−１〜３９−２０が、矢印Ａ−Ｂで示すガラススケール１０の移動方向Ａ−Ｂと平行に並んでいる。Ｓは光学格子１１のピッチを示し、Ｗは光学格子１１の透明部分１２の幅を示し、Ｖは光学格子１１の不透明部分１３の幅を示している。ここで光学格子１１の透明部分１２の幅Ｗ及び不透明部分１３の幅Ｖは、それぞれＳ／２に設定されている。今、例えばガラススケール１０の光学格子１１のピッチＳを２０μｍと設定すると、光学格子１１の透明部分１２の幅Ｗは１０μｍ、光学格子１１の不透明部分１３の幅Ｖも１０μｍである。

受光素子の集まり２００Ａは、複数の受光素子３９−１〜３９−２０から構成されている。１つの受光素子３９は、光を受光することができる受光有効部分３５と、光を受光することが出来ない受光無効部分３６とから構成されている。Ｐは受光素子３９の幅を示しており、ｕは受光有効部分３５の幅を示しており、ｒは受光無効部分の幅を示している。ここで、受光有効部分３５の幅ｕは光学格子１１の透明部分１２の幅Ｗと同じであるが、受光無効部分の幅ｒは光学格子１１の不透明部分１３の幅Ｖより小さい。よって、１つの受光素子３９のピッチＰは光学格子１１のピッチＳより小さく構成されている。

図２２から分かるように、ガラススケールの移動方向Ａ−Ｂと平行な方向に配置された２０個の受光素子３９−１〜３９−２０で、１つのグループが構成されている。受光素子３９−１〜３９−２０は全て同一の寸法であり、このようなグループはガラススケールの移動方向に６つ並んでいる（図２２には６つのグループの一部のみが示されている）。また、ガラススケールの移動方向Ａ−Ｂに垂直な方向には１個の受光素子３９が配置されている。

１つの受光素子３９の受光有効部分３５の幅ｕは光学格子１１の透明部分１２の幅Ｗと同様に１０μｍに設定され、受光無効部分３６の幅ｒは、光学格子１１の不透明部分１３の幅Ｖより小さい３μｍに設定されている。よって１つの受光素子３９のピッチＰは、光学格子１１のピッチＳより小さく１３μｍに構成されている。したがって、１つの受光素子グループの横方向の長さＬｘは、２６０μｍ（１３μｍ×２０）となる。よって、ガラススケールの移動方向の受光素子３９の集まり２００Ａの長さＬＬｘは、この受光素子グループが６グループあるので１５６０μｍ（＝２６０μｍ×６）である。また、１つの受光素子列の長さＬＬｙは１６００μｍに設定されている。

図２２を使って、受光素子グループの内容を詳細に説明する。今、ガラススケールの光学格子１１の透明部分１２と、受光素子グループの中の受光素子３９−１の受光有効部分３５とを一致させる。このようにすると、Ｎを１〜２０の番号として、受光素子３９−１の隣の受光素子３９−Ｎは受光素子のピッチＰが１３μｍなので、ガラススケール１０が１３μｍだけＡ方向に動くことにより、ガラススケールの光学格子１１の透明部分１２と、受光有効部分３５とが一致する。よって、この受光素子３９−Ｎを受光素子３９−１４と記す。

更に、Ｍを１〜２０の番号として、その隣の受光素子３９−Ｍは２ピッチ離れているので、受光素子３９−１から２６μｍの位置にあるが、ガラススケール１０の光学格子１１のピッチが２０μｍなので、ガラススケール１０が６μｍ移動したときに、ガラススケールの光学格子１１の透明部分１２と、受光有効部分３５とが一致する。よってこの受光素子３９−Ｍを受光素子３９−７と記す。

このように、Ｑを１〜２０の番号として、受光素子３９−Ｑの番号Ｑを１から始めて、１３ずつ加えていき、モジュール（基本単位）２０で計算した結果で受光素子３９−Ｑの番号Ｑを決めていくと（但しＱ＞０はＱ＝Ｑ−２０に置き換える）、丁度Ｑ＝１〜２０までの数が、図２２に示したように１つの受光素子のグループの中に全て現れる。そしてこの番号Ｑから１を引いた数が、ガラススケールの光学格子１１の透明部分１２からのずれ量、すなわち、ガラススケール１０の移動方向Ａ−ＢのＡ方向へずれた位置に相当する。

受光素子３９のピッチＰ（＝１３μｍ）と、光学格子１１のピッチＳ（＝２０μｍ）との最小公倍数は２６０μｍである。よって、２６０μｍ毎に受光素子３９のグループが繰り返し現れることが分かる。すなわち、次のグループの先頭も受光素子３９−１となり、光学格子１１に対して前のグループの先頭の受光素子３９−１と相対的に同じ位置にあることが分かる。

このように、グループの中で番号Ｑが同じ受光素子は、ガラススケールの光学格子１１の透明部分１２からのずれ量が同じであり、ガラススケール１０の移動によって得られる出力も同じであることが分かる。よって、ガラススケール１０のピッチＳ（＝２０μｍ）に対して、受光素子３９−１〜３９−２０からは２０種類の異なる出力信号が得られる。そして、これら２０種類の異なる出力信号はそれぞれ１μｍに対応して位相がずれていることから、この信号を処理して、１μｍ毎を表す信号が得られる。この処理については後で述べる。

前述の第５の実施例と同じ信号は図２３のようにしても作ることができる。図２３では、ガラススケールの光学格子１１のピッチＳを２０μｍ、光学格子１１の透明部分１２の幅Ｗを１０μｍ、光学格子１１の不透明部分１３の幅Ｖも１０μｍとしたとき、受光素子３９の受光有効部分の幅ｕが１０μｍ、受光無効部分の幅ｒが１０μｍとなっている。このようにしてガラススケール１０の移動方向に平行に受光素子３９が８０個並べられて列が作られる。これと同じ列は、ガラススケール１０の移動方向Ａ方向に、１μｍずつシフトさせながら、合計２０列設けられる。このようにすると、各列内の受光素子３９は、光学格子１１に対して、相対的に同じ位置にあるので、列内ではガラススケール１１の移動に伴う各受光素子３９からの出力は同じである。よって、各列の２０個の異なる出力が得られ、これ等は、１μｍに相当する位相ずつずれていることから、この信号を処理して、１μｍ毎を表す信号が得られる。

ここで、図２３の構成で得られた信号の１つの受光有効部分の合計の面積と、本発明の第５の実施例で得られた信号の１つの受光有効部分の合計の面積とを比較する。共に、受光素子全体の大きさは、約１６００μｍ×１６００μｍでほぼ同じ設定である。図２３の構成の方の面積は、ｕμｍ×Ｌｙμｍ×ｎ（個数）＝１０μｍ×８０μｍ×８０＝６４０００μｍ^２であり、一方、第５の実施例の面積は、１０μｍ×１６００μｍ×６＝９６０００μｍ^２である。よって、本発明によると、受光素子全体の大きさが同じであっても、１．５倍の出力が得られる。

また、光源の照度にむらや斑が有る場合や、ガラススケールに傷やゴミが付着している場合、図２２と図２３との比較で分かるように、図２２の受光素子３９−１は、等間隔ながら分散して配置されているため、その影響を受け難い。これに対して、図２３の受光素子３９−１に相当する第１列目の受光素子は、１列にしかないため、その影響を受けやすい。

第５の実施例によると、受光素子の受光有効部分の幅の方が、受光無効部分の幅より大きいように構成されているので、光が当たっている部分で、受光素子の受光有効部分の面積を大きくすることができ、ノイズに強く、測定精度に悪影響を及ぼさないようにすることができる。

また、特定の位置情報を持つ受光素子が複数個分散されてあり、光源の照度にむらや斑が有る場合や、ガラススケールに傷やゴミが付着している場合でも、全ての位置情報の受光素子によりその影響が分散されて平均化されるので、測定精度に悪影響を与えないようにすることができる。

図２４は本発明の第６の実施例の構成を示すものである。第６の実施例においても、光源１、ガラススケール１０、及び基板２０の位置関係は、図２１で説明した構成と同様である。ただし第６の実施例では、図２４に示すように、受光素子の集まり２００Ａの構成が第５の実施例と異なっている。

図２４は、光学格子１１と受光素子の集まり２００Ａの詳細を示す図である。第６の実施例では、２０個の受光素子３９−１〜３９−２０（図には１〜２０の番号で表示されている）が１つのグループになっている。各グループは、２０個の受光素子がガラススケール１０の移動方向Ａ−Ｂに平行な方向に５個並び、ガラススケール１０の移動方向と直角な方向に４列並んで構成されている。各列はガラススケール１０の移動方向のＡ方向に、１μｍずつずらして配置されている。ガラススケール１０の光学格子１１のピッチＳを２０μｍと設定すると、光学格子１１の透明部分１２の幅Ｗは１０μｍ、光学格子１１の不透明部分１３の幅Ｖも１０μｍである。

図２４から分かるように、ガラススケール１０の移動方向Ａ−Ｂに５個並び、ガラススケール１０の移動方向Ａ−Ｂと垂直な方向に４列並んだ合計２０個の受光素子３９で構成される各グループ内の受光素子３９−１〜３９−２０は、全て同一の寸法である。第６の実施例ではこのようなグループがガラススケール１０の移動方向に２７個並んでいる。１つの受光素子３９の受光有効部分３５の幅ｕは光学格子１１の透明部分１２の幅Ｗと同様に１０μｍに設定され、受光無効部分３６の幅ｒは、光学格子１１の不透明部分１３の幅Ｖより小さい２μｍに設定されている。よって１つの受光素子３９のピッチＰは、光学格子１１のピッチＳより小さく１２μｍに構成されている。したがって、１つの受光素子グループの横方向の長さＬｘは６０μｍ（＝１２μｍ×５）となる。よって、ガラススケール１０の移動方向の受光素子３９の集まり２００Ａの長さＬＬｘは、この受光素子グループが２７個あるので１６２３μｍである（＝６０μｍ×２７＋３μｍ）。また、１つの受光素子列の長さＬｙは４００μｍに設定されているので、ガラススケール１０の移動方向に直角方向の長さＬＬｙ＝１６００μｍに設定されている。

図２４を使って、受光素子グループの内容を詳細に説明する。今、ガラススケールの光学格子１１の透明部分１２と、受光素子グループの中の１列目の受光素子３９−１の受光有効部分３５とを一致させる。このようにすると、受光素子３９−１の隣の第１列目の受光素子３９−Ｎは、受光素子のピッチＰが１２μｍなので、ガラススケール１０が１２μｍだけＡ方向に動いたとき、ガラススケールの光学格子１１の透明部分１２と、受光有効部分３５とが一致する。よってこの受光素子３９−Ｎを受光素子３９−１３と記す。更にその隣の受光素子３９−Ｍは２ピッチ離れているので受光素子３９−１から２４μｍ離れた位置にあるが、ガラススケール１０の光学格子１１のピッチが２０μｍなので、ガラススケール１０が４μｍ移動したときに、ガラススケールの光学格子１１の透明部分１２と、受光有効部分３５とが一致する。よってこの受光素子を受光素子３９−５と記す。

このように、受光素子３９−Ｑの番号Ｑを１から始めて、１２ずつ加えていき、モジュール２０で計算した結果で受光素子３９−Ｑの番号Ｑを決めていくと（但しＱ＞２０はＱ＝Ｑ−２０に置き換える）、Ｑ＝１，１３，５，１７，９の５個となる。

２列目の先頭の受光素子３９−Ｑは、受光素子３９−１に対して１μｍずれている、すなわち、光学格子１１の透明部分１２と受光有効部分３５とは１μｍずれているので、受光素子３９−Ｑは受光素子３９−２となる。この列はＱ＝２から始めて、Ｑに１２ずつ加えていき、モジュール２０で計算した結果を番号にしていくと、Ｑ＝２，１４，６，１８，１０の５つの番号が得られる。

３列目、４列目も同様にＱ＝３、若しくはＱ＝４から始めて、Ｑに１２ずつ加えていき、モジュール２０で計算した結果（但しＱ＞０はＱ＝Ｑ−２０に置換する）を番号にして、Ｑ＝３，１５，７，１９，１１とＱ＝４，１６，８，２０，１２の番号を得る。よって、丁度Ｑ＝１〜２０までの数が、１つの受光素子のグループの中に全て現れる。そして、この番号Ｑから１を引いた数が、ガラススケール１０の光学格子１１の透明部分１２からのずれ量、すなわち、ガラススケール１０の移動方向Ａ−ＢのＡ方向へずれた位置に相当する。

受光素子３９のピッチＰの１２μｍと、光学格子１１のピッチＳの２０μｍとの最小公倍数は６０μｍである。よって、６０μｍ毎にこのグループが繰り返し現れることが分かる。すなわち、次のグループの先頭も受光素子３９−１となり、光学格子１１に対して前のグループの先頭の受光素子３９−１と相対的に同じ位置にあることが分かる。

このように、グループの中で番号Ｑが同じ受光素子は、ガラススケールの光学格子１１の透明部分１２からのずれ量が同じであり、ガラススケール１０の移動によって得られる出力も同じであることが分かる。よって、ガラススケール１０のピッチＳの２０μｍに対して、受光素子３９−１〜３９−２０からは２０種類の異なる出力信号が得られる。これらの出力信号は、１μｍずつずれていることから、この信号を処理して、１μｍ毎を表す信号が得られる。この処理については後で述べる。

ここで、前述の図２３で得られた信号の１つの受光有効部分の合計の面積と、本発明の第６の実施例で得られた信号の１つの受光有効部分の合計の面積とを比較する。共に、受光素子全体の大きさは、約１６００μｍ×１６００μｍでほぼ同じに設定してある。図２３の構成の方の面積は、ｕ×Ｌｙ×ｎ（個数）＝１０μｍ×８０μｍ×８０＝６４０００μｍ^２であり、第６の実施例の面積は１０μｍ×４００μｍ×２７＝１０８０００μｍ^２である。よって、本発明によると、受光素子全体の大きさが同じであっても、約１．７倍の出力が得られる。

この第６の実施例に於いても、第５の実施例と同じように、同じ位置情報を持つ受光素子が分散されて配置されており、且つ大きな受光面積が得られることから、大きな出力信号が得られ、光源の照度にむらや斑が有る場合や、ガラススケールに傷やゴミが付着している場合でも、全ての位置情報は受光素子によりその影響が分散されて平均化されるので、測定精度に悪影響を与えないようにすることができる。

図２５は本発明の第７の実施例における光学格子１１と受光素子の集まり２００Ａの詳細を示す図である。光源１、ガラススケール１０、及び基板２０の位置関係は、図２１で説明した構成と同様である。ただし、第７の実施例では、図２５に示すように、受光素子の集まり２００Ａの構成が第５の実施例と異なっている。

図２５は、光学格子１１と受光素子の集まり２００Ａの詳細を示す図である。第７の実施例では、２０個の受光素子３９−１〜３９−２０（図には１〜２０の番号で表示されている）が１つのグループになっており、このグループは、ガラススケール１０の移動方向Ａ−Ｂに１０個、ガラススケール１０の移動方向と直角な方向に２列の合計１０個×２列から構成されている。各列は、ガラススケール１０の移動方向Ａ−Ｂと平行に並んでいる。２列目のグループは、ガラススケール１０の移動方向のＡ方向に、１μｍずらして配置されている。ガラススケール１０の光学格子１１のピッチＳを２０μｍと設定すると、光学格子１１の透明部分１２の幅Ｗは１０μｍ、光学格子１１の不透明部分１３の幅Ｖも１０μｍである。

図２５から分かるように、１つのグループはガラススケール１０の移動方向Ａ−Ｂに１０個、ガラススケール１０の移動方向Ａ−Ｂと垂直な方向に２列、合計２０個の受光素子３９で構成されており、受光素子３９−１〜３９−２０は全て同一の寸法である。第７の実施例ではこのようなグループがガラススケール１０の移動方向に１１個並んでいる。１つの受光素子３９の受光有効部分３５の幅ｕは光学格子１１の透明部分１２の幅Ｗと同様に１０μｍに設定され、受光無効部分３６の幅ｒは、光学格子１１の不透明部分１３の幅Ｖより小さい４μｍに設定されている。よって１つの受光素子３９のピッチＰは、光学格子１１のピッチＳより小さい１４μｍに構成されている。したがって、１つの受光素子グループのガラススケール１０の移動方向の長さＬｘは１４０μｍ（＝１４μｍ×１０）となる。よって、受光素子３９の集まり２００Ａのガラススケール１０の移動方向の長さＬＬｘはこの受光素子グループが１１個あるので１５４１μｍである（＝１４０μｍ×１１＋１μｍ）。また、１つの受光素子列の長さＬｙは８００μｍに設定されているので、ガラススケール１０の移動方向に垂直方向の長さＬＬｙ＝１６００μｍである。

図２５を使って、受光素子グループの内容を詳細に説明する。今、ガラススケールの光学格子１１の透明部分１２と、受光素子グループの中の１列目の受光素子３９−１の受光有効部分３５とを一致させる。このようにすると、受光素子３９−１の隣の第１列目の受光素子３９−Ｎは、受光素子のピッチＰが１４μｍなので、ガラススケール１０が１４μｍだけＡ方向に動いたとき、ガラススケールの光学格子１１の透明部分１２と、受光有効部分３５とが一致する。よってこの受光素子３９−Ｎを受光素子３９−１５と記す。更にその隣の受光素子３９−Ｍは２ピッチ離れているので、受光素子３９−１から２８μｍ離れた位置にあるが、ガラススケール１０の光学格子１１のピッチが２０μｍなので、ガラススケール１０が８μｍ移動したときに、ガラススケール１０の光学格子１１の透明部分１２と、受光有効部分３５とが一致する。よってこの受光素子を３９−９と記す。このように、受光素子３９−Ｑの番号Ｑを１から始めて、１４ずつ加えていき、モジュール２０で計算した結果で受光素子Ｑの番号Ｑを決めていくと、Ｑ＝１，１５，９，３，１７，１１，５，１９，１３，７の１０個となる。

２列目の先頭の受光素子３９−Ｑは、受光素子３９−１に対して１μｍずれている。すなわち、ガラススケール１０の光学格子１１の透明部分１２は、受光有効部分３５と１μｍずれているので、受光素子３９−Ｑは３９−２となる。この列はＱ＝２から始めて、Ｑに１４ずつ加えていき、モジュール２０で計算した結果（但しＱ＞０はＱ＝Ｑ−２０に置き換える）、Ｑ＝２，１６，１０，４，１８，１２，６，２０，１４，８の１０個の番号を得る。よって、丁度Ｑ＝１〜２０の数が、１つのグループの中に全て現れる。そして、この番号Ｑから１を引いた数が、ガラススケール１０の光学格子１１の透明部分１２からのずれ量、すなわち、ガラススケール１０の移動方向Ａ−ＢのＡ方向へずれた位置に相当する。

受光素子３９のピッチＰの１４μｍと、光学格子１１のピッチＳの２０μｍとの最小公倍数は１４０μｍである。よって、１４０μｍ毎にこのグループが繰り返し現れることが分かる。すなわち、次のグループの先頭も受光素子３９−１となり、光学格子１１に対して、前のグループの先頭の受光素子３９−１と相対的に同じ位置にあることが分かる。

このように、グループの中で番号Ｑが同じ受光素子は、ガラススケール１０の光学格子１１の透明部分１２からのずれ量が同じであり、ガラススケール１０の移動によって得られる出力も同じであることが分かる。よって、ガラススケール１０のピッチＳの、２０μｍに対して、受光素子３９−１〜３９−２０からは２０種類の異なる出力信号が得られる。これらの出力信号は、１μｍずつずれていることから、この信号を処理して、１μｍ毎を表す信号が得られる。この処理については後で述べる。

このようにして得られた信号の１つの受光有効部分の合計の面積と、前述の図２３で得られた信号の１つの受光有効部分の合計の面積とを比較する。共に、受光素子全体の大きさは、約１６００μｍ×１６００μｍでほぼ同じに設定してある。図２３の構成の方の面積は、ｕ×Ｌｙ×ｎ（個数）＝１０μｍ×８０μｍ×８０＝６４０００μｍ^２であり、第７の実施例での面積は１０μｍ×８００μｍ×１１＝８８０００μｍ^２である。よって、本発明によると、受光素子全体の大きさが同じであっても約１．４倍の出力が得られる。

この第７の実施例に於いても、第５の実施例と同じように、同じ位置情報を持つ受光素子が分散されて配置されており、且つ大きな受光面積が得られることから、大きな信号が得られ、光源の照度にむらや斑が有る場合や、ガラススケールに傷やゴミが付着している場合も、全ての位置情報は受光素子によりその影響が分散されて平均化されるので、測定精度に悪影響を与えないようにすることができる。

図２６は本発明の第８の実施例の構成を示すものである。第８の実施例においても、光源１、ガラススケール１０、及び基板２０の位置関係は、図２１で説明した構成と同様である。ただし、第８の実施例では、図２６に示すように、受光素子の集まり２００Ａの構成が第５の実施例と異なっている。

図２６は、光学格子１１と受光素子の集まり２００Ａの詳細を示す図である。第８の実施例では、２０個の受光素子３９−１〜３９−２０（図には１〜２０の番号で表示されている）が１つのグループになっている。各グループは、２０個の受光素子がガラススケール１０の移動方向Ａ−Ｂに平行な方向に４個並び、ガラススケール１０の移動方向と直角な方向に５列並んで構成されている。２列目以降の各列はガラススケール１０の移動方向のＡ方向に、１μｍずつずらして配置されている。

図２６から分かるように、１つのグループはガラススケール１０の移動方向Ａ−Ｂに４個並び、移動方向に垂直な方向に５列並んだ、合計２０個の受光素子３９で構成されており、受光素子３９−１〜３９−２０は全て同一の寸法である。第８の実施例ではこのようなグループがガラススケール１０の移動方向に２７個並んでいる。１つの受光素子３９の受光有効部分３５の幅ｕは光学格子１１の透明部分１２の幅Ｗと同様に１０μｍに設定され、受光無効部分３６の幅ｒは、光学格子１１の不透明部分１３の幅Ｖより小さい５μｍに設定されている。よって１つの受光素子３９のピッチＰは、光学格子１１のピッチＳより小さい１５μｍに構成されている。したがって、１つの受光素子グループのガラススケール１０の移動方向の長さＬｘは６０μｍ（１５μｍ×４）となる。よって、受光素子３９の集まり２００Ａのガラススケール１０の移動方向長さＬＬｘはこの受光素子グループが２７個あるので１６２４μｍである（＝６０μｍ×２７＋４μｍ）。また、１つの受光素子列の長さＬｙは３２０μｍに設定されているので、ガラススケール１０の移動方向に垂直方向の長さＬＬｙ＝１６００μｍである。

この第８の実施例もこれまでの実施例と同じ効果があることは明らかである。ちなみに、第８の実施例で得られた信号の１つの受光有効部分の合計の面積と、前述の図２３で得られた信号の１つの受光有効部分の合計の面積とを比較する。共に、受光素子全体の大きさは、約１６００μｍ×１６００μｍでほぼ同じに設定してある。図２３の構成の方の面積は６４０００μｍ^２であり、第８の実施例での面積は１０μｍ×３２０μｍ×２７＝８６４００μｍ^２である。よって、本発明によると、受光素子全体の大きさが同じであっても、１．３５倍の出力が得られる。

第８の実施例の１つの列は、前述した第３の従来技術とよく似た構造になっている。すなわち、光学格子１１のピッチＳ（＝２０μｍ）に対して、受光素子のピッチＰが３×Ｓ／４＝１５μｍに、受光有効部分３５の幅ｕ＝Ｓ／２＝１０μｍに、受光無効部分の幅ｒ＝Ｓ／４＝５μｍに設定されている。

しかし従来技術では、第８の実施例の１列しかなく、この１列から２０μｍに分解して測長を行っていたので測定精度が悪かった。しかし、第８の実施例では、この列を５列設け、かつ各列を１μｍずつずらすことにより、１ピッチ２０μｍで２０個の出力を得て測長を行っているので精度が高い。

次に、本発明の第９の実施例について図２７を用いて説明する。第９の実施例においては、光源１、ガラススケール１０、及び基板２０の位置関係は、図２１で説明した構成と同様である。ただし、第９の実施例では、図２７に示すように、受光素子の集まり２００Ａの構成が第６の実施例と異なっている。

図２４で説明した第６の実施例では、受光素子３９の大きさが、受光有効部分３５の幅ｕ＝１０μｍに、受光無効部分の幅ｒ＝２μｍ、縦方向の幅Ｌｙ＝４００μｍに設定されていた。そして、５個並んだ受光素子３９の列を、ガラススケールの移動方向に１μｍずつずらして４列配置した２０個の受光素子で１グループが構成されており、このグループがガラススケールの移動方向に２７個並べられて１つの受光素子群が構成されていた。よって、第６の実施例では、１グループのガラススケールの移動方向に垂直な方向の長さＬＬｙは１６００μｍであり、また、受光素子の集まり２００Ａのガラススケールの移動方向の全長ＬＬｘは１６２３μｍであった。

一方、図２７に示す第９の実施例では受光素子３９の大きさが、受光有効部分３５の幅ｕ＝１０μｍ、受光無効部分の幅ｒ＝２μｍは同じであるが、ガラススケールの移動方向に垂直な方向の幅Ｌｙ＝２００μｍ（第６の実施例の半分の値）に設定されている。よって１グループのガラススケールの移動方向に垂直な方向の長さは８００μｍである。第９の実施例ではこのようなグループがガラススケールの移動方向に１３個並べられて受光素子群２０１が形成される。

そして、この受光素子群２０１と同じ構成の受光素子群を、ガラススケールの移動方向に垂直な方向に受光素子群２０１に隣接させて並べて受光素子群２０２とする。この結果、受光素子群の集まり２００Ａのガラススケールの移動方向に垂直な方向の長さの合計が１６００μｍとなる。その際、図２７に示すように、受光素子群２０２の先頭の受光素子を、受光素子群２０１に対して、ガラススケール１０の移動方向Ａ方向に１μｍずらす。

このように配置すると、受光素子群２０２の先頭は、光学格子１１の透明部分１２に対して１μｍずれた位置となり、受光素子群２０１の受光素子３９−２と相対的に同一の位置となり、光学格子１１の移動により同じ位置信号を出すことが分かる。よって、受光素子群２０２の各受光素子３９の、光学格子１１の透明部分１２に対する相対位置から番号を振り分けると、受光素子３９−１〜３９−２０が図２７に示すように、受光素子群２０２の中に番号１〜２０として振り分けられる。

更に、受光素子群２０１，２０２に隣接する位置に、ガラススケール１０の移動方向Ａ方向に２μｍずらして、受光素子群２０３，２０４をそれぞれ配置する。受光素子群２０４は受光素子群２０３に対して、ガラススケール１０の移動方向Ａ方向に１μｍずらしておく。このように配置すると、受光素子群２０３の先頭は、光学格子１１の透明部分１２に対して２μｍずれた位置となり、受光素子群２０１の受光素子３９−３と相対的に同一の位置となり、同じ位置信号を出すことが分かる。よって、受光素子群２０３の各受光素子３９の、光学格子１１の透明部分１２に対する相対位置から番号を振り分けると、受光素子３９−１〜３９−２０が、図２７に示すように、受光素子群２０３の中に番号１〜２０として振り分けられる。

同様に、受光素子群２０４の先頭は、光学格子１１の透明部分１２に対して３μｍずれた位置となり、受光素子群２０１の受光素子３９−４と相対的に同一の位置となり、同じ位置信号を出すことが分かる。よって、受光素子群２０４の各受光素子３９の、光学格子１１の透明部分１２に対する相対位置から番号を振り分けると、受光素子３９−１〜３９−２０が、図２７に示すように、受光素子群２０４の中に番号１〜２０として振り分けられる。

このように配置すると、第９の実施例における受光素子群の集まり２００Ａのサイズは、ガラススケールの移動方向の長さＬＬｘが１６２６μｍとなり、ガラススケールの移動方向に垂直な方向の長さＬＬｙが１６００μｍとなる。このように、第９の実施例は、第６の実施例（図２４）に比べてサイズがほぼ同じである（ガラススケールの移動方向の長さＬＬｘが３μｍだけ大きい）。

しかしながら、第９の実施例のように配置すると、例えば、相対的に同じ位置に配置されており、ガラススケール１０の動きに対して同じ信号を出す受光素子３９−１に注目すると、全体の受光面積は同じであり、図２４においては、第１列目に分散されていたのが、第３，６，８列目にも分散されており、より細かく分散されていることが分かる。

すなわち、第９の実施例の構成は、図２１に示される受光素子群の集まり２００Ａを、図１２で説明した受光素子群２００のように、４つの受光素子群２０１〜２０４から構成したものに等しい。よってこの実施例に於いても、更に大きな効果が得られることが分かる。

第９の実施例に於いては、４つの受光素子群２０１〜２０４における受光素子のグループに、図２４で示した受光素子列の配置を使用して説明したが、同様に、４つの受光素子群２０１〜２０４における受光素子のグループに、図２５，図２６において説明したグループを使用しても、同様な効果を得られることは明らかである。

最後に、本発明の第１０の実施例について図２８を用いて説明する。第１０の実施例においては、光源１、ガラススケール１０、及び基板２０の位置関係は、図２１で説明した構成と同様である。ただし、第１０の実施例では、図２８に示すように、受光素子の集まり２００Ａの構成がこれまでの実施例と異なっている。

第１０の実施例では、ガラススケール１０の光学格子１１のピッチＳが８μｍに設定され、光学格子１１の透明部分１２の幅Ｗは４μｍ、光学格子１１の不透明部分１３の幅Ｖは４μｍに設定されている。１つの受光素子３９の受光有効部分３５の幅ｕは光学格子１１の透明部分１２の幅Ｗと同様に４μｍに設定され、受光無効部分３６の幅ｒは、光学格子１１の不透明部分１３の幅Ｖより小さい３μｍに設定されている。

受光素子の集まり２００Ａは、複数の受光素子３９−１〜３９−８から構成されている。ガラススケールの移動方向Ａ−Ｂと平行な方向に配置された８個の受光素子３９−１〜３９−８で１つのグループが構成されている。受光素子３９−１〜３９−８は全て同一の寸法であり、このようなグループはガラススケールの移動方向に２８個並んでいる（図２８にはその一部のみが示されている）。またガラススケールの移動方向Ａ−Ｂに垂直な方向には１個の受光素子３９が配置されている。

１つの受光素子グループの横方向の長さＬｘは５６μｍ（７μｍ×８）となる。よって、ガラススケールの移動方向の受光素子３９の集まり２００Ａの長さＬＬｘは、この受光素子グループが２８グループあるので１５６８μｍ（＝５６μｍ×２８）である。また、１つの受光素子列の長さＬＬｙは１６００μｍに設定されている。

今、ガラススケールの光学格子１１の透明部分１２と、受光素子グループの中の受光素子３９−１の受光有効部分３５とを一致させる。このようにすると、受光素子３９−１の隣の受光素子３９−Ｎは、受光素子のピッチＰが７μｍなので、ガラススケール１０が７μｍだけＡ方向に動くことにより、ガラススケールの光学格子１１の透明部分１２と、受光有効部分３５とが一致する。よって、この受光素子３９−Ｎを、受光素子３９−８と記す。更に、その隣の受光素子３９−Ｍは２ピッチ離れているので、受光素子３９−１から１４μｍの位置にあるが、ガラススケール１０の光学格子１１のピッチが８μｍなので、ガラススケール１０が６μｍ移動したときに、ガラススケールの光学格子１１の透明部分１２と、受光有効部分３５とが一致する。よって、この受光素子３９−Ｍを受光素子３９−７と記す。

このように、受光素子３９−Ｑの番号Ｑを１から始めて、７ずつ加えていき、モジュール（基本単位）８で計算した結果で受光素子３９−Ｑの番号Ｑを決めていくと（但しＱ＞８の時はＱ＝Ｑ−８に置き換える）、丁度Ｑ＝１〜８までの数が、図２８に示したように１つの受光素子のグループの中に全て現れる。そしてこの番号Ｑから１を引いた数が、ガラススケールの光学格子１１の透明部分１２からのずれ量、すなわち、ガラススケール１０の移動方向Ａ−ＢのＡ方向へずれた位置に相当する。

受光素子３９のピッチＰ（＝７μｍ）と、光学格子１１のピッチＳ（＝８μｍ）との最小公倍数は５６μｍである。よって、５６μｍ毎に受光素子３９のグループが繰り返し現れることが分かる。すなわち、次のグループの先頭も受光素子３９−１となり、光学格子１１に対して前のグループの先頭の受光素子３９−１と相対的に同じ位置にあることが分かる。

このように、グループの中で番号Ｑが同じ受光素子は、ガラススケールの光学格子１１の透明部分１２からのずれ量が同じであり、ガラススケール１０の移動によって得られる出力も同じであることが分かる。よって、ガラススケール１０のピッチＳ（＝８μｍ）に対して、受光素子３９−１〜３９−８からは８種類の異なる出力信号が得られる。そして、これら８種類の異なる出力信号は、それぞれ１μｍに対応して位相がずれていることから、この信号を処理して、１μｍ毎を表す信号が得られる。この処理については後で述べる。

このように、第１０の実施例では、第５の実施例と同様の効果が得られる。ガラススケールの移動方向には２８個のグループを配置することが出来るので、第１０の実施例で得られた信号の１つの受光有効部分の合計の面積は、４μｍ×１，６００μｍ×２８＝１７９，２００μｍ ^２ であり、図２３の６４，０００μｍ ^２ と比較すると受光面積は２．８倍になり、且つ充分分散された配置となっている。ただし、第１０の実施例においては、光学格子１１のピッチｐが８μｍなので、８個の１μｍ毎の信号が得られる。この処理について図１７を用いて説明する。

信号の流れを図１７を使って、受光素子３９−１を例にとりながら説明する。ガラススケール１０と受光素子３９−１とが図２８に示すような位置関係にあったとする。すなわちガラススケール１０の光学格子１１の透明部分１２と受光素子３９の受光有効部分３５とが一致している。このとき受光素子３９から得られる信号は最大となり、これら受光素子３９−１を全て加えた信号も最大となる。ガラススケール１０が移動方向Ａの方に移動すると、ガラススケール１０の不透明部分１３が徐々に受光素子３９の受光有効部分３５を次第に覆ってくるのでその出力は小さくなり、ガラススケール１０がピッチＳの１／４移動した所では最大出力の１／２に、ピッチＳの１／２移動した所では完全に覆うので最小出力となる。ガラススケール１０が更に移動して、ピッチＳの３／４移動した所では再び最大出力の１／２に戻り、１ピッチＳだけ移動すると再び最大出力が得られる。

このことは、他の受光素子についても同じであるが、受光素子３９−２は受光素子３９−１に対して１μｍずれた位置にあるので、受光素子３９−１に対して１μｍ遅れて最大となる。その他、受光素子３９−３〜３９−８についても各々１μｍずつずれて最大になる。この関係を図１７に信号Ｉ３１からＩ３８で示す。図中、信号Ｉ３１が受光素子３９−１の出力信号であり、信号Ｉ３２〜Ｉ３８は各々受光素子３９−２〜３９−８からの信号に対応する。

この信号を、スレシショルド値を、（最大出力−最小出力）／２にしたコンパレータを使ってデジタル化すると図１７に信号Ｊ３１〜Ｊ３８で示すようになる。ここに信号Ｊ３１は信号Ｉ３１をデジタル化したもので、（最大出力−最小出力）／２で反転している。信号Ｊ３２〜Ｊ３８は各々信号Ｉ３２〜Ｉ３８に対応する。

更に、この信号Ｊ３１〜Ｊ３８のデジタル信号を、論理演算回路により、
ＫＡ＝Ｊ３１・Ｊ３７＋Ｊ３３・Ｊ３５
ＫＢ＝Ｊ３２・Ｊ３８＋Ｊ３４・Ｊ３６
なる、２つの信号ＫＡ，ＫＢに変換する。この信号ＫＡ，ＫＢの立ち上がり、立ち下がりのタイミングを図１７に示す。図１７から分かるように、信号Ｉ３１の１周期はガラススケールのピッチＳに等しく８μｍであることから、信号ＫＡの立ち上がり若しくは立ち下がりから、信号ＫＢの立ち下り若しくは立ち上がりまでの間隔は丁度１μｍであり、信号ＫＡ，ＫＢの立ち上がり若しくは立ち下がりの数をカウントすると、１周期で８となる。これを表示すれば測長器として使える。また、ガラススケール１０の移動方向の弁別については、信号ＫＢの立ち上がりに注目すると、移動方向がＡの時には、信号ＫＡは”１”になっており、移動方向がＢの時には信号ＫＡは”０”になっていることから区別が可能である。

ここでは第１０の実施例の光学格子１１のピッチＰが８μｍについて説明したが、第５の実施例〜第９の実施例で説明した光学格子１１のピッチＰが２０μｍの場合においても同様の処理をすれば、１μｍ毎の信号が得られることは明らかである。

以上述べたように、この第５から第１０の実施例によれば、受光素子の受光有効部分の幅の方が受光無効部分の幅より大きいように構成されているので、光が当たっている部分における受光素子の受光有効部分の面積を大きくすることができ、ノイズに強く、測定精度に悪影響を及ぼさないようにすることができる。

また、特定の位置情報を持つ受光素子が複数個あり、若しくはその特定の位置情報を持つ、複数の受光素子で構成された受光素子列が複数列あり、その特定の位置情報を持つ受光素子列が複数箇所に分散されているので、光源の照度にむら斑が有る場合や、ガラススケールに傷やゴミが付着している場合においても、全ての位置情報の受光素子がその影響を少しずつ受け持って平均化し、測定精度に悪影響を与えないようにすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明を適用する接触式デジタル変位計の使用状態を示す全体構成図である。
【図２】図２は第１の従来技術を示すものであり、接触式デジタル変位計の光電式透過型リニアエンコーダの原理を説明する図である。
【図３】図３は図２のフォトダイオードの出力信号の波形を示す波形図である。
【図４】図４は従来の光電式透過型リニアエンコーダの一例の構成を示す断面図である。
【図５】図５は第２の従来技術における光電式透過型リニアエンコーダの構成を示す図である。
【図６】図６は第３の従来技術における光電式透過型リニアエンコーダの構成を示す図である。
【図７】図７は第３の従来技術における光学格子と、受光素子列の関係を示した図である。
【図８】図８は本発明の光学式変位測定装置の原理を説明する図である。
【図９】図９は本発明の第１の実施例の接触式デジタル変位計の断面図である。
【図１０】図１０は図９のマスキングされたフォトダイオードの受光面拡大図である。
【図１１】図１１は図１０の受光面の一部を更に拡大した図である。
【図１２】図１２は本発明の第２から第４の実施例を適用する光学式変位測定装置の構成を示す概略図である。
【図１３】図１３は本発明の第２の実施例を示すものであり、図１２の所定の受光素子群の拡大図である。
【図１４】図１４は光学格子と受光素子列との関係を示した図である。
【図１５】図１５は本発明の第２の実施例を示すものであり、図１２の別の受光素子群の拡大図である。
【図１６】図１６は本発明の第２の実施例における受光素子群の配置を示す図である。
【図１７】図１７は第２の実施例および第１０の実施例の受光素子から得られる信号の変化を示す図である。
【図１８】図１８は第３の実施例に係わる受光素子群の配置を示した図である。
【図１９】図１９は第４の実施例に係わる受光素子群の配置を示した図である。
【図２０】図２０は第４の実施例に係わる光学格子と受光素子群の関係を示した図である。
【図２１】図２１は本発明の第５から第１０の実施例に係わる光学式変位測定装置の概略構成図である。
【図２２】図２２は第５の実施例に係わる光学格子と受光素子群の関係を示した図である。
【図２３】図２３は本発明と同じ１μｍ毎の信号を出す従来構成の受光素子列を示す比較図である。
【図２４】図２４は第６の実施例に係わる光学格子と受光素子群を示した図である。
【図２５】図２５は第７の実施例に係わる光学格子と受光素子群を示した図である。
【図２６】図２６は第８の実施例に係わる光学格子と受光素子群を示した図である。
【図２７】図２７は第９の実施例に係わる光学格子と受光素子群を示した図である。
【図２８】図２８は第１０の実施例に係わる光学格子と受光素子群を示した図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ コンデンサレンズ
３ 移動スケール
４ フォトダイオード
１０ ガラススケール
１１ 光学格子
１２ 透明部分
１３ 不透明部分
３５ 受光有効部分
３９ 受光無効部分
４０ 接触式デジタル変位計
４４ 第１のマスキング部
４５ 第２のマスキング部
２００ 受光素子群の集まり
２０１〜２０４ 受光素子群
３３１〜３３８ 受光素子列

Claims (5)

1. 光学格子を有し変位可能な第１の部材と、該第１の部材を照射するための光源と、かつ該第１の部材を通過した光を受光する受光素子部とを有する光学式変位測定装置であって、
   前記受光素子部は受光素子群からなり、
   前記受光素子群は前記第１の部材の変位方向に沿って列をなして配置された複数の受光素子列として配置され、前記複数の受光素子列において、受光素子は、順次所定の距離ずつずらして、前記第１の部材の変位方向に対して垂直な方向に並んで配置されることによって、前記受光素子群は、前記光学格子に対して同一の位置関係にある複数の受光素子を分散して含み、
   前記第１の部材の光学格子のピッチは、前記受光素子列のピッチより大きい、
   ことを特徴とする光学式変位測定装置。
   
2. 前記受光素子群が、受光素子をその受光有効部分と受光無効部分の和である所定のピッチで並べた受光素子列を複数個配置して構成されている、請求項１に記載の光学式変位測定装置。
   
3. 前記受光素子の該受光有効部分の幅と該受光無効部分の幅は、該受光有効部分の幅の方が、該受光無効部分の幅より大きく構成されている、請求項１に記載の光学式変位測定装置。
   
4. 前記受光無効部分の幅が２〜３μｍである、請求項３に記載の光学式変位測定装置。
   
5. 前記光学格子は透明部分と不透明部分とからなり、各々の幅の比率が１：１である、請求項１に記載の光学式変位測定装置。

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