JP5566061B2 - 光学式変位検出装置 - Google Patents
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Description
変位検出対象物の所定方向における変位を検出する光学式変位検出装置であって、
光ビームを射出する光源と、
第1のトラックパターンと、第2のトラックパターンと、が前記所定方向を長手方向として形成されたスケールと、
前記光源から射出された光ビームを、前記第1のトラックパターンを介して検出して第1の信号を生成する第1の光検出器と、前記光源から射出された光ビームを、前記第2のトラックパターンを介して検出して第2の信号を生成する第2の光検出器と、を有するセンサヘッドと、
前記第1の信号と、前記第2の信号と、に基づいて前記変位を算出する信号処理部と、
を具備し、
前記第1のトラックパターン及び前記第2のトラックパターンは、
実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れか1つが前記所定方向において互いに逆向きに略直線的に増減し、且つ、前記第1の光検出器により検出される前記第1のトラックパターンの実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れかの値と、前記第2の光検出器により検出される前記第2のトラックパターンの実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れかの値と、の和の値が略一定となる光学パターンであり、
前記スケール又は前記センサヘッドは、前記変位検出対象物に連結され、
前記第1の信号及び前記第2の信号は、少なくとも、前記第1の信号と前記第2の信号とを所定演算することにより相殺される第1成分と、前記所定演算後にも残存する任意の位置に特有の第2成分と、を含み、
前記第1のトラックパターン、前記第2のトラックパターン、前記第1の光検出器、前記第2の検出器、及び前記光源は、前記第1の検出器による検出と、前記第2の検出器による検出と、が関連付けて実行されるように配置されており、
前記第1のトラックパターンと前記第2のトラックパターンとは、前記スケール上に直列に形成され、
前記光源は、前記第1のトラックパターンに対して光ビームを照射する第1の光源と、前記第2のトラックパターンに対して光ビームを照射する第2の光源と、から成る
ことを特徴とする。
変位検出対象物の所定方向における変位を検出する光学式変位検出装置であって、
光ビームを射出する光源と、
第1のトラックパターンと、第2のトラックパターンと、が前記所定方向を長手方向として形成されたスケールと、
前記光源から射出された光ビームを、前記第1のトラックパターンを介して検出して第1の信号を生成する第1の光検出器と、前記光源から射出された光ビームを、前記第2のトラックパターンを介して検出して第2の信号を生成する第2の光検出器と、を有するセンサヘッドと、
前記第1の信号と、前記第2の信号と、に基づいて前記変位を算出する信号処理部と、
を具備し、
前記第1のトラックパターン及び前記第2のトラックパターンは、
実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れか1つが前記所定方向において互いに逆向きに略直線的に増減し、且つ、前記第1の光検出器により検出される前記第1のトラックパターンの実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れかの値と、前記第2の光検出器により検出される前記第2のトラックパターンの実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れかの値と、の和の値が略一定となる光学パターンであり、
前記スケール又は前記センサヘッドは、前記変位検出対象物に連結され、
前記第1の信号及び前記第2の信号は、少なくとも、前記第1の信号と前記第2の信号とを所定演算することにより相殺される第1成分と、前記所定演算後にも残存する任意の位置に特有の第2成分と、を含み、
前記第1のトラックパターン、前記第2のトラックパターン、前記第1の光検出器、前記第2の検出器、及び前記光源は、前記第1の検出器による検出と、前記第2の検出器による検出と、が関連付けて実行されるように配置されており、
前記第1のトラックパターンと前記第2のトラックパターンとは、前記スケール上に並列して形成され、
前記所定方向の所定区間において実効反射率、実効透過率または回折効率が漸増または漸減する光学パターンを、グレースケールパターンと定義し、
前記所定方向に対して実効反射率、実効透過率または回折効率の何れかが所定の空間周期で変化する光学パターンを、エンコードパターンと定義し、
前記エンコードパターンと前記グレースケールパターンを重畳した光学特性を有するパターンを、変調コードパターンと定義した場合に、
前記スケールの第1のトラックパターンは第1の変調コードパターンであり、前記第2のトラックパターンは第2の変調コードパターンであり、
前記第1の変調コードパターンと前記第2の変調コードパターンは、前記所定区間を前記所定方向に対して垂直に2等分する線分に対して実効的反射率、実効的透過率または回折効率の何れかが前記所定方向において鏡面反転した構成となっている
ことを特徴とする。
図1は、本第1実施形態に係る光学式変位検出装置のセンサヘッド及びスケールを上面側から見た投射図である。図2は、図1に示す線分A−A’線の位置における断面図である。図3は、第1の光検出器21に搭載された受光素子アレイ及び第2の光検出器22に搭載された受光素子アレイと、これらの受光素子アレイで構成される受光面上に形成される光学イメージと、の関係の一例を示す図である。
所定方向の所定区間において、実効反射率または実効透過率が漸増または漸減する光学パターンを、“グレースケールパターン”と称する。
所定方向への推移に従って、反射率、透過率、及び回折特性のうち何れかが周期的に変化する光学パターンを、“エンコードパターン”と称する。
前記エンコードパターンと前記グレースケールパターンとを重畳した光学特性を有するパターンを、“変調コードパターン”と称する。
前記グレースケールパターン又は前記変調コードパターンによって構成されるトラックを、“グレートラック”と称する。
po=ps・(z1+z2)/z2 …(式2)
である。
まず、対象の絶対変位を検出する処理方法について説明する。
AC1=A1A−A2A …(式3)
AC2=A1A+A2A …(式4)
を演算する。
AC1/AC2 …(式5)
を演算して絶対位置を求めて出力する。
X=α・AC1/AC2+β …(式6)
により算出される。ただし、α(≠0)、βは係数である。
Vpp1=a・x …(式7)
Vpp2=−a・(x−Lgray) …(式8)
として表される。
a=Vppmax/Lgray …(式9)
として表される。
Vpp1−Vpp2= 2a・x−a・Lgray …(式11)
図8は、これら(式10)及び(式11)を示す図である。
(Vpp1−Vpp2)/(Vpp1+Vpp2)=2/Lgray・x−1
…(式12)
をxについて解けば、
x=Lgray・((Vpp1−Vpp2)/(Vpp1+ Vpp2)+1)/2
…(式13)
となる。
本第1実施形態に係る光学式変位検出装置によれば、相対変位についても、以下説明する処理方法により高精度に検出することができる。
S3A=S1A+S2A=Va1+Va2 …(式14)
S3B=S1B+S2B=Vb1+Vb2 …(式15)
を演算する。
まず、図6A及び図6Bに示す互いに1/4周期の位相差を有する2組の信号を、それぞれ同相信号ごとに加算する。ここで、上述したようにグレートラック51,52においては、変調コードパターンはその実効反射率または実効透過率が逆相で検出されるように配置されている為、図10においてVa,Vbで示すように変位Xに対してほぼ一定の振幅を有する1/4周期位相差の信号を得ることができる。この信号を、通常のエンコードパターンを有するエンコーダの信号処理方法を利用して、非常に高精度な相対位置信号に変換することができる。
xp=ps・θ/2π …(式16)
となる。
図12は、本例における物理量検出回路の一構成例を示す図である。
(r1−r2)/(r1+r2) …(式17)
を演算することで、絶対変位を算出する。
(r1−r2)/rmax …(式18)
を算出することで、絶対変位を算出してもよい。
本第1変形例は、スケール4上に形成する光学パターンの構成に関する変形例である。図14は、本第1変形例に係る光学式変位検出装置に特有の変調コードパターンの一構成例を示す斜視図である。
本第2変形例は、スケール4上に形成する光学パターンの構成に関する変形例である。図15は、本第2変形例に係る光学式変位検出装置に特有の変調コードパターンの一構成例を示す斜視図である。
本第3変形例に係る光学式変位検出装置では、スケール4上に変調コードパターンを設ける代わりに、各光検出器21,22との間の幾何学的距離の変化により変調コードパターンと同様の機能を発揮する“変調グレースケールパターン”を、スケール4と一体的に構成して設ける。
本第4変形例に係る光学式変位検出装置では、スケール4上に変調コードパターンを設ける代わりに、各光検出器21,22との間の光学的距離の変化により変調コードパターンと同様の機能を発揮する“変調グレースケールパターン”を、スケール4と一体的に構成して設ける。
本第5変形例に係る光学式変位検出装置では、スケール上にグレートラックを設ける代わりに、後述する構成によりグレートラックと同様の機能を発揮する変調グレースケールパターンをスケール上に設ける。
本第6変形例は、スケール4の構成(形状)に関する変形例である。図19は、本第6変形例に係る光学式変位検出装置に特有のスケール及びセンサヘッドの一構成例を示す斜視図である。
本第7変形例に係る光学式変位検出装置では、スケール4上に変調コードパターンを設ける代わりに、各光検出器21,22との間の幾何学的距離の変化により変調コードパターンと同様の機能を発揮する“変調グレースケールパターン”を、スケール4と一体的に構成して設ける。
本第8変形例に係る光学式変位検出装置では、スケール4上に変調コードパターンを設ける代わりに、各光検出器21,22との間の光学的距離の変化により変調コードパターンと同様の機能を発揮する“変調グレースケールパターン”を、スケール4と一体的に構成して設ける。
本第9変形例に係る光学式変位検出装置では、スケール4上に変調コードパターンを設ける代わりに、各光検出器21,22との間の光透過率の変化により変調コードパターンと同様の機能を発揮する“変調グレースケールパターン”を、スケール4と一体的に構成して設ける。
本第10変形例は、スケール4の構成(形状)に関する変形例である。図23は、本第6変形例に係る光学式変位検出装置に特有のスケール及びセンサヘッドの一構成例を示す斜視図である。
以下、図面を参照して、本発明の第2実施形態に係る光学式変位検出装置について説明する。なお、説明の重複を避ける為、第1実施形態に係る光学式変位検出装置との相違点のみを説明する。
本第11変形例は、スケール4の構成(形状)に関する変形例である。図25は、本第11変形例に係る光学式変位検出装置の一構成例を示す図である。
本第12変形例に係る光学式変位検出装置では、スケール4上に変調コードパターンを設ける代わりに、各光検出器21,22との間の幾何学的距離の変化により変調コードパターンと同様の機能を発揮する“変調グレースケールパターン”を、スケール4と一体的に構成して設ける。
本第13変形例に係る光学式変位検出装置では、スケール4上に変調コードパターンを設ける代わりに、各光検出器21,22との間の光学的距離や光透過率の変化により変調コードパターンと同様の機能を発揮する“変調グレースケールパターン”を、スケール4と一体的に構成して設ける。
本第14変形例は、スケール4の構成(形状)に関する変形例である。図28は、本第14変形例に係る光学式変位検出装置に特有のスケール及びセンサヘッドの一構成例を示す斜視図である。
以下、図面を参照して、本発明の第3実施形態に係る光学式変位検出装置について説明する。なお、説明の重複を避ける為、第1実施形態に係る光学式変位検出装置との相違点のみを説明する。
本第15変形例は、スケール4の構成に関する変形例である。図30は、本第15変形例に係る光学式変位検出装置に特有のスケール及びセンサヘッドの一構成例を示す図である。
本第16変形例は、スケール4の構成に関する変形例である。図32は、本第16変形例に係る光学式変位検出装置に特有のスケール及びセンサヘッドの一構成例を示す図である。
Claims (6)
- 変位検出対象物の所定方向における変位を検出する光学式変位検出装置であって、
光ビームを射出する光源と、
第1のトラックパターンと、第2のトラックパターンと、が前記所定方向を長手方向として形成されたスケールと、
前記光源から射出された光ビームを、前記第1のトラックパターンを介して検出して第1の信号を生成する第1の光検出器と、前記光源から射出された光ビームを、前記第2のトラックパターンを介して検出して第2の信号を生成する第2の光検出器と、を有するセンサヘッドと、
前記第1の信号と、前記第2の信号と、に基づいて前記変位を算出する信号処理部と、
を具備し、
前記第1のトラックパターン及び前記第2のトラックパターンは、
実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れか1つが前記所定方向において互いに逆向きに略直線的に増減し、且つ、前記第1の光検出器により検出される前記第1のトラックパターンの実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れかの値と、前記第2の光検出器により検出される前記第2のトラックパターンの実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れかの値と、の和の値が略一定となる光学パターンであり、
前記スケール又は前記センサヘッドは、前記変位検出対象物に連結され、
前記第1の信号及び前記第2の信号は、少なくとも、前記第1の信号と前記第2の信号とを所定演算することにより相殺される第1成分と、前記所定演算後にも残存する任意の位置に特有の第2成分と、を含み、
前記第1のトラックパターン、前記第2のトラックパターン、前記第1の光検出器、前記第2の検出器、及び前記光源は、前記第1の検出器による検出と、前記第2の検出器による検出と、が関連付けて実行されるように配置されており、
前記第1のトラックパターンと前記第2のトラックパターンとは、前記スケール上に直列に形成され、
前記光源は、前記第1のトラックパターンに対して光ビームを照射する第1の光源と、前記第2のトラックパターンに対して光ビームを照射する第2の光源と、から成る
ことを特徴とする光学式変位検出装置。 - 変位検出対象物の所定方向における変位を検出する光学式変位検出装置であって、
光ビームを射出する光源と、
第1のトラックパターンと、第2のトラックパターンと、が前記所定方向を長手方向として形成されたスケールと、
前記光源から射出された光ビームを、前記第1のトラックパターンを介して検出して第1の信号を生成する第1の光検出器と、前記光源から射出された光ビームを、前記第2のトラックパターンを介して検出して第2の信号を生成する第2の光検出器と、を有するセンサヘッドと、
前記第1の信号と、前記第2の信号と、に基づいて前記変位を算出する信号処理部と、
を具備し、
前記第1のトラックパターン及び前記第2のトラックパターンは、
実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れか1つが前記所定方向において互いに逆向きに略直線的に増減し、且つ、前記第1の光検出器により検出される前記第1のトラックパターンの実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れかの値と、前記第2の光検出器により検出される前記第2のトラックパターンの実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れかの値と、の和の値が略一定となる光学パターンであり、
前記スケール又は前記センサヘッドは、前記変位検出対象物に連結され、
前記第1の信号及び前記第2の信号は、少なくとも、前記第1の信号と前記第2の信号とを所定演算することにより相殺される第1成分と、前記所定演算後にも残存する任意の位置に特有の第2成分と、を含み、
前記第1のトラックパターン、前記第2のトラックパターン、前記第1の光検出器、前記第2の検出器、及び前記光源は、前記第1の検出器による検出と、前記第2の検出器による検出と、が関連付けて実行されるように配置されており、
前記第1のトラックパターンと前記第2のトラックパターンとは、前記スケール上に並列して形成され、
前記所定方向の所定区間において実効反射率、実効透過率または回折効率が漸増または漸減する光学パターンを、グレースケールパターンと定義し、
前記所定方向に対して実効反射率、実効透過率または回折効率の何れかが所定の空間周期で変化する光学パターンを、エンコードパターンと定義し、
前記エンコードパターンと前記グレースケールパターンを重畳した光学特性を有するパターンを、変調コードパターンと定義した場合に、
前記スケールの第1のトラックパターンは第1の変調コードパターンであり、前記第2のトラックパターンは第2の変調コードパターンであり、
前記第1の変調コードパターンと前記第2の変調コードパターンは、前記所定区間を前記所定方向に対して垂直に2等分する線分に対して実効的反射率、実効的透過率または回折効率の何れかが前記所定方向において鏡面反転した構成となっている
ことを特徴とする光学式変位検出装置。 - 前記光源から出射した光が、前記第1の変調コードパターン及び前記第2の変調コードパターンにて透過、反射、または回折され、前記第1の光検出器及び前記第2の光検出器の受光面上において空間周期piの回折模様を形成するように、前記センサヘッドと前記スケールとが配置されており、
前記第1の光検出器及び前記第2の光検出器の受光面上には、前記空間周期piの回折模様と同一または前記空間周期piの整数倍の空間周期を有する受光素子アレイが複数形成されており、
前記複数の受光素子アレイは、互いに異なる空間位相差で前記回折模様を検出するように、前記所定方向にずらせて配置構成されており、
前記第1の光検出器及び前記第2の光検出器における複数の受光素子アレイのうち、前記回折模様の同相部分を受光する受光素子アレイからの出力同士を加算する複数チャンネルの加算演算部と、
前記加算演算部の複数チャンネルからの出力を組み合わせて、相対変位を演算する相対位置演算部と、
を含む
ことを特徴とする請求項2に記載の光学式変位検出装置。 - 前記信号処理部は、
前記第1の信号及び前記第2の信号に基づいて、各々の信号における直流成分に係る信号または振幅に係る信号を抽出する抽出処理手段と、
前記抽出処理手段により抽出された直流成分または振幅を互いに減算処理することにより、所定区間における前記スケールの絶対変位を算出する絶対変位算出手段と、
を備える
ことを特徴とする請求項3に記載の光学式変位検出装置。 - 前記絶対変位算出手段は、当該光学式変位検出装置の起動時または所定のタイミングにおいて、前記抽出処理手段により抽出された一組の信号を互いに加算し、該加算結果を参照値として保持または更新する記憶手段を含み、
前記絶対変位算出手段は、前記抽出処理手段により抽出された一組の信号を互いに減算した値と、前記参照値と、の比を演算することにより、絶対変位を検出する
こと特徴とする請求項4に記載の光学式変位検出装置。 - 前記第1のトラックパターン及び前記第2のトラックパターンは共に前記スケールの同一面上において前記所定方向を長手方向として形成され、
前記第1の光検出器は、前記光源から射出され、前記第1のトラックパターンにより反射された光ビームを検出して第1の信号を生成し、前記第2の光検出器は、前記光源から射出され、前記第2のトラックパターンにより反射された光ビームを検出して第2の信号を生成する
ことを特徴とする請求項2に記載の光学式変位検出装置。
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