JPH0411807B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は反射型光学式変位測定装置にかか
り、特に、直線型変位測定器に用いるに好適な、
検出対象物の固定側に取付けられた変位検出用固
定光学格子と、検出対象物の可動側に取付けられ
た変位検出用可動光学格子とを相対移動させた時
に生ずる変位検出用光信号を捉えて、検出対象物
間の相対移動量を検出する反射型光学式変位測定
装置の改良に関する。

【従来の技術】

一般に、物体の長さ等を測定する変位測定装置
において、その本体に測定する測定子の移動量、
コラムに対するスライダーの移動量等のように、
相対移動する物の移動量を測定する場合、光学格
子が形成されたメインスケール、及びインデツク
ススケールを含む検出器を測定対象物に固定し、
メインスケールと検出器の相対変位量を光学的に
読み取る光学式変位測定装置が知られている。 この光学式変位測定装置は、工作機械や光学機
械及び精密測定装置等の位置決め装置として広く
用いられている。 このような光学式変位測定装置としては、通
常、透過型あるいは反射型の光学式変位測定装置
が用いられている。 このうち、透過型の変位測定装置は、発光源と
受光素子が変位検出用固定光学格子と可動光学格
子を間にして対向して配置されている。 これに対して、反射型の光学式変位測定装置
は、第７図に示されるように、変位検出用の可動
光学格子１を備えたインデツクススケール２及び
変位検出用の固定光学格子３を備えたメインスケ
ール４に対して一方の側（インデツクススケール
２側）に発光素子５及びフオトダイオードからな
る受光素子６とが配置されているので、透過型の
光学式変位測定装置と比較して、小型化及び低コ
スト化を図ることができる。 第７図及び第９図において、符号７はメインス
ケール４に設けられた基準原点検出用固定学格
子、第７図読及び第８図において、符号８はこの
基準原点検出用固定光学格子７に対面して、イン
デツクススケール２に配置された基準原点検出用
可動光学格子を示し、これらは共に同一のランダ
ムパターンとされている。 上記第７図に示される反射型光学式変位測定装
置においては、発光素子５から射出された照明光
はコリメータレンズ９で平行光線とされた後可動
光学格子１を通つてメインスケール４の格子形成
面４Ａで反射され、更に可動光学格子１を通過し
た後に受光素子６のうち計数用受光素子６Ａに受
光され、ここで電気信号に変換されて、プリアン
プ１０Ａを経て信号処理回路１１に入力される。 又、発光素子５から射出された光は、一部が、
基準原点検出用可動光学格子８を通り、基準原点
検出固定光学格子７で反射され、再度基準原点検
出用可動光学格子８を通つて、受光素子６のうち
原点検出用受光素子６Ｂに受光されてここで電気
信号に変換される。 この電気信号はプリアンプ１０Ｂを経て信号処
理回路１１に入力される。 ここで、製造コストを考慮した場合、可動光学
格子１と固定光学格子３の隙間、即ち格子間隔Ｓ
は可能な限り大きい方が良い。 格子間隔Ｓを大きくすると、発光素子５からの
照明光が、拡散光である場合に可動光学格子１と
固定光学格子３の重なり合いの繰返しによつて得
られる相対変位検出用の計数信号は、SN比が小
さくなり測定精度が低下する。これに対して、例
えばUSP−3812352に開示されるように、可動光
学格子と固定光学格子のパターンの明暗ピツチを
特定の値に選択することによつて、拡散照明を利
用した場合であつても、両光学格子の格子間隔を
大きくできるようにしたものである。 しかしながら、前記第８図及び第９図に示され
るように、基準原点検出用固定光学格子７及び可
動光学格子８を備えた反射型光学式変位測定装置
においては、これら光学格子７及び８がランダム
パターンであつて両者が重ね合せられる時、第１
０図Ｂに示されるように原点信号Ｂの立ち下が
り、この立ち下がりを参照レベル信号Vrefと比
較することにより、原点位置の信号を得られるよ
うにしている。 第１０図Ａは計数信号の波形を示す。 上記のような原点信号Ｂは前記信号処理回路１
１において参照レベル信号Vrefと比較される。 原点信号Ｂによつて得られる基準原点の位置決
め精度を向上させるためには、第１０図Ｂにおけ
る信号ピークの幅Ｑを小さくする必要がある。 このためには、ランダムパターンの基準原点検
出用固定光学格子７及び可動光学格子８の最小線
幅を前記幅Ｑと同程度にする必要があり、且つ、
鋭いピークを得るためにはコリメータレンズ９を
設けらければならない。 即ち、コリメータレンズ９を設けない場合は、
第１０図Ｂで破線で示されるように、信号波形が
なまつてしまうからである。

【発明が解決しようとする問題点】

上記のように従来の反射型光学式変位測定装置
においては、基準原点検出用の固定光学格子及び
可動光学格子に設ける場合、コリメータレンズを
設けなければ格子間隔Ｓを大きくすることができ
ず、したがつて製造コストが増大し、且つ、検出
器が大型化してしまうという問題点がある。 又、一般的に、上記のような反射型光学式変位
測定装置においては、発光素子５からの光の一部
が基準原点検出用可動光学格子８の裏面で反射さ
れ、直接受光素子６Ｂに入射するために、受光素
子６Ｂで得られる原点信号のSN比が悪く、誤動
作しやすいという問題点がある。

【発明の目的】

この発明は上記従来の問題点に鑑みてなされた
ものであつて、コリメータレンズを使用すること
なく適度な格子間隔を保ち、且つ、基準原点信号
として透過型光学式変位測定装置におけると同程
度のSN比の信号を得ることができるようにした
反射型光学式変位測定装置を提供することを目的
とする。

【問題点を解決するための手段】

この発明は、検出対象物の固定側に取付けられ
るメインスケールと、検出対象物の可動側に取付
けられ、且つ、前記メインスケールにそつて往復
動可能なインデツクススケールと、これらメイン
スケールとインデツクススールの相互に対向する
格子形成面にそれぞれ形成された変位検出用固定
光学格子及び変位検出用可動光学格子と、前記イ
ンデツクススケールの、前記可動光学格子と反対
側に配置された発光源及び受光素子と、を有して
なり、前記インデツクススケールが前記メインス
ケールに対して相対移動されたときに、前記発光
源から射出され、前記可動光学格子を通つて前記
メインスケールの格子形成面で反射され、更に可
動光学格子を通る変位検出用光信号を前記受光素
子により捉えて検出対象物間の相対移動変位量を
検出する反射型変位検出装置において、前記メイ
ンスケールの前記格子形成面に、前記固定光学格
子に対して、光学格子の高さ方向にオフセツトし
て設けられた基準原点検出用固定光学格子と、こ
の基準原点検出用固定光学格子に対面して、前記
インデツクススケールの格子形成面に、前記可動
光学格子に対して高さ方向にオフセツトして設け
られた基準原点検出用可動光学格子と、前記メイ
ンスケールの前記格子形成面と反対側に設けら
れ、前記発光源から光学格子形成面を通つて入射
した光を、前記基準原点検出用固定光学格子に向
けて反射する反射手段と、この反射手段により反
射され、且つ、前記基準原点検出用固定光学格子
及び基準原点検出用可動光学格子を通つた光を受
光して原点検出用信号に変換する原点検出用受光
素子と、を備えることにより上記目的を達成する
ものである。 又、前記固定光学格子を、前記発光源と反射手
段との間に配置し、該発光源から射出される光が
前記固定光学格子を通つて反射手段に至るように
して上記目的を達成するものである。 又、前記インデツクススケールには、前記反射
手段と前記発光源との間の位置で、照明光透過窓
を設けることにより上記目的を達成するものであ
る。 又、前記インデツクススケールの可動光学格子
を複数に区画し、前記照明光透過窓を、該複数の
区画の間に配置することにより上記目的を達成す
るものである。 又、前記発光源、固定光学格子、可動光学格
子、反射手段、基準原点検出用固定光学格子、及
び、基準原点検出用可動光学格子は、該発光源か
らの光が固定光学格子及び可動光学格子に対する
基準原点検出用固定光学格子及び基準原点検出用
可動光学格子の格子高さ方向の隙間を通つて前記
反射手段に至るように配置することにより上記目
的を達成するものである。 又、前記反射手段を、前記メインスケールの前
記格子形成面とは反対側の面に形成された反射面
とすることにより上記目的を達成するものであ
る。 又、前記反射手段を、前記メインスケールの前
記格子形成面と反射側の面に隣接して配置した反
射鏡とすることにより上記目的を達成するもので
ある。 又、前記反射鏡を、前記インデツクススケール
と一体的に往復動可能にすることにより上記目的
を達成するものである。

【作用】

この発明において、基準原点検出用固定光学格
子を照明する光は、メインスケールの格子形成面
から該格子形成面の反対側に設けられた反射手段
に至り、ここで反射され、再びメインスケールの
格子形成面に形成された基準原点検出用固定光学
格子及びこれに対面する基準原点検出用光学格子
を照明する。 従つて、これら基準原点検出用固定光学格子及
び可動光学格子は発光源から、メインスケールの
厚さの２倍以上遠ざかることになり、これらを照
明する光は平行光線の成分が多くなつてコリメー
タレンズを用いると同じ効果を得られる。 このため、格子間隔を大きく設定できる。 更に、これら基準原点検出用固定光学格子及び
可動光学格子は透過型の光学式変位測定装置にお
けると実質的に同等に照明されることになり、イ
ンデツクススケールの格子形成面による反射成分
がなくなり、得られる原点信号のSN比も改善さ
れる。

【実施例】

以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。 第１図は本発明にかかる反射型光学式変位測定
装置の第１実施例を示す断面図である。 この第１実施例は、検出対象物（図示省略）の
固定側に取付けられるメインスケール１２、検出
対象物の可動側に取付けられ、且つ、前記メイン
スケール１２に沿つて往復動可能なインデツクス
スケール１４と、これらメインスケール１２とイ
ンデツクスケール１４と相互に対向する格子形成
面１２Ａ，１４Ａにそれぞれ形成された変位検出
用固定光学格子１６及び変位検出用可動光学格子
１８と、前記インデツクススケール１４の、前記
可動光学格子１８と反射側に配置された発光源２
０及び受光素子２２と、を有してなり、前記イン
デツクススケール１４が前記メインスケール１２
に対して相対移動されたときに、前記発光源２０
から射出され、前記可動光学格子１８を通つて前
記メインスケール１２の格子形成面１２Ａで反射
され、更に可動光学格子１８を通る変位検出用光
信号を前記受光素子２２により捉えて検出対象物
間の相対移動変位量を検出する反射型変位測定装
置において、前記メインスケール１２と前記格子
形成面１２Ａに、前記固定光学格子１６に対し
て、光学格子の高さ方向にオフセツトして設けら
れた基準原点検出用固定光学格子２４と、この基
準原点検出用固定光学格子２４に対面して、前記
インデツクススケール１４の格子形成面１４Ａ
に、前記可動光学格子１８に対して高さ方向にオ
フセツトして設けられた基準原点検出用可動光学
格子２６と、前記メインスケール１２の前記格子
形成面１３Ａと反対側に設けられ、前記発光源２
０から光学格子形成面１２Ａを通つて入射した光
を、前記基準原点検出用固定光学格子２４に向け
て反射する反射手段２８と、この反射手段２８に
より反射され、且つ、前記基準原点検出用固定光
学格子２４及び基準原点検出用可動光学格子２６
通つた光を受光して原点検出用信号に変換する原
点信号検出用受光素子３０とを備えたものであ
る。 前記反射手段２８は、メインスケール１２の格
子形成面１２Ａとは反射側の裏面１２Ｂにクロー
ムなどの金属反射膜を蒸着あるいはコーテイング
することによつて形成された反射面とされてい
る。 図の符号３２は信号処理回路を示し、この信号
処理回路３２に対して、前記受光素子２２及び原
点信号検出用受光素子３０からの電気信号はプリ
アンプ３４Ａ，３４Ｂを介して増幅して入力され
るようになつている。 受光素子２２及びプリアンプ３４Ａは位相の異
なつた信号に対応して２組以上必要であるが、こ
こでは１組で代表している。 信号処理回路３２及びその結果の表示手段３３
等の構成は周知であるので説明は省略する。 この実施例においては、発光源２０から射出さ
れる光はコリメータレンズを通ることなく、拡散
照明光として固定光学格子１６及び可動光学格子
１８を照明する。 ここで、これら固定光学格子１６及び可動光学
格子１８の明暗ピツチは、前者をＰ、後者を2P
とすると、周期Ｐの計数信号が得られ、格子間隔
Ｓも比較的大きくすることができる。 又、発光源２０からの拡散照明光の一部は、イ
ンデツクススケール１４における可動光学格子１
８と基準原点検出用可動光学格子２６の間を通つ
てメインスケール１２の格子形成面１２Ａに至
り、ここで、該格子形成面１２Ａに設けられた固
定光学格子１６及び基準原点検出用固定光学格子
２４との間を通つて、メインスケール１２内に入
り、反対側の裏面１２Ｂに形成された反射膜たる
反射手段２８よつて反射され、再びメインスケー
ル１２内を通り、基準原点検出用固定光学格子２
４及び基準原点検出用可動光学格子２６を照明し
た後に原点信号検出用受光素子３０に到達する。 従つて、従来の反射型光学式変位測定装置にお
いては、メインスケール１２の格子形成面１２Ａ
において照明光が反射されているのに対して、こ
の実施例では、照明光がメインスケール１２の裏
面１２Ｂに形成された反射手段２８によつて反射
されているので、発光源２０から基準原点検出用
固定光学格子２４に至るまでの距離が、従来と比
較してメインスケール１２の厚さの２倍以上長く
なり、これら基準原点検出用固定光学格子２４及
び可動光学格子２６を照明する光の平行光線の成
分が多くなる。 このため、発光源２０の前にコリメータレンズ
を設けた場合と同等の効果が生じて、格子間隔Ｓ
を大きくすることができる。 更に、基準原点検出用固定光学格子２４及び可
動光学格子２６は、透過型の光学式変位測定装置
におけると同様に、発光源２０の反対方向から照
明されるので、インデツススケール１４の格子形
成面１４Ａにおける照明光反射成分がなくなり、
原点信号検出用受光素子３０によつて得られる信
号のSN比が改善されることになる。 ここで、原点信号検出用受光素子３０によつて
得られる原点信号Ｂは第２図に示されるように、
従来と比較して、原点位置、即ち基準原点検出用
固定光学格子２４と可動光学格子２６とが一致し
た位置で鋭く立ち上がる。 次に第３図に示される本発明の第２実施例につ
き説明する。 この第２実施例は、前記第１実施例における反
射手段２８を、メインスケール１２の裏面１２Ｂ
から離間した位置に設けたものである。 即ち、反射手段を構成する反射鏡２８Ａを、イ
ンデツクススケール１４に取付けられた支持部材
３６によつて裏面１２Ｂに対向する位置に支持す
るようにしたものである。 他の構成は前記第１実施例と同一であるので、
第１図と同一の符号を附することにより説明を省
略する。 この第２実施例においては、前記第１実施例に
おいては、反射手段２８を、メンイスケール１２
の長手方向の適宜間隔に配置された複数の基準原
点検出用固定子光学格子２４に対応して同数（複
数）又は全長に亘り設けなければならないのに対
して、インデツクススケール１４側の基準原点検
出用可動光学格子２６−個のみに対応して反射鏡
２８Ａを設ければ良いという利点がある。更に、
基準原点検出用固定光学格子２４及び可動光学格
子２６に至る照明光の光路長をより長くできると
いう利点がある。 次に第４図乃至第６図に示される本発明の第３
実施例につき説明する。 この第３実施例は、インデツクススケール１４
に設けられる可動光学格子を90度ずつ位相をずら
してブロツク（田型）状に配置された４個の可動
光学格子１８Ａ〜１８Ｄから構成すると共に、イ
ンデツクススケール１４に、発光源２０と反射手
段２８との間の位置で、且つ、可動光学格子１８
Ｃ及び１８Ｄとの間に照明光透過窓３８を設け、
更に、反射手段２８に至る照明光が固定光学格子
１６を通るようにしたものである。 第４図の符号２２Ａ〜２２Ｄは前記４個の可動
光学格子１８Ａ〜１８Ｄに対応して設けられた受
光素子、３５Ａ〜３５Ｄはこれら受光素子２２Ａ
〜２２Ｄによつて得られる電気信号を増幅するた
めのプリアンプを示す。 この第３実施例の場合は、発光源２０から射出
された照明光が照明光透過窓３８を通つて反射手
段２８に到達するようにされ、且つ、反射手段２
８Ａに到達する照明光が、固定光学格子１６を通
過した後の光であるので、前記第１及び第２実施
例におけるように、計測用の固定光学格子１６、
可動光学格子１８と、基準原点検出用の固定光学
格子２４、可動光学格子２６の上下方向の隙間を
設ける必要がない。 従つて、インデツクススケール１４をより小型
にすることができる。

【効果】

本発明は上記のように構成したので、照明用の
光源にコリメータレンズを用いることなく、格子
間隔を広く形成することができると共に検出器を
小型化でき、基準原点検出用固定光学格子及び可
動光学格子の照明を実質的に透過型の光学式変位
測定装置におけると同一として、得られる原点信
号のSN比を透過型と同程度に改善することがで
きるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる反射型光学式変位測定
装置の実施例を示す一部ブロツク図を含む断面
図、第２図は同実施例により得られた原点信号を
示す線図、第３図は本発明の第２実施例を示す第
１図と同様の断面図、第４図は本発明の第３実施
例を示す第１図と同様の断面図、第５図は同第３
実施例におけるインデツクススケールを示す正面
図、第６図は同第３実施例におけるメインスケー
ルを示す正面図、第７図は従来の反射型光学式変
位測定装置を示す一部ブロツク図を含む断面図、
第８図は同従来のインデツクスススケールを示す
正面図、第９図は同従来のメインスケール要部を
示す正面図、第１０図は同従来の反射型光学式変
位測定装置において得られる計数信号と原点信号
を示す線図である。 １２……メインスケール、１２Ａ……格子形成
面、１２Ｂ……裏面、１４……インデツクススケ
ール、１６……固定光学格子、１８……可動光学
格子、２０……発光源、２２，２２Ａ〜２２Ｄ…
…受光素子、２４……基準原点検出用固定光学格
子、２６……基準原点検出用可動光学格子、２８
……反射手段、２８Ａ……反射鏡、３０……原点
信号検出用受光素子、３８……照明光透過窓。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 検出対象物の固定側に取付けられるメインス
   ケールと、検出対象物の可動側に取付けられ、且
   つ、前記メインスケールに沿つて往復動可能なイ
   ンデツクススケールと、これらメインスケールと
   インデツクススケールの相互に対向する格子形成
   面にそれぞれ形成された変位検出用固定光学格子
   及び変位検出用可動光学格子と、前記インデツク
   ススケールの、前記可動光学路子と反対側に配置
   された発光源及び受光素子と、を有してなり、前
   記インデツクススケールが前記メインスケールに
   対して相対移動されたときに、前記発光源から射
   出され、前記可動光学格子を通つて前記メインス
   ケールの格子形成面で反射され、更に可動光学格
   子を通る変位検出用光信号を前記受光素子により
   捉えて検出対象物間の相対移動変位量を検出する
   反射型変位検出装置において、前記メインスケー
   ルの前記格子形成面に、前記固定光学格子に対し
   て、光学格子の高さ方向にオフセツトして設けら
   れた基準原点検出用固定光学格子と、この基準原
   点検出用固定光学格子に対面して、前記インデツ
   クススケールの格子形成面に、前記可動光学格子
   に対して高さ方向にオフセツトして設けられた基
   準原点検出用可動光学格子と、前記メインスケー
   ルの前記格子形成面と反対側に設けられ、前記発
   光源から光学格子形成面を通つて入射した光を、
   前記基準原点検出用固定光学格子に向けて反射す
   る反射手段と、この反射手段により反射され、且
   つ、前記基準原点検出用固定光学格子及び基準原
   点検出用可動光学格子を通つた光を受光して原点
   検出用信号に変換する原点検出用受光素子と、を
   有してなる反射型光学式変位測定装置。 ２ 前記固定光学格子は、前記発光源と反射手段
   との間に配置され、該発光源から射出される光が
   前記固定光学格子を通つて反射手段に至るように
   された特許請求の範囲第１項記載の反射型光学式
   変位測定装置。 ３ 前記インデツクススケールには、前記反射手
   段と前記発光源との間の位置で、照明光透過窓が
   設けられた特許請求の範囲第１項又は第２項記載
   の反射型光学式変位測定装置。 ４ 前記インデツクススケールの可動光学格子は
   複数に区画され、前記照明光透過窓は、該複数の
   区画の間に配置されてなる特許請求の範囲第３項
   記載の反射型光学式変位測定装置。 ５ 前記発光源、固定光学格子、可動光学格子、
   反射手段、基準原点検出用固定光学格子、及び、
   基準原点検出用可動光学格子は、該発光源からの
   光が固定光学格子及び可動光学格子に対する基準
   原点検出用固定光学格子及び基準原点検出用可動
   光学格子の格子高さ方向の隙間を通つて前記反射
   手段に至るように配置されてなる特許請求の範囲
   第１項記載の反射型光学式変位測定装置。 ６ 前記反射手段は、前記メインスケールの前記
   格子形成面とは反射側の面に形成された反射面と
   された特許請求の範囲第１項乃至第５項のうちい
   ずれかに記載の反射型光学式変位測定装置。 ７ 前記反射手段は、前記メインスケールの前記
   格子形成面と反対側の面に隣接して配置された反
   射鏡とされた特許請求の範囲第１項乃至第５項の
   うちいずれかに記載の反射型光学式変位測定装
   置。 ８ 前記反射鏡は、前記インデツクススケールと
   一体的に往復動可能とされた特許請求の範囲第７
   項記載の反射型光学式変位測定装置。