JPH0411808B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】 本発明は、光学式変位検出器に係り、特に、相
対変位する２つの部材の一方に、特定のパターン
からなる格子を形成したメインスケールを固定
し、他方の部材に、対応するパターンの格子を形
成した参照スケールを固定し、これら２つの格子
によつて制限される照明光の変化から、２つの部
材の位置関係を検出する光学式変位検出器の改良
に関する。

【従来の技術】

工作機械、精密測定機などの分野において、相
対変位する２つの部材の一方に、周期的パターン
の計数用格子を形成したメインスケールを固定
し、他方の部材に、対応する計数用参照格子を形
成した参照スケール、照明系及び受光素子を含む
スライダを固定して、２つの部材の相対変位に応
じてスライダから出力される周期的な計数信号を
付属するカウンタで積算計数することにより、相
対変位量を検出するいわゆるインクリメンタル方
式の光学式変位検出器が普及している。 これらのインクリメンタル方式の変位検出器に
おいては、作業を中断して電源を切るとカウンタ
の計数値が失われてしまい、次に作業を再開する
際には厳密な原点合せが必要となるが、これを能
率良く行えるようにするため、メインスケールに
原点信号格子が設けられている。 この原点信号用格子としては、第８図に示すよ
うなランダム格子が一般に使用されている。第８
図に示した変位検出器は、発光ダイオード
（LED）１２とコリメータレンズ１４からなる照
明系１０で、計数用格子１８と原点信号用のラン
ダム格子２０Ａ，２０Ｂ，…が形成されたメイン
スケール１６を照明している。メインスケール１
６と格子間隔ｖを隔てて対向配置される参照スケ
ール２２には、位相が互いに90°ずれた２個の計
数用参照格子２４Ａ，２４Ｂと共に、メインスケ
ール１６上のランダム格子２０Ａ，２０Ｂ，…と
同じパターンのランダム参照格子２６が形成され
ている。従つて、メインスケール１６が変位して
２つのランダム格子２０Ａと２６又は２０Ｂと２
６が重なり合うところで、原点信号用受光素子２
８からは大きな信号が得られるので、これから原
点信号を生成することができる。図において、３
０Ａ，３０Ｂは、それぞれ前期計数用参照格子２
４Ａ，２４Ｂに対応して配置された計数用受光素
子である。

【発明が解決しようとする問題点】

しかしながら、このような従来のランダム格子
を用いた原点信号検出には、次のような問題点が
あつた。即ち、このような光学式変位検出器にお
いては、第８図に示した格子間隔ｖは、ある程度
大きく設定でき、しかも格子間隔ｖの許容される
変動量も大きい方が、機構設計が容易となり、製
造に際しても調整工数が減少してコストが低減さ
れる。 ところが、ランダム格子を用いた場合は、第９
図に示す如く、その照明光による影像は、格子間
隔ｖがV1→V2→V3と大きくなるに従つて、G1
→G2→G3とその輪郭が急激にぼやけてくる。こ
のため、格子間隔ｖが大きくなると、原点信号用
受光素子２８からの出力信号の、ランダム格子が
重なり合つたときの値と、完全にずれているとき
の値の差ΔLが急速に小さくなり、原点信号が得
られなくなる。上記の出力差ΔLを、格子間隔ｖ
が零の時を基準として表わしたものを信号のコン
トラストと便宜上呼び、従来の信号のコントラス
トの例を第１０図の破線Ａに示す。 なお、計数用格子に関しては、その目盛パター
ンが周期的であるため、回析効果を積極的に利用
することにより格子間隔ｘを大きくすることが可
能となつているが、ランダム格子からなる原点信
号用格子と併用する場合には、格子間隔ｖの値が
原点信号用格子で制限されるため、計数用格子で
回析効果を積極的に利用しても、格子間隔ｖを充
分に大きくできないという問題点もあつた。

【発明の目的】

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくな
されたもので、格子間隔が従来より大きくても信
号のコントラストが良い原点信号を生成すること
ができる原点信号用格子を備えた光学式変位検出
器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】

本発明は、光学式変位検出器において、相対変
位する２つの部材の一方に固定された、複数の基
本パターンからなる副格子をランダムに配置して
構成される原点信号用格子が形成されたメインス
ケールと、他方の部材の固定された、コヒーレン
トな光源を含む照明系、前記原点信号用格子に対
応する原点信号用参照格子が形成された参照スケ
ール、及び、前記原点信号用格子と原点信号用参
照格子で制限された前記照明系からの照明光を光
電変換する受光素子とを設け、前記相対変位する
２つの部材が、特定の位置関係となつたときに原
点信号を生成することにより、前記目的を達成し
たものである。 又、本発明の実施態様は、前記メインスケール
に周期的パターンからなる計数用格子を、前記参
照スケールに対応する計数用参照格子をそれぞれ
形成し、これら２つの格子で制限された前記照明
系からの照明光をを光電変換して計数信号を生成
するための受光素子を設けたものである。 更に、本発明の実施態様は、前記原点信号用格
子の基本パターンのピツチと、前記計数用格子の
周期的パターンのピツチとを等しくしたものであ
る。

【作用】

本発明に係る原点信号格子は、規則的なパター
ンである副格子をランダムに配置することによつ
て構成されている。例えばピツチＰの基本パター
ン４２が４個で構成されている副格子４０Ａの例
を第２図に示す。 この副格子４０Ａを、有効波長λのコヒーレン
ト（可干渉）な平行光線で照明すると、回析理論
より、その副格子４０Ａの面から次式で示される
間隔ｖ１の近傍に、ピツチＰで位相が原格子と等
しい影像ｇ１（Ｘ）が生ずる。 v1＝2nP²／λ （ｎ＝１、２、…） ……(1) 又、次式で示される間隔ｖ２の近傍には、ピツ
チＰで位相が原格子と180°ずれた影像ｇ２(X)が生
ずる。 v2＝（2n−１）P²／λ （ｎ＝１、２、…） ……(2) 更に、間隔に関係なく、ピツチＰ／２の影像も
重畳されている。 従つて、格子間隔がｖ１又はｖ２の近傍に、ピ
ツチＰの副参照格子からなる原点信号用参照格子
を設置することにより、信号コントラストの良い
原点信号が得られる。このときの信号コントラス
トの例を前出第１０図の実線Ｂに示す。更に、ピ
ツチＰ／２の副参照格子からなる原点信号用参照
格子の場合は、格子間隔に関係なく一定のコント
ラストを有する原点信号が得られる。 又、前記のような原点信号用格子を、平行光線
の代わりにコヒーレントな点光源で拡散証明した
場合にも、影像と格子間隔に一定の拡大倍率が乗
じられるだけで、同様の効果が得られる。 更に、メインスケールに周期的パターンからな
る計数用格子を、参照スケールに対応する計数用
参照格子をそれぞれ形成し、これら２つの格子で
制限された照明光を変電変換して計数信号を形成
する場合には、原点信号と同時に計数信号も得ら
れる。 又、計数用格子のピツチを原点信号用格子の基
本パターン４２のピツチＰと等しくした場合に
は、計数信号のコントラストの特性が原点信号の
コントラストの特性と同一になるので、格子間隔
の選択が容易になる。

【実施例】

以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に
説明する。 本発明の第１実施例は、第１図に示す如く、相
対変位する２つの部材の一方に固定された、複数
の基本パターン４２からなる副格子４０（第２図
参照）をランダムに配置して構成される原点信号
用格子４４Ａ，４４，…が形成されたメインスケ
ール１６と、他方の部材に固定された、コヒーレ
ントな光源であるLED１２及びコリメータレン
ズ１４を含む平行照明系１０、前記原点信号用格
子４４Ａ，４３Ｂ…と同じパターンの原点信号用
参照格子４６が形成された参照スケール２２、及
び、前記原点信号用格子４４Ａ，４４Ｂ…と原点
信号用参照格子４６で制限された前記照明系１０
からの照明光を光電変換する原点用受光素子２８
とを含んでいる。 この原点信号用受光素子２８の出力の原点信号
Ｉは、プリアンプ４８を経て比較器５０に入力さ
れ、参照レベルVrと比較された後、パルス化回
路５２によつて原点パルスＪが生成される。 前記メインスケール１６には、更に、ピツチＰ
の明暗の周期的パターンからなる計数用格子１８
が形成され、前記参照スケール２２には、位相が
互いに90°異なる２個の計数用参照格子２４Ａ，
２４Ｂが形成されている。又、これら２つの格子
で制限された前記照明系１０からの照明光を光電
変換して計数信号を計数するための計数用受光素
子３０Ａ，３０Ｂが設けられている。 これらの計数用受光素子３０Ａ，３０Ｂの出力
は、それぞれプリアンプ５４Ａ，５４Ｂに入力さ
れ、方向弁別のために位相が90°異なつた２つの
計数信号が生成される。 前記メインスケール１６上のスケールパターン
は、第３図に詳細に示す如くとされており、原点
信号格子４４Ａ，４４Ｂ，…は、それぞれＮ個の
副格子４０Ａ，４０Ｂ，…４０Ｎをランダムに配
列したもので、互いに同じものとされている。 前記副格子４０Ａは、第２図に示した如く、ピ
ツチＰの基本パターン４２を例えば４個連続させ
たものとされている。他の副格子４０Ｂ，４０Ｃ
…等もピツチＰの基本パターン４２を２個以上連
続させたものとされている。なお、基本パターン
の数は４に限定されず、２個以上連続させたもの
であれば、他の数であつても良い。 又、副格子４０Ａ，４０Ｂ…を構成する基本パ
ターン４２の数はたがいに異なつてもよく、要は
ピツチＰが共通であればよい。 前記参照スケール２２上のスケールパターン
は、第４図に詳細に示す如くとされている。ここ
で、原点信号応用参照格子４６は、製作の便宜
上、原点信号用格子４４Ａ，４４Ｂ，…と同じ形
状とされている。即ち、ピツチＰの基本パターン
４２を複数連ねた副参照格子５６Ａ，５６Ｂ，…
５６Ｎをランダムに配列したものとされている。
しかしながら例えば副参照格子５６Ａは、副格子
４４Ａの影像を選択できれば良く、基本パターン
の数は必ずしも一致する必要はない。即ち、原理
的には副参照格子５６Ａを１個のスリツトから構
成することも可能である。従つて、１個のスリツ
トを原点信号用格子４４Ａ，４４Ｂ，…に対応さ
せてランダムに配置して、原点信号用参照格子を
構成することも可能である。 以下第１実施例の作用を説明する。 第２図に示した如く、ピツチＰの基本パターン
４２を連ねた副格子４０Ａを有効波長λの平行光
線で照明すると、間隔が前出(1)式又は(2)式で示さ
れるv1又はv2の近傍で副格子４０Ａの像が鮮明
に形成される。更に、計数用格子１８のピツチも
Ｐとされているため、間隔ｖ１，ｖ２の近傍に同
様の像が形成される。 従つて、第１図の格子間隔ｖを次式で示される
値に制定すれば、前出第１０図に示した如く、計
数信号（２点鎖線Ｃ）、原点信号（実線Ｂ）共に
コントラストの良い信号が得られる。 ｖ＝nP²／λ（ｎ＝１、２、…） ……(3) 例えば波長λ＝0.8μｍ、ピツチＰ＝10μｍ、ｎ
＝20とすれば、格子間隔ｖは約2.5mmに設定でき
る。又、格子間隔ｖの変動に対する許容度も約±
0.2P²／λ、即ち±25μｍ程度となり、従来に比べ
て大きな余裕があることがわかる。 この場合、第１図の原点信号用受光素子２８及
びプリアンプ４８を経た原点信号Ｉは、第５図Ａ
に示す如くとなる。従つて、第１図の比較器５０
の参照レベルVrで２値化した後、パルス化回路
５２でエツジを抽出することによつて、第５図Ｂ
に示したような原点パルスＪが得られる。この原
点パルスＪは、付属するカウンタのリセツトや計
数ホールドなどに利用される。 なお、この第１実施例では、メインスケール１
６上の副格子４０Ａ，４０Ｂ，…４０Ｎと参照ス
ケール２２上の副参照格子５６Ａ，５６Ｂ，…５
６Ｎが共に等しいピツチＰとされていたが、副参
照格子５６Ａ，５６Ｂ，…５６ＮのピツチをＰ／
２とすることも可能である。この場合、格子間隔
の制限は緩かになる。 又、計数用格子を省略して、原点信号を発生す
る検出器として使用することも可能である。 次に本発明の第２実施例を詳細に説明する。 第２実施例は、第６図に示す如く、照明系１０
として、コヒーレントな光源であるレーザーダイ
オード６０を単独で使用したものである。従つ
て、照明光としては点光源からの拡散光が使用さ
れていると考えられる。このとき、メインスケー
ル１６上の原点信号用格子４４Ａ，４４Ｂ…の影
像は拡大されたため、参照スケール２２上の原点
信号用参照格子４６の形状を、第１実施例の場合
の形状にその拡大率を乗じた形状とすれば良い。 他の点については前記第１実施例と同様である
ので説明は省略する。 この第２実施例においては、比較的大型のコリ
メータレンズを用いる必要がなくなるため、照明
系、従つて全体を小型化することが容易である。 次に、本発明の第３実施例を詳細に説明する。 この第３実施例は、前記第１実施例及び第２実
施例とは異なり、本発明を透過型でなく反射型の
光学式変位検出器に適用したものである。 他の点については前記第１実施例と同様である
ので説明は省略する。

【発明の効果】

以上説明した通り、本発明によれば、格子間隔
が従来より大きくても、信号のコントラストが良
い原点信号を生成することができる。従つて、機
構設計が容易となり、製造においても調整工数が
減少してコストが低減され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、本発明に係る光学式変位検出器の第
１実施例の全体構成を示す斜視図、第２図は、第
１実施例の副格子で形成される影像の例を示す線
図、第３図は、第１実施例のメインスケール上の
スケールパターンを示す正面図、第４図は、同じ
く参照スケール上のスケールパターンを示す正面
図、第５図は、第１実施例における原点信号の例
を示す線図、第６図は、本発明の第２実施例の要
部構成を示す側面図、第７図は、本発明の第３実
施例の要部構成を示す側面図、第８図は、従来の
ランダム格子を用いた光学式変位検出器の例を示
す斜視図、第９図は第８図の従来例で形成される
ランダム格子の影像の例を示す線図、第１０図
は、従来例及び本発明の第１実施例における原点
信号及び計数信号の、格子間隔と信号のコントラ
ストの関係の例を比較して示す線図である。 １０……照明系、１２……発光ダイオード
（LED）、１４……コリメータレンズ、１６……
メインスケール、１８……計数用格子、２２……
参照スケール、２４Ａ，２４Ｂ……計数用参照格
子、２８……原点信号用受光素子、３０Ａ，３０
Ｂ……計数用受光素子、Ｐ……ピツチ、４０Ａ，
４０Ｂ，…４０Ｎ……副格子、４２……基本パタ
ーン、４４Ａ，４４Ｂ……原点信号用格子、４６
……原点信号用参照格子、Ｉ……原点信号、５６
Ａ，５６Ｂ，…５６Ｎ……原点信号用副参照格
子、６０……レーザダイオード。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 相対変位する２つの部材の一方に固定され
   た、複数の基本パターンからなる副格子をランダ
   ムに配置して構成される原点信号用格子が形成さ
   れたメインスケールと、 他方の部材に固定された、コヒーレントな光源
   を含む照明系、前記原点信号用格子に対応する原
   点信号用参照格子が形成された参照スケール、及
   び、前記原点信号用格子と原点信号用参照格子で
   制限された前記照明系からの照明光を光電変換す
   る受光素子とを含み、 前記相対変位する２つの部材が特定の位置関係
   となつたときに原点信号を生成することを特徴と
   する光学式変位検出器。 ２ 前記メインスケールには周期的パターンから
   なる計数用格子が、前記参照スケールには対応す
   る計数用参照格子がそれぞれ形成され、これら２
   つの格子で制限された前記照明系からの照明光を
   光電変換して計数信号を生成するための受光素子
   が設けられている特許請求の範囲第１項記載の光
   学式変位検出器。 ３ 前記原点信号用格子の基本パターンのピツチ
   と、前記計数用格子の周期的パターンのピツチと
   が等しくされている特許請求の範囲第２項記載の
   光学式変位検出器。