JPH0431335B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、光学式変位検出装置に係り、特に、
反射式の直線型変位測定機に用いるのに好適な、
相対移動可能な、光学格子を有するメインスケー
ル及び対応する光学格子を有するインデツクスス
ケールからなるスケールユニツトと、該インデツ
クススケール側に設けられた発光器及び受光器を
備え、該受光器の出力信号を処理して、両スケー
ルの相対移動変位量を検出するようにした光学式
変位検出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直線型変位測定
機において、その本体に対する測定子の移動量、
コラムに対するスライダの移動量等のように、相
対移動するものの移動量を測定する場合、一方に
メインスケール、他方にインデツクススケールを
含む検出器を固定し、メインスケールと検出器の
相対変位量を光電的に読み取るものが知られてい
る。 このような直線型変位測定機の一つに、例えば
特開昭54−104363に開示された、第１０図に示す
ような反射型の光学式変位検出装置を用いるもの
がある。図において、１０はランプ等の光源、１
２は、該光源１０より照射された光を平行光線化
するためのコリメータ光学系、１４は、光学格子
が透過性の基板状に形成されてなるインデツクス
スケール、１６は、該インデツクススケール１４
に対して図の矢印Ａ方向に相対移動される、対応
光学格子が反射性の基板状に形成されてなるメイ
ンスケール、１８は、前記インデツクススケール
１４を透過した後、メインスケール１６で反射さ
れ、再び前記インデツクススケール１４を通過し
た光を集光する集光光学系、２０は、該集光光学
系１８によつて集光された光を受光する、太陽電
池等の受光素子である。前記光源１０、コリメー
タ光学系１２、インデツクススケール１４、集光
光学系１８及び受光素子２０は、例えば略密閉構
造のケース内に収容されて、測定対象に固定さ
れ、一方、メインスケール１６は、ベースに固定
されている。 このような光学式変位検出装置によれば、測定
対象とベースの相対変位に応じて、インデツクス
スケール１４等に対してメインスケール１６が変
位すると、受光素子２０における受光量が周期的
に変化するため、この受光量の変化から、測定対
象とベースの相対移動量を検出できるものであ
り、測定対象の変位をデジタル的に測定できると
いう特徴を有する。 ところで、このような光学式変位検出装置にお
いて、その測定精度を確保するためには、各要素
の加工精度を高めるだけでなく、各要素相互間の
位置調整を慎重に行う必要があり、更に、使用中
の変動に対しても、相互間の位置が正確に維持さ
れるようにする必要がある。又、構造上は、特に
携帯型測定器のセンサとして用いる場合等のた
め、小型化が望まれている。 このため従来は、例えば特公昭60−23282等で、
受光信号のＳ／Ｎ比を向上し、方向弁別を行うた
め、光源、インデツクススケール内の光学格子及
び受光素子を２組又は４組設けることが提案され
ている。 例えば、特公昭60−23282で開示された装置に
おいては、第１１図に示す如く、固体発光器２２
と光検出器２４の対を４組設けると共に、各組毎
に一つの光学格子を90゜ずつの位相差を有するよ
うにインデツクススケール１４上に配置し、単一
のモアレ縞の90゜ずつの位相差を、それぞれの固
体発光器２２と光検出器２４の対で読み取つてい
る。この場合の読み取り回路は、第１２図に示す
如く構成されており、各光検出器２４Ａ〜２４Ｄ
の出力を対応するアンプ２６Ａ〜２６Ｄで増幅し
た後、180゜ずつ位相が異なる二つの光検出器２４
Ａと２４Ｃ，２４Ｂと２４Ｄの各組の出力をそれ
ぞれ差動アンプ２８Ａと２８Ｂに入力して、90゜
の位相差を有するＡ相とＢ相の２相信号を得るよ
うにしている。 又、構造上は、米国特許第3812352号や、出願
人が既に提案した特開昭57−157118、特公昭60−
14287、特公昭60−32125、特公昭60−32126に、
反射型の構成として厚みを透過型の略半分以下と
することが開示されている。

【発明が解決しようとする問題点】

しかしながら、尚一層の精度向上や小型化が要
請されるにいたり、従来の構造ではもはや対応で
きない、次のような問題点が浮び上がつてきた。 (1) そもそも、各構成要素の組付では、経済性を
も考えあわせると限度があり、又各個人の組付
技術によりばらつきが生ずる。 (2) 例えば前出第１１図に示したような従来の装
置では、固体発光器２２が４対使用されている
ため、該固体発光器２２の温度特性や劣化特性
がほぼ同一であるならば問題は少ないが、固体
発光素子の温度特性や劣化特性は、一般的に
は、少なくとも数パーセント等のばらつきを持
つているのが常であり、発光素子や受光素子の
特性の同一性は保証されていない。従つて、配
置や組付手段の改良程度では、抜本的対策を講
じることができない。 (3) 尚、温度特性に関しては、選別することによ
りほぼ同一の特性のものを組合わせることによ
つて、特性のばらつきを均一化調整することが
可能であるが、過大な労力及び時間を要する。
しかも、劣化特性に関しては、寿命になるまで
判明しないので、選別することが極めて難かし
い。例えば、前出第１２図において、各固体発
光器２２Ａ〜２２Ｄの温度特性や劣化特性にば
らつきがあれば、使用温度環境や長時間使用し
た後では、光検出器２４Ａ〜２４Ｄに出力され
る信号にばらつきが生じるため、差動アンプ２
８Ａ，２８Ｂの出力であるＡ相、Ｂ相の電圧レ
ベルが変動し、検出精度に悪影響を与えたり、
甚しい場合には誤動作しかねない。 (4) 通常レンズ系で構成される前記コリメータ光
学系１２や集光光学系１８を介する時には、全
体寸法に与える影響が他に比較とならないほど
大きく、小型化に際して大きな制限となる。 以上のような問題点は、いずれも従来の構造に
よつては、その特質上回避できないものであつ
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、発散光をそのまま使用してコリメ
ータレンズを不要とし、極めて単純な構成で反射
型を実現して、位置調整不要、高精度化、小型
化、低コスト化を図ることが可能な光学式変位検
出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】

本発明は、相対移動可能な、光学格子を有する
メインスケール及び対応する光学格子を有するイ
ンデツクススケールからなるスケールユニツト
と、該インデツクススケール側に設けられた発光
器及び受光器を備え、該受光器の出力信号を処理
して、両スケールの相対移動変位量を検出するよ
うにした光学式変位検出装置において、前記スケ
ールの一方側の光学格子を、90゜ずつ位相をずら
して整列配設された少くとも２つの光学格子要素
から構成し、前記受光器を、前記光学格子要素の
それぞれに対応させて、単一基板上に整列形成さ
れた少くとも２つの受光素子から構成し、前記発
光器を、単一の発光素子で構成すると共に、該発
光素子からの発散光が、前記スケールの一方側を
透過した後、他方側で反射され、再び前記一方側
のスケールを透過して前記各受光素子へ略均等に
入射する位置に配設し、前記発光素子からの発散
光が、前記受光素子に直接入射するのを阻止する
遮蔽手段を設け、前記発光素子、遮蔽手段及び受
光素子を、インデツクススケールと共に移動でき
るよう、一体的に構成することにより、前記目的
を達成したものである。 又、本発明の実施態様は、前記インデツクスス
ケールの光学格子要素を、矩形の頂点の位置にそ
れぞれ配設し、前記発光素子を、該矩形の中心の
位置に配設するようにしたものである。 又、本発明の実施態様は、前記発光素子と受光
素子を、略同一面上に同じ向きで配設するように
したものである。 又、本発明の実施態様は、前記遮蔽手段を、前
記発光素子からの発散光をメインスケール及びイ
ンデツクススケールに入射させるための透孔が形
成された遮蔽板としたものである。 又、本発明の他の実施態様は、前記遮蔽手段
を、前記発光素子から前記スケールの一方側を透
過して他方側に入射される発散光の光路と、該他
方側のスケールで反射され、再び前記一方側のス
ケールを透過して前記各受光素子に入射される光
の光路を分離する筒状隔壁としたものである。

【作用】

本発明は、前記のように光学式変位検出装置に
おいて、受光器を、90゜ずつ位相をずらして整列
配設した少くとも２つの光学格子要素のそれぞれ
に対応させて、単一基板上に整列形成した少くと
も２つの受光素子から構成している。従つて、半
導体の製法である薄膜技術を応用して、少くとも
２つの受光素子の各チツプを単一基板上に組込む
ことにより、小型化が容易となる。又、受光素子
は、単一のウエハから特性が略同等のものを組込
むことが可能となり、受光素子の温度特性や劣化
特性を略同等として、ばらつきを調整するための
作業やばらつきの影響を除くための対策回路が不
要となる。 又、受光器を、単一の発光素子で構成すると共
に、該発光素子からの発散光が前記スケールの一
方側を透過した後、他方側で反射され、再び前記
一方側のスケールを透過して前記各受光素子へ略
均等に入射する位置に配設している。従つて、コ
リメータレンズが不要となり、極めて単純な構成
で反射型を実現できる。更に、発光器の温度特性
や劣化特性がばらつくことがなく、ばらつきの影
響が各受光素子に同じように作用するので、その
調整作業や対策回路が不要となる。 更に、発光素子からの発散光が、受光素子に直
接入射するのを阻止する遮蔽手段を設け、発光素
子、遮蔽手段及び受光素子を、インデツクススケ
ールと共に移動できるよう一体的に構成してい
る。従つて、検出器の小型化、特に超薄型化が可
能であり、又、全体として検出器の信頼性を大幅
に向上することが可能となる。

【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実施例では、第１図乃至第３図に
示す如く、単一の光源１０、該光源１０を保持す
るスペーサ３０、前記光源１０からの光がメイン
スケールを介することなく受光素子に直接入射す
るのを阻止する遮蔽板３２、透明樹脂３４で該遮
蔽板３２上に固定された四つの受光素子２０Ａ〜
２０Ｄ、90゜ずつ位相をずらして四つの光学格子
要素１４Ａ〜１４Ｄが整列形成されたインデツク
ススケール１４をこの順で含む検出器８と、メイ
ンスケール１６がこの順に配置されている。 前記光源１０は、発光ダイオード、ランプ等の
拡散性の発光素子から構成されている。発光ダイ
オードを用いた場合には、光源１０を小型化する
のが容易である。 前記遮蔽板３２は、ガラス等の透明基板から形
成され、その表面に黒色等の光を反射しない塗料
を塗ることによつて、第４図に示す如く、中心部
に透孔３２Ａが形成されている。 前記四つの光学格子要素１４Ａ〜１４Ｄは、第
５図に詳細に示す如く、インデツクススケール１
４上の正方形の各頂点位置に、位相がそれぞれ
0゜、90゜、180゜、270゜となるように整列配設されて
いる。 前記受光素子２０Ａ〜２０Ｄは、ホトトランジ
スタ、ホトダイオード等で構成され、第６図に詳
細に示す如く、正方形の各頂点位置に配設された
インデツクススケールの各光学格子要素１４Ａ〜
１４Ｄに対応する位置の外側近傍に配設されてい
る。第６図において、３２Ｂは、各受光素子２０
Ａ〜２０Ｄの出力端子を取り出すためのスペース
である。 前記透明樹脂３４としては、例えば屈折率約
1.5のエポキシ樹脂が用いられている。 他の点及び作動については、前記従来例と同様
であるので説明は省略する。 この第１実施例においては、可動部分である光
源１０、インデツクススケール１４、受光素子２
０Ａ〜２０Ｄがいずれも一体的に形成されてメイ
ンスケール１６の一方側にまとめて配設されてい
るので、検出器８を薄型化することが可能であ
る。 次に、本発明の第２実施例を詳細に説明する。 この第２実施例においては、第７図に示す如
く、光源１０及び受光素子２０Ａ〜２０Ｄとイン
デツクススケール１４が分離され、その間にメイ
ンスケール１６が挿入されている。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。 この第２実施例は、検出器８とインデツクスス
ケール１４を固定して、メインスケール１６を移
動させる時に都合が良い。 前記第１及び第２実施例においては、いずれ
も、遮蔽手段を、光源１０からの光をメインスケ
ール１６及びインデツクススケール１４に入射さ
せるための透孔３２Ａが形成された遮蔽板３２と
しているので、遮蔽手段の構成が単純である。 次に、本発明の第３実施例を詳細に説明する。 この第３実施例においては、第８図及び第９図
に示す如く、光源１０と受光素子２０Ａ〜２０Ｄ
が、共に共通の基板３６上に配置され、光源１０
を中央部に収めた不透明の筒状隔壁３８によつ
て、光源１０からインデツクススケール１４を通
過してメインスケール１６に入射される光の光路
を、メインスケール１６で反射され、再びインデ
ツクススケール１４を通過して受光素子２０Ａ〜
２０Ｄに入射される光の光路が分離されている。
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。 この第３実施例においては、光源１０と受光素
子２０Ａ〜２０Ｄが同一の基板３６上に配置され
ているので、検出器を超薄型化することが可能で
ある。 前記実施例においては、いずれも、インデツク
ススケール１４の四つの光学格子要素１４Ａ〜１
４Ｄを、正方形の頂点の位置にそれぞれ配設し、
光源１０を、前記正方形の中心の位置に配設する
ようにしているので、光源１０からインデツクス
スケール１４を透過してメインスケール１６に入
射される光の光路（第１、第３実施例）、又は、
光源１０からメインスケール１６を透過してイン
デツクススケール１４に入射される光の光路（第
２実施例）と、メインスケール１６で反射され、
再びインデツクススケール１４を透過して受光素
子２０Ａ〜２０Ｄに入射される光の光路（第１、
第３実施例）、又は、インデツクススケール１４
で反射され、再びメインスケール１６を透過し受
光素子２０Ａ〜２０Ｄに入射される光の光路（第
２実施例）を容易に分離することができる。更
に、光源１０から受光素子２０Ａ〜２０Ｄに入射
される反射光の強度を均一化することも容易であ
る。尚、インデツクススケールの四つの光学格子
要素１４Ａ〜１４Ｄの配設方法及びこれらと光源
１０の相対的な位置関係はこれに限定されない。

【発明の効果】

以上説明したとおり、本発明によれば、発散光
をそのまま使用してコリメータレンズを不要とし
たので、極めて単純な構成で反射型を実現して、
位置調整不要、高精度化、小型化、低コスト化を
図ることができる。更に、各要素の温度特性や劣
化特性を均一化することができるので、測定精度
を安定して維持することができる。又、単一の光
源を用いると共に、受光素子が単一基板上に整列
形成されているので、装置を小型化、特に超薄型
化することができる等の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装置の
第１実施例の全体構成を示す横断面図、第２図
は、前記第１実施例の全体構成を示す正面図、第
３図は、前記第１実施例で用いられている検出器
の構成を示す分解横断面図、第４図は、前記第１
実施例の検出器で用いられている遮蔽板の構成を
示す正面図、第５図は、同じく、インデツクスス
ケールを示す正面図、第６図は、同じく、受光素
子の配設状態を示す正面図、第７図は、本発明の
第２実施例の全体構成を示す横断面図、第８図
は、本発明の第３実施例で用いられている検出器
の構成を示す正面図、第９図は、第８図の−
線に沿う横断面図、第１０図は、従来の反射型光
学式変位検出装置の基本的な構成を示す断面図、
第１１図は、従来の光学式変位検出装置の他の例
を示す斜視図、第１２図は、第１１図の従来装置
で用いられている読取り回路の構成を示すブロツ
ク線図である。 ８……検出器、１０……光源、１４……インデ
ツクススケール、１４Ａ〜１４Ｄ……光学格子要
素、１６……メインスケール、２０Ａ〜２０Ｄ…
…受光素子、３２……遮蔽板、３２Ａ……透孔、
３６……基板、３８……筒状隔壁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 相対移動可能な、光学格子を有するメインス
   ケール及び対応する光学格子を有するインデツク
   ススケールからなるスケールユニツトと、該イン
   デツクススケールの側に設けられた発光器及び受
   光器を備え、該受光器の出力信号を処理して、両
   スケールの相対移動変位量を検出するようにした
   光学式変位検出装置において、 前記スケールの一方側の光学格子を、90゜ずつ
   位相をずらして整列配設された少くとも２つの光
   学格子要素から構成し、 前記受光器を、前記光学格子要素のそれぞれに
   対応させて、単一基板上に整列形成された少くと
   も２つの受光素子から構成し、 前記発光器を、単一の発光素子で構成すると共
   に、該発光素子からの発散光が、前記スケールの
   一方側を透過した後、他方側で反射され、再び前
   記一方側のスケールを透過して前記各受光素子へ
   略均等に入射する位置に配設し、 前記発光素子からの発散光が、前記受光素子に
   直接入射するのを阻止する遮蔽手段を設け、 前記発光素子、遮蔽手段及び受光素子を、イン
   デツクススケールと共に移動できるよう、一体的
   に構成したことを特徴とする光学式変位検出装
   置。 ２ 前記インデツクススケールの光学格子要素
   を、矩形の頂点の位置にそれぞれ配設し、前記発
   光素子を、該矩形の中心の位置に配設するように
   した特許請求の範囲第１項記載の光学式変位検出
   装置。 ３ 前記発光素子と受光素子を、略同一面上に同
   じ向きで配設するようにした特許請求の範囲第１
   項記載の光学式変位検出装置。 ４ 前記遮蔽手段を、前記発光素子からの発散光
   をメインスケール及びインデツクススケールに入
   射させるための透孔が形成された遮蔽板とした特
   許請求の範囲第１項記載の光学式変位検出装置。 ５ 前記遮蔽手段を、前記発光素子から前記スケ
   ールの一方側を透過して他方側に入射される発散
   光の光路と、該他方側のスケールで反射され、再
   び前記一方側のスケールを透過して前記各受光素
   子に入射される光の光路を分離する筒状隔壁とし
   た特許請求の範囲第１項記載の光学式変位検出装
   置。