JPH0521486B2

JPH0521486B2 -

Info

Publication number: JPH0521486B2
Application number: JP61208555A
Authority: JP
Inventors: Soji Ichikawa
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1986-09-04
Filing date: 1986-09-04
Publication date: 1993-03-24
Also published as: JPS6363917A

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、二
つの部材の相対位置を、光学的な格子の形成され
たメインスケールと対応する光学的な格子を形成
したインデツクススケールとの相対変位によつて
生ずる光電変換信号の変化から検出する光学式変
位検出器の改良に関するものである。

【従来の技術】

工作機械や測定機などの分野において、第８図
に示す如く、相対移動する部材の一方に第１の格
子１６を設けたメインスケール１４を固定し、他
方の部材に、第２の格子２０を設けたインデツク
ススケール１８、例えば光源１０及びコリメータ
レンズ１２から構成される照明手段及び例えば受
光素子２２から構成される光電変換手段を有する
スライダを固定して、第１の格子１６と第２の格
子２０との相対移動によつて生ずる光量変化を光
電変換し、得られた信号を付属する計数回路で補
間及びパルス化して計数することにより変位量を
測定する光学式変位測定装置が普及している。このような測定装置においては、例えばインデ
ツクススケール１８に設けられた第２の格子２２
は、第８図に示した如く、位相0°、90°、180°、
270°の区分けが施されており、プリアンプ２４
Ａ，２４Ｂで差動増幅することによつて、メイン
スケール１４のｘ方向への変位に対応して、ほぼ
Asinθ、Acosθで近似できる２相の検出信号が得
られるようにされている。このような測定装置においては、加工技術の高
度化と共に、測定分解能をより細分化することが
要求されており、メインスケール１４の第１の格
子１６の格子ピツチＰが小さくなりつつある。従
来、格子ピツチＰは20μm程度であつたが、最近
は10μm以下の仕様が要求されている。高分解能化に有利な検出器として、メインスケ
ールの第１の格子のピツチＰに対して、得られる
検出信号のピツチｔがＰ／２などＰを細分化した
ものである、いわゆる光学的分割を行う検出器が
提案されている。本出願人は先に、メインスケール上の第１の格
子のピツチＰ、インデツクススケール上の第２の
格子のピツチＰ／（2n）（ｎは２以上の整数）の
ときに、検出信号としてピツチＰ／（2n）の信
号が得られる検出器を提案している。この場合、第１の格子は光透過又は反射部と遮
光部とは略１：１の設定であつたが、第１の格子
はピツチＰの基本波成分の他にピツチＰ／ｎの高
調波成分を有しており、この高調波成分の影像と
第２の格子との重なり合いによつて検出信号が得
られたものと推定される。これは、波長をλとし
たとき格子間隔が主に（Ｐ／ｎ）²／λの半整数倍
の所で良好な信号が得られていることからも裏付
けられている。例えば第１の格子としてピツチがＰで光透過又
は反射部と遮光部とが正確に１：１である格子
F1（ｘ）を想定し、これをフーリエ解析すると、
定数を除いて次式のようになる。 F1（ｘ）＝１／２＋0.6sin（2πx／Ｐ）＋0.2sin（3.2πx／Ｐ）＋0.1sin（5.2πx／Ｐ）＋… 従つて、F1（ｘ）には、基本波の他に３次、５
次などの高調波が含まれていることがわかる。同
様に第１の格子として光透過又は反射部と遮光部
とが５：７と仮定してフーリエ解析すると、更に
２次、４次などの高調波も含まれることが導出さ
れる。一般に第１の格子は、光透過又は反射部と遮光
部との比１：１を目標にして製作されるが、製造
技術的にばらつきが生じて１：１にはならないた
め、全ての次数の高調波成分が含まれていると考
えられ、上記検出器はこれらの高調波成分を利用
したものである。

【発明が解決しようとする問題点】

しかしながら、この検出器は照明光を良好な平
行光線とするための、高精度で焦点距離の長いコ
リメータレンズが必要である。従つて検出器が大
型化するという問題点がある。更に光学的分割の増大と共にインデツクススケ
ール上の第２の格子のピツチを細分化する必要が
ある。インデツクススケールはメインスケールと
は異なり、数mmもあれば充分であるため本質的な
障害ではないが、ピツチの細分化に伴い歩留りが
悪化するという問題点は残る。

【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、２枚の格子で光の回折現象による
高調波成分を利用して光学的分割を行うことがで
き、しかも、高精度なコリメータレンズを用いる
必要がなく、インデツクススケールの製作も容易
な光学式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】光源と、該光源からの拡散光がコリメータレン
ズを介さずに照射される第１の格子が形成された
メインスケールと、第２の格子が形成されたイン
デツクススケールと、前記第１の格子と第２の格
子間の距離ｖを一定に保ちつつ、前記メインスケ
ールとインデツクススケールを相対移動可能に保
持する手段と、前記拡散光による第１の格子の影
像と第２の格子との重なり合いによる光量変化を
光電変換する受光素子と、を備えた光学式変位検
出器において、前記光源と第１の格子の距離を
ｕ、第１の格子の格子ピツチをＰ、第２の格子の
格子ピツチをｑ、光学系の光の感度スペクトルの
平均値での波長をλ、光学系の倍率ＭをＭ＝（ｕ
＋ｖ）／ｕと定義するとき、ｍを２以上の整数と
して、Ｑ＝Ｐ／ｍ及びｑ＝MQ／２の関係を満足させることにより、前記受光素子が
Ｑ／２のピツチの検出信号を出力するように構成
して、前記目的を達成したものである。又、本発明の実施態様は、前記受光素子が、第
１の格子で反射した後、第２の格子を透過した前
記光源からの光を検出するように配置したもので
ある。又、本発明の実施態様は、前記光源として点光
源が用いたものである。又、本発明の実施態様は、前記光源として、第
１の格子の格子幅方向に配向される線光源を用い
たものである。又、本発明の実施態様は、前記距離ｖが、ｎを
１以上の整数とするとき、ｖ≒（ｎ−0.5）MQ²／λ の関係を満足するようにしたものである。

【作用】

まず、本発明の検出原理を簡略に説明する。第１図に示す如く、格子ピツチＰの第１の格子
１６の前に、間隔ｕを隔てて拡散光源（例えば点
光源）３０を配置する。ここで第１の格子１６
は、ｍ次（ｍは２以上の整数）の高調波成分を有
すると仮定すると、第１の格子の代わりにピツチ
Ｑ（但しＱ＝Ｐ／ｍ）で表わされる格子があると
考えてよい。すると、第１の格子１６から間隔ｖ
を隔てた影像面Ｓには、直感的にはピツチＱの格
子の拡大された影が形成される。実際には回折の
効果により影の光量分布はｕやｖの値によつて
様々に変化する。簡単のため、ピツチＱの格子の光の振幅透過率
ｆ（ｘ）を次式で表し、Principles of Optics，
6th edition（MAX BORN ＆EMIL WOLF，
Pergamon Press，1980）の第383頁にあるフレ
ネル回折の理論を用いて、間隔ｖの影像面Ｓでの
影像分布ｇ（ｘ）を計算した結果を以下に示す。ｆ（ｘ）＝１＋cos（2πx／Ｑ） ……(1) ここで、拡散光源３０の発光スペクトル及び受
光素子の波長感度を考慮した、この光学系におけ
る光のスペクトルの平均値における波長をλとお
き、ｎを自然数（１以上の整数）として、この系
の第１格子の倍率ＭをＭ＝（ｕ＋ｖ）／ｕで定義
する。まず間隔ｖが、次の(2)式で表されるv1（ｎ）と
ほぼ等しいときには、比例定数を除いて、次の(3)
式に示す関係が成立する。ｖv1（ｎ）＝（ｎ−0.5）MQ²／λ ……(2) ｇ（ｘ）≡g1（ｘ）４＋cos［4πux／｛（ｕ＋ｖ）Ｑ｝］
……(3) 上記(2)式は、ｖv1（ｎ）＝ｕ（ｎ−0.5）Q² ／｛λu−（ｎ−0.5）Q²｝と等価である。但し、g1（ｘ）は、ｖが変化して
もあまり変化しないので、(2)式は厳密なものでは
ない。一方、間隔ｖが、次の(4)式で表されるv2（ｎ）
にほぼ等しいときには、比例定数を除いて、次の
(5)式の関係が成立する。ｖv2（ｎ）＝nMQ²／λ ……(4) ｇ（ｘ）≡g2（ｘ）１＋cos［2πux／｛（ｕ＋ｖ）Ｐ｝］
……(5) (2)式及び(3)式から、間隔ｕがv1（ｎ）近傍の影
像面Ｓには、格子ピツチｑが（ｕ＋ｖ）Ｑ／
（2u）の第２の格子を配置することによつて検出
信号を得ることができることがわかる。この影像
は、直観的な影像に対して格子ピツチが1/2であ
り、第１の格子１６がＱ即ちＰ／ｍだけ変位する
と、検出信号は２ピツチ分変化するという大きな
特徴がある。一方、(4)式及び(5)式からは、間隔ｖがv2（ｎ）
近傍の影像面Ｓには、格子ピツチｑが（ｕ＋ｖ）
Ｑ／ｕの第２の格子を配置することにより、検出
信号を得ることができることがわかる。この影像
は直観的な影像に対応するので、第１の格子１６
がＱ即ちＰ／ｍの変位によつて、検出信号も１ピ
ツチ分変化する。なお、第１の格子の高調波成分に対応して影像
面Ｓには様々なピツチの波形が存在するが、第２
の格子はその内特定の成分をフイルタリングする
と考えてもよい。これまでは、拡散光源３０、特に点光源とし
て、発光部が小さく且つ出力の大きなものがなか
つたこと、又、格子ピツチＰが大きい場合には必
要性が少なかつたことなどによつて、本発明に係
るような検出器が深く検討されたことはなかつ
た、。ところが、点光源として理想的であるレー
ザダイオードのコストダウン及び格子ピツチＰの
微小化に伴う問題点の克服の必要性などの技術的
背景の変化によつて、本願の発明者が検討した結
果、前出(3)式及び(5)式を導出し、前記のような検
出器の実用性を確認したものである。本発明は、このような研究結果に基づいてなさ
れたもので、前記光源と第１の格子１６の距離を
ｕ、第１の格子の格子ピツチをＰ、第２の格子の
格子ピツチをｑ、光学系の光の感度スペクトルの
平均値での波長をλ、光学系の倍率ＭをＭ＝（ｕ
＋ｖ）／ｕと定義するとき、ｍを２以上の整数と
して、Ｑ＝Ｐ／ｍ及びｑ＝MQ／２の関係を満足させることにより、前記受光素子が
Ｑ／２のピツチの検出信号を出力するように構成
している。従つて、２枚の格子で光の回折現象に
よる高調波成分を利用して光学的分割を行うこと
ができ、高精度で焦点距離の長いコリメータレン
ズを用いる必要がなく、しかも、インデツクスス
ケールの加工が容易となる。

【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実施例は、ｍ次の高調波成分を用
いる前出(2)式及び(3)式の関係を用いたもので、第
２図に示す如く、コリメータレンズを介さずメイ
ンスケール１４を照明するレーザダイオード３２
と、該レーザダイオード３２からの間隔がｕであ
る位置に配置された、格子ピツチＰで高調波成分
を含む第１の格子１６が形成されたメインスケー
ル１４と、前記第１の格子１６からの間隔がｖで
ある位置に配置された、格子ピツチｑの第２の格
子２０が形成されたインデツクススケール１８
と、前記両スケール１４，１８が相対移動したと
きの、レーザダイオード３２による第１の格子１
６の影像と第２の格子２０との重なり合いによる
光量変化を光電変換する、位相がそれぞれ0°、
90°とされた２個の受光素子２２Ａ，２２Ｂと、
該受光素子２２Ａ，２２Ｂの出力をそれぞれ増幅
するプリアンプ２４Ａ，２４Ｂとから構成されて
いる。ここで第１の格子１６はｍ次の高調波成分を持
つと仮定し、第２図ではピツチＱ＝Ｐ／ｍの格子
で第１の格子を表現している。第１の格子として
は、例えば光透過部と遮光部とが略１：１の格子
などが用いられる。前記レーザダイオード３２としては、発光部の
サイズが数μm角程度、波長λが約0.78μmのレー
ザダイオード（例えば日立製作所のHL−7801E
等）を用いることができる。前記第１の格子１６と第２の格子２０の間隔ｖ
及び前記第２の格子２０の格子ピツチｑは、次式
の関係を満足するようにされている。ｖ（ｎ−0.5）MQ²／λ ……(6) ｑ＝（ｕ＋ｖ）Ｑ／（2u） ……(7) ここで、ｎは、１以上の整数である。しかし、
(6)式の条件はそれほど厳密なものでなく、実験の
結果でもあまり厳密に維持される必要はないこと
がわかつている。具体的には、ｍ＝２，ｕ，ｖを共に約５mmに設
定し、第１の格子の格子ピツチＰを16μm（Ｑ＝
8μm）とした場合、第２の格子２０の格子ピツチ
ｑは、(7)式の関係からＱと同じく8μmでよい。一方、位相のずれた信号を得るために偏差δを以
て区分された第２の格子２０の偏差δについて
は、位相差として90°±10°を得るためには、格子
ピツチｑが8μmであるため、偏差δは（２±0.2）
μmでよい。なお、バーニヤ方式を採用した場合
には、第２の格子２０は格子ピツチｑを前出(7)式
と異なる値にして、受光素子２２Ａ，２２Ｂを位
相が90°異なる位置に配置すればよい。又、メインスケール１４が変位する場合の間隔
ｕ，ｖの変動によつて生ずる第２の格子２０のピ
ツチｑと影像のピツチとのずれによる影響は、受
光素子２２Ａ，２２Ｂのｘ方向の幅を小さくする
ことで回避できる。この実施例の構成では、メインスケール１４の
第１の格子１６がｘ方向にＱ即ちＰ／ｍだけ変位
しても、得られる影像は２ピツチ変化する。従つ
て、プリアンプ２４Ａ，２４Ｂからは、ピツチｔ
＝Ｑ／２（この場合はピツチ4μm）の２相の検出
信号が得られる。即ち、光学的４分割が行われ
る。前記第１実施例においては、レーザダイオード
３２をそのまま点光源として使用していたが、点
光源の種類はこれに限定されず、例えば第３図に
示す第２実施例のように、レーザダイオード３２
の発光部の前面に、直径が500μm程度の発散角抑
制用の半球レンズ３４を設けたものを使用するこ
とも可能である。この場合には、レーザダイオー
ド３２からの照明光を発散角が抑制されて、発光
効率が改善されるが、前出(7)式におけるｕの値は
実際の間隔よりも大きめに換算する必要がある。
更に、点光源として、レーザダイオードと発光ダ
イオードとの中間的形態にある高出力発光ダイオ
ードなどを使用することもできる。なお、同じ格子を用いてｕ＝３mm、ｖ＝６mm程
度に設定した場合は、光学系の倍率Ｍ＝３であ
り、検出信号のピツチは8/3μmとなる。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、第４図に示す如く、拡散光
源として、第１の格子１６の格子幅方向に配向さ
れた、例えばスリツト状発光ダイオードからなる
線光源４０を用いたものである。他の点について
は、受光素子２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄが
位相0°，180°，90°，270°で区分けされて４個設け
られている点を除き、前記第１実施例と同様であ
るので説明を省略する。光源として一般の発光ダイオードを用いた場
合、点光源とするために発光部を単に小さくする
と発光出力が減少して、プリアンプの増幅度を大
きくしなければならずSN比が悪化する。そのた
めこの第３実施例では、点光源ではなく線光源と
して用いている。前記線光源４０としては、出願人が既に提案し
ている、第５図および第６図に示すような、発光
部４２がスリツト状の発光ダイオードを用いるこ
とができる。この発光ダイオードは、例えばＮ型
GaAsの基板４４に、幅Ｗが約50μm、長さＬが
約400μmのスリツト状にＰ型GaAsを拡散形成
し、下面には電極膜４６を、上面には絶縁膜４８
を介して電極膜４６を蒸着したものとなつてい
る。５０はリード線である。このような発光ダイ
オードはスリツト状に発光するため、全体として
出力は減少せず、線光源として好適である。このようにして、発光ダイオードのスリツト状
発光部４２の長手方向をメインスケール１４の第
１の格子１６の格子幅方向に配向することで、格
子幅方向には線光源であつても、格子のｘ方向に
は点光源となり、実質的に点光源として作用す
る。この場合、線光源の前面に発散角抑制用のシリ
ンドルカルレンズなどを設けてもよい。なお、前記実施例においては、いずれも本発明
が透過型検出器に適用されていたが、本発明の適
用範囲はこれに限定されす、例えば第７図に示す
第４実施例の如く、反射型の検出器にも同様に適
用することができる。又第１の格子としては、高調波成分を有してい
る格子であればどのような形状のものでもよい。前記実施例においては、本発明がいずれも、第
２の格子が区分して２個以上設けられた直線変位
検出器に適用されていたが、本発明の適用範囲は
これに限定されず、第２の格子に区分のないモア
レ縞方式の検出器や回転変位検出器（ロータリエ
ンコーダ）にも同様に適用することができる。

【発明の効果】

以上説明したとおり、本発明によれば、格子２
枚の構成で光の回折現象による高調波成分を利用
して光学的多分割が達成できる。又、点光源又は
線光源をそのまま拡散光源として用いることがで
き、高精度なコリメータレンズを用いる必要がな
い。更に、インデツクススケールのピツチをメイ
ンスケールのピツチよりも大幅に小さくする必要
がなく、インデツクススケールの製造も容易であ
る等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の検出原理を説明するための
線図、第２図は、本発明に係る光学式変位検出器
の第１実施例の構成を説明するための断面図、第
３図は、同じく第２実施例の構成を説明するため
の要部断面図、第４図は、同じく第３実施例の構
成を説明するための斜視図、第５図は、前記第３
実施例で用いられている線光源の構成を説明する
ための正面図、第６図は、第５図の−線に沿
う横断面図、第７図は、本発明の第４実施例の構
成を説明するための断面図、第８図は、従来の光
学式変位検出器の一例の構成を示す斜視図であ
る。１４……メインスケール、１６……第１の格
子、１８……インデツクススケール、２０……第
２の格子、２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２
Ｄ……受光素子、Ｐ，ｑ……格子ピツチ、ｕ，ｖ
……間隔、３０……拡散光源、３２……レーザダ
イオード、３４……半球レンズ、４０……線光
源。

Claims

【特許請求の範囲】１光源と、該光源からの拡散光がコリメータレンズを介さ
ずに照射される第１の格子が形成されたメインス
ケールと、第２の格子が形成されたインデツクススケール
と、前記第１の格子と第２の格子間の距離ｖを一定
に保ちつつ、前記メインスケールとインデツクス
スケールを相対移動可能に保持する手段と、前記拡散光による第１の格子の影像と第２の格
子との重なり合いによる光量変化を光電変換する
受光素子と、を備えた光学式変位検出器において、前記光源と第１の格子の距離をｕ、第１の格子
の格子ピツチをＰ、第２の格子の格子ピツチを
ｑ、光学系の光の感度スペクトルの平均値での波
長をλ、光学系の倍率ＭをＭ＝（ｕ＋ｖ）／ｕと
定義するとき、ｍを２以上の整数として、Ｑ＝Ｐ／ｍ及びｑ＝MQ／２の関係を満足させることにより、前記受光素子がＱ／２のピツチの検出信号を出
力するように構成したことを特徴とする光学式変
位検出器。２前記受光素子が、第１の格子と第２の格子を
透過した前記光源からの光を検出するように配置
さ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前記受光素子が、第１の格子で反射した後、
第２の格子を透過した前記光源からの光を検出す
るように配置さ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。４前記光源として点光源が用いられている特許
請求の範囲第１項記載の光学式変位検出器。５前記光源として、第１の格子の格子幅方向に
配向される線光源が用い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。６前記距離ｖが、ｎを１以上の整数とすると
き、ｖ≒（ｎ−0.5）MQ²／λ の関係を満足するようにさ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。