JPH0617045Y2 - 光学式変位検出器 - Google Patents
光学式変位検出器Info
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- JPH0617045Y2 JPH0617045Y2 JP1988146873U JP14687388U JPH0617045Y2 JP H0617045 Y2 JPH0617045 Y2 JP H0617045Y2 JP 1988146873 U JP1988146873 U JP 1988146873U JP 14687388 U JP14687388 U JP 14687388U JP H0617045 Y2 JPH0617045 Y2 JP H0617045Y2
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Description
本考案は、光学式変位検出器に係り、特に、周期的な格
子を３種類形成した複数のスケールと、前記３種類の格
子を照射する光源と、前記３種類の格子によつて制限さ
れた照明光を検出する受光素子とを含み、二つの部材間
の相対変位に応じて周期的な検出信号を生成する、いわ
ゆる３格子型で反射式の光学式変位検出器に関するもの
である。
子を３種類形成した複数のスケールと、前記３種類の格
子を照射する光源と、前記３種類の格子によつて制限さ
れた照明光を検出する受光素子とを含み、二つの部材間
の相対変位に応じて周期的な検出信号を生成する、いわ
ゆる３格子型で反射式の光学式変位検出器に関するもの
である。
工作機械等において、固定部材と移動部材との間の相対
変位量を測定するための装置として、相対変位に応じて
周期的な検出信号を生成する光学式変位検出器と、その
検出信号をパルス化して積算計数するカウンタとを含ん
で構成される変位測定装置が知られている。 前記光学式変位検出器としては、通常の２種類の格子の
重なり合いの変化を利用した検出器の他に、第１０図に
示す如く、３種類の格子１２、１４、１６の重なり合い
の変化を利用する、いわゆる３格子システム（three gr
ating system）が知られている。この３格子システムの
基本原理は、例えば、Journal of the Optical Society
of America,1965年、vol.55、No.4、PP373-381に示さ
れ、又、米国特許第３８１２３５２号、英国特許出願第
４４５２２／７４号（特公昭６０−２３２８２号）等に
不完全な形ではあるが開示されている。 第１０図は、Society of Photo-Optical Instrumentati
on Engineers(SPIE)，Vol.136，1st European Congress
on Optics Applied to Metrology(1977)，PP325-331に
開示されたシステムである。 この３格子システムは、単純化して考えれば、第１０図
に示した如く、格子ピツチＰ１の第１格子１２と、該第
１格子１２からの間隔がuの位置に配設された格子ピツ
チＰ２の第２格子１４と、前記第１格子１２からの間隔
がvの位置に、前記第２格子１４と対応して配設され
た、格子ピツチＰ３の第３格子１６と、前記第２格子１
４を通して第１及び第３格子１２、１６方向へ拡散する
照明光を射出する光源１８と、前記第３格子１６の後方
に配設され、前記第１乃至第３格子１２、１４、１６に
よつて制限された照明光を検出して光電変換する受光素
子２０と、該受光素子２０の信号を増幅して検出信号a
とするプリアンプ２２とを含んで構成されており、前記
第１格子１２がx方向へ変位すると、検出信号aは周期的
に略正弦波として変化する。 なお、前記各パラメータＰ１、Ｐ２、Ｐ３、u、v及び検
出信号aのピツチの関係は、下記第１表に示す如く、幾
何光学的システム（geometric system）と、回折効果的
システム（diffractive system）とに分かれて規定され
ている。第１表において、は自然数、λは照明光の有
効波長である。 このような従来の３格子システムにおいては、例えば幾
何光学的システムの場合には、例えば第１格子１２の暗
部の長さ＝明部の長さ＝１０μｍ、ピツチＰ１＝２０μ
ｍ、格子間隔u＝v≒５mmとすると、第２格子１４のピツ
チＰ２は ｛（u＋v）／v｝Ｐ１＝４０μｍ となり、第３格子１６のピツチＰ３は ｛（u＋v）／u｝Ｐ１＝４０μｍ となることが知られている。 又、前記回折効果的システムの場合には、例えば第１格
子１２の暗部の長さ＝明部の長さ＝２０μｍ、ピツチＰ
１＝４０μｍ、格子間隔u＝v≒５mmとすると、第２格子
１４のピツチＰ２は ｛（u＋v）／v｝（Ｐ１／２）＝４０μｍ となり、第３格子１６のピツチＰ３は ｛（u＋v）／u｝（Ｐ１／２）＝４０μｍ となることが知られている。 しかしながら、従来の３格子システムにおいては、第１
１図に示す如く、検出信号aの直流分ＤＣは充分にある
ものの、周期信号の交流分ＰＰが低く、後段の電気回路
で要求されるＳＮ比を充分に満足することはできなかつ
た。 考案者の実験によると、前記幾何光学的システムで、格
子ピツチＰ１＝２０μｍ、Ｐ２＝４０μｍ、Ｐ３＝４０
μｍ、格子間隔u＝v≒５mm、全格子共、明部の長さと暗
部の長さを等しくした、従来の方法による１１個の試料
について、次式で定義されるＳＮ比が最低で１２％、最
高で１７％、平均１４．７％であり、充分なＳＮ比は得
られていなかつた。 ＳＮ比＝（ＰＰ／ＤＣ）×１００％……（１） 又、前記回折効果的システムで、格子ピツチＰ１＝４０
μｍ、Ｐ２＝４０μｍ、Ｐ３＝４０μｍ、格子間隔u＝v
≒５mm、全格子共、明部の長さと暗部の長さを等しくし
た、従来の方法による場合についても、得られたデータ
はほぼ同様であり、やはり充分なＳＮ比は得られていな
いことが明らかとなつた。 更に、３格子システムで反射式の検出器を実現する場合
には、単に第１格子１２を反射型のメインスケール上に
形成し、インデツクススケール上の第２格子１４と第３
格子１６を共用化したのでは、格子ピツチＰ２＝Ｐ３と
なつてしまい、Ｐ２とＰ３の大きさを変えることができ
ないという問題もあつた。
変位量を測定するための装置として、相対変位に応じて
周期的な検出信号を生成する光学式変位検出器と、その
検出信号をパルス化して積算計数するカウンタとを含ん
で構成される変位測定装置が知られている。 前記光学式変位検出器としては、通常の２種類の格子の
重なり合いの変化を利用した検出器の他に、第１０図に
示す如く、３種類の格子１２、１４、１６の重なり合い
の変化を利用する、いわゆる３格子システム（three gr
ating system）が知られている。この３格子システムの
基本原理は、例えば、Journal of the Optical Society
of America,1965年、vol.55、No.4、PP373-381に示さ
れ、又、米国特許第３８１２３５２号、英国特許出願第
４４５２２／７４号（特公昭６０−２３２８２号）等に
不完全な形ではあるが開示されている。 第１０図は、Society of Photo-Optical Instrumentati
on Engineers(SPIE)，Vol.136，1st European Congress
on Optics Applied to Metrology(1977)，PP325-331に
開示されたシステムである。 この３格子システムは、単純化して考えれば、第１０図
に示した如く、格子ピツチＰ１の第１格子１２と、該第
１格子１２からの間隔がuの位置に配設された格子ピツ
チＰ２の第２格子１４と、前記第１格子１２からの間隔
がvの位置に、前記第２格子１４と対応して配設され
た、格子ピツチＰ３の第３格子１６と、前記第２格子１
４を通して第１及び第３格子１２、１６方向へ拡散する
照明光を射出する光源１８と、前記第３格子１６の後方
に配設され、前記第１乃至第３格子１２、１４、１６に
よつて制限された照明光を検出して光電変換する受光素
子２０と、該受光素子２０の信号を増幅して検出信号a
とするプリアンプ２２とを含んで構成されており、前記
第１格子１２がx方向へ変位すると、検出信号aは周期的
に略正弦波として変化する。 なお、前記各パラメータＰ１、Ｐ２、Ｐ３、u、v及び検
出信号aのピツチの関係は、下記第１表に示す如く、幾
何光学的システム（geometric system）と、回折効果的
システム（diffractive system）とに分かれて規定され
ている。第１表において、は自然数、λは照明光の有
効波長である。 このような従来の３格子システムにおいては、例えば幾
何光学的システムの場合には、例えば第１格子１２の暗
部の長さ＝明部の長さ＝１０μｍ、ピツチＰ１＝２０μ
ｍ、格子間隔u＝v≒５mmとすると、第２格子１４のピツ
チＰ２は ｛（u＋v）／v｝Ｐ１＝４０μｍ となり、第３格子１６のピツチＰ３は ｛（u＋v）／u｝Ｐ１＝４０μｍ となることが知られている。 又、前記回折効果的システムの場合には、例えば第１格
子１２の暗部の長さ＝明部の長さ＝２０μｍ、ピツチＰ
１＝４０μｍ、格子間隔u＝v≒５mmとすると、第２格子
１４のピツチＰ２は ｛（u＋v）／v｝（Ｐ１／２）＝４０μｍ となり、第３格子１６のピツチＰ３は ｛（u＋v）／u｝（Ｐ１／２）＝４０μｍ となることが知られている。 しかしながら、従来の３格子システムにおいては、第１
１図に示す如く、検出信号aの直流分ＤＣは充分にある
ものの、周期信号の交流分ＰＰが低く、後段の電気回路
で要求されるＳＮ比を充分に満足することはできなかつ
た。 考案者の実験によると、前記幾何光学的システムで、格
子ピツチＰ１＝２０μｍ、Ｐ２＝４０μｍ、Ｐ３＝４０
μｍ、格子間隔u＝v≒５mm、全格子共、明部の長さと暗
部の長さを等しくした、従来の方法による１１個の試料
について、次式で定義されるＳＮ比が最低で１２％、最
高で１７％、平均１４．７％であり、充分なＳＮ比は得
られていなかつた。 ＳＮ比＝（ＰＰ／ＤＣ）×１００％……（１） 又、前記回折効果的システムで、格子ピツチＰ１＝４０
μｍ、Ｐ２＝４０μｍ、Ｐ３＝４０μｍ、格子間隔u＝v
≒５mm、全格子共、明部の長さと暗部の長さを等しくし
た、従来の方法による場合についても、得られたデータ
はほぼ同様であり、やはり充分なＳＮ比は得られていな
いことが明らかとなつた。 更に、３格子システムで反射式の検出器を実現する場合
には、単に第１格子１２を反射型のメインスケール上に
形成し、インデツクススケール上の第２格子１４と第３
格子１６を共用化したのでは、格子ピツチＰ２＝Ｐ３と
なつてしまい、Ｐ２とＰ３の大きさを変えることができ
ないという問題もあつた。
本考案は、前記従来の問題点を解消するべくなされたも
ので、雑音となる光をほぼ完全に遮蔽して、ＳＮ比の充
分に高い検出信号を得ることができ、従つて、効率良く
高精度の測定が可能な反射式の光学式変位検出器を提供
することを課題とする。
ので、雑音となる光をほぼ完全に遮蔽して、ＳＮ比の充
分に高い検出信号を得ることができ、従つて、効率良く
高精度の測定が可能な反射式の光学式変位検出器を提供
することを課題とする。
本考案は、相対移動する一方の部材に固定される、第１
の格子が形成された反射型の第１スケールと、相対移動
する他方の部材に固定される、平行光線化されていない
照明光を射出する光源、該光源からの照明光を一部遮蔽
して、前記第１格子を照明するための第２格子、及び、
該第２及び第１格子によつて制限された照明光を更に制
限するための、前記第２格子から独立した第３格子が形
成された第２スケール、及び、前記第１乃至第３格子に
よつて制限された照明光を検出する受光素子とを含み、
該受光素子出力の検出信号の周期的な変動から前記両部
材間の相対変位を検出するようにした反射式の光学式変
位検出器において、前記第２及び第３格子を、第２スケ
ールの光源及び受光素子側表面に形成すると共に、前記
光源と受光素子の間、及び、受光素子の周囲に、第２ス
ケール以外の方向からの光を遮蔽する光絶縁体を設け、
該光絶縁体と前記第２スケールの第２及び第３格子形成
面を密着させることによつて、前記課題を達成したもの
である。
の格子が形成された反射型の第１スケールと、相対移動
する他方の部材に固定される、平行光線化されていない
照明光を射出する光源、該光源からの照明光を一部遮蔽
して、前記第１格子を照明するための第２格子、及び、
該第２及び第１格子によつて制限された照明光を更に制
限するための、前記第２格子から独立した第３格子が形
成された第２スケール、及び、前記第１乃至第３格子に
よつて制限された照明光を検出する受光素子とを含み、
該受光素子出力の検出信号の周期的な変動から前記両部
材間の相対変位を検出するようにした反射式の光学式変
位検出器において、前記第２及び第３格子を、第２スケ
ールの光源及び受光素子側表面に形成すると共に、前記
光源と受光素子の間、及び、受光素子の周囲に、第２ス
ケール以外の方向からの光を遮蔽する光絶縁体を設け、
該光絶縁体と前記第２スケールの第２及び第３格子形成
面を密着させることによつて、前記課題を達成したもの
である。
本考案においては、前記のような反射式の光学式変位検
出器において、前記第２及び第３格子を、第２スケール
の光源及び受光素子側表面に形成すると共に、前記光源
と受光素子の間、及び、受光素子の周囲に、第２スケー
ル以外の方向からの光を遮蔽する光絶縁体を設け、該光
絶縁体と前記第２スケールの第２及び第３格子形成面を
密着させている。従つて、光源からの照明光と受光素子
に入射する照明光が互いに干渉したり、外乱光が受光素
子に入射することがなく、検出信号のＳＮ比（ＰＰ／Ｄ
Ｃ）が大幅に改善される。よつて、検出効率が向上し、
後段の信号処理が容易となつて、高精度の変位検出が可
能となる。
出器において、前記第２及び第３格子を、第２スケール
の光源及び受光素子側表面に形成すると共に、前記光源
と受光素子の間、及び、受光素子の周囲に、第２スケー
ル以外の方向からの光を遮蔽する光絶縁体を設け、該光
絶縁体と前記第２スケールの第２及び第３格子形成面を
密着させている。従つて、光源からの照明光と受光素子
に入射する照明光が互いに干渉したり、外乱光が受光素
子に入射することがなく、検出信号のＳＮ比（ＰＰ／Ｄ
Ｃ）が大幅に改善される。よつて、検出効率が向上し、
後段の信号処理が容易となつて、高精度の変位検出が可
能となる。
以下、図面を参照して、本考案の実施例を詳細に説明す
る。 第１実施例は、本考案を、幾何光学的システムの反射式
変位検出器に適用したもので、第１図及び第２図に示す
如く、相対移動する一方の部材に固定される、ピツチＰ
１の第１格子１２が図の上側面に形成された反射型の第
１スケールとしてのガラス製メインスケール４０と、相
対移動する他方の部材に固定される、平行光線化されて
いない照明光（波長λ≒０．８μｍ）を射出する、発光
ダイオード（ＬＥＤ）又はランプ等からなる光源４２、
該光源４２からの照明光を一部遮蔽して、前記第１格子
１２を照明するためのピツチＰ２の第２格子１４と、該
第２及び第１格子１４、１２によつて制限された照明光
を更に制限するための、前記第２格子１４と独立したピ
ツチＰ３の第３格子１６とが、前記第２格子１４を挟む
ように上側面の両側に形成された第２スケールとしての
ガラス製インデツクススケール４４、及び、前記第１乃
至第３格子１２、１４、１６によつて制限された照明光
を検出するための受光素子４６とを含み、該受光素子４
６出力の検出信号の周期的な変動から前記両部材間の相
対変位を検出するようにした反射式の光学式変位検出器
において、前記第２及び第３格子１４、１６を、インデ
ツクススケール４４の光源４２及び受光素子４６側表面
（図の上面）に形成すると共に、前記光源４２と受光素
子４６の間、及び、受光素子４６の周囲に、インデツク
ススケール４４以外の方向からの光を遮蔽する光絶縁体
４８を設け、該光絶縁体４８と前記インデツクススケー
ル４４の第２及び第３格子１４、１６形成面（図の上
面）を密着させたものである。 第１図において、５０は、前記光源４２、光絶縁体４
８、受光素子４６等が取付けられる基板、５２はリード
線である。又、第２図において、５４は、前記光源４
２、受光素子４６、インデツクススケール４４等が内蔵
され、相対移動する一方の部材５６に取付けられる検出
器、５８は、前記メインスケール４０が固定され、例え
ばねじ６０によつて、相対移動する他方の部材６２に取
付けられる基板である。 前記光絶縁体４８は、例えばゴム製とされ、インデツク
ススケール４４との隙間は、例えば０．２mm以下とされ
ている。本実施例では、この光絶縁体４８が、光源４２
と受光素子４６の間を遮蔽するだけでなく、受光素子４
６の周囲も完全に遮蔽しているので、外乱光の影響も低
減することができる。 前記第１格子１２は、第３図に示す如く、前記メインス
ケール４０の上側面に形成された、ピツチＰ１の縦縞状
目盛からなる。 又、前記第２格子１４及び第３格子１６は、第４図に詳
細に示す如く、複数の線光源を形成するためのピツチＰ
２の第２格子１４が前記インデツクススケール４４の中
央に円形に形成され、その両側に、方向弁別及び電気的
に検出信号を分割するための、位相が互いに９０°づつ
ずれたピツチＰ３のＡ相、Ｂ相、相、相の４つの第
３格子１６が長方形に形成されており、更にその周囲
は、外乱光等の妨害を防止するため、クロム蒸着面６４
とされている。なお、Ａ相、Ｂ相、相、相の配置
は、第４図の例に限定されず、第５図や第６図に示した
ような配置や、更に他の配置とすることができる。又、
方向弁別のみ必要であり、位相分割の必要がない場合に
は、２相とすることもできる。 前記受光素子４６の出力を処理して、９０°位相差を有
するＡ相、Ｂ相の２相の検出信号aを形成するための回
路は、第７図に示す如く、Ａ相、相、Ｂ相、相の各
受光素子４６の出力を増幅するための、抵抗７２Ａ、７
２、７２Ｂ、７２及び演算増幅器７４Ａ、７４、
７４Ｂ、７４と、Ａ相出力と相出力又はＢ相出力と
相出力をそれぞれ差動増幅してＡ相又はＢ相出力とす
るための抵抗７８Ａ、７８、７８Ｂ、７８、８０
Ａ、８０Ｂ、８２Ａ、８２Ｂ及び演算増幅器８４Ａ、８
４Ｂとから構成されている。 この第１実施例においては、第２格子１４のピツチＰ２
を第１格子１２のピツチＰ１より大とすると共に、その
光透過部（明部）の長さを、第１格子１２のピツチＰ１
の長さ以下としているので、第２格子１４を透過した照
明光間の独立性（インコヒーレンシイ）が向上し、検出
信号のＳＮ比も高い。 即ち、第８図に示す概念図において、第２格子１４の明
部１４Ｂ１、１４Ｂ２・・・１４Ｂｎ上には、相互にで
きる限り関係を持たない独立した２次光源を作ることが
望ましい。換言すると、前記明部１４Ｂ１、１４Ｂ２・
・・１４Ｂｎ上に形成される２次光源は、互いにインコ
ヒーレントな２次光源であることが理想的である。とこ
ろが、（１次）光源１８として発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）やランプを使用して第２格子１４を照明すると、明
部１４Ｂ間の間隔が小さい場合には、２次光源を互いに
インコヒーレントにすることが難しく、第１格子１２を
相対移動させた時に、受光素子２０の検出信号のＳＮ比
が悪くなる。そこで、本実施例では、第２格子１４のピ
ツチＰ２を第１格子１２のピツチＰ１より大とすると共
に、その明部１４Ｂの長さを、第１格子１２のピツチＰ
１の長さ以下として、明部１４Ｂ間の間隔を大とし、２
次光源間の独立性を高めている。 即ち、第２格子１４のピツチＰ２は、第１格子１２のピ
ツチＰ１より大きい方が、第１格子１２に照射される光
の拡散（傾斜照明）が大となり、又、第２格子１４の明
部１４Ｂが小さい方が点光源に近くなつて拡散性の高い
光源となるので、第１格子１２のピツチＰ１の長さと等
しいかそれより小さいことが望ましい。このような拡散
性の高い光を第１格子１２に照射することにより、ＤＣ
（直流成分）がＰＰ（信号成分）に比較し大きくなるの
で、ＳＮ比が格段と向上する。 本実施例の幾何学的システムにおいて、これらの関係を
一般式で表わすと、次式 Ｐ２≧２ｍ１・Ｐ１≧Ｐ１……（２） Ｐ３≧２ｎ１・Ｐ１……（３） 第２格子の明部の長さ≦第１格子のピツチの長さ
（Ｐ１）……（４） の関係になるようにそれぞれ設定された場合、幾何学光
的結像関係による格子像を検出することができる。 ここで、ｍ１は１より大きい正の整数、ｎ１は１以上の
正の整数であることがより望ましい。 具体的には、例えば、前記第２格子１４の暗部１４Ａの
長さを６０μｍ、明部１４Ｂの長さを２０μｍ、格子ピ
ツチＰ２を８０μｍとし、第１格子１２の暗部１２Ａの
長さを１０μｍ、明部１２Ｂの長さを１０μｍ、格子ピ
ツチＰ１を２０μｍ、第３格子１６の暗部の長さを２０
μｍ、明部の長さを２０μｍ、格子ピツチＰ３を４０μ
ｍとし、前記格子間隔ｄを、ガラスの屈折率を補正して
空気に換算した場合で、０．７から６mmとすることがで
きる。 次に、本考案を回折効果的システムの反射型変位検出器
に適用した、本考案の第２実施例を説明する。 この第２実施例においても、第１実施例と同じ理由で、
第２格子１４のピツチＰ２を第１格子１２のピツチＰ１
より大とすると共に、その光透過部（明部）の長さを、
第１格子１２のピツチＰ１の長さ以下としている。 この第２実施例の回折効果的システムの場合には、第９
図に示す概念図において、次式 Ｐ２≧ｍ２・Ｐ１≧Ｐ１……（５） Ｐ３≧ｎ２・Ｐ１……（６） 第２格子の明部の長さ≦第１格子のピツチの長さ
（Ｐ１）……（７） の関係になるようにそれぞれ設定された場合、回折効果
的結像関係による格子像を検出することができる。 ここで、ｍ２は１より大きい正の整数、ｎ２は１以上の
正の整数であることがより望ましい。 考案者の実験によると、前記第２格子１４の光遮蔽部１
４Ａの長さと光透過部１４Ｂの長さの最適範囲は、３：
１から７：１であつた。 具体的には、例えば、第２格子１４の暗部１４Ａの長さ
を６０μｍ、明部１４Ｂの長さを２０μｍ、格子ピツチ
Ｐ２を８０μｍ、第１格子１２の暗部の長さを２０μ
ｍ、明部の長さを２０μｍ、格子ピツチＰ１を４０μ
ｍ、第３格子１６の暗部の長さを２０μｍ、明部の長さ
を２０μｍ、格子ピツチＰ３を４０μｍとし、格子間隔
ｄ＝０．５mmとすることができる。 他の構成に関しては、前記第１実施例と同様であるので
説明は省略する。 前記実施例においては、いずれも、３格子システムで反
射式の検出器を実現する際に、単に第１格子１２を反射
型の第１スケール上に形成し、第２（第３）スケール上
の第２格子１４と第３格子１６を共用化するのではな
く、第２格子１４と第３格子１６を第２スケール上の異
なる位置に独立して形成し、更に、第３格子１６を相互
に位相を変えて複数形成することによつて、位相が異な
る複数の受光信号が得られるようにしている。従つて、
反射式検出器であつても、格子ピツチＰ２とＰ３を異な
る値にすることができ、設計の自由度が増大する。又、
任意の３格子システムを反射式検出器で実現でき、透過
式による場合に比べて小型化が可能であり、測定対象部
材への取付けも容易となる。 なお、前記実施例においては、いずれも本考案が、ガラ
ス製のメインスケール４０を含む反射式の変位検出器に
適用されていたが、本考案の適用範囲はこれに限定され
ず、金属製の反射型メインスケールを有する反射式変位
検出器にも同様に適用できることは明らかである。 又、前記実施例においては、いずれも、本考案がリニア
エンコーダに適用されていたが、本考案の適用範囲はこ
れに限定されず、ロータリエンコーダにも同様に適用で
きることは明らかである。
る。 第１実施例は、本考案を、幾何光学的システムの反射式
変位検出器に適用したもので、第１図及び第２図に示す
如く、相対移動する一方の部材に固定される、ピツチＰ
１の第１格子１２が図の上側面に形成された反射型の第
１スケールとしてのガラス製メインスケール４０と、相
対移動する他方の部材に固定される、平行光線化されて
いない照明光（波長λ≒０．８μｍ）を射出する、発光
ダイオード（ＬＥＤ）又はランプ等からなる光源４２、
該光源４２からの照明光を一部遮蔽して、前記第１格子
１２を照明するためのピツチＰ２の第２格子１４と、該
第２及び第１格子１４、１２によつて制限された照明光
を更に制限するための、前記第２格子１４と独立したピ
ツチＰ３の第３格子１６とが、前記第２格子１４を挟む
ように上側面の両側に形成された第２スケールとしての
ガラス製インデツクススケール４４、及び、前記第１乃
至第３格子１２、１４、１６によつて制限された照明光
を検出するための受光素子４６とを含み、該受光素子４
６出力の検出信号の周期的な変動から前記両部材間の相
対変位を検出するようにした反射式の光学式変位検出器
において、前記第２及び第３格子１４、１６を、インデ
ツクススケール４４の光源４２及び受光素子４６側表面
（図の上面）に形成すると共に、前記光源４２と受光素
子４６の間、及び、受光素子４６の周囲に、インデツク
ススケール４４以外の方向からの光を遮蔽する光絶縁体
４８を設け、該光絶縁体４８と前記インデツクススケー
ル４４の第２及び第３格子１４、１６形成面（図の上
面）を密着させたものである。 第１図において、５０は、前記光源４２、光絶縁体４
８、受光素子４６等が取付けられる基板、５２はリード
線である。又、第２図において、５４は、前記光源４
２、受光素子４６、インデツクススケール４４等が内蔵
され、相対移動する一方の部材５６に取付けられる検出
器、５８は、前記メインスケール４０が固定され、例え
ばねじ６０によつて、相対移動する他方の部材６２に取
付けられる基板である。 前記光絶縁体４８は、例えばゴム製とされ、インデツク
ススケール４４との隙間は、例えば０．２mm以下とされ
ている。本実施例では、この光絶縁体４８が、光源４２
と受光素子４６の間を遮蔽するだけでなく、受光素子４
６の周囲も完全に遮蔽しているので、外乱光の影響も低
減することができる。 前記第１格子１２は、第３図に示す如く、前記メインス
ケール４０の上側面に形成された、ピツチＰ１の縦縞状
目盛からなる。 又、前記第２格子１４及び第３格子１６は、第４図に詳
細に示す如く、複数の線光源を形成するためのピツチＰ
２の第２格子１４が前記インデツクススケール４４の中
央に円形に形成され、その両側に、方向弁別及び電気的
に検出信号を分割するための、位相が互いに９０°づつ
ずれたピツチＰ３のＡ相、Ｂ相、相、相の４つの第
３格子１６が長方形に形成されており、更にその周囲
は、外乱光等の妨害を防止するため、クロム蒸着面６４
とされている。なお、Ａ相、Ｂ相、相、相の配置
は、第４図の例に限定されず、第５図や第６図に示した
ような配置や、更に他の配置とすることができる。又、
方向弁別のみ必要であり、位相分割の必要がない場合に
は、２相とすることもできる。 前記受光素子４６の出力を処理して、９０°位相差を有
するＡ相、Ｂ相の２相の検出信号aを形成するための回
路は、第７図に示す如く、Ａ相、相、Ｂ相、相の各
受光素子４６の出力を増幅するための、抵抗７２Ａ、７
２、７２Ｂ、７２及び演算増幅器７４Ａ、７４、
７４Ｂ、７４と、Ａ相出力と相出力又はＢ相出力と
相出力をそれぞれ差動増幅してＡ相又はＢ相出力とす
るための抵抗７８Ａ、７８、７８Ｂ、７８、８０
Ａ、８０Ｂ、８２Ａ、８２Ｂ及び演算増幅器８４Ａ、８
４Ｂとから構成されている。 この第１実施例においては、第２格子１４のピツチＰ２
を第１格子１２のピツチＰ１より大とすると共に、その
光透過部（明部）の長さを、第１格子１２のピツチＰ１
の長さ以下としているので、第２格子１４を透過した照
明光間の独立性（インコヒーレンシイ）が向上し、検出
信号のＳＮ比も高い。 即ち、第８図に示す概念図において、第２格子１４の明
部１４Ｂ１、１４Ｂ２・・・１４Ｂｎ上には、相互にで
きる限り関係を持たない独立した２次光源を作ることが
望ましい。換言すると、前記明部１４Ｂ１、１４Ｂ２・
・・１４Ｂｎ上に形成される２次光源は、互いにインコ
ヒーレントな２次光源であることが理想的である。とこ
ろが、（１次）光源１８として発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）やランプを使用して第２格子１４を照明すると、明
部１４Ｂ間の間隔が小さい場合には、２次光源を互いに
インコヒーレントにすることが難しく、第１格子１２を
相対移動させた時に、受光素子２０の検出信号のＳＮ比
が悪くなる。そこで、本実施例では、第２格子１４のピ
ツチＰ２を第１格子１２のピツチＰ１より大とすると共
に、その明部１４Ｂの長さを、第１格子１２のピツチＰ
１の長さ以下として、明部１４Ｂ間の間隔を大とし、２
次光源間の独立性を高めている。 即ち、第２格子１４のピツチＰ２は、第１格子１２のピ
ツチＰ１より大きい方が、第１格子１２に照射される光
の拡散（傾斜照明）が大となり、又、第２格子１４の明
部１４Ｂが小さい方が点光源に近くなつて拡散性の高い
光源となるので、第１格子１２のピツチＰ１の長さと等
しいかそれより小さいことが望ましい。このような拡散
性の高い光を第１格子１２に照射することにより、ＤＣ
（直流成分）がＰＰ（信号成分）に比較し大きくなるの
で、ＳＮ比が格段と向上する。 本実施例の幾何学的システムにおいて、これらの関係を
一般式で表わすと、次式 Ｐ２≧２ｍ１・Ｐ１≧Ｐ１……（２） Ｐ３≧２ｎ１・Ｐ１……（３） 第２格子の明部の長さ≦第１格子のピツチの長さ
（Ｐ１）……（４） の関係になるようにそれぞれ設定された場合、幾何学光
的結像関係による格子像を検出することができる。 ここで、ｍ１は１より大きい正の整数、ｎ１は１以上の
正の整数であることがより望ましい。 具体的には、例えば、前記第２格子１４の暗部１４Ａの
長さを６０μｍ、明部１４Ｂの長さを２０μｍ、格子ピ
ツチＰ２を８０μｍとし、第１格子１２の暗部１２Ａの
長さを１０μｍ、明部１２Ｂの長さを１０μｍ、格子ピ
ツチＰ１を２０μｍ、第３格子１６の暗部の長さを２０
μｍ、明部の長さを２０μｍ、格子ピツチＰ３を４０μ
ｍとし、前記格子間隔ｄを、ガラスの屈折率を補正して
空気に換算した場合で、０．７から６mmとすることがで
きる。 次に、本考案を回折効果的システムの反射型変位検出器
に適用した、本考案の第２実施例を説明する。 この第２実施例においても、第１実施例と同じ理由で、
第２格子１４のピツチＰ２を第１格子１２のピツチＰ１
より大とすると共に、その光透過部（明部）の長さを、
第１格子１２のピツチＰ１の長さ以下としている。 この第２実施例の回折効果的システムの場合には、第９
図に示す概念図において、次式 Ｐ２≧ｍ２・Ｐ１≧Ｐ１……（５） Ｐ３≧ｎ２・Ｐ１……（６） 第２格子の明部の長さ≦第１格子のピツチの長さ
（Ｐ１）……（７） の関係になるようにそれぞれ設定された場合、回折効果
的結像関係による格子像を検出することができる。 ここで、ｍ２は１より大きい正の整数、ｎ２は１以上の
正の整数であることがより望ましい。 考案者の実験によると、前記第２格子１４の光遮蔽部１
４Ａの長さと光透過部１４Ｂの長さの最適範囲は、３：
１から７：１であつた。 具体的には、例えば、第２格子１４の暗部１４Ａの長さ
を６０μｍ、明部１４Ｂの長さを２０μｍ、格子ピツチ
Ｐ２を８０μｍ、第１格子１２の暗部の長さを２０μ
ｍ、明部の長さを２０μｍ、格子ピツチＰ１を４０μ
ｍ、第３格子１６の暗部の長さを２０μｍ、明部の長さ
を２０μｍ、格子ピツチＰ３を４０μｍとし、格子間隔
ｄ＝０．５mmとすることができる。 他の構成に関しては、前記第１実施例と同様であるので
説明は省略する。 前記実施例においては、いずれも、３格子システムで反
射式の検出器を実現する際に、単に第１格子１２を反射
型の第１スケール上に形成し、第２（第３）スケール上
の第２格子１４と第３格子１６を共用化するのではな
く、第２格子１４と第３格子１６を第２スケール上の異
なる位置に独立して形成し、更に、第３格子１６を相互
に位相を変えて複数形成することによつて、位相が異な
る複数の受光信号が得られるようにしている。従つて、
反射式検出器であつても、格子ピツチＰ２とＰ３を異な
る値にすることができ、設計の自由度が増大する。又、
任意の３格子システムを反射式検出器で実現でき、透過
式による場合に比べて小型化が可能であり、測定対象部
材への取付けも容易となる。 なお、前記実施例においては、いずれも本考案が、ガラ
ス製のメインスケール４０を含む反射式の変位検出器に
適用されていたが、本考案の適用範囲はこれに限定され
ず、金属製の反射型メインスケールを有する反射式変位
検出器にも同様に適用できることは明らかである。 又、前記実施例においては、いずれも、本考案がリニア
エンコーダに適用されていたが、本考案の適用範囲はこ
れに限定されず、ロータリエンコーダにも同様に適用で
きることは明らかである。
第１図は、本考案に係る光学式変位検出器の第１実施例
の要部構成を示す縦断面図、 第２図は、第１図のII−II線に沿う横断面図、 第３図は、第１実施例の第１格子の形状を示す、第１図
のIII−III線に沿う断面図、 第４図は、同じく第２及び第３格子の配置を示す、第１
図のIV−IV線に沿う断面図、 第５図及び第６図は、同じく第２及び第３格子の他の配
置を示す、第４図と同様の断面図、 第７図は、第１実施例の信号処理回路の基本的な構成を
示す回路図、 第８図は、第１実施例の幾何光学的システムの概念図、 第９図は、第２実施例の回折効果的システムの概念図、 第１０図は、従来の３格子型光学式変位検出器の構成を
示す概念図、 第１１図は、検出信号のＳＮ比の定義を示す線図であ
る。 １２…第１格子（格子ピツチＰ１）、 １４…第２格子（格子ピツチＰ２）、 １６…第３格子（格子ピツチＰ３）、 １８、４２…光源、 ２０、４８…受光素子、 ４０…メインスケール（第１スケール）、 ４４…インデツクススケール（第２スケール）、 ａ…検出信号、 ４８…光絶縁体。
の要部構成を示す縦断面図、 第２図は、第１図のII−II線に沿う横断面図、 第３図は、第１実施例の第１格子の形状を示す、第１図
のIII−III線に沿う断面図、 第４図は、同じく第２及び第３格子の配置を示す、第１
図のIV−IV線に沿う断面図、 第５図及び第６図は、同じく第２及び第３格子の他の配
置を示す、第４図と同様の断面図、 第７図は、第１実施例の信号処理回路の基本的な構成を
示す回路図、 第８図は、第１実施例の幾何光学的システムの概念図、 第９図は、第２実施例の回折効果的システムの概念図、 第１０図は、従来の３格子型光学式変位検出器の構成を
示す概念図、 第１１図は、検出信号のＳＮ比の定義を示す線図であ
る。 １２…第１格子（格子ピツチＰ１）、 １４…第２格子（格子ピツチＰ２）、 １６…第３格子（格子ピツチＰ３）、 １８、４２…光源、 ２０、４８…受光素子、 ４０…メインスケール（第１スケール）、 ４４…インデツクススケール（第２スケール）、 ａ…検出信号、 ４８…光絶縁体。
フロントページの続き (72)考案者 坂上 征司 神奈川県川崎市高津区坂戸165番地 株式 会社ミツトヨ研究開発本部内 (56)参考文献 特開 昭62−150118（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】相対移動する一方の部材に固定される、第
１の格子が形成された反射型の第１スケールと、 相対移動する他方の部材に固定される、平行光線化され
ていない照明光を射出する光源、該光源からの照明光を
一部遮蔽して、前記第１格子を照明するための第２格
子、及び、該第２及び第１格子によつて制限された照明
光を更に制限するための、前記第２格子から独立した第
３格子が形成された第２スケール、及び、前記第１乃至
第３格子によつて制限された照明光を検出する受光素子
とを含み、 該受光素子出力の検出信号の周期的な変動から前記両部
材間の相対変位を検出するようにした反射式の光学式変
位検出器において、 前記第２及び第３格子を、第２スケールの光源及び受光
素子側表面に形成すると共に、 前記光源と受光素子の間、及び、受光素子の周囲に、第
２スケール以外の方向からの光を遮蔽する光絶縁体を設
け、 該光絶縁体と前記第２スケールの第２及び第３格子形成
面を密着させたことを特徴とする光学式変位検出器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1988146873U JPH0617045Y2 (ja) | 1988-11-10 | 1988-11-10 | 光学式変位検出器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1988146873U JPH0617045Y2 (ja) | 1988-11-10 | 1988-11-10 | 光学式変位検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0267219U JPH0267219U (ja) | 1990-05-22 |
| JPH0617045Y2 true JPH0617045Y2 (ja) | 1994-05-02 |
Family
ID=31416762
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1988146873U Expired - Lifetime JPH0617045Y2 (ja) | 1988-11-10 | 1988-11-10 | 光学式変位検出器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0617045Y2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101002073A (zh) * | 2004-07-22 | 2007-07-18 | 株式会社安川电机 | 反射型光检测器 |
| JP5154072B2 (ja) * | 2005-12-06 | 2013-02-27 | 株式会社ミツトヨ | 光電式エンコーダ |
| JP5420715B2 (ja) * | 2012-05-28 | 2014-02-19 | オリンパス株式会社 | 反射型光学式エンコーダー |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62150118A (ja) * | 1985-12-25 | 1987-07-04 | Mitsutoyo Mfg Corp | 光学式変位検出装置 |
-
1988
- 1988-11-10 JP JP1988146873U patent/JPH0617045Y2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0267219U (ja) | 1990-05-22 |
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