JPH068736B2 - 光学式変位検出器 - Google Patents

光学式変位検出器

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JPH068736B2
JPH068736B2 JP4908987A JP4908987A JPH068736B2 JP H068736 B2 JPH068736 B2 JP H068736B2 JP 4908987 A JP4908987 A JP 4908987A JP 4908987 A JP4908987 A JP 4908987A JP H068736 B2 JPH068736 B2 JP H068736B2
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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、2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参照スケールと
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。
【従来の技術】
工作機械の載物台の送り量を測定する場合等において、
相対移動する部材の一方に第1の格子を設けたメインス
ケールを固定し、他方の部材に、第2の格子を設けた参
照スケール及び照明系と受光素子とを含んで構成される
スライダを固定して、前記第1及び第2の格子の相対移
動によって生ずる照明系からの光量の変化を光電変換
し、得られた信号を付属する計数回路でパルス化して計
数することにより相対移動量を測定する光学式変位測定
装置が普及している。 このような測定測置においては、加工精度の向上と共
に、測定分解能をより細分化することが要求されてい
る。従来は、付属する計数回路における補間数を増す方
向での研究が盛んであったが、別の解決策として、検出
信号を生成する光学式変位検出器の中で、光の回折や干
渉等の性質を用いて、光学的にメインスケールの格子ピ
ツチを細分化したピツチの検出信号を出力する、いわゆ
る光学的分割を行う検出器が研究されている。 本出願人も、特願昭61−191532(本件出願後に
特開昭63−47615として公開)において、光学的
分割を行う検出器を提案している。これは、第8図に示
す如く、コヒーレントな照明光を生成するレーザダイオ
ード10及びコリメータレンズ12からなる平行照明系
と、格子ピツチPで高調波成分を含む第1格子16が形
成されたメインスケール14と、自然数mを用いて、P
/mで表現できる格子ピツチQの第2格子20が形成さ
れた参照スケール18と、前記両スケール14、18が
相対移動したときの、前記第1及び第2の格子16、2
0の重なり合いによる前記照明光の光量変化を検出する
受光素子22と、そのプリアンプ24とを含み、ピツチ
P/m(=Q)の検出信号を生成することができるよう
にされている。 従つて、メインスケール14のピツチPに対して光学的
m分割が達成されており、mは任意に大きな自然数とす
ることが可能であることから、原理的には任意の分割数
を得ることができる。
【発明が解決しようとする問題点】
しかしながら、第8図に示したような従来の検出器にお
いては、例えば製造や信号処理を容易とするために、格
子の明部と暗部の比を1対1とすると、分割数mが1
(即ち非分割)又は2となつてしまい、それ以外の中間
の分割数を得ることができないという問題点を有してい
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、格子の明部と暗部の比が略1対1であつても、任
意の分割数が得られ、且つ、格子間隔を極端に狭めるこ
となく、信号のS/N比を良好にすることができる光学
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、コヒーレントな
照明光を生成する平行照明系と、基本ピツチrに3以上
の自然数mを乗じて得られる長さを格子ピッチとし、明
部と暗部の比が略1対1を満足する第1の格子が形成さ
れたメインスケールと、前記基本ピツチrにmによりも
小さな自然数nを乗じて得られる長さを格子ピツチとし
て、明部と暗部の比が略1対1を満足する第2の格子が
形成された参照スケールと、前記両スケールが相対移動
したときの、前記第1及び第2の格子の重なり合いによ
る前記照射光の光量変化を検出する受光素子とを備え、
前記第1及び第2の格子の間隔を、照明光の有効波長を
λとしたとき、kr/λ(kは2以上の整数)とし、前
記基本ピツチに等しいピツチの検出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。
【作用】
以下、第1図乃至第3図を用いて、本発明の基本原理を
説明する。 今、第1図に示す如く、光透過部と遮光部が正確に1対
1である格子ピツチがPの第1格子16(第1図
(A))に、波長λの平行光線が照射されているとす
る。すると、この第1格子16の直後の光の強度分布F
(x)は、第1図(B)に示すような2値関数となる。
この関数F(x)をフーリエ解析すると、定数を除いて
次式のようになる。 F(x)≒1/2+0.6sin(2πx/P) +0.2sin(3・2πx/P) +0.1sin(5・2πx/P) +・・・ ……(1) 従つて、関数(x)には、基本波(第1図(C))の他
に、3次波(第1図(D))、5次波(第1図)
(E))が含まれていることがわかる。なお、この場合
は偶数次の波が含まれていないが、一般には光透過部と
遮光部とは正確に1対1にはならないので、高調波とし
ては偶数次の波も含まれていると考えてよい。 従つて、これらの高調波の1つを選択することができれ
ば、光学的分割が達成できるわけであるが、本出願人の
先の出願である特願昭61−191532では、第2格
子を、選択する高調波のピツチと等しい格子ピツチとし
ている。これに対して本発明では、第2格子においても
高調波成分を用いるようにしている。 即ち、第2図に示す如く、第1格子16の例えば5次波
を用いる場合に、この5次波そのままの像(幾何学的
像、geometric image)のピツチrが、第2格子20の
1次波でなく、例えば3次波のピツチに一致するよう
に、第2格子20の格子ピツチQを設定する。即ち、第
1格子16の格子ピツチPに対して、次式の関係を設定
することにより、光学的5分割が行える。 P=5r, Q=3r ………(2) 従つて、第1格子16の5次のフーリエ成分を、第2格
子20の3次のフーリエ成分で波すると考えればよ
い。この場合には、第1格子16の10次波と第2格子
20の6次波とも一致するが、信号としては微少であ
り、ほとんど無視することができる。 又、この場合の検出信号のS/N比が良好となる格子間
隔vの条件は、次式となる。 vk・r/λ (k=1,2,・・・) ………(3) これはフレネル回折の理論より説明できる。 第3図は、本発明の別の実施態様の原理を示したもの
で、この実施態様では、第1格子16の例えば5次波の
ピツチ2rに対して、第2格子20の3次波のピツチが
rとなるように、格子ピツチP、Qを設定している。即
ち、次式の関係を設定する。 P=10r, Q=3r ……(4) この場合は、第1格子16の5次波のフレネル回折像
に、それ自身のピツチであるピツチ2rの像の他に、ピ
ツチが1/2であるピツチrの像(回折効果像、diffra
ctive image)が重畳されることを利用している。この
像は、格子間隔vがr/λより大きい範囲ではS/N
比が安定しているため、得られる検出信号のS/N比も
格子間隔vによらずほぼ一定となり、格子間隔vの制限
が緩和される。 以上説明した通り、本発明では、参照スケール18上の
第2格子20も高調波成分を使用して第1格子16の高
調波成分を波するため、第2格子20の格子ピツチQ
は大きいままで光学的分割が達成され、参照スケール上
の第2格子のピツチを、得られる検出信号のピツチより
も大きく設定することができる。 又、前記高調波成分を含む第1の格子や第2の格子を、
明部と暗部の比が略1対1の2値格子としたので、格子
の製作が容易である。 更に、前記第1及び第2の格子の間隔を、照明光の有効
波長をλ、前記基本ピツチをrとしたとき、kr/λ
(kは2以上の整数)としたので、格子間隔を極端に狭
めることなく、信号のS/N比を良好とすることができ
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4図に示す如く、コヒーレン
トな照明光を生成するレーザダイオード10及びコリメ
ータレンズ12からなる平行照明系と、基本ピツチrに
3以上の自然数mを乗じた長さmrを格子ピツチPとし
て、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、前記基本ピツチrに前記自然数mよ
り小さな自然数n(mとnとは互いに素)を乗じた長さ
nrを格子ピツチQとして、高調波成分を含む第2格子
20が形成された参照スケール18と、前記両スケール
14、18が相対移動したときの、前記第1及び第2の
格子16、20の重なり合いによる前記平行照明系から
の照明光の光量変化を検出する受光素子22と、そのプ
リアンプ24とを含んで構成されている。 前記第1格子16及び第2格子20は、いずれも光透過
部と遮光部の比が略1対1で、全ての高調波成分を含む
ように形成された2値格子とされている。 この第1実施例においては、第1格子16のm次波(ge
ometric image)と、第2格子20のn次波とが作用し
て、ピツチrの検出信号が得られ、メインスケール14
上の第1格子16のピツチP(=mr)が光学的にm分
割される。 この第1実施例においては、第1格子16の幾何学的像
を利用しているので、第5図に実線Aで示した如く、格
子間隔vがr/λの整数倍近傍であるときに、検出信
号のS/N比(振幅成分/直流成分比)が良好となる。 次に、第6図を参照して本発明の第2実施例を詳細に説
明する。 この第2実施例は、第1実施例と同じ格子ピツチP、Q
を用いて反射型検出器を構成したものであり、メインス
ケール30が、光透過部又は吸光部と反射部からなる第
1格子32が形成された反射型スケールとされると共
に、例えば平行照明系のレーザダイオード10とコリメ
ータレンズ12の間にハーフミラー34が配設され、受
光素子22が該ハーフミラー34による反射光を受光す
るように構成されている点が、前記第1実施例と異な
る。 他の構成及び本発明に係る作用については前記第1実施
例と同様であるので説明は省略する。 次に、第7図を参照して、本発明の第3実施例を詳細に
説明する。 この第3実施例の配置は第1実施例と同じであるが、第
1格子16のピツチPが、基本ピツチrの2m(偶数)
倍とされると共に、第2格子20のピツチQが、基本ピ
ツチrのn倍とされている点が、前記第1実施例と異な
る。 この第3実施例においては、第1格子16のm次波の回
折効果像(実質は2m次波)と、第2格子20のn次波
とが作用して、ピツチr(=P/2m)の検出信号が得
られるので、光学的2m分割が達成される。なお、格子
間隔vに対する検出信号のS/N比は、前出第5図に破
線Bで示した如くとなり、格子間隔vがr/λよりも
大きければ、ほとんど制限がない。 なお、前記実施例においては、いずれも、高調波成分を
含む第1格子16、32及び第2格子20として、明部
と暗部のみからなる2値格子が使用されていたので、格
子の製作が容易である。なお、高調波成分を含む格子の
構成は、これに限定されず、中間的な明度を有する格子
を用いたり、位相格子を用いることもできる。 又、前記実施例においては、いずれも、第2格子20が
1個だけ図示されていたが、実際に検出器を構成する際
には、第2格子として、基本ピツチrを360゜として
90゜位相をずらした格子を設け、対応する受光素子を
付加することにより、90゜位相の異なる2相の検出信
号を得て、相対移動の方向判別等に利用することができ
る。
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、格子の明部と暗部
の比が略1対1であつても、任意の分割数が得られ、且
つ、格子間隔を極端に狭めることなく、信号S/N比を
良好に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図乃至第3図は、本発明に係る光学式変位検出器の
原理を説明するための線図、第4図は、本発明に係る光
学式変位検出器の第1実施例の構成を示す断面図、第5
図は、実施例における格子間隔と検出信号のS/N比の
関係の例を示す線図、第6図は、本発明の第2実施例の
構成を示す断面図、第7図は、本発明の第3実施例の構
成を示す断面図、第8図は、出願人が特願昭61−19
1532で提案した光学式変位検出器の構成を示す断面
図である。 10…レーザダイオード、 12…コリメータレンズ、 λ…波長、 14、30…メインスケール、 16、32…第1格子、 P、Q…格子ピツチ、 r…基本ピツチ、 m、n…自然数、 18…参照スケール、 20…第2格子、 22…受光素子、 v…格子間隔。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】コヒーレントな照明光を生成する平行照明
    系と、 基本ピツチrに3以上の自然数mを乗じて得られる長さ
    を格子ピツチとし、明部と暗部の比が略1対1を満足す
    る第1の格子が形成されたメインスケールと、 前記基本ピツチrにmによりも小さな自然数nを乗じて
    得られる長さを格子ピツチとし、明部と暗部の比が略1
    対1を満足する第2の格子が形成された参照スケール
    と、 前記両スケールが相対移動したときの、前記第1及び第
    2の格子の重なり合いによる前記照明光の光量変化を検
    出する受光素子とを含み、 前記第1及び第2の格子の間隔が、照明光の有効波長を
    λとしたとき、kr/λ(kは2以上の整数)とされ、 前記基本ピツチに等しいピツチの検出信号を生成するこ
    とを特徴とする光学式変位検出器。
JP4908987A 1987-03-04 1987-03-04 光学式変位検出器 Expired - Fee Related JPH068736B2 (ja)

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