JPH07888Y2 - 光学式変位検出器 - Google Patents
光学式変位検出器Info
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- JPH07888Y2 JPH07888Y2 JP1988130027U JP13002788U JPH07888Y2 JP H07888 Y2 JPH07888 Y2 JP H07888Y2 JP 1988130027 U JP1988130027 U JP 1988130027U JP 13002788 U JP13002788 U JP 13002788U JP H07888 Y2 JPH07888 Y2 JP H07888Y2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/36—Forming the light into pulses
- G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
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Description
本考案は、光学式変位検出器に係り、特に、反射式の光
学式変位検出器に関するものであつて、従来では周期的
な格子を３種類形成した２枚（２枚のうち、１枚を２種
類で共用し、２格子を用いながら、都合、あたかも３種
類（３格子）としたもの）とされると考えられるものの
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格子型の光学式変位
検出器に関するものである。
学式変位検出器に関するものであつて、従来では周期的
な格子を３種類形成した２枚（２枚のうち、１枚を２種
類で共用し、２格子を用いながら、都合、あたかも３種
類（３格子）としたもの）とされると考えられるものの
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11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 grating sy
stem）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 Amer
ica,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11図は、Society of Photo-Optical Instrumentation
Engineers（SPIE）,Vol.136,1st European Congress o
n 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11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14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３格子1
2、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、前記各パタメータ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、ｌ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＝20μｍ、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P1＝40
μｍ、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12
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＝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1
4.7％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＝40μ
ｍ、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
があつた。
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11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 grating sy
stem）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 Amer
ica,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11図は、Society of Photo-Optical Instrumentation
Engineers（SPIE）,Vol.136,1st European Congress o
n 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11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14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３格子1
2、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、前記各パタメータ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、ｌ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＝20μｍ、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P1＝40
μｍ、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12
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＝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1
4.7％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＝40μ
ｍ、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
があつた。
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、特に、反射式の光学式変位検出器の場合にあつ
て、同一スケール（インデツクススケール）上に形成さ
れることになる第２格子と第３格子のピツチP2、P3を異
なる大きさとすることができ、設計の自由度が高い反射
式の光学式変位検出器を提供することを第１の課題とす
る。 本考案は、又、SN比の充分に高い検出信号を得ることが
でき、従つて、高精度な測定が可能な光学式変位検出器
を提供することを第２の課題とする。
ので、特に、反射式の光学式変位検出器の場合にあつ
て、同一スケール（インデツクススケール）上に形成さ
れることになる第２格子と第３格子のピツチP2、P3を異
なる大きさとすることができ、設計の自由度が高い反射
式の光学式変位検出器を提供することを第１の課題とす
る。 本考案は、又、SN比の充分に高い検出信号を得ることが
でき、従つて、高精度な測定が可能な光学式変位検出器
を提供することを第２の課題とする。
本考案は、特に、反射式の光学式変位検出器において、
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格子と独立した、位相が互いに異なる複
数の第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それぞれ検
出する複数の受光素子とを備え、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
するようにして、前記第１の課題を達成したものであ
る。 更に、この様な反射式の光学式変位検出器において、前
記第２格子のピツチを第１格子のピツチより大とすると
共に、その光透過部の長さを第１格子のピツチの長さ以
下とすることによつて、前記第１の課題を達成すると共
に、前記第２の課題をも達成したものである。
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格子と独立した、位相が互いに異なる複
数の第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それぞれ検
出する複数の受光素子とを備え、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
するようにして、前記第１の課題を達成したものであ
る。 更に、この様な反射式の光学式変位検出器において、前
記第２格子のピツチを第１格子のピツチより大とすると
共に、その光透過部の長さを第１格子のピツチの長さ以
下とすることによつて、前記第１の課題を達成すると共
に、前記第２の課題をも達成したものである。
特に３格子システムで反射式の検出器を実現する場合、
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
化したのでは、格子ピツチP2＝P3となつてしまい、P2と
P3を異なる大きさにすることができない。 そこで、本考案では、第１図の如く、特に第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
するようにしている。これによつて、位相が異なる複数
の受光信号が得られるようにしたものである。 このような構成とすることによつて、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。 又、本考案においては、前記のような３格子システムの
光学式変位検出器において、第１格子を照明するための
第２格子のピツチP2を第１格子のピツチP1より大とする
と共に、その光透過部（明部）の長さを、第１格子のピ
ツチP1の長さ以下としている。従つて、第２格子を透過
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比が高くなる。よつて、後段の信号処
理が容易となり、高精度の変位検出が可能となる。 即ち、第１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
（LED）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、本考案では、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P1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た
ものである。 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
るのである。 本考案において、これらの関係を一般式で表すと P2≧（（ｕ＋ｖ）/v）・m1・P1≧P1 ……（１） P3≧（（ｕ＋ｖ）/u）・n1・P1 ……（２） 第２格子の明部の長さ≦第１格子のピツチの長さ
（P1） ……（３） ｕ＝ｖ＝ｄ ……（４） （反射式の場合） 又は ｖ＝luP1 2／（λｕ−ｌP1 2） ……（５） （透過式の場合） 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く、ｌ≧１の自然数であ
る。 更に、 P2≧（（ｕ＋ｖ）/v）・m2・P1/2≧P1 ……（６） P3≧（（ｕ＋ｖ）/u）・n2・P1/2 ……（７） 第２格子の明部の長さ≦第１格子のピツチの長さ
（P1） ……（８） ｕ＝ｖ＝ｄ ……（９） （反射式の場合） 又は ｖ＝luP1 2／（λｕ−ｌP1 2） ……（10） （透過式の場合） 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
奇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14A
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。 又、考案者の実験によれば、前記幾何光学的にシステム
で、第１図に示す如く、第１格子12の格子ピツチP1＝20
μｍ（明部12Bの長さ＝暗部12Aの長さ＝10μｍ）、第２
格子14の格子ピツチP2＝80μｍ（従来法の２倍で、且つ
明部14Bの長さ20μｍ、暗部14Aの長さ60μｍ）、第３格
子16の格子ピツチP3＝40μｍ（明部の長さ＝暗部の長さ
＝20μｍ）、格子間隔ｕ＝ｖ≒5mmとした11個の試料に
ついて、前記従来例と同様にSN比を測定したところ、最
低で25％、最高で35％、平均30.4％となり、前記従来例
の約２倍に向上していることが確認できた。 又、前記回折効果的システムで、第２図に示す如く、第
１格子12の格子ピツチP1＝40μｍ（明部12Bの長さ＝暗
部12Aの長さ＝20μｍ）、第２格子14の格子ピツチP2＝8
0μｍ（従来法の２倍で、且つ明部14Bの長さ20μｍ、暗
部14Aの長さ60μｍ）、第３格子16の格子ピツチP3＝40
μｍ（明部の長さ＝暗部の長さ＝20μｍ）、格子間隔ｕ
＝ｖ≒5mmとした場合についても、前記幾何光学的シス
テムの場合とほぼ同様のデータが得られた。
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
化したのでは、格子ピツチP2＝P3となつてしまい、P2と
P3を異なる大きさにすることができない。 そこで、本考案では、第１図の如く、特に第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
するようにしている。これによつて、位相が異なる複数
の受光信号が得られるようにしたものである。 このような構成とすることによつて、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。 又、本考案においては、前記のような３格子システムの
光学式変位検出器において、第１格子を照明するための
第２格子のピツチP2を第１格子のピツチP1より大とする
と共に、その光透過部（明部）の長さを、第１格子のピ
ツチP1の長さ以下としている。従つて、第２格子を透過
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比が高くなる。よつて、後段の信号処
理が容易となり、高精度の変位検出が可能となる。 即ち、第１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
（LED）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、本考案では、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P1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た
ものである。 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
るのである。 本考案において、これらの関係を一般式で表すと P2≧（（ｕ＋ｖ）/v）・m1・P1≧P1 ……（１） P3≧（（ｕ＋ｖ）/u）・n1・P1 ……（２） 第２格子の明部の長さ≦第１格子のピツチの長さ
（P1） ……（３） ｕ＝ｖ＝ｄ ……（４） （反射式の場合） 又は ｖ＝luP1 2／（λｕ−ｌP1 2） ……（５） （透過式の場合） 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く、ｌ≧１の自然数であ
る。 更に、 P2≧（（ｕ＋ｖ）/v）・m2・P1/2≧P1 ……（６） P3≧（（ｕ＋ｖ）/u）・n2・P1/2 ……（７） 第２格子の明部の長さ≦第１格子のピツチの長さ
（P1） ……（８） ｕ＝ｖ＝ｄ ……（９） （反射式の場合） 又は ｖ＝luP1 2／（λｕ−ｌP1 2） ……（10） （透過式の場合） 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
奇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14A
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。 又、考案者の実験によれば、前記幾何光学的にシステム
で、第１図に示す如く、第１格子12の格子ピツチP1＝20
μｍ（明部12Bの長さ＝暗部12Aの長さ＝10μｍ）、第２
格子14の格子ピツチP2＝80μｍ（従来法の２倍で、且つ
明部14Bの長さ20μｍ、暗部14Aの長さ60μｍ）、第３格
子16の格子ピツチP3＝40μｍ（明部の長さ＝暗部の長さ
＝20μｍ）、格子間隔ｕ＝ｖ≒5mmとした11個の試料に
ついて、前記従来例と同様にSN比を測定したところ、最
低で25％、最高で35％、平均30.4％となり、前記従来例
の約２倍に向上していることが確認できた。 又、前記回折効果的システムで、第２図に示す如く、第
１格子12の格子ピツチP1＝40μｍ（明部12Bの長さ＝暗
部12Aの長さ＝20μｍ）、第２格子14の格子ピツチP2＝8
0μｍ（従来法の２倍で、且つ明部14Bの長さ20μｍ、暗
部14Aの長さ60μｍ）、第３格子16の格子ピツチP3＝40
μｍ（明部の長さ＝暗部の長さ＝20μｍ）、格子間隔ｕ
＝ｖ≒5mmとした場合についても、前記幾何光学的シス
テムの場合とほぼ同様のデータが得られた。
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５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P1の第１格子
12が図の下側面に形成された第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、前記メインスケール40上の第１格子12を照明するた
めのピツチP2の第２格子14と、前記第２及び第１格子1
4、12によつて制限された照明光を更に制限するため
の、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、共用化された第２及
び第３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、前記光源42からの照
明光を通過するための開口46Aが形成された開口部材46
の図の下側に、前記第３格子16と対応して固定された受
光素子48を含んでいる。 前記第１格子12は、第６図に示す如く、前記メインスケ
ール40の下側面に形成された、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７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P2の第
２格子14が前記インデツクススケール44の中央に形成さ
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50とされている。なお、Ａ相、Ｂ相、
相、相の配置は、第７図の例に限定されず、第８図
や第９図に示したような配置や、更に他の配置とするこ
とできる。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48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10図に示す如く、Ａ相、相、Ｂ相、相の各受
光素子48の出力を増幅するための、抵抗52A、52、52
B、52及び演算増幅器54A、54、54B、54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58A、58
、58B、58、60A、60B、62A、62B及び演算増幅器64
A、64Bとから構成されている。 この第１実施例においては、幾何光学的システムである
ので、前記第２格子14の暗部14Aの長さが60μｍ、明部1
4Bの長さが20μｍ、格子ピツチP2が80μｍとされ、第１
格子12の暗部12Aの長さが10μｍ、明部12Bの長さが10μ
ｍ、格子ピツチP1が20μｍ、第３格子16の暗部の長さが
20μｍ、明部の長さが20μｍ、格子ピツチP3が40μｍと
され、前記格子間隔ｕ＝ｖ＝ｄは、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とされてい
る。 この第１実施例により得られる検出信号のSN比を実験的
に求めたところ、既に説明したようにSN比が平均で30.4
％となり、対応する構成の従来例の場合の約２倍に向上
していることが確認できた。 次に、本考案の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実施例においては、第２格子14の暗部14Aの長
さが60μｍ、明部14Bの長さが20μｍ、格子ピツチP2が8
0μｍ、第１格子12の暗部の長さが20μｍ、明部の長さ
が20μｍ、格子ピツチP1が40μｍ、第３格子16の暗部の
長さが20μｍ、明部の長さが20μｍ、格子ピツチP3が40
μｍとされ、格子間隔ｕ＝ｖ＝ｄ＝0.5mm以上とされて
いる。 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。 この第２実施例においても、前記第１実施例と同様に、
SN比が対応する従来例の約２倍程度に上昇していること
が確認できた。 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５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P1の第１格子
12が図の下側面に形成された第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、前記メインスケール40上の第１格子12を照明するた
めのピツチP2の第２格子14と、前記第２及び第１格子1
4、12によつて制限された照明光を更に制限するため
の、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、共用化された第２及
び第３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、前記光源42からの照
明光を通過するための開口46Aが形成された開口部材46
の図の下側に、前記第３格子16と対応して固定された受
光素子48を含んでいる。 前記第１格子12は、第６図に示す如く、前記メインスケ
ール40の下側面に形成された、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７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P2の第
２格子14が前記インデツクススケール44の中央に形成さ
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50とされている。なお、Ａ相、Ｂ相、
相、相の配置は、第７図の例に限定されず、第８図
や第９図に示したような配置や、更に他の配置とするこ
とできる。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48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10図に示す如く、Ａ相、相、Ｂ相、相の各受
光素子48の出力を増幅するための、抵抗52A、52、52
B、52及び演算増幅器54A、54、54B、54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58A、58
、58B、58、60A、60B、62A、62B及び演算増幅器64
A、64Bとから構成されている。 この第１実施例においては、幾何光学的システムである
ので、前記第２格子14の暗部14Aの長さが60μｍ、明部1
4Bの長さが20μｍ、格子ピツチP2が80μｍとされ、第１
格子12の暗部12Aの長さが10μｍ、明部12Bの長さが10μ
ｍ、格子ピツチP1が20μｍ、第３格子16の暗部の長さが
20μｍ、明部の長さが20μｍ、格子ピツチP3が40μｍと
され、前記格子間隔ｕ＝ｖ＝ｄは、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とされてい
る。 この第１実施例により得られる検出信号のSN比を実験的
に求めたところ、既に説明したようにSN比が平均で30.4
％となり、対応する構成の従来例の場合の約２倍に向上
していることが確認できた。 次に、本考案の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実施例においては、第２格子14の暗部14Aの長
さが60μｍ、明部14Bの長さが20μｍ、格子ピツチP2が8
0μｍ、第１格子12の暗部の長さが20μｍ、明部の長さ
が20μｍ、格子ピツチP1が40μｍ、第３格子16の暗部の
長さが20μｍ、明部の長さが20μｍ、格子ピツチP3が40
μｍとされ、格子間隔ｕ＝ｖ＝ｄ＝0.5mm以上とされて
いる。 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。 この第２実施例においても、前記第１実施例と同様に、
SN比が対応する従来例の約２倍程度に上昇していること
が確認できた。 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、幾何光学的システムの光学式変位検出器に本
考案を適用した例を示す概念図、 第２図は、回折効果的システムに本考案を適用した例を
示す概念図、 第３図は、アレイ状光源を用いた例を示す概念図、 第４図は、アレイ状受光素子を用いた例を示す概念図、 第５図は、本考案に係る光学式変位検出器の実施例の要
部構成を示す断面図、 第６図は、前記実施例の第１格子の形状を示す、第５図
のVI-VI線に沿う断面図、 第７図は、同じく第２及び第３格子の配置を示す、第５
図のVII-VII線に沿う断面図、 第８図及び第９図は、同じく第２及び第３格子の他の配
置を示す、第７図と同様の断面図、 第10図は、前記実施例の信号処理回路の基本的な構成を
示す回路図、 第11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12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）、14A……暗部、14B……明部、16……第３
格子（格子ピツチP3）、18、42……光源、20、48……受
光素子、30……アレイ状光源、32……アレイ状受光素
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、第３スケール）、ａ……検
出信号。
考案を適用した例を示す概念図、 第２図は、回折効果的システムに本考案を適用した例を
示す概念図、 第３図は、アレイ状光源を用いた例を示す概念図、 第４図は、アレイ状受光素子を用いた例を示す概念図、 第５図は、本考案に係る光学式変位検出器の実施例の要
部構成を示す断面図、 第６図は、前記実施例の第１格子の形状を示す、第５図
のVI-VI線に沿う断面図、 第７図は、同じく第２及び第３格子の配置を示す、第５
図のVII-VII線に沿う断面図、 第８図及び第９図は、同じく第２及び第３格子の他の配
置を示す、第７図と同様の断面図、 第10図は、前記実施例の信号処理回路の基本的な構成を
示す回路図、 第11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12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）、14A……暗部、14B……明部、16……第３
格子（格子ピツチP3）、18、42……光源、20、48……受
光素子、30……アレイ状光源、32……アレイ状受光素
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、第３スケール）、ａ……検
出信号。
Claims (2)
- 【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格子と独立した、位
相が互いに異なる複数の第３格子が形成された第２スケ
ール、及び、前記第１乃至各第３格子によつて制限され
た照明光をそれぞれ検出する複数の受光素子とを備え、 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ことを特徴とする反射式の光
学式変位検出器。 - 【請求項２】請求項１記載の光学式変位検出器におい
て、前記第２格子のピツチを第１格子のピツチより大と
すると共に、その光透過部の長さを第１格子のピツチの
長さ以下としたことを特徴とする反射式の光学式変位検
出器。
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1988130027U JPH07888Y2 (ja) | 1988-02-22 | 1988-10-04 | 光学式変位検出器 |
| IN118/CAL/89A IN171487B (ja) | 1988-02-22 | 1989-02-08 | |
| US07/308,465 US5026164A (en) | 1988-02-22 | 1989-02-10 | Optical encoder |
| DE3904898A DE3904898C2 (de) | 1988-02-22 | 1989-02-17 | Optischer Kodierer |
| GB8903837A GB2216256B (en) | 1988-02-22 | 1989-02-20 | Optical encoder. |
| CN89101853.0A CN1015407B (zh) | 1988-02-22 | 1989-02-22 | 光学编码器 |
| US07/634,545 US5067816A (en) | 1988-02-22 | 1990-12-27 | Optical encoder |
| GB9121237A GB2247313B (en) | 1988-02-22 | 1991-10-04 | Optical encoder. |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63-22031 | 1988-02-22 | ||
| JP2203188 | 1988-02-22 | ||
| JP1988130027U JPH07888Y2 (ja) | 1988-02-22 | 1988-10-04 | 光学式変位検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01180615U JPH01180615U (ja) | 1989-12-26 |
| JPH07888Y2 true JPH07888Y2 (ja) | 1995-01-11 |
Family
ID=26359189
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1988130027U Expired - Lifetime JPH07888Y2 (ja) | 1988-02-22 | 1988-10-04 | 光学式変位検出器 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5026164A (ja) |
| JP (1) | JPH07888Y2 (ja) |
| CN (1) | CN1015407B (ja) |
| DE (1) | DE3904898C2 (ja) |
| GB (1) | GB2216256B (ja) |
| IN (1) | IN171487B (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19701941B4 (de) * | 1996-01-23 | 2016-01-14 | Mitutoyo Corp. | Optischer Codierer |
Families Citing this family (47)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US5204524A (en) * | 1991-03-22 | 1993-04-20 | Mitutoyo Corporation | Two-dimensional optical encoder with three gratings in each dimension |
| US5198663A (en) * | 1991-04-03 | 1993-03-30 | Mitutoyo Corporation | Angular velocity sensor with displacement scale and sensor means |
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| US5390022A (en) | 1992-04-07 | 1995-02-14 | Canon Kabushiki Kaisha | Displacement information detection apparatus for receiving a divergent light beam |
| DE4391632C2 (de) * | 1992-04-09 | 2002-05-02 | Mitutoyo Corp | X-Y-Tischvorrichtung |
| JPH06160114A (ja) * | 1992-11-26 | 1994-06-07 | Ono Sokki Co Ltd | エンコーダ |
| JPH06194123A (ja) * | 1992-12-24 | 1994-07-15 | Canon Inc | 変位検出装置 |
| JP3210111B2 (ja) * | 1992-12-24 | 2001-09-17 | キヤノン株式会社 | 変位検出装置 |
| JP3005131B2 (ja) * | 1992-12-28 | 2000-01-31 | キヤノン株式会社 | 変位検出装置 |
| US5652426A (en) * | 1993-04-19 | 1997-07-29 | Ricoh Company, Ltd. | Optical encoder having high resolution |
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| JP3196459B2 (ja) * | 1993-10-29 | 2001-08-06 | キヤノン株式会社 | ロータリーエンコーダ |
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| JPH08178702A (ja) * | 1994-12-27 | 1996-07-12 | Canon Inc | 光学式センサ |
| JP3808516B2 (ja) * | 1994-12-27 | 2006-08-16 | シグマテック株式会社 | 位置決め装置 |
| DE19527287C2 (de) * | 1995-07-26 | 2000-06-29 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Fotoelektrisches Weg- und Winkelmeßsystem zum Messen der Verschiebung zweier Objekte zueinander |
| US5955727A (en) * | 1996-09-10 | 1999-09-21 | Harmonic Drive Systems, Inc. | Optical encoder having a shade layer made from photosensitive material |
| JP3429961B2 (ja) * | 1996-11-05 | 2003-07-28 | 株式会社ミツトヨ | 光学式エンコーダ |
| DE19726935B4 (de) * | 1997-06-25 | 2014-06-12 | Dr. Johannes Heidenhain Gmbh | Optische Positionsmeßeinrichtung |
| DE19754595B4 (de) | 1997-12-10 | 2011-06-01 | Dr. Johannes Heidenhain Gmbh | Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung |
| EP1028309B1 (de) | 1999-02-04 | 2003-04-16 | Dr. Johannes Heidenhain GmbH | Optische Positionsmesseinrichtung |
| DE19918101A1 (de) * | 1999-04-22 | 2000-10-26 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Optische Positionsmeßeinrichtung |
| US6279248B1 (en) | 1999-09-22 | 2001-08-28 | Central Purchasing, Inc. | Digital measuring system having a multi-row encoder disk |
| JP4658452B2 (ja) * | 2003-02-07 | 2011-03-23 | オリンパス株式会社 | 光学式エンコーダ |
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