JPS58135405A - 光電式変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光電式変位検出装＃に係り、特に、直ａ変位
測定機に用いるのに好適な、光電式変位検出装置の改良
に関する。

一般に、物体の長さ等を測定する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
イダー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
ッ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ｇｋを光電的に読取る光電式変位測
足機が知られている。

この充電式変位測定機においては、通常、透過型或いは
反射型の充電式変位検出装置が用いられており、このう
ち反射型の光電式変位検出装置は、例えば第１１￥ｌ示
す如く、ランプ郷の光源１０と、骸光渾１０から照射さ
れた光線を平行光線とする友めのコリメータレンズ１２
と１例えばガラス製の基板上に光の透過部１４ｍと遮断
部１４ｂが交互に形成されてなるインデックススケール
１４と、基板上に光の吸収ｓ１６＆と反射部１６ｂが交
互に形成されてなるメインスケール１６と、メインスケ
ール１６によって反射されインデックススケール１４を
再び透過した光を集光する集光レンズ１Ｂと、核集光レ
ンズ１８によって集められた光を受光する受光索子２０
とを有してなる。前記光ａｌｌ　Ｏ，コリメータレンズ
１２、インデックススケール１４、集光１／ンズ１８、
受光素子２０は、例えば略密閉構造のケースに固定され
、一方、メインスケール１６は、その先端が測定対象に
当接され、ＩＩ定対象の変位と共に往復動するスピンド
ル等と連動して往復動するようにされている。

このような充電式変位検出装置を備えた充電式変位測定
機によれば、測定対象の変位に応じてメインスケール１
６が第１図の矢印入方向に変位すると、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
化からメインスケール１６とケ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Ｋ　＃
Ｊ定できるとい５４Ｉ黴を有する。

しかしながら従来は、メインスケール１６とインデック
ススケール１４間の間！Ｉ（第１図ＭＳ）を極めて微小
な所定値に維持する必要があり、間隙調整が面倒である
だけでなく、完全な非接触状態でメインスケール１６と
インデックススケール１４の相対位置を所定微小値に維
持することが困難であった。この間隙変化は、精度低下
に直結するものであるだけでなく、スケールの往復動に
際し摩擦変動があると、戻り誤差を生じる原因となる。

又、このような理由から、光源１Ｇ、インデックススケ
ール１４、受光素子２０等を含む検出Ｓｔ、メインスケ
ール１６と直結される被測定物から離れた位置に配設す
ることができず、被測定物と測定様の間隔にも規制があ
った。更に、メインスケールＩＢのうねりによるメイン
スケール１６とインデックススケール１４間の平行度及
び傾斜度の変化により、出力波形が変化し、８／Ｎ比が
小さくなってしまう。とのよ５な傾向は、特に、長大ス
ケールの場合に顕著である。前記のような、両スケール
、被測定物郷の機械的特性の及ぼす影４１は、特に、間
隙Ｂを小とする必要がある高精度Ｉｌｌ定はど大である
。又、第２図に示す如く、互いに位相の異なるインデッ
クススケール１４ａ〜１４ｄ′ｔ−複数個、例えば４個
設けて、受光波形を分割するよ５１Ｃした場合において
は、光軸がずれると、位相の異なる田力波形間の位相が
変化してしまうため、精度が低下する。更に、インデッ
クススケールを複数個設けた場合は、光量を均等化する
必要があり、光量を均等化する作業により、受光量が必
要量得られなくなってしまうことがあるので、更に、増
幅Ｉｉ！を追加する必要がある勢の多くの実用上の欠点
を有していた。

又、従来は、第３図（ム）Ｋ示す如く、メインスケール
１６とインデックススケール１４が目盛続のＩＷＲ期分
（透過部１４ａとＩＩＩ断部１４ｂの長ブの和、或いは
、吸収部１６＆と反射部１６ｂの長さの和）だけ相対移
動した時の受光量の変化が１周期となる。従って、例え
ば、所定の参照電圧Ｖｒ＠ｆ　ｖｔ用いて波形整形した
場合の波形１１　、第３図（Ｂ）Ｋ示す如（七なり、更
に１該波形極形された出力を時間微分した場合の出力は
、第ａｍｌ　（Ｃ）Ｋ示す如くとなる。今、分解能を向
上して測定精度を高めるため、位相を９０’すらし光イ
ンデックススケールを追加し、第８　＠　ＣＤ）Ｋ示す
ようなその出力と、第３図（Ｃ）に示すような前記出力
を加え合せると、第３図（１）Ｋ示す如くとなる。従っ
て、結局、位相を９０°すらし友出力を用いて、前出筒
３ｒＩ！Ｊ（ム）Ｋ示すような出力波形を分割し大場合
の出力は、第３図（Ｆ）に示す如くとなる。よって、例
えばインデックススケール１４及びメインスケール１６
の、光の、透過Ｉｔ　１４　ｍ及びｊｌＩ！ｌＲｓ１４
ｂ１先の吸収部１６ｍ及び反射部１６ｂの幅を、それぞ
れ４　ｐｍとした場合には、分割回路を介して得られる
第３図（Ｆ）Ｋ示すような出力波形のピッチは２＃購と
なり、これ以上精Ｋを上げる。

ことは困−であった。

又、従来の光電式変位検出装置においては、インデック
ススケール１４とメインスケール１６という２個のスケ
ールを必要としたため、変位検出装置ＩＩをあまり小型
化することができなかった。特に、受光量が小である場
合には、必要受光量を確保するため、インデックススケ
ール１４の目盛縞の数を増やす必要があり、インデック
ススケール１４が大型化する傾向にあった。

本発明は、前記従来の欠点を解消するべ（なされたもの
で、前記のような猪問題点を解消することができ、しか
も、分解能を従来の２倍に向上することができる光電式
変位検出装＃を提供することを目的とする。

本発明は、光電式変位検出装置を、波長入の単色光から
なる□ビームを発生する光源と、咳光源から照射京れた
ビームを反射するための、高さが相互にｎ　＋　４　（
ｎ　＝０　＊　１　＊　２−・・・・・・）だけ異なる
第１反射面と第２反射面が交互に形成これてなる反射形
スケールと、該反射形スケールの反射面により反射され
た光を受光する受光素子とを用いて構成し、光源及び受
光素子と反射形スケールとの相対移動に伴なう受光量の
変化から、相対移動の変位量を検出するようにして、前
記目的を達成したものである。

又、前記ビームの幅を、前記第１反射面及び第２反射面
の幅と同一とするよ５Ｋして、受光波形の処理を容易と
したものである。

更に、前記ビームの断面形状を円形としたものである。

又、前記ビームを複数とし、該ビームの照射位置が同一
位相となるようにして、受光量を増大上せたものである
。

或いは、前記光源及び受光素子を複数組設け、前記ビー
ムの照射位置が、互いに所定の位相差を有するようにし
て、受光波形の分割が容易に行なえるようにしたもので
ある。

以下、第４図及び第５図を参照して、本発明の原理を詳
細に説明する。

今、波長入の単色光からなる、例えば直径４ｔｓｗｈの
円形の断面形状ｔ＊するレーザビームを、高さａと第２
反射面３０ｂが、長手方向に交互に形成されてなる反射
形スケール３０に略垂直方向から照射した場合を考える
と、ビーム照射位置が第１反射面３０ｍと第２反射１ｉ
３０ｂの両者Ｋｔたがる時は、第４図（ム）に示す如く
、その反射光が打ち消し合い、一方、ビーム照射位−が
第１反射面３０ｍ或いは第２反射面３０ｂのみにある時
は、第４図（１）或いは（Ｃ）に示す如（、全反射され
るので、反射光を受光する受光素子の受光波形蚤言、第
５図（ム）に示す如く、従来（第２図（ム））に比べて
、８／Ｎ比が大きく、シかも、１周期分の相対移動量で
出力波形が２ｗＲ期分変化するものとなる。この第５図
（ム）Ｋ示すような出力波形を、参照電圧Ｖｒ＠ｆで波
形整形した場合の出力波形は、第５図（１）に示す如（
となり、更に、これを時間微分した時の出力波形は、第
５図（Ｃ）ｔＣ示す如くとなる。従って、従来と同＊に
、第Ｓ図（Ｃ’）Ｋ示した波形に対して、位相を９００
ずらして得られる波形を考えると、これを１第Ｓ図（Ｄ
）Ｋ示す如くとなるので、両者を加え合せえ場合の出力
波形は、第５図（１）Ｋ示す如くとなる。よって、結局
分割回路で得られる出力波形は第５図ＣＦ）Ｋ示す如く
となり％　４Ｊｌｌｌ＋４ｊ１ｍｌで８声講を有する１
周期分の長さ゛が、従来の４分割に比べて２倍の８分割
されたこととなる。従って、同一の縞幅とすれば、従来
に比べて２倍の分解能を得ることができ、一方、従来と
同一の分解能でよい場合には、半分のスペースでよいと
とになる。又、受光波形の８／Ｎ比が大きいので、スケ
ール表面の汚れ等による反射率の低下にも強い、更に、
インデックススケールによる光量低下もない。

賞、前記説明においては、受光波形を微分により分割す
るものについて説明していたが・疵抗により分割する場
合でも同様である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明す
る。

本実施例は、第６図に示す如く、波長人の単色光からな
る、断面形状が円形のビームを発生する１／−ザダイオ
ード３２と、咳レーザダイオード３２から照射されるレ
ーザビームを、所定サイズ、例えば直径４ｐｍとするた
めのコリメータレンズ３４と、前記レーザダイオード３
２から照射されけ異なる、幅４μ票の第１反射面３０ｍ
と第２反射１１ｉ３０ｂが長平方向に交互に形成されて
なる反射形スケール３０と、誼反射形スケールの反射面
３０ｍ、３０ｂにより反射された光を集光するための集
光レンズ３６と、骸集光レンズ３６により集光された反
射光を受光する受光素子３８と、前記１ノ−ザダイオー
ド３２、コリメータレンズ３４゜集光レンズ３６及び受
光素子３８を収容するケース４０とを備え、皺ケース４
０と前記反射形スケール３０との相対移動量の変化に伴
なう受光量の変化から、相対移動の変位量を検出するよ
うにしたものである。

前記反射形スケール３０は、例えば第７図に示す如＜、
マず、ガラス或いはステンレス鋼からなる基材４２の表
面に１例えばクロム層４４を蒸着し、次いで、骸り四五
層４４を反射面の幅に対応させてエツチングし、更に、
その表面に１反射率の良い材料からなる反射膜４６を蒸
着することによって形成されている。岡、前記り四ム層
の厚さ１　　　　２ ０言、レーザビームの波長λのｉ或いはｍ　＋　４　（
１＝０．１．２．・・・・・・）となるようにされてい
る０例えば、半導体レーザの場合ｂ　　’　＝Ｏ−８ｐ
−１１度であるため、λ ７＝０．２／１ｍの厚みでよい　＠１一般的に、蒸着厚
さの精度は±５−であるので、性能的には問題を生じる
ことはない。

この反射形スケール３０の製造においては、従来の反射
形メインスケールに比べて、吸収部を形成する必要がな
い。従って、反射膜４６を選択的に蒸着する必要がな（
、全面に蒸着すればよいので、製造が容易である。よっ
て、従来の反射形メインスケールより安価に製造できる
。

伺、反射形スケール３０の構成は第７図に示すものに限
定されず、例えば第８図に示す如く、ガラス或いはステ
ンレス鋼からなる基材４２の上に。

まずクロム蒸着等を容易にする九めの導電体被膜４Ｂを
形成し、その上に、第７図と同様の工程で、クロム層４
４及び、反射膜４６を蒸着し友ものを用いることも勿論
可能である。

本実施例においては、ビームの幅を、＃１１反射面及び
第２反射面の幅と略同−としているので、受光波形の８
／Ｎ比が％に高く、高精度の測定に遺している。伺、ビ
ームの幅は、これに限定されず、内反射面に渡って照射
できるものであれば、第１反射面及び第２反射面の幅と
は異なるものとすることも勿論可能である。

又、前記実施例においては、反射形スケール３０に１単
一ビームを照射するようにしていたが、受光素子３８で
得られる受光出力が不足する場合には、第９図に示す如
く、ビームを複数とじ１鋏ビームの照射位置が同一位相
となるようＫすればよい、仁の場合には、反射面の一部
形状或いは反射率に不良があり、単一の反射面のみから
では良好な反射光が得られないような場合であっても、
そのバックアップを行なうことができる。或いは、光源
及び受光素子を複数組設け、前記ビームの照射位置が、
第１０図に示す如く、互いに所定の位相差を有するよう
にして、従来と同様に分解能を向上させることもできる
。

更に、前記実施例においては、ケース４０が、レーザダ
イオード３２、コリメータレンズ３４、集光レンズ３６
、受光素子３８をカバーするようにされていたが、反射
形スケール３０ｔ−含む全体をカバーするものであって
もよい。

以上説明した通り、本発明によれば、受光出力の８７Ｎ
比を向−ヒできると共に、従来に比べて２倍の分解能を
得ることができる。又、インデックススケールを省略す
ることができるので、インデックススケールとメインス
ケール間の間隙調整が不要となり、インデックススケー
ルによる光量低下もなくなる・更に、スケールの５ねり
、稼動時の摩擦変動、スケール表面の汚れ等の影脅を受
けることがなく、小型化も容易である。又、スケールの
製造が容易である。更に、分割回路管用いた分解能向上
も容易である勢の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図ｅ’！、反射形スケールが用いられた従来の光電
式変位検出装置の原理的構成を示すｌ！！ｒ面図、第２
艙１は、同じ（従来の光電式変位検出装置で用いられて
いる位相分割のための複数のインデックススケールを示
す正面図、＃；３図は、従来例における受光素子の出力
波形及びその処理状態を示す＠図、第４図は、本発明に
係る光電式変位検出装置の原理を説明するための、反射
形スケールに対するビーム照射位置と反射光の関係管示
す線図、＄５図は、同じ（、受光素子の出力波形とその
処理状態を示す＠図、第６図は、本発明に係る光電式変
位検出装置の実施例の構成を示す斜視図、第７図は、前
記実施例で用いられている反射形スケ−〜の製造方法を
示す工程図；第８１１は、反射形スケールの変形例を示
す断面図、第９図は、前記・実施例の変形例におけるビ
ーム照射位置を示す、反射形スケールの正面図、第１０
図は、前記実施例の他の変形例におけるビーム照射位置
を示す、反射形スケールの平面図である。 ３０・・・反射形スケール、３０　ｍ　−３０ｂ・・・
反射面、３２・・・レーザダイオード、３４・・・コリ
メータレンズ、３６・・・集光レンズ、３８・・・受光
素子。 代理人　　高　矢　　　論 （ほか１名） 第４５ｊ。 （Ａ）　　　　　　　　　　　　　　　（Ｂ）　　　　
　　　　　　　　　　　＜Ｃ）＃７７　図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）波長入の単色光からなるビームを発生する光源と
   、該光源から照射されたビームを反射するけ異なる第１
   反射面と第２反射面が交互に形成されてなる反射形スケ
   ールと、該反射形スケールの反射面により反射された光
   を受光゛する受光素子とを備え、光源及び受光素子と反
   射形スケールとの相対移動に伴なう受光電の変化から、
   相対移動の変位策を検出するようにしたことを特徴とす
   る光電式変位検出装置。
2. （２）前記ビームの幅が、前記第１反射面及び第２反射
   面め幅と同一とされている特許請求の範囲第１項に記載
   の光電式変位検出装置。
3. （３）前記ビームの断面形状が円形とされている特許請
   求の範囲第１項又は第２項に記載の光電式％式％
4. （４）前記ビームが複数とされ、該ビームの照射位置が
   同一位相となるようにされている特許請求の範囲第１項
   乃至第３項のいずれか一項に記載の光電式変位検出装置
   。
5. （５）前記光源及び受光素子が複数組設けられ、前記ビ
   ームの照射位置が、互いに所定の位相差を有するように
   されている特許請求の範囲第１項乃至第３項の（・ずれ
   か−項に記載の光電式変位検出装置。