JPS6234244Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、記録ペンの位置検出に光学式スケー
ル読取器を用いて高速、高精度の位置検出ができ
るようにしたＸ−Ｙプロツタに関する。

従来のＸ−Ｙプロツタの位置検出には、ステツ
ピングモータのモータ軸に取付けられたシヤフト
エンンコーダ等が用いられている。このような方
式では、モータの回転はギア若しくはベルト等を
介して伝達されペンヘツドを移動させる。従つ
て、途中の伝達機構の誤差がそのままペンヘツド
の位置誤差になつてしまうので高精度な位置決め
が不可能である。

本考案は、このような点に鑑みてなされたもの
で、非接触の光学式スケール読取器を用いること
により高速動作を可能ならしめかつ高精度のＸ−
Ｙプロツタを実現したものである。以下、図面を
参照して本考案を詳細に説明する。

第１図は、本考案の一実施例を示すＸ−Ｙプロ
ツタの全体を示す図である。１は、それ自身がＸ
軸方向に移動する移動軸である。２は、移動軸１
に沿つて摺動自在の第１の光学式スケール読取器
（以下単に応取器と略す）である。３は、該読取
器に取付けられた記録ペンである。読取器２は、
記録ペン３のＹ軸方向即ち移動軸１方向の位置を
検出する。４は、読取器２と対向して配されかつ
移動軸１の軸方向（Ｙ軸方向）に沿つて取付けら
れている第１のスケールである。該スケールは、
透過部と反射部がそれぞれ等間隔に並んだ格子状
をなしている。５は、移動軸１のＸ軸方向の位置
を検出する第２の読取器である。６は、該第２の
読取器と対向して配されかつＸ軸方向に沿つて取
付けられた第２のスケールである。

このように構成されたＸ−Ｙプロツタにおい
て、Ｘ軸方向の位置信号Ｐ_X、及びＹ軸方向の位
置信号Ｐ_Yが外部より与えられて、記録ペン３は
Ｐ_X信号及びＰ_Y信号に対応した位置で停止する。
以上の動作を回路図を参照して、詳しく説明す
る。

第２図は、本考案の一実施例を示す構成図であ
る。第１図に示すと同一のものは、同一の番号を
付して示す。同図において、１０はＸ方向読取器
２のパルス信号出力を受けてＹ方向の位置信号に
変換する第１の変換器である。１１は、該変換器
１０のＹ方向位置信号とＹ方向の外部設定信号Ｐ
_Yとを受ける第１の比較器である。１２は、該比
較器の出力を受けて記録ペン３をＹ軸方向に移動
させる第１のサーボ系である。

１３は、Ｘ方向読取器５のパルス信号出力を受
けてＸ方向の位置信号に変換する第２の変換器で
ある。１４は、該変換器のＸ方向位置信号とＸ方
向の外部設定信号Ｐ_Xとを受ける第２の比較器で
ある。１５は、該比較器１４の出力を受けて移動
軸１をＸ軸方向に移動させる第２のサーボ系であ
る。このように構成された回路の動作を以下に説
明する。

先ず最初は、記録ペン３を所定の位置に置き初
期値化する。このとき、読取器２，５の内容は０
にセツトされる。次に、コンピユータ等の外部装
置から、Ｘ方向の位置信号Ｐ_X，Ｐ_Yを第１及び第
２の比較器１１，１４に入力する。変換器１０、
比較器１１及びサーボ系１２とで構成される第１
のサーボループは、比較器１１の出力が０になる
ように記録ペン３を移動させる。同じく、変換器
１３、比較器１４及びサーボ系１５とで構成され
る第２のサーボループは、比較器１４の出力が０
になるように移動軸１を移動させる。第１及び、
第２の比較器１１，１４の出力が０になつた状態
で、記録ペン３は停止する。この停止した位置が
（Ｐ_X，Ｐ_Y）に対応した位置となつている。停止
した後、記録ペン３は記録紙上に記録をする。又
は、移動の間記録する。

以後、次の外部設定信号（Ｐ_X，Ｐ_Y）が入力さ
れるたびごとに、記録ペン３はＸ−Ｙ平面を移動
し所望の記録を行わせることができる。

第３図は、上記した読取器の具体的な構成を示
す図である。同図において、２１は可干渉性光源
である。該光源としては例えば半導体レーザが用
いられる。２２は、光源２１の光出力を受けるハ
ーフミラーである。Ｌは、該ハーフミラーの透過
光を受けるレンズである。２３は、前述したスケ
ールである。該スケールには、反射面と透過面が
等間隔で並んでいる。

レンズＬを通過した光は収束球面波となつたの
ち、該スケールで反射する際、多モードの回折光
を生じる。２４は、これら多モードの回折光のう
ち、０次モードの光を阻止するストツパである。
２５は、ハーフミラー２２の反射光を受ける衝立
である。Ｓは、該衝立に生じた干渉縞である。
S₁，S₂は、これら干渉縞のうち互いに隣接して生
じた干渉縞である。d₁乃至d₄は、これら干渉縞間
にそれぞれ90゜ずつ位相をずらして配置された受
光素子である。受光素子としては、例えばフオト
ダイオードが用いられる。

Ａ乃至Ｄは、前記受光素子d₁〜d₄の出力を受け
るバツフア増幅器である。２６は、該バツフア増
幅器のそれぞれの出力Ｐ_A〜Ｐ_Dを受けて、前記ス
ケール２３の移動距離及び移動方向を示す信号を
出力する制御器である。該制御器は、前記した信
号の他に受光素子d₁〜d₄の信号出力に対応した制
御信号も出力している。２７は、この制御信号出
力を受けて、該制御信号の値が一定となるように
前記光源２１を駆動する駆動回路である。OUT
１は、スケール２３の移動距離に対応した信号を
出力する出力端子である。OUT２は、スケール
２３の移動方向を示す信号を出力する出力端子で
ある。このように構成された装置の動作を以下に
説明する。

光源２１から発射された光は、続くハーフミラ
ー２２で一部が反射し残りは通過する。この通過
した光は、続くレンズＬによつて集光される。集
光された光は、収束球面波となつてスケール２３
に入射し入射した光の一部は反射する。このと
き、スケール２３は反射形の回折格子として働
き、光が反射する際に０次から±ｎ次（ｎは整
数）までの多モードの回折が生じる。これら多モ
ード回折光のうち、０次モード光即ち単なる反射
光はストツパ２４によつて阻止される。回折した
反射光は、再びレンズＬによつて集光される。こ
のとき、該レンズの開口比を適当に選んでおけ
ば、±２次モード光以上の光の通過を阻止するこ
とができる。

従つて、レンズＬを通過する光は±１次モード
光のみとなる。第３図の破線で示す光は＋１次モ
ード光を、一点線で示す光は−１次モード光を示
す。この±１次モード光は、続くハーフミラー２
２で一部が反射する。反射した光は互いに干渉し
合つて衝立２５に干渉縞Ｓを生じさせる。互いに
隣り合つた干渉縞S₁，S₂に配置された受光素子d₁
〜d₄は光の明暗に応じた電気信号を発生させてい
る。

今、光源２１から可干渉性の光が照射されてい
る状態で、スケール２３を或る方向に移動させた
とする。このとき、受光素子d₁〜d₄に入力する光
は、スケールの格子ピツチと対応したピツチの周
期的明暗を生じる。これら受光素子は、前述した
ようにそれぞれ90゜ずつ位相がずれた位置に取り
つけられているので、その出力はそれぞれ90゜ず
つ位置のずれた正弦波となる。これら出力は、そ
れぞれ続くバツフア増幅器Ａ〜Ｄに入力する。Ａ
〜Ｄは入力信号を適当な信号レベルに増幅すると
ともにインピーダンス変換を行う。

制御器２６は、増幅器Ａ〜Ｄの出力Ｐ_A〜Ｐ_Dを
受けて出力端子OUT１に（Ｐ_A−Ｐ_C）に対応し
たパルスを出力する。OUT１から出力されるパ
ルスの数は、スケール２３の移動距離に対応した
ものとする。また、制御器２６の他の出力端子
OUT２からは、（Ｐ_A−Ｐ_C）と（Ｐ_B−Ｐ_D）の位
相差を利用してスケール２３の移動方向を示す信
号が出力される。該信号の出力形式としては、例
えばスケールが右方向に移動したとき“０”に、
左方向に移動したとき“１”にそれぞれ対応させ
ることが考えられる。或いはこの逆でもよい。出
力端子OUT１及びOUT２からの両出力を利用す
ることにより、本装置を光学式スケール読取器と
して利用することができる。

第３図では、０次光を阻止するためにストツパ
を用いたが、例えば絞りを用いて＋１次モード光
或いは−１次モード光のいずれか一方を阻止する
ようにしてもよい。このような方法を採ると、干
渉縞は０次モード光と＋１次モード光、或いは０
次モード光と−１次モード光との間に生じる。

第３図の読取器によれば、受光素子の配置によ
つて出力信号の位相をずらせており、しかもスケ
ール上の目盛格子のピツチに対して干渉縞の間隔
がレンズにより拡大されるので、正確に90゜異な
る位相のずれを実現するのが容易である。また衝
立のスリツトの製作も容易である。

また、上記のレンズの拡大率が大きいので、レ
ンズ・フオトダイオード間距離が比較的小さくて
も大きな干渉縞ピツチが得られ、装置全体の小型
化が容易である。

またレンズL1つで照射と干渉を行なわせるこ
とができ、さらにハーフミラーを用いることによ
り、部品の点数を少なくし、構成を簡単にするこ
とができる。したがつて、小型でシンプルな装置
が実現できる。構成が簡単なので調整も容易であ
る。

また干渉縞は原理的に冗長性があるので、スケ
ール上に多少のごみ、ほこりあるいは傷があつて
も測定誤差とならない。

また阻止手段が、スポツトに集光した点で遮光
するのでストツパなどが小さくて済み遮光が容易
である。

ここで上記読取器の動作の理解を容易にするた
め、以下に干渉縞の形成原理や縞の移動原理等に
ついて補足説明する。以下の説明ではスケールが
移動しているが、スケールが静止して読取器が移
動する場合も同様である。

(A) スケール上で生じる回折について スケール２３にレーザ光Ciが角度θｏで入射
すると、第４図に示すように回折する。Coは０
次回折光を、C₊は１次回折光を示す。図でスケ
ールの（読取器に対する相対的な）移動方向をｘ
軸とし、スケール面と垂直方向をｙ軸としてい
る。このとき入射角θｏと回折角θｄの関係は sinθｏ＋sinθｄ＝ｍλ／ｄ …(4) を満たしている。ただしｍ＝０，±１，±２…、
λ：光の波長、ｄ：スケールピツチである。した
がつて、０次回折光Coについてはｍ＝０より θｄ＝−θｏ …(5) が成立ち、＋１次回折光Ｃ＋についてはｍ＝１よ
り sinθｏ−sinθ_＋＝λ／ｄ …(6) の関係が成立つ。ただしθ_＋は＋１次回折光Ｃ＋
の回折角である。

(B) スケール移動に伴う位相変化について 第５図に示すようにスケール２３がｘだけ移動
したとき、＋１次回折光Ｃ＋に着目すると、入射
光Ciが観測面５１に達するまでの距離は、入射
光Ciが反射面５２に達する距離がxsinθｏだけ増
し、反射面５２から観測面５１に達する距離が
xsinθ_＋だけ減少する。これに伴う観測面での位
相変化△φ_＋は △φ_＋＝kx（sinθｏ−sinθ_＋） （ただしｋ＝２π／λ） となる。これに(6)式の関係を代入すると △φ_＋＝kxλ／ｄ ＝２πｘ／ｄ …(7) 同様に０次回折光Coの位相変化は △φｏ＝０ …(8) となり、−１次回折光C_-の位相変化は △φ₋＝−２πｘ／ｄ …(9) となる。

(C) 収束球面波の影響 スケール２３に入射する収束球面波に対して局
所的に(A)(B)の議論が全て成立つので、各回折光は
第６図のように３つの点に集光する。ここで
po，p₊，p_-はそれぞれ０次，＋１次，−１次回折
光の集光点である。この場合、さらに高次の回折
光による集光点もできるが、それらがスケールヘ
ツド内には入らないように構成できる。

また厳密にいえば、＋１次回折光および−１次
回折光について(4)の条件式をあてはめると、１点
には集光せず収差がでるが、０次と±１次の集光
点の間隔をあまり広げなければ問題にならない。

(D) 干渉縞の形成について（第７図） (C)で説明した集光点po，p₊，p_-はそれぞれ点
光源と同様に再び拡散し、レンズＬを介して光束
（拡散光でも収束光でもよい）が重畳する部分で
互いに干渉を起こす。ここでは理解の容易のた
め、ハーフミラー２２を省略して考える。また−
１次回折光をストツパで取除いて、０次回折光と
＋１次回折光によつて生じる干渉縞について考え
る。スケールヘツドの受光素子面上の点Ｐに達す
る光の電界はそれぞれ Eo＝Aocos（ωｔ＋φｏ−kro） E₊＝A₊cos（ωｔ＋φ_＋−kr₊） となる。

ただしAo：０次回折光の電界の振幅 A₊：＋１次回折光の電界の振幅 ro：０次回折光の集光点poから点Ｐまで
の光路長 r₊：＋１次回折光の集光点p₊から点Ｐま
での光路長 これらの重ね合せによる干渉縞は ＝｜Eo＋E₊｜^２ ＝_naxcos²〔（φｏ−φ_＋）／２＋△／２〕 ここで＋１次回折光の集光点p₊の虚像ｐυを
考えると △＝ｋ（ro−r₊） ＝２πDsinθ／λ またｙ≒roθよりθ＝ｙ／ro ∴△≒２πDy／λro ∴＝_naxcos² 〔（φｏ−φ_＋）／２＋πDy／λro〕…(10) したがつてｙ方向にピツチλro／Ｄで明暗を繰返
す干渉縞となる。スケールをｘだけ動かしたとき
のφｏ，φ_＋の変動はそれぞれ(8)(7)式より△φｏ
＝０，△φ_＋＝２πｘ／ｄであるから、(10)式より ＝_naxcos²〔｛φｏ−（φ_＋ ＋２πｘ／ｄ）｝／２＋πDy／λro〕 ＝_naxcos²〔（φｏ−φ_＋）／２ −πｘ／ｄ＋πDy／λro〕 となる。したがつて前記干渉縞はｘ＝ｄを周期と
して移動する。

ストツパで０次回折光を除去して±１次回折光
による干渉縞を考えると、同様に ＝_naxcos² 〔（φ_＋−φ₋）／２＋２πDy／λro〕 となり、ピツチはλro／2Dと半分となる。スケ
ールを移動したときは、△φ_＋＝２πｘ／ｄ，△
φ₋＝−２πｘ／ｄであるから、 ＝_naxcos²〔（φ_＋−φ₋）／２ −２πｘ／ｄ＋２πDy／λro〕 となり、ｘ＝ｄ／２を周期として移動する。

以上、詳細に説明したように、本考案によれば
非接触の光学式スケール読取器を用いることによ
り高速動作を可能ならしめかつ高精度のＸ−Ｙプ
ロツタを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案の一実施例を示す図である。
第２図は、本考案の一実施例を示す構成図であ
る。第３図は、光学式スケール読取器の具体的な
一構成例を示す図、第４図〜第７図は読取器の動
作の基本原理を説明する図である。 １……移動軸、２，５……光学式スケール読取
器、４，６，２３……スケール、１０，１３……
変換器、１１，１４……比較器、１２，１５……
サーボ系、２１……可干渉性光源、２２……ハー
フミラー、２４……ストツパ、２５……衝立、２
６……制御器、２７……駆動回路、Ｌ……レン
ズ、d₁〜d₄……受光素子。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. Ｘ軸方向に摺動自在の移動系と、それに記録ペ
   ンが取付けられてＹ軸方向に摺動自在の移動系
   と、これら一対の移動系のそれぞれに対して前記
   各方向の移動距離を測定する一対の測定手段を具
   備するＸ−Ｙプロツタにおいて、前記測定手段と
   して可干渉性光源と、該光源の光出力を受けて収
   束球面波を回折格子状をなすスケールに照射する
   レンズと、前記スケールの反射回折光のうち特定
   のモードの回折光を阻止する阻止手段とを備え、
   所定モードの回折光の干渉縞を電気的パルス信号
   に変換し該パルス信号を演算処理して前記記録ペ
   ンの移動距離及び移動方向を求めるようにした光
   学式スケール読取器を用いたことを特徴とするＸ
   −Ｙプロツタ。