JPS6248167B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光電式変位検出装置に係り、特に、
直線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、他方にインデツクススケールを含
む検出器を固定し、メインスケールと検出器の相
対変位量を光電的に読取る光電式変位測定機が知
られている。

この光電式変位測定機においては、通常、透過
型或いは反射型の光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１図に示す如く、ランプ等の光源１
０と、該光源１０から照射された光線を平行光線
とするためのコリメータレンズ１２と、例えばガ
ラス製の基板上に光の透過部１４ａと遮断部１４
ｂが交互に形成されてなるインデツクススケール
１４と、基板上に光の吸収部１６ａと反射部１６
ｂ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によつて反射されインデ
ツクススケール１４を再び透過した光を集光する
集光レンズ１８と、該集光レンズ１８によつて集
められた光を受光する受光素子２０とを有してな
る。前記光源１０、コリメータレンズ１２、イン
デツクススケール１４、集光レンズ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、測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。

このような光電式変位検出装置を備えた光電式
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１６が第１図の矢印Ａ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に測定できる
という特徴を有する。

しかしながら従来は、メインスケール１６とイ
ンデツクススケール１４間の間隙（第１図Ｂ）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とインデツクススケール１
４の相対位置を所定微小値に維持することが困難
であつた。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１０、インデ
ツクススケール１４、受光素子２０等を含む検出
部を、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
物と測定機の間隔にも規制があつた。更に、メイ
ンスケール１６のうねりによるメインスケール１
６とインデツクススケール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、Ｓ／Ｎ比
が小さくなつてしまう。このような傾向は、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、被測定物等の機械的特性の及
ぼす影響は、特に、間隙Ｂを小とする必要がある
高精度測定ほど大である。又、第２図に示す如
く、互いに位相の異なるインデツクススケール１
４ａ〜１４ｄを複数個、例えば４個設けて、受光
波形を分割するようにした場合においては、光軸
がずれると、位相の異なる出力波形間の位相が変
化してしまうため、精度が低下する。

又、従来は、第３図Ａに示す如く、メインスケ
ール１６とインデツクススケール１４が目盛縞の
１周期分（透過部１４ａと遮断部１４ｂの長さの
和、或いは、吸収部１６ａ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。従つて、例えば、所定の参照電圧
Vrefを用いて波形整形した場合の波形は、第３
図Ｂに示す如くとなり、更に、該波形整形された
出力を時間微分した場合の出力は、第３図Ｃに示
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゜ずらしたインデツクスス
ケールを追加し、第３図Ｄに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Ｅに示す如くとなる。従つて、結局、
位相を90゜ずらした出力を用いて、前出第３図Ａ
に示すような出力波形を分割した場合の出力は、
第３図Ｆに示す如くとなる。よつて、例えばイン
デツクススケール１４及びメインスケール１６
の、光の透過部１４ａ及び遮断部１４ｂ、光の吸
収部１６ａ及び反射部１６ｂの幅を、それぞれ４
μｍとした場合には、分割回路を介して得られる
第３図Ｆに示すような出力波形のピツチは２μｍ
となり、これ以上精度を上げることは困難であつ
た。

又、従来の光電式変位検出装置においては、イ
ンデツクススケール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
装置をあまり小型化することができなかつた。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、インデツクススケール１４の目盛縞
の数を増やす必要があり、インデツクススケール
１４が大型化する傾向にあつた。

本発明は、前記従来の欠点を解消するべくなさ
れたもので、前記のような諸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置を提供するこ
とを目的とする。

本発明は、光電式変位検出装置を、波長λ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ための、高さが相
互に（ｎ＋１／４）λ（ｎ＝０、１、２………）
だけ異なり、ビーム幅と略同一幅の第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。

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、受光量を増大さ
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λの単色光からなる、例えば直径４μ
ｍの円形の断面形状を有するレーザービームを、
高さが相互にλ/4だけ異なる、幅４μｍの第１反
射面３０ａ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３０ａと第２反射面３０ｂの両者
にまたがる時は、第４図Ａに示す如く、その反射
光が打ち消し合い、一方、ビーム照射位置が第１
反射面３０ａ或いは第２反射面３０ｂのみにある
時は、第４図Ｂ或いはＣに示す如く、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
は、第５図Ａに示す如く、従来（第３図Ａ）に比
べて、Ｓ／Ｎ比が大きく、しかも、１周期分の相
対移動量で出力波形が２周期分変化するものとな
る。この第５図Ａに示すような出力波形を、参照
電圧Vrefで波形整形した場合の出力波形は、第
５図Ｂに示す如くとなり、更に、これを時間微分
した時の出力波形は、第５図Ｃに示す如くとな
る。従つて、従来と同様に、第５図Ｃに示した波
形に対して、位相を90゜ずらして得られる波形を
考えると、これは第５図Ｄに示す如くとなるの
で、両者を加え合せた場合の出力波形は、第５図
Ｅに示す如くとなる。よつて、結局分割回路で得
られる出力波形は第５図Ｆに示す如くとなり、４
μｍ＋４μｍで８μｍ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。従つて、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
スでよいことになる。又、受光波形のＳ／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、インデツクススケールに
よる光量低下もない。

尚、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、抵抗に
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λの単色
光からなる、断面形状が円形のビームを発生する
レーザダイオード３２と、該レーザダイオード３
２から照射されるレーザビームを、所定サイズ、
例えば直径４μｍ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３２から照射され
たビームを反射するための、高さが、相互にλ/4
だけ異なる、幅４μｍの第１反射面３０ａ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と、該反射形スケールの反射
面３０ａ，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、該集光レンズ３６によ
り集光された反射光を受光する受光素子３８と、
前記レーザダイオード３２、コリメータレンズ３
４、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、該ケース４０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
す如く、まず、ガラス或いはステンレス鋼からな
る基材４２の表面に、例えばクロム層４４を蒸着
し、次いで、該クロム層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、反射率
の良い材料からなる反射膜４６を蒸着することに
よつて形成されている。尚、前記クロム層の厚さ
ｔは、レーザビームの波長λの1/4或いは（ｎ＋
１／４）λ（ｎ＝０、１、２、………）となるよ
うにされている。例えば、半導体レーザの場合、
λ＝0.8μｍ程度であるため、λ/4＝0.2μｍの厚
みでよい。尚、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。従つて、反射膜４６を選択的
に蒸着する必要がなく、全面に蒸着すればよいの
で、製造が容易である。よつて、従来の反射形メ
インスケールより安価に製造できる。

尚、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ための導電体
被膜４８を形成し、その上に、第７図と同様の工
程で、クロム層４４及び反射膜４６を蒸着したも
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、第１反射
面及び第２反射面の幅と略同一としているので、
受光波形のＳ／Ｎ比が特に高く、高精度の測定に
適している。

又、前記実施例においては、反射形スケール３
０に、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、ビームを複数とし、該
ビームの照射位置が同一位相となるようにすれば
よい。この場合には、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つても、
そのバツクアツ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３０を含む全体
をカバーするものであつてもよい。

以上説明した通り、本発明によれば、受光出力
のＳ／Ｎ比を向上できると共に、従来に比べて２
倍の分解能を得ることができる。又、インデツク
ススケールを省略することができるので、インデ
ツ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、インデツクススケールによる光量低
下もなくなる。更に、スケールのうねり、稼動時
の摩擦変動、スケール表面の汚れ等の影響を受け
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、分割回路を用いた
分解能向上も容易である等の優れた効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、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断面図、
第２図は、同じく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ツク
ススケールを示す正面図、第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
線図、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を示す線図、
第５図は、同じく、受光素子の出力波形とその処
理状態を示す線図、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
ールの製造方法を示す工程図、第８図は、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、３０ａ，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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 波長λ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ため
   の、高さが相互に（ｎ＋１／４）λ（ｎ＝０、
   １、２、………）だけ異なり、ビーム幅と略同一
   幅の第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
   動に伴なう受光量の変化から、相対移動の変位量
   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 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項に記載の光電式変位検出装
   置。 ３ 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項又は第２項に記載の光電式変位検出装
   置。 ４ 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項又は
   第２項に記載の光電式変位検出装置。