JPS628489Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、光の干渉を利用した光学式スケール
読取装置に関する。更に詳しくは、振幅基準内挿
法を用いて高分解能化をはかつた光学式スケール
読取装置に関する。

第１図は、本考案の一実施例を示す構成図であ
る。同図において、１１は可干渉性光源である。
該光源としては、例えばレーザ等が用いられる。
１２は、光源１１の出力光を受けるハーフミラー
である。Ｌは、該ハーフミラーの通過光を受ける
レンズである。１３は、反射面及び通過面が等間
隔で並んだ目盛格子をもつスケールである。前記
レンズＬを通過した光は該スケールで反射する
際、多モードの回折光を生じる。１４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。ストツパ１４で阻止されな
かつた±１次回折光は、ハーフミラー１２に入射
する。

１５は、ハーフミラー１２の反射光を受ける衝
立である。該衝立には、図に示すように±１次回
折光が干渉し合つた干渉縞ができる。Ｓは干渉縞
である。d₁〜d₄は、これら干渉縞のうち、干渉縞
S₁と干渉縞S₂間に在つてそれぞれ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等が用いられる。
Ａ〜Ｄは、それぞれの受光素子d₁〜d₄の電気信号
出力を受けるバツフア増幅器である。１６は、こ
れら各相のバツフア増幅器の出力を受けて、前記
スケール１３の移動距離に対応した正弦波及び余
弦波を出力する制御器である。１７は、制御器１
６の出力を受けて、前記受光素子d₁〜d₄の受ける
光量が一定となるように、光源１１を駆動する駆
動回路である。

１８は、該制御器の正弦波及び余弦波出力を受
けてこれら両波をそれぞれ全波整流して三角波を
合成するとともに前記全波整流出力から基準電圧
を合成する合成回路である。１９は、該合成回路
の基準電圧出力を受けて、該基準電圧を数段階に
分けて正確に分圧する分圧回路である。分圧回路
としては例えば抵抗分圧による方法が考えられる
がこれに限る必要はなく、他の方法でもよい。２
０は、該分圧回路の分圧出力と前記合成回路の三
角波出力を受ける比較器である。２１は、該比較
器の出力を受けて前記スケール１３の移動距離及
び進行方向に対応したパルスを出力する演算回路
である。該演算回路からは正転方向を示すパルス
と逆転方向を示すパルスがそれぞれ出力される。
このように構成された装置の動作を以下に説明す
る。（なお合成回路１８、分圧回路１９、比較器
２０、演算回路２１等から構成される内挿手段に
ついては、例えば精密機械44巻５号（1978年５
月）14頁を参照） 光源１１から発射された光は、ハーフミラー１
２に入射する。該ハーフミラーでは一部が反射し
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、続くスケ
ール１３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１３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１４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１図の破線
で示す光は＋１次モード光を、一点鎖線で示す光
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１２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１５に干渉縞
Ｓを生じさせる。互いに隣り合つた干渉縞S₁及び
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る。

今、光源１１から光が照射されている状態で、
スケール１３を或る方向に移動させたとする。こ
のとき、受光素子d₁〜d₄に入力する光は周期的な
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、これら受光素子の出力はそれぞ
れ90゜ずつ位相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。バツフア増幅器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。これらバツフア増幅器のそれぞれの
出力をＰ_A，Ｐ_B，Ｐ_C，Ｐ_Dとする。

制御器１６は、これらＰ_A〜Ｐ_D出力を受けて前
記スケール１３の移動距離に対応した周波数の正
弦波と余弦波を発生する。発生された正弦波はそ
のＱ出力から、余弦波はQ′出力から出力され
る。合成回路１８は、これら両出力を受けてそれ
ぞれを全波整流する。しかる後、これら全波整流
出力のうちの一方、例えば余弦波の方の全波整流
出力を反転して他方に加える。前記正弦波及び余
弦波の周期をλとすると、前記操作により周期
λ／２の三角波を合成することができる。該三角
波は、合成回路１８のQ₁出力から出力される。

一方、前記合成回路１８は、前記それぞれの全
波整流出力から直流の基準電圧をつくつている。
この基準電圧発生回路としては、安定な基準電圧
を発生させるものであれば如何なる方式であつて
もかまわない。該基準電圧は、合成回路１８の
Q₂出力から出力される。分圧回路１９は、合成
回路１８からの基準電圧を受ける。該基準電圧
は、分圧回路１９で数段階に例えば20ステツプの
電圧に分圧される。この20ステツプの基準電圧
は、前記三角波を20段階に等分割したときの各分
割点における電圧と同じ値に設定されている。

比較器２０は、分圧回路１９の各分圧出力をそ
の一方に、合成回路１８からの三角波電圧を他方
の入力に受ける。三角波はその内部で20分割さ
れ、前記分圧電圧の対応するステツプの電圧とそ
れぞれ比較される。ここで、三角波電圧が基準電
圧よりも大きいときは“１”を、小さいときは
“０”をそれぞれの各ステツプに対する出力端子
から出力する。これら出力されたパルスは続く演
算回路２１に入力する。演算回路２１は、比較回
路２０のパルス出力を受けて論理演算処理を行
う。その内容は、スケール１３の移動方向を弁別
することと、スケール１３の移動距離に応じたパ
ルスをつくることである。その出力端子OUT１
には正転パルスが、OUT２には逆転パルスがそ
れぞれ出力される。

例えば、スケール１３が右方向に移動したとき
を正転に、左方向に移動したときを逆転にそれぞ
れ対応づけておく。このように定義しておくと、
スケールが右方向に移動したときには、OUT１
から移動距離に応じたパルスが出力される。逆に
OUT２からパルスが出力された場合は、スケー
ルが左方向に移動したことを示している。これら
パルスを計数することによりスケール読取装置を
実現することができる。なお、基準電圧を前述し
たように20分割したとき、演算回路２１から出力
される内挿パルスは、周期λが例えば80分割され
たものにすることができる。即ち、この場合、分
解能が80倍に向上したことを示す。以上、基準電
圧を20分割した場合を例にとつて説明したが、20
分割に限る必要はなく、他の例えば10分割等であ
つてもかまわない。

第２図は、本考案の他の実施例を示す図であ
る。同図において、第１図と同一のものは同一の
番号を付して示す。第２図に示す実施例では、ス
トツパ１４の代わりに絞り２０を設けて−１次モ
ード光を阻止している。絞り２０は、第１図に示
すストツパ１４よりも位置決めが容易である。第
２図に示す実施例の場合、０次モード光と＋１次
モード光とで干渉縞をつくり出している。同図に
おいて、実線が０次モード光、破線が＋１次モー
ド光である。以上、−１次モード光を阻止する場
合について説明したが、＋１次モード光を阻止す
るようにしてもよい。このとき、干渉縞は０次モ
ード光と−１次モード光との間に生じる。

第１図、第２図では受光素子が４個の場合につ
いて説明したが、これら受光素子の数は４個に限
る必要はなく、少くとも２個あればスケールの移
動距離に対応した出力を得ることができる。ま
た、上述した第１図および２図の装置において、
レンズＬの焦点距離をｆ、スケールピツチをｄ、
レンズ・フオトダイオード間距離をｚ、レンズ・
スケール間距離をｈ、レンズと光源の結像点の間
の距離をＨとすると、干渉縞ピツチＰは次式で表
わされる。

Ｐ＝ｄ｛２（ｚ−ｆ）ｈ −（ｚ−ｆ）Ｈ＋zf｝／｛ｆ（ｈ−Ｈ）｝ …(1) すなわち、干渉縞ピツチＰはスケールピツチｄ
を｛２（ｚ−ｆ）ｈ−（ｚ−ｆ）Ｈ＋zf｝／｛ｆ
（ｈ−Ｈ）｝倍だけ拡大したものとなる。(1)式にお
いて、条件式 Ｈ＝fz／（ｆ−ｚ） …(2) を満足するように構成すると(1)式の干渉縞ピツチ
Ｐは Ｐ＝2d（ｚ−ｆ）／ｆ …(3) となり、ｈの値に無関係となる。

以上、説明した装置の長所を列記すると以下の
通りである。

(1) 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。このようにして生じた正確な位相の
ずれに基づいて、元の正弦波を正確に等分割し
たパルス信号を得ることができ、これを計数す
ることにより、より高分解能のスケールを用い
た場合と同様の効果を簡単な構成で得ることが
できる。

(2) 比較回路が入力する分圧出力と三角波出力
を、共に受光素子の出力に関連する同一の信号
からつくつているので、スケール部分の出力す
なわち正弦波の出力振幅が変化しても、合成回
路１８の出力Q₁とQ₂とが等しい比率で変化す
るので三角波電圧は常に正確に等分割され、高
精度の内挿を行うことができる。

(3) 干渉縞Ｓの位置は、レンズＬとスケール１３
間の距離ｈが変化しても動かない。したがつて
ｈの許容差を大きくとることができるので装置
の寸法精度にさほど注意を払う必要がなくな
る。この結果高速動作も可能となる。

(4) 干渉縞は冗長性があるので、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。

(5) レンズL1つで照射と干渉を行なわせること
ができ、また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。

(6) スケールピツチの２倍の分解能が得られるの
で感度がよい。

(7) スケール上の目盛格子のピツチ（例えば20μ
ｍ）に対して干渉縞の間隔が拡大される（例え
ば0.1〜0.2mm）ので衝立のスリツトの製作が容
易である。また、拡大率が大きいので、レン
ズ・フオトダイオード間距離ｚが比較的小さく
ても大きなピツチＰが得られ、小型化が容易で
ある。

(8) 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。

(9) 構成が簡単なので調整が容易である。

以上、詳細に説明したように、本考案によれば
スケール等の位置決め精度が問題とならず、分解
能の高い光学式スケール読取装置を簡単な構成で
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構成図、第
２図は他の実施例を示す構成図である。 １１……可干渉性光源、１２……ハーフミラ
ー、１３……スケール、１４……ストツパ、１５
……衝立、１６……制御器、１７……駆動回路、
１８……合成回路、１９……分圧回路、２０……
比較回路、２１……演算回路、Ｌ……レンズ、
Ｓ，S₁，S₂……干渉縞、d₁〜d₄……受光素子、Ａ
〜Ｄ……バツフア増幅器、OUT１，OUT２……
出力端子。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 可干渉性光源と、該光源の光出力を受けるハ
   ーフミラーと、該ハーフミラーの透過光を受け
   るレンズと、該レンズの通過光である収束球面
   波を受ける反射面及び透過面が等間隔で並んだ
   目盛格子をもつスケールと、該スケールの反射
   回折光のうち第１の特定モード回折光を阻止す
   る阻止手段と、前記ハーフミラーを反射した第
   ２の特定モード回折光により生じた干渉縞を受
   けて該干渉縞に対してそれぞれ90゜ずつ位相を
   ずらして配された少くとも２個以上の受光素子
   と、該受光素子のそれぞれの出力を受けて前記
   スケールの移動距離に対応した正弦波及び余弦
   波を発生する制御器と、該制御器の正弦波及び
   余弦波出力を受けてこれら両波を全波整流して
   三角波を合成するとともに前記全波整流出力か
   ら基準電圧を合成する合成回路と、該合成回路
   の基準電圧出力を受けて該基準電圧を正確に分
   圧する分圧回路と、該分圧回路の出力および前
   記合成回路の三角波出力を受ける比較回路と、
   該比較回路の出力を受けて前記スケールの移動
   距離及び進行方向に対応したパルスを出力する
   演算回路とにより構成されてなる光学式スケー
   ル読取装置。 (2) 前記阻止手段としてストツパを用いることに
   より前記第１の特定モード回折光が０次モード
   に、前記第２の特定モード回折光が±１次モー
   ドになるようにしたことを特徴とする実用新案
   登録請求の範囲第１項記載の光学式スケール読
   取装置。 (3) 前記阻止手段として絞りを用いることにより
   前記第１の特定モード回折光が±１次モード回
   折光のうちいずれか一方のモードに、前記第２
   の特定モード回折光が０次モード及び±１次モ
   ードのうち前記絞りで阻止されなかつた方のモ
   ードになるようにしたことを特徴とする実用新
   案登録請求の範囲第１項記載の光学式スケール
   読取装置。