JPS6363917A

JPS6363917A - 光学式変位検出器

Info

Publication number: JPS6363917A
Application number: JP20855586A
Authority: JP
Inventors: Soji Ichikawa; 宗次市川
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 1986-09-04
Filing date: 1986-09-04
Publication date: 1988-03-22
Also published as: JPH0521486B2

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】【産業上の利用分野】

本発明は、光学式変位検出器に係り、特に、二つの部材
の相対位置を、光学的な格子の形成されたメインスケー
ルと対応する光学的な格子を形成したインデックススケ
ールとの相対変位によって止する光電変換信号の変化か
ら検出ザる光学式変位検出器の改良に関するものである
。

【従来の技術】

工作機械や測定機などの分野において、第８図に示す如
く、相対移動する部材の一方に第１の格子１６を設けた
メインスケール１４を固定し、他方の部材に、第２の格
子２０を設けたインデックススケール１８、例えば光源
１０及びコリメータレンズ１２から構成される照明手段
及び例えば受光索子２２から構成される光重変換手段を
有−ｄるスライダを固定して、第１の格子１６と第２の
格子２０との相対移動によって生ずる光間変化を光電変
換し、１９られた信号を付属する計数回路で補間及びパ
ルス化して計数することにより変位量を測定する光学式
変位検出器ｄが昔及している。このような測定Ｈｆａにおいては、例えばインデックス
スケール１８に設けられた第２の格子２２は、第８図に
示した如く、位相０”　、９０’　、１８０°、２７０
°の区分けが施されてＪ３す、プリアンプ２４Ａ、２４
Ｂｒ差初増幅することによって、メインスケール１４の
Ｘｈ向への変位にス４応して、はぼＡｓ１ｎθ、ＡＣＯ
３θで近似できる２相の検出信号が得られるようにされ
ている。このような測定装置においては、加工技術の高度化と共
に、測定分解能をより細分化することが要求されており
、メインスケール１４の第１の格子１６の格子ピッチＰ
が小さくなりつつある。従来、格子ピッチＰは２０μｌ
程度であったが、最近は１０μｍ以下の仕様が要求され
ている。高分解能化に有利な検出器として、メインスケールの第
１の格子のピッチＰに対して、得られる検出信号のピッ
チｔがＰ／２などＰを細分化したものである、いわゆる
光学的分割を行う検出器が提案されている。本出願人は先に、メインスケール上の第１の格子のピッ
チＰ１インデックススケール上の第２の格子のピッチＰ
／（２ｎ）（ｎは２以上の整数）のときに、検出信号と
してピッチＰ／（２ｎ）の信号がｉ５）られる検出器を
提案している。この場合、第１の格子は光透過又は反射部と遮光部とは
略１：１の設定であったが、第１の格子はピッチＰの基
本波成分の他にピッチＰ／ｎの高調波成分を有しており
、この高調波成分の影像と第２の格子との重なり合いに
よって検出信号が得られたものと推定される。これは、
波長をλとしたとき格子門限が主に（Ｐ／ｎ　）　’　
／λの手堅数倍の所で良好な信号が得られていることか
らも裏付けられている。例えば第１の格子としてピッチがＰで光透過又は反射部
と遮光部とが正確に１：１である格子Ｆ１（Ｘ）４ｆ想
定し、これをフーリエ解析すると、定数を除いて次式の
ようになる。Ｆｌ　（ｘ　）−１／２＋Ｑ、５ｓｉｎ　　（２πｘ　／Ｐ）＋０．２ｓｉｎ　　（３・２πｘ　／Ｐ）＋０．１ｓｉ
ｎ　　（５−２πｘ／Ｐ）十・・・従って、Ｆｌ（ｘ）には、１本波の他に３次、５次など
の高調波が合まれていることがわかる。同様に第１の格子として光透過又は反射部と遮光部とが
５ニアと仮定してフーリエ解析すると、更に２次、４次
などの高調波も含まれることが導出される。一般に第１の格子は、光透過又は反射部と遮光部との比
１：１を目標にして製作されるが、製造技術的にばらつ
きが生じて１：１にはならないため、全ての次数の高調
波成分が含まれていると考えられ、上記検出３はこれら
の高調波成分を利用したものである。（発明が解決しようとげる問題点］しかしながら、この検出器は照明光を良好な平行光線と
するための、高精度で焦点距離の長いコリメータレンズ
が必要である。従って検出器が大型化するという問題点
がある。更に光学的分割の増大と共にインデックススケール上の
第２の格子のビツヂを細分化する必要がある。インデッ
クススケールはメインスケールとは異なり、故■もあれ
ば充分であるため木質的な障害ではないが、ピッチの細
分化に伴い歩留りが悪化するという問題点は残る。

【発明の目的】

本発明もよ、前記従来の問題点を解消するべくなされた
もので、２枚の格子で光学的多分割を行うことができ、
しかも、高精度なコリメータレンズを用いる必要がなく
、インデックススケールの製作も容易な光学式検出器を
提供することを目的とする。［問題点を解決するための手段］本発明は、光学式変位検出器において、拡散光源と、該
拡散光源からの間隔がＵである位置に配置された、格子
ピッチＰの第１の格子が形成されたメインスケールと、
Ｑ＝Ｐ／ｍ　　（ｍは２以上の整数）としたとき、前記
第１の格子からの間隔が■である位ｎにＰｌｉ！置され
た、格子ピッチｑα（Ｕ＋ｖ　）　Ｑ／　＜２ｕ　）の
第２の格子が形成されたインデックススケールと、１ｎ
記両スケールが相対移動したときの、拡散光源による第
１の格子の影像と第２の格子との正なり合いによる元旦
変化を光電変換してピッチＱ／２の検出信号を生成する
受光索子とを含むことにより、前記目的を達成したもの
である。又、本発明の実ＩＭ態様は、前記拡散光源を点光源とし
たものである。又、本発明の実１ｉＡ態様は、更に、前記点光源をレー
ザダイオードとしたものである。又、本発明の他の実施態様は、前記点光源を、レーデダ
イオードの発光部前面に発散角抑制用のレンズを配置し
て構成したものである。又、本発明の他の実施態様は、前記拡散光源を、第１の
格子の格子幅方向に配向された線光源としたちのである
。又、本弁明の実施！！！様は、前記間隔Ｖを、光学系の
光の感度スペクトルの平均値での波長をλとして、更に
この系の倍率ＭをＭ電（Ｕ　＋Ｖ　）　／Ｕで定義したとき、ｖ＞（ｎ−１／２）ＭＱ２／λ （ｎは１以上の整数）としたものである。

【作用】

まず、本発明の検出原理を簡略に説明する。第１図に示す如く、格子ピッチＰの第１の格子１６の前
に、間隔Ｕを隔てて拡散光源（例えば点光源）３０を配
ｄする。ここで第１の格子１６は、ｍ次（ａ＋は２以上
の整数）の高調波成分を有すると仮定すると、第１の格
子の代わりにピッチＱ（但しＱ＝Ｐ／ｉ　）で表わされ
る格子があると考えてよい。ずろと、第１の格子１６か
ら間隔■を隔てた影像面Ｓには、直感的にはピッチＱの
格子の拡大された影が形成される。実際には回折の効果
により影の光量分布はりやＶの値によって様々に変化す
る。簡単のため、ピッチＱの格子の光の撮幅透過率ｆ（ｘ）
を次式で表し、ｐ　ｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　　Ｏｐ
ｔｉＣｓ、６ｔｊ＋　ｅｄｉｔｉｏｎ　　（ＭＡＸ　　
ＢＯＲＮ　　＆　　ＥＭＩ　Ｌ　　ＷＯＬ　Ｆ　、　Ｐ
ｅｒｇａａ＋ｏｎ　Ｐ　ｒｅｓｓ、　１９８０）の第３
８３頁にあるフレネル回折の理論を用いて、間隔Ｖの影
像面Ｓでの影像分布ｇ　（ｘ）を計算した結果を以下に
示Ｊ０ｆ（ｘ　　）　　−１＋ＣＯ３（２πｘ　／Ｑ）　・・
・・・・　（１）ここで、拡散光源３０の発光スペクト
ル及び受光索子の波長感度を考直した、この光学系にお
ける光のスペクトルの平均値における波長をλとおき、
ｎを自然数（１以上の整数）として、この系の第１格子
の倍率Ｍ＠Ｍ−＜ｕ　＋Ｖ　）　／ｕ　ｒ定義する。まず間隔Ｖが、次の（２）式で表されるｖｌ（ｎ）とほ
ぼ等しいときには、比例定数を除いて、次の（３）式に
示す関係が成立する。Ｖ場ｖ　１　（ｎ　） −（ｎ−０，５）ＭＯ’　／λ　・・・・・・（２）（
＋（Ｘ）三ｇ１（ｘ）＝４＋ｃｏｓ［４πｕｘ／（（ｕ＋ｖ）Ｑ）］・・・・
・・〈３）前記（２）式は、ｖ！ｖ１（ｎ）＝ｕ　　（ｎ　−０，５）Ｑ２／（λｕ　−（ｎ−０，５）Ｑ２）と等価である。但し、Ｑ　１　（ｘ　）は■が変化して
ｂあまり変化しないので、（２）式は厳密なものではな
い。一方、間隔Ｖが、次の（４）式で表されるｖ２（ｎ）に
ほぼ等しいとぎには、比例定数を除いて、次の（５）式
の関係が成立する。ＶαＶ　２　（ｎ　） −ｎ　ＭＱ２　／λ　　　・・・・・・〈４）０（ｘ）
三（１２（ｘ　）ｚ１＋　ｃｏｓ［２ｘｕ　ｘ　／　（（ｕ　＋ｖ　）　
Ｐ）　］・・・・・・（５）（２）式及び（３）式から、間隔りがＶ　１　（ｎ　）
近傍の影像面Ｓには、格子ピッチｑが（Ｕ　＋Ｖ　）Ｐ
／（２ｕ）の第２の格子を配置することによって検出信
号を得ることができることがわかる。この影像は、直観
的な影像に対して格子ピッチが１／２であり、第１の格
子１６がＱ即ちＰ／ｉだけ変位すると、検出信号は２ピ
ッチ分変化するという大きな特徴がある。一方、（４）式及び（５）式からは、間隔ＶがＶ２（ロ
）近傍の影像面Ｓには、格子ピッチｑが（ｕ　＋ｖ　）
　Ｑ／ｕの第２の格子を配置Ｌｉすることにより、検出
信号を得ることができろことがわかる。この影像は直観的な影Ｑに対応りるので、第１の格子１
６のＱｌらＰ／ｍの変位によって、検出１３号も１ピッ
チ分変化ザる。なお、第１の格子の高調波成分に対応して影像面Ｓには
様々なピッチの波形が存在するが、第２の格子はその内
特定の成分をフィルタリングすると化えてもよい。これまでは、拡散光源３０、特に点光源として、発光部
が小さく且つ出力の大ぎなものがなかったこと、又、格
子ピッチＰが大きい場合には必要性が少なかったことな
どによって、本発明に係るような検出器が深く検討され
たことはなかった、。ところが、点光源として理想的であるレーザダイオード
のコストダウン及び格子ピッチＰの微小化に伴う問題点
の克服の必要性などの技術的背景の変化によって、本願
の発明者が検討した結果、ｌ’ｌθ出（３）式及び（５
）式を尋出し、前記のような検出器の実用性を確認した
ものである。本発明は、このような研究結果に料づいてなされた６の
で、第１の格子の格子ピッチをＰ１第２の格子の格子ピ
ッチｑを（ｕ　十ｖ　）　Ｑ／　（２ｕ　）（Ｕは拡散
光源と第１の格子の間隔、■は第１の格子と第２の格子
の間隔、Ｑ＝Ｐ／ｍ）とし、前記第１の格子が形成され
たメインスケールを、拡散光源で照明して、第１格子の
高調波成分の影像と第２格子との重なり合いによる光量
変化を光電変換してビツヂＱ／２の検出信号を生成する
ようにしている。従って、高精度で焦点距離の長いコリ
メータレンズを用いる必要がなく、しかも、インデック
ススケールの加工が容易となる。

【実施例】

以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する
。本発明の第１実施例は、−次の′ｒＳ調波成分を用いる
前出（２）式及び（３）式の関係を用いたもので、第２
図に示す如く、コリメータレンズを介さずメインスケー
ル１４を照明するレーザダイオード３２と、該レーザダ
イオード３２からの間隔がＵである位置に配置された、
格子ピッチＰの高調波成分を含む第１の格子１６が形成
されたメインスケール１４と、前記第１の格子１６から
の間隔がＶである位買に配ｄされた、格子ピッチｑの第
２の格子２０が形成されたインデックススケール１８と
、前記両スケール１４．１８が相対移（す１したときの
、レーザダイオード３２による第１の格子１６の影像と
第２の格子２０との重なり合いによる光量変化を光電変
換する、位相がそれぞれ０”、９０°トサｉｔ　ｔ：　
２１１ＡＩ（７）受光索子２２Ａ、２２Ｂと、該受光索
子２２Ａ、２２Ｂの出力をそれぞれ増幅するプリアンプ
２４Ａ、２４Ｂとから構成されている。ここで第１の格子１６はｍ次の高″ＪＪ波成分を持つと
仮定し、第２図ではピッチＱ＝Ｐ／ｍの格子で第１の格
子を表現している。第１の格子としては、例えば光透過
部と遮光部とが略１：１の格子などが用いられる。前記レーザダイオード３２としては、発光部のプイズが
数μ揚角程度、波圧λが約０．７８μ−のレーザダイオ
ードく例えば日立製作所のトＩＬ−７８０１Ｅ等）を用
いることができる。前記第１の格子１６と第２の格子２０の間隔Ｖ及びＩＹ
Ｉ記第２の格子２０の格子ピッチｑは、次式の関係を満
足りるようにされている。Ｖ　”　（ｎ−０，５）ＭＱ’　／λ・・・・・・（６
）ｑ　＝　（ｕ　＋ｖ　）　Ｑ／　＜２ｕ　）　　−・
・・・・（７）ここで、ｎは、１以上の整数である。し
かしく６）式の条件はそれほど厳密なものでなく、実験
の結果でもあまり厳密に維持される必要はないことがわ
かっている。具体的には、１１１＝２、Ｕ、Ｖを共に約５１に設定し
、第１の格子の格子ピッチＰを１６μｌｌ１（Ｑ−８ｕ
１Ｍ）とした場合、第２の格子２０の格子ピッチｑは、
（７）式の関係からＱと同じく８μｍでよい。一方、位相のずれた信号を得るためにａ差δを以て区分
された第２の格子２０の偏差δについては、位相差とし
て９０°±１０°を得るためには、格子ピッチｑが８μ
ｍであるため、偏差６は（２±０．２）μｎ１でよい。なＪ５、バーニヤ方式を抹用した場合には、第２の格子
２０は格子ピッチｑを前出（７）式と異なる値にして、
受光索子２２Ａ、２２Ｂを位相が９０°異なる位置に配
置すればよい。又、メインスケール１４が変位する場合の間隔Ｕ、Ｖの
ａ初によって生ずる第２の格子２０のピッチｑと影像の
ピッチとのずれによる影響は、受光索子２２Ａ、２２Ｂ
のＸ方向の幅を小さくげろことで回避できる。この実施例の構成では、メインスケール１４の第１の格
子１６がＸ方向にＱ即ら１７１ｍだけ変位しても、得ら
れる影像は２ピツチ変化ザる。従って、プリアンプ２４
Ａ、２４Ｂからは、ピッチｔ＝Ｑ／２　＜この場合はピ
ッチ４μｍ）の２相の検出信号が得られる。即ち、光学
的４分割が行われる。前記第１実施例においては、レーザダイオード３２をそ
のまま点光源として使用していたが、点光源の種類はこ
れに限定されず、例えば第３図に示す第２実施例のよう
に、レーザダイオード３２の発光部の前面に、直径が５
００μｍ程度の発散角抑制用の半球レンズ３４を設けた
ものを使用することも可能である。この場合には、レー
ザダイオード３２からの照明光の発散角が抑制されて、
受光効率が改善されるが、前出（７）式におけるりの値
は実際の間隔より４も大きめに換算する必要がある。更
に、点光源として、レーザダイオードと発光ダイオード
との中間的形態にある高出力発光ダイオードなどを使用
することもできる。なお、同じ格子を用いてｕ　＝３ｍｒｓ、　Ｖ　−６＋
ｌｌｌ程度に設定した場合は、光学系の倍率Ｍ＝３であ
り、検出信号のピッチは８／３μｍとなる。次に本発明の第３実施例を詳細に説明する。この第３実施例もよ、第４図に示す如く、拡散光源とし
て、第１の格子１６の格子幅方向に配向された、例えば
スリット状発光ダイオードからなる線光源４０を用いた
ものである。他の点については、受光索子２２Ａ、２２
Ｂ、２２Ｃ，２２Ｄが位相０”、１８０°、９０°、２
７０”で区分けされて４個設けられている点を除き、前
記第１実施例と同様であるので説明を省略する。光源として一般の発光ダイオードを用いた場合、点光源
とするために発光部を中に小さくすると発光出力が減少
して、プリアンプの増幅度を大きくしなければならずＳ
Ｎ比が悪化する。そのためこの第３実施例では、点光源
ではなく線光源として用いている。前記線光源４０としては、出願人が既に提案している、
第５図および第６図に示すような、発光部４２がスリッ
ト状の発光ダイオードを用いることができる。この発光
ダイオードは、例えばＮ型Ｑａ　ＡＳのり板４４に、幅
Ｗが約５０μ国、長さしが約４００μ−のスリット状に
Ｐ型Ｇａ　Ａｓを拡散形成し、下面には電極膜４６を、
上面には絶縁膜４８を介して電極膜４６を熱着したもの
となっている。５０はリード線である。このような発光
ダイオードはスリット状に発光するため、全体として出
力は減少せず、線光源として好適である。このようにして、発光ダイオードのスリット状発光部４
２の良手方向をメインスケール１４の第１の格子１６の
格子幅方向に配向することで、格子幅方向には線光源で
あっても、格子のＸ方向には点光源となり、実質的に点
光源として作用する。この場合、線光源の前面に発散角抑制用のシリンドリカ
ルレンズなどを設けてもよい。なＪ５、前記実施例においては、いずれも本発明が透過
型検出器に適応されていたが、本発明の適用範囲はこれ
に限定されず、例えば第７図に示１第４実施例の如く、
反射型の検出器にも同様に適用することができる。又第１の格子としては、高調波成分を有している格子で
あればどのような形状のものでもよい。前記実廠例においては、本発明がいずれも、第２の格子
が区分して２個以上設けられた直線変位検出器に適用さ
れていたが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、第
２の格子に区分のないモアレ縞方式の検出器や回転変位
検出器（〇−タリエンコーダ）にも同様に適用すること
ができる。

【発明の効果】

以上説明したとおり、本発明によれば、格子２枚の構成
で光学内金分割が達成できる。又、点光源又は線光源を
そのまま拡散光源として用いることができ、昌精度なコ
リメータレンズを用いる必要がない。更に、インデック
ススケールのピッチをメインスケールのピッチより６大
幅に小さくする必要がなく、インデックススケールの製
造も容易である等の優れた効果を右づる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の検出原理を説明するための線図、第
２図は、本発明に係る光学式変位検出器の第１実施例の
構成を説明するための断面図、第３図は、同じく第２実
施例の構成を説明するための要部断面図、第４図は、同
じく第３実施例の構成を説明するための斜視図、第５図
は、前記第３実施例で用いられている線光源の構成を説
明するための正面図、第６図は、第５図のＶｌ　−Ｖｌ
線に沿う横断面図、第７図は、本発明の第４実施例の構
成を説明するための断面図、第８図は、従来の光学式変
位検出器の一例の構成を示ず斜視図である。１４・・・メインスケール、１６・・・第１の格子、１８・・・インデックススケール、２０・・・第２の格子、２２．２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ，２２Ｄ・・・受光索子
、Ｐ、Ｑ・・・格子ピッチ、ｕ、Ｖ・・・間隔、３０・・・拡散光源、３２・・・レーザダイオード、３４・・・凄÷半球レンズ、４ｏ・・・線光源。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）拡散光源と、該拡散光源からの間隔がｕである位置に配置された、格
子ピッチＰで高調波成分を含む第１の格子が形成された
メインスケールと、Ｑ＝Ｐ／ｍ（ｍは２以上の整数）としたとき、前記第１
の格子からの間隔がｖである位置に配置された、格子ピ
ッチｑ≒（ｕ＋ｖ）Ｑ／（２ｕ）の第２の格子が形成さ
れたインデックススケールと、前記両スケールが相対移動したときの、拡散光源による
第１の格子の影像と第２の格子との重なり合いによる光
量変化を光電変換してピッチＱ／２の検出信号を生成す
る受光索子と、を含むことを特徴とする光学式変位検出器。
（２）前記拡散光源が、点光源とされている特許請求の
範囲第１項記載の光学式変位検出器。
（３）前記点光源が、レーザダイオードとされている特
許請求の範囲第２項記載の光学式変位検出器。
（４）前記点光源が、レーザダイオードの発光部前面に
発散角抑制用のレンズを配置したものとされている特許
請求の範囲第２項記載の光学式変位検出器。
（５）前記拡散光源が、第１の格子の格子幅方向に配向
された線光源とされている特許請求の範囲第１項記載の
光学式変位検出器。
（６）前記間隔ｖが、光学系の光の感度スペクトルの平
均値での波長をλとして、この系の倍率ＭをＭ＝（ｕ＋
ｖ）／ｕで定義したとき、ｖ≒（ｎ−１／２）ＭＱ＾２／λ （ｎは１以上の整数）とされている特許請求の範囲第１
項記載の光学式変位検出器。