JPH0450720A - 光学式測長装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、対面して配設された２つの格子の相対移動に
伴って発生する明暗パターンの変化を検出し、各格子の
相対移動距離を測定する光学式測長装置に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

例えば、工作機械などの加工テーブルの移動量を高精度
で読取る装置として、光学格子を用いた測長装置が知ら
れている。

第６図はこの種の光学式測長装置の一例を示している。

この測長装置は、はぼ同一ピッチの刻線によって格子が
それぞれ形成され、所定間隔をおいて互いに対向して配
設されたメインスケール１００とインデックススケール
１０１を有している。インデックススケール１０１の上
方には複数のフォトダイオード１０２が受光面を下に向
けて設けられ、さらにその上方にはコリメーションレン
ズ１０３と光源１０４が設けられている。

光源１０４からの光は、コリメーションレンズ１０３を
通って平行光となり、フォトダイオード１０２の間を通
過する。そして、インデックススケール１０１を通フて
メインスケール１００の刻線で反射し、再びインデック
ススケール１０１を通ってフォトダイオード１０２に入
る。

ここで、メインスケール１００とインデックススケール
１０１が相対的に移動すると、フォトダイオード１０２
に入射する反射光には明暗のパターンがあられれ、フォ
トダイオード１０２はこのパターンの変化に対応した電
気信号を圧力する。

なお、位置測定のためには、位相が９０°ずれた２相体
号が必要である。ここでは、４個のフォトダイオード１
０２が９０°位相差の０゜９０°　　１８０°、２７０
°信号をそれぞれ検出し、互いに１８０°ずれた信号を
差動増幅することにより、バックグラウンドの明るさに
相当する検出信号中の直流成分を除去し、ＤＣオフセッ
トの少ない安定した２相体号を得ているものである。

これ以外の従来の光学式測長装置としては、第７図に示
すようにコリメーションレンズ１０３とインデックスス
ケール１０１の間にハーフミラ−１０５を置き、フォト
ダイオード１０２をその側方に配設したものかある。ま
た、第８図に示すように、コリメーションレンズ１０３
の光軸を傾けて、フォトダイオード１０２を入射経路か
ら外ねた位置に設けたものもある。さらに、第９図に示
すように、コリメーションレンズ１０３の光軸を傾ける
とともに、光軸を傾けた集光レンズ１０６を用いてフォ
トダイオード１０７に光を集めるようにしたものもある
。

〔発明が解決しようとする課題〕

第６図に示した装置によれば、フォトタイオー）？　１
０２をコリメーションレンズ１０３とインデックススケ
ール１０１の間の中空に配設しなければならず、また光
線がフォトダイオード１０２で遮られてしまうという問
題があった。

第７図に示した装置によれば、ハーフミラ−１０５を使
用するため、光量が行きて局、帰りてさらにその％にな
り、フォトダイオード１０２に入る光量が少くなってし
まう。このため、フォトダイオード１０２のサイズを大
きくしなければならず、応答速度が遅くなるという問題
かあつた。

第８図に示した装置によれば、所定の角度で部品を斜め
に配設しなければならず、組立てが難しいという問題が
あった。

第９図に示した装置によれば、受光側に集光レンズ１０
６を用いることで迷光を受光しないようにし、フォトダ
イオード１０７のサイズを小さくして応答速度を速くす
ることができるが、光源１０４とフォトダイオード１０
７が１対１の関係で対応していなければならず、二相信
号が必要な場合にはこの組合せが２組以上必要となる。

従って、複数組の検出系の温度特性や経時変化に対する
対策が新たに必要となるという問題があった。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり
、組立てやすく小型化ができ、一つの光源に対して複数
の受光素子が配設でき、集光した光を受光することによ
フて受光素子のサイズを小さくするとともに迷光の悪影
響を排除した光学式測長装置を提供することを目的とし
ている。

（課題を解決するための手段） 本発明の光学式測長装置は、対面して配設された２つの
格子の相対移動に伴フて発生する明暗パターンの変化を
検出し、各格子の相対移動距離を測定する光学式測長装
置において、共通の光源と、前記光源からの光を前記格
子に導くとともに、前記格子からの反射光を集光する複
数のレンズと、前記各レンズの共通の焦点面上で、前記
各レンズの各光軸に関して前記光源と対称な各位置にそ
れぞれ設けられた複数の光検出素子とを具備している。

〔作　　用〕

共通の光源から出た光は、各レンズにそれぞれ入射して
平行光線となり、格子で反射する。反射光は、各レンズ
によってそれぞれ焦光され、各レンズの各光軸に関して
前記光源と対称な各位置にある焦点面上の各光検出素子
にそれぞれ入射する。

（実施例） 本発明の第１実施例に係る光学式測長装置１を第１図及
び第２図によって説明する。

第１図において、２及び３は相対移動自在とされたメイ
ンスケール及びインデックススケールである。これら両
スケール２．３にはそれぞれ格子が形成され、モアレ縞
のような明暗のパターンが両スケール２，３の相対移動
に伴って変化するようになっている。

前記両スケール２．３の上方には、４個のレンズＬが設
けられている。これら４個のレンズＬは、焦点距離ｆが
同じであり、各々の光軸４は互いに平行で、各焦点が光
軸４に垂直な同一平面内に入るようになっている。即ち
、各レンズＬは焦点面５を共有しており、第２図に示す
ように焦点面と平行な平面内において正方形の各頂点に
各光軸４が位置するようなパターンで配設されている。

なお、これら４個のレンズＬは、一体に成形されており
装置の構成部品としては１個になっている。

前記レンズＬの上方には焦点面５と平行に基板６が設け
られており、その下面には１個の光源７と、光検出素子
としてのフォトダイオードＰ。

Ｄ、が４個設けられている。光源７とフォトダイオード
ＰＤは前記焦点面５内に位置している。そして、光源７
は各レンズＬの中央の位置に設けられ、４個の各フォト
ダイオードＰＤは、各レンズＬの各光軸４に関して前記
光源７と対称な４箇所の位置にそれぞれ配設されている
。

上述した４個のフォトダイオードＰＤは、前記両スケー
ル２，３に生しる明暗のパターンを９０°の位相差をお
いた４箇所の位置で検出するようになっている。そして
、位相が１８０°異なる０°の位置と１８０°の位置に
ある２個のフォトダイオードＰＤが第１の増幅器８に接
続され、これによって両フォトダイオードＰＤ、ＰＤの
出力は差動的に処理されて直流分が相殺され、交流信号
のみの一方の信号（ａ相信号）が得られるようになって
いる。また、９０°の位置と２７０゜の位置にある２個
のフォトダイオードＰＤが第２の増幅器９に接続され、
同様にして前記ａ相信号とは９０°位相の異なるｂ相信
号が得られるようになっている。

従って、ａ相信号及びｂ相信号の進み、遅れを検出する
ことによって両スケール２．３の移動方向が判別でき、
またこの二相信号を計数することによって移動距離を測
定できる。

次に、以上の構成における作用を説明する。第１図に示
すように、焦点面５内における光軸４と光源７の距離を
ｈとする。共通の光源７から呂だ光は各レンズＬを通り
、各光軸４と角度Ｗをもつ平行光線となり、それらの関
係は次式で表わされる。

ｈ＝−ｆｔａｎＷ この光はインデックススケール３を経てメインスケール
２で反射される。反射された光は、再び各レンズＬを通
り、各光軸４と−Ｗなる角度をもつ平行光線となる。そ
して、この光は、各レンズＬの各光軸４に関して光源７
と対称な位置にある各フォトオードＰＤに集光する。

このように、本実施例によれば、１個の光源７に対して
４個のフォトダイオードＰＤを対応させることができる
。

次に、本発明の第２実施例を第３図によフて説明する。

この実施例は、３個のレンズＬ及び３個のフォトダイオ
ードＰＤＩ〜３を有している点と、各フォトダイオード
ＰＤＩ〜３の出力信号を処理する回路構成が前記第１実
施例と異なっている。

各レンズＬの焦点面が共通てあり、焦点面のほぼ中央に
共通の光源１０があり、焦点面に設けられた３個のフォ
トダイオードＰＤか各レンズＬの各光軸４に関して共通
の光源１０と対称の位置にある点等は、前記第１実施例
の場合と同しである。

２個のフォトダイオードＰＣ１，ＰＤ２は、直流分に交
流分が重なった明暗のパターンを９０゜位相の異なる位
置から検出するようになっている。もうひとつのフォト
ダイオードＰＤ３は基準用で、直流分を検出するように
なっている。そして、前記フォトダイオードＰＤＩ、Ｐ
Ｄ２の各出力は、それぞれ演算増幅器１１．１２の反転
入力端子に入力され、前記基準用のフォトダイオードＰ
Ｄ３の出力はそれぞれ抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して各演算増
幅器１１．１２の反転入力端子に入力されている。これ
によって、フォトダイオードＰＤＩ、ＰＤ２からの出力
と、フォトダイオードＰＤ３からの出力を適宜増幅して
演算処理すれば、各演算増幅器１１．１２からは直流分
を含まない互いに９０”の位相差をもった交流信号を得
ることができる。なお、本実施例における信号処理の回
路構成等の詳細については、本出願人の呂願に係る特公
昭６１−５０８１号を参照されたい。

次に、第４図は本発明の第３実施例を示している。この
装置は焦点位置に絞り２ｏが設けられているので、特に
外部光による悪影響を受けにくい。その他の構成及び作
用効果は第１実施例と同様である。

次に、第５図は本発明の第４実施例を示している。この
装置は共通の光源２１とレンズＬの間に一枚の補助レン
ズ２２を設けたもので、これによってレンズＬの焦点面
５よりもレンズＬに近接した位置に光源２１を設けるこ
とかてき、設計上の自由度か増大する。その他の構成及
び作用効果は第１実施例と同様である。

〔発明の効果］ 本発明によれば、コリメーションレンズと集光レンズを
兼ねたレンズを複数設け、各レンズの中心位置に共通の
光源を設け、各レンズの各光軸に関して光源と対称な焦
点面内の各位置に複数の受光素子を設けるようにしであ
る。従って本発明によれば、次のような効果かある。

■共通の光源と複数の受光素子を同一焦点面内に組むこ
ともできるし、補助レンズを用いれば光源をレンズに近
い位置に設けることもできる。即ち、部品配置の自由度
が大きく、組立てやすい配置を採用できる。また、従来
のように部品を所定角度に傾けた状態で取付ける必要が
ないのて組立てやすい。

■Ｓ６図及び第７図に示したような部品配置の従来の装
置に比べて、装置をより小型にすることができる。

■集光しているので、受光素子のサイズを小さくできる
。小さいと、受光素子の接合容量が小さくなるので、応
答時間を短くできる。また、迷光を受光しにくくなる。

■ひとつの光源に対して複数の受光素子を配置できるの
で、温度特性や経時変化に対する対応が行いやすい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す断面図、第２図は同
実施例におけるレンズ等の配置を示す図、第３図は同第
２実施例におけるレンズ等の配置を示す図、第４図は同
第３実施例を示す断面図、第５図は同第４実施例を示す
断面図、第６図は従来の光学式測長装置の一例における
部品配置を示す斜視図、第７図はハーフミラ−を用いた
他の従来例を示す図、第８図はレンズの光軸を傾けた他
の従来例を示す図、第９図は集光レンズを用いた他の従
来例を示す図である。 １・・・光学式測長装置、　　　４・・・光軸、５・・
・焦点面、 ７．１０．２１−・・光源、　Ｌ・・・レンズ、ＰＤ、
ＰＤＩ〜３・・・光検比素子としてのフォトダイオード
。 特許出願人　双葉電子工業株式会社 代理人・弁理士　西　　村　　教　　光第 匡 第 図 叩（２７０”） 第 図 第 図 第 図 ＰＯ２（基準） 第６図 り１０４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 対面して配設された２つの格子の相対移動に伴って発生
   する明暗パターンの変化を検出し、各格子の相対移動距
   離を測定する光学式測長装置において、 共通の光源と、 前記光源からの光を前記格子に導くとともに、前記格子
   からの反射光を集光する複数のレンズと、 前記各レンズの共通の焦点面上で、前記各レンズの各光
   軸に関して前記光源と対称な各位置にそれぞれ設けられ
   た複数の光検出素子とを具備する光学式測長装置。