JPH05340767A - 光学式変位検出器 - Google Patents

光学式変位検出器

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JPH05340767A
JPH05340767A JP706093A JP706093A JPH05340767A JP H05340767 A JPH05340767 A JP H05340767A JP 706093 A JP706093 A JP 706093A JP 706093 A JP706093 A JP 706093A JP H05340767 A JPH05340767 A JP H05340767A
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JP
Japan
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grating
pitch
scale
displacement detector
natural number
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Application number
JP706093A
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English (en)
Inventor
Soji Ichikawa
宗次 市川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Original Assignee
Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 検出信号のS/N比のギヤツプ依存性を減ら
す。 【構成】 有効波長λのコヒーレントな拡散照明系と、
ピツチPの第1格子が形成されたメインスケールと、前
記第1格子の2n 次(n は自然数)の高調波に対応する
ピツチQの第2格子が形成された参照スケールと、前記
第1及び第2の格子で濾波された前記照明系からの光を
光電変換する受光素子とを含み、前記メインスケールと
参照スケールの相対変位に応じて周期的に変化する検出
信号を生成する光学式変位検出器において、光学系の倍
率がMである時に、前記ピツチQがMP/(2n )と
し、前記参照スケールを、前記検出信号中における、第
1格子の幾何学的像の格子間隔による変動分を除去する
ように、前記メインスケールに対してMm Q2 /λ(m
は自然数)だけ傾斜させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【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、光学的な格子が形
成されたメインスケールと、対応する光学的な格子を形
成した参照スケールとの相対変位によつて生ずる光電変
換信号の変化から検出する光学式変位検出器の改良に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】対峙する部材の一方に、第1格子が形成
されたメインスケールを固定し、他方の部材に、第2格
子が形成された参照スケールと、照明系と、受光素子と
を固定し、両部材の相対移動に応じて周期的に変化する
検出信号を生成する光学式変位検出器が、工作機械の工
具の送り量等を測定する分野で普及している。
【0003】従来の光学式変位検出器は、一般に平行照
明系を使用し、第1格子と第2格子のピツチは同一とさ
れていた。
【0004】これに対して本出願人は、特願昭61−1
91532において、第2格子のピツチが、第1格子の
ピツチの1/n (n は自然数)である検出器を提案して
おり、その中で、n が偶数の検出器は、例えば図4に示
す如く構成されている。
【0005】この図4に示した光学式変位検出器は、発
光ダイオード(LED)12及びコリメータレンズ14
から成る、有効波長λの平行照明系10と、ピツチPの
第1格子18が形成されたメインスケール16と、前記
第1格子18からの間隔(ギヤツプ)がv でピツチQ=
P/(2n )(n は自然数)の第2格子22が形成され
た参照スケール20と、前記第1及び第2の格子18、
22で濾波された前記平行照明系10の光を光電変換す
る受光素子24と、その出力信号を増幅して検出信号a
を得るプリアンプ26とから主に構成されている。
【0006】
【発明が解決しようとする問題点】前記検出信号a のS
/N比は、通常、振幅PPと直流分DCとの比=PP/
DCで表わされる。ピツチQ=P/2の場合で、格子間
隔v を変えた時の実験結果の例を図5に実線Aで示す。
【0007】図5から明らかなように、検出信号a のS
/N比(=PP/DC)が、格子間隔v によつて変動し
ているため、検出器を組み立てるときに、PP/DCが
最小のところに参照スケール20を固定してしまうと、
検出信号a のS/N比が悪くなり、耐ノイズ性が悪化し
てしまう。従つて、位置決め精度が厳しくなり、検出器
のコストが高くなるという問題点を有していた。
【0008】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたもので、検出信号のS/N比のギヤツプ依存
性が従来よりも少ない光学式変位検出器を提供すること
を目的とする。
【0009】
【問題点を解決するための手段】本発明は、有効波長λ
のコヒーレントな拡散照明系と、ピツチPの第1格子が
形成されたメインスケールと、前記第1格子の2n 次
(n は自然数)の高調波に対応するピツチQの第2格子
が形成された参照スケールと、前記第1及び第2の格子
で濾波された前記照明系からの光を光電変換する受光素
子とを含み、前記メインスケールと参照スケールの相対
変位に応じて周期的に変化する検出信号を生成する光学
式変位検出器において、光学系の倍率がMである時に、
前記ピツチQをMP/(2n )とし、前記参照スケール
を、前記検出信号中における、第1格子の幾何学的像の
格子間隔による変動分を除去するように、前記メインス
ケールに対してMm Q2 /λ(m は自然数)だけ傾斜す
るようにして、前記目的を達成したものである。
【0010】
【作用】フレネルの回折の理論より、ピツチPの光学格
子を、可干渉性のある、即ちコヒーレントな平行光線で
照明すると、その光学格子から間隔(ギヤツプ)v のと
ころには、ピツチが原格子と同じPの幾何学的像(geom
etric image )と、ピツチが原格子の1/2即ちP/2
の回折効果像(diffractive image )が形成されること
が知られている。このうち、幾何学的像のS/N比は、
格子間隔v の変化によつて大きく周期的に変化する。
【0011】更に、一般に光学格子は明暗の縦縞状目盛
とされ、フーリエ解析すると、高調波成分を多く含んで
いる。これらの高調波成分にも、それぞれ幾何学的像と
回折効果像があることが、本出願人による特願昭61−
208554等で明らかにされており、図3は、この高
調波成分をも利用した検出器である。
【0012】このことから、図5の実験結果(実線A)
を考察すると、このPP/DC曲線は、第1格子の原格
子(ピツチP)の回折効果像(ピツチP/2)のS/N
比(図5の破線B)と、第1格子の2次高調波(ピツチ
P/2)の幾何学的像(ピツチP/2)のS/N比(図
5の一点鎖線C)が合成されたものであることがわか
る。
【0013】図5から明らかな如く、幾何学的像(一点
鎖線C)のS/N比は、ギヤツプ依存性があり、格子間
隔v がQ2 /λの整数倍のところにピークG1 、G2
3、G4 、・・・があり、且つ、各ピークG1
2 、G3 、G4 、・・・等では位相が反転している。
従つて、図2に示す如く、参照スケール20に、変動の
周期の整数倍の傾斜量δ=m Q2 /λ(m は自然数)を
与えると、幾何学的像がS/N比が変化する周期分だけ
積分されて、変化分が除去される。このため、検出信号
のS/N比における格子間隔v への依存性がほぼなくな
ることになる。
【0014】特に、図3に示す如く、本出願人が特願昭
61−208554で提案したような、拡散光源を用い
た光学式変位検出器の場合には、拡散光源と第1格子と
の距離をu とすると、光学系の倍率Mは、(u +v )/
u となるが、第2格子のピツチや参照スケールの傾斜量
は、平行照明系での値をM倍すればよいことは明らかで
ある。
【0015】
【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。
【0016】本発明の原理を説明するための平行照明系
の比較例は、図1及び図2に示す如く、LED12及び
コリメータリンズ14からなる、有効波長λのコヒーレ
ントな平行照明系10と、ピツチPの第1格子18が形
成されたメインスケール16と、前記第1格子18の2
n 次(n は自然数)の高調波に対応するピツチQの第2
格子22が、互いに位相を90度ずらして二つ形成され
た参照スケール20と、前記第1及び第2の格子18、
22で濾波された前記平行照明系10からの光を光電変
換する受光素子24と、該受光素子24の出力をそれぞ
れ増幅して、互いに位相が90度ずれた検出信号a 、b
を得るためのプリアンプ26とを含む光学式変位検出器
において、図2に詳細に示した如く、前記参照スケール
20を、前記検出信号a 、b 中における、第1格子18
の幾何学的像の格子間隔v による変動分を除去するよう
に、前記メインスケール16に対して傾斜量δ=m Q2
/λ(m は自然数)だけ傾斜させたものである。
【0017】前記平行照明系10の光源としては、レー
ザダイオードが理想的であるが、タングステンランプや
実施例で使用したLED12でもよい。
【0018】今、第1格子18のピツチPを20μm と
すると、第2格子22のピツチQは、例えば10μm
(m =1)、5μm (m =2)、・・・等に設定するこ
とができる。
【0019】本比較例においては、図5に実線Aで示し
たような検出信号の格子間隔による変動分のうち、図5
に一点鎖線Cで示したような幾何学的像による変動分が
除去されるので、図5に破線Bで示した、回折効果像に
よる、S/N比が格子間隔によらずほぼ一定であるS/
N比の高い検出信号を得ることができる。
【0020】なお比較実施例は、照明系として平行照明
系を用いたものであつたが、本発明は、図3に示す実施
例のように、例えばレーザダイオード32をそのまま用
いた拡散光源を有する場合に前記原理を適用したもので
ある。
【0021】他の構成に関しては、前記比較例と同様で
あるので説明は省略する。
【0022】又、作用に関しても、本発明の原理に係る
部分は比較例と同じであり、他の部分は特願昭61−2
08554に詳細に説明されているので、説明は省略す
る。
【0023】前記実施例においては、本発明が、透過型
の直線変位測定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、回転変位検出器(ロータリーエ
ンコーダ)や、反射型の光学式変位検出器にも同様に適
用できることは明らかである。
【0024】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、検
出信号中の幾何学的像による信号を除去することがで
き、検出信号のS/N比における格子間隔への依存性が
ほぼ解消される。従つて、位置決め精度が厳しくなくな
り、検出器のコストを低下できる等の優れた効果を有す
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を説明するための、光学式変位検
出器の比較例の構成を示す斜視図
【図2】第1図の矢視II方向から見た断面図
【図3】本発明の実施例の要部構成を示す平面図
【図4】本出願人が特願昭61−191532で提案し
た光学式変位検出器の出願済み比較例の構成を示す平面
【図5】該比較例における、検出信号のS/N比の格子
間隔に対する依存性を示す線図
【符号の説明】
10…平行照明系 16…メインスケール 18…第1格子 20…参照スケール 22…第2格子 P、Q…ピツチ v …格子間隔 24…受光素子 a 、b …検出信号 λ…傾斜量 32…レーザダイオード(拡散光源)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】 特許請求の範囲
  1. 【請求項1】有効波長λのコヒーレントな拡散照明系
    と、 ピツチPの第1格子が形成されたメインスケールと、 前記第1格子の2n 次(n は自然数)の高調波に対応す
    るピツチQの第2格子が形成された参照スケールと、 前記第1及び第2の格子で濾波された前記照明系からの
    光を光電変換する受光素子とを含み、 前記メインスケールと参照スケールの相対変位に応じて
    周期的に変化する検出信号を生成する光学式変位検出器
    において、 光学系の倍率がMである時に、前記ピツチQがMP/
    (2n )とされ、 前記参照スケールが、前記検出信号中における、第1格
    子の幾何学的像の格子間隔による変動分を除去するよう
    に、前記メインスケールに対してMm Q2 /λ(m は自
    然数)だけ傾斜されていることを特徴とする光学式変位
    検出器。
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