JPH0577967B2 - - Google Patents

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JPH0577967B2
JPH0577967B2 JP4262688A JP4262688A JPH0577967B2 JP H0577967 B2 JPH0577967 B2 JP H0577967B2 JP 4262688 A JP4262688 A JP 4262688A JP 4262688 A JP4262688 A JP 4262688A JP H0577967 B2 JPH0577967 B2 JP H0577967B2
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JP
Japan
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grating
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diffused light
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Soji Ichikawa
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Mitutoyo Corp
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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。
【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、光源を含む照明
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。 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。 これに対して本出願人は、特願昭61−191532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、例えば第
７図に示す如く構成されている。 この第７図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２
０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。
【発明が解決しようとする課題】
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
の実験結果の例を第８図に実線Ａで示す。 第８図から明らかなように、検出信号ａのＳ／
Ｎ比（＝PP／DC）がが、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。
【発明の目的】
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。
【課題を解決するための手段】
本発明は、有効波長λのコヒーレントが拡散光
源と、該拡散光源からの距離がｕの位置に配設さ
れる、ピツチＰの第１格子が形成されたメインス
ケールと、該第１格子からの距離がｖの位置に配
設される、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拡
散光源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、前記受光素子が、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べく、次式の関
係 ｛u2v2／（u2＋v2）｝ −｛u1v1／（u1＋v1）｝≒mP2／λ …(1) Ｗ≒ｎ｛（u2＋v2）sinθ2 −（u1＋v1）sinθ1｝ ……(2) （但しｍ，ｎは整数、u1，u2は、拡散光源と第
１格子間の各光線の光路長、v1，v2は、第１格子
と第２格子間の各光線の光路長、Ｗは、各光線の
第２格子上の中心間隔、θ1，θ2は、拡散光源から
格子に下した垂線に対して各光線がなす角度）を
満足する２本の光線を共に見込んで受光するよう
にして、前記目的を達成したものである。 又、本発明は、同様の光学式変位検出器におい
て、前記受光素子を２個設け、各受光素子、次式
の関係 （u2v2）／（u2＋v2） −（u1v1）／（u1＋v1）≒mP2／2λ …(3) Ｌ≒ｎ｛（u2＋v2）sinθ2 −（u1＋v1）sinθ1｝ ……(4) （但しｍ，ｎは整数、u1，u2は、拡散光源と第
１格子間の各光線の光路長、v1，v2は、第１格子
と第２格子間の各光線の光路長、Ｌは、各光線の
第２格子上の中心間隔、θ1，θ2は、拡散光源から
格子に下した垂線に対して各光線がなす角度）を
満足する、２本の光線をそれぞれ受光するように
し、各受光素子の出力の和をもつて前記検出信号
として、前記目的を達成したものである。
【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
光線又は拡散光源で照明すると、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（geometric 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。 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いる。 このことから、第８図の実験結果（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（第８図の破線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（第８図の一点鎖線Ｃ）が合
成されたものであることがわかる。 第８図から明らかな如く、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，G3，G4，…があり、且つ、各ピークG1，
G2，G3，G4，…等では位相が反転している。 従つて、平行照明系の場合であれば、出願人が
特願昭62−231755で提案したように、第９図に示
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＝mQ2／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。 しかしながら、レーザダイオードのような拡散
光源を、そのまま用いる場合には、特に方向弁別
や位相分割等の目的で第２格子２２及び受光素子
２４が参照スケール２０の幅方向に複数段設けら
れていると、参照スケール２０の全体を傾斜させ
てしまつたのでは、各受光素子２４間の距離の相
違が大きくなり過ぎ、受光量がアンバランスにな
つてうまくいかない。又、第２格子のみを傾ける
ことができない反射型の検出器には適用できない
等の問題点が残つていた。 これに対して、本発明では参照スケールを傾斜
させず、例えば第１図に示す如く、受光素子２４
の位置を、レーザダイオード等の拡散光源３０か
ら第１格子１８及び第２格子２２に下した垂線の
足の位置Z0からオフセツトさせ、且つ、受光素子
２４が変動の周期分を同時に受光できるように、
そのスケール幅方向のサイズ（Ｗ）を、次式の関
係を満足する２本の光線B1，B2を共に見込んで
受光できる大きさとしている。 ｛u2v2／（u2＋v2）｝ −｛u1v1／（u1＋v1）｝≒mP2／λ …(1) Ｗ≒ｎ｛（u2＋v2）sinθ2 −（u1＋v1）sinθ1｝ ……(2) ここで、ｍ，ｎは整数（１，２，３，…）、Ｐ
は、第１格子１８のピツチ、λは、拡散光源３０
の有効波長、u1，u2は、拡散光源３０と第１格子
１８間の各光線B1，B2の光路長、v1，v2は、第
１格子１８と第２格子２２間の各光線B1，B2の
光路長、Ｗは、各光線B1，B2の第２格子２２上
の中心間隔（＝Z2−Z1≒受光素子２４のスケール
幅方向サイズ）、θ1，θ2は、各光線B1，B2が拡散
光源３０から格子１８，２２に下した垂線に対し
てなす角度である。 特に反射式検出器のときは、u2＝v2、u1＝v1で
あるから、これらをu2＝v2＝d2、u1＝v1＝d1とお
くと、前出(1)，(2)式は次式に示す如くとなる。 （d1−d1）／２＝mP2／λ ……(5) Ｗ≒2n（d2sinθ2−d1sinθ1） ……(6) 幾何学的像のギヤツプ依存項の係数はcos
［πλuv／｛P2（ｕ＋ｖ）｝］であるので、拡散光源
３０からの２本の光線B1，B2の光学的距離u1，
u2，v1，v2の関係が、前出(1)，(2)式又は(5)，(6)式
を満足するように決定すれば、変動の周期分を同
時に受光して、幾何学的像をほぼ相殺することが
できる。これは実験でも確認している。 従つて、参照スケールを傾斜させる必要がなく
なり、拡散光源を用いた場合や反射式の検出器で
あつても、検出信号のＳ／Ｎ比のギヤツプ依存性
を減らすことができる。 なお、本発明で肝要なのは、受光素子２４が前
出(1)，(2)式を満足する２本の光線B1，B2を共に
見込んで受光することであり、この条件が満足さ
れていれば、受光素子２４の位置を、必ずしも前
記垂線の足の位置Z0からオフセツトさせる必要は
なく、該垂線の足の位置Z0を含む位置に配設する
ことも可能である。又、一方の光線、例えばB1
を前記垂線と一致させてもよい。なお、第１図の
例のように、受光素子２４の位置を前記垂線の足
の位置Z0から完全にオフセツトさせた場合には、
後出第１実施例のように、対称位置に、受光信号
レベルが略同一の、もう一組の第２格子２２及び
受光素子２４を設けることができ、方向弁別や位
相分割等の目的で、位相の異なる第２格子２２を
計２組設けることが容易にできる。 又、受光素子２４のサイズは、必ずしも前記光
線B1，B2を単一の受光素子２４で同時に受光で
きるサイズとする必要はなく、例えば第２図に示
す如く、単一の検出信号を作成するために受光素
子を所定の中心間隔（Ｌ）で２個（２４Ａ，２４
Ｂ）設けて、それぞれで、互いにギヤツプ依存性
の周期が半周期異なり、次式の関係を満足する２
本の光線C1，C2を受光した後、和を求めて検出
信号とすることもできる。 （u2v2）／（u2＋v2） −（u1v1）／（u1＋v1）≒mP2／2λ …(3) Ｌ≒ｎ｛（u2＋v2）sinθ2 −（u1＋v1）sinθ1｝ ……(4) ここでは、Ｌは、各光線C1，C2の第２格子２
２上の中心間隔（≒受光素子２４Ａ，２４Ｂの中
心間隔）、他の記号は前出(1)，(2)式の場合とほぼ
同じである。 特に反射式検出器のときは、先の場合と同様に
して、前出(3)，(4)式が、次式に示す如くとなる。 d2−d1＝mP2／λ ……(7) Ｌ≒2n（d2sinθ2−d1sinθ1） …(8) 従つて、これらの場合は、半周期異なる各受光
素子２４，２４Ｂの出力の和を検出信号とするこ
とによつて、幾何学的像をほぼ相殺することがで
きる。
【実施例】
以下、図面を参照して、反射型検出器に適用し
た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、第３図乃至第５図に示
す如く、収納容器３２内に収納されたLDチツプ
３４（第４図参照）を含む拡散光源３０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、対応する４個の第２格子２２Ａ〜２２Ｄ
（第５図参照）が形成された光透過性の参照スケ
ール２０と、前記第１格子１８で反射されて各第
２格子２２Ａ〜２２Ｄを通過してきた前記拡散光
源３０からの光を光電変換する４個の受光素子２
４（第４図参照）を含み、前記メインスケール１
６と参照スケール２０の相対変位に応じて周期的
な検出信号ａ，ｂを生成する反射型直線変位検出
器において、各受光素子２４のスケール幅方向の
サイズを、各第２格子２２Ａ〜２２Ｄの位置で前
出(5)，(6)式の関係を満足する中心間隔Ｗの２本の
光線B1，B2（第１図を共に見込んで受光できる大
きさとしたものである。 前記拡散光源３０は、第４図に詳細に示す如
く、１次点光源としての前記LDチツプ３４と、
該LDチツプ３４からの発散光を集束して２次点
光源を生成するコンデンサレンズとしての、円柱
状の分布屈折率型レンズ４０とを含んで構成さ
れ、前記２次点光源が、前記参照スケール２０の
前記第２格子形成面（クローム蒸着面）４２上に
集束するようにされている。 前記メインスケール１６は、ガラス製のプレー
トからなり、第３図に示す如く、１面（外側面）
に、ピツチＰの縦縞状の周期的な目盛からなる前
記第１格子１８が形成されている。 前記参照スケール２０には、第５図に詳細に示
す如く、前記クローム蒸着面４２の中に、同一ピ
ツチで位相が0゜，180゜，90゜，270゜に対応する四区
画に区分されて田型に配置された前記第２格子２
２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄと、２次点光源が
集束されて通過する中央の開口５２とが形成され
ている。 該中央の開口５２は、例えば高さ0.4mm、幅0.1
mmの大きさとされ、この中に前記分布屈折率型レ
ンズ４０（例えば日本板ガラス(株)の商標名セルフ
オツクレンズ）によつて、前記LDチツプ３４の
発散光が集束され、２次点光源５４が形成されて
いる（第４図参照）。 前記第２格子２２Ａ〜２２Ｄにそれぞれ対応す
る計４個の受光素子２４は、第４図に示す如く、
受光基板５６上に配設され、これらは、第５図に
破線で示すような位置関係にあり、２個ずつ対を
なして、差動増幅器６０，６２でそれぞれ検出信
号ａ，ｂとなる。 前記受光基板５６の中央には、前記分布屈折率
型レンズ４０も挿入されている。 この第１実施例において、例えば格子ピツチＰ
＝8μm、光源波長λ≒0.8μm、ｍ＝ｎ＝１、ｕ＝
ｖ＝ｄ＝５mm、θ1＝8゜の場合、前出(5)，(6)式の
d1，d2，θ2は、それぞれ次の如くとなる。 d1＝ｄ／cosθ1≒5.049mm d2＝2P2／λ＋d1≒5.209mm cosθ2≒５／5.209であるから、θ2≒16.3゜ これらを(6)式に代入するとＷ≒1.518≒1.5mmと
なるので、各受光素子２４のスケール幅方向のサ
イズが、各第２格子２２Ａ〜２２Ｄの位置で中心
間隔Ｗ≒1.5mmの２本の光線B1，B2を共に見込ん
で受光できる大きさ、又は、その整数倍とするこ
とによつて、幾何学的像をほぼ相殺できる。 本実施例においては、受光素子数を増加させる
必要がなく、構成が簡略である。 又、本実施例においては、分布屈折率型レンズ
４０を用いて２次点光源５４を形成しているの
で、ほぼ理想的な拡散光源が得られる。なお、拡
散光源３０を形成する方法は、これに限定され
ず、レーザダイオードを直接、拡散光源とした
り、レーザダイオード以外のタングステンランプ
や発光ダイオードを用いることもできる。 次に、本発明の第２実施例を該細に説明する。 この第２実施例は、前記第１実施例と同様の反
射型変位検出器において、第６図に示す如く、前
記受光素子２４を各第２格子２２Ａ〜２２Ｄに対
して２個２４Ａ，２４Ｂずつ設け、各受光素子２
４Ａ，２４Ｂのスケール幅方向の中心間隔を、対
応する第２格子２２Ａ〜２２Ｄの位置で前出(7)，
(8)式を満足する２本の光線C1，C2（第２図）をそ
れぞれ受光するように、(8)式の間隔Ｌに対応する
大きさとし、更に、加算器６４Ａ〜６４Ｄで各受
光素子２４Ａ，２４Ｂの出力の和を求めた上で、
第１実施例と同様の差動増幅器６０，６２で差動
増幅して、方向弁別や位相分割等を行うための検
出信号ａ，ｂとしたものである。 この第２実施例においては、例えば格子ピツチ
Ｐ＝8μm、光源波長λ≒0.8μm、ｍ＝ｎ＝１、ｕ
＝ｖ＝ｄ＝５mm、θ1＝8゜の場合、前出(7)，(8)式の
d1，d2，θ2は、それぞれ次の如くとなる。 d1≒5.049mm d2≒5.129mm θ2≒12.9゜ これらを(8)式に代入すると、Ｌ≒0.884≒0.9mm
となるので、各受光素子２４Ａ，２４Ｂのスケー
ル幅方向の中心間隔が、第２格子２２Ａ〜２２Ｄ
の位置で約0.9mm、又は、その整数倍であれば、
その出力の和をとることによつて、幾何学的像が
ほぼ相殺される。 なお、前記実施例においては、いずれも、本発
明が、ガラス製の反射スケールを含む反射型の直
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、金属製の反射スケー
ルを含むものや、透過型の検出器、回転変位検出
器にも同様に適用可能である。
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、拡散光源
を使用した場合や、反射型であつても、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】
第１図及び第２図は、本発明の原理を説明する
ための線図、第３図は、本発明に係る光学式変位
検出器の第１実施例の全体構成を示す斜視図、第
４図は、第３図の−線に沿う横断面図、第５
図は、第４図の−線に沿う横断面図、第６図
は、本発明の第２実施例の要部構成を示す断面
図、第７図は、本出願人が特願昭61−191532で提
案した比較例の構成を示す平面図、第８図は、前
記比較例における、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、第９図は、本出願
人が特願昭62−231755で提案した比較例の構成を
示す断面図である。 １６…メインスケール、１８…第１格子、２０
…参照スケール、２２，２２Ａ〜２２Ｄ…第２格
子、２４，２４Ａ，２４Ｂ…受光素子、ａ，ｂ…
検出信号、３０…拡散光源、３４…レーザダイオ
ード（LD）チツプ、５４…２次点光源、６４Ａ
〜６４Ｄ…加算器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 有効波長λのコヒーレントな拡散光源と、 該拡散光源からの距離がｕの位置に配設され
    る、ピツチＰの第１格子が形成されたメインスケ
    ールと、 該第１格子からの距離がｖの位置に配設され
    る、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拡散
    光源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、 前記受光素子が、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
    去するべく、次式の関係 ｛u2v2／（u2＋v2）｝ −｛u1v1／（u1＋v1）｝≒mP2／λ Ｗ≒ｎ｛（u2＋v2）sinθ2 −（u1＋v1）sinθ1｝ （但しｍ，ｎは整数、u1，u2は、拡散光源と第
    １格子間の各光線の光路長、v1，v2は、第１格子
    と第２格子間の各光線の光路長、Ｗは、各光線の
    第２格子上の中心間隔、θ1，θ2は、拡散光源から
    格子に下した垂線に対して各光線がなす角度）を
    満足する２本の光線を共に見込んで受光するよう
    にしたことを特徴とする光学式変位検出器。 ２ 有効波長λのコヒーレントな拡散光源と、 該拡散光源からの距離がｕの位置に配設され
    る、ピツチＰの第１格子が形成されたメインスケ
    ールと、 該第１格子からの距離がｖの位置に配設され
    る、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拡散
    光源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、 前記受光素子を２個設け、 各受光素子が、次式の関係 （u2v2）／（u2＋v2） −（u1v1）／（u1＋v1）≒mP2／2λ Ｌ≒ｎ｛（u2＋v2）sinθ2 −（u1＋v1）sinθ1｝ （但しｍ，ｎは整数、u1，u2は、拡散光源と第
    １格子間の各光線の光路長、v1，v2は、第１格子
    と第２格子間の各光線の光路長、Ｌは、各光線の
    第２格子上の中心間隔、θ1，θ2は、拡散光源から
    格子に下した垂線に対して各光線がなす角度）を
    満足する、２本の光線をそれぞれ受光するように
    し、 各受光素子の出力の和をもつて前記検出信号と
    したことを特徴とする光学式変位検出器。
JP4262688A 1987-09-16 1988-02-25 光学式変位検出器 Granted JPH01216213A (ja)

Priority Applications (11)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP4262688A JPH01216213A (ja) 1988-02-25 1988-02-25 光学式変位検出器
US07/298,430 US4943716A (en) 1988-01-22 1989-01-18 Diffraction-type optical encoder with improved detection signal insensitivity to optical grating gap variations
IN56CA1989 IN172342B (ja) 1987-09-16 1989-01-18
GB8901266A GB2216650B (en) 1988-01-22 1989-01-20 Optical encoder
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