JPH0776701B2

JPH0776701B2 - 光学式変位検出装置

Info

Publication number: JPH0776701B2
Application number: JP30669091A
Authority: JP
Inventors: 幹男鈴木; 宗次市川; 渡石橋; 真吾黒木
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1991-10-25
Filing date: 1991-10-25
Publication date: 1995-08-16
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: JPH05118881A

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装置、特
に三格子型の光学式変位検出装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種測定機、工作機械、更に最近は各種
情報機械等で、相対移動する二つの部材の変位量を検出
するために各種変位検出装置が用いられており、特に非
接触で変位量検出が必要なところに光学式変位検出装置
が汎用される。この光学式変位検出装置は、相対移動す
るそれぞれの部材にメインスケール、インデックススケ
ールを設け、例えばインデックススケールに設けられた
格子を介してメインスケールに光を照射し、更にメイン
スケールの格子を介した光を受光器にて受光し、その位
相変化等から前記部材の相対移動量を検出するものであ
る。このような光学式変位検出器としては、通常の２種
類の格子の重なり合いの変化を利用した検出器の他に、
３種類の格子を利用した三格子型変位検出器が周知であ
る(Journal of the optical society of America, 196
5, vol.55, No.4, p373-381)。

【０００３】図１０に示す三格子型変位検出器１０は、
平行配置された第二格子１２及び第三格子１４と、両格
子１２，１４の間に相対移動可能に平行配置された第一
格子１６と、前記第二格子１６の図中左側に配置された
発光素子１８と、前記第三格子１４の図中右側に配置さ
れた受光素子２０と、を含む。そして、発光素子１８か
ら出射された光は第二格子１２、第一格子１６、第三格
子１４を介して受光素子２０に至り、該受光素子２０は
各格子１２，１６，１４で制限された照明光を光電変換
し、更にプリアンプ２２で増幅して検出信号ｓを得る。

【０００４】ここで、第一格子１６が、第二格子１２及
び第三格子１４に対して例えばｘ方向に相対移動する
と、発光素子１８からの照明光のうち、格子１２，１
６，１４により遮蔽される光量が徐々に変化し、検出信
号ｓは略正弦波として出力される。そして、前記第一格
子２６のピッチＰ₁と検出信号ｓの波長Ｐ₁が対応し、該
検出信号ｓの波長及びその分割値より前記基準格子１６
の相対移動量を測定するものである。従って、第一格子
１６を相対移動する一方の移動部材に、また第二格子１
２及び第三格子１４を他方の移動部材にそれぞれ設置す
ることにより、両移動部材の相対移動量を検出すること
ができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、相対移動部
材の移動変位量を微分すれば、両移動部材の相対速度を
得ることができるため、前述したような変位検出装置を
速度検出装置として用いることも考えられる。ところ
が、光電変換されて得られる検出信号が従来のように正
弦波状であると、その微分信号もやはり三角関数（余弦
波）になるので、速度演算が複雑であるという課題があ
った。一方、移動変位量を三角波状に出力することがで
きれば、簡易な微分回路で高速に信号を処理することが
可能となるため、リニアモータ等に代表される高速移動
体の速度制御用に三角波状出力信号を得ることのできる
検出装置の要望が強い。

【０００６】しかし、従来提案されている光学式変位検
出装置では略三角波状出力信号を得ることを可能とした
ものは見受けられるが、出力信号の極大値、極小値付近
が曲線を描いてしまう「なまり」が生じ、より的確な三
角波状出力信号を得ることのできる光学式変位検出装置
の開発が待たれていた。本発明は前記従来技術の課題に
鑑みなされたものであり、その目的は簡易な構成で「な
まり」の極めて少ない三角波状の検出信号を得ることの
できる光学式変位検出装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明は、第二格子、第一格子、第三格子で制限され
た光の周期的な強度変化より前記メインスケール及びイ
ンデックススケールの相対移動を検出する光学式変位検
出装置において、前記第一格子は、明線部中央に補正暗
線を設け、また暗線部中央に補正明線を有することを特
徴とする。また、請求項２記載の光学式変位検出装置
は、補正暗線及び補正明線は、それぞれ明線部、暗線部
の１／１０〜１／５の幅であることを特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明にかかる光学式変位検出装置は、前述し
たように第二格子の暗線部に補正明線、明線部に補正暗
線が設けられているので、通常「なまり」を生じる検出
信号の極大部及び極小部において前記補正明線、補正暗
線が作用し、なまりの少ない三角波形状検出信号を得る
ことができる。すなわち、「なまり」を生じるのは、第
三格子を通過する光のコントラストが明部及び暗部にお
いて光の回折作用によりなだらかな曲線を描くことに起
因する。一方、本発明によれば前記コントラストの極大
部において光量を若干減少する方向に作用し、またコン
トラストの極小部において光量を若干増加する方向に作
用する。従って、光の回折作用によりなだらかな曲線と
なる部分は補正明線、補正暗線により削られ、コントラ
ストはほぼ直線により構成される矩形波状ないし台形波
状となる。この結果、メインスケールとインデックスス
ケールを相対移動させた場合、受光器により光電変換し
て得られる検出信号は「なまり」の極めて少ないものと
なる。

【０００９】

【実施例】以下、図面に基づき本発明の好適な実施例を
説明する。なお、前記従来技術と対応する部分には符号
１００を加えて示し、説明を省略する。図１には本発明
の一実施例にかかる光学式変位検出装置の基本構成を示
す縦断面図が示されており、また図２には図１II−II線
での断面図が示されている。同図において、光学式変位
検出装置１１０は、そのメインスケール１３０が移動部
材１３２に設けられ、又インデックススケール１３４が
移動部材１３６に設けられている。そして、移動部材１
３２，１３６の相対移動量を検出するものである。

【００１０】インデックススケール１３４の図１中上面
には、一個の発光素子１１８及び四個の受光素子１２０
ａ，１２０ｂ，…１２０ｄが配置されている。発光素子
１１８及び各受光素子１２０のリード線は、プリント基
板１３８に固定されている。前記ガラス基板よりなるメ
インスケール１３０には、図３に示すように図中Ｘ方向
へ伸長する長尺状の第一格子１１６が設けられ、該第一
格子１１６はその伸長方向と直交する方向への反射線部
（明線部）及び透過線部（暗線部）より構成される。一
方、インデックススケール１３４は、図４から明らかな
ように、第二格子１１２及び第三格子１１４ａ，１１４
ｂ，…１１４ｄを備えている。そして、第二格子１１２
は前記発光素子１１８に対応してＸ方向と直交するよう
に形成された透過格子よりなる。また第三格子１１４
ａ，１１４ｂ，…１１４ｄはそれぞれ受光素子１２０
ａ，１２０ｂ，…１２０ｄに対応する透過格子よりな
る。

【００１１】ここで、本実施例は、反射式変位検出装置
であるため格子間がワイドギャップとならざるを得ず、
このため回折の影響を大きく受ける。そこで、光電変換
出力に直線部部を多くするため、第二格子１１２の明線部幅を、第一格子１１６の明線
部幅と同程度とする。第三格子１１４の明線部幅を、第二格子１１２と第一
格子１１６の格子間ギャップｕと、第二格子１１２と第
三格子１１４の格子間ギャップ（ｕ＋ｖ）の比（反射式
では常に２）に応じて、第一格子１１６の明線部幅の２
倍程度とする。こととしている。なお、第二格子１１２
の明線部幅は、回折効果の影響を防ぐためには細い方が
望ましいが、明線部幅が細すぎると光エネルギーが小さ
くなるので、第一格子１１６の明線部幅と同程度が望ま
しい。また、反射式の場合、実験によると格子間ギャッ
プが小さすぎると正弦波状となるので、格子間ギャップ
ｕ＝ｖが１mm以上であることが望ましい。

【００１２】以上の点を考慮して、本実施例においては
第一格子１１６のピッチＰ₁を１００μm（明線部５０μ
m、暗線部５０μm、補正暗線ｗ＝４μm、補正明線ｗ＝
４μm）、第二格子１１２のピッチＰ₂を４００μm（明
線部４０μm、暗線部３６０μm）、第三格子１１４のピ
ッチＰ₃を２００μm（明線部１００μm、暗線部１００
μm）とした。

【００１３】以上のように構成された光学式変位検出装
置によれば、発光素子１１８から出光した光Ｌは第二格
子１１４ａ，１１４ｂ，…１１４ｄを介して第一格子１
１６に反射され、該反射光は第三格子１１４ａ，１１４
ｂ，…１１４ｄを介して受光素子１２０ａ，１２０ｂ，
…１２０ｄに受光され、Ｘ方向への相対移動を前記三格
子システムにより検出することができる。本発明におい
て特徴的なことは、第一格子の明線部中央に補正暗線を
設け、暗線部中央に補正明線を設けたことであり、この
ために本実施例においては第一格子を図５に示すように
構成している。

【００１４】同図より明らかなように、第一格子１１６
は明線部１５０ａ，１５０ｂ，…及び暗線部１５２ａ，
１５２ｂ，…を有している。そして、各明線部１５０中
央には補正暗線（ｗ＝４μm）１５４ａ，１５４ｂ，…
が設けられ、暗線部１５２ａ，１５２ｂ，…中央には補
正明線（ｗ＝４μm）１５６ａ，１５６ｂ，…が設けら
れている。このため、前記図１０に相当する構成を、本
実施例においては図６のように表わすことができる。な
お、同図（Ａ）は格子構成、同図（Ｂ）は第三格子１１
４を通過した光のコントラスト、同図（Ｃ）は本実施例
により得られる光のコントラストを示す。

【００１５】同図において、発光素子１１８からの照射
光Ｌは第二格子１１２、第一格子１１６、第三格子１１
４を光学的に通過して受光素子に至る。ここで、同図に
示すように第二格子１１２、第一格子１１６、第三格子
１１４の光学的透過部が一直線上に並んだ静止状態を想
定する。そして、同図二点鎖線枠Ｄに示すように、第二
格子１１２の明線部幅がほぼゼロの線光源と捉らえるこ
とができる理想的な状態では、受光素子に照射される光
のコントラストは同図（Ｂ）に一点鎖線で示されるよう
に矩形波状となり、第一格子１１６を相対移動させた場
合に得られる光電変換信号波形は完全な三角波状とな
る。しかし、第二格子の実際的な明線幅、光の回折を考
慮すると、同図（Ｂ）に実線で示すように極大部及び極
小部になだらかな曲線を有する疑似台形波状の信号波形
となってしまう。

【００１６】これに対し、本実施例においては、図６
（Ｅ）に示すように明線部１５０中央に補正暗線１５
４、暗線部１５２中央に補正明線１５６を有する。この
結果、コントラストの極大部にあっては前記補正暗線１
５４により光量が減少する方向に作用し、また検出信号
の極小部にあっては前記補正明線１５６により光量が増
加する方向に作用するため、図６（Ｂ）に点線で示すよ
うに補正波形が描かれる。

【００１７】この結果、図６（Ｂ）において実線部分と
点線部分を重畳することにより同図（Ｃ）に示すように
ほぼ完全な台形波状のコントラストを得ることができ、
実質的に曲線部分を除去することができる。従って、メ
インスケール１３２及びインデックススケール１３４を
相対的に移動させることにより、受光器１２０からは
「なまり」の極めて少ない三角波状検出信号を得ること
ができる。そして、本実施例において、前記受光器１２
０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄの出力は図７に示
す増幅回路にて差動増幅された電圧出力とされる。すな
わち受光器１２０ａ，１２０ｂ…１２０ｄはそれぞれフ
ォトトランジスタよりなり、そのフォトトランジスタ１
２０ａの電流出力Ｉ_aは、並列接続されたオペレーショ
ンアンプ１７０及び抵抗１７２よりなる電流・電圧変換
アンプ１７４により電圧変化として出力される。また、
フォトトランジスタ１２０ｂの電流出力Ｉ_bは、同様の
構成を有する電流・電圧変換アンプ１７６により電圧変
化として出力される。各フォトトランジスタ１２０ａ，
１２０ｂの電流出力Ｉ_a，Ｉ_bは逆位相であることから、
並列接続された抵抗１７８及びオペレーションアンプ１
８０よりなる差動増幅アンプ１８２により差動増幅する
ことで、図８（Ａ）に実線で示すような電圧出力Ａ相出
力を得ることができる。また、同様にして受光器１２０
ｃ，１２０ｄの出力より、前記Ａ相出力とは９０度位相
がずれ、しかも差動増幅されたＢ相出力（図８（Ａ）点
線で示す）を得ることができる。

【００１８】本実施例においてＡ相出力及びＢ相出力
は、図８（Ａ）に示すようにそれぞれ三角波形状とな
り、それぞれの出力を微分回路１８２，１８４により微
分することによりＡ相出力からは図８（Ｂ）の実線に示
す微分信号が、またＢ相出力からは同図に点線で示す微
分信号が得られ、それぞれの微分信号の大きな方を最大
値選択回路１８６にて選択出力することにより、速度に
比例する信号を得ることができる。すなわち、三角波状
検出信号であるＡ相信号及びＢ相信号について、メイン
スケール１３２とインデックススケール１３６の移動方
向ｘの電圧をＥｘとすると、その絶対値は次式で示すご
とく変位ｘに比例している。｜Ｅ_x｜＝｜ｋ・ｘ｜ここで、ｋは傾きを表わす比例定数である。従って、そ
の微分をとると次式に示すごとくとなる。｜ｄＥ_x／ｄｔ｜＝｜ｋ・ｄｘ／ｄｔ｜＝｜ｋ・ｖ_x｜ここで、ｖ_xは速度であり、前記図８（Ｂ）に示す微分
信号の最大値がそれぞれその時点での速度ｖ_xの比例関
数となる。

【００１９】以上のように本実施例にかかる三格子型光
学式変位検出器によれば、適正な三角波形状出力を得る
ことができ、特に速度検出等を行なう際に好適である。
なお、前記図６では説明の都合上、第一格子を透過型に
置き換えて説明したが、むろん図１に示す反射型の光学
式変位検出器に対応させれば図９に示すような光学系を
得ることができる。また、本実施例では第二格子のピッ
チＰ₂を４００μmとしたが、例えばピッチＰ₂を２００
μm（明線部４０μm、暗線部１６０μm）として光エネ
ルギーを多くとるようにすることも好適である。また、
透過式変位検出器に本発明を適用する場合には、格子間
ギャップｕ，ｖを非常に小さくすることにより回折効果
の影響を小さくすることができるので、前述した第二格
子の明線幅の規定、或いは第三格子の明線幅の規定等を
行なわなくても略三角波形状の信号を得ることができ、
直接本発明を適用することにより「なまり」のない三角
波形状の出力信号を得ることができる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明にかかる光学
式変位検出装置によれば、第一格子の明線部中央に補正
暗線を設け、暗線部中央に補正明線を設けたので、「な
まり」の極めて少ない適正な三角波形状出力を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかる光学式変位検出装置
の概略構成の説明図である。

【図２】前記実施例にかかる光学式変位検出装置の発光
素子及び受光素子の配置の説明図である。

【図３】前記実施例にかかる光学式変位検出装置のメイ
ンスケール（第一格子）の説明図である。

【図４】前記実施例にかかる光学式変位検出装置のイン
デックススケール（第二格子及び第三格子）の説明図で
ある。

【図５】前記実施例にかかる第一格子の詳細構成の説明
図である。

【図６】前記実施例にかかる光学式変位検出装置の作用
の説明図である。

【図７】本実施例に用いられる差動増幅回路の説明図で
ある。

【図８】速度比例信号の出力状態の説明図である。

【図９】反射式変位検出装置の前記図６相当図である。

【図１０】一般的な三格子型変位検出装置の説明図であ
る。

【符号の説明】

１０，１１０光学式変位検出装置１１８発光素子１２０受光素子１２，１１２第二格子１４，１１４第三格子１６，１１６第一格子１３０メインスケール１３４インデックススケール１５０明線部１５２暗線部１５４補正暗線１５６補正明線

フロントページの続き (72)発明者黒木真吾神奈川県川崎市高津区坂戸165番地株式会社ミツトヨ開発研究所内 (56)参考文献実開平３−30819（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】メインスケール上に形成された第一格子
と、前記メインスケールに対し相対的に移動するインデック
ススケール上に形成され、前記第一格子を光学的に挟ん
で配置される第二格子及び第三格子と、前記第二格子の第一格子非対向面側に配置された光源
と、前記第三格子の第一格子非対向面側に配置された受光器
と、を含み、前記第二格子、第一格子、第三格子で制限され
た光の周期的な強度変化より前記メインスケール及びイ
ンデックススケールの相対移動を検出する光学式変位検
出装置において、前記第一格子は、明線部中央に補正暗線を、また暗線部
中央に補正明線を有することを特徴とする光学式変位検
出装置。
【請求項２】請求項１記載の光学式変位検出装置にお
いて、補正暗線及び補正明線は、それぞれ明線部、暗線
部の１／１０〜１／５の幅であることを特徴とする光学
式変位検出装置。