JPH11325830A

JPH11325830A - リニヤスケール測長装置

Info

Publication number: JPH11325830A
Application number: JP13231598A
Authority: JP
Inventors: Takahisa Kamihira; 貴久上平
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1998-05-14
Publication date: 1999-11-26

Abstract

(57)【要約】【課題】リニヤスケールにおいて、原点位置信号を位
相分割されたＡ／Ｂ相信号に同期した状態で検出するで
きるようにする。【解決手段】４１はスケールのモアレ縞から位相変調
された周期性の信号を形成する変調器、４２はローパス
フイルタ、４３はコンパレータを示す。マイコン４０は
二つのキャプチャ機能４４、４５と、タイマー機能４６
を有しており、内部のクロック信号を利用して種種のタ
イミングパルスを形成すると共に、タイマー機能を利用
して変調器に供給する搬送波信号（切り換えパルス信
号）を供給し、キャプチャ機能によって、位相分割した
デジタル信号の周期を計測する。位相計数処理部４７で
信号処理された計数値を計数するＡＢＳカウンタ４８
と、アブソリュート値の信号処理を行うことによってａ
／ｂ相信号を出力すると共に、予めスケールに刻設され
ている原点位置信号が、ａ／ｂ相信号との論理積によっ
て出力できる原点処理機能５０を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二物体間の相対移
動量を測定する光学式のリニヤスケールに関するもので
あり、特にこのようなスケールにおいて、基準位置を原
点信号として出力することにより、例えば、工作機械等
の基準点からの移動量を知ることができるようにしたリ
ニヤスケール測長装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】工作機械等において、被加工物に対する
工具の相対移動量を正確に測定することは、精密加工を
行う上で極めて重要であり、このための測定装置が種々
製品化されている。そのひとつとして、光学格子を２枚
重ね合わせることにより得られるモアレ縞を利用した光
学式スケールが従来から知られている。この光学式スケ
ールは、図４に示すように透明のガラススケール１００
の一面に透光部と非透光部が所定のピッチで配列するよ
う格子（刻線）を設けたメインスケール１０１と、透明
のガラススケール１０２の一面に透光部と非透光部が所
定のピッチで配列するよう格子（刻線）を設けたインデ
ックススケール１０３とを有し、同図（ａ）に示すよう
に、このメインスケール１０１にインデックススケール
１０３を微小間隔を持って対向させると共に、同図
（ｂ）に示すように、メインスケール１０１の格子に対
し微小角度傾けられるようにインデックススケール１０
３の格子を配置している。

【０００３】このように配置すると、図５に示すモアレ
縞が発生し、このモアレ縞の間隔Ｗ毎に暗い部分あるい
は明るい部分が発生する。この暗い部分あるいは明るい
部分は、メインスケール１０１に対し、インデックスス
ケール１０３が相対的に左右に移動する方向に応じて上
から下、あるいは下から上に移動していく。この場合、
メインスケール１０１及びインデックススケール１０３
の格子のピッチをＰ、相互の傾斜角度をθ［ｒａｄ］と
すると、モアレ縞の間隔Ｗは、Ｗ＝Ｐ／θ と示され、モアレ縞の間隔Ｗは、光学的に格子間隔Ｐを
１／θ倍に拡大した間隔とされていることになる。この
ため、格子が１ピッチＰ移動すると、モアレ縞はＷだけ
変位することになり、Ｗの上下方向の変化を読み取るこ
とにより、ピッチＰ内の移動量を精密に測定することが
できるようになる。

【０００４】そこで、図６に示すようにモアレ縞の変化
を光学的に検出する光電変換素子１１０をインデックス
スケールに設け、メインスケールの反対側に光源を設け
るようにして、メインスケール１０１に対しインデック
ススケール１０３を相対的に移動させながら、この光電
変換素子１１０に流れる電流の変化を読み取る。すなわ
ち、メインスケール１０１に対しインデックススケール
１０３がＡの状態となっていると、光電変換素子１１０
に照射される光量は最も多くなり、光電変換素子１１０
に流れる電流は最大値Ｉ₁ となる。次に、相対的に移動
してＢの状態になると光電変換素子１１０に照射される
光量はやや減少し、その電流はＩ₂ となり、更に、移動
してＣの状態になると光電変換素子１１０には最も少な
い光量が照射され、その電流も最も小さいＩ₃ となる。
そして、更に移動してＤの状態になると光電変換素子１
１０に照射される光量はやや増加し、その電流はＩ₂ と
なり、Ｅの状態になるまで移動すると、再び最も光量の
多い位置となり、その電流は最大値Ｉ₁ となる。このよ
うに、光電変換素子１１０に流れる電流は正弦波状に変
化すると共に、その変化が１周期経過した時に、格子間
隔Ｐだけメインスケール１０１とインデックススケール
１０３とが相対的に移動したことになる。

【０００５】図６においては、光電変換素子１１０を一
つだけ設けるようにしたが、図７に示すように、一周期
（間隔Ｗ）と９０゜ずらせて２つの光電変換素子１１
１，１１２を設けるようにすると、Ａ相の光電変換素子
１１１に流れる電流に対してＢ相の光電変換素子１１２
に流れる電流は、図８に示すようにこれらの光電変換素
子から、９０度位相差を有する正弦波状に変化するＡ相
信号と、Ｂ相信号を出力することができ、その位相差は
スケールの移動方向によって、Ａ相の光電変換素子１１
１に流れる電流に対するＢ相の光電変換素子１１２に流
れる電流の位相は９０゜進相あるいは９０゜遅相となる
ため、９０゜ずらせて配置した２つの光電変換素子を設
けると、両者の間の位相を検出することにより相対的な
移動方向を検出することができる。

【０００６】ところで、このように構成された光学式ス
ケールは、ＮＣ工作機械に取りつけられて被加工物と工
具との相対的移動量を測定しているが、一般に数値制御
する場合は原点からの移動量としてプログラムされるた
め、この相対的移動量は原点からの移動量として測定す
る必要がある。そこで、通常メインスケールに予め原点
位置が設けられ、この原点位置をインデックススケール
が通過した時に原点が検出され、この原点検出信号はＮ
Ｃ装置に供給されてＮＣ装置をリセットすることによ
り、原点位置をＮＣ装置にセッティングするようにして
いた。そこで、上記したような光電式リニヤスケールに
おいて、図９に示すようにメインスケール１０１の刻線
位置とは異なる所定のトラック位置に、基準点となる原
点Ｚを示す刻線（格子）１０９を設け、この原点となる
格子１０９、およびインデックススケール１０３を通過
する光をモアレ縞として検出する光電変換素子を配置し
ておくと、メインスケール１０１とインデックススケー
ル１０３が特定の位置関係になっているときだけを原点
の信号として検出することができるようになる。そし
て、このとき、原点の信号Ｓｚの検出波形は図１０に示
すようになり、この原点Ｚの位置においてもメインスケ
ール１０１の１ピッチＰの間で図６の場合と同様に変化
する信号Ｓｚが原点検出信号として検出されるから、こ
の原点検出信号Ｓｚの波形のピーク点を、所定のレベル
ＴＨでクリップして原点パルス信号Ｐｚを形成すると、
この原点パルス信号Ｐｚの立ち上がり点をメインスケー
ルの原点Ｚとすることができる。

【０００７】ところで、上記したようなリニヤスケール
から、刻線のピッチを示す正弦波状の信号のみでスケー
ルの動きを検出すると、この刻線のピッチ以上の精度で
スケールの移動を検出することができない。そこで、本
出願人が先に提案した公開特許出願（特開昭６２−１３
２１０４号）に示されているように、検出されたモアレ
縞の位相を変調して、その信号をデジタル的に信号処理
を施すことにより、スケールの１ピッチ内をさらに分割
した単位で測長することが行われている。

【０００８】以下、このようなリニヤスケールの測長を
本出願人の公開した発明に基づいて図１１のブロックで
説明する。光源である発光ダイオード１から照射された
光はメインスケール及びインデックススケールに刻線さ
れたピッチＰの格子を透過して、光電変換素子であるフ
ォトダイオード２により受光される。フォトダイオード
２により受光されたＡ相の信号及びＢ相の信号は光電変
換アンプ３により増幅されて、コンパレータ４に印加さ
れ２値データとされる。この２値データは位置データバ
ックアップカウンタ５により、ピッチＰ移動する毎に移
動方向に応じて加算あるいは減算カウントされ、ピッチ
Ｐを単位とする位置データとされて処理装置（表示機
器）９に供給される。この処理装置９には次に述べるピ
ッチＰ内を内挿するデータも供給され、さらに精密なア
ブソリュート値を測定できるようにしている。

【０００９】光電変換アンプ３から出力された前記した
Ａ相信号及びＢ相信号は、アブソリュート内挿回路２０
にも供給され、このアブソリュート内挿回路２０により
前記格子ピッチＰを細かく分割する内挿パルスを計数す
るよう構成して、この計数パルスをカウンタ２５から出
力することによって、ピッチＰ内を分割した内挿データ
を前記処理装置９へ出力する。

【００１０】アブソリュート内挿回路２０で位相変調さ
れた信号が印加されているａ／ｂ相信号発生器２８から
は、後で述べるようにピッチＰ内を分割した内挿データ
をパルスの個数及び位相で示すＡ相パルス信号、および
Ｂ相パルス信号を発生し、数値制御（ＮＣ）装置に供給
するようにすると共に、基準点を示す原点信号としてＺ
相のパルス信号を出力するようにしている。そしてこれ
らのパルス信号によって、工作機械の移動方向の制御と
移動量を制御することができるようになされている。

【００１１】この実施の形態では、メインスケール１０
１に刻線された原点位置Ｚを形成する格子１０９とイン
デックススケール１０３によってモアレ縞を発生するよ
うに光源１１（発光ダイオード）と、発生した原点のモ
アレ縞を検出するフオートダイオード１２と、その出力
を増幅するアンプ１３、及びアンプ１３の出力を成形す
る波形整形回路１４を備えている。（なお、光源１１は
光源１と兼用される場合もある）

【００１２】なお、メインスケールとインデックススケ
ールに設けられた格子の間隔Ｐが４０ミクロンである
時、上記アブソリュート内挿回路２０に入力されたＡ相
信号あるいはＢ相信号の一周期において、４０個のパル
スを計数するようにしており、分解能を１ミクロンとし
た光学式スケールとすることができる。

【００１３】この装置では入力されたＡ相信号，Ｂ相信
号のレベルに応じた位相偏移を搬送波に与える位相変調
回路２１と、この位相変調回路２１の位相偏移された出
力信号の基本波を抽出するローパスフィルタ（ＬＰＦ）
２２と、ローパスフィルタ２２の出力信号を２値化する
コンパレータ２３とを備え、２値化された搬送波のエッ
ジで計数がスタートされ、コンパレータ２３の出力信号
のエッジにより計数がストップするカウンタ２５と、カ
ウンタ２５で計数されるクロック及び搬送波を作成する
ためのクロックを発生するクロック発生器２４と、クロ
ック発生器２４のクロックを分周する分周器２６と、こ
の分周器２６の出力より搬送波を発生する搬送波発生器
２７を設けた内挿回路２０によって構成され、分解能を
向上するために格子ピッチＰ内を分割する以下のような
信号処理を行っている。

【００１４】位相変調器２１は、例えば特開昭６２−１
３２１０４号公報に記載されている構成とされており、
Ａ相信号Ｓｉｎ（２π．ｘ／ｐ）とＢ相信号Ｃｏｓ（２
π．ｘ／ｐ）角周波数がωｔの搬送波（但しωｔ＜２
π．ｘ／ｐ）によってそれぞれ平衡変調し、加算するも
のである。その詳細な構成は、例えば図１２に示すよう
に、入力されたＡ相信号はバッファとして動作するオペ
アンプＯＰ１を介して抵抗ネットワークＲＴに供給され
ると共に、オペアンプＯＰ２により反転されて抵抗ネッ
トワークＲＴに供給される。また、Ｂ相信号はバッファ
として動作するオペアンプＯＰ３を介して抵抗ネットワ
ークＲＴに供給されると共に、オペアンプＯＰ４により
反転されて抵抗ネットワークＲＴに供給される。

【００１５】すなわち、Ａ相信号，反転Ａ相信号，Ｂ相
信号，反転Ｂ相信号を抵抗ネットワークＲＴにより混合
加算し、位相が反対で同電圧の８分割された混合信号を
作成し、マルチプレクサＡＭの８つの入力端子（０）〜
（７）にそれぞれ供給している。このマルチプレクサＡ
Ｍの入力端子に搬送波信号の基本成分と高調波成分を示
す形成する矩形波状のＣ１，Ｃ２，Ｃ３が図３（ｃ）に
示すように選択信号Ａ，Ｂ，Ｃとして入力され、この選
択信号Ａ，Ｂ，ＣによりマルチプレクサＡＭの入力端子
（０）〜（７）が順次選択されて、出力端子ｔｏから図
１３（ａ）に示す階段状の出力信号Ｓが出力される。こ
のマルチプレクサＡＭから出力される信号Ｓの周波数
は、スケールが停止しているときには図１３に図示する
ように選択信号Ｃの周期と同一であり、結局のところ、
選択信号Ｃの周期を搬送波の周期（ω）とし、Ａ相信号
（Ｂ相信号）のレベルにより平衡変調した出力信号Ｓが
マルチプレクサＡＭから出力されるようになる。すなわ
ち、Ａ相信号（Ｂ相信号）のレベルに応じて位相偏移さ
れた搬送波が出力されるのである。

【００１６】このように平衡変調された搬送波はＬＰＦ
２２に印加されて、図１３（ｂ）に示すように滑らかな
正弦波状とされる。この信号は搬送波の周波数の角速度
をω、格子間隔をｐ、移動量をｘとしたときにＳ＝Ｋ・Ｃｏｓ（ωｔー２π・ｘ／ｐ）によって示される信号となり、スケールの移動量ｘとピ
ッチｐの比ｘ／ｐが位相の変化として示される信号とな
る。

【００１７】コンパレータ２３によってこの信号Ｓの零
レベルの点がエッジとされる二値信号に変換される。こ
のコンパレータ２３より出力される二値信号の位相と、
アブソリュート内挿回路６に入力されるＡ相信号及びＢ
相信号のレベルとの関係を図１４に示す。この図の左側
に示す正弦波状に変化している信号がＡ相信号及びＢ相
信号であり、右側に示すパルス波形は位相偏移を受けた
コンパレータ２３よりの搬送波の二値信号であり、その
破線位置が位相変調回路２１に供給される搬送波の零位
相の位置である。

【００１８】そして、この図のイに示すように、Ａ相信
号が正の最大レベルでＢ相信号が零レベルの場合は９０
゜位相偏移された二値信号とされ、Ａ相信号が零レベル
でＢ相信号が正の最大レベルの同図ロの場合は１８０゜
位相偏移された二値信号とされ、Ａ相信号が負の最大レ
ベルでＢ相信号が零レベルの同図ハの場合は２７０゜位
相偏移された二値信号とされ、Ａ相信号が零レベルでＢ
相信号が負の最大レベルの同図ニの場合は３６０゜位相
偏移されて、位相偏移されていない元の状態に戻った二
値信号とされる。

【００１９】このように、位相変調回路２１，ＬＰＦ２
２，コンパレータ２３は構成されているため、格子ピッ
チＰ内を分割した内挿データを得ることができる。例え
ば、搬送波の零位相位置からコンパレータ２３の出力が
立ち上がるまでクロックを計数することにより格子ピッ
チＰ内を分割した内挿データとすることができる。そこ
で、搬送波発生回路２７よりの搬送波のエッジによりカ
ウンタ２５の計数をスタートさせ、コンパレータ２３の
２値出力の立ち上がりエッジによりカウンタ２５の計数
をストップさせると、カウンタ２５より格子ピッチＰ内
を分割した内挿アブソリュート値を検出できるようにな
る。この場合の計数パルスを図１５に示す。ただし、こ
の図においてクロック発生器２４から発生されるクロッ
クは搬送波発生器２７より発生される搬送波の４０倍の
周波数とされている（分周器２６は１／４０に分周して
いる）。

【００２０】図１５（ａ）はクロック発生器２４から発
生されるクロックを示しており、同図（ｂ）は図４ニの
点から１／４ピッチ移動したイの位置となっている場合
であり、１０個のクロックをカウンタ２５は計数する。
また同図（ｃ）は図４のロに示す場合であり、１／２ピ
ッチ移動して２０個のクロックをカウンタ２５は計数す
る。さらに、同図（ｄ）は図１４のハに示す場合であ
り、３／４ピッチ変位して３０個のクロックをカウンタ
２５が計数する場合を示す。また同図（ｅ）は図１４の
ニに示す場合であり、位相偏移は３６０゜とされている
ため、カウンタ２５が計数するクロックはない。

【００２１】このように、カウンタ２５が計数するクロ
ックの周波数が搬送波周波数の４０倍とされていると、
カウンタ２５は格子ピッチＰを４０分割した量だけ移動
する毎に１パルスを計数することになるため、分解能を
４０倍にすることができる。したがって、格子ピッチが
４０ミクロンの場合は１ミクロンの分解能とすることが
でき、内挿されるパルス数は「０〜３９」となる。この
場合、スケールの仕様によって、同一の搬送波周波数に
対して分周比を変更し、例えば「２００」に設定する
と、０．２ミクロンの分解能とすることができる。

【００２２】次に、本出願人が先に提案したａ／ｂ相信
号発生回路２８と原点信号を作る回路の概要をブロック
図として図１６に示す。図１６に示すようにアブソリュ
ート内挿回路６のコンパレータ２３の出力信号の周期を
測定する周期カウンタ３１と、周期測定カウンタ３１よ
りの計数値から所定の設定値を減算する減算器３２と、
減算器３２よりの減算値がプリセットされその計数値が
ゼロになるまで、ＡＢ相パルス発生器３４から発生され
るフィードバックパルスＦＢを計数するアップダウンカ
ウンタ３３と、アップダウンカウンタ３３よりのイコー
ル信号ＥＱとディレクション信号ＤＩＲを受けて、イコ
ール信号ＥＱが消失するまでフィードバックパルスＦＢ
を１パルスづつ発生すると共に、このフィードバックパ
ルスＦＢとディレクション信号ＤＩＲとによりＡ相パル
ス信号とＢ相パルス信号とを発生して、ＮＣ装置等へ供
給するＡＢ相パルス発生器３４と、周期測定カウンタ３
１が計数するクロックを発生する基準クロック発生器３
５より構成されている。

【００２３】３６は原点パルス信号Ｓｐを形成する基準
信号発生部を示しており、一方の入力には図１６（ｂ）
に示すように、前記波形整形回路１４から出力された原
点検出信号Ｚａの検出波形が、他方の入力には図１６の
カウント比較器３７の一致出力Ｐｒが入力されている。
カウント比較器３７には図１１のカウンタ２５の計数値
がプリセットされ、前記フイードバックパルスＦＢによ
ってその値が変化する内部カウンタ３８から計数出力が
入力される。そして、基準信号発生部３６によって原点
検出信号Ｚａとカウント比較器３７の一致出力Ｐｒの論
理積を取ることにより、カウント比較器３７から出力さ
れる一致出力Ｐｒの中から原点パルス信号Ｐｚを抽出す
るようにしている。

【００２４】周期カウンタ３１はアブソリュート内挿回
路２０内の位相変調回路２１により位相変調された搬送
波の周期を測定するカウンタであり、メインスケールと
インデックススケールとが相対的に静止している場合
は、位相変調搬送波の周期は変化されず図１７（ａ）に
示すように、基準クロックを４０クロック計数する。た
だし、この時は、アブソリュート内挿回路６における内
挿パルス数が「４０」とされて、分解能が４０倍に向上
されている場合である。すなわち、基準クロックとアブ
ソリュート内挿回路６内のクロック発生器２４よりのク
ロックとは同周波数のクロックとなるため、通常はアブ
ソリュート内挿回路６内のクロック発生器２４より発生
されるクロックを基準クロックとして兼用して周期測定
カウンタ３１は計数している。

【００２５】また、メインスケールとインデックススケ
ールとが相対的に左方向に１μｍ移動した場合は、その
瞬間に例えば、同図（ｂ）に示すように位相変調搬送波
の周期は短くなり、周期測定カウンタ３１の計数クロッ
ク数は３９パルスとなり、逆に相対的に右方向に１μｍ
移動した場合は、例えば、同図（ｃ）に示すように位相
変調搬送波の周期は長くなり、周期測定カウンタ３１の
計数クロック数は４１パルスとなる。このように、周期
カウンタ３１はメインスケールとインデックススケール
の相対的な動きが生じたときに、その格子内の動きに応
じて分解能が４０倍の時は４０を中心としてその計数値
が位相変調波の周期毎に変化する。

【００２６】このようにして、周期測定カウンタ３１に
より測定された位相変調搬送波の周期のデータは減算器
３２に供給され、設定値である「４０」が減算される。
したがって、静止しているときは図１７（ａ）のように
「０」が減算器３２から出力され、アップダウンカウン
タ３３に「０」がプリセットされる。また、左に移動し
ているときは、例えば同図（ｂ）のように「−１以下」
が減算器３２から出力され、アップダウンカウンタ３３
に例えば「−１以下」がプリセットされる。さらに、右
側に動いているときは（ｃ）のように「１以上」が減算
器３２から出力され、アップダウンカウンタ３３に例え
ば「１以上」がプリセットされる。

【００２７】次に、図１８を参照しながらアップダウン
カウンタ３３とＡＢ相パルス発生器３４の動作を説明す
るが、この図には一例としてスケールの移動によってあ
る位置から（＋）または（−）３／４０ピッチ動いた場
合を示し、アップダウンカウンタ３３に「３」あるいは
「−３」がプリセットされた場合を示している。まず、
図１８（ａ）に示すように、スケールが移動して「３」
がアップダウンカウンタ３３にプリセットされると、こ
のカウンタ３３からは計数値が「０」でない時に「Ｌ」
レベルとなるイコール信号ＥＱと、移動方向を示す
「Ｈ」レベルのディレクション信号ＤＩＲが同図
（ｂ），（ｃ）に示すように出力される。そして、ＡＢ
相パルス発生器３４は、この信号ＥＱと信号ＤＩＲとを
うけて、同図（ｄ）に示すようにフィードバックパルス
ＦＢを１パルス（Ａ１）発生してアップダウンカウンタ
３３に供給する。

【００２８】この時、信号ＤＩＲが「Ｈ」レベルのた
め、フィードバックパルスＦＢによりアップダウンカウ
ンタ３３はダウン計数され、その計数値は「２」となる
が、信号ＥＱの「Ｌ」レベル状態は維持されるため、さ
らにフィードバックパルスＦＢが１パルス（Ａ２）発生
され、このフィードバックパルスＦＢによりアップダウ
ンカウンタ３３はさらにダウン計数され、その計数値は
「１」となる。しかしながら、信号ＥＱの「Ｌ」レベル
状態は維持されるため、さらにフィードバックパルスＦ
Ｂが１パルス（Ａ３）発生され、このフィードバックパ
ルスＦＢによりアップダウンカウンタ３３はダウン計数
されて、その計数値は「０」となり、イコール信号ＥＱ
のレベルが「Ｈ」となる。したがって、ＡＢ相パルス発
生器３４から出力されるフィードバックパルスＦＢは停
止される。

【００２９】一方、ＡＢ相パルス発生器３４において、
図１８（ｅ），（ｆ）に示すように、Ａ１のフィードバ
ックパルスＦＢの立ち下がりエッジにおいて、Ａ相パル
ス信号が「Ｈ」レベルに反転され、Ａ２のフィードバッ
クパルスＦＢの立ち下がりエッジにおいて、Ｂ相パルス
信号が「Ｈ」レベルに反転され、さらに、Ａ３のフィー
ドバックパルスＦＢの立ち下がりエッジにおいて、Ａ相
パルス信号が「Ｌ」レベルに反転される。アップダウン
カウンタ３３の計数値が「０」の時、移動方向が逆転す
るとディレクション信号ＤＩＲが図１８（ｃ）に示すよ
うに「Ｌ」レベルに反転し、移動量として例えば「−
３」が、図１８（ａ）に示すように、アップダウンカウ
ンタ３３にプリセットされたとする。すると、このカウ
ンタ３３からは計数値が「０」でない時に「Ｌ」レベル
となるイコール信号ＥＱと、移動方向を示す「Ｌ」レベ
ルのディレクション信号ＤＩＲが同図（ｂ），（ｃ）に
示すように出力される。そして、ＡＢ相パルス発生器３
４は、この信号ＥＱと信号ＤＩＲとをうけて、同図
（ｄ）に示すようにフィードバックパルスＦＢを１パル
ス（Ｂ１）発生してアップダウンカウンタ３３に供給す
る。

【００３０】この時、信号ＤＩＲが「Ｌ」レベルのた
め、フィードバックパルスＦＢによりアップダウンカウ
ンタ３３はアップ計数して、その計数値は「−２」とな
るが、信号ＥＱの「Ｌ」レベル状態は維持されるため、
さらにフィードバックパルスＦＢが１パルス（Ｂ２）発
生され、このフィードバックパルスＦＢによりアップダ
ウンカウンタ３３はさらにアップ計数され、その計数値
は「−１」となる。しかしながら、信号ＥＱの「Ｌ」レ
ベル状態は維持されるためさらにフィードバックパルス
ＦＢが１パルス（Ｂ３）発生され、このフィードバック
パルスＦＢによりアップダウンカウンタ３３はアップ計
数して、その計数値は「０」となり、イコール信号ＥＱ
のレベルが「Ｈ」となる。したがって、ＡＢ相パルス発
生器３４から出力されるフィードバックパルスＦＢは停
止される。

【００３１】一方、ＡＢ相パルス発生器３４において、
図１８（ｅ），（ｆ）に示すように、Ｂ１のフィードバ
ックパルスＦＢの立ち下がりエッジによりＡ相パルス信
号が「Ｈ」レベルに反転し、Ｂ２のフィードバックパル
スＦＢの立ち下がりエッジによりＢ相パルス信号が
「Ｌ」レベルに反転し、さらに、Ｂ３のフィードバック
パルスＦＢの立ち下がりエッジによりＡ相パルス信号が
「Ｌ」レベルに反転する。このようにして発生されたＡ
相パルス信号とＢ相パルス信号はＮＣ装置へ供給され、
ＮＣ装置は供給されたＡ相信号とＢ相信号とのエッジを
検出することにより、移動量を検出すると共に、Ａ，Ｂ
相パルス信号の位相関係より移動方向を検出する。

【００３２】ところで、この実施例の場合は、ａ／ｂ相
信号発生器２８に、基準信号発生部３６とカウント比較
器３７と、内部カウンタ３８を設けている。そして、こ
の基準信号発生部３６にはカウント比較器３７の一致パ
ルス出力Ｐｒと原点Ｚの検出信号Ｓｚが入力されてい
る。カウント比較器３７には前記内部カウンタ３８の計
数値が入力され、この計数値が設定値Ｑと一致するとき
に一致出力パルスＰｒを出力する。内部カウンタ３８は
カウンタ２５から出力されている内挿アブソリュート値
の初期値が、例えば電源オン時にプリセットされ、この
計数値がスケールが移動したときに出力されるフイード
バックパルスＦＢによって変化し、１ピッチ移動する毎
に０〜３９を計数するようになされている。したがっ
て、カウンタ２５が示す最初のピッチ間の特定の位置
（初期値）からスケールが移動すると、この点から図１
８のａ／ｂ相信号が生じると共に、このａ／ｂ相信号と
同期して内部カウンタ３８のカウント値が変化するよう
に動作する。この内部カウンタ３８が特定の１ピッチ内
の設定値Ｑとなるときにカウント比較器３７から一致パ
ルスＰｒが出力されるので、一致パルスＰｒは各刻線ピ
ッチ間を分割した特定の位置から得られることになり、
この一致パルスＰｒを原点検出信号Ｓｚが検出される基
準の位置で抽出すると、ピッチ間を内装したアブソリュ
ート値と同期して原点Ｚの位置を示す基準パルスＰｚを
得ることができる。

【００３３】この基準パルスＰｚは格子内を分割して出
力している上記Ａ相出力信号又はＢ相出力信号と完全に
同期して出力されるので、スケールがどの方向からどの
ような速度で原点Ｚに近づいても、常に一定の位置を示
す信号となり、非常に精度の高い基準位置を設定するこ
とができる。

【００３４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記したよ
うなアブソリュート内挿手段２０および、ａ／ｂ相信号
発生器は、通常はゲートアレイ基板によって集積され多
回路によって構成されており、スケールの規模や測長単
位等によって、異なる仕様特性が要請されている場合
は、その都度新しくゲートアレイ基板を使用して再設計
する必要があり、その開発に時間がかかると共に、コス
トアップになるという問題があった。すなわち、搬送波
周波数を変更して測長時間がなるべく短くなるような仕
様にしたり、位相の分割数をさらに精度の高いものにす
るときは、変調回路、クロック信号の周期、フイルタの
遮断周波数等を再設計して定める必要があり、そのハー
ドウエア回路の開発に時間がかかるため、コストダウン
を図ることが困難になっている。

【００３５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記したような
問題点を解消するために、マイクロコンピュータの信号
処理機能を利用して異なる仕様のスケールに対しても容
易に変更可能な測長装置を提供するものであって、少な
くとも原点位置を示す第１の刻線と、長さ方向に等間隔
で目盛られている第２の刻線が設けられているメインス
ケールと、前記メインスケールに対して、移動可能に配
置され前記第１及び第２の格子に対して交差する刻線が
設けられているインデックススケールと、前記両スケー
ル間の刻線によって発生するモアレ縞を検出し、相対的
に単位長移動する毎に１周期変化する正弦波状の信号
と、上記原点位置の範囲を示す原点検出信号を発生する
光電変換部とを備えたスケール装置に係わるものであ
る。

【００３６】そして前記正弦波状に変化する信号を位相
情報として変調し、その信号をデジタル信号に変換した
２値信号を入力する端子と、前記変調波形成する搬送信
号を成分を出力する端子を備えているマイクロコンピュ
ータを設け、このマイクロコンピュータの第１のキャプ
チャ機能によって計測された前記２値信号の周期を計測
し、第２のキャプチャ機能から前記搬送波周波数の周期
を計測して刻線ピッチを分割したリニヤスケールの移動
情報を示すａ／ｂ相信号を形成するようにしている。ま
た、マイクロコンピュータの信号処理によって、上記原
点検出信号と前記リニヤスケールのアブソリュート値を
示すパルス列の論理積を形成することにより、移動情報
に同期した原点位置信号が得られるようにしたものであ
る。

【００３７】本発明によれば、リニヤスケールによる測
長がアナログ的な回路機能を除いて殆どの部分がコンピ
ュータの信号処理によって達成されるため、スケールの
規模が変更されたときでも、コンピュータの動作クロッ
クや、プログラムを変更するだけで容易に設計できるよ
うになると共に、原点Ｚにおいて発生する原点信号と、
格子間をさらに分割する内挿手段から出力される内挿パ
ルス信号の論理を取ることによって、原点Ｚの位置を検
出するようにしているから、原点位置信号とアブソリュ
ート値は完全に同期した信号として取り扱うことがで
き、原点へのアプローチの仕方に関係なく正確な原点信
号を得ることができる。

【００３８】

【発明の実施の形態】図１は本発明のリニヤスケール測
長装置の概要をブロック図として示したものである。こ
の図において４１は検出したスケールのモアレ縞から位
相変調された周期性の信号を形成する変調器、４２はロ
ーパスフイルタ、４３はコンパレータを示す。本発明の
場合は、変調器４１に対してマイコンコンピュータ４０
（以下、マイコンという）からスケールの仕様によって
要求される周期性の搬送波信号を供給し、入力された検
出信号を必要とされる周期で変調するようにしている。
また、点線で示すようにローパスフイルタ４２の遮断周
波数を変更可能にするために、マイコン４０からクロッ
ク信号を供給できるように構成し、このクロック周波数
の周期を変更することによってローパスフイルタを構成
するスイッチドキャパシタを駆動し、例えば変調回路の
搬送周波数を変更したときに、フイルタの遮断周波数も
同時に変更することが好ましい。

【００３９】マイコン４０の機能は図示されているよう
に、二つのキャプチャ機能４４、４５と、タイマー機能
４６を有しており、内部のクロック信号を利用して種種
のタイミングパルスを形成すると共に、タイマー機能を
利用して変調器に供給する搬送波信号（切り換えパルス
信号）を供給し、前記キャプチャ機能によって、少なく
とも入力されたデジタル信号の周期を計測する。また、
位相計数処理４７で信号処理された計数値を計数するＡ
ＢＳカウンタ４８と、アブソリュート値の信号処理を行
うことによってａ／ｂ相信号を出力する機能４８を有
し、予めスケールに刻設されている原点位置信号が、ａ
／ｂ相信号と同期して出力できる原点処理機能５０を備
えている。

【００４０】以下、上記マイコンの動作を図２及び図３
のフローチャートを利用して説明する。図２はスケール
の移動中に出力される工作物等の相対的な移動情報を位
相分割した精度の高い出力パルス信号として得る場合の
フローであって、ステップ１００ではマイコン４０に入
力されたコンパレータ４３の立ち上がりエッジを検出
し、このエッジ毎にカウンタをリセットしながら図１５
に示したようなクロック信号で計数する（Ｓ１０１）。
そして、この計数値からスケールが移動しているときに
出力される位相変化を検出してその変位量を検知する。
キャプチャ機能によって計数するクロックの周期が搬送
波の周期のＮ倍となっていることにより、１ピッチの位
相変化をＮ倍の精度で測定できる。

【００４１】ステップＳ１０３で検出された変位量が＋
側となっているか、−側になっているかを判断して、プ
ラス側になっているときは、ＡＢＳカウンタ（カウンタ
３３）に１を加える。そしてＡＢＳカウンタを−１とす
るような１個の出力パルス（フイードバックパルス）を
発生する。（Ｓ１０４）そして、この出力パルスに対応
したａ／ｂ相信号をステップ１０５で形成する。また、
ステップ１０２で変位量がマイナスであるときは１個の
出力パルスをＡＢＳカウンタに対して加算する方向に発
生し、この出力パルスに基づいて加算方向のａ／ｂ相信
号を前記下図１８のように形成する。そして、変位した
ときに出力された変位量が零になるまで、このフロー
（Ｓ１０２〜Ｓ１０５）を繰り返し終了する。（Ｓ１０
９）

【００４２】上記したようにスケールの移動によってそ
の変位量が検出されるときは、ＡＢＳカウンタの計数値
が零となるように、すなわちスケールの移動が停止する
まで、上記の動作が継続され、先に図１８で示したよう
なスケールの動きに対応してさらに精度の高いＡ相出力
パルス及びＢ相出力パルスをマイコン４０から得ること
ができる。

【００４３】次にマイコン４０によって原点信号を形成
するフローについて説明する。スケールに予め設けてい
る基準点（原点）を検出するためには、図１６で示した
ように、原点Ｚにインデックススケールが来たときに出
力されるモアレ縞からその中心位置を検出すればよい
が、図１６の（ｂ）に示すように原点の検出信号Ｓｚは
スケールの移動速度によって一点鎖線に示すようにその
レベルが変動すると共に、原点にアプローチする方向に
よって点線で示すように変化し、無条件で正しい原点位
置を検出することは困難である。そこで、本発明の場合
はスケールが移動中に出力されるａ／ｂ相信号を形成す
るための出力パルス信号を利用して、常にこのパルス信
号と同期した原点信号を図３のマイコンの信号処理によ
って形成するようにしている。

【００４４】まず、原点検出モードに制御されると、マ
イコンのキャプチャ機能を使用して、先に図１４で示し
たａ／ｂ相信号の位相状態に応じて変化する信号の周期
を測定する。そのため、まず搬送波信号の基準位相を第
１のキャプチャ機能によって検出しステップＳ２００で
基準位相のタイミングで計数回路を動作し、ステップ２
０１で変調された搬送信号のエッジを検出する。そして
この両者の位相差を基準のクロックによって計数するこ
とにより、スケールの１ピッチを位相分割した絶対位置
に対応した計数値を出力する。（なお、どちらのエッジ
を基準とするかは、予め設定しておく必要がある。）この計数値は刻線内のスケールの位置を示す絶対値とな
るので、この絶対値を前記のようにＡＢＳカウンタにプ
リセットし（Ｓ２０２）、モアレ縞の位相の計数処理を
行う。（Ｓ２０３）

【００４５】位相分割数が４０とされているときは、そ
の値が増加する方向にあるか減少する方向にあるかを判
断し、例えば＋１で増加しているときは、その計数値を
出力するが分割数が４０とされているのでＡＢＳカウン
タが４０になったときは０に戻し、逆に−側に減少して
いるときは減少する計数値を出力するが、計数値が−１
となったときは３９を出力するようにプログラムする。
（Ｓ２０５〜２０８）。この信号処理によってＡＢＳカ
ウンタの計数値はスケールの１ピッチ間の移動毎に０〜
３９の数値を出力することになるが、この中の特定のポ
イント値、例えばＱとなったときに原点信号が入力され
ているか否かを判断し（Ｓ２１０）、そのタイミングで
原点信号（Ｚ）があるときは、原点であるという信号を
出力する（Ｓ２１１）。また、ステップＳ２０９でＱ以
外の計数値のとき、およびステップＳ２１０で原点信号
が検出されていないときは原点信号をキャンセルする
（Ｓ２１２）。そして、例えば、原点位置が検出されそ
の位置でスケールの移動が停止して、相対的な変位量が
得られなくなると（Ｓ２１３）、原点位置の検出を終了
する。

【００４６】計数値がＱとなるパルスは格子内を分割し
て出力している上記Ａ相出力パルス信号又はＢ相出力パ
ルス信号と完全に同期して出力されるので、スケールが
どの方向からどのような速度で原点Ｚに近づいても、常
に一定の位置を示す信号となり、非常に精度の高い基準
位置を設定することができる。

【００４７】

【発明の効果】本発明は以上のように、従来のゲートア
レイ基板で行っていた信号処理の殆どを、マイコンのキ
ャプチャ機能、および、タイマー機能を使用して行うよ
うにしているので、例えば、位相分割数を増減してスケ
ールの精度を変更したり、スケールから出力されるタイ
ミングを早くするために搬送波周波数を変更する場合で
も、新しく回路設計を行う必要が無く、マイコンの動作
クロック周波数や、動作プログラムを設定するだけで対
応することができ、装置の開発時間を短くすることがで
きるという利点がある。

【００４８】また、原点の位置信号をマイコンの動作に
よってａ／ｂ相出力パルス信号と同期した状態で出力す
ることができるので、原点位置の探索条件を考慮する必
要が無くなり、精度の高い原点抽出を行うことができる
という効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のリニヤスケール装置の概要を示すブロ
ック図である。

【図２】Ａ／Ｂ相信号を発生するときのマイクロコンピ
ュータのフローチャートである。

【図３】原点信号を発生するときのマイクロコンピュー
タのフローチャートである。

【図４】リニヤスケールの説明図である。

【図５】光学的なモアレ縞の説明図である。

【図６】モアレ縞の移動を示す図である。

【図７】Ａ／Ｂ相信号を検出する受光素子の位置を示す
説明図である。

【図８】Ａ／Ｂ相信号の波形図である。

【図９】原点位置を検出するときのスケールの説明図で
ある。

【図１０】原点検出信号波形図である。

【図１１】リニヤスケール測長装置の全体的なブロック
図である。

【図１２】平衡変調器の一例を示す回路図である。

【図１３】変調信号の説明波形図である。

【図１４】アブソリュート内挿回路のタイミング図であ
る。

【図１５】内挿パルスのタイミング図である。

【図１６】ａ／ｂ相信号発生回路と原点信号の抽出を行
うブロック図である。

【図１７】周期測定カウンタのタイミング図である。

【図１８】ＡＢ相パルス発生器の動作タイミング図であ
る。

【符号の説明】

１，１１発光ダイオード２，１２フォトダイオード３，１３光電変換アンプ４，２３コンパレータ５位置データバックアップカウンタ６アブソリュート内挿回路８ａ／ｂ相信号発生部９処理回路（表示部）４０マイクロコンピュータ４１位相変調回路４２ＬＰＦ４３コンパレータ４４クロック発生器４５カウンタ４６分周器１０１メインスケール１０３インデックススケール１０４コの字形ホルダ１０５光源１０９原点位置１１０，１１１，１１２，１１３光電変換素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも原点位置を示す第１の刻線
と、長さ方向に等間隔で目盛られている第２の刻線が設
けられているメインスケールと、前記メインスケールに対して、移動可能に配置され前記
第１及び第２の刻線に対して交差する刻線が設けられて
いるインデックススケールと、前記両スケール間の刻線によって発生するモアレ縞を検
出し、相対的に単位長移動する毎に１周期変化する正弦
波状の信号と、上記原点位置の範囲を示す原点検出信号
を発生する光電変換部とを備え、少なくとも前記正弦波状に変化する信号を位相情報とし
て変調し、その信号をデジタル信号に変換した２値信号
を入力する端子と、前記変調波を形成する搬送信号成分
を出力する端子を備えているマイクロコンピュータを設
け、前記マイクロコンピュータによって計測された前記２値
信号の周期と、前記搬送波周波数の周期を計測して刻線
ピッチを分割したリニヤスケールの移動情報を示すａ／
ｂ相信号を形成すると共に、前記マイクロコンピュータの信号処理によって、上記原
点検出信号と前記リニヤスケールのアブソリュート値を
示すパルス列の論理積を形成することにより、移動信号
に同期した原点位置信号が得られるようにしたことを特
徴とするリニヤスケール測長装置。
【請求項２】前記２値信号はマイクロコンピュータの
第１のキャプチャ機能によって検出し前記搬送波信号は
第２のキャプチャ機能によって検出することを特徴とす
る請求項１に記載のリニヤスケール測長装置。