JPS6058404B2 - 光学的デジタル変位変換器 - Google Patents
光学的デジタル変位変換器Info
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- JPS6058404B2 JPS6058404B2 JP5976780A JP5976780A JPS6058404B2 JP S6058404 B2 JPS6058404 B2 JP S6058404B2 JP 5976780 A JP5976780 A JP 5976780A JP 5976780 A JP5976780 A JP 5976780A JP S6058404 B2 JPS6058404 B2 JP S6058404B2
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- scale
- light
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- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
- H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
- H03M1/12—Analogue/digital converters
- H03M1/22—Analogue/digital converters pattern-reading type
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Indicating Measured Values (AREA)
- Optical Transform (AREA)
- Analogue/Digital Conversion (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は格子状パターンの形成されているスケールの移
動量を光電変換手段を使用して電気的テジタル信号に変
換する光学的デジタル変位変換器に関する。
動量を光電変換手段を使用して電気的テジタル信号に変
換する光学的デジタル変位変換器に関する。
格子状パターン・スケールは、例えば第１図ｂ（平面図
）に示すごとく、反射率の大きい幅狭い線状帯部分２１
と該部分に比し反射率の小さい線状帯部分２２とが交互
並列に配置されて格子状パターンを形成する面状のスケ
ールである。
）に示すごとく、反射率の大きい幅狭い線状帯部分２１
と該部分に比し反射率の小さい線状帯部分２２とが交互
並列に配置されて格子状パターンを形成する面状のスケ
ールである。
以下、反射率の大きい線状帯部分２１を明るい格子線、
反射率の小さい線状帯部分２２を暗い格子線と略称する
。また、明るい格子線２１と暗い格子線２２各一本づつ
でつくる幅ｄをパターンピッチと呼ぶ。この格子状パタ
ーン・スケールではパターンピッチｄは一定である。現
在の技術水準においてパターンピッチが数μｍ程度の格
子状パターン●スケールを形成することができる。格子
状パターン・スケールの移動（詳しくは各格子線と直交
する方向へのスケール面の平行移動）をスケールと非接
触で光学的に読み取る読取器（以下これを読取りヘッド
と呼ぶ）の一形式として、光源から放射する投光光束を
スケール上に集束しスケール上の微小面積部分Ｐをスポ
ット状に照射する第１光学系と、スケール上のスポット
部分Ｐから反射される受光光束を光電変換器上に集束し
該変換器上に前記スポット部分Ｐのスケールのパターン
像を結像する第２光学系と前記光電．変換器とから成る
読取りヘッドが本願発明者によつて提案されている。
反射率の小さい線状帯部分２２を暗い格子線と略称する
。また、明るい格子線２１と暗い格子線２２各一本づつ
でつくる幅ｄをパターンピッチと呼ぶ。この格子状パタ
ーン・スケールではパターンピッチｄは一定である。現
在の技術水準においてパターンピッチが数μｍ程度の格
子状パターン●スケールを形成することができる。格子
状パターン・スケールの移動（詳しくは各格子線と直交
する方向へのスケール面の平行移動）をスケールと非接
触で光学的に読み取る読取器（以下これを読取りヘッド
と呼ぶ）の一形式として、光源から放射する投光光束を
スケール上に集束しスケール上の微小面積部分Ｐをスポ
ット状に照射する第１光学系と、スケール上のスポット
部分Ｐから反射される受光光束を光電変換器上に集束し
該変換器上に前記スポット部分Ｐのスケールのパターン
像を結像する第２光学系と前記光電．変換器とから成る
読取りヘッドが本願発明者によつて提案されている。
この読取りヘッドにおいては前記光電変換器のパターン
像結像部分（以下これをスポット像部分Ｐ″と呼ぶ）Ｐ
″を照射する受光光束の光量を電気信号に変換し、スケ
ールの移動．にしたがつて生する電気信号の変化を検出
するものである。詳しくいえば、この方式の読取りヘッ
ドにおいては、スケールの移動に従つて格子状パターン
の明暗２つの格子線がスポット部分Ｐを順次通過し、こ
れに対応してスポット部分Ｐから発・する受光光束が変
化するようにスポット部分Ｐの大きさを可能のかぎり縮
少しなければならない。例えばパターン・ピッチｄが数
μｍの場合に、２分割光電変換器によつて受光光束の変
化を検出する場合はスポット部分Ｐ（ほＳ゛円形）の直
径をｄの１ｈ程度に縮少しなければならない。そのため
に第１光学系におけるスケールに対向する集束レンズの
焦点位置にスケール面が合致するようにスケールとヘッ
ドとの間隔を一定に保持する必要がある。しかるにスケ
ール面の歪その他の原因によりスケールの移動する間に
両者の間隔が多少変動するうらみがある。本発明は上記
の欠点を除去するために、両者間ノの間隔を常に一定に
保持する機能を有する読取りヘッドを構成要素とし、ス
ケールの移動量を高い精度でデジタル化する光学的デジ
タル変位変換器を提供することを主要なる目的とする。
像結像部分（以下これをスポット像部分Ｐ″と呼ぶ）Ｐ
″を照射する受光光束の光量を電気信号に変換し、スケ
ールの移動．にしたがつて生する電気信号の変化を検出
するものである。詳しくいえば、この方式の読取りヘッ
ドにおいては、スケールの移動に従つて格子状パターン
の明暗２つの格子線がスポット部分Ｐを順次通過し、こ
れに対応してスポット部分Ｐから発・する受光光束が変
化するようにスポット部分Ｐの大きさを可能のかぎり縮
少しなければならない。例えばパターン・ピッチｄが数
μｍの場合に、２分割光電変換器によつて受光光束の変
化を検出する場合はスポット部分Ｐ（ほＳ゛円形）の直
径をｄの１ｈ程度に縮少しなければならない。そのため
に第１光学系におけるスケールに対向する集束レンズの
焦点位置にスケール面が合致するようにスケールとヘッ
ドとの間隔を一定に保持する必要がある。しかるにスケ
ール面の歪その他の原因によりスケールの移動する間に
両者の間隔が多少変動するうらみがある。本発明は上記
の欠点を除去するために、両者間ノの間隔を常に一定に
保持する機能を有する読取りヘッドを構成要素とし、ス
ケールの移動量を高い精度でデジタル化する光学的デジ
タル変位変換器を提供することを主要なる目的とする。
本発明による読取りヘッドの構成上の特徴は、（１）第
１、第２の光学系から成る投・受光光学系として三角法
方式の光学系を利用すること、および（Ｉｉ）ヘッドの
構成要素である光電変換器として４分割光電変換器を使
用することである。
１、第２の光学系から成る投・受光光学系として三角法
方式の光学系を利用すること、および（Ｉｉ）ヘッドの
構成要素である光電変換器として４分割光電変換器を使
用することである。
三角法方式の光学系の構成の特徴を要約すれば、光源か
らの投光光束を対象物表面、例えばスケール面上の微小
面積のスポット部分Ｐに集束する第１光学系と該スポッ
ト部分Ｐから発する受光光束を光電変換器上のスポット
像部分Ｐ″に集束する第２光学系とを具備し、第１、第
２の光学系は対象物表面が該光学系を具備する読取りヘ
ッドに対し特定の正常位置にあるとき前記投光光束の光
軸Ｓと受光光束の光軸Ｒとが対象物表面のスポット部分
Ｐにおいて一定のオフセット角で交叉するように構成さ
れている光学系である。
らの投光光束を対象物表面、例えばスケール面上の微小
面積のスポット部分Ｐに集束する第１光学系と該スポッ
ト部分Ｐから発する受光光束を光電変換器上のスポット
像部分Ｐ″に集束する第２光学系とを具備し、第１、第
２の光学系は対象物表面が該光学系を具備する読取りヘ
ッドに対し特定の正常位置にあるとき前記投光光束の光
軸Ｓと受光光束の光軸Ｒとが対象物表面のスポット部分
Ｐにおいて一定のオフセット角で交叉するように構成さ
れている光学系である。
４分割光電変換器の構成は後述する。
以下、図面を参照して本発明を説明する。
第１図ａは本発明実施例の構成説明図である。
図において、鎖線で囲み総括記号ＲＨで示す部分は読取
りヘッド部分の立断面図、ＰＬは格子状パターン●スケ
ールの立断面図である。ＩＲはヘッド部分ＲＨの出力信
号を処理する装置の各回路要素のブロック図である。第
１図ｂはスケールＰＬ部分の平面図である。ヘッド部分
ＲＨに含まれる各要素とスケールＰＬとの相対位置、偏
位方向等を明確に説明するために１点０で互に直交する
座標軸０Ｘ０，，０２を定め、これ等座標軸を参照して
説明する。第２図以下第５図の各説明も同一の座標軸を
参照する。第１図において、読取りヘッドＲＨは光源Ｌ
Ｄ、第１凸レンズレ、第２凸レンズＬ２、第３凸レンズ
Ｌおよび４分割光電変換器ＰＤを内蔵する。
りヘッド部分の立断面図、ＰＬは格子状パターン●スケ
ールの立断面図である。ＩＲはヘッド部分ＲＨの出力信
号を処理する装置の各回路要素のブロック図である。第
１図ｂはスケールＰＬ部分の平面図である。ヘッド部分
ＲＨに含まれる各要素とスケールＰＬとの相対位置、偏
位方向等を明確に説明するために１点０で互に直交する
座標軸０Ｘ０，，０２を定め、これ等座標軸を参照して
説明する。第２図以下第５図の各説明も同一の座標軸を
参照する。第１図において、読取りヘッドＲＨは光源Ｌ
Ｄ、第１凸レンズレ、第２凸レンズＬ２、第３凸レンズ
Ｌおよび４分割光電変換器ＰＤを内蔵する。
第１〜第３の各レンズＬｌ，Ｌ２，Ｌ３の光軸をＺｌ，
Ｚ２，４で示す。乙，ろ，Ｚ３はいづれも座標軸０２に
平行し、乙と４はＺ２に関し対称の位置にある。光源Ｌ
ＤのレンズＬ１に対向する前面３はＬ１の光軸Ｚ１とレ
の焦点Ｆ１において交わり、交点Ｆ１にレーザ光の点光
源が配置される。また、４分割光電変換器ＰＤ受光面４
は第３レンズＬ３に対向し、受光面４のほＳ゛中央部の
一点５においてＬの光軸Ｚ３と交わる。Ｌ３の主平面と
ＰＤの受光面４との間隔はＬ３の焦点距離Ｆ３にほＳ゛
等しい。４分割光電変換器ＰＤの受光面４は４分割フォ
トダイオードより成る。
Ｚ２，４で示す。乙，ろ，Ｚ３はいづれも座標軸０２に
平行し、乙と４はＺ２に関し対称の位置にある。光源Ｌ
ＤのレンズＬ１に対向する前面３はＬ１の光軸Ｚ１とレ
の焦点Ｆ１において交わり、交点Ｆ１にレーザ光の点光
源が配置される。また、４分割光電変換器ＰＤ受光面４
は第３レンズＬ３に対向し、受光面４のほＳ゛中央部の
一点５においてＬの光軸Ｚ３と交わる。Ｌ３の主平面と
ＰＤの受光面４との間隔はＬ３の焦点距離Ｆ３にほＳ゛
等しい。４分割光電変換器ＰＤの受光面４は４分割フォ
トダイオードより成る。
（以下ＰＤの受光面４を単に光電変換器ＰＤと略称する
）。第２図は、光電変換器ＰＤの拡大図ａと、ＰＤの出
力に接続する演算回鈍βＣを示す。
）。第２図は、光電変換器ＰＤの拡大図ａと、ＰＤの出
力に接続する演算回鈍βＣを示す。
ＰＤの構成を座標軸０ｘ，０ｙを参照して説明すればＰ
ＤＬ３の光軸４との交点５を通り０ｘと平行する微小間
隙弐第１分割線６と、交点５を通り０ｙと平行する微小
間隙の第２分割線７とによつて電気的に分離されており
、α，β，γ，δの４部分に分割されている。α〜δの
４部分を第１〜第４の光電変換部分と名付ける。各光電
変換部分は各部に受光される受光光束量に応答し光電変
換出力信号（電気的信号）を発生する。各部の出力信号
をそれぞれ、Ｅα，Ｅβ，Ｅγ，Ｅδとする。これらの
出力信号を各別に出力し、演算回路ＳＣの入力に与えら
れる。演算回路℃はその入力にＰＤの各変換部分の出力
信号Ｅα〜Ｅδが与えられるとき、その出力に下記（１
）〜（３）式で表わされる第１〜第３の演算出力Ａ，Ｂ
，Ｃを貝別に出力する。
ＤＬ３の光軸４との交点５を通り０ｘと平行する微小間
隙弐第１分割線６と、交点５を通り０ｙと平行する微小
間隙の第２分割線７とによつて電気的に分離されており
、α，β，γ，δの４部分に分割されている。α〜δの
４部分を第１〜第４の光電変換部分と名付ける。各光電
変換部分は各部に受光される受光光束量に応答し光電変
換出力信号（電気的信号）を発生する。各部の出力信号
をそれぞれ、Ｅα，Ｅβ，Ｅγ，Ｅδとする。これらの
出力信号を各別に出力し、演算回路ＳＣの入力に与えら
れる。演算回路℃はその入力にＰＤの各変換部分の出力
信号Ｅα〜Ｅδが与えられるとき、その出力に下記（１
）〜（３）式で表わされる第１〜第３の演算出力Ａ，Ｂ
，Ｃを貝別に出力する。
格子状パターン●スケールＰＬは第１図Ａ，ｂに示す如
く読取りヘッドＲＨに対向して配置される。
く読取りヘッドＲＨに対向して配置される。
スケールＰＬ（７）ＲＨに対向する面には前述せるごと
く明暗２つの格子線２１，２２が０ｘ軸と平行し交互に
配列する。パターンピッチｄは数μｍ程度とする。スケ
ールＰＬは０ｙと平行に−ｙ方向またはその反対方向ｙ
にある速さで移動するものとする。読取りヘッドＲＨは
スケール面２に対し、その距離Ｚを０２と平行する方向
に加減できる所謂浮動ヘッド方式で対置される。以下、
第１図に示す本発明実施例の作用を説明する。
く明暗２つの格子線２１，２２が０ｘ軸と平行し交互に
配列する。パターンピッチｄは数μｍ程度とする。スケ
ールＰＬは０ｙと平行に−ｙ方向またはその反対方向ｙ
にある速さで移動するものとする。読取りヘッドＲＨは
スケール面２に対し、その距離Ｚを０２と平行する方向
に加減できる所謂浮動ヘッド方式で対置される。以下、
第１図に示す本発明実施例の作用を説明する。
読取りヘッドＲＨにおいて光源ＬＤから発する投光光束
ＳＦは第１レンズＬ１により平行光束となり、第２レン
ズＬ２によつてスケールＲＬ上に集束されＰＬ上の集束
部分をスポット状に照射する。この方式の読取りヘッド
の場合は前述せる如く、スポット部分Ｐの大きさを最小
に縮小しなければならない。そのために第２レンズ！の
主平面とスケールＰＬとの間隔ＺをＰが最小になる距離
、例えば！の焦点距離Ｆ２に保持する。このＲＨとＰＬ
との位置関係を正常位置と名付ける。正常位置における
間隔をＺを４とする。本発明はスケールが移動中にスケ
ール面の歪その他の原因により両者間隔Ｚが変動すれば
、ヘッドの出力信号Ｅα〜Ｅδを利用してヘッドの位置
を自動的に正常位置、すなわちＺ＝４に制御する相対位
置の制御作用を有するのが主要なる特徴の一つである。
この位置制御作用を説明するに先きだち、正常位置に保
持されている状態におけるスケールの移動量をデジタル
信号に変換する作用を説明する。第３図ａはスケールＰ
Ｌが−ｙ方向に移動する場合、投光光束ＳＦによつて照
射されるスケールＰＬ上のスポット部分ＰとスケールＰ
Ｌ上の格子状パターンとの相対的な位置関係を示す。図
はスポット部分Ｐの中心を含み、０ｙ２平面でＰＬを切
断せる立断面を示す。反射率の大きい格子線を２１、小
さい格子状を２２で示す。パターンピッチｄに対し、格
子線２１，２２の幅はＤＩ２、スポット部分Ｐの直径も
ＤＩ２とする。図において、（１）はスポット部分Ｐの
全面が格子線２１の部分と一致させるときのＰＩ：．Ｐ
Ｌとの相対位置を示す。スケールＰＬが（１）の位置か
ら−ｙ方向に順次１１４ｄづつ移動させるときの相対位
置をそれぞれ（２），（３），（４）で示す。スケール
ＰＬが−ｙ方向に移動するとき、これに対応し第２図に
示す光電変換器ＰＤ上のスポット像部分Ｐ″内のパター
ン像は−ｙ方向に”移動する。第３図ｂはスケールＰＬ
がａに示すごとく−ｙ方向に移動するとき変換器ＰＤの
第１〜第４の変換部分α〜に入射する受光光束の変換出
力信号Ｅα〜Ｅδを演算回路ＳＣによつて演算せる演算
出力ＡおよびＢの波形図である。（１）は出力信号Ａの
波形、（■）は出力信号Ｂの波形である。ｂ図において
横軸はスケールの移動量を示し、（１），（２），（３
），（４）は第３図ａの（１）〜（４）に対応する。図
から明らかなごとく、出力信号ＡおよびＢはほとんど同
形の振動周期波である。スケールＰＬが１ピッチ移動す
る時間をｔとすれば、Ａ，Ｂはともに繰返し周期ｔで振
動する。そして、スケールＰＬが−ｙ方向に移動する場
合は、Ａ波はＢ波より９０度位相の進んでいる波であり
、ＰＬがｙ方向に移動する場合はＡ波はＢ波より９０度
位相の遅れている波である。演算出力信号ＡまたはＢの
波形を整形しスケールＰＬが１ピッチ移動するごとにパ
瑠スを発生せしめ、このパルス数を計数すれば、ある基
準時からのスケールＰＬの移動量をパルス計数器によつ
て計数することができる。また、Ａ波に対するＢ波の位
相の遅れ、または進みを例えば位相計法によつて検出し
、スケールの移動方向を弁別することができる。第１図
ａに示す実施例に含まれている信号処理回路１Ｒにおい
て、ＷＳｌ，ＷＳ２はそれぞれ演算回路ＳＣの演算出力
ＡおよびＢを整形する波形整形回路である。
ＳＦは第１レンズＬ１により平行光束となり、第２レン
ズＬ２によつてスケールＲＬ上に集束されＰＬ上の集束
部分をスポット状に照射する。この方式の読取りヘッド
の場合は前述せる如く、スポット部分Ｐの大きさを最小
に縮小しなければならない。そのために第２レンズ！の
主平面とスケールＰＬとの間隔ＺをＰが最小になる距離
、例えば！の焦点距離Ｆ２に保持する。このＲＨとＰＬ
との位置関係を正常位置と名付ける。正常位置における
間隔をＺを４とする。本発明はスケールが移動中にスケ
ール面の歪その他の原因により両者間隔Ｚが変動すれば
、ヘッドの出力信号Ｅα〜Ｅδを利用してヘッドの位置
を自動的に正常位置、すなわちＺ＝４に制御する相対位
置の制御作用を有するのが主要なる特徴の一つである。
この位置制御作用を説明するに先きだち、正常位置に保
持されている状態におけるスケールの移動量をデジタル
信号に変換する作用を説明する。第３図ａはスケールＰ
Ｌが−ｙ方向に移動する場合、投光光束ＳＦによつて照
射されるスケールＰＬ上のスポット部分ＰとスケールＰ
Ｌ上の格子状パターンとの相対的な位置関係を示す。図
はスポット部分Ｐの中心を含み、０ｙ２平面でＰＬを切
断せる立断面を示す。反射率の大きい格子線を２１、小
さい格子状を２２で示す。パターンピッチｄに対し、格
子線２１，２２の幅はＤＩ２、スポット部分Ｐの直径も
ＤＩ２とする。図において、（１）はスポット部分Ｐの
全面が格子線２１の部分と一致させるときのＰＩ：．Ｐ
Ｌとの相対位置を示す。スケールＰＬが（１）の位置か
ら−ｙ方向に順次１１４ｄづつ移動させるときの相対位
置をそれぞれ（２），（３），（４）で示す。スケール
ＰＬが−ｙ方向に移動するとき、これに対応し第２図に
示す光電変換器ＰＤ上のスポット像部分Ｐ″内のパター
ン像は−ｙ方向に”移動する。第３図ｂはスケールＰＬ
がａに示すごとく−ｙ方向に移動するとき変換器ＰＤの
第１〜第４の変換部分α〜に入射する受光光束の変換出
力信号Ｅα〜Ｅδを演算回路ＳＣによつて演算せる演算
出力ＡおよびＢの波形図である。（１）は出力信号Ａの
波形、（■）は出力信号Ｂの波形である。ｂ図において
横軸はスケールの移動量を示し、（１），（２），（３
），（４）は第３図ａの（１）〜（４）に対応する。図
から明らかなごとく、出力信号ＡおよびＢはほとんど同
形の振動周期波である。スケールＰＬが１ピッチ移動す
る時間をｔとすれば、Ａ，Ｂはともに繰返し周期ｔで振
動する。そして、スケールＰＬが−ｙ方向に移動する場
合は、Ａ波はＢ波より９０度位相の進んでいる波であり
、ＰＬがｙ方向に移動する場合はＡ波はＢ波より９０度
位相の遅れている波である。演算出力信号ＡまたはＢの
波形を整形しスケールＰＬが１ピッチ移動するごとにパ
瑠スを発生せしめ、このパルス数を計数すれば、ある基
準時からのスケールＰＬの移動量をパルス計数器によつ
て計数することができる。また、Ａ波に対するＢ波の位
相の遅れ、または進みを例えば位相計法によつて検出し
、スケールの移動方向を弁別することができる。第１図
ａに示す実施例に含まれている信号処理回路１Ｒにおい
て、ＷＳｌ，ＷＳ２はそれぞれ演算回路ＳＣの演算出力
ＡおよびＢを整形する波形整形回路である。
ＤＤは方向弁別回路でＷＳｌの出力とＷＳ２の出力とを
入力とし、例えば信号Ａの位相を基準とし、これに対す
る信号Ｂの位相の遅れと進みを弁別する信号を得て、こ
の弁別信号によつてスケールＰＬの移動方向を弁別する
回路であるＣＵはパルス計数回路である。例えば波形整
形回路ＷＳｌの出力波をパルス波に変換し、スケールＰ
Ｌが１ピッチ移動するごとにパルスを発生し、このパル
スを計数する。次に、第１図に示す本発明実施例におい
て、スケールＰＬに対する読取りヘッドＲＨの距離を特
定の距離４、例えば第２レンズＬ２の焦点距離Ｆ２に自
動制御する作用について説明する。
入力とし、例えば信号Ａの位相を基準とし、これに対す
る信号Ｂの位相の遅れと進みを弁別する信号を得て、こ
の弁別信号によつてスケールＰＬの移動方向を弁別する
回路であるＣＵはパルス計数回路である。例えば波形整
形回路ＷＳｌの出力波をパルス波に変換し、スケールＰ
Ｌが１ピッチ移動するごとにパルスを発生し、このパル
スを計数する。次に、第１図に示す本発明実施例におい
て、スケールＰＬに対する読取りヘッドＲＨの距離を特
定の距離４、例えば第２レンズＬ２の焦点距離Ｆ２に自
動制御する作用について説明する。
第４図は、スケール上のスポット部分Ｐの近傍における
投光光鄭Ｆとスポット部分から発する受光光束ＲＦの関
係を示す。
投光光鄭Ｆとスポット部分から発する受光光束ＲＦの関
係を示す。
いま投光光束ＳＦの中心を通り、スケール上スポット部
分Ｐの中心に入射する光線の光路Ｓを投光光軸と定義し
、スポット部分Ｐから反射する受光光束ＲＦの中心を通
る光線Ｒの光路を受光光軸と定義する。第４図は正常位
置における図面であり、ａは投光光軸Ｓと受光光軸Ｒと
を含む平面でＲＬを切断せる立断面図、ｃはその側断面
図、ｂはスケールＰＬの平面図である。本発明で使用す
る読取りヘッドの投・受光光学系は、ヘッドＲＨとスケ
ールＰＬの相対位置が正常位置に保持されている状態に
おいては投光光軸Ｓと受光光軸Ｒとが一定の夾角θて交
叉するように構成されている。夾角θをオフセット角と
呼ぷ。光軸ＳおよびＲを含む平面を反射平面と呼ぶ。こ
の投・受光光学系はオフセット角θを有する所謂三角法
方式の光学系である。第１図ａと第２図を参照し、前述
せる如くスケールＰＬに対し読取りヘッドＲＨが正常位
置にあるとき第２レンズしの主平面からスケールＰＬま
での距離は４すなわちしの焦点距離Ｆ２に保持されてい
る。
分Ｐの中心に入射する光線の光路Ｓを投光光軸と定義し
、スポット部分Ｐから反射する受光光束ＲＦの中心を通
る光線Ｒの光路を受光光軸と定義する。第４図は正常位
置における図面であり、ａは投光光軸Ｓと受光光軸Ｒと
を含む平面でＲＬを切断せる立断面図、ｃはその側断面
図、ｂはスケールＰＬの平面図である。本発明で使用す
る読取りヘッドの投・受光光学系は、ヘッドＲＨとスケ
ールＰＬの相対位置が正常位置に保持されている状態に
おいては投光光軸Ｓと受光光軸Ｒとが一定の夾角θて交
叉するように構成されている。夾角θをオフセット角と
呼ぷ。光軸ＳおよびＲを含む平面を反射平面と呼ぶ。こ
の投・受光光学系はオフセット角θを有する所謂三角法
方式の光学系である。第１図ａと第２図を参照し、前述
せる如くスケールＰＬに対し読取りヘッドＲＨが正常位
置にあるとき第２レンズしの主平面からスケールＰＬま
での距離は４すなわちしの焦点距離Ｆ２に保持されてい
る。
投光光束の入射によるスケールＰＬ上のスポット部分Ｐ
はレンズしの焦点を中心としてほＳ゛円形に形成される
。このスケール上のスポット部分Ｐから発する受光光束
ＲＦによつて光電変換器ＰＤ上のスポット像部分Ｐ″は
第２図ａに示す如く第１分割線６と第２分割線７との交
点５を中心として、ほＳ゛円形の部分に形成される。し
たがつてＰＤのスポット像部分Ｐ″に入射する受光光量
に対応してＰＤの第１、第４変換部分αとδとに発生す
る変換出力信号の和（Ｅα＋Ｅδ）と第２、第３の変換
部分β，γに発生する変換出力信の和（Ｅβ＋Ｅγ）と
は相特等しく、演算回路ＳＣの第３演算出力Ｃはゼロで
ある。こ）で注目すべきことは、読取りヘッドＲＨの投
・受光学系が三角法式の光学系の場合はヘッドＲＨとス
ケールＰＬとの距離ＺがＺ。より増減すれば、光電変換
器ＰＤ土のスポット像部分Ｐ″の位置は００軸と平行し
て左右に偏位することてある。いまＲＨとＰＬとの距離
Ｚが正常位置、すなわちＺ＝ＺＯからＺ＞ＺＯに変化す
れば光電変換器ＰＤ上のスポット像部分Ｐ″は正常位置
におけるＰ″の位置から−ｘ方向に移動する。したがつ
て（Ｅα＋Ｅδ）〉（Ｅβ＋Ｅγ）となる。また、正常
位置（Ｚ＝４）からＺく４に変化すればＰＤ上のスポッ
ト像部分Ｐ″は正常位置におけるＰ″の位置からｘ方向
に移動する。したがつて（Ｅα＋Ｅδ）〈（Ｅβ＋Ｅγ
）となる。第５図は読取りヘッドＲＨとスケールＰＬと
の相対距離Ｚに対する演算回路ＳＣの第３演算出力Ｃの
特性曲線である。
はレンズしの焦点を中心としてほＳ゛円形に形成される
。このスケール上のスポット部分Ｐから発する受光光束
ＲＦによつて光電変換器ＰＤ上のスポット像部分Ｐ″は
第２図ａに示す如く第１分割線６と第２分割線７との交
点５を中心として、ほＳ゛円形の部分に形成される。し
たがつてＰＤのスポット像部分Ｐ″に入射する受光光量
に対応してＰＤの第１、第４変換部分αとδとに発生す
る変換出力信号の和（Ｅα＋Ｅδ）と第２、第３の変換
部分β，γに発生する変換出力信の和（Ｅβ＋Ｅγ）と
は相特等しく、演算回路ＳＣの第３演算出力Ｃはゼロで
ある。こ）で注目すべきことは、読取りヘッドＲＨの投
・受光学系が三角法式の光学系の場合はヘッドＲＨとス
ケールＰＬとの距離ＺがＺ。より増減すれば、光電変換
器ＰＤ土のスポット像部分Ｐ″の位置は００軸と平行し
て左右に偏位することてある。いまＲＨとＰＬとの距離
Ｚが正常位置、すなわちＺ＝ＺＯからＺ＞ＺＯに変化す
れば光電変換器ＰＤ上のスポット像部分Ｐ″は正常位置
におけるＰ″の位置から−ｘ方向に移動する。したがつ
て（Ｅα＋Ｅδ）〉（Ｅβ＋Ｅγ）となる。また、正常
位置（Ｚ＝４）からＺく４に変化すればＰＤ上のスポッ
ト像部分Ｐ″は正常位置におけるＰ″の位置からｘ方向
に移動する。したがつて（Ｅα＋Ｅδ）〈（Ｅβ＋Ｅγ
）となる。第５図は読取りヘッドＲＨとスケールＰＬと
の相対距離Ｚに対する演算回路ＳＣの第３演算出力Ｃの
特性曲線である。
正常位置、すなわちＺ＝ＺＯにおいては第３演算出力Ｃ
はゼロである。ｚがＺ。から変化しＺ＞４になればＣ〈
０，Ｚ＜４になればＣ＜Ｏになる。すなわち、第３演算
出力Ｃの極性は距離Ｚの４からの変化の極性に対応し、
Ｃの絶対値はＺ乙からの変化の大きさに対応する。した
がつて、第３演算出力Ｃを増幅し、その増幅出力によつ
て読取りヘッドＲＨ全体または第２レンズしのスケール
ＰＬに対する距離ＺをＣ＝０になるように制御すれは、
距離Ｚを４に保持することができる。第１図ａにおいて
、ＡＭは第３演算出力Ｃを増幅器、ＦＡは増幅器ＡＭの
出力Ｃ″の極性に対応し読取りヘッドＲＨまたは第２レ
ンズＬ２を上下（Ｚ軸と平行）に駆動するアクチエータ
である。
はゼロである。ｚがＺ。から変化しＺ＞４になればＣ〈
０，Ｚ＜４になればＣ＜Ｏになる。すなわち、第３演算
出力Ｃの極性は距離Ｚの４からの変化の極性に対応し、
Ｃの絶対値はＺ乙からの変化の大きさに対応する。した
がつて、第３演算出力Ｃを増幅し、その増幅出力によつ
て読取りヘッドＲＨ全体または第２レンズしのスケール
ＰＬに対する距離ＺをＣ＝０になるように制御すれは、
距離Ｚを４に保持することができる。第１図ａにおいて
、ＡＭは第３演算出力Ｃを増幅器、ＦＡは増幅器ＡＭの
出力Ｃ″の極性に対応し読取りヘッドＲＨまたは第２レ
ンズＬ２を上下（Ｚ軸と平行）に駆動するアクチエータ
である。
本発明における読取りヘッドＲＨの第１、第２の光学系
の構成は第１図に示すものを限定するものでない。前述
せる三角法方式の光学系であればよい。本発明にわれば
、格子状パターン・スケールとこれを読取りヘッドとの
間隔を一定に自動制御することができる。
の構成は第１図に示すものを限定するものでない。前述
せる三角法方式の光学系であればよい。本発明にわれば
、格子状パターン・スケールとこれを読取りヘッドとの
間隔を一定に自動制御することができる。
また、この読取りヘッドの出力信号の演算出力を利用し
、スケールの移動量を高い精度でデジタル信号に変換す
るとともにスケールの移動方向を弁別することができる
。
、スケールの移動量を高い精度でデジタル信号に変換す
るとともにスケールの移動方向を弁別することができる
。
第１図ａは本発明実施例の構成説明図、第１図ｂはスケ
ール部分の平面図てある。 第２図は本発明て使用する４分割光電変換器の拡大図ａ
と、該変換器に接続する演算回路を示す。第３図ａは本
発明の作用を説明する図面で、スケールが移動するとき
のスケール上の投光光束の照射部分とスケールの格子状
パターンとの相対的な位置関係を示す。第３図ｂはスケ
ールが移動するときの演算回路の演算出力Ａと演算出力
Ｂの波形図を示す。第４図は本発明実施例の作用を説明
する図で、読取りヘッドが正常位置にあるときの投光光
束によつて照射されているスケールを示す。第５図は読
取りヘッドとスケールとの相対距離に対する演算回路の
第３演算出力の特性曲線を示す。第１図において、ＲＨ
・・・読取りヘッド、ＬＤ・・・光源、Ｌｌ，！，Ｌ３
・・・第１、第２、第３レンズ、ＰＤ・・・４分割光電
変換器、ＰＬ・・・格子状パターン・スケール、ＩＲ・
・・信号処理回路、ＳＣ・・・演算回路、ＷＳｌＳ２・
・・波形整形回路、ＤＤ・・・方向弁別回路、ＣＵ・・
・パルス計数器、ＡＭ・・・増幅器、ＦＡ・・・アクチ
エータ。
ール部分の平面図てある。 第２図は本発明て使用する４分割光電変換器の拡大図ａ
と、該変換器に接続する演算回路を示す。第３図ａは本
発明の作用を説明する図面で、スケールが移動するとき
のスケール上の投光光束の照射部分とスケールの格子状
パターンとの相対的な位置関係を示す。第３図ｂはスケ
ールが移動するときの演算回路の演算出力Ａと演算出力
Ｂの波形図を示す。第４図は本発明実施例の作用を説明
する図で、読取りヘッドが正常位置にあるときの投光光
束によつて照射されているスケールを示す。第５図は読
取りヘッドとスケールとの相対距離に対する演算回路の
第３演算出力の特性曲線を示す。第１図において、ＲＨ
・・・読取りヘッド、ＬＤ・・・光源、Ｌｌ，！，Ｌ３
・・・第１、第２、第３レンズ、ＰＤ・・・４分割光電
変換器、ＰＬ・・・格子状パターン・スケール、ＩＲ・
・・信号処理回路、ＳＣ・・・演算回路、ＷＳｌＳ２・
・・波形整形回路、ＤＤ・・・方向弁別回路、ＣＵ・・
・パルス計数器、ＡＭ・・・増幅器、ＦＡ・・・アクチ
エータ。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 格子状パターンの形成されているスケール、該スケ
ールに対向配置されている読取りヘッド、および読取り
ヘッドの出力信号を演算する演算回路を具備し、前記読
取りヘッドは４分割光電変換器と第１光学系と第２光学
系とを具備し、前記第１光学系は点光源と第１レンズＬ
＿１と第２レンズＬ＿２とを具備し前記第１、第２の両
レンズの光軸は平行に配列し前記点光源は前記第１レン
ズＬ＿１の第２レンズＬ＿２と反対側の焦点の位置に配
置され前記第１レンズＬ＿１と第２レンズＬ＿２とを順
次通過せる前記点光源からの光は前記第１レンズＬ＿１
と反対側の前記第２レンズＬ＿２の焦点に集束して前記
スケールの表面が前記第２レンズＬ＿２の焦点または該
焦点の近傍にあるとき該スケール表面上の微小面積部分
に光スポットを形成し、前記第２光学系は前記第２レン
ズＬ＿２と第３のレンズＬ＿３と前記４分割光電変換器
の受光面とで構成され前記第３レンズＬ＿３の光軸は前
記第１レンズＬ＿１の光軸ｘ＿１と一定の間隔を置き該
光軸ｘ＿１と平行に配列し前記受光面は前記第３レンズ
Ｌ＿３の光軸ｘ＿３と前記第３レンズの焦点近傍の点で
前記光軸ｘ＿３とほぼ直角に交叉し、前記光スポットか
ら散乱する光の一部が前記第２レンズＬ＿２と第３レン
ズＬ＿３とを順次通過して前記受光面上の中央部に前記
光スポットに対応する光スポット像を結像するように配
置されており、前記第１、第２の光学系相互は前記スケ
ールに対する読取りヘッドが正常位置にあるとき投光光
軸と受光光軸とが一定のオフセット角で交叉するように
構成されており、前記光電変換器は前記ヘッドの正常位
置における該変換器と前記受光光軸との交点を通り前記
投光・受光両光軸を含む反射平面と平行する第１分割線
と該分割線と前記交点において直角に交わる第２分割線
とにより第１、第２、第３、第４の光電変換部分に電気
的に分離されており、前記第１〜第４の光電変換部分は
各部分に入射する前記受光光束の光量に対応する第１〜
第４の電気的変換出力信号Ｅα、Ｅβ、Ｅγ、Ｅδを生
じ、該各変換出力信号を各別に出力するように構成され
ており、前記読取りヘッドは前記スケールの格子状パタ
ーンを構成する格子線と前記反射平面とが平行するよう
に配置されており、前記演算回路は前記第１〜第４の電
気的変換出力信号Ｅα、Ｅβ、Ｅγ、Ｅδを演算入力と
し下記（１）、（２）、（３）式で代表される第１、第
２、第３の演算出力Ａ、Ｂ、Ｃを別々に出力する機能を
有し、Ａ＝Ｅα＋Ｅβ・・・・・・（１） Ｂ＝Ｅγ＋Ｅδ・・・・・・（２） Ｃ＝（Ｅβ＋Ｅγ）−（Ｅα＋Ｅδ）・・・・・・（３
）前記第３演算出力を利用して前記スケールに対する読
取りヘッド全体または前記投光集束レンズの位置を正常
位置に保持し、さらに前記第１または第２演算出力を利
用して前記スケールの前記反射面と直交する方向の移動
をデジタル信号に変換するとともに前記第１、第２の演
算出力を利用して前記スケールの移動方向の向きを検出
することを特徴とする光学的デジタル変位変換器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5976780A JPS6058404B2 (ja) | 1980-05-06 | 1980-05-06 | 光学的デジタル変位変換器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5976780A JPS6058404B2 (ja) | 1980-05-06 | 1980-05-06 | 光学的デジタル変位変換器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS56155927A JPS56155927A (en) | 1981-12-02 |
| JPS6058404B2 true JPS6058404B2 (ja) | 1985-12-19 |
Family
ID=13122756
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5976780A Expired JPS6058404B2 (ja) | 1980-05-06 | 1980-05-06 | 光学的デジタル変位変換器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6058404B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CH683870A5 (fr) * | 1991-01-22 | 1994-05-31 | Tesa Sa | Capteur optoélectronique de mesure de grandeurs linéaires. |
-
1980
- 1980-05-06 JP JP5976780A patent/JPS6058404B2/ja not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS56155927A (en) | 1981-12-02 |
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