JPS6324109A - 光学式位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野１ 本発明は、光学式位置検出装置に係り、特に、直線型変
位より定姦に用いるのに好適な、特定のバターンが配設
されたスケールを利用して、２つの相対的に移動する物
体の相対位置を光学的に検出、Ｊ”る光学式位置検出装
置の改良に関する。 （従来の技術］ 工作機械でテーブルの移動口を測定する場合等に、明暗
の周期的パターンを有するメインスケールを固定部材に
設け、移動部材に位相の異なる複数のパターンを有する
インデックススケールと発光及び受光素子とを設けて、
移動部材の移動によって得られる周期的な信号をパルス
化して逐次計数することによって、移動口を検出表示す
る、いわゆるインクリメント型の光学式位置検出装置が
知られている。 【発明が解決しようとする問題点】 しかしながら、この周期的信号をパルス化して逐次計数
していくインクリメント型の装置においては、逐次計数
するため、移動部材の移動速度が速過ぎるとカウンタが
応答できず誤計数する可能性があり、応答速度が制限さ
れる。又、電源をオフとしてそれまでの計数値が失われ
ると移動量がわからなくなるため、作業休止時にも電源
はオフとする。ことができず、電源バックアップ等の電
源瞬断対策も必要となる。更に、現場でのノイズにより
途中で一度誤計数するだけでも最終結果が誤ってしまう
ので、厳密なノイズ対策が必要である等の問題点を有し
ていた。 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、応答速度の制限を受けたり、電源バックアップや
厳宮なノイズ対策を要求されることなく、高粘度の測定
を行うことができる光学式位置検出装置を提供すること
を目的とする。

【問題点を解決するための手段】

本発明は、２つの相対的に移動する物体の相対位置を光
学的に検出する光学式位置検出装置において、相対移動
する一方の物体に固定される、特定の間隔で配置された
基準エツジ、及び、該基準エツジの間に相互に識別可能
な状態で配置された位置パターンが形成されたスケール
と、該スケールを略平行光線で照明する照明手段と、相
対移動する他方の物体に固定される、少なくとも２本の
基準エツジの像を同時に受光可能な受光長を有するライ
ンセンサと、該ラインセンサの出力信号を処理して、位
置パターンの情報よりスケール上の原点からラインセン
サに受光された基準エツジの像までの長さを淡算し、該
演算値とラインセンサの特定の画素から前記基準エツジ
の像までの長さとから、スケールとラインセンサの相対
位置を演算する検出回路とを備えることにより、前記目
的を達成したものである。 又、本発明の実施態様は、前記位置パターンを、基準エ
ツジを含む基準パターンから独立して形成されたバイナ
リパターンとしたものである。 又、本発明の他の実施態様は、前記基準エツジを、これ
と一体化された位置パターンの７一端に形成したもので
゛ある。 又、本発廚の他の実施Ｈ様は、前記スケールとラインセ
ンサの間の光路中に、パターンの全長と通過した光をラ
インセンサで受光するためのシリンドリカルレンズを設
けたものである。 又、本発明の他の実ｒＭｒｆＡ様は、前記照明手段を、
検出回路からの同期信号により発光するようにしたもの
、である。 【作用１ 本発明においては、スケールに特定の間隔で周期的に配
置された基準エツジと該基準エツジの間に相互に識別可
能な状態で非周期的に配置された位置パターンを設け、
少なくとも２本の基準エツジの象を同時に受光可能な受
光長を有するラインセンサを用いて、非周期的な位置パ
ターンから粗い分解能で絶対位置を求めると共に、周期
的なパターンの基準エツジの像を用いて更に細かい分解
能で位置検出を行うようにしている。従って、応答速度
が制限されたり、電源バックアップや厳密なノイズ対策
を要求されることなく、高精度の測定を行うことができ
る。 又、前記位置パターンを、基準エツジを含む基準パター
ンから独立して形成されたバイナリパターンとした場合
には、位置パターンによる絶対位置の検出を容易に行う
ことができる。 又、前記基準エツジを、これと一体化きれた位置パター
ンの一端に形成した場合には、パターンが簡略である。 又、前記スケールとラインセンサの間の光路中に、パタ
ーンの全長を通過した光をラインセンサで受光するため
のシリンドリカルレンズを設けた場合には、パターン製
作時のむらや疵の効果を平均化して、受光効率を高める
ことができる。 更に、前記照明手段を、検出回路からの同期信号により
発光するようにした場合には、スケールが高速で移動す
る場合でも高精度の測定を行うことができる。 （実施例１ 以下図面を参照して、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１図にその全体構成を示す如
く、相対移動する一方の物体（図示省略）に固定される
、一定ピツチＰで配置された基準エツジ１２Ａを含む同
一形状の基準パターン１２、及び、該基準パターン１２
の間に配置された、例えば図の左側の基準パターンが左
側から何番目のパターンであるかを示すバイナリパター
ンからなる位置パターン１４が形成されたスケール１０
と、・該スケール１０を、−例えばシリンドリカルレン
ズ１６及びミラー１８を介して略平行光線で瞬間的に照
明する発光索子２０と、相対移動する使方の物体（図示
省略）に固定される、少なくとも２本の基準エツジ１２
Ａの像を同時に受光可能な受光長しく第２図参照）を有
する、例えばＭＯＳ型、ＣＣＤ型等のラインセンサ２２
と、該ラインセンサ２２の出力信号を処理して、位置パ
ターン１４の情報よりスケール１０上の原点（左端の基
準エツジの位置）からラインセンサ２２に受光された基
準エツジの像までの長さくＸ＋Ｙ）を演算し、該演算値
とラインセンサ２２の特定の画素（受光素子）２３Ａ、
（第２図参照）から前記基準エツジの像までの長さＹと
からスケール１０とラインセンサ２２の相対位置Ｘ＠演
算する検出回路２４とから主に構成されている。 前記基準パターン１２は、第２図の上方に“詳細に示す
如く、例えば線幅ｒとされ、一定ピツチＰ（例えば５１
ｍ）でスケール１０上に印刷されている。又、この基準
パターン１２の間には、線幅Ｓで［１ビツト（例えば６
ビツト）のバイナリパターンが位置パターン１４として
印刷されている。第２図ニｉＪ３　イＴ、位置パターン
１４ＡＩ；ｔ　ｒ８Ｊ　、１４Ｂは「９」、１４Ｃは「
１０」を示している。 又、前記ラインセンサ２２は、同じく第２図の下方に詳
細に示す如く、画素ピッチａ（例えば１４μ＋ｎ）、画
素数Ｎ（例えば１０２４）として、その受光長Ｌ　（＝
ｎＸＮ）が、スケール１ｏ上の少なくとも２本の基準エ
ツジ１２Ａの像を同時に受光可能な長さとなるようにさ
れている。 前記線幅ｒ、ピッチＰ、線幅Ｓ、受光長し、ビット数ｎ
の関係は、２’ＸＰの範囲で絶対測定が可能であるよう
に次の（１〉式を満足するようにされ、又、基準パター
ン１２の線幅ｒが位置パターン１４の線幅Ｓの倍数と識
別できる程度に異なるように次の（２）式を満足するよ
うにされ、更に、少なくとも２本の１１準エツジを受光
できるよう（５、受光長しが次の（３）式に示す如＜基
準パターン１２のピッチＰの２倍以上となるようにされ
てい、る。 ｒ＋（ｓｘｎ）＜Ｐ　　　　　　　　・　　＜１）ｒへ
５ｘＯＩ（１≦ｌ≦ｎ　）　　　−（２）２Ｐ≦Ｌ　　
　　　　　　　　・・・（３）前記検出回路２４は、前
出第１図に詳細に示した如く、各種演算処理を行う中央
処理ユニット（以下ＣＰＵと称する）３０と、制御プロ
グラムや演算データ等を記憶しておくためのメモリ３２
と、測定結果を表示するための表示器３４と、各種デー
タを転送するためのコントロールデータバス３６と、例
えば測定子が被測定物に接触したことから測定時点であ
ることを検出するためのタッチセンサ３８と、該タッチ
センサ３８により測定時点であることが検出されたとき
に信号送出タイミングと同期して発生される同期信号Ｇ
により前記光光素子２０を例えば２０μｓ間発光させる
ための同期回路４０と、前記ラインセンサ２２出力を増
幅するためのプリアンプ４１と、該ブリ“アンプ４１出
力のビデオ信号Ｈを保持するためのビークホールド回路
４２と、該ピークホールド回路４２出力のピークホール
ド信号Ｉからスパイク状のノイズを除去するための波形
処理回路４４と、該波形処理回路４４出力の波形処理信
号Ｊを参照レベルｖｒで整形して２値化号にとするため
の比較器４６と、該２値化号Ｋをパルス化するためのパ
ルス化回路４８と、クロックパルスＣＰを発生する発振
器５０と、該発振器５ｏ出力を分周して信号送出のタイ
ミングを作るための分周器５２と、前記発振器５０出力
のクロックパルスＣＰを計数するカウンタ５４と、該カ
ウンタ５４の計数値を前記パルス化回路４８のパルスに
よって、即ち２値化号にの変化毎に保持するためのラッ
チ回路５６とから構成されている。 以下第１実施例の作用を説明する。 まずタッチセンサ３８で測定時点であることが検出され
たときに同期回路４０により信号送出タイミングと同期
して発光素子２０を所定時間、例えば２０μｓ発光する
。発光終了と同時に力・ウンタ５４をクリアしてライン
センサ２２の出力の走査を開始する。プリアンプ４１出
力のビデオ信号Ｈは、例えば第３図（Ａ＞に示すような
波形となっており、ピークボールド回路４２を通過して
、同じく第３図（Ｂ）に示すようなビークホ・−ルド信
＠Ｉとなる。波形処理回路４４出力の波形処理信号Ｊも
、ピークホールド信号Ｉからスパイク状のノイズが除去
されているだけであり、実質的にピークホールド信号Ｉ
と同じ波形となっている。 ここで、ビデオ信号Ｈのエツジがぼけているのは、照明
光が完全な平行光ではなく、又回折の影響もあって像の
エツジがぼけているためである。 波形処理回路４４出力の波形処理信号Ｊは、比較器４６
において参照レベル■ｒで整形され、第３図（Ｃ）に示
すような２値化号にとなる。この参照レベルＶ「は、通
常は明部の出力と暗部の出力との中央値に設定するが、
ラインセンサ２２の特性や照明系の特性に応じて微調整
可能とされている。 この２値化号Ｋが反転する毎に、Ｋの値は直接、又カウ
ンタ５４の計数値ｎｌ、ｎ２・・・はラッチ回路５６か
らＣＰＵ３０に取込まれる。 いま分ｊｒＡ器５２でに分周しているとすると、１画素
相当の長さ１でにパルス計数することになる。 従って、カウンタ５４の計数値ｎに対応する長さは、Ｊ
２ｘ（ｎ／ｋ）となる。 ラッチされた信号に基づ＜ＣＰＬＩ３０での処理は次の
ようにして行われる。即ち、２値化号にの値から明部、
暗部の識別ガできるので、計数値（ｎ２ｒｌｌ）から最
初の線幅を計算するが、基準パターン１２でないことが
わかるため無視する。 次のパターンで計数値（ｎ４　　ｎ３）から線幅を計算
すると、一定の誤差内で基準パターン１２の線幅ｒと一
致するため、基準パターン１２と認識できる。従って、
ｎ３の値は第２図のＹに相当し、次式の関係が成立する
。 Ｙ＝Ｊ２．Ｘ　（ｎ　３／ｋ　）　−（４）次のパター
ンは位置パターン１４であるとわがっているので、２値
化号にの値より読取ると２進のｒ１００１Ｊ即ち１０進
の「９」であり、原点のり準パターン（０番目とする）
から９番目の基準パターンであることがわかる。一般に
、基準パターンが０１番目であるとすると、第１図の絶
対位置Ｘは、（４）式を用いて、次式で計算できる。 Ｘ＝ｍ　Ｐ−Ｙ ＝ｒａ　Ｐ−ｆｆｌＸ　（ｎ　３／ｋ　）−（５）ここ
で、波形処理信号Ｊは、側索ビツヂ℃毎に変化する階段
波形（第３図（Ｂ））であるので、カウンタ５４の計数
値はｋの倍数でラッチされることとなり、得られる計測
値の分解能は画素ピッチλ単位となる。 この第１実施例においては、位置パターン１４が、基準
エツジ１２Ａを含む基準パターン１２から独立して形成
されたバイナリパターンとされているので、基準パター
ン１２の線幅「の精度や位置パターン１４の線幅Ｓの精
度があまり要求されず、パターンの形成が容易である。 又、この第１実施例においては、タッチセンサ３８で測
定時点であることが検出されたときに検出回路からの同
期信号Ｇに同期して発光素子２０を瞬間的に発光させ、
そのときの受光信ｉを記憶してスケール１０とラインセ
ンサ２２の相対位置Ｘを求めるようにしているので、ス
ケール１０とラインセンサ２２が高速で相対移動する場
合でも会が不安定となることがなく、高速で相対移動す
る物体の位置を検出することが可能である。なお相対移
動速度が低く高い分解能が要求されない場合には、タッ
チセンサ３８や同期回路４ｏを省略することができる。 次に、第４図を参照して、本発明の第２実施例を詳細に
説明する。 この第２実施例は、前記スケール１０とラインセンサ２
２の間の光路中に、パターン１２．１４の全長を通過し
た光をラインセンサ２２で受光するためのシリンドリカ
ルレンズ６０を設けたものである。他の点については前
記第１実施例と同様であるので説明は省略する。 この第２実施例によれば、パターン製作時のむらや疵の
効果を平均化することができ、受光効率が増すので、発
光索子２２の発光時間が短ぐて済む。 次に第５図を参照して、本発明の第３実施例を詳細に説
明する。 この第３実施例は、基準パターン１２を省略し、基準エ
ツジ１２Ａを、基準パターン１２と一体化された位置パ
ターン１４の一端（図の左端）に形成したものである。 基準エツジ１２Ａ即ち位置パターン１４の左側エツジは
、それぞれ一定ピツチＰだけ離れて設けられている。又
、位置パターン１４は１個のパターンからなり、例えば
そのパターンの幅が識別可能な程度でそれぞれ異ってお
り、例えば、少なくとも画素ピッチλの差で幅が増して
いくものとされている。 他の点については前記第１実施例と同様であるので説明
は省略する。 この第３実論例においては、スケール１０上のパターン
の形状が非常にｌ！ｉｌｉ略である。 なお前記実施例においては、いずれも位置検出装置が透
過型とされていたが、反！８をで構成することも可能で
ある。 又、基準エツジ１２ＡのピッチＰが一定とされていたが
、必すしも一定である必要はなく、予め校正して記憶し
ておけば、異なる所定間隔とすることも可能である。 更に、ラインセンサ２２での読取り艮ざを、予めレーザ
干渉計等と比較して校正曲線を作成して記憶しておくこ
とにより、より高精度なエツジ検出が可能である。 ［発明の効果］ 以上説明した通り、本発明によれば、絶対位置検出であ
るので、応答速度の制限を受けたり、電源バックアップ
や厳密なノイズ対策を行うことなく、高精度の測定を行
うことができる。又、スケール上のパターンは、ライン
センサで分割するので線幅が太くてもよく、パターン形
成が容易である。更に、インクリメント型の位置検出装
置のようなインデックススケールか不要であり、構成が
簡略である等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る透過型光学式位冒検出装置０第
１実施例の全体（１４成を示す、一部プロック線図を含
む側面図、第２図は、前記第１実施例で用い、られてい
るスケールとラインセンサの構成及びその相対位置関係
を展開して示す平面図、第３図は、前記第１実施例の検
出回路における各部信号波形の例を示Ｖ線図、第４図は
、本発明の第２実施例における要部構成を示ず断面図、
第５図は、本発明の第３実施例におけるスケールパター
ンの例を承り平面図である。 １０・・・スケール、 １２・・・基準パターン、 １２Ａ・・・基準エツジ、 Ｐ・・・所定間隔、 １４．１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ・・・位置パターン、２
０・・・発光素子、 ２２・・・ラインセンサ、 ２３Ａ・・・画素、 し・・・受光長、 ２４・・・検出回路、 ６０・・・シリンドリカルレンズ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）２つの相対的に移動する物体の相対位置を光学的
   に検出する光学式位置検出装置において、相対移動する
   一方の物体に固定される、特定の間隔で配置された基準
   エッジ、及び、該基準エッジの間に相互に識別可能な状
   態で配置された位置パターンが形成されたスケールと、 該スケールを略平行光線で照明する照明手段と、相対移
   動する他方の物体に固定される、少なくとも２本の基準
   エッジの像を同時に受光可能な受光長を有するラインセ
   ンサと、 該ラインセンサの出力信号を処理して、位置パターンの
   情報よりスケール上の原点からラインセンサに受光され
   た基準エッジの像までの長さを演算し、該演算値とライ
   ンセンサの特定の画素から前記基準エッジの像までの長
   さとから、スケールとラインセンサの相対位置を演算す
   る検出回路と、を備えたことを特徴とする光学式位置検
   出装置。
2. （２）前記位置パターンが、基準エッジを含む基準パタ
   ーンから独立して形成されたバイナリパターンとされて
   いる特許請求の範囲第１項記載の光学式位置検出装置。
3. （３）前記基準エッジが、これと一体化された位置パタ
   ーンの一端に形成されている特許請求の範囲第１項記載
   の光学式位置検出装置。
4. （４）前記スケールとラインセンサの間の光路中に、パ
   ターンの全長を通過した光をラインセンサで受光するた
   めのシリンドリカルレンズが設けられている特許請求の
   範囲第１項記載の光学式位置検出装置。
5. （５）前記照明手段を、検出回路からの同期信号により
   発光するようにした特許請求の範囲第１項記載の光学式
   位置検出装置。