JPS6324110A - 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］ 本発明は、光学式位置検出装置に係り°、特に、直線型
変位測定機に用いるのに好適な、特定のパターンが配設
されたスケールを利用して、２つの相対的に８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の
改良に関する。 （従来の技術］ 工作機械でテーブルの移動量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、移動量を検出表示す
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。 水元Ｊ１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
や厳密なノイズ対策を要求されることなく、ラインセン
サの画素ピッチ以下の分解能で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、特定の間隔で配貨された
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
基準エツジの会を同時に受光可能な受光艮を有するライ
ンセンサと、該ラインセンサの出力を直線補間した信号
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
前記基準エツジの仏までの長さとから、スケールとライ
ンセンサの相対位置をラインセンサの画素ピッチ以下の
分解能で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、本発明の伯の実施ｆ８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一端に形成したもので
ある。 又、本発明の他の実施態様は、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
けたものである。 又、本発明の他の実施態様は、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
。 又、本発明の他の実施態様は、前記直線補間信号を、ラ
インセンサ出力をピークホールドした信号から、Ｏ−パ
スフィルタとハイパスフィルタとで濾波された信号を合
成して生成するようにしたものである。

【作用］ 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
能な状態で非円１月的に配置された位置パターンを設け
、少なくとも２本の基準エツジの凶を同時に受光可能な
受光艮を有するラインセンナを用いて、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直線補間した信号を
用いてラインセンサの画素ピッチ以下の細かい分解能で
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、ラインセンサの画素ピッチ以下の分
解能で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、１１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、これと一体化された位置パター
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
作口）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。 又、前記直線補間信号を、ラインセンサ出力をピークホ
ールドした信号から、ローパスフィルタとハイパスフィ
ルタとで一波された信号を合成して生成するようにした
場合には、ソフトウェアで処理する場合よりも高速処理
が可能である。 【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ト２、及び、該基準パターン１２
の間に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素子２
０と、相対移動する他方の物体（図示省略）に固定され
る、少なくとも２本の基準エツジ１２Ａの像を同時に受
光可能な受光長Ｌ（第２図参照）を有する、例えばＭＯ
Ｓ型、ＣＣＤ型等のラインセンサ２２と、該ラインセン
サ２２の出力を直線補間した信号を処理して、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
エツジの保までの長さく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をライ
ンセンサ２２の画素ピッチβ以下の分解能で演算する検
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ず如
く、例えば線幅ｒとされ、一定ピツチＰ（例えば５１１
）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ｎビット（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図において、位置パターン１４Ａは「
８」、１４日はｒ９Ｊ、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λ（例えば１４μｌ）、画素
数Ｎ（例えば１０２４＞として、その受光長Ｌ（＝λＸ
Ｎ）が、スケール１０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Ｐ１線幅ｓ１受光長し、ビット数ｎ
の関係は、２ｎＸＰ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エツジを受光で
薯るように１．受光長しが次の（３）式に示す如く基準
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　　＋　　（ｓ　　ｘ　　ロ　）＜Ｐ　　　　　　　
　　　・・・　（１）「≠ｓｘ＋ｎ（１≦ｍ≦ｎ）　　
　・　（２）２Ｐ≦し　　　　　　　　　・・・（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により前記発光素子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
、該プリアンプ４１出力のビデオ信号ト１を保持するた
めのピークホールド回路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の直線補間を行うため
の波形処理回路４４と、該波形処理回路４４出力の直線
補間信号Ｊを参照レベルｙｒで整形して２　（１１！信
号にとするための比較器４６と、該２値信＠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
を発生ずる発振器５ｏと、該発ｉｆｉ器５０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値信号にの変化毎に
保持するためのラッチ回路５６とから構成されている。 前記波形処理回路４４は、第３図に詳細に示Ｔ如く、バ
ッファアンプ４４Ａと、該バッファアンプ４４Ａを介し
て入力される前記ビークホー゛ルド信４１の緩かな変化
（低周波成分）を抽出する、カットオフ周波数が「１の
ローパスフィルタ４４Ｂと、同じく前記ピークホールド
信号Ｉの高周波・成分を抽出する、カットオフ周波数が
ｆ２のハイパスフィルタ４４Ｇと、前記ローパスフィル
タ４４Ｂとハイパスフィルタ４４Ｃの出力を合成する和
演算器４４Ｄと、該和波算器４４Ｄの出力を反転し、入
力と同じ位相の直線補間信号Ｊとして前記比較器４６に
出力する反転回路４４Ｅとから構成されている。前記カ
ットオフ周波数ｆｔ、ｆ２は、実験的に最適値が選ばれ
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から入力される例えば第４図（Ａ
＞に示ずような同期信号Ｇ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。発光終了と同時にカウンタ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４図（Ｂ）に示すよう
な疲形となっている。ここで、ビデオ化４Ｈ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。 前記ビデオ信号Ｈは、ピークホールド回路４２を通過し
て、同じく第４図（Ｃ）に示すようなピークホールド信
号■となる。次いで波形処理回路４４を通過して、同じ
く第４図（Ｄ）に示すような直線補間信号Ｊとなる。こ
こで、ピークホールド信号Ｉと直線補間信号Ｊの関係を
詳細に示ずと第５図に示ず如くとなっている。即ち、第
５図に実腺で示ずピークホールド信号Ｉは、ラインセン
サ２２の１画素ピッチａを走査する時間Δ【毎に階段状
に変化している。従って、これをそのまま参照レベル■
ｒで整形した場合、整形波形の時間幅Ｔ１はΔｔの整数
倍となり、分解能も画素ピッチと同じ１０μｍ程度で十
分とは言えない。そこで本発明では、第５図に破線で示
すように階段波形の角を直線で結合した直線補間信号Ｊ
を作成し、これを参照レベル■ｒで整形するようにして
′いる。 従って、整形波形の時間幅Ｔｏは６℃の整数倍に限定さ
れなくなり、ＴｏはＬｌより頁の長さに近いＬＯに換算
でき、１画素ピッチ以下の分解能（実施例では１μｌｌ
１）が１ｎられる。 波形処理回路４４出力の直線補間信号Ｊは、比較器４６
において参照レベルＶｒで整形され、第４図（Ｅ）に示
すような２値化号にとなる。この参照レベルＶｒ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ｎ　、、ｎ　２・・・はラッチ回路５
６からＣＰＵ３０に取込まれる。 いま分周５５２でに分周しているとすると、１画素相当
の長さぶ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、ｆ
ｘ（ｎ／ｋ）となる。 ラッチされた信号に基づ＜ＣＰＵ３０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、
暗部の識別ができるので、計数値（ｎ２ｎ＋＞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（ｎ＜　　ｎ３）からＩｉ２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の偵は第２図のＹに相当し、次式の関係が成立
する。 Ｙ＝ｆｆｉＸ　（ｎ　３　／ｋ　）　−（４）次のパタ
ーンは位置パターン１４であるとわかっているので、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、原点の基準パターン（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、Ｂｔｐパターンが１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＝ｍＰ−Ｙ ＝ｍ　Ｐ−ＡＸ　（ｎ　３／ｋ　）　　−（５）ここで
、直線補間信号Ｊは、連続的な波形（第４図（Ｄ））で
あるので、カウンタ５４の計数値０３°はｋより細かい
値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よりも細かくなる。実施例では、画素ピ
ッチぶ＝１４μｌで分解能１μｍを得ている。 この第１実施例においては、位置パターン１４が、暴準
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ｒ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、
そのときの受光信号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
合でも像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４０を省略することができる。 更に、この第１実施例においては、フィルタを用いてハ
ードウェアで直線補間信号Ｊを生成するようにしている
ので、高速処理が可能である。なお、直線補間の方法は
、これに限定されず、ソフト処理でピーク値をつなぐこ
とも可能である。 次に、第５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の全員を）１０
過しｌこ光をラインしンＩす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
光素子２２の発光時間が短くて済む。 次に第６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を缶略し、最早エ
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ｌの差で幅が増して
いくものとされている。 他のＪｊｌについては前記第１実施例と同様であるので
説明は省ｇ１８する。 この第３実廁例においては、スケール１０上のパターン
の形状が非常に簡略である。 なお前記実施例においては、いずれも位置検出装ａが透
過型とされていたが、反射型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
、必ず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での読取り長さを、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、より高粘度なエツジ検出が可０しである。 【発明の効果】 以上説明した通り、本発明によれば、直線補間による絶
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（、ラ
インセンサの画素ピッチ以下の分解能で高精度の測定を
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置検出装置の第
１実施例の全体構成を示す、一部ブ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実施例で用いら
れている波形処理回路の（１４成を示ず回路図、第４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
例を示ず線図、第５図は、同じくピークホールド信号と
直線補間信号の関係を詳細に示す線図、第６図は、本発
明の第２実施例における要部構成を示す断面図、第７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
を示す平面図である。 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、１４Ｇ・・・位置パターン、２
０・・・発光素子、 ２２・・・ラインセンサ、 ２３Ａ・・・画素、 Ｌ・・・受光長、 ２４・・・検出回路、 ４２・・・ピークホールド回路、 ■・・・ピークホールド信号、 ４４・・・波形処理回路、 Ｊ・・・直線補間信号、 ４４Ｂ・・・ローパスフィルタ、 ４４Ｇ・・・ハイパスフィルタ、 ４４Ｄ・・・和演算器、 ６０・・・シリンドリカルレンズ。

Claims (6)

【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を直線補間した信号を処理して、
   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
   対位置をラインセンサの画素ピッチ以下の分解能で演算
   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。
6. （６）前記直線補間信号を、ラインセンサ出力をピーク
   ホールドした信号から、ローパスフィルタとハイパスフ
   ィルタとで濾波された信号を合成して生成するようにし
   た特許請求の範囲第１項記載の光学式位置検出装置。