JPS6350722A - 光学式変位検出器 - 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、光学式変位検出器に係り、特に、二つの部材
の相対位置を、光学的な格子の形成されたメインスケー
ルと対応する光学的な格子を形成したインデックススケ
ールとの相対変位によって生ずる光電変換信号の変化か
ら検出する光学式変位検出器の改良に関するものである
。 【従来の技術１ 工作ｙ１械の工具の送りｍなどを測定するために、第８
図に示す如く、相対移動する部材の一方に第１の格子１
６を設けたメインスケール１４を固定し、他方の部材に
、第２の格子２ｏを設けたインデックススケール１８、
例えば光源１０及びコリメータレンズ１２から構成され
る照明手段及び例えば受光素子２２から構成される光電
変換手段を有するスライダを固定して、第１の格子１６
と第２の格子２０との相対移動によって生ずる光量変化
を光電変換し、得られた信号を付属する計数回路で補間
及びパルス化して計数することにより変位旦を測定する
光学式変位測定装置が普及している。 このような測定装置においては、例えばインデックスス
ケール１８に設けられた第２の格子２２は、第８図に示
した如く、位相０°、９０”　、１８０”　、２７０°
の区分けが施されており、プリアンプ２４Ａ、２４Ｂで
差動増幅することによって、インデックススケール１８
のＸ方向への変位に対応して、はぼＡ　ｓｉｎθ、ＡＣ
Ｏ３θで近似できる２相の検出信号が得られるようにさ
れている。 このような測定装置においては、加工技術の高度化と共
に、測定分解能の細分化が要求されている。この際、計
数回路での補間には限界があるため、検出信号自体のピ
ッチをより絹かくする必要がある。このような場合に有
効な検出器として、第１の格子の格子ピッチがＰの場合
に得られる検出信号のピッチ［がＰを細分化したもので
ある光学的分割を行う検出器が知られている。例えば英
国特許出願第４４５２２／７４号では、３枚の格子を用
いて、メインスケールの格子ピッチＰの１／２のピッチ
への検出信号を生成する検出器が提案されてる。 更に、英国特許出願第２０２４４１６Ａ＠には、メイン
スケールの格子ピッチＰ１インデックススケールの格子
ピッチＰ／２、両格子間隔が波長をλとして約０．５Ｐ
’／λであるときに、ピッチＰ／２の検出信号が得られ
る検出器が提案されている。 【発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、前者で提案された検出器は、３枚の格子
を使用するため、透過型には適用しにくいという問題点
を有する。 一方、後者で提案された検出器は、良好な平行光線を必
要とするため、高精度で焦点距離の良いコリメータレン
ズが必要であり、検出器が大型化するという問題点を有
する。又、メインスケールの格子ピッチＰに対してイン
デックススケールの格子ピッチはＰ／２であり、ピッチ
Ｐが例えば１０μｍ以下のような場合には、インデック
ススケールの歩留りが悪くコストが増大するという問題
点もある。 【発明の目的】 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、２枚の格子で光学的２分割を行うことができ、し
かも、高Ｍ度なコリメータレンズを用いる必要がなく、
インデックススケールの製作も容易な光学式検出器を提
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、光学式変位検出器において、コリメータレン
ズを介さずメインスケールを照明する拡散光源と、該拡
散光源かうの間隔がＵである位置に配置された、格子ピ
ッチＰの第１の格子が形成されたメインスケールと、前
記第１の格子からの間隔がＶである位置に配置された、
格子ピッチｑ−＜ｕ＋ｖ）Ｐ／＜２ｕ）の第２の格子が
形成されたインデックススケールと、前記両スケールが
相対移動したときの、拡散光源による第１の格子の影像
と第２の格子との重なり合いによる光量変化を光電変換
する受光水子とを含むことにより、前記目的を達成した
ものである。 又、本発明の実！態様は、前記拡散光源を点光源とした
ものである。 又、本発明の実施態様は、更に、前記点光源をレーザダ
イオードとしたものである。 又、本発明の他の実施態様は、前記点光源を、レーザダ
イオードの発光部前面に半球レンズを配置して構成した
ものである。 又、本発明の他の実施態様は、前記拡散光源を、第１の
格子の格子幅方向に配向された線光源としたものである
。 又、本発明の実施態様は、前記間隔■を、光学系の光の
感度スペクトルの平均値での波長をλとして、 Ｖ　”ｕ　　（ｎ　−０，５）　Ｐ２ ／｛λｕ　−（ｎ−０，５）Ｐ２） （ｎはλｕ／Ｐ”＋０．５以下の自然数）としたもので
ある。

【作用】

まず、本発明の検出原理を簡略に説明する。 第１図に示す如く、格子ピッチＰの第１の格子１６の前
に、間隔Ｕ＠隔てて拡散光源３０（例えば点光源）を配
置する。すると、第１の格子１６から間隔■を隔てた影
像面Ｓには、直観的には第１の格子１６の拡大された影
が形成される。ところが実際には、回折の効果により影
の形状は様々に変化する。 簡単のため、第１の格子１６の光の振幅透過率ｒ（ｘ）
を次式で表し、Ｐｒ１ｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　　０ｐｔ
ｉｃｓ、６ｔｈ　ｅｄｉｔｉｏｎ　　（ＭＡＸ　　ＢＯ
ＲＮ　　＆　　ＥＭｒ　Ｌ　　ＷＯＬＦ、　Ｐｅｒｇａ
ｍｏｎ　Ｐｒｅｓｓ、　１９８０）の第３８３頁にある
フレネル回折の理論を用いて、間隔Ｖの影像面Ｓでの影
像分布！１（Ｘ）を計算した結果を以下に示す。 ｆ（ｘ　）−１＋ｃｏｓ　　（２πｘ　／Ｐ）　−＝　
（１）ここで、拡散光源３０の発光スペクトル及び受光
素子の波長感度を考慮した、この光学系における光のス
ペクトルの平均値における波長をλとおき、ｎを自然数
（１以上の整数）とする。 まず間隔■が、次の（２）式で表されるｖｌ（ｎ）とほ
ぼ等しいときには、比例定数を除いて、次の（３）式に
示す関係が成立する。 ＶαＶ１（ｎ） −ｔＪ　　（ｎ　−０，５）　Ｐ２ ／｛λｕ　−（ｎ−０，５）Ｐ’　）＝　（２）ｇ（Ｘ
）三（＋１　（Ｘ　） ＞４＋　　ｃｏｓ［４πｕ　　ｘ　／　（（ｕ　　＋ｖ
　　）Ｐ）］・・・・・・　（３） 一方、間隔Ｖが、次の（４）式で表される■２（ｎ）に
ほぼ等しいときには、比例定数を除いて、次の（５）式
の関係が成立する。 ｖ＞ｖ２（ｎ） −ｕ　ｎ　ｐ’　／　（λＩＩ−ｎＰ２）　　・−−−
−・（４）ｇ（ｘ）三〇２　（ｘ　） ＞１＋　ｃｏｓ［２πｕ　ｘ　／　（（ｕ　＋ｖ　）　
Ｐ）コ・・・・・・（５） （２）式及び（３）式から、間隔ＵがＶｌ（ｎ）近傍の
影像面Ｓには、格子ピッチｑが（Ｕ　＋Ｖ　）Ｐ／（２
ｕ）の第２の格子を配置することによって検出信号を得
ることができることがわかる。この影像は、直観的な影
像に対して格子ピッチが１／２であり、第１の格子１６
が１ピッチＰ変位すると、検出信号は２ピッチ分変化す
るという大きな特徴がある。 一方、（４）式及び（５）式からは、間隔Ｖがｖ　２　
（ｎ　）近傍の影像面Ｓには、格子ピッチｑが（ｕ　＋
ｖ　）　ｐ／ｕの第２の格子を配置することにより、検
出信号を得ることができることがわかる。 この影像は直観的な影像に対応するので、第１の格子１
６の１ピツチＰの変位によって、検出信号も１ピッチ分
変化する。 これまでは、拡散光源３０、特に点光源として、発光部
が小さく且つ出力の大きなものがなかったこと、又、格
子ピッチＰが大きい場合には必要性が少なかったことな
どによって、本発明に係るような検出器が深く検討され
たことはなかった、。 ところが、点光源として理想的であるレーザダイオード
のコストダウン及び格子ピッチＰの微小化に伴う問題点
の克服の必要性などの技術的背景の変化によって、本願
の発明者が検討した結果、前出（３）式及び（５）式を
導出し、前記のような検出器の実用性を確認したもので
ある。 本発明は、このような研究結果に基づいてなされたもの
で、第１の格子の格子ピッチをＰ１第２の格子の格子ピ
ッチｑを（ｕ　＋ｖ　）　Ｐ／　＜２０　）（Ｕは拡散
光源と第１の格子の間隔、■は第１の格子と第２の格子
の間隔）とし、前記第１の格子が形成されたメインスケ
ールを、コリメータレンズを介することなく拡散光源で
照明して、第１格子の影像と第２格子との重なり合いに
よる先日変化を光電変換するようにしている。従って、
高精度で焦点距離の長いコリメータレンズを用いる必要
がなり、シかも、インデックススケールの加工が容易と
なる。

【実施例】

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、前出（２）式及び（３）式の関
係を用いたもので、第２図に示す如（、コリメータレン
ズを介さずメインスケール１４を照明するレーザダイオ
ード３２と、該レーザダイオード３２からの間隔がＵで
ある位置に配置された、格子ピッチＰの縦縞状目盛から
なる第１の格子１６が形成されたメインスケール１４と
、前記第１の格子１６からの間隔がＶである位置に配置
された、格子ピッチｑの第２の格子２０が形成されたイ
ンデックススケール１８と、前吉己両スケール１４．１
８が相対移妨したときの、レーザダイオード３２による
第１の格子１６の影像と第２の格子２０との重なり合い
による光ａ変化を光電変換する、位相がそれぞれＯ＠、
９０°とされた２個の受光素子２２Ａ、２２Ｂと、該受
光素子２２△。 ２２Ｂの出力をそれぞれ増幅するプリアンプ２４△、２
４Ｂとから構成されている。 前記レーザダイオード３２としては、発光部のサイズが
数μ餉角程度、波長λが約０．７８μｍのレーザダイオ
ード（例えば日立製作所のＨＬ−７８０１Ｅ等）を用い
ることができる。 前記第１の格子１６と第２の格子２００間隔■及び前記
第２の格子２０の格子ピッチｑは、次式の関係を満足す
るようにされている。 ｖ　＞ｕ　　（ｎ　−０，５）　Ｐ’ ／（λｔｌ　−（ｎ−０，５）Ｐ２）　・・・・・・（
６）ｑ　　−＜ｕ　　＋ｖ　　）　　Ｐ／　　（２ｕ　
　）　　−−・−−−（７）ここで、ｎは、λｕ　／Ｐ
２＋０．５以下の自然数である。なお、（６）式の関係
は、実験の結果、あまり厳密に維持される必要はないこ
とがわかっている。 具体的には、ＵｌＶを共に約５１１に設定し、第１の格
子の格子ピッチＰを８μ隣とした場合、第２の格子２０
の格子ピッチｑは、（７）式の関係から同じく８μ醜で
よい。 一方、位相のずれた信号を得るために偏差δを以て区分
された第２の格子２０の偏差δについては、位相差とし
て９０°±１０°を得るためには、格子ピッチｑが８μ
ｍであるため、偏差δは（２±０．２）μｍでよい。な
お、モアレ槁方式を採用した場合には、δを零とし、イ
ンデックススケールを微小に回転させて受光素子２２Ａ
、２２Ｂを上下方向に配置すればよい。 又、メインスケール１４が変位する場合の間隔Ｕ、Ｖの
変動によって生ずる第２の格子２ｏのピッチｑと影像の
ピッチとのずれによる影響は、受光素子２２Ａ、２２Ｂ
のＸ方向の幅を小さくすることで回避できる。 この実施例の構成では、メインスケール１４の第１の格
子１６がＸ方向に１ピツチＰだけ変位しても、得られる
影像は２ピツチ変化する。従って、プリアンプ２４Ａ、
２４Ｂからは、ピッチｔ−Ｐ／２の２相の検出信号が得
られる。即ち、光学的２分割が行われる。 前記第１実旅例においては、レーザダイオード３２をそ
のまま点光源として使用していたが、点光源の種類はこ
れに限定されず、例えば第３図に示す第２実施例のよう
に、レーザダイオード３２の発光部の前面に、直径が５
００μｍ程度の微小半球レンズ３４を設けたものを使用
することも可能である。この場合には、レーザダイオー
ド３２からの照明光の発散角が抑制されて、受光効率が
改善される。更に、点光源として、レーザダイオードと
発光ダイオードとの中間的形態にある高出力発光ダイオ
ードなどを使用することもできる。 次に本発明の第３実施例を詳細に説明する。 この第３実施例は、第４図に示す如く、拡散光源として
、第１の格子１６の格子幅方向に配向された、例えばス
リット状発光ダイオードからなる線光源４０を用いたも
のである。他の点については、受光素子２２Ａ、２２８
１２２Ｃ，２２Ｄが位相０’　、１８０”　、９０°、
２７０°で４個設けられている点を除き、前記第１実施
例と同様であるので説明を省略する。 光源として一般の発光ダイオードを用いた場合、点光源
とするために発光部を単に小さくすると発光出力が減少
して、プリアンプの増幅度を大きくしなければならｆｓ
Ｎ比が悪化する。そのためこの第３実施例では、点光源
ではなく線光源として用いている。 前記線光源４０としては、出願人が既に提案している、
第５図および第６図に示すような、発光部４２がスリッ
ト状の発光ダイオードを用いることができる。この発光
ダイオードは、例えばＮ型Ｑａ　ＡＳの基板４４に、幅
Ｗが約５０７１ｍ、長さしが約４００μｍのスリット状
にＰ型Ｑａ　Ａｓを拡散形成し、下面には電極膜４６を
、上面には絶縁ｆｉｌ　４８を介して電極膜４６を蒸着
したものとなっている。５ｏはリード線である。このよ
うな発光ダイオードはスリット状に発光するため、全体
として出力は減少せず、線光源として好適である。 このようにして、発光ダイオードのスリット状発光部４
２の長手方向をメインスケール１４の第１の格子１６の
格子幅方向に配向することで、格子幅方向には線光源で
あっても、格子のＸ方向には点光源となり、実質的に点
光源として作用する。 なお、前記実施例においては、いずれも本発明が透過型
検出器に適応されていたが、本発明の適用範囲はこれに
限定されず、例えば第７図に示す第４実施例の如く、反
射型の検出器にも同様に適用することができる。 又、前記実施例においては、本発明がいずれも、第２の
格子が区分して２個以上設けられた直線変位検出器に適
用されていたが、本発明の適用範囲はこれに限定されず
、第２の格子に区分のないモアレ縞方式の検出器や回転
変位検出器（ロータリエンコーダ）にも同様に適用する
ことができる。 【発明の効果］ 以上説明したとおり、本発明によれば、格子２枚の構成
で光学的２分割が達成できる。又、点光源又は線光源を
そのまま拡散光源として用いることができ、高精度なコ
リメータレンズを用いる必要がない。更に、インデック
ススケールのピッチをメインスケールのピッチよりも大
幅に小さくする必要がなく、インデックススケールの製
造も容易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、本発明の検出原理を説明するための線図、第
２図は、本発明に係る光学式変位検出器の第１実施例の
構成を説明するための断面図、第３図は、同じく第２実
施例の構成を説明するための要部断面図、第４図は、同
じく第３実施例の構成を説明するための斜視図、第５図
は、前記第３実旌例で用いられている線光源の構成を説
明するための正面図、第６図は、第５図の■−■線に沿
う横断面図、第７図は、本発明の第４実話例の構成を説
明するための断面図、第８図は、従来の光学式変位検出
器の一例の構成を示す斜視図である。 １４・・・メインスケール、 １６・・・第１の格子、 １８・・・インデックススケール、 ２０・・・第２の格子、 ２２．２２Ａ１２２Ｂ、２２Ｃ１２２Ｄ・・・受光素子
、 Ｐ、ｑ・・・格子ビツヂ、 （１、■・・・間隔、 ３０・・・拡散光源、 ３２・・・レーザダイオード、 ３４・・・半球レンズ、 ４０・・・線光源。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）コリメータレンズを介さずメインスケールを照明
   する拡散光源と、 該拡散光源からの間隔がｕである位置に配置された、格
   子ピッチＰの第１の格子が形成されたメインスケールと
   、 前記第１の格子からの間隔がｖである位置に配置された
   、格子ピッチｑ＝（ｕ＋ｖ）Ｐ／（２ｕ）の第２の格子
   が形成されたインデックススケールと、 前記両スケールが相対移動したときの、拡散光源による
   第１の格子の影像と第２の格子との重なり合いによる光
   量変化を光電変換する受光素子と、を含むことを特徴と
   する光学式変位検出器。
2. （２）前記拡散光源が、点光源とされている特許請求の
   範囲第１項記載の光学式変位検出器。
3. （３）前記点光源が、レーザダイオードとされている特
   許請求の範囲第２項記載の光学式変位検出器。
4. （４）前記点光源が、レーザダイオードの発光部前面に
   半球レンズを配置したものとされている特許請求の範囲
   第２項記載の光学式変位検出器。
5. （５）前記拡散光源が、第１の格子の格子幅方向に配向
   された線光源とされている特許請求の範囲第１項記載の
   光学式変位検出器。
6. （６）前記間隔ｖが、光学系の光の感度スペクトルの平
   均値での波長をλとして、 ｖ≒ｕ（ｎ−０．５）Ｐ＾２ ／｛λｕ−（ｎ−０．５）Ｐ＾２｝ （ｎはλｕ／Ｐ＾２＋０．５以下の自然数）とされてい
   る特許請求の範囲第１項記載の光学式変位検出器。