JPS6358212A - 光学式変位検出装置 - 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、相対移動可能な光学格子を有し、インデック
ススケールの参照光学格子を通しメインスケールの光学
格子からの反射された反射光を所定処理して相対移動量
を検出する光学式変位検出装置に係り、特に、両スケー
ルに複数列の光学格子を設けることによって絶対変位量
を検出可能としたものである。

〔背景技術とその問題点〕

独立物体間の相対移動変位を検出して物理的諸元（長さ
、圧力、重量）を求める手段の１つとして利用される光
学式変位検出装置を光学的に大別するとメインスケール
の光学格子を透過された透過光を所定処理する透過型と
メインスケールから反射された反射光を所定処理する反
射型に分類され、−Ｃ的に小型化の点からは反射型が利
用されている。

かかる反射型の従来光学式変位検出装置を第６図を参照
して説明する。一般的にモアレ縞方式といわれる変位検
出装置は、光学格子１３が整列配設されたメインスケー
ル１０と対応する参照光学格子３Ａ、３Ｂが設けられた
インデックススケール２０とを相対変位可能とし、メイ
ンスケール１０の一方側に光学格子１３．３Ａ、３Ｂを
照射する平行光線を発する光源１　　（ＩＡ、ＩＢ、Ｉ
ｃ）と参照光学格子３Ａ、３Ｂを通し光学格子１３から
反射された光を受ける光電変換器２　（２Ａ、　　２Ｂ
）とを設け、光電変換器２から出力される電気信号を変
位検出回路（図示省略）で所定処理して両スケール１０
．２０の相対変位量を求めるよう構成されていた。なお
、参照光学格子３Ａ、３Ｂと光電素子２Ａ、２Ｂとを各
２組設けるのは方向弁別と分解能向上のためであった。

このように構成された従来の光学式変位検出装置では変
位量が増分として検出されるいわゆるインクレメンタル
方式であり、かつ所定の作動を保障するために精巧な構
造としなければならないという構造上の問題と方式上の
問題があった。

すなわち、構造上の問題とは、光学格子１３と参照光学
格子３Ａ、３Ｂ（メインスケール１０とインデックスス
ケール２０）との機械的相互位置関係を厳格に確立、維
持しなければならないという問題であり、特に、両スケ
ール１０．２０間の面間クリアランスＣは十数μｍとし
なければならずその組立、調整が至難であるばかりか、
運転中に大きくなる方向に変動するとＳ／Ｎが著しく劣
悪化し、小さくなる方向に変動すると相対移動困難、検
出不能の事態を招来させた。

一方、方式上の問題としては、ノイズ等に基づく誤計数
があるとその後の計数値（検出値）は意味のないものと
なり、途中に１ｔ５遮断があると電源回復時に再度の原
点合せ作業を必要とした。また、両スケール１０．２０
の相対移動がある限り常に前記変位検出回路を追従動作
させなければならないので応答速度の制限が厳しい等精
度保障上、取扱上に多くの問題を有していた。

かくして、従来は、前記方式上の問題中、主に、原点合
せの容易化の観点から第６図に見られるように両スケー
ル１０．２０に、例えば、ランダムバター７８０．８１
をＨけ、両ランダムパターン８０．８１が合致すること
を検出させることによって、メインスケール１０上の原
点を特定させるいわゆる絶対原点検出手段を付設してい
た。従って、メインスケール１０の例えば、一端側を絶
対原点とする煩わしさは解消されたが、ランダムパター
ン８０はその形態上連続的に付設することは困難なため
完全策とは言い難（また、光電変換器２Ａ、２Ｂから導
出される光学格子１３のピッチ幅を１周期とする略サイ
ン波のサイクリック信号であることからインクレメンタ
ル方式という本質に基づく上記欠点は解消されていなか
った。

また、前記構造上の問題に対しては両スケール１０．２
０間のクリアランスＣを大幅に拡大できかつその変動許
容値をも拡大できるとする第５図に示すような３つの光
学格子を用いる光学式変位検出装置が提案された。第５
図において、変位検出装置は、メインスケール１０に設
けられた光学格子１３と、光学系上光学格子１３に前置
される参照光学格子３を有する第２のスケールと後置さ
れる参照光学格子３を有する第３のスケールを兼ねるイ
ンデックススケール２０と、このインデックススケール
２０を通しメインスケール１０に拡散光を照射させるた
めの単なる集光を目的とする集光レンズ４２と光源４１
とからなる非平行照明系４０と、インデックススケール
２０を介しメインスケール１０からの反射光を光電変換
器２へ導くためのハーフミラ−４５とから構成されてい
た。

従って、メインスケール１０の光学格子１３のピッチを
Ｐ、インデックススケール２０の参照光学格子３のピッ
チをｑ　（＝２Ｐ）　、非平行照明系４０の波長をλと
すれば、両スケール１０．２０間のクリアランスＣはＣ
＝　ｎ　Ｐ”　／λ（ｎは１以上の整数）とすることが
できるから上記モアレ縞方式に対して数倍〜敗十倍のク
リアランスＣを設定することができ、その加工、組立、
調整が容易で生産性を向上できるとともに長期安定運転
という取扱性を一段と向上させることができた。

また、クリアランスＣに多少の大小はあるものの光学格
子１３と参照光学格子３とのピッチ比を他に設定するこ
ともできた。例えばｐ＝ｑの如くである。

しかしながら、このような３つの光学格子を設けた変位
検出装置でもインクレメンタル方式に変わりはなくイン
クレメンタル方式に基づく上記問題点は依然として残存
していた。さらに、上記ランダムパターン８０．８１を
設は原点合せ作業の容易化もできないという欠点があっ
た。すなわち、非平行照明系４０で照射するものであっ
て、かつ上記クリアランスＣが大きいからランダムパタ
ーン８０．８１を設けたとしても、原点を特定できない
という問題であり、これはクリアランスＣの拡大と相反
する技術事項であることから解消することができないと
いう欠点となっていた。従って、上記方式上の問題を除
去することができなかった。

〔発明の目的〕

本発明は、上記従来の問題点を除去すべく鑑みなされた
もので両スケール間のクリアランスを大きく維持できる
とともに高分解能、高精度で検出範囲の広いアブソリュ
ート方式の光学式変位検出装置を堤供することを目的と
する。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明は、
前記の構造上の問題と方式上の問題とを同時に解決しよ
うとするもので各列毎のピッチが異なる複数列の光学格
子をメインスケールに設けるとともに第２および第３の
スケールを兼ねるインデックススケールにも相当列かつ
対応ピッチの参照光学格子を設け、各複数列の光学格子
に関与してメインスケールから反射された反射光を受け
て出力される電気信号間の位相差を巧みに利用すること
によって当該光学格子のピッチよりも小さい値の分解能
で当該光学格子のピッチよりも著しく大きな広範囲に亘
り両スケールの相対移動変位の絶対変位量を検出できる
ようするものである。

これがため、複数列の光学格子が設けられるとともに各
列毎の光学格子ピッチが異なるものと形成されているメ
インスケールと、 前記メインスケールの各列光学格子に対応させた複数列
の参照光学格子が設けられ光学系上前記メインスケール
に前置される第２のスケールと後置される第３のスケー
ルとを兼ねるインデックススケールと、 前記インデックススケールを介し前記メインスケールに
非平行光を照射するための非平行照明系と、 前記メインスケールの各列光学格子毎に２個１組として
対応配設され各組毎に前記インデックススケールを介し
前記メインスケールから反射された反射光を受けて９０
度位相のずれた電気信号を出力する複数組の光電変換器
と、 前記光電変換器の各組からそれぞれ出力される電気（ε
分間の組間位相差を求めるとともにこの組間位相差を利
用して広範囲変位量を求め、かつ前記メインスケールの
いずれか１つの列の光学格子に対応された組の光電変換
器からの前記電気（３号を利用して当該光学格子の１ピ
ッチ内における狭範囲変位壇を求め、該広範囲変位量と
狭範囲変位置との和をもって前記メインスケールとイン
デックススケールの相対移動変位量の絶対値を検出する
絶対変位検出回路とを備えた構成とし前記目的を達成す
るのである。

従って、各ピッチが異なる複数列の光学格子が設けられ
たメインスケールと対応する各ピッチが異なる複数列の
参照光学格子が設けられたインデックススケールとをそ
の長手方向に相対移動させれば、例えば、２列の光学格
子とした場合には、９０度位相づれさせた２個１組の１
列目の参照光学格子に対応された光電変換器からは位相
差θ。

をもつ電気信号が出力され、同様に２列目の参照光学格
子に対応された光電変換器からは位相差θ２をもつ電気
信号が出力される。

ここに、絶対変位検出回路では、位相差θ１である電気
信号および位相差θ２である電気信号を適時サンプルホ
ールドするとともに組間位相差（θ２−θ、）を演算し
、この組間位相差（θ２−０１）を利用して両スケール
の相対移動量の絶対値を求めることができる。

もとより、光学系上メインスケールに前置される第２の
スケールと２’ｌｔ　ｒＺされる第３のスＪｆ−ルとを
兼ねるインデックススケールを含む３つのスケール（光
学格子）を設け、非平行光の照射を受けたメインスケー
ルからの反射光をインデックススケールを通過させた後
光電変換する方式であるから、メインスケールとインデ
ックススケールとの間のクリアランスを大きくすること
ができる。

〔実施例〕

本発明の光学式変位検出装置の一実施例を図面を参照し
ながら詳細に説明する。

この実施例は、第１図ないし第４図に示され、本装置は
、複数列（２列）の光学格子が設けられたメインスケー
ル１０と対応する参照光学格子が設けられた第２、第３
のスケールを兼ねるインデックススケール２０と両スケ
ール１０．２０を光照射するための非平行照明系４０と
両スケール１０．２０からの反射光を受けて電気信号を
出力する複数組（２ｍ）の光電変換器３０と、組間位相
差を求めて両スケール１０．２０の相対移動変位量の絶
対値を検出できるよう形成された絶対変位検出回路５０
とから構成されている。

メインスケール１０は第１図、第２図に示すように断面
矩形のガラス材料１１からなる細長薄板形状とされ、下
段側（第１図で右側）にピッチＰが４００　メｔｍとさ
れた第１の光学格子１３、上段側（第１図で左側）にピ
ッチＰ−ΔＰが３９８μｍとされた第２の光学格子１５
が設けられている。

ここに、第１の光学格子が検出範囲長しく８０■ｌ）を
Ｎ（＝２００）等分し、かつ第２の光学格子１５をＮ十
１等分するよう形成されているから、Ｌ＝ＮＰ＝　（Ｎ
＋１）（Ｐ−ΔＰ）・・・・・・（１）が成立する。上
記数値はこの関係式において選択したものである。

一方、インデックススケール２０は、光学系上、メイン
スケールｌＯに前置される第２のスケールと後置される
第３のスケールとを兼ねるものとされ、メインスケール
１０と同様に断面矩形のガラス材料２１からなる薄板形
状とされ、第２図に示したように下段側にメインスケー
ル１０の第１の光学格子１３と対応される第１の参照光
学格子２３Ａ（２３Ｂ）と、上段側に第２の光学格子１
５と対応される第２の参照光学格子２５Ａ（２５Ｂ）と
が設けられている。

そして、第１の参照光学格子２３Ａ　（２３Ｂ）のピッ
チはｑであり、第２の参照光学格子２５Ａ（２５Ｂ）の
ピッチはｑ−Δｑとされがっ長手方向にそれぞれ対応す
る第１、第２の光学格子１３、Ｉ５に対し９０度位相を
づらせた２組の参照光学格子２３Ａ、２３Ｂ、２５Ａ、
２５Ｂが設けられている。なお、この実施例ではｑ＝２
Ｐ、Δｑ＝２ΔＰとされている（ただし、第１図、第２
図では作図便宜上、Ｑ＝Ｐとして図示している）。

次に、光電変換器３０はその２組（３０Ａ、３０Ｂ）を
形成するところの４つの光電素子３３Ａ。

３３Ｂ、３５Ａ、３５Ｂから形成され、各参照光学格子
２３Ａ、２３Ｂ、２５Ａ、２５Ｂに対応配設されるとと
もに各光電素子３３Ａ、３３Ｂ、３５Ａ、３５Ｂにはプ
リアンプ３７Ａ、３７Ｂ、３８Ａ、３８Ｂがそれぞれ接
続されている。また、両スケール１０．２０を挟む光電
変換器３０と反対側には完全な平行光線でな（少なくと
も拡散成分を含む光線を発する光ｗ４ｘＡ、４ｔＢと単
なる集光を目的とした集光レンズ４２Ａ、４２Ｂ（省略
可能である）とからなる両スケール１０゜２０に非千行
光を照射させるための非平行照明系４０が設けられ、こ
の非平行照明系４０はインデックススケール２０、光電
変換器３０と所定の関係をもって一体的にメインスケー
ル１０と図でＸ方向に相対移動可能とされている。

そして、インデックススケール２０と非平行照明系４０
との間にはハーフミラ−４５が介装されている。従って
、非平行照明系４０から照射された非千行光は、まずハ
ーフミラ−４５と第２のスケールとしてのインデックス
スケール２ｏをＵａしてメインスケール１０に照射され
、メインスケール１０からの反射光は第３のスケールと
してのインデックススケール２０を通過した後ノ１−フ
ミラー４５で４５度方向に屈折され光電変換器３０に入
射されるよう形成されている。また、上記の通りメイン
スケール１０の第１の光学格子１３のピ・７チがＰ、イ
ンデックススケール（第２および第３のスケール）２０
の第１の参照光学格子２３Ａ（２３Ｂ）のピッチがｑ（
＝２Ｐ）であり、非平行照明系４０からの光の波長をλ
とすれば両スケール１０．２０間のクリアランスＣは、
Ｃ＝ｎＰ”／λ（ｎは１以上の整数）で求められるから
数十μｍと非常に大きくすることができる。

ここに、第２図に見られるように第１の光学格子１３と
第２の光学格子１５との一敗した点Ｔを原点とし、図で
右方向に座標すなわちメインスケール１０に対するイン
デックススケール２０の１目対移動変位量をＸとすると
、光電素子３３Ａ、３３Ｂは当該第１参照光学格子２３
Ａ、２３Ｂに対応させて９０度の位相差をもって配設し
ているから光電素子３３Ａの出力をａｌ、光電素子３３
Ｂの出力をｂｌ　とすれば、両光型素子３３Ａ、３３Ｂ
からの電気信号の原点からの位相差θ１はであるから す、＝Ａｃｏｓθ１ と近似することができる。なお、（３）式の右辺第２項
の□は、原点Ｔにおいて透過光量が最大となるためその
補正項として導入したものである。

同様に、光電素子３５Ａ、３５Ｂの出力をそれぞれａｔ
、ｂｔ　とすると光電素子３５Ａ、３５Ｂからの電気信
号の位相差θ２は、 であるから と近似することができる。

また、絶対変位検出回路５０はＣＰＵ５５を介しタッチ
センサ６５から両スケール１０．２０の相対移動変位１
ｘを求めようとする時点に出力されるトリガによって、
各光電素子３３Ａ、３３Ｂ、３５Ａ、３５Ｂの出力信号
”ｌ　、ｂＩ＋　　ａ２＋　　ｂ２をサンプルホールド
するためのサンプルホールド回路５１と、このサンプル
ホールド回路５１からホールドした前記出力信号ａ＋＋
ｂ＋＋　　ａｚ＋ｂ２の１つを順次取り出すマルチプレ
クサ５２と、このマルチプレクサ５２で取り出したアナ
ログ信号たる出力信号をデジタル変換するＡ／Ｄｉ換器
５３と、上記サンプルホールド回路５１、マルチプレク
サ５２、Ａ／Ｄ変換器５３に適時の指令等を行うととも
に入力されたデータをもとに後記の所定演算処理等を行
う前記ＣＰＵ５５とから形成され、またＣＰＵ５５には
、タッチセンサ６５と表示手段６０とが接続されている
。

さて、ＣＰＵ５５では、第４図の（Ｂ）に見られるよう
に最終的には Ｘ　＝　Ｘ　Ｌ　　＋ΔＸ、＝ｎｐ＋Δｘｔ　　　・ａ
ｓとして原点Ｔからの絶対変位Ｈｘを求めるのである。

なお、第４図（Ｂ）の縦軸は式（３）の右辺第２項との
関係で０１−□としている。ここに、×１　はメインス
ケール１０の第１の光学格子１３における広範囲変位量
であって、第１の光学格子１３のピッチＰと通過したピ
ッチＰの数ｎ　（ｎは１以上の整数）との積とされ、Δ
Ｘ、は第１の光学格子１３のｆｉ＋１番目のピッチＰ内
での絶対的変位量である。

つまり、本発明がメインスケール１０に複数列（この実
施例では２列）の光学格子１３．１５を設けかつ各光学
格子１３．１５に対応させた各組の光電素子３５Ｂ、３
５Ａと３３Ｂ、３３Ａとの組間位相差（θ２−θ１）を
利用してアブソリュート方式化したのは次の根拠による
ものである。

すなわち、前記の（５］式は次の通り変換することがで
きる。

・・・・・・　（７） そして、（７）式に（３）式と（２）式を代入するとと
なる、従って、（８）式から となる。

しかして、ＣＰＵ５５では式（９）からメインスケール
１０の第１の光学格子１３に対応する光電素子３３Ａ、
３３Ｂからの出力信号ａ、、ｂ、の位相差θ１　と第２
の光学格子１５に対応する光電素子３５Ａ、３５Ｂから
の出力信号ａ２＋　　ｂｇ　Ｏ位相差θ２を求めれば検
出範囲長しは決定されているから原点Ｔからの絶対的変
位ＩＸを求めることができる。

ここに、θ１　とθ２とは式（４）と（６）とから・・
・　・・・　　　Ｑｌ として求められる。

さらに、この実施例では一層精度を安定化させるためθ
１　と０２とを独立させるのでなく、相関関数をもたせ
絶対的変位Ｘを求めるよう形成している。

θ２と０１　とを独立して求めて単に式（９）に基づい
た減算をしたのでは、各光′ｒＬ素子３３Ａ、３３Ｂ、
３５ノ＼、３５Ｂからの出力信号ａＩ＋　　ｂｌ＋ａ、
、ｂ、は各光学格子１３．１５のピッチＰ。

Ｐ−ΔＰ毎のサイクリックな波形となるため桁落が生じ
る虞れがあるからである。

そこで、新たにａとｂとを定義する。

ａ＝ｂ、’ａｍ−ａ、−ｂ。

・・・・・・　　Ｑｌｌ ｂ＝　　ｂｌ　　　・　ｂｌ　　＋　　ａ＋　　　・　
ａｔこの弐〇ｌｌに式（２）、　＋４１を代入すれば、
ａ＝ＡＢｓｉｎ（θ２−θ霞 ｂ＝ＡＢｃｏｓ（θ２−θｌ） ＝ｔａｎ（θ２−０１）　　　　　・・・・・・　ａ乃
ゆえに、θ２−θ、　　＝ｔａｎ−’　　□・・・・・
・　ａ′５として、逆正接関数演算によって充電素子３
５Ａ。

３５Ｂと３３Ａ、３３Ｂとの紐間の位相差（θ２−０１
）を求めるよう形成されている。

ところで、式側から明らかのｉ［！Ｉす、組間位相差（
θ２−０１）は第４図（Ａ）に見られるように検出範囲
長り内でθ〜２πまで変化するから、図で点Ｑまでの変
位Ｘ゛は同（Ｂ）に示す絶対値）：の近似値である。従
って、式（９）と同様に２　π　　　　　　　　　　　
ｂ が成立する。

さらに、たちかえって、第４図（Ｂ）に示したように両
スケール１０．２０の相対移動量の絶対値Ｘは広範囲変
位量Ｘ、と狭範囲変位量ΔＸ、を決定しなければならな
い（弐１１Ｇ参照）。

ここに、式ｆ３１　、αΦからメインスケール１０の第
１の光学格子１３のピッチＰ内での狭範囲変位量ΔＸ、
を定めることは可能だが、第１の光学格子１３、第１の
参照光学格子２３Ａ、２３Ｂ、光電素子３３Ａ、３３Ｂ
に基づく位相差θ１はピッチＰの周期関数であるからい
ずれ（原点Ｔから数えて何番目）のピッチ内であるかは
特定することができない。

そこで、上記位相差θ、を□以上〜（２π＋□）以下に
位相づれさせた値θ１“に変換する。すると式（３）に
Ｒ僚的に とおけば、 が成立する。

一方、原点Ｔから当該時点までに通過した第１の光学格
子１３のピッチＰの敗ｎは、第４図の関゛係からＸ’　
／Ｐを越えない数でかつ整数であること明らかである。

ただし、例外的に第４図において、Ｘ゛の測定分解能Δ
Ｌが同（Ｂ）で２π−０に位相が変化する領域を含む場
合であってΔＸＬが２πより０に整数に１を加えればよ
い。

ここに、式ａａの通りｘ’＝ｒ（θ冨−θＩ）の関数で
あり、Ｐ、ΔＬは設計値で定められている値であり、か
つ０１′はθ、から一義的に位相をづらせて求められた
。

従って・ｎ＝ｆ　　（θを一θ１．ΔＸＬ　）の関数と
して求めることができる。

以上からＣＰＵ５５内で前記式αｅのＸ＝ｎｐ＋ΔＸ、
を演算することによって、両スケール１０゜２０の相対
移動変位量の絶対値Ｘを求めることができる。

次に、この実施例の作用について説明する。

例えば、工作機械のベット等静止体にメインスケール１
０を固定し、非平行照明系４０、光電変換器３０ととも
に一体化してインデックススケール２０をスライダ等可
動体に固定する。従って、工作機械を運転することによ
って、メインスケール１０とインデックススケール２０
とが相対移動すると、各光電素子３３Ａ、３３Ｂ、３５
Ａ、３５Ｂからは電気信号”ｌ　＋　　ｂＩ　ｒ　　ａ
Ｒ＋　　ｂｔが出力され、信号ａＩ＋　　ｂ、　とａ２
＋　　ｂ２　とはサイクルが光学格子１３．１５のピッ
チ差相当分だけ異なり、かつ信号ａ、　　とす、および
ａ、とｂ２とはそれぞれ９０度の位相差を生じる。

ここで、第３図に示したように両スケール１３゜１５の
相対移動変位量の絶対値を表示手段６０に表示または制
御装置（図示省略）にフィードバック信号として出力し
たいときに作動するタッチセンサ６５からのトリガが入
力される（ステップ１０）と、ＣＰＵ５５からサンプル
ホールド回路５！ヘホールド指令が発せられる。

サンプルホールド回路５１はプリアンプ３７Ａ。

３７Ｂ、３８Ａ、３８Ｂの出力段側からアナログ的な電
気信号ａＩ＋　　ｂｌ　　とａｍ＋　　ｂｉをホールド
（ステップ１２）する。

次いで、ステップ１４の如くマルチレクサ５２がＣＰＵ
５５からの指令に基づいて電気信号ａ１、ｂｌとａｔ、
ｂｌを取り込み、Ａ／Ｄ変換器５３でデジタル信号に変
換した後ＣＰＵ５５に入力される。

以下、ＣＰＵ５５では、前記式〇（至）、　０９に基づ
いて第１の光学格子１３に相応する光電素子３３Ａ。

３３Ｂからの位相差θ、と狭範囲変位量ΔＸ、とを算出
する（ステップ１６）、つまり、第１の光学格子１３の
当、該ピッチＰ内での変位量を絶対値として求める。も
とより、位相差θ１はいずれかのピッチ内であるかを特
定するために□以上〜（２π＋□）以下の値である０１
′にＣＰＵ５５内で変換されている。

また、ステップ１８では、弐〇〇、（転）に基づいた定
義信号ａ、ｂとこれらと光電素子３５Ａ、３５Ｂと３３
Ａ、３３Ｂとの各位相差に基づく組間位相差θ２−θ、
との正接関数を定め、逆正接関数演算して組間位相差θ
２−θ１を算出する。

ここに、前記ｎ＝ｆ　（θ２−θ１．ΔＸ、）に基づい
て第４図に相当するそれまでに通過した第１の光学格子
１３のピッチＰの数ｎを求める（ステップ２０）。

従って、ステップ２２において、弐〇〇を演算すること
により両スケール１０．２０の相対移動変位量の絶対値
Ｘを求める。この絶対値Ｘは表示手段６０に表示され、
必要によって外部へ出力される。ここに、タンチセンサ
６５で指定した所望時点の絶対変位量を検出、表示する
ことができる。

この実施例では、メインスケール１０の第１の光学格子
１３のピッチＰを４００　μｍ１第１の光学格子１３と
第２の光学格子１５との関係を検出範囲長Ｌ＝８０ｍと
して定め、かつＮ＝２００に設定しているから検出範囲
長（Ｌ＝８０ｍｍ）以内を２μｍの分解能をもって絶対
値検出できる。

従って、この実施例によれば、メインスケール１０にそ
れぞれピッチ（Ｐ、Ｐ−ΔＰ）の異なる複数列の光学格
子（１３，ｌ　５）を設け、これら光学格子（１３，１
５）との関係から求めた組間位相差（θ２−θ、）を利
用して検出範囲長（Ｌ）内でメインスケールＩＯとイン
デックススケール２０との相対移動変位量を絶対値とし
て検出することができる。ここに、アブソリュート方式
の光学式変位検出装置を確立できるから精度的、運用技
術的にも産業上の利用性を飛躍的に拡大することができ
る。

このことは、途次におけるノイズの影響もなくその累積
もないから安定した所定精度が保障され、また、連続的
追従を要しないから応答速度が高く迅速測定を図れ、さ
らに、所定のあるいは偶然の？８ａ遮断があったとして
も都度の原点合せ作業をすることなくただちに再測定す
ることができる等、従来のインクレメンタル方式の欠点
並びに不利不便を一掃するということを意味するもので
ある。

従って、従来の如くランダムパターンを用いた絶対原点
構出手段等は不要となる。アブソリュート方式としたか
らであり、また複数の検出範囲長しに亘るときは、その
個数を数えて原点を特定することができるからである。

また、メインスケールｌＯに設けた複数列の光学格子（
１３，１５）は、ガラス板上にエツチング手法等によっ
て物理的に固定化されたものとされ、かつ異なるピッチ
の光学格子間に関する組間位相差と当該−つの光学格子
内に関する位相差とを利用して変位量の絶対値を検出す
るものと形成されているので、例えば従来インクレメン
タル方式の装置において１ピッチ内に生ずる波形を抵抗
分割等による電気的細分化していた場合と異なり、両ス
ケール１０．２０すなわち採用する工作機械との対応整
合が執られたものであるから、真の高精度測定を保障す
ることができる。

さらに、組間位相差を求めるに両光学格子１３゜１５に
関与した各位相差を減算して算出するのみならず逆正接
関数演算によって求めることができるよう形成されてい
るから両光学格子１３．１５との相関関係を密接不可分
とすることによって桁落のない検出ができる。この点か
らも高精度が保障される。

さらにまた、非平行照明系４０と第２と第３のスケール
を兼ねるインデックススケール２０を通してメインスケ
ール１０からの反射光を所定処理する変位検出装置であ
るから、両スケール１０゜２０間のクリアランスＣを大
きくすることは保障されている。

加えて、非平行照明系４０による非平行照明方式では、
その組間位相差が光学格子の位置関係だけで決定される
ので、光源（４１，４２）の設置位置の許容度が大きく
、特に変位検出装置全体を小型化でき、産業上の利用に
極めて利益が大きいという効果がある。

なお、この実施例では、メインスケール１０の第１の光
学格子１３のピッチＰが４００μｍ、第２の光学格子１
５のピッチＰ−ΔＰが３９８　μｍであリ、検出範囲長
しが３Ｑｍｍの範囲内で分割数Ｎを２００　として２μ
ｍの分解能で検出できるよう形成したが、これらの数値
的事項は任意的に選択することができ、分解能０．１μ
ｍ以下とすることもできる０例えば、第１の光学格子１
３のピッチＰと第１の参照光学格子２３Ａ、２３Ｂのピ
ッチｑとをともに４０ｐｍ　（Ｐ＝ｑ＝４０μｍ）　、
検出範囲長Ｌ　’ｆｒ　５　＋ｎ　（Ｌ　＝　５　＋ｎ
　）すなわち分割数ｎを１２５（Ｎ＝１２５）に設定す
れば、この場合にはプリアンプ３７Ａ、３７Ｂ、３８Ａ
、３８Ｂからの出力信号のサイクルピッチは光学的にＰ
／２となるので結果として２０μｍ　（＝Ｐ／２）を１
２５分割することで０．１６μｍの分解能をもったアブ
ソリュート尋負出ができる。

かかる任意性の意味においてメインスケール１０には２
列の光学格子１３．１５を設けたが３列以上でも同様参
照光学格子２３Ａ、２３Ｂ、２５Ａ、２５Ｂをそれぞれ
９０度位相づれさせた各２個から形成したが、要は対応
するメインスケール１０の光学格子１３．１５との関係
において位相差を生じさせることができればピッチｑが
微妙に異なるいわゆるバーニヤ方式の参照光学格子を採
用することによって各１個と形成することもできる。さ
らに、光学格子１３の上下に光学格子１５を配設して上
下の位相差の平均をとることにより、インデックススケ
ール２０のメインスケール１０に対する傾きの補正も可
能である。

また、検出装置自体を、非平行照明系を用いた反射型の
直線型としたが、直線型でなくロータリー型としても本
発明は適用される。また、変位検出時を特定するために
タッチセンサ６５を用いたがこれに限定されない。また
、一定のサンプリング時間毎に絶対変位検出回路５０で
変位検出できるようすることもできる。

さらに、検出範囲長しはメインスケール１０とインデッ
クススケール２０との相対移動方向に対する長さである
が、本検出装置は変位を検出ｒるものであって測定対象
を長さ、幅等に限定することでなく、圧力、重量等であ
ってもよいものである。

もとより、スケールにバイナリコードやグレイコードを
用いてアブソリュート方式を具現化した場合と比較すれ
ば、本発明の場合、非接触かつクリアランスが大である
ばかりか格子の列数は著しく少なくて済み、ピッチも狭
小とできかつダイナミックレンジ（検出範囲／分解能）
の高く、その実用的価値において格段の差異あることが
理解される。さらに、検出範囲長りの通過ポイントを計
数し、複数の検出範囲長りにわたる長大化検出をするこ
とも容易である。

〔発明の効果〕

本発明は、両スケール間のクリアランスを大きく維持で
きるとともに高分解能、高精度で検出範囲の広いアブソ
リュート方式の光学式変位検出装置を提供できるという
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光学式変位検出装置の一実施例を
示す全体構成図、第２図は同しく要部拡大図、第３図は
同じく絶対変位量を演算するためのフローチャート、第
４図は同じく波形説明図、第５図および第６図は従来の
反射型の光学式変位検出装置の概略構成図であり、第５
図は３つの光学格子を用いたもので、第６図は２つの光
学格子を用いた型である。 １０・・・メインスケール、１３・・・第１の光学格子
、１５・・・第２の光学格子、２０・・・第２および第
３のスケールを兼ねるインデックススケール、２３・・
・第１の参照光学格子、２５・・・第２の参照光学格子
、３０・・・光電変換器、４０・・・非平行照明系、５
０・・・絶対変位検出回路。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数列の光学格子が設けられるとともに各列毎の
   光学格子ピッチが異なるものと形成されているメインス
   ケールと、 前記メインスケールの各列光学格子に対応させた複数列
   の参照光学格子が設けられ光学系上前記メインスケール
   に前置される第２のスケールと後置される第３のスケー
   ルとを兼ねるインデックススケールと、 前記インデックススケールを介し前記メインスケールに
   非平行光を照射するための非平行照明系と、 前記メインスケールの各列光学格子毎に２個１組として
   対応配設され各組毎に前記インデックススケールを介し
   前記メインスケールから反射された反射光を受けて９０
   度位相のずれた電気信号を出力する複数組の光電変換器
   と、 前記光電変換器の各組からそれぞれ出力される電気信号
   間の組間位相差を求めるとともにこの組間位相差を利用
   して広範囲変位量を求め、かつ前記メインスケールのい
   ずれか１つの列の光学格子に対応された組の光電変換器
   からの前記電気信号を利用して当該光学格子の１ピッチ
   内における狭範囲変位量を求め、該広範囲変位量と狭範
   囲変位量との和をもって前記メインスケールとインデッ
   クススケールの相対移動変位量の絶対値を検出する絶対
   変位検出回路とを備えてなる光学式変位検出装置。
2. （２）前記特許請求の範囲第１項において、前記インデ
   ックススケールの参照光学格子が、前記メインスケール
   の光学格子のピッチをＰ＿１、Ｐ＿２、・・・としたと
   き、２Ｐ＿１、２Ｐ＿２、・・・のピッチとされて形成
   されている光学式変位検出装置。
3. （３）前記特許請求の範囲第１項において、前記インデ
   ックススケールの参照光学格子が、前記メインスケール
   の光学格子のピッチと同等のピッチとされて形成されて
   いる光学式変位検出装置。
4. （４）前記特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
   かにおいて、 前記絶対変位検出回路が、前記組間位相差を２組の前記
   光電変換器から出力される電気信号から求めた値を前記
   組間位相差の正接関数とし、この正接関数を逆正接演算
   して算出するよう形成されている光学変位検出装置。