JPH02103416A - 光電式変位検出器 - 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、光電式変位検出器に係り、特に、変位検出信
号の直流レベル変動を補正して、安定した変位検出信号
を生成することができ、従って、内挿精度を向上し、応
答走査速度を改善することが可能な光電式変位検出器に
関するものである。

【従来の技術】

対峙する部材の一方に、周期的な主格子を形成したメイ
ンスケールを固定し、他方の部材に、対応する周期的な
副格子を形成した光透過性のインデックススケールと、
光源を含む照明系と、前記主格子及び副格子によって変
調された前記照明系からの光を光電変換する受光素子と
を含む検出器を固定し、両部材の相対変位に応じて周期
的に変化する検出信号を生成する光電式変位検出器が、
工作機械の工具の送り量等を測定する分野で普及してい
る。 第１２図は、従来の反射型光電式変位検出器の一例を示
したもので、光源としての発光ダイオード１０と、該発
光ダイオード１０から放射される光を平行照明光線とす
るコリメータレンズ１２と、周期的な主格子１６を形成
したメインスケール１４と、該メインスケール１４に対
して相対移動可能に配置される、対応する周期的な副格
子２０を形成した光透過性のインデックススケール１８
と、前記メインスケール１４の主格子１６で反射されて
前記インデックススケール１８の副格子２０を通過して
きた前記平行照明系からの反射光線Ｒを光電変換する変
位検出用の受光素子２２とを有しており、前記メインス
ケール１４とインデックススケール１８の相対変位に応
じて周期的な検出信号を生成するようにされている。 このような光電式変位検出器において、前記副格子２０
及び受光素子２２は、通常、第１３図に示す如く、イン
デックススケール１８上で、格子目盛と平行な方向（図
の上下方向）に２個、メインスケール長手方向く図の左
右方向）に２個の合計４個配設し、例えば、副格子２０
ａの位相を基準値Ｏ°とし、副格子２０ｂの位相を一９
０°とし、副格子２０Ｃの位相を＋１８０°とし、ｎ１
格子２０ｄの位相を＋９０°として、第１４図に示す如
く、各副格子２０ａ〜２０ｄに対応させて４個配設した
受光素子２２ａ〜２２ｄによる変位検出信号ａ−ｄのう
ち、メインスケール長手方向に関して対角線上に配設さ
れた受光素子の変位検出信号の差（ａ　−ｃ　）、（ｂ
　−ｄ　）によって、差動信号である２相の検出信号を
生成するようにしている。第１３図において、２４．２
６は差動アンプである。 このようにして、位相が互いに９０°異なる２相の検出
信号を得ることができ、方向弁別を行うと共に、電気的
に内挿することによって、高精度の測定を行うことがで
きる。この際、上記のような差動方式を採用することに
よって、変位検出信号の直流レベル変動や、メインスケ
ール１４とインデックススケール１８の平行度変化によ
る位相変動を補正することができる。 しかしながら、メインスケール１４は、例えば長さ３０
０　ｎ以上の長尺物になると、一般的にステッパで位置
決めしながら、短尺物を原板として、転写しながら露光
して製作する。従って、長手方向の位置によって、格子
目盛を構成するクロームの厚み（１１！淡）がばらつく
ため、反射率や透過率がばらつき、更に線幅も僅かにば
らつき、均一に製作することは極めて困難である。例え
ば８μｍピッチのメインスケールの主格子の場合、線幅
で０．２μｍ程度、即ち２．５％程度ばらつき、他の要
因も考慮すると、検出信号のばらつきが１０％程度にな
ることもあった。 このような長手方向のばらつきがあると、受光出力の直
流レベルが変化し、たとえ前記のような差動方式を採用
しても、差動二相間の直流レベルの変動に差があると、
直流レベルの変動が充分に補正できないという問題点を
有していた。特に、反射型の変位検出器で副格子の中央
部分に光源を設けた場合には、差動二相（副格子２０ａ
と２０Ｃ１２０ｂと２０ｄ）間の距離が大きくなり、直
流レベル変動の相対差が大きくなるという問題点を有し
ていた。

【発明が達成しようとする課題】

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、変位検出信号の直流レベル変動を補正して、内挿
精度を向上し、応答走査速度を改善することが可能な光
電式変位検出器を提供することを第１の課題とする。 本発明は、又、光透過性を有する反射型のメインスケー
ルが用いられた反射型の光電式変位検出器において、メ
インスケールの裏面側から入射する逆入光による測定誤
差を防ぐことが可能な反射型の光電式変位検出器を提供
することを第２の課題とする。

【課題を達成するための手段】

本発明は、相対移動する一方の部材に固定される、主格
子が形成された、光透過性を有するメインスケールと、
相対移動する他方の部材に固定される、光源、副格子が
形成された第１のインデックススケール、及び少くとも
前記主格子及び副格子によって変調された光を光電変換
する変位検出用受光素子とを含み、両部材の相対変位に
応じて周期的な検出信号を生成する光電式変位検出器に
おいて、メインスケールを挾んで＋ｉｆｆ記第１インデ
ックススケールの反対側に配設される、参照光通過窓が
形成された第２のインデックススケールと、前記主格子
及び参照光通過窓を通過した光を光電変換する直流レベ
ル検出用受光素子とを設け、該直流レベル検出用受光素
子によって得られる直流レベル検出信号を用いて、前記
変位検出用受光素子によって得られる変位検出信号の直
流レベル変動を補正することにより、前記第１の課題を
達成したものである。 又、本発明は、相対移動する一方の部材に固定される、
主格子が形成された、光透過性を有するメインスケール
と、相対移動する他方の部材に固定される、光源、副格
子が形成されたインデックススケール、及び少なくとも
前記主格子及び副格子によって変調された反射光又は透
過光のいずれか一方を光電変換する変位検出用受光素子
とを含み、両部材の相対変位に応じて周期的な検出信号
を生成する光電式変位検出器において、前記主格子及び
副格子によって変調された光の他方を光電変換する直流
レベル検出用受光素子を設け、該直流レベル検出用受光
素子によって得られる直流レベル検出信号を用いて、前
記変位検出用受光素子によって得られる変位検出信号の
直流レベル変動を補正することにより、同じく前記第１
の課題を達成したものである。 本発明は、又、相対移動する一方の部材に固定される、
主格子が形成された、光透過性を有する反射型のメイン
スケールと、相対移動する他方の部材に固定される、光
源、副格子が形成されたインデックススケール、及び少
なくとも前記主格子及び副格子によって変調された光を
光電変換する変位検出用受光素子とを含み、両部材の相
対変位に応じて周期的な検出信号を生成する反射型の光
電式変位検出器において、メインスケールを挾んで前記
インデックススケールの反対側に、メインスケールの裏
面側から主格子を照射する逆入光を防止するための遮蔽
用カバーを設けることによって、前記第２の課題を達成
したものである。

【作用及び効果】

本発明は、光透過性を有するメインスケールを用いた場
合、 （１）反射型の光電式変位検出器であれば、透過光が利
用されておらず、又、透過型の光電式変位検出器であれ
ば反射光が利用されていないこと、（２）変位検出信号
ａ　（反射型であれば反射光１を検出して得られる信号
、透過型であれば透過光饋を検出して得られる信号）は
、通常第１図＜Ａ）に示す如く、変位検出に必要な交流
成分を有するだけでなく、測定誤差をもたらす直流成分
ａ　”が重畳されていること、 （３）前記利用されていない光（反射型であれば透過光
、透過型であれば反射光）の世を検出して得られる信号
の直流レベル（直流レベル検出信号と称する）　ａ　ｌ
　は、第１図（Ｂ）に示す如く、丁度第１図（Ａ）に示
した変位検出信号ａの直流成分と逆方向に変動する信号
になっていること、（４）従って、変位検出信号ａと直
流レベル検出信号ａ′を加算すれば、加算した信号ａ＋
ａ’の直流レベルａ”＋ａ’　は、第１図（Ｃ）に示す
如く、目盛線の幅のばらつきや変動の影響に対して鈍感
となり、はぼ一定となること、 に着目してなされたものである。 即ち、例えば第２図や第８図に示す例の如く、メインス
ケール１４を挾んで第１インデックススケール１８の反
対側に、参照光通過窓（副格子３６ａ）が形成された第
２のインデックススケール３４を配設し、主格子１６及
び参照光通過窓（３６ａ）を通過した光を直流レベル検
出用受光素子３８ａ′で光電変換することによって、第
１図（Ｂ）に示したような直流レベル検出信号ａ′を得
ることができ、この直流レベル検出信号ａ′を用いて、
変位検出信号ａの直流レベル変動を補正することができ
る。従って、内挿精度が向上し、応答走査速度も改善さ
れる。 又、例えば第１１図に示す例の如く、主格子１６及び副
格子２０によって変調された光のうち、変位検出に用い
られていない光を光電変換する直流レベル検出用受光素
子３８を設けることによっても、同様の効果を得ること
ができる。 又、反射型の光電式変位検出器で、光透過性を有する反
射型のメインスケールを用いた場合、メインスケールの
裏面側から主格子を照射する逆入光によって変位検出信
号が変動し、測定誤差を生じる可能性があるが、第７図
に示す例の如く、メインスケール１４をんでインデック
ススケール１８の反対側に、メインスケール１４の裏面
側（図の右側）から主格子１６を照射する逆入光の侵入
を防止するための遮蔽用カバー４２を設けることによっ
て、このような問題点を解消することができる。

【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、第２図乃至第４図に示す如く、
相対移動する一方の部材に固定される、主格子１６が形
成された、光透過性を有する反射型のメインスケール１
４と、相対移動する他方の部材に固定される、光源３２
、相互に位相が９０°ずつ異なる４つの副格子２０ａ〜
２０ｄが形成された第１のインデックススケール１８（
第３図参照）、及び前記主格子１６及び各副格子２０ａ
〜２０ｄによって変調された光をそれぞれ光電変換する
４つの変位検出用受光素子２２ａ〜２２ｄを含む検出器
３０とを備え、両部材の相対変位に応じて周期的な検出
信号を生成する反射型の光電式変位検出器において、検
出器３０上の、前記メインスケール１４を挾んで第１の
インデックススケール１８の反対側に配設される、参照
光通過窓としての４つの副格子３６ａ′〜３６ｄ′が形
成された第２のインデックススケール３４（第４図参照
）と、前記主格子１６及び各副格子３６ａ′〜３６ｄ′
を通過した光をそれぞれ光電変換する４つの直流レベル
検出用受光素子３８８′〜３８ｄ′とを設け、該直流レ
ベル検出用受光素子３８８′〜３８ｄ′によって得られ
る直流レベル検出信号ａ′〜ｄ′を用いて、前記変位検
出用受光素子２２ａ〜２２ｄによって１与られる変位検
出信号ａ−ｄの直流レベル変動を補正するようにしたも
のである。 前記第１のインデックススケール１８の上には、第３図
に詳細に示す如く、前記メインスケール１４上に形成さ
れた主格子１６と同じ方向（図の上下方向）の目盛線か
らなるｎ１格子２０ａ〜２０ｄが、相互に位相を９０°
ずつ変えて４つ配置されている。 一方、前記第２のインデックススケール３４の上には、
第４図に詳細に示す如く、光ｍ調節用の図の横方向の目
盛線からなる副格子３６ａ′〜３６ｄ’が４つ配置され
ている。ここで、前記第１インデックススケール１８上
の副格子２０ａ〜２０ｄとメインスケール１４上の主格
子１６間の間隔ｐと、同じく主格子１６から第２インデ
ックススケール３４上の副格子３６ａ′　〜３６ｄ′間
の間隔ｑは、光学的にほぼ等しくすることが望ましい。 この間隔ｐ＝ｑの際は、第１インデックススケール１８
上の副格子２０ａと第２インデックススケール３４上の
副格子３６ａ’　、同じり２２ｂと３６ｂ’　、同じく
２２Ｃと３６０’　、同じく２２ｄと３６ｄ′の有効面
積は、変位検出用受光素子２２ａ〜２２ｄに到達する光
量と直流レベル検出用受光素子３８ａ′〜３８ｄ′に到
達する光】がほぼ等しくなるように、はぼ同一となるよ
うにされている。 なお、間隔ｐ、！：ｑが異なる設定のときには、対応す
る副格子２ｏａ〜２０ｄと３６ａ′〜３６ｄの有効面積
の比を、ｐ／Ｑに対応させることができる。 前記変位検出用受光素子２２ａ〜２２ｄ及び前記直流レ
ベル検出用受光素子３８８′〜３８ｄ′の出力から二相
の検出信号を形成するための信号処理回路４０は、第５
図に示す如く、前記受光素子２２ａと３８ａ′の出力信
号ａ、ａ’を加算して増幅するための、可変抵抗器ＶＲ
１によって増幅率が可変とされた演算増幅器（オペアン
プ）ＯＰｌと、前記受光素子２２ｃと３８ｃ′の出力信
号ｃ、ｃ’　を加算して増幅するための、可変抵抗器Ｖ
Ｒ２によって増幅率が可変とされたオペアンプＯＰ２と
、前記受光素子２２ｂと３８ｂ′の出力信号す、ｂ’　
を加算して増幅するための、可変抵抗器ＶＲ３によって
増幅器が可変とされたオペアンプＯＰ３と、前記受光素
子２２ｄと３８ｄ′の出力信号ｄ、ｄ’　を加算して増
幅するための、可変抵抗器ＶＲ４によって増幅率が可変
とされたＯＲ３と、前記オペアンプＯＰ１の出力信号（
ａ＋ａ′）とオペアンプＯＰ２の出力信号（＋、＋ｃ）
の差動信号（ａ　＋ａ’　）　−（ｃ　＋ｃ’　）を二
相検出信号の一方として出力するオペアンプＯＰ５と、
前記オペアンプＯＰ３の出力信号（ｂ　＋ｂ）と前記オ
ペアンプＯＰ４の出力信号（ｄ　＋ｄ）の差動信号（ｂ
　＋ｂ’　）−（ｄ　＋ｄ’　）を二相検出信号の他方
として出力するオペアンプＯＰ６とから構成されいる。 本実施例において、インデックススケール１８をメイン
スケール１４に対して相対移動させると、そのときの二
相検出信号は、前出第１図（Ｃ）に示した如くとなり、
撮幅成分は変動するものの、直流成分は一定となる。従
って、極めて安定した検出信号を得ることができ、高精
度の内挿分割を行って、高精度の測定信号を得ることが
できる。 本実施例においては、対応する変位検出信号ａ〜ｄと直
流レベル検出信号ａ′〜ｄ′の和（ａ　＋ａ′）〜（ｄ
＋ｄ′）毎にオペアンプＯＰ１〜。 Ｐ４で増幅するようにしているので、信号処理回路４０
の構成が簡略である。 なお、信号処理回路４０の構成は第５図に示したものに
限定されず、例えば第６図に示す如く、各検出信号ａ　
−ｄ　Ｓａ　’〜ｄ′毎に、可変抵抗器ＶＲＩＩ〜ｖＲ
ｉａによって増幅率が可変とされたオペアンプ０Ｐ１１
〜０Ｐ１８で増幅し、オペアンプ０Ｐ１９〜０Ｐ２２に
よって、変位検出信号ａ〜ｄ１直流レベルし出信号ａ′
〜ｄ′毎にそれぞれ各相の差動信号（ａ　−ｃ　）、（
ｃ’−ａ’）（ｆｌｌ　−ｄ　）、（ｄ’−ｂ’）を求
め、オペアンプ０Ｐ２３及び○Ｐ２４により、変位検出
信号と直流レベル検出信号の差動信号（ａ−ｃ）−（ｃ
’−ａ　’　）　＝　（ａ　＋ａ　’　　）　−（ｃ　
＋ｃ　’　　）、（１）−ｄ　　）−（ｄ’　　　−ｂ
’　　　）＝　　（ｂ　　＋ｂ’　　　）　　−（ｄ　
　＋ｄ）を求めて、各相の変位検出信号とすることも可
能である。この場合には、各検出信号ａ−ｄ、ａ′〜ｄ
′毎のレベル調整が可能となるので、副格子３６ａ′〜
３６ｄ′の光聞調整用目盛縞を省略して、これらを単な
る通過窓とすることも可能である。 又、本実施例においては、前記第２インデックススケー
ル３４及び直流レベル検出用受光素子３８ａ′〜３８ｄ
′が、メインスケール１４の裏面側（図の右側）から主
格子１６を照射する逆入光を遮るので、該逆入光によっ
て変位検出信号ａ〜ｄに影響が現われるのを防止するこ
とができる。 なお、第２インデックススケール３４等の代わりに、第
７図に示す第２実施例の如く、検出器３０に遮蔽用カバ
ー４２を設けてもよい。第７図において、４４は、メイ
ンスケール１４の下部が固定されるペース（相対移動部
材の一方）である。 なお、前記実施例においては、本発明が反射型の光電式
変位検出器に適用されていたが、透過型の変位検出器に
適用した場合には、前記第１インデックススケール１８
の副格子２０ａ〜２０ｄのパターンと、第２インデック
ススケール３４の副格子３６ａ′〜３６ｄ′のパターン
が入替わったものとなる。 次に、第８図乃至第１０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２実施例は、第１インデックススケール１８上の
ＤＩ格子２０８〜２０ｄ　〈第９図参照）及び変位検出
用受光索子２２ａ〜２２ｄを一直線上に設けると共に、
これに対応して、第２インデックススケール３４上の副
格子３６ａ′〜３６ｄ′（第１０図参照）及び直流レベ
ル検出用受光素子３８８′〜３８ｄ′も一直線上に設け
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詳細
な説明は省略する。 なお、これまでの説明においては、いずれも、参照光通
過窓として、目盛縞が形成された副格子３６８′〜３６
ｄ′が使用されていたが、例えば第６図に示ずような信
号処理回路のように、他の方法によってレベル調整が可
能な場合には、参照光通過窓として、目盛縞を有さない
単なる通過窓等を用いることも可能である。 次に、第１１図を参照して、本発明の第４実施例を詳細
に説明する。 この第４実施例は、相対移動する一方の部材に固定され
る、主格子１６が形成された、光透過性を有する透過型
のメインスケール１４と、相対移動する他方の部材に固
定される、光源３２、副格子２０が形成されたインデッ
クススケール１８、及び前記主格子１６及び副格子２０
によって変調された透過光を光電変換する変位検出用受
光素子２２とを含み、両部材の相対変位に応じて周期的
な検出信号を生成する透過型の光電式変位検出器におい
て、前記主格子１６及び副格子２０によって変調された
光の他方（反射光）を光電変換する直流レベル検出用受
光素子３８と、光源３２からの光を前記メインスケール
１４方向に変換すると共に、前記主格子１６及び副格子
２０で変調された反射光を直流レベル検出用受光素子３
８に入射させるためのハーフミラ−５０又はビームスプ
リッタと、前記光ｉｔ！３２の光量を監視するための光
源光量モニタ用受光素子５２とを設け、前記直流レベル
検出用受光素子３８によって得られる直流レベル検出信
号ａ′を用いて、前記変位検出用受光素子２２によって
得られる変位検出信号ａの直流レベル変動を補正するよ
うにしたものである。 図において、１２はコリメータレンズ、５４．５６は集
光レンズである。 前記光源光量モニタ用受光素子４６の出力は、例えば光
［３２の電源回路にフィードバックされて、光源３２の
照射光量が一定となるように制御される。なお光源光重
モニタ用受光素子４６は省略することも可能である。 又、本実施例は、透過型とされていたが、変位検出用受
光素子２２と直流レベル検出用受光素子３８の機能を入
替えることによって、反射型とすることもできる。 前記実施例においては、いずれも、本発明が直線変位検
出器に用いられていたが、本発明の適用範囲はこれに限
定されず、回転変位検出器にも同様に適用できることは
明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の詳細な説明するための、変位検出信
号、直流レベル検出信号及び補正後の検出信号の例を示
す線図、 第２図は、本発明に係る光電式変位検出器の第１実施例
の構成を示す断面図、 第３図は、第１実施例で用いられている第１インデック
ススケールを示す正面図、 第４図は、同じく第２インデックススケールを示す正面
図、 第５図は、同じく信号処理回路の一例を示す回路図、 第６図は、同じく信号処理回路の他の例を示す回路図、 第７図は、本発明の第２実施例の要部構成を示す断面図
、 第８図は、同じく第３実施例の要部構成を示す断面図、 第９図は、第３実施例で用いられている第１インデック
ススケールを示す正面図、 第１０図は、同じく第２インデックススケールを示す正
面図、 第１１図は、本発明の第４実施例の要部構成を示す断面
図、 第１２図は、従来の反射型光電式変位検出器の一例の構
成を示寸断面図、 第１３図は、該従来例におけるインデックススケールを
示す正面図、 第１４図は、前記従来例における各部信号波形の例を示
す線図である。 １４・・・メインスケール、 １６・・・主格子、 １８．３４・・・インデックススケール、２０ａ　〜２
０ｄ　、　２０−・・副格子、２２ａ〜２２ｄ、２２・
・・変位検出用受光素子、ａ−ｄ・・・変位検出信号、 ３２・・・光源、 ３６８′〜３６ｄ′・・・副格子（参照光通過窓）、３
８ａ　’　〜３８ｄ　’　、３８ ・・・直流レベル検出用受光素子、 ａ′〜ｄ′・・・直流レベル検出信号、４０・・・信号
処理回路、 ４２・・・遮蔽用カバー

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）相対移動する一方の部材に固定される、主格子が
   形成された、光透過性を有するメインスケールと、 相対移動する他方の部材に固定される、光源、副格子が
   形成された第１のインデックススケール、及び少くとも
   前記主格子及び副格子によつて変調された光を光電変換
   する変位検出用受光素子とを含み、 両部材の相対変位に応じて周期的な検出信号を生成する
   光電式変位検出器において、 メインスケールを挾んで前記第１インデックススケール
   の反対側に配設される、参照光通過窓が形成された第２
   のインデックススケールと、前記主格子及び参照光通過
   窓を通過した光を光電変換する直流レベル検出用受光素
   子とを設け、該直流レベル検出用受光素子によつて得ら
   れる直流レベル検出信号を用いて、前記変位検出用受光
   素子によつて得られる変位検出信号の直流レベル変動を
   補正することを特徴とする光電式変位検出器。
2. （２）請求項１に記載の光電式変位検出器において、前
   記メインスケールが反射型とされ、前記第２インデック
   ススケールが、メインスケールを挾んで光源の反対側に
   配置されていることを特徴とする光電式変位検出器。
3. （３）請求項１に記載の光電式変位検出器において、前
   記メインスケールが透過型とされ、前記第２インデック
   ススケールが、メインスケールに対して光源と同じ側に
   配置されていることを特徴とする光電式変位検出器。
4. （４）相対移動する一方の部材に固定される、主格子が
   形成された、光透過性を有するメインスケールと、 相対移動する他方の部材に固定される、光源、副格子が
   形成されたインデックススケール、及び少くとも前記主
   格子及び副格子によつて変調された反射光又は透過光の
   いずれか一方を光電変換する変位検出用受光素子とを含
   み、 両部材の相対変位に応じて周期的な検出信号を生成する
   光電式変位検出器において、 前記主格子及び側格子によつて変調された光の他方を光
   電変換する直流レベル検出用受光素子を設け、 該直流レベル検出用受光素子によつて得られる直流レベ
   ル検出信号を用いて、前記変位検出用受光素子によつて
   得られる変位検出信号の直流レベル変動を補正すること
   を特徴とする光電式変位検出器。
5. （５）相対移動する一方の部材に固定される、主格子が
   形成された、光透過性を有する反射型のメインスケール
   と、 相対移動する他方の部材に固定される、光源、副格子が
   形成されたインデックススケール、及び少くとも前記主
   格子及び副格子によつて変調された光を光電変換する変
   位検出用受光素子とを含み、両部材の相対変位に応じて
   周期的な検出信号を生成する反射型の光電式変位検出器
   において、メインスケールを挾んで前記インデックスス
   ケールの反対側に、メインスケールの裏面側から主格子
   を照射する逆入光を防止するための遮蔽用カバーを設け
   たことを特徴とする光電式変位検出器。