JPH03130617A - Optical displacement detector - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は光源と受光素子の間にエンコーダ板を配置した
構成からなる光学式変位検出装置に関し、特にエンコー
ダ板の基準位置検出技術に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an optical displacement detection device having a configuration in which an encoder plate is arranged between a light source and a light receiving element, and particularly relates to a technique for detecting a reference position of an encoder plate.
従来から可動部品の変位を非接触で検出する為に種々の
形式の光学式エンコーダが知られている。Conventionally, various types of optical encoders have been known for detecting displacement of moving parts in a non-contact manner.
たとえば特開昭63−47616号公報には、コヒーレ
ントな点光源からの球面波による回折現象を利用した光
学式エンコーダが開示されている。点光源による回折像
を用いると、エンコーダ板上に形成された一次元回折格
子の移動に伴いその回折像は影絵の場合と同じく移動す
る。又この場合の回折像は光源と回折格子、回折格子と
受光素子との距離の比率により拡大する事が可能で、回
折格子の微小な移動量を拡大光学系なしで簡単に検出す
る事ができる。この事を利用して、半導体レーザと数節
ピッチの一次元回折格子を用いて高性能且つ高分解能の
レーザエンコーダが得られる。For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-47616 discloses an optical encoder that utilizes a diffraction phenomenon caused by a spherical wave from a coherent point light source. When a diffraction image from a point light source is used, the diffraction image moves as a one-dimensional diffraction grating formed on an encoder plate moves in the same way as in the case of a silhouette. In addition, the diffraction image in this case can be magnified by changing the ratio of the distances between the light source and the diffraction grating, and between the diffraction grating and the light receiving element, making it possible to easily detect minute movements of the diffraction grating without the need for a magnifying optical system. . Taking advantage of this fact, a high-performance and high-resolution laser encoder can be obtained using a semiconductor laser and a one-dimensional diffraction grating with several pitches.
第5図はレーザエンコーダの原理を説明する為の模式図
である。半導体レーザからなる点光源Oからは波長λの
コヒーレントな入射光束が放出される。点光源Oの前方
距離りの所には矢印で示す様に双方向に移動可能なエン
コーダ板が配置されている。このエンコーダ板上にはピ
ッチTを有する一次元回折格子が形成されている。この
移動するエンコーダ板をコヒーレントな入射光束で照射
すると一次元回折格子の前方距離Mの所に干渉ノ々タン
が結像される。干渉パタンは所定の空間周期Pで配列さ
れた明暗の縞模様からなる。この干渉パタンは見かけ上
回折格子の拡大投影像であり回折格子の移動に応じて変
位する。ところで鮮明な干渉パタンを得る為には、いわ
ゆるフレネル回折理論に従って次の関係式を満たす必要
がある。FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the principle of a laser encoder. A coherent incident light beam having a wavelength λ is emitted from a point light source O made of a semiconductor laser. An encoder plate movable in both directions is arranged at a distance in front of the point light source O, as shown by the arrow. A one-dimensional diffraction grating having a pitch T is formed on this encoder plate. When this moving encoder plate is irradiated with a coherent incident beam, an interference notch is imaged at a distance M in front of the one-dimensional diffraction grating. The interference pattern consists of bright and dark striped patterns arranged at a predetermined spatial period P. This interference pattern is apparently an enlarged projected image of the diffraction grating and is displaced in accordance with the movement of the diffraction grating. By the way, in order to obtain a clear interference pattern, it is necessary to satisfy the following relational expression according to the so-called Fresnel diffraction theory.
MLλ H
この関係式を満たす様にレーザエンコーダの各パラメー
タL、 M、 λ及びTを設定する事により鮮明度の
大きな干渉パタンか得られる。干渉パタンの空間周期即
ち縞間隔Pに対応する空間周期を有する空間フィルター
を介して一次元回折格子からの出射光束を受光し交流検
出信号に変換する事によりエンコーダ板の変位情報を得
る事ができる。MLλ H By setting the parameters L, M, λ, and T of the laser encoder so as to satisfy this relational expression, an interference pattern with high clarity can be obtained. The displacement information of the encoder plate can be obtained by receiving the emitted light beam from the one-dimensional diffraction grating through a spatial filter having a spatial period corresponding to the spatial period of the interference pattern, that is, the fringe interval P, and converting it into an AC detection signal. .
即ち交流検出信号の周波数はエンコーダ板の変位速度を
表わし波の数は変位量を表わす。That is, the frequency of the AC detection signal represents the displacement speed of the encoder plate, and the number of waves represents the amount of displacement.
第5図に示す様に、エンコーダ板上にはその基準位置に
対応して基準スリットSが形成されている。エンコーダ
板の移動に伴って基準スリットSが共通の点光源Oから
放射される入射光束を横切ると、基準スリットの前方に
光スポットが形成される。この光スポツト位置に受光素
子を配置し基準スリットから射出される出射光束を受光
検出する事によりエンコーダ板の基準位置情報を得る事
ができる。この様に、レーザエンコーダは移動する干渉
パタンの有する変位情報及び光スポットの有する基準位
置情報の両者に基づいて、エンコーダ板の絶体移動量を
検出するものである。As shown in FIG. 5, a reference slit S is formed on the encoder plate corresponding to the reference position. When the reference slit S crosses the incident light flux emitted from the common point light source O as the encoder plate moves, a light spot is formed in front of the reference slit. Information on the reference position of the encoder plate can be obtained by arranging a light receiving element at this light spot position and detecting the light beam emitted from the reference slit. In this way, the laser encoder detects the absolute movement amount of the encoder plate based on both the displacement information of the moving interference pattern and the reference position information of the light spot.
ところで、光源として用いられる半導体レーザには放射
されるコヒーレントな光束の波長λに温度依存性があり
必ずしも一定ではない。たとえば市販される半導体レー
ザを用いると一度あたり0.2ないし0.26nm程度
波長が変動する。上述した関係式から明らかな様に、エ
ンコーダ板に照射される入射光束の波長λが変動すると
鮮明な干渉パタンか得られなくなり干渉パタンのピーク
強度が低下する。同様に、例えばホログラフィックレン
ズ格子により基準位置スリットを形成する場合、光スポ
ットのピーク強度も低下する。第6図はピーク強度の温
度依存性を表わしたグラフである。By the way, the wavelength λ of a coherent light beam emitted by a semiconductor laser used as a light source is temperature dependent and is not necessarily constant. For example, when a commercially available semiconductor laser is used, the wavelength changes by about 0.2 to 0.26 nm per time. As is clear from the above relational expression, when the wavelength λ of the incident light beam irradiated onto the encoder plate changes, a clear interference pattern cannot be obtained and the peak intensity of the interference pattern decreases. Similarly, if the reference position slit is formed, for example, by a holographic lens grating, the peak intensity of the light spot will also be reduced. FIG. 6 is a graph showing the temperature dependence of peak intensity.
縦軸にピーク強度のト目対値を示し、横軸に基準温度か
らの温度差ΔTを示す。図示する様に温度変化が大きく
なればなるほど、ピーク強度は低下する。ただしピーク
位置はほとんど変動しない。The vertical axis shows the peak intensity vs. value, and the horizontal axis shows the temperature difference ΔT from the reference temperature. As shown in the figure, the larger the temperature change, the lower the peak intensity. However, the peak position hardly changes.
干渉パタンについては、そのピーク強度が変動しても、
それほど検出精度に悪影響を与える事はない。干渉パタ
ンを受光検出して得られる交流検出信号はたとえ干渉パ
タンのピーク強度が変動しても、周波数成分は保存され
るからである。しかしながら、エンコーダ板の基準位置
情報を与える光スポットのピーク強度が変動すると、基
準位置検出に重大な悪影響を及ぼし誤検出の原因ともな
る。従来、光スポットを受光検出してパルスを得ていた
。パルスの電圧レベルを所定の基準電圧レベルと比較す
る事によりエンコーダ板の基準位置を検出していた。光
スポットのピーク強度が低下するとパルスの電圧レベル
も低下し、一定の基準電圧レベル以下になった場合には
基準位置の検出が不可能になるという問題点があった。Regarding the interference pattern, even if its peak intensity fluctuates,
This does not adversely affect detection accuracy that much. This is because the frequency components of the AC detection signal obtained by receiving and detecting the interference pattern are preserved even if the peak intensity of the interference pattern varies. However, if the peak intensity of the light spot that provides the reference position information of the encoder plate fluctuates, it may have a serious adverse effect on the reference position detection and cause false detection. Conventionally, pulses were obtained by receiving and detecting a light spot. The reference position of the encoder plate was detected by comparing the voltage level of the pulse with a predetermined reference voltage level. When the peak intensity of the light spot decreases, the voltage level of the pulse also decreases, and when the voltage level falls below a certain reference voltage level, there is a problem in that the reference position cannot be detected.
本発明は上述した従来のレーザエンコーダの問題点に鑑
み、入射光束の波長が変動しても基準位置の誤検出が生
じない改良されたレーザエンコーダを提供する事を目的
とする。In view of the problems of the conventional laser encoder described above, it is an object of the present invention to provide an improved laser encoder that does not cause false detection of the reference position even if the wavelength of the incident light beam changes.
その為に本発明にかかる光学式変位検出装置は、入射光
束を生成する為の固定光源と、入射光束を横切る様に移
動するエンコーダ板と、エンコーダ板の基準位置に形成
され該基準位置が入射光束を通過する毎に出射光束を射
出する為の基準光学要素と、出射光束を遮る様に配置さ
れ且つ広狭異なった有効開口幅を有する一対の広幅スリ
ット及び狭幅スリットが形成されたマスク板と、広幅ス
リットを介して出射光束を受光し広いパルス幅を有する
参照パルス信号を出力する一方の受光素子と、狭幅スリ
ットを介して出射光束を同時に受光し狭いパルス幅を有
する検出パルス信号を出力する他方の受光素子と、参照
パルス信号に対して検出パルス信号を比較評価する串に
より基準パルス信号を出力しエンコーダ板基県位置の通
過を検出する為の検出回路とから構成されている。For this purpose, the optical displacement detection device according to the present invention includes a fixed light source for generating an incident light beam, an encoder plate that moves across the incident light beam, and a reference position of the encoder plate. a reference optical element for emitting an emitted light beam each time the light beam passes; a mask plate having a pair of wide slits and narrow slits arranged to block the emitted light beam and having different effective aperture widths; , one light receiving element receives the emitted light beam through a wide slit and outputs a reference pulse signal with a wide pulse width, and the other receives the emitted light beam simultaneously through a narrow slit and outputs a detection pulse signal with a narrow pulse width. and a detection circuit for outputting a reference pulse signal and detecting passage of the encoder plate base position by comparing and evaluating the detected pulse signal with the reference pulse signal.
好ましくは該検出回路は参照パルス信号を所定の基準レ
ベルに対して比較する事によりゲートパルス信号を形成
する比較回路と、ゲートパルス信号に応答して基準パル
ス信号を出力するゲート回路とを含んでいる。Preferably, the detection circuit includes a comparison circuit that forms a gate pulse signal by comparing a reference pulse signal with a predetermined reference level, and a gate circuit that outputs a reference pulse signal in response to the gate pulse signal. There is.
さらに好ましくは固定光源はコヒーレントな入射光線を
放射する半導体レーザからなり、基準光学要素はコヒー
レントな入射光束を回折し出射光束を光スポットに結像
する為のホログラフィックレンズ格子から構成されてい
る。加えてエンコーダ板はその移動方向に沿って形成さ
れた一次元回折格子を何し、この一次元回折格子はコヒ
ーレントな入射光束を回折して出射光束を移動する干渉
パタンに結像する作用をaする。干渉パタンのピッチに
対応した空間周波数を有する空間フィルターが配置され
ており、空間フィルターを介して出射光束を受光し対応
する交流検出信号を出力する受光素子と、交流検出信号
を処理してエンコーダ板の変位を表わす変位信号を出力
する回路とを備えている。More preferably, the fixed light source comprises a semiconductor laser that emits a coherent incident beam, and the reference optical element comprises a holographic lens grating for diffracting the coherent incident beam and imaging the output beam into a light spot. In addition, the encoder plate has a one-dimensional diffraction grating formed along its moving direction. do. A spatial filter having a spatial frequency corresponding to the pitch of the interference pattern is arranged. A light receiving element receives the emitted light flux through the spatial filter and outputs a corresponding AC detection signal, and an encoder plate processes the AC detection signal. and a circuit that outputs a displacement signal representing the displacement of.
本発明によれば、基準光学要素から射出された出射光束
により形成された光スポットは同時且つ分割的に広幅ス
リット及び狭幅スリットを介して受光検出され対応する
参照パルス信号及び検出パルス信号を得ている。参照パ
ルス及び検出パルスは互いに重なった状態で出力され、
且つ参照パルスは検出パルスに比べて大きなパルス幅を
有している。従って、参照パルス幅内に、検出パルスが
存在する関係となる。光スポットの強度変化に対応して
、参照パルス及び検出パルスの電圧レベル即ちパルス高
さは変動するが、両者のパルス高さの相対的関係は保存
される。従って、参照パルスに対して検出パルスを比較
評価する事により基準パルス信号をパルス高さの変動に
かかわらず安定して出力する事ができ、エンコーダ板基
準位置の通過を検出できる。基準パルスは参照パルスに
比べて狭いパルス幅を有する為、高分解能でエンコーダ
板基準位置を決定する事ができるのである。According to the present invention, a light spot formed by an output light beam emitted from a reference optical element is simultaneously and separately received and detected through a wide slit and a narrow slit to obtain a corresponding reference pulse signal and a detection pulse signal. ing. The reference pulse and the detection pulse are output in a state where they are overlapped with each other,
Moreover, the reference pulse has a larger pulse width than the detection pulse. Therefore, the detection pulse exists within the reference pulse width. Although the voltage levels, that is, the pulse heights of the reference pulse and the detection pulse vary in response to changes in the intensity of the light spot, the relative relationship between the two pulse heights is maintained. Therefore, by comparing and evaluating the detection pulse with respect to the reference pulse, the reference pulse signal can be stably output regardless of fluctuations in pulse height, and passage of the encoder plate reference position can be detected. Since the reference pulse has a narrower pulse width than the reference pulse, the encoder plate reference position can be determined with high resolution.
この様に本発明によれば、細体的な参照レベルに基づい
て検出パルスを評価するのではなく、光スポットの強度
変化に応じて変動する参照レベルを用いて検出パルスを
評価するので結果的に光スポットの強度変化の影響を受
ける事がない。As described above, according to the present invention, the detected pulse is not evaluated based on a detailed reference level, but the detected pulse is evaluated using a reference level that fluctuates according to changes in the intensity of the light spot. is not affected by changes in the intensity of the light spot.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説
明する。第1図は本発明にかかる光学式変位装置をレー
ザロータリーエンコーダに適用した実施例を示す斜視図
である。レーザロータリーエンコーダは固定光源1を有
する。固定光源1は例えば半導体レーザからなりコヒー
レントな入射光束を生成する。但しその波長は温度変化
その他の要因により変動するものである。固定光源1の
前方にはロータリーエンコーダ板2が配置されている。Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment in which an optical displacement device according to the present invention is applied to a laser rotary encoder. The laser rotary encoder has a fixed light source 1. The fixed light source 1 is composed of, for example, a semiconductor laser and generates a coherent incident light beam. However, the wavelength varies due to temperature changes and other factors. A rotary encoder plate 2 is arranged in front of the fixed light source 1.
矢印で示す様にエンコーダ板2は入射光束を横切る様に
双方向に回転移動可能である。エンコーダ板2の内周部
全域に亘って輪状に一次元回折格子3が形成されている
。一次元回折格子3はエンコーダ板2の移動方向に沿っ
て形成されており、コヒーレントな入射光束を回折して
前方所定位置に干渉パタンを結像する。この干渉パタン
はエンコーダ板2の移動に応答して変位する一次元回折
格子3の拡大映像である。エンコーダ板2の基準位置に
は基準光学要素が形成されている。本実施例においては
基準光学要素は一次元回折格子3に隣接して配置された
ホログラフィックレンズ格子4からなる。ホログラフィ
ックレンズ格子4は複数の同心円状のスリットからなり
入射光束を通過する毎に出射光束を射出し前方所定位置
に光スポットを結像する。ホログラフィックレンズ格子
4のスリットピッチを予め適当に設定する1fにより入
射光束を回折し干渉により極めて鋭いピークを持つ光ス
ポットを形成する事ができる。光スポットの結像面は干
渉パタンの結像面と同一面上にある。この様にホログラ
フィックレンズ格子4は光束の回折及び干渉を利用して
いるので、一次元回折格子3と同様に入射光束の波長依
存性があり、波長の変動に伴って光スポットのピーク強
度も変動する。As shown by the arrow, the encoder plate 2 is rotatable in both directions so as to cross the incident light beam. A one-dimensional diffraction grating 3 is formed in a ring shape over the entire inner circumference of the encoder plate 2. The one-dimensional diffraction grating 3 is formed along the moving direction of the encoder plate 2, and diffracts a coherent incident light beam to image an interference pattern at a predetermined position in front. This interference pattern is an enlarged image of the one-dimensional diffraction grating 3 that is displaced in response to the movement of the encoder plate 2. A reference optical element is formed at a reference position on the encoder plate 2. In this embodiment, the reference optical element consists of a holographic lens grating 4 placed adjacent to a one-dimensional diffraction grating 3. The holographic lens grating 4 is composed of a plurality of concentric slits, and each time an incident light beam passes through, the holographic lens grating 4 emits an output light beam and images a light spot at a predetermined position in front. By properly setting the slit pitch of the holographic lens grating 4 1f in advance, the incident light beam can be diffracted and a light spot with an extremely sharp peak can be formed by interference. The image plane of the light spot is on the same plane as the image plane of the interference pattern. In this way, the holographic lens grating 4 utilizes diffraction and interference of the light beam, so like the one-dimensional diffraction grating 3, there is a dependence on the wavelength of the incident light beam, and the peak intensity of the light spot changes as the wavelength changes. fluctuate.
干渉パタン及び光スポットの結像面にはマスク板5が配
置されている。マスク板5には干渉パタンのピッチに対
応した空間周期を有する複数の空間フィルター6が形成
されている。又光スポットの結像位置には広狭具った有
効開口幅を有する一対の広幅スリット7C及び狭幅スリ
ット7Dが形成されている。広幅スリット7C及び狭幅
スリット7Dは互いに隣接して配置されており先スポッ
トを同時且つ分割的に透過する事ができる。A mask plate 5 is placed on the imaging plane of the interference pattern and the light spot. A plurality of spatial filters 6 having a spatial period corresponding to the pitch of the interference pattern are formed on the mask plate 5. Further, a pair of wide slits 7C and narrow slits 7D having wide and narrow effective aperture widths are formed at the imaging position of the light spot. The wide slit 7C and the narrow slit 7D are arranged adjacent to each other and can transmit the tip spot simultaneously and separately.
マスク板5の前方には近接して複数の受光素子8が対向
的に配置されている。複数の受光素子8には、広幅スリ
ット7Cを介して出射光束を受光し広いパルス幅を有す
る参照パルス信号を出力する受光素子と、狭幅スリット
7Dを介して出射光束を受光し狭いパルス幅を有する検
出パルス信号を出力する受光素子を含む。加えて複数の
空間フィルター6を介して出JJ光束を受光し対応する
交流検出信号を出力する受光素子も含む。複数の受光素
子8は検出回路9に内蔵されており、検出回路9は参照
パルス信号に対して検出パルス信号を比較評価する事に
より基準パルス信号を出力するとともに、交流検出信号
を処理してエンコーダ板2の変位を表わす変位信号も出
力する。A plurality of light receiving elements 8 are arranged close to each other in front of the mask plate 5 so as to face each other. The plurality of light receiving elements 8 include a light receiving element that receives the emitted light flux through the wide slit 7C and outputs a reference pulse signal having a wide pulse width, and a light receiving element that receives the emitted light flux through the narrow slit 7D and outputs a reference pulse signal having a narrow pulse width. It includes a light receiving element that outputs a detection pulse signal having a detection pulse signal. In addition, it also includes a light receiving element that receives the output JJ light flux through the plurality of spatial filters 6 and outputs a corresponding AC detection signal. The plurality of light receiving elements 8 are built into a detection circuit 9, and the detection circuit 9 outputs a reference pulse signal by comparing and evaluating the detection pulse signal with a reference pulse signal, and processes the AC detection signal to generate an encoder. A displacement signal representing the displacement of the plate 2 is also output.
第2図は第1図に示すマスク板5と受光素子8の対応関
係を示す模式図である。図示する様に、エンコーダ板の
基準位置を表わす光スポットはホログラフィックレンズ
格子の集光作用により極めて鋭いピーク強度を有する。FIG. 2 is a schematic diagram showing the correspondence relationship between the mask plate 5 and the light receiving element 8 shown in FIG. 1. As shown in the figure, the light spot representing the reference position of the encoder plate has an extremely sharp peak intensity due to the focusing action of the holographic lens grating.
又その光スポツト形状はエンコーダ板の移動方向に対し
ては狭い幅を有するが直交方向に対しては延長された扁
平形状を有し、広幅スリット7C及び狭幅スリット7D
の長平方向をカバーする事ができる。狭幅スリット7D
は高分解能でエンコーダ板の基準位置を検出する為極め
て狭いスリット幅を有し、光スポットの結像位置に正確
に対応している。又広幅スリット7Cは参照信号を得る
事を目的としているので広いスリット幅を有する。広幅
スリット7Cの背後には受光索子8Cが配置されており
、狭幅スリット7Dの背後には別の受光素子8Dが配置
されている。一対の受光素子8C及び8Dは各々広幅ス
リット7C及び狭幅スリット7Dに対応して配置されて
いる為、光スポットを同時的且つほぼ等分割的に受光検
出する事ができる。受光素子8Cは広幅スリット7Cを
介して出射光束を受光する為広いパルス幅を有する参照
パルス信号を出力し、受光索子8Dは狭幅スリット7D
を介して出射光束を受光するので狭いパルス幅を有する
検出パルス信号を出力する。これら参照パルス信号及び
検出パルス信号は同時的に出力され且つ参照パルスは検
出パルスを覆う形となる。The shape of the light spot has a narrow width in the moving direction of the encoder plate, but has an extended flat shape in the orthogonal direction, and has a wide slit 7C and a narrow slit 7D.
It is possible to cover the longitudinal direction of. Narrow slit 7D
has an extremely narrow slit width to detect the reference position of the encoder plate with high resolution, and corresponds precisely to the imaging position of the light spot. Further, the wide slit 7C has a wide slit width because it is intended to obtain a reference signal. A light receiving element 8C is arranged behind the wide slit 7C, and another light receiving element 8D is arranged behind the narrow slit 7D. Since the pair of light receiving elements 8C and 8D are arranged corresponding to the wide slit 7C and the narrow slit 7D, respectively, it is possible to receive and detect the light spot simultaneously and almost equally divided. The light receiving element 8C outputs a reference pulse signal having a wide pulse width in order to receive the emitted light beam through the wide slit 7C, and the light receiving element 8D receives the emitted light beam through the wide slit 7C.
Since the emitted light beam is received through the sensor, a detection pulse signal having a narrow pulse width is output. These reference pulse signals and detection pulse signals are output simultaneously, and the reference pulse covers the detection pulse.
−万一次元回折格子によって形成される干渉パタンは連
続するピークを有し矢印で示す様に双方向に移動する。- The interference pattern formed by the dimensional diffraction grating has continuous peaks and moves in both directions as shown by the arrows.
干渉パタンの移動方向に沿って一対の空間フィルター6
A及び6人が配置されている。これら空間フィルターの
空間周期は干渉パタンのピッチに対応しており、フィル
ター6Aとフィルター6人は互いに180’の位相差を
有する。A pair of spatial filters 6 along the moving direction of the interference pattern
A and 6 people are assigned. The spatial period of these spatial filters corresponds to the pitch of the interference pattern, and the filter 6A and the filter 6 have a phase difference of 180' from each other.
又空間フィルター6A及び6人と並列する形で一対の空
間フィルター6B及び6Bが配置されている。これら空
間フィルターも干渉パタンのピッチに対応する空間周期
を有し、且つ空間フィルター6Bと空間フィルター6B
は互いに180@の位相差を有する。さらに一対の空間
フィルター6A。Also, a pair of spatial filters 6B and 6B are arranged in parallel with the spatial filter 6A and the six people. These spatial filters also have a spatial period corresponding to the pitch of the interference pattern, and the spatial filter 6B and the spatial filter 6B
have a phase difference of 180@ from each other. Furthermore, a pair of spatial filters 6A.
6人と他の一対の空間フィルター6B、6mは互いに9
0°の位相差を有する。90°の位相差を設けたのは干
渉パタンの移動方向を検出する為である。6 people and another pair of spatial filters 6B, 6m are each 9
It has a phase difference of 0°. The reason for providing a phase difference of 90° is to detect the moving direction of the interference pattern.
これら4個の空間フィルター6A、6X、6B及び6B
に対応して4個の受光素子8A、8A。These four spatial filters 6A, 6X, 6B and 6B
4 light receiving elements 8A, 8A corresponding to.
8B及び8Bがそれぞれ配置されている。8B and 8B are respectively arranged.
第3図は検出回路9の詳細な回路構成を示すブロック図
である。図示する様に、受光素子8Bには増幅器A1が
接続され、受光素子8Bには増幅器A2が接続され、受
光素子8Aには増幅器A3が接続され、受光素子8Aに
は増幅器4Aが接続されている。さらに受光素子8Dに
は増幅器A5が接続されており、受光素子8Cには可変
抵抗VRIにより増幅率を調節する事のできる増幅器A
6が接続されている。増幅器A1及びA2の出力端には
比較器C1が接続されており、増幅器A3及びA4の出
力端には比較器C2が接続されている。増幅器A4及び
A5の出力端には可変抵抗VR2によって入力レベルが
調節可能な差動増幅器A7が接続されており、増幅器A
4及びA6の出力端には同様にして可変抵抗VR3によ
って入力レベルが調節可能な差動増幅器A8が接続され
ている。さらに増幅器A7及びA8の出力端には比較器
C3が接続されており、増幅器A8の出力端には比較W
C4も接続されている。比較器C4は基準電圧レベルV
RP、Fに基づいて比較動作を行なう。最後に比較器C
3及びC4の出力端にはアンドゲートからなるゲート回
路Gが接続されている。FIG. 3 is a block diagram showing the detailed circuit configuration of the detection circuit 9. As shown in FIG. As shown in the figure, an amplifier A1 is connected to the light receiving element 8B, an amplifier A2 is connected to the light receiving element 8B, an amplifier A3 is connected to the light receiving element 8A, and an amplifier 4A is connected to the light receiving element 8A. . Further, an amplifier A5 is connected to the light receiving element 8D, and an amplifier A5 whose amplification factor can be adjusted by a variable resistor VRI is connected to the light receiving element 8C.
6 is connected. A comparator C1 is connected to the output ends of the amplifiers A1 and A2, and a comparator C2 is connected to the output ends of the amplifiers A3 and A4. A differential amplifier A7 whose input level can be adjusted by a variable resistor VR2 is connected to the output terminals of the amplifiers A4 and A5.
Similarly, a differential amplifier A8 whose input level can be adjusted by a variable resistor VR3 is connected to the output terminals of A4 and A6. Further, a comparator C3 is connected to the output terminals of the amplifiers A7 and A8, and a comparator W is connected to the output terminal of the amplifier A8.
C4 is also connected. Comparator C4 is at reference voltage level V
A comparison operation is performed based on RP and F. Finally, comparator C
A gate circuit G consisting of an AND gate is connected to the output terminals of C.3 and C4.
第4図は第3図に示す回路に表われる種々の信号波形を
示した波形図である。第4図を参照して本発明にかかる
レーザエンコーダの動作を説明する。図示する様に、受
光索子8AはA相交流検出信号を出力し、受光素子8人
は180’の位相差を有する逆相の入相交流検出信号を
出力する。この位相差は空間フィルター6A及び6への
空間位相差に対応している。同様にして受光素子8Bは
n相交流検出信号を出力し、受光素子8Bは逆相のn相
交流検出信号を出力する。さらに、受光素子8Cは参照
パルス信号を出力する。参照パルス信号は幅の広い参照
パルスの他に干渉パタンに起因するノイズ成分を含んで
いる。受光素子8Dは検出パルス信号を出力し狭い幅の
検出パルスを有するとともに同様にノイズ成分を含んで
いる。参照パルスと検出パルスは互いにそのピーク位置
が一致しており、且つ光スポットを等分割的に受光検出
する結果互いに略等しいパルス高さを有している。しか
しながら参照パルスの幅は検出パルスの幅に比べて広い
。FIG. 4 is a waveform diagram showing various signal waveforms appearing in the circuit shown in FIG. 3. The operation of the laser encoder according to the present invention will be explained with reference to FIG. As shown in the figure, the light-receiving cable 8A outputs an A-phase AC detection signal, and the eight light-receiving elements output inverse phase in-phase AC detection signals having a phase difference of 180'. This phase difference corresponds to the spatial phase difference to the spatial filters 6A and 6. Similarly, the light receiving element 8B outputs an n-phase AC detection signal, and the light receiving element 8B outputs an n-phase AC detection signal with an opposite phase. Furthermore, the light receiving element 8C outputs a reference pulse signal. The reference pulse signal includes a wide reference pulse as well as a noise component caused by an interference pattern. The light receiving element 8D outputs a detection pulse signal which has a narrow width and also contains a noise component. The peak positions of the reference pulse and the detection pulse coincide with each other, and as a result of receiving and detecting the light spot in equal parts, the pulse heights of the reference pulse and the detection pulse are substantially equal to each other. However, the width of the reference pulse is wider than the width of the detection pulse.
A相交流検出信号及び人相交流検出信号は増幅器A3及
びA4によって各々増幅された後、比較器C2によって
互いに比較されA相変位信号を出力する。A相変位信号
は矩形のパルス列からなりそのパルス個数によりエンコ
ーダ板の移動量を知る事ができる。同様にしてn相交流
検出信号及びn相交流検出信号は増幅器A1及びA2に
よって各々増幅された後比較器C1によって互いに比較
されB相変色信号を出力する。B相変色信号も同様に矩
形パルス列からなる。しかしながら1対の空間フィルタ
ー6A、6λと他の一対の空間フィルター6B、6Bが
有する90°の空間位相差に対応して、B相変色信号は
人相変位信号に対して90°の°位相差を有する。この
位相差はエンコーダ板の移動方向に応じて進相もしくは
遅相であり人相変位信号とB相変色信号の相対的位相関
係によりエンコーダ板の移動方向を知る事ができる。The A-phase AC detection signal and the human-phase AC detection signal are each amplified by amplifiers A3 and A4, and then compared with each other by a comparator C2 to output an A-phase displacement signal. The A-phase displacement signal consists of a rectangular pulse train, and the amount of movement of the encoder plate can be determined by the number of pulses. Similarly, the n-phase AC detection signal and the n-phase AC detection signal are each amplified by amplifiers A1 and A2, and then compared with each other by comparator C1 to output a B-phase color change signal. The B-phase color change signal similarly consists of a rectangular pulse train. However, corresponding to the 90° spatial phase difference between one pair of spatial filters 6A, 6λ and the other pair of spatial filters 6B, 6B, the B phase discoloration signal has a 90° phase difference with respect to the human phase displacement signal. has. This phase difference is advanced or delayed depending on the direction of movement of the encoder plate, and the direction of movement of the encoder plate can be determined from the relative phase relationship between the human phase displacement signal and the B-phase discoloration signal.
検出パルス信号は増幅器A5によって増幅された後、差
動増幅器A7によってノイズ成分を除去され波形整形さ
れた検出パルスとして出力される。The detection pulse signal is amplified by an amplifier A5, and then noise components are removed by a differential amplifier A7 and output as a waveform-shaped detection pulse.
又参照パルス信号は可変増幅器A6によって増幅された
後差動増幅器A8によってノイズ成分を除去され波形整
形された参照パルスを出力する。この際可変増幅器A6
の増幅率は増幅器A5の増幅率に比べて小さく設定され
ており、その結果増幅器A8の出力である整形参照パル
スは増幅WA7の出力である整形検出パルスに比べて相
対的に低い電圧レベルを有する。この結果、整形参照パ
ルスは直接的に整形検出パルスを比較評価する為の参照
電圧レベルとして用いる事ができる。即ち、比較器C3
は整形検出パルス及び整形参照パルスを直接入力し両者
を比較する事によって基準パルス信号を出力する事がで
きるのである。The reference pulse signal is amplified by a variable amplifier A6, and then a differential amplifier A8 removes noise components and outputs a waveform-shaped reference pulse. At this time, variable amplifier A6
The amplification factor of is set smaller than that of amplifier A5, and as a result, the shaped reference pulse that is the output of amplifier A8 has a relatively lower voltage level than the shaped detection pulse that is the output of amplifier WA7. . As a result, the shaped reference pulse can be used as a reference voltage level for directly comparing and evaluating the shaped detection pulse. That is, comparator C3
can output a reference pulse signal by directly inputting the shaped detection pulse and the shaped reference pulse and comparing the two.
しかしながら図示する様に、比較器C3の出力波形は必
ずしも基準パルス信号のみを含むものではなく、不定な
ノイズ成分を出力する可能性もある。即ちエンコーダ板
が回転していない状態あるいはエンコーダ板の基準位置
が入射光束を通過しない時間状態においては増幅器A7
及びA8の出力は不安定な状態にあり従って比較器C3
の動作も不安定な状態に陥る。この結果比較器C3は外
乱等によりノイズパルスを出力してしまう可能性がある
。この様な比較器C3の動作における不安定要因を除去
する為に、本実施例においては、増幅器A8の出力信号
を比較器C4により所定の基準電圧レベルVREPと比
較してゲートパルス信号を作る様にしている。このゲー
トパルス信号は図示する様に比較的幅の広い矩形パルス
から構成されている。そしてこのゲートパルス信号に応
答してゲート回路Gを開く事により基準パルス信号のみ
が選択的に出力され最終的なZ相信号となるのである。However, as shown in the figure, the output waveform of the comparator C3 does not necessarily include only the reference pulse signal, and there is also a possibility that an indefinite noise component is output. That is, when the encoder plate is not rotating or when the reference position of the encoder plate does not pass the incident light beam, the amplifier A7
and the output of A8 is in an unstable state and therefore comparator C3
The operation of the system also becomes unstable. As a result, the comparator C3 may output a noise pulse due to disturbance or the like. In order to eliminate such unstable factors in the operation of the comparator C3, in this embodiment, the output signal of the amplifier A8 is compared with a predetermined reference voltage level VREP by the comparator C4 to generate a gate pulse signal. I have to. As shown in the figure, this gate pulse signal is composed of relatively wide rectangular pulses. By opening the gate circuit G in response to this gate pulse signal, only the reference pulse signal is selectively output and becomes the final Z-phase signal.
最後に、図示しないがコンピュータ等によりA相変位信
号、B相変色信号及びZ相信号を演算処理する事により
エンコーダ板の給体回転量及び回転方向等の情報を得る
事ができる。Finally, although not shown, the A-phase displacement signal, the B-phase discoloration signal, and the Z-phase signal are subjected to arithmetic processing using a computer or the like to obtain information such as the feed body rotation amount and rotation direction of the encoder plate.
上述した実施例はレーザロータリーエンコーダに関する
ものであったが、本発明はこれに限られるものではなく
レーザリニアエンコーダーにも適用できるものである。Although the embodiments described above relate to laser rotary encoders, the present invention is not limited thereto and can also be applied to laser linear encoders.
又本実施例においては光源としてコヒーレントな光束を
放射する半導体レーザを用い一次元回折格子の回折を利
用しているが、例えば発光ダイオード、スリット板及び
受光素子の組合せからなる光学式変位検出装置にも適用
可能である。さらに広幅スリットは本実施例で示した様
に単一のスリットから構成できる他、並列された複数の
狭幅スリットの集合として構成する事もできる。本実施
例においては単一のホログラフィックレンズ格子を基準
光学要素として用いたが、広幅スリット及び狭幅スリッ
トに別々に光スポットを結像する為に1対の近接したホ
ログラフィックレンズ格子を用いても良い。あるいは、
単一のホログラフィックレンズ格子とマスク板の間に複
屈折を起す光学要素を配置して光スポットを分割して結
像させ各々対応する受光素子8C及び8Dで受光検出し
ても良い。さらに、ホログラフィックレンズ格子とマス
ク板の間にシリンドリカルレンズや光軸に対して傾斜さ
せた平行平板を配置し、光スポットに対してエンコーダ
板の移動方向に直交する方向に収差を与え光スポツト形
状を扁平にしても良い。最後に、本実施例においては基
準光学要素としてホログラフィックレンズ格子を用いた
が、これに限るものではなく例えば単一のスリットによ
り構成する事もできる。Furthermore, in this embodiment, a semiconductor laser that emits a coherent light beam is used as a light source, and diffraction of a one-dimensional diffraction grating is utilized. is also applicable. Furthermore, the wide slit can be configured not only by a single slit as shown in this embodiment, but also by a set of a plurality of narrow slits arranged in parallel. Although a single holographic lens grating was used as the reference optical element in this example, a pair of closely spaced holographic lens gratings was used to separately image the light spot onto the wide and narrow slits. Also good. or,
An optical element that causes birefringence may be disposed between a single holographic lens grating and a mask plate, and the light spot may be divided and focused, and the light may be detected by the corresponding light receiving elements 8C and 8D. Furthermore, a cylindrical lens or a parallel flat plate tilted with respect to the optical axis is placed between the holographic lens grating and the mask plate to flatten the shape of the light spot by applying aberration to the light spot in a direction perpendicular to the moving direction of the encoder plate. You can also do it. Finally, although a holographic lens grating is used as the reference optical element in this embodiment, the reference optical element is not limited to this, and may be configured with a single slit, for example.
上述した様に、本発明によれば、エンコーダ板の基準位
置を表わす光スポットの強度が入射光束の波長の変動に
より変化しても、安定して先スポットを検出する事が可
能であり、その結果常に誤動作なくエンコーダ板の基準
位置を検出する事ができるという効果がある。As described above, according to the present invention, even if the intensity of the light spot representing the reference position of the encoder plate changes due to fluctuations in the wavelength of the incident light flux, it is possible to stably detect the destination spot. As a result, there is an effect that the reference position of the encoder plate can always be detected without malfunction.
第1図はレーザロータリーエンコーダの構成を示す模式
図、第2図はレーザロータリーエンコーダに用いられる
マスク板と受光素子の配置関係を示す模式図、第3図は
レーザロータリーエンコーダの検出回路の詳細な回路ブ
ロック図、第4図はレーザロータリーエンコーダの検出
回路の動作を説明する為の波形図、第5図は点光源回折
を用いた光学式変位検出装置の動作原理を説明する為の
模式図、及び第6図は第5図に示す干渉パタン及び光ス
ポットのピーク強度の入射光束波長依存性を示す為のグ
ラフである。
1・・・固定光源 2・・・エンコーダ板3
・・・一次元回折格子
4・・・ホログラフィックレンズ格子Figure 1 is a schematic diagram showing the configuration of a laser rotary encoder, Figure 2 is a schematic diagram showing the arrangement of the mask plate and light receiving element used in the laser rotary encoder, and Figure 3 is a detailed diagram of the detection circuit of the laser rotary encoder. A circuit block diagram, FIG. 4 is a waveform diagram to explain the operation of the detection circuit of the laser rotary encoder, and FIG. 5 is a schematic diagram to explain the operating principle of the optical displacement detection device using point light source diffraction. and FIG. 6 is a graph showing the interference pattern shown in FIG. 5 and the dependence of the peak intensity of the light spot on the wavelength of the incident light beam. 1...Fixed light source 2...Encoder plate 3
... One-dimensional diffraction grating 4 ... Holographic lens grating
Claims (1)
切る様に移動するエンコーダ板と、エンコーダ板の基準
位置に形成され該基準位置が入射光束を通過する毎に出
射光束を射出する為の基準光学要素と、出射光束を遮る
様に配置され且つ広狭異なった有効開口幅を有する一対
の広幅スリット及び狭幅スリットが形成されたマスク板
と、広幅スリットを介して出射光束を受光し広いパルス
幅を有する参照パルス信号を出力する一方の受光素子と
、狭幅スリットを介して出射光束を同時に受光し狭いパ
ルス幅を有する検出パルス信号を出力する他方の受光素
子と、参照パルス信号に対して検出パルス信号を比較評
価する事により基準パルス信号を出力しエンコーダ板基
準位置の通過を検出する為の検出回路とからなる光学式
検出装置。 2、該検出回路は、参照パルス信号を所定の基準レベル
に対して比較する事によりゲートパルス信号を形成する
比較回路と、ゲートパルス信号に応答して基準パルス信
号を出力するゲート回路とを含む請求項1に記載の光学
式検出装置。 3、該広幅スリットは、並列された複数の狭幅スリット
の集合からなる請求項1に記載の光学式検出装置。 4、該固定光源はコヒーレントな入射光線を放射する光
源からなり、該基準光学要素はコヒーレントな入射光束
を回折し出射光束を光スポットに結像する為のホログラ
フィックレンズ格子からなる請求項1に記載の光学式検
出装置。 5、該エンコーダ板はその移動方向に沿って形成された
一次元回折格子を有し、該一次元回折格子はコヒーレン
トな入射光束を回折して出射光束を移動する干渉パタン
に結像するとともに、該干渉パタンのピッチに対応した
空間周期を有する空間フィルターと、該空間フィルター
を介して出射光束を受光し対応する交流検出信号を出力
する受光素子と、該交流検出信号を処理してエンコーダ
板の変位を表わす変位信号を出力する回路とを備えてい
る請求項4に記載の光学式検出装置。 6、該基準光学要素は、入射光束を透過する為のスリッ
トから構成されている請求項1に記載の光学式検出装置
。[Claims] 1. A fixed light source for generating an incident light beam, an encoder plate that moves across the incident light beam, and a fixed light source formed at a reference position of the encoder plate each time the incident light beam passes through the reference position. A reference optical element for emitting the emitted light beam, a mask plate in which a pair of wide slits and narrow slits are formed, which are arranged so as to block the emitted light beams and have different effective aperture widths; One light receiving element receives the emitted light flux and outputs a reference pulse signal having a wide pulse width, and the other light receiving element simultaneously receives the emitted light flux through a narrow slit and outputs a detection pulse signal having a narrow pulse width. , an optical detection device comprising a detection circuit for outputting a reference pulse signal by comparing and evaluating a detection pulse signal with a reference pulse signal and detecting passage of an encoder plate reference position. 2. The detection circuit includes a comparison circuit that forms a gate pulse signal by comparing a reference pulse signal with a predetermined reference level, and a gate circuit that outputs a reference pulse signal in response to the gate pulse signal. The optical detection device according to claim 1. 3. The optical detection device according to claim 1, wherein the wide slit comprises a set of a plurality of narrow slits arranged in parallel. 4. The fixed light source comprises a light source that emits a coherent incident beam, and the reference optical element comprises a holographic lens grating for diffracting the coherent incident beam and imaging the output beam into a light spot. The optical detection device described. 5. The encoder plate has a one-dimensional diffraction grating formed along its moving direction, and the one-dimensional diffraction grating diffracts the coherent incident light beam and images the output light beam into a moving interference pattern; a spatial filter having a spatial period corresponding to the pitch of the interference pattern; a light receiving element that receives the emitted light flux through the spatial filter and outputs a corresponding AC detection signal; 5. The optical detection device according to claim 4, further comprising a circuit for outputting a displacement signal representing displacement. 6. The optical detection device according to claim 1, wherein the reference optical element comprises a slit for transmitting the incident light beam.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP26859489A JPH03130617A (en) | 1989-10-16 | 1989-10-16 | Optical displacement detector |
US07/584,786 US5073710A (en) | 1989-09-21 | 1990-09-19 | Optical displacement detector including a displacement member's surface having a diffractive pattern and a holographic lens pattern |
DE4030049A DE4030049C2 (en) | 1989-09-21 | 1990-09-20 | Device for the photoelectric determination of the displacement of a displacement member |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP26859489A JPH03130617A (en) | 1989-10-16 | 1989-10-16 | Optical displacement detector |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03130617A true JPH03130617A (en) | 1991-06-04 |
Family
ID=17460703
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP26859489A Pending JPH03130617A (en) | 1989-09-21 | 1989-10-16 | Optical displacement detector |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH03130617A (en) |
-
1989
- 1989-10-16 JP JP26859489A patent/JPH03130617A/en active Pending
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