JPS59173709A - 物理量測定システム - Google Patents
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/36—Forming the light into pulses
- G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
- Optical Transform (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は光の干渉を利用した光学式スケール読取装置に
関し、更に詳しくは振幅基準内挿法を用いて高性能化を
図った光学式スクール読取装置に関する。
関し、更に詳しくは振幅基準内挿法を用いて高性能化を
図った光学式スクール読取装置に関する。
光学式スケール読取装置としては、従来よシ種々のもの
が知られている。Ｍ１図は、振幅基準内押法を用いた従
来のこの種の装置の一構成を示す図で桑る。同図（、）
はその機械的構成を、（ｂ）は電気的構成をそれぞれ示
している。（ａ）において、１は光源、２はビームスプ
リッタ、６はコンデンサレンズ、４はビームスプリッタ
２の一部反射光を受ける光量制御用検出器、５は基準格
子、６は走査格子、７は集光レンズ、８は光電変換素子
である。
が知られている。Ｍ１図は、振幅基準内押法を用いた従
来のこの種の装置の一構成を示す図で桑る。同図（、）
はその機械的構成を、（ｂ）は電気的構成をそれぞれ示
している。（ａ）において、１は光源、２はビームスプ
リッタ、６はコンデンサレンズ、４はビームスプリッタ
２の一部反射光を受ける光量制御用検出器、５は基準格
子、６は走査格子、７は集光レンズ、８は光電変換素子
である。
（ｂ）において、９は光電変換素子８の出力を受けて位
相の異なる正弦波と余弦波を出力するピックアップ、１
０は該ピックアップの両出力を受けて三角波と基準電圧
とを合成して出力するアナログ合成回路、１１は該アナ
ログ合成回路から出力される基準電圧を分圧して複数個
の比較基準電圧をつくり出す抵抗分圧回路、１２はアナ
ログ合成回路１ｏの三角波出力と抵抗分圧回路１１の出
力とを比較しそれぞれの基準電圧に対して＋ＩＱＩ＋或
いはＩ１１マ電の論理値を出力する比較回路、１３は該
比較回路の出力を受けて、回転方向とど忙スケール５の
移動距離に応じたパルスを発生する方向弁別回路である
。該方向弁別回路ｔあ２／該７５向弁別回路・の出力は
カウンタで計数、表示される。従来のこの種の装置は、
以下に示すような不具合を有している。
相の異なる正弦波と余弦波を出力するピックアップ、１
０は該ピックアップの両出力を受けて三角波と基準電圧
とを合成して出力するアナログ合成回路、１１は該アナ
ログ合成回路から出力される基準電圧を分圧して複数個
の比較基準電圧をつくり出す抵抗分圧回路、１２はアナ
ログ合成回路１ｏの三角波出力と抵抗分圧回路１１の出
力とを比較しそれぞれの基準電圧に対して＋ＩＱＩ＋或
いはＩ１１マ電の論理値を出力する比較回路、１３は該
比較回路の出力を受けて、回転方向とど忙スケール５の
移動距離に応じたパルスを発生する方向弁別回路である
。該方向弁別回路ｔあ２／該７５向弁別回路・の出力は
カウンタで計数、表示される。従来のこの種の装置は、
以下に示すような不具合を有している。
（１）正弦波、余弦波を全波整流して直流基準電圧を合
成するようＫしているので基準電圧が歪み精度のよい補
間ができない。
成するようＫしているので基準電圧が歪み精度のよい補
間ができない。
（２）最小分解能パルスを作ってからカウンタで計数す
るので、補間をするときの誤差が蓄積されてしまう。
るので、補間をするときの誤差が蓄積されてしまう。
（３）最小分解能パルスを、高速移動時にも正確に出力
しなければならないので、アナログ合成回路１０に高速
のものが要求される。
しなければならないので、アナログ合成回路１０に高速
のものが要求される。
（４） 分解能を上げると出力パルスの周波数が増加
し、高速移動時にカウンタも高速のものが必要である。
し、高速移動時にカウンタも高速のものが必要である。
また、カウンタの応答速度で移動速度が制限される。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであって
、基準電圧を（正弦波）２＋（余弦波）２の平方根によ
ってつくり、歪みの々い直流としアナログ分割の精度を
上げると共に、正弦波、余弦波の出力のうち感度のよい
方を選択して入力するＡ／Ｄ変換器でアナログ分割し、
高速移動中は１／４分割したパルスを計数し、微速移動
になるとアナログ補間を行うようにして上記欠点を無く
しだ超高分解能の光学式スケール読取装置を実現したも
のである。
、基準電圧を（正弦波）２＋（余弦波）２の平方根によ
ってつくり、歪みの々い直流としアナログ分割の精度を
上げると共に、正弦波、余弦波の出力のうち感度のよい
方を選択して入力するＡ／Ｄ変換器でアナログ分割し、
高速移動中は１／４分割したパルスを計数し、微速移動
になるとアナログ補間を行うようにして上記欠点を無く
しだ超高分解能の光学式スケール読取装置を実現したも
のである。
以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。
第２図は、本発明の一実施例を示す電気的構成図である
。図において、ＰＤ□乃至ＰＤ３はそれぞれ位相の異な
る干渉光を受けて電気信号に変換する光電変換素子、２
ｏは光電変換素子ｐＤ３の出力を受ける第１の増幅器、
２１は光電変換素子ｐＤ□の出力を受ける第２の増幅器
、２２は光電変換素子ＰＤ の出力を受ける第３の増
幅器である。第１の増幅器２０の出力は、第２及び第３
の増幅器２１．２２に共通に入力している。２３は第２
の増幅器２１の出力を受はパルスに変換する第１の比較
器、２４は第３の増幅器２２の出力を受はパルスに変換
する第２の比較器である。２５は比較器２３．２４の出
力を受けて周期を１／４ Ｋ分割するとともにスケール
の移動方向を弁別する方向弁別回路、２６は該方向弁別
回路のパルス出力を計数するカウンタ、２７は第２の増
幅器２１の正弦波出力を自乗する第１の演算器、２８ぼ
第３の増幅器２２の出方を自乗する第２の演算器である
。
。図において、ＰＤ□乃至ＰＤ３はそれぞれ位相の異な
る干渉光を受けて電気信号に変換する光電変換素子、２
ｏは光電変換素子ｐＤ３の出力を受ける第１の増幅器、
２１は光電変換素子ｐＤ□の出力を受ける第２の増幅器
、２２は光電変換素子ＰＤ の出力を受ける第３の増
幅器である。第１の増幅器２０の出力は、第２及び第３
の増幅器２１．２２に共通に入力している。２３は第２
の増幅器２１の出力を受はパルスに変換する第１の比較
器、２４は第３の増幅器２２の出力を受はパルスに変換
する第２の比較器である。２５は比較器２３．２４の出
力を受けて周期を１／４ Ｋ分割するとともにスケール
の移動方向を弁別する方向弁別回路、２６は該方向弁別
回路のパルス出力を計数するカウンタ、２７は第２の増
幅器２１の正弦波出力を自乗する第１の演算器、２８ぼ
第３の増幅器２２の出方を自乗する第２の演算器である
。
２９は演算器２７．２８の自乗和を出力する加算器、Ｓ
Ｗは増幅器２１．２２のうち何れが一方を一部するスイ
ッチ、３３は加算器２９の出方を演算し平方根を出力す
る平方根回路、３ｏは該平方根回路の出方を基準電圧、
スイッチＳＷを介して送られてくる正弦波を入力未知電
圧とするＡ／Ｄ変換器、３１はカウンタ２６の内容とＡ
／Ｄ変換器３ｏの出力を受けて所定の演算を行いスケー
ルの移動量及び移動方向を算出するとともにスイッチＳ
Ｗの切換制御を行う演算制御回路、３２は該演算制御回
路の出方を表示する表示部である。演算制御回路３１と
しては、例えばマイクロコンピュータが用いられる。こ
のように構成された装置の動作を説明すれば、以下のと
おりである。
Ｗは増幅器２１．２２のうち何れが一方を一部するスイ
ッチ、３３は加算器２９の出方を演算し平方根を出力す
る平方根回路、３ｏは該平方根回路の出方を基準電圧、
スイッチＳＷを介して送られてくる正弦波を入力未知電
圧とするＡ／Ｄ変換器、３１はカウンタ２６の内容とＡ
／Ｄ変換器３ｏの出力を受けて所定の演算を行いスケー
ルの移動量及び移動方向を算出するとともにスイッチＳ
Ｗの切換制御を行う演算制御回路、３２は該演算制御回
路の出方を表示する表示部である。演算制御回路３１と
しては、例えばマイクロコンピュータが用いられる。こ
のように構成された装置の動作を説明すれば、以下のと
おりである。
読取ヘッド（図示せず）からは、スケールの移動ｆｉｒ
ｘ Ｋ対応して９０ ’、位相差のある２つの正弦波
、つまｐ ｓｉｎ波と ｃｏｓ波が得られるＱ光電変換
素子ｐＤ１．ＰＤ２で得られた信号は、それぞれ直流バ
イアス分を含んでいるので、増幅器２０の直流出力を各
増幅器２１．２２に加えてキャンセルしている。ｐＤｌ
。
ｘ Ｋ対応して９０ ’、位相差のある２つの正弦波
、つまｐ ｓｉｎ波と ｃｏｓ波が得られるＱ光電変換
素子ｐＤ１．ＰＤ２で得られた信号は、それぞれ直流バ
イアス分を含んでいるので、増幅器２０の直流出力を各
増幅器２１．２２に加えてキャンセルしている。ｐＤｌ
。
ＰＤ２のバイアス値に差がある場合、増幅器２１．２２
の入力抵抗Ｒ□、Ｒ２の値を調節して値を合わせている
。増幅器２１．２２の出力は、それぞれ比較器２３゜２
４でパルス化された後、方向弁別回路２５に入り該弁別
回路で移動方向を示す信号と周期が１／４に分割された
パルスがつくられ出力される。これらパルスはカウンタ
２６で計数出力される。上述の方法により、ＰＤｌ、Ｐ
Ｄ２の出力周期はスケールピッチの１１２なので分解能
はスケールピッチの１７８ Ｋなる０本発明では、Ａ／
Ｄ変換器３０を用いてカウンタ２６の出力パルスを更に
補間して超高分解能を実現しようとするものである。
の入力抵抗Ｒ□、Ｒ２の値を調節して値を合わせている
。増幅器２１．２２の出力は、それぞれ比較器２３゜２
４でパルス化された後、方向弁別回路２５に入り該弁別
回路で移動方向を示す信号と周期が１／４に分割された
パルスがつくられ出力される。これらパルスはカウンタ
２６で計数出力される。上述の方法により、ＰＤｌ、Ｐ
Ｄ２の出力周期はスケールピッチの１１２なので分解能
はスケールピッチの１７８ Ｋなる０本発明では、Ａ／
Ｄ変換器３０を用いてカウンタ２６の出力パルスを更に
補間して超高分解能を実現しようとするものである。
演算回路２７．２８の自乗出力を続く加算器２９で加算
増幅し、平方根回路３３で基準電圧をつ＜シ、この基準
電圧をＡ／Ｄ変換器３ｏの基準電圧としている。
増幅し、平方根回路３３で基準電圧をつ＜シ、この基準
電圧をＡ／Ｄ変換器３ｏの基準電圧としている。
増幅器２１．２２の出力ｅ、Ｌ、ｅ２は次式を満たす。
ｅ２＝ａｃｏｓ乎
但し、ａ： 振幅、ｄ； スケールピッチ、ｘ；
スケール移動量 従って、平方根回路３３の出力、即ち基準電圧ｅは次式
のようになる。
スケール移動量 従って、平方根回路３３の出力、即ち基準電圧ｅは次式
のようになる。
筐ａ
即ち、Ａ／Ｄ変換器３０の基準電圧はスケールの移動量
によらず常に振幅値となり、振幅が変化しても正確に分
割することが可能となる。一方、該Ａ／Ｄ変換器の入力
未知電圧としては、ｓｉｎ波或いはｃｏｓ波のうち感度
の良い方が選択される。選択は、演算制御回路３１が行
う。即ち、演算制御回路３１から切換信号がスイッチＳ
Ｗに印加され、これによシスイッチｓＷは感度のよい方
を選択してＡ／Ｄ変換器３０に入力する。スクールが高
速で移動しているときけ方向弁別回路２５の出力パルス
を計数し、スケールが低速または停止したときはＡ／Ｄ
変換器３ｏで補間するので、基準電圧回路２７〜２９や
Ａ、／Ｄ変換器３０は低速動作のものであってよい。ス
ケールが停止した後、演算制御回路３１けカウンタ２６
の値とＡ／Ｄ変換器３０の値とを受けて所定の演算処理
を行い、表示部３２でスケールの移動距離及び移動方向
を表示させる一方、サーボループ（図示せず）にデータ
を送ったりする。
によらず常に振幅値となり、振幅が変化しても正確に分
割することが可能となる。一方、該Ａ／Ｄ変換器の入力
未知電圧としては、ｓｉｎ波或いはｃｏｓ波のうち感度
の良い方が選択される。選択は、演算制御回路３１が行
う。即ち、演算制御回路３１から切換信号がスイッチＳ
Ｗに印加され、これによシスイッチｓＷは感度のよい方
を選択してＡ／Ｄ変換器３０に入力する。スクールが高
速で移動しているときけ方向弁別回路２５の出力パルス
を計数し、スケールが低速または停止したときはＡ／Ｄ
変換器３ｏで補間するので、基準電圧回路２７〜２９や
Ａ、／Ｄ変換器３０は低速動作のものであってよい。ス
ケールが停止した後、演算制御回路３１けカウンタ２６
の値とＡ／Ｄ変換器３０の値とを受けて所定の演算処理
を行い、表示部３２でスケールの移動距離及び移動方向
を表示させる一方、サーボループ（図示せず）にデータ
を送ったりする。
第３図は、本発明に使用する読取ヘッド部の構成を示す
図である。
図である。
図において、４１は半導体レーザ等を用いた可干渉性光
源、４２は該光源の発射光を受ける集光レンズ、４３は
反射形スケール、４４．４５はそれぞれスケール４３の
反射回折光を受けるミラー、４６はこれらミラーの反射
光を受ける第１のハーフミラ−５４７は該第１のハーフ
ミラ−の透過光を受けて混合干渉させる第２のハーフミ
ラ−５４８，４９は該第２のハーフミラ−の位相の異な
る干渉光を受けて電気信号に変換する受光素子、５０．
５１はこれら受光素子の出力を増幅する増幅器、５２は
これら増幅器の出力を受けて演算処理を施しスケール４
３の移動距離を算出する信号処理回路、５３は該信号処
理回路の出力を表示する表示部、５４は第１のハーフミ
ラ−４６の反射光を受ける受光素子である。このように
構成された装置の動作を説明すれば、以下のとおシであ
る。
源、４２は該光源の発射光を受ける集光レンズ、４３は
反射形スケール、４４．４５はそれぞれスケール４３の
反射回折光を受けるミラー、４６はこれらミラーの反射
光を受ける第１のハーフミラ−５４７は該第１のハーフ
ミラ−の透過光を受けて混合干渉させる第２のハーフミ
ラ−５４８，４９は該第２のハーフミラ−の位相の異な
る干渉光を受けて電気信号に変換する受光素子、５０．
５１はこれら受光素子の出力を増幅する増幅器、５２は
これら増幅器の出力を受けて演算処理を施しスケール４
３の移動距離を算出する信号処理回路、５３は該信号処
理回路の出力を表示する表示部、５４は第１のハーフミ
ラ−４６の反射光を受ける受光素子である。このように
構成された装置の動作を説明すれば、以下のとおシであ
る。
半導体レーザ４１の出力光はレンズ４２によって受光素
子４８．４９に集光する角度（もしくは平行光）になる
。このとき、偏光面を図に示す向きになるようにしてお
く。この光をスケール４３に投射する◇スケールとして
は例えば正確に溝を一定間隔で刻まれた回折格子或いは
ホログラフィ技術による回折格子等が使用される。従っ
て投射された光は回折する。このときの回折角θはスケ
ールピッチｄ。
子４８．４９に集光する角度（もしくは平行光）になる
。このとき、偏光面を図に示す向きになるようにしてお
く。この光をスケール４３に投射する◇スケールとして
は例えば正確に溝を一定間隔で刻まれた回折格子或いは
ホログラフィ技術による回折格子等が使用される。従っ
て投射された光は回折する。このときの回折角θはスケ
ールピッチｄ。
半導体レーザ４１の波長をλとすると次式が成立する。
５ｉｎｅ ｘｍ入／ｄ （ｍ； 整数）但し一９０
°≦θ≦９０” 、 −１≦ｍ ／ｄ≦＋１２ ここで
−たとえばλ−０，７８ｐｍ ｒ ｄ ＝ ０．８３ｐ
ｍとするとｍ＝０４±１となυ、θ＝０・（ｍ ａｘ
ｏで０次回折光）、θＩ：ｔｈ７ｏ、ｏｅ（ｍ、＝±１
で±１次回折光）となる。±１次回折光はそれぞれミラ
ー４４．４５で反射され、ハーフミラ−４６を通過した
後第２のハーフミラ−４７で混合し干渉させられる。こ
の干渉させられた光はそれぞれ受光素子４８．４９で電
気信号に変換される。このとき、干渉した光には９０″
の位相差を持たせなければならない。以下にその方法を
示す。第４図はハーフミラ−４７で干渉するときの様子
を示す図である。図において、６０はガラス、６１は金
属半透過面である。一般に金属面での反射の際には位相
が遅れガラス面での反射および透過光は位相は遅れない
。同図において、−１次回折光のハーフミラ−２７での
反射による位相遅れを６ ＋１次回折光の反射圧よる
位相遅れをｒｌ ’ ６ｒ３．該ハーフミラ−のガラス媒質中での位相遅れを
それぞれ図に示すように６．□〜６ｔ３とする。
°≦θ≦９０” 、 −１≦ｍ ／ｄ≦＋１２ ここで
−たとえばλ−０，７８ｐｍ ｒ ｄ ＝ ０．８３ｐ
ｍとするとｍ＝０４±１となυ、θ＝０・（ｍ ａｘ
ｏで０次回折光）、θＩ：ｔｈ７ｏ、ｏｅ（ｍ、＝±１
で±１次回折光）となる。±１次回折光はそれぞれミラ
ー４４．４５で反射され、ハーフミラ−４６を通過した
後第２のハーフミラ−４７で混合し干渉させられる。こ
の干渉させられた光はそれぞれ受光素子４８．４９で電
気信号に変換される。このとき、干渉した光には９０″
の位相差を持たせなければならない。以下にその方法を
示す。第４図はハーフミラ−４７で干渉するときの様子
を示す図である。図において、６０はガラス、６１は金
属半透過面である。一般に金属面での反射の際には位相
が遅れガラス面での反射および透過光は位相は遅れない
。同図において、−１次回折光のハーフミラ−２７での
反射による位相遅れを６ ＋１次回折光の反射圧よる
位相遅れをｒｌ ’ ６ｒ３．該ハーフミラ−のガラス媒質中での位相遅れを
それぞれ図に示すように６．□〜６ｔ３とする。
手１次光がハーフミラ−で反射透過して受光素子４８、
４９の方向へ行く光をｐ＋□ｒ Ｑ＋１＋、 −’次元
が同様に受光素子の方向へ行く光をＰ−□、−Ｑｉ１と
する。これら４つの光束の位相遅れはそれぞれ次のよう
になる。
４９の方向へ行く光をｐ＋□ｒ Ｑ＋１＋、 −’次元
が同様に受光素子の方向へ行く光をＰ−□、−Ｑｉ１と
する。これら４つの光束の位相遅れはそれぞれ次のよう
になる。
Ｐ＋１” ｔｌ ” ’ｒ２ ” ６ｔ２”−１” ６
ｔ３Ｑ＋１” ｔｌ” Ｑ−１” ｒｌ 従って、Ｐ＋、とｐ−１の位相差Δ１、Ｑ＋１とＱ−１
の位相差Δ２はそれぞれ次式で表される。
ｔ３Ｑ＋１” ｔｌ” Ｑ−１” ｒｌ 従って、Ｐ＋、とｐ−１の位相差Δ１、Ｑ＋１とＱ−１
の位相差Δ２はそれぞれ次式で表される。
Δ＝６ ＋６ ＋６−６
１ ｔｌ ｒ２ ｔ２ ｔ３Δ２″
′６ｔ１−δｒ１ ここで、Ｐ＋１とＰ−１の光路を一致させれば δｔ２
−６ｔ３となる。従って次式が成立する。
′６ｔ１−δｒ１ ここで、Ｐ＋１とＰ−１の光路を一致させれば δｔ２
−６ｔ３となる。従って次式が成立する。
Δ１“δｔ１＋δｒ２
さて、ｐ＋□とＰ−１およびＱ＋１とＱ−１がそれぞれ
干渉し受光素子４８．４９に入射する。このとき受光素
子４８．４９の出力の位相差をαとすればα＝Δ −Δ ２ ＝６ｔｌ ＋６ｒ２−６ｔｌ ” ６ｒｌｒｌ
ｒ２ となる。従って、受光素子４８．４９の位相差は６ｒ□
および６ｒ２’、みで決まシ、ハーフミラ−４７のガラ
スの厚さには無関係である。金属面での６ｒ１” ｒ２
の値は、入射角Φと入射光の偏光面の角度によって決ま
る。δｒ１．δｒ２が最大になるのは偏光面を第４図に
示す向きにとったときで、このとき７レネルの公式およ
び屈折の法則よ）次式が成立する。
干渉し受光素子４８．４９に入射する。このとき受光素
子４８．４９の出力の位相差をαとすればα＝Δ −Δ ２ ＝６ｔｌ ＋６ｒ２−６ｔｌ ” ６ｒｌｒｌ
ｒ２ となる。従って、受光素子４８．４９の位相差は６ｒ□
および６ｒ２’、みで決まシ、ハーフミラ−４７のガラ
スの厚さには無関係である。金属面での６ｒ１” ｒ２
の値は、入射角Φと入射光の偏光面の角度によって決ま
る。δｒ１．δｒ２が最大になるのは偏光面を第４図に
示す向きにとったときで、このとき７レネルの公式およ
び屈折の法則よ）次式が成立する。
ｓｉｎ ｘ ＝ ８１ｎφ
ｒｌ（１＋ｉｋ）
但し、Ｒ：反射光複素振幅
Ａ；入射光複素振幅
Ｘ；複素屈折角
ｎ；金属の屈折率
に；減衰定数
上式からＸを消去すれば反射光の位相遅れδは次式で示
される。
される。
しかし、ハーフミラ−の場合には金属面のほかにガラス
面の部分での反射があると考えられる。ガラス面での反
射はブリュースタ角を境にして位相が１８０°反転する
。
面の部分での反射があると考えられる。ガラス面での反
射はブリュースタ角を境にして位相が１８０°反転する
。
そとで、ハーフミラ−の場合で、入射角Φと受光素子間
、４９間の位相差αの関係を実測すると第５図に示すよ
うなものとなり、金属面反射の特性おいて、横軸は入射
角Φを、縦軸は受光素子４：８゜４９間の位相差αをそ
れぞれ示している◎従って、この出力によってスケール
の移動方向が判別でき、正弦波の波の数を計数して移動
量がわかる。出力ｔａ正確に９０″位相差のある正弦波
なのでさらにアナログ的に補間して分解能１／１００〜
１／１１０００ｕの超高分解能が得られ、これを表示し
たり或いは位置制御に使用したシすることができる。こ
の９０つの位相差信号を処理する構成はその目的によっ
て一般的な各種のものが考えられる。このような構成に
した場合、スケールに投射される光ビーム径は約４〜５
工で、スケールのピッチｄを０．８□□とすればこのビ
ーム径の中に格子は５０００本程度あシこの全ての格子
で１本の干渉縞を作ることになる。
、４９間の位相差αの関係を実測すると第５図に示すよ
うなものとなり、金属面反射の特性おいて、横軸は入射
角Φを、縦軸は受光素子４：８゜４９間の位相差αをそ
れぞれ示している◎従って、この出力によってスケール
の移動方向が判別でき、正弦波の波の数を計数して移動
量がわかる。出力ｔａ正確に９０″位相差のある正弦波
なのでさらにアナログ的に補間して分解能１／１００〜
１／１１０００ｕの超高分解能が得られ、これを表示し
たり或いは位置制御に使用したシすることができる。こ
の９０つの位相差信号を処理する構成はその目的によっ
て一般的な各種のものが考えられる。このような構成に
した場合、スケールに投射される光ビーム径は約４〜５
工で、スケールのピッチｄを０．８□□とすればこのビ
ーム径の中に格子は５０００本程度あシこの全ての格子
で１本の干渉縞を作ることになる。
従って、スケールの格子欠陥や小さなピッチむら或いは
スケ−〃に付着したゴミや汚れの影響も非常に小さくで
きる。ところで第３図の第１のノ＼−フミラー４６と受
光素子５４は±１次回折光の光パワーのモニタとして用
いられるもので、受光素子４８゜４９の出力正弦波のバ
イアス成分を除くための電圧をつくるものである。この
ようにすれば、スケー°ルの各場所で回折効率が変動し
たシ、ゴミや汚れで±１次回折光の強度が変わって受光
素子４８．４９の出力が変化しても正確な正弦波とする
ことができ正確にパルスに変換することができる。しか
し、スケールが均一で移動に際し位置や角度の変化が小
さいような場合は特に無くてよいものである。
スケ−〃に付着したゴミや汚れの影響も非常に小さくで
きる。ところで第３図の第１のノ＼−フミラー４６と受
光素子５４は±１次回折光の光パワーのモニタとして用
いられるもので、受光素子４８゜４９の出力正弦波のバ
イアス成分を除くための電圧をつくるものである。この
ようにすれば、スケー°ルの各場所で回折効率が変動し
たシ、ゴミや汚れで±１次回折光の強度が変わって受光
素子４８．４９の出力が変化しても正確な正弦波とする
ことができ正確にパルスに変換することができる。しか
し、スケールが均一で移動に際し位置や角度の変化が小
さいような場合は特に無くてよいものである。
上述した本発明の特長を列挙すれば、以下のとおりであ
る。
る。
（１） カウンタは、スケールピッチの１７８分解能
までしか計数していないので、Ａ／Ｄ変換器でいくら分
割してもカウンタ゛の容量及び速度は一定でよい。従っ
て、高速応答、超高分解能が実現できる。
までしか計数していないので、Ａ／Ｄ変換器でいくら分
割してもカウンタ゛の容量及び速度は一定でよい。従っ
て、高速応答、超高分解能が実現できる。
（２）正弦波、余弦波をスイッチで切り換えて感度の大
きい部分をＡ／Ｄ変換するので、超高分解能であっても
Ａ／Ｄ変換器の分解能は低くても（例えば分解能１／１
０００νｍのとき８ビット程度）よい。
きい部分をＡ／Ｄ変換するので、超高分解能であっても
Ａ／Ｄ変換器の分解能は低くても（例えば分解能１／１
０００νｍのとき８ビット程度）よい。
、 ２
（５） Ａ／Ｄ変換器の基準電圧にＳｉｎθ＋ｃｏｓ
２ｅの平方根を使用しているので正確な直流電圧が得ら
れ、ｓｉｎ波、ｃｏｓ波の振幅が変動しても高精度、超
高分解のものが簡単な構成で得られる。
２ｅの平方根を使用しているので正確な直流電圧が得ら
れ、ｓｉｎ波、ｃｏｓ波の振幅が変動しても高精度、超
高分解のものが簡単な構成で得られる。
（４） カウンタのパルスカウントとＡ／Ｄ変換器の
分割が独立しているのでＡ／Ｄ変換器で分割するときの
誤差が累積されない。
分割が独立しているのでＡ／Ｄ変換器で分割するときの
誤差が累積されない。
上述の説明では、スイッチＳＷの切換信号を演算制御回
路３１から与えたが、第２図に示すようにハードでロジ
ック回路を構成し該ロジック回路でスイッチＳＷの切換
制御を行うようにしてもよい。また、スイッチｓｗで切
換える代わシに従来例のように正弦波、余弦波の差をつ
く）三角波としてもよいし第６図に示すように各正弦波
、余弦波を専用のＡ／Ｄ変換器でディジタルデータに変
換し、何れのデータを選ぶかを演算制御回路に判断させ
るようにしてもよい。図において、７０は正弦波を受け
る第１のＡ／Ｄ変換器、７１は余弦波を受ける第２のＡ
／Ｄ変換器、３１はこれら両Ａ／Ｄ変換器の出力データ
を処理する演算制御回路で第２画に示すと同一のもので
ある。読取ヘッドとしては、第３図に示すようなものに
限らず、正弦波、余弦波を出力するものであれば、光電
式スケール、モアレ式スケール、磁気式スケール、電磁
式スケール等のリニアスケール、又は回転エンコーダ等
何であってもよい。また、変位センサだけでなく、第７
図に示すような光導波路形温度センサ、第８図に示すよ
うな光ファイバ形温度センサ、第９図に示すようなファ
ラデー素子を用いた磁束計、電流計、第１０図に示すよ
うな光導波路形電圧計など、９０’位相差のある正弦波
を゛出力するようなセンサであればどのようなものであ
ってもよい。
路３１から与えたが、第２図に示すようにハードでロジ
ック回路を構成し該ロジック回路でスイッチＳＷの切換
制御を行うようにしてもよい。また、スイッチｓｗで切
換える代わシに従来例のように正弦波、余弦波の差をつ
く）三角波としてもよいし第６図に示すように各正弦波
、余弦波を専用のＡ／Ｄ変換器でディジタルデータに変
換し、何れのデータを選ぶかを演算制御回路に判断させ
るようにしてもよい。図において、７０は正弦波を受け
る第１のＡ／Ｄ変換器、７１は余弦波を受ける第２のＡ
／Ｄ変換器、３１はこれら両Ａ／Ｄ変換器の出力データ
を処理する演算制御回路で第２画に示すと同一のもので
ある。読取ヘッドとしては、第３図に示すようなものに
限らず、正弦波、余弦波を出力するものであれば、光電
式スケール、モアレ式スケール、磁気式スケール、電磁
式スケール等のリニアスケール、又は回転エンコーダ等
何であってもよい。また、変位センサだけでなく、第７
図に示すような光導波路形温度センサ、第８図に示すよ
うな光ファイバ形温度センサ、第９図に示すようなファ
ラデー素子を用いた磁束計、電流計、第１０図に示すよ
うな光導波路形電圧計など、９０’位相差のある正弦波
を゛出力するようなセンサであればどのようなものであ
ってもよい。
以上詳細に説明したように、本発明によれば基準電圧を
（正弦波）２＋（余弦波）２の平方根によってつくり歪
みのない直流としてアナログ分割の精度を上げると共に
、正弦波、余弦波の出力のうち感度のよい方を選択して
入力するＡ／Ｄ変換器でアナログ分割し、高速動作中は
１／４分割したパルスを計数し、低速移動になるとアナ
ログ補間を行うようにして超高分解能、高性能化を図っ
た光学式スケール読取装置を実現することができる。
（正弦波）２＋（余弦波）２の平方根によってつくり歪
みのない直流としてアナログ分割の精度を上げると共に
、正弦波、余弦波の出力のうち感度のよい方を選択して
入力するＡ／Ｄ変換器でアナログ分割し、高速動作中は
１／４分割したパルスを計数し、低速移動になるとアナ
ログ補間を行うようにして超高分解能、高性能化を図っ
た光学式スケール読取装置を実現することができる。
第１図は従来装置例を示す図、第２図は本発明の一実施
例を示す電気的構成図、第３図は本発明に用いる読取ヘ
ッド部の構成を示す図、第４図はハーフミラ−で干渉す
るときの位相関係を示す図、第５図は入射角と受光素子
の間の関係を示す図、第６図は本発明の他の実施例を示
す図、第７図〜第１０図は各種センサを示す図である。 １・・・可干渉性光源、２・・・ビームスプリッタ、３
゜７・・・レンズ、５・・・基準格子、６・・・走査格
子、８・・・光電変換素子、９・・・ピックアップ、１
ｏ・・・アナログ合成回路、１１・・・抵抗分圧回路、
１２・・・比較回路、１３・・・方向弁別回路、２０〜
２２・・・増幅器、 ２３．２４・・・比較器、２５・
・・方向弁別回路、２６・・・カウンタ、２７．２８・
・・演算器、２９・・・加算器、３０．７０．７１・・
・Ａ／Ｄ変換器、３１・・・演算制御回路、３２・・・
表示部、３３・・・平方根回路、３４・・・演算回路、
４２・・・レンズ、４４．４５川ミラー、４８゜４９、
５４・・・受光素子、、４１・・・可干渉光源、４３・
・・反射形スケール、４６ 、４７・・・ハーフミラ−
５５０，５１・・・増幅器、５２・・・信号処理回路、
５３・・・表示部、６０・・・ガラス、６１・・・金属
反透過面。 茅 ｌ 図 （（ＩＩ （ｂ） 第 ３ の 第 ４ 口 部 、ｆ［ｆｉ 入射角ｅｐ（ン 第 ６ 図 茅 ７Ｉ２］ ｔａ） ｎ 遣
（ｂ） 、ｌニカイ冨号り専シメ片 ″″需石、７′ｓ″′ ｔｒｒＰ
例を示す電気的構成図、第３図は本発明に用いる読取ヘ
ッド部の構成を示す図、第４図はハーフミラ−で干渉す
るときの位相関係を示す図、第５図は入射角と受光素子
の間の関係を示す図、第６図は本発明の他の実施例を示
す図、第７図〜第１０図は各種センサを示す図である。 １・・・可干渉性光源、２・・・ビームスプリッタ、３
゜７・・・レンズ、５・・・基準格子、６・・・走査格
子、８・・・光電変換素子、９・・・ピックアップ、１
ｏ・・・アナログ合成回路、１１・・・抵抗分圧回路、
１２・・・比較回路、１３・・・方向弁別回路、２０〜
２２・・・増幅器、 ２３．２４・・・比較器、２５・
・・方向弁別回路、２６・・・カウンタ、２７．２８・
・・演算器、２９・・・加算器、３０．７０．７１・・
・Ａ／Ｄ変換器、３１・・・演算制御回路、３２・・・
表示部、３３・・・平方根回路、３４・・・演算回路、
４２・・・レンズ、４４．４５川ミラー、４８゜４９、
５４・・・受光素子、、４１・・・可干渉光源、４３・
・・反射形スケール、４６ 、４７・・・ハーフミラ−
５５０，５１・・・増幅器、５２・・・信号処理回路、
５３・・・表示部、６０・・・ガラス、６１・・・金属
反透過面。 茅 ｌ 図 （（ＩＩ （ｂ） 第 ３ の 第 ４ 口 部 、ｆ［ｆｉ 入射角ｅｐ（ン 第 ６ 図 茅 ７Ｉ２］ ｔａ） ｎ 遣
（ｂ） 、ｌニカイ冨号り専シメ片 ″″需石、７′ｓ″′ ｔｒｒＰ
Claims (4)
- （１）被測定物理量の変化に応じ位相が９０″異なる２
つの正弦波或いはその一部を出力するセンサと、該正弦
波の自乗和の平方根をつくるアナログ回路と、該アナロ
グ回路の出力を基準電圧とし前記正弦波の何れか一方若
しくは前記正弦波を入力する演算回路の出力を入力とす
るＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器の出力を受けて所定
の演算処理を行って物理量の変化量を算出するとともに
各種制御を行う演算制御回路とを具備したことを特徴と
する物理量測定システム。 - （２）前記正弦波が多数の繰シ返し信号となる場合に該
正弦波をパルスに変換する比較回路と、２つの正弦波の
９０’の位相のずれから物理量の変化方向を弁別する方
向弁別回路と、該方向弁別回路の出力パルスを計数する
カウンタとを具備し、前記演算制御回路で該カウンタの
内容を前記Ａ／Ｄ変換器の出力と演算し、物理量の変化
量を算出するよう処したことを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の物理量測定システム。 - （３）前記演算回路として２つの正弦波の何れが１つを
選択するスイッチを用いたことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の物理量測定システム。 - （４） 前記センサとして可干渉性光源の出方をスケ
ールに照射し、反射回折光同志の干渉光を電気信号に変
換してスケールの移動量に応じた信号を出力する光学式
セ／すを用いたことを特徴とする特許請求の範囲第２項
記載の物理量測定システム。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4818783A JPS59173709A (ja) | 1983-03-23 | 1983-03-23 | 物理量測定システム |
| US06/591,511 US4629886A (en) | 1983-03-23 | 1984-03-20 | High resolution digital diffraction grating scale encoder |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4818783A JPS59173709A (ja) | 1983-03-23 | 1983-03-23 | 物理量測定システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59173709A true JPS59173709A (ja) | 1984-10-01 |
| JPH057641B2 JPH057641B2 (ja) | 1993-01-29 |
Family
ID=12796377
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4818783A Granted JPS59173709A (ja) | 1983-03-23 | 1983-03-23 | 物理量測定システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59173709A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3736704A1 (de) * | 1986-10-31 | 1988-05-11 | Canon Kk | Verstellungsmessvorrichtung |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5826208A (ja) * | 1981-08-08 | 1983-02-16 | Fujitsu Ltd | 位置および速度検出装置 |
-
1983
- 1983-03-23 JP JP4818783A patent/JPS59173709A/ja active Granted
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5826208A (ja) * | 1981-08-08 | 1983-02-16 | Fujitsu Ltd | 位置および速度検出装置 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3736704A1 (de) * | 1986-10-31 | 1988-05-11 | Canon Kk | Verstellungsmessvorrichtung |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH057641B2 (ja) | 1993-01-29 |
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