JPS6210641Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、光の干渉を利用した光学式スケール
読取装置に関し特に多分割法を用いて分解能を向
上させた光学式スケール読取装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an optical scale reading device that utilizes light interference, and particularly to an optical scale reading device that uses a multi-division method to improve resolution.

本考案の目的は、多分割法を用いて分割能の高
い光学式スケール読取装置を提供することにあ
る。 An object of the present invention is to provide an optical scale reading device with high resolution using a multi-division method.

第１図は、本考案の一実施例を示す構成図であ
る。同図において、１は可干渉性光源である。該
光源としては例えばレーザが用いられる。Ｍは、
光源１の出力光を受けるハーフミラーである。Ｌ
は、該ハーフミラーの透過光を受けるレンズであ
る。ここでハーフミラーＭおよびレンズＬは「2.
実用新案登録請求の範囲」の「光学手段」を構成
する。２は反射部及び透過部が等間隔で並んだス
ケールである。該スケールは反射状の回折格子を
なしている。スケール２に入射した光は、反射す
るときに多モードの回折光を生ずる。これら回折
光のうち、±２次以上の回折光は光量が小さくレ
ンズＬの開口比を適当に選ぶことによりその通過
を阻止することができる。従つて、利用すること
のできる回折光は、０次モード光及び±１次モー
ド光のみとなる。 FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a coherent light source. For example, a laser is used as the light source. M is
This is a half mirror that receives the output light from the light source 1. L
is a lens that receives transmitted light from the half mirror. Here, the half mirror M and lens L are "2.
It constitutes "optical means" in the scope of claims for utility model registration. 2 is a scale in which reflective parts and transmitting parts are arranged at equal intervals. The scale forms a reflective diffraction grating. The light incident on the scale 2 generates multimode diffracted light when reflected. Among these diffracted lights, the diffracted lights of the ±2nd or higher order have a small light quantity and can be prevented from passing by appropriately selecting the aperture ratio of the lens L. Therefore, the usable diffracted light is only the 0th-order mode light and the ±1st-order mode light.

３は、０次モード光を阻止するストツパであ
る。従つて、レンズＬを通過する光は±１次モー
ド回折光のみとなる。これら回折光は、ハーフミ
ラーＭで一部が反射して光検出器上に干渉縞を結
ぶ。これら干渉縞のうち、隣り合つた干渉縞S₁，
S₂間には、図に示すようにそれぞれ90゜ずつ位相
をずらして配された受光素子d₁及至d₄が配されて
いる。受光素子d₁〜d₄としては、例えばフオトダ
イオードが用いられる。各受光素子の電気信号出
力をＰ_A〜Ｐ_Dとする。４は、Ｐ_A〜Ｐ_D信号を受け
てそれぞれ位相が90゜異なる２つの信号E₁，E₂
を出力する変換器である。 3 is a stopper that blocks zero-order mode light. Therefore, the light that passes through the lens L is only the ±1st order mode diffracted light. A portion of these diffracted lights is reflected by the half mirror M to form interference fringes on the photodetector. Among these interference fringes, adjacent interference fringes S ₁ ,
As shown in the figure, light receiving elements _d1 to _d4 are arranged between _S2 and are arranged with a phase difference of 90 degrees. For example, photodiodes are used as the light receiving elements d ₁ to _{d 4} . Let electrical signal outputs of each light receiving element be P _A to P _D . 4 receives the P _A to P _D signals and receives two signals E ₁ and E ₂ whose phases are different by 90 degrees.
This is a converter that outputs .

U₁とU₂は、それぞれE₁及びE₂信号を増幅する
増幅器である。これら２つの増幅器の出力の差
は、これら増幅器の出力間に接続された、分割手
段を構成する抵抗回路網でＮ分割（Ｎは整数）さ
れる。これらＮ分割されたそれぞれの電圧をe₁及
至Ｅ_Nと定義する。G₁〜Ｇ_Nは、それぞれ前記e₁〜
ｅ_N信号と零電位とを比較する比較器である。５
は、これら比較器の出力信号を受けて前記スケー
ル２の移動距離に対応した信号P₁及び移動方向を
示す信号P₂を出力する演算制御器である。このよ
うに構成された装置の動作を以下に説明する。 U ₁ and U ₂ are amplifiers that amplify the E ₁ and E ₂ signals, respectively. The difference between the outputs of these two amplifiers is divided by N (N is an integer) by a resistor network connected between the outputs of these amplifiers and constituting a dividing means. These N-divided voltages are defined as e ₁ to E _N . G ₁ to G _N are the above e ₁ to
This is a comparator that compares the e _N signal and zero potential. 5
is an arithmetic controller which receives the output signals of these comparators and outputs a signal _P1 corresponding to the moving distance of the scale 2 and a signal _P2 indicating the moving direction. The operation of the device configured in this way will be explained below.

可干渉性光源１から発射された光は、ハーフミ
ラーＭに入射する。該ハーフミラーでは一部が反
射し残りは通過する。この通過した光は、続くレ
ンズＬによつて集光される。集光された光は、続
くスケール２に収束球面波となつて入射し入射し
た光の一部は反射する。このときスケール２は反
射形の回折格子として働き、光が反射する際に、
０次から±ｍ次（ｍは整数）までの多モードの回
折が生じる。これら多モード回折光のうち、０次
モード光即ち単なる反射光はストツパ３によつて
阻止される。 Light emitted from the coherent light source 1 enters the half mirror M. A part of the light is reflected by the half mirror, and the rest passes through. This passed light is condensed by the subsequent lens L. The condensed light enters the subsequent scale 2 as a convergent spherical wave, and a portion of the incident light is reflected. At this time, scale 2 acts as a reflective diffraction grating, and when the light is reflected,
Multimode diffraction occurs from the 0th order to the ±mth order (m is an integer). Among these multi-mode diffracted lights, the zero-order mode light, that is, mere reflected light, is stopped by the stopper 3.

回折した反射光は、再びレンズＬによつて集光
される。このとき、該レンズの開口比を適当に選
んでおけば、±２次モード光以上の光の通過を阻
止することができる。従つて、レンズＬを通過す
る光は±１次モード光のみとなる。第１図の破線
で示す光は±１次モード光を、一点鎖線で示す光
は−１次モード光を示す。この±１次モード光
は、続くハーフミラーＭで一部が反射した光は互
いに干渉し合つて受光素子上に干渉縞を生じさせ
る。互いに隣り合つた干渉縞S₁及びS₂に配置され
た受光素子d₁〜d₄は、それぞれ光の明暗に応じた
電気信号Ｐ_A〜Ｐ_Dを発生させる。 The diffracted reflected light is again focused by the lens L. At this time, if the aperture ratio of the lens is appropriately selected, it is possible to prevent light of ±2nd order mode light or higher from passing through. Therefore, the light that passes through the lens L is only the ±1st mode light. The light indicated by the broken line in FIG. 1 indicates the ±1st mode light, and the light indicated by the dashed dotted line indicates the -1st mode light. A portion of this ±1st mode light is reflected by the subsequent half mirror M and interferes with each other to produce interference fringes on the light receiving element. The light receiving elements d ₁ to _{d 4} arranged in the interference fringes S ₁ and S ₂ adjacent to each other generate electrical signals P _A to P _D corresponding to the brightness and darkness of the light, respectively.

今、光源１から光が照射されている状態で、ス
ケール２を或る方向に移動させたとする。このと
き、受光素子d₁〜d₄に入力する光は周期的な明暗
を生じる。これら受光素子は、前述したようにそ
れぞれ90゜ずつ位相がずれた位置に取りつけられ
ているので、これら受光素子の出力はそれぞれ90
゜ずつ位相のずれた正弦波となる。これら出力
は、変換器４に入る。変換器４は、これら４つの
信号Ｐ_A〜Ｐ_Dを受けてそれぞれ90゜ずつ位相の異
なる２つの信号E₁，E₂に変換する。変換の手順
は以下のとおりである。即ち、Ｐ_A〜Ｐ_D信号を
（Ｐ_A−Ｐ_C）と（Ｐ_B〜Ｐ_D）なる２つの信号に変
換する。Ｐ_AとＰ_C及びＰ_BとＰ_Dはそれぞれ互いに
位相180゜が異なつた信号であるから、（Ｐ_A−Ｐ_C
＝2P_A′（Ｐ_B−Ｐ_D）＝2P_Bとなるので、（Ｐ_A−Ｐ
_C）と（Ｐ_B−Ｐ_D）はそれぞれ位相が異なる２つ
の信号となる。そこで（Ｐ_A−Ｐ_C）に対応した信
号をE₁として、（Ｐ_B−Ｐ_D）に対応した信号をE₂
として出力するように構成される。E₁とE₂は、
それぞれ次式で表わされるものとする。 Now, assume that the scale 2 is moved in a certain direction while being irradiated with light from the light source 1. At this time, the light input to the light receiving elements d ₁ to _{d 4} produces periodic brightness and darkness. As mentioned above, these light receiving elements are installed at positions with a phase difference of 90°, so the output of each of these light receiving elements is 90°.
The result is a sine wave with a phase shift of 1°. These outputs enter the converter 4. The converter 4 receives these four signals P _A to P _D and converts them into two signals E ₁ and E ₂ having phases different by 90 degrees. The conversion procedure is as follows. That is, the P _A to P _D signals are converted into two signals (P _A -P _C ) and (P _B to P _D ). Since P _A and P _C and P _B and P _D are signals with a phase difference of 180° from each other, (P _A −P _C
=2P _A ′(P _B −P _D )=2P _B , so (P _A −P
_C ) and ( _PB - P _D ) are two signals with different phases. Therefore, the signal corresponding to (P _A - P _C ) is set as E ₁ , and the signal corresponding to (P _B - P _D ) is set as E ₂
is configured to output as . E ₁ and E ₂ are
Assume that each is expressed by the following formula.

E₁＝Asinθ (1) E₂＝Asin（θ＋90゜） (2) ここで、Ａは正弦波の振幅を表わす。 E ₁ = Asin θ (1) E ₂ = Asin (θ + 90°) (2) Here, A represents the amplitude of the sine wave.

増幅器U₁，U₂は、E₁，E₂信号をそれぞれ適当
な大きさのレベルに増幅する。これら増幅器の出
力同志は、抵抗回路網で互いに接続されてＮ分割
される。即ち、両信号の位相差信号がＮ分割され
ることになる。分割されたそれぞれの信号e₁〜ｅ
_Nは、必ず異なつた値をとるので、これら分割信
号を続く比較器G₇〜Ｇ_Nで零電位と比較してやれ
ば、各比較器からはそれぞれＮ個の異なつたパル
ス信号が得られる。このような多分割方式では、
Ｎの数を増やすほど分解能が向上することを第２
図を用いて説明する。 Amplifiers U ₁ and U ₂ amplify the E ₁ and E ₂ signals to appropriate levels, respectively. The outputs of these amplifiers are connected to each other by a resistor network and divided into N. That is, the phase difference signal between both signals is divided into N parts. Each divided signal e ₁ to e
Since _N always takes different values, if these divided signals are compared with zero potential in the following comparators G ₇ to G _N , N different pulse signals are obtained from each comparator. In such a multi-division method,
The second point is that the resolution improves as the number of N increases.
This will be explained using figures.

第２図ａに示す抵抗回路網において、分圧出力
ｅは次式で与えられる。 In the resistor network shown in FIG. 2a, the divided voltage output e is given by the following equation.

ｅ＝Ｒ_２／Ｒ_１＋Ｒ_２E₁′＋Ｒ_１／Ｒ_１＋Ｒ_２E₂′(3
) ここで、簡単のためにE₁′＝sinθ，E₂′＝sin
（θ＋90゜）とすると(3)式は次のように変形する
ことができる。 e= _R2 / _R1 + _{R2E1 '} + _R1 / _R1 + _{R2E2 '} (3
) Here, for simplicity, E ₁ ′=sinθ, E ₂ ′=sin
(θ+90°), equation (3) can be transformed as follows.

ｅ＝Ｒ_２／Ｒ_１＋Ｒ_２sinθ＋Ｒ_１／Ｒ_１＋Ｒ_２sin （θ＋90゜）Ksin（θ＋α） (4) 但しＫ＝Ｒ_１ ^２＋Ｒ_２ ^２／Ｒ_１＋Ｒ_２ cosα＝Ｒ_２
／Ｒ_１ ^２＋Ｒ_２ ^２ 以上より、抵抗R₁，R₂の値を適当に選べばα
を可変することができ、出力ｅは任意の値をとる
ことができることがわかる。第２図ｂは、分圧出
力ｅと角αの関係を示す図である。 e=R ₂ /R ₁ +R ₂ sinθ+R ₁ /R ₁ +R ₂ sin (θ+90°) Ksin (θ+α) (4) However, K=R ₁ ² +R ₂ ² /R ₁ +R ₂ cosα=R ₂
/R ₁ ² + R ₂ ² From the above, if the values of resistors R ₁ and R ₂ are appropriately selected, α
can be varied, and the output e can take any value. FIG. 2b is a diagram showing the relationship between the partial pressure output e and the angle α.

再び、第１図について説明する。比較器G₁〜
Ｇ_NのＮ個の出力は演算制御器５に入力する。演
算制御器５は、これら比較器の出力信号を受けて
これらを合成演算して、スケール２の移動方向に
対応した信号P₁及び移動方向を示す信号P₂を出力
する。P₁信号は、スケール２のスケールピツチが
1/2Ｎ（±１次光の干渉縞ピツチはスケールピツ
チの1/2から）に分割されたものとなり高分解能
出力を得ることができる。なお演算制御器５とし
ては、例えば精密機械第44巻第５号（1978年５
月）第13頁図３に記載の回路を拡張して使用する
ことができる。）本考案によれば、抵抗網で90゜
位相のずれた信号をＮ分割するだけの簡単な構成
で高分解能出力を得ることができる。また、受光
素子の配置によつて出力信号の位相をずらせてお
り、しかもスケール上の目盛格子のピツチに対し
て干渉縞の間隔がレンズにより拡大されるので、
正確に90゜異なる位相のずれを実現するのが容易
である。また衝立のスリツトの製作も容易であ
る。このようにして生じた正確な位相のずれに基
づいて、元の正弦波を正確に等分割したパルス信
号を得ることができ、これを計数することによ
り、より高分解能のスケールを用いた場合と同様
の効果を簡単な構成で得ることができる。 FIG. 1 will be explained again. Comparator G ₁ ~
N outputs of G _N are input to the arithmetic controller 5. The arithmetic controller 5 receives the output signals of these comparators, synthesizes them, and outputs a signal P ₁ corresponding to the moving direction of the scale 2 and a signal P ₂ indicating the moving direction. The _P1 signal has a scale pitch of scale 2.
It is divided into 1/2N (the interference fringe pitch of ±1st-order light is from 1/2 of the scale pitch), and a high-resolution output can be obtained. As the arithmetic controller 5, for example, Precision Machinery Vol. 44, No. 5 (1978, May 5)
The circuit shown in Figure 3 on page 13 can be expanded and used. ) According to the present invention, a high-resolution output can be obtained with a simple configuration in which signals with a phase shift of 90° are divided into N by a resistor network. In addition, the phase of the output signal is shifted by the arrangement of the light-receiving elements, and the distance between the interference fringes is expanded by the lens relative to the pitch of the scale grating on the scale.
It is easy to achieve a phase shift of exactly 90°. It is also easy to make the slits for the screen. Based on the accurate phase shift generated in this way, it is possible to obtain a pulse signal that accurately divides the original sine wave into equal parts, and by counting this, it is possible to obtain a pulse signal that is precisely divided into equal parts. A similar effect can be obtained with a simple configuration.

また、上記のレンズの拡大率が大きいので、レ
ンズ・フオトダイオード間距離が比較的小さくて
も大きな干渉縞ピツチが得られ、装置全体の小型
化が容易である。 Furthermore, since the magnification of the above-mentioned lens is large, a large interference fringe pitch can be obtained even if the distance between the lens and the photodiode is relatively small, making it easy to downsize the entire device.

またレンズL1つで照射と干渉を行なわせるこ
とができ、さらにハーフミラーを用いることによ
り、部品の点数を少なくし、構成を簡単にするこ
とができる。したがつて、小型でシンプルな装置
が実現できる。構成が簡単なので調整も容易であ
る。 Furthermore, irradiation and interference can be performed with a single lens L, and by using a half mirror, the number of parts can be reduced and the configuration can be simplified. Therefore, a small and simple device can be realized. Since the configuration is simple, adjustment is also easy.

また干渉縞の位置は、レンズＬの焦点距離、レ
ンズ・フオトダイオード間距離、レンズＬと光源
の結像点の距離の間で所定の関係を満たせば、レ
ンズＬとスケール２間の距離が変化しても動かな
い。したがつてこの距離の許容差を大きくとるこ
とができるので装置の寸法精度にさほど注意を払
う必要がなくなる。この結果高速動作も可能とな
る。 In addition, the position of the interference fringes can be determined by changing the distance between the lens L and the scale 2 if a predetermined relationship is satisfied between the focal length of the lens L, the distance between the lens and the photodiode, and the distance between the lens L and the imaging point of the light source. But it doesn't move. Therefore, since the tolerance of this distance can be made large, there is no need to pay much attention to the dimensional accuracy of the device. As a result, high-speed operation is also possible.

また干渉縞は原理的に冗長性があるので、スケ
ール上に多少のごみ、ほこりあるいは傷があつて
も測定誤差とならない。 Furthermore, since interference fringes have redundancy in principle, even if there is some dirt, dust, or scratches on the scale, it will not cause a measurement error.

また阻止手段が、スポツトに集光した点で遮光
するのでストツパなどが小さくて済み遮光が容易
である。 Further, since the blocking means blocks the light at a point where the light is focused, the stopper can be small and the light can be easily blocked.

なお、上述の説明では、位相差信号をＮ分割す
る方法を用いたが、第３図に示すように加算増幅
器を用いて構成してもよい。 In the above description, a method of dividing the phase difference signal into N parts was used, but a summing amplifier may be used as shown in FIG.

図に示す回路で、出力ｅは次式で表わされる。 In the circuit shown in the figure, the output e is expressed by the following equation.

ｅ＝−（Ｒ_ｆ／Ｒ_１e₁＋Ｒ_ｆ／Ｒ_２e₂） (5) 図に示す方法でも、入力抵抗R₁及びR₂の値を
適当に選ぶことによつて任意の値の出力ｅを得る
ことができる。従つて、図に示す回路を複数個設
けることにより、E₁，E₂の位相差信号をＮ個の
異なつた信号に変換することができるので、第１
図に示す抵抗分圧回路に置換することができる。 e=-(R _f /R ₁ e ₁ +R _f /R ₂ e ₂ ) (5) Even with the method shown in the figure, it is possible to output an arbitrary value by appropriately selecting the values of the input resistors R ₁ and R ₂ . e can be obtained. Therefore, by providing a plurality of circuits shown in the figure, it is possible to convert the phase difference signals of E ₁ and E ₂ into N different signals.
It can be replaced with the resistor voltage divider circuit shown in the figure.

また、上述の説明では干渉縞として、±１次回
折光の干渉によるものを用いたが、これに限る必
要はない。０次と＋１次回折光或いは０次と−１
次回折光間に生じた干渉縞を用いるようにしても
よい。この場合には、第１図に示すストツパ３の
代わりに＋１次又は−１次の回折光のみを阻止す
るストツパを設ければよい。また、干渉縞を受け
る受光素子の数は４個に限る必要はない。受光素
子の数としては、位相の異なる少くとも２個の受
光素子があれば、スケール２の移動距離及び移動
方向を示す信号を得ることができる。 Further, in the above description, interference fringes based on interference of ±1st-order diffracted light are used, but there is no need to limit the interference fringes to this. 0th order and +1st order diffracted light or 0th order and -1st order
It is also possible to use interference fringes generated between the diffracted lights of the next order. In this case, instead of the stopper 3 shown in FIG. 1, a stopper that blocks only the +1st-order or -1st-order diffracted light may be provided. Furthermore, the number of light receiving elements that receive interference fringes does not need to be limited to four. As long as there are at least two light receiving elements with different phases, a signal indicating the distance and direction of movement of the scale 2 can be obtained.

以上、詳細に説明したように本考案によれば位
相がそれぞれ90゜ずつ異なる２つの信号を多分割
する方法を用いることにより分解能を向上させた
光学式スケール読取装置を実現することができ
る。 As described above in detail, according to the present invention, an optical scale reading device with improved resolution can be realized by using a method of multiple division of two signals whose phases differ by 90 degrees.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図は、本考案の一実施例を示す構成図であ
る。第２図は、多分割法の原理を示す図、第３図
は加算法の原理を示す図である。 １……可干渉性光源、２……スケール、３……
ストツパ、４……変換器、５……演算制御器、Ｍ
……ハーフミラー、Ｌ……レンズ、d₁〜d₄……受
光素子、U₁，U₂……増幅器、G₁〜Ｇ_N……比較
器。 FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing the principle of the multi-division method, and FIG. 3 is a diagram showing the principle of the addition method. 1...Coherent light source, 2...Scale, 3...
Stopper, 4...Converter, 5... Arithmetic controller, M
...half mirror, L...lens, _d1 to _d4 ...light receiving element, _U1 , _U2 ...amplifier, _G1 to _GN ...comparator.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】 可干渉性光源と、 該光源の光出力を受ける光学手段と、 この光学手段の通過光である収束球面波を受け
る反射面および透過面が等間隔で並んだ目盛り格
子をもつスケールと、 該スケールの反射回折光のうち特定モードの回
折光同士が干渉することによつて生じる干渉縞に
対して位相をずらして配された少なくとも２個以
上の受光素子と、 該受光素子の出力に関連する位相が異なる２つ
の信号の位相差をＮ分割する分割手段と、 該分割手段の出力信号を零電位と比較するＮ個
の比較器と、 これら比較器の各出力を受けて前記スケールの
移動距離及び移動方向に対応した信号を出力する
演算制御器とにより構成されてなる光学式スケー
ル読取装置。[Claims for Utility Model Registration] A coherent light source, an optical means for receiving the optical output of the light source, and a scale in which reflective surfaces and transmitting surfaces for receiving the convergent spherical wave that is the light passing through the optical means are arranged at equal intervals. a scale having a grating; at least two or more light-receiving elements arranged to be out of phase with respect to interference fringes generated when diffracted lights of a specific mode among reflected diffracted lights of the scale interfere with each other; A dividing means for dividing into N the phase difference between two signals having different phases related to the output of the light receiving element, N comparators for comparing the output signal of the dividing means with zero potential, and each output of these comparators. and an arithmetic controller that outputs signals corresponding to the moving distance and moving direction of the scale.