JPS63290916A - 光学式リニアスケ−ル装置 - 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、測定器として、その絶対長を瞬時に計測でき
る光学式リニアスケール装置に関し、特に、パターン列
を有する目盛板と、多数個の受光素子を平面的に配置し
たエリア形センサとを用いた光学式リニアスケールに関
する。

（従来の技術） デジタルスケール装置には、リニアエンコーダ等として
知られる直線形スケールと、ロータリエンコーダ等とし
て知られる回転形スケールとがあり、また、検出方式と
しては、主として、光学式と磁気式のものがある。

このようなデジタルスケール装置の利点としては、被測
定物の長さを測定する測定器として、あるいは工作機械
等の位置を検出するセンサとして広く用いることができ
、高精度で読み取りやすいデジタル表示が得られ、さら
に、このデジタル出力により位置制御等ができることな
どが挙げられる。

一般に、光学式デジタルスケール装置は、測長スリット
列を有するメインスケールと測長ゲートスリットを有す
るインデックススケールを互いに相対移動させ、両者間
の移動量を検出するものであり、このために、両スリッ
トを通過する光量変化を光電変換器により検出していた
。

測長器として用いる場合には、メインスケールもしくは
インデックススケールが測長器のプローブと連動して動
き、他方のスケールが測長器本体に固定され、プローブ
の移動量を電気信号として検出し、この検出信号を計数
することによりプローブの移動量をデジタル的に検出し
ていた。

同様に、工作機械等の位置検出装置として用いる場合に
は、いずれか一方のスケールが工作機械の送り台に固定
され、他方のスケールが基部に固定され、両スケールの
相対移動により送り台の位置を検出していた。

（発明が解決しようとする問題点） 従来、この種のリニアスケール装置は、インクリメンタ
ルタイプの測長方式、つまり、パルスをカウントするこ
とにより、長さを計測する方式が殆どであった。

この方式のものは、しばしば電源が遮断されたときにパ
ルスカウントに誤差が生じたり、通常作動時のパルスカ
ウントにミスが発生する等の問題点があった。

また、アブソリュート方式のものについては、回路およ
び装置の制約上、比較的分解能の低いものしかできなか
った。

本発明の目的は、このようなデジタルスケール装置にお
いて、両スケールの相対移動量のみでなく、その移動軸
に対する絶対位置を知るために基準計数位置を設定し、
例えば、測長器の零位置あるいは工作機械の座標原点と
基準計数位置とを合わせて、基準計数位置からの絶対測
長あるいは座標位置を絶対値で求めることが可能な光学
式リニアスケール装置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明による光学式リニアスケール装置は、絶対直線位
置を測定できるようにしたものであり、そのために目盛
板（スケール）に特別の工夫が施されている。

すなわち、本発明による光学式リニアスケール装置は、
光源からの透過光または反射光を、光学的に識別できる
目盛が形成された目盛板に照射し、光センサでその目盛
を検出することにより、位置の検出または測定をする光
学式リニアスケール装置において、多数個の受光素子が
二次元的に配置された光センサと、前記光センサに対向
して相対的に移動できるように配置され、絶対位置が認
識できるパターンが形成された多数個の目盛を有する目
盛板とから構成しである。

前記構成をさらに具体的に説明すれば、前記目盛は、ス
リットにすることができ、その目盛は、繰り返しパター
ンが設けられ絶対位置を認識するアブソリュートパター
ン用目盛と、前記アブソリュートパターン用目盛に併設
され前記繰り返しパターンの繰り返し回数を認識するコ
ードパターンとから構成することができる。つまり、ア
ブソリュートパターン用目盛を構成する繰り返しのバク
−ン群に並行してコードパターンを付加することによっ
て各パターン群を区別している。

その目盛は、一次元または二次元の不等幅パターン、不
等間隔パターン、不等長パターンあるいはこれらの組合
せパターンにして識別することができる。つまり、スケ
ール長を長くするための工夫として、一連の不等幅パタ
ーン群または不等間隔パターン群、または不等長パター
ン群を繰り返し使っており、パターン構成を容易にして
いる。

また、前記目盛は、不等幅の変化で差を知る場合につい
ては、不等幅の中に付加パターンを設け、過大光量を減
少させることにより前記受光素子への光量調整をするこ
とができる。絶対パターンにおいて不等幅の変化で差を
知る場合については、付加パターンを不等幅の中に入れ
ることにより過大光量を減少させ、受光素子への光量調
整をしている。

さらに、前記目盛は、前記光センサの受光素子列に対し
て傾けて配置されその受光素子列によって発生したモア
レ縞出力を得ることにより、前記アブソリュートパター
ンでの移動量計測を補間するモアレ縞出力用目盛にする
ことができる。つまり、より分解能を上げるために光セ
ンサ（エリアセンサ）の各受光素子（例えばＣＣＤ画素
）と同じ幅のスリットをスケール上に設け、そのスリッ
トと各受光素子列そのものとによってモアレ縞出力をつ
くることにより高分解能を得ている。通常は、このよう
なモアレ縞は、２枚のスリットでモアレをつくり、それ
を受光素子に映すという方法が一般的である。

つまり、本発明のリニアスケール装置は、絶対位置を検
出するものであり、アブソリュートパターン、補間用モ
アレパターン、コードパターンをスケール上に設けであ
るので、高精度な位置検出および移動量検出を可能とす
るものである。

（実施例） 以下、図面等を参照して、実施例について本発明の詳細
な説明する。

第１図〜第７図は、本発明による光学式リニアスケール
装置の実施例を示した図であって、第１図は全体の構成
を示したブロック図、第２図はセンサ部を示した斜視図
、第３図は光センサを示した図、第４図は目盛板を示し
た図、第５図〜第７図は目盛板のスリットをそれぞれ示
した図である。

第１図において、１は光源、２はレンズ、３は目盛板、
４は光センサ、５は演算回路、６は表示回路、７は制御
入出力回路である。

センサ部は、第２図に示したように、光源（レーザダイ
オード等）■、コリメートレンズ２．目盛板（スケール
）３．光センサ４が一体的に配置され、光透過方式のセ
ンサ部を構成している。このセンサ部は、目盛板３の上
のスケールを構成するスリット列（ａｔ、　（ｂｌ、　
ｆｃｌ　（第５図、第６図、第７図参照）に対し、それ
らの列に沿って、相対的に平行移動が可能である。

光源１より発光された光は、コリメートレンズ２を通過
し平行光となり、目盛板３上のスリット３１．３２．３
３を透過し、光センサ４にスリン）３１．３２．３３を
投影する。そして、この投影信号は、光センサ４の各受
光素子４１から個々に出力信号として取り出され、演算
回路５に入力される。

演算回路５は、光センサ４からの出力が接続されており
、その信号を位置計算回路５２に入力するためにＡ／Ｄ
変換等の処理をする信号前処理回路５１と、その出力信
号により光センサ４の移動位置を計算する位置計算回路
５２とから構成されている。

位置計算回路５２の出力は、必要に応じて、光センサ４
の移動量等を表示する表示回路６に接続されている。ま
た、位置計算回路５２には、その出力信号により機械系
などの位置制御等を行うための信号を発生する制御入出
力回路７が接続されている。

次に、第２図〜第７図を主に参照して、各部の構成を、
さらに詳細に説明する。

光センサ４は、例えば、ＣＣＤ　（ｃｈａｒｇｅｃｏｕ
ｐｌｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ電荷結合素子）イメージセンサ
が用いられ、第３図（ａｔに示すように、受光素子４１
が二次元的に横にｍ個、たてにｎ個配列されている。各
受光素子（画素）４１は、各々独立に光を検知する素子
であり、１画素の大きさは、第３図（ｂ）に示すように
、幅ｗ　ｍ　、高さｗｎであり、ｍ　ｘ　ｎ個配列され
ている。

目盛板３と光センサ４とは、後述するように、第４図ｆ
ａ１列のスリット３１と受光素子４１によりモアレ出力
信号を得るようにしたものである。スリット３１の光セ
ンサ４への各投影間隔長は、第３図（ｔｅｌに示すよう
に受光素子４１の幅ｗｍと同じにしてあり、第８図に示
すようにスリット３１と各受光素子４１は任意の傾きθ
をもたせることにより、任意の明暗幅のモアレ信号を得
ることができる。

第３図（Ｃ１は、光センサ４の任意の行、■行目の受光
素子行４■を示している。この受光素子行４Ｉは、後述
するスリット３２を検出するように配置しである。この
場合、位置計測の基準として、■行、ｊ列の受光素子４
１ｊに絶えず注目すると、光センサ４の移動距離りは、
受光素子４１ｊの移動距離に等しくなる。

目盛板３は、光センサ４と組み合わせて使用され、透明
なガラス基板等の上に不透明な膜（例えば、クロム蒸着
膜等）がコーティングされたものであり、第４図に示す
ように、目盛板３上で、ｆａ１列、（ｂ）列、（Ｃ）列
の３列のスケールが形成されている。

目盛板３の（ａ）列には、第５図に示すように、高さｈ
ａ、横幅ｗａ　　（ｗａ＜ｗｍ）のスリット３１が中心
間隔Ｌａ（＝ｗｍ）で、等間隔に配列されている。この
スリット３１は、モアレ構成用のスリットである。

目盛板３のｆｂ１列には、スリット３２が配列されてお
り、これらは任意の基点からの長さを計測するためのア
ブソリュートスリットであり、光センサ４は第３図（Ｃ
）に示すように、少なくとも２個のスリット３２を検知
できるように各スリット間隔Ｌｂｉを定めている。

第３図（ｄ）に示すように、あるスリット３２ｍを選択
し、そのスリット３２ｍの幅ｗｂ＋の中心を計算し、受
光素子４Ｉｐがスリン）３２ｍの中心にきたとする。

次に、この光センサ４が移動し、スリット３２のｎ番目
のスリット３２ｎを光センサ４の受光素子行４■が捉え
、スリン）３２ｎの中心にｑ番目の受光素子４Ｉｑがき
たとすると光センサ４の移動距離りは、 ｉ＝ｍ となる。

この場合のスリット間隔Ｌｂｉ（ｉ−１，２・・・）と
幅ｗｂｉおよび位置の値は、予め位置計算回路１２で記
憶されている。

スリット３２としては、例えば、次に示すような第６図
ｔａ＋〜（ｇｌのような態様が考えられる。

第６図（ａｌで示した例では、各スリット３２は、間隔
（Ｌｂｉ）が等間隔になるように配列され、各スリット
３２の横幅（ｗｂｉ）および高さくｈｂｉ）は不変であ
る。

この場合、次の３通りの組合せが可能である。

（ｔｌｗｂｉ；不等長、ｈｂｉ；同一長、Ｌｂｘｉ同一
長（２）　ｗ　ｂ　ｉ　；同一長、ｈｂｉ；不等長、Ｌ
ｂｉ；同一長（３１ｗ　ｂ　＋　；不等長、ｈｂｉ；不
等長、Ｌｂｉ；同−長筒６図ｆｂｌで示した例では、各
スリット３２は、間隔（Ｌ　ｂｉ）が不等間隔になるよ
うに配列され、各スリットの横幅（ｗｂｉ）および高さ
く　ｈ　ｂｉ）は同一である。

なお、第６図ｔａ＋　（ｂｌの例をそれぞれ組み合せる
こともできる。

第６図ｆｃｌに示した例では、各スリット３２は、（Ｉ
−ｂｉ）を等間隔になるように配置され、さらに、補助
スリット３２ａがスリット３２に対応して配置されてい
る。各補助スリット３２ａと各スリット３２との間隔（
ｊ２ｂｉ）は、不等間隔である。

各スリット３２，３２８の高さくｈｂｉ）および横幅（
ｗ　ｂｉ、　ｗ　ｂｉ″）は同一長である。

第６図（ｄ＋および（ａｌで示した例では、スリット３
２．３２ｂが間隔Ｌｂｉで、図のように配置されている
。このとき、 スリット３２の高さｈｂｉｉ可変 横幅ｗｂｉ；一定 スリット３２ｂの高さｈｂｉ’；可変 横幅ｗｂｉ’　　；一定 スリット３２と３２ｂの間隔ｌ１ｂｉ；一定番スリット
３２間の間隔Ｌｂｉ；一定 とする。

さらに、スリット３２の高さｈｂｉおよびスリット３２
の横幅ｗ　ｂｉ’は次の３通りの組合せが可能である。

＋１）　ｈ　ｂｉ　：不等長、　ｗｂｉ’　　；同一長
（２）　ｈ　’ｂｉ　；同一長、　ｗｂｉ’　　；不等
長（３１ｈｂｉ；不等長、　ｗｂ＋’　　；不等長これ
らの例では、スリット３２，３２ｂの組合せで、多数の
パターンを表現でき、各パターンのトータル面積を小さ
くできるので、後述するような受光素子の飽和の問題を
防止できる。

第６図（ｆｌで示した例では、スリット３２が正方形、
すなわち高さくｈｂｉ）と横幅（ｗｂｉ）が等しく、そ
れらの値が可変であり、その中心間隔（Ｌｂｉ＞も可変
であるように配置されている。

この場合、次の３通りの組合せが可能である。

（１）ｈ　ｂｉ＝　ｗ　ｂｉ　；不等長、ＬｂｉＨ同一
長ｆ２１　ｈ　ｂｉ＝　ｗ　ｂｉ　；同一長、Ｌｂｉ；
不等長（３１ｈ　ｂｉ＝　ｗ　ｂｉ　ｉ不等長、Ｌｂｉ
；不等長第６図ｔｇ＋に示した例では、スリット３２を
円形にした場合であり、その直径（ｄｂｉ）および中心
間隔（Ｌｂｉ）は可変である。

この場合、次の３通りの組合せが可能である。

（ｌｌｄｂｉ；不等長、Ｌｂｉ；同一長（２）ｄｂｉ；
同一長、ＬｂｉＨ不等長（３）ｄｂｉ；不等長、Ｌｂｉ
；不等長さらに、目盛板３を延長させたいときは、（Ｃ
）列のスリット３３を付加することにより、それを可能
にするものである。

目盛板３の＋０１列には、スリット３３が配列されてい
る。このスリット３３は、コード化したパターンや、長
さを変えたパターンを配列することにより、一定の長さ
のアブソリュートパターンに対し、スリット３３を変化
させ、全体のスケール長を延長可能にするものである。

すなわち、＋０１列のスリット３３により、何番目のア
ブソリュートパターン群かを判別するものである。

このスリット３３としては、第７図ｆａｌ〜（８１に示
す例のような態様が考えられる。

第７図（ａ）で示した例では、高さり１幅Ｗのスリット
３３を使用する。この場合にはさらに、（Ｗ−一定、ｈ
−変化）、　（Ｗ−変化、ｈ−変化）。

（Ｗ−変化、ｈ−一定）の３つの場合が考えられ、寸法
の変化により、判別する。

第７図（ｂ）〜ｆｄ＋に示す例では、「まず」状にスリ
ット３３を切ることにより、１６通りのコード化を可能
にしたものである。第７図（ｂ）はたて方向にコード化
した例、第７図（Ｃ１は横方向にコード化した例、第７
図ｆｄ）はたて横両方向にコード化した例をそれぞれ示
している。この「まず」の数を１つ増やすことにより、
２倍の組合せができることになる。

第７図ｔｅｌに示す例では、たて５横に多数個のます目
状のスリットを構成することによって、さらに多数のコ
ード化を可能にしたものである。

なお、目盛板３上のスリット列（ａ）、　（ｂｌ、　（
Ｃ１相互の配置は任意であってよい。

第８図〜第１０図は、本発明による光学式リニアスケー
ル装置におけるモアレ検出パターンを得るための目盛板
と光センサの配置を説明するための図である。

目盛板３と光センサ４とで位置計算をする場合には、受
光素子４１の１画素よりも小さな変位を検出することは
不可能である。そこで、本発明では、これを補間するた
めに、各受光素子列４にとスリット３１を用いてモアレ
縞出力信号を得るようにした。

第８図に示すように、間隔ａのスリット３１と受光素子
列４にとに傾きθをもたせることによって、任意のモア
レ縞信号を得ることができる。第９図に、そのモアレ縞
信号出力を示しである。

光センサ４の受光素子４１のモアレ縞計測ポイントを仮
に、２点（受光素子４１ｈｋ、　　４１ｊｋ）で行うと
した場合、明暗の周期Ｗは、 ｗ−（ａ／　２）　／　（ｓｉｎ　（θ／２））となる
から、受光素子４１ｈｋと受光素子４１３にの間隔を Ｄｈ−ｊ＝ （（２Ｎ＋１＞／８）　Ｘａ／　（ｓｉｎθ／２）（た
だし、Ｎ＝０．１．２・・・） すなわち５例えば、ｗ’／４とか３Ｗ／４になるように
設定する。

第１０図は、受光素子４１ｈｋ、４１ｊｋの出力信号を
示し、各素子の光量出力をＶｌ’、Ｖ２とすると、図の
ように各素子は相互に９０度位相がずれた間隔に位置し
ている。このようにしたのは、移動方向を検出するため
である。

ここで、光センサ４を距離β（ｆｆ＜ａ）だけ移動させ
ると、モアレ縞はたて方向に （Ｉｌ／２）　Ｘｃｏｔ　　（θ／２）だけ移動するこ
とになる。

絶対長の測定値をＸ、モアレ縞出力により補間する値を
ｆ　（Ｘｌとすると、結果の絶対測定値しはＬ　＝　ｘ
　＋　　ｆ　ｆｘｌ となる。このｆ（×）は第１０図で得られる受光素子４
１ｈｋ、４Ｎｋの出力と、長さｆ　（Ｘｉとの関係を位
置計算回路５２内に記憶させておくことにより、絶対測
定値しは、自動的に求めることができる。

第１）図は、目盛板のスリットの他の実施例を示した図
である。

例えば、第６図（ａ）などのように、不等幅のスリット
３２を構成する場合、第１）図ｔａｌに示すようにスリ
ット幅が大きくなると、受光素子が飽和してしまい、正
確な検出ができない。

そこで、本発明では、第１）図（ｂ）に示すように、付
加スリット３２１を設け、出力の飽和を防止して、光量
調整をしている。

（発明の効果） 以上詳しく説明したように、本発明によれば、絶対位置
を測定するので、いつでも、どの停止位置でも、瞬時に
計測でき、実用上おおいに使いやすい。

また、目盛板のスリットと光センサの受光素子列を用い
て、モアレ縞をつくることにより、絶対位置検出を補間
することができるので、より高精度の測長が可能になっ
た。このように高精度の測長を実現できるので、精密計
測分野でも使用可能になった。

さらに、スリットを不等幅で変化させるときには、付加
パターンを設けるようにしたので、受光素子への光量を
調整でき、正確な測定が可能になった。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図は、本発明による光学式リニアスケール
装置の実施例を示した図であって、第１図は全体の構成
を示したブロック図、第２図はセンサ部を示した斜視図
、第３図は光センサを示した図、第４図は目盛板を示し
た図、第５図〜第７図は目盛板のスリットをそれぞれ示
したである。 第８図〜第１０図は、本発明による光学式リニアスケー
ル装置におけるモアレ検出パターンを得るための目盛板
と光センサの配置を説明するための図である。 第１）図は、目盛板のスリットの他の実施例を示した図
である。 １・・・光源　　　　　　　　２・・・レンズ３・・・
目盛板 ３１．３２．３３・・・スリット ４・・・光センサ ４１・・・受光素子 ５・・・演算回路 ５１・・・信号前処理回路　　５２・・・位置計算回路
６・・・表示回路 ７・・・制御入出力回路 特許出願人　　　　東京航空計器株式会社小田原　　豪
太部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からの透過光または反射光を、光学的に識別
   できる目盛が形成された目盛板に照射し、光センサでそ
   の目盛を検出することにより、位置の検出または測定を
   する光学式リニアスケール装置において、多数個の受光
   素子が二次元的に配置された光センサと、前記光センサ
   に対向して相対的に移動できるように配置され、絶対位
   置が認識できるパターンが形成された多数個の目盛を有
   する目盛板とから構成したことを特徴とする光学式リニ
   アスケール装置。
2. （２）前記目盛は、スリットであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の光学式リニアスケール装置。
3. （３）前記目盛は、繰り返しパターンが設けられ絶対位
   置を認識するアブソリュートパターン用目盛と、前記ア
   ブソリュートパターン用目盛に併設され前記繰り返しパ
   ターンの繰り返し回数を認識するコードパターンとから
   なることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学
   式リニアスケール装置。
4. （４）前記目盛は、一次元または二次元の不等幅パター
   ン、不等間隔パターン、不等長パターンあるいはこれら
   の組合せパターンであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の光学式リニアスケール装置。
5. （５）前記目盛は、不等幅の変化で差を知る場合につい
   ては、不等幅の中に付加パターンを設け、過大光量を減
   少させることにより前記受光素子への光量調整をするこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学式リニ
   アスケール装置。
6. （６）前記目盛は、前記光センサの受光素子列に対して
   傾けて配置されその受光素子列によって発生したモアレ
   縞出力を得ることにより、前記アブソリュートパターン
   での移動量計測を補間するモアレ縞出力用目盛を有する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学式リ
   ニアスケール装置。