JPS6358211A - 光学式変位検出装置 - Google Patents
光学式変位検出装置Info
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- JPS6358211A JPS6358211A JP20471086A JP20471086A JPS6358211A JP S6358211 A JPS6358211 A JP S6358211A JP 20471086 A JP20471086 A JP 20471086A JP 20471086 A JP20471086 A JP 20471086A JP S6358211 A JPS6358211 A JP S6358211A
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Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (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】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、相対移動可能な光学格子を有し、光学格子か
らの透過光または反射光を所定処理して相対f多動量を
検出する光学式変位検出装置に係り、特に、複数列の光
学格子を設けることによって絶対変位量を検出可能とし
たものである。
らの透過光または反射光を所定処理して相対f多動量を
検出する光学式変位検出装置に係り、特に、複数列の光
学格子を設けることによって絶対変位量を検出可能とし
たものである。
独立物体間の相対移動変位を検出して物理的諸元(長さ
、圧力、重量)を求めることが知られている。その手段
の1つとして光学式変位検出装置が広く利用されている
。
、圧力、重量)を求めることが知られている。その手段
の1つとして光学式変位検出装置が広く利用されている
。
従来、かかる光学式変位検出装置の一般的な透過型の十
IJ造は、第617Iに示す構成とされていた。
IJ造は、第617Iに示す構成とされていた。
すなわち、長手方向に光学格子13が整列配設されたメ
インスケールlOと対応する参緊光学格子3A、3Bを
有するインデックススケール20とを相対する2つの物
体(例えば、静止体と可動体)のそれぞれに取り付け、
光源1および光電変換器2Aえ 2Bを両スケール10
.20を挟みインデックススケール20と一体的に配設
し、両光電変換器2A、2Bからの出力信号を処理する
ための波形整形回路、分割回路、方向弁別回路等を選択
的に含む信号検出回路7と可逆計数カウンタ8とデジタ
ル表示器等からなる表示手段9とを設は構成していた。
インスケールlOと対応する参緊光学格子3A、3Bを
有するインデックススケール20とを相対する2つの物
体(例えば、静止体と可動体)のそれぞれに取り付け、
光源1および光電変換器2Aえ 2Bを両スケール10
.20を挟みインデックススケール20と一体的に配設
し、両光電変換器2A、2Bからの出力信号を処理する
ための波形整形回路、分割回路、方向弁別回路等を選択
的に含む信号検出回路7と可逆計数カウンタ8とデジタ
ル表示器等からなる表示手段9とを設は構成していた。
従って、光源1、光電変換器2A、2Bと一体的なイン
デックススケール21とメインスケール10とを矢印X
方向に相対移動させれば、両光学格子13.3A、3B
をi3過した透過光を光電変換器2A、2Bを介しイz
号検出回路7で所定処理することによって、例えば、1
μmlパルスのデジタル信号をカウンタ8で計数し表示
手段9にその変位量を表示し、さらには他の機器にその
変位量相当電気信号を出力することができた。なお、2
つの光電変換器2A、2Bを設けているのは方向弁別機
能を発揮させるものであり、また、分割方式によっては
分解能を倍化向上させるに利用することができるようす
るためのものであった。
デックススケール21とメインスケール10とを矢印X
方向に相対移動させれば、両光学格子13.3A、3B
をi3過した透過光を光電変換器2A、2Bを介しイz
号検出回路7で所定処理することによって、例えば、1
μmlパルスのデジタル信号をカウンタ8で計数し表示
手段9にその変位量を表示し、さらには他の機器にその
変位量相当電気信号を出力することができた。なお、2
つの光電変換器2A、2Bを設けているのは方向弁別機
能を発揮させるものであり、また、分割方式によっては
分解能を倍化向上させるに利用することができるようす
るためのものであった。
しかしながら、上記従来の光学式変位検出装置には次の
ような問題があった。
ような問題があった。
第1に、インクレメンタル方式であるためアブソリュー
ト方式で運用することができ難いという欠点があった。
ト方式で運用することができ難いという欠点があった。
すなわち、前記光電変換器2A。
2Bの出力は、例えば、光学格子13のスリット幅を1
0μm5ピッチを20μmとすれば20μm1口当長を
一周期とする略正弦波形状のサイクリック信号となるか
らである。そこで、メインスケール10に閏与させたT
S磁スイッチ等を設け、いわゆる絶対的原点を定め準ア
ブソリュート方式とした型が利用されているが、これと
てEl ′r1mスイッチ間の間隔内ではインクレメン
タル方式に変わりはないから抜本的解決策とならないば
かりか、そのimスイッチ等を設けることから大型化、
経済的負担増大さらには信鎖性欠如という問題があった
。
0μm5ピッチを20μmとすれば20μm1口当長を
一周期とする略正弦波形状のサイクリック信号となるか
らである。そこで、メインスケール10に閏与させたT
S磁スイッチ等を設け、いわゆる絶対的原点を定め準ア
ブソリュート方式とした型が利用されているが、これと
てEl ′r1mスイッチ間の間隔内ではインクレメン
タル方式に変わりはないから抜本的解決策とならないば
かりか、そのimスイッチ等を設けることから大型化、
経済的負担増大さらには信鎖性欠如という問題があった
。
一方、メインスケール10にバイナリコートやグレイコ
ード等を設けたアブソリュート方式の検出装置も考えら
れるが、この型では設備大型化が避けられず、かつ到底
現今の高精度要請を満足する程の精度、分解能を得るこ
とはできないという原理的欠点があり、産業上の利用が
困難であった。
ード等を設けたアブソリュート方式の検出装置も考えら
れるが、この型では設備大型化が避けられず、かつ到底
現今の高精度要請を満足する程の精度、分解能を得るこ
とはできないという原理的欠点があり、産業上の利用が
困難であった。
第2に、インクレメンタル方式であるために精度不安定
ないし精度保障上の問題等が内存していた。測定中にノ
イズ等に基づく誤計数が1度でもあると当該工程中にお
ける表示手段9への表示値すなわち測定値は意味のない
ものとなりかつ高分解能ゆえにその誤計数が容易には気
付かないという問題があり、製品不良発生をまぬかれな
いという致命的欠点があった。
ないし精度保障上の問題等が内存していた。測定中にノ
イズ等に基づく誤計数が1度でもあると当該工程中にお
ける表示手段9への表示値すなわち測定値は意味のない
ものとなりかつ高分解能ゆえにその誤計数が容易には気
付かないという問題があり、製品不良発生をまぬかれな
いという致命的欠点があった。
これがため、厳格なノイズ対策が要求され設備過大とな
るばかりか、完全対策といえないので使用態様が制約さ
れてしまう止いう問題もあった。
るばかりか、完全対策といえないので使用態様が制約さ
れてしまう止いう問題もあった。
第3に、利用上、取扱上の不利不便があった。
すなわち、工作機械のテーブル送り速度等は利用者側の
任意選択事項であるところ、変位検出装置には当該電装
品の特性から定まる両スケール10゜20の許容相対移
動速度の制限がある。従って、その許容相対移動速度を
越える高速な使用があると誤計数を生じてしまうという
応答速度の制限問題があった。さらに、利用者側の運用
あるいは偶発、不用意等により装置の電源が遮断される
と累積計数値が喪失してしまうので、再度原点合せ作業
をしなければならず作業能率を低下させるという問題も
あった。反面これを避けるにはバンクアップ電源を備え
なければならないという設備経済上の問題があった。
任意選択事項であるところ、変位検出装置には当該電装
品の特性から定まる両スケール10゜20の許容相対移
動速度の制限がある。従って、その許容相対移動速度を
越える高速な使用があると誤計数を生じてしまうという
応答速度の制限問題があった。さらに、利用者側の運用
あるいは偶発、不用意等により装置の電源が遮断される
と累積計数値が喪失してしまうので、再度原点合せ作業
をしなければならず作業能率を低下させるという問題も
あった。反面これを避けるにはバンクアップ電源を備え
なければならないという設備経済上の問題があった。
このような問題点は従来の光学式変位検出装置がその構
成上インクレメンタル方式とされていることに起因する
ことから、アブソリュート方式で高分解能、高精度を保
障することのできる光学式変位検出装置の開発が強く望
まれていた。
成上インクレメンタル方式とされていることに起因する
ことから、アブソリュート方式で高分解能、高精度を保
障することのできる光学式変位検出装置の開発が強く望
まれていた。
本発明は、上記従来の問題点を除去すべりS■みなされ
たもので高分解能、高精度で検出範囲の広いアブソリュ
ート方式の光学式変位検出Ia jiffを提供するこ
とを目的とする。
たもので高分解能、高精度で検出範囲の広いアブソリュ
ート方式の光学式変位検出Ia jiffを提供するこ
とを目的とする。
〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明は、
各列毎のピ・レチが異なる複数列の光学格子をメインス
ケールに設けるとともにインデックススケールにも相当
列かつ対応ピンチの光学格子を設け、各複数列の光学格
子に関与して出力される電気信号間の位相差を巧みに利
用することによって当該光学格子のピッチよりも小さい
値の分解能で当該光学格子のピンチよりも著しく大きな
広範囲に亘り両スケールの相対移動変位の絶対変位量を
検出できるようするものである。
各列毎のピ・レチが異なる複数列の光学格子をメインス
ケールに設けるとともにインデックススケールにも相当
列かつ対応ピンチの光学格子を設け、各複数列の光学格
子に関与して出力される電気信号間の位相差を巧みに利
用することによって当該光学格子のピッチよりも小さい
値の分解能で当該光学格子のピンチよりも著しく大きな
広範囲に亘り両スケールの相対移動変位の絶対変位量を
検出できるようするものである。
これがため、複数列の光学格子が設けられる=ともに各
列毎の光学格子ピッチが異なるものと形成されているメ
インスケールと、 前記メインスケールの各列光学15子に対応させた複数
列の参照光学格子が設けられ前記メインスケールと相対
変位可能とされたインデックススケールと、 前記両スケールに平行光を照射するための平行照明系と
、 前記メインスケールの各列光学格子毎に2個1組として
配設され、各組毎に前記メインスケールを透過した透過
光または、前記メインスケールから反射された反射光を
受けて90度位相のす、れた電気(3号を出力する複数
組の光電変換器と、前記光電変換器の各組からそれぞれ
出力される電気信号間の組間位相差を求めるとともにこ
の組間位相差を利用して前記メインスケールとインデッ
クススケールとの相対移動変位量の絶対値を検出できる
よう形成された絶対変位検出回路とを備えた構成とし前
記目的を達成するのである。
列毎の光学格子ピッチが異なるものと形成されているメ
インスケールと、 前記メインスケールの各列光学15子に対応させた複数
列の参照光学格子が設けられ前記メインスケールと相対
変位可能とされたインデックススケールと、 前記両スケールに平行光を照射するための平行照明系と
、 前記メインスケールの各列光学格子毎に2個1組として
配設され、各組毎に前記メインスケールを透過した透過
光または、前記メインスケールから反射された反射光を
受けて90度位相のす、れた電気(3号を出力する複数
組の光電変換器と、前記光電変換器の各組からそれぞれ
出力される電気信号間の組間位相差を求めるとともにこ
の組間位相差を利用して前記メインスケールとインデッ
クススケールとの相対移動変位量の絶対値を検出できる
よう形成された絶対変位検出回路とを備えた構成とし前
記目的を達成するのである。
従って、各ピンチが異なる複数列の光学格子が設けられ
たメインスケールと対応する各ピッチが異なる複数列の
参照光学格子が設けられたインデックススケールとをそ
の長手方向に相対移動させれば、例えば、2列の光学格
子とした場合には、90度位相づれさせた2個1組の1
列目の参照光学格子に対応された光電変換器からは位相
差θ1をもつ電気信号が出力され、同様に2列目の参照
光学格子に対応された光電変換器からは位相差θ2をも
つ電気信号が出力される。
たメインスケールと対応する各ピッチが異なる複数列の
参照光学格子が設けられたインデックススケールとをそ
の長手方向に相対移動させれば、例えば、2列の光学格
子とした場合には、90度位相づれさせた2個1組の1
列目の参照光学格子に対応された光電変換器からは位相
差θ1をもつ電気信号が出力され、同様に2列目の参照
光学格子に対応された光電変換器からは位相差θ2をも
つ電気信号が出力される。
ここに、絶対変位検出回路では、位相差θ、である電気
信号および位相差θ2である電気信号を適時サンプルホ
ールドするとともに組間位相差(θ2−θ1)を演算し
、この組間位相差(θ2−01)を利用して両スケール
の相対移動量の絶対値を求めることができる。
信号および位相差θ2である電気信号を適時サンプルホ
ールドするとともに組間位相差(θ2−θ1)を演算し
、この組間位相差(θ2−01)を利用して両スケール
の相対移動量の絶対値を求めることができる。
本発明の光学式変位検出装置の一実施例を図面を参照し
ながら詳細に説明する。
ながら詳細に説明する。
この実施例は、第1図ないし第4図に示され、本装置は
、複数列(2列)の光学格子が設けられたメインスケー
ル10と対応する参照光学格子が設けられたインデック
ススケール20と両スケール10.20を光照射するた
めの平行照明系40と両スケール10.20からの通過
光を受けて電気信号を出力する複数Mi(2jli)の
光電変換器30と、組間位手■差を求めて両スケール1
0.20の相対移動変位量の絶対値を検出できるよう形
成された絶対変位検出回路50とから構成されている。
、複数列(2列)の光学格子が設けられたメインスケー
ル10と対応する参照光学格子が設けられたインデック
ススケール20と両スケール10.20を光照射するた
めの平行照明系40と両スケール10.20からの通過
光を受けて電気信号を出力する複数Mi(2jli)の
光電変換器30と、組間位手■差を求めて両スケール1
0.20の相対移動変位量の絶対値を検出できるよう形
成された絶対変位検出回路50とから構成されている。
メインスケール10は第1図、第2肉に示すように断面
矩形のガラス材料11からなる細長薄板形状とされ、図
で下段側にピッチPが400 μmとされた第1の光学
格子13、上段側にピッチP!(=P−ΔP)が398
メ1mとされた第2の光学格子15が設けられている
。
矩形のガラス材料11からなる細長薄板形状とされ、図
で下段側にピッチPが400 μmとされた第1の光学
格子13、上段側にピッチP!(=P−ΔP)が398
メ1mとされた第2の光学格子15が設けられている
。
ここに、第1の光学格子13が検出範囲長しく80龍)
をN (=200)等分し、かつ第2の光学格子15を
N+1等分するよう形成されているから、 L=NP= (N+1)(P−ΔP)・・・・・・(1
)が成立する。上記数値はこの関係式において選択した
ものである。
をN (=200)等分し、かつ第2の光学格子15を
N+1等分するよう形成されているから、 L=NP= (N+1)(P−ΔP)・・・・・・(1
)が成立する。上記数値はこの関係式において選択した
ものである。
一方、インデックススケール20は、メインスケールI
Oと同様に断面矩形のガラス材料21からなる薄板形状
とされ、第2図に示したように下段側にメインスケール
10の第1の光学格子13と対応される第1の参照光学
格子23A(23B)と、上段側に第2の光学格子15
と対応される第2の参照光学格子25A(25B)とが
設けられている。
Oと同様に断面矩形のガラス材料21からなる薄板形状
とされ、第2図に示したように下段側にメインスケール
10の第1の光学格子13と対応される第1の参照光学
格子23A(23B)と、上段側に第2の光学格子15
と対応される第2の参照光学格子25A(25B)とが
設けられている。
そして、第1の参照光学格子23A(23B)のピッチ
はqであり、第2の参照光学格子25A(25B)のピ
ッチはq−Δqとされかつ長手方向にそれぞれ対応する
第1、第2の光学格子13゜15に対し90度位相をづ
らせた2組の参照光学格子23A、23B、25A、2
5Bが設けられている。なお、この実施例ではq=p、
Δq=ΔPとされている。
はqであり、第2の参照光学格子25A(25B)のピ
ッチはq−Δqとされかつ長手方向にそれぞれ対応する
第1、第2の光学格子13゜15に対し90度位相をづ
らせた2組の参照光学格子23A、23B、25A、2
5Bが設けられている。なお、この実施例ではq=p、
Δq=ΔPとされている。
次に、光電変換器30は2徂(30A、30B)を形成
するところの4つの光電素子33A。
するところの4つの光電素子33A。
33B、35A、35Bから形成され、各参照光学格子
23A、23B、25A、25Bに対応配設されるとと
もに各光電素子33A、33B、35A、35Bにはプ
リアンプ37A、37B、38A、38Bがそれぞれ接
続されている。また、両スケール10.20を挟む光電
変換器3oと反対側にはLEDからなる光源41とコリ
メータレンズ42とからなる両スケール10.20に平
行光を照射させるための平行照明系40が設けられ、こ
の平行照明系40はインデックススケール2o、光電変
換器30と所定の関係をもって一体的にメインスケール
10と図でX方向に相対移動可能とされている。
23A、23B、25A、25Bに対応配設されるとと
もに各光電素子33A、33B、35A、35Bにはプ
リアンプ37A、37B、38A、38Bがそれぞれ接
続されている。また、両スケール10.20を挟む光電
変換器3oと反対側にはLEDからなる光源41とコリ
メータレンズ42とからなる両スケール10.20に平
行光を照射させるための平行照明系40が設けられ、こ
の平行照明系40はインデックススケール2o、光電変
換器30と所定の関係をもって一体的にメインスケール
10と図でX方向に相対移動可能とされている。
ここに、第2図に見られるように第1の光学格子13と
第2の光学格子15との一致した点Tを原点とし、図で
右方向に座標すなわちメインスケール10に対スるイン
デックススケール20の相対移動変位量をXとすると、
光電素子33A、33Bは当該第1参照光学格子23A
、23Bに対応させて90度の位相差をもって配設して
いるから光電素子33Aの出力をa+ 、光電素子33
Bの出力をbl とすれば、両光型素子33A、33B
からの電気信号の原点からの位相差θ1はであるから と近似することができる。なお、(3)式の右辺第2項
の□は、原点Tにおいて透過光量が最大となるためその
補正項として導入したものである。
第2の光学格子15との一致した点Tを原点とし、図で
右方向に座標すなわちメインスケール10に対スるイン
デックススケール20の相対移動変位量をXとすると、
光電素子33A、33Bは当該第1参照光学格子23A
、23Bに対応させて90度の位相差をもって配設して
いるから光電素子33Aの出力をa+ 、光電素子33
Bの出力をbl とすれば、両光型素子33A、33B
からの電気信号の原点からの位相差θ1はであるから と近似することができる。なお、(3)式の右辺第2項
の□は、原点Tにおいて透過光量が最大となるためその
補正項として導入したものである。
同様に、光電素子35A、35Bの出力をそれぞれaZ
+ bt とすると光電素子35A、35Bからの電
気信号の位相差θ2は、 であるから と近似することができる。
+ bt とすると光電素子35A、35Bからの電
気信号の位相差θ2は、 であるから と近似することができる。
また、絶対変位検出回路50はCPU55を介しタッチ
センサ65から両スケール10.20の相対移動変位1
xを求めようとする時点に出力されるトリガによって、
各光電素子33A、33B。
センサ65から両スケール10.20の相対移動変位1
xを求めようとする時点に出力されるトリガによって、
各光電素子33A、33B。
35A、35Bの出力信号al r bI + a
t r b2をサンプルホールドするためのサンプル
ホールド回路51と、このサンプルホールド回路51か
らホールドした前記出力信号al + bI +
32 +b2の1つを順次に取り出すマルチプレクサ5
2と、このマルチプレクサ52で取り出したアナログ信
号たる出力信号をデジタル変換するA/D変換器53と
、コントロールデータバス54を介し上記サンプルホー
ルド回路51、マルチプレクサ52、A/D変換器53
に適時の指令等を行うとともに入力されたデータをもと
に後記の所定演算処理等を行う前記CPU55とから形
成され、またCPU55には、バス54を介し、タッチ
センサ65と表示手段60とが接続されている。
t r b2をサンプルホールドするためのサンプル
ホールド回路51と、このサンプルホールド回路51か
らホールドした前記出力信号al + bI +
32 +b2の1つを順次に取り出すマルチプレクサ5
2と、このマルチプレクサ52で取り出したアナログ信
号たる出力信号をデジタル変換するA/D変換器53と
、コントロールデータバス54を介し上記サンプルホー
ルド回路51、マルチプレクサ52、A/D変換器53
に適時の指令等を行うとともに入力されたデータをもと
に後記の所定演算処理等を行う前記CPU55とから形
成され、またCPU55には、バス54を介し、タッチ
センサ65と表示手段60とが接続されている。
さて、CPU55では、第4図の(B)に見られるよう
に最終的には X=X、 +ΔX、=np+ΔX t ”’ α
eとして原点Tからの絶対変位計Xを求めるのである。
に最終的には X=X、 +ΔX、=np+ΔX t ”’ α
eとして原点Tからの絶対変位計Xを求めるのである。
なお、第4図(B)の縦軸は式(3)の右辺〒2項との
関係でθ1−□としている。、:こに、X、はメインス
ケール10の第1の光学格子13における広範囲変位量
であって、第1の光学格子13のピッチPと1ffi過
したピッチPの数n(nは1以上の整数)との積とされ
、ΔX+ は第1の光学格子13のfi+1番目のピ
ンチP内での絶対的変位量である。
関係でθ1−□としている。、:こに、X、はメインス
ケール10の第1の光学格子13における広範囲変位量
であって、第1の光学格子13のピッチPと1ffi過
したピッチPの数n(nは1以上の整数)との積とされ
、ΔX+ は第1の光学格子13のfi+1番目のピ
ンチP内での絶対的変位量である。
つまり、本発明がメインスケール10に複数列(この実
施例では2列)の光学格子13.15を設けかつ各光学
格子13.15に対応させた各組の光電素子35B、3
5Aと33B、33Aとの組間位相差(θ2−θ、)を
利用してアブソリニ・−ト方式化したのは次の根拠によ
るものである。
施例では2列)の光学格子13.15を設けかつ各光学
格子13.15に対応させた各組の光電素子35B、3
5Aと33B、33Aとの組間位相差(θ2−θ、)を
利用してアブソリニ・−ト方式化したのは次の根拠によ
るものである。
すなわち、前記の(5)式は次の通り変換することがで
きる。
きる。
P−ΔP1
・・・ ・・・ (7)
そして、(7)式に(3)式と(2)式を代入するとt
X = −(θ2−θ、) ・・・・・・ (9)
2 π となる。
2 π となる。
しかして、CPU55では式(9)からメインスケール
lOの第1の光学格子13に対応する光電素子33A、
33Bからの出力信号aI+ bI の位相差θ1
と第2の光学格子15に対応する光電素子35A、35
Bからの出方信号a!+ b2の位相笈θ2を求めれ
ば検出範囲長しは決定されているから原点Tからの絶対
的変位1xを求めることができる。
lOの第1の光学格子13に対応する光電素子33A、
33Bからの出力信号aI+ bI の位相差θ1
と第2の光学格子15に対応する光電素子35A、35
Bからの出方信号a!+ b2の位相笈θ2を求めれ
ば検出範囲長しは決定されているから原点Tからの絶対
的変位1xを求めることができる。
ここに、θ、とθ2とは式(4)と(6)とから・・・
・・・ 叫 として求められる。
・・・ 叫 として求められる。
さらに、この実施例では一層精度を安定化させるためθ
1 と02とを独立させるのでなく、相関関数をもたせ
絶対的変位Xを求めるよう形成している。
1 と02とを独立させるのでなく、相関関数をもたせ
絶対的変位Xを求めるよう形成している。
θ2と01 とを独立して求めて単に式(9)に基づい
た減算をしたのでは、各光電素子33A、33B、35
A、35Bからの出力信号al+ bl+a2.b2
は各光学格子13.15のピッ+ P 。
た減算をしたのでは、各光電素子33A、33B、35
A、35Bからの出力信号al+ bl+a2.b2
は各光学格子13.15のピッ+ P 。
P−ΔP毎のサイクリックな波形となるため桁落が生し
る虞れがあるからである。
る虞れがあるからである。
そこで、新たにaとbとを定義する。
この八0υに式(21,(41を代入すれば、a=AB
sin(02−〇I) b=ABcos(θ2− θI ) −−tan (θ2− θ1 ) ・・
・・・・ 叩す ゆえに、θ2−θ+ =tar+−’ □・・・・
・・ 0邊す として、逆正接関数演算によって光電素子35A。
sin(02−〇I) b=ABcos(θ2− θI ) −−tan (θ2− θ1 ) ・・
・・・・ 叩す ゆえに、θ2−θ+ =tar+−’ □・・・・
・・ 0邊す として、逆正接関数演算によって光電素子35A。
35Bと33A、33Bとの紐間の位相差(θ。
−θ1)を求めるよう形成されている。
ところで、弐〇3から明らかの通り、組間位相差(θ2
−θI)は第[21(A)に見られるように検出範囲長
り内でθ〜2πまで変化するから、図で点Qまでの変位
:(° は同(B)に示す絶対値Xの近似値である。従
って、式(9)と同様に■ が成立する。
−θI)は第[21(A)に見られるように検出範囲長
り内でθ〜2πまで変化するから、図で点Qまでの変位
:(° は同(B)に示す絶対値Xの近似値である。従
って、式(9)と同様に■ が成立する。
さらに、たちかえって、第4図(B)に示したように両
スケール10.20の相対移動量の絶対値Xは広範囲変
位量Xl と狭範囲変位量ΔX、を決定しなければなら
ない(弐Q61参照)。
スケール10.20の相対移動量の絶対値Xは広範囲変
位量Xl と狭範囲変位量ΔX、を決定しなければなら
ない(弐Q61参照)。
ここに、式(31,Qωからメインスケール10の第1
の光学格子13のピンチP内での狭範囲変位量ΔX、を
定めることは可能だが、第1の光学格子13、第1の参
照光学格子23A、23B、光電素子33A、33Bに
基づく位相差θ1はピッチPの周期関数であるからいず
れ(原点Tから数えて何番目)のピッチ内であるかは特
定することができない。
の光学格子13のピンチP内での狭範囲変位量ΔX、を
定めることは可能だが、第1の光学格子13、第1の参
照光学格子23A、23B、光電素子33A、33Bに
基づく位相差θ1はピッチPの周期関数であるからいず
れ(原点Tから数えて何番目)のピッチ内であるかは特
定することができない。
そこで、上記位相差θ、を□以上〜(2π+□)以下に
位相づれさせた値θ1゛に変換する、すると式(3)に
類似的に とおけば、 が成立する。
位相づれさせた値θ1゛に変換する、すると式(3)に
類似的に とおけば、 が成立する。
一方、原点Tから当該時点までに通過した第1の光学格
子13のピッチPの数nは、第4図の関係からX’ /
Pを越えない数でかつ整数であること明らかである。
子13のピッチPの数nは、第4図の関係からX’ /
Pを越えない数でかつ整数であること明らかである。
ただし、例外的に第4図において、X゛の測定分解能Δ
Lが同(B)で2π−0に位相が変化する領域を含む場
合であってΔX、が2πよりOに整数に1を加えればよ
い。
Lが同(B)で2π−0に位相が変化する領域を含む場
合であってΔX、が2πよりOに整数に1を加えればよ
い。
ここに、式Oaの通りX’=f(θ2−01)の関数で
あり、P、ΔLは設計値で定められている値であり、か
つθ1゛ はθ、から一義的に位相をづらせて求められ
た。
あり、P、ΔLは設計値で定められている値であり、か
つθ1゛ はθ、から一義的に位相をづらせて求められ
た。
従って、n=f (θ2−θ1.八Xt)の関数として
求めることができる。
求めることができる。
以上からcpus s内で前記式QQのX=np+ΔX
、を演算することによって、両スケール10゜20の相
対移動変位量の絶対(+i! Xを求めることができる
。
、を演算することによって、両スケール10゜20の相
対移動変位量の絶対(+i! Xを求めることができる
。
次に、この実施例の作用について説明する。
例えば、工作機械のベント等静止体にメインスケール1
0を固定し、平行照明系40、光電変換器30とともに
一体化してインデックススケール20をスライダ等可動
体に固定する。従って、工作機械を運転することによっ
て、メインスケール10とインデックススケール20と
が相対移動すると、各光電素子33A、33B、35A
、35Bからは略正弦波の電気信号al+ bl+
aZ+btが出力され、信号al+ bl と32
+ bZ とはサイクルが光学格子13.15のピン
チ差相当分だけ異なり、かつ信号a、とす、およびa2
とb2とはそれぞれ90度の位相差を生しる。
0を固定し、平行照明系40、光電変換器30とともに
一体化してインデックススケール20をスライダ等可動
体に固定する。従って、工作機械を運転することによっ
て、メインスケール10とインデックススケール20と
が相対移動すると、各光電素子33A、33B、35A
、35Bからは略正弦波の電気信号al+ bl+
aZ+btが出力され、信号al+ bl と32
+ bZ とはサイクルが光学格子13.15のピン
チ差相当分だけ異なり、かつ信号a、とす、およびa2
とb2とはそれぞれ90度の位相差を生しる。
ここで、第3図に示したように両スケール10゜20の
相対移動変位量の絶対値を表示手段60に表示または制
御装置(図示省略)にフィードバック信号として出力し
たいときに作動するタッチセンサ65からのトリガが入
力される(ステップ10)と、CPU55からコントロ
ールデータバス54を介しサンプルホールド回路51ヘ
ホールド指令が発せられる。
相対移動変位量の絶対値を表示手段60に表示または制
御装置(図示省略)にフィードバック信号として出力し
たいときに作動するタッチセンサ65からのトリガが入
力される(ステップ10)と、CPU55からコントロ
ールデータバス54を介しサンプルホールド回路51ヘ
ホールド指令が発せられる。
サンプルホールド回路51はプリアンプ37A。
37B、38A、38Bの出力段側からアナログ的な電
気信号al+ t)1 と22+ btをホールド
(ステップ12)する。
気信号al+ t)1 と22+ btをホールド
(ステップ12)する。
次いで、ステップ14の如くマルチレクサ52がCPU
55からの指令に基づいて電気信号a。
55からの指令に基づいて電気信号a。
、b、とat+ b2ををり込み、A/D変換器53
でデジタル信号に変換した後CPU55に入力される。
でデジタル信号に変換した後CPU55に入力される。
以下、CPU55では、前記式〇l 、α9に基づいて
第1の光学格子13に相応する光電素子33A。
第1の光学格子13に相応する光電素子33A。
33Bからの位相差θ1と狭範囲変位量ΔX、とを算出
する(ステップ16)、つまり、第1の光学格子13の
当該ピッチP内での変位量を絶対値として求める。もと
より、位相差θ、はいずれかのピンチ内であるかを特定
するために□以上〜(2π+□)以下の値であるθ1゛
にC2U55内で変換されている。
する(ステップ16)、つまり、第1の光学格子13の
当該ピッチP内での変位量を絶対値として求める。もと
より、位相差θ、はいずれかのピンチ内であるかを特定
するために□以上〜(2π+□)以下の値であるθ1゛
にC2U55内で変換されている。
また、ステップ18では、弐aυ、03に基づいた定義
信号a、bとこれらと光電素子35Δ、35Bと33A
、33Bとの各位相差に基づく組間位相差θ2−θ1
との正接関数を定め、逆正接関数演算して組間位相差θ
2−θ1を算出する。
信号a、bとこれらと光電素子35Δ、35Bと33A
、33Bとの各位相差に基づく組間位相差θ2−θ1
との正接関数を定め、逆正接関数演算して組間位相差θ
2−θ1を算出する。
ここに、前記n=f (θ2−θ1.ΔXI)に基づ
し゛て第4図に相当するそれまでに通過した第1の光学
格子13のピンチPの数nを求める(ステップ20)。
し゛て第4図に相当するそれまでに通過した第1の光学
格子13のピンチPの数nを求める(ステップ20)。
従って、ステップ22において、弐〇〇を演算すること
により両スケール10.20の相対移動変位量の絶対値
Xを求める。この絶対値Xは表示手段60に表示され、
必要によって外部へ出力される。ここに、タッチセンサ
65で指定した所望時点の絶対変位量を検出、表示する
ことができる。
により両スケール10.20の相対移動変位量の絶対値
Xを求める。この絶対値Xは表示手段60に表示され、
必要によって外部へ出力される。ここに、タッチセンサ
65で指定した所望時点の絶対変位量を検出、表示する
ことができる。
この実施例では、メインスケール1oの第1の光学格子
13のピッチPを400 μm、第1の光学格子13と
第2の光学格子15との関係を検出範囲長L = 80
鵞1として定め、かつN=200に設定しているから検
出範囲長(L = 8 o mws )以内を2μmの
分解能をもって絶対値検出できる。
13のピッチPを400 μm、第1の光学格子13と
第2の光学格子15との関係を検出範囲長L = 80
鵞1として定め、かつN=200に設定しているから検
出範囲長(L = 8 o mws )以内を2μmの
分解能をもって絶対値検出できる。
従って、この実施例によれば、メインスケール10にそ
れぞれピンチ(P、P−ΔP)の異なる複数列の光学格
子(13,15)を設け、これら光学格子(13,15
)との関係から求めた組間位相差(θ2−θ1)を利用
して検出範囲長(L)内でメインスケール10とインデ
ックススケール20との相対移動変位量を絶対値として
検出することができる。ここに、アブソリュート方式の
光学式変位検出装置を確立できるから精度的、運用技術
的にも産業上の利用性を飛躍的に拡大することができる
。
れぞれピンチ(P、P−ΔP)の異なる複数列の光学格
子(13,15)を設け、これら光学格子(13,15
)との関係から求めた組間位相差(θ2−θ1)を利用
して検出範囲長(L)内でメインスケール10とインデ
ックススケール20との相対移動変位量を絶対値として
検出することができる。ここに、アブソリュート方式の
光学式変位検出装置を確立できるから精度的、運用技術
的にも産業上の利用性を飛躍的に拡大することができる
。
このことは、途次におけるノイズの影響もなくその累積
もないから安定した所定精度が保障され、また、連続的
追従を要しないから応答速度が高く迅速測定を図れ、さ
らに、所定のあるいは偶然の電源遮断があったとしても
都度の原点合せ作業をすることなくただちに再測定する
ことができる等、従来のインクレメンタル方式の欠点並
びに不利不便を一掃するということを意味するものであ
る。
もないから安定した所定精度が保障され、また、連続的
追従を要しないから応答速度が高く迅速測定を図れ、さ
らに、所定のあるいは偶然の電源遮断があったとしても
都度の原点合せ作業をすることなくただちに再測定する
ことができる等、従来のインクレメンタル方式の欠点並
びに不利不便を一掃するということを意味するものであ
る。
また、メインスケール10に設けた複数列の光学格子(
13,15)は、ガラス板上にエツチング手法等によっ
て物理的に固定化されたものとされ、かつ異なるピンチ
の光学格子間に関する組間位相差と当該−つの光学格子
内に関する位相差とを利用して変位量の絶対値を検出す
るものと形成されているので、例えば従来インクレメン
タル方式の装置においてIピンチ内に生ずる波形を延抗
分割等による電気的細分化していた場合と異なり、両ス
ケール10.20すなわち採用する工作機械との対応整
合が執られたものであるから、真の高精度測定を保障す
ることができる。
13,15)は、ガラス板上にエツチング手法等によっ
て物理的に固定化されたものとされ、かつ異なるピンチ
の光学格子間に関する組間位相差と当該−つの光学格子
内に関する位相差とを利用して変位量の絶対値を検出す
るものと形成されているので、例えば従来インクレメン
タル方式の装置においてIピンチ内に生ずる波形を延抗
分割等による電気的細分化していた場合と異なり、両ス
ケール10.20すなわち採用する工作機械との対応整
合が執られたものであるから、真の高精度測定を保障す
ることができる。
さらに、組間位相差を求めるに両光学格子13゜15に
関与した各位相差を減算して算出するのみならず逆正接
関数演算によって求めることができるよう形成されてい
るから両光学格子13.15との相関関係を密接不可分
とすることによってt行啓のない検出ができる。この点
からも高精度が保障される。
関与した各位相差を減算して算出するのみならず逆正接
関数演算によって求めることができるよう形成されてい
るから両光学格子13.15との相関関係を密接不可分
とすることによってt行啓のない検出ができる。この点
からも高精度が保障される。
なお、この実施例では、メインスケールlOの第1の光
学格子i3のピッチPが400 μm1第2の光学格子
15のピッチP−ΔPが398 μmであり、検出範囲
長L(80m−)の範囲内で分割数Nを200として2
μmの分解能で検出できるよう形成したが、これらの数
値的事項は任意的に選択することができ、分解能0.1
μm以下とすることもできる。この意味においてメイ
ンスケール10には2列の光学格子13.15を設けた
が3列以上でも同様にできる。3列以上とすれば検出範
囲長りを大きくかつ様々に選択することが可能となる。
学格子i3のピッチPが400 μm1第2の光学格子
15のピッチP−ΔPが398 μmであり、検出範囲
長L(80m−)の範囲内で分割数Nを200として2
μmの分解能で検出できるよう形成したが、これらの数
値的事項は任意的に選択することができ、分解能0.1
μm以下とすることもできる。この意味においてメイ
ンスケール10には2列の光学格子13.15を設けた
が3列以上でも同様にできる。3列以上とすれば検出範
囲長りを大きくかつ様々に選択することが可能となる。
同様に、インデックススケール20の参照光学格子35
A、35Bもピッチqをメインスケール10の第1の光
学格子13のピンチと同じとしたが対応する光学格子の
ピッチP1に対しピッチを1/n(nは1以上の整数)
とした場合にも本発明は適用され、こうするとメインス
ケール10の光学格子13.15に改変を加えずして分
解能を荷められる。また、各参照光学格子23A、23
B、25A、25Bをそれぞれ90度位相づれさせた各
2個から形成したが、要は対応するメインスケール10
の光学格子13.i5との関係において位相差を生しさ
せることができればピッチqが微妙に異なるいわゆるバ
ーニヤ方式の参照光学格子を採用することによって各1
個と形成することもできる。さらに、光学格子13の上
下に光学格子15を配設して上下の位相差の平均をとる
ことにより、インデックススケール20のメインスケー
ルlOに対する傾きの補正も可能である。
A、35Bもピッチqをメインスケール10の第1の光
学格子13のピンチと同じとしたが対応する光学格子の
ピッチP1に対しピッチを1/n(nは1以上の整数)
とした場合にも本発明は適用され、こうするとメインス
ケール10の光学格子13.15に改変を加えずして分
解能を荷められる。また、各参照光学格子23A、23
B、25A、25Bをそれぞれ90度位相づれさせた各
2個から形成したが、要は対応するメインスケール10
の光学格子13.i5との関係において位相差を生しさ
せることができればピッチqが微妙に異なるいわゆるバ
ーニヤ方式の参照光学格子を採用することによって各1
個と形成することもできる。さらに、光学格子13の上
下に光学格子15を配設して上下の位相差の平均をとる
ことにより、インデックススケール20のメインスケー
ルlOに対する傾きの補正も可能である。
また、検出装置自体を、平行照明系を用いた透過型とし
たが第5図に示すような反射型としてもよく、直線型で
なくロータリー型としても本発明は適用される。また、
変位検出時を特定するためにタッチセンサ65を用いた
がこれに限定されない、また、一定のサンプリング時間
毎に絶対変位検出回路50で変位検出できるようするこ
ともできる。
たが第5図に示すような反射型としてもよく、直線型で
なくロータリー型としても本発明は適用される。また、
変位検出時を特定するためにタッチセンサ65を用いた
がこれに限定されない、また、一定のサンプリング時間
毎に絶対変位検出回路50で変位検出できるようするこ
ともできる。
さらに、検出範囲長しはメインスケール10とインデッ
クススケール20との相対移動方向に対する長さである
が、本検出装置は変位を検出するものであって測定対象
を長さ、幅等に限定することでなく、圧力、重量等であ
ってもよいものである。
クススケール20との相対移動方向に対する長さである
が、本検出装置は変位を検出するものであって測定対象
を長さ、幅等に限定することでなく、圧力、重量等であ
ってもよいものである。
もとより、メインスケールにバイナリコードやグレイコ
ードを用いてアブソリュート方式を具現化した場合と比
較すれば、本発明の場合、格子の列数は著しく少なくて
済み、ピッチも狭小とできかつダイナミーツクレンジ(
検出範囲/分解能)の高く、その実用的価値において格
段の差異あることが理解される。さらに、検出範囲長し
のill!過ポイントを計数し、複数の検出範囲長りに
わたる長大化検出をすることも容易である。
ードを用いてアブソリュート方式を具現化した場合と比
較すれば、本発明の場合、格子の列数は著しく少なくて
済み、ピッチも狭小とできかつダイナミーツクレンジ(
検出範囲/分解能)の高く、その実用的価値において格
段の差異あることが理解される。さらに、検出範囲長し
のill!過ポイントを計数し、複数の検出範囲長りに
わたる長大化検出をすることも容易である。
本発明は、量分解能、高精度で検出範囲の広いアブソリ
ュート方式の光学式変位検出装置を提供できるという効
果を有する。
ュート方式の光学式変位検出装置を提供できるという効
果を有する。
第1図は本発明に係る光学式変位検出装置の一実施例を
示す全体構成図、第2図は同しく要部拡大図、第3図は
同じく絶対変位量を演算するためのフローチャート、第
4図は同じく波形説明図、第5[12Iは同しく他の実
施例を示す4F1要図および第6図は従来の光学式変位
検出装置の概略構成図である。 10・・・メインスケール、13・・・第1の光学格子
、15・・・第2の光学格子、20・・・インデックス
スケール、23・・・第1の参照光学格子、25・・・
第2の参照光学格子、30・・・光電変換器、40・・
・平行照明系、50・・・絶対変位検出回路。
示す全体構成図、第2図は同しく要部拡大図、第3図は
同じく絶対変位量を演算するためのフローチャート、第
4図は同じく波形説明図、第5[12Iは同しく他の実
施例を示す4F1要図および第6図は従来の光学式変位
検出装置の概略構成図である。 10・・・メインスケール、13・・・第1の光学格子
、15・・・第2の光学格子、20・・・インデックス
スケール、23・・・第1の参照光学格子、25・・・
第2の参照光学格子、30・・・光電変換器、40・・
・平行照明系、50・・・絶対変位検出回路。
Claims (4)
- (1)複数列の光学格子が設けられるとともに各列毎の
光学格子ピッチが異なるものと形成されているメインス
ケールと、 前記メインスケールの各列光学格子に対応させた複数列
の参照光学格子が設けられ前記メインスケールと相対変
位可能とされたインデックススケールと、 前記両スケールに平行光を照射するための平行照明系と
、 前記メインスケールの各列光学格子毎に2個1組として
配設され、各組毎に前記メインスケールを透過した透過
光または、前記メインスケールから反射された反射光を
受けて90度位相のずれた電気信号を出力する複数組の
光電変換器と、前記光電変換器の各組からそれぞれ出力
される電気信号間の組間位相差を求めるとともにこの組
間位相差を利用して前記メインスケールとインデックス
スケールとの相対移動変位量の絶対値を検出できるよう
形成された絶対変位検出回路とを備えてなる光学式変位
検出装置。 - (2)前記特許請求の範囲第1項において、前記インデ
ックススケールの各参照光学格子が、前記メインスケー
ルの各列毎の光学格子ピッチをP_1、P_2、・・・
としたとき当該光学格子ピッチの1/n(n=1、2、
3、・・・)のピッチとして前記メインスケールの光学
格子ピッチに対応されていることを特徴とする光学式変
位検出装置。 - (3)前記特許請求の範囲第1項または第2項において
、 前記絶対変位検出回路が、前記相対移動変位量の絶対値
(X)を前記組間位相差を変数として求めた広範囲変位
量(X_L)と前記メインスケールのいずれか1つの列
の光学格子に対応された当該組の光電変換器から出力さ
れる前記電気信号を変数として求めた当該光学格子の1
ピッチ内での狭範囲変位量(ΔX_L)との和として検
出できるよう形成されている光学式変位検出装置。 - (4)前記特許請求の範囲第1項ないし第3項のいずれ
かにおいて、 前記絶対変位検出回路が、前記組間位相差を2組の前記
光電変換器から出力される電気信号から求めた値を前記
組間位相差の正接関数とし、この正接関数を逆正接演算
して算出するよう形成されている光学式変位検出装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20471086A JPS6358211A (ja) | 1986-08-29 | 1986-08-29 | 光学式変位検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20471086A JPS6358211A (ja) | 1986-08-29 | 1986-08-29 | 光学式変位検出装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6358211A true JPS6358211A (ja) | 1988-03-14 |
JPH0412816B2 JPH0412816B2 (ja) | 1992-03-05 |
Family
ID=16495030
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20471086A Granted JPS6358211A (ja) | 1986-08-29 | 1986-08-29 | 光学式変位検出装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6358211A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014190905A (ja) * | 2013-03-28 | 2014-10-06 | Canon Inc | 位置検出手段 |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2022102138A (ja) | 2020-12-25 | 2022-07-07 | 学校法人帝京大学 | 太陽電池モジュールの異常判定システムおよび太陽電池モジュールの異常判定方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5023618A (ja) * | 1973-07-02 | 1975-03-13 | ||
JPS5419773A (en) * | 1977-07-01 | 1979-02-14 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Interpolation method |
JPS56140205A (en) * | 1980-03-20 | 1981-11-02 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Tester for photoelectric digital length and angle measuring systems |
-
1986
- 1986-08-29 JP JP20471086A patent/JPS6358211A/ja active Granted
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPS5023618A (ja) * | 1973-07-02 | 1975-03-13 | ||
JPS5419773A (en) * | 1977-07-01 | 1979-02-14 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Interpolation method |
JPS56140205A (en) * | 1980-03-20 | 1981-11-02 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Tester for photoelectric digital length and angle measuring systems |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2014190905A (ja) * | 2013-03-28 | 2014-10-06 | Canon Inc | 位置検出手段 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0412816B2 (ja) | 1992-03-05 |
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