JPS6365315A - Optical displacement detecting device - Google Patents
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- JPS6365315A JPS6365315A JP20919386A JP20919386A JPS6365315A JP S6365315 A JPS6365315 A JP S6365315A JP 20919386 A JP20919386 A JP 20919386A JP 20919386 A JP20919386 A JP 20919386A JP S6365315 A JPS6365315 A JP S6365315A
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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、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移動量を検
出する光学式変位検出装置に係り、特に、対応する光学
格子の相対移動速度の高速化を図ったものである。Detailed Description of the Invention [Industrial Application Field] The present invention relates to an optical system that has an optical grating that is relatively movable and that processes transmitted light or reflected light from the optical grating in a predetermined manner to detect the amount of relative movement. The present invention relates to a displacement detection device, and is particularly designed to increase the relative movement speed of a corresponding optical grating.
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。Optical displacement detection devices are widely used as a means for determining physical specifications (length, pressure, weight) by detecting relative displacement between independent objects.
従来、かかる光学式変位検出装置の一般的な透過型の構
造は、第9図に示す構成とされていた。Conventionally, a typical transmission type structure of such an optical displacement detection device has been shown in FIG.
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10と対応する参照光学格子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、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20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
透過した透過光を光電変換器2A、2Bを介し信号検出
回路7で所定処理することによって、例えば、1μm/
1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2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。That is, a main scale 10 having optical gratings 13 aligned in the longitudinal direction and an index scale 20 having corresponding reference optical gratings 3A and 3B are attached to each of two opposing objects (for example, a stationary body and a movable body). attachment,
The light source 1 and photoelectric converters 2A and 2B are connected to both scales 10.
A signal detection circuit 7 is disposed integrally with the index scale 20 with 20 in between, and selectively includes a waveform shaping circuit, a dividing circuit, a direction discrimination circuit, etc. for processing the output signals from both photoelectric converters 2A and 2B. , a reversible counting counter 8, and a display means 9 consisting of a digital display or the like. Therefore, if the index scale 20 and main scale 10, which are integrated with the light source 1 and the photoelectric converters 2A and 2B, are moved relative to each other in the direction of the arrow For example, 1 μm/
It was possible to count one pulse of a digital signal with the counter 8, display the amount of displacement on the display means 9, and further output an electric signal corresponding to the amount of displacement to other equipment. The reason why the two photoelectric converters 2A and 2B are provided is to demonstrate the direction discrimination function, and also to enable them to be used to double the resolution depending on the division method. Met.
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。However, the conventional optical displacement detection device described above has the following problems.
すなわち、前記光電変換器2A、2r3の出力は、例え
ば光学格子13のスリット幅を10μm、そのピッチを
20μmとすれば20μIn相当長を一周期とする略正
弦波(数学的正弦波と限らない意味である)形状のサイ
クリック信号となる。両スケール10,20の相対移動
変位量はインクレメンタル値として検出される。従って
、両スケール10.20の任意の点に至る相対移動変位
量を検出し表示するには前記信号検出回路7、カウンタ
8等を両スケール10.20が相対移動している間は中
断することなく追従作動する必要がある。That is, if the slit width of the optical grating 13 is 10 μm and the pitch is 20 μm, the output of the photoelectric converters 2A and 2r3 is a substantially sine wave (not necessarily a mathematical sine wave) with one period having a length equivalent to 20 μIn. ) becomes a cyclic signal of the shape. The amount of relative displacement between both scales 10 and 20 is detected as an incremental value. Therefore, in order to detect and display the amount of relative displacement of both scales 10.20 to any point, the signal detection circuit 7, counter 8, etc. must be interrupted while both scales 10.20 are moving relative to each other. It is necessary to perform follow-up operation without any interference.
しかも両スケール10.20が任意の点で静止しても前
記例の場合でいえば1μm/パルスの規定最小分解能が
得られるよう機能させなければならない。ここに、変位
検出装置は、特に信号検出回路7、カウンタ8等は、汎
用性、経済性等の問題から最高応答速度が制約されると
ころ変位検出装置の運用(両スケール10.20の相対
移動速度の選定)は利用者側の任意的問題である。従っ
て、利用上の実際において前記最高応答速度を越えた速
度で運転される場合が生じる。結果として不良品を生む
虞れがあった。かかる問題は瞬時かつ一時的な運転にお
いても生じるが高分解能ゆえにその途次において計数ミ
スが生じたか否かを作業者が判断できないので技術的重
要事項と認識されその解決が強く望まれていた。第8図
に示す反射型の光学式変位検出装置においても同様な問
題がある。Moreover, even if both scales 10 and 20 are stationary at any point, they must function so that the specified minimum resolution of 1 μm/pulse in the case of the above example can be obtained. Here, the maximum response speed of the displacement detection device, especially the signal detection circuit 7, counter 8, etc., is limited due to issues such as versatility and economical efficiency. (Selection of speed) is an arbitrary matter on the user's side. Therefore, in actual use, there may be cases where the device is operated at a speed exceeding the maximum response speed. As a result, there was a risk of producing defective products. Although such problems occur even during instantaneous and temporary operations, the high resolution makes it impossible for operators to determine whether or not a counting error has occurred during the process, so it has been recognized as an important technical issue and its solution has been strongly desired. A similar problem exists in the reflective optical displacement detection device shown in FIG.
さらに、例えば、工作機械の自動う−−ブル送り制御の
フィードハック信号検出用に供するときには、その相対
移動変位量が予め明碍であるにもかかわらず上記理由か
ら最終目標位置まで高速送りができないという事態を招
いていた。Furthermore, for example, when used for detecting a feed hack signal for automatic web feed control of a machine tool, high-speed feed to the final target position is not possible for the above reasons even though the amount of relative displacement is clear in advance. This was causing the situation.
本発明は、上記従来の問題点を除去すべく鑑みなされた
もので高精度を保障しつつ高速運転可能な光学式変位検
出装置を擾供することを[1的とする。The present invention has been made in view of eliminating the above-mentioned problems of the conventional art, and has one object to provide an optical displacement detecting device that can operate at high speed while ensuring high accuracy.
〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明は、
最小分解能で検出するための第1の光学格子とこの第1
の光学格子とピッチの異なる第2の光学格子をメインス
ケールに設け、少なくとも第1の光学格子に関与さゼて
ノλ準範囲長内における変位を計数するための第1の計
数回路と、第1および第2の光学格子に関与さ−l−ζ
基1−範囲長を単位とする変位を検出する第2の計数回
路とを設レノ、両計数回路の計数値をもってメインスケ
ールとインデックススケールとの相対移動変位量を求め
ることができるよう構成して高速化を図ろうとするもの
である。[Means and effects for solving the problems] The present invention has the following features:
a first optical grating for detection with minimum resolution;
a second optical grating having a different pitch from the optical grating of the main scale; 1 and the second optical grating involved -l-ζ
Base 1 - A second counting circuit for detecting displacement in units of range length is constructed, and configured so that the amount of relative displacement between the main scale and the index scale can be determined from the counted values of both counting circuits. This is an attempt to speed up the process.
これがため、2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2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
可能とされたインテ・ツクススケールと、
前記両スケールに光照射するための照明系と、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9
0度位相のずれた電気信号を出力する2組の光電変換器
と、前記光電変換器の少なくとも1組から出力される電
気信号を人力として基準範囲長内の変位を計数するため
の第1の計数回路と前記光電変換器の2組から出力され
る電気信号を入力として基t1−範囲長を単位とした変
位を計数するだめの第2の、il数向路とを含み形成さ
れ第1および第2の31数回路の両計数値をもって前記
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h(を求める変位検出回路とを備えた構成とし前記「
1的を達成するのである。For this reason, there is a main scale in which two rows of optical gratings are provided and each row has a different optical grating pitch, and two rows of reference optical gratings corresponding to each row of optical gratings on the main scale. an intelligence scale provided and movable relative to the main scale; an illumination system for irradiating light to both scales; and a set of two optical gratings arranged for each row of optical gratings of the main scale, Each group receives transmitted light that has passed through the main scale or reflected light that has been reflected from the main scale.
two sets of photoelectric converters that output electrical signals with a phase shift of 0 degrees; and a first set of photoelectric converters that output electric signals output from at least one set of the photoelectric converters to count displacement within a reference range length using human power. a second, il number direction path for counting the displacement in units of base t1-range length by inputting electric signals outputted from the two sets of the counting circuit and the photoelectric converter; and a displacement detection circuit that calculates the relative movement displacement h (between the main scale and the index scale) using both count values of the second 31 number circuit.
It achieves the first goal.
従って、メインスケールとインデックススケールとを相
対移動させれば変位検出回路の第1の81数回路が最小
分解能で両スケールの相対移動変位量を計数するととも
に第2の計数回路が設定された基準範囲長を単位として
両スケールの相対移動変位量を計数する。ここに、複数
基中範囲長にわたる両スケールの相対移動があるときに
は第2の計数回路でのいわゆる荒い旧数イ直と基t1東
範囲長内におけるいわば端数的要素としCの第1の計数
回路におけるいわゆる細い計数値とを加えれば、両スケ
ールの相当移動変位量を第1の4数回路で規定される最
小分解能で検出できるから高精度が保障されかつ途中の
基準範囲長内での第1の計数回路での旧数イ1^はその
精度を問わないものとすることが可能ゆえ全体として高
速化が達成される。Therefore, when the main scale and the index scale are moved relative to each other, the first 81 number circuit of the displacement detection circuit will count the relative movement displacement amount of both scales with the minimum resolution, and the second counting circuit will count the relative movement displacement amount of both scales with the minimum resolution. Count the relative displacement of both scales in units of length. Here, when there is a relative movement of both scales over the middle range length of multiple bases, the second counting circuit uses the so-called rough old number I, and the first counting circuit of C treats it as a so-called fractional element within the base t1 east range length. By adding the so-called thin count value in , the equivalent movement displacement amount of both scales can be detected with the minimum resolution specified by the first four-number circuit, so high accuracy is guaranteed, and the first count value within the intermediate reference range length can be detected. Since the accuracy of the old number i1^ in the counting circuit can be ignored, speeding up can be achieved as a whole.
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。An embodiment of the optical displacement detection device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
この実施例は、第1図ないし第6図に示され、本装置は
、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第2、第3のスケール
を兼ねる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非平行照明系40と両スケール
10.20からの反射光を受けて電気信号を出力する2
Miの光電変換器30と、基準範囲長内の変位を計数す
る第1の計数回路50と基準範囲長を単位とする変位を
計数する第2の計数回1190とを含み形成された変位
検出回路100とから構成され、全体として反射型のア
ブソリュート方式の光学式変位検出装置とされている。This embodiment is shown in FIGS. 1 to 6, and the apparatus includes a main scale 10 provided with two rows of optical gratings, and second and third scales provided with corresponding reference optical gratings. Index scale 20 that also serves as both scales 10.
a non-parallel illumination system 40 for irradiating the scale 20 with light; and a non-parallel illumination system 40 for irradiating the scale 20 with light;
Mi photoelectric converter 30, a first counting circuit 50 that counts displacement within a reference range length, and a second counting circuit 1190 that counts displacement in units of reference range length. 100, and the whole is a reflection type absolute type optical displacement detection device.
メインスケールlOは第1図、第2図に示すように断面
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 pmとされた第1の光学
格子13が、上段側にピッチP2 (−P−ΔP)が3
98 μmとされた第2の光学格子15が設けられてい
る。As shown in FIGS. 1 and 2, the main scale IO is in the form of an elongated thin plate made of a glass material 11 with a rectangular cross section, and a first optical grating 13 with a pitch P of 400 pm is located on the lower side of the figure. Pitch P2 (-P-ΔP) is 3 on the upper stage side.
A second optical grating 15 of 98 μm is provided.
ここに、第1の光学格子13が基準範囲長しく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がら、
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”t’l択し
たものである。Here, the first optical grating 13 has a reference range longer than 80 mm)
is divided into N (-200) equal parts, and the second optical grating 15 is divided into N (-200) equal parts.
Although it is formed to divide into +1 equal parts, L=NP-(N+1)(P-ΔP)...(1)
holds true. The above-mentioned numerical values are selected from this relational expression.
一方、インデックススケール20は、光学系ト、メイン
スケール10に前置きされる第2のスケールと後置きさ
れる第3のスケールとを兼ねるものとされ、メインスケ
ール10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1o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。On the other hand, the index scale 20 serves as a second scale placed in front of the main scale 10 and a third scale placed after the optical system. As shown in FIG. 2, there is a first reference optical grating 23A (23B) corresponding to the first optical grating 13 of the main scale 1o on the lower side, and a second reference optical grating on the upper side. A second reference optical grating 25A (25B) corresponding to the optical grating 15
) is provided.
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=2P
、Δq−2ΔPとされている(ただし、第1図、第2図
では作図便宜上、Q=Pとして図示している)。The pitch of the first reference optical grating 23A (23B) is q, the pitch of the second reference optical grating 25A (25B) is q-Δq, and the corresponding first and second optical gratings in the longitudinal direction are Two sets of reference optical gratings 23A, 23B, 25A, 2 whose phase is shifted by 90 degrees with respect to the optical grating 13°15
5B is provided. Note that in this example, q=2P
, Δq-2ΔP (However, in FIGS. 1 and 2, for convenience of drawing, Q=P is shown).
次に、2mの光電変換器30 (30A、30B)は4
つの光電素子33A、33B、35A。Next, the 2m photoelectric converter 30 (30A, 30B) is 4
photoelectric elements 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3
3A、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I、EDからなる光源41A、41Bと単なる集
光を目的とするレンズ42A、42Bとからなる両スケ
ール10.20に非平行光を照射させるための非平行照
明系40が設けられ、この非平行照明系4oはインデッ
クススケール20、光電変換器3oと所定の関係をもっ
て一体的にメインスケール1oと図でX方向に相対移動
可能とされている。35B, each reference optical grating 23A, 23B,
25A and 25B, and each photoelectric element 3
3A, 33B, 35A, 35B have preamplifier 37A,
37B, 38A, and 38B are connected to each other. In addition, on the opposite side of the photoelectric converter 3o with both scales 10°20 in between, there are light sources 41A and 41B consisting of I and ED, and lenses 42A and 42B for the purpose of simply condensing light, which are non-parallel to both scales 10 and 20. A non-parallel illumination system 40 for irradiating light is provided, and the non-parallel illumination system 4o is movable relative to the main scale 1o integrally with the index scale 20 and the photoelectric converter 3o in a predetermined relationship in the X direction in the figure. It is said that
そして、インデックススケール2oと非平行照明系40
との間にはハーフミラ−45が介装されている。従って
、非平行照明系4oがら照射された非平行光は、まずハ
ーフミラ−45と第2のスケールとしてのインデックス
スケール2を透過してメインスケール10に照射され、
メインスケール10からの反射光は第3のスケールとし
てのインデックススケール20を透過した後ハーフミラ
−45で45度方向に屈折され光電変換器3oに入射さ
れるよう形成されている。また、」1胆の通りメインス
ケール10の第1の光学格子13のピッチがP、インデ
ックススケール(第2および第3のスケール)20の第
1の参照光学格子23A(23B)のピッチがq(=2
p)であり、非平行照明系40からの光の波長をλとす
れば両スケール10.20間のクリアランスCは、C#
riP2/λ(nは1以上の整数)で求められるから数
十μmと非常に大きくすることができる。Then, the index scale 2o and the non-parallel illumination system 40
A half mirror 45 is interposed between the two. Therefore, the non-collimated light irradiated from the non-collimated illumination system 4o first passes through the half mirror 45 and the index scale 2 as the second scale, and is irradiated onto the main scale 10.
The reflected light from the main scale 10 is configured to pass through an index scale 20 as a third scale, then be refracted in a 45 degree direction by a half mirror 45, and enter the photoelectric converter 3o. In addition, as shown in FIG. =2
p), and if the wavelength of the light from the non-parallel illumination system 40 is λ, the clearance C between both scales 10.20 is C#
Since it is determined by riP2/λ (n is an integer greater than or equal to 1), it can be made extremely large, such as several tens of μm.
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に対するイン
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al 、光電素子33
Bの出力をす、とすれば、両光型素子33A、33Bか
らの電気信号の位相差θ1は
であるから
a+=Asinθ。Here, as shown in FIG. 2, the point T where the first optical grating 13 and the second optical grating 15 coincide is set as the origin, and the coordinates, that is, the relative position of the index scale 20 with respect to the main scale 10, are set to the right in the figure. Letting the amount of movement displacement be X,
The photoelectric elements 33A and 33B are the first reference optical grating 23A.
, 23B with a phase difference of 90 degrees, the output of the photoelectric element 33A is
If the output of B is S, then the phase difference θ1 between the electrical signals from both optical elements 33A and 33B is, so a+=A sin θ.
・・・・・・・・・ (4)
bl=Acosθ 1
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。(4) It can be approximated as bl=Acosθ 1 . Note that □ in the second term on the right side of equation (3) is introduced as a correction term because the amount of transmitted light is maximum at the origin T.
同様に、光電素子35A、35Bの出力をそれぞれ”2
1 bz 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
t)z=Bcosθ2
と近似することができる。Similarly, the outputs of the photoelectric elements 35A and 35B are set to "2", respectively.
1 bz, the phase difference θ2 between the electrical signals from the photoelectric elements 35A and 35B can be approximated as t)z=Bcosθ2.
また、第1の計数回路50はCPU55を介しタッチセ
ンサ65から両スケール10.20の相対移動変位量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、33I(,35A、35Bの出力信号
”+−b、、”2+ 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
+ a2 +b2の1つを取り出すマルチプレクサ
52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、このA/D変換器53の出力信号をCPU55と協
働して所定演算処理することにより基準範囲長り内の両
スケール10.20の相対変位量を細く (最小分解能
で)かつ絶対値として計数する絶対変位計数器56とか
ら形成されている。同様に第2の計数回路90は第5図
に示すような構成(詳細は後記する)とされている。Further, the first counting circuit 50 receives the relative movement displacement X of both scales 10 and 20 from the touch sensor 65 via the CPU 55.
A sample and hold circuit 51 for sample-holding the output signals "+-b," 2+b2 of each photoelectric element 33A, 33I (, 35A, 35B) and this sample The output signals al and bI held from the hold circuit 51
A multiplexer 52 that takes out one of +a2 and +b2, and an A/D converter 53 that converts the output signal, which is an analog signal taken out by this multiplexer 52, into a digital signal.
By processing the output signal of the A/D converter 53 in a predetermined manner in cooperation with the CPU 55, the relative displacement amount of both scales 10.20 within the reference range length is reduced (with the minimum resolution) and the absolute value is It is formed from an absolute displacement counter 56 that counts as . Similarly, the second counting circuit 90 has a configuration as shown in FIG. 5 (details will be described later).
また、CP U 55は、上記サンプルホールド回路5
1、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第1および第2のal数回路50.
90の計数値をもって両スケール10.20の全長的な
相対移動変位量を求めるものである。またCPU55に
は、タッチセンサ65と表示手段60とが接続されてい
る。なお、絶対変位計数器56はCPU55と一体的と
して形成してもよいが説明便宜のため第1図のように別
個表示したものであり、また、基準範囲W ■−毎に計
数値がクリアされるものとされている。ここに、第1の
計数回路50、第2の計数回路90お、LびCPU55
から変位検出回路100.が構成され′(いる。Further, the CPU 55 is connected to the sample hold circuit 5.
1. Provides timely commands to the multiplexer 52 and A/D converter 53, as well as the first and second AL number circuits 50.
The total length relative displacement of both scales 10.20 is determined using a count value of 90. Further, a touch sensor 65 and a display means 60 are connected to the CPU 55. Although the absolute displacement counter 56 may be formed integrally with the CPU 55, it is shown separately as shown in FIG. 1 for convenience of explanation. It is assumed that Here, the first counting circuit 50, the second counting circuit 90, and the CPU 55
to the displacement detection circuit 100. is composed of
さて、変位検出回路100における第1の計数回路50
(CPU55の協働機能をも含むものとする)によっ
て基準範囲長り内での細い変位検出機能について説明す
ると、最終的には
X=X、 +ΔX1=np−÷ΔXt −(161
として原点Tからの絶対変位量Xを求めるのである。な
お、第4図(B)の縦軸は式(3)の右辺第2項との関
係でθ、−□としている。ごごに、X、はメインスケー
ル10の第1の光学格子13における基準範囲長り内に
おりる広範囲変イ☆呈であって、第1の光学格子13の
ピッチl)と1ffl過したピッチPの数n (nは1
以上の整数)との)11iとされ、ΔXt は第1の光
学格子13のnト1番11のピッチP内での絶対的変位
量である。Now, the first counting circuit 50 in the displacement detection circuit 100
(Including the cooperative function of the CPU 55) When explaining the thin displacement detection function within the reference range length, the final result is as follows:
The absolute displacement amount X from the origin T is determined as follows. Note that the vertical axis of FIG. 4(B) is set to θ and −□ in relation to the second term on the right side of equation (3). In each case, X is a wide range change within the reference range length of the first optical grating 13 of the main scale 10, and a pitch that is 1ffl different from the pitch l) of the first optical grating 13. Number of P (n is 1
ΔXt is the absolute displacement amount of the first optical grating 13 within the pitch P of the first optical grating 13.
つまり、本発明がメインスケール10に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、35Aと33B、33Aとの
組間位相差(θ2−θ1)を利用してアブソリュート方
式化したのは次の根拠によるものである。That is, the present invention provides two rows of optical gratings 13.15 on the main scale 10, and the inter-set phase difference (θ2 The reason for using the absolute method using -θ1) is as follows.
すなわち、前記の(5)式は次の通り変換することがで
きる。That is, the above equation (5) can be converted as follows.
P−ΔP2
・・・・・・ (7)
そして、(7)式に(3)式と(2)式を代入するとX
= □ (θ2−θ、 ) ・・・・・・
(9)2 π
となる。P-ΔP2 ...... (7) Then, by substituting equations (3) and (2) into equation (7), we get
= □ (θ2−θ, ) ・・・・・・
(9) 2 π.
しかして、CPU55では式(9)からメインスケール
10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+ b+ 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がらの出力信号a2+ bgの位相差θ2を求めれ
ば基準範囲長りは決定されているから原点Tからの絶対
的変位量Xを求めることができる。Therefore, in the CPU 55, from equation (9), the photoelectric element 33A corresponding to the first optical grating 13 of the main scale 10,
Phase difference θ1 of output signal aI+ b+ from '33B
and photoelectric elements 35A, 35 corresponding to the second optical grating 15
If the phase difference θ2 of the output signal a2+bg from B is determined, the absolute displacement amount X from the origin T can be determined since the length of the reference range has been determined.
ここに、θ1 とθ2とは弐(4)と(6)とから・・
・・・・ α〔
として求められる。Here, θ1 and θ2 are from 2 (4) and (6)...
・・・・It is obtained as α〔.
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。Furthermore, in this example, in order to further stabilize the accuracy, θ
Rather than making 1 and 02 independent, they are formed to have a correlation function to determine the absolute displacement X.
θ2とθ、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、35A
、35Bからの出力信号aI+ bl+a、、b、は
各光学格子13.15のピッチP。If θ2 and θ were found independently and simply subtracted based on equation (9), each photoelectric element 33A, 33B, 35A
, 35B is the pitch P of each optical grating 13.15.
P−ΔP毎のサイクリックな波形となるため桁落が生じ
る虞れがあるからである。This is because the waveform is cyclic for each P-ΔP, so there is a risk of loss of digits.
そこで、新たにaとbとを定義する。Therefore, a and b are newly defined.
この弐〇〇に式f41. (61を代入すれば、a−A
Bsin(θ2−θI)
tl=ABcos(θ2−θ1)
−−tan (θ2−θ1) ・・・・・・ 亜
す
ゆえに、θ2−θr = tan−’ −−−Ql
として、逆正接関数演算によって光電素子35A。This 2〇〇 has the formula f41. (If you substitute 61, a-A
Bsin(θ2-θI) tl=ABcos(θ2-θ1) --tan (θ2-θ1) ...... Therefore, θ2-θr = tan-' ---Ql
, the photoelectric element 35A is obtained by calculating the arctangent function.
35Bと33A、33Bとの紐間の位相差(θ2−θl
)を求めるよう形成されている。Phase difference between strings 35B, 33A, and 33B (θ2−θl
).
ところで、式(ロ)から明らかの通り、組間位相差(θ
2−01)は第4図(A)に見られるように基準範囲長
り内でθ〜2πまで変化するから、図で点Qまでの変位
X゛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。By the way, as is clear from equation (b), the phase difference between the pairs (θ
2-01) changes from θ to 2π within the reference range length as seen in Figure 4 (A), so the displacement X' up to point Q in the figure is equal to the absolute value X shown in Figure 4 (B). This is an approximate value. Therefore, the same as equation (9) holds true.
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の相対移動量の基準範囲長り内での
絶対値Xは広範囲変位量X1 と狭範囲変位量ΔX、を
決定しなければならない(式%式%)
ここに、式(31,(11からメインスケールIOの第
1の光学格子13のピッチP内での狭範囲変位量ΔXL
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(位相差θ1はピッチPの周期関数であるからい
ずれ(原点1゛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。Furthermore, as shown in Fig. 4 (B), the absolute value X of the relative movement amount of both scales 10.20 within the reference range length determines the wide range displacement amount X1 and the narrow range displacement amount ΔX. (Formula %Formula %) Here, from the equation (31, (11), the narrow range displacement amount ΔXL within the pitch P of the first optical grating 13 of the main scale IO
However, the first optical grating 13, the first reference optical gratings 23A, 23B, the photoelectric elements 33A, 33B
Based on (the phase difference θ1 is a periodic function of the pitch P, it is not possible to specify which pitch (counting from the origin 1′) it is within).
そこで、上記位相差θ1を□以上〜(2+□)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。Therefore, the above-mentioned phase difference θ1 is converted into a value θ1゛ with a phase shift of □ or more to (2+□) or less. Then, if we set it analogously to equation (3), then the following holds true.
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。On the other hand, the number n of pitches P of the first optical grating 13 that has passed from the origin T to the relevant point in time is expressed as
It is clear that the number does not exceed P and is an integer.
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−〇に位相が変化する領域を含む場
合であってΔXIが2πより0にΔ L
近い場合には(X’ −−)/Pを越えない整数に1を
加えればよい。However, as an exception, in Fig. 4, the measurement resolution Δ
If L is the same as (B) but includes a region where the phase changes by 2π-〇, and ΔXI is closer to 0 than 2π by ΔL, add 1 to the integer that does not exceed (X'--)/P. Bye.
ここに、弐〇船の通りX”−f(θ2−0l)の関数で
あり、P、ΔLは設計(aとして定められている値であ
り、かつθ、゛はθ、から一義的に位相をづらせて求め
られた。Here, it is a function of X''-f (θ2-0l) as per the second ship, P and ΔL are the values determined as design (a), and θ and ゛ are uniquely the phase from θ. I was asked to spell it out.
従って、n=f(θ7−θ1.ΔXI )の関数として
求めることができる。Therefore, it can be determined as a function of n=f(θ7-θ1.ΔXI).
以上からCPU55内で前記式〇61のX np+ΔX
1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値Xを求めることができる。つまり
、絶対変位計数器56はこの絶対値Xを記憶しているも
のとする。From the above, in the CPU 55, X np + ΔX of the above formula 〇61
By calculating 1, the absolute value X of the relative displacement amount of both scales 10°20 can be obtained. In other words, it is assumed that the absolute displacement counter 56 stores this absolute value X.
次に、変位検出回路100におりる第2の81数回路9
0によって基準範囲長I、を準位とする荒い変位検出機
能について説明する。まず、第2の41数回路90は第
5図、第6図に示ずように略11:弦波信号(詳しくは
正弦波形状にほぼ等しい波形信号)を創成するための2
つの乗算器91A、91B、減算器92と略余弦波信号
(i!′1′シ<は余弦波形状にほぼ等しい波形信号)
を創成する乗算器9IC,91D、加算器93と方向弁
別機能を備えた可逆カウンタとしての計数回路94とか
ら形成されている。従って、減算器92の出力信号11
(ABsin(θ2−θ1)〕 と加算器93の出力信
号I2〔^Bcos (θ2−θ1)〕とが、ともに
基準範囲長し互に90度位相のずれたものであるから(
式(8)。Next, the second 81 number circuit 9 that goes into the displacement detection circuit 100
A rough displacement detection function that uses the reference range length I as a level by 0 will be explained. First, as shown in FIG. 5 and FIG. 6, the second 41 number circuit 90 is connected to approximately 11:2 to create a sinusoidal wave signal (more specifically, a waveform signal approximately equal to a sine wave shape).
two multipliers 91A, 91B, a subtracter 92, and an approximately cosine wave signal (i!'1'< is a waveform signal approximately equal to the cosine wave shape)
It is formed from multipliers 9IC and 91D that generate , an adder 93, and a counting circuit 94 as a reversible counter having a direction discrimination function. Therefore, the output signal 11 of the subtractor 92
(ABsin (θ2-θ1)) and the output signal I2 of the adder 93 [^Bcos (θ2-θ1)] both have a long reference range and are out of phase by 90 degrees.
Formula (8).
(9)参照)81数回路94では、闇値を例えば零と設
定しておL−1ば両スケール10.20の相対移動方向
を弁別しつつ基準範囲長しの通過点数を加減算して荒い
相対変位を計数することができる。(9)) In the 81 number circuit 94, the dark value is set to zero, for example, and the L-1 scale is roughly calculated by adding and subtracting the number of passing points in the reference range length while distinguishing the relative moving direction of both scales 10.20. Relative displacement can be counted.
次に、この実施例の作用について説明する。Next, the operation of this embodiment will be explained.
例えば、工作機械のベント等静止体にメインスケールI
Oを固定し、非平行照明系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、35
A、35Bからは電気信号a+ + bl + a
t+ l)zが出力され、信号air bl と
a2+ bl とはサイクルが光学格子13.15の
ピッチ差相当分だけ異なり、かつ信号a1 とす、およ
びa2とblとはそれぞれ90度の位相差を生じる。For example, main scale I is attached to a stationary object such as a machine tool vent.
O is fixed, and the index scale 20 is fixed to a movable body such as a slider by integrating it with the non-parallel illumination system 40 and the photoelectric converter 30. Therefore, by operating the machine tool, the main scale 10 and the index scale 20
When these move relative to each other, each photoelectric element 33A, 33B, 35
Electrical signals a+ + bl + a from A and 35B
t+ l)z is output, and the cycles of the signals air bl and a2+ bl differ by an amount corresponding to the pitch difference of the optical grating 13.15, and the signal a1 is assumed, and a2 and bl each have a phase difference of 90 degrees. arise.
ここで、第4図(C)に示したように点T、を絶対原点
として点T、から点P、までの両スケール10.20の
相対移動変位量Sを検出しようとする場合を考える。Now, let us consider a case where the relative displacement amount S of both scales 10.20 from point T to point P is to be detected with point T as the absolute origin, as shown in FIG. 4(C).
まず、変位検出回路100の第1の31数回路50では
、検出点が不明であるから点T1において絶対原点の特
定信号が入力されると第4図(13)に示す如く基準範
囲長り内にける絶対変位i1XをCPU55と協働して
計数する。その絶対変位量Xは絶対変位計数器56に記
憶されるものとされかつ基準範囲長り毎につまりT 2
、 T 3においてクリアされるものとされている。First, in the first 31-number circuit 50 of the displacement detection circuit 100, since the detection point is unknown, when the absolute origin specifying signal is input at point T1, it is within the reference range length as shown in FIG. 4 (13). In cooperation with the CPU 55, the absolute displacement i1X is counted. The absolute displacement amount X is stored in the absolute displacement counter 56, and is calculated every reference range length, that is, T 2
, T3.
この順序は、次のようにして行われる。絶対原点の特定
信号(この実施例では夕、チセンリに5による)が入力
されると第3図に示し7たように、CPU55からの指
令に基づきCPU55からサンプルホールド回路51ヘ
ホールド指令が発せられる。This order is performed as follows. When the absolute origin specifying signal (in this embodiment, signal 5 is input), the CPU 55 issues a hold command to the sample hold circuit 51 based on the command from the CPU 55, as shown in FIG.
サンプルホールド回路51はプリアンプ37A。The sample hold circuit 51 is a preamplifier 37A.
37B、38A、38Bの出力段側からアナログ的な電
気信号aI+ bl とa2.blをホールド(ステ
・ノブ12)する。Analog electrical signals aI+ bl and a2.37B, 38A, 38B output stage side. Hold bl (steer knob 12).
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a1、b、とa2+
blを取り込み、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。Next, as in step 14, the multilexer 52
Electrical signals a1, b, and a2+ based on commands from 55
bl is taken in, converted into a digital signal by the A/D converter 53, and then input to the CPU 55.
以下、CP tJ 55 ”il’は、前記式〇θ1、
(+51に基づいて第1の光学格子13に相応する光電
素子33A。Hereinafter, CP tJ 55 "il" is the formula 〇θ1,
(Photoelectric element 33A corresponding to the first optical grating 13 based on +51).
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θ1 はいずれかのピッチ内であるかを
特定するために□以上〜(2π+□)以下の値であるO
loにcpU55内で変換されている。The phase difference θ1 from 33B and the narrow range displacement amount ΔX are calculated (step 16). That is, the first optical grating 13
The amount of displacement within the pitch P is determined as an absolute value. Of course, in order to specify which pitch the phase difference θ1 is within, O is a value of □ or more to (2π+□) or less.
It is converted to lo in the cpU55.
また、ステップ18では、弐〇〇、!+2)に基づいた
定義信号a、bとこれらと光電素子35A、35Bと3
3A、33Bとの各位相差に基づく組間位相差θ2−θ
1 との正接関数を定め、逆正接関数演算して組間位相
差θ2−θ1を算出する。Also, in step 18, 2〇〇! +2) definition signals a and b based on these and photoelectric elements 35A, 35B and 3
Inter-group phase difference θ2-θ based on each phase difference with 3A and 33B
1 is determined, and the arctangent function is calculated to calculate the inter-set phase difference θ2−θ1.
ここに、前記n=f (θ2−θ5.ΔX、)に基づ
いて第4図(B)に相当するそれまでに通過した第1の
光学格子13のピッチPの数nを求める(ステップ20
)。Here, the number n of pitches P of the first optical grating 13 that has passed so far, which corresponds to FIG.
).
従って、ステップ22において、弐叫を演算することに
より両スケール10.20の基準範囲長り内における相
対移動変位量の絶対値Xを求める。Therefore, in step 22, the absolute value X of the relative displacement amount within the reference range length of both scales 10 and 20 is determined by calculating the second value.
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。以上の手順では一定時間毎に繰り返
される(ステップ26)。また、第4図(C)に示した
ように点’1’、、’T’3に至る毎に絶対変位計数器
56の計数値はクリアされる。This absolute value X is displayed on the display means 60 and outputted to the outside if necessary. The above procedure is repeated at regular intervals (step 26). Further, as shown in FIG. 4(C), the count value of the absolute displacement counter 56 is cleared each time the point '1', . . . 'T'3 is reached.
つまり、第1の計数回路50では当該基準範囲長りの始
点(点T2 、 T3 )を零とした当該基準範囲長り
内での絶対変位量Xを求める。That is, the first counting circuit 50 calculates the absolute displacement amount X within the reference range length with the starting point (points T2, T3) of the reference range length being zero.
一方、第2の計数回路90では、第5図に示したように
光電変換器30の全ての出力信号a1(Asin θ+
) 、 bl (Acos θ+)、a2(Bs
in θz )、 b2 (Bsin θ2)を人力
として正弦波形状信号1 、 (ABsin(θ2−
θl)〕および余弦波形状信号1 z (ABcos
(θ2−θ、)〕を求めツツ、計数回路94で方向弁別
(増減)を判別しつつ基準範囲長りを単位として絶対原
点T、を起点として計数する。この実施例の場合には点
T、において、計数値が“2”となっている。On the other hand, in the second counting circuit 90, as shown in FIG.
), bl (Acos θ+), a2 (Bs
in θz ), b2 (Bsin θ2) are manually generated and the sine wave shape signal 1, (ABsin(θ2−
θl)] and cosine wave shape signal 1 z (ABcos
(θ2-θ,)] is determined, and the counting circuit 94 determines direction discrimination (increase/decrease) and counts the length of the reference range as a unit, starting from the absolute origin T. In this embodiment, the count value at point T is "2".
ここで、点P、(第4図参照)において、両スケール1
0.20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、第1の計数回
路50の基準範囲長り内における変位量は点T3を起点
とじた絶対変位量Xが記憶されている。もとより第2の
計数回路90の計数値“2″である。Here, at point P (see Figure 4), both scales 1
When a trigger is input from the touch sensor 65 that is activated when the absolute value of the relative movement displacement amount of 0.20 is desired to be displayed on the display means 60 or output as a feedback signal to the control device (not shown) (step 10), As the displacement amount within the reference range length of the first counting circuit 50, an absolute displacement amount X starting from point T3 is stored. Of course, the count value of the second counting circuit 90 is "2".
しかして、CPU55では、5=2XL+Xとして当該
絶対原点T1を起点とした現在位置点P1までの変位量
を絶対値Sとして求めることができる。Therefore, the CPU 55 can obtain the displacement amount from the absolute origin T1 as the starting point to the current position P1 as the absolute value S by setting 5=2XL+X.
従って、この実施例によれば、メインスケール10にそ
れぞれピッチ(P、P−ΔP)の異なる2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)を利用して基準範
囲長り内におけるメインスケール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X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。Therefore, according to this embodiment, two rows of optical gratings 13.15 having different pitches (P, P-ΔP) are provided on the main scale 10, and the inter-group position is determined from the relationship with these optical gratings 13.15. The amount of relative displacement between the main scale 10 and the index scale 20 within the reference range length can be detected as an absolute value X using the phase difference (θ2-θ1). Since an absolute type optical displacement detection device can be established here, industrial applicability can be dramatically expanded in terms of accuracy and operational technology.
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。This ensures stable predetermined accuracy because there is no influence of noise on the way and there is no accumulation of noise, and since continuous tracking is not required, response speed is high and rapid measurement can be achieved. This means that even if the power is cut off, it is possible to immediately re-measure without having to adjust the origin each time, thereby eliminating the drawbacks, disadvantages, and inconveniences of the conventional incremental method.
特に、絶対原点T1を起点とした両スケール10.20
の相対移動量Sは、第1の計数回路50で上記の通り高
分解能かつ絶対値とした値Xと、基準範囲長りを単位と
した第2の計数回路90での絶対値(2XL)とから求
めるものであるから、長大スパンにわたりアブソリュー
ト検出できることはもとより、途中における基準範囲長
り内での第1の計数回路50による計数値は目標検出点
(Pl)における精度にいささかの影響も及ぼさないか
ら、結果として両スケール10.20の相対速度を飛躍
的に高速化することができる。例えば、前記ピッチPを
40μm、P” /ΔP(#L)を4mmとすれば、第
2の計数回路90での計数すべきピッチは41となるか
ら、いま両スケール10.20の相対移動速度を1m/
secとしても、応答周波数は250 )1zでよく第
2の計数回路90の設計的、経済的負担は軽微なものと
なりかつ第1の計数回路50はさらに応答周波数を低く
することができることからも明白である。このことは、
第1の計数回路50が前出第8図、第9図で述べたイン
クレメンタル方式の変位検出回路とされるときには、高
速化の観点において一層効果、実益の大なることを意味
するものである。In particular, both scales 10.20 starting from the absolute origin T1
The relative movement amount S is determined by the value X, which is determined as a high resolution and absolute value by the first counting circuit 50 as described above, and the absolute value (2XL) by the second counting circuit 90, which uses the reference range length as a unit. Therefore, not only can absolute detection be performed over a long span, but also the counted value by the first counting circuit 50 within the reference range length on the way does not have any effect on the accuracy at the target detection point (Pl). As a result, the relative speed of both scales 10.20 can be dramatically increased. For example, if the pitch P is 40 μm and P''/ΔP (#L) is 4 mm, the pitch to be counted by the second counting circuit 90 is 41, so the relative moving speed of both scales is now 10.20. 1m/
sec, the response frequency is only 250)1z, and the design and economic burden of the second counting circuit 90 is light, and it is clear from the fact that the response frequency of the first counting circuit 50 can be further lowered. It is. This means that
When the first counting circuit 50 is an incremental displacement detection circuit as described in FIGS. 8 and 9, it means that the effect and practical benefits are even greater in terms of speeding up. .
また、メインスケール10にピッチの異なる2つの光学
格子13.15を設は基準範囲長り内での絶対変位量を
求めるよう第1の計数回路50を形成したが、第2の計
数回路90をイ)1設することによって、複数の基準範
囲長りにわたる絶対変位検出を可能とできるから第2の
dI数開回路90設は変位検出回路100を構成するこ
とは高速化のみならずアブソリュート方式の新たな変位
検出回路(第1の計数回路50)を確立しその実効を高
めるという効果もある。In addition, the main scale 10 is provided with two optical gratings 13 and 15 with different pitches, and the first counting circuit 50 is formed to obtain the absolute displacement amount within the reference range length, but the second counting circuit 90 is b) By installing one circuit, it is possible to detect absolute displacement over multiple reference range lengths. Therefore, the second dI number open circuit 90 configuration is useful not only for speeding up the displacement detection circuit 100 but also for the absolute method. This also has the effect of establishing a new displacement detection circuit (first counting circuit 50) and increasing its effectiveness.
さらに、メインスケール10に設けた2列の光学格子1
3.15は、ガラス板上にエソ〜y−ング丁法等によっ
て物理的に固定化されたものとされ、かつ異なるピッチ
の光学格子間に関する組間位相差と当該一つの光学格子
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1ピッチ内に生ずる波形を抵抗
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。Furthermore, two rows of optical gratings 1 provided on the main scale 10
3.15 is assumed to be physically fixed on a glass plate by the etching method, etc., and the inter-set phase difference between optical gratings with different pitches and the position within the same optical grating. Since it is designed to detect the absolute value of the amount of displacement using the phase difference, it is different from, for example, conventional incremental system devices in which the waveform generated within one pitch is electrically subdivided by resistance division, etc. , both scales are 10.20, that is, they are matched with the machine tools used, so true high-precision measurement can be guaranteed.
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桁落のない検出ができる。この点か
らも高精度が保障される。Furthermore, in order to obtain the phase difference between the two optical gratings 13.15, the phase difference between the two optical gratings 13. Detection without loss of precision can be achieved by making the correlation between High accuracy is guaranteed from this point as well.
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13のピッチPが400 μm、第2の光学格子
15のピッチP−ΔPが398 μmであり、基準範囲
長しが80m++の範囲内で分割数Nを200 として
2μm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。例えば、第1の光学
格子13のピッチPと第1の参照光学格子23A、23
Bのピッチqとをともに4 ’Op m (P = q
= 40 μm > 、検出範囲長りを5mm(L=
5mm)すなわち分割数nを125 (N = 12
5)に設定すれば、この場合にはプリアンプ37A、3
7B、38A、3813からの出力信号のサイクルピッ
チは光学的にP/2となるので結果として20μm(=
P/2)を125分割することで0.16μmの分解能
をもったアブソリュート検出ができる。In this example, the pitch P of the first optical grating 13 of the main scale lO is 400 μm, the pitch P−ΔP of the second optical grating 15 is 398 μm, and the reference range length is within the range of 80 m++. The number of divisions N was set to 200 to enable detection with a resolution of 2 μm, but these numerical matters can be arbitrarily selected, and the resolution can be set to 0.
It can also be set to 1 μm or less. For example, the pitch P of the first optical grating 13 and the first reference optical gratings 23A, 23
Together with the pitch q of B, 4'Op m (P = q
= 40 μm > , the detection range length is 5 mm (L =
5 mm), that is, the number of divisions n is 125 (N = 12
5), in this case the preamplifiers 37A, 3
Since the cycle pitch of the output signals from 7B, 38A, and 3813 is optically P/2, the result is 20 μm (=
By dividing P/2) into 125 parts, absolute detection with a resolution of 0.16 μm is possible.
かかる任意性の意味におい′ζメインスケール10には
2列の光学格子23A、23B、25A。In the sense of such arbitrariness, the main scale 10 has two rows of optical gratings 23A, 23B, 25A.
25Bをそれぞれ90度位相ずれさ−U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
13.15との関係において、位相差を生じさせること
ができればピッチqが微妙に胃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。25B were formed from two pieces each with a phase shift of 90 degrees -U, but the point is that if a phase difference can be created in relation to the corresponding optical grating 13.15 of the main scale 10, the pitch q can be slightly changed. It is also possible to form one each by employing a so-called vernier type reference optical grating.
さらに、当該光電素子からの90度位相ずれした両出力
電気仏号を利用して例えば微分方式で倍細分ずればダイ
ナミックレンジ(検出範囲/分解能)を一層改善するこ
とができる。さらに、メインスケールlOの光学格子1
3(15)とインデックススケール20の参照光学格子
23A、23B (25A、25B)との関係は等しい
ものに限らず、例えば光学格子13のピッチPに対し参
照光学格子23A、23BのピッチをP/n(nは1以
上の整数)としても実施することができる。Furthermore, if the two output electric symbols from the photoelectric element having a phase shift of 90 degrees are used, for example, by a differential method, the dynamic range (detection range/resolution) can be further improved. Furthermore, the optical grating 1 of the main scale lO
3 (15) and the reference optical gratings 23A, 23B (25A, 25B) of the index scale 20 are not limited to being equal; for example, the pitch of the reference optical gratings 23A, 23B is P/ It can also be implemented as n (n is an integer of 1 or more).
また、検出装置自体を、非平行照明系を用いた反射型の
直線型としたが、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。もとより変位検出回路100の第1
の計数回路50は基準範囲長14内の細い変位検出を行
えばよいがら、上記アブソリュート方式に限らず平行光
を用いた第7図に示すインクレメンタル方式のものとし
ても本発明は実施できる。また、変位検出時を特定する
ためにタッチセンタ65を用いたがこれに限定されない
。Further, although the detection device itself is a reflective linear type using a non-parallel illumination system, the present invention is also applicable to a rotary type instead of a linear type. Of course, the first part of the displacement detection circuit 100
Although the counting circuit 50 only needs to detect small displacements within the reference range length 14, the present invention is not limited to the above-mentioned absolute method, but may also be implemented as an incremental method using parallel light as shown in FIG. 7. Further, although the touch center 65 is used to specify the time of displacement detection, the present invention is not limited to this.
さらに、基準範囲長しは上記実施例の場合には、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これは第2の検出回路90に
おいて設定変更することが可能とすることもできる。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、角度、速度、圧力、重量
等であってもよいものである。Furthermore, in the case of the above embodiment, the reference range length is the length with respect to the relative movement direction between the main scale 10 and the index scale 20, but this can be set and changed in the second detection circuit 90. You can also do that. This detection device detects displacement, and the object to be measured is not limited to length, width, etc., but may also be an angle, velocity, pressure, weight, etc.
本発明は、メインスケールにピッチの異なる2列の光学
格子を設は変位検出回路を基準範囲製内を細分割する第
1の計数回路と基準範囲長を単位とする荒い計数をする
第2の計数回路とを設は構成することによって、高精度
を保障しつつ高速運転を達成できるという優れた効果を
有する。In the present invention, two rows of optical gratings with different pitches are provided on the main scale, and the displacement detection circuit is divided into a first counting circuit that subdivides the reference range, and a second counting circuit that performs rough counting using the reference range length as a unit. By designing and configuring the counting circuit, it has the excellent effect of achieving high-speed operation while ensuring high accuracy.
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図は同じく要部拡大図、第3図は
同じく基準範囲製内における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図
は同じく第2の計数回路の回路図、第6図は同じく第2
の計数回路における波形説明図、第7図は同じく第1の
計数回路をインクレメンタル方式とした他の実施例を示
す光学式変位検出装置の全体構成図、第8図、第9図は
従来の光学式変位検出装置の概略構成図であって、第8
図は反射型、第9図は透過型を示すものである。
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・・・第2および第
3のスケールを兼ねる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・・・非平行照明系、5
0・・・第1の計数回路、90・・・第2の計数回路、
100・・・変位検出回路。Fig. 1 is an overall configuration diagram showing an embodiment of the optical displacement detection device according to the present invention, Fig. 2 is an enlarged view of the main part, and Fig. 3 is a diagram showing the same as the one for calculating the absolute displacement amount within the reference range. 4 is a waveform explanatory diagram, FIG. 5 is a circuit diagram of the second counting circuit, and FIG. 6 is a circuit diagram of the second counting circuit.
FIG. 7 is an overall configuration diagram of an optical displacement detection device showing another embodiment in which the first counting circuit is of an incremental type, and FIGS. 8 and 9 are diagrams of conventional FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an optical displacement detection device;
The figure shows a reflective type, and FIG. 9 shows a transmissive type. DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... Main scale, 13... First optical grating, 15... Second optical grating, 20... Index scale serving as second and third scales, 23...
- First reference optical grating, 25... Second reference optical grating, 30... Photoelectric converter, 40... Non-parallel illumination system, 5
0...first counting circuit, 90...second counting circuit,
100...Displacement detection circuit.
Claims (6)
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2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、 前記両スケールに光照射するための照明系と、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9
0度位相のずれた電気信号を出力する2組の光電変換器
と、 前記光電変換器の少なくとも1組から出力される電気信
号を入力として基準範囲長内の変位を計数するための第
1の計数回路と前記光電変換器の2組から出力される電
気信号を入力として基準範囲長を単位とした変位を計数
するための第2の計数回路とを含み形成され第1および
第2の計数回路の両計数値をもっ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を求める変
位検出回路とを備えてなる光学式変位検出装置。(1) A main scale provided with two rows of optical gratings and each row having a different optical grating pitch, and two rows of reference optical gratings corresponding to each row of optical gratings of the main scale. an index scale disposed and movable relative to the main scale; an illumination system for irradiating light to both scales; Each time, the transmitted light transmitted through the main scale or the reflected light reflected from the main scale is received.
two sets of photoelectric converters that output electrical signals with a phase shift of 0 degrees; and a first set of photoelectric converters for counting displacement within a reference range length by inputting the electrical signals output from at least one set of the photoelectric converters. The first and second counting circuits are formed to include a counting circuit and a second counting circuit for counting displacement in units of reference range length by inputting electric signals output from the two sets of photoelectric converters. and a displacement detection circuit that determines the amount of relative displacement between the main scale and the index scale using both counted values.
出回路の第1の計数回路が前記光電変換器の1組から出
力される電気信号を入力としてインクレメンタル方式で
変位を計数するものとされている光学式変位検出装置。(2) In claim 1, the first counting circuit of the displacement detection circuit counts the displacement in an incremental manner using an electric signal output from one set of the photoelectric converters as input. Optical displacement detection device.
出回路の第1の計数回路が、前記光電変換器の一方組の
位相差をθ_1、他方組の位相差をθ_2としたときに
θ_2−θ_1なる組間位相差を利用してアブソリュー
ト方式で変位を計数するものとされている光学式変位検
出装置。(3) In claim 1, the first counting circuit of the displacement detection circuit calculates θ_2 when the phase difference between one set of the photoelectric converters is θ_1 and the phase difference between the other set is θ_2. An optical displacement detection device that counts displacement using an absolute method using an inter-set phase difference of −θ_1.
かにおいて、前記変位検出回路の第2の計数回路が、前
記メインスケールの一方列の光学格子ピッチをP、他方
列の光学格子ピッチをP−ΔPとしたとき、P^2/Δ
Pを1サイクルとする正弦波信号および余弦波信号を創
成するとともにこの正弦波信号および余弦波信号から前
記基準範囲長を特定するよう形成されている光学式変位
検出装置。(4) In any one of claims 1 to 3, the second counting circuit of the displacement detection circuit sets the optical grating pitch of one row of the main scale to P and the optical grating pitch of the other row. When the pitch is P-ΔP, P^2/Δ
An optical displacement detection device configured to generate a sine wave signal and a cosine wave signal with P as one cycle, and to specify the reference range length from the sine wave signal and cosine wave signal.
囲長が前記正弦波信号または余弦波信号の1サイクルと
されている光学式変位検出装置。(5) The optical displacement detection device according to claim 4, wherein the reference range length is one cycle of the sine wave signal or cosine wave signal.
、前記正弦波信号および余弦波信号が前記光電変換器の
一方組の位相差をθ_1、他方組の位相差をθ_2とし
たときに、θ_2−θ_1なる組間位相差を変数として
創成されている光学式変位検出装置。(6) In claim 4 or 5, when the sine wave signal and the cosine wave signal have a phase difference of θ_1 between one set of the photoelectric converter and a phase difference of θ_2 between the other set, , θ_2−θ_1, which is an optical displacement detection device, is created using the phase difference between pairs as a variable.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20919386A JPS6365315A (en) | 1986-09-05 | 1986-09-05 | Optical displacement detecting device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20919386A JPS6365315A (en) | 1986-09-05 | 1986-09-05 | Optical displacement detecting device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6365315A true JPS6365315A (en) | 1988-03-23 |
Family
ID=16568893
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20919386A Pending JPS6365315A (en) | 1986-09-05 | 1986-09-05 | Optical displacement detecting device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6365315A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012220458A (en) * | 2011-04-14 | 2012-11-12 | Canon Inc | Encoder |
US9121731B2 (en) | 2011-04-14 | 2015-09-01 | Canon Kabushiki Kaisha | Encoder having a scale with two areas in which an increasing direction of the amplitude of the energy distribution is opposite between the two areas for precisely obtaining a position of the scale |
US9354089B2 (en) | 2011-04-14 | 2016-05-31 | Canon Kabushiki Kaisha | Encoder |
-
1986
- 1986-09-05 JP JP20919386A patent/JPS6365315A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012220458A (en) * | 2011-04-14 | 2012-11-12 | Canon Inc | Encoder |
US9121731B2 (en) | 2011-04-14 | 2015-09-01 | Canon Kabushiki Kaisha | Encoder having a scale with two areas in which an increasing direction of the amplitude of the energy distribution is opposite between the two areas for precisely obtaining a position of the scale |
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