JPS6365315A - 光学式変位検出装置 - 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、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。

〔背景技術とその問題点〕

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔発明の目的〕

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。

〔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。

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。

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。

〔実施例〕

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

次に、２ｍの光電変換器３０　（３０Ａ、３０Ｂ）は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。

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。

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。

・・・・・・・・・　　（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。

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。

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。

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。

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。

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。

すなわち、前記の（５）式は次の通り変換することがで
きる。

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。

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。

ここに、θ１　とθ２とは弐（４）と（６）とから・・
・・・・　α〔 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。

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。

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。

そこで、新たにａとｂとを定義する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

従って、ｎ＝ｆ（θ７−θ１．ΔＸＩ　）の関数として
求めることができる。

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。

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）。

（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。

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。

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。

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。

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。

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ａＩ＋　　ｂｌ　とａ２．ｂｌをホールド（ステ
・ノブ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。

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。

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。

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。

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
）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

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。

〔発明の効果〕

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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）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。
2. （２）前記特許請求の範囲第１項において、前記変位検
   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。
3. （３）前記特許請求の範囲第１項において、前記変位検
   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。
4. （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。
5. （５）前記特許請求の範囲第４項において、前記基準範
   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。
6. （６）前記特許請求の範囲第４項または第５項において
   、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。