(57)【要約】【課題】小型で簡易な構成を有する光学式変位測長器に於ける原点検出装置及び原点検出方法を提供する。【解決手段】位置検出用パターンと、これとは異なる２つの原点検出用パターン、とが設けられた移動可能なメインスケール、及び光源手段、センサ手段を有する光学式変位測長器であって、センサ手段が位置検出用センサ手段及び原点検出用センサ手段とで構成され、少なくとも位置検出信号の中の１つと原点検出信号との位相が一致しており、これらのデジタル信号の論理演算により原点信号が決定されることを特徴とする光学式変位測長器に於ける原点検出装置及び原点検出方法。【選択図】　　　図１
2004069454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め定められた所定のピッチＳで配置された光学格子からなる位置検出用パターンと当該位置検出用パターンとは異なるパターンを持つ光学格子からなる原点検出用パターンとが設けられた移動可能なメインスケール、当該メインスケールの一方の側に設けられた当該メインスケールを照射する光を発生する光源手段、及び当該メインスケールの他方の側に設けられ、当該メインスケールの光学格子を透過した光を受光する位置検出用受光素子で構成される位置検出用センサ手段と、当該メインスケールの原点検出用パターンを透過した光を受光する受光素子で構成された原点検出用センサ手段とからなる光学式変位測長器であって、当該原点検出用センサの出力と、当該位置検出用センサの複数の出力のうちの１つとの位相とがほぼ一致するように配置されていることを特徴とする光学式変位測長器に於ける原点検出装置。
【請求項２】
当該原点検出用パターンはランダムパターンで構成されていることを特徴とする請求項１記載の光学式変位測長器に於ける原点検出装置。
【請求項３】
当該位置検出用センサは手段当該ピッチＳで設けられた複数の受光素子を有する受光素子列を複数有する位置検出用受光素子で構成され、当該受光素子列がＳ／ｎ（ｎは３６０を得たい出力の位相角で割った整数）の距離で当該メインスケールの移動方向に並んでおり、当該受光素子列は各ピッチＳの光学格子と同一なパターンを有するマスク部が設けられていることを特徴とする請求項１記載若しくは請求項２に記載の光学式変位測長器に於ける原点検出装置。
【請求項４】
当該メインスケールの原点検出用パターンは当該位置検出用パターンの長手方向と直交し異なる位置に互いに平行に、且つ第１の原点検出用パターンのパターンと、第２原点検出用パターンのパターンとはそれぞれの位相が一致するように配置されており、且つ当該双方のメインスケールの原点検出用パターンに対応するように設けられた第１の原点検出センサ部と第２の原点検出センサ部とが設けられており、当該第１の原点検出センサ部に対し当該第２の原点検出センサ部からは反転した出力が得られるように、当該メインスケールの双方の原点検出用パターンのパターン形状は互いに同一であって、かつ、当該第１の原点検出センサ部には、当該原点検出用パターンと同一のパターンを有するマスク部が設けら、且つ当該第２の原点検出センサ部には当該原点検出用パターンを反転させたパターンを有するマスク部が設けられている、若しくは、当該第１の原点検出用パターンのパターンに対して、当該第２原点検出用パターンのパターンは、当該第１の原点検出用パターンのパターンを反転させたパターンになっており、当該第１の原点検出センサ部と当該当該第２の原点検出センサ部には原点検出用パターンと同一のパターンを有するマスク部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の光学式変位測長器に於ける原点検出装置。
【請求項５】
当該メインスケールの光学格子を透過した光を受光し、且つピッチＳで設けられた複数の受光素子を有する受光素子列を複数有する位置検出用受光素子で構成される位置検出用センサ手段の出力に応じて、複数の受光素子列毎に発生する位相の異なるアナログ信号、又は当該複数の受光素子列毎に発生する位相の異なるアナログ信号及び当該アナログ信号より生成し中間の位相を持つ信号を処理する位置検出処理回路、当該原点検出用パターンを透過した光を受光する受光素子で構成された原点検出用センサ手段の出力に応じて発生するアナログ信号を処理する原点検出処理回路から設けられており、当該位置検出処理回路から生成された位相の異なるデジタル信号と、当該原点検出処理回路から生成されたデジタル信号とから原点信号を生成する原点信号処理回路で構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の光学式変位測長器に於ける原点検出装置。
【請求項６】
予め定められた所定のピッチＳで配置された光学格子からなる位置検出用パターンと、当該位置検出用パターンとは異なるパターンを持つ光学格子からなる原点検出用パターン、とが設けられた移動可能なメインスケール、当該メインスケールの一方の側に設けられた当該メインスケールを照射する光を発生する光源手段、及び当該メインスケールの他方の側に設けられ、当該メインスケールの光学格子を透過した光を受光する位置検出用受光素子で構成される位置検出用センサ手段と、当該メインスケールの原点検出用パターンを透過した光を受光する受光素子で構成された原点検出用センサ手段を有し、当該位置検出用センサ手段の出力に応じて、当該複数の受光素子列毎に発生する位相の異なるアナログ信号、又は当該複数の受光素子列毎に発生する位相の異なるアナログ信号及び当該アナログ信号より生成し中間の位相を持つ信号とを処理する位置検出処理回路と、当該原点検出用センサ手段の出力に応じて発生するアナログ信号を処理する原点検出処理回路とが設けられており、当該位置検出処理回路から生成された位相の異なるデジタル信号と当該原点検出処理回路から生成されたデジタル信号とから原点信号を生成する原点信号処理回路、で構成されている光学式変位測長器であって、当該原点検出用センサの出力と、当該位置検出用センサの複数の出力のうちの１つとの位相とがほぼ一致するように配置されており、当該原点信号は当該位置検出処理回路から生成された位相の異なるデジタル信号の論理演算と当該原点検出処理回路から生成されたデジタル信号との論理演算とで決定されることを特徴とする光学式変位測長器に於ける原点検出方法。
【請求項７】
当該位置検出用センサは当該ピッチＳで設けられた複数の受光素子を有する受光素子列を複数有する位置検出用受光素子で構成され、当該受光素子列がＳ／ｎ（ｎは３６０を得たい出力の位相角で割った整数）の距離で当該メインスケールの移動方向に並んでおり、当該受光素子列は各ピッチＳの光学格子と同一なパターンを有するマスク部が設けられており、当該複数の受光素子列毎に発生する位相の異なるアナログ信号又は当該複数の受光素子列毎に発生する位相の異なるアナログ信号及び当該アナログ信号より生成し中間の位相を持つ信号とを処理する位置検出処理回路から生成された位相の異なるデジタル信号の論理演算と当該原点検出処理回路から生成されたデジタル信号との論理演算、とで決定されることを特徴とする請求項６に記載の光学式変位測長器に於ける原点検出方法。
【請求項８】
当該原点検出用センサ手段の出力に応じて発生するアナログ信号を処理する原点検出処理回路は、当該原点検出用パターンが当該位置検出用パターンの長手方向と直交し異なる位置に互いに平行に、且つ当該第１の原点検出用パターンのパターンと、当該第２原点検出用パターンのパターンとはそれぞれの位相が一致するように配置されており、且つ当該双方の原点検出用パターンに対応するように設けられた第１の原点検出センサ部と第２の原点検出センサ部とが設けられており、当該第１の原点検出センサ部に対し当該第２の原点検出センサ部からは反転した出力が得られるように、当該双方の原点検出用パターンのパターン形状は互いに同一であって、然も、当該第１の原点検出センサ部には、当該原点検出用パターンと同一のパターンを有するマスク部が設けら、且つ当該第２の原点検出センサ部には、当該原点検出用パターンを反転させたパターンを有するマスク部が設けられている、若しくは、当該第１の原点検出用パターンのパターンに対して当該第２原点検出用パターンのパターンは当該第１の原点検出用パターンのパターンを反転させたパターンになっており、当該第１の原点検出センサ部と当該当該第２の原点検出センサ部には原点検出用パターンと同一のパターンを有するマスク部が設けられており、当該位置検出処理回路から生成された位相の異なるデジタル信号の論理演算と当該原点検出処理回路から生成されたデジタル信号との論理演算、とで決定されることを特徴とする請求項６記載若しくは請求項７に記載の光学式変位測長器に於ける原点検出方法。
【請求項９】
当該位置検出処理回路から生成された位相の異なるデジタル信号の論理演算と当該原点検出処理回路から生成されたデジタル信号との論理演算には、少なくとも、当該位置検出処理回路から生成された当該原点検出用センサの出力と位相がほぼ一致している当該位置検出用センサのデジタル信号と、当該原点検出処理回路から生成されたデジタル信号との論理積演算を含むことを特徴とする請求項６記載若しくは請求項８に記載の光学式変位測長器に於ける原点検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式変位測長器に於ける原点検出装置及び、原点検出方法に関するものであり、特に詳しくは、簡易な構成でありながら、原点信号を容易に且つ正確に決定できる光学式変位測長器に於ける原点検出装置及び原点検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた光学式測長器、及び光学式エンコーダを用いた光学式エンコーダ測長器が知られており、光学式測長器は、主に２点間の長さを測定する相対位置測定に用いられる。
【０００３】
光学式測長器には、位置検出用に、ガラス板、フィルム又は金属薄板等から構成される移動スケール（移動スケールには所定のピッチで設けられた位置検出用光学格子が形成されている）と、移動スケールの一方に設けられ、移動スケールに平行光を照射するための固定された光源とで構成され、且つ、移動スケールの他方に設けられ、移動スケールに対して所定の距離を置いて対抗配置され、インデックス格子が形成されている固定スケール（固定スケールには２個若しくは４個の位置検出用インデックス格子があり、お互いに位相が９０度ずれている）と位置検出用受光センサとから構成されている方式（以降、固定スケール方式と呼ぶ）と、同じく移動スケールの他方に設けられ、固定スケールに形成していたインデックス格子を受光用センサに形成し、固定スケールを無くした方式（以降、インデックス・フォト・ダイオード方式・・・ＩＰＤ方式・・・と呼ぶ）の２種類がある。
【０００４】
更に、原点検出用に、移動スケールには１つ又は複数の原点検出用パターンが形成されており、固定スケール方式では、固定スケールに原点検出用パターンに対向配置された原点検出用固定インデックス格子、及び原点検出用受光センサとが設けられており、ＩＰＤ方式では、原点検出用パターンに対向配置され原点検出用インデックス格子が形成された原点検出用受光センサが設けられている。
【０００５】
此処では古くから用いられてきた固定スケール方式についてその動作を説明する。移動スケールが移動すると、移動スケール上の位置検出用光学格子と固定スケール上の位置検出用インデックス格子とが重なり合い、明暗が発生する。
又、移動スケールが移動すると、移動スケール上の原点検出用光学格子と固定スケール上の原点検出用固定インデックス格子とが重なり合い、明暗が発生する。
位置検出用及び原点検出用受光センサは、この明暗を検出する。光学式エンコーダ測長器は、デジタル変位計として実用化されている。
【０００６】
ここで、従来の光電式透過型リニアエンコーダつまり光学式変位測長器の一具体例の構成について図１４を参照しながら説明する。即ち、図１４に於いて、接触子６が設けられたスピンドル５には透明な部材から構成された移動スケール３が接続されており、当該移動スケール３にはピッチＳで配置された光学格子からなる位置検出用パターン１１と、原点検出用パターン７，８とが形成されている。
尚、原点検出用パターン７，８のスケール移動方向は、ベタ塗りのパターンになっている。
当該移動スケール３の一方の側には光源１とコンデンサレンズ２が設けられており、他方の側にはピッチＳの位置検出用光学格子４７と４８、及び原点検出用パターンと同一若しくは反転した原点検出用光学格子４９，５０とが形成された固定スケール３４と、位置検出用受光半導体素子である位置検出用フォトダイオード２８，２９、及び、原点検出用受光半導体素子である原点検出用フォトダイオード９，１０が設けられている。
【０００７】
当該光源１とフォトダイオード２８，２９及び９，１０は、被測定物の変位に応じて移動する移動スケール３と一定の位置に固定された固定スケール３４を挟んで向かい合っている。
当該移動スケール３に設けられている位置検出用パターン１１と固定スケール３４の設けられている位置検出用光学格子４７、４８は同じピッチ、同じ線幅であり、例えばピッチ２０μｍ、線幅１０ミクロンであり、両者は非常に高精度なスケールに製作されている。
測定時にスピンドル５が矢印方向に移動し、移動スケール３の位置検出用パターン１１の透明な部分と固定スケール３４の位置検出用光学格子４７、若しくは４８の透明な部分が一致したとき、両者を透過する光量は最大となる。
【０００８】
一方、この状態から移動スケール３が光学格子の１／２ピッチだけ移動すると、光学格子の透明な部分と不透明な部分が重なり合うので、当該透過光量は最小となる。即ち、移動スケール３の移動に伴い、位置検出用フォトダイオード２８、若しくは２９からの出力信号は正弦波信号となる。
この誘起の数を計数すれば移動スケール３の移動距離が求められる。又、内挿という技術を用いて更に細分化することも出来る。
一般に、固定スケール３４には通常４個２ペアの光学格子が形成されており、これに対応して位置検出用フォトダイオードも４個２ペア備えられており、ペアを組んだ２個は、お互いに１／２位相のずれた構成になっており、位置検出用フォトダイオードのお互い同士、１／２位相のずれた出力に関して差分を取って合成し、ペアの出力としている。そして一方のペアの出力に対して、他方のペアの出力は１／４ピッチだけずれている。
【０００９】
図１４の説明に於いては、これらを省略し、２組の光学格子４７、４８を備えており、これに対応して位置検出用フォトダイオードも２組設けられている構成にしてある。そして一方の光学格子４７に対して、他方の光学格子４８は１／４ピッチだけずれている。
【００１０】
図１５（ａ）は移動スケール３が移動したときに２つのフォトダイオード２８、２９の出力信号を示したものである。
固定スケール３４の一方の光学格子４７を透過した光を図１５（ａ）の信号Ａとして表すと、固定スケール３４の他方の光学格子４８を透過した光を表す信号Ｂは、信号ＡのピッチＰに対して位相が１／４ピッチずれる。
信号Ｂの信号Ａに対する位相の進み遅れで移動スケール３の移動方向の右、左を判別することが可能である。
【００１１】
一方、当該移動スケール３に設けられている原点検出用パターン７，８と固定スケール３４の設けられている原点検出用光学格子４９，５０は、例えば原点検出用パターン７と８は同一パターンであり、且つ原点検出用光学格子５０は原点検出用パターン７と同一のパターンであるが、原点検出用光学格子４９は原点検出用パターン８とは反転したパターンである様に形成されており、両者は非常に高精度に製作されている。
測定時にスピンドル５が矢印方向に移動し、移動スケール３の原点検出用パターン７の透明な部分と固定スケール３４の原点検出用光学格子５０の透明な部分が一致したとき、両者を透過する光量は最大となる。
これとは逆に、この状態の時、移動スケール３の原点検出用パターン８の透明な部分と固定スケール３４の原点検出用光学格子４９の不透明な部分が一致し、両者を透過する光量は最小となる。
【００１２】
図１５（ｂ）は移動スケール３が移動したときに２つの原点検出用フォトダイオード９，１０の出力信号及びその合成信号を示したものである。
【００１３】
又、図１６は上記した従来の光学式変位測長器１０１の一具体例に於ける断面図であって、光源として２個のＬＥＤ１、移動スケール３、スピンドル５、固定スケール３４、２個のフォトダイオード２８、２９が設けられており、当該移動スケール３は光源であるＬＥＤ１、コンデンサレンズ２と固定スケール３４、フォトダイオード２８、２９とに挟まれている。又、当該２個のＬＥＤ１、コンデンサレンズ２と、当該２個のフォトダイオード２８、２９とは相互に向かい合って配置されている。
尚、図１６中、３８は適宜のフレーム、３９Ａは上カバー部、３９Ｂは下カバー部、３０は支持台、１８は軸受け、３１は固定スケール３４の支持台、３２はＬＥＤ支持台である。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
原点の使い方は、それぞれの測長器やメーカーによって異なるが、一般的には、（１）　電源投入後だけ直ちにリセットとして働き、原点を通過したら測長器のカウンタの表示を”０”にする。
（２）　測長器のカウンタにある表示のリセットスイッチと連動して働き、原点を通過した後から、リセットスイッチが押されたとき迄の値（保持値）を記憶し、電源を切られてもこの保持値を記憶しておき、電源が再投入された後の原点通過時にこの保持値を測長器のカウンタに表示する。以上の２通りが知られている。
【００１５】
何れの方法でも、測長器のカウンタと深く係わっており、原点検出信号が測長器のカウンタを増減させるカウントパルス（Ａ相信号／Ｂ相信号）の何処で入るかによって、絶対位置としての原点がずれる可能性がある。
通常原点信号は短いパルス幅の信号で出力しているが、上記のカウントパルスと重なっていたり、必要以上に広かったりすると、当然ながらカウントミスにつながってしまうという問題があった。
【００１６】
固定スケール方式の原点検出方法にしろ、ＩＰＤ方式の原点検出方法にしろ、単に、当該フォトダイオードから出力されるアナログ信号のピーク値を求める方法では、当該アナログ信号のピーク値を先鋭化することが困難であり、又、当該ピーク値が先鋭化されていない場合には、ノイズ信号等の影響から、どこがピークであるかを識別することが困難である。
又、当該アナログ信号をあるしきい値でコンパレートすることにより、原点検出信号を求める方法もあるが、受光素子や発光素子の温度変動、電圧変動及びノイズ等により、アナログ信号自体に変動が起こると、しきい値を切る場所そのものがずれ、それがそのまま誤差として現れてくる。
又、上記した従来の固定スケール方式の光学式変位測長器に於いては、移動スケール３と固定スケール３４の重なりの明暗をフォトダイオード２８、２９で検出するため、固定スケール３４が必須であり、当該光学式変位測長器の厚みを薄くすることが不可能であり、従って光学式変位測長器の寸法が大型化しているという問題があった。
【００１７】
かかる問題を解決するために従来では、例えば特開平５−２９６７９７号公報に開示されているように、所定のピッチパターンのみを通過した光の光量とランダムパターンを通過した光の光量とに基づく出力信号の差分を求め、当該差分値から原点検出位置を検出する方法について記載されており、又、特開平１０−９０００８号公報では、更に４つのセンサの差分を取って原点を検出する方法について記載されている。
又、特開平４−５３４号公報には、左右の原点信号の交差したところを原点として検出する方法について記載されている。
【００１８】
特開２０００−９７７２６号公報には、公知の光学式変位測長器に於いて、所定のパターンを透過した光を受光するセンサから出力される原点検出アナログ信号波形を所定の基準レベルでスライスしてデジタル信号を発生させ、当該デジタル信号がアクティブとなってから位置パルス信号をカウントして、当該デジタル信号が非アクティブとなった時点でのカウント値の１／２の部位を原点とする原点位置を検出する方法について記載されている。
然しながら、上記したいずれの従来例に於いても、原点信号アナログ波形そのものの形状が不安定であれば、差分値であれ、１／２カウント値であれ、確実な位置として絶対的に固定されているものではなく、従って、原点検出に際して正確さを欠くものであった。
又、当該原点信号アナログ信号をあるしきい値でコンパレートする場合でも、往復に於いて、コンパレータのヒステリシスのため、しきい値を切る場所そのものがずれ、それがそのまま誤差として現れてくる。
【００１９】
即ち、何れの方法でも、原点検出信号が測長器のカウンタを増減させるカウントパルス（Ａ相信号／Ｂ相信号）の何処で入るか、又は何処で入れるかについては、触れておらず、原点検出信号が入ったところが直ちに原点となってしまい、誤差を生む原因となっていた。
よって、本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解消し、小型で、簡易な構成でありながら、容易に且つ正確に光学式変位測長器に於ける原点位置を決定する事が可能な、原点検出装置及び原点検出方法を提供するものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記した目的を達成するため、基本的には、以下に記載されたような技術構成を採用するものである。
即ち、本発明に於ける第１の態様は、予め定められた所定のピッチＳで配置された光学格子からなる位置検出用パターンと、当該位置検出用パターンとは異なるパターンを持つ光学格子からなる原点検出用パターン、とが設けられた移動可能なメインスケール、当該メインスケールの一方の側に設けられた当該メインスケールを照射する光を発生する光源手段、及び当該メインスケールの他方の側に設けられ、当該メインスケールの光学格子を透過した光を受光する位置検出用受光素子で構成される位置検出用センサ手段と、当該メインスケールの原点検出用パターンを透過した光を受光する受光素子で構成された原点検出用センサ手段、とからなる光学式変位測長器であって、当該位置検出用センサ手段は、当該ピッチＳで設けられた複数の受光素子を有する受光素子列を複数で構成され、当該受光素子列がＳ／ｎ（ｎは３６０を得たい出力の位相角で割った整数）の距離で当該メインスケールの移動方向に並んでおり、当該受光素子列は各ピッチＳの光学格子と同一なパターンを有するマスク部が設けられており、当該位置検出用センサ手段の出力に応じて複数の受光素子列毎に発生する位相の異なるアナログ信号、又は当該複数の受光素子列毎に発生する位相の異なるアナログ信号及び当該アナログ信号より生成し中間の位相を持つ信号を処理する位置検出処理回路、当該原点検出用センサ手段は、当該原点検出用パターンが当該位置検出用パターンの長手方向と直交し異なる位置に互いに平行に、且つ当該第１の原点検出用パターンのパターンと、当該第２原点検出用パターンのパターンとはそれぞれの位相が一致するように配置されており、且つ当該双方の原点検出用パターンに対応するように設けられた第１の原点検出センサ部と第２の原点検出センサ部とが設けられており、当該第１の原点検出センサ部に対し当該第２の原点検出センサ部からは反転した出力が得られるように構成され、当該原点検出用センサ手段の出力に応じて発生するアナログ信号を処理する原点検出処理回路、から設けられており、当該位置検出処理回路から生成された位相の異なるデジタル信号と、当該原点検出処理回路から生成されたデジタル信号とから原点信号を生成する原点信号処理回路で構成されており、更に、当該原点検出用センサの出力と、当該位置検出用センサの複数の出力のうちの１つとの位相とがほぼ一致するように配置されている光学式変位測長器に於ける原点検出装置である。
【００２１】
本発明に於ける第２の態様は、本発明に於ける第１の態様で構成されている光学式変位測長器であって、当該原点信号処理回路から生成される当該原点信号は、当該位置検出処理回路から生成された位相の異なるデジタル信号の論理演算と当該原点検出処理回路から生成されたデジタル信号との論理演算、とで決定され、更に、当該原点信号処理回路の論理演算には、少なくとも、当該位置検出処理回路から生成された当該原点検出用センサの出力と位相がほぼ一致している当該位置検出用センサのデジタル信号と、当該原点検出処理回路から生成されたデジタル信号との論理積演算を含む光学式変位測長器に於ける原点検出方法である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる原点検出装置及び原点検出方法は、上記したような技術を採用していることから、演算回路が従来の処理回路に比べ簡易化され、且つ素子の数も大幅に削減出来ることから、光学式変位測長器の原点検出を容易にしかも正確に行うことが出来、更に、本発明に於ける第１、第２の態様の様にすれば、固定スケールが不要となり、光学式変位測長器自体の大きさや厚みを小型にすることが可能な原点検出装置及び原点検出方法が提供される。
【００２３】
（実施例１）
以下に、本発明に係わる原点検出装置の具体例について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明に係わる原点検出装置の一具体例の構成が示されており、図中、予め定められた所定のピッチで配置された光学格子２０からなる位置検出用パターン１１と、当該位置検出用パターン１１とは異なるパターンを持つ光学格子２１からなる原点検出用パターン７，８とが設けられた移動可能なメインスケール３、当該メインスケール３の一方の側に設けられた当該メインスケール３を照射する光を発生するＬＥＤ等から構成された光源手段１及びコンデンサレンズ２、当該メインスケール３の他方の側に設けられ、当該メインスケール３の光学格子２０を透過した光を受光する受光素子などで構成されたセンサ手段２３とから構成されている光学式変位測長器１０１である。
【００２４】
当該メインスケール３には、少なくとも２個の当該原点検出用パターン７，８が、当該位置検出用パターン１１の長手方向と直行する方向の異なる位置に互いの並行に設けられており、然も当該原点検出用パターン７，８のパターン形状は互いに同一であって、且つ当該第１の原点検出用パターン７のパターンと当該第２の原点検出用パターン８のパターンとは、それぞれの位相が一致するように配置されているものであり、且つ当該原点検出用パターン７，８を透過した光が直接当該センサ手段２３に入力される様に構成されている光学式変位測長器に於ける原点検出装置１００が示されている。
つまり、本発明に於ける当該原点検出装置１００に於いては、上記した様に、固定スケールは使わず、当該光源から出射された光は当該メインスケール３の位置検出用パターン１１及び原点検出用パターン７，８を透過した後、直接当該センサ手段２３に入射される様に構成されている、いわゆるＩＰＤ方式の光学式変位測長器である。
ここで、本発明に於ける当該原点検出用パターン７，８は、ランダムパターンで構成されていることが望ましい。
更に、当該原点検出用センサの出力と、当該位置検出用センサの複数の出力のうちの１つとの位相とがほぼ一致するように配置されている。
【００２５】
次に、図２を使って詳細に説明する。図２は当該メインスケール３の位置検出用パターン１１と、原点検出用パターン７，８の位置的関係を示す一実施例の部分図である。ランダムパターンで構成された当該原点検出用パターン７，８が、当該位置検出用パターン１１の長手方向と直行する方向の異なる位置に互いの並行に設けられている。然も当該原点検出用パターン７，８のパターン形状は互いに同一であって、且つ当該第１の原点検出用パターン７のパターンと当該第２の原点検出用パターン８のパターンとは、それぞれの位相が一致するように配置されている。
然も、予め定められた所定のピッチＳで配置された光学格子からなる当該位置検出用パターン１１と、ランダムパターンで構成された当該原点検出用パターン７，８との位相が一致するように配置されている。
【００２６】
この例では、当該原点検出用パターンの基本的ピッチが、当該光学格子のピッチＳになるようにしてあるが、ピッチＳに拘ること無しに当該原点検出用パターンを作成し、当該センサ手段２３の原点検出センサ部と一致し、出力が最大になったときに、位置検出センサ部１２からの複数の列から生成される位相の異なるアナログ信号の何れかと位相が一致すれば良い。
又、本発明に於ける光学式変位測長器１０１の原点検出装置１００に於いては、当該センサ手段２３には少なくとも、当該位置検出用パターン１１を透過してきた光を受光する位置検出センサ部１２と、当該第１及び第２の原点検出用パターン７，８を透過してきた光を受光する第１の原点検出センサ部９と第２の原点検出センサ部１０とが設けられており、然も、当該第１の原点検出センサ部９には、当該原点検出用パターン７と同一のパターンを有するマスク部２４が設けられており、且つ、当該第２の原点検出センサ部１０には、当該原点検出用パターン８を反転させた形のパターンを有するマスク部２５が設けられている。
【００２７】
上記説明に於いては、当該メインスケール３に設けられている当該原点検出用パターン７．８は同一パターンであり、当該第１の原点検出センサ部９と当該第２の原点検出センサ部１０に於けるマスク部がお互いに反転している構成を説明したが、これとは逆に、当該第１の原点検出用パターン７のパターンと当該第２の原点検出用パターン８のパターンが、お互いに反転した関係にあり、当該第１の原点検出センサ部９と当該第２の原点検出センサ部１０に於けるマスク部が原点検出用パターン７，８のパターンの何れかと同一のパターンで構成されていても、同じ効果を持つことが出来る。
つまり、本発明に於いては、上記した構成に於いて、原点位置を正確に判断するために、２個の原点検出用パターン７，８を当該メインスケール３に設けると共に、個々の原点検出用パターン７，８を個別に透過してきた光をネガとポジの関係にあるマスクを持つ原点検出センサ部９と１０とで個別に検出し、それぞれの原点検出センサ部９と１０から互いに反転した関係にある２種類の電流アナログ信号波形を形成し、当該２種類の電流アナログ信号波形を合成してＩ−Ｖ変換することによって、アナログ信号の波形をより正確に求めることが可能になる。
【００２８】
本発明に於いては、当該Ｉ−Ｖ変換によって得られたアナログ信号波形を更に反転増幅することも望ましい。
その後、本発明に於いては、当該原点検出アナログ信号波形を所定の基準値を持つ比較手段、例えばコンパレータ等に入力することによって、アナログ／デジタル変換処理を行い、デジタル方形波形信号を形成することになる。
【００２９】
図４を使って詳細に説明する。図４（ａ）は、原点検出センサ部９と１０とで個別に検出し、互いに反転した関係にある２種類の電流アナログ信号波形をＩ−Ｖ変換器２７（ａ）、２７（ｂ）にて変換し、合成して原点合成信号ＡＺを得ることによって、アナログ信号の波形をより正確に求めることが可能になる。
この時、当該Ｉ−Ｖ変換器２７（ａ）、２７（ｂ）の各々の出力、第１の原点信号、第２の原点信号のピーク値を比較することにより、当該センサ手段２３と当該メインスケール３との平行度を調べ、調整することが出来る。
【００３０】
図４（ｂ）は、Ｉ−Ｖ変換器２７を１つで済ませる例である。当該Ｉ−Ｖ変換によって得られたアナログ信号波形を更に反転増幅することも望ましい。
【００３１】
次に、当該位置検出用パターン１１を透過してきた光を受光する位置検出センサ部１２について詳細に説明する。
図３は当該位置検出センサ部１２の一実施例である。当該メインスケール３の当該位置検出用パターン１１のピッチをＳとすると、当該位置検出用パターン１１は、Ｓ／２が光を透過する透明部分、Ｓ／２が光を遮断する不透明な部分で構成されている。これと同じパターンのマスクを持つ受光素子を、当該メインスケール３の移動方向に配置する。即ち、受光素子はＳ／２が光を受光する受光有効面３０９であり、Ｓ／２が光を受光しない受光無効面３０８で構成され、結果として受光素子列３００を形成する。
この受光素子列をＳ／ｎ（ｎは３６０を得たい出力の位相角で割った整数）づつ、ずらして配置して、当該位置検出センサ部１２が構成される。例えばＳ＝８μｍとし、４５度おきの位相が得たいとすると、ｎ＝８となり、ずらす量は１μｍとなる。　よって、当該位置検出センサ部１２は受光素子列３００から受光素子列３０７までの８列を１μｍづつ、ずらして配置した構成となる。
このような構成をすることにより、当該位置検出センサ部１２から得られる位置信号は、Ｓ／ｎ毎の、上記の例で言うと、１μｍ毎の出力が得られることになる。
【００３２】
次に当該センサ手段２３の当該位置検出センサ部１２と当該原点検出センサ部９、１０の位置関係を示す。図５は当該センサ手段２３のお互いの位置的関係を示す一実施例の部分図である。当該原点検出センサ部９は原点検出用パターン７と同じパターンのマスク２４であり、当該原点検出センサ部１０は当該原点検出用パターン７を反転させた形のパターンがマスク２５として使われている。
然も、当該原点検出センサ部９と１０とは位置検出センサ部１２を挟んで、位相が一致するように配置されている。
位置検出センサ部１２は、上記のごとく、Ｓ／ｎの間隔でずれて配置されている。そして、当該位置検出センサ部１２と当該原点検出センサ部９と１０とは、当該位置検出センサ部１２の列中の１つ、この例では受光素子列３００と位相が一致しているように配置されている。
【００３３】
図６に当該センサ手段２３及び当該センサ手段２３で生成された位置検出信号と原点検出信号の処理手段の構成図を示す。
本発明に係わる当該光学式変位測長器における原点検出装置１００の、より詳細な構成例を説明するならば、上記した図１に於ける光学式変位測長器における原点検出装置１００であって、当該センサ手段２３には、当該位置検出用パターン１１を透過してきた光を直接受光する位置検出センサ部１２と、当該第１及び第２の原点検出用パターン７，８を透過してきた光を受光する第１及び第２の原点検出センサ部９，１０とが設けられており、更に図６に示す位置検出センサ部１２からの複数の列から生成される位相の異なるアナログ信号又は位置検出センサ部１２からの複数の列から生成される位相の異なるアナログ信号及び当該アナログ信号より生成される中間の位相を持つ信号とを処理する位置検出処理回路１３、及び、第１及び第２の原点検出センサ部９，１０から生成されるお互いに反転した第１及び第２の原点検出信号を処理する原点検出処理回路１４、及び、当該位置検出処理回路１３から生成された相別のデジタル信号と、当該原点検出処理回路１４から生成されたデジタル信号とから原点信号を生成する原点信号処理回路１５、及び適宜のカウンタ手段１６とから構成されている。
【００３４】
図７に、当該センサ手段２３と、図６に示した３つの処理回路１３，１４，１５を全て１チップ化した１チップセンサー手段５５を示す。このような構成にすることにより、更に装置を小型化、且つ高信頼性のある装置に出来る望ましい例である。
【００３５】
（実施例２）
以下に、本発明に係わる原点検出方法の具体例を図面を参照しながら詳細に説明する。
以下に図５のセンサ手段２３を使って説明する。原点検出信号は、当該原点検出センサ部９と１０の出力を、当該原点検出処理回路１４内の図４（ａ）若しくは（ｂ）の回路で原点合成信号ＡＺを生成し、適宜のスレシホルド値を持つコンパレータにおいてデジタル信号ＤＺに変換する。
一方、位置検出信号は、図８に示すような当該位置検出処理回路１３内のＩ−Ｖ変換回路（２７−１〜２７−４）で８種類の出力信号から、ＡＡ、ＡＢ、ＡＣ、ＡＤの４種類の信号に合成し、各々適宜のスレシホルド値を持つコンパレータにおいてデジタル信号ＤＡ、ＤＢ、ＤＣ、ＤＤに変換する。
ここで、当該受光素子列３００と当該受光素子列３０４とは、図面から分かるように位相的に１８０度ずれた関係にあり、図８に示すような回路で加算することにより、２倍の出力が得られ、且つオフセット値を打ち消すことが出来る。
【００３６】
次に図９を使って説明する。図９は上記各アナログ信号とデジタル信号、及びそれ以後の処理された信号を示している。この図では当該光学式変位測長器１０１が正の方向に移動した場合を示している。此処で正の方向とは、カウンタ１６のアップ／ダウン信号のＡ相信号と、Ｂ相信号に於いて、Ａ相信号が”Ｈ”のとき、Ｂ相信号が立ち上がる状態のときと定義する。
Ａ相信号は（ＤＡ◎ＤＣ）、Ｂ相信号は（ＤＢ◎ＤＤ）という論理演算で求めることが出来る。此処に◎は排他的論理和（エクスクルーシブオア）の記号であ又、カウンタ１６への最終の原点信号ＺをＢ相と同期し、且つ同じ幅の”Ｈ”の信号と定義する。このように定義すれば、カウンタ１６内で原点信号ＺとＡ相信号の立ち下がり（正の方向のとき）若しくはＡ相信号の立ち上がり（負の方向のとき）のエッジを原点とすることが出来、カウンタ１６の表示のリセット、若しくはカウンタ数の保持タイミングとして使うことが出来る。
この原点信号Ｚは、当該原点信号処理回路１５内で、原点のデジタル信号ＤＺと、原点の検出信号に同期している位置検出信号のデジタル信号ＤＡ、及びＢ相信号を使って、ＤＺ・ＤＡ・（ＤＢ・ＤＤ）なる論理演算を施して求めることが出来る。此処に・は論理積（アンド）の記号である。
【００３７】
図１０は原点合成信号ＡＺの範囲を示す。図９では同期している位置信号のアナログ信号ＡＡを覆うように調整してあるが、最小はＡＺ（ａ）で示す２μｍ幅から、最大はＡＺ（ｂ）で示す１４μｍ幅までの間に有ればよいことが分かる。即ち、図９の位置に調整しておけば、その後電圧変動、ノイズの影響等により多少原点合成信号ＡＺが変動しても、原点信号Ｚには影響を与えないことが分かる。
【００３８】
図１１は原点の検出信号に同期している位置検出信号がＡＤの場合である。この場合はカウンタ１６への最終の原点信号ＺをＡ相と同期し、且つ同じ幅の”Ｈ”の信号と定義する。このように定義すれば、カウンタ１６内で原点信号ＺとＢ相信号の立ち上がり（正の方向のとき）若しくはＢ相信号の立ち下がり（負の方向のとき）のエッジを原点とすることが出来、カウンタ１６の表示のリセット、若しくはカウンタ数の保持タイミングとして使うことが出来る。
これは図９の方式と異なるが、どの位置信号と同期しているかは、物理的に設計段階で決まっており、これに合うようにカウンタの論理を決めることが出来るので問題はない。
この原点信号Ｚは、当該原点信号処理回路１５内で、原点のデジタル信号ＤＺと、原点の検出信号に同期している位置検出信号のデジタル信号ＤＤ、及びＡ相信号を使って、ＤＺ・ＤＤ・（ＤＡ◎ＤＣ）なる論理演算を施して求めることが出来る。
【００３９】
図１２は従来の内挿方式の光学式変位測長器に応用した例である。この例では、スケールのピッチＳを２０μｍとし、位相が９０度離れたＡＡとＡＦの位置検出信号から内挿技術で１０分割信号を作り出し、１μｍの分解能を持つ信号を生成している。
カウンタ１６のアップ／ダウン信号のＡ相信号と、Ｂ相信号は各々、
Ａ相信号：ＤＡ・／ＤＣ＋／ＤＣ・ＤＥ＋ＤＥ・／ＤＧ＋／ＤＧ・ＤＩ＋ＤＩ・ＤＡＢ相信号：ＤＢ・／ＤＤ＋／ＤＤ・ＤＦ＋ＤＦ・／ＤＨ＋／ＤＨ・ＤＪ＋ＤＪ・ＤＢで表される。此処に／Ｘは否定（ノット）を、＋は論理和（オア）の記号を意味する。
この例では原点の検出信号が位置検出信号ＡＡと同期するように設定してある。この場合はカウンタ１６への最終の原点信号ＺをＡ相と同期し、且つ同じ幅の”Ｈ”の信号と定義する。このように定義すれば、カウンタ１６内で原点信号ＺとＢ相信号の立ち上がり（正の方向のとき）若しくはＢ相信号の立ち下がり（負の方向のとき）のエッジを原点とすることが出来、カウンタ１６の表示のリセット、若しくはカウンタ数の保持タイミングとして使うことが出来る。
この原点信号Ｚは、当該原点信号処理回路１５内で、原点のデジタル信号ＤＺと、原点の検出信号に同期している位置検出信号のデジタル信号ＤＡ、及びＡ相信号の構成要素の１部を使って、ＤＺ・ＤＡ・（ＤＥ・／ＤＧ）　なる論理演算を施して求めることが出来る。
【００４０】
図１３も従来の内挿方式の光学式変位測長器に応用した例である。この例では、スケールのピッチＳを８μｍとし、位相が９０度離れたＡＡとＡＥの位置検出信号から内挿技術で８分割信号を作り出し、０．５μｍの分解能を持つ信号を生成している。
カウンタ１６のアップ／ダウン信号のＡ相信号と、Ｂ相信号は各々、Ａ相信号は（ＤＡ◎ＤＣ＋ＤＥ◎ＤＧ）、Ｂ相信号は（ＤＢ◎ＤＤ＋ＤＦ◎ＤＨ）で表される。
この例では原点の検出信号が位置検出信号ＡＡと同期するように設定してある。この場合はカウンタ１６への最終の原点信号Ｚを今まで定義した幅よりもっと狭く、Ａ相信号とＢ相信号の否定の論理積（Ａ相信号・／Ｂ相信号）の幅の”Ｈ”の信号と定義する。このように定義すれば、カウンタ１６内で原点信号Ｚの立ち上がり（正の方向のとき）若しくは原点信号Ｚの立ち下がり（負の方向のとき）のエッジで、カウンタ１６の表示のリセット、若しくはカウンタ数の保持タイミングとして使うことが出来る。
この原点信号Ｚは、当該原点信号処理回路１５内で、原点のデジタル信号ＤＺと、原点の検出信号に同期している位置検出信号のデジタル信号ＤＡ、及び内挿で生成した信号の１部を使って、ＤＺ・ＤＡ・（ＤＥ・／ＤＦ）なる論理演算を施して求めることが出来る。
【００４１】
以上、本発明について固定スケールを使用しないいわゆるＩＰＤ方式で説明してきたが、固定スケール方式に於いても、原点検出信号と位置検出信号の１つとの位相を合わせれば、以下、同様の処理で容易に原点検出信号を求めることが出来る。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、上記した従来技術の問題点を解消し、小型で容易な構成を有する光学式変位測長器に於ける原点検出装置及び原点検出方法が実現することになる。
更に、本発明の第１及び第２の態様にする事により、固定スケールが不要となり、小型化を実現することが可能となると共に、原点検出信号の変動やノイズによる影響を押さえることが出来、信頼性の高い原点検出装置、及び原点検出方法が実現することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学式変位測長器の一具体例の構成を示す図。
【図２】本発明のメインスケールの一実施例の部分図。
【図３】本発明の位置検出センサ部の一実施例図。
【図４】本発明の原点検出センサ部の原点合成信号発生回路図。
【図５】本発明のセンサ手段の一実施例の部分図
【図６】本発明のセンサ手段及び位置検出信号と原点検出信号の処理手段の構成図。
【図７】本発明のセンサ手段及び位置検出信号と原点検出信号の処理手段の望ましい構成図。
【図８】本発明の位置検出センサ部の位置合成信号発生回路図。
【図９】本発明の一実施例の波形図。
【図１０】
本発明の一実施例の波形図で原点信号の採り得る幅を示す。
【図１１】本発明の他の実施例の波形図。
【図１２】本発明の他の実施例の波形図。
【図１３】本発明の他の実施例の波形図。
【図１４】従来の光学式変位測長器の一具体例の構成を示す図。
【図１５】従来の光学式変位測長器に於ける位置検出のＡ、Ｂ信号及び原点検出信号の例を示す図。
【図１６】従来の光学式変位測長器の一具体例の構成を示す断面図。
【符号の説明】
１　　光源
２　　　コンデンサレンズ
３　　移動スケール
５　　スピンドル
６　　接触子
７　　第１の原点検出用パターン
８　　　第２の原点検出用パターン
９　　　第１の原点検出センサ部（フォトダイオード）
１０　　第２の原点検出センサ部（フォトダイオード）
１１　位置検出用パターン
１２　　位置検出センサ部１２
１３　　位置検出処理回路
１４　　原点検出処理回路
１５　　原点信号処理回路
１６　　カウンタ手段
１８　軸受け
２０　　位置検出用光学格子
２１　　原点検出用光学格子
２３　　センサ手段
２４、２５　マスク部
２７　Ｉ−Ｖ変換器
２８、２９　位置検出用フォトダイオード
３４　固定スケール
３０　支持台
３２　ＬＥＤ支持台
３８　フレーム
４７、４８　位置検出用光学格子
４９　第１の原点検出用光学格子
５０　　第２の原点検出用光学格子
１００　原点検出装置
１０１　　光学式変位測長器
３００〜３０７　受光素子列
３０８　受光無効面
【図１】
2004069454.tif 000003
【図２】
2004069454.tif 000004
【図３】
2004069454.tif 000005
【図４】
2004069454.tif 000006
【図５】
2004069454.tif 000007
【図６】
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【図７】
2004069454.tif 000009
【図８】
2004069454.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2004069454.tif 000014
【図１３】
2004069454.tif 000015
【図１４】
2004069454.tif 000016
【図１５】
2004069454.tif 000017
【図１６】
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