(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも原点位置を示す第１の刻線と、長さ方向に等間隔で目盛られている第２の刻線が設けられているメインスケールと、
前記メインスケールに対して、移動可能に配置され前記第１及び第２の刻線に交差する刻線が設けられているインデックススケールと、
前記両スケール間の刻線によって相対的に単位長移動する毎に１周期変化する正弦波状の信号と、上記原点位置の範囲を示す原点位置検出信号を発生する信号検出手段と、
上記正弦波状の信号の位相を所定の数で分割した時点の内挿パルス信号を発生して、上記単位長内を内挿する内挿データを出力するアブソリュート内挿手段と、
前記原点位置検出信号を原点パルス信号に成形し、当該原点パルス信号の幅のほぼ中間に位置するウインドウパルスを発生するパルス発生手段とを設け、
前記ウインドウパルスと前記内挿パルス信号の論理積を原点基準パルスとして抽出する原点信号発生手段を備えていることを特徴とする測長装置の原点信号発生装置。
【請求項２】
上記信号検出手段は光電変換素子によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の原点信号発生装置。
【請求項３】
上記内挿パルス信号は前記メインスケールの刻線間を分割したアブソリュート値を示す計数パルスとして出力され、スケール移動時に発生するａ／ｂ相パルス信号を形成するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の原点信号発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二物体間の相対移動量を測定するリニヤスケールに関するものであり、特にこのようなスケールにおいて、基準位置を原点信号として出力することにより、例えば、工作機械等の移動量を絶対値で知ることができるようにした測長装置の原点信号発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械等において、被加工物に対する工具の相対移動量を正確に測定することは、精密加工を行う上で極めて重要であり、このための測定装置が種々製品化されている。
そのひとつとして、光学格子を２枚重ね合わせることにより得られるモアレ縞を利用した光学式スケールが従来から知られている。この光学式スケールは、図１１に示すように透明のガラススケール１００の一面に透光部と非透光部が所定のピッチで配列するよう格子（刻線）を設けたメインスケール１０１と、透明のガラススケール１０２の一面に透光部と非透光部が所定のピッチで配列するよう格子（刻線）を設けたインデックススケール１０３とを有し、同図（ａ）に示すように、このメインスケール１０１にインデックススケール１０３を微小間隔を持って対向させると共に、同図（ｂ）に示すように、メインスケール１０１の格子に対し微小角度傾けられるようにインデックススケール１０３の格子を配置している。
【０００３】
なお、メインスケール１０１及びインデックススケール１０３に設けた格子は、ガラススケール１００，１０２にクロムを真空蒸着し、エッチングすることにより形成された同一ピッチの格子により形成されている。
このように配置すると、図１２に示すモアレ縞が発生する。このモアレ縞の間隔はＷとなり、間隔Ｗ毎に暗い部分あるいは明るい部分が発生する。この暗い部分あるいは明るい部分は、メインスケール１０１に対し、インデックススケール１０３が相対的に左右に移動する方向に応じて上から下、あるいは下から上に移動していく。この場合、メインスケール１０１及びインデックススケール１０３の格子のピッチをＰ、相互の傾斜角度をθ［ｒａｄ］とすると、モアレ縞の間隔Ｗは、
Ｗ＝Ｐ／θ
と示され、モアレ縞の間隔Ｗは、光学的に格子間隔Ｐを１／θ倍に拡大した間隔とされていることになる。このため、格子が１ピッチＰ移動すると、モアレ縞はＷだけ変位することになり、Ｗの上下方向の変化を読み取ることにより、ピッチＰ内の移動量を精密に測定することができるようになる。
【０００４】
例えば、図１３に示すようにモアレ縞の変化を光学的に検出する光電変換素子１１０をインデックススケールに設け、メインスケールの反対側に光源を設けるようにして、メインスケール１０１に対しインデックススケール１０３を相対的に移動させながら、この光電変換素子１１０に流れる電流の変化を読み取る。
すなわち、モアレ縞のパターンがＡの状態となっていると、光電変換素子１１０に照射される光量は最も多くなり、光電変換素子１１０に流れる電流は最大値Ｉ1 となる。次に、相対的に移動してＢの状態になると光電変換素子１１０に照射される光量はやや減少し、その電流はＩ２ となり、更に、移動してＣの状態になると光電変化素子１１０には最も少ない光量が照射され、その電流も最も小さいＩ3 となる。そして、更に移動してＤの状態になると光電変換素子１１０に照射される光量はやや増加し、その電流はＩ２ となり、Ｅの状態になるまで移動すると、再び最も光量の多い位置となり、その電流は最大値Ｉ１ となる。
このように、光電変換素子１１０に流れる電流は正弦波状に変化すると共に、その変化が１周期経過した時に、格子間隔Ｐだけメインスケール１０１とインデックススケール１０３とが相対的に移動したことになる。
【０００５】
図１３においては、光電変換素子１１０を一つだけ設けるようにしたが、図１４に示すように、一周期（間隔Ｗ）と９０゜ずらせて２つの光電変換素子１１１，１１２を設けるようにすると、Ａ相の光電変換素子１１１に流れる電流に対してＢ相の光電変換素子１１２に流れる電流は、図１５に示すように９０゜偏移した電流となる。すなわち、Ａ相の光電変換素子１１１に流れる電流をサイン波とすると、Ｂ相の光電変換素子１１２に流れる電流はコサイン波となる。
この場合、メインスケール１０１とインデックススケール１０３との相対的な移動方向により、Ａ相の光電変換素子１１１に流れる電流に対するＢ相の光電変換素子１１２に流れる電流の位相は９０゜進相あるいは９０゜遅相となるため、９０゜ずらせて配置した２つの光電変換素子を設けると、両者の間の位相を検出することにより相対的な移動方向を検出することができる。
【０００６】
以上説明した原理を利用した光学式スケールの斜視図の概要を図１６に示す。この図において、細長いメインスケール１０１の一面には蒸着されたクロムにより形成された同一ピッチの格子が刻線されており、このメインスケール１０１を抱持するコの字形ホルダ１０４の一面にインデックススケール１０３が固着されている。このインデックススケール１０３のメインスケールに対向する面には、メインスケール１０１と同様に蒸着されたクロムにより形成された同一ピッチの格子が刻線されており、このインデックススケール１０３の裏側には光電変換素子１１３が設けられている。
【０００７】
さらに、図１７に示すようにコの字形ホルダ１０４のメインスケール１０１の反対側に位置する面には、光源１０５を配置してメインスケール１０１とインデックススケール１０３を透過する光を光電変換素子１１３によって検出するように構成している。
そして、メインスケール１０１とインデックススケール１０３とは互いに移動可能とされている。
なお、前記したようにメインスケール１０１の格子（刻線）に対してインデックススケール１０３の格子（刻線）は微小間隔を持って対向していると共に、微小角度傾けられるようにされている。
【０００８】
このように構成された光学式スケールの原理構造の横断面図１７から、光源１０５から照射された光はガラス製のメインスケール１０１を透過し、さらにガラス製のインデックススケール１０３を透過した後、光電変換素子１１３によりモアレ縞として受光される。
この光電変換素子１１３からは前記図１５に示す互いに９０゜の位相差を有するＡ相の信号とＢ相の信号とが出力され、この２つの信号から前記のように移動方向及び移動距離を測定することができる。
なお、光電変換素子１１３には３個の光電変換素子が設けられているが、そのうちの２つは上記Ａ相の信号とＢ相の信号とを出力し、残る一つは基準レベルの信号を出力している。そして、この基準レベルの光電変換素子により受光された光量を、正弦波状に変化しているＡ相、またはＢ相の平均信号レベル（ゼロレベル）となるように設定することにより、さらに精度の高い検出信号とすることができるようになる。
【０００９】
ところで、このように構成された光学式スケールは、ＮＣ工作機械に取りつけられて被加工物と工具との相対的移動量を測定しているが、一般に数値制御する場合は原点からの移動量としてプログラムされるため、この相対的移動量は原点からの移動量として測定する必要がある。そこで、通常メインスケールに予め原点位置が設けられ、この原点位置をインデックススケールが通過した時に原点が検出され、この原点検出信号はＮＣ装置に供給されてＮＣ装置をリセットすることにより、原点位置をＮＣ装置にセッテイングするようにしていた。
そこで、上記したような光電式リニヤスケールにおいて図１８（ａ）に示すようにメインスケール１０１の刻線位置とは異なる所定のトラック位置に、基準点となる原点Ｚを示す刻線（格子）１０９を設け、この原点となる格子１０９、およびインデックススケール１０３を通過する光をモアレ縞として検出する光電変換素子を配置しておくと、メインスケール１０１とインデックススケール１０３が特定の位置関係になっているときだけを原点の信号として検出することができるようになる。
【００１０】
すなわち、図１８（ｂ）に示すように、この原点Ｚの位置においてもメインスケール１０１の１ピッチＰの間で図１３の場合と同様に変化する太線の信号Ｓｚが原点位置検出信号として検出されるから、この原点位置検出信号Ｓｚの波形のピーク点を、例えば同図（ｂ）に示すように所定のレベルＴＨでクリップして原点パルス信号Ｐｚを形成すると、この原点パルス信号Ｐｚの立ち上がり点をメインスケールの原点Ｚとすることができる。
【００１１】
しかしながら、この原点の位置検出信号Ｓｚは、一般的にメインスケール１０１とインデックススケール１０３の相対的な移動によって検出されるが、原点Ｚを通過するときの相対的な移動速度によって検出信号のレベルが変化するという問題が生じる。
たとえば、メインスケールとインデックススケールの相対速度が大きいときは検出レベルが小さくなる。そのため、原点を決定する際はこの移動速度を指定しなければならないという問題がある。
また、インデックススケール１０３に対してメインスケール１０１の原点Ｚがどの方向から接近したかによってモアレ縞の検出信号が僅かであるが変位し、そのために原点パルス信号Ｐｚの位置が変化する場合が生じる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本出願人は先にスケールの原点信号が、計測されたアブソリュート値に同期して得られるようにすることにより、原点位置検出信号Ｓｚの波形変化に関わらず正確な原点基準信号として検出できる方法を提案した。（特願平１０−８１１１９号）
しかしながら、原点位置検出信号Ｓｚは、メインスケールのパターンと、インデックススケールのパターンのスリットがお互いに白い部分と黒部分が重なり光が通らない状態となるときにピーク信号が得られるようなギャップ構成されているので、この二つのスケール間のギャップが所定の設定値となっていない場合、例えば、原点検出用のメインスケールと、インデックススケールの間隔が広くなると、図１８（ｂ）の原点位置検出波形Ｓｚの波形のピーク点がつぶれ、細線で示す原点位置信号Ｓｚ’に見られるように原点位置が広い範囲で検出される。
すると、上記同期型の原点検出方法による場合も原点位置を確定する原点基準信号に誤差が生じる。
例えば、スケールの一方側に発光素子と受光素子を配置し、モアレ縞を光の反射光から検出するような光学検出装置を使用すると、メインスケールとインデックススケールの間隔が相対的に広くなり、本来ならば刻線同志が重なって全く光が通過しないモアレ状態の時でも、光の漏れが生じ検出電流のピーク値がつぶれると共に、比較的広い領域で電流が検出される。すると原点位置に対する原点パルス信号はＰｚ1のように広いパルス幅となり同期検出が不正確になる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記したような問題点を解消するために、
所定の間隔で配置されているメインスケールと、インデックススケールの刻線によって相対的に単位長移動する毎に１周期変化する正弦波状の信号と、上記原点位置の範囲を示す原点検出信号を発生する信号検出手段と、
上記正弦波状の信号の所定位相偏移に応じた内挿パルス信号を発生して上記単位長内を内挿する内挿データを出力するアブソリュート内挿手段と、
前記原点信号のパルス幅を測定し、測定されたパルス幅のほぼ中間に位置するウインドウパルスを発生するパルス発生手段とを設け、
前記ウインドウパルスによって前記刻線ピッチ間を内挿しているパルス信号を同期検出して、原点基準パルスを出力するように構成されている。
【００１４】
本発明によれば、原点Ｚにおいて発生する原点位置検出信号の幅を検出し、この原点位置検出信号波形の所定位置を決定するようなウインドウパルス信号を発生する手段を設けているので、このウインドウパルスと格子間を分割する内挿手段から出力される内挿パルス信号の論理を取ることによって、原点Ｚの基準位置を検出することができる。
したがって、原点位置と格子間隔を内挿しているアブソリュート値は完全に一致した信号として取り扱うことができ、原点位置検出信号が比較的幅が広い信号波形の時でも正確な原点信号を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の原点位置検出装置を光学式リニヤスケールに適応したときの概要を図１に示す。
この図１に示す光学式リニヤスケールにおいて、光源である発光ダイオード１から照射された光はメインスケール及びインデックススケールに刻線されたピッチＰの格子を透過して、光電変換素子であるフォトダイオード２により受光される。フォトダイオード２により受光されたＡ相の信号及びＢ相の信号は光電変換アンプ３により増幅されて、コンパレータ４に印加され２値データとされる。
この２値データは位置データバックアップカウンタ５により、ピッチＰ移動する毎に移動方向に応じて加算あるいは減算カウントされ、ピッチＰを単位とする位置データとされて処理装置（表示機器）９に供給される。この処理装置９には次に述べる格子ピッチＰ内を内挿するデータも供給されさらに精密なアブソリュート値を測定できるようにしている。
【００１６】
すなわち、光電変換アンプ３からの出力された前記したＡ相信号及びＢ相信号は、アブソリュート内挿回路６に供給され、このアブソリュート内挿回路６により前記格子ピッチＰを細かく分割する内挿パルスを計数するよう構成して、この計数パルスをカウンタ２５から出力することによって、ピッチＰ内を分割した内挿データを前記処理装置９へ出力する。
【００１７】
さらに、アブソリュート内挿回路６で位相変調された信号が印加されているａ／ｂ相信号発生器８からは、後で述べるようにピッチＰ内を分割した内挿データをパルスの個数及び位相で示すＡ相パルス信号、およびＢ相パルス信号として発生し、数値制御（ＮＣ）装置に供給するようにすると共に、基準点を示す原点基準信号としてＺ相のパルス信号を出力するようにしている。そしてこれらのパルス信号によって、工作機械の移動方向の制御と移動量を制御することができるようになされている。
【００１８】
本発明の場合は、メインスケール１０１に刻線、或いは原点標識が貼付された原点位置Ｚを形成する格子１０９と、インデックススケール１０３によってモアレ縞、または原点信号を発生するように光源１１（発光ダイオード）とにより、発生した原点のモアレ縞を検出するフオートダイオード１２と、その出力を増幅するアンプ１３、及びアンプ１３の出力を成形する波形整形回路１４を備えている。（なお、光源１１は光源１と兼用しその出力光がスケールによって反射された光をフォトダイオード１２によって検出するようにするようにしてもよい）
そして、検出した原点位置の検出信号と、後で述べるカウント比較器３７の一致出力を基準信号発生部３６に入力し、メインスケールに刻設されている基準位置Ｚの点を検出するための原点基準パルス信号を前記Ａ相、または、Ｂ相の出力パルスに同期して得るようにしている。
【００１９】
なお、本実施例ではメインスケールとインデックススケールに設けられた格子の間隔Ｐが４０ミクロンである場合を想定し、上記アブソリュート内挿回路６に入力されたＡ相信号あるいはＢ相信号の一周期において、４０個のパルスを計数するようにしており、分解能を１ミクロンとした光学式スケールとすることができるようにしている。
【００２０】
アブソリュート内挿回路６は、入力されたＡ相信号，Ｂ相信号のレベルに応じた位相偏移を搬送波に与える位相変調回路２１と、この位相変調回路２１の位相偏移された出力信号の基本波を抽出するローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２と、ローパスフィルタ２２の出力信号を二値化するコンパレータ２３と、二値化された搬送波のエッジで計数がスタートされコンパレータ２３の出力信号のエッジにより計数がストップするカウンタ２５と、カウンタ２５で計数されるクロック及び搬送波を作成するためのクロックを発生するクロック発生器２４と、クロック発生器２４のクロックを分周する分周器２６と、この分周器２６の出力より搬送波を発生する搬送波発生器２７とから構成されており、分解能を向上するために格子ピッチＰ内を分割する機能を有する回路である。
【００２１】
位相変調器２１は、例えば特開昭６２−１３２１０４号公報に記載されている構成とされており、その詳細な構成は図２に示すように、入力されたＡ相信号はバッファとして動作するオペアンプＯＰ１を介して抵抗ネットワークＲＴに供給されると共に、オペアンプＯＰ２により反転されて抵抗ネットワークＲＴに供給される。
また、Ｂ相信号はバッファとして動作するオペアンプＯＰ３を介して抵抗ネットワークＲＴに供給されると共に、オペアンプＯＰ４により反転されて抵抗ネットワークＲＴに供給される。
【００２２】
すなわち、Ａ相信号，反転Ａ相信号，Ｂ相信号，反転Ｂ相信号を抵抗ネットワークＲＴにより混合加算し、位相が反対で同電圧の８分割された混合信号を作成し、マルチプレクサＡＭの８つの入力端子（０）〜（７）にそれぞれ供給している。このマルチプレクサＡＭの入力端子Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３には図３（ｃ）に示す選択信号Ａ，Ｂ，Ｃが入力され、この選択信号Ａ，Ｂ，ＣによりマルチプレクサＡＭの入力端子（０）〜（７）が順次選択されて、出力端子ｔｏから図３（ａ）に示す階段状の出力信号Ｓが出力される。
このマルチプレクサＡＭから出力される信号Ｓの周波数は、図３に図示するように選択信号Ｃの周期と同一であり、結局のところ、選択信号Ｃを搬送波としてその位相をＡ相信号（Ｂ相信号）のレベルにより平衡変調した出力信号ＳがマルチプレクサＡＭから出力されるようになる。すなわち、Ａ相信号（Ｂ相信号）のレベルに応じて位相偏移された搬送波が出力されるのである。
【００２３】
このように平衡変調された搬送波はＬＰＦ２２に印加されて、図３（ｂ）に示すように滑らかな正弦波状とされる。
この信号は搬送波周波数の角速度をω、格子間隔をｐ、移動量をｘとしたときに
Ｓ＝Ｋ・Ｃｏｓ（ωｔ−２π・ｘ／ｐ）
によって示される信号となり、スケールの相対的な移動量、すなわち測長値ｘとピッチｐの比ｘ／ｐが位相の変化として示される信号となる。
【００２４】
コンパレータ２３によってこの信号Ｓの零レベルの点がエッジとされる二値信号に変換される。このコンパレータ２３より出力される二値信号の位相と、アブソリュート内挿回路６に入力されるＡ相信号及びＢ相信号のレベルとの関係を図４に示す。
この図の左側に示す正弦波状に変化している信号がＡ相信号及びＢ相信号であり、右側に示すパルス波形は位相偏移を受けたコンパレータ２３よりの搬送波の二値信号であり、その破線位置が位相変調回路２１に供給される搬送波の零位相の位置である。
【００２５】
そして、この図のイに示すように、Ａ相信号が正の最大レベルでＢ相信号が零レベルの場合は９０゜位相偏移された二値信号とされ、Ａ相信号が零レベルでＢ相信号が正の最大レベルの同図ロの場合は１８０゜位相偏移された二値信号とされ、Ａ相信号が負の最大レベルでＢ相信号が零レベルの同図ハの場合は２７０゜位相偏移された二値信号とされ、Ａ相信号が零レベルでＢ相信号が負の最大レベルの同図ニの場合は３６０゜位相偏移されて、位相偏移されていない元の状態に戻った二値信号とされる。
【００２６】
このように、位相変調回路２１，ＬＰＦ２２，コンパレータ２３は構成されているため、格子ピッチＰ内を分割した内挿データを得ることができる。例えば、搬送波の零位相位置からコンパレータ２３の出力が立ち上がるまでクロックを計数することにより格子ピッチＰ内を分割した内挿データとすることができる。そこで、搬送波発生回路２７よりの搬送波のエッジによりカウンタ２５の計数をスタートさせ、コンパレータ２３の二値出力の立ち上がりエッジによりカウンタ２５の計数をストップさせると、カウンタ２５より格子ピッチＰ内を分割した内挿アブソリュート値を検出できるようになる。
この場合の計数パルスを図５に示す。ただし、この図においてクロック発生器から発生されるクロックは搬送波発生器２７より発生される搬送波の４０倍の周波数とされている（分周器２６は１／４０に分周している）。
【００２７】
図５（ａ）はクロック発生器２４から発生されるクロックを示しており、同図（ｂ）は図４ニの点から１／４ピッチ移動したイの位置となっている場合であり、１０個のクロックをカウンタ２５は計数する。また同図（ｃ）は図４のロに示す場合であり、１／２ピッチ移動して２０個のクロックをカウンタ２５は計数する。さらに、同図（ｄ）は図４のハに示す場合であり、３／４ピッチ変位して３０個のクロックをカウンタ２５が計数する場合を示す。
また同図（ｅ）は図４のニに示す場合であり、位相偏移は３６０゜とされているため、カウンタ２５が計数するクロックはない。
【００２８】
このように、カウンタ２５が計数するクロックの周波数が搬送波周波数の４０倍とされていると、カウンタ２５は格子ピッチＰを４０分割した量だけ移動する毎に１パルスを計数することになるため、分解能を４０倍にすることができる。したがって、格子ピッチが４０ミクロンの場合は１ミクロンの分解能とすることができる。すなわち、内挿されるパルス数は「０〜３９」とされていることになる。
【００２９】
次に、ａ／ｂ相信号発生回路８と原点信号を作る回路の概要をブロック図として図６に示す。
図６に示すようにアブソリュート内挿回路６のコンパレータ２３の出力信号の周期を測定する周期測定カウンタ３１と、この周期測定カウンタ３１よりの計数値から所定の設定値を減算する減算器３２と、減算器３２よりの減算値がプリセットされその計数値がゼロになるまで、ＡＢ相パルス発生器３４から発生されるフィードバックパルスＦＢを計数するアップダウンカウンタ３３と、アップダウンカウンタ３３よりのイコール信号ＥＱとディレクション信号ＤＩＲを受けて、イコール信号ＥＱが消失するまでフィードバックパルスＦＢを１パルスづつ発生すると共に、このフィードバックパルスＦＢとディレクション信号ＤＩＲとによりＡ相パルス信号とＢ相パルス信号とを発生して、ＮＣ装置等へ供給するＡＢ相パルス発生器３４と、周期測定カウンタ３１が計数するクロックを発生する基準クロック発生器３５より構成されている。
【００３０】
３６は原点パルス信号Ｓｐを形成する基準信号発生部を示しており、後で述べるように原点信号のほぼ中央点を示す原点パルス信号Ｐｚ｛図６（ｂ）｝を形成すると共に、他方の入力には図６（ａ）のカウント比較器３７の一致出力Ｐｒが入力されている。
カウント比較器３７には図１のカウンタ２５の計数値がプレセットされ、前記フイードバックパルスＦＢによってその値が変化する内部カウンタ３８から計数値が入力される。
そして、基準信号発生部３６によって原点基準パルスＰｚとカウント比較器３７の一致出力Ｐｒの論理積を取ることにより、カウント比較器３７から出力される一致出力Ｐｒの中から原点基準パルス信号Ｚｓを抽出するようにしている。
【００３１】
周期カウンタ３１はアブソリュート内挿回路６内の位相変調回路２１により位相変調された搬送波の周期を測定するカウンタであり、メインスケールとインデックススケールとが相対的に静止している場合は、位相変調搬送波の周期は変化されず図９（ａ）に示すように、基準クロックを４０クロック計数する。ただし、この時は、アブソリュート内挿回路６における内挿パルス数が「４０」とされて、分解能が４０倍に向上されている場合である。すなわち、基準クロックとアブソリュート内挿回路６内のクロック発生器２４よりのクロックとは同周波数のクロックとなるため、通常はアブソリュート内挿回路６内のクロック発生器２４より発生されるクロックを基準クロックとして兼用して周期測定カウンタ３１は計数している。
【００３２】
また、メインスケールとインデックススケールとが相対的に左方向に１μｍ移動した場合は、その瞬間に例えば、図９（ｂ）に示すように位相変調搬送波の周期は短くなり、周期測定カウンタ３１の計数クロック数は３９パルスとなり、逆に相対的に右方向に１μｍ移動した場合は、例えば、図９（ｃ）に示すように位相変調搬送波の周期は長くなり、周期測定カウンタ３１の計数クロック数は４１パルスとなる。
このように、周期測定カウンタ３１はメインスケールとインデックススケールの相対的な動きが生じたときに、その格子内の動きに応じて分解能が４０倍の時は４０を中心としてその計数値が位相変調波の周期毎に変化する。
【００３３】
このようにして、周期測定カウンタ３１により測定された位相変調搬送波の周期のデータは減算器３２に供給され、設定値である「４０」が減算される。したがって、静止しているときは図９（ａ）のように「０」が減算器３２から出力され、アップダウンカウンタ３３に「０」がプリセットされる。また、左に移動しているときは、例えば同図（ｂ）のように「−１以下」が減算器３２から出力され、アップダウンカウンタ３３に例えば「−１以下」がプリセットされる。
さらに、右側に動いているときは（ｃ）のように「１以上」が減算器３２から出力され、アップダウンカウンタ３３に例えば「１以上」がプリセットされる。
【００３４】
次に、図１０を参照しながらアップダウンカウンタ３３とＡＢ相パルス発生器３４の動作を説明するが、この図には一例としてスケールの移動によってある位置から（＋）または（−）３／４０ピッチ動いた場合を示し、アップダウンカウンタ３３に「３」あるいは「−３」がプリセットされた場合を示している。
まず、図１０（ａ）に示すように、スケールが移動して「３」がアップダウンカウンタ３３にプリセットされると、このカウンタ３３からは計数値が「０」でない時に「Ｌ」レベルとなるイコール信号ＥＱと、移動方向を示す「Ｈ」レベルのディレクション信号ＤＩＲが同図（ｂ），（ｃ）に示すように出力される。そして、ＡＢ相パルス発生器３４は、この信号ＥＱと信号ＤＩＲとをうけて、同図（ｄ）に示すようにフィードバックパルスＦＢを１パルス（Ａ１）発生してアップダウンカウンタ３３に供給する。
【００３５】
この時、信号ＤＩＲが「Ｈ」レベルのため、フィードバックパルスＦＢによりアップダウンカウンタ３３はダウン計数され、その計数値は「２」となるが、信号ＥＱの「Ｌ」レベル状態は維持されるため、さらにフィードバックパルスＦＢが１パルス（Ａ２）発生され、このフィードバックパルスＦＢによりアップダウンカウンタ３３はさらにダウン計数され、その計数値は「１」となる。しかしながら、信号ＥＱの「Ｌ」レベル状態は維持されるため、さらにフィードバックパルスＦＢが１パルス（Ａ３）発生され、このフィードバックパルスＦＢによりアップダウンカウンタ３３はダウン計数されて、その計数値は「０」となり、イコール信号ＥＱのレベルが「Ｈ」となる。したがって、ＡＢ相パルス発生器３４から出力されるフィードバックパルスＦＢは停止される。
【００３６】
一方、ＡＢ相パルス発生器３４において、図１０（ｅ），（ｆ）に示すように、Ａ１のフィードバックパルスＦＢの立ち下がりエッジにおいて、Ａ相パルス信号が「Ｈ」レベルに反転され、Ａ２のフィードバックパルスＦＢの立ち下がりエッジにおいて、Ｂ相パルス信号が「Ｈ」レベルに反転され、さらに、Ａ３のフィードバックパルスＦＢの立ち下がりエッジにおいて、Ａ相パルス信号が「Ｌ」レベルに反転される。
アップダウンカウンタ３３の計数値が「０」の時、移動方向が逆転するとディレクション信号ＤＩＲが図１０（ｃ）に示すように「Ｌ」レベルに反転し、移動量として例えば「−３」が、図１０（ａ）に示すように、アップダウンカウンタ３３にプリセットされたとする。すると、このカウンタ３３からは計数値が「０」でない時に「Ｌ」レベルとなるイコール信号ＥＱと、移動方向を示す「Ｌ」レベルのディレクション信号ＤＩＲが同図（ｂ），（ｃ）に示すように出力される。そして、ＡＢ相パルス発生器３４は、この信号ＥＱと信号ＤＩＲとをうけて、同図（ｄ）に示すようにフィードバックパルスＦＢを１パルス（Ｂ１）発生してアップダウンカウンタ３３に供給する。
【００３７】
この時、信号ＤＩＲが「Ｌ」レベルのため、フィードバックパルスＦＢによりアップダウンカウンタ３３はアップ計数して、その計数値は「−２」となるが、信号ＥＱの「Ｌ」レベル状態は維持されるため、さらにフィードバックパルスＦＢが１パルス（Ｂ２）発生され、このフィードバックパルスＦＢによりアップダウンカウンタ３３はさらにアップ計数され、その計数値は「−１」となる。しかしながら、信号ＥＱの「Ｌ」レベル状態は維持されるためさらにフィードバックパルスＦＢが１パルス（Ｂ３）発生され、このフィードバックパルスＦＢによりアップダウンカウンタ３３はアップ計数して、その計数値は「０」となり、イコール信号ＥＱのレベルが「Ｈ」となる。したがって、ＡＢ相パルス発生器３４から出力されるフィードバックパルスＦＢは停止される。
【００３８】
一方、ＡＢ相パルス発生器３４において、図１０（ｅ），（ｆ）に示すように、Ｂ１のフィードバックパルスＦＢの立ち下がりエッジによりＡ相パルス信号が「Ｈ」レベルに反転し、Ｂ２のフィードバックパルスＦＢの立ち下がりエッジによりＢ相パルス信号が「Ｌ」レベルに反転し、さらに、Ｂ３のフィードバックパルスＦＢの立ち下がりエッジによりＡ相パルス信号が「Ｌ」レベルに反転する。このようにして発生されたＡ相パルス信号とＢ相パルス信号はＮＣ装置へ供給され、ＮＣ装置は供給されたＡ相信号とＢ相信号とのエッジを検出することにより、移動量を検出すると共に、Ａ／Ｂ相パルス信号の位相関係より移動方向を検出する。
【００３９】
ところで、本発明の場合はａ／ｂ相信号発生器８に、基準信号発生部３６とカウント比較器３７と、内部カウンタ３８を設けている。そして、この基準信号発生部３６にはカウント比較器３７の一致パルス出力Ｐｒと原点Ｚの検出信号Ｐｚが入力され、この検出信号Ｐｚから形成されたウインドウパルスＰｗと一致パルスＰｒの論理積から原点基準パルス信号Ｚｓを生成するようにしている。
カウント比較器３７には前記内部カウンタ３８の計数値が入力され、この計数値が設定値Ｑと一致するときに一致出力パルスＰｒを出力する。
内部カウンタ３８はカウンタ２５から出力されている内挿アブソリュート値の初期値が、例えば電源オン時にプリセットされ、この計数値がスケールが移動したときに出力されるフイードバックパルスＦＢによって変化し、１ピッチ移動する毎に０〜３９を計数するようになされている。
【００４０】
基準信号発生部３６は図７に示されているようにサンプリング回路４１と、上記Ａ相、Ｂ相位置検出信号のコンパレータ４の出力からサンプリングパルスをＰｓを発生するサンプリングパルス発生回路４２と、サンプリング回路４１の出力がＨレベルとなった回数をカウントするカウンタ４３を備えている。
４４はカウンタ４３のカウント値に基づいて、原点位置を指定するウインドウパルスＰｗの位置データを演算すると共に、その演算値に基づいたウインドウパルスＰｗを発生するウインドウ演算／発生回路で、この回路から出力されたウインドウパルスＰｗによって上記した一致パルスＰｒを選択するゲート回路４５が設けられている。
【００４１】
以下、上記の基準信号発生部３６の動作を図８の波形図を参照して説明する。
図８に示すように原点位置検出信号Ｓｚを波形整形した原点パルス信号Ｐｚがサンプリング回路４１に供給されると、Ａ相、Ｂ相信号の例えばゼロクロス点をサンプリングパルスＳｐとするサンプリングパルス発生回路４２の出力により、原点パルス信号ＰｚのＨレベルの期間がカウンタ４３により計数される。
そしてこの計数値が例えば「１２」の場合は、図８に示されているようにそのカウント値の中央部に相当するカウント値４〜８が演算され、その演算値に基づいてウインドウパルスＰｗが形成される。
そしてこのウインドウパルスＰｗと、上記した一致パルスＰｒの論理積がゲート回路４５において演算され、原点基準パルス信号Ｚｓが得られる。
【００４２】
この原点基準パルス信号Ｚｓは上記一致パルスＰｒと完全に同期しているので、結果的に、スケールのピッチ間を位相分割したアブソリュート値に基づいたＡ相パルス信号とＢ相パルス信号に同期しており、原点位置検出信号の波形に多少のノイズ成分が加わっているときや、その検出波形の幅が広くなっている時でも、常に正確な原点基準パルス信号を得ることができる。
また、この原点位置を示すためのウインドウパルスＰｗは、測長装置の電源がオンとなっている時の初期値に基づいて更新され、そのデータを不揮発性のメモリ４６に記憶しておくようにしているので、スケールを機械等に設置した後に、このメモリから読み出されたデータに基づいて原点基準パルスを検出するウインドウ位置を簡単に設定することができる。
すなわち、スケールを設置した後に、一度最適な原点を検出するためのウインドウ位置データが記憶されると、以後はサンプリング操作や演算操作を省略することができるようになる。
【００４３】
以上のように、カウンタ２５が示す最初のピッチ間の特定の位置（初期値）からスケールが移動すると、この点から図１０のａ／ｂ相信号が生じると共に、このａ／ｂ相信号と同期して内部カウンタ３８のカウント値が変化するように動作する。
この内部カウンタ３８が特定の１ピッチ内の設定値Ｑとなるときにカウント比較器３７から一致パルスＰｒが出力されるので、一致パルスＰｒは各刻線ピッチ間を分割した特定の位置から得られることになり、この一致パルスＰｒを原点位置検出信号Ｓｚが検出される基準の位置で抽出すると、ピッチ間を内挿したアブソリュート値と同期して原点Ｚの位置を示す原点基準パルスＺｓを得ることができる。
【００４４】
この原点基準パルスＺｓは格子内を分割して出力している上記Ａ相出力信号又はＢ相出力信号と完全に同期して出力されるので、スケールがどの方向からどのような速度で原点Ｚに近づいても、常に一定の位置を示す信号となり、非常に精度の高い基準位置を設定することができる。
なお、原点位置が必要とされる測長装置として光学的なリニヤスケールについて述べたが、ロータリエンコーダや磁気的にスケールのメモリを読み出す測長装置に対しても、原点位置検出波形の精度が悪いときは、本発明の原点検出装置を適応することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は以上のように原点の位置信号を格子間を分割した位置を示す信号に同期して確定するようにしているので、メインスケールが原点を通過するときの速度や、移動方向に関係なく常に精度の高い原点信号を出力することができるという効果がある。
【００４６】
特に本発明は、原点位置検出波形がスケールの設置条件やモアレの検出手段によって、広い幅で検出されるような場合でも、基準となる原点パルス信号の抽出点を誤ることがないので、スケールの原点検出機構を安価に構成することができ、コストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学式リニヤスケールの原点検出装置のブロック図である。
【図２】位相変調回路の回路図である。
【図３】位相変調回路のタイミング図である。
【図４】アブソリュート内挿回路のタイミング図である。
【図５】内挿パルスのタイミング図である。
【図６】ａ／ｂ相信号発生回路と原点信号の抽出を行うブロック図である。
【図７】  原点信号のパルス幅から、ウインドウパルスを生成し、ピッチ間を分割した測長信号と同期した原点信号を形成する原点信号を発生するブロック図である。
【図８】図７の信号処理を説明するための波形図である。
【図９】周期測定カウンタのタイミング図である。
【図１０】ＡＢ相パルス発生器の動作タイミング図である。
【図１１】光学式スケールの原理図である。
【図１２】モアレ縞を示す図である。
【図１３】モアレ縞の移動を示す図である。
【図１４】光電変換素子を設置する位置を示す図である。
【図１５】Ａ相信号とＢ相信号との波形図である。
【図１６】光学式スケールの斜視図である。
【図１７】光学式スケールの断面図である。
【図１８】原点位置を検出する格子と、その検出波形を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１１  発光ダイオード
２，１２  フォトダイオード
３，１３  光電変換アンプ
４，２３  コンパレータ
５  位置データバックアップカウンタ
６  アブソリュート内挿回路
８  ａ／ｂ相信号発生部
９  処理回路（表示部）
２１  位相変調回路
２２  ＬＰＦ
２４  クロック発生器
２５  カウンタ
２６  分周器
３１  周期測定カウンタ
３２  減算器
３３  アップダウンカウンタ
３４  ＡＢ相パルス発生器
３６  基準信号発生部
３７  カウンタ比較器
３８  内部カウンタ
４１  サンプリング回路
４２  サンプリングパルス発生回路
４３  カウンタ
４４  ウインドウ演算／発生回路
４５  ゲート回路
１０１  メインスケール
１０３  インデックススケール
１０４  コの字形ホルダ
１０５  光源
１０９  原点位置
１１０，１１１，１１２，１１３  光電変換素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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