JP2006029933A

JP2006029933A - 画像式スケール

Info

Publication number: JP2006029933A
Application number: JP2004208068A
Authority: JP
Inventors: Shingo Omote; 慎吾表
Original assignee: NEIVE KK; Neive Co Ltd
Current assignee: NEIVE KK; Neive Co Ltd
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】画像式スケールで、レーザ光を用いた光学式スケールと同等の精密な測定ができ、測定長を長くできるとともに、ずっと低価格にできること。
【解決手段】画像式スケール１においては、模様データ記憶手段８Ａから高精度温度センサ６で測定されたスケール板３の温度に対応する模様データが呼び出され、移動体２の現位置における画像センサ４の撮像データと模様データが位置演算手段８Ｂで照合され、スケール板３上の絶対位置が演算・特定されてその数値が記憶される。移動体２が移動して停止した位置において、再び画像センサ４の撮像データと模様データが位置演算手段８Ｂで照合されて、スケール板３における絶対位置が演算・特定されてその数値から記憶された原点の数値を引いた移動量が算出されて、パソコン８のディスプレイ９に表示される。このようにして、移動体２の移動量が高精度（±１．０μｍ以内）で測定され、表示される。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の可動部分の移動距離や回転テーブルの回転角度を画像センサを用いて精密に測定する画像式スケールに関するもので、特に、従来の磁気式スケールや光学式スケールよりも高精度で測定することができる画像式スケールに関するものである。

従来、工作機械（ＮＣ旋盤，フライス盤，マシニングセンター，等）や３次元座標測定機等において位置を高精度に測る装置として、磁気式スケールや光学式スケールが用いられている。図９（ａ）は従来の磁気式スケールの構成を示す斜視図、（ｂ）は磁気波形を示す図である。図１０は従来の光学式スケールの構成を示す斜視図である。図９に示されるように、磁気式スケール３０は磁気記録されたスケール素材３１と磁束応答するヘッド３２からなり、直線運動量及び回転角度を高精度で検出する装置である。また、図１０に示されるように、光学式スケール３５は刻線（スリット）３６Ａを施したスケール体３６を挟んで光源３７と受光素子３８を配置し、スケール体３６と異なるピッチの刻線３９を入れたヘッド３７，３８が長手方向に移動することで発生する干渉縞（モアレ縞）の変化をデジタル信号に変えることによって、高精度な検出ができる装置である。

両装置の精度は、一般に（３＋３Ｌ／１０００）μｍ〜（５＋５Ｌ／１０００）μｍである（Ｌ：測定長［ｍｍ］）。例えば、Ｌ＝２００ｍｍの場合、この精度（スケール精度）は３．６μｍ〜６．０μｍとなる。即ち、スケール精度は測定長に依存し、測定長が短ければ３μｍ程度であるが、測定長が１ｍとなると１０μｍ（０．０１ｍｍ）という大きな値になってしまう。これは、微小な誤差が積算されて測定長が長くなるほど大きな誤差となるためである。

そこで、より高精度の測定ができる装置として、例えば特許文献１に記載の光学式変位測定装置のようなレーザ光を用いた光学式スケールが開発されている。この光学式スケールにおいては、半導体レーザを光源に用いて、ビームスプリッタで２つに分割したレーザ光をそれぞれ回折格子に当てて干渉させており、光軸がずれない反射光を干渉させることによって大きな干渉信号を得ることができるため、高い分解能で位置検出を行うことができ、測定長４２０ｍｍで±０．４４μｍというスケール精度が得られている。
特開２０００−８１３０８号公報

しかしながら、かかるレーザ光を用いた光学式スケールにおいては測定長を長くすることが困難で最長でも５００ｍｍ程度であり、また精度を高めるため回折格子をレーザ光で焼き付ける等の精密な加工をしているため、非常に高価なものになる。さらに、従来の磁気式スケールや光学式スケールと同様に、測定中に何らかの理由でセンサからの応答信号が途切れた場合には正確な測定ができないという問題点があった。

そこで、本発明は、レーザ光を用いた光学式スケールと同等の精密な測定をすることができ、測定長を長くできるとともに測定精度が測定長に依存することなく、測定中にセンサからの信号が途切れても正確な測定を行うことができ、しかもずっと低価格にすることができる画像式スケールを提供することを課題とするものである。

請求項１の発明にかかる画像式スケールは、移動体の移動経路に沿って設置されたスケール板と、前記スケール板の表面を撮像する前記移動体に固定された画像センサと、前記画像センサに外光が入らないように覆うカバー部材と、前記画像センサの周囲に設けられた前記スケール板の表面を照明する照明手段と、前記スケール板の表面に付けられた前記画像センサの撮像範囲単位で比較した場合にどこにも同一な部分のない微細な模様と、前記スケール板の表面に付けられた前記微細な模様のデータを前記スケール板の位置と関連付けて記憶する模様データ記憶手段と、前記画像センサで撮像される前記微細な模様の一部を前記模様データ記憶手段に記憶された前記微細な模様のデータと比較することによって前記画像センサの撮像中心の前記スケール板上の位置を演算し、特定する位置演算手段とを具備するものである。

請求項２の発明にかかる画像式スケールは、請求項１の構成において、前記スケール板には前記スケール板の温度を測定する高精度温度センサが取付けられ、前記模様データ記憶手段には前記スケール板の温度ごとに前記微細な模様のデータが前記スケール板の位置と関連付けて記憶されており、前記位置演算手段は前記画像センサで撮像される前記微細な模様の一部を前記高精度温度センサで測定される前記スケール板の温度に相当する前記模様データ記憶手段に記憶された前記微細な模様のデータと比較することによって前記画像センサの前記スケール板上の位置を演算し、特定するものである。

請求項３の発明にかかる画像式スケールは、請求項１の構成において、前記スケール板には前記スケール板の温度を測定する高精度温度センサが取付けられるとともに、前記スケール板を所定の温度に加熱する加熱手段が取付けられ、前記模様データ記憶手段には前記スケール板の前記所定の温度における前記微細な模様のデータが前記スケール板の位置と関連付けて記憶されているものである。

請求項４の発明にかかる画像式スケールは、請求項１乃至請求項３のいずれか１つの構成において、前記カバー部材の内部または前記カバー部材の近傍には、前記スケール板の表面に付けられた前記微細な模様の汚れを除去するクリーニング部を具備するものである。

請求項５の発明にかかる画像式スケールは、請求項１乃至請求項４のいずれか１つの構成において、前記微細な模様は前記スケール板の長手方向に沿って並べられた多数個の複数桁の微細な数字列からなるものである。

請求項６の発明にかかる画像式スケールは、円板形または円柱形の回転体の外周に沿って固定されたリング状スケール板と、前記リング状スケール板の直下に真上を向いて固定された前記リング状スケール板の下面を撮像する画像センサと、前記画像センサに外光が入らないように覆うカバー部材と、前記画像センサの周囲に設けられた前記リング状スケール板の下面を照明する照明手段と、前記リング状スケール板の下面に付けられた前記画像センサの撮像範囲単位で比較した場合にどこにも同一な部分のない微細な模様と、前記リング状スケール板の下面に付けられた前記微細な模様のデータを前記リング状スケール板の角度と関連付けて記憶する模様データ記憶手段と、前記画像センサで撮像される前記微細な模様の一部を前記模様データ記憶手段に記憶された前記微細な模様のデータと比較することによって前記画像センサの撮像中心上の前記リング状スケール板の角度を演算し、特定する角度演算手段とを具備するものである。

請求項７の発明にかかる画像式スケールは、請求項６の構成において、前記微細な模様は前記リング状スケール板の円周方向に沿って一定間隔で並べられた多数個の複数桁の微細な数字列からなるものである。

請求項８の発明にかかる画像式スケールは、請求項５または請求項７の構成において、前記画像センサで撮像される撮像範囲内の前記多数個の複数桁の微細な数字列のうち高速移動状態において上の１桁〜数桁のみをまず前記模様データ記憶手段に記憶された前記微細な模様のデータと高速で比較検索して検索範囲を狭く絞っておき、停止状態においてまたは低速状態において前記撮像範囲内の残りの部分の検索を行うものである。

請求項９の発明にかかる画像式スケールは、請求項５または請求項７の構成において、前記複数桁の微細な数字列を構成する各数字図形には少なくとも１箇所に十字形が含まれているものである。

請求項１０の発明にかかる画像式スケールは、請求項５または請求項７の構成において、前記複数桁の微細な数字列を構成する各数字図形の線で囲まれた部分及び半分程度囲まれた部分を塗りつぶしたものである。

請求項１の発明にかかる画像式スケールは、移動体の移動経路に沿って設置されたスケール板と、移動体に固定されたスケール板の表面を撮像する画像センサと、画像センサに外光が入らないように覆うカバー部材と、画像センサの周囲に設けられたスケール板の表面を照明する照明手段と、スケール板の表面に付けられた画像センサの撮像範囲単位で比較した場合にどこにも同一な部分のない微細な模様と、スケール板の表面に付けられた微細な模様のデータをスケール板の位置と関連付けて記憶する模様データ記憶手段と、画像センサで撮像される微細な模様の一部を模様データ記憶手段に記憶された微細な模様のデータと比較することによって画像センサの撮像中心のスケール板上の位置を演算し、特定する位置演算手段とを具備している。

近年、画像センサの分解能（繰返し精度）の向上とサブピクセル処理の進歩によって、画像センサによる高精度の位置決めが可能になっている。これによって、移動体が高速で移動しても、移動体が停止した位置或いは低速状態で画像センサによってスケール板の表面に付けられた微細な模様の一部を撮像して、位置演算手段で模様データ記憶手段に記憶された微細な模様のデータと比較することによって画像センサのスケール板上の位置を演算し、特定することができる。即ち、スケール板の表面に付けられた微細な模様は、スケール板の絶対位置と対応しており、従来の磁気式スケールや光学式スケールのようにヘッドの移動にしたがって移動量をカウントするものではないため、スケール精度が移動速度に依存することもなく、微小な誤差が移動長さとともに積算されて測定長が長くなるほど誤差が大きくなるということもない。

さらに、従来の磁気式スケールや光学式スケールと異なり積算方式ではないため、測定中に何らかの理由で画像センサからの信号が途切れても、停止位置或いは低速状態で再び信号が得られれば正確な測定を行うことができる。信号が途切れるケースとして最も多いのは、停電（または電源が落ちること）である。そこで、従来の磁気式スケールや光学式スケールにおいては、電源が落ちても測定が続行できるように、アブソリュートエンコーダと専用のバッテリーを搭載するようにしていた。本発明にかかる画像式スケールにおいては、このようなアブソリュートエンコーダとバッテリーも不要になり、ＭＴＢＦ（Mean Time Between Failures：平均故障間隔ともいい、修理を終えたシステムが次に故障を起こすまでの平均時間のことで、ＭＴＢＦが長いシステムほど可用性が高く、故障し難い。）の値も大きくなる。

本発明者が実験した結果、かかる画像式スケールで測定された画像センサによる撮像中心のスケール精度は、±１．０μｍ以内という高精度であった。しかも、理論的にはいくらでも測定長を長くすることができ、測定長が長くなっても±１．０μｍ以内という高精度は全く変わることがない。そして、半導体レーザや精密な光学部品、回折格子等を使用していないので、レーザ光を用いた光学式スケールに比べてずっと安価になる。

このようにして、本発明にかかる画像式スケールは、レーザ光を用いた光学式スケールと同等レベルの精密な測定をすることができ、測定長をいくらでも長くできるとともにスケール精度が測定長に依存することなく、測定中にセンサからの信号が途切れても正確な測定を行うことができ、しかもずっと低価格にすることができる。

請求項２の発明にかかる画像式スケールは、スケール板にスケール板の温度を測定する高精度温度センサが取付けられ、模様データ記憶手段にはスケール板の温度ごとに微細な模様のデータがスケール板の位置と関連付けて記憶されており、位置演算手段は画像センサで撮像される微細な模様の一部を高精度温度センサで測定されるスケール板の温度に相当する模様データ記憶手段に記憶された微細な模様のデータと比較することによって画像センサのスケール板上の位置を演算し、特定するものである。

画像式スケールの誤差要因となるのは、測定温度によってスケール板が熱膨張・収縮することによる温度誤差であるが、予め測定精度に影響を及ぼす温度差間隔で、スケール板に取付けられた高精度温度センサで測定されるスケール板の温度ごとに微細な模様のデータをスケール板の位置と関連付けて記憶させておき、測定時には高精度温度センサで測定されるスケール板の測定時の温度に対応する微細な模様のデータを引き出してきて、位置演算手段によって画像センサで撮像される微細な模様の一部と比較して画像センサのスケール板上の位置を演算し特定すれば、温度誤差を回避することができる。

このようにして、レーザ光を用いた光学式スケールと同等レベルの精密な測定を確実にすることができ、測定長を長くできるとともにスケール精度が測定長に依存することなく、測定中にセンサからの信号が途切れても正確な測定を行うことができ、ずっと低価格にすることができる画像式スケールとなる。

請求項３の発明にかかる画像式スケールは、スケール板にスケール板の温度を測定する高精度温度センサが取付けられるとともに、スケール板を所定の温度に加熱する加熱手段が取付けられ、模様データ記憶手段にはスケール板の所定の温度における微細な模様のデータがスケール板の位置と関連付けて記憶されているものである。

これによって、模様データ記憶手段にスケール板の多数の温度についての模様データを記憶させる必要がなくなり、所定の温度における微細な模様のデータのみを記憶させて、スケール板を所定の温度に加熱して位置演算手段によって画像センサで撮像される微細な模様の一部と比較して画像センサのスケール板上の位置を演算し特定すれば良い。

請求項４の発明にかかる画像式スケールは、カバー部材の内部またはカバー部材の近傍に、スケール板の表面に付けられた微細な模様の汚れを除去するクリーニング部を具備するものである。クリーニング部の構成としては、例えば清浄なエアをスケール板の表面に吹きつけるものや、移動体を移動させるときにスケール板の表面に接触して回転するブラシ等がある。これによって、スケール板の表面に付けられた微細な模様を常に清浄に保って、高精度の位置測定を行うことができる画像式スケールとなる。

請求項５の発明にかかる画像式スケールは、微細な模様がスケール板の長手方向に沿って並べられた多数個の複数桁の微細な数字列からなるものである。「画像センサの撮像範囲単位で比較した場合にどこにも同一な部分のない微細な模様」としては、２次元コード等も用いることができるが、スケール板が長い場合には不向きである。６桁から１０桁程度の微細な数字列を用いることによって、スケール板がどんなに長くなっても「画像センサの撮像範囲単位で比較した場合にどこにも同一な部分のない微細な模様」を容易に形成することができる。そして、微細な数字列から形成された模様であるために、正規化相関サーチまたは線位置検出によって模様データ記憶手段に記憶された模様データと照合させる際に、極めて短時間で行うことができる。

このようにして、レーザ光を用いた光学式スケールと同等レベルの精密な測定を確実にかつ極めて短時間ですることができ、測定長を長くできるとともにスケール精度が測定長に依存することなく、測定中にセンサからの信号が途切れても正確な測定を行うことができ、ずっと低価格にすることができる画像式スケールとなる。

請求項６の発明にかかる画像式スケールは、円板形または円柱形の回転体の外周に沿って固定されたリング状スケール板と、リング状スケール板の直下に真上を向いて固定されたリング状スケール板の下面を撮像する画像センサと、画像センサに外光が入らないように覆うカバー部材と、画像センサの周囲に設けられたリング状スケール板の下面を照明する照明手段と、リング状スケール板の下面に付けられた画像センサの撮像範囲単位で比較した場合にどこにも同一な部分のない微細な模様と、リング状スケール板の下面に付けられた微細な模様のデータをリング状スケール板の角度と関連付けて記憶する模様データ記憶手段と、画像センサで撮像される微細な模様の一部を模様データ記憶手段に記憶された微細な模様のデータと比較することによって画像センサの撮像中心上のリング状スケール板の角度を演算し、特定する角度演算手段とを具備するものである。

従来の回転スケールとしては磁気検出方式のものがあるが、スケール精度が３．６秒と不十分であった。本発明にかかる画像式回転スケールにおいては、画像センサの撮像中心をリング状スケール板上で±１μｍ以内の高精度で特定できることから、通常の大きさの回転テーブル（φ２００ｍｍ程度）を考えた場合には±２秒程度、さらにその２倍の大きさの回転テーブルを考えた場合には±１秒程度のスケール精度を得ることができる。

このようにして、従来の回転スケールと比較してより精密な測定を行うことができ、特に回転体の直径が大きくなるほど高精度の角度測定を行うことができるとともに、測定中にセンサからの信号が途切れても正確な測定を行うことができる画像式スケールとなる。

請求項７の発明にかかる画像式スケールにおいては、微細な模様がリング状スケール板の円周方向に沿って並べられた多数個の複数桁の微細な数字列から構成されている。「画像センサの撮像範囲単位で比較した場合にどこにも同一な部分のない微細な模様」としては、２次元コード等も用いることができる。リング状スケール板の場合には、円周の長さがある程度以上に長くなることはないので、２次元コード等の模様でも充分対応できるが、６桁から１０桁程度の微細な数字列を用いることによって、「画像センサの撮像範囲単位で比較した場合にどこにも同一な部分のない微細な模様」をより容易に形成することができる。そして、単純な数字を並べて形成された模様であるために、正規化相関サーチまたは線位置検出によって模様データ記憶手段に記憶された模様データと照合させる際に、極めて短時間で行うことができる。

このようにして、従来の回転スケールと比較してより精密な測定を確実にかつ極めて短時間ですることができ、測定中にセンサからの信号が途切れても正確な測定を行うことができる画像式スケールとなる。

請求項８の発明にかかる画像式スケールは、画像センサで撮像される撮像範囲内の多数個の複数桁の微細な数字列のうち高速移動状態において上の１桁〜数桁のみをまず模様データ記憶手段に記憶された微細な模様のデータと高速で比較検索して検索範囲を狭く絞っておき、停止状態においてまたは低速状態において撮像範囲内の残りの部分の検索を行うものである。画像センサで撮像される撮像範囲はごく小さいものであるが、複数桁の微細な数字列はその中に何個も入るため、撮像範囲全体の比較検索を一度に行おうとすると処理時間がかかる（約５０ｍｓ）。工作機械等のスライド部分の速度が１０ｍ／ｍｉｎ程度であれば、この程度の処理時間でも充分信号のやりとりをしながら、高精度の位置読み取り・制御が可能である。

しかし、より高速で移動する測定対象については問題が生ずる可能性がある。そこで、複数桁の微細な数字列のうち上の１桁〜数桁（１〜３桁）については同一数字が連続する場合が多いことから、移動体の高速移動状態において模様データ記憶手段に記憶された微細な模様のデータと比較検索して、検索範囲を狭く絞っておく。そして、停止状態または低速移動状態において、残りの下の数桁について比較検索を行うことによって処理時間を約５ｍｓ〜約１０ｍｓにまで短縮することができると考えられる。

このようにして、従来のスケールと比較して同程度の高精度な測定をずっと安価に、またはより精密な測定を確実に、かつ極めて短時間ですることができ、測定長を長くできるとともにスケール精度が測定長に依存することなく、測定中にセンサからの信号が途切れても正確な測定を行うことができる画像式スケールとなる。

請求項９の発明にかかる画像式スケールにおいては、複数桁の微細な数字列を構成する各数字図形には少なくとも１箇所に十字形が含まれている。この十字形のような特徴的な図形が撮像画面に含まれていると、正規化相関サーチまたは線位置検出によって模様データ記憶手段に記憶された模様データと照合させる際に、照合がより容易になってより高精度及びより短時間で照合させることができる。

請求項１０の発明にかかる画像式スケールにおいては、複数桁の微細な数字列を構成する各数字図形の線で囲まれた部分及び半分程度囲まれた部分が塗りつぶされている。このように塗りつぶされた部分が多い場合には、正規化相関サーチまたは線位置検出によって模様データ記憶手段に記憶された模様データと照合させる際に、照合がより容易になってより短時間で照合させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

実施の形態１
まず、本発明の実施の形態１にかかる画像式スケールについて、図１乃至図７を参照して説明する。

図１は本発明の実施の形態１にかかる画像式スケールの全体構成を示す斜視図である。図２は本発明の実施の形態１にかかる画像式スケールの画像センサ（ＣＣＤカメラ）部分の取付け構造を一部透視して示す斜視図である。図３は本発明の実施の形態１にかかる画像式スケールにおける微細な模様の一例を示す拡大図である。図４は本発明の実施の形態１にかかる画像式スケールにおける微細な模様を構成する数字図形の一例を示す拡大図である。図５は本発明の実施の形態１にかかる画像式スケールにおける微細な模様の他の例を示す拡大図である。図６は本発明の実施の形態１にかかる画像式スケールにおける移動量測定の手順を示すフローチャートである。図７は本発明の実施の形態１の変形例にかかる画像式スケールにおける移動量測定の手順を示すフローチャートである。

図１に示されるように、本実施の形態１にかかる画像式スケール１は、移動体２の移動経路に沿って鋼鉄製の長尺のスケール板３が設置されている。スケール板３の表面は研磨加工された上にバフ研磨されており、さらにレーザマーキング工法で中央に帯状に「画像センサの撮像範囲単位で比較した場合にどこにも同一な部分のない」微細な模様５が黒色エッチングされている（深さ約５μｍ）。移動体２の側面には、取付け部材を介して画像センサ（ＣＣＤカメラ）４が微細な模様５の真上に位置するように下向きに固定されている。画像センサ４の仕様は、撮像範囲：５ｍｍ角、画素数：５１２×４８０≒２４．５万画素、ＷＤ：２４ｍｍ、焦点距離：２５ｍｍ、繰返し精度：±０．０５画素である。

また、スケール板３の側面には両端近傍に２個の高精度温度センサ６が取付けられており、これらの高精度温度センサ６による測定信号は信号ケーブル６ａを介して温度センサアンプ７に入力され、さらに信号ケーブル７ａを介してパソコン８に入力される。２個の高精度温度センサ６による測定温度の平均値が、スケール板３の温度としてパソコン８のディスプレイ９に表示される。さらに、パソコン８内の模様データ記憶手段８Ａには、予め測定精度に影響を及ぼす温度差間隔で、スケール板３の温度ごとに微細な模様５のデータをスケール板３の位置と関連付けて記憶させてある。

次に、画像センサ４回りの詳細な構造について、図２を参照して説明する。図２に示されるように、移動体２はガイドレール１０に嵌合して長手方向に移動し、移動体２の側面に取付け部材１２によって画像センサ４が取付けられている。そして、実線と想像線で示されるカバー部材１３が、画像センサ４に外光が入らないように覆って取付けられており、カバー部材１３は底面のみ開放されていて、画像センサ４の真下に配置されている図示しないスケール板の表面を照明するための照明手段としての複数個のＬＥＤ（発光ダイオード）を下向きに円形に取付けた照明リング１１が設けられている。

次に、微細な模様５の具体例について、図３乃至図５を参照して説明する。図３に示されるように、本実施の形態１においては、小数点入りの７桁の微細な数字列１５をスケール板３の長手方向に沿って多数個並べることによって、微細な模様５を形成している。これらの７桁の微細な数字列１５は、画像センサ４の撮像エリア５ｍｍ×５ｍｍ内に収まるように配置されている。

かかる微細な数字列１５を構成する各数字として、図４に示されるような数字図形を用いることが好ましい。図４に示されるように、これらの数字図形には全て十字形１８が１箇所ずつ含まれている。この十字形１８のような特徴的な図形が撮像画面に含まれていると、正規化相関サーチまたは線位置検出によって模様データ記憶手段８Ａに記憶された模様データと照合させる際に、照合がより容易になってより短時間で照合させることができる。

微細な模様の別の例として、図５に示されるような小数点入りの８桁の微細な数字列１５Ａをスケール板３の長手方向に沿って多数個並べることによって、微細な模様５Ａを形成することもできる。これらの８桁の微細な数字列１５Ａも、画像センサ４の撮像エリア５ｍｍ×５ｍｍ内に収まるように配置されている。かかる微細な数字列１５Ａを構成する各数字図形は、線で囲まれた部分及び半分程度囲まれた部分が塗りつぶされている。このように塗りつぶされた部分が多い場合には、正規化相関サーチまたは線位置検出によって模様データ記憶手段８Ａに記憶された模様データと照合させる際に、照合がより容易になってより短時間で照合させることができる。

なお、本実施の形態１にかかる画像式スケール１においては設けていないが、カバー部材１３の内部または近傍に、スケール板３の表面に付けられた微細な模様５の汚れを除去するクリーニング部を具備することもできる。クリーニング部の構成としては、例えば清浄なエアをスケール板３の表面に吹きつけるものや、移動体２を移動させるときにスケール板３の表面に接触して回転するブラシ等がある。

次に、本実施の形態１にかかる画像式スケール１において、画像センサ４でスケール板３の表面の微細な模様５を撮像することによって精密な移動量測定を行う手順について、図６のフローチャートを参照して説明する。

まず、ステップＳ１０で本実施の形態１にかかる画像式スケール１が取付けられた３次元座標測定機の電源及び画像式スケール１の電源を入れ、高精度温度センサ６で測定されたスケール板３の温度がパソコン８のディスプレイ９に表示される（ステップＳ１１）。同時に、模様データ記憶手段８Ａから測定されたスケール板３の温度に対応する模様データが呼び出され（ステップＳ１２）、測定準備が整ったことがパソコン８に付属しているインジケータによって知らせられる（ステップＳ１３）。次に、３次元座標測定機の移動体２の現位置において、画像センサ４による撮像データとステップＳ１２で呼び出された模様データが位置演算手段８Ｂによって照合されて、スケール板３における絶対位置が演算・特定されてその数値が記憶される（ステップＳ１４）。

それとともに、原点を意味するものとして「Ｘ＝０．００００ｍｍ」とディスプレイ９に表示される（ステップＳ１５）。続いて、ヘッド（移動体２）が移動し、または移動させられて（ステップＳ１６）、停止した位置においてまたは低速状態において、再び画像センサ４による撮像データとステップＳ１２で呼び出された模様データが位置演算手段８Ｂによって照合されて、スケール板３における絶対位置が演算・特定されてその数値が記憶される（ステップＳ１７）。そして、その数値からステップＳ１４で記憶された原点の数値を引いた移動量が算出されて、パソコン８のディスプレイ９に表示される（ステップＳ１８）。このようにして、移動体２の移動量が高精度（±１．０μｍ以内）で測定され、表示される。

次に、本実施の形態１にかかる画像式スケール１において、より短時間で移動体２の移動量を高精度で測定する画像処理方法について、図３及び図５を参照して説明する。図３及び図５に示されるように、画像センサ４の撮像範囲５ｍｍ角の中には各々６個の複数桁の微細な数字列が入っており、撮像範囲５ｍｍ角全体の比較検索を一度に行おうとすると処理時間がかかる（約５０ｍｓ）。工作機械等のスライド部分２の速度が１０ｍ／ｍｉｎ程度であれば、この程度の処理時間でも充分信号のやりとりをしながら、高精度の位置読み取り・制御が可能である。

しかし、より高速で移動する工作機械等の測定対象については問題が生ずる可能性がある。そこで、複数桁の微細な数字列のうち、図３に示されるように上の１桁から図５に示されるように上の３桁については同一数字「１」と「１２３」が連続する場合が多いことから、移動体２の高速移動状態において模様データ記憶手段８Ａに記憶された微細な模様のデータと比較検索して、予め検索範囲を狭く絞っておく。そして、停止状態または低速移動状態において、残りの下の数桁（図３においては６桁、図５においては５桁）について比較検索を行うことによって処理時間を大幅に短縮することができる。

さらに、本実施の形態１においては、数字または数字図形のみからなる複数桁の微細な数字列について説明したが、微細な模様の１種として数字列の中に丸、三角、四角、星形等の図形を挟んだものを用いることによって、数字または数字図形のみからなる複数桁の微細な数字列よりも、より検索速度を速くすることができる可能性がある。

工作機械への応用の可能性について、より具体的に検討するために処理時間の測定実験を行った。今回の測定実験においては、微細な模様としてバフ仕上げしたＳＫＨ５１鋼板に大きさの異なる微小な正方形をランダムに配置した模様をレーザマーキングで形成したものを用いた（深さ１０μｍ未満）。結果として、撮像時間（検索時間も含めた）は１８ｍｓとなり、撮像範囲を５ｍｍ角とすると、移動速度（画像が途切れることなく撮像できる速さ）は約２７８ｍｍ／ｓとなり、各撮像画面に前回の撮像画面の一部が常に残るように連続性を持たせようとすると例えば２０％が重なるようにするには、約２７８ｍｍ／ｓ×０．８（８０％）≒２２２ｍｍ／ｓとなる。したがって、一般の工作機械の平均的切削速度１２ｍ／ｍｉｎ＝２００ｍｍ／ｓは充分クリアできることになる。さらに、今回はランダムな模様を用いたが、もっと単純な図３及び図５に示されるような数字図形や、数字列の中に図形を織り込んだものを用いることによって、一段と撮像時間を短くすることができる。

次に、本実施の形態１の変形例にかかる画像式スケールについて、図１及び図７を参照して説明する。本実施の形態１の変形例にかかる画像式スケールの全体構成は、図１に示される本実施の形態１にかかる画像式スケール１とほぼ同じである。異なるのは、スケール板３の裏側にスケール板３を加熱する加熱手段としてのヒータが取付けられており、そのヒータに流す電流を制御するヒータ制御装置を備えている点である。本実施の形態１の変形例にかかる画像式スケールにおいては、スケール板３を３５℃に加熱するようにヒータ制御装置がセットされている。

これによって、模様データ記憶手段８Ａには多数の異なるスケール板３の温度における模様データを記憶させる必要がなくなり、スケール板３が３５℃の場合の模様データのみを記憶させれば良いことになる。

本実施の形態１の変形例にかかる画像式スケールにおいて、画像センサ４でスケール板３の表面の微細な模様５を撮像することによって精密な移動量測定を行う手順について、図７のフローチャートを参照して説明する。

まず、ステップＳ２０で本実施の形態１の変形例にかかる画像式スケールが取付けられた３次元座標測定機の電源及び画像式スケールの電源が入れられて、スケール板３に取付けられたヒータのスイッチが入り、スケール板３が３５℃に加熱される（ステップＳ２１）。高精度温度センサ６で測定されるスケール板３の温度が３５℃で安定すると、測定準備が整ったことがパソコン８に付属しているインジケータによって知らせられる（ステップＳ２２）。次に、３次元座標測定機の移動体２の現位置において、画像センサ４による撮像データと模様データ記憶手段８Ａに記憶されているスケール板３が３５℃の場合の模様データが位置演算手段８Ｂによって照合されて、スケール板３における絶対位置が演算・特定されてその数値が記憶される（ステップＳ２３）。

それとともに、原点を意味するものとして「Ｘ＝０．００００ｍｍ」とディスプレイ９に表示される（ステップＳ２４）。続いて、ヘッド（移動体２）が移動し、または移動させられて（ステップＳ２５）、停止した位置において、再び画像センサ４による撮像データとスケール板３が３５℃の場合の模様データが位置演算手段８Ｂによって照合されて、スケール板３における絶対位置が演算・特定されてその数値が記憶される（ステップＳ２６）。そして、その数値からステップＳ２３で記憶された原点の数値を引いた移動量が算出されて、パソコン８のディスプレイ９に表示される（ステップＳ２７）。このようにして、移動体２の移動量が高精度（±１．０μｍ以内）で測定され、表示される。

このようにして、本実施の形態１にかかる画像式スケール１及びその変形例にかかる画像式スケールにおいては、レーザ光を用いた光学式スケールと同等レベルの精密な測定を、温度誤差を取り除いたことによって確実に、かつ微細な模様として多数個の複数桁の微細な数字列を用いたことによって極めて短時間で行うことができ、測定長を長くできるとともにスケール精度が測定長に依存することなく、測定中にセンサからの信号が途切れても正確な測定を行うことができ、ずっと低価格にすることができる。

本実施の形態１においては、画像式スケール１及びその変形例を３次元座標測定機に用いた場合のみならず、ＮＣ旋盤，フライス盤，マシニングセンター等の工作機械に用いた場合でも、精密な測定を行うことができることが示された。

実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２にかかる画像式スケールについて、図８を参照して説明する。本発明の実施の形態２においては、画像式スケールを回転スケールに応用している。図８（ａ）は本発明の実施の形態２にかかる画像式スケールの全体構成を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。なお、図８（ｂ）においては、回転テーブルの回転用モータ等は図示省略している。

図８（ａ），（ｂ）に示されるように、本実施の形態２にかかる画像式スケール２０においては、円板形の回転体としての回転テーブル２２の外周に沿って、リング状スケール板２１が一体に回転するように固定されている。このリング状スケール板２１の真下には、リング状スケール板２１の下面を撮像できるように、画像センサ（ＣＣＤカメラ）２４が真上を向いて図示しない取付け部材によって固定されている。画像センサ２４の仕様は、撮像範囲：５ｍｍ角、画素数：５１２×４８０≒２４．５万画素、ＷＤ：２４ｍｍ、焦点距離：２５ｍｍ、繰返し精度：±０．０５画素である。

画像センサ２４の回りには、画像センサ２４に外光が入らないように覆うカバー部材２５が設けられ、さらにリング状スケール板２１の下面を照明するための照明手段としての複数個のＬＥＤ（発光ダイオード）を上向きに円形に取付けた照明リング２６が設けられている。

そして、リング状スケール板２１の下面には、「画像センサ２４の撮像範囲単位で比較した場合にどこにも同一な部分のない」微細な模様２１Ａが全周に亘って付けられている。なお、本実施の形態２においては、回転テーブル２２が３６０度回転可能であるため微細な模様２１Ａが全周に亘って付けられているが、回転テーブルを始めとする回転体の回動範囲が限られている場合には、リング状スケール板２１の画像センサ２４の上を通過する部分のみに微細な模様２１Ａを付ければ良く、必ずしも全周に亘って付けなくても良い。

本実施の形態２においては、微細な模様２１Ａとして大きさの異なる微小な正方形をランダムに配置した模様を用いているが、これはリング状スケール板２１の円周の長さが比較的短いからである。実施の形態１と同様に、リング状スケール板２１の円周方向に沿って並べられた多数個の複数桁の微細な数字列を用いることもできる。そして、本実施の形態２にかかる画像式スケール２０においても、図示しないパソコンを備えていて、微細な模様２１Ａをリング状スケール板２１の角度と関連付けて記憶する模様データ記憶手段と、画像センサ２４で撮像される微細な模様２１Ａの一部を模様データ記憶手段に記憶された微細な模様２１Ａのデータと比較することによって画像センサ２４の撮像中心上のリング状スケール板の角度を演算し、特定する角度演算手段とを備えている。

従来の回転（角度）スケールとしては磁気検出方式のものがあるが、スケール精度が３．６秒と不十分であった。本実施の形態２にかかる画像式回転スケール２０においては、実施の形態１と同一の測定原理を用いて、画像センサ２４の撮像中心をリング状スケール板２１上で±１μｍ以内の高精度で特定できることから、通常の大きさの回転テーブル２２（φ２００ｍｍ）を考えた場合には±２秒程度、さらにその２倍の大きさの回転テーブルを考えた場合には±１秒程度のスケール精度を得ることができる。

このようにして、本実施の形態２にかかる画像式スケール２０においては、従来の回転スケールと比較してより精密な測定を行うことができ、特に回転体の直径が大きくなるほど高精度の角度測定を行うことができるとともに、測定中にセンサからの信号が途切れても正確な測定を行うことができる。

本発明を実施する際には、画像式スケールのその他の部分の構成、形状、数量、材質、大きさ、接続関係等についても、上記各実施の形態に限定されるものではない。

図１は本発明の実施の形態１にかかる画像式スケールの全体構成を示す斜視図である。図２は本発明の実施の形態１にかかる画像式スケールの画像センサ（ＣＣＤカメラ）部分の取付け構造を一部透視して示す斜視図である。図３は本発明の実施の形態１にかかる画像式スケールにおける微細な模様の一例を示す拡大図である。図４は本発明の実施の形態１にかかる画像式スケールにおける微細な模様を構成する数字図形の一例を示す拡大図である。図５は本発明の実施の形態１にかかる画像式スケールにおける微細な模様の他の例を示す拡大図である。図６は本発明の実施の形態１にかかる画像式スケールにおける移動量測定の手順を示すフローチャートである。図７は本発明の実施の形態１の変形例にかかる画像式スケールにおける移動量測定の手順を示すフローチャートである。図８（ａ）は本発明の実施の形態２にかかる画像式スケールの全体構成を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図９（ａ）は従来の磁気式スケールの構成を示す斜視図、（ｂ）は磁気波形を示す図である。図１０は従来の光学式スケールの構成を示す斜視図である。

符号の説明

１，２０画像式スケール
２移動体
３スケール板
４，２４画像センサ
５，５Ａ，２１Ａ微細な模様
６高精度温度センサ
８Ａ模様データ記憶手段
８Ｂ位置演算手段
１１，２６照明手段
１３，２５カバー部材
１５，１５Ａ微細な数字列
１８十字形
２１リング状スケール板
２２円板形の回転体

Claims

移動体の移動経路に沿って設置されたスケール板と、
前記スケール板の表面を撮像する前記移動体に固定された画像センサと、
前記画像センサに外光が入らないように覆うカバー部材と、
前記画像センサの周囲に設けられた前記スケール板の表面を照明する照明手段と、
前記スケール板の表面に付けられた前記画像センサの撮像範囲単位で比較した場合にどこにも同一な部分のない微細な模様と、
前記スケール板の表面に付けられた前記微細な模様のデータを前記スケール板の位置と関連付けて記憶する模様データ記憶手段と、
前記画像センサで撮像される前記微細な模様の一部を前記模様データ記憶手段に記憶された前記微細な模様のデータと比較することによって前記画像センサの撮像中心の前記スケール板上の位置を演算し、特定する位置演算手段と
を具備することを特徴とする画像式スケール。
前記スケール板には前記スケール板の温度を測定する高精度温度センサが取付けられ、
前記模様データ記憶手段には前記スケール板の温度ごとに前記微細な模様のデータが前記スケール板の位置と関連付けて記憶されており、
前記位置演算手段は前記画像センサで撮像される前記微細な模様の一部を前記高精度温度センサで測定される前記スケール板の温度に相当する前記模様データ記憶手段に記憶された前記微細な模様のデータと比較することによって前記画像センサの前記スケール板上の位置を演算し、特定することを特徴とする請求項１に記載の画像式スケール。
前記スケール板には前記スケール板の温度を測定する高精度温度センサが取付けられるとともに、前記スケール板を所定の温度に加熱する加熱手段が取付けられ、
前記模様データ記憶手段には前記スケール板の前記所定の温度における前記微細な模様のデータが前記スケール板の位置と関連付けて記憶されていることを特徴とする請求項１に記載の画像式スケール。
前記カバー部材の内部または前記カバー部材の近傍には、前記スケール板の表面に付けられた前記微細な模様の汚れを除去するクリーニング部を具備することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の画像式スケール。
前記微細な模様は前記スケール板の長手方向に沿って並べられた多数個の複数桁の微細な数字列からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の画像式スケール。
円板形または円柱形の回転体の外周に沿って固定されたリング状スケール板と、
前記リング状スケール板の直下に真上を向いて固定された前記リング状スケール板の下面を撮像する画像センサと、
前記画像センサに外光が入らないように覆うカバー部材と、
前記画像センサの周囲に設けられた前記リング状スケール板の下面を照明する照明手段と、
前記リング状スケール板の下面に付けられた前記画像センサの撮像範囲単位で比較した場合にどこにも同一な部分のない微細な模様と、
前記リング状スケール板の下面に付けられた前記微細な模様のデータを前記リング状スケール板の角度と関連付けて記憶する模様データ記憶手段と、
前記画像センサで撮像される前記微細な模様の一部を前記模様データ記憶手段に記憶された前記微細な模様のデータと比較することによって前記画像センサの撮像中心上の前記リング状スケール板の角度を演算し、特定する角度演算手段と
を具備することを特徴とする画像式スケール。
前記微細な模様は前記リング状スケール板の円周方向に沿って並べられた多数個の複数桁の微細な数字列からなることを特徴とする請求項６に記載の画像式スケール。
前記画像センサで撮像される撮像範囲内の前記多数個の複数桁の微細な数字列のうち高速移動状態において上の１桁〜数桁のみをまず前記模様データ記憶手段に記憶された前記微細な模様のデータと高速で比較検索して検索範囲を狭く絞っておき、停止状態においてまたは低速状態において前記撮像範囲内の残りの部分の検索を行うことを特徴とする請求項５または請求項７に記載の画像式スケール。
前記複数桁の微細な数字列を構成する各数字図形には少なくとも１箇所に十字形が含まれていることを特徴とする請求項５または請求項７に記載の画像式スケール。
前記複数桁の微細な数字列を構成する各数字図形の線で囲まれた部分及び半分程度囲まれた部分を塗りつぶしたことを特徴とする請求項５または請求項７に記載の画像式スケール。