JPH0418252B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、工作機械の移動テーブルの移動距離
等を光学的に測定する光学式測長装置に関する。

〔従来の技術〕

従来から、工作機械の移動テーブル等の移動量
を光学的に測定する装置として、１対の光学格子
を対向配設するとともに、前記光学格子対をはさ
むように光源および光検出器を配設し、前記光学
格子の相対移動量を測定することにより、測定対
象物の移動距離を測定する測長装置が使用されて
いる。

第３図に前述した測長装置の光学系を概略示
す。第３図の光学系は、外光の影響を除去するた
め、図示しない暗箱中に収納されているものとす
る。

第３図において、発光ダイオード等の光源１か
らの光は、凸レンズ２によつて平行光線に変換さ
れた後、インデツクススケール３およびメインス
ケール５から成る光学格子対に入射される。イン
デツクススケール３およびメインスケール５は、
各々透明ガラス上に設けられ紙面に垂直な方向に
延在する帯状の不透明部材４で形成される格子を
有しており、相対的に移動可能な状態で平行に配
設されている。メインスケール５を通つた光は、
検出器６で検出され、電気信号に変換出力され
る。検出器６は1/4格子ピツチだけピツチずれし
た２個の検出器で構成されているので、前記電気
信号は90°位相シフトした２相信号である。メイ
ンスケール５は矢印ａ方向に移動すると、それに
対応したほぼ周期的に光信号が検出器６に入射さ
れる。検出器６の出力信号は、図示しない演算部
により演算処理され、メインスケール５の相対的
移動量および移動方向が求められる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、インデツクススケール３とメインス
ケール５との間に間隙が無い理想状態の場合、メ
インスケール５を通過する光の量は、メインスケ
ールの移動とともに第４図の実線Ａの如く変化す
る。しかしながら実際の装置においては、インデ
ツクススケール３とメインスケール５との間に
は、不透明部４が摩擦により摩耗するのを防止す
るために所定の間隙が設けられている。前記間隙
を大きくするとメインスケール５を通過する光
は、第４図破線Ｂのようになり、コントラストが
低下し、測定不能となる。したがつて、実用上イ
ンデツクススケール３とメインスケール５との間
隔を10μm〜50μm程度の範囲内に保つ必要があ
り、極めて高精度且つ高価な部品を使用する必要
があつた。また、高精度な部品を使用した場合で
も、製造過程での寸法のばらつきは多少生じるた
め、最悪の場合、コントラスト不足による測定不
能という問題もあつた。これを防止するために、
部品組立時に調整を行うことも考えられるが、極
めて熟練を要し、また生産性が良くないという欠
点があつた。さらに、コントラストの低下を防止
するために、インデツクススケールとメインスケ
ール間に投影レンズを配設する構成も考えられる
が、投影レンズの収差がコントラストに影響を与
えるという欠点があり、また光学系が複雑になる
という欠点があつた。

本発明は、前記欠点に鑑みてなされたもので、
部品のばらつきの影響を受けず高精度な光学式測
長装置を提供することを目的とする。

〔問題を解決するための手段〕

本発明の光学式測長装置は、レンズアレイと、
前記レンズアレイに対向配設され、前記レンズア
レイに対して相対的に移動可能なメインスケール
と、前記レンズアレイおよび前記メインスケール
を介して得られる光源からの光を検出する検出器
と、前記検出器の出力信号に基づいて前記メイン
スケールの相対移動量を算出する演算部とを備え
ている。

〔作用〕

光源からの光は、レンズアレイによつて集光さ
れ、その結果、明暗縞が形成される。前記明暗縞
をインデツクススケールの代わりに使用し、メイ
ンスケールと相互作用させる。これにより検出器
にはメインスケールの相対移動に応じた高コント
ラストの光信号が入射される。検出器の出力信号
を演算処理することにより、メインスケールの相
対移動量が得られる。

〔実施例〕

第１図は本発明の光学式測長装置に使用する光
学系の実施例を示す図である。第１図の光学系
は、外光の影響を除去するため、暗箱中に収納さ
れている。

第１図において、第３図と同一部分には同一符
号を付している。第１図においては、インデツク
ススケールの代わりに、レンズアレイ７を使用し
ている。かまぼこ型レンズアレイ７は第２図ａに
示すように、柱状の凸レンズを複数併設したレン
チキユラーレンズアレイである。

第１図において、光源１からの光は凸レンズ２
によつて平行光線に変換された後、レンズアレイ
７に入射される。レンズアレイ７に入射した光
は、各凸レンズによりメインスケール５上に集光
した後、検出器６に入射する。レンズアレイ７
は、複数個の柱状の凸レンズにより構成されてお
り、また、各凸レンズの軸は格子４と平行に配設
されているので、メインスケール５上にその格子
と平行な明暗縞が形成される。メインスケール５
がレンズアレイ７に接近および遠さがる方向に位
置ずれした場合にも高コントラストの光信号が検
出器６に入射される。また、光学格子としてメイ
ンスケールのみを使用しているため、光の損失が
少なく、光の利用率が従来の光学系に比べて２倍
の略100％となる。

ところで、光源１の直径をＡ、レンズアレイ７
よつてメインスケール５上に形成される像（明
部）の直径をＢ、凸レンズ２の焦点距離をfc、レ
ンズアレイ７の各凸レンズ焦点距離をf_Rとする
と、Ｂ＝Ａ・f_R／fcの関係が成立する。また、光
源１として波長λのレーザーダイオードを使用し
た場合、レンズ１が無収差であれば、像の直径Ｂ
をレンズアレイの開口数NAの関数として表わす
と、ＢＫ・λ／NA（ただし、Ｋ0.4）となる。
したがつて、前記式に基づいて、メインスケール
５上に形成する明暗縞のピツチを所定値に設定で
きる。

例えば、メインスケール５の格子ピツチよりも
レンズアレイ７による像、すなわち収束光の直径
を小さく設定した場合、収束光のピツチが格子ピ
ツチの整数倍であれば、収束位置にメインスケー
ル５を配設し、これを移動させることにより、格
子定数と移動距離によつて決まる光信号が、第３
図に示した光学系と同様にして、より高コントラ
ストに得られる。前記光信号を検出器６により検
出し、図示しない演算することにより、メインス
ケール５の相対移動量が求められる。

本実施例では凸レンズアレイとしてレンチキユ
ラーレンズアレイを用いて、明暗縞をメインスケ
ールの格子と平行に形成する例で説明したが、明
暗縞をメインスケールの格子に対して微小角度を
もつて形成するようにしてモアレ縞を発生させ、
これを検出するようにしてもよい。また、レンズ
アレイ７として、第２図ｂに示すように円形状の
凸レンズ８〜１１から成るレンズアレイ７を使用
してもよい。その場合、レンズ８，９をメインス
ケールの格子ピツチの整数倍の間隔とし、またレ
ンズ１０，１１をメインスケールの格子ピツチの
整数倍の間隔とするとともに、レンズ１０，１１
をレンズ８，９に対して格子ピツチの1/4だけず
らす。そしてレンズ８，９に対応じて第１の検出
器を設けるとともに、第２の検出器をレンズ１
０，１１に対応して設け、前記第１、第２の検出
器から90°位相シフトした２つの信号を得ること
により移動方向の弁別および高精度な測定が実現
できる。また第２図ａに示した柱形凸レンズアレ
イ７をメインスケールの格子ピツチの1/4ピツチ
だけずらして上下２段に配設するととも、上段、
下段のレンズアレイに対応して、相対的にピツチ
ずれのない検出器を各１個設けてもよい。さら
に、第２図ｂのレンズアレイにおいて、円形レン
ズの代わりにピラミツド型レンズアレイあるいは
プリズム等を用いることもできる。

〔発明の効果〕

本発明の光学式測長装置は、レンズアレイによ
つて形成される明暗縞とメインスケールとの相互
作用に基づいて、メインスケールの相対移動量を
測定するようにしているので、構造が簡単で、メ
インスケールがレンズアレイに接近する方向に位
置ずれした場合だけでなく、遠ざかる方向に位置
ずれした場合にも高コントラストの光信号が得ら
れるため、レンズアレイとメインスケールとの間
隔に関して許容値が広がり、製造上極めて容易で
ある。また光学格子としてメインスケールのみを
使用しているため、光の利用率が上がり、低感度
の検出器が利用できる等の効果が生じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に使用する光学系の概略図、
第２図は、本発明に使用するレンズアレイの斜視
図、第３図は、従来の光学式測長装置の光学系の
概略図、第４図は、従来の光学式測長装置の特性
図である。 １……光源、２……凸レンズ、３……インデツ
クススケール、５……メインスケール、６……検
出器、７……レンズアレイ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ レンズアレイと、前記レンズアレイに対向配
   設され、前記レンズアレイに対して相対的に移動
   可能なメインスケールと、前記レンズアレイおよ
   び前記メインスケールを介して得られる光源から
   の光を検出する検出器と、前記検出器の出力信号
   に基づいて前記メインスケールの相対移動量を算
   出する演算部とを備えて成る光学式測長装置。