JPH0464567B2 - - Google Patents

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JPH0464567B2
JPH0464567B2 JP62245939A JP24593987A JPH0464567B2 JP H0464567 B2 JPH0464567 B2 JP H0464567B2 JP 62245939 A JP62245939 A JP 62245939A JP 24593987 A JP24593987 A JP 24593987A JP H0464567 B2 JPH0464567 B2 JP H0464567B2
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JP
Japan
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angle
measuring device
angle measuring
scale
upb
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JP62245939A
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JPS6391515A (ja
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Shupiisu Arufuonsu
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Dr Johannes Heidenhain GmbH
Original Assignee
Dr Johannes Heidenhain GmbH
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Publication date
Application filed by Dr Johannes Heidenhain GmbH filed Critical Dr Johannes Heidenhain GmbH
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Publication of JPH0464567B2 publication Critical patent/JPH0464567B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36Forming the light into pulses
    • G01D5/38Forming the light into pulses by diffraction gratings

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、一方の物体に連結する目盛ホルダ
ーの格子目盛を、円周上の対向位置にある二つの
格子目盛領域で、他方の物体に連結する走査ユニ
ツトによつて光ビーム回折に基づき走査する、相
対的に回転する二つの物体の角度を測定する光電
測角装置に関する。
〔従来の技術〕
この種の測角装置は加工品に対する工具の相対
位置を測定するために、特に工作機械に使用され
ている。
F.Hockによる学位論文「回折格子による長さ
または角度の変化の光電測定」1975年の第86図
には、目盛円盤の角度目盛の偏心誤差を除去する
測角装置が記載されている。この装置では、第1
0図に示すように、光源Lの光ビームが集光レン
ズKを経由して目盛円盤Rの角度目盛の第一角度
領域M1を通過し、第一5角形プリズムP1、第1
偏向プリズムP2および第一対物レンズO1を経由
してウオラストンプリズムWに導入され、二つの
分割ビームに分離される。両方の分割ビームは、
第二対物レンズO2、第二5角形プリズムP3およ
び第二偏向プリズムP4を経由して、第一角度領
域W1に対して円周上で対向する目盛円盤Rの角
度目盛の第二角度領域W2を通過し、偏光分離プ
リズムTを経由して2個の光検出器A,Bに入射
する。この測角装置は多数の光学部材を使用する
ため、寸法が大きく、組立や調整に経費がかか
る。
出版物「Motion」7月/8月号、1986年の第
3、4頁には、西村等の「レーザーロータリエン
コーダ」の論説で、目盛円盤の目盛角度の偏心誤
差を除去する測角装置が開示されている。この装
置では、第11図に示すように、レーザーダイオ
ードLXの光ビームが偏光分離プリズムPPXを通
り抜けて二つの分割ビームに分離される。第一分
割ビームは第一位相板PTX1と第一鏡MX1を経由
して目盛円盤RXの角度目盛SXの第一角度領域
W1を通過して、回折ビームを発生する。正の一
次回折ビームDBX1が第一反射体RFX1によつて
第一角度領域M1、第一鏡MX1および第一位相板
PTX1を通り抜け、偏向分離プリズムPPXに戻
り、第三位相板TX3、ビーム分離器BSXおよび
第一偏光板PZ1を通り抜けて第一光検出器DX1
入射する。第二分割ビームは第二位相板PTX2
第二鏡MX2を経由して目盛円盤RXの角度目盛
SXの第二角度領域M2を通過して、回折ビームを
発生させる。負の一次回折ビーム−DBX2が第二
反射体RFX2によつて第二角度領域M2、第二鏡
MX2および第二位相板PTX2を通過して偏光分離
プリズムPPXに戻り、第三位相板PTX3、ビーム
分離器BSXと第二偏光板PZ2を経由して第二検出
器DX2に入射する。比較的経費の少ない上記の測
角装置でも、組立、調整の経費がかなり必要であ
る。加えて、レーザーダイオードの光強度の半分
しか両方の光検出器に到達しない。
〔発明の課題〕
この発明の課題は、目盛円盤の角度目盛にある
偏心誤差が除去されるため、高精度が得られる単
純な構造で冒頭に述べた種類の小型の高分解能測
角装置を提供することにある。
〔課題を解決する手段〕
上記の課題は、この発明により、一方の物体に
連結する目盛ホルダーの格子目盛を、円周上の対
向位置にある二つの格子目盛領域で、他方の物体
に連結する走査ユニツトによつて光ビーム回折に
基づき走査する、相対的に回転する二つの物体の
角度を測定する光電測角装置の場合、第一格子目
盛領域WB1から回折角+α、−αをなして出射
した二つの一次回折ビーム+BS1,−BS1が、
同じ回折角+α、−αをなして格子目盛WTの円
周上の対向位置にある第二格子目盛領域WB2で
合致し、第一格子目盛領域WB1で発生した両方
の回折ビーム+BS1、−BS1が第二格子目盛領
域WB2でそれぞれ相互に平行を保つて入射する
ことによつて解決されている。
この発明による他の有利な構成は、特許請求の
範囲の従属請求項に記載されている。
〔発明の効果〕
この発明によつて得られる利点は、光学部材を
低減することにより、単純に構成されているた
め、低価格で、寸法の小さい測角装置となり、同
時に部品の保管が単純化され、組立や調整の経費
が低減する点にある。
更に、光源と光検出器の間で光ビームの強度の
損失が殆ど生じない。角度目盛と目盛ホルダーの
回転軸との間の偏心誤差が効果的に除去され、目
盛ホルダーのガタつき誤差が測定精度に影響を与
えない。
〔実施例〕
この発明の実施例を示す図面に基づき、この発
明をより詳しく説明する。
第1図には、第一測角装置の側面が、そして第
2図には部分平面図が示してある。回転軸Daの
周りに回転可能に支承されている目盛ホルダー
TTaは、回転軸Daに固定された透明な中空円筒
で構成されていて、この円筒には内壁W上に位相
格子状の角度目盛WTaが付けてある。この角度
目盛WTaは固定物体(図示せず)に連結する走
査ユニツトによつて走査される。この走査ユニツ
トには、レーザーによる光源La、二つの鏡SP1
a,SP2aおよび光電素子Paを有する。レーザ
ー光源Laから出射した光LSaは目盛円筒TTaの
角度目盛WTaの第一角度領域WB1aを半径方
向に通過し、位相格子として形成された第一目盛
領域WB1aの角度目盛WTaによつて角度目盛
WTaの法線Naに対して、正の回折角+α1aで
正の一次回折ビームに、また負の回折角−α1a
で負の一次回折ビームに分離される。0次の回折
ビームは、位相格子として形成された角度目盛
WTaの場合、光が遮られるので発生しない。図
示していない方法により、回転物体はスピンドル
で、また固定物体は工作機械の固定台で形成され
ている。
両方の鏡SP1a,SP2aは、目盛円筒TTaに
対して半径方法に、互いに平行であつて、走査ユ
ニツトのビーム通路の光軸OAaに対して対称に
固定されている。第一角度領域WB1aから付随
する回折角+α1a,−α1aをなして出射した
両方の回折ビーム+BS1a,−BS1aは、両方
の鏡SP1a,SP2aで1回目の偏向を行つた
後、目盛円筒TTaの回転軸Daの中心線Maで交
差し、両方の鏡SP1a,SP2aによる2回目の
偏向を行つた後、付随する同じ回折角+α1a,
−α1aをなして、それぞれ互いに平行に同じ向
きになつて第二角度領域WB2aで再び合致す
る。この第二角度領域は角度目盛WTaの第一角
度目盛領域WB1aに対して円周上の対向位置に
ある。角度目盛WTaの第二角度領域WB2aを
通過して、両方の一次回折ビーム+BS1a,−
BS1aは干渉して、受光素子Paに入射する。こ
の受光素子Paは、走査ユニツトで角度目盛WTa
を走査するとき、周期的な走査信号Saを出力す
る。この走査ユニツトに後続する評価装置AWa
中では、受光素子Paの周期的な走査信号Saから
互いに相対的に回転する両方の物体の角度に対す
る測定値が求まる。
第3図には、第2図の第一測角装置に対する変
形が示してある。この測角装置では、二つの鏡
SP1a,SP2aが二つの線状回折格子G1a,
G2aで置き換えてある。残りの部材は、第2図
のものと同じであるので、同じ参照符号を付け
る。両方の線状回折格子G1a,G2aは、目盛
円筒TTaに関して半径方向に垂直で、走査ユニ
ツトのビーム通路の光軸OAaに対して対称で、
互いに平行に固定されている。従つて、第2図と
同じビーム通路が生じる。両方の線状回折格子G
1a,G2aの格子間隔は、両者の相互間隔、両
方の角度領域WB1a,WB2aの半径方向の相
互間隔および角度目盛WTaの格子間隔に依存す
る。角度目盛WTaと目盛円筒TTaの回転軸Daと
の間の偏心誤差は、第4図と第5図の第二測角装
置に基づき、以下に詳しく説明するように、効果
的に除去される。
第4図には第二測角装置の側面が、また第5図
には背面が模式的に示してある。回転軸Dbに回
転可能に支承された目盛ホルダーTTbは回転物
体(図示せず)に連結している。平坦な円盤目盛
状の目盛ホルダーTTbは表面OFb上に位相格子
状の角度目盛WTbを有する。この角度目盛WTb
は固定物体(図示せず)に連結している走査ユニ
ツトによつて走査される。この走査ユニツトに
は、レーザー光源Lb、目盛円盤TTbに対して半
径方向に配設された偏向プリズムUPb、偏光分
離プリズムTPbおよび2個の受光素子P1b,
P2bがある。レーザー光源Lbから出射し、直
線偏光している光ビームLSbは、目盛円盤TTb
に垂直にこの目盛円盤TTbの角度目盛WTbの第
一角度領域WB1bを通過し、位相格子として形
成された第一角度領域WB1bの角度目盛WTb
によつて、角度目盛WTbの垂線Nbに対して正の
回折角+α1bをなす正の一次回折ビーム+BS
1bと、負の回折角−α1bをなす負の一次回折
ビーム−BS1bとに分離される。0次の回折ビ
ームは位相格子として形成されている角度目盛
WTbの場合、減衰によつて生じない。図示いな
い方法により、回転物体はスピンドルで、また固
体物体は工作機械の固定台によつて形成されてい
る。
第一角度領域WB1bから付属する二つの回折
角+α1b,−α1bは、偏向プリズムUPbの偏
向面UF1bによつて目盛円盤TTbに平行な平面
内で目盛円盤の回転軸Dbの方向に偏向し、ビー
ム通路の光軸OAbに対して対称に延びる偏向プ
リズムUPbの二つの側面SF1b,SF2bで全反
射して、平面Eで1回目の偏向を行つた後、目盛
円盤TTbの回転軸Dbの中心線Mbで交差し、前
記両側面SF1b,SF2bで全反射による2回目
の偏向を行つた後、偏向プリズムUPbの第二偏
向面UF2bによつて目盛円盤TTbに垂直に偏向
され、第二角度領域WB2bで二つの付随する同
じ回折角+α1b,−α1bをなして再び合致す
る。この第二角度領域WB2bは角度目盛WTb
の第一角度領域WB1bに対して円周上の対向位
置にある。第一角度領域WB1bで発生した二つ
の一次回折ビームは、各々に平行で、逆向きの進
行方向で第二角度領域WB2bに現れる。偏向プ
リズムUPb中で2回偏向する場合、両方の一次
回折ビーム+BS1b,−BS1bは楕円偏光にな
る。
角度目盛WTbの第二角度領域WB2bによつ
て、両方の一次回折ビーム+BS1b,−BS1b
は干渉し、次いで偏光分離プリズムTPbを通過
し、二つの受光素子P1b,P2bに入射する。
これ等の受光素子は走査ユニツトAbで角度目盛
WTbを走査する場合、90°位相のずれた二つの周
期信号S1b,S2bを出力する。走査ユニツト
Abに後続する評価装置AWb中では、両方の受光
素子P1b,P2bの二つの周期走査信号S1
b,S2bから、測定方向(目盛円盤TTbの回
転の向き)および互いに相対回転する二つの物体
の相対位置に対する測定値が求まる。
両方の一次回折ビーム+BS1b,−BS1bは
偏向プリズムUPbの両側面SF1b,SF2bで2
回偏向することにより、以下のことが生じる。即
ち、目盛円盤TTbが回転する場合、両方の角度
領域WB1b,WB2bが互いに逆に動くことに
よつて、両方の周期走査信号S1b,S2bの強
度の変調が生じ、これ等の走査信号は角度領域
WB1b,WB2bの接線方向の動きX1b,X
2bの和の二倍の周期を有し、相互に回転する二
つの物体に対する測定値が求まる。
両方の走査信号S1b,S2bの強度の上記変
調は、等式 I=I0+2A2cos[4π(X1b+X2b)/g] によつて表せる。ここで、Aは両方の周期信号S
1b,S2bの最大振幅、gは角度目盛WTbの
両方の角度領域WB1b,WB2bの格子間隔お
よびI0は一定の数である。
そこで、角度目盛WTbと目盛円盤TTbの回転
軸Dbとの間の偏心eが生じれば、両方の角度領
域WB1b,WB2bが互いに逆に動くことの外
に、両方の角度領域WB1b,WB2bの同方向
の動きも生じる。しかしながら、両方の一次回折
ビーム+BS1b,−BS1bが2回偏向すること
によつて、角度目盛WTbの両方の角度領域WB
1b,WB2bが同方向に動く場合、両方の走査
信号S1b,S2bの強度には変調が生じない。
何故なら、この場合には、第5図に与えたX1
b,X2bの符号により、X1b=−X2bとな
るため、上の等式から一定値I=I0+2A2が生じ、
周期的な両方の走査信号S1b,S2bから得ら
れた測定値に何も影響を与えないからである。従
つて、角度目盛WTbと目盛円盤TTbの回転軸Db
の間の偏心eは光学通路上で除去さている。
角度目盛WTbに対する位相格子の代わりに、
振幅格子を使用する場合には、0次の回折ビーム
BS0も生じる。しかし、この回折ビームは、第
5図のように、主に両方の一次回折ビーム+BS
1b,−BS1bの第一偏向領域で、偏向プリズム
UPb中の穴Bによつて遮光される。
角度目盛WTbでは、格子間隔gが半径rに依
存する放射状格子を問題にするので、両方の一次
回折ビーム+BS1b,−BS1bの両回折角+α
1b,−α1bも同じように半径rに依存する。
第6図は、第二測角装置の展開光線図を模式的
に示す。目盛円盤TTbの回転軸Dbから距離rに
あるレーザー光源Lbから出射した光ビームLSb
は、第一角度領域WB1bで二つの回折角+α1
b,−α1bの二つの一次回折ビーム+BS1b,
−BS1bに分離する。これ等の回折ビームは偏
向プリズムUPbの両側面SF1b,SF2bで全反
射して、2回偏向した後、角度目盛WTbの第二
角度領域WB2bで同じ回折角+α1b,−α1
bの下で合致する。目盛円盤TTbの回転軸Dbか
ら距離r′(<r)にあるレーザー光源Lbから出射
した光ビームLSb′は、第一角度領域WB1bで法
線Nbに対して二つの回折角+α1b′,−α1b′の
下で二つの一次回折ビーム+BS1b′,−BS1b′に
分離する。光ビームLSb′の位置のところの第一
角度領域WB1bの角度目盛WTbの格子間隔
g′は、光ビームLSbの位置のところの第一角度領
域WB1bの角度目盛WTbの格子間隔gよりも
狭いので、両方の一次回折ビーム+BS1b′、−
BS1b′の両方の回折角+α1b′,−α1b′は、両
方の一次回折ビーム+BS1b,−BS1bの両方
の回折角+α1b,−α1bよりも大きい。従つて、
一次回折ビーム+BS1b′,−BS1b′は偏向プリズ
ムUPbの両側面SF1b,SF2bで2回偏向した
後、第二角度領域WB2bで合致せず、この第二
角度領域WB2bではボケSTを呈する(破線の
光線図参照)。
偏向プリズムUPbの両側面SF1b,SF2bが
平行でなく、楔角γを有することによつて、両方
の一次回折ビーム+BS1b′,−BS1b′のボケST
を除去できる。第7図には、偏向プリズムUPb
の両側が、また第8図には楔角γを有する断面が
示してある。この楔角γによつて、偏向プリズム
UPbは二つの一次回折ビーム+BS1b,−BS1
bに対する平面Eよりも、二つの一次回折ビーム
+BS1b′,−BS1b′に対する平面E′でより広い幅
を有する。従つて、一次回折ビー+B1b′,−BS
1b′も第二角度領域WB2bで同じように合致す
る。
偏向プリズムUPbの楔角γによつて、両方の
一次回折ビーム+BS1b,−BS1bの平面Eお
よび両方の一次回折ビーム+BS1b′,−BS1b′の
平面E′は最早目盛円盤TTbに平行でない。従つ
て、一次回折ビーム+BS1b,−BS1bと一次
回折ビーム+BS1b′,−BS1b′は偏向プリズム
UPbの第二偏向面UF2bによつて最早目盛円盤
TTbに垂直に偏向されない。偏向プリズムUPb
の第二偏向面UF2bが第二偏向角β2<45°を、ま
た偏向プリズムUPbの第一偏向面UF1bが第一
偏向角β1=45°を有することによつて、上記の偏
向誤差を除去できる。図示していないが、両方の
偏向角β1,β2が共に45°以外であつてもよい。
光ビームLSbを第一角度領域WB1bで二つの
一次回折ビーム+BS1b,−BS1bに分離し、
両方の一次回折ビーム+BS1b,−BS1bを第
二角度領域WB2bで合致させることは、光ビー
ムLSbの波長λに依存する。第二測角装置の部材
配置は、一定の波長λに対しのみ正しい。光ビー
ムLSbが広いスペクトル帯域を有する時には、波
長フイルタ処理を施す必要がある。第9図は、こ
の目的のため第二測角装置に対する他の展開光線
図を示す。この光線図には、波長λ0を有する両方
の一次回折ビーム+BS1b,−BS1bと波長λ1
λ2を有する他の一次回折ビームが示してある。波
長λ0を有する両方の一次回折ビーム+BS1b,−
BS1bを選択し、波長λ1,λ2を有する他の一次
回折ビームをフイルタ処理で除去するには、偏向
プリズムUPbが両方の偏向領域でのみ幅bを有
し、一次回折ビーム+BS1b,−BS1bの領域
でのみ一次回折ビーム+BS1b,−BS1bを偏
向できることによつて行われる。
光電測角装置の場合、この発明を透過光でも反
射光でも採用できる。
【図面の簡単な説明】
第1図、測角装置の模式側面図。第2図、測角
装置の模式平面図。第3図、第2図の第一測角装
置を変形した場合の平面図。第4図、第二測角装
置の模式側面図。第5図、第二測角装置の模式平
面図。第6図、第二測角装置に対する模式的展開
光線図。第7図、偏向プリズムの側面図。第8
図、偏向プリズムの断面図。第9図、第二測角装
置に対する他の展開光線図。第10図、従来の技
術による測角装置の模式図。第11図、従来の技
術による他の測角装置の模式図。 図中参照符号:WT……格子目盛、WB1,
WB2……格子目盛領域、SP1a,SP2a……
鏡、G1a,G2a……線状格子、UPb……偏
向プリズム。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 一方の物体に連結する目盛ホルダーの格子目
    盛を、円周上の対向位置にある二つの格子目盛領
    域で、他方の物体に連結する走査ユニツトによつ
    て光ビーム回折に基づき走査する、相対的に回転
    する二つの物体の角度を測定する光電測角装置に
    おいて、第一格子目盛領域WB1から回折角+
    α、−αをなして出射した二つの一次回折ビーム
    +BS1,−BS1が、同じ回折角+α、−αをなし
    て格子目盛WTの円周上の対向位置にある第二格
    子目盛領域WB2で合致し、第一格子目盛領域
    WB1で発生した両方の回折ビーム+BS1,−
    BS1が第二格子目盛領域WB2でそれぞれ相互
    に平行を保つて入射することを特徴とする測角装
    置。 2 第一格子目盛領域WB1から出射した両方の
    回折ビーム+BS1,−BS1は、介在する光学部
    材SP1a,SP2a;G1a,G2a;UPbの下
    で数回偏向した後、第二格子目盛領域WB2で合
    致することを特徴とする特許請求の範囲第1項に
    記載の測角装置。 3 両方の回折ビーム+BS1,−BS1を2回偏
    向させるため、平行な二つの鏡SP1a,SP2a
    が設置してあることを特徴とする特許請求の範囲
    第2項に記載の測角装置。 4 両方の回折ビーム+BS1,−BS1を2回偏
    向させるため、二つの線状格子G1a,G2aが
    設置してあることを特徴とする特許請求の範囲第
    2項に記載の測角装置。 5 両方の回折ビーム+BS1,−BS1を2回偏
    向させるため、一つの偏向プリズムUPbが設置
    してあることを特徴とする特許請求の範囲第2項
    に記載の測角装置。 6 偏向プリズムUPbの断面は楔角γを有する
    ことを特徴とする特許請求の範囲第5項に記載の
    測角装置。 7 偏向プリズムUPbは、少なくとも一つの偏
    向角β1、β2<45°を有することを特徴とする特許
    請求の範囲第5項に記載の測角装置。 8 偏向プリズムUPbは、幅bの二つの偏向領
    域を有することを特徴とする特許請求の範囲第5
    項に記載の測角装置。 9 偏向プリズムUPbは、第一偏向領域に穴B
    を有することを特徴とする特許請求の範囲第5項
    に記載の測角装置。 10 格子目盛WTは位相格子で形成されている
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の
    測角装置。
JP62245939A 1986-10-02 1987-10-01 光電測角装置 Granted JPS6391515A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE3633574.6 1986-10-02
DE19863633574 DE3633574A1 (de) 1986-10-02 1986-10-02 Lichtelektrische winkelmesseinrichtung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS6391515A JPS6391515A (ja) 1988-04-22
JPH0464567B2 true JPH0464567B2 (ja) 1992-10-15

Family

ID=6310911

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP62245939A Granted JPS6391515A (ja) 1986-10-02 1987-10-01 光電測角装置

Country Status (4)

Country Link
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