JPH06229722A - 光学的測長法及び光学的測長器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】光学的測長器１は、透明なスケール２と、一定
間隔をおいて対向する発光部６及び受光部７を備え、こ
れらの間にスケールを挟んでスケールの長さ方向に沿っ
て移動可能な読取器３とからなる。スケール２には遮光
可能な目盛４が一定間隔ｓをおいて付される。読取器の
発光部の前面には、測定したい最小の長さがδ＝ｓ／ｍ
（ｍは２以上の正の整数）であるとき、ｄ＝ｎｓ−δ
（ｎは正の整数）で規定される間隔ｄをおいてｍ個のス
リットが形成される。発光部の各スリットの内側には発
光素子が配置される。読取器の受光部の前面にも発光部
の各スリットに整合する位置にスリット１８が形成さ
れ、受光部の各スリットの内側には受光素子が配置され
る。目盛によって遮光される発光素子および受光素子の
対が検出され、読取器の移動の変位量が計算される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体の長さ、厚み等を
光学的に測定するための方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】目盛の付されたメインスケールと、一定
間隔をおいて配列されたスリットを有するサブスケール
を準備し、メインスケール及びサブスケールを相対移動
可能に配置すると共に、メインスケール及びサブスケー
ルを挟んで、対称的に、発光素子及び受光素子を対向し
て配置し、メインスケール及びサブスケールの相対移動
の間に、スリットを遮るメインスケールの目盛の個数を
光学的に計数し、計数値から所定の演算を行い、相対移
動による変位量を計算することによって長さを測定する
方法が従来より知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしこのような方法
においてより精度の高い測定を行うためには、目盛のピ
ッチ及び目盛の幅をより狭くし、それに対応して、スリ
ットのピッチ及びスリットの幅をより狭くしなければな
らない。このためには、より高精度の加工技術並びに信
号処理技術を必要とする。そして、装置の構造もより複
雑となり、組立調整に手間がかかり、故障も生じやす
く、製造コストも嵩んでくるという問題を生じる。

【０００４】したがって、本発明の目的は、特別の加工
技術及び信号処理技術等を用いることなく、より高精度
の長さ測定を行うことができる方法を提供することであ
る。また、本発明の目的は、構造が簡単であり、組立調
整が容易で、安価に製作することができる光学的測長器
を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、一定の間隔ｓをおいて配列された目盛を
備えたスケールであって、前記目盛の領域及びそれ以外
の領域のいずれか一方が光を透過し、他方が光を遮るよ
うにしたスケールを準備するステップと、測定したい最
小の長さがδ＝ｓ／ｍ（ｍは２以上の正の整数）である
とき、前記スケールの長さ方向に沿って、ｄ＝ｎｓ−δ
（ｎは正の整数）で規定される間隔ｄをおいて第１番目
から第ｍ番目まで順に配列されたｍ個の位置に、前記ス
ケールを挟んで対称的に発光素子と受光素子を対向させ
て配置するステップと、最初に前記スケールの目盛によ
って光を透過されまたは光を遮られた前記発光素子及び
受光素子の対のうち真ん中に位置する第１の基準対を決
定するステップと、前記スケールと前記発光素子及び受
光素子の各対とを前記スケールの長さ方向に沿って相対
移動させるステップと、前記相対移動の間に、前記発光
素子及び受光素子の第１の基準対が前記スケールの目盛
によって光を透過されまたは光を遮られる回数を計数す
るステップと、前記相対移動の後、前記スケールの目盛
によって光を透過されまたは光を遮られた前記発光素子
及び受光素子の対のうち真ん中に位置する第２の基準対
を決定するステップと、前記第１及び第２の基準対がそ
れぞれｖ番目の位置及びｗ番目の位置にあり、前記相対
移動の間に前記発光素子及び受光素子の第１の基準対が
前記スケールの目盛によってｆ回光を透過されまたは光
を遮られたとき、ｓ×ｆ＋δ×（ｗ−ｖ）によって前記
相対移動による変位量を計算するステップとからなるこ
とを特徴とする光学的測長法を構成したものである。こ
こで、本明細書中において使用される「光を透過され
た」及び「光を遮られた」という用語はそれぞれ、部分
的に光を透過された場合及び部分的に光を遮られた場合
を含んでいることに注意されたい。

【０００６】また、本発明は、スケールと、前記スケー
ルの長さ方向に沿って移動可能な読取器とからなり、前
記スケールは一定の間隔ｓをおいて配列された目盛を備
え、前記スケールにおける前記目盛の領域及びそれ以外
の領域のいずれか一方が光を透過し、他方が光を遮るよ
うになってり、前記読取器は、一定の間隔をおいて対向
する発光部及び受光部を有し、前記発光部及び受光部の
間に前記スケールを挟んで移動可能となっており、前記
読取器の発光部は、測定したい最小の長さがδ＝ｓ／ｍ
（ｍは２以上の正の整数）であるとき、ｄ＝ｎｓ−δ
（ｎは正の整数）で規定される間隔ｄをおいて配列され
た、前記スケールに向けて光を照射するｍ個の発光素子
を有し、前記読取器の受光部は、前記発光素子のそれぞ
れに整合する位置に配列された、対応する前記発光素子
からの光を受けるためのｍ個の受光素子を有し、前記読
取器は、さらに、前記各受光素子からの出力信号を受
け、前記出力信号に基づいて、最初に前記スケールの目
盛によって光を透過されまたは光を遮られた前記発光素
子及び受光素子の対のうち真ん中に位置する第１の基準
対を決定し、前記読取器の移動の間に、前記発光素子及
び受光素子の第１の基準対が前記スケールの目盛によっ
て光を透過されまたは光を遮られた回数を計数し、前記
読取器の移動後、前記スケールの目盛によって光を透過
されまたは光を遮られた前記発光素子及び受光素子の対
のうち真ん中に位置する第２の基準対を決定し、前記第
１及び第２の基準対がそれぞれｖ番目の位置及びｗ番目
の位置にあり、前記相対移動の間に前記発光素子及び受
光素子の第１の基準対が前記スケールの目盛によってｆ
回光を透過されまたは光を遮られたとき、ｓ×ｆ＋δ×
（ｗ−ｖ）によって前記読取器の移動による変位量を計
算する信号処理手段を有しているものであることを特徴
とする光学的測長器を構成したものである。

【０００７】

【作用】本発明による光学的測長法の原理を説明するた
め、スケールの目盛に幅がなく、発光素子から照射され
る光がスケールの長さ方向に幅を有しないような理想的
な場合を考える。これを図３に示した。図３（Ａ）で
は、ｎ＝１、よって、ｄ＝ｓ−δである。このとき、第
１番目の発光素子及び受光素子の対をスケールの第１番
目の目盛に一致させると、第２番目、第３番目、−−−
及び第ｍ番目の発光素子及び受光素子の対は、順次、ス
ケールの第２番目、第３番目、−−−及び第ｍ番目の目
盛に対してδ、２δ、−−−及びｍδだけずれて位置す
る。この状態から、スケールと発光素子及び受光素子の
各対とをδずつ相対移動させていくと、順次、第２番
目、第３番目、−−−、第ｍ番目の発光素子及び受光素
子の対がスケールの第１番目の目盛と一致する。この相
対移動によって、例えば、第３番目の発光素子及び受光
素子の対がスケールの第２番目の目盛と一致したとすれ
ば、この相対移動による変位量はδ×（３−１）＝２δ
と、また、第ｍ番目の発光素子及び受光素子の対がスケ
ールの第２番目の目盛と一致したとすれば、変位量はδ
×（ｍ−１）と計算される。そして、第ｍ番目の対が目
盛に一致した後、さらにδだけ相対移動させると、第１
番目の対が、スケールの第２番目の目盛に一致する。こ
のとき、変位量はｓ×１＝ｓと計算される。その後、さ
らにδずつ相対移動させるにつれて、順次、第２番目、
第３番目、−−−、第ｍ番目の発光素子及び受光素子の
対がスケールの第２番目の目盛と一致する。こうして、
δ毎の相対移動の間に第１番目の対がスケールの目盛と
ｉ回交差（一致）し、相対移動の後、第ｊ番目の対がス
ケールの目盛に一致していれば、そのとき変位量は、ｓ
×ｉ＋δ×（ｊ−１）によって計算される。この場合、
発光素子及び受光素子の対がスケールの目盛に一致する
ことは、発光素子及び受光素子の対が、スケールの目盛
によって光を透過されたこと、あるいは光を遮光された
ことを検出することによって決定される。

【０００８】なお、図３（Ｂ）では、ｎ＝２であり、よ
ってｄ＝２ｓ−δであり、この場合には、スケールの２
目盛毎に発光素子及び受光素子の対が配列される。図３
（Ｃ）では、ｎ＝３、よってｄ＝３ｓ−δであり、この
場合には、スケールの３目盛毎に発光素子及び受光素子
の対が配列される。このように、ｎの値を変化させるこ
とによって、一定個数の目盛をとばして発光素子及び受
光素子の対を配列することができる。一般に、スケール
の目盛の間隔が非常に小さい場合に、ｎの値を大きくす
ると効果的である。

【０００９】通常は、スケールの目盛には一定の幅があ
り、発光素子から照射される光もスケールの長さ方向に
一定の幅を有しているため、スケールの目盛によって光
を透過されまたは光を遮光される発光素子及び受光素子
の対は、常に複数個存在する。この場合には、相対移動
の前後において、スケールの目盛によって光を透過され
または光を遮光された複数個の対のうち真ん中に位置す
る対だけが目盛に一致しているものとみなし、上述の方
法によって変位量を計算する。こうして、目盛の間隔ｓ
の１／ｍまで長さを測定することができる。

【００１０】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の実施例に
ついて説明する。図１は、本発明による光学的測長器の
斜視図である。図１に示したように、光学的測長器１
は、スケール２と、スケール２の長さ方向に沿って移動
可能な読取器３とからなっている。

【００１１】スケール２は、透光性を有する材料、例え
ば透明フィルムからなっている。この実施例では、スケ
ール２の幅は２０ｍｍに、長さは適当に設定されてい
る。そして、スケール２の一面には、幅０．３ｍｍ、高
さ５ｍｍの遮光可能な黒色の目盛４が、０．８ｍｍのピ
ッチで印刷されている。

【００１２】読取器３は、長方形の連結板５と、連結板
５の両側に連結板５に垂直に取り付けられた、互いに平
行な発光部６及び受光部７とからなり、実質上コ字状の
横断面を有している。そして、読取器３は、発光部６と
受光部７の間隙内にスケール２を挟んだ状態で、スケー
ル２の長さ方向に沿ってスケールに平行に移動可能とな
っている。

【００１３】図２に示したように、発光部６は、受光部
側から、スリット板８、保持板９及び回路基板１０の順
に配列された３層構造を有している。スリット板８に
は、スケール２の目盛の間隔をｓとし、測定したい最小
の長さをδ＝ｓ／ｍ（ｍは２以上の整数）とするとき、
ｄ＝ｎｓ−δ（ｎは正の整数）の間隔をおいて、第１番
目から第ｍ番目まで順に配列されたｍ個の位置に、それ
ぞれスリット１１が形成されている。なお、この実施例
では、ｓ＝０．８ｍｍ、ｍ＝１６、δ＝０．８／１６＝
０．０５ｍｍ、ｎ＝４、ｄ＝４×０．８−０．０５＝
３．１５ｍｍと設定してある。また、この実施例では、
スリット１１は、０．２ｍｍの幅、３ｍｍの高さを有す
る。保持板９には、スリット板８の各スリット１１に整
合する位置に貫通穴１２が形成されている。回路基板１
０のスリット板８に面する側には、各スリット１１及び
貫通穴１２に整合する位置に、（図示はしない）発光素
子、例えば発光ダイオードが取り付けられている。スリ
ット板８、保持板９及び回路基板１０は、ネジ１４によ
って連結板５の側縁部に取り付けられる。そして、各発
光ダイオードは電池等の（図示はしない）電源に接続さ
れており、各発光ダイオードからの光は、保持板９の貫
通穴１２及びスリット板８のスリット１１を通じて、受
光部７に向けて照射されるようになっている。

【００１４】図２に示したように、受光部７も、発光部
６と同様に、発光部側から、スリット板１５、保持板１
６及び回路基板１７の順に配列された３層構造を有して
いる。スリット板１５には、また発光部６のスリット１
１に整合する位置に、スリット１１と同一形状のスリッ
ト１８が、間隔ｄ（＝３．１５ｍｍ）をおいて、第１番
目から第ｍ（＝１６）番目まで順に配列されたｍ個の位
置に形成されている。保持板１６には、スリット板１５
の各スリット１８に整合する位置に貫通穴１９が形成さ
れている。回路基板１７のスリット板１５に面する側に
は、各スリット１８及び貫通穴１９に整合する位置に、
受光素子、例えばフォトトランジスタ２０が取り付けら
れている。スリット板１５、保持板１６及び回路基板１
７は、ネジ２１によって連結板５の側縁部に取り付けら
れる。この実施例では、各発光ダイオードの前および各
フォトトランジスタ２０の前にそれぞれスリット１１及
び１８を設けたが、これは、各発光ダイオードから照射
される光が、その発光ダイオードと対を形成するフォト
トランジスタにのみ検出されるようにし、より高い測定
精度が得られるようにするためのものである。そしてこ
れらのスリットは、使用する発光素子及び受光素子の種
類により必要に応じて使用される。例えば、発光ダイオ
ードの代わりに、レーザー光を光ファイバを通じて照射
するようにしたものを発光素子として使用すれば、スリ
ットは不必要となる。

【００１５】また、フォトトランジスタ２０は、（図示
はしない）主としてマイクロプロセッサからなる適当な
信号処理回路に接続されている。こうして、発光部６の
各発光ダイオードから照射される光が受光部７の対応す
るフォトトランジスタ２０によって検出され、フォトト
ランジスタの出力信号が信号処理回路に送られ、この出
力信号に基づいて、後述の長さ測定方法に従って演算処
理が行われる。

【００１６】次に、本発明による光学的測長器における
長さ測定方法について説明する。スケール２を、読取器
３の発光部６及び受光部７の間隙に挿入し、長さ測定に
対応して、読取器３、すなわち発光部６及び受光部７
が、スケール２の長さ方向にスケール２に対して平行に
移動できるように配置する。この配置において、読取器
３が移動するにつれて、発光部６のスリット１１、よっ
て発光ダイオードと、受光部７の対応するスリット１
８、よってフォトトランジスタ２０からなる対が、スケ
ール２の目盛４によって順次遮光されていく。この状態
を図４に示した。図４（Ａ）は、読取器３を移動させる
前の状態を示しており、この状態から図面の右方向に読
取器３を移動させ、途中、図４（Ｂ）の状態を経て、図
４（Ｃ）の状態まで移動させるものとする。図４からも
明らかなように、スケール２の目盛４、及びスリット１
１、１８に幅があるため、発光ダイオードとフォトトラ
ンジスタ２０の対の複数個が、常にスケール２の目盛４
によって遮光される。

【００１７】図５は、図４に示した発光ダイオードとフ
ォトトランジスタ２０の各対を順番に円形に配列したも
のであり、図中の黒丸は遮光された対を、白丸は遮光さ
れていない対をそれぞれ表している。図５から、この遮
光の過程において、連続した複数個の遮光された対が１
つの組をなして順次移動していくことがわかる。

【００１８】したがって、最初、遮光された発光ダイオ
ードとフォトトランジスタ２０の複数個の対のうち真ん
中に位置する第１の基準対を決定し、この第１の基準対
のみが遮光されているものとする。さらに移動後、同様
に、遮光された発光ダイオードとフォトトランジスタ２
０の複数個の対のうち真ん中に位置する第２の基準対を
決定し、この第２の基準対のみが遮光されているものと
する。そして、第１の基準対が第ｕ番目の位置にあり、
第２の基準対が第ｖ番目の位置にあれば、移動による変
位量を、式、δ×（ｖ−ｕ）によって計算する。さら
に、読取器３の移動の間に、第１の基準対が、スケール
２の目盛４によってｗ回遮光されたとすれば、移動によ
る変位量を、式、ｓ×ｗ＋δ×（ｖ−ｕ）によって計算
する。

【００１９】次に、第１及び第２の基準対の決定方法に
ついて説明する。まず、遮光された複数個の対の組が、
第１番目及び第１６番目の位置にまたがって存在しない
とき（図５（Ｂ）参照）は、その組の先頭の対が第ａ番
目の位置、最後の対が第ｂ番目の位置にあれば、式、ｃ
＝（ａ＋ｂ）／２によって値ｃを計算し、基準対はｃ番
目の位置にあるものとする。遮光された複数個の対の組
が、第１番目及び第１６番目の位置にまたがって存在す
るとき（図５（Ａ）及び（Ｃ）参照）は、その組の両端
に位置する対が、それぞれｘ番目及びｙ番目の位置にあ
れば、まず最初、式、ｚ＝（ｘ＋ｙ＋１６）／２によっ
て値ｚを計算する。そして、ｚ≦１６であれば、基準対
はｚ番目の位置にあるものとし、ｚ＞１６であれば、
式、ｑ＝ｚ−１６によって値ｑを求め、基準対はｑ番目
の位置にあるものとする。

【００２０】上述の方法を図５に示した例に適用すると
以下のようになる。図５（Ａ）では、第１番目〜第８番
目、及び第１６番目の対が遮光されているので、 （８＋１６＋１６）／２＝２０（＞１６）、よって、２
０−１６＝４、 したがって、第１の基準対は第４番目の位置にある。図
５（Ｃ）では、第１番目〜第２番目、及び第１０番目〜
第１６番目の対が遮光されているので、 （２＋１６＋１０）／２＝１４（＜１６）、 したがって、第２の基準対は第１４番目の位置にある。
故に、変位量は、０．０５×（１４−４）＝０．５ｍｍ
となる。なお、この実施例では、スケールにおける目盛
の領域が光を遮り、それ以外の領域が光を透過するよう
にしたが、これとは逆に、目盛の領域が光を透過し、そ
れ以外の領域が光を遮るような構成としても同様の効果
が得られる。もちろん、後者の場合には、発光ダイオー
ドおよびフォトトランジスタの各対のうち、スケールの
目盛によって光を透過される対を検出し、前述したのと
同様の計算を行うことによって変位量の計算を行わなけ
ればならない。

【００２１】このように、本発明によれば、読取器の移
動の前後において、発光ダイオード及びフォトトランジ
スタの何番目の対が目盛によって遮光されているかを検
出するだけで、簡単な計算によって、スケールの目盛の
１／１０〜１／２０まで容易に長さを測定することがで
きる。したがって、本発明を実施するに際し、特別の加
工技術及び信号処理技術等は必要とされない。しかも、
本発明による光学的測長器は、構造が簡単で、組立調整
が容易であり、よって安価に製造することができるとい
う長所も有している。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
読取器の移動の前後において、発光素子及び受光素子の
何番目の対がスケールの目盛によって光を透過されてい
るか、あるいはスケールの目盛によって光を遮られてい
るかを検出するだけで、簡単な計算に基づいて、スケー
ルの目盛の１／１０〜１／２０までの高精度の長さ測定
を行うことができる。そして、かかる検出には、特別の
加工技術、信号処理技術等を必要としない。また、本発
明によれば、構造が簡単で、よって組立調整が容易で、
製造コストもあまりかからない光学的測長器を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光学的測長器の斜視図である。

【図２】図１の光学的測長器の読取器の分解斜視図であ
る。

【図３】本発明による光学的測長法の原理を説明した図
である。

【図４】本発明による光学的測長器の読取器のスリット
が、移動時に、スケールの目盛によって遮光されていく
状態を説明した図である。

【図５】図４の状態を、読取器のスリットを円形に配列
して示した図である。

【符号の説明】

１ 光学的測長器 ２ スケール ３ 読取器 ４ 目盛 ５ 連結板 ６ 発光部 ７ 受光部 ８ スリット板 １５ スリット板 ２０ フォトトトランジスタ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一定の間隔ｓをおいて配列された目盛を
   備えたスケールであって、前記目盛の領域及びそれ以外
   の領域のいずれか一方が光を透過し、他方が光を遮るよ
   うにしたスケールを準備するステップと、 測定したい最小の長さがδ＝ｓ／ｍ（ｍは２以上の正の
   整数）であるとき、前記スケールの長さ方向に沿って、
   ｄ＝ｎｓ−δ（ｎは正の整数）で規定される間隔ｄをお
   いて第１番目から第ｍ番目まで順に配列されたｍ個の位
   置に、前記スケールを挟んで対称的に発光素子と受光素
   子を対向させて配置するステップと、 最初に前記スケールの目盛によって光を透過されまたは
   光を遮られた前記発光素子及び受光素子の対のうち真ん
   中に位置する第１の基準対を決定するステップと、 前記スケールと前記発光素子及び受光素子の各対とを前
   記スケールの長さ方向に沿って相対移動させるステップ
   と、 前記相対移動の間に、前記発光素子及び受光素子の第１
   の基準対が前記スケールの目盛によって光を透過されま
   たは光を遮られる回数を計数するステップと、 前記相対移動の後、前記スケールの目盛によって光を透
   過されまたは光を遮られた前記発光素子及び受光素子の
   対のうち真ん中に位置する第２の基準対を決定するステ
   ップと、 前記第１及び第２の基準対がそれぞれｖ番目の位置及び
   ｗ番目の位置にあり、前記相対移動の間に前記発光素子
   及び受光素子の第１の基準対が前記スケールの目盛によ
   ってｆ回光を透過されまたは光を遮られたとき、ｓ×ｆ
   ＋δ×（ｗ−ｖ）によって前記相対移動による変位量を
   計算するステップとからなることを特徴とする光学的測
   長法。
2. 【請求項２】 スケールと、前記スケールの長さ方向に
   沿って移動可能な読取器とからなり、 前記スケールは一定の間隔ｓをおいて配列された目盛を
   備え、前記スケールにおける前記目盛の領域及びそれ以
   外の領域のいずれか一方が光を透過し、他方が光を遮る
   ようになってり、 前記読取器は、一定の間隔をおいて対向する発光部及び
   受光部を有し、前記発光部及び受光部の間に前記スケー
   ルを挟んで移動可能となっており、 前記読取器の発光部は、測定したい最小の長さがδ＝ｓ
   ／ｍ（ｍは２以上の正の整数）であるとき、ｄ＝ｎｓ−
   δ（ｎは正の整数）で規定される間隔ｄをおいて配列さ
   れた、前記スケールに向けて光を照射するｍ個の発光素
   子を有し、 前記読取器の受光部は、前記発光素子のそれぞれに整合
   する位置に配列された、対応する前記発光素子からの光
   を受けるためのｍ個の受光素子を有し、 前記読取器は、さらに、前記各受光素子からの出力信号
   を受け、前記出力信号に基づいて、最初に前記スケール
   の目盛によって光を透過されまたは光を遮られた前記発
   光素子及び受光素子の対のうち真ん中に位置する第１の
   基準対を決定し、前記読取器の移動の間に、前記発光素
   子及び受光素子の第１の基準対が前記スケールの目盛に
   よって光を透過されまたは光を遮られた回数を計数し、
   前記読取器の移動後、前記スケールの目盛によって光を
   透過されまたは光を遮られた前記発光素子及び受光素子
   の対のうち真ん中に位置する第２の基準対を決定し、前
   記第１及び第２の基準対がそれぞれｖ番目の位置及びｗ
   番目の位置にあり、前記相対移動の間に前記発光素子及
   び受光素子の第１の基準対が前記スケールの目盛によっ
   てｆ回光を透過されまたは光を遮られたとき、ｓ×ｆ＋
   δ×（ｗ−ｖ）によって前記読取器の移動による変位量
   を計算する信号処理手段を有しているものであることを
   特徴とする光学的測長器。