JPH07167676A - 可動物体の変位測定装置 - Google Patents
可動物体の変位測定装置Info
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- JPH07167676A JPH07167676A JP6218901A JP21890194A JPH07167676A JP H07167676 A JPH07167676 A JP H07167676A JP 6218901 A JP6218901 A JP 6218901A JP 21890194 A JP21890194 A JP 21890194A JP H07167676 A JPH07167676 A JP H07167676A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING 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
- G01D5/00—Mechanical 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
- G01D5/26—Mechanical 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
- G01D5/32—Mechanical 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
- G01D5/34—Mechanical 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
- G01D5/347—Mechanical 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 using displacement encoding scales
- G01D5/34707—Scales; Discs, e.g. fixation, fabrication, compensation
- G01D5/34715—Scale reading or illumination devices
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optical Transform (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 可動物体に機械的に取り付けられた目盛素子
１３と協働して可動物体の変位を測定するコンパクトな
測定装置を提供することにある。 【構成】 目盛素子１３は物体の移動方向を横切って位
置する複数の一連の格子細条１６からなる少なくとも一
つのトラック１５を具える。測定装置１は光源３と、検
出器７と、少なくとも一つの反射コリメータ素子５を含
む反射性光学系とを具える。この光学系が光源３からの
光を目盛素子１３へ案内するとともに、この光を格子細
条１６に垂直な断面内で平均的に平行な細長光ビームに
変換する。
１３と協働して可動物体の変位を測定するコンパクトな
測定装置を提供することにある。 【構成】 目盛素子１３は物体の移動方向を横切って位
置する複数の一連の格子細条１６からなる少なくとも一
つのトラック１５を具える。測定装置１は光源３と、検
出器７と、少なくとも一つの反射コリメータ素子５を含
む反射性光学系とを具える。この光学系が光源３からの
光を目盛素子１３へ案内するとともに、この光を格子細
条１６に垂直な断面内で平均的に平行な細長光ビームに
変換する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、可動物体の移動方向を
横切って延在する複数の一連の格子細条からなる少なく
とも一つのトラック有する目盛素子を可動物体に取り付
け、この目盛素子と協働して可動物体の変位を決定する
測定装置であって、放射を発生する少なくとも一つの放
射源と、この放射を平均的に平行な放射ビームに変換す
るとともに前記目盛素子に向け案内する光学系と、前記
目盛素子からの放射を電気信号に変換する放射検出器と
を具える測定装置に関するものである。尚、以下の説明
では放射を光とするが、本発明はこれに限定されるもの
ではない。
横切って延在する複数の一連の格子細条からなる少なく
とも一つのトラック有する目盛素子を可動物体に取り付
け、この目盛素子と協働して可動物体の変位を決定する
測定装置であって、放射を発生する少なくとも一つの放
射源と、この放射を平均的に平行な放射ビームに変換す
るとともに前記目盛素子に向け案内する光学系と、前記
目盛素子からの放射を電気信号に変換する放射検出器と
を具える測定装置に関するものである。尚、以下の説明
では放射を光とするが、本発明はこれに限定されるもの
ではない。
【０００２】
【従来の技術】上述のタイプの測定装置は米国特許ＵＳ
−Ａ３，９７３，１１９号から既知である。この特許に
記載された測定装置では、物体に機械的に取り付けた格
子をマルチフォトセル検出器に投影させる。この検出器
は一列のほぼ同一のストリップ状フォトセンシティブセ
ルを具え、これらのセルを電気スイッチにより、これら
のフォトセンシティブセルに発生した信号を処理する電
気回路に連続的に接続する。電気スイッチにより検出器
を基準格子として作用させることができる。格子はフォ
トセンシティブセルアレイ上に１：１に結像させるのが
好ましい。検出器上への格子細条の斜投影によるこの像
の読取誤差を最小にするために、光源からの光を格子細
条に垂直な断面内で平行である走査ビームに変換する必
要がある。格子細条に平行な断面内では平行である必要
はない。
−Ａ３，９７３，１１９号から既知である。この特許に
記載された測定装置では、物体に機械的に取り付けた格
子をマルチフォトセル検出器に投影させる。この検出器
は一列のほぼ同一のストリップ状フォトセンシティブセ
ルを具え、これらのセルを電気スイッチにより、これら
のフォトセンシティブセルに発生した信号を処理する電
気回路に連続的に接続する。電気スイッチにより検出器
を基準格子として作用させることができる。格子はフォ
トセンシティブセルアレイ上に１：１に結像させるのが
好ましい。検出器上への格子細条の斜投影によるこの像
の読取誤差を最小にするために、光源からの光を格子細
条に垂直な断面内で平行である走査ビームに変換する必
要がある。格子細条に平行な断面内では平行である必要
はない。
【０００３】前記米国特許に記載されている測定装置で
は、光源からの光を部分透明鏡（半透鏡）を介してコリ
メータレンズへ案内する。コリメータレンズにより形成
された平行走査ビームを次に目盛素子に入射させる。こ
のビームは目盛素子で反射された後、コリメータレンズ
を経て部分透明鏡に戻り、ここで検出器に向け反射され
る。
は、光源からの光を部分透明鏡（半透鏡）を介してコリ
メータレンズへ案内する。コリメータレンズにより形成
された平行走査ビームを次に目盛素子に入射させる。こ
のビームは目盛素子で反射された後、コリメータレンズ
を経て部分透明鏡に戻り、ここで検出器に向け反射され
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この既知の装置は、平
行走査ビームを発生する光学系が標準レンズ及び鏡の組
み合わせであり、従ってかなり大きなスペースを占める
欠点を有する。他の欠点は光出力が低い点にある。部分
透明鏡は入射光の約半分を通すのみであるため、光源か
ら放射された光の約四分の一が検出器に到達するだけで
ある。
行走査ビームを発生する光学系が標準レンズ及び鏡の組
み合わせであり、従ってかなり大きなスペースを占める
欠点を有する。他の欠点は光出力が低い点にある。部分
透明鏡は入射光の約半分を通すのみであるため、光源か
ら放射された光の約四分の一が検出器に到達するだけで
ある。
【０００５】本発明の目的は、従来装置に比べて一層コ
ンパクトであり、同時に少なくとも同程度の平行度を有
するとともに一層大きなパワーを有する走査ビームを発
生しうるようにした可動物体の変位測定装置を提供する
ことにある。
ンパクトであり、同時に少なくとも同程度の平行度を有
するとともに一層大きなパワーを有する走査ビームを発
生しうるようにした可動物体の変位測定装置を提供する
ことにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、頭書に記載し
たタイプの測定装置において、前記光学系は反射性であ
って、少なくとも一つのコリメータ素子を具えることを
特徴とする。
たタイプの測定装置において、前記光学系は反射性であ
って、少なくとも一つのコリメータ素子を具えることを
特徴とする。
【０００７】前記光学系を反射素子で実現することによ
り、光源と目盛素子との間の所要光路長を小寸法の測定
装置内に実現することが可能になる。従って、相当コン
パクトな測定装置が得られる。光源の光を平行走査ビー
ムに変換するコリメータ素子が反射性光学系の一部を構
成する。
り、光源と目盛素子との間の所要光路長を小寸法の測定
装置内に実現することが可能になる。従って、相当コン
パクトな測定装置が得られる。光源の光を平行走査ビー
ムに変換するコリメータ素子が反射性光学系の一部を構
成する。
【０００８】本発明測定装置の一実施例では、コリメー
タ素子を回転対称回転放物面のオフアクシス部分とし、
光源をその焦点に配置する。本発明で使用する極めて好
適なコリメータ素子は回転対称回転放物面のオフアクシ
ス部分である。その焦点から到来する光が回転対称回転
放物面に入射すると、この放物面で平行光ビームとして
反射される。光路内に部分反射ビームスプリッタ素子を
配置する必要なしに目盛素子に直接入射する平行光ビー
ムを発生させるために、オフアクシス部分を使用する。
タ素子を回転対称回転放物面のオフアクシス部分とし、
光源をその焦点に配置する。本発明で使用する極めて好
適なコリメータ素子は回転対称回転放物面のオフアクシ
ス部分である。その焦点から到来する光が回転対称回転
放物面に入射すると、この放物面で平行光ビームとして
反射される。光路内に部分反射ビームスプリッタ素子を
配置する必要なしに目盛素子に直接入射する平行光ビー
ムを発生させるために、オフアクシス部分を使用する。
【０００９】原則として、光源として発光ダイオード
（ＬＥＤ）又は半導体レーザを使用する。半導体レーザ
は比較的小さな発散度を有する光ビームを発生する利点
を有するが、ＬＥＤに比べて寿命がかなり短い欠点を有
する。従って、ＬＥＤの方が長寿命のために好適であ
る。しかし、ＬＥＤは全ての方向に光を放射するため、
ＬＥＤにより放射された光をできるだけ効率よく利用す
るとともにできるだけ多量の光を検出器へ案内するのが
重要である。この目的のために、本発明測定装置の好適
実施例では、コリメータ素子を、その円柱軸が格子細条
及び目盛素子の法線を含む平面に平行であるとともにこ
の平面に垂直なその断面が放物形である放物柱面鏡と
し、且つ前記光学系が、更に、この鏡と光源との間に、
その円柱軸が格子細条に直角であるとともに格子細条に
平行な面内のその断面が楕円形である楕円柱面鏡を具え
るようにする。
（ＬＥＤ）又は半導体レーザを使用する。半導体レーザ
は比較的小さな発散度を有する光ビームを発生する利点
を有するが、ＬＥＤに比べて寿命がかなり短い欠点を有
する。従って、ＬＥＤの方が長寿命のために好適であ
る。しかし、ＬＥＤは全ての方向に光を放射するため、
ＬＥＤにより放射された光をできるだけ効率よく利用す
るとともにできるだけ多量の光を検出器へ案内するのが
重要である。この目的のために、本発明測定装置の好適
実施例では、コリメータ素子を、その円柱軸が格子細条
及び目盛素子の法線を含む平面に平行であるとともにこ
の平面に垂直なその断面が放物形である放物柱面鏡と
し、且つ前記光学系が、更に、この鏡と光源との間に、
その円柱軸が格子細条に直角であるとともに格子細条に
平行な面内のその断面が楕円形である楕円柱面鏡を具え
るようにする。
【００１０】本発明測定装置の他の実施例では、前記光
学系が、更に、少なくとも一つの折り返し平面鏡を具え
るものとする。一以上の折り返し平面鏡を前記光学系に
関連させることにより、光路を更に折り返すことがで
き、測定装置を更にコンパクトにすることができる。こ
のような鏡は光源と目盛素子との間の種々の位置に配置
することができる。
学系が、更に、少なくとも一つの折り返し平面鏡を具え
るものとする。一以上の折り返し平面鏡を前記光学系に
関連させることにより、光路を更に折り返すことがで
き、測定装置を更にコンパクトにすることができる。こ
のような鏡は光源と目盛素子との間の種々の位置に配置
することができる。
【００１１】本発明測定装置の更に他の実施例では、光
源及び検出器をハウジング内に配置するとともに、反射
性光学系の素子をハウジングの壁面に組み込む。ハウジ
ングは、例えば射出成形により得られ、所望の形状の窓
を設けることができる。前記光学系は反射素子からなる
ため、ハウジングの内壁面又は外壁面に沿って窓に反射
材料の層を設けるだけで所望の光学素子を得ることがで
きる。更に、このように反射光学素子が光源及び検出器
も収納するハウジング内に組み込まれるため、コンパク
トな測定装置が得られる。
源及び検出器をハウジング内に配置するとともに、反射
性光学系の素子をハウジングの壁面に組み込む。ハウジ
ングは、例えば射出成形により得られ、所望の形状の窓
を設けることができる。前記光学系は反射素子からなる
ため、ハウジングの内壁面又は外壁面に沿って窓に反射
材料の層を設けるだけで所望の光学素子を得ることがで
きる。更に、このように反射光学素子が光源及び検出器
も収納するハウジング内に組み込まれるため、コンパク
トな測定装置が得られる。
【００１２】本発明測定装置の上述した全ての実施例に
おいて、前記光学系の素子の少なくともコリメータ素子
は非球面を有するものとする。非球面とは、その基本形
状が正則曲面（本発明では放物面、円柱面又は円錐回転
面）であるがその実際の形状が基本形状により変更され
た光ビーム波面の収差を補正するために少し変形されて
いる表面であるものと理解されたい。本発明測定装置に
おいて一以上のビーム整形表面を非球面にすることによ
り、追加の補正素子必要とすることなく走査ビームの質
を向上させることができる。
おいて、前記光学系の素子の少なくともコリメータ素子
は非球面を有するものとする。非球面とは、その基本形
状が正則曲面（本発明では放物面、円柱面又は円錐回転
面）であるがその実際の形状が基本形状により変更され
た光ビーム波面の収差を補正するために少し変形されて
いる表面であるものと理解されたい。本発明測定装置に
おいて一以上のビーム整形表面を非球面にすることによ
り、追加の補正素子必要とすることなく走査ビームの質
を向上させることができる。
【００１３】
【実施例】図面を参照して本発明を実施例につき説明す
る。図１に線図的に示す測定装置は光源３、反射性コリ
メータ素子５及び検出器７を具える。光源３及び検出器
７は、例えば光学的に透明な板９に取り付けることがで
きる。光源３から放射された光は、この光をコリメート
されたビーム１１として目盛素子１３に向け反射させる
素子５に入射させる。目盛素子１３は変位を測定すべき
物体（図示せず）に機械的に取り付ける。目盛素子１３
は、例えば図１の紙面に垂直な方向（物体の移動方向）
に並置された複数の格子状細条１６（図２）を具える格
子、例えば金格子の形態のトラック１５が設けられたス
チールテープとすることができる。
る。図１に線図的に示す測定装置は光源３、反射性コリ
メータ素子５及び検出器７を具える。光源３及び検出器
７は、例えば光学的に透明な板９に取り付けることがで
きる。光源３から放射された光は、この光をコリメート
されたビーム１１として目盛素子１３に向け反射させる
素子５に入射させる。目盛素子１３は変位を測定すべき
物体（図示せず）に機械的に取り付ける。目盛素子１３
は、例えば図１の紙面に垂直な方向（物体の移動方向）
に並置された複数の格子状細条１６（図２）を具える格
子、例えば金格子の形態のトラック１５が設けられたス
チールテープとすることができる。
【００１４】検出器は、例えば前記米国特許に記載され
ているようなマルチフォトセンシティブセル検出器と
し、その上に前記トラックを１：１の倍率で結像させる
ことができる。このようにすると、検出器７に対する目
盛素子１３の所定の位置において、光ビーム内の所定の
格子細条が検出器の所定の部分に結像される。この場
合、目盛素子に入射する光ビームは格子細条が延在する
方向に対し垂直な断面内において平均的に平行であるこ
とが重要である。素子５からのビームは図１の紙面に垂
直な方向に連続する複数のサブビームとみなし、各サブ
ビームが一つの格子細条を照明するものとみなせる。光
ビームがこの方向において平行でない場合には、読取信
号の質が目盛素子１３と検出器７との距離に依存する。
この距離が公称距離から相違すると、読取誤差が生ず
る。サブビームが互いに平行でない場合、各サブビーム
は対応する格子細条を異なる角度で検出器上に結像する
ため、目盛素子の所定の位置において、各格子細条が関
連するフォトセンシティブセルに正確に結像されない。
その結果、読取誤差が発生する。しかし、光ビームは図
の紙面内で平行である必要はない。実際上、例えば約１
ｍｍのトラック−検出器間距離に対し最大測定偏差を約
１μm にする必要がある場合には、トラック及び検出器
間の主光線の相互平行位置からの偏差を０．０４°以下
にする必要があることが証明されている。ビームは、物
体の移動方向に平行な方向に、目盛素子上の複数の格子
細条を同時に走査し検出器上に結像させるような寸法を
有するものとする。このようにすると、格子の不規則性
が平均化される。コリメートされた光ビームは目盛素子
上で検出器７に向け反射される。
ているようなマルチフォトセンシティブセル検出器と
し、その上に前記トラックを１：１の倍率で結像させる
ことができる。このようにすると、検出器７に対する目
盛素子１３の所定の位置において、光ビーム内の所定の
格子細条が検出器の所定の部分に結像される。この場
合、目盛素子に入射する光ビームは格子細条が延在する
方向に対し垂直な断面内において平均的に平行であるこ
とが重要である。素子５からのビームは図１の紙面に垂
直な方向に連続する複数のサブビームとみなし、各サブ
ビームが一つの格子細条を照明するものとみなせる。光
ビームがこの方向において平行でない場合には、読取信
号の質が目盛素子１３と検出器７との距離に依存する。
この距離が公称距離から相違すると、読取誤差が生ず
る。サブビームが互いに平行でない場合、各サブビーム
は対応する格子細条を異なる角度で検出器上に結像する
ため、目盛素子の所定の位置において、各格子細条が関
連するフォトセンシティブセルに正確に結像されない。
その結果、読取誤差が発生する。しかし、光ビームは図
の紙面内で平行である必要はない。実際上、例えば約１
ｍｍのトラック−検出器間距離に対し最大測定偏差を約
１μm にする必要がある場合には、トラック及び検出器
間の主光線の相互平行位置からの偏差を０．０４°以下
にする必要があることが証明されている。ビームは、物
体の移動方向に平行な方向に、目盛素子上の複数の格子
細条を同時に走査し検出器上に結像させるような寸法を
有するものとする。このようにすると、格子の不規則性
が平均化される。コリメートされた光ビームは目盛素子
上で検出器７に向け反射される。
【００１５】目盛素子１３は上述した反射格子で構成す
る代わりに、透過格子で構成することもできる。この場
合には、目盛素子１３は、例えば測定装置に対向する表
面に格子の形態のトラック１５が設けられたガラス定規
を支持体としてのスチールテープ上に設けてなるものと
することができる。目盛素子に入射する平行ビーム１１
はこの定規を通過し、スチールテープで反射され、トラ
ックを経て検出器へ向かう。こうして格子が検出器上に
透過結像される。
る代わりに、透過格子で構成することもできる。この場
合には、目盛素子１３は、例えば測定装置に対向する表
面に格子の形態のトラック１５が設けられたガラス定規
を支持体としてのスチールテープ上に設けてなるものと
することができる。目盛素子に入射する平行ビーム１１
はこの定規を通過し、スチールテープで反射され、トラ
ックを経て検出器へ向かう。こうして格子が検出器上に
透過結像される。
【００１６】原則として、光源は半導体レーザ又は発光
ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。半導体レー
ザは、光をかなり小さい発散度の光ビームの形で放射す
る利点を有する。この場合には、図１に示すように、レ
ーザを所定の角度αに向けて十分な光がコリメータ素子
上の所望の区域に到達するようにすれば十分である。し
かし、半導体レーザは寿命が比較的短い欠点を有するた
め、ＬＥＤを使用するのが好ましい。更に、ＬＥＤはか
なり安価な光源である利点を有する。しかし、ＬＥＤは
光をあらゆる方向に放射するため有用な光出力が小さい
欠点を有する。できるだけ多くの光を目盛素子１３及び
検出器７に案内するために、大きな開口数を有するコリ
メータ素子を使用することができる。しかし、大きな開
口数の場合には、ビームを格子細条１５の方向に垂直な
断面内で平行にすることが一層困難になる。格子細条の
方向に垂直な断面内のビームの平行性が失われると、読
取誤差が生ずる。従って、本発明の他の要旨は、ＬＥＤ
でも、その電流を増大させる必要なしに、かなり高い光
出力を得ることができるように光学系を適応させること
を提案することにある。
ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。半導体レー
ザは、光をかなり小さい発散度の光ビームの形で放射す
る利点を有する。この場合には、図１に示すように、レ
ーザを所定の角度αに向けて十分な光がコリメータ素子
上の所望の区域に到達するようにすれば十分である。し
かし、半導体レーザは寿命が比較的短い欠点を有するた
め、ＬＥＤを使用するのが好ましい。更に、ＬＥＤはか
なり安価な光源である利点を有する。しかし、ＬＥＤは
光をあらゆる方向に放射するため有用な光出力が小さい
欠点を有する。できるだけ多くの光を目盛素子１３及び
検出器７に案内するために、大きな開口数を有するコリ
メータ素子を使用することができる。しかし、大きな開
口数の場合には、ビームを格子細条１５の方向に垂直な
断面内で平行にすることが一層困難になる。格子細条の
方向に垂直な断面内のビームの平行性が失われると、読
取誤差が生ずる。従って、本発明の他の要旨は、ＬＥＤ
でも、その電流を増大させる必要なしに、かなり高い光
出力を得ることができるように光学系を適応させること
を提案することにある。
【００１７】本発明で使用するのに極めて好適な反射性
コリメータ素子は、回転軸が平均的に平行な光ビームの
方向に平行である回転対称回転放物面を有し、光源３を
この放物面の焦点に位置させる。平行光ビーム１１を、
光路を遮る部分反射ビームスプリッタ素子なしで目盛素
子１３へ案内するために、素子５は回転対称回転放物面
のオフアクシス（軸外れ）部分として実現するのが好ま
しい。図２はこのようなコリメータ素子５を含む測定装
置の光源３と検出器７との間の光路を示す。素子１３の
図示の位置では、トラック１５の各格子細条１６が検出
器７の一つのフォトセンシティブセル１７に結像され
る。実際にはもっと多数のフォトセンシティブセルを使
用することができる。
コリメータ素子は、回転軸が平均的に平行な光ビームの
方向に平行である回転対称回転放物面を有し、光源３を
この放物面の焦点に位置させる。平行光ビーム１１を、
光路を遮る部分反射ビームスプリッタ素子なしで目盛素
子１３へ案内するために、素子５は回転対称回転放物面
のオフアクシス（軸外れ）部分として実現するのが好ま
しい。図２はこのようなコリメータ素子５を含む測定装
置の光源３と検出器７との間の光路を示す。素子１３の
図示の位置では、トラック１５の各格子細条１６が検出
器７の一つのフォトセンシティブセル１７に結像され
る。実際にはもっと多数のフォトセンシティブセルを使
用することができる。
【００１８】本発明の目的はコンパクトな測定装置を提
供することにある。このような測定装置は、これを使用
する装置の測定スライド上の比較的小さなスペースに配
置することができる。更に、測定装置がコンパクトであ
ると、スライド全体のダイナミック動作が測定装置の大
きさにより妨げられない。
供することにある。このような測定装置は、これを使用
する装置の測定スライド上の比較的小さなスペースに配
置することができる。更に、測定装置がコンパクトであ
ると、スライド全体のダイナミック動作が測定装置の大
きさにより妨げられない。
【００１９】個々の格子細条１６を検出器７上のトラッ
ク１５の像内で区別可能にするためには、トラック１５
と検出器７との間を最小光路長にする必要がある。光源
３とトラック１５との間の光路内にコリメータ素子５を
設けることは、この最小光路長を光源３とコリメータ素
子５との間にする必要があることを意味する。
ク１５の像内で区別可能にするためには、トラック１５
と検出器７との間を最小光路長にする必要がある。光源
３とトラック１５との間の光路内にコリメータ素子５を
設けることは、この最小光路長を光源３とコリメータ素
子５との間にする必要があることを意味する。
【００２０】本発明の他の特徴においては、他の反射素
子を用いてもっと前記光路長を短い光源及びコリメータ
素子間距離により実現可能にし、その結果測定装置をも
っとコンパクトにできるようにする。
子を用いてもっと前記光路長を短い光源及びコリメータ
素子間距離により実現可能にし、その結果測定装置をも
っとコンパクトにできるようにする。
【００２１】光源３とオフアクシス放物面鏡５との間に
一個以上の折り返し平面鏡を配置することができる。従
って、光路を折り返して測定装置を著しくコンパクトに
することができる。一つの折り返し鏡１９を用いる実施
例を図３に示す。図の簡単化のために、図１と同様にビ
ームはその主光線で示してある。
一個以上の折り返し平面鏡を配置することができる。従
って、光路を折り返して測定装置を著しくコンパクトに
することができる。一つの折り返し鏡１９を用いる実施
例を図３に示す。図の簡単化のために、図１と同様にビ
ームはその主光線で示してある。
【００２２】放物面は非球面にすることができる。これ
は、その形状を正基本形状から僅かにずらせることを意
味する。このようにすると、基本形状により変更された
光ビーム波面に生ずる収差を補正することができる。
は、その形状を正基本形状から僅かにずらせることを意
味する。このようにすると、基本形状により変更された
光ビーム波面に生ずる収差を補正することができる。
【００２３】コリメータ素子５を回転対称回転放物面の
オフアクシス部分とする上述の実施例は比較的簡単に実
現できる利点を有する。
オフアクシス部分とする上述の実施例は比較的簡単に実
現できる利点を有する。
【００２４】しかし、光出力を５倍に増大することがで
きるとともに、光源３とコリメータ素子５との間の距離
も減少させた本発明測定装置の実施例を図４に斜視図で
示す。図の簡単化のために、検出器は図示してない。こ
の検出器は目盛素子１３の右側、例えば光源３の面内に
位置する。この実施例では、反射素子２１を光源３とコ
リメータ素子５との間に配置し、この反射素子２１は楕
円柱面鏡である。この楕円柱面鏡はその軸が格子細条の
方向に対し直角であり、格子細条の方向に平行な断面が
楕円形である。このようにすると、目盛素子１３の格子
細条の方向の開口数が著しく大きくなるため、反射素子
２１が集光器として作用する。ＬＥＤの各光点が楕円柱
面鏡により格子細条１６の方向に直角の方向に線条とし
て結像される。コリメータ素子５は、格子細条１６と目
盛素子１３の法線とを含む平面に平行な軸を有するとと
もにこの平面に垂直な断面が放物形である放物柱面鏡と
して実現する。楕円柱面鏡２１の倍率は、ＬＥＤの像が
格子細条の方向に対し直角方向の検出器７の寸法に合致
するように選択することができる。このようにすると、
ＬＥＤにより放射された光を最大に利用することができ
る。この実施例でも、折り返し平面鏡を光源３と目盛素
子１３との間の光路内、例えば集光素子２１とコリメー
タ素子５との間に配置することにより測定装置を一層コ
ンパクトにすることができる。
きるとともに、光源３とコリメータ素子５との間の距離
も減少させた本発明測定装置の実施例を図４に斜視図で
示す。図の簡単化のために、検出器は図示してない。こ
の検出器は目盛素子１３の右側、例えば光源３の面内に
位置する。この実施例では、反射素子２１を光源３とコ
リメータ素子５との間に配置し、この反射素子２１は楕
円柱面鏡である。この楕円柱面鏡はその軸が格子細条の
方向に対し直角であり、格子細条の方向に平行な断面が
楕円形である。このようにすると、目盛素子１３の格子
細条の方向の開口数が著しく大きくなるため、反射素子
２１が集光器として作用する。ＬＥＤの各光点が楕円柱
面鏡により格子細条１６の方向に直角の方向に線条とし
て結像される。コリメータ素子５は、格子細条１６と目
盛素子１３の法線とを含む平面に平行な軸を有するとと
もにこの平面に垂直な断面が放物形である放物柱面鏡と
して実現する。楕円柱面鏡２１の倍率は、ＬＥＤの像が
格子細条の方向に対し直角方向の検出器７の寸法に合致
するように選択することができる。このようにすると、
ＬＥＤにより放射された光を最大に利用することができ
る。この実施例でも、折り返し平面鏡を光源３と目盛素
子１３との間の光路内、例えば集光素子２１とコリメー
タ素子５との間に配置することにより測定装置を一層コ
ンパクトにすることができる。
【００２５】上述した測定装置は汚染の可能性がある。
特に、測定装置を旋盤のような機械で加工される加工片
の変位測定に使用する際には、ある程度の汚れがあって
も信頼できる測定結果が維持されることが重要である。
実際上、このような汚れは目盛素子１３上のトラック１
５及び／又は検出器７を部分的に非対称に覆って検出器
７又はトラック１５の一部が使用不可となり、信号が歪
むことが起こりうる。この理由のために、光ビーム１１
の平行度の要件がかなり厳しくなる。検出器の全表面積
が使用可能である場合には、格子細条に平行な方向にお
けるコリメータ素子の開口数は依然としてかなり大きい
が、検出器の例えば８５％が汚れると、読取誤差が数μ
m に増大しうる。格子細条に平行な断面内の開口数が比
較的大きいときは、細長い光ビームの終端における平行
度が減少する。従って、格子細条の方向における集光素
子の開口数を減少させると光ビーム１１の平行度が良く
なり、従って測定装置の精度が良くなる。しかし、これ
は光出力を犠牲にする。
特に、測定装置を旋盤のような機械で加工される加工片
の変位測定に使用する際には、ある程度の汚れがあって
も信頼できる測定結果が維持されることが重要である。
実際上、このような汚れは目盛素子１３上のトラック１
５及び／又は検出器７を部分的に非対称に覆って検出器
７又はトラック１５の一部が使用不可となり、信号が歪
むことが起こりうる。この理由のために、光ビーム１１
の平行度の要件がかなり厳しくなる。検出器の全表面積
が使用可能である場合には、格子細条に平行な方向にお
けるコリメータ素子の開口数は依然としてかなり大きい
が、検出器の例えば８５％が汚れると、読取誤差が数μ
m に増大しうる。格子細条に平行な断面内の開口数が比
較的大きいときは、細長い光ビームの終端における平行
度が減少する。従って、格子細条の方向における集光素
子の開口数を減少させると光ビーム１１の平行度が良く
なり、従って測定装置の精度が良くなる。しかし、これ
は光出力を犠牲にする。
【００２６】オフアクシス放物面鏡を用いる実施例で
は、このような汚れによる精度低下が小さい。その理由
は、小開口数のために収差が小さく、従って平行からの
ずれが小さくなるためである。しかし、光出力が５分の
１になる。それでも多くの用途に十分である。
は、このような汚れによる精度低下が小さい。その理由
は、小開口数のために収差が小さく、従って平行からの
ずれが小さくなるためである。しかし、光出力が５分の
１になる。それでも多くの用途に十分である。
【００２７】楕円柱鏡及び放物柱面鏡を用いる実施例で
は、絞りを配置し、必要に応じ、これにより目盛素子の
格子細条の方向における楕円柱面鏡の開口数を制限する
のが好ましい。大きい開口数は光ビームの平行度を犠牲
にするが高い光出力を発生し、トラック又は検出器の汚
染が少ない又はない場合にはこれを選択するのが好まし
い。小開口数はビーム軸から遠く離れた部分でも十分平
行である光ビームを発生するが、これは光出力を犠牲に
する。測定装置を多量の汚れを生ずる環境で使用する場
合に特に絞りを用いることができる。
は、絞りを配置し、必要に応じ、これにより目盛素子の
格子細条の方向における楕円柱面鏡の開口数を制限する
のが好ましい。大きい開口数は光ビームの平行度を犠牲
にするが高い光出力を発生し、トラック又は検出器の汚
染が少ない又はない場合にはこれを選択するのが好まし
い。小開口数はビーム軸から遠く離れた部分でも十分平
行である光ビームを発生するが、これは光出力を犠牲に
する。測定装置を多量の汚れを生ずる環境で使用する場
合に特に絞りを用いることができる。
【００２８】少なくとも楕円柱面鏡を非球面にすること
により、光ビームの終端における平行度を改善し、この
集光素子を正基本形状の場合より大きい開口数を有する
ようにして、一層高い光出力が得られるようにすること
ができる。
により、光ビームの終端における平行度を改善し、この
集光素子を正基本形状の場合より大きい開口数を有する
ようにして、一層高い光出力が得られるようにすること
ができる。
【００２９】信号対雑音比を増大するために一層高い光
出力が望まれる場合には、同一のトラックを照明する２
個以上のＬＥＤを目盛素子上の格子細条の方向に平行な
方向に前後に配置することができる。信号対雑音比の増
大は検出器の走査周波数又はＬＥＤの電流を可変にする
ことにより行うこともできる。
出力が望まれる場合には、同一のトラックを照明する２
個以上のＬＥＤを目盛素子上の格子細条の方向に平行な
方向に前後に配置することができる。信号対雑音比の増
大は検出器の走査周波数又はＬＥＤの電流を可変にする
ことにより行うこともできる。
【００３０】本発明測定装置の他の最適化は、全反射光
学系と一体に形成されたハウジング２５内に光源３及び
検出器７を収納させることにある。このようなハウジン
グは、例えば射出成形により形成し、その成形中に反射
素子に望ましい幾何形状を有する窓２７、２９を設ける
ことができる。次にこれらの窓に反射材料の層を設ける
ことにより、所望の光反射素子を得る。この場合には透
明板９をハウジング２５の底カバー板として用いること
ができる。図５ａ及び５ｂは、光学系を検出器７及び光
源３を収納するハウジングと一体に形成した測定装置の
幾つかの実施例を示す。
学系と一体に形成されたハウジング２５内に光源３及び
検出器７を収納させることにある。このようなハウジン
グは、例えば射出成形により形成し、その成形中に反射
素子に望ましい幾何形状を有する窓２７、２９を設ける
ことができる。次にこれらの窓に反射材料の層を設ける
ことにより、所望の光反射素子を得る。この場合には透
明板９をハウジング２５の底カバー板として用いること
ができる。図５ａ及び５ｂは、光学系を検出器７及び光
源３を収納するハウジングと一体に形成した測定装置の
幾つかの実施例を示す。
【００３１】図５ａは光源３からの光をコリメータ素子
５に直接入射させる図１の構成に従う実施例を示す。本
例ではコリメータ素子５はハウジング２５の窓２７と一
体に形成される。図５ｂは図４の構成に従う実施例を示
し、本例ではコリメータ素子が放物柱面鏡であり、これ
を窓２７と一体に形成するとともに、楕円柱面鏡の形態
の集光素子を付加し、これを窓２９と一体に形成する。
光源と目盛素子との間の光路を短縮するための折り返し
平面鏡があれば、これをハウジングの他の一つの壁面に
設けた窓と一体に形成することができる。
５に直接入射させる図１の構成に従う実施例を示す。本
例ではコリメータ素子５はハウジング２５の窓２７と一
体に形成される。図５ｂは図４の構成に従う実施例を示
し、本例ではコリメータ素子が放物柱面鏡であり、これ
を窓２７と一体に形成するとともに、楕円柱面鏡の形態
の集光素子を付加し、これを窓２９と一体に形成する。
光源と目盛素子との間の光路を短縮するための折り返し
平面鏡があれば、これをハウジングの他の一つの壁面に
設けた窓と一体に形成することができる。
【００３２】光学系、光源及び検出器を同一のハウジン
グ内に集積する場合、楕円柱面鏡及び放物柱面鏡を用い
る実施例では、楕円柱面鏡の開口数を格子細条の方向に
減少させる絞りが設けられた内部ハウジング（図示せ
ず）をハウジング２５に設けることにより読取誤差と光
出力との兼ね合いを最適にすることができる。この場合
には不所望な漂遊光をこのような内部ハウジングにより
遮ることができる。
グ内に集積する場合、楕円柱面鏡及び放物柱面鏡を用い
る実施例では、楕円柱面鏡の開口数を格子細条の方向に
減少させる絞りが設けられた内部ハウジング（図示せ
ず）をハウジング２５に設けることにより読取誤差と光
出力との兼ね合いを最適にすることができる。この場合
には不所望な漂遊光をこのような内部ハウジングにより
遮ることができる。
【００３３】前記米国特許ＵＳ−Ａ３，９７３，１１９
号に記載されているように、特別のフォトセンシティブ
セル駆動回路を用いてマルチフォトセンシティブセル検
出器を基準格子として使用することができる。測定装置
を較正するために、目盛素子にインクリメンタルトラッ
ク１５に加えて第２のトラックを校正トラックとして設
けることができる。この場合には両トラックを同一の光
源又は別個の光源により放射されたに別々の光ビームに
より検出器上に結像させることができる。次に両トラッ
クからの測定値を処理装置により比較することができ
る。
号に記載されているように、特別のフォトセンシティブ
セル駆動回路を用いてマルチフォトセンシティブセル検
出器を基準格子として使用することができる。測定装置
を較正するために、目盛素子にインクリメンタルトラッ
ク１５に加えて第２のトラックを校正トラックとして設
けることができる。この場合には両トラックを同一の光
源又は別個の光源により放射されたに別々の光ビームに
より検出器上に結像させることができる。次に両トラッ
クからの測定値を処理装置により比較することができ
る。
【００３４】上述した測定装置は、第２の絶対トラック
を擬ランダムトラックとして実現することにより、又は
インクリメンタルトラックの一以上のピッチをマーキン
グすることにより絶対測定に好適にすることができる。
擬ランダムトラックを絶対トラックとして使用する絶対
測定装置は欧州特許出願ＥＰ０５０３７１６号に記載さ
れている。この出願に記載されている絶対測定装置で
は、イクリメンタルトラックが格子細条を具え、２つの
連続する細条の幅によりピッチが決まる。絶対トラック
は目盛素子上にインクリメンタルトラックにできるだけ
近接させて位置させるとともに、例えば同一の光学ピッ
チを有するものとするのが好ましい。ビームスプリッタ
を用いて光ビームを両トラックに分配させることによ
り、又は細長ビームを同時に両トラックを照明するに十
分な幅にすることにより両トラックを同一の光源及び光
学系の組み合わせにより照明することができる。或いは
また、各トラックに対し別個の測定装置を用いることも
できる。更に、前記欧州特許出願に記載されているよう
に、インクリメンタルトラックと絶対トラックを単一の
複合トラックに合成することもできる。この場合には、
単一の測定装置、例えば光源、検出器及び光学系が同一
のハウジング内に集積されている測定装置で十分であ
る。
を擬ランダムトラックとして実現することにより、又は
インクリメンタルトラックの一以上のピッチをマーキン
グすることにより絶対測定に好適にすることができる。
擬ランダムトラックを絶対トラックとして使用する絶対
測定装置は欧州特許出願ＥＰ０５０３７１６号に記載さ
れている。この出願に記載されている絶対測定装置で
は、イクリメンタルトラックが格子細条を具え、２つの
連続する細条の幅によりピッチが決まる。絶対トラック
は目盛素子上にインクリメンタルトラックにできるだけ
近接させて位置させるとともに、例えば同一の光学ピッ
チを有するものとするのが好ましい。ビームスプリッタ
を用いて光ビームを両トラックに分配させることによ
り、又は細長ビームを同時に両トラックを照明するに十
分な幅にすることにより両トラックを同一の光源及び光
学系の組み合わせにより照明することができる。或いは
また、各トラックに対し別個の測定装置を用いることも
できる。更に、前記欧州特許出願に記載されているよう
に、インクリメンタルトラックと絶対トラックを単一の
複合トラックに合成することもできる。この場合には、
単一の測定装置、例えば光源、検出器及び光学系が同一
のハウジング内に集積されている測定装置で十分であ
る。
【００３５】本発明測定装置では、光路及びその長さを
決定する主素子が反射性素子である。これらの素子には
補正用屈折素子を付加することができる。
決定する主素子が反射性素子である。これらの素子には
補正用屈折素子を付加することができる。
【００３６】図６は測定装置１の実際の実施例を示す。
光源３からの光は光軸４に沿って第１折り返し平面鏡１
９に入射し、ここで第２折り返し平面鏡２０に向け反射
され、ここで更にコリメータ素子５に向け反射される。
コリメータ素子５は回転対称回転放物面のオフアクシス
部分の形状を有する。次にこれによりコリメートされた
ビームが目盛素子（図示せず）へと反射される。両折り
返し平面鏡１９、２０及び放物面鏡はハウジング２５と
一体に形成する。ハウジングは射出成形により形成する
のが好ましいため、ハウジングの材料は熱膨張を受けや
すい。ハウジングに弾性素子３１を設けることにより、
素子５によりコリメートされた光ビームが、熱膨張によ
る誤差が阻止される位置に読み取り中に維持されるよう
にする。膨張を補償するために光学系及び弾性素子を同
一のハウジング２５内に集積するため、機械的に且つ光
学的に安定な測定装置が得られる。
光源３からの光は光軸４に沿って第１折り返し平面鏡１
９に入射し、ここで第２折り返し平面鏡２０に向け反射
され、ここで更にコリメータ素子５に向け反射される。
コリメータ素子５は回転対称回転放物面のオフアクシス
部分の形状を有する。次にこれによりコリメートされた
ビームが目盛素子（図示せず）へと反射される。両折り
返し平面鏡１９、２０及び放物面鏡はハウジング２５と
一体に形成する。ハウジングは射出成形により形成する
のが好ましいため、ハウジングの材料は熱膨張を受けや
すい。ハウジングに弾性素子３１を設けることにより、
素子５によりコリメートされた光ビームが、熱膨張によ
る誤差が阻止される位置に読み取り中に維持されるよう
にする。膨張を補償するために光学系及び弾性素子を同
一のハウジング２５内に集積するため、機械的に且つ光
学的に安定な測定装置が得られる。
【図１】本発明測定装置の一実施例の断面図である。
【図２】本発明測定装置の光源と、オフアクシス放物面
の形態のコリメータ素子と、目盛素子と、検出器との間
の光路を詳細に示す図である。
の形態のコリメータ素子と、目盛素子と、検出器との間
の光路を詳細に示す図である。
【図３】本発明測定装置のコンパクトな実施例の断面図
である。
である。
【図４】楕円柱面鏡及び放物柱面鏡を具える本発明測定
装置の実施例の斜視図である。
装置の実施例の斜視図である。
【図５】光源、検出器及び光学系を同一のハウジング内
に集積した本発明測定装置の２つの実施例を示す図であ
る。
に集積した本発明測定装置の２つの実施例を示す図であ
る。
【図６】本発明測定装置の実際の実施例の斜視断面図で
ある。
ある。
１ 測定装置 ３ 光源 ５ コリメータ素子 ７ 検出器 ９ 透明板 １１ コリメートされた（平行）光ビーム １３ 目盛素子 １５ トラック １６ 格子細条 １７ フォトセンシティブセル １９、２０ 折り返し平面鏡 ２１ 楕円柱面鏡 ２５ ハウジング ２７、２９ 窓
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヨセフス ヨハネス マリア ブラット オランダ国 5621 ベーアー アインドー フェン フルーネヴァウツウェッハ １ (72)発明者 ヨアネス グレゴリウス ブレメール オランダ国 5621 ベーアー アインドー フェン フルーネヴァウツウェッハ １
Claims (6)
- 【請求項１】 可動物体の移動方向を横切って延在する
複数の一連の格子細条からなる少なくとも一つのトラッ
ク有する目盛素子を可動物体に取り付け、この目盛素子
と協働して可動物体の変位を決定する測定装置であっ
て、放射を発生する少なくとも一つの放射源と、この放
射を平均的に平行な放射ビームに変換するとともに前記
目盛素子に向け案内する光学系と、前記目盛素子からの
放射を電気信号に変換する放射検出器とを具える測定装
置において、前記光学系は反射性であって、少なくとも
一つのコリメータ素子を具えることを特徴とする可動物
体の変位測定装置。 - 【請求項２】 前記コリメータ素子が回転対称回転放物
面のオフアクシス部分であり、光源がその焦点に配置さ
れていることを特徴とする請求項１記載の測定装置。 - 【請求項３】 前記コリメータ素子が、その軸が格子細
条及び目盛素子の法線を含む平面に平行であるとともに
この平面に垂直なその断面が放物形である放物柱面鏡で
あり、且つ前記光学系が、更に、この鏡と光源との間
に、その軸が格子細条に直角であるとともに格子細条に
平行な面内のその断面が楕円形である楕円柱面鏡を具え
ることを特徴とする請求項１記載の測定装置。 - 【請求項４】 前記光学系が、更に、少なくとも一つの
折り返し平面鏡を具えることを特徴とする請求項１〜３
のいずれかに記載の測定装置。 - 【請求項５】 前記光源及び検出器がハウジング内に配
置され且つ前記反射性光学系の素子がこのハウジングの
壁面に組み込まれてることを特徴とする請求項１〜４の
いずれかに記載の測定装置。 - 【請求項６】 前記光学系の素子のうちの少なくともコ
リメータ素子が非球面を有することを特徴とする請求項
１〜５のいずれかに記載の測定装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BE9300957A BE1007513A3 (nl) | 1993-09-13 | 1993-09-13 | Meetinrichting voor het bepalen van de verplaatsing van een beweegbaar voorwerp. |
| BE09300957 | 1993-09-13 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07167676A true JPH07167676A (ja) | 1995-07-04 |
Family
ID=3887333
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6218901A Pending JPH07167676A (ja) | 1993-09-13 | 1994-09-13 | 可動物体の変位測定装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5640008A (ja) |
| EP (1) | EP0643286B1 (ja) |
| JP (1) | JPH07167676A (ja) |
| AT (1) | ATE182210T1 (ja) |
| BE (1) | BE1007513A3 (ja) |
| DE (1) | DE69419470T2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003106871A (ja) * | 2001-09-28 | 2003-04-09 | Mitsutoyo Corp | 発光ユニット、発光受光ユニットおよび光学式変位検出装置 |
| US7057159B2 (en) | 2001-02-05 | 2006-06-06 | Mitutoyo Corporation | Emitting light source apparatus for use in optical encoder |
| JP2017211327A (ja) * | 2016-05-27 | 2017-11-30 | 株式会社ミツトヨ | 発光ユニット、発光受光ユニットおよび光電式エンコーダ |
| JP2018059743A (ja) * | 2016-10-03 | 2018-04-12 | 株式会社ミツトヨ | 発光ユニットおよび光電式エンコーダ |
| JP2019053023A (ja) * | 2017-08-02 | 2019-04-04 | Dmg森精機株式会社 | 相対位置検出手段、及び変位検出装置 |
| JP2020046273A (ja) * | 2018-09-18 | 2020-03-26 | Dmg森精機株式会社 | 相対位置検出手段、及び変位検出装置 |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19524725C1 (de) * | 1995-07-07 | 1996-07-11 | Zeiss Carl Jena Gmbh | Fotoelektrischer Kodierer zum Abtasten optischer Strukturen |
| JPH10132612A (ja) * | 1996-10-28 | 1998-05-22 | Mitsutoyo Corp | 光学式変位検出装置 |
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