JPH07318314A - 測長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】スケールの格子欠陥やごみの付着によって測定
精度が影響を受けにくい光学式の測長装置を提供する。 【構成】主スケール１は、その長手方向と鋭角θで交差
するピッチＰの格子２を有する。検出スケール３は格子
２と同一ピッチＰの格子４を有する。主スケール１の長
手方向と格子４が平行となるように両スケールを対面さ
せる。主スケール１の長手方向と直交する明暗のモアレ
縞が生じる。縞の間隔ＷはP/sin θである。検出スケー
ル３を主スケール１の長手方向に沿って移動させるとモ
アレ縞は移動方向と平行に動く。両スケールの相対移動
方向に沿って複数の検出部５が並ぶ。検出部は、位相が
互いに90度異なるＡ相・Ｂ相信号を出力する２個の光電
変換素子Ａ，Ｂからなる検出部5aと、その反転信号を出
力する検出部5bからなる。複数の検出信号を処理すれば
両スケールの相対的な移動方向とその移動量を高い精度
で安定的に検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、対面して配設された２
つの格子の相対移動に伴って発生する干渉縞の変化を検
出し、各格子の相対移動量を測定する光学式の測長装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、工作機械等の加工テーブルの移
動量を高精度で読み取る装置として、光学格子を用いた
測長装置が知られている。

【０００３】図２〜図４は、このような光学式の測長装
置の原理を説明するための図である。図２に示すよう
に、メインスケール１０は細長い矩形板状のガラス基板
である。その表面には、その長手方向と直交する方向に
金属膜が同一ピッチで配設されてなる微細な格子１１が
形成されている。インデックススケール１２はメインス
ケール１０よりも小さい矩形板状のガラス基板である。
その表面には、金属膜からなりメインスケール１０の格
子１１と同一ピッチの格子１３が形成されている。メイ
ンスケール１０に対してインデックススケール１２を傾
斜させて平行に対面させると、格子１１の方向とほぼ直
交する方向に明暗の縞模様ができる。これを一般にはモ
アレ縞と呼んでいる。図２においてインデックススケー
ル１２をメインスケール１０の長手方向に沿って移動さ
せると、モアレ縞はインデックススケール１２の移動方
向と直交する図中上下方向に移動する。

【０００４】図３に拡大して示すように、一般にモアレ
縞は２つの格子の重なり合いで生じ、両格子の重なった
交点の軌跡が縞模様の暗部となる。格子間隔をＰ、２つ
の格子の傾斜角をθ、縞の間隔をＷとすると、次の式が
成り立つ。 Ｗ＝（Ｐｃｏｓ（θ／２））／ｓｉｎθ （１）

【０００５】（１）式においてθが十分に小さい時には
次の式が成り立つ。 Ｗ＝Ｐ／θ（θ：ラジアン） （２）

【０００６】（２）式から分かるように、モアレ縞の間
隔Ｗは、格子間隔Ｐを光学的に１／θ倍したものであ
る。これは、格子がメインスケールの長手方向にＰ移動
すると、モアレ縞はこれと直交する上下方向にＷ移動す
ることを表す。この拡大されたＷの変化を読み取ること
により、格子の移動量を知ることができる。

【０００７】図４は、モアレ縞の移動を読み取る測長装
置の構造例を示している。メインスケール１０に関して
インデックススケール１２の反対側には光源１４があ
る。また、インデックススケール１２に関してメインス
ケール１０の反対側には検出部１５がある。光源１４と
インデックススケール１２と検出部１５は共通の基台１
６に設けられ、メインスケール１０に対して相対的に移
動する。

【０００８】前記検出部１５は、移動量を計測するため
に２個の光電変換素子を有する。２個の光電変換素子は
メインスケール１０の長手方向と直交する方向に沿って
並べられ、図２及び図３に示すモアレ縞の明部と暗部を
それぞれ検出する。モアレ縞の移動により検出部はｓｉ
ｎ波形の信号を出力するが、２個の光電変換素子の出力
する信号は互いに９０度位相が異なっている。一方の光
電変換素子の信号をＡ相（ｓｉｎ波）、他方の光電変換
素子の信号をＢ相（ｃｏｓ波）と呼ぶ。両信号を得れ
ば、モアレ縞の移動量と共に両スケールの相対的な移動
方向も検出できる。

【０００９】前述した従来の光学式の測長装置によれ
ば、測長装置の取付位置が工作機械の加工テーブル等で
あることから、加工テーブルの厚み以上に厚み（メイン
スケールの短辺方向の厚み）を厚くすることはできず、
できるかぎり薄く形成することが望まれている。また、
検出部を複数箇所設ければ安定した検出波形が得られる
が、従来の測長装置では、メインスケールの格子が短辺
方向に延在して設けられており、これに鋭角で傾斜して
インデックススケールの格子が設けられている。従っ
て、モアレ縞は、メインスケールのほぼ短辺方向に移動
するように形成される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】そのため、従来の光学
式の測長装置によれば、検出部を複数設けようとする
と、どうしても、スケールの厚みが大きくなってしま
い、加工テーブル等に取り付ける際に、取り付けスペー
スを確保するのが困難になるという問題があった。そし
て、このスペースを確保するために、通常では、２個１
組の光電変換素子からなる検出部１個によってモアレ縞
の明暗を検出しているので、スケールの格子の欠陥やス
ケールに付着したごみによって検出波形が大きく影響さ
れてしまい、測長の精度が低下するという問題があっ
た。

【００１１】本発明は、スケールの格子欠陥やごみの付
着によって測定精度が影響を受けにくい光学式の測長装
置を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載された測
長装置は、少なくとも測定する長さ全長に渡って微細な
格子を有するメインスケールと、メインスケールより長
さが短くメインスケールの格子に対して傾斜して位置す
る微細な格子を有するインデックススケールと、メイン
スケールとインデックススケールの相対的な移動によっ
て生ずる明暗の縞を検出して９０度位相の異なる二つの
信号を出力する検出部とを備えた測長装置において、前
記メインスケールとインデックススケールの相対的な移
動方向に対してメインスケールの格子が鋭角をもって傾
斜しており、前記移動方向に沿って前記検出部が複数並
設されていることを特徴としている。

【００１３】

【作用】メインスケールとインデックススケールの相対
的な移動方向に沿ってモアレ縞が移動する。同方向に沿
って並べられた複数個の検出部は、Ａ相信号及びＢ相信
号からなる検出信号を複数の検出位置において複数組検
出する。

【００１４】

【実施例】本発明の一実施例を図１（ａ）（ｂ）（ｃ）
を参照して説明する。本実施例の測長装置は、メインス
ケールとインデックススケールに形成された格子と、検
出部の数及び配置が従来と異なる。これ以外の構成、例
えば図４に示した機械的な構造等は従来と実質的に同一
である。

【００１５】図１（ａ）に示すように、メインスケール
１は細長い矩形板状のガラス基板である。その表面に
は、その長手方向と鋭角θで交差する格子２がピッチＰ
で形成されている。メインスケール１の長手方向に平行
な一辺に達した隣接する格子２，２の間隔Ｗは、当然格
子２のピッチＰよりも大きく、Ｗ＝Ｐ／ｓｉｎθとな
る。

【００１６】図１（ｂ）に示すように、インデックスス
ケール３はメインスケール１よりも小さい矩形板状のガ
ラス基板である。その表面には、メインスケール１の格
子２と同一ピッチＰの格子４が形成されている。

【００１７】メインスケール１の長手方向とインデック
ススケール３の格子４が平行となるように、メインスケ
ール１とインデックススケール３を所定間隔をおいて平
行に対面させる。図１（ｃ）に示すように、インデック
ススケール３の格子４の方向又はメインスケール１の長
手方向に対し、これと直交する方向に延びる明暗の縞模
様（モアレ縞）が生じる。

【００１８】図１において、インデックススケール３を
メインスケール１の長手方向（即ちインデックススケー
ル３の格子４と平行な方向）に沿って移動させると、モ
アレ縞はインデックススケール３の移動方向と平行に図
中左右方向に移動する。

【００１９】インデックススケール３とメインスケール
１の相対移動量Ｐに対し、モアレ縞は相対移動方向と平
行にＷ移動する。θが鋭角であるから、ＷはＰよりも大
きい。

【００２０】メインスケール１の長手方向、又はインデ
ックススケール３の格子４の方向、又は両スケール１，
３の相対移動方向に沿って、複数個の検出部５が並べら
れている。本実施例の検出部は、位相が互いに９０度異
なるＡ相信号とＢ相信号を出力する２個の光電変換素子
Ａ，Ｂからなる検出部５ａと、反転Ａ相信号と反転Ｂ相
信号を出力する２個の光電変換素子ａ，ｂからなる検出
部５ｂからなる。図１（ｃ）に示すように、本実施例で
は、モアレ縞の明暗に対応するように検出部５ａと検出
部５ｂが交互に３個ずつ１列に並んでいる。

【００２１】メインスケール１とインデックススケール
３が相対的に移動すれば、その移動方向に沿ってモアレ
縞の明暗が移動する。同方向に沿って並べられた複数個
の検出部５は、Ａ相信号とＢ相信号からなる検出信号
と、反転Ａ相信号と反転Ｂ相信号からなる検出信号を、
それぞれ複数の検出位置において検出する。

【００２２】メインスケール１とインデックススケール
３の一部に何らかの損傷があったり、又はごみ等が付着
していても、本実施例の測長装置はこれら複数の検出信
号を処理することにより両スケールの相対的な移動方向
とその移動量を高い精度で安定的に検出することができ
る。

【００２３】前記一実施例ではインデックススケール３
の格子４と移動方向が一致していたが、これは必ずしも
一致させる必要はない。メインスケール１とインデック
ススケール３の相対的な移動方向に対してメインスケー
ル１の格子２が鋭角をもって傾斜しており、このメイン
スケール１とインデックススケール３によって、メイン
スケール１の長手方向に沿って明暗の縞が並ぶモアレ縞
が形成されればよい。このように両スケール１，３を構
成すれば、両スケール１，３の相対移動方向に沿って複
数の検出部５（５ａ，５ｂ）を並べられるので、前述の
ように安定した検出信号を得るために装置全体を大きく
することなく多数の検出部を配置することができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明の測長装置によれば、モアレ縞を
利用する光学的測長装置において、モアレ縞が両スケー
ルの相対移動方向と同方向に移動するようにし、検出部
を同方向に並べられるようにしたので、装置全体の寸法
（特にメインスケールの短辺方向の寸法）を大きくする
ことなく検出部を増やすことができ、これによって格子
の欠陥によって生じる検出波形のずれの悪影響を少なく
することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施例におけるメインスケ
ール１、（ｂ）は同インデックススケール３、（ｃ）は
一実施例において得られるモアレ縞と、該モアレ縞に対
する検出部の配置例を示す図である。

【図２】従来の測長装置の概略の構造を示す正面図及び
側面図である。

【図３】従来の測長装置において得られるモアレ縞を示
す図である。

【図４】従来の測長装置のより具体的な構成を示す側面
図である。

【符号の説明】 １ メインスケール ２ メインスケールの格子 ３ インデックススケール ４ インデックススケールの格子 ５，５ａ，５ｂ 検出部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも測定する長さ全長に渡って微
   細な格子を有するメインスケールと、メインスケールよ
   り長さが短くメインスケールの格子に対して傾斜して位
   置する微細な格子を有するインデックススケールと、メ
   インスケールとインデックススケールの相対的な移動に
   よって生ずる明暗の縞を検出して９０度位相の異なる二
   つの信号を出力する検出部とを備えた測長装置におい
   て、前記メインスケールとインデックススケールの相対
   的な移動方向に対してメインスケールの格子が鋭角をも
   って傾斜しており、前記移動方向に沿って前記検出部が
   複数並設されていることを特徴とする測長装置。