JPS589007A - 測長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、長さを測定する測長装置に関し、特にガラス
等の透明材料の一側面上に格子状の目盛、すなわち刻線
帯を形成したリニアスケールに対して、光電的な検出手
段が移動して、刻線帯を読取る充電式測長装置に関する
。

一般にこの種の測長装置は、リニアスケールをケースに
保持する際、リニアスケールに不用な応力が加わって、
リニアスケールを刻線帯を設けた面方向にたわませるこ
とがある。

この場合、従来の装置では、測定時に読取り誤差を生じ
る欠点があった。例えば、特開昭４９−７４５５４号に
開示された計測装置において、そのよう造リニアスケー
ルのたわみやその他の変形に対して、安定した読取りを
可能とする構成が記載されている。刻線帯を読取るイン
デックススケール、発光素子及び受光素子とからなる検
出部は、１本のピアノ線の如き弾性部材を介して、被測
長部材と一体に移動する移動部材に取付けられている。

このピアノ線は、検出部を常にリニアスケールに付勢す
る。そして、検出部とピアノ線は、ピアノ線の先端に設
けた球状部材と、検出部に固定されて、この球状部材と
係合する球座とによって支持されている。このように検
出部を支持することによシ、リニアスケールにたわみ、
変形があっても移動部材に対して検出部が揺動可能とな
ると共に、球座を中心に回転可能となるから、検出部は
リニアスケールに確実に係合する。しかしながら、検出
部の球座が理想的な位置に設けられていないために、読
取シ誤差が発生してしまう。この従来装置の読取シ誤差
の発生を第１図にょシ説明する。

第１図は、スケール１を板厚の方向から見た従来装置の
構成を示す。スケール１の目盛面Ｓには、刻線帯が設け
られていて、この刻線帯を読取る検出ヘッド３は移動部
材２がら延びたピアノ線４、及びその先端に設けられた
球状部材、球座を介して、移動部材２から常時目盛面Ｓ
に付勢される如く構成されている。

スケール１は目盛面Ｓ方向への湾曲が生じていて、移動
部材２の移動軌跡Ｐから目盛面Ｓまでの距離が連続的に
変化しているものとする。ここでスケール１は、全長に
対して湾曲の曲率が一定な部分を考えるものとする。そ
して、スケール１の板厚をｔとし、その板厚ｔの中心を
通る線分を曲率の一定な弧Ｘとしたときの弦ｙの長さを
ｔとする。また、このときスケール１の弧Ｘを角度２ψ
、弧Ｘの中央部と弦ｙとの最大の変位をδとして表わす
。

同、弦ｙと移動軌跡Ｐとは平行とする。

ここで第１図のようにスケール１が湾曲すると、刻線帯
を設けた目盛面Ｓは圧縮される。

この湾曲により生じる誤差は、角度２ψをラジアン単位
で考えると、２ψく１となるから、ｔ−Δ４　＃　（ｒ
　　ｔ／２　）・２ψ　・・・・・・■で表わされる。

ここでΔ１．は、湾曲にょシ圧縮された誤差の量を表わ
し、ｒは弧Ｘの曲率半径を表わす。

一方、　　ｔζｒ・２ψ　１．　　　・・・・・・■で
あるから、式■と■よシ ψζΔｔ、７ｔ　　　　　　　　　　　・・・・・・■
となる。また、変位δは、δ＝ｒ（１−ｃｏｏψ）であ
り、ｒ　”ｒ　Ｌ／２ψ及びｌ　　ｅＯＢ　９＋　ζψ
２／２から、 δ＝　ｒ　（１−ｅｏｓψ）勢かψ／４　・・・・・・
■と表わされる。上記式〇と■から Δ１．−４δｔ／ｌ　　となシ、スケール１の湾曲によ
り、測長にΔ１．の誤差が生じることになる。従って、
スケール１が目盛面Ｓを内側にして湾曲している場合、
光電検出により測長される長さがｔになったとしても、
移動部材２が実際に移動した距離は、ｔ−Δｔ１と短か
く、目盛面Ｓを外側にして湾曲している場合は、ｔ＋Δ
１．と長くなってしまう。

次に、スケール１の湾曲によシ、検出ヘッド３が球座を
中心に回転することによシ生・じる誤差を考える。第１
図に示すように、球座の回転中心をＫとし、目盛面Ｓの
法線Ｖ上で中心Ｋから目盛面Ｓ″！での距離をｄで表わ
す。

この回転による誤差Δ４は、中心Ｋを通る移動軌跡Ｐに
垂直な線分から、法線Ｖの目盛面Ｓとの交点までの弦ｙ
と平行な方向でのずれ−を表わす。このとき、移動部材
２が長さｔだけ移動すると、検出ヘッド３の回転により
、Δｔ、＃２ψ・ｄとなり、式■から、Δｔ２≠８・ｄ
・δ／ｌと表わされる。この誤差Δ４についても、Δｔ
１と同様に、実際に移動部材２が移動した距離ｔに対し
て、読取られた値は、ｔ±Δｔ２として測長される。

また、第１図に示すように、移動部材２が長さｔに渡っ
て移動するとき、ピアノ線４は１゜ リニアスケール１の湾曲により、図中破線のように目盛
面Ｓの方向に角度θの範囲内で傾く。このため、検出ヘ
ッド３が移動軌跡Ｐと平行に移動しないことにより、長
さｔ方向の誤差が生じる。この誤差をΔｔ、として、移
動部材２とピアノ線４の固定位置がら、球座の中心Ｋま
での長さをＲとしたとき、Δｔ、はＲ（ｌｃｏｓθ］で
表わされる。

以上述べた３つの誤差分は、各々別個に扱われるもので
はなく、測長に際して互いに関連した総合的な誤差、す
なわち、Δｔ１＋Δ４十Δｔ、として生じる。

上記誤差は、測長装置を、被測長体で為る機械に取付け
る際、取付は精度によっても生じるものである。そこで
、この誤差を低減するためには、上述したリニアスケー
ル１が、移動部材２の移動軌跡Ｐと、極力平行になるよ
うに、かつリニアスケール１に不用な応力が働かないよ
うに、被測長体に取付けなければならず°、熟練を要す
ることになる。

そこ、で、本発明の目的はリニアスケールに曲夛があっ
ても誤差の発生が少ない光学式測長゛装置を提供するに
ある。′ 本発明では、長手方向に目盛帯を設けたリニアスケール
の板厚を半分にする面と前記Ｂ盛帯全体の読取り中心を
含む面とが略直交する交線上もしくはその近傍に、前記
目盛帯の目盛を読取る読取ヘッドの′微小自在回転の中
心を定める如く、リニアスケールの長手方向に沿って移
動可能な移動部材に前記読取ヘッドを懸架して連結する
。複数の連結部材を備えることにより上記目的を達成し
ている。

以下、本発明を実施例を示す図面に沿って詳述する。

第２図は本発明の第１実施例の斜視図、第３図は第２図
のＡ矢視図、第４図は第２図のＢ−Ｂ矢視、断面図、第
５図は第２図のＣ矢視図である。

リニアスケール保持部材９ははぼ方形の中空断面を有す
ると共に細長に形成され、さらに長手方向の一側面に沿
ってほぼ全長にわたシ案内開口９ａを有している。

移動部材２は腕部ｉ′を介して前記開口９ａから保持部
材９内に４本の延長部１２として延設されている。前記
開口９ａには、一対のリップシール１１の各一端が固、
設しており、各他端は移動部材２挿入時常に腕２′に圧
接する構造をしている。これは、開口９ａと移動部材２
の腕部２′との間の隙間から保持部材す内に塵埃等が侵
入するのを防止するためである。

前記スケール保持部材９内の長手方向に沿って、開口９
ａに対向する位置に溝９ｂが設けられている。この溝９
ｂ内には、ガラスなどからなり一側面に縦縞状の目盛帯
としての刻線帯１ａ（第２図］を構成したリニアスケー
ル１°の下端辺が挿入され、弾性ゴム１０゜接着剤など
によシ固定されている。

移動部材２の先端で二又部を形成する４つの延長部１２
には、各々連結部材として４本の線状ばね３の一端が固
設されている。そして、線状ばね３の他端は、各々検出
ブロック４の四方の接続点１３．１４．１５．１６に固
設されている。これに、よシ移動部材２は検出ブロック
４を懸架する。この線状ばね３、はピアノ線等で構成さ
れ、第３図及び４図′に示したように、移動部材２の移
動方向、すなわちリニアスケール１の長手方向に対し゛
ては弾性変形かはとんど生しないように設けられている
。従って移動部材′２が長手方向へ移動すると、検出ブ
ロック４も移゛動部材２と一体となって、リニアスケー
ル１、上を移動する。

また、この線状ばね３は、移動部材２と検出ブロック４
の連結として働くだけでなく、検出ブロック４を移動部
材２からリニアスケール１に付勢する働きも兼ねている
。すなわち、第２〜５図のように、検出ブロック４とリ
ニアスケール１を係合した組立状態において、線状ばね
３が検出ブロック４を付勢する力は、リニアスケール１
の目・盛面１ｂと、それに、直交する側面ＩＣの両方に
向けて働らくように調整されている。この付勢力によっ
て、検出ブロック４内のインデックススケール６とリニ
アスケール１の刻線帯１ａとが所定の間隔で対向するよ
うに保持される。

検出ブロック４の断面形状は第４図に示す如く二股状に
分岐したコ字形をなしている。

検出ブロック４には、発光素子５、インデックススケー
ル６、受光素子７が夫々対応する如く固定されている。

発光素子５と受光素子７とで検出子を構成する。リニア
スケール１の目盛面１ｂおよびこの目盛面に直交した側
面１ｃに対向した面上に、当接すると共にそれぞれ低摩
擦係数の樹脂からなる案内部材８が検出ブロック４の内
側に複数固設しである。

これら案内部材８は線状ばね３の付勢力にょシリニアス
ケール１の目盛面１ｂ及び側面ＩＣに圧接するようにさ
れている。同案内部材８はリニアスケール１の移動と共
に転勤するローラでもよい〇 そして第３図のように、４本の線状ばね３の形状、寸法
及び弾性率を略等しくすれば、検出ブロック４は、接続
点１３と１４を結ぶ線分及び接続点１５と１６を結ぶ線
分とが成す交点Ｃを略中心として微小回転可能となる盲
もちろん、リニアスケール１の湾曲によって、移動部材
２に対して検出ブロック４の微小回転中心はずれるが、
検出ブロック４自体の微小回転中心はほぼ交点Ｃと一致
する。また、第５図に示したように組立状態において、
接続点１３．１４．１５．１６は、刻線帯１ａの紙面に
垂直な読取シ中心Ｙを含む面上に位置する。この読取シ
中心Ｙは、第４図に示したインデックススケール６側の
目盛帯すなわち刻線帯の中心ＩＸと交わるように定めら
れ、望ましくは、リニアスケール１の幅中心と読取り中
心Ｙとが一致するように刻線帯１ａを設けると共に、中
心ＩＸをリニアスケール１の刻線帯１ａの中心と一致さ
せるのがよい。

この調整は同図中、リニアスケール１の側面１ｃに当接
する案内部材８の寸法的な加工処理で容易に行なえる。

再び第３図に戻シ、前述のように検出ブロック４は、交
点Ｃを中心に微小回転が可能となるが、この交点Ｃは、
同図中紙面と平行な面内での回転、及び垂直な面内での
回転との両方の回転の略中心となる。

本発明では、この回転の中心となる交点Ｃを、リニアス
ケール１内部の仮想的な線上に略一致するように定める
。すなわち、第３図で、紙面と垂直なリニアスケール１
の板厚の中心を通る面すなわち板厚を半分にする面と、
紙面と平行な、リニアスケール１全体に渡って刻線帯１
ａの読取り中心を湧る面とが略直交してできる交線、い
わゆる中立線ｎ上若しくはその近傍に交点Ｃが位置する
ように定められる。前述の如く刻線帯１ａをリニアスケ
ール１の中央に設ければ、結局交点Ｃｋ′ｉリニアスケ
ール１の板厚を半分にする面と、板幅を半分にする面と
が略直交してできる交線上に定められる。

このような構成において、保持部材９および移動部材２
のいずれか一方を被測定物に取付け、他方を固定して被
測定物を移動する、例えば工作機械において加工物を載
せるステージにリニアスケール保持部材９を両端にある
取付部１７のねじ穴部ｉ７ａ又は１７ｂを介して固定し
、固定台に移動部材２を固定する。伺穴部１７ａ、１７
ｂ内にはねじが設けられ、工作機械側からボルト等で締
結できる。

リニアスケール１と移動部材２の相対的な移動によシリ
ニアスケール１の目盛とインデックススケール６の目盛
との間で明暗の縞模様が発生し、この縞模様を発光素子
５と受光素子７とで読取ることで、被測定物の移動量に
基づく測長が行なわれる。この際検出ブロック４は４本
の線状ばね３によシリニアスケール１をはさんだ両側で
支持されているから、検出ブロック４の案内部材８とリ
ニアスケール１とは安定した圧接力で接触しつつ移動で
きる。

このように、検出ブロック４を移動部材２の延長部１２
に、対称的に位置した４本の線状ばね３で懸架すること
によシ、検出ブロック４は、リニアスケール１の湾曲に
沿って、上述した仮想的な線上、すなわち中立線ｎ上の
一点を中心に微小自在回転するので、従来の装置テ発生
した誤差は低減される。このことは、第１図で示した従
来装置の構成において、球座の中心Ｋを、スケール１の
板厚の中心線である弧Ｘ上に設定したものと同一に考え
られる。このとき、中心Ｋから目盛面Ｓまでの距離ｄは
、 ｄ　＝　−ｔ／２と表わされる。

先に述べたように、スケールの湾曲自体による誤差はΔ
１４＃４δ１／１で表わされ、単＞ｓ３ζに取りのぞく
ことはできないが、検出ブロック４０回転中心を実施例
のように定めれば、リニアスケール１の目盛面１ｂと直
交する面内で、検出ブロック４が回転して生じる誤差Δ
４は、ｄ　＝−ｔ／２より Δｔ２ζ　８・ｄ・δ／１＝−４・ｔ・δ／ｌとなり、
誤差Δｔ１とΔｔ、とが相殺されることになる。

また検出ブロック４を移動方向に沿った両側から線状ば
ね３で懸架して延長部１２に連結しているので、従来の
ように１本のピアノ卿で連結するよりも誤差Δｌ、＝　
Ｒ（１−ｃｏｓθ）は低減される。

また以上の説明で、リニアスケール１の目盛面１ｂの方
向への湾曲を考えたが、側面１ｃの方向への湾曲に対し
ても、検出ブロック４は中立線ｎ上、又はその近傍を回
転中心としつつ移動する。

すなわち、本発明の第１実施例において、検出ブロック
４がリニアスケール１の湾曲によって微７４％回転した
位置にあるとき、検出ブロック４には線状ばね３のわず
かな伸縮力及び弾性力によって、リニアスケール１への
圧接力以外に復元力が生ずる。この力は検出ブロワ２４
０回転対称的な接続点１３，１４，１５゜１６にほぼ等
しいモーメント力とじて働（。

従って、検出ブロック４の内部には、このモーメント力
の中心となるべき一点（力の作用しない点）がかならず
存在する。この一点は、４本の線状ばね３の形状、及び
弾性率が共に等しければ前記交点Ｃに略等しい。

第６図は本発明の第２実施例で第１実施例の第３図に相
当する。この第２実施例では第１実施例の構造を用いて
移動部材２０４本の延長部１２のうち上方、下方の各１
本の延長部と検出ブロック４の接続点１３と１４とのみ
を接続する２本の線状ばね３を用いて検出ヘッドをリニ
アスケールに圧接している。検出ブロック４の接続点１
３と１４はリニアスケールの刻線帯１ａの読取り中心線
を含む面上に配置する。この場合検出ブロック４が微小
回転するときの中心は２本の線状ばね３を同一形状、及
び弾性率とすれば、検出ブロック４と線状ばね３の接続
点を結ぶ線分の中央に生じる。もちろん、この回転中心
は、リニアスケール１の中立線ｎ上又は近傍に定められ
る。

また、２本の線状ばね３は、第１実施例と同様に、第６
図のような組立状態において、検出ブロック４を移動部
材２からリニアスケール１の２つの面方向（目盛面と、
それに直交する側面）に付勢する。

このように線状ばね３を、検出ブロック４の微小回転す
べき回転中心に対して対称的な２ケ所に設けることによ
り、検出ブロック４の微小回転運動がより清らになると
共に、リニアスケール１の湾曲に対する追従性も良好と
なる。

第７図〜第９図は、本発明の第３実施例を示す図であり
、第１実施例と同様に検出ブロック４は４本の線状ばね
３により延長部１２から懸架されて、移動部材２に連結
されている。第１実施例と異なる点は、線状ばね３を付
勢力の発生部材として積極、的に使わないことである。

このため、検出ブロック４をリニアスケール１へ付勢す
る別の部材を設ける。

第７〜第９図は、第１実施例の第３〜第５図に各々対応
した構成を示す図である。第７図は、リニアスケール１
の板厚の方向から見た図であり、リニアスケール１の目
盛面１ｂに案内部材８を当接するためのばね部材１７が
、検出ブロック４に取付けられている。ばね部材１７は
板ばね等により構成され、二端が検出ブロック４に固設
され、他端には、ローラ１９が回動可能に取付けられて
いる。このローラ１９は、検出ブロック４の移動に伴っ
て保持部材９の内壁を案内として転動する。

この際、ばね部材１Ｔは、検出ブロック４を保持部材９
の内壁からリニアスケール１の目盛面１ｂの方へ付勢す
る。

第８図は、検出ブロック４の中央部を切ったときの断面
図であり、リニアスケール１の側面１Ｃに案内部材８を
当接するためのばね部材１８が、移動部材２の腕部２′
と検出ブロック４０間に設けられている。ばね部材１８
は、同図に示すように例えばコイルばねで構成され、ば
ねの付勢力は、腕部２′と検出ブロック４を互に反発す
るように働く。前述のように移動部材２は、工作機械等
の固定台側に取付けられるから、検出ブロック４はリニ
ア、。

スケール１の側面１Ｃの方へ付勢される。

ここで線状ばね３について述べると、この実施例の場合
、第７図及び第９図に示すよう−に、リニアスケール１
と検出ブロック４が係合した組立状態のとき線状ばね３
は単に検出ブロック４を懸架した状態であればよい。そ
してこのとき、検出ブロック４と線状ばね３の接続点は
第１美施例と同様に定められ、さらに、検出ブロック４
の微小回転の中心も、リニアスケール１の中立線ｎ上又
はその近傍に定められる。

以上第３実施例のような構成とすれば、移動部材２と検
出ブロック４を連結することと、付勢することが各々異
なる部材で行なわれる。

従って、検出ブロック４の付勢力は、線状ばね３とは無
関係にばね部材１７．１８を単独に調整することにより
、任意に定め得る。また、リニアスケール１０２つの面
方向への付勢力を別々のばね部材で発生しているので、
検出ブロック４とリニアスケール１との係合がより確実
に、かつ安定したものとなる。

第１０図と第１１図は本発明の第１〜第３実施例に使用
可能な連結部材の変形例である。

第１〜第３実施例に使用の連結部材はピアノ線等の線状
ばねであったが、この変形例による連結部材は長手方向
に適切な弾性をもち、検出ブロックをリニアスケールに
圧接するのにより適した帯状のばね°である。

第１０．１１図に示した連結部材は、長手方向、すなわ
ち図中Ｘ方向に対して、ピアノ線等とは異なり多少弾性
変形可能となる。もちろん、Ｘ方向と直交するＹ方向、
及び紙面と垂直な方向に対してはＸ方向よりも柔軟に適
度な弾性変形が可能である。このような連結部材は、り
ん青銅のような板ばね材を打ちぬくことにより得られる
。そして、両端に設けられた穴２０．２１により各々移
動部材２の延長部１２と検出ブロック４にねじ止めにて
固定すればよい。

以上、本発明の詳細な説明したが、特に４本の線状ばね
を使うとき、共に同じ形状、寸法及び弾性率である必要
はなく、例えばリニアスケールの目盛面側の２本を共に
同じ弾性率で寸法を短（し、他の２本は寸法を長くして
もよい。この場合、交点Ｃは前述のように決められない
が、検出ブロック内には微小回転のモーメント力の中心
となる一点（力が作用しない点）がＪ在するので、この
点をリニアスケールのほぼ中立線上に設定するようにす
ればよい。

上述のように、本発明によればリニアスケールに曲りが
あっても精度よく測定でき、したがってリニアスケール
の製作および取付は作業にそれ程の精度を必要としな（
てすむからコストダウンを行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の測長器の原理を説明する説明図、第２図
は本発明の第１実施例の斜視図、第３図は第２図のＡ矢
視図、第４図は第２図のＢ−Ｂ矢視断面図、第５図は第
２図のＣ矢親図、第６図は第２実施例で第３図に類似し
た図、第７図〜第９図は第３実施例でそれぞれ第３．４
．５図に類似した図、第１０図と第１１図は本発明の測
長器に使用の連結部材の変形例を示す平面図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １・・・リニアスケール、１ａ・・・刻線帯、９・・・
リニアスケール保持部材、 ２・・・移動部材、１２・・・延長部、６・・・インデ
ックススケール、５・・・発光素子、Ｔ・・・受光素子
、４・・・検出ブロック、３・・・線状ばね。 出願人　二　日本光学工業株式会社 山　　　、　　　　、　　　　ＩＦＸ＠　　−、ｆ′１
図 Ｊ１２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　長手方向に目盛帯を設けたリニアスケールと：該
   すニアスケールの長手方向に沿って移動可能な移動部材
   牛：前記リニアスケールと係合すると共に前記移動部材
   に連結されて一体に移動して、前記目盛帯の目盛を読取
   る読取ヘッドとを備えた測長装置において、前記リニア
   スケールの板厚を半分にする面と、前記目盛帯金体の読
   取シ中心を含む面とが略直交する交線上、若しくはその
   近傍に、前記読取ヘッドの微小自在回転の中心を定める
   如く、前記読取ヘッドを前記移動部材に異なる方向から
   懸架して連結する複数の連結部材を備えることを特徴と
   する測長装置。 ２　前記複数の連結部材は、同一の弾性特性及び形状の
   弾性材質から成り、各連結部材は前記交線上を略中心と
   した回転対称な位置で、前記読取ヘッドに取付けられて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の測長
   装置。