JPS6042886B2 - 測長装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、周囲温度の変化にかかわりなく、常に正確な
測定を可能にした測長装置に関するものである。

例えば工作機械などの移動テーブルの移動量を高精度で
読取る装置として、モアレ縞を用いた測長装置が知られ
ている。

この測長装置は、それぞれほぼ同一幅の透明部と不透明
部とが平行かつ交互に形成された二つの光学格子を微少
な傾斜角をもつて対面させ、両者の相対移動によつて生
ずるモアレ縞の移動を光電変換素子により読取り、電気
信号に変換した後、 ツに市れ゛、Ｌ、＾Ｌｎ−ｎ”１
゜”、、一ー＾Ｉｄ＃ｆ− 二Ｌ である。

ところで、この種の測長装置は、原理的には第１図に示
すようになり、一般に工作機械等の移動テーブル側に固
定されて被加工物とともに移動する一方の光学格子（以
下基準スケールという）１と、工作機械等の固定ペット
側に取付けられ、前記基準スケール１の格子と微小な傾
斜角θをもつて対面する他方の光学格子（以下読取りス
ケールという）２とを対向配置し、さらに、前記基準ス
ケール１及び読取りスケール２を挾んで光源部３と光電
変換部４と対向配置した構成になるものである。

また、この種の測長装置では被加工物の移動量とともに
、そ移動方向をも検出する必要がある。

このため、前記光電変換部４は、少なくとも二個以上の
光電変換素子、例えばフォトセルから構成されており、
第１図の例では、フォトセルＰＳＩと円。並びにフォト
セル円。と円。からそれぞれ互いに９００位相差の異な
る出力信号が得られるようにし、さらにバックグランド
の明るさ等による同相成分を除去するために、前記フォ
トセルＰＳ、と円。並びにフォトセルＰＳ３と円。とか
らそれぞれ互いに１８００位相差の異なる出力信号が得
られるように四個のフォトセルＰ５、〜ＰＳ４を配置し
ている。しかして、前記フォトセルＰＳ、とＰＳ２並び
にフォトセル円。

と円。の出力信号を差動的に処理することにより、９０
０位相差の異なる二つの出力信号（以下Ａ相信号及びＢ
相信号という）が得らιれ、このＡ相信号及びＢ相信号
の相対的な進み、遅れを検出することにより、被加工物
の移動方向を弁別しているものである。また具体的な取
付構造としては、例えば第２図に示すように、工作機械
などの移動テーブル側に固定されるスケールベース５に
前記基準スケール１を取付け、図示しない案内機構によ
り前記基準スケール１の長手方向に対して相対的に移動
自在に設けられた保持体６により読取りスケール２を保
持する構造となつている。

さらに、前記保持体６には、前記基準スケール１及び読
取りスケール２を挾んで光源部３と光電変換部４とが配
設され、また図示しない取付け部材により、前記保持体
６が固定ペット側に固定されるようになる。

ところでこの種の測長装置において、被加工物の移動量
を正確に測定するには、第１図に示す基準スケール１と
読取りスケール２との傾斜角０や、第２図に示す基準ス
ケール１と読取りスケール２との間隙ｇを一定に保つこ
とが必要である。

しかしながら、前記基準スケール１及び読取りスケール
２は一般にガラスをその基体として用いており、またス
ケールベース５や保持体６は金属材より形成されている
。したがつて、それぞれが熱膨張係数をもつており、周
囲温度の変化によりわずかではあるが変形する。しかも
一般にこの種の測長装置が装着される工作機械等の設置
環境は、温度調整を行つていることはまれてあり、温度
変化の激しい環境下におかれているといえる。

したがつて、この周囲温度の変化によつて例えば前記間
隙ｇが変化する虞れがあり、さらに前記光源部３を発光
ダイオードにより構成している場合は、周囲温度の上昇
によりその発光効率が低下し、これらにより形成される
モアレ縞のコントラストが大きく低下し、光電変換部４
て検出失敗を生ずる場合がある。

そこで、例えば前記光源部３の駆動回路に温度補償素子
を設け、周囲温度の変化に応じて光源部３の出力光を制
御することにより、モアレ縞のコントラストの低下を補
償する手段が考えられている。

一方、周囲温度の変化による各部材の変形により、第１
図に示す傾斜角０も変化し、形成されるモアレ縞の幅が
変動する。

このモアレ縞の幅の変化に対して、モアレ縞を検出する
光電変換部４のフォトセルＰＳｌ〜ＰＳ４は保持体６に
より所定位置に取付けられているので、前記モアレ縞の
幅が変化すると、各フォトセルＰＳｌ〜ＰＳ４での出力
信号の位相関係が変化する。

したがつて、最終的に得られるＡ相信号及びＢ相信号の
位相差９０にからずれ、測定誤差が生じてしまう。

この位相差のすれによる測定誤差の発生を防ぐ手段とし
て、各取付け部の機械的強度を上げて、温度変化による
各部材の変形を機械的に抑制することも考えられている
。

しかしながらこの機械的手段による解決方法では、装置
の小形・軽量化を行うことが困難であり、またコスト的
にも高価となるなどの問題点があり、このため、従来の
この種の測長装置にあつては、周囲温度の変化による前
記傾斜角０の変化を補償する手段はほとんど取り入れら
れておらず、温度変化による測定誤差の発生という点が
問題点となつていた。

本発明は、上述した問題点を解消するものであり、周囲
温度の変化に応じて光電変換部から得られる少なくとも
一方の出力信号の位相を制御し、二つの出力信号の位相
差が常に所定の値となるようにすることにより、周囲温
度の変化により各部材が変形し、基準スケールと読取り
スケールとの傾斜角が変化した場合にあつても測定誤差
を生じないようにした測長装置を提供するものである。

以下、図面を参照して本発明による測長装置の一実施例
を説明するに、ます本発明の測長装置の動作原理につい
て述べる。第１図に示す光電変換部４のフォトセルＰＳ
ｌとＰＳ２の出力信号を差動的に処理して得られるＡ相
信号及びフォトセルＰＳ３とＰＳ４との出力信号を差動
的に処理して得られるＢ相信号は、モアレ縞の移動にと
もない９０れ位相の異なるほぼ正弦波状の信号となる。

したがつて、Ａ相信号及びＢ相信号の波高値をそれぞれ
ａ及びｂとすれば各信号はそれぞれ次のように表わすこ
とができる。

Ａ＝ＡｓｉｎＯ）ｔ・・・・・・（１） Ｂ：ＢＣＯＳωｔ◆●●◆◆◆（２） ところで、周囲温度が変化し、それにともない基準スケ
ール１、読取りスケール２あるいはスケールベース５や
保持体６などが変形して、第１図に示す基準スケール１
と読取りスケール２との傾斜角θが変化すると、形成さ
れるモアレ縞の幅も変化する。

したがつて、Ａ相信号とＢ相信号の位相差も９００から
ずれるようになる。

いま、前記モアレ縞の幅変化によるＡ相信号及びＢ相信
号の位相差の変化分をαとすれば、周囲温度（１）及び
（２）式は次のようになる。

この（３），（４）式で表わせるＡ相信号及びＢ相信号
を合成すると次式で示す合成信号Ｃが得られる。したが
つて、とすれば合成信号Ｃは、以下のようになる。

しかして、上記（８）式においてβ＝０とすれば合成信
号Ｃは、となり、モアレ縞の変化による位相差の変化分
αにかかわりなく、前述した（２），（４）式に示すＢ
相信号と９０りの位相差を保持する合成信号Ｃが得られ
ることになる。

ところで、β＝０となる条件は、上記（６）式中の右辺
カツコ内を０とすればよい。

すなわち、前記（４）式におけるＣＯｓ項の係数ｂを［
相］式で置換えて、両者を合成すれば合成信号Ｃは、と
なり、Ｂ相信号と９０者位相差を有する信号が得られる
。

一方、この（１１″）式における位相差の変化分αは、
周囲温度に応じて発生し、かつ変化する。

すなわちＣＯｓαは周囲温度の関数といい得る。したが
つて、変化分αを直接検出せずとも、周囲温度の変化に
応じて前記（１１″）式に示す加算操作を行えば、前記
（２），（４）式で示されるＢ相信号と９００の位相差
をもつた信号が得られることになる。因に、位相差に変
化がない場合、すなわちα＝０の場合は、前記（１１″
）よりＣ＝Ａｓｉｎωｔとなつて、前記（１）式で与え
られるＡ相信号そのものとなり、αが変化するにつれ、
合成信号Ｃの波高値が調整されることになる。本発明に
よる測長装置は、上述した原理に基づくものであり、第
３図に具体的な実施例を示す。

この第３図において、０Ｐ１はＡ相信号を形成するフォ
トセルＰＳｌ及びＰＳ２の出力信号を増幅する演算増幅
器、Ｒ１はその負帰還回路に挿入された抵抗である。同
様に、０Ｐ２は、抵抗Ｒ２により負帰還回路が形成され
て、Ｂ相信号を形成するフォトセルＰＳ３及びＰＳ４の
出力信号を増幅する演算増幅器である。

また０Ｐ３は、周囲温度の変化に応じてＡ相信号又はＢ
相信号の波高値（図示実施例ではＢ相信号の波高値）を
制御する温度補償回路部７を構成する演算増幅器であり
、この演算増幅器０Ｐ３の負帰還回路に温度センサとし
ての感熱素子ＴＲが挿入される。この場合、周囲温−の
上昇に応じて、形成されるモアレ縞の幅が拡大する方向
に各部材が変形する測長装置にあつては、前記感熱素子
ＴＲとして・正の抵抗一温度特性を有する、いわゆるポ
ジスタと呼ばれる正特性サーミスターを用い、周囲温度
の上昇に応じて、モアレ縞の幅が減少するような測長装
置にあつては、前記感熱素子として負の抵抗一温度係数
を有するサーミスタを選定すればよい。

しかして、演算増幅器０Ｐ３から周囲温度に応じて波高
値が補正された、前記（１１）式右辺第２項の信号が得
られる。さらに０Ｐ４は、前記演算増幅器０Ｐ１の出力
信号と演算増幅器０Ｐ３の出力信号を加算する加算回路
部８を形成する演算増幅器、Ｒ３，Ｒ４は、前記演算増
幅器０Ｐ４に対する入力回路を形成する抵抗、Ｒ５は負
帰還回路を形成する抵抗である。

また、前記演算増幅器０Ｐ１〜０Ｐ４の非反転入力端子
（＋）には、所定レベルの基準電位Ｖｒが与えられてお
り、さらにζ，Ｔ２は出力端子である。しかして上記構
成によれば、周囲温度の変化により基準スケール１、読
取りスケール２、あるいはこれらを保持するスケールベ
ース５や保持体６が変形し、基準スケール１と読取りス
ケール２の傾斜角θが変化して、これにともない形成さ
れるモアレ縞の幅が変化すると、演算増幅器０Ｐ１の出
力信号も前記（１）式に示す値から（３）式に示すよう
に変化する。一方、上記周囲温度の変化にともない、感
熱素子ＴＲの抵抗値も変化する。

この感温素子ＴＲの抵抗一温度特性を、位相差の変化分
αのＣＯｓ値に合せてあらかじめ選定しておくことによ
り、演算増幅器０Ｐ３の出力が制御される。すなわち、
周囲温度の変化によりＢ相信号の波高値が制御され、こ
の制御されたＢ相信号と、前記Ａ相信号とが加算回路部
８で加算されて、前記（１１）式に示す加算操作が行わ
れ、（１１″）式に示す合成信号Ｃが得られる。

この場合、演算増幅器０Ｐ３は、その負帰還回路に挿入
されている感熱素子ＴＲにより、周囲温度の変化にもと
ずく位相差の変化分αに応じて利得が調整されるので、
前記（１０）式が保証され、前記（１１），（１１″）
式が成立することになる。

すなわち、周囲温度の変化にかかわりなく、前．記演算
増幅器０Ｐ４の出力は、常になり、出力端子ちは、Ｂ相
信号とは常に９０、の位相差を有する出力信号が得られ
ることになる。したがつて、前記出力端子ちに生ずる信
号及び演算増幅器０Ｐ２の出力が導出される出力端子Ｔ
２の−信号を、例えば図示しない方向弁別回路に導入し
、パルス化及び方向弁別を行つて計数すれば、周囲温度
の変化にかかわりなく常に測定を行うことができるので
ある。

またこの場合、抵植只，とＲ５の比及び抵抗Ｒ４とＲ５
の比を適宜調整することにより、演算増幅器０Ｐ，の出
力信号の波高値を最適値にすることができる。

ところで上述した実施例では、Ｂ相信号の波高値を周囲
温度の変化に応じて制御するようにしているが、Ａ相信
号の波高値、あるいは両者の波高値を制御するようにし
てもよい。

さらに、上述した実施例では加算回路部８と演・算増幅
器０Ｐ２の出力信号を、９００位相差を有する二つの信
号としているが、前記（３）式中における位相角αと（
６）式で与えられる位相角βとの差が常に９００になる
ように、温度補償回路部７で制御動作を行えば、演算増
幅器０Ｐ１と０Ｐ４の出力信号を９００位相差のある信
号として選定することもできる。

また、上述した実施例では光電変換部４から位相の異な
る二相の信号を取り出す場合の例を述べたが、測定精度
を上げるために、それぞれ位相の異なる四相以上の信号
を取り出し処理する場合においても本発明が適用できる
のはもちろんである。

そのほか、本発明は上記し、かつ図面に示した実施例に
限定されることなくその要旨を変更しない範囲で種々変
形して実施できるものである。

以上述べたように、本発明による測長装置は、光電変換
部から得られる出力信号中の少なくとも一つの出力信号
の波高値を、周囲温度の変化に応じて制御するようにし
、この制御された信号と他方の信号とを加算して合成信
号を得、この合成信号と、前記光電変換部から出力され
るいずれか一方の出力信号を用いて測長動作を行うよう
にしている。したがつて、周囲温度の変化にかかわりな
く常に９００の位相差を有する二つの出力信号が得られ
、正確な測定を行うことが可能となる特長を有するもの
である。

また本発明による測長装置は、温度補償動作をすべて電
子回路によつて行つているので、装置の小形、軽重量化
を図る上からも極めて効果的てある。

さらに本発明による測長装置にあつては、次のような効
果も生ずる。

一般に光電変換部を構成する光電変換素子を、モアレ縞
に対して正確に９０械的に配設することは困難な場合が
ある。

しかしながら本発明による測長装置では、温度補償回路
部の感熱素子の抵抗の初期値を適宜設定することにより
、前記光電変換素子の取付け誤差等も含めて位相補償を
行うことができるので、装置の製造、あるいは調整上か
らも得られる効果はきわめて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、モアレ縞を用いた測長装置を原理的に説明す
るための図、第２図は、各部材の取付構造を説明するた
めの図、第３図は、本発明による測長装置の一実施例を
説明するための要部回路構成図である。 １・・・・・・基準スケール、２・・・・・・読取りス
ケール、４・・・・・・光電変換部、７・・・・・・温
度補償回路部、８・・・・・・加算回路部、０Ｐ３，０
Ｐ４・・・・・・演算増幅器、ＴＲ・・・・・感熱素子
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 微小な傾斜角をもつて対面する二つ光学格子に光源
   部からの光を照射し、前記二つの光学格子の相対移動に
   より形成されるモアレ縞の移動を光電変換部により検出
   し、この光電変換部より位相の異なる少なくとも二つの
   電気信号として取出して移動体の移動方向及び移動量を
   読取る測長装置において、周囲温度の変化に応じて抵抗
   値の変化する感温素子が負帰還回路に挿入され、前記光
   電変換部から出力される少なくとも一つの電気信号が導
   入されて、周囲温度の変化に応じてその利得が調整され
   る演算増幅器よりなる温度補償回路部と、この温度補償
   回路部の出力信号と前記光電変換部から出力される少な
   くとも一つの電気信号とを加算し、前記光電変換部から
   出力される少なくとも一つの電気信号と所定の位相差を
   有する電気信号を形成する加算回路部とを備えた測長装
   置。