JPS6045805B2 - 運動する物体の移動量および／または速度を測定する装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は基準面に相対的に運動ず物体の移動量および／
または速度を測定するため、の渦巻状の光学的縞模様を
有し基準面上に不動に、または物．体の運動に従うよう
に装置された回転する１個の円板を有し、物体の運動に
従うまたは基準面に取り付けられた罎ンドにして、運動
方向に垂直に配置された条線から成る光学的縞模様を有
するロッドを有し、一方の縞模様を他方の縞模様上に投
影！するための光学系を有し、他の縞模様から出される
光の測定のための検出器を有し、基準信号の生成のため
の装置を有し、かつ基準信号の、および検出器から出さ
れる測定信号の評価のための回路を有する装置に関する
。

この種の公知の装置にお・いては光学的縞模様は全体に
光不透過性の円板の中の、何重にも巻かれた、光透過性
の渦巻から成つている（西独国特許明細書１１７７３５
３号第４図）。渦巻のピッチは一定でありかつ円板の近
くに配置されたロッドの縞模様の真直ぐで平行した条線
の条線間隔に相当している。両方の縞模様を少なくとも
円板の小セクター範囲においてできるだけ良く重ね合わ
せるためにロッドの縞模様の条線にはセクター範囲にお
ける円板の縞模様の条線に接線にかつそれと共に、セク
ター範囲を通る円板の半径に垂直に配置されている。両
方の縞模様の重ね合せから出発してロッドが静止してい
る場合でも円板の回転により重ね合せが達成される。そ
れにノよつて検出器から出される測定信号の周波数は円
板の回転周波数と同じである。このことは、例へば測定
信号のおよび基準信号の数を比較するディジタル回路に
おけるように、結果の精度が大体において測定信号の周
波数に比−例している、測定信号の評価のための回路に
対しては大なる短所てある。

所望の高い精度を達成するためには円板は技術的には大
なる費用によつてのみ実現可能である頗る高い速度て駆
動されなければならないだろう。別の公知の装置におい
ては、円板の縞摸様の条線は放射状に配置されている（
西独国特許明細書１１７７３５３号第２図）。

円板の近くに配置された的ンドの縞模様の真直ぐの平行
した条線はこの場合検出器に関連する結像範囲において
はこの結像範囲の中心点を通る円板の半径に平行に延び
ている。この場合測定信号の周波数は放射状の条線の数
に相当して円板の周波数の数倍てありかつそれによつて
測定信号の評価のための前記の回路にとつても十分に高
い。しかしながら、両方の縞摸様の条線の重なりが不完
全にしか達せられないことが短所である、すなわち結像
範囲の中心点から離隔する放射状の条線はロッドの縞模
様の平行した条線と、離隔の増大につれて増大する角度
を形成するからである。したがつて十分大なる測定信号
のため十分大なる結像範囲の場合高い妨害信号部分を有
する測定信号が得られる。これに対し、本発明の課題は
、結像範囲の光度変動を再現する測定信号の妨害信号部
分は僅少であつて信号の続いての処理のため十分な大き
さと周波数を有する、頭初に述べた種類の装置を創造す
るにある。

この課題は、基準面に対して相対運動する物体の移動量
及び又は速度の測定装置において、スパイラル状の光学
的縞模様を有し、基準面上に不動に取付けられた又は物
体の運動に追従するように支承された回転円板と、物体
の運動に通従するように配設された又は物体の運勲方向
に対して好ましくは垂直に配設された縞から成る光学的
縞模様を備えた、基準面に固定設置された咄ンドと、他
の縞模様上への一方の縞模様の像を結ばせるための光学
系と、他の縞模様から出た光の測定のための検出器と、
基準信号の発生装置と、基準信号と検出器から出た測定
信号の評価のための回路とを備えた前記物体の移動量及
び又は速度の測定装置において、回転円板２６，２７の
縞模様４２の線条４４が回転円板２６，２７の回転中心
７０を中心とする基礎円６８から巻ほどかれたインボリ
ュートの形で配設されていること、一方の縞模様１０の
他の縞模様４２上への像４０において、ロッド１２の縞
模様１０の線条１１″がこの縞１「の部分を通り、回転
円板２６，２７の縞模様４２の線条４４の基礎円６８の
接線７２に対して略垂直に配設されていること、一方の
縞模様１０の他の縞模様４２上への像４０が縮少倍率を
有すること、像４０における縞模様１０，４２の条線１
１″，４４と基礎円６８との間の接線７２の長さρは像
における縞模様１０，４２の条線１「，４４の長さｂよ
りも大きいこと縞模様１０，４２は交互に反射する部分
および光吸収する部分から成る条線１１，４４から形成
されていることそして像４０における両方の縞模様１０
，４２の条線１「，４４は同じ幅であることによつて解
決される。

設定された課題は、円板の縞模様のインボリュート条線
は結像範囲内で同じ彎曲中心点を有し（基礎円における
接線の接触点）、かつしたがつてロッドの縞模様の相互
平行に配置された条線と殆ど完全に重ね合わさせること
ができることによつて解決される。

円板上には多数のインボリュート条線が付設されること
ができる。この数に相応して測定信号の周波数は円板の
周波数よりも高い。像の縞模様の条線と基礎内との間の
接線の長さが、像の縞模様の条線の長さよりも大である
ように結像範囲を設けることが有利である。それによつ
て、結像範囲内のインボリュートの条線の間の曲率半径
変化が比較的僅少であることによつてこの条線の型は殆
ど同じでありかつこの条線をロッドの条線と頗る良く重
ねることができることが達成される。この場合ロッドの
条線は同方向に平行に配置され、円板のインボリュート
条線の平均の曲率半径に相当して軽く彎曲した条線とし
て、または真直ぐの平行した条線として形成されること
ができる。後者の実施形態は特に簡単につくられ”る。
縞模様は交互に光透過性と光不透過性の条線からまたは
交互に反射および光を吸収する条線から形成されること
ができる。

光透過性のまたは光反射性の縞模様の適当な組合せによ
つて実際条件に最適に適合した測定装置が構造される。
例えば物体に取り付けられたロッドに対しては光反射性
の縞模様が優先される。装置の残りの構造部分は物体か
ら離隔したハウジングの中に据付けられる。ハウジング
は測定器具に対して不利な条件が支配するスペースの意
味である（移動量が測定される工作機械における汚物、
冷却剤および潤滑剤）。結像範囲から出される光線は、
像の両方の縞模様の条線が同じ幅である場合同じ長さの
明位相と暗位相とを得る。検出器から出される測定信号
は回路による評価に特に良く適している。物体が運動さ
せられかつそれによつて両方の縞模様の中の一つの縞、
例えばロッドの縞模様が動かされる場合測定信号は物体
が静止している場合の測定信号に比べて位相と周波数と
を変化させる。

その場合周波数変化は物体の速度に比例し、位相物体が
経過した区間に比例する。物体の運動に原因する、測定
信号の変化の探求のため測定信号は基準信号と比較され
る。基準信号は、基準信号の生成のための装置が検出器
による円板の特別の光学的基準模様を走査するための走
査装置を含んでいることによつて得られる。このことは
円板の万一の回転数変動が基準信号と同じように測定信
号に作用しかつ回路による適当な評価の場合測定結果を
左右しないという利点を有する。この解決法は、円板の
軸受の同心回転欠陥が測定誤差を惹起しないという追加
の利点を有する。すなわち測定信号を出す検出器および
基準信号を出す走査装置が測定方向に正確に同列に配置
されることができるからである。円板の縞模様が基準模
様として形成されている場合には固有の基準模様は不必
要である。

しかしながらできるだけ高い周波数の基準信号を得るこ
とが望まれる場合には基準模様を、放射状に延ひた条線
を有する縞模様として形成することが有利なことである
、すなわち特別に製造された基準模様は縞模様の結像の
ために決められた、円板のインボリュート形の縞模様よ
りも密に被われることがてき、かつ放射状に延びた条線
は特に簡単に製造されるからである。

一定速度て駆動される円板においては、基準信号が関数
発生器、特に石英安定されたマルチバイブレ−ターから
出される場合には走査装置を省略することができる。

基準信号のおよび測定信号の評価のための回路は、回路
が物体の移動量を表わす基準信号の形成のための前進一
後退計数器を包括し、この計数器は測定信号および基準
信号から導入された信号を加算しまたは減算するように
構造されることができる。

この回路は簡単に構造されかつ物体の移動量を表わし、
データ処理装置、例えば工作機械制御装置における続い
ての処理に良く適しているディジタルの基準信号を供給
する。前進一後退計数器には頗る高い周波数を有し、測
定信号と基準信号とから導入された信号が供給される場
合には測定の精度が上昇させられる。

このことは回路が少なくとも１個の細分器を包括し、細
分器は入力信号よりも設定された倍率だけ大なる周波数
を有する出力信号を放出することによつて達成される。
円板は一定の速度による代りに測定信号が一定であるよ
うに調整された速度で駆動されることもてきる。

基準信号の形成のための回路によつて変化を評価される
信号は、特に多くの条線により形成され．”た基準模様
の場合に回路内の評価のため有利な高い周波数を有する
基準信号である。

以下図面の実施例によつて本発明を詳述する。

第１図においては交互に反射する部分と光を吸収する部
分とから成る条線１１から成る縞模様１０を備え、物体
１４と連結されているロッド１２が示され、基準面１６
に対する該物体の運動が測定される。このためにこのロ
ッド１２に距離をおいて基準面１６上に１個のハウジン
グ１８が設置されており、ハウジングは測定に必要な構
成要素を気密にかつ光密に閉塞しかつこの測定のための
構成要素の機械的損傷を防止している。ハウジング１８
の内部ではモーター２２によりクラッチ２４を経て駆動
される円板２６が回転し、円板は玉軸受またはころ軸受
２８に遊隙なく装着されているハウジング１８の内部に
は第１光源３０特に半導体光源が配置されており、この
光源は半透鏡３２およびレンズ系によつて円板２６の上
にロッド）１２の縞模様１０の像４０を結ばせる。この
ために光源３０はコンデンサレンズ３４および半透鏡３
２を経てレンズ３６に結像される。レンズ３６は測定開
口２０内のコンデンサレンズ３８の焦点面にあり、コン
デンサレンズは光源３０の光を平・行光線とししたがつ
て縞模様１０を均等に照明する。レンズ３６およびコン
デンサレンズ３８の配置によつて条線１１が円板２６の
上に鮮明に結像される。両レンズはここては像４０とし
て条線１１″を形成する。円板２６は交互に透明部分お
よび不透明部分から成る条線４４から成る縞模様４２を
有する。従つてロッド１２の縞摸様の像４０が形成され
ている円板２６の透明部分を光は透過することができ光
は感光性の検出器４６により測定される。円板２６は回
転する故に物体１４が静止している場合でも両方の縞模
様４０と４２の相互の合成によつて生ずる光の強度に比
例した振幅を有する測定信号が得られる。第２図には検
出器４６の側からみた円板２６が表わされている。円板
２６の他の側に投影された、ロッド１２の縞模様１０の
像４０は点線による輪部線４８て示されている。この輪
部線４８で囲まれた範囲からくる光は検出器４６により
受光される。物体１４の運動とは無関係な基準信号Ｆ２
の形成のため円板２６の後方に第２の検出器５０が取り
付けられており、この検出器は均等に照らされる、円板
２６の基準模様５２を走査す。このために基準模様５２
は第２光源５４によりコンデンサレンズ５６を経て照明
される。光源５４と検出器５０との間には１個の絞り５
８が配置されており、この絞りは基準模様５２の条線６
０の幅と等しい寸法の絞り開口を有するか、または基準
模様５２と合致する縞模様５６を有する。第２図には絞
り５８特に絞りの縞模様を通つて照らされる、基準模様
５２の範囲が示されている。この範囲は点線による輪部
線６４で示されている。ロッド１２の縞模様１０は例へ
ば０．５朗の同じ幅の交互に反射性と光吸収性の条線１
１から、すなわち１噸のピッチで構成されている。

縞模様１０の、矩形の、例へは１１×２５Ｔｍ！ＲＬ大
きさの区画は円板２６上に像として、輪部線により限定
された状態に投影される。上記の例において選択された
レンズ配置の投影尺度が１：５．５のレンズ系即ちレン
ズ３６とコンデンサレンズ２０とから成るレンズ系の投
影尺度に対応して像４０は４．５Ｗ！Ｌの長さ１と２ｍ
ｍの幅ｂの大きさである。第４図には像４０内の縞模様
１０の結像されたいくつかの条線１１″が点線で示され
ている。そのピッチは０．１８ｗｒｍである。条線１「
は円板２６の縞模様４２のインボリュート条線４４上に
投影される。これは第４図に、条線４４が誇張された彎
曲により表わされている。インボリュート条線４４の曲
率半径ρは円板２６上の位置によつて異なる。第３図は
縞模様４２が、インボリュート縞模様４２の間の輪部線
６４により示されている基準模様としても使−われる円
板２７を示す。検出器５０は円板２７上の輪部線６４に
より画定された、範囲を走査する。条線４２は、基礎円
６８から展関する場合に長さの相違する糸の末端が画く
インボリュートによる。

例へは輪部線４８（第３図）の内部のインボリュート上
の各点の曲率半径ρはインボリュート上の各点と基礎円
６８との間の、基礎円６８における接線７２の長さであ
る。基礎円６８は円板２７の回転中心７０内に中心を置
いている。条線４４はピッチｔよりも小さくなければな
らない僅かな彎曲量ｈによつて彎曲されている。これは
、曲率半径ｐが幅ｂよりも大に選択されることによつて
達成される。彎曲量はｈ＝Ｓｋで表わされ、例へば２５
Ｔｆ＄Ｌの曲率半径ρおよび２Ｔｍｍの幅ｂの場合０．
０２Ｔｍ１ｎの彎曲量が得られる。接線７２は同時に条
線４４に対する半径である故に縞摸様１０の条線１１は
、この条線が接線７２上に垂直に立つように像４０に投
影される。

検出器４６と５０により生成された信号ｆ１とＦ２は、
物体１４の移動量を表わす基準信号ｇを生成する回路７
４に供給される（第１図）。この信号は表示装置または
制御装置、例へば工作機械制御装置（第１図には図示さ
れていない）に供給される。第５と６図には回路７４の
好適な２種の実施形態７６と７８が示されている。両方
の実施形態７６と７８は共通して加算一減算計数器８０
であり、この計数器は信号ｆ１から誘導された矩形パル
スを加算しかつこの計数器によつて、信号Ｆ２から得ら
れた矩形パルスが減算される。この結果の精度を改良す
るためこれらの矩形パルスは夫々、信号ｆ１とＦ２より
も設定倍数だけ大なる周波数を有する。この、高い周波
数の矩形パルスは第１実施形態７６において次の方法に
よつて得られる。

信号ｆ１は交流電圧増幅器８２におよびそれに続いてシ
ユミツトートリガ回路８４に供給され、これらは第５図
に表わされた、ｆ１と同じ周波数の正弦波または矩形波
のパルス信号を生成する。同時に電圧制御されたマルチ
バイブレータ８６（ＶＣＯ）は周波数１０００Ｘｆ１を
有する矩形信号を生成する。

この信号は割り算器８８により周波数ｆ１″の矩形信号
に変換される。掛算器９０はｆ１とｆ１″から積を形成
しかつこれを低域フィルター９２に供給し、低域フィル
ターはそれから直流信号を生成する。この直流信号は、
ｆ１とＦ２が同じ位相状態でない場合には零とは異つて
おりかつ信号Ｆ，とＦ２との間の位相差が消滅するよう
に、電圧制御されたマルチバイブレータ８６を調整する
。然る時マルチバイブレータ８６の出力には周波数１０
００×ｆ１の信号が生じる。同じ方法によつて信号Ｆ２
から周波数１０００×Ｆ２をノ有する信号が得られる。

インボリュート形の条線模様４２の条線数とは異る条線
数の基準模様が利用される場合には周波数Ｆ２からは物
体１４が静止している際に周波数Ｆ，と同一である第２
の周波数，ＦｌＯが得られなければならない。この場合
摺晶・？を形成する割算器８９が利用される。信号Ｆ２
から信号１０００ｆ１０の形成のため必要な残りの構成
要素は信号ｆ１の評価のための既述の構成要素と同フじ
、かつしたがつてダツシユの付いた同じ引用数字を有す
る構成要素である。記載された、回路７４の実施形態に
よつて１０００倍細分が、すなわち１ｗｔのピッチを有
する縞模様１０の、０．００１ｗｎのピッチへの細分化
が達成される。

他の細分倍率も可能である。所要の測定の精度に対する
円板２６，２７の回転周波数が一定である場合、基準信
号は検出器５０からの代りに周波数１０００ｆ１０を有
するマルチバイブレータ９２から信号Ｆ２として取り出
されかつ第５図に点線で示されている如く加算一減算計
数器８０に供給される。

基準模様は、非常に多数の条線数を有して円板の外縁に
位置する放射状の縞模様５２として作成されることがで
きる故に測定信号ｆ１が一定でありかつ基準信号Ｆ２は
物体１４の運動に対応して変化するように円板２６，２
７の周波数を調整することが有利なことである。

したがつて低い周波数の細分回路８６，８８，９０，９
２は不要にされかつ一定の信号ｆ１はマルチバイブレー
タから導入されることができる。高い周波数Ｆ２のため
の低域フィルター９２″は簡単に構成されることができ
る。この測定原理の実現のための回路構成は第６図に第
２の実施形態として示されている。

この場合モーター２２は、検出器４６から出される測定
信号ｆ１が設定された信号ｆ１″になるように調整され
る。この一定の信号ｆ１″は信号１０００ｆ１″を出す
マルチバイブレータ９４から導入される。信号１０００
ｆ１″からは２個の細分器９６と９８によつて．信号ｆ
１″が形成されかつマルチバイブレータに供給される。

同時に掛算器１００には増幅器１０２および後置された
シユミツトートリガ回路１０４によつて変形された信号
ｆ１が供給される。低域フィルター１０６を通過した、
掛算器１００の出力．信号は電圧制御されるマルチバイ
ブレータ１０８を規制し、マルチバイブレータは増幅器
１１０を経て円板２６，２７のモーター２２を駆動する
。その際モーター２２は信号ｆ１とｆ１″との間の位相
差が消減するように調整される。信号１００ｆ１″（ま
たは場合によつては第５図による１０００ｆ１″）は加
算一減算計数器８０に供給される。

信号Ｆ２は第５図に相当する、強く細分する回路配置を
通されることができる。僅かな精度で十分である場合信
号Ｆ２は僅かな細分で足くる。第６図には２皓に細分す
る割算器１１２が示されている。この割算器には増幅器
１１４により増幅された信号Ｆ２が供給される。この場
合信号Ｆ２に対し９０信だけ移相された第３の信号Ｆ３
が必要であり、この信号は同じく基準模様５２を走査す
る検出器５１から出されかつ増幅器１１６により増幅さ
れる（第６図の波線）。割算器１１２の出力信号２０・
Ｆ２は加算一減算計数器８０に供給される。物体１４の
大なる移動量を測定するためには例へば夫々２５０Ｔｒ
０ｒｔ長さの数個の部分から構成されたロッド１２が利
用される。

個々の部分の製造は全ロッド１２の製造よりも廉価であ
る。製造のためには、縞模様のピッチが１Ｗｒｆｔを有
して比較的大てあることも有利なことである。比較的大
なる精度・が要求される場合には貫通する精密に製造さ
れたロッド１２が利用される。上記においては検出器４
６，５０から放出された信号ｆ１とＦ２の評価によつて
物体１４の移動量が求められたが、周波数ｆ１とＦ２の
比較によつて物体１４の瞬間的速度をも求めることがで
きる。前記の装置は廉価に製造され、構造も簡単であり
、かつ物体１４の運動の確実、精確な測定を可能にする
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の機械的一光学的構成を示す
断面図、第２図は円板の第１実施形態を有する照明装置
部分とハウジングを除いた第１図の■−■線に沿う断面
図、第３図は円板の第２実施形態の図、第４図は第２図
または第３図による円板の部分断面図、第５図は基準信
号および測定信号の評価のための回路の第１実施形態の
図、第６図は同回路の第２実施形態の図を示す。 図面の主な符号の説明、１０，４２：縞（しま）模様、
１「，４４：条線、１２：ロツド、１４：物体、２６，
２７：円板、４０：像、５０，５４，５６，５８，６２
：走査装置、４２，５２：基準模様、６８：基礎円、７
０：円板の回転点、７４，７６，７８：回路、８０：加
算一減算計数器、８６，８８，９０，９２，８６５８８
″，９『，８９，１１２：細分器、ｆ１：測定信号、Ｆ
２：基準信号、ｇ：基準信号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基準面に対して相対運動する物体の移動量及び又は
   速度の測定装置において、スパイラル状の光学的縞模様
   を有し、基準面上に不動に取付けられた又は物体の運動
   に追従するように支承された回転円板と、物体の運動に
   追従するように配設された又は物体の運動方向に対して
   好ましくは垂直に配設された縞から成る光学的縞模様を
   備えた、基準面に固定設置されたロッドと、他の縞模様
   上への一方の縞模様の像を結ばせるための光学系と、他
   の縞模様から出た光の測定のための検出器と、基準信号
   の発生装置と、基準信号と検出器から出た測定信号の評
   価のため回路とを備えた前記物体の移動量及び又は速度
   の測定装置において、回転円板２６，２７の縞模様４２
   の線条４４が回転円板２６，２７の回転中心７０を中心
   とする基礎円６８から巻ほどかれたインボリュートの形
   で配設されていること、一方の縞模様１０の他の縞模様
   ４２上への像４０において、ロッド１２の縞模様１０の
   線条１１′がこの縞１１′の部分を通り、回転円板２６
   ，２７の縞模様４２の線条４４の基礎円６８の接線７２
   に対して略垂直に配設されていること、一方の縞模様１
   ０の他の縞模様４２上への像４０が縮少倍率を有するこ
   と、像４０における縞模様１０，４２の条線１１′，４
   ４と基礎円６８との間の接線７２の長さρは像における
   縞模様１０，４２の条線１１′、４４の長さｂよりも大
   きいこと、縞模様１０、４２は交互に反射する部分およ
   び光吸収する部分から成る条線１１，４４から形成され
   ていること、そして像４０における両方の縞模様１０，
   ４２の条線１１′４４は同じ幅であることを特徴とする
   基準面に対して相対運動する物体の移動量及び又は速度
   の測定装置。 ２ 基準信号を生成する装置は検出器５０による、特に
   、円板２６の光学的基準模様４２，５２の走査のための
   走査装置５０，５４，５６，５８，６２を包含している
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
   ３ 円板２６の縞模様４２は基準模様として形成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の装
   置。４ 基準模様は放射方向に延びた条線６０を有する
   縞模様５２として形成されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第２項に記載の装置。 ５ 円板２６，２７が一定の速度で駆動される場合基準
   信号ｆ＿２は関数発生器、特に石英安定されたマルチバ
   イブレーター９２から出されることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の装置。 ６ 回路７４；７６；７８は物体１４の移動量を表わす
   基準信号ｇの形成のための加算−減算計数器８０を包含
   し、この計数器は測定信号ｆ＿１および基準信号ｆ＿２
   から導入された信号（１０００ｆ＿１、１０００ｆ＿１
   ＿０、１００ｆ＿１、２０ｆ＿２）を加算しまたは減算
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項から第５項
   までのうちいずれか一つに記載の装置。 ７ 回路７４；７６；７８は少なくとも１個の細分器８
   ６，８８，９０，９２；８６′，８８′，９０′，８９
   ；１１２を含み、細分器は入力信号よりも設定倍率大な
   る周波数を有する出力信号を出すことを特徴とする特許
   請求の範囲第６項に記載の装置。 ８ 円板２６，２７は測定信号ｆ＿１が一定であるよう
   に調整された速度で駆動されることを特徴とする特許請
   求の範囲第１〜４，６，７項のうちの何れか一つに記載
   の装置。