JPS625108A - 変位測定装置 - 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】 ［産業上の利用分野Ｊ 本発明は、二次元方向へ相対移動する２つの物体の相対
移動変位量を測定する変位測定装置に係り、例えば工作
機械や各種産業機械の相対移動部材の変位量の検出に利
用できる。

［背景技術とその問題点］ 従来、二次元方向へ移動可能な物体の現在位置を求める
には、その二次元方向の各軸を例えばｘ、Ｙ軸としたと
き、物体をＸ軸方向へ移動させる機構およびＹ軸方向へ
移動させる機構にそれぞれ別個に変位測定装置を設け、
この両変位測定装置によって得られる各軸方向の位置デ
ータから移動物体の現在位置を求める方式が取られてい
る。

そのため、物体の二次元方向への変位を測定するには、
その各移動軸毎に変位測定装置を設けなければならない
ので、装置−が大型化し、かつ高価にならざるを得ない
。

一方、−次元方向へ相対移動する２つの物体の相対移動
変位量を検知する方式としては、相対移動する２つの物
体の対向面にスケールとスライダとを対向配置し、スケ
ール側に励磁電流を印加する一方、スライダ側に誘起さ
れる信号から両物体の相対移動変位量を検知するインダ
クトシン等の方式、或いは一方の物体を他方の物体に対
して移動させるモータ等の回転角をレゾルバ等によって
求め、この回転角から両物体の相対移動変位量を検知す
る方式１等が知られている。

しかし、前者の方式は、相対移動する物体の対向面に特
別に加工されたスケール等を設けなければならない、し
かも、高精度測定を達成するには、スケール等の加工に
あたって、スケールのピッチ間隔をできるだけ小さく、
かつ厳格に仕上げなければならないので、多大な時間と
労力を要し、高価となる欠点がある。また、後者の方式
は、電気的処理回路が複雑化する上、いくらモータの回
転角を正確に測定しても、モータ以後の減速機構や送り
機構に含まれるクリアランス等の誤差によって、測定誤
差が生じる欠点がある。

［発明の目的］ ここに、本発明の目的は、このような従来の欠点を解決
すべくなされたもので、製造が容易かつ安価で、二次元
方向の変位量を高精度に測定できる変位測定装置を提供
することにある。

［問題点を解決するための手段および作用〕そのため、
本発明では、二次元方向へ相対移動するいずれか他方の
物体に、二次元と平行な一方の物体表面に対向して複数
の光電変換素子を前記二次元方向へ等間隔にかつマトリ
ックス状に配置し、この光電変換素子群によって一方の
物体表面の光学的パターン情報を順次検知し、この検知
されたパターンマトリックス情報をそれ以前に検知され
たパターンマトリックス情報と比較して両者の各軸方向
におけるずれ量を求め、このずれ′量を各軸毎に累計し
て両物体の二次元方向の相対移動変位量を求めるように
したものである。

具体的には、二次元方向へ相対移動する２つの物体の相
対移動変位量を測定する装置であって。

前記二次元と平行ないずれか一方の物体表面の状態を明
暗の光学的情報として捉えるための光源と、いずれか他
方の物体に、前記一方の物体表面に対向して複数の光電
変換素子を前記二次元方向へ等間隔にかつマトリックス
状に配置した光電変換素子群と、この光電変換素子群に
よって検出された一方の物体表面のパターンマトリック
ス情報を記憶する第１のパターン記憶部と、この第１の
パターン記憶部のパターンマトリックス情報より前に前
記光電変換素子群によって検出されたパターンマトリッ
クス情報を基準パターンマトリックスとして記憶してい
る第２のパターン記憶部と、前記二次元方向の各軸毎に
パターンマトリックス情報のずれ量を累計記憶する変位
量記憶部と、前記第２のパターン記憶部に記憶された基
準パターンマトリックスに対して前記第１のパターン記
憶部のパターンマトリックス情報の各軸方向のずれ量を
判定し、その判定結果に応じて、求められたずれ量を前
記変位量記憶部に累計記憶するとともに、前記第２の記
憶部の基準パターンマトリックスを前記第１のパターン
記憶部のパターンマトリックス情報に更新する判定手段
と、を具備したことを特徴としている。

［実施例］ 第１図は本発明の変位測定装置を工作機械等のＸ−Ｙテ
ーブルに応用した実施例を示している。

同図において、ベッド１の上面にはガイドレール２を介
してＸテーブル３がＸ軸方向へ移動可能に、Ｘテーブル
３の上面にはガイドレール４を介してＹテーブル５がＹ
軸方向へ移動可能に、それぞれ設けられている０両テー
ブル３．５は、例えば送りねじ軸機構等により各軸方向
へ移動される。Ｙテーブル５の各面のうち、前記両軸方
向に対して平行な面つまり上面５Ａには、一定の光源（
自然光をも含む、）に対し反射光の明度が均一とならな
いような処理が施され−ている０例えば、各軸方向に沿
って反射光の明度が均一とならないような不規則な明暗
模様等のマークが施されている。

本実施例の変位測定装置は、前記Ｙテーブル５のＸ、Ｙ
軸方向の移動量を測定するもので、例えば前記ベッドｌ
に図示しないブラケットを介して固定されかつ受光面が
前記Ｙテーブル５の上面５Ａに対向された検出へラド１
１と、この検出へラド１１によって検出されたＹテーブ
ル５の上面５Ａの光学的明度パターンからＹテーブル５
のＸ。

Ｙ軸方向への変位量を求めるパターン処理部２１とから
構成されている。

前記検出へラド１１には、第２図に示す如く、光電変換
素子群１２がＹテーブル５の上面５Ａと平行に配置され
ているとともに、Ｙテーブル５の上面５Ａの状態を明暗
の光学的情報として捉えるために光照射する光源１３と
上面５Ａからの反射光を光電変換素子群１２上に所定倍
率で結像させるレンズ１４とがそれぞれ設けられている
。ここで、第３図に示す如く、光電変換素子群１２の素
子間隔をδ、Ｙテーブル５の上面５Ａからレンズ１４ま
での距離をＬＩ、レンズ１４から光電変換素子群１２ま
での距離をＬ２とすると、光電変換素子群１２の素子間
隔δに対し、（Ｌ　＋　／　Ｌ　２　）δの分解能が得
られる。

前記光電変換素子群１２は、第４図に示す如く、複数個
の光電変換素子がＸ軸方向にｎ個、Ｙ軸方向にｍ個等間
隔に配置されたマトリックス状に構成されている。これ
により、Ｙテーブル５の上面５Ａの光学的明度パターン
が光電変換素子群１２の各光電変換素子により電気的に
検知された後、パターン処理部２１へ送られる。

パターン処理部２１へ送られたパターンマトリックス情
報は、第５図に示す如く、アンプ２２で増幅された後、
Ａ／Ｄ変換器２３でデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ
変換器２３でデジタル信号に変換されたパターンマトリ
ックス情報は、第１のパターン記憶部としての検出パタ
ーンメモリ２４へ記憶される。検出パターンメモリ２４
に記憶されたパターンマトリックス情報は、判定手段と
しての演算回路２５からの読取指令ＲＣが与えられる毎
に演算回路２５へ読込まれ、そこで第２のパターン記憶
部としての基準パターンメモリ２６に記憶されている基
準パターンマトリックスと比較され、その基準パターン
マトリックスに対するｘ、Ｙ軸方向のずれ量が判定され
る。基準パターン記憶部２６の基準パターンマトリック
スは、前記演算回路２５の演算結果に応じて、前記検出
パターンメモリ２４のパターンマトリックス情報に順次
更新される。また、一連の処理が行なわれると、次の演
算のために読取指令ＲＣが演算回路２５から検出パター
ンメモリ２４へ出され、その検出パターンメモリ２４の
パターンマトリックス情報が演算回路２５へ読込まれる
。

いま、検出パターンメモリ２４に記憶されているパター
ンマトリックス情報、つまり今回のサンプリングで取込
まれたパターンマトリックスをＰ（Ｐ＝、４）、基準パ
ターンメモリ２６に記憶されている基準パターンマトリ
ックス、つまり前回のすンプリングまでに更新された基
準パターンマトリックスをＦ’（ＰＬ；’）とすると、
演算回路２５では、 を演算し、各式の中で最も小さい値、つまりＭｉｎ［Ｓ
　６　、　Ｓ　＊　、　Ｓ　１．−］　、　Ｍ　ｌ　ｎ
　［Ｓ　ｙｏ　、　Ｓ　ｙ＋　＋　Ｓ、−］を求める。

ここで、■５１１１またはＳｙｏが過小値のときは、Ｘ
またはＹ軸方向において前記（Ｌ　Ｉ／　Ｌ　２　）δ
分ずれていないと判定し、■Ｓ酔またはＳｙ＋が最小値
のときは、Ｘまたは−Ｙ軸方向において前記（Ｌ　Ｌ／
　Ｌ　２　）δ分子方向にずれていると判定し、■Ｓ、
またはＳｌ、−が最小値のときは、ＸまたはＹ軸方向に
おいて前記（Ｌ　Ｉ／　Ｌ　２　）δ分一方向にずれて
いると判定し、その判定結果に応じて基準パターンメモ
リ２６の基準パターンマトリックスの更新処理および変
位量メモリ２７のＸ、Ｙ軸方向のカウント値ｄｘ、ｄｙ
を増減させる。即ち、 ■のときには、基準パターンメモリ２６の基準パターン
マド、リックスおよび変位量メモリ２７のカウント値ｄ
ｘ、ｄｙを共に更新しない。

■のときには、基準パターンメモリ２６の基準パターン
マトリックスを検出パターンメモリ２４のパターンマト
リックスに更新し、かつ変位量メモリ２７のカウント値
ｄｘまたはｄｙを＋１カウントアツプさせる。

■のときには、基準パターンメモリ２６の基準パターン
マトリックスを検出パターンメモリ２４のパターンマト
リックスに更新し、かつ変位量メモリ２７のカウント値
ｄｚまたはｄ７を一１カウントダウンさせる。

従って、ベッドｌに対してＹテーブル５が静止したまま
の状態では、Ｓ−、Ｓｐａが最小値となるから、基準パ
ターンメモリ２６の基準パターンマトリックスおよび変
位量メモリ２７のカウント値ｄｚ　、ｄｙは共に更新さ
れない、しかし、ベッドｌに対してＹテーブル５が相対
移動すると、その相対移動方向によってＳｓ、Ｓｓまた
はＳ、−、Ｓトが最小値となるから、基準パターンメモ
リ２６の基準パターンマトリックスは検出パターンメモ
リ２４のパターンマトリックスに更新され、かつ移動方
向によって変位量メモリ２７のカウント値ｄｚ　、ｄｙ
が増減される。

このようにして、ベッドｌに対してＹテーブル５が相対
移動していくと、変位量メモリ２７には、ベッドｌに対
するＹテーブル５のＸ、Ｙ軸方向の変位量が累計記憶さ
れていく、変位量メモリ２７に記憶された値は、測定単
位による値に変換された後１表示器２８に表示され、ま
たはＮＣ装置等へ入力され、以後の制御用データとして
利用される。

従って、本実施例によれば、Ｘ、Ｙ軸方向へ移動される
Ｙテーブル５の上面５Ａの光学的パターン情報を光電変
換素子群１２で電気信号に変換し、この変換されたパタ
ーンマトリックスを前回のサンプリングまでに更新記憶
された基準パターンマトリックスと比較して、基準パタ
ーンマトリックスに対する検出されたパターンマトリッ
クスのＸ、Ｙ軸方向におけるずれ量を求めるようにした
ので、１つの検出へマド１１によって二次元方向の移動
量を測定でき、その結実装置の小型化、低廉化を図るこ
とができる。

また、従来のインダクトシン等のように高精度に加工し
たスケールを物体表面に設けなくてもよく、更にレゾル
バ等のように処理回路が複雑化することがないので、全
体の構成が簡易かつ容易である、特に、物体表面の光学
的パターン情報を検出するようにしたので、物体の”測
定面が相対移動方向において反射光の明度が均一となら
ないような態様であればよく、例えば不規則なマーク、
更には傷等の処理でよく、極端には何も処理することな
く加工面粗度のパターンをそのまま利用することもでき
る結果、相対移動部材に対する加工がほとんど不要であ
る。従って、位置検出機能がない既存のテーブル等でも
、そのテーブル面に検出へラド１１を対向設置すれば、
容易に自動化できる利点がある。

しかも、マークや光源１４等が経時的に変動しても、パ
ターンとしての検出であるため、急激な変動でない限り
測定に影響を受ることがない。

また、被測定物に対して非接触型であるので、測定面を
傷付けることがない、このことは、被測定物の材質が比
較的軟質な材料でも高精度に測定できる利点がある。

また、Ｙテーブル５の表面からの反射光を光電変換素子
群１２上に所定倍率で結像させるレンズ１４を設けたの
で、光電変換素子の間隔δに対し、Ｙテーブル５の表面
からレンズ１４までの距Ｉｌｌ　Ｌ　＋　／レンズ１４
から光電変換素子群１２までの距ａ　Ｌ　２倍の測定分
解能゛が得られる。

なお、実施に当って、演算回路２弓における演算アルゴ
リズムとしては、上記例のほか、次のようなアルゴリズ
ムでもよい、即ち、 を演算し、これらの解のうちで最も小さい値を求める。

この場合の処理では、 Ｓｏｎ　　＝ｄｘ、ｄｙ　　そのまま、Ｓ、。→ｄｘ＋
ｌ　、ｄｙ　　そのまま、：）＋−０−＋ｄｘ−１、ｄ
ｙ　　そのまま、Ｓｏ　ｙ＋＋ｄｘ＋　ｌ　、　ｄｘ　
　そのまま、Ｓ＋）−＋ｄｘ−１、ｄｘ　　そのまま、
Ｓ　ｓ　ｙ＋　→ｄ　Ｘ　＋　ｌ　、　ｄ　７　＋　１
Ｓ　ｓ　ｙ−＋　ｄ　Ｘ　＋　ｌ　、　ｄ　７−１Ｓ　
＞　ｙ＋　”　ｄ　Ｘ　　ｌ　、　ｄ　７　＋　１Ｓ　
ｉｓ　ｗ　＝　ｄ　Ｘ　−１、ｄ　７−１となる。

また、これらのアルゴリズム例において、サンプリング
で取込まれたパターンマトリックスＰ（Ｐ、、：）と基
準パターンマトリックスＦ’（Ｐ２））との差を二乗し
たが、その差の絶対値を取るようにしてもよい。

また、検出されたパターン情報と比較される基準パター
ンについては、前回のサンプリング時までに更新記憶さ
れた１つの基準パターンだけでなく、七へ以前に更新さ
れた複数個の基準パターンを記憶しておき、これら全て
について検出されたパターン情報と比較すれば、パター
ンの解析をより正確に行うことができ、また相対移動量
が速くて１回の演算で１素子分以上の移動をするような
場合でも測定可能である。

また、上記実施例では、固定側部材つまりベッド１側に
検出へラド１１を取付けたが、検出へラド１１を可動側
のＹテーブル５側に取付け、その受光面を固定側部材の
基準面に対向させても同様な効果が得られる。ただ、上
述した実施例のようにすれば、検出へラド１１を取付け
るための加工が軽減できる。

更に、本発明の変位測定装置は、上記実施例で述べたＹ
−Ｙテーブルに限らず、二次元方向へ移動する物体の全
ての変位測定装置として広く応用できる。

［発明の効果］ 以上の通り、本発明によれば、２つの物体の二次元方向
の相対移動量を容易かつ安価に、しかも高精度に検出で
きる変位測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示すもので、第１図は全体の説
明図、第２図は検出ヘッドの要部を示す断面図、第３図
は光電変換素子群とレンズとの関係を示す斜視図、第４
図は光電変換素子群の平面図、第５図はパターン処理部
を示すブロック図である。 １・・・ベッド、３・・・Ｘテーブル、５・・・Ｙテー
ブル、１２・・・光電変換素子群、１２ｕ、１２Ｉ２・
・・光電変換素子、１３・・・光源、１４・・・レンズ
、２３・・・Ａ／Ｄ変換器、２４・・・第１のパターン
記憶部としての検出パターンメモリ、２５．・・・判定
手段としての演算回路、２６・・・第２のパターン記憶
部としての基準パターンメモリ、２７・・・変位量メモ
リ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）二次元方向へ相対移動する２つの物体の相対移動
   変位量を測定する装置であって、 前記二次元と平行ないずれか一方の物体表面の状態を明
   暗の光学的情報として捉えるための光源と、 いずれか他方の物体に、前記一方の物体表面に対向して
   複数の光電変換素子を前記二次元方向へ等間隔にかつマ
   トリックス状に配置した光電変換素子群と、 この光電変換素子群によって検出された一方の物体表面
   のパターンマトリックス情報を記憶する第１のパターン
   記憶部と、 この第１のパターン記憶部のパターンマトリックス情報
   より前に前記光電変換素子群によって検出されたパター
   ンマトリックス情報を基準パターンマトリックスとして
   記憶している第２のパターン記憶部と、 前記二次元方向の各軸毎にパターンマトリックス情報の
   ずれ量を累計記憶する変位量記憶部と、前記第２のパタ
   ーン記憶部に記憶された基準パターンマトリックスに対
   して前記第１のパターン記憶部のパターンマトリックス
   情報の各軸方向のずれ量を判定し、その判定結果に応じ
   て、求められたずれ量を前記変位量記憶部に累計記憶す
   るとともに、前記第２の記憶部の基準パターンマトリッ
   クスを前記第１のパターン記憶部のパターン情報に更新
   する判定手段と、 を具備したことを特徴とする変位測定装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記光電変換素
   子群と一方の物体表面との間に、その物体表面からの反
   射光を光電変換素子群上に結像させるレンズを設けたこ
   とを特徴とする変位測定装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項または第２項において、前
   記光電変換素子をＣＣＤとしたことを特徴とする変位測
   定装置。
4. （４）特許請求の範囲第１項または第２項のいずれかに
   おいて、前記光電変換素子をＭＯＳとしたことを特徴と
   する変位測定装置。
5. （５）特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに
   おいて、前記光源として自然光を利用したことを特徴と
   する変位測定装置。