JPS6375517A - 変位計 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、高精度で変位量を測定することができる変位
計に関する。

（従来の技術） 従来、高精度変位計として光電式ＩＪ　ニアエンコーダ
が用いられている。すなわち、第６図は、このリニアエ
ンコーダを示すもので、格子縞が形成され且つ矢印Ａ方
向に移動自在に設けられた主スケールＳｍを、同じく格
子縞が形成され且つ固設されたインデックススケールＳ
１に対して移動すると、ランプＷからレンズＬを経由し
て主スケールＳｍに投射された光は、主スケールＳｍの
動きにつれて明滅する。この明滅は、格子の１ピツチ毎
に繰返えされる。したがって、主スケールＳｍの移動量
は、格子ピッチの倍数として表わすことができる。

しかしながら、上記従来のリニアエンコーダは、以下の
欠点をもっている。すなわち、■従来の様に２つのスケ
ールを対向させて透過光量を光電変換する方式では、格
子ピッチは回折現象による悪影響を避けるため８μｍ程
度が限度であった。■従来の様に２つのスケールの透過
光量を用いる方式では、光量はスケールに付着したスケ
ール面以外のゴミやガラス面に付いた傷の影響を大きく
受け、電気分解を／８（最近のものでは４゜）以上には
向上させることが不可能であった。■■、■の理由から
従来の光電式リニアスケールの分解能は最大０．１μｍ
程度に制限されていた。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、上記■、■、■項に記した従来のリニアエン
コーダが有する問題点を参酌してなされたもので、イン
デックススケール（参照用スケール）を用いることなく
、主スケールの位相を画像処理装置を用いて決定し、高
分解能を得ることができる変位計を提供することを目的
とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するだめの手段と作用）等ピッチのスリ
ット状パターンが形成されたスケールと、このスケール
を照明する照明手段と、上記パターンを撮像する撮像手
段と、この撮像手段から出力された映像信号に基づきパ
ターンの位相を求め、求めた位相により変位量を算出す
る画像処理手段とを有し、分解能が０．０２５μｍ以上
の高精度変位測定を行うことができるものである。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳述する。

第１図は、この実施例の変位計を示している。

この変位計は、投射光を投射する照明ランプ（１１と、
この照明ランプ（１）から投射された投射光を受光する
ガラスなどの透明部材からなるスケール（２）と、この
スケール（２）を透過した投射光を入射して拡大スルレ
ンズ（３）と、このレンズ（３）による結像位置にて入
射光を撮像するＩＴＶ　（ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＴｅｌ
ｃ　Ｖｉｓｉｏｎ　）カメラ（４）と、このＩＴＶカメ
ラ（４）から出力された映像信号を入力して後述する変
位量算出のための演算を行う画像処理装置（５）と、こ
の画像処理装置（５）における演算結果を表示する表示
器（６）とから構成されている。上記スケール（２）は
図には示さないラーグルにしっかり固定され、測定の誤
差要因となるスケールのピッチング、ローリング、ヨー
イングおよび各方向の蛇行が十分小さくなるように組立
てられている。′また、スケール（２）の表面には、ク
ロム蒸着などの手法を用いて、透明郡山・・・と不透明
部（６）・・・この繰返しからなる等ピッチで等しい幅
のスリット状パターンが作られている。これらパターン
サイズは、測定系が最終的に得ようとする精度と測長最
大長さにより、種々のものが考えられるが、先の様に透
過方式ｔこよる回折の問題を考慮する必要がないので、
現状の製造技術等を考えて、十分小さなピッチ４μ簿以
下のパターンを用いることができる。一方、固定側の照
明ランプ（１）、レンズ＋３）　、　　Ｉ　Ｔ　Ｖカメ
ラ（４）などの光学系も精密な測定が行なえるよう、ｌ
）照明ランプ（１）、レンズ（３）　、　　Ｉ　Ｔ　Ｖ
カメラ（４）を固定している匣体（金物）は、熱による
影響をさけるため熱膨張の小さな材料（アンバー材）に
より一体のノ・ウンジングで作られている。２）照明ラ
ンプ（１）、レンズ（３）の光軸がズレないようなメカ
ニズムになっている。３）照明ランプ（１）の発熱がス
ケール（２）、レンズ（３）側に流れないよう、空気を
排気している。４）装置をコンパクトにするため、照明
ランプ目）、レンズ＋３）、ＩＴＶカメラ（４）等構成
部品を現状入手できるもののうち、できるだけ小さなも
ので構成する９等の条件を満足するよう構成されている
。

つぎに、上記構成の変位計の作動について述べる０ まず、照明ランプ（１）で、スケール（２）を後方より
透過照明する。受光系では、スケール（２）の表面（先
に述べたように例えば等ピッチ等幅のスリット状パター
ンが作られている。）に焦点が合せられ、そのスケール
（２）表面の実偉がＩＴＶカメラ（４）の撮像面に結像
するように調整しておく。ＩＴＶカメラ（４）は、この
スケール（２）拡大像を映像信号に変換し、画像処理装
置（５）に入力する。画像処理装置（５）では、この画
像を装置内の画像メモリーに記憶し、後に述べる手法に
よりスケール（２）の位相を決定し、その値から移動量
を算出し、表示器（６）に表示する。

第２図は、この画像メモリーに記憶されたスケール像の
例である。ここで、今、主スケール（２）のパターンの
ピッチ（２〜４μ扉程度）をｐとし、光学倍率をＭ　（
４０〜１００倍）とすると、ＩＴＶカメラ（４）に結像
された実像のピッチＰはＰ−Ｍｐ、ただしＰキ８０〜４
００μｍとなる。つぎに、画像処理装置（５）では、ま
ず得られた画像Ｓに、図のようなウィンドウＷ　（Ｗｘ
ｘ　Ｗｆ）を設ける。つぎに、このウィンドウＷ内の各
画素をＸ方向に加算する（画像の２軸への投影）。この
Ｘ輪投影像を第３図に示した。スケールパターンＳは、
９４２図のように、エツジ部に多少の凹凸があるため、
得られた第３図のパターンは理想的な方形波からは、や
やくずれた波形となっている。・つぎに、第３図の投影
パターンの位相を求めるため、画像処理装置（５）内に
ピッチＰの理想的な方形波（第４図）を考える。この理
想波形ｅを先の投影像に掛け、さらにその値を水平方向
に加算する。この評価値ΣＴは、Σ′１゛−Σ（ΣＥｘ
ｅＪ−ｆ（φ） ａｅｘ。

となる（第５図参照）。評価値ΣＴは、図から明らかな
ように、理想波形ｅの位相φの関数と々る。

そこで、このφを０〜Ｐまで変化させて、ＺＴを求める
とφ−φ１で最大値、φ＝φ、で最小値をとり、このφ
、これが原画像Ｓの位相φ０となる。したがって、前述
のＺＴの演算をφ＝０〜Ｐについて行ない、第５図に示
したような特性値を得、このグラフより適当な処理によ
り量大・最小値を抽出するような処理を行なえば、主ス
ケールパターンＳの１ピッチ以内の移動（位相）を決定
することが出来る。

また、先の式ΣＴでφ＝０の値は、従来の光電式スケー
ルの透過光量に相当する値である。そこで、パターンＰ
に対応する・ｅと’／　ｐ＋　ｔｃｈ　ｘ方向に移動し
たパターンｐ／とｅ／を考え、ΣＴ／すなわちＺＴ　／
　＝Σ　（Σｇｘｅ’ｊ＝ｆ’（φ）−Ｑ なる同様の処理を行なえば、ｆ（０）、　ｆ’ｆＯ）　
（φ＝０の時の値）は従来の光電式スケールの蚤波長ず
れた透過光量値Ａ−Ｂ相電圧に相当するデータを得るこ
とができる。したがって、このデータを用いても、パタ
ーンの位相と移動方向を知ることができるＯ かくして、従来の主スケールとインデックススケールで
は、種々の制限により分解能は０．１μｍ程度が限度で
あった。しかし、この実施例の変位計によれば、例えば
スケールピッチを３μｍ、光学倍率を６０倍とすると、
スケールはＩＴＶカメラ上で１８０μ、、ＩＴＶカメラ
の分解能はアナログ的にとらえて１ｐｉＸｅｌの１／１
８程度期待できるので、Ｉｐｌｘｅｊ　＝　１５　ａｍ
として１．５μｍとなる。よって、分解能は、１．５　
ａｒｌＬ／　６０　＝　０．０２５　ｐａｔ程度が予想
される。

また、本実施例の変位計は、スケール上のゴミ。

キズ等の影響を受けにくいシステムとなる。

なお、本発明は、上記実施例に限ることなく、以下の各
項のような変形例が考えられる。

山　本発明の事例では主スケールにガラスを用い、受光
光学系では透過照明を用いているが、主スケールに金属
を用いた反射形スケール、受光光学系に落射照明用光学
系を用いても、同様の効果が得られる。

（＃）　　画像処理装置により処理で処理領域としてウ
ィンドウＷを用いているが、このウィンドウＷは任意の
大きさが選択できる。すなわち、ウィンドウＷは画像全
体と同じ大きさでも良く、ＷＷ＝　１　ｐｉｘｅノのも
の（これは画像は水平ラインで切った照度分布と等価）
でも良い。

（ｉｉｌ）　　ここでは、第３図のパターンの位相を求
めるために、単位方形ｅを用いこれをパターンΣＥに乗
算して行なった。これは、ｅの乗算は単位方形波の乗算
のため、実質的にはΣＥパターンとｅパターンのＡＮＤ
演算を行なう事に相当し、計算機では容易かつ高速に処
理が行なえることを期待したからである。しかし、これ
以外にもΣＥのパターンをＸ方向に微分して擬方形波の
エッヂ部を抽出し、そのエッヂ位置から位相を求めるこ
とも可能である。

Ｏｖ）８１図では、撮像用ＩＴＶカメラは、一般の撮像
管を相程したが、ＣＯＤ等の固体素子を用いたものも可
能である。

〔発明の効果〕

本発明の変位計によれば、従来の主スケールとインデッ
クススケールでは種々の制限により分解能は０．１μ溝
程度が限度であったのに対して、例えばスケールピッチ
を３μ町光学倍率を６０倍とすると、スケールはＩＴＶ
カメラ上で１８０μｍ。

ＩＴＶカメラの分解能はアナログ的にとらえて１ｐｉｘ
ｅｌの猪。程度期待できるので、１　ｐｉｘｅｊ　＝１
５μｍとして１．５μ肩となる。よって分解能は、１．
５μｙｘ／６０＝０．０２５μ溝程度が予想される。ま
た、本発明は、スケール上のゴミ、キズ等の影響を受け
にくい利点を有し、これが測定精度の向上に寄与してい
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の変位計の構成図。 第２図乃至第５図は同じく変位量算出方法の説明図、第
６図は従来の変位計の説明図である。 （１）：照明ランプ（照明手段）。 （２）ニスケール、　　　　（３）：レンズ（光学手段
）。 （４）：ＩＴＶカメラ（撮像手段）。 （５）二画像処理装置（画像処理手段）。 （６）―表示器（表示手段）。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　　　竹　花　喜久男 第１ＢＡ 第２図 第３図 °１ １ｇ４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 等ピッチのスリット状パターンが形成され且つ被測定物
   と一体的に移動するスケールと、このスケールを照明す
   る照明手段と、この照明手段により照明された上記スケ
   ールのパターン像を拡大する光学手段と、この光学手段
   により拡大された上記スケールのパターン像を撮像して
   映像信号に変換する撮像手段と、この撮像手段から出力
   された映像信号に基づいて上記パターン像の位相を求め
   この位相に基づいて上記被測定物の変位量を演算する画
   像処理手段と、この画像処理手段による演算結果を表示
   する表示手段とを具備することを特徴とする変位計。