JPH0123048B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、比較的大きな移動距離を高い分解能
と精度で測定する装置に関する。

比較的小さな移動距離の測定器には、リニアゲ
ージ、マグネスケール、インダクトシンなどがあ
り、いずれも１〜10μｍ内外の高い分解能と精度
とを備えている。これらの構成は、スリツト、磁
極、コイルなどの発信部が微小な等ピツチに配列
されたスケールに対して、光源と受光素子、磁束
応答形ヘツド、コイルなどの受信部を二つ有する
検出器を対向させたものであり、その二つの受信
部は、前記発信部の適宜個を間に互にその発信部
ピツチの1/4だけずらされている。したがつて、
スケールと検出器が相対的に発信部の１ピツチ分
だけ移動させられるごとに、検出器の各受信部に
は周期的出力が発生することになり、互の周期的
出力は90度（機械的距離は発信部ピツチの1/4）
の位相差を持つことになる。

そこで、この二つの周期的出力を方向判別部に
導入し、一方の周期的出力を基準にした他方の周
期的出力の位相の進み、遅れを判別することによ
りスケールと検出器の相対的移動方向に応じた判
別出力を発生させ、その判別出力に応じ、前記の
周期的出力またはそれを逓倍部を介して逓倍した
出力を計数部の加算、減算入力端に切換導入する
ことにより、スケールと検出器の相対移動距離を
計数部の計数値に変換するようにしたものであ
る。

しかして、上記の測定器の測定分解能は、計数
部の１カウントが表わす移動距離であり、これは
発信部の配列ピツチと、その配列ピツチ移動ごと
に検出器に発生する周期的出力の逓倍率によつて
定まる。したがつて、原理的には、発信部の配列
ピツチをできる限り微小にし、かつ、逓倍率を大
にすれば、より高分解能測定が可能となるが、精
度を確保するには、さらに、そのピツチの形成と
逓倍を正確に行う必要がある。

ところで、このように微小ビツチで発信部を形
成する場合、スケールが長尺になればなる程、そ
の製作装置の問題も含めて技術的にも、経剤的に
も困難度が増し、現状では、比較的小さな移動距
離の測定用のものしか高精度、高分解能の測定器
はみあたらない。

本発明は、上記欠点を除き、高精度に、かつ微
小ビツチで発信部の製作が行える比較的短尺のス
ケールを利用し、そのスケールの長手方向には、
スケール全長より短い適宜の間隔で複数個の検出
器を配列し、隣合つた位置に配置された検出器の
周期的出力を切換制御部と位相ずれ演算部に各導
入して両検出器の周期的出力の有無に応じた切換
出力と両検出器の周期的出力の位相ずれに対応し
たずれ距離出力とを発生させ、前記切換出力に応
じて計数部と接続する検出器または逓倍部を選択
的に切換えると共に、その切換の前後の検出器間
における前記ずれ距離出力を計数部に加え、切換
の前後の検出器間における配設位置誤差に起因す
る発信部ピツチ以内のずれ距離の補正を行なうよ
うにしたものである。以下、リニアゲージを例に
とり、本発明の実施例について詳細に説明する。

これは、比較的短尺のスケールを利用し、それ
による測定器が備える分解能、精度のもとで、そ
の約２倍の移動距離を測定するようにしたもので
ある。

第１図において、リニアゲージは、スピンドル
４を筐体５に上下方向のみに移動自在に支承して
そのスピンドル４の下部を筐体５の下面から突出
させ、その筐体５内においては、スリツトを等ピ
ツチＰで配列したスケール１をスピンドル４に固
定し、そのスケール１を挾んで対向する状態に光
源と受光素子の対２３と２１および２４と２２を
筐体５の内壁に固定し、その受光素子２１，２２
の対向面には、スケール１と同じピツチの適宜数
のスリツトを有する検出スリツト板２５を固定
し、この光源と受光素子の対２３と２１および２
４と２２の配置間隔を前記のスリツトピツチＰの
（ｎ＋1/4）Ｐ〔ただし、ｎは整数で受光素子の大
きさにより定まる適宜の数〕としたものである。

したがつて、上記のリニアゲージにおいては、
前記光源と受光素子の対２３と２１および２４と
２２、それにこれらと対向する検出スリツト板２
５が検出器２となり、また、その各対が受信部と
なり、スケール１のスリツトが発信部となる。

この検出器１の上方には、検出器１と同様の構
成要素すなわち、互に（ｎ＋1/4）Ｐ隔てて配設
された２対の光源と受光素子３３と３１および３
４と３２、受光素子３１，３２の対向面に固定さ
れた検出スリツト板３５からなる検出器３が配置
され、両検出器３と２の配設間隔は、前記スケー
ル１の全長Ｌよりも短かく、検出器２の下側の受
光素子２１と検出器３の上側の受光素子３１の間
隔が略Ｌとなつている。

以上のものにおいて、スケール１と検出器２が
対向している第１図の状態からスピンドル１が上
方（または下方）に移動すると、スケール１も一
体的に移動し、スケール１上のスリツトと検出ス
リツト板２５のスリツトによつて形成されるモア
レじまが、そのスリツトピツチ移動ごとに周期的
に変化することになり、光源２３，２４から受光
素子２１，２２に達する光量が周期的に変化して
受光素子２１，２２には、スケール１がそのスリ
ツトピツチ移動するごとに周期的に変化する電圧
出力が発生する。この受光素子２１，２２に発生
する電圧出力の波形は、正弦波状であり、両素子
２１，２２に配設位置が異なる結果、互に90度の
位相差を持つている。そして、スケール１が上方
に移動する場合と下方に移動する場合とでは、一
方の電圧出力に対する他方の電圧出力の位相は90
度分反転することになる。

次に、スケール１がスピンドル１の移動に伴つ
てさらに上方に移動し、検出器３の下方の受光素
子３１と対向すると、前記と同様にして受光素子
３１には周期的電圧出力が発生し始め、続いてそ
れより1/4ピツチ上方にさらにスケール１が移動
すると、スケール１は上方の受光素子３２と対向
して、それから周期的電圧出力が発生し始める。
そして、さらにスケール１が上方に移動すると、
スケール１の下端が検出器２の下側の受光素子２
１、続いて上側の受光素子２２の配置位置を通り
抜ける結果、受光素子２１，２２の電圧出力は一
定となる。

以上の結果、各検出器２，３において、受光素
子２１と２２，３１と３２に発生する周期的な電
圧出力の一方を基準にした他方の進み、遅れを検
出することにより、スピンドル４の移動方向が判
別されることになり、また、両検出器２，３の受
光素子２１，２２，３１，３２の電圧出力の有無
を検出すると、スケール１と対向している検出器
が判別されることになる。

また、検出器２，３の下側または上側の受光素
子どうし２１と３１または２２と３２の位相ずれ
を検出すると、検出器２と３の初期の配設位置誤
差によるスリツトピツチ以内のずれ距離が求めら
れることになる。

次に、上記の周期的出力の有無の検出結果によ
り、計数部と接続される検出器を切換え、各検出
器における二つの周期的電圧出力間の位相の進
み、遅れの検出結果により、計数部での加、減計
数を切換え、さらに、検出器の切換時には、両検
出器の配設位置誤差により出じたずれ距離を補正
する必要がある。

以下、その処理回路について説明する。

第２図において、前記検出器２，３の各受光素
子２１，２２，２３，２４に発生した周期的な電
圧出力は、波形整形部６，７，８，９により矩形
波に整形された後、波形整形部６，７の出力は、
逓倍部１１と方向判別部１２に、また、波形整形
部８，９の出力は、逓倍部１４と方向判別部にそ
れぞれ導入される。逓倍部１１，１３では、それ
ぞれ入力矩形波の立上り、立下りを微分して合成
することにより４逓倍したパルス出力を形成し、
切換制御部の切換部１７にそれぞれ送出し、ま
た、方向判別部１２，１４では、それぞれ波形整
形部６，８の出力を基準にした波形整形部７，８
の出力の位相を検出し、位相が遅れている場合の
み判別出力を切換部１７に送出する。他方、切換
制御部の切換出力発生部１６には波形整形部６と
９の出力、すなわち、検出器１の下側の受光素子
２１と検出器２の上側の受光素子３２の周期的出
力を整形した出力が導入されている。この両整形
出力は90度の位相差を持つており、したがつて、
第３図ａに示すように、スケール１が検出器２か
ら検出器３の方向に移動して検出器３と対向する
と、以後、受光素子２１に出力が発生してから90
度の位相遅れで受光素子３２に出力が発生し、逆
に、ｂに示すように、スケール１が検出器３から
検出器２の方向に移動して検出器２と対向する
と、以後、受光素子３２に出力が発生してから90
度の位相遅れで受光素子２１に出力が発生するこ
とになる。この切換出力発生部１６は、この受光
素子２１と３２に共に出力が発生する状態になる
に際しての両受光素子２１，３２の出力の発生時
期を判別するものであり、受光素子２１の出力の
発生後に受光素子３２の出力が発生した場合に
は、以後切換出力を切換部１７に送出させ、前記
と逆に受光素子３２の出力発生後に受光素子２１
に出力が発生した場合には、切換出力の送出を停
止させる。

この結果、前記第３図ａの状態後、スケール１
がさらに検出器３の方向に移動し続ける間は切換
出力が発生し続け、また、その後、スケール１が
検出器２の方向に移動し、前記第３図ｂの状態に
達した後は、切換出力の送出が停止され、以後再
びスケール１が検出器３の方向に移動して(a)の状
態となるまでは切換出力は送出されないことにな
る。

前記の切換部１７は、この切換出力発生部１６
の切換出力および前記方向判別部１２，１４の各
判別出力に応じて逓倍部１１，１３のパルス出力
の導通を選択的に切換えることになり、以下、そ
の詳細を第４図により説明する。

図において、アンドゲート７１，７２には、そ
れぞれ前記逓倍部１１，１３の逓倍パルスが導入
され、その導通はそれぞれ前記切換信号発生部１
６の切換出力の反転出力、切換出力により制御さ
れている。したがつて、アンドゲート７１は、切
換出力の送出が停止されている間導通して逓倍パ
ルスを次のアンドゲート７３，７４に送出し、ア
ンドゲート７２は、切換出力が送出される間導通
して逓倍パルスを次のアンドゲート７５，７６に
送出することになる。すなわち、スケール１が第
３図ａの位置から検出器３と対向して移動する間
は、検出器３の周期的出力を逓倍したパルスが送
出され、スケール１が第３図ｂの位置から検出器
２と対向して移動する間は、検出器２の周期的出
力を逓倍したパルスが送出されることになる。

次に、アンドゲート７３と７４，７５と７６の
導通は、それぞれ方向判別部１２，１４の判別出
力により制御されることになり、アンドゲート７
３，７５は判別出力が送出される間導通し、アン
ドゲート７４，７６は判別出力の送出が停止され
ている間導通してそれぞれそこに導入される前記
逓倍パルスを通過させる。この場合、判別出力は
前記したように、スケール１が上方に移動中送出
されるので、結局、アンドゲート７３，７５は、
スケール１が上方に移動する間導通し、アンドゲ
ート７４，７６はスケール１が下方に移動する間
導通し、このとき、スケール１が検出器２と対向
していれば、その移動方向に応じてアンドゲート
７３または７４から逓倍パルスが送出され、スケ
ール１が検出器３と対向していれば、その移動方
向に応じてアンドゲート７５または７６から逓倍
パルスが送出されることになる。以下、スケール
１の上方への移動中にアンドゲート７３または７
５を通過する逓倍パルスは、オア回路７７を介し
て計数部１８の加算端子に入力され、スケールの
下方への移動中にアンドゲート７４または７６を
通過する逓倍パルスはオア回路７８を介して計数
部１８の減算端子に入力され、それぞれ加算また
は減算計数されることになる。

次に、１９は位相ずれ演算部であり、前記波形
整形部６と８，７と９の各出力を入力し、その各
出力どうしの位相ずれ時間と周期を測定すると共
に、その比を演算することにより検出器２と３の
配設時のずれ距離を算出し、記憶する演算回路、
記憶回路とよりなる。このずれ距離は、あらかじ
めスピンドル４の下端を等速カムに押付けてスピ
ンドル４を等速で上方に移動させ、スケール１が
両検出器２，３と対向した位置において測定され
る前記位相ずれ時間と周期から算出され、これ
は、検出器２と３の配設距離の誤差（受光素子２
１と３１および２２と３２の間隔はスリツトピツ
チの整数倍に設定しなければならないが、設定時
にずれが生じることは避けられず、ピツチが微小
になるとそれを機械的に調整することも難しい）
に相当する。以下、この記憶されたずれ距離は、
前記の切換出力が送出される間、計数部１８に加
えられ、切換出力の送出が停止された際には除か
れることになる。

以上のものにおいて、いま、第１図に示すよう
にスケール１が検出器２と対向した状態で、スピ
ンドル４の上方への移動に伴つて上方に移動する
と、受光素子２１，２２は周期的出力が発生し、
逓倍部１１によつてそれは４逓倍される。このと
き、検出器３の受光素子３２には周期的出力が発
生していないので、切換出力発生部１６から切換
出力は送出されず、アンドゲート７１（第４図）
が導通して前記逓倍パルスがアンドゲート７３，
７４に加えられるが、方向判別部１２から判別出
力が送出される結果、アンドゲート７３のみが導
通し、そこを通過した逓倍パルスがオア回路７７
を介して計数部１８の加算端子に加えられ、逓倍
パルスの加算計数が行われる。したがつて、スピ
ンドル４がスケール１のスリツトピツチの1/4だ
け移動するごとに計数部１８の計数値は１カウン
トづつ増加する。この状態からスピンドル４がさ
らに上方に移動し、スケール１が検出器３と対向
し、その上方の愛光素子３２に周期的出力が発生
すると、切換出力発生部１６から切換出力が送出
されることになり、アンドゲート７２を導通し、
アンドゲート７１を遮断する。この結果、検出器
３の受光素子３１，３２に発生する周期的出力を
逓倍部１３により逓倍したパルスがアンドゲート
７５，７６に加えられるが、方向判別部１４から
判別出力が送出されているのでアンドゲート７５
のみが導通し、そこを通過したパルスがオア回路
７７を介して計数部１８の加算端子に加えられ、
その逓倍パルスの計数が行われる。したがつて、
スピンドルの移動距離がスケール１の全長を越え
ても連続的にその移動距離に応じて計数部１８の
計数値が増加することになる。また、この切換出
力の送出と同時に位相ずれ演算部１９に記憶され
ているずれ距離も計数部１８に加算される。

次に、この状態からスピンドル４が下方に移動
させられ始めると、方向判別部１４から判別出力
が送出されなくなり、アンドゲート７５が遮断
し、アンドゲート７６が導通してアンドゲート７
２から導入される逓倍パルスをオア回路７８を介
して計数部１８の減算端子に送り、減算計数を行
わせることになる。したがつて、以後、スピンド
ルの下降距離に応じて計数部１８の計数値は減少
していくことになる。

続いて、さらにスピンドル４が下方に移動させ
られ、スケール１が検出器２と対向し、その下側
の受光素子２１に周期的出力が発生すると、切換
出力発生部１６からの切換出力の送出が停止し、
アンドゲート７１が導通し、アンドゲート７２が
遮断される。この結果、検出器２の周期的出力を
逓倍部１１により逓倍したパルスがアンドゲート
７３，７４に加えられることになるが、このとき
方向判別部１２からは判別出力が送出されないの
で、アンドゲート７４のみが導通し、そこを通過
したパルスがオア回路７８を介して計数部１８の
減算端子に加えられ、減算計数されることにな
る。したがつて、スピンドル４がその全長を越え
る距離だけ下方に移動しても連続的にその移動距
離に応じて計数部１８の計数値が減少することに
なる。また、この切換出力の送出停止と同時に、
位相ずれ演算部１９から計数部１８に加えられて
いたずれ距離は減算されることになる。

以上の計果、スピンドル４の移動距離は、スケ
ール１の全長の約２倍の距離にわたつて連続的に
計数部１８の計数値に変換されることになる。

なお、上記実施例においては、スケール１の全
長の約２倍の移動距離を測定するものを例示した
が、検出器をさらに増加して上方に配列し、か
つ、隣合う検出器について前記と同様の切換を行
うことにより測定範囲は拡張される。

また、上記実施例は本発明をリニアゲージに実
施した場合であるが、受信部の配列されたスケー
ルに対して２つの受信部からなる検出器を対向さ
せてその相対的な移動距離を測定する移動距離測
定器には前記と同様に実施できる。

また、上記実施例においては、検出器２，３に
発生する出力を４逓倍する場合につき例示した
が、必要な測定分解能と精度により逓倍部を省略
したり、あるいは逆にさらに多逓倍するようにし
てもよい。

また、上記実施例においては、位相ずれ演算部
の演算を周期的出力間の位相ずれ時間と周期的出
力の周期の比としたが、受光素子２１，２２，３
１，３２に発生する電圧出力を同時にサンプルホ
ールドし、その電圧V₂₁，V₂₂，V₃₁，V₃₂から次
の演算式により位相ずれθを算出し、ずれ距離を
求めるようにしても同様である。

θ＝tan^-1（V₃₁／V₃₂）−tan^-1 （V₂₁／V₂₂） 以上のとおりであり、本発明は、高分解能、高
精度に発信部が配列される短尺スケールに対し
て、その長手方向にスケール全長より短い間隔で
複数個の検出器を配列し、隣合つた検出器とスケ
ールとの対向状態に応じて計数する検出器の周期
的出力を切換えると共に、その切換時には切換前
後の検出器間の位相ずれ距離を補正するので、ス
ケール全長より大きな移動距離まで連続的に、か
つ高精度、高分解能で測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明をリニアゲージに実施した例を
示す要部の斜視図、第２図は本発明の処理回路の
実施例を示すブロツク線図、第３図は検出器とス
ケールとの対向関係を表わすモデル図、第４図は
第３図の切換部の実施例を示すブロツク線図であ
る。 １：スケール、２，３：検出器、２１，２２，
３１，３２：受光素子、２３，２４，３３，３
４：光源、２５，３５：検出スリツト板、１１，
１３：逓倍部、１６：切換出力発生部、１７：切
換部、１８：計数部、１９：位相ずれ演算部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 微小ピツチで発信部を配列したスケールを検
   出器と対向させ、スケールと検出器が相対的に一
   定距離移動するごとに検出器に発生する周期的出
   力を取出し、その周期的出力またはそれを逓倍部
   を介して逓倍した出力を計数部により計数させる
   移動距離測定器において、前記検出器を複数個と
   し、その各検出器はスケールの長手方向にスケー
   ル全長より短い間隔で配列し、隣合つた位置に配
   列した検出器の周期的出力を切換制御部と位相ず
   れ演算部に各導入して両検出器の周期的出力の有
   無に応じた切換出力と両検出器の周期的出力の位
   相ずれに対応したずれ距離出力とを発生させ、前
   記切換出力に応じて計数部と接続する検出器また
   は逓倍部を選択的に切換えると共に、その切換の
   前後の検出器間における前記ずれ距離出力を計数
   部に加えることを特徴とする移動距離測定器。