(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に目盛群を形成したスケールと、前記目盛群の原点からの前記目盛のそれぞれの寸法値の実測値を記憶した記憶手段と、前記スケールの表面上で測定対象物の寸法ないし位置に応じて前記スケールに対し相対的に移動される撮像手段であって、前記スケールの表面において該撮像手段に対向する部分の前記目盛の画像を撮影する撮像手段と、該撮像手段により撮影された前記目盛の画像において該撮像手段の視野内の特定の測定点と前記目盛の位置関係を認識し、該位置関係と、前記記憶手段に記憶された前記原点からの前記目盛のそれぞれの寸法値の実測値とに基づいて、前記原点からの前記測定点の寸法値を求める処理を行なう処理手段を有する光学式スケール装置であって、
前記スケールは、表面に、互いに直交するｘ方向とｙ方向に一定間隔で目盛群を形成した二次元スケールとして構成され、
前記撮像手段は、前記二次元スケールの表面上で測定対象物の位置に応じて前記二次元スケールの表面に平行な面内でｘ方向とｙ方向に相対的に移動するように構成され、
前記処理手段は、前記撮像手段により撮影された前記目盛の画像において該撮像手段の視野内の特定の測定点と前記目盛の位置関係を認識し、該位置関係と、前記記憶手段に記憶された前記原点からの前記目盛のそれぞれのｘ方向とｙ方向の寸法値の実測値とに基づいて、前記原点からの前記測定点のｘ方向とｙ方向の寸法値を求める処理を行なうとともに、
前記二次元スケールは、表面に、所定寸法の正方形をｘ方向とｙ方向にマトリクス状に配置し、さらに前記正方形のそれぞれを同じ大きさの二等辺直角三角形に二分し、それぞれを異なる２色で着色してなる二次元目盛を形成したものであることを特徴とする光学式スケール装置。
【請求項２】
表面に目盛群を形成したスケールと、前記目盛群の原点からの前記目盛のそれぞれの寸法値の実測値を記憶した記憶手段と、前記スケールの表面上で測定対象物の寸法ないし位置に応じて前記スケールに対し相対的に移動される撮像手段であって、前記スケールの表面において該撮像手段に対向する部分の前記目盛の画像を撮影する撮像手段と、該撮像手段により撮影された前記目盛の画像において該撮像手段の視野内の特定の測定点と前記目盛の位置関係を認識し、該位置関係と、前記記憶手段に記憶された前記原点からの前記目盛のそれぞれの寸法値の実測値とに基づいて、前記原点からの前記測定点の寸法値を求める処理を行なう処理手段を有する光学式スケール装置であって、
前記スケールは、スケール設置面に対して所定角度傾斜した表面に、前記スケール設置面に平行な平面内で互いに直交するｘ方向とｙ方向に一定間隔で目盛群を形成し、前記所定角度の傾斜によって前記ｙ方向に一定間隔の目盛群が前記ｘ方向とｙ方向に対して垂直なｚ方向に一定間隔の目盛群となるようにした三次元スケールとして構成され、
前記撮像手段は、前記三次元スケールの表面上で測定対象物の位置に応じて前記ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向に相対的に移動し、前記三次元スケールの表面において該撮像手段に対して前記ｙ方向とｚ方向に対向する部分のそれぞれの前記目盛の画像を撮影するように構成され、
前記処理手段は、前記撮像手段により撮影された前記目盛の画像のそれぞれにおいて該撮像手段の視野内の特定の測定点と前記目盛の位置関係を認識し、該位置関係と、前記記憶手段に記憶された前記原点からの前記目盛のそれぞれの前記ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の寸法値の実測値とに基づいて、前記原点からの前記測定点の前記ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の寸法値を求める処理を行なうことを特徴とする光学式スケール装置。
【請求項３】
前記三次元スケールは、表面に、所定寸法の長方形をｘ方向とｙ方向にマトリクス状に配置し、さらに前記長方形のそれぞれを対角線によって４分し、該４部分を異なる４色で着色してなる三次元目盛を形成したものであることを特徴とする請求項２に記載の光学式スケール装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、目盛群を形成したスケールを用いて測定対象物の寸法、位置（座標）ないし移動量を光学的に測定する光学的スケール装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記の光学的スケール装置の一種として、光学的リニアスケール装置が知られている。この装置は、目盛（具体的には線又はスリット）を一定間隔で形成した一直線状のリニアスケールと、このスケールの長手方向に沿って可動に設けられてスケールの目盛を光学的に検出する検出手段を有し、この検出手段が測定対象物の寸法、或いは一直線上の位置ないし移動量にともなって原点から移動される間に検出した目盛の数をカウントして累計することにより、測定対象物の寸法、或いは一直線上の位置ないし移動量を測定するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の光学的リニアスケール装置の構成では、高精度に測定を行なうためには、スケールの目盛のそれぞれの原点からの寸法値を高精度に設定する必要があり、そのためにコストがかかるという問題があった。また、装置が使用される環境の温度によってスケールの長さが変化して目盛のそれぞれの原点からの寸法値が変化するので、測定結果の温度補正を行なう必要があるが、目盛のそれぞれの原点からの寸法値が高精度に設定されていなければ、温度補正を簡単に適正に行なうことができないという問題があった。
【０００４】
ところで、上記のスケールを二次元の平面として目盛群を二次元の方向のそれぞれに形成するとともに、上記の検出手段をスケールの平面に沿って二次元方向に可動に設けることにより、測定対象物の二次元方向の位置（座標）を測定する光学的スケール装置を構成できる。また、上記のスケールを三次元のものとして目盛群を三次元の方向のそれぞれに形成するとともに、上記の検出手段をスケールに沿って三次元方向に可動に設けることにより、測定対象物の三次元方向の位置（座標）を測定する光学的スケール装置を構成できる。このような二次元ないし三次元的な測定を行なう光学的スケール装置の場合でも、上記の問題が当てはまる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明によれば、二次元の位置ないし移動量の測定を行なう光学式スケール装置において、表面に目盛群を形成したスケールと、前記目盛群の原点からの前記目盛のそれぞれの寸法値の実測値を記憶した記憶手段と、前記スケールの表面上で測定対象物の寸法ないし位置に応じて前記スケールに対し相対的に移動される撮像手段であって、前記スケールの表面において該撮像手段に対向する部分の前記目盛の画像を撮影する撮像手段と、該撮像手段により撮影された前記目盛の画像において該撮像手段の視野内の特定の測定点と前記目盛の位置関係を認識し、該位置関係と、前記記憶手段に記憶された前記原点からの前記目盛のそれぞれの寸法値の実測値とに基づいて、前記原点からの前記測定点の寸法値を求める処理を行なう処理手段を有する光学式スケール装置であって、
前記スケールは、表面に、互いに直交するｘ方向とｙ方向に一定間隔で目盛群を形成した二次元スケールとして構成され、
前記撮像手段は、前記二次元スケールの表面上で測定対象物の位置に応じて前記二次元スケールの表面に平行な面内でｘ方向とｙ方向に相対的に移動するように構成され、
前記処理手段は、前記撮像手段により撮影された前記目盛の画像において該撮像手段の視野内の特定の測定点と前記目盛の位置関係を認識し、該位置関係と、前記記憶手段に記憶された前記原点からの前記目盛のそれぞれのｘ方向とｙ方向の寸法値の実測値とに基づいて、前記原点からの前記測定点のｘ方向とｙ方向の寸法値を求める処理を行なうとともに、
前記二次元スケールは、表面に、所定寸法の正方形をｘ方向とｙ方向にマトリクス状に配置し、さらに前記正方形のそれぞれを同じ大きさの二等辺直角三角形に二分し、それぞれを異なる２色で着色してなる二次元目盛を形成したものである構成を採用した。
また、三次元の位置ないし移動量の測定を行なう光学式スケール装置の構成として、表面に目盛群を形成したスケールと、前記目盛群の原点からの前記目盛のそれぞれの寸法値の実測値を記憶した記憶手段と、前記スケールの表面上で測定対象物の寸法ないし位置に応じて前記スケールに対し相対的に移動される撮像手段であって、前記スケールの表面において該撮像手段に対向する部分の前記目盛の画像を撮影する撮像手段と、該撮像手段により撮影された前記目盛の画像において該撮像手段の視野内の特定の測定点と前記目盛の位置関係を認識し、該位置関係と、前記記憶手段に記憶された前記原点からの前記目盛のそれぞれの寸法値の実測値とに基づいて、前記原点からの前記測定点の寸法値を求める処理を行なう処理手段を有する光学式スケール装置であって、
前記スケールは、スケール設置面に対して所定角度傾斜した表面に、前記スケール設置面に平行な平面内で互いに直交するｘ方向とｙ方向に一定間隔で目盛群を形成し、前記所定角度の傾斜によって前記ｙ方向に一定間隔の目盛群が前記ｘ方向とｙ方向に対して垂直なｚ方向に一定間隔の目盛群となるようにした三次元スケールとして構成され、
前記撮像手段は、前記三次元スケールの表面上で測定対象物の位置に応じて前記ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向に相対的に移動し、前記三次元スケールの表面において該撮像手段に対して前記ｙ方向とｚ方向に対向する部分のそれぞれの前記目盛の画像を撮影するように構成され、
前記処理手段は、前記撮像手段により撮影された前記目盛の画像のそれぞれにおいて該撮像手段の視野内の特定の測定点と前記目盛の位置関係を認識し、該位置関係と、前記記憶手段に記憶された前記原点からの前記目盛のそれぞれの前記ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の寸法値の実測値とに基づいて、前記原点からの前記測定点の前記ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の寸法値を求める処理を行なう構成を採用した。
この場合、前記三次元スケールは、例えば、表面に、所定寸法の長方形をｘ方向とｙ方向にマトリクス状に配置し、さらに前記長方形のそれぞれを対角線によって４分し、該４部分を異なる４色で着色してなる三次元目盛を形成したものとする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態として、測定対象物の長さ、幅、厚さなどの寸法、あるいは一直線上の位置ないし移動量の測定を行なう光学式リニアスケール装置の実施形態を図１〜１０により説明する。
【００１８】
図１は、本実施形態の光学式リニアスケール装置の全体の概略構成を示している。ここに示すように、光学式リニアスケール装置は、リニアスケール１、スライドブロック２、ＣＣＤカメラ３、及びパソコン４から構成される。以下、これらの詳細を説明する。
【００１９】
リニアスケール１は、金属等の材料から一直線のレール状に形成され、その表面（上面）には、所定幅（太さ）の目盛線１１がスケール１の長手方向に沿って一定間隔で形成されている。図２に示すように、目盛線１１は、例えば幅Ｗ1と間隔Ｗ2を０．２〜１ｍｍ程度とし、長さＬを２〜１０ｍｍとする。
【００２０】
また、図２に示すように、目盛線１１のそれぞれに付属して、寸法値記号１２が目盛線１１のそれぞれの内側（図２中で下側）の端の近傍に形成されている。寸法値記号１２は、図１，２中で左端の目盛線１１を原点Ｏの目盛線として、それぞれが付属する目盛線１１の原点Ｏからの寸法値を示す。厳密に言うと、原点Ｏの目盛線の図２中の左側縁から各目盛線１１の左側縁までの寸法値を示す。この寸法値は、設計値としての寸法値であり、目盛線１１の幅Ｗ1と間隔Ｗ2の和（Ｗ1＋Ｗ2）の設計値を単位として、その倍数で示す寸法値である。その数値そのものは、原点Ｏの目盛線１１を０番目として、原点Ｏの目盛線１１から右側へ数えた各目盛線１１の順序数の値となる。寸法値記号１２は、数値の表現方法として、ここでは１本の短い線を「１」、その線の無しを「０」として複数ビットの２進数の表現で数値を示している。なお、（Ｗ1＋Ｗ2）の設計値が１ｍｍならば、寸法値記号１２の示す数値はそのままｍｍ単位の寸法値を示すことになる。
【００２１】
なお、寸法値記号１２における寸法値の表現形態は、上述した２進数の表現形態に限らず、線を複数列にしたり、太さを複数種類に設定したりして、より複雑な表現形態によって、小さなスペースでより大きな数値まで示せるようにすることもできる。また線に限らず、点やその他の図形により寸法値を示してもよい。また、技術的には困難であるが、小さなスペースで認識さえ可能であれば、寸法値記号１２を数字としてもよい。
【００２２】
また、目盛線１１と寸法値記号１２の形成方法は、特に限定するものではないが、写真焼き付けが良く、焼き付け材料は鋼、真鍮、アルミなど、化学的に安定して経年変化の無い硬質材を利用することができる。
【００２３】
次に、図１に示したスライドブロック２は、リニアスケール１をレールとして、スケール１上でスケール１の長手方向（図１中の左右方向）に摺動可能に設けられている。本装置で不図示の測定対象物の寸法を測定する場合、スケール１の上述した目盛線１１の原点Ｏの位置において測定対象物と係合させる不図示の係合部材が設けられるとともに、スライドブロック２に測定対象物と係合させる不図示の係合部材が設けられ、測定対象物の測定する寸法に応じてスライドブロック２がスケール１の長手方向に沿って移動させられる。また、本装置で測定対象物の一直線上の位置ないし移動量を測定する場合、スライドブロック２は測定対象物と結合され、測定対象物の移動に伴ってスケール１の長手方向に沿って移動させられる。
【００２４】
また、ＣＣＤカメラ３は、スライドブロック２に搭載され、上記のように測定対象物の寸法ないし移動に応じて移動するスライドブロック２とともにリニアスケール１上を移動し、リニアスケール１の表面においてＣＣＤカメラ３に対向する部分の目盛線１１と寸法値記号１２の画像を撮影する。図３に示すように、ＣＣＤカメラ３はレンズ系３１、ＣＣＤイメージセンサ３２、これの駆動制御を行なうセンサ駆動制御回路３３からなり、レンズ系３１を介してスケール１の目盛線１１と寸法値記号１２の画像がＣＣＤイメージセンサ３２の受光面に結像されて画像信号に光電変換され、その画像信号がパソコン４に出力される。
【００２５】
次に、パソコン４の構成を図４のブロック図により説明する。図４に示すパソコン４の構成において、ＣＰＵ４０は、バス５２を介してパソコン４の各部にアクセスし、ＲＯＭ４１に格納された制御プログラム、及びハードディスクなどの外部メモリ５１から外部メモリコントローラ５０を介してＲＡＭ４２に転送された制御プログラムを実行し、パソコン４の全体を制御する。外部メモリ５１からＲＡＭ４２に転送されたオペレーティングシステムのプログラムをＣＰＵ４０が実行することにより、ディスプレイコントローラ４８を介してＬＣＤなどのディスプレイ４９にユーザーインターフェースのための各種の表示がなされる。この表示に基づいて操作者がキーボード４５ないしマウス４７を操作することにより、キーボードコントローラ４４ないしマウスコントローラ４６を介して各種のキー入力ないしマウスの入力がなされ、その入力に応じてＣＰＵ４０が各種の処理を実行する。例えば外部メモリ５１から指定されたアプリケーションプログラムをＲＡＭ４２に転送し、それを実行する。
【００２６】
そのアプリケーションプログラムには、光学式リニアスケール装置のプログラムが含まれるものとし、それをＣＰＵ４０が実行することにより、パソコン４が光学式リニアスケール装置の制御部として機能するとともに、ＣＣＤカメラ３により撮影された画像に基づいて測定対象物の寸法、位置ないし移動量の測定値を求めるための画像処理及び演算処理を行なう処理手段として機能する。その場合、パソコン４は、ＣＣＤインターフェース２３を介してＣＣＤカメラ３を制御し、ＣＣＤカメラ３から先述した目盛線１１と寸法値記号１２の画像信号を入力し、その画像信号を処理し、その処理結果の画像に基づいて、ＣＣＤカメラ３の視野内の特定点、例えば中心点を測定点として、その測定点の目盛線１１群上の位置により、リニアスケール１の原点ＯからのＣＣＤカメラの移動量（前記測定点の原点Ｏからの寸法値）を求める。これにより測定対象物の寸法、一直線上の位置ないし移動量を測定することができる。以下、上記処理手段としてのパソコン４の処理の詳細を説明する。
【００２７】
まず、上記処理を行なうための前提として、光学式リニアスケール装置のプログラムのデータには、図５に示すように、上述したリニアスケール１における寸法値記号１２のそれぞれによる目盛線１１のそれぞれの原点Ｏからの寸法値の設計値と、その寸法値の実測値を対応付けたデータテーブルが付属しているものとする。その実測値は、予め、本装置のリニアスケール１の目盛線１１を、別に高精度に正確に形成された基準のリニアスケールの目盛線と対比、較正して求められるものとし、標準状態として例えば温度２０℃の環境での実測値とする。なお、図５のデータは、判り易くするために、目盛線１１の（Ｗ1＋Ｗ2）の設計値を１ｍｍとした場合のデータを示している。
【００２８】
次に、本装置が寸法、位置ないし移動量の測定を行なう場合のパソコン４の処理動作を図６〜１０により説明する。
【００２９】
図６は、上述した光学式リニアスケール装置のプログラムによるパソコン４の処理手順、すなわちＣＰＵ４０の処理手順を示すフローチャート図である。
【００３０】
この処理では、まずステップＳ１でＣＣＤカメラ３を起動する。起動されたＣＣＤカメラ３はリニアスケール１の表面のＣＣＤカメラ３と対向する部分の目盛線１１と寸法値記号１２の画像を撮影し、その画像信号を出力する。
【００３１】
次に、ステップＳ２において、ＣＣＤカメラ３から画像信号を入力する。
【００３２】
次に、ステップＳ３において、上記入力した画像信号による複数本の目盛線１１とこれに付属した寸法値記号１２のそれぞれの画像を鮮明にするために２値化する。この処理を図７により説明する。図７は、ＣＣＤカメラ３により撮影された目盛線１１の１本の画像を、その歪みを誇張して示している。ここで歪んだ目盛線１１の画像の周囲の破線で示した部分は、目盛線１１の色を黒として、ボケによる淡い黒の部分である。２値化処理では、このボケによる淡い黒の部分をカットし、その内側の濃い黒部分を残す。寸法値記号１２の画像についても同様に２値化して鮮明にする。
【００３３】
次に、ステップＳ４において、図７のように歪んでいる２値化処理後の目盛線１１の画像の長手方向に沿う２辺を寸法基準線として直線化する処理を行なう。
この処理について図８により説明する。
【００３４】
この処理の前提として、図８に示すようにＣＣＤカメラ３のＣＣＤ走査線（水平走査線）３４が目盛線１１の長手方向と直交する、つまり目盛線１１の画像の上記の寸法基準線と直交するように構成しておく。
【００３５】
そして直線化処理では、図８に示すように、まず、２値化した目盛線１１の画像の濃い黒の部分内にＣＣＤ走査線３４と直交する直線Ｂを引き、目盛線１１の長手方向両端の辺と直線Ｂとの交点ＢA，ＢBを求め、線分ＢAＢBの中央点ＢCを求める。
【００３６】
次に、直線Ｂ上で中央点ＢCの左右両側に等間隔で（又は一定のルールにより）Ｎ点（Ｎ＝４，６…）を取り、点Ｂ1，Ｂ2，Ｂ3…ＢNとする（図示を簡単にするため、点ＢCの左側に取った点のみ示す）。そして、点Ｂ1，Ｂ2，Ｂ3…ＢNの位置のそれぞれでＣＣＤ走査線３４が目盛線１１の画像の長手方向に沿う一辺と交わる点を求め、それぞれを図９に示すように点ｉ1，ｉ2，ｉ3…ｉNとする。
【００３７】
さらに、点ｉ1，ｉ2，ｉ3…ｉNにおける線分Ｂ1ｉ1，Ｂ2ｉ2，Ｂ3ｉ3…ＢNｉNの長さの値から、平均値又はその他の関数曲線を引き、これを第１寸法基準線とする。
【００３８】
さらに、第１寸法基準線から点ｉ1，ｉ2，ｉ3…ｉNの偏差δ1，δ2，δ3…δNを取り、これから一定値より大きい偏差を除き、残りの偏差の平均値などにより関数曲線を引き、これを第２寸法基準線とする。これを収束するまで続行し、収束した正確な寸法基準線を求める。
【００３９】
次に、図６のステップＳ５において、ＣＣＤカメラ３により撮影された複数本の目盛線１１の内でＣＣＤカメラ３の視野内の中心点などの特定の測定点に対して１番目と２番目に近い２本の目盛線１１のそれぞれに付属する寸法値記号１２のそれぞれの画像を認識して、それぞれが示している原点Ｏからの寸法値（設計値）を読み取り、さらに、前述した図５のデータテーブルから前記の読み取った寸法値（設計値）のそれぞれに対応した実測値の寸法値のそれぞれを読み取る。
【００４０】
次に、ステップＳ６において、上記のＣＣＤカメラ３で撮影した画像における測定点に近い２本の目盛線１１と測定点（例えばＣＣＤカメラ３の視野の中心点）との位置関係を認識し、これに基づいてリニアスケール１の原点Ｏからの前記測定点の寸法値（ｘ座標）を求める。ここで、測定点がたまたま１本の目盛線１１の図２中左側縁の真上に位置するという稀な場合を除いて、殆どの場合、例えば図１０に示すように、測定点Ｐは、隣り合う２本の目盛線１１の図中左側縁のそれぞれの間にある。そして、２本の目盛線１１の図中左側縁のそれぞれの原点Ｏからの寸法値の実測値は、ステップＳ５で得ているので、撮影画像中において、測定点Ｐから前記２本の目盛線１１の左側縁までの距離の比ｍ：ｎを認識することにより、この比と前記実測値に基づいて測定点Ｐの原点Ｏからの寸法値を算出することができる。
【００４１】
すなわち、図１０中で２本の目盛線１１のそれぞれの左側縁の原点Ｏからの寸法値の実測値をａ，ｂとして、測定点Ｐの原点Ｏからの寸法値（ｘ座標）Ｐxは、
Ｐx＝ａ＋（ｂ−ａ）×ｍ／（ｍ＋ｎ）
の式の演算により求めることができる。
【００４２】
なお、測定点Ｐがたまたま１本の目盛線１１の左側縁の真上に位置する場合は、その位置の寸法値の実測値はステップＳ５で得ているので、上記の式の演算によらずに測定点Ｐの寸法値が求められることは勿論である。
【００４３】
次に、図６のステップＳ７において、ステップＳ６で求めた測定点Ｐの寸法値を温度補正する。この補正は、図５の寸法値の実測値を求めた標準状態の環境温度（例えば２０℃）と、現在の環境温度、及びリニアスケール１の熱膨張係数などに基づいた演算処理により行なう。現在の環境温度は、予め不図示の温度センサにより検出するか、或いは操作者にキーボード４５で入力させておく。
【００４４】
次に、ステップＳ８において、ステップＳ７で補正した結果の寸法値を測定結果の寸法値、一直線上の位置ないし移動量の値としてディスプレイ４９に表示する。
【００４５】
次に、ステップＳ９において、キーボード４５からの入力などにより測定の終了が指示されたか否か判断し、終了が指示されていなければステップＳ２に戻ってＳ２以下の処理を繰り返す。また、終了が指示されたらステップＳ１０でＣＣＤカメラ３の駆動を停止した後、処理を終了する。
【００４６】
以上のような本実施形態の装置によれば、リニアスケール１の目盛線１１それぞれの原点Ｏからの寸法値が高精度に設定されておらず、それぞれ多少の誤差があっても、各目盛線１１の原点Ｏからの寸法値の実測値に基づいて、測定対象物の寸法、或いは一直線上の移動量ないし位置の測定を行なうので、高精度に測定を行なうことができる。そして、リニアスケール１において原点Ｏからの目盛線１１のそれぞれの寸法値を高精度に設定するためにコストをかけずに済み、装置を安価にすることができる。また、測定結果の温度補正は、各目盛線１１の原点Ｏからの寸法値の実測値を求めた際の標準状態の例えば２０℃という環境温度と実際の測定時の環境温度との温度差に基づいて、容易に行なうことができる。
【００４７】
なお、本実施形態の装置を用いて単位時間当たりの測定対象物の移動量を測定することにより、測定対象物の速度を測定することができ、さらに単位時間当たりの速度の変化を測定することにより加速度を測定することもできる。
【００４８】
また、以上の説明では、測定対象物の寸法、移動量ないし位置に応じてＣＣＤカメラ３がリニアスケール１に対して移動するものとしたが、その移動は相対的なものであり、ＣＣＤカメラ３を固定してリニアスケール１を移動させても良い。
【００４９】
また、本実施形態では、測定時にＣＣＤカメラ３の視野内の測定点に対して１番目と２番目に近い２本の目盛線１１のそれぞれの原点Ｏからの寸法値（設計値）をそれぞれに付属する寸法値記号１２により認識するものとしたが、寸法値記号１２を設けず、ＣＣＤカメラ３が原点Ｏから移動するものとして、カメラ３の原点Ｏからの移動開始時から測定位置到達時までにカメラ３の視野内の測定点が通過する目盛線１１の数をカウントすることにより、前記測定点に対して１番目と２番目に近い２本の目盛線１１のそれぞれの原点Ｏから何本目かという順序数値を得て、その順序数値に対応した原点Ｏからの寸法値（設計値）を認識することもできる。
【００５０】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態として、回転角度の測定を行なう光学式ロータリースケール装置について図１１により説明する。
【００５１】
図１１は、本実施形態の装置の基本的な構成を説明するものである。本実施形態の装置は、ここに示すボールベアリング１１０と、不図示のＣＣＤカメラ及びパソコンから構成される。
【００５２】
ボールベアリング１１０は、同心に配置された外輪１１１と内輪１１３の間にボール１１２を回転可能に挟み込んだものとして構成され、外輪１１１と内輪１１３が互いに対して相対的に回転可能である。ここでは、外輪１１１を固定して内輪１１３を回転可能とし、内輪１１３を測定対象の回転軸１１６に結合し、回転軸１１６の回転角度、すなわち内輪１１３の回転角度を測定するものとする。
【００５３】
内輪１１３は、ロータリースケールとして構成されており、その円形の表面には、その周方向に沿って所定角度、例えば１度間隔で目盛線１１４が形成されている。また、目盛線１１４のそれぞれに付属して、その目盛線１１４の原点Ｏからの回転角度値（設計値）を示す角度値記号１１５が目盛線１１４のそれぞれの内側近傍に形成されている。角度値記号１１５の回転角度値を示す表現形態は、第１の実施形態における寸法値記号１２と同様とし、例えば先述した２進数の表現形態とする。なお、目盛線１１４と角度値記号１１５の形成方法は、例えば第１の実施形態の目盛線１１、寸法値記号１２と同様に、写真焼き付けとする。
【００５４】
このように構成したボールベアリング１１０の内輪１１３の目盛線１１４、角度値記号１１５を形成した表面、すなわちスケール面に対向して不図示のＣＣＤカメラを固定し、これにより内輪１１３の表面においてＣＣＤカメラに対向する部分の目盛線１１４と角度値記号１１５の画像を撮影し、その画像信号を不図示のパソコンに入力する。
【００５５】
なお、予め内輪１１３の目盛線１１４のそれぞれの原点Ｏからの回転角度値の実測値（標準状態として例えば温度２０℃の環境での実測値）を求め、角度値記号１１５で示される各目盛線１１４の回転角度値の設計値と実測値のデータを対応付けたデータテーブルを装置のプログラムのデータとともにパソコンの外部メモリに格納しておく。
【００５６】
そしてパソコンにおいて、第１の実施形態で行なった図５の処理と全く同様の処理を、ＣＣＤカメラから入力された目盛線１１４と角度値記号１１５の画像に関して行ない、同様に測定点と目盛線１１４の位置関係を認識し、この位置関係と目盛線１１４の原点Ｏからの回転角度値の実測値に基づいて測定点の回転角度値を算出することにより、回転軸１１６の回転角度の測定を高精度に行なうことができる。
【００５７】
以上のような本実施形態の装置によれば、回転角度の測定を行なうことができ、その際に、第１の実施形態と全く同じ理由により、目盛線１１４のそれぞれの原点Ｏからの回転角度値が高精度に設定されていなくても、回転角度の測定を高精度に行なうことができ、測定結果の温度補正を容易に行なうこともできる。
【００５８】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態として、二次元の平面上での測定対象物の位置（ｘｙ座標）ないし移動量を測定する光学式スケール装置の実施形態を図１２，１３により説明する。
【００５９】
図１２は、本実施形態の装置の基本的な構成を説明するものである。ここに示すように、本実施形態の装置は、二次元スケール１３、ＣＣＤカメラ１２１及びパソコン４から構成される。
【００６０】
二次元スケール１３は、平板状に形成され、その表面（上面）には、図１３に示す二次元目盛１３０が印刷などで形成されている。二次元目盛１３０は、所定寸法（一辺の長さが０．２〜１ｍｍ程度）の正方形を直交するｘ方向とｙ方向に隙間なくマトリクス状に配置し、さらに各正方形を同じ大きさの二等辺直角三角形に二分し、それぞれを図１３中で「赤」と「青」の文字で示すように、赤色部１３１と青色部１３２として着色したものとなっている。
【００６１】
なお、図１３中において、赤色部１３１と青色部１３２の中の数字は、二次元目盛１３０の図中左上の隅を原点Ｏとして、原点Ｏからのｘ方向への列の順序数ないしｙ方向への行の順序数を示しているが、その数字、ないしそれを示す記号が実際に記載されている訳ではない。
【００６２】
ＣＣＤカメラ１２１は、不図示の支持手段に支持され、二次元スケール１３の二次元目盛１３０が設けられた上面に平行な平面内でｘ方向とｙ方向に可動に設けられており、不図示の測定対象物の位置に応じてｘ方向ないしｙ方向に移動する。そして、二次元目盛１３０においてＣＣＤカメラ１２１に対向する部分の画像を撮影する。
【００６３】
ＣＣＤカメラ１２１は、レンズ系１２２、色分離プリズム１２３、２つのＣＣＤイメージセンサ１２４，１２５及びこれを駆動する不図示のセンサ駆動制御回路からなる。二次元目盛１３０の画像がレンズ系１２２と色分離プリズム１２３を介してＣＣＤイメージセンサ１２４，１２５の受光面に結像されるが、色分離プリズム１２３で赤色と青色が分離されることにより、赤色部１３１の画像がセンサ１２４、青色部１３２の画像がセンサ１２５に結像される。センサ１２４，１２５がセンサ駆動制御回路によって駆動されることにより、赤色部１３１の画像信号と青色部１３２の画像信号がパソコン４に出力される。
【００６４】
パソコン４は、基本的には第１の実施形態と同様に、ＣＰＵがスケール装置用のアプリケーションプログラムを実行することにより、スケール装置の制御部として機能するとともに、測定値を求める処理を行なう処理手段として機能する。なお、赤色部１３１と青色部１３２の境界線でｙ方向に沿う境界線とｘ方向に沿う境界線（直角三角形の赤色部１３１と青色部１３２のそれぞれの直角を挟む二辺）はそれぞれｘ方向の目盛線とｙ方向の目盛線となる。この目盛線のそれぞれの原点Ｏからのｘ方向とｙ方向の寸法値の実測値（標準状態として例えば２０℃の環境温度での実測値）が予め求められ、そのデータと前記寸法値の設計値のデータを対応付けたデータテーブルがパソコン４の実行するスケール装置のプログラムのデータに付属して、パソコン４の外部メモリのハードディスク装置などに格納されているものとする。
【００６５】
本装置による位置の測定時には、パソコン４は、ＣＣＤカメラ１２１から入力される赤色部１３１と青色部１３２の画像により、ＣＣＤカメラ１２１の視野内の特定の測定点の赤色部１３１と青色部１３２による目盛群上の位置を認識する。
【００６６】
そのために、ＣＣＤカメラ１２１が二次元目盛１３０上の原点Ｏの位置から測定位置まで移動する間にＣＣＤカメラ１２１の視野内の特定の測定点が通過する赤色部１３１と青色部１３２のそれぞれのｘ方向の列数とｙ方向の行数をカウントする。これにより、測定点に対して図１３中左上側に隣接した赤色部１３１と青色部１３２のそれぞれの行と列の順序数がわかり、これから測定点を囲む正方形をなす、赤色部１３１ないし青色部１３２の目盛線としてのｙ方向とｘ方向に沿う境界線の原点Ｏからのｘ方向ないしｙ方向の寸法値の設計値を求め、さらにこれから実測値を求める。そして、前記の寸法値の実測値を求めた各目盛線と測定点との位置関係を認識し、前述した第１の実施形態の場合と同様にして、前記の位置関係と各目盛線の原点Ｏからの寸法値の実測値に基づいて、原点Ｏからの測定点のｘ方向とｙ方向の寸法値を算出する。こうして測定対象物の位置（ｘｙ座標）を測定することができる。また、位置の測定結果に基づいて移動量或いは移動速度を測定することもできる。
【００６７】
なお、前記の位置関係を高精度に検出するために、その前に赤色部１３１ないし青色部１３２の画像に関して第１の実施形態で説明した二値化および寸法基準線の直線化の処理を行なうことは勿論である。
【００６８】
上記の測定は、赤色部１３１のみの画像、或いは青色部１３２のみの画像によって行なうことができるが、両者を用いて二重に行なうことにより、測定精度を向上させることができる。また、赤色部１３１と青色部１３２の一方の画像を用いて測定対象物の位置の測定を行ない、他方の画像を用いて移動量、或いは移動速度の測定を行なうこともできる。
【００６９】
以上のような本実施形態の装置によれば、二次元のｘ，ｙ方向の位置、移動量ないし移動速度の測定を行なうことができ、その場合に第１の実施形態と全く同じ理由により高精度に測定を行なうことができ、測定結果の温度補正も容易である。
【００７０】
なお、以上の構成で二次元目盛１３０を形成する２色は赤と青に限らないことは勿論である。またＣＣＤカメラ１２１を固定して二次元スケール１３を移動させるようにしてもよい。
【００７１】
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態として、三次元での測定対象物の位置（ｘ，ｙ，ｚ座標）ないし移動量を測定する光学式スケール装置の実施形態を図１４，１５により説明する。
【００７２】
本実施形態の装置は、図１４に示す三次元スケール１４０と、図１５に示すＣＣＤカメラ１５０、及び不図示のパソコンから構成される。
【００７３】
三次元スケール１４０は、基材が透明な平板からなるスケール板１４１を、断面が直角三角形のベース１４７によって、図中水平なスケール設置面１４８に対して所定角度α傾斜して支持したものとして構成されている。スケール板１４１の表面には三次元目盛１４２が印刷などで形成されている。三次元目盛１４２は、これを図中鉛直方向（ｚ方向）の真上から見て正方形に見えるような長方形をｘ方向とｙ方向に隙間なくマトリクス状に配置し、さらに各長方形を対角線で４分し、その４つの部分を異なる４色、ここでは文字で示すように、赤、緑、青、白に着色したものとして構成されている。そして、三次元スケール１４０本体内に設けられた不図示の照明手段によってスケール板１４１が裏から赤、緑、青の三色で照明され、その透過光によって赤色部１４３、緑色部１４４、青色部１４５、白色部１４６が発色するようになっている。
【００７４】
なお、図１４中に矢印で示すように、上記のｘ方向とｙ方向は、スケール設置面１４８に平行な平面内で互いに直交する２方向であり、ｚ方向はｘ方向とｙ方向に直交する方向である。
【００７５】
三次元目盛１４２において、隣り合う上記長方形どうしの赤色部１４３と青色部１４５の境界線はｘ方向目盛線となり、緑色部１４４と白色部１４６の境界線はｙ方向の目盛線となる。またスケール板１４１がα度傾斜していることにより、ｙ方向の目盛線としての緑色部１４４と白色部１４６の境界線がｚ方向の目盛線を兼ねることになる。これらの目盛線の不図示の原点からのｘ方向、ｙ方向、ないしｚ方向の寸法値の実測値（標準状態として例えば２０℃の環境温度での実測値）が予め求められ、そのデータと前記寸法値の設計値のデータを対応付けたデータテーブルが不図示のパソコンの実行するスケール装置のプログラムのデータに付属して、パソコンのハードディスク装置などの外部メモリ装置に格納されているものとする。
【００７６】
ＣＣＤカメラ１５０は、不図示の支持手段に支持され、三次元スケール１４０の三次元目盛１４２上でｘ，ｙ，ｚの三次元方向に可動に設けられており、不図示の測定対象物の位置に応じて三次元方向に移動する。そして、三次元目盛１４２においてＣＣＤカメラ１５０に対してｚ方向とｙ方向に対向する部分のそれぞれの画像を撮影する。
【００７７】
ＣＣＤカメラ１５０は、レンズ系１５１、２つのＣＣＤイメージセンサ１５２，１５３及びこれを駆動する不図示のセンサ駆動制御回路からなり、レンズ系１５１の先端部には半透ミラー１５４と２画像を識別するためのグリーンフィルター１５６が設けられ、後端部には半透ミラー１５５が設けられている。半透ミラー１５４によって二分されるレンズ系１５１の光軸の一方は、スケール設置面１４８に対して垂直（図中鉛直方向）すなわちｚ方向になり、他方はスケール設置面１４８に対して平行（図中水平方向）でｙ方向になるように構成されている。
【００７８】
次に、本実施形態の装置の動作を説明する。測定時には、図１５に示すように、スケール板１４１の三次元目盛１４２上でＣＣＤカメラ１５０のレンズ系１５１のｚ方向の光軸が交わる点Ａ近傍の画像がレンズ系１５１の半透ミラー１５４，１５５を透過して一方のＣＣＤイメージセンサ１５２の受光面に結像される。この場合、三次元目盛１４２の４色部１４３〜１４６からなる長方形は正方形として結像される。その画像はＣＣＤイメージセンサ１５２により光電変換され、不図示のパソコンに入力される。
【００７９】
パソコンは、入力された画像について前述した二値化処理、直線化処理を行なった後、入力画像において、上述した赤色部１４３と青色部１４５の境界線をｘ方向の目盛線、緑色部１４４と白色部１４６の境界線をｙ方向の目盛線として、ＣＣＤカメラ１５０の視野内の特定の測定点Ｐと前記ｘ方向、ｙ方向の目盛線との位置関係を認識し、それと各目盛線の原点からの寸法値の実測値に基づいて測定点Ｐのｘ，ｙ座標を算出する。その方法は、先述した第３の実施形態で二次元目盛１３０の赤色部１３１と青色部１３２のｙ方向とｘ方向の境界線をｘ方向とｙ方向の目盛線としたのを、三次元目盛１４２の赤色部１４３と青色部１４５の境界線と、緑色部１４４と白色部１４６の境界線をｘ方向とｙ方向の目盛線とするように置きかえるだけで、第３の実施形態と同様のものとし、その説明は省略する。
【００８０】
一方、三次元目盛１４２上でＣＣＤカメラ１５０のレンズ系１５１のｙ方向の光軸が交わる点Ｂ近傍の画像がレンズ系１５１の半透ミラー１５４，１５５に反射されて他方のＣＣＤイメージセンサ１５３の受光面に結像され、光電変換されてパソコンに入力される。パソコンは、入力された画像について前述した二値化処理、直線化処理を行なった後、入力画像において上述した緑色部１４４と白色部１４６の境界線をｚ方向の目盛線として、ＣＣＤカメラ１５０の視野内の特定の測定点Ｐと前記ｚ方向の目盛線との位置関係を認識し、それと各目盛線の原点からの寸法値の実測値に基づいて測定点Ｐのｚ座標を算出する。その方法は、上記のｘ座標ないしｙ座標の算出のための方法と同様である。
【００８１】
このようにして、測定点Ｐのｘ，ｙ，ｚ方向の座標を算出し、測定対象物の三次元方向の位置を測定でき、位置の測定結果に基づいて移動量、移動速度、ないしは加速度を測定することもできる。この場合、第１〜第３の実施形態と同様に、原点から目盛線までの寸法値の実測値に基づいて測定を行なうので、測定を高精度に行なうことができ、測定結果の温度補正も容易に行なうことができる。
【００８２】
なお、上述した第４の実施形態の構成において、半透ミラー１５４，１５５を透過する光は屈折するため、ＣＣＤイメージセンサ１５２上に結像される点Ａ近傍の画像の位置に誤差が出るので、半透ミラー１５４，１５５は逆向きに配置し、さらに前記誤差を補正する補正計算を行なうものとする。
【００８３】
また、半透ミラー１５５の代わりに色分割プリズムを用いることにより、三次元目盛１４２の画像を３色（赤、緑、青）の画像に分離し、それぞれの色の画像を３つのＣＣＤイメージセンサ上に結像して撮影すれば、画像が判り易く、測定精度が向上する。
【００８４】
また、レンズ系１５１と三次元目盛１４２の距離は、測定対象物の位置に応じて変化するが、その距離の変化にかかわらず、三次元目盛１４２の画像がＣＣＤイメージセンサ１５２，１５３上で常に鮮明に結像するように、レンズ系１５１が構成されるものとする。
【００８５】
また、スケール板１４１の傾斜角度αは、ｚ方向とｘ，ｙ方向の寸法精度の優先度により決定するものとし、ｚ方向について優先するならαを大きくする。
【００８６】
なおＣＣＤカメラ１５０を固定し、三次元スケール１４０を移動させるようにしてもよい。
【００８７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、測定対象物の寸法、位置ないし移動量を測定する光学式スケール装置において、スケールの目盛群の原点からの目盛の寸法値が高精度に設定されていなくても、測定を高精度に行なうことができ、前記原点からの目盛の寸法値を高精度に設定するためにコストをかけずに済み、装置を安価にすることができる。また、測定結果の温度補正を容易に行なうこともできるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における光学式リニアスケール装置の構成を示す概略構成図である。
【図２】同装置のリニアスケールの目盛線と寸法値記号の詳細を示す一部拡大図である。
【図３】同装置のＣＣＤカメラの構成を示す概略構成図である。
【図４】同装置の制御部及び測定値を求める処理手段としてのパソコンの構成を示すブロック図である。
【図５】同パソコンの外部メモリに格納されるリニアスケールの目盛線の原点からの寸法値の設計値と実測値のデータテーブルを示す表図である。
【図６】同リニアスケール装置のプログラムによるパソコンの処理手順を示すフローチャート図である。
【図７】同装置における目盛線の画像の二値化処理を説明する説明図である。
【図８】二値化処理後の目盛線の画像に対する寸法基準線の直線化処理を説明する説明図である。
【図９】同直線化処理を説明する説明図である。
【図１０】同装置のＣＣＤカメラの視野内の特定の測定点と目盛線の画像との位置関係により測定点の位置（座標）を算出する方法を説明する説明図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態による光学式ロータリースケール装置の構成要素であるボールベアリングの一部拡大図である。
【図１２】第３の実施形態における光学式スケール装置の全体の構成を示す概略構成図である。
【図１３】同装置の二次元スケールの二次元目盛の構成を示す説明図である。
【図１４】第４の実施形態における光学式スケール装置の三次元スケールの構成を示す斜視図である。
【図１５】同装置のＣＣＤカメラの構成と三次元目盛の画像の撮影動作を説明する説明図である。
【符号の説明】
１  リニアスケール
２  スライドブロック
３  ＣＣＤカメラ
４  パソコン
１１  目盛線
１２  寸法値記号
１３  二次元スケール
３１  レンズ系
３２  ＣＣＤイメージセンサ
３３  センサ駆動制御回路
４０  ＣＰＵ
４１  ＲＯＭ
４２  ＲＡＭ
４３  ＣＣＤインターフェース
５１  外部メモリ
１１０  ボールベアリング
１１１  外輪
１１２  ボール
１１３  内輪（ロータリースケール）
１１４  目盛線
１１５  角度値記号
１２１  ＣＣＤカメラ
１２２  レンズ系
１２３  色分離プリズム
１２４，１２５  ＣＣＤイメージセンサ
１３０  二次元目盛
１４０  三次元スケール
１４１  スケール板
１４２  三次元目盛
１５０  ＣＣＤカメラ
１５１  レンズ系
１５２，１５３  ＣＣＤイメージセンサ
１５４，１５５  半透ミラー
【図１】
0004603121.tif 000002
【図２】
0004603121.tif 000003
【図３】
0004603121.tif 000004
【図４】
0004603121.tif 000005
【図５】
0004603121.tif 000006
【図６】
0004603121.tif 000007
【図７】
0004603121.tif 000008
【図８】
0004603121.tif 000009
【図９】
0004603121.tif 000010
【図１０】
0004603121.tif 000011
【図１１】
0004603121.tif 000012
【図１２】
0004603121.tif 000013
【図１３】
0004603121.tif 000014
【図１４】
0004603121.tif 000015
【図１５】
0004603121.tif 000016