(57)【要約】スケールと読取装置との間の変位を測定するための、光学的測定スケール１４と相補的なスケール読取装置１０が開示されている。スケール１４と読取装置１０は、スケール１４と読取装置１０との間に光学的な連通をもたらす液体Ｃを用いるようになっている。液体Ｃは機械の冷却材または油であるのが好ましい。スケールは、周期的なマークを有するステンレス鋼の細長い条片であるのが好ましい。スケール読取装置１６は、表面の損傷を防ぐために、硬質のコーティング（図４の３０）、例えばダイヤモンド状の炭素を窓の上に有することができる窓１６を備えている。過度の悪影響なしに、液体が不足していてもスケールと読取装置を互いに動かすことができる。スケールと読取装置との間の回転相互移動が記載されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スケール読取装置（１０）を有する変位測定装置において、
前記スケール読取装置が液体（Ｃ）の支持体を用いるようになったことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
スケール（１４）とスケール読取装置（１０）とを有する変位測定装置において、
前記スケールと前記スケール読取装置が、液体（Ｃ）を介して互いに光学的に連通するようになったことを特徴とする変位測定装置。
【請求項３】
スケール（１４）と相補的なスケール読取装置（１０）とを有する変位測定装置において、
前記スケールと前記読取装置の両方が、前記スケール（１４）と前記スケール読取装置（１０）との間に液体（Ｃ）を用いるようになったことを特徴とする変位測定装置。
【請求項４】
前記スケールと前記相補的なスケール読取装置は、それぞれが相対的に移動している間、液体の薄い膜によって分離されていることを特徴とする請求項３に記載の変位測定装置。
【請求項５】
前記スケール読取装置が、格子（３２）が形成された透明な窓を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の変位測定装置。
【請求項６】
前記窓が２つの面を有し、一方の面は、液体を用いるか、または液体を介して互いに光学的に連通するようになっており、他方の面は、前記面上に形成された格子を有することを特徴とする請求項５に記載の変位測定装置。
【請求項７】
前記スケールが細長く、ほぼ平坦な面を有することを特徴とする請求項２乃至請求項６のいずれか１つに記載の変位測定装置。
【請求項８】
前記窓が、前記スケール表面の平面度の偏差に適応するように、支持体（２２）に対して自由に移動（Ｅ、Ｒ、Ｐ）することを特徴とする請求項５に記載の変位測定装置。
【請求項９】
前記スケールの長手方向を横切る前記窓の移動が抑制されていることを特徴とする請求項８に記載の変位測定装置。
【請求項１０】
前記スケールと前記スケール読取装置が、液体がなくても、または不足していも接触するようになったことを特徴とする請求項２乃至請求項８のいずれか１つに記載の変位測定装置。
【請求項１１】
前記窓がコーティング（３０）を有することを特徴とする請求項５乃至請求項１０のいずれか１つに記載の変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、変位測定装置に係るもので、光学スケールとスケール読取装置の構成、および該構成のために適合されたスケールまたはスケール読取装置に関するものである。
【０００２】
従来、スケールおよびスケール読取装置は、スケールとスケール読取装置との間の相対的移動を示す周期的な信号を生成するように相補的な光学素子に頼っている。一般には、長手方向に周期的に変わる反射または光透過特性をもつ細かなパターンを有する細長いスケールがある。スケール読取装置は、長手方向に前後移動するように配置され、光が通過する１つまたはそれ以上の格子を有している。この光は、スケールに反射されるか、または該スケールを通過する。１つまたは複数個の格子の後ろにある１つの光検出器によって、スケールに対して読取装置が移動する際に生じる、交互する光のバンドをカウントすることが可能になる。通常、スケールと読取装置との間には、正確な空隙（いわゆる、「乗上げ高さ」）が維持されている。
【０００３】
このようなシステムは、光のバンドを正確にカウントするために非常に清浄な条件を必要とする。清浄度を保証する１つの方法は、スケールと読取装置を保護ハウジング内に収容することである。
【０００４】
保護されたスケールと読取装置は、米国特許第５，８５６，６６８号に示されている。この特許においては、スケールは、ごみがない状態を維持するために、チャネル内に収容される。このようなシステムでは、スケールを密封するようにシールが用いられる。これらのシールは摩耗しやすく、摩擦を生じて、読取ヘッド上の抗力からヒステリシスをもたらすことになる。
【０００５】
工作機械の環境は、一般に湿気があって汚く、この環境においては保護されたスケールでさえも汚染されやすい。例えば、乳化油の形態の汚れた機械冷却材が、スケールを汚染するか、または凝結を起こす可能性がある。汚染によって、光のバンドが誤ってカウントされたり、スケールおよび／または読取装置の部品に恒久的な引っかき傷が生じたりする。さらに、例えば、あふれ出た冷却材またはごみ汚染物によって、スケールと読取装置との間の隙間が完全に塞がれることがある。従って、スケールと読取装置の種々の要素への幾らかの汚染および損傷が光検出器からの移動測定信号を著しく劣化させない構成のような、複雑な保護なしに上手く作動できるスケールと読取装置の構成が有利である。
【０００６】
本発明の好ましい実施例は、保護されていないスケールと読取装置を製作することができる。さらに、互いに対して摺動するスケールおよび読取装置の部品に損傷があっても、作動可能であるスケールおよび読取装置が提供される。
【０００７】
本発明によれば、液体の支持体を用いるようになったスケール読取装置を有する変位測定装置が提供される。
【０００８】
別の態様によれば、本発明は、液体を介して相互に光学的に連通するようになったスケールとスケール読取装置とを有する変位測定装置を提供するものである。
【０００９】
他の態様によると、本発明は、スケールと読取装置との間に液体を用いるようになったスケールと相補的なスケール読取装置とを有する変位測定装置を提供するものである。
【００１０】
好ましくは、スケールと相補的なスケール読取装置は、それぞれの相対的移動の間、液体の薄い膜によって分離されている。
【００１１】
好適には、スケール読取装置は、窓の上に格子を形成することができる透明な窓を有している。好ましくは、スケールは細長く、ほぼ平坦な面を有している。窓は、スケール表面の平面度の偏差に適応させるために、支持体に対して自由に動くようにすることができるが、このスケール表面の平面に対して平行な平面内での移動は、制限することができる。
【００１２】
従って、この部分的な移動によって、窓は、スケールの平面度におけるあらゆる起伏に従って動くことができるようになるが、スケールに沿った移動方向に対する位置と、横移動と、偏揺れ運動などは制御される。
【００１３】
使用中、スケールに最も近い窓の表面は、引っかき傷抵抗コーティング、可能であれば、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）コーティングを有することができる。
【００１４】
読取装置は、進行方向の窓の前に少なくとも１つのワイパ要素を有することができる。この要素は、スケールを濡らし、および／またはごみを取り除くために、吸収パッドにすることができる。読取装置は、液体の供給手段を有することができる。
【００１５】
別の態様によれば、本発明は、互いに接触するようになったスケールとスケール読取装置とを有する変位測定装置を提供するものである。
【００１６】
相互接触は、液体なしで行うことができる。
【００１７】
例示的な実施例が、図面に関連して以下に説明される。
【００１８】
本発明が、工作機械での使用に関して詳細に説明されているが、これは１つの特定の用途を例示するものに過ぎず、本発明の範囲内において他の多くの利用が可能であることが理解されるべきである。また、直線的な移動が示されているが、角変位や他の非直線的変位の測定が本発明によって可能であり、例えば、１つの平面内の２次元の変位の測定も可能である。
【００１９】
図１は、周期的なマーク（図２および図４の２８で、釣り合いがとれて図示されていない）を有する測定スケール１４を示している。一般に、このようなマークは、４０ミクロン間隔であるが、如何なる周期にすることができる。このスケールは、ステンレス鋼材料で作ることができる。多くの変形例があるスケール読取装置１０の一例が概略的な形状で示されている。
【００２０】
発光体１２が光Ｓを発生し、この光Ｓは窓１６の上の格子（図２および図５の３２）を通って（大きな影響なく）進み、スケール１４で反射される。次に、光Ｄは、再び格子３２を通って進む。光が格子３２を通って進むときに、干渉縞が生じ、この干渉縞を検出器１８によって検出することができる。読取装置１０がスケール１４に対して矢印Ｔの方向に進むときに、この縞をカウントすることができる。格子３２は、位相格子として示されている。他の格子または格子の組合せが可能である。１つのこのような代案が、米国特許第５，３０２，８２０号に示されている。
【００２１】
窓１６とスケール１４は、例えば１μｍから５０μｍまでの厚さの、この場合には機械の冷却材である液体Ｃの薄い膜が存在する、境界面（図４、図５および図６に詳細が示され、後で説明される）を有している。冷却材Ｃは、パイプ２６から供給される。
【００２２】
従来のシステムにおいては、スケールの上の読取器の乗上げ高さは、機械の軸受、摺動体、および機械の軸受または摺動体と相補的な同種のものを用いて正確に求めることができる。本システムは、液体界面の液体力学的な圧力によって、または液体界面が失われた場合には直接の接触によって、乗上げ高さを求めることができるようにするものである。この方法では、例えば削りくずなどによって汚染されることになる露出した相補的な機械の軸受または摺動体が無い。乗上げ高さは、時間が経つにつれて実質的に変化しない。この構成において、読取装置ユニット１０は、液体またはごみの進入を防ぐために、密封され、防水加工されている。
【００２３】
図２は、スケール１４と窓１６を示している。先に述べたような相対的な移動方向Ｔと光路ＳおよびＤが、また示されている。スケール１４と窓１６を互いに保持するために、読取装置１０に予荷重Ｆが加えられる。この予荷重は、液体界面における流体力学的な圧力を消滅させるのに十分な程ではない。
【００２４】
図３は、スケール１４に対する窓１６の移動の部分的な自由度を示している。たとえ、スケールが真に平らでなくても、格子１６がスケール１４に従うことができるように、幾らかの自由度があることが望ましい。例えば、スケール、またはそれだけでなく、スケールが取り付けられる表面が、歪んでいたり、曲がっていたり、またはねじれていたりすることがある。３つの矢印Ｅ、ＲおよびＰは、液体と共に格子１６が正確な高さでスケール１４の表面に従うことを可能にする格子１６の移動の自由度を示している。自由度は、窓の高さＥ、回転Ｒ、およびピッチＰである。高さＥは、この場合には、平行に配置された２つの弾性部材２０によって与えられることができる。部材２０は、板ばねとすることができ、これによって、動きＥを支持体２２と平行にすることができる。弾性部材２０を用いて予荷重Ｆを与えることができる。もちろん、別個のばねが予荷重Ｆを与えてもよく、弾性部材２０を平行なリンク機構と置き換えることができる。回転ＲおよびピッチＰは、ジンバル式構成によって与えることもできる。このジンバル式構成は、スケール１４の線に沿った１つの回転軸線と、このスケールの延長部分に対して垂直な１つの軸線とを有することができる。この構成では、窓１６は、たとえスケール１４の表面が完全に平らでなくても、スケール１４の表面に従うことができる。しかしながら、移動方向Ｔの動きと、横方向の動きおよび偏揺れ（支持体２２に対する軸線Ｒおよび軸線Ｐの両方に垂直な軸の周りの回転）は制限されている。すなわち、スケールの平面に平行な平面内の如何なる動きも制限される。
【００２５】
図４は、スケールと読取装置の境界面の拡大図を示している。スケールのマーク２８がＤＬＣコーティング３０と共に示されている。いずれも釣り合った大きさで示されてはいない。スケール１４と窓１６との間に液体Ｃが示されている。
【００２６】
図５は、スケールと読取装置のさらに拡大した図を示している。窓は２つの面を有しており、一方の面は液体Ｃと接触し、それによって液体を介してスケールと読取装置との間に光学的な連通を設けており、また、他方の面の上には格子が形成されている。例えば、エッチングによって窓１６の上面に直接に形成された格子のマーク３２が示されているが、これもまた釣り合った大きさでは示されていない。別の格子が可能である。
【００２７】
図６は、図４の窓１６を横断する部分断面図を示しており、分かりやすくするために拡大されている。説明のために、例えば、機械の冷却材の汚れ３６によって生じることのある引っかき傷３４が示されている。
【００２８】
一般に、空気が、光Ｓを伝える媒体である場合に、引っかき傷３４が存在すると、空気と窓との間の屈折率の変化によって、許容できない光の散乱が引き起こされることがある。このような引っかき傷は、測定システムの作動に好ましくないものとなる。光の散乱は、光Ｓと引っかき傷の表面との間の大きな入射角および引っかき傷の表面の凸凹によって引き起こされる。しかしながら、本発明においては、液体と窓１６の屈折率が非常に近接しているので、引っかき傷の影響は、とりわけて重要ではない。従って、窓またはこの窓のＤＬＣコーティングに引っかき傷がついていても、光Ｓは、散乱せれず、変位の測定を行うことができる。液体が引っかき傷を埋めるので、従って、屈折の影響は最小になる。たとえスケール上の液体が不足していても、引っかき傷は液体によって十分に埋められる。
【００２９】
図７は別の窓１６を示している。パッド４０が窓の下部面に固着（例えば、接着などによって）されている。パッドは、例えば、Ｐ．Ｔ．Ｆ．Ｅ．（ポリテトラフルオロエチレン）またはリン青銅のような軸受材料で形成することができる。パッド４０は、光ＳおよびＤが通過する領域３８が、覆われていない。スケール１４とパッド４０との間の如何なる接触も、窓１６の光を伝導する部分に傷をつけてはならない。
【００３０】
この領域には、液体Ｃが直接に供給されなければならず、この液体は、加圧することができる。
【００３１】
図８および図９は、スケール読取装置１０を支持するための別の構成を示している。支持体２２に対して読取装置を案内して支持するための２つの部材２０がまた示されている。部材２０は、ピボット点Ｐで収束する平面内に取り付けられたほぼ等しい長さの平らな可撓部材である。ピボット点は、部分的なピッチ回転Ｐ（図３）が生じる軸線、すなわち窓とスケールとの間の境界面における軸線と一致している。
【００３２】
図８および図９に示される２つの構成は、図３に関して上述されたのと同じ動きを可能にし、かつ制限するものである。図８および図９の部材２０が可撓性を有し（すなわち座屈し、屈曲する）、窓のスケールの平面度のあらゆる偏差に適応させるのに必要な動きを協働して与えるので、ピッチＰ、回転Ｒ、および高さＥの全てが可能なものとなる。
【００３３】
多くの変更が本発明の範囲内で可能である。特に、窓１６と格子３２は、１つの要素（例えば、図５）として示されている。しかしながら、窓の表面に引っかき傷が付けられることがあるので（図７に示される窓にさえも起こり得る）、窓１６と別個に格子３２を有するのが有利である。この別個の窓だけをＤＬＣで被覆することができ、これに引っかき傷がつけられた場合に修理部品として交換できるようにすることができる。窓を、サファイア材料、すなわちＤＬＣより柔らかい材料で作り、この窓がスケールの表面をこすった場合に、スケールの表面を損傷させないようにする。読取装置が移動する際に、スケールを濡らすために要素２４を設けることができ、この要素を付加的または代替的に用いてスケール上のあらゆるごみを取り除くように拭うことができる。これらの要素２４は、吸収パッドの形とすることができる。
【００３４】
要素２４は、比較的大きなごみを取り除くような形状（例えば、機械加工の削りくずを取り除くための雪かき器のような形状）にすることができる。
【００３５】
読取装置１０は、スケール１４に対して動かすことができるし、読取装置に対してスケール１４を動かすことも、或いは両方を動かすことができ、いずれの場合においても相対的な変位が求められるようになる。
【００３６】
また、液体Ｃは、機械の冷却材以外の他のものにすることができる。液体Ｃは、どんな液体であってもよく、例えば要素２４に対して汲み上げ、重力送りし、または吸上げて、例えば、単純にスケールが浸漬される液体浴などの方法のいずれかのよって供給することができる。この用途に用いるために、油は適切な液体であり、冷却材のように干上がることがないという点で、機械用の冷却材よりも優れた利点を有している。水は、例えば水中の用途に使用することができる。冷却材または別の乳濁剤が用いられる場合には、洗浄剤が導入されて乳化を維持することができる。
【００３７】
本発明が、スケールと読取装置の窓との間に液体の膜を有するものとして図示、説明されたが、この構成では、流体の境界面が僅ずかしかないか、または存在しないように乾燥してしまう可能性がある。このような状況においては、スケールと窓との間が接触するようになる。ここに述べられた構成が、著しい損傷なしに、「乾燥」を生じ得ることが、実験によって示されている。特に、窓上のＤＬＣコーティングは、「乾燥」が起こるときに、良好な引っかき傷抵抗を付与する。しかしながら、液体の境界面は、スケールおよび窓に生じられる摩耗を、乾燥が生じるときよりも、はるかに少なくしている。
【００３８】
スケールは、図示された反射型のものでなく、透明なものにすることができ、この場合には、発光体１２が窓１６と反対側に配置することができ、光Ｓがスケールを通って、窓／液体の境界面に伝わり、窓および格子を通って検出器１８にまで伝わる。対向する発光体とスケールとの間に液体の境界面があるようにすることができる。
【００３９】
窓１６またはパッド４０の前縁を、図示された面取り形状に形成できる。この形状は、格子の経路にあるごみを取り除く助けとなるし、あるいはまた窓が動くときに、窓を持ち上げるのを助ける。この形状は、例えば丸くしたり、階段状になった、または鋭利な縁部とすることができる。丸い縁部は、窓上のＤＬＣコーティングの削り取りを減少させることが分かっているので、この丸い縁部は、図４、図５および図６に示される窓には好ましいものである。
【００４０】
液体の境界面において好ましい動的効果を生じさせるために、窓の形状および面積、荷重Ｆ、および液体粘度の好ましい組合せを実験によって求めることができる。
【００４１】
全ての図面が、読取装置をスケール上に示しているが、本発明はそれに限られるものではない。スケールと読取装置の部品を如何なる配向にすることも可能であり、例えば、スケールを窓の上に配置することもできる。このような配向においては、液体の境界面は維持される。
【００４２】
図示されているスケールと読取装置は直線状である（一般に直線エンコーダと呼ばれる）。しかしながら、本発明の範囲内で、スケールと読取装置との間の回転相互変位も可能である（一般に回転エンコーダと呼ばれる）。
【００４３】
光検出器１８に達する光の量が、スケール読取装置の位置の変化やスケール劣化によって変わるので、自動利得制御を用いて読取装置によって発信された信号をほぼ一定に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に従ったスケールおよびスケール読取装置の概略図を示す。
【図２】
図１に示される幾つかの部品の斜視図を示す。
【図３】
図２に示される部品の許容可能な移動の概略図を示す。
【図４】
図１、図２および図３に示されるスケールおよびスケール窓の間の境界面の詳細を示す。
【図５】
図４の拡大した図を示す。
【図６】
図４のＡ−Ａ部分のさらに拡大した図を示す。
【図７】
本発明の１つの概念に従った別の実施例を示す。
【図８】
本発明の別の概念に従ったスケール読取装置支持体の別の構成を示す。
【図９】
本発明の別の概念に従ったスケール読取装置支持体のさらに別の構成を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004509348.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004509348.tif 000011
【国際公開パンフレット】
2004509348.tif 000012
2004509348.tif 000013
2004509348.tif 000014
2004509348.tif 000015
2004509348.tif 000016
2004509348.tif 000017
2004509348.tif 000018
2004509348.tif 000019
2004509348.tif 000020
2004509348.tif 000021
2004509348.tif 000022
2004509348.tif 000023
2004509348.tif 000024
2004509348.tif 000025
2004509348.tif 000026
【国際調査報告】
2004509348.tif 000027
2004509348.tif 000028