特許 7582876 変位測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-05

(45)【発行日】2024-11-13

(54)【発明の名称】変位測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/245 20060101AFI20241106BHJP

【ＦＩ】

G01D5/245 110W

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021018626

(22)【出願日】2021-02-08

(65)【公開番号】P2022121329

(43)【公開日】2022-08-19

【審査請求日】2024-01-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100143720

【弁理士】

【氏名又は名称】米田 耕一郎

(72)【発明者】

【氏名】山室 祐貴

【審査官】細見 斉子

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３６０８４１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００４－１６３２０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－０５３６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１９０８５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１０－５３２１５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２８８５７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｄ ５／００－ ５／３８

Ｇ０１Ｂ ７／００－ ７／３４

Ｇ０１Ｄ ７／００－ ７／１２

Ｇ０１Ｄ １１／００－１３／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

スケールと、
スケールに対して相対変位可能かつ所定ギャップをもって対向配置され、スケールに対する相対変位または位置を検出する検出ヘッド部と、を備えた変位測定装置であって、
前記スケールが真空環境中に配設され、
前記検出ヘッド部は、真空環境から隔絶して大気環境中に配設され、
前記検出ヘッド部は、真空環境側と大気環境側とを隔絶する収容ホルダの内部に収容されていて、
前記検出ヘッド部と前記スケールとの間の前記ギャップにおいて、前記収容ホルダは、前記検出ヘッド部と前記スケールとの間の検出用信号を通過させる中継手段を有する
ことを特徴とする変位測定装置。

【請求項2】

請求項1に記載の変位測定装置において、
前記変位測定装置が光電式エンコーダであり、
前記中継手段は、光透過性の窓である
ことを特徴とする変位測定装置。

【請求項3】

請求項2に記載の変位測定装置において、
前記検出ヘッド部の光学系は、テレセントリック光学系である
ことを特徴とする変位測定装置。

【請求項4】

請求項2または請求項3に記載の変位測定装置において、
前記スケールのパターンは擬似ランダムパターンを有する
ことを特徴とする変位測定装置。

【請求項5】

請求項1から請求項4のいずれかに記載の変位測定装置において、
スケールはガラススケールである
ことを特徴とする変位測定装置。

【請求項6】

請求項1に記載の変位測定装置において、
当該変位測定装置が静電容量式エンコーダであり、
前記中継手段は、誘電体または分割された導体である
ことを特徴とする変位測定装置。

【請求項7】

請求項1に記載の変位測定装置において、
当該変位測定装置が電磁誘導式エンコーダであり、
前記中継手段は、磁性体を除く、誘電体または導体である
ことを特徴とする変位測定装置。

【請求項8】

請求項1に記載の変位測定装置において、
前記収容ホルダの前記スケールに対向する面以外の面が大気環境に繋がる開放側端面になっていて、
当該開放側端面は、気密性を保ちながら当該収容ホルダの内部が大気環境に繋がるように、大気環境に繋がる配管と接続されている
ことを特徴とする変位測定装置。

【請求項9】

請求項1に記載の変位測定装置において、
前記収容ホルダの前記スケールに対向する面は、前記中継手段を有するとともに、気密性を保持しながら真空環境と大気環境を隔絶するように塞がっており、
前記収容ホルダの前記スケールに対向する面以外の面が大気環境に繋がる開放側端面になっていて、当該開放側端面にフランジ部が設けられており、このフランジ部にシーリング材あるいはコーキング剤を挟み込むようにして気密性を保ちながら当該収容ホルダの内部が大気環境に繋がるように、当該開放側端面は、大気環境に繋がる配管と接続されている
ことを特徴とする変位測定装置。

【請求項10】

請求項1から請求項9のいずれかに記載の変位測定装置の設置方法であって、
前記スケールを真空環境中に配設し、
前記検出ヘッド部を、真空環境側と大気環境側とを隔絶する収容ホルダに収容し、
前記検出ヘッド部を収容した収容ホルダのアセンブリを前記スケールに対して所定ギャップをもって対向配置する
ことを特徴とする変位測定装置の設置方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、変位測定装置に関する。具体的には、真空環境での使用に対応した変位測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

機械要素の位置制御のための位置検出器としてエンコーダ（変位測定装置）が広く用いられている。位置制御対象となる機械要素が真空環境下に設置される場合にはエンコーダ（変位測定装置）も真空環境で使用されることになる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－１９３９２９

【文献】特開２０１１－５９０５５

【文献】特許第５２８６５８４

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、既存のエンコーダ（変位測定装置）を真空に配設すると次のような問題があった。
エンコーダは必ずしも真空対応の構造になっているわけではないので、エンコーダに使用されている樹脂性部品や接着剤からアウトガスが発生し、これらのガスが真空度に影響する懸念があった。
また仮に、エンコーダの部品（材料）をすべて真空対応に見直すとなると、測定精度を既存のエンコーダと同程度にするには設計の見直し、実証研究が必要であり、これらのコスト、工数、時間の負担が極めて大きい。

【0005】

コストの増大を招来すること無しに既存のエンコーダと同程度の性能を保持できる真空対応の変位測定装置が求められている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の変位測定装置は、
スケールと、
スケールに対して相対変位可能かつ所定ギャップをもって対向配置され、スケールに対する相対変位または位置を検出する検出ヘッド部と、を備えた変位測定装置であって、
前記スケールが真空中に配設され、
前記検出ヘッド部は、大気中側に配設されているとともに、
前記検出ヘッド部は、真空環境側と大気環境側とを隔絶する収容ホルダに収容されていて、
前記検出ヘッド部と前記スケールとの間の前記ギャップにおいて、前記収容ホルダは、前記検出ヘッド部と前記スケールとの間の検出用信号を通過させる中継手段を有する
ことを特徴とする。

【0007】

本発明の一実施形態では、
前記変位測定装置が光電式エンコーダであり、
前記中継手段は、光透過性の窓である
ことが好ましい。

【0008】

本発明の一実施形態では、
前記検出ヘッドの光学系は、テレセントリック光学系である
ことが好ましい。

【0009】

本発明の一実施形態では、
前記スケールのパターンは擬似ランダムパターンを有する
ことが好ましい。

【0010】

本発明の一実施形態では、
スケールはガラススケールである
ことが好ましい。

【0011】

本発明の一実施形態では、
前記変位検出装置が静電容量式エンコーダであり、
前記中継手段は、誘電体または分割された導体である
ことが好ましい。

【0012】

本発明の一実施形態では、
前記変位検出装置が電磁誘導式エンコーダであり、
前記中継手段は、磁性体を除く、誘電体または導体である
ことが好ましい。

【0013】

本発明の変位測定装置の設置方法は、
前記変位測定装置の設置方法であって、
前記スケールを真空環境中に配設し、
前記検出ヘッド部を、真空環境側と大気環境側とを隔絶する収容ホルダに収容し、
前記検出ヘッド部を収容した収容ホルダのアセンブリを前記スケールに対して所定ギャップをもって対向配置する
ことを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１実施形態に係る変位測定装置の外観斜視図である。

【図2】変位測定装置の断面を模式的に表した図である。

【図3】収容ホルダの分解斜視図である。

【図4】収容ホルダを下面（底面）側からみた図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明の実施形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る変位測定装置１００の外観斜視図である。

【0016】

本実施形態の変位測定装置１００は、真空環境での使用に対応した変位測定装置１００である。
なお、変位測定装置１００の全体が真空中に配置されるのではなく、スケール２００は真空環境に配設される一方、検出ヘッド部３００は大気環境に配置される。言い換えると、互いに相対移動する機械要素の一方が真空環境中にあり、機械要素の他方が大気環境中にあるとすると、スケール２００は前記機械要素の前記一方に設置され、検出ヘッド部３００は前記機械要素の前記他方に設置されている。
これは、検出ヘッド部３００には樹脂性部品や接着剤等のガス発生要因が含まれるので、検出ヘッド部３００は真空から隔絶して大気環境側に設置することとしたものである。
以下、反射型の光電式エンコーダを例にして本実施形態を説明する。

【0017】

変位測定装置１００は、スケール２００と、検出ヘッド部３００と、収容ホルダ４００と、を備える。

【0018】

スケール２００は、長手状でかつ偏平薄板状のスケール基板２１０と、このスケール基板２１０の測位方向（長手方向）に沿って設けられたスケールパターンと、を有する。
ここでは、スケール基板２１０はガラス基板である。スケール２００は、例えば、複数の板バネ２１１で押さえるようにして設置される。

【0019】

スケールパターンは、明と暗、すなわち、光反射部と光透過部とが所定の方式で配列されたものである。スケールパターンとして複数（２以上）のトラック２２１，２２２が設けられている。ここではスケールパターンのトラック２２１，２２２は２つであって、第１スケールパターントラック２２１は擬似ランダムパターンである。

【0020】

擬似ランダムパターンは、所定の長さ区間を抽出したとき、その区間のパターンが測定範囲内で１箇所にしかなく、したがって、パターンマッチングによってその区間がスケール２００のどこにあるかが決定できるようになっている。つまり、第１スケールパターントラック２２１は絶対位置測定用のトラック２２１である。そして、擬似ランダムパターンは、冗長性を持たせるように検出ヘッド部３００の読み取り範囲を広めにしておけば、パターンの読み取りに多少の誤りがあっても訂正できるなどロバスト性が高い。その一方、パターンマッチングの演算処理にやや時間を要するので応答性はそれほど高くない。

【0021】

第２スケールパターントラック２２２は、所定のピッチで明暗が繰り返す周期パターンである。第２スケールパターントラック２２２は、いわゆるインクリメント方式用のトラック２２２であって、応答性が高い一方、光強度（信号強度）の変化によってパターンの誤検出があると、測定誤差になる。

【0022】

検出ヘッド部３００は、スケール２００のスケールパターンを読み取ってスケール２００に対する相対変位または位置を検出する。
検出ヘッド部３００は、スケール２００の測位方向（長手方向）に相対変位可能、かつ、スケール２００に対して所定のギャップをもって対向配置されている。
図２は、変位測定装置１００の断面を模式的に表した図である。
検出ヘッド部３００は、光源部と、レンズ光学系（３１０、３２０）と、受光部３３０と、筐体３４０と、を備える。

【0023】

光源部は、２つの光源（ＬＥＤ）からなり、第１トラック２２１用の第１光源と、第２トラック２２２用の第２光源と、が並設される。
なお、図２中では光源は省略している。光源からの光（検出用信号）をミラー（ハーフミラー）等の反射で向きを変え、レンズ光学系に導入すればよい。

【0024】

レンズ光学系としては、両側テレセントリック光学系が採用されている。
レンズ光学系は、光源部からの光をスケール２００に向けて照射する対物レンズユニット３１０と、スケール２００からの反射光を受光部３３０に向けて集光する結像レンズユニット３２０と、を有する。
対物レンズユニット３１０および結像レンズユニット３２０は、それぞれ、第１トラック２２１用のレンズと第２トラック２２２用のレンズとが一体的に並設された構造（レンズアレイ）である。そして、対物レンズユニット３１０の焦点に光源部（不図示）が配置されている。

【0025】

これにより、光源部から発射された光は対物レンズユニット３１０を通って平行光としてスケール２００に照射される。したがって、検出ヘッド部３００とスケール２００とのギャップを比較的広くとることができる。
また、エンコーダの設置段階における組み付け誤差の許容値も広くできる。言い換えると、エンコーダを設置する段階において、検出ヘッド部３００とスケール２００とのギャップが規定値からやや広くなったとしてもある程度の許容範囲内であればよい。また、検出ヘッド部３００とスケール２００とのギャップ変動の許容値を大きくすることができる。

【0026】

受光部３３０には光電変換する受光素子が設けられている。受光素子としては、受光素子アレイや（一次元又は二次元）ＣＣＤ（ＣＭＯＳ）カメラが例として挙げられる。

【0027】

図３は、収容ホルダ４００の分解斜視図である。
収容ホルダ４００は、検出ヘッド部３００を収容し、真空環境側と大気環境側とを隔絶する。
収容ホルダ４００は、ホルダフレーム部４１０と、ホルダベース部４５０と、を有する。
ホルダフレーム部４１０は、筒状であって、筒孔４２０内に検出ヘッド部３００を固定的に保持する。ホルダフレーム部４１０は、全体的には高さがやや低い四角柱の外形に矩形の筒孔４２０があいている形状である。

【0028】

説明のため図３を基準に収容ホルダ４００の上下方向を定めるとすると、ホルダフレーム部４１０の上端面側は大気環境に繋がる開放側である。
ホルダフレーム部４１０の下端面側はホルダベース部４５０によって気密に閉塞される密閉側である。

【0029】

ホルダフレーム部４１０の上端面側には平坦なフランジ部４１１が設けられており、このフランジ部４１１を利用して、例えば配線引き出し用の配管に接続される。検出ヘッド部３００の信号線３５０もこの配管から引き出される。
フランジ部４１１には筒孔４２０を環囲する浅溝４１２が設けられ、浅溝４１２にはＯリング（シーリング材あるいはコーキング剤）４１３が挟み込まれる。

【0030】

ホルダフレーム部４１０の上端面において、筒孔４２０内に突き出すように検出器保持板（検出器保持部）４２１が設けられている。
検出器保持板４２１は、筒孔４２０の対角位置において２つ設けられている。
検出ヘッド部３００がホルダフレーム部４１０の下方から筒孔４２０内に差し入れられた後、検出ヘッド部３００は固定ネジ４２２で検出器保持板４２１に固定される。

【0031】

ホルダベース部４５０は、ホルダフレーム部４１０の下端面側に固定ネジ４５２で固定的に取り付けられる。ホルダベース部４５０とホルダフレーム部４１０との間にはＯリング（シーリング材あるいはコーキング剤）４５１が挟み込まれる。固定ネジ４５２にはガス抜き用の孔が設けられている。

【0032】

ホルダベース部４５０の上面側には、検出ヘッド部３００に対応した凹部が設けられている。

【0033】

そして、ホルダベース部４５０は、検出ヘッド部３００とスケール２００との間で光を透過させる窓部（中継手段）４６０を有する。
図４は収容ホルダ４００を下面（底面）側からみた図である。
ホルダベース部４５０に孔が設けられ、この孔にガラス板４６１が取り付けられることで気密性を保持しながら光を透過させる窓部４６０になっている。
ガラス板４６１には、反射防止膜が設けられていてもよい。
この窓部４６０を介して、検出ヘッド部３００からの光がスケール２００に照射され、スケール２００からの反射光は窓部４６０を通って検出ヘッド部３００に戻る。

【0034】

このような構成を備える本実施形態の変位測定装置１００によれば次の作用効果を奏する。
（１）本実施形態では、スケール２００を真空環境中に配置する一方、検出ヘッド部３００は真空から隔絶して大気環境中に配置するようにした。これにより、検出ヘッド部３００から発生するガスがあったとしても、検出ヘッド部３００からのガスは真空度に影響することはない。

【0035】

（２）上記（１）の構成をとるために検出ヘッド部３００とスケール２００とのギャップが拡大してしまうという問題がある。
この点、本実施形態では、検出ヘッド部３００の光学系として両側テレセントリック光学系を採用している。これにより、検出ヘッド部３００からスケール２００に平行光を照射するようにしたので、検出ヘッド部３００とスケール２００とのギャップの拡大あるいはギャップの変動がスケール２００パターンの読み取り精度に与える影響を小さくすることができる。

【0036】

（３）検出ヘッド部３００とスケール２００とのギャップが大きくなり、さらに、検出ヘッド部３００とスケール２００との間に窓部４６０が介在すると、検出ヘッド部３００によるパターン読み取り精度に多少の影響が生じることが懸念される。
この点、本実施形態では、スケール２００パターンのトラック２２１，２２２を種類が異なる複数列設けることとしている。具体的には、擬似ランダムパターンによるアブソリュート式によってロバスト性を確保するとともに、インクリメント方式によって応答性を確保するようにしている。これにより、本実施形態の真空対応変位測定装置１００であっても既存のエンコーダと同程度の性能を保持するようにできる。

【0037】

（変形例）
上記実施形態では光電式エンコーダを例に説明したが、エンコーダの検出原理としては静電容量式あるいは電磁誘導式を採用してもよい。
静電容量式というのは、検出ヘッド部側に送信電極と受信電極とを設け、スケール側に結合電極を設け、検出ヘッド部側の電極（送信電極、受信電極）とスケールの結合電極とのキャパシタンス（電気容量）が検出ヘッド部とスケールとの相対変位に伴って変化することを利用するものである。
この場合、ホルダベース部４５０に設けられる中継手段としては、誘電体としてもよい。
例えば、ホルダベース部４５０に孔を設け、その孔に誘電体の薄板を設けるようにしてもよい。
誘電体であれば送信電極の電位（電界、電場）の分布がそのまま誘電体を介してスケール２００側に表れるので、誘電体は一枚の板でよい。

【0038】

一方、中継手段として導体を用いることもできるが、この場合は導体を細かく分割しておくことが必要であると考えられる。
例えば、検出ヘッド部側の電極（送信電極、受信電極）とスケールの結合電極との間で広い導体板があると、送信電極の電位の分布がスケールに伝わらないし、送信電極と受信電極とが中継手段としての一枚の導体に共通してカップリングするわけにもいかない。
すなわち、中継手段として導体を用いる場合、送信電極に対応する中継導体と、受信電極に対応する中継導体とは分離していること、また、送信電極に対応する中継導体は、送信電極と同じピッチで分離していること、が必要であると考えられる。

【0039】

電磁誘導式というのは、検出ヘッド部側に送信コイル（励磁コイル）と受信コイル（検出コイル）とを設け、スケール側に結合コイルを設け、検出ヘッド部側のコイル（送信コイル、受信コイル）とスケールの結合コイルとの電磁カップリング（電磁結合による起電流）が検出ヘッド部とスケールとの相対変位に伴って変化することを利用するものである。
この場合、ホルダベース部４５０に設けられる中継手段としては、磁性体を除けば、誘電体としてもよいし導体としてもよい。

【0040】

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
上記実施形態では、両側テレセントリック光学系を採用したが、例えば、物体側だけがテレセントリック光学系となる片側テレセントリック光学系としてもよい。

【符号の説明】

【0041】

１００ 変位測定装置
２００ スケール
２１０ スケール基板
２２１，２２２ トラック
３００ 検出ヘッド部
３１０ 対物レンズユニット
３２０ 結像レンズユニット
３３０ 受光部
３４０ 筐体
４００ 収容ホルダ
４１０ ホルダフレーム部
４１１ フランジ部
４１２ 浅溝
４１３ Ｏリング
４２０ 筒孔
４２１ 検出器保持板
４５０ ホルダベース部
４５２ 固定ネジ
４６０ 窓部
４６１ ガラス板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】