JP2005062194A - 位置測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出装置の出力信号の品質が改善される、位置測定装置を提供する。
【解決手段】本発明は、測定方向に延在する測定目盛と、この測定目盛を走査するための走査ユニットと、走査ユニットの検出装置とを備え、この検出装置が延長方向に周期的に配置された多数の検出素子を備え、この検出素子が測定目盛の走査時に評価ユニットに供給可能な出力信号を発生し、それぞれ隣接する複数の検出素子がまとめられて検出グループを形成し、それによって検出素子の出力信号が一つに集められて、統一的な信号として評価ユニットに供給可能である、位置測定装置に関する。本発明に従い、出力信号から少なくとも１つの所定の高調波が除去されるように、検出素子Ｅが検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４にまとめられ、かつ検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４が延長方向Ｒに並べて配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載の位置測定装置に関する。

このような位置測定装置は測定方向に沿って延びる（直線状または湾曲した）測定目盛と、この測定目盛を走査するための走査ユニットと、走査ユニットの検出装置を備えている。この検出装置は延長方向に周期的に配置された多数の検出素子を備え、この検出素子は測定目盛の走査時に評価ユニットに供給可能な出力信号を発生する。この場合、それぞれ隣接する複数の検出素子がまとめられて各々１つの検出グループを形成し、それによって検出素子の出力信号が１つに集められて、統一的な信号として評価ユニットに供給可能である。

隣接する検出素子を相互接続して各々１つの検出グループを形成することにより、第１の微細な格子構造を有する周期的な測定目盛を走査するために設けられた検出グループを備えた走査ユニットは同時に、大まかな他の格子構造を有する測定目盛を走査するために使用可能である（特許文献１参照）。

例えば大まかな格子構造を有する測定目盛が、第１の微細な格子構造を有する測定目盛のｎ倍の格子定数を有すると、例えば検出装置のｎ個の隣接する検出素子が相互接続されて１つの検出グループを形成する。それによって、大まかな格子定数を有する測定目盛を同じ検出装置で走査することができる。

このような位置測定装置の場合、測定目盛は測定方向に沿って（周期的に）並べて配置された多数の線の形をした線目盛として形成されている。この場合、測定方向は直線（線形の位置測定システム）によっておよび湾曲した線、特に円弧状に延びるセンサ（いわゆるシャフトエンコーダまたは角度測定システムの場合）によって形成可能である。検出素子は例えばフォトセルとして形成されている。このフォトセルは測定目盛を光学的に走査し、評価ユニットに供給可能な電気出力信号を発生する。

走査ユニットの検出装置の個々の検出素子は公知のごとく、第１の微細な格子定数を有する測定目盛を走査する際に高調波ろ波が行われるように形成可能である。すなわち、検出素子の輪郭を適切に選定することにより、小さな格子定数を有する測定目盛を走査する際に、設定可能な所定の高調波を除去することができる。しかし、大きな格子定数を有する大まかな測定目盛を走査するために、隣接する複数の検出素子をまとめて１つの検出グループを形成すると、大まかな測定目盛を走査する際に発生する出力信号が、重大な高調波部分を有する。この高調波部分は出力信号の他の処理や評価を妨害する（特許文献２参照）。
欧州特許出願公開第１３０８７００号公報 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５０５１７６号公報

そこで、本発明の根底をなす課題は、検出装置の出力信号の品質が改善される、冒頭に述べた種類の位置測定装置を提供することである。

この課題は、本発明に従い、請求項１の特徴を有する位置測定装置を提供することによって解決される。

この位置測定装置では、検出装置の出力信号から少なくとも１つの所定の高調波が除去されるように、検出装置の検出素子が検出グループにまとめられ、かつ検出グループが延長方向に並べて配置されている。

本発明による解決策は、出力信号からの高調波の除去が、検出素子の所定の形状だけでなく、（公知のフィルタ機能を使用して）個々の検出グループの所定の構造によっておよびその配置構造によって達成可能であるという認識に基づいている。従って、個々の検出素子を組み合わせて適切な検出グループを形成することは、選択されたフィルタ機能に依存して達成される。このフィルタ機能によって、設定された所定の高調波が出力信号から除去される。

走査すべき（大まかな）測定目盛の格子定数は好ましくは、検出装置の最小の格子定数の整数倍、すなわち検出素子の位相や相互接続を考慮しない場合の個々の検出素子の配置周期の整数倍である。

その際、それぞれ検出装置の延長方向において互いに離隔された検出グループが相互に接続され、この検出グループが１つ位相（例えば０°，９０°１８０°または２７０°）の出力信号を発生するので、その出力信号は統一的な信号として評価ユニットに供給される。すなわち、各検出グループには所定の位相の出力信号が割り当てられ、同じ位相の出力信号を有する検出グループはそれぞれ、その出力信号が共通の信号として評価ユニットに供給されるように相互接続されている。

適切なフィルタ機能によって所定の設定高調波を除去するために、一つの位相の出力信号を有する個々の検出グループを構成する検出素子の数が、少なくとも位相の一部について変化することが必要である。更に、少なくとも位相の一部について、同じ位相の互いに隣接する検出素子の間隔が変化する。延長方向に沿った検出グループの配置は特に、延長方向に沿ってそれぞれ複数の検出グループからなる基本ユニットが（好ましくは非周期的に）並べて配置されるように行われる。その際、検出装置の基本ユニットとは、高調波の所望なろ波を可能にする最小の数の検出素子を有数ユニットであると理解される。

本発明の実施形では、検出装置のすべての検出グループがトラックに沿って並べて配置されている。

他の実施形によれば、検出グループが検出装置の延長方向に対して垂直に並べられた少なくとも２つのトラックに沿って配置されている。

その際、変形によれば、異なるトラックに配置された、１つの位相の検出グループが、所定のずれ間隔Δｘだけ互いにずらして配置されている。所定の高調波ろ波のために、異なるトラックに配置された、延長方向において隣接する検出グループに関する、検出装置の延長方向のずれ間隔Δｘは、
Δｘ＝ｍ×ｄ×（１±１／（２×ｎ））
として発生し、ここで好ましくはｄ＝ｉ×ｇ_fであり、この場合ｄは走査すべき測定目盛の格子定数、ｇ_fは検出装置の最小の格子定数であり（個々の検出素子によって形成された、格子定数の微細で周期的なラスターを示す）、ｎはろ波すべき高調波の次数、ｍは整数および自然数である。

他の変形によれば、１つの位相のすべての検出グループが１つのトラックに配置され、それによって隣接するトラックがそれぞれ異なる位相の検出グループだけを備えている。この場合、それぞれの高調波のろ波のために必要な基本ユニット内に、第１と第２の位相（例えば０°と１８０°）の検出グループが一方のトラックに沿って検出装置の延長方向に並べて配置され、第３と第４の位相（例えば９０°と２７０°）の検出グループが他方のトラックに沿って検出装置の延長方向に並べて配置されている。

しかし、１つの位相の検出グループの一部を一方のトラックに、そして検出グループの一部を他方のトラックに配置してもよい。

１つの位相の信号を発生する検出グループの分配によって、検出装置の測定方向または延長方向に沿ってだけでなく、隣接する少なくとも２つのトラック上で、装置を汚れにくくすることができる。この場合更に、発生する走査信号は走査される測定目盛の線の幅の変更によって影響を受けない。

延長方向に沿った検出グループの配置が、各検出素子についての少なくとも１つの生成フィルタ機能によって決定され、この生成フィルタ機能によって隣接する検出素子が相互接続されて検出グループを形成している。好ましい他の実施形では、延長方向に沿った検出グループの配置が、少なくとも２つの生成フィルタ機能の結合によって決定され、この生成フィルタ機能が異なる検出グループおよび／または検出グループの異なる特徴に関連している。これによって、検出グループの形成によって生じる検出装置のきわめて高い充填率が達成される。すなわち、小さな格子定数を有する微細なスケールの走査のために設けられた、検出グループを形成するための検出素子が使用される。

その際、延長方向に沿った検出グループの配置は好ましくは、少なくとも２つのフィルタ補関数の結合によって決定され、このフィルタ補関数は異なる検出グループおよび／または検出グループの異なる特徴に関連している。その際、フィルタ補関数とは、例えば出力信号の高調波含有量の最小限抑制のような所定の設定に関連する全体フィルタ作用に関して補われるフィルタ関数であると理解される。例えば適切なフィルタ補関数については、本発明の特別な実施の形態を説明する際に後述する。

出力信号から高調波をろ波するために、一方ではそれぞれ相互接続された同じ位相の検出グループの間隔が延長方向に沿って変化する。この場合、同じ位相の検出グループの中心（検出装置の延長方向に見て）の平均間隔は好ましくは一定の値である。

或るフィルタ機能によれば、検出グループの間隔Δｘが次の規定
Δｘ＝ｍ×ｄ×（１±１／（２×ｎ））
に従って定められ、ここで好ましくはｄ＝ｉ×ｇ_fであり、この場合ｄは走査すべき測定目盛の格子定数、ｇ_fは個々の検出素子の周期的な配置の最小の格子定数を示し、ｎはろ波すべき高調波、ｍは整数または自然数である。

他のフィルタ関数は、同じ位相の個々の検出グループがそれぞれ異なる数の検出素子によって形成されることにより、それぞれ相互接続された同じ位相の検出グループの大きさが、検出装置の延長方向に沿って変化することを特徴とする。その際、同じ位相の平均的な大きさは好ましくは、検出グループの出力信号の基本波の周期に一致する。

具体的なフィルタ関数では、延長方向における検出グループの大きさΔｂが次の規定
Δｂ＝ｋ×ｄ／Ｎ
に従って定められ、ここで好ましくはｄ＝ｉ×ｇ_fであり、この場合ｉ，ｋは自然数、ｄは走査すべき測定目盛の格子定数、ｇ_fは個々の検出素子の周期的な配置の最小の格子定数であり、ｎはろ波すべき高調波の次数である。

高調波を抑制する際の充填率の最大化およびエラーの最小化のために、検出装置の延長方向に沿った検出グループの配置が、第１のフィルタ母関数を、第２のフィルタ母関数と結合することによって定められ、この第１のフィルタ母関数に従って検出グループの間隔が延長方向において変化し、第２のフィルタ母関数に従って検出グループの大きさが延長方向において定められる。

本発明の他の実施形によれば、延長方向における検出グループの配置が逆正弦関数に従って行われる。この場合、延長方向に沿った検出グループの位置ｘは次の関数
ｘ＝ｋ×ｄ／（２×π）×arcsin（ｋ／Ｎ）
によって表され、ここで好ましくはｄ＝ｉ×ｇ_fであり、この場合ｉ，Ｎは自然数、ｋは１よりも小さなまたは１に等しい値の整数、ｇ_fは検出素子の周期的な配置の最小格子定数、ｄは走査すべき測定目盛の格子定数である。このような逆正弦フィルタのフィルタ関数は、Ｎのために大きな値が選定されればされるほど範囲が広くなる。このようなフィルタによって、すべての高調波を捕らえることができる。

本発明のこの実施形の変形では、延長方向における検出グループの配置が２つの逆正弦関数の結合によって決定され、第２の逆正弦関数は、
ｘ＝（ｋ＋0.5）×ｄ／（２×π）×arcsin（ｋ／Ｎ）
のタイプである。

その際、第１と第２の逆正弦関数は、０°または１８０°の位相の出力信号を有する検出グループの配置構造を示す。９０°または２７０°の出力信号を発生する検出グループの位置については、適当な式が当てはまる。この場合、適当な期間の開始時に、その都度式ｋ＋0.25またはｋ＋0.75が使用される。

更に、一方の逆正弦関数は第１のトラックに沿った検出グループの配置を示し、第２の逆正弦関数は隣接する第２のトラックに沿った検出グループの配置を示す。

一般的に、検出装置の延長方向の沿ったおよび／または延長方向に対して垂直な検出グループの大きさが三角関数または逆三角関数に従って、特に正弦関数、余弦関数、逆正弦関数、逆余弦関数に従って変化すると有利である。これによって、すべての高調波（特に一層高い調波）を検出してろ波することができる。

本発明のきわめて有利な実施形では、検出装置の延長方向に対して垂直に並べて配置された検出素子が相互接続されて検出グループを形成し、それによって出力信号から設定可能な高調波が除去される。この場合、上記の延長方向に対して垂直方向の検出グループの大きさは例えば余弦関数に従って変更可能である。

本発明の他の特徴および効果は、図に基づく実施の形態の次の説明から明らかになる。

図７には、シャフトエンコーダ（角度測定システム、回転発信器）の測定目盛Ｍの一部を概略的に示している。この測定目盛はその（円弧によって定められた）延長方向Ｒに沿って周期的に並べて配置された、格子定数ｄを有する多数の目盛線（目盛マーク）Ｔからなっている。

格子定数ｄを有する測定目盛Ｍを走査するために、走査ユニットの検出装置Ｄが使用される。この検出装置はフォトセルの形をした多数の検出素子Ｅからなっている。この検出素子は横に並べて配置された２つのトラックＳ１，Ｓ２に沿って測定目盛Ｍの延長方向Ｒに並べて配置されている。

その際、フォトセルの形をした個々の検出素子Ｅの大きさ、配置構造および形状は、図７に示した測定目盛Ｍの格子定数の数分１の格子定数を有するシャフトエンコーダの測定目盛を走査する際に、個々の検出素子Ｅの形状に基づいて所定の設定された高調波を含まない出力信号を発生する。その際、個々のすべての検出素子Ｅは所定の位相を有する出力信号を発生し、延長方向Ｒにおいて互いに離隔された、同じ位相の出力信号を発生する検出素子Ｅはそれぞれの出力信号を統一された信号として評価ユニットに供給する。この評価ユニットにおいて異なる位相の出力信号が評価され、それによって延長方向または測定方向Ｒに沿った測定目盛Ｍに対する検出装置Ｄの相対位置を決定することができる。測定目盛Ｍと検出装置Ｄが工作機械の異なる２つの機械部分に付設され、それぞれこの機械部分に連結されていると、両機械部分の相対運動を検出することができる。

図７に示した測定目盛Ｍの格子定数ｄは、走査のために個々の検出素子Ｅを元の検出素子として形成および配置した測定目盛の格子定数よりも大きい。図７に示したこの測定目盛を走査するために、検出素子Ｅが検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４にまとめられている。この検出グループは両トラックＳ１，Ｓ２に分配され、そこでそれぞれ複数回登場する。その際、異なる４つのタイプの検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４が設けられている。この場合、各タイプのＧ１またはＧ２またはＧ３またはＧ４は所定の位相（０°または９０°または１８０°または２７０°）の出力信号を発生する。

その際、検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３またはＧ４の検出素子の出力信号（測定目盛Ｍを光学的に走査するフォトセルの形をした検出素子における電気的な出力信号）がそれぞれ一緒に評価ユニットに供給されるように、検出素子Ｅは互いに接続されて検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を形成している。すなわち、検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３またはＧ４の検出素子Ｅはそれぞれ電気的に相互接続されている。更に、同じ位相の出力信号を発生する、（延長方向Ｒに互いに離隔された）検出グループが互いに接続されるので、１つの位相の出力信号が評価ユニットに一緒に供給される。すなわち、位相０°の出力信号を発生するすべての検出グループＧ１が互いに電気的に接続される。位相９０°の出力信号を発生するすべての検出グループＧ２が互いに電気的に接続される。位相１８０°の出力信号を発生するすべての検出グループＧ３が互いに電気的に接続される。位相２７０°の出力信号を発生するすべての検出グループＧ４が互いに電気的に接続される。

その際、１つの検出グループの検出素子は図７においてそれぞれ同じハッチングを有することによって識別可能である。同じことが延長方向Ｒに離隔された検出グループについても当てはまる。この検出グループは一致する位相を有する出力信号を発生する。

図７から判る、隣接する検出グループの間の隙間Ｌはそれぞれ、検出グループを形成する際に使用されなかった検出素子を含んでいる。あるいは、技術的な理由から隙間Ｌにはセンサが最初から設けられていない。

次に、図１〜６に基づいて、規定を説明および分析する。この規定に従って、個々の検出素子が互いに接続されて検出グループを形成することができ、それによって一方ではできるだけ大きな充填率が得られる。すなわち、検出グループを形成する際にできるだけ多くの検出素子を使用することができる。他方では、検出グループによって形成された検出装置によって、出力信号から所定の高調波をろ波することができる。

図１〜３に示した実施の形態のための出発点はそれぞれ次の考察である。

検出グループの出力信号内の高調波を除去するために、一方では、製造規定
Δｘ＝ｍ×ｄ×（１±１（２×ｎ））
を有するいわゆる２−線フィルタの形をした間隔フィルタが適している。ここで、Δｘは隣接する検出グループの間隔、ｄは走査すべき測定目盛の格子定数、ｎはろ波すべき調波の次数であり、例えばｎ＝３またはｎ＝５である。ｍは整数である。このようなフィルタの最小の大きさは、ろ波すべき出力信号の２つの周期にわたって延在している。

高調波を除去するための他の方法は、製造規定
Δｂ＝ｋ×ｄ／ｎ
を有する単一スリットフィルタの形をした幅フィルタを使用することである。ここで、Δｂはそれぞれの検出グループの幅、ｄは走査すべき測定目盛の格子定数、ｎはろ波すべき調波、ｋは自然数の要素である。

測定方向または延長方向Ｒに延在する検出装置Ｄの最も微細なラスターｇ_f（個々の検出素子の最小の格子定数に一致する）から出発して、次の規定が生じる。

ｄ＝ｉ×ｇ_f
この規定は、検出素子Ｅを検出グループにまとめるため並びに最も微細なラスターｇ_fを適応させる格子定数よりも大きな格子定数を有する測定目盛を走査するために延長方向Ｒに沿って分配するためのものである。つまり、走査すべき測定目盛Ｍの格子定数ｄは、以下において基礎となる検出装置Ｄの最も微細なラスターｇ_fの整数倍である。そして
Δｘ＝ｄ×（１＋１／（２×ｎ）＝ｉ×ｇ_f×（１＋１／（２×ｎ）
が当てはまる。一般的に、Δｘはmod ｇ_f≠０である。すなわち、上記の製造規定に従って求められた、同じ位相の２個の検出グループの間隔Δｘは、個々の検出素子Ｅの基礎とする最も微細なラスターｇ_fの整数倍ではない。これは、間隔フィルタための製造規定に従って計算された、同じ位相の２個の検出グループの間隔Δｘが、基礎となる最も微細なラスターｇ_fの整数倍によって示されないことを意味する。実際の値に最も近い整数倍を選択すると、製造規定に従って計算した最適な間隔Δｘから偏差ｆ₁ ，ｆ₂ が生じる（エラー）。この偏差は次のように示すことができる。

ｆ₁ ＝１−^p/_2n および／または
ｆ₂ ＝ ^p/_2n
ここで、p∈IRである。この偏差は、ラスターｇ_fの整数倍に一致する、同じ位相の検出グループの実際の間隔が、理想値Δｘよりも小さく選択されるかまたは大きく選択されるかに応じて示される。

しかし、改善(最適化)されたろ波のために、前述の偏差ｆ₁ ，ｆ₂が互いに相殺可能であるという事実を利用することができる。すなわち、エラー全体について、
Σf＝l₁ ×f₁−l₂ ×f₂
が当てはまる。ここで、l₁,l₂εNlである。

それから、高調波の量の最小化に関して、
2n/k−1＝l₂/l₁
が当てはまる。ここで、l₁,l₂εNlである。この場合、合計l₁＋l₂は同時に、格子定数ｄの走査すべき周期の数の尺度でもある。これについては次に例に基づいて詳しく説明する。

検出装置によって元々走査すべき測定目盛の格子定数ｄ_f（最も微細な格子定数）は1/2048に等しい。周期あたりの４つの検出素子（フォト検出器）によってｇ_f＝1/4×ｄ_fとなる。

同じ検出装置によって走査される大まかな測定目盛の大きな格子定数はd＝1/512である。すなわち、格子定数d＝1/2048を有する測定目盛の走査のために元々設計された、設定ラスターｇ_fの検出装置によって、更に４倍の格子定数d＝1/512を有する測定目盛が走査される。間隔フィルタのための製造規定に関する上記説明に従い、第３の調波（すなわち、ｎ＝３）のろ波について、
Δx＝d×(1±1/2×3)＝4×d_f×(1±1/2×3)＝16×g_f×(1±16)＝16×(g_f±16×g_f)
高調波の量を最小限に抑えるために全体エラーを最小限に抑えるための上記の式から、方程式のマイナス部分について、更にl₂/l₁＝6/4−1＝1/2およびl₁＋l₂＝3が生じる。ここでl₁＝2、l₂＝1である。つまり、同じ位相の検出グループの間の間隔に関して平均で理想的な値Δxを得るために、実際の間隔について、同じ位相の検出グループの間の、1/3×g_fだけ短い間隔が２回ずつ選択され、同じ位相の検出グループの間の、2/3×g_fだけ長い間隔が１回選択される。それによって同時に、フィルタの最小長さが６周期に定められる。従って、同じ位相の直接連続する検出グループの間の1/3×g_fだけ短い間隔は、2/3×g_fだけ長い間隔よりも２倍の頻度で発生する。

それによって、検出装置の最も微細なラスターgの単位で表現すると、間隔が変化する同じ位相の検出グループについて、次の平均間隔が生じる。１つの位相の第３の調波をろ波するための上記の式から出発して、Δｘについて式の“プラス”部分を選択するかあるいは“マイナス”部分を選択するかに応じて、18.66×g_fと13.33×g_fの理想的な間隔が得られる。従って、理想的な検出装置について、一方では、19×g_fと18×g_fの理想的な間隔が生じる。この場合、最初に述べた大きな間隔は、２番目に述べた小さな間隔の２倍の頻度で発生する。他方では、13×g_fと14×g_fの実際の間隔が生じる。この場合、最初に述べた小さな間隔は、２番目に述べた大きな間隔の２倍の頻度で発生する。

間隔ろ波（２−線ろ波）のための上述の計算は、幅フィルタ（単一隙間フィルタ）の処理にアナログ的に伝達可能である。この場合、同じ位相の連続する検出グループの間隔の代わりに、同じ位相の検出グループの幅が延長方向ｒに変化する。

この場合、第３の調波をろ波する場合、上記の式を基礎として、同じ位相の検出グループの幅Δｂについて、
Δb＝k×d/3＝k×16×g_f×1/3＝k×5.33g_f
が当てはまる。

値Δｂ＝5.33×g_fを有する検出グループの理想的な幅Δｂから出発して、実際の構造では、幅Δｂ＝5×g_fを有する所定の位相の検出グループが、幅Δｂ＝6×g_fを有する対応する検出グループの２倍の頻度で発生する。

図１は、第３の調波（すなわちｎ＝３）をろ波するための異なる２つのろ波方法（間隔フィルタと幅フィルタ）の組合せを示している。このろ波方法によって、余弦信号のろ波を行うことができる。すなわち、位相０°の出力信号を有する検出グループＧ１と、位相１８０°の出力信号を有する検出グループＧ３が、上記の規定に従って接続される。この場合、最初に述べた検出グループＧ１は一定の幅で間隔フィルタの作用（延長方向Ｒに見て直接連続する検出グループＧ１の中心点の間の間隔に関連して）を受け、２番目に述べた検出グループＧ３は平均幅Δｂ＝5.33×g_fを達成するために５×g_fと６×g_fの異なる幅を有する。

図１に示した配置構造の場合、上記の余弦信号のろ波のほかに、位相９０°と２７０°を有する正弦信号の制限されたろ波が可能である。余弦信号と正弦信号を同じようにろ波できるようにするために、図２に示した、図１の配置構造の発展形態が設けられる。

図２では、それぞれ２個の格子周期(d)、すなわち32個の検出素子Ｅからなる検出ブロックが、余弦信号のろ波のためおよび正弦信号のろ波のために交互に使用される。その際、余弦信号のろ波のために使用されるブロックはそれぞれ、０°の位相と１８０°の位相を有する出力信号を発生する検出グループＧ１，Ｇ３を含んでいる。正弦信号のろ波のために使用されるブロックはそれぞれ、９０°の位相と２７０°の位相を有する出力信号を発生する検出グループＧ２，Ｇ４を含んでいる。

その際、余弦信号のろ波のための検出ブロックまたは正弦信号のろ波のための検出ブロックにおいて、検出グループＧ１またはＧ３あるいはＧ２またはＧ４が間隔フィルタと幅フィルタの作用を交互に受ける。例えば図２の最初の検出ブロックにおいて、０°の位相の出力信号を生じる検出グループＧ１の幅はそれぞれ８個の検出素子の大きさである。これに対して、それぞれ１８０°の位相の出力信号を生じる両検出グループＧ３の幅は、１１個の検出素子と、５個の検出素子の大きさである。この第１の検出ブロックでは、０°の位相の出力信号を発生する検出グループＧ１は一定の幅で間隔フィルタの作用を受け、１８０°の位相の出力信号を発生する検出グループＧ３は幅フィルタの作用を受ける。０°または１８０°の位相の出力信号を発生する検出グループＧ１，Ｇ３を再び含む第３の検出ブロックでは、状況が正確に逆転する。１８０°の位相の出力信号を発生する検出グループＧ３が８個の検出素子の一定の幅を有し、他の検出グループＧ１が１０または６個の検出素子の幅を有する。

第２と第４の検出ブロックにおいて同じ状況が生じる。この検出ブロックはそれぞれ、９０°または２７０°の出力信号を発生する検出グループＧ２，Ｇ４を有する。第２の検出ブロックでは、９０°の位相の出力信号を発生する検出グループＧ２がそれぞれ８個の検出素子の一定の幅を有し、他の両検出グループＧ４が一方で１０個の検出素子の幅を有し、他方で６個の検出素子の幅を有する。第４の検出ブロックでは状況が逆である。２７０°の位相の出力信号を発生する検出グループＧ４が８個の検出素子の一定の幅を有し、他の検出グループＧ２が一方で１１個の検出素子の幅を有し、他方で５個の検出素子の幅を有する。

余弦信号をろ波する働きをする検出ブロックの場合と、正弦信号をろ波する働きをする検出ブロックの場合に、間隔フィルタの作用を受ける検出グループの間隔が変化する。図２に示した検出ブロックは一部が１８個の検出素子を有し、一部が１９個の検出素子を有する。同様に、幅フィルタも変更されている。幅フィルタは検出ブロックの一部において１１個の検出素子の幅の検出グループと、５個の検出素子の幅の検出グループとの組合せによって形成され、他の検出ブロックでは、１０個の検出素子の幅の検出グループと、６の検出素子の幅の検出グループとの組合せによって形成されている。これはろ波作用を最適化するために構造体のエラー全体を最小限に抑えるという、上記理由に基づいて行われる。

図２の構造体は、個々の検出ブロックにおける、一方では余弦信号のろ波に関して、他方では正弦信号のろ波に関して並びに一方では幅フィルタの使用に関して、他方では間隔フィルタの使用に関して、全体として対称性が改善されている。これは構造体を汚れにくくする。

図２に示した検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の形状および配置は、正弦信号と余弦信号の同じようなろ波を可能にする。しかし、この配置構造は走査の単一フィールド特性を損なうという欠点がある。すなわち、４つの位相すべてが１つの信号周期から得られる。

この欠点を除去するために、図３では、走査トラックが２倍設けられている。従って、検出装置Ｄはその延長方向Ｒ（測定方向）に対して垂直に並べて配置された２つのトラックＳ１，Ｓ２を有する。両トラックにはそれぞれ、余弦信号をろ波するための検出グループＧ１，Ｇ３を備えた検出ブロックと、正弦信号をろ波するための検出グループＧ２，Ｇ４を備えた検出ブロックが交互に配置されている。延長方向Ｒに対して横方向に並べて配置された検出ブロックは異なる信号をろ波する働きをする。すなわち、余弦信号をろ波するための検出ブロック（０°と１８０°の位相の出力信号を有する検出グループＧ１，Ｇ３からなる）がトラックＳ１に配置され、正弦信号をろ波するための検出ブロック（９０°と２７０°の位相の出力信号を生じる検出グループＧ２，Ｇ４からなる）が他のトラックＳ２に配置され、そしてその逆に配置されている。

この場合、余弦信号と正弦信号をろ波し、そのために幅フィルタと間隔フィルタを備えている基本ユニットは、延長方向Ｒに沿って３２個の検出素子（走査すべき測定目盛の２つの格子定数に相当する）の寸法を有する。従って、互いに平行に延長方向Ｒに延在する２つのトラックＳ１，Ｓ２を有する図３に示した構造体の他の利点は、走査長さが短縮されることである。

図２，３において、隣接する検出素子Ｅの間の隙間Ｌはそれぞれ、検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を形成する際に使用されない検出装置の検出素子に一致している。使用されない検出素子は評価ユニットに接続されていない。すなわち、検出グループを形成するために他の検出素子に接続されていない。この場合、隙間Ｌは技術的な理由から検出素子を含んでいなくてもよい。

特に第３の調波をろ波するために前述した方法に相応して、検出装置Ｄの個々の検出素子Ｅを適切にまとめることによって並びにこれによって形成された検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を適切に配置することによって、他の高調波と複数の高調波を、検出装置の出力信号から同時に除去することができる。しかも、間隔フィルタと幅フィルタを基礎とした上記のフィルタ機能に基づいて除去することができる。

ろ波するために使用される構造体をできるだけコンパクトに形成するために、最小のラスターg_fを有する元の最も微細な構造を形成することができる。それによって、大きなラスターを有する大まかなトラックのろ波のために、検出グループの最適な分配の付加的な自由度が達成可能である。これについてはドイツ連邦共和国特許出願公開第10020575号公報参照。

図４は、延長方向Ｒ（測定方向）に対して横方向に並べて配置された２つのトラックＳ１，Ｓ２を備えた検出装置Ｄを示している。両トラックＳ１，Ｓ２はそれぞれ測定方向Ｒに延在している。第１のトラックＳ１は０°または１８０°の位相を有する出力信号を発生する検出グループＧ１，Ｇ３によって形成されている。一方、第２のトラックＳ２は９０°または２７０°の位相を有する出力信号を発生する検出グループＧ２，Ｇ４によって形成されている。

この場合、表面ろ波のための相補的なフィルタ構造を使用するための第２の例である。図１〜３に基づいて示した実施の形態の場合、相互的なフィルタとして間隔フィルタと幅フィルタが使用されたが、図４に示した実施の形態の場合２個の相補的な逆正弦フィルタが検出グループの位置のための母関数としての働きをする。その際、０°または１８０°の位相を有する出力信号の検出グループＧ１，Ｇ３の位置のための理想的な位置は、母関数

によって表される。ここで、ｋ＝Ｎ・・・Ｎ、Ｎ＝３，５，７・・・である。

これに対して相補的（追加の）フィルタ機能の母関数は次の通りである。

その際、図４には、検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の理想的な配置が示してある。図１〜３に基づいて説明した実施の形態と相応して、実際の検出素子（図４には見やすくするために図示していない）によって形成された検出グループが、フィルタ母関数によって示される位置および大きさを有していないという問題がある。従って、それぞれ理想的な検出グループから偏差を有する検出グループを適切に配置することにより、全エラーの最小化、できるだけ全エラーの除去を行わなければならない。これは、間隔フィルタと幅フィルタによる高調波のろ波の場合にエラーｆ₁ とｆ₂ について上述した原理と同じ原理に基づいて行われる。

本発明の他の実施の形態では、個々の検出グループが延長方向Ｒに対して横方向のその大きさの変化に特徴がある。

多数のフォトセルが延長方向（測定方向）Ｒに対して横方向に並べて配置された検出装置から出発して、大まかな測定目盛のために形成された検出装置のろ波機能は、方向Ｑに沿った個々の検出素子の適切な相互接続によっても、検出装置Ｄの延長方向または測定方向に対して横方向に達成可能である。すなわち、基礎となる測定目盛Ｍ（図７参照）に関連して、測定目盛Ｍの目盛線Ｔの線方向における検出素子の相互接続が達成される。これは勿論、既に述べたように、充分な数の検出素子が横方向Ｑに沿って（延長方向Ｒに対して垂直に）並べて配置されているときにのみ可能である。

その代わりに、トラックが最初から、横方向に変化する大きさを有する検出素子を備えていてもよい。この場合、所望な検出グループを形成するために、延長方向Ｒに沿って並べて配置された異なる大きさの検出要素を、横方向Ｑに相互接続しなければならない。

延長方向Ｒに並べて配置されそれぞれ横方向Ｑに異なる大きさを有する個々の検出領域が、最初から横方向Ｑに異なる大きさを有する検出素子によって形成されるかあるいは小さな検出素子を横方向Ｑに相互接続することによって形成されるかどうかに関係なく、検出グループを形成するためにこの検出領域をそれぞれ延長方向Ｒに相互接続しなければならない。

図５ａは並べて配置された２つのトラックＳ１，Ｓ２を備えたこのような配置構造を示している。この場合、トラックＳ１は位相０°または１８０°の出力信号を発生する検出グループＧ１，Ｇ３を備えている。隣接する他方のトラックＳ２は位相９０°または２７０°の出力信号を発生する検出グループＧ２，Ｇ４を備えている。

延長方向Ｒに対して横方向における検出素子の相互接続を決定する、図５ａに示した装置のフィルタ関数は次の通りである。

ｙ_0k＝ｈ×｜cos(π×ｋ／Ｎ）｜
および
ｙ_180k＝ｈ×（１−｜cos(π×ｋ／Ｎ）｜）
ここで、ｈはそれぞれのトラックＳ１，Ｓ２の高さ（延長方向Ｒに対して横方向の大きさ）を示し、Ｎは走査すべき測定目盛の目盛周期あたりの検出器の数を示し、そしてｋ＝−Ｎ・・・Ｎである（すなわち、ｋは−ＮとＮの間で整数の値をとる）。つまり、それぞれ余弦関数に基づくフィルタ補関数である。

図５ｂから、正弦関数または余弦関数に基づく、実線によって示した理想的なフィルタ関数が、０°または１８０°の位相の検出グループＧ１，Ｇ３に関して、検出装置の延長方向に対して横方向における検出素子の相互接続によって近似的に理解可能である。

図５ａ，５ｂにおいて、延長方向Ｒに対して垂直に横方向Ｑに変化する大きさを有する個々の検出領域は、一方ではそれぞれ横方向Ｑに並べて配置された検出素子を適切に相互接続することによって達成可能であり、他方では最終的に延長方向Ｒに相互接続されて検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を形成する個々の検出素子が最初から横方向Ｑに沿って異なる大きさを有することによって達成可能である。

図６は、それぞれ重要な４つのすべての位相（０°，９０°，１８０°，２７０°）の検出グループを有する隣接する２つのトラックに関して、１つの位相（０°，９０°，１８０°，２７０°）の検出グループのずれ間隔Δｘを示している。このずれ間隔は異なるトラックＳ１またはＳ２に設けられている。ずれ間隔は次式によって示される。

Δｘ＝ｍ×ｄ×（１±１／（２×ｎ））
ここで、ｄ＝ｉ×ｇ_fであり、この場合、ｎはろ波すべき高調波、ｍは整数、ｇ_fは検出素子の周期的な配置構造の格子定数である。更に、ｄは走査すべき測定目盛の格子定数であり、ｉは自然数である。

この変形の場合にも、Δｘを一般的にｇ_fの整数倍と異なるようにすることができる。それによって、ｇ_fの整数倍によってのみ形成可能な検出グループの実際のずれ間隔Δｘは、Δｘの理想的な値からずれている。更に、幅フィルタと間隔フィルタを例にして上述したように、全エラーを最小限に抑えることができる。

測定目盛を走査するための線形に延在した検出装置の第１の実施の形態を示すである。この測定目盛は延長方向に沿って並べて配置された、フォトセルの形をした多数の検出素子からなっている。この検出素子はそれぞれ検出グループにまとめられている。 図１の装置の他の実施の形態を示す図である。 図１，２の装置の他の実施の形態を示す図であり、この場合検出素子、ひいては検出グループが延長方向に対して横方向に並べて配置された隣接する２つのトラックに分配されている。 図３の装置の変形を示す図であり、この場合両トラックへの検出グループの分配が逆正弦補関数によって決定されている。 図３，４の装置の変形を示す図であり、検出グループの大きさがトラックの延長方向に対して横方向に変化している。 図５ａと類似の装置の詳細図である。 隣接するトラック内に配置された、同じ位相の検出グループのずれを概略的に示す図である。 検出装置を備えた走査ユニットによって走査される所定の格子定数を有するシャフトエンコーダの測定目盛を概略的に示す図である。

符号の説明

Ｄ 検出装置
Ｅ 検出素子
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４ 検出グループ
Ｒ 延長方向
Ｓ１，Ｓ２ トラック
Δｘ ずれ間隔

Claims (21)

1. 測定方向に延在する測定目盛と、
   この測定目盛を走査するための走査ユニットと、
   走査ユニットの検出装置とを備え、
   この検出装置が延長方向に周期的に配置された多数の検出素子を備え、この検出素子が測定目盛の走査時に評価ユニットに供給可能な出力信号を発生し、
   それぞれ隣接する複数の検出素子がまとめられて検出グループを形成し、それによって検出素子の出力信号が１つに集められて、統一的な信号として評価ユニットに供給可能である、
   位置測定装置において、
   出力信号から少なくとも１つの所定の高調波が除去されるように、検出素子（Ｅ）が検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）にまとめられ、かつ検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）が延長方向（Ｒ）に並べて配置されていることを特徴とする位置測定装置。
2. 延長方向（Ｒ）に互いに離隔された複数の検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）が相互に接続され、それによってその出力信号が１つに集められて、統一的な信号として評価ユニットに供給されることを特徴とする、請求項１記載の位置測定装置。
3. 相互に接続された検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）がそれぞれ１つの位相（０°，９０°，１８０°，２７０°）の出力信号を発生することを特徴とする、請求項２記載の位置測定装置。
4. １つの位相（０°，９０°，１８０°，２７０°）の検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）を構成する検出素子（Ｅ）の数が、検出装置（Ｄ）の延長方向（Ｒ）に沿って変化することを特徴とする、請求項３記載の位置決め装置。
5. 異なる目盛周期（ｄ_f）を有する測定目盛の走査から生じる少なくとも１つの他の高調波のろ波が行われるように、１つの検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）に個々に相互接続された検出素子（Ｅ）の形が選択されていることを特徴とする、請求項１記載の位置測定装置。
6. 検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）が延長方向（Ｒ）に対して垂直に並べて配置された少なくとも２つのトラック（Ｓ１，Ｓ２）に沿って配置されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載の位置測定装置。
7. 延長方向（Ｒ）に沿った検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の配置が、各検出素子（Ｅ）についての少なくとも１つのフィルタ母関数によって決定され、このフィルタ母関数によって隣接する検出素子（Ｅ）が相互接続されていることを特徴とする、請求項１記載の位置測定装置。
8. 延長方向（Ｒ）に沿った検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の配置が、少なくとも２つのフィルタ母関数の結合によって決定され、このフィルタ母関数が異なる検出グループおよび／または検出グループの異なる特徴に関連していることを特徴とする、請求項７記載の位置測定装置。
9. 延長方向（Ｒ）に沿った検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の配置が、少なくとも２つのフィルタ補関数の結合によって決定され、このフィルタ補関数が異なる検出グループおよび／または検出グループの異なる特徴に関連していることを特徴とする、請求項７記載の位置測定装置。
10. 異なるトラック（Ｓ１，Ｓ２）において個々の位相（０°，９０°，１８０°，２７０°）の検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）が所定のずれ間隔（Δｘ）だけ互いにずらして配置されていることを特徴とする、請求項６記載の位置測定装置。
11. １つの位相（０°，９０°，１８０°，２７０°）の検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）のずれ間隔（Δｘ）が、
    Δｘ＝ｍ×ｄ×（１±１／（２×ｎ））
    として発生し、ここで好ましくはｄ＝ｉ×ｇ_fであり、この場合ｄは走査すべき測定目盛の格子定数、ｇ_fは個々の検出素子（Ｅ）の周期的な配置の格子定数を示し、ｎはろ波すべき高調波、ｍは整数または自然数であることを特徴とする、請求項１０記載の位置測定装置。
12. 高調波をろ波するために、検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の間隔が延長方向（Ｒ）に沿って変化することを特徴とする、請求項１記載の位置測定装置。
13. 検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の間隔Δｘが次の規定
    Δｘ＝ｍ×ｄ×（１±１／（２×ｎ））
    に従って定められ、ここで好ましくはｄ＝ｉ×ｇ_fであり、この場合ｄは走査すべき測定目盛の格子定数、ｇ_fは個々の検出素子（Ｅ）の周期的な配置の格子定数を示し、ｎはろ波すべき高調波、ｍは整数または自然数であることを特徴とする、請求項１２記載の位置測定装置。
14. 高調波をろ波するために、検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の大きさが延長方向（Ｒ）に沿って変化することを特徴とする、請求項１記載の位置測定装置。
15. 延長方向（Ｒ）における検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の大きさΔｂが次の規定
    Δｂ＝ｋ×ｄ／Ｎ
    に従って定められ、ここで好ましくはｄ＝ｉ×ｇ_fであり、この場合ｉ，ｋは自然数、ｄは走査すべき測定目盛の格子定数、ｇ_fは個々の検出素子（Ｅ）の周期的な配置の格子定数であり、ｎはろ波すべき高調波を示すことを特徴とする、請求項１４記載の位置測定装置。
16. 延長方向（Ｅ）に沿った検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の配置が、第１のフィルタ母関数を、第２のフィルタ母関数と結合することによって定められ、この第１のフィルタ母関数に従って検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の間隔が延長方向（Ｒ）において変化し、第２のフィルタ母関数に従って検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の大きさが延長方向（Ｒ）において変化することを特徴とする、請求項１１記載の位置測定装置。
17. 延長方向（Ｒ）における検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の配置が逆正弦関数に従って行われることを特徴とする、請求項１記載の位置測定装置。
18. 検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の位置ｘが次の関数
    ｘ＝ｋ×ｄ／（２×π）×arcsin（ｋ／Ｎ）
    によって表され、ここで好ましくはｄ＝ｉ×ｇ_fであり、この場合ｉ，Ｎは自然数、ｋはＮよりも小さなまたはＮに等しい値の整数（ｋ＝−Ｎ・・・Ｎ）、ｄは走査すべき測定目盛の格子定数、ｇ_fは個々の検出素子（Ｅ）の周期的な配置の格子定数であることを特徴とする、請求項１７記載の位置測定装置。
19. 延長方向（Ｒ）における検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の配置が２つの逆正弦関数の結合によって決定されることを特徴とする、請求項１１記載の位置測定装置。
20. 延長方向（Ｒ）に対して垂直な検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の大きさが変化することを特徴とする、請求項１記載の位置測定装置。
21. 延長方向（Ｒ）に対して垂直な検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の大きさが余弦関数または正弦関数に従って変化することを特徴とする、請求項２０記載の位置測定装置。

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