JP2006528343A - スケールマーキング用の読取り機 - Google Patents

Abstract

本発明は、基準マーク検出器に対して移動可能なパターン化された基準マークｒｍを有する度量衡スケールまたはエンコーダ（１０）とともに使用するための基準マーク検出器に関する。検出器は、パターン化された基準マークを検出するための光検出器アレイ（２０）を含むことができ、このアレイは少なくとも２つの組の検出器素子ＡおよびＢを含み、各組は基準マークのパターンに関係するパターンとして形成される。２つの組は、光検出器の別々の列でも、光検出器の同じ列の別々の素子でもよい。パターンは不規則であることが好ましい。

Description

本発明は、基準マーク（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍａｒｋ）または同様のものを検出するための検出器に関し、詳細には、それだけには限らないが、測定動作中に度量衡スケール（ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｃａｌｅ）またはエンコーダ、およびそのための読取り機を使用するものに関する。

基準マークの検出は、我々の以前の特許文献１に開示されており、その開示を参考として本明細書に援用する。

基準マークは、読取り機がその位置を見つけることができるようにし、変位を決定するために読取り機にインクリメンタル（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ）な信号を提供する周期的なスケールマーク（ｓｃａｌｅ ｍａｒｋｓ）に通常別々に提供される。基準マークは、読取り機によって認識できるものであれば何でもよい。実際に、作成するのが簡略でより高信頼であり、読取り誤りがより少ないために使用されるパターンがある。パターンが使用される場合、読取り機は同様のパターンを有することになり、その結果、マークおよび読取り機が正しい位置関係になる場合に、より強い信号が読取り機によって提供される。

基準マークおよびスケールマークを組み合わせたものが商業的に使用されてきた。こうした場合には、基準マークは、スケールのミッシングビット（ｍｉｓｓｉｎｇ ｂｉｔｓ）のパターンによって形成することができる。周期的なスケールからのインクリメンタルな信号は、スケールのミッシングビットを補償するのに十分な大きさのスケールの一部分にわたって読み取られる。

精度を改善するために、知られたスケール読取り機は、２つの検出器、例えば通常、分割検出器（ｓｐｌｉｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）と呼ばれるフォトダイオードを使用してスケールを読み取ってきた。２つのフォトダイオードは、一方が他方に対して、測定の方向に沿って少量だけオフセットされてきた。この構成が使用された場合、一方のフォトダイオードの出力は、他方のフォトダイオードの出力に対して遅れる（または進む）。知られた技法は、２つのフォトダイオードからゼロ交差出力（ｚｅｒｏ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｏｕｔｐｕｔ）（詳細は下記）を発生させることであり、これにより検出精度が改善する。

国際公開第ＰＣＴ／ＧＢ０２／００６３８号パンフレット

本発明は、基準マーク検出器に対して相対的に移動可能なパターン化された基準マークを有する度量衡スケールまたはエンコーダとともに使用するための基準マーク検出器を提供し、検出器はパターン化された基準マークを検出するための検出器アレイを含み、検出器アレイは少なくとも２組の検出器素子を含み、各組は基準マークのパターンに関係するパターンとして形成されている。

各組の各素子は出力を有し、１組の各素子からの各出力は同じ組のその他の素子と加算され、各組のうちの第２の組からの加算された出力は各組のうちの第１の組での加算された出力から差し引かれることが好ましい。

検出器の第１および第２の組のパターンは、不規則であることがより好ましい。

検出器アレイは２列の素子を有し、各列のうちの第１の列は検出器素子の各組のうちの第１の組を含み、第２の列は検出器素子の各組のうちの第２の組を含むことが好ましい。

各列のうちの第１の列は、各列のうちの第２の列に対して、使用中の基準マークに対する基準マーク検出器の動きの方向に変位させられることがより好ましい。

あるいは、検出器アレイは単一の列を含み、検出器素子の第１の組および検出器素子の第２の組は、その列の中に検出器素子を含む。

第１の組の検出器素子は、基準マークが第１の位置で検出される場合に、識別可能な出力を提供するよう互いに接続され、第２の組は、基準マークが別の第１の位置とは異なる位置で検出される場合に、識別可能な出力を提供するよう互いに接続されることが好ましい。

検出器素子の第１および第２の組の位置は、概念的な表（ｎｏｔｉｏｎａｌ ｔａｂｌｅ）での位置に対応し、表の第１の列は基準マークのパターンに対応するハイまたはローの値を含み、表の第２の列は同様の各値を含み、第２の列の各値は第１の列の各値の表での位置に対して相対的に各列の方向に変位させられており、第２の列からの各値は第２の列の値以上の第１の列の各値から直ちに差し引かれて表中の各位置に対する結果を形成し、各結果の正のハイの値の表中の位置は第１の組の検出器素子の位置を表し、各結果の負のハイの値の表中の位置は第２の組の検出器素子の位置を表すことがより好ましい。

各出力の加算、および合計の差し引きは、デジタル的に行うことができる。

本発明はまた、インクリメンタルな測定動作のための周期的なマーキングを有する度量衡スケールまたはエンコーダ、および周期的なマーキングを読み取ることによってスケールに対する読取り機の相対的な変位を決定するためのスケール読取り機を提供し、スケールはパターン化された基準マークを含み、スケール読取り機は検出器アレイを有する基準マーク検出器を含み、アレイは少なくとも２組の検出器素子を含み、各組は別々に処理された出力を有し、且つ基準マークが基準マーク検出器によって検出された場合にゼロと交差する値を有する、各素子の各出力からの信号を発生させる手段を含む。

信号を発生させるための手段には、第１の加算された出力を発生させるために前記少なくとも２つの組のうちの第１の組での各素子の各々の出力を加算すること、および第２の加算された出力を発生させるために前記少なくとも２つの組のうちの第２の組からの出力を加算すること、次いで第１の加算された出力からの第２の加算された出力を減算することが含まれることが好ましい。

アレイは、少なくとも２つの列として形成することができ、前記各組のうちの第１の組は各列のうちの１つの列の中に含むことができ、第２の組は２つの列のうちの他方の列の中に含むことができる。

あるいは、アレイは、単一の列として形成することができ、各素子の組のうちの第１および第２の組はその単一の列の中に含むことができる。

基準マークは、欠落しているビット、あるいは、スケールまたはエンコーダの周期的なマーキングに追加されたビットを含むことが好ましい。

したがって、本発明の各実施形態は、各検出器素子の単一のパターン化されたアレイ、および、基準マークが検出される場合にゼロ交差出力を有する基準マーク読取り機を提供する。このようにして、単列の検出器のからゼロ交差出力を得ることができる。

前述の各検出器は、フォトダイオードでもフォトダイオードブロックでもよい。加算された各出力は、差動増幅器によって差し引かれる。

次に、例として、添付図を参照しながら本発明の各実施形態を説明する。

図１ａには、基準マーク読取り機２０の新規の構成、およびインクリメンタルなスケール１０に組み込まれる基準マークｒｍが示してある。

この構成では、スケール１０は、交互に現れる透明区域１２および不透明区域１４、例えばガラス上のクロム（ｃｈｒｏｍｅ）の周期的なマーキングを有する。基準マーク検出器２０に隣接した従来の読取り機（図示せず）を使用することにより、これらのマーキングを従来の方式で使用して、変位を示す信号を発生させる。この構成では、スケールは、矢印ｘの方向および、実際には、その反対方向にも動くことができる。簡単にするために、ｘ方向の移動のみを説明してある。

基準マークｒｍは、周期的なスケールマーキング１２および１４に組み込まれる。この例では、マークは７期間分の長さがある。基準マークは、インクリメンタルなスケールから完全に独立していてもよく、その場合には、どんなサイズまたはどんな形状のパターンを使用することもできる。基準マーク読取り機２０は点光源２２を有し、そこからの光は、透明な区域１２を通じて伝搬し、検出器ＡおよびＢの列に到達する。検出器の各列は、７個のフォトダイオード素子１〜７から形成される。スケールが各検出器に対して動かされるとき、光は、概ねほとんど影響なしに、各検出器素子に当たる。使用される各検出器素子は、基準マークｒｍのパターンを受け入れる。基準マークｒｍは、パターン１１００１０１を有し、「１」は透明な区域１２を表し、「０」は不透明な区域１４を表す。したがって、各列内の検出器１、２、５および７のみが監視され、そのことは、基準マーク１１００１０１が、それら監視された検出器によって形成された対応するパターンと一致する場合に、光が当てられた各検出器素子に相当する。

基準マークが、それらの検出器に当たる実質上無効な光とではなく、各検出器素子と一致する場合、各検出器には完全に光が当たり、結果として出力Ｖ_ＡおよびＶ_Ｂが急激に増大する。

この場合、検出器の列ＡおよびＢは、１つの検出器素子の幅だけずらして配置され、したがって、信号ピークＶ_ＡおよびＶ_Ｂもずれる。精度を改善するために、信号Ｖ_Ｂは、差動増幅器２４で信号Ｖ_Ａから差し引かれ、総合的な出力信号Ｖ_ＯＵＴが得られる。Ｖ_ＯＵＴは、識別可能（distinct）な点でゼロを横切り、このゼロ交差を使用して正確な位置情報を与えることができることに留意されたい。

この実施形態では、各検出器素子上にマスク（ｍａｓｋ）を置くことができ、すべての検出器を監視することができる。この修正形態は、例示された構成と同じ結果を達成することになる。あるいは、監視されていない検出器３、４および６を完全に除外することもできる。

図１ａおよび１ｂに示した構成は満足すべきものであるが、改善することもできる。図２ａ、ｂおよびｃには、本発明の改善された実施形態が示してある。

図２ａ、ｂおよびｃで使用される各構成部品は、図ｌａおよびｂで例示された構成部品と同様であるが、図２ａ、ｂおよびｃでは、１列の検出器２０’のみが使用される。この場合も基準マーク１１００１０１が使用されるが、対応する検出器素子が配置され監視される方式は別のものである。基準マークパターンは、図２ｃに例示された表の２行目に書かれている。この表の次の行では、同じパターンが１つ左側に変位される（２つ以上でもよく、右側に変位されてもよい）。２つの行は１桁ずつ差し引かれ、その結果は最下行に与えられる。この結果は、各検出器素子のパターンを表す。ここで、最下行における「１」の値は、対応する検出器素子（すなわち素子３、６および８）が出力Ａに接続されるべきであることを示し、この行における「−ｌ」の値は、対応する検出器素子（すなわち素子１、５および７）が出力Ｂに接続されるべきであることを示している。１１００１０１の基準マークが検出される場合、これらの接続の結果として生じる出力は出力Ｖ_ＡおよびＶ_Ｂである。それらの各出力が差し引かれると、この場合もゼロ交差信号Ｖｏｕｔが得られる。このようにして、検出器素子のパターンは、基準マークパターンに関係する。

この実施形態では、単一列の検出器だけが使用されるため、読取り機は、ヨーミスアラインメント（ｙａｗ ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ）の影響を受けにくくなり、より安く作ることができる。

図３には、図２ａおよびｂの各検出器２０’からの各信号を処理することができる一方式の簡略化された電気接続図が示してある。同じ方式は、図ｌａおよびｂに示した構成にも使用することができる。光検出器ダイオードＤ１からＤ８の形での検出器素子が示してある。ダイオードＤ３、Ｄ６およびＤ８は、それらの電流出力を電圧Ｖ_Ａに変換するために、増幅器２６Ａの入力に接続される。同様に、ダイオードＤ１、Ｄ５およびＤ７は、増幅器２６Ｂに接続される。増幅器２６Ａおよび２６Ｂの各出力は差動増幅器２４の入力に接続され、そこでＶ_ＡからＶ_Ｂを差し引いて出力信号Ｖ_ＯＵＴを発生させる。ダイオードＤ２およびＤ４は使用されず、この実施形態では０Ｖに接続されるが、これら未使用の素子の各々（または、そのどれでも）からくる各信号を比較することによって、基準マークの位置を決定するのに使用することができる。

この場合、Ｖ_ＯＵＴ信号の振幅を使用して、Ｖ_ＯＵＴがゼロを横切る場合に信号を発生させるさらなる回路（図示せず）をアクティブにする。差動増幅器２４に加えて加算増幅器２８が示してある。この増幅器は、電圧Ｖ_ＡおよびＶ_Ｂを加算して電圧ＶＣｏｕｔを発生させる。それぞれのフォトダイオードすべてに光が当たる、すなわち検出器で「１」の固まり（この場合）が得られる場合に、Ｖ_ＡおよびＶ_Ｂは最大になる。ＶＣ_ＯＵＴを使用して、スケール上の制御マーク、例えばエンドストップ（ｅｎｄ ｓｔｏｐｓ）を検出することができる。ＶＣ_ＯＵＴの他の値、例えばゼロ、最大値の１／２、３／４を使用して、他の制御マークを示すことができる。

図４には、各検出器２０’によって発生した信号を処理するための代替構成が示してある。電圧信号Ｖ_ＡおよびＶ_Ｂは、それぞれ２つのアナログデジタル変換器（Ａ−Ｄ）３０Ａおよび３０Ｂに送り込まれる。これらのＡ−Ｄは、次には、基準パルス出力を発生させるマイクロプロセッサ３４に信号を供給する。Ａ−Ｄ ３０Ａおよび３０Ｂを必要とせずに、マイクロプロセッサを使用して、電圧信号Ｖ_ＡおよびＶ_Ｂをデジタル形態に変換することもできる。さらなる一修正形態（例示せず）では、各素子の各出力を個別に処理することができるように、例えば適切に加算することができるように、またはアルゴリズムに従って処理することができるように、各検出器素子をマイクロプロセッサに直接接続することができる。ゼロ交差点、したがって正確な位置データを読取り機から得るためには、チャネルＡおよびＢから入力される信号のバランスをとることが必要である。

図５、６および７には、検出器２０およびスケール１０の代替構成が示してある。図５では、反射スケール１０が使用され、光源２２は検出器ブロック２０の一方の側方に設置される。基準マークは反射性であり、スケールバックグラウンド（ｓｃａｌｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ）は非反射性であり、またはその逆でもよい。光源２２は、ブロック２０の中央に置くこともできる。

図６には、スケール１０上の透明な基準マークを通過する光を発生させる平行光源が示してある。図７には、スケール１０上の基準マーク、およびピンホール、スリットまたはレンズ２６などのイメージング装置を通過する光を発生させる拡散光源２８が示してある。光は、イメージング装置から検出器２０へと伝搬する。

図５、６および７では、前述の構成と同じ検出器構成を使用することができる。

説明し図示した各実施形態に対する多くの変形形態および修正形態が明白になるであろう。基準マークは、インクリメンタルなスケールに組み込まれるものとして図示されている。しかし、独立した基準マークを提供することができ、本発明をインクリメンタルなスケールとともに使用することは必須ではない。スケールを固定して読取り機を動かすこともでき、またはその逆も可能である。両方が互いに相対的に動くこともできる。本発明を、光および光源に関して説明する。光は、点光源例えばレーザダイオードでも、面光源例えばＬＥＤでも、拡散光例えばＬＥＤアレイでも、また周辺光でもよい。使用される光は、収束光でも、発散光でも、平行光でも、また拡散光でもよい。光は目に見えなくてもよく、赤外光または電磁的スペクトラムの他の何らかの一部分でもよい。本発明は、光検出器以外の検出器を用いて実施することもでき、例えば磁気的な基準マークとともに使用するための磁気的な検出器を使用することができる。パターン１１００１０１を有するパターン化された基準マークが例示されているが、認識できるどんなパターンを使用することもできる。パターンが形成されるスケールは、図に示すように直線的に続く必要はなく、回転または弓形のスケール（エンコーダ）でも、２次元のスケール、例えばグリッドでもよい。実際には、マークでの光の伝送可能／反射、および伝送不能／非反射の部分を表す２４ビットの一連の「１」および「０」は、満足できるものだと分かっている。こうした連続ビットの１つの例は、１１０１０１０１０１１０１００１００１１００１１である。

本発明による基準マーク読取り機の構成を示す図である。 本発明による基準マーク読取り機の構成を示す図である。 本発明による他の基準マーク読取り機の構成を示す図である。 本発明による他の基準マーク読取り機の構成を示す図である。 本発明による他の基準マーク読取り機の構成を示す図である。 図２ａ、ｂおよびｃに示した読取り機で使用される各構成部品の電気接続図である。 代替の基準マーク読取り機の構成を示す図である。 代替の基準マーク読取り機の構成を示す図である。 代替の基準マーク読取り機の構成を示す図である。 代替の基準マーク読取り機の構成を示す図である。

Claims (14)

1. 基準マーク検出器に対して相対的に移動可能なパターン化された基準マークを有する度量衡スケールまたはエンコーダとともに使用するための前記基準マーク検出器であって、前記検出器は前記パターン化された基準マークを検出するための検出器アレイを備え、前記検出器アレイは少なくとも２つの組の検出器素子を備え、各組は前記基準マークのパターンに関係するパターンとして形成されていることを特徴とする基準マーク検出器。
2. 各組の各素子は出力を有し、１つの組のうちの前記素子の各々からの前記出力の各々は同じ組の他の各素子と加算され、前記各組のうちの第２の組からの前記加算された出力は前記各組の第１の組の前記加算された出力から差し引かれることを特徴とする請求項１に記載の基準マーク検出器。
3. 検出器の前記第１および第２の組の前記パターンは不規則であることを特徴とする請求項２に記載の基準マーク検出器。
4. 前記検出器アレイは２列の素子を備え、各前記列のうちの第１の列は、検出器素子の各前記組のうちの第１の組を含み、第２の列は、検出器素子の各前記組のうちの第２の組を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の基準マーク検出器。
5. 各前記列のうちの前記第１の列は、各前記列のうちの前記第２の列に対して、使用中の前記基準マークに対する前記基準マーク検出器の動きの方向に変位させられていることを特徴とする請求項４に記載の基準マーク検出器。
6. 前記検出器アレイは単一の列を備え、検出器素子の第１の組、および検出器素子の第２の組は前記列内に検出器素子を備えることを特徴とする請求項１、２または３に記載の基準マーク検出器。
7. 検出器素子の前記第１の組は、前記基準マークが第１の位置で検出される場合に識別可能な出力を提供するように互いに接続され、前記第２の組は、前記基準マークが前記第１の位置とは異なる位置で検出される場合に識別可能な出力を提供するように互いに接続されることを特徴とする請求項６に記載の基準マーク検出器。
8. 検出器素子の前記第１および第２の組の前記位置は概念的な表の中の位置に対応し、前記表の第１の列は前記基準マークの前記パターンに対応するハイまたはローの値を含み、前記表の第２の列は同様の各値を含み、前記第２の列での前記各値は前記第１の列の前記各値の前記表における前記位置に対して相対的に前記各列の方向に変位させられており、前記第２の列からの各値は前記第２の列の前記各値の真上の前記第１の列の前記各値から差し引かれて前記表での各位置に対する結果を形成し、各結果のうちの正のハイの値の前記表中での前記位置は検出器素子の前記第１の組での各位置を表し、各結果のうちの負のハイの値の前記表中での前記各位置は検出器素子の第２の組での各位置を表すことを特徴とする請求項７に記載の基準マーク検出器。
9. 前記各出力の前記加算および前記各合計の前記減算がデジタル式に行われることを特徴とする、請求項２に依存する場合の請求項３から８のいずれか一項に記載の基準マーク検出器。
10. インクリメンタルな測定動作のための周期的なマーキングおよび前記周期的なマーキングを読み取ることによってスケールに対する読取り機の相対的な変位を決定するためのスケール読取り機を備える度量衡スケールまたはエンコーダであって、前記スケールはパターン化された基準マークを含み、前記スケール読取り機は検出器アレイを有する基準マーク検出器を含み、前記アレイは少なくとも２つの組の検出器素子を含み、各組は別々に処理される出力を有し、且つ前記基準マークが前記基準マーク検出器によって検出される場合にゼロに交差する値を有する前記各素子の前記各出力から信号を発生させるための手段を有することを特徴とする度量衡スケールまたはエンコーダ。
11. 前記信号を発生させるための手段は、前記少なくとも２つの組のうちの第１の組で前記各素子の各々の出力を加算して第１の加算された出力を発生させること、および前記少なくとも２つの組のうちの第２の組からの出力を加算して第２の加算された出力を発生させること、次いで前記第１の加算された出力から前記第２の加算された出力を差し引くことを含むことを特徴とする請求項１０に記載の度量衡スケールまたはエンコーダ。
12. 前記アレイは少なくとも２つの列として形成され、前記各組のうちの第１の組は各前記列のうちの１つに含まれ、第２の組は前記２つの列のうちの他の列に含まれることを特徴とする請求項１０に記載の度量衡スケールまたはエンコーダ。
13. 前記アレイは単一の列として形成され、各素子の各組のうちの第１および第２の組は前記単一の列に含まれることを特徴とする請求項１０に記載の度量衡スケールまたはエンコーダ。
14. 前記基準マークは、欠落しているビット、あるいは、前記スケールまたはエンコーダの前記周期的なマーキングに追加されたビットを含むことを特徴とする請求項１０から１３のいずれか一項に記載の度量衡スケール。
    

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