JP2007279038A - エンコーダを初期化する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンコーダの走査ヘッドとスケールとの位置が、最初は正確な位置測定を不可能にする場合でも、位置測定系が、多数の自由度に対して初期化され得る方法を提供する。
【解決手段】測定フレームに対して少なくとも２つの自由度で移動する物体に対して、スケールは、相対位置を測定するインクリメンタルトラック及び絶対位置を測定するアブソリュートトラックを有する。初期化ステップでは、インクリメンタルトラック又はアブソリュートトラックが、第１の評価方法によって評価され、評価結果が生成される。整合ステップでは、移動する物体が、評価結果に基づいて測定フレームに対して整合される。検出ステップでは、アブソリュートトラックが、第２の評価方法によって走査ヘッドと付随するスケールとの整合に関する僅かな許容誤差で評価され、正確な絶対位置が、各自由度に対して算定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、位置測定系を初期化する方法に関する。この方法は、測定フレームに対して多数の自由度で移動する物体の運転開始を可能にする。

ナノメートル以下の高精度な位置測定の課題に対しては、機械の個々の軸を連続して測定することがもはや不可能である。このような連続した測定配置の場合、個々の測定装置が、各軸に対して重なり合って取り付けられる。その結果、例えばＹ方向用の第２エンコーダの静止部分が、このＹ方向に対して垂直にあるＸ方向用の第１エンコーダの移動部分に連結されている。このとき、監視すべき物体（例えば、位置テーブル）が、第２エンコーダの移動する部分に連結されている。Ｘ方向に対する誘導では、Ｙ方向の小さい誘導偏移も常に発生する。しかし、第２エンコーダが、全体としてこれらの誘導偏移に連動されるので、これらの誘導偏移は、連続する測定配置ではこの第２エンコーダによって検出され得ない。非常に高精度な誘導でも、数ナノメートルの偏移が、誘導方向に対して横に発生しうる。したがって、連続する測定構造による多方向の高精度な位置測定が不可能である。

全ての測定方向用のエンコーダの静止部分を測定フレームに固定連結すること、及び、移動部分を監視すべき物体に連結することが必要である。したがって、各エンコーダが、それぞれの測定方向の全ての関連する移動を正しく検出できることが保証されている。光学目盛、磁気目盛又は容量性目盛を有するスケールが、例えば移動する物体に装着され得る。これらのスケールは、測定フレームに取り付けられた対応する走査ヘッドによって非接触式に走査つまり読み取られる。一般にこのようなスケールは、高精度なインクリメンタルトラックのほかに絶対位置情報を含む別のトラックを支持する。最も簡単な場合、このことは、基準マーク又は絶対コードトラックでもよい。基準マークは、走査ヘッドを横切る時にインクリメンタルトラックの１つの信号周期に割り当てることができ、したがって絶対位置情報を供給する。絶対コードトラックは、エンコーダの各位置で絶対位置の読み取りを可能にする。これらのトラックを以下でアブソリュートトラックと呼ぶ。正確な位置値が生成され得るので、どんな場合でもアブソリュートトラックをインクリメンタルトラックに割り当てることが重要である。

一般に、インクリメンタルトラックの走査から生じるインクリメンタル信号及びアブソリュートトラックの走査から生じるアブソリュート信号も、スケールと付随する走査ヘッドとの整合に関する広い許容誤差範囲によって検出され評価され得る。しかしながらこのことは、インクリメンタルトラックからの相対位置情報に対するアブソリュートトラックからの絶対位置情報の割り当てに対しては成立しない。この割り当ては、インクリメンタルトラックに対するアブソリュートトラックの連結と呼ばれる。付随するインクリメンタルトラックの１つの信号周期が、各アブソリュート情報に一義的に割り当てられ得るように、非常に僅かな許容誤差が、走査ヘッドと割り当てられたスケールとの間の整合に対して保持される必要がある。この非常に僅かな許容誤差は、以下で連結許容誤差(Anschlusstoleranz) と呼ぶ。

多数の自由度つまり測定方向用の多数のエンコーダから構成されたこのような位置測定系を有する機械の運転開始の場合、移動する物体が、例えば機械的なストッパーによって測定フレームに対して最初は非常に粗く整合されているという問題がある。したがって運転開始の場合だけ、非常に大きい許容誤差が、物体と測定フレームとの間の整合に関して保証されている。この非常に大きい許容誤差は、以下で初期許容誤差と呼ぶ。非常に大きい走査距離又は走査ヘッドと付随するスケールとの間の非常に大きい対向する横転が、絶対情報の評価又はインクリメンタルトラックに対する走査情報の割り当てを不可能にする。このことは、特に角度軸も関与している場合に成立する。このとき、位置測定系の初期化が非常に困難である。

本発明の課題は、関与するエンコーダの走査ヘッドとスケールとの位置が、最初は正確な位置測定を不可能にする場合でも、位置測定系が、多数の自由度に対して初期化され得る方法を提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の方法によって解決される。この方法の好適な詳細は、請求項１の従属請求項に記載されている。

測定フレームに対して少なくとも２つの自由度で移動する物体に対して位置測定系を初期化する方法を説明する。この位置測定系は、１つの自由度ごとにスケールを有する少なくとも１つのエンコーダ及びスケールに割り当てられた走査ヘッドを備える。スケールは、相対位置を測定するインクリメンタルトラック及び絶対位置を測定するアブソリュートトラックを有する。走査ヘッドは、インクリメンタルトラック及びアブソリュートトラックを読み取る。

初期化ステップでは、インクリメンタルトラック又はアブソリュートトラックが、第１の評価方法によって評価される。この場合、評価結果が生成される。整合ステップでは、移動する物体が、初期化ステップからの評価結果に基づいて測定フレームに対して整合される。検出ステップでは、アブソリュートトラックの信号が、インクリメンタルトラックの信号周期に一義的に割り当てられることによって、アブソリュートトラックが、第２の評価方法によって走査ヘッドと付随するスケールとの整合に関する僅かな許容誤差で評価され、正確な絶対位置が、各自由度に対して算定される。

したがって本発明は、関与するエンコーダが初期化ステップで最初に第１の評価方法によって読み取り、このときに評価結果を生成する思想に基づく。第１の評価方法は、第２の評価方法と異なる。この評価結果は、測定フレームに対して移動する物体を良好に規定した出発位置に移動させることを整合ステップで可能にする。この出発位置では、スケールと走査ヘッドとの相対位置が、正確な位置測定に必要な連結許容誤差に相当する。僅かな許容誤差つまり連結許容誤差が保持されるまで、場合によっては何回も繰り返される初期化ステップ及び整合ステップも必要である。対応する検査が、例えば各整合ステップ後に実施できる。この場合、さらなる初期化ステップ又は検出ステップに分岐する。

さらに、１つの一義的な絶対位置情報が、インクリメンタルトラックの１つの信号周期に割り当てられた検出ステップが良好に実行された後に、ただ１つのカウンタが、インクリメンタルトラックの信号周期を計数することによって、アブソリュートトラックの読み取りが完全に省略され得る。このとき、アブソリュートトラックをインクリメンタルトラックに連結する必要がもはやないので、以下で作動許容誤差(Betriebstoleranz)とも呼ばれる走査ヘッドと割り当てられたスケールとの間の整合に対する許容誤差が、連結許容誤差よりも明らかに大きくできる。この作動許容誤差は、初期許容誤差に完全に一致する。しかしながら、アブソリュート情報及びインクリメンタル情報の不変な割り当てが、作動信頼性の理由から必要である場合、作動許容誤差を連結許容誤差と同様に狭く選択する必要がある。すなわち、連結許容誤差は、初期許容誤差より明らかに小さい。作動許容誤差は、使用状況に応じて連結許容誤差と初期許容誤差との間にある。

以下に、本発明のその他の利点及び詳細を図面に基づく実施の形態から詳しく説明する。

図１は、移動する物体１を示す。この物体は、２つの回転自由度Ｒｘ及びＲｙ並びに並進自由度Ｚで移動する。対応するガイドは示されていない。横転軸が、平坦な物体１の平面内にありかつ互いに垂直にある。Ｚ軸は、これらの両横転軸に対して垂直にある。
３つのスケール２が、物体１に固定されている。これらのスケール２はそれぞれ、インクリメンタルトラック３及びアブソリュートトラック４を支持する。走査ヘッド５が、測定フレーム６に固定されている。これらの測定ヘッド５は、それぞれのスケール２に割り当てられている。そしてこれらの測定ヘッド５は、インクリメンタルトラック３及びアブソリュートトラック４の双方を読み取って電気信号に変換され得る。

スケール２及び走査ヘッド５は、３つのエンコーダ１０，１１，１２を構成する。これらのエンコーダ１０，１１，１２は、横転角度Ｒｘ，Ｒｙ及びＺ位置Ｚを検出する。この場合、横転角度Ｒｘは、エンコーダ１０の測定とエンコーダ１２の測定との差から導くことができる。横転角度Ｒｙは、エンコーダ１１の測定とエンコーダ１０の測定及びエンコーダ１２の測定の和の半分との差（Ｐ１１−０．５＊（Ｐ１０＋Ｐ１２））から導くことができる。Ｚ方向の位置は、３つのエンコーダ１０，１１，１２の全ての和（Ｐ１０＋Ｐ１１＋Ｐ１２）に基づいて算定することができる。この場合、Ｐ１０，Ｐ１１，Ｐ１２は、それぞれのエンコーダ１０，１１，１２によって算出される位置値に対して存在する。

アブソリュートトラック４は、基準マークを有する。これらの基準マークは、１回の信号周期ごとにインクリメンタルトラック３に印を付けるために使用される。インクリメンタルトラック３の周期内の補間及びアブソリュートトラック４の基準マークに対するこれらの周期のうちの１つの周期の割り当てによって、高精度な絶対位置測定が、全ての自由度Ｒｘ，Ｒｙ，Ｚに対して可能である。

図２ａは、自由度Ｚに応じて物体１の位置を検出する走査ヘッド１２の信号７，９を示す。インクリメンタル信号９は、通常の90°だけ互いに移相している周期信号Ａ及びＢである。

アブソリュートトラック４の基準マークを検出し、インクリメンタル信号９の１つの周期に対してこの基準マークを割り当てるためには、基準マーク信号７が、トリガー閾値８を越える必要がある。物体が、自由度Ｒｙ方向に横転するために、このトリガー閾値８にもはや達しない程度に、基準マーク信号７が大きく低下している。この目的は、基準マーク信号７の信号ピークをインクリメンタル信号９の１つの周期に一義的に割り当てることである。正確な位置測定が、このときに初めて可能である。

それ故に第１の実施の形態によれば、初期化ステップ１００（図３参照）で、最初に第１の評価方法が、アブソリュートトラック４つまりこのアブソリュートトラック４の基準マークに対して使用される。この評価方法は、確かにおおよその位置測定しか可能にしないものの、走査ヘッドと付随するスケールとの間の整合に関する初期許容誤差に応じて高い許容誤差を有する。

おおよその位置測定は、例えばインクリメンタルトラック３に対する基準マークの割り当てが僅かな信号周期だけに対して正確であることを意味する。アブソリュートトラック４をインクリメンタルトラック３に全体的に割り当てることなしに、例えばアブソリュートトラック４だけを読み取ってもよい。多数の絶対位置が、このアブソリュートトラック４によって（例えば、ＰＲＣコードによって）コード化されている。この場合、機械の軸が、例えば整合ステップで初期化の間にインクリメンタルトラック情報によって制御される必要がある時にだけ、インクリメンタルトラック３の読み取りが必要である。

したがって図２ａの基準マーク信号７は、例えばブロックフィルタによって評価され得る。このブロックフィルタは、基準マーク信号７を所定の幅にわたって積分する。ノイズやその他の邪魔なピークを最適に抑制するため、この幅は、例えば基準マーク信号７中の信号ピークの予測される幅に相当する。この幅を基準マーク信号７にわたって移動させる場合、積分は、基準マークの実際の位置の領域内で最大になる。基準マークの特定の位置が、インクリメンタルトラック３の１つの特定の信号周期に確実に割り当てられ得ない時でも、この割り当ては、僅かな信号周期に対して正確である。すなわち、おおよその位置値が、全ての自由度Ｒｘ，Ｒｙ，Ｚに対して評価結果として算定され、整合ステップ２００で物体１を整合するために使用され得る。

基準マーク信号７を評価するもう１つの方法に対する例は、対応するパターンによる相互相関計算及び相互相関計算の結果の評価である。この基準マーク信号７は、この基準マーク信号が特定のパターン（例えば、特定の、場合によっては変化する間隔を有する多数のピーク）を有する時に常に適している：最も高い相関の場所は、基準マークの位置にほぼ一致する。

特定の周波数による局所の信号変調を有する基準マーク信号７の場合、この周波数を最初のステップで濾波して、この周波数の振幅を算定し、最終的にこの振幅の最大値を求め、これによって基準マークのおおよその位置を算出することが好ましい。この場合、信号変調は、多数の特定の周波数によって実施してもよい。

初期化ステップ１００でのこの方法の全ての目的は、基準マーク信号７中の有効信号をノイズ及び邪魔なピークから取り出すこと、すなわち走査ヘッドとスケールとの整合に関する初期許容誤差に応じた大きい許容誤差を有する評価を実現することである。
整合ステップ２００では、走査ヘッド５が、スケール２に対してより良好に整合されているように、物体１が、初期化ステップ１００で算定されたおおよその位置値に基づいて位置決めされる。

検出ステップ３００では、測定フレーム６に対する物体１の正確な位置が検出され得る。図２ｂ中では、基準マーク信号７が、基準マーク位置を正確に検出するためにトリガー閾値８を越えることが分かる。走査ヘッド１２に割り当てられたスケールに対するこの走査ヘッド１２の整合に関する連結許容誤差が保持されている。したがって、アブソリュートトラック４又はこのアブソリュートトラック４の基準マークをインクリメンタル信号９の１つの信号周期に対して一義的に割り当てることが可能である。インクリメンタルトラック３の補間及び周期の計数によって、非常に正確な位置測定が、全ての測定長さにわたって可能である。

整合ステップ２００後の走査ヘッド５及びスケール２の整合が、アブソリュートトラック４の第２の評価方法の連結許容誤差をまだ満たさない場合、検出ステップ３００に対する分岐が可能であるまで、初期化ステップ１００及び整合ステップ２００が、常により正確な整合によって実施できる。これに対して、条件付きの分岐が、整合ステップ２００と検出ステップ３００との間に挿入され得る。連結許容誤差が、第２の評価方法に対してまだ満たされていない時に、この分岐が、初期化ステップ１００に分岐し、そうでない場合は検出ステップに分岐する。このことは、図３中に破線による矢印によって示されている。

第２の実施の形態によれば、初期化ステップ１００で、第１の実施の形態のようにアブソリュートトラック４ではなくて、むしろインクリメンタルトラック３が、第１の評価方法によって評価される。この場合、おおよその絶対位置が算出されるのではなくて、インクリメンタル信号９の信号特性が評価され、対応する評価結果が生成される。したがって、走査ヘッド５とスケール２との間の整合が、90°だけ互いに移相している両信号Ａ，Ｂの信号強度又は振幅から推測することができる：整合された状態では（図２ｂ参照）、すなわち整合許容誤差が保持されている場合、この振幅は、整合されなかった状態よりも明らかに大きい（図２ａ参照、整合許容誤差が保持されない）。連結許容誤差が、この整合された状態で保持されている。この場合、検出ステップ３００が可能になるまで、初期化ステップ１００（ここでは振幅の算定）及び整合ステップ２００（ここではＲｙに関する物体１の横転）が何回も実行される。

初期化ステップ１００で評価するための信号特性として適している周期的なインクリメンタル信号９の別の可能な信号特性は、理想的な場合に90°だけ移相している両インクリメンタル信号Ａ及びＢの位相位置又はこれらの両インクリメンタル信号Ａ及びＢの零点シフトである。

３つのエンコーダを有する移動物体を示す。 整合ステップ前の走査ヘッドの信号を示す。 整合ステップ後の走査ヘッドの信号を示す。 フローチャートを示す。

符号の説明

１ 物体
２ スケール
３ インクリメンタルトラック
４ アブソリュートトラック
５ 走査本体
６ 測定フレーム
１０ エンコーダ
１１ エンコーダ
１２ エンコーダ

Claims (10)

1. 測定フレーム（６）に対して少なくとも２つの自由度（Ｒｘ，Ｒｙ，Ｚ）で移動する物体（１）に対して位置測定系を初期化する方法にあって、この場合、この位置測定系は、１つの自由度（Ｒｘ，Ｒｙ，Ｚ）ごとに１つのスケール（２）を有する少なくとも１つのエンコーダ（１０，１１，１２）及びスケール（１）に割り当てられた走査ヘッド（５）を備え、スケール（２）は、相対位置を測定するインクリメンタルトラック（３）及び絶対位置を測定するアブソリュートトラック（４）を有し、走査ヘッド（５）は、インクリメンタルトラック（３）及びアブソリュートトラック（４）を読み取る方法において、初期化ステップ( １００) では、インクリメンタルトラック（３）又はアブソリュートトラック（４）が、第１の評価方法によって評価され、評価結果が生成され、整合ステップ（２００）では、移動する物体（１）が、評価結果に基づいて測定フレーム（６）に対して整合され、検出ステップ（３００）では、アブソリュートトラック（４）が、第２の評価方法によって走査ヘッド（５）と付随するスケール（２）との整合に関する僅かな許容誤差で評価され、正確な絶対位置が、各自由度（Ｒｘ，Ｒｙ，Ｚ）に対して算定されることを特徴とする方法。
2. 初期化ステップ（１００）では、アブソリュートトラック（４）が、第１の評価方法によって評価され、各自由度（Ｒｘ，Ｒｙ，Ｚ）に対して、おおよその絶対位置が、評価結果として算定され、この場合、この第１の評価方法は、走査ヘッド（５）と付随するスケール（２）との整合に関して大きい許容誤差を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 初期化ステップ（１００）で算出されたおおよその絶対位置に基づいて、物体（１）が、測定フレーム（６）に対して整合され、すなわち走査ヘッド（５）が、スケール（２）に対して整合され、その結果、僅かな許容誤差が、検出ステップ（３００）で保持されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. アブソリュートトラック（４）は、基準マークを有し、この基準マークは、第１の評価方法及び第２の評価方法に基づいて評価されることを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
5. 第１の評価方法は、おおよその割り当てを可能にし、第２の評価方法は、インクリメンタルトラック（３）に対する正確な割り当てを保証することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. アブソリュートトラック（４）は、コードを有し、多数の絶対位置が、このコードでコード化されていること、及び、このコードは、第１の評価方法及び第２の評価方法に基づいて評価されることを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
7. おおよその絶対位置は、アブソリュートトラック（４）だけに基づいて算定されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 初期化ステップ（１００）で、インクリメンタルトラック（３）が、第１の評価方法によって評価され、このときに各自由度（Ｒｘ，Ｒｙ，Ｚ）に対して、インクリメンタルトラック（３）のアブソリュート信号（９、Ａ，Ｂ）の信号特性が、評価結果として算定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 初期化ステップ（１００）で算出された信号特性に基づいて、物体（１）が、測定フレーム（６）に対して整合され、すなわち走査ヘッド（５）が、スケール（２）に対して整合され、その結果、僅かな許容誤差が、検出ステップ（３００）で保持されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 走査信号（９、Ａ，Ｂ）の信号特性は、信号強度であることを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。

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