JP2008506104A - スケール読取装置 - Google Patents

Abstract

スケール読取装置は、お互いに移動可能なスケールと読取ヘッドを有する。スケールは、細かいピッチを有する第１の増分スケール・パターン及び粗いピッチを有する第２の増分スケール・パターンを有する。読取ヘッドは、増分スケール・パターンそれぞれを検出する検出器を有する。スケール読取装置は、低速度及び高速度の両方の測定に対して使用され得る。第２の増分スケール・パターンは、２つの機能（例えば、境界トラックまたは基準マーク）を有するスケール・トラックに設けられ得る。また、読取ヘッドは、信号を復号し、望ましい機能に適した出力を生成するように構成され得る。

Description

本発明は、第１及び第２の部材に取り付けられ、それにより第１及び第２の部材の相対的移動を測定するスケール及び読取ヘッドを備えているスケール読取装置に関する。特に、本発明は、増分（incremental）スケール読取装置に関する。

２つの部材の相対的変位を測定するスケール読取装置の既知の形状は、パターンを規定するスケール・マーク（scale marks）を有する一方の部材にスケールを、他方の部材に設けられている読取ヘッドを、備えている。

増分スケール読取装置は、２つの対象物の相対的位置を測定する装置である。典型的には、スケールは、対象物の一方に取り付けられ、読取ヘッドが他方に取り付けられ、スケールは、同一のマーキング（markings）をその上に規則的に間隔を置いて配置している。読取ヘッドは、スケールの上に光を投射する。その後、光は、スケールの形状に応じて、反射されるかまたは通過する。反射される光または通過する光から、読取ヘッドは、２つの対象物の相対的変位を示す増分計数を引き起こすのに使用され得る一連の信号を生成する。特許文献１に増分スケール読取システムが記載されている。

スケール読取装置は、線形スケール、回転スケール及び二次元スケールとともに使用するのに適している。

スケール読取装置の種々の適用は、種々のスケール・ピッチを必要とするであろう。精確な位置決めが要求される場合、細かいピッチの増分スケールが適している。例えば、精確な低速度（例えば、０−５００ｒｐｍ）の回転テーブルは、位置フィードバックを必要とする。

しかしながら、高速度を測定するために、低精度の位置決めで充分であり、粗いピッチのスケールが適している。例えば、高速度（例えば、１０、０００−３０、０００ｒｐｍ）の回転スピンドルを有する工作機械は、速度フィードバックを提供するのに粗いピッチの増分回転スケールを必要とする。

より汎用性のある装置は、組み合わされた機能を有し得る。例えば、工作機械は、部品を回転させるのに使用され、その後、減速され、精確な低速度の回転テーブルとして使用され得る高速度の回転スピンドルとして使用され得る。

例えば、高速度機能に対し３０、０００ｒｐｍの最大回転速度を必要とし、低速度位置決め機能に対し０．５秒の角分解能（an angular resolution）を必要とする装置は、１．２９６ＧＨｚの周波数帯域幅（bandwidths）を必要とする。増分出力スケール読取システムは、典型的には、約３０ＭＨｚに限定される周波数帯域幅を有するので、問題に対する解決を与える単一の検出器システムが非常に高いシステム帯域幅を必要とすることが理解され得る。

欧州特許第２０７１２１号明細書

従来のスケール読取装置は、高速度で、低品質の位置決め精度である粗いピッチのシステムを有するか、低速度で、細かいピッチのシステムを有するかのどちらかである。

本発明の第１の形態は、お互いに対して移動可能なスケールと読取ヘッドであって、スケールが、第１のスケール・ピッチ（scale pitch）を有する第１の増分パターンを形成するように配列されるスケール・マーキング（scale marking）、及び前記第１のスケール・ピッチとは異なる第２のスケール・ピッチを有する第２の増分パターンを形成するように配列される少なくとも１つのスケール・マーキングを有する、スケールと読取ヘッド、前記第１の増分スケール・パターン（incremental scale pattern）を検出する第１の検出手段、前記第２の増分パターンを検出する第２の検出手段を備え、第１の検出手段及び第２の検出手段はいずれも同じ読取ヘッドに設けられているスケール読取装置を提供する。

前記第１の増分パターンのスケール・マーキングは、第１のスケール・トラック（scale track）に配置され得る。また、前記第２の増分パターンの前記少なくとも１つのスケール・マーキングは、第２のスケール・トラックに配置され得る。前記第２の増分パターンの少なくとも１つのスケール・マーキングは、また、第３のスケール・トラックに設けられてもよい。前記第２及び第３のスケール・トラックのスケール・マーキングの配列及びそれらに関連する検出手段は、前記検出手段からの出力信号が矩象になる（in quadrature）ようになっていてもよい。あるいは、前記第１の増分パターンのスケール・マーキングと前記第２の増分パターンのスケール・マーキングとが同じスケール・トラックに配置されていてもよい。

スケールは、線形スケール、二次元スケールまたは回転スケールを備え得る。回転スケールにおいては、第２の増分パターンの少なくとも１つのスケール・マーキングは、１回転当たり１つのマーキングとなる１つのスケール・マーキングを備え得る。

第１のピッチは、第２のピッチより小さくてもよい。スケール読取装置は、スケールと読取ヘッドとの間の相対的運動速度または前記速度に関連するシステム特性を閾値と比較し、それにより、スケール及び読取ヘッドの相対的位置を判別するために、前記速度に合った第１及び第２の検出手段の一方の検出手段からの出力を選択する比較器を含み得る。比較器がスケールと読取ヘッドとの間の相対的運動速度を閾値と比較し、速度が閾値を超えている場合、第２の検出手段からの出力がスケール及び読取ヘッドの相対的位置を判別するのに使用される。比較器がスケールと読取ヘッドとの間の相対的運動速度を閾値と比較し、速度が閾値を下回っている場合、第１の検出手段からの出力がスケール及び読取ヘッドの相対的位置を判別するのに使用される。

スケールは、少なくとも１つの基準マークを含み得る。該少なくとも１つの基準マークは、前記第２のパターンのスケール・マーキングを備え得る。

本発明の第２の形態は、第１のスケール・ピッチを有する第１の増分パターンを形成するように配列されるスケール・マーキング及び前記第１のスケール・ピッチとは異なる第２のスケール・ピッチを有する第２の増分パターンを形成するように配列される少なくとも１つのスケール・マーキングを有するスケールと前記第１の増分スケール・パターンを検出する第１の検出手段及び前記第２の増分パターンを検出する第２の検出手段を備える読取ヘッドを備えるスケール読取装置のスケール及び読取ヘッドの相対的位置または速度を検出する方法であって、第１及び第２の検出手段から信号を出力するステップを備える方法を提供する。

方法は、第１及び第２の信号の有効性を指示する信号を出力するステップを含み得る。方法は、スケールと読取ヘッドとの間の相対的運動速度または前記速度に関連するシステム特性を閾値と比較し、それにより、スケール及び読取ヘッドの相対的位置を判別するために、前記速度に合った第１及び第２の検出手段の一方の検出手段からの出力を選択するステップを含み得る。スケール及び読取ヘッドの相対的速度が前記閾値を超える場合、第２の検出手段からの出力が使用され得る。スケール及び読取ヘッドの相対的速度が前記閾値を下回っている場合、第１の検出手段からの出力が使用され得る。

第１のピッチは、第２のピッチより小さくてもよい。

基準マークが設けられてもよい。方法は、第２の検出器の出力から第１の検出器の出力へ戻る前に、スケールに対して読取ヘッドの位置を特定するために、基準マークを使用するステップを含み得る。

本発明の第３の形態は、お互いに対して移動可能なスケールと読取ヘッド、該読取ヘッドからの通信回線出力データ（a communications link outputting data）を備え、２つの異なる分解能レベル（resolution levels）を有するデータが同じ通信回路に送られるスケール読取システムを提供する。

データは、一連のデータ・ビット（data bits）からなるワード（word）として通信回路に送られ得る。１またはそれ以上のビットがワードの分解能レベルを指示し得る。

高分解能において、ワードのデータ・ビットの第１の部分が、有効であり得る。該第１の部分は、データ・ビット全てを備え得る。低分解能においては、ワードのデータ・ビットの第２の部分が有効であり得る。第１及び第２の部分は、ワードのどの位置にあってもよく、重なっていてもよい。

データは、スケール及び読取ヘッドの相対的位置に関連する。

本発明の第４の形態は、少なくとも１つのスケール・マーキングを備える少なくとも１つのトラックを有するスケール、少なくとも１つのスケール・マーキングを検出し、少なくとも１つのスケール・マーキングに関する信号を生成する変換器システムを有する読取ヘッド、及びスケールの選択された機能に関連する信号から出力を生成する信号復号化方法（the signal decoding method）を選択する設定手段を備えるスケール読取装置を提供する。

設定手段は、増分機能または少なくとも１つの別の機能のうちの一方に関連する出力を生成する信号に作用し得る。少なくとも１つの別の機能は、境界マーク機能（limit mark function）を備えている。少なくとも１つの別の機能は、基準マーク機能を備え得る。少なくとも１つの別の機能は、絶対スケール機能（an absolute scale function）を備え得る。

設定手段は、読取ヘッドに配置され得る。例えば、設定手段は、読取ヘッドに配置されるスイッチまたはピンを備え得る。設定手段は、読取ヘッドの外部に配置され得る。例えば、設定手段は、ソフトウエアにより提供され得る。

変換器システムは、少なくとも１つのトラックにある少なくとも１つのスケール・マーキングの個々のスケール・マーキングを検出することが好ましい。

１つの実施態様において、スケールには、細かい増分のスケール・トラックが設けられ、読取ヘッドには、細かい増分のスケール・トラックと読取ヘッドとの間の相対的運動を検出するための細かい増分の変換器システムが設けられる。少なくとも１つのトラックの少なくとも１つのスケール・マーキングは、増分スケールを形成するように配列され、設定手段は、増分出力を生成するように構成され得る。この場合、少なくとも１つのトラックのスケール・マーキングのピッチは、細かい増分のスケール・トラックのスケール・マークのピッチより大きい。

装置は、スケールと読取ヘッドとの間の相対的運動速度または前記速度に関連するシステム特性を閾値と比較する比較器を含み、それにより、前記速度に合った、少なくとも１つのトラック変換器システム及び細かいピッチの増分変換器の一方からの出力を選択し得る。少なくとも１つの基準マークが設けられ、細かい増分の変換器から出力へ戻るとき、基準マークは、読取ヘッドに対するスケールの位置を確認するのに使用される。

本発明に係る好ましい実施態様が添付図面を参照して一例として説明されるだろう。

既知のスケール読取システムが図１及び２に示されている。図１は、細かい増分トラック１２及び一対の境界トラック１４、１６を備えるスケール１０を示す。細かい増分トラック１２は、例えば、２０μｍのピッチを有して交互に並べられている反射線と非反射線を備えている（別のタイプの増分スケール、例えば、位相差スケール（phase scale）が使用されてもよい）。境界トラック１４、１６は、増分トラック１２の両側に配置され、スケールの２つの端部境界を指示する、非反射性背景上の反射性境界マーク１８、１９、２０を有する。左側の境界は、各トラック１４、１６の境界マーク１８、１９で指示され、右側の境界は、一方の境界トラック１６の境界マーク２０で指示される。

図２は、スケール１０の上に取り付けられた読取ヘッド２２を示す。細かい増分スケール・トラックの増分スケールを検出するために、増分光学装置２４が設けられている。該光学装置は、例えば、光源、回折格子及び特許文献１に開示するような検出器を備え得る。検出器の出力は、読取ヘッド２２がスケール１０に対して移動するとき、増分計数を引き起こすのに使用される。読取ヘッド２２は、分解能がスケールのマーキングの直接計数により達成されるよりも高度であるような電子補間（electronic interpolation）を提供し得る。ある場合には、出力は、アナログ（多くの場合、矩象状の２つの正弦波）であり、読取ヘッドの外にある電子機器が補間を実行することを可能とする。

検出器平面において正弦波出力を生成するいずれかのタイプのスケール、例えば、異なる深さを有するスケールの交互に並ぶ区間を備えている位相差スケールが、細かい増分トラックで使用され得る。

検出器Ｄ１及びＤ２は、境界トラック１４、１６の反射性境界マーク１８、２０を検出し、したがって、読取ヘッド２０がスケール１０の両端部にあるとき検出する。

図３は、本発明の第１の実施態様に係るスケールを示す。このスケール３０も、細かい増分トラック１２及び２つの境界トラック１４、１６を備えている。しかしながら、境界トラックの境界マークは、反射性マーク３４及び非反射性マーク３６を交互に並べることで作られている粗い増分スケール３２に置き換えられている。境界トラック１４、１６の粗い増分スケールのピッチＰ_ｌは、細かい増分トラック１２のピッチＰ_ｉよりかなり大きい。例えば、細かい増分トラックの細かい増分スケールのピッチは、２０μｍであり、境界トラックの粗い増分スケールのピッチは、２００μｍとなりうる。

図４は、スケール３０の真上に配置される読取ヘッド２２を通して見たときの平面図を示す。増分光学装置２４は、細かい増分スケール・トラック１２を読み取るのに使用される。境界トラック１４、１６の粗い増分スケール３２は、境界トラック検出器Ｄ１及びＤ２により読み取られる。図５は、検出器が境界トラック１４、１６の粗いスケールの真上を通り過ぎるとき、検出器Ｄ１及びＤ２からの出力を示す。この例において、Ｄ１及びＤ２からの信号は、スケールの非反射性部分の真上を通り過ぎるとき、出力が低く、スケールの反射性部分の真上を通り過ぎるとき、出力が高い。

図３及び４に示されるように、境界トラック１６の粗い増分スケール・パターンは、検出器Ｄ１及びＤ２からの出力が、図５に示されるように、矩象となるように、境界トラック１４の粗い増分スケール・パターンから１／４ピッチだけずれている。（それらは、９０度以上ずれることが可能であるけれども。）このことは、スケールに対する読取ヘッドの方向が判別されることを可能とする。しかしながら、方向が必要とされない場合は、一方の粗い増分スケールのみが必要とされるであろう。さらに、方向を変えるために、その間細かい増分スケールが読み取られ得る低速度で、システムが移動しなければならないので、細かい増分スケールの出力から、方向は、既に知られている。あるいは、２つの検出器が単一のスケール・トラックに設けられ、該２つの検出器が少なくとも１／４ピッチだけずれている。このことは、一対の矩象信号が単一のトラックを利用して生成されることを可能とする。単一のトラックの真上に隣り合うこのような検出器の配列は、以下の実施態様全てに適している。

図は、増分トラック及び境界トラックの両方に対して反射性スケールが使用されていることを示しているけれども、いずれの実施態様に対しても透過スケールが使用され得る。

検出器が異なるマーキングに対し２つの異なる状態を検出する限り、異なるタイプのマーキングが境界トラックのマーキングに対して使用され得る。例えば、マーキングは、反射性の背景の上に非反射性のマークであってもよい。あるいは、非反射性の区間が、検出器から離れた方向で光を導く、例えば、プリズムすなわち面取りされ、研磨された表面のような、マーキングに置き換えられてもよい。

境界トラックのマーク及び関連する検出器は、光学式である必要はない。境界トラックから信号を生成する他の方法が使用され得る。例えば、磁気センサ、容量センサ及び誘導センサが同様の方法で矩象信号を生成するのに使用される。

さて、本発明の第２の実施態様が図６−７を参照して説明される。図６は、上記した物と同様に、細かい増分トラック１２及び２つの境界トラック１４、１６を備えているスケール４０を示す。既に述べたように、増分光学装置２４は、細かい増分スケール・トラックを読み取るのに使用される。しかしながら、このシステムにおいては、境界トラック１４、１６の粗い増分スケール４２は、磁気検出器４５、４７により読み取られる。本実施態様において、スケールは、強磁性体であり、粗い増分スケール４２は、異なる深度を持つ交互に並ぶ区間４４、４６を有する。図７は、境界トラック１４の断面図を示す。異なる深度を持つ交互に並ぶ区間４４、４６は、粗い増分スケール４２を作り出す。境界トラック検出器４５は、バイアス磁石４８とホール・センサ（a Hall sensor）４９を備え、境界トラックの深度の変化により引き起こされる磁界の変化を検出する。

前にも述べたとおり、検出器４５及び４７からの出力は、２つの矩象信号である。検出器４５及び４７からの出力信号は、本例では、境界トラックの“深い”部分の真上にあるとき出力は低く、境界トラックの“浅い”部分の真上にあるときは出力が高い。

次に、本発明の第３の実施態様が図８及び９を参照して説明される。この実施態様において、粗い増分スケール５２は、交互に並んでいる“北”のＮ部分と“南”のＳ部分により境界トラック１４、１６に作られている。境界トラック１４、１６は、読取ヘッド２２の磁気検出器５５、５７により読み取られる。

図９は、境界トラック１４及び読取ヘッドの断面図を示す。境界トラック１４の交互に並ぶ“北”のＮ部分と“南”のＳ部分は、読取ヘッド２２のホール・センサ５９により検出される。

これまでに述べたとおり、検出器５５及び５７は、２つの矩象信号を発生する。検出器５５及び５７からの出力信号は、本例においては、境界トラックの“北”部分の真上にあるときは出力が低く、“南”部分の真上にあるときは、出力は高い。

細かい増分トラックの光学装置及び境界トラックの光学装置両方からの出力は、制御器に送られる。スケールと読取ヘッドの相対的速度が比較器の閾値と比較される。細かい増分スケール・トラックからの出力は、専ら、スケールと読取ヘッドとの間の相対的速度の閾値に至るまで使用され得る。スケールと読取ヘッドとの間の相対的速度が閾値を下回っている間、使用者は、細かい増分スケールまたは境界トラックの粗い増分スケールのどちらか一方からの出力を使用することができる。例えば、精確な位置決めのために、使用者は、これが最も精確な読み取りを与えるので、細かいピッチの増分スケールからの出力を使用することを選択し得る。スケールと読取ヘッドとの間の相対的速度が細かい増分トラックからの出力が使用され得る閾値を超える場合、境界トラックの粗い増分スケールからの出力が使用されるだろう。

スケールと読取ヘッドとの間の相対的速度を閾値と比較することに代えて、該速度に関連するシステム特性が閾値と比較され得る。例えば、検出器から出力された信号の振幅が閾値と比較され得る。速度が特定の限界に達すると、細かい増分トラックの変換器の振幅は、閾値以下に落ちるだろう。自動利得制御（ＡＧＣ）が信号振幅定数（the signal amplitude constant）を維持するために使用され得る。この場合、速度が特定のレベルを超えて増大するとき、細かい増分検出信号に対するＡＧＣの要求が増大するだろう。したがって、このＡＧＣの要求値が閾値と比較され得る。

それに対して増分計数器がセットされている基準位置を設けるために、基準マークが設けられ得る。細かい位置決めができるようにシステムの速度が閾値以下に低下すると、読取ヘッドに基準マークの真上を通過させることが、絶対位置を決定するのに有利であり得る。あるいは、境界トラックの粗いスケールが補間されることにより、いっそう精確な位置が決定され得る。

このシステムは、単一の読取ヘッドとスケール・システムが高速度システム及び細かいピッチの精確なシステムの両方のシステムとして作用するという利点を有する。

さらに、本発明は、粗い増分スケールが境界トラック内に配置されるので、同じ読取ヘッドが、境界トラックに境界マークを有するスケール、または境界トラックに粗い増分スケールを有するスケールを検出するのに使用され得るという利点を有する。

読取ヘッドの同じ検出器は、それらの機能の如何を問わず、境界トラックの特徴、すなわち、境界マークや増分スケール、を検出するのに使用される。これらの検出器からの出力は、信号が境界トラックの正しい機能、例えば、境界マークや粗い増分スケール、に関連するように、設定される。

図２５は、システムが２つの異なる機能、境界トラック機能及び増分機能、に対してどのように設定されるかを示す表である。図１に示される境界トラック配列に対して、出力１（左側の境界）は、２つの検出器Ｄ１及びＤ２からの１つの信号を必要とし、出力２（右側の境界）は、検出器Ｄ２のみからの信号を必要とする。図３及び４に示される増分配列に対して、出力１は、検出器Ｄ１からの信号を必要とし、出力２は、検出器Ｄ２からの信号を必要とする。これらの出力は、組み合わされ、図５に示されるような矩象を作り出す。

境界トラック検出器の出力は、読取ヘッドにスイッチを設けることにより設定される。図１０は、出力信号を処理するのに使用される論理回路を示す。境界トラック検出器からの出力信号Ｓ１及びＳ２は、論理回路６０に入力される。スイッチＳ_Ｗは、論理回路６０に高入力または低入力のどちらかを提供する。スイッチＳ_Ｗが高出力を提供すると、出力Ｐ及びＱは、リミット・スイッチ出力となり、スイッチＳ_Ｗが低出力を提供すると、出力Ｐ及びＱは、矩象増分出力となる。

境界トラック検出器の出力は、図１１に示されるように、異なる機能に対してピンを設けることで設定され得る。図１１において、論理回路６０が図１０と同様に設けられるとともに、同じ引用数字が同じ部品に対して与えられている。読取ヘッド接続６１には、一組のピン６２が設けられており、該当するピン６４を高い位置または低い位置へ引き寄せることにより、境界トラック検出器の出力は、増分スケールまたは境界マークとして境界トラックを復号化するように設定され得る。

図１０及び１１に示されるシステムにおいては、出力が増分信号に関連するにせよ、リミット・スイッチ信号に関連するにせよ、いずれにしても、出力は、同じ読取ヘッドのピンから送られるが、ピンの機能は変更される。この場合、使用者は、所望の機能に対してスケールを選択し、それに応じて読取スイッチまたはピンをセットする。

検出器出力の設定は、また、ソフトウエア・メモリでなされてもよい。

読取ヘッドにおいて検出器出力を設定する代わりに、読取ヘッドは、増分機能及び境界機能の両方に関する信号を同時に出力し得る。そして、正しい機能が、使用者により、制御器で選択され得る。

図１２は、変換器の信号がスケールの機能に適切な出力に変換されることを示す。境界トラック検出器からの検出器信号７０が、例えば、上記したスイッチ、ピンまたはソフトウエアを備え得るモード切り換えスイッチ７２の状態に応じて様々に復号化される。増分モードが選択された場合７４、信号は、復号化電子機器７８を通過し、増分出力を生成する。境界マーク・モードが選択された場合７６、信号は、規定化電子機器８０を通過し、境界マーク出力を生成する。出力は、例えば、デジタル矩象出力（a digital quadrature output）であってもよいし、オープン・コレクタ出力（an open collector output）であってもよい。

境界トラックが複数の機能を有する、すなわち、リミット・スイッチまたは粗い増分スケールを提供することを可能とするために、リミット・スイッチ検出器が単独にマークを検出することができなければならない。

本発明は、上記したような境界トラックの２重の機能に限られるものではない。例えば、読取ヘッドは、スケール・マーキングを（以下に詳細に述べるように）基準マークまたは粗い増分スケールのどちらかとして読み取るように設定され得る。あるいは、読取ヘッドは、スケール・マーキングを絶対スケールまたは増分スケールのどちらかとして読み取るようにも設定され得る。

別の組の実施態様においては、基準マークは、高速度で増分信号を生成するのに使用され得る。

図１３は、増分スケール・トラック９２を備えている、典型的には、例えば、２０μｍのピッチを有する反射線と非反射線の繰り返しパターンを備えている回転スケール９０を示す。（別のタイプの増分スケール、例えば、位相差スケールが使用され得る。）
基準マーク９５が増分スケール・トラック９２に設けられる。この基準マークは、増分トラックのピッチよりかなり大きい（スケールに沿う）長さを有する。該基準マークは、例えば、２００μｍの長さを有し、典型的には、反射性または非反射性細片からなる。

読取ヘッド（不図示）には、図１４に示されるような２つの矩象正弦波信号からなる増分スケールからの信号を生成する増分光学装置が設けられる。アップまたはダウンの計数がこれらの信号から生成され得る。

読取ヘッドは、また、基準マークが検出されることを可能とする基準マーク光学装置、例えば、分割検出器（a split detector）を備えている。図１５は、分割検出器からの出力である信号９８、１００を示す。分割検出器信号９８、１００の間の差は、図１６に示される信号１０２を生成するのに利用される。この信号１０２は、処理され、２０μｍの基準マーク信号を生成し得る。一対の外側閾値１０４、１０６は、読取ヘッドが基準マークに接近していることを指示するのに使用される。一対の内側閾値１０５、１０７は、基準マークを規定するのに使用される。したがって、読取ヘッドが矢印Ａ方向に移動している場合、該読取ヘッドは、信号１０２が閾値１０４の上を通過するとき、読取ヘッドが基準マークに接近していることを指示するだろう。信号１０２が閾値１０５と１０７との間を通過するとき、読取ヘッドは、基準マークの指示を出力するだろう。内側閾値１０５及び１０７が接近し、それらの間の信号１０２が急な傾きを有する場合、狭い基準マーク信号が実現され得る。あるいは、大きな基準マークを検出する光学的機構も可能である。

処理されていない基準マークの特徴が、また、高速度での使用に適している増分出力を提供するのに使用され得る。基準マークは、増分スケールのピッチよりかなり大きく、高速度域での基準マークに対する信号出力は、細かい増分トラックに対する信号出力よりも低い速度に変更される。システムの周波数帯域幅が細かい増分トラック及び基準マークの両方に対してほぼ同じであるとき、基準マークは、信号が減衰される前に、かなり高速度域で動作され得る。本例では、基準マークは、増分出力が使用され得るよりも１０倍以上の高速度域で認識され得る。

図１６に示されている処理されていない基準マーク信号１０２は、使用者により直接的に使用され、高速度で粗い増分出力を生成し得る。あるいは、例えば、（点線１０４、１０６で示される）２つの閾値を使用し、フリップ・フロップをセットまたはリセットすることで簡単な処理がなされ、結果として、図１７に示される出力となる。本例は、基準マークを指示するのに使用された外側閾値と同じ閾値１０４、１０６を使用する。しかしながら、必要に応じて、異なる閾値が使用され得る。このような処理は、増分チャネル（the incremental channel）の存在に依存しない。したがって、この粗い増分出力は、細かい増分スケールがもはや読み取られない速度域で使用され得る。その他の処理機構が使用されてもよい。

図１３に示される回転スケールは、単一の基準マークを有し、したがって、１回転当たり１パルスの出力を与えるだろう。

スケールと読取ヘッドのシステムは、基準マークがその通常の方法で処理され、基準位置を提供し、低速度における細かい増分信号とともに使用され、また、その簡単に処理された形で、高速度における使用のために１回転当たり１パルスを与えるように、２重の出力システムとして設定され得る。

図１８は、図１３に示される実施態様の変形例を示す。本実施態様において、回転スケールには、上記したものと同様の増分スケール・トラック、複数の均一に間隔をおいて配置される基準マーク１１０が設けられている。このことは、高速度において１回転当たり複数のパルスが生成されることを可能とする。しかしながら、複数の基準マークがあるので、基準マーク用切り換えスイッチは、複数のマークのどれが、各回転内での固有の位置を指示するための固有の基準マークとして使用されるべきであるかを指示するのに使用され得る。基準マーク用切り換えスイッチは、それ自身この目的にかなう。

図１９は、別の変形例を示す。この実施態様もまた、複数の基準マークを有し、１回転当たりに多くのパルスが生成されることを可能とする。この実施態様において、マークは、典型的な‘距離でコード化された（distance coded）’エンコーダ方式で間隔をおいて配置されている。一つおきのマーク１１２が均一に間隔（距離Ａ）をおいて配置され、干渉マーク１１４、１１６、１１８がそれらに隣接するマーク１１０の間のいろいろな位置に（距離Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２などで）間隔をおいて配置され、２つの隣り合うマークが読み取られるとき、固有の位置を与える。この実施態様は、個々の基準マークが最終使用者によるマーカーにより選択される必要がない点で図１８に示される実施態様より優れた利点を有する。異なる距離でコード化する機構が可能である。しかしながら、基準マークがより均一に間隔をおいて配置されればされるほど、基準マークが間隔をおいて配置されることの変動により引き起こされる誤差が認識されることが少なくなる。このような誤差は、一定の速度で認識される‘速度脈動（velocity ripple）’現象を引き起こす。

図１３、１８、１９に示される実施態様は、増分スケールに埋め込まれた光学的基準マークを示しているけれども、基準マークは、非光学的なマーク、例えば、磁気性マーク、容量性マークまたは誘導性マークであってもよい。さらに、増分スケール・トラックが非光学的であってもよい。基準マークは、埋め込まれるよりはむしろ、増分スケール・トラックに平行な別個のスケール・トラックにあってもよい。どのような適切な検出システムも使用され得る。

スケール及び読取ヘッドは、反射性または透過性のどちらかであってもよい。このシステムは、線形スケール及び二次元スケールにも適している。

上記した実施態様において、高速度出力及び低速度出力は、２つの別個の出力または２つのモードの間で切り換えられ得るあるいは設定され得る単一の出力のどちらかに生成され得る。そのようなシステムは、２つの入力または制御ラインを有する制御器または駆動装置を使用し、分解能間のエンコーダ・システムを切り換えることに依存する。

高速度域及び低速度域において増分信号に対するまさに１つのデータ出力を有することは利点である。しかしながら、前に説明したように、単一の増分スケールを使用する高速度測定のための出力周波数は、デジタル矩象システムにとって非常に高い。

シリアル通信プロトコルは、単一の出力が２重の増分システムに対して使用されることを可能とする。このシステムにおいて、読取ヘッドの位置は、計数器を使って読取ヘッド内に蓄積され、必要なときにのみ制御器に送り出される。読取ヘッド位置の計数は、制御器に連続的に流される一連の２進数として制御器に送られ得る。

図２０は、４２ビット位置ワードの例を示す。（別の大きさのワードが使用され得るけれども。）最上位のビット（ＭＳＢ）は、左側にあり、最下位のビット（ＬＳＢ）は、右側にある。最初の１６ビットは、回転スケールの回転数に関し、次の１６ビットは、検出された増分スケールの線の数に関し、３番目の１０ビットは、補間データに関する。したがって、ワード全体では、回転スケールに関する回転角度及び回転数を表している。

回転スケールの環（the rotary scale ring）が、例えば、６５５３６の２進の線計数及び、例えば、１０２４の２進補間を有する場合、この例に関しては、トップの１６ビットは、事実上、回転数である。

低速度では、出力は、細かい増分スケールから送られ、４２ビット全てが使用される。高速度では、細かいピッチの増分信号は、線の数及び補間されたデータに対応する下位のビットがもはや有効でないように信号振幅を減少させる。しかしながら、基準マークまたは境界トラックから生成される粗いピッチの信号は、回転数に対応する高位のビットが更新されることを可能とする。１以上の基準マークがスケールに存在する場合、より多くのビットが更新され、ほんの僅かの回転をも与え得る。

スケールの回転が閾値以下に減速される場合、増分データは、再び有効になるだろう。回転数を示すように使用者により選択される基準マークは、下位のビットを再同期させるように使用され得る。

図２１は、システムの電源投入時におけるデータを示す。この場合、全てのビットは、ゼロにセットされる。末尾のデータ・ビットは、どのビットが有効であるかを制御器に指示している。この例では、ゼロは、全てのビットが有効であることを示し、１は、最初の１９ビットが有効であることを示す。

ワードは、起動後、読取ヘッドを基準マークの上を通過させることにより同期し得る。このことは、ワードのデータ・ビットをゼロにセットし得る。あるいは、データ・ビットは、起動時及び記録されている基準マークの位置及び次の測定を調整するのに使用される差においてゼロにセットされ得る。１またはそれ以上のデータ・ビットが基準マークとの同期が行われたことを指示するのに使用され得る。

図２２は、低速度におけるデータを示す。この場合、データは、細かい分解能の増分スケールから発している。該細かい分解能の増分スケールからは、回転数のデータ、スケール線の数のデータ及びスケール線間からの補間されたデータが判別され得る。したがって、末尾のデータ・ビットは、ゼロであり、全てのビットが有効であることを指示する。

図２３は、高速度でのデータを示す。単一の基準マークを有する回転スケールに関して、まさに回転数が判別され得る。スケールが複数の基準マークを有する場合、線の数に関するデータ・ビットが判別され得る。この例では、最初の１９ビットが有効である。不明のデータは、‘ｘ’で示されている。これは、凍結末尾読み取り（the frozen last reading）を含み得る。または、データ・ビットは、全て、０または１にセットされ得る。

図２４は、速度が細かい増分スケールのデータが有効である閾値以下に減速したときのデータを示す。減速時、データは、基準マークとの再同期後、専ら有効となるだろう。環が距離コード化基準マークを有する場合、この再同期ステップは、敏速に起こるだろう。しかしながら、回転スケールが高速度で回転しているとき、この減速は、やがて、無視し得る。

従来のスケールの平面図である。 従来のスケールと読取ヘッドの平面図である。 本発明の第１の実施態様に係るスケールの平面図である。 本発明の第１の実施態様のスケールと読取ヘッドの平面図である。 本発明の第１の実施態様の境界トラック検出器の出力を示す。 本発明の第２の実施態様のスケールと読取ヘッドの平面図である。 境界トラックに沿う図６の読取ヘッドの断面図である。 本発明の第３の実施態様のスケールと読取ヘッドの平面図である。 境界トラックに沿う図７の読取ヘッドの断面図である。 スイッチ式設定手段の概略図である。 ピン式設定手段の概略図である。 変換器からの信号が出力に変換されていることを示すフロー図である。 単一の基準マークを有する回転スケールを示す。 均一に間隔を置いて配置される複数の基準マークを有する回転スケールを示す。 距離コード化アルゴリズムにしたがって間隔を置いて配置される複数の基準マークを有する回転スケールを示す。 細かい増分スケール・トラックからの信号である。 基準マーク検出器からの出力を示す。 基準マーク検出器の出力からの未処理の基準マークを示す。 図１７から基準マーク信号が単純処理された図である。 ４２ビットの位置ワードの概略図である。 電源投入時における図２０の４２ビットの位置ワードを示す。 低速度時における図２０の４２ビットの位置ワードを示す。 高速度時における図２０の４２ビットの位置ワードを示す。 低速度に戻ったときの図２０の４２ビットの位置ワードを示す。 スケールの種々の機能を示す表である。

Claims (41)

1. お互いに対して移動可能なスケール及び読取ヘッドであって、前記スケールは、第１のスケール・ピッチを有する第１の増分パターンを形成するように配列されているスケール・マーキング及び前記第１のスケール・ピッチとは異なる第２のスケール・ピッチを有する第２の増分パターンを形成するように配列されている少なくとも１つのスケール・マーキングを有するスケール及び読取ヘッド；
   前記第１の増分スケール・パターンを検出する第１の検出手段；
   前記第２の増分パターンを検出する第２の検出手段；
   を備え、
   第１の検出手段及び第２の検出手段の両方が同じ読取ヘッドに設けられていることを特徴とするスケール読取装置。
2. 前記第１の増分パターンのスケール・マーキングは、第１のスケール・トラックにあり、前記第２の増分パターンの前記少なくとも１つのスケール・マーキングは、前記第２のスケール・トラックにあることを特徴とする請求項１に記載のスケール読取装置。
3. 前記第２の増分パターンの前記少なくとも１つのスケール・マーキングは、また、第３のスケール・トラックに設けられていることを特徴とする請求項２に記載のスケール読取装置。
4. 前記第２及び第３のスケール・トラックのスケール・マーキングの配列及びそれらに関連する検出手段は、前記検出手段からの出力信号が矩象になるようにされていることを特徴とする請求項３に記載のスケール読取装置。
5. 前記第１の増分パターンのスケール・マーキング及び前記第２の増分パターンの少なくとも１つのスケール・マーキングは、同じスケール・トラックに配置されていることを特徴とする請求項１に記載のスケール読取装置。
6. スケールは、回転スケールであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のスケール読取装置。
7. 第２の増分パターンの少なくとも１つのスケール・マーキングは、１回転当たり１つのマーキングとなる１つのスケール・マーキングを備えていることを特徴とする請求項６に記載のスケール読取装置。
8. 第１のピッチは、第２のピッチより小さいことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のスケール読取装置。
9. スケールと読取ヘッドとの間の相対的運動速度または前記速度に関連するシステム特性を閾値と比較し、それにより、前記速度に合っている第１及び第２の検出手段のうちの一方の検出手段からの出力を選択する比較器をさらに含んでいることを特徴とする請求項８に記載のスケール読取装置。
10. 比較器は、スケールと読取ヘッドとの間の相対的運動速度を閾値と比較し、速度が閾値を超えている場合、第２の検出手段からの出力が使用されることを特徴とする請求項８に記載のスケール読取装置。
11. 比較器は、スケールと読取ヘッドとの間の相対的運動速度を閾値と比較し、速度が閾値を下回っている場合、第１の検出手段からの出力が使用されることを特徴とする請求項１０に記載のスケール読取装置。
12. スケールは、少なくとも１つの基準マークを含んでいることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載のスケール読取装置。
13. 少なくとも１つの基準マークは、前記第２のパターンのスケール・マーキングを備えていることを特徴とする請求項１２に記載のスケール読取装置。
14. 第１のスケール・ピッチを有する第１の増分パターンを形成するように配列されているスケール・マーキング及び前記第１のスケール・ピッチとは異なる第２のスケール・ピッチを有する第２の増分パターンを形成するように配列されている少なくとも１つのスケール・マーキングを有するスケール、及び前記第１の増分スケール・パターンを検出する第１の検出手段と前記第２の増分パターンを検出する第２の検出手段を含んでいる読取ヘッド、を備えているスケール読取装置のスケールと読取ヘッドの相対的位置または速度を検出する方法であって、
    第１及び第２の検出器手段からの信号を出力するステップを備えていることを特徴とする方法。
15. 第１及び第２の信号の有効性を指示する信号を出力するステップを含んでいることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. スケールと読取ヘッドとの間の相対的運動速度または前記速度に関連するシステム特性を閾値と比較し、それにより、前記速度に合っている第１及び第２の検出手段のうちの一方の検出手段からの出力を選択するステップを含んでいることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. スケールと読取ヘッドの相対的速度が前記閾値を超えている場合、第２の検出手段からの出力が使用されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. スケールと読取ヘッドの相対的速度が前記閾値を下回っている場合、第１の検出手段からの出力が使用されることを特徴とする請求項１６または１７に記載の方法。
19. 第１のピッチは第２のピッチに満たないことを特徴とする請求項１４ないし１８のいずれかに記載の方法。
20. 基準マークが設けられ、
    第２の検出器の出力から第１の検出器の出力へ戻る前に、スケールに対して読取ヘッドの位置を特定するために、該基準マークを使用するステップを含んでいることを特徴とする請求項１４ないし１９のいずれかに記載の方法。
21. お互いに対して移動可能なスケールと読取ヘッド；と
    読取ヘッドからの通信回線出力データ；
    を備え、
    ２つの異なる分解能レベルを有するデータが同じ通信回線に送られることを特徴とするスケール読取システム。
22. データは、一連のデータ・ビットからなるワードとして通信回線に送られることを特徴とする請求項２１に記載のスケール読取システム。
23. １またはそれ以上のビットがワードの分解能レベルを指示することを特徴とする請求項２２に記載のスケール読取システム。
24. 高分解能において、ワードのデータ・ビットの第１の部分が有効であることを特徴とする請求項２１ないし２３のいずれかに記載のスケール読取システム。
25. 第１の部分は、データ・ビット全てを含んでいることを特徴とする請求項２４に記載のスケール読取システム。
26. 低分解能において、ワードのデータ・ビットの第２の部分が有効であることを特徴とする請求項２１ないし２５のいずれかに記載のスケール読取システム。
27. データは、スケールと読取ヘッドの相対的位置に関連することを特徴とする請求項２１ないし２６のいずれかに記載のスケール読取システム。
28. 少なくとも１つのスケール・マーキング；
    少なくとも１つのスケール・マーキングを検出し、少なくとも１つのスケール・マーキングに関連する信号を生成する変換器システムを有する読取ヘッド；
    スケールの選択された機能に関連する信号からの出力を生成する信号復号化方法を選択する設定手段；
    を備えていることを特徴とするスケール読取装置。
29. 設定手段は、増分機能または少なくとも１つの別の機能のうちの一方に関連する出力を生成する信号に作用することを特徴とする請求項２８に記載のスケール読取装置。
30. 少なくとも１つの別の機能は、境界マーク機能を備えていることを特徴とする請求項２９に記載のスケール読取装置。
31. 少なくとも１つの別の機能は、基準マーク機能を備えていることを特徴とする請求項２９に記載のスケール読取装置。
32. 少なくとも１つの別の機能は、絶対スケール機能を備えていることを特徴とする請求項２９に記載のスケール読取装置。
33. 設定手段は、読取ヘッドに配置されていることを特徴とする請求項２８ないし３２のいずれかに記載のスケール読取装置。
34. 設定手段は、読み取りヘッドに配置されるスイッチまたはピンを備えていることを特徴とする請求項３３に記載のスケール読取装置。
35. 設定手段は、読取ヘッドの外部に配置されていることを特徴とする請求項２８ないし３２のいずれかに記載のスケール読取装置。
36. 設定手段は、ソフトウエアにより提供されることを特徴とする請求項３５に記載のスケール読取装置。
37. 変換器システムは、少なくとも１つのスケール・マーキングの個々のスケール・マーキングを検出することを特徴とする請求項２８ないし３６のいずれかに記載のスケール読取装置。
38. スケールには、細かい増分スケール・パターンが設けられ、読取ヘッドには、細かい増分スケール・パターンと読取ヘッドとの間の相対的運動を検出する細かい増分の変換器システムが設けられていることを特徴とする請求項２８ないし３７のいずれかに記載のスケール読取装置。
39. 少なくとも１つのスケール・マーキングは、増分スケールを形成するように配列され、設定手段は、増分出力を生成するように構成され、前記少なくとも１つのスケール・マーキングのピッチは、細かい増分スケール・トラックのスケール・マークのピッチより大きいことを特徴とする請求項３８に記載のスケール読取装置。
40. 装置は、スケールと読取ヘッドとの間の相対運動速度または前記速度に関連するシステム特性を閾値と比較し、それにより、前記速度に合っている少なくとも１つのスケール・マーキングの変換器システムと細かいピッチの増分の変換器システムのうちの一方のシステムからの出力を選択する比較器を含んでいることを特徴とする請求項３８または３９に記載のスケール読取装置。
41. 少なくとも１つの基準マークが設けられ、
    細かい増分変換器からの出力に戻るとき、基準マークが、読取ヘッドに対するスケールの位置を確認するために使用されることを特徴とする請求項４０に記載のスケール読取装置。

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