JP2009515182A - スケールおよび読取りヘッドのシステム - Google Patents

Abstract

スケール測定装置を較正する方法が開示される。スケールは、増分パターンおよび少なくとも１つのスケール線を形成するように配置されたスケールマーキングを有する。読取りヘッドは、出力信号を生成する増分検出器手段およびゼロ交差のある信号を生成するスケール線検出器手段を有する。読取りヘッドは、スケールに対して移動される。増分検出器からの出力を用いて出力信号中の所定の位相を求め、また、ゼロ交差の両側について、増分検出器からの出力信号中の所定の位相に対応するスケール線検出器からの信号の値を求める。これらの値は、スケール線パルスの幅を定義するために用いられる。

Description

本発明は、スケールおよび読取りヘッドのシステムに関する。より具体的には、本発明は、増分チャネルおよび基準マークチャネルを有するスケールおよび読取りヘッドのシステムに関する。さらに、本発明は基準マーク信号を較正する装置および方法を提供する。

２つの部材の相対変位を測定するためのスケール読取り装置の既知の形式は、パターンを画定するスケール線を有する一方の部材上のスケールならびに他方の部材上に設けられた読取りヘッドを備える。光学式スケール読取り装置は、スケールを照射する手段ならびに結果として生じる光パターンに反応してスケールと読取りヘッドの相対変位の測定値をもたらす読取りヘッド内の検出手段を有する。

周期パターンのマークを有するスケールは増分スケールとして周知であり、直交信号を生成する。このスケールには１つまたは複数の基準マークが設けられて良い。読取りヘッドがこれを検出すると、読取りヘッドの正確な位置を求めることが可能になる。基準マーク信号が有効であるためには、増分スケールに対する基準マークの位置が知られていなければならない。したがって、基準マーク信号の中心および幅は、増分スケールに対して固定される。

多くのシステムでは、基準マーク検出器からの出力差電圧には、一定の隔たりの、高い電圧閾値と低い電圧閾値があるのが一般的である。差電圧がこれら２つのレベルの間にあるとき、基準マーク信号が出力される。一般に、読取りヘッドを幾何学的に調整して増分チャネルと基準マークチャネルを互いに対して再調整することにより、基準マーク信号が増分チャネルに対して同期される。あるいは、増分チャネルおよび基準マークチャネルを調整するために信号が電子的に調整され、例えば、基準マーク検出器からの電圧出力は、高い電圧閾値および低い電圧閾値に対して動かされても良い。

国際公開第０２／０６５０６１号パンフレット 欧州特許公報Ｎｏ．ＥＰ０５４３５１３

固定閾値を使用するこの方法には、いくつかの短所があった。具体的には、基準マーク信号の振幅が変化すると、較正中に最適でない結果が起こることがある。これは、様々な読取りヘッドとスケールとの組合せが、様々なシステム利得をもたらし得る場合に起こり得る。その上、いくつかの測定システムでは、増分チャネルおよび基準マークチャネルに同一の光源を使用する。この場合、１００％の信号強度を得るために増分チャネルがまず較正されるが、これは基準マーク検出器に当る光のレベルを変化させることがある。このことは、基準マーク信号の振幅を変化させる効果を有することになる。基準マーク信号の振幅におけるそのような変化は、高い電圧閾値および低い電圧閾値の間の信号の幅を変化させる効果を有することになる。

本発明は、スケール測定装置を較正する方法を提供し、スケール装置は、増分パターンおよび少なくとも１つのスケール線を形成するように配置されたスケールマーキングを有するスケールを含み、読取りヘッドは、出力信号を生成する増分検出器手段およびゼロ交差のある信号を生成するスケール線検出器手段を含む。この方法は、任意の適当な順に、
（ａ）スケールに対して読取りヘッドを移動させるステップと、
（ｂ）増分検出器からの出力を用いて、出力信号中の所定の位相を求めるステップと、
（ｃ）スケール線検出器からの出力を用いて、ゼロ交差を求めるステップと、
（ｄ）ゼロ交差の両側について、出力信号中の所定の位相に対応するスケール線検出器からの信号の値を求めるステップと、
（ｅ）ステップ（ｄ）で求められた値を用いてスケール線パルスの幅を定義するステップとを含む。

好ましくは、増分検出器からの出力信号は直交信号（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｓｉｇｎａｌ）である。所定の位相は、各直交サイクルにおける角度位置であり得る。

好ましくは、少なくとも１つのスケールマーキングは、基準マークである。スケール線検出器からの信号は、電圧信号でよく、好ましくは差電圧信号で良い。スケール線検出器は、分割検出器（２つのセル）でも良い。

好ましくは、増分検出器からの出力信号中の所定の位相に対応するスケール線検出器からの出力は、例えばメモリに格納される。先行の出力および後続の出力の間でゼロ交差が検出されないとき、格納された先行の出力は、増分検出器からの出力信号中の所定の位相に対応する後続の出力によって上書きされて良い。先行の出力および後続の出力の間でゼロ交差が検出されたとき、格納された先行の出力は、増分検出器からの出力信号中の所定の位相に対応する後続の出力によって上書きされなくて良い。

好ましくは、スケール線パルスの中心を定義するために、ステップ（ｄ）で求めた値が用いられる。

スケールおよび読取りヘッドのシステムは、光学システムに限定されない。他のシステムが知られており、例えば、磁気式、静電容量式またはインダクタンス式のスケール読取りシステムがある。

この較正方法は、直線状のスケール、回転状のスケールおよび２次元スケールに対して使用するのに適する。

本発明の第２の態様は、スケール測定装置を較正する装置を提供するものであり、この装置は、増分パターンを形成するように配置されたスケールマーキングおよび少なくとも１つのスケール線を有するスケールと、出力信号を生成する増分検出器手段およびゼロ交差のある信号を生成するためのスケール線検出器手段を備える読取りヘッドと、ロジックコントローラであって、スケールに対して読取りヘッドが移動されるときに、
（ａ）増分検出器からの出力を用いて、出力信号中の所定の位相を求めるステップと、
（ｂ）スケール線検出器からの出力を用いて、ゼロ交差を求めるステップと、
（ｃ）ゼロ交差の両側に対して、増分検出器からの出力信号中の所定の位相に対応するスケール線検出器からの信号の値を求めるステップと、
（ｄ）ステップ（ｃ）で求められた値を用いてスケール線パルスの幅を定義するステップとを任意の適当な順に実行することができるロジックコントローラとを備える。

本発明の好ましい実施形態が、添付図面を参照しながら例として説明される。

図１は、既知のスケール読取りシステムを示す図である。このシステムは、互いに対して移動可能なスケール１０および読取りヘッド１２を備える。スケールには２つのスケールトラックがあり、第１のスケールトラック１４には、明るい線１６と暗い線１８を繰り返すパターンを含む増分パターン（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ ｐａｔｔｅｒｎ）が備わっている。これは振幅スケールとして知られている。他のタイプの増分スケールも知られており、例えば異なる色の濃さ（ｄｅｐｔｈ）の線が繰り返すパターンを備える位相スケールがある。

第２のスケールトラック２０も設けられている。このスケールトラックは基準マークであり、基準マークとして働くスケールマーキング２２が備わっている。増分スケール中のスケールマーキングは、一般に２０μｍのピッチを有するが、基準マーク中のスケールマーキングの幅は一般に２００μｍである。

図１では、基準マークおよび増分パターンは個別のトラック中に示されているが、それらは同一のトラック中に設けることができる。この場合、基準マークは、特許文献１に開示されているような増分スケールトラック中に組み込まれる。

読取りヘッド１２には、増分パターンを検出するための増分検出器システム２４および基準マークを検出するための基準マーク検出器システム２６が備わっている。これらのシステムは共通の光源をまたは個別の光源を使用してよい。適当な増分検出器システムは、特許文献２に開示されている。

図２は、基準マークを検出するために一般に使用される光学部品を示す。スケール１０を照射するために、読取りヘッド１２に光源２８が設けられる。スケール１０によって反射された光は、レンズ３０または他の適当な光学部品によって、分割検出器または２つのセル２６などの基準マーク検出器上に焦点が合わされる。基準マークは、明るい背景上の暗いマークから成っていても良い。この場合、読取りヘッドが基準マーク上を移動するとき、基準マーク検出器は、光の強度の低下を検出することになる。あるいは、基準マークは、暗い背景の上の明るいマークから成っていても良く、その場合には上記と逆になる。基準マークを検出するために、他の光学的方式が用いられても良い。

図３は、分割検出器２６およびその出力を示す図である。読取りヘッドがスケールおよび基準マークに対して矢印Ａによって示された方向に移動するとき、光は、まず分割検出器１つ半分Ｋ上に当たる。次いで、別の半分Ｊ上に当ることになる。分割検出器２６の２つの半分Ｋ、半分Ｊの出力３２、出力３４は、お互いにオフセットされている。これら２つの出力は、合計して和信号３６を生成するかまたは差をとって差信号３８を形成することができる。

一般に、図３における和信号３６は、一差信号のゼロ交差点３９をゲート制御するために用いられる。和信号３６は、一定電圧の閾値Ｖと比較され、ゼロ交差点を求めるために、その閾値を上回る信号が用いられる。

図４は、従来技術における、交差点３９の近くの２つの電圧閾値Ｖ₁、Ｖ₂および差信号３８を比較することによって基準マーク信号をが生成する方法を示す図である。これらの電圧閾値Ｖ₁、Ｖ₂間には、一定の隔たりがある。差電圧がこれらの閾値Ｖ₁とＶ₂の間にあるとき、基準マーク信号が出力される。

光学測定装置が較正されるとき、基準マーク信号は増分チャネルに対して同期化される。これは、基準マーク信号の中心が増分出力に対してある一定の位置にあり、また基準マーク信号が所定の幅を持っていることを保証する。

測定装置を較正する１つの方法は、幾何学的に読取りヘッドを調整することであり、これは増分チャネルおよび基準マークチャネルを、お互いについて再調整する。

基準マーク信号を増分チャネルに対して同期化させる別の方法に、差信号を電子的に調整するものがある。したがって、基準マーク切換え点を定義する電圧閾値Ｖ₁、Ｖ₂に対して差信号が上下に移動される。図４では、電圧閾値の第２のセットＶ₁’、Ｖ₂’は、差信号に対して別の位置にある。閾値Ｖ₁とＶ₂の間およびＶ₁’とＶ₂’の間のそれぞれの基準マーク信号の幅Ｗ、Ｗ’は、その位相が変化する一方で、実質的に変わらない。

しかし、増分チャネルに対して基準マーク信号を調整するこの方法には、いくつかの短所があった。差信号の振幅が変化すると、最適ではない結果が実現されてしまう。例えば、オープンな測定システムでは、様々な読取りヘッドとスケールとの組合せがあり得る。これは様々なシステム利得をもたらし得る。（すなわち、読取りヘッドが様々なスケールタイプと共に使用されるとき、差信号の振幅は多様なものであり得る）。いくつかの測定システムでは、増分チャネルおよび基準マークチャネルに同一の光源を使用する。この場合、導入に続いてまず増分チャネルが較正され、１００％の信号強度を得る。これは、分割検出器上に当る光レベルを変化させ、したがって、結果として生じる差信号の振幅が変化する原因となることがある。

図５は、異なる光振幅で得られた、分割検出器からの２つの差信号４０、４２を示す図である。両方の信号に対して、同一の電圧閾値Ｖ₁、Ｖ₂が用いられている。２つの信号に関して、基準マークパルスが異なる幅Ｗ、Ｗ’を有することが認められる。したがって、閾値が一定の電圧間隔を持っていることは、信号の振幅が変化し得るときには理想的ではない。

様々な差信号振幅に対して、基準マーク信号と増分信号の間の位相シフトを最小限にするために、閾値Ｖ₁、Ｖ₂は、できるだけゼロ交差点３９に近づけるべきである。

図６に示されるように、閾値Ｖ₁およびＶ₂は、差信号４０、４２のゼロ交差をまたがず、結果として、異なる信号振幅４０、４２に対して、幅Ｗ、Ｗ’の基準マークパルスがお互いに位相シフトされることになる。

本発明は、従来技術の方法における短所がない、増分チャネルに対して基準マーク信号を較正する方法を提供する。

図７は、増分チャネルからの出力および基準マークの分割検出器からの差信号を示す図である。増分チャネルからの出力は、サインおよびコサインの増分信号４４、４６を含む。示された差信号からの出力は、直線として扱うことができる差信号４８の中央部分である。

この例では、３６０°の長さで、増分チャネルの４５°に中心が来る基準マークパルスを得ることが望まれる。４５°に中心が来る３６０°のパルスは、−１３５°から始まって２２５°まで達する。

この較正方法では、読取りヘッドは、基準マークを含むスケールの部分の上を通過し、増分信号および基準マーク信号からの出力が監視される。

最初のステップでは、増分のサイン／コサイン信号が監視される。増分のサイン／コサイン信号が２２５°のとき（サイン＝コサイン、かつ両方の値がマイナスのとき）、差信号からの対応する出力がメモリへ格納される。増分信号が２２５°になる毎に、これが繰り返される。差信号（増分チャネルの２２５°に対応するもの）が格納される毎に、先に格納された信号が上書きされる。差信号のゼロ交差が検出されたとき、２２５°に対応する先の電圧信号は上書きされない。および、２２５°に対応する後続の信号が格納される。これら２つの値はメモリに格納され、引き続き、閾値Ｖ₁およびＶ₂として使用される。これは、差信号のゼロ交差点をまたぐ、４５°に中心が来る幅３６０°のパルスをもたらす。したがって、図７においてでは、値Ｖ_CおよびＶ_Dが閾値Ｖ₁およびＶ₂として用いられる。

図７は、０Ｖを有するゼロ交差点ならびにプラス電圧およびマイナス電圧を有する電圧Ｖ_A〜Ｖ_Gを示すが、実際上、ゼロ交差点およびＶ_A〜Ｖ_Gの電圧は必ずしもゼロ、プラスまたはマイナスではなく、システムの電源によって制約される。

スケールに対する読取りヘッドの進行方向が逆の場合も、この方法はうまく機能する。この場合、同一の２つの値が閾値のために選択されることになる。

この方法には、スケールピッチに関係なく、較正によって、所望の幅（この例では３６０°）で中央におかれたパルスが常にもたらされるというさらなる利点がある。これは、信号のピッチに依存する電圧閾値オフセットを用いる既知の方法と異なる。この方法においては、任意の中心および基準マークパルスの幅を選択することもでき、方法はこの例におけるものに限定されない。

この較正方法は、差信号を生成するどのような基準マーク検出器にも適しており、分割検出器だけに限定はされない。

直交信号を生成する任意の増分のシステムが使用されて良い。直交信号は、正弦波の一部に限定されるものでなく、例えば三角波で構成することもできる。

図８は、この方法で使用するのに好適な回路を示す図である。分割検出器２６の２つの半分からの出力は、増幅器５０、５２によって増幅される。増幅器５４によって差をとられて、差信号５６を形成する。この信号は、アナログデジタル変換器５８を通され、その信号が増分の出力における特定の値に対応するときメモリ６０に格納される。前述のように、ゼロ交差点をまたぐ、メモリ中の２つの値が閾値として用いられる。これらの値は、メモリからデジタルアナログ変換器６２、６４に出力され、そこでＶ＋およびＶ−、すなわち異なる信号に対する電圧閾値を形成する。閾値Ｖ＋およびＶ−は、コンパレータ６６、６８で差信号と組み合わせられて基準マーク信号を生成する。

図８の実施形態に示されたメモリ６０およびＤＡＣ ６２、６４は、不揮発性の電子ポテンショメータ（Ｅ²ＰＯＴ）など他の適当な要素によって置換されて良い。図８の実施形態におけるＡＤＣ ５８などの要素は、読取りヘッドでなく、外部にセットアップされた機器の中に設けられて良い。

本発明の基準マーク較正は、ロジックコントローラ（例えばマイクロコントローラ、マイクロシーケンサ、または状態マシーン内のロジック）において実行され得る。

上述の説明および各図は反射型システムに関するものであるが、本発明は透過型システムにも適している。

この較正方法は、直線状のスケール、回転状のスケールおよび２次元スケールに適する。

この較正方法は、光学測定システムに対する使用に限定されない。この較正方法は、静電容量式、インダクタンス式または磁気測定式のシステムなど、光学式でないシステムにも適する。磁気測定式システムにおいては、例えば差動ホールセンサまたは磁気抵抗センサを使用して差信号を検出することができる。この較正方法は、タイプの異なる増分検出器と基準マーク検出器（例えば光学式増分システムと磁気式基準マークシステムなど）にも適する。

従来技術のスケールの平面図である。 図１のスケールで使用される基準マーク光学部品の側面図である。 分割検出器およびその出力信号を示す図である。 電圧閾値を有する差信号を示す図である。 電圧閾値を有する異なる振幅の２つの差信号を示す図である。 ゼロ交差をまたがない電圧閾値を有する異なる振幅の２つの差信号を示す図である。 本発明で使用される増分検出器および基準マーク検出器の出力を示す図である。 本発明の方法に適する回路図である。

Claims (12)

1. スケール測定装置を較正する方法であって、前記スケール装置は、増分パターンおよび少なくとも１つのスケール線を形成するように配置されたスケールマーキングを有するスケールを含み、読取りヘッドは、出力信号を生成する増分検出器手段ならびにゼロ交差のある信号を生成するスケール線検出器手段を含み、前記方法は、任意の適当な順に、
   （ａ）前記スケールに対して、前記読取りヘッドを移動させるステップと、
   （ｂ）前記増分検出器からの前記出力を用いて、前記出力信号中の所定の位相を求めるステップと、
   （ｃ）前記スケール線検出器からの前記出力を用いて、前記ゼロ交差を求めるステップと、
   （ｄ）前記ゼロ交差の両側について、前記増分検出器からの前記出力信号中の前記所定の位相に対応する前記スケール線検出器からの前記信号の値を決定するステップと、
   （ｅ）前記ステップ（ｄ）で求められた前記値を用いて、スケール線パルスの幅を定義するステップと
   を備えることを特徴とする方法。
2. 前記増分検出器からの前記出力信号は、直交信号であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記所定の位相は、各直交サイクルにおける角度位置であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記少なくとも１つのスケール線は、基準マークであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 前記スケール線検出器からの前記信号は、差電圧信号であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 前記スケール線検出器は、分割検出器であることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の方法。
7. 前記増分検出器からの前記出力信号中の前記所定の位相に対応する前記スケール線検出器からの前記出力が、格納されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 前記増分検出器からの前記出力信号中の前記所定の位相に対応する前記スケール線検出器からの前記出力が、メモリに格納されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 先行の出力および後続の出力の間でゼロ交差が検出されないとき、格納された前記先行の出力は、前記増分検出器からの前記出力信号中の前記所定の位相に対応する前記後続の出力によって上書きされることを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
10. 先行の出力および後続の出力の間でゼロ交差が検出されたとき、格納された前記先行の出力は、前記増分検出器からの前記出力信号中の前記所定の位相に対応する前記後続の出力によって上書きされないことを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の方法。
11. 前記スケール線パルスの中心を定義するために、前記ステップ（ｄ）で求めた前記値が用いられることを特徴とする前記請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
12. スケール測定機器を較正する装置であって、
    増分パターンを形成するように配置されたスケールマーキングおよび少なくとも１つのスケール線を含むスケールと、
    出力信号を生成する増分検出器手段およびゼロ交差のある信号を生成するスケール線検出器手段を含む読取りヘッドと、
    前記スケールに対して前記読取りヘッドが移動されるときに、
    （ａ）前記増分検出器からの前記出力を用いて前記出力信号中の所定の位相を求めるステップと、
    （ｂ）前記スケール線検出器からの前記出力を用いて前記ゼロ交差を求めるステップと、
    （ｃ）前記ゼロ交差の両側を対象として、前記増分検出器からの前記出力信号中の前記所定の位相に対応する前記スケール線検出器からの前記信号の値を求めるステップと、
    （ｄ）前記ステップ（ｃ）で求められた前記値を用いて、前記スケール線パルスの幅を定義するステップとを任意の適当な順に実行できるロジックコントローラと
    を備えたことを特徴とする装置。

Images