JP2011520100A - 位置測定装置 - Google Patents

Abstract

本発明により、シリアル符号（１）から、一方では絶対位置を表す符号語（ＣＷ）を導き出し、他方では周期的な増分信号（ＩＮ）を導き出す位置測定装置を提供する。増分信号（ＩＮ）の生成のために、走査信号（Ａ１〜Ａ８）を変換して、変換した走査信号（ＴＡ１〜ＴＡ８）の合算によって、増分信号（ＩＮ）を生成する構成（１１）が配備されている。その変換は、有利には、走査信号（Ａ１〜Ａ８）と基準信号の比較による差分信号の生成及びその差分信号の整流である。

Description

本発明は、請求項１に基づく位置を測定するための位置測定装置及び請求項１１に基づく位置測定方法に関する。

多くの分野において、符号エレメントが測定方向に対して順番に配置された符号トラックから絶対位置情報を導き出す絶対位置測定装置が益々用いられている。その場合、符号エレメントは、疑似ランダム目盛として配備されており、その結果所定の数の連続する符号エレメントが、それぞれ一つのビットパターンを形成している。符号トラックに対して走査機器を単一の符号エレメントだけスライドさせると、新たなビットパターンが容易に形成されて、絶対方式で検出すべき測定範囲全体に渡って、一連の異なるビットパターンが提供されることとなる。

そのようなシリアル符号は、チェーン符号又は疑似ランダム符号と呼ばれている。絶対符号を用いて生成された絶対位置の分解能は、多くの用途に関して精度が十分でない。分解能を更に向上させるために、より高い分解能の増分位置測定からの位置情報と絶対位置情報とを組み合わせることが提示されている。しかし、そのような組合せは、絶対位置情報の分解能が増分位置測定の少なくとも一つの目盛周期を一義的に定めることができる場合にのみ確実に実施することができる。そのため、所要の全体的な分解能を達成するためには、特許文献１に記載されている通り、絶対符号の他に、異なる目盛周期の複数の増分目盛が配置されている。その増分目盛の目盛周期は、符号エレメントの幅に等しい。それから導き出された周期的なアナログ走査信号の補間、符号の絶対位置情報との適合及び高分解能の増分目盛との適合の結果、分解能が高分解能の増分目盛に等しい絶対情報が得られている。

絶対符号自体から増分位置情報を導き出す提案が既に成されている。即ち、特許文献２では、一方で絶対位置情報を生成し、他方で互いに位相のずれた複数のアナログ増分走査信号を生成することが可能な絶対符号が提示されている。各符号エレメントは、二つの目盛領域から構成されており、それらの目盛領域の中の一方は周期的に配置されている。従って、一義的な絶対式計測のためには、二つの目盛領域の中の他方は、符号エレメントを一義的に符号化するものとしなければならず、そのため、符号全体は、三つの異なる目盛領域から構成されている。周期的なアナログ走査信号を生成するために、それぞれ複数の符号エレメントの同位相の走査信号が合算されている。

その場合、目盛領域の周期的な配列のために、三番目の状態が符号エレメントの符号化に必要であることが欠点である。

本発明の出発点である特許文献３には、測定方向に対して順番に配置された、同じ幅で、第一と第二の特性を有する一連の符号エレメントから成る一つの符号から、増分位置情報を導き出す位置測定装置が記載されている。その符号エレメントは、それぞれ非周期的に配置されている。その増分位置情報は、フーリエ解析によって算出されている。

その場合、フーリエ解析が又もや符号エレメントの周期的な配置を前提としていることが欠点である。更に、比較的大きな計算能力が必要であり、リアルタイム処理の実現は難しい。

ドイツ特許公開第４１２３７２２号明細書 欧州特許公開第１３２９６９６号明細書 国際特許公開第０２／０１１６０号明細書 欧州特許第１４６８２５４号明細書

本発明の課題は、シリアル符号から増分位置情報を簡単な手法で導き出すことが可能な位置測定装置を実現することである。更に、本発明の課題は、シリアル符号から絶対位置情報と増分位置情報を簡単かつ確実に生成することが可能な位置測定方法を提示することである。

この一方の課題は、請求項１の特徴によって解決される。この他方の課題は、請求項１１の特徴によって解決される。

本発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

図面に基づき、本発明を詳しく説明する。

第一の位置測定装置の模式図 図１の符号 図２ａの符号の走査によって生成された走査信号 変換機器によって図２ｂの走査信号から生成された目盛信号の位置に応じた推移 三つの互いに位相のずれた増分信号を生成する第二の位置測定装置 一つの符号とその符号に割り当てられた検出器、並びにそれらによって生成可能な四つの互いに位相のずれた増分信号 増分信号を用いた符号の評価 符号エレメントの幅に対応して四つの互いに位相のずれた増分信号を生成するとともに、符号エレメントの幅の二倍に対応して増分信号を生成するための回路構成

図１には、本発明による構成の位置測定装置が模式的に図示されている。この図１に基づき、本発明の原理を説明する、詳しくは、理解を容易にするために、先ずは一つのシリアル符号１から単一の正弦波形状の周期的なアナログ増分信号ＩＮを生成することだけを説明する。この位置測定装置は、光学式走査原理により動作し、光ビームを用いた透過光方式で符号１を走査する。位置測定のために、符号１に対して相対的に測定方向Ｘに移動可能な形で配置された走査ユニット１０は、符号１を走査する役割を果たす。符号１は、測定方向Ｘに対して順番に配置された同じ長さで幅Ｂの一連の符号エレメントＣから構成されており、図１では、その中の指数１〜８の符号エレメントＣが表示されている。第一の特性を有する符号エレメントＣ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ８と第二の特性を有する符号エレメントＣ２，Ｃ３，Ｃ７が配備されており、第一の特性を有する符号エレメントＣ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ８と第二の特性を有する符号エレメントＣ２，Ｃ３，Ｃ７は、それぞれ非周期的に配置されている。図１の灰色に図示された符号エレメントＣ２，Ｃ３，Ｃ７は、不透明な領域であり、それ以外の符号エレメントＣ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ８は、透明な領域である。

走査ユニット１０に対してシリアル符号１を相対的にずらす毎に、Ｍ個の符号エレメントＣ１〜Ｃ８から成る符号１の区画Ｔが同時に走査され、ここで、Ｍは３よりも大きな自然数であり、この例では、Ｍ＝８である。光ビームは、符号１によって位置に応じて変調され、その結果符号１に基づき、位置に応じた光分布が発生し、その光分布は、検出器Ｄ１〜Ｄ８で検出される。一方において、検出器Ｄ１〜Ｄ８の走査信号Ａ１〜Ａ８は、評価ユニット１５に供給され、評価ユニットは、それらの信号から周知の手法で絶対位置を表す符号語ＣＷを生成する。この場合、各符号エレメントＣ１〜Ｃ８から一つのビットが導き出される。そのような符号語ＣＷの生成に関しては、例えば、特許文献１を参照されたい。

他方において、走査信号Ａ１〜Ａ８は、増分信号ＩＮを生成するための構成１１に供給される。この構成１１は、検出器Ｄ１〜Ｄ８を用いて境界域Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４で得られる、境界域の形態に応じて異なる形で推移する走査信号Ａ１，Ａ３，Ａ６，Ａ７から、それぞれ各境界域Ｋ１〜Ｋ４において境界域の形態に応じて同じ形で推移する目盛信号ＴＡ１，ＴＡ３，ＴＡ６及びＴＡ７を生成するための変換機器１２を備えている。更に、この構成１１は、これらの目盛信号ＴＡ１，ＴＡ３，ＴＡ６及びＴＡ７を集めて、それらの信号から符号エレメントＣ１〜Ｃ８の幅Ｂに等しい周期長の周期的なアナログ信号として増分信号ＩＮを生成するための統合機器１３を備えている。本発明では、従来技術と異なり、増分信号ＩＮを生成するために、符号エレメントＣ１〜Ｃ８の周期的な配列は必要ではなく、一方の特性の符号エレメントと他方の特性の符号エレメント、例えば、Ｃ１からＣ２、Ｃ３からＣ４、Ｃ６からＣ７及びＣ７からＣ８への境界域Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３及びＫ４、即ち、周縁部が、幅Ｂの走査間隔によって規定される位置に生じることを活用している。

検出器Ｄ１〜Ｄ８によって符号１の境界域Ｋ１〜Ｋ４で検出された走査信号Ａ１〜Ａ８が図示されており（図２ａ）、その中の一つだけが図２ｂに図示されている、即ち、その信号が、境界域Ｋ１〜Ｋ４での変化に応じて異なる形で推移していることが分かる。境界域Ｋ１とＫ３では、走査信号Ａ１〜Ａ８は、高いレベルから低いレベルに変化し、境界域Ｋ２とＫ４では、走査信号Ａ１〜Ａ８は、低いレベルから高いレベルに変化している。ここで、区画Ｔ内の全ての境界域Ｋ１〜Ｋ４を増分信号ＩＮの生成に活用できるように、詳しくは、境界域の形態と関係無く活用できるようにするために、変換機器１２が配備されている。

変換機器１２の機能は、符号エレメントＣ２，Ｃ３，Ｃ７の中央で生成される特に小さい走査信号と符号エレメントＣ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ８の中央で生成される特に大きな走査信号をほぼ同じ出力信号に変換することである。この場合、その出力信号の推移は、境界域Ｋ１〜Ｋ４で生じる推移と相違しなければならない。境界域Ｋ１〜Ｋ４において、境界域の明から暗又は暗から明への形態に関係無く特に大きな信号が生成され、符号エレメントＣ１〜Ｃ８の中央で特に小さい信号が生成されるのが有利である。それに関して、変換機器１２の変換特性が最適化されており、そのため、変換機器は、非線形的な変換特性、特に、絶対値は同じであるが、正負符号が異なる入力信号を同じ出力信号に変換する二乗変換特性を有する。その実現のためには、トランジスタ、ＦＥＴ又はダイオードなどの非線形的な部品が適している。符号１をスライドさせると、境界域Ｋ１〜Ｋ４の走査点が検出器Ｄ１〜Ｄ８上を移動し、その結果境界域Ｋ１〜Ｋ４から、周期Ｂの周期的な正弦波形状の信号変化が得られる。そのようにして生成された区画毎に周期的な目盛信号が図２ｃに図示されている。

この構成１１を用いて、符号１の検出された全ての境界域Ｋ１〜Ｋ４の中央の位置を並行的に、そのため速く求めることができる、ハードウエアによって実現可能な比較的簡単な方法が得られる。

周期的な正弦波形状のアナログ増分信号ＩＮは、補間器１４を用いて、分割してデジタル化することができ、その位置情報Ｄは、低分解能の絶対位置情報ＣＷを増分トラック２０の信号周期に適合させる役割を果たす。そのために、位置情報Ｄは、幅Ｂに関して絶対的にユニークであり、増分トラック２０から得られる位置の分解能よりも低い分解能を有する。そのような符号の適合は、符号適合機器１６で行われ、位置情報Ｄは、一方では符号語ＣＷへの適合と、他方では増分トラック２０の走査によって得られた微細な値Ｆとの適合が行われる。そして、走査ユニット１０の出力には、その結果としての増分トラック２０の分解能を有する絶対位置ＡＢＳが得られ、それは、有利には、周知の手法でシリアルインタフェースを介して出力することができる。

増分トラック２０の目盛の目盛周期は、典型的には２０μｍであり、符号エレメントＣ１〜Ｃ８の幅Ｂは、典型的には８０μｍよりも大きく、例えば、２００μｍである。

既に冒頭で述べた通り、以上で単一の周期的な増分信号ＩＮだけの生成を説明した。実際には、９０°又は１８０°だけ互いに位相のずれた複数の増分信号を同じ手法で生成し、次にそれらを周知の手法で処理するのが有利である。増分信号ＩＮに対して位相のずれた信号を生成するためには、第一のセットに対して符号エレメントの幅Ｂの数分の１だけずれた検出器の第二のセットが必要である。１２０°だけ位相のずれた信号を生成するためのずれはＢ／３であり、９０°だけ位相のずれた信号を生成するためのずれはＢ／４である。一般的に言うと、互いに位相のずれたＮ個の増分信号を生成するためには、検出器のＮ個のセットが必要であり、そして、各符号エレメントには、Ｎ個の検出器が割り当てられ、そのため、区画Ｔ内には、Ｎ×Ｍ個の検出器が配備されることとなり、ここで、Ｎは１よりも大きな自然数である。検出器の各セットに対して、一つの統合機器が配備されており、その結果Ｎ番目の検出器は、それぞれＮ番目の統合機器と接続されている。この場合、各統合機器は、互いに位相のずれた増分信号に２π／Ｎの逆向きの位相シフトを与える。図３に図示された第二の実施例により、本発明の別の特に有利な実施形態を説明する。走査する区画内で周期長Ｂの周期的な増分信号ＩＮ０，ＩＮ１２０，ＩＮ２４０を生成するのに十分な走査間隔Ｂの境界域Ｋ１１が得られることを保証する所謂マンチェスター符号を符号１０１として使用する。また、符号１０１は、測定方向Ｘに対して順番に配置された同じ長さの一連の符号エレメントＣ１１とＣ１２から構成され、図３には、その中の二つだけが図示されている。符号エレメントＣ１１は、符号エレメントＣ１２と相反する形に構成されている。この場合、相反する形とは、それらが逆の特性を有すること、即ち、光学式走査原理では、透明と不透明又は反射性と非反射を意味する。相反する符号エレメントＣ１１とＣ１２の配列は、幅（２×Ｂ）の領域に対してビット０を割り当てるか、或いはビット１を割り当てるかを決定する。符号の値の演算は、特許文献４に詳しく説明されている。

それぞれ１２０°だけ位相のずれた三つの増分信号ＩＮ０，ＩＮ１２０，ＩＮ２４０を生成するために、検出器の三つのセットＤ１１〜Ｄ１６が配備されている。一つのセットの検出器は、それぞれ走査間隔Ｂで配置されており、そのセットの検出器は、それぞれＢ／３だけ互いにずらして配置されている。検出器Ｄ１１とＤ１４は、第一の増分信号ＩＮ０を生成する第一のセットを構成し、検出器Ｄ１２とＤ１５は、第二の増分信号ＩＮ１２０を生成する第二のセットを構成し、検出器Ｄ１３とＤ１６は、第三の増分信号ＩＮ２４０を生成する第三のセットを構成している。

変換機器１１２は、各走査信号Ａ１１〜Ａ１６と隣接する検出器Ｄ１１〜Ｄ１６によって生成された走査信号Ａ１１〜Ａ１６とを比較して、それによって作り出された差分を整流して、所要の目盛信号ＴＡ１１〜ＴＡ１６を取得するように構成されている。差分の正負符号に関係無く、隣接して配置された検出器Ｄ１１〜Ｄ１６の走査信号Ａ１１〜Ａ１６が大きく異なる場合に、特に大きな目盛信号ＴＡ１１〜ＴＡ１６が生成される。従って、大きな目盛信号ＴＡ１１〜ＴＡ１６は、境界域Ｋ１１と対応している。そのような措置によって、境界域Ｋ１１は、特に大きな重みを付けられる。そのようにして生成された検出器Ｄ１１，Ｄ１４、Ｄ１２，Ｄ１５及びＤ１３，Ｄ１６のセットの目盛信号ＴＡ１１，ＴＡ１４、ＴＡ１２，ＴＡ１５及びＴＡ１３，ＴＡ１６は、それぞれ統合機器１１３内で増分信号ＩＮ０，ＩＮ１２０，ＩＮ２４０として統合される。

符号語ＣＷの生成は、特許文献４に基づき評価ユニット１１５で行われ、ここに、その文献を参照する。

これらの走査信号は、電圧信号又は電流信号とすることができる。電流信号を使用する場合、図３で模式的に図示されている通り、電流の増幅に適したモジュール１７が使用される。

図４には、９０°だけ互いに位相のずれた四つの増分信号ＩＮ０，ＩＮ９０，ＩＮ１８０，ＩＮ２７０を生成する検出器Ｄ２１〜Ｄ５２のＮ＝４個のセットから成る構成と符号エレメントＣ２１〜Ｃ２８の構成とが図示されている。この符号構成は、二つの符号エレメントＣ２１，Ｃ２２、Ｃ２３，Ｃ２４、Ｃ２５，Ｃ２６及びＣ２７，Ｃ２８の配列によって周知の手法でビット情報を表すマンチェスター符号である。各符号エレメントＣ２１〜Ｃ２８には、四つの検出器Ｄ２１〜Ｄ５２が対応している。全ての明暗の境界域を検出することによって、増分信号ＩＮ０，ＩＮ９０，ＩＮ１８０及びＩＮ２７０は、周期長Ｂを持つこととなる。また、増分信号ＩＮ０，ＩＮ９０，ＩＮ１８０及びＩＮ２７０は、隣接する検出器Ｄ２１〜Ｄ５２の差分演算と、その次の整流と、それに続くそのようにして作り出された目盛信号の統合演算とによって生成される。

IN0 =｜A22-A23 ｜+ ｜A26-A27 ｜+ ｜A30-A31 ｜+ ｜A34-A35 ｜+......
IN90 =｜A23-A24 ｜+ ｜A27-A28 ｜+ ｜A31-A32 ｜+ ｜A35-A36 ｜+......
IN180=｜A24-A25 ｜+ ｜A28-A29 ｜+ ｜A32-A33 ｜+ ｜A36-A37 ｜+......
IN270=｜A25-A26 ｜+ ｜A29-A30 ｜+ ｜A33-A34 ｜+ ｜A37-A38 ｜+......
それに代わって、増分信号は、次の関係式によって生成することもできる。

IN0 =｜(A21+A22)-(A23+A24) ｜+ ｜(A25+A26)-(A27+A28) ｜+
｜(A29+A30)-(A31+A32) ｜+ ｜(A33+A34)-(A35+A36) ｜+......
IN90 =｜(A22+A23)-(A24+A25) ｜+ ｜(A26+A27)-(A28+A29) ｜+
｜(A30+A31)-(A32+A33) ｜+ ｜(A34+A35)-(A36+A37) ｜+......
要約すると、本発明は、即ち、測定方向Ｘに対して配置された、同じ幅Ｂで第一と第二の特性を有する一連の符号エレメントＣ１〜Ｃ２８から成る符号１，１１を備え、第一の特性を有する符号エレメントＣ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ８，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２４，Ｃ２６，Ｃ２８と第二の特性を有する符号エレメントＣ２，Ｃ３，Ｃ７，Ｃ１１，Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２５，Ｃ２７がそれぞれ非周期的に配置されている位置測定装置に関する。符号エレメントＣ１〜Ｃ２８の特性に応じて、大きい信号レベル又は小さい信号レベルの走査信号Ａ１１〜Ａ５２が生成される。この位置測定装置は、走査間隔Ｂの少なくとも走査位置において、それぞれ符号１，１０１の区画Ｔを走査するとともに、異なる信号レベルから絶対位置を表す符号語ＣＷを生成し、検出器Ｄ１〜Ｄ５２を用いて取得した走査信号Ａ１〜Ａ５２から少なくとも一つの増分信号ＩＮ０，ＩＮ９０，ＩＮ１８０，ＩＮ２７０，ＩＮ１２０，ＩＮ２４０を生成するための複数の検出器Ｄ１〜Ｄ５２を備えた走査ユニット１０を有する。走査間隔Ｂでの検出器Ｄ１〜Ｄ５２の配置とは、必ずしも走査間隔Ｂで規定された各位置に対して一つの検出器Ｄ１〜Ｄ５２が存在する必要がないことを意味する。この位置測定装置は、増分信号ＩＮ０，ＩＮ９０，ＩＮ１８０，ＩＮ２７０，ＩＮ１２０，ＩＮ２４０を生成するための構成１１を備えるとともに、変換機器１２，１１２と変換機器１２，１１２の後に配置された統合機器１３，１１３とを備えており、変換機器１２，１１２は、走査信号Ａ１〜Ａ５２を目盛信号ＴＡ１〜ＴＡ１６に変換して、統合機器１３，１１３は、走査間隔Ｂでの走査位置から導き出された目盛信号ＴＡ１〜ＴＡ１６を統合して、周期が幅Ｂに等しい周期的な信号として少なくとも一つの増分信号ＩＮ，ＩＮ０，ＩＮ９０，ＩＮ１８０，ＩＮ２７０，ＩＮ１２０，ＩＮ２４０を生成するように構成されている。この場合、変換機器１２，１１２の機能は、一方の特性の符号エレメントＣ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ８，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２４，Ｃ２６，Ｃ２８から他方の特性の符号エレメントＣ２，Ｃ３，Ｃ７，Ｃ１１，Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２５，Ｃ２７への境界域Ｋ１〜Ｋ１２において導き出された走査信号Ａ１〜Ａ５２をそれぞれ信号が周期Ｂで周期的に推移する目盛信号ＴＡ１〜ＴＡ１６に変換し、そのような周期的な信号の推移が、第一の特性から第二の特性への境界域であるか、或いは第二の特性から第一の特性への境界域であるかに関係しないようにすることである。第一の特性の符号エレメントＣ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ８，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２４，Ｃ２６，Ｃ２８と第二の特性の符号エレメントＣ２，Ｃ３，Ｃ７，Ｃ１１，Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２５，Ｃ２７の残りの領域から導き出された走査信号Ａ１〜Ａ５２は、それぞれ同じ推移の目盛信号ＴＡ１〜ＴＡ１６に変換される。そのような周期的な信号の推移は、各境界域Ｋ１〜Ｋ１２から見て領域＋Ｂ／２と−Ｂ／２の領域内に有る。同じ推移の目盛信号ＴＡ１〜ＴＡ１６とは、そのような境界域Ｋ１〜Ｋ１２以外における走査信号Ａ１〜Ａ５２の信号の推移するレベルが一定であること、詳しくは、符号エレメントＣ１〜Ｃ２８の特性と無関係であることを意味する。

有利には、変換機器１１２は、走査信号Ａ１１〜Ａ５２をそれぞれ基準信号と比較して、その比較によって得られた差分を整流するように構成されている。この場合、基準信号は、所定の一定な信号とするか、或いは測定方向Ｘに対して間隔を開けた走査位置、即ち、隣接する検出器Ｄ１１〜Ｄ５２から供給される走査信号Ａ１１〜Ａ５２とすることができる。

図５に基づき、如何にして図４により符号エレメントＣ２１〜Ｃ２８から生成した増分信号ＩＮ０，ＩＮ９０，ＩＮ１８０及びＩＮ２７０を符号語ＣＷの正しい生成にも用いることができるかを説明する。三つの符号エレメントＣ２１，Ｃ２２及びＣ２３から成る部分に基づき、その作用形態を説明し、図示されている瞬間的な状態では、検出器Ｄ２１〜Ｄ３２が、それらの符号エレメントを走査する役割を果たしている。検出器Ｄ２１〜Ｄ３２の走査信号Ａ２１〜Ａ３２は、図面でＩＮとしか表示されていない、９０°だけ互いに位相のずれた四つの増分信号ＩＮ０，ＩＮ９０，ＩＮ１８０及びＩＮ２７０を生成する構成２１１に供給される。補間器２１４は、それらの増分信号ＩＮ０，ＩＮ９０，ＩＮ１８０及びＩＮ２７０から、長さＢをそれぞれ一義的かつ絶対的に区分するための絶対的な位置情報Ｄを生成する。

特許文献１には、符号語ＣＷの確実な生成のために、符号エレメントのユニークな領域を走査する走査信号を選定することが記載されている。特許文献２には、マンチェスター符号に基づき符号語を確実に生成することが記載されている。これらの二つのケースでは、正しい走査信号の選定は、符号と隣接して配置された増分トラックの位置情報から行われている。ここで、有利には、本発明により生成した位置情報Ｄは、走査信号Ａ２３，Ａ２７，Ａ３１を正しく選定して、符号語ＣＷを生成するために使用される。そのために、走査信号Ａ２１〜Ａ３２は、位置情報Ｄに応じて、符号語ＣＷの確実な生成に適した走査信号Ａ２３，Ａ２７，Ａ３１を選定するための選定機器１８に供給される。符号エレメントＣ２１，Ｃ２２及びＣ２３の中央領域を走査した走査信号Ａ２３，Ａ２７，Ａ３１が適しており、その結果符号語ＣＷを生成するためには、不確実な境界域から導き出された走査信号Ａ２１，Ａ２５及びＡ２９は使用されない。

ここで、図６に基づき、如何にして本発明により周期が幅２×Ｂの増分信号ＢＮ０，ＢＮ９０も生成することができるかを説明する。言い換えると、マンチェスター符号から、長さ２×Ｂの周期を有する、即ち、一つのビットで一義的な位置情報を提供する増分信号ＢＮ０，ＢＮ９０を導き出すのが特に有利である。マンチェスター符号を使用することによって、二つの連続する符号エレメントの走査信号の比較、特に、差分演算から、それぞれ符号語ＣＷの一つのビットが生成される。ここで、周期２×Ｂの少なくとも一つの周期的な増分信号ＢＮ０，ＢＮ９０から、比較に適した走査信号を求める。即ち、増分信号ＢＮ０，ＢＮ９０から得られた位置情報は、一つのビットをそのビットの二つの相反する形の符号エレメントから生成する正しい差分演算を決定するために用いられる。この場合、差分演算によって、一つのビットを生成するとの知見を前提とすることができるが、それに関する更なる説明を省くために、例えば、特許文献４を参照するものとする。

周期が２×Ｂの９０°だけ互いに位相のずれた二つの増分信号ＢＮ０とＢＮ９０の生成について詳しく説明する。図６は、又もや順番に配置された複数の符号エレメントＣ２１〜Ｃ２４から成るマンチェスター符号の一部を図示している。複数の検出器が走査する役割を果たし、その中の検出器Ｄ２１〜Ｄ３６が図示されている。検出器Ｄ２１〜Ｄ３６は、既に述べた通り、９０°だけ互いに位相のずれた四つの増分信号ＩＮ０，ＩＮ９０，ＩＮ１８０，ＩＮ２７０を生成するための検出器の四つのセットから構成されている。隣接する検出器の走査信号は、互いに比較されて、その比較結果は整流される。整流された信号は、目盛信号であり、見易くするために、図６では、その中の目盛信号ＴＡ２４，ＴＡ２８，ＴＡ３２及びＴＡ３６だけが図示されている。走査間隔Ｂの各走査位置から導き出された目盛信号は、統合される、即ち、合算される。従って、図６では、それぞれ二つの検出器Ｄ２１，Ｄ２２の走査信号は、一つの走査信号に合算されて（それはプラス符号「＋」で表されている）、隣接する走査信号Ｄ２３，Ｄ２４の合計と比較される（それはマイナス符号「−」で表されている）。差分（Ａ２１＋Ａ２２）−（Ａ２３＋Ａ２４）は整流される。ここで、構成１１．１において、整流された目盛信号の合算が次の通り行われる。

IN0;1 =｜(A21+A22)-(A23+A24) ｜+ ｜(A29+A30)-(A31+A32) ｜+
｜(A33+A34)-(A35+A36) ｜+......
IN0;2 =｜(A25+A26)-(A27+A28) ｜+ ｜(A33+A34)-(A35+A36) ｜+ ......
IN90;1 =｜(A22+A23)-(A24+A25) ｜+ ｜(A30+A31)-(A32+A33) ｜+ ......
IN90;2 =｜(A26+A27)-(A28+A29) ｜+ ｜(A34+A35)-(A36+A37) ｜+ ......
IN180;1=｜(A23+A24)-(A25+A26) ｜+ ｜(A31+A32)-(A33+A34) ｜+
｜(A35+A36)-(A37+A38) ｜+......
IN180;2=｜(A27+A28)-(A29+A30) ｜+ ｜(A35+A36)-(A37+A38) ｜+ ......
IN270;1=｜(A24+A25)-(A26+A27) ｜+ ｜(A32+A33)-(A34+A35) ｜+ ......
IN270;2=｜(A28+A29)-(A30+A31) ｜+ ｜(A36+A37)-(A38+A39) ｜+ ......
構成１１．２では、これらの目盛信号の合計は、更に、周期Ｂの９０°だけ互いに位相のずれた周期的なアナログ増分信号として合算される。

IN0 =IN0;1+IN0;2
IN90 =IN90;1+IN90;2
IN180=IN180;1+IN180;2
IN270=IN270;1+IN270;2
これらの増分信号ＩＮ０，ＩＮ９０，ＩＮ１８０及びＩＮ２７０の正弦波形状は、多くの符号エレメント及び周縁部の平均化によって非常に良好なものとなり、その結果それによって、周知の補間法を用いて、幅Ｂ内の絶対位置の非常に正確な計測が可能となる。

周期が２×Ｂの増分信号ＢＮ０とＢＮ９０を生成するために、これらの信号を組み合わせる。

BN0 =(IN0;1+IN90;1+IN180;1+IN270;1)-(IN0;2+IN90;2+IN180;2+IN270;2)
BN90=(IN0;2+IN90;2+IN180;2+IN270;2)-(IN0;1+IN90;1+IN180;2+IN270;2)
これらの増分信号ＢＮ０とＢＮ９０の形状は、それを用いてマンチェスター符号１０１の２×Ｂ内の右と左の領域Ｂを一義的に区別することを可能にするのに適している。

光学式走査原理では、走査ユニット１０の全ての部品は、ＯＰＴＯ−ＡＳＩＣ内に省スペースな形で構成することができる。しかし、本発明は、光学式走査原理に限定されない。即ち、本発明では、例えば、磁気式、誘導式又は容量式位置測定装置を構成することもできる。その場合、検出器の形式及び符号エレメントの第一と第二の特性の形態は、走査原理に応じて選定しなければならないが、その他の点は、前記の記述を直接適用することができる。

この絶対位置測定装置は、直線又は回転運動の測定に用いることができ、符号１，１０１は、一方の動く物体に取り付けられ、走査ユニット１０は、他方の測定すべき物体に取り付けられる。この場合、符号１，１０１は、測定すべき物体に直に取り付けるか、或いは基準尺に取り付けて、その基準尺を更に測定すべき物体と接続することができる。

この場合、測定すべき物体は、工作機械のテーブル又はスライダ、座標測定機械或いは電気モータのロータやステータとすることができる。

Claims (18)

1. 測定方向Ｘに対して配置された、同じ幅Ｂと第一及び第二の特性を有する一連の符号エレメント（Ｃ１〜Ｃ２８）から成り、第一の特性を有する符号エレメント（Ｃ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ８，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２４，Ｃ２６，Ｃ２８）と第二の特性を有する符号エレメント（Ｃ２，Ｃ３，Ｃ７，Ｃ１１，Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２５，Ｃ２７）がそれぞれ非周期的に配置された符号（１，１０１）と、
   符号（１，１０１）を走査して、走査信号（Ａ１〜Ａ５２）を取得し、それらの走査信号から絶対位置を表す符号語（ＣＷ）を生成するための複数の検出器（Ｄ１〜Ｄ５２）を備えた走査ユニット（１０）と、
   走査信号（Ａ１〜Ａ５２）から、少なくとも一つの増分信号（ＩＮ，ＩＮ０，ＩＮ９０，ＩＮ１８０，ＩＮ２７０，ＩＮ１２０，ＩＮ２４０，ＢＮ０，ＢＮ９０）を生成するための構成（１１，１１．１，１１．２，２１１）と
   を備えた位置測定装置において、
   増分信号（ＩＮ，ＩＮ０，ＩＮ９０，ＩＮ１８０，ＩＮ２７０，ＩＮ１２０，ＩＮ２４０，ＢＮ０，ＢＮ９０）を生成するための構成（１１，２１１）が、変換機器（１２，１１２）と、この変換機器（１２，１１２）の後に配置された統合機器（１３，１１３）とを備えており、この変換機器（１２，１１）が、走査間隔Ｂの絶対位置において導き出された走査信号（Ａ１〜Ａ５２）から、それぞれ区画毎に周期的な目盛信号（ＴＡ１〜ＴＡ３６）を生成して、統合機器（１３，１１３）が、それらの目盛信号を統合することを特徴とする位置測定装置。
2. 変換機器（１２，１１２）の機能が、一方の特性の符号エレメント（Ｃ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ８，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２４，Ｃ２６，Ｃ２８）から他方の特性の符号エレメント（Ｃ２，Ｃ３，Ｃ７，Ｃ１１，Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２５，Ｃ２７）への境界域（Ｋ１〜Ｋ１２）において導き出された走査信号（Ａ１〜Ａ５２）をそれぞれ信号が周期Ｂで周期的に推移する目盛信号（ＴＡ１〜ＴＡ３６）に変換することであり、この周期的な信号の推移は、境界域（Ｋ１〜Ｋ１２）が第一の特性から第二の特性への境界域であるか、或いは第二の特性から第一の特性への境界域であるかに関係しないことを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
3. 変換機器（１２，１１２）が、非線形的な変換特性、特に、二乗変換特性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の位置測定装置。
4. 互いに位相のずれたＮ個の増分信号（ＩＮ０，ＩＮ９０，ＩＮ１８０，ＩＮ２７０，ＩＮ１２０，ＩＮ２４０）を生成するために、検出器（Ｄ１１〜Ｄ５２）のＮ個のセットが配備されており、ここで、Ｎは、１よりも大きい自然数であり、Ｎ個の検出器（Ｄ１１〜Ｄ５２）が、それぞれ幅Ｂ内においてＢ／Ｎの間隔で配置されており、検出器（Ｄ１１〜Ｄ５２）の各セットに対して、互いに位相のずれた増分信号（ＩＮ０，ＩＮ１２０，ＩＮ２４０，ＩＮ１２０，ＩＮ２４０）を生成するための統合機器（１１３）が配備されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
5. 変換機器（１１２）が、走査信号（Ａ１１〜Ａ５２）をそれぞれ基準信号と比較して、その比較によって生成された差分を整流することを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
6. 当該の基準信号が、測定方向Ｘに対して間隔を開けて配置された別の検出器（Ｄ１１〜Ｄ５２）の少なくとも一つの走査信号（Ａ１１〜Ａ５２）であることを特徴とする請求項５に記載の位置測定装置。
7. 第一の特性を有する符号エレメント（Ｃ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ８，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２４，Ｃ２６，Ｃ２８）が透明であり、第二の特性を有する符号エレメント（Ｃ２，Ｃ３，Ｃ７，Ｃ１１，Ｃ２２，Ｃ２５，Ｃ２７）が不透明であるか、或いは第一の特性を有する符号エレメントが反射性であり、第二の特性を有する符号エレメントが非反射性である形で、符号エレメント（Ｃ１〜Ｃ２８）が、光学式に走査可能なように構成されていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
8. 各符号エレメント（Ｃ２１〜Ｃ２３）には、複数の検出器（Ｄ２１〜Ｄ３２）が割り当てられていることと、
   それらの複数の符号エレメント（Ｃ２１〜Ｃ２３）の走査信号（Ａ２１〜Ａ３２）が、評価機器（１８）に供給されて、その評価機器が、増分信号（ＩＮ）から導き出された位置情報（Ｄ）に応じて、符号語（ＣＷ）の生成に適した走査信号（Ａ２３，Ａ２７，Ａ３１）を選定することと、
   を特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
9. 符号（１０１）がマンチェスター符号であることを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
10. 目盛信号（ＴＡ１１〜ＴＡ３６）から、周期２×Ｂを有する、少なくとも一つの周期的な増分信号（ＢＮ０，ＢＮ９０）を生成することが可能な回路（１９）を特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
11. 第一の特性を有する符号エレメント（Ｃ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ８，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２４，Ｃ２６，Ｃ２８）と第二の特性を有する符号エレメント（Ｃ２，Ｃ３，Ｃ７，Ｃ１１，Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２５，Ｃ２７）がそれぞれ非周期的に配置されている、測定方向Ｘに対して配置された、同じ幅Ｂと第一及び第二の特性を有する一連の符号エレメント（Ｃ１〜Ｃ２８）から成る符号（１，１０１）を走査する工程と、
    複数の検出器（Ｄ１〜Ｄ５２）を用いて取得した走査信号（Ａ１〜Ａ５２）から、絶対位置を表す符号語（ＣＷ）を生成する工程と、
    走査信号（Ａ１〜Ａ５２）から、少なくとも一つの増分信号（ＩＮ，ＩＮ０，ＩＮ９０，ＩＮ１８０，ＩＮ２７０，ＩＮ１２０，ＩＮ２４０，ＢＮ０，ＢＮ９０）を生成する工程と
    を有する位置測定方法において、
    前記の少なくとも一つの増分信号（ＩＮ，ＩＮ０，ＩＮ９０，ＩＮ１８０，ＩＮ２７０，ＩＮ１２０，ＩＮ２４０，ＢＮ０，ＢＮ９０）を生成するために、走査間隔Ｂの絶対位置において取得した走査信号（Ａ１〜Ａ５２）をそれぞれ区画毎に周期的な目盛信号（ＴＡ１〜ＴＡ３６）に変換することと、
    これらの目盛信号（ＴＡ１〜ＴＡ３６）を統合することと、
    を特徴とする方法。
12. 変換機器（１２，１１２）が、一方の特性の符号エレメント（Ｃ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ８，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２４，Ｃ２６，Ｃ２８）から他方の特性の符号エレメント（Ｃ２，Ｃ３，Ｃ７，Ｃ１１，Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２５，Ｃ２７）への境界域（Ｋ１〜Ｋ１２）において導き出された走査信号（Ａ１〜Ａ５２）をそれぞれ信号が周期Ｂで周期的に推移する目盛信号（ＴＡ１〜ＴＡ３６）に変換し、この周期的な信号の推移は、境界域（Ｋ１〜Ｋ１２）が第一の特性から第二の特性への境界域であるか、或いは第二の特性から第一の特性への境界域であるかに関係しないことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 走査信号（Ａ１１〜Ａ１６）をそれぞれ基準信号と比較して、その比較によって生成された差分を整流することによって、目盛信号（ＴＡ１１〜ＴＡ３６）を生成することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 当該の基準信号が、測定方向Ｘに対して間隔を開けて配置された少なくとも一つの別の検出器（Ｄ１１〜Ｄ５２）の走査信号（Ａ１１〜Ａ１６）であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 各符号エレメント（Ｃ２１〜Ｃ２３）から、複数の走査信号（Ａ２１〜Ａ３２）を導き出して、それらの走査信号を評価機器（１８）に供給し、その評価機器が、増分信号（ＩＮ）から導き出された位置情報（Ｄ）に応じて、符号語（ＣＷ）の生成に適した走査信号（Ａ２３，Ａ２７，Ａ３１）を選定することを特徴とする請求項１１から１４までのいずれか一つに記載の方法。
16. 目盛信号（ＴＡ１１〜ＴＡ３６）から、周期が２×Ｂの少なくとも一つの周期的な増分信号（ＢＮ０，ＢＮ９０）を生成することを特徴とする請求項１１から１５までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
17. 走査信号（Ａ１１〜Ａ５２）が、マンチェスター符号（１０１）から導き出され、符号語（ＣＷ）の一つのビットが、二つの符号エレメント（Ｃ１〜Ｃ２８）の走査信号（Ａ１１〜Ａ５２）の比較から生成されることを特徴とする請求項１１から１６までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
18. 周期が２×Ｂの少なくとも一つの周期的な増分信号（ＢＮ０，ＢＮ９０）から、当該の比較に適した走査信号（Ａ１１〜Ａ５２）を求めることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の位置測定装置。

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