JP2018004630A - 電子式アブソリュート型エンコーダ - Google Patents
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Abstract
【課題】小型サイズ、分解能等の改良された組み合わせをもつアブソリュート型エンコーダを提供する。【解決手段】測定軸方向MAにMAに沿った対応するアブソリュート範囲を画定する信号変調スケールパターン170dを含むスケール170と、信号変調スケールパターン170dに対応する検出信号を提供する検出器167と、検出信号に基づいて、スケール170に沿った検出器167のアブソリュート位置を決定する信号処理部166とを含む。信号変調スケールパターン170dは、スケール170に沿った位置の関数として、空間波長λCを有する粗周期的パターン部171dと、スケール170に沿った位置の関数として、空間波長λFを有する密周期的パターン部173dとを含み、n*λCはアブソリュート範囲であり、nは整数、(mn+1)*λFはアブソリュート範囲であり、mは2以上の整数である。波長λC及びλFは、広く分離されていてよい。【選択図】図4
Description
本発明は、概して、精密測定器に関し、特にアブソリュート型エンコーダに関する。
様々な光学式、静電容量式、磁気式並びに電磁誘導式トランスデューサ及び移動又は位置トランスデューサが利用可能である。これらのトランスデューサは、読取ヘッド内の送信器及び受信器の様々な幾何学的構成を使用して、読取りヘッドとスケールとの間の移動を測定する。電磁誘導式センサは、粒子、油、水及び他の流体による汚れに最も影響を受けないセンサタイプのうちの1つであることが知られている。特許文献1は、高精度用途に使用可能である電磁誘導式位置トランスデューサについて説明している。特許文献2及び特許文献3は、信号生成及び処理回路を含む電磁誘導式インクリメンタル型ノギス及びリニアスケールについて説明している。特許文献4、特許文献5、特許文献6、特許文献7及び特許文献8は、電磁誘導式トランスデューサを使用する電磁誘導式アブソリュート型ノギス及び電子式巻き尺について説明している。これらの特許に説明されるように、電磁誘導式トランスデューサは、既知のプリント回路基板技術を使用して容易に製造することができる。
電磁誘導式トランスデューサ(及び他のタイプのトランスデューサ)の様々な実施態様は、インクリメンタル型又はアブソリュート型エンコーダとして実現されうる。一般に、インクリメンタル型エンコーダは、スケールに対する読取ヘッドの変位量を、スケールに沿った初期点から開始して、変位量のインクリメンタル単位を蓄積することによって決定することを可能にするスケールを使用する。しかし、エンコーダが、低消費電力デバイスに使用されるような場合は、アブソリュート型エンコーダを使用することがより望ましい。アブソリュート型エンコーダは、スケールに沿った(読取りヘッドの)各位置において、一意の出力信号又は信号の組み合わせを提供する。アブソリュート型エンコーダは、位置を特定するために、インクリメンタル変位量の連続蓄積を必要としない。したがって、アブソリュート型エンコーダは、数ある利点の中でも特に、様々な電力節約スキームを可能にする。上記特許に加えて、米国特許第3882482号、第5965879号、第5279044号、第5237391号、第5442166号、第4964727号、第4414754号、第4109389号、第5773820号及び第5010655号も、アブソリュート型エンコーダに関連する様々なエンコーダ構成及び/又は信号処理技術について開示し、これらの特許は、それぞれ参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。
本明細書において使用される場合、「トラック」又は「スケールトラック」との用語は、通常、測定軸方向に沿って延在し、測定軸を横断する方向に沿って略一定の幅及び位置を有するスケール又はスケールパターンの一領域を指す。スケールトラックは、通常、測定軸方向に沿って案内される検出器の特定のセットの下に横たわり、位置合わせされる。検出器は、下に横たわるトラック内のスケール要素のパターンに反応して、トラックに沿った検出器位置に依存する位置信号を生成する。
エンコーダに採用される、アブソリュート(ABS)位置を符号化する一般的な技術は、わずかに異なる空間波長の2つのエンコーダトラックを使用する。非常に近い任意の2つの空間波長λ1及びλ2について、ABSビート波長は、次式:
の通りに定義される。
λ1及びλ2に基づくより長い合成波長であるABSビート波長は、比較的粗分解能の合成波長位置を決定するために使用することができ、また、エンコーダのABS測定範囲を略構成する。長いABS測定範囲を実現するために、λ1及びλ2は、通常、非常に似た値で(近い値)ある。例えば1つの例示的なエンコーダに使用される2つの波長は、λ1=5.4mm、λ2=5.268mmであり、これは、λABS=216mmのABS範囲(ABSビート波長)を提供する。
λ1=5.4mm及びλ2=5.268mmである上記の例示的なエンコーダでは、λ1及びλ2は、n=40を選択したことに基づいて計算される。
空間波長λ1及びλ2を有する何れか/両方のトラックの任意の所与の波長又は周期における検出器の空間位相(又は位置)を決定するために処理可能である信号を生成するようにエンコーダトラック及び対応する検出器を構成することが知られている。このような空間位相情報及び/又は位置情報を所与として、合成ABSビート波長λABS内のアブソリュート空間位相及び/又はアブソリュート位置が、既知の方法に従って決定されうる。しかし、互いに非常に似ているλ1及びλ2の使用は、特に小型の低電力エンコーダにおいて、クロストークエラー及び/又は信号分離における他の困難に起因する特定の精度、分解能及び/又は範囲制限をもたらす場合がある。
ユーザは、小型サイズ、測定範囲、分解能、低電力、低価格及び汚れに対するロバスト性の改良された組み合わせを提供するために、上記既知のエンコーダシステムの改良を望んでいる。このような改良された組み合わせを提供するアブソリュート型エンコーダの構成が望まれている。
この概要は、詳細な説明において、以下に更に説明される概念のセレクションを簡略形式で紹介するために提供される。この概要は、請求項に係る主題の重要な特徴を特定することも、請求項に係る主題の範囲を決定する助けとして使用されることも意図していない。
例えば高精度電子式デジタルインジケータ、ノギス、マイクロメータ、リニアスケール等において具体化されることが可能である電子式アブソリュート型エンコーダが提供される。当該エンコーダは、測定軸方向に沿って延在するスケールと、検出器と、検出器によって提供される検出信号に基づいて、スケールに沿った検出器のアブソリュート位置を決定する信号処理部とを含む。スケールは、測定軸方向に沿った対応するアブソリュート範囲Rを画定する信号変調スケールパターンを含む。具体的に、スケールは、スケールに沿った位置の関数として、空間波長λCを有する粗周期的パターン部と、スケールに沿った位置の関数として、空間波長λFを有する密周期的パターン部とを含み、ここで、n*λC=Rであり、nは整数であり、また、(mn+1)*λF=Rであり、mは少なくとも2の整数である。検出器は、測定軸方向に沿って配置される検知要素を含み、検知要素は、信号変調スケールパターンに対応する検出信号を提供するように構成される。
信号処理部は、検出信号を処理し、(粗空間波長λCを有する)粗周期的パターン部による信号効果は含むが、(密空間波長λFを有する)密周期的パターン部による有意信号効果は含まないか若しくは抑制する信号又は信号成分について、粗波長空間位相測定結果Pcを決定するように構成される。
信号処理部は更に、検出信号を処理し、(密空間波長λFを有する)密周期的パターン部による信号効果は含むが、(粗空間波長λCを有する)粗周期的パターン部による有意信号効果は含まないか又は抑制する信号又は信号成分について、密波長空間位相測定結果Pfを決定するように構成される。
信号処理部は、粗波長空間位相測定結果Pc及び密波長空間位相測定結果Pfに基づいて、アブソリュート範囲R内のスケールに対する検知要素のアブソリュート位置を決定するように構成される。
本発明の例示的な実施形態によるアブソリュート型エンコーダの改良された構成は、従来技術のように、互いに近い2つの空間波長λC及びλFを使用する必要なく、より長いエンコーダ範囲Rを実現するという技術的利点を有しうる。
図1は、スケール170を含む略長方形の横断面の本尺を有するスケール部材102と、スライダアセンブリ120とを含むハンドツールタイプのノギス100の組立分解等角図である。図1は、参照用に、XYZ座標軸を示す。測定軸方向は、X軸と平行である。このようなノギスの動作は、一般的に知られており、本明細書で開示するようなエンコーダのデザインによって解決されるのが望まれる様々な問題及び/又は設計上の制約をもたらす幾つかの例示的な実用上の要件を示すために、本明細書では、ノギス100を簡単にだけ説明する。図1に示されるように、スケール170は、測定軸方向MA(X軸)に沿って延在する信号変調スケールパターン170x(概略的に示されている)を含んでよい。可変の添え字「x」は、本明細書では、様々な対応する信号変調スケールパターンを指定するために、様々な文字によって置き換えられる。信号変調スケールパターン170xは、以下により詳細に説明されるように、測定軸方向に沿った対応するアブソリュート範囲Rを画定するアブソリュートタイプであってよい。多くの商業ノギスにおいて、信号変調スケールパターン170xは、適切な位置に接合されるプリント回路基板に形成される。既知のタイプのカバー層172(例えば100μmの厚さ)がスケール170を覆ってよい。スケール部材102の第1の端の近くの固定ジョー108及び110と、スライダアセンブリ120上の可動ジョー116及び118とが、既知の方法で、物体の寸法を測定するために使用される。スライダアセンブリ120は、端止め具154によって、スケール部材102の下のデプスバー溝152内に収められるデプスバー126を含んでもよい。デプスバー測定面128を穴の中に延ばして、その深さを測定することができる。スライダアセンブリ120のカバー139が、オン/オフスイッチ134と、ゼロ設定スイッチ136と、測定結果ディスプレイ138とを含んでよい。スライダアセンブリ120のベース140は、スケール部材102のサイドエッジ146に接触するガイドエッジ142を含み、ネジ147によって弾性圧力バー148をスケール部材102の対向するエッジに付勢することで、測定及び、スケール170に対する読取ヘッド部164の移動に適切な位置合わせを保証する。
ベース140上にはピックオフアセンブリ160が設けられている。このピックオフアセンブリ160は、読取ヘッド部164を保持している。読取ヘッド部164は、本実施形態では、検知要素169(例えば、フィールド発生及び検出巻線構成)を含む検知部又は検出器167と、信号処理部166(例えば制御回路)とを搭載した基板162を含んでいる。本説明では、「検知部」及び「検出器」との用語は、説明又は文脈において特に明記されない限り、しばしば、区別しないで使用される。回路及び接続部の汚染を防止するため、弾性シール163が、カバー139と基板162との間で圧縮されるとよい。検知部167は、絶縁コーティングによって覆われてよい。1つの特定の例示的な例では、検知部167は、深度(Z)方向に沿って、約0.5mmの間隙によって離間されて、スケール170と平行にかつスケール170に面して配置されてよい。以下により詳細に説明されるように、読取ヘッド部164とスケール170とを合わせて、トランスデューサ(例えば変化する磁場を発生させることによって動作する電磁誘導式又は渦電流トランスデューサ)が形成されうる。
当然のことながら、ノギス100が商業的に受け入れられるためには、スケール170(したがって、信号変調スケールパターン170x)は、X軸方向に沿って最長の実用測定範囲を提供すべきであると同時に、ハンドツールの使い勝手の良い人間工学的な使用を提供するように、Y軸方向に沿って比較的狭い幅を有さなければならない。同じことが、検出器167及び検知要素169についても言うことができる。したがって、スケールトラック及び関連の検知要素169に利用可能である幅は限られており、これは、信号発生領域及び/又はスケールトラック分離を制限する。結果として、既知のエンコーダ装置では、様々なトランスデューサ信号間の干渉、又は、トランスデューサ信号の信号対雑音(S/N)比に影響を及ぼす他の制限を起因として生じるエラーによって、全体的な精度又は分解能が制限されている。本明細書に開示される様々な原理は、上記のようなサイズ制約下においても、信号識別及びS/N比の向上と共に、複数の協調信号の提供に関して幾つかの利点を提供する。
図2は、スケール170での使用に適した信号変調スケールパターンの3つの例を示す。各例は、測定軸方向(MA)に沿って延在している。3つの例には、1つの以前から知られている例170aと、本明細書に開示される原理による2つの例170b、170cとが含まれる。図2のすべての信号変調スケールパターン170a、170b及び170cにおいて、n(アブソリュート測定範囲R内に含まれる粗空間波長の数を示す整数)は、20に設定されている。
信号変調スケールパターン170a(従来技術)は、スケール170に沿った位置の関数として、空間波長λC1を有する粗周期的パターン部171aを含み、このとき、n*λC1=Rであり、nは、整数である(上記式[2]を参照)。信号変調スケールパターン170aは更に、スケール170に沿った位置の関数として、空間波長λF1を有する密周期的パターン部173aを含み、このとき、(n+1)*λF=Rである(上記式[3]を参照)。上記されたように、従来技術では、長いアブソリュート測定範囲R(≒λABS)を実現するためには、空間波長λC1及びλF1は、通常、互いに非常に近い値に設定されている(上記式[1]の分母を参照)。しかし、本開示の発明者は、多くの応用において、式[1]乃至[3]のより一般的な定式化を有利に使用しうることを発見した。具体的には、上記式[1]乃至[3]は、ここでは、下記式[4]及び[5]の特別な事例として提示される。
具体的には、図2の従来技術の信号変調スケールパターン170aは、m=1として、式[4]及び[5]を満たす空間波長λC1(=λ1)及びλF1(=λ2)を有する粗周期的パターン部171a及び密周期的パターン部173aを含む。上記されたように、m=1の場合、高い測定分解能と共に長いアブソリュート測定範囲R(≒λABS)を実現する唯一の方法は、信号波長λC1及びλF1を互いに近い値に設定することであり、即ち、これらの信号波長は、互いに非常に類似している。しかし、これは、クロストークエラー及び/又は類似の空間波長のそれぞれに関連付けられている信号の分離の難しさといった幾つかの問題に起因して、達成可能な「測定範囲対分解能」比(アブソリュート型スケール又はエンコーダの有用な性能指数)の制限につながる場合がある。例えば当然のことながら、空間フィルタリング技術を使用することや、非常に類似した空間波長又は周波数を有する信号を分離することは、本質的に難しい。信号変調スケールパターン170aは、上記のような制限を示す従来技術の信号変調スケールパターンの一例である。
しかし、発明者は、mを、少なくとも2である整数(例えばm=2、m=3等として設定することによって、互いにそれほど似ていない粗空間波長λC及び密空間波長λFを使用することができて、上記式[4]及び[5]に従って観察されうるように、依然として、長いアブソリュート測定範囲Rが実現されることを発見した。これは、信号分離及び他の問題に関連する上記制限及び問題の一部を軽減する。
図2の信号変調スケールパターン170bは、m=2に対応する、本明細書に開示される原理による一実施形態を示す。具体的には、信号変調スケールパターン170bは、スケール170に沿った位置の関数として、空間波長λC2を有する粗周期的パターン部171bを含み、このとき、n*λC2=R(≒λABS)であり、nは、整数である(上記式[4]を参照)。信号変調スケールパターン170bは更に、スケール170に沿った位置の関数として、空間波長λF2を有する密周期的パターン部173bを含み、このとき、(mn+1)*λF2=Rである(上記式[5]を参照)。
図2の信号変調スケールパターン170cは、m=3に対応する、本明細書に開示される原理による別の実施形態を示す。具体的には、信号変調スケールパターン170cは、スケール170に沿った位置の関数として、空間波長λC3を有する粗周期的パターン部171cを含み、このとき、n*λC3=R(≒λABS)であり、nは、整数である(上記式[4]を参照)。信号変調スケールパターン170cは更に、スケール170に沿った位置の関数として、空間波長λF3を有する密周期的パターン部173cを含み、このとき、(mn+1)*λF3=Rであり、m=3である(上記式[5]を参照)。
本開示による様々な例示的な実施形態において、mが最大で10であることが実用的でありうる。更なる例示的な実施形態では、mが最大で5であることが最も実用的でありうる。
図示した信号変調スケールパターン170b及び170cの何れにおいても、粗空間波長λC及び密空間波長λFは、従来技術の信号変調スケールパターン170aで必要とされたようには互いに似てはいない。これは、検出器のデザイン及び/又は信号処理において幾つかの利点を提供することができ、測定範囲対分解能比を向上させうる。これらは共に、従来技術のように、似た粗空間波長λC及び密空間波長λFを使用するのではなく、式[4]の分母が十分に小さいことを可能にする適切な整数mを選択することによって、長いアブソリュート測定範囲R(≒λABS)を実現する。
信号変調スケールパターン170x(例えば170b又は170c等)は、様々な技術を使用して製造することができる。例えば誘導式エンコーダの実施形態では、スケール170の基板が、導電性バルク材料(例えばアルミニウム)であって、信号変調スケールパターン170xは、機械加工、スタンプ加工、エッチング又は他の適切な方法によって、導電性バルク材料上に提供又は形成されてよい。別の実施態様では、基板は、導電性(例えば銅)層が上に堆積又は積層された非導電性プリント回路基板(PCB)であってもよい。信号変調スケールパターン170xは、当技術分野において知られているように、導電性層を所望のパターンの領域又は領域を囲むループに機械加工、又は別の手段で形成する(例えばフォトレジストパターニング、エッチング等)ことによって提供されてよい。光学式エンコーダの場合、信号変調スケールパターン170xは、例えばクロムオンガラス構成で形成されてよい。
図3は、それぞれ、上記式[5]を満たす粗空間波長λC(=λ1)を有する粗周期的パターン部及び密空間波長λF(=λ2)を有する密周期的パターン部を含む「重ね合わされた」信号変調スケールパターン170a’及び170b’の2つの例の平面図である。「重ね合わされた」信号変調スケールパターンとは、本明細書において当該用語が使用される場合、概して、集積又は組み合わされたスケールパターンを意味することを意図し、2つの(粗及び密)信号変調スケールパターン部のxの関数としての領域が、重ね合わされた信号変調スケールパターンのxの関数として領域を画定するように、合計される(「重ね合わされる」)。それぞれ、「方形波」の周期的パターン部を含む2つの別個のスケールトラック171x及び173xを含む図2に示される信号変調スケールパターンとは対照的に、これらの例では、信号変調スケールパターン170a’及び170b’は、それぞれ、重ね合わされた正弦波周期的パターン部、即ち、パターン170a’において、171a’及び173a’、パターン170b’において、171b’及び173b’を含む単一のスケールトラックを含む。つまり、測定軸方向に沿った位置の関数として正弦波領域をそれぞれ有する粗周期的パターン部及び密周期的パターン部が、各信号変調スケールパターン170a’及び170b’の単一のスケールトラックにおいて重ね合わされる。重ね合わされた信号変調スケールパターンは、様々な応用において、より狭いスケール幅及び/又はより小型の検出器構成及び/又は幾つかの他の利点を可能にしうる。これらの信号変調スケールパターンは、重ね合わされた粗周期的パターン部及び密周期的パターン部の例であるだけでなく、「m=2」のアブソリュートスケール(上記式[4]及び[5]を参照)の利点に比較して、「m=1」のアブソリュートスケールの上記問題も定性的に説明する。
図3に示される各信号変調スケールパターン170a’及び170b’について、範囲Rは同じであり、n=20である。信号変調スケールパターン170a’は、m=1である場合の一例である。粗波長及び密波長は、図2の信号変調スケールパターン170aと同様に類似している。見て分かるように、中心セクションにおいて、類似の波長同士は、略「位相不一致」であり、結果として、信号変調スケールパターン170a’は、ほとんど空間変動を示さない(例えば、その幅は、中心セクションに沿って略一定である)。結果として、定性的に述べると、検出器は、中心セクションを移動している間は、位置の関数としての信号の変動をほとんど示さず、したがって、中心セクションにおいては比較的悪いS/N比がもたらされ、類似の粗波長及び密波長から生じる信号成分間の信号分離及び/又は識別に関してほとんど貢献しない。
信号変調スケールパターン170b’は、m=2である場合の一例である。粗波長及び密波長は、図2の信号変調スケールパターン170bと同様に非類似である。見て分かるように、信号変調スケールパターン170a’とは対照的に、信号変調スケールパターン170b’には、変化する位置の関数としての有意な空間変動を欠いたセクションが存在しない。(例えば、その幅は、範囲Rに沿ったどの場所においても有意な変動を示す)。結果として、定性的に述べると、検出器は、移動中は、範囲R内の何処であっても、位置の関数として優れた信号変動を示し、したがって、比較的優れたS/N比がもたらされ、非類似の粗波長及び密波長から生じる信号成分間の優れた信号分離及び/又は優れた識別に貢献する。
本明細書において、また、以下に更に、本明細書において開示される信号変調スケールパターンによって変調された信号又は信号成分の生成及び検出に関する様々な原理が説明される。多くの実用的なデバイスにおいて、アブソリュート位置処理は、スケール170に含まれる各粗空間周期的パターン部171x及び密空間周期的パターン部173x(xは、図2に示されるように、任意の英数字であってよい)のインクリメンタル位相に対応する信号に依存する。多くの実用的なデバイスにおいて、検出器167は、測定軸方向に沿って配置される検知要素169(図1参照)を含む。検知要素169は、粗空間周期的パターン部171x及び密空間周期的パターン部173xを含む信号変調スケールパターン170x(図2参照)に反応して、検出信号を提供するように構成される。誘導式エンコーダの実施形態では、検知要素169は、電磁巻線を含み、信号変調スケールパターン170xに沿った位置の関数として、電磁巻線によって検知されたインダクタンス(インピーダンスとして測定される)の変化に応じた検出信号を提供するように構成されている。信号処理部166は、検出信号に基づいて、検出器167のスケール170に沿ったアブソリュート位置を決定する。具体的には、信号処理部166は、検出信号を処理し、粗周期的パターン部171xに起因する信号効果を含み、密周期的パターン部173xに起因する有意信号効果は含まないか又は抑制する信号又は信号成分について、粗波長空間位相測定結果Pc(又はφ1)を決定するように構成される。信号処理部166は更に、検出信号を処理し、密周期的パターン部173xに起因する信号効果を含み、粗周期的パターン部171xに起因する有意信号効果は含まないか又は抑制する信号又は信号成分について、密波長空間位相測定結果Pf(又はφ2)を決定するように構成される。本説明では、「信号」及び「信号成分」の用語は、区別せずに使用されてよい。また、「信号」は、通常動作では分離できない信号、即ち、例えば一時的又は永久的な接続構成に起因して他の信号と組み合わされる又は混合される場合のある信号を示してもよい。
信号処理部166は、粗波長空間位相測定結果Pc(又はφ1)及び密波長空間位相測定結果Pf(又はφ2)に基づいて、アブソリュート範囲R内のスケール170xに対する検出器167の検知要素169のアブソリュート位置を決定するように構成される。例えばアブソリュート線形位置XABS及びアブソリュート位相位置φABSは、次式:
の通りに計算することができる。ただし、mは、本発明の実施形態に従って、少なくとも2の整数である。
検知要素及び/又は信号変調スケールパターンに対して空間フィルタリング部を使用することによって、及び/又は、検知要素と信号変調スケールパターンとの間の動作間隙(operating gap)の効果を使用することによって、位置(例えば測定軸方向に沿った位置x)の関数として正弦曲線である信号を提供することは、当技術分野において知られている。本明細書に説明される原理に従って、正弦波信号について、
である。
幾つかの実施形態では、正弦波直交信号が、以下により詳細に説明されるように、適切な検出器によって生成され、式6及び7に従って、アブソリュート位置を決定するために、φ1及びφ2の値を提供するように処理されてよい。
図4は、概略的に提示される検出器167に対して配置される、空間波長λCを有する粗周期的パターン部171dと、空間波長λFを有する密周期的パターン部173dとを含む信号変調スケールパターン170dの一部の平面図である。信号変調スケールパターン170dは、粗周期的パターン部及び密周期的パターン部が、方形波パターンの代わりに正弦波パターンを含む点を除き、図2の信号変調スケールパターン170b(例えばm=2等)と同様であると見なされてよい。検出器167は、信号変調スケールパターン170dと相互作用し、粗周期的パターン部及び密周期的パターン部をそれぞれ抑制する検出信号を提供するように構成される検知要素の対応するセット183d及び181dを含む。
粗波長検知要素群(第1の検知要素群)181dは、粗波長空間位相測定結果Pcを決定するために処理される信号のセットを提供するように、粗周期的パターン部171dに沿って配置される。密波長検知要素群(第2の検知要素群)183dは、密波長空間位相測定結果Pfを決定するために処理される信号のセットを提供するように、密周期的パターン部173dに沿って配置される。
図4では、各検知要素169は、簡単にするために、その実効検知位置における(例えば測定軸方向に沿ったその中心にある)破線によって表される。検知要素169の構造の様々な代案は、当業者に知られているか、及び/又は、組み込まれた参考文献に含まれている。いずれにせよ、検知要素169からの検出信号は、信号処理部166によって処理され、スケール170に沿った検出器167及び読取りヘッド164のアブソリュート位置が決定される。
粗波長検知要素群181dの構成の1つの適切な実施態様は、図示されるように、粗波長検知要素(A1、B1、C1、D1)の第1のフィルタリングサブセット181d1と、粗波長検知要素(A1’、B1’、C1’、D1’)の第2のフィルタリングサブセット181d2とを含み、これらはすべて、粗周期的パターン部171d及び密周期的パターン部173dの両方にわたっていてよい。第1及び第2のフィルタリングサブセット181d1及び181d2は、第1のフィルタリングサブセット181d1の各検知要素が、第2のフィルタリングサブセット181d2における対応する検知要素と相補的対を形成するように配置される。相補的対の部材は、密空間波長λFについて、180度の整数K1倍の空間位相差で、即ち、K1*(0.5*λF)で、測定軸方向MAに沿って離間される。図4に示される具体例では、K1=5である。
密波長検知要素群183dの構成の1つの適切な実施態様は、図示されるように、密波長検知要素(A2、B2、C2、D2)の第1のフィルタリングサブセット183d1と、密波長の検知要素(A2’、B2’、C2’、D2’)の第2のフィルタリングサブセット183d2とを含み、これらはすべて、粗周期的パターン部171d及び密周期的パターン部173dの両方にわたっていてよい。第1のフィルタリングサブセット183d1及び第2のフィルタリングサブセット183d2は、第1のフィルタリングサブセット181d1の各検知要素が、第2のフィルタリングサブセット183d2における対応する検知要素と相補的対を形成するように配置される。相補的対の部材は、粗空間波長λCについて180度の整数K2倍の空間位相差で、即ち、K2*(0.5*λc)で、測定軸方向MAに沿って離間される。図4に示される具体例では、K2=1である。
測定軸方向MAに沿った位置xの関数として、検知要素169の1つ(例えば密波長検知要素群183dの検知要素A2)によって提供される信号Sは、基本信号、第二高調波及び一定オフセットの和として、次式:
の通りにモデル化されてよい。
L1及びL2項は、対応する位相オフセットθ1及びθ2を有する粗空間波長λC(=λ1)及び密空間波長λF(=λ2)の対応する基本信号成分である。L3及びL4項は、対応する位相オフセットθ3及びθ4を有する粗空間波長λ1及び密空間波長λ2の対応する第二高調波信号成分である。β項は、一定オフセットである。
信号処理部166は、粗波長検知要素群181dの検出信号の第1のセットを処理し、粗波長空間位相測定信号を提供するように構成されてよい。ここでは、密周期的パターン部173dによる信号成分(例えば式[9]のL2及びL4項)は抑制される(下記式[10]乃至[13]の説明を参照)。結果として、信号処理部166は、空間波長λC(=λ1)に対して、粗波長検知要素群181dの粗波長空間位相測定結果Pcを比較的正確に決定することができる。同様に、信号処理部166は、密波長検知要素群183dの検出信号の第2のセットを処理し、密波長空間位相測定信号を提供するように構成されてよい。ここでは、粗周期的パターン部171dによる信号成分(例えば式[9]のL1及びL3項)は抑制される(下記式[15]乃至[18]の説明を参照)。結果として、信号処理部166は、空間波長λF(=λ2)に対して、密波長検知要素群183dの密波長空間位相測定結果Pfを比較的正確に決定することができる。
図4の実施形態では、粗波長検知要素群181dの第1のフィルタリングサブセット181d1及び第2のフィルタリングサブセット181d2のそれぞれにおける検知要素は、粗空間波長λC(=λ1)に対して、90度の空間位相シフト(例えば0、90、180及び270度)で離されている相対位相位置において、位相信号をサンプリングするように構成される。同様に、密波長検知要素群183dの各第1のフィルタリングサブセット181d1及び第2のフィルタリングサブセット183d2のそれぞれにおける検知要素は、密空間波長λF(=λ2)に対して、90度の空間位相シフト(例えば0、90、180及び270度)で離されている相対位相位置において、位相信号をサンプリングするように構成される。
粗波長空間位相測定結果Pc(=φ1)に対応する信号を提供するために、粗波長検知要素181dの各相補的対の信号は、信号処理部166において、電子的又は数学的に組み合わされてよい。これは、次式:
によって与えられる直交信号
を提供する。
を提供する。
式[10]乃至[13]において、偶数値のK1の場合、差が使用され、奇数値のK1の場合、和が使用されてよい。直交信号
は、次に、次式:
によって、粗波長空間位相測定結果Pc(=φ1)を決定するように使用されてよい。
は、次に、次式:
先の説明との類似性によって理解されるように、密波長空間位相測定結果Pf(=φ2)に対応する信号を提供するために、密波長検知要素183dの各相補的対の信号は、信号処理部166において、電子的又は数学的に組み合わされてよい。これは、次式:
によって与えられる直交信号
を提供する。
を提供する。
式[15]乃至[18]において、偶数値のK2の場合、差が使用され、奇数値のK2の場合、和が使用されてよい。直交信号
は、次に、次式:
によって、密波長位相Pf(=φ2)を決定するように使用されてよい。
は、次に、次式:
当然のことながら、上記原理は、様々な他の実施形態に適用されてよい。例えば、粗周期的パターン部171d及び密周期的パターン部173dは、図4では、別個のパターン部として示されているが、検知要素が、粗周期的パターン部171d及び密周期的パターン部173dの両方にわたるが、各周期的パターン部から生じる信号成分は上記されたように互いから区別されうる(又は互いから抑制されうる)原理が上で開示されていることは理解されるべきである。したがって、別の実施形態では、粗周期的パターン部171d及び密周期的パターン部173dに含まれる領域変調は、(例えば図3に示される重ね合わされた信号変調スケールパターン170b’と同様に)検出器167と位置合わせされるスケールトラックにおける単一の「重ね合わされた」パターンにまとめられてもよい。
検出器167の構成も一般化されてよい。より一般的に、粗波長検知要素群181xが、粗空間波長λC(=λ1)について、360/Q度の空間位相差で離間されるQ個の空間位相に対応する検出信号を提供するように構成されてよい。また、密波長検知要素群183aが、密空間波長λF(=λ2)について、360/Q度の空間位相差で離間されるQ個の空間位相に対応する検出信号を提供するように構成されてよい。例えば上記図4では、Q=4であり、90度で離間された4つの空間位相(0、90、180及び270度)が、粗波長検知要素181d及び密波長検知要素183dに含まれる各サブセットによってサンプリングされる。対照的に、3位相検出器を使用する1つの例示的な代替実施形態では、粗波長検知要素181dは、第1及び第2のサブセット181d1(A1、B1、C1)及び181d2(A1’、B1’、C1’)を含んでよく、それぞれ、λC/3で離間されている検知要素を含む。同様に、密波長検知要素183dは、第1及び第2のサブセット183d1(A2、B2、C2)及び183d2(A2’、B2’、C2’)を含んでよく、それぞれ、λF/3で離間されている検知要素を含む。様々なサブセットは、検知要素の相補的対が、上記原理に従って離間されているように位置付けられる。先の説明との類似性によって、結果として得られる位相信号A1、B1、C1、A1’、B1’及びC1’は、次の関係:
に従って、3つの組み合わせられた位相信号α1、β1及びγ1を提供するように組み合わされてよいことは理解されるであろう。
上記されたように、検知要素169の構造の様々な代案は、当業者に知られているか、及び/又は、参考文献に含まれている。例示的な代案の幾つかを簡単に示すと、幾つかの誘導式エンコーダの実施形態では、検出器167の検知要素169は、金属(例えば銅)プレート、ワイヤ及びループといった導電性材料で形成されてよい。これらの実施形態において、検出器167及び信号変調スケールパターン170xは、一実施態様では、変化する磁場を発生させることによって動作する渦電流トランスデューサを形成しうる。変化する磁場は、検出器167の検知要素169に変化する電流を提供することによって発生されうる。変化する磁場は、当該変化する磁場の範囲内の信号変調スケールパターン170xの一部に、エディカレントとして知られている渦電流をもたらす。検出器167の検知要素169の実効インダクタンスは、各渦電流によって影響を受け、上記されたように、信号変調スケールパターン170xに沿った検知要素の位置に依存して変動する信号特性を有する信号を対応して提供する。様々な実施形態において、検知要素169は、下にある信号変調スケールパターン170xの部分と相互作用するために所望の形状を有する領域を取り囲むように形成される1回巻き又は複数回巻きの平面巻線を含んでよい。或いは、本明細書に開示される原理に従って構成されるアブソリュート型エンコーダは、第‘389号特許に開示されている、送信器(TX)及び受信器(RX)コイルを含む構造と同様のトランスタイプの構造を使用してもよく、受信器(RX)コイルが、通常、検出器167の検知要素169に相当する。
図5は、本明細書に開示される原理にしたがって、空間波長λCを有する粗周期的パターン部171eと、空間波長λFを有する密周期的パターン部173e及び173e’とを含む信号変調スケールパターン170eの更なる一例の平面図である。上記式[5]を満たす粗空間波長λC(=λ1)及び密空間波長λF(=λ2)(m=2及びn=20)は、図2の信号変調スケールパターン170bの変形態様として理解されてよい。このとき、密周期的パターン部は、同一であり、測定軸方向に沿って粗周期的パターン部171eの両側に沿って延在する2つの部分173e及び173e’を含む。このような構成は、読取りヘッドの位置ずれの場合に対称性を保つことにおいて有利でありうる。別々のスケールトラックに沿って粗波長及び密波長を検知するように構成される検知要素を有する2つの別々の検出器で構成されうる図2の信号変調スケールパターン170bとは対照的に、この例では、粗周期的パターン部及び密周期的パターン部(それぞれ、171e及び173e/173e’)は、単一のスケールトラックに沿って粗波長及び密波長を検知するように構成される検知要素を有する検出器によって有利に検知される。このような構成の1つの実施形態を以下に説明する。
図6は、本明細書に開示される原理に従う、図5の信号変調スケールパターン170eの一部の平面図である。信号変調スケールパターン170eに対して、5つの検知要素169を含む検出器167が、単一トラック構成に配置されて、検出信号を提供する。図示される実施形態では、概略的に示される各検知要素169は、大まかにひし形の略平面のループ巻線を含み、適切な基板上に設けられている。各検知要素169は、測定軸方向MAに沿って比較的短く、また、測定軸方向MAを横断する方向に沿って比較的長い。各検知要素169は、測定軸方向MAを横断する方向に沿って粗周期的パターン部171e及び密周期的パターン部173e、173e’にわたっている。図示される実施形態では、検出器167は、受信コイルとして使用される検知要素169に加えて、伝達コイル179を任意選択的に含み、トランスタイプの誘導式検出器が形成される。しかし、当業者には明らかであるように、他の検出器構成では、伝達コイル179は省略されてもよい。図示されるようなトランスタイプの誘導式エンコーダでは、伝達コイル179におけるAC電流が、5つのセンサ要素169(受信コイル)によって捕捉される磁場を生成する。複合信号変調スケールパターン170eは、その中に、λC(=λ1)及びλF(=λ2)の両方の位相位置情報をコード化するように磁場に誘導的に影響を及ぼす。
上記されたように、m=2、3、4等である構成を使用して、粗空間波長λC及び密空間波長λFが広く分離されうる信号変調スケールパターン170eの新規の構成は、今度は、粗空間波長λC及び密空間波長λFの両方の空間位相を同時に検知するために、比較的少ない検知要素を有する単一のトラック検出器の使用を可能にする。様々な実施形態では、対応する信号変調スケールパターンを検知するために、2m+1個の検知要素からなる検知要素群を使用することが有利でありうる。図6を参照して、本明細書では、m=2の1つの特定の実施形態が説明されており、λ2は、λ1の第二高調波に極めて近く、λ2及びλ1の2つのスケールトラックは、検知要素の単一のセットで検知することができる。一実施形態では、φ1(=Pc)を提供する第1高調波(m=1)及びφ2(=Pf)を提供する第2高調波(m=2)について、フーリエ正弦及び余弦係数を計算することによって、λ2及びλ1の空間位相信号を分離することができる。フーリエ計算方法を使用して、φ1及びφ2を測定するのに、従来技術において必要とされる検知要素よりも1つ少ない5つの検知要素からなる検知要素群で十分であることが分かっている。検出器167に使用される検知要素数の削減は、電力消費量を減少させるだけでなく、検出器構成及び検出信号処理の複雑さも低減するのに技術的に有利である。
図6における5つのセンサ要素169の間隔は、本発明の様々な実施形態に従って、λ1/5又は2λ1/5であってよい。より一般的には、検知要素169は、少なくとも5つの信号のセットを提供する少なくとも5つの検知要素を含む。当該少なくとも5つの検知要素は、測定軸方向に沿ってある間隔(例えばλ1/5又は2λ1/5)で配置される。少なくとも5つの信号のセットを、第1の関係に従って処理すると、粗周期的パターン部による信号効果を含み、かつ、密周期的パターン部による有意信号効果を抑制する信号成分が提供される。少なくとも5つの信号のセットを、第2の関係に従って処理すると、密周期的パターン部による信号効果を含み、かつ、粗周期的パターン部による有意信号効果を抑制する信号成分が提供される。
一実施形態では、上記処理は、離散フーリエ変換(DFT)方法の使用を含む。直交位相の余弦係数a及び正弦係数bは、次のように計算される:
ただし、Qは、検知要素の総数であり、sjは、i番目の検知要素からの測定値であり、mは、整数の高調波次数である。この式は、検知要素が、1波長に亘って等間隔であると仮定している。この場合、位相は、次のように、簡単に見いだされる。
Q>5である場合、エンコーダは、同じセンサ信号から、m=1及びm=2のφmを計算することができる。具体的には、粗波長空間位相測定結果φ1(=Pc)は、m=1である式[36]から決定することができ、密波長空間位相測定結果φ2(=Pf)も、m=2である式[36]から決定することができる。
λF(=λ2)は、λC(=λ1)の第二高調波に厳密にあるわけではないので、φ1(=Pc)及びφ2(=Pf)信号は共に、他の信号から生じるクロストークエラー寄与を有する場合がある。幾つかの実施形態では、図4を参照して説明したように、検知要素の相補的対を含む検出器構成の使用が、クロストークエラー寄与を取り除くことにおいて有利でありうる。
図7は、本発明の一実施形態による電子式アブソリュート型エンコーダの例示的なコンポーネントのブロック図である。当該電子式アブソリュート型エンコーダを組み込んだノギス100を示す図1に同様に開示された要素は、図1に使用された参照符号と同じ参照符号で特定される。電子式アブソリュート型エンコーダは、スケール170と、検出器167とを含み、これらは合わされてトランスデューサを形成する。電子式アブソリュート型エンコーダは、ディスプレイ138及びユーザ操作可能スイッチ134、136といった適切なユーザインターフェース特徴を含み、また、電源165を追加的に含んでもよい。これらの要素はすべて、ICチップ内の信号処理及び表示電子回路として具体化されうる信号処理部166に結合される。信号処理部166は、検出器167から検出信号を受信し、当該検出信号を処理して、スケール170に沿った検出器167のアブソリュート位置を決定する。当然のことながら、信号処理部166は、信号処理及び物理的回路の任意の組み合わせを含んでよい。
上記された様々な実施形態は、更なる実施態様を提供するように、組み合わされてもよい。様々な特許の概念を使用して更に別の実施形態を提供するように必要に応じて実施形態の態様が変更されてもよい。
上記詳細な説明に照らせば、これらの及び他の変更を実施形態に行うことができる。一般に、次の請求項において使用される用語は、請求項を、本明細書に開示される特定の実施形態に限定すると解釈されるべきではなく、むしろ、当該請求項の等価物の全範囲内のあらゆる可能な実施形態を含むと解釈されるべきである。
100 ノギス
120 スライダアセンブリ
140 ベース
160 ピックオフアセンブリ
170 スケール
120 スライダアセンブリ
140 ベース
160 ピックオフアセンブリ
170 スケール
Claims (20)
- 測定軸方向に沿って延在し、前記測定軸方向に沿った対応するアブソリュート範囲Rを画定する信号変調スケールパターンを含むスケールであって、前記信号変調スケールパターンは、前記スケールに沿った位置の関数として、空間波長λCを有する粗周期的パターン部と、前記スケールに沿った位置の関数として、空間波長λFを有する密周期的パターン部とを含み、ここで、n*λC=Rであり、nは整数であり、また、(mn+1)*λF=Rであり、mは少なくとも2の整数である、前記スケールと、
前記測定軸方向に沿って配置される検知要素を含む検出器であって、前記検知要素は、前記信号変調スケールパターンに対応する検出信号を提供するように構成される、前記検出器と、
前記検出器によって提供される前記検出信号に基づいて、前記スケールに沿った前記検出器のアブソリュート位置を決定する信号処理部と、
を含み、
前記信号処理部は、前記検出信号を処理し、前記粗周期的パターン部による信号効果は含むが、前記密周期的パターン部による有意信号効果は含まないか若しくは抑制する信号又は信号成分について、粗波長空間位相測定結果Pcを決定するように構成され、
前記信号処理部は更に、前記検出信号を処理し、前記密周期的パターン部による信号効果は含むが、前記粗周期的パターン部による有意信号効果は含まないか又は抑制する信号又は信号成分について、密波長空間位相測定結果Pfを決定するように構成され、
前記信号処理部は、前記粗波長空間位相測定結果Pc及び前記密波長空間位相測定結果Pfに基づいて、前記アブソリュート範囲R内の前記スケールに対する前記検知要素のアブソリュート位置を決定するように構成される、電子式アブソリュート型エンコーダ。 - 前記信号処理部は、差Pf−(m*Pc)に基づいて、前記アブソリュート範囲R内の前記スケールに対する前記検知要素のアブソリュート位置を決定するように構成される、請求項1に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
- mは、最大でも10である、請求項1又は2に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
- mは、最大でも5である、請求項3に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
- 前記信号変調スケールパターンは、前記粗周期的パターン部は含むが、前記密周期的パターン部は含まない第1のスケールトラックと、前記密周期的パターン部は含むが、前記粗周期的パターン部は含まない第2のスケールトラックとを含み、
前記検出器は、前記粗波長空間位相測定結果Pcを決定するために処理される信号のセットを提供するように、前記第1のスケールトラックに沿って配置される第1の検知要素群を含み、
前記検出器は、前記密波長空間位相測定結果Pfを決定するために処理される信号のセットを提供するように、前記第2のスケールトラックに沿って配置される第2の検知要素を含む、請求項1から4の何れか1項に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。 - 前記信号変調スケールパターンは、スケールトラックに沿って組み合わされる前記粗周期的パターン部及び前記密周期的パターン部を含む前記スケールトラックを含み、
前記検知要素は、少なくとも5つの信号のセットを提供する少なくとも5つの検知要素を含み、前記少なくとも5つの検知要素は、第1の関係に従った前記少なくとも5つの信号のセットの処理が、前記粗周期的パターン部による信号効果は含み、かつ前記密周期的パターン部による有意信号効果は抑制する信号成分を提供し、また、第2の関係に従った前記少なくとも5つの信号のセットの処理が、前記密周期的パターン部による信号効果は含み、かつ前記粗周期的パターン部による有意信号効果は抑制する信号成分を提供するように、前記測定軸方向に沿ってある間隔に配置される、請求項1から4の何れか1項に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。 - 前記粗周期的パターン部及び前記密周期的パターン部は、重ね合わされる、請求項6に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
- 前記粗周期的パターン部及び前記密周期的パターン部は、互いに隣接して配置される、請求項6に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
- 前記検出器の前記検知要素は、単一トラック検出器を形成するように直線的に配列される、請求項6に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
- 前記信号処理部は、前記粗空間波長λCの第一高調波(m=1)について、フーリエ変換によるサイン成分及びコサイン成分を計算することによって、前記粗波長空間位相測定結果Pcを決定し、また、前記粗空間波長λCの第二高調波(m=2)について、フーリエサイン及びコサイン成分を計算することによって、前記密波長空間位相測定結果Pfを決定するように構成される、請求項6に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
- 前記検知要素は、5つの検知要素からなる、請求項6に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
- 前記検知要素は、検出信号の第1のセットを提供するように構成される粗波長検知要素群と、検出信号の第2のセットを提供するように構成される密波長検知要素群とを含み、
前記粗波長検知要素群は、
それぞれ前記粗周期的パターン部及び前記密周期的パターン部にわたる前記粗波長検知要素群の第1のフィルタリングサブセットと、
それぞれ前記粗周期的パターン部及び前記密周期的パターン部にわたる前記粗波長検知要素群の第2のフィルタリングサブセットと、
を含み、
前記粗波長検知要素群の前記第1及び第2のフィルタリングサブセットは、前記第1のフィルタリングサブセットの各検知要素が、前記各検知要素から、前記測定軸方向に沿って、前記空間波長λFについて、180度の整数K1倍の空間位相差で離間されている前記第2のフィルタリングサブセットにおける検知要素と相補的対を形成するように配置され、
前記密波長検知要素群は、
それぞれ前記粗周期的パターン部及び前記密周期的パターン部にわたる前記密波長検知要素群の第1のフィルタリングサブセットと、
それぞれ前記粗周期的パターン部及び前記密周期的パターン部にわたる前記密波長検知要素群の第2のフィルタリングサブセットと、
を含み、
前記密波長検知要素群の前記第1及び第2のフィルタリングサブセットは、前記第1のフィルタリングサブセットの各検知要素が、前記各検知要素から、前記測定軸方向に沿って、前記空間波長λCについて、180度の整数K2倍の空間位相差で離間されている前記第2のフィルタリングサブセットにおける検知要素と相補的対を形成するように配置される、請求項6に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。 - K1及びK2は、偶数の整数である、請求項12に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
- 前記粗波長検知要素群は、前記空間波長λCについて、360/Q度の空間位相差で離間されるQ個の空間位相に対応する前記検出信号の第1のセットを提供するように構成され、
前記密波長検知要素群は、前記空間波長λFについて、360/Q度の空間位相差で離間されるQ個の空間位相に対応する前記検出信号の第2のセットを提供するように構成される、請求項12に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。 - Q=3である、請求項14に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
- Q=4である、請求項14に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
- 前記スケールは、前記測定軸方向に沿って延在する第1の平面基板を含み、
前記検知要素それぞれは、前記第1の平面基板に近接して、前記第1の平面基板との間に間隙を有するように配置される第2の平面基板上に形成される略平面のループ巻線を含み、各検知要素は、前記測定軸方向に沿って比較的短く、前記測定軸方向を横断する方向に沿って比較的長く、各検知要素は、前記測定軸方向を横断する前記方向に沿って、前記粗周期的パターン部及び前記密周期的パターン部にわたる、請求項1に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。 - 前記粗周期的パターン部と前記密周期的パターン部とが前記測定軸方向に沿った単一のトラックにおいて重ね合わされ、前記信号変調スケールパターンは、前記測定軸方向に沿って延在する前記パターンの中心線に対して対称であるパターンである、請求項1に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
- 前記検出器の前記検知要素は、電磁巻線を含み、前記電磁巻線は、前記信号変調スケールパターンに沿った位置の関数として、前記電磁巻線によって検知されるインダクタンスの変化に対応する検出信号を提供するように構成される、請求項1から18の何れか1項に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
- 前記検出器及び前記スケールは、変化する磁場を発生させることによって動作する渦電流トランスデューサとして構成される、請求項19に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
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