JP2018105854A - 電子式エンコーダ及び狭範囲誤差を低減させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】誤差に対するロバスト性が向上された電子式エンコーダの構成を提供する。【解決手段】電子式エンコーダは、測定軸方向に沿ってスケール周期Ｐｓを有する周期的スケールパターンを含むスケールと、第１の検知要素セット、第２の検知要素セット及び信号処理部を含む検出部とを含む。第２の検知要素セットは、測定軸方向に沿って第１の検知要素セットに対して、Ｋ２及びＭを整数として、Ｋ２＊Ｐｓ＋Ｐｓ／Ｍに相当する位置に置かれる。信号処理部は、第１の検知要素セットからの第１の検出器信号セットと、第２の検知要素セットからの第２の検出器信号セットとを独立して取得し、第１の検出器信号セット及び第２の検出器信号セットに基づいて、検出部とスケールパターンとの相対位置を決定する。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、概して、精密測定器に関し、特に電子式エンコーダに関する。

様々な光学式、静電容量式、磁気式及び電磁誘導式トランスデューサ並びに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。

米国特許第６０１１３８９号明細書 米国特許第５９７３４９４号明細書 米国特許第６００２２５０号明細書 米国特許第５８８６５１９号明細書 米国特許第５８４１２７４号明細書 米国特許第５８９４６７８号明細書 米国特許第６４００１３８号明細書 米国特許第８３０９９０６号明細書

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ている。

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、また、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、下に横たわるスケール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。

電子式エンコーダにおける狭範囲測定誤差を低減させる様々な技術が知られている。例えば米国特許第６３２９８１３号は、信号オフセット及び不所望の偶数次高調波からの誤差を低減させる電磁誘導式エンコーダ内のねじれ磁束結合ループについて開示している。米国特許第６００５３８７号（第‘３８７号特許）は、３の倍数である高調波（例えば第３及び第６高調波）からの誤差を抑制する３位相エンコーダについて開示している。米国特許第５８８６５１９号は、偶数次高調波及び信号オフセットからの誤差を抑制する４位相エンコーダについて開示している。米国特許第５９９８９９０号（第‘９９０号特許）は、振幅不整合を低減させる検出器レイアウトにおけるピッチ補正について開示している。米国特許第６４８７７８７号は、直交信号のオフセット、振幅及び位相の補正について開示しており、これも狭範囲誤差を低減させる。しかし、これらのシステムは、第５及び第７高調波といったより高い高調波からの誤差の影響を依然として受けやすい。更に、製法上の制約から、ピッチ補正を小型読取ヘッドに適用することは難しい。前置増幅器コンポーネントからの残留振幅又はオフセット不整合が、読取ヘッド集積回路内の温度ドリフト及び他の要因からの誤差を較正するシステムに残る場合がある。オフセット、振幅及び位相変化の補償係数は、通常、異なるばらつきを有するであろう個別のシステムに対してではなく、製品ラインに対して平均値として適用される。これらの誤差に対するロバスト性が向上された電子式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。

測定軸方向と一致する測定軸方向に沿った２つの要素間の相対位置を測定するために使用可能である電子式エンコーダが開示される。電子式エンコーダはスケールと検出部とを含む。スケールは、測定軸方向に沿って延在し、測定軸方向に沿ってスケール周期Ｐｓを有する周期的スケールパターンを含む。検出部は、スケールパターンに近接して取り付けられ、測定軸方向に沿ってスケールパターンに対して移動するように構成される。検出部は、複数の検知要素と信号処理部とを含む。複数の検知要素は、測定軸方向に沿って配置され、検出部とスケールパターンとの相対位置に対応する検出器信号を提供するように構成される。信号処理部は、検出部に動作可能に接続され、検出部から入力される検出器信号に基づいて、検出部とスケールパターンとの相対位置を決定する。複数の検知要素は、少なくとも、第１の検知要素セットと第２の検知要素セットとを含む。第１の検知要素セットは、スケール周期ＰｓのＮ個の等間隔の位相に配置されるＮ個の検知要素を含む。第２の検知要素セットは、スケール周期ＰｓのＮ個の等間隔の位相に配置されるＮ個の検知要素を含む。第２の検知要素セットは、測定軸方向に沿って第１の検知要素セットに対して、Ｋ２及びＭを整数として、Ｋ２^＊Ｐｓ＋Ｐｓ／Ｍに相当する位置に置かれる。信号処理部は、第１の検知要素セットからの第１の検出器信号セットと、第２の検知要素セットからの第２の検出器信号セットとを独立して取得し、第１の検出器信号セット及び第２の検出器信号セットに基づいて、検出部とスケールパターンとの相対位置を決定するように構成される。

電子式エンコーダによって測定される測定軸方向に沿った検出部に対するスケールパターンの相対位置測定結果を求める際に狭範囲誤差を低減させる方法が開示される。検出部は信号処理部を含む。上記方法は、
検出部上の第１の位置におけるスケールパターンのスケール周期Ｐｓの等間隔の位相に配置されるＮ個の検知要素を含む第１の検知要素セットを使用して、第１の空間位相を測定するように検出部を動作させるステップと、
第１の位置に対して、Ｋ２及びＭを整数として、Ｋ２^＊Ｐｓ＋Ｐｓ／Ｍだけ、検出部上の測定軸方向に沿ってずらされた検出部上の第２の位置におけるスケールパターンのスケール周期Ｐｓの等間隔の位相に配置されるＮ個の検知要素を含む第２の検知要素セットを使用して、第２の空間位相を測定するように検出部を動作させるステップと、
第１及び第２の空間位相の組み合わせに基づいて、測定軸方向に沿ったスケールパターンと検出部との相対位置を決定するように信号処理部を動作させるステップと、を含む。

当然ながら、典型的な３位相及び４位相エンコーダは、位置が計算される前に、検出器信号に誤差補正及び補償を適用するのに対して、本明細書に開示される誤差を低減させるための原理は、３位相、４位相及び同様の位置計算技術を使用して複数の位置が計算された後に適用される。

図１は、本発明の一実施形態によるエンコーダの１つの例示的な応用であるハンドツール式ノギスの組立分解等角図である。 図２Ａは、電子式エンコーダに使用されてよいスケールの一部の模式図である。 図２Ｂは、図２Ａのスケールと併せて使用されてよい検出部の模式図である。 図２Ｃは、電子式エンコーダに使用されてよい一般化された検出部の模式図である。 図３Ａは、電子式エンコーダによって測定される、測定軸方向に沿った位置Ｘに応じた第１の位相、第２の位相及び合成位相のグラフを示す。 図３Ｂは、図３Ａの位置Ｘに応じた第１の誤差成分寄与、第２の誤差成分寄与及び合計誤差寄与のグラフを示す。 図４は、様々な条件によって影響を受ける電子式エンコーダの検知要素の単一のセットからの検出器信号のグラフを示す。これらのグラフに、これらの条件からもたらされる一次誤差成分寄与の対応するグラフが並置されている。 図５は、電子式エンコーダによって測定される、測定軸方向に沿った検出部に対するスケールパターンの相対位置測定結果を求める際に、狭範囲誤差を低減させる方法を示す図である。

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、本明細書で開示され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／又はデザイン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を含む検知部又は検出器１６７（例えばフィールド発生及び検出巻線構成）と、信号及び制御回路１６６とを搭載した基板１６２（例えばプリント回路基板）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に、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。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式トランスデューサ）が形成されうる。

図２Ａは、電子式エンコーダ２００に使用でき、ノギス１００といった測定システムにトランスデューサとして組み込むことができるスケール２１０の一部の模式図である。電子式エンコーダ２００は、測定軸方向ＭＡに沿った２つの要素間の相対位置を測定するのに使用可能である。スケール２１０は、測定軸方向に沿って延在し、また、測定軸方向ＭＡに沿って、スケール周期Ｐｓを有する周期的スケールパターン２１１を含む。幾つかの実施態様では、周期的スケールパターン２１１は、測定軸方向ＭＡに沿って交流磁束を空間変調する磁束結合ループを含んでよい。或いは、スケールパターンは、渦電流トランスデューサ向けに構成される読取ヘッド内の金属プレート、又は、光学式エンコーダのガラス基板上のクロム要素を含んでもよい。分かりやすくするために、スケールパターン２１１は、スケール周期Ｐｓで配置された矩形コンポーネントの周期的パターンとして示される。

図２Ｂは、電子式エンコーダ２００において、図２Ａのスケール２１０と共に使用できる検出部２２０の模式図である。検出部２２０は、スケールパターン２１０に近接して取り付けられ、スケールパターン２１１に対して測定軸方向ＭＡに沿って移動するように構成される。検出部２２０は、検知要素２３０と信号処理部２４０とを含む。検知要素２３０は、測定軸方向ＭＡに沿って配置され、検出部２２０とスケールパターン２１１との相対位置に対応する検出器信号を提供するように構成される。検知要素２３０は、空間的な関係を説明するために、細い長方形として簡略化して示されている。当然ながら、より現実的な検知要素は、相対位置を測定するためにより複雑な電磁ループ又は他の適切な構造体を使用してよい。信号処理部２４０は、検出部に動作可能に接続され、検出部２２０から入力される検出器信号に基づいて、検出部２２０とスケールパターン２１１との相対位置を決定する。検知要素２３０は、第１の検知要素セット２３１と、第２の検知要素セット２３２とを含む。第１の検知要素セット２３１は、スケール周期Ｐｓの３つの等間隔の位相に配置される３つの検知要素を含む。第２の検知要素セット２３２は、スケール周期Ｐｓの３つの等間隔の位相に配置される３つの検知要素を含む。第２の検知要素セット２３２は、測定軸方向ＭＡに沿って、第１の検知要素セット２３１に対してＰｓ／４に相当する距離だけずれた位置ＧＰに配置される。信号処理部２４０は、第１の検知要素セット２３１からの第１の検出器信号セットを、また、第２の検知要素セット２３２からの第２の検出器信号セットを独立して取得し、第１の検出器信号セット及び第２の検出器信号セットに基づいて、検出部２２０とスケールパターン２１１との相対位置を決定するように構成されている。

幾つかの実施態様では、電子式エンコーダ２００は、複数のスケールトラックを含む電子式アブソリュート型エンコーダであってもよい。スケールパターン２１１は、絶対位置を決定するために少なくとも１つの追加トラックに結合されるインクリメンタル型トラックであってもよい。

幾つかの実施態様では、信号処理部２４０は、第１の検知要素セット２３１及び第２の検知要素セット２３２の両方から多重化された位置信号を受信するように構成される前置増幅器２４１を含んでよい。これは、増幅器からのオフセット及び振幅誤差が、第１の検知要素セット２３１及び第２の検知要素セット２３２の両方のコモンモードであることを保証しうる。

幾つかの実施態様では、電子式エンコーダ２００は更に、第１の検知要素セット２３１と信号処理部２４０との間の第１の電子的接続部と、第２の検知要素セット２３２と信号処理部２４０との間の第２の電子的接続部とを含んでよく、第１の電子的接続部と第２の電子的接続部とは、互いに対し対称であってもよい。これは、オフセット不整合からの誤差の最適な抑制を提供することができる。

本明細書に開示される原理に従って、図２Ａ及び図２Ｂに示される実施態様の様々な代替態様が使用されてもよい。図２Ｃは、電子式エンコーダに使用することができる一般化された検出部２２０’の模式図である。図２Ｂの検出部２２０は、第１の検知要素セット２３１及び第２の検知要素セット２３２をインタリーブ配置で示す。しかし、別の配置も可能である。図２Ｃは、図２Ａ及び図２Ｂにおける要素２ＸＸと同様である２ＸＸ’と符号がつけられた同様の要素を示す。図２Ｃに示されるように、検知要素２３０’は、第１の検知要素セット２３１’と第２の検知要素セット２３２’とを含む。第２の検知要素セット２３２’は、測定軸方向ＭＡに沿って、第１の検知要素セット２３１’に対してＫ２^＊Ｐｓ＋Ｐｓ／４に相当する位置ＧＰ’に置かれる。

一般に、本明細書に開示される原理に従って構成される電子式エンコーダは、スケールと検出部とを含む。スケールは、測定軸方向に沿って延在し、測定軸方向に沿って、スケール周期Ｐｓを有する周期的スケールパターンを含む。検出部は、スケールパターンに近接して取り付けられ、測定軸方向に沿って、スケールパターンに対して移動するように構成される。検出部は、複数の検知要素と信号処理部とを含む。複数の検知要素は、測定軸方向に沿って配置され、検出部とスケールパターンとの相対位置に対応する検出器信号を提供するように構成される。信号処理部は、検出部に動作可能に接続され、検出部から入力される検出器信号に基づいて、検出部とスケールパターンとの相対位置を決定する。複数の検知要素は、少なくとも、第１の検知要素セットと第２の検知要素セットとを含む。第１の検知要素セットは、スケール周期ＰｓのＮ個の等間隔の位相に配置されたＮ個の検知要素を含む。第２の検知要素セットは、スケール周期ＰｓのＮ個の等間隔の位相に配置されたＮ個の検知要素を含む。第２の検知要素セットは、測定軸方向に沿って、第１の検知要素セットに対してＫ２^＊Ｐｓ＋Ｐｓ／Ｍ（Ｋ２及びＭは整数）に相当する位置に置かれる。信号処理部は、第１の検知要素セットから第１の検出器信号セットを、第２の検知要素セットから第２の検出器信号セットを独立して取得し、第１の検出器信号セット及び第２の検出器信号セットに基づいて、検出部とスケールパターンとの相対位置を決定するように構成される。

幾つかの実施態様では、Ｍは、２、３又は４のうちの１つであってよい。

なお、図２Ｂ及び図２Ｃに示される例は、それぞれ別の検知要素を用いた第１の検知要素セット及び第２の検知要素セットを示す。幾つかの代替実施態様では、第１の検知要素セット及び第２の検知要素セットは、少なくとも１つの検知要素を共有してもよい（以下、共有される検知要素を共通検知要素と称す）。この構成では、必要とする検知要素は少なくて済む。第１の検知要素セット及び第２の検知要素セットは、信号処理部に、多重化信号を提供するように構成されていてもよい。幾つかの実施態様では、Ｍは３であってよく、Ｎは３であってよい。このような実施態様は、共通検知要素がない場合の９つのセンサとは対照的に、少なくとも７つのセンサで済む。

図３Ａは、電子式エンコーダ２００と同様に構成される電子式エンコーダによって測定される、測定軸方向に沿った位置Ｘ／Ｐｓに応じた第１の空間位相３１０Ａ、第２の空間位相３２０Ａ及び合成空間位相３３０Ａをラジアン単位で示したグラフ３００Ａである。幾つかの実施態様では、信号処理部２４０は、第１の検出器信号セットに基づいて、第１の検知要素セット２３１に対する周期的スケールパターン２１１の第１の空間位相３１０Ａを決定し、第２の検出器信号セットに基づいて、第２の検知要素セット２３２に対する周期的スケールパターン２１１の第２の空間位相３２０Ａを決定し、第１の位相３１０Ａ及び第２の位相３２０Ａの和である合成空間位相３３０Ａに基づいて、検出部２２０とスケールパターン２１１との相対位置Ｘを決定するように構成されてよい。なお、図３Ａに示されるように、合成位相３３０Ａは、測定軸方向に沿ってＰｓ／２の周期を有する。信号処理部２４０は、合成位相３３０Ａに、Ｐｓ／２である合成位相３３０Ａの周期を乗じることによって、検出部２２０とスケールパターン２１１との相対位置を決定する。

図３Ｂは、図３Ａの位置Ｘ／Ｐｓに応じた第１の誤差成分寄与３１０Ｂ、第２の誤差成分寄与３２０Ｂ及び合計誤差成分寄与３３０Ｂのグラフ３００Ｂを示す。グラフ３００Ｂはスケール周期Ｐｓの百分率を単位として示される。第１の誤差成分寄与３１０Ｂは、第１の空間位相３１０Ａにおける誤差であり、第２の誤差成分寄与３２０Ｂは、第２の空間位相３２０Ａにおける誤差である。第１の誤差成分寄与３１０Ｂ及び第２の誤差成分寄与３２０Ｂは、振幅不整合、位相不整合、検出器信号における第５高調波及び検出器信号における第７高調波の結果である。グラフ３００Ｂに示されるように、第１の誤差成分寄与３１０Ｂ及び第２の誤差成分寄与３２０Ｂは、大きさが同じであり、位置Ｘの各値について符号が反対である。これは、第２の検知要素セット２３２が、測定軸方向ＭＡに沿って、第１の検知要素セット２３１に対してＰｓ／４に相当する距離だけずれている位置ＧＰに置かれているからである。したがって、合成空間位相３３０Ａは、第１の空間位相３１０Ａ及び第２の空間位相３２０Ａの和であることから、合計誤差成分寄与３３０Ｂは、位置Ｘの各値についてゼロである。

電磁誘導式ノギスのスケール及び検出器の様々な要素のデザインは、本願の譲受人に譲渡された米国特許出願番号第１４／８７１３８６号を通して理解できる。同様のノギス又は市販されている既知の電磁誘導式ノギスのデザインに従って作られるノギスは、図３Ｂに示されるような誤差を生じさせうる。３つの検知要素からなる単一のセットを使用するこのようなシステムにおいて、５．４ｍｍのスケール周期Ｐｓを使用する３位相測定における典型的な誤差は、約１２μｍの狭範囲誤差を含む１８．３μｍのピークトゥピーク値を有しうる。幾つかの実施態様では、３つの検知要素をそれぞれ含む２つのセットを有する検出部２２０と同様に構成される検出部は、この誤差を、約５μｍに狭範囲誤差を低減させ、１１．１μｍのピークトゥピーク値に低減させうる。幾つかの実施態様では、３つの検知要素をそれぞれ含む４つのセットで構成される検出部は、この誤差を、約１μｍに狭範囲誤差を低減させ、６．１μｍのピークトゥピーク値に低減させうる。

図４は、様々な条件による影響を受ける電子式３位相エンコーダの単一のセットの検知要素からの位置Ｘ／Ｐｓに応じた検出器信号のグラフを示す。これらのグラフに、これらの条件からもたらされる位置Ｘ／Ｐｓに応じた一次誤差成分寄与の対応するグラフが並置され、これらのグラフは、Ｐｓをスケール周期としたときに、Ｐｓ／１０００を単位として示される。検出器信号の各グラフは、第１の検知要素セット２３１といった３位相エンコーダにおける検知要素セットによって測定される３つの位相を示す。誤差成分寄与の各グラフは、（例えば第‘３８７号特許に開示されるような）逆正接関数を使用して位相測定を計算した後にもたらされる誤差を示す。グラフ４０１は、オフセット不整合によって影響を受けた検出器信号４０１Ａ、４０１Ｂ及び４０１Ｃを示す。グラフ４０１’は、オフセット不整合の結果であるスケール周期Ｐｓの基本波成分である誤差成分寄与４１１を示す。グラフ４０２は、振幅不整合によって影響を受けた検出器信号４０２Ａ、４０２Ｂ及び４０２Ｃを示す。グラフ４０２’は、振幅不整合の結果であるスケール周期Ｐｓの第２高調波である誤差成分寄与４１２を示す。グラフ４０３は、位相不整合によって影響を受けた検出器信号４０３Ａ、４０３Ｂ及び４０３Ｃを示す。グラフ４０３’は、位相不整合の結果であるスケール周期Ｐｓの第２高調波である誤差成分寄与４１３を示す。グラフ４０４は、検出器信号における第２高調波成分によって影響を受けた検出器信号４０４Ａ、４０４Ｂ及び４０４Ｃを示す。グラフ４０４’は、検出器信号４０４Ａ、４０４Ｂ及び４０４Ｃにおける第２高調波成分の結果であるスケール周期Ｐｓの第３高調波である誤差成分寄与４１４を示す。グラフ４０５は、検出器信号における第３高調波成分によって影響を受けた検出器信号４０５Ａ、４０５Ｂ及び４０５Ｃを示す。グラフ４０５’は、単一の３位相セットの検知要素を使用することによって自然に抑制され、したがって、常にゼロ値を有する誤差成分寄与４１５を示す。グラフ４０６は、検出器信号における第４高調波成分によって影響を受けた検出器信号４０６Ａ、４０６Ｂ及び４０６Ｃを示す。グラフ４０６’は、検出器信号４０６Ａ、４０６Ｂ及び４０６Ｃにおける第４高調波成分の結果であるスケール周期Ｐｓの第３高調波である誤差成分寄与４１６を示す。グラフ４０７は、検出器信号における第５高調波成分によって影響を受けた検出器信号４０７Ａ、４０７Ｂ及び４０７Ｃを示す。グラフ４０７’は、検出器信号４０７Ａ、４０７Ｂ及び４０７Ｃにおける第５高調波成分の結果であるスケール周期Ｐｓの第６高調波である誤差成分寄与４１７を示す。グラフ４０８は、検出器信号における第６高調波成分によって影響を受けた検出器信号４０８Ａ、４０８Ｂ及び４０８Ｃを示す。グラフ４０８’は、単一の３位相セットの検知要素を使用することによって自然に抑制され、したがって、常にゼロ値を有する誤差成分寄与４１８を示す。グラフ４０９は、検出器信号における第７高調波成分によって影響を受けた検出器信号４０９Ａ、４０９Ｂ及び４０９Ｃを示す。グラフ４０９’は、検出器信号４０９Ａ、４０９Ｂ及び４０９Ｃにおける第７高調波成分の結果であるスケール周期Ｐｓの第６高調波である誤差成分寄与４１９を示す。

一実施態様では、互いに対してＰｓ／４に相当する距離だけずらされている２つの検知要素セットを含む検出部（例えば検出部２２０）は、グラフ４０２’及び４０３’に示される振幅及び位相不整合からもたらされる誤差成分寄与４１２及び４１３だけでなく、グラフ４０７’及び４０９’に示される検出器信号における対応する第５及び第７高調波成分からもたらされる誤差成分寄与４１７及び４１９も抑制する。

幾つかの実施態様では、本明細書に開示される一般的な原理に従って作られた電子式エンコーダでは、Ｍは４であってよく、Ｎは３であってよく、検知要素は更に、第３の検知要素セットと第４の検知要素セットとを含んでよい。第３の検知要素セットは、スケール周期Ｐｓの３つの等間隔の位相に配置された３つの検知要素を含んでよく、また、測定軸方向に沿って、第２の検知要素セットに対してＫ３^＊Ｐｓ＋Ｐｓ／４（Ｋ３は整数）に相当する距離だけずれている位置に置かれてよい。第４の検知要素セットは、スケール周期Ｐｓの３つの等間隔の位相に配置された３つの検知要素を含んでよく、また、測定軸方向に沿って、第３の検知要素セットに対してＫ４^＊Ｐｓ＋Ｐｓ／４（Ｋ４は整数）に相当する距離だけずれている位置に置かれてよい。信号処理部２４０は、第３の検知要素セットからの第３の検出器信号セットと、第４の検知要素セットからの第４の検出器信号セットとを独立して取得し、第１、第２、第３及び第４の検出器信号セットに基づいて、検出部２２０とスケールパターン２１１との相対位置を決定するように構成されてよい。一般に、Ｋ２^＊Ｐｓ＋Ｐｓ／Ｍ（Ｋ２及びＭは整数）だけ互いに離間されているＭ個の検知要素セットを含む検出部は、Ｎ^＊Ｍ高調波以外の誤差成分寄与のすべての高調波を抑制する。Ｎ＝３を使用する実施態様は、第４及び第８高調波誤差成分寄与を生成しない。したがって、互いから距離Ｐｓ／４だけずらされ、３つの検知要素（Ｎ＝３）をそれぞれ含む第１、第２、第３及び第４の検出要素セット（Ｍ＝４）を含む実施態様は、検出器信号の第１１高調波に対応する第１２高調波誤差成分寄与までの誤差成分寄与を抑制しうる。なお、本明細書に開示される原理に従って構成される電子式エンコーダは、既知のエンコーダに対して幾つかの利点を提供する。第‘９９０号特許に開示されているようなピッチ補正は不要である。振幅不整合、位相不整合、信号ドリフト、第５高調波及び第７高調波からの誤差は抑制される。オフセット不整合誤差は低減される。

本明細書に開示される原理に従って構成される電子式エンコーダには幾つかのトレードオフがある。位置測定結果を提供するためには、１つ以上の追加の逆正接計算が必要であり、これはより多くのエネルギーを消費する。１つ以上の追加の送信及び読取サイクルが必要となる場合があり、これもより多くのエネルギーを消費する。第１の検知要素セット、第２の検知要素セット及び任意の追加の検知要素セットを提供するためには、読取ヘッドチップ上に追加の検知要素が必要であり、これはより大きい読取ヘッドが必要となる。

なお、本明細書に開示される原理に従って構成される電子式エンコーダは、電磁誘導式又は渦電流式検知に限られない。電子式エンコーダは、光学式又は静電容量式検知といった他の検知原理についても作られてよい。

図５は、電子式エンコーダによって測定される測定軸方向に沿った検出部に対するスケールパターンの相対位置測定結果を求める際に、狭範囲誤差を低減させる方法を示すフロー図５００である。

ステップ５１０において、検出部上の第１の位置におけるスケールパターンのスケール周期Ｐｓの等間隔の位相に配置されるＮ個の検知要素を含む第１の検知要素セットを使用して、第１の空間位相を測定するように検出部を動作させる。

ステップ５２０において、第１の位置に対してＫ２^＊Ｐｓ＋Ｐｓ／Ｍ（Ｋ２及びＭは整数）だけ、検出部上の測定軸方向に沿ってずれている検出部上の第２の位置におけるスケールパターンのスケール周期Ｐｓの等間隔の位相に配置されるＮ個の検知要素を含む第２の検知要素セットを使用して、第２の空間位相を測定するように検出部を動作させる。

ステップ５３０において、第１及び第２の空間位相の組み合わせに基づいて、測定軸方向に沿ったスケールパターンと検出部との相対位置を決定するように信号処理部を動作させる。

幾つかの実施態様では、測定軸方向に沿ったスケールパターンと検出部との相対位置を決定するように信号処理部を動作させることは、第１の空間位相と第２の空間位相とを合計することを含んでよい。

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
２００ 電子式エンコーダ
２１０ スケール
２２０、２２０’ 検出部
２３０、２３０’ 検知要素
２４１ 前置増幅器

Claims (14)

1. 測定軸方向に沿った２つの要素間の相対位置を測定するために使用可能である電子式エンコーダであって、
   前記測定軸方向に沿って延在し、前記測定軸方向に沿ってスケール周期Ｐｓを有する周期的スケールパターンを含むスケールと、
   前記周期的スケールパターンに近接して取り付けられ、前記測定軸方向に沿って前記周期的スケールパターンに対して移動するように構成される検出部と、
   を含み、
   前記検出部は、
   前記測定軸方向に沿って配置され、前記検出部と前記周期的スケールパターンとの前記相対位置に対応する検出器信号を提供するように構成される複数の検知要素と、
   前記検出部に動作可能に接続され、前記検出部から入力される検出器信号に基づいて、前記検出部と前記周期的スケールパターンとの前記相対位置を決定する信号処理部と、
   を含み、
   前記複数の検知要素は、少なくとも、第１の検知要素セットと第２の検知要素セットとを含み、
   前記第１の検知要素セットは、前記スケール周期ＰｓのＮ個の等間隔の位相に配置されるＮ個の検知要素を含み、
   前記第２の検知要素セットは、前記スケール周期ＰｓのＮ個の等間隔の位相に配置されるＮ個の検知要素を含み、
   前記第２の検知要素セットは、前記測定軸方向に沿って前記第１の検知要素セットに対して、Ｋ２及びＭを整数として、Ｋ２^＊Ｐｓ＋Ｐｓ／Ｍに相当する距離だけずれた位置に配置され、
   前記信号処理部は、前記第１の検知要素セットからの第１の検出器信号セットと、前記第２の検知要素セットからの第２の検出器信号セットとを独立して取得し、前記第１の検出器信号セット及び前記第２の検出器信号セットに基づいて、前記検出部と前記周期的スケールパターンとの前記相対位置を決定するように構成される、電子式エンコーダ。
2. 前記信号処理部は、
   前記第１の検出器信号セットに基づいて、前記第１の検知要素セットに対する前記周期的スケールパターンの第１の空間位相を決定し、
   前記第２の検出器信号セットに基づいて、前記第２の検知要素セットに対する前記周期的スケールパターンの第２の空間位相を決定し、
   前記第１の空間位相と前記第２の空間位相との和である合成空間位相に基づいて、前記検出部と前記周期的スケールパターンとの前記相対位置を決定するように構成されている、請求項１に記載の電子式エンコーダ。
3. 複数のスケールトラックを含む電子式アブソリュート型エンコーダである、請求項１又は２に記載の電子式エンコーダ。
4. 前記信号処理部は、前記第１の検知要素セット及び前記第２の検知要素セットの両方から多重化位置信号を受信するように構成される前置増幅器を含む、請求項１から３の何れか１項に記載の電子式エンコーダ。
5. 前記第１の検知要素セットと前記信号処理部との間の第１の電子的接続部と、前記第２の検知要素セットと前記信号処理部との間の第２の電子的接続部とを更に含み、前記第１の電子的接続部と前記第２の電子的接続部とは、互いに対して対称である、請求項１から４の何れか１項に記載の電子式エンコーダ。
6. 前記スケールと前記検出部とは、電磁誘導式トランスデューサ又は渦電流式トランスデューサのうちの１つを形成する、請求項１から５の何れか１項に記載の電子式エンコーダ。
7. Ｍは４であり、Ｎは３であり、
   前記複数の検知要素は更に、第３の検知要素セットと第４の検知要素セットとを含み、
   前記第３の検知要素セットは、前記スケール周期ＰｓのＮ個の等間隔の位相に配置された３つの検知要素を含み、前記測定軸方向に沿って、前記第２の検知要素セットに対して、Ｋ３を整数として、Ｋ３^＊Ｐｓ＋Ｐｓ／４に相当する距離だけずれた位置に配置され、
   前記第４の検知要素セットは、前記スケール周期Ｐｓの３つの等間隔の位相に配置された３つの検知要素を含み、前記測定軸方向に沿って、前記第３の検知要素セットに対して、Ｋ４を整数として、Ｋ４^＊Ｐｓ＋Ｐｓ／４に相当する距離だけずれた位置に配置され、
   前記信号処理部は、前記第３の検知要素セットからの第３の検出器信号セットと、前記第４の検知要素セットからの第４の検出器信号セットとを独立して取得し、前記第１の検出器信号セット、前記第２の検出器信号セット、前記第３の検出器信号セット及び前記第４の検出器信号セットに基づいて、前記検出部と前記周期的スケールパターンとの前記相対位置を決定するように構成される、請求項１から６の何れか１項に記載の電子式エンコーダ。
8. Ｍは２、３又は４のうちの１つである、請求項１から６の何れか１項に記載の電子式エンコーダ。
9. 前記第１の検知要素セットと前記第２の検知要素セットとは、少なくとも１つの検知要素を共有する、請求項１から６の何れか１項に記載の電子式エンコーダ。
10. Ｍは３であり、Ｎは３である、請求項９に記載の電子式エンコーダ。
11. 電子式エンコーダによって測定される測定軸方向に沿った検出部に対するスケールパターンの相対位置の測定値を求める際に狭範囲誤差を低減させる方法であって、前記検出部は、信号処理部を含み、前記方法は、
    前記検出部上の第１の位置における前記スケールパターンのスケール周期Ｐｓの等間隔の位相に配置されるＮ個の検知要素を含む第１の検知要素セットを使用して、第１の空間位相を測定するように前記検出部を動作させるステップと、
    前記第１の位置に対して、Ｋ２及びＭを整数として、Ｋ２^＊Ｐｓ＋Ｐｓ／Ｍだけ、前記検出部上の前記測定軸方向に沿ってずらされた前記検出部上の第２の位置における前記スケールパターンのスケール周期Ｐｓの等間隔の位相に配置されるＮ個の検知要素を含む第２の検知要素セットを使用して、第２の空間位相を測定するように前記検出部を動作させるステップと、
    前記第１の空間位相と前記第２の空間位相との組み合わせに基づいて、前記測定軸方向に沿った前記スケールパターンと前記検出部との前記相対位置を決定するように前記信号処理部を動作させるステップと、
    を含む、方法。
12. 前記第１の空間位相は、前記測定軸方向に沿った位置に応じた第１の誤差成分を含み、
    前記第２の空間位相は、前記測定軸方向に沿った位置に応じた前記第１の誤差成分と実質的に同じであるが符号が反対である第２の誤差成分を含み、
    前記第１の空間位相と前記第２の空間位相との前記組み合わせは、前記相対位置の決定の際に、前記第１の誤差成分の寄与と前記第２の誤差成分の寄与とを実質的に相殺する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記測定軸方向に沿った前記スケールパターンと前記検出部との前記相対位置を決定するように前記信号処理部を動作させるステップは、前記第１の空間位相と前記第２の空間位相とを合計するステップを含む、請求項１１または１２に記載の方法。
14. Ｍは４であり、Ｎは３であり、
    前記第２の位置に対して、Ｋ３を整数として、Ｋ３^＊Ｐｓ＋Ｐｓ／４だけ、前記検出部上の前記測定軸方向に沿ってずらされた前記検出部上の第３の位置における前記スケールパターンのスケール周期Ｐｓの等間隔の位相に配置される３つの検知要素を含む第３の検知要素セットを使用して、第３の空間位相を測定するように前記検出部を動作させるステップと、
    前記第３の位置に対して、Ｋ４を整数として、Ｋ４^＊Ｐｓ＋Ｐｓ／４だけ、前記検出部上の前記測定軸方向に沿ってずらされた前記検出部上の第４の位置における前記スケールパターンのスケール周期Ｐｓの等間隔の位相に配置される３つの検知要素を含む第４の検知要素セットを使用して、第４の空間位相を測定するように前記検出部を動作させるステップと、
    を更に含み、
    前記測定軸方向に沿った前記スケールパターンと前記検出部との前記相対位置を決定するように前記信号処理部を動作させるステップは、前記第１の空間位相、前記第２の空間位相、前記第３の空間位相及び前記第４の空間位相の組み合わせに基づいている、請求項１１から１３の何れか１項に記載の方法。