JP3495510B2 - 高調波を含まない信号を得る装置 - Google Patents

高調波を含まない信号を得る装置

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    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
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    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
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    • G01D5/366—Particular pulse shapes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、相対的に運動す
る二つの物体の位置の変化を測定するために適した高調
波を含まない信号を得る装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の装置の中では、種々の物理的な
走査原理が利用されている。光電、磁気、電磁誘導およ
び静電容量による走査方法が区別されている。しかし、
基本原理は全ての方法に共通している。つまり、周期的
な測定目盛を走査して、こうして生じた周期的な振幅変
調走査信号を測定信号として評価する。
【０００３】得られた走査信号の周期は目盛ホルダーの
測定目盛の目盛周期あるいは増分によって決まる。この
増分は、光電測定装置の場合、測定方向に向けた光透過
性の帯状部分の幅と非光透過性の帯状部分の幅によって
形成される。走査ユニットと目盛ホルダーの測定目盛の
間に相対運動があると、走査された増分毎に計数パルス
が得られ、符号通りに積算される。そして加算値が増分
測定値として利用される。
【０００４】光電、電磁誘導、および静電容量性の測定
装置で目盛ホルダーの測定目盛から得られる周期アナロ
グ信号は、一般に純粋な正弦波形を有するものでなく、
例えば測定目盛の不整により高調波成分を含む。測定目
盛のこの種の不整は、例えば光透過性および非光透過性
の帯状部分の間隔が相違することにより、あるいはこれ
等の帯状部分の仕上がり技術によるエッジのだれによ
る。各目盛周期内の正確な位置測定値を形成するため、
あるいは目盛周期内で内挿値を形成して分解能を更に高
めるため、そのようにして得られたアナログ信号は高調
波を含まない、つまり、例えばできる限り正弦波形であ
るべきである。従って、測定目盛の精度に関して高い要
求がなされている。
【０００５】望ましくない高調波信号成分を除去するた
め、今では既に種々の試みが知られている。ドイツ特許
第 33 05 921号明細書によれば、正弦波形状に変化する
透過特性の光学走査部材の形の特別な手段が提案され、
この手段により高調波成分を最小にできる。
【０００６】英国特許第 1 227 942号明細書は、付加的
な絞りと走査隙間の異なった相互間隔により、高次の高
調波の影響を除去できることが開示されている。欧州特
許第 0 235 750号明細書には、磁気測定系内で三次の高
調波成分を除去することが開示されている。これには、
磁歪センサ素子を対にして合成され、対内および対の間
の間隔が三次の高調波を除去するのに適切選択されてい
る。
【０００７】欧州特許第 A 0 250 711号明細書には、所
定の帯域幅まで高調波を含まない走査信号を発生させる
ため、検出系を多数の目盛区分に分割することが提唱さ
れている。個々の検出目盛区分は幅と形状に関して、お
よび相互の位置関係にあって、所定の帯域幅の高調波が
測定信号から除去されるように、設計され、測定目盛の
多数の目盛周期にわたって配分して配置されている。
【０００８】高調波を含まない周期信号を得るため、ド
イツ特許第 32 39 108号明細書には、先ずアナログ信号
の帯域幅を調べ、必要な走査素子の数を決めることが提
案されている。走査素子から供給された周期アナログ信
号はフーリエ係数を求めるため、アナログ信号の基本波
をフーリエ解析にかける。このようにして得られた基本
波のフーリエ係数は、結局位置測定値を形成する高調波
を含まない周期信号として更に評価される。
【０００９】高調波をフィルターするため数学的に等価
であるが、実施上異なった式がドイツ特許第 34 12 128
号明細書により所謂アークサイン走査として知られてい
る。この走査では、走査格子がアークサイン関数で測定
方向に相対的に配分された多数の走査区分を有する。こ
の場合の難点は、アークサイン走査目盛の理想的な配分
が線分の全数に応じて、つまり走査測定視野の幅に応じ
て異なる点にある。
【００１０】ドイツ特許第 19 41 731号明細書には、光
電測長装置が開示されている。この装置では、目盛ホル
ダーの測定目盛を走査する場合に高調波を含まないアナ
ログ信号を得るため、正弦波形状の透過曲線を有する周
波数フィルタ絞りを使用し、この絞りは測定系に導入さ
れている。更に、提案された周波数フィルタ絞りは走査
格子に直接装着することもできる。従って、提案された
装置の中に特別な周波数フィルタ絞りを作製し、組み込
む必要がある。このため、前記測定装置は光電透過測定
原理に限定される。
【００１１】目盛周期の程度が測定方向の検出素子の寸
法とほぼ同じである測定目盛を走査すると、提案する解
決策は高調波を除去するのに最適でないか、あるいは不
適当であることが分かる。例えば、ドイツ特許第 33 05
921号明細書により走査板を構成する場合、検出器側の
信号強度が十分でなくなる。何故なら、全検出面を利用
していないからである。ドイツ特許第 34 12 128号明細
書によりアークサイン関数で配分した走査窓を有する走
査パターンを使用することは、多数の目盛周期を検出で
き、そのようにして信号の平均化が生じる場合にのみ可
能である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】それ故、この発明の課
題は、測定目盛の目盛周期が測定方向の大体検出素子の
広がりの程度である、周期的な測定目盛を走査する場合
に高調波を含まない信号を得る装置を提供することにあ
る。これには、付加的な部材をできる限り必要とせず、
検出側の十分な信号強度が得られ、十分な調整の許容公
差を保証するべきである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により抑制すべき高調波で決まる走査信号に対するフィ
ルター作用を発生させための透過目盛を有する走査目盛
（１８）を備えた周期的測定目盛（１４）の走査により
信号を得るための装置であって、その際装置が、次の特
徴、即ち、光源（１５）と、特定の目盛周期（Ｐ）を有
する目盛（１４）を有する目盛板と、目盛周期（Ｐ）の
走査のための走査要素（２０）であって、透明でありか
つ不透明な領域によって互いに分離されている複数の矩
形の部分要素（２１）から成る少なくとも１つのトラッ
クを有するものと、光電要素（１９）とを有する前記装
置において、走査要素（２０）は、測定目盛（１４）の
目盛周期（Ｐ）の内方に複数のそのような矩形の部分要
素（２１）を有し、その際透明な部分要素（２１）の中
心は、測定方向（Ｘ）において測定目盛（１４）の目盛
周期（Ｐ）の内方でそれぞれ特定の距離（ａ）を有し、
そしてその際透明な部分要素が前記目盛周期（Ｐ）の内
方でそれぞれ透明な部分要素（２１）の位置に依存して
変わるそれぞれ特定の幅（ｂ1 ）を有し、その結果抑制
されるべき高調波に属する透過関数のフーリエ係数が減
少されることを特徴とする前記装置により解決されてい
る。
【００１４】この発明による他の有利な構成は、特許請
求の範囲の従属請求項に記載されている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
【００１６】
【実施例】以下、この発明の好適実施例を図面に基づき
より詳しく説明する。図１には、この発明により形成さ
れた測長装置の可能な構成が横断面図にして示してあ
る。この装置のケース１は中空輪郭の形状にして図示し
ていない工作機械の固定台２にボルト連結部３により固
定されている。工作機械の移動台４には連行体６を有す
る組立足部５が任意の方法で固定されている。この連行
体は剣状の先細り部分７を介してスリット８によりそれ
以外は完全に閉ざされたケース１の中に突出している。
この場合、スリット８に設けた弾性気密舌部９は汚染物
質がケース１の内部に侵入することを防止している。ケ
ース１の内面には、目盛板１０が弾力のある接着層１１
により取り付けてある。この接着層には走査ユニット１
２がローラ１３を介して支持されている。固定台２に対
する移動台４の相対運動は、連行体６により走査ユニッ
ト１２に伝達される。
【００１７】当然、この発明は、図１の実施例の代わり
に、回転装置でも実現できる。つまり、例えば測角装置
でも実現できる。図２によれば、目盛板１０の測定目盛
１４を走査するため、走査ユニット１２には、光源１
５，集束レンズ１６，目盛１８を有する走査板１７，お
よび光電素子１９の形状の検出素子が配設されている。
光源１５から出た光の流れは、集束レンズ１６により平
行にされ、目盛板１０と走査板１７の目盛１４，１８を
通過し、次いで光電素子１９に入射する。目盛板１０に
対して測定方向Ｘに走査板１７を有する走査ユニット１
２が相対運動すると、光の流れが目盛１４，１８で変調
されるので、光電素子１９は周期的な電気アナログ信号
S(X) を出力する。この信号は、評価され、計数され、
そしてデジタル形で位置測定として更に評価される。
【００１８】光電素子１９から出力された周期的なアナ
ログ信号 S(X) は、一般に、例えば目盛１４，１８の不
整により高調波を含み、測定距離Ｘの関数としてフーリ
エ係数により表示される。図３に拡大して示す目盛板１
０には、半分毎に透明領域Ｐt と不透明領域Ｐ0から成
る目盛周期Ｐの測定目盛１４がある。測定目盛１４を走
査する走査ユニット１２により、この図面では、ただ一
つの走査部材２０しか示してない。この場合、走査部材
２０は図２により走査板１７と光電素子１９を有する。
走査部材２０の構成に関しては、種々の可能性がある。
つまり、走査部材２０は走査目盛１８を有する走査板１
７と光電素子１９で形成される。この代わりに、光電素
子１９の上に走査目盛１８を直接刻むように走査部材を
形成することも可能である。従って、種々の実施例が存
在するので、以下ではただ一般的に走査部材２０と言う
ことにする。
【００１９】走査部材２０は、この発明の装置の場合、
測定方向Ｘに測定目盛１４の半目盛周期Ｐの長さを有す
る。つまり、走査部材は、その寸法に関して、特に測定
方向に測定目盛１４の目盛周期Ｐの程度になる。もちろ
ん、この発明の位置測定装置の中には、そのように形成
された多数の走査部材２０が連続して配置されている。
これは、再び光電素子の信号の望む評価に依存してい
る。この種の実施例と付属する結線に関しては、以下の
図５を参照しよう。
【００２０】走査部材２０は、透明に形成され、不透明
領域２２で互いに分離された部分素子２１で構成されて
いる。透明な部分素子２１の個数Ｎは、最適な正弦波信
号の望ましい品質に応じて、つまり要求される高調波を
含まないことに応じて調整される。実際には、これはフ
ィルターすべき高調波の次数、つまり信号の正弦波形状
と、透明な部分素子２１の個数Ｎとの間の直接の関係が
生じることを意味する。
【００２１】透明な部分素子２１の幅ｂi (i＝1 〜 N)
は、この発明により、高調波成分の望む除去を確実にす
るため、目盛周期Ｐの中のその位置に応じて、正弦また
は余弦関数に従って変化する。これに適した関数は以下
に提示する。図４はこの発明により形成された走査部材
２０の拡大図を示し、この上に走査部材２０で得られた
信号２３とその包絡線２４が記入されている。図示する
走査部材２０の実施例は、この場合、測定方向Ｘに測定
目盛の半目盛周期Ｐに相当する長さを有する。この領域
内では、走査部材２０の透明な部分素子２１の幅ｂiが
区別できるように選択される。
【００２２】部分素子２１の中心は、図示する実施例の
場合、それぞれ互いに等しい間隔ａに配置されている。
これは寸法矢印ａにより明確にされている。この図面か
ら明らかなように、部分素子２１の幅ｂi (i＝1 〜 N)
は異なっている。つまり、これ等の幅は、図示する実施
例の場合、目盛周期Ｐ内の個々の部分素子２１の位置に
応じて正弦関数に従い変化する。それによると、幅ｂi
は左から最大幅まで増加し、次いで右に向けて再び減少
する。
【００２３】部分素子２１は、図示する実施例のよう
に、互いに等間隔に配置される必要はなく、その相互間
隔は異なっていもよい。しかし、製作技術では部分領域
ｂi の中心の間の間隔ａが一様であると有利である。部
分素子２１の幅ｂi と目盛周期Ｐ内の部分素子の位置あ
るいは配置の間の関係に関して、後で更に詳しく立ち入
る。
【００２４】できる限り多くの輻射エネルギを検出素子
あるいは光電素子に到来させるため、部分素子２１は長
方形および測定方向Ｘに対して垂直にであって、少なく
とも測定目盛１４の幅Ｂに一致するような長さに形成す
る。これは、例えば前記ドイツ特許第 33 05 921号明細
書に提案しているように、走査部材が正弦波状の輪郭の
走査窓を有する場合、周知の解決策に比べて大きな信号
強度あるいは光収量が得られることを意味する。この発
明では、測定目盛１４の全幅が絶えず目盛要素２１で走
査されるので、これに関して最大の光収量が可能であ
る。
【００２５】既に説明したように、走査部材のこの発明
による構成は、測定目盛１４が目盛周期Ｐを有し、この
周期が光電素子の受光面の寸法あるいは大きさの程度、
例えば数 1/10 mmの大きさである測定装置の場合、特に
有利である。個数Ｎの部分素子２１を設けている場合、
この発明によれば、１目盛周期Ｐ内の個別部分素子２１
の幅ｂi (i＝1,...N) は以下の式 (1)で与えられ、部分
素子２１の中間間隔ａが式 (2)に合わせて選択される。
即ち、 (1) ｂi ＝ a*sin(i*180°/N−90°/N) (2) a ＝ P/(2*N) である。
【００２６】既に説明したように、この発明によれば、
多数の走査部材も測定方向Ｘに順次配置されている。こ
れ等の走査部材は特定の位相のずれを与えた部分出力信
号を出力する。種々の走査部材から出力された部分出力
信号は、この場合、種々の方法で更に処理するため組み
合わせされる。これは、図５の実施例に基づき更に詳し
く説明する。
【００２７】部分素子の相互間隔が等間隔に選択されて
いない場合、任意の高調波や副高調波の濾波は１目盛周
期内の部分素子の特別な配置により行える。走査目盛に
より得られる走査信号に対するフィルタ作用は、フィル
ターすべき高調波により決まる走査目盛の一定の透過機
能によって特徴付けられる。望ましくない高調波は、走
査目盛の透過機能の付属するフーリエ係数が抑制される
あるいは最小になると、抑制される。この作用を得るた
め、部分素子２１の幅と目盛周期内のその位置は説明し
た規則により調整される。図４の説明した実施例が示す
ように、走査部材のこの発明による構成、即ち部分素子
２１の幅と位置で、ほぼ正弦波形で高調波を含まない得
られた出力信号波形が生じる。その結果、出力信号の波
形が図４に示す崩落せん２４にほぼ一致する。
【００２８】図５の模式図はこの発明による位置測定装
置の他の実施例の一部、特に走査ユニット５５を示す。
図示していない測定目盛を走査するために使用する走査
ユニット５５は、この場合、別々の４つの走査板あるい
は走査目盛５７a 〜５７d を有する。これ等の走査目盛
５７a 〜５７d は再びこの発明による構成されている。
即ち、光透過部分素子の幅が測定目盛の目盛周期Ｐ内で
可変するように、つまり先に説明したように、例えば正
弦波状に変化する幅と一定の中間間隔で形成されてい
る。図５の模式図では、走査目盛内の３つの光透過部分
素子のみが示してある。４つの走査目盛５７a 〜５７d
の相対配置は、この場合、測定目盛を走査する場合、異
なった走査目盛に付属する位相のずれ出力信号が生じる
ように形成されている。異なった走査目盛５７a 〜５７
d の出力信号の位相のずれは、左から第一走査目盛５７
a が 0°信号を、第二走査目盛が 270°信号を、第三走
査信号が 90 °信号を、そして第４走査信号が 180°信
号を出力する。
【００２９】このように構成された走査目盛の各々に
は、一つの光電素子５９a 〜５９d が付属している。そ
の場合、第一および第四走査目盛に付属する光電素子５
９a と５９d および第二および第三走査目盛に付属する
光電素子５９b と５９c はそれぞれ逆並列に相互に接続
されている。出力側には 90 °位相のずれた信号が生じ
る。これ等の出力信号は走査部材のこの発明による構成
により全く高調波を含まない。二つの出力信号の処理は
更に周知の方法で行われる。
【００３０】
【発明の効果】以上、説明したように、この発明で得ら
れる利点は、特に高調波を含まない周期信号を得ること
が、特に簡単に周知の位置測定装置の変更した従来の手
段のみで可能となり、周波数フィルタ絞りのような付加
的な部材を必要としない点にある。それ故、目盛の精度
に関して過度な要請を設定する必要がない。更に、この
発明の装置は高い効率を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 光電測長装置の横断面図、
【図２】 光電測長装置の走査ユニットの模式図、
【図３】 目盛板と走査部材のこの発明による可能な構
成を示す平面図、
【図４】 得られた走査信号を伴うこの発明により構成
された走査部材の断面図、
【図５】 検出素子の結線を含めた走査ユニットの可能
な実施例の模式図。
【符号の説明】
１ ケース ２ 工作機械の固定台 ３ ボルト結合部 ４ 工作機械の移動台 ５ 組立足部 ６ 連行体 ７ 先細り部 ８ スリット ９ 気密封止舌部 １０ 目盛板 １１ 接着層 １２ 走査ユニット １４ 測定目盛 １５ 光源 １６ 集束レンズ １７ 走査板 １８ 目盛 １９ 光電素子 ２０ 走査部材 ２１ 部分素子 ２２ 不透明領域 ２３ 走査部材２０により得られた信号 ２４ 包絡線 ５５ 走査ユニット ５７a 〜５７d 走査目盛 ５９a 〜５９d 光電素子 Ｐt 透明領域 Ｐo 不透明領域 ｂi ｉ番目の部分素子の幅 ａ 部分素子の中間の間隔 Ｘ 測定方向 Ｐ 目盛周期 Ｓ(X) アナログ信号 Ｓ トラック Ｂ トラックの幅
フロントページの続き (72)発明者 ヨーゼフ・タレル ドイツ連邦共和国、83301 トラウンロ イト、ノイドルフ、18 (72)発明者 ヘルマン・マイヤー ドイツ連邦共和国、83458 ヴアイスバ ッハ、ガイスラーヴエーク、10 (56)参考文献 特開 平８−285637（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−94012（ＪＰ，Ａ) 特開2000−289673（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−146160（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01D 5/26 - 5/38

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 抑制すべき高調波で決まる走査信号に対
    するフィルター作用を発生させための透過目盛を有する
    走査目盛（１８）を備えた周期的測定目盛（１４）の走
    査により信号を得るための装置であって、その際装置
    が、次の特徴、即ち、 光源（１５）と、 特定の目盛周期（Ｐ）を有する目盛（１４）を有する目
    盛板と、 目盛周期（Ｐ）の走査のための走査要素（２０）であっ
    て、透明でありかつ不透明な領域によって互いに分離さ
    れている複数の矩形の部分要素（２１）から成る少なく
    とも１つのトラックを有するものと、 光電要素（１９）とを有する前記装置において、 走査要素（２０）は、測定目盛（１４）の目盛周期
    （Ｐ）の内方に複数のそのような矩形の部分要素（２
    １）を有し、 その際透明な部分要素（２１）の中心は、測定方向
    （Ｘ）において測定目盛（１４）の目盛周期（Ｐ）の内
    方でそれぞれ特定の距離（ａ）を有し、 そしてその際透明な部分要素が前記目盛周期（Ｐ）の内
    方でそれぞれ透明な部分要素（２１）の位置に依存して
    変わるそれぞれ特定の幅（ｂi ）を有し、その結果抑制
    されるべき高調波に属する透過関数のフーリエ係数が減
    少されることを特徴とする前記装置。
  2. 【請求項２】 部分素子（２１）が、測定方向（Ｘ）に
    おいて目盛周期（Ｐ）の内方で正弦又は余弦関数によっ
    て決定されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 部分要素（２１）の測定方向（Ｘ）に対
    して横の長さ（ｌ）が，少なくとも測定目盛（１４）の
    トラック（Ｓ）の幅（Ｂ）に相応することを特徴とする
    請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】 部分要素（２１）の中心が、互いに等し
    い距離（ａ）を有することを特徴とする請求項１に記載
    の装置。
  5. 【請求項５】 測定方向には、位相のずれた出力信号を
    出力する４つの走査部材が配置されていることを特徴と
    する請求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】 部分要素（２１）の幅（ｂ1 ）の分割が
    等式； ｂi ＝ａ・ｓｉｎ｛ｉ・（１８０°／Ｎ）ー（９０°／
    Ｎ）｝によって選択され、ここいでａ＝｛Ｐ／（２・
    Ｎ）｝であり、そしてその際 Ｐは、目盛周期 Ｎは、部分要素の数 ａは、部分要素の向かい合って位置する中心距離 ｂは、部分要素の幅 ｂi は、ｉ＝１〜Ｎの部分要素の局部的な幅であること
    を特徴とする請求項１に記載の装置。
JP16014196A 1995-06-22 1996-06-20 高調波を含まない信号を得る装置 Expired - Fee Related JP3495510B2 (ja)

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