JP4044524B2 - 位置測定装置 - Google Patents

Description

この発明は、請求項１にもとづく絶対位置を求めるための位置測定装置、ならびに請求項９にもとづく絶対位置測定法に関する。

多くの分野で、絶対位置測定装置が益々用いられてきており、その装置により、測定方向に順番に配置された符号エレメントを持つ符号トラックから絶対位置情報が導き出される。この場合、符号エレメントは、擬似ランダム分布で配備されており、その結果一定数の連続する符号エレメントは、それぞれ一つのビットパターンを構成する。符号トラックに対して、走査装置を単一の符号エレメント分だけずらしただけで、新しいビットパターンが構成され、絶対的に測ろうとしている測定範囲全体にわたって、一連の異なるビットパターンが使用可能である。

このようなシーケンシャル符号は、連鎖符号または擬似ランダム符号と呼ばれる。

刊行物として、非特許文献１を引用すると、各符号エレメントが、互いに相補的な光学特性を持つ所定の順序の二つの部分領域から構成されている。

刊行物として、特許文献１を参照する。そこでは、やはりそのようなマンチェスター符号法でのバイナリ情報を生成するために、符号領域のアナログ走査信号を所定のトリガー閾値と比較して、それに応じて０または１のバイナリ情報を生成することが提案されている。

この固定した所定のトリガー閾値との比較は、アナログ走査信号における変動がバイナリ情報の誤った生成に結びつく可能性があるという欠点を有する。
英国特許公開第２１２６４４４号明細書 "Absolute position measurement using optical detection of coded patterns", von J.T.M. Stevenson und J.R. Jordan in Journal of Physics E / Scientific Instruments 21 (1988), No. 12, Seiten 1140 bis 1145

そのため、この発明の課題は、高い信頼性または動作安定性を持つ、すなわち、それを用いて、出来る限り誤りの無い絶対位置の生成を可能とする絶対位置測定装置を実現することである。

さらに、この発明の課題は、出来る限り誤りの無いバイナリ情報と、それによる絶対位置の生成を可能とする、絶対位置を求める方法を提供することである。

この装置を実現する課題は、請求項１の特徴によって解決される。

この方法を提供する課題は、請求項９の特徴によって解決される。

この発明の有利な実施構成は、従属請求項に挙げられている。

図面にもとづき、この発明をより詳しく説明する。

図１には、この発明にもとづき構成された位置測定装置が、模式的に描かれている。この位置測定装置は、透過光方式で符号Ｃを走査する、光学的な走査原理にもとづき動作する。符号Ｃ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装置ＡＥが、符号Ｃを走査する機能を有する。

符号Ｃは、測定方向Ｘに順番に配置された形の一連の同じ長さの符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３から構成される。各符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、さらに測定方向Ｘに並んで直接連続して配置された二つの同じ長さの部分領域ＡとＢから構成され、これらの部分領域は、互いに相補的に構成される。この場合、相補的とは、それらが逆の特性を有する、すなわちこの光学的な走査原理においては、透過すると透過しないことを、あるいは反射光走査法においては、反射するまたは反射しないことを意味する。

シーケンシャル符号Ｃは、走査装置ＡＥによって走査され、その走査装置は、光源Ｌを有し、その光をコリメーターレンズＫを介して複数の連続する符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３を照射する。この光は、符号Ｃによって位置に応じて変調され、その結果符号Ｃの背後に、位置に依存した光の分布が生じ、その分布が、走査装置ＡＥの検出器ユニットＤによって捉えられる。

この検出器ユニットＤは、測定方向Ｘに配置された一連の検出器エレメントＤ１〜Ｄ１１を持つラインセンサーである。符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３の各部分領域Ａ，Ｂは、各相対的な位置において、少なくとも一つの検出器エレメントＤ１〜Ｄ１１に一意に割り当てられ、その結果符号Ｃに対する検出器エレメントＤの相対的な位置において、各部分領域Ａ，Ｂから、一つの走査信号Ｓ１Ａ〜Ｓ３Ｂが得られる。これらの走査信号Ｓ１Ａ〜Ｓ３Ｂは、評価装置ＡＷに供給され、その評価装置は、符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３の両方の部分領域Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ；Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂ；Ｃ３Ａ，Ｃ３Ｂの両方の走査信号Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂ；Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ；Ｓ３Ａ，Ｓ３Ｂを、それぞれ互いに比較し、この各符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３に対する比較によって、一つのデジタル値または一つのビットＢ１，Ｂ２，Ｂ３が生成される。一連の複数のデジタル値Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３は、絶対位置を規定する符号語ＣＷを生じる。符号Ｃに対して、検出器ユニットＤを符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３の幅または長さだけずらした場合、新しい符号語ＣＷが生成され、絶対的に測定しようとしている測定範囲にわたって、多数の異なる符号語ＣＷが生成される。

図１は、走査装置ＡＥに対して相対的な、符号Ｃのある時点の位置を示している。検出器エレメントＤ１〜Ｄ１１は、符号Ｃの部分領域Ｃ１Ａ〜Ｃ３Ｂの半分の幅を持つ間隔で連続して配置されている。こうすることによって、各位置において、少なくとも一つの検出器エレメントＤ１〜Ｄ１１が、一つの部分領域Ｃ１Ａ〜Ｃ３Ｂに一意に割り当てられ、二つの部分領域Ｃ１Ａ〜Ｃ３Ｂ間の移行部を走査しないことが保証される。図示した位置では、部分領域Ｃ１Ａは、検出器エレメントＤ１によって、部分領域Ｃ１Ｂは、検出器エレメントＤ３によって走査される。検出器エレメントＤ１，Ｄ３は、光の分布を捉えて、その光の強度に応じて、その光の強度に比例するアナログ信号Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂを生成する。両方の部分領域Ｃ１ＡとＣ１Ｂは、互いに相補的に形成されているので、走査信号Ｓ１ＡとＳ１Ｂの強度も互いに逆である、すなわち信号レベルは、互いに大きくかけ離れている。

そこで、この信号の隔たりは、符号エレメントＣ１の両方の走査信号Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂのどちらが大きいかを検査することによって、バイナリ情報Ｂ１を生成するために利用される。この検査は、比率演算あるいは差分演算によって行うことができる。例えば、図１により、トリガーモジュールＴ１が比較装置として機能する差分演算が用いられる。トリガーモジュールＴ１は、Ｓ１ＡがＳ１Ｂより小さい場合には、Ｂ１＝０を、Ｓ１ＡがＳ１Ｂより大きい場合には、Ｂ１＝１を生成する。同じ方法で、バイナリ情報Ｂ２とＢ３は、符号エレメントＣ２，Ｃ３を走査して、それぞれ符号エレメントＣ２，Ｃ３の部分領域Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂ；Ｃ３Ａ，Ｃ３Ｂのアナログ走査信号Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ；Ｓ３Ａ，Ｓ３ＢをトリガーモジュールＴ２，Ｔ３で比較することにより得られる。

したがって、互いに相補的に構成された部分領域Ａ，Ｂの第一シーケンスは、第一デジタル値に、互いに相補的に構成された部分領域Ａ，Ｂの第二シーケンスは、第二デジタル値に割り当てられる。例えば、不透明から透明へのシーケンスは、値０に、透明から不透明へのシーケンスは、値１に割り当てられる。

各符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３の両方の部分領域ＡとＢは、互いに相補的なので、走査信号ＳのＳＮ比は非常に大きい。光源Ｌの光強度の変化は、両方の部分領域ＡとＢの走査信号Ｓに同程度に影響を与える。

位置測定装置の正しい動作方法においては、符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３の二つの各部分領域Ａ，Ｂの相補的な構成にもとづき、これらの部分領域Ａ，Ｂの走査によって、それぞれアナログ走査信号Ｓが生成され、それらの差分が所定の値を上回らなければならない。この差分値を観察することによって、良好なエラー検査が可能である。このエラー検査の基本は、差分値が所定の値だけ下回った場合には、バイナリ情報Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３は、信頼性がないものであり、そのことから、これらのバイナリ情報Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３に対して、エラー信号Ｆ１が生成されるということを出発点とすることができるということである。

エラー信号Ｆ１を生成する原理が、図２に描かれている。符号エレメントＣ１のアナログ走査信号Ｓ１ＡとＳ１Ｂは、エラー検査装置Ｐに供給される。エラー検査装置Ｐは、差分演算（Ｓ１Ａ−Ｓ１Ｂ）によって、Ｓ１ＡとＳ１Ｂを比較し、この差分値が所定の比較値Ｖを上回るか、上回らないかを検査する。差分値（Ｓ１Ａ−Ｓ１Ｂ）が、所定の比較値Ｖを上回らない場合、エラー信号Ｆ１が出力される。図３では、これらの信号の関係が図示されている。

各符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３の両方の部分領域ＡとＢが、測定方向Ｘに連続して直接隣接して配置されていることは、検出器エレメントＤ１〜Ｄ１１を、測定方向Ｘに小さい間隔で隣接して配置することができ、そのため位置測定装置が、符号Ｃに対する検出器ユニットＤのねじれに対して、すなわちモアレ変動に対して影響を受け難いという利点を有する。さらに、符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３の両方の部分領域ＡとＢが、同程度に影響を受けるということを出発点とすることができるので、汚れに対する妨害感受性は小さい。

図１における検出器エレメントＤ１とＤ２の例では、符号Ｃが左方に部分領域Ａ，Ｂの長さだけずれた場合、検出器エレメントＤ１が部分領域Ｃ１Ｂを、検出器エレメントＤ３が部分領域Ｃ２Ａを、すなわち二つの符号エレメントＣ１，Ｃ２の部分領域を走査してしまうことが容易に分かる。そのため、トリガーモジュールＴ１は、符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３に割り当てられたバイナリ情報Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３を提供することができない。そこで、以下においては、符号語を生成するための、正しい検出器エレメントＤ１〜Ｄ１１、すなわちそれぞれ単一の符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３の部分領域を走査する検出器エレメントＤ１〜Ｄ１１を使用することを保証する措置を説明する。

図４から６までにもとづき、それに対する有利な措置について記述する。図４では、符号Ｃに隣接して平行に、符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３の長さに相当する周期長の周期的な目盛を持つインクリメンタルトラックＲが配置されている。このインクリメンタルトラックＲは、周知の方法により、互いに９０°位相のずれた二つのアナログ走査信号ＳＲ１，ＳＲ２を生成するために、測定方向Ｘに互いに１／４目盛周期だけずれた、少なくとも二つの検出器エレメントＤＲ１，ＤＲ２によって走査される。これらのアナログ走査信号ＳＲ１，ＳＲ２は、周知の方法により補間され、補間して得られた位置の値は、符号語ＣＷと結合され、そうすることによって粗い絶対位置測定が、高解像度のインクリメンタル測定によって改善される。

このインクリメンタル測定によって、各符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３の長さが補間して求められる。そこで、この補間値によって、簡単な方法で、符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３の右と左の部分領域の区別が可能となる。部分領域ＡとＢを区別するためには、アナログ走査信号ＳＲ１，ＳＲ２の４回の補間、すなわち簡単なトリガー処理で十分である。そのようにして得られた、デジタル信号Ｅ１，Ｅ２から成るビットの組み合わせは、部分領域Ａ，Ｂのシーケンスを一意に規定するとともに、それらは、正しい符号語ＣＷを生成することができる検出器エレメントＤ１〜Ｄ１１を確定するための制御信号として機能する。したがって、デジタル信号Ｅ１，Ｅ２は、どの走査信号Ｓを互いに比較し、どの走査信号Ｓから、符号語ＣＷに対するデジタル値Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３を得ることができるのかをも規定するものである。

この方法をさらに説明するために、図６ａから６ｄには、検出器ユニットＤに対する、符号Ｃの４つの異なる位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が描かれている。検出器エレメントＤ１〜Ｄ１１は、測定方向Ｘに対して、部分領域Ａ，Ｂの半分の長さに相当する間隔で配置されるとともに、部分領域Ａ，Ｂの長さに相当する相互間隔を持って配置されている二つの検出器エレメントＤ１〜Ｄ１１同士が、差分を生成する形で接続されている。

図６ａでは、位置Ｐ１が描かれており、その位置では、インクリメンタルトラックＲから、情報Ｅ１＝０とＥ２＝０が得られる。符号エレメントＣ１のビットＢ１は、検出器エレメントＤ４とＤ６の差分演算、すなわち（Ｄ４−Ｄ６）により生成される。図６ｂでは、位置Ｐ２において、Ｅ１＝０とＥ２＝１であり、その結果制御ユニットＭにより、検出器エレメントＤ３とＤ５が選択される。図６ｃでは、位置Ｐ３において、Ｅ１＝１とＥ２＝１であり、その結果制御ユニットＭにより、差分演算用に検出器エレメントＤ２とＤ４が選択される。図６ｄでは、位置Ｐ４において、Ｅ１＝１とＥ２＝０であり、その結果検出器エレメントＤ１とＤ３が選択される。

同じ方法で、符号語ＣＷの別のビットを生成するための正しい検出器エレメントが検出される。図１に描かれているとおり、例えば、ビットＢ１を生成するために、検出器エレメントＤ１とＤ３が選択されている場合、ビットＢ２を生成するためには、検出器エレメントＤ５とＤ７が、ならびにビットＢ３を生成するためには、検出器エレメントＤ９とＤ１１が機能することとなる。この場合、図１では、その時点の位置で使用されるトリガーモジュールＴ１，Ｔ２，Ｔ３だけが図示されている。

正しい検出器エレメントＤ１〜Ｄ１１または正しいアナログ走査信号Ｓを検出するための別の可能性は、部分領域Ａ，Ｂの長さの間隔で互いに離れているすべての検出器エレメントＤ１〜Ｄ１１を互いに比較することである。そこで、例えば、図６ｄに描かれたその時点の位置Ｐ４では、検出器ペアＤ１，Ｄ３とＤ５，Ｄ７が一つの符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３の間隔にあり、これらのペアが、それぞれ符号エレメントＣ１，Ｃ２の部分領域Ａ，Ｂの差分を所望の方法で走査する。別の検出器ペアＤ３，Ｄ５は、二つの連続する符号エレメントＣ１，Ｃ２の連続する部分領域Ｂ，Ａを走査して、それによって図２にもとづき説明したエラー検出装置Ｐでエラー信号Ｆ１を生成する。ここで、正しい検出器エレメントＤ１〜Ｄ１１を検出するための、エラー信号Ｆを最も発生しない検出器グループＤ１，Ｄ３；Ｄ５，Ｄ７が探し出されたことになる。詳しくは、この第二の可能な措置を実行するために、以下の配置または以下の方法における措置が必要となる。

・検出器エレメントＤ１〜Ｄ１１を、測定方向Ｘに対して、部分領域Ａ，Ｂの半分の長さに相当する間隔で配置する。

・検出器エレメントＤ１〜Ｄ１１を、部分領域Ａ，Ｂの長さに相当する相互間隔を持つ第一グループ（図６ａから６ｄでは、偶数番号の検出器エレメントＤ２，Ｄ４，Ｄ６，Ｄ８，Ｄ１０）に構成する。

・検出器エレメントＤ１〜Ｄ１１を、部分領域Ａ，Ｂの長さに相当する相互間隔を持つ第二グループ（図６ａから６ｄでは、奇数番号の検出器エレメントＤ１，Ｄ３，Ｄ５，Ｄ７，Ｄ９）に構成する。

・第一グループの検出器エレメントＤ２，Ｄ４，Ｄ６，Ｄ８，Ｄ１０を、第二グループの検出器エレメントＤ１，Ｄ３，Ｄ５，Ｄ７，Ｄ９に対して、部分領域Ａ，Ｂの半分の長さだけずらして配置する。

・一つのグループの直接連続する検出器エレメント同士を、差分を生成する形で接続する。

・ここで、両方のグループの中から、一つの符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３の長さに相当する走査パターンにあり、そのシーケンスが、エラーＦを最も生成しない検出器エレメントペアの比較結果が、符号語ＣＷを生成するために使用される、すなわち図６ｄでは、（Ｄ１−Ｄ３）＝Ｂ１，（Ｄ５−Ｄ７）＝Ｂ２等々のシーケンスである。

各符号エレメントＣ１，Ｃ２，Ｃ３の両方の部分領域Ａ，Ｂは、光学的に走査可能な形で構成することができ、その際一方の部分領域Ａは、走査光に対して透明または反射する形で、他方の部分領域Ｂは、不透明または反射しない形で構成される。しかし、この発明は、光学的な走査原理に限定されるものではない。

この絶対位置測定装置は、線形的なあるいは回転的な動きを測定するために用いることができ、その際符号Ｃは、可動物体の一方に、走査装置ＡＥは、測定しようとしている物体の他方に取り付ける。この場合、符号Ｃは、測定しようとしている物体に直接、あるいは測定しようとしている物体に対してさらに連結された基準尺に取り付けることができる。

この場合、測定しようとしている物体は、工作機械、座標測定機械の台とキャリッジ、または電気モーターの回転子と固定子とすることができる。

位置測定装置の模式図 エラー検査の原理図 図２によるエラー検査のための信号 制御信号を生成するためのインクリメンタルトラックを持つ位置測定装置 インクリメンタルトラックのアナログ走査信号 図５ａによるアナログ走査信号からの制御信号 位置測定装置の第一走査位置 位置測定装置の第二走査位置 位置測定装置の第三走査位置 位置測定装置の第四走査位置

符号の説明

ＡＥ 走査装置
ＡＷ 評価装置
ＣＷ 符号語
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ バイナリ情報
Ｃ 符号
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ 符号エレメント
Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ，Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂ，Ｃ３Ａ，Ｃ３Ｂ 符号エレメントの部分領域
Ｄ 検出器ユニット
Ｄ１〜Ｄ１１，ＤＲ１，ＤＲ２ 検出器エレメント
Ｅ１，Ｅ２ デジタル信号（制御信号）
Ｆ エラー
Ｆ１ エラー信号
Ｋ コリメーターレンズ
Ｌ 光源
Ｍ 制御ユニット
Ｐ エラー検出装置
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ 位置
Ｒ インクリメンタルトラック（情報トラック）
Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂ，Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ，Ｓ３Ａ，Ｓ３Ｂ，ＳＲ１，ＳＲ２ アナログ走査信号
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３ トリガーモジュール
Ｖ 比較値
Ｘ 測定方向

Claims (3)

1. 各符号エレメント（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）が、それぞれ二つの部分領域（Ａ，Ｂ）から成り、これらの部分領域が、互いに相補的であり、測定方向Ｘに連続して配置されている場合において、測定方向Ｘに並んで配置された一連の符号エレメント（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）から成る符号（Ｃ）と、
   複数の符号エレメント（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）を走査して、走査した符号エレメント（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）の各部分領域（Ａ，Ｂ）内において、少なくとも一つの走査信号（Ｓ）を生成するための、複数の検出器エレメント（Ｄ１〜Ｄ１１）を持つ走査装置（ＡＥ）と、
   それぞれ符号エレメント（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）の部分領域（Ａ，Ｂ）の走査信号（Ｓ）を互いに比較し、その比較結果に応じて、符号エレメント（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）に対するバイナリ情報（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３）を生成する比較装置（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）を持つ評価ユニット（ＡＷ）と、
   を有する位置測定装置であって、
   評価ユニット（ＡＷ）が、エラー検査装置（Ｐ）を有し、このエラー検査装置は、符号エレメント（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）の部分領域（Ａ，Ｂ）の走査信号（Ｓ）の差分を基準差分と比較して、この基準差分を下回った場合にエラー信号（Ｆ１）を出力する位置測定装置。
2. ・符号エレメント（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）は、それぞれ二つの部分領域（Ａ，Ｂ）から成り、これらの部分領域は、互いに相補的であり、測定方向Ｘに連続して配置されている場合において、測定方向Ｘに並んで配置された一連の符号エレメント（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）から成る符号（Ｃ）を走査する措置と、
   ・走査する符号エレメント（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）の各部分領域（Ａ，Ｂ）内において、少なくとも一つの走査信号（Ｓ）を生成する措置と、
   ・符号エレメント（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）の部分領域（Ａ，Ｂ）の走査信号（Ｓ）を互いに比較する措置と、
   ・その比較結果から、バイナリ情報（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３）を生成する措置と、
   を有する絶対位置測定方法であって、
   符号エレメント（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）の部分領域（Ａ，Ｂ）の走査信号（Ｓ）の差分が生成され、この差分が、基準差分と比較されて、この基準差分を下回った場合に、エラー信号（Ｆ１）が生成される方法。
3. 検出器エレメント（Ｄ１〜Ｄ１１）は、測定方向Ｘに部分領域（Ａ，Ｂ）の半分の長さに相当する間隔で配置されており、部分領域（Ａ，Ｂ）の長さに相当する相互間隔を持って配置されている二つの検出器エレメント（Ｄ１〜Ｄ１１）同士から、当該の差分が生成され、
   当該の差分が、それぞれ基準差分と比較されて、この基準差分を下回った場合にエラー信号（Ｆ１）が生成され、一つの符号エレメント（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）の長さに相当する走査パターンにおいて、そのシーケンスが最もエラー（Ｆ）を発生させない検出器エレメントペアの、この差分演算によって得られたバイナリ情報（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３）が、符号語（ＣＷ）を生成するために選択される、
   請求項２に記載の方法。

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