JP4233814B2 - 位置測定装置および位置測定装置の動作方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に二つの互いに動く物体の絶対位置の特定に適した位置測定装置に関する。さらに、この発明は、位置測定装置の動作方法にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
絶対的な位置の特定に関してよく知られた種類の位置測定装置には、走査対象の測定尺の面上に測定方向に延びた増分トラックと例えばシリアル絶対符号で表されたこれに平行に配置された絶対トラックを持っている。これに対応して構成された位置測定装置は、例えばドイツ国特許第１９５０５１７６号明細書に提示されている。正確な位置特定には、両方のトラックから出力される位置に関係した走査信号が互いに同期していなければならない。また、それぞれの位置解析に大きな負荷がかかり、これらの信号が明らかに相異する場合、このことが特に重要となる。測定尺面上に薄い金属ベルトを使う場合、その測定方向への平行調整が常に最適にできるとは限らないので、新たな問題が生じる。特に、測定尺面に垂直方向の軸のまわりに測定尺の捩れがある場合、測定誤差が発生する。
【０００３】
この問題を解決するため、本出願人はドイツ国特許出願第１９９６２２７８．７号で適当な増分トラックの走査により少なくとも二つの増分信号を区別できる解像度が得られることを提示している。このためには、走査対象の増分トラックを適切に構成するほかに、走査装置の各検出器配列を適切に調整する必要がある。上記特許出願では、この目的のために二つの適当な検出器構成を提示し、時として起こる測定尺面に垂直方向の軸のまわりの走査装置あるいは測定尺の捩れにより発生する前述の問題を解決することができる。
【０００４】
測定動作時には、この軸のまわりの望ましくない捩れのほか、測定尺面上あるいは測定尺面に平行で測定方向に対して垂直方向の軸のまわりに走査装置あるいは測定尺の縦方向のズレがさらに発生することがある。このような縦方向のズレは、特に異なったトラックの走査信号が縦方向のズレによりさまざまな挙動を示す場合、異なった位置解析の走査信号の同期によって誤差として検出することもできる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、常に確実な位置特定を保証する位置測定装置を提示するのが、この発明の課題である。さらに、そのような位置測定装置の動作方法を提示することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１の特徴を持った位置測定装置により、解決される。
【０００７】
この発明による位置測定装置の有利な実施構成は、請求項１の従属請求項に記載された措置により実現される。
【０００８】
さらに、この課題は、請求項１３の特徴を持つ位置測定装置の動作方法により解決される。
【０００９】
この発明による方法の有利な実施構成は、請求項１３の従属請求項に記載された措置により実現される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明により、第一および第二トラックから生成した第一および第二走査信号のほかに、測定尺上のこの二つの走査トラックの一つから、このトラックから生成した他の走査信号とは異なる縦方向のズレによる挙動を示す第三走査信号を生成できることがすでに提示されている。例えば、第三走査信号は、別のトラックの走査信号と同様の縦方向のズレによる挙動を示す。同じトラックから得た相異なる縦方向のズレによる挙動を示す走査信号を、例えば位置測定装置に組み込まれた比較器を使って観察することにより、システムの縦方向のズレによる挙動を観察したり、調整したりすることができる。
【００１１】
優先的な実施例において、この発明による位置測定装置には、測定尺面上に増分トラックとして構成された第一トラックならびに第二トラックとしてこれと平行に配置された絶対トラックがある。測定尺に対して相対的に動く走査装置の面上には、二つの増分信号検出器配列ならびに一つの絶対位置信号検出器配列がある。増分信号検出器配列を使って、同じ粗い識別信号周期の第一および第二粗い増分信号が走査信号として生成される。絶対位置信号検出器配列を使って、絶対位置信号が絶対トラックの走査から生成される。生成された二つの粗い増分信号は、これらがぞれぞれ異なる縦方向のズレによる挙動を示しているという点で異なる。これは、異なる走査光路により生成された走査信号は時により起こる縦方向のズレ、すなわち例えば測定尺面内で測定方向に対して垂直に延びる軸のまわりに走査装置および測定尺の傾きがある場合、異なった挙動を示すことを意味する。このため、ある粗い増分信号は影響を受けないのに、例えば別の粗い増分信号は正しい位置をもはや示さないような影響を受ける。
【００１２】
この発明による第二粗い増分信号の形で生成された第三走査信号は、例えば測定尺面内で測定方向に対して垂直に延びる軸のまわりに走査装置および測定尺の傾きがある場合に、第二走査信号、すなわち絶対位置信号と同様の挙動を示す。この結果、これら両走査信号の同期がこのような場合にも誤り無く可能となる。
【００１３】
そのため、優先的な実施構成において、この発明による位置測定装置は、測定尺に垂直方向の軸のまわりの捩れ動作にも、縦方向のズレにも強い。どのような場合においても、生成された走査信号から正確な絶対位置を特定できることが保証される。
【００１４】
さらに、有利であると証明されることとして、異なる縦方向のズレによる挙動を示す両走査信号、すなわち例えば生成された粗い増分信号を比較することによって、特にその位相差の測定によって、もはや例えば測定尺面内で測定方向に対して垂直に延びる軸のまわりの走査装置および測定尺の縦方向のズレの傾き具合をも導き出すことができる。この情報は、例えば組み立て時における走査装置の正確な調整のような他の目的のためにも利用することができる。
【００１５】
トラックの構成に関しては、一連の可能性がある。絶対トラックの絶対符号を、例えば一つあるいは複数の参照記号の形で構成することなどが可能である。
【００１６】
この発明による位置測定装置は、明らかにリニア式位置測定装置としてもロータリー式位置測定装置としても構成することができる。
【００１７】
基本的には、測定尺上で複数のトラックを走査し、これらの異なるトラックから生成された走査信号が時として起こる縦方向の傾きがある場合に相異なる挙動を示すという、この発明の基礎となっている原理は、すべての位置測定装置に適用できる。そして、走査装置をそれぞれ構成するということは、トラックの一つを適切に走査することによって、そのような縦方向の傾きにより相異なる挙動を示す二つの走査信号を導き出すことである。この両走査信号間のそれぞれの位相シフトは、実際に存在する縦方向の傾きの程度を示し、測定過程において監視あるいは調整することができるものである。
【００１８】
【実施例】
この発明の更なる利点および詳細は、以下に述べる添付図面に基づいた実施例の説明から明らかになる。
【００１９】
この発明による位置測定装置の実施例を図１から図６に基づき以下のとおり説明する。ここでは、絶対位置特定のための装置に関係している。
【００２０】
図１は、リニア式照射測定システムとして構成されたこの発明による位置測定装置の実施例の基本的な走査光路を示している。位置測定装置は、測定方向ｘに延びている測定尺１０ならびに測定尺１０と向かい合って測定方向ｘに動く走査装置２０から成る。測定方向ｘは、図１では、図面に垂直の方向である。測定尺１０と走査装置２０は、例えば互いに位置を決められるように相互に動く機械部品で結合されている。例えば数値制御工作機械の装置や部品を考えると、この場合、この発明による位置測定装置から生成される信号は、ここには描かれていない工作機械制御装置により再加工される。
【００２１】
この実施構成において、この発明による位置制御装置の測定尺１０には、測定尺支持盤上に配置され、絶対位置特定のため走査装置によって走査される二つのトラック１２、１３がある。両トラック１２、１３は、測定方向ｘに延び、ここに描かれた位置測定装置の照射例においては、それぞれ異なる反射特性を持った分割領域の連続、すなわち反射率の高い分割領域と反射率の低い分割領域から構成されている。
【００２２】
ここで述べている実施例の両トラック１２，１３の構成は、図２のａの測定尺の平面図において確認できる。第一トラック１３（以下、絶対トラック１３と言う）は、ここの例では、擬似ランダム符号の形の絶対符号として表されている。擬似ランダム符号は、それぞれ測定方向ｘに同じ幅を持つ反射率の高い分割領域と反射率の低い分割領域１３．１、１３．２の非周期的な連続から構成されている。周知の技術、方法においては、絶対トラック１３の走査により粗い絶対位置信号ＡＢＳが走査信号として生成されるが、その解像度は望んでいるような高精度の位置測定にはまだ不十分である。もちろん、別の方法として、絶対トラック１３に、例えばブロック符号やマンチェスター符号などのようなシリアル符号を使うこともできる。さらに、絶対トラックを、同様に周知の技術、方法において粗い絶対位置信号ＡＢＳの生成のために利用することができる一つあるいは複数の参照記号の絶対符号として表すことも可能である。
【００２３】
第二トラック１２（以下、増分トラック１２と言う）は、絶対トラック１３のすぐ近くに平行に配置されている。増分トラック１２は、絶対トラック１３と同様に測定方向ｘに延びている。増分トラック１２は、測定尺１０と走査装置２０の相対位置を特定するために使われる、より高い解像度の、周期的な増分信号ＩＮＣ_F 、ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2の形の絶対信号を生成するために利用される。これらまとまった三つの相異なる増分信号ＩＮＣ_F 、ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2は、それぞれ細かい増分信号ＩＮＣ_F 、第一粗い増分信号ＩＮＣ_G1、第二粗い増分信号ＩＮＣ_G2である。相異なる増分信号ＩＮＣ_F 、ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2は、相互に動く部分の絶対位置を特定するために、絶対トラック１３の絶対位置信号ＡＢＳと適当な技術と方法で組み合わされる。これにより、測定システムにおいては既に、後述の評価装置、例えば工作機械の数値制御装置においては初めて、これらの相異なる走査信号からそれぞれの絶対位置の特定が実現される。
【００２４】
この例では、増分信号ＩＮＣ_F 、ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2は、増分トラック１２の走査による走査信号として生成される。細かい増分信号ＩＮＣ_F は、信号周期ＳＰ_F を有し、第一および第二粗い増分信号ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2は、それぞれ同じ信号周期ＳＰ_G を示す。一般には、信号周期ＳＰ_F とＳＰ_G は、明らかに互いに異なっている。
【００２５】
走査される増分トラック１２は、二つの相異なる分割周期ＴＰ_F 、ＴＰ_G を示し、この実施例においては周期的に連続した第一および第二ブロックＢ１、Ｂ２から構成される。増分トラック１２の両分割周期ＴＰ_F 、ＴＰ_G の粗い方に対応する分割周期ＴＰ_G は、二つの連続したブロックＢ１、Ｂ２の幅の合計で定義される。この実施構成においては、両ブロックＢ１、Ｂ２の幅は、同じになるように選択されている。特に、幅の合計で定義される粗い分割周期ＴＰ_G は、走査にとって重要である。しかし、増分トラック１２の走査技術に応じて、ブロックＢ１、Ｂ２を場合によっては様々な広さで構成することもできる。
【００２６】
第一ブロックＢ１は、低い反射率で構成され、第二ブロックＢ２は、更に周期的に連続した低い反射率と高い反射率の光学特性を持った分割領域１２．１、１２．２から構成される。第二ブロックＢ２の部分拡大図が、図２のｂに示されている。図２のｂから分かるように、第二ブロックＢ２の分割領域１２．１、１２．２は、その長軸が測定尺平面においてｙ方向に延びている、つまり測定方向ｘに垂直の方向に向いている細い長方形の領域として構成されている。第二ブロックＢ２の相異なる分割領域１２．１、１２．２は、それぞれ同じ大きさで構成されている。同様に図２のｂに詳しく示されているように、第一ブロックＢ１の二つの連続した分割領域１２．１、１２．２の広さの合計に対して、増分トラック１２の細かい分割周期ＴＰ_F が定義されている。
【００２７】
この発明による位置測定装置の実施例の構成において、増分トラック１２の細かい分割周期ＴＰ_F は、増分トラック１２の粗い分割周期ＴＰ_G の８分の１、すなわちＴＰ_G ＝１６０μｍ、ＴＰ_F ＝２０μｍになっている。
【００２８】
基本的には、増分トラック１２の粗い分割周期ＴＰ_G は、細かい分割周期ＴＰ_F の整数倍として選択されるべきである。連続したブロックＢ２が細かい分割周期ＴＰ_F の連続した増分部分に対応することのみが保証される。したがって、特に、細かい分割周期ＴＰ_F の増分部分が低い反射率のブロックＢ１によって中断される場合においても、全測定長にわたって常に低い反射率の分割領域１２．１と高い反射率の分割領域１２．２が交互に生成されることが保証されなければならない。ブロックＢ２の縁の低い反射率の分割領域１２．１の次に、測定方向に対して直ぐ隣のブロックＢ２の中の高い反射率の分割領域１２．２が続くなどである。図２のａの増分トラック１２の図が、その他の点は詳細ではないが、このことを示している。
【００２９】
この実施例においては、さらに絶対トラック１３の擬似ランダム符号のビット幅を増分部分１２の粗い分割周期ＴＰ_G に合わせている。これは、絶対トラック１３の分割領域１３．１、１３．２の幅が増分トラック１２の分割周期ＴＰ_G と測定方向ｘに同じになるように選択されていることを意味する。
【００３０】
測定尺１０のこの実施例に換えて、両トラック１２、１３の相異なる分割領域を他の光学特性で、つまり例えば高い反射率の分割領域と低い反射率の分割領域を入れ替えて、測定尺支持盤１１上に構成することは、当然可能である。
【００３１】
さらに、いろいろな信号周期の三つ以上の増分信号を得るように増分トラックを構成することも当然考えられる。
【００３２】
さらに図１に模式的に描かれた走査装置２０は、光源２１、例えばＬＥＤ、光コリメーター２２、走査板２３、ならびに相異なる走査信号を捕捉するための検出器２４から成る。
【００３３】
増分信号ＩＮＣ_F 、ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2の生成のための走査光路および絶対位置信号ＡＢＳは、以下に別々に説明する。
【００３４】
この実施例では、増分信号ＩＮＣ_F 、ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2の生成のために光源２１から放出された光束は、光コリメーター２２によりコリメーションされた後、走査板２３に届く。走査板２３の図は、図３の平面図に描かれている。増分信号ＩＮＣ_F 、ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2の生成のための光束は、それに応じて増分信号ＩＮＣ_F 、ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2が生成される走査板２３の相異なる領域を通り抜ける。さらに、走査板２３の相異なる領域は、それぞれバーニャストライプを生成する検出器平面の既定の領域にも組み込まれている。
【００３５】
細かい増分信号ＩＮＣ_F と第一粗い増分信号ＩＮＣ_G1の生成に用いられる前の光束は、走査板２３の参照符号２３．１で示された透明な窓領域を通り抜ける。それに対して、第二粗い増分信号ＩＮＣ_G2の生成に用いられる光束は、それぞれ走査構造２３．２、２３．３が配置された両領域を通り抜ける。走査構造２３．２、２３．３は、それぞれ測定方向ｘに周期的に構成された透過性と非透過性分割領域から成る。走査構造２３．２、２３．３の透過性の分割領域は、図３の平面図ではほぼひし形に構成されている。しかし、透過性の分割領域は、理想的には外の輪郭線が余弦形をしている。走査構造２３．２、２３．３に関する他の規格サイズの措置については、後の説明で提示されている。
【００３６】
各光束は、走査構造２３．２、２３．３あるいは透明な窓領域２３．１を通過した後、増分信号ＩＮＣ_F 、ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2の生成のために測定尺１０の増分トラック１２上に当たり、そこから走査板２３の方向に反射される。反射された光速は、検出器２４の各増分信号−検出器配列２４．１、２４．２、２４．３に当たる前に、走査板２３の透明な窓領域２３．４を通過する。検出器２４の具体的な構成に関しては、図４の検出器平面の模式的に描かれた平面図に示されているので、図１では、増分信号−検出器配列２４．１、２４．２、２４．３の内の一つだけが示されている。検出器２４側には、図４から明らかなように、信号周期ＳＰ_F の細かい増分信号ＩＮＣ_F の生成と信号周期ＳＰ_G の第一粗い増分信号ＩＮＣ_G1の同時生成のために第一増分信号−検出器配列２４．１が設けられている。さらに、走査装置２０は、同様に信号周期ＳＰ_G の第二粗い増分信号ＩＮＣ_G2の生成のために、この発明による少なくとも一つの第二増分信号−検出器配列２４．２、２４．３を持つ。当然の結果として増分信号が一対づつ生成され、これらは互いに位相が９０°シフトしている。検出器２４の詳細な構成に関しては、後の図４の詳細な説明に示されている。
【００３７】
この実施例で粗い絶対位置信号ＡＢＳの生成のために用いられる光束は、光コリメーター２２によるコリメーション後、走査板２３の透過性の窓領域２３．４を通り抜けて、測定尺１０の絶対トラック１３上に届く。そこから、走査板２３の方向への反射が起こり、そこで反射された光速が再び透明な窓領域２３．４を通過し、検出器２４の絶対位置信号−検出器配列２４．４に当たる。この照射によって、その結果として周知の技術と方法により擬似ランダム符号のその時々に捕捉された部分の単一の図形あるいは影絵が絶対位置信号−検出器配列２４．４上に出来る。
【００３８】
検出器２４の検出器平面の図は、図４に模式的に描かれている。ここには、測定方向ｘに連続的に配置された多数の光電検出エレメント単体から構成される絶対位置信号−検出器配列２４．４が上部に見える。この実施例においては、隣接した検出エレメント二つづつが、絶対トラック１３の擬似ランダム符号の１ビットの走査に使われる、つまり擬似ランダム符号のビット走査に使われる検出エレメントには二つのグループがある。もちろん、測定動作においてはビット毎には両検出エレメントの内の一つだけが読み出される。これは、図４で検出エレメントの上に模式的に大まかに示された切替エレメントＳＡ−ＳＮで分かり易く示されている。この実施例では、１ビット幅に組み込まれた二つの検出エレメントが、さらにこのような切替エレメントＳＡ−ＳＮに組み込まれている。これにより、両グループの検出エレメントのどちらが擬似ランダム符号の各ビット群の中央付近にあるかに従って、各検出エレメントの選択的な読み出しが行われる。測定動作において、この判別を行うために、粗い信号周期ＳＰ_G に対応する増分信号ＩＮＣ_G1が利用される。
【００３９】
絶対位置信号−検出器配列２４．４の検出エレメントにより生成された走査信号は、それぞれ論理レベルがＨＩＧＨとＬＯＷの信号を出力するここには記載されていないトリガーエレメントに送られ、絶対位置を特定するために再処理される。有利には、トリガーエレメントは、検出器２４の支持基板上に統合された形で同様に配置されている。さらに、一定の信号レベルを示すかあるいは周知の技術と方法では走査信号の信号レベルに従って変化する参照信号が、出力信号を生成するため、トリガーエレメントに付加される。トリガーエレメントの出力信号は、同じくここでは描かれていない信号処理装置に送られ、そこで生成された増分信号として再処理されて、目的とする粗い絶対位置を表す出力信号ＡＢＳが生成される。
【００４０】
この実施例では増分トラックの走査ならびに信号周期ＳＰ_F とＳＰ_G の増分信号ＩＮＣ_F 、ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2の生成のために利用される両増分信号−検出器配列２４．１、２４．２ａ、２４．２ｂが、図４にある検出器平面の作図の下の部分に見える。
【００４１】
詳細には、中央の第一増分信号−検出器配列２４．１は細かい増分信号ＩＮＣ_F と第一粗い増分信号ＩＮＣ_G1を生成するために利用される。これらの増分信号ＩＮＣ_F 、ＩＮＣ_G1の生成に関して、その他の点は既に言及したドイツ国特許出願第１９９６２２７８．７号に、特にそこで提示されている二番目の実施例に記載されている。
【００４２】
この実施例では、第二粗い増分信号ＩＮＣ_G2を生成するために利用される第二増分信号−検出器配列２４．２ａ、２４．２ｂは、同じ、いわゆる構造を持った検出器配列あるいは検出エレメントアレーから成る全部で二つの分離した検出器２４．２ａ、２４．２ｂから構成される。この発明の範囲において、基本的には第二増分信号−検出器配列をこのような検出器ただ一つで構成することも可能である。
【００４３】
ここに述べられている検出器２４．２ａ、２４．２ｂは、周知の技術と方法では、検出器２４．２ａ、２４．２ｂの内部にまとまって同じような構成で、測定方向ｘに互いに隣接して配置された多数の長方形の光電検出エレメント単体から成る。このような検出器２４．２ａ、２４．２ｂの検出エレメントは、それぞれ出力側において相互に接続され、位相の合った走査信号を供給する。ここに示された実施例の構成においては、各検出エレメントは両検出器２４．２ａ、２４．２ｂで相互に接続され、検出器２４．２ａ、２４．２ｂ毎に全部で４つのそれぞれ位相が９０°シフトした部分増分信号を出力する。図４では描かれていないが、これらは、二つの位相が９０°シフトした粗い増分信号ＩＮＣ_G2を生成するために周知の技術と方法で互いに相違した形で接続される。上記では、便宜上第二粗い増分信号ＩＮＣ_G2についてのみ述べているが、以下の記述においても同様とする。
【００４４】
検出器平面では、第二増分信号−検出器配列２４．２ａ、２４．２ｂの領域それぞれに周期的な縞模様ができ、これらは光源２１から出た光束と増分トラック１２および走査板２３にそれぞれ配置された走査構造２３．２、２３．３との相互作用から生まれ、信号周期ＳＰ_G の第二粗い増分信号ＩＮＣ_G2の生成のために利用される。なお、指摘したいのは、走査板２３の走査構造２３．２、２３．３の透明な領域は、測定方向に対して第二増分信号−検出器配列２４．２ａ、２４．２ｂの構造を持った検出器配列に組み込まれた検出エレメントの幅ｂ_DET よりもより小さい最大幅ｂ_ASを示している点である。
【００４５】
原則的には、第二粗い増分信号ＩＮＣ_G2の生成は、結果的にはここで述べたドイツ国特許出願第１９９６２２７８．７号の最初の実施例にある増分信号の生成に対応する。この信号生成技術の詳細については、この開示された印刷物に明確に提示されている。
【００４６】
特に、例えば走査構造２３．２、２３．３に関する第二粗い増分信号ＩＮＣ_G2の不要な信号成分をフィルターする措置がこの関連で提示されている。このようなフィルタリングに関して、この実施例では、振幅格子として構成された走査構造２３．２、２３．３がフィルター特性を持つものとしている。このため、よく知られたフィルタリング措置が採られており、例えば走査構造２３．２、２３．３の透明な分割領域は、英国公開特許第２１１６３１３号明細書に提示されているように、開口部が正弦形状に作られている。図３において、走査構造２３．２、２３．３のこの形は、大まかに描くためにその他は単に模式的に表されている。
【００４７】
これに代わるものとして、不要な高調波成分のフィルタリングは、周知の技術と方法では走査構造２３．２、２３．３に対する適当なウェブシフトにより実現される。不要な信号成分のフィルタリングに関して、この発明の範囲では別の周知の措置が自由に利用できる。
【００４８】
この発明による位置測定装置のここに述べた構成では、増分トラック１２の走査によって信号周期ＳＰ_F の細かい増分信号ＩＮＣ_F と同じ信号周期ＳＰ_G の二つの粗い増分信号ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2が得られる。これらの信号を絶対トラック１３から得られた粗い絶対位置信号ＡＢＳと組み合わせると、周知の技術と方法により高い解像度の絶対位置の特定が実現できる。この発明の装置に関して、その時の絶対位置を正確に特定するために、別の走査信号を相互に適当に差引きあるいは組み合わせることができる。同様に下位の評価装置で絶対位置の特定に使っている別の走査信号を利用することもできる。
【００４９】
この発明による措置は、異なる走査信号ＩＮＣ_F 、ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2とＡＢＳとの差引きあるいは同期によって、時として起こる測定尺に対する走査装置の縦方向のズレにおいても結果に誤りがないようにしている。ここでは、縦方向のズレあるいは縦方向の傾斜とは、測定尺面内あるいは測定尺面に平行にあり、測定方向に対して垂直方向の軸のまわりの測定尺と走査装置の傾きと定義される。さらに説明するため、図５のａからｄと図６を参照されたい。図５のａからｄの左側で、測定尺１０と走査装置２０を正しく調整した場合を、結果として得られた二つの粗い増分信号ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2と絶対位置信号ＡＢＳとともに描かれている。右側では、時として起こる縦方向の傾斜がある場合が描かれている。
【００５０】
位置測定装置の構成に基づくと、このような縦方向のズレがある場合には細かい増分信号ＩＮＣ_F と第一粗い増分信号ＩＮＣ_G1が同じ状況を示すと言える。一方、この発明による場合には、第二粗い増分信号ＩＮＣ_G2と絶対位置信号ＡＢＳが時として起こる縦方向のズレによりかなり似通った状況を示すと言える。時として起こる縦方向のズレがある場合、縦方向のズレ角φに依存する位相シフトΔ_G1-G2 が二つの信号ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2間で発生するが、これは測定尺上の各検出器配列の高さの僅かな相対的な違いにより生じる。一つのトラックにより生成された二つの走査信号は、二つの粗い増分信号ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2の形では結果として異なった縦方向のズレの状況を示す。
【００５１】
走査装置と測定尺が理想的に正しく調整されている場合、つまり特に縦方向のズレが無い場合があり、その場合同じ信号周期の二つの粗い増分信号ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2は位相が合っている。この場合が図５のａとｂの両図の左側に描かれている。
【００５２】
時として起こる縦方向のズレにより、図５のｂおよびｃの右側から明らかなように、二つの粗い増分信号ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2間に位相シフトΔ_G1-G2 、あるいは位相差が生じる。二つの粗い増分信号ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2間の位相シフトΔ_G1-G2 は、二つの粗い増分信号ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2の異なる生成過程、あるいは異なる走査光路により生じる。縦方向のズレがある場合に生成された第一粗い増分信号ＩＮＣ_G1では、検出器平面に出来る縞模様が縦方向のズレ角に応じて移動し、誤った位置変動を示すので、位置特定を誤る結果となる。一方、第二粗い増分信号ＩＮＣ_G2では、そのような縦方向のズレにより生成された検出器平面に出来る縞模様は、検出器上でほとんど動かない、つまりそのような縦方向のズレがある場合でも正しい位置を検出する。
【００５３】
したがって、二つの粗い増分信号ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2間の位相シフトΔ_G1-G2 は、測定尺と走査装置間で時として起こる縦方向のズレの尺度として考えられ、巧く活用することができる。ここで述べた実施例において、位相シフトΔ_G1-G2 と縦方向のズレ角φの関係は、幾何学的に考察して、以下の関係式で表される。
【００５４】
Δ_G1-G2=( ２* φ* ｈ₁*２π)/ＳＰ_G Ｇl .(1)
あるいは、
φ=(Δ_G1-G2*ＳＰ_G )/( ２* ｈ₁*２π) Ｇl .(1')
φ ： 縦方向のズレ角／ラジアン
ＳＰ_G ： 粗い増分信号周期
ｈ₁ ： 第二増分信号−検出器配列の測定尺からの高さ
これらの大きさの定義については、この発明による位置測定装置の模式的な部分図を表している図６に補足して示す。もちろん、他の走査配列では、位相差と縦方向のズレ角間に別の関係が生じる。
【００５５】
時として起こる縦方向のズレ角φの縦方向のズレがある場合、第二増分信号−検出器配列ＩＮＣ_G2と絶対位置信号ＡＢＳ間には、僅かな位相差Δ_G2-ABSが生じる。これは、以下のとおりとなる。
【００５６】
Δ_G2-ABS=(２* φ*(ｈ₁ −ｈ₂)* ２π)/ＳＰ_G Ｇl .(2)
図６の作図に対応して、ｈ₂ は、絶対位置信号−検出器配列２４．４の測定尺１０からの高さを表す。二つの長さｈ₁ とｈ₂ には差があるので、Ｇl .(2)から明らかなとおり縦方向のズレがある場合に僅かな位相差Δ_G2-ABSが生じる。
【００５７】
そのほか、時として起こる縦方向のズレがある場合の絶対位置信号ＡＢＳの状況は、図５のｄに示されている。そこから分かるように、対応する走査光路により生成された絶対位置信号ＡＢＳも縦方向のズレでシフトするが、第二粗い増分信号ＩＮＣ_G2との違いはほんの僅かである。絶対位置信号ＡＢＳの第二粗い増分信号ＩＮＣ_G2との相対位置は、縦方向のズレがある場合においても一定の範囲内で変わらない。
【００５８】
絶対位置の特定に必要な粗い増分信号ＩＮＣ_G1あるいはＩＮＣ_G2と絶対位置信号ＡＢＳを同期させる場合には、これら信号間の位相シフトが許容最大値を超えないようにしなければならない。それだけで、絶対位置を正しく特定することができる。これは、またこの発明により二つの粗い増分信号ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2間の位相差Δ_G1-G2 が許容最大位相差Δ_G1-G2,max を超えないように監視することによって達成することができる。この実施例では、許容最大位相差ΔG1-G2 ,maxは、粗い増分信号の信号周期の半分、つまりΔ_G1-G2,max = ＳＰ_G ／２である。
【００５９】
例えば位置測定装置の組み立てなどで、縦方向のズレに対する感度が異なる場合での二つの粗い増分信号ＩＮＣ_G1、ＩＮＣ_G2の位相差を定常的に監視することから、必要ある場合には絶対位置信号ＡＢＳと正しく同期するための許容最大位相シフトを超えているかどうかを判別できるようになる。ここで述べた時として起こる縦方向のズレがある場合においても正しい絶対位置を特定することができると言える。
【００６０】
位相差Δ_G1-G2 の適切な監視と特定は、時として起こる縦方向のズレを捕捉するため、一つのトラックから生成された相異なる縦方向のズレによる挙動を示す二つの走査信号を互いに比較する位置測定装置に組み込まれた比較器で実施することができる。このような比較器は、位置測定装置の側でも、位置測定装置に後続する評価装置の側でも構成することができる。許容できる最大の縦方向のズレを超える場合には、比較結果をもとに測定尺と走査装置の空間的な正しい調整が行われる。許容できる最大の縦方向のズレを超過した場合には、光と音による警報が発せられる。
【００６１】
例えば組み立て時には、監視により実際に算出された位相差Δ_G1-G2 は適当な表示器上に直接的な画像表示の形で表される。また、別の構成として、絶えず自動的に比較を行い、誤りがあった場合、つまり例えばΔ_G1-G2 ＞Δ_G1-G2,max の場合だけ警報を発することも想定することができる。同様に実際の測定動作においてもこの位相差を監視し、誤りがあった場合に適当な警報を発することもできる。
【００６２】
当然、ここで述べた実施例以外にも、この発明の範囲における別の実施構成が存在する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による位置測定装置の実施例における走査光路の模式図、
【図２】 図１における測定尺の平面図、
【図３】 図１における位置測定装置の走査板上の平面図、
【図４】 図１における走査装置の検出器平面の図、
【図５】 この発明による位置測定装置における時に起こる走査装置の縦方向のズレがある場合の関連説明図、
【図６】 この発明による位置測定装置における幾何的サイズの説明のための部分模式図。
【符号の説明】
１０ 測定尺
１１ 測定尺支持盤
１２ 第二トラック（増分トラック）
１２．１ 低い反射率の分割領域
１２．２ 高い反射率の分割領域
１３ 第一トラック（絶対トラック）
２０ 走査装置
２１ 光源
２２ 光コリメーター
２３ 走査板
２３．１ 透明な窓領域
２３．２ 走査構造
２３．３ 走査構造
２３．４ 窓領域
２４ 検出器
２４．１ 第一増分信号−検出器配列
２４．２ 第二増分信号−検出器配列
２４．３ 第二増分信号−検出器配列
２４．４ 絶対位置信号−検出器配列
φ 縦方向のズレ角
Δ_G1-G2 位相シフト（位相差）
ｂ_AS 走査構造（２３．２，２３．３）の最大幅
ｂ_DET 検出エレメントの幅
ｈ₁ 第二増分信号−検出器配列の測定尺からの高さ
ｈ₂ 絶対位置信号−検出器配列の測定尺１０からの高さ
ＡＢＳ 絶対位置信号（第二走査信号）
Ｂ１ 第一ブロック
Ｂ２ 第二ブロック
ＩＮＣ_G1 第一粗い増分信号
ＩＮＣ_G2 第二粗い増分信号
ＳＡ、ＳＮ 切替エレメント
ＳＰ_F 細かい信号周期
ＳＰ_G 粗い信号周期
ＴＰ_F 細かい分割周期
ＴＰ_G 粗い分割周期

Claims (10)

1. 測定尺（１０）と、測定尺（１０）に対して相対的に測定方向（ｘ）に移動可能な走査装置（２０）とから成る、二つの互いに動く物体の絶対位置の測定に適した位置測定装置であって、
   走査装置（２０）を用いて測定尺（１０）を走査することによって、位置に対応した走査信号が生成され、
   測定尺（１０）上には、相異なる反射率を有する互いに並んだ分割領域を有する少なくとも一つの第一および第二トラック（１２，１３）が配置されており、第一トラック（１３）として、測定方向（ｘ）に延びる絶対符号形式の絶対トラック（１３）が配置されるとともに、第二トラック（１２）として、絶対トラック（１３）と平行に測定方向（ｘ）に延びる増分符号形式の増分トラック（１２）が配置されており、
   走査装置（２０）は、光源（２１）と、光コリメーター（２２）と、走査板（２３）と、検出器平面内に第一増分信号−検出器配列（２４．１）、第二増分信号−検出器配列（２４．２ａ，２４．２ｂ）及び絶対位置信号−検出器配列（２４．４）が配置された検出器（２４）とを備えており、第一増分信号−検出器配列（２４．１）は、長い信号周期（ＳＰ _G ）の粗い増分信号（ＩＮＣ _G1 ）形式の第一走査信号（ＩＮＣ _G1 ）を生成するのに適しており、第二増分信号−検出器配列（２４．２ａ，２４．２ｂ）は、第一走査信号（ＩＮＣ _G1 ）と同じ信号周期の長い信号周期（ＳＰ _G ）の第二粗い増分信号（ＩＮＣ _G2 ）形式の第三走査信号（ＩＮＣ _G2 ）を生成するのに適しており、絶対位置信号−検出器配列（２４．４）は、絶対位置信号（ＡＢＳ）形式の第二走査信号（ＡＢＳ）を生成するのに適しており、
   縦方向のズレが、測定尺（１０）の面内又は測定尺（１０）の面に対して平行に延びるとともに、測定方向（ｘ）に対して垂直な方向を向いた軸の周りの測定尺（１０）と走査装置（２０）の傾きとして定義され、そのような縦方向のズレが起こった場合に、第三走査信号（ＩＮＣ _G2 ）と増分トラック（１２）から生成される別の第一走査信号（ＩＮＣ _G1 ）が、そのような縦方向のズレに対して異なる作用を示し、その結果そのような縦方向のズレが起こった場合に、第三走査信号（ＩＮＣ _G2 ）を生成するための走査光路の長さが、別の走査信号（ＩＮＣ _G1 ）を生成するための走査光路の長さと異なり、走査信号（ＩＮＣ _G1 ，ＩＮＣ _G2 ）間に位相差（Δ _G1-G2 ）が生じることとなり、
   この場合、走査板（２３）は、少なくとも一つの第一の透明な窓領域（２３．１）と第二の透明な窓領域（２３．４）とを備えており、光源（２１）から放出された走査用の光束が、光コリメーター（２２）によりコリメーションされた後、一部の光束が、第一の透明な窓領域（２３．１）を通り抜けて、測定尺（１０）の増分トラック（１２）上に当たり、そこから走査板（２３）の方向に反射されて、第二の透明な窓領域（２３．４）を通過して、検出器（２４）の第一増分信号−検出器配列（２４．１）に当たり、一部の光束が、第二の透明な窓領域（２３．４）を通り抜けて、測定尺（１０）の絶対トラック（１３）上に当たり、そこから走査板（２３）の方向に反射されて、再び第二の透明な窓領域（２３．４）を通過して、検出器（２４）の絶対位置信号−検出器配列（２４．４）に当たるように構成されており、
   そして、走査板（２３）は、更に、少なくとも一つの走査構造（２３．２，２３．３）を備えており、光源（２１）から放出された走査用の光束が、光コリメーター（２２）によりコリメーションされた後、一部の光束が、走査構造（２３．２，２３．３）を通り抜けて、測定尺（１０）の増分トラック（１２）上に当たり、そこから再び走査板（２３）の方向に反射されて、第二の透明な窓領域（２３．４）を通過して、検出器（２４）の第二増分信号−検出器配列（２４．２ａ，２４．２ｂ）に当たるように構成されている、
   位置測定装置。
2. 生成した第三走査信号（ＩＮＣ_G2）が、別のトラック（１２，１３）からの走査信号（ＡＢＳ）と同じ縦方向のズレによる挙動を示す、請求項１に記載の位置測定装置。
3. 位置測定装置が、時として起こる縦方向のズレを捕捉するために、一つのトラックから生成した二つの走査信号（ＩＮＣ_G1，ＩＮＣ_G2）を相互に比較する比較器を更に組み込んでいる、請求項１または２に記載の位置測定装置。
4. 第二増分信号−検出器配列（２４．２ａ，２４．２ｂ）が、測定方向（ｘ）に第一増分信号−検出器配列（２４．１）と隣接して配置された少なくとも一つ検出器配列で構成される、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. 検出器が、位相がシフトした部分増分信号を生成する複数の長方形の検出エレメントから成る、構造を持った検出器配列として構成されている、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. 第二増分信号−検出器配列（２４．２ａ，２４．２ｂ）が、測定方向（ｘ）に第一増分信号−検出器配列（２４．１）と隣接して配置された同じ構成の二つの検出器配列で構成される、請求項１から５までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
7. 走査構造（２３．２，２３．３）は、周期的に配置された開口部を持ち、その開口部の最大幅（ｂ_AS）が、第二増分信号−検出器配列（２４．２ａ，２４．２ｂ）の構造を持った検出器配列に組み込まれた検出エレメントの幅（ｂ_DET ）より測定方向（ｘ）に対してより小さく選択されている、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. 当該の開口部が、余弦関数の波形に相当する境界を有する、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. 測定尺（１０）上の増分トラック（１２）が、長い分割周期（ＴＰ_G ）の第一増分部分と短い分割周期（ＴＰ_F ）の第二増分部分を有し、この二つの分割周期（ＴＰ_G ，ＴＰ_F ）が互いに整数倍の関係にある、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. 更に、第一増分信号−検出器配列（２４．１）が、短い信号周期（ＳＰ_F ）の細かい増分信号（ＩＮＣ_F ）を生成するのに適している、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。

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