JP4447875B2 - 絶対位置を測定する方法 - Google Patents

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Description

本発明は、請求項1に記載の絶対位置を測定する方法及びこの方法を実施するためのエンコーダに関する。
アブソリュートエンコーダが、多くの分野で互いに移動する2つの物体を測定するために益々使用されている。アブソリュートエンコーダは、インクリメンタル測定系に比べて正しい位置情報が供給エネルギーの遮断後でも各相対位置で即座に出力され得るという利点を奏する。
この場合、絶対位置は、互いに平行に延在する多数のトラックに沿って、例えばグレイコードとして配列されているコードによって実現される。
測定方向に沿って相前後して配置された複数のコード素子を有するただ1本のコードトラック内の位置情報の配列が特に場所を節約する。この場合、これらのコード素子は、擬似乱数分布で相前後して配置されている。その結果、所定の数の相前後するコード素子がそれぞれ、絶対位置をコード語として一義的に定義するコードパターン又はビットパターンを構成する。走査装置が1コード素子だけシフトした場合、新しいコードパターンが既に形成される。そして、連続した異なるコード語が、検出すべき絶対測定範囲の全体にわたって任意に使用可能になる。このようなシーケンシャルコードは、チェインコード又は擬似ランダムコードと呼ばれる。
エンコーダの場合、誤りが、例えばスケールの部分的な汚れによってコード語を構成するビット列内に発生する。これらの誤りは、絶対位置の誤りのある測定を引き起こす。
このような誤りを認識する方法が既に提唱されている。この目的のために、ヨーロッパ特許第 0 789 226号明細書中には、少なくとも3つの完全に異なるコードパターンを走査装置のスケールによって同時に走査すること、これからコード語を生成することが提唱される。コード語の実際の距離が、目標の距離と比較される。これによって、正しいと認識された瞬間の絶対位置を測定するための1つのコード語が、同時に検出されたコード語から使用され、誤りありと認識されたコード語が、別の処理によって排除される。
エンコーダの信頼性又は動作確実性が、この方法によって向上する。ビット列の1ビットだけに誤りがあるときに、コード語が誤りありとして既に除去される点が欠点である。エンコーダの高い信頼性と動作確実性を得るためには、多数のコード語を同時に走査する必要がある。
ドイツ連邦共和国特許第195 06 019号明細書中には、誤りを認識する方法が記されている。この場合、位置が変化したときに、新しいコード語が、先行する測定ステップ又は後続する測定ステップに一致することを基礎にする。新しいコード語が隣のコード語に一致するときにだけ、1つの絶対位置がこの新しいコード語に割り当てられる。誤りを特定する誤りルーチンも周知である。この場合、新しいコード語のビットが、連続して反転され、一致するまで隣のコード語の対応するビットと比較される。このルーチンは、新しいコード語が隣のコード語に一致することが確認されるまで実行される。一致するまで反転されなければならないこれらのビットが、誤りありと認識される。誤りを伴って作動する検出素子が認識され得る。
誤り検査が、この方法によって1回だけ可能である。
本発明の課題は、誤り耐性が保証され、それにもかかわらず絶対位置の信頼性の高い測定が保証される方法を提供することにある。
この課題は、本発明により、多数のコードパターンの各コードパターンが、1つの絶対位置を一義的に決定し且つ複数のコード素子C1,C2,C3から構成され、当該多数のコードパターンから1つのコードパターンを走査し、走査されたこのコードパターンから複数のビットを有する1つのコード語CWを生成し、1つのコード語を生成するこのコードパターンに加えて、別の複数のコード素子を走査し、冗長な複数のビットをこれらの別のコード素子から生成し、前記コード語CWの複数のビット及びこれらの冗長なビットの信頼性を検査し、これらのビットのうちの1つのビットが、設定されている複数の基準値を超えない時に、1つの誤り識別子Fが、このビットに割り当てられ、多数のビット列を設定し、この場合、1つの絶対位置が、これらのビット列の各々に一義的に割当てられていて、前記コード語CWの複数のビットを当該設定されている多数のビット列と比較し、前記冗長なビットをこれらの設定されているビット列に対応する複数のビットと比較し、全てのビットが一致した時に、この一致時に対応する絶対位置をそのコード語CWに割り当て、この場合、1つの誤り識別子Fを有する前記ビットが、この比較時に前記設定されているビット列に対応するビットに一致すると常にみなされる方法によって解決される。
この方法を実施するエンコーダが、請求項8中に記載されている。
本発明によって得られる利点は、誤りのある全てのコード語を除去する必要がない点にある。1つのコード語内の個々の誤りのあるビットが、この方法によって許容される。1つの正しい絶対位置が比較的小さいコード範囲を走査することによって検出され得る確率が非常に大きい。それ故に本発明によれば、エンコーダの動作信頼性及び機能性が向上する。
本発明の好適な構成は、従属請求項中に記載されている。
本発明を図面に基づいて詳しく説明する。
図1中には、エンコーダが概略的に示されている。このエンコーダは、光学的な走査原理にしたがって作動する。この光学的な走査原理の場合、1つのシーケンシャルコードCが透過光法で走査される。走査装置AEが、このシーケンシャルコードCを走査するために使用される。この走査装置AEは、測定方向xに沿ってこのシーケンシャルコードCに対して相対移動可能に配置されている。
このシーケンシャルコードCは、測定方向xに沿って相前後して配置された連続する同一長さのコード素子C1,C2,C3から構成される。各コード素子C1,C2,C3は、同様に測定方向xに沿って直に隣接して相前後して配置された同一長さの2つの部分領域C1A,C1B;C2A,C2B;C3A,C3Bから構成される。これらの部分領域は、互いに補完的に構成されている。この場合、補完とは、これらの部分領域が逆の特性を呈する。すなわち、光学式の走査原理の場合は透過性と非透過性である。つまり、照射式の走査の場合は反射性又は非反射性である。このようなコードは、マンチェスターコードと呼ばれる。
シーケンシャルコードCは、走査装置AEによって走査される。この走査装置AEは、光源Lを有する。この光源Lの光が、コリメーターレンズKを介して相前後する多数のコード素子C1,C2,C3を照射する。この光は、シーケンシャルコードCによって位置に依存して変調される。その結果、位置に依存する光分布が、このシーケンシャルコードCの後方で発生する。この光分布は、走査装置AEの検出ユニットDによって検出される。
この検出ユニットDは、測定方向Xに沿って配置された連続する複数の検出素子D1〜D11を有するラインセンサである。少なくとも1つの検出素子D1〜D11が、各相対位置でコード素子C1,C2,C3の各部分領域C1A,C1B;C2A,C2B;C3A,C3Bに一義的に割当てられている。その結果、シーケンシャルコードCに対する検出ユニットDの各相対位置で、1つの走査信号S1A,S3Bが、当該各部分領域から得られる。これらの走査信号S1A〜S3は、評価ユニットAWに入力される。この評価ユニットAWは、コード素子C1,C2,C3の両部分領域C1A,C1B;C2A,C2B;C3A,C3Bの両走査信号S1A,S1B;S2A,S2B;S3A,S3Bをそれぞれ互いに比較し、この比較によって各コード素子C1,C2,C3に対して1つのデジタル語つまり1つのビットB1,B2,B3を生成する。マンチェスターコードCの場合、デジタル語B1は、部分領域C1A,C1Bに依存する。連続する多数のデジタル語B1,B2,B3は、絶対位置を定義する1つのコード語CWを生成する。検出ユニットDがシーケンシャルコードCに対して1つのコード素子C1,C2,C3の幅つまり長さだけシフトした場合、1つの新しいコード語CWが生成される。多数の異なるコード語CWが、測定すべき絶対測定範囲にわたって生成される。
図1は、走査装置AEに対するシーケンシャルコードCの瞬間位置を示す。これらの検出素子D1〜D11は、このシーケンシャルコードCの1つの部分領域C1A〜C3Bの半分の幅の間隔で相前後して配置されている。これによって、少なくとも1つの検出素子D1〜D11が、各位置で1つの部分領域C1A〜C3Bに一義的に割当てられていて、2つの部分領域C1A〜C3B間の遷移部分を走査しないことが保証される。この示された位置では、部分領域C1Aが検出素子D1によって走査され、部分領域C1Bが検出素子D3によって走査される。これらの検出素子D1,D3は、光分布を検出し、光度に応じてその光度に比例するアナログ走査信号S1A,S1Bを生成する。これらの両部分領域C1A,C1Bは互いに補完的に構成されているので、走査信号S1A,S1Bの強度も互いに逆である。すなわち、信号レベルが、互いに大きく離れている。
コード素子C1の両走査信号S1A,S1Bのうちのどちらの走査信号が大きいかが検査されるという方法で、この信号差が、二進情報B1を生成するためだけに利用される。この検査は、除算又は減算によって実行される。この例では、減算が使用される。これに対して図1では、トリガー構成要素T1が比較装置として使用される。このトリガー構成要素T1は、S1AがS1Bよりも小さいときにB1=0を生成し、S1AがS1Bよりも大きいときにB1=1を生成する。同様に、二進情報B2,B3が、コード素子C2,C3を走査してコード素子C2,C3それぞれの部分領域C2A,C2B;C3A,C3Bのアナログ信号S2A,S2B;S3A,S3Bを比較することによってトリガー構成要素T2,T3を通じて得られる。
第1デジタル語が、互いに構成された補完的な部分領域C1A,C1Bの第1順序に割当てられる。第2デジタル語が、互いに構成された補完的な部分領域C2A,C2Bの第2順序に割当てられる。この例では、値0が、順序opak→transparentに割当てられる。値1が、順序transparent→opakに割当てられる。
各コード素子C1,C2,C3の両部分領域C1A,C1B;C2A,C2B;C3A,C3Bが互いに補完的であるので、走査信号SのSN比が非常に大きい。当該両部分領域アナログ走査信号S1A〜S3Bが、光源Lの光度の変化に均質に作用する。
1つのコード素子C1,C2,C3の2つの部分領域C1A,C1B;C2A,C2B;C3A,C3Bのそれぞれが補完的に構成されているために、エンコーダの正常な動作時に、アナログ走査信号S1A〜S3Bがそれぞれ部分領域C1A,C1B;C2A,C2B;C3A,C3Bを走査することによって生成される。これらのアナログ走査信号S1A〜S3Bの差が、設定されている基準値を超える。良好な誤り検査が、この差の値を考慮することによって可能である。この差の値が設定されている基準値に満たないときは、二進情報B1が信頼できず、それ故に1つの誤り識別子Fが、この二進情報B1に対して生成されることを、この誤り検査は基礎にする。
この誤り信号Fを生成する原理は、図2中ではコード素子C1に基づいて示されている。コード素子C1のアナログ走査信号S1A,S1Bが、誤り検査装置Pに入力される。この誤り検査装置Pは、減算(S1A−S1B)によってS1AとS1Bとを比較し、その差の値が、設定されている比較値(基準値)を超えるか又は超えないかを検査する。差の値(S1A−S1B)が設定されている当該比較値Vを超えないときは、誤り識別子Fが出力される。図3中には、信号状況が示されている。この誤り検査は、1つのコード語CWの全てのビットB1,B2,B3を生成するアナログ走査信号に対して実行される。
生成されたビットB1,B2,B3の信頼性が、アナログ走査信号S1A〜S3Bのこの誤り検査によって検査される。設定されている複数の基準値−この例ではビットB1,B2,B3を生成するために使用される2つのアナログ走査信号S1A,S1Bの信号振幅−を超えない時に1つの誤り識別子Fが、信頼できないとみなされたこのビットに割当てられる。
各コード素子C1,C2,C3の測定方向Xに沿って直に隣接して相前後する両部分領域C1A,C1B;C2A,C2B;C3A,C3Bの配置には、検出素子D1〜D11が僅かな間隔で測定方向Xに沿って相前後して配置できると同時に、エンコーダがシーケンシャルコードCに対する検出ユニットの回転に対して、すなわちモアレ変動に対して鈍感であるという利点がある。さらに、コード素子C1,C2,C3の両部分領域C1A,C1B;C2A,C2B;C3A,C3Bが均質に影響を受けることが基礎とされ得るので、妨害感受性が汚れに対して僅かである。
当該誤り検査は、それぞれ2つの部分領域C1A,C1B;C2A,C2B;C3A,C3Bのデジタル走査信号に基づいても実行され得る。コード素子の部分領域C1A,C1B;C2A,C2B;C3A,C3Bのデジタル走査信号が互いに逆(0→1又は1→0)でないと認識されるときに、1つの誤り識別子が出力される。
絶対位置を走査されたコード語CWから測定するため(デコーディング)、多数の方法が公知である。これらの全ての方法は、それぞれNビットを有する多数のビット列が設けられ、1つの絶対位置がこれらの各ビット列に一義的に割当てられている点で一致する。この場合、これらの設けられている多数のビット列は、シーケンシャルコードCの走査によって正常な動作時に生成可能な多数のコード語CWに一致する。したがって、走査された1つのコード語CWのN個のビットをこれらの設けられている多数のビット列のそれぞれN個のビットと比較することによって、1つの絶対位置が、各コード語CWに一義的に割当てられ得る。
複数のビット列を設定するための可能性は、ROMの形態の割当て表を有する記憶器を設けることである。位置に対するビット列が、割当て表としてこの記憶器内に記憶されている。絶対位置を1つの走査されたコード語CWに割当てるため、すなわちデコーディングのため、このコード語CWが割当て表に対するアドレスを生成する。その結果、このアドレスに割当てられた位置が出力部に出力される(図4参照)。コード語CWを標準化するため、このディコーディングが必要である。従来のデコーディングは、二進コードへの変換である。この例では、CW=111→位置1=000;CW=110→位置2=001;CW=101→位置3=010等である。
複数のビット列を設定するためのもう1つの可能性は、所定の生成規則による生成である。この場合、生成ステップが、絶対位置を一義的に規定する。この場合、多数のビット列が、1つのビット列から出発して計算によって又は論理素子(多くの場合、NORゲート)によって生成される。さらに生成規則及び回路は、例えば文献:Digital displacement transducer using pseude−random binary sequences and a microprocessor, by B.E. Jones und K. Zia in Trans Inst MC Vol 3, No 1, Jan−Mar 1981, Seiten 13 bis 20中に明瞭に記されている。
本発明によれば、1つのコード語CWを生成する1つのコードパターンに加えて、のコード素子、すなわちもう1つのパターン、特にもう1つのコードパターンの少なくとも一部が走査される。追加の冗長なビットが、こののパターン、特にもう1つのコードパターンの少なくとも一部を走査することによって生成される。例えば上述したアナログ走査信号S1A〜S3Bの振幅の上述した検査が実行されることによって、コード語CWの複数のビット及びこれらの冗長なビットの信頼性が検査される。このコード語CWのN個のビットに加えて、これらの追加の冗長なビットも、設定されている多数のビット列に対応するビットと比較される。この比較の場合、信頼できないと認識されたビットが考慮されない(比較時に、信頼できないと認識されたビットが、設定されているビット列に対応するビットに一致すると常にみなされる)。N個のビット及び追加の冗長なビットが、設定されている多数のビット列の全てと比較される場合、相前後するビット列に記憶された絶対位置が、比較コード語CWに割当てられる。この位置は一義的である。複数の一致が比較時に発見された場合、非常に多数のビットが信頼できず、さらなるエラールーチンが必要であるか、又は、エラーメッセージが出力される。何故なら、一義的な絶対位置が、当該位置に対して測定できないからである。
もう1つのエラールーチンは、例えば実際の位置と最後の位置との間の変化量、設定されている1つの(基準値)だけに達し得ることを基礎にする点にある。複数の一致が比較時に発見された場合、複数の位置のうちのその位置が有効と解釈される。この位置とその最後の位置とのが、設定されているこの値(基準値)を超えないか、又は、このが、その最後に測定された位置に最も近い位置に存在する。
最後に測定された位置の隣接領域に対する比較が考慮されることも可能である。
本発明を図4,5a〜5fを用いて具体的な例でさらに詳しく説明する。
図4では、最大で8個の異なるコード語と同時に、8個の異なる位置も、3桁の語によって一義的に識別可能である。最初の行では、シリアルで1トラックだけのサイクリックな擬似ランダムコード(PRC)のビット列が適用されている。全ての可能性が適用されているので、この並びは、最大長シーケンスとも呼ばれる。
図4中のこの最初の行の下には、8個の異なる位置の各々に対して走査されたコード語が示されている。これらのコード語はそれぞれ、最初の3つのビットによって構成される。この例では、その次のコード語がそれぞれ冗長な情報として走査される。これらの追加のビットはイタリック体で示されている。この最大長シーケンスは、好ましくは角度の測定に使用される。この場合、この最大長シーケンスは非公開で使用される。
比較ルーチンを図5a〜5fに基づいて2.位置の例に対して説明する。この場合、信頼できないと認識されたビットは、Fでマークされている。Fでマークされたこれらのビットは、比較結果として一致していると常にみなされる。比較時のビットの1つの一致は、図5a〜5e中ではXでマークされている。
図5aでは、誤りのあるビットが走査中に含まれないことが示されている。その結果、8個の比較位置の1回の比較だけで全てのビットが一致する。したがってこの位置は、一義的に測定可能可能であり、有効と評価される。
図5bでは、走査されたビットのうちの1つのビットが誤り識別子Fでマークされている。このビットは比較時に考慮されない(比較時に、設定されているビット列に対応するビットに一致すると常にみなされる)にもかかわらず、この位置は一義的に測定可能である。
図5cでは、走査によって得られた2つのビットが誤り識別子Fでマークされている。ここでも、1つの位置が一義的に測定可能である。
図5dでは、3つのビットが、信頼できないとしてマークされているのにもかかわらず、位置が一義的に測定可能である。
図5eでは、その他の地点以外の3つのビットが信頼できないとしてマークされている。この場合、2つの一致が比較時に発見される。その結果、位置が一義的に測定不可能である。
図5fでは、ビットが信頼できると認識されたこと、それにもかかわらず一致しないことが比較時に発見されたことが分かる。このことは、少なくとも1つの誤りのあるビットが走査中に含まれていることを意味する。しかしこの誤りのあるビットは、誤り検査装置Pによって確認されなかった。このことから、この誤り検査装置の不確実な動作が確認可能である。
冗長に走査され且つ比較のために使用されたこれらのビットは、好ましくはコード語CWに直に隣接したビットである。しかし、このことは必要条件ではない。冗長に走査された複数のビットが、設定されている並びから成る複数のビットと正確な位置で比較されることだけが重要である。
本発明は、特に好ましくはシーケンシャルでサイクリックなマンチェスターコードで使用可能ある。しかし本発明は、このコードに限定されるのではなくて、多重トラックのコード化にも使用可能である。この場合、各コード素子は、ただ1つの領域だけから構成してもよい。その結果、各ビットは、1つのアナログ走査信号だけから得られる。このとき、このビットの信頼性を検査するため、この走査信号は、公知の方法で1つの目標振幅と比較される。
本発明は、光学式の走査原理で特に有効に使用可能である。しかし本発明は、この走査原理に限定されるのではなくて、磁気式の走査原理、誘導式の走査原理及び容量式の走査原理でも使用可能である。
本発明のエンコーダは、直線移動又は回転移動を測定するために使用され得る。この場合、測定すべき物体は、工作機械や座標測定機の台及びキャリッジ又は電動機の回転子や固定子でもよい。
エンコーダを概略的に示す。 誤り検査の原理を示す。 図2の誤り検査に対する信号を示す。 冗長な走査部分を有する可能なコード語及び割当てられた絶対位置を示す。 誤りを伴って走査されたビットを有しない比較ルーチンを示す。 誤りありと認識された1つのビットを有する比較ルーチンを示す。 誤りありと認識された2つのビットを有する比較ルーチンを示す。 誤りありと認識された3つのビットの第1の配列を有する比較ルーチンを示す。 誤りありと認識された3つのビットの第2の配列を有する比較ルーチンを示す。 誤りはあるものの誤りありとして認識されなかったビットを有する比較ルーチンを示す。
AE 走査装置
L 光源
K コリメーターレンズ
D 検出ユニット
D1〜D11 検出素子
AW 評価装置
B1,B2,B3 デジタル語
シーケンシャルコード
C1 コード素子
C2 コード素子
C3 コード素子
C1〜C3 コードパターン
T1〜T3 トリガー構成要素
C1A,C1B;C2A,C2B;C3A,C3B 部分領域
CW コード語
F 誤り識別子
S1A〜S3B アナログ走査信号
V 比較値(基準値)
誤り検査装置

Claims (8)

  1. 以下の方法ステップによって1つの絶対位置を測定する方法:
    多数のコードパターンの各コードパターンが、1つの絶対位置を一義的に決定且つ複数のコード素子(C1,C2,C3)から構成され、当該多数のコードパターンから1つのコードパターンを走査し
    走査されたこのコードパターンから複数のビットを有する1つのコード語(CW)を生成し、
    1つのコード語を生成するこのコードパターンに加えて、別の複数のコード素子を走査し、
    −冗長な複数のビットをこれらの別のコード素子から生成し、
    前記コード語(CW)の複数のビット及びこれらの冗長なビットの信頼性を検査し、これらのビットのうちの1つのビットが、設定されている複数の基準値を超えない時に、1つの誤り識別子(F)がこのビットに割り当てられ
    −多数のビット列を設定し、この場合、1つの絶対位置が、これらのビット列の各々に一義的に割当てられていて、
    前記コード語(CW)の複数のビットを当該設定されている多数のビット列と比較し、前記冗長なビットをこれらの設定されているビット列に対応する複数のビットと比較し、全てのビットが一致した時に、この一致時に対応する絶対位置をそのコード語(CW)に割り当て、この場合、1つの誤り識別子(F)を有する前記ビットが、この比較時に前記設定されているビット列に対応するビットに一致すると常にみなされる方法
  2. 前記別のコード素子は、別の多数のコードパターンのうちの1つのコードパターンの少なくとも一部である請求項1に記載の方法。
  3. 多数のアナログ走査信号(S)が、前記コードパターンを走査することによって生成され、これらのアナログ走査信号(S)のうちの少なくとも1つのアナログ走査信号が、1つのビットを生成するために使用される請求項1又は2に記載の方法。
  4. 信頼性の検査時に、前記ビットを生成するために使用された前記アナログ走査信号の信号振幅が、1つの目標振幅と比較される請求項3に記載の方法。
  5. 2つのアナログ走査信号(S1A,S1B)が、1つのビットを生成するために使用され、このビット信頼性検査時に、これらの両アナログ走査信号(S1A,S1B)の差が、目標の差(V)としての前記基準値と比較される請求項3に記載の方法。
  6. 前記多数のビット列の設定及びこれらのビット列の各々の1つの絶対位置の前記割当ては、記憶された割当て表によって実行される請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記多数のビット列の設定及びこれらのビット列の各々の1つの絶対位置の前記割当ては、生成規則にしたがって実行される請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法を実行するエンコーダ。
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