JP4473054B2 - 位置測定器の光源を調整するための方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、請求項１の上位概念による位置測定器内の光源を調整するための装置及び請求項６による相応の方法に関する。
位置測定器にあっては、しばしば光源が使用され、この光源の光は、位置に依存して、例えばスケール又はインデックスディスクの形の相応の測定基準器によって変調される。変調された光は、通常、光検出器によって電気的な光電流へと変換され、従って、光源と測定基準器との間の相対的な位置は、位置に依存したこれらの光電流から算定することができる。
このような位置測定器の場合、光強度が時間と共に変化することが、例えば光強度が、運転時間の経過中の光源の老化によって低下することが生じる。光検出器によって感知される光強度が変化するために、しばしば測定品質を改善するために光源の調整が行なわれる。
特許文献１には、このような光源の調整をするための方法及び相応の装置が記載されている。この目的のため、そこでは、調整回路内で光強度の実測値として位置に依存した光電流の和が形成される。更に、この実測値は、固定して設定された不変の基準値と比較され、これにより、光源を調整するための調整差を算定する。このような調整装置は、汚れがある場合、特に測定基準器の汚れが大面積である場合、位置測定が何ら可能でないか、不正確又は不安定な位置測定しか可能でないという欠点を有する。
英国特許第２０５４１３５号明細書
従って、本発明の基本にある課題は、確実で、頑丈な、特に汚れに対して敏感でない高い精度を有する位置測定が可能である装置及び方法を提供することである。
この課題は、本発明によれば、請求項１もしくは請求項６の特徴によって解決される。
本発明によれば、光源を調整するために重要な基準値が、位置に依存した光電流に基づいて発生させられ、その際、位置に依存した光電流は、変調された光源の光を光検出器によって変換することによって生じる。光源の調整をするための調整差を設定するために更に必要な実測値は、位置に依存しない光電流に基づいて形成される。
光検出器及び基準値を発生させるための手段が、１つの同じＡＳＩＣに収容されていると有利である。
本発明の優れた形成にあっては、基準値を発生させるために、先ず、アナログ−デジタルコンバータで、位置に依存した光電流に基づく電気信号がデジタル化される。その後、これらのデジタルの値は次の処理を受ける。
本発明の有利な形成は、従属請求項から分かる。
位置測定器の光源を調整するための本発明による方法及び相応の装置の更なる詳細及び利点を、添付図を基にした実施例の後続の説明から明らかにする。
実施例の説明において、明瞭であるために同じ作用をする部品は、同じ符号を備えている。
図１に、概略的に、本発明を説明するために役立つ、調整装置を有する位置測定器の構造が示されている。この場合、この例ではＬＥＤ１として形成されている光源が図示されている。ＬＥＤ１の向かい側に、透明なスケール２の形の測定基準器が存在し、このスケール上に、光透過性の目盛り線が取り付けられている。更に、位置測定器は４つの光検出器３を備え、その際、スケール２は、光検出器３とＬＥＤ１の間に存在する。光検出器３は、示された例では、半導体要素、特にＡＳＩＣに統合されている。
この例では、比較的簡単な光学要素の形成が説明される。発明は、当然、本質的に複雑な光学装置を有する位置測定器にも適用できる。
スケール２は、図１及び２における２重矢印の方向にＬＥＤ１に対して相対的に摺動可能であり、その際、位置測定器によってスケール２とＬＥＤ１の間の相対位置が測定される。この目的のため、ＬＥＤ１から放出された光は、スケール２によって位置に依存して変調され、光検出器３において位置に依存した光電流Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°へと変換される。この方法で発生させられた位置に依存した光電流Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°は、理想的にサイン波形の経過を備え、それぞれ９０°の位相ズレを有する。その後、位置に依存した光電流Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°は、図１及び２には図示されてない評価用電子機器において次の処理を受け、従って、この評価用電子機器から最終的に設定すべき位置データが発生させられる。本発明は、正確に４つの光検出器３が使用されるか、もしくは４つの光電流Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°が評価される装置に限定されていない。ここでは、例えば２つ又は３つの光検出器も、その際相応に２つ又は３つの位置に依存した光電流も評価のために考慮することができる。
全ての位置に依存した光電流Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°の和から形成される平均の光電流は、理想的な場合には一定である。しかしながら例えばＬＥＤ１の強度が低下した場合、平均の光電流も低下する。しかしながら、特に、例えば液膜によってスケール２が汚れている場合、位置に依存した光電流Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°の平均値が、理想的な場合に対してほとんど変化しないままであり、しかしながら、位置に依存した光電流Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°の変調度が著しく低下していることがあり得る。即ち、理想的な場合にはほとんど光が入射しない、即ち暗くなくてはならない領域は、例えば散乱効果のために今やより明るいのである。これに対し、それ自身明るい領域は、汚れによってより暗くなる。即ち、平均の光電流からの位置に依存した光電流Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°の極値の逸脱は、より少なくなるか、もしくは変調度は低下させられる。低下させられた変調度は、より悪いもしくはより少ない測定信号振幅へと通じる。まさに変調度の低下へと通じる汚れと関係して、従来の位置測定器は著しい欠点を備える。
図１に示された例では、和発生器４でもってアナログの方法によって位置に依存した光電流Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°に基づいて和電圧が形成され、この和電圧は、同時に実測値Ｕ４として、ＬＥＤ１の強度を調整するための調整回路において使用される。その際、この実測値Ｕ４は、差増幅器６の形で形成されているコンパレータに供給され、そこでＬＥＤ１の調整のための実測値として使用される。
ＬＥＤ１の強度を調整するために必要な基準値Ｕ５は、基準値Ｕ５を発生させるための手段によって、示されたこの例では回路５によって設定される。物理的に、基準値Ｕ５は、電圧と見ることができる。示されたこの例では、その他に回路５が同じＡＳＩＣ上に存在し、このＡＳＩＣ上には、光検出器３も配設されている。
回路５及びその要素の機能方法を以下で説明する。先ず、位置測定器を接続した後、位置に依存した光電流Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°は、電流−電圧コンバータ５．１において光電圧Ｕ０°，Ｕ９０°，Ｕ１８０°，Ｕ２７０°に変換される。従って、位置に依存した光電流Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°に基づく光電圧Ｕ０°，Ｕ９０°，Ｕ１８０°，Ｕ２７０°の形のこれらの電気信号は、次に、アナログ−デジタルコンバータ５．２においてデジタル化され、即ちデジタルの値に変換される。光電圧Ｕ０°，Ｕ９０°，Ｕ１８０°，Ｕ２７０°に相当するこれらのデジタルの値から、第１の差Ａ＝Ｕ０°−Ｕ１８０°と第２の差Ｂ＝Ｕ９０°−Ｕ２７０°が形成される。これらの差Ａ及びＢは、計算モジュール５．３において２乗され、相応の２乗の和が設定される。その後、２乗の和から平方根が算定され、従って、この変換の結果として、位置測定器の作動中に実際に存在する指針長さＳ（Ｓ＝√（Ａ２＋Ｂ２）が設定される。
次のステップでは、メモリ要素から、ここではＥＰＲＯＭ５．４であるが、既に記憶されている基準指針長さＳＬの値が読み出される。示された実施例では、基準指針長さＳＬが、既に位置測定器のシステム構成において、即ち本来の測定開始の前に、継続的に記憶される。その際、基準指針長さＳＬの値は、位置測定器の全寿命にわたってもはや変更されない。
従って、基準指針長さＳＬの所定の値は、実際に存在する指針長さＳから差形成器５．５において減算され、従って、差Δ＝Ｓ−ＳＬが計算される。
その後、コンパレータ５．６において、差Δが所定の限界内に位置するか、しないかが点検される。即ち、Δが予め設定された下限ＬＬよりも大きいか、またΔが予め設定された上限ＬＨよりも小さいかが確かめられる。一般に、ここでは、第１の反復ステップにおいて、許容できないほど大きいが存在し、従って、基準値Ｙ（第１の反復ステップでは、ここではディフォルト値が設定されている）に対して、値Δが限界ＬＨもしくはＬＬの上又は下に位置するかに応じて、値Ｙｉが加算又は減算される。次に、新しい基準値Ｙ’＝Ｙ±Ｙｉは、基準値メモリ５．７内に登録される。この新しい基準値Ｙ’は、次にデジタル−アナログコンバータ５．８においてアナログの基準値Ｕ５（電圧）に変換され、この基準値は、上で述べたように、位置に依存した光電流Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°に基づく。
実際に存在する指針長さＳを設定するためのこの方法に対して選択的に、例えば、指針長さＳが位置に依存した光電流Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°の和に基づいて算定されるいわゆる和電流方法を使用することもできる。
アナログの基準値Ｕ５は、その後、差増幅器６に供給され、そこで基準値は、実測値Ｕ４と比較され、従って、ＬＥＤ１の強度を調整するための調整差が発生させられる。物理的に見て同様に電圧である調整差は、調整成分、示された実施例では、トランジスタ７、特にトランジスタ７のベースに印加される。この調整差に応じて、電流の高さもしくは振幅が生じ、この電流は、ＬＥＤ１へと供給される。ＬＥＤ１から放出される光の強度は、公知のように、ＬＥＤ１に供給された電流の高さの関数である。
このようにして行なわれる光強度の変化に応じて、位置に依存した光電流Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°の振幅も変化する。その際、これは、更にまた実際に存在する指針長さＳの値の変化に通じる。
コンパレータ５．６によって１つ又は複数の反復ステップを通過した後、差形成器５．５において実際に存在する指針長さＳと基準指針長さＳＬの所定の値の差Δが、所定の限界内に位置することが確定されるやいなや、相応の基準値Ｙが基準値メモリ５．７内に一定の時間にわたって記憶される。示されたこの例では、基準値Ｙが、位置測定器の次の接続に至るまで変化しないままになる。即ち、この時点から次の位置測定器の接続工程に至るまで破線で図示された回路要素は、もはやアクティブではない。即ち、この実施例では、それぞれ位置測定器の接続により基準値Ｕ５が点検され、場合によっては複数の反復ステップにより相応の値Ｙが記憶され、従って、基準値Ｕ５は、次の接続工程に至るまでＬＥＤ１の強度を調整するための調整回路において変化しないままである。
しかしながらまた、本発明の変形例にあっては、基準値Ｙが、永続的に位置測定器の運転の間点検することもできる。この場合、支点に依存した基準値Ｙの算定は、所定の時間間隔で、例えばトータル６８μｓで行なうことができるか、しかしながらまた位置に依存して行なうこともでき、例えば基準値Ｙは、トータル１００信号周期を設定することができる。
しかしながらまた、調整は、コンパレータ５．６が、運転の間、非常に大きな差Δを実際に存在する指針長さＳと基準指針長さＳＬの所定の値の間で確定する場合、運転の間、単にアラームだけが作動させるようにシステム構成することもできる。アラームの場合、その際、位置測定器は、新しくスタートさせることができ、従って、変更された基準値Ｙの新たな確定もしくは記憶が、基準値メモリ５．７においてスタートプロシージャによって行なわれる。
図２に、本発明の実施例が示されている。この場合、光検出器３；８は、光検出器の部分数によってスケール２により変調された光が位置に依存した光電流Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°へと変換されるように配設されている。即ち、基準値Ｕ５の算定は、光検出器、即ち光検出器３の部分数の光電流Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°だけに基づく。更に、この実施例では、基準値Ｕ５が、図１の例と同じ回路５で算定される。
図１の例に対する本質的な相違点は、この実施例では、変調されないＬＥＤ１の光が、光検出器８によって光電流に変換され、その際、この光電流が実測値Ｕ８のための基礎である点にある。即ち、ＬＥＤ１の強度を調整するために、実測値Ｕ８が使用され、この実測値が最終的に光検出器８によって発生させられ、この光検出器が、ＬＥＤ１から放出された光を感知し、この光が、スケール２によって位置に依存して変調されないのである。
次に、実測値Ｕ８は、図１の例でもそうであったように、差増幅器６に供給され、そこで実測値Ｕ８と基準値Ｕ５の比較が実施され、従って、ＬＥＤ１の強度を調整するための調整差が算定される。この場合、ここでも調整差は、電圧の形でトランジスタ７のベースに印加され、従って、ＬＥＤ１は、最終的にその高さが調整差に依存する電流を供給される。
この実施例では、実測値Ｕ８を算定するために複数の光電流による和形成を何ら行なう必要はなく、ここでは、直接一定の光の割合が光検出器８によって設定される。
示されたこれらの実施例では、基準値Ｕ５が、それぞれデジタルの方法によって設定される。しかしながらまた、本発明は、基準値Ｕ５がアナログ回路によって算定される装置及び方法も含む。
１ ＬＥＤ
２ スケール
３ 光検出器
４ 差発生器
５ 回路
５．１ 電流−電圧コンバータ
５．２ アナログ−デジタルコンバータ
５．３ 計算モジュール
５．４ ＥＰＲＯＭ
５．５ 差形成器
５．６ コンパレータ
５．７ 基準値メモリ
５．８ デジタル−アナログコンバータ
６ 差増幅器
７ トタンジスタ
Δ 差
Ａ 第１の差
Ｂ 第２の差
ＬＬ 下限
ＬＨ 上限
Ｓ 指針長さ
ＳＬ 基準指針長さ
Ｕ４ 実測値
Ｕ５ 基準値
Ｙ 基準値
Ｙ’ 新しい基準値
Ｙｉ 値
Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０° 位置に依存した光電流
Ｕ０°，Ｕ９０°，Ｕ１８０°，Ｕ２７０° 光電圧
２ スケール
３ 光検出器
４ 差発生器
５ 回路
５．１ 電流−電圧コンバータ
５．２ アナログ−デジタルコンバータ
５．３ 計算モジュール
５．４ ＥＰＲＯＭ
５．５ 差形成器
５．６ コンパレータ
５．７ 基準値メモリ
５．８ デジタル−アナログコンバータ
６ 差増幅器
７ トタンジスタ
Δ 差
Ａ 第１の差
Ｂ 第２の差
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ＳＬ 基準指針長さ
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Ｙ 基準値
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Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０° 位置に依存した光電流
Ｕ０°，Ｕ９０°，Ｕ１８０°，Ｕ２７０° 光電圧
Claims (11)
- 光源（１）に対して相対的に摺動可能なスケール（２）を有し、
複数の光検出器（３；８）を有し、この光検出器によって、光源（１）から放出された光が、光電流（Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°；Ｉ８）へと変換可能であり、光検出器の少なくとも１つ（８）の光電流（Ｉ ８ ）が、実測値（Ｕ ８ ）を形成するための基礎として使用可能であり、光検出器（３）の部分数によってスケール（２）により変調された光が位置に依存した光電流（Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°）へと変換可能であるように光検出器（３）が配設されており、
基準値（Ｕ５）を発生させるための手段（５）を有し、そして、
コンパレータ（６）を有し、このコンパレータによって、光源（１）の強度を調整するための調整差を発生させるために、実測値（Ｕ ８ ）と基準値（Ｕ５）の比較が実施可能である
位置測定器の光源（１）を調整するための装置において、
手段（５）によって、位置に依存した光電流（Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°）に基づいた基準値（Ｕ５）が発生可能であり、実測値（Ｕ ８ ）が、光源（１）から放出された、スケール（２）によって位置に依存して変調されない光を感知する光検出器（８）によって発生可能であることを特徴とする装置。 - 基準値（Ｕ５）を発生させるための手段（５）が、位置に依存した光電流（Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°）に基づく信号の指針長さ（Ｓ）を形成するための計算モジュール（５．３）を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 基準値（Ｕ５）を発生させるための手段（５）が、位置に依存した光電流（Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°）に基づく信号をデジタル化するためのアナログ−デジタルコンバータ（５．２）を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
- 基準値（Ｕ５）を発生させるための手段（５）が、アナログの基準値（Ｕ５）を準備するためのデジタル−アナログコンバータ（５．８）を備えることを特徴とする請求項３に記載の装置。
- 光検出器（３；８）及び基準値（Ｕ５）を発生させるための手段（５）が、半導体要素に統合されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の装置。
- 放出された光の少なくとも一部が、光源（１）に対して相対的に摺動可能なスケール（２）によって変調され、これにより、変調された光によって、光検出器（３）の部分数により位置に依存した光電流（Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°）が発生させられる、光源（１）から放出される光を光検出器（３；８）によって光電流（Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°；Ｉ８）へと変換するステップと、
光電流の少なくとも１つ（Ｉ ８ ）に基づいて実測値（Ｕ ８ ）を発生させるステップと、
位置に依存した光電流（Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°）に基づいて基準値（Ｕ５）を発生させるステップと、そして、
光源（１）の強度を調整するための調整差を発生させるために基準値（Ｕ５）と実測値（Ｕ ８ ）を比較するステップと、
を有し、
使用される実測値（Ｕ ８ ）が、光源（１）から放出された、スケール（２）によって位置に依存して変調されない光を感知する光検出器（８）によって発生される、
位置測定器の光源（１）を調整するための方法。 - 実測値（Ｕ ８ ）が、アナログの方法によって発生させられることを特徴とする請求項６に記載の方法。
- 基準値（Ｕ５）を発生させるため、位置に依存した光電流（Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°）に基づく電気信号がデジタル化されることを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。
- 基準値（Ｕ５）を発生させるため、位置に依存した光電流（Ｉ０°，Ｉ９０°，Ｉ１８０°，Ｉ２７０°）に基づく電気信号の指針長さ（Ｓ）が形成されることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１つに記載の方法。
- 所定の値を有する指針長さ（Ｓ）が、基準指針長さ（ＳＬ）と比較され、指針長さ（Ｓ）と基準指針長さ（ＳＬ）の差（Δ）が所定の限界内に位置するまでの間、基準値（Ｕ５）が変更されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
- デジタル化の後及びデジタル化された値の次処理の後、基準値（Ｕ５）を準備するためにデジタル−アナログ変換が行なわれることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１つに記載の方法。
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