JP4714333B2 - 測定スケールおよび測定システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は物体の絶対位置の測定に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一軸式増分位置エンコーダ（single-axis incremental position encoder)は、一つの軸に沿う二つの物体の相対運動を測定するための装置である。典型的なものとしては、一方の物体にスケールが、他方の物体には読取りヘッドが取付けられ、このスケールは一定の間隔で設けられたマークをその上に有している。読取りヘッドは、このスケールを照明する光源と、スケールのマークを検出する一つ或いは複数のセンサを具えている。最も簡単な場合には、読取りヘッドはマークを数えて位置の軌道を維持するように出力を提供する。通常、読取りヘッドは電子的な幾つかの補間を行い、スケール上のマークを直接数えることによって得られるよりも高い有効解像度が得られるようにしている。或る場合にはこの出力はアナログであり（二つの正弦曲線の定積分であることが多い）、読取りヘッドの外部の電子装置によって補間を行うようにしている。このように、増分エンコーダはスケールに沿う読取りヘッドの位置についての知識を持たない。しかし、この目的のために基準マークをスケールの上或いは側に設けてもよい。読取りヘッドのセンサはこの基準マークを検出可能であり、これは基準位置を規定している。
【０００３】
二軸式増分位置エンコーダ（dual-axis incremental position encoder）も存在している。最も簡単な場合には、これらのエンコーダは互いに直角に取付けられた二つの読取りヘッドと、二つの直交方向に周期性を有するスケールとを具え、各ヘッドは前記二つの方向のそれぞれにおける増分運動を測定するように構成されている。他の場合においては、例えば、米国特許第 5,204,524号に示されているように前記両読取りヘッドは互いに組み合わされている。二軸式増分エンコーダは相手方の一軸側と同様に作動するが、典型的には運動の二軸に対応する二組の別々の出力を生成する。
【０００４】
一軸式絶対エンコーダ（single axis absolute encoder）の読取りヘッドは、二進ビットとしてデータが書き込まれているスケール上を上下に移動する。これらのビットを読取ることによって、読取りヘッドがスケールの上を通過する際に、一つの検出器或いは同時に複数の検出器によって、読取りヘッドはそれの絶対位置を決めることができる。この位置は、シリアルインターフェースによって読取りヘッドから制御システムに通常伝えられる。
【０００５】
ハイブリッド型増分絶対一軸位置エンコーダ（Hybrid incremental-absolute single-axis position encoders）も存在している。絶対エンコーダよりも細かな解像度を有する増分エンコーダを作ることは可能であるので、多くの絶対エンコーダは増分チャンネルをも組み込んでいる。絶対チャンネルは増分チャンネルの一期間（period）に正確な絶対位置を与え、増分チャンネルの補間は絶対位置に増分チャンネルのこの期間内で所望の細かい解像度を与える。互いに組み合わされて両方のシステムは、絶対位置に細かい解像度を与えるべく協力して作動する。
【０００６】
「一軸式」エンコーダは、直線スケールを用いて直線位置を、湾曲スケールを用いて角位置を、或いは任意の直線、曲線に沿う位置を読み取ることができる。「二軸式」エンコーダは、一平面内の直交する二方向のそれぞれにおける位置、円筒表面上の位置、或いは任意の曲面又は平面上の位置を読み取ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
増分エンコーダには少なくとも二つの欠点がある。
【０００８】
増分エンコーダが通電された時点では、その読取りヘッドの位置を知る方法がない。読取りヘッドがスケールに対して動かされ、基準位置を見つけることが必要である。或る用途（例えばリニアモータ等）においては、絶対位置を知るまでは読取りヘッドを動かすことができない。
【０００９】
電力が遮断された場合、或いは読取りヘッドが一時的にスケール読取り能力を失った場合には、読取りヘッドの位置が判らなくなる。或る用途（例えば、プリント回路基板の取上げおよび載置機械等）では、基準位置を見出す操作によって工作物や機械が損傷することがある。
【００１０】
運動の二軸を測定する必要がある場合におけるこれらの問題の一つの解決策は、二つの一軸式絶対エンコーダを使用することである。しかし、多くの用途において、これは不可能である。もう一つの欠点は、読取りヘッドと測定を要する点との間に必要である距離のためにアッベの誤差（Abbe errors)が生じることである。或る場合には、いずれにしても更にコンパクトな装置が必要である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、少なくとも一方向に延びるほぼ一定のピッチを有する読取りできるビットを具え、測定を可能にするための測定スケール（１）であって、該ビットの少なくとも一つのサブセット（８）が前記少なくとも一方向における絶対位置を規定するように構成され、且つ前記測定が増分測定を含んでいることを特徴とする測定スケールが提供される。
【００１２】
有利には、各サブセットの境界がシンボルによって規定されている。 好ましくは、ビットは、各領域が１ビットを規定して二方向に延びる領域のマトリックスとして形成され、前記少なくとも一つのサブセットが、前記二方向の少なくとも一方における絶対位置を規定するための前記領域のブロックである。
【００１３】
一実施の形態では、前記領域がほぼチェック柄のパターンを形成し、前記少なくとも一つのサブセットの領域が、該サブセットの一つ以上の領域の光学的特性の変化によって一般のパターンとの違いを識別可能である。
【００１４】
好ましくは、前記二方向が直交する二方向である。
【００１５】
本発明の第２の態様によれば、二方向に延びるほぼ一定のピッチを有する読取りできるビットを具え、測定を可能にするための測定スケール（１）であって、該ビットの少なくとも一つのサブセット（８）が前記二方向における絶対位置を規定するように構成されていることを特徴とする測定スケールが提供される。
【００１６】
本発明の第３の態様によれば、前述のスケールと、絶対位置を決めるためにサブセットを読取るスケール読取り装置とを具えることを特徴とする二方向における絶対位置を測定するためのシステムが提供される。
【００１７】
好ましくは、スケール読取り装置は、スケールを光学的に読取るように構成された光検出器を有する光学的読取り装置である。検出器が光検出器の列であり、読取り装置が、スケールのビットの画像を検出器上に結ばせるためのマイクロレンズ列を含んでもよい。
【００１８】
好ましくは、システムがスケールの照明装置を具え、照明装置は、スケールとスケール読取り装置との間の相対運動の際に読取り装置に対して実質的に瞬間的な画像を提供すべく、光の短いフラッシュを発するように構成され、そして、読取り装置が、相対運動の際にビットの少なくとも一つのサブセットの全体を読取るように構成されている。
【００１９】
本発明の第４の態様によれば、二方向における絶対位置を測定するためのシステムであって、ビットのマトリックスが設けられたスケールと該スケールに関して二方向に相対的に可動のスケール読取り装置とを具え、マトリックスは二方向のそれぞれにおける異なる絶対位置を規定するための異なるビットのサブセットを有し、且つスケール読取り装置は、読み取ったサブセットから二方向においてスケール上における読取り装置の絶対位置を求めるためにビットを読取るように構成されていることを特徴とするシステムが提供される。
【００２０】
好ましくは、ビットのマトリックスは、増分の測定を行うことを可能にしている。
【００２１】
本発明の第５の態様によれば、スケール上で絶対位置を測定するための方法であって、ビットのマトリックスと、ワードとして形成されたビットのサブセットとを具えたスケールを準備し、スケール画像検出器を有するスケール読取り装置を準備し、該検出器に少なくとも一つのワードの全体の画像を形成し、該画像を捕捉し、そして
該ワードによって規定された絶対位置を得るべく該画像を解読するステップを含むことを特徴とする方法が提供される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
添付の図面を参照して、例示によって本発明を説明する。
【００２３】
以下に述べるエンコーダの例においては、表面が正方形の領域すなわち「セル」のマトリックスに分割されているプレート（以後「スケール」と称する）が設けられている。それぞれのセルは１ビットの情報を含んでいる。（これらのビットは二値レベル又は多値レベル、或いはアナログ・レベルであってもよい。）これらのビットは電子式読取り装置（以後「読取りヘッド」と称する）によって読取り可能である。これらのビットは光学的、磁気的、電気容量的、電気誘導的手段或いはその他の手段で読取り可能である。
【００２４】
ハイブリッド式エンコーダの場合、スケール上のビットの値は、スケールが増分検出器によっても読取られ得る二方向において充分な周期性を持つように配置されている。
【００２５】
スケール上のビットの値は、スケール上のすべてのビットの中の幾つかのサブセット８を読取ることによって、読取りヘッドの絶対位置が二方向（この例では直交方向）において決められるように配置されている。読取りヘッドがスケールを読取ることが可能な幾つかの方法がある。ここでは光学的な方法を説明する。
【００２６】
この例では、スケールはクロームめっきされた平らなガラスのシートである。ビットは二進数であり、「１」はクロームめっきされたセルで表され、「０」は空のセルで表されている。したがって、照明された場合、「１」のセルは「０」のセルよりも多くの光を反射する。読取りヘッドは、スケールを照明する装置と、このスケールを検出器上に画像化する一つ（或いは複数）のレンズと、複数のビットを同時に検出可能なＣＣＤとで構成されている。単純化のために、レンズにスケールの実物大の画像を形成させ、スケール上の各ビットがＣＣＤの一つのピクセル上に画像化されるとする。（実際上は、不整列を許容するようにスケールの各ビットは一つ以上のＣＣＤピクセルに画像化され得る。）次いで、ＣＣＤから読み出されたデータは読取りヘッドの絶対位置を明らかにすべく解読（又はルックアップテーブルと照合）される。
【００２７】
ＣＣＤの読み出しから位置を解読する一つの方法について述べる。スケール上のビットは、少なくとも一行長さと少なくとも一列幅をなすビットの長方形状のブロック内に配列される。この例では、これらのビットは二進数である。各ブロックはデータの一つの「ワード」を表している。ＣＣＤは、１回にその上に少なくとも一つのワードが画像化されるのを保証すべく充分な大きさを有する。このワードは、ブロックの境界を形成する開始及び／又は停止シンボルによって、周囲のワードから分離されている。例えば、すべてのワードは７ビットの長さと７ビットの幅を持っているが、最初の二行と最初の二列は新たなワードが始まることを示すために使用されている（図１参照）。この「１」と「０」は各ワードに対して同じであり、「Ｘ」は１データビットを表し、「１」又は「０」であってもよく、別のデータのワード同士では異なっている。データビットは絶対位置の情報を含んでいる。
【００２８】
実際に可能な解読手順は次の通りである。
【００２９】
「画像」がＣＣＤから把握され、解読システムに供給される。このシステムは完全なワードについての画像を探索する。このシステムは、ワードの左上隅を規定する図１に示された「１」と「０」とのビットの特徴的なパターンを探すことによってこれを行う。このパターンは、ワードの左上隅を除いては生じないことに留意すべきである。今や、二つのことが分かっている。第一はＣＣＤ上におけるワードの位置であり、第二はこのワードにおけるデータビットの内容である。このデータビットは、このワードを一義的に特定するのに充分な情報を含んでいる。もしも、ワードがスケール上に書き込まれている順序が判れば、エンコーダはそれがスケールの一つの隅から両方の軸に沿ってどれだけ離れているかをワード全体の倍数で知らせることができる。ＣＣＤ上のワードの位置によって、エンコーダをそのワード内で最も近いビット（両方向において）に位置決めすることができる。
【００３０】
図２は上記によるエンコーダの模式図であり、符号１はスケールを、符号２は読取りヘッドを示し、読取りヘッドには、スケール１を照明するための光源（例えば発光ダイオード等）３とＣＣＤ５上にビットの画像を結ばせるレンズ配列４とが存し、符号６はＣＣＤ５上の画像を解読する電子装置を示す。
【００３１】
ハイブリッド型増分絶対エンコーダの場合、増分検出器が増分期間（incremental period)を規定している規則的に離間された「クロック周波数」をピックアップできるのに充分な周期性が存するように、ビットパターンをスケール上に書き込むことが必要である。これを行う一つの方法がここに提案される。
【００３２】
スケールプレートは、データの一つのワードに相当するスケールの領域を示す図３のようにデザインされている。ここでもこのスケールがクロームめっきされたガラスである場合には、このパターンは次のように書き込むことができる。
【００３３】
クロックビット用にはクリアガラスのままにしておく。
【００３４】
「１」ビット用には半密度のクロームに書く。
【００３５】
「０」ビット用には全密度のクロームに書く。なお、「１」および「０」は逆にしてもよい。
【００３６】
絶対位置は前に述べたのと同じ方法で読み出すことができるが、しかし、明らかに全ての他のピクセルは処理せずに残しておかなければならない。増分の「クロック周波数」は常に存在している。その振幅はスケール上の位置と共に変化するが、これは補償され得る。したがって、増分検出器は増分パターンの一期間内で位置を測定するのに使用され得る。通常、読取りヘッドは、増分パターンの一期間よりも細かいある特定の解像度（「システム解像度）に絶対位置を読み取るべく要求されよう。
【００３７】
絶対位置は最も近接したＣＣＤピクセルに対して決められ、スケールビット毎に少なくとも一つのＣＣＤピクセルが存在しているので、増分パターンの一期間よりも良好な解像度で絶対位置が判る。ノイズのレベルが充分に低いものと仮定すると、増分検出器は増分の一期間内でシステム解像度に対応する位置を与えるべく用いられ得る。二つの装置を組み合わせて使用し、スケールの範囲全体にシステム解像度に対応する絶対位置を与えることができる。
【００３８】
直接画像化（画像転送）マイクロレンズ列を使用して、スケールをＣＣＤ上に画像化することもできる。これによれば、光学システム全体の高さを低くし、読取りヘッドの間隔の許容範囲を改善することができる。
【００３９】
データの幾つかのワードを同時にＣＣＤ上に画像化することもできる。これによって、これらのワードを一貫性を以てチェックし、誤差（エラー）に対する耐性を与えることができる。一つのワード内のデータビットは誤差のチェック及び／又は修正を可能にすべく幾らか冗長な部分を含んもよい。
【００４０】
増分チャンネルによって感知される二つの方向は、絶対チャンネルに使用されている二つの方向と同じでなくてもよい。例えば、増分チャンネルは菱形のライン（４５度）を最も効率的に読取り、ＣＣＤ上のピクセルは正方形或いは長方形のことが多いので、増分システムと絶対システムの軸同士を互いに４５度になるように設定することが望ましい。
【００４１】
ＣＣＤの代わりに光検出器の列を使用して、システムの応答速度を改善することも可能である。
【００４２】
ＣＣＤによって画像が捉えられる時にそれが動いている場合には、照明を短時間のフラッシュの形で行って、スケールの画像を効果的に一時停止することもできる。
【００４３】
スケールは平らなシート（必ずしも必須ではないがその軸が直交している）或いは曲面であってもよい。曲面は、例えば円筒（角度方向と軸方向の測定のための）の場合のように「連続」していてもよい。スケールは球状であってもよい。前記実施例の詳細な説明ではＣＣＤについて述べたが、電気容量的、磁気的、光ダイオード及びＣＭＯＳ光検出器等の他のビット検出器を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】特定のサブセットのためのビットをスケール上に設ける方式の一例を示している。
【図２】本発明によるシステムの一例の模式図である。
【図３】特定のサブセットのためのビットをスケール上に設ける方式の別の例を示している。
【符号の説明】
１ スケール
２ スケール読取り装置
３ スケール照明光源
４ レンズ配列
５ ＣＣＤ
６ 電子装置
８ サブセット

Claims (15)

1. 少なくとも一方向に延びる一定のピッチを有する読取りできるビットを具える測定スケール（１）を含むエンコーダ装置であって、前記読取りできるビットは、増分測定を提供するために読み取られ得る増分スケールパターンを形成しており、該ビットの少なくとも一つのサブセット（８）が前記少なくとも一方向における絶対位置を規定するように構成されており、前記エンコーダ装置は、増分測定が、前記増分パターンの期間内で補間されて、位置情報を与えるように構成されていることを特徴とするエンコーダ装置。
2. 各サブセットの境界がシンボルによって規定されていることを特徴とする請求項１に記載の測定スケール。
3. ビットは、各領域が１ビットを規定して二方向に延びる領域のマトリックスとして形成され、前記少なくとも一つのサブセットが、前記二方向の少なくとも一方における絶対位置を規定するための前記領域のブロックであることを特徴とする請求項１又は２に記載の測定スケール。
4. 前記領域がほぼチェック柄のパターンを形成し、前記少なくとも一つのサブセットの領域が、該サブセットの一つ以上の領域の光学的特性の変化によって一般のチェック柄のパターンとの違いを識別可能であることを特徴とする請求項３に記載の測定スケール。
5. 前記二方向が直交する二方向であることを特徴とする請求項４に記載の測定スケール。
6. 二方向に延びるほぼ一定のピッチを有する読取りできるビットを具え、測定を可能にするための測定スケール（１）を含むエンコーダ装置であって、ビットは、各領域が１ビットを規定して二方向に延びる領域のマトリックスとして形成され、前記読取りできるビットは、増分測定を提供するために読み取られ得る増分スケールパターンを形成しており、該ビットの少なくとも一つのサブセット（８）が前記二方向における絶対位置を規定するための前記領域のブロックであり、前記エンコーダ装置は、増分測定が、前記増分パターンの期間内で補間されて、位置情報を与えるように構成されていることを特徴とするエンコーダ装置。
7. 請求項１ないし５又は６のいずれか１項に記載のスケールと、絶対位置を決めるためにサブセットを読取るスケール読取り装置（２）とを具えることを特徴とする二方向における絶対位置を測定するためのシステム。
8. スケール読取り装置（２）は、スケール（１）を光学的に読取るように構成された光検出器（５）を有する光学的読取り装置であることを特徴とする請求項７に記載の二方向における絶対位置を測定するためのシステム。
9. 検出器（５）が光検出器の列であることを特徴とする請求項８に記載の二方向における絶対位置を測定するためのシステム。
10. 読取り装置が、スケールのビットの画像を検出器上に結ばせるためのマイクロレンズ列（４）を含むことを特徴とする請求項７、８又は９に記載の二方向における絶対位置を測定するためのシステム。
11. システムがスケールの照明装置（３）を具えていることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の二方向における絶対位置を測定するためのシステム。
12. 照明装置（３）は、スケール（１）とスケール読取り装置（２）との間の相対運動の際に読取り装置に対して実質的に瞬間的な画像を提供すべく、光の短いフラッシュを発するように構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の二方向における絶対位置を測定するためのシステム。
13. 読取り装置が、相対運動の際にビットの少なくとも一つのサブセットの全体を読取るように構成されていることを特徴とする請求項７ないし１２のいずれか１項に記載の二方向における絶対位置を測定するためのシステム。
14. 二方向における絶対位置を測定するためのシステムであって、ビットのマトリックスが設けられたスケール（１）と該スケールに関して二方向に相対的に可動のスケール読取り装置（２）とを具え、ビットのマトリックスは、増分の測定を提供するために読み取られ得る増分スケールパターンを形成しており、マトリックスは二方向のそれぞれにおける異なる絶対位置を規定するための異なるビットのサブセットを有し、且つスケール読取り装置は、読み取ったサブセットから二方向においてスケール上における読取り装置の絶対位置を求めるためにビットを読取るように構成されており、前記システムは、増分測定が、前記増分パターンの期間内で補間されて、位置情報を与えるように構成されていることを特徴とするシステム。
15. スケール上で絶対位置を測定するための方法であって、
    ビットのマトリックスと、ワードとして形成されたビットのサブセットとを具えたスケール（１）を準備し、前記ビットのマトリックスは、各領域が１ビットを規定して二方向に延びる領域のマトリックスとして形成され、該ビットの少なくとも一つのサブセット（８）が前記二方向の少なくとも一方における絶対位置を規定するための前記領域のブロックであり、前記ビットは、増分の測定を提供するために読み取られ得る増分スケールパターンを形成しており
    スケール画像検出器（５）を有するスケール読取り装置（２）を準備し、
    該検出器に少なくとも一つのワードの全体の画像を形成し、
    該画像を捕捉し、
    該ワードによって規定された絶対位置を得るべく該画像を解読し、そして、
    増分測定が、前記増分パターンの期間内で補間されて、位置情報を与えるステップを含むことを特徴とする方法。

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