JP6967376B2

JP6967376B2 - エンコーダ、測定方法、及び測定システム

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Publication number: JP6967376B2
Application number: JP2017114454A
Authority: JP
Inventors: ステイトンクックテッド
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2017-06-09
Publication date: 2021-11-17
Anticipated expiration: 2037-06-09
Also published as: JP2018004628A; CN107560641A; US9958294B2; US20180003524A1; DE102017209204A1; CN107560641B

Description

本開示は、精密測定器に関し、より具体的には、ノギスといった測定器において使用されうるアブソリュート型エンコーダスケール及び関連する信号処理に関する。

様々な光学式、静電容量式、磁気式並びに電磁誘導式トランスデューサ及び移動又は位置トランスデューサが利用可能である。これらのトランスデューサは、読取ヘッド内の送信器及び受信器の様々な幾何学的構成を使用して、読取りヘッドとスケールとの間の移動を測定する。磁気式及び電磁誘導式トランスデューサは、汚れに対して比較的ロバストではあるが、完璧にそうあるわけではない。

特許文献１は、高精度用途に使用可能である電磁誘導式位置トランスデューサについて説明している。特許文献２及び特許文献３は、信号生成及び処理回路を含む電磁誘導式インクリメンタル型ノギス及びリニアスケールについて説明している。特許文献４、特許文献５及び特許文献６は、この電磁誘導式トランスデューサを使用する電磁誘導式アブソリュート型ノギス及び電子式巻き尺について説明している。これらの特許に説明されるように、電磁誘導式トランスデューサは、プリント回路基板技術を使用して製造されてよく、汚れにほとんど影響されない。

上記トランスデューサは、インクリメンタル型又はアブソリュート型エンコーダとして実現されうる。インクリメンタル型エンコーダは、スケールに対する読取ヘッドの変位量を、スケールに沿った初期点から開始して、変位量のインクリメンタル単位を蓄積することによって決定する。対照的に、アブソリュート型エンコーダは、スケールに沿った各位置において、一意の出力信号又は信号の組み合わせを提供する。アブソリュート型エンコーダは、位置を特定するために、インクリメンタル変位量の蓄積を絶えず記録するための連続的な電力を必要としない。したがって、アブソリュート型エンコーダは、電力節約を可能にし、低電力用途（例えば手持ち式ノギス）に適している。

米国特許第６０１１３８９号明細書米国特許第５９７３４９４号明細書米国特許第６００２２５０号明細書米国特許第５８８６５１９号明細書米国特許第５８４１２７４号明細書米国特許第５８９４６７８号明細書

電磁誘導式アブソリュート型トランスデューサについて上記された特許文献４、特許文献５及び特許文献６に加えて、米国特許第３８８２４８２号、第５９６５８７９号、第５２７９０４４号、第５２３７３９１号、第５４４２１６６号、第４９６４７２７号、第４４１４７５４号、第４１０９３８９号、第５７７３８２０号、第５０１０６５５号、第６３３５６１８号及び第９２６７８１９号も、アブソリュート型エンコーダに関連する様々なエンコーダ構成及び／又は信号処理技術について開示する。しかし、開示されるシステムは、例えば小型サイズ、高分解能、価格、汚れに対するロバスト性、読取ヘッドとスケールとの間にもたらされる意図しない間隙のばらつきに対するロバスト性等の組み合わせといったユーザによって望まれる特徴の組み合わせを提供する能力に限界がある。改良された組み合わせを提供するアブソリュート型エンコーダの構成が望まれている。

この概要は、詳細な説明において、以下に更に説明される概念のセレクションを簡略形式で紹介するために提供される。この概要は、請求項に係る主題の重要な特徴を特定することも、請求項に係る主題の範囲を決定する助けとして使用されることも意図していない。

スケールと、検出部と、信号処理部とを含む電子式アブソリュート型エンコーダが提供される。スケールは、測定軸方向に沿って延在し、信号変調要素の第１のスケールパターンを含む。第１のスケールパターンは、測定軸方向に沿った位置の関数として漸次的に変化し、アブソリュート測定範囲を画定する信号変調要素の空間特性を含む。空間特性は、信号変調要素の空間波長又は空間周波数の少なくとも１つを含み、アブソリュート測定範囲内の各位置において一意である。これは、漸次的に変化する信号振幅又は空間的周期信号のオフセットを提供することで知られている、アブソリュート測定範囲に沿った信号変調要素の漸次的に変化する「空間デューティサイクル」と混同されるべきではない。検出部は、測定軸方向に沿って配置される検知要素群を含む。検知要素は、スケールの隣接する信号変調要素に対応する検出信号を提供するように構成される。信号処理部は、検出部によって提供される検出信号に基づいて、アブソリュート測定範囲におけるスケールに対する検知要素のアブソリュート位置を決定する。様々な実施態様では、信号処理部は、アブソリュート位置を決定するために、（例えば高速フーリエ変換を使用する）フーリエ変換処理及び／又は他の処理を使用してよい。

図１は、スケールパターン及び検出部を有するスケールを含むハンドツールタイプのノギスの組立分解等角図である。図２は、図１のデバイスのようなデバイスにおいて使用可能であるスケールパターン及び検出部の第１の例示的な実施態様を示す平面図である。図３Ａは、検出部が、図２のスケールパターンに沿ってある１つの場所にあることによってもたらされる処理信号を示す図である。図３Ｂは、検出部が、図２のスケールパターンに沿って他の１つの場所にあることによってもたらされる処理信号を示す図である。図４は、アブソリュート測定範囲にわたって移動する図２の検出部からもたらされる処理信号の範囲を示す図である。図５は、図４の処理信号に従って決定される空間周波数が、アブソリュート測定範囲にわたって変動する様を説明する図である。図６Ａは、スケールパターン及び検出部の第２の例示的な実施態様を示す平面図である。図６Ｂは、スケールパターン及び検出部の第２の例示的な実施態様を示す平面図である。図７は、スケールパターン及び検出部の第３の例示的な実施態様を示す平面図である。図８は、検出部が、図７のスケールパターンに沿ってある１つの場所にあることによってもたらされる処理信号を示す図である。図９は、電子式アブソリュート型エンコーダのコンポーネントの１つの例示的な実施態様を示すブロック図である。図１０は、測定軸方向に沿った検出部とスケールとの間の相対位置を決定するルーティンの１つの例示的な実施態様を示すフロー図である。

図１は、スケール１７０を含む略長方形の横断面の本尺を有するスケール部材１０２と、スライダアセンブリ１２０とを含むハンドツールタイプのノギス１００の組立分解等角図である。図２で更に説明されるように、スケール１７０は、測定軸方向ＭＡ（例えばＸ軸）に沿って延在してよく、また、信号変調要素のスケールパターン１８０を含んでよい。既知のタイプのカバー層１７２（例えば１００μｍの厚さ）が、スケール１７０を覆ってよい。スケール部材１０２の第１の端の近くのジョー１０８及び１１０と、スライダアセンブリ１２０上の可動ジョー１１６及び１１８とが、既知の方法で、物体の寸法を測定するために使用される。スライダアセンブリ１２０は、端止め具１５４によって、スケール部材１０２の下のデプスバー溝１５２内に収められるデプスバー１２６を含んでもよい。デプスバー測定面１２８を穴の中に延ばして、その深さを測定することができる。スライダアセンブリ１２０のカバー１３９が、オン／オフスイッチ１３４と、ゼロ設定スイッチ１３６と、測定結果ディスプレイ１３８とを含んでよい。スライダアセンブリ１２０のベース１４０は、スケール部材１０２のサイドエッジ１４６に接触するガイドエッジ１４２を含み、ネジ１４７によって弾性圧力バー１４８をスケール部材１０２の対向するエッジに付勢することで、測定及び、スケール１７０に対する読取ヘッド部１６４の移動に適切な位置合わせを保証する。

ベース１４０上にはピックオフアセンブリ１６０が設けられている。このピックオフアセンブリ１６０は、読取ヘッド部１６４を保持している。読取ヘッド部１６４は、本実施形態では、測定軸方向ＭＡに沿って配置された検知要素群（例えば、フィールド発生及び検出巻線構成）を含む検出部１６７と、信号処理部１６６（例えば制御回路）とを搭載した基板１６２を含んでいる。回路及び接続部の汚染を防止するため、弾性シール１６３が、カバー１３９と基板１６２との間で圧縮されるとよい。検出部１６７は、絶縁コーティングによって覆われてよい。

１つの特定の例示的な例では、検出部１６７は、深度（Ｚ）方向に沿って、約０．５ｍｍの間隙によって離間されて、スケール１７０と平行にかつスケール１７０に面して配置されてよい。読取ヘッド部１６４とスケール１７０とを合わせて、トランスデューサが形成されうる。一実施態様では、トランスデューサは、変化する磁場を発生させることによって動作する渦電流トランスデューサであってよい。以下により詳細に説明されるように、変化する磁場は、当該変化する磁場内に置かれたスケールパターン１８０の信号変調要素の幾つかにおいて、エディカレントと知られる渦電流を誘導する。

図２は、図１のようなデバイスに使用可能な検出部１６７と、スケール１７０のスケールパターン１８０の一部とを示す第１の例示的な実施態様の平面図である。本開示の図面全体を通して、当然ながら、１つ以上の信号変調要素のＸ軸寸法は、明確にするために誇張されている。図面は、一般に、部分的に具象的、部分的に概略的であるとみなされてよい。図２において、スケールパターン１８０は、測定軸方向ＭＡに沿って配置される複数の信号変調要素Ｅ１〜Ｅ１７を含む。スケールパターン１８０は、測定軸方向ＭＡに沿った位置の関数として漸次的に変化する信号変調要素Ｅ１〜Ｅ１７の空間特性を含む。この漸次的に変化する空間特性は、以下により詳細に説明されるように、アブソリュート測定範囲を画定し、また、アブソリュート測定範囲内の各位置において一意である。

検出部１６７は、測定軸方向に沿って配置される検知要素ＳＥＮ１〜ＳＥＮ１６のグループを含む。検知要素ＳＥＮ１〜ＳＥＮ１６は、スケール１７０のスケールパターン１８０の隣接する信号変調要素に対応する検出信号を提供するように構成される。以下により詳細に説明されるように、信号処理部（例えば図１の信号処理部１６６又は図９の信号処理部９６６等）は、検出部１６７によって提供される検出信号に基づいて、アブソリュート測定範囲におけるスケール１７０に対する検知要素ＳＥＮ１〜ＳＥＮ１６のアブソリュート位置を決定するように構成されてよい。

１つの特定の例示的な実施形態では、信号変調要素Ｅ１〜Ｅ１７の空間特性は、
ｋ（ｘ）＝１／λ（ｘ）＝ｋ_１＋ｍｘ（式１）
によって少なくとも部分的に表されるように、測定軸方向ＭＡ（例えばＸ軸）に沿った位置の関数として漸次的に変化する（例えば直線的に等）信号変調要素の空間周波数ｋ（ｘ）を含むとして特徴付けられてよい。

このような実施態様では、（例えばチャープ信号等を表してもよい）公称信号ｓ（ｘ）は、
ｓ（ｘ）＝Ｃ_１ｃｏｓ（２π（（ｋ_１）（ｘ）＋（ｍ／２）（ｘ＾２）））（式２）
によって少なくとも部分的に表されてよい。

このような実施態様では、位置計算は、等間隔に配置された約２＾ｎ乗個の検知要素を使用して、（例えば高速フーリエ変換又は他のフーリエ変換処理等を使用する）処理用の信号が提供されてよい。このような実施態様では、図３Ａ及び図３Ｂで以下により詳細に説明されるように、ｋ（ｘ）は、離散ｋ値のパワー加重平均（power-weighted average）によって決定されてよい。１つの例示的な構成では、特定の例示的な値として、空間周波数ｋ（ｘ）（式１を参照）は、信号変調要素Ｅ１及びＥ１３の信号波長が、それぞれ、λ_１＝６ｍｍ及びλ_１３＝１０ｍｍに相当するように規定されてよく、また、図示されるように、検出部１６７は、検知要素のそれぞれの間に約２ｍｍの間隔を有して、１６個の検知要素ＳＥＮ１〜ＳＥＮ１６を含んでよい。このような実施態様において、アブソリュート測定範囲Ｒの各端において、検出部全体が収まる適切なスケール長さを考慮すると、アブソリュート測定範囲Ｒは、図示されるように、Ｒ＝約１００ｍｍであってよい。（例えば高速フーリエ変換又は他のフーリエ変換処理等を使用する）処理は、２＾ｎデータ点（例えば図２の１６個の検知要素、又は、以下により詳細に説明される図７の３２個の検知要素等に対応する）について比較的効率的でありうる。幾つかの実施態様では、１つ以上の検知要素を約０の値で重み付けする窓関数（例えばブラックマン窓等）を使用することもでき、この場合、必要とされる検知要素は少なくて済む（例えば他の１６検知要素構成の１つの検知要素が、０として重み付けされる場合、１５個の検知要素（２＾ｎ−１）しか必要でない）。

図３Ａ及び図３Ｂは、検出部１６７が、図２のスケール１７０のスケールパターン１８０に沿った異なる位置にあるときに、検出部から生じるそれぞれの処理信号（例えばビン値）を示す図である。上記されたように、一実施態様では、検出部１６７によって検知される空間周波数ｋ（ｘ）は、信号処理に従って決定される離散ｋ値のパワー加重平均によって決定されうる。例えば位置計算は、等間隔に配置された約２＾ｎ乗個の検知要素（例えば検知要素ＳＥＮ１〜ＳＥＮ１６）を使用して、（例えば高速フーリエ変換又は他のフーリエ変換処理等を使用する）処理用の信号が提供されてよい。検知要素からの検出信号のそれぞれに高速フーリエ変換が行われる一例では、当該高速フーリエ変換計算によって、各ビンに対してパワー値（Ｖ＾２^＊ｍｍ）が提供され、空間周波数ｋ（ｘ）が、各ビンの離散ｋ値のパワー加重平均によって決定される。

図３Ａには、スケール１７０のスケールパターン１８０に沿ったＸ＝０ｍｍに対応する検出部１６７の位置について、（例えば５／３２ビンにおいて最大値を、また、４／３２及び６／３２ビンにおいて他の中間値等を有する）対応するビン値が図示される。図３Ｂには、スケール１７０のスケールパターン１８０に沿ったＸ＝１００ｍｍに対応する検出部１６７の位置について、（例えば３／３２ビンにおいて最大値を、２／３２及び４／３２ビンにおいて他の中間値等を有する）対応するビン値が図示される。上記されたように、（例えば高速フーリエ変換を使用する）この処理と、結果として得られる離散ｋ値とに従って、検出部１６７によって検知される空間周波数ｋ（ｘ）は、これらの離散ｋ値のパワー加重平均によって決定されうる。Ｘ＝０からＸ＝１００（例えば図３Ａ及び図３Ｂに示される位置間）の範囲に沿って生じる位置計算についてのこれらの及び他の空間周波数ｋ（ｘ）並びに対応するビン値について、図４及び図５で以下により詳細に説明される。

図４は、（例えばＸ＝０からＸ＝１００までの）測定範囲を移動する図２の検出部から得られる処理信号（例えばビン値）の範囲を示す図である。図４には、１／３２、２／３２、３／３２、４／３２、５／３２及び６／３２ビンのそれぞれの値曲線が示される（例えば７／３２及び８／３２ビンの値曲線は、この例において示される範囲では、約０であってよく、また、０／３２ビンは、本説明では関連性がなく、図４及び本明細書における同様のプロットにおいては無視されている）。幾つかの例示的な値として、位置Ｘ＝０では、（例えば図３Ａに示される値に対応するように、）５／３２ビンは、約０．７０の値を有するものとして示され、４／３２及び６／３２ビンは、約０．２５の値を有するものとして示される。幾つかの追加の例示的な値として、位置Ｘ＝１００では、（例えば図３Ｂに示される値に対応するように、）３／３２ビンは、約０．６９の値を有するものとして示され、２／３２ビンは、約０．３３の値を有するものとして示され、４／３２ビンは、約０．１８の値を有するものとして示される。既知の関数に従って変動するこのように決定されたビン値に従って、一意の空間周波数ｋ（ｘ）が、（例えばＸ＝０からＸ＝１００までの）アブソリュート測定範囲Ｒ内の各位置において決定されうる。

図５は、図４の処理信号に従って決定される空間周波数ｋ（ｘ）が、（例えばＸ＝０からＸ＝１００までの）アブソリュート測定範囲Ｒにわたって直線的に変動する様を説明する図である。曲線５１０が、空間周波数ｋ（ｘ）の値を表し、（例えば上記式１の選択された値に対応してもよい）アブソリュート測定範囲Ｒにわたって直線的に変動することが示される。例示的な値として、位置Ｘ＝０では、曲線５１０は、（例えば上記図３Ａに示される値に対応する）上記ビンのパワー加重平均に相当する約０．１５６の値を有するものとして示される。Ｘ＝０における幾つかの計算に関して、同様の値を有し、５／３２ビンのそばで左右対称に離間される４／３２及び６／３２ビンに従って、パワー加重平均は、５／３２ビンのパワー加重平均（即ち、５／３２では、０．１５６２５）に略一致することに留意されたい。もう１つの例示的な値として、位置Ｘ＝１００では、曲線５１０は、（例えば上記図３Ｂに示される値に対応する）上記ビンのパワー加重平均に相当する約０．０８９の値を有するものとして示される。

図６Ａ及び図６Ｂは、検出部６６７と、スケール６７０のスケールパターン６８０の一部分との第２の例示的な実施態様を示す平面図である。図６Ａには、例示的な巻線ＷＤＧが示される。以下により詳細に説明されるように、巻線ＷＤＧのグループを使用して、本実施形態では、図６Ｂの１１個の検知要素ＳＥＮ１’〜ＳＥＮ１１’を含む検知要素群が形成される。巻線ＷＤＧは、端子Ｔ１及びＴ２だけでなく、巻線部６１１〜６１６も含む。一般に、巻線ＷＤＧは、先行技術文献に記載の各特許文献において説明されるような（例えば電磁誘導式エンコーダの）既知の原理に従って動作することができる。

図６Ｂでは、スケールパターン６８０は、測定軸方向ＭＡに沿って配置される複数の信号変調要素Ｅ１’〜Ｅ１０’を含む。図１のスケールパターン１８０と同様に、図６Ｂのスケールパターン６８０は、測定軸方向ＭＡに沿った位置の関数として漸次的に変化する信号変調要素Ｅ１’〜Ｅ１０’の空間特性を含む。図６Ｂでは、漸次的な変化は見えないかも知れないが、この説明から、存在すると理解されるものとする。漸次的に変化する空間特性は、以下により詳細に説明されるように、アブソリュート測定範囲を画定し、また、アブソリュート測定範囲内の各位置において一意である。図６Ｂの例では、スケールパターン６８０は、振幅は一定で、空間周波数がスケールパターンに沿って左から右へと増大していくような正弦波状の関数に従って、測定軸ＭＡに沿って変動するものとして示される。

検出部６６７は、測定軸方向に沿って配置され、組み込まれる参考文献において説明されるような既知の技術に従って動作させられるコイル６６８（例えば駆動コイル）に対して配置される１１個の（例えば図６Ａのような巻線の集合から形成される）検知要素ＳＥＮ１’〜ＳＥＮ１１’からなる検知要素群を含む。検知要素ＳＥＮ１’〜ＳＥＮ１１’は、スケール６７０のスケールパターン６８０の隣接する信号変調要素に対応する検出信号を提供するように構成される。図２で説明されたように、信号処理部（例えば図１の信号処理部１６６又は図９の信号処理部９６６等）は、検出部６６７によって提供される検出信号に基づいて、アブソリュート測定範囲におけるスケール６７０に対する検知要素ＳＥＮ１’〜ＳＥＮ１１’のアブソリュート位置を決定するように構成されてよい。図２の例と同様に、図６Ｂの例では、信号変調要素Ｅ１’〜Ｅ１０’の空間特性は、上記式１によって少なくとも部分的に表されるように、測定軸方向ＭＡ（例えばＸ軸）に沿った位置の関数として漸次的に変化する（例えば直線的に等）信号変調要素の空間周波数ｋ（ｘ）を含むとして特徴付けられうる。図６Ｂの構成の信号処理及び位置決定処理は、図２で説明された処理と同様に行われてよい。

図７は、検出部７６７と、スケール７７０の第１のスケールパターン７８０及び第２のスケールパターン７９０の一部との第３の例示的な実施態様を示す平面図である。第１のスケールパターン７８０は、測定軸方向ＭＡに沿って配置される複数の信号変調要素Ｅ１’’〜Ｅ６４’’を含む。図２及び図６Ｂで説明された構成と同様に、第１のスケールパターン７８０は、測定軸方向ＭＡに沿った位置の関数として漸次的に変化する信号変調要素Ｅ１’’〜Ｅ６４’’の空間特性を含む。漸次的に変化する空間特性は、アブソリュート測定範囲を画定し、また、アブソリュート測定範囲内の各位置において一意である。第２のスケールパターン７９０は、測定軸方向ＭＡに沿って配置される複数の信号変調要素ＩＮＣを含むインクリメンタルトラックパターンとして特徴付けられる。

第１のスケールパターン７８０は、第１のスケールトラック７８１内に配置され、第２のスケールパターン７９０は、第２のスケールトラック７９１内に配置される。図７の例では、第２のスケールトラック７９１は、測定軸方向ＭＡを横断する方向に沿って、第１のスケールトラック７８１の中央に配置されている。したがって、様々な実施態様では、スケール７７０は、中心線について対称であってよい。これは、複数のスケールを並べて配置した並列スケールに比べて、ロール及びヨーに対する感度を減少させるのに役立ちうる。（例えば異なるトラック幅を有する）１つの代替実施態様では、第１のスケールトラック７８１が、第２のスケールトラック７９１の中央に配置されていてもよい。別の代替実施態様では、第１及び第２のスケールトラック７８１、７９１は、測定軸方向ＭＡを横断する方向に沿って互いから離されていてもよい。

検出部７６７は、測定軸方向に沿って配置される検知要素ＳＥＮ１’’〜ＳＥＮ３２’’からなる検知要素群を含む。様々な実施態様では、検知要素群内の各検知要素ＳＥＮ１’’〜ＳＥＮ３２’’は、等間隔に配置されてよい。図７の例では、検知要素ＳＥＮ１’’〜ＳＥＮ３２’’は、第１のスケールパターン７８０及び第２のスケールパターン７９０の両方の隣接する信号変調要素に対応する検出信号を提供するように構成される。より具体的には、様々な実施態様では、検知要素群内の各検知要素ＳＥＮ１’’〜ＳＥＮ３２’’は、測定軸方向ＭＡを横断する方向に沿って第１のスケールパターン７８０及び第２のスケールパターン７９０にわたる。結果として、検出部７６７によって提供される検出信号は、第１及び第２のスケールパターン７８０、７９０の両方の隣接する信号変調要素に同時に対応する。これに応じて、信号処理部（例えば図１の信号処理部１６６又は図９の信号処理部９６６等）は、検出信号を処理して、第１のスケールパターン７８０に対する検知要素ＳＥＮ１’’〜ＳＥＮ３２’’のアブソリュート位置と、第２のスケールパターン７９０に対する検知要素ＳＥＮ１’’〜ＳＥＮ３２’’のインクリメンタル位置との両方が決定される。

１つの特定の例示的な実施態様では、信号変調要素Ｅ１’’〜Ｅ６４’’の空間特性は、上記式１によって少なくとも部分的に表されるように、測定軸方向ＭＡ（例えばＸ軸）に沿った位置の関数として漸次的に変化する（例えば直線的に等）信号変調要素の空間周波数ｋ（ｘ）を含むとして特徴付けられうる。図７の構成の信号処理及び位置決定処理は、図８で以下により詳細に説明される。

図８は、図７のスケール７７０の第１及び第２のスケールパターン７８０、７９０に沿ったある位置における検出部７６７からもたらされる処理信号（例えばビン値）を示す図である。図３Ａ及び図３Ｂで説明された処理と同様に、一実施態様では、検出部７６７によって検知される空間周波数ｋ（ｘ）は、信号処理に従って決定される離散ｋ値のパワー加重平均によって決定されてよい。例えば、上記されたように、位置計算は、等間隔に配置された約２＾ｎ乗個の検知要素（例えば検知要素ＳＥＮ１’’〜ＳＥＮ３２’’）を使用して、（例えば高速フーリエ変換又は他のフーリエ変換処理等を使用する）処理用の信号が提供されてよい。検知要素からの検出信号のそれぞれに高速フーリエ変換が行われる一例では、高速フーリエ変換計算によって、各ビンに対してパワー値（Ｖ＾２^＊ｍｍ）が提供される。これに対し、空間周波数ｋ（ｘ）が、離散ｋ値のパワー加重平均によって決定される。

図８では、図に、オフセット信号領域８７８、絶対信号領域８８０及びインクリメンタル信号領域８９０を含む。オフセット信号領域８７８は、絶対信号領域８８０から、間隔８７９によって離され、絶対信号領域８８０は、インクリメンタル信号領域８９０から、間隔８８１によって離されている。図８に示されるように、スケール７７０のスケールパターン７８０に沿った検出部７６７の図示される位置について、第１のスケールパターン７８０に対応するビン値は、（例えば７／３２ビンにおいて最大値を、８／３２において２番目に大きい値を、６／３２及び９／３２ビンにおいてより小さな値等を有する）絶対信号領域８８０内に示される。第２のスケールパターン７９０に対応するビン値は、（例えば１２／３２ビンにおいて最大値を、１１／３２及び１３／３２ビンにおいて他の中間値等を有する）インクリメンタル信号領域８９０内に示される。

第１のスケールパターン７８０に対する位置決定に関して、（例えば高速フーリエ変換を使用する上記処理といった）処理と、結果として得られる離散ｋ値とに従って、検出部７６７によって検知される空間周波数ｋ（ｘ）は、対応する離散ｋ値のパワー加重平均によって決定されうる。第１のスケールパターン７８０の測定範囲に沿って生じる位置計算についてのこれらの及び他の空間周波数ｋ（ｘ）並びに対応するビン値は、図３Ａ及び図３Ｂで説明された処理と同様の処理を使用して計算されてよい。

第２のスケールパターン７９０に対する位置決定に関して、一実施態様では、高速フーリエ変換の未加工の複素出力が使用されてよい。様々な実施態様では、（例えばスケールパターン７９０の一定空間周波数に対応する１２／３２ビンにおける）インクリメンタル信号領域８９０におけるビン値の実数値及び虚数値は、高分解能のために補間されうる直角位相を提供する。したがって、第１のスケールパターン７８０と組み合わされる第２のスケールパターン７９０の使用は、スケール７７０のより高い総合的な分解能及び精度をもたらす。様々な実施態様では、エイリアシングによって、信号が、高速フーリエ変換ナイキスト範囲を上回る周波数において折り返される場合がある。例えば１つの特定の実施態様では、１２／３２ビンは、１２／３２周波数（例えば２．６６ｍｍの波長）で直接入力される信号を有するか、又は、高速フーリエ変換において同じビンにエイリアスを生じうる２０／３２周波数（例えば１．６ｍｍの波長）を有する信号が使用されてもよい。このような技術は、直角位相がより短い波長で繰り返し、分解能が対応して増加しうる点で、様々な応用において有用でありうる。様々な実施態様では、これらの特性は、第２のスケールパターン７９０の空間波長λ＝３２／１２＝２．６６６ｍｍ又は空間波長λ＝３２／２０＝１．６ｍｍ（例えばエイリアスが生じている）に従っても説明される。

様々な実施態様では、第１のスケールパターン７８０（例えば絶対位置信号）及び第２のスケールパターン７９０（例えば、より優れた位置測定分解能を有しうるインクリメンタル位置信号）の位置決定間の「連結（chaining down）」が、様々な技術を使用して行われてよい。例えば１つの実施態様では、式１は、測定されたｋ値から、読取ヘッドの位置を提供すべく、次に示す式３のよう変形し、反転されてよい：
ｘ_ＡＢＳ＝（ｋ−ｋ_１）／ｍ（式３）

ｘ_ＡＢＳは、一旦決定されると、第２のスケールパターン７９０の特定の区間を示すのに十分である精度を有するアブソリュート位置である。上記されたように、（インクリメンタルスケール測定の既知の方法に従って、適切な検出部の構成によって第２のスケールパターンから導出されうる）インクリメンタル位置信号は、ｘ_ＡＢＳの精度よりもよい位置測定分解能（高分解能）で決定されうる。したがって、この「連結」技術を使用して、総合的な絶対位置測定が、第２の（インクリメンタル）スケールパターン７９０から得られるのと同様に高い測定分解能で、第１の（絶対）スケールパターン７８０のアブソリュート測定範囲にわたって決定されうる。

様々な実施態様では、図８のオフセット信号領域８７８（即ち、最も低い動作周波数１／３２及び２／３２ビンを含む）は、あまり重要ではないとみなされうる（例えば位置決定処理の一部として使用されない）様々なタイプの信号を含みうる。例えばオフセット、傾斜等による信号は、ある場合では、低い周波数であり、したがって、オフセット信号領域８７８に該当することがある。様々な実施態様では、オフセット信号領域８７８と、絶対信号領域８８０と、インクリメンタル信号領域８９０との間には（例えば間隔８７９及び８８１のように）少なくとも最小限の分離を有することが望ましい。間隔８８１に関して、様々な実施態様では、上記されたような懸念事項に照らして、２つのパターンから得られる空間周波数信号が適切な検出部によって互いから明確に区別できるように、第２のスケールパターン７９０のインクリメンタル波長が、少なくとも２５％又はそれ以上で、第１のスケールパターン７８０に含まれる空間波長の範囲内の任意の空間波長から離されていることが望ましい。様々な実施態様では、検出部７６７の十分な数の検知要素（例えば３２個の検知要素等）の使用は、周波数空間におけるオフセット、絶対及びインクリメンタル信号間の十分な分離又は区別を可能にしうる。より具体的には、様々な構成では、多くの検知要素によって、信号間のより大きい分離又は区別を可能にしうる。このような分離又は区別は、各信号間で信号の混成を生じさせないのに役立つ。

当然ながら、インクリメンタルスケールパターンを使用する上記連結（chaining down）の説明と同様に、上記された単一の絶対スケールパターン１８０等にも同様の連結技術が使用されてよい。特に、当然ながら、上記ｘ_ＡＢＳの決定が、上記単一の絶対スケールパターン１８０と共に使用されてもよい。一旦決定されると、ｘ_ＡＢＳは、絶対スケールパターン１８０の特定のインクリメント又は「局所的区間」又は波長を示すのに十分である精度でアブソリュート位置を示す。この「局所的区間」又は波長における信号測定を、微細信号と呼び、対応する位置決定を、スケールパターン１８０の微細信号位置と呼ぶ。検知要素（例えばＳＥＮ１〜ＳＥＮ１６）からの信号は、局所的区間又は波長における微細信号位置を、ｘ_ＡＢＳの精度よりも良い位置測定分解能及び精度で決定するために、当業者に知られている方法に従って処理されてよい。したがって、適切な検出部の構成と、上記された単一スケールパターン「連結」技術とを使用して、総合絶対位置測定が、微細信号位置決定に従って得られるのと同様に高い測定分解能で、スケールパターン１８０等のアブソリュート測定範囲にわたって決定されうる。様々な実施態様では、スケールパターン１８０等のアブソリュート位置決定及び／又は微細信号位置決定は、必要に応じて構成されてよい検出部における検知要素の数及び間隔の影響を受けうる。

一般的に言えば、様々な実施態様では、幾つかの構成及び／又は技術を使用して、信号に対して生じうる高調波に対処することができる。幾つかの実施態様では、対処されない高調波が、関心領域に悪影響を及ぼし、エラー等を（例えば直接的に又はエイリアシングを介して）引き起こしうる。幾つかの実施態様では、小さい高調波が特に重要でありうる。様々な実施態様では、検出部７６７における十分な数の検知要素（例えば３２個の検知要素等）の使用によって、（例えば直接的及びエイリアシングされた）高調波が概して（例えば絶対信号領域８８０及びインクリメンタル信号領域８９０における）関心領域を飛び越えるか又は別の方法で関心領域に入らないように、信号が、十分に分離した周波数領域において生成されることが可能である。したがって、このような構成は、信号中に特定量の高調波を許容することができる。様々なタイプのエンコーダ（例えば光学式エンコーダ等）において、比較的多数の検知要素（例えば３２個の検知要素等）を実装してよい。様々な実施態様では、高速フーリエ変換処理を使用する構成が更に、（例えば２つのピッチが周波数空間において適切に分離されている構成にある）２ピッチ式アブソリュート型スケールと共に使用されてもよい。

上記図２、図６Ｂ、図７の構成に関して、様々な実施態様では、幾つかのデザイン検討事項を実施することが望ましい場合がある。例えば所望の検出信号出力を実現するために、様々な実施態様では、検知要素群における各検知要素が、少なくとも略等しく離間されるように、検出部を構造化することが望ましい場合がある。更に、検知要素群が、（例えば特に、最長空間波長が生じるスケールの一部分における適切なサンプリングを確実とするために）スケールに沿った各位置において信号変調要素の少なくとも２つの空間波長にわたることが望ましい場合がある。様々な実施態様では、所望の検出信号処理を実現するために、検知要素群が、少なくとも最小数の検知要素（例えば１２個の検知要素、１５個の検知要素等）を含むことが望ましい場合がある。

様々な実施態様では、信号変調要素の漸次的に変化する空間特性は、単調に変化する部分、チャープ部分、又は、直線的に変化する空間周波数部分の１つ以上を含んでよく、当該含められた部分は、アブソリュート測定範囲の少なくとも半分を占めてよい。様々な実施態様では、信号変調要素の漸次的に変化する空間特性は、スケールの長さにわたって、比較的ゆっくりと変化してもよい（例えば隣接する信号変調要素間で１０％未満又は４％未満等で変化する）。更に、様々な実施態様では、信号変調要素の漸次的に変化する空間特性は、スケールの長さにわたって、検出されるのに十分である量で変化するように構成されてもよい（例えば隣接する信号変調要素間で少なくとも１％又は２％等で変化する）。

図９は、電子式アブソリュート型エンコーダ９００のコンポーネントの１つの例示的な実施態様を示すブロック図である。当然ながら、図９の幾つかの番号が付けられたコンポーネント９ＸＸは、以下に特に指定のない限り、図１の同様に番号が付けられたコンポーネント１ＸＸに対応するか、及び／又は、同様の動作を有する。電子式アブソリュート型エンコーダ９００は、スケール９７０と、検出部９６７とを含む。これらは、合わされてトランスデューサを形成する。様々な実施態様では、スケール９７０及び検出部９６７は、図２、図６Ｂ、図７で上記された構成の何れか又は他の構成を含んでよい。電子式アブソリュート型エンコーダ９００は更に、ディスプレイ９３８及びユーザによって操作可能なスイッチ９３４、９３６といったユーザインターフェースを含み、また、電源９６５を追加的に含んでもよい。様々な実施態様では、外部データインターフェース９３２が含まれてもよい。これらの要素はすべて、信号プロセッサとして具体化されうる信号処理部９６６（又は信号処理及び制御回路）に結合される。信号処理部９６６は、検出部９６７によって提供される検出信号に基づいて、アブソリュート測定範囲におけるスケール９７０に対する検出部９６７の検知要素のアブソリュート位置を決定する。

様々な実施態様では、図９の信号処理部９６６（及び／又は図１の信号処理部１６６）は、本明細書において説明される機能を行うように、ソフトウェアを実行する１つ以上のプロセッサを含んでも又はそれらから構成されてよい。プロセッサは、プログラマブル汎用又は特殊用途向けマイクロプロセッサ、プログラマブルコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）等又はこのようなデバイスの組み合わせを含む。ソフトウェアは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ等、又は、このようなコンポーネントの組み合わせといったメモリに記憶されてよい。ソフトウェアは更に、光学ベースのディスク、フラッシュメモリデバイス又はデータを記憶する任意の他のタイプの不揮発性記憶媒体といった１つ以上の記憶デバイスに記憶されてもよい。ソフトウェアは、特定のタスクを行う又は特定のアブストラクトデータタイプを実施するルーティン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む１つ以上のプログラムモジュールを含んでよい。分散型コンピュータ環境では、プログラムモジュールの機能は、組み合わされても、複数のコンピュータシステム又はデバイスにわたって分散され、有線又は無線構成のサービスコールでアクセスされてよい。

様々な実施態様では、信号処理部９６６は、窓関数演算（例えばブラックマン窓等）を実装し、これに対して、検出部９６７の検知要素のうち１つ以上が、様々な値で重み付けされうる。１つのこのような実施態様では、検出部９６７の検知要素群は、検知要素群の第１の端に配置される検知要素の第１のセットと、検知要素群の第２の端に配置される検知要素の第２のセットとを含んでよい。このような実施態様では、信号処理部９６６は、検知要素の第１及び第２のセットのそれぞれに対しテーパリング信号プロファイルをもたらす窓関数演算を提供するように構成されてよい。代替実施態様では、信号処理部９６６によって窓関数が実装されるのではなく、検出部９６７の両端における検知要素の第１及び第２のセットが、検知要素の第１及び第２のセットのそれぞれに対しテーパリング信号プロファイルをもたらす物理的な窓関数としての機能を提供するように構成されてもよい。様々な実施態様では、検知要素の第１及び第２のセットのそれぞれは、複数の検知要素（例えば２つ以上）を含むか、又は、単一の検知要素しか含まなくてもよい。

図１０は、測定軸方向に沿った検出部とスケールとの相対位置を決定するルーティン１０００の１つの例示的な実施態様を説明するフローチャートである。ステップ１０１０において、検出部の検知要素群から検出信号が受信される。検出部の検知要素は、測定軸方向に沿って配置され、スケールの隣接する信号変調要素に対応する検出信号を提供するように構成される。ステップ１０２０において、検出信号に基づいて、アブソリュート測定範囲におけるスケールに対する検知要素のアブソリュート位置が決定される。様々な実施態様では、スケールは、測定軸方向に沿って延在し、信号変調要素の第１のスケールパターンを含む。第１のスケールパターンは、測定軸方向に沿った位置の関数として漸次的に変化し、アブソリュート測定範囲を画定する信号変調要素の空間特性を含む。様々な実施態様では、空間特性は、信号変調要素の空間波長又は空間周波数の少なくとも１つを含み、アブソリュート測定範囲内の各位置において一意である。ステップ１０３０において、スケールに対する検知要素の決定されたアブソリュート位置に少なくとも部分的に基づいている測定値が（例えばディスプレイ上に、又は、別のシステム若しくはデバイスへの出力として）提供される。

本開示の好適な実施態様が図示及び説明されたが、本開示に基づけば当業者には、図示及び説明された特徴の配置及び動作の順序における多数の変形態様が明らかであろう。本明細書に開示される原理を実現するために、様々な代替形態が使用されてもよい。更に、上記された様々な実施形態は、更なる実施態様を提供するように、組み合わされてもよい。本明細書において参照されたすべての米国特許及び米国特許出願は、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。様々な特許及び出願の概念を使用して更に別の実施態様を提供するように、必要に応じて、実施態様の態様が変更されてもよい。

上記詳細な説明に照らせば、これらの及び他の変更を実施態様に行うことができる。一般に、次の請求項において使用される用語は、請求項を、本明細書及び請求項に開示される特定の実施態様に限定すると解釈されるべきではなく、むしろ、当該請求項の等価物の全範囲内のあらゆる可能な実施態様を含むと解釈されるべきである。

１００ノギス
１２０スライダアセンブリ
１４０ベース
１６０ピックオフアセンブリ
１７０スケール

Claims

測定軸方向に沿った２つの要素間の相対位置を測定するために使用可能な電子式アブソリュート型エンコーダであって、
前記測定軸方向に沿って延在し、信号変調要素の第１のスケールパターンを含むスケールであって、前記第１のスケールパターンは、前記測定軸方向に沿った位置の関数として漸次的に変化し、アブソリュート測定範囲を画定する前記信号変調要素の空間特性を含み、前記空間特性は、前記信号変調要素の空間波長又は空間周波数の少なくとも１つを含み、前記アブソリュート測定範囲内の各位置において一意である、前記スケールと、
前記測定軸方向に沿って複数の検知要素が配置された検知要素群を含む検出部であって、前記検知要素は、前記スケールの隣接する信号変調要素に応じて検出信号を提供するように構成される、前記検出部と、
前記検出部によって提供される前記検出信号に基づいて、前記アブソリュート測定範囲における前記スケールに対する前記検知要素のアブソリュート位置を決定する信号処理部と、
を含み、
前記スケールは、信号変調要素のインクリメンタルトラックパターンを含む第２のスケールパターンを更に含む、エンコーダ。
前記信号処理部は、フーリエ変換処理を使用する、請求項１に記載のエンコーダ。
前記フーリエ変換処理は、高速フーリエ変換処理を含む、請求項２に記載のエンコーダ。
前記検知要素群における前記検知要素のそれぞれは、等間隔に配置される、請求項１から３の何れか１項に記載のエンコーダ。
前記検知要素群は、前記スケールに沿った各位置における前記信号変調要素の少なくとも２つの空間波長にわたる、請求項４に記載のエンコーダ。
前記検知要素群は、前記検知要素群の第１の端に配置される検知要素の第１のセットと、前記検知要素群の第２の端に配置される検知要素の第２のセットと、を含み、前記信号処理部は、前記検知要素の第１及び第２のセットのそれぞれに対しテーパリング信号プロファイルをもたらす窓関数演算を提供するように構成される、請求項１から５の何れか１項に記載のエンコーダ。
前記漸次的に変化する空間特性は、前記アブソリュート測定範囲の少なくとも半分を占める単調に変化する部分を含む、請求項１から６の何れか１項に記載のエンコーダ。
前記信号変調要素の前記漸次的に変化する空間特性は、隣接する信号変調要素間で、１０％未満で変化する、請求項１から６の何れか１項に記載のエンコーダ。
前記信号変調要素の前記漸次的に変化する空間特性は、隣接する信号変調要素間で、４％未満で変化する、請求項８に記載のエンコーダ。
前記信号変調要素の前記漸次的に変化する空間特性は、隣接する信号変調要素間で、少なくとも１％で変化する、請求項９に記載のエンコーダ。
前記第２のスケールパターンのインクリメンタル空間波長は、前記第１のスケールパターンに含まれる空間波長の範囲におけるいずれの空間波長からもその波長の少なくとも２５％以上、分離される、請求項１から１０の何れか１項に記載のエンコーダ。
前記検知要素群における前記検知要素のそれぞれは、前記測定軸方向を横断する方向に沿って前記第１のスケールパターン及び前記第２のスケールパターンの両方にわたる、請求項１から１０の何れか１項に記載のエンコーダ。
前記検出部によって提供される前記検出信号は、前記第１及び第２のスケールパターンの両方の隣接する信号変調要素に同時に対応し、前記信号処理部は、前記第２のスケールパターンに対するインクリメンタル位置と、前記第１のスケールパターンに対するアブソリュート位置との両方を決定するように、前記検出信号を処理する、請求項１２に記載のエンコーダ。
前記第１のスケールパターン及び前記第２のスケールパターンは、前記測定軸方向を横断する方向に沿って互いから分離されている各自のスケールトラック内に配置されている、請求項１から１３の何れか１項に記載のエンコーダ。
前記第１のスケールパターンは、第１のスケールトラック内に配置され、前記第２のスケールパターンは、第２のスケールトラック内に配置され、前記第１及び第２のスケールトラックの一方は、前記測定軸方向を横断する方向において、他方のトラックの中央に配置されている、請求項１から１３の何れか１項に記載のエンコーダ。
前記検知要素群は、少なくとも１２個の検知要素を含む、請求項１から１５の何れか１項に記載のエンコーダ。
前記検知要素群は、少なくとも１５個の検知要素を含む、請求項１６に記載のエンコーダ。
前記漸次的に変化する空間特性は、前記アブソリュート測定範囲の少なくとも半分を占めるチャープ部分を含む、請求項１から１７の何れか１項に記載のエンコーダ。
前記漸次的に変化する空間特性は、前記アブソリュート測定範囲の少なくとも半分に沿って直線的に変化する空間周波数部分を含む、請求項１から１７の何れか１項に記載のエンコーダ。
測定軸方向に沿って相対位置を測定する方法であって、
前記測定軸方向に沿って配置され、スケールの隣接する信号変調要素に対応する検出信号を提供するように構成される検出部の検知要素群から検出信号を受信するステップと、
前記検出信号に基づいて、アブソリュート測定範囲における前記スケールに対する前記検知要素のアブソリュート位置を決定するステップと、
前記スケールに対する前記検知要素の決定された前記アブソリュート位置に少なくとも部分的に基づいている測定値を提供するステップと、
を含み、
前記スケールは、前記測定軸方向に沿って延在し、信号変調要素の第１のスケールパターンを含み、前記第１のスケールパターンは、前記測定軸方向に沿った位置の関数として漸次的に変化し、アブソリュート測定範囲を画定する前記信号変調要素の空間特性を含み、前記空間特性は、前記信号変調要素の空間波長又は空間周波数の少なくとも１つを含み、前記アブソリュート測定範囲内の各位置において一意であり、前記スケールは、信号変調要素のインクリメンタルトラックパターンを含む第２のスケールパターンを更に含む方法。
測定軸方向に沿って延在し、信号変調要素の第１のスケールパターンを含むスケールであって、前記第１のスケールパターンは、前記測定軸方向に沿った位置の関数として漸次的に変化し、アブソリュート測定範囲を画定する前記信号変調要素の空間特性を含み、前記空間特性は、前記信号変調要素の空間波長又は空間周波数の少なくとも１つを含み、前記アブソリュート測定範囲内の各位置において一意であり、信号変調要素のインクリメンタルトラックパターンを含む第２のスケールパターンを更に含む、前記スケールと、
前記測定軸方向に沿って配置される検知要素群を含む検出部であって、前記検知要素は、前記スケールの隣接する信号変調要素に対応する検出信号を提供するように構成される、前記検出部と、
１つ以上のプロセッサと、
前記１つ以上のプロセッサに結合され、前記１つ以上のプロセッサによって実行されると、前記１つ以上のプロセッサに、前記検出部によって提供される前記検出信号に基づいて、前記アブソリュート測定範囲における前記スケールに対する前記検知要素のアブソリュート位置を少なくとも決定させるプログラム命令を記憶するメモリと、
を含む、測定システム。