JPH01502452A - 位置決め装置用スケール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 位置決め装置用スケール 技術分野 本発明は、座標測定機や工作機械などの位置決め装置において用いられるスケー ルに関するものである。

背景技術 座標測定機や工作機械は、一般にスケールと、スケールに関して移動可能な構造 物上に設けられた読取りヘッドとを有している。通常、そのような構成が、ｘ、 ｙおよびＺ軸に対して、３つ設けられる。スケールは、接触トリガないしは測定 プローブ、および工作機械の場合には切削工具などの工具を運搬する機械の可動 アームの空間における位置を決定することを可能にするものである。

スケールは規則的な周期のマークを有したものとして設けられ、そのマークは読 取りヘッドにより電気信号に変換され、さらなる処理に供される。読取りヘッド およびスケールについては、磁気スケールに磁気マークを設けるとともに読取り ヘッドに磁気センサをに読取りヘッドに光−電気センサを設けたりするなど、種 々の技術が知られている。

信号のさらなる処理には、スケールに関する読取りの数を計数する処理が含まれ る。従って、ふつう機械はスケールに対する読取りヘッドの絶対位置を知るので はなく、スケール経路のマーク毎にカウンタをインクリメントまたはディクリメ ントすることによる相対位置の計数値を保持する。読取りヘッドには、スケール マークの（ｎｌ／４）波長分（ｎは整数）、軸方向に離隔させて２つのセンサが 設けられることがあり、これによって互いに９０度位相のずれた出力信号（直角 位相の出力信号）が与えられる。そこで信号処理回路は、これら２つの信号の相 対的位相から穆動の方向を決定することができ、この情報を用いてカウンタがイ ンクリメントされるべきかディクリメントされるべきかが決定サレる。また、信 号処理回路はスケールマーク間の補間を行うものであってもよい・、直角位相の 出力信号を与えるセンナ構成は、他にも知られている。

機械は読取りヘッドの絶対位置を知るものではないので、信号処理回路およびカ ウンタが、通過したマークの数を計数できないと測定に誤りが生じつる。これは 、例えば、信号の劣化を引起こすスケールまたは読取りヘッドの汚れの結果とし て生じうる０機械はそのようなエラーを補正する方法を持たないので、このエラ ーは累積されることにな°る。さらに、すべての絶対位置の情報は電力の不足が 生じた場合にも失われる。

そこで、光学スケールを接続する構成において、規則的なスケールマークを含む トラックに平行に分離トラックを設けたものが提案されている。分離トラックは スケールマークの幾つかと隣り合う基準マークを有し、その基準マークの１つを 通過したときに、カウンタは所定値（例えば零）にリセットされる。また、基準 トラックの基準マーク間に配列したコーディングマークを含む構成も提案されて おり、これによると基準マーク毎の絶対位置が認識できるようになる。

、例えば、米国特許第４，５１９，１４０号を参照されたい。

独国公開公報ＤＥ　３４２７０６７においては、スケールマーク自身の間に設け られたコーディングマークを有する光学スケールが開示され、絶対位置情報に加 えて各スケールマークに対するエラー補正情報を符号化できるようにすることが 提案されている。さらに、米国特許第４，４９０，９１４号Ｇヨ、エラー補正情 報がスケールマークトラックに平行な分離トラックにおいてアナログあるいはパ ルス幅変調された形態であってもよい旨を提示している。

発明の開示 本発明の第１の形態では、周期性をもって磁気的に記録され、トラックに沿って 縦に配列された一連のマークを具えた位置決め装置用磁気スケールにおいて、マ ークはトラックに沿って各々互いの間に存在するように設けられた第１マークお よび第２マークを具備し、第２マークは第１マークと区別可能な属性を有し、さ らにマークの位置に関連した情報がマークに符号化されていることを特徴とする 。

好適には、第１および第２マークはそれぞれ異なった振幅を有する。一実施例に おいては、第１マークは規則的に配置された歩道スケールマークを形成してもよ く、第２７−′りは第１マークの位置に関連した情報を符号化してなるものとす ることができる。他の実施例においては、第１および第２マークの双方は、共に 歩道スケールマークを形成し、それらの位置に関する情報が、第１および第２マ ークが互いに区別可能であることを用いるコードとしてスケールマーク中に符号 化されているものとすることができる。

したスケールと、マークを検出するための少なくとも１つのセンサを含み、その 検出に応じて出力信号を供給する読取りヘッドと、読取りヘッドの出力を受容す る信号処理手段とを具え、信号処理手段は第１および第２マークを区別するため の手段およびマークに符号化された情報に応答する手段を有することを特徴とす る。

図面の簡単な説明 本発明の好適実施例として、添附の図面を参照して説明する。ここで、 第１図はスケールおよび読取りヘッドの線図、第２図、第３図および第４図はス ケールに記録可能な交番信号の振幅のグラフ、 第５図および第６図は他のスケールおよび読取りヘッドの線図であ、る。

発明を実施するための最良の形態 第１図を参照するに、例えば工作機械あるいは座標測定機の固定構造物の一部と することができる支持体ヘッド１４はスケールに沿って摺動が可能である。勿論 、所望であれば読取りヘッド１４を固定し、スケールｌＯを読取りヘッドに関し て縦に可動としてもよい。

スケール１０はその上に記録された一連の規則的周期のマークを有するが、これ については後に詳述する。

読取りヘッド１４は２つのセンサ１６を含み、これらはスケール１０に記録され たマニラのピッチの（ｎ＋１７４）波長分の距離をおいて縦に配置されている。

従って、センサ１６は互いに直角位相の出力をライン１８に与える。

スケールｌＯ上のマークはいかなる技術によっても記録することができ、このた めに適当なセンサ１６を配設することが可能である。本例においては、スケール ｌＯを磁気媒体とし、その上に磁気的にマークを記録するようにし、磁気センサ １６を用いた構成を選択した。この技術が、後述のように、マークの記録および 読取りの最も簡単な方法だからである。センサ１６は磁気抵抗性のものとするこ とができる。しかしながら、これらスケールおよび読取りヘッドに関して他の技 術を用いることも可能である。例えば、スケールとしては、フォトリソグラフィ 技術などによフて光学的書込みが可能な物質の層を有する光学スケールであって もよい。

その物質には、発光ダイオードによって、あるいは一層の正確さを得るべくレー ザ（例えば固体レーザ）によって書込まれたマークが設けられる。光学スケール の読取りには、フォトセンサが特に有効である。

１０に記録された信号のグラフが示され、一定周波数および概ね一定振幅の正弦 波信号が備えられている。はとんどの部分では振幅はレベルＬＬであるが、後述 のように時折レベルＬ２のピーク３４が現れる。信号２０の周期はスケール上の マークのピッチを構成し、例えばこれを１ミクロンとすることができる。信号の ピーク３４゜３５がマークの構成要素となる。信号プロセッサ２２はライン１８ 毎に１つのリミッタ（２４，２５）を有する。リミッタ２４．２５は人力信号の ゼロクロス点でスイッチし、公知の直角位相処理回路（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　 ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ）２６に対して直角位相の方形波出力を供 給する。これによってカウンタ２８にパルスの出力を行うことができる。ここに 、入来した直角位相方形波の各エツジについて１つのパルスが生成される。そし て、入来した信号の相対的な位相を検出することによって、直角位相処理回路２ ６は、読取りヘッドが一方の向きに移動しているときにはアップカウントライン ３０に、他方の、向きに移動しているときにはダウンカウントライン３２に、こ れらパルスを振分けることができ、これによってカウンタ２８が移動の向きに基 づいてインクリメントまたはディクリメントされることになる。

従って、カウンタ２８は常に、通過した信号２０のピークの数に換算して、読取 りヘッド１４のスケールに沿った相対位置を示すことになる。スケールに沿フた インターバルで、例えば信号２０の１０００サイクル毎に（すなわち信号２０の ピッチが１ミクロンであればＩＩＩＩｆｆｌ毎に）、信号のピーク３４は通常の ピーク３５よりかなり大きい振幅を呈する。これはライン１８の１つに接続され たスレッショルド検出器３６によって検出される。このンタ２８にパルス入力を 行い、これによってカウンタ２８が最も近い１０００カウントに丸められること によりその計数値を更新する。

従って、カウンタ２８が計数しきれなくなったり、１以上の信号２０のピークを 計数し損なフたとしても、このエラーはパルス３４が検出されるｉ　ｎｏｎ毎に 補正されることになる。

高レベルのピーク３４が低レベルのピーク３５と同様に正確にリミッタ２４．２ ５に作用することが認識される。

よって、このピーク３４は直角位相処理回路に何ら不利な影響を与えない、何と なれば、ライン１８の各入力のゼロクロス点で方形波が立上がるかまたは立下が るので、従ってピーク３４．３５の振幅が異なっていること、。

および振幅が異なっていることによって起こるいかなる逆フェージング効果（ａ ｄｖｅｒｓｅ　ｐｈａｓｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔｓ）も排除されるからである。ピ ーク３４およびピーク３５の双方がカウンタをインクリメントまたはディクリメ ントする歩道（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ）スケールマークとして作用し、高レベ ルのピーク３４を発生することが１０００番毎のマークを示す極めて単純な°符 号を生成することになる。

所望であれば、ピーク３４をより高い、あるいはより低い周波数で発生させるこ ともできる０例えば、１００マーク毎に発生させ、ピーク３４が検出されたとき に最特表千１−５０２４５２　（４） できる。

第２図示の記録信号における１つの問題は、与えられる符号化出力が依然として 車に読取りヘッド１４の任意のスタート位置のいくつかに関連したものであるこ とであり、そしてさらには低レベルのピーク３５の１つが見過されるのと同じ理 由でスレッショルド検出器３６がピーク３４の１つを見過す可能性もある。後者 の問題については、次の高レベルのピーク３４に至ったときにカウンタ２８が補 正され得るので、はとんどの環境下ではさほど重大ではない。しかしながら、第 ３図示の交番記録信号２１を用いれば、カウンタ２８に絶対位置情報を与えるこ とができる。

前述したように、信号はレベルＬ１のピーク３５を有する概ね一定の振幅で一定 周波数の正弦波から成るものである。しかし周期的に（例えば１　ｍｍ毎に）、 少なくともそのいくつかが高レベルＬ２であるピークの群４０が設けられる。と りわけ、群４０の最初および最後のピーク４２．４４がより高いレベルである。

ピークの群４０はバイナリワードを形成し、ここに絶対位置情報が符号化される 。このバイナリワードにおいて、ピーク４２および４４がスタートビットおよび ストップビットを形成し、第３図示の例ではその２つの間に８ビツトのバイナリ 情報が置かれるものを示している。ここに、低レベルのピークがバイナリ表現で “０”を、高レベルの必要とされる情報の量に応じて、８ビツトより多くあるい は少なくすることもでき、所望であればいくつかのビットをエラーチェック用の ものともできるのは勿論である。

スレッショルド検出器３６とカウンタ２８との直接接続３８をとる代りに、デコ ーダ４６を設けることができる。

この回路の基本機能は、バイナリワード４０のシリアル情報をデコードしてパス ４Ｂにパラレル出力を行うことであり、これが現れるとカウンタ２８がデコーダ ４６によって生成された復号値にリセットされる。デコーダ４６は高レベル検出 器３６の出力を受容するとともに低レベル検出器２５の出力を受容し、それらを 共にゲコトしてバイナリ“１”またはバイナリ“０”の存在を決定する。また、 デコーダ４６は、読取りヘッド１４が両方向に移動しうるという事実に対処可能 であるべきであり、バイナリワード４０のビットは両方向で受容可能とすること ができる（すなわち、ピーク４２またはピーク４４の双方でスタートされる）。

従って、デコーダ４６は、また、直角位相処理回路２６からの移動の方向を示す 入力を受容するものとするか、またはスタートおよび／またはストップビットを 、適切に構成して方向を決定するものとしてもよい、また、デコーダ４６は、ワ ード４０の読取りが行われる部分経路であたかも読取りヘッドが停止もしくは逆 行するかのように、微弱な入力を検出コーグを設計することは、例えばバーコー ドリーダの分野において公知である。

バイナリワード４０に符号化された情報は例えば絶対位置情報であってもよい。

この位置情報は、バイナリワード、例えばスケールマーク４２または４４に組合 されたスケールマークの（スケールの原点からの）ミリメートル表現による位置 の如きものである。これがバス４８を介してカウンタ２８に直接導かれ、カウン タを更以上では、主に低いピーク３５から成り、時折高いピーク３４が現れる信 号について述べた。しかしながら、その逆も可であることは明らかである。すな わち、主として高いピークを、有し、時折の低いピークが散在する信号とするこ ともできる。

幾つかの応用例として、情報を異なったように符号化してもよい。第４図はその 一例を示し、ここではスケールは計数されるべきインクリメンタルスケールマー クである周期的な第１７−ク５０を有している。そしてこれらは、例えば５０ミ クロンのインターバルで現れるものとすることができる。この場合には、一般に 信号処理回路を、マーク５０間の補間を行う回路を含むものとして設けることが できるだろう。マーク５０は高い方のレベルＬ２である。ｖＡり合う２つのマー ク５０間には低い方のレベルＬｌの一連の第２７−ク５２が設けられ、この第２ ７−ク５２がバイナリワード４０と同様のバィナリワード８０を備えており、こ れが隣接する一方のマーク５０に関する情報を含んでいる。、しかしこの場合低 レベルピーク５２が存在するか否かを示すようなバイナリ情報を符号化すること もできる。高レベルピーク５０はバイナリワードのスタートおよびストップとし て作用することができる。所望であれば、マーク５０の１つ毎について、あるい はそれらのいくつかについてのみ、情報を設けてもよい。

バイナリワード４０または８０に記録される情報は、上述したような絶対位置に 関したものでなくてもよい。

これに代えて、あるいはこれに付加して、エラー補正情報を記録するようにして もよい。単純な形態として、組合されたマーク４２．４４または５０についての 線形エラー情報、例えばスケール１０が方向Ｘに設けられたマークを有している 場合におけるΔＸを単に含むものとすることができる。この場合においては、デ コーダ４６は外部コンピュータにエラー出力を供給し、これがエラー′ΔＸをカ ウンタ２８の出力に加えて、原点からの距！！ｘを与えるようにする。

しかし次のように一層複゛雑なエラー情報を記録することもできる。実際の座標 測定機あるいは工作機減は一般に直交する三軸に組合せたスケールｌＯおよび読 取りヘッド１４を有しており、これによってｘ、ｙおよびｚ軸上の移動が測定さ れる０機械の運転中における構造の種々の部分の変形のために、三次元のエラー を考慮できるようにすることが望ましい。これらエラーはロール、ピッチおよび ヨーによ゛って生じ、機械の全体積によって異なるはずである。従って、例えば 与えられたＸの値に対するエラーΔＸは、現在のｙおよびＺ値に従って変化しう る。ゆえに、所望であれば、Ｘスケール２８上の各マーク４２．４４または５０ について、隼に１つのΔχ値を記録するのではなく、対応するＸ平面内のｙおよ びＺの各僅についてのΔＸの値のテーブルを記録しておくようにすることができ る。。同様に、ｙスケール上のマーク４２．４４または５０のそれぞれについて もΔｙ値のテーブルを記録し、Ｚスケール上のマーク４２．４４．５０のそれぞ れについてもΔＺ値のテーブルを生成するようにすることが、できる。

しかしながら、スケールマークの各々に関連したこれらすべての値のテーブルを 記録することは困難であろうから、例えば次のようにして情報を圧縮することが 好ましい。Ｘスケールに沿って連続したマーク４２゜４４、５０に関連した連続 バイナリワード４０または８０が、ｙおよびＺのそれぞれ異なった値でのエラー ΔＸを記録する。従って、例えば点ｘ０での第１マーク４２．４４゜エラー情報 Δｘ　（ｙｏ、ｚｏ）’を記録する対応バイナリワードを有しているとすれば、 点ｘ１でのＸスケールに沿った次のバイナリワード４０．８０は点×１でのエラ ーΔｘ　（ｙｏ、ｚ＋）を記録し、その次はエラーΔｘ　（ｙｏ、’ｚ２）を記 録し、以下同様とすることができる。このようにして異なフたＺ値に対する一連 のエラー値ΔＸについての操作を行った後に、位置ｙ＋（例えばΔｘ　（ｙ＋、 ｚｏ）等）での−組の２２値、およびｙ２での他の一組等々についての処理を繰 返すことができる。最終的に、すべてのｙおよびＺ値についての作業を行った後 には、Ｘスケールに沿った次のバイナリワード４０．８０が現在のＸ位置につい ての他のΔｘ　（ｙｏ、ｚｏ）の値を記録するはずである。エラーΔｙおよびΔ ２はｙおよびＺスケール上で同様にして記録される。従って、機械の全容積にわ たったエラーのマツプがコンピュータに与えられ、補間によって中間値を得るこ とができる。

信号プロセッサ２２が第２図および第３図におけるマーク３４．３５の計数およ び移動の方向の指示を行わなければならないのみならず、一層の精度を期してマ ーク間の補間を行わなければならないとするならば、第１図示の構成では十分で はないであろう。そのための変形例を第５図に示す。ここでは直角位相処理回路 ２６は補間回路部を含み、その回路部がライン１８に供給された正弦波の瞬間の し≧ルの比に従うものであるとすれば、これらライン１８にリミッタ２４．２５ は含まれない、この代りに、もし設けられているのであればデコーダ４６が一方 の入力側に低いスレッショルドレベルの検出器５６を有しく他方には高いスレッ ショルドレベた機能を行うことができる。

補間回路部が正弦波の瞬間の比を使用する。ものであるので、一方の入力が高い ピーク３４に関するものであり、他方が低いピーク３５に関するものであるとす れば、混乱が生じうる。これを防ぐために、３つ以上のセンサ１６がスケールピ ッチの（ｎ＋１７４）波長分の間隔をおいて配置される。「選択（ｖｏｔｉｎｇ ）」回路５４は、各センサの出力を受容して高いピーク３４にないそれら出力の うちの２つを選択するようにされており、それら２つを処理回路２６に導くもの である。第３図示の形態で記録された信号が復号されるのであれば、選択回路は （等レベルのピークトある２つを確実に選択できるようにするために）３個より 多いセンサ１６からの入力を必要とする。あるいはまた、３つのセンサ１６を互 いに比較的大きな間隔をおいて配置し、それらのうちの１つのみが同時にバイナ リワード４０に一致しているようにする。そのような「選択」回路の構成は公知 であるが、スケールに関したそれらの用法はそれ自身新規性および進歩性を有し ていると解する。

第６図は選択回路５４を必要とせずに補間が行われる示した形態とすることがで きる）、読取りヘッド１１４対応させている。２つの信号１２０は相等しいが、 互いに４分の１波長位相をずらして記録されている。この位相差は各センサ１１ ６について相対的なものである。

すなわち、センサが互いに４分の１波長ずらされているのであれば、信号は同一 位相でよい。２つのセンサ１１６からの信号は直接第５図示の補間用直角位相処 理回路２６に受取られる。信号は位相を除いてすべて相等しいものであるので、 従来の手法によりそれらの瞬間の比に基づいて補間を行うことができる。

所望であれば、第１図ないし第４図の実施例において、正弦波に代えて各々高い 振幅と低い振幅との方形波の形態の信号をスケールに記録しておくこともできる 。この場合には、スレッショルド検出器３６よりも、むしろ（例えば適切に離隔 させたセンサからの）連続して記録された方形波の高さを比較するコンパレータ を設けて、与えられたピークが「高」か「低」かを決定するようにすることがで きる。ＬｌおよびＬ２の絶対値が確実でないとき、例えば信号の強さがスケール と読取りヘッドとの距離に従って異なるときに、そのような比較を行うことが有 効である。

ＦＩＧ、５ 国際調査報告 国際調査報告 −−ＧＢ　８８００１１９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）周期性をもって磁気的に記録され、トラックに沿って縦に配列された一連の マークを具えた位置決め装置用磁気スケールにおいて、前記マークは前記トラッ クに沿って各々互いの間に存在するように設けられた第１マークおよび第２マー クを具備し、前記第２マークは前記第１マークと区別可能な属性を有し、さらに 前記マークの位置に関連した情報が前記マークに符号化されていることを特徴と する位置決め装置用スケール。 ２）請求の範囲第１項記載のスケールにおいて、前記第１マークは規則的に配置 された歩進スケールマークを形成し、前記第２マークは前記第１マークの位置に 関連した情報を符号化してなることを特徴とするスケール。 ３）請求の範囲第１項記載のスケールにおいて、前記第１および第２マークの双 方は、共に規則的に配置された歩進スケールマークを形成し、それらの位置に関 する情報が、前記第１および第２マークが互いに区別可能であることを用いるコ ードとして前記スケールマーク中に符号化されていることを特徴とするスケール 。 ４）周期性をもって規則的に配置され、トラックに沿って縦に配列された歩進ス ケールマークを具え、該歩進スケールマークは前記トラックに沿って各々互いの 間に存在するように設けられた第１マークおよび第２マークを具備し、該第２マ ークは前記第１マークと区別可能な属性を有し、それらの位置に関する情報を前 記第１および第２マークが互いに区別可能であるということを用いるコードとし て前記スケールマーク中に符号化されていることを特徴とする位置決め装置用ス ケール。 ５）請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかの項に記載のスケールにおいて、 前記第１および第２マークはそれぞれ異なった振幅を有することを特徴とするス ケール。 ６）請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかの項に記載のスケールにおいて、 前記符号化された情報は前記スケールマークの絶対位置の値に関連することを特 徴とするスケール。 ７）請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかの項に記載のスケールにおいて、 前記符号化された位置情報は１以上のスケールマークの位置に関するエラー補正 情報であることを特徴とするスケール。 ８）請求の範囲第７項記載のスケールにおいて、前記エラー補正情報は２以上の 次元におけるエラーに関連することを特徴とするスケール。 ９）請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかの項に記載のスケールにおいて、 前記第２マークは規則的なインターバルで前記スケールの長さにわたって配置さ れ、当該規則的なインターバルは前記歩進スケールマークの間隔より長いことを 特徴とするスケール。 １０）請求の範囲第１項ないし第９項のいずれかの項に記載のスケールと、 前記マークを検出するための少なくとも１つのセンサを含み、その検出に応じて 出力信号を供給する読取りヘッドと、 該読取りヘッドの出力を受容する信号処理手段とを具え、該信号処理手段は前記 第１および第２マークを区別するための手段および前記マークに符号化された情 報に応答する手段を有することを特徴とする位置決め装置。