JPH04230803A - 位相調整回路を備えた位置測定装置と位置調整方法 - Google Patents

位相調整回路を備えた位置測定装置と位置調整方法

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JPH04230803A
JPH04230803A JP3124424A JP12442491A JPH04230803A JP H04230803 A JPH04230803 A JP H04230803A JP 3124424 A JP3124424 A JP 3124424A JP 12442491 A JP12442491 A JP 12442491A JP H04230803 A JPH04230803 A JP H04230803A
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JP
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signal
phase
signals
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JP3124424A
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Robert W Brandstetter
ロバート・ダブリュー・ブランドステッター
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Warner and Swasey Co
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B7/003Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring position, not involving coordinate determination
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    • G01D5/12Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、位置の変化を電子的に
測定するための装置、例えば線形及び回転式エンコーダ
及びレゾルバなどのような装置に関するものである。
【0002】
【発明の背景】プローブの変位に相当する電気信号を発
生するため、直交座標測定機は普通密な間隔の格子線の
集まりから成る主たる格子を有し、これを主たる格子に
対しわずかな角度で傾斜させた小さい透明格子を支持し
ている読取りヘッドでトラバースするようにしている。 両格子間の光学的干渉によって、横断的に移り変わる明
暗領域のパターンが作られ、このパターンはモアレ縞と
呼ばれている。このパターンを読取りヘッドに内蔵した
フォトセンサ列で検出する。
【0003】読取りヘッドは両方向へ動くから、またア
ナログ信号は各サイクルの中でそれ自体繰り返すから、
補間信号値には固有の不明瞭さが含まれる。
【0004】この不明瞭さを解決するため、改良が行な
われるが、これは第1の信号と大きさは等しいが90°
位相がずれた第2の電気信号を発生させるものである。 こうして一対の直角位相信号がもたらされる。これら直
角位相信号を合成して、格子スケールの線と線の間の線
間スペースに沿う読取りヘッドの位置に線形に関連した
1つの信号情報が作られる。すなわち直角位相信号を組
合せると線形関数が作られ、これから線間スペース内の
どのポイントに読取りヘッドがいるかを不明瞭さなしに
決定することができる。
【0005】こうして読取りヘッドは、パターンがセン
サを横切って移動する時、一対の周期的に変化する90
°位相のずれた電気出力信号を発生する。このパターン
は読取りヘッドが主たる格子間の各スペースをトラバー
スするのに精密に相応してシフトし、従ってこれら電気
出力は読取りヘッドが格子線を横切る変位に相当するア
ナログ信号から成るものである。
【0006】このアナログ信号は正弦波であり、1つず
つのサイクルは読取りヘッドが格子線間の完全なスペー
スをトラバースすることにより完結される。従って完全
な各サイクルをランニング(連続)計数すると、主たる
格子に沿う読取りヘッドの総変位の表示が与えられる。
【0007】光学格子/読取りヘッドシステムを構成す
る別の手段は、上述したモアレ縞方法に代わり、これも
業界で周知のバーニア縞光学方法を使用することで、こ
の方法にも本発明は等しく適用することができる。
【0008】格子線の間のスペースより微細な解を得る
ために、補間回路が考案され、これらアナログ信号をさ
らに小分割する(米国特許第4225931号、198
0年9月30日、「インターポレイション・アパレイタ
ス・フォア・ディジタル・エレクトロニック・ポジショ
ン・メジャリング・インストルメント」)。
【0009】直角位相信号の間の位相角は正確な結果を
得るために精密に90°にセットされなければならず、
これは従来読取りヘッド格子と主たる格子の間の傾斜角
を手で慎重に調整してモアレ縞パターンを変化させるこ
とにより行なわれていた。この手続は、測定機のカバー
を取外し、フォトセンサ出力のリサジューパターンをオ
シロスコープ上で観察しつつ読取りヘッドの位置の面倒
な機械的調整を要するものであったから、時間がかかり
、不便であった。
【0010】米国特許第4462083号(1984年
7月24日、「メソッド・オブ・インターバル・インタ
ーポレイション」)及び第4490914号(1985
年1月1日「エラー・コレクション・システム・フォア
・ホジション・メジャリング・インストルメント」)は
共に、位置測定装置に使用される直角位相信号間の位相
角差を修正するためのシステムを記載している。前者に
おいて、修正値は測定により決定され、補間計算をしな
がら使用するためデジタルコンピュータに格納される。 この方法は追加的電子素子と手続と、そして複雑なコン
ピュータ操作とを要する難点がある。
【0011】後者は格子に沿う別の磁気トラックと、修
正信号を各アナログ信号ごとに発生し記録するための手
段とを要する。続いての位相角変化の調整は困難であろ
う。
【0012】
【発明の概要】本発明は位置測定装置における直角位相
信号間の位相関係を調整するため単一の回路と方法とか
ら成るものである。この回路は、0°アナログ信号をそ
の反転信号に両信号の調整可能な割合で代数的に加算す
る構成を有し、選択的に符号づけされスケールダウンさ
れた0°信号から成る修正信号の発生を可能ならしめる
ものである。この修正信号は0°信号を電位差計の一側
に送り、0°アナログ信号の反転した又は180°位相
シフトした形を他側に送って、代数和を電位差計スライ
ダから出力することにより発生され得る。
【0013】こうして、0°アナログ信号から、無限定
に選択的に調整可能な、正又は負に符号づけした0°ア
ナログ信号のスケールダウンが生じ得る。
【0014】この修正信号は、見かけ上90°のアナロ
グ信号にベクトル的に加えられた時修正信号の符号に応
じていずれかの方向で、修正信号の大きさに応じた角度
の、90°アナログ信号の位相シフトを生じることにな
り、修正信号の符号と大きさは電位差計のスライダ調整
により選択的に定められる。修正信号は電位差計のスラ
イダの動きにより符号と大きさを調整され得るから、9
0°アナログ信号の位相は0°アナログ信号と完全な9
0°位相関係を確保するように適切にシフトされ得る。 A(0°)信号を反転させるため追加バッファ/インバ
ータを使用することにより、DCバランスされた修正信
号が作られる。この追加インバータは、位相調整電位差
計をB(90°)信号オフセット調整ポットにクロスカ
ップリングするのを省く追加的特徴をもたらす。
【0015】0°及び90°正弦波アナログ信号のリサ
ジューパターンをオシロスコープ上で観察することは、
電位差計スライダの適切な調整により実現された適切な
位相関係を検出する便宜な手段を与える。
【0016】この手続は読取りヘッド傾斜角を機械的に
調整するのに比べはるかに時間がかからず、追加的回路
やコンピュータを要さず、また通常の保守の間にも便宜
になし得る便利さがある。
【0017】
【実施例】図1は直交座標測定機(CMM)10を例示
するもので、これは本発明の位相修正回路を使用しよう
とする1つのタイプの位置シフト測定装置を構成するも
のである。CMM10は種々の形態をとることができ、
図示のものは米国特許第4682418号(1987年
7月28日、「コオーディネート・メジャリング・マシ
ン」)に詳細に記述されているものである。
【0018】プローブ14がプローブシャフト16に取
付けられ、このシァフトはキャリッジ18に垂直運動で
きるように支持されている。プローブシャフト16は主
たる格子20を取付けていて、この格子はキャリッジ1
8に取付けた読取りヘッド22を横切って運動する。読
取りヘッド22はカバーで包まれていて、主たる格子2
0に対し周知の方法でわずかに傾斜できるようにキャリ
ッジ18上に調整可能に取付けられている。キャリッジ
18は第2のキャリッジ24上に水平運動できるように
取付けられ、第2のキャリッジはベース26上で直交方
向に水平運動できるように取付けられている
【0019
】キャリッジ18及び24に同様な格子−読取りヘッド
機構(図示せず)を設けて、周知の方法で各直交軸に沿
う運動に相当する電気信号を発生するようにすることが
できる。
【0020】こうしてプローブ14の先端28はテーブ
ル32上に支持されたワークピース30上の諸点間を動
かされ、運動の程度を測定してワークピース30上の諸
点間の距離に相当する信号を発生させる。
【0021】前述したように、各部材の運動の程度に相
当する直角位相正弦波信号を発生するため、フォトセン
サの列を使用する光学距離変換器を含んだ、2つの周知
の光学的技法がある。1つの技法は、モアレ縞シャドウ
パターンが、読取りヘッド22に支持され、機械に固定
した主たる格子20に対しわずかに傾斜された格子の小
区間により発生されるのを検出するものである。第2の
技法は、機械に固定した格子20よりわずかにピッチ(
線間のスペース)が大きい又は小さい読取りへッド22
上の平行(傾斜していない)透明格子の使用により発生
されたバーニヤ縞シャドウパターンを検出すものである
【0022】読取りヘッド22は、図2に示すように、
主たる格子20と読取りヘッド格子20Aとの間の光学
的干渉により作られるシャドウパターンを検出するフォ
トセンサ列23を有している。これにより一対の電気ア
ナログ出力信号が発生され、これは各々正弦波的に変化
し、見かけ上互いに90°位相がずれていて、直角位相
信号となっている。
【0023】これら信号の完全な1サイクルは、読取り
ヘッド22が主たる格子20の1個の格子線間スペース
を横切ると生じる。
【0024】これらアナログ読取り出力信号は、本発明
に係る読取りヘッド信号調整回路12で処理され、電子
回路31が調整された読取りヘッド出力信号を受け取り
、これを処理してディスプレー33などに標準測定単位
で表示するため使用する。
【0025】図2は、本発明に係る読取りヘッド信号調
整回路12を詳しく説明するための図である。
【0026】2対のアナログ信号が、読取りヘッド22
の格子20Aの上に位置しているフォトセンサ23の列
から出力される。
【0027】各対の信号は互いに反転した符号から成り
、相当する差動増幅器34A,34Bで各々差別化され
る。増幅器34Aの出力は0°又はサインアナログ信号
Aから成り、増幅器34Bの出力は90°コサインアナ
ログ信号Bから成る。フォトセンサ出力信号の対を差別
化することは、周知のように共通モードリジェクション
を改良するものである。
【0028】0°及び90°信号は、それぞれの利得調
整電位差計36A,36Bへ送られて、これら信号の各
々の大きさの調整を可能にする。利得調整電位差計36
A,36Bの出力は、それぞれオフセット和増幅器38
A,38Bへ入力され、この各々はまたオフセット調整
電位差計40A,40Bからの出力を受ける。オフセッ
ト電位差計は可変DC成分をそれぞれアナログ信号(A
,B)へ加えて、これら信号を周知のようにオフセット
することを可能にする。
【0029】本発明に係る改良は、位相調整電位差計4
2を加えることで、この一側44に0°アナログA信号
からの入力を受ける。0°A信号は、インバータ46に
より事実上0°信号から180°位相シフトされるよう
に反転され、位相調整電位差計42の他側に入力される
【0030】位相調整電位差計42のスライダ出力は、
90°B信号利得・オフセット増幅器38Bへ加えられ
る修正信号Cを構成する。
【0031】異なる実施例において、入力48は、36
Aがインバータ増幅器である限り、34Aの出力から直
接導くことができるが、これはDCバランスされていな
いスライダ出力50を生じ、これにより位相調整器42
で変化する好ましくない効果が所要のDCオフセット調
整40Bに変化を生じるので、好適さは劣る。
【0032】位相調整電位差計42のスライダ50にお
ける修正信号Cは、0°A信号の調節的にスケールダウ
ンされた形であって、これはまたスライドワイヤ50が
0°信号又は180°信号のいずれが優勢的になるよう
にセットされたかに応じて、いずれかの符号に選択的に
反転され得る。この結果は、0°及び180°入力の選
択的割合がこの機構により代数的に加算されるから生じ
るのであり、互いに他に加えられた各信号の相対的割合
はスライダ50の位置をセットすることにより選択的に
調節され得るものである。スライダ50の中心又はニュ
ートラル位置においては、各信号の等しい割合が互いに
加算されるから、修正信号は発生されることにならない
【0033】ニュートラルからいずれかへずれたスライ
ダの位置では選択的にスケールダウンされた正又は負の
位相修正信号Cがスライダ出力50上に現われる。
【0034】この修正信号は、増幅器38Bで見かけ上
90°信号Bにベクトル的に加算される。
【0035】従って修正信号の符号と大きさは、90°
信号Bの位相をシフトさせて、このB信号の何らかの位
相ずれ条件を修正するように調整され得る。
【0036】オシロスコープ上で0°A信号、90°B
信号により発生されるリサジュー図形を観察することに
より、不適当な位相関係はこのパターンの楕円形の出現
により検出することができ、これは特徴的に不適切な位
相関係が存在する時生じるものである。この手続は、利
得・オフセット電位差計36A,36B,40A,40
Bがセットされるのと同時に便宜になされ得る。
【0037】図3はフェーザー、すなわちスケールされ
た0°修正C信号を見かけ90°位相ずれB信号にベク
トル加算するとどのように見かけ90°の位相シフトが
或る方向に生じて修正されたB信号、すなわち精密に9
0°の位相関係を0°A信号に対しもつ信号を発生する
か図形的に示すベクトル図である。
【0038】修正信号Cは、いかなる位相角度でもB信
号にベクトル的に加えられた時、B信号の位相を修正す
るよう時計回りに回転するフェーザーを生成する。図示
の加算はわずかに90°より小さい位相ずれの信号を正
確に90°の位相関係に修正するためのものである。
【0039】同様な結果は、負の修正信号Cにより反時
計回り方向でも生じる。
【0040】この回路と方法は多様な位置測定装置、例
えば線形及び回転式レゾルバ及びエンコーダなどにも使
用することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、直交座標測定機に本発明に係る電子回
路を略示的に組合せて示す斜視図である。
【図2】図2は本発明に係る位相修正回路のブロック図
である。
【図3】図3はアナログ信号と修正信号のフェーザー(
ベクトル)で、信号が0°信号から90°よりわずかに
小さい位相ずれにある条件を修正するため見かけ90°
アナログ信号に修正信号をベクトル加算することを示し
ている。
【符号の説明】
10    直交座標測定機 12    読取りヘッド信号調整回路14    プ
ローブ(第2の要素) 20    主たる格子 20A    読取りヘッド格子 22    読取りヘッド

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  第1の要素(22)の第2の要素(1
    4)に対する変位を測定するように構成され、見かけ上
    互いに90°位相がずれている一対の正弦波電気信号を
    前記第1及び第2の要素の相対運動の程度に相応して発
    生する信号発生手段(23)を有している、位相調整回
    路を備えた位置測定装置であって、前記一対の信号間の
    位相関係を選択的に変化させるための位置調整回路が、
    選択的に正又は負の符号をつけられる選択的にスケール
    された0°位相信号から成る修正信号を導く手段(42
    )と、この修正信号を前記見かけ上90°の信号にベク
    トル的に加えるベクトル加算手段(38B)とから成り
    、これにより前記見かけ上90°の信号が前記選択的に
    定められた修正信号のベクトル加算により選択的な角度
    と方向にシフトされることにより修正されるようにした
    ことを特徴とする位置測定装置。
  2. 【請求項2】  修正信号を導くための前記ベクトル加
    算手段(42)が、前記0°信号と、この0°信号から
    180°シフトした形との選択的に調整され得る割合を
    代数的に加えるための手段(42,46,48,44)
    から成る請求項1に記載の装置。
  3. 【請求項3】  前記ベクトル加算手段が電位差計手段
    (42)から成る請求項2に記載の装置。
  4. 【請求項4】  位置測定装置が、主たる格子と、この
    格子に沿って移動し得る読取りヘッドとを有し、この読
    取りヘッドは主たる格子に対し傾斜した格子を有し、前
    記位相調整回路はこの傾斜角度の不適切なセットを修正
    することができる請求項1に記載の装置。
  5. 【請求項5】  前記修正信号を導くための手段は、位
    相調整の変更がなされた時、前記修正された出力90°
    信号にDCシフトを生じないようにDCバランスされた
    修正信号を生じる請求項1に記載の装置。
  6. 【請求項6】  一対の正弦波信号、すなわち見かけ上
    0°と90°の位相信号が90°前後ずれている時に正
    確に90°の位相差をセットできるよう一対の信号間の
    相対的位相をシフトするための方法であって、前記見か
    け上90°の位相信号にベクトル的に加えられた時、正
    確に90°の位相関係を設定するような方向と角度に位
    相がシフトされるようにスケールされ符号づけられた0
    °信号の値から成り立つ修正信号を導くこと、及びこの
    修正信号を前記90°位相信号にベクトル的に加えるこ
    とから成る位相調整方法。
  7. 【請求項7】  前記修正信号は、前記0°信号と、こ
    れから180°位相シフトした形との選択的に調節され
    た割合の代数和により導かれる請求項6に記載の方法。
  8. 【請求項8】  前記信号の選ばれた割合を代数的に加
    算する工程が、前記の0°信号を電位差計の一側に、こ
    の0°信号の180°位相シフトした形を他側に入力す
    ること、及び前記信号を電位差計の可動スライドワイヤ
    から出力することから成る請求項7に記載の方法。
JP3124424A 1990-05-08 1991-04-30 位相調整回路を備えた位置測定装置と位置調整方法 Pending JPH04230803A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US520414 1983-08-04
US52041490A 1990-05-08 1990-05-08

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ID=24072495

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP3124424A Pending JPH04230803A (ja) 1990-05-08 1991-04-30 位相調整回路を備えた位置測定装置と位置調整方法

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US (1) US5173936A (ja)
EP (1) EP0455983A1 (ja)
JP (1) JPH04230803A (ja)
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CN (1) CN1056351A (ja)
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