JPH0571938A - 絶対位置検出装置、方法及びそのスケール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 システムの電源が遮断されたり、スケールと
トランシーバが互いに非常に迅速に動いた場合であって
も、スケールとトランシーバの相対位置を決定できるよ
うにする。 【構成】 光と容量を組合せた絶対位置符号化システム
は、硝子スケール基板（２２）上に配置された複数の金
属ストリップ（１３０、１３２）を用いている。移動可
能なトランシーバ（３４）が、スケール（２２）の近く
に配置されている。トランシーバ（３４）は、スケール
（２２）と相互作用する、問合せのための電気及び光信
号を発生する。移動可能なトランシーバ（３４）は、
又、スケール（２２）と相互作用した後の信号を受信す
るための受信機構を備えている。スケール（２２）とト
ランシーバ（３４）の相対位置を送信した問合せ信号と
受信信号を比較することによって決定する信号処理回路
（５０）が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の技術分野】本発明は、測定装置及び技術に関
するものである。特に、本発明は、２つの部材の相対位
置を、広い相対範囲に亘って高い分解能で絶対的に決定
するための測定装置及び技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】工業的に適用するための測定装置は、２
つの物体の、互いに対する相対位置を決定するために、
様々な異なる技術を利用している。そのような装置は、
２つの移動部品の相対位置を決定するために、工作機械
やロボット産業において特に有用である。例えば、旋盤
のベッドに対する切削工具の位置や、高精度加工のため
にワークピースに対するミーリングヘッドの位置を正確
に知ることは非常に望ましい。

【０００３】自動化された工作機械の電子制御システム
とインターフェイスして、そのような工具が、相対位置
のフィードバックによってワークピース上で予めプログ
ラムされた動作を実行することが可能な電子式及び光学
式符号化システムが利用可能である。このタイプの技術
によれば、切削ヘッドを単にオープンループシステムで
予めプログラムされたように位置決めするよりも、非常
に高い加工精度が達成される。ロボット産業において
は、ロボットのボディに対するアームやマニュピュレー
タ等の相対位置を知ることは、産業用ロボットにとって
明らかに望ましい。

【０００４】測定及び制御に用いられるエンコーダにお
いて、絶対測定の必要性が、産業上増加しつつある。
（以後、参照スケールが、それぞれ可能な測定座標で一
義的な情報内容を含んでいることを意味する絶対測定
を、「ＡＢＳ」測定と称する。）このための一般的な解
決策は、２進法で関係づけられたトラックを幾つか備え
た光エンコーダである。例えば、１m の測定範囲で１μ
m の分解能のために、このタイプの絶対スケールには、
約１７のエンコーダトラックが必要である。（一番細か
いトラックは２０μm の波長を有し、１μm 迄補間さ
れ、更に、スケール上の粗いＡＢＳ位置を２進法で決定
するために１６のトラックが必要である。）これらの１
７トラックのための検出器は、各トラック内での位置を
正確に検出するために、それぞれ４個の光感知素子を必
要とする。これは、１７×４＝６８個の光感知素子と、
関係する電子回路が必要であることを意味し、これらの
相対的な感度及びＤＣオフセットは、各チャンネル内に
おいて、均一に調整されなければならない。このような
光学式ＡＢＳシステムは、コストが高く信頼性が低いと
いう問題点を有する。

【０００５】広い相対範囲に亘って、ＡＢＳ位置を測定
することが可能な容量式変位センサシステムも存在する
（米国特許第４８７９５０８号及び第４８７８０１３号
−特開昭６２−２３５５０３、同６２−２３５５０４、
同６２−２３８４１２、同６２−２３９０１９に対
応）。このシステムは、単純な検出素子（プリント回路
の読取りヘッド上の容量電極）を有し、高い補間比率を
達成するための厳密な調整を必要とせず、たった３つの
チャンネルで広い相対範囲をカバーすることができる。
その限界は、１μm 以下の分解能に到達するのに十分小
さなスケールパターン波長及び十分高い補間比率で動作
する能力である。小さなパターン波長は、スケールと検
出器ヘッド間の十分に制御された小さなギャップを必要
とするが、これは長いスケールに対しては、実用的では
なく、コストが掛る。

【０００６】他方、１チャンネルの光学式システムは、
スケールパターン上の短い波長及び高い補間比率を利用
することによって、非常に高いコストを支払うことな
く、μm 以下の改良された分解能に到達する可能性があ
る。回折理論に基づく検出器ヘッドを備えた光学式シス
テムを設計することによって、スケールと検出器ヘッド
間の比較的大きなギャップを有する微細スケールピッチ
を解決できる可能性もある。

【０００７】そのような１チャンネルの光学式システム
は、２０μm のオーダーの波長のスケールパターンで十
分に動作する。従って、２０倍の補間によって、１μm
の分解能が得られる。１００倍の補間を行えば、０．２
μm の分解能が得られる。

【０００８】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、問題
は、そのようなシステムにおいて、２０μm より広い範
囲を測定するために、完全に狂いのないカウンタが必要
となるということである。そうでなければ、測定値に、
（Ｎ×２０μm ）の曖昧さが存在する。このような曖昧
さは、電源遮断や電気的な干渉等に起因する、「狂いの
ないカウンタ」の誤動作の結果発生する。

【０００９】そのような結果は、電源故障や過渡的な電
源スパイク等の場合に、工作機械がシャットダウンする
ようにプログラムされていないと、完全自動化された工
作機械では悲劇的な結末をもたらすであろう。

【００１０】典型的な光学的システムが、Ｚinn ．Ｊr
発明の米国特許第４２１８６１５号や、ＭacＧovern 発
明の米国特許第３８１２３５２号に記載されている。こ
れらのシステムは、通常の光源から格子等の使用を通し
て得られる点光源の発生に依存している。これらの点光
源は、スケール部上の光パターンによって反射され、又
は通過する。スケールパターン自体は、第２格子を形成
し、光源第１格子によって発生された点光源を用いるこ
とによって周期的なパターンを確立する。このタイプの
システムでは、非常に高い分解能が達成される。

【００１１】しかしながら、これらの光学的システム
は、電源が遮断されたり、相対位置が電子カウンタにと
って非常に早く動いたときには、スケールとピックオフ
部の相対変位を知ることができない。

【００１２】従って、高分解能を有し、ピックオフ又は
トランスデューサがスケール上の原点から変位したステ
ップ数のカウントの信頼性に限定されない、より経済的
で、信頼性が高く、コンパクトな絶対位置符号化システ
ムに対する要求が存在する。

【００１３】従って、本発明の目的は、スケールとピッ
クオフやトランスデューサのような２つの相対移動部分
の絶対位置データを、高分解能でかなり広い範囲に亘っ
て得ることである。

【００１４】本発明の他の目的は、どんなに速く相対移
動しても、トランスデューサ又はピックオフ部とスケー
ル部の相対変位を知っているシステムによって、前記目
的を達成することである。

【００１５】本発明の更に他の目的は、たとえシステム
への電源が中断されても、スケール部に対するトランス
デューサ又はピックオフ部の相対変位を決定することが
できるシステムによって、前記２つの目的を達成するこ
とである。

【００１６】

【問題点を解決するための手段】本発明は、絶対位置検
出装置において、１つの統合されたスケールパターンに
結合された第１及び第２の規則的なパターンを有し、前
記第１及び第２のパターンが、性質が異なるタイプの第
１及び第２の問合せ信号と相互作用する材料から形成さ
れているスケール部と、前記第１及び第２の問合せ信号
を前記スケールに送信するための第１及び第２の送信手
段、及び、前記スケールと相互作用した後の前記問合せ
信号を受信するための第１及び第２の受信手段を有する
トランシーバ部と、前記スケール及びトランシーバ部を
互いに移動できるように支持するためのサポート手段
と、前記トランシーバ部に接続され、第１及び第２の問
合せ信号を発生するための信号発生手段と、前記第１及
び第２の受信手段と電子的に結合され、スケールと相互
作用した後の問合せ信号を処理して、前記スケールとト
ランシーバ部の相対位置を、所定の許容誤差の範囲内で
決定するための信号処理手段とを備えることにより、前
記目的を達成したものである。

【００１７】又、前記信号発生手段が、前記第１の問合
せ信号を光ビームとして発生すると共に、前記第２の問
合せ信号を周期的な信号として発生するようにしたもの
である。

【００１８】又、前記統合されたスケールパターンが、
規則的な間隔で所定の幅に配置された複数の平行な金属
ストリップのグループを有し、各金属ストリップのグル
ープが、その中に規則的な間隔で複数の平行な光ストラ
イプを有し、前記トランシーバ部上の第１の送信手段
が、前記信号発生手段と共動するように関係づけられて
前記ストライプを照明するための光源を有し、前記トラ
ンシーバ部上の第２の送信手段が、前記周期的な信号を
受け入れるための、規則的に間隔を空けられた複数の金
属ストリップを有し、該規則的な間隔の金属ストリップ
が、前記スケールパターンの金属ストリップのグループ
と容量的に結合できるように配置され、これによって、
スケール部の製造時の不規則性、物理的な変形や、温度
変化が、システムの光学的及び容量的性質に等しく作用
するようにしたものである。

【００１９】又、前記トランシーバ部上の第２の送信手
段が、光源の両側に配置された、規則的な間隔の金属ス
トリップの２つのグループを含み、光源と規則的に間隔
を空けられた金属ストリップの２つのグループが実質的
に同じ線上にあるように配置され、これによって、トラ
ンシーバ部の熱膨張の影響が、システムの光学的及び容
量的性質に等しく作用するようにしたものである。

【００２０】又、前記スケールパターンの規則的に配置
された金属ストリップのグループが、各グループ内でス
トリップを互いに接続する横断方向の導体を有し、その
結果、ストリップに沿う電気的な連続性が失われても、
グループの容量的な性質が実質的に変化しないようにす
ることができる。

【００２１】又、前記スケールパターンの金属ストリッ
プのグループの規則的な間隔を、略１．０４０mmとし、
各グループの幅を略０．３４０mmとし、各光ストライプ
の幅を、略０．０４０mmの規則的な間隔の所で略０．０
２０mmとすることができる。

【００２２】又、前記信号処理手段が、前記第１の受信
手段からの光学的な位置データを記憶するための光学式
スケール記憶装置と、前記第２の受信手段からの容量的
な位置データを記憶するための容量式スケール記憶装置
と、前記光学式スケール記憶装置内の光学式位置データ
が、容量式位置データと一致しない場合に光学式位置デ
ータを更新して、更新された光位置データが、実質的に
常時、スケールとトランシーバ部の相対位置を示すよう
にするための補正回路とを有するようにしたものであ
る。

【００２３】又、前記光学式スケール記憶装置が、更新
された光学式位置データの重複セットをそれぞれ受信し
て蓄えるための第１及び第２の変位カウンタと、第１の
変位カウンタ内に蓄えられた光位置データの重複セット
に影響を与えることなく、前記第２の変位カウンタから
更新された光学式位置データを順次読出すためのシリア
ルデータ読出し手段とを有するようにしたものである。

【００２４】又、前記トランシーバ部上の第１の送信手
段が、第１の問合せ信号を形成するための、光源格子か
らあるギャップ距離だけ離れた、実質的に単色の光源を
含み、前記統合されたスケールパターンが、第１の問合
せ信号と相互作用して、光ストライプ自体の像をトラン
シーバ部の第１の受信手段上に発生するように、規則的
な間隔で配置された複数の平行な光ストライプを有し、
前記第１の受信手段が、前記光ストライプ自体の像に対
して、空間位相が実質的に９０°ずれるように、互いに
配置された少なくとも２つの受光格子を有し、これによ
って、２つの隣接する光ストライプ間のスケールとトラ
ンシーバ部の絶対的な相対位置を示す振幅を有する光学
式の方形信号が、前記第１の受信手段上に発生するよう
にすることができる。

【００２５】又、前記光源及び受光格子を、実質的に同
じ平面に配置することができる。

【００２６】又、絶対位置検出装置において、光問合せ
信号及び電圧問合せ信号とそれぞれ相互作用するため
に、光パターンと容量パターンが、単一の統合されたス
ケールに組合されたスケール部と、前記光及び電圧問合
せ信号を統合されたスケールパターンに送信するための
光学式及び容量式送信手段、及び、スケールと相互作用
した後の問合せ信号を受信するための光学式及び容量式
受信手段を有するトランシーバ部と、前記スケール及び
トランシーバ部を互いに移動自在に支持するためのサポ
ート手段と、前記トランシーバ部と接続され、光及び電
圧問合せ信号を発生するための信号発生手段と、前記光
学式及び容量式受信手段と電子的に連結され、スケール
と相互作用した後の問合せ信号を処理して、所定の許容
誤差内でスケールとトランシーバ部の相対位置を絶対的
に決定するための信号処理手段とを備えることができ
る。

【００２７】又、前記統合されたスケールパターンが、
互いに規則的な間隔で所定の幅に配置された複数の平行
な金属ストリップのグループを有し、各金属ストリップ
のグループが、その中に規則的な間隔で複数の平行な光
ストライプを有し、前記トランシーバ部上の光学式送信
手段が、前記信号発生手段と共動するように関係づけら
れて前記ストライプを照明するための光源を有し、前記
トランシーバ部上の容量式送信手段が、前記電圧問合せ
信号を発信するための、間隔を空けられた複数の金属ス
トリップのグループを有し、該容量式送信手段の規則的
に間隔を空けられた金属ストリップのグループが、前記
スケールパターンの金属ストリップのグループと容量的
に結合できるように配置され、これによって、スケール
部の製造時の不規則性、物理的な変形や温度変化が、シ
ステムの光学的及び容量的性質の位置表示に等しく影響
するようにすることができる。

【００２８】又、前記トランシーバ部上の容量式送信手
段が、前記光源の両側に配置された、規則的に間隔を空
けられた金属ストリップの２つのグループを含み、前記
光源と規則的に間隔を空けられた金属ストリップの２つ
のグループが、光源に関して実質的に対称に配置され、
これによって、トランシーバ部の熱膨張の影響が、シス
テムの光学的及び容量的性質に等しく影響するようにす
ることができる。

【００２９】又、前記信号処理手段が、前記光学式受信
手段からの光位置データを記憶するための光スケール記
憶装置と、前記容量式受信手段からの容量位置データを
受信するための容量スケール記憶装置と、前記光スケー
ル記憶装置内の光位置データが、容量位置データと一致
しないときに、光位置データを更新して、更新された光
位置データが、実質的に常にスケールとトランシーバ部
の相対位置を示すようにするための補正回路とを有する
ようにすることができる。

【００３０】又、前記トランシーバ部上の光学式送信手
段が、前記光学式問合せ信号を形成するための、光源格
子からあるギャップの距離に配置された、実質的に単色
の光源を含み、前記統合されたスケールパターンの光パ
ターンが、その中に前記光学式問合せ信号と相互作用し
て、光ストライプ自体の像をトランシーバ部上の光学式
受信手段上に作るための、規則的に間隔を空けられた複
数の平行な光ストライプを有し、前記光学式受信手段
が、光学式ストライプ自体の像に対して空間位相で実質
的に９０°ずれるように、互いに配置された少なくとも
２つの受光格子を有し、これによって、２つの隣接する
光ストライプ間のスケール及びトランシーバ部の絶対的
な相対位置を示す振幅を有する光学式の方形信号が、前
記光学式受信手段上に発生されるようにすることができ
る。

【００３１】又、スケール部とトランシーバ部の相対位
置を絶対的に決定するための方法において、第１の許容
誤差内でスケールとトランシーバ部の相対位置を容量的
に決定するステップと、この容量的に決定された位置
を、位置データとして第１のメモリに記憶するステップ
と、前記スケールとトランシーバ部の相対位置を、前記
第１の許容誤差よりも小さい第２の許容誤差内である
が、光学的に決定された位置が、大きな位置データに関
しては曖昧さを含み得るように、光学的に決定するステ
ップと、この光学的に決定された位置を、位置データと
して第２のメモリに記憶するステップと、該第２のメモ
リに記憶された位置データを、第１のメモリに記憶され
た位置データと比較するステップと、第１及び第２のメ
モリに記憶された位置データが一致しない場合は、スケ
ール上に存在する光波長の整数倍である補正因子を発生
して、この補正因子を第２のメモリに記憶された位置デ
ータに適用するステップと、第２のメモリに記憶された
位置データを読出すステップとを備えることができる。

【００３２】又、絶対位置検出システム用のスケールに
おいて、第１の送信装置と容量的に結合するための、規
則的な間隔で配置された、所定幅の複数の平行な金属ス
トリップのグループを有する統合されたスケールパター
ンを備え、各金属ストリップのグループが、その中に第
２の送信装置と光学的に結合するための、規則的な間隔
の複数の平行な光ストライプを備え、これによって、ス
ケール部の製造時の不規則性、物理的な変形及び温度変
化が、スケールの光学的及び容量的性質に等しく影響す
るようにすることができる。

【００３３】又、絶対位置決定装置において、１つの統
合されたスケールパターンに組合された第１及び第２の
規則的なパターンを有し、第１及び第２のパターンが、
性質が異なるタイプの第１及び第２の問合せ信号と相互
作用する材料であるスケール部と、第１及び第２の問合
せ信号とスケールの相互作用により、スケール部上の第
１及び第２のパターンに対して、規定された測定方向で
位置を感知するための第１及び第２の感知手段を有する
トランシーバ部と、前記スケール及びトランシーバ部
を、規定された測定方向にそれらが互いに移動できるよ
うな方法で、互い支持するためのサポート手段と、前記
トランシーバ部に接続され、第１及び第２の問合せ信号
を発生するための信号発生手段と、前記第１及び第２の
感知手段に電子的に連結され、スケールと相互作用した
後の問合せ信号を処理して、所定の許容誤差内でスケー
ルとトランシーバ部の絶対的な相対位置を決定すること
を許容する信号処理手段とを備えることができる。

【００３４】又、前記第１の感知手段が、スケールの第
１の規則的なパターンと相互作用する電気−光センサを
備え、前記第２の感知手段が、スケールの第２の規則的
なパターンと相互作用する容量式位置センサを備えるこ
とができる。

【００３５】又、前記統合されたスケールパターンが、
測定軸の方向に規則的に間隔を空けて配置された、所定
の幅の複数の平行なストリップを有し、この平行なスト
リップが、前記第１の感知手段と相互作用して、光学式
エンコーダを構成する光パターンを形成し、前記ストリ
ップが導電材料からなり、そのようなストリップのグル
ーブが互いに電気的に連結されて、測定軸の方向に周期
的な電極パターンを形成し、前記第２の感知手段と相互
作用する容量式位置センサを構成することができる。

【００３６】又、容量式位置センサを形成するために周
期的な電極パターンを形成するように電気的に接続され
る前記平行な光ストリップを、冗長に接続して、それぞ
れの接続が破壊された際の影響を最少限にすることがで
きる。

【００３７】又、前記容量式システムは、所定の測定範
囲に亘って絶対的な測定を行うタイプであり、光パター
ンの周期長よりも小さな分解能を有し、これによって、
２つの測定結果が組合されて位置の絶対測定を行う際の
光学式測定システムの曖昧さを除去することができる。

【００３８】又、前記第２の感知手段を、測定軸の方向
で第１の感知手段の両側に対称に配置される２つの対称
な部分に分割し、これによって、第２の感知手段の感知
の実効中心を、第１の感知手段の中心と一致させて、感
知手段を運んでいる枠組の熱膨張の影響が、２つの異な
る感知手段の感知の実効中心間の間隔の変化に最小の影
響を与えるようにすることができる。

【００３９】又、前記第１及び第２の感知手段の検出の
実効中心を、測定軸に平行で、且つ、スケール表面に垂
直に伸びる平面中で実質的に同じ平面とすることによっ
て、感知手段を運ぶ枠組の、スケール表面に垂直な軸の
周りの回転が、第１及び第２の感知手段を、測定軸に沿
って実質的に同じ量だけ移動するようにして、絶対位置
計算の目的のために相対的な関係を維持することができ
る。

【００４０】又、前記第１及び第２の感知手段を、測定
軸に平行な線上で実質的に同じ線内として、測定軸に垂
直な任意の軸の周りの回転が、第１及び第２の感知手段
を、測定軸に沿って実質的に同じ量だけ移動するように
して、絶対位置計算の目的のために相対的な関係を維持
することができる。

【００４１】又、前記信号処理手段が、第１の感知手段
のスケールパターンの周期の数の計数値を含む、第１の
感知手段からの位置データを記憶するための第１の記憶
装置と、第２の感知手段からの位置データを記憶するた
めの第２の記憶装置と、第１の感知手段のスケールパタ
ーンの蓄積された周期の数が、第２の記憶装置からの位
置データと一致しないときに、該蓄積された数に関し
て、第１の記憶装置からの位置データを更新するための
補正回路を備え、第１の記憶装置からの位置データが、
常に、スケールとトランシーバ部の絶対的な相対位置を
示すようにすることができる。

【００４２】更に、方形パルスの形の２つのデータライ
ン上の位置の変化を読出すための手段と、データ受信シ
ステムからの要求に従って、同じラインからシリアル形
式の絶対的な位置データを読出すための手段と、シリア
ルデータ読出し時間の間、位置変化を記憶して、シリア
ルデータ読出し時間が終った後で２つのデータライン上
に特別な方形パルスを出力して、シリアルデータ読出し
時間の間の位置変化を補正するための手段を備えること
ができる。

【００４３】

【作用】本発明は、１つのパターンに統合された２つの
規則的なパターンを採用した、相対移動可能なスケール
及びトランシーバ部を利用した絶対位置決定システムを
提供することによって、前記目的及び、以下の記載から
明らかとなる他の目的及び効果を達成している。

【００４４】前記２つの規則的なパターンは、それぞ
れ、高いシステム分解能を提供するように、性質が異な
る問合せ信号と相互作用する。該問合せ信号を発生し、
解釈して、所定の許容誤差内でスケールとトランシーバ
部の相対位置を決定するために、信号発生及び信号処理
回路が備えられている。

【００４５】本発明の好適な実施例では、スケール基板
上の同じ領域を、光学式及び容量式スケールの両者で利
用するように、光学式スケールが容量式スケールと組合
されている。容量式スケールは、前記ＡＢＳタイプであ
り、粗（Ｃourse ）、中間（Ｍedium ）及び微細（Ｆin
e ）の３つの測定レンジと、３つの領域からなるスケー
ル状の電極パターンを有している。これらの３つの領域
は、容量式システムでは多重機能を有しているが、光エ
ンコーダのスケールとして役に立つパターンとしても利
用されている。

【００４６】２つの問合せ信号は、前記スケールパター
ン中に統合された光パターンを証明する光信号と、２つ
の部分間の容量的な関係を測定するためにトランシーバ
及びスケールの両者の上に規則的な間隔を空けて配置さ
れた金属ストリップと相互作用する電気信号である。こ
の容量式データは、２つの部分の相対位置を示してい
る。

【００４７】容量式システムは、第１の許容誤差内で、
スケールとトランシーバ部の絶対的な相対位置を決定
し、光学式システムは、公知の容量式許容誤差のために
曖昧である、第２のより小さな許容誤差内で、スケール
とトランシーバ部の相対位置を決定する。

【００４８】前記光学式及び容量式パターンは、スケー
ル部の製造の際の不規則性や物理的な変形と温度変化
が、システムの光学的及び容量的性質に等しく影響する
ような方法で、スケールパターンに統合されている。

【００４９】更に、前記トランシーバ部上の光送信装置
及び容量式電子送信装置は、スケールとトランシーバ部
の相対位置を決定する際に、トランシーバ部の熱膨張の
影響が最小となるように、幾何学的に配置されている。

【００５０】容量式システムは、常に、光格子の±１／
２より小さな許容誤差内で、スケールとトランシーバの
相対位置を知っている。この情報は、光学式位置情報と
組合されるので、光学式システムは、一光周期の外側で
の絶対位置を知る必要がない。光学式システムは、この
情報を、容量式システムに頼っている。しかしながら、
光学式システムは、容量式システムの許容誤差内で、そ
の位置を常に知っている。その結果、光学式及び容量式
システムの組合せは、変位がいかに速く発生しても、光
学式システムの高分解能の能力を維持しつつ、スケール
とトランシーバ部の相対位置を直ちに決定することがで
きる。

【００５１】

【実施例】以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００５２】本発明の原理に従った、光と容量を組合せ
た絶対位置検出システムの概略を、図１３の符号２０
（全体システム）に示す。

【００５３】図１１及び図１２に最もよく示されている
ように、このシステムは、細長フレーム２４に受け入れ
られた細長スケール２２を採用している。このフレーム
２４は、自動化された工作機械等のベッドのような物体
に固定される。

【００５４】前記フレーム２４は、又、スケール２２に
対して移動する移動車２６を、摺動自在に支持してい
る。この移動車２６は、フレーム２４のトラック３０及
びスケール２２の前面３２に係合する車輪２８を有して
おり、矩形のトランシーバ又はピックオフ３４が、スケ
ール２２の前面３２に実質的に平行で、小さなギャップ
距離を保ち、且つ、スケール２２の長手軸に整向して配
置されている。

【００５５】スライド３３は、トランシーバ３４を、ミ
ーリングヘッド（図示省略）のような、自動化された工
作機械の移動点に連結している。

【００５６】前記トランシーバ３４及びスケール２２
は、それぞれ、例えば写真平版（フォトリソグラフィ
ー）のような方法によって、その上に形成された、光学
式及び容量式のパターンを有しており、これによって、
図１３に示される（及び以下に詳細に説明する）ような
電気システムが、トランシーバ３４のスケール２２に対
する相対位置を、ほぼ±１μm の誤差内で決定するのを
可能としている。

【００５７】《システムの概観》

【００５８】全体システム２０は、図１を参照すること
によって、最もよく理解される。図１では、粗（Ｃoars
e ）３６、中間（Ｍedium ）３８、微細（Ｆine ）４
０、及び特別微細（ＥＸＴＲＡ fine）又は光（optical
）４４の４つの動作モードが示されている。これらの
４つのモードは、システムの各動作モードが利用してい
る、相対的な空間波長を表わしている。

【００５９】動作の特別微細モードは、図１３に符号４
６で示した本発明の光サブシステムによって達成され
る。この光サブシステム４６は、スケール２２とトラン
シーバ３４の相対位置を、４０μm の光波長の範囲内で
約±１μmの精度で決定することができる。しかしなが
ら、１６６４mmというフルスケールの範囲でトランシー
バ３４とスケール２２の絶対的な相対位置を最終的に決
定するためには、この光サブシステム４６は、全体シス
テム２０を示す図１３に符号４８で示した容量サブシス
テムから受け取った情報を利用する。

【００６０】図１の各モードは、次のより微細な隣接モ
ードよりも何倍も大きな空間波長を有している。従っ
て、前記特別微細又は光モード４４は、０．０４０mmの
波長と約１μm の精度を有し、前記微細モード４０は、
１．０４０mmの波長と約±１５μm の精度を有し、前記
中間モード３８は、４１．６mmの波長と約±０．４mmの
精度を有し、前記粗モード３６は、１．６６４m の波長
と±１５mmの精度を有している。

【００６１】図１に示されるモード３６−４４は、スケ
ール２２上に実際に印刷されている全てではなく、図１
３に符号５０で示される電子処理サブシステムが、トラ
ンシーバ３４のスケール２２に対する相対位置を決定す
るために合成して利用する空間波長を表している。

【００６２】前記容量サブシステム４８に関しては、よ
り粗い分解能の各グループ内に、より高い分解能の波長
を有する４０個のそのようなグループが存在する。従っ
て、粗モード３６は、４０個の中間モード又は波長３８
を包含し、各中間モード３８は、４０個の微細モード又
は波長４０を包含し、各微細モード４０は、２６個の特
別微細モード又は波長４４を包含している。

【００６３】図１に示される特別微細、微細、中間及び
粗モード又はスケールのそれぞれの中で、スケール２２
に対するトランシーバ３４の相対位置を知ることによっ
て、スケール２２に対するトランシーバ３４の絶対的な
相対位置（即ち、全体スケール８０に対するトランシー
バ３４の位置）を、特別微細モード４４の分解能（即ち
１μm ）内で知ることができる。

【００６４】《容量サブシステム》

【００６５】図１３の容量サブシステム４８が、スケー
ル２２とトランシーバ３４の間で信号を送信する方法
は、図２−図６及び図１３を参照することによって理解
される。

【００６６】以下、まず粗動作モードを説明し、次い
で、中間モード及び微細モードを説明する。

【００６７】この容量サブシステム４８は、米国特許第
４８７９５０８号及び第４８７８０１３号に記載された
システムと実質的に同じであり、ここに引用することに
よって、この明細書中に取り込む。

【００６８】図１１及び図１２に示されるように、スケ
ール２２及びトランシーバ３４は、実質的に平行な関係
に配置され、トランシーバ３４が移動車２６と共にスケ
ール２２の前面３２を横断して、スケール２２から小さ
なギャップを隔てた状態で直線的に移動する。

【００６９】図２及び図４は、スケール２２とトランシ
ーバ３４を、それらの隣接する面を分離して平面図に並
べて示したものである。

【００７０】図６に示されるように、前記トランシーバ
３４には、その中心に沿って長手方向に８個のグループ
６１で電子的に励起される複数のトランシーバ送信電極
６０が備えられている。このトランシーバ送信電極６０
は、それぞれ約０．４１６mmの幅を有し、トランシーバ
送信電極６０間のギャップが約０．２３４mmとなるよう
に、０．６５０mmの中心間分離距離（又は送信ピッチ）
を有している。

【００７１】各電極には、容量サブシステム４８によっ
て、正弦波状振幅の問合せ信号６６が８個の送信電極の
グループを横断して現われるように、異なる電圧振幅の
電気信号が与えられる。この信号は、図１３の電子処理
サブシステム５０によって変調され、トランシーバ３４
の全長に亘る電子波がシミュレートされる。

【００７２】以下に説明するように、図５に示される如
く、８個の送信電極の９個のグループ６１が、送信グル
ープ６２を形成してピックオフ３４上に備えられ、これ
らのグループの２つが、以下に更に説明する目的のため
に、光トランスデューサ６４の両側に備えられている。

【００７３】問合せ信号は、図４及び図６の問合せ波６
６で表わされている。電気的な接続６８は、送信グルー
プ６２の全長に亘って正弦波信号を繰り返している。

【００７４】図３及び図４に示す如く、スケール２２
は、スケール受信電極（実線で表示）の第１グループ７
０を有し、これらは図１１及び図１２に示す如く、スケ
ール２２とトランシーバ３４が互いに調整位置にあると
きに、トランシーバ送信電極６０に平行で且つ隣接する
ように置かれる。従って、問合せ波６６は、スケール２
２とトランシーバ３４間の小さなギャップを超えて容量
的に結合され、スケール受信電極７０の第１グループ上
に、同様にシミュレートされた電子波問合せ信号６６を
印加する。

【００７５】スケール受信電極７０の第１グループは、
約０．３４０mmのグループ電極幅を有し、スケール２２
の中間及び粗側に交互に回り込んで、正確に１．０４０
mmの粗グループ電極中心間間隔（又は受信電極ピッチ）
を与えて、０．７００mmの交互スケール受信グループ電
極間ギャップを形成する。

【００７６】問合せ波６６は、スケール２２の基板上に
エッチングされた金属被覆線のような電気接続７４によ
って、スケール２２の長手軸に対して横断する方向で、
粗伝達電極７２の下位のグループに電気的に伝達され
る。図２のスケール２２の下部を詳細に調べると分かる
ように、スケール２２の粗スケール中心線７６に沿って
のみ、第１グループのスケール受信電極７０が粗伝達電
極７２の直上に並べられている。この粗中心線７６の左
又は右でスケール２２を見ると、粗中心線７６から離れ
る程、粗伝達電極７２が（粗中心線７６の方向に）一層
変位しているように見える。これは、粗伝達電極７２
が、１．０４０mmという粗スケール受信電極７０のピッ
チよりも若干小さな、１．０３７mmという中心間間隔
（ピッチ）を有するためである。

【００７７】電極の２つのグループのみが、粗スケール
中心線７６でスケール２２の中心と並ぶ。これは、図１
の粗モード３６の原点を表わすことができる。

【００７８】スケール２２は、１．６６４m の長さを有
し、従って、第１グループタイプのスケール受信電極７
０を１６００含む。従って、同じスペースに、１６０５
の粗伝達電極７２が適合する。しかしながら、同じ数
（１６００）の粗伝達電極が、１．０３７mmという若干
小さな中心間間隔でスケール２２上に設けられ、粗スケ
ール中心線７６の位置におけるスケール受信電極７０の
みが、粗伝達電極７２の真上に整向されている。その結
果、スケール２２の両端８０、８２では、スケール端部
受信電極７０a 、７０b 上に存在する電気信号は、端部
粗伝達電極７２a、７２b に伝達されたときに、最大の
内側へのシフトを受ける。従って、トランシーバ３４が
粗スケール中心線７６の真上に位置するようにセンタリ
ングされた場合、問合せ波６６はスケール電極接続によ
って最小の変位量を受け、一方、スケール２２の端部８
０、８２で、問合せ波６６はスケール電極接続による最
大の変位を受けることが明らかである。

【００７９】スケール受信電極７０と粗伝達電極７２間
の電子波変位の例を図４に示す。図では誇張されている
が、この結果として生じるスケール上の波の変位は、粗
スケールモードの零点位置７６からのトランシーバ３４
の変位の度合いに依存している。図４に見られるよう
に、この変位は、問合せ波６６と比較される位相シフト
波８４中の空間的な位相のシフトとして解釈できる。

【００８０】トランシーバ送信電極６０上に発生する問
合せ信号は、時間的に変化する波であるかもしれない
が、図４の問合せ波６６及び位相シフト波８４は定在波
として示され、結果として生じる空間位相シフトは、よ
り一層明らかである。スケール電極形状によってもたら
された空間位相シフトは、スケール２２とトランシーバ
３４の相対位置の一義的な関数であることが分かる。

【００８１】図１３の容量サブシステム４８は、粗スケ
ールモード３６の原点（即ち中心）７６からのトランシ
ーバ３４の変位の度合いを示す、この空間位相シフトの
みを測定する。この技術は、粗モードの原点７６からの
トランシーバ３４の変位によって、トランシーバ３４が
通過したスケール受信電極７０の数を「カウント」する
必要がないので、特に有利である。符号６１（容量処理
システム）で示される好適な電子装置、例えば日本の株
式会社ミツトヨによって製造された集積回路モデル番号
ＭＮ０６４は、この位相シフト数を迅速に位置測定に変
換することができる。従って、制限された精度で、容量
サブシステム４８は、例えトランシーバ３４が迅速に移
動したり、又は、過渡的な電源スパイクのように、シス
テムに対する電源が遮断したり、中断した後でも、スケ
ール２２とトランシーバ３４の相対位置を検知し、保持
することができる。

【００８２】上記の空間位相シフトを決定するために、
粗伝達電極７２上に現われる位相シフト信号８４が、ト
ランシーバ３４の送信電極６０上に発生される、元の問
合せ波６６と比較されなければならない。

【００８３】図２及び図４に示すように、トランシーバ
３４には、粗受信プレート９０a 、９０b が備えられて
おり、これらは、シフト信号８４と同じ波長５．１８４
mmの周期的な構造を確立する小さなギャップ９２によっ
て分離されている。粗受信プレート９０a 、９０b は、
粗伝達電極７２からのシフト波８４を、トランシーバ３
４に容量的に結合して戻すが、それらの周期的な構造の
ため、問合せ波６６に対して、シフト信号８４の一時的
な位相シフトを変調する。

【００８４】送信電極６０上に発生する問合せ波６６
と、粗受信プレート９０a 、９０b 上に現われるシフト
波８４の相対的な一時的位相シフトは、粗受信プレート
とその空間フィルタがトランシーバ３４上の送信電極に
対して正確に動くので、変位を表わしている。問合せ波
６６及びシフト波８４は真の定在正弦波ではないかもし
れないが、それらは単に、任意の与えられた瞬間に電極
板上に現われる各入力位相の電圧振幅を表わしているに
過ぎないことが思い出されるべきである。従って、図４
に示すように、（隣接する粗伝達電極７２上に現われる
正及び負の電圧振幅を表わす）シフト波８４が、粗伝達
電極電圧と各粗受信プレートが重なる面積の積に比例す
る電荷を粗受信プレート上に印加する。従って、（明瞭
にするために、接続のシフトが強調して示される）図４
の粗受信プレート上に示されるシフト波８４に対して
は、上部粗受信プレート９０a 上に大量の正電荷が印加
される。

【００８５】トランシーバ３４がスケール２２の原点７
６のほぼ上に位置されていれば、図４のシフト波８４は
左にシフトされているように現われるであろう（波６６
とほぼ整向される）。従って、粗伝達電極７２からの相
対的な正電圧が少なければ、上部粗受信プレート９０a
と重なるように位置され、一方、粗伝達電極７２からの
負電圧位相信号が多ければ、上部粗受信プレート９０a
と重なるように位置される。従って、この受信プレート
上に印加される、面積で重み付けられた位相電圧の位相
の和が、図４に示されるように、この受信プレート９０
a 上に印加された、面積によって重み付けられた位相電
圧の和とは異なるであろう。この差は、シフト波８４と
受信プレート９０a の相対変位の関数である。位相電圧
の面積によって重み付けされた和は、プレート９０a 上
に出力される信号と問合せ信号間の一時的な位相シフト
に等しい。これは、容量処理システム６１によって解釈
され、約±１５．６mm以上の精度で変位数に変換され
る。

【００８６】図１の中間モード３８も、トランシーバ送
信電極６０（図２）上の問合せ波６６（図４）が、図４
の破線で示されるスケール受信電極１００の第２グルー
プによって受信される点を除き、全く同じように動作す
る。

【００８７】この第２グループの各スケール受信電極１
００は、第１グループのスケール受信電極７０と同じサ
イズ及びピッチを有する。図２に示されるように、これ
らの第２グループの受信電極１００は、第１グループの
電極７０間に単に差し込まれ、電気コネクタ１１０によ
って、複数の中間伝達電極１１２に電気的に接続され
る。この中間伝達電極１１２は、粗伝達電極７２の幅
（１．０００mm）よりも若干狭い幅（０．８９０mm）を
有し、０．９２４mmの中心間間隔（ピッチ）で間隔を空
けて配置されている。

【００８８】これらの中間伝達電極１１２の中心が、ス
ケール受信電極の第２グループ１００の真上に並べられ
るとすれば、これらの伝達電極１１２の４５個が、第２
グループの４０個のスケール受信電極によって占められ
るスペースに適合する。しかしながら、そのような中間
伝達電極の４０個のみが、このスペースに配置され、こ
の４０個の中間伝達電極のグループの中心の１個が、ス
ケール受信電極１００の第２グループの１つの真上に位
置されている（図２の中心線１１４参照）。

【００８９】この４０個のスケール受信電極１００のグ
ループ及び中間伝達電極１１２が、図１に示される中間
スケール波長３８の１つを形成している。従って、問合
せ波６６は、トランシーバ３４が中間伝達電極グループ
の原点１１４（図１参照）の上に整向されていれば、中
間伝達電極のグループに伝達されたときに、何の変位も
受けない。トランシーバ３４がこの零位置からシフトす
ると、問合せ波６６とシフト波８４間の変位が大きくな
る。

【００９０】中間モードでは、中間受信プレート１１６
a と１１６b が、トランシーバ３４の送信電極６０に隣
接するように位置されているが、それらは、送信電極６
０の粗受信プレート９０a 、９０b から反対側に位置さ
れている。

【００９１】上部及び下部プレート間のギャップ１１８
によって形成されるパターンの周期性は、粗受信プレー
ト９０のギャップ９２によって形成されるパターンの周
期性とは少し異なっている。特に、粗受信プレートは、
ギャップ９２によって形成された、５．１８４mm毎に繰
り返されるパターンを有するのに対して、中間受信プレ
ート１１６は、ギャップ１１８によって形成された、
４．６２２mm毎に繰り返されるパターンを有している。
これらの各パターンは、図５に示すように、トランシー
バ３４の長手方向中心１１９に関してセンタリングされ
ている。

【００９２】シフト波８４が中間伝達電極１１２からト
ランシーバ３４へ容量的に結合される方法は、シフト波
８４がスケール２２の粗伝達電極７２から容量的に結合
される方法と同様である。その結果、受信プレート１１
６a 上の信号と問合せ信号間の位相差は、中間伝達電極
１１２と受信プレート１１６a 上のシフト波の相対変位
の関数となる。図１３の容量処理システム６１は、この
位相シフトを、約±０．３９mmの精度で変位数に変換す
る。

【００９３】微細動作モード４０は、粗モード３６及び
中間モード３８とは実質的に異なるように動作する。図
２及び図３を調べると、第１グループ７０及び第２グル
ープ１００の隣接するスケール受信電極間の中心間距離
は０．５２０mmであるのに対して、トランシーバ送信電
極６０の中心間間隔は約０．６５０mmであることが分か
る。

【００９４】ここで引用することによって、この明細書
中に取り込む発明者の米国特許第４８７８０１３号中に
開示されているように、送信電極６０の配列に関して、
個々の送信電極の測定方向の幅は、それぞれ８個の電極
６０を有し、スケール波長の整数倍である、一様なグル
ープピッチ（隣接するグループ中の最初の電極間のエッ
ジ間距離で定義）Ｔ＝５．２００mmを有する複数の電極
グループを規定するように電極を配列することによっ
て、スケール波長に対してかなり大きくすることができ
る。

【００９５】各電極グループ内において、電極６０は、
それぞれ１スケール波長よりも大きな距離に亘って広が
る８つのグループ位置を占有し、そのそれぞれが、１つ
の電極グループが広がる距離を、スケール波長に対応す
る間隔に分割し、更に、各間隔を８つの等しいセグメン
トに分割することによって得られる相対波長セグメント
位置のセットの異なる１つの相対位置に対応するように
配置され、電気的に接続されている。好ましくは、グル
ープ電極は、グループの全測定方向幅に亘るように分布
され、グループの各間隔に少なくとも１つの電極６０が
位置されるようにされる。

【００９６】微細動作モードでは、図６の１−２−３−
４−５−６−７−８の位相順序４８が、容量処理システ
ム６１中のスイッチによって、所望の電極定義を達成す
るために、相対波長セグメント位置の１−６−３−８−
５−２−７−４の相対順序に定義変更される。

【００９７】本発明に従って、８つの信号発生器出力信
号が、同じ１−６−３−８−５−２−７−４の順序で各
電極グループの電極６０に接続される。

【００９８】本発明の微細送信電極配列の結果、個々の
受信電極７０及び１００は、送信アレイのどの部分がス
ケール受信電極に対向して配置されているかによって、
一義的な異なる信号を送信電極６０から受け取る。

【００９９】この微細モードにおいて、受信電極１１６
a 及び１１６bが互いに接続され、受信電極９０a 及び
９０b が互いに接続されている。受信電極１１６又は９
０は、それぞれ伝達電極１１２又は７２を介して、送信
電極と逆の関係にある受信電極によって発生された全て
の信号の和を検出する。従って、スケール２２に対する
トランシーバ３４の位置によって決定されるように、レ
シーバ９０及び１１６上に結果として生じる信号は、
１．０４０mmの波長でスケール２２とトランシーバ３４
の相対位置と共に変化する。レシーバ９０上の信号は、
レシーバ１１６上の信号に対して０．５２０mmだけ位相
がずれている。

【０１００】容量処理システム６１は、従って、レシー
バ９０及び１１６上の信号と、送信位相４８の特定の１
つが便利である基準位相信号間の一時的な位相差を測定
し、この測定位相を、約±０．０１５mmの精度で変位数
に変換する。スケール電極は正確に配置されており、容
量処理システム６１の内部電子回路は受信プレート９０
及び１１６上に現われる信号の、送信基準位相信号に対
する位相シフトを非常に高精度で識別できるので、この
容量処理システム６１は、これらの測定を±１５μm ま
で行うことができる。

【０１０１】《光サブシステム》

【０１０２】前記容量処理システム６１は、理論的に
は、上記で説明したよりも高精度が可能であるが、製造
コスト及び他の実際的な設計を考慮すると、電極７０及
び１００を、図３に示したように、０．５２０mmよりも
実質的に近付けて配置するのは好ましくない。光システ
ムは、光パターンを大きなギャップを通して投影するこ
とができ、強い信号を得るためにギャップを小さくした
り、素子の表面積を「大きく」する必要がないので、ス
ケール素子間隔が狭い場合の上記のような欠点に悩まさ
れることがない。

【０１０３】本発明の絶対位置システム２０は、従っ
て、図１３の符号４６で示される光サブシステムを備え
ている。この光サブシステム４６は、図３に示すよう
に、スケール２２中に一体化された光パターンを採用し
ている。図３は、図２中の円領域を拡大して示したもの
である。

【０１０４】第１グループ７０及び第２グループ１００
の各スケール受信電極には、金属のような反射材料から
なる９個の光ストライプ１３０が備えられている。これ
らのストライプ１３０は、写真平版のような方法でスケ
ール２２上に配置される。更に、４つの光ストライプ１
３２のグループが、第１及び第２グループのスケール受
信電極の間に設けられ、連続的な光格子を形成してい
る。

【０１０５】各ストライプは、０．０２０mmの幅を有
し、各ストライプ間に０．０２０mmのギャップが設けら
れている。従って、ストライプの中心間分離量は０．０
４０mmである。

【０１０６】既に説明したように、トランシーバ３４に
は、スケール２２上の光ストライプ１３０、１３２と相
互作用する光トランスデューサ６４が備えられている。
この光トランスデューサ６４は、光測定信号を光信号増
幅システム１４０及び光処理システム１１２に供給し
て、容量処理システム６１からのデータと組合せて「光
記憶レジスタ」１４４に入れる。

【０１０７】これらの各要素について、以下詳細に説明
する。

【０１０８】ここでの検討の目的には、光サブシステム
４６と光記憶レジスタ１４４が、粗モードの原点７６の
ような任意のスタート位置から、その移動の際にトラン
シーバ３４が通過した光ストライプの数をカウントする
能力を有することを示せば十分である。

【０１０９】光サブシステム４６は、一般的な方形信号
補間のような手段によって、トランスデューサ６４がい
る場所を（任意の２つの隣接する光ストライプ１３０の
間で）約±１μm の許容誤差内で決定する能力を有す
る。

【０１１０】トランシーバ３４が、光メモリがカウント
に「追い付いていく」には速すぎる速度で動いた場合
に、光記憶レジスタ１４４のカウントが不正確になるの
を防ぐために、容量式絶対位置データ（約±１５μm の
誤差内）が、光記憶レジスタ１４４内の容量式位置デー
タを容量サブシステム４８の精度内に更新するべく使わ
れる。従って、光波長の曖昧さが除かれ、全体に亘る許
容誤差±１μm 以内の絶対位置測定が、光記憶レジスタ
１４４（図１３参照）の出力１４６で常に利用可能であ
る。

【０１１１】表Ａは、上記で説明し、図中に示した全て
の適切な距離及び測定をまとめたものである。

【０１１２】

【表１】

【０１１３】図７に最もよく示されているように、光ト
ランスデューサ６４は、発光ダイオード（ＬＥＤ）１５
０と、４つのフォトトランジスタ１５２、１５３、１５
４、１５５を含んでいる。

【０１１４】好適なＬＥＤは、日立の部品番号ＨＥ８８
０７ＳＧである。好適なフォトトランジスタは、パナソ
ニックの部品番号ＰＭ１６８である。これらの部品は、
共に商業的に入手可能である。

【０１１５】ＬＥＤ１５０は、光源格子１５６を通し
て、実質的に単色の光ビームを発生する。

【０１１６】前記光源格子１５６は、それぞれ６０μm
の幅を有し、隣接する光ストライプ間に２０μm の透明
なギャップを有する、１５個の光ストライプ１５８を含
んでいる。従って、第１格子１５６の不透明なストライ
プは、８０μm の中心間間隔を有する。

【０１１７】ＬＥＤ１５０のケース（図示省略）は、光
源格子１５６から４．４４７mmという好ましいギャップ
距離１６０に配置されている。

【０１１８】受光格子１６５、１６６、１６７、１６８
は又、光源格子１５６の光ストライプと同じ周期性で５
０％のデューティサイクルの光ストライプ１５８を有し
ているが、受光格子のパターンの横方向の中心が、光信
号波長の１／４（９０°位相シフト）及び１／２（１８
０°位相シフト）だけ、以下により詳細に説明するよう
にシフトされ、各受光格子及びフォトトランジスタに対
して特徴的な光信号空間位相シフトが決定されるよう
に、スケール２２の光ストライプ１３０、１３２からフ
ォトトランジスタ１５２−１５５のところで空間的にフ
ィルタされた自己イメージ信号が与えられるようにされ
ている点が異なる。

【０１１９】既に説明したように、光ストライプ１３
０、１３２は、４０μmの周期性を有するが、光源及び
受光格子中の光ストライプ１５８は、８０μm の周期性
を有する。ギャップ距離１６２は、コントラストの高い
自己イメージを与えるように選択される。受光格子上に
反射して戻されるスケールの自己イメージは、８０μm
の光自己イメージ波長に対して、スケールパターン寸法
の正確に２倍に拡大される。従って、反射されたイメー
ジの周期性は、受光格子中のストライプの間隔にあって
いる。

【０１２０】光学式の位置決定は次のように行われる。

【０１２１】例えば（トランシーバ３４を動かすことに
よって）受光格子１６５は、光ストライプ１３０の「反
射された」自己イメージが、受光格子１６５の不透明な
光ストライプ１５８上に向けられるように、スケール２
２に対して横方向に位置付けられることができる。この
相対位置において、対応するフォトトランジスタ１５２
は、スケール２２からの反射光を受光しない。この位置
からトランシーバ３４が横方向に変位すると、光ストラ
イプ１３０の反射イメージが、もはや受光格子１６５の
不透明な光ストライプ１５８と整向しなくなり、反射光
の一部がフォトトランジスタ１５２によって受光され
る。ストライプ１３０の反射イメージが完全に不透明な
光ストライプ１５８の間に来ると、フォトトランジスタ
１５２によって最大の信号が受光される。トランシーバ
３４が、この最大信号の位置から外れて動くと、フォト
トランジスタ１５２によって受光される信号は、徐々に
減少して最小となる。

【０１２２】フォトトランジスタ１５２の信号状態出力
のグラフが、図９に正弦波形Ａとして示されている。フ
ォトトランジスタ１５２からの振幅出力が１．８の所
で、この振幅に相関のある２つの位置の値１７０、１７
２が存在することに注意されたい。これらの２つのデー
タ点のいずれが正しい位置であるか決定するために、受
光格子１６８には、光源格子に対して受光格子１６５の
平均位置から、検出器平面におけるスケール像の空間波
長の整数倍プラス１／４だけ、即ち、９０°の光信号位
相シフトだけ空間的にシフトされたパターンが備えられ
ている。

【０１２３】受光格子１６８を通して振幅信号を受光す
るフォトトランジスタ１５５の出力のグラフが、図９に
正弦波形Ｂとして示されている。データ点１７０、１７
２での波形を検討すると、フォトトランジスタ１５５の
出力振幅に対応する一義的な値１７４、１７８が、波形
Ｂ上に現れていることがわかる。従って、スケール２２
に対するトランシーバ３４の一義的な位置が、フォトト
ランジスタ１５２及び１５５の出力を監視することによ
って得られる。これは、周知の「方形信号」検出原理で
ある。

【０１２４】光信号増幅器１４０で利用可能な信号を最
大とし、増幅器におけるコモンモード誤差を最小とする
ため、受光格子１６６及び１６７が設けられている。こ
れらの受光格子１６６、１６７は、受光格子１６５及び
１６８の光ストライプと同じ幅及び周期性の不透明な光
ストライプを有する。しかしながら、受光格子１６６の
光ストライプ１５８の位置は、光源格子１５６の光スト
ライプの位置に対して、光自己イメージ信号の空間的に
１８０°だけ位相がずれている。同様に、受光格子１６
７の光ストライプの位置は、受信格子１６８の光ストラ
イプの位置に対して、光自己イメージ信号の空間的に１
８０°だけ位相がずれている。受光格子１６０及び１６
７と関係付けられたフォトトランジスタ１５３及び１５
４の出力のグラフによる表示が、図９に、それぞれ正弦
波形ノット（ＮＯＴ）Ａ及びノット（ＮＯＴ）Ｂとして
示されている。

【０１２５】ＬＥＤ１５０及びフォトトランジスタ１５
３−１５５の実際的な製造及び組立寸法と、容易に利用
可能な部品サイズを考慮すると、光源格子の中心からの
受光格子の望ましい公称横方向変位は、約２．３８５mm
である。これは受光ウインドウ“Ａ”１６５の中心と考
えられる。

【０１２６】方形信号Ａ、Ｂ及びその相補形ノットＡ、
ノットＢを確立するために、受光格子１６６から１６８
の適切な空間位相シフトが、同じ受光パターンウインド
ウの中心の横方向位置を、受光ウインドウ１６５の選ば
れた位置から、（それらを光源格子の中心から非常に大
雑把に２．３８mmの公称横方向位置にもたらすために）
光自己イメージ波長の整数倍に、適当な方形信号を与え
る光自己イメージ波長の適当な付加的な部分を加えた量
だけ、変位させることによって達成される。

【０１２７】従って、（“Ｂ”信号を発生する）受光格
子１６８の横方向変位は、その中心が、受光格子１６５
の中心から、４．８００mmプラス２０μm （光自己イメ
ージ波長の１／４倍）だけ横方向にずれている。この格
子１６８は、図９中のＢ信号を発生し、これは、Ａ信号
に対して光自己イメージ信号の９０°だけ位相がずれて
いる。同様に、ノットＡ信号を発生する受光格子１６６
は、その不透明な光ストライプが、受光格子１６５（Ａ
格子）の不透明な光ストライプの位置から４０μm （拡
大された自己イメージ中のストライプの周期性の１／
２）だけずれている。同様に、受光格子１６７は、その
不透明なストライプが、受光格子１６８の光ストライプ
の横方向位置から４０μm だけずれている。このように
して、受光格子１６７は、フォトトランジスタ１５４に
よって受光されたノットＢ信号を発生する。

【０１２８】図８は、光トランスデューサ６４の他の実
施例を示すが、受光格子のセンタリングは、図７で検討
したのと同じである。しかしながら、受光格子は、横方
向の幅が１．６mmで、縦方向の高さが２．４mmのウイン
ドウと結び付けられている。

【０１２９】光源格子１５６は、それぞれ垂直方向寸法
が１．２mmで水平方向寸法が０．８mmの、４つの光源ウ
インドウ２１８から２２１にマスクされている。これら
の各光源ウインドウの中心は、元の受光格子１５６の中
心から、水平方向に約０．８０mm、垂直方向に約１．２
mmずらされている。この配置は、ＬＥＤ１５０から様々
な受光格子に至る光路長が大きく異なる光線を除去し
て、受光格子及びフォトトランジスタにおける有用な光
信号を増大する。

【０１３０】既に説明し、図１３に示したように、光信
号Ａ、ノットＡ、Ｂ及びノットＢは、図１３の光信号増
幅器１４０によって状態が調整される。

【０１３１】図１０に示すように、フォトトランジスタ
１５２及び１５３からの信号（Ａ、ノットＡ）は、演算
増幅器１７８、１８０の反転入力に供給される。これら
の増幅信号は、次いで、差動増幅器として定義された演
算増幅器１８２に入力される。これらの各演算増幅器の
非反転入力は、２．５ボルト基準とされており、従っ
て、フォトトランジスタは、実質的に線形な領域で作動
する。

【０１３２】フォトトランジスタ１５４、１５５からの
信号は、一対の演算増幅器１８３、１８４によって増幅
される。これらの増幅信号は、次いで、差動増幅器１８
５に供給され、差動増幅器１８２の出力信号１８６と位
相が９０°ずれている出力信号１８７を与える。

【０１３３】出力１８６、１８７は、スケール２２に対
するトランシーバ３４の位置の正弦関数として振幅が変
化する信号である。高分解能のデジタル変位及び位置信
号を得るための、これらの信号の適当な測定及び補間
が、光処理システム１４２によって実行される。適当な
光処理システム１４２は、例えば日本の株式会社ミツト
ヨによって製造された、集積回路モデル番号ＭＮ１０２
である。

【０１３４】図１３に示したように、光処理システム１
４２は、最下位ビット（ＬＳＢ）が、１μm の変位を表
わす、パラレルな６ビットワード２１０を発生する。

【０１３５】容量処理システム６１は、容量トランスデ
ューサを制御して、コマンド及びデータバス２１２を介
して、約２μm の位置分解能を有する位置情報をマイク
ロプロセッサ２１４に与える。

【０１３６】マイクロプロセッサ２１４は、最下位ビッ
トが４０μm の増分を表わす１６ビットの絶対位置ワー
ドを発生する。

【０１３７】前記６ビット光ワードは、１６ビット容量
ワードと同様に、光記憶レジスタ１４４に直接供給され
る。

【０１３８】マイクロプロセッサ２１４は、データ及び
コマンド信号バス２１６を介して、容量位置１６ビット
ワードを伝達し、光記憶レジスタ１４４の動作を指令す
る。

【０１３９】図１４は、図７に示した光学系の他の実施
例を示す。

【０１４０】図１４の光学系においては、４本の平行光
線４０１−４０４が、ＬＥＤ１５０とコリメータレンズ
４００によって放射及び形成される。

【０１４１】これらの光線は、スケール２２上の格子１
３０、１３２によって回折され、格子１３０、１３２を
透過した光線は、各受光格子１６５−１６８を経て、各
フォトトランジスタ１６５−１６８に入射する。

【０１４２】図１４では、図７の光源格子１５６が設け
られていないが、各受光格子１６５−１６８の位相関係
は、図７についての記述内容と同じである。

【０１４３】この透過型光学系によれば、フォトトラン
ジスタ１６５−１６８の出力信号は、図７に示される反
射型光学系において得られる出力信号と同じである。

【０１４４】なお、単一ＬＥＤ１５０とコリメータレン
ズ４００に代えて、ＬＥＤとコリメータメンズの機能を
備えた４つの小型ＬＥＤを用いて、４本の平行光線を直
接発生させることも可能である。

【０１４５】《電子処理サブシステム》

【０１４６】既に説明したように、且つ、図１３に示す
ように、電子処理サブシステム５０は、容量サブシステ
ム４８の粗モード３６、中間モード３８及び微細モード
４０によって作られた容量位置データを受信して、マイ
クロプロセッサ２１４に処理されるように入力する。好
適なマイクロプロセッサ２１４は、例えばカリフォルニ
ア州サンタクララ市のインテル社から入手可能なモデル
８０Ｃ５１である。

【０１４７】特別微細又は光モード４４からの位置デー
タは、光サブシステム４６によって集められ、光記憶レ
ジスタ１４４中に直接受入れられる。

【０１４８】光記憶レジスタ１４４は、トランシーバ３
４がスケールの原点からその変位に際して通過した全て
の光ストライプ１３０、１３２を有効にカウントする。
スケール２２の「原点」は、マイクロプロセッサ２１４
によって、粗モードの零点７６からスケール２２のいず
れかの端部の方向に数学的に変位され得ることに注意さ
れたい。

【０１４９】光位置データは、光記憶レジスタ１４４中
の全部で２４ビットデータワードの内、６つの下位ビッ
トに関してのみ信頼できる。これらの６つの下位ビット
は、隣接する光ストライプ１３０、１３２間の１つの４
０μm 空間内での位置についてのみ引用される。次の１
６の上位ビットは、粗、中間及び微細モードからの概略
位置データを表わしており、容量サブシステム４８から
マイクロプロセッサ２１４によって光記憶レジスタ１４
４内で絶えず更新される。

【０１５０】図１５に示すように、光記憶レジスタ１４
４は、多数の部品を含み、これらの部品が、光及び容量
データを組合せて、光記憶レジスタ１４４の出力１４６
の所で方形又はシリアル出力のいずれかとして利用可能
な２４ビットの絶対位置ワードとする。

【０１５１】光記憶レジスタ１４４の詳細な回路を図１
５に示す。

【０１５２】光処理システム１４２からの光６ビット
（ＯＰＴＩＣＡＬ ６−ＢＩＴ）出力は、６ビットデー
タワードとして、図の左のライン２１０で光記憶レジス
タ１４４に入る。図１５に示される如く、この出力は、
初めの２桁の最下位ビットが、平方出力を表わす符号化
ワードの一部として、又は直接使われ、一方、次の４桁
の最上位ビットは、純粋な２進法である符号化ワードで
ある。

【０１５３】この６ビットワードは、一般的なデコーダ
（ＤＥＣＯＤＥ）２４０を通過して、純粋な６ビット２
進数に変換される。この符号化された６ビットワード
は、デジタル減算器２４４で第１変位カウンタ（ＣＮＴ
Ｒ Ａ）２４６の出力Ｑ２と比較される。このデジタル
減算器２４４は、予め記憶された、６ビットの光位置の
値を、デコーダ２４０から現われる現在の値と比較す
る。

【０１５４】第１変位カウンタ２４６は、該カウンタ２
４６内に記憶された光位置が、現在測定されている光位
置と等しくなるまで、減算器２４４によって適切にイン
クリメント又はデクリメントされる。

【０１５５】第１変位カウンタ２４６は、又、容量サブ
システム４８からの容量位置を現わす、次の最上位側１
６ビットも記憶している。この容量データは、デジタル
加算器２５２のライン２５０上にある補正因子に加えら
れる。

【０１５６】以下に詳細に説明する如く、この補正因子
は、マイクロプロセッサ２１４によって決定され、補正
された容量１６ビット値は、ライン２５４を通って第１
変位カウンタ２４６にロードされる。このローディング
は、デマルチプレクサ（ＤＥＭＵＸ）２５６及びシンク
ロナスワンショット回路（ＳＹＮＣ ＯＮＥＳＨＯＴ）
２５８を経由してマイクロプロセッサ２１４から指令が
送られたときに発生する。

【０１５７】従って、第１変位カウンタ２４６は、容量
サブシステム４８からの絶対位置データと、光サブシス
テム４６からの光ストライプ内の位置を含んでいる。こ
の位置データは絶えず更新され、図１５でカウンタ２４
６の右側にあるライン２６０上の出力Ｑ３で利用でき
る。

【０１５８】ライン２５０上に現われる補正因子は、マ
イクロプロセッサ２１４及びデマルチプレクサ２５６か
ら、もう１つのシンクロナスワンシッョト回路（ＳＹＮ
ＣＯＮＥＳＨＯＴ）２６３を通過するコンピュータ信号
によってイネーブルとされる、シリアルインパラレルア
ウトのシフトレジスタ（ＳＨＩＦＴ ＲＥＧ．）２６２
を通って供給される。

【０１５９】要約すると、第１の変位カウンタ２４６
は、光システムからの更新された位置の値を維持し、こ
れは、容量システムからマイクロプロセッサ２１４を通
ってきた補正絶対位置の値（１６の最上位ビットのみ）
に加えられる。

【０１６０】第１変位カウンタ２４６の内部動作につい
て、以下詳細に説明する。ここでの検討の目的のために
は、各ユニットが１μm の変位を表わす２４ビットの絶
対位置数がライン２６０上に現われることを覚えておけ
ば十分である。

【０１６１】しかしながら、大部分の工作機械及びロボ
ットシステムは、現在のところ、この形式の絶対位置デ
ータを受付けるようには作られていない。むしろ、その
ようなシステムは、シリアル、又は方形形式のデータを
受入れるように作られている。方形データ出力形式は、
９０°位相がずれた２つのシリアル信号を通して２４ビ
ット数をシリアルにカウントダウンしただけのものであ
る。この形式の位置データを適切に読出すために、光記
憶レジスタ１４４には、第１変位カウンタ２４６の値を
追跡する第２変位カウンタ２６４が備えられている。こ
の構成によって、第１変位カウンタ２４６が更新された
位置情報を記憶し続ける一方で、第２変位カウンタ２６
４が出力１４６上に連なっている方形データを形成する
ように読出されることが可能となる。

【０１６２】上記の結果は、ノード２６６及びライン２
６８上での第２変位カウンタ２６４の出力を、デジタル
減算器２７０で、ライン２６０からの第１変位カウンタ
２４６の出力Ｑ３と比較することによって達成される。

【０１６３】デジタル減算器２７０は、その中に記憶さ
れた数が、第１変位カウンタ２４６内に記憶された位置
数に適合するまで、第２変位カウンタ２６４をインクリ
メント又はデクリメントする。このトラッキング動作
は、凍結可能であり、第２変位カウンタ２６４の値を、
（ライン２７２上で読出し命令を受取ったときに）読出
すことができる。

【０１６４】読出し命令（ＲＥＡＤＯＵＴ ＣＯＭ．）
は、該読出し命令が、ラインの過渡的なもの等でなく、
実際にデジタル論理信号であることを検証するデジタル
パルス検定回路（ＰＵＬＳＥ ＱＵＡＬ．）２７４を通
過する。

【０１６５】この読出し命令は、フリップフロップ２７
６のＳＥＴ入力に向けられる。このフリップフロップ２
７６は、その状態を変化して、ライン２７８から第２変
位カウンタ２６４に論理信号を送り、該カウンタは計数
可能機能を凍結する。

【０１６６】エクスクルーシブＯＲ回路（ＸＯＲ）２８
０が、ノード２６６のところで、第２変位カウンタ２６
４の下位２ビットに接続され、この第２変位カウンタ２
６４は、その現在の位置数から０迄カウントダウンして
いる。

【０１６７】デジタルラッチ（ＬＡＴＣＨ）２８２が、
エクスクルーシブＯＲ回路２８０の出力に接続され、カ
ウンタ２６４の２番目の最下位ビット出力が、以下に詳
細に説明する出力ゲート回路２８４に接続される。

【０１６８】前記エクスクルーシブＯＲ回路２８０は、
単に、２つの入力が前記第２変位カウンタ２６４の最下
位２ビットに接続されたエクスクルーシブＯＲゲートか
らなる。このエクスクルーシブＯＲゲートの出力が、方
形出力（ＯＵＴ）Ａとなる。前記第２変位カウンタ２６
４の２番目の最下位ビットも又、方形出力（ＯＵＴ）Ｂ
となる。

【０１６９】カウンタがカウントダウンすると、方形出
力Ａ及び方形出力Ｂは、図１３中に示したように、９０
°位相がずれている。

【０１７０】第２変位カウンタ２６４が完全にカウント
ダウンして０になると、マイクロプロセッサ２１４は、
レジューム（ＲＥＳＵＭＥ）命令を、フリップフロップ
２７６のリセット（ＲＳＴ）入力に直接接続されたライ
ン２８６上に送る。するとフリップフロップ２７６は、
その状態を変えて、第２変位カウンタ２６４の凍結状態
を「解除」し、第２変位カウンタ２６４が第１変位カウ
ンタ２４６中に記憶された現在の位置数迄カウントバッ
クするのを許容する。

【０１７１】第１変位カウンタ２４６は、上記期間の間
も作動しており、トランスデューサ３４の現在の位置を
絶えず追掛けている。

【０１７２】第１変位カウンタ２４６には存在しない特
別な問題が、第２変位カウンタ２４６には存在する。

【０１７３】既に説明したように、最初の最下位側６ビ
ットは、２の５乗が６番目のビットを表わす（４０μm
光スケール波長まで読上がることが可能な）光位置デー
タを表わしている。第２変位カウンタ２６４は、第１変
位カウンタ２４６と同様に、２４ビットレジスタを含ん
でいる。２４ビット２進レジスタに記憶可能な最大数
は、２の２４乗マイナス１であり、これは１０進法では
１６７７７２１５と等しい。

【０１７４】各デジットが１μm を表わしているので、
この数は、容量システムのフルスケール長である１．６
６m よりも非常に長い１６．７７７m の変位に等しい。
従って、第２変位カウンタ２６４が、フルスケール測定
を表わす２進数より大きな（小さな）カウントを行わせ
ないようにするデジタルコンパレータ２８８が設けられ
ている。このフルスケール測定が発生すると、デジタル
コンパレータ２８８は、第２変位カウンタ２６４中に次
の隣接数（即ちトランスデューサ３４の動き方によっ
て、フルスケールマイナス１又は０）をライン２９２上
にロードする信号をライン２９０に送る。従って、デジ
タルコンパレータ２８８は、第２変位カウンタ２６４が
オーバーカウントするのを防ぐための「レジスタラップ
機能」を達成する。

【０１７５】マイクロプロセッサ２１４が常に容量サブ
システム４８からの補正因子をライン２５０上に適用し
ており、この容量サブシステムは、その絶対位置測定の
性質のために、位相シフトをフルスケール測定よりも大
きな数に変換することができないので、第１変位カウン
タ２４６は、この問題に悩まされることはない。

【０１７６】ライン２５０上に現われる補正因子を計算
するために、マイクロプロセッサ２１４は、第１変位カ
ウンタ２４６に記憶されている絶対位置数の現在値を知
る必要がある。この数は、第２変位カウンタ２６４内に
も存在するので、このデータは、２４ビットパラレル伝
達ライン２９４を経て、パラレル入力シリアル出力のシ
フトレジスタ（ＳＨＩＦＴ ＲＥＧ．）２９６に送ら
れ、ライン２９８によりデマルチプレクサ２５６に送ら
れる。

【０１７７】マイクロプロセッサ２１４は、このシリア
ルデータワードの２４ビットを、マイクロプロセッサ２
１４が容量処理システム６１から得ておいた容量データ
位置と比較する。その数が所定の許容範囲を越えて異な
っているときには、マイクロプロセッサ２１４は、この
違いを取り、４０μm 増分の最も近い整数に変換して、
デジタル加算器２５２に送って、第１変位カウンタ２４
６の上位側１６ビットを更新する。

【０１７８】上記から明らかなように、第１変位カウン
タ２４６は、光データを表わす下位側６ビットに対する
カウンタと、容量データを表わす上位側１６ビットに対
する分離したカウンタとを含んでいる。

【０１７９】図１６は、第１変位カウンタ２４６の内部
回路を示すものである。

【０１８０】この第１変位カウンタ２４６は、減算器２
４４を介してデコーダ２４０から得られる純粋な２進の
光データを受入れる６ビットカウンタ３００を有してい
る。このカウンタ３００の２進出力３１０（図１５の出
力Ｑ２でもある）は、２進カウンタ３００が１０進数の
４０に到達したときに該カウンタ３００をリセットする
デジタルコンパレータ又はデコーダ（ＤＥＣＯＤＥＲ）
３１２に供給される。このリセット信号は、ライン２１
４上に送られる。

【０１８１】前記デジタルコンパレータ又はデコーダ３
１２は、又、キャリー（ＣＡＲＲＹ）ビットをライン３
１６上に発生し、これは、１６ビット容量データレジス
タ又はカウンタ（ＣＡＰＡＣＩＴＩＶＥ ＣＯＵＮＴＥ
Ｒ）３２０の最下位ビット３１８に供給される。

【０１８２】マイクロプロセッサ２１４によって、バス
２１６を介して光記憶レジスタ１４４に送られる１６ビ
ット容量位置ワードは、このカウンタ内の各ユニットの
デジタル等価物が４０μm を表わすと仮定している。従
って、カウンタ３２０内で、最下位ビットは４０μm を
表わし、次の上位ビットは８０μm を表わし、３番目の
上位ビットは１６０μm ・・・を表わす。

【０１８３】このカウンタ３２０の出力は、ライン２４
８上に図１５の出力Ｑ１として現われる。マイクロプロ
セッサ２１４からライン２５０上に現われる補正因子に
よって補正され、容量データレジスタ３２０のロード
（ＬＯＡＤ）端子３２２にフィードバックされるのは、
この１６ビットデジタル数である。

【０１８４】前記６ビットカウンタ３００に記憶された
６ビットワードは、真実の位置を表わす２進数であり、
その最上位デジットは３２μm を表わしている。しかし
ながら、既に説明したように、１６ビット容量データ
は、各インクリメンタルビットが４０μm の重みを持っ
ているとの仮定でフォーマットされている。従って、こ
れらの２つのタイプのデータを簡単な方法で結合するた
めに、デジタル乗算回路（４０Ｘ ＭＵＬＴＩＰＬＩＥ
Ｒ）３２４中で１６ビット容量ワードを４０倍して、
（マイクロメートルの）位置が通常の２進形式で表現さ
れるようにする必要がある。

【０１８５】乗算回路３２４を離れる変換後の１６ビッ
ト２進出力及び３１０で利用可能な６ビット２進出力
は、デジタル加算回路３２６で加算されて、図面中でＱ
３によっても表わされる２４ビットワードをライン２６
０上に与える。従って、出力Ｑ３は、最下位ビットが１
μm を表わし、次の上位ビットが２μm を表わし、３番
目の上位ビットが４μm を表わし、４番目の上位ビット
が８μm ・・・を表わす２４ビット２進ワードである。
この出力は、第２変位カウンタ２６４に転写される。

【０１８６】電子処理サブシステム５０は、又、第２変
位カウンタ２６４中に記憶された絶対位置データをシリ
アル形式で出力する能力を有する。既に説明したよう
に、このデータは、図１５のライン２９４及びシフトレ
ジスタ２９６を介して、マイクロプロセッサ２１４に伝
達される。マイクロプロセッサ２１４は、このデータを
直接シリアルデータライン３２８に送り、出力ゲート２
８４を通して、シリアル出力端子（ＳＥＲＩＡＬ ＯＵ
Ｔ）３２９に送る。

【０１８７】《マイクロプロセッサの動作》

【０１８８】前記マイクロプロセッサ２１４は、容量デ
ータの光記憶レジスタ１４４への流れ、及び、光データ
と容量データとの相互作用を、上記で説明したような一
般的な命令セットに従って制御する。

【０１８９】しかしながら、マイクロプロセッサ２１４
は、又、図１７中の論理フローチャートによって表わさ
れた論理シークエンスを実行する。この論理シークエン
スは、実際の変位速度と容量処理システム６１の応答時
間の関係を考慮して、真実の、リアルタイムにおける絶
対位置としてデータがユーザに提示される前に、有効な
絶対位置測定結果が第２変位カウンタ２６４内に存在す
るか否かを決定する。

【０１９０】基本的に、好適な実施例においては、図１
７のフローチャートによって記載されたプログラムは、
トランスデューサ３４がスケール２２に対して過渡に移
動中であるならば、マイクロプロセッサ２１４がリアル
タイムの絶対位置データを読出すことを許可しない。プ
ログラムは、リアルタイムの絶対データ読出しが許可さ
れる前に、変位カウンタ２４６、２６４中に記憶された
位置データが更新されており、安定であることを確実に
するためにチェックする。

【０１９１】プログラムを開始するためには、本発明が
採用された自動化工作機械のような外部装置からの絶対
データ読出し要求３４０が、マイクロプロセッサ２１４
によって受取られる。

【０１９２】マイクロプロセッサ２１４は、次いで、判
定ステップ３４０において、エラーフラグがセットされ
ているか否かをチェックする。通常、システムは、エラ
ーフラグが既にセットされている状態でスタートする。

【０１９３】エラーフラグが既にセットされていれば、
行動ステップ３４４で記載したように、マイクロプロセ
ッサ２１４は、第２変位カウンタ２６４から新しいデー
タ位置ワードを獲得して、この値を、マイクロプロセッ
サのメモリ中に記憶された前の位置の値と比較する。新
位置が旧位置と等しい場合には、行動ステップ３４６に
記載したように、第２変位カウンタ２６４内の位置デー
タが、容量サブシステムからの容量位置データと比較さ
れる。

【０１９４】新位置が旧位置と等しくない場合には、判
定ステップ３４８に示したように、新位置が旧位置と等
しくなるまで、行動ステップ３４４が繰り返される。

【０１９５】第２変位カウンタ２６４中の位置データ
が、約±１５μm の容量サブシステム許容誤差内にある
ときは、行動ステップ３５０中に記載したようにエラー
フラグがクリアされ、行動ステップ３５２に記載したよ
うに第２光記憶レジスタからデータが読出される。

【０１９６】第２変位カウンタ２６４内の位置データ
が、容量サブシステム６１からの位置データの±１５μ
m 内でないときには、判定ステップ３５４及び行動ステ
ップ３５６によって要求されているように、マイクプロ
セッサ２１４は補正因子を計算し、この補正因子を、図
１６の容量データレジスタ３２０に加える。

【０１９７】前記エラーフラグは、次いで行動ステップ
３５８でセットされ、データが読出し可能となるエラー
フラグがクリアされるまで、処理が繰り返される。

【０１９８】本発明の他の実施例及び変形例が考えられ
る。

【０１９９】例えば、光ストライプ１３０、１３２の代
りに磁化ストライプが使われた磁気検出システムを、光
サブシステムに置換えることができる。更に、トランシ
ーバ３４及びスケール３２で用いられた容量ストリップ
は、局部的な磁場の相対移動も測定する誘導構造で置換
えることができる。

【０２００】上記で示され、説明された適用対象は、２
つの異なるタイプの２つの問合せ信号が、高分解能の絶
対位置決定を達成するために使われている、好適な実施
例を示すためにのみ与えられたものである。

【０２０１】他の例として、図５に示されるように、光
トランスデューサ６４の両側に２組の送信グループ６２
が設けられている。この配置は、各グループの中心から
の分離距離を有利に維持して、周囲温度の変化によりト
ランスデューサ６４が膨張又は収縮しても、光トランス
デューサ６４の構成は、釣り合いをとって等しくなる。

【０２０２】既に説明したように、容量サブシステム４
８は、単に、送信波６６とシフト波８４の間の位相シフ
トを測定している。従って、トランシーバ３４又はスケ
ール２２の物理的な延伸又は収縮は、トランシーバの対
称構造によって、幾何学的に補償される。

【０２０３】単一の送信グループ６２がトランシーバ３
４の中心に配置され、２つの光トランスデューサ６４
が、この送信グループの両端に１つづつ配置された時
に、理想的な結果が得られるであろう。

【０２０４】更に、特定の適用対象に対して、２つの性
質が異なるトランスデューササブシステムの相対速度、
信頼性及び精度を最もよく利用するために、他の多くの
信号処理原理が可能である。

【０２０５】更に、直線型スケール及び直線型測定装置
に適用されるものとして、本発明が説明されていたが、
上記スケール及び検出システムを少し変形することによ
って、曲線スケール又は円形スケールも採用することが
でき、従って、本発明が、様々な角度及び円測定対象に
容易に適用できることは、当業者にとって明らかであ
る。

【０２０６】従って、本発明は、上記の開示によっては
限定されず、請求項の範囲によって決定されるべきであ
る。

【０２０７】

【発明の効果】本発明によれば、システムへの電源が遮
断されたり、スケール及びトランスシーバが互いに非常
に速く相対移動した場合であっても、スケールとトラン
シーバの相対位置を決定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の粗、中間、微細及び特別微細
測定モードによって達成される、異なる測定分解能の概
念図である。

【図２】図２は、本発明による、固定スケールと、可動
ピックオフ又はトランシーバの構成及び相対位置を示す
平面図である。

【図３】図３は、図２中の円形領域ＦＩＧ３を拡大して
示す平面図である。

【図４】図４は、相対位置を表わす電子位相シフトを決
定するために、移動ピックオフ上の送信電極からスケー
ル上の受信電極に送信され、次いでスケール上の受信電
極からスケール上の伝達電極に対する電気接続によって
物理的に圧縮され、次いでピックオフ上の受信電極に容
量的に送信されて、シミュレートされた電子波を示す概
念図である。

【図５】図５は、前記ピックオフ又はトランシーバの平
面図である。

【図６】図６は、シミュレートされた電子波が、ピック
オフのスケール電極上に発生する方法を示す概念図であ
る。

【図７】図７は、本発明が適用される光学系の一例を示
す拡大分解斜視図である。

【図８】図８は、本発明の光検出ウインドウを示す平面
図である。

【図９】図９は、本発明の光システムによって受取られ
る光位置信号情報を示すグラフである。

【図１０】図１０は、図９に示される信号を増幅して組
合せる増幅システムを示す電気回路図である。

【図１１】図１１は、スケールとピックオフ又はトラン
シーバ間の相対移動を与える支持機構を示す立面図であ
る。

【図１２】図１２は、図１１のＩ−Ｉ線に沿う横断面図
である。

【図１３】図１３は、本発明の全体システムを示すブロ
ック線図である。

【図１４】図１４は、本発明が適用される光学系の他の
例を示す拡大分解斜視図である。

【図１５】図１５は、本発明の光位置レジスタを示すブ
ロック線図である。

【図１６】図１６は、前記光位置レジスタの第１記憶レ
ジスタを示す電気回路図である。

【図１７】図１７は、本発明のマイクロプセッサによっ
て実行されるコンピュータプログラムを示す論理フロー
チャートである。

【符号の説明】

２０…全体システム、 ２２…スケール、 ３４…トランシーバ（ピックオフ）、 ３６…粗（coarse）モード、 ３８…中間（medium）モード、 ４０…微細（fine）モード、 ４４…特別微細（extra fine）又は光（optical ）モー
ド、 ４６…光サブシステム、 ４８…容量サブシステム、 ５０…電子処理サブシステム、 ６０…トランシーバ送信電極、 ６１…容量処理システム、 ６２…送信グループ、 ６４…光トランスデューサ、 ６６…問合せ信号（波）、 ７０、１００…スケール受信電極、 ７２…粗伝達電極、 ８４…位相シフト波、 ９０a 、９０b …粗受信プレート、 １１２…中間伝達電極、 １１６a 、１１６b …中間受信プレート、 １３０、１３２…光ストライプ、 １４０…光信号増幅システム、 １４２…光処理システム、 １４４…光記憶レジスタ、 １５０…発光ダイオード（ＬＥＤ）、 １５２〜１５５…フォトトランジスタ、 １６５〜１６８…受光格子、 ２１４…マイクロプロセッサ、 ２４０、３１２…デコーダ、 ２４６…第１変位カウンタ、 ２６４…第２変位カウンタ、 ２８４…出力デート回路、 ２９６…シフトレジスタ、 ３２０…容量データレジスタ。

フロントページの続き (72)発明者 フイリツプ エス レーン アメリカ合衆国， ワシントン州 98290， スノホミツシユ， 12531−217テイーエ イチ ストリート エス．イー．

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１つの統合されたスケールパターンに結合
   された第１及び第２の規則的なパターンを有し、前記第
   １及び第２のパターンが、性質が異なるタイプの第１及
   び第２の問合せ信号と相互作用する材料から形成されて
   いるスケール部と、 前記第１及び第２の問合せ信号を前記スケールに送信す
   るための第１及び第２の送信手段、及び、前記スケール
   と相互作用した後の前記問合せ信号を受信するための第
   １及び第２の受信手段を有するトランシーバ部と、 前記スケール及びトランシーバ部を互いに移動できるよ
   うに支持するためのサポート手段と、 前記トランシーバ部に接続され、第１及び第２の問合せ
   信号を発生するための信号発生手段と、 前記第１及び第２の受信手段と電子的に結合され、スケ
   ールと相互作用した後の問合せ信号を処理して、前記ス
   ケールとトランシーバ部の相対位置を、所定の許容誤差
   の範囲内で決定するための信号処理手段と、 を有する絶対位置検出装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記信号発生手段が、
   前記第１の問合せ信号を光ビームとして発生すると共
   に、前記第２の問合せ信号を周期的な信号として発生す
   るように作用することを特徴とする絶対位置検出装置。
3. 【請求項３】請求項２において、前記統合されたスケー
   ルパターンが、規則的な間隔で所定の幅に配置された複
   数の平行な金属ストリップのグループを有し、各金属ス
   トリップのグループが、その中に規則的な間隔で複数の
   平行な光ストライプを有し、前記トランシーバ部上の第
   １の送信手段が、前記信号発生手段と共動するように関
   係づけられて前記ストライプを照明するための光源を有
   し、前記トランシーバ部上の第２の送信手段が、前記周
   期的な信号を受け入れるための、規則的に間隔を空けら
   れた複数の金属ストリップを有し、該規則的な間隔の金
   属ストリップが、前記スケールパターンの金属ストリッ
   プのグループと容量的に結合できるように配置され、こ
   れによって、スケール部の製造時の不規則性、物理的な
   変形や、温度変化が、システムの光学的及び容量的性質
   に等しく作用するようにされていることを特徴とする絶
   対位置検出装置。
4. 【請求項４】請求項３において、前記トランシーバ部上
   の第２の送信手段が、光源の両側に配置された、規則的
   な間隔の金属ストリップの２つのグループを含み、光源
   と規則的に間隔を空けられた金属ストリップの２つのグ
   ループが実質的に同じ線上にあるように配置され、これ
   によって、トランシーバ部の熱膨張の影響が、システム
   の光学的及び容量的性質に等しく作用するようにされて
   いることを特徴とする絶対位置検出装置。
5. 【請求項５】請求項３において、前記信号処理手段が、
   前記第１の受信手段からの光学的な位置データを記憶す
   るための光学式スケール記憶装置と、前記第２の受信手
   段からの容量的な位置データを記憶するための容量式ス
   ケール記憶装置と、前記光学式スケール記憶装置内の光
   学式位置データが、容量式位置データと一致しない場合
   に光学式位置データを更新して、更新された光位置デー
   タが、実質的に常時、スケールとトランシーバ部の相対
   位置を示すようにするための補正回路とを有することを
   特徴とする絶対位置検出装置。
6. 【請求項６】請求項５において、前記光学式スケール記
   憶装置が、更新された光学式位置データの重複セットを
   それぞれ受信して蓄えるための第１及び第２の変位カウ
   ンタと、第１の変位カウンタ内に蓄えられた光位置デー
   タの重複セットに影響を与えることなく、前記第２の変
   位カウンタから更新された光学式位置データを順次読出
   すためのシリアルデータ読出し手段とを有することを特
   徴とする絶対位置検出装置。
7. 【請求項７】スケール部とトランシーバ部の相対位置を
   絶対的に決定するための方法において、 第１の許容誤差内でスケールとトランシーバ部の相対位
   置を容量的に決定するステップと、 この容量的に決定された位置を、位置データとして第１
   のメモリに記憶するステップと、 前記スケールとトランシーバ部の相対位置を、前記第１
   の許容誤差よりも小さい第２の許容誤差内であるが、光
   学的に決定された位置が、大きな位置データに関しては
   曖昧さを含み得るように、光学的に決定するステップ
   と、 この光学的に決定された位置を、位置データとして第２
   のメモリに記憶するステップと、 該第２のメモリに記憶された位置データを、第１のメモ
   リに記憶された位置データと比較するステップと、 第１及び第２のメモリに記憶された位置データが一致し
   ない場合は、スケール上に存在する光波長の整数倍であ
   る補正因子を発生して、この補正因子を第２のメモリに
   記憶された位置データに適用するステップと、 第２のメモリに記憶された位置データを読出すステップ
   とを備えたことを特徴とする絶対位置検出方法。
8. 【請求項８】第１の送信装置と容量的に結合するため
   の、規則的な間隔で配置された、所定幅の複数の平行な
   金属ストリップのグループを有する統合されたスケール
   パターンを備え、 各金属ストリップのグループが、その中に第２の送信装
   置と光学的に結合するための、規則的な間隔の複数の平
   行な光ストライプを備え、 これによって、スケール部の製造時の不規則性、物理的
   な変形及び温度変化が、スケールの光学的及び容量的性
   質に等しく影響するようにされていることを特徴とする
   絶対位置検出用スケール。