JPH06100479B2 - 位置測定装置 - Google Patents

位置測定装置

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JPH06100479B2
JPH06100479B2 JP58502992A JP50299283A JPH06100479B2 JP H06100479 B2 JPH06100479 B2 JP H06100479B2 JP 58502992 A JP58502992 A JP 58502992A JP 50299283 A JP50299283 A JP 50299283A JP H06100479 B2 JPH06100479 B2 JP H06100479B2
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ジヨンストン・ジエイムズ・スチユワ−ト
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ローズマウント エンジニアリング コムパニー リミテッド
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    • H03M1/24—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip
    • H03M1/28—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip with non-weighted coding
    • H03M1/282—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip with non-weighted coding of the pattern-shifting type, e.g. pseudo-random chain code

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、所定の経路内において相対的に移動可能な２
部材の相対位置の大きさを与える位置測定装置に関す
る。本発明の実施例は、上記のような相対位置の測定を
行わねばならない広範囲の装置に適用できる。
デジタル化軌道に沿つた変位を可能とするデジタル変換
器は周知である。一般に、軌道はデジタイザエレメント
の規則的なシリーズつまりビットから成り、軌道に沿つ
た変位はビット数を計数することによつて測定される。
軌道に沿つて位置を測定するこのような構成では、所定
データからの計数について記録を保持しなければならな
い。電源故障の場合、この記録は消失してしまう。又、
軌道に沿つて２方向の移動を許容し、カウンタが適切に
増減可能となるようにするためには、基本構成を幾分変
形する必要がある。
別のデジタル変換器の構成は、軌道の長さに沿つた連続
位置の絶対的なデジタルコード化を利用している。しか
しこのようなシステムは、軌道に沿つた各位置を表わす
デジタルワードのサイズが与えられた場合、カバーでき
る軌道の長さに限界を有する。更に、所定のコード化位
置しか記録できないため、位置測定の精度が制限され
る。
軌道に対して移動する部材の現在位置を測定する可能性
は、B.E.ジヨーンズ（Jones）とK.ジア（Zia）の論文
「擬似乱数２進系列とマイクロプロセッサを用いたデジ
タル変位変換器」IMEKO/IFAC、シンポジウム紀要、ロン
ドン、1980年11月、368〜379頁で議論されている。ジヨ
ーンズとジアによる方式は、比較的長いデジタイザ軌道
の使用を可能とするが、軌道に沿つた位置を確認するの
に移動部材を軌道に対して動かさなければならない。又
この方式では、軌道に沿つたデジタイザのビツト間隔精
度でだけ、相対位置の測定が可能である。擬似乱数２進
系列（PRBS）とは、次のような２進データの系列であ
る。つまり、Ｎエレメントの系列中の所定数ｎの連続エ
レメントから成る任意のグループ（但しＮはｎよりはる
かに大きい）によつて一義的なパターンを与え、系列内
のグループ位置を限定する。
英国特許明細書第1511044号は、２部材の相対移動の間
にマークを読取る手段を備えた、長い穴あき片上でのPR
BSを開示している。
英国特許第1284641号には、相対的に移動可能な１部材
についてマーク系列を機械的に走査し、これによつて２
部材の相対位置を求める手段を備えた、一方の部材上に
PRBSのマークを用いた位置測定装置が開示されている。
連続したコード化増分間での内挿は、補助の規準スケー
ルと標準グレーテイングを使つて行われる。
本発明の目的は、２部材の相対位置を決定でき、PRBSを
走査する動作の間静止しているが、PRBSのエレメント間
を内挿できるような改良型の位置測定装置を提供するこ
とにある。
本発明によれば、所定の経路内において相対的に移動可
能な２部材の相対位置の大きさを与える位置測定装置
は、２部材のうち一方に設けられ、相対移動の経路と平
行に離間した各位置へ分布されたコードエレメントで、
これら各位置について所定の系列パターンを擬似乱数２
進系列（PRBS）の形で限定し、系列に沿つた連続的な上
記離間位置に対応した割出し位置が所定数の隣接位置に
おける一意的な２進ワードによつてそれぞれ識別される
ようなコードエレメントと、２部材のうち他方に配置さ
れた検知素子を有し、隣接位置における少くとも上記所
定数のコードエレメントと応答し、限定された一意的な
２進ワードを読取つて系列に沿つた対応する割出し位置
を識別する検出手段で、複数位置のそれぞれ毎に複数の
検知素子を有し、マークの変り目つまりエツジを検知し
１つ又は複数のコードエレメントを限定することによつ
て、検出手段に対する少くとも１つのコードエレメント
の隣接割出し位置間における微細位置を決定する検出手
段とから成る。
この装置では一般に、擬似乱数２進系列として知られる
特性、すなわち系列に沿つた位置が求めた隣接ビツト数
で限定される一意的なワードによつて識別可能なような
特性、を有する系列的にコード化されたデジタイザ軌道
を用いる。しかし、このような特徴を有するものであれ
ば、古典的に擬似乱数２進系列として認識されている系
列を含め、任意の系列を本発明で用いることができる。
検知手段は単に所定数のエレメントを検知して、唯一の
位置を識別すればよい。しかし好ましくは検知手段で必
要な数より多くのビツトを検知し、これで得られる冗長
情報によつて、例えばコードエレメント上の埃や汚れに
よるエラーに対し保護がなされる。
上記の装置では、系列に沿つて充分な数の隣接ビツト読
取り可能で、系列に沿つた位置を限定する一意的な２進
ワードを常に与えられるように、ピツクアツプを備えた
検出手段が配置される。従つて、位置を識別するのに、
一方の部材を他方の部材に対して移動させる必要はな
い。
更に検出手段は、各コード化エレメント毎に複数の検知
素子を有しマークのエツジつまり変り目に応答すること
によつて、指標マークの微細位置を追加的に読取り可能
で、２部材の相対位置を２進系列のビツト間隔より精確
に測定できる。
要するに本装置は、先に割出し位置と記述し系列に沿つ
た一意的な２進ワードによつて限定されるローカルデー
タ点を測定すると共に、微細測定を行つてローカルデー
タ点に対する位置を記録する。このように、一方の部材
上の１組のコード化エレメント又はマークと他方の部材
上の１列の検知素子を用いながら、２部材の絶対的な相
対位置を充分な精度で測定できる。
上記の指標マークは、少くとも数個の隣接位置間におけ
る変り目で構成してもよい。例えば、上記指標マークは
コードエレメントのある１位置とコードエレメントのな
い隣接位置間の変り目によつて構成できる。光学法を用
いた実施例では一例として、系列的にコード化された軌
道上の“1"と“0"の間の変り目が容易に識別可能であ
る。従来の２進コード、例えば“1"用のマークと“0"用
のスペースを有するコードは、１の系列内又は０の系列
内にエツジ又は変り目を持つていない。エツジつまり変
り目の数を増すため、マンチエスタコード等その他のコ
ードも使用できる。マンチエスクコードでは、“0"がス
ペースに続くマークによつて意味され、“1"がマークに
続くスペースによつて意味される。どのデジツトもスペ
ースとマーク両方を必要とし、従つて各デジツトが変り
目を有する。
上記検出手段は、２進ワードを読取り指標位置を識別す
る前に、コード化エレメントの微細位置つまり指標位置
間でのピツクアツプに対する系列の微細位置を読取るよ
うに配置される。この構成は、２進ワードの読取りプロ
セスを簡単化する。何故なら、微細位置の読取りがコー
ド化軌道上の２進ワードを限定するビツト位置を前もつ
て決められるようにし、読取り動作を簡単化するからで
ある。
上記検出手段は好ましくは、２進ワードを限定するコー
ドエレメント系列の長さを読取るのに充分な長さを持つ
一方、微細位置を識別するのに充分な高い空間的境界を
持つ検知エレメントの線形配列から成る。
このように上記検出手段は、相対移動の経路と平行に配
列され且つそれぞれが上記各離間位置のコードエレメン
トを限定するマークの存否に応答する検出器アレイから
成り、このアレイはPRBS内の唯一の位置を限定するのに
必要な数のコードエレメントを検知するのに充分な長さ
であると共に、各コードエレメントの長さの複数の検出
器から成り、少くとも１つのコードエレメントにおい
て、コードエレメント用マークのエッジつまり変り目の
位置が検知可能で、これによつてアレイ中の検出器が一
意的な２進ワードだけでなく、少くとも１個の変り日の
アレイに対する微細位置をも限定する出力を与える。
上記を達成するため、Ｎ個の連続エレメントが走査され
（Ｎは唯一の位置を限定するのに必要な数に等しいか又
はそれより大きい）、各コード化エレメント毎にｎ個の
検出器が設けられたPRBSを用いた場合、上記検出手段は
nNのビツトエレメントを有するシフトレジスタで、シフ
トレジスタの直列入力端にPRBSと対応した２進信号が所
定のビツト速度で供給され且つ更に２進信号の所定ビツ
ト速度よりｎ倍速い速度でクロツクされるシフトレジス
タと、このシフトレジスタの内容を検出器アレイの並列
出力と比較し、最も近いものに応答して測定位置を指示
する手段とを含む。シフトレジスタの内容を比較する手
段は、シフトレシスタの内容とアレイ出力間の相間レベ
ルを表わす出力信号を与えるような相関器（コリレー
タ）で構成できる。
本装置は、検出手段用のシフトレジスタのために上記の
速い速度でクロツクパルスを発生するクロツクと、この
高速クロツクパルスをｎで割るデバイダと、分割された
クロツク速度のパルスに応答し、分割速度と等しいビツ
ト速度で上記２進信号を発生する系列発生手段と、上記
速い速度のクロツクパルスを計数し、比較のため上記手
段からのうち最も近い指示に応答して、測定位置を表わ
すカウントで計数を停止するカウンタとを含む。
検知手段は、上記２進系列の表示を格納する記憶手段
と、この記憶手段からの２進系列を読取り、ピツクアツ
プからの一意的な２進ワードと比較し、これによつて識
別された指標位置を見い出す手段とを含むことができ
る。この代りに検出手段は、浄記所定数のビツトエレメ
ントを有し且つロジツクフイードバツクに接続されたシ
フトレジスタから成る系列発生器を含み、クロツクされ
たときその直列出力端に所定の擬似乱数２進系列を発生
し、ピツクアツプからの一意的な２進ワードと比較し、
それによつて識別された指標位置を見い出すようにして
もよい。更に別の構成では、検出手段が上記と同等の機
能を果す計数手段を有する。
コードエレメントを検知する検出器は、例えば光ダイオ
ードその他の光感知性素子等、PRBSを形成しコードエレ
メントを構成するマークと協働して動作する光検出器か
ら成る。コードエレメントは透明片中の不透明エレメン
トあるいはその逆とすることもでき、この場合の検出手
段は片の片側に配置された光源と他側の光検知器から成
る。
上記に代え、コードエレメントの存否に基く電気容量の
変化を検多するように、検出手段を容量的に構成しても
よい。光学的構成の場合には、光拡大手段を設け、コー
ドエレメントの拡大像を光検出器上に結ばせる。あるい
は、コードエレメントの縮少像を光検出器上に結ばせて
もよい。
コードエレメントは異つた磁気透過率の領域でも構成で
き、この場合の検出手段は磁石と磁場検出器から成る。
光学的に検出可能なコードエレメントを用いた別の構成
では、TVカメラチユーブと、このチユーブ上にコードエ
レメントの像を結ぶ手段と、チユーブからのビデオ出力
信号に応答し、一意的な２進ワードを読取つてその微細
位置を検出する手段とから検出段が成る。
更に特殊な例では、コードエレメントが磁気的に検出可
能で、検出手段が、相対移動の検路と平行に延び、上記
所定数の隣接離間位置の領域内に磁場を発生させる磁適
面と、上記経路の方向に沿つて磁極面上に表面音響波パ
ルスを送出して磁場の局部的な摂動を引き起す表面音響
波装置で、この摂動が音響波パルスと共に上記経路に沿
つて移動するものと、コードエレメントによつて弱極面
から遮蔽され、コードエレメントを通過した上記摂動に
応答し、一意的な２進ワードを表わす直列出力信号を与
える磁場検出手段とから成る。
本装置で使われる２進系列が比較的長いと、検出手段で
読取られた一意的な２進ワードを２進系列の全長と比較
するのに装置で過長の時間を要することが理解されよ
う。従って、２部材の連続的な相対位置を測定するため
本装置は、最後に識別された割出し位置を格納する記憶
手段と、記憶された位置と応答し、検出素子からの最後
の一意的な２進ワードを、記憶位置を含む領域内の割出
し位置を識別する２進ワードと比較する手段とを含む。
このように本装置では、最後に求められた割出し位置の
直近において、新しい２進ワードとの一致が捜される。
以下、本発明の例を添付の図面を参照しながら説明す
る。
第１図は光学的に読取可能なコードエレメント系列を用
いた本発明の一実施例を示す概略線図； 第２図はコード化方式を説明するための線図； 第３図は第１図に示した位置測定装置を具体化したマイ
クロメータの部分破断斜視図； 第４図は本発明を具体化した位置測定装置を用いた差動
圧力変換器の断面図； 第５図は光学的拡大器を用いた装置を示す図； 第６図は本発明の実施例をシヤフトエンコーダつまり回
転デジタイザへ応用した場合を示す図； 第７図は第６図の装置の変更例を示す図； 第８、９図は本発明の実施例を液体レベル装置及び製図
台へ応用した場合をそれぞれ示す図； 第10図は代りの検知方式を示す図； 第11図は磁気的に検出可能なコードエレメントを用いた
本発明の実施例で使われる読取りヘツド又はピツクアツ
プの概略斜視図； 第12図は光フアイバーと光分散体を用いた光学的読取り
又はピツクアツプ構成図；及び 第13図は第１図の構成の変更例を示す図である。
擬似乱数２進系列（PRBS）の発生理論は充分確立されて
いる。このようなPRBSの発生は、特殊な構成のロジツク
フイードバツクを含むシフトレジスタを用いた充分に確
立された技術である。一般にシフトレジスタ発生器で発
生されるPRBSの最大非繰返し長さは、シフトレジスタで
使われる“ビツトエレメント”つまり２安定状態の数に
よつて制限される。例えば、ｎ個の２安定状態によつて
発生される最大系列長さはＮ＝２ｎ−１である。このよ
うな系列発生器から成るシフトレジスタの内容は、本発
明の実施例で考えられている系列に沿つた連続的な割出
し位置を表わす連続した一意的な２進ワードに対応して
いることが理解されよう。
第１図を参照すると、軌道11上に設けられた10でPRBSが
示してある。図面を簡単にするため、軌道とPRBSは一部
の短い長さしか示してない。この例では、PRBS10を形成
するコードエレメントが、軌道11を構成する透明媒体上
に印加された不透明なバーから成る。軌道11に沿つた隣
接位置がコードエレメントを含む所では、巾広のバーが
示してある。
第１図の構成におけるピツクアツプは、軌道11の片側に
配された光源12と軌道の反対側に配された光検出器アレ
イ13から成る。２部材の相対位置を測定するのに使われ
る場合、軌道11は２部材の一方に固定され、光源12と検
出器アレイ13から成るビツクアツプが２部材の他方に固
定され、両部材の相対移動は矢印14で示した方向に沿い
ピツクアツプに対して軌道11を動かすものであることが
理解されよう。以下の説明から明らかなように、一方の
部材の他方の部材に対する位置を求めるのに相対的な移
動を行う必要はない。
光検出器アレイ13は、図示のように線形アレイの光検出
器15を有するデユアルインラインパツケージから成る。
軌道11に沿つたコードエレメントの大きさは、検出器ア
レイに対し誇張して示してある。実際には、軌道11に沿
つた充分な数の隣接コードエレメント位置の影つまり像
が光検出器15上に焦点を結び、PRBSに沿つた位置を識別
する一意的な２進ワードが読取れるように構成される。
但し、検出器アレイの長さは、位置を限定するのに必要
な最小数より１又は２（できればそれ以上）多いコード
エレメントを含むようにするのが好ましい。この余剰の
情報が、例えばコードエレメントや検出器上の埃又は汚
れによるエラーに対して保護を与える。実施可能な例で
は、軌道11に沿つたコードエレメントの位置が例えば0.
5mmの間隔とされる。従つて、５個の隣接位置つまり２
進デジツトがコード（実際には31位置のコード長）に沿
つた位置を識別する２進ワードを限定するのに充分な
ら、５デジツト2.5mmを占める。可能な検出器アレイ15
は10μｍ間隔で256個の検出器を有し、2.56mmの実用長
を与える。（検出器間隔７μｍ又は13μｍのアレイが市
販されているが、この例では演算を簡単にするため10μ
ｍの間隔とした）。
光検出器アレイ装置13の出力を読取るため、この出力は
シフトレジスタ16にロードされる。次いで、シフトレジ
スタ16の内容がデジタル比較器17により別のレジスタ18
の内容と比較される。シフトレジスタ18は、クロツク19
からの速度Ｆのパルスでクロツクされる。シフトレジス
タ18の直列入力端20に、軌道11上に印刷されたものに対
応しPRBS発生器21によつて発生される所定の擬似乱数２
進系列がロードされる。PRBS発生器21は、所望のPRBSを
直列状に再生するように構成された、ロジツクフイード
バツクを含む通常のシフトレジスタを含む。この例で
は、発生器21として５エレメントのシフトレジスタで充
分である。シフトレジスタ発生器21は、デバイダ22から
の速度F/50のクロツクパルスでクロツクされる。従つ
て、シフトレジスタ18の入力端に与えられる直列PRBSの
ビツト速度は、シフトレジスタ18に印加されるクロツク
速度の1/50である。この比率は光検出器アレイ15におけ
る検出器及び軌道11上のPRBS10内におけるコードエレメ
ント位置の相対間隔に対応していることが理解できよ
う。
この構成において、シフトレジスタ18が光検出器の間隔
10μｍと等しいステツプで、PRBSの一部の表示を連続的
にシフトする。
カウンタ23がシフトレジスタ18に供給されるクロツク19
からのクロツクパルスを計数し、シフトレジスタ18の内
容とシフトレジスタ16の内容の一致を表わす比較器17か
らの信号によつて停止される。従つて、一致により停止
された時点におけるカウンタ23の内容は軌道11に沿つた
測定位置を表わすことが理解できよう。又理論上、比較
器17からの停止信号はアレイ15の検出器間隔すなわち10
μｍに対応した精度で発生可能で、この時点におけるカ
ウンタの内容が対応した精度における検出器と軌道11の
相対位置の大きさを与える。このように図示の構成は、
軌道の連続的なコードエレメント位置に対応する軌道11
に沿つた割出し位置を識別する２進ワードだけでなく、
アレイ15の検知器間隔に対応した精度で軌道の“微細位
置”も識別するように動作する。
実際には、両シフトレジスタ16、18の内容の最適な一致
に応答して出力信号を与えるデジタル相関器（コリレー
タ）として比較器17は実施可能である。相関器出力の精
度は、軌道11上のPRBSに沿つたコードエレメント位置間
の境界の明瞭度に強く依存していないことが理解されよ
う、軌道が全体として正確に印刷されていれば、コード
エレメントの欠けたエツジや局部的な凹凸が若干あつて
も、測定の精度にはほとんど影響を及ぼさない。つま
り、比較器17によつて生じる相関ピークの高さは幾らか
減少するが、その位置は測定位置を正確に限定する。相
関出力は、一意的な２進ワードを識別するのに必要なだ
けよりも長いPRBS部分を読取るように構成することによ
つて高められる。これは、相関比較が行われるスケール
マーク（コードエレメントとコードエレメントを含まな
い位置の間の変り目によつて構成される）の数と増加さ
せ、印刷不良や埃、光学的歪曲等によつて生ずる変り目
の一部におけるゆがみが相殺されるようにする。
上記において微細位置は、マークのエツジ、すなわち上
記の特定実施例では不透明領域と透明領域の変り目を検
知することによつて求められる。連続した“1"の系列又
は連続した“0"の系列は、そのような変り目を持たない
ことが理解されよう。このような変化しないデジツトの
連続系列は一意的なコードを与えず、PRBS内における数
個のそのような変化しないデジツトは変り目の数を減少
させる。しかし、適当なコード化パターンを選択するこ
とにより、例えば各デジツトに少くとも１個の変り目が
存在するようにできる。かかるコードの１つは、第２図
に示したマンチエスタコードである。第２図において、
上側ライン10が従来の形の10コードエレメントの系列を
示す一方、下側のラインは同じエレメントをマンチエス
タコードで示している。この側では、下側ラインにおけ
る“0"はコードエレメントの左側が透明領域、右側が不
透明領域であることによつて表わされている。一方“1"
は、左側が不透明領域、右側が透明領域であることによ
つて表わされている。つまり、各コードエレメントに変
り目が存在する。各１つのコードエレメントはこのよう
な変り目を持たねばならず、これによつて系列中の各コ
ードエレメントのスタート位置について解明不能な不明
瞭さが生じることはない。
上記した本発明の一例における一般原理は、一方の部材
の他方の部材に対する位置を測定するのに必要な多数の
計測器に適用可能である。第３図を参照すると、PRBS軌
道30がスピンドル31へ固定されると共にランプで読取れ
るよう配置され、検出器アレイ組体32が計測器の本体に
対して固定されたデジタルマイクロメータが示してあ
る。又計測器は、第１図を参照して上記した機能を実施
するのに必要なエレクトロニクスと、これらエレクトロ
ニクスに給電するバツテリーを含むように構成される。
マイクロメータの測定読取値は、デジタルデイスプレイ
33上に表示可能である。
使用時、マイクロメータはまずスピンドルの先端をアン
ビル34と接触させることによつて閉じられる。ゼロボタ
ン35を押し、閉じたスケール読取値をメモリへ転送す
る。この記憶数値は、その後結果の表示前に、計測器の
処理エレクトロニクスによつて以後の全ての読取値から
減じられる。同じ構成は、個々の部品を標準部品と比較
するのにも使え、この場合には標準部品に対してアゴを
閉じてゼロボタン35を押し、その後計測器で標準からの
正負の偏差を読取る。
第１図に示した本発明の実施例は光学法を採用している
が、磁気、超音波、容量又は誘導を含め、その他任意の
検知方法を使用できる。容量検出方式は電力消費が低い
ため、第３図に示したマイクロメータで使うのに適して
いる。
第４図を参照すると、ベロー42、43で対向した圧力検知
プレート44、45に接続された中央孔41を持つ本体40から
成る圧力変換器が示してある。プレート44、45はタイロ
ツド46によつて相互接続され、タイロツド46上にPRBSを
備えた軌道46が装着される。読取りヘッド47が本体40上
に装着される。このようにして、プレート44、45に加わ
る圧力P1,P2間の差を表わすタイロツド46の偏向が測定
できる。
0.1％の分解能を得るように検出器間隔10μｍの上記し
た検出器アレイを第４図の圧力変換器に用いると、軌道
46とヘツド47間の相対移動の最小レンジは10mmである。
これより小さい移動レンジを許容するため、軌道46上の
コードエレメントパターンの拡大像を光検出器アレイ上
に結ばせる光学系を設けることもできる。すなわち光蝕
刻法を用い、軌道46上のPRBSサイズを減少して隣接デジ
ツト位置が10μｍ間隔になるようにし、10倍に拡大され
た像を同じく10μｍ間隔のアレイ上に投影すると、位置
測定装置の実効空間分解能が１μｍとなり、1mmのベロ
ー変位レンジに対し0.1％の分別を達成できる。
かかる構造を、概略的に第５図に示す。同図には、軌道
146上のPRBSと、単一レンズ148で図示し、PRBSの拡大像
を検出器アレイ上に投影するよう配置されたレンズ系を
含む検出器147とが示してある。
PRBSの拡大像を検出器アレイ上に結ばせる上記の方法
は、分解能の上昇が必要なその他の計測器にも使用でき
ることが理解されよう。
上記した本発明の一例の動作原理は、工作機械における
切削ツール等の位置を求めるのにも適用できる。しか
し、必要な軌道長さを与えるのに、もつと長いPRBSが必
要なこともある。例えば、コードエレメントの位置間隔
が0.5mmの場合、1mの軌道長さは2,000のデジツト位置を
有する。このため、軌道に沿つた位置を識別するのに、
11ビツトのワードが必要となる。従つてPRBS発生器は、
PRBSを合成するのに11エレメントのシフトレジスタを必
要とする。このような11ビツトのPRBSは2,047ステツプ
以下で繰り返さないようにして得られ、軌道に沿つた割
出し位置を識別する一意的な２進ワードを取り出すの
で、少くとも5.5mmのトラツク長を読取るか像形成する
必要がある。これは、1,024エレメントの光検出器アレ
イを用いた光学法で達成できる。あるいは、256エレメ
ントのアレイ上に縮少像（倍率0.5）を発生させる光学
系を設けてもよい。後者の場合、分解能は±20μｍとな
る。
更にあるいは、軌道のPRBSに沿つたコードエレメントの
間隔を狭くし、例えば10μｍとしたものも使用できる。
これは、1mの軌道長さに沿つて100,000の割出し位置を
必要とする。各位置を限定する一意的な２進ワードは17
ビツトで、最小コード長170μｍを読取る必要がある。
このコード長は約15倍の倍率で256エレメントの光検出
器アレイ上へ光学的に投影でき、この装置では約1.5μ
ｍの実効空間分解能を与える。
第１図に示した処理回路を用いると、上記17ビツトのPR
BSを使つた場合に測定位置を識別するのに必要な処理時
間は、光検出器アレイの出力と比較するため全PRBSを走
査するのにかかる時間によつて比較的長くなる。つま
り、全PRBSを第１図のシフトレジスタ18でシフトするの
に15×100,000ステツプを要し、比較器17に使われる相
関器が10MHzのシフト速度を持つとすると、位置を識別
するのに0.15秒かかる。この処理時間を減少させるた
め、追加の処理手段をエレクトロニクス内に含めること
もできる。例えば、最後に識別された位置測定を含むメ
モリを装置に含めてもよい。こうするとPRBS発生器は、
最後の記憶位置に応答し、新たに読取られた検出器アレ
イの出力を最後の位置に直近した進系列の一部と比較す
るように制御し得る。但しこの方法は、その後の位置読
取りが先の読取りから近い範囲内で行われるという仮定
に基いている。
第６図は本発明の実施例を回転デジタイザへ応用した例
を示しており、PRBS軌道は環状軌道50として、シヤフト
51を中心に回転可能なコード化デイスク上に設けられて
いる。シヤフトに対するデイスクの環状位置は、固定読
取りヘツド52によつて読取られる。このような構成で
は、デイスクの１回転で繰返すPRBSコードを用いるのが
好ましい。こうして、環状軌道50は1,023ビツト位置
（割出し位置）で構成でき、10ビツトのPRBSが印刷され
る。10ビツトの一意的な位置識別ワードを読取るには、
軌道上円弧3.6゜が読取りヘツド52内の検出器アレイで
読取られねばならない。第１図を参照に説明したのと同
じ構成を用いれば、256個の検出器アレイで約１分まで
の弧の角度位置を測定可能である。状況によつては、軌
道50の非直線的なライン形状による読取りのゆがみを避
けるため、特殊な円弧状の検出器アレイ又は光学的修正
装置を設ける必要がある。
光学的拡大法を用いず、検出器間の間隔10μｍを有する
検出器アレイを使用すれば、軌道50直径80mmのデジタイ
ザデイスク上に印刷できる。光学的拡大法と組合せ、も
つと微細に印刷した軌道50を用いると、もつと小さいデ
イスクも使える。
非常に高い精度を持つ簡単なデジタイザが、工作機械の
分割ヘツド、テオドライト（経緯儀）、六分儀、ロボツ
ト工学等への応用において上記のように作製できる。
第７図に示すごとく、環状のPRBS軌道55を備えたコード
化デイスク54は、軌道の周囲に180゜離れて配置された
２個の検出器アレイ56、57と組合せて用いるのも可能で
ある。この方式の目的は、シヤフト58に対するデイスク
取付けの偏心あるいはシヤフトの軸受内における横移動
にかかわらず、精確な角度測定を可能とすることにあ
る。再検出器56、57を結ぶ線に沿つたデイスク又はシヤ
フトの小移動、つまり検出器アレイのラインに直角な移
動は、読取値に影響を及ぼさない。しかし、両検出器5
6、57を結ぶ線に垂直な成分を持つ移動は、一方の検出
器からの読取値を増加させ、他方の検出器からの読取値
を同じ小量だけ減少させる。両検出器からの読取値の平
均（軌道周囲の180゜間隔に対する必然的な許容差を含
む）が、偏心に関係なくデイスクの実際の角度位置を与
える。２検出器の正確な角度位置を正しく知る必要はな
い。何故なら、デイスクが“ゼロ”位置にあるときに読
取りを行ない、その後の全ての読取りに対しデータ点と
してそれらの読取値を使えるからである。
第８図は、本発明の実施例をフロート及びテープ型のレ
ベルゲージへ応用した場合を示している。例えばタンク
内における液60のレベルが、PRBSコード化軌道62を備え
たテープ61の固定読取りヘッド63に対する位置をモニタ
ーすることによつて測定される。テープの下端はフロー
ト64に取り付けられ、テープから読取られた位置が液レ
ベルの表示を与える。液レベルの上下に際しテープ61を
ぴんと張つておくために、巻取スプール65が設けられ
る。
特定の実施例では、テープに沿つたデジツト位置を5mm
間隔とし、12ビツトのPRBSで30mまでのレベルを読取り
可能とできる。このとき読取りヘツド63は、テープ上の
軌道62のうち最小長さ60mmを読取らねばならない。光学
的方法は上述のように使用可能である。しかしテープが
強磁性であれば、ホール効果磁場検出器のアレイを使う
方が便利である。
上記の構成を変更すれば、通常の可視マークに加えテー
プ上にPRBSコード化軌道を記録した測量用の測定テープ
も与えられる。テープ読取りヘツドとエレクトロニクス
がスプールハウジング内に納められ、デジタル読出装置
がハウジングに設けられる。
第９図は、本発明の実施例を製図台に応用した場合を示
している。カーソル70が長い糸紐74、75で、製図台73上
の２データ点71、72に連結される。各長紐74、75はそれ
ぞれのデータ点71、72で、製図台73の貫通孔を通過す
る。両方の糸紐74、75は、バネ負荷式の巻取スプール76
によつて緊張状態に保たれる。
糸紐74、75の各長さは、製図台の下方に配置され且つ円
周の縞の形をした糸紐のPRBSに応答する読取りヘツド77
によつて自動的に測定される。糸紐のコード化は、光学
的読取りの場合糸紐上の黒と白のマークによつて、又磁
気的読取りの場合糸紐上の磁化バンドと非磁化バンドに
よつて与えることができる。
第９図の製図台の実施例で２本より多い糸紐を使えば、
精度を向上させ、不明瞭さを避けられる。
３本目の糸紐をデータ点71、72と同一線上にないデータ
点から導けば、カーソル70の位置を３次元で測定でき
る。更に、不明瞭さを防ぐため４本目の糸紐を用いても
よい。
本発明の実施例についてその他多くの応用が得られるこ
とは明らかであろう。
本発明の各例では、各種の代替ピツクアップ法を使用で
きる。光学法では、検出器アレイと組合せPRBSの必要長
を同時に照射する単一の光源を用いる代りに、走査式の
光源アレイ（発光ダイオード等）を単一の光検出器と協
働させてもよい。この場合発光ダイオードは、単一の光
検出器からの出力がPRBSの関連部分の走査を表わす直列
信号となるように順次付勢される。かかる構成が第10図
に示してあり、側面図である同図は不透明と透明なマー
ク形状のPRBS片を備えた透明スケール又はデイスク150
のエツジを表わし、その一部片が単一の光ダイオード15
1と発光ダイオードアレイ152の間に配置され、アレイは
PRBS片と平行なラインを形成すると共に一意的なコード
を限定するのに充分な長さにわたつて延びている。発光
ダイオード152の数はアレイ上にわたるコードエレメン
トの数より一般に多数倍多く、前述したように微細位置
を求めることができる。
同様の変更が、磁気的及び容量的な検知法についても考
えられる。
上記の例では、読取りヘツドに対するコード系列の微細
位置が一意的な２進ワードで表わされる割出し位置と同
時に求められた。しかし、擬似乱数２進系列（PRBS）に
沿つて追加の指標マークを設け、これらの指標マークで
系列中の連続したコードエレメント位置を識別するよう
にもできる。例えば、光学的ではスプロケツト孔を用い
られる。つまり、スプロケツト孔が１つの光検出器アレ
イ上に、PRBSが別のアレイ上にそれぞれ像形成される。
あるいは、同一の光検出器アレイを時間的に逐次スプロ
ケツト孔とPRBSの両方に対して用い、それぞれの光源を
切換え、適切な瞬間にスプロケツト孔とPRBSを照射する
ようにしてもよい。アレイに対するスプロケツト孔の位
置が系列中における微細位置の大きさを与え、コードエ
レメント位置の読取りヘツドに対する位置を先に求めら
れるため、相関手法を必要とせずに２進ワードを直接読
取ることができる。従つて、２進ワードPRBSと比較し、
割出し位置を識別するのに簡単なデジタル比較器を用い
得る。この方法を17ビツトPRBSの例に用いると、割出し
位置を識別するのに必要な処理時間は150msから10msへ
減少できる。
上記方法の利点は、別個のスプロケツト孔を設けずに得
られる。まず、コードエレメントを含むPRBS位置と含ま
ないPRBS位置間の少くとも１つの変り目のアレイ長に沿
つた位置を識別するのに、光検出器アレイが使われる。
この決定により、PRBSの全位置につき必ず１つの変り目
が検出器アレイ上に集束される。このようにして、系列
軌道に対するアレイの微細位置が再び求められ、光検出
器アレイの関連エレメントだけを読取りできるように
し、割出し位置を表わす一意的な２進ワードを識別す
る。
上記した発明の全ての例において、PRBS系列の長さは不
連続なステップで走査される。系列はアナログ的にも走
査できる。光学的な例では、PRBSの像はビデイコン等の
TVカメラチユーブ上に形成され、得られたパターンがチ
ユーブのライン走査から直列信号として読出される。
第11図は上記と同等の磁気法を示している。PRBSを与え
る開孔81として形成されたコードエレメントを有する強
磁性テープ80が、読取ヘツド部分を形成する永久磁石の
両極82、83間を通過する。一方の極の表面上にワイヤコ
イル84が設けられ、系列中の必要数の隣接ビツトを包む
ようにPRBSの充分な長さに沿つて延びている。表面音響
波発生器85が磁石の他方の極82の対向両側における一端
に取り付けられ、テープ80の方向に極に沿つて移動する
表面音響波パルスを極の表面に沿つて送出するように配
置される。図中86で示した表面音響波パルスが、磁場の
局部的摂動を引き起す。この摂動がテープ80で遮蔽され
てない所でのみ、つまりパルス86が孔81を通過する所で
のみ、コイル84によつて拾われる。こうして、PRBSの所
望長を表わす直列信号が発生される。
第12図はスペクトル分散を利用した更に別の例を示して
いる。光フアイバ90からの光がレンズ91によりプリズム
92を通して集束され、プリズム92が光を分散させて、PR
BSを有する軌道93上にスペクトルを生ぜしめる。スペク
トルの空間範囲は、一意的な２進ワードを限定するのに
充分なビツトを含むPRBSの所望長を覆うように構成され
る。軌道93の開孔に入るスペクトル要素だけが軌道を通
過し、レンズ94によつて別の光フアイバ95へ再び集束さ
れる。離れた位置で、光フアイバ95中の光が再度分散さ
れ、軌道93の該当部分の“像”を再生する。この方法
は、読取りヘツドの近くに電流や電圧が存在するのを避
けたいときなど、軌道93の遠隔読取りに特に有用であ
る。
検出系の出力とPRBS系列又はアドレスコードとの相関に
ついてはすでに言及したし、適切なデジタル信号相関器
は周知で市販されている。こゝでの目的上、正確な数学
的相関法よりも簡単な方法を使う方が一般に適切であ
る。例えば、複数のエツジつまり変り目を用いて微細位
置を求めるためには、これらのエツジ又は変り目が既知
の距離だけ離間しているので、検知されたデータに対す
る変り目の位置を限定する最適の直線を得るのに“最小
２乗法”を用い得る。こうした方法は、第１図の比較器
21又は相関器として使用するデータプロセツサのソフト
ウエアプログラミングによつて容易に達成できる。
第13図は、個別の電子回路で果される上記のごとき各種
機能を実施するよう適切にプログラムされたコンピユー
タを含む構成を示している。第１図に示したのと対応す
る光検出器アレイが、第13図ではブロツク160として表
わしてある。コンピユータ161がライン162を介してアレ
イ160へ制御信号を発生し、アレイの各エレメントに入
射した光強度を表わす一連の電圧レベルをアレイから出
力ライン163へ発生させる。これらの電圧レベルはアナ
ログ／デジタル変換器164で一連のデジタルワードへ変
換され、このデジタルワードがコンピユータ161へ送ら
れてコンピユータメモリ中に記憶される。次いでコンピ
ユータが記憶されたデジタルワードを処理し、それらか
ら検出器アレイ160で検出されたPRBSの一部を再生し、
アレイのこの部分とコンピユータによつて発生保持され
た対応する全PRBSを比較し、PRBSに沿つた粗位置を求め
ると共に、アレイに対するPRBSの検出部分における変り
目の微細位置を、アレイエレメントの間隔の精度で求め
る。次いで、粗測定と微細測定の両方から成るPRBSに沿
つた測定距離がデイスプレイ165上に表わされる。
この結果を得るためコンピユータ161内で行われるステ
ツプの順序と、次に詳しく説明する。最初の例では、一
般的なPRBSつまりロジツク“1"がコードエレメントの存
在によつて表わされ、ロジツク“0"がコードエレメント
の不在によつて表わされるPRBS、と共に使われるアレ16
0からの出力信号を分析するためのステツプを説明す
る。アナログ／デジタル変換器164は、アレイからの電
圧レベル出力に対した８ビツトワードを生ずる８ビツト
変換器が好ましい。コンピユータ161はまず、一連の８
ビツトワードをメモリ中に記憶する。256個のエレメン
トから成るアレイの場合、コンピユータは８ビツトバイ
トのデータ256組を記憶する。各バイドはアレイ中の１
エレメントからの電圧出力を表わし、従つて１つの線形
画像エレメント（ピクセル）に対応している。
コンピユータはまず各バイドを閾値とを比較し、バイト
が閾値より低ければロジツク“0"、高ければロジツク
“1"を発生して、256バイトのデータを256ビツトへ変換
する。
次に、ロジツク“0"から“1"又はロジツク“1"から“0"
への変り目が生ずるピクセル表の系列が発生される。こ
れらは、PRBSのアレイ上の像に変り目が存在するような
アレイに沿つた検出エレメントの数に対応ている。
次いでコンピユータが、PRBSの１ビツト巾をカバーする
ピクセル数である平均“周期”を計算する。この数は必
ずしも整数でない。１ビツト当り14ピクセルという公称
周期が存在するが、PRBSの像をアレイ上に結ばせるのに
用いる光学系の設定と幾何学形状におけるわずかな変化
が実際の周期を公称周期からわずかに異ならせる。コン
ピユータは、この小差を補償する計算を行うように構成
されている。
公称周期が14とすると、コンピユータは最後と最初の変
り目に対応した上記系列中の数の差を整数14で割る。理
想的な設定では、この結果が整数となる。しかし、通常
得られる結果は整数でない。次にコンピユータは得られ
た結果に最も近い整数をとり、この得られた整数で最も
外側（つまり最後と最初）の変り目数間の差を割ること
によつて平均周期を計算する。
この段階でコンピユータは、記憶された256ビツトの始
めから最初に示された変り目までのピクセル数も、“オ
フセツト”として記憶している。
コンピュータは次に、アレイで検出されたPRBSの一部を
再構成する。これは、計算された平均周期を用い連続す
る変り目間の各周期を調べ、256ビツトシリーズ中から
見つけたビツト値に応じてそれぞれの周期にロジツク
“0"又はロジツク“1"を割り当てる。周期の合計数を越
えるオフセツト部分が、アレイによつて検出されたPRBS
の部分的にだけ見えた最初のビツトを表わしている。
最後に、PRBSの再構成部分である“窓”がオリジナルの
PRBSと一致するかどうかが、再構成された部分に対しコ
ンピユタで発生されたオリジナルのPRBSをシフトさせ、
一致が得られるまでのステツプを計数することによつて
チエツクされる。こうして得たステツプから部分的に見
えたオフセツトのビツト残部を表わすステツプの端数を
引いた数が、PRBSビツト巾装置に表わされるPRBSのスタ
ートから“窓”までの距離である。
別のコンピユータプロセスを、マンチエスタコード化PR
BSを用いた場合について次に説明する。初期のコンピユ
ータステツプは、変り目が生じる数の系列を発生すると
ころまで、通常のPRBSの場合と同じである。但しマンチ
エスタヨード化PRBSの場合、アレイによつて検出された
PRBSの各コードエレメントにつき少くとも１個の変り目
が存在する点に留意のこと。
次にコンピユータは、シングル増に対応したものとダブ
ル増に対応したものへ、変り目に対応するピクセル数の
系列を分類する。これは、連続する変り目間の間隔を閾
値と比較し、閾値より小さい間隔を持つものはシングル
増、閾値より大きいものはダブル増と表わすことによつ
て成される。シングル値は、マンチエスタコードで互い
に同一値の２ビツトが続く場合に生じるPRBSに沿つた半
ビツト間隔の変り目を表わしていることが理解されよ
う。ダブル増は、ロジツク“0"の後にロジツク“1"が続
くか又はその逆のときに生ずる。
次にコンピユータは最小２乗近似を行い、アレイに沿つ
たピクセル数へ変り目を関連付ける最適の直線を捜し出
す。このプロセスで、ダブル増は変り目数を２だけ増
し、シングル増は１だけ増す。次いで、変り目数とピク
セル数間の最適な直関係が、“周期”つまりピクセルで
のPRBSビツトの平均巾（必ずしも整数でない）、と“オ
フセツト”つまり最初のPRBSビツトが窓でどれだけ検出
されたかを表わす端数とを計算するのに使われる定数を
識別する。
次にコンピユータは“窓”つまりPRBSの検出部分を再構
成し、コンピユータによつて発生されるオリジナルの全
PRBSをシフトさせながら再構成されたPRBSと比較一致さ
せ、一致するまでのステツプ数を計数し、そして得られ
たステツプ数から計算されたオフセツトを減じることに
よつて最初のPRBSからの距離を計算し、PRBSビツト巾装
置に表示される距離を与える。
上記において、全PRBSをコンピユータメモリ内に保持す
る必要はない。
コンピユータは所定のロジツクフイードバツクを含むシ
フトレジスタを用いれば、擬似乱数２進系列を発生させ
るのと同等の計数を行えるように構成できる。従つてコ
ンピユータは、PRBSを逐次発生し、検出された“窓”と
一致するPRBSコードの部分を生じるのに必要なステツプ
数を計数することができる。
別の方法では、PRBSの検出部分のうちＮデジツトが、PR
BSのその部分に対応した数値位置が前もつて格能されて
いるコンピユータメモリ内のローケーシヨンアドレスと
してコンピユータにより使われる。コンピユータメモリ
からのこの位置読出しがオフセツト値で補償されて、微
細位置を計算する。
上記した全ての実施例において、一意的なコードを限定
するのに最小必要な数より若干多いPRBSビツトを検知す
るように検出系を構成するのが好ましい。余剰の冗長情
報が、粗位置の決定時に検出系に存在する埃等によつて
生じ得るエラーに対する保護を与えると同時に、微細位
置の決定用に余剰データを利用できるようにしている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−99564（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−84221（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−155252（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−120902（ＪＰ，Ａ) 実開 昭53−59846（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】２つの相対的に動く部材の相対位置を決定
    する位置測定装置において、 ａ）相対運動方向にのび、疑似乱数２進系列（以下、PR
    BSという）を表している一方の部材上の、規則的に間隔
    をあけたコード要素を形成するマーキング、 ｂ）これらのマーキングを感知する、他方の部材上の検
    知器 を備え、 ｉ）PRBSのマーキングの全長よりも短いPRBSの一部分の
    マーキングを感知するよう前記の検知器は配列されてお
    り、前記のPRBSの一部分はPRBSのマーキングに沿って一
    義的な位置を決めるに少なくとも足りるだけの数の順次
    のコード要素をカバーしており、 ii）前記の検知器はコード要素の間隔よりも高い所定の
    解像力を有し、 iii）前記の検出器はPRBSのマーキングの感知された部
    分を前記の所定の解像力をもって表している検出器出力
    信号を発生する手段を含み、更に、 ｃ）前記の検出器出力信号から複数コード要素内の縁も
    しくは変わり目の、検出器に対する位置を、前記の所定
    の解像力で特定し、それによって前記の相対位置の微細
    な値を決定する手段、 ｄ）前記のマーキングにより表される前記のPRBSと同じ
    PRBSを表す基準PRBSをつくる基準PRBS信号発生器、及び ｅ）この基準PRBSと前記の検出器出力信号が表すPRBSの
    前記の部分とを比較して前記の相対位置の明確な粗い値
    を決定する手段 を備えたことを特徴とする位置測定装置。
JP58502992A 1982-09-01 1983-09-01 位置測定装置 Expired - Lifetime JPH06100479B2 (ja)

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