JPH07504752A - 位置検出装置 - 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】 発明の名称 位置検出装置 本発明は、位置が変わる物体に使用される位置検出装置であって、互いに成る距 離をおいて作られた一連のマークと、該マークを走査するために前記一連のマー クに関して移動可能なスキャナ・ユニットとを備え、前記一連のマークまたは前 記スキャナ・ユニットが前記物体に連結されているよう構成された位置検出装置 に関する。

このタイプの位置検出装置は、ドイツ特許出願第３，１１６，３３３号に開示さ れている。同特許出願は、ピストン形シリンダ（ｐｉｓｔｏｎ−ｃｙｌｉｎｄｅ ｒ　ａｓｓｅｍｂｌｙ）のピストンロッドの位置を決定する位置検出装置を記載 している。この目的のため、互いに等距離をおいて位置ぎめされた一連の同じマ ークがピストンロッド上に作られており、これらのマークは光センサにより読み 取られる。光センサを使用すれば、ピストンロッドが移動した距離を表す尺度と して、ピストンロッド上にあるマークの連続的な通過が記録されるので、例えば 、ピストンロッドの端部の位置を前記のマークの連続的な通過に基づいて推定す ることができる。したがって、この位置検出装置はいわゆるインクリメンタルシ ステム（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ　ｓｙｓｔｅｍ）であるが、下記のような欠点 を有する。

第一に、ピストンロッドの位置が変化する間、ピストンロッドの移動をなんら妨 げを受けることなく正確にモニタすることが、増分機能（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａ ｌ　ｆｕｎｃｔｉ。

ｎｉｎｇ）のゆえに特に重要である。位置の当該変化の間に生じる不具合が、位 置の、不正確な決定の直接的原因となる。このような不具合として、例えば、一 つ以上のマークの通過をセンサが「見落とす」ことや、センサと組み合わせられ ていて、一連のマークの始めから数えてどれだけ多くのマークが検出器を通過し たがを継続して計数するために使用される計数システムにおけるメモリの不具合 が上げられる。第二に、ピストンロッドが移動する許容速度は、使用されるセン サの検出速度により決定される。正確な位置ぎめを行うため、この許容速度は比 較的低く設定されている。第三に、位置ぎめの精度は、マークの寸法とマーク相 互間の間隔とにより大幅に左右され、決定される。マークが細がくなればなるほ ど、またマーク相互間の間隔が小さくなればなるほど、理論上の精度は高くなる 。しがし、非常に細かいマークの場合、センサと、マークを作る技術とに課せら れる要求は厳しくなる。更に、例えば、土がマーク上に堆積する結果として、不 具合に対する感度が高まってしまう。例えば、３μｍの精度で位置を決定するに は、マークとして、幅が２μｍのバーが必要となり、このバーの寸法は、空気中 を自由に浮遊する通常のダスト粒子の寸法より大幅に小さい。したがって、従来 公知の位置検出装置を使用して正確に位置ぎめを行う場合、比較的高い費用をが けないがぎり良好な信頼性を得ることは不可能である。

本発明の目的は、従来公知の位置検出装置に付随する上述の問題を解決すること である。この目的を達成するため、序文に記載されているタイプの位置検出装置 であって、マークが、一連のマークのうち所定数の隣接したマークのいくっがの グループにわけて作られるとともに、グループごとのマークがつねに一つの配置 順序（ｓｅｑｕｅｎｃｅ）で作られており、前記配置順序が一つのグループにの み属するよう構成された位置検出装置が、本発明に従って提供されたのである。

このように作られた一連のマークを使用すれば、１グループのマークが一つの固 有のコードを決定し、同コードのデータが、位置を決定するときに使用され得る ので、一連のマークの長さ全体にわたる増分的な読出しはもはや必要とされない 。したがって、位置決定は、一連のマークのうちの最初のマークが通過したとき からではなく、マークの当該グループが接近したときにのみ始めればよい。この ことが位置検出装置の機能の信頼性を確保するに有利なことであることは明らか である。

最高で、かつ、可能な精度を得るため、マークの、どのグループの場合でも、グ ループのそれぞれが、隣接グループを１マークぶん位置ずれさせて出来ているよ うなやり方でマークの前記グループを互いに部分的に重ならせることは適切なこ とである。

ディジタルな読出しを可能にするため、一連のマークが、異なった形状または外 観の、二つのタイプのマークから構成されることが好ましい。例えば、光センサ を使用してこれらのマークを走査するようにしてもよい。磁気的なマークを電子 的に読出しすることが可能であることも勿論のことである。この位置検出装置を 使用すれば、位置が変わる物体が移動している間に一つのグループがらマークを 順次読み取ることにより位置を決定することが可能であるが、位置が変わる物体 が静止している間にこれを行うようにしてもよい。このことは、位置が変わる物 体が移動している間だけ機能できる従来公知の位置決定システムを上回る付加的 な利点である。検出器と、位置が変わる物体とが静止している間に一つ以上のグ ループの読み取りを行うことができるよう検出器の読み取り幅を設定することに より別の利点が得られる。

本発明の好適な実施態様によれば、二つのタイプのマークによる、２ビツトのコ ードを使用すれば、はぼ任意な（ランダムな）やり方で作られたマークから、好 ましくは、最大の長さを有する一連のマークの形で一連のマークが構成される。

この構成によれば、最も簡単な実施態様において、相前後する、マークグループ 間において、後行グループはそれぞれ、前行グループを１マークぶん後に位置ず れさせて作られていて、前行グループと比較して付加されるマークは、前行グル ープの最初の二つのマークの、いわゆる「排他的論理和Ｊ　（”ｅｘｃｌｕｓｉ ｖｅ　ｏｒ”）により、後行グループ中で決定される。このやり方で、マークの グループは、読み取りの間における、ある程度の冗長度（ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ）を包有するので、例えば、損傷したマークを読み取る結果として生じたエラー を大幅に修正することができる。

一つのグループのサイズの２倍にわたる隣接した一連のマークがつねに読み取ら れるならば、後行マークグループを読み取ることにより該後行グループ所属のす べてのマークについて得られた情報の精度をチェックすることが可能であること が、最大の長さを有する一連のマークを使用して疑似ランダム的なやり方で作ら れた一連のマークに基づいて実証されている。１００００グループという大きさ で使用するための適切な冗長度を得るためには、一つのグループが、少なくとも １０個のマーク、好ましくは１５個より多くのマーク、更に好ましくは２０個よ り多くのマークから構成されなければならない。

マークを光学的に読み取るためには、パルス化された照明を使用することが好ま しい。照明のためにいわゆるＬＥＤ　（発光ダイオード）を使用する場合、こう してＬＥＤの数を制限してもよい。更にこのことは、光学的なリーグ・ユニット 、好ましくはＣＯＤ　（電荷結合素子）にとって有利である。パルス化された照 明の場合、光学的なリーグ・ユニットは、二つの条件、すなわち、照明なしの条 件と照明を伴った条件のもとて測定を行うことができる。照明が行われている間 、同リーグ・ユニットはマークを読み取ることができ、一方、照明が行われてい ない間、同リーグ・ユニットは次の読み取り動作のための準備ができる。例えば 、リーグ・ユニットのリセットや校正を行うようにしてもよい。このようにすれ ば、一連の移動するマークの読み取り精度を高めることができる。更に、パルス 化された照明の場合、リーグ・ユニットが読み取りを行う時間を照明の周波数に よって制御することができる。この結果、連続した照明の場合と比べ、読み取り 制御（ｒｅａｄ−ｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ）をかなり簡素化できる。パルス化され た照明を行うためには、３００　Ｈｚの周波数で、２０μｓないし１００μｓの 持続時間を有するパルスを選択することが好ましい。リーグ・ユニットとしてＣ ＯＤを使用するときは、約８８０ｎｍの電磁波長範囲で照明を行うようにするこ とが好ましい。上記波長範囲で効果のあるタイプのＬＥＤから発する光の出力は 強い。例えば、ＧａＡＩＡＳ　赤外発光ダイオードを上記の目的のために使用す ることができる。長さが約１３ｍｍ、幅が約５ｍｍでほぼ矩形の形状を有する読 み取られる表面を、パルス化された状態で照明するために、６個から１０個、好 ましくは８個のＬＥＤが使用される。

光学的な読出しのためにＣＯＤをリーグ・ユニットとして使用するときは、２５ ６ピクセルを有するいわゆる１チヤンネル出力ＣＣＤ　（ｓｉｎｇｌｅ　ａｒｒ ａｙ　ＣＣＤ）を使用することが好ましい。一連のマークが、間隔を一定にした 太いバーと細いバーとから構成され、一つのマークグループが約１４個ないし２ ０個のマークから構成されているときには、一つの細いバーのマークは、１チヤ ンネル出力ＣＣＤを使用して三つ以上のピクセル上に表示される。

読み取るべき一連のマークとリーグ・ユニットとの間に光学的なユニットが配設 されていて、使用されるリーグ・ユニットが１チヤンネル出力ＣＯＤであるとき は、表示比、すなわち拡大率がすべての方向に２＝１であるよう前記光学的なユ ニットを設計することが好ましい。この場合、光学的なユニットは、比較的安価 に使用することができるダブレット（ｄｏｕｂｌｅｔ　１ｅｎｓ）として構成す るようにしてもよい。ピクセルの高さが約２．５ｍｍの１チヤンネル出力ＣＯＤ と組み合わせて光学的なユニットが使用される場合、高さが５ｍｍのバー・マー ク（ｂａｒ　ｍａｒｋｉｎｇ）の使用を許せる。その結果、バー・マークが接触 （ｆｏｕｌｉｎｇ）するおそれはなく、またダスト粒子が付着したために、不完 全な読み取りが行われるおそれもない。幅よりも高さのかなり大きいピクセルを 有する１チヤンネル出力ＣＣＤをバー・マークと組み合わせて選択することも好 ましい。なぜならば、光学的なユニットに比較的簡単な構造を選択することがで きるとともに、例えば、円柱レンズ等（ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｏｐｔｉｃｓ）のご とき、２方向において異なる表示尺度を有する光学的なユニットを必要としない からである。２５６個の「高い」ピクセルを有する１チヤンネル出力ＣＣＤと、 ダブレットと、間隔を一定にした太いバー及び細いバーから構成された一連のマ ークと、ＬＥＤを使用してパルス化された照明とを組み合わせることにより、働 きが信頼でき、効果的でがっ比較的安価な位置検出装置が提供される。より優れ た性能を得るため、必要とあればトリブレット（ｔｒｉｐｌｅｔ　１ｅｎｓ）を 光学的なユニットに使用するよう選択することが可能である。焦点距離が２０ｍ ｍないし３０ｍｍであって、リーグ・ユニット（例えば、ｃｃＤ）と一連のマー クとの間隔が焦点距離の約３倍ないし４倍であるように光学的なユニットを構成 することが好ましい。

２５６個のピクセルを有するいわゆる１チヤンネル出力ＣＯＤを使用するときは 、リーグ・ユニットから伝送された信号を処理するために８ビツトＡ／Ｄコンバ ーターを使用することか好ましい。同Ａ／Ｄコンバーターがら生じた信号は次に コンピュータに送られ、同コンピュータは位置に関する情報を作り出す。１チヤ ンネル出力ＣＯＤを多チヤンネル出力ＣＣＤ　（ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ａｒｒａｙ 　ＣＣＤ）と取り代えた場合、適当とあれば、Ａ／Ｄコンバーターの介在なしで 、ＣＯＤから発信された信号を直接コンピュータに伝えるようにしてもよい。

本発明はまた、位置が変わる物体を位置ぎめする方法に関する。この方法によれ ば、１グループのマークを読み取った後、一連のマークに対するスキャナ・ユニ ットの位置は、当該グループの、位置検出装置上の位置に関する所定のデータを 使用して該グループ内のマークの配置順序に基づいて決定される。この方法を使 用するときは、マークの関係寸法及びマーク相互間の間隔よりがなり高い精度で 、非常に正確な位置決めを保証するためには、一つ以上のマークの境界或は側部 をグループから決定することが好ましい。０．６ｍｍの間隔をあけて互いに側部 を向い合わせて配置されて、幅が０．２ｍｍと０．４ｍｍとのバーから成る１４ 個のマークから一つのグループが構成されている場合、前記精度は少なくとも０ ．６ｍｍであり、この精度は、グループのマークのすべての（２８個の）側部を 測定することにより、少なくとも３μｍまで高めることができる。前述の疑似ラ ンダム的なやり方で作られた一連のマークを使用することなく、約６ｍまでの長 さにわたって上記のやり方で測定を行うことができる。この結果、それぞれ隣接 グループを１マークぶんずつ位置ずれさせて成る約１００００個のグループを利 用することができる。二つ以上のグループを読み取ることにより、例えば、マー クが汚染されたために一つのグループを不完全に読み取るような不具合を、上述 の精度を保持しながら解消することができる。

一定の間隔パターンを有して三つのバー太さから構成されていて、光学的に読出 すことができるようにされた一連のマークは、日本公開特許公報昭６０−６３４ １６号によりすでに公知である。この一連のマークの場合、一定間隔おきの細い バーと中間の太さのバーとの５個が一つのグループのマークを構成して成る組に 続いて、これらのより大きい間隔を有する一つの太いバーが設けられており、こ れにより前記グループのマークの境界が定められている。バーの３種の太さを使 用するには面倒な設置作業が必要である。更に、この公知のシステムの場合、（ 好ましくは５μｍより高い精度で）本発明において期待される範囲の大きさのオ ーダーで位置的に正確な作業を行うためには、異なったグループを同時に読み取 ることが必要である。したがって、例えば、上述の疑似ランダム的なテクニック を使用して、この公知の位置検出装置を冗長的に実施することは困難である。

結果として、この公知の位置検出装置は、本発明において期待されるような、安 価に製作することができ正確で信頼できる位置検出装置として使用するには、上 述の問題点が解決されない限り適していない。

以下、添付図面に示されている本発明の実施例に基づいて本発明の詳細な説明す る。

図１は、ピストン形シリンダのピストンロッドに取り付けられた、本発明による 位置検出装置を概略的に示すもので、該位置検出装置の一部が断面図により図解 されている。

図２は、図１に示されている、センサとピストンロッドとの■の部分を詳細に図 解したものである。

図１はシリンダ１を示しており、ピストンがシリンダ１内で前後に、すなわち、 図の左から右へまたは右から左に向かって移動することができる。シリンダ１の 端壁を通って外側に突き出たピストンロッド３かピストン２に取り付けられてお り、同ピストンロッド３の自由端は、更に詳細には図示されていない物体を適切 に作動させることができるよう構成されている。ピストン２をシリンダ１の内側 で移動させるため、分配器５と管路６とを介して供給排出管路４を通じてポンプ （図示せず）によってシリンダ１内に作動流体が送り込まれたり、シリンダ１か ら作動流体か排出されたりする。

図示のように、一連のマーク７がピストンロッド３上に付されている。図２に更 に詳細に示されているように、この一連のマーク７は、互いの側面間に少しずつ 距離をおいている太いバーと細いバーとから構成されている。また、この一連の マーク７は、１２個のマークより成る継続したグループから構成されていて、一 つのグループはつねに前のグループを１マークぶん位置ずれさせて成っている。

この構成によって、１グループ内での配置順序が該一連のマークについて固有の ものであるよう太いバーと細いバーとが組み合わせられている。

図２を参照すれば、検出器８の検出領域が一点鎖線により図示されている。図か ら容易に理解することができるように、上述の構成のおかげで検出器８は１２の マークより成る一つのグループを正確に検出することができる。１グループ内の マークの配置順序のような、これらのマークに関するデータと、位置の正確な決 定のために、マークの側部（互いに向かい合う側部）に関するデータとか中央処 理装置９に伝送される。検出器８により読み取られたデータは更に前記中央処理 装置９で処理される。検出器８による読み取りに引き続いて処理されたこれらの データは、ピストンロッド３上のマークの、検出されたグループの位置について メモリ内に記憶されているデータと比較される。例えば、前記記憶されているデ ータは、マーク７が付された後に行われた校正に基づいて得られたものである。

ピストン２を制御するため、上述の比較に基づいて分配器５が制御される。ピス トン形シリンダは、例えば、液圧装置でもよく、空気圧装置でもよい。

本発明が、添付図面に図示され上述された実施例にのみ限定されるものでないこ とは勿論のことである。例えば、この位置検出装置は、ねじが刻設されたスピン ドルのごとき、ピストンロッド以外の物体にも好適に適用することができる。

また、例えば、光学的な手段の代わりに磁気的な手段または機械的な手段を使用 して検出を行うことも可能である。また、前記一連のマークを定置状態にするこ とが可能であるとともに、位置が変わる物体に前記検出器を取り付けることも可 能である。更に、この位置検出装置は、直線に沿って移動することにより位置を 変える物体に好適に使用することができるばかりでなく、円形を描きながら移動 する物体、例えば、中心点の回りに回転するディスクにも好適に使用することが できる。この場合、前記一連のマークは円形のパターンに沿って作られる。検出 領域と検出器とを、前記マークの、一つ以上のグループを検出できるよう適切に 構成してもよい。これは、例えば、冗長度を有する読出しくｒｅｄｕｎｄａｎｔ 　ｒｅａｄ−ｏｕｔ）を確実に行うためであってもよい。１２以上、または１２ 以下のマークより成るグループを使用することも可能である。各コードが一連の マークに固有であるような一連のマークをいくつも使用することが可能であるこ とは勿論のことであるが、共に用いられる一連のマークすべてのために、より頻 繁に特定のフードが現れるようにしてもよい。このような場合、ある時点で検出 されたグループが生じる一連のマークを特定することが必要である。また、マー ク間の、一定の間隔の代わりに、変り得る間隔を使用することも可能である。最 後に、検出器の検出領域を一つのグループより小さく設定してもよいことを指摘 しておきたい。しがし、一つの完全なグループを検出するときには、例えば、位 置が変わる物体を移動させたり、またはレンズを使用しているときは位置検出装 置のレンズを移動させたりする、というように、位置検出装置を移動させること が必要である。この位置検出装置は、並進移動にも回転移動にも好適に使用する ことができる。回転移動の場合には円形のパターン内に一連のマークが作られる 。

補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成６年１２月１４Ｆ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．位置が変わる物体のために使用される位置検出装置であって、互いに或る距 離をおいて作られた一連のマークと、該マークを走査するために前記一連のマー クに関して移動可能なスキャナ・ユニットとを備え、前記一連のマークまたは前 記スキャナ・ユニットが前記物体に連結されているよう構成された位置検出装置 において、マーク（７）が、一連のマークのうち所定数の隣接したマークのいく つかのグループにわけて作られるとともに、グループごとのマークがつねに配置 順序の一つに従って作られており、前記配置順序が一つのグループにのみ属する ことを特徴とする位置検出装置。 ２．前記グループが互いに部分的に重なっていることを特徴とする請求項１記載 の位置検出装置。 ３．前記グループのそれぞれが、隣接グループを１マーク（７）ぶん位置ずれさ せて成ることを特徴とする請求項２記載の位置検出装置。 ４．前記一連のマークが、異なった形状または外観の、二つのタイプのマーク（ ７）より成ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の位置検 出装置。 ５．マーク間の間隔が、０．１ｍｍないし１．０ｍｍ、好ましくは約０．６ｍｍ であることと、前記一連における長さ方向に見たマークの幅が０．１ｍｍないし １．０ｍｍ、好ましくは約０．２ｍｍまたは０．４ｍｍであることを特徴とし、 ５μｍより高い位置ぎめ精度を有する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の 位置検出装置。 ６．一つの前記グループが、５ないし３０、好ましくは１０ないし２０のマーク から構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の 位置検出装置。 ７．スキャナ・ユニット（８）が光センサを備えており、前記マーク（７）を光 学的に走査できることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の位 置検出装置。 ８．スキャナ・ユニット（８）が、定置されてーつのグループのマーク（７）を 走査するのに好適に使用されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１ 項に記載の位置検出装置。 ９．前記一連が、前記物体（３）が移動可能な方向に延在していることを特徴と する請求項１ないし８のいずれか１項に記載の位置検出装置。 １０．相前後する二つの前記グループにおいて、後行グループについて前行グル ープと比較して付加されたーつ以上のマークの存在が、前記前行グループと比較 したときに前記後行グループに認められないーつ以上のマークにより決定される よう前記マーク（７）が作られていることを特徴とする請求項１ないし９のいず れか１項に記載の位置検出装置。 １１．前記マークが光学的に読み取り可能であって、２ビット・コードを決定し 、一つ以上のＬＥＤが前記マークに面して配置されていて、該ＬＥＤが、パルス 動作を行う供給源に接続されており、リーダー・ユニットが、中間のＡ／Ｄコン バーターを介してコンピュータに連結された１チャンネル出力ＣＣＤより成り、 レンズを備えた光学的なユニットが前記ＣＣＤと前記一連のマークとの間に配設 されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の位置検 出装置。 １２．請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の位置検出装置に使用される一 連のマークを備えた、例えばピストンロッドのような、対象物。 １３．請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の位置検出装置を使用して、位 置が変わる物体を位置ぎめする方法において、所定数のマークより成るーつ以上 の隣接するグループがスキャナ・ユニットを使用して走査され、前記グループの うちのマークの配置順序がグループごとに決定され、該配置順序が前記一連のマ ークに関してスキャナー・ユニットの位置を決定するために一つの参照データと 比較されることを特徴とする・位置が変わる物体を位置ぎめする方法。 １４．マークの境界、好ましくは、隣接したマークに面している境界が、一つ以 上のマークについて少なくとも一つのグループから決定されることを特徴とする 請求項１３記載の、位置が変わる物体を位置ぎめする方法。 １５．前記一連のマークに関してスキャナ・ユニットの位置を決定するために、 前記境界の位置が一つの参照データと比較されることを特徴とする請求項１４記 載の、位置が変わる物体を位置ぎめする方法。 １６．マークの境界の、決定された相互位置が、前記一連のマークに関してスキ ャナ・ユニットの位置を決定するために使用されることを特徴とし・一つ以上の マークについて境界が決定される請求項１４または１５記載の、位置が変わる物 体を位置ぎめする方法。