JP2009150879A - 絶対位置を測定するための位置測定装置と方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光の向きが、所要の方向からずれている場合でも、信頼性又は動作の確実性が改善された絶対位置測定方法を提示する。
【解決手段】符号１０は、測定方向Ｘに対して順番に配置された一連の符号エレメントＣから構成され、少なくとも二つの連続する符号エレメントＣがそれぞれ位置情報を持つ一つの符号ワードＣＷを生成する。走査ユニット２０は、符号１０の方向に向けられた光を送出して、少なくとも符号ワードＣＷを生成する符号エレメントＣを検出器ユニット４０上に投影する照明ユニット３０と、検出器エレメントＤの検出信号Ｓから、その時々の位置情報を持つ符号ワードＣＷを算出することが可能な評価ユニット５０とを有し、検出器ユニット４０が、符号ワードＣＷを生成する符号エレメントＣ毎に、測定方向Ｘに対して少なくとも二つの検出器エレメントＤを有する。
【選択図】図１ｂ

Description

本発明は、請求項１の上位概念にもとづく絶対位置を測定するための位置測定装置と請求項１４の上位概念にもとづく絶対位置測定方法とに関する。

多くの分野において、符号エレメントが測定方向に対して順番に配置された符号トラックから絶対位置情報を導き出す絶対位置測定装置が益々用いられて来ている。その場合符号エレメントは、擬似ランダム目盛として配備されており、その結果所定の数の連続する符号エレメントがそれぞれ一つのビットパターンを生成している。符号トラックに対して単一の符号エレメントだけ走査機器をシフトさせることによって、それぞれ新しいビットパターンが生成されるとともに、絶対的に計測すべき測定領域全体に渡っては、一連の異なるビットパターンが得られる。

そのようなシーケンシャル符号は、チェーンコード又は擬似ランダム符号（ＰＲＣ）と呼ばれている。符号エレメントが所謂（符号エレメントが互いに相補的な特性を持つ同じ大きさの二つの部分領域を有することを意味する）マンチェスターコーディングを有する場合、擬似ランダム符号の特に妨害に強い変化形態が得られる。ここで、二進情報は、部分領域の順序によって決まる。

特許文献１には、そのような形式の位置測定装置が記載されており、その絶対符号トラックは、マンチェスターコーディングを有する擬似ランダム配列の符号エレメントから構成されている。一方では、検出器エレメントの走査信号が位置情報を評価するのに有効な値を持っているか否かを決定するために、絶対符号トラックに対して平行に延びる増分トラックの走査信号を使用して、絶対トラックの評価に必要な検出器エレメントを選択することが提案されている。他方では、検出器信号の信頼性を評価するために、検出器エレメントを偶数番号の検出器エレメントのグループと奇数番号の検出器エレメントのグループに分けて、それぞれ各グループにおいて直に連続する検出器エレメントの差分信号を生成して、比較値と比較することが提案されている。最終的に、位置の値は、比較結果として得られた有効な走査信号から生成されている。

広く普及している動作原理は、光学式走査方式である。その場合、光源から照射された光をコリメートして、基準尺に取り付けられた測定目盛を一定数の光検出器上に投影している。基準尺は、光の光路内において移動可能な形で配置されており、測定目盛が光源及び光検出器に対して相対的に移動された場合に光を変調すものである。位置情報は、光検出器の出力信号を評価することによって算出されている。位置測定器がロータリー式かリニア式であるのかに応じて、基準尺は、円形の目盛円盤又は直線的な測定尺となる。測定目盛は、例えば、透過性／非透過性又は反射性／非反射性などの光学特性が異なる領域を有する一つ以上のトラックから構成することができる。

符号トラックがＰＲＣとして構成されている絶対位置測定器は、符号エレメントの読み取りのために、読み取るべき符号エレメントに依存する精確に定められた相互間隔で配置された多くの数の検出器エレメントが必要である。有利には、検出器エレメントは、半導体チップ上に検出器配列として組み上げられている。そのような光学式走査原理では、符号トラックを読み取る信頼性が、符号トラックの読み取りに関連する部分を検出器配列上に投影する精度に依存することが特に問題である。それは、光源、符号トラック及び検出器エレメントの幾何学的な配置に依存する。例えば、光の向きが、符号トラック及び検出器配列によって決まる所要の方向からずれている場合、その時々の位置を算出するために使用される全ての検出器エレメントが、同じ光量を受けなくなる。それによって、不明な状態が出現する場合が有り、それどころか誤った位置の値を算出してしまう可能性さえ有る。
ドイツ特許公開第１０２４４２３５号明細書

本発明の課題は、信頼性又は動作の確実性が改善された位置測定装置を実現することである。更に、本発明の課題は、信頼性又は動作の確実性が改善された絶対位置測定方法を提示することである。

この課題は、位置測定装置に関して、請求項１の特徴によって解決される。

符号と走査ユニットを備えた位置測定装置を提案する。その符号は、測定方向に対して順番に配置された一連の符号エレメントから構成され、少なくとも二つの連続する符号エレメントが、それぞれ位置情報を持つ一つの符号ワードを生成する。その走査ユニットは、符号の方向に向けられた光を送出して、少なくとも符号ワードを生成する符号エレメントを検出器ユニット上に投影させる照明ユニットと、検出器エレメントの検出信号から、その時々の位置情報を持つ符号ワードを算出することが可能な評価ユニットとを有し、この検出器ユニットは、測定方向に対して、符号ワードを生成する符号エレメント当り少なくとも二つの検出器エレメントを備えている。走査ユニットと符号は、測定方向に対して、互いに相対的に移動可能な形で配置されている。本発明は、評価機器内において、符号ワードを生成する符号エレメントが検出器ユニット上に投影された状態に依存して、符号ワードを生成するために評価すべき検出信号を選択することが可能であることを特徴とする。

本発明による絶対位置測定方法は、請求項１４の特徴によって規定される。

本発明の有利な実施形態は、それぞれ請求項１又は１４に従属する請求項に記載されている。

本発明を図面にもとづき詳しく説明する。

先ずは、図１ａと１ｂにもとづき、符号の読み取りに使用される光の方向が位置の値を算出する信頼性に如何なる影響を与える可能性が有るのかを詳しく説明する。図１ａは、照明ユニット３０、検出器ユニット４０及び評価ユニット５０を備えた走査ユニット２０を用いて符号１０を走査する光学式位置測定装置を模式的に図示している。符号１０は、基準尺上に取り付けられている。位置測定装置が直線的な位置を測定する役割を果たすのか、或いは回転位置を測定する役割を果たすのかに応じて、基準尺を、例えば、測定尺又は符号円盤とすることができる。

符号１０は、測定方向Ｘに対して順番に配置された一連の同じ長さの符号エレメントＣから構成され、位置情報は、符号エレメントＣの光学的な特性によって符号化されている。そのような符号１０は、「擬似ランダムコード」又は短く「ＰＲＣ」とも呼ばれている。符号化は、例えば、符号エレメントＣを互いに相補的に構成することによって実現することができる。この場合、相補的とは、互いに逆の光学的な特性を持つこと、即ち、例えば、図示されている透過光式走査の場合には、透過性と非透過性であり、或いは反射光式走査の場合には、反射性と非反射性である。

符号１０が、図示されている通り、所謂マンチェスターコーディングを有することが、特に有利である。その場合符号エレメントＣは、測定方向に対して順番に配置された、光学的な特性が相補的に形成された二つの部分領域ＣＡ，ＣＢから構成されている。そのような符号エレメントＣのデジタル値は、部分領域ＣＡ，ＣＢの順序によって決定される。即ち、互いに相補的に形成された部分領域ＣＡ，ＣＢの第一の順番は、第一のデジタル値に割り当てられ、互いに相補的に形成された部分領域ＣＡ，ＣＢの第二の順番は、第二のデジタル値に割り当てられる。例えば、不透明から透明に変わる順番は、「０」の値に割り当てられ、透明から不透明に変わる順番は、「１」の値に割り当てられる。

照明ユニット３０は、光源３１とコリメータレンズ３２から構成されている。この照明ユニットは、符号１０の方向に向けられた光を送出する。有利には、光は、図１ａに図示されている通り、平行な光路を有する。符号１０は、光の向きに応じて、検出器ユニット４０上に投影される。

検出器ユニット４０は、一連の検出器エレメントＤが測定方向Ｘに対して配置されたラインセンサーである。検出器ユニット４０上での符号１０の投影をより良好に図示することができるように、本来照明ユニット３０の方向に表面を向けている検出器ユニット４０は、像平面を回転させた形で図示されている。陰の領域は、斜線で表示されている。図示されている相対位置では、矢印Ａ１は、例えば、検出器ユニット４０の左の領域における符号情報を読み取るのに特に好適な一つの検出器エレメントＤを指し示している。同様に、矢印Ａ２とＡ３は、それぞれ検出器ユニット４０の中央と右の領域における一つの検出器エレメントを指し示している。

検出信号Ｓは、符号１０と走査ユニット２０間のその時々の相対位置を表す符号ワードＣＷを算出する評価ユニット５０に供給される。

検出器エレメントＤの幅は、符号エレメントＣの幅の四分の一に等しい。符号エレメントＣの値を求めるためには、二つの部分領域ＣＡ，ＣＢを読み取らなければならないので、走査ユニット２０が符号１０に対して相対的に移動した場合、測定方向Ｘに対して連続する四つの検出器対が、位置情報を読み取るのに最適な位置に有ることとなる。移動を続けると、それに続く符号エレメントＣを用いた処理が巡回して繰り返される。特許文献１は、符号エレメントＣの値を読み取るために、それぞれ如何なる検出器対を使用すべきかを決定するには、増分トラック２００を符号１０に対して平行に配置すべきであることを既に提案している。更に、増分トラック２００は、符号ワードＣＷと組み合わせて位置測定機器の分解能を向上させる詳細位置値ＦＰを生成する役割も果たしている。この場合、増分トラック２００を、その周期的な目盛が符号１０の符号エレメントＣの長さに等しい周期の長さＢを持つように構成するのが、特に有利である。そのような場合には、簡単な四回の補間によって、その時々の相対位置に対して最適な位置に有る検出器対の選択を行うことを可能とする詳細位置値ＦＰを生成することができる。この詳細位置値ＦＰは、２ビットで符号化することができる。しかし、実際には、位置測定機器の分解能を大幅に向上することができるように、より大きな補間係数が採用されており、例えば、詳細位置値ＦＰは、８ビットの分解能を有する。そのような場合には、その時々の相対位置に対して最適な位置に有る検出器対を選択するために、詳細位置値ＦＰの最上位の２ビットを用いることができる。

増分トラック２００の構成及び評価は、従来技術において広く普及しており、本出願の一部を構成するものではない。そのため、詳細位置値ＦＰを生成するための詳細位置評価ユニット２１０は、簡単にしか図示されていない。そのユニットは、増分トラック２００の走査に必要な検出器も、信号処理部と補間部も備えている。この実施例では、有利には、光学式走査原理を使用しており、増分トラック２００は、同じ基準尺上に、符号１０に対して平行に配置されている。

照明ユニット３０から送出された光の向きは、とりわけ、その幾何学的な構造、特に、光源３１とコリメータレンズ３２の間隔によって決定される。図１ｂは、光源３１とコリメータレンズ３２の間隔が大きくなった誤った調整によって、照明ユニット３０が相当収斂した光を照射している図１ａの位置測定装置を図示している。その結果、図１ａでは、矢印Ａ１で示された検出器エレメントＤが、全体的に陰影を付けられている一方、この場合には部分的にしか照明されていない。それに対して、検出器ユニット４０の右の領域における矢印Ａ３で示された検出器エレメントＤは、部分的にしか陰影を付けられていない。更に、中央の領域における矢印Ａ２で示された検出器エレメントＤは、そこでは光の収斂された向きが僅かしか作用しないので、全体的に陰影が付けられている。従って、照明ユニット３０が誤って調整されている結果、検出器ユニット４０の外側の領域において、検出信号Ｓの信号振幅が変化して、符号１０の誤った読み取りを引き起こす可能性が有る。

それと同様に、光源３１をコリメータレンズ３２の近くに配置した照明ユニット３０は、相当発散した光を照射する。

検出器ユニット４０上での符号１０の投影は、当然のことながら、別の原因、例えば、符号１０に対する走査ユニット２０の向きが不正確であることによっても影響を受ける可能性が有る。そのような場合でも本発明を採用することが可能である。

図２は、本発明による位置測定装置の評価ユニット５０のブロック図を図示している。評価ユニット５０の入力側には、検出器ユニット４０の検出信号Ｓが供給される。評価ユニットは、測定方向Ｘにおける符号１０と走査ユニット２０間の相対位置を表す符号ワードＣＷを出力する。

評価ユニット５０は、信号処理ユニット６０と、補正ユニット８０によって制御することが可能な選択ユニット７０と、符号ワード・計算ユニット９０とを有する。更に、評価ユニット５０には、詳細位置値ＦＰが供給される。従って、評価ユニット５０は、符号１０によって決まる絶対位置内における相対位置に関する情報を入手している。

信号処理ユニット６０は、光学式走査では大抵信号振幅の小さい電流信号である検出信号Ｓから、デジタル位置信号、有利には、所定のレベルの電圧信号を生成する役割を果たしている。そのことは、例えば、走査される符号１０が簡単なＰＲＣである場合、トリガー閾値以内では論理的に低い信号を出力し、トリガー閾値以上では論理的に高い信号を出力するように設定された電流比較器を用いて実現することができる。

有利には、符号１０として、マンチェスターコーディングを有するＰＲＣを採用する。その場合、既に特許文献１に記載されている通り、検出信号Ｓを処理するために、入力における検出信号対の信号差に応じて、出力に高い又は低い信号を出力するトリガーモジュールを用いることができる。この信号差の評価によって、より高い信号対雑音比が達成される。更に、誤り検査機器において、信号差の信号レベルの絶対値を所定のトリガー閾値と比較して、それを下回った場合にエラー信号を出力することを提案する。従って、信号処理ユニット６０の出力には、高い信号、低い信号及びエラー信号の三つの所定の状態を取ることが可能な位置信号Ｐが提供されることとなる。

信号処理ユニット６０の出力における位置信号Ｐは、選択ユニット７０に供給される。選択ユニットは、補正ユニット８０によって制御される形で、位置信号Ｐの中から、符号ワード・計算ユニット９０での更なる評価のための補正済み位置信号ＰＫを選択して、それに切り換えている。

位置信号Ｐの中からの補正済み位置信号ＰＫの選択は、詳細位置値ＦＰと補正情報を用いて行われる。その場合、詳細位置値ＦＰは、位置測定装置が最適に構成されている時の補正済み位置信号ＰＫを符号ワード・計算ユニット９０によって切り換える、或いは符号ワードＣＷとして出力させるための情報を含んでいる。更に、詳細位置値ＦＰは、位置信号Ｐの中からの補正済み位置信号ＰＫの選択に関する出力情報を構成している。そのために、補正ユニット８０は、補正情報と詳細位置値ＦＰを用いて、位置信号Ｐと補正済み位置信号ＰＫ間の正しい割当を計算して、それに対応して選択ユニット７０を切り換えている。

補正情報は、補正を必要とする様々なエラーの原因を包含することができる。それは、検出器ユニット４０における、位置信号Ｐを発生する検出信号Ｓに対応する検出器Ｄの位置に依存する。

最も簡単な場合、補正情報は、位置測定装置の組立後の校正プロセスの間に計算される統計的な割当情報を含む。それは、検出器ユニット４０上での符号１０の投影が検出器ユニット４０における検出器Ｄの位置に依存して如何なる幅だけずれているのかに関する情報を含む。統計的な割当情報を保存するために、評価ユニット５０には、例えば、補正ユニット８０から読み取ることが可能な記憶ユニット１００が配備されている。その場合、検出器ユニット４０の各検出器Ｄに関して、統計的な割当情報が存在することができるが、それぞれ隣接する複数の検出器Ｄを一つのグループに纏めて、共通の統計的な割当情報を配分することも可能である。有利には、符号ワードＣＷの１ビットを読み取る際に対象となる検出器Ｄのグループに対して、それぞれ共通の統計的な割当情報が存在する。

位置測定装置の機械的な構造、特に、走査ユニット２０が符号１０に対して移動する際の機械的な許容範囲に依存して、位置信号Ｐの中から補正済み位置信号ＰＫを選択するための補正情報は、位置に依存した割当情報を含むこともできる。従って、補正情報は、絶対位置に依存する、検出器ユニット４０上における符号１０の投影の変化をも考慮したものとなっている。そのような場合、記憶ユニット１００には、絶対位置に依存して、又もや検出器Ｄ毎に、或いは検出器Ｄのグループ毎に存在することができる、少なくとも二つの割当情報を保存することが可能であるともに、走査ユニット２０に対する符号１０のその時々の絶対位置に依存して、補正済み位置信号ＰＫの選択が行われる。そのために、補正ユニット８０には、符号ワードＣＷが供給される。ここで、補正ユニット８０は、符号ワードＣＷに依存して、その時々の位置に関して有効な検出器又は検出器グループ毎の割当情報を記憶ユニット１００から読み取って、それに対応して選択ユニット７０を切り換えることができる。

実際には、補正済み位置信号ＰＫに対する位置信号Ｐの割当が温度に関する依存性を持つ可能性が有ることが分かっている。そのため、補正情報は、温度に依存した割当情報を含むこともできる。従って、特に有利な実施形態では、位置測定機器内における補正済み位置信号ＰＫの選択に関連する少なくとも一つの場所の温度を計測して、その温度値を補正ユニット８０に伝える少なくとも一つの温度センサー１１０が配備される。ここで、補正ユニット８０は、例えば、記憶ユニット１００に保存された、基準温度に関して有効な統計的な割当情報を出発点として、温度センサー１１０の温度に依存して、補正済み位置信号ＰＫに対する位置信号Ｐの割当を補正して、それに対応して選択ユニット７０を切り換えることができる。

符号ワード・計算ユニット９０は、補正済み位置信号ＰＫから符号ワードＣＷを算出する。符号ワードＣＷの計算は、符号１０と走査ユニット２０間のその時々の相対位置において、符号エレメントＣを最適に読み取るための補正済み位置信号ＰＫを選択することによって行われる。そのために、符号ワード・計算ユニット９０には、詳細位置値ＦＰが供給される。その選択は、既に前述した通り、詳細位置値ＦＰの最上位の２ビットによって行われる。

ここで述べた実施例では、位置信号Ｐからの符号ワードＣＷの算出は、２段階で行われ、先ずは、選択ユニット７０において、位置信号Ｐの中から補正済み位置信号ＰＫを選択し、次に、符号ワード・計算ユニット９０において、補正済み位置信号ＰＫから符号ワードＣＷを算出している。別の実施構成では、選択ユニット７０と符号ワード・計算ユニット９０が一つの切換ユニット１２０に統合される。その場合、符号ワードＣＷの算出は、先ずは、補正ユニット８０において、符号ワードＣＷの各ビットに関する詳細位置値ＦＰにもとづき、それに対応する未補正の位置信号Ｐを計算し、次に、詳細位置値ＦＰと補正情報を用いて、計算した位置信号Ｐが符号ワードのビットを生成するのに適しているのか、或いは隣接する位置信号Ｐを選択しなければならないのかを決定する形で行われる。

ここで、図３ａ〜３ｃにもとづき、本発明の位置測定装置において、光の向きが平行である場合、収斂する場合又は発散する場合の検出信号の選択を詳しく説明する。図３ａ〜３ｃは、検出器ユニット４０上に投影される符号１０、信号処理ユニット６０及び選択ユニット７０の一部を図示している。分かり易くするために、照明ユニット３０の図は省略している。その代わりに、光の向きを矢印で表示している。

符号１０の中の左の符号エレメントＣＬ、右の符号エレメントＣＲ及び中央の符号エレメントＣＭを一つずつ図示している。符号１０は、マンチェスターコーディングされたＰＲＣであり、従って、左の符号エレメントＣＬは、左の検出器エレメントＤＬ１〜ＤＬ６上に投影される二つの部分領域ＣＬＡとＣＬＢから構成され、右の符号エレメントＣＲは、右の検出器エレメントＤＲ１〜ＤＲ６上に投影される二つの部分領域ＣＲＡとＣＲＢから構成され、中央の符号エレメントＣＭは、中央の検出器エレメントＤＭ１〜ＤＭ６上に投影される二つの部分領域ＣＭＡとＣＭＢから構成される。部分領域ＣＬＡ，ＣＬＢ；ＣＲＡ，ＣＲＢ；ＣＭＡ，ＣＭＢ毎に、二つの検出器エレメントＤが配備されており、そのため、測定方向Ｘに対して連続する偶数番号の検出器エレメントＤＬ２，ＤＬ４，ＤＬ６；ＤＲ２，ＤＲ４，ＤＲ６；ＤＭ２，ＤＭ４，ＤＭ６と測定方向Ｘに対して連続する奇数番号の検出器エレメントＤＬ１，ＤＬ３，ＤＬ５；ＤＲ１，ＤＲ３，ＤＲ５；ＤＭ１，ＤＭ３，ＤＭ５とは、符号エレメントの測定方向に対して順番に配置された二つの部分領域ＣＬＡ，ＣＬＢ；ＣＲＡ，ＣＲＢ；ＣＭＡ，ＣＭＢと同じ相互の間隔を有する。そのようにして、走査ユニット２０に対する符号１０の各相対位置において、各部分領域ＣＬＡ，ＣＬＢ；ＣＲＡ，ＣＲＢ；ＣＭＡ，ＣＭＢには、少なくとも一つの検出器エレメントが一義的に割り当てられる。それは、各相対位置において、一義的な符号ワードＣＷを算出することが可能であることを意味する。

信号処理ユニット６０において、検出信号Ｓは、それぞれ対にして（測定方向に対して順番に配置された奇数番号の二つの検出器又は測定方向に対して順番に配置された偶数番号の二つの検出器からの検出信号として）トリガーモジュールに供給され、トリガーモジュールの出力には、差分演算及び目標差との絶対値による比較によって、論理「１」に対応する高い信号と、論理「０」に対応する低い信号と、検出信号の差の絶対値が目標差を下回った場合のエラー信号との三つの値を取ることができるデジタル位置信号Ｐが出力される。選択された配列によって、各相対位置において、少なくとも一つの検出器対の各符号エレメントＣを最適に読み取ることが保証される。

位置信号Ｐは、位置信号Ｐの中から補正済み位置信号ＰＫを選択することを可能とする切換エレメントＳＷを備えた選択ユニット７０に供給される。

図３ａ，３ｂ，３ｃにおいて、左の補正済み位置信号ＰＫＬ、右の補正済み位置信号ＰＫＲ及び中央の補正済み位置信号ＰＫＭだけにもとづき、選択ユニット７０の機能を説明し、この場合左の切換エレメントＳＷＬ、中央の切換エレメントＳＷＭ及び右の切換エレメントＳＷＲを用いた選択が行われる。隣接する補正済み位置信号ＰＫに対して、それぞれ更に別の切換エレメントＳＷも示されているが、詳しくは説明しない。しかし、当業者には、ここでの説明が更に別の全ての補正済み位置信号ＰＫに適用することが可能であることは明らかである。

図３ａでは、符号１０を検出器ユニット４０上に投影させるための照明ユニット３０から送出された光が、ほぼ平行な方向を向いている。ここで説明する位置測定装置では、その方向は、符号１０を検出器ユニット４０上に最適に投影させることとなる光の目標とする向きと一致する。図示されている符号１０と検出器ユニット４０間の相対位置では、検出器ユニット４０の左側の検出器エレメントＤＬ２とＤＬ４が、符号エレメントＣＬの位置情報を読み取るのに最適な位置に有る。それに対応して、（図示されていない）補正ユニット８０は、左の補正済み位置信号ＰＫＬに割り当てられた左の切換エレメントＳＷＬに切り換え、その結果トリガーモジュールＴＬ２から出力される位置信号は、左の補正済み位置信号ＰＫＬの出力と接続される。同様に、右の切換エレメントＳＷＲは、トリガーモジュールＴＲ２の出力を右の補正済み位置信号ＰＫＲの出力に切り換え、中央の切換エレメントＳＷＭは、トリガーモジュールＴＭ２の出力を中央の補正済み位置信号ＰＫＭの出力に切り換える。

それに対して、図３ｂでは、照明ユニット３０からの光は、相当収斂した光路を有する。その結果検出器ユニット４０上での符号１０の投影が変化し、そのため相対位置が同じ場合、検出器ユニット４０の左側では、検出器エレメントＤＬ３とＤＬ５が、符号エレメントＣＬの位置情報を読み取るのに特に好適であり、右側では、検出器エレメントＤＲ１とＤＲ３が符号エレメントＣＲの位置情報を読み取るのに適しており、中央では、光の向きが大きく変化していないので、そこでは、検出器エレメントＤＭ２とＤＭ４が、引き続き符号エレメントＣＭの位置情報を読み取るのに適している。確実な読み取りを保証するために、（図示されていない）補正ユニット８０は、左の切換エレメントＳＷＬを切り換えて、それによりトリガーモジュールＴＬ３の出力を左の補正済み位置信号ＰＫＬに切り換えるとともに、右の切換エレメントＳＷＲを切り換えて、それによりトリガーモジュールＴＲ１の出力を右の補正済み位置信号ＰＫＲに切り換えるようにしている。切換エレメントＳＷＭの位置は、変更の無いまま保持されている。

最後に、図３ｃでは、照明ユニット３０からの光は、相当発散した方向を向いている。それは、検出器ユニット４０と符号１０の相対位置が同じ場合、検出器ユニット４０の左側では、検出器エレメントＤＬ１とＤＬ３が最適に照明される、或いは全体的に陰影を付けられる一方、検出器エレメントＤＬ２とＤＬ４は、部分的にしか陰影を付けられていない、或いは一部しか照明されない。それに対応して、検出器ユニット４０の右側では、位置情報を求めるためには、検出器エレメントＤＲ３とＤＲ５を選択すべきである。そのために、場合によっては、検出器ユニット４０を更に別の検出器エレメントＤで補完する必要が有る。この場合でも、切換エレメントＳＷＭの位置は、変更の無いまま保持されている。

ここで説明した実施例では、選択ユニット７０が、信号処理ユニット６０と符号ワード・計算ユニット９０の間に配置されている。従って、符号ワードＣＷを算出するために、どの検出信号Ｓを使用するのかとの選択は、信号処理ユニット６０において検出信号Ｓの対から生成されたデジタル位置信号Ｐから行われる。しかし、選択ユニット７０は、検出信号Ｓの符号ワードＣＷへの処理プロセスにおける別の位置、特に、検出器ユニット４０と信号処理ユニット６０の間に配置することも可能である。その場合、符号ワードＣＷの算出に使用される検出信号Ｓは、直接選択することが可能である。

図４は、位置信号Ｐの中からの補正済み位置信号ＰＫ又は符号ワードＣＷの個々のビットの選択が如何に行われるのかを再度図解している。そのために、この例では、８ビットの幅を有する詳細位置値ＦＰがベクトル図で図示されている。走査ユニット２０と符号１０が測定方向Ｘに対して相対的に動いた場合、詳細位置値ＦＰの指針が、符号エレメントＣを読み取るのに最適な順番に配置された四つの検出器対に対応する図の四つの象限を順番に移動して行く。指針が四つの象限の中のどの象限に有るのかは、詳細位置値ＦＰの最上位の２ビットによって決定される。

ここで、補正ユニット８０は、記憶ユニット１００に保存されている統計的な割当情報又は位置に依存する割当情報と、場合によっては、温度センサー１１０から導き出された温度に依存する割当情報とから、例えば、同じく８ビットのワードから構成される補正情報ＫＯＲＲ１又はＫＯＲＲ２を算出する。その時々の位置において、位置信号Ｐに対する補正済み位置信号ＰＫの割当が、図３ａに図示されている通り、符号ワードＣＷの個々のビットを計算するのに相応しいか、或いは図３ｂと３ｃにもとづく補正が必要であるのかを決定するために、補正ユニット８０は、補正情報ＫＯＲＲ１，ＫＯＲＲ２を詳細位置値ＦＰに加え、そのようにして補正済み位置信号ＦＰＫ１又はＦＰＫ２を取得する。ここで、最上位の２ビットが、第一の補正情報ＫＯＲＲ１を詳細位置値ＦＰに加えた場合と変わらない時には、詳細位置値ＦＰとその結果得られる第一の補正済み詳細位置値ＦＰＫ１の指針が同じ象限に有るので、補正は不要である。それに対して、最上位の２ビットの中の少なくとも一方が、第二の補正情報ＫＯＲＲ２を詳細位置値ＦＰに加えた場合から変化している時には、詳細位置値ＦＰとその結果得られる第二の補正済み詳細位置値ＦＰＫ２の指針が異なる象限に有るので、補正しなければならない。

符号ワードＣＷを如何なる形式で出力するのかは、本発明には関係しない。即ち、出力は、図示されている通り、並列式でも、直列式でも行うことができる。同様に、例えば、工作機械の制御部に、結果を出力するために、走査ユニット２０に更に別のモジュールを配備することもできる。

有利には、走査ユニット２０、特に、検出器ユニット４０と評価ユニット５０は、全体的又は部分的に、高集積特定用途向けモジュール（ＡＳＩＣ）として実現される。

本発明による絶対位置測定装置は、直線運動又は回転運動の計測に用いることができ、その場合符号１０を互いに動く物体の中の一方に取り付け、走査ユニット２０を測定すべき物体の他方に取り付ける。この場合、符号１０は、測定すべき物体に直に取り付けるか、或いは測定すべき物体と更に結合されている測定尺に取り付けることができる。

この場合、測定すべき物体は、工作機械又は座標計測機械のテーブル及びスライダーとするか、或いは電気モーターのローター及びステーターとすることができる。

位置測定装置の模式図 照明ユニットが誤って調整された位置測定装置の模式図 本発明による位置測定装置の評価ユニットのブロック図 本発明による位置測定装置において、光が平行な方向を向いている場合の検出信号の選択図 本発明による位置測定装置において、光が収斂する方向を向いている場合の検出信号の選択図 本発明による位置測定装置において、光が発散する方向を向いている場合の検出信号の選択図 詳細位置値のベクトル図

符号の説明

１０ 符号
２０ 走査ユニット
３０ 照明ユニット
３１ 光源
３２ コリメータレンズ
４０ 検出器ユニット
５０ 評価ユニット
６０ 信号処理ユニット
７０ 選択ユニット
８０ 補正ユニット
９０ 符号ワード・計算ユニット
１００ 記憶ユニット
１１０ 温度センサー
１２０ 切換ユニット
２００ 増分トラック
２１０ 詳細位置評価ユニット
Ａ１〜Ａ３ 矢印
Ｂ 周期の長さ
Ｃ 符号エレメント
ＣＡ，ＣＢ 部分領域
ＣＬ 左の符号エレメント
ＣＬＡ，ＣＬＢ 部分領域
ＣＭ 中央の符号エレメント
ＣＭＡ，ＣＭＢ 部分領域
ＣＲ 右の符号エレメント
ＣＲＡ，ＣＲＢ 部分領域
ＣＷ 符号ワード
Ｄ 検出器又は検出器エレメント
ＤＬ１〜ＤＬ６ 左の検出器エレメント
ＤＭ１〜ＤＭ６ 中央の検出器エレメント
ＤＲ１〜ＤＲ６ 右の検出器エレメント
ＦＰ 詳細位置値
ＦＰＫ１，ＦＰＫ２ 補正済み詳細位置値
ＫＯＲＲ１，ＫＯＲＲ２ 補正情報
Ｐ 位置信号
ＰＫ 補正済み位置信号
ＰＫＬ 左の補正済み位置信号
ＰＫＭ 中央の補正済み位置信号
ＰＫＲ 右の補正済み位置信号
Ｓ 検出信号
ＳＷＬ 左の切換エレメント
ＳＷＭ 中央の切換エレメント
ＳＷＲ 右の切換エレメント
ＴＬ１〜ＴＬ４ 左のトリガーモジュール
ＴＭ１〜ＴＭ４ 中央のトリガーモジュール
ＴＲ１〜ＴＲ４ 右のトリガーモジュール
Ｘ 測定方向
Ｉ〜ＩＶ 象限

Claims (22)

1. 測定方向（Ｘ）に対して順番に配置された一連の符号エレメント（Ｃ，ＣＬ，ＣＲ，ＣＭ）から構成される、少なくとも二つの連続する符号エレメント（Ｃ，ＣＬ，ＣＲ，ＣＭ）がそれぞれ位置情報を持つ一つの符号ワード（ＣＷ）を生成する符号（１０）と、
   検出器ユニット（４０）が、符号ワード（ＣＷ）を生成する符号エレメント（Ｃ，ＣＬ，ＣＲ，ＣＭ）毎に、測定方向（Ｘ）に対して少なくとも二つの検出器エレメント（Ｄ；ＤＬ１〜ＤＬ６；ＤＲ１〜ＤＲ６；ＤＭ１〜ＤＭ６）を有し、符号（１０）の方向に向けられた光を送出して、少なくとも符号ワード（ＣＷ）を生成する符号エレメント（Ｃ，ＣＬ，ＣＲ，ＣＭ）を検出器ユニット（４０）上に投影する照明ユニット（３０）と、検出器エレメント（Ｄ；ＤＬ１〜ＤＬ６；ＤＲ１〜ＤＲ６；ＤＭ１〜ＤＭ６）の検出信号（Ｓ）から、その時々の位置情報を持つ符号ワード（ＣＷ）を算出することが可能な評価ユニット（５０）とを有する走査ユニット（２０）と、
   を備えた、走査ユニット（２０）と符号（１０）が測定方向（Ｘ）に対して互いに相対的に移動可能な形に配置された位置測定装置において、
   評価ユニット（５０）では、符号ワード（ＣＷ）を生成する符号エレメント（Ｃ，ＣＬ，ＣＲ，ＣＭ）が検出器ユニット（４０）上に投影される状態に応じて、符号ワード（ＣＷ）を生成するために評価すべき検出信号（Ｓ）を選択することが可能であることを特徴とする位置測定装置。
2. 符号エレメント（Ｃ，ＣＬ，ＣＲ，ＣＭ）が、測定方向（Ｘ）に対して連続する、互いに相補的な特性を有する二つの部分領域（ＣＡ，ＣＢ；ＣＬＡ，ＣＬＢ；ＣＲＡ，ＣＲＢ；ＣＭＡ，ＣＭＢ）から構成されていることと、
   部分領域（ＣＡ，ＣＢ；ＣＬＡ，ＣＬＢ；ＣＲＡ，ＣＲＢ；ＣＭＡ，ＣＭＢ）毎に、少なくとも二つの検出器エレメント（Ｄ；ＤＬ１〜ＤＬ６；ＤＲ１〜ＤＲ６；ＤＭ１〜ＤＭ６）が配備されていることと、
   を特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
3. 評価ユニット（５０）は、検出信号（Ｓ）を供給される信号処理ユニット（６０）を有し、信号処理ユニット（６０）において、検出信号（Ｓ）からデジタル位置信号（Ｐ）を生成することが可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置測定装置。
4. 信号処理ユニット（６０）は、検出器エレメント（Ｄ；ＤＬ１〜ＤＬ６；ＤＲ１〜ＤＲ６；ＤＭ１〜ＤＭ６）からそれぞれ二つの検出信号（Ｓ）を供給される、測定方向（Ｘ）に対して順番に配置された二つの部分領域（ＣＡ，ＣＢ；ＣＬＡ，ＣＬＢ；ＣＲＡ，ＣＲＢ；ＣＭＡ，ＣＭＢ）と同じ間隔を測定方向（Ｘ）に対して有するトリガーモジュール（ＴＬ１〜ＴＬ４；ＴＲ１〜ＴＲ４；ＴＭ１〜ＴＭ４）を備えており、トリガーモジュール（ＴＬ１〜ＴＬ４；ＴＲ１〜ＴＲ４；ＴＭ１〜ＴＭ４）が、差分演算によって、検出信号（Ｓ）からデジタル位置信号（Ｐ）を生成することを特徴とする請求項３に記載の位置測定装置。
5. 評価ユニット（５０）は、補正情報（ＫＯＲＲ１，ＫＯＲＲ２）と詳細位置値（ＦＰ）にもとづき位置信号（Ｐ）を選択することによって、符号ワード（ＣＷ）を生成するための手段を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の位置測定装置。
6. デジタル位置信号（Ｐ）が、補正済み位置信号（ＰＫ）を出力する選択ユニット（７０）に供給されて、補正ユニット（８０）が、補正情報（ＫＯＲＲ１，ＫＯＲＲ２）と詳細位置値（ＦＰ）にもとづき、位置信号（Ｐ）の中からの補正済み位置信号（ＰＫ）の選択を決定することを特徴とする請求項５に記載の位置測定装置。
7. 補正情報（ＫＯＲＲ１，ＫＯＲＲ２）が統計的な割当情報を含むことを特徴とする請求項６に記載の位置測定装置。
8. 補正情報（ＫＯＲＲ１，ＫＯＲＲ２）が位置に依存する割当情報を含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の位置測定装置。
9. 評価ユニット（５０）が、当該の割当情報を保存することが可能な記憶ユニット（１００）を更に有することを特徴とする請求項７又は８に記載の位置測定装置。
10. 評価ユニット（５０）が、少なくとも一つの温度センサー（１１０）を更に有することと、
    補正情報（ＫＯＲＲ１，ＫＯＲＲ２）が、温度に依存する割当情報を更に含んでいることと、
    を特徴とする請求項６から９までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
11. 評価ユニット（５０）が、符号ワード（ＣＷ）を生成するために、補正済み位置信号（ＰＫ）と詳細位置値（ＦＰ）を供給される符号ワード・計算ユニット（９０）を更に有することを特徴とする請求項６から１０までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
12. 補正済み位置信号（ＰＫ）からの符号ワード（ＣＷ）の算出が、詳細位置値（ＦＰ）の最上位のビットにもとづき行われることを特徴とする請求項１１に記載の位置測定装置。
13. 詳細位置値（ＦＰ）は、符号（１０）に対して平行に延びる増分トラック（２００）を評価することによって算出することが可能であることを特徴とする請求項１１に記載の位置測定装置。
14. 測定方向（Ｘ）に対して順番に配置された一連の符号エレメント（Ｃ，ＣＬ，ＣＲ，ＣＭ）から構成される、少なくとも二つの連続する符号エレメント（Ｃ，ＣＬ，ＣＲ，ＣＭ）がそれぞれ位置情報を持つ一つの符号ワード（ＣＷ）を生成する符号（１０）と、
    検出器ユニット（４０）が、符号ワード（ＣＷ）を生成する符号エレメント（Ｃ，ＣＬ，ＣＲ，ＣＭ）毎に、測定方向（Ｘ）に対して少なくとも二つの検出器エレメント（Ｄ；ＤＬ１〜ＤＬ６；ＤＲ１〜ＤＲ６；ＤＭ１〜ＤＭ６）を有し、符号（１０）の方向に向けられた光を送出して、少なくとも符号ワード（ＣＷ）を生成する符号エレメント（Ｃ，ＣＬ，ＣＲ，ＣＭ）を検出器ユニット（４０）上に投影する照明ユニット（３０）と、検出器エレメント（Ｄ；ＤＬ１〜ＤＬ６；ＤＲ１〜ＤＲ６；ＤＭ１〜ＤＭ６）の検出信号（Ｓ）から、その時々の位置情報を持つ符号ワード（ＣＷ）を算出する評価ユニット（５０）とを有する走査ユニット（２０）と、
    を備えた、走査ユニット（２０）と符号（１０）が測定方向（Ｘ）に対して互いに相対的に移動可能な形に配置されている位置測定装置を用いた絶対位置測定方法において、
    評価ユニット（５０）では、符号ワード（ＣＷ）を生成する符号エレメント（Ｃ，ＣＬ，ＣＲ，ＣＭ）が検出器ユニット（４０）上に投影される状態に応じて、符号ワード（ＣＷ）を生成するために評価すべき検出信号（Ｓ）を選択することを特徴とする方法。
15. 符号エレメント（Ｃ，ＣＬ，ＣＲ，ＣＭ）が、測定方向（Ｘ）に対して連続する、互いに相補的な特性を有する二つの部分領域（ＣＡ，ＣＢ；ＣＬＡ，ＣＬＢ；ＣＲＡ，ＣＲＢ；ＣＭＡ，ＣＭＢ）から構成されていることと、
    部分領域（ＣＡ，ＣＢ；ＣＬＡ，ＣＬＢ；ＣＲＡ，ＣＲＢ；ＣＭＡ，ＣＭＢ）毎に、少なくとも二つの検出器エレメント（Ｄ；ＤＬ１〜ＤＬ６；ＤＲ１〜ＤＲ６；ＤＭ１〜ＤＭ６）が配備されていることと、
    評価ユニット（５０）は、検出器エレメント（Ｄ；ＤＬ１〜ＤＬ６；ＤＲ１〜ＤＲ６；ＤＭ１〜ＤＭ６）からそれぞれ二つの検出信号（Ｓ）を供給される、測定方向（Ｘ）に対して順番に配置された二つの部分領域（ＣＡ，ＣＢ；ＣＬＡ，ＣＬＢ；ＣＲＡ，ＣＲＢ；ＣＭＡ，ＣＭＢ）と同じ間隔を測定方向（Ｘ）に対して有するトリガーモジュール（ＴＬ１〜ＴＬ４；ＴＲ１〜ＴＲ４；ＴＭ１〜ＴＭ４）を備えた信号処理ユニット（６０）を有し、トリガーモジュール（ＴＬ１〜ＴＬ４；ＴＲ１〜ＴＲ４；ＴＭ１〜ＴＭ４）が、差分演算によって、検出信号（Ｓ）からデジタル位置信号（Ｐ）を生成することと、
    を特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 評価ユニット（５０）において、補正情報（ＫＯＲＲ１，ＫＯＲＲ２）と詳細位置値（ＦＰ）にもとづきデジタル位置信号（Ｐ）を選択することによって、符号ワード（ＣＷ）を生成することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. デジタル位置信号（Ｐ）が、補正済み位置信号（ＰＫ）を出力する選択ユニット（７０）に供給されて、補正ユニット（８０）が、補正情報（ＫＯＲＲ１，ＫＯＲＲ２）と詳細位置値（ＦＰ）にもとづき、位置信号（Ｐ）からの補正済み位置信号（ＰＫ）の選択を決定することを特徴とする請求項１５又は１６に記載の方法。
18. 補正情報（ＫＯＲＲ１，ＫＯＲＲ２）が統計的な割当情報を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 補正情報（ＫＯＲＲ１，ＫＯＲＲ２）が位置に依存する割当情報を含むことを特徴とする請求項１７又は１８に記載の方法。
20. 評価ユニット（５０）が、少なくとも一つの温度センサー（１１０）を更に有することと、
    補正情報（ＫＯＲＲ１，ＫＯＲＲ２）が、温度に依存する割当情報を更に含んでいることと、
    を特徴とする請求項１７から１９までのいずれか一つに記載の方法。
21. 評価ユニット（５０）が、符号ワード（ＣＷ）を生成するために、補正済み位置信号（ＰＫ）と詳細位置値（ＦＰ）を供給される符号ワード・計算ユニット（９０）を更に有することを特徴とする請求項１７から２０までのいずれか一つに記載の方法。
22. 補正済み位置信号（ＰＫ）からの符号ワード（ＣＷ）の算出が、詳細位置値（ＦＰ）の最上位のビットにもとづき行われることを特徴とする請求項２１に記載の方法。

Images