JPH0125010B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、増分又は絶対測定装置で高調波を
含まない周期信号を求める方法とその装置に関す
る。 二つの対象物体の相対位置、例えば工作機械の
固定台に対する移動台の相対位置を測定するた
め、光電、磁気、誘導又は容量測定装置を導入す
ることは公知である。 光電測長装置では、対象物体に連結する目盛板
（スケール）の目盛を他の対象物体と連結してい
る走査ユニツトで走査する。上記の目的のため、
この走査ユニツトには照明装置と、例えば二つの
目盛視野を装備した目盛板と、二つの光電素子と
がある。その場合、前記二つの目盛視野の二種の
目盛は、互いに90゜位相がずれ、目盛板の目盛に
正確に一致している。更に、両光電素子は対応す
る目盛視野に対して配設してある。走査板と目盛
板の同一な目盛は、透過測定法の場合、透明線条
と不透明線条によつて構成されている。これ等の
線条は、目盛板の長手方向（測定方向）に向けて
交互に配列している。照明装置の光が、目盛板及
び走査板の各々の目盛を通過し、双方の光電素子
に入射するので、両方の対象物体が相対運動を行
うと、目盛によつて変調される。その結果、対応
する目盛視野に付属する両光電素子は、二つの周
期的なアナログ電気信号を出力する。これ等の電
気信号は、互いに90゜位相がずれている。この正
弦波状のアナログ電気信号は、位置測定値を形成
する評価装置に導入される。 検出したアナログ信号の周期は、目盛周期又は
目盛板の目盛の増分によつて決定される。この増
分は、透明線条及び不透明線条の測定方向の幅に
よつて決定される。走査ユニツトと目盛板の目盛
との間に相対運動が生じると、走査された増分は
それぞれ計数パルスによつて検出されて表示され
る。 光電、磁気、誘導及び容量測定装置の場合、目
盛板の目盛から求めた周期的なアナログ信号は、
一般に純粋な正弦波形を示さず、むしろ、例えば
目盛の不正確さのため高調波を含んでいる。この
目盛の不正確さは、例えば透明及び不透明線条の
間隔が異なるため、又はこれ等の線条の不鮮明さ
によつて生じる。検出したアナログ信号が高調波
を全く含まないようにするためには、目盛の精度
に対して高度な要求を設定する必要がある。どの
目盛周期に対しても正確な位置測定値が形成され
るため、及び測定精度を更に向上させる補間値を
形成して目盛の目盛周期が正確に分割できるため
には、前記目盛から検出したアナログ信号に高調
波を含んでいてはならない。例えば、計算器で補
間値を形成することは、西独特許第2729697号公
報に記載されている。 更に、当然なことであるが、必ず高調波を含む
三角波又は台形波のアナログ信号を出力する測定
装置は公知である。 西独特許第1941731号公報から、目盛板の目盛
を走査する場合、高調波を含まないアナログ信号
を検出するため、正弦状透過波形を備えた周波数
フイルタのある光電測長装置は公知である。この
測定装置では、特殊な周波数フイルタを作製して
組み込む必要がある。更に、この測定装置は光電
的な透過測定原理に限定されている。 この発明の課題は、増分測定装置の場合、前記
目的に対して特別な構成要素を何も必要とせず、
広範に導入できる高調波を含まない周期信号を得
る方法及びその装置を提供することにある。 上記の課題は、この発明により特許請求の範囲
第１項及び第４記に特徴付けた手段によつて解決
されている。 この発明によつて得られた利点は、特に周波数
フイルタのような付加的な要素を必要としない、
高調波を含まない周期信号を検出することが、公
知の位置測定装置に使用されている通常の手段だ
けで簡単にできることにある。従つて、経済的な
価格で、従来のように作製される測定装置を得る
ことができ、在庫管理を簡素化することができ
る。 この発明の他の有利な構成は、特許請求の範囲
の従属項に記載されている。 第１図には、測長装置の横断面が示してある。
この装置のハウジング１は、中空外形にして工作
機械（図示せず）の固定台２にネジ３で固定して
ある。工作機械の移動台４には、取付ロツク５が
連結部６に任意の方法で固定してある。この連結
部は、剣状収縮部７を介してスリツト８を通り抜
け、それ以外は完全封止されたハウジング１に突
き出ている。この場合、スリツト８に配設した弾
性体の封止舌部９はハウジング１内に塵が進入す
るのを防止している。ハウジング１の内面には、
目盛板１０が弾性体の接着層１１によつて貼り付
けてあり、この目盛板に走査ユニツト１２がロー
ラ１３を介して支持してある。固定台２に対する
移動台４の相対運動は、連結部６から走査ユニツ
ト１２に伝達される。 第２図には、目盛板１０の目盛１４を走査する
ため、走査ユニツト１２に光源１５、集束レンズ
１６、目盛板１８を装備した走査板１７及び光電
素子１９が配設してある。走査板１７の目盛１８
は、目盛板１０の目盛１４と同じである。光源１
５から出射した光線を、集束レンズ１６で平行光
線にし、目盛板１０と走査板１７の目盛１４，１
８を通り抜けて光電素子１９に入射する。走査板
１７を装備した走査ユニツト１２を固定した目盛
板１０に対して測定方向に移動させると、光量は
目盛１４，１８で変調される。その結果、光電素
子１９は周期的な電気アナログ信号Ｓ（ｘ）を出
力する。この信号を解析し、計数し、位置測定値
としてデジタル値にして表示する。光電素子１９
から出力した周期アナログ信号Ｓ（ｘ）は、一般
に、例えば目盛１４，１８の不正確さのため高調
波を含み、測定距離ｘの関数としてフーリエ級数
で表すことができる。 Ｓ（ｘ）＝a₀／２＋_N 〓^k=1 （a_kcoskx＋b_ksinkx） 加算添字ｋは、波又は周期の数（基本波：ｋ＝
１、高調波：ｋ＝２）及びa_k，b_kはフーリエ係数
である。 高調波を含まない周期信号を求めるため、この
発明によればアナログ信号Ｓ（ｘ）の帯域幅Ｎ（周
期又は波の数）を求め、目盛１４の目盛周期Ｐを
少なくとも2N個の走査要素T₁〜T_2Nで走査し、
アナログ信号Ｓ（ｘ）の基本波のフーリエ係数a₁，
b₁；U_a，U_bを求めるため、前記走査要素T₁〜_2N
から出力された周期アナログ信号S₁〜S_2Nをフー
リエ解析に掛け、位置測定値を形成するため高調
波を含まない周期信号としてフーリエ係数a₁，
b₁；U_a，U_bを評価することを提案している。 目盛１４に対して代表的なアナログ信号Ｓ（ｘ）
の周波数帯域の幅Ｎ（無視できないフーリエ級数
a_k，b_kを有する波の数）を求めるため、例えば基
準測定系に対して走査要素で目盛１４を走査し、
得られたアナログ信号Ｓ（ｘ）を数値フーリエ解
析にかける。一列の同一目盛では、帯域幅Ｎをた
だ一回測定するだけでよい。 第３ｂ図には、磁性材料製の測定目盛板１０′
が示してある。この目盛板は第３ａ図の目盛周期
P′の磁気目盛１４′を有する。この目盛１４′で得
られたアナログ信号S′は帯域幅Ｎ＝３を有する。
それ故、この発明によれば、６個の等間隔の走査
要素T₁′〜T₆′が目盛周期P′に対して配設してあ
る。模式的に示すホール素子の走査要素T₁′〜
T₆′は、目盛１４′を走査して周期アナログ信号
S₁′〜S₆′を出力する。そして、前記信号をフーリ
エ解析にかける走査要素T₁′〜T₆′は、それぞれ間
隔P′／６＋zP′（ｚ＝０、１、２……）にして並べ
てある。その場合、各走査要素T₁′〜T₆′はP′／６
より狭い幅B′を有する。 第４図には、目盛周期Ｐの目盛１４を有する第
２図の目盛板１０が示してある。この目盛１４で
求めたアナログ信号Ｓは帯域幅Ｎ＝３を有する。
それ故、この発明によれば、走査ユニツト１２中
の６個の走査要素T₁〜T₆は、走査方向に間隔Ｂ
＋zP＋Ｐ／６（ｚ＝０、１、２……）にして配設
してある。その理由は、走査要素T₁〜T₆の幅Ｂ
が目盛周期Ｐより広いからである。受光素子の走
査要素T₁〜T₆に対して走査板１７′上に目盛視野
F₁〜F₆が配設してある。これ等の目盛視野は、
同じように間隔Ｂ＋zP＋Ｐ／６にして並べてあ
る。目盛１４を走査するとき走査要素T₁〜T₆か
ら出力されるアナログ信号S₁〜S₆をフーリエ解析
にかける。目盛視野F₁〜F₆の目盛は目盛周期Ｐ
を有し、幅Ｐ／２の透明な能動的線条（ゾーン）
２０と幅Ｐ／２の不透明な受動的線条（ゾーン）
２１を交互に並べて構成されている。 第５図によれば、デジタル解析するため、走査
要素T₁〜T₆のアナログ信号S₁〜S₆をアナログ・
デジタル変換器U₁〜U₆でデジタル化し、デジタ
ル計算器Ｒに導入する。この計算器は、高調波を
含まない周期信号として基本波（ｋ＝１）のフー
リエ係数a₁，b₁を決定する。即ち、 a₁＝（１／Ｎ）_N 〓ⁿ⁼¹ S_ocosπ（ｎ−１）／Ｎ ＝（１／３）₆ 〓ⁿ⁼¹ S_ocosπ（ｎ−１）／３ b₁＝（１／Ｎ）_N 〓ⁿ⁼¹ S_osinπ（ｎ−１）／Ｎ ＝（１／３）₆ 〓ⁿ⁼¹ S_osinπ（ｎ−１）／３ この計算器は、次いで位相角φ＝arctana₁／b₁
を算出する。この位相角は目盛１４の一目盛周期
Ｐ内での走査ユニツト１２の絶対位置に対する目
安を表す。この位相角φから、目盛周期Ｐの内の
走査ユニツト１２の絶対位置測定値ｘ＝φP／2π
を算出し、機械を制御する制御ユニツト及び／又
はデジタル表示する表示装置に導入する。走査ユ
ニツト１２が多数の目盛周期Ｐにわたつて移動す
る場合には、前記計算器は位相角φが2πから０
に、又は０から2πに飛ぶかどうかを調べる。そ
のような飛びがあると、その都度目盛周期Ｐの一
単位ほど表示ユニツトの計数状態を進めるか、又
は遅らせる。その結果、両方の対象物体２，４の
相対位置を連続的に測定できる。 第６図によれば、アナログ的に解析するため、
走査ユニツト１２の走査要素T₁〜T₆のアナログ
信号S₁〜S₆をフーリエ係数U_a，U_b用の評価装置
Ｗに入力する。次いで、これ等の係数を位置測定
値形成用の評価装置Ｚに導入する。この評価装置
Ｚは、測定方向を検出する方向弁別器と、この方
向弁別器が出力するパルスを符号に合わせて計数
する可逆計数器で構成されている。制御装置及
び／又は表示装置A′に接続されている評価回路
Ｚには、例えば西独特許第2729697号公報に記載
されているような目盛１４の一信号周期Ｐ内の補
間値を形成する補間装置があつてもよい。この補
間は、分割回路網で目盛１４の一目盛周期Ｐ内で
の位相角φ＝arctanU_a／U_bを決定しても（上で
説明したように）行える。 第７図の評価装置Ｗでは、走査ユニツト１２の
走査要素T₁〜T₆のアナログ信号S₁〜S₆は、増幅
器V₁〜V₆及び抵抗R₁′〜R₆′，R₂″，R₃″，R₅″，
R₆″を経由して二つの差動増幅器D₁，D₂の両方の
入力端に入力される。同じ大きさの抵抗R_fを経
由して差動増幅器D₁，D₂の出力をその反転入力
端に帰還結合し、差動増幅器D₁，D₂の非反転入
力端はグランドラインＭに接続してある。増幅し
たアナログ信号S₁，S₂，S₆は、それぞれ抵抗R₁′，
R₂′，R₆′を介して差動増幅器D₁の反転入力端に、
また増幅したアナログ信号S₃，S₄，S₅は、それぞ
れ抵抗R₃′，R₄′，R₅′を介して差動増幅器D₁の非
反転入力端に、また増幅したアナログ信号S₂，S₃
は、それぞれ抵抗R₂″，R₃″を経由して差動増幅
器D₂の反転入力端に、そして増幅したアナログ
信号S₅，S₆は、それぞれ抵抗R₅″，R₆″を経油し
て差動増幅器D₂の非反転入力端に達する。 抵抗R_o′，R_o″は、抵抗R_fと関連してアナログ
信号S_oに係数cosπ（ｎ−１）／３とsinπ（ｎ−
１）／３に掛け合わせる働きをする。アナログ信
号S_oに対する抵抗比R_f／R_o′及びR_f／R_o″の設定
は、下表に示してある。

【表】 負のcos及びsin係数に対応する抵抗R_oは、差動
増幅器D₁，D₂の非反転入力端に接続されている。
差動増幅器D₁は、値S_o・cosπ（ｎ−１）／３を加
算し、差動増幅器D₂は値S_o・sinπ（ｎ−１）／３
を加算するので、差動増幅器D₁の出力端には、
高調波を含まない周期アナログ信号U_a即ち、 U_a＝₆ 〓ⁿ⁼¹ S_ocosπ（ｎ−１）／３ また、差動増幅器D₂の出力端には高調波を含
まない周期アナログ信号U_b、 U_b＝₆ 〓ⁿ⁼¹ S_osinπ（ｎ−１）／３ が生じる。 前記の方法と同じ方法で、アナログ信号S_o′も
第３図に従つて評価することができる。 ここに提案した方法は、誘導と容量測定装置で
も、及び増分トラツク、例えば絶対測定装置の最
も微細な増分トラツクを走査するためにも使用で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、測長装置の横断面図。第２図は、測
長装置の走査ユニツトの模式図。第３図は、走査
要素の配置図。第４図は、走査要素の別な配置
図。第５図はデジタル評価回路。第６図及び第７
図は、アナログ評価回路。 図中引用記号：１４……目盛、T₁〜T_2N……走
査要素、S₁〜S_2N……アナログ信号、a₁，b₁，
U_a，U_b……フーリエ係数、Ｐ……目盛周期。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 目盛板の目盛を走査する走査ユニツトによつ
   て生じる周期アナログ信号Ｓに高調波が含まれて
   いる位置測定装置を用いて、所定の帯域幅Ｎ（波
   の数又は周期の数）まで高調波を含まない周期信
   号を得る位置測定方法において、目盛１４の目盛
   周期Ｐをそれぞれ少なくとも2N個の走査要素T₁
   〜T_2Nで走査し、前記走査要素T₁〜T_2Nが出力し
   た周期アナログ信号S₁〜S_2Nを用いて、周期アナ
   ログ信号Ｓの基本波のフーリエ係数a₁，b₁；U_a，
   U_bを求めるため、フリーエ解析を行い、フーリ
   エ係数a₁，b₁；U_a，U_bを位置測定値形成用の無
   高調波信号として解析することを特徴とする方
   法。 ２ デジタル解析するため、走査要素T₁〜T_2Nの
   アナログ信号S₁〜S_2Nをデジタル化し、フーリエ
   係数a₁，b₁を高調を含まない周期信号として数値
   計算し、次いでフーリエ係数a₁，b₁から目盛１４
   の一目盛周期Ｐ内の位相角φ＝arctan（a₁／b₁）
   を数値的に算出することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の方法。 ３ アナログ解析するため走査要素T₁〜T_2Nの周
   期アナログ信号S₁〜S_2Nに対応する係数cosπ（ｎ−
   １）／Ｎ（ｎ＝１、……2N）を掛け、アナログ信
   号U_aを形成するため、この時の乗算値を加算し、
   走査要素（T1〜T_2Nのアナログ信号S₁〜S_2Nに対
   応する係数sinπ（ｎ−１）／Ｎ（ｎ＝１、……2N）
   を掛け、アナログ信号U_bを形成するため、この
   時の乗算値を加算し、高調波を含まない周期アナ
   ログ信号U_a，U_bから目盛１４の一目盛周期Ｐ内
   の位相角φ＝arctan（U_a／U_b）を求めることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 目盛１４の目盛周期Ｐをそれぞれ少なくとも
   2N個の走査要素T₁〜T_2Nによつて走査し、前記
   走査要素T₁〜T_2Nが出力した周期アナログ信号S₁
   〜S_2Nを用いて、周期アナログ信号Ｓの基本波の
   フーリエ係数a₁，b₁；U_a，U_bを求めるため、フ
   リーエ解析を行い、フーリエ係数a₁，b₁；U_a，
   U_bを位置測定値形成用の無高調波信号として解
   析し、目盛板の目盛を走査する走査ユニツトによ
   つて生じる周期アナログ信号Ｓに高調波が含まれ
   ている位置測定装置で、所定の帯域幅Ｎ（波の数
   又は周期の数）まで高調波を含まない周期信号を
   得る位置測定方法を実行する位置測定装置におい
   て、目盛１４の目盛周期Ｐを走査するため、所定
   の帯域幅Ｎ（アナログ信号Ｓの波又は周期の数）
   の少なくとも二倍の数の走査要素T₁〜T_2Nを走査
   ユニツト１２中に配設し、周期アナログ信号Ｓの
   基本波のフーリエ係数a₁，b₁；U_a，U_bを求め、
   しかもフーリエ係数a₁，b₁；U_a，U_bから位置測
   定値を形成する評価装置Ｕ，Ｒ；Ｗ，Ｚに走査要
   素T₁〜T_2Nから出力された周期アナログ信号S₁〜
   S_2Nを入力し、前記評価装置を制御及び／又は表
   示ユニツトＡに接続してあることを特徴とする装
   置。 ５ 走査要素T₁〜T_2Nの幅ＢはＰ／2Nより狭く、
   走査要素T₁〜T_2Nは走査ユニツト１２内で相互の
   間隔をＰ／2N＋zP（ｚ＝０、１、２……）にし
   て配置してあることを特徴とする特許請求の範囲
   第４項記載の装置。 ６ 走査要素T₁〜T_2Nの幅Ｂは少なくとも一目盛
   周期Ｐであつて、どの走査要素T₁〜T_2Nも交互に
   信号発生させるゾーン２０と信号を発生させない
   ゾーン２１を有し、前記走査要素T₁〜T_2Nは、走
   査ユニツト１２内で相互の間隔をＢ＋zP＋Ｐ／
   2N（ｚ＝０、１、２……）にして配設してあるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の装
   置。 ７ 評価装置Ｕ，Ｒは周期アナログ信号S₁〜S_2N
   を入力するアナログ・デジタル変換器U₁〜U_2N
   と、この変換器に後続する計算器Ｒとを有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の装
   置。 ８ フーリエ係数U_a，U_bを求める評価装置Ｗは、
   周期アナログ信号S₁〜S_2Nを入力する増幅器V₁〜
   V_2Nを有し、これ等の増幅器は抵抗R_o′，R_o″を経
   由して差動増幅器D₁，D₂の入力端に接続されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載
   の位置測定装置。 ９ 位置測定値を形成する評価装置Ｚは、フーリ
   エ係数U_a，U_bを印加させる方向弁別器を有し、
   この方向別弁器は可逆計数器に接続されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の装
   置。 １０ 評価装置Ｚは目盛１４の一目盛周期Ｐ内で
   補間値を形成する補間装置を有することを特徴と
   する特許請求の範囲第４項記載の位置測定装置。