JPH05196451A

JPH05196451A - 測長または測角装置

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Publication number: JPH05196451A
Application number: JP4205740A
Authority: JP
Inventors: Guenther Nelle; ギュンテル・ネレ
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1991-08-03
Filing date: 1992-07-31
Publication date: 1993-08-06
Anticipated expiration: 2013-03-30
Also published as: DE4212952A1; DE4212952C2; EP0526730B1; JP2732488B2; EP0526730A1

Abstract

(57)【要約】【目的】高分解能、補間誤差の影響が少なく、測定長
が長いと言う要求を満たし、できる限り少ない数のトラ
ックから増分出力信号を出力する、異なる目盛周期を有
する複数の測定目盛があり、しかもこれ等の目盛にそれ
ぞれ走査装置が付属している、測長あるいは測角装置を
提供する。【構成】第一測定目盛４が値Ｐの目盛周期 T₁を有
し、第一目盛４の目盛周期T₁の逆数 1/Pを差し引いた
他の目盛５，６，７の目盛周期 T_Nの逆数が、 N次の測
定目盛 T_Nに対する (N-1)次の項までの有限な幾何級数
か、あるいは一つの幾何数列で表せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、異なる目盛周期を有
する複数の測定目盛があり、しかもこれ等の測定目盛に
それぞれ走査装置が付属している、測定目盛板を備えた
測長または測角装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の測定装置は、特に工作機械の場
合、加工する加工品に対する工具の相対位置を測定た
め、および座標測定機械の場合、試験物体の位置や寸法
を求めるために使用される。

【０００３】このような測定装置では、増分式の測長ま
たは測角装置と符号化された測長または測角装置を区別
している。増分式距離測定装置は増分目盛を付けた目盛
ホルダーを保有し、周期的な走査信号を発生させるため
上記目盛を走査装置で走査し、前記走査信号から評価装
置中で各目盛増分に対する計数パルスが得られる。計数
器で上記計数パルスを計数するとその時の位置測定値が
求まり、この計数はその都度自由に選択できる測定基準
位置から出発して行える。これ等の測定基準位置には、
相互に区別するため符号化された基準マークが絶対的に
付属し、この位置が一定の位置に絶対的に付属してい
る。

【０００４】基準マークで発生した基準パルスは種々の
方法で評価される。例えば、計数器の零基準位置を再現
したり、測定の初めに一定の零基準位置から始めるた
め、あるいは計数器の計数結果を管理するため、および
後続する数値制御部で評価するために使用される。

【０００５】ドイツ特許第 12 58 120号明細書により、
レベル表示器に異なった間隔の二つの固定された二つの
目盛線の列を設けている測長装置が公知である。二つの
目盛線の列の間隔の最小共通倍数の長さに等しい目盛領
域には、読取装置のインデックスとこのインデックスに
上昇あるいは降下する目盛方向で隣接する目盛線の部分
線の間の残りの間隔がマイクロメータで測定され、得ら
れたマイクロメータの読みから読取装置のインデックス
の位置が目盛の原点に対して算出される。

【０００６】他の位置測定装置は WO 89/11080-A1 明細
書から公知である。この明細書には以下のことが記載さ
れている。即ち、位置測定装置実際に何時でも位置を符
号化した信号を発生させるため、二つのトラックを二つ
のセンサで走査する。これ等のセンサはそれぞれ正弦波
信号の対(cosα; sinα; cosβ; sinβ) あるいは何
時でも指定される位相位置を有する類似の周期信号を発
生させ、位相位置の周期の長さが n/n＋1 になる。こう
して、求める相対間隔が二つの位相位置の差として生じ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、高
い分解能、補間誤差の少ない影響および長い測定長が要
求されていて、しかもできる限り少ないトラックの増分
出力信号を出力する絶対位置測定用の測定装置を提供す
ることことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、冒頭に述べた種類の測長または測角装置の場
合、第一測定目盛（４）が値 Pの測定周期 (T₁) を有
し、第一測定目盛（４）の測定周期 (T₁) の逆数値 1/P
を差し引いた他の測定目盛（５，６，７）の目盛周期
(T_N) の逆数が N次の測定目盛(T_N) の (N-1)次の項の
有限な幾何級数で表せることによって解決されている。

【０００９】更に、上記の課題は、この発明により、冒
頭に述べた種類の測長または測角装置の場合、第一測定
目盛（４）が値 Pの測定周期 (T₁) を有し、第一測定目
盛（４）の測定周期 (T₁) の逆数値 1/Pを差し引いた他
の測定目盛（５，６，７）の目盛周期 (T_N) の逆数が
幾何数列で区分されていることによって解決されてい
る。

【００１０】更に、上記の課題は、この発明により、走
査装置から出力した信号をそれ自体公知の方法で分割
し、一つ分割係数により測定目盛の補間ステップの数を
定め、異なる目盛周期を有する複数の測定目盛があり、
しかもこれ等の測定目盛にそれぞれ走査装置が付属して
いる、測定目盛板を備えた測長または測角装置の場合、
基本目盛（４）に対して補間ステップの数 Bが符号値の
数 Bに等しく、他の測定目盛（５，６，７）に対して B
個の補間ステップから Aの符号値が形成され、その場合
A≦ B/2であることによって解決されている。

【００１１】この発明による他の有利な構成は、特許請
求の範囲の従属請求項に記載されている。

【００１２】

【実施例】以下に、この発明を図面に示す実施例に基づ
きより詳しく説明する。図１に示す測長装置には、照明
光源１と目盛板３に平行光線を指向させる集束レンズ２
とがある。目盛板３には、目盛周期が互いに異なってい
る測定目盛４，５，６と７を付けた４つのトラックがあ
る。

【００１３】更に、走査板８と検出ユニット８が設けて
ある。これ等の走査視野と検出器視野は測定目盛に合わ
せて付属させてある。評価装置には符号１０が付けてあ
る。測定目盛４，５，６と７を付けたトラックはそれぞ
れ周知のように目盛周期の1/4ほど互いずらした走査視
野で走査される。従って、周知のように、各トラックは
各測定目盛４，５，６と７から目盛周期の 1/4ほど互い
ずれた二つの正弦波信号を発生する。これ等の信号は所
定のステップで補間される。

【００１４】目盛周期で互いに目盛を刻むと、求める位
置の絶対値を特に簡単にしかも確実符号化できる。目盛
を刻む数学関係式は、第一測定目盛４が値 Pの目盛周期
Ｔ₁を有し、第一測定目盛４の目盛周期 T₁の逆数値 1
/Pを差し引いた他の測定目盛５，６，７の目盛周期 T_N
の逆数値は N次の測定目盛に対する（N - 1)次の項まで
の有限な幾何級数となる。

【００１５】公式として表すと、

【００１６】

【外６】この原理は、目盛周期が大きくなる場合でも、目盛周期
が少なくなる場合でも当てはまるので、測定目盛の目盛
周期が変わる二つの共通の同等な公式が求まる。即ち、

【００１７】

【外７】この場合、これ等の量は下記の意味を有する。即ち、 P ＝基本測定目盛（第一トラック）の目盛周期 T_N＝他の測定目盛（第Ｎトラック）の目盛周期 B ＝補間係数 A ＝測定目盛の第二トラック以降の１目盛周期内の符
号値の数（A ≦B/2) Z_N＝第Ｎトラックの補間値これ等のトラックを共通に評価すると、符号化された絶
対位置値 CP が近似的に以下の公式 (3)により求まる。
即ち、

【００１８】

【外８】ここで、［Ｃ］はＣの整数部分の値を意味し、

【００１９】

【外９】 P ＝基本目盛（第一トラックの目盛周期） T_N＝第Ｎトラックの目盛周期 B ＝補間係数（１目盛内 B段） A ＝第２トラック以降の１目盛内の符号値の数（A≦
B/2) Z_N＝第Ｎトラックの補間値（ずれの分割分）、を意味し、この場合、個々の級数の正（＋）記号は公式
（１）に、また負（−）記号は公式（２）に当てはま
る。

【００２０】目盛周期に関して測定目盛を刻む他の可能
性は、幾何数列の規則に従う刻み方がある。つまり、第
一測定目盛４が値 Pの目盛周期 T₁を有し、第一測定目
盛４の目盛周期 T₁の逆数値 1/Pを差し引いた他の測定
目盛５，６，７の目盛周期 T _Nの逆数値が幾何数列に従
って刻まれる。

【００２１】上記の変形種は、以下ように正符号の級数
項あるいは負符号の級数項に対する公式で表せる。

【００２２】

【外１０】等である。従って、一般的に目盛周期を刻むと、既に説
明した個々の量の意味をそのまま使用して、下記のよう
になる。即ち、

【００２３】

【外１１】符号化された位置の全体値を求めるために、同じ公式
(3)が (4)の正の符号のCP に対して、また (5)の負の符
号の CP に対して当てはまる。しかし、

【００２４】

【外１２】を意味する。(1), (2), (4) と (5)による上記４つの目
盛の可能性は以下のことが当てはまる。即ち、トラック
が N個ある場合、絶対符号の範囲は A^(N-1)* B の測定
段である。トラックからトラックへの許容される位相の
ずれ（(1) と(2) の場合) あるいは第１トラックから第
Ｎトラックへの許容される位相のずれ（(4) と(5) の場
合) は、±B/2Aになり、それは以下の理由による。即
ち、異なる目盛の複数の増分トラックを備えた符号測定
系で必然的な許容公差のためトラックが僅かにずれた時
生じる測定誤差を排除するため、全てのトラックの出力
信号が先ず周知の方法で B重に分割されるので、基本目
盛の測定過程は基本目盛の目盛周期 Pの 1/Bになる。基
本目盛に対しては、１目盛周期内の符号値の数は Bに等
しい。しかし、他の全てのトラックに対して Bの補間過
程から Aの符号値しか形成できない。この場合、 A≦ B
/2 (特別な場合、 A＝ B/8または A＝B/16)である。従
って、誤差のない符号化された位置の値 CP は個々の目
盛トラックの位相位置がそれぞれ± 1・2 * B/A まで変
化しても与えられる。

【００２５】実例 N ＝ 4 トラック B ＝ 100倍の補間 A ＝第２トラックの符号値 P ＝ 100μm, 第１トラックの目盛周期（基本目盛） T_N＝公式 (1)である、

【００２６】

【外１３】の Nトラックの目盛周期で、

【００２７】

【外１４】である。更に、トラックからトラックへの位相誤差は

【００２８】

【外１５】各トラックの移動分数の表示値 Z_1, Z_2, Z₃と Z₄ か
ら、一定の位置で位置の値 CP が算出される。つまり、

【００２９】

【外１６】ここで、

【００３０】

【外１７】相互のトラックの位相位置に誤差がない場合、４つの表
示 Z₁＝ 38, Z₂＝ 12, Z₃＝ 39, Z₄ ＝52から、公式
(3)に代入した計数値を用いて、以下の符号化された位
置の値 CP が生じる。即ち、

【００３１】

【外１８】トラック３の４μm の位相のずれは、 Z₃＝ 43 と、

【００３２】

【外１９】トラック３の位相が４μm ほどずれると、誤差を含む表
示を与えない。上記の例で条件 A≦ B/2からずれた A＝
B＝ 100 を選ぶと、より広い測定範囲 A^(N-1)*Bとな
り、トラック位置に対する許容公差が可能にならない。

【００３３】トラックの位相位置に誤差がない場合、ず
れの分数の四つの表示 Z₁＝ 36,Z₂＝ 46, Z₃＝ 94, Z
₄ ＝ 21 から公式 (3)により以下の符号化された位置の
値CP が求まる。つまり、

【００３４】

【外２０】トラック３に１μm のみ位相のずれある場合、

【００３５】

【外２１】トラック３の位相が１μm ずれると、この例では約１m
の誤差を含む表示となる。

【００３６】各トラックの個々の補間値 Z_Nにより符号
化された位置の絶対値で CP を求めることができる。

【００３７】

【外２２】位置の値 CP ＜ A^(N-1)*B (測定範囲) の場合、個々の
トラックＮの補間値 Z_Nとして、

【００３８】

【外２３】となる。個々の補間値 Z_Nは各周期 T_N内で 0から B-1
の値を占める。何故なら、一つの周期 T_Nが B個の同じ
部分に分割されているからである。

【００３９】例 N ＝ 4 トラック数、 B ＝ 100重補間、 A ＝ 10 第二トラック以降の目盛周期内の符号値、 P ＝ 100μm 第一トラックの目盛周期。

【００４０】公式 (1)により、

【００４１】

【外２４】測定範囲は、 A^(N-1)*B＝ 10³*100＝ 100000 測定ステ
ップで、その場合、1 測

【００４２】

【外２５】例えば、CP＝ 12738μm の位置では、個々のトラックに
対して以下の補間値となる。即ち、

【００４３】

【外２６】個々の補間値 Z_Nはずれの分数として表示できる。図２
は、測定目盛板３２を示し、その測定目盛４２，５２，
６２と７２を前記図式の一つにより刻んである。図示上
の理由により、もちろん原理は非常に誇張して示してあ
る。

【００４４】図３はこの発明の特殊性を示すもので、目
盛の刻みが今まで説明したように連続的に行われていな
くて、測定目盛６３と７３に突起箇所がある。即ち、目
盛６３，７３および８３の目盛周期はそれぞれ等しい
が、所定数の目盛周期の後に位相のずれが生じる。その
結果、各トラックの目盛周期の数の区分境界が全体とし
て変わる。

【００４５】例では、４つのトラックを示し、これ等の
トラックは以下の構成を有する。トラック４３（第一トラック）: 一貫して目盛周期 P, トラック５３（第二トラック）：一貫して目盛周期 P＋
B/A, トラック６３（第三トラック）：Ｃ部分は目盛周期 P＋
B/A で、一つの部分の後毎に、区分の境界で適当な位相
のずれ Dとなる、トラック７３（第四トラック）：Ｃ部分は目盛周期 P＋
B/A で、K*C 部分毎に区分境界で他の位相のずれ Eとな
るため、これ等の区分境界で目標位相のずれが再び与え
られる。

【００４６】図４は測定目盛板３４を示し、その測定目
盛４４，５４，６４と７４は前記図式の一つによって刻
まれている。トラック０は基準トラックとして設けてあ
り、このトラック上で以後のトラック４４〜７４の位相
位置が参照される。図示上の理由から、原理はもちろん
誇張して示してある。

【００４７】N 個のトラックの符号値を求めるには、ト
ラックの増分の間で補間値を形成する必要がある。補間
誤差はトラック間の位相角の値に直接影響を与える。こ
の誤差は目盛周期が大きくなればなるほど大きくなる。
補間誤差を小さく維持するためには、等式 (1)により計
算した N個のトラックに対して更に目盛周期 P₀を有す
る他のトラック０を設け、 N個のトラックの位相位置は
このトラック０を基準とする。前記目盛周期 P₀は基本
トラック４４の目盛周期 Pよりも小さい (好ま

【００４８】

【外２７】こうして、補間誤差の影響を低減している。更に、評価
ユニット１０の中には、 N個のトラックと基本トラック
４４あるいは基準トラック０との間の位相誤差を求め、
例えば± 0.4 P₀の最大値を越えたら、誤差表示に切り
換えるために前記位相誤差を使用する手段が設けてあ
る。位相誤差を求めるためには、先ず個々のトラックの
実測補間値から符号値を求める。次いで、この符号値か
ら目標補間値を計算し、目標値と実測値の間の差から位
相誤差を算出する。

【００４９】この発明による測長あるいは測角装置は、
主として回折格子構造の測定目盛、つまり増分目盛を有
するので、この測定装置は純増分式距離測定装置として
も動作する。

【００５０】この発明は、説明した光電測定原理に限定
されない。他の後置の物理測定原理も、例えば磁気、誘
導性および容量性の走査も測定目盛と走査装置を適当に
構成すれば可能であり、等価である。

【００５１】

【発明の効果】この発明による測定装置の利点は、少
ない増分トラックを用いて、絶対符号化された位置を長
い測定長でも高い分解能で求めることができ、どの増分
トラックも補間に適している点にある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による測長装置の特徴を示す主要部の
斜視図である。

【図２】測定目盛板の平面図である。

【図３】他の測定目盛板の平面図である。

【図４】基準トラックを有する測定目盛板の平面図であ
る。

【符号の説明】

１照明光源２集束レンズ３測定目盛板４，５，６，７；４２，５２，６２，７２；４３，５
３，６３，７３；４４５４，６４，７４測定目盛８走査板９検出ユニット１０評価装置 T_N 目盛周期

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ギュンテル・ネレドイツ連邦共和国、ベルゲン、アイヒエンウエーク、12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】異なる目盛周期を有する複数の測定目盛
があり、しかもこれ等の測定目盛にそれぞれ走査装置が
付属している、測定目盛板を備えた測長または測角装置
において、第一測定目盛（４）が値 Pの測定周期 (T₁)
を有し、第一測定目盛（４）の測定周期 (T₁) の逆数値
1/Pを差し引いた他の測定目盛（５，６，７）の目盛周
期 (T_N) の逆数が N次の測定目盛(T_N) の (N-1)次ま
での項の有限な幾何級数で表せることを特徴とする測長
または測角装置。
【請求項２】異なる目盛周期を有する複数の測定目盛
があり、しかもこれ等の測定目盛にそれぞれ走査装置が
付属している、測定目盛板を備えた測長または測角装置
において、第一測定目盛（４）が値 Pの測定周期 (T₁)
を有し、第一測定目盛（４）の測定周期 (T₁) の逆数値
1/Pを差し引いた他の測定目盛（５，６，７）の目盛周
期 (T_N) の逆数が幾何数列で区分されていることを特
徴とする測長または測角装置。
【請求項３】測定目盛(T_N) の刻みは連続的であるこ
とを特徴とする請求項１または２に記載の測長または測
角装置。
【請求項４】測定目盛(T_N) の刻みはそれぞれ等しい
目盛周期 P＋B/A を有する異なった長さのブロック（C,
K*C) 毎に行われ、しかもこれ等のブロック（C, K*C)
が互いに位相のずれ (D または E) を有することを特徴
とする請求項１または２に記載の測長または測角装置。
【請求項５】位相のずれ (D または E) は測定目盛
（６３，７３）のトラックで異なることを特徴とする請
求項４に記載の測長または測角装置。
【請求項６】測定目盛（４，５，６，７；４２，５
２，６２，７２；４３，５３，６３，７３）は個々の級
数項の符号が正の場合、公式【外１】により、また個々の級数項の符号が負の場合、公式【外２】により行われることを特徴とする請求項１に記載の測長
または測角装置。
【請求項７】測定目盛は個々の級数項の符号が正の場
合、公式、【外３】により、また個々の級数項の符号が負の場合、公式【外４】により行われることを特徴とする請求項２に記載の測長
または測角装置。
【請求項８】走査装置から出力した信号をそれ自体公
知の方法で分割し、一つ分割係数により測定目盛の補間
ステップの数を定め、異なる目盛周期を有する複数の測
定目盛があり、しかもこれ等の測定目盛にそれぞれ走査
装置が付属している、測定目盛板を備えた測長または測
角装置において、基本目盛（４）に対して補間ステップ
の数 Bが符号値の数 Bに等しく、他の測定目盛（５，
６，７）に対して B個の補間ステップから Aの符号値が
形成され、その場合 A≦ B/2であることを特徴とする測
長または測角装置。
【請求項９】基準トラック（０）である他の測定目盛
を設け、このトラックの目盛周期 P₀が基本目盛（４；
４４）の目盛周期 Pより短く、測定目盛（４，５，６，
７；４４，５４，６４，７４）の位相位置は前記基準ト
ラック（０）を参照して決まることを特徴とする請求項
８に記載の測長または測角装置。
【請求項１０】基準トラック（０）が目盛周期【外５】を有することを特徴とする請求項９に記載の測長または
測角装置。
【請求項１１】測長または測角装置を選択的に絶対位
置測定装置または増分距離測定装置として使用できるこ
とを特徴とする請求項１，２，８の何れか１項に記載の
測長または測角装置。