JP3676819B2 - スケール読み取り装置 - Google Patents

Description

本発明は、一定間隔で配置された一連の線で定義されたスケールと、スケールに対して線の間隔の方向に可動である読み取りヘッドとを含むタイプのスケール読み取り装置に関する。このような装置の一つタイプにおいて、読み取りヘッドは、スケールを照明する光源と、スケールと協同して周期的な光学的パターンを生成する多数の光学要素とを含む。スケールと読み取りヘッドとの相対的な動きは、対応する周期的な光学的パターンの動きを生じ、サイクリックな光強度変調を作成する。読み取りヘッドは、また、複数の光学的検出要素を含んでおり、これに対して光強度変調が入力すると、光強度変調に対応した複数の位相シフトのサイクリックに変調された電気的な信号を出力する。これらの信号は信号調整回路に送られ、この回路は信号を合成し、これらから正弦波のように変化する直角関係（quadrature：位相が９０°）にある一対の信号を発生する。読み取りヘッドとスケールとの相対的な動きの大きさを方向は、これらの直角関係の信号から定められる。
このタイプの装置は、通常、増分的に動作する。信号調整回路からの直角関係の信号出力は、カウンタ上の合計を生成する基礎となる。この合計は、スケールと読み取りヘッドとの相対的変位を示す。カウンタ上の合計は、受ける直角関係の信号のサイクル数およびこれらの信号がカウンタに到着する順序に対応して、増加または減少する。しかしながら、スケールと読み取りヘッドとの相対的位置の絶対的指標を提供する必要もある。これは、たとえば、スケールに付随するエラー・マップが同じ繰り返し可能な位置から初期化できるようにするためである。これは、典型的には、スケール上に配置された参照マークにより提供される。読み取りヘッド中の参照検出器が参照マークに対して合ったとき、読み取りヘッドは参照マークによりゼロ・パルスを出す。熱のドリフトに対する最高の装置安定性を得るため、たとえば、読み取りヘッドからのゼロ・パルスは、直角関係の信号のサイクルの中点で送出することが望ましい。これを確保するため、直角のサイクルとゼロ・パルスとの相対的位相は、調整可能であることが必要である。
本発明では、オプトエレクトロニック（光・電子的）スケール読み取り装置において、間隔を空けた一連の平行線で定義されたスケールと、線の間隔の方向に互いに可動である読み取りヘッドとを含み、読み取りヘッドは、スケールを照明する光源と、スケールと協同して、周期的な光学パターンおよびサイクリックに変調する光強度を発生する１または２以上の光学的要素と、１または２以上の光検出器、および、正弦波のように変化し、相対的な動きの大きさと方向とを定義できる一対の信号と発生する関連する電子的処理回路とを含み、前記装置は、さらに、強磁性要素の形でスケール上に参照マークと、読み取りヘッド内に磁気検出器とを備え、前記磁気検出器は、強磁性要素と所定の関係が得られたときに、参照パルスを発生し、かつ、磁気検出器の領域中の磁束強度は、読み取りヘッドが参照マークに隣接した位置にあるとき、第一の強磁性要素に対して可動に接合されている別の強磁性要素の位置、または、前記読み取りヘッド中の前記検出器の近さを調整することにより変化することができ、前記別の強磁性要素は、自由空間の透磁率より実質的に大きい透磁率を有する。
好ましくは、磁界は永久磁石により発生し、永久磁石は読み取りヘッド中または強磁性要素のそばに配置されている。参照マークおよび読み取りヘッドに独立である磁界の源を採用してもよい。
本発明の実施例が、例として、かつ下記の図面を参照して、これより説明される。
図１は、本発明によるスケールと読み取りヘッドの構成を示す図である。
図２は、図１に示した装置の斜視図である。
図３は、本発明により配置した参照マークを示す図である。
図４は、図３に示した参照マークの動作を示す信号のグラフである。
図５は、図２および図３の参照マークの変形例の立面図である。
図１において、スケール１０は、一連の交互に光反射と無反射の線を一定間隔で配置している。線はｘ方向に伸びており、ｙ方向に一定間隔で配置されている。読み取りヘッド１４は、スケールに合わせて、それからｚ方向の間隔で搭載されており、スケール１０に対してｙ方向に可動である。。読み取りヘッド１４は、光源、および、回析格子のような１または２以上の光学要素を含んでいる。光学要素は、スケール１０から反射した光とともに、読み取りヘッド１４中に周期的な光パターンを発生する。スケール１０と読み取りヘッド１４の相対な動きは、対応する周期的な光パターンの動きを生じ、これにより、サイクリックに変化する光強度変調を生じる。読み取りヘッド中の複数の光検出器は、周期的な光パターンに対して相互に位相がシストされた関係に配置され、変調する光強度に対応する複数の電気的信号を発生する。これらの電気的信号は、合成されて、正弦波のように変化し、直角の関係を有する一対の信号Ｑ₁，Ｑ₂を発生する。読み取りヘッドに対する光学的構成は、たとえば、ＧＢ１，５０４，６９１、ＷＯ８６／０３８３３，ＷＯ８７／０７９４４から知ることができる。
直角関係の信号(quadrature signals)Ｑ₁，Ｑ₂は、スケール１０上の参照位置に対する相対的な読み取りヘッド１４の変位に対応する増分カウンタ(incremental couner)の基礎を形成する。さらに、読み取りヘッド１４のスケール１０に対する相対的な動きを、直角関係の信号Ｑ₁，Ｑ₂の１サイクルの部分以内に分解することができる。信号Ｑ₁，Ｑ₂は、一つの信号を他の信号に対して見ると、円形のリサージュ図形２０を発生すると考えられる。直角関係の信号の１サイクルが円の一回転に対応している。サブサイクルの分解能は、この様に、円を等しい数の部分に分割することにより得ることができる。
直角関係の信号Ｑ₁，Ｑ₂は、補間回路３０の入力である。補間回路３０は、方形波整流(squarewave rectifying）および周波数逓倍（たとえば、５倍）を信号Ｑ₁，Ｑ₂に対して行い、直角関係にある、２つの一連の方形波出力パルスQUADA、QUADBを生成する。パルスQUADA，QUADBは、カウンタ４０に送られる。カウンタは、それから増分合計(incremental total）を発生する。合計は、QUADAパルスがQUADBに対して９０°前に到着した場合は増加し、QUADBパルスがQUADA対して９０°前に到着した場合は減少する。カウンタの合計の変化は、信号QUADA，QUADBの立ち上がり、立ち下がりの各エッジで起こる。補間回路３０から５倍の周波数逓倍により、信号Ｑ₁，Ｑ₂の１サイクルの１／２０の分解能を可能にする。加えて、補間回路３０は、内部的に、参照方形波パルスREFを直角関係の信号Ｑ₁，Ｑ₂の１サイクルに１つ発生する。パルスREFは、補間回路が読み取りヘッドからゼロ出力を受け取ったとき、カウンタ４０に送出され、カウンタ４０の出力をゼロとする。
図２から図４を参照して、ゼロ出力の状態の変化は、読み取りヘッド１４中に配置された磁界検出器６０および関連する処理電子機器（図示せず）により送出される。これは、検出器６０が、スケール上に、たとえばスケールのトラックに隣接するスケールの基盤上に、配置されている永久磁石８０の形の参照マークに対して、正確な位置となったときである。参照マークが強磁性の基盤上に搭載されている場合、磁界中の変動を減少するために、永久磁石８０およびケース９０は鋼鉄基盤９４上に搭載される。
磁界検出器６０は、２つの個々のホール素子検出器６２Ａ，Ｂを含み、２つのホール素子検出器の差分出力Ａ−Ｂがゼロを通過するとき、ステップ出力を発生する。ステップの変化は、差分の遷移が一方の方向である場合は正であり、他の方向である場合は負である。直角関係の信号Ｑ₁，Ｑ₂（および、信号QUADA，QUADBおよびREF）のゼロ・パルスに対する相対的な位相を調整するため、永久磁石８０により発生される磁束密度は、所定のｚ方向の乖離におけるｘ方向最高磁束密度の位置を変化させることにより、調整される。これは、磁石８０を、強磁性調整要素をねじ９２の形態で一方の端に格納した非強磁性ケース９０の内側に搭載することで達成される。ねじはケース９０に挿入したり引き出したりして、磁石８０の近傍の空間の透磁率を、そして、磁石と合致している空間における磁束密度を変化させる。これは、次に、ホール素子検出器の差分ステップ出力が発生する、参照マークと読み取りヘッドとの相対的位置に影響を及ぼし、ゼロ・パルスが送出される時間／相対位相の調整を可能にする。
参照マークの変形例として、図５の立面図に示されているが、永久磁石１８０の隣接する領域における磁束密度は、２つの強磁性調整ボルト１９２の１つにより調整される。ボルトは、プラスティック・ケース１９０内部に搭載された、スケールと読み取りヘッドの相対的動きの方向Ｄにある角度の関係で伸びている。これは、固定しているボルト２００のための空間を許容する。
他の実施例において、スケール上の参照マークは、非磁化された軟鉄強磁性要素の形態を有している。読み取りヘッドは、永久磁石（または、他の源、たとえば電磁石）および磁気検出器を含んでいる。スケール上の軟鉄要素は、比較的高い透磁率の磁気回路を効率的に完成する。結果的に、軟鉄要素と読み取りヘッドとが合ったとき、磁束を読み取りヘッド内の磁気検出器に「伝達する」。
実施例の変形例のどちらも、ゼロ・パルスの位相は、読み取りヘッドの所定の変位における磁束密度を変化させることで調整することができる。これは、強磁性調整要素（たとえば、永久磁石または軟鉄要素）を、読み取りヘッド内のホール素子検出器の領域で調整することによりできる。他の変形例として、他の磁気検出器（ホール素子検出器または差分検出器である必要はない）を使用することができる。
本発明は、反射型光学エンコーダ(reflective optical encoder)に関する例として説明されている。透過型光学エンコーダ(transmissive optical encoder)や磁気、容量性等のエンコーダにも使用できる。

Claims (8)

1. 間隔を空けた一連の線で定義されたスケールと、読み取りヘッドとを含み、前記スケールおよび前記読み取りヘッドは、相対的に変位することが可能で、それによりサイクリックに変化する信号を発生し、参照マークからのスケールと読み取りヘッドの相対的変位を表す増分値を作成するのに使用されるスケールの読み取り装置において、
   強磁性要素を含む、前記スケール上の参照マークと、
   前記読み取りヘッドおよび参照マークが特定の相対的位置のとき、参照パルスを発生する、前記読み取りヘッド中の磁気検出器と
   強磁性の物質で作成された調整要素であって、読み取りヘッド中またはスケール上にあり、読み取りヘッドと参照マークとが合ったとき、前記磁気検出器の領域中の磁束を変化するように、そして、スケールと読み取りヘッドとの、参照パルスが発生する特定の相対的位置が変化するように、その位置は調整可能である調整要素と
   を備えたことを特徴とするスケール読み取り装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記参照マークは、永久磁石であることを特徴とする装置。
3. 請求項１に記載の装置において、前記読み取りヘッドは磁界源を含み、前記参照マークの強磁性要素は、磁化されていない強磁性物質で構成されていることを特徴とする装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の装置において、前記調整要素が読み取りヘッド上にあることを特徴とする装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の装置において、前記調整要素がスケール上にあることを特徴とする装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の装置において、前記スケール読み取り装置が、オプトエレクトロニックであることを特徴とする装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の装置において、一対の調整要素を備えたことを特徴とする装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の装置において、前記磁気検出器は、一対の差分動作検出器を含み、差分ステップ出力を生成することを特徴とする装置。

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