JP6479309B2 - スケール装置、位置情報生成方法及び多軸ステージ装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば金属加工工作機械や産業機械、精密測長・測角装置等に用いられるスケール装置、位置情報生成方法及び多軸ステージ装置に関するものである。

工作機械や精密測定器に用いられている精密級の移動テーブルやステージは、油動圧あるいはベアリング球又はローラを配置したリニアガイドで支持されている。駆動部として回転型のサーボモータを用いる場合、モータの回転力はボールねじ等によって直動の推力に変換され、移動テーブルやステージに伝達される。これにより、移動テーブルやステージは、加工物、測定物、工具、あるいは測定機器を前後又は左右さらには高さ方向に移動させている。上記移動テーブルやステージの位置を計測するための計測装置として、光スケール装置や磁気スケール装置が用いられている。

また、より高精度の機械加工を行うため、予め機械の運動誤差を測定しておき、誤差の補正分を含んだ指令値を生成して繰返し再現性のある機械の運動精度を上げることが行われている。

しかしながら、実際の工作機械では、被加工物の重量や運動時のモーメントが、加工毎に異なり、又経時的にベットの案内面が磨耗したり、異物を挟んだりするため、補正値を取得した時の機械の動きと実加工時の動きの再現性が何時も保証されている訳ではない。

本件の発明者等は、高精度な２次元のホログラフィックスケールを用いて、実際の工作機械の補正値をサブナノメートルの分解能で取得し、指令値を補正することにより、運動精度が補正を行わない場合に比べ、格段に改善する手法を先に提案している（例えば、非特許文献１参照。）

すなわち、先に提案している手法では、図１６に示すように、工作機械１のＸＹテーブル２上にリファレンスの２次元のホログラフィックスケール３を設置し、Ｚ軸方向に移動可能なスピンドルの先端に２次元センサ４を設けて、工作機械１の動きを予め上記２次元のホログラフィックスケール３を用いて測定し、図１７のフローチャートに示す手順に従って、運動誤差のマップを作成して指令値に補正をかけることで機械の運動誤差を低減する。この手法を採用することで、機械の誤差が低減できることが実験によって確かめられている。

Accuracy Enhancement of High Precision Machine Tools by 2D Holographic Scale System 2011 the proceedings of ASCENTi-CNC2011 Annual Meeting

しかしながら、工作機械で実際に加工を行う際には、工作機械のＸＹテーブル上にリファレンスの２次元のホログラフィックスケールを置くことができない。

そこで、本件の発明者等は、加工時の切削反力の影響と加工物の自重によるベッドのたわみなど、補正後にどの程度の誤差が発生するかを図１８の（Ａ），（Ｂ）に示す小型の機械における撓み計算モデルにて算出した。

この構造を選んだのは、加工物の重力の変化を除いた計算を行うためで、簡単のため、機械本体は剛体とみなし、加重やモーメントによる変形は発生せず、誤差は最も剛性の低いと考えられるガイドの変形によって発生するとした。

また、この計算モデルでは、Ｘ方向の切削反力をＦｘＹ方向の切削反力をＦｙ、Ｚ方向の切削反力をＦｚ、Ｘ軸に加わる重力をＷｘ、Ｙ軸に加わる重力をＷｙ、ガイド下面反力をＲ_１、ガイド下面反力をＲ_２、ガイド下面反力をＲ_３、ガイド下面反力をＲ_４としている。

この小型の機械における撓み計算モデルでは、自重と切削反力のつりあいとローラ周りのモーメントのつり合いから

Ｒ_１＋Ｒ_２＋Ｒ_３＋Ｒ_４＝Ｗｘ＋Ｗｙ＋Ｆｙ （１）

ＦｚＹ_１−ＦｙＺ_１＋ＷｘＺ_２−（Ｒ_３＋Ｒ_４）Ｚ_３＝０ （２）

Ｒ_３＋Ｒ_４＝（ＷｘＺ_２−ＦｙＺ_１＋ＦｚＹ_１）／Ｚ_３ （３）

ＦｘＹ_１＋（Ｗｘ＋Ｗｙ＋Ｆｙ）Ｘ_１／２−（Ｒ_２＋Ｒ_４）Ｘ_１＝０ （４）

Ｒ_２＋Ｒ_４＝（Ｗｘ＋Ｗｙ＋Ｆｙ）／２＋ＦｘＹ_１／Ｘ_１ （５）

Ｒ_１＋Ｒ_３＝（Ｗｘ＋Ｗｙ＋Ｆｙ）／２−ＦｘＹ_１／Ｘ_１ （６）
となり、これらにモデルに使った数値を入れると各点の力が得られ、これをリニアガイドの仕様に合わせると誤差となる変位が求まる。

算出に使用したガイドはＴＨＫ社ＬＭガイドＨＳＲ４５Ｌである。ここで、Ｆｙ＝Ｆｙ＝５ｋＮ，Ｗｘ＝６ｋＮ，Ｗｙ＝２ｋＮとして前述の式から概算すると、Ｒの変化幅誤差は１７ｋＮとなり、これをガイドの変形データＹ方向の変位は約２５μｍとなって無視できる量ではない。２次元スケールでこの方向の補正を行う事は不可能ではないが、スケールをＹ方向に立てて測定を行う必要があって、簡単ではない。この方向の補正を行うためには３次元の計測ができるスケールが必要になる。

一方、同様にして自重と慣性力による変位変動をみると同様にＹ軸が移動する場合の慣性モーメントのつり合いから

ＷｘＺ_２＝（Ｒ_３＋Ｒ_４）Ｚ_３ （７）

（Ｒ_１＋Ｒ_２）Ｚ_３−（Ｗｙ±Ｗｙ）Ｚ_３−Ｗｘ（Ｚ_３−Ｚ_２）＝０ （８）
となり、また、Ｘ軸が移動する場合の慣性モーメントのつり合いから

ＷｙＹ_１＋ＷｘＹ_２＋（Ｗｘ＋Ｗｙ）Ｘ_１／２＝（Ｒ_２＋Ｒ_４）Ｘ_１ （９）

−ＷｙＹ_１−ＷｘＹ_２＋（Ｗｘ＋Ｗｙ）Ｘ_１／２＝（Ｒ_１＋Ｒ_３）Ｘ_１ １０）
となる。

個々に動く場合のＲの変化を加算し、加速度が１Ｇであると仮定してＲを計算すると８．８ｋＮの幅で変化し、これによるＹ方向の変位は約１０μｍとなって高精度加工においては配慮すべき値となっていることが解る。また、自重と慣性モーメントによるＸ、Ｚ方向の誤差は、この構成の場合、最初の補正でとり除く事は可能であるが、磨耗等の経時変化による誤差は取り除けない。

加工物の重量変化によるベッドの撓みや、重心位置変化によるモーメントの変化等など、予想される加工条件の変化が、どの程度当初の補正値を変化させるかを検討したところ、加工精度を保証するためには、補正値の変化が所望の精度に対し小さい事をモニターするか、条件の変化に応じて追加の補正を行った方が良いことが解った。当然のことながら、このような補正は、リファレンスとした２次元もしくは３次元のスケールを制御用に使用するか、もしくは、制御用のスケールの他に常時モニター用として用いれば必要ない。

しかしながら、２次元もしくは３次元の特殊なスケールは、検出面積が大きいというデメリットがある。そのため機械にこれらのスケールを常時搭載すると機械の大きさが大きくなるという問題があり、且つこれらのスケールは一般的な１次元のスケールに対し、二桁以上広い検出面積を有するため、製造コストが非常に高いという問題があり、精度を上げる事はできても、高いコストパフォーマンスを提供する事が難しい。さらに信頼性の面からみても広い検出面積を切子やクーラントから保護するプロテクタを設ける設計が難しいことと、１次元のスケールと同様のカバーをしても検出面積倍のトラブル発生率になるため、工作機械において２次元もしくは３次元のスケールを制御用もしくは補正用に常時使用することは現実的な解ではない。

また、光スケールに記録されている目盛を光学的に読み取る光スケール装置は、切削油や切り屑などが存在する劣悪な環境での計測には不適当であるのに対し、磁気スケールに記録されている目盛を磁気的に読み取る磁気スケール装置は、劣悪な環境に強いことが知られている。

そこで、本発明の目的は、上記の如き従来の問題点に鑑み、コンパクトで安価に二次元以上の変位を検出できるようにすることにある。

また、計測軸の計測方向の絶対位置情報、相対位置情報、上記計測方向と直交する方向への平行移動量とアジマス方向の角度情報を得ることができ、機械の運動誤差補正用のリファレンススケールとして用いることのできるスケール装置を提供することにある。

また、上記スケール装置を用いて各軸の運動誤差の補正を可能にした多軸ステージ装置を提供することにある。

本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

すなわち、本発明は、スケール装置であって、Ｘ方向を計測軸としてＸＹ平面に設けられた２つのインクリメンタルトラックを有するスケール本体と、上記２つのインクリメンタルトラックからインクリメンタル信号を検出する２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドと、上記２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、計測軸の計測方向の相対位置情報と、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の方向のうちのＸ軸方向を上記計測軸の計測方向として、Ｘ軸及びＺ軸の各軸方向への平行移動情報又はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向への平行移動情報の生成を行う演算処理部とを備えることを特徴とする。

本発明に係るスケール装置は、例えば、上記インクリメンタル信号検出ヘッドを少なくとも３個備え、上記演算処理部は、上記少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、上記Ｘ軸及びＺ軸の各軸方向への平行移動情報と、Ｙ軸方向への平行移動情報又はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸回りの回転角度情報の少なくとも１つの情報とを生成するものとすることができる。

また、本発明に係るスケール装置において、上記スケール本体は、例えば、上記少なくとも２つのインクリメンタルトラックが磁気記録媒体に磁気記録された磁気スケールであり、上記インクリメンタル信号検出ヘッドは、磁気検出ヘッドであるものとすることができる。

また、本発明に係るスケール装置において、上記磁気検出ヘッドは、例えば、トンネル磁気効果素子であるものとすることができる。

また、本発明に係るスケール装置は、例えば、１つの支点により上記インクリメンタル信号検出ヘッドを揺動自在に支持する支持機構を備え、上記インクリメンタル信号検出ヘッドが振り子状に稼働されるものとすることができる。
また、本発明に係るスケール装置において、上記スケール本体は、例えば、アブソリュートパターンを記録したアブソリュートトラックと、上記アブソリュートトラックの両側にインクリメンタル信号パターンを計測方向に対し傾けて記録したインクリメンタルトラックとを有し、上記スケール本体のアブソリュートトラックからアブソリュートパターンを検出する一つのアブソリュートパターン検出ヘッドと少なくとも上記インクリメンタルトラックからインクリメンタル信号を検出する少なくとも２個のインクリメンタル信号検出ヘッドを備え、上記演算処理部は、上記アブソリュートパターン検出ヘッドによる検出出力に基づいて絶対位置情報を生成するとともに、上記アブソリュートトラックを挟んで設けられた２つのインクリメンタルトラック上に位置する少なくとも２個のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、計測軸の計測方向の相対位置情報と、上記計測方向と直交する方向への平行移動量情報の生成を行うものとすることができる。

また、本発明に係るスケール装置は、例えば、上記インクリメンタル信号検出ヘッドを少なくとも３個備え、上記演算処理部は、上記インクリメンタルトラック上の計測軸の計測方向に離れて位置する２つのインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、上記計測方向と直交する方向への平行移動量情報とアジマス方向の回転角度情報の生成を行うものとすることができる。

また、本発明に係るスケール装置において、上記演算処理部は、さらに、上記少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドとスケール本体間の距離を上記インクリメンタル信号検出ヘッドにより検出される信号の大きさから算出し、Ｚ方向の平行移動量情報とアオリ角度情報を生成するものとすることができる。

また、本発明に係るスケール装置において、上記演算処理部は、上記少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力のスケールヘッド間距離の変化に対する変化を予め記録した補正テーブルを有するものとすることができる。

また、本発明に係るスケール装置は、例えば、上記スケール本体は、上記２つのインクリメンタルトラックが磁気記録媒体に磁気記録された磁気スケールであり、上記インクリメンタル信号検出ヘッドは、磁気検出ヘッドであり、被測定装置に設置後に、上記少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力のスケールヘッド間距離の変化に対する変化情報を測定する測定手段と、該測定手段により得られた変化情報に基づく補正データを補正テーブルに書き込む補正データ記録手段を有するものとすることができる。

また、本発明に係るスケール装置において、上記スケール本体は、例えば、アブソリュートパターン及びインクリメンタル信号パターンが磁気記録媒体に磁気記録された磁気スケールであり、上記アブソリュートパターン検出ヘッド及びインクリメンタル信号検出ヘッドは、磁気検出ヘッドであるものとすることができる。

さらに本発明に係るスケール装置において、上記インクリメンタルトラックは、例えば、上記アブソリュートトラックの両側にインクリメンタル信号パターンを計測方向に対し４５度逆方向に傾けて磁気的に記録したものとすることができる。上記磁気検出ヘッドは、例えば、１トンネル磁気効果素子であるものとすることができる。

また、本発明は、スケール装置でありインクリメンタルパターンを記録したインクリメンタルトラックを有するスケールと、上記インクリメンタルパターンを検出するインクリメンタル信号検出ヘッドと、上記インクリメンタル信号検出ヘッドで検出されるインクリメンタル信号の大きさと、上記スケールとインクリメンタル信号検出ヘッド間の距離の関係を求める演算手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明は、多軸スケール装置であり、アブソリュートパターンを記録したアブソリュートトラックと、上記アブソリュートトラックの両側にインクリメンタル信号パターンを計測方向に対し４５度逆方向に傾けて記録したインクリメンタルトラックとを有するスケール本体を各軸に備え、演算処理部により、各軸のスケール本体のアブソリュートトラックからアブソリュートパターンを検出するアブソリュートパターン検出ヘッドによる検出出力に基づいて絶対位置情報を生成するとともに、上記インクリメンタルトラックから２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドによりインクリメンタル信号を検出して、上記アブソリュートトラックを挟んで設けられた２つのインクリメンタルトラック上に位置する２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、上記２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、計測軸の計測方向の相対位置情報と、上記計測軸の計測方向及び該計測方向と直交する方向の２軸方向への平行移動情報又は上記計測軸の計測方向及び該計測方向と互いに直交する方向の３軸方向への平行移動情報の生成を行い、各軸のスケール本体から得られる位置データを補完しあって位置情報を得ることを特徴とする。

本発明に係る多軸ステージ装置は、例えば、ＸＹステージに上記スケール本体を２本以上取り付け、各軸のスケール本体から得られる位置データを補完しあって位置情報を得るものとすることができる。

また、本発明に係る多軸ステージ装置は、例えば、ＸＹＺステージに上記スケール本体を３本以上取り付け、各軸のスケール本体から得られる位置データを補完しあって位置情報を得るものとすることができる。

また、本発明に係る多軸ステージ装置は、例えば、上記各軸のスケール本体から得られる位置データの内、上記計測軸以外の変位が予め設定された値を超えた場合にアラームを発生するアラーム発生手段を備えるものとすることができる。

また、本発明に係る多軸ステージ装置は、例えば、上記インクリメンタル信号検出ヘッドを３個以上備え、上記演算処理部は、上記３個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向の移動量情報と各軸回りの回転角度情報を生成するものとすることができる。

また、本発明に係る多軸ステージ装置は、例えば、上記インクリメンタル信号検出ヘッドを少なくとも３個備え、上記演算処理部は、上記インクリメンタルトラック上の計測軸の計測方向に離れて位置する２つのインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、上記計測方向と直交する方向への平行移動量情報とアジマス方向の回転角度情報の生成を行い、各軸のスケール本体から得られる位置データを補完しあって位置情報を得るものとすることができる。

また、本発明に係る多軸ステージ装置において、上記スケール本体は、例えば、上記アブソリュートパターンをアブソリュートトラックと上記少なくとも２つのインクリメンタルトラックが磁気記録媒体に磁気記録された磁気スケールであり、上記インクリメンタル信号検出ヘッドは、磁気検出ヘッドであるものとすることができる。

さらに、本発明に係る多軸ステージ装置において、上記磁気検出ヘッドは、例えば、トンネル磁気効果素子であるものとすることができる。

また、本発明は、スケール装置であって、Ｘ方向を計測軸としてＸＹ平面に設けられた２つのインクリメンタルパターンを記録したインクリメンタルトラックを有するスケール本体と、上記２つのインクリメンタルパターンを検出する２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドと、上記２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドで検出されるインクリメンタル信号の大きさと、上記スケール本体とインクリメンタル信号検出ヘッド間の距離の関係を予め記録した補正テーブルと、上記補正テーブルを用いて、上記２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、計測軸の計測方向の相対位置情報と、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の方向のうちのＸ軸方向を上記計測軸の計測方向として、Ｘ軸及びＺ軸の各軸方向への平行移動情報又はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向への平行移動情報の生成を行う演算処理部とを備えることを特徴とする。

本発明に係るスケール装置は、さらに、上記スケール本体とインクリメンタル信号検出ヘッド間の距離に対応した複数の上記インクリメンタル信号と計測方向への移動距離の関係を補正する補正テーブルを備えるものとすることができる。

また、本発明に係るスケール装置は、少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力のスケールヘッド間距離の変化に対する変化を予め記録した補正テーブルを有し、上記補正テーブルを用いて、上記少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドとスケール本体間の距離を上記インクリメンタル信号検出ヘッドにより検出される信号の大きさから算出し、Ｚ方向の平行移動量情報とアオリ角度情報を生成するものとすることができる。

また、本発明に係るスケール装置において、上記スケール本体は、例えば上記インクリメンタルパターンが磁気記録媒体に磁気記録された磁気スケールであり、上記インクリメンタル信号検出ヘッドは、磁気検出ヘッドであるものとすることができる。

さらに、本発明は、Ｘ方向を計測軸としてＸＹ平面に設けられた２つのインクリメンタルパターンを記録したインクリメンタルトラックを有するスケール本体と上記２つのインクリメンタルパターンを検出する２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドとからなるスケール装置における位置情報生成方法であって、上記２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドで検出されるインクリメンタル信号の大きさと、上記スケール本体とインクリメンタル信号検出ヘッド間の距離の関係を予め記録した補正テーブルを用いて、上記２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、計測軸の計測方向の相対位置情報と、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の方向のうちのＸ軸方向を上記計測軸の計測方向として、Ｘ軸及びＺ軸の各軸方向への平行移動情報又はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向への平行移動情報を生成することを特徴とする。

本発明に係る位置情報生成方法は、少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力のスケールヘッド間距離の変化に対する変化を予め記録した補正テーブルを用いて、上記少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドとスケール間の距離を上記インクリメンタル信号検出ヘッドにより検出される信号の大きさから算出し、Ｚ方向の平行移動量情報とアオリ角度情報を生成するものとすることができる。

本発明に係る位置情報生成方法において、上記スケール本体は、上記インクリメンタルパターンが磁気記録媒体に磁気記録された磁気スケールであり、上記インクリメンタル信号検出ヘッドは、磁気検出ヘッドであるものとすることができる。

本発明によれば、計測軸の計測方向の絶対位置情報、相対位置情報、上記計測方向と直交する方向への平行移動量を得ることができ、機械の運動誤差補正用のリファレンススケールとして用いることのできるスケール装置を提供することができる。

本発明によれば、計測軸の計測方向の絶対位置情報、相対位置情報、上記計測方向と直交する方向への平行移動量とともにアジマス方向の角度情報を得ることができ、機械の運動誤差補正用のリファレンススケールとして用いることのできるスケール装置を提供することができる。

また、本発明によれば、上記スケール装置を用いて各軸の運動誤差の補正を可能にした多軸ステージ装置を提供することができる。

さらに、本発明によれば、機械組み立て時の補正値の変化のモニターを非常に環境に強い組み込み式の１次元の磁気スケールの組み合わせで補正を行うことができるようにしたスケール装置及び多軸ステージ装置を提供することができる。

また、本発明によれば、インクリメンタル信号検出ヘッドで検出されるインクリメンタル信号の大きさと、上記スケールとインクリメンタル信号検出ヘッド間の距離の関係を予め記録した補正テーブルとを備えることにより、上記補正テーブルを用いて、上記インクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、計測軸の計測方向の相対位置情報とともに、上記スケールとインクリメンタル信号検出ヘッド間の距離に応じた位置情報を生成することができる。

また、本発明によれば、少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力のスケールヘッド間距離の変化に対する変化を予め記録した補正テーブルを用いて、上記少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドとスケール間の距離を上記インクリメンタル信号検出ヘッドにより検出される信号の大きさから算出し、Ｚ方向の平行移動量情報とアオリ角度情報を生成することができ、コンパクトで安価に二次元以上の変位を検出することができるスケール装置を提供することができる。

本発明を適用した磁気スケール装置の構成を示す斜視図である。 上記磁気スケール装置における演算処理部の機能構成を示すブロック図である。 上記演算処理部の要部構成を示すブロック図である。 上記演算処理部におけるピタゴラス演算器画使用するルックアップテーブルを示す図である。 上記演算処理部に入力されるλ周期のｓｉｎ信号（ｓｉｎ（Ｘ２π／λ）），ｃｏｓ信号（ｃｏｓ（Ｘ２π／λ））の位相角度θと振幅レベルＲの関係を示す図である。 上記演算処理部で使用する補正テーブルの作成手順の説明に供するヘッド部とスケール本体を示す図である。 上記演算処理部で使用する補正テーブルの作成手順の説明に供する図である。 上記磁気スケール装置において得られる絶対値Ｍコード信号とインクリメンタル信号の一例示す図である。 上記磁気スケール装置において波長で規格化したスケール間距離とインクリメンタル信号出力の関係を示す図である。 試作したスケールの内挿精度の例を示す図である。 上記磁気スケール装置におけるスケール本体への磁気スケールの記録方法の説明に供する断面図である。 上記磁気スケール装置におけるスケール本体に記録した磁気スケールの精度測定方法の説明に供する断面図である。 上記磁気スケール装置を設置した工作機械の構成を示す斜視図である。 上記工作機械における磁気スケール装置の装着位置を示す斜視図である。 上記工作機械における演算処理部の構成を示すブロック図である。 先に提案している手法を説明するための工作機械の斜視図である。 先に提案している手法を示すフローチャートである。 加工時の切削反力の影響と加工物の自重によるベッドのたわみなどの誤差が補正後にどの程度発生するかの計算に用いた小型の機械における撓み計算モデルを示す図である。 本発明を適用したスケール装置の他の構成例を示す斜視図である。 上記スケール装置のＡＡ’断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明は、例えば図１に示すような構成の磁気スケール装置５０に適用される。

この磁気スケール装置５０は、スケール本体１０とヘッド部２０と演算処理部３０からなる。

スケール本体１０は、主移動方向の絶対値を表すＭコードパターン（アブソリュートパターン）を磁気記録したアブソリュートトラック１１と、このアブソリュートトラック１１の両側にインクリメンタル信号パターンを計測方向に対し４５度逆方向に傾けて磁気記録したインクリメンタルトラック１２Ａ，１２Ｂとを有する。すなわち、上記インクリメンタルトラック１２Ａ，１２Ｂの格子は、移動方向に対して４５度傾けて配置され、互いに直交する方向に設けられている。そして、上記アブソリュートトラック１１には、アブソリュートパターンとして主移動方向の絶対値を表すＭコードパターンが磁気記録されている。

また、ヘッド部２０は、上記スケール本体１０のアブソリュートトラック１１からアブソリュートパターンを検出する一つのアブソリュートパターン検出ヘッド２１と少なくとも上記インクリメンタルトラック１２Ａ，１２Ｂからインクリメンタル信号を検出する３個以上（この例では４個）のインクリメンタル信号検出ヘッド２２Ａ_１，２２Ａ_２，２２Ｂ_１，２２Ｂ_２を有する。

そして、演算処理部３０は、図２のブロック図に示す各種情報生成部３１〜３９として機能するコンピュータからなる。

すなわち、上記演算処理部３０は、第１の計測方向相対位置情報生成部３１Ａと第２の計測方向相対位置情報生成部３１Ｂにより、上記アブソリュートトラック１１を挟んで位置するインクリメンタルトラック１２Ａに記録されているインクリメンタル信号を検出するインクリメンタル信号検出ヘッド２２Ａ_１，２２Ａ_２により得られる検出出力Ａ_１，Ａ_２とインクリメンタルトラック１２Ｂに記録されているインクリメンタル信号を検出するインクリメンタル信号検出ヘッド２２Ｂ_１，２２Ｂ_２による検出出力Ｂ_１，Ｂ_２の各和（Ａ_１＋Ｂ_１），（Ａ_２＋Ｂ_２）を算出し、算出された各和（Ａ_１＋Ｂ_１），（Ａ_２＋Ｂ_２）に基づいて計測方向相対位置情報生成部３１により主移動軸上の相対位置を示す相対位置情報を生成する。

そして、上記演算処理部３０は、絶対位置情報生成部３２により、上記計測方向相対位置情報生成部３１により生成される主移動軸上の相対位置を示す相対位置情報と上記スケール本体１０のアブソリュートトラック１１からアブソリュートパターン（Ｍコードパターン）を検出する上記アブソリュートパターン検出ヘッド２１による検出出力Ｓに基づいて、上記Ｍコードパターンで表された主移動方向の絶対値を読み取って主移動軸上の絶対位置を示す絶対位置情報を生成し、分解能の粗い絶対位置信号に同期した分解能の細かいインクリメンタル信号と合わせ、高分解能の絶対位置情報を生成する。一方、上記演算処理部３０では、上記インクリメンタル信号検出ヘッド２２Ｂ_１，２２Ｂ_２による検出出力Ｂ_１，Ｂ_２の各差（Ａ_１−Ｂ_１），（Ａ_２−Ｂ_２）からＡＢ地点の直交方向の移動距離が読み取られ、平行移動とアジマス方向回転情報生成部３９により、平行移動とアジマス方向の回転情報が生成される。

ここで、上記インクリメンタル信号検出ヘッド２２Ａ_１，２２Ａ_２，２２Ｂ_１，２２Ｂ_２は、インクリメンタルトラック１２Ａ，１２Ｂとの距離により処理信号出力が変化するような記録波長と設定距離をもって配置されており、上記演算処理部３０では、各検出出力Ａ_１，Ａ_２，Ｂ_１，Ｂ_２の強弱を検出することにより上記インクリメンタル信号検出ヘッド２２Ａ_１，２２Ａ_２，２２Ｂ_１，２２Ｂ_２とインクリメンタルトラック１２Ａ，１２Ｂとの間の距離すなわちギャップ量を算出することができる。

そこで、上記演算処理部３０は、上記インクリメンタル信号検出ヘッド２２Ａ_１により得られる検出出力Ａ_１の信号レベルに基づいてＡ１高さ位置情報生成部３３Ａにより得られる高さ位置情報Ａ_１と、上記インクリメンタル信号検出ヘッド２２Ｂ_１により得られる検出出力Ｂ_１の信号レベルに基づいてＢ１高さ位置情報生成部３５Ｂにより得られる高さ位置情報Ｂ_１から、前方高さ位置情報生成部３６Ａにより、それらの和（Ａ_１＋Ｂ_１）に基づいて前方高さ位置情報を生成する。

さらに、上記インクリメンタル信号検出ヘッド２２Ａ_２により得られる検出出力Ａ_２の信号レベルに基づいてＡ２高さ位置情報生成部３３Ｂにより得られる高さ位置情報Ａ_２と、上記インクリメンタル信号検出ヘッド２２Ｂ_２により得られる検出出力Ｂ_２の信号レベルに基づいてＢ２高さ位置情報生成部３５Ｂにより得られる高さ位置情報Ｂ_３から、後方高さ位置情報生成部３６Ｂにより、それらの和（Ａ_２＋Ｂ_２）に基づいて後方高さ位置情報を生成する。

そして、上記演算処理部３０は、アオリ方回転角度・高さ平均情報生成部３７により、上記前方高さ位置情報生成部３６Ａにより算出される前方高さ位置情報（Ａ_１＋Ｂ_１）と上記後方高さ位置情報生成部３６Ｂにより算出される後方高さ位置情報（Ａ_２＋Ｂ_２）との差（（Ａ_１＋Ｂ_１）−（Ａ_２＋Ｂ_２））に基づいてアオリ方の回転角度情報と高さ平均情報を生成する。

また、上記演算処理部３０は、上記インクリメンタルトラック１２Ａからインクリメンタル信号検出ヘッド２２Ａ_１により得られる検出出力Ａ_１の信号レベルに基づいてＡ１高さ位置情報生成部３３Ａにより得られる高さ位置情報Ａ_１と、上記インクリメンタルトラック１２Ａからインクリメンタル信号検出ヘッド２２Ａ_２により得られる検出出力Ａ_２の信号レベルに基づいてＡ２高さ位置情報生成部３３Ｂにより得られる高さ位置情報Ｂ_２から、Ａ側高さ位置情報生成部３３により、それらの差（Ａ_１−Ａ_２）に基づいてＡ側高さ位置情報を生成する。

さらに、上記インクリメンタルトラック１２Ｂからインクリメンタル信号検出ヘッド２２Ｂ_１により得られる検出出力Ｂ_１の信号レベルに基づいてＢ１高さ位置情報生成部３５Ａにより得られる高さ位置情報Ｂ_１と、上記インクリメンタルトラック１２Ｂからインクリメンタル信号検出ヘッド２２Ｂ_２により得られる検出出力Ｂ_２の信号レベルに基づいてＢ２高さ位置情報生成部３５Ｂにより得られる高さ位置情報Ｂ_２から、Ｂ側高さ位置情報生成部３５により、それらの差（Ｂ_１−Ｂ_２）に基づいて後方高さ位置情報を生成する。

そして、上記演算処理部３０は、ローリング方向回転角度情報生成部３８により、上記Ａ側高さ位置情報生成部３３により算出されるＡ側高さ位置情報（Ａ_１−Ａ_２）と上記Ｂ側高さ位置情報生成部３５により算出されるＢ側高さ位置情報（Ｂ_１−Ｂ_２）に基づいてローリング方向の回転角度情報を生成する。

このような構成の磁気スケール装置５０は、上記演算処理部３０により、主移動軸上の絶対位置を示す絶対位置情報とともに相対位置を示す相対位置情報が得られるばかりでなく、主移動軸と直交する方向への平行移動量情報、アジマス方向の回転角情報、ピッチング方向の回転角度情報、ローリング方向の回転角度情報を得ることができ、機械の運動誤差補正用のリファレンススケールとして用いることができる。

なお、この磁気スケール装置５０におけるヘッド部２０では、インクリメンタルトラック１２Ａ，１２Ｂから相対位置情報を得るために、各トラックに２個ずつ合計で４個のインクリメンタル信号検出ヘッド２２Ａ_１，２２Ａ_２，２２Ｂ_１，２２Ｂ_２を有するものとしたが、少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力が得られれば、計測軸の計測方向の相対位置情報と上記計測方向と直交する方向への平行移動量情報とアジマス方向の回転角度情報を得ることができる。

ここで、上記インクリメンタルトラック１２Ａ，１２Ｂからインクリメンタル信号検出ヘッド２２Ａ_１，２２Ａ_２，２２Ｂ_１，２２Ｂ_２により得られる検出出力は、λ周期のｓｉｎ信号（ｓｉｎ（Ｘ２π／λ））とｃｏｓ信号（ｃｏｓ（Ｘ２π／λ））であって、上記演算処理部３０では、図３に示すように、ＡＤコンバータ３０Ａ，３０Ｂにより量子化されてピタゴラス演算器３０Ｃに入力される。

ピタゴラス演算器３０Ｃでは、図４に示すようなルックアップテーブルを参照して、位相角度θと振幅レベルＲを算出する。λ周期のｓｉｎ信号（ｓｉｎ（Ｘ２π／λ）），ｃｏｓ信号（ｃｏｓ（Ｘ２π／λ））、位相角度θ、振幅レベルＲは、図５に示すような関係にある。

そして、上記演算処理部３０では、上記位相角度θ情報を微分器３０Ｄで微分ことにより速度情報を得て、この速度情報を積分器３０Ｅで積分して位置情報を得ることにより高分解能化することができる。

また、この磁気スケール装置５０において、上記演算処理部３０は、図２に示すように、上記少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力のスケールヘッド間距離の変化に対する変化を予め記録した電圧に対する位置の補正テーブル６０を有し、被測定装置に設置後に、上記少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力のスケールヘッド間距離の変化に対する変化情報を測定し、得られた変化情報に基づく補正データを補正テーブルに書き込む補正記録手段を備える。そして、この磁気スケール装置５０では、実際の使用時に、上記演算処理部３０は、スケール信号から算出される振幅Ｒを元に補正テーブルから高さデータを得る。

上記補正テーブル６０は、次のようにして作成される。

すなわち、図示しない補正記録手段をリセットして待ち状態とし、図６の（Ａ）に示すように、スケール本体１０上に載置した楔状のスペーサ２４Ａの上をキャリッジ２５に設けられたヘッド部２０を移動させる。上記楔状のスペーサ２４Ａによりスケール表面との距離が変化させた状態で上記楔状のスペーサ２４Ａの上を上記キャリッジ２５とともにヘッド部２０を移動させながらスケール信号を読み取って得られる位置情報と信号振幅Ｒをスケール信号振幅Ｒが画変化を始めた位置から上記楔状のスペーサ２４Ａの最高点まで図示しない補正記録手段により記録する。そして、図示しない補正記録手段は、図７の（Ａ）に示すように記録された位置情報を上記楔状のスペーサ２４Ａの傾き角度から高さのデータに変換し、図７の（Ｂ）に示すようにスケール信号振幅Ｒと高さ位置Ｚのデータテーブルを作成して補正テーブル６０として保存する。

上記補正テーブル６０の保存が完了したら、図６の（Ｂ）に示すように、上記楔状のスペーサ２４Ａの平均高さのスペーサ２４Ｂを挿入して螺子２６を締めて中心値に上記キャリッジ２５に設けられたヘッド部２０の高さを設定する。

そして、上記演算処理部３０は、この磁気スケール装置５０の実際の使用時に、スケール信号から算出される振幅Ｒを元に補正テーブル６０から高さデータを得て出力する。

ここで、上記演算処理部３０は、上記補正テーブル６０を用いずに、スケール信号から算出される振幅Ｒを元に高さデータを算出することもできる。

すなわち、この磁気スケール装置５０では、インクリメンタル信号検出ヘッドで検出されるインクリメンタル信号の大きさと、スケールとインクリメンタル信号検出ヘッド間の距離の関係を予め記録した補正テーブル６０を用いて、上記インクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、計測軸の計測方向の相対位置情報とともに、上記スケールとインクリメンタル信号検出ヘッド間の距離に応じた位置情報を生成する。

ここで、この磁気スケール装置５０において、スケール本体１０は記録媒体に磁気パターンが書き込まれた磁気スケールであって、上記記録媒体に書き込まれた磁気パターンを磁束の変化を検出する上記ヘッド部２０のアブソリュートパターン検出ヘッド２１及びインクリメンタル信号検出ヘッド２２Ａ_１，２２Ａ_２，２２Ｂ_１，２２Ｂ_２として、磁束密度の変化で抵抗値の変化するＭＲ素子を用いた。ＭＲセンサは、記録媒体の近傍を移動すると磁束の変化を受け抵抗値が変化する。上記ＭＲ素子として、トンネル磁気効果素子を用いることで、抵抗値変化が単調（指数関数的に減衰）でダイナミックレンジの大きい（抵抗変化として１００％程度まで）検出が可能である。

記録媒体から出る磁場Ｈは、次の（１１）式で示され、記録媒体からの距離Ｚと記録波長λで指数関数的に減衰していくため、波長が短くなると急速に小さくなる。

この（１１）式において、Ｉｍは磁化を示し、δは記録深さを示している。

この磁気スケール装置５０において、得られる絶対値Ｍコード信号とインクリメンタル信号の一例を図８に示すように、絶対値パターンはインクリメンタルの位置と同期して検出される。この例では、絶対値検出用の信号は、パターン毎に出力されるはデジタル信号で、インクリメンタル信号はパターンの集合から得られる正弦波信号である。絶対値Ｍコード信号は個別パターンで１ビットずつ検出を行うため、１ビットが欠けても正しい検出位置を得ることができない。これに対しインクリメンタルのパターンは多くのパターンを集積して一つの正弦波出力が得られるように形成され、例えば１つの磁気記録の欠けがあっても殆ど影響を受けずに正弦波パターンが出力される。

冗長度の低い絶対値信号を間違い無く取得するためには、充分な信号品質が必要になる。信号の角型比を良くするため、基本周波数だけでなく高調波成分も検出する必要があるため、ヘッドとメディアの間隔をインクリメンタル信号検出時よりも狭めるか、絶対値を得るための信号パターンのピッチをインクリメンタル信号のピッチよりも粗くしても良い。

また、スケールとなる記録媒体と検出ヘッドの間の距離が離れると検出信号は減少する。信号の減少は記録信号の波長が狭い程、すなわち分解能が高い程、減少が激しい。波長で規格化したスケール間距離とインクリメンタル信号出力の関係を図９に示す。

この図９において、実線は出力を示し、破線は信号を単純に正弦波として内挿した場合の内挿誤差を示す。このグラフから、概ね信号波長の約３分の２から信号波長までの区間に補正範囲が入る様にセンサを設置すると正弦波出力に近い信号が得られ、且つ、センサヘッドと記録材料間の距離に概ねリニアに変化することが解る。この出力変化の直線性は良いとは言えないが、スケールの処理回路が直線性の補正機能を有していれば、精度良く変位の検出ができる。（１１）式と異なり、実験データでは近接側で出力が落ちるが、これは検出素子が高調波成分を打ち消す様にパターン形成してあるためで、実際に記録されている信号が正弦波でなく矩形波になると基本波の信号振幅は落ちる。

この図９において、実線は出力を示し、破線は信号を単純に正弦波として内挿した場合の内挿誤差を示す。このグラフから、概ね信号波長の約３分の２から信号波長までの区間に補正範囲が入る様にセンサを設置すると正弦波出力に近い信号が得られ、且つ、センサヘッドと記録材料間の距離に概ねリニアに変化することが解る。この出力変化の直線性は良いとは言えないが、スケールの処理回路が直線性の補正機能を有していれば、精度良く変位の検出ができる。前記直線性の補正機能とは、例えば信号出力とヘッドと記録材料間の距離を記載した補正テーブルであり、また例えば、下記に示す関係式を用いて、信号出力からヘッドと記録材料間の距離を算出する補正機能である。

（１２）式において、Ｃ_１〜Ｃ_３は定数，Ｚはヘッドと記録材料間の距離を，Ｖは信号出力を表す。（１１）式と異なり、実験データでは近接側で出力が落ちるが、これは検出素子が高調波成分を打ち消す様にパターン形成してあるためで、実際に記録されている信号が正弦波でなく矩形波になると基本波の信号振幅は落ちる。

ここで、テーブルの補正範囲をＰ−Ｐ１００μｍとし、取り付けの誤差を同様にＰ−Ｐ１００μｍをすると、リニアリティの補正も含めて使用できるセンサヘッドと記録媒体間の距離は信号波長の４分の１である事から信号波長を８００μｍにすればこのような計測が可能となる。

また、一般に信号波長が大きくなると信号の分解能と内挿誤差と呼ばれる信号は長内の直線性が悪くなる。分解能を左右するのは主にノイズレベルであり、信号波長が長くなると一分解能に対する信号変化量が小さくなるためにノイズが増加する。電気的に内挿数を増加させることは簡単であるがＳ／Ｎが悪ければ停止時ジッタが増加して高い分解能の意味がない。信号波長が長い場合、信号周波数帯域が低いため、データ遅延を考慮した適度なローパスフィルターを使ってＳ／Ｎを向上させることが可能である。現在主要の工作機械では、１０ｎｍの以上の分解能が要求されており、８００μｍの信号波長の場合には、２^１７分割のインターポレータを使用すると約６ｎｍの分解能が得られる。このインターポレーション数は高分解能のＡＤコンバータを用いることとオーバーサンプリング等の技術を使用することで実現可能である。

一方、工作機械において、短区間の直線性が悪いと加工面が滑らかでなく、波長毎もしくは波長の整数分の１の周期で縞目が表れる。縞目が現れるかどうかは、工具の状態と加工物の硬度と切削角度等にもよるが、光学部品の切削加工を行う場合を除き、一般の工作機械では０，５μｍ以下の非直線性（内挿誤差）が望ましい。本目的で使用するスケールの波長が、８００μｍの場合で波長の１／２０００の精度で内挿を行う必要がある。図１０に試作したスケールの内挿精度の例を示す。この例では内挿誤差補正を自動的に行い、波長８００μｍのスケールで０．４μｍの内挿誤差が得られた。

ここで、磁気スケールは、環境の悪い機械の機構部分や、加工部分に近いアッベの誤差を低減できる位置に装着することが可能となる。また、磁気スケールの場合には、機械に装着した状態で記録を行うことができ、加工点での精度データをリファレンスとして記録を補正することにより、組み立て時の誤差等を補正することが可能となる。このスケールの場合、スケールの取り付けの後に記録と精度測定を行うためスケールの取り付けによる誤差が発生しない。よって、通常工作機械で用いられる、剛性の高い筐体内蔵型のスケールではなく。テープ状の安価なスケールを使うこともできる。

上記スケール本体１０への磁気スケールの記録方法と精度測定方法を図１１及び図１２に示す。

すなわち、図に示すように、加工点付近に設置したレーザ干渉計もしくは、リファレンススケールの計測値を基準にし、記録前のスケール本体１０に記録用磁気ヘッド２２０を使用して記録を行う。この例では、記録時と精度測定時に別のリファレンススケールを使用しており、記録時は被記録スケール本体１０の両側に設けられた２本のリファレンススケール２３０Ａ，２３０Ｂでアッベ誤差を補正して記録を行い、図１２に示すように、精度測定時には、工作機械１００の加工の中心点に近い場所にリファレンススケール２３０Ｃを設置している。計測地点とスケール本体１０の取り付け位置の間の距離はアッベの誤差を生むが、ステージ１１１の動きの再現性があれば、誤差は再現するため補正できる。また、記録用磁気ヘッド２２０が、ステージ１１１のベッドを取り付けた後に取り付け記録可能であって、記録後に外すことが可能であれば、最初から精度測定時と同様に工作機械１１１の加工中心にあるリファレンススケール２３０Ｃで記録可能であり、この場合、機械の運動誤差の一部は予め補正して記録できる。又、近年は高容量のメモリが安価で使用できるため、外部の装置で簡単に記録したテープ状のスケールを機械に貼付け、工作機械１００上で精密な精度測定を行なって精密に補正してもよい。

上記磁気スケール装置５０は、例えば図１３に示すような構成の工作機械１００におけるＸＹステージ装置１１０に適用される。

この工作機械１００は、例えば基台１０１に設けられた多軸ステージ装置１１０上に載置されるワーク１０２を垂直方向（Ｚ軸方向）に可能な工具１０３により加工するものである。

上記多軸ステージ装置１１０は、水平面上で互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能に設けられたＸＹステージ装置であって、上記基台１０１でＸ軸方向に移動自在に設けられたＹステージ１１１Ｙと、このＹステージ１１１Ｙ上でＸ軸方向に移動自在に設けられたＸステージ１１１Ｘからなる。

そして、この工作機械１００では、図１４に示すように、上記Ｘステージ１１１ＸのＸ軸方向の変位を検出するＸ軸スケール装置５０Ｘと、上記Ｙステージ１１１ＹのＹ軸方向の変位を検出するＹ軸スケール装置５０Ｙ、上記工具１０３のＺ軸方向の変位を検出するＺ軸スケール装置５０Ｚが設けられている。

上記Ｘ軸スケール装置５０Ｘ、Ｙ軸スケール装置５０Ｙ、Ｚ軸スケール装置５０Ｚには、それぞれ如きスケール本体１０とヘッド部２０と演算処理部３０からなる磁気スケール装置５０が用いられている。

すなわち、この工作機械１００において、上記Ｙ軸スケール装置５０Ｙは、そのスケール本体１０ＹがＹ軸方向を長手方向して上記基台１０１に設置され、該基台１０１上でＹ軸方向に移動される上記Ｙ軸ステージ１１１Ｙにヘッド部２０Ｙが設けられている。

また、上記Ｘ軸スケール装置５０Ｘは、そのスケール本体１０ＸがＹ軸方向を長手方向して上記Ｙステージ１１１Ｙに設置され、該Ｙステージ１１１Ｙ上でＸ軸方向に移動される上記Ｘステージ１１１Ｘにヘッド部２０Ｘが設けられている。

さらに、上記Ｚ軸スケール装置５０Ｚは、そのスケール本体１０ＺがＺ軸方向を長手方向して上記基台１０１に設けられた支柱部１０４に設置され、該支柱部１０４に沿ってＺ軸方向に移動される上記工具１０３の装着ブロックにヘッド部２０Ｚが設けられている。

そして、図１５に示すように、上記Ｘ軸スケール装置５０Ｘ、Ｙ軸スケール装置５０Ｙ、Ｚ軸スケール装置５０Ｚの各演算処理部３０Ｘ，３０Ｙ，３０Ｚは、それぞれ各主移動軸上の絶対位置および相対位置を示す位置情報、主移動軸と直交する水平方向への平行移動量情報、主移動軸と直交する垂直方向への平行移動量情報、アジマス方向の回転角情報、ピッチング方向の回転角度情報、ローリング方向の回転角度情報を補完演算処理部４０に供給するようになっている。

すなわち、上記Ｘ軸演算処理部３０Ｘは、上記ヘッド部２０Ｘにより上記スケール本体１０Ｘから検出された検出出力に基づいて、Ｘ軸上の絶対位置と相対位置を示す位置情報Ｘｘ、Ｘ軸と直交する水平方向すなわちＹ軸方向への平行移動量情報Ｘｙ、Ｘ軸と直交する垂直方向すなわちＺ軸方向への平行移動量情報Ｘｚ、Ｘ軸アオリすなわちＹ軸回り方向の回転角情報ＸＲｙ、Ｘ軸アジマスすなわちＺ軸回り方向の回転角度情報ＸＲｚ、Ｘ軸ローリングすなわちＸ軸回り方向の回転角度情報ＸＲｘを生成して上記補完演算処理部４０に供給する。

また、上記Ｙ軸演算処理部３０Ｙは、上記ヘッド部２０Ｙにより上記スケール本体１０Ｙから検出された検出出力に基づいて、Ｙ軸上の絶対位置と相対位置を示す位置情報Ｙｙ、Ｙ軸と直交する水平方向すなわちＸ軸方向への平行移動量情報Ｙｘ、Ｙ軸と直交する垂直方向すなわちＺ軸方向への平行移動量情報Ｙｚ、Ｙ軸アオリすなわちＹ軸回り方向の回転角情報ＹＲｘ、Ｙ軸アジマスすなわちＺ軸回り回転角度情報ＹＲｚ、Ｙ軸ローリングすなわちＹ軸回り方向の回転角度情報ＹＲｙを生成して上記補完演算処理部４０に供給する。

さらに、上記Ｚ軸演算処理部３０Ｚは、上記ヘッド部２０Ｚにより上記スケール本体１０Ｚから検出された検出出力に基づいて、Ｚ軸上の絶対位置と相対位置を示す位置情報Ｚｚ、Ｚ軸と直交するＸ軸への平行移動量情報Ｚｘ、Ｚ軸とＹ方向への平行移動量情報Ｚｙ、Ｚ軸アオリすなわちＸ軸回り方向の回転角情報ＺＲｘ、Ｚ軸アジマスすなわちＹ軸回り方向の回転角度情報ＺＲｙ、Ｚ軸ローリングすなわちＺ軸回り方向の回転角度情報ＺＲｚを生成して上記補完演算処理部４０に供給する。

そして、上記補完演算処理部４０は、上記各演算処理部３０Ｘ，３０Ｙ，３０Ｚから供給される各種情報に基づいて、上記工作機械１００における多軸ステージ装置１１０上の３次元（ＸＹＺ）空間中の位置情報Ｘ・Ｙ・Ｚの補完演算処理を次のように行い、各軸のスケール本体１０Ｘ，１０Ｙ，１０Ｚから得られる位置データを補完しあって位置情報を得る。

Ｙ＝Ｘｘ＋Ｙｘ＋Ｚｘ＋Ｌｘ・ＸＲｚ＋Ｙｙ・ＹＲｚ＋Ｚｚ・ＺＲｙ

Ｘ＝Ｙｙ＋Ｘｙ＋Ｚｙ＋Ｌｙ・ＹＲｚ＋Ｘｘ・ＸＲｚ＋Ｚｚ・ＺＲｘ

Ｚ＝Ｚｚ＋Ｘｚ＋Ｙｚ＋Ｌｘ・ＸＲｘ＋Ｌｙ・ＹＲｙ＋Ｘｘ・ＸＲｙ＋Ｙｙ・ＹＲｘ

ここで、Ｌｘ，Ｌｙは、ステージ中心からスケールまでの距離である。なお、Ｚ軸はインライン取り付けを仮定している。

これらの補正を３軸に対して行い、補正を行えば工作機械１００の精度を向上させることができる。また、常時補正を行うことで、工作機械１００の状態変化をモニターできるメリットがあり、工作機械の精度のモニターが可能となる。

ここで、この工作機械１００では、上記各演算処理部３０Ｘ，３０Ｙ，３０Ｚは、上記各軸のスケール本体１０Ｘ，１０Ｙ，１０Ｚから得られる位置データの内、当該測定軸以外の変位が予め設定された値Ｄを超えた場合にアラームを発生する。

ここで、上記スケール装置５０では、計測軸の計測方向の相対位置情報を生成するとともに、上記計測方向と直交する方向への平行移動量情報とアジマス方向の回転角度情報を生成するものとしたので、ヘッド部２０は、少なくともインクリメンタルトラック１２Ａ，１２Ｂからインクリメンタル信号を検出する３個以上（この例では４個）のインクリメンタル信号検出ヘッド２２Ａ_１，２２Ａ_２，２２Ｂ_１，２２Ｂ_２を有するものとしたが、アジマス方向の回転角度情報を必要としない用途に使用する場合には、各トラック用にそれぞれ１個のインクリメンタル信号検出ヘッドを備えるものとすることができる。

すなわち、本発明に係るスケール装置は、少なくとも２つのインクリメンタルトラックを有するスケール本体と、上記インクリメンタルトラックからインクリメンタル信号を検出する２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、上記計測方向と直交する方向への平行移動量情報の生成を行う演算処理部とを備えるものとすることができる。

また、上記スケール装置５０では、切削油や切り屑などが存在する劣悪な環境での計測を可能にするために、磁気記録したアブソリュートトラック１１とインクリメンタルトラック１２Ａ，１２Ｂと有するスケール本体１０から、上記ヘッド部２０のアブソリュートパターン検出ヘッド２１及びインクリメンタル信号検出ヘッド２２Ａ_１，２２Ａ_２，２２Ｂ_１，２２Ｂ_２により記録媒体に書き込まれた磁気パターンの磁束の変化を検出するようにしたが、原理的に、光学式、磁気式、静電容量式、電磁誘導式のいずれの検出方式を採用しても良い。ただし、Ｚ方向における情報を得るには、Ｚ方向変位に対して変化があり、その変化も単調であることが望ましい。磁気式、静電容量式、電磁誘導式は、変化が単調であるので好適である。さらに、磁気式でもトンネル磁気効果素子を検出ヘッドに用いることで、単調（指数関数的に減衰）でダイナミックレンジの大きい（抵抗変化として１００％程度まで）検出が可能である。

また、上記スケール装置５０では、スケール本体１０に対して上記ヘッド部２０が主移動軸方向に直線的に相対移動するものとしたが、計測軸の計測方向の相対位置情報を生成するとともに、上記計測方向と直交する方向への平行移動量情報とアジマス方向の回転角度情報も得ることができるので、スケール本体１０とヘッド部２０との相対移動方向は直線的でなく、任意の方向への変化を含む、例えば、図１９、図２０に示すスケール装置３００のように直線スケールに対してヘッド部を振り子状に相対移動させる構造とすることもできる。

図１９は本発明を適用したスケール装置３００の斜視図であり、図２０は、上記スケール装置３００のＡＡ’断面図である。

このスケール装置３００は、支軸３１２の上端部に設けられた傾斜板３１４の傾斜位置を検出する位置検出装置に本発明を適用したものである。

上記支軸３１２は、ベース基板３１０に設置された支持台３１１に設けられた球面軸受３１３により揺動自在に支持されており、その下端部に設けられた取付板３１５を備える。

上記ベース基板３１０には、アブソリュートパターンを磁気記録したアブソリュートトラック３２１と、このアブソリュートトラック３２１の両側にインクリメンタル信号パターンを計測方向に対し４５度逆方向に傾けて磁気記録したインクリメンタルトラック３２２Ａ，３２２Ｂが設けられている。

上記支持台３１１は、上記アブソリュートトラック３２１とインクリメンタルトラック３２２Ａ，３２２Ｂを跨ぐように上記ベース基板３１０に設置されている。

上記支持台３１１に設けられた球面軸受３１３により支持された支軸３１２の上端部に設けられた傾斜板３１４は、１つの支点すなわち上記球面軸受３１３により揺動自在に支持されており、任意の傾斜姿勢状態をとることができるようになっている。

また、上記支持台３１１に設けられた球面軸受３１３により支持された支軸３１２の下端部に設けられた支持板３１５は、１つの支点すなわち上記球面軸受３１３により揺動自在に支持されており、上記傾斜板３１４の任意の傾斜姿勢状態に対応する任意の傾斜姿勢状態をとることができるようになっている。

そして、上記インクリメンタルトラック３２２Ａ，３２２Ｂからインクリメンタル信号を検出する４つの検出ヘッド３３１Ａ１，３３１Ａ２，３３１Ｂ１，３３１Ｂ１が上記支持板３１５の下面の四隅に配設されている。

このスケール装置３００では、１つの支点すなわち球面軸受３１３により揺動自在に支持され、傾斜板３１４の傾斜姿勢状態の変化に応じて、振り子状に稼働される上記検出ヘッド３３１Ａ１，３３１Ａ２，３３１Ｂ１，３３１Ｂ１により上記インクリメンタルトラック３２２Ａ，３２２Ｂから相対位置情報、すなわち、計測軸の計測方向の相対位置情報と上記計測方向と直交する方向への平行移動量情報とアジマス方向の回転角度情報等に基づいて、上記磁気スケール装置５０における演算処理部３０により、傾斜板３１４の傾斜姿勢状態を示す位置情報を得ることができる。

このスケール装置３００を備える位置検出装置は、例えば上記傾斜板３１４にミラーが装着され、上記スケール装置３００により得られる位置情報に基づいて、上記ミラーによる光りの反射方向を制御モータなどで変更・制御するミラー制御機構を構成する。このようなミラー制御機構は、例えば、反射望遠鏡の個々のミラー制御などをはじめ各種のミラー制御機器で用いることができる。

１０，１０Ｘ，１０Ｙ，１０Ｚ スケール本体、１１ アブソリュートトラック、１２Ａ，１２Ｂ インクリメンタルトラック、２０，２０Ｘ，２０Ｙ，２０Ｚ ヘッド部、２１ アブソリュートパターン検出ヘッド、２２Ａ１，２２Ａ２，２２Ｂ１，２２Ｂ２ インクリメンタル信号検出ヘッド、２４Ａ，２４Ｂ スペーサ、３０，３０Ｘ，３０Ｙ，３０Ｚ 演算処理部、３０Ａ，３０Ｂ ＡＤコンバータ、３０Ｃ ピタゴラス演算器、３０Ｄ 微分器、３０Ｅ 積分器、３１，３１Ａ，３１Ｂ 計測方向相対位置情報生成部、３２ 絶対位置情報生成部、３３，３３Ａ，３３Ｂ，３５，３５Ａ，３５Ｂ，３６Ａ，３６Ｂ 高さ位置情報生成部、３７ アオリ方向回転角度・高さ平均情報生成部、３８ ローリング方向回転角度情報生成部、３９ 平行移動とアジマス方向回転角度情報生成部、５０ 磁気スケール装置、５０Ｘ Ｘ軸スケール装置、５０Ｙ Ｙ軸スケール装置、５０Ｚ Ｚ軸スケール装置、６０ 補正テーブル、１０１ 基台、１０２ ワーク、１０３ 工具、１０４ 支柱部、１１０ ＸＹステージ装置、１１１ ステージ、１１１Ｘ Ｘステージ、１１１Ｙ Ｙステージ、２３０Ａ，２３０Ｂ，２３０Ｃ リファレンススケール、
３００ スケール装置、３１０ ベース基板、３１１ 支持台、３１２ 支軸、３１３ 球面軸受、３１４ 傾斜板、３１５ 取付板、３２１，３２２，３２３ スケール、３３１ アブソリュートパターン検出ヘッド、３３２，３３２Ｂ_１，３３Ｂ_２ インクリメンタル信号検出ヘッド

Claims (28)

1. Ｘ方向を計測軸としてＸＹ平面に設けられた２つのインクリメンタルトラックを有するスケール本体と、
   上記２つのインクリメンタルトラックからインクリメンタル信号を検出する２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドと、
   上記２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、計測軸の計測方向の相対位置情報と、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の方向のうちのＸ軸方向を上記計測軸の計測方向として、Ｘ軸及びＺ軸の各軸方向への平行移動情報又はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向への平行移動情報の生成を行う演算処理部と
   を備えることを特徴とするスケール装置。
2. 上記インクリメンタル信号検出ヘッドを少なくとも３個備え、
   上記演算処理部は、上記少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、上記Ｘ軸及びＺ軸の各軸方向への平行移動情報と、Ｙ軸方向への平行移動情報又はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸回りの回転角度情報の少なくとも１つの情報とを生成することを特徴とする請求項１に記載のスケール装置。
3. 上記スケール本体は、上記２つのインクリメンタルトラックが磁気記録媒体に磁気記録された磁気スケールであり、
   上記インクリメンタル信号検出ヘッドは、磁気検出ヘッドであることを特徴とする請求項１又は請求項２の何れか１項に記載のスケール装置。
4. 上記磁気検出ヘッドは、トンネル磁気効果素子であることを特徴とする請求項３に記載のスケール装置。
5. １つの支点により上記インクリメンタル信号検出ヘッドを揺動自在に支持する支持機構を備え、
   上記インクリメンタル信号検出ヘッドが振り子状に稼働されること特徴とする請求項１記載のスケール装置。
6. 上記スケール本体は、アブソリュートパターンを記録したアブソリュートトラックと、
   上記アブソリュートトラックの両側にインクリメンタル信号パターンを計測方向に対し傾けて記録したインクリメンタルトラックとを有し、
   上記スケール本体のアブソリュートトラックからアブソリュートパターンを検出する一つのアブソリュートパターン検出ヘッドと少なくとも上記インクリメンタルトラックからインクリメンタル信号を検出する少なくとも２個のインクリメンタル信号検出ヘッドを備え、
   上記演算処理部は、上記アブソリュートパターン検出ヘッドによる検出出力に基づいて絶対位置情報を生成するとともに、上記アブソリュートトラックを挟んで設けられた２つのインクリメンタルトラック上に位置する少なくとも２個のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、計測軸の計測方向の相対位置情報と、上記計測方向と直交する方向への平行移動量情報の生成を行うことを特徴とする請求項１記載のスケール装置。
7. 上記インクリメンタル信号検出ヘッドを少なくとも３個備え、
   上記演算処理部は、上記インクリメンタルトラック上の計測軸の計測方向に離れて位置する２つのインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、上記計測方向と直交する方向への平行移動量情報とアジマス方向の回転角度情報の生成を行うことを特徴とする請求項６記載のスケール装置。
8. 上記演算処理部は、さらに、上記少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドとスケール本体間の距離を上記インクリメンタル信号検出ヘッドにより検出される信号の大きさから算出し、Ｚ方向の平行移動量情報とアオリ角度情報を生成することを特徴とする請求項７記載のスケール装置。
9. 上記演算処理部は、上記少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力のスケールヘッド間距離の変化に対する変化を予め記録した補正テーブルを有することを特徴とする請求項７記載のスケール装置。
10. 上記スケール本体は、上記２つのインクリメンタルトラックが磁気記録媒体に磁気記録された磁気スケールであり、
    上記インクリメンタル信号検出ヘッドは、磁気検出ヘッドであり、
    被測定装置に設置後に、上記少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力のスケールヘッド間距離の変化に対する変化情報を測定する測定手段と、該測定手段により得られた変化情報に基づく補正データを補正テーブルに書き込む補正データ記録手段を有することを特徴とする請求項２記載のスケール装置。
11. 上記スケール本体は、アブソリュートパターン及びインクリメンタル信号パターンが磁気記録媒体に磁気記録された磁気スケールであり、
    上記アブソリュートパターン検出ヘッド及びインクリメンタル信号検出ヘッドは、磁気検出ヘッドであることを特徴とする請求項６乃至請求項９の何れか１項に記載のスケール装置。
12. 上記インクリメンタルトラックは、上記アブソリュートトラックの両側にインクリメンタル信号パターンを計測方向に対し４５度逆方向に傾けて磁気的に記録したことを特徴とする請求項１１記載のスケール装置。
13. 上記磁気検出ヘッドは、トンネル磁気効果素子であることを特徴とする請求項１１に記載のスケール装置。
14. アブソリュートパターンを記録したアブソリュートトラックと、上記アブソリュートトラックの両側にインクリメンタル信号パターンを計測方向に対し４５度逆方向に傾けて記録した２つのインクリメンタルトラックとを同一平面上に有するスケール本体を各軸に備え、
    演算処理部により、各軸のスケール本体のアブソリュートトラックからアブソリュートパターンを検出するアブソリュートパターン検出ヘッドによる検出出力に基づいて絶対位置情報を生成するとともに、上記インクリメンタルトラックから２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドによりインクリメンタル信号を検出して、上記アブソリュートトラックを挟んで設けられた２つのインクリメンタルトラック上に位置する２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、計測軸の計測方向の相対位置情報と、上記計測軸の計測方向及び該計測方向と直交する方向の２軸方向への平行移動情報又は上記計測軸の計測方向及び該計測方向と互いに直交する方向の３軸方向への平行移動情報の生成を行い、
    各軸のスケール本体から得られる位置データを補完しあって位置情報を得ることを特徴とする多軸ステージ装置。
15. ＸＹステージに上記スケール本体を２本以上取り付け、各軸のスケール本体から得られる位置データを補完しあって位置情報を得ることを特徴とする請求項１４記載の多軸ステージ装置。
16. ＸＹＺステージに上記スケール本体を３本以上取り付け、各軸のスケール本体から得られる位置データを補完しあって位置情報を得ることを特徴とする請求項１４記載の多軸ステージ装置。
17. 上記各軸のスケール本体から得られる位置データの内、上記計測軸以外の変位が予め設定された値を超えた場合にアラームを発生するアラーム発生手段を備えることを特徴とする請求項１４乃至請求項１６の何れか１項に記載の多軸ステージ装置。
18. 上記インクリメンタル信号検出ヘッドを３個以上備え、
    上記演算処理部は、上記３個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向の移動量情報と各軸回りの回転角度情報を生成することを特徴とする請求項１４に記載の多軸ステージ装置。
19. 上記インクリメンタル信号検出ヘッドを少なくとも３個備え、
    上記演算処理部は、上記インクリメンタルトラック上の計測軸の計測方向に離れて位置する２つのインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、上記計測方向と直交する方向への平行移動量情報とアジマス方向の回転角度情報の生成を行い、
    各軸のスケール本体から得られる位置データを補完しあって位置情報を得ることを特徴とする請求項１４記載の多軸ステージ装置。
20. 上記スケール本体は、上記アブソリュートパターンを記録したアブソリュートトラックと上記２つのインクリメンタルトラックが磁気記録媒体に磁気記録された磁気スケールであり、
    上記インクリメンタル信号検出ヘッドは、磁気検出ヘッドであることを特徴とする請求項１８又は請求項１９の何れか１項に記載の多軸ステージ装置。
21. 上記磁気検出ヘッドは、トンネル磁気効果素子であることを特徴とする請求項２０に記載の多軸ステージ装置。
22. Ｘ方向を計測軸としてＸＹ平面に設けられた２つのインクリメンタルパターンを記録したインクリメンタルトラックを有するスケール本体と、
    上記２つのインクリメンタルパターンを検出する２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドと、
    上記２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドで検出されるインクリメンタル信号の大きさと、上記スケール本体とインクリメンタル信号検出ヘッド間の距離の関係を予め記録した補正テーブルと、
    上記補正テーブルを用いて、上記２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、計測軸の計測方向の相対位置情報と、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の方向のうちのＸ軸方向を上記計測軸の計測方向として、Ｘ軸及びＺ軸の各軸方向への平行移動情報又はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向への平行移動情報の生成を行う演算処理部と
    を備えることを特徴としたスケール装置。
23. さらに、上記スケール本体とインクリメンタル信号検出ヘッド間の距離に対応した複数の上記インクリメンタル信号と計測方向への移動距離の関係を補正する補正テーブルを備えることを特徴とした請求項２２記載のスケール装置。
24. 少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力のスケールヘッド間距離の変化に対する変化を予め記録した補正テーブルを有し、
    上記補正テーブルを用いて、上記少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドとスケール本体間の距離を上記インクリメンタル信号検出ヘッドにより検出される信号の大きさから算出し、Ｚ方向の平行移動量情報とアオリ角度情報を生成することを特徴とする請求項２２記載のスケール装置。
25. 上記スケール本体は、上記インクリメンタルパターンが磁気記録媒体に磁気記録された磁気スケールであり、
    上記インクリメンタル信号検出ヘッドは、磁気検出ヘッドであることを特徴とする請求項２２乃至請求項２４の何れか１項に記載のスケール装置。
26. Ｘ方向を計測軸としてＸＹ平面に設けられた２つのインクリメンタルパターンを記録したインクリメンタルトラックを有するスケール本体と上記２つのインクリメンタルパターンを検出する２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドとからなるスケール装置における位置情報生成方法であって、
    上記２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドで検出されるインクリメンタル信号の大きさと、上記スケール本体とインクリメンタル信号検出ヘッド間の距離の関係を予め記録した補正テーブルを用いて、
    上記２個以上のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力に基づいて、計測軸の計測方向の相対位置情報と、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の方向のうちのＸ軸方向を上記計測軸の計測方向として、Ｘ軸及びＺ軸の各軸方向への平行移動情報又はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向への平行移動情報を生成することを特徴とする位置情報生成方法。
27. 少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドによる検出出力のスケールヘッド間距離の変化に対する変化を予め記録した補正テーブルを用いて、上記少なくとも３個のインクリメンタル信号検出ヘッドとスケール本体間の距離を上記インクリメンタル信号検出ヘッドにより検出される信号の大きさから算出し、Ｚ方向の平行移動量情報とアオリ角度情報を生成することを特徴とする請求項２６記載の位置情報生成方法。
28. 上記スケール本体は、上記インクリメンタルパターンが磁気記録媒体に磁気記録された磁気スケールであり、
    上記インクリメンタル信号検出ヘッドは、磁気検出ヘッドであることを特徴とする請求項２６又は請求項２７の何れか１項に記載の位置情報生成方法。