JPH07167678A

JPH07167678A - 高調波を含まない周期信号を発生する装置

Info

Publication number: JPH07167678A
Application number: JP6171292A
Authority: JP
Inventors: Andreas Franz; アンドレアス・フランツ; Wolfgang Holzapfel; ヴオルフガング・ホルツアプフエル
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1993-08-07
Filing date: 1994-07-22
Publication date: 1995-07-04
Also published as: EP0645607B1; DE4427080A1; EP0645607A1; DE59306689D1; US5583798A

Abstract

(57)【要約】【目的】乱れがある場合でも、高いフィルタ作用を与
え、形成された信号の位相角を殆ど変えない、高調波濾
波装置を提供する。【構成】走査目盛１８の格子線が周期的な測定目盛に
対して格子線のずれを有し、周期的な測定目盛を少なく
とも一つの非周期的な走査目盛１８で走査して生じる、
所定の帯域まで高調波を含まない信号を求め、格子線の
ずれの順が整列された配置順からずれている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、走査目盛の格子線が
周期的な測定目盛に対してずれを有し、周期的な測定目
盛を少なくとも一つの非周期的な走査目盛で走査して生
じる、所定の帯域まで高調波を含まない信号を得る装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の装置は相対運動する二つの物体
の長さの変化を測定するために必要である。その場合、
異なった物理検出原理が使用される。光電的、磁気的、
電磁誘導的および静電容量的な検出の間に相違がある。

【０００３】しかし、基本原理は全ての方法に共通す
る。つまり、周期的な測定目盛を走査し、その時に発生
する走査信号を測定信号として評価する。得られた走査
信号の周期は、目盛周期あるいは目盛ホルダーの目盛の
増分によって決まる。この増分は、光電測定装置の場
合、透光性の縞と非透光性の縞の幅によって形成され
る。走査ユニットと目盛ホルダーの測定目盛の間に相対
運動があると、走査された各増分から計数パルスが得ら
れ、符号に合わせて積算される。そして、加算値を測定
値として利用する。

【０００４】光電的、磁気的、電磁誘導的および静電容
量的な測定装置にあって、目盛ホルダーの目盛から得ら
れる周期的なアナログ信号は、普通純粋な正弦波形を有
していなく、例えば目盛に不正確さがあるため高調波を
含む。目盛の上記不正確さは、例えば透光性の縞と非透
光性の縞の間隔が異なっているため、あるいはこれ等の
縞のエッジが鋭利でないために生じる。得られたアナロ
グ信号に高調波が全く含まれないようにするには、目盛
の精度に高度の要求を設定する必要がある。各目盛周期
の正確な位置測定値を得るため、および分解能を更に高
めるため目盛の目盛周期を内挿値を使用して正確に分割
できるには、目盛から得られたアナログ信号に高調波を
含まれていない必要がある。例えばコンピュータを使用
する内挿値の形成は、ドイツ特許第 27 29 679号明細書
に開示されている。

【０００５】更に、当然高調波を必ず含む、三角形ある
いは台形状のアナログ信号を出力する測定装置も知られ
ている。ドイツ特許第 19 41 731号明細書により、目盛
ホルダーの目盛を走査して高調波を含まないアナログ信
号を得るため、正弦波形状の透過特性を有する周波数フ
ィルタ絞りを使用している光電測長装置が周知である。
この測定装置では、特別な周波数フィルタ絞りを作製し
て、組み込む必要がある。これに加えて、上記測定装置
は光電透過光測定原理に限定されている。この測定原理
では、周期的な明るさの変動に基づくストライプ系が所
謂バーニヤあるいはモアレ原理による形成される。

【０００６】高調波を含まない周期信号を得るため、ド
イツ特許第 32 39 108 C2 号明細書に、アナログ信号の
帯域幅（周波数あるいは波の数）を求めること、目盛の
目盛周期をその都度走査要素で走査すること、アナログ
信号の基本波のフーリエ係数を求めるため、走査要素か
ら出力された周期信号をフーリエ解析すること、および
位置測定値を求めるため高調波を含まない周期信号とし
てフーリエ係数を評価することを提唱している。

【０００７】数学的には等価であるが、構成上完全に異
なる高調波濾波方式は、例えばドイツ特許第 34 12 128
C1 号明細書により、所謂アークサイン走査として知ら
れている。第一格子を通過した後、強度分布が生じる
（シャドウ投影の格子像あるいはタルボット面での自己
結像）。この分布は、図３ａに模式的に示すように、可
変走査目盛の格子で走査される。これ等の多くの方法
（例えば、バーニヤフィルタ、バーニヤアークサインフ
ィルタ、多測定視野フィルタ）は特別な走査目盛に基づ
いている。この走査目盛の格子縞位置Ｘ_n（n : 格子縞
の指数) が正規位置n*Pに対してそれぞれ小さな値δ_n
ほでずれている。つまり、Ｘ_n＝ n*P＋δ_nである。こ
れ等のずれδ_nは付属する信号成分の位相のずれとな
り、全ての信号成分を重ねた場合、単独あるいは全ての
高調波を抑制するように選択される。この原理に基づく
高調波濾波の種々の方法はずれδ_nと格子縞の指数 nの
間で異なった機能依存性を有する。例えば、バーニヤフィルタで、 δ_n＝ n *α*P (α≪ 1）アークサインフィルタで、δ_n＝ P/2π*arcsin(n/N),
n＝−N ・・・＋N となる。

【０００８】これ等に共通することは、格子縞の指数 n
が増加すると共にずれδ_nが単調に増加または減少す
る。これは、互いにはなれた走査位置でより大きい位相
差を有する信号成分が生じることになる。それ故、相対
的に大きな走査範囲の信号成分が一様で、乱れなく重な
る場合にのみ、顕著なフィルタ効果が保証される。

【０００９】しかし、実際には、フィルタ作用に強い影
響を与える乱れが頻繁に生じる。つまり、 −走査目盛内での不均一な照明強度、 −平行にされていない（集束あるいは発散）光束で走査
目盛を照明すること、 −走査目盛あるいは測定目盛の局部的な欠陥、である。

【００１０】これ等の乱れはフィルタ作用のみに起因す
るのでなく、位相のずれた個々の成分から形成される信
号の位相角もずらし、そのため更に信号の良さも悪化さ
せる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、上
に述べた乱れがある場合でも、高いフィルタ作用を与
え、形成された信号の位相角を殆ど変えない、高調波濾
波装置をを提供することにある。

【００１２】

【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、走査目盛１８の格子線が周期的な測定目盛１４
に対してずれを有し、周期的な測定目盛１４を少なくと
も一つの非周期的な走査目盛１８で走査して生じる、所
定の帯域まで高調波を含まない信号を求め、格子線のず
れの順が整列された配置順からずれている装置によって
解決されている。

【００１３】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。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照し、実施例に基づきこの発
明をより詳しく説明する。図１には、測長装置の断面が
示してある。この装置のケース１は中空状にして図示し
ていない工作機械の固定台２にボルト３で固定されてい
る。工作機械の移動台４には連行体６を有する組立台５
が何らかの方法で固定されている。この連行体６は剣状
の先細り部分７を経由してスリット８を通過し、それ以
外では完全に閉じているケース１の中に突き出ている。
その場合、スリット８に設けてある弾性気密舌部９はケ
ース１の内部に汚染物質が侵入することを防止する。ケ
ース１の内面には、目盛板１０が弾性接着層１１により
取り付けてある。走査ユニット１２はローラ１３を介し
て目盛板１０に支持されている。移動台４の固定台２に
対する相対運動は、連行体６を介して走査ユニット１２
に伝達される。

【００１５】図２を参照すると、目盛板１０の目盛１４
を走査するため、走査ユニット１２の中に、光源１５，
集光レンズ１６，目盛１８を備えた走査板１７および光
電素子１９が配置されている。光源１５から出た光は集
光レンズ１６で平行にされ、目盛板１０の目盛１４と走
査板１７の目盛１８を通過し、最後に光電素子１９に入
射する。固定された目盛板１０に対して走査板１７を有
する走査ユニット１２が測定方向Ｘに移動すると、光は
目盛１４と１８により変調を受ける。その結果、光電素
子１９は周期的なアナログ電気信号 S(X) を出力する。
この電気信号は評価され、計数され、位置測定値として
デジタル値にして表示される。

【００１６】光電素子１９から出力された周期アナログ
信号 S(X) は、通常、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
数列で表示される。

【００１７】既に述べたドイツ特許第 34 12 128 C1 号
明細書によるアークサイン関数に従う高調波の抑制に
は、図３ａに示すような非周期走査目盛１８が必要であ
る。個々の目盛マーク（格子線）n (n＝−N 〜＋N)は付
属する周期的な測定目盛の公称位置に対して測定方向Ｘ
に小さい値δ_nほどそれぞれずれている。それは、 δ_n＝ P/2π* arcsin(n/N) となる。これ等の非周期走査目盛１８によって高調波を
抑制できる。

【００１８】格子線のずれδ_nは上の与えた関数に従っ
て算定され、それ故「整列された」順を形成する。二つ
の任意の格子線のずれδ_nとδ_mが入れ代わった場合、
フィルタ作用は不変である。δ_n−＞δ_m，δ_m−＞δ
_n。この発明による走査目盛１８は図３ｂにより、格子
線のずれの順序を混ぜ合わせて形成される。その場合、
フィルタ作用が得られる。何故なら、フィルタ作用は格
子線のずれの並び順に無関係な格子線のずれの頻度分布
に起因しているからである。このような走査目盛１８は
隣合った狭い走査位置に関して比較的大きい位相差の信
号成分を与える。それ故、実際に生じる乱れは位相のず
れた個々の信号成分に一様に影響を与える。従って、フ
ィルタ作用が得られる。このような乱れは形成された信
号の位相角に何らずれをあたえない。

【００１９】格子線のずれを「混ぜ合わせる」ことを、
格子線のずれの原理に基づく全ての濾波方法（少なくと
も上に述べた全ての濾波方法）に持ち込める。この混ぜ
合わせは統計的に行える。しかし、この混ぜ合わせは、
走査目盛の任意の部分領域内の格子線のずれが、格子線
のずれの元の整列順内でできる限り一様に分布した位置
に相当することが保証される限り、決定論的な規則でも
行える。

【００２０】この発明の枠内で、格子線のずれの順序の
みを混ぜ合わせるだけでなく、格子線の位置も統計的あ
るいは擬似統計的な方法で直接求めることができる。格
子線に一定のずれを付属させる分布関数、つまり確率
は、その場合、適当に選択する必要がある。何故なら、
この分布関数は走査目盛の濾波作用を決めるからであ
る。例えば、長方形ないしは余弦状の分布関数が有利で
ある。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明により得
られる利点は、特に、周知の位置測定装置の従来の手段
に変更を加えるだけで、高調波を含まない信号を簡単に
得ることができ、周波数フィルタ絞りのような付加的な
要素を必要としなく、目盛の精度に関して特別な要請を
設定する必要がない点にある。

【図面の簡単な説明】

【図１】測長装置の断面図である。

【図２】光電測長装置の走査ユニットの模式断面図であ
る。

【図３】濾波作用を有する従来の技術による走査目盛
（ａ）とこの発明による走査目盛（ｂ）の平面図であ
る。

【符号の説明】

１ケース２固定台３ボルト４移動台５組立台６連行体７剣状の先細り部８スリット９気密舌部１０目盛板１１接着層１２走査ユニット１３ローラ１４測定目盛１５光源１６集光レンズ１７走査板１８走査目盛１９光電素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アンドレアス・フランツドイツ連邦共和国、83308 トロストベルク、ヘルツオーク−ルートウイッヒ−ストラーセ、31 (72)発明者ヴオルフガング・ホルツアプフエルドイツ連邦共和国、83119 オービング、ブルーメンストラーセ、24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】走査目盛（１８）の格子線が周期的な測
定目盛（１４）に対してずれを有し、周期的な測定目盛
（１４）を少なくとも一つの非周期的な走査目盛（１
８）で走査して生じる、所定の帯域まで高調波を含まな
い信号を得る装置において、格子線のずれの順が整列さ
れた配置順からずれていることを特徴とする装置。
【請求項２】格子線（ｎ）は互いに等しい幅を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】格子線のずれの不均一な順は混ぜ合わせ
ることにより整列された順から決定されることを特徴と
する請求項１に記載の装置。
【請求項４】混ぜ合わせは統計的あるいは擬似統計的
に行われることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】格子線のずれの不規則な順は直接予め指
定されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】格子線のずれの頻度分布は長方形あるい
は正弦波形状を呈することを特徴とする請求項１〜５の
何れか１項に記載の装置。
【請求項７】少なくとも 10 の格子線 (n)の任意の部
分領域の平均格子線のずれは平均格子線間隔の 1/4より
小さいことを特徴とする請求項１に記載の装置。