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JPH112515A - 位置測定装置および位置測定装置を駆動する方法 - Google Patents

位置測定装置および位置測定装置を駆動する方法

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Publication number
JPH112515A
JPH112515A JP10102944A JP10294498A JPH112515A JP H112515 A JPH112515 A JP H112515A JP 10102944 A JP10102944 A JP 10102944A JP 10294498 A JP10294498 A JP 10294498A JP H112515 A JPH112515 A JP H112515A
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unit
signal
signal period
measuring device
cos
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JP10102944A
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ライナー・ハグル
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マテイアス・ハウスシユミット
Erwin Spanner
エルヴイン・シユパンナー
Juergen Thiel
ユルゲン・テイール
Johann Streitwieser
ヨハン・ストライトヴイーザー
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Dr Johannes Heidenhain GmbH
Original Assignee
Dr Johannes Heidenhain GmbH
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【解決手段】目盛板の目盛２とこれに対して移動する走
査ユニット３を有する。位置測定装置１で生じ、目盛板
走査により発生するアナログ増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳ
は、信号周期可変ユニット６に導入される。この信号周
期可変ユニット６により、望むあるいは必要な信号周期
ないしは信号周波数に応じて、アナログ走査信号の信号
周期を一定に可変できる。修正されたアナログ増分信号
ＳＩＮ′，ＣＯＳ′は信号伝送導線７ａ，７ｂを介して
更なる処理のために後置されている評価ユニット４に伝
送される。 【効果】この発明による位置測定装置および位置測定装
置を動作させる方法を用いると、信号周期が短い高分解
能の位置測定装置を用いる時に処理速度の問題を排除で
きる。また、位置測定装置の分解能に関して速度に依存
する種々の要請を満たすことができる。更に、測定距離
が長かったり測定時間が長くても、できる限り誤差の少
ない測定動作が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、位置測定装置、
および位置測定装置を操作する方法に関する。特に、こ
の発明による処置は増分式位置測定装置に関連して有利
に使用できる。
【０００２】
【従来の技術】周知の増分式位置測定装置により、既に
デジタル化されているか、あるいは矩形波状の増分信号
を伝送することの外に、正弦波状のアナログ増分信号を
後続する評価ユニットに伝送することもできる。この場
合、アナログ増分信号は種々の方法で発生させることが
できる。例えば、部材で形成されている測定目盛を光
学、磁気、誘導あるいは容量的に走査して発生させるこ
とができる。この外、位置に依存するアナログ増分信号
は干渉計でも発生させることができる。この場合、部材
による目盛板構造体の代わりに、光の波長あるいはその
分割部分が目盛の基準を形成する。例えばマイクロ波、
音響波等を使用した場合、他の波の分割部分を目盛の基
準として使用することも基本的に考えられる。
【０００３】アナログ増分信号の伝送を行う場合には、
先ず評価ユニット側で、信号の更なる処理、例えば内挿
により信号の更なる分割が行われる。アナログ増分信号
をその時の位置測定装置から評価ユニットに伝送する
と、例えば測定過程を同じに保っている場合、伝送周期
が小さく、測定過程が少ない場合、許容移動速度が比較
的高いような若干の利点が生じる。
【０００４】分解能が高く、それに応じて信号周期が短
い位置測定装置、例えばレーザー干渉計あるいは干渉で
動作する光学位置測定装置を使用すると、アナログ増分
信号を伝送する時に一連の問題が生じる。例えば、この
種の位置測定装置の信号周期が約 0.5μm の範囲にあれ
ば、比較的遅い 1 m/secの移動速度で既に約 2 MHzの程
度のアナログ増分信号の高い信号周波数が生じる。しか
し、この種の周波数の高いアナログ増分信号をどの評価
ユニットも処理できるわけではない。更に、周波数の高
い増分信号を遠距離にわたりできる限り乱れのない状態
で伝送する場合、問題が生じる。信号伝送時に乱れがあ
る場合には、評価ユニットで位置決定時に誤差が生じ
る。つまり、特に分解能を高めるため評価ユニット側で
行われる信号の内挿では、位置測定装置の理想的で正弦
波の増分信号が前提条件となる。
【０００５】更に、応用が異なると、位置測定装置から
出力されるアナログ増分信号の分解能に関する時として
速度に依存する異なった要請が設定される。速度の早い
場合には通常位置測定に極端な精度が要求されないが、
相対速度が遅いと通常使用する位置測定装置のアナログ
増分信号の分解能に関してより高い要請が生じる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、一
方で信号周期が短い高分解能の位置測定装置を用いる時
に上記の問題を排除できる位置測定装置および位置測定
装置を動作させる方法を提供することにある。他方で、
位置測定装置の分解能に関して速度に依存する種々の要
請を満たす必要がある。更に、測定距離が長かったり測
定時間が長くても、できる限り誤差の少ない測定動作が
望ましい。
【０００７】
【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、相対運動する二つの物体の相対位置を測定する
位置測定装置にあって、相対運動する場合に前記位置測
定装置が少なくとも一対の位相のずれたアナログ増分信
号ＳＩＮ，ＣＯＳを出力し、信号周期可変ユニット６に
より後置されている評価ユニット４に伝送するアナログ
増分信号ＳＩＮ′，ＣＯＳ′の信号周期ＳＰを少なくと
も一つの信号周期の可変係数ｎほど規定通りに可変でき
ることによって解決されている。
【０００８】更に、上記の課題は、この発明により、相
対運動する二つの物体の相対位置を測定する位置測定装
置を操作する方法にあって、相対運動する場合に、前記
位置測定装置が少なくとも一対の位相のずれたアナログ
信号ＳＩＮ，ＣＯＳを出力し、信号周期可変ユニット６
により後置されている評価ユニット４に伝送するアナロ
グ増分信号ＳＩＮ′，ＣＯＳ′の信号周期ＳＰ′を少な
くとも一つの信号周期の可変係数ｎほど規定通りに可変
できることによって解決されている。
【０００９】この発明による位置測定装置およびこの発
明による方法を構成する有利な処置は特許請求の範囲の
各従属請求項の構成により実現される。
【００１０】
【発明の実施の形態】この発明によれば、位置測定装置
から後置されている評価ユニットへ伝送するアナログ出
力信号あるいは増分信号の信号周期あるいは信号周波数
を可変できる。特に、ここでは、位置測定装置の分解能
が高い場合、あるいは相対速度が早い場合、場合によっ
ては、アナログ増分信号の高すぎる信号周波数を低減で
きる。この目的に対して、この発明によれば、信号周期
可変ユニットが設けてある。このユニットは、例えば位
置測定装置に付属しているか、あるいは位置測定装置と
後置されている評価ユニットの間に配置されている。当
然、可変信号周期あるいは周波数でこのように修正され
る増分信号の外に、不変なアナログ増分信号を位置測定
装置と後置されている評価ユニットの間で伝送すること
もできる。
【００１１】従って、この発明による処置により、基本
的にはアナログ増分信号のこのように高い入力周波数を
通過させない評価ユニットと結び付けて、高分解能の増
分測定システムを使用することが保証される。更に、移
動速度も高くできる。何故なら、その時に信号周期を適
当に大きくすることができ、これは十分な精度で位置測
定する前記使用例で十分である。この時、評価ユニット
側では分解能を高めるため伝送された正弦波状および／
または余弦波状の増分信号を電子的に分割あるいは内挿
する。
【００１２】評価ユニットに伝送されたアナログ増分信
号の信号周期の可変は、例えば速度に応じて自動的に行
われるか、あるいは、例えば付属する評価ユニットがア
ナログ増分信号の一定の最大入力周波数のみを処理する
場合、使用者により手動でも行われる。この発明による
思想は、部材で形成されている目盛板の目盛を持つ位置
測定装置で採用でき、目盛基準として例えば光の波長あ
るいはその分割部分を利用する位置測定装置、つまり干
渉計でも採用できる。特に、後に述べた場合では、この
発明に基づき他の有利な構成の可能性が生じる。このこ
とは、この種の位置測定装置で増分信号ユニットを一定
のユニットに変換することが必要であるおよび／または
広がった周囲の影響を相殺する場合に特別な利点を与え
る。更に、この発明による処置はこの種の位置測定装置
を長い測定距離および／または長い測定時間にわたり誤
りなく使用することも保証する。
【００１３】
【実施例】この発明による位置測定装置あるいはこの発
明による方法の他の利点およびその詳細は、添付図面に
基づく以下の実施例の説明から明になる。図１に示すこ
の発明による位置測定装置１の第一実施例は目盛板の目
盛２とこれに対して移動する走査ユニット３を有する。
位置測定装置２で生じ、場合によって、修正されたアナ
ログ増分信号ＳＩＮ′，ＣＯＳ′は信号伝送導線７a,７
bを介して更なる処理のために後置されている評価ユニ
ット４に伝送される。目盛板の目盛２と走査ユニット３
は、例えば工作機械の相対運動する二つの部品に連結
し、両者の相対位置を高精度に測定する。評価ユニット
４としては、この場合、工作機械の通常の数値制御部を
使用する。
【００１４】模式的に示す直線的に相対運動を検出する
この実施例の外に、回転位置測定装置も当然この発明に
より構成できる。目盛板の目盛２と走査ユニット３が相
対運動すると、信号発生ユニット５により周期的に変調
されたアナログ増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳが発生する。そ
の場合、少なくとも二つの、好ましくは 90 °位相のず
れた周期的に変調された信号が必要である。これ等の信
号を目盛板の目盛２と走査ユニット３の相対位置に関す
る位置情報や対応する方向情報にも利用する。基本的に
は、他の特定な位相差、例えば 120°も用いることがで
きる。
【００１５】模式的に示す信号発生ユニット５によるア
ナログ増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳの発生は多種多様な形で
行える。即ち、これには、周知のように、例えば図１に
示すように、適当な目盛板の目盛２を走査する場合、光
学、磁気、誘導あるいは容量的な走査原理を採用でき
る。それ故、図１では実際の走査原理に関する詳細をそ
れ以上示すこともなく、必要な信号発生ユニット５のみ
を模式的に示すだけである。
【００１６】例えば、光学位置測定装置１の場合、反射
式に形成された目盛板の目盛２を走査ユニット３で走査
する。そうすると、アナログ増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳの
発生に必要な信号発生ユニット５には一つまたはそれ以
上の光源と光電検出素子があり、これ等の部材により目
盛板の目盛２から反射したビーム束を検出する。更に、
後に説明するこの発明による処置は、基本的に物体で形
成されている目盛板の目盛のある位置測定装置にのみ採
用できるのでなく、むしろ、干渉計で形成される位置測
定装置にも使用でき、ここでは目盛の基準は使用する光
の波長で与えられる。干渉計で形成された位置測定装置
の側でアナログ増分信号を処理するのに特別に適したユ
ニットは、図４に基づき更に詳しく説明する。
【００１７】図１に示す第一実施例で目盛板走査により
発生するアナログ増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳは、信号周期
可変ユニット６に導入される。このユニットは、図示す
る実施例の場合、走査ユニット３の中に配置されてい
る。この信号周期可変ユニット６により、望むあるいは
必要な信号周期ないしは信号周波数に応じて、アナログ
走査信号の信号周期を一定に可変できる。信号周期可変
ユニット６の可能な形態に関する詳細は、図２の以下の
説明で与える。この図には信号周期可変ユニット６の第
一実施例が模式的に示してある。信号周期可変ユニット
６で修正されるアナログ増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳは、次
いで信号伝送導線７a,７b を経由して修正されたアナロ
グ増分信号ＳＩＮ′，ＣＯＳ′として更に処理するため
に後置されている評価ユニット４に伝送される。この場
合、修正された増分信号ＳＩＮ′，ＣＯＳ′は通常位置
測定装置１の側で発生した元のアナログ走査信号ＳＩ
Ｎ，ＣＯＳより大きい信号周期あるいは小さい信号周波
数を保有する。
【００１８】更に、図１には評価ユニット４を位置測定
装置１，特に信号周期可変ユニット６に接続する制御導
線８も示してある。一つまたはそれ以上の制御導線８を
介して評価ユニット４の側から信号周期の望むあるいは
必要な可変が一定の制御信号により要求される。制御導
線８としては独立した付加的な接続導線を設けてもよ
い。しかし、位置測定装置１と評価ユニット４の間の既
存の接続導線をこのために利用することもできる。最後
に述べた場合では、例えば適当な制御信号を電源導線あ
るいは他の適当な接続導線で可変できる。
【００１９】図１には、更に信号発生ユニット５と評価
ユニット４の間の直接接続が破線の形で示してある。従
って、変化していない増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳを位置測
定装置１から評価ユニット４に伝送することも当然可能
であり、それのため信号周期の可変が信号周期可変ユニ
ット６で行われないことが分かる。変化していない増分
信号ＳＩＮ，ＣＯＳの伝送は、図１に示すように、独立
した一つの信号伝送導線を経由して行われるか、二つの
信号伝送導線７a,７b を経由して行われる。従って、最
後の場合、アナログ増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳは信号周期
可変ユニット６を通過するが、信号周期あるいは信号周
波数に変化はない。
【００２０】評価ユニット４に送るアナログ増分信号Ｓ
ＩＮ，ＣＯＳの信号周期の可変は、種々の理由から必要
である。例えば、高分解能の位置測定装置１は比較的小
さな信号周期のアナログ増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳを出力
するので、評価ユニット４の側の入力側では入力する増
分信号の周波数が高くなり、これにより処理が出来なく
なる。このような場合には、信号周期の増大あるいは信
号周波数の低減が必要になる。
【００２１】目盛板の目盛２と走査ユニット３の間の移
動速度が早い場合にも伝送されたアナログ増分信号の信
号周期が短く、あるいは信号周波数が高くなり、信号周
期の増大あるいは信号周波数の低減を必要とする。後
に、場合によって、移動速度を遅くするなら、当然アナ
ログ増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳの信号周期を短く変換し、
新たに位置測定でより高い分解能を使用することにな
る。
【００２２】信号周期を増大させることが必要な場合で
は、主にその時の信号周期に少なくとも一つの信号周期
可変係数ｎを乗算する。例えば、上に説明した理由によ
り必要となれば、アナログ増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳの信
号周期を増大させるこの種の多数の係数ｎ＝ 1, 4, 8,
16を予め用意してもよい。整数の信号周期可変係数ｎの
外に、例えば干渉計の場合、適当な非整数の可変係数ｎ
も当然この発明により選択できる。
【００２３】アナログ増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳの信号周
期の必要な可変は、先ず制御導線８で対応する制御信号
を評価ユニット４から位置測定装置１に既に述べたよう
に伝送して行われる。しかし、この外に代わりとして一
定の望む信号周期を使用者により例えば適当な図示して
いないスイッチ素子により位置測定装置１の側で手動で
設定することも行われる。
【００２４】更に、評価ユニット４から伝送される制御
信号により信号周期を可変する場合には、信号周期の可
変を速度に応じて自動的に行うことができる。この場
合、一定の移動速度を越えると、測定動作中に制御信号
を適当に伝送してそれに合わせて増大させた信号周期の
アナログ増分信号ＳＩＮ′，ＣＯＳ′の出力に切り換わ
る。これに応じて、この移動速度を再び下回ると、アナ
ログ増分信号の信号周期が再び減少する。
【００２５】伝送されたアナログ増分信号ＳＩＮ，ＣＯ
Ｓの信号周期のこのように速度に依存する可変は、異な
った利用可能な二つ以上の信号周期に結び付けても当然
実現できる。つまり、例えば多数の速度範囲に適した信
号周期あるいは乗算係数ｎをアナログ増分信号ＳＩＮ，
ＣＯＳに対して設け、それ等の間でその都度速度に応じ
て切り換える。
【００２６】伝送されたアナログ増分信号ＳＩＮ，ＣＯ
Ｓの信号周期を自動的に可変するのに必要な速度検出
は、多くの方法で行える。例えばこのために独立した速
度検出器を使用してもよい。同様に、この方法で実際の
移動速度に関する情報を利用するためアナログ増分信号
ＳＩＮ，ＣＯＳの周波数のみを検出することもできる。
対応する速度情報は、一定の速度でアナログ増分信号Ｓ
ＩＮ，ＣＯＳの信号周期の可変を要求するため、その時
の評価ユニット４により利用される。
【００２７】信号周期可変ユニット６の可能な第一実施
例を以下に図２の図面に基づき詳しく説明する。この場
合、図示する実施例は特に図１の位置測定装置に結び付
けて使用できる。信号発生ユニット５で発生したアナロ
グ増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳは信号周期可変ユニット６に
導入され、入力側で第一内挿ユニット９および第二内挿
ユニット１０に達する。第一内挿ユニット９は周知のよ
うにアナログ増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳの多重分割、例え
ば係数 100ほどの分割を行うが、第二内挿ユニット１０
では各信号零点の計数を行う。出力側で両方の内挿ユニ
ット９，１０はそれぞれ一つのダジタル値を出力し、こ
のデジタル値は後置されている記憶回路１１に伝送され
るか、あるいはこの記憶回路をアドレス指定するために
使用される。この記憶回路１１は、アナログ増分信号Ｓ
ＩＮ，ＣＯＳの信号周期の種々の可変係数ｎに対する一
連の換算表を含む。従って、可変係数ｎに対して対応す
る換算表が使用される。信号周期の望む増大に応じて換
算表により伝送された二つのデジタル値から与えられる
二つの信号のそれぞれの位置の値に可変された一定の位
置の値が付属している。その結果、それぞれ信号周期が
増加した信号波形が生じる。出力側で記憶回路１１はこ
のような信号処理に従い後置されているデジタル・アナ
ログ変換器の制御信号を出力する。このデジタル・アナ
ログ変換器は準アナログ的な正弦および余弦波形の増分
信号ＳＩＮ′，ＣＯＳ′を発生する。これ等の修正され
た増分信号ＳＩＮ′，ＣＯＳ′は次いで評価ユニットに
伝送される。
【００２８】信号周期ＰＳを可変する直ぐ前、あるいは
可変した直後の少なくとも一つのアナログ増分信号の信
号波形図を図３に示す。図３の左半分には、信号発生ユ
ニット５から出力されたアナログ増分信号ＳＩＮを見る
ことができ、この信号の信号周期ＳＰを可変する。時点
ｔ0 では、例えば上に述べた評価ユニットの制御信号を
伝送して信号周期ＳＰを増大させる要請が行われる。ア
ナログ増分信号ＳＩＮの他の信号周期ＳＰになると、切
換時点ｔU で信号周期可変ユニットにより信号周期ＳＰ
が可変される。即ち、図示する例では、信号周期ＳＰが
係数ｎ＝４ほど増大されている。切換時点ｔU の以降で
は、信号周期ＳＰ′および信号周波数に修正された増分
信号ＳＩＮ′が評価ユニットに伝送される。この場合、
切換時点ｔU はアナログ増分信号ＳＩＮの零点で他のア
ナログ周期ＳＰ′に切り換わるように一定に選択されて
いる。
【００２９】図３には修正された増分信号ＳＩＮ′の量
子化が誇張した形で示してある。増分信号ＳＩＮ′の理
想的な正弦波形が破線で記入されている。この場合、量
子化された増分信号ＳＩＮ′は、信号周期可変ユニット
中のデジタル・アナログ変換器の分解能を高く選べば、
それだけ良好に理想的な正弦波形に一致する。適当な信
号周期可変ユニット２６の第二実施例を図４に模式図に
して示す。特に、この実施態様は、干渉計に形成された
位置測定装置に結び付けているのに適している。当然の
ことながら、この第一実施例で説明した処置が以下の実
施例に結び付けても実現される。
【００３０】評価ユニットに送るアナログ増分信号の信
号周期を可変するか、あるいは信号周期を一定に指定す
る代わりの可能性の外に、第二実施例について種々の修
正手段も以下に説明する。これ等の手段は位置測定時に
発生する種々の誤差を除去するために使用される。周知
の干渉装置（図示せず）で発生した一対の位相のずれた
増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳは、再び信号周期可変ユニット
２６に導入される。このユニットは、先の例の場合のよ
うに、主に信号周期の可変を引き受け、出力側でそれに
合わせて修正されたアナログ増分信号ＳＩＮ′，ＣＯ
Ｓ′を出力する。これ等の増分信号は信号伝送導線３７
a,３７b を介して更なる処理をする評価ユニット（図示
せず）に伝送される。そこで、例えば電子的な信号内挿
等が行われる。
【００３１】位置測定装置あるいは干渉計から出力され
た増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳは信号周期可変ユニット２６
中で内挿ユニット２９および方向識別ユニット２３に導
入される。内挿ユニット２９により入力信号ＳＩＮ，Ｃ
ＯＳが周知の方法で更に電子分割される。つまり、内挿
ユニット２９は出力側で内挿されたデジタル信号ＤＳあ
るいは入力信号ＳＩＮ，ＣＯＳより周波数の高い矩形パ
ルスを出力する。方向識別ユニット２３により、 90 °
位相のずれた二つの増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳに基づき相
対運動する二つの部品の運動方向に関する方向信号ＲＳ
を出力し、両方の部品の相対位置を測定する。
【００３２】内挿デジタル信号ＤＳおよび方向信号ＲＳ
もデータ導線３６と３８を介してアドレス計数ユニット
２４に導入される。運動方向、あるいは受け取った方向
信号ＲＳに応じて、アドレス計数ユニット２４では、ア
ドレス計数値ＡＺＷの変更が行われる。前進移動の場合
には、矩形パルス毎にアドレス計数値ＡＺＷは例えば一
定の値ほどカウントアップ、もしくは計数される。後退
移動の場合には、矩形パルス毎にアドレス計数値ＡＺＷ
を低下させるか、もしくはカウントダウンさせる。内挿
ユニット２９の矩形パルスあるいはデジタル信号ＤＳが
出力しないなら、アドレス計数値ＡＺＷは不変である。
【００３３】アドレス計数ユニット２４の後には、記憶
回路４１が配置されている。この記憶回路４１には、図
示する実施例の場合、正弦値の表と余弦値の表の形をし
た二つの換算表２１A,２１B がある。この換算表２１A,
２１B はそれぞれｋ個のアドレス指定された表領域２１
A1〜２１Ak ，２１B1〜２１Bk で構成され、各ｋ個の表
領域２１A1〜２１Ak ，２１B1〜２１Bk には正弦関数あ
るいは余弦関数の少なくとも１周期の信号振幅が保管さ
れている。個々のｋ個の表領域２１A1〜２１Ak ，２１B
1〜２１Bk はアドレス指示器３４A,３４B を介してアド
レス計数ユニット２４により制御される。このように制
御される表領域２１A1〜２１Ak，２１B1〜２１Bk の信
号振幅は、次にそれぞれデジタル・アナログ変換器２２
A,２２B に伝送され、これにより再びアナログ増分信号
ＳＩＮ′，ＣＯＳ′が形成され、評価ユニットに送られ
る。更に、デジタル・アナログ変換器２２A,２２B の後
には、それぞれ一つの適当なフィルタ電子回路（図示せ
ず）が配置されている。これ等のフィルタ電子回路は得
られたアナログ増分信号ＳＩＮ′，ＣＯＳ′を評価ユニ
ットに送る前に適当に平滑化する。
【００３４】図示する実施例では、それぞれ一つの換算
表２１A,２１B を制御する二つのアドレス表示器３４A,
３４B の応答するアドレス計数ユニット２４の出力が使
用される。しかし、この外に、この発明の枠内で代わり
の実施態様も幾つか実現できる。つまり、第二実施例で
は、アドレス計数ユニットの出力側にただ一つのアドレ
ス表示器があり、このアドレス表示器がただ一つの換算
表を制御する。この場合に選択すべき組み合わせた換算
表の表領域には、第一実施例に比べて二倍の記憶幅があ
るので、そこには、それぞれ組み合わせた形で正弦関数
および余弦関数のデジタル信号振幅値が保管されてい
る。
【００３５】最後に、第三実施例では、アドレス計数ユ
ニットの二つのアドレス指示器がただ一つの換算表を指
示し、その中に、例えば正弦関数のデジタル信号振幅値
を保管することが行われている。しかし、二つのアドレ
ス指示器の間には、 90 °の位相差があるので、この方
法により、出力信号に対する正弦関数および余弦関数の
位相のずれた信号振幅値を後置されているデジタル・ア
ナログ変換器に受け渡すことができる。
【００３６】アナログ増分信号ＳＩＮ′，ＣＯＳ′の出
力側で可変する信号周期ＳＰ′は、図示する実施例の場
合、以下に説明する方式で生じる。この場合、入力信号
周期ＳＰの可変はただ整数の信号周期可変係数ｎほど可
能である。即ち、ＳＰ′＝ｎ＊ＳＰである。つまり、 1
μm, 2μm, 4μm と 10 μm のアナログ増分信号ＳＩ
Ｎ′，ＣＯＳ′の出力側の信号周期ＳＰ′が生じる。従
って、出力側で使用できる信号周期ＳＰ′は互いに整数
比の関係が成り立つ。入力側では、干渉計に放出波長λ
≒ 633 nm のＨe-Ｎe レーザーを使用する場合、λ/2＝
633/2 nm の信号ＳＩＮ，ＣＯＳの信号周期ＳＰが与え
られる。この例では、両方の換算表２１A,２１B に、出
力信号周期ＳＰ′の最小共通倍である信号周期を持つ正
弦関数あるいは余弦関数のデジタル信号振幅値が保管さ
れている。つまり、 20 μm の信号周期を持つ正弦関数
と余弦関数である。
【００３７】出力側で必要な信号周期に応じて、アドレ
ス表示器３４A,３４B は矩形パルス毎に内挿ユニット２
９から異なった制御ステップ幅で増分される。つまり、
換算表２１A,２１B の異なった表領域２１A1〜２１
Ak ，２１B1〜２１Bk に応答する。例えば、出力側で信
号周期 10 μm のアナログ増分信号ＳＩＮ′，ＣＯＳ′
を望むなら、制御ステップ幅は矩形パルス毎に２テーブ
ルステップとなる。つまり、表領域２１Ａ1 の後に続い
てアドレス表示器により表領域２１Ａ3 が制御される等
である。4 μm の信号周期が必要である場合には、アド
レス表示器３４A,３４B に対する制御ステップ幅は５テ
ーブルステップとなる等である。従って、各信号周期の
可変係数ｎにはアドレス表示器３４A,３４B の一定の制
御ステップ幅が付属している。
【００３８】従って、換算表２１A,２１B には信号周期
可変ユニット２６のこのような実施例の場合、正弦関数
および／または余弦関数のデジタル信号振幅値が保管さ
れている。これは、出力側で望まれるアナログ増分信号
ＳＩＮ′，ＣＯＳ′の信号周期ＳＰ′に相当するか、あ
るいはアナログ増分信号ＳＩＮ′，ＣＯＳ′の望む全て
の信号周期ＳＰ′に対して整数の割合になっている。
【００３９】アナログ増分信号の可変信号周期をこのよ
うに実現する代わりに、前に説明した図２の実施例のよ
うに、信号周期可変ユニットの対応する記憶回路に、望
む分解の各々に対して、あるいは出力側で必要な信号周
期の各々に対して、正弦関数および／または余弦関数の
独立した換算表を保管している。説明した二つの可能性
を適当に組み合わせることも当然できる。例えば、図４
に基づき説明した可変に関して一定の整数の信号周期の
割合を実現させ、アナログ増分信号の他の信号周期を既
に説明したように独立した換算表に基づき実現すること
等々も考えられる。
【００４０】既に上に説明したように、この実施例の信
号周期可変ユニット２６には、更に位置測定または信号
周期の可変時に誤差を取り除くあるいは最小にする種々
の修正手段がある。修正手段としては、入力計数ユニッ
ト２５，通過計数ユニット３８およびプロセッサユニッ
ト２７を挙げることができる。信号周期可変ユニット２
６中のこれ等の動作を以下に説明する。
【００４１】既に上で説明したデジタル信号ＤＳあるい
は矩形パルスの形の内挿ユニット２９の出力信号は、デ
ータ導線２８を介して入力計数ユニット２５にも導入さ
れる。つまり、実際の入力計数値ＥＺＷは今まで伝送さ
れた内挿ユニット２９の矩形パルスの数を表す。入力計
数値ＥＺＷに所定の信号周期ＳＰを乗算して、つまり、
空気中の干渉計の波長λLuftの適当な分数を、内挿なし
で多重評価する場合、通常λLuft/8を乗算して、位置を
連続的に測定する場合、実際の目標位置の測定値ＳＰ
Ｍ， ＳＰＭ＝ＥＺＷ＊λLuft/8 （式１） となる。この場合、λLuft/8は入力信号ＳＩＮ，ＣＯＳ
の信号周期である。説明した乗算の形で目標位置の測定
値ＳＰＭをこのようにして求めることは、入力計数ユニ
ット２５の後に配置されたプロセッサユニット２７によ
り行われる。この場合、プロセッサユニット２７は当然
プロセッサの代わりに形成されている。つまり、例えば
適当なデジタル論理回路等で形成されている。
【００４２】同様に既に上に述べたアドレス計数ユニッ
トの後には、通過計数ユニット３８が配置されている。
従って、一定の通過計数値ＤＺＷは換算表２１A,２１B
により今まで行ったアドレス表示器３４A,３４B の通過
数を表すか、あるいは実際の実測値の測定値ＩＰＭの全
信号周期の成分を表す。データ導線３１を介してプロセ
ッサユニット２７に伝送される実際のアドレス計数値Ａ
ＺＷに関連して、プロセッサユニット２７では実際の実
測位置測定値が求まる。つまり、 ＩＰＭ＝（ＤＺＷ＋ＡＺＷ/k）＊ＳＰ′ （式２） 目標位置測定値ＳＰＭと実測位置測定値ＩＰＭをこのよ
うに求めた後、つぎにプロセッサユニット２７により両
方の測定値ＳＰＭとＩＰＭの比較が行われる。両方の測
定値ＳＰＭとＩＰＭの間にずれ確認されれば、次にプロ
セッサユニット２７によりデータ導線３０を介してアド
レス計数ユニット２４はアドレス計数値ＡＺＷを修正に
より上下させるように制御される。アドレス計数値ＡＺ
Ｗを適当に高めたり、あるいは低減させた結果として、
換算表２１A,２１B の他の表領域２１A1〜２１Ak ，２
１B1〜２１Bk が制御され、こうして修正されたアナロ
グ増分信号ＳＩＮ′，ＣＯＳ′が発生する。
【００４３】こうして、実測位置測定値ＩＰＭと目標位
置測定値ＳＰＭの間のずれ、従って位置測定での誤差を
除去あるいは少なくとも最小にすることができる。この
ような修正可能な誤差にはここでは種々の原因がある。
第一の誤差源は、例えばアナログ増分信号ＳＩＮ′，Ｃ
ＯＳ′の所定の信号周期ＳＰ′のような、メートル法で
与えられる通常の単位に対して使用するレーザー波長
λ、つまり使用する目盛基準の非整数比にある。換算表
２１A,２１B を通過し、望む出力信号周期ＳＰ′を発生
する毎に、求めた実測位置の測定値ＩＰＭに誤差が生
じ、これは主に使用する表領域２１A1〜２１Ak ，２１B
1〜２１Bkの数ｋに依存する。換算表２１A,２１B の何
回か通過すると、誤差が累積するので、最後には測定期
間および／または測定距離の増加と共に位置測定が必ず
不正確になる。
【００４４】しかし、先に説明した処置により、修正手
段および目標測定値ＳＰＭと実測測定値ＩＰＭの常時比
較により、表領域２１A1〜２１Ak ，２１B1〜２１Bk の
最小制御ステップ幅より大きい誤差の場合、アドレス計
数値ＡＺＷの修正が行われる。この修正は、値ＳＰＭと
ＩＰＭの間で求めたずれが最小の制御ステップ幅より小
さくなるまで、アドレス計数値ＡＺＷを上下させて行わ
れる。このアドレス計数値ＡＺＷのこのような修正が、
最小の制御スッテプ幅の半分より大きい目標測定値ＳＰ
Ｍと実測測定値ＩＰＭからのずれがある場合に既に行わ
れるなら、更に良好は修正となる。従って、位置測定装
置の最大の誤差が制御幅の半分の程度にあることが達成
できる。
【００４５】測定精度を更に上昇させること、あるいは
係数ｊほどの誤差を更に最小化することは、換算表２１
A,２１B の中に必要な信号振幅値の整数値倍ｊが保管さ
れる、つまり対応する正弦関数あるいは余弦関数のｊ倍
の信号周期が保管されるなら達成できる。極端な場合、
信号周期が測定距離全体に対応するような数の信号周期
が保管される。誤差を最小化する原因は、保管する信号
周期が多数の場合、信号周期と波長の間の比による非整
数の残りが、例えばただ一つの信号周期の場合より小さ
くなるような処置である点にある。結局、この場合、係
数ｊほど小さい積算誤差が生じる。
【００４６】第二の誤差源は、測定中に変動する、例え
ば空気圧ｐ，温度Ｔおよび湿度ｆのような周囲の条件に
ある。更に、変動する周囲の条件に対して測定空間のそ
の時のガス組成を数えることにある。パラメータｐ．
Ｔ，ｆ，および、場合によって、ガス組成により、干渉
計で使用するビーム源の波長λLuftも変わる。即ち、増
分信号ＳＩＮ，ＣＯＳの信号周期ＳＰも変わる。しか
し、アナログ増分信号ＳＩＮ′，ＣＯＳ′の出力信号側
の信号周期ＳＰ′が不変である。従って、再び修正なし
に、入力側の信号周期ＳＰと出力側の信号周期ＳＰ′の
間の望む関係ＳＰ′＝ｎ＊ＳＰが当てはまることが保証
されない。このため、図４に示す実施例の場合、信号周
期可変ユニット２６が設けてあり、このユニット中に目
標位置測定値ＳＰＭがプロセッサユニット２７を介して
環境パラメータも一緒に使用する。つまり、ＳＰＭ＝ f
(p, T, f) 。この場合、環境パラメータｐ，Ｔ，ｆおよ
び、場合によって、ガスの組成も、式 (1)によるＳＰＭ
の決定時に使用される波長λLuftに入る。従って、適当
な検出手段３９により、センサにより、空気温度、空気
湿度おび空気圧力のような環境パラメータを連続的に検
出し、データ導線３３を介してプロセッサユニット２７
に導入され、目標位置測定値ＳＰＭを決定する時に考慮
される。これには、プロセッサユニット２７中で波長λ
Luftは連続的に周知のエデレン公式（Edlen-Formel) に
より活性化され、ＳＰＭを決定する場合に考慮される。
目標位置および実測位置の測定値ＳＰＭ，ＩＳＭにずれ
がある場合、アドレス計数値ＡＺＷを上下させる形で説
明した修正を行い、位置測定精度に対する環境の影響も
最小にされる。次に、出力側では、アナログ増分信号Ｓ
ＩＮ′，ＣＯＳ′は最大な誤差になり、この誤差は、選
択した補正のステップ幅に応じて、表領域２１A1〜２１
Ak ，２１B1〜２１Bk の分解能の程度内、あるいは表領
域の半分の程度内にある。
【００４７】説明した環境パラメータの検出の代わり
に、測定空間の空気の屈折率を屈折率測定ユニット、例
えば屈折計により直接求めることができ、更に処理する
ためプロセッサユニット２７に導入できる。プロセッサ
ユニット２７は実際の目標位置の測定値を求めるために
更に屈折計の出力信号を使用する。更に、図４にはデー
タ記憶器４０が模式的に示してある。このデータ記憶器
には測定装置固有の補償データＫＤが保管されている。
この場合、工作機械で、例えばスピンドル上昇誤差、案
内誤差、熱誤差等に関する機械固有な修正データが問題
になる。これ等の誤差は、位置測定の間に、環境パラメ
ータｐ，Ｔ，ｆに似てプロセッサユニット２７にも導入
される。プロセッサユニット２７によりこのデータＫＤ
も目標位置測定値ＳＰＭの連続的な測定に使用され、説
明した修正によりアナログ増分信号の出力時に考慮され
る。つまり、ＳＰＭ＝ｆ（ＫＤ）。
【００４８】基本的には、この発明による信号周期可変
ユニット２６により信号周期の変換係数ｎ＝１も選択で
きる。その結果、これに伴う可能な修正によりただ一定
の誤差が位置測定時に除去ないしは最小にされが、入力
信号周期ＳＰと出力信号周期ＳＰ′が不変に維持され
る。その外、例えば一体に形成された測定目盛を持つ位
置測定装置の場合に存在し得る目盛の誤差を予め求める
ことができ、これに関する適当な修正データを記憶器に
保管できる可能性が生じる。プロセッサユニットによ
り、この測定システム固有な修正データも測定時に計算
に入れることができる。
【００４９】図示する実施例の外に、この発明による位
置測定装置を構成する他の可能性も当然存在する。
【００５０】
【発明の効果】以上、説明したように、この発明による
位置測定装置および位置測定装置を動作させる方法を用
いると、信号周期が短い高分解能の位置測定装置を用い
る時に処理速度の問題を排除できる。また、位置測定装
置の分解能に関して速度に依存する種々の要請を満たす
ことができる。更に、測定距離が長かったり測定時間が
長くても、できる限り誤差の少ない測定動作が得られ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 後置されている評価ユニットを含むこの発明
による位置測定装置の第一実施例の模式図、
【図２】 図１の位置測定装置に採用されているような
適当な信号周期可変ユニットの第一実施例のブロック回
路図、
【図３】 アナログ増分信号の信号周期を可変する少し
前あるいは少し後の図１の位置測定装置の実施例の信号
波形のグラフ、
【図４】 特に干渉計で構成された位置測定装置内に採
用できるような、信号周期可変ユニットの第二実施例の
ブロック回路図である。
【符号の説明】
１ 位置測定装置 ２ 目盛板の目盛 ３ 走査ユニット ４ 評価ユニット ５ 信号発生ユニット ６ 信号周期可変ユニット ７a,７b 信号伝送導線 ８ 制御導線 ９，１０ 内挿ユニット １１ 記憶ユニット １２A,１２B デジタル・アナログ変換器 ２１A,２１B 換算表 ２１A1〜２１Ak,２１B1〜２１Bk 表領域 ２２A,２２B デジタル・アナログ変換器 ２３ 方向識別ユニット ２４ アドレス計数ユニット ２５ 入力計数ユニット ２６ 信号周期可変ユニット ２７ プロセッサユニット ２８ 貫通計数ユニット ２９ 内挿ユニット ３０ データ導線 ３１ データ導線 ３３ データ導線 ３４A,３４B アドレス表示器 ３６ データ導線 ３７a,３７b 信号伝送導線 ３８ 貫通計数ユニット ３９ 検出手段 ４０ データ記憶器 ４１ 記憶回路 ＳＩＮ，ＣＯＳ 位置測定装置から出力されたアナ
ログ増分信号 ＳＩＮ′，ＣＯＳ′ 平均化されたアナログ増分信号 ＳＰ 信号周期 ＳＰ′ 信号周期 ＫＤ 補償データ ＳＰＭ 目標位置測定値 ＤＺＭ 通過計数値 ＡＺＷ アドレス計数値 ＩＰＭ 実測位置測定値 ｐ 空気圧力 Ｔ 空気温度 ｆ 空気湿度 λ レーザーの放出波長 λLuft 空気中の光の波長 ｔu 切換時点
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ライナー・ハグル ドイツ連邦共和国、83352 アルテンマル クト、アム・ストローホフ、６アー (72)発明者 マテイアス・ハウスシユミット ドイツ連邦共和国、83349 パリング、オ ーバーヴアイセンキルヒエン、11 (72)発明者 エルヴイン・シユパンナー ドイツ連邦共和国、83278 トラウンシユ タイン、フオルストマイヤーストラーセ、 12 (72)発明者 ユルゲン・テイール ドイツ連邦共和国、83362 シユールベル ク、アンゲルライテン、16 (72)発明者 ヨハン・ストライトヴイーザー ドイツ連邦共和国、83355 グラーベンシ ユテート、ゾンネンストラーセ、８

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 相対運動する二つの物体の相対位置を測
    定する位置測定装置において、相対運動する場合に前記
    位置測定装置が少なくとも一対の位相のずれたアナログ
    増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳを出力し、信号周期可変ユニッ
    ト（６）により後置されている評価ユニット（４）に伝
    送するアナログ増分信号ＳＩＮ′，ＣＯＳ′の信号周期
    ＳＰを少なくとも一つの信号周期の可変係数ｎほど規定
    通りに可変できることを特徴とする位置測定装置。
  2. 【請求項２】 評価ユニット（４）は少なくとも一つの
    制御導線（８）を介して信号周期可変ユニット（６）に
    接続し、この信号周期可変ユニット（６）によりアナロ
    グ増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳの信号周期ＳＰを可変するた
    め制御信号を伝送できることを特徴とする請求項１に記
    載の位置測定装置。
  3. 【請求項３】 信号周期可変ユニット（６）は少なくと
    も一つの第一内挿ユニット（９）と、出力側に配置され
    た少なくとも一つのデジタル・アナログ変換器（１２A,
    １２B ）を制御する少なくとも一つの換算表を持つ記憶
    回路（１１）を有することを特徴とする請求項１に記載
    の位置測定装置。
  4. 【請求項４】 信号周期可変ユニット（２６）は少なく
    とも一つの換算表（２１A,２１B ）を持つ少なくとも一
    つの記憶回路（４１）を有し、この記憶回路はアドレス
    指定され制御可能な表領域（２１A1−２１Ak,２１B1−
    ２１Bk ）を有し、これ等の表領域にはそれぞれ評価ユ
    ニットに伝送すべき増分信号ＳＩＮ′，ＣＯＳ′の特定
    な信号振幅値が付属していることを特徴とする請求項１
    に記載の位置測定装置。
  5. 【請求項５】 信号周期可変ユニット（２６）は、入力
    側に内挿されたデジタル信号を発生する内挿ユニット
    （２９）と方向識別ユニット（２３）を有し、これ等の
    ユニットには位置測定装置から供給された増分信号ＳＩ
    Ｎ，ＣＯＳを導入でき、更に、内挿ユニット（２９）と
    方向識別ユニット（２３）の出力端にはアドレス計数ユ
    ニット（２４）が後置されていて、このアドレス計数ユ
    ニット（２４）により、出力側で記憶回路（４１）の少
    なくとも一つの換算表（２１A,２１B ）のアドレス指定
    された表領域（２１A1−２１Ak,２１B1−２１Bk ）が制
    御できることを特徴とする請求項４に記載の位置測定装
    置。
  6. 【請求項６】 信号周期可変ユニット（２６）は修正手
    段（２５，２７，２８）として入力計数ユニット（２
    ５），通過計数ユニット（３８）およびプロセッサユニ
    ット（２７）を有し、 入力計数ユニット（２５）には内挿ユニット（２９）の
    出力信号を導入でき、それにより実際の目標位置測定値
    ＳＰＭを求めることができ、 通過計数ユニット（３８）は実行された行為の数を少な
    くとも一つの換算表（２１A,２１B ）により決定し、 プロセッサユニット（２７）は、入力計数ユニット（２
    ５）の出力信号により連続的に実際の目標位置の測定値
    を決定し、アドレス計数ユニット（２４）の実際の状態
    と通過計数ユニット（３８）の実際の状態から与えられ
    る実際の実測位置測定値ＩＰＭと比較し、目標位置の測
    定値ＳＰＭと実測位置の測定値ＩＰＭにずれがある場
    合、アドレス計数ユニット（２４）のアドレス計数値Ａ
    ＺＷを一定に可変するように形成されていることを特徴
    とする請求項５に記載の位置測定装置。
  7. 【請求項７】 更に、修正手段は測定環境に関するパラ
    メータｐ，Ｔ，ｆを連続センサ測定する検出手段（３
    ９）を有し、検出したパラメータｐ，Ｔ，ｆをプロセッ
    サユニット（２７）に導入し、このプロセッサユニット
    （２７）が実際の実測位置の測定値ＩＰＭを測定するた
    め、これ等のパラメータを使用することを特徴とする請
    求項６に記載の位置測定装置。
  8. 【請求項８】 相対運動する二つの物体の相対位置を測
    定する位置測定装置を操作する方法において、相対運動
    する場合に、前記位置測定装置が少なくとも一対の位相
    のずれたアナログ信号ＳＩＮ，ＣＯＳを出力し、信号周
    期可変ユニット（６）により後置されている評価ユニッ
    ト（４）に伝送するアナログ増分信号ＳＩＮ′，ＣＯ
    Ｓ′の信号周期ＳＰ′を少なくとも一つの信号周期の可
    変係数ｎほど規定通りに可変できることを特徴とする方
    法。
  9. 【請求項９】 信号周期を可変するため、信号周期可変
    ユニット（６）と後置されている評価ユニット（４）の
    間の制御導線（８）を介して、その時の実際の信号周期
    ＳＰを他の信号周期ＳＰ′に一定に切り換える制御信号
    が評価ユニット（４）から信号周期可変ユニット（６）
    へ伝送されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 アナログ増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳの信
    号周期ＳＰの可変は、一定の切換時点ｔu で行われ、そ
    こでは増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳの一方の零点が生じるこ
    とを特徴とする請求項８に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 更に、信号周期可変ユニット（２６）
    に付属する修正手段（２５，２７，３８）により生じる
    誤差は信号周期を可変する時に除去されることを特徴と
    する請求項８に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 信号周期ＳＰは少なくとも一つの換算
    表（２１A,２１B ）により可変され、この換算表は信号
    周期可変ユニット（２６）に付属し、記憶回路（４１）
    の中に保管され、多数のアドレス指定された表領域（２
    １A1−２１Ak ,２１B1−２１Bk ）を有し、これ等の表領
    域は評価ユニットに伝送すべき増分信号ＳＩＮ′，ＣＯ
    Ｓ′のそれぞれ一定の信号振幅が付属していることを特
    徴とする請求項８に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 位置測定装置から供給された位相のず
    れた一対の増分信号ＳＩＮ，ＣＯＳはそれぞれ内挿ユニ
    ット（２９）と方向識別ユニット（２３）に導入され、
    これ等のユニットの出力端にはアドレス計数ユニット
    （２４）が後置配置され、アドレス計数ユニット（２
    ４）により出力側で記憶回路（４１）の少なくとも一つ
    の換算表（２１A,２１B ）のアドレス指定された表領域
    （２１A1−２１Ak,２１B1−２１Bk ）が制御されること
    を特徴とする請求項１２に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 位置測定で測定時に生じる誤差を修正
    するため、 入力計数ユニット（２５）に内挿ユニット（２９）の出
    力信号を導入し、これ等の出力信号が実際の目標位置の
    測定値ＳＰＭを求めるために使用され、 少なくとも一つの換算表（２１A,２１B ）により実行さ
    れた施行数が通過計数ユニット（３８）により決定さ
    れ、 プロセッサユニット（２７）により入力計数ユニット
    （２５）の出力信号から連続的に実際の目標位置の測定
    値ＳＰＭを求めて実際の実測位置の測定値ＩＰＭと比較
    し、前記測定値ＩＰＭはアドレス計数ユニット（２４）
    の実際の状態と通過計数ユニット（３８）の実際の状態
    とから与えられ、目標位置の測定値ＳＰＭと実測位置の
    測定値ＩＰＭにずれが確認された場合、アドレス計数ユ
    ニット（２４）のアドレス計数値ＡＺＷがプロセッサユ
    ニット（２７）により一定に可変される、ことを特徴と
    する請求項１１に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 位置測定で測定時に生じる誤差を修正
    するため、更に連続的に測定環境に関するパラメータ
    ｐ，Ｔ，ｆを検出し、これ等のパラメータをプロセッサ
    ユニット（２７）に導入し、このプロセッサユニット
    （２７）により更に実際の実測位置の測定値ＩＰＭを決
    定するために使用されることを特徴とする請求項１１に
    記載の方法。
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