(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポジションエンコーダ用の走査デバイスであって、
複数のセンサ信号を生成するための複数のセンサ素子と、
前記走査デバイスと関連のスケールとの相対位置合わせに関する情報を提供する少なくとも第１の総和信号および第２の総和信号を生成するための総和ユニットとを備え、
前記第１の総和信号が前記複数のセンサ信号の第１のサブセットから生成され、該第１のサブセットは、前記複数のセンサ信号の前記第２のサブセットとは異なるが重複し、前記第２の総和信号が前記複数のセンサ信号の第２のサブセットから生成され、
前記複数のセンサ素子が互いに実質的に均等に離隔され、関連のスケールの１周期当たりＮ個のセンサ素子が設けられ、Ｎは整数値かつ３の倍数および４の倍数であることを特徴とする走査デバイス。
【請求項２】
走査デバイスが関連のスケールに対して移動されるにつれて、前記第１の総和信号および前記第２の総和信号が周期的に変動することを特徴とする請求項１に記載の走査デバイス。
【請求項３】
前記第１の総和信号は正弦信号を含み、前記第２の総和信号は余弦信号を含むことを特徴とする請求項２に記載の走査デバイス。
【請求項４】
少なくとも１２個のセンサ素子を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の走査デバイス。
【請求項５】
前記センサ信号が前記総和ユニットによって合算されたとき、前記第１の総和信号に対する第３高調波成分の影響が実質的にゼロになるように、前記複数のセンサ信号の前記第１のサブセットが選択されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の走査デバイス。
【請求項６】
前記第１のサブセットおよび／または前記第２のサブセットそれぞれの前記センサ信号が、前記総和ユニットによって組み合わされる前に整数値によってのみ重み付けされることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の走査デバイス。
【請求項７】
一連の周期的に繰り返す目盛線を備えるリニアスケールを読み取るための請求項１乃至６のいずれかに記載の走査デバイスであって、互いに離隔された複数のセンサ素子のリニアアレイを備えることを特徴とする走査デバイス。
【請求項８】
前記複数のセンサ素子が、関連のリニアスケールの１周期を超えてカバーするように構成されていることを特徴とする請求項７に記載の走査デバイス。
【請求項９】
請求項１乃至６のいずれかに記載の走査デバイスであって、前記複数のセンサ素子は、回転軸から実質的に等距離で離隔された、かつ実質的に等しい角度だけ、互いに分離されていることを特徴とする走査デバイス。
【請求項１０】
前記複数のセンサ素子は、複数の磁気センサ素子を含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の走査デバイス。
【請求項１１】
磁石を備え、前記複数のセンサ素子が前記磁石の磁場内に位置することを特徴とする請求項１０に記載の走査デバイス。
【請求項１２】
前記第１の総和信号および前記第２の総和信号を補間し、補間された位置出力をもたらす補間ユニットを備えることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の走査デバイス。
【請求項１３】
関連のスケールのアブソリュートスケールトラックからデータビットを読み取り、絶対位置情報を提供するための絶対位置スケールリーダをさらに備えており、かつ、前記補間された位置出力と絶対位置情報とを組み合わせて、分解能が向上した絶対位置情報を提供する位置計算ユニットをさらに備えていることを特徴とする請求項１２に記載の走査デバイス。
【請求項１４】
前記総和ユニットおよび前記複数のセンサ素子の少なくとも一方が共通の基板上に設けられることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の走査デバイス。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれかに記載の走査デバイス、およびスケールを備えることを特徴とするポジションエンコーダ装置。
【請求項１６】
位置を測定するための方法であって、（ｉ）複数のセンサ素子から複数のセンサ信号を受け取るステップと、（ｉｉ）第１の総和信号を前記複数のセンサ信号の第１のサブセットから生成し、該第１のサブセットは、前記複数のセンサ信号の前記第２のサブセットとは異なるが重複し、第２の総和信号を前記複数のセンサ信号の第２のサブセットから生成するステップとを含み、前記複数のセンサ素子が互いに実質的に均等に離隔され、関連のスケールの１周期当たりＮ個のセンサ素子が設けられ、Ｎは整数値かつ３の倍数および４の倍数であることを特徴とする方法。
【請求項１７】
ポジションエンコーダ用の走査デバイスであって、
複数のセンサ信号を生成するための複数のセンサ素子と、
前記走査デバイスと関連のスケールとの相対位置合わせに関する情報を提供する少なくとも第１の総和信号および第２の総和信号を生成するための総和ユニットとを備え、
前記第１の総和信号が前記複数のセンサ信号の第１のサブセットから生成され、該第１のサブセットは、前記複数のセンサ信号の前記第２のサブセットとは異なるが重複し、前記第２の総和信号が前記複数のセンサ信号の第２のサブセットから生成され、
前記センサ信号が前記総和ユニットによって合算されたとき、前記第１の総和信号に対する第３高調波成分の影響が実質的にゼロになるように、前記複数のセンサ信号の前記第１のサブセットが選択されることを特徴とする走査デバイス。
【請求項１８】
前記センサ信号が前記総和ユニットによって合算されたとき、前記第２の総和信号に対する第３高調波成分の影響が実質的にゼロになるように、前記複数のセンサ信号の前記第２のサブセットが選択されることを特徴とする請求項１７に記載の走査デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポジションエンコーダ装置（位置符号化装置）に関し、より詳細には、複数の（たとえば磁気）センサからのセンサ信号を組み合わせ、インクリメンタル（増分）位置情報を得るための改善された技法を使用する、ポジションエンコーダ用の走査デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
多数の様々なタイプのポジションエンコーダが知られている。たとえば、明るい線と暗い線を含むスケールが光学式読み取りヘッドによって読み取られる光学式エンコーダシステムが知られている。また、１つまたは複数の磁気（たとえば、ホール）センサを備える読み取りヘッドユニットによって、スケールの、変動する磁気特性が読み取られる磁気エンコーダが知られている。
【０００３】
１つの既知のタイプのポジションエンコーダシステムは、規則正しく繰り返す目盛線（スケールマーキング）のパターンとして形成されるスケール（目盛板）を備える。複数の相隔たるセンサを備える読み取りヘッドを使用して、スケールと読み取りヘッドの間の相対運動を測定する。具体的には、読み取りヘッド内の複数の相隔たるセンサからのセンサ信号が組み合わされて、正弦および余弦の（位相直交）信号を生成し、これらの信号を補間して、繰返しスケールパターンの１周期未満までの正確な読み取りヘッドの位置の測度を提供することができる。そのようなインクリメンタル位置情報を、任意選択で、追加の、より疎の、絶対位置の測定値と組み合わせることができる。
【０００４】
特許文献１は、４つのセンサからの信号を適切に組み合わせることによって正弦インクリメンタル信号および余弦インクリメンタル信号を生成するための方法について記載している。また、たとえば特許文献２により、６つのセンサの出力が組み合わされて正弦信号および余弦信号が生成され、これらの信号が補間され、より高い分解能の位置情報をもたらすエンコーダデバイスが提供されることが知られている。特に特許文献２は、６つのセンサの出力が、組み合わされる前に、所定のフーリエ係数を使用して重み付けされる技法について記載している。この重み付け（ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ）は、得られる正弦／余弦信号に対するより高次の（たとえば第３）高調波成分の影響を低減し、それにより補間プロセスの分解能を改善すると言われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４９４９２８９号明細書
【特許文献２】米国特許第４５９５９９１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献２の技法は、実装するのに複雑であり、センサ信号が組み合わされる前に、センサ信号の正確な重み付けを必要とする。これにより、電子的に実装することが困難であり費用がかかることがわかる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、ポジションエンコーダ用の走査デバイスが、複数のセンサ信号を生成するための複数のセンサ素子と、走査デバイスと関連のスケールとの相対位置合わせに関する情報を提供する少なくとも第１の総和信号および第２の総和信号を生成するための総和ユニット（ｓｕｍｍａｔｉｏｎ  ｕｎｉｔ）とを備え、かつ第１の総和信号が複数のセンサ信号の第１のサブセット（小集団）から生成され、第２の総和信号が複数のセンサ信号の第２のサブセットから生成され、複数のセンサ素子が互いに実質的に均等に離隔されていて、関連のスケールの１周期当たりＮ個のセンサ素子が設けられ、Ｎは整数値かつ３の倍数および４の倍数であることを特徴としている。
【０００８】
したがって、本発明は、ポジションエンコーダ用の読み取りヘッドまたは走査デバイスを備える。この走査デバイスは、複数のセンサ信号を生成するための複数のセンサ素子を備える。たとえば、この走査デバイスは、検知された磁場強度を示す電圧のセンサ信号をそれぞれが出力する相隔たる複数のホールセンサ素子を備えることができる。また、走査デバイスと関連のスケールとの相対位置合わせまたは位相についての情報を含む少なくとも第１の総和信号および第２の総和信号を生成するために、総和ユニットを備える。
【０００９】
総和ユニットは、第１の総和信号を複数のセンサ信号の第１のサブセットから生成し、第２の総和信号を複数のセンサ信号の第２の（異なる）サブセットから生成する。具体的には、総和ユニットは、それぞれのサブセットの様々なセンサ信号の加算および／または減算によって各総和信号を生成することができる。センサ信号のサブセットは、複数のセンサ素子によって生成されるセンサ信号のセット（ひと組、集合）の、すべてではなく、その一部の集まりを意味することを理解されたい。下記でより詳細に述べるように、第１のサブセットおよび第２のサブセットは、共通のセンサ信号を含むことができる。すなわち、第１のサブセットおよび第２のサブセットは、相互に排他的でないことが好ましい。また、複数のセンサ素子によって生成されるセンサ信号の１つまたは複数が、第１のサブセットまたは第２のサブセットの一部を形成しない可能性もある。
【００１０】
したがって、本発明は、センサ信号の選択されたサブセットを使用して、総和信号を生成する。これは、特許文献２に記載されているタイプの既知の構成に伴う様々な欠点を軽減する。具体的には、本発明は、フーリエ重み係数の計算も、必要なフーリエ重み付けを実施する複数の異なる値の抵抗器を有する集積回路の使用も必要としない。その代わりに、本発明は、センサ信号の選択されたサブセットを組み合わせて、必要とされる総和信号を生成する総和ユニットを使用している。したがって、本発明は、特許文献２に記載されているタイプの従来技術のデバイスよりも、より単純で、かつ実装するのにより割安である。
【００１１】
上記で概説したように、走査ユニットの複数のセンサ素子は、互いに実質的に均等に離隔され、関連のスケールの１周期当たりＮ個の均等に離隔されたセンサ素子が設けられ、Ｎは整数値かつ３の倍数および４の倍数である。そのようなセンサ素子の構成を備えることにより、上述の第３高調波変動による影響を実質的に受けないセンサ信号のサブセットを選択することが可能になる。これは、より少ない（たとえば、４つまたは５つの）センサの使用について記載され、その結果、生成されるインクリメンタル信号に対する第３高調波の影響が生じる特許文献１に記載されているタイプのインクリメンタル方式よりも有利である。
【００１２】
大多数の実用的なエンコーダシステムでは、本発明による第３高調波の抑制が、十分な測定精度をもたらす。しかし、第５高調波を抑制することも可能である。これは、関連のスケールの１周期当たりＮ個のセンサ素子を設けることによって行うことができ、Ｎは４、３、５の倍数である。
【００１３】
有利に、走査デバイスが関連のスケールに対して移動されるにつれて、第１の総和信号および第２の総和信号が周期的に変動する。下記で概説するように、そのようなスケールは、周期的に繰り返す目盛線のパターンを備えることもあり得る。好ましくは、第１の総和信号は正弦信号を含み、第２の総和信号は余弦信号を含む。換言すれば、このデバイスの総和ユニットは、関連のスケールに対して移動されるにつれて、１対の正弦／余弦（直交の位相）信号を生成することが好ましい。そのような正弦／余弦信号を既知の方法で補間して、走査デバイスと関連のスケールとの相対位置合わせまたは位相の測度（ｍｅａｓｕｒｅ）を提供することができる。
【００１４】
複数のセンサ信号の第１のサブセットは、複数のセンサ信号の第２のサブセットとは異なるが、重複することが好ましい。換言すれば、センサ信号の、少なくとも２つの重複するサブセットを使用し、複数のセンサ素子によって生成されるセンサ信号のセットから少なくとも２つの総和信号を生成することが好ましい。好適なセンサ信号のサブセットの選択についてのより詳細は、下記で概説する。
【００１５】
磁気エンコーダの場合、走査デバイスによって読み取られる関連の磁気スケールは、周期的に繰り返す一連の磁気特性を備えることができる。たとえば、アクティブ（能動型）磁気スケールは、規則正しく繰り返す一連のＮ磁極およびＳ磁極を備えることができる。そのようなアクティブ磁気スケールの磁場プロファイル（分布）は、典型的には正弦曲線状に変動する。磁場強度の第１高調波変動に加えて、高調波次数（ｈｉｇｈｅｒ  ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｏｒｄｅｒｓ）もまた、複数の磁気センサ素子によって検知される磁場に影響を及ぼすことになる。偶数次数の高調波の抑制は、１スケール周期当たり偶数のセンサ素子を有する走査デバイスを使用することにより、容易に行うことができる。フーリエ係数を使用してセンサ信号に重み付けをする必要なしに総和信号からの第３高調波の影響を抑制するためには、関連のスケールの１周期当たり設けられるセンサ素子の数が、３または４の倍数である。
【００１６】
有利には、走査デバイスが、少なくとも１２個のセンサ素子を備える。好都合には、走査デバイスは、少なくとも６０個のセンサ素子を備える。走査デバイスがリニアスケールを読み取るように構成されている場合、下記で概説するようにスケールの１周期を超えてカバーするようにセンサ素子を構成することができる。したがって、少なくとも１５個のセンサ素子が有利に提供されるであろう。
【００１７】
有利には、複数のセンサ信号の第１のサブセットは、センサ信号が総和ユニットによって合算されたとき、第１の総和信号に対する（たとえば、関連のスケールの変動する磁場の）第３高調波成分の影響が実質的にゼロになるように選択される。好都合には、複数のセンサ信号の第２のサブセットは、センサ信号が総和ユニットによって合算されたとき、第２の総和信号に対する（たとえば、関連のスケールの変動する磁場の）第３高調波成分の影響が実質的にゼロになるように選択される。換言すれば、第１の総和信号および第２の総和信号を形成するように合算されるセンサ信号の適切な選択を使用し、スケールと走査デバイスの相対位置にかかわらずそれらの総和信号に対する第３高調波の影響を抑制または実質的に低減することができる。これは、上記で概説したように関連のスケールの１周期当たり設けられるセンサ素子の数が３または４の倍数であるとき、より容易に達成可能であることが判明している。センサ信号を合算することは、センサ信号の追加および／または減算を指すことに、やはり留意されたい。同様の選択プロセスを使用し、第５高調波の影響をも抑制することができるが、上記で概説したように、一般にスケールの１周期当たり、より多くのセンサ素子が必要とされる。様々な好適な組合せ方式について、以下で詳細に述べる。
【００１８】
有利には、総和ユニットは、センサ信号の第１のサブセットを整数の重み付けを用いて総和することによって第１の総和信号を生成する。同様に、総和ユニットは、センサ信号の第２のサブセットを整数の重み付けを用いて総和することによって第２の総和信号を生成する。換言すれば、第１のサブセットおよび／または第２のサブセットそれぞれのセンサ信号が、総和ユニットによって組み合わされる前に、整数値（たとえば、１または２）によってのみ重み付けされることが好ましい。有利には、整数値は１である。換言すれば、総和ユニットによって総和され、第１の総和信号および第２の総和信号を形成するとき、センサ信号に、等しい重み付け（たとえば、＋１または−１）が与えられることが好ましい。
【００１９】
走査デバイスは、リニアスケールを読み取るように構成されてもよい。リニアスケールまたはスケールトラックは、磁気目盛線など、周期ｐを有する一連の周期的に繰り返す目盛線を備えることができる。そのような例では、走査デバイスは、相隔たる複数のセンサ素子のリニアアレイを備えることが好ましい。有利には、センサ素子は、互いに均等に離隔される。正弦および余弦情報をスケールから明瞭に読み取ることができるように、スケールトラックの１周期より多くを同時に読み取るように十分なセンサ素子が設けられることが有利である。有利には、複数のセンサ素子は、関連のスケールの少なくとも１．２５周期、２．５周期、または３．２５周期をカバーするように構成される。
【００２０】
走査デバイスは、ロータリエンコーダの一部として動作するように構成されてもよい。そのようなロータリエンコーダでは、ロータリスケールが、磁気双極子などの回転アクチュエータを備えることができる。そのような例では、走査デバイスは、回転軸から実質的に等距離で離隔された、また実質的に等しい角度だけ互いに分離された複数のセンサ素子を備えることが好ましい。したがって、そのようなロータリスケールの周期は３６０°であり、Ｎ個のセンサ素子（Ｎは３の倍数および４の倍数）が、回転軸周りで、等しい角度分離で設けられる。このようにして、走査デバイスに対するロータリスケールの絶対角度方向を決定することができる。
【００２１】
有利には、走査デバイスは磁気走査デバイスである。換言すれば、走査デバイスは、磁気センサ素子の形態にある複数のセンサ素子を備えることが好ましい。磁気センサ素子は、磁気抵抗磁気素子またはホールセンサとすることができる。そのような磁気センサ素子を使用し、関連の磁気スケールの磁場の変動を検知することができる。
【００２２】
本発明の磁気走査デバイスは、一連の（Ｎ／Ｓ）磁極が、必要とされる目盛線を形成する、いわゆるアクティブ磁気スケールと共に使用することができる。好ましくは、この磁気走査デバイスは、スケールの透磁率の局所的な差異によって目盛線が形成される、いわゆるパッシブ（受動型）磁気スケールと共に使用するのに適している。この走査デバイスは、１つまたは複数の磁石を備えることが好ましい。磁石（１つまたは複数）は、永久（たとえば、希土類）磁石および／または電磁石を含むことができる。有利には、複数のセンサ素子が、磁石（１つまたは複数）の磁場内に位置する。たとえば、複数のセンサ素子は、複数の磁気センサ素子に隣接して位置することができる。好ましくは、関連のパッシブ磁気スケールを、複数のセンサ素子に隣接して、また磁石によって生成される磁場内に配置するとよい。このようにして、スケールの透磁率の変動により、複数のセンサ素子によって検出される磁場強度が変わる。パッシブ磁気スケールは、アクティブ磁気スケールと異なり、使用中に減磁しないという利点を有する。したがって、パッシブ磁気スケールは、一般に、厳しい環境で使用するのにより適している。
【００２３】
上述のように、第１の総和信号および第２の総和信号は、周期的に変動する、たとえば正弦／余弦信号とすることができる。走査デバイスは、第１の総和信号および第２の総和信号を補間し、補間された位置出力をもたらすための補間ユニットを備えることが好都合である。補間ユニットによって適用される補間係数は、必要に応じて設定することができる。
【００２４】
上記で概説したように、第１の総和信号および第２の総和信号を使用して、インクリメンタル位置情報または相対位置情報を提供することができる。たとえば、第１の総和信号および第２の総和信号の補間により、周期的に変動するスケールパターンに対する走査デバイスの相対位置合わせ、または位相を提供することができる。そのような情報は、それ自体では、リニアエンコーダシステムのための絶対位置の測度を提供しない。したがって、走査デバイスは、関連のスケールのアブソリュート（絶対）スケールトラックからデータビットを読み取り、絶対位置情報を提供するためのアブソリュートスケールリーダ（読み取り器）をも備えることが好都合である。たとえば、関連のスケールは、アブソリュートスケールトラックに隣接する、周期的に変動する（インクリメンタル）トラックを備えることができる。アブソリュートスケールトラックは、絶対位置を一意に規定する一連の符号語（ｃｏｄｅｗｏｒｄ）を含むことができる。走査デバイスは、補間された位置出力と絶対位置情報を組み合わせ、分解能が向上した絶対位置情報を提供するための位置計算ユニットをさらに備えることが有利である。換言すれば、第１の総和信号および第２の総和信号から提供される高分解能情報を、絶対位置スケールリーダによって提供される、典型的にはより粗い、情報と組み合わせることができる。このようにして、より細かい分解能の絶対位置情報を生成することができる。
【００２５】
有利には、総和ユニットおよび／または複数のセンサ素子は、共通の基板上に設けられる。たとえば、単一のシリコンウェハが、複数のホールセンサと、総和ユニットを実装するために必要な回路とを提供できる。また、走査デバイスは、機械部品に取り付けることができる読み取りヘッドを備えるために、ハウジングなどに組み込まれてもよい。
【００２６】
上述のタイプの走査デバイスおよびスケールを備えるポジションエンコーダ装置をも本発明により提供することができる。適切なハウジングまたはケーシングもまた、必要に応じて設けられてもよい。
【００２７】
第２の態様によれば、本発明は、位置を測定するための方法であって、（ｉ）複数のセンサ素子から複数のセンサ信号を受け取るステップと、（ｉｉ）第１の総和信号を複数のセンサ信号の第１のサブセットから生成し、第２の総和信号を複数のセンサ信号の第２のサブセットから生成するステップとを含み、複数のセンサ素子が互いに実質的に均等に離隔されていて、関連のスケールの１周期当たりＮ個のセンサ素子が設けられ、Ｎは整数値かつ３の倍数および４の倍数であることを特徴とする、方法を提供する。
【００２８】
本発明の他の態様によれば、ポジションエンコーダ用の走査デバイスが提供され、このデバイスは、複数のセンサ信号を生成するための複数のセンサ素子と、走査デバイスと関連のスケールとの相対位置合わせに関する情報を提供する少なくとも第１の総和信号および第２の総和信号を生成するための総和ユニットとを備え、第１の総和信号が複数のセンサ信号の第１のサブセットから生成され、第２の総和信号が複数のセンサ信号の第２のサブセットから生成され、複数のセンサ信号の第１のサブセットは、センサ信号が総和ユニットによって合算されたとき、第１の総和信号に対する第３高調波成分の影響が実質的にゼロになるように選択される。好ましくは、複数のセンサ信号の第２のサブセットは、センサ信号が総和ユニットによって合算されたとき、第２の総和信号に対する第３高調波成分の影響が実質的にゼロになるように選択される。
【００２９】
また、本明細書には、複数のセンサ信号を生成するための複数のセンサ素子と、走査デバイスと関連のスケールとの相対位置合わせに関する情報を提供する少なくとも第１の総和信号および第２の総和信号を生成するための総和ユニットとを備え、第１の総和信号が複数のセンサ信号の第１のサブセットから生成され、第２の総和信号が複数のセンサ信号の第２のサブセットから生成される、ポジションエンコーダ用の走査デバイスについて記載されている。この走査デバイスもまた、上述の特徴のいずれか１つまたは複数を含むことができる。
【００３０】
次に、本発明について、例示としてのみ、添付の図面を参照して述べる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の磁気位置測定装置を示す図である。
【図２】図１の装置のセンサアレイおよび磁気スケールをより詳細に示す図である。
【図３】図１および図２に示されている装置の最上位ブロック図である。
【図４】本発明に従って１５個のセンサ信号を組み合わせるための方式を説明する図である。
【図５】図４で概説した総和の方式を実装するための電子回路を示す図である。
【図６】本発明に従ってセンサ信号を組み合わせるための他の方式を説明する図である。
【図７】本発明のロータリエンコーダ装置を示す図である。
【図８】図７のエンコーダの他の図である。
【図９】図７および図８に示されているロータリエンコーダと共に使用するための総和の方式の要点をまとめた図である。
【図１０】図９で概説した総和の方式を実装するための電子回路を示す図である。
【図１１】図９の総和の方式がどのように第３高調波を低減するかを示す図である。
【図１２】ロータリエンコーダと共に使用するための他の総和の方式を説明する図である。
【図１３】図１２の総和の方式がどのように第３高調波を低減するかを示す図である。
【図１４】図１２の総和の方式がどのように第５高調波を低減するかを示す図である。
【図１５】アブソリュートスケールトラックおよびインクリメンタルスケールトラックを有するリニアスケールに沿って移動可能な読み取りヘッドを示す図である。
【図１６】図１５の読み取りヘッドおよびスケールを貫く横断面図である。
【図１７】図１６の読み取りヘッドを使用し、インクリメンタル位置データおよび絶対位置データを生成することを図解する図である。
【図１８】４つの他の総和の方式を示す図である。
【図１９Ａ】差分総和（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｓｕｍｍａｔｉｏｎ）方式を使用して生成された正弦信号を示す図である。
【図１９Ｂ】差分総和の方式を使用して生成された正弦信号を示す図である。
【図１９Ｃ】差分総和の方式を使用して生成された正弦信号を示す図である。
【図１９Ｄ】差分総和の方式を使用して生成された正弦信号を示す図である。
【図２０Ａ】本発明の総和の方式を使用して生成された正弦信号を示す図である。
【図２０Ｂ】本発明の総和の方式を使用して生成された正弦信号を示す図である。
【図２０Ｃ】本発明の総和の方式を使用して生成された正弦信号を示す図である。
【図２０Ｄ】本発明の総和の方式を使用して生成された正弦信号を示す図である。
【図２１Ａ】本発明の他の総和の方式を使用して生成された正弦信号を示す図である。
【図２１Ｂ】本発明の他の総和の方式を使用して生成された正弦信号を示す図である。
【図２１Ｃ】本発明の他の総和の方式を使用して生成された正弦信号を示す図である。
【図２１Ｄ】本発明の他の総和の方式を使用して生成された正弦信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１を参照すると、本発明の磁気位置測定装置の横断面図が提供されている。この装置は、ハウジング２を備える読み取りヘッドを備え、ハウジング２は、ねじ接続部６によって加工機械の第１の部品４に固定されている。１５個の相隔たれた磁気センサ素子を備えるセンサアレイ８が、ハウジング２内に位置する。センサアレイの各磁気センサは、処理電子回路（処理電子機器）１０によって解析される出力またはセンサ信号を送る。加工機械の第２の部品１２は、その機械の第１の部品４に対して移動可能であり、周期的に磁化されたゴム磁石を備える磁気スケール１４を担持する。
【００３３】
センサアレイ８と磁気スケール１４の間の分離（しばしばライドハイト（ｒｉｄｅ−ｈｅｉｇｈｔ：車高）と呼ばれる）は、センサアレイ８に存在する磁場を最大にするために、可能な限り小さくすることが好ましい。また、加工機械の第１の部品と第２の部品が互いに移動するときのライドハイトの変動は最小限に抑えられることが好ましい。
【００３４】
図２を参照すると、図１を参照して上述した磁気センサアレイ８および磁気スケール１４の概略図が提供されている。センサアレイ８は、１５個の均一に分配された磁気センサ素子１６を備える。磁気スケール１４は、周期またはピッチｐを有し、磁気センサ素子１６は、磁気スケール１４のピッチｐの１２分の１だけ互いに離隔されている。したがって、センサアレイ８の磁気センサ素子１６が磁気スケール１４の１と４分の１周期をカバーすることがわかる。
【００３５】
また、図２には、磁束密度１８の垂直成分のプロットが示されており、これが磁気スケール１４に沿って（周期ｐの）正弦曲線状変動を有することがわかる。センサアレイ８に１５個の磁気センサ素子を設けることにより、磁気スケール１４の１と４分の１周期にわたって磁束密度を測定することができる。これにより、下記でより詳細に述べるように、余弦信号と正弦信号（すなわち、９０°または周期ｐの４分の１の位相差を有する信号）を、磁気センサ信号の２つのサブセットから生成することができる。
【００３６】
また、図３を参照すると、図１および図２を参照して述べた磁気位置測定装置の最上位ブロック図が示されている。磁気スケール１４から生じる磁束密度Ｂの変動が、センサアレイ８の１５個の磁気センサ素子１６によって検知される。したがって、センサアレイ８は、１５個の磁気センサ信号Ｓ１〜Ｓ１５を生成する走査ユニット３０の一部とみなすことができる。すなわち、１つの磁気センサ信号がセンサアレイ８の各磁気センサ素子１６によって生成される。次いで、磁気センサ信号Ｓ１〜Ｓ１５は、総和ユニット３４に渡される。総和ユニット３４は、図４を参照して下記で述べる総和の方式を使用して、磁気センサ信号の第１のサブセットおよび第２のサブセットからそれぞれ正弦信号および余弦信号を生成する。既知のタイプの補間回路（ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｏｒ:補間器ともいう）など評価ユニット３６を使用し、加工機械の第１の部品と第２の部品の相対位置の変化を示す信号を生成する。評価ユニット３６からの信号は、必要に応じて制御または表示ユニット３８に送られる。
【００３７】
図４は、本発明に従って、どのように１５個の磁気センサ信号（Ｓ１〜Ｓ１５）の第１のサブセットと第２のサブセットを組み合わせ、上述の必要とされる正弦信号および余弦信号を生成することができるかを示す。具体的には、図４は、組み合わされてそれぞれ正弦信号および余弦信号を提供するセンサ信号の２つのサブセットのリストである。図４では、「＋」は、それぞれのセンサ信号が他方のセンサ信号に加算され、正弦信号または余弦信号を形成することを示し、「−」は、それぞれのセンサ信号が他方のセンサ信号から減算され、結果的に得られる正弦信号または余弦信号を形成することを示し、「不使用」は、その特定のセンサ信号が、結果的に得られる正弦信号または余弦信号の生成に使用されないことを示す。余弦信号は、正弦信号と同じように生成されるが、正弦信号を生成するために使用されるセンサに対してセンサが４分の１スケール周期だけ変位されることに留意されたい。さらに、磁気センサ信号Ｓ３、Ｓ１３は、実際に使用されず、したがってそもそも物理的に生成される必要がないことに留意されたい。
【００３８】
図５を参照すると、図４で概説した総和の方式を実装するのに適した電子回路が示されている。図５に示されている１５個の磁気センサ素子Ｈ１〜Ｈ１５は、図２を参照して上述した１５個の均一に分配された磁気センサ素子１６に対応する。磁気センサ素子Ｈ１〜Ｈ１５は、それぞれアナログセンサ信号Ｓ１〜Ｓ１５を生成し、これらのアナログセンサ信号は、増幅器Ｖ１〜Ｖ１５の入力に印加される。本例における増幅器Ｖ１〜Ｖ１５のそれぞれは、同じ利得を有する。増幅器Ｖ１〜Ｖ１５の選択された出力が、抵抗器Ｒを介して２つの演算増幅器Ａ１、Ａ２の反転入力および非反転入力に印加される。演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力は、それらの反転入力に他の抵抗器Ｒ’を介して帰還され、一方、非反転入力は、それぞれの抵抗器Ｒ’’を介して接地に接続される。
【００３９】
演算増幅器Ａ１、Ａ２の入力に印加されたセンサ信号は、図４で概説した方式に従って選択される。具体的には、増幅されたアナログ信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ１１、Ｓ１２は、組み合わされ、それぞれの抵抗器Ｒを介して演算増幅器Ａ１の非反転入力に印加される。増幅されたアナログセンサ信号Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８は、組み合わされ、抵抗器Ｒを介して演算増幅器Ａ１の反転入力に印加される。演算増幅器Ａ１からの出力Ｕａは、正弦信号である。増幅されたアナログセンサ信号Ｓ４、Ｓ５、Ｓ１４、Ｓ１５は、組み合わされ、抵抗器Ｒを介して演算増幅器Ａ２の非反転入力に印加される。増幅されたアナログセンサ信号Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１は、組み合わされ、抵抗器Ｒを介して演算増幅器Ａ２の反転入力に印加される。演算増幅器Ａ２からの出力Ｕｂは、余弦信号である。次いで、正弦信号および余弦信号を、既知のタイプの補間回路に渡すことができる。
【００４０】
そのような補間回路による補間の結果は、多数の要因、たとえば正弦信号および余弦信号の振幅、オフセット、位相、および高調波歪みに依存する。補間の精度の測度（程度）は、一般にサブディビジョナルエラー（ＳＤＥ：１つの信号周期内の誤差）とも呼ばれ、補間によって生成される位置とその周期内の実際の位置との差であり、一般に、周期ｐごとに繰り返される。
【００４１】
図５を参照して述べた回路を使用して任意で実装することができる、図４で概説した総和の方式は、正弦信号および余弦信号に対する第３高調波歪みの作用を低減する、または実質的に解消することが判明している。正弦／余弦信号の品質におけるこの改善により、信号を補間し位置情報を生成するとき得られる補間の精度の測度（すなわち、ＳＤＥ）を大きく改善することができる。
【００４２】
第３高調波歪みの作用を低減することについて特許文献２で以前に述べられているが、従来の技法は、複雑であり、６個のセンサ信号が組み合わされて必要な正弦／余弦信号を提供する前に、６個のセンサ信号を重み付けするために使用されるフーリエ係数の計算を必要とすることに留意されたい。本発明は、センサ信号の、均等に重み付けされたサブセットを単に加算および減算することによって正弦／余弦信号を生成する単純な方法を提供する。また、均等に重み付けされたセンサ信号の組み合わせは、電子回路内で使用される様々な抵抗器Ｒがすべて同じ抵抗値を有し、それにより回路製作のコストおよび複雑さを低減するという利点を有する。
【００４３】
上述の方式は、正弦信号および余弦信号に対する第３高調波の影響を完全に除去する、または少なくとも実質的に低減することを可能にする。さらに、そのような方式は、一部のより高い高調波の作用をも低減することが判明している。たとえば、上記の方式はまた、第５高調波および第７高調波の振幅を約７３％低減する。大多数の実際の場合には、図１から図５を参照して述べた方式は、正弦／余弦信号が補間されたとき十分に正確な位置情報を得ることができるほど十分に、正弦／余弦信号の品質を改善する。しかし、第５高調波の完全な除去も必要とされる場合があり得る。
【００４４】
図６を参照すると、第３高調波および第５高調波が共に著しく低減または解消される、正弦信号および余弦信号を生成するためのセンサ信号組合せ方式が示されている。この方式は、磁気スケールの周期ｐ当たり６０個の均等に離隔された磁気センサ素子を必要とし、正弦信号と余弦信号の両方を生成することができるように、磁気スケールの１と４分の１（１+１/４）周期をカバーするための十分な磁気センサをやはり必要とする。したがって、合計７５個の磁気センサ素子が必要とされる。したがって、図６の組合せ方式は、正弦信号および余弦信号をそれぞれ生成するために、センサ信号の、２つの重複するサブセットを備える。
【００４５】
図１から図６を参照して述べた例は、読み取りヘッドが磁気スケールの長さに沿って移動される、いわゆるリニアエンコーダ(直線型エンコーダ)に関する。しかし、本発明は、いわゆるロータリエンコーダ（回転型エンコーダ）にも等しく適用可能である。
【００４６】
図７を参照すると、本発明のロータリエンコーダ装置が示されている。このロータリエンコーダは、加工機械（図示せず）のベッドに固定することができるハウジング７０を備える読み取りヘッドを含む。１２個の磁気センサを備えるセンサアレイ７２が、センサアレイ７２の磁気センサによって生成されるセンサ信号を解析するための処理電子回路７４と共にハウジング７０内に位置する。磁気アクチュエータ（磁気作動装置）７６が、読み取りヘッドハウジング７０に隣接して設けられる。磁気アクチュエータ７６は、円筒形または立方体のような直径方向で分極された磁石を備えることができる。使用時には、磁気アクチュエータ７６は、機械のロータリ軸（回転軸）７８に固定され、それと共に回転するように構成される。
【００４７】
次に図８を参照すると、ロータリ軸７８に沿った図７のロータリエンコーダの概略図が示されている。具体的には、図８は、磁気アクチュエータ７６に対する、センサアレイ７２の１２個の磁気（ホール）センサ素子Ｈ１〜Ｈ１２の配置を示す。磁気アクチュエータ７６によって生成される磁束密度は、回転軸７８を跨いで正弦曲線状の分布を有し、センサアレイ７２の磁気センサ素子Ｈ１〜Ｈ１２によって検知される。１２個の磁気センサ素子Ｈ１〜Ｈ１２はすべて、回転軸７８から実質的に同じ距離だけ離隔され、互いに３０°だけ角度分離される。
【００４８】
図９を参照すると、図８を参照して上述されている磁気センサ素子Ｈ１〜Ｈ１２によって生成されるセンサ信号Ｓ１〜Ｓ１２から正弦信号および余弦信号を生成するための総和の方式が示されている。余弦信号は、正弦信号を生成するセンサ信号の組合せから９０°だけシフトされているセンサ信号の組合せから生成されることがわかる。図９に示されている、ロータリエンコーダ用の方式は、図４に示されている、リニアシステム用のものと同様であることにも留意されたい。上記で概説したように、リニアエンコーダの実施形態に設けられている３つの追加の磁気センサ素子Ｈ１３〜Ｈ１５は、複数の、繰り返す磁場変動の周期を有するリニアスケールから正弦信号および余弦信号を共に生成することを可能にする。ロータリエンコーダでは、測定すべき単一の回転可能な磁石からの磁場しか存在しないため、１２個の磁気センサ素子Ｈ１〜Ｈ１２が必要とされるにすぎない。
【００４９】
図１０を参照すると、図９に示されている総和の方式を実装するのに適した回路が示されている。磁気センサ素子Ｈ１〜Ｈ１２は、それぞれアナログセンサ信号Ｓ１〜Ｓ１２を生成し、これらのアナログセンサ信号は、増幅器Ｖ１〜Ｖ１２の入力に印加される。本例における増幅器Ｖ１〜Ｖ１２のそれぞれは、同じ利得を有する。増幅器Ｖ１〜Ｖ１２の選択された出力が、抵抗器Ｒを介して２つの演算増幅器Ａ１、Ａ２の反転入力および非反転入力に印加される。演算増幅器Ａ１、Ａ２の出力は、それらの反転入力に他の抵抗器Ｒ’を介して帰還され、一方、非反転入力は、それぞれの抵抗器Ｒ’’を介して接地に接続される。
【００５０】
演算増幅器Ａ１、Ａ２の入力に印加されたセンサ信号は、図９で概説した方式に従って選択される。具体的には、増幅されたアナログセンサ信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ１１、Ｓ１２は、組み合わされ、それぞれの抵抗器Ｒを介して演算増幅器Ａ１の非反転入力に印加される。増幅されたアナログセンサ信号Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８は、組み合わされ、それぞれの抵抗器Ｒを介して演算増幅器Ａ１の反転入力に印加される。演算増幅器Ａ１からの出力Ｕａは、正弦信号である。増幅されたアナログセンサ信号Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５は、組み合わされ、それぞれの抵抗器Ｒを介して演算増幅器Ａ２の非反転入力に印加される。増幅されたアナログセンサ信号Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１は、組み合わされ、それぞれの抵抗器Ｒを介して演算増幅器Ａ２の反転入力に印加される。演算増幅器Ａ２からの出力Ｕｂは、余弦信号である。次いで、正弦信号および余弦信号を、既知のタイプの補間回路に渡すことができる。
【００５１】
図１１を参照すると、図９の総和の方式がどのように第３高調波を抑制する効果を有するかが示されている。具体的には、図１１は、１２個の磁気センサ素子Ｈ１〜Ｈ１２が、周期ｐを有する、正弦曲線状に変動する磁場１１０をどのように検出するかを示す。この周期ｐは、磁場プロファイルに対する第１高調波の影響の周期に対応する。第３高調波の影響１１２は、当然ながら周期ｐの３分の１の周期を有する。図９で概説した、余弦信号を生成するためのセンサ方式が、図１１に示されている。余弦信号を生成するために使用されるセンサ信号を生成するセンサ素子（すなわち、素子Ｈ２〜Ｈ５およびＨ８〜Ｈ１１）は、黒丸（塗りつぶし円）として示されており、一方、余弦信号の生成に使用されないセンサ素子は、白丸（中空円）として示されている。素子Ｈ２〜Ｈ５およびＨ８〜Ｈ１１からの信号を組み合わせるとき使用される符号もまた、それぞれのセンサ素子に隣接して与えられている。
【００５２】
本図のようにセンサ信号を組み合わせることには、磁場プロファイルの位相または相対位置にかかわらず、第３高調波信号１１２からの余弦信号に対する影響が常に実質的にゼロであるという効果がある。３の倍数である奇数高調波（たとえば、第９高調波、第１５高調波など）と共に、すべての偶数高調波も実質的に抑制される。余弦信号に対する第５高調波および第７高調波の影響もまた、（たとえば、７０パーセントを超えて）実質的に低減される。同様の改善が正弦信号にももたらされ、正弦信号は、余弦信号をもたらすセンサ信号のサブセットから９０°だけオフセットされているセンサ信号のサブセットを組み合わせることによって生成される。
【００５３】
上記の後で、磁場変動の周期ｐ当たり１２個以上の等距離で離隔された磁気センサ素子が設けられることが好ましいことがわかる。これは、第３高調波の影響を実質的に除去する（一方、依然として第１高調波を測定することができる）ために必要とされる、均等に離隔されたセンサ素子の数が、４と３の倍数であることが好ましいからである。
【００５４】
図７〜図１１を参照して述べたロータリエンコーダは、正弦信号および余弦信号に対する第３高調波の影響を完全に除去する、または少なくとも実質的に低減することを可能にする。しかし、対応するリニアエンコーダについて上述したように、第５高調波の除去も必要とされる場合があり得る。
【００５５】
図１２を参照すると、第３高調波および第５高調波が共に著しく低減または解消される、ロータリエンコーダにおいて正弦信号および余弦信号を生成するためのセンサ信号組合せ方式が示されている。この方式は、磁気アクチュエータの回転中心軸周りで均等に分配される６０個の磁気センサ素子を使用する。図１２の組合せ方式は、正弦信号および余弦信号をそれぞれ生成するために、センサ信号の、２つの重複するサブセットを備える。次に、この方式を使用する第３高調波および第５高調波の抑制について、図１３および図１４を参照して述べる。
【００５６】
図１３は、見やすくするために、図１２で概説した方式を実装するために使用される磁気センサ素子の半分だけを示す。具体的には、図１３では、センサ素子Ｈ１〜Ｈ３０が丸として示されている。この場合も、黒丸は、余弦信号を生成するために使用されるセンサを表し、一方、白丸は、その目的に使用されないセンサを示す。センサ素子Ｈ１〜Ｈ３０だけが示されているので、図１３のセンサ素子すべてにより、共に加算され余弦信号を形成する、すなわち正（＋）の符号を有する信号が提供される。総和の方式の他方の（すなわち、センサ素子Ｈ３１〜Ｈ６０を使用する）半分は、図示されている半分に対して反対かつ対称であり、それらの選択されたセンサ信号は、他方のセンサ信号から減算される、すなわち負（−）の符号を有することにも留意されたい。
【００５７】
また、図１３には、磁場強度の第１高調波１３２の変動の半分が示されている。磁場に対する第３高調波の影響（ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ：寄与）１３４の１と２分の１周期も示されている。センサ素子の選択されたサブセットを使用すると、組み合わされた信号に対する第３高調波の正味の影響は、その第３高調波の周期全体が同時に検知されるので常にゼロになることがわかる。
【００５８】
次に図１４を参照すると、信号に対する第５高調波の影響の除去が示されている。具体的には、図１４では、センサ素子Ｈ１〜Ｈ３０が丸として示されており、黒丸は、余弦信号を提供するために使用されるセンサを表す。また、組み合わされた信号に対する第１高調波１３２および第５高調波１４０の影響が示されている。第５高調波信号１４０は、３つの部分Ａ、Ｂ、Ｃに細分される。部分Ｃは、第５高調波の１周期にわたり、したがって平均はゼロである。部分Ｂは反対の符号のものであり、第５高調波の平均的な影響はゼロである。同様に、部分Ａは反対の符号のものであり、その結果、組み合わされた信号に対する第５高調波の正味の影響はやはりゼロである。
【００５９】
したがって、図１２で概説した組合せ方式は、図１３および図１４を参照して述べたように、組み合わされたセンサ信号から第３高調波および第５高調波の作用を実質的に除去すると理解することができる。具体的には、第３、第５、第９、第１５高調波の振幅が実質的に解消される。第７、第１１、第１３、第１７高調波の（第１高調波に対する）振幅もまた、それぞれ約１２％、２３％、２４％、２０％に低減される。磁場変動の１周期当たり少なくとも４２０個（すなわち、４×３×５×７個）の離隔されたセンサ素子を使用して第３高調波、第５高調波および第７高調波を実質的に解消することができることに留意されたい。しかし、そのようなシステムでは、その多数の追加の磁気センサ素子は、得られることになる測定精度の比較的小さな改善に関して、コストが法外なものとなる。
【００６０】
図１から図１２を参照して上記で概説した実施形態は、磁化された（Ｎ−Ｓ）材料の領域から形成される、いわゆるアクティブ磁気スケールを使用する。しかし、本発明は、いわゆるパッシブ磁気スケールを使用するエンコーダシステムにも適用することができる。さらに、上述のリニアエンコーダシステムは、相対位置情報またはインクリメンタル（増加）位置情報だけを提供する。換言すれば、正弦／余弦信号を解析（たとえば、補間）し、高精度でスケールと読み取りヘッドの間の位置の相対変化を判定することができる。下記で述べるように、本発明に従って決定されるそのような高分解能インクリメンタル位置情報を、絶対位置の（たとえば、より粗い）測定値と組み合わせることができる。
【００６１】
図１５を参照すると、スケール１５２の長さに沿って移動可能な読み取りヘッド１５０が示されている。スケール１５２は、磁性材料（たとえば、鋼）から形成され、アブソリュートスケールトラック１５６に対して平行なインクリメンタル（斬増）スケールトラック１５４を備える。インクリメンタルスケールトラック１５４は、溝またはこぶ（ハンプ）など、一連の周期的に繰り返す目盛線を備える。アブソリュートスケールトラック１５６は、やはり溝またはこぶによって設けることができる、コード化された一連の目盛線を備える。アブソリュートスケールトラック１５６の目盛線は、スケール１５２に沿って絶対位置を画定する一連の符号語を既知の方法で符号化する。
【００６２】
図１６を参照すると、読み取りヘッド１５０およびスケール１５２を通る横断面の概略図が提供されている。読み取りヘッド１５０は、複数のホールセンサ素子（図１６には図示せず）を担持する集積回路部分１６０と、永久磁石１６２とを備える。集積回路部分１６０は、永久磁石１６２とスケール１５２の間に位置する。集積回路部分１６０のホールセンサ素子を使用し、スケール１５２の目盛線により生じる、磁石１６２によって生成される磁場の変動を検出する。換言すれば、目盛線（たとえば、溝／こぶ）によってもたらされるスケールトラック１５２の透磁率の変化が、集積回路部分１６０のホールセンサ素子によって検知される。
【００６３】
図１７を参照すると、スケール１５２を読み取るための読み取りヘッド１５０の使用が示されている。具体的には、図１７は、集積回路部分１６０のホールセンサ素子を示す。集積回路部分１６０は、インクリメンタルスケールトラック１５４を読み取るためのホールセンサ素子の第１のセット１７０と、アブソリュートスケールトラック１５６を読み取るためのホールセンサ素子の第２のセット１７２とを備える。
【００６４】
第１のセット１７０の複数のホールセンサ素子は互いに均等に離隔されており、センサ素子の出力は、読み取りヘッド１５０がスケール１５２に沿って通過するとき、正弦および余弦の（直交位相）信号１７４が生成されるように組み合わされる。これらの正弦および余弦信号１７４は、既知の技法を使用して補間され、相対位置の細かいインクリメンタル測度を提供する。ホールセンサ素子の第１のセット１７０の構成、およびホールセンサ素子が生成する信号が組み合わされる方法については、下記でより詳細に述べる。
【００６５】
第２のセット１７２の複数のホールセンサ素子は、平行して、アブソリュートスケールトラック１５６内に符号化されている一連のデータビットを読み取り、信号１７６を生成する。データビット「１」は、目盛線（たとえば、溝／こぶ）と目盛線の１つの空き（不在）が続くことによって符号化され、ビット「０」は、目盛線の２つの空きが続くことによって表される。アブソリュートスケールトラック１５６からの各情報ビットは第２のセット１７２の複数のホールセンサ素子で読み取られるが、そのようなホールセンサ素子の選択された１対からのデータだけが同時に使用されることに留意されたい。このようにして、アブソリュートスケールトラック１５６からコード化された情報をより確実に読み取ることが可能である。当業者なら、絶対位置データをアブソリュートスケールトラックに符号化し、そこから読み取ることができる様々な他の方法を知っているはずである。
【００６６】
ホールセンサ素子の第２のセット１７２から決定される粗い絶対位置情報が、ホールセンサ素子の第１のセット１７０から決定される細かいインクリメンタル位置情報と組み合わされて、より細かい分解能の絶対位置情報１７８を提供する。このようにして、絶対位置測定によってもたらされる粗い分解能を、インクリメンタル測定から得られるより細かい（サブビット長）分解能によって洗練することができる。
【００６７】
図１７では、ホールセンサ素子の第１のセットおよび第２のセットを提供するものとして単一の集積回路部分１６０が示されているが、センサのそのようなセットを別々の基板上で形成することは可能であろう。ホールセンサ素子の第１のセットおよび第２のセットからの信号を解析するための処理回路もまた、集積回路部分１６０上に設けることができ、または別個の処理電子回路を用意し、信号解析の一部またはすべてを実施することもできる。
【００６８】
図１８を参照すると、ホールセンサ素子の第１のセット１７０からの信号を組み合わせ、図１７の正弦／余弦信号１７４を生成するために使用することができる４つの方式が示されている。これらの方式は、インクリメンタルスケールトラック１５４の１周期当たり１２個のホールセンサ素子が設けられていることを想定している。
【００６９】
図１８で概説したような方式Ａは、インクリメンタルスケールトラックの３．２５周期を読み取る３９個のホールセンサからのセンサ信号を組み合わせるために使用することができる既知（従来技術）の方式に基づくものである。そのような組合せ方式では、スケールの３周期を読み取るホールセンサ素子から正弦信号が生成される。具体的には、６つの隣接するセンサ素子からなるブロックからのセンサ信号が交互に互いに加算および減算される。余弦信号は、同じ組合せパターンを使用するが、スケール周期の４分の１だけオフセットされる。
【００７０】
図１８で概説したような方式Ｂは、図４および図９〜図１１を参照して上述した方式に基づく組合せ方式であるが、インクリメンタルスケールトラック１５４の３．２５周期にわたって配置されたホールセンサ素子からの信号を使用するように拡張されている。
【００７１】
方式Ｃ１は、方式Ｂと同様であるが、スケールの２．５周期にわたって分配された３０個の磁気センサ素子を使用する。方式Ｃ２は、方式Ｃ１の変形形態であり、スケールの１と２分の１周期にわたって分配された１８個の磁気センサ素子を使用する。方式Ｃ２は方式Ｃ１よりも少ない磁気センサ素子を使用するが、これらの磁気センサ素子の一部からの信号を２重重み付け（ｄｏｕｂｌｅ  ｗｅｉｇｈｔ）することによって、実質的に同様の性能を得ることができることが判明している。方式Ｃ２の２重重み付けされたセンサ信号は、図１８では「×２」によって示されている。
【００７２】
次に、図１９から図２１を参照して、前述の組合せ方式の一部によって生成された、結果的に得られた正弦信号を示すことによって、本発明の利点について実証する。さらに、得られた波形のそれぞれについてのいわゆるサブディビジョナルエラー（ＳＤＥ）が計算されている。サブディビジョナルエラーは、事実上、補間によって関連の波形から抽出された任意の位置測定値に伴う誤差の測度である。下記で概説する例では、４ｍｍのスケールピッチまたは周期が想定される。
【００７３】
図１９Ａ〜図１９Ｄを参照すると、スケールの１周期当たり事実上４つの磁気センサ素子を使用してスケールの差動読み出し（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｒｅａｄｉｎｇ）によって生成された波形が示されている。そのような方式は、図１８に示されている方式Ａと同様である。
【００７４】
図１９Ａは、読み取りヘッドが０°ピッチでスケールから０．３ｍｍ離隔された状態で生成された正弦信号を示す。１７μｍのサブディビジョナルエラーがそのような信号に伴う。
【００７５】
図１９Ｂは、読み取りヘッドが２°ピッチでスケールから０．３ｍｍ離隔された状態で生成された正弦信号を示す。３８．５μｍのサブディビジョナルエラーがそのような信号に伴う。
【００７６】
図１９Ｃは、読み取りヘッドが０°ピッチでスケールから１．０ｍｍ離隔された状態で生成された正弦信号を示す。２μｍのサブディビジョナルエラーがそのような信号に伴う。
【００７７】
図１９Ｄは、読み取りヘッドが２°ピッチでスケールから１．０ｍｍ離隔された状態で生成された正弦信号を示す。３５μｍのサブディビジョナルエラーがそのような信号に伴う。
【００７８】
図２０Ａ〜図２０Ｄを参照すると、図４を参照して述べたように構成された１５個の磁気センサ素子を使用してスケールを読んだとき生成された波形が示されている。
【００７９】
図２０Ａは、読み取りヘッドが０°ピッチでスケールから０．３ｍｍ離隔された状態で生成された正弦信号を示す。２．６μｍのサブディビジョナルエラーがそのような信号に伴う。
【００８０】
図２０Ｂは、読み取りヘッドが２°ピッチでスケールから０．３ｍｍ離隔された状態で生成された正弦信号を示す。３７μｍのサブディビジョナルエラーがそのような信号に伴う。
【００８１】
図２０Ｃは、読み取りヘッドが０°ピッチでスケールから１．０ｍｍ離隔された状態で生成された正弦信号を示す。０．０３μｍのサブディビジョナルエラーがそのような信号に伴う。
【００８２】
図２０Ｄは、読み取りヘッドが２°ピッチでスケールから１．０ｍｍ離隔された状態で生成された正弦信号を示す。３５μｍのサブディビジョナルエラーがそのような信号に伴う。
【００８３】
図２１Ａ〜図２１Ｄを参照すると、図１８の方式Ｃ２に従って構成された１８個の磁気センサ素子を使用してスケールを読んだとき生成された波形が示されている。
【００８４】
図２１Ａは、読み取りヘッドが０°ピッチでスケールから０．３ｍｍ離隔された状態で生成された正弦信号を示す。２．６μｍのサブディビジョナルエラーがそのような信号に伴う。
【００８５】
図２１Ｂは、読み取りヘッドが２°ピッチでスケールから０．３ｍｍ離隔された状態で生成された正弦信号を示す。８．２μｍのサブディビジョナルエラーがそのような信号に伴う。
【００８６】
図２１Ｃは、読み取りヘッドが０°ピッチでスケールから１．０ｍｍ離隔された状態で生成された正弦信号を示す。０．０３μｍのサブディビジョナルエラーがそのような信号に伴う。
【００８７】
図２１Ｄは、読み取りヘッドが２°ピッチでスケールから１．０ｍｍ離隔された状態で生成された正弦信号を示す。１．３μｍのサブディビジョナルエラーがそのような信号に伴う。
【００８８】
図２０Ａ〜図２０Ｄから、図４を参照して述べた組合せ方式は、図１９Ａ〜図１９Ｄで実証したタイプの差分方式に比べて、サブディビジョナルエラーを低減することがわかる。具体的には、そのような方式は、スケールに対する読み取りヘッドのピッチが最小限に抑えられた場合、著しい改善をもたらす。図２１Ａ〜図２１Ｄは、図１８の組合せ方式Ｃ２を使用してピッチ変動の作用をどのように低減することができるかを示す。
【００８９】
上記の例は磁気式であるが、本発明は、他のタイプのエンコーダ、たとえば光学式エンコーダ、静電容量式エンコーダなどに適用することができることに留意されたい。
【図１】
0005571700.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図１９Ｄ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２０Ｄ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２１Ｄ】
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