(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気スケールと磁気スケールリーダユニットとを具えた磁気エンコーダ装置であって、
前記磁気スケールは、
複数の溝を具え、前記磁気スケールリーダユニットによって読み取り可能な受動的磁気スケールトラックを画成しているスケール部材と、
少なくとも第１溝種類の溝および第２溝種類の溝を具え、前記第１溝種類の溝の位置における前記磁気スケールの磁気特性は前記第２溝種類の溝の位置における前記磁気スケールの磁気特性と異なっている前記複数の溝と、
を有し、
前記スケール部材はデータビットのシーケンスを具える少なくとも１つのコードワードの形態の絶対位置情報を担持し、前記データビットの各々は前記スケール部材の溝によって提供され、前記データビットは、前記溝が第１の溝種類のものである場合には第１の値を、前記溝が第２の溝種類のものである場合には第２の値を取り、
前記複数の溝の中点は前記スケール部材の長さ方向に沿って実質的に等間隔であり、
前記磁気スケールリーダユニットは、磁石と、それぞれがセンサ信号を生成する複数の磁界強度センサとを有するとともに、前記複数のセンサ信号から、前記スケール部材の複数のデータビットの値を判定するために用いられる複数の加算信号を発生する回路を含む
ことを特徴とする磁気エンコーダ装置用の磁気エンコーダ装置。
【請求項２】
前記第１溝種類の溝は、前記第２溝種類の溝とは異なる深さを有していることを特徴とする請求項１に記載の磁気エンコーダ装置。
【請求項３】
前記第１溝種類の溝は、前記第２溝種類の溝とは異なる幅を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気エンコーダ装置。
【請求項４】
前記第１溝種類の溝は、前記第２溝種類の溝とは異なる断面輪郭を有していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気エンコーダ装置。
【請求項５】
前記第１溝種類の溝は論理「０」の値を有する２値データビットを定義し、前記第２溝種類の溝は論理「１」の値を有する２値データビットを定義していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気エンコーダ装置。
【請求項６】
各コードワードは、一連の少なくとも２つの２値データビットで形成された２値コードワードを具えていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の磁気エンコーダ装置。
【請求項７】
前記スケール部材が磁性材料を含んでいることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の磁気エンコーダ装置。
【請求項８】
前記スケール部材が細長く、直線状の磁気スケールをなしていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の磁気エンコーダ装置。
【請求項９】
前記スケール部材がロッドを具え、前記複数の溝が前記ロッドの周方向に延在していることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の磁気エンコーダ装置。
【請求項１０】
前記複数の溝が空隙であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の磁気エンコーダ装置。
【請求項１１】
前記複数の溝は、少なくとも一部が１以上の材料で充填されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の磁気エンコーダ装置。
【請求項１２】
前記磁気スケールの溝の中点はビット長（Ｌ）だけ間隔を置いており、前記磁気スケールリーダユニット間隔をおいて配された複数の磁界強度センサを具え、前記磁界強度センサは、１ビット長あたりＭ個の磁界強度センサが設けられるような間隔を置いて配され、前記Ｍが１以上の整数であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の磁気エンコーダ装置。
【請求項１３】
前記磁気スケールは複数のコードワードを具え、前記コードワードは各々、間隔を置いたＮ個の溝によって定義されるＮ個のデータビットを具え、間隔を置いて配された前記複数の磁界強度センサは少なくともＮ個のデータビットを同時に読み取るのに十分な磁界強度センサであり、前記Ｎは２以上の整数であることを特徴とする請求項１２に記載の磁気エンコーダ装置。
【請求項１４】
前記複数の磁界強度センサによって生成された信号から絶対位置データおよび相対位置データを発生するための回路を具えたことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の磁気エンコーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気エンコーダ装置に関し、特に磁気スケール部材に形成された一連の溝を具える受動的（passive）磁気スケールトラックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多くの異なる種類の位置エンコーダが知られている。これらには、明暗線を具えたスケールが光学読み取りヘッドによって読み取られる光学システムが含まれる。磁気特性を変化させたスケールが１以上の磁気（例えばホール）センサを具えた読み取りユニットによって読み取られる磁気エンコーダも知られている。
【０００３】
相対位置（incremental）および絶対位置（absolute）エンコーダの構成が知られている。一般に、相対位置エンコーダは、スケールと読み取りヘッドとの相対移動の測定を可能にする規則的に繰り返されるパターンを具えた対応スケールを読み取る。絶対位置エンコーダの構成は、スケールに対する読み取りヘッドの絶対位置を決定する一連の特有なコードワードをエンコードする非周期的シーケンスのスケールマークを具えたスケールを読み取る。
【０００４】
また、絶対位置（コード化された）トラックに隣接した相対位置スケールトラックを具えたエンコーダスケールを備えることも知られている。一般には相対位置エンコーダスケールシステムから得ることのできる位置精度の向上は、絶対位置を測定することを可能にすることに関連した利点、例えばデバイスの作動時にいかなる相対移動も要することなく迅速に位置を決定する能力に組み合わせることができる。絶対位置データをどのように相対位置スケールトラックに組み込むかについては、以前から説明されている（例えば特許文献１および特許文献２参照）。特にこれらの文献には、一連の光学（明暗）線が設けられた光学スケールについて記載されている。これらの線のいくつかが相対位置スケールから除去されていることで、離散コードワードあるいは擬似ランダムコードの形態の、絶対位置に関連した情報をエンコードしたデータビットが提供される。特許文献３には、異なる幅の歯を使用することで絶対角度位置をエンコードすることが記載されている。
【０００５】
特許文献４には、ロッド状の磁性材料に配置される非磁性領域としてスケールマークが形成されることが記載されている。間隔を置いた一対の磁気センサがロッドの相対運動を検出する。一実施形態においては、異なる深さの第１および第２の磁性部分が用いられ、スケールに沿った１または何ポイントかでの位置基準マーク（あるいはホームポジション）を提供している。これにより、スケールの基準マークが磁気センサを通り過ぎたときに基準位置を確定することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，２７９，０４４号明細書
【特許文献２】国際公開第２００２／０８４２２３号公報
【特許文献３】独国特許第１０１０４８５５号明細書
【特許文献４】米国特許第５，４６１，３１１号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の形態では、複数の溝を具え、対応する磁気スケールリーダユニットによって読み取り可能な受動的磁気スケールトラックを画成しているスケール部材と、
少なくとも第１溝種類の溝および第２溝種類の溝を具え、前記第１溝種類の溝の位置における前記磁気スケールの磁気特性は前記第２溝種類の溝の位置における前記磁気スケールの磁気特性と異なっている前記複数の溝と、
を具え、前記スケール部材は一連のデータビットを具える少なくとも１つのコードワードの形態の絶対位置情報を担持し、前記データビットの各々は前記スケール部材の溝によって提供され、前記データビットは、前記溝が第１の溝種類のものである場合には第１の値を、前記溝が第２の溝種類のものである場合には第２の値を取り、
前記複数の溝の中点は前記スケール部材の長さ方向に沿って実質的に等間隔である、
ことを特徴とする磁気エンコーダ装置用の磁気スケールが提供される。
【０００８】
よって本発明は、対応する磁気スケール読み取りユニットによって読み取り可能な、少なくとも２種類の異なる溝が形成された受動的磁気スケールを提供する。第１の溝種類の溝は、スケール部材の局所的磁気特性を第２の溝種類の溝とは異ならせて配列されている。「受動的」磁気スケールトラックは決して磁化されたものではないが、対応磁気スケール読み取りユニットの磁石が発生する磁界に影響する局所的透磁率変化を持つものであることに注意すべきである。これは、Ｓ極およびＮ極が組み込まれた「能動的」磁気スケールとは対照的であるべきである。
【０００９】
スケール部材に形成された異なる溝種類は、スケール部材において異なるデータビット値（例えば論理「１」および「２」）にエンコードするのに用いられる。このように、スケールの溝の各々はデータビットを定義するものであり、溝が第１の溝種類のものであればデータビットは第１の値（例えば「０」）を取り、溝が第２の溝種類のものであればデータビットは第２の値（例えば「１」）を取る。そして、かかる一連のデータビット（すなわち一連の溝）は、スケール部材上の一意的（unique）すなわち絶対位置を記述するコードワードを形成する（すなわち異なる種類の溝の適切なパターンを形成することによって）のに用いられる。かかるコードワードを複数、スケールに沿って形成することができる。このように、絶対位置をスケールに組み込むことができる一方、相対位置データを得るために溝の全体的パターンを用いることができる。
【００１０】
よって本発明は、相対位置測定の精度の利点を絶対位置を決定できる能力に組み合わせるべく、分離して並設された相対位置スケールトラックおよび絶対位置スケールトラックを提供する必要性を克服するものである。その代わりとして、絶対位置および相対位置情報の双方を提供するために、単一のスケールトラックが用いられる。上記要約したように、本出願人は、特許文献２（これは主として光学ベースのエンコーダシステムを記載している）において、絶対位置データが相対位置スケールトラックにどのように組み込まれ得るかを先に概説した。しかし本発明者は、異なる溝種類の溝を提供することによって、組み合わされた絶対および相対位置の受動的磁気エンコーダ構成がどのように有利に実装され得るかを認識した。例えば、異なる深さ、幅あるいは輪郭を複数レベルのスケールマークコーディングに用いることができる。このように異なる種類の溝を提供することで、相対位置信号の劣化、すなわち、絶対位置データの抽出を可能としたまま所要のデータをエンコードするためにいくつかの溝が除去される場合に生じ得る相対位置信号の劣化が低減される。
【００１１】
本発明は、絶対位置データをコードワードの形態にエンコードするものであり、従って、１またはいくつかの位置に基準マークがスケールに沿って配された特許文献４に記載された種類の相対位置システムを超える利点を有する。特に、後述するように、本発明の絶対位置コードワードは複数エレメントをもつ磁気スケール読み取りユニットによって読み取りが可能なものであり、特許文献４とは異なり、スケール読み取りユニットに対するスケールのいかなる移動も要することがない。従って、スケールに対してスケール読み取りユニットを移動させる必要なく、例えば作動時など必要なときにいつでも、スケールの絶対位置を決定することができる。
【００１２】
さらに、複数の溝の中点はスケールの長さ方向に沿って実質的に等間隔である。これにより、特許文献３に記載されたロータリーエンコーダとは異なり、反復パターンの溝がスケール部材に形成され、それから相対位置（正弦／余弦）信号を抽出することができる。好ましくはスケール部材から失われる溝がないことから、これらの相対位置信号の振幅は、等しい溝のパターンが規則的に反復している純粋な相対位置スケールと比較して、有意に減少することはない。
【００１３】
上記概説したように、第１溝種類の溝は加えられる磁界に対して第２溝種類の溝とは異なる影響を及ぼすので、異なる溝種類を検知することが可能となる。好ましくは、第１溝種類の溝は第２溝種類の溝とは異なる深さを有する。第１溝種類の溝は第２溝種類の溝とは異なる幅を有することが有利である。第１溝種類の溝は第２溝種類の溝とは異なる形状または断面輪郭を有するものとすることが都合がよい。各溝種類は。単一のトレンチとして設けられていてもよいし、あるいは一連の副溝を備えていてもよい。例えば、第１の一連の窪み（indentation）（例えばドット）あるいは細い副溝が集合して第１溝種類の溝を形成し、第２の一連の窪みあるいは細い副溝が集合して第２溝種類の溝を形成するものでもよい。
【００１４】
第１溝種類の溝には第２溝種類の溝とは異なる物質を充填することが有利である。例えば、第１の透磁率をもつ第１の充填物を第１溝種類の溝に充填し、第２の透磁率をもつ第２の充填物を第２溝種類の溝に充填することができる。かかる例においては、溝を物理的に等しいものとする一方で、充填される物質の異なる透磁率によって、作用する磁界に異なる影響を及ぼすことができる。
【００１５】
磁気スケールは複数の２値データビットを具えていることが都合がよい。第１種類の溝が論理「１」の値を持つ２値データビットを定義し、第２種類の溝が論理「０」の値を持つ２値データビットを定義するものとすることができる。特有の溝種類に組み合わされる論理値は任意に選択可能である。このように、異なる溝種類が２値データをエンコードするのに用いられる。
【００１６】
スケールは、一連の少なくとも２つの（例えば隣接する）２値データビットから、２値コードワード形態の少なくとも１つのコードワードを提供することができる。複数のかかるコードワードが一連の少なくとも２つの２値データビットから形成されることが有利である。２値コードワードの各々は磁気スケール上の特有の位置を記述するものであることが都合がよい。換言すれば、コードワードは絶対位置情報を提供することができる。コードワードは離散している（すなわち重畳していない）ものでもよいし、コードワードを特有に重畳させた擬似ランダムコードとして形成されたものでもよい。
【００１７】
上記説明では２値コードをエンコードすることを可能にする第１および第２の溝種類について言及したが、本発明は第３あるいはさらなる溝種類の溝を使用するものとすることができることに注意すべきである。このようにすることで、溝の各々は３以上の異なる状態のいずれか１つを定義することができる。かかる配列は絶対位置を定義するのに必要なコードワード長を低減するために用いることができるようになる。
【００１８】
好ましくは、スケール部材は磁性材料を含む。例えば、スケール部材は鋼などの強磁性材料で形成することができる。スケール部材を実質的に細長いものとして、直線状の（回転式のものではない）磁気スケールを提供することが有利である。スケール部材は実質的に平坦あるいは細長い直線状の基材を具えていてもよい。スケールは実質的に円形断面を有するロッドあるいはワイヤを具えることが有利である。複数の溝の各々をロッドあるいはワイヤの周方向に延在させることができる。後述するように、本発明のスケール部材をロッド（例えば鋼製のロッド）形態のものとすることで、油圧シリンダなどにおいてそれを使用することができる。
【００１９】
複数の溝を空隙（empty）とすることができる。換言すれば、溝には固体を充填しないようにすることができる。複数の溝は、少なくとも一部が１以上の材料で充填されていることが有利である。溝に充填する材料は、スケール部材とは異なる磁気特性を有するものとすることが好ましい。磁性（例えば強磁性）スケール部材に形成される溝に充填するのに、例えば非磁性材料を用いることができる。
【００２０】
上述した種類の磁気スケールを具える本発明に従って、エンコーダ装置（例えばエンコーダ装置）を設けることが有利である。かかるエンコーダ装置はまた、磁気スケール読み取りユニット具えていてもよい。磁気スケールリーダは、磁石および複数の磁界強度（例えばホール効果）をもつセンサを具えていることが有利である。少なくとも４、８、１０、１０、１６、２０または３１個の磁界強度センサを設けることができる。
【００２１】
先に概説したように、磁気スケールの溝の中点は１ビット長（Ｌ）の間隔を置いたものとすることができる。磁気スケールリーダは、間隔をおいて設けられた複数の磁界強度センサを具え、１ビット長あたりＭ個の磁界強度センサが設けられるよう磁界強度センサの間隔が定められていることが都合がよい。ここで、Ｍは１以上の整数である。換言すれば、溝間隔のピッチは磁界強度センサのピッチの倍数とすることができる。
【００２２】
先に概説したように、磁気スケールが複数のコードワードを具え、コードワードの各々が間隔を置いたＮ個の溝によって定義されるＮ個のデータビットを具えていることが好ましい。そして、磁気スケールリーダユニットの間隔を置いた複数の磁界強度センサが、少なくともＮデータビットを同時に読み取ることができるよう、十分な数の磁界強度センサを具えていることが都合がよい。ここで、Ｎは２以上の整数である。好ましくは、Ｎは３、４、５、６、７または１０より大きい数であり、有利には１３以上である。
【００２３】
後に詳述するように、絶対および相対（正弦／余弦）データは複数の磁気強度センサが生成する信号から生じるものとすることができる。このデータの解析は適切な処理回路によって行うことができる。有利には、エンコーダは、複数の磁界強度センサが生成する信号から絶対および相対位置データを発生する回路を具える。上記構成は絶対および相対位置データを測定するべく同じセンサを用いることができるものであるが、同じ単一トラックを読み取るべく、分離した相対位置センサおよび絶対位置センサが交互に設けられていてもよい。
【００２４】
よって、磁気エンコーダ装置用の磁気スケールがここで説明される。磁気スケールは複数の溝を具えるスケール部材を具え、該スケール部材は組み合わされる磁気スケールリーダユニットによって読み取り可能な絶対位置情報をエンコードする受動的磁気スケールトラックを定義している。ここで、スケール部材の複数の溝は第１溝種類および第２溝種類の溝を少なくとも具え、第１溝種類の溝の位置における磁気特性は第２溝種類の溝の位置における磁気特性と異なっている。
【００２５】
よってここで説明される磁気エンコーダ装置用の磁気スケールは複数の溝を具えるスケール部材を具え、該スケール部材は組み合わされる磁気スケールリーダユニットによって読み取り可能な絶対位置情報をエンコードする受動的磁気スケールトラックを定義している。スケール部材の複数の溝は第１溝種類および第２溝種類の溝を少なくとも具え、第１溝種類の溝の位置における磁気特性は第２溝種類の溝の位置における磁気特性と異なっている。ここで、スケール部材はデータビットのシーケンスを具える少なくとも１つのコードワードの形態の絶対位置情報を担持（carry）し、各々のデータビットはスケール部材の溝によって提供され、データビットは、溝が第１溝種類のものであれば第１の値をとり、第２溝種類のものであれば第２の値をとる。磁気スケールは上述した特徴のうち１以上をさらに含んでいてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】磁気スケールリーダユニットおよび磁気スケールすなわちキャリアを示す。
【図２】２つの異なる深さをもつ一連の溝を有するスケールを示す。
【図３】図２のスケールを読み取るべく配された３１個のホール素子を示す。
【図４】２つの異なる幅をもつ一連の溝を有するスケールを示す。
【図５】絶対位置情報を定義するべく特定の溝が削除されたスケールを示す。
【図６】２つの異なる深さをもつ一連の溝を有するスケールを形成するロッドを示す。
【図７】第１の読み取りヘッド回路を示す。
【図８】第２の読み取りヘッド回路を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付の図面を参照して本発明を詳細に説明するが、これは一例を示すものに過ぎない。
【００２８】
図１を参照するに、一連のマーカすなわち溝（不図示）を有する強磁性のスケールすなわちキャリア４と、磁気スケールリーダユニット６とを具えるエンコーダ装置２が模式的に示されている。スケールリーダユニット６は、永久磁石８および複数（例えば３１個）のホールセンサを担持するセンサ基板１０を具えている。ホールセンサはｘ軸に沿った線上に一様な間隔を置いて配置され、センサ基板１０はスケール４に対し実質的に平行に位置するよう配されている。スケールリーダユニット６はまた、電子処理回路を具えているが、これは明確化のために図１には示されていない。
【００２９】
図２は、図１において模式的に示されたスケール４の一部分を拡大して示す図である。スケール４は、強磁性材料で形成され、一連の溝を含む基体を具える。溝は、スケール４の長さ方向に沿って実質的に等しい距離の間隔を置いて配されている。十分に（full）深くした溝１６および深さを小とした（半分の深さとした）溝１８が基体に形成され、２地データの異なるビットを定義している。例えば、十分に深くした溝が論理「１」を定義する一方、半分の深さとした溝が論理「０」を定義するものとすることができる。溝はビット長Ｌを有し、これは２つの溝の中心間の最小距離として定義することができる。そして、（ワード長Ｎの）２値ワードは、Ｎ個（例えば７個）の十分に深くした溝および半分の深さとした溝の適切なシーケンスから構成することができる。よって、スケール４は、定義されたワード長のビットのサブシーケンスがスケール４上に１度だけ現れるように好ましく配置された、一連のかかるワードを具える。当業者であれば、例えばエッチング、切削、レーザビーム蒸着（laser beam evaporating）など、溝を形成するために多くの技術を用いることができることに気付くであろう。
【００３０】
図３を参照するに、スケール４の一部分に隣接した場合の、スケールリーダユニットの３１個のホールセンサ３０が示されている。センサ３０は１列に一様に配列され、基体に形成された溝１６および１８によって生じる、組み合わされた永久磁石（図３には示されていない）の磁界の変化を検出する。図３に示されたセンサの配列はスケール４のビット長Ｌあたり４個のホールセンサを具えている。図３に示されたスケールおよびセンサの配列について、８個のデータビットをスケールから読み取ることができる。３１個のホールセンサを設けることによって、スケールに対する読み取りヘッドユニットの位置に関わりなく、スケールからは常に少なくとも７データビット（すなわち本例における１ワードの全体）を確実に読み取ることが可能となる。このようにして、スケールおよびスケールリーダユニットのいずれの相対位置に関しても、絶対位置を測定することができる。
【００３１】
読み取りヘッドユニットの電子回路（electronics）については図７および図８を参照して後述するが、これは各ホールセンサ３０からの信号の値を求める。よって、読み取りヘッドユニットに隣接するスケールの部分に存在する異なる溝種類のシーケンスが判定され、２値データのシーケンスすなわちワードを判定することが可能となる。従って、図２および図３に示すスケールの部分については、読み取りヘッドはバイナリコードシーケンス「１１００１０１」を抽出することになる。そして、このサブシーケンスをスケール上の様々な位置の情報を格納したルックアップテーブルと比較することができ、次いで読み取りヘッドに対するスケールの絶対位置の測定値が提供される。このようにして判定される絶対位置の基本解像度は１ビット長（Ｌ）に等しく、最も良い場合にはセンサの間隔に照らして増大させることができる。
【００３２】
読み取りヘッドの動作を説明するために、種々のホールセンサの各々からの信号は次のように示すことができる。  
Ｈi；  ｉ＝１．．．（４・Ｎ＋３）                                    （１）
【００３３】
ここで、Ｎは２値シーケンスのワード長であり、ビット長（Ｌ）あたり４個のホールセンサがある。本例ではビット長あたり４個のホールセンサがある場合を説明するが、ビット長あたりそれより多いあるいは少ないセンサが設けられていてもよい。
【００３４】
絶対位置情報は、最初に発生する複数の加算信号（Ｓi）によってホールセンサ信号（Ｈi）から抽出される。２つの適切な加算方式（summation scheme）を以下に概説するが、他の加算方式を用いることもできる。
【００３５】
ホールセンサ信号（Ｈｉ）から加算信号（Ｓｉ）を生成するために用いることのできる加算方式の第１例は次のように表すことができる。  
Ｓi＝Ｈi−Ｈi+2；  ｉ＝１．．．４・Ｎ                              （２）
【００３６】
あるいは、第２の加算方式を用いることができる。  
Ｓi＝Ｈi−Ｈi+1−Ｈi+2＋Ｈi+3；  ｉ＝１．．．４・Ｎ                （３）
【００３７】
各例において、一連の（Ｓ1〜Ｓ4・N）の加算信号が生成される。次に、組み合わされたスケールにおいてエンコードされた２値のデータビットがかかる加算信号の適切なセットの値から得られる。例えば、第１の絶対位置データビットの値は加算信号Ｓ1〜Ｓ4の適切な１つから見出され、第２の絶対位置データビットの値は加算信号Ｓ5〜Ｓ8の適切な１つから見出される等である。かかる加算信号からこのようにして絶対位置データを抽出することは、図７および図８を参照して後に詳述される。
【００３８】
絶対位置データを抽出することに加えて、加算信号Ｓiがエンコーダの解像度を増すために用いることができる２つの周期的（正弦／余弦）信号を生成することも可能であることがわかっている。これらの信号は、ホールセンサの出力に直接合成（combine）することによって、相対位置系（incremental systems）において生成される相対位置（直角位相（quadrature phase））に類似するものであるが、その代わりに、絶対位置データを生成するために用いられる加算信号の合成値（combination）から抽出することもできる。かかる相対位置信号を生成するために、第２の加算方式の式（３）は、第１方式の式（１）よりも広範囲にわたって永久磁石の磁界の不均質性（inhomogeneity）の影響を低減できることから、一般に好ましいものであることに注意すべきである。しかしながら、いずれの加算方式も用いることが可能である。
【００３９】
上述した加算方式のいずれかによって生成された加算信号（Ｓi）は、周期的に変化する２つの信号（正弦および余弦）を発生するために用いることができ、その各々は次式に等しい周期を有する。すなわち、
【００４０】
【数１】
0005762311.tif 000002
【００４１】
および
【００４２】
【数２】
0005762311.tif 000003
【００４３】
である。
【００４４】
かかる正弦信号および余弦信号を次式から生成することも可能である
すなわち、
【００４５】
【数３】
0005762311.tif 000004
【００４６】
および
【００４７】
【数４】
0005762311.tif 000005
【００４８】
である。
【００４９】
従って、式（４）および式（５）並びに式（６）および（７）の正弦および余弦（すなわち直角位相）信号は読み取りヘッドおよび組み合わされたスケールの相対位置についての情報を提供する。例えば相対位置エンコーダについて採用される補間技術を用いてかかる直角位相信号を補間することで、ビット長よりも高解像度を有する位置情報を提供することができる。特に、およそ（around）５００の補間ファクタを用いることができることがわかっている。従って、上述した正弦および余弦信号は、スケールに対するエンコーダの位置の解像度を大幅に増大させるのに用いることができる。
【００５０】
よって、同じスケールトラックを読み取った同じホールセンサから獲られた相対位置（直角位相）データおよび絶対位置データが、高解像度の絶対位置エンコーダを提供するものとなる。絶対位置コードワードが粗い（coarse）位置情報を提供する一方で、正弦／余弦信号が補間されることで、より密な（fine）すなわちサブビット長（sub-bit length）の解像度を提供する。特に、補間された相対位置情報の測定情報を粗い絶対位置情報に加えることで、結果として密な絶対位置情報が提供される。
【００５１】
上述した方法は、２つの分離したマーカのトラックを必要としないという利点を有する。しかしながら、単一のトラックは長さ方向に沿った磁気特性の完全な周期的変化を有しておらず、直角位相（正弦および余弦）信号の振幅に影響を及ぼす。換言すれば、絶対位置をエンコードするために十分な深さとした溝および半分の深さとした溝を使用することは直角位相（正弦および余弦）信号の振幅に影響を及ぼし、相対位置データを得る際に適用することのできる補間ファクタを低減させる。
【００５２】
十分な深さとした溝および半分の深さとした溝を具える図２および図３に示したスケールパターンは正弦および余弦信号の振幅に最小限の影響のみを与える一方で、異なる溝種類が容易に識別可能なものであることがわかる。特に、かかるスケールを読み取った場合に発生した正弦および余弦信号は、振幅変化が５０％未満である。
【００５３】
溝深さを変化させることは、正弦および余弦信号を大きく低下させることなく絶対位置データをエンコードすることのできる唯一の方法であることに注意すべきである。
【００５４】
図４を参照するに、スケールに沿って規則的に間隔を置いた中心位置を有する一連の溝を有する代替（alternative）スケール４０が示されている。十分な幅の溝４２が例えば論理「１」をエンコードするために用いられる一方、半分の幅の溝４４が論理「０」をエンコードするために用いられる。この配列もまた、結果として、かかるスケールを読み取った場合に発生した正弦および余弦信号の振幅変化が５０％未満である。
【００５５】
よって、異なる溝種類を正確な形状とすることが重要ではないことがわかる。２つの異なる種類の溝について、組み合わされる読み取りヘッドによって検知可能な異なる磁気特性を測定可能に提供する一方、正弦および余弦信号の劣化をできるだけ最小限にすることが単に必要である。２つの異なる種類の溝は、従って幅および深さの双方を変化させたものとすることができる。あるいは、異なる溝種類を異なる断面輪郭とし、磁気特性の差異を測定可能に提供することができる。例えばドットまたは精細なラインなどの複数の異なる副溝（sub-grooves）を用いることによって、あるいは異なる透磁性の材料を埋めることで異なる溝種類を形成することによって、異なる溝種類が提供されるようにすることもできる。２値の配列を示したが、互いに苦熱可能な３以上の異なる種類の溝を設けることもできる。かかる方法においては、コードワードの長さを低減できる。
【００５６】
図５に示されるように、絶対位置データビットをエンコードするために周期的なシーケンスから単純に溝を省略することによって必要な絶対位置情報をエンコードすることもできる。従って、図５に示されるスケール５０は規則的な一連の潜在的（potential）溝位置５２を具える。かかる潜在的溝位置に形成された溝５４が論理「１」を示し、かかる溝が省略されたものは論理「０」を示す。データビットのシーケンスが過多の０がエンコードされることが内容に制御されているものとすれば、直角位相の信号を劣化させることなく、かかる構成を用いることができる。かかるシステムにおいては、およそ２０〜３０の補間ファクタを用いることができる。
【００５７】
図６を参照するに、上述したエンコーダ構成の好ましい適用例が示されている。特に、相対位置データおよび絶対位置データの双方をエンコードする単一スケールトラックが油圧シリンダその他において有利に使用可能である。
【００５８】
図６は、加圧式のシリンダケーシング６４内で摺動可能なピストンロッド６２を組み込んだ油圧シリンダ６０を示す。ケーシング６４に対して圧送および排油を行うことで作動液（hydraulic fluid）の供給を行うことができ、これによりケーシング６４に対するピストンの前進および後退を行わせることができる。流体シール７０がケーシング６４に設けられ、作動液の漏洩が防止される。
【００５９】
例えば万一電力が瞬間的に断たれたり、あるいはオンとなって起動したりすることに備え、ケーシング６４に対するピストンロッド６２の絶対位置を判断することが望ましい。しかしながら、ピストンロッド６２については、ケーシング６４に対して自由に回転可能であるのが通常である。よって、相対位置トラックおよび絶対位置トラックが並置される従来システムの使用はかかる適用例にとって不適切であることがわかる。特に、ピストンロッドの回転は、相対位置トラックおよび絶対位置トラック間、並びにそれぞれの読み取りヘッドとの間のミスアライメントを生じさせることになる。
【００６０】
従って、図６のピストンロッド６２には周方向に沿って延在する溝（不図示）が設けられ、図２に示された種類の複合（combined）絶対／相対位置スケールをエンコードする。そして、ケースに対するロッドの絶対位置を読み取るために、図１のリーダユニット６と同様のリーダユニット７６をピストンロッド６２に隣接して配置することができる。従って、読み取りはピストンロッドの回転の影響を受けることがない。
【００６１】
スケール内に形成される溝は、空隙であること、あるいは流体が充填されていることを必須とするものではない。磁気スケール基体が使用されるのであれば、溝には非磁性の固体材料（例えば銅、クロム、セラミックなど）が充填されていてもよい。非磁性のスケール基体および磁性の溝充填物を設けることも可能である。そのように溝を充填することによって、必要な磁気特性の変化が提供されるだけでなく、円滑なスケール表面を提供することもできる。そのように円滑なスケール表面を提供することは、スケールとともに、ピストンロッドを担持する密な流体シール７０が必要な場合に特に有利である。
【００６２】
図７および図８を参照し、図３を参照して説明した種類のスケールリーダユニットの電子回路が、図５を参照して説明した種類のスケールを読み取る場合を説明する。
【００６３】
図７には、ビット長Ｌの一連の絶対位置データビットをエンコードするスケール８０が示されている。また、ホールセンサ８２の直線状アレイを具える対応スケールリーダも示されている。ホールセンサ８２は互いに等間隔で配され、スケールのビット長あたり４つのホールセンサが設けられている。各ホールセンサ８２は出力信号を発生し、それらのホール信号は上式（１）で導入した用語（terminology）を用いてＨiで示すことができる。
【００６４】
また、複数の加算デバイス８４が設けられ、上式（２）で定義したように、ホールセンサ出力信号Ｈiから加算（差分（difference））信号Ｓiを発生する。特に、第１のホールセンサ信号Ｈ1と第３のホールセンサ信号Ｈ3との差から第１の加算信号Ｓ1が生成され、第２のホールセンサ信号Ｈ2と第４のホールセンサ信号Ｈ4との差から第２の加算信号Ｓ2が生成されること等がわかる。換言すれば、各加算信号は、ビット量の半分の間隔を置いた一対のホールセンサによって生成される信号から生じる。
【００６５】
複数の信号セレクタ８６ａ〜８６ｎ（信号セレクタ８６として集合的に参照される）が設けられ、複数の加算回路８４によって生成された加算信号を受容する。信号セレクタ８６の数は、スケールから読み取られるべきワード長と等しくなるように選ばれる。各信号セレクタ８６は４つの加算信号を受容する。特に、第１の信号セレクタ８６ａは加算信号Ｓ1〜Ｓ4を受容し、第２の信号セレクタ８６ｂは加算信号Ｓ5〜Ｓ8を受容し、第３の信号セレクタ８６ｃは加算信号Ｓ9〜Ｓ12を受容する（以下同様）。各信号セレクタ８６の目的は、それが受け取った４つの加算信号から、スケールに形成された溝の有無すなわちそのデータビットが論理「１」または「０」の値をエンコードしているかを判定するために用いるべき１つを選択することである。この選択処理は、後述する粗い補間位置信号に基づくものであり、スケール８０にエンコードされたデータが、ホールセンサ８２のアレイに対して任意の位置にあるスケールとともに読み取り可能であることを意味する。従って、スケールにエンコードされたワードに対応する平行な一連のデータビットが信号セレクタ８６によって出力される。
【００６６】
絶対位置データを発生するのに用いられることに加え、加算信号は、上述した式（４）および式（５）または式（６）および式（７）に従って合成され、一対の正弦／余弦信号を発生するためにも用いられる。換言すれば、絶対位置情報を提供するのに用いられる加算信号Ｓiは、相対位置信号を発生させるためにも用いられる。
【００６７】
特に、第１の合成信号Ｃ1はＳ1から始めて３つおきの（every fourth）加算信号を加算することで生成される。すなわち、Ｃ1は合成信号Ｓ1、Ｓ5、Ｓ9、Ｓ13等を合成することで生成される。第２の合成信号Ｃ2はＳ3から始めて３つおきの加算信号を加算することで生成される（すなわち、Ｓ3、Ｓ7、Ｓ11、Ｓ15等の合計）。第３の合成信号Ｃ3はＳ2から始めて３つおきの加算信号を加算することで生成される（すなわち、Ｓ2、Ｓ6、Ｓ10、Ｓ14等の合計）。第４の合成信号Ｃ4はＳ4から始めて３つおきの加算信号を加算することで生成される（すなわち、Ｓ4、Ｓ8、Ｓ12、Ｓ16等の合計）。第１の加算デバイス８８は第１および第２の合成信号Ｃ1およびＣ2の差から正弦信号を提供し、第２の加算デバイス８８は第３および第４の合成信号Ｃ3およびＣ4の差から余弦信号を提供する。
【００６８】
補間器ユニット９２は、第１の加算デバイス８８および第２の加算デバイス９０から正弦信号および余弦信号を受け取る。補間器ユニット９２は４つの補間ファクタを適用し、位相象限（すなわち９０度の位相範囲を有する）内のホールセンサ８２とスケール８０との間のアライメントの粗い相対位相を示す粗い相対位置信号９４を出力する。各信号セレクタ８６はこの粗い相対位置信号９４を受け取り、その受け取った４つの加算信号のどの１つが適切に合っていてスケールの所要のデータビットを読み取れるものであるかを判定する。図７に示す例では、第２および第４のホールセンサの磁界強度（すなわち信号Ｈ2およびＨ4）の差から加算信号Ｓ2が得られており、従って第１データビットとして溝エンコード論理「１」を有するスケールの指示が提供される。
【００６９】
従って、図７の回路はＮデータビット（複数の「０」または「１」）を出力し、これはスケール８０にエンコードされたデータワードに一対の正弦／余弦信号をプラスしたものに対応している。スケールから読み取られるＮビットのワードに対応した（associated with）絶対位置を確立するためにルックアップテーブルが用いられる。１ビット長内でのホールセンサ８２に対するスケールの（相対）位置のより精細な（サブビット長の）測定値を得るために、正弦／余弦信号が補間される。例えば３０個の補間ファクタが用いられるのであれば、ホールセンサ８２に対するスケールの（サブビット長の）相対位置は３０分の１のビット長内で見つけることができる。（サブビット長の）相対位置が絶対位置の値に付加されることにより、絶対位置データを単独で用いる場合よりも、高解像度の絶対位置の測定値が提供される。この高解像度の絶対位置情報は、例えばシリアルデータ転送プロトコルを用いる出力とすることができる。
【００７０】
図８は図７の回路の変形例であり、同様のコンポーネントは同様の参照符号が割り当てられている。
【００７１】
図８の回路は図７に示したものと同様であるが、上述した式（３）で定義された第２の加算方式が組み込まれている。一対のホールセンサから加算信号Ｓiを提供する図７の加算デバイス８４を用いる代わりに、図８の回路は４つのホールセンサから信号を受け取って加算信号Ｓiを提供する代替的な加算回路９８を複数用いている。図８に示す回路は図７に示したものよりも電子的に複雑なものではあるが、磁石が発生する磁界の強度の変動の結果生じる高調波歪みが低減される。
【図１】
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【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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