(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
延長方向に沿って延在する測定目盛、この測定目盛を走査する１つの走査ユニット及びこの走査ユニットの検出装置を有する位置測定装置であって、前記走査ユニットは、前記延長方向に沿って連続して周期的に配置された多数の検出素子を有し、これらの検出素子は、前記測定目盛の走査時に評価ユニットに供給可能な出力信号を生成し、
隣接した複数の検出素子がそれぞれ、１つの検出グループに一緒に接続されている結果、この検出グループの複数の出力信号が、一緒にされて統一した信号として前記評価ユニットに入力され得る位置測定装置において、
少なくとも１つの所定の高調波が、前記出力信号から濾波されるように、前記多数の検出素子（Ｅ）が、複数の検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）に統合されていて、これらの検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）は、前記延長方向（Ｒ）に沿って連続して配置されていること、
別の目盛周期（ｄf）を有する測定目盛の走査から生じる少なくとも１つのその他の高調波が、濾波されるように、１つの検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）に接続された個々の検出素子（Ｅ）の形が選択されていること、及び
１つの検出グループのすべての検出素子がそれぞれ、１つの幾何構造を有し、各幾何構造は、同一に形成されていて且つ前記出力信号中の１つの所定の高調波を濾波するために使用されることを特徴とする位置測定装置。
【請求項２】
前記延長方向（Ｒ）に互いに間隔をあけある複数の検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）がそれぞれ、一緒に接続されている結果、これらの検出グループの出力信号が、一緒にされて統一した信号として前記評価ユニットに入力されることを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。
【請求項３】
前記一緒に接続された検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）はそれぞれ、１つの位相（０°，９０°，１８０°，２７０°）の出力信号を生成することを特徴とする請求項２に記載の位置測定装置。
【請求項４】
前記検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）は、並んでいる少なくとも２つのトラック（Ｓ１，Ｓ２）に沿って前記延長方向（Ｒ）に対して垂直に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の位置測定装置。
【請求項５】
前記延長方向（Ｒ）に沿った前記検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の配置は、少なくとも１つのフィルタ母関数によって決定され、このフィルタ母関数は、各検出素子（Ｅ）がどの隣接した検出素子（Ｅ）に一緒に接続されているかを前記各検出素子（Ｅ）に対して示すことを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
【請求項６】
前記延長方向（Ｒ）に沿った前記検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の配置は、異なる検出グループ及び／又は１つの検出グループの異なる特徴に関する少なくとも２つのフィルタ母関数を結合することによって決定されることを特徴とする請求項５に記載の位置測定装置。
【請求項７】
前記延長方向（Ｒ）に沿った前記検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の配置は、異なる検出グループ及び／又は１つの検出グループの異なる特徴に関する少なくとも２つのフィルタ補関数を結合することによって決定されることを特徴とする請求項５に記載の位置測定装置。
【請求項８】
前記異なるトラック（Ｓ１，Ｓ２）内の前記個々の位相（０°，９０°，１８０°，２７０°）の前記検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）は、前記延長方向（Ｒ）に沿って定のずれ間隔（Δｘ）だけ互いにずらして配置されていることを特徴とする請求項４に記載の位置測定装置。
【請求項９】
１つの位相（０°，９０°，１８０°，２７０°）の前記検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の前記ずれ間隔（Δｘ）は、
Δｘ＝ｍ×ｄ×（１±１／（２×ｎ））
として発生し、ｄ＝ｉ×ｇfであり、ｄは、走査すべき測定目盛の格子定数であり、ｇfは、個々の検出素子（Ｅ）の周期的な配置の格子定数を示し、ｎは、濾波すべき高調波であり、ｍは、整数であり、ｉは、自然数であることを特徴とする請求項８に記載の位置測定装置。
【請求項１０】
高調波を濾波するため、複数の検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の間の距離が、前記延長方向（Ｒ）に沿って変化することを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
【請求項１１】
複数の検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の間の前記距離Δｘは、規則
Δｘ＝ｍ×ｄ×（１±１／（２×ｎ））
に従って決定され、ｄ＝ｉ×ｇfであり、ｄは、走査すべき測定目盛の格子定数であり、ｇfは、個々の検出素子（Ｅ）の周期的な配置の格子定数を示し、ｎは、濾波すべき高調波であり、ｍは、整数であり、ｉは、自然数であることを特徴とする請求項１０に記載の位置測定装置。
【請求項１２】
高調波を濾波するため、前記検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の幅が、前記延長方向（Ｒ）に沿って変化することを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
【請求項１３】
前記延長方向（Ｒ）に沿った前記検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の前記幅Δｂは、規則
Δｂ＝ｋ×ｄ／ｎ
に従って決定され、ｄ＝ｉ×ｇfであり、ｉ，ｋは、自然数を示し、ｄは、走査すべき測定目盛の格子定数を示し、ｇfは、個々の検出素子（Ｅ）の周期的な配置の格子定数を示し、ｎは、濾波すべき高調波を示すことを特徴とする請求項１２に記載の位置測定装置。
【請求項１４】
延長方向（Ｅ）に沿った前記検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の配置は、第１のフィルタ母関数を第２のフィルタ母関数に結合することによって決定され、前記検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の距離が、この第１のフィルタ母関数に従って延長方向（Ｒ）に沿って変化し、前記検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の幅が、この第２のフィルタ母関数に従って延長方向（Ｒ）に沿って変化することを特徴とする請求項９に記載の位置測定装置。
【請求項１５】
前記検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）は、逆正弦関数に従って前記延長方向（Ｒ）に沿って配置されることを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
【請求項１６】
前記検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の位置ｘは、関数
ｘ＝ｋ×ｄ／（２×π）×arcsin（ｋ／Ｎ）
によって決定され、ｄ＝ｉ×ｇfであり、ｉ及びＮは、自然数であり、ｋは、Ｎ以下の整数（ｋ＝−Ｎ・・・Ｎ）であり、ｄは、走査すべき測定目盛の格子定数を示し、ｇfは、個々の検出素子（Ｅ）の周期的な配置の格子定数を示すことを特徴とする請求項１５に記載の位置測定装置。
【請求項１７】
延長方向（Ｒ）に沿った前記検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の配置は、２つの逆正弦関数を結合することによって決定されることを特徴とする請求項９に記載の位置測定装置。
【請求項１８】
前記延長方向（Ｒ）に対して垂直方向の前記検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の幅が、変化することを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
【請求項１９】
前記延長方向（Ｒ）に対して垂直方向の前記検出グループ（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４）の幅は、余弦関数又は正弦関数に従って変化することを特徴とする請求項１８に記載の位置測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の位置測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
延長方向に沿って延在する測定目盛、この測定目盛を走査する１つの走査ユニット及びこの走査ユニットの検出装置を有する位置測定装置では、走査ユニットは、延長方向に沿って連続して周期的に配置された多数の検出素子を有し、これらの検出素子は、測定目盛の走査時に評価ユニットに供給可能な出力信号を生成し、隣接した複数の検出素子がそれぞれ、１つの検出グループに一緒に接続されている結果、この検出グループの複数の出力信号が、一緒にされて統一した信号として前記評価ユニットに入力され得る。
【０００３】
隣接する検出素子を相互接続して各々１つの検出グループを形成することにより、第１の微細な格子構造を有する周期的な測定目盛を走査するために設けられた検出グループを備えた走査ユニットは同時に、大まかな他の格子構造を有する測定目盛を走査するために使用可能である（特許文献１参照）。
【０００４】
例えば大まかな格子構造を有する測定目盛が、第１の微細な格子構造を有する測定目盛のｎ倍の格子定数を有すると、例えば検出装置のｎ個の隣接する検出素子が相互接続されて１つの検出グループを形成する。これによって、大まかな格子定数を有する測定目盛を同じ検出装置で走査することができる。
【０００５】
このような位置測定装置の場合、測定目盛は測定方向に沿って（周期的に）並べて配置された多数の線の形をした線目盛として形成されている。この場合、測定方向は直線（線形の位置測定システム）によって及び湾曲した線、特に円弧状に延びるセンサ（いわゆるシャフトエンコーダ又は角度測定システムの場合）によって形成可能である。検出素子は例えばフォトセルとして形成されている。このフォトセルは測定目盛を光学的に走査し、評価ユニットに供給可能な電気出力信号を発生する。
【０００６】
走査ユニットの検出装置の個々の検出素子は公知のごとく、第１の微細な格子定数を有する測定目盛を走査する際に高調波濾波が行われるように形成可能である。すなわち、検出素子の輪郭を適切に選定することにより、小さな格子定数を有する測定目盛を走査する際に、設定可能な所定の高調波を除去（濾波）することができる。しかし、大きな格子定数を有する大まかな測定目盛を走査するために、隣接する複数の検出素子をまとめて１つの検出グループを形成すると、大まかな測定目盛を走査する際に発生する出力信号が、重大な高調波部分を有する。この高調波部分は出力信号の他の処理や評価を妨害する（特許文献２参照）。
【特許文献１】欧州特許出願公開第１３０８７００号公報
【特許文献２】ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５０５１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、検出装置の出力信号の品質が改善される、冒頭で述べた種類の位置測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、少なくとも１つの所定の高調波が、前記出力信号から除去されるように、前記多数の検出素子Ｅが、複数の検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に統合されていて、これらの検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４は、前記延長方向Ｒに沿って連続して配置されていること、別の目盛周期ｄfを有する測定目盛の走査から生じる少なくとも１つのその他の高調波が、濾波されるように、１つの検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に接続された個々の検出素子Ｅの形が選択されていること、及び、１つの検出グループのすべての検出素子が、１つの幾何構造を有し、この幾何構造は、同一に形成されていて且つ当該走査信号中の１つの所定の高調波を濾波するために使用されることによって解決される。
【０００９】
この位置測定装置では、少なくとも１つの所定の高調波が、出力信号から濾波されるように、多数の検出素子Ｅが、複数の検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に統合されていて、これらの検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４は、前記延長方向Ｒに沿って連続して配置されている。
【００１０】
本発明の解決手段は、出力信号からの高調波の除去が、検出素子の所定の形状だけでなく、（公知のフィルタ機能を使用して）個々の検出グループの所定の構造によって及びその配置構造（幾何構造）によって達成可能であるという認識に基づいている。従って、個々の検出素子を組み合わせて適切な検出グループを形成することは、選択されたフィルタ機能に依存して達成される。このフィルタ機能によって、設定された所定の高調波が出力信号から除去される。
【００１１】
走査すべき（大まかな）測定目盛の格子定数は好ましくは、検出装置の最小の格子定数の整数倍、すなわち検出素子の位相や相互接続を考慮しない場合の個々の検出素子の配置周期の整数倍である。
【００１２】
その際、それぞれ検出装置の延長方向において互いに離隔された検出グループが相互に接続され、これらの検出グループが、１つの位相（例えば０°，９０°１８０°又は２７０°）の出力信号を発生するので、その出力信号は統一した信号として評価ユニットに供給される。すなわち、各検出グループには所定の位相の出力信号が割り当てられ、同じ位相の出力信号を有する検出グループはそれぞれ、その出力信号が共通の信号として評価ユニットに供給されるように相互接続されている。
【００１３】
適切なフィルタ機能によって所定の設定高調波を除去するために、一つの位相の出力信号を有する個々の検出グループを構成する検出素子の数が、少なくとも位相の一部について変化することが必要である。更に、少なくとも位相の一部について、同じ位相の互いに隣接する検出素子の間隔が変化する。延長方向に沿った検出グループの配置は特に、延長方向に沿ってそれぞれ複数の検出グループからなる基本ユニットが（好ましくは非周期的に）並べて配置されるように行われる。その際、検出装置の基本ユニットとは、高調波の所望な濾波を可能にする最小の数の検出素子を有数ユニットであると理解される。
【００１４】
本発明の実施形では、検出装置のすべての検出グループがトラックに沿って並べて配置されている。
【００１５】
他の実施形によれば、検出グループが検出装置の延長方向に対して垂直に並べられた少なくとも２つのトラックに沿って配置されている。
【００１６】
その際、変形によれば、異なるトラックに配置された、１つの位相の検出グループが、所定のずれ間隔Δｘだけ互いにずらして配置されている。所定の高調波濾波のために、異なるトラックに配置された、延長方向において隣接する検出グループに関する、検出装置の延長方向のずれ間隔Δｘは、
Δｘ＝ｍ×ｄ×（１±１／（２×ｎ））
として発生し、ここで好ましくはｄ＝ｉ×ｇfであり、この場合、ｄは、走査すべき測定目盛の格子定数であり、ｇfは、検出装置の最小の格子定数であり（個々の検出素子によって形成された、格子定数の微細で周期的なラスターを示す）、ｎは、濾波すべき高調波の次数であり、ｍは、整数であり、ｉは、自然数である。
【００１７】
他の変形によれば、１つの位相のすべての検出グループが１つのトラックに配置され、これによって隣接するトラックがそれぞれ異なる位相の検出グループだけを備えている。この場合、それぞれの高調波の濾波のために必要な基本ユニット内に、第１と第２の位相（例えば０°と１８０°）の検出グループが一方のトラックに沿って検出装置の延長方向に並べて配置され、第３と第４の位相（例えば９０°と２７０°）の検出グループが他方のトラックに沿って検出装置の延長方向に並べて配置されている。
【００１８】
しかし、１つの位相の検出グループの一部を一方のトラックに、そして検出グループの一部を他方のトラックに配置してもよい。
【００１９】
１つの位相の信号を発生する検出グループの分配によって、検出装置の測定方向又は延長方向に沿ってだけでなく、隣接する少なくとも２つのトラック上で、装置を汚れにくくすることができる。この場合更に、発生する走査信号は走査される測定目盛の線の幅の変更によって影響を受けない。
【００２０】
延長方向に沿った検出グループの配置が、各検出素子についての少なくとも１つの生成フィルタ機能によって決定され、この生成フィルタ機能によって隣接する検出素子が相互接続されて検出グループを形成している。好ましい他の実施形では、延長方向に沿った検出グループの配置が、少なくとも２つの生成フィルタ機能の結合によって決定され、この生成フィルタ機能が異なる検出グループ及び／又は検出グループの異なる特徴に関連している。これによって、検出グループの形成によって生じる検出装置のきわめて高い充填率が達成される。すなわち、小さな格子定数を有する微細なスケールの走査のために設けられた、検出グループを形成するための検出素子が使用される。
【００２１】
その際、延長方向に沿った検出グループの配置は好ましくは、少なくとも２つのフィルタ補関数の結合によって決定され、このフィルタ補関数は異なる検出グループ及び／又は検出グループの異なる特徴に関連している。その際、フィルタ補関数とは、例えば出力信号の高調波含有量の最小限抑制のような所定の設定に関連する全体フィルタ作用に関して補われるフィルタ関数であると理解される。例えば適切なフィルタ補関数については、本発明の特別な実施の形態を説明する際に後述する。
【００２２】
出力信号から高調波を濾波するために、一方ではそれぞれ相互接続された同じ位相の検出グループの間隔が延長方向に沿って変化する。この場合、同じ位相の検出グループの中心（検出装置の延長方向に見て）の平均間隔は好ましくは一定の値である。
【００２３】
或るフィルタ機能によれば、検出グループの間隔Δｘが次の規則
Δｘ＝ｍ×ｄ×（１±１／（２×ｎ））
に従って定められ、ここで好ましくはｄ＝ｉ×ｇfであり、この場合、ｄは、走査すべき測定目盛の格子定数であり、ｇfは、個々の検出素子の周期的な配置の最小の格子定数を示し、ｎは、濾波すべき高調波であり、ｍは、整数であり、ｉは、自然数である。
【００２４】
他のフィルタ関数は、同じ位相の個々の検出グループがそれぞれ異なる数の検出素子によって形成されることにより、それぞれ相互接続された同じ位相の検出グループの幅が、検出装置の延長方向に沿って変化することを特徴とする。その際、同じ位相の平均的な大きさは好ましくは、検出グループの出力信号の基本波の周期に一致する。
【００２５】
具体的なフィルタ関数では、延長方向における検出グループの幅Δｂが次の規則
Δｂ＝ｋ×ｄ／ｎ
に従って定められ、ここで好ましくはｄ＝ｉ×ｇfであり、この場合、ｉ，ｋは、自然数であり、ｄは、走査すべき測定目盛の格子定数であり、ｇfは、個々の検出素子の周期的な配置の最小の格子定数であり、ｎは、濾波すべき高調波の次数である。
【００２６】
高調波を抑制する際の充填率の最大化及びエラーの最小化のために、検出装置の延長方向に沿った検出グループの配置が、第１のフィルタ母関数を、第２のフィルタ母関数と結合することによって定められ、この第１のフィルタ母関数に従って検出グループの間隔が延長方向において変化し、第２のフィルタ母関数に従って検出グループの幅が延長方向において決定される。
【００２７】
本発明の他の実施形によれば、延長方向における検出グループの配置が逆正弦関数に従って行われる。この場合、延長方向に沿った検出グループの位置ｘは、次の関数
ｘ＝ｋ×ｄ／（２×π）×arcsin（ｋ／Ｎ）
によって表され、ここで好ましくはｄ＝ｉ×ｇfであり、この場合、ｉ，Ｎは、自然数であり、ｋは、１以下の値の整数であり、ｇfは、検出素子の周期的な配置の最小格子定数であり、ｄは、走査すべき測定目盛の格子定数である。このような逆正弦フィルタのフィルタ関数は、Ｎのために大きな値が選定されればされるほど範囲が広くなる。このようなフィルタによって、すべての高調波を捕らえることができる。
【００２８】
本発明のこの実施形の変形では、延長方向における検出グループの配置が２つの逆正弦関数の結合によって決定され、第２の逆正弦関数は、
ｘ＝（ｋ＋0.5）×ｄ／（２×π）×arcsin（ｋ／Ｎ）
のタイプである。
【００２９】
その際、第１と第２の逆正弦関数は、０°又は１８０°の位相の出力信号を有する検出グループの配置構造を示す。９０°又は２７０°の出力信号を発生する検出グループの位置については、適当な式が当てはまる。この場合、適当な期間の開始時に、その都度式ｋ＋0.25又はｋ＋0.75が使用される。
【００３０】
更に、一方の逆正弦関数は第１のトラックに沿った検出グループの配置を示し、第２の逆正弦関数は隣接する第２のトラックに沿った検出グループの配置を示す。
【００３１】
一般的に、検出装置の延長方向の沿った及び／又は延長方向に対して垂直な検出グループの幅が三角関数又は逆三角関数に従って、特に正弦関数、余弦関数、逆正弦関数、逆余弦関数に従って変化すると有利である。これによって、すべての高調波（特に一層高い調波）を検出して濾波することができる。
【００３２】
本発明のきわめて有利な実施形では、検出装置の延長方向に対して垂直に並べて配置された検出素子が相互接続されて検出グループを形成し、これによって出力信号から設定可能な高調波が除去される。この場合、上記の延長方向に対して垂直方向の検出グループの幅は例えば余弦関数に従って変更可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の他の特徴及び効果は、図に基づく実施の形態の次の説明から明らかになる。      
【００３４】
図７には、シャフトエンコーダ（角度測定システム、回転発信器）の測定目盛Ｍの一部を概略的に示している。この測定目盛はその（円弧によって定められた）延長方向Ｒに沿って周期的に並べて配置された、格子定数ｄを有する多数の目盛線（目盛マーク）Ｔからなっている。
【００３５】
格子定数ｄを有する測定目盛Ｍを走査するために、走査ユニットの検出装置Ｄが使用される。この検出装置はフォトセルの形をした多数の検出素子Ｅからなっている。この検出素子は横に並べて配置された２つのトラックＳ１，Ｓ２に沿って測定目盛Ｍの延長方向Ｒに並べて配置されている。
【００３６】
その際、フォトセルの形をした個々の検出素子Ｅの大きさ、配置構造及び形状は、図７に示した測定目盛Ｍの格子定数の数分１の格子定数を有するシャフトエンコーダの測定目盛を走査する際に、個々の検出素子Ｅの形状に基づいて所定の設定された高調波を含まない出力信号を発生する。その際、個々のすべての検出素子Ｅは所定の位相を有する出力信号を発生し、延長方向Ｒにおいて互いに離隔された、同じ位相の出力信号を発生する検出素子Ｅはそれぞれの出力信号を統一された信号として評価ユニットに供給する。この評価ユニットにおいて異なる位相の出力信号が評価され、これによって延長方向又は測定方向Ｒに沿った測定目盛Ｍに対する検出装置Ｄの相対位置を決定することができる。測定目盛Ｍと検出装置Ｄが工作機械の異なる２つの機械部分に付設され、それぞれこの機械部分に連結されていると、両機械部分の相対運動を検出することができる。
【００３７】
図７に示した測定目盛Ｍの格子定数ｄは、走査のために個々の検出素子Ｅを元の検出素子として形成及び配置した測定目盛の格子定数よりも大きい。図７に示したこの測定目盛を走査するために、検出素子Ｅが検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４にまとめられている。この検出グループは両トラックＳ１，Ｓ２に分配され、そこでそれぞれ複数回登場する。その際、異なる４つのタイプの検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４が設けられている。この場合、各タイプのＧ１又はＧ２又はＧ３又はＧ４は所定の位相（０°又は９０°又は１８０°又は２７０°）の出力信号を発生する。
【００３８】
その際、検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３又はＧ４の検出素子の出力信号（測定目盛Ｍを光学的に走査するフォトセルの形をした検出素子における電気的な出力信号）がそれぞれ一緒に評価ユニットに供給されるように、検出素子Ｅは互いに接続されて検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を形成している。すなわち、検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３又はＧ４の検出素子Ｅはそれぞれ電気的に相互接続されている。更に、同じ位相の出力信号を発生する、（延長方向Ｒに互いに離隔された）検出グループが互いに接続されるので、１つの位相の出力信号が評価ユニットに一緒に供給される。すなわち、位相０°の出力信号を発生するすべての検出グループＧ１が互いに電気的に接続される。位相９０°の出力信号を発生するすべての検出グループＧ２が互いに電気的に接続される。位相１８０°の出力信号を発生するすべての検出グループＧ３が互いに電気的に接続される。位相２７０°の出力信号を発生するすべての検出グループＧ４が互いに電気的に接続される。
【００３９】
その際、１つの検出グループの検出素子は図７においてそれぞれ同じハッチングを有することによって識別可能である。同じことが延長方向Ｒに離隔された検出グループについても当てはまる。この検出グループは一致する位相を有する出力信号を発生する。
【００４０】
図７から判る、隣接する検出グループの間の隙間Ｌはそれぞれ、検出グループを形成する際に使用されなかった検出素子を含んでいる。あるいは、技術的な理由から隙間Ｌにはセンサが最初から設けられていない。
【００４１】
次に、図１〜６に基づいて、規則を説明及び分析する。この規則に従って、個々の検出素子が互いに接続されて検出グループを形成することができ、これによって一方ではできるだけ大きな充填率が得られる。すなわち、検出グループを形成する際にできるだけ多くの検出素子を使用することができる。他方では、検出グループによって形成された検出装置によって、出力信号から所定の高調波を濾波することができる。
【００４２】
図１〜３に示した実施の形態のための出発点はそれぞれ次の考察である。
【００４３】
検出グループの出力信号内の高調波を除去するために、一方では、製造規則
Δｘ＝ｍ×ｄ×（１±１（２×ｎ））
を有するいわゆる２−線フィルタの形をした間隔フィルタが適している。ここで、Δｘは、隣接する検出グループの間隔であり、ｄは、走査すべき測定目盛の格子定数であり、ｎは、濾波すべき調波の次数であり、例えばｎ＝３又はｎ＝５である。ｍは、整数である。このようなフィルタの最小の大きさは、濾波すべき出力信号の２つの周期にわたって延在している。
【００４４】
高調波を除去するための他の方法は、製造規則
Δｂ＝ｋ×ｄ／ｎ
を有する単一スリットフィルタの形をした幅フィルタを使用することである。ここで、Δｂは、それぞれの検出グループの幅であり、ｄは、走査すべき測定目盛の格子定数であり、ｎは、濾波すべき高調波であり、ｋは、自然数の要素である。
【００４５】
測定方向又は延長方向Ｒに延在する検出装置Ｄの最も微細なラスターｇf（個々の検出素子の最小の格子定数に一致する）から出発して、次の規則が生じる。
【００４６】
ｄ＝ｉ×ｇf
この規則は、検出素子Ｅを検出グループにまとめるため並びに最も微細なラスターｇfを適応させる格子定数よりも大きな格子定数を有する測定目盛を走査するために延長方向Ｒに沿って分配するためのものである。つまり、走査すべき測定目盛Ｍの格子定数ｄは、以下において基礎となる検出装置Ｄの最も微細なラスターｇfの整数倍である。そして
Δｘ＝ｄ×（１＋１／（２×ｎ）＝ｉ×ｇf×（１＋１／（２×ｎ）
が当てはまる。一般的に、Δｘは、mod ｇf≠０である。すなわち、上記の製造規則に従って求められた、同じ位相の２個の検出グループの間隔Δｘは、個々の検出素子Ｅの基礎とする最も微細なラスターｇfの整数倍ではない。これは、間隔フィルタための製造規則に従って計算された、同じ位相の２個の検出グループの間隔Δｘが、基礎となる最も微細なラスターｇfの整数倍によって示されないことを意味する。実際の値に最も近い整数倍を選択すると、製造規則に従って計算した最適な間隔Δｘから偏差ｆ1 ，ｆ2 が生じる（エラー）。この偏差は次のように示すことができる。
【００４７】
ｆ1 ＝１−p/2n   及び／又は
ｆ2 ＝ p/2n
ここで、p∈IRである。この偏差は、ラスターｇfの整数倍に一致する、同じ位相の検出グループの実際の間隔が、理想値Δｘよりも小さく選択されるか又は大きく選択されるかに応じて示される。
【００４８】
しかし、改善(最適化)された濾波のために、前述の偏差ｆ1 ，ｆ2が互いに相殺可能であるという事実を利用することができる。すなわち、エラー全体について、
Σf＝l1×f1−l2 ×f2
が当てはまる。ここで、l1,l2εNlである。
【００４９】
それから、高調波の量の最小化に関して、
2n/k−1＝l2/l1
が当てはまる。ここで、l1,l2εNlである。この場合、合計l1＋l2は同時に、格子定数ｄの走査すべき周期の数の尺度でもある。これについては次に例に基づいて詳しく説明する。
【００５０】
検出装置によって元々走査すべき測定目盛の格子定数ｄf（最も微細な格子定数）は1/2048に等しい。周期あたりの４つの検出素子（フォト検出器）によってｇf＝1/4×ｄfとなる。
【００５１】
同じ検出装置によって走査される大まかな測定目盛の大きな格子定数はd＝1/512である。すなわち、格子定数d＝1/2048を有する測定目盛の走査のために元々設計された、設定ラスターｇfの検出装置によって、更に４倍の格子定数d＝1/512を有する測定目盛が走査される。間隔フィルタのための製造規則に関する上記説明に従い、第３の調波（すなわち、ｎ＝３）の濾波について、
Δx＝d×(1±1/2×3)＝4×df×(1±1/2×3)＝16×gf×(1±16)＝16×(gf±16×gf)
高調波の量を最小限に抑えるために全体エラーを最小限に抑えるための上記の式から、方程式のマイナス部分について、更にl2/l1＝6/4−1＝1/2及びl1＋l2＝3が生じる。ここでl1＝2、l2＝1である。つまり、同じ位相の検出グループの間の間隔に関して平均で理想的な値Δxを得るために、実際の間隔について、同じ位相の検出グループの間の、1/3×gfだけ短い間隔が２回ずつ選択され、同じ位相の検出グループの間の、2/3×gfだけ長い間隔が１回選択される。これによって同時に、フィルタの最小長さが６周期に定められる。従って、同じ位相の直接連続する検出グループの間の1/3×gfだけ短い間隔は、2/3×gfだけ長い間隔よりも２倍の頻度で発生する。
【００５２】
これによって、検出装置の最も微細なラスターgfの単位で表現すると、間隔が変化する同じ位相の検出グループについて、次の平均間隔が生じる。１つの位相の第３の調波を濾波するための上記の式から出発して、Δｘについて式の“プラス”部分を選択するかあるいは“マイナス”部分を選択するかに応じて、18.66×gfと13.33×gfの理想的な間隔が得られる。従って、理想的な検出装置について、一方では、19×gfと18×gfの理想的な間隔が生じる。この場合、最初に述べた大きな間隔は、２番目に述べた小さな間隔の２倍の頻度で発生する。他方では、13×gfと14×gfの実際の間隔が生じる。この場合、最初に述べた小さな間隔は、２番目に述べた大きな間隔の２倍の頻度で発生する。
【００５３】
間隔濾波（２−線濾波）のための上述の計算は、幅フィルタ（単一隙間フィルタ）の処理にアナログ的に伝達可能である。この場合、同じ位相の連続する検出グループの間隔の代わりに、同じ位相の検出グループの幅が延長方向ｒに変化する。
【００５４】
この場合、第３の調波を濾波する場合、上記の式を基礎として、同じ位相の検出グループの幅Δｂについて、
Δb＝k×d/3＝k×16×gf×1/3＝k×5.33gf
が当てはまる。
【００５５】
値Δｂ＝5.33×gfを有する検出グループの理想的な幅Δｂから出発して、実際の構造では、幅Δｂ＝5×gfを有する所定の位相の検出グループが、幅Δｂ＝6×gfを有する対応する検出グループの２倍の頻度で発生する。
【００５６】
図１は、第３の調波（すなわちｎ＝３）を濾波するための異なる２つの濾波方法（間隔フィルタと幅フィルタ）の組合せを示している。この濾波方法によって、余弦信号の濾波を行うことができる。すなわち、位相０°の出力信号を有する検出グループＧ１と、位相１８０°の出力信号を有する検出グループＧ３が、上記の規則に従って接続される。この場合、最初に述べた検出グループＧ１は一定の幅で間隔フィルタの作用（延長方向Ｒに見て直接連続する検出グループＧ１の中心点の間の間隔に関連して）を受け、２番目に述べた検出グループＧ３は平均幅Δｂ＝5.33×gfを達成するために５×gfと６×gfの異なる幅を有する。
【００５７】
図１に示した配置構造の場合、上記の余弦信号の濾波のほかに、位相９０°と２７０°を有する正弦信号の制限された濾波が可能である。余弦信号と正弦信号を同じように濾波できるようにするために、図２に示した、図１の配置構造の発展形態が設けられる。
【００５８】
図２では、それぞれ２個の格子周期(d)、すなわち32個の検出素子Ｅからなる検出ブロックが、余弦信号の濾波のため及び正弦信号の濾波のために交互に使用される。その際、余弦信号の濾波のために使用されるブロックはそれぞれ、０°の位相と１８０°の位相を有する出力信号を発生する検出グループＧ１，Ｇ３を含んでいる。正弦信号の濾波のために使用されるブロックはそれぞれ、９０°の位相と２７０°の位相を有する出力信号を発生する検出グループＧ２，Ｇ４を含んでいる。
【００５９】
その際、余弦信号の濾波のための検出ブロック又は正弦信号の濾波のための検出ブロックにおいて、検出グループＧ１又はＧ３あるいはＧ２又はＧ４が間隔フィルタと幅フィルタの作用を交互に受ける。例えば図２の最初の検出ブロックにおいて、０°の位相の出力信号を生じる検出グループＧ１の幅はそれぞれ８個の検出素子の大きさである。これに対して、それぞれ１８０°の位相の出力信号を生じる両検出グループＧ３の幅は、１１個の検出素子と、５個の検出素子の大きさである。この第１の検出ブロックでは、０°の位相の出力信号を発生する検出グループＧ１は一定の幅で間隔フィルタの作用を受け、１８０°の位相の出力信号を発生する検出グループＧ３は幅フィルタの作用を受ける。０°又は１８０°の位相の出力信号を発生する検出グループＧ１，Ｇ３を再び含む第３の検出ブロックでは、状況が正確に逆転する。１８０°の位相の出力信号を発生する検出グループＧ３が８個の検出素子の一定の幅を有し、他の検出グループＧ１が１０又は６個の検出素子の幅を有する。
【００６０】
第２と第４の検出ブロックにおいて同じ状況が生じる。この検出ブロックはそれぞれ、９０°又は２７０°の位相の出力信号を発生する検出グループＧ２，Ｇ４を有する。第２の検出ブロックでは、９０°の位相の出力信号を発生する検出グループＧ２がそれぞれ８個の検出素子の一定の幅を有し、他の両検出グループＧ４が一方で１０個の検出素子の幅を有し、他方で６個の検出素子の幅を有する。第４の検出ブロックでは状況が逆である。２７０°の位相の出力信号を発生する検出グループＧ４が８個の検出素子の一定の幅を有し、他の検出グループＧ２が一方で１１個の検出素子の幅を有し、他方で５個の検出素子の幅を有する。
【００６１】
余弦信号を濾波する働きをする検出ブロックの場合と、正弦信号を濾波する働きをする検出ブロックの場合に、間隔フィルタの作用を受ける検出グループの間隔が変化する。図２に示した検出ブロックは一部が１８個の検出素子を有し、一部が１９個の検出素子を有する。同様に、幅フィルタも変更されている。幅フィルタは検出ブロックの一部において１１個の検出素子の幅の検出グループと、５個の検出素子の幅の検出グループとの組合せによって形成され、他の検出ブロックでは、１０個の検出素子の幅の検出グループと、６の検出素子の幅の検出グループとの組合せによって形成されている。これは濾波作用を最適化するために構造体のエラー全体を最小限に抑えるという、上記理由に基づいて行われる。
【００６２】
図２の構造体は、個々の検出ブロックにおける、一方では余弦信号の濾波に関して、他方では正弦信号の濾波に関して並びに一方では幅フィルタの使用に関して、他方では間隔フィルタの使用に関して、全体として対称性が改善されている。これは構造体を汚れにくくする。
【００６３】
図２に示した検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の形状及び配置は、正弦信号と余弦信号の同じような濾波を可能にする。しかし、この配置構造は走査の単一フィールド特性を損なうという欠点がある。すなわち、４つの位相すべてが１つの信号周期から得られる。
【００６４】
この欠点を除去するために、図３では、走査トラックが２倍設けられている。従って、検出装置Ｄはその延長方向Ｒ（測定方向）に対して垂直に並べて配置された２つのトラックＳ１，Ｓ２を有する。両トラックにはそれぞれ、余弦信号を濾波するための検出グループＧ１，Ｇ３を備えた検出ブロックと、正弦信号を濾波するための検出グループＧ２，Ｇ４を備えた検出ブロックが交互に配置されている。延長方向Ｒに対して横方向に並べて配置された検出ブロックは異なる信号を濾波する働きをする。すなわち、余弦信号を濾波するための検出ブロック（０°と１８０°の位相の出力信号を有する検出グループＧ１，Ｇ３からなる）がトラックＳ１に配置され、正弦信号を濾波するための検出ブロック（９０°と２７０°の位相の出力信号を生じる検出グループＧ２，Ｇ４からなる）が他のトラックＳ２に配置され、そしてその逆に配置されている。
【００６５】
この場合、余弦信号と正弦信号を濾波し、そのために幅フィルタと間隔フィルタを備えている基本ユニットは、延長方向Ｒに沿って３２個の検出素子（走査すべき測定目盛の２つの格子定数に相当する）の寸法を有する。従って、互いに平行に延長方向Ｒに延在する２つのトラックＳ１，Ｓ２を有する図３に示した構造体の他の利点は、走査長さが短縮されることである。
【００６６】
図２，３において、隣接する検出素子Ｅの間の隙間Ｌはそれぞれ、検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を形成する際に使用されない検出装置の検出素子に一致している。使用されない検出素子は評価ユニットに接続されていない。すなわち、検出グループを形成するために他の検出素子に接続されていない。この場合、隙間Ｌは技術的な理由から検出素子を含んでいなくてもよい。
【００６７】
特に第３の高調波を濾波するために前述した方法に相応して、検出装置Ｄの個々の検出素子Ｅを適切にまとめることによって並びにこれによって形成された検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を適切に配置することによって、他の高調波と複数の高調波を、検出装置の出力信号から同時に除去することができる。しかも、間隔フィルタと幅フィルタを基礎とした上記のフィルタ機能に基づいて除去することができる。
【００６８】
濾波するために使用される構造体をできるだけコンパクトに形成するために、最小のラスターgfを有する元の最も微細な構造を形成することができる。これによって、大きなラスターを有する大まかなトラックの濾波のために、検出グループの最適な分配の付加的な自由度が達成可能である。これについてはドイツ連邦共和国特許出願公開第10020575号公報参照。
【００６９】
図４は、延長方向Ｒ（測定方向）に対して横方向に並べて配置された２つのトラックＳ１，Ｓ２を備えた検出装置Ｄを示している。両トラックＳ１，Ｓ２はそれぞれ測定方向Ｒに延在している。第１のトラックＳ１は０°又は１８０°の位相を有する出力信号を発生する検出グループＧ１，Ｇ３によって形成されている。一方、第２のトラックＳ２は９０°又は２７０°の位相を有する出力信号を発生する検出グループＧ２，Ｇ４によって形成されている。
【００７０】
この場合、表面濾波のための相補的なフィルタ構造を使用するための第２の例である。図１〜３に基づいて示した実施の形態の場合、相互的なフィルタとして間隔フィルタと幅フィルタが使用されたが、図４に示した実施の形態の場合２個の相補的な逆正弦フィルタが検出グループの位置のための母関数としての働きをする。その際、０°又は１８０°の位相を有する出力信号の検出グループＧ１，Ｇ３の位置のための理想的な位置は、母関数
【００７１】
【数１】
0004746294.tif 000002
によって表される。ここで、ｋ＝Ｎ・・・Ｎ、Ｎ＝３，５，７・・・である。
【００７２】
これに対して相補的（追加の）フィルタ機能の母関数は次の通りである。
【００７３】
【数２】
0004746294.tif 000003
その際、図４には、検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の理想的な配置が示してある。図１〜３に基づいて説明した実施の形態と相応して、実際の検出素子（図４には見やすくするために図示していない）によって形成された検出グループが、フィルタ母関数によって示される位置及び幅を有していないという問題がある。従って、それぞれ理想的な検出グループから偏差を有する検出グループを適切に配置することにより、全エラーの最小化、できるだけ全エラーの除去を行わなければならない。これは、間隔フィルタと幅フィルタによる高調波の濾波の場合にエラーｆ1 とｆ2 について上述した原理と同じ原理に基づいて行われる。
【００７４】
本発明の他の実施の形態では、個々の検出グループが延長方向Ｒに対して横方向のその大きさの変化に特徴がある。
【００７５】
多数のフォトセルが延長方向（測定方向）Ｒに対して横方向に並べて配置された検出装置から出発して、大まかな測定目盛のために形成された検出装置の濾波機能は、方向Ｑに沿った個々の検出素子の適切な相互接続によっても、検出装置Ｄの延長方向又は測定方向に対して横方向に達成可能である。すなわち、基礎となる測定目盛Ｍ（図７参照）に関連して、測定目盛Ｍの目盛線Ｔの線方向における検出素子の相互接続が達成される。これは勿論、既に述べたように、充分な数の検出素子が横方向Ｑに沿って（延長方向Ｒに対して垂直に）並べて配置されているときにのみ可能である。
【００７６】
その代わりに、トラックが最初から、横方向に変化する大きさを有する検出素子を備えていてもよい。この場合、所望な検出グループを形成するために、延長方向Ｒに沿って並べて配置された異なる大きさの検出素子を、横方向Ｑに相互接続しなければならない。
【００７７】
延長方向Ｒに並べて配置されそれぞれ横方向Ｑに異なる大きさを有する個々の検出領域が、最初から横方向Ｑに異なる大きさを有する検出素子によって形成されるかあるいは小さな検出素子を横方向Ｑに相互接続することによって形成されるかどうかに関係なく、検出グループを形成するためにこの検出領域をそれぞれ延長方向Ｒに相互接続しなければならない。
【００７８】
図５ａは並べて配置された２つのトラックＳ１，Ｓ２を備えたこのような配置構造を示している。この場合、トラックＳ１は位相０°又は１８０°の出力信号を発生する検出グループＧ１，Ｇ３を備えている。隣接する他方のトラックＳ２は位相９０°又は２７０°の出力信号を発生する検出グループＧ２，Ｇ４を備えている。
【００７９】
延長方向Ｒに対して横方向における検出素子の相互接続を決定する、図５ａに示した装置のフィルタ関数は次の通りである。
【００８０】
ｙ0k＝ｈ×｜cos(π×ｋ／Ｎ）｜
及び
ｙ180k＝ｈ×（１−｜cos(π×ｋ／Ｎ）｜）
ここで、ｈは、それぞれのトラックＳ１，Ｓ２の高さ（延長方向Ｒに対して横方向の大きさ）を示し、Ｎは走査すべき測定目盛の目盛周期あたりの検出器の数を示し、そしてｋ＝−Ｎ・・・Ｎである（すなわち、ｋは−ＮとＮの間で整数の値をとる）。つまり、それぞれ余弦関数に基づくフィルタ補関数である。
【００８１】
図５ｂから、正弦関数又は余弦関数に基づく、実線によって示した理想的なフィルタ関数が、０°又は１８０°の位相の検出グループＧ１，Ｇ３に関して、検出装置の延長方向に対して横方向における検出素子の相互接続によって近似的に理解可能である。
【００８２】
図５ａ，５ｂにおいて、延長方向Ｒに対して垂直に横方向Ｑに変化する大きさを有する個々の検出領域は、一方ではそれぞれ横方向Ｑに並べて配置された検出素子を適切に相互接続することによって達成可能であり、他方では最終的に延長方向Ｒに相互接続されて検出グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を形成する個々の検出素子が最初から横方向Ｑに沿って異なる大きさを有することによって達成可能である。
【００８３】
図６は、それぞれ重要な４つのすべての位相（０°，９０°，１８０°，２７０°）の検出グループを有する隣接する２つのトラックに関して、１つの位相（０°，９０°，１８０°，２７０°）の検出グループのずれ間隔Δｘを示している。このずれ間隔は異なるトラックＳ１又はＳ２に設けられている。ずれ間隔は次式によって示される。
【００８４】
Δｘ＝ｍ×ｄ×（１±１／（２×ｎ））
ここで、ｄ＝ｉ×ｇfであり、この場合、ｎは、濾波すべき高調波であり、ｍは、整数であり、ｇfは、検出素子の周期的な配置構造の格子定数である。更に、ｄは、走査すべき測定目盛の格子定数であり、ｉは、自然数である。
【００８５】
この変形の場合にも、Δｘを一般的にｇfの整数倍と異なるようにすることができる。これによって、ｇfの整数倍によってのみ形成可能な検出グループの実際のずれ間隔Δｘは、Δｘの理想的な値からずれている。更に、幅フィルタと間隔フィルタを例にして上述したように、全エラーを最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】測定目盛を走査するための線形に延在した検出装置の第１の実施の形態を示す図である。この測定目盛は延長方向に沿って並べて配置された、フォトセルの形をした多数の検出素子からなっている。この検出素子はそれぞれ検出グループにまとめられている。
【図２】図１の装置の他の実施の形態を示す図である。
【図３】図１，２の装置の他の実施の形態を示す図であり、この場合検出素子、ひいては検出グループが延長方向に対して横方向に並べて配置された隣接する２つのトラックに分配されている。
【図４】図３の装置の変形を示す図であり、この場合両トラックへの検出グループの分配が逆正弦補関数によって決定されている。
【図５ａ】図３，４の装置の変形を示す図であり、検出グループの幅がトラックの延長方向に対して横方向に変化している。
【図５ｂ】図５ａと類似の装置の詳細図である。
【図６】隣接するトラック内に配置された、同じ位相の検出グループのずれを概略的に示す図である。
【図７】検出装置を備えた走査ユニットによって走査される所定の格子定数を有するシャフトエンコーダの測定目盛を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００８７】
Ｄ              検出装置
Ｅ              検出素子
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４    検出グループ
Ｒ              延長方向
Ｓ１，Ｓ２      トラック
Δｘ            ずれ間隔
【図１】
0004746294.tif 000004
【図２】
0004746294.tif 000005
【図３】
0004746294.tif 000006
【図４】
0004746294.tif 000007
【図５ａ】
0004746294.tif 000008
【図５ｂ】
0004746294.tif 000009
【図６】
0004746294.tif 000010
【図７】
0004746294.tif 000011