特許 5995498 光学式位置測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5995498

(24)【登録日】2016年9月2日

(45)【発行日】2016年9月21日

(54)【発明の名称】光学式位置測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/347 20060101AFI20160908BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/347 110S

【請求項の数】13

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2012-92085(P2012-92085)

(22)【出願日】2012年4月13日

(65)【公開番号】特開2012-233883(P2012-233883A)

(43)【公開日】2012年11月29日

【審査請求日】2015年1月14日

(31)【優先権主張番号】10 2011 075 286.2

(32)【優先日】2011年5月5日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】390014281

【氏名又は名称】ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＤＲ． ＪＯＨＡＮＮＥＳ ＨＥＩＤＥＮＨＡＩＮ ＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ ＭＩＴ ＢＥＳＣＨＲＡＮＫＴＥＲ ＨＡＦＴＵＮＧ

(74)【代理人】

【識別番号】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100075270

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100096013

【弁理士】

【氏名又は名称】富田 博行

(74)【代理人】

【識別番号】100092967

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 修

(74)【代理人】

【識別番号】100114487

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 幸作

(72)【発明者】

【氏名】ミヒャエル・ヘルマン

【審査官】 吉田 久

(56)【参考文献】

【文献】 特開平６−１９６７２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−６４７０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３４４１１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１−６８１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１０５４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平４−３１０８２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１７４５３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−２５４４４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−６１１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ５／２６−５／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも一つの測定方向（ｘ）に沿って互いが相対的に移動する二つの対象物の位置を検出する光学式位置測定装置であって、
− 二つの対象物の一つと接続していると共に測定方向（ｘ）で延伸するインクリメント目盛（１２）を有する基準尺（１０）、
− 二つの内の他の対象物と接続していると共に光源（２３）、一つまたは複数の格子およびディテクタアセンブリ（２７；１２７）を有する走査検知ユニット（２０）
を有する光学式位置測定装置において、
− そのディテクタアセンブリ（２７；１２７）が、検知面に配設された複数グループのディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）で構成されており、それを介することにより、二つの対象物が相対移動する場合に、検知面で生じる周期性を有する縞模様の走査検知結果から、位置に関係し位相のずれた複数の走査検知信号を生成することができ、そして位相の同じ走査検知信号を伴うディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）が、それぞれ一つのグループを形成し、
そのとき、
− 一つのグループのディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）の面積の合計が、他の各グループのディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）の面積の合計と同一であり、そして
− 一つのグループのディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）の面重心が、他の各グループのディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）の面重心と同一であり、そして
− ディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）の感光面の前に、周期性を有するブラインド構造（２９；１２９）が配設されており、周期性を有するブラインド構造（２９；１２９）が、少なくとも測定方向（ｘ）で交互に配設された透光性および非透光性の範囲で構成されており、その周期が測定方向（ｘ）でディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）の幅より小さく、
− 一つのグループのディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）に関連配置されているブラインド構造（２９；１２９）の透光範囲の面積の合計が、他の各グループのディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）に関連配置されているブラインド構造（２９；１２９）の透光範囲の面積の合計と同一であり、そして
− 一つのグループのディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）に関連配置されているブラインド構造（２９；１２９）の面重心が、他の各グループのディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）に関連配置されているブラインド構造（２９；１２９）の面重心と同一であることを特徴とする光学式位置測定装置。

【請求項2】

請求項１に記載の光学式位置測定装置において、
− 種々のグループのディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）が更に、第二面感度モーメントの３成分で同じ値を有しており、そして
− 種々のグループのディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）に関連配置されているブラインド構造（２９；１２９）の透光範囲が、第二面感度モーメントの３成分で同じ値を有していることを特徴とする光学式位置測定装置。

【請求項3】

請求項２に記載の光学式位置測定装置において、
− 種々のグループのディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）が更に、他の面感度モーメント全てで同じ値を有しており、そして
− 種々のグループのディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）に関連配置されているブラインド構造（２９；１２９）の透光範囲が更に、他の面感度モーメント全てで同じ値を有している
ことを特徴とする光学式位置測定装置。

【請求項4】

請求項１から３のいずれかに記載の光学式位置測定装置において、
− ブラインド構造（２９；１２９）が、走査検知プレート（２４）上の格子として構成されており、そして走査検知プレート（２４）が、走査検知ユニット（２０）内でディテクタアセンブリ（２７；１２７）の上方に配設されている、または
− ブラインド構造が、ディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）上で透光範囲を有する金属化膜として構成されている
ことを特徴とする光学式位置測定装置。

【請求項5】

請求項１に記載の光学式位置測定装置において、
ｄ：＝測定方向ｘにおけるブラインド構造の幅、Ｐ_Ｄ：＝ブラインド構造の透光範囲の周期とするとき、測定方向（ｘ）におけるブラインド構造（２９；１２９）の幅を、ｄ＝１／２・Ｐ_Ｄまたはｄ＝１／３・Ｐ_Ｄに従って選ぶ
ことを特徴とする光学式位置測定装置。

【請求項6】

請求項１から５のいずれかに記載の光学式位置測定装置において、
ブラインド構造（１２９）が、重要度に従ってディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）の一部上にのみ配設されている
ことを特徴とする光学式位置測定装置。

【請求項7】

請求項６に記載の光学式位置測定装置において、
ブラインド構造（１２９）が、全体で近似的に方形範囲を形成するディテクタアセンブリ（１２７）のディテクタ要素（１２７．１〜１２７．４）上にのみ配設されている
ことを特徴とする光学式位置測定装置。

【請求項8】

請求項１から７のいずれかに記載の光学式位置測定装置において、
ディテクタアセンブリ（２７；１２７）が、円セグメントの形態で構成されていると共に複数の円セクタを含んでおり、その中にそれぞれ複数のディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）が複数の円環形状トラック（Ｓ１〜Ｓ４）で、ラジアル方向で隣接して配設されている
ことを特徴とする光学式位置測定装置。

【請求項9】

請求項１から７のいずれかに記載の光学式位置測定装置において、
ディテクタアセンブリ（２７；１２７）が、半円セグメントの形態で構成されていると共に複数の半円セクタを含んでおり、その中にそれぞれ複数のディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）が複数の半円環形状トラック（Ｓ１〜Ｓ４）で、ラジアル方向で隣接して配設されている
ことを特徴とする光学式位置測定装置。

【請求項10】

請求項８または９に記載の光学式位置測定装置において、
位相の同じ走査検知信号を生成する隣接トラック（Ｓ１〜Ｓ４）のディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）が、対角方向で延伸する接合接続（２７．１ａ，２７．２ａ，２７．３ａ，２７．４ａ）を介して互いに電気的に接続している
ことを特徴とする光学式位置測定装置。

【請求項11】

請求項８または９に記載の光学式位置測定装置において、
ディテクタ要素（２７．１〜２７．４；１２７．１〜１２７．４）が、円セグメント形状のディテクタアセンブリ（２７；１２７）の端部にあるグループから接合接続（２７．１ｂ，２７．２ｂ，２７．３ｂ，２７．４ｂ）を介して、後続配設された信号処理要素と接続している
ことを特徴とする光学式位置測定装置。

【請求項12】

請求項８または９に記載の光学式位置測定装置において、
ディテクタアセンブリ（２７；１２７）が、走査検知ユニット（２０）内で光源（２３）に隣接して配設されており、そして検知面に間をあけずに光源（２３）を取り巻く保護ダイオード（２２．１）が配設されている
ことを特徴とする光学式位置測定装置。

【請求項13】

請求項８または９に記載の光学式位置測定装置において、
ディテクタ要素（２７．１ａ，２７．２ａ，２７．３ａ，２７．４ａ）のラジアル方向で最も内側のトラック（Ｓ４）の形状的構成が、ラジアル方向で隣接するトラック（Ｓ３）の形状的構成とは異なっている
ことを特徴とする光学式位置測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学式位置測定装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

少なくとも一つの測定方向に沿って互いが相対的に移動する二つの対象物の位置を検出する公知の光学式位置測定装置は、二つの対象物の一つと接続している基準尺および、二つの内の他の対象物と接続している走査検知ユニットで構成されている。この場合に基準尺には、測定方向で延伸するインクリメント目盛を含む；走査検知ユニットは、光源、一つまたは複数の格子、およびディテクタアセンブリを有している。ディテクタアセンブリの側には、検知面に配設された複数グループのディテクタ要素が設けられている。二つの対象物が相対移動するケースではディテクタ要素を介することにより、検知面で生じる周期を有した縞模様の走査検知結果から、位置に関係し位相がずれた走査検知信号を生成することが可能である。位相の同じ走査検知信号を伴うディテクタ要素が、それぞれ一つのグループを形成する。一般的に所謂ワンフィールド走査検知のためには、ディテクタアセンブリの中に４つの好ましくは矩形形状のディテクタ要素を設けて、縞模様の一周期内で９０°だけ位相がずれた４つの走査検知信号を生成する。このようなワンフィールド走査検知は、走査検知信号の理想的な信号形態が損なわれるのは僅かであるので、例えば走査検知する基準尺が場合により汚染している場合のように、理想的でない運転条件の時でも利点のあることが分かっている。

【0003】

このような位置測定機器の分解能が増すに伴って、検知面で生じる縞模様の周期がますます小さくなる。他方ではディテクタ要素に関して、その最小可能幅に関する技術的な制限がある。よって、隣接するディテクタ要素で設けられた間隔５μｍおよびディテクタ要素の最小可能幅５μｍの時に、４０μｍ以下の縞模様周期は、このような従来のワンフィールド走査検知を介して走査検知できない。加えて、ディテクタ要素の構造がますます小さくなる時に、当該ディテクタ要素の全体容量におけるエッジ容量の割合が大きくなる。よって、理想的でない使用条件の時でも良好な信号品質を保証するために、高分解能の光学式位置測定装置にも適した対策を講じるという問題が生じる。

【0004】

このような問題点を解消するためには、周期性を有して配設された透光範囲を有すると共にその周期が測定方向で単一ディテクタ要素の幅より小さいブラインド構造を、ディテクタアセンブリの前に配置することが公知である。それに関しては、例えば非特許文献１の図２と３を参照されたい。しかしながらこの対応方法で問題となるのは、ディテクタ要素が小さい時に、ディテクタ要素に関してブラインド構造を高精密で方向決めせねばならないことである。そうでなければ、低品質、即ち、調整度が小さく、従って信号振幅の小さい走査検知信号が生じる。それとは反対にディテクタ要素が大きい場合には、ブラインド構造の補正は問題とはならないが、理想的でない使用条件の時に良好な信号品質を保証することができない。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Ｊ．カール他著 「超精密計測システム用のミニチュア光学エンコーダ」精密工学３３号（２００９）、２６３〜２６７ページ

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の課題は、高分解能の光学式位置測定装置を提供することであり、それは、走査検知光路において構成要素が互いに理想的な方向を向いていない、または使用条件が理想的でない時でも、得られる走査検知信号が最大可能な品質を保証するものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この課題を、請求項１に記載の特徴を有する位置測定装置により解決する。
本発明による光学式位置測定装置の利点ある実施方法は、従属請求項に記載の方策により得られる。

【0008】

少なくとも一つの測定方向に沿って互いが相対的に移動する二つの対象物の位置を検出する本発明による光学式位置測定装置には一つに、二つの対象物の一つと接続していると共に測定方向で延伸するインクリメント目盛を有する基準尺を含んでいる。位置測定装置には更に、二つの内の他の対象物と接続していると共に光源、一つまたは複数の格子およびディテクタアセンブリを有する走査検知ユニットを含んでいる。そのディテクタアセンブリが、検知面に配設された複数グループのディテクタ要素で構成されており、それを介することにより、二つの対象物が相対移動する場合に、検知面で生じる周期性を有する縞模様の走査検知結果から、位置に関係し位相のずれた複数の走査検知信号を生成することができる。位相の同じ走査検知信号を伴うディテクタ要素が、それぞれ一つのグループを形成する。そのとき、一つのグループのディテクタ要素の面積の合計が、他の各グループのディテクタ要素の面積の合計と同一である。更に一つのグループのディテクタ要素の面重心が、他の各グループのディテクタ要素の面重心と同一である。ディテクタ要素の感光面の前に、周期性を有するブラインド構造が配設されている。

【0009】

周期性を有するブラインド構造が、少なくとも測定方向で交互に配設された透光性および非透光性の範囲で構成されており、その周期が測定方向でディテクタ要素の幅より小さいと好ましい。

【0010】

更に、
− 一つのグループのディテクタ要素に関連配置されているブラインド構造の透光範囲の面積の合計が、他の各グループのディテクタ要素に関連配置されているブラインド構造の透光範囲の面積の合計と同一であり、そして
− 一つのグループのディテクタ要素に関連配置されているブラインド構造の面重心が、他の各グループのディテクタ要素に関連配置されているブラインド構造の面重心と同一である
ことがある。

【0011】

更に、
− 種々のグループのディテクタ要素が更に、第二面感度モーメントの３成分で同じ値を有しており、そして
− 種々のグループのディテクタ要素に関連配置されているブラインド構造の透光範囲が、第二面感度モーメントの３成分で同じ値を有している
ようにしていることがある。

【0012】

最後に挙げることとして、
− 種々のグループのディテクタ要素が更に、他の面感度モーメント全てで同じ値を有しており、そして
− 種々のグループのディテクタ要素に関連配置されているブラインド構造の透光範囲が更に、他の面感度モーメント全てで同じ値を有している
ことがある。

【0013】

その場合に、
− ブラインド構造が、走査検知プレート上の格子として構成されており、そして走査検知プレートが、走査検知ユニット内でディテクタアセンブリの上方に配設されている、または
− ブラインド構造が、ディテクタ要素上で透光範囲を有する金属化膜として構成されている
ようにしていることがある。

【0014】

ｄ：＝測定方向ｘにおけるブラインド構造の幅、Ｐ_Ｄ：＝ブラインド構造の透光範囲の周期とするとき、測定方向におけるブラインド構造の幅を、ｄ＝１／３・Ｐ_Ｄまたはｄ＝１／４・Ｐ_Ｄに従って選ぶと利点がある。

【0015】

更に、ブラインド構造が、必要度に従ってディテクタ要素の一部上にのみ配設されていることがある。
その場合にブラインド構造が、全体で近似的に方形範囲を形成するディテクタアセンブリのディテクタ要素上にのみ配設されていることがある。

【0016】

更にディテクタアセンブリが、円セグメントの形態で構成されていると共に複数の円セクタを含んでおり、その中にそれぞれ複数のディテクタ要素が複数の円環形状トラックで、ラジアル方向で隣接して配設されていることがある。

【0017】

そこでは特にディテクタアセンブリが、半円形状で構成されていることがある。
更に、位相の同じ走査検知信号を生成する隣接トラックのディテクタ要素が、対角方向で延伸する接合接続を介して互いに電気的に接続しているようにすることがある。

【0018】

更にディテクタ要素が、円セグメント形状のディテクタアセンブリの端部にあるグループから接合接続を介して、後続配設された信号処理要素と接続していることがある。
ディテクタアセンブリが、走査検知ユニット内で光源に隣接して配設されており、そこで検知面に、間をあけずに光源を取り巻く保護ダイオードが配設されていると好ましい。

【0019】

最後に挙げることとして、ディテクタ要素のラジアル方向で最も内側のトラックの形状的構成が、ラジアル方向で隣接するトラックの形状的構成とは異なっていることがある。
高分解能の本発明による光学式位置測定装置で意味のある利点として、理想的でない使用条件の時でも、生成された走査検知信号で良好な品質の保証されることが挙げられる。即ち、一方では、走査検知する基準尺において場合による汚染に対して、高度に鈍感であるという結果が得られる；他方で、走査検知光路ないし走査検知ユニットにある構成要素が理想的には組み付けられていない場合にも、あるいは位置測定装置が理想的に組み立てられていない場合にも、全体システムが高度に鈍感となる。

【0020】

更に得られるのは、ディテクタ要素でエッジ容量が小さくなることであり、それが走査検知信号の可能性として高いバンド幅ないし少ない雑音という結果になる。
本発明による方策は、回転タイプの位置測定装置にも直線タイプのものにも使用することができる。

【0021】

本発明の更なる利点および詳細は、添付の図面を使った複数の実施例についての以下の説明から得られる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明による光学式位置測定装置の実施形態の非常に概略化した図。

【図2】図１による位置測定装置の走査検知する基準尺の上部外観図。

【図3】図１による位置測定装置のディテクタアセンブリの上部外観図。

【図4】ディテクタアセンブリの本発明による構成を説明する非常に簡略化した概要図。

【図5】図３によるディテクタアセンブリでブラインド構造のある部分外観図。

【図6】図３によるディテクタアセンブリでブラインド構造のない部分外観図。

【図7】本発明による光学式位置測定装置の別の実施形態に適したディテクタアセンブリの部分外観図。

【発明を実施するための形態】

【0023】

図１〜３において、照光システムとして構成された本発明による光学式位置測定装置の実施形態を、非常に概略化した部分外観図で図示している。図１は側面の断面図、図２は走査検知する基準尺の上部外観図、図３は走査検知ユニットにおける検知面の上部外観図を示している。

【0024】

少なくとも一つの測定方向ｘに沿って互いが相対的に移動する二つの対象物を検出する本発明による光学式位置測定装置には、基準尺１０および走査検知ユニット２０を含んでいる。基準尺１０および走査検知ユニット２０は、二つの−図示していない−対象物と接続している。これらの対象物では、例えば互いが相対的に移動する機械部品を当て嵌めることができる。機械部品がスライドする場合には、本発明による光学式位置測定装置を介して位置信号が生成され、後に配設された機械制御装置により、それが更に処理される。

【0025】

図示の実施例では、直線タイプの位置測定装置を示している、即ち、基準尺１０および走査検知ユニット２０が、規定された直線測定方向ｘに沿って互いがスライド自在で配設されている。

【0026】

呈示の例では基準尺１０がキャリア体１１で出来ており、その上に測定方向ｘで延伸するインクリメント目盛１２が配設されている。インクリメント目盛１２は、測定方向ｘで交互に配設された縞形状の目盛範囲で形成されていると共に、異なって位相をずらす作用を有しており、それを図２において濃淡で図示している；従ってインクリメント目盛が、位相格子として構成されており、可能性のある実施形態では１８０°の位相変化量を有している。インクリメント目盛１２の目盛範囲は、測定方向ｘで目盛周期ＴＰ_ＩＮＣの周期性を有して配設されている。

【0027】

図２で分かるように図示の実施例では基準尺１０側に、インクリメント目盛１２を有するトラックに規定のｙ方向で隣接して、少なくとも一つの参照マーキング１３を有する別のトラックが設けられている。その参照マーキング１３は、異なって位相をずらす作用を有する目盛範囲が非周期的に配設された構成をしており、測定区間に沿った少なくとも一つの既知参照位置で参照信号を生成するために使用する。以上のように公知の形式と方法により、インクリメント目盛１２の走査検知結果から生じる高分解能インクリメント走査検知信号のための、絶対参照を得ることができる。少なくとも一つの参照信号を生成する具体的な形式と方法は、本発明にとって重要ではなく、そのためには色々な参照マーキング走査検知方法を使用することがある。

【0028】

走査検知ユニット２０側ではキャリア要素２１の上に、基準尺１０の方向に光を発光する光源２３が配設されている。本実施例においては光源２３と基準尺１０の間に、平行光線化する光学的要素が設けられていない、即ち、例えばＬＥＤで構成された光源２３が、基準尺１０の方向に拡散発光する。この光源発光特性により走査検知ユニット１０の検知面では結果として、不均質であるがラジアル方向で対称的な光度分布となる。図示の実施例では光源２３が、薄板形状センサベース２２の空間２２．１の中に配設されている；これを以下においては光源空間２２．１とも呼ぶことにする。ここで光源空間２２．１が、センサベース２２にある凹みとしてのみ構成されていることもあるし、あるいは図１で図示しているように、センサベース２２の完全な開口部ないし角錐台状の貫通腐蝕部として構成されていることもある。センサベース２２において結晶面に沿って上手く腐蝕することにより、結果として検知面で光源空間２２．１の方形断面が得られる。光源空間２２．１の方形貫通腐蝕部ないし光源２３の周りにはセンサベース２２の上側で検知面には、間をあけずに光源空間２２．１を取り巻く保護ダイオード２２．２が配設される。そこで場合により生成される電荷キャリアを、保護ダイオード２２．２を介して吸収して、隣接するディテクタアセンブリ２７に影響を与えることおよびそれを介して生成される走査検知信号が有する調整度が小さくなることを防ぐ。

【0029】

センサベース２２で基準尺１０の方向を向いた上側には、測定方向ｘに対して直角、即ちｙ方向で、光源空間２２．１に隣接して検知面に、片方にインクリメント目盛１２を走査検知するディテクタアセンブリ２７が、そして他方に参照マーキング１３を走査検知する参照マーキングディテクタ２８が配置されている；後者は本発明の対象ではないので、これを図３では概略的にのみ明示している。

【0030】

インクリメント目盛１２を走査検知するディテクタアセンブリ２７は、多数の単一光電ディテクタ要素２７．１〜２７．４を含んでおり、それらがグループ的に互いに導電して互いに接続している；ここでは走査検知した縞模様において位相の同じ走査検知信号を検出するディテクタ要素２７．１〜２７．４が、一つのグループ内で互いに接続している。図示の実施例ではディテクタアセンブリ２７が半円形状で構成されており、ディテクタ要素２７．１〜２７．４を有し光源２３を中心に同心で配設された複数のトラックを含んでいる；ディテクタアセンブリ２７の構成に関する更に詳細な内容は、以下の説明を参照されたい。ここでは、光源空間２２．１が方形断面であることにより、図から分かるようにディテクタアセンブリ２７の最も内側のトラックの形状的構成が、ラジアル方向で隣接するトラックの形状的構成とは異なっていることのみを述べるに留める。このトラックにおけるディテクタ要素数は、他のトラックにおける数に一致している；ディテクタ要素の角度幅のみが小さくなっており、方形の光源空間２２．１および周りの保護ダイオード２２．２のために十分なスペースがあるように、単一ディテクタ要素の中心位置が変化している。このような最も内側のトラックの異なった構成は、光源空間２２．１とディテクタアセンブリ２７を出来るだけ効率的に組み合わせるために行う。このような形式と方法により、保護ダイオードの周囲近くで現れる縞模様も走査検知することもできる。光源２３が拡散して照光することにより、この範囲で最高の光度が得られる。

【0031】

走査検知ユニット１０の中でセンサベース２２の上側に、即ち、基準尺１０の方向に向いて、透明なガラスプレートとして構成された走査検知プレート２４が配設されている。走査検知プレート２４には、光源空間２２．１の上方の中央範囲で、センサベース２２に向いた側に送光格子２６が付いている。送光格子２６は透過光振幅格子として構成されており、測定方向ｘで周期性を有して配設された透光および非透光の目盛範囲を有している；送光格子２６の目盛周期を、以下においてＴＰ_ｓで表すものとする。呈示例における走査検知プレート２４には更に、ディテクタアセンブリ２７の上側範囲で同じ側に、周期性を有するブラインド構造２９の形態をした格子が付いており、呈示のように利用している走査検知原理に対して、それが検知格子として機能する。ディテクタアセンブリ２７および周期性を有するブラインド構造２９ないし検知格子の具体的な構成については、以下の説明を参照されたい。図１と図３では更に、概略的に示した走査検知ユニット２０のケーシング２５の一部のあることも分かる。

【0032】

インクリメント走査検知を行うディテクタアセンブリ２７の構成を引き続いて詳細に述べる前に、まずインクリメント走査検知信号を生成するための光路を説明することにする。

【0033】

光源２３から拡散して発光された光束は、まず送光格子２６を通過して、基準尺１０にあるインクリメント目盛１２に達し、そこから再び走査検知ユニット２０の方向に逆反射される。結果として検知面では、ブラインド構造２９の周期に相当する縞周期を有する縞模様が生じる。基準尺１０および走査検知ユニット２０が互い相対移動する時に、周期性を有する縞模様が、ブラインド構造２９とディテクタアセンブリ２７を使って走査検知ないし検出され、位置に関係し位相がずれた複数の走査検知信号に変換される。

【0034】

インクリメント走査検知を行うディテクタアセンブリ２７の具体的な構成および、その前に配設され周期性を有するブラインド構成２９に関して、まず関連する理論的な検討を以下で説明する。

【0035】

ここでは、検知面で得られ周期性を有する縞模様を走査検知する当該ディテクタ２７配設が、多数の単一ディテクタ要素で構成されていることを前提にする。そのディテクタ要素は複数のグループに纏められ、そこで一つのグループのディテクタ要素は、それぞれ位相が同じ走査検知信号を出す。種々のグループを介することにより、異なった位相関係を有する走査検知信号が生成される；一般的には概ねＮ＝４のグループが設けられ、それを介してそれぞれ９０°位相がずれた４つの走査検知信号を生成できる。

【0036】

以上のようなディテクタアセンブリ２７に対して以下の寸法基準 i）〜iv）を満していると、利点のあることが基本的に分かっている：
i） 一つのグループのディテクタ要素の面積の合計が、他の各グループのディテクタ要素の面積の合計と同一である。
ii）一つのグループのディテクタ要素の面重心が、他の各グループのディテクタ要素の面重心と同一である。
iii）ディテクタ要素の種々のグループが、第二面感度モーメントの同じ成分を有していると、利点のあることが更に分かっている。
iv）従って、ディテクタ要素の種々のグループが更に、別の面感度モーメントの同じ値を有していると、結果として再度最適化されたディテクタアセンブリが得られる。

【0037】

これらの条件は、ディテクタアセンブリを構成するために数学的に、次のように述べることができる：

【0038】

【数1】

そこでＳ_０（Ｒ）は、ディテクタ要素面の感光度（感度）を規定している。
そのとき、 ｉ＝１，２，．．．，Ｎ および

【0039】

【数2】

Ｎ：＝信号位相の数
ここで一つの位相に属する感光ディテクタ要素面すべてにより生成される光電流は、次で得られる：

【0040】

【数3】

ここで、
Ｉ（ｘ，ｙ）は、位置（ｘ，ｙ）における平均照光強度；
ＭＧ（ｘ，ｙ）は、位置（ｘ，ｙ）における光度縞模様の部分的な調整度
各位相の光電流は同じであろう。

【0041】

ここで、光感度Ｓ_０（Ｒ）がディテクタ要素面すべてに対して同じである、およびディテクタ要素がラジアル方向で均等に分布していると仮定すると、一つの位相に属する感光ディテクタ要素面Ｆ_ｉは、簡略化して検討することができる。この面Ｆ_ｉは次で得られる：

【0042】

【数4】

ここで、

【0043】

【数5】

目的は、種々の位相のディテクタ要素に対して面の均等性を得ることである、即ち、
Ｆ_１＝Ｆ_２＝．．．＝Ｆ_Ｎ
一つの位相に属するディテクタ要素の面重心の座標ｘＳ_ｉ，ｙＳ_ｉは、次により定義される：

【0044】

【数6】

【0045】

【数7】

理想的には、一つのグループのディテクタ要素の面重心の座標が、他の各グループのディテクタ要素の面重心と同一である：
ｘＳ_１＝ｘＳ_２＝．．．＝ｘＳ_Ｎ
ｙＳ_１＝ｙＳ_２＝．．．＝ｙＳ_Ｎ
第二面感度モーメントの独立成分は、次により定義される：

【0046】

【数8】

【0047】

【数9】

【0048】

【数10】

上記で述べたように結果として、各信号位相に対する第二モーメントの面感度モーメントが同じであると、ディテクタアセンブリの再度の最適化が得られる：

【0049】

【数11】

第三面感度モーメントの独立成分は、次により定義される：

【0050】

【数12】

利点のある実施形態では、各信号位相に対する第三面感度モーメントの成分も同じである：

【0051】

【数13】

理想的なケースでは最終的にディテクタアセンブリは、更に高い面感度モーメントも各信号位相に対して同じであるように構成される。

【0052】

図３で図示しているディテクタアセンブリ２７は基本的に、上記の寸法基準 i）〜 iii）を満たしている；寸法基準iv）も満たされるならば、再度の最適化が得られるであろう。寸法基準 i）〜 iii）を満たすディテクタアセンブリ１２７の最小構成を図４で示している。ディテクタアセンブリ１２７を使って種々の寸法基準を、簡略化した実施例で以下において明らかにすることにする。

【0053】

先の図３の実施例におけるように図４の実施例でも同じく、ディテクタアセンブリ１２７が円形セグメント形状、ないしは半円形状に構成されている；相当する完全な円の中心Ｚには−ここでは図示していない−光源が、走査検知ユニット内に配置されている。このようなディテクタアセンブリの円形セグメント形状構成は、特に光学式位置測定装置で利点のあることが分かっており、その装置は例えば図２の実施例で図示されているように、基準尺でのインクリメント目盛の走査検知の他に、インクリメント目盛の傍に配設された参照マーキングの走査検知も行うものである。以上のような形式と方法で−同じく図４では示していない−参照マーキングディテクタを、ｙ方向でディテクタアセンブリ１２７から距離をおいて、走査検知ユニットの検知面に配設することがある。

【0054】

図４の例ではディテクタアセンブリが、多数のディテクタ要素１２７．１〜１２．４で構成されており、それらが４つのトラックＳ１〜Ｓ４に、Ｚを中心にして同心且つ半円形状で配設されている。トラックＳ１〜Ｓ４あたり、それぞれ１６の円セグメント形状のディテクタ要素１２７．１〜１２７．４が設けられている。図においては、一つのグループに属している、従って位相の同じ走査検知信号を検出するディテクタ要素１２７．１〜１２７．４が、同一で図示されている。ここで第一グループのディテクタ要素が参照符号１２７．１で、第二グループのディテクタ要素が参照符号１２７．２で、第三グループのディテクタ要素が参照符号１２７．３で、第四グループのディテクタ要素が参照符号１２７．４で表されている。図４で分かるようにディテクタアセンブリ１２７には、各グループからトラックＳ１〜Ｓ４あたり、それぞれ４つのディテクタ要素１２７．１〜１２７．４が配置されている；一つのトラック内におけるディテクタ要素１２７．１〜１２７．４の面積は、それぞれ同一で選ばれている。

【0055】

ディテクタアセンブリ１２７が以上のように構成されていることにより、上記で挙げた寸法基準 i）は、これらに対して満たされている。即ち、一つのグループのディテクタ要素１２７．１〜１２７．４の面積の合計が、他の各グループのディテクタ要素１２７．１〜１２７．４の面積の合計と同一である。

【0056】

種々のグループのディテクタ要素１２７．１〜１２７．４の面重心位置に関して、言及した寸法基準ii）を満たすために、種々のグループのディテクタ要素１２７．１〜１２７．４を、ディテクタアセンブリ１２７内で特定の配設をするようにしている。これは、ディテクタ要素の共通した面重心が検知面における規定の位置で生じるように選択する。

【0057】

寸法基準 iii）も、本発明による光学式位置測定装置のための、簡略化して図示のディテクタアセンブリの実施例において満たされている。これは、ディテクタ要素の種々のグループが更に、第二面感度モーメントの３つの成分に対して、同じ値を有していることを意味している。

【0058】

図５は、図３によるディテクタアセンブリの部分外観図を示しており、生成された走査検知信号で異なった位相用のディテクタ要素２７．１〜２７．４に加えて、周期性を有するブラインド構造２９を図示しており、それが走査検知光路でディテクタ要素２７．１〜２７．４の前に配設されている。図１〜３の実施例においては、上記しているようにブラインド構造２９が、格子として走査検知プレート２４の下側に設けられており、そして測定方向ｘで交互に配設された透光範囲２９．１と非透光範囲２９．２で構成されている。図５では、幅狭の矩形形状範囲が透光範囲２９．１を示しており、それが測定方向ｘに沿って周期Ｐ_Ｄの周期性を有して配設されている。ブラインド構造２９の透光範囲２９．１の配設に関する周期Ｐ_Ｄは、測定方向ｘにおける単一ディテクタ要素２７．１〜２７．４の幅より小さい。ブラインド構造２９の残りの範囲２９．２は、非透光で構成されている。

【0059】

ブラインド構造２９の透光範囲２９．１は、Ｐ_Ｄがブラインド構造の透光範囲の周期を規定する時に、測定方向ｘでｄ＝１／２・Ｐ_Ｄに従う幅ｄを代表的に有している、しかし又はｄ＝１／３・Ｐ_Ｄを選んでいる。二番目に挙げた変数、即ち、幅ｄ＝１／３・Ｐ_Ｄは更に、一般的に縞模様に含まれるが不要な第三調和波を、上手くフィルタリングすることができる。

【0060】

本発明の範疇では走査検知プレートの下側にブラインド構造を配設する代わりに、ディテクタ要素の上に直接、該当する透光範囲を有する金属化層としてブラインド構造を構成するようにすることもある。

【0061】

本発明による光学式位置測定装置の再度の最適化は、上記の寸法基準 i）、ii）および場合により iii）が、ディテクタアセンブリ２７のディテクタ要素２７．１〜２７．４の面にだけでなく、更にディテクタ要素２７．１〜２７．４の前に配設されたブラインド構造２９、即ち、例えばブラインド構造２９の透光範囲２９．１にも適用される時に達成することができる。

【0062】

これは寸法基準 i）に関して、一つのグループのディテクタ要素２７．１〜２７．４に関連配置されているブラインド構造２９の透光範囲２９．１の面積の合計が、他の各グループのディテクタ要素２７．１〜２７．４に関連配置されているブラインド構造２９の透光範囲２９．１の面積の合計と同一であることを意味している。

【0063】

寸法基準ii）に関するブラインド構造２９の構成は、一つのグループのディテクタ要素２７．１〜２７．４に関連配置されているブラインド構造２９の透光範囲２９．１の面重心が、他の各グループのディテクタ要素２７．１〜２７．４に関連配置されているブラインド構造２９の透光範囲２９．１の面重心と同一であるように行う。

【0064】

更に上記の寸法基準 iii）を、ブラインド構造２９の構成にも適用することができる。従って、種々のグループのディテクタ要素２７．１〜２７．４に関連配置されているブラインド構造２９の透光範囲２９．１が更に、第二面感度モーメントの３成分の同じ値を有するようにしている。

【0065】

最後に挙げることとして、寸法基準iv）に関してブラインド構造を最適化し、それにより種々のグループのディテクタ要素２７．１〜２７．４に関連配置されているブラインド構造２９の透光範囲２９．１が更に、別の面感度モーメントすべての同じ値を有するようにすることもある。

【0066】

図６は、図３によるディテクタアセンブリ２７の部分外観、即ち半円形状配設の左側端部におけるディテクタアセンブリ２７の範囲を示している；この図では、ディテクタ要素２７．１〜２７．４の前に配設されたブラインド構造を図示していない。図６を使って、本発明による光学式位置測定装置のディテクタアセンブリ２７において、どのようにディテクタ要素２７．１〜２７．４の電気的な接合を行うかを説明することにする。そこで一つには共通のグループに属するディテクタ要素２７．１〜２７．４を、接合接続２７．１ａ〜２７．４ｂを介して、互いに導電性を有して接続するようにしている。図６で分かるように、ここでは接合接続２７．１ａ〜２７．４ｂが、ディテクタ要素２７．１〜２７．４を有する複数の同心半円形状トラックで構成されたディテクタアセンブリ２７において、対角方向でトラックからトラックに延伸している。その接合接続２７．１ａ〜２７．４ｂは、センサ配設２７内でディテクタ要素２７．１〜２７．４の間に適切に追加された範囲により構成される。従ってディテクタアセンブリ２７では、金属導線としての、場合によりディテクタ要素２７．１〜２７．４の上方を延伸する接合接続を必要としない、そうでないと欠陥となる陰影および、容量的な重なりによる信号トラブルに至ることになるであろう。

【0067】

図６から更に、種々のグループのディテクタ要素２７．１〜２７．４を、どのように−図示していない−後続配設された信号処理要素と導電性を有して接続するかが分かる。これは接合接続２７．１ｂ〜２７．４ｂを介して行うが、それがディテクタ要素２７．１〜２７．４を円セグメント形状ディテクタアセンブリ２７の端部で、後続配設された信号処理要素と接続している。

【0068】

引き続き図７を使って、本発明による光学式位置測定装置の別の実施形態に適している、即ち、回転タイプ位置測定装置に適しているディテクタアセンブリ２７を説明することにする。

【0069】

回転タイプ光学式位置測定装置のケースでは、基準尺上で走査検知されるインクリメント目盛が、公知の形式と方法で円環形状ないし目盛板上のラジアル目盛として構成されている。この場合には測定方向ｘが、円周に沿って延伸している；互いが相対して移動する二つの対象物は、円の軸を中心にして回転する。

【0070】

図３に図示しているディテクタアセンブリ２７は、ラジアル目盛の走査検知のためにも使用することができる；ディテクタアセンブリ２７のレイアウトでは、本質的な変更を必要としない、即ち、上記で検討した寸法基準に従ってこれを構成する。ディテクタ要素の感光面の上方におけるブラインド構造１２９の構成ないし配設のみを、この適用ケースに合わせねばならない。そのために本発明による光学式位置測定装置の回転タイプの構成のケースでは、ブラインド構造を必要度に従って、ディテクタアセンブリ２７のディテクタ要素の一部にのみ配設するようにしている。既に上記で説明しているようにブラインド構造１２９は、走査検知プレートの下側にある格子として、しかし又はディテクタ要素上で透光範囲を有する金属化層としても構成されていることがある。

【0071】

図７で分かるように、回転タイプ用途に対する図示の例ではブラインド構造１２９が、全体で近似的に方形範囲１３０を形成するディテクタアセンブリ２７のディテクタ要素上にのみ配設されている；ここでは図において、ブラインド構造１２９を非常に概略化してのみ明示している。この方形範囲１３０に配設されていると共に、前にブラインド構造１２９が配設されているディテクタアセンブリ２７のディテクタ要素のみが、信号取得に寄与する。又、範囲１３０に設けられたブラインド構造１２９のみが、上記で検討した寸法基準に従って構成されている。先に説明した直線タイプの測定配設に対する違いとして、回転タイプのケースではブラインド構造の透光範囲が、矩形形状ではなく台形形状断面を有している。

【0072】

具体的に説明した実施例の他に本発明の範疇では勿論、別の構成の可能性もある。
例えば、インクリメント目盛に隣接して配設された参照マーキングを走査検知する必要がない時には、検討した寸法基準を遵守しながらディテクタアセンブリおよび場合によりブラインド構造に対して、本発明による光学式位置測定装置における円形状ディテクタアセンブリを使用することがある。

【符号の説明】

【0073】

１０ 基準尺
１１ キャリア体
１２ インクリメント目盛
１３ 参照マーキング
２０ 走査検知ユニット
２１ キャリア要素
２２ センサベース
２２．１ 光源空間
２２．２ 保護ダイオード
２３ 光源
２４ 走査検知プレート
２５ ケーシング
２６ 送光格子
２７ ディテクタアセンブリ
２７．１ ディテクタ要素
２７．２ ディテクタ要素
２７．３ ディテクタ要素
２７．４ ディテクタ要素
２８ 参照マーキングディテクタ
２９ ブラインド構造
２９．１ 透光範囲
２９．２ 非透光範囲
１２７ ディテクタアセンブリ
１２７．１ ディテクタ要素
１２７．２ ディテクタ要素
１２７．３ ディテクタ要素
１２７．４ ディテクタ要素
１２９ ブラインド構造
１３０ 方形範囲

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】