特許 6835503 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】6835503

(24)【登録日】2021年2月8日

(45)【発行日】2021年2月24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 20060101AFI20210215BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/347 E

   G01D5/347 110M

【請求項の数】14

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2016-165262(P2016-165262)

(22)【出願日】2016年8月26日

(65)【公開番号】特開2017-44700(P2017-44700A)

(43)【公開日】2017年3月2日

【審査請求日】2019年5月29日

(31)【優先権主張番号】10 2015 216 268.0

(32)【優先日】2015年8月26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】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(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】100101373

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 茂雄

(72)【発明者】

【氏名】ヴォルフガング・ホルツアップフェル

(72)【発明者】

【氏名】クリストフ・リンク

(72)【発明者】

【氏名】ヨハネス・トラウトナー

【審査官】 吉田 久

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−４９１６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３７２７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−６５８０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−２０１１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２０５８１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−７１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平５−４００４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／０１７９８２６（ＵＳ，Ａ１）

(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】

アブソリュート方式に位置を決定するための光学式位置測定装置であって、
測定方向に沿って延在し、少なくとも１つのインクリメンタル目盛およびアブソリュートコードを備える基準器と、
基準器に対して測定方向に沿って相対的に移動可能に配置されており、光源、インクリメンタル目盛を光学式に走査するための走査格子、および検出装置を含む走査ユニットと
を備え、
検出装置が、インクリメンタル目盛を光学式に走査することによりインクリメンタル信号を生成するためのインクリメンタル方式検出器と、アブソリュートコードを光学式に走査することによりアブソリュート信号を生成するためのアブソリュート方式検出器とを備え、インクリメンタル方式検出器およびアブソリュート方式検出器が共通の検出平面に配置されている光学式位置測定装置において、
インクリメンタル方式検出器（２７；１２７；２２７）におけるストライプパターンの周期性（ｄ_３）が、基準器（１０；１１０；２１０）および／または走査格子（２４；１２４；２２４）の領域に散乱汚染が生じた場合にインクリメンタル信号の振幅およびアブソリュート信号の振幅が一様に低下するように選択されることを特徴とする光学式位置測定装置。

【請求項2】

アブソリュート方式に位置を決定するための光学式位置測定装置であって、
測定方向に沿って延在し、少なくとも１つのインクリメンタル目盛およびアブソリュートコードを備える基準器と、
基準器に対して測定方向に沿って相対的に移動可能に配置されており、光源、インクリメンタル目盛を光学式に走査するための走査格子、および検出装置を含む走査ユニットと
を備え、
検出装置が、インクリメンタル目盛を光学式に走査することによりインクリメンタル信号を生成するためのインクリメンタル方式検出器と、アブソリュートコードを光学式に走査することによりアブソリュート信号を生成するためのアブソリュート方式検出器とを備え、インクリメンタル方式検出器およびアブソリュート方式検出器が共通の検出平面に配置されている光学式位置測定装置において、
走査格子と検出平面との間に所定の垂線間隔（ｖ）が設けられ、および／またはインクリメンタル方式検出器（２７；１２７；２２７）におけるストライプパターンの周期性（ｄ_３）が、基準器（１０；１１０；２１０）および／または走査格子（２４；１２４；２２４）の領域に散乱汚染が生じた場合にインクリメンタル信号の振幅およびアブソリュート信号の振幅が一様に低下するように選択され、
前記走査格子（２４；１２４；２２４）と検出平面との間の垂線間隔（ｖ）が、

【数1】

にしたがって選択されるか、または

【数2】

にしたがって選択され、
ｖは、走査格子と検出平面との間の垂線間隔であり、
ｕは、基準器と走査格子との間の垂線間隔であり、
ｄ_１は、基準器におけるインクリメンタル目盛の目盛周期であり、
ｄ_３は、インクリメンタル方式検出器におけるストライプパターンの周期性
であり、
ｄ_ＡＢＳは、測定方向におけるアブソリュートコードの最小構造の幅である光学式位置測定装置。

【請求項3】

アブソリュート方式に位置を決定するための光学式位置測定装置であって、
測定方向に沿って延在し、少なくとも１つのインクリメンタル目盛およびアブソリュートコードを備える基準器と、
基準器に対して測定方向に沿って相対的に移動可能に配置されており、光源、インクリメンタル目盛を光学式に走査するための走査格子、および検出装置を含む走査ユニットと
を備え、
検出装置が、インクリメンタル目盛を光学式に走査することによりインクリメンタル信号を生成するためのインクリメンタル方式検出器と、アブソリュートコードを光学式に走査することによりアブソリュート信号を生成するためのアブソリュート方式検出器とを備え、インクリメンタル方式検出器およびアブソリュート方式検出器が共通の検出平面に配置されている光学式位置測定装置において、
走査格子と検出平面との間に所定の垂線間隔（ｖ）が設けられ、および／またはインクリメンタル方式検出器（２７；１２７；２２７）におけるストライプパターンの周期性（ｄ_３）が、基準器（１０；１１０；２１０）および／または走査格子（２４；１２４；２２４）の領域に散乱汚染が生じた場合にインクリメンタル信号の振幅およびアブソリュート信号の振幅が一様に低下するように選択され、
前記インクリメンタル方式検出器（２７；１２７；２２７）におけるストライプパターンの周期性（ｄ_３）が、

【数3】

にしたがって選択され、
ｄ_３は、インクリメンタル方式検出器におけるストライプパターンの周期性であり、
ｄ_ＡＢＳは、測定方向におけるアブソリュートコードの最小構造の幅である光学式位置測定装置。

【請求項4】

アブソリュート方式に位置を決定するための光学式位置測定装置であって、
測定方向に沿って延在し、少なくとも１つのインクリメンタル目盛およびアブソリュートコードを備える基準器と、
基準器に対して測定方向に沿って相対的に移動可能に配置されており、光源、インクリメンタル目盛を光学式に走査するための走査格子、および検出装置を含む走査ユニットと
を備え、
検出装置が、インクリメンタル目盛を光学式に走査することによりインクリメンタル信号を生成するためのインクリメンタル方式検出器と、アブソリュートコードを光学式に走査することによりアブソリュート信号を生成するためのアブソリュート方式検出器とを備え、インクリメンタル方式検出器およびアブソリュート方式検出器が共通の検出平面に配置されている光学式位置測定装置において、
走査格子と検出平面との間に所定の垂線間隔（ｖ）が設けられ、および／またはインクリメンタル方式検出器（２７；１２７；２２７）におけるストライプパターンの周期性（ｄ_３）が、基準器（１０；１１０；２１０）および／または走査格子（２４；１２４；２２４）の領域に散乱汚染が生じた場合にインクリメンタル信号の振幅およびアブソリュート信号の振幅が一様に低下するように選択され、
前記走査格子（２４；１２４；２２４）と検出平面との間の垂線間隔（ｖ）が

【数4】

にしたがって選択され、
ｖは、走査格子と検出平面との間の垂線間隔であり、
ｕは、基準器と走査格子との間の垂線間隔であり、
ｄ_１は、基準器におけるインクリメンタル目盛の目盛周期であり、
ｄ_３は、インクリメンタル方式検出器におけるストライプパターンの周期性
であり、
ｄ_ＡＢＳは、測定方向におけるアブソリュートコードの最小構造である光学式位置測定装置。

【請求項5】

アブソリュート方式に位置を決定するための光学式位置測定装置であって、
測定方向に沿って延在し、少なくとも１つのインクリメンタル目盛およびアブソリュートコードを備える基準器と、
基準器に対して測定方向に沿って相対的に移動可能に配置されており、光源、インクリメンタル目盛を光学式に走査するための走査格子、および検出装置を含む走査ユニットと
を備え、
検出装置が、インクリメンタル目盛を光学式に走査することによりインクリメンタル信号を生成するためのインクリメンタル方式検出器と、アブソリュートコードを光学式に走査することによりアブソリュート信号を生成するためのアブソリュート方式検出器とを備え、インクリメンタル方式検出器およびアブソリュート方式検出器が共通の検出平面に配置されている光学式位置測定装置において、
走査格子と検出平面との間に所定の垂線間隔（ｖ）が設けられ、および／またはインクリメンタル方式検出器（２７；１２７；２２７）におけるストライプパターンの周期性（ｄ_３）が、基準器（１０；１１０；２１０）および／または走査格子（２４；１２４；２２４）の領域に散乱汚染が生じた場合にインクリメンタル信号の振幅およびアブソリュート信号の振幅が一様に低下するように選択され、
アブソリュートコード（１２；１１２；２１２）の光学式走査が陰影原理に基づいており、光学結像素子を配置することなしに、アブソリュートコード（１２；１１２；２１２）の構造がアブソリュート方式検出器（２６；１２６；２２６）の検出平面に投影される光学式位置測定装置。

【請求項6】

請求項５に記載の光学式位置測定装置において、
前記アブソリュートコード（１２；１１２；２１２）が、疑似乱コードとして形成されている光学式位置測定装置。

【請求項7】

アブソリュート方式に位置を決定するための光学式位置測定装置であって、
測定方向に沿って延在し、少なくとも１つのインクリメンタル目盛およびアブソリュートコードを備える基準器と、
基準器に対して測定方向に沿って相対的に移動可能に配置されており、光源、インクリメンタル目盛を光学式に走査するための走査格子、および検出装置を含む走査ユニットと
を備え、
検出装置が、インクリメンタル目盛を光学式に走査することによりインクリメンタル信号を生成するためのインクリメンタル方式検出器と、アブソリュートコードを光学式に走査することによりアブソリュート信号を生成するためのアブソリュート方式検出器とを備え、インクリメンタル方式検出器およびアブソリュート方式検出器が共通の検出平面に配置されている光学式位置測定装置において、
走査格子と検出平面との間に所定の垂線間隔（ｖ）が設けられ、および／またはインクリメンタル方式検出器（２７；１２７；２２７）におけるストライプパターンの周期性（ｄ_３）が、基準器（１０；１１０；２１０）および／または走査格子（２４；１２４；２２４）の領域に散乱汚染が生じた場合にインクリメンタル信号の振幅およびアブソリュート信号の振幅が一様に低下するように選択され、
前記基準器（１０；１１０；２１０）および走査ユニット（２０；１２０；２２０）の互いに向かい合った側の間の走査間隔が５０μｍ以下に選択されている光学式位置測定装置。

【請求項8】

アブソリュート方式に位置を決定するための光学式位置測定装置であって、
測定方向に沿って延在し、少なくとも１つのインクリメンタル目盛およびアブソリュートコードを備える基準器と、
基準器に対して測定方向に沿って相対的に移動可能に配置されており、光源、インクリメンタル目盛を光学式に走査するための走査格子、および検出装置を含む走査ユニットと
を備え、
検出装置が、インクリメンタル目盛を光学式に走査することによりインクリメンタル信号を生成するためのインクリメンタル方式検出器と、アブソリュートコードを光学式に走査することによりアブソリュート信号を生成するためのアブソリュート方式検出器とを備え、インクリメンタル方式検出器およびアブソリュート方式検出器が共通の検出平面に配置されている光学式位置測定装置において、
走査格子と検出平面との間に所定の垂線間隔（ｖ）が設けられ、および／またはインクリメンタル方式検出器（２７；１２７；２２７）におけるストライプパターンの周期性（ｄ_３）が、基準器（１０；１１０；２１０）および／または走査格子（２４；１２４；２２４）の領域に散乱汚染が生じた場合にインクリメンタル信号の振幅およびアブソリュート信号の振幅が一様に低下するように選択され、
周期的なインクリメンタル信号の所定の信号振幅が常に得られるように、周期的なインクリメンタル信号の信号振幅に応じて光源（２１；１２１；２２１）の光線強度に影響を及ぼす調整ユニット（３０）を備える光学式位置測定装置。

【請求項9】

アブソリュート方式に位置を決定するための光学式位置測定装置であって、
測定方向に沿って延在し、少なくとも１つのインクリメンタル目盛およびアブソリュートコードを備える基準器と、
基準器に対して測定方向に沿って相対的に移動可能に配置されており、光源、インクリメンタル目盛を光学式に走査するための走査格子、および検出装置を含む走査ユニットと
を備え、
検出装置が、インクリメンタル目盛を光学式に走査することによりインクリメンタル信号を生成するためのインクリメンタル方式検出器と、アブソリュートコードを光学式に走査することによりアブソリュート信号を生成するためのアブソリュート方式検出器とを備え、インクリメンタル方式検出器およびアブソリュート方式検出器が共通の検出平面に配置されている光学式位置測定装置において、
走査格子と検出平面との間に所定の垂線間隔（ｖ）が設けられ、および／またはインクリメンタル方式検出器（２７；１２７；２２７）におけるストライプパターンの周期性（ｄ_３）が、基準器（１０；１１０；２１０）および／または走査格子（２４；１２４；２２４）の領域に散乱汚染が生じた場合にインクリメンタル信号の振幅およびアブソリュート信号の振幅が一様に低下するように選択され、
前記走査格子（２４；１２４；２２４）と検出装置（２５；１２５；２２５）との間に、少なくとも部分的に、屈折率ｎ＞１を有する透明な充填媒体が配置されている光学式位置測定装置。

【請求項10】

アブソリュート方式に位置を決定するための光学式位置測定装置であって、
測定方向に沿って延在し、少なくとも１つのインクリメンタル目盛およびアブソリュートコードを備える基準器と、
基準器に対して測定方向に沿って相対的に移動可能に配置されており、光源、インクリメンタル目盛を光学式に走査するための走査格子、および検出装置を含む走査ユニットと
を備え、
検出装置が、インクリメンタル目盛を光学式に走査することによりインクリメンタル信号を生成するためのインクリメンタル方式検出器と、アブソリュートコードを光学式に走査することによりアブソリュート信号を生成するためのアブソリュート方式検出器とを備え、インクリメンタル方式検出器およびアブソリュート方式検出器が共通の検出平面に配置されている光学式位置測定装置において、
走査格子と検出平面との間に所定の垂線間隔（ｖ）が設けられ、および／またはインクリメンタル方式検出器（２７；１２７；２２７）におけるストライプパターンの周期性（ｄ_３）が、基準器（１０；１１０；２１０）および／または走査格子（２４；１２４；２２４）の領域に散乱汚染が生じた場合にインクリメンタル信号の振幅およびアブソリュート信号の振幅が一様に低下するように選択され、
前記走査格子（２４；１２４；２２４）が充填媒体の内部に配置されている光学式位置測定装置。

【請求項11】

請求項１から１０までのいずれか一項に記載の光学式位置測定装置において、
インクリメンタル目盛（１３；１１３；２１３）の光学式走査が３格子走査原理に基づいており、走査光路において最初に入射される格子が、インクリメンタル目盛（１３；１１３；２１３）であり、２番目に入射される格子が前記走査格子（２４；１２４；２２４）であり、３番目に入射される格子が、構造化された検出器として形成された前記インクリメンタル方式検出器（２７；１２７；２２７）である光学式位置測定装置。

【請求項12】

請求項１から１０までのいずれか一項に記載の光学式位置測定装置において、
前記基準器（１０；１１０；２１０）が透過光基準器として形成されており、インクリメンタル目盛（１３；１１３；２１３）および前記アブソリュートコード（１２；１１２；２１２）が、交互に配置された透過特性の異なる領域をそれぞれ備える光学式位置測定装置。

【請求項13】

請求項１から１０までのいずれか一項に記載の光学式位置測定装置において、
走査ユニット（２０；１２０；２２０）が、インクリメンタル目盛（１３；１１３；２１３）およびアブソリュートコード（１２；１１２；２１２）を照射するための単一の光源（２１；１２１；２２１）を含む光学式位置測定装置。

【請求項14】

請求項１から１０までのいずれか一項に記載の光学式位置測定装置において、
前記インクリメンタル方式検出器（２７；１２７；２２７）およびアブソリュート方式検出器（２６；１２６；２２６）が共に検出器チップに配置されてい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、請求項１の前提部分に記載の光学式位置測定装置に関する。この光学式位置測定装置は、高精度にアブソリュート方式で位置を決定するために適している。

【背景技術】

【0002】

一般的なアブソリュート方式の光学式位置測定装置が、例えば米国特許第５，２３５，１８１号明細書により既知である。この光学式位置測定装置は基準器を含み、基準器は測定方向に沿って延在し、インクリメンタル目盛およびアブソリュートコードを備える。走査ユニットは、基準器に対して測定方向に沿って相対的に移動可能に配置されている。走査ユニットは、光源、インクリメンタル目盛を光学式に走査するための走査格子、および検出装置を備える。検出装置は、インクリメンタル目盛を光学式に走査することによりインクリメンタル信号を生成するためのインクリメンタル方式検出器と、アブソリュートコードを光学式に走査することによりアブソリュート信号を生成するためのアブソリュート方式検出器とを含む。アブソリュート信号とインクリメンタル信号とを組み合わせることにより、基準器に対する走査ユニットの正確な絶対位置を決定することができる。

【0003】

このような位置測定装置は、例えば、定置機械部品に対する可動機械部品の位置を高精度に検出する必要のある用途で使用され、機械制御によってこれらの機械部品の正確な相対的位置決めを行う。これらの機械が、例えば工作機械である場合には、光学式位置測定装置の機能を損ないかねない使用条件が生じることもある。冷却潤滑剤またはオイルミストなどの汚染物質が位置測定装置の光学部品、特に、例えばガラススケールとして形成された基準器に堆積する可能性がある。その結果、極端な場合には位置測定装置が故障することもある。このような汚染に基づいた故障を防止し、このような汚染が生じる可能性を最小限にするために光学式位置測定装置の多様な保護手段が既知である。保護手段として、例えば基準器を周辺部材によって密閉すること、圧縮空気によってこの部材を洗浄すること、圧縮空気ユニット内にフィルタを配置することなどが挙げられる。しかしながら、これらの保護手段より、位置測定装置の光学部品が上記のような影響によって汚染され、位置測定装置の機能が損なわれることを全ての場合に防止することはできない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許第５，２３５，１８１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の基礎をなす課題は、アブソリュート方式で位置を決定するための光学式位置測定装置において、基準器を光学式に走査する場合にできるだけ汚染耐性が確保され、光学部品が汚染された場合にも位置信号が確実に生成されることを保障する光学式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】

【0006】

この課題は、本発明によれば、請求項１に記載の特徴を有する光学式位置測定装置によって解決される。

【0007】

本発明による光学式位置測定装置の有利な実施形態が、従属請求項に記載の手段によって得られる。

【0008】

アブソリュート方式に位置を決定するための本発明による光学式位置測定装置は、測定方向に沿って延在し、少なくとも１つのインクリメンタル目盛およびアブソリュートコードを備える基準器と、基準器に対して測定方向に沿って相対的に移動可能に配置されており、光源、インクリメンタル目盛を光学式に走査するための走査格子、および検出装置を含む走査ユニットを含む。検出装置は、インクリメンタル目盛を光学式に走査することによりインクリメンタル信号を生成するためのインクリメンタル方式検出器と、アブソリュートコードを光学式に走査することによりアブソリュート信号を生成するためのアブソリュート方式検出器とを備える。インクリメンタル方式検出器およびアブソリュート方式検出器は共通の検出平面に配置されている。走査格子と検出平面との間に所定の垂線間隔（ｖ）が設けられ、および／またはインクリメンタル方式検出器におけるストライプパターンの周期性は、基準器および／または走査格子の領域に散乱汚染が生じた場合にはインクリメンタル信号の振幅およびアブソリュート信号の振幅が一様に低下するように選択される。

【0009】

可能な一実施形態では、走査格子と検出平面との間の垂線間隔（ｖ）は、

【数1】

にしたがって選択されるか、または

【数2】

にしたがって選択され、
ｖは、走査格子と検出平面との間の垂線間隔であり、
ｕは、基準器と走査格子との間の垂線間隔であり、
ｄ_１は、基準器におけるインクリメンタル目盛の目盛周期であり、
ｄ_３は、インクリメンタル方式検出器におけるストライプパターンの周期性
であり、
ｄ_ＡＢＳは、測定方向におけるアブソリュートコードの最小構造の幅である。

【0010】

別の一実施形態では、インクリメンタル方式検出器におけるストライプパターンの周期性は、

【数3】

にしたがって選択され、
ｄ_３は、インクリメンタル方式検出器におけるストライプパターンの周期性であり、
ｄ_ＡＢＳは、測定方向におけるアブソリュートコードの最小構造の幅である。

【0011】

代替的には、走査格子と検出平面との間の垂線間隔（ｖ）は

【数4】

にしたがって選択されることも可能であり、
ｖは、走査格子と検出平面との間の垂線間隔であり、
ｕは、基準器と走査格子との間の垂線間隔であり、
ｄ_１は、基準器におけるインクリメンタル目盛の目盛周期であり、
ｄ_３は、インクリメンタル方式検出器におけるストライプパターンの周期性
であり、
ｄ_ＡＢＳは、測定方向におけるアブソリュートコードの最小構造の幅である。

【0012】

有利には、インクリメンタル目盛の光学式走査は３格子走査原理に基づいており、走査光路において最初に入射される格子はインクリメンタル目盛であり、２番目に入射される格子は走査格子であり、３番目に入射される格子は、構造化された検出器として形成されたインクリメンタル方式検出器である。

【0013】

アブソリュートコードの光学式走査は陰影原理に基づいており、光学結像素子を配置することなしに、アブソリュートコードの構造がアブソリュート方式検出器の検出平面に投影される。

【0014】

この場合、アブソリュートコードは疑似乱コードとして形成されていてもよい。

【0015】

可能な一実施形態では、基準器は透過光基準器として形成されており、インクリメンタル目盛およびアブソリュートコードは、交互に配置された透過特性の異なる領域をそれぞれ備える。

【0016】

基準器および走査ユニットの互いに向かい合った側の間の間隔が５０μｍ以下に選択された場合、有利であることが判明している。

【0017】

好ましくは、走査ユニットは、インクリメンタル目盛およびアブソリュートコードを照射するための単一の光源を含む。

【0018】

さらに、周期的なインクリメンタル信号の所定の信号振幅が常に得られるように、周期的なインクリメンタル信号の信号振幅に応じて光源の光線強度に影響を及ぼす調整ユニットが設けられていることも可能である。

【0019】

さらに、インクリメンタル方式検出器およびアブソリュート方式検出器が共に検出器チップに配置されている場合、有利であることが判明している。

【0020】

さらに、走査格子と検出装置との間に少なくとも部分的に、屈折率ｎ＞１を有する透明な充填媒体が配置されていてもよい。

【0021】

さらに、走査格子が充填媒体の内部に配置されていることも可能である。

【0022】

本発明の重要な利点として、基準器の光学式走査において特に汚染耐性が得られる。既知の機械的保護手段によって汚染耐性が保証され、さらに、特に散乱汚染に対する耐性を確保することができる。散乱汚染とは、この場合、光の伝搬方向が少なくとも局所的に変更される汚染として理解される。耐性は、この場合、例えば結像レンズなどの手間のかかる構成要素を必要としない簡単で安価な走査光学系によって達成することができる。危機的状況においても光学式位置測定装置の使用可能性を著しく向上させることができる。

【0023】

特定の用途では、冒頭で述べた機械的保護手段の一部を放棄することさえもが可能であり、この場合、本発明による光学式位置測定装置においてコスト面における明白な利点を得ることができる。

【0024】

図面に関連した本発明による装置の実施例の説明に基づいて、本発明のさらなる詳細および利点を説明する。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明による光学式位置測定装置の第１実施例を示す概略断面図である。

【図2a】図１に示した第１実施例の基準器を示す平面図である。

【図2b】図１に示した第１実施例の走査パネルを示す平面図である。

【図2c】図１に示した第１実施例の検出装置を示す平面図である。

【図3】関連システムパラメータを含めて、第１実施例におけるインクリメンタル信号を生成するための光路を示す概略図である。

【図4a】本発明による光学式位置測定装置の第２実施例を示す概略断面図である。

【図4b】本発明による光学式位置測定装置の第３実施例を示す概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

次に図１、図２ａ〜図２ｃ、および図３に基づいて本発明による光学式位置測定装置の第１実施例を説明する。図１は基準器、走査パネル、および検出装置の概略断面図を示し、図２ａ〜図２ｃは基準器、走査パネル、および検出装置の平面図をそれぞれ示し、図３は、様々なシステムパラメータを含めて、インクリメンタル信号を生成するための光路を示す図である。これらの図面に示した光学式位置測定装置は基準器１０を含み、基準器１０は、線形の測定方向ｘに沿って延在し、インクリメンタル目盛１３およびアブソリュートコード１２を備える。測定方向ｘに沿って基準器１０に対して相対的に移動可能な走査ユニット２０が設けられており、走査ユニット２０は、少なくとも１つの光源２１と、インクリメンタル目盛１３を走査するために走査パネル２３に配置された走査格子２４と、検出装置２５とを備える。検出装置２５は、インクリメンタル目盛１３を光学式に走査することによりインクリメンタル信号を生成するためのインクリメンタル方式検出器２７と、アブソリュートコード１２を光学式に走査することによりアブソリュート信号を生成するためのアブソリュート方式検出器２６とを備える。インクリメンタル方式検出器２７およびアブソリュート方式検出器２６は、走査ユニット２０の共通の検出平面に配置されており、共に検出器チップ２５．１に配置されている。図示の実施例では、さらに調整ユニット３０が概略的に示されている。調整ユニット３０は、インクリメンタル信号の信号振幅に応じて光源２１に影響を及ぼす。この場合、常にインクリメンタル信号の所定の信号振幅が得られるように影響が及ぼされる；したがって、インクリメンタル信号の信号振幅が低下した場合には、調整ユニット３０によって、例えば光源の光線強度が高められる。好ましくは、調整ユニット３０は電子回路として形成されており、同様に走査ユニット２０に配置されている。本発明による光学式位置測定装置の単一の光源２１は、基準器１０においてインクリメンタル目盛１３を照射するためにも、アブソリュートコード１２を照射するためにも用いられる。

【0027】

本発明による光学式位置測定装置の基準器１０および走査ユニット２０は、一般に測定方向ｘに沿って互いに対して移動可能な機械部品に接続されている。光学式位置測定装置によって生成されたアブソリュート信号およびインクリメンタル信号に基づいて、測定方向ｘに沿って基準器１０に対して走査ユニット２０の絶対位置を決定し、移動する機械構成要素の移動制御を担う機械制御ユニット（図示しない）に供給することができる。例えば適切な直列のデータインターフェイスを介して絶対位置情報を機械制御ユニットに伝達する代わりに、当然ながら、本発明による位置測定装置によって生成されたアブソリュート信号およびインクリメンタル信号を機械制御ユニットに伝達してもよい。次いでようやく機械制御ユニットは、伝達されたアブソリュート信号およびインクリメンタル信号を組み合わせ、絶対位置値を生成する。

【0028】

本発明による光学式位置測定装置は、図示の第１実施例では透過光システムとして形成されている。透過光基準器が基準器１０としての役割を果たす。透過光基準器は、基準器担体１１、例えばガラスプレートからなり、このガラスプレートは表面に平行な２本のトラックを備え、これらのトラックは測定方向ｘに沿って延在し、トラックには、インクリメンタル目盛１３およびアブソリュートコード１２が配置されている。インクリメンタル目盛１３およびアブソリュートコード１２は、交互に配置された透過特性の異なる領域１３ａ，１３ｂもしくは１２ａ，１２ｂをそれぞれ備える。すなわち、インクリメンタル目盛１３およびアブソリュートコード１２は振幅格子として形成されている。本実施例では、黒により示された領域１２ｂ，１３ｂは非透過性に形成されており、白により示された領域１２ａ，１３ａは透過性に形成されている。

【0029】

アブソリュート信号の生成は、図示の実施例では陰影の原理を用いてアブソリュートコード１２を光学式に走査することによって行われる。この場合、非周期的に配置した透過性および非透過性の領域１２ａ，１２ｂを備える疑似乱コード（ＰＲＣ）として基準器１０に形成されたアブソリュートコード１２が、レンズ２２によってコリメートされた光線束によって照射され、光学結像素子を配置することなしに、アブソリュートコード１２の構造もしくは領域１２ａ，１２ｂがアブソリュート方式検出器２６の検出平面に投影される。それぞれの光線束は基準器１０のアブソリュートコード１２を通過した後に、走査格子２４にｙ方向に隣接する走査パネル２３の透過性の窓領域２８を通過し、次いで検出平面でアブソリュート方式検出器２６に入射する。アブソリュート方式検出器２６は、図２ｃに示すように、測定方向ｘに互いに隣接して配置された長方形の多数の個別の電気光学式検出素子２６．１〜２６．ｎからなる線形センサもしくはＣＣＤアレイとして形成されている。

【0030】

例えば、SPIE Vol. 36, 1st European Congress on Optics applied to Metrology (1977), P. 325 - 33 に記載の“Analysis of Grating Imaging and its Application to Displacement Metrology”というタイトルを有するＲ．ペティグルーの刊行物により既知のように、インクリメンタル目盛１３からインクリメンタル信号を生成するために、本発明による光学式位置測定装置において３格子走査原理が使用される。この場合、周期的なインクリメンタル目盛１３は走査光路の第１の格子であり、レンズ２２によってコリメートされた光線束によって照射される。インクリメンタル目盛１３は、測定方向ｘに連続して配置された透過性および非透過性のインクリメンタル目盛１３ａ，１３ｂの幅の合計を示す目盛周期ｄ_１を有する。走査光路で入射される第２の格子としての役割を果たすのは走査ユニット２０の走査格子２４であり、走査格子２４は、光伝搬方向にインクリメンタル目盛１３から垂線間隔ｕだけ離間して配置されている。本実施例では振幅格子として形成された走査格子２４は、測定方向ｘに連続して配置された走査格子２４の透過性および非透過性の走査格子領域２４ａ，２４ｂの幅の合計を示す目盛周期ｄ_２を有する。インクリメンタル信号‐走査光路の第３の、そして最後の格子は、インクリメンタル方式検出器２７である。インクリメンタル方式検出器２７は構造化された検出器として形成されており、検出平面に配置された長方形の多数の電気光学式検出素子２７．１〜２７．ｎからなる。インクリメンタル方式検出器２７は、光線伝搬方向に走査格子２４から垂線間隔ｖだけ離間して配置されている。

【0031】

検出平面もしくはインクリメンタル方式検出器２７において、上記走査では、光源２１から放出された光線束とインクリメンタル目盛１３および走査格子２４との相互作用により周期的なストライプパターンが生じ、このストライプパターンは周期性ｄ_３を備える。上記刊行物から、次の（式１）および（式２）に記載のようなストライプパターンの周期性ｄ_３と本発明による光学式位置測定装置の他の幾何学的なシステムパラメータとの間の関係が既知である：

【数5】

【数6】

この場合、
ｄ_１は、基準器におけるインクリメンタル目盛の目盛周期であり、
ｄ_２は、走査格子の目盛周期であり、
ｄ_３は、インクリメンタル方式検出器におけるストライプパターンの周期であり、
ｖは、走査格子と検出平面との間の垂線間隔であり、
ｕは、基準器と走査格子との間の垂線間隔である。

【0032】

測定方向ｘに沿って基準器１０と走査ユニット２０とが相対移動した場合には、インクリメンタル方式検出器２７によって検出平面に生成されるストライプパターンは移動する。インクリメンタル方式検出器２７の多数の検出素子２７．１〜２７．ｎによって、既知のように互いに位相変位された複数の正弦状のインクリメンタル信号を生成することができ、例えば１２０°だけ互いに位相変位された３つのインクリメンタル信号、またはそれぞれ９０°だけ互いに位相変位された４つのインクリメンタル信号を生成することもできる。

【0033】

このようにして生成された高分解能のインクリメンタル信号と分解能の粗いアブソリュート信号とを組み合わせる、もしくは相殺することにより、一般的な方式で、測定方向ｘに沿って移動する走査ユニット２０の絶対位置を決定することができる。

【0034】

本発明の範囲では、特に走査光路の所定の構成要素の散乱汚染によってシステム全体の感度が著しく影響されることが認識された。この場合、散乱汚染とは、入射する光線の方向を少なくとも局所的に元来の方向から変更してしまう汚染として理解されたい。この場合、このような散乱汚染は、例えば基準器１０においてのみ、または走査格子２４においてのみで生じるか、あるいは基準器１０および走査格子２４の両方において生じる場合もある。この場合、第１に基準器１０の両面や、走査格子２４を備え、基準器１０に向いた走査パネル２３の側が汚染にさらされている。散乱汚染は運転時に、例えば上記構成要素の表面に溜まる液滴、例えば、上述の用途で一般的に生じる凝縮された冷却潤滑剤、オイルミストなどによって引き起こされる場合がある。

【0035】

本発明によれば、光学式位置測定装置の個々のシステムパラメータに関する特定の幾何学条件を保持することによって、このような散乱汚染が走査に及ぼすネガティブな影響を最小限にすることができる。このような幾何学条件には、検出平面と走査格子２４との間で所定の垂線間隔ｖを選択すること、および／またはインクリメンタル方式検出器１７において生成されるストライプパターンの所定の周期性ｄ_３を選択することが挙げられる。この場合、本発明によれば、垂線間隔ｖおよび／または周期性ｄ_３は、基準器１０および／または走査格子２４の領域に散乱汚染が生じた場合にはインクリメンタル信号の振幅およびアブソリュート信号の振幅が同時に低下するように選択される。したがって、本発明によれば、散乱汚染がインクリメンタル信号およびアブソリュート信号にできるだけ等しい影響を及ぼすよう努力がなされる。このために、本発明によれば、インクリメンタル信号生成もしくはアブソリュート信号生成のそれぞれの理論が必要とするのとは異なる特定の幾何学的なシステムパラメータを選択する必要がある。光源調整を行う場合には、両方の信号に散乱汚染の影響が等しく及ぼされることにより、適切な調整ユニット３０によって両方の信号を同等に補正することができる。このように、散乱汚染が生じた場合にも一定のインクリメンタル信号およびアブソリュート信号が得られる；したがって本発明による光学式位置側的装置の使用可能性を著しく向上させることができる。

【0036】

この場合、次の２つの（式３．１）または（式３．２）にしたがって、走査格子２４と検出平面との間の垂線間隔ｖを選択することは、基準器１０における散乱汚染に関して有利であり、システム全体の汚染耐性を著しく改善することが示された：

【数7】

【数8】

この場合、
ｖは、走査格子と検出平面との間の垂線間隔であり、
ｕは、基準器と走査格子との間の垂線間隔であり、
ｄ_１は、基準器におけるインクリメンタル目盛の目盛周期であり、
ｄ_３は、インクリメンタル方式検出器におけるストライプパターンの周期性
であり、
ｄ_ＡＢＳは、測定方向におけるアブソリュートコードの最小構造の幅である。

【0037】

実験調査によって理想的な理論的な垂線間隔ｖに関して約±１０％の上記許容差が得られる。このことは、本発明により理想的な値周辺の特定の許容範囲内で垂線間隔ｖが選択されることにより、散乱汚染が生じた場合にもまだ十分に良好な特性が保証されることが示された。

【0038】

システムパラメータｄ_１＝２０μｍ、ｄ_３＝８０μｍ、ｕ＝０．３７６ｍｍ、ｄ_ＡＢＳ＝２１０μｍ、およびλ＝８５０ｎｍを備える本発明による光学式位置測定装置の具体的な実施例では、汚染耐性の高い総システムのためには、最適化された垂線間隔ｖは、（式３．１）によれば、ｖ＝１．２０３ｍｍ±１０％、（式３．２）によればｖ＝１．９４６ｍｍ±１０％であることが明らかである。

【0039】

走査格子２４の領域に散乱汚染が生じた場合には、本発明によれば、インクリメンタル方式検出器２７におけるストライプパターンの周期性ｄ_３が、所定の許容差を含めて、測定方向ｘに沿ってアブソリュートコード１２の最小構造の幅ｄ_ＡＢＳと等しく選択されるか、または幅ｄ_ＡＢＳの２倍に選択された場合には、極めて向上した汚染耐性が得られる。すなわち、

【数9】

であり、
ｄ_３は、インクリメンタル方式検出器におけるストライプパターンの周期性であり、
ｄ_ＡＢＳは、測定方向におけるアブソリュートコードの最小構造の幅である。

【0040】

この場合、上記条件（４）を保持して、走査格子２４からそれぞれ随意の垂線間隔ｖをおいて検出平面を配置することができる。すなわち、向上した汚染耐性が確保されている。インクリメンタル方式検出器２７における周期的なストライプパターンの周期性ｄ_３および他のシステムパラメータｕ、ｄ_１に基づいて、上記（式１）および（式２）を使用して寸法ｄ_２が決定され、最終的に（式３．１／３．２）に基づいて垂線間隔ｖが確定される。

【0041】

散乱汚染が基準器１０においても走査格子２４の領域においても予想される場合には、本発明により、次の（式５）にしたがって走査格子２４と検出平面との間の垂線間隔ｖが選択される：

【数10】

ｖは、走査格子と検出平面との間の垂線間隔であり、
ｕは、基準器と走査格子との間の垂線間隔であり、
ｄ_１は、基準器におけるインクリメンタル目盛の目盛周期であり、
ｄ_３は、インクリメンタル方式検出器におけるストライプパターンの周期性であり、
ｄ_ＡＢＳは、測定方向におけるアブソリュートコードの最小構造の幅である。

【0042】

システムパラメータｄ_１＝２０μｍ、ｄ_３＝８０μｍ、ｕ＝０．３７６ｍｍ、ｄ_ＡＢＳ＝２１０μｍ、およびλ＝８５０ｎｍを備える本発明による光学式位置測定装置の具体的な実施例では、汚染耐性の高い総システムのためには、垂線間隔ｖ＝０．７１６ｍｍ±１０％であることが明らかである。

【0043】

実際には、走査格子２４および／または走査格子２４と検出器２６，２７との間の容積は、たいていは極めて良好に密閉することができる。すなわち、周辺の影響に対して遮蔽することができる。これに対して、基準器１０は、透過光システムの場合、特に裏側は保護されておらず、例えば、滴の形態で裏側に凝縮した液体から強散乱性の膜が形成される。このような形態の散乱汚染の場合には、上記（式３．１）または（式３．２）にしたがって、本発明による光学式位置測定装置を最適化することが有利である。

【0044】

走査パネル２３の保護されていない側および走査パネル２３に向いている基準器１０の側の汚染は、実際にはさらに１０〜１００μｍの範囲の極めて狭い走査間隔によって、好ましくは５０μｍ未満の走査間隔によって制限することができる。この場合、走査間隔は、一方の基準器１０および他方の走査ユニット２０の向かい合った側もしくは境界面の間の空間として理解されたい。この場合、極めて小さい滴しか走査ギャップに形成されない。走査ユニット２０に向いていない基準器１０の反対側の前面には、この境界は存在しない。このように、（式３．１）もしくは（式３．２）に基づいた本発明による光学式位置測定装置の最適化は特に有利である。したがって総システムは、同時に基準器１０の前面の汚染に関しても最適化され、外側に向いた走査パネル２３の面だけが高感度であり、汚染され得る唯一の面として残る。

【0045】

本発明による光学式位置測定装置の第２および第３実施例の断面図がそれぞれ図４ａおよび図４ｂに示されている。第１実施例に対する重要な相違点のみを以下に説明する。

【0046】

図４ａに示す第２実施例では、走査格子１２４と検出装置１２７との間の空間に少なくとも部分的に、屈折率ｎ＞１を有する透明な充填媒体１２９が配置される。適宜な充填媒体１２９として、ここではプレート状に構成され、走査格子１２４と検出装置１２７との間の領域に配置されている、例えばガラスまたは透明なプラスチック材料を設けてもよい。充填媒体１２９は、複数の材料、例えばガラスおよび適切に選択された接着剤層を含んでいてもよい。図示の実施例では充填媒体１２９はこの領域を完全に充填している。この場合、走査格子１２４は、基準器１１０に向いた充填媒体１２９の側に配置されている。充填媒体１２９によって、走査格子１２４と検出装置１２７との間の垂線間隔ｖを極めて正確に調節することができる。さらに、凝縮液が走査格子１２４と検出装置１２７との間の領域に入り込むことがないことが確保され、このようにして必要に応じて信号生成が妨げられる。

【0047】

このような充填媒体１２９が走査格子１２４と検出装置１２７もしくは検出平面との間の領域に設けられている場合には、上記式を用いる際に、垂線間隔ｖが充填媒体１２９の屈折率ｎに関して補正されるように注意すべきである。なぜなら、この場合にはそれぞれの光線束は変更された光学距離を通過するからである。すなわち、上記式では、垂線間隔ｖが表現ｖ／ｎによって置き換えられている。

【0048】

図４ｂに示す第３実施例では、上記第２実施形態に対する変更点が示されている。したがって、走査ユニット２２０では、検出装置２２７の前方の空間は透明なプレート状の充填媒体によって完全に充填されており、この充填媒体は、本実施例では２つのガラスパネル２２９，２３０からなる；しかしながら、位相または振幅格子として形成された走査格子２２４は、充填媒体の内部に配置されており、これにより損傷もしくは汚染に対して保護されている。このような振幅もしくは位相格子は、例えば担体ガラスとしての役割を果たすガラスパネル２２９に取り付けることができ、ガラスパネル２２９は、次いで他のガラスパネル２３０に貼り付けられる。このようにして、さらに、基準器２１０に配置されたインクリメンタル目盛２１３と走査ユニット２２０の境界面との間の間隔、すなわち、基準器２１０の表面に液滴が押し付けられる間隔を特に小さく形成することができる。

【0049】

具体的に説明した実施例の他に本発明の範囲では当然ながらさらに他の構成可能性が存在する。

【0050】

したがって、インクリメンタル目盛およびアブソリュートコードは、上述の実施例の場合のように分離した２つのトラックとして基準器に配置されているのではなく、単一の光源によって照射される共通のトラックに組み込まれていることも可能である。

【0051】

走査格子は、９０°の位相ずれを有する振幅格子または位相格子として形成する代わりに、１８０°の位相ずれを有する位相格子として形成してもよい。これは、インクリメンタル信号を生成するための走査原理に関するＲ．ペティグルーの上記開示内容では、いわゆる「回折像」の説明に相当する。この場合、（式１）および（式２）では、目盛周期ｄ_２を１／２ｄ_２によって置き換える必要があり、（式３．１）、（式３．２）、（式４）および（式５）は変更なしに適用される。

【0052】

さらに走査ユニットにおいて走査格子と検出装置との間の空間が屈折率ｎ＞１を有する透明な充填媒体によって完全に充填されることは必須ではない；例えば、この空間は部分的にのみ適切な充填媒体によって充填されていることも可能である。しかしながら、この場合、走査格子と検出装置との間の空気を充填された空間領域が汚染を防止するために適切にシールされている場合、有利であることが判明している。

【0053】

当然ながら、本発明によって線形の光学式位置測定装置を形成することもできるし、回転式の光学式位置測定装置を形成することもできる。

【符号の説明】

【0054】

ｄ_１…目盛周期
ｄ_２…寸法
ｄ_３…周期性
ｄ_ＡＢＳ…幅
ｎ…屈折率
ｖ…垂線間隔
ｘ…測定方向
１０，１１０，２１０…基準器
１１…基準器担体
１２，１１２，２１２…アブソリュートコード
１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ…領域
１３，１１３，２１３…インクリメンタル目盛
１７…インクリメンタル方式検出器
１９…基準器
２０，１２０，２２０…走査ユニット
２１，１２１，２２１…光源
２２…レンズ
２３…走査パネル
２４，１２４，２２４…走査格子
２４ａ，２４ｂ…走査格子領域
２５，１２５，２２５…検出装置
２５．１…検出器チップ
２６，１２６，２２６…アブソリュート方式検出器
２６．１〜２６．ｎ，２７．１〜２７．ｎ，…電気検出素子
２７，１２７，２２７…インクリメンタル方式検出器
２８…窓領域
３０…調整ユニット
１１０…基準器
１２９…充填媒体
２２９，２３０…ガラスパネル

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図2c】

【図3】

【図4a】

【図4b】