特許 7502887 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】

(24)【登録日】2024-06-11

(45)【発行日】2024-06-19

(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 20060101AFI20240612BHJP

【ＦＩ】

G01D5/347 110D

G01D5/347 110M

【請求項の数】 10

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2020069011

(22)【出願日】2020-04-07

(65)【公開番号】P2021015114

(43)【公開日】2021-02-12

【審査請求日】2022-11-14

(31)【優先権主張番号】10 2019 210 274.3

(32)【優先日】2019-07-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】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】100069556

【弁理士】

【氏名又は名称】江崎 光史

(74)【代理人】

【識別番号】100111486

【弁理士】

【氏名又は名称】鍛冶澤 實

(74)【代理人】

【識別番号】100191835

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 真介

(72)【発明者】

【氏名】ヴォルフガング・ホルツアプフェル

(72)【発明者】

【氏名】ダーニエール・フレーゼ

(72)【発明者】

【氏名】クリストフ・リングク

【審査官】細見 斉子

(56)【参考文献】

【文献】特開平０３－０４２５１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－０５５６９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－００４４１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１１２９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０６８１２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１９９９３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｄ ５／２６－ ５／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

反射格子として構成された、回転軸を中心に回転する格子型基準尺（１１；１１１）であって、この基準尺の走査から、回転軸を中心に方位方向の回転運動に関する位置情報も、格子型基準尺（１１；１１１）の半径方向のシフトに関する位置情報も生成することが可能である格子型基準尺と、
方位方向の回転角（φ_ｍｅｓｓ（θ））と格子型基準尺（１１；１１１）の半径方向のシフト（Δｒ_ｍｅｓｓ（θ））を計測するために、回転する格子型基準尺（１１；１１１）を走査する少なくとも一つの検出ユニットと、
を有する、互いに回転運動する二つの物体の間の回転角を検出する光学式位置測定装置であって、
前記の回転角を計測するための格子型基準尺（１１；１１１）の走査の中立的な回転ポイントとシフトを計測するための格子型基準尺（１１；１１１）の走査の中立的な回転ポイントとが同じ面内に有り、この面が、格子型基準尺（１１；１１１）に対して平行であるとともに、この中立的な回転ポイントは、走査により生成された光パターンがずれて前記検出ユニットに当たり、結果として変わらない位置からずれた位置を検出することなしに、格子型基準尺（１１；１１１）又は検出ユニットが当該中立的な回転ポイントを中心にして理想的に配置された場合から傾斜可能である箇所を表す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、
格子型基準尺（１１）が、半径方向目盛（１１．１）と、当該半径方向目盛に対して同心に配置された円環目盛（１１．２）とを有し、前記半径方向目盛（１１．１）および前記円環目盛（１１．２）は、目盛円板（１０）上の二つの別個の円環形状のトラックに配置されてい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、
半径方向目盛（１１．１）を走査する第一の検出ユニット（２２）と、円環目盛（１１．２）を走査する第二の検出ユニット（２３）とを有する光学式位置測定装置。

【請求項4】

請求項１に記載の光学式位置測定装置において、
格子型基準尺（１１１）は、長手延存方向が半径方向を向いた、円環形状に第一の基準尺周期（ＭＶ_Ｐ１）で周期的に配置されたストライプエレメント（１１１．１，１１１．２，１１１．３，．．．．）から構成され、
これらのストライプエレメント（１１１．１，１１１．２，１１１．３，．．．．）が、絶対位置符号化のために、それらの長手延存方向に沿って第二の基準尺周期（ＭＶ_Ｐ２）による周期的な構造を有する、
光学式位置測定装置。

【請求項5】

請求項４に記載の光学式位置測定装置において、
前記の検出ユニットが、単一の光源（１２１）と、単一の検出器配列（１２２）とを有す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、
前記の検出器配列（１２２）が、複数の検出器エレメントを備えた二次元の検出器配列として構成されて、複数の検出器エレメントからそれぞれ構成された複数の検出器スリットを有し、これらの検出器スリットが、円環形状の配列方向に沿って第一の検出周期で周期的に配置されるとともに、これらの検出器エレメントが、検出器スリット内において、第二の検出周期で周期的に配置されている光学式位置測定装置。

【請求項7】

請求項１から６までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置において、
前記の格子型基準尺（１１１）の光学走査部が、投影倍率β＝２による中心投影走査部として構成されていて、拡散光源（１２１）と、少なくとも一つの方向に沿って周期的に構成された検出器配列（１２２）とを有する光学式位置測定装置。

【請求項8】

請求項１から７までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置において、
本装置が信号処理ユニット（３０；１３０）を有し、この信号処理ユニットが、
校正動作において格子型基準尺（１１；１１１）の少なくとも１回の全回転に渡って得られる、格子型基準尺（１１；１１１）の半径方向のシフト（Δｒ_ｍｅｓｓ（θ））に関する回転角に応じた測定値を更に処理して、回転角に応じた補正値（φ_ｋｏｒｒ）として信号処理ユニット（３０；１３０）のメモリに保存することが可能であり、
測定動作において、この信号処理ユニット（３０；１３０）によって、存在する偏心誤差及びタンブリング誤差に関して測定した方位方向の回転角（φ_ｍｅｓｓ（θ））を補正するために、このメモリに保存された回転角に応じた補正値（φ_ｋｏｒｒ）を使用する、ように装備及び構成されている、
光学式位置測定装置。

【請求項9】

請求項８に記載の光学式位置測定装置において、
前記の信号処理ユニット（３０；１３０）は、この信号処理ユニット（３０；１３０）によって、校正動作において得られた格子型基準尺（１１；１１１）の半径方向のシフト（Δｒ_ｍｅｓｓ（θ））に関する回転角に応じた測定値が、測定動作において、存在する偏心誤差及びタンブリング誤差に関して、９０°ずれた回転角を補正するために使用されるように装備及び構成されている光学式位置測定装置。

【請求項10】

請求項８に記載の光学式位置測定装置において、
前記の信号処理ユニット（３０；１３０）は、存在する偏心誤差及びタンブリング誤差に関して回転角を次の式の通り
φ_ｏｕｔ＝φ_ｍｅｓｓ－φ_ｋｏｒｒ（φ_ｍｅｓｓ－π／２）
ここで、
φ_ｏｕｔ：出力される補正された角度位置
φ_ｍｅｓｓ（θ）：方位方向の走査の回転角値
φ_ｋｏｒｒ（θ）：回転角に応じた補正値
補正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、互いに回転運動する二つの物体の間の回転角を検出する光学式位置測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

そのような位置測定装置は、通常、所謂目盛円板上に配置された、回転軸を中心に回転する格子型基準尺を有する。その格子型基準尺は、一般的に半径方向目盛として構成され、その目盛を好適な走査ユニットを用いて走査することから、目盛円板の回転運動に関する位置信号を生成することが可能であり、そのようにして生成された位置信号は、互いに回転運動する二つの物体の間の方位方向の回転角を特徴付けるものである。そのために、所要の走査ユニットは、特に、好適に構成された少なくとも一つの光電式検出器配列を有する。互いの位置又は角度に関する相対的な向きを計測すべき二つの物体は、一方の回転する目盛円板とそれに対する他方の位置測定装置の静止部分、即ち、走査ユニットとに接続されている。典型的な用途では、そのような位置測定装置によって、例えば、回転する駆動シャフトのそれに対して静止している駆動筐体に対する回転運動が計測される。それによって検出された位置信号又は回転角は、周知の手法により駆動制御に用いることができる。

【0003】

ここで、特に、回転する目盛円板とそれに対して静止している位置測定装置の構成部品が既に工場側で互いに組み立てられているのではなく、例えば、別個に供給される目盛円板と走査ユニットの組立てが顧客側で行なわれる場合に問題が起こる。その場合、目盛円板が、そのため、走査される格子型基準尺が実際の回転軸に対して精確に芯合わせされて組み立てられていることが容易に保証されない。しかし、そのことは、生成された位置信号を評価する際の重要な前提条件である。その結果、実際の多くの場合に、所謂偏心誤差を含む位置信号が得られ、その誤差は、実際の回転軸が回転する目盛円板又は格子型基準尺の軸と一致しないことに起因して、偏心の度合いに応じて変化する。目盛円板の偏心した姿勢によって生じる誤差は、顧客側で組み立てる場合に大きく、それに対応する位置測定装置の最大測定精度に重大な影響を及ぼす。

【0004】

以下において、図１Ａ～１Ｄの図面に基づき、それに対応する関係を詳しく説明する。それらの図は、それぞれ回転軸Ｍ_Ｄ を中心に回転する目盛円板ＴＳを異なる回転位置Ａ～Ｄで図示しており、格子型基準尺又は目盛円板ＴＳの軸Ｍ_ＴＳは、回転軸Ｍ_Ｄに対して偏心ｅを有する。更に、図では、それぞれ目盛円板ＴＳの当該の回転位置Ａ～Ｄにおける偏心に起因する回転角誤差Δφ_ｅｘｚ（θ）が表示されている。図には、半径方向目盛として構成され、格子型基準尺又は目盛円板ＴＳの軸Ｍ_ＴＳの周りに平均走査半径Ｒの円環形状の目盛トラックとして配置された、目盛円板ＴＳ上の格子型基準尺は図示されていない。

【0005】

そのような場合には、格子型基準尺の走査箇所において、目盛円板ＴＳの接線方向のシフトΔｔ（θ）が次の式の通り生じる。

【0006】

【数1】

ここで、
Δｔ（θ）：目盛円板の接線方向のシフト
θ：目盛円板の回転角
ｅ：偏心
Δθ_１：偏心に起因する回転角誤差の位相位置

【0007】

目盛円板ＴＳ上の格子型基準尺の方位方向の走査は、以下の関係式の通り、存在する偏心ｅに起因する回転角誤差Δφ_ｅｘｚ（θ）を有する回転角値φ_ｍｅｓｓ（θ）を提供する。

【0008】

【数2】

この場合、

【数3】

ここで、
φ_ｍｅｓｓ（θ）：方位方向の走査の回転角値
Δφ_ｅｘｚ（θ）：偏心に起因する回転角誤差
θ：目盛円板の回転角
ｅ：偏心
Δθ_１：偏心に起因する回転角誤差の位相位置
Ｒ：走査半径

【0009】

図１Ａ～１Ｄ及び式３から明らかな通り、偏心に起因する回転角誤差Δφ_ｅｘｚ（θ）は周期的であり、目盛円板ＴＳの一回の全回転の周期で繰り返す。図１Ａ及び１Ｃにおける目盛円板ＴＳの回転位置Ａ及びＣでは、偏心に起因する回転角誤差Δφ_ｅｘｚ（θ）が最大となり、図１Ｂ及び１Ｄにおける目盛円板ＴＳの回転位置Ｂ及びＤでは、偏心に起因する回転角誤差Δφ_ｅｘｚ（θ）が消失する。

【0010】

回転位置測定装置における偏心誤差を解消するために、既に多くの解決策が提案されている。それに関して周知の解決策のアプローチの中の一つである特許文献１では、例えば、回転する目盛円板上に、半径方向目盛を備えた、回転運動の検出に使用される円環形状の目盛トラックとそれに対する検出ユニット又は走査箇所の外に、同心状かつ円環形状に配置された目盛線又は格子線から成る別の円環形状の目盛トラックを平行に配置すると規定している。第一の検出ユニットと同じ方位方向の位置に有る、追加の目盛トラックに割り当てられた検出ユニットによって、半径方向における目盛円板の場合によっては起こる偏位を定量的に検出して、回転軸の周りの目盛円板の回転を記述する、本来関心を寄せている位置信号又は回転角を補正するために用いることができる。

【0011】

以下において、図２Ａ～２Ｄを用いて、特許文献１に基づく偏心誤差を補正する原理を説明する。当該の図は、それぞれ使用する二つの目盛トラックＳ１，Ｓ２を備えた使用する目盛円板ＴＳと、それらに対応する検出ユニットＤ１，Ｄ２とを異なる回転位置Ａ～Ｄで図示しており、格子型基準尺又は目盛円板ＴＳの軸Ｍ_ＴＳは回転軸Ｍ_Ｄに対して偏心ｅを有する。図２Ａ～２Ｄでは、更に、各回転位置Ａ～Ｄに対して、それぞれ半径方向における目盛円板ＴＳの偏心に起因する偏位Δｒ_ｅｘｚ（θ）（上の図面）と偏心に起因する回転角誤差Δφ_ｅｘｚ（θ）（下の図面）が表示されている。

【0012】

目盛円板ＴＳが偏心運動する場合、その半径方向の偏位Δｒ_ｅｘｚ（θ）は、以下の関係式によって接線方向のシフトΔｔ（θ）と関連付けられる。

【0013】

【数4】

ここで、
Δｒ_ｅｘｚ（θ）：目盛円板の半径方向の偏位
Δｔ（θ）：目盛円板の接線方向のシフト
θ：目盛円板の回転角

【0014】

従って、偏心に起因する回転角誤差Δφ_ｅｘｚ（θ）に関して、次の式が成り立つ。

【0015】

【数5】

ここで、
Δφ_ｅｘｚ（θ）：偏心に起因する回転角誤差
Δｒ_ｅｘｚ（θ）：目盛円板の半径方向の偏位
Ｒ：走査半径
θ：目盛円板の回転角

【0016】

図２Ａ～２Ｄから、目盛トラックＳ２における円環形状に配置された目盛線の走査によって得られる目盛円板の半径方向の偏位Δｒ_ｅｘｚ（θ）の測定値が、偏心に起因する回転角誤差Δφ_ｅｘｚ（θ）に対して精確に９０°位相シフトしていることが明らかである。この関係は、目盛円板ＴＳの組立後の校正動作において、目盛円板ＴＳの一回の全回転に渡って目盛円板の半径方向の偏位Δｒ_ｅｘｚ（θ）の測定値を記録して、それを更に処理し、その際、係数１／Ｒでスケーリングして、例えば、表に、以下の式の回転角に応じた補正値φ_ｋｏｒｒ（θ）として保存することによって、補正のために利用することができる。

【0017】

【数6】

ここで、
φ_ｋｏｒｒ（θ）：回転角に応じた補正値
Δｒ_ｅｘｚ（θ）：目盛円板の半径方向の偏位
Ｒ：走査半径
θ：目盛円板の回転角

【0018】

そして、測定動作において、実際に出力される補正された角度位置φ_ｏｕｔは、表からの９０°ずれた補正値φ_ｋｏｒｒ（θ）によって補正される。

【0019】

この措置は、その場合に方位方向の回転角値を校正するための外部の基準系を必要とするのではなく、位置測定装置が全ての必要な補正情報を自身で算出するので、その限りにおいて有利である。

【0020】

透過光により動作する光学式位置測定装置に関しては、そのようにして、目盛円板又は格子型基準尺の場合によっては生じる偏心により引き起こされる測定誤差を簡単な手法で補正することができる。しかし、特に、反射光式走査による光学式回転位置測定装置の場合、測定精度を著しく損なう可能性の有る更に別の誤差が発生する。そのような誤差は、目盛円板が理想的に配置又は軸支されていない時に場合によっては起こる目盛円板のタンブリング運動によって引き起こされる。そのような誤差の補正に関して、特許文献１は解決策のアプローチを何ら記載していない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0021】

【文献】ドイツ特許出願第１１２００５００２２５３号明細書

【文献】ドイツ特許出願第１０２０１８２００４４９．８号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0022】

本発明の課題は、回転角の計測時に偏心に起因する誤差の外に、走査される格子型基準尺又は目盛円板のタンブリングによって引き起こされる誤差も補正することが可能である相対的な回転運動を検出する光学式位置測定装置を提示することである。

【課題を解決するための手段】

【0023】

本課題は、本発明に基づく請求項１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。

【0024】

本発明の有利な実施構成は、従属請求項に記載された措置から明らかとなる。

【0025】

本発明による互いに回転運動する二つの物体の間の回転角を検出する光学式位置測定装置は、回転軸を中心に回転する格子型基準尺を有し、この基準尺は、反射格子として構成され、この基準尺の走査によって、回転軸の周りの方位方向の回転運動に関する位置情報も、格子型基準尺の半径方向のシフトに関する位置情報も生成することが可能である。更に、方位方向の回転角と格子型基準尺の半径方向のシフトを計測するために、回転する格子型基準尺を走査する少なくとも一つの検出ユニットが配備されている。この場合、回転角を計測するための格子型基準尺の走査の中立的な回転ポイントと、シフトを計測するための格子型基準尺の走査の中立的な回転ポイントとは同じ面内に有り、この面は、格子型基準尺に対して平行であり、この中立的な回転ポイントは、その回転ポイントを中心に格子型基準尺又は検出ユニットが位置のずれ無しに傾斜することが可能である箇所を表す。

【0026】

格子型基準尺が半径方向目盛とそれに隣接して配置された円環目盛とを有することが可能である。

【0027】

この場合、第一の検出ユニットが半径方向目盛を走査する役割を果たし、第二の検出ユニットが円環目盛を走査する役割を果たすことができる。

【0028】

更に、格子型基準尺が、円環形状に第一の基準尺周期で周期的に配置されたストライプエレメントから構成され、これらのストライプエレメントの長手延存方向が半径方向を向いており、これらのストライプエレメントは、絶対位置符号化のために、それらが長手延存方向に沿って第二の基準尺周期による周期的な構造を有することが可能である。

【0029】

この場合、検出ユニットは、有利には、単一の光源と単一の検出器配列を有する。

【0030】

この検出器配列は、複数の検出器エレメントを備えた二次元の検出器配列として構成するとともに、それぞれ複数の検出器エレメントから成る複数の検出器スリットを有することができ、これらの検出器スリットは、円環形状の配列方向に沿って第一の検出周期で周期的に配置され、検出器スリット内において、これらの検出器エレメントは第二の検出周期で周期的に配置されている。

【0031】

有利には、格子型基準尺の光学走査部は、投影倍率β＝２の中心投影式走査として構成され、拡散光源と少なくとも一つの方向に沿って周期的に構成された検出器配列とを有する。

【0032】

更に、本光学式位置測定装置は信号処理ユニットを有し、この信号処理ユニットは、
校正動作において格子型基準尺の少なくとも一回の全回転に渡って得られる格子型基準尺の半径方向のシフトに関する回転角に応じた測定値が更に処理されて、回転角に応じた補正値として信号処理ユニットのメモリに保存することが可能であり、
測定動作において、このメモリに保存された回転角に応じた補正値が、存在する偏心誤差及びタンブリング誤差に関して、測定された方位方向の回転角を補正するために、信号処理ユニットによって用いられる、
ように装備及び構成されることが可能である。

【0033】

この場合、信号処理ユニットは、校正動作において得られる格子型基準尺の半径方向のシフトに関する回転角に応じた測定値が、信号処理ユニットによって、測定動作における存在する偏心誤差及びタンブリング誤差に関して９０°ずれた回転角を補正するために使用されるように装備及び構成することができる。

【0034】

有利には、信号処理ユニットは、存在する偏心誤差及びタンブリング誤差に関して、回転角を次の式の通り補正する。

【0035】

φ_ｏｕｔ＝φ_ｍｅｓｓ－φ_ｋｏｒｒ（φ_ｍｅｓｓ－π／２）
ここで、
φ_ｏｕｔ：出力される補正された回転位置
φ_ｍｅｓｓ（θ）：方位方向の走査の回転角値
φ_ｋｏｒｒ（θ）：回転角に応じた補正値

【0036】

本発明による措置によって、位置測定装置により測定される回転角は、格子型基準尺又は目盛円板の場合によっては生じる偏心誤差に関しても、場合によっては生じるタンブリング誤差に関しても同時に補正することができる。後者は、特に、反射光式走査による光学式位置測定装置において、無視できない誤差の源である。

【0037】

特に有利な実施構成では、特別に構成された格子型基準尺によって、そのために必要な情報を単一の走査箇所から得ることができる。その結果、それに対応する位置測定装置の非常にコンパクトな構造形体が得られる。

【0038】

本発明による装置の図面と関連した実施例の記述に基づき、本発明の更なる詳細及び利点を説明する。

【図面の簡単な説明】

【0039】

【図1A】第一の回転位置における同心状に配置された目盛円板の模式図とそれに対応する偏心に起因する角度偏位のグラフ図

【図1B】第二の回転位置における同心状に配置された目盛円板の模式図とそれに対応する偏心に起因する角度偏位のグラフ図

【図1C】第三の回転位置における同心状に配置された目盛円板の模式図とそれに対応する偏心に起因する角度偏位のグラフ図

【図1D】第四の回転位置における同心状に配置された目盛円板の模式図とそれに対応する偏心に起因する角度偏位のグラフ図

【図2A】従来技術による第一の回転位置における追加の目盛トラックを備えた同心状に配置された目盛円板の模式図とそれに対応する目盛円板の半径方向の偏位及び回転角誤差のグラフ図

【図2B】従来技術による第二の回転位置における追加の目盛トラックを備えた同心状に配置された目盛円板の模式図とそれに対応する目盛円板の半径方向の偏位及び回転角誤差のグラフ図

【図2C】従来技術による第三の回転位置における追加の目盛トラックを備えた同心状に配置された目盛円板の模式図とそれに対応する目盛円板の半径方向の偏位及び回転角誤差のグラフ図

【図2D】従来技術による第四の回転位置における追加の目盛トラックを備えた同心状に配置された目盛円板の模式図とそれに対応する目盛円板の半径方向の偏位及び回転角誤差のグラフ図

【図3】反射光式走査におけるタンブリングする目盛円板の場合の状況説明図

【図4A】図１Ａにより測定した回転角へのタンブリングする目盛円板の影響を説明する模式図

【図4B】図１Ｂにより測定した回転角へのタンブリングする目盛円板の影響を説明する模式図

【図4C】図１Ｃにより測定した回転角へのタンブリングする目盛円板の影響を説明する模式図

【図4D】図１Ｄにより測定した回転角へのタンブリングする目盛円板の影響を説明する模式図

【図5】測定した回転角において偏心及びタンブリングにより引き起こされる誤差に関する模式図

【図6A】第一の変化形態による走査の中立的な回転ポイントを説明する模式図

【図6B】第一の変化形態による走査の中立的な回転ポイントを説明する模式図

【図6C】第一の変化形態による走査の中立的な回転ポイントを説明する模式図

【図7A】第二の変化形態による走査の中立的な回転ポイントを説明する模式図

【図7B】第二の変化形態による走査の中立的な回転ポイントを説明する模式図

【図7C】第二の変化形態による走査の中立的な回転ポイントを説明する模式図

【図8A】本発明による位置測定装置の校正動作時の措置を説明する模式図

【図8B】本発明による位置測定装置の測定動作時の措置を説明する模式図

【図9A】本発明による第一の実施例の位置測定装置の目盛円板の模式図

【図9B】本発明による第一の実施例の位置測定装置の断面図

【図10A】本発明による第二の実施例の位置測定装置の目盛円板の模式図

【図10B】本発明による第二の実施例の位置測定装置の断面図

【発明を実施するための形態】

【0040】

本発明による光学式位置測定装置の具体的な実施例を図８Ａ，８Ｂ，９Ａ，９Ｂ，１０Ａ及び１０Ｂに基づき説明する前に、先ずは、本発明と関連する様々な理論的な考えを説明する。

【0041】

格子型基準尺を透過光により走査する光学式回転位置測定装置は、前に考察した特許文献１によると、位置計測に対する誤差成分として、基本的に偏心誤差だけを有する。反射光式走査による光学式回転位置測定装置では、それ以外に、格子型基準尺又は目盛円板の場合によっては起こるタンブリング運動により引き起こされる別の誤差成分が存在する。そのようなタンブリング運動は、目盛円板がその時々の測定装置に正しく軸支されていないか、或いは組み立てられていない時に起こる可能性が有る。

【0042】

先ずは、位置測定に対する反射光により走査されるタンブリングする目盛円板の影響を図３の模式図に基づき説明し、この場合、上の図面は、目盛円板ＴＳの平面図を図示し、下の図面は、位置測定装置の側面図を図示している。ここで、この図の下の部分には、正しく組み立てられたタンブリング運動しない目盛円板ＴＳが破線で図示され、回転ポイントＤ’の周りに傾斜した、そのため、タンブリングする目盛円板ＴＳ’が実線で図示されている。

【0043】

図３の側面図では、タンブリングする目盛円板ＴＳ’が、その図面において傾斜した法線ベクトルＮにより明示されている。検出ユニットＤＥＴの光を検知する面は、走査面ＡＥ内に有り、図示されていない光源から検出ユニットＤＥＴに放出された単に模式的に表示された走査光ビームＡＳが、図示された状態では傾斜している目盛円板ＴＳ’によって反射されて、走査により生成された光パターンは、ずれて検出ユニットＤＥＴに当たる。これは、検出ユニットＤＥＴが、変わらない位置からずれた、即ち、偏位した位置を検出してしまうとの作用を及ぼす。ここで、目盛円板ＴＳが回転した場合、目盛円板ＴＳの法線ベクトルＮの先端が、図３の上の部分に図示されている通り、回転ポイントＤの周りに円軌道を描く。

【0044】

その結果生じる測定誤差に対する目盛円板ＴＳの場合によっては起こるタンブリング運動の影響も、図１Ａ～１Ｄの前の考察と同様に表すことができる。それは、図４Ａ～４Ｄに図解されている。

【0045】

図から明らかな通り、目盛円板ＴＳの回転位置Ａ及びＣでは、タンブリングに起因する回転角誤差Δφ_ｔｉｌｔが最大になり、それに対して、光パターンの半径方向のシフトだけが生じる回転位置Ｂ及びＤでは、タンブリングに起因する回転角誤差Δφ_ｔｉｌｔが消失する。

【0046】

反射光式走査時に目盛円板ＴＳのタンブリング運動により引き起こされる回転角誤差Δφ_ｔｉｌｔは、次の式により与えられる。

【0047】

【数7】

ここで、
Δφ_ｔｉｌｔ：タンブリングに起因する回転角誤差
ｂ：タンブリングに起因する回転角誤差の振幅
θ：目盛円板の回転角
Δθ_２：タンブリングに起因する回転角誤差の位相位置

【0048】

そして、位置計測時の全体測定誤差Δφ_{ｔｏｔａｌ}は、全体として、関係式３及び７に基づく偏心に起因する回転角誤差Δφ _ｅｘｚ とタンブリングに起因する回転角誤差Δφ_ｔｉｌｔの成分の合計から次の通りに得られる。

【0049】

【数8】

ここで、
Δφ_{ｔｏｔａｌ}：全体測定誤差
Δφ_ｅｘｚ：偏心に起因する回転角誤差
Δφ_ｔｉｌｔ：タンブリングに起因する回転角誤差
ａ＝ｅ／Ｒ：偏心に起因する回転角誤差の振幅
ｂ：タンブリングに起因する回転角誤差の振幅
θ：目盛円板の回転角
Δθ_１：偏心に起因する回転角誤差の位相位置
Δθ_２：タンブリングに起因する回転角誤差の位相位置

【0050】

図５には、目盛円板の一回の全回転に渡る回転角誤差Δφ_ｅｘｚ，Δφ_ｔｉｌｔの異なる成分とその結果得られる関係式８に基づく全体測定誤差Δφ_{ｔｏｔａｌ}とが図示されている。この場合、偏心に起因する回転角誤差Δφ_ｅｘｚとタンブリングに起因する回転角誤差Δφ_ｔｉｌｔの位相位置と振幅は、それらが一致せず、それにより全体測定誤差Δφ_{ｔｏｔａｌ}の位相位置も異なる誤差成分の位相位置と異なるように選定されている。図５から分かる通り、その結果得られる全体測定誤差Δφ_{ｔｏｔａｌ}も３６０°の周期を有する。

【0051】

回転する格子型基準尺の反射光式走査時における偏心に起因する回転角誤差Δφ _ｅｘｚ とタンブリングに起因する回転角誤差Δφ_ｔｉｌｔを同時に確実に補正できるようにするために、特に、冒頭で考察した特許文献１による補正方式を用いる場合には、ここで規定した走査に関する所定の措置が必要である。この場合、回転角及びシフトを計測する走査の所謂中立的な回転ポイントの位置が重要である。以下において、より良い理解のために、光学式走査の二つの異なる変化形態と関連して、走査の中立的な回転ポイントを何であると理解すべきなのかを説明する。

【0052】

この場合、図６Ａ～６Ｃは、第一の光学走査の場合を図示しており、それに関して、例えば、走査の中立的な回転ポイントの概念を以下で説明する。

【0053】

図６Ａは、走査ユニットＡＥＨを用いた基準目盛板Ｔ上の反射格子型基準尺の光学走査形態を模式的な形で図示している。走査ユニットＡＥＨには、光源ＬＱが有り、その光は、コリメータレンズＫＬによってコリメートされた後、基準目盛板Ｔ上の格子型基準尺に当たる。そして、基準目盛板Ｔによって反射されたビームは、基準目盛板Ｔの上方の走査間隔ｄの所に配置された走査ユニットＡＥＨ内のセンサーＳに到達する。ここで、例えば、走査ビームの推移に関して、基準目盛板Ｔ上の点Ｐ，Ｑ及びＲに入射する、コリメータレンズＫＬの中央ビームと二つの周縁ビームを考察する。基準目盛板Ｔ上の点Ｐ，Ｑ及びＲから反射されたビームは、図示されている通り、それぞれセンサーＳ上の点Ｐ’，Ｑ’及びＲ’に当たる。

【0054】

ここで、基準目盛板Ｔが傾斜している場合、その結果得られる各走査ビームの推移は、如何なる点を中心に操作ユニットＡＥＨが回転しているか、或いは如何なる回転軸ＤＡを中心に走査ユニットＡＥＨが傾斜しているのかに依存する。図６Ｂの場合、角度Ｒ_ｙの傾斜を生じるさせる回転軸ＤＡは点Ｑの所にあり、したがって基準目盛板Ｔ上に有る。この選定された走査形態では、入射角は出射角と同じであるので、傾斜して配置されていると、点Ｑから反射されてセンサーＳ上に当たるビームは、最早傾斜していない状態のように点Ｑ’上に当たるのではなく、センサーＳの検出面内の大きさΔｘだけずれた点Ｑ’’上に当たる。それと同様に、傾斜した状態において基準目盛板Ｔ上の点Ｐ及びＲから反射されたビームは、それぞれセンサーＳ内の点Ｐ’’及びＲ’’に当たる。傾斜に起因するずれΔｘの大きさは、基本的に公式に基づき精確に規定することができるが、以下における考察に関しては、何らの役割も果たさない。即ち、結局は、走査ユニットＡＥＨが位置に関して変化せず、依然として同じｘ位置に存在するにも関わらず、センサーＳ上の光パターンが傾斜に起因して更に変化してしまうので、回転軸ＤＡを中心とする傾斜は、センサーＳが位置のずれを検出してしまうとの作用を及ぼす。

【0055】

傾斜が生じる回転軸ＤＡのその時々の位置の意味を図解するために、回転軸ＤＡが基準目盛板Ｔの表面から間隔２ｄだけ離れた所に有る場合が図６Ｃに図示されている。ここで、走査ユニットＡＥＨが存在する回転軸ＤＡを中心に角度Ｒ_ｙだけ回転した場合、基準目盛板Ｔ上の点Ｐ，Ｑ及びＲで反射されたビームは、図６Ａに基づく傾斜していない状態と同様にセンサーＳ上の点Ｐ’，Ｑ’及びＲ’に当たる。即ち、この位置の回転軸ＤＡでは、走査ユニットＡＥＨが傾斜しているにも関わらず、位置のずれは検出されない。

【0056】

そのため、図６Ａ～６Ｃに図示された走査形態では、走査ユニットＡＥＨの傾斜が生じ得るが、位置の変化は引き起こされない回転軸ＤＡ又は点が系内に存在することが明らかである。以下において、対応する回転軸ＤＡを中立的な回転軸と称し、対応する点を中立的な回転ポイントと称する。ここで説明する図６Ａ～６Ｃの例では、中立的な回転ポイントは、基準目盛板Ｔの表面から二倍の走査間隔２ｄだけ離れた所に有る。

【0057】

図７Ａ～７Ｃを用いて、例えば、光学式位置測定装置の別の走査形態と関連して、中立的な回転ポイントの概念を更に説明する。この場合、陰影走査が最早行われず、前の例と異なり、基準目盛板Ｔが、投影レンズＡＬによって、センサーＳ上に投影される。この場合、図７Ａ～７Ｃの図示された例では、１対－１の投影又は像の反転が起こり、その結果、基準目盛板Ｔ上に有る点Ｐ，Ｑ及びＲは、反転した順番のＲ’，Ｑ’，Ｐ’でセンサーＳ上に投影される。見易くするために、図では、中央の点Ｑに関するビーム推移だけが図示されている。

【0058】

この場合、図７Ｂには、回転軸ＤＡが基準目盛板Ｔ上の点Ｑを通って延びて、走査ユニットＡＥＨが回転軸ＤＡを中心に角度Ｒ_ｙだけ傾斜する場合が図解されている。ここで、それは投影系であるので、照明方向が変化しているにも関わらず、点Ｑは、又もやセンサーＳ内の点Ｑ’に投影される。

【0059】

それと異なり、回転軸ＤＡがセンサーＳ内に有る点Ｑ’を通って延びる状況を見ると、図７Ｃには、この回転軸ＤＡを中心にする角度Ｒ_ｙ の傾斜が図示されている。投影レンズＡＬの光軸が傾斜している場合、投影する物体、即ち、基準目盛板Ｔ上の点Ｑは、ずれるように動くので、この点Ｑは、大きさΔｘだけずれてセンサーＳ上の点Ｑ’に投影される。

【0060】

即ち、図７Ａ～７Ｃによる走査形態の例では、中立的な回転ポイントの別の位置が得られ、この場合、中立的な回転ポイントは、図６Ａ～６Ｃの前の例と異なり、基準目盛板Ｔ上に有る。そこに有る点を中心にする走査ユニットＡＥＨの回転又は傾斜は位置のずれを引き起こさない。

【0061】

図６Ａ～６Ｃと図７Ａ～７Ｃにより説明した二つの例は、光学式位置測定装置における中立的な回転ポイントが走査の各変化形態に関して重要な幾何学的な変数であることを図解している。特に、これら二つの例は、中立的な回転ポイントが任意の走査形態において必ずしも一致する必要がないことを示している。

【0062】

即ち、基本的に、
光学式位置測定装置において、系が中立的な回転ポイントを中心に傾斜していても、測定される位置は変わらないままであることと、
系がそれ以外の点を中心に傾斜している場合、実際の位置変化が生じていないのに、測定される位置が変化してしまうことと、
に留意することができる。この場合、傾斜は、走査ユニット又は検出ユニットの傾斜から成るか、さもなければ格子型基準尺の傾斜から成ることができる。

【0063】

本発明では、特許文献１により周知の回転位置測定装置における偏心に起因する誤差を補正する措置が、校正動作において行なわれる格子型基準尺の回転角に応じた半径方向のずれの測定と、測定動作における、この半径方向のずれの値を用いて行なわれる９０°ずれた位置値の補正とに基づき、反射光式走査におけるタンブリング誤差の補正に拡張されている。そのために、この校正動作において行なわれる格子型基準尺の半径方向の走査は、偏心による偏位も、回転する目盛円板のタンブリングによる偏位も正しい手法で検出しなければならない。

【0064】

これに関連して、タンブリング運動を正しく検出するためには、方位方向（ｘ軸に沿った測定方向）の走査におけるＲ_ｙの傾斜による位置シフトが半径方向（ｙ軸に沿った測定方向）の走査におけるＲ_ｘの傾斜による位置シフトと同じ大きさでなければならないことが分かった。この条件は、補正の規定された９０°のずれから導かれて、結局は、方位方向の走査と半径方向の走査の中立的な回転ポイントが目盛円板又は格子型基準尺に対して同じ間隔の所に存在しなければならないことを意味する。言い換えると、回転角を計測するための格子型基準尺の走査の中立的な回転ポイントとシフトを計測するための格子型基準尺の走査の中立的な回転ポイントとが同じ面内に存在しなければならず、この面は、格子型基準尺に対して平行である。

【0065】

これらの関係は、以下の通り公式により記述することができる。

【0066】

先ずは、方位方向の反射光式走査の測定される回転角値に関して、式２を拡張して、次の式が成り立つ。

【0067】

【数9】

ここで、
θ：目盛円板の回転角
φ_ｍｅｓｓ（θ）：方位方向の走査の回転角値
φ_ｅｘｚ（θ）：偏心に起因する回転角誤差
φ_ｔｉｌｔ（θ）：タンブリングに起因する回転角誤差

【0068】

そのため、反射格子型基準尺の反射光式走査の場合、タンブリングに起因する回転角誤差φ_ｔｉｌｔ（θ）による誤差の大きさが、偏心に起因する回転角誤差φ_ｅｘｚ（θ）に加算され、その誤差の大きさは、次の通り記述することができる。

【0069】

【数10】

ここで、
θ：目盛円板の回転角
Δφ_ｔｉｌｔ（θ）：タンブリングに起因する回転角誤差
Ｒ：走査半径
Δｚ_Ａ：目盛円板からの方位方向の走査の中立的な回転ポイントの間隔
Ｒ_ｙ（θ）：走査箇所におけるｙ軸を中心にする目盛円板の傾斜

【0070】

そして、関係式９及び１０から、次の式が得られる。

【0071】

【数11】

ここで、
θ：目盛円板の回転角
φ_ｍｅｓｓ（θ）：方位方向の走査の回転角値
Δφ_ｅｘｚ（θ）：偏心に起因する回転角誤差
Ｒ：走査半径
Δｚ_Ａ：目盛円板からの方位方向の走査の中立的な回転ポイントの間隔
Ｒ_ｙ（θ）：走査箇所におけるｙ軸を中心にする目盛円板の傾斜

【0072】

この場合、座標系は、目盛円板の中心点が座標の原点に有るとともに、方位方向の走査箇所が座標ｘ＝０，ｙ＝Ｒの所に有るように選定される。

【0073】

関係式９と同様に、半径方向の反射光式走査の測定値Δｒ_ｍｅｓｓ（θ）に関して、次の式が成り立つ。

【0074】

【数12】

ここで、
θ：目盛円板の回転角
Δｒ_ｍｅｓｓ（θ）：半径方向の反射光式走査の測定値
Δｒ_ｅｘｚ（θ）：偏心に起因する半径方向の測定値

【0075】

この場合、変数Δｒ_ｔｉｌｔ（θ）、即ち、タンブリングに起因する測定値に関して、次の式が成り立つ。

【0076】

【数13】

ここで、
θ：目盛円板の回転角
Δｒ_ｔｉｌｔ（θ）：タンブリングに起因する半径方向の測定値
Δｚ_Ｒ：目盛円板からの半径方向の走査の中立的な回転ポイントの間隔
Ｒ_ｘ（θ）：走査箇所におけるｘ軸を中心にする目盛円板の傾斜

【0077】

関係式１２による半径方向の反射光式走査の測定値Δｒ_ｍｅｓｓ（θ）が、目盛円板の実際の偏心に起因する偏位Δｒ_ｅｘｚ（θ）も、ここでは、Δｒ_ｔｉｌｔ（θ）と表示され、以下において、タンブリングに起因する半径方向の測定値と称する、光パターンのタンブリングに起因する半径方向のシフトも含むことに留意されたい。

【0078】

そして、関係式１２及び１３から、次の式が得られる。

【0079】

【数14】

ここで、
θ：目盛円板の回転角
Δｒ_ｍｅｓｓ（θ）：半径方向の反射光式走査の測定値
Δｒ_ｅｘｚ（θ）：偏心に起因する半径方向の測定値
Δｚ_Ｒ：目盛円板からの半径方向の走査の中立的な回転ポイントの間隔
Ｒ_ｘ（θ）：走査箇所におけるｘ軸を中心にする目盛円板の傾斜

【0080】

目盛円板のタンブリング運動は、以下の関係式により記述される。

【0081】

【数15】

ここで、
θ：目盛円板の回転角
Ｒ_ｘ（θ）：走査箇所におけるｘ軸を中心にする目盛円板の傾斜
Ｒ_ｙ（θ）：走査箇所におけるｙ軸を中心にする目盛円板の傾斜

【0082】

関係式１４をＲで除算して、関係式５及び関係式１５を関係式１４に代入すると、次の式が得られる。

【0083】

【数16】

【0084】

前に述べた方法による偏心及びタンブリングの補正は、基本的に方位方向の走査（関係式１１）と半径方向の走査（関係式１６）において、タンブリングの大きさが同じであること、即ち、次の式の通りであることを前提としている。

【0085】

【数17】

ここで、
Δｚ_Ａ：目盛円板からの方位方向の走査の中立的な回転ポイントの間隔
Δｚ_Ｒ：目盛円板からの半径方向の走査の中立的な回転ポイントの間隔

【0086】

そして、偏心による偏位とタンブリングによる偏位の完全な角度補正は、関係式６と同様に次の関係式に基づき行なうことができる。

【0087】

【数18】

ここで、
θ：目盛円板の回転角
φ_ｋｏｒｒ（θ）：回転角に応じた補正値
Ｒ：走査半径
Δｒ_ｍｅｓｓ（θ）：半径方向の反射光式走査の測定値

【0088】

実際には、角度θは、近似的に又もや測定された（誤差を含む）角度値φ_ｍｅｓｓ（θ）により置き換えることができる。そのため、出力される補正された角度位置φ_ｏｕｔが次の通り得られる。

【0089】

【数19】

ここで、
φ_ｏｕｔ：出力される補正された角度位置
φ_ｍｅｓｓ（θ）：方位方向の走査の回転角値
φ_ｋｏｒｒ（θ）：回転角に応じた補正値

【0090】

二つの走査における目盛円板又は格子型基準尺からの中立的な回転ポイントの間隔が同じである時に上記の関係式１７が順守されない場合、確かに前述した補正によって、偏心に起因する回転角誤差Δφ_ｅｘｚ（θ）は補正されるが、タンブリングに起因する回転角誤差Δφ_ｔｉｌｔ（θ）は補正されない（図５を参照）。この残る残留誤差は、特に、相応の大きな許容範囲によるシャフト及び／又は目盛円板のハブの安価な製造が望まれており、そのため、大きなタンブリング運動が発生する場合に大きくなる。

【0091】

要約すると、本発明による互いに回転運動する二つの物体の間の回転角を検出する光学式位置測定装置は、以下の通り特徴付けることができる。

【0092】

即ち、それに対応する位置測定装置は、反射格子として構成された格子型基準尺を備えた回転する目盛円板を有する。その走査から、回転軸を中心にする方位方向の回転運動に関する位置情報も、格子型基準尺の半径方向のシフトに関する位置情報も取得する。少なくとも一つの検出ユニットが、方位方向の回転角と格子型基準尺の半径方向のシフトを計測するために、回転する格子型基準尺を走査する役割を果たす。この場合、それぞれの用途において目盛円板及び検出ユニットが組み立てられた後、校正動作において、好適なソフトウェア及び／又はハードウェアにより構成された信号処理ユニットを用いて、一回の回転に渡って回転角に応じた目盛円板の半径方向のシフトが算出される。次に、それによって得られる目盛円板の半径方向のシフトに関する測定値が信号処理ユニットのメモリに表形式で保存され、その際、例えば、サンプリングポイントの形で、それに対応する補正曲線を保存することもできる。測定動作において、方位方向の走査で測定された回転角値が、信号処理ユニットによって、メモリからの９０°ずれた補正値を用いて、例えば、関係式１９に基づき、偏心に起因する誤差及びタンブリングに起因する誤差が補正されて、補正された角度位置φ_ｏｕｔが出力される。この場合、補正は、メモリに保存されたサンプリングポイントの間の直線補間によって行なうこともできる。サンプリングポイントによる補正の代わりに、正弦又は余弦の形の補正関数による補正を行なうこともでき、それらの振幅及び位相位置は、測定値Δｒ_ｍｅｓｓとそれに対応する適合とから決定しなければならない。この措置のため、特に、反射光式走査時に望まれているタンブリング補正のためには、回転角を計測するための格子型基準尺の走査の中立的な回転ポイントとシフトを計測するための格子型基準尺の走査の中立的な回転ポイントとが同じ面に有るとともに、格子型基準尺に対して平行であることが必要である。それが保証されない場合、出力される角度位置φ_ｏｕｔの補正が、そのようにならず小さ過ぎるか、或いは大き過ぎることとなる。

【0093】

図８Ａ及び８Ｂには、本発明による光学式位置測定装置の一つの実施例に関する校正動作（図８Ａ）と測定動作（図８Ｂ）における措置が大きく模式化されて図示されている。

【0094】

図８Ａによると、校正動作において、本方法の工程Ｓ１０ａ，Ｓ１０ｂでは、目盛円板又は格子型基準尺が一回完全に回転している間に、当該の走査によって、半径方向のシフトと目盛円板の回転角に関する信号が生成され、以下において、それらに対応する信号をＳ_ｒ（半径方向のシフト）及びＳ_φ（方位方向の回転角）と称する。その次に、本方法の工程Ｓ１１ａ，Ｓ１１ｂでは、生成された信号Ｓ_ｒ，Ｓ_φが、好適に構成された信号処理ユニットにおいて補間されて、それらに対応する位置信号Δｒ_ｍｅｓｓ，φ_ｍｅｓｓに変換され、ここで、Δｒ_ｍｅｓｓ は半径方向の測定の位置値を表し、φ_ｍｅｓｓは方位方向の測定の位置値を表す。そして、本方法の次の工程Ｓ１２では、補正表が信号処理ユニットのメモリに保存され、そのために、偏心に起因する回転角誤差とタンブリングに起因する回転角誤差の補正に用いられる角度θについての補正値φ_ｋｏｒｒ（θ）が計算される。この場合、当然のことながら、目盛円板の周囲に渡る所定のサンプリングポイントにおいてのみ、これらの補正値φ_ｋｏｒｒ（θ）を記録することもできる。

【0095】

本方法の工程Ｓ１２では、所定のサンプリングポイントにおいて記録された位置信号Δｒ_ｍｅｓｓ，φ_ｍｅｓｓから、適合によって、振幅や位相などの（正弦波状の）補正関数のパラメータを取得することもできる。

【0096】

図８Ｂには、本発明による位置測定装置の測定動作が大きく模式化されて図示されている。その図から明らかな通り、測定動作では、最早目盛円板の半径方向のシフトの検出は行なわれず、本方法の工程Ｓ２０では、目盛円板の方位方向の回転角に関する信号Ｓ_φの生成だけが行われる。これらの信号Ｓ_φは、本方法の工程Ｓ２１において、信号処理ユニットによって補間されて、位置信号φ_ｍｅｓｓに変換される。本方法の工程Ｓ２２では、信号処理ユニットによって、校正動作における本方法の工程Ｓ１２から明らかになった関係式又は補正関数による補正値φ_ｋｏｒｒ（θ）を用いて、回転角θついての補正値φ_ｋｏｒｒが算出されて、本方法の工程Ｓ２３において、測定値φ_ｍｅｓｓと組み合わされて、所与の関係式に基づき、出力される補正されたφ_ｏｕｔに換算される。補正表は、当然に有限の多さのサンプリングポイントにおいてのみ保存されているので、本方法の工程Ｓ２２における補正値の算出のためには、一般的に通常の手法による補間が必要である。

【0097】

最後に、大幅に簡略化した図９Ａ，９Ｂ及び１０Ａ，１０Ｂに基づき、当該の光学式位置測定装置の二つの実施例を詳しく説明する。この場合、二つの実施例は、一方においてそれぞれ使用する格子型基準尺が異なり、他方において格子型基準尺又は目盛円板の方位方向の回転角と半径方向のシフトを検出する走査形態が異なる。

【0098】

図９Ａ，９Ｂによる第一の実施例は、例えば、特許文献１により既に知られている通りの格子型基準尺を備えた目盛円板１０を使用する。図９Ａの目盛円板の平面図によると、反射格子として構成された格子型基準尺１１は、内側の半径方向目盛１１．１とそれに隣接して外側に配置された円環目盛１１．２とを有し、これら二つの目盛１１．１，１１．２は、ここでは、目盛円板１０上の二つの別個の円環形状のトラックに配置されている。この半径方向目盛１１．１は、そこに入射する光に関して異なる反射特性を有する半径方向を向いた格子領域から構成され、円環目盛１１．２は円環形状の格子領域から構成される。この場合、図で異なる目盛１１．１，１１．２において明るく表示された格子領域は、大きく反射するように構成され、暗い格子領域は小さく反射するように構成されている。図９Ａでは、半径目盛１１．１上の第一の検出ユニットの走査箇所が符号１４により表され、この第一の検出ユニットは、校正動作と測定動作において、半径目盛１１．１を走査する役割と、目盛円板１０の方位方向の回転角θを測定する役割とを果たす。図９Ａでは、符号１３は、円環目盛１１．２上の第二の検出ユニットの走査箇所を表し、この第二の検出ユニットは、校正動作において、円環目盛１１．２を走査する役割を、そのため目盛円板１０の半径方向の偏位を測定する役割を果たす。

【0099】

図９Ｂには、本発明による位置測定装置の第一の実施例が模式的な側面図で図示されている。この図から明らかな通り、目盛円板１０は、その上に配置された半径目盛１１．１と円環目盛１１．２の形の格子型基準尺１１と共に、回転ポイントＤ’を中心に傾斜しており、その結果、回転軸を中心にする回転時に、目盛円板１０のタンブリング運動が起こる。図９Ｂでは、理想的に配置された場合の傾斜していない目盛円板１０’が点線で表示されている。同様に、図９Ｂでは、走査ユニット２０に割り当てられた、半径目盛１１．１を走査する役割を果たす第一の検出ユニット２２を見ることができ、円環目盛１１．２を走査する役割を果たす第二の検出ユニットが符号２３により表示されている。これら二つの検出ユニット２２，２３は、それぞれ、例えば、構造化されたフォトダイオードとして構成された光電検出器を有する。この実施例では、二つの検出ユニット２２，２３は、光ビームを目盛円板１０の方向に拡散させて放出する、走査ユニット２０内の板２６上の中央に配置された光源２１によって分けられており、目盛円板では、光ビームが、格子型基準尺１１の二つのトラックから二つの検出ユニット２２，２３の方に逆向きに反射される。

【0100】

更に、図９Ｂには、特に、検出ユニット２２，２３によって検出された、目盛円板の半径方向のシフト及び方位方向の回転角に関する信号Ｓ_ｒ，Ｓ_φを再処理する役割を引き受ける、位置測定装置に割り当てられた信号処理ユニット３０が模式的に表示されている。信号処理ユニット３０では、二つの補間ユニット３１，３２によって、校正動作及び測定動作における半径方向の偏位の測定値Δｒ_ｍｅｓｓ及び目盛円板１０の回転角に関する測定値φ_ｍｅｓｓを決定して、前に説明した措置に基づき、ユニット３３によって、偏心及びタンブリングに関して補正された、出力される角度位置φ_ｏｕｔとして再処理することができる。

【0101】

この実施例では、第一の検出ユニット２２によって方位方向の回転角を検出する走査の中立的な回転ポイントは、本発明に基づき第二の検出ユニット２３によって目盛円板１０の半径方向の偏位を検出する走査の中立的な回転ポイントと同じ面内に有る。具体的には、二つの中立的な回転ポイントは、二つの検出ユニット２２，２３の検出面２５内に有り、そのため、格子型基準尺１１に対して平行である。

【0102】

この実施例と関連して、更に、半径方向の測定方向に傾斜した照明方向による半径方向の走査が、目盛円板１０のタンブリングに付随する間隔の変化による付加的な測定誤差を被らないことに言及しておきたい。それは、検出面２５内に配置された拡散光源２１によって保証されている。

【0103】

最後に、前の例と同様に又もや目盛円板１１０の平面図及び本発明による位置測定装置の別の構成要素と関連した本装置の側面図を図示した図１０Ａ及び１０Ｂに基づき、本発明による光学式位置測定装置の別の実施例を説明する。以下において、第一の実施例との大きな違いだけを説明し、それ以外の点は、第一の実施例の記述と図９Ａ及び９Ｂを引用する。

【0104】

この実施例で用いられる格子型基準尺１１１及びそれに対応する走査ユニット又は検出ユニットに関しては、特許文献２の開示内容をここに引用する。

【0105】

図１０Ａによると、第二の実施例では、前に説明した変化形態と比べて異なる形態で構成された格子型基準尺１１１が配備されており、この基準尺は、目盛円板１１０上の円環形状のトラックに配置されている。図１０Ａでは、この実施例の唯一つ規定された走査箇所が符号１１４で表示されている。この場合、又もや反射格子として構成された格子型基準尺１１１は、長手延存方向が半径方向を向いた、円環形状に第一の基準尺周期ＭＶ_Ｐ１で配置されたストライプエレメント１１１．１，１１１．２，１１１．３，．．．から構成される。これらのストライプエレメント１１１．１，１１１．２，１１１．３，．．．は、絶対位置符号化のために、その長手延存方向に沿って、更に、第二の基準尺周期ＭＶ_Ｐ２を有する構造エレメント１１２から成る周期的な構造を備えている。例えば、構造エレメント１１２の位相位置が、ストライプエレメント１１１．１，１１１．２，１１１．３，．．．の絶対位置を符号化する役割を果たし、そのようにして、各ストライプエレメント１１１．１，１１１．２，１１１．３，．．．に所定の符号ワードを割り当てることができる。即ち、円周方向に渡って、３６０°内の一つの角度位置を一義的に特徴付ける符号シーケンスを構成することができる。

【0106】

図１０Ａにおいて格子型基準尺の暗く表示された格子領域は、前の実施例と異なり、大きく反射するように構成され、明るい格子領域は小さく反射するように構成されている。

【0107】

前の実施例と同様に、図１０Ｂには、本発明による位置測定装置の第二の実施例が模式的な側面図で図示されている。ここで、図から明らかな通り、一つのトラックに配置された格子型基準尺１１１を走査する走査ユニット１２０には、一つの検出ユニットだけが配備されている。この場合、検出ユニットは、拡散光源１２１、例えば、ＬＥＤと、少なくとも一つの方向に沿って周期的に構成された単一の検出器配列１２２とを有する。この光源１２１は、走査ユニット１２０において、回路基板１２６上に検出器配列に隣接して配置されている。

【0108】

この場合、格子型基準尺１１１の光学走査のために、投影倍率β＝２の中心投影式走査が規定されている。この場合、光源１２１から放出された光は、格子型基準尺１１１から検出器配列１２２の検出面に逆方向に反射される。そして、格子型基準尺１１１に対する光源１２１の間隔が検出面に対する格子型基準尺１１１の面の間隔と精確に同じである場合に、投影倍率β＝２が与えられる。この場合、格子型基準尺１１１上の構造は、検出器配列１２２上に精確に二倍の大きさで投影される。これに関しては、前に言及した特許文献２の図６及び７の記述を補完して引用する。

【0109】

当然に、この実施例を変化させた変化形態では、即ち、光源の光放出面が精確に検出面内に存在しない場合には、別の投影倍率β≠２を選定することもできる。

【0110】

第一の実施例の通り、検出面内に配置された拡散光源は、目盛円板のタンブリング運動による間隔の変化が付加的な測定誤差を引き起こさないことを保証する。

【0111】

有利な実施構成では、検出器配列１２２は、複数の検出器エレメントを備えた二次元の検出器配列として構成され、この検出器配列は、複数の検出器エレメントからそれぞれ構成された複数の検出器スリットを有する。この場合、検出器スリットは、円環形状の配列方向に沿って第一の検出周期で周期的に配置される一方、検出器エレメントは、検出器スリット内において第二の検出周期で配置される。それに関しても、明示的に上記の特許文献２を補完して引用する。

【0112】

この実施例では、ここで規定した走査が、目盛円板上の格子型基準尺１１１の単一トラックから、目盛円板１１０の方位方向の回転角の検出と、目盛円板１１０の半径方向の偏位の検出とを可能にする。これに関しては、同じく明示的に特許文献２の説明における図８ａ及び８ｂの記述を補完して引用し、そこには、そのような走査を用いて目盛円板と走査ユニットの接線方向又は半径方向のずれに関する情報を取得することが記載されている。

【0113】

そのため、目盛円板１１０の回転角検出とシフト検出に関連する中立的な回転ポイントが一致する、具体的には、この場合、中立的な回転ポイントは検出器配列１２２の検出面１２５内に有る。

【0114】

その他の点に関して、目盛円板の半径方向のシフトと方位方向の回転角に関して検出された信号Ｓ_ｒ，Ｓ_φから偏心に起因する回転角誤差とタンブリングに起因する回転角誤差を補正する措置は前に説明した例の通り行なわれる。

【0115】

当然のことながら、本発明の範囲内には、ここで具体的に述べた実施例以外に、更に別の実施形態も存在する。

【0116】

即ち、補正値を校正動作の間に記録するだけでなく、測定動作の間においても絶えず更新することも可能である。そのためには、測定動作の間においても半径方向の測定値を計測して、それに対応して補正値を適合させなければならない。この適合は、直接的に大きさ全体に関して、或いはその前に得られた補正値を用いた平均により緩和された形で行なうことができる。

【0117】

更に、半径方向の走査と方位方向の走査を同じ方位方向の位置で行なわないことも可能である。そのような場合、関係式１９によって記述される補正は、９０°ずらした形で行なわれるのではなく、それ以外の相応の値だけずらした形などで行なわれる。
なお、本願は、特許請求の範囲に記載の発明に関するものであるが、他の態様として以下の構成も包含し得る：
１．
反射格子として構成された、回転軸の周りを回転する格子型基準尺（１１；１１１）であって、この基準尺の走査から、回転軸の周りの方位方向の回転運動に関する位置情報も、格子型基準尺（１１；１１１）の半径方向のシフトに関する位置情報も生成することが可能である格子型基準尺と、
方位方向の回転角（φ _ｍｅｓｓ （θ））と格子型基準尺（１１；１１１）の半径方向のシフト（Δｒ _ｍｅｓｓ （θ））を計測するために、回転する格子型基準尺（１１；１１１）を走査する少なくとも一つの検出ユニットと、
を有する、互いに回転運動する二つの物体の間の回転角を検出する光学式位置測定装置であって、
前記の回転角とシフトを計測するための格子型基準尺（１１；１１１）の走査の中立的な回転ポイントが同じ面内に有り、この面が、格子型基準尺（１１；１１１）に対して平行であるとともに、この中立的な回転ポイントは、その回転ポイントの周りに格子型基準尺（１１；１１１）又は検出ユニットが位置のずれ無しに傾斜することが可能である箇所を表す光学式位置測定装置。
２．
上記１に記載の光学式位置測定装置において、
格子型基準尺（１１）が、半径方向目盛（１１．１）と、それに対して隣接して配置された円環目盛（１１．２）とを有する光学式位置測定装置。
３．
上記２に記載の光学式位置測定装置において、
半径方向目盛（１１．１）を走査する第一の検出ユニット（２２）と、円環目盛（１１．２）を走査する第二の検出ユニット（２３）とを有する光学式位置測定装置。
４．
上記１に記載の光学式位置測定装置において、
格子型基準尺（１１１）は、長手延存方向が半径方向を向いた、円環形状に第一の基準尺周期（ＭＶ _Ｐ１ ）で周期的に配置されたストライプエレメント（１１１．１，１１１．２，１１１．３，．．．．）から構成され、
これらのストライプエレメント（１１１．１，１１１．２，１１１．３，．．．．）が、絶対位置符号化のために、それらの長手延存方向に沿って第二の基準尺周期（ＭＶ _Ｐ２ ）による周期的な構造を有する、
光学式位置測定装置。
５．
上記４に記載の光学式位置測定装置において、
前記の検出ユニットが、単一の光源（１２１）と、単一の検出器配列（１２２）とを有する光学式位置測定装置。
６．
上記５に記載の光学式位置測定装置において、
前記の検出器配列（１２２）が、複数の検出器エレメントを備えた二次元の検出器配列として構成されて、複数の検出器エレメントからそれぞれ構成された複数の検出器スリットを有し、これらの検出器スリットが、円環形状の配列方向に沿って第一の検出周期で周期的に配置されるとともに、これらの検出器エレメントが、検出器スリット内において、第二の検出周期で周期的に配置されている光学式位置測定装置。
７．
上記１から６までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置において、
前記の格子型基準尺（１１１）の光学走査部が、投影倍率β＝２による中心投影走査部として構成されていて、拡散光源（１２１）と、少なくとも一つの方向に沿って周期的に構成された検出器配列（１２２）とを有する光学式位置測定装置。
８．
上記１から７までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置において、
本装置が信号処理ユニット（３０；１３０）を有し、この信号処理ユニットが、
校正動作において格子型基準尺（１１；１１１）の少なくとも１回の全回転に渡って得られる、格子型基準尺（１１；１１１）の半径方向のシフト（Δｒ _ｍｅｓｓ （θ））に関する回転角に応じた測定値を更に処理して、回転角に応じた補正値（φ _ｋｏｒｒ ）として信号処理ユニット（３０；１３０）のメモリに保存することが可能であり、
測定動作において、この信号処理ユニット（３０；１３０）によって、存在する偏心誤差及びタンブリング誤差に関して測定した方位方向の回転角（φ _ｍｅｓｓ （θ））を補正するために、このメモリに保存された回転角に応じた補正値（φ _ｋｏｒｒ ）を使用する、ように装備及び構成されている、
光学式位置測定装置。
９．
上記８に記載の光学式位置測定装置において、
前記の信号処理ユニット（３０；１３０）は、この信号処理ユニット（３０；１３０）によって、校正動作において得られた格子型基準尺（１１；１１１）の半径方向のシフト（Δｒ _ｍｅｓｓ （θ））に関する回転角に応じた測定値が、測定動作において、存在する偏心誤差及びタンブリング誤差に関して、９０°ずれた回転角を補正するために使用されるように装備及び構成されている光学式位置測定装置。
１０．
上記８に記載の光学式位置測定装置において、
前記の信号処理ユニット（３０；１３０）は、存在する偏心誤差及びタンブリング誤差に関して回転角を次の式の通り
φ _ｏｕｔ ＝φ _ｍｅｓｓ －φ _ｋｏｒｒ （φ _ｍｅｓｓ －π／２）
ここで、
φ _ｏｕｔ ：出力される補正された角度位置
φ _ｍｅｓｓ （θ）：方位方向の走査の回転角値
φ _ｋｏｒｒ （θ）：回転角に応じた補正値
補正する光学式位置測定装置。

【符号の説明】

【0118】

１０ 傾斜している目盛円板
１０’ 傾斜していない目盛円板
１１ 格子型基準尺
１１．１ 半径方向目盛
１１．２ 円環目盛
１３ 第一の検出ユニットによる走査箇所
１４ 第二の検出ユニットによる走査箇所
２０ 走査ユニット
２１ 光源
２２，２３ 検出ユニット
２５ 検出面
２６ 板
３０ 信号処理ユニット
３１，３２ 補間ユニット
３３ 再処理ユニット
１１０ 傾斜している目盛円板
１１０’ 傾斜していない目盛円板
１１１ 格子型基準尺
１１１．１，１１１．２，１１１．３ ストライプエレメント
１１２ 構造エレメント
１１４ 走査箇所
１２０ 走査ユニット
１２１ 拡散光源
１２２ 検出器配列
１２５ 検出面
１２６ 回路基板
１３０ 信号処理ユニット
１３１，１３２ 補間ユニット
１３３ 再処理ユニット
ｄ 走査間隔
ｅ 偏心
ｘ，ｙ，ｚ 座標軸
Ａ～Ｄ 回転位置
ＡＥ 走査面
ＡＥＨ 走査ユニット
ＡＳ 走査光ビーム
Ｄ’ 回転ポイント
ＤＡ 回転軸
ＤＥＴ 検出ユニット
Ｄ１，Ｄ２ 検出ユニット
ＫＬ コリメータレンズ
ＬＱ 光源
Ｍ_Ｄ 回転軸
Ｍ_ＴＳ 目盛円板ＴＳの軸
ＭＶ_Ｐ１ 第一の基準尺周期
ＭＶ_Ｐ２ 第二の基準尺周期
Ｎ 法線ベクトル
Ｐ，Ｑ，Ｒ 基準目盛板Ｔ上の点
Ｐ’，Ｑ’，Ｒ’；Ｐ’’，Ｑ’’，Ｒ’’ センサーＳ上の点
Ｒ 走査半径
Ｒ_ｙ 傾斜角度
Ｓ センサー
Ｓ１，Ｓ２ 目盛トラック
Ｓ_ｒ 半径方向のシフトの信号
Ｓ_φ 方位方向の回転角の信号
Ｔ 基準目盛板
ＴＳ タンブリング運動しない目盛円板
ＴＳ’ タンブリング運動する目盛円板
θ 目盛円板の回転角
φ_ｋｏｒｒ 回転角に応じた補正値
φ_ｏｕｔ 出力される角度位置
φ_ｍｅｓｓ 方位方向の回転角
Δｒ_ｍｅｓｓ 半径方向のシフト
Δφ 回転角誤差
Δφ_ｅｘｚ 偏心に起因する回転角誤差
Δφ_ｔｉｌｔ タンブリングに起因する回転角誤差
Δφ_{ｔｏｔａｌ} 全体測定誤差

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】