JP4324261B2 - 光学位置測定装置用の走査ユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、目盛板と、この目盛板に対して相対移動する走査ユニットとの特定な基準位置で周期的な増分信号の外に、少なくとも一つの基準パルス信号も出力し、目盛板上の基準マークを走査するため、少なくとも一つの基準マーク走査検出窓および／または少なくとも一つの基準パルス検出素子を備えた走査板を有する位置測定装置用の走査ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の光学位置測定装置は、相対運動する二つの部品の相対的なずれに関する増分走査信号の外に、通常所謂基準パルス信号も出力する。この信号により、相対運動する部品が特定の相対位置の時、位置測定の正確で絶対的な関係を与えることができる。基準パルス信号を発生させるため、位置測定装置の目盛板の側の一つまたはそれ以上の個所に基準マークを持つ検出窓を設ける。光学位置測定装置の走査ユニットは、主として少なくとも一つの基準マーク走査視野を有し、この走査視野により目盛板と走査ユニットの相対位置を検出すべき時にそれに相当する基準パルス信号を発生する。
【０００３】
目盛板上の基準マークや走査ユニット側の付属する走査視野の配置に関しては、一連の種々の可能性がある。
【０００４】
例えば、目盛板の上で増分目盛を持つ目盛トラックの横に基準マークを隣接配置することは米国特許第 4,263,506号明細書により周知である。しかし、この場合の問題は、目盛板の面あるいは走査面に垂直な軸の周りに目盛板と走査ユニットに回転がある場合、増分信号の一定の周期に対して基準パルス信号の正確な対応関係を保証できない点にある。
【０００５】
この外に、米国特許第 3,985,448号明細書に提案されているように、基準マークを増分目盛を持つ目盛トラックに直接組み入れることも可能である。このため、目盛板の所望の位置で増分目盛に、例えば増分目盛の一つまたはそれ以上のウェブあるいは線条を除去する。更に、増分目盛を持つトラックに基準マークを組み入れることに関する他の態様はドイツ特許第 35 36 466号明細書あるいは米国特許第 4,866,269号明細書により周知である。これ等の刊行物では、増分目盛の中に非周期的な線条あるいはウェブの列である基準マークを形成するか、それとも基準マークとして異なった光学特性を持つ領域を利用し、これ等が残りの増分目盛と異なっていることが提案されている。
【０００６】
しかし、増分目盛の中に基準マークを組み入れる場合の問題として知られていることは、基本的に、本来の基準位置に隣接して、検出された基準パルス信号に通常目盛板の増分目盛による周期的な信号が重畳することにある。この領域の信号波形の模式図は図９に示してある。それによれば、基準マーク信号の変調度は著しく低下する。即ち、基準位置で基準パルス信号を確実に検出することがそれにより困難になる。
【０００７】
増分目盛の中に基準マークを組み入れる場合の他の要請としては、当然、増分目盛信号のできる限り弱い乱れが基準マーク信号により生じることを実現する必要がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の課題は、基準パルス信号の検出に関連して、上に述べた問題を最小限にする光学位置測定装置用の走査ユニットを提供することにある。更に、この走査ユニットを持つ光学位置測定装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、この発明により、目盛板と、この目盛板に対して相対移動する走査ユニットとの特定な基準位置で周期的な増分信号の外に、少なくとも一つの基準パルス信号も出力し、目盛板上の基準マークを走査するため、少なくとも一つの基準マーク走査検出窓および／または少なくとも一つの基準パルス検出素子を備えた走査板を有する位置測定装置用の走査ユニットにあって、基準マーク走査検出窓１７；２７；３７；４７；５７の構成形態、あるいは一つまたはそれ以上の基準パルス検出素子６３，６３',６３''の構成形態によって、基準パルス信号に対する周期的な増分信号成分が基準位置０の傍で消失するようにフィルター作用が生じることによって解決されている。
【００１０】
更に、上記の課題は、この発明により、目盛板２の少なくとも一つの増分目盛７に基準マーク８が配置されていて、目盛板２とこの目盛板に対して相対運動する走査ユニット１との特定の相対位置で、増分信号の外に、少なくとも一つの基準パルス信号も出力する光学位置測定装置にあって、上記の走査ユニット１を備えていることによって解決されている。
【００１１】
この発明による他の有利な構成は特許請求の範囲の従属請求項に記載されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この発明により使用する光学フィルター作用により、基準パルスを各基準位置で確実に検出できることが確認されている。基準位置の隣には、基準パスルに周期的に変調された増分信号成分が来るのでなく、ほぼ一定のあるいは同じ状態の振幅を持つ信号成分が来る。基準パルス信号に対する増分信号成分の少なくとも基本波が濾波される。基準位置のところの基準パルス信号を確実にしかも簡単に検出できる。
【００１３】
必要な光学フィルター作用に関して一連の可能性がある。基準マーク走査視野の側に適当に形成された絞り構造あるいは振幅構造がフィルターのために使用できる。しかし、この外にこのフィルター作用を基準マークの走査視野の透光領域の位相構造により得ることもできる。その外、当然これ等の異なったフィルター試行の間を組み合わせる可能性もある。
【００１４】
この発明の走査ユニットの有利な構成の範囲内で、前記位相構造をフィルターに使用し、更にこの領域が集束光学作用を有するなら、この発明による走査ユニットの他の利点が生じる。特に、走査ユニットが走査される目盛構造体の線条方向の周りに傾く場合の感度が低くなる。つまり、目盛板が線条の方向あるいはウェブの方向の周りに僅かに傾くと、選択された構成により、走査ユニットの通常の構成よりも、走査板を二回通過した時に生じる光束の成分が非常に少なくなる。対応する増分信号の周期に対して基準パルス信号の対応関係は、目盛板に対して中性回転点の近くにあるので、通常の走査装置の場合より大きく傾いても、保証されている。その外、走査ユニットあるいは基準マークの走査視野の上記構成により、集束光学部材を使用するなら、検出器側で信号強度が高くなる。
【００１５】
光学フィルター構造の構成あるいは基準マーク走査視野内で適当な集束光学歩合を選択することに関連して、応用分野に応じて選択できる一連の構成の可能性が生じる。
【００１６】
適当に形成された基準マークの走査視野によるフィルターの代わりに、この発明によるフィルターは一つまたはそれ以上の検出素子を適当に構成するか、あるいはパターン構造化することによっても行われる。
【００１７】
【実施例】
以下、図面に示す実施例に基づきこの発明をより詳しく説明する。
【００１８】
図１a には、光学位置測定装置がこの発明により形成された走査ユニットと関連して模式側面図にして示してある。図示する光学位置測定装置１は互いに相対運動する二つの物体の相対位置を測定するため反射測定系として形成されている。これ等の物体は、見通しを良くするため、図１と図２には図示されていない。両方の物体の一方は、ここでは位置測定装置１の目盛板２に連結し、他方の物体は走査ユニット３に連結している。測定方向ｘに相対移動するこれ等の物体は、例えば加工品と数値制御されている工作機械の工具である。
【００１９】
図示する反射測定系で使用する代わりに、この発明による走査ユニットは透過光で動作する光学位置測定装置に関連しても当然使用できる。同様に、二つの物体の相対回転運動を検出するため、この発明により形成された走査ユニットを備えた光学位置測定装置を使用することも当然可能である。従って、光学位置測定装置の図示する実施例は、この発明に関連して制限されていない。つまり、基準パルス信号の発生あるいは検出に関連するこの発明の処置は、当然異なった光学位置測定装置に関連して使用できる。
【００２０】
図１a に示す光学位置測定装置１の第一実施例は、先ず、主として静止配置されている目盛担体４から成る直線目盛板２を含む。この目盛担体４の上には少なくとも一つの目盛トラック５が測定方向ｘに配置されている。この目盛トラック５は、二つの物体の相対位置を求めるため、このトラックに対して相対運動する走査ユニット３により光学的に走査される。特に図１b の平面図から分かるように、図示する実施例では、目盛担体４の上に配置された目盛トラック５は、測定方向ｘに垂直なｙ方向に延びている反射領域６a と非反射領域６b の並び配置で構成されている。この目盛トラック５には、光学的に走査する時に周期的に変調された増分信号を出力する増分目盛７と、目盛板２あるいは目盛トラック５に沿った所定の絶対位置を増分目盛７を用いてマークする基準マーク８を持つ一つあるいはそれ以上の検出窓とがある。
【００２１】
増分目盛７に対して基準マーク８を隣横に配置する周知のものとは異なり、基準マーク８を有する検出窓を増分目盛７と同じ目盛トラック５内に組み入れるものもある。使用例に応じて、当然、異なった数のこの種の基準マーク８を必要な測定長にわたり設けることもできる。これには、例えば多数の基準マークの周知の間隔で符号化された配置も挙げることができる。
【００２２】
基準マーク８のこの種の配置の利点は、既に上に議論した。この代わりに、目盛板平面ｘ−ｙに垂直な軸ｚの周りに目盛板２と走査ユニット３が回転する場合に基準マーク信号と増分信号の同期でこの配置の態様は著しく低感度であることをただ触れておくだけにする。
【００２３】
その外、図示する光学位置測定装置１には、主として模式的に示すハウジング９内に配置された多数の部品から成り、目盛板２に対して測定方向ｘに移動する走査ユニット３がある。図示する実施例では、走査ユニット３の種々の部品に対して、特に一つの光源と多数の光電検出素子１３を持つ担体板１０，光学系１４および多数の走査検出窓１６a 〜１６f と１７を持つ走査板１５を挙げることができる。走査検出窓１６a 〜１６f は透光性の担体部材１８の上に配置されている。主にＬＥＤで形成された光源から放出された光は、コリメートした後、光学系１４を経由し走査板１５を通過して目盛板２あるいは目盛トラック５に達し、そこから走査板１５あるいは走査検出窓１６a 〜１６f ，１７を通過して光学系１４により種々の検出素子１３上に戻って結像される。図１a の図面には、基準パルスの検出素子１３のみを見ることができる。同様に、光源は担体板１０の上には見えない。この外、説明すべき次の図２b には、増分信号の検出素子１２a 〜１２d および光源１１も図示されている。
【００２４】
走査ユニット３と目盛板２の相対運動の場合には、増分目盛７を走査する時、周期的に変調増分信号が生じる。これ等の変調増分信号が位置測定するため通常の評価ユニット内で更に処理される。増分信号を発生する方法はただ可能な実施態様で過ぎない。この代わりに本出願人の欧州特許第 0 735 346号明細書を参照されたい。ここでは、この実施例に採用する走査原理が詳しく説明されている。この実施例で選択している増分信号を発生することは所謂（準）単一場走査であり、これは特に汚れに鈍感であることに関して利点を提供する。しかし、増分信号を発生するため周知の４検出窓走査もこの発明による処置に関連して当然採用できる。その外、この実施例で使用する光学系１４を使用することを強いるものではない。つまり、基本的には以下のこの発明による考察をコリメート光学系なしに光学位置測定装置に移すことができる。
【００２５】
図示する実施例では、走査ユニット３に走査板１５で増分信号を発生させるため、担体部材１８の上に多数の増分目盛走査検出窓１６a 〜１６f が設けてある。これ等の走査検出窓は、例えば前記欧州特許第 0 735 346号明細書の図８により形成されている。これによると、増分目盛７を光学的に走査すれば、それぞれ 90 °位相のずれた４つの増分信号が生じる。
【００２６】
増分目盛７の中に組み込まれてる少なくとも一つの基準マーク８を走査するため、次に説明する方式に従いこの発明により構成される他の走査検出窓１７が走査板１５に配置されている。基準マーク走査検出窓１７には、担体板１０の側に少なくとも一つの基準パルス検出素子１３が付属している。この基準パルス検出素子により目盛板２と走査ユニット３の少なくとも一つの所定の相対位置で基準パルス信号の検出が行われる。
【００２７】
基準パルス信号を検出するただ一つの基準パルス検出素子１３を備えた図示する実施例の外に、図示する走査配置の場合、更に、所謂定常光信号を発生するため、担体板上に第二の検出素子を配置することも基本的に可能である。二つの基準マーク検出素子を適当に差動結線して、基準パルス信号を発生させる場合に検出の信頼性を高めることができる。定常光信号を発生させるためには、種々の周知の可能性を利用できる。例えば、本出願人の欧州特許第 0 754 933号明細書に開示されているような有利な実施態様を参照されたい。この明細書では、図５と図６の例で、部分的に偏向光学作用を持つ走査構造体の透明領域を備えているので、ただ一つの基準マーク走査検出窓により本来の基準パルス信号や付属する定常光信号も発生させることができることを提案している。
【００２８】
走査される増分目盛７およびこの増分目盛７の中に組み込まれている基準マーク８を持つ目盛板２の位置の平面図を図１b に示す。ここでは、明るい部分が目盛トラック５の反射領域６a であり、これ等の領域の間にある暗い領域６b は非反射領域に形成されている。非反射的に形成されている領域６b は、例えばスチール製の基本的には反射性の目盛担体４の上にエッチングされた領域である。増分目盛７は、図示する実施例の場合、目盛周期ＴＰ＝ 40 μm の反射性の領域６a と非反射性の領域６b の周期的な配列から成る。この場合、領域６a,６b はそれぞれ同じ幅で 20 μm である。
【００２９】
反射走査用の目盛板の図示する実施態様の代わりに、この発明による処置を透過光測定系に関連させても当然使用できる。その時、目盛板の側に、反射性領域の代わりに、透過性領域を設け、非反射性領域の代わりにそれに応じた不透明な領域を設けるとよい。
【００３０】
目盛トラック５の中に基準マーク８を持つ検出窓の領域には、増分目盛７の目盛周期ＴＰの反射性領域６a と非反射性領域６b の周期的な配列がない。むしろ、そこには一連の反射性領域６a が抜いてあるので、増分目盛７の周期配列の場合よき大きい幅の個別非反射領域６b が生じる。従って、反射性領域６a は基準マーク８の検出窓に測定方向ｘに増分目盛７の１目盛周期あるいはそれ以上の整数倍の目盛周期で互いに間隔を保って配置されている。このような配置は、得られた増分信号の一定の位相関係が基準マークの領域にも保証するる限り必要である。目盛板２の上の図示する基準マーク８の全長は、この実施例の場合、測定方向ｘに約 1.6 mm である。
【００３１】
既に説明したように、目盛板２に沿ってこの種の多数の基準マーク８を設けることは当然可能である。その外、透過測定系の場合、反射性および非反射性領域の代わりに、目盛板の目盛トラック内に透過性および非透過性の領域を配置することもできる。これ以外に、増分目盛７と組込基準マーク８を持つ多数の目盛トラック５を目盛板２の側に並列には位置することも可能である。
【００３２】
この発明により構成された走査ユニット３の走査板１５の平面図を図２a に示す。例えばガラス製の透明な担体部材１８には、この場合、種々の走査検出窓１６a 〜１６f ，１７が測定方向ｘに互いに隣合わせに配置されている。これ等の走査検出窓は増分目盛７を走査するため、および目盛板２の上の基準マークを走査するために使用される。走査板１５の図示する実施例では、（準）単一走査を可能にし、90°位相のずれた４つの増分信号を発生させることができる、欧州特許第 0 735 346号明細書からの既に説明した図８の全部で６つの増分目盛走査検出窓の構成あるいは配置が設けてある。増分目盛走査検出窓１６a 〜１６d の選択された目盛周期は図示する実施例で 40 μm である。
【００３３】
増分目盛走査検出窓１６a 〜１６f の間には、走査板１５に他の走査検出窓１７が配置されている。この走査検出窓１７は目盛板２上の基準マーク８を走査するために設けてある。この場合、図２a の図面には基準マーク走査検出窓１７の最も簡単なこの発明の実施態様が示してある。基準マーク走査検出窓１７内の透過性および非透過性の領域１７a,１７b の配置あるいは配列は基準マーク８の走査には不適切に選択されている。基準マーク走査検出窓１７により得られる光学フィルタ作用はこの基準マーク走査検出窓１７の透過性領域１７a の測定方向ｘの幅を選択して与えられる。ｘ方向のこの幅は、走査される増分目盛７の目盛周期ＴＰあるいはこの整数倍と同一に選ぶ。こうするだけで基準パルス信号の検出で光学的なフィルタ作用が基本的に得られるので、基準位置の隣で、基準パルス信号に対する周期的な増分信号成分が低減する。これは、基準マーク走査検出窓１７をそのように設計する場合、検出器側で絶えず増分信号の信号周期にわたり平均化することが行われ、それ故に基準位置に隣接して変調された増分信号がなく、強度分布が一定の信号が生じることに起因する。このように形成された基準マーク走査検出窓１７で生じる基準位置「０」の領域に対応する信号変化を図８に示す。
【００３４】
光学的なフィルター作用を伴う基準マーク走査検出窓１７のこの発明の構成により、基準パルス信号に対する周期的な増分信号成分が著しく減少するか無くすることができる。基準マーク走査検出窓１７の有利な構成に関するこの発明による他の種々の実施態様およびこの信号成分をフィルターする他の試みを、以下の実施例でもっと詳しく説明する。
【００３５】
最後に、図２b には走査ユニット３の担体板１０の平面図が示してある。この担体板１０には、特に光源１１の外に、種々の走査信号を検出するため、主として光電素子の種々の光電検出素子１２a 〜１２d ，１３がある。増分目盛走査検出窓１６a 〜１６f から増分信号を検出する４つの検出素子１２a 〜１２d の外に、基準マーク走査検出窓１７から基準パルス信号を検出する他の基準パルス検出素子１３が設けてある。図１a,１b と図２a,２b の座標表示から分かるように、種々の検出素子１２a 〜１２d ，１３が担体板１０の上にｙ方向、つまり測定方向ｘに垂直に配置されている。
【００３６】
測定方向ｘに対して検出素子のこのような配置を可能にするため、当然、検出素子の方向に反射するビーム束の偏向を測定方向ｘに垂直に、つまりｙ方向に行う必要がある。増分信号の発生に関与するビーム束の偏向は、ビーム束に対する位相を決める作用として、この場合、増分目盛走査検出窓１６a 〜１６f に付加的に設ける横構造体から生じる。これに関しては、欧州特許第 0 735 346号明細書を参照されたい。
【００３７】
基準パルス走査検出窓１７を通過して生じるビーム束をｙ方向に向けて付属する基準パルス検出素子１３へ偏向させるため、基準マーク走査検出窓１７のところの走査板１５の側に楔プリズムの形の適当な光学偏向部材を配置することができる。この代わりに、光学系１４にもそれに応じた光学作用を持つ部分領域があるとよい。
【００３８】
しかし、測定方向ｘに関する種々の検出素子１２a 〜１２d,１３の相対配置や素子の数はこの発明で重要な処置ではない。従って、この代わりの実施態様では、他の走査配置、例えば測定方向ｘに平行に配置された検出素子を用いる通常の４検出窓走査も使用できる。
【００３９】
位置測定装置から出力される増分信号および基準パルス信号を位置測定のために処理する評価ユニットは、図１a,１b と図２a,２b の図面には省いてある。この場合に重要なのは数値制御工作機械である。
【００４０】
この発明により形成された基準マーク走査検出窓２７の第二実施例の平面図を図３a に示す。この図面は走査ユニットの走査板から一部切り出した部分を示す。図３a にマークした基準マーク走査検出窓２７の部分領域は図３b に拡大して示してある。基準マーク走査検出窓２７のこの実施態様も当然走査幾何学関係に関連して前記例に合わせて使用される。
【００４１】
基準マーク走査検出窓２７内には、この実施例の場合、再びパターン構造が測定方向ｘに付けてある。このパターン構造はｙ方向に延びる透明な領域２７a と不透明な領域２７b の配列で形成されている。この透明および不透明な領域２７a,２７b の配列およびその重心の測定方向ｘの配置は、再び目盛板上の走査すべき基準マーク（図示せず）の透過および不透過な領域の配列に応じて選択される。
【００４２】
その外、基準マーク走査検出窓２７の図示する実施例では、この検出窓の周期的なパターン構造付けが測定方向ｘに垂直、つまりｙ方向に設けてある。このため、透明および不透明な長手方向の領域２７a,２７b が部分領域２７a', ２７a'',２７b'，２７b'' に分割されている。隣のあるいは隣接している部分領域２７a', ２７a'' または２７b'，２７b'' は各透明あるいは不透明な領域２７a,２７b の中で走査される増分目盛の目盛周期の半分ＴＰ/2だけ互いにずらして配置されている。この部分領域２７a', ２７a'',２７b'，２７b'' のｘ方向のずれに関しては、特に図３b の拡大部分図を参照されたい。透明な領域２７a あるいは不透明な領域２７b 当たりに、図３a の実施例の場合、互いにずれた全部で 10 個の部分領域２７a', ２７a'',２７b'，２７b'' がある。目盛周期が 40 μm を走査する場合、走査検出窓２７のｙ方向の幅は 4 mm である。
【００４３】
基準マーク走査検出窓２７のこのような付加的なパターン構造化も、目盛板の基準マークを走査する場合、基準位置の隣で基準パルス信号に対する増分信号の周期的な成分が除去されるかあるいは少なくとも増分信号の対応する基本波がフィルターされるように光学フィルター作用が構成されている。つまり、増分目盛を走査する場合、互いにずれている異なった透過性の部分領域２７a', ２７a'' から逆相の信号変調を伴う部分信号が生じる。増分信号の周期的な成分は全て平均化されたなくなる。即ち、一定信号振幅を持つ信号成分のみが残り、この信号成分は基準マーク走査検出窓２７に付属する検出素子により基準位置「０」の隣で検出される。この信号成分に比べて、基準パルス信号は基準位置で検出するのに十分な変調あるいは信号強度を有するので、この信号を確実に検知できる。
【００４４】
ここで、図３a と図３b の説明した実施例も基準マーク走査検出窓をこの発明により構成する他の可能性であることを指摘しておく。以下でもっと説明するように、増分目盛に組み込まれた基準マークを走査する場合にこの種の光学的なフィルター作用を達成し、基準パルス信号の望ましくない周期的な増分信号成分あるいは少なくともその基本波を除去するため、基準マーク走査検出窓をパターン構造化する他の可能性も当然存在する。
【００４５】
基準マーク走査検出窓を適当に構成する、あるいはパターン構造化することによる図３a と図３b に提案するフィルター処理は、図１a,１b と図２a,２b の第一実施例に比べてもっと改善されたフィルター作用を与える。つまり、走査される目盛板と走査ユニットの間に回折効果により、通常強度分布が生じ、この強度分布は基準マーク走査検出窓の透過領域の適当な幅によるだけでフィルターを困難にする。加えて、目盛板がｙ軸の周りに傾くと、利用できる基準マーク走査検出窓の透過領域の開口が変わるので、この場合でも最適なフィルター作用とならない。これに反して、図３a と図３b に提案する基準マーク走査検出窓の実施例は既に改善されたフィルター作用を与える。
【００４６】
この発明の構想に基づく基準マーク走査検出窓の他の有利な構成を図４a と図４b に基づき次の第三実施例に付いて説明する。基準マーク走査検出窓の構成に関する今までの実施例が透過性と非透過性の領域を持つ振幅格子あるいは適当な絞り構造体による全てフィルター作用に基づいているが、以下の実施例によれば、基準マーク走査検出窓の透過性の領域に適当に形成された位相構造体によりフィルター作用も得られる。
【００４７】
この場合、図４a はこれに合わせて形成された基準マーク走査検出窓３７の実施例の平面図を示す。図４b には図４a を通して記入されている線分の横断面が示してある。
【００４８】
基準マーク走査検出窓３７には、測定方向ｘに向けて隣接配置された透過性の領域３７a と非透過性の領域３７b がある。透過性の領域３７a の中には、基準パルス信号に関して周期的な増分信号成分をフィルターするため、一定の位相構造化部が設けてある。これは、測定方向ｘに交互に連続的に配置された透過するビーム束に対して異なる屈折率の領域３７a.1 ，３７a.2 で構成され、図４a と図４b にハッチングを付けた領域３７a.1 とハッチングを付けていない領域３７a.2 で示してある。これ等の３７a.1 ，３７a.2 内には、それぞれｙ方向に隣接している部分領域３７a.1'，３７a.1'',３７a.2'，３７a.2'' が走査される増分目盛の目盛周期の半分ＴＰだけ互いにずらして配置されているように、ｙ方向に更にパターン構造化されている。
【００４９】
従って、基準マーク走査検出窓の透過性領域３７a は先ず第一に透過したビーム束に対して集束する光学作用を有する回折光学部材として形成されている。この場合、回折光学部材の選択された構成により、光源から到来したビーム束を目盛板上の目盛トラックの面内に直線状に集束させる。その場合、得られる集束線はｙ方向に向く、つまり目盛板上の目盛構造体の透過性と非透過性の領域の長手方向に向く。
【００５０】
他方、部分領域３７a.1'，３７a.1'',３７a.2'，３７a.2'' の選択された相互のずれのために、付属する集束線のずれがそれぞれ目盛周期の半分だけ生じ、それ故に基準パルスに関する増分信号成分に対して望む光学フィルター作用が生じる。ｙ方向に隣り合わせの部分領域３７a.1'，３７a.1'',３７a.2'，３７a.2'' から成る信号成分は逆相に変調され、平均すると消える。
【００５１】
最後に述べた処置、つまり図４a と図４b の基準マーク走査検出窓３７の透過性の領域３７a の集束作用を持つ適当に形成された回折光学部材を配置する場合、この領域３７a のその時の幅Ｄは測定方向ｘに向けて主により大きく選択できる。例えば、このように形成された基準マーク走査検出窓３７の透過性の領域３７a のの幅Ｄは、回折光学部材の集束作用により、走査された増分目盛の２またはそれ以上の目盛周期の程度に形成できる。こうして、検出器側に先ずより高い信号強度が得られる。他方、このように形成すると、基準パルス信号を検出する場合、有利な他の効果が生じる。目盛板が測定方向に垂直に、つまりｙ方向の周りに僅かに傾くと、ビーム束が基準パルス走査検出窓を二回通過した時にビーム断面のただ比較的僅かな部分が阻止される。このような傾きがあっても、未だ十分な信号強度が検出器側で生じる。従って、目盛板と走査ユニットの理想的な相対位置からのずれに対して全系が敏感でなくなる。
【００５２】
更に、同じ屈折率を持つ領域の重心点の間隔は、ｎ＊ＴＰとなるように主に選択される。その外、透過性の領域３７a の幅Ｄは、集束光学部材の結像係数を考えに入れて、透過性の領域３７a が増分目盛の目盛周期ＴＰと同じ幅Ｄを有するように設計される。
【００５３】
透過性の領域３７a の適当な回折部材としては、例えば二進構造体を持つ回折シリンダゾーンプレートか、あるいはブレーズされた構造を持つフレネル円柱レンズを使用できる。この外、位相を合わせたフレネル円柱レンズ部材も有利に適している。その外、走査検出窓の透過性の部分領域に屈折性の円柱レンズの形の光学部材も当然使用できる。
【００５４】
集束光学部材の前記実施態様や提示した光学特性を持つ他の実施態様も、この発明による走査ユニットあるいは基準マーク走査検出窓の中に組み込める。
【００５５】
この種の部材の集束特性とは、この発明の意味で図示した実施例の場合のように、コリメートされた光束を正確に集束させるだけと解釈すべきでない。むしろ、走査配置に応じてこれ等の部材の少なくとも部分的な集束作用だけでも備えていると良い。例えば、コリメータ光学系なしに照明する場合や部分的にコリメートされた照明の場合の部分的な集束作用で十分である。
【００５６】
今まで二つの実施例に基づき議論した振幅構造体あるいは位相構造体によるフィルターの試みの外に、両方の原理を組み合わせたフィルター作用の他の実施態様も当然使用できる。例えば、図３a と２b の実施例で、図４a と図４b の実施例の副構造化を伴う基準マーク走査検出窓２７の透過性の領域２７a を設けることができる。こうして、フィルターする振幅構造体と位相構造体に基づく組み合わせフィルター作用が得られる。
【００５７】
図５と図６には、基準マーク走査検出窓のフィルター構造体の可能な構成に関する他の実施態様が示してある。この場合、再び振幅構造体がフィルターのために基準マーク走査検出窓内に使用されているが、望むフィルター作用を得るため、この種の振幅構造体を基準マーク走査検出窓内で適当な位相構造体と組み合わせることも当然できる。
【００５８】
従って、図５によれば、走査板４８の上の基準マーク走査検出窓４７内の透過性の領域４７a と非透過性の領域４７b の傾斜配置もフィルター構造体として可能である。その場合、種々の領域４７a,４７b は基準マーク走査検出窓４７内で目盛板の増分目盛に対して角度αにして配置されている。ここで、角度αは領域４７a,４７b の初めと終わりが長さｌ_y に対して走査される目盛周期ＴＰの１目盛周期だけｘ座標で異なるように選択される。つまり、領域４７a,４７b は走査される増分目盛の１目盛周期にわたりそれぞれ増分目盛に対して傾いているためｘ方向に延びている。
【００５９】
図６の実施例によれば、基準パルスの周期信号成分を除去するため、走査板５８の上の基準マーク走査検出窓５７内の透過性の領域５７a と非透過性の領域５７b のＶ字型の配置もフィルター構造体として可能である。この場合、両方のＶ字型の脚部の配置は、目盛板の増分目盛に対して角度βをなしている。この角度βを適当に選択することに関しては、両方の脚部に対してこれ等の脚部が増分目盛に対して傾いているので走査される増分目盛の１目盛周期にわたりｘ方向に延びている。
【００６０】
基準マーク走査検出窓の側でフィルターの他の可能性は、この目的のため所謂バーニヤフィルターを採用することができる。この場合には、図１c の基準マーク走査検出窓の例の透過性の領域が目盛板の基準マークの省いた線条の対応する位置に対して一定値だけずらしている。更に、走査板の上で２つの目盛周期の幅の余弦状のスリット開口もフィルターのために使用されている。同様に、スリット開口および／または位相構造体に曲がった形状等があってもよい。
【００６１】
これ等の実施態様の全ては、それぞれ基準マーク信号の周期的な信号成分を除去する。これ等の場合でも、他の可能なフィルター態様でも、基準パルス走査検出窓の透過領域に集束光学部材を伴う位相構造体等を配置することは当然可能である。
【００６２】
今まで基準マーク走査検出窓を適当に構成して基準パルス信号での望ましくない増分信号成分をこの発明によりフィルターするだけを説明したが、更にこの発明の範囲内で検出素子を適当に構成してこの信号成分を除去するあるいは少なくとも最小にすることができる。これに対して設けた検出素子の可能な構成に関して、図７に示す検出装置の実施例を参照されたい。この種のフィルターの実施態様の場合、さもないと必要な独立した走査板を当然省ける。
【００６３】
ここで、図７には種々の光電検出素子６２a 〜６２d,６３，６３',６３''を測定方向に隣接する配置が示してある。この配置も増分目盛に組み込まれている基準マークを走査するために適している。つまり、このため対応する担体板の上に増分信号用の検出素子６２a 〜６２d が設けてある。これ等の検出素子はグループにして配置されて結線されている。これ等の検出素子のグループの間には、基準パルス検出素子６３，６３',６３''が配置されている。この場合、最初の４つのグループの検出素子６２a 〜６２d に隣接して第一基準パルス検出素子６３が設けてある。次いで増分信号用の二つの４グループの検出素子が続き、この検出素子には第二基準パスル検出素子６３' ，増分信号用の他の４グループの検出素子および最後に第三基準パルス検出素子６３''が後置されている。
【００６４】
左からそれぞれ第一検出素子を４グループに結線して０°走査信号が生じ、それぞれ第二検出素子を結線して 90 °走査信号が生じる等々である。信号取出部ＲＩに出力する基準パスル信号は、図示する３つの基準パルス検出信号６３，６３',６３''の並列結線により生じる。
【００６５】
種々の検出素子の図示する配置の実施態様は、検出すべき基準マークの構造に依存して与えられ、それに応じてこの構造体に合わせてある。隣接する基準パルス検出素子６３，６３',６３''の間隔に関連して、説明する検出素子の結線の実施態様では、これ等の検出素子が走査する増分目盛の目盛周期ＴＰの整数Ｍ倍であることに注意する必要がある。各基準パルス検出素子６３，６３',６３''の幅は、図示する実施例の場合、１目盛周期ＴＰに相当する。
【００６６】
増分信号成分に関して望むフィルター効果を基準パルス信号に対して得るため、基準パルス検出素子６３，６３',６３''にはそれぞれ測定方向ｘに垂直な一定のフィルター構造体がある。つまり、個々の基準パルス検出素子６３，６３',６３''の個々の部分領域が測定方向ｘに半目盛周期だけ互いにずらして配置されちる。こうして、種々の部分領域で生じる逆相に変調された増分信号成分が基準パルス信号のところで平均して消去する。
【００６７】
従って、この種の検出器側でのフィルターによっても、基準位置に隣接する増分信号の望ましくない周期成分がこの発明により除去できる。
【００６８】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明の走査ユニットにより、基準位置で基準パルス信号の検出に関連して、検出感度が低減する問題を最小限にできる。更に、この走査ユニットを持つ光学位置測定装置を提供することができ、一つまたはそれ以上の個々の基準位置を確実に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による走査ユニットの第一実施例を備えた光学位置測定装置の模式断面図であり、
（ａ）全体構成図、
（ｂ）走査される目盛板の平面図、
【図２】 走査ユニットの模式図、
（ａ）走査ユニットの走査板の平面図、
（ｂ）光源と多数の検出素子を備えた走査ユニット内に配置された担体板の平面図、
【図３】 この発明により形成された基準パルス走査検出窓の第二実施例を備えた走査板の部分平面図（ａ）およびこの基準パルス走査検出窓の部分領域の拡大図（ｂ），
【図４】 この発明により形成された基準パルス走査検出窓の第三実施例を備えた走査板の部分平面図（ａ）およびこの部分側面図（ｂ），
【図５】 この発明により形成された基準パルス走査検出窓の第四実施例を備えた走査板の部分平面図、
【図６】 この発明により形成された基準パルス走査検出窓の第五実施例を備えた走査板の部分平面図、
【図７】 この発明によるフィルター作用を確実にする多数の基準マーク検出素子の配置に対する平面図、
【図８】 この発明により発生する基準パルス信号の波形図、
【図９】 従来の技術により発生する基準パルス信号の波形図である。
【符号の説明】
１ 光学位置測定装置
２ 目盛板
３ 走査ユニット
４ 目盛担体
５ 目盛トラック
６a,６b 反射および非反射領域
７ 増分目盛
８ 基準マーク
９ ハウジング
１０ 担体板
１１ 光源
１２a 〜１２d 増分信号検出素子
１３ 光電検出素子
１４ 光学系
１５ 走査板
１６a 〜１６f 走査検出窓
１７ 走査検出窓
１７a,１７b 透過性および非透過性の領域
１８ 担体部材
２７ 基準マーク走査検出窓
２７a,２７b 透明領域および不透明領域
２７a', ２７a'',２７b', ２７b'' 透明領域および不透明領域の部分領域
３７ 基準マーク走査検出窓
３７a,３７b 透過性の領域および非透過性の領域
３７a.1,３７a.2 ハッチングした領域およびハッチングされていない領域
３７a'.1, ３７a.1'',３７b.2', ３７b.2'' 部分領域
３８ 走査板
４７ 基準マーク走査検出窓
４７a,４７b 透過性および非透過性の領域
４８ 走査板
５７ 基準マーク走査検出窓
５７a,５７b 透過性および非透過性の領域
５８ 走査板
６２a 〜６２d 光電検出素子
６３，６３',６３'' 光電検出素子
ｘ 測定方向
ｙ 測定方向に垂直な方向
ＴＰ 増分目盛の目盛周期
Ｄ 透過性領域の幅

Claims (13)

1. 目盛板と、この目盛板に対して相対移動する走査ユニットとの特定な基準位置で、周期的な増分信号の外に、少なくとも一つの基準パルス信号も出力し、目盛板上の基準マークを走査するために、少なくとも一つの基準マーク走査検出窓を備えた走査板を有する位置測定装置用の走査ユニットにおいて、
   基準マーク（８）を走査するのに適した位置に配置された振幅構造又は位相構造を有する基準マーク走査検出窓（１７；２７；３７；４７；５７）の構成形態によって、基準マーク（８）を組み込んだ増分目盛（７）を走査した場合に、基準パルス信号に対する周期的な増分信号成分に関して逆相に変調された信号成分が生じて、それにより増分信号の周期的な成分が平均化されて無くなり、基準パルス信号に対する周期的な増分信号成分が基準位置（０）の傍で消失するように、フィルター作用が生じることを特徴とする走査ユニット。
2. 基準マーク走査検出窓（１７）は測定方向（ｘ）に向けて隣接する透過性の領域（１７a ）と非過性の領域（１７b ）を有し、フィルター作用を得るため、透過性の領域（１７a ）は測定方向（ｘ）に向けて目盛板側で走査される増分目盛（７）の１目盛周期（ＴＰ）あるいはこの目盛周期（ＴＰ）の整数倍に相当する幅を有することを特徴とする請求項１に記載の走査ユニット。
3. 基準マーク走査検出窓（２７）は測定方向（ｘ）に向けて隣接する透過性の領域（２７a ）と非過性の領域（２７b ）を有し、これ等の領域（２７a,２７b ）は測定方向（ｘ）に垂直にそれぞれ多数の部分領域（２７a', ２７a'',２７b', ２７b'' ）に分割され、フィルター作用を得るため、隣の部分領域（２７a', ２７a'',２７b', ２７b'' ）から生じる信号成分が逆相の変調を受け、平均して消失するように測定方向（ｘ）に向けて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１に記載の走査ユニット。
4. 部分領域（２７a', ２７a'',２７b', ２７b'' ）は、それぞれ走査される増分目盛（７）の目盛周期（ＴＰ）の半分だけ互いにずらしてあることを特徴とする請求項３に記載の走査ユニット。
5. 基準マーク走査検出窓（４７）は測定方向（ｘ）に向けて隣接する透過性の領域（４７a ）と非過性の領域（４７b ）を有し、フィルター作用を得るため、これ等の領域（４７a,４７b ）はこれ等の領域（４７a,４７b ）の初めと終わりが領域の長さ（ｌ_y ）にわたり走査される増分目盛（７）の１目盛周期（ＴＰ）だけ測定方向の座標（ｘ）で異なるように、走査される増分目盛（７）に対して角度（α）にして配置されていることを特徴とする請求項１に記載の走査ユニット。
6. 基準マーク走査検出窓（５７）は測定方向（ｘ）に向けて隣接する透過性の領域（５７a ）と非過性の領域（５７b ）を有し、フィルター作用を得るため、これ等の領域（５７a,５７b ）は測定方向（ｘ）に対してＶ字状に配置され、二つのＶ字型の脚部は測定方向（ｘ）にそれぞれ走査される増分目盛（７）の１目盛周期（ＴＰ）だけ延びているように選択された増分目盛に対して一定角度（β）をなすことを特徴とする請求項１に記載の走査ユニット。
7. 基準マーク走査検出窓（３７）は測定方向（ｘ）に向けて隣接する透過性の領域（３７a ）と非過性の領域（３７b ）を有し、フィルター作用を得るため、透過性の領域（３７a ）は位相構造体を有することを特徴とする請求項１に記載の走査ユニット。
8. 基準マーク走査検出窓（３７）は測定方向（ｘ）に向けて隣接する透過性の領域（３７a ）と非過性の領域（３７b ）を有し、透過性の領域（３７a ）に集束性のある光学部材が配置され、これ等の光学部材の直線状の焦点は目盛板のところで走査される基準マークの面内にあり、フィルター作用を得るため、異なる部分領域（３７a.1', ３７a.1'',３７a.2', ３７a.2'' ）で集束するビーム束が検出器側で互いに逆相に変調され、平均すると消える信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の走査ユニット。
9. 透過性の領域（３７a ）の中には測定方向（ｘ）に向けて隣接する異なった屈折率の領域（３７a.1,３７a.2 ）が配置され、これ等の領域（３７a.1,３７a.2 ）は測定方向（ｘ）に向けてそれぞれ部分領域（３７a.1', ３７a.1'',３７a.2', ３７a.2'' ）に分割され、これ等の部分領域（３７a.1', ３７a.1'',３７a.2', ３７a.2'' ）は互いに測定方向（ｘ）に走査される増分目盛の目盛周期（ＴＰ）の半分だけずらして配設されていることを特徴とする請求項８に記載の走査ユニット。
10. 当該の集束性のある光学部材は回折光学部材として形成されていることを特徴とする請求項８に記載の走査ユニット。
11. 目盛板（２）の少なくとも一つの増分目盛（７）に基準マーク（８）が配置されていて、目盛板（２）とこの目盛板に対して相対運動する走査ユニット（１）との特定の相対位置で、増分信号の外に、少なくとも一つの基準パルス信号も出力する光学位置測定装置において、請求項１〜１０の何れか１項の走査ユニット（１）を備えていることを特徴とする光学位置測定装置。
12. 増分目盛（７）の中に組み込まれた基準マーク（８）は反射性／透過性の領域（６a ）および非反射性／不透明な領域（６b ）を有し、基準マーク（８）の反射性／透過性の領域（６a ）の幅は、それぞれ増分目盛（７）の反射性／透過性の領域の幅と同一であり、増分目盛（７）の１目盛周期（ＴＰ）あるいはこの目盛周期の整数倍に等しい隣の反射性／透過性の領域との間隔を有することを特徴とする請求項１１に記載の光学位置測定装置。
13. 目盛板（２）は垂直入射で走査するために形成されていて、この目盛板の目盛構造体は隣接配置された反射性の領域（６a ）および非反射性の領域（６b ）を有することを特徴とする請求項１２に記載の光学位置測定装置。

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