JP4923056B2 - 光学参照マーカ付き光学エンコーダのスケールアッセンブリ - Google Patents
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Description
本発明は、光学参照マーカ付き光学エンコーダのスケールアッセンブリに関する。
インクリメンタル光学位置エンコーダなどの光学位置エンコーダの分野では、マーカを微細位置情報の取得に使用される光学スケールに装備されているものとして知られている。マーカには、全ての位置測定と表示の参照位置となるエンコーダの「ホーム」またはインデックス位置を規定するインデックスマーカなどが含まれる。いわゆる「リミット」マーカも、エンコーダがその移動限界に達した際の表示を行うために特にリニア位置エンコーダで使用されている。そのほかのタイプのマーカも採用されている。
また、マーカを光学スケールに組み込むための代替手法がある。通常の方法では、マーカは単純にスケール自体の特殊機能であり、一般的なスケール機能（一定間隔ラインなど）が形成されるのと同じ方法で同時に形成される。マーカは、スケールマークとは別の独立エレメントセット、または、比較的長いまたは短いマークや基本マーク構成に修正を加えたものなど、特殊形成されたスケールマークである場合がある。これらのケースでは全てマーカはスケール自体の構成部分であり、したがって、このように製造されたスケールには所定のアレンジメントまたはマークがある。これによって、かかるスケールに一定の「カスタマイズ性」が与えられている（これらは一定の指定マーカアレンジメントを活用する特定のアプリケーションを念頭に設計されている）。スケールベンダーが多様なアプリケーションを有する多くの顧客に製品を販売する場合は、ベンダーがそれに対応する多様なタイプのスケールを製造し在庫確保しておくことが必要であり、これによってエンジニアリング、製造、顧客サポートのコストが増加することがある。
また、所定の位置のスケールとして同時に形成された複数のマーカでスケールが製造され、顧客/ユーザーがどのマーカがそのアプリケーションに適合するかを選択して必要のないものを削除するものが知られている。使用されないマーカは、物理的にカバーされるか取り外される。顧客のマーカ一位置選択はスケール製造業者によって所定の位置に限定されており、この方法は完全にカスタマイズ可能なものではない。
また、独立した製造時にマーキングされていないマーカをスケールに組み込むことでスケールアッセンブリを作製することも知られている（すなわち、規則的に一定間隔で配置されたスケールマークから離れて配置されたマーカを持たない）。たとえば、あるアレンジメントでは、磁気エレメントがリニア光学エンコーダのリニアスケールの辺部に直接隣接した場所に設置される。エレメントは、通常光学スケールマークを読み取る光学検出器と一体で設置されている磁気検出器によって検出することができる。完全に光学スケールから分離されたマーカを使ったそのほかのアプローチも知られている。
スケール自体の設計および製造に組み込むのではなくカスタマイゼーションとして光学スケールにマーカを追加することにはいくつかの利点がある。非カスタマイズ性によって多様なアプリケーションでの使用が可能になっているため、スケールはより大きいボリュームで製造することができる。カスタマイゼーションは、アプリケーションの指示に従ってマーカを追加する独立したステップとして行われる。利点としては、コスト削減、光学エンコーダ技術のアプリケーションにおけるフレキシビリティの向上などがある。ただし、別個のマーカを追加するための既知の手法には重大な欠点があることがある。たとえば、上述の独立磁気エレメント活用手法には、異なる検知技術（光学と磁気）を組み込む必要があるため、通常、より複雑なエンコーダ設計が必要となる。また、磁気位置の検知は、通常、光学位置検知よりも精度がかなり低いので、磁気マーカの使用は全体的な磁気エンコーダの性能を犠牲にしてしまうことがある。
本発明に基づいて、光学マーカは光学エンコーダへのカスタマイゼーションとして追加することができることが、光学マーカおよびカスタマイズスケールアッセンブリの製造手法とともに示されている。マーカには、プラスチックなどフレキシブル基板素材を含むことができ、これによって比較的低いコストと容易なアプリケーションが可能となる。マーカは、細長い金属テープなどのフレキシブルスケール基板との併用など多様なアプリケーションで使用することができる。
開示されている光学エンコーダのスケールアッセンブリ作製方法には、エンコーダ内の光源と連動して作用して光学エンコーダの検出器回路によって検知する光学強度分布を生成する、光学スケールマークのパターンがある事前製造光学スケール基板を取得するステップが含まれている。スケールマークのパターンは、そのほかのタイプのパターンも使用可能であるが、スケール基板などで均等に配置され横方向に拡張するリニアマークのセットとなる。また、事前製造光学マーカが取得され、これに、エンコーダ光源と連動して検出器回路によって検知される光学強度分布を生成するよう作用し、その上でマーカパターンが形成される基板がついている。マーカ基板はポリエステルやポリカーボネートなどのフレキシブル素材になる。ガラスや反射金属などの剛体素材を代替としてマーカ基板に使用することもできる。フレキシブル光学マーカは、非平面の表面に適合する性質があることから、低いコスト、アプリケーションの容易さ、幅広い潜在的使用法において剛体マーカよりも利点がある。
事前製造光学マーカは、エンコーダのアプリケーションによって所定の位置において事前製造光学スケールに適用される。マーカは、結果として生じる光学強度分布が所定のスケールと検出器の間の相対位置のインジケータとしてエンコーダの検出器回路によって検出されるように配置される。このようなマーカおよび位置の例には、リニアスケールの左右の移動リミットに配置されるリミットマーカ、リニアスケールのセンターなどといったエンコーダの全移動幅指示の参照ポイントとして所定の位置に配置されるインデックスマーカがある。
この発明に関する上述およびその他のオブジェクト、機能、利点は、この発明の具体的な実施に関する以下の説明によって明らかにされる。これは添付の図面に記されており、図面では参照文字が異なるビューの同じ部分を指している。この図面は必ずしも縮尺どおりではなく、発明の本質を示すことに力点が置かれたものである。
図1には、スケールアッセンブリ10とソース/検出器アッセンブリ13からなるリニア光学位置エンコーダが示されている。リニア光学エンコーダは、相対リニア移動を行う2つのアイテムの間の正確な相対位置が必要なアプリケーションで使用される。スケールアッセンブリ10がアイテムの一つに、ソース/検出器アッセンブリ13がそのほかに取り付けまたは固定される。例としては、スケールアッセンブリ10は、製造または組立工程でツールなどのオブジェクトがこれに沿って移動する比較的定常のフレームに取付けることができる。ソース/検出器アッセンブリ13は、ツールまたはその他のオブジェクトに取付けられる。技術的に広く知られているように、スケールアッセンブリ10には比較的精細に配置され横に拡張しているマーク（例：スケールアッセンブリ10の長辺の一つに対して直角）の列などのスケールパターンを含んでいる。動作中では、スケールパターンはソース/検出器アッセンブリ13のレーザーダイオードなどの光源からの光に照射される。スケールアッセンブリ10が光源と検出器に対して縦に動くと、検出器上の光入射パターンが変化する。検出器回路が変化するパターンに反応してスケールアッセンブリ10とソース/検出器アッセンブリ13の間の相対移動の指示を送る。また、図1に示しているマーカは11である（以下により詳細に説明する）。
図2には、ソース/検出器アッセンブリ13の側面略図を示している。示されている実施例では、15-1と15-2の2つの独立したソース/検出器回路のセットが含まれており、これらにはそれぞれ対応する光源17（17-1、17-2）と検出器19（19-1、19-2。総称して「検出器回路」とも）が含まれている。各セット15では、対応するソース17がスケールアッセンブリ10の対応するパーツを照射し、反射光パターンが同じセット15の検出器19によって検出される。示されている実施例では、ひとつのセット15（15-2）がスケールアッセンブリ10のスケールパターンと連動して作動し、インクリメンタル相対移動を高い精度で検出する。以下に詳細が記載されているように、その他のセット15（15-1）が、移動リミットを示し絶対位置指示の参照またはインデックスを確立するために使用される参照マーカを検出する。
図3には、スケールアッセンブリ10のセグメント図を示している。左端部分の10-1、センター部分の10-2、右端部分の10-3が示されている。示されている実施例では、スケールアッセンブリ10は、Inconel（商標）やInvar（商標）といった商標で知られているニッケル合金素材の強力なフレキシブル材料の基板を有している。スケールアッセンブリ10は、その全長にわたって形成されている回折格子などのスケールパターン12を有している。
また、スケールアッセンブリ10は、左リミットマーカ14、インデックスマーカ16、右リミットマーカ18を含む3つの参照マーカを含む。左右のリミットマーカ14、18はそれぞれスケール基板の背景反射性とは異なる反射性のエリアを有している。示されている実施例では、リミットマーカ14と18は反射光錐に入射光ビームを拡散反射させることによって作用している。検出器の特定の光学能は、以下に詳細を記載しているように対応する特定の錐角度を選択することによって達成される。インデックスマーカ16には、２値パターンとして形成されたインデックスパターン20があり、これが円柱レンズとして機能して入射光ビームを対応するインデックス光学検出器で線強度パターンに焦点が合う。線強度パターンがインデックス光学検出器上に入射される相対位置は、インクリメンタル光学エンコーダの「インデックス位置」と表示される。その他全ての相対位置は、インデックス位置から付加的に測定される移動幅として認識される。
この記述の中の「スケール」という言葉は、マーカ14、16、18の固定の前にその上で形成されるスケールパターン12のある下層基板を指す場合がある。フレキシブルスケール基板の場合は、「テープ」または「テープスケール」という言葉が代わりに使われる。図3に示しているようにマーカが付けられる場合に「スケールアッセンブリ」という言葉が使われる。
図4には、「再結合」22と呼ばれるもののセクションを示している。これは複数層からなり、図3のマーカ14、16、18個別のワークピースが分離または「単一化」されるもととなる細長いシートである。再結合22の層構造は以下に示している。再結合22は、通常ウェブ工程でロールに製造される。再結合22には、スケールアッセンブリ10の組立に活用される多様なエレメントのリピートセット24がある。ロールは、ロット方式でスケール10の組立工程に活用することができる。または、1つ以上のセット24を有するセクションは、ロールから分離して顧客が1つ以上のカスタムのオプションエンコーダスケールを組み立てるためのキットの部品として顧客に提供することができる。顧客は、各セット24のアイテムを使って、マーカ14、16、18を以下に詳細が記載されている通りに顧客のスケールに付けることができる。
特に、各セット24には左リミットマーカワークピース26、インデックスマーカワークピース28、右リミットマーカワークピース30が含まれている。ワークピース26、28、30は再結合22のさまざまなエリア、特に以下のようなさまざまな微細構造パターンに対応している。これらは、ウェブ工程の一環として、型抜きによって再結合22の周辺エリアから物理的に分離される。一定間隔の登録基準32のセットが、正確な切削のための再結合によって型抜き装置の調整を助ける働きをする。
図5には、図4のワークピース26、28、30の形状および構造を示している。各ワークピースには、マーカ部分48およびハンドル部分50が含まれている。マーカ部分48は最終的に対応するマーカ14、16、18になる。マーカ部分48とハンドル部分50は、せん孔エリアまたは以下に示すように組立時にハンドル部分50の分離を助ける1つ以上のブレークアウェイタブ52で分離される。
図6は、再結合22の層構造を示している。これには、ポリエステルまたはポリカーボネートなどの光学透明プラスチック材料の基板34が含まれる。この表面（底部）は光学表面レリーフのパターンまたは「微細構造」パターン36がついている。反射金属コーティング38は基板34のパターン表面に被着し、感圧接着剤40が金属コーティング38上に配置されている。接着層40をカバーする取外可能な裏張りは示されておらず、これはスケールに付けられる前の個別マーカから取り外される。基板34のもう一方の表面（上部）は保護フィルム42で、再結合22の製造およびスケールアッセンブリ10の組立時に汚れから保護する。保護フィルム42には、適切な組立ステップで取り外しをするため、組立者が簡単にその存在を識別できるようにある程度の不透明性、色、その他の特性がある。再結合22の通常厚みは、およそ0.40 mmである。
示されている実施例では、パターン36および金属被膜38はポリエステル基板素材が動作中に保護層として働くように基板34の底部に向けられる。この手法では、パターン36および金属被膜38の反射率の両方がより頑丈で損傷しにくいものである必要がある。代替の実施例では、パターン36および金属被膜を基板34の上部表面上にすることが有益である。
微細構造パターン36には、ウェブ工程で基板34が上を通過する円柱ローラ上に配置された鋳型に対するＵＶフォトポリマー成型またはエンボス加工によって形成された異なるワークピース26、28、30に対応する個別パターンエリアが含まれる。その他の拡散表面も使用することはできるが、左右リミットマーカ14と18のためのパターンエリアが、上に記載の筒状光反射パターンを備えるいわゆる「調整マイクロディフューザ（TMD（商標））パターンである。左リミットマーカ14には検出器における目的とする50%光学能を得るためにおよそ8度の錐角度があり、右リミットマーカ18には検出器における目的とする10%光学能を得るためにおよそ80度の錐角度がある。これらのパターンが対応するリミットマーカ14および18の底部表面全体を包む。インデックスマーカ16のパターンエリアには、以下に詳細を記載しているインデックスパターンがある。対応するパターン反射金属表面を作製するために微細構造パターン36に金属被膜が施されることが理解できるであろう。またこのパターンは、スケールの光源とは反対側に配置される検出器を持つ透過光学エンコーダシステムでの使用のために非金属被膜として残すこともできる。
図7には、インデックスパターン20を持つインデックスマーカ16を示している。示されている実施例では、インデックスマーカ16にはスケールアッセンブリ10の縦方向に細長くなっている長方形がある。インデックスパターン20はインデックスマーカ16のセンターエリア44のみを占める（外側エリア46は単に平面ミラーとして入射光を反射するものであり、したがってエンコーダの動作に使用されるコンポーネントではない）。ただし、外側エリア46は組立時に以下に記載されているように機能する。ある実施例では、インデックスマーカ16の通常サイズは20.0 mm掛ける2.0 mmである。
図8は、リミットマーカ14、18の模式図である。示されている実施例では、インデックスマーカ16と同じサイズと形状になっている。ドットのパターンは、これらマーカ14、18の調整マイクロディフューザパターン36を示している。
インデックスマーカ16とリミットマーカ14、18の長辺は、記載のように「参照エッジ」と呼ばれる。スケールへのマーカ14、16、18取り付け工程中、参照エッジはスケールの対応する辺に合うようにアッセンブリの対応する辺に対して配置される。この工程は、以下に記載している。
図9には、特にインデックスマーカ16のための微細構造パターン36の詳細な輪郭を示している。このパターンは、長方形断面のある溝またはくぼみ54のセットで構成されており、中心くぼみ54-1が最も大きな幅があり、外側くぼみ54-2〜4の順番で順に狭くなっている。指定寸法（深さ、幅、間隔）は、その他の光学エンコーダのパラメータ（スケールとソース/検出器の間隔、光源から発せれた光の波長、マーカ基板の反射インデックスなど）と関連して選択され、前述の円筒フレネルゾーンレンズの望ましい作用を起こす。特定の寸法セットへの到達手法は、技術的に広く知られている。
図10には、スケールアッセンブリ10の生産工程を示している。ステップ56では、事前製造光学スケール基板が取得され、これにはエンコーダの光源と連動して作用する光学スケールマークのパターンがあり、光学エンコーダの検出器回路によって検知される光学強度分布を生成する。上述のように、スケールマークのパターンは、そのほかのタイプのパターンも通常は使用されるが、スケール基板で均等に配置され横方向に拡張するリニアマークのセットとなる。
ステップ58では、事前製造光学マーカが取得され、これは、エンコーダ光源と連動して検出器回路によって検知される光学強度分布を生成するよう作用するマーカパターンがその上に形成される基板を有している。図2に関連して上に記載されているように、検出器回路には、通常、スケール光学強度分布とマーカ光学強度分布のための独立した光学検出器（19-1と19-2など）が含まれている。独立した光源（17-1と17-2など）も採用されている。マーカ基板は、上述のマーカ14、16、18用ポリエステル基板34などのフレキシブル素材となる。ガラスや反射金属などの剛体素材も、代替実施例としてマーカ基板に使用することができる。フレキシブル光学マーカは、低いコスト、アプリケーションの容易さ、幅広い潜在的使用法において剛体マーカよりもいくつかの利点がある。フレキシブルマーカは、非平面スケールにも適合する。特に、フレキシブルマーカは上述のテープスケールなどのフレキシブルスケールに有用である。アプリケーションが、スケールが適用される基礎をなすアイテムの非平面に対応するためにフレキシブルスケールを要求する場合、かかるアプリケーションはフレキシブルマーカの恩恵も受けることができる。例としては、リニアエンコーダは、オブジェクトの周りにフレキシブルリニアスケールを巻き、ソース/検出器アッセンブリをスケールの反対に接線速度を検出する方向に配置することで、筒状オブジェクトの回転測定に使用することができる。このようなエンコーダでは、筒状テープスケールに適合するフレキシブルインデックスマーカを使用することが有用である。
再び図10を参照すると、ステップ60では、事前製造光学マーカは、エンコーダのアプリケーションによって所定の位置において事前製造光学スケールに適用される。マーカは、これが所定のスケールと検出器の間の相対位置のインジケータとしてエンコーダの検出器回路によって検出されるように配置される。位置は上に記載されている。たとえば、リリニアスケールの左右の移動リミットに配置されるリミットマーカ14と18、リニアスケールのセンターなどといったエンコーダの全移動幅指示の参照ポイントとして規定された位置に配置されるインデックスマーカ16がある。
図11〜13は、上述の指定マーカ14、16、18およびワークピース26、28、30と関連する図10の工程を示している。図11では、事前製造スケール61は、その参照エッジが、ワークベンチ64と呼ばれる剛体L型ツールの垂直平面62に接するように配置されている。露出した接着面40のあるワークピース26、28、30は、その参照エッジが表面62に当たってスケール61の参照エッジに寄りかかるようになる角度で配置される。図12に示されているように、その後ワークピース26、28、30が、マーカ部分48がスケール61上に平らに置かれるように下方に回転し、ハンドル部分50は若干上方に保持される。ここでは、圧力がマーカ部分48に対してこれを所定の位置に保つよう加えられ、ハンドル部分50はせん孔52に沿って（上方に）離される。この結果は、図13に示しており、マーカ部分48はこれで、スケール61の参照エッジに対してその参照エッジが位置合わせされた状態で、希望の位置でスケール61に付着する。
インデックスマーカ16の外側エリア46の使用について上述している。ツールまたは組立者の指で外側エリア46を押し、インデックスパターン20がある中心エリア44に触れることなく固定圧力を掛けることができ、これによって汚れやインデックスパターン20の機械的変形のリスクが低減される。
上述の説明はリニアスケールに特定したものであるが、現在開示されている手法を回転スケールおよび回転エンコーダに同様に使用できることが理解されるであろう。上述のように、スケール基板はフレキシブルまたは剛体となる。
マーカのサイズとスケール上のその位置の公差によって、これを手で設置するか、より優れた制御性および/または精度のためにツールを使用することが好ましいかが分かれる。ピンセットのような機械を掴むことのできるツールが望ましい。ある種のツール上の参照機能を組み込んでマーカ設置の精度を高めることが望ましい。
またマーカ上に、例えば特にインデックスマーカなどのマーカの調整度を確かめるために使用される追加マークまたはパターンを組み込むことが望ましい。調整情報は、組立工程の質をたどるため、および場合によっては、既知の量の調整ミスを補正するためのオペレーティングシステムの修正を行うために使用することができる。
上記の説明では微細構造パターン層36は、ロール工程のＵＶフォトポリマー成型またはエンボス加工で形成されるが、代替の実施例では、これらのパターンは鋳型、エッチング、レーザー加工、フォトリソグラフィー加工などの代替方法を用いてマーカ基板上で形成される。位相と振幅機能の両方または片方を活用することができる。マーカは、異なる反射または伝達特性を有する偏光フィルムから形成することもできる。接着層および/または保護フィルムの使用は任意であり、マーカをスケールに付けるために別の接着剤が必要になることは明らかであるが、代替の実施例では省くことができる。また、接着層を使用する場合、感圧接着、エポキシ、ＵＶ硬化接着剤などを含むいくつかのタイプとなる。
Claims (12)
- 所定位置のスケールに貼付するために寸法取りおよび構成されたフレキシブル平面基板と、
前記平面基板上の光学反射しかつパターン反射金属コーティングを含むマーカパターンであって、光学位置エンコーダの光源と連動して作用し光学位置エンコーダの検出器回路によって検知される光学強度分布を生成するマーカパターンと、
を含む、光学位置エンコーダのスケールに貼付される貼り付け式マーカであって、
前記基板が光学的に透明であり、前記パターン反射金属コーティングが前記光学位置エンコーダの光源および検出器回路から離れた前記基板の表面上に配置される、貼り付け式マーカ。 - 請求項１の貼り付け式マーカであって、前記基板の前記表面に微細構造パターンがあり、前記パターン反射金属コーディングが反射マーカパターンを生成する対応パターン反射金属表面を作製するために前記基板の前記表面に配置されている、貼り付け式マーカ。
- 請求項２の貼り付け式マーカであって、前記マーカパターンが２値パターンを含む、貼り付け式マーカ。
- 請求項１の貼り付け式マーカであって、前記マーカパターンが回折光学素子を含む、貼り付け式マーカ。
- 請求項４の貼り付け式マーカであって、前記回折光学素子がゾーンレンズを含む、貼り付け式マーカ。
- 請求項１の貼り付け式マーカであって、前記マーカパターンは、拡散的に光源からの光を反射するように作用し、スケールの所定位置が検出回路によって検出されたことを示す検出器の光学強度分布が所定の光出力を有する、貼り付け式マーカ。
- 請求項１の貼り付け式マーカであって、中央エリアと外側エリアを有し、前記中央エリアは、前記検出回路によって検知される光学強度分布を生成するため光学的に活性であり、前記外側エリアは、光学的に非活性であり、前記貼り付け式マーカを前記スケールに貼付する最中に設置用ツールと前記貼り付け式マーカの中央エリアとの分離を維持しながら前記設置用ツールと連動するように寸法取りされている、貼り付け式マーカ。
- スケールと、
前記貼り付け式マーカのマーカパターンが前記光学位置エンコーダの光源と連動して作用し前記光学位置エンコーダの検出器回路によって検知される光学強度分布を生成する前記スケールの所定位置に貼付される請求項１の貼り付け式マーカと、
を含む、光学位置エンコーダのスケールアッセンブリ。 - 光源と、
検出器回路と、
請求項８のスケールアッセンブリと、
を含む、光学位置エンコーダ。 - 光学位置エンコーダの光源と連動して作用し前記光学位置エンコーダの検出回路によって検知される光学強度分布を生成する、スケールマークのパターンを有する事前製造光学スケール基板を取得することと、
光学反射しかつパターン反射金属コーティングを含むマーカパターンが形成され、光源と連動して作用し検出器回路によって検知される光学強度分布を生成するフレキシブルマーカ基板のある事前製造光学マーカを取得することであって、前記フレキシブルマーカ基板は光学的に透明であり、前記マーカパターンは前記フレキシブルマーカ基板の背面上に形成されることと、
光学位置エンコーダの動作中に前記マーカパターンが前記検出器によって検出可能になり光学スケールと検出器との間の所定の相対位置のインジケータとなるよう、前記事前製造光学マーカを所定位置で前記事前製造光学スケール基板に貼付することであって、前記事前製造光学マーカは、前記フレキシブルマーカ基板の前記背面が前記光学位置エンコーダの光源および検出器回路から離れて指向されるように貼付されることと、
を含む、光学位置エンコーダのスケールアッセンブリ作製方法。 - 請求項１０の方法であって、前記フレキシブルマーカ基板は、前記フレキシブルマーカ基板に取付けられたハンドル部分を含むコンパウンド基板の一部を含み、前記事前製造光学マーカを前記事前製造光学スケール基板に貼付することが、前記ハンドル部分を用いて前記フレキシブルマーカ基板を前記事前製造光学スケール基板上に配置し、その後に前記ハンドル部分を取り外すことを含む、方法。
- 請求項１０の方法であって、前記事前製造光学マーカは、中央エリアと外側エリアを有し、前記検出回路によって検知される光学強度分布を生成するため光学的に活性であり、前記外側エリアは、光学的に非活性であり前記設置用ツールと連動するように寸法取りされており、前記事前製造光学マーカを事前製造光学スケール基板に貼付することが、前記設置用ツールと前記事前製造光学マーカの前記中央エリアとの間の分離を維持しながら、前記事前製造光学マーカの前記外側エリアと連動した前記設置用ツールを使用することを含む、方法。
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