JP4942314B2 - エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載のエンコーダに関する。

（回転移動によって）測定方向に沿って相対移動する２つの物体の相対位置を測定するこのようなエンコーダ（測角装置）は、例えば測定テープの形態のリング状の測定本体上に形成された周期的な測定目盛を有する；電磁ビームによって（特に光によって）測定目盛を光学的に走査する走査ユニット。この電磁ビームは、走査ユニットの照射装置（光源）内で生成される。この場合、測定本体及び操作ユニットは、測定方向に沿って互いに相対移動可能である；軸線に沿って延在し走査格子によって形成された走査目盛を有する走査ユニットの走査板。この走査目盛は、測定目盛を走査するために使用される電磁ビームを走査するビーム経路内に配置されている。その結果、この電磁ビームは、走査目盛と測定目盛とによって相互作用する；及び走査ユニットの検出器。強度分布の位置に依存する位相の変化から走査装置に対する測定目盛の相対移動を検出できるように、この検出器の検出器面は、走査目盛と測定目盛との相互作用後に電磁ビームの回折パターンとして存在する強度分布を検出するために使用される。

エンコーダによって相対移動を測定しなければならない両物体の一方の物体が測定目盛を有し、他方の物体が走査ユニットを有することによって、この測定目盛に対する走査装置の相対移動の検出からこれらの両物体の相対移動を直接推測することができる。上述したエンコーダに基づく測定原理は、例えばヨーロッパ特許出願公開第１０８１４５７号明細書、ヨーロッパ特許出願公開第１０２８３０９号明細書及びヨーロッパ特許出願公開第０７５４９３３号明細書から公知である。すなわちヨーロッパ特許出願公開第１０２８３０９号明細書では、測定方向に沿って互いに相対移動する２つの物体の相対位置を測定する光学式エンコーダが記されている。この光学式エンコーダは、両物体の一方の物体に接合されている少なくとも１つの周期的な測定目盛及び他方の物体に接合されていてかつこの測定目盛に対して相対的に測定方向に沿って移動可能な走査ユニットを有する。この走査ユニットは、１つの光源、少なくとも１つの走査目盛及び検出器面内の１つの検出装置を有する。この検出器面は、測定方向に沿って相前後して配置されたビームを感知する複数の検出器要素から構成される。

測定目盛の支持体として使用される測定テープが、特に測定テープをドラムの形態のシリンダ状の本体上に取り付けることによって上述した種類のエンコーダでリング状に配置される場合、エンコーダは角度の測定に使用され得る。この代わりに、適切な測定目盛をドラム自体の上に直接取り付けてもよい。その結果、測定目盛を有するドラム面が、リング状に包囲する測定本体を直接形成する。

以下では、用語「測定テープ」を使用する場合、明らかに有限な厚さの測定テープを明らかに考慮しない限りにおいて、測定テープの厚さがほぼ零である特別な場合も含まれる：この特別な場合は、測定目盛が（ドラムの形態の）（シリンダ状の）本体上に直接取り付けられている状態に相当する。

このような配置の場合、リング状に包囲する測定本体上に設けられている周期的な測定目盛の、走査板の平面上に投影された局所の目盛周期が、ドラムの頂点から外側に向かって離れるにつれて弱まるという問題がある。これに起因して、測定目盛及び走査目盛のリニア式の周期的な配置の場合に存在する最適な位置に対する一方では走査目盛と他方では測定目盛との目盛線の外側に向かって増大する相互のずれが発生する。周期的な測定目盛のリング状の配置に起因するこの説明したずれは、検出器で生成される走査信号の変調の程度（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｇｒａｄ）を悪化させる。
ヨーロッパ特許出願公開第１０８１４５７号明細書 ヨーロッパ特許出願公開第１０２８３０９号明細書 ヨーロッパ特許出願公開第０７５４９３３号明細書

本発明の課題は、リング状の測定本体と走査板と評価すべき走査信号を良好な特性に保持しつつ２次元のビーム感知面を備えた付随する検出器との組合せを簡単な構造で可能にする冒頭で述べた種類のエンコーダを提供することにある。

この課題は、本発明により、請求項１に記載の、リング状に包囲する測定本体上に設けられている測定目盛を備え、電磁ビームによって前記測定目盛を光学的に走査する走査ユニットを備え、軸線に沿って延在し走査格子によって構成された走査目盛を有する、前記走査ユニットの走査板を備え、この走査目盛は、前記測定目盛の走査に使用される電磁ビームのビーム経路内に配置されている結果、前記電磁ビームは、前記走査目盛と前記測定目盛とに相互作用し、前記走査ユニットの検出器を備え、前記走査ユニットに対する前記測定本体の移動を測定するため、前記検出器の検出器面が、前記走査目盛と前記測定目盛との相互作用に応じてストリップパターンとして発生する前記電磁ビームの強度分布を検出するために使用されるエンコーダにおいて、前記検出面３１で発生する前記ストリップパターンの周期が一定であるように、前記走査目盛２５の格子定数ｄ _Ａ が、この走査目盛２５の延在軸線Ａに沿って変化していることによって解決される。

したがって、経路が一定であって、これらの経路上では、検出器面で発生する強度分布、すなわち干渉によって発生したストリップパターンの位相が、（フォト検出器の検出器要素が相前後して配置されていて、同時に特に走査目盛の延在軸線に対して平行にも配置されている測定方向に沿って）２πだけ（線形に）変化するように、走査目盛の格子定数、すなわち走査目盛の局所の周期が、この走査目盛の延在方向に沿って変化する。

換言すれば、フォト検出器の検出器面によって規定された検出面内の位相（ｋ位相）が、−この面のどの位置で位相の変化が観察されるのかに関係なく−常に所定の長さ内で又は経路（特に上述したバーニア周期）に沿って線形に２πだけ増大する。

本発明で提唱されている走査目盛の構造には、リング状に配置された測定本体の任意の直径に対して、検出器面の平面内に発生した電磁ビームの強度分布又は測定方向に沿った広がりに対するストリップパターン（バーニア周期）の周期が常に同じ一定の値を有するように、走査目盛の局所の目盛周期（格子定数）が測定方向に沿って、すなわち走査目盛の延在軸線に沿って決定されるので、変調の大きさ及び走査信号の大きさが最適に設定されるという重要な利点がある。そのため、リング状に包囲する測定本体の任意の直径に対して、すなわち特にドラムの任意の直径に対して、測定目盛と走査目盛との相互作用後の電磁ビームを検出する同じに構成された検出器を常に使用することが可能である。

走査目盛の本発明の構成の別の重要な利点は、走査信号中に汚れの結果として位相のずれではなくて異なる振幅だけが発生するので、測定目盛が汚れたときでも測定精度が高い点にある。

上述した周期的なバーニアストリップパターンが検出器面で発生するこのようなエンコーダの例に基づいて説明した本発明は、特にストリップパターンの周期が無限に向かう場合でも使用することができる。この場合、一定の位相の均一な明暗変調が、走査領域上に発生する。

測定目盛と走査目盛とが測定方向に沿って互いに平行に延在するリニア式エンコーダの場合、このリニア式エンコーダは、走査目盛及び測定目盛が異なる目盛周期を有する配置に相当する。その一方で特別な場合は、一方では測定目盛と他方では走査目盛との同一な目盛周期の線形な場合における一定の位相の均一な明暗変調に相当する。

本発明にしたがって提唱された走査目盛の格子定数又は局所の周期の実施の形態は、走査格子の格子定数が基準点から出発して少なくとも１つの空間方向内で走査目盛の延在軸線に沿って規定されて変化している、特に（連続して）減少していることによって構造的に特に実現され得る。そのため、走査目盛の延在軸線に沿って走査板上に投影された測定目盛の冒頭で述べた減少が考慮される。

この場合、上述した基準点から出発して走査目盛の延在軸線に沿ってそれぞれ互いに反対に延在する２つの方向につまり好ましくは対称に減少しているような配置が好ましい。すなわち、この減少は、−基準点から出発して−双方の互いに反対の空間方向に沿って同一である。

この場合、走査目盛の位置に依存する格子定数は、走査目盛の位置に依存する格子位相から算定され得る。この走査目盛は、走査板上に投影された測定目盛の位置に依存する格子位相と走査ユニットの検出器面に発生する強度分布のプリセット可能な周期的な位相とから得られる。

次いで、走査目盛の位置分析された周波数分布が、走査目盛の位置に依存する格子位相から算定することができる、つまり位置に応じて位置に依存する格子位相を導出し２πで除算することによって算定することができる。この位置に依存する周波数分布は、走査目盛の局所の格子定数又は局所の目盛周期の逆数を構成する。その結果、この局所の格子定数又は局所の目盛周期は、逆数を作ることによって周波数分布から直接算定することができる。

走査ユニットの検出器の検出器面は、好ましくは（走査目盛を延在軸線に沿って）複数の検出器領域を周期的に配列することによって形成される。この配置の周期は、ストリップパターンの周期に同調されている。このストリップパターンの走査に対しては、ビーム感知面に対する電磁ビームの最大強度を実現するための適切な検出器が構成され設けられている。周期的に構成された検出器の場合、このことは、特に検出器のビーム感知面が整数倍までストリップパターンの周期に一致する周期を有する。

この場合、この検出器の周期の下では、個々の検出器領域又は検出器要素の幾何学的な配列の周期が必ずしも分からない。もはやこの場合、個々の検出器領域又は検出器領域の電気接続も考慮する必要がある。したがって、構造化された検出器の場合、一般に４つの検出器要素が、検出器のビーム感知面で観察されるストリップパターンの周期に一致する長さ上に配置されている。これらの検出器要素の各々が、１つの特定の位相値、特に位相 ０°，９０°，１８０°，２７０°の１つに割り当てられている。この場合、４つずつの検出器の複数のグループが、（走査目盛の延在軸線に沿って）相前後して配置される。この場合、同じ位相に割り当てられている検出器領域又は検出器要素がそれぞれ、個々の検出器グループから互いに接続される。このとき、このような構造化された検出器の周期が、複数の検出器領域、特に４つの検出器領域を有する１つずつの検出器グループの幅によって規定される。

リング状の測定本体上の測定目盛を走査する２次元の平坦なビーム感知面を有する検出器を使用する場合、この検出器は、測定目盛を有する測定本体の表面から特定の（半径）距離で接線方向に（すなわち、リング状に形成された測定本体の外周に対する接線に対して平行に）延在する。したがってこの構造化された検出器の場合、個々の検出器領域又は検出器要素は、リング状の測定本体の接線に対して平行な方向に沿って相前後して配列されている。

これに応じて、走査ユニットの走査板も、測定本体の外周に対する測定方向を示す接線に対して平行に配置されている。つまり好ましくは、走査板の走査目盛は、検出器の検出器面に対して平行に延在する。確かに検出器を走査板に対して測定方向に延在する軸線周りに傾斜させてもよいが、このときも走査板及び検出器要素の配置は、双方とも測定方向に延在する。

測定目盛からの最短距離を有する、すなわち走査目盛に面した測定目盛の頂点に直接対向する走査目盛の位置が、このときに基準点を形成する。走査目盛の格子定数が、この基準点から出発して走査目盛の延在軸線に対して平行に互いに２つの反対方向に（対称に）変化している。

注目すべきは、本発明は、測定目盛が測定テープの外面（外側のリング面）上に設けられている場合で使用できるだけではなくて、測定目盛が測定テープの内面（内側のリング面）上に形成されている場合でも使用できる。

走査板及び測定板は、説明した振幅格子によって形成され得る。明るい光領域と暗い光領域が−それぞれの格子の周期に応じて−周期的に連続するように、この走査板及びこの測定板は電磁ビーム（特に光）によって相互作用する。エンコーダが説明した反射方法で作動する場合、走査に使用される電磁ビーム（光）に対してより強く及びより弱く反射する目印（例えば、線）がそれぞれ、対応する格子内に設けられている。これに対して説明した光透過方法を使用する場合、周期的に相前後して配置された目印（線）は、走査に使用される電磁ビーム（光）に対して透過性である点で異なる。

さらに走査格子は、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０８１４５７号明細書の第図２ａ，２ｂから公知の特にいわゆるＭＡＰ格子（「Ｍｉｘｅｄ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ」−Ｇｉｔｔｅｒ）として構成され得る。振幅格子の格子位相のこの場合に実施すべき計算は、実施の形態に基づいてさらに以下で説明する。この代わりに、走査目盛を位相格子によって構成してもよい。振幅格子又は位相格子又は混合された振幅格子／位相格子（ＭＡＰ格子）を使用するかどうかは、測定系のその都度の設計に左右される。

測定テープを走査するため、本発明の範囲内では、好ましくはコリメートされた（平行にされた）光の形態の電磁ビームが使用される。

以下に、本発明のその他の特徴及び利点を実施の形態で図面に基づいて詳しく説明する。

図１Ａは、円弧に沿って配置された有限の厚さのリング状の測定テープ１及び走査ユニットを有する角度を測定するエンコーダを概略的に示す。走査ユニットは、図１Ａ中に示さなかった光源，走査板２及びフォト検出器の形態の検出器３を有する。

例えば、測定テープ１が、軸線Ｓの周りで回転可能なドラムＴの外周に固定されていて、走査ユニット２，３が、測定テープ１の外面（外側のリング面）の前に（かつこの外面から放射方向に間隔をあけて）固定配置されていることによって、測定テープ１及び走査ユニット２，３が互いに相対移動する。

半径Ｒの円弧１０に沿って配置されたリング状の測定テープ１が、線目盛の形態の周期的な測定目盛１５を有する外面１１及び内面１２（内側のリング面）を有する。この代わりに、周期的な測定目盛１５を軸線Ｓの周りに回転可能なドラムＴの外面上に直接設けてもよい。この場合、したがってドラムの外面が、リング面１１を形成する。測定目盛１５が、このリング面１１上に形成されている。

測定テープ１に割り当てられた走査ユニット２，３の走査板２は、走査テープの外面１１の前にかつこの外面から間隔をあけて、つまりこの走査板２が測定テープ１の外面１１に対する接線ｔに対して平行に延在するように配置されている。測定テープ１は、リング面に対して垂直に、すなわち図１Ａの紙面に対して垂直に特定の面積を有するので、この接線ｔは単純に直線ではなくて、むしろ接面である。

走査板２は、測定テープ１の外面１１に面したその表面２１に沿って走査目盛２５を有する。この場合、外面１１に面した走査板２の表面２１及びそこに形成された走査目盛２５はそれぞれ、測定テープ１の外側のリング面１１に対する接線ｔに対して平行な軸線Ａに沿って延在する。

測定テープ１から見ると、ビーム感知面３１（検出器面）を有する検出器３が、走査板２の下に配置されている。この場合、この検出器３は、いわゆる構造化されたフォト検出器である。この検出器のビーム感知面は、図１Ｂによれば相前後して配置された幅ｂの光電素子の形態の複数の検出器要素によって構成される。この場合、検出器要素が相前後して配置されている方向は、図１Ａの走査目盛２５の延在軸線Ａに一致する。すなわち、走査板２の走査目盛２５及び相前後して配置された検出器３の検出器要素が、互いに平行に、すなわち延在軸線Ａに対して平行に延在する。この延在軸線Ａは、同様に測定テープ１の外側のリング面１１に対する接線Ｔに対して平行に延在しかつ走査ユニット２，３の測定方向に一致する。

この場合、検出器３の検出器要素は４つずつ、１つの検出器グループを構成する。１つの検出器グループの４つの検出器要素はそれぞれ、４つの位相値０°，９０°，１８０°及び２７０°の１つの位相値に割り当てられている。検出器要素のこの配置の周期Ｐ_Ｄは、位相値０°，９０°，１８０°又は２７０°の個々の検出器要素の幅ｂの倍数に一致する。

図１Ｂ中には、個々の光電素子の電気端子３００が概略的にさらに示されている。これらの光電素子は、フォト検出器３のビーム感知面３１を構成する。この場合、同じ位相値０°又は９０°又は１８０°又は２７０°に割り当てられた、異なる検出器グループの光電素子がそれぞれ一緒に接続されている。その結果、これらの光電素子の出力信号が、評価のために１つの評価ユニットに共通に供給され得る。

図１Ｂ中では、位相０°又は９０°又は１８０°又は２７０°の４つずつの検出器要素（光電素子）から構成された３つの検出器グループが、フォト検出器３のビーム感知面３１によって示されている。この場合、フォト検出器３のビーム感知面３１の一部が示されている。このビーム感知面３１は、４つずつの光電素子から構成され相前後して周期的に配置された一般に１０〜１４個のこのような検出器グループを有する。

図１Ａ，１ｂ中に示されたエンコーダ（角度測定装置）の走査ユニット２，３は、円弧部分１０に沿って配置されたリング状の測定テープ１の外側のリング面１１上の測定目盛１５を光学式に走査するために使用される。さらに、測定目盛１５を有する測定テープ１の外側のリング面１１が、公知の方法でコリメートされた光の形態の電磁ビームによって照射される。この光は、例えばヨーロッパ特許出願公開第１０８１４５７号明細書から公知であるように適切な照射ユニット（光源）によって生成され適切なコンデンサレンズによってコリメートされる。測定テープ１の外側のリング面１１上の測定目盛１５を走査するために使用される光Ｌは、公知の方法で光Ｌのビーム経路内にある光透過性の走査板２の走査目盛２５と光が反射する測定テープ１の外側のリング面１１上の測定目盛１５とによって相互作用する。

走査目盛２５と測定目盛１５とによって変調された光ビームＬは、フォト検出器３のビーム感知面３１上でこの走査目盛２５の格子定数ｄ_Ａ及びこの測定目盛１５の格子定数ｄ_Ｍによって確定されている周期を呈するいわゆるバーニア回折パターン（Ｖｅｒｎｉｅｒ−Ｓｔｒｅｉｃｈｅｎｍｕｓｔｅｒ）を形成する。特に測定テープ１１の測定目盛１５のときのような位置に依存する格子定数の場合、格子定数ｄ_Ｍは、同時に対応する目盛の周期に一致する。

フォト検出器３のビーム感知面３１上に配置された光電素子は、評価ユニットに供給されるこの回折パターンに相当する電気信号を生成する。この評価ユニットは、フォト検出器３の電気出力信号を評価することによって測定テープ１と走査ユニット２，３との間の相対移動の大きさを算出する。

リニア式の測定スケール上に設けられている測定目盛に比べて、主に円軌道に沿った測定目盛１５のリング状の配置に起因して、コリメートされた光ビームＬの方向に沿って走査板２の面した表面２１上に投影された測定目盛１５の格子定数ｄ（ｘ）が変化するという問題がある。このことは、以下で座標軸線ｘに基づいて詳しく説明する。この座標軸線は、測定テープ１の外側のリング面１１の接線ｔに対して平行にかつ走査板２の走査目盛１５の延在軸線Ａに対して平行に延在する。

この場合、測定テープ１の外側のリング面１１及び測定目盛１５が、走査板２及び走査目盛２５の面した表面２１から（半径方向Ｒに）最短距離をなす点が、ｘ＝０で示される。座標ｘ＝０のこの点は、以下で測定テープ１上では頂点と呼ばれ、走査板２上では基準点と呼ばれる。

このとき、測定目盛１５が走査目盛２の面した表面２１上に投影される場合、この表面２１上に投影された測定目盛１５の格子定数ｄ（ｘ）が、走査板２の基準点（ｘ＝０）から出発して（走査目盛２５の延在軸線Ａに対して平行に）互いに反対方向ｘ，−ｘに（基準点から）外側に向かって常に小さくなることが、図１Ａに基づいて分かる。したがって、走査板２の面した表面２１上に投影された測定目盛１５の格子定数ｄ（ｘ）は、走査板２の基準点（ｘ＝０）から出発して外側に向かってすなわち反対方向ｘ，−ｘに沿ってその都度連続して減少している。

測定目盛１５のリング状の配置に関連する問題は、測定テープ１の外側のリング面１１への入射後にコリメートされた光ビームＬの反射によっても生じうる。

既に上述したように、コリメートされたビーム束の光ビームＬは、走査目盛２と相互作用する。これによって、干渉縞が、リング状に配置された測定目盛１５の湾曲面内に発生する。干渉縞又は強度パターンによって特徴付けられるこのビームは、測定目盛１５を走査する。この測定目盛１５は、等間隔の線（すなわち位置に依存しない格子定数ｄ_Ｍ）を有する振幅格子として形成されている。走査目盛２５がドラム目盛１５と連動することによって、バーニア回折パターンが、フォト検出器３のビーム感知面３１（検出器面）によって規定された検出器面内に発生する。このバーニア回折パターンは、光電素子として構成されたフォト検出器３の検出器要素によって検出されて割り当てられた評価ユニット内で評価される。この場合、具体的に言うと、座標ｘ_０の位置で走査目盛２を透過し引き続き測定目盛１５を有する測定テープ１の外側のリング面１１で反射する光ビームＬが、測定テープ１１の線形配置のときの位置に比べて値ｖ（ｘ_０）だけずれている位置ｘ_０＋ｖ（ｘ_０）のフォト検出器３のビーム感知面３１で信号を誘導する。位置に依存するそれぞれのずれｖ（ｘ）は、各位置ｘに対して説明したエンコーダの検出器要素の幾何学的配置から互いに算定することができる。

この場合、主に図１Ａに基づいて行った特性の説明は、上述した（測定テープ１の測定目盛１５が走査目盛２の面した表面２１上に投影される結果としての）投影の効果に関連している問題を明瞭に説明しているだけである。実際には、特性を具体的に観察する場合に両目盛１５，２５によって相互作用する光の波動特性を考慮する必要がある。このことは、後で説明する。

上述した投影の効果の結果、測定目盛１５の目盛線及び走査目盛２５の目盛線が等間隔の配置にある各場合において、一定周期の回折パターン（強度パターン）がフォト検出器３のビーム感知面に発生しない。このことは、フォト検出器３のビーム感知面３１が一般に同じ幅ｂ（図１Ｂ参照）の光電素子の周期的な配置によって構成される場合にフォト検出器３によって生成され評価ユニットに供給すべき走査信号の信号値に関する損失を招く。

この欠点を排除するため、位置に依存する走査目盛ｄ_Ａを有する走査目盛２５が、測定目盛１５に面した走査板２の表面２１上に設けられている。この場合、フォト検出器３のビーム感知面３１の平面内の測定目盛１５と走査目盛２５との連動が、一定周期のストリップパターン又は強度パターンを発生させるように、走査目盛２５の局所の位置に依存する格子定数ｄ_Ａ（ｘ）が算定される。すなわち、走査目盛２５の延在軸線Ａに沿って見た場合、２π（バーニア周期）だけのストリップパターンの位相（バーニア位相）の変化がそれぞれ、延在軸線Ａ又は図１Ａ中に記された座標系のｘ軸線に沿った１つ及び同じ経路に相当する。

以下で走査目盛の位置に依存する格子定数ｄ_Ａ（ｘ）を言う場合、この格子定数は、まず例示的に位相深さπ／２の振幅格子又は位相格子に関する。位相深さπのＭＡＰ格子又は位相格子が使用される場合：
ｄ_Ａ（ｘ）［ＭＡＰ格子］＝ｄ_Ａ（ｘ）［位相深さπの位相格子］＝２・ｄ_Ａ（ｘ）［振幅格子］
が成立する。

走査目盛２の格子定数ｄ_Ａ（ｘ）の位置に依存する算定の数式は、走査板２の面した表面２１上に投影された位置に依存する格子定数ｄ（ｘ）の位置依存性から出発する：

この場合、ｄ_Ｍは、測定テープの測定目盛１５の位置に依存する格子定数（一定な目盛周期）を示す。Ｒは、リング状の測定配置の半径、すなわち測定テープ１の外側のリング面１１とドラム及びこのドラム上に配置された測定テープ１の回転軸線Ｓとの間の距離を示す。Ｄは、測定テープ１の厚さを示す。

この数学的な導出は、二次近似に基づく。この二次近似は、多くの用途で十分である。十分でない場合は、正確に算定する必要がある、すなわち投影された格子定数と余弦関数にしたがう表面２１の局所の傾斜角度との依存性によって正確に算定する必要がある。

投影された測定目盛の位置に依存する格子位相に対して：

が得られる。

この格子位相は、測定目盛１５の位置に依存する投影された格子定数ｄ（ｘ）の逆数を積分して２・πを乗算することによって算定される。

最後に積分を実行することによって、

が得られる。

さらに、フォト検出器３のビーム感知面３１（検出器面）上に発生したバーニア回折パターンのバーニア周期Λに対して、図１Ｂ中に示されたフォト検出器３の検出器要素（光電素子）の配置の周期性から生じる特定のプリセット可能な値が入手されると仮定する。フォト検出器３のビーム感知面３１（検出器面）に対する位置に依存するバーニア位相が、Λに対する特定の値の基準値の下で：

になる。

この場合、Ｚ_Ｓは、ｘ＝０のときの垂直なセンサー距離、すなわち測定目盛１５から検出器３の最短距離を示す。

走査目盛２の面する表面２１上に投影された測定目盛１５の上述した位置に依存する格子位相から及びフォト検出器３のビーム感知面３１に発生するバーニアストリップパターンの（プリセットされたバーニア周期Λ及びプリセットされたセンサー距離ｚ_Ｓを考慮している）同様に上述した位置に依存するバーニア位相から、振幅構造によって形成された走査目盛の格子位相に対して：

が得られる。

ここから：

として、走査目盛の振幅構造のいわゆる局所の周波数分布を算定することができる。

このとき、この周波数分布ｇ_Ａ（ｘ）の逆数が、走査目盛の算定すべき位置に依存する格子定数ｄ_Ａ（ｘ）を与える。

図２は、走査目盛の基準点からの距離ｘ、すなわち走査目盛が測定目盛から最短距離にある点に依存するＭＡＰ格子の形態の走査目盛の位置に依存する格子定数ｄ_Ａ（ｘ）を示す。この測定目盛は、示された例にしたがって測定テープ上に取り付けられている。この測定テープは、４０ｍｍのドラム直径を有するドラムの周りに固定されている。この測定テープは、格子定数つまり４０μｍの周期を有する。バーニア波長Λは、約８００μｍである。

走査格子の形態の走査目盛のＭＡＰ格子の格子定数ｄ_Ａ（ｘ）が、基準点でその最大値をとり、次いでこの基準点から遠ざかるにつれてより小さくなることが、図２から理解できる。直線の場合、すなわちリング状にドラムの周りに固定された測定目盛の代わりに直線状に延在する測定目盛の場合は、図２中に破線ｄ_Ｃで図式的に示されたように、走査目盛の格子定数が、最大値と最小値との間にある。この場合、走査目盛の延在軸線Ａに沿った格子定数ｄ_Ａ（ｘ）の変化は、１％よりも明らかに小さく（さらに０．５％よりも小さく）、したがって走査目盛の基本的に周期的な構造に対して僅かな校正だけで済む。その結果、各点ｘの周囲に沿った格子定数ｄ_Ａ（ｘ）の（連続する）変化が僅かであるために、走査目盛の少なくとも１つの局所の周期が規定され得る。

図２中に示された基準点（零点）からの格子定数の低下は、同様に走査目盛の延在軸線Ａに沿った両方向に対して成立する、すなわち正方向＋ｘ沿いでも反対方向の−ｘ沿いでも成立する。

上述した図２中にグラフで示された走査目盛の格子定数の位置依存性がない場合、図３Ａ中に示されたように、フォト検出器の検出器面のバーニア周期が、ドラムからの最短距離を有する点から遠ざかるにつれて変化する。その結果、フォト検出器で発生する信号の大きさが、小さいドラム半径に対しては著しく減少する。

図３Ａは、等間隔の走査目盛の場合の、すなわち格子定数の本発明にしたがって設けられている校正（位置依存性）なしのドラム半径Ｒに対するフォト検出器で生成された信号の、最大値として１まで規格化された大きさを示す。信号損失が１００ｍｍ未満のドラム半径のときに著しいことが分かる。

図３Ｂは、ドラム半径Ｒ＝４０ｍｍに対して走査格子の格子定数を最適化したときのドラム半径Ｒに対する信号の大きさを示す。ここでは、信号の大きさが、このドラム半径Ｒで正確に最大をなして最大可能信号値の８５％を少し超えている。

周期的な測定目盛を有するリング状に配置された測定テープ並びに走査板及び検出器を有するこの測定テープに割り当てられた走査ユニットの一部の概略図である。 図１Ａの走査ユニットの構造化されたフォト検出器のビーム感知面を示す。 走査板上に設けられている走査目盛の格子定数の位置依存性のグラフである。 等間隔の走査目盛を使用したときのリング状に配置された測定テープの半径に対する構造化されたフォト検出器の走査信号の平坦な測定テープに規格化された信号の大きさを示す。 位置に依存する格子定数を有する走査目盛を使用したときのリング状に配置された測定テープの半径に対する構造化されたフォト検出器の走査信号の大きさを示す。

１ 測定テープ
１０ 円弧
１１ リング面
１２ 内面
１５ 測定目盛
２ 走査板
２１ 測定テープに面した表面
２５ 走査目盛
３ 検出器
３１ ビーム感知面
３００ 電気端子
Ｌ コリメートされた光ビーム
Ａ 延在軸線
Ｄ 測定テープの厚さ
Ｒ 円弧の半径
Ｔ ドラム
Ｓ 軸線

Claims (21)

1. リング状に包囲する測定本体上に設けられている測定目盛を備え、
   電磁ビームによって前記測定目盛を光学的に走査する走査ユニットを備え、
   軸線に沿って延在し走査格子によって構成された走査目盛を有する、前記走査ユニットの走査板を備え、この走査目盛は、前記測定目盛の走査に使用される電磁ビームのビーム経路内に配置されている結果、前記電磁ビームは、前記走査目盛と前記測定目盛とに相互作用し、
   前記走査ユニットの検出器を備え、前記走査ユニットに対する前記測定本体の移動を測定するため、前記検出器の検出器面が、前記走査目盛と前記測定目盛との相互作用に応じてストリップパターンとして発生する前記電磁ビームの強度分布を検出するために使用されるエンコーダにおいて、
   前記検出面（３１）で発生する前記ストリップパターンの周期が一定であるように、前記走査目盛（２５）の格子定数（ｄ_Ａ）が、この走査目盛（２５）の延在軸線（Ａ）に沿って変化していることを特徴とするエンコーダ。
2. 前記走査目盛（２５）の前記格子定数（ｄ_Ａ）は、基準点（０）から出発して前記走査目盛（２５）の前記延在軸線（Ａ）に沿った少なくとも１つの空間方向（ｘ，−ｘ）に特定の関数にしたがって変化していることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記走査目盛（２５）の前記格子定数（ｄ_Ａ）は、前記基準点（０）から出発して前記走査目盛（２５）の前記延在軸線（Ａ）に沿った少なくとも１つの前記空間方向（ｘ，−ｘ）に減少していることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンコーダ。
4. リング状に包囲する測定本体上に設けられている測定目盛を備え、
   電磁ビームによって前記測定目盛を光学的に走査する走査ユニットを備え、
   検出軸線に沿って延在し走査格子によって構成された走査目盛を有する、前記走査ユニットの走査板を備え、前記走査目盛は、前記測定目盛の走査に使用される電磁ビームのビーム経路内に配置されている結果、この電磁ビームは、前記走査目盛と前記測定目盛とに相互作用し、
   前記走査ユニットの検出器を備え、前記走査ユニットに対する前記測定本体の移動を測定するため、前記検出器の検出器面が、前記走査目盛と前記測定目盛との相互作用に応じて発生する前記電磁ビームを検出するために使用されるエンコーダにおいて、
   前記走査目盛（２５）の前記格子定数（ｄ_Ａ）は、前記基準点（０）から出発して前記走査目盛（２５）の前記延在軸線（Ａ）に沿った少なくとも１つの前記空間方向（ｘ，−ｘ）に減少していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンコーダ。
5. 前記検出器面（３１）でストリップパターンの形態で発生する前記電磁ビームの強度分布が、２πだけ線形に変化するように、前記走査目盛（２５）の前記格子定数（ｄ_Ａ）が、前記走査目盛（２５）の前記延在軸線（Ａ）に沿って変化していることを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
6. 前記走査目盛（２５）の前記格子定数（ｄ_Ａ）は、前記基準点（０）から出発して前記走査目盛（２５）の前記延在軸線（Ａ）に沿ってそれぞれ互いに反対に延在する２つの方向（ｘ，−ｘ）に減少していることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のエンコーダ。
7. 当該減少は、双方の反対方向（ｘ，−ｘ）に沿って前記基準点（０）に対して対称に発生することを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ。
8. 前記走査目盛（２５）の位置に依存する前記格子定数（ｄ_Ａ）は、前記測定目盛（２５）の格子位相の位置依存性によって決定されていて、前記格子定数（ｄ _Ａ ）は、前記走査目盛（２５）の前記延在軸線（Ａ）上に投影された前記測定目盛（１５）の位置に依存する格子位相と前記検出器面（３１）に対する前記電磁ビームの希望するストリップパターンのプリセット可能な位置に依存する位相とから得られることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のエンコーダ。
9. 前記走査目盛（２５）の位置に依存する前記格子定数（ｄ_Ａ）は、周波数分布の逆数
   

   

   として与えられていて、φ（ｘ）は、前記走査目盛（２５）に対する、位置に依存する位相を示すことを特徴とする請求項８に記載のエンコーダ。
10. 前記検出器（３）の前記検出器面（３１）は、複数の検出器領域を周期的に配列することによって構成され、これらの検出器領域は、検出器軸線に沿って前後して配列されていて、これらの検出器領域の配列の周期（Ｐ_Ｄ）は、前記検出器（３）が前記ストリップパターンを走査するために構成されているときの当該ストリップパターンの周期に同調されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のエンコーダ。
11. 前記複数の検出器領域は、複数の光電素子の形態の複数の検出器要素によって構成されることを特徴とする請求項１０に記載のエンコーダ。
12. ４つずつの検出器領域（０°，９０°，１８０°，２７０°）が、１つの検出器グループに統合されていること、及び、これらの検出器グループは、特定の周期（Ｐ_Ｄ）で周期的に前後して配置されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のエンコーダ。
13. １つの検出器グループの個々の検出器領域（０°，９０°，１８０°，２７０°）はそれぞれ、１つの位相値に割り当てられていること、及び、異なる検出器グループの同位相の検出器領域が互いに電気接続されていることを特徴とする請求項１２に記載のエンコーダ。
14. 前記検出器（３）は、２次元の平坦な検出器面（３１）を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のエンコーダ。
15. 前記測定目盛（１５）及び／又は前記走査目盛（２５）は、振幅格子によって構成されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のエンコーダ。
16. 前記走査目盛（２５）は、ＭＡＰ格子によって構成されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載のエンコーダ。
17. 前記走査目盛の位置に依存する位相は、前記走査目盛（２５）の前記延在軸線（Ａ）上に投影された前記測定目盛（１５）の位置に依存する格子位相と前記検出器面（３１）に対する電磁ビームのストリップパターンのプリセット可能な位置に依存する位相との和として得られることを特徴とする請求項９又は１６に記載のエンコーダ。
18. 前記走査目盛（２５）は、位相格子によって構成されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のエンコーダ。
19. 前記測定本体（１）の前記測定目盛（１５）は、コリメートされた光の形態の電磁ビームによって走査されることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載のエンコーダ。
20. 前記測定目盛（１５）は、回転可能なドラム（Ｔ）上に配置されたリング状の測定テープ（１）上に設けられていることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載のエンコーダ。
21. 前記測定目盛（１５）は、回転可能なドラム（Ｔ）の表面上に直接設けられていることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載のエンコーダ。

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