JP5164809B2 - 光学エンコーダ - Google Patents

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Description

本発明は、互いに移動する2つの物体の相対位置を測定するために適し、測定区間に沿った少なくとも1つの基準位置で基準パルス信号を提供する光学エンコーダに関する。
公知のインクリメンタル・エンコーダは、スケールの側面上の互いに移動する2つの物体を測定するために1つのインクリメンタル目盛トラックを有する。インクリメンタル信号を生成するインクリメンタル目盛トラックが、スケールに対して少なくとも1つの測定方向に相対移動する走査ユニットによって走査される。絶対値を作るため、このようなエンコーダは、測定区間に沿った所定の又はプリセットされている基準位置で基準パルス信号を生成する可能性をさらに有する。この目的のため、1つ又は多数のプリセットされている基準位置に基準マークを有するもう1つのトラックが、スケールの側面上で例えばインクリメンタル目盛トラックに対して隣接して配置されている。一般に基準マークは、測定方向に沿って非周期的に配置され、異なる光学特性を有する多数の部分領域から構成される。照射光走査の場合、これらの部分領域は、例えば異なる反射力の部分領域であり、透過光走査の場合、これらの部分領域は、異なる透過性を有する。
スケールに対して測定方向に移動する走査ユニットが、その都度異なる対物レンズに結合されていて、光源,基準パルス検出器配置及び場合によってはインクリメンタル信号を生成するその他の要素を有する;しかしその他の要素は、この関係では特に重要でない。基準パルス検出器配置は、個々の光電式検出器要素から構成される。基準パルス信号を生成するため、これらの検出器要素の幾何配置が、基準マークに合わせられている。この場合、一般に基準パルス検出器配置は、基準マークと同じ構造を有する。
このようなエンコーダでは、基準パルス信号の1つの信号最大値が、基準マークを通過する時にそれぞれの基準位置で発生する。この基準パルス信号で発生する若干の二次最大値が、この基準位置に隣接した領域内に存在する。二次最大値が特に強く発生する場合、信号の背景ノイズレベルと信号最大値との間のS/N比が低下するために、基準位置で実際に信号最大値を検出する時に、特定の不確定性が生じる。
この問題を解決するため、米国特許第4,451,731号明細書又はドイツ連邦共和国実用新案第20 2005 002 622号明細書では、発生する基準パルス信号中の二次最大値を抑えるため、別の構造要素つまり追加構造体をスケール上の実際の基準マークに隣接して設ける ことが既に提唱されている。この場合、これに対して使用される追加構造体は、基準マークに隣接した反射しない又は不透明の複数のバーから構成され、特定の走査構成で基準パルス信号の二次最大値の減衰を保証する。
米国特許第4,451,731号明細書 ドイツ連邦共和国実用新案第20 2005 002 622号明細書
本発明の課題は、測定区間に沿った1つ又は多数の基準位置での基準パルス信号のさらに改良された生成を可能にし、この場合に特に基準パルス信号の確実な検出を保証するエンコーダを提供することにある。
この課題は、測定方向x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エンコーダであって、1つの基準パルス信号RIが、少なくとも1つの特定の基準位置x REF で生成可能であり、前記光学エンコーダは、以下の要素:スケール10、前記スケール10に対して測定方向xに沿って可動の走査ユニット20、光源23及び個々の検出器要素22.1−22.9から成る基準パルス検出器配置22を有し、前記スケール10は、前記2つの物体のうちの一方の物体に結合されていて且つ前記基準位置x REF に基準マーク12.1を有し、この基準マーク12.1は、測定方向xに沿って非周期に配置された、異なる光学特性を有する複数の部分領域から構成され、複数の追加構造体14がそれぞれ、前記基準マーク12.1に隣接して測定方向xに沿って配置されていて、これらの追加構造体14は、測定方向xに沿って延在し、発生する前記基準パルス信号RI中の二次最大値を最小限にし、前記走査ユニット20は、他方の物体に結合されていて、前記検出器要素22.1−22.9の幾何配置は、1つの基準パルス信号RIを生成するために前記基準マーク12.1に合わせられている当該光学エンコーダにおいて、前記追加構造体14は、第1光学特性を有する少なくとも2つのトラック14.1,14.2を備え、測定方向xに沿って延在した、第2光学特性を有する1つの部分領域14.3が、少なくとも2つの前記トラック14.1,14.2間に配置されていることによって解決される。
本発明のエンコーダの好適な実施の形態は、従属請求項中の手段に記載されている。
本発明によれば、二次最大値を減衰する追加構造体が、第1光学特性を有し、少なくとも2つのトラックを有することが提唱されている。測定方向に延在し、第2光学特性を有する1つの部分領域が、これらの2つのトラック間に配置されている。透過光系の場合、これらの光学特性を非透過に(第1光学特性)又は透過に(第2光学特性)選択する必要がある;同様に可能な照射光系では、これらの光学特性を弱く反射する(第1光学特性)ように又は強く反射する(第2光学特性)ように選択することが必要である。
測定方向に互いに移動する2つの物体の相対位置を測定するために使用される本発明の光学エンコーダが図示されている。この場合、1つの基準パルス信号が、少なくとも1つの所定の基準位置で生成可能である。このエンコーダは、スケールを有する。このスケールは、当該2つの物体のうちの一方の物体に結合されていて、基準位置に基準マークを有する。この基準マークは、測定方向(x)に沿って非周期に配置され、異なる光学特性を有する多数の部分領域から構成される。複数の追加構造体がそれぞれ、測定方向に沿って基準マークに隣接して配置されている。これらの追加構造体は、測定方向に沿って延在し、発生する基準パルス信号中の二次最大値を最小限にする。さらに本発明のエンコーダは、スケールに対して測定方向に移動する走査ユニットを有する。この走査ユニットは、光源及び個々の検出器要素から成る基準パルス検出器配置と共に他方の物体に結合されている。基準パルス信号を生成するこれらの検出器要素の幾何配置が、基準マークに合わせられている。追加構造体は、第1光学特性を呈する少なくとも2つのトラックを有する。測定方向に延在し、第2光学特性を有する1つの部分領域が、これらの2つのトラック間に配置されている。
光が、測定方向に延在するこの部分領域を通じて基準パルス検出器配置の検出器要素に照射可能であるように、特にこの部分領域は、2つのトラック間に配置されている。
光学特性は、以下の両実施の形態のうちの一方の実施の形態にしたがって選択され得る:
a)第1光学特性:透過;第2光学特性:非透過
又は
b)第1光学特性:強く反射;第2光学特性:弱く反射
スケールが、目盛板として構成されていることが可能である。この目盛板は、この目盛板上に配置された円形の少なくとも1つのインクリメンタル目盛トラック及びこのインクリメンタル目盛トラックに対して同心状に配置された基準マークトラックを有する。この場合、基準マークが、この基準マークトラック内の少なくとも1つの地点に配置されていて、非透過の2つのトラックが、この基準マークトラックの残りの領域内に構成されている。測定方向に延在する透過の1つの部分領域が、これらの2つのトラック間に配置されている。
さらに、測定方向に対して垂直に延在し、第1光学特性を有するさらなる多数の四角形減衰領域が、トラック内に形成されていることが可能である。
この場合、これらのトラック内に形成されたこれらの減衰領域は、基準マークに対してミラー対称に配置され得る。
この場合、発生する基準パルス信号中の二次最大値が、さらに減衰するように、特にこれらのトラック内に追加に形成されたこれらの減衰領域は配置されている。
本発明の手段は、明らかにリニア式エンコーダ及び回転式エンコーダの双方に関係して使用することができる。同様に、照射光走査及び透過光走査の双方が実現され得る。全ての場合で、最小の二次最大値を有する基準パルス信号が発生する。この基準パルス信号の信号最大値が、基準位置で確実に検出され得る。
以下に、本発明のエンコーダのその他の利点及び詳細を添付図面に基づく実施の形態から説明する。
以下に、回転式の透過光系として構成された本発明のエンコーダの実施の形態の走査ビーム路を図2a,2b及び3に関連する図1中の概略断面図に基づいて説明する;図2a,2b及び3は、スケールの正面図つまりこのスケールの部分図及び図1のエンコーダの検出面を同様に概略的な形態で示す。
この示されたエンコーダは、軸線31周りに回転する図示されていない物体の相対移動に関する位置情報を生成するために使用される。このような装置は、例えば工作機械又は電気駆動装置で使用でき、そこで回転する物体に関する位置情報を上位に配置された制御ユニットに供給できる。
回転式エンコーダのこの示された実施の形態では、この回転式エンコーダは、一方では目盛板の形態のスケール10を有する。このスケール10上では、軸線31周りに配置された円形のインクリメンタル測定目盛11.1が、インクリメンタル目盛トラック11内に配置されていて、基準マーク12.1が、基準マークトラック12内の少なくとも1つの基準位置xREFに配置されている。この基準マークトラック12は、軸線31に対してインクリメンタル目盛トラック11と同心円に配置されている。
測定目盛11.1は、異なる光学特性を有し、交互に配置された部分領域から構成される。これらの部分領域はそれぞれ、四角形に形成されている。この場合、透過光走査のこの例では、これらの部分領域は、透過に(第1光学特性)及び非透過に(第2光学特性)構成されている;非透過の部分領域は、ハッチングが施されていて、透過の部分領域は、ハッチングを有さない。非透過の部分領域は、例えばクロムコーティングが施され得る一方で、透過の部分領域は、対応する窓領域としてガラス基板で構成されている。測定方向xに沿って隣接した2つの(透過の、非透過の)部分領域の幅が、測定目盛11.1の目盛周期TPと呼ばれる。軸30が、回転する物体、例えば電気駆動装置の軸に連結されている。
さらに図示されたこのエンコーダは、走査ユニット20を有する。この走査ユニット20は、この例では円周方向つまり測定方向xに沿って回転する目盛板10に対して不動に配置されている。特に前方に配置されたコリメーター光学系24を有する光源23,インクリメンタル信号検出器配置21及び基準パルス検出器配置22が、走査ユニット20に属する。これらの両検出器配置21,22は、これ以外では通常はいわゆる専用カスタムIC内に組み込まれて構成されている。このオプトASIC内では、信号の検出に加えて、その他の信号処理又は信号評価が実行される。
いわゆる透過光走査による図示されたこの実施の形態では、インクリメンタルトラック11及び基準マークトラック12を有する目盛板10が、光源23と検出器配置21,22との間に配置されている。光が、インクリメンタルトラック11及び基準マークトラック12の構造体を通過した後に、影を投影する形態の対応するパターンが、検出面内に発生する。これらのパターンは、インクリメンタル信号検出器配置21及び基準パルス検出器配置22によって検出され、さらに処理可能な信号に変換される。
インクリメンタル信号を生成する場合、周期的なストリップパターンが、例えば公知の方法で検出面内に生成される。このストリップパターンは、フォトダイオードアレイを有するインクリメンタル信号検出器配置21によって検出され、移動に応じて変調され、互いに90°移相したインクリメンタル信号INC,INCの対に変換される。
位置の測定時に絶対値を作るため、目盛板10上には、さらに基準マーク12.1が、基準マークトラック12内の少なくとも特定の基準位置xREFに配置されている。これにしたがって、基準信号RIが、この基準位置xREFで生成される。このとき、高分解能の(相対)インクリメンタル信号INC,INCが、この基準信号RIに関連付けされる。
例えば図2b中の拡大した部分図から分かるように、基準位置xREFの基準マーク12.1は、測定方向xに沿って非周期に配置され、異なる第1光学特性及び第2光学特性を有する多数の部分領域から構成される。透過光走査のこの例では、例えば図中の基準マーク12.1のハッチングのない部分領域が透過に構成されている。これに対して、目盛板10上のドット付けされた領域及び部分領域は非透過である。別の追加構造体14が、基準マークトラック12内の基準マーク12.1に隣接した横側に本発明にしたがって配置されている。具体的な構造又は形態を以下でさらに詳しく説明する。
当然に、さらなる多数のこのような基準マーク12.1が、それぞれの測定区間つまり走査される目盛板の円周に沿ってインクリメンタル目盛11.1に隣接した複数の特定の位置に対して設けられてもよい。例えば、若干のいわゆる離散符号化された基準マークが配置される等でもよい。
検出器要素の幾何配置が、基準マーク12.1の構造体に合わせられているように、この幾何配置は、基準パルス検出器配置22内でスケール側の基準マーク12.1のそれぞれの構造に合わせられている。図3は、全部で9つの長方形検出器要素22.1−22.9を有する検出面の断面図である。これらの検出器要素22.1−22.9の配置は、スケールつまり目盛板10上の基準マーク12.1の透過の部分領域の配置に一致する。これらの検出器要素22.1−22.9で発生する部分信号が、図3中に示されたように電流電圧変換器25の一方の入力部に入力される;基準電圧Vrefが、この電流電圧変換器25の他方の入力部に印加されている。基準パルス信号RIが、この電流電圧変換器25の出力部から出力される。
したがって、目盛板10上の基準マーク12.1の透過の部分領域とこれらの部分領域に幾何的に合わせられて配置された基準パルス検出器配置22の検出器要素22.1−22.9とが、基準位置xREFの通過時に重なり合う。信号最大値が、この基準位置xREFで発生する。この信号最大値は、基準パルス信号RIとして利用されてさらに処理される。
図4a中には、基準位置xREFに対して理想的な場合に発生する基準パルス信号RIが示されている。さらに図4a中には、以下でさらに説明するような閾値S及びいろいろな値E,F,Hが記入されている。閾値Sは、さらに処理可能な信号を基準パルス信号RIから生成するために利用される。値E,F,Hは、基準パルス信号RIの確実な検出に関して重要である。この場合、特に基準位置xREFに対する信号最大値が、隣接した二次最大値に対して十分大きく突き出ること、すなわち特に値E及びFが十分大きいこと、つまり値Hに対する値E又は値Hに対する値Fの良好な比率が存在することが、基準パルス信号RIの確実な検出に対して有効である。図4aの理想的な場合では、E/H=15/25=0.60及びF/H=17/25=0.68である。
図4b中には、目盛板10上の基準マーク12.1に隣接した追加構造体14が配置されていない場合に実際に発生するような、基準位置xREFの領域内の基準パルス信号RIの変化が示されている。図4bから分かるように、図4a中の理想的な場合に比べて基準位置xREFに隣接した釣鐘形の包絡端部を有する二次最大値の形に起因して、特に値F=13が、図4aの理想的な場合より小さく突き出る;この場合、この比率F/H=13/25=0.52は、理想的な場合より小さく、したがって理想的な場合より良好でない。それ故に、基準パルス信号RIに関する検出の信頼性が事実上低下した。
それ故に、上述した追加構造体14を目盛板10の基準マーク12.1に隣接して横側に配置することが本発明にしたがって提唱されている。これらの追加構造体は、特に二次最大値の領域内の基準パルス信号RIの信号波形に良好に影響する。
図2aから分かるように、追加構造体14は、この例では基準マークトラック12内に非透過の2つのトラック14.1,14.2を有する。円周方向つまり測定方向に沿って延在する透過の1つの部分領域14.3が、これらのトラック14.1,14.2間に配置されている。この場合、この透過の部分領域14.3は、非透過のこれらの両トラック14.1,14.2間の中心に配置されている。透過の部分領域14.3のこの配置の場合、基本的には、この透過の部分領域14.3は、基準パルス信号検出器配置22の検出器要素22.1−22.9と重なって配置されることを考慮する必要がある。その結果、基準位置xREFに隣接した領域内では、光が、透過の部分領域14.3を通じてこれらの検出器要素22.1−22.9に到達できる。
図4c中には、先ほど説明したような追加構造体14を有するエンコーダで生じる基準パルス信号RIの信号変化が示されている。この場合、上述した良好でない釣鐘形の信号変化が、二次最大値の領域内で阻止され得、図4bに比べて良好な比率E/H=0.65が達成され得ることが図4cから明らかに認識できる。基準パルス信号RIが、電子式に増幅された場合、さらに改良された信号波形が、この地点で実現できる;こうして、特に例えば値E+Fが、発生する信号の状態で大きくできる。その結果、検出の信頼性がさらに上がる。
図1−3の図示された実施の形態では、上述した本発明の手段、すなわち追加構造体14の提供に補足して、基準マーク12.1に隣接した追加構造体の領域内で、四角形で非透過の複数の減衰領域15をトラック14.1,14.2又は部分領域14.3内に形成することがさらに提唱されている。これらの減衰領域15は、円周方向つまり測定方向に対して垂直に延在する。この場合、減衰領域を追加構造体14内に配置することは、最適化方法によって実施される。さらに良好な基準パルス信号RIの信号波形つまり基準パルス信号RIの検出信頼性を保証するため、これらの追加の減衰領域15をどの地点で形成する必要があるかが、この最適化方法によって確認される;これに関しては、基準マーク12.1の領域を拡大図で示す図2b中の構成を参照のこと。これらの手段に基づいて発生する基準信号RIが、図4d中に示されている。この場合、基準パルス信号RI中の望まない二次最大値が、追加の減衰領域15によってさらに減衰するか又は最小限になる。このことは、図4c中の信号変化に比べて良好な比率F/H=9.5/18.5=0.15によって分かる。この場合、追加構造体14の提供によって既に最適にされた比率E/H=0.65は、変わっていない。さらに減衰領域15は、基準位置xREFに対してミラー対称に配置されている。
最後の図4eは、基準パルス信号RIのさらに最適にした信号変化を示す。ここでは、図1−3の実施の形態による基準マークの走査から得られた信号RIが、電子式にさらに増幅された。これによって、パラメータE,F及びHに対するより大きい値が得られる。したがって、さらに最適にされた検出信頼性が保証され得る。
当然に、さらに多くのその他の実施の形態の可能性が、本発明の範囲内で存在する。
したがって図示した例の代わりに、外側のトラック14.1,14.2を透過に構成し、中心の部分領域14.3を非透過に構成することも可能である。
さらに、本発明の思想を照射光走査に対して使用することも基本的に可能である。この場合、例えば、対応する測定目盛の部分領域が、弱く反射(第1光学特性)しかつ強く反射(第2光学特性)する。これに応じて、追加構造体のトラックが弱く反射するように構成され、中心の部分領域が強く反射するように構成される必要がある;このとき、追加の減衰領域は、弱く反射する部分領域によって構成された。この場合でも、追加構造体のトラック及び中心の部分領域は同様に異なって構成され得る。
本発明の光学エンコーダの実施の形態の走査ビーム路の概略断面図。 図1のエンコーダの目盛板の正面図である。 図2aの目盛板の詳細の拡大した部分図である。 基準パルスを生成する概略的に示された回路構成を含む図1のエンコーダの検出面の正面図である。 本発明の基準パルスの生成に関連するいろいろな信号を示す。 本発明の基準パルスの生成に関連するいろいろな信号を示す。 本発明の基準パルスの生成に関連するいろいろな信号を示す。 本発明の基準パルスの生成に関連するいろいろな信号を示す。 本発明の基準パルスの生成に関連するいろいろな信号を示す。
符号の説明
10 スケール
11 インクリメンタル目盛トラック
11.1 インクリメンタル測定目盛
12 基準マークトラック
12.1 基準マーク
14 追加構造体
14.1 非透過トラック
14.2 非透過トラック
14.3 透過部分領域
15 減衰領域
20 走査ユニット
21 インクリメンタル信号検出器配置
22 基準パルス検出器配置
22.1 検出器要素
22.2 検出器要素
22.3 検出器要素
22.4 検出器要素
22.5 検出器要素
22.6 検出器要素
22.7 検出器要素
22.8 検出器要素
22.9 検出器要素
23 光源
24 コリメーター光学系
25 電流電圧変換器
30 軸
31 軸線
RI 基準信号
REF 基準電圧

Claims (7)

  1. 測定方向(x)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エンコーダあって1つの基準パルス信号(RI)が、少なくとも1つの特定の基準位置(xREF)で生成可能であり、前記光学エンコーダは、以下の要素:
    スケール(10)
    前記スケール(10)に対して測定方向(x)に沿って可動の走査ユニット(20)
    光源(23)、及び
    個々の検出器要素(22.1−22.9)から成る基準パルス検出器配置(22)
    を有し、
    前記スケール(10)は、前記2つの物体のうちの一方の物体に結合されていて且つ前記基準位置(xREF)に基準マーク(12.1)を有し、この基準マーク(12.1)は、測定方向(x)に沿って非周期に配置され、異なる光学特性を有する複数の部分領域から構成され複数の追加構造体(14)がそれぞれ、前記基準マーク(12.1)に隣接して測定方向(x)に沿って配置されていて、これらの追加構造体(14)は、測定方向(x)に沿って延在し、発生する前記基準パルス信号(RI)中の二次最大値を最小限にし、
    前記走査ユニット(20)は、他方の物体に結合されていて、
    前記検出器要素(22.1−22.9)の幾何配置は、1つの基準パルス信号(RI)を生成するために前記基準マーク(12.1)に合わせられている当該光学エンコーダにおいて、
    前記追加構造体(14)は、第1光学特性を有する少なくとも2つのトラック(14.1,14.2)を備え、測定方向(x)に沿って延在し、第2光学特性を有する1つの部分領域(14.3)が、少なくとも2つの前記トラック(14.1,14.2)間に配置されていることを特徴とする光学エンコーダ。
  2. 光が、前記部分領域(14.3)を通じて前記基準パルス検出器配置(22)の前記検出器要素(22.1−22.9)に照射可能であるように、測定方向(x)に沿って延在する前記部分領域(14.3)が、2つの前記トラック(14.1,14.2)間に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光学エンコーダ。
  3. 前記光学特性は、以下の2つの実施の形態
    a)透過の第1光学特性;非透過の第2光学特性
    又は
    b)強く反射する第1光学特性;弱く反射する第2光学特性
    のうちの1つの実施の形態にしたがって選択されていることを特徴とする請求項1に記載の光学エンコーダ
  4. 前記スケール(10)は、目盛板として構成されていて、この目盛板は、この目盛板上に配置された円形の少なくとも1つのインクリメンタル目盛トラック(11)及びこのインクリメンタル目盛トラック(11)に対して同心状に配置された基準マークトラック(12)を有し前記基準マーク(12.1)が、前記基準マークトラック(12)内の少なくとも1つの地点に配置されていて、非透過の2つのトラック(14.1,14.2)が、前記基準マークトラック(12.1)の残りの領域内に構成されていて、測定方向(x)に延在する透過の前記1つの部分領域(14.3)が、非透過の前記2つのトラック(14.1,14.2)間に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の光学エンコーダ。
  5. 前記測定方向(x)に対して垂直に延在する、前記第1光学特性を有する複数の四角形減衰領域(15)が、前記トラック(14.1,14.2,14.3)内にさらに形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光学エンコーダ。
  6. 前記トラック(14.1,14.2,14.3)内に形成された前記減衰領域(15)は、前記基準マーク(12.1)に対してミラー対称に配置されていることを特徴とする請求項5に記載の光学エンコーダ。
  7. 発生する前記基準パルス信号(RI)中の二次最大値のさらなる減衰が、前記トラック(14.1,14.2,14.3)内に追加に形成された前記減衰領域(15)にわたって生じるように前記減衰領域(15)配置されていることを特徴とする請求項5又は6に記載の光学エンコーダ。
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