JP2008503745A - スケール読み取り装置 - Google Patents

Abstract

２つの部材の間の変位を測定するための装置である。スケールが一方の部材に設けられ、かつインクリメンタルパターンをそこに組み込まれた少なくとも１つの基準マークと共に有する。読み取りヘッドが他方の部材に設けられ、かつスケールのインクリメンタルパターンにより変調した光パターンと相互作用して前記変位量に応じて前記読み取りヘッドに対して移動する干渉縞を生ずる周期的回折手段と、干渉縞の動きを検出するための第１の検出手段と、基準マークを結像させるための結像手段と、基準マークの画像を検出するための第２の検出手段とを具えている。

Description

本発明は、スケールと、このスケールに対して移動可能な読み取りヘッドとを具えた光学的スケール読み取り装置に関する。特に、本発明はインクリメンタルスケールに関し、組み込まれた基準マークと、このスケールのための読み取りヘッドとを有している。

２つの部材の相対的変位を測定するスケール読み取り装置の周知の形態は、一方の部材にあって、パターンを画成する目盛線を持ったスケールと、他方の部材に設けられた読み取りヘッドとを具えている。インクリメンタルスケールは、スケールと読み取りヘッドとの間に相対的移動が起こった場合、読み取りヘッドにて周期的信号を生成する周期的パターンを画成する目盛線を有している。これらの周期的信号は、スケールと読み取りヘッドとの間の変位を測定することを可能にする昇降カウントを生成させる。

我々の先行特許文献１は、フィルタ効果を持ったインクリメンタルスケール読み取りシステムを記述しており、光検出器アレイにて作成された信号が、例えば汚れによりスケールの一部が不明瞭になることに対して大きく影響されないようになっている。

測定スケールは、読み取りヘッドによって検出される際に、読み取りヘッドの正確な位置を測定できるようにする基準マークを有することができる。基準マークは、例えばインクリメンタルカウントの精度を確認できるようにすることができる。

欧州特許第２０７１２１号

基準マークは、インクリメンタルトラックと平行なスケールトラックに通常設けられる。これは、スケールの幅を増大するという欠点を有する。さらに、これは、読み取りヘッドの横揺れが、この読み取りヘッドによって検出されるインクリメンタルスケールに対する基準マークの位置に、誤りをもたらす可能性があるという欠点を有する。

インクリメンタルスケールと基準マークとから作り出される光パターンを検出するために別個の光学系が用いられるため、読み取りヘッドの熱的長手方向の膨張もまた、読み取りヘッドによって検出されるような基準マークとインクリメンタルスケールとの相対位置に、誤りをもたらす可能性がある。

本発明は、２つの部材間の変位を測定するための装置を提供し、この装置は、
一方の前記部材にあって、インクリメンタルパターンと、このインクリメンタルパターンに組み込まれた少なくとも１つの基準マークとを形成する周期的スケール目盛を持つスケールと、
他方の前記部材に設けられた読み取りヘッドと、
この読み取りヘッドに設けられ、前記スケールのインクリメンタルパターンによって変調する光パターンと相互作用し、前記変位に応じて前記読み取りヘッドに対して移動する干渉縞を生ずる周期的回折手段と、
前記干渉縞の移動を検出するための第１の検出手段と、
前記読み取りヘッドに設けられて前記基準マークを結像させるための結像手段と、
前記基準マークの画像を検出するための第２の検出手段と
を具え、前記結像手段が前記スケールと前記第２の検出手段との間に配されている。

周期的回折手段および結像手段を単一のユニットとして設けることができる。

結像手段がレンズ、例えばシリンドリカルレンズを具えることができる。結像手段は、フレネルゾーンプレートを具えることができる。結像手段の少なくとも一部を周期的回折手段内に組み込むことができる。結像手段と周期的回折手段との間にマスキング領域を設けることができる。

第１および第２の検出手段を単一の検出ユニットとして設けることができる。第２の検出手段の少なくとも一部を第１の検出手段に組み込むことができる。

単一の光源をインクリメンタルパターンおよび基準マークに対して用いることができる。

結像手段と、周期的回折手段と、第１および第２の検出手段と、光源とを単一の平面に配することができる。この平面をスケールの方向と直交させることができる。

さて、本発明が添付図面を参照して記述されよう。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す。スケール１０は、反射および反射しない線を交互に構成してインクリメンタルスケールを形成する周期的目盛１２を有する。線の除去または追加による基準マーク１４がスケールに組み込まれ、従って反射マークを形成する。

読み取りヘッド（図示せず）は、スケールに対して移動可能であって、光源１６と、光学部品１８と、検出器ユニット２０とを具えた光学機器を含んでいる。光源１６がスケールの方に向けられ、スケールを照明してインクリメンタルスケールから周期的光パターンを生じさせる。光学部品１８は、周期的光パターンと相互作用するインデックスグレーティング２２を有し、検出器ユニット２０にて干渉縞を形成する。検出器ユニット２０は光検出器アレイ２４を有し、これらの干渉縞を検出して周期的信号を生じさせる。スケールに対する読み取りヘッドの移動は、この検出器部２４に対する干渉縞の移動をもたらし、従って昇降カウントを作り出して変位の測定を可能にする。

この手のスケールおよび読み取りヘッドは、以前の我々の欧州特許第２０７１２１号に記述されている。この構成は、光学的フィルタ効果のため、それが基準マークでのスケールのビットの追加または除去に対して大きな影響を受けないという利点を有する。従って、信号雑音比のほんのわずかな減少だけで読み取りヘッドを基準マークに対して通過させることができる。この種の機構において、インデックスグレーティング２２はスケール１０と検出器２２との間に配される。この機構において、スケール１０はインデックスグレーティング２２による結像目標として機能する。この機構は、信号の著しい損失なく、基準マークをインクリメンタルスケールに組み込むことを可能にする。しかも、この機構は、信号の著しい損失なく、結像光学系１８をスケール１０と検出器との間に配することを可能にする。インデックスグレーティングが光源とスケールとの間に配される他の周知の機構において、インデックスグレーティングは、目標として機能し、スケールにより結像する。この場合において、スケールへの基準マークの配置またはスケールと検出器との間の結像光学系の配置は、信号雑音比に関してより著しい効果を有する。

線の除去または線の追加によって基準マークを形成することが可能である。あるいは、これがインクリメンタルスケールと区別することができる任意のパターンを具えたものであってよい。例えば、この基準マークは、当該基準マークがインクリメンタルスケールと組み合わされるパターンを形成すると共に対応するマスクが読み取りヘッドに設けられた、例えば国際特許出願ＷＯ０２/０６５０５１に記述されているように、オートコリレータを具えることができる。

読み取りヘッドが基準マーク１４の上を通過する場合、スケール１０により反射する光の強度変化は、光学部品１８のレンズ２６によって検出器２０に映し出される。検出器２０は、基準マーク１４からの光が結像されるスプリット検出器２８を有する。図２は、読み取りヘッドがスケールに沿って移動する時、スプリット検出器２８からの２等分された出力を示している。スプリット検出器からの２等分された信号Ｓ１およびＳ２は、図３に示した信号Ｓ３を形成するために引き算される。基準マークの位置は、一般に、信号Ｓ３の立下がりが図示した読み取り方向における周知の閾値を横切る所にある。

この実施形態においては、スプリット検出器が基準マークを検出するために使われているけれども、他の種類の検出器を用いることができ、例えば３つの検出要素からの出力を組み合わせることができる。多機能の検出要素をインクリメンタルおよび基準マークの信号の両方を検出するために用いることができる。

図１に示したレンズ２６は、板３０に取り付けられたシリンドリカルレンズである。しかしながら、他の種類の同じ光学的機能を持ったレンズ、例えば球面レンズや、直線状に配列する微小レンズアレイまたはフレネルゾーンプレートを用いることができる。レンズは、任意の適当な方法、例えば接着または成形によって板３０に設けることができる。レンズ２６がインデックスグレーティング２２を保持する光学部品１８と一体である必要性はない。

図１に示した構成は、レンズの焦点がインデックスグレーティングと同じ位置にない場合であっても機能する。

光学部品および検出器の種々の異なる構成が可能であり、例えば光学部品および/または検出器のインクリメンタル関連部分と基準マーク関連部分との位置を取り換えることができる。

図４および図５は、光学部品および検出器をそれぞれ示しており、インクリメンタルおよび基準マークの光学系が相互に結合されている。図４におけるレンズ２６は、インデックスグレーティング２２内に配され、図５におけるスプリット検出器２８はインクリメンタル検出要素２４内に配されている。

インクリメンタルスケールを含む基準マークおよびこれに関連する光学系および検出器が種々の度合いで交ざり合うことが可能である。図６および図７は、光学部品および検出器のさらなる一実施形態をそれぞれ示している。図６は、レンズ２６がインデックスグレーティング部２２へと部分的に延在する光学部品１８を示している。図７は、関連する検出器をインクリメンタル検出部２４へと部分的に延在するその基準マーク検出器２８と共に示している。

光学部品は、インクリメンタルおよび基準マークの光学系を、例えば回折光学部品（ＤＯＥ）や、多層光学系、または容積ホログラムなどの如き３次元光学要素と組み合わせることができる。レンズは、多くのレンズ片、例えばフレネルレンズを具えることができる。

図８は、フレネルゾーンプレート２９がインデックスグレーティング２１内に組み込まれた光学部品を示している。システムの応答性を改善するため、マスク領域３１をフレネルゾーンプレートの何れかの側に与えることができる。これは、インクリメンタルスケールからの迷光が基準マーク検出器によって検出されることを阻止する。このマスク領域は、ガラスまたは他のあらゆる適当な媒体にクロムめっきをすることにより形成することができる。このようなマスクは、フレネルゾーンプレート以外の結像手段で用いることができる。

あるいは、画像形成レンズおよび回折格子を別々に配置することができる。これらが同一平面上にある必要性はない。

このマスク領域３１は、素材を除去することができ、光を基準マーク検出器に導くことなく伝播させることを可能にする。

図９は、図１に示したものと類似の実施形態を示しているが、図８に示すような光学部品（すなわち、インデックスグレーティング２１内に組み込まれたフレネルゾーンプレート２９）と、図５に示すような検出器（すなわち、インクリメンタル検出部２４内に配されたスプリット検出器２８）とを有している。光学部品および検出器の両方共にインクリメンタルおよび基準マークの光学系が結合されている。

背景の無変調光や、インクリメンタル/基準マークシステムからの変調光の交差汚染の如き、望ましくない光が検出器に入射する可能性がある。この望ましくない光を減らすためにバッフルを読み取りヘッドに用いることができる。さらに、インクリメンタルおよび基準マークのシステムに対して異なる波長の異なる光源を用いることにより、交差汚染を減少させることができる。このシステムで用いられる特定波長の光のみ検出するように、検出器の基準マーク部およびインクリメンタル部にフィルタを設ける可能性がある。

しかしながら、単一の光源は、インクリメンタルおよび基準マーク信号が同時性や温度係数などを共有するという利点を有する。従ってインクリメンタルおよび基準マークの信号位相が不変に保たれ、電子および電流の消費を削減する。

さらに、同じ光源の使用は、両方のシステムからの信号がただ１つのシステムからのフィードバックを使って同時に補償されることを可能にする。

このスケールおよび読み取りヘッドの構成は、スケールのインクリメンタルおよび基準マークの設置場所がスケールおよび光源と同じような場所にあり、光学部品および検出器がインクリメンタルおよび基準マークのシステムの両方に対して（図１に示した）同一平面３２にあるという利点を有する。この構成は、視差の減少および横揺れ感度の減少があるという利点を有する。

基準マーク検出器およびインクリメンタル検出器が単一の検出器ユニットであり、かつレンズおよびインデックスグレーティングが単一の光学部品となっている場合、読み取りヘッドの長手方向の増大に起因する問題が排除される。

記述された実施形態が直線スケール読み取りシステムであるけれども、この発明はまた、回転システムまたは２次元のシステムにも適している。

スケール読み取り装置の立体投影図である。 図１のスプリット検出器からの出力信号を表すグラフである。 図２の出力信号間の相違を表すグラフである。 本発明の第２の実施形態の光学部品の平面図を示す。 本発明の第２の実施形態の検出器の平面図を示す。 本発明の第３の実施形態の光学部品の平面図を示す。 本発明の第３の実施形態による検出器の平面図を示す。 インデックスグレーティングにフレネルゾーンプレートを組み込んだ光学部品の平面図を示す。 図５の検出器と図８の光学部品とを有する図１のスケール読み取り装置の立体投影図である。

Claims (12)

1. ２つの部材間の変位を測定するための装置であって、
   一方の前記部材にあって、インクリメンタルパターンと、このインクリメンタルパターンに組み込まれた少なくとも１つの基準マークとを形成する周期的スケール目盛を持つスケールと、
   他方の前記部材に設けられた読み取りヘッドと、
   この読み取りヘッドに設けられ、前記スケールのインクリメンタルパターンによって変調する光パターンと相互作用し、前記変位に応じて前記読み取りヘッドに対して移動する干渉縞を生ずる周期的回折手段と、
   前記干渉縞の移動を検出するための第１の検出手段と、
   前記読み取りヘッドに設けられて前記基準マークを結像させるための結像手段と、
   前記基準マークの画像を検出するための第２の検出手段と
   を具え、前記結像手段が前記スケールと前記第２の検出手段との間に配されていることを特徴とする装置。
2. 前記周期的回折手段および前記結像手段が単一のユニットとして設けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記結像手段がレンズを具えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 前記レンズがシリンドリカルレンズを具えていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記結像手段がフレネルゾーンプレートを具えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
6. 前記結像手段の少なくとも一部が前記周期的回折手段に組み込まれていることを特徴とする請求項２から請求項５の何れかに記載の装置。
7. 前記結像手段と前記周期的回折手段との間にマスキング領域が設けられていることを特徴とする請求項２から請求項６の何れかに記載の装置。
8. 前記第１および第２の検出手段が単一の検出ユニットとして設けられていることを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の装置。
9. 前記第２の検出手段の少なくとも一部が前記第１の検出手段に組み込まれていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 単一の光源が前記インクリメンタルパターンおよび基準マークのために用いられることを特徴とする請求項１から請求項９の何れかに記載の装置。
11. 前記結像手段，周期的回折手段，第１および第２の検出手段ならびに光源が単一の平面内に配されていることを特徴とする請求項１から請求項１０の何れかに記載の装置。
12. 前記平面が前記スケールの方向と直交していることを特徴とする請求項１１に記載の装置。

Images