JP2009128365A - 光学エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】２つの物体の相対位置を測定する光学エンコーダで１つの基準パルス信号が少なくとも１つの特定の基準位置で生成可能である光学エンコーダの提供。
【解決手段】スケールに対して測定方向に沿って移動する走査ユニット及び個々の検出器要素から成る基準パルス検出器配置、スケールは、両物体に結合され、基準位置に基準マークを有し、基準マークは測定方向に沿って非周期に配置、異なる光学特性を有する多数の部分領域。複数の追加構造体がそれぞれ基準マークに隣接して測定方向に沿って配置、追加構造体は測定方向に延在、発生する基準パルス信号中の二次最大値を最小限にし走査ユニットは他方の物体に結合され、検出器要素の幾何配置は１つの基準パルス信号を生成するために基準マークに合わせられている。追加構造体は第１光学特性の少なくとも２つのトラックを有し測定方向に沿って延在し第２光学特性の１つの部分領域がトラック間に配置されている。
【選択図】図２ｂ

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、請求項１に記載の特徴を有するエンコーダ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、両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ｘ_ＲＥＦ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_Ｍ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_Ａ，ＩＮＣ_Ｂ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ｘ_ＲＥＦ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ｘ_ＲＥＦ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_Ａ，ＩＮＣ_Ｂ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ｘ_ＲＥＦ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Ｖ_ｒｅｆ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ｘ_ＲＥＦの通過時に重なり合う。信号最大値が、この基準位置ｘ_ＲＥＦ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ｘ_ＲＥＦ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ｘ_ＲＥＦ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ｘ_ＲＥＦ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ｘ_ＲＥＦ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ｘ_ＲＥＦ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ｘ_ＲＥＦ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
Ｖ_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にあって、この場合、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）に沿って移動する走査ユニット（２０），
   −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、前記両物体に結合されていて、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、異なる光学特性を有する多数の部分領域から構成され、この場合、複数の追加構造体がそれぞれ、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は、測定方向（ｘ）に延在し、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光学特性を呈する少なくとも２つのトラック（１４．１，１４．２）を有し、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、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が、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１に記載の光学エンコーダ。
3. 前記光学特性は、以下の両実施の形態のうちの１つの実施の形態にしたがって選択されることを特徴とする請求項１に記載の光学エンコーダ：
   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
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、この場合、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、測定方向に延在する透過の１つの部分領域（１４．３）が、前記非透過の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し、前記第１光学特性を有するさらなる多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. 前記発生する基準パルス信号（ＲＩ）中の二次最大値が、さらに減衰するように、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）は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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