JP2014095699A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】実際の位置測定が著しく妨害されることなしに、少なくとも１つの測定目盛のリファレンスを可能にする光学式エンコーダを提供する。
【解決手段】第１スケール１０は、第１測定方向に沿って可動に配置されている第１測定目盛を有し、前記第１測定方向に沿った少なくとも１つの所定の位置に、空間的に限定された、前記第１測定目盛とは異なる第１マーク１５を有し、第２スケール２０は、第２測定方向に沿って可動に配置されている第２測定目盛を有し、少なくとも１つの位置に第２リファレンスマーク２５を有し、前記第１スケール１０が、前記第１マーク１５によって予め設定されている、前記第１測定方向に沿った所定の位置に存在するときにだけ、前記第２リファレンスマーク２５は、少なくとも１つのリファレンス信号を前記第２スケール２０のリファレンス位置で生成するために使用可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学式エンコーダに関する。

相対移動する２つのスケールを有する光学式エンコーダが、本出願人の米国特許出願公開第２０１２／１０５８６２号明細書に説明されている第２の実施の形態によってこの米国特許出願公開第２０１２／１０５８６２号明細書から公知である。当該言及された明細書では走査格子と呼ばれる第１スケールが、照射型のリニア格子として形成された第１測定目盛を有する。当該明細書では目盛盤と呼ばれる第２スケールが、透過型の放射格子とリフレクターとから構成される第２測定目盛を有する。この第１スケールとこの第２スケールとは相対可動式に配置されている。この場合、両スケールが、互いに独立して可動である。この第１スケールは、直線状の第１測定方向に沿って可動式に配置されている。この第２スケールは、回転軸を中心にして回転可能に配置されている。それぞれのスケールの位置に関する位置信号が、このエンコーダを用いて生成される。当該位置信号は、可能な稼働中に後続配置された評価装置に供給される。この評価装置は、当該位置信号によって機械要素の位置決めを制御する。

当該エンコーダを高精度の用途のための機械で使用できるようにするため、スケールに依存する位置補正テーブルが、測定稼働中に、使用される測定目盛の一般に存在する狭い範囲の格子誤差を補正するために使用される。当該位置補正テーブルは、例えば、対応する測定目盛の製造時又は機械の較正時に作成される。このとき、当該位置補正テーブル内に記憶された補正データが、測定稼働中に、生成された位置信号を補正するために使用される。存在する格子誤差をこうして補正できるようにするためには、対応する測定目盛ごとの位置補正テーブルが作成される必要がある。以下では、このことをリファレンスと呼ぶ。それぞれの位置補正テーブルを１つのリファレンス位置に関連付けて使用できるように、１つの走査ビーム束の位置が、使用される複数の測定目盛上の当該所定のリファレンス位置で測定技術的に検出されることが、当該リファレンスのために必要である。この場合、当該対応するリファレンス位置は、通常は、それぞれのスケール上の１つ又は複数のマークつまりリファレンスマークによって予め設定される。しかしながら、当該リファレンスマークが、測定目盛内に組み込まれると、位置信号の望まない悪影響が発生する。

互いに独立して位置決め可能な複数のスケール又は測定目盛を有する米国特許出願公開第２０１２／１０５８６２号明細書から公知の光学式エンコーダの場合には、当該リファレンスが、使用される両測定目盛の各々に対して必要である。

位置補正テーブルを使用する場合の当該リファレンスのほかに、特にインクリメンタルエンコーダでも、測定区間沿いの既知の１つの位置で、インクリメンタル測定の絶対値を生成するために、リファレンスが必要になりうる。つまり、当該リファレンスの場合にも、上述した問題が発生しうる。

以下では、用語のリファレンスは、先に説明した方法の実施の形態を含む、すなわち使用される測定目盛上の所定のリファレンス位置に対する走査ビーム束の位置の測定技術的な検出と、インクリメンタル測定時の絶対位置値の生成との双方を含む。

米国特許出願公開第２０１２／１０５８６２号明細書

本発明の課題は、実際の位置測定が著しく妨害されることなしに、少なくとも１つの測定目盛のリファレンスを可能にする、光学式エンコーダを提供することにある。

本発明によれば、この課題は、請求項１に記載の特徴を有する光学式エンコーダによって解決される。

本発明の光学式エンコーダの好適な構成は、従属請求項に記載されている。

本発明の光学式エンコーダは、第１測定目盛付きの第１スケールを有する。この第１スケールは、第１測定方向に沿って可動に配置されている。この第１スケールは、第１測定方向に沿った少なくとも１つの所定の位置に空間的に限定された、第１測定目盛とは異なる第１マークを有する。さらに第２測定目盛付きの第２スケールが設けられている。この第２スケールは、第２測定方向に沿って可動に配置されている。この第２スケールは、少なくとも１つの位置に第２リファレンスマークを有する。第１スケールが、第１マークによって予め設定されている、第１測定方向に沿った所定の位置に存在するときにだけ、この第２リファレンスマークは、少なくとも１つのリファレンス信号を第２スケールのリファレンス位置で生成するために使用可能である。
・第１スケールが、第１測定目盛としてリニア格子を有し、このリニア格子は、直線状の第１測定方向（ｘ）に沿って周期的に配置された目盛領域を有し、
・第２スケールが、第２測定目盛として環状の格子を有し、この環状の格子は、円周方向に沿って周期的に配置された目盛領域を有し、回転軸を中心にして回転可能に配置されている結果、第２測定方向が、当該円周に沿って延在することが提唱され得る。

別の可能な実施の形態では、
・第１スケールが、第１測定目盛としてリニア格子を有し、このリニア格子は、直線状の第１測定方向に沿って周期的に配置された目盛領域を有し、
・第２スケールが、第２測定目盛として別のリニア格子を有し、このリニア格子は、直線状の第２測定方向に沿って周期的に配置された目盛領域を有し、当該第２測定方向は、第１測定方向に対して垂直に配向されている。

好ましくは、
・第１測定目盛が、照射型位相格子として形成されていて、この照射型位相格子は、異なる位相シフトを呈する周期的に配置された目盛領域を有し、
・第２スケールが、第２測定目盛として少なくとも１つの透過型格子と１つのリフレクターとを有し、当該透過型格子及び当該リフレクターは、第２測定方向に沿って延在する。

したがって、当該透過型格子は、組み合わされた放射環状型の格子として形成され得る。この放射環状型の格子は、異なる回折特性を呈する周期的に配置された目盛領域を有する。

好適な実施の形態では、第１測定方向に沿った少なくとも１つの所定の位置での検出信号の信号減衰と、第２リファレンスマークを選択的に起動させるための切替機能とが、第１マークによって発生するように、この第１マークは形成されていることが提唱されている。

この場合、第１マークは、少なくとも１つの第１部分マークと１つの第２部分マークとを有し得る。

したがって、第１部分マークは、
・少なくとも１つの吸収材領域を有する、又は
・少なくとも１つの直線構造を有する。

当該吸収材領域は、第１測定目盛内に組み込まれて配置されていて、当該吸収材領域上に入射する部分ビーム束が、少しだけ反射する又は反射しない。

当該直線構造は、第１測定目盛内に組み込まれて配置されていて、当該直線構造は、リニア格子を有する。このリニア格子の目盛領域が、第１測定目盛の目盛領域に対して回旋状に配置されている。

当該第２部分マークは、第１測定目盛内に組み込まれて配置されている少なくとも１つの直線構造を有し得る。この場合、当該直線構造は、リニア格子を有する。このリニア格子の目盛領域が、第１測定目盛の目盛領域に対して回旋状に配置されている。

好ましくは、第１マークが、第１測定目盛の長手方向の１つの端部に配置されていることが提唱されている。

第１部分マーク及び第２部分マークがそれぞれ、これらの部分マークを走査する部分ビーム束の直径より小さい寸法を有することが可能である。

１つの実施の形態では、第１マークが、リファレンスマークとして形成されていて、且つ第１スケールのリファレンス位置で少なくとも１つの第１リファレンス信号を生成するために使用され、第１スケールが、そのリファレンス位置に存在するときにだけ、第２リファレンス信号が生成可能であることが提唱され得る。

第１スケールが、第１マークによって予め設定されている、第１測定方向に沿った所定の位置に存在するときにだけ、第２リファレンスマークが、少なくとも１つの走査部分ビーム束によって照射可能であるように、この第２リファレンスマークは形成され得る。

この場合、当該第２リファレンスマークは、少なくとも１つの反射するリファレンス領域として形成されていることが可能である。当該リファレンス領域は、第２スケールのリファレンス位置で、第２測定方向に対して垂直に、第２測定目盛のリフレクターに隣接して配置されている。

好ましくは、本発明の光学式エンコーダは、
・光源、及び
・複数の検出器要素を有する検出器装置を備える。この場合、
・この光源から入射するビーム束が、第１測定目盛で２つの部分ビーム束に分割され、
・当該部分ビーム束は、第２測定目盛の透過型の格子の方向に伝播し、この透過型の格子で回折され、
・当該回折された部分ビーム束は、第２測定目盛のリフレクターの方向に伝播し、第２測定目盛の透過型の格子の方向に、このリフレクターで反射し、
・当該部分ビーム束は、第２測定目盛の透過型の格子の方向に伝播し、この透過型の格子で新たに回折され、
・当該回折された部分ビーム束は、第１測定目盛の方向に伝播し、当該部分ビーム束は、この第１測定目盛で重畳し、そして
・当該重畳した部分ビーム束は、検出器装置の検出器要素の方向に伝播する結果、
・２つのスケールの相対位置に関する位置信号が、当該両スケールの光学走査から生成可能である。

また、実際の位置測定が、測定稼働中に悪影響を受けることなしに、互いに独立して可動な２つの測定目盛のリファレンスが、本発明の解決手段によって可能である。したがって、当該両測定目盛のための位置補正テーブルが、例えば実際の測定稼働中に、発生しうる格子誤差を補正するために使用され得る。つまり、高精度な位置測定が保証される。

しかし、当然に、ただ１つの測定目盛が、本発明の解決手段によってリファレンスされるだけでもよい。

さらに、それぞれの測定方向に沿った測定目盛の延在部分によってそれぞれ予め設定されている、１つの測定目盛当たりの使用可能な測定領域が、それぞれの他方の測定目盛上のマークつまりリファレンスマークによって制約されない。

本発明は、エンコーダの第１スケールが、測定目盛としてリニア格子を有し、エンコーダの第２スケールが、測定目盛として放射格子を有する、冒頭で述べたエンコーダの実施の形態だけで使用可能ではない。別の実施の形態では、第１スケールと第２スケールとがそれぞれ、測定目盛としてリニア格子を有してもよい。この場合、これらのリニア格子は、互いに垂直に配向されている。

以下に、本発明の利点及び詳細を、添付図面による実施の形態から説明する。

本発明の光学式エンコーダの１つの実施の形態の一部を上から見た概略図である。 第１リファレンスマークの領域内の第１測定目盛の１つの実施の形態による第１スケールの部分図である。 第２リファレンスマークの領域内の第２測定目盛の１つの実施の形態による第２スケールの部分図である。 第２リファレンスマークの領域内にリフレクターを有する第２スケールの１つの実施の形態の部分図である。 本発明の光学式エンコーダの１つの実施の形態の走査ビーム路を伴う断面図である。 本発明の光学式エンコーダの１つの実施の形態の走査ビーム路を伴う断面図である。 図４ａ、４ｂの光学式エンコーダの実施の形態の展開された走査ビーム路を示す。 第１リファレンス信号の生成を説明するための図である。 第２リファレンス信号の生成を説明するための図である。 第２リファレンス信号の生成を説明するための図である。 第２リファレンス信号の生成を説明するための図である。 第２リファレンス信号の生成を説明するための図である。 第２リファレンス信号の生成を説明するための図である。 第２リファレンス信号の生成を説明するための図である。 第２リファレンス信号の生成を説明するための図である。 第２リファレンス信号の生成を説明するための図である。 第２リファレンス信号の生成を説明するための図である。 第１マークの領域内に第１測定目盛を有するその他に形成された第１スケールを示す。

図１には、本発明の光学式エンコーダの１つの実施の形態の構成要素が、非常に大まかに示されている。この場合、測定装置が、例えば冒頭で説明した本出願人の米国特許出願公開第２０１２／１０５８６２号明細書の第２の実施の形態で既に原理的に説明されているように、この測定装置は示されている。この場合、以下で説明する本発明の解決手段によって、使用される２つのスケール１０，２０をリファレンスするための可能性だけが、この測定装置に追加される。さらに、大まかに示されているこの図１では、光学式エンコーダの、リファレンスに関連する本発明の当該解決手段を説明するために必要である構成要素だけが示されている。

説明した刊行物の米国特許出願公開第２０１２／１０５８６２号明細書における図６及び７による測定装置と同様に、この例では、第１測定目盛を有する第１スケール１０が、対応する機械内で第１直線測定方向ｘに沿って可動式に配置されている。図２の第１測定目盛１１から分かるように、ここでは、この第１測定目盛１１は、照射型位相格子の方式のリニア格子として形成されている。この第１測定目盛１１は、第１測定方向ｘに沿って周期的に配置された、異なる位相シフトを呈する目盛領域１１．１，１１．２を有する。したがって、使用される位相格子の場合、当該縞状の目盛領域１１．１，１１．２は、この位相格子のウェブとギャップとを言う。当然に、本発明のエンコーダは、第１直線測定方向に沿って周期的に配置された複数の目盛領域を有するその他に形成された第１測定目盛、例えば振幅格子を備えてもよい。図１では、見やすさの理由から、第１スケール１０の使用される第１測定目盛１１は詳しく示されていない。

同様に、この理由から、図１には、光源と、複数の検出器要素を有する検出器装置とは示されていない。第１スケール１０が、本発明の光学式エンコーダのこれらの構成要素に対して第１測定方向ｘに沿って可動式に配置されている。

さらに、本発明の光学式エンコーダは、第２測定目盛２１を有する第２スケール２０を備える。同様に、この第２スケール２０は、図１に詳しく示されていない。つまり、第２スケール２０の部分図が、図３ａ，３ｂに示されている。この実施の形態では、第２スケール２０が、透過型格子とリフレクター２１．３とから構成される組み合わせを第２測定目盛２１として有する。この場合、この透過型格子は、板状のキャリア基盤２４の上面に配置されている。リフレクター２１．３が、反対側の、このキャリア基盤２４の下面に配置されている。この場合、このリフレクター２１．３の反射面が、当該透過型格子の方向に向いている。

この実施の形態では、第２測定目盛２１は、環状に形成されている。この場合、透過型格子が、円周方向に沿って周期的に配置された、異なる伝達特性を有する目盛領域２１．１，２１．２を備える。例えば、第２測定目盛２１の一部が、図３ａに示されている。

さらに、第２測定目盛２１は、環状のリフレクター２１．３を有する。このリフレクター２１．３は、図３ｂには上から見た図で示されている。反射部分領域としての第２リファレンスマーク２５が、環状のリフレクター２１．３に隣接して第２測定方向に対して垂直に少なくとも１つの位置に設けられている。第２測定目盛２１の透過型格子は、いわゆる放射環状型の格子として形成されている。当該格子は、異なる回折特性を呈する周期的に配置された目盛領域２１．１，２１．２を有する。当該放射環状型の格子の詳細は、本出願人の米国特許出願公開第２０１２／１０５８６２号明細書に記載されている。

第２スケール２０は、対応する機械内に回転軸Ｒを中心にして回転可能に配置されていて、同時に−図１に示されなかった−光源と検出器装置とに対しても相対可動である。したがって、この回転軸Ｒは、環状の第２測定目盛２１の中心に一致する。したがって、この実施の形態では、第２スケール２０の測定方向が、回転軸Ｒを中心にして延在する。以下では、この測定方向を第２測定方向と言う。

以下に、第１スケール１０と第２スケール２０との相対位置に関する、位置に依存する位置信号を生成するための本発明の光学式エンコーダにおける基本的な走査ビーム路を、図４ａ，４ｂ及び５に基づいて説明する。当該走査ビーム路によって生成された位置信号は、特定の機械構成要素を所定の方法で位置決めするために、例えば−図示されなかった−機械制御装置内で使用される。さらに、当該位置信号を生成するために使用される走査ビーム路は、既に説明した米国特許出願公開第２０１２／１０５８６２号明細書の第２の実施の形態から公知である走査ビーム路に一致する。この場合、本出願の図４ａ，４ｂは、光源１と検出器素子３．１〜３．３との間の走査ビーム路を異なる方向から示す。その一方で、図５は、展開された走査ビーム路を示す。

最初に、光源１によって放射されてコリメートされたビーム束が、第２スケール２０のキャリア基盤２４に対して斜めに地点Ｐ１に照射される。当該ビーム束は、地点Ｐ２を通じてこのキャリア基盤２４を透過する。その結果、当該ビーム束が、第１測定目盛１１の照射型格子の地点Ｐ３に照射される。この照射型格子が、当該ビーム束を２つの部分ビーム束に分割し、ｙ方向に回折させる。引き続き、これらの部分ビーム束は、キャリア基盤２４上の第２測定目盛２１の透過型格子の第１領域の地点Ｐ４ａ，Ｐ４ｂに到達する。当該両部分ビーム束が、これらの地点Ｐ４ａ、Ｐ４ｂで回折し、ｚ方向に対しては平行に新たに指向され、且つｘ方向においてはシリンダレンズの重畳作用によってキャリア基盤２４の下面上のリフレクター２１．３上の地点Ｐ５ａ，Ｐ５ｂ上に集光される。当該反射後に、これらの部分ビーム束は、キャリア基盤２４上の第２測定目盛２１の透過型格子の第２領域上の地点Ｐ６ａ、Ｐ６ｂに到達する。これらの部分ビーム束は、当該地点Ｐ６ａ，Ｐ６ｂを透過することで再びシリンダレンズ作用によってｘ方向に再コリメートされ、重畳回折作用によって当該入射する部分ビーム束に対して反対方向に反射される。その結果、２つの部分ビーム束が、第１測定目盛１１の透過型格子上の１つの共通の地点Ｐ７上に照射し、この地点Ｐ７で重畳され、重畳された部分ビーム束として地点Ｐ８ａ，Ｐ８ｂ，Ｐ８ｃとＰ９ａ，Ｐ９ｂ，Ｐ９ｃとを経由する結果、０次回折及び±１次回折で出射する。引き続き、例えば、米国特許出願公開第２０１２／１０５８６２号明細書の第１の実施の形態で説明されているように、検出器装置の光電検出器素子３．１，３．２，３．３による検出が実施され、当該両スケール１０，２０の相対位置に関する位相シフトしている位置信号が生成される。この代わりに、当該部分ビーム束を光ファイバに入射させ、遠くに後続配置された評価用電子機器に伝送することも可能である。

以下に、本発明の光学式エンコーダの２つのスケール１０，２０をリファレンスするための個々の本発明の解決手段及び具体的な方法を詳しく説明する。

図２では、第１スケール１０をリファレンスするために使用されるリファレンスマーク１５としての第１マークが、第１測定目盛１１の部分図として示されている。この第１測定目盛１１は、既に上述したようにリニア格子として形成されている。このリニア格子は、第１測定方向ｘに沿って周期的に配置された、異なる位相シフトを呈する目盛領域１１．１，１１．２を有する。この実施の形態では、第１測定目盛１１の矩形の目盛領域１１．１，１１．２の長手軸が、第１測定方向ｘに対して傾斜して、すなわち９０°と異なる角度を成して配向されている。この場合、当然に、別の角度が設定されてもよい。

図２から分かるように、当該第１リファレンスマーク１５は、図示された実施の形態では、第１測定目盛１１の選択されたリファレンス位置で、第１部分マーク１５．２ａ，１５．２ｂと第２部分マーク１５．１とから構成される。当該両部分マーク１５．１，１５．２ａ，１５．２ｂはそれぞれ、線状構造から成る。これらの線状構造はそれぞれ、第１測定目盛１１内に組み込まれて配置されていて、見て取れるようにリニア格子を有する。これらの部分マークの目盛領域が、第１測定目盛１１の目盛領域１１．１，１１．２に対して回旋状に配置されている。

この場合、−例えば図示されているように−第１マークつまりリファレンスマーク１５が、第１測定目盛１１の、実際の位置測定のために使用されない領域内に配置されている、すなわち第１測定目盛１１の長手方向の端部に配置されていることが、基本的に有益であると実証されている。

この実施の形態では、第２部分マーク１５．１は、第１測定目盛１１の全幅にわたって傾斜して配置されていて、見て取れるようにリニア格子を有する。このリニア格子の目盛領域が、第１測定目盛１１の目盛領域１１．１，１１．２に対して回旋状に配置されている。

これに対して、第１部分マーク１５．２ａ，１５．２ｂは、等しく形成された２つの部分線状構造に形成されている。同様に、これらの第１部分マーク１５．２ａ，１５．２ｂはそれぞれ、第１測定目盛１１に対して傾斜して配置されていて、この第１測定目盛１１の縁部からこの第１測定目盛１１のほぼ中心まで延在する。これらのマーク１５．１，１５．２ａ，１５．２ｂの部分線状構造は、第１測定方向ｘに沿ってずらして配置されていて、既に上述したようにリニア格子から構成されている。これらのリニア格子の目盛領域が、第１測定目盛１１の目盛領域１１．１，１１．２に対して回旋状に配置されている。

第２部分マーク１５．１又は第１部分マーク１５．１ａ，１５．２ｂの線状構造のこれらの目盛領域は、当該測定目盛面内で、第１測定目盛１１の目盛領域１１．１，１１．２に対して反対方向であるものの、同じ角度だけ回旋して配置されている。これらの線状構造のリニア格子１５．１，１５．２ａ，１５．２ｂ上に入射する部分ビーム束に対する特定の光学作用が、これらのリニア格子によって発生する。当該光学作用を以下の説明でさらに詳しく説明する。

第１リファレンスマーク１５の当該構成の場合に、第１スケール１０をリファレンスするため、走査ビーム束が、第１リファレンスマーク１５の第２又は第１部分マーク１５．１又は１５．２ａ，１５．２ｂの地点Ｐ３に照射されるときに、測定目盛１１のその他の部分と違う角度を成してこの地点Ｐ３に配置された、当該両部分マーク１５．１又は１５．２ａ，１５．２ｂのリニア格子が、これらのリニア格子から反射した部分ビーム束を、 第２スケール２０の環状のリフレクター２１．３上にもはや照射させない。こうして、上述した走査ビーム路が、第１測定方向ｘ沿いの所定の位置で、例えばリファレンス位置で、第１リファレンスマーク１５の当該選択された配列によって一定に遮断される。この第１リファレンスマーク１５に入射するビーム束又はこの第１リファレンスマーク１５から反射したビーム束が、第２部分マーク１５．１又は第１部分マーク１５．２ａ，１５．２ｂのリニア格子によって目標走査ビーム路から外れるように回折されることによって、当該遮断は実施される。その結果、検出信号の信号減衰が大きくなる。このとき、当該信号減衰は、所定の位置つまりリファレンス位置を確認するために利用され得る、すなわち第１スケール１０をリファレンスするために利用され得る。したがって、第１リファレンスマーク１５の主な機能は、検出信号の信号減衰が、第１測定方向沿いの対応する所定の位置で、例えば既定のリファレンス位置で発生する点にある。この実施の形態では、当該信号減衰は、第１スケール１０をリファレンスするために利用され得る。以下に、この基本原理に基づくリファレンス工程における方法をさらに詳しく説明する。

所定の位置つまりリファレンス位置で、第１スケール１０をリファレンスする間に、完全な信号減衰、すなわち信号の完全な消滅を回避するためには、図１に示されているように、第１リファレンスマーク１５の第２部分マーク１５．１及び第２部分マーク１５．２ａ，１５．２ｂの寸法が、測定目盛１１のこれらの領域を走査する部分ビーム束の直径より小さく選択されることが有益であると実証されている。このとき、信号の信号振幅だけが減少する。

以下に、第２スケール２０をリファレンスするために使用される第２リファレンスマーク２５の具体的な構成を説明する。このため、図３ｂには、第２測定目盛２０のリフレクター２１．３が上から見て示されている。この図から分かるように、この図示された実施の形態では、第２スケール２０の面上の第２リファレンスマーク２５が、反射部分領域から構成される。したがって、第２測定方向沿いの選択されたリファレンス位置では、第２測定目盛２１のリフレクター２１．３が、キャリア基盤の下面の限定された領域内でこの第２測定方向に対して垂直に延在する。

第２リファレンスマーク２５のこの構成によれば、部分ビーム束が、第１測定目盛１１によって第２測定目盛２１のこの領域へ回折されるときにだけ、この第２リファレンスマーク２５は、走査ビーム路内に存在する。このことは、この実施の形態では、リファレンス位置が、第１スケール１０に接近され、この第１スケール１０が、このリファレンス位置内に留まるときにだけ成立する。既に説明したように、第１リファレンスマーク１５つまり第２部分マーク１５．１及び第１部分マーク１５．２ａ，１５．２ｂの選択された配列が、これらの部分マークから反射した部分ビーム束を、第２スケール２０の環状のリフレクター２１．３に向けてもはや回折させるのではなくて、このリフレクター２１．３に対してｘ方向に隣接した領域内へ回折させる。当該隣接した領域では、第２リファレンス領域２５が、反射部分領域として配置されている。したがって、部分ビーム束が、第２スケール２０を回転させることによって第２リファレンスマーク２５の反射部分領域に照射され、信号の大幅な増大を伴う変化した信号が、第２スケール２０のリファレンス位置だけで生成されることによって、第１スケール１０が、当該リファレンス位置に存在するときに、第２スケール２０が、リファレンスされ得る。このとき、第２スケール２０をリファレンスするための第２リファレンス信号が、当該変化した信号から生成可能である。したがって、第１リファレンス位置での信号減衰に関する既に上述した主な機能のほかに、第１マークつまりリファレンスマーク１５は、別の機能として第２リファレンスマーク２５を選択的に起動させるための切替機能を有する。このため、この実施の形態では、走査ビーム束が、第１リファレンス位置だけで第２リファレンスマーク２５に向かって回折される。その結果、この第２リファレンスマーク２５の反射時に、検出信号の変調が検出可能である。これに対して、第１スケール１０が、第１リファレンス位置に存在しない場合は、第２リファレンスマーク２５が、走査部分ビーム束によって照射されず、この第２リファレンスマーク２５の反射が、検出信号を変化させない。したがって、このようにして、すなわちリファレンスの目的では、第１スケール１０が、対応する所定の位置、例えば第１リファレンス位置に移動され、通常の測定稼働中には、この第１リファレンス位置から離れるように移動されることによって、第２スケール２０の第２リファレンスマーク２５が、一定に起動及び遮断可能である。したがって、第２スケール２０のリファレンスマーク２５による信号の悪影響が、当該通常の測定稼働中に阻止され得る。したがって、第２スケール２０の全体のスケール領域が、当該通常の測定稼働中に全ての測定長にわたって制約されずに位置測定のために使用可能である。

次いで、第１スケール１０及び第２スケール２０をリファレンスするためのステップごとの方法を、図６及び７ａ〜１０に基づいて本発明の光学式エンコーダの実施の形態で例示的に説明する。

最初に、第１スケール１０が、リファレンスされる。このリファレンスを図６に基づいて説明する。第１スケール１０が、リファレンスするために第１測定方向ｘに沿って移動される。その結果、走査部分ビーム束Ｓ１，Ｓ２が、第１測定目盛１１上の第１リファレンスマーク１５の領域にわたって照射される。

図６には、第１測定目盛１１の当該移動中の異なる位置にある測定目盛１１を走査する部分ビーム束Ｓ１，Ｓ２と、検出信号Ｉ_ＡＣの交流成分の対応する波形とが大まかに示されている。上述したように、大幅な信号減衰がそれぞれ、位置ｘ１及びｘ２で発生する。走査ビーム路内にある部分ビーム束Ｓ１，Ｓ２が、これらの位置ｘ１及びｘ２で、第１リファレンスマーク１５の第２部分マーク１５．１及び第１部分マーク１５．２ａ，１５．２ｂ上に照射される。部分マーク１５．１，１５．２ａ，１５．２ｂの位置が、第１測定目盛１１上で既知であるので、この信号減衰は、第１スケールをリファレンスするために使用され得る。したがって、図示された実施の形態では、こうして、２つの第１リファレンス信号が、位置ｘ１及びｘ２で生成可能である。これらの第１リファレンス信号は、第１スケールをリファレンスするために使用され得る。この場合、ｘ軸に沿ってリファレンスするほかに、部分マーク１５．１，１５．２ａ，１５．２ｂのｙ位置が、測定目盛１１上で同様に既知であるので、当該第１スケールは、このｘ軸に対して垂直なｙ軸に沿ってもリファレンスされ得る。当該リファレンスは、これらの部分マーク１５．１，１５．２ａ，１５．２ｂが互いに傾斜して配置されていて、ｘ方向の信号減衰の間隔が定まり、したがって第１測定目盛１１上のｙ方向に沿った部分ビーム束の位置が自動的に定まる場合に成立する。

第１スケールをリファレンスした後に、引き続き、第２スケールのリファレンスが実施される。当該リファレンスの実施を、図７ａ〜７ｃ，８ａ〜８ｃ及び９ａ〜９ｃに基づいて説明する。

図７ａは、リファレンスマーク１５の領域内の第１測定目盛１１の上面を再び示す。第１測定方向ｘ沿いの第１測定目盛１１のこの位置では、２つの走査部分ビーム束Ｓ１，Ｓ２が、リファレンスマーク１５を有する領域の外側にまだ存在する。それ故に、この段階ではまだ妨害されずに、信号の発生が進行する。−図５に比べて簡単に−示された、展開された走査ビーム路から分かるように、第１測定目盛１１のこの位置では、この第１測定目盛１１の位置Ｐ３で分割される部分ビーム束が、第２測定目盛のリフレクター２１．３上に正確に照射される。

第２スケールが、第１スケール１０つまり測定目盛１１のこの位置で回転軸を中心にして回転するときに、図７ｃに示された検出信号の波形が発生する。検出信号の直流成分と検出信号の変調成分との双方が、変化しないままである。したがって、第２スケール２０が、対応する第２測定方向に沿って移動するときに、当該検出信号は変化しない。

図８ａは、２つの走査ビーム束Ｓ１，Ｓ２が、測定目盛１１上で、第１リファレンスマーク１５の右側に位置する第１部分マーク１５．２ａ，１５．２ｂの領域に照射されるように、当該第１測定目盛１１が、第１測定方向ｘに沿って移動された状態を示す。図８ｂに示された、展開された走査ビーム路から分かるように、第１測定目盛１１のこの位置では、この第１測定目盛１１の位置Ｐ３で分割される部分ビーム束が、第２測定目盛のリフレクター２１．３上にもはや照射されないで、第１測定方向ｘに沿ってこのリフレクター２１．３に対してシフトする。

第２スケールが、第１スケール１０つまり測定目盛１１のこの位置で回転軸を中心にして再び回転するときに、図８ｃに示された検出信号Ｉ_ＤＣの直流成分の波形が発生する。見て取れるように、第２リファレンスマークつまり対応する反射領域が配置されている、第２測定方向に沿った位置ｙ１で、信号が増大する。

当該信号と同様に、図９ａに示されている状態でも、信号が影響を受ける。ここでも、第１測定目盛が、第１測定方向ｘに沿って再度移動されてある。その結果、２つの走査ビーム束Ｓ１，Ｓ２が、測定目盛１１上で第１リファレンスマーク１５の左側の第２部分マーク１５．１の領域に照射される。図９ｂに示された、展開された走査ビーム束から同様に分かるように、第１測定目盛１１のこの位置では、この第１測定目盛１１の位置Ｐ３で分割される部分ビーム束が、第２測定目盛のリフレクター２１．３上に照射されるのではなくて、第１測定方向ｘに沿って若干シフトする。

第２スケールが、第１スケール１０つまり測定目盛１１のこの位置で回転軸を中心にして新たに回転するときに、図９ｃに示された検出信号Ｉ_ＤＣの直流成分の波形が発生する。第２リファレンスマークつまり対応する反射領域が配置されている、第２測定方向に沿った位置ｙ２で、信号が増大する。

このとき、第２スケール上の第２リファレンスマークの既知の位置と、信号が説明されている方法で増大する検出位置ｙ１，ｙ２とから、第２スケールも、希望通りにリファレンスされ得る。この場合、第２スケールの回転角度が、第１の信号の増大から測定され得る。ｚ方向に沿った第２スケールの位置が、２つの信号の増大の間隔から測定され得る。

説明した実施の形態のほかに、当然に、さらに別の実施の形態が、本発明の範囲内で実現可能である。

すなわち、例えば、本発明の光学式エンコーダの別の実施の形態では、第１スケール上の第１マークが、このスケール用のリファレンスマークとして機能するのではなくて、すなわち第１スケールをリファレンスするために使用されるのではなくて、当該機能以外に 第２リファレンスマークを選択的に起動させるための切替機能だけを有することが提唱され得る。このため、空間的に限定された第１マークを第１測定目盛沿いの少なくとも１つの所定の位置に配置することが必要である、これに対して特に好ましくは、例えば、第１測定目盛の長手方向の端部の位置に同様に配置することが必要である。

適切な第１マーク１５０の別の可能な実施の形態が、図２と同様に第１測定目盛１１１の一部を示す図１０に示されている。ここで使用される第１マーク１５０は、同様に２つの部分マーク１５４及び１５１〜１５３から構成される。当該図示された実施の形態では、この第１部分マーク１５１〜１５３は、第１測定目盛１１１内に組み込まれて配置されている複数の吸収材領域を有する。当該第１部分マーク１５１〜１５３のこれらの吸収材領域上に入射する部分ビーム束が、これらの吸収材領域によって少しだけ反射される又は反射されない。第２部分マーク１５４は、図２による第２部分マーク１５．１と同様に形成されていて、第１測定目盛１１１に対して回旋状にこの領域内に配置されたリニア格子から構成される。第１部分マーク１５１〜１５３の吸収材領域は、当該サブ構造を有しない。

この実施の形態では、第１部分マーク１５１〜１５３の吸収材領域だけが、測定目盛１１１をリファレンスするために使用される、つまり検出信号の信号減衰を、この第１測定目盛に沿った所定の位置で発生させるために使用される。

第２部分マーク１５４の領域内では、この領域上に入射する部分ビーム束が、この領域に設けられているリニア格子によって同様に限定的に回折される。すなわち、当該第２部分マーク１５４は、第２スケール上の第２リファレンスマークを選択的に起動させるための切替機能を有する。したがって、この実施の形態では、第１リファレンスマーク１５０の当該２つの主要な機能のために、上述した実施の形態とは違って、分離された構成要素、すなわち第２部分マーク１５４と第１部分マーク１５１〜１５３とが設けられている。したがって、第１スケール上のこれらの異なる部分マークつまり構造は、一方では第２スケール上の第２リファレンスマークに切り替えるために使用される、つまりこの第２リファレンスマークを起動させるために使用され、他方では第１スケールをリファレンスするために使用される。

この実施の形態で設けられている第１部分マークのための吸収材領域の代わりに、当然に、検出信号の位相位置又は振幅を変化させる別に新たに形成された構造が使用されてもよい。

また、第２スケール上の第２リファレンスマークに関しては、別の実施の形態が、本発明の範囲内で可能である。すなわち、例えば、図３ｂにおいてリフレクター２１．３の片側だけに設けられているリファレンスマーク２５に加えて、同様に反射する第２の部分領域が、このリフレクター２１．３に対向する側に配置されることが提唱され得る。このとき、当該第２リファレンスマークは、リフレクター２１．３に対してミラー対称に配置された２つの反射部分領域を有する。

さらに、複数の第２リファレンスマークが、第２スケールの測定方向に沿って距離符号式に配置される、すなわち一定に異なる間隔をあけて当該測定方向に沿って配置されることが可能である。さらに、第２スケールが、最悪な状況において完全に１回転だけ移動される必要なしに、第２測定方向に沿ったインクリメンタル測定時に、絶対位置値を生成することが可能である。

さらに、本発明は、第１のリニアスケール及び第２のロータリースケールだけに関連して使用されなくてもよい。これとは違って、別の実施の形態において、第１スケールと第２スケールとがそれぞれ、測定目盛としてリニア格子を有することも可能である。この場合、これらのリニア格子は、互いに垂直に配向されていて、且つ互いに独立して移動可能である。

さらに、照射型のリニア格子としての第１測定目盛の説明した構成は、必須でない。すなわち、上述した実施の形態とは違って、例えば、第１測定目盛が、透過型格子等として形成されることも可能である。

１ 光源
３．１ 検出器素子
３．２ 検出器素子
３．３ 検出器素子
１０ 第１スケール
１１ 第１測定目盛
１１．１ 目盛領域
１１．２ 目盛領域
１５ 第１リファレンスマーク、線状構造のリニア格子
１５．２ａ第１部分マーク、線状構造のリニア格子
１５．２ｂ第１部分マーク、線状構造のリニア格子
１５．１ 第２部分マーク
２０ 第２スケール
２１ 第２測定目盛
２１．１ 目盛領域
２１．２ 目盛領域
２１．３ リフレクター
２４ キャリア基盤
２５ 第２リファレンスマーク
１１１ 第１測定目盛
１５０ 第１マーク
１５１ 第１部分マーク
１５２ 第１部分マーク
１５３ 第１部分マーク
１５４ 第２部分マーク
Ｒ 回転軸
Ｓ１ 部分ビーム束
Ｓ２ 部分ビーム束

Claims (15)

1. 第１スケール（１０）と第２スケール（２０）とを有する光学式エンコーダにおいて、
   前記第１スケール（１０）は、第１測定方向（ｘ）に沿って可動に配置されている第１測定目盛（１１；１１１）を有し、
   前記第１スケール（１０）は、前記第１測定方向（ｘ）に沿った少なくとも１つの所定の位置に、空間的に限定された、前記第１測定目盛（１１；１１１）とは異なる第１マーク（１５；１５０）を有し、
   前記第２スケール（２０）は、第２測定方向に沿って可動に配置されている第２測定目盛（２１）を有し、
   前記第２スケール（２０）は、少なくとも１つの位置に第２リファレンスマーク（２５）を有し、前記第１スケール（１０）が、前記第１マーク（１５；１５０）によって予め設定されている、前記第１測定方向（ｘ）に沿った所定の位置に存在するときにだけ、前記第２リファレンスマーク（２５）は、少なくとも１つのリファレンス信号を前記第２スケール（２０）のリファレンス位置で生成するために使用可能である当該光学式エンコーダ。
2. ・前記第１スケール（１０）は、第１測定目盛（１１；１１１）としてリニア格子を有し、このリニア格子は、直線状の第１測定方向（ｘ）に沿って周期的に配置された目盛領域（１１．１，１１．２）を有し、
   ・前記第２スケール（２０）は、第２測定目盛（２１）として環状の格子を有し、この環状の格子は、円周方向に沿って周期的に配置された目盛領域（２１．１，２１．２）を有し、回転軸（Ｒ）を中心にして回転可能に配置されている結果、前記第２測定方向が、当該円周に沿って延在する請求項１に記載の光学式エンコーダ。
3. ・前記第１スケールは、第１測定目盛としてリニア格子を有し、このリニア格子は、直線状の第１測定方向に沿って周期的に配置された目盛領域を有し、
   ・前記第２スケールは、第２測定目盛として別のリニア格子を有し、このリニア格子は、直線状の第２測定方向に沿って周期的に配置された目盛領域を有し、前記第２測定方向は、前記第１測定方向に対して垂直に配向されている請求項１に記載の光学式エンコーダ。
4. ・前記第１測定目盛（１１；１１１）は、照射型位相格子として形成されていて、この照射型位相格子は、異なる位相シフトを呈する周期的に配置された目盛領域（１１．１，１１．２）を有し、
   ・前記第２スケール（２０）は、第２測定目盛（２１）として少なくとも１つの透過型格子と１つのリフレクター（２１．３）とを有し、前記透過型格子及び前記リフレクター（２１．３）は、前記第２測定方向に沿って延在する請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
5. 前記透過型格子は、組み合わされた放射環状型の格子として形成されていて、この放射環状型の格子は、異なる回折特性を呈する周期的に配置された目盛領域（２１．１，２１．２）を有する請求項４に記載の光学式エンコーダ。
6. 前記第１測定方向（ｘ）に沿った前記少なくとも１つの所定の位置での検出信号の信号減衰と、前記第２リファレンスマーク（２５）を選択的に起動させるための切替機能とが、前記第１マーク（１５；１５０）によって発生するように、この第１マーク（１５；１５０）は形成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
7. 前記第１マーク（１５；１５０）は、少なくとも１つの第１部分マーク（１５．１；１５４）と１つの第２部分マーク（１５．２ａ，１５．２ｂ；１５１，１５２，１５３）とを有する請求項６に記載の光学式エンコーダ。
8. 前記第１部分マーク（１５．２ａ，１５．２ｂ；１５１，１５２，１５３）は、少なくとも１つの吸収材領域を有する、又は少なくとも１つの直線構造を有し、
   前記吸収材領域は、前記第１測定目盛（１１１）内に組み込まれて配置されていて、前記吸収材領域上に入射する部分ビーム束が、少しだけ反射する又は反射しなく、
   前記直線構造は、前記第１測定目盛（１１）内に組み込まれて配置されていて、前記直線構造は、リニア格子を有し、このリニア格子の目盛領域が、前記第１測定目盛（１１）の前記目盛領域（１１．１，１１．２）に対して回旋状に配置されている請求項７に記載の光学式エンコーダ。
9. 前記第２部分マーク（１５．１，１５４）は、少なくとも１つの直線構造を有し、当該直線構造は、前記第１測定目盛（１１；１１１）内に組み込まれて配置されていて、当該直線構造は、リニア格子を有し、このリニア格子の目盛領域が、前記第１測定目盛（１１；１１１）の前記目盛領域（１１．１，１１．２）に対して回旋状に配置されている請求項７に記載の光学式エンコーダ。
10. 前記第１マーク（１５；１５０）は、前記第１測定目盛（１１；１１１）の長手方向の１つの端部に配置されている請求項６に記載の光学式エンコーダ。
11. 前記第１部分マーク（１５．２ａ，１５．２ｂ；１５１，１５２，１５３）及び前記第２部分マーク（１５．１；１５４）はそれぞれ、これらの部分マークを走査する前記部分ビーム束の直径より小さい寸法を有する請求項７に記載の光学式エンコーダ。
12. 前記第１マーク（１５）は、リファレンスマークとして形成されていて、且つ前記第１スケール（１１）のリファレンス位置で少なくとも１つの第１リファレンス信号を生成するために使用され、前記第１スケール（１０）が、そのリファレンス位置に存在するときにだけ、第２リファレンス信号が生成可能である請求項６〜１１のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
13. 前記第１スケール（１０）が、前記第１マーク（１５；１５０）によって予め設定されている、前記第１測定方向（ｘ）に沿った所定の位置に存在するときにだけ、前記第２リファレンスマーク（２５）が、少なくとも１つの走査部分ビーム束によって照射可能であるように、この第２リファレンスマーク（２５）は形成されている請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
14. 前記第２リファレンスマーク（２５）は、少なくとも１つの反射するリファレンス領域として形成されていて、当該リファレンス領域は、前記第２スケール（２０）の前記リファレンス位置で、前記第２測定方向に対して垂直に、前記第２測定目盛（２１）の前記リフレクター（２１．３）に隣接して配置されている請求項１３に記載の光学式エンコーダ。
15. ・光源（１）と、
    ・複数の検出器要素（３．１，３．２，３．３）を有する検出器装置とを備える光学式エンコーダであって、
    ・前記光源（１）から入射するビーム束が、前記第１測定目盛（１１；１１１）で２つの部分ビーム束に分割され、
    ・当該部分ビーム束は、前記第２測定目盛（２１）の透過型の格子の方向に伝播し、この透過型の格子で回折され、
    ・当該回折された部分ビーム束は、前記第２測定目盛（２１）の前記リフレクター（２１．３）の方向に伝播し、前記第２測定目盛（２１）の前記透過型の格子の方向に、このリフレクター（２１．３）で反射し、
    ・当該部分ビーム束は、前記第２測定目盛（２１）の前記透過型の格子の方向に伝播し、この透過型の格子で新たに回折され、
    ・当該回折された部分ビーム束は、前記第１測定目盛（１１；１１１）の方向に伝播し、当該部分ビーム束は、この第１測定目盛（１１；１１１）で重畳し、そして
    ・当該重畳した部分ビーム束は、前記検出器装置の前記検出器要素（３．１，３．２，３．３）の方向に伝播する結果、
    ・２つの前記スケール（１０，２０）の相対位置に関する位置信号が、当該両スケール（１０，２０）の光学走査から生成可能である請求項１〜１４のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。

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