JP2014109577A - 位置測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学的に走査検知されリング状に取り巻く反射型測定目盛を備え、検知面での縞模様周期が、走査検知距離とは関係しない位置測定装置を提供する。
【解決手段】リング状に取り巻く反射型測定目盛２１を有する円筒形状の対象物２０が対象物長手軸を中心にして回転自在で配設されている。反射型測定目盛２１を光学的に走査検知するための、回転自在で配設された対象物２０に対向して静止している走査検知ユニット１０は、光源１１、発光側格子１３、検出器１２を有する。光源１１から発光された光束が発光側格子１３を通過して、反射型測定目盛２１に当たり、それにより検出器方向への逆反射が行われ、検出器１２を介して回転に対応する位置信号を生成する。検出器と反射型測定目盛間の光学的に有効な法線距離Ｖ´が、円筒形状対象物の半径Ｒに対応して、発光側格子と反射型測定目盛間の光学的に有効な法線距離Ｕ´と較べて、大きく又は小さく選ばれている。
【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の位置測定装置に関するものである。

当該形式の位置測定装置は、例えば特許文献１の明細書冒頭部分により公知である。この文献の図１は、一つの位置測定装置を示しており、それが一方で、リング状に取り巻く反射型測定目盛を備えた円筒形状の対象物を有しており、その対象物が対象物長手軸を中心に回転自在で配設されている。反射型測定目盛を光学的に走査検知するために他方で、その回転自在で配設された対象物に対向して静止した走査検知ユニットが設けられている。そのような装置に適した走査検知ユニットが、例えば図２Ｂおよび２Ｃに図示されており、それぞれ光源、発光側格子、検出器（ディテクタ）を有している。光源から発光された光束が発光側格子を通過して、そして反射型測定目盛に当たる。そこで検出器の方向への逆反射が行われ、反射型測定目盛と走査検知ユニットが相対運動するケースでは、その検出器を介して回転に対応する位置信号を生成することができる。

当該形式の位置測定装置で利用される光学的な走査検知原理は、非特許文献１に詳細に記載されている。この公知の走査検知原理を以下で簡単に説明することにする。

ここでは発光側格子を適切な光源、例えばＬＥＤにより照光している。照光された各発光側格子線がそれぞれ、発光側格子の後方で距離ｕにある基準尺に円筒波を送出する。光路で距離ｖにおいて、これら円筒波のそれぞれにより拡大された基準尺の自己結像が生じる。自己結像の周期ｄ_Ｄは、検知面において次のように得られる。

（式１）
ここで、
ｄ_Ｄ：検出器での検知面における基準尺の自己結像の周期
ｄ_Ｍ：基準尺の周期
ｕ：発光側格子と基準尺間の距離
ｖ：基準尺と検知面間の距離
である。

下記の式２により発光側格子の周期ｄ_Ｓを適切に選択することにより、検出器での自己結像を構造的にインコヒーレントで重ね合わせすることができる。

（式２）
ここで、
ｄ_Ｓ：発光側格子の周期
ｄ_Ｍ：基準尺の周期
ｕ：発光側格子と基準尺間の距離
ｖ：基準尺と検知面間の距離
である。

別の構成要素に対向して基準尺が移動するケースでは、基準尺の自己結像も検知面において移動する。検出器が所謂、その周期が基準尺自己結像のそれに相当する構造対応フォト検出器として構成されている場合には、移動量に関係する位置信号を、位相変化したインクリメント信号の形態で生成することができる。基準尺の自己結像を最適コントラストとするためには更に、所謂タルボ条件としても公知である次の条件を、追加して遵守すると好都合であることが分かっている：

（式３）
ここで、
ｄ_Ｍ：基準尺の周期
ｕ：発光側格子と基準尺間の距離
ｖ：基準尺と検知面間の距離
ｎ：１、２、３、 ．．．．
である。

この走査検知原理を照光システムに使用できると特に利点があり、その照光システムでは基準尺が反射型測定目盛として構成されており、発光側格子および検出器が一つの共通面に配設されている。そのケースでは次が当て嵌まる。

（式４）
ここで、
ｕ：発光側格子と基準尺間の距離
ｖ：基準尺と検知面間の距離
である。

式１から分かることは、走査検知距離が変化する時、即ち照光システムにおいて距離ｕないしｖ、基準尺の自己結像の周期ｄ_Ｄが変化せず、その結果として位置信号で変調度が損なわれないことである。

このような考え方は基本的に、平坦な基準尺に対してのみ当て嵌まる。例えばリング状に取り巻く反射型測定目盛のように湾曲した基準尺を備えた位置測定装置に、説明している走査検知原理を使用する場合には、走査検知距離が変化する時に基準尺の自己結像の周期ｄ_Ｄ、即ち検知面での縞模様の周期が変わらないことは、論理的に保証されていない。最初に挙げた特許文献１では、検知面での縞模様の周期が走査検知距離とは関係がないことを、どのように当該形式の位置測定装置で保証できるかについての示唆が見られない。

ＥＰ １ ７９５ ８７２ Ａ１号公報

Ｒ．Ｍ．ペッティグリュー著 「格子像の分析および変位計測への応用」、ＳＰＩＥ第１３６巻、計測応用光学の第１回欧州会議（１９７７）、３２５〜３３２ページ

本発明の課題は、光学的に走査検知されリング状に取り巻く反射型測定目盛を備えた位置測定装置を得ることであり、検知面での縞模様周期が、走査検知距離とは関係しないものである。

この課題を本発明に従って、請求項１の特徴を有する位置測定装置により解決する。
本発明による位置測定装置の利点ある実施形態は、従属請求項に記載の方策により得られる。

本発明による位置測定装置には、リング状に取り巻く反射型測定目盛を備えた円筒形状の対象物が含まれ、それが対象物長手軸を中心として回転自在で配設されている。位置測定装置に含まれるのは更に、反射型測定目盛を光学的に走査検知するための、回転自在で配設された対象物に対向して静止していると共に、光源、発光側格子、および検出器を有する走査検知ユニットである。光源から発光された光束が発光側格子を通過して、反射型測定目盛に当たり、それにより検出器方向への逆反射が行われ、検出器を介して回転に対応する位置信号を生成することができる。検出器と反射型測定目盛間の光学的に有効な法線距離が、円筒形状対象物の半径に対応して、発光側格子と反射型測定目盛間の光学的に有効な法線距離と較べて、大きく又は小さく選ばれている。

発光側格子と検出器間の法線距離が、

に加えて±２０％の許容差であると利点があり、
ここで、
ε：発光側格子と検出器間の法線距離
ｕ：反射型測定目盛までの光学的に有効な発光側格子の法線距離
Ｒ：円筒形状対象物の半径であり、外側走査検知ではＲ＞０、内側走査検知ではＲ＜０である。

利点ある実施形態では、発光側格子を除いて光源と反射型測定目盛間に、その他の光学要素が配設されていないようにしている。

反射型測定目盛が、周期的に配設され異なった光学特性を有する目盛部分を備えた格子として構成されており、目盛部分の長手延伸方向の向きが、対象物長手軸に対して平行または４５°以下を向いていることがある。

そして、
− 反射型測定目盛が、周期的に配設され異なった光学特性を有する目盛部分を備えた別の格子を含んでおり、目盛部分の長手延伸方向の向きが、対象物長手軸に対して直角または対象物長手軸に対して４５°以下であり、
− その別の格子を光学的に走査検知するために、第二の走査検知ユニットを設けており、
− 二つの走査検知ユニットを介して、対象物長手軸を中心にした対象物の回転運動も、対象物長手軸に沿った対象物の並進運動も測定技術によって検出可能である
ようにしていることがある。

反射型測定目盛は、振幅格子として又は位相格子としてのいずれかで構成されていることがある。

対象物長手軸からの走査検知ユニットのラジアル方向距離が、円筒形状対象物の半径と較べて大きく選ばれることがある。

代替として対象物長手軸からの走査検知ユニットのラジアル方向距離が、円筒形状対象物の半径と較べて小さく選ばれることもある。

可能性ある実施形態では、光源が空間的に広がる光源として構成されている。

代替として、前に発光側格子を配設した光源の代わりに、点光源が走査検知ユニットに配設されており、そして検出器と反射型測定目盛間の光学的に有効な法線距離が、
− 外側走査検知のケースでは、点光源の発光部分と反射型測定目盛間の光学的に有効な法線距離と較べて大きい、または
− 内側走査検知のケースでは、点光源の発光部分と反射型測定目盛間の光学的に有効な法線距離と較べて小さい
ようにしていることがある。

更に、発光側格子が透明なプレート状基板に配設されており、透明なプレート状基板が同じく走査検知光路において、発光側格子と反射型測定目盛間および反射型測定目盛と検出器間に位置していることがあり、そこで物理的な法線距離が次のように、光学的に有効な法線距離から得られる。

ここで、
ｕ：反射型測定目盛までの光学的に有効な発光側格子の法線距離
ｕ’：反射型測定目盛までの物理的な発光側格子の法線距離
ｖ：検知面Ｄまでの光学的に有効な反射型測定目盛の法線距離
ｖ’：検知面Ｄまでの物理的な反射型測定目盛の法線距離
ｎ_Ｓ：基板の屈折率
ｔ_Ｓ：発光側格子と反射型測定目盛間の基板厚
ｔ_Ｄ：反射型測定目盛と検知面間の基板厚
である。

更に、透明なプレート状基板で反射型測定目盛に向いた側に、発光側格子を配設するようにしていることがあり、そこで物理的な法線距離が次のように、光学的に有効な法線距離から得られる。

ここで、
ｖ：検知面Ｄまでの光学的に有効な反射型測定目盛の法線距離
ｖ’：検知面Ｄまでの物理的な反射型測定目盛の法線距離
ｎ_Ｓ：基板の屈折率
ｔ_Ｄ：反射型測定目盛と検知面間の基板厚
である。

発光側格子の光学的に有効な位置が、検出器の光学的に有効な位置より対象物長手軸の近くにあると好ましく、発光側格子の光学的に有効な位置が、発光側格子と反射型測定目盛間の光学的に有効な法線距離によって決められており、そして検出器の光学的に有効な位置が、検出器と反射型測定目盛間の光学的に有効な法線距離によって決められている。

本発明による位置測定装置の重要な利点として得られることは、検知面における縞模様周期が走査検知距離と関係がないことである。場合により走査検知距離が変化する時も、検知面において生成された縞模様の周期は変わらないままである。従って、縞模様周期が常に検出器の周期に合致しているので、走査検知距離が変化する時も走査検知信号が安定したままである。対応して取り付け許容差が大きいことにより、この位置測定装置は容易に組み付けられる。

本発明の更なる詳細および利点は、本発明による装置の実施例についての以下の記述を使って、図面と関連で説明することにする。

本発明による位置測定装置の第一実施形態の非常に簡略化した立体外観。 本発明による位置測定装置において発光側格子結像を説明するための図１ａの部分拡大図。 本発明による位置測定装置の第二実施例の概略図。 本発明による位置測定装置の第三実施例の概略図。 本発明による位置測定装置の第四実施例の概略図。 本発明による位置測定装置の第五実施例の概略図。 本発明による位置測定装置の第六実施例の概略図。 本発明による位置測定装置の第七実施例の概略図。

図１ａは、本発明による位置測定装置の第一実施形態の非常に簡略化した立体外観を示している。これに含まれるのは一つには円筒形状対象物２であり、それが対象物長手軸Ａを中心に回転自在で配設されている。対象物２には基準尺として、リング状に取り巻く反射型測定目盛２．１が設けられている。他方で、回転自在で配設された対象物２に対向し静止して走査検知ユニット１が設けられており、それが使用されて反射型測定目盛２．１を光学的に走査検知する、従って回転に対応する位置信号を生成する。走査検知ユニット１には種々の構成要素を含んでいるが、図１ａでは示していない；それに属するのは特に光源であり、場合により発光側格子および検出器である。

対象物１として挙げることができるのは、例えば回転する機械部品である。本発明による位置測定装置から生成された位置信号が、（図示していない）機械の制御部に送信され、それが例えば対象物１を位置決めするために使用される。

本実施例では反射型測定目盛２．１が、異なった光学特性を有し規則的に配設された目盛部分を備えた格子として構成されており、それを図１ａでは白黒で図示している。反射型測定目盛２．１の目盛部分の長手延伸方向は、図で分かるように対象物長手軸Ａに対して平行に向いている。反射型測定目盛２．１が振幅格子として構成されるケースでは、白黒で図示された目盛部分が、例えば異なった反射特性を有している。しかしながら、反射型測定目盛を位相格子として構成することもあり、その場合には種々の目盛部分が、それに入射する光束に対して異なった位相変化作用を及ぼす。

反射型測定目盛２．１に関しては、これをキャリア体に配設した後に、それを同じく対象物２に適切に固定することができる。しかしながら本発明の範疇で、それに対する代替として反射型測定目盛２．１を、対象物２の表面に直接装着していることもある。

幾何的な関係を更に説明するために、ここで図１ｂを参照されたい。それは図１ａによる位置測定装置の拡大断面外観を、それに配設された反射型測定目盛２．１および発光側格子スリットＳＧに対する結像光路と共に示している。

円筒形状対象物２の湾曲した表面は、このような結像時に焦点距離ｆを有する凸面ミラーのように作用し、次の関係がある：

（式５）
ここで、
ｆ：湾曲した対象物表面の焦点距離
Ｒ：円筒形状対象物の半径
である。

このような結像を介して発光側格子スリット、そのうちで一つの単一発光側格子スリットＳＧのみを図１ｂで示しているが、それが以下の結像式に従って発光側格子像ＳＧ’に結像される。

（式６）
ここで、
ｆ：湾曲した対象物表面の焦点距離
Ｒ：円筒形状対象物の半径
ｕ：反射型測定目盛までの光学的に有効な発光側格子の法線距離
ｕ_ｉ：反射型測定目盛までの光学的に有効な発光側格子像の法線距離
である。

最初に説明した式１〜４は、平面の反射型測定目盛と関連して先のような走査検知原理のために適用できるものであるが、それを基本的に、湾曲した又は太鼓状の反射型測定目盛２．１を備えた本システムで展開することができる。しかしながら、そこで考慮せねばならないことは、反射型測定目盛２．１の湾曲により発光側格子が、反射型測定目盛２．１から光学的に有効な法線距離ｕ_ｉに位置している虚像として、発光側格子像ＳＧ’に結像されることである。従って、最初に説明した式１〜４において光学的に有効な法線距離ｕを、虚像の発光側格子像ＳＧ’の法線距離ｕ_ｉにより置き換えねばならない。

システムが走査検知距離の変化に関係しないことを保証するために以下の検討では、発光側格子および検出器がリング状の反射型測定目盛の頂部から、εの値ないし法線距離だけ異なった光学的に有効な法線距離ｕ，ｖに配設されていることを前提にする、即ち

（式７）
である。
ここで、
ｕ：反射型測定目盛までの光学的に有効な発光側格子の法線距離
ｖ：検出器面Ｄまでの光学的に有効な反射型測定目盛の法線距離
ε：検出器までの発光側格子の法線距離
である。

可能性のある距離変化が一次近似で拡大係数ｍの変化とならないことが、ここで求められている。拡大係数ｍは、反射型測定目盛の周期ｄ_Ｍに対する検出器ないし検知する縞模様の周期ｄ_Ｄの比を表しており、次の関係がある。

（式８）
ここで、
ｍ：拡大係数
ｄ_Ｄ；検出器の周期
ｄ_Ｍ：反射型測定目盛の周期
である。

ここで拡大係数ｍは、それぞれの距離から次のように得られる。

（式９）
ここで、
ｍ：拡大係数
ｖ：検出器面Ｄまでの光学的に有効な反射型測定目盛の法線距離
ｕ_ｉ：反射型測定目盛までの光学的に有効な発光側格子像の法線距離
である。

式９を前記の結像式６に代入すると拡大係数ｍに対して、それぞれのシステムパラメータに関係して次が得られる。

（式１０）
ここで、
ｍ（ｕ）：拡大係数
ｕ：反射型測定目盛までの光学的に有効な発光側格子の法線距離
ε：検出器までの発光側格子の法線距離
Ｒ：円筒形状対象物の半径
である。

ここで拡大係数ｍ（ｕ）は、ｕによる第一導関数がゼロに等しいと近似的に一定である。これは、発光側格子と検出器間の法線距離εを次のように選ぶケースである。

（式１１）
ここで、
ｕ：反射型測定目盛までの光学的に有効な発光側格子の法線距離
ε：検出器までの発光側格子の法線距離
Ｒ：円筒形状対象物の半径
である。

即ち、検出器ないし検出器面Ｄが、法線距離εで発光側格子面の背後ないし離れて位置しているなら、走査検知距離の変化時に拡大係数ｍの変化が最小である。本発明による位置測定装置の可能性ある実施形態では、±２０％の許容差に加えて式１１による法線距離εを選ぶことができる。

反射型測定目盛２．１が振幅格子として構成されている時には、検出器において同じ周期の重ね合わされた二つの縞模様が現れるが、それは反射型測定目盛の＋１次と０次ないし０次と−１次回折の干渉で生じるものである。先に引用した非特許文献１では、このケースを“幾何像”と呼んでいる。二つの縞模様を同じ位相で重ね合わせるために、そして最大のコントラストを生成するためには、式３に類似してタルボの条件を満たさねばならず、そこで再びｕをｕ_ｉで置き換え、式６、７、１１を使用する。

（式１２）
ここでｎは、整数且つゼロより大きくなければならない。

このような位置測定装置を具体的に実現する場合には、多数の対象物直径Ｒに対して出来るだけ同一の検出器を使用するべきであるので、使用する検出器の周期ｄ_Ｄが、しばしば寸法を決める検討の最初の対象になる。それにより検出器製造のために必要なイニシャルコストを低減することができる。残りのシステムパラメータ、特に反射型測定目盛の周期ｄ_Ｍおよび発光側格子の周期ｄ_Ｓを求めることは、以下に説明するように行うことができる。

式１２は、反射型測定目盛の周期ｄ_Ｍを式８、１０、１１使って置き換えることにより、次の式１３となる。

(式１３)
ここで、
λ：光の波長
ｕ：反射型測定目盛までの光学的に有効な発光側格子の法線距離
ｖ：検出器面Ｄまでの光学的に有効な反射型測定目盛の法線距離
ｄ_Ｄ：検出器の周期
Ｒ：円筒形状対象物の半径
ｎ：１，２，３，．．．．
である。

式１３を解くことにより光学的に有効な法線距離ｕが得られ、それから式１１を使って法線距離ε、式７を使って光学的に有効な法線距離ｖ、そして式８を使って反射型測定目盛の周期ｄ_Ｍを決定することができる。

引き続いて更に発光側格子の周期ｄ_Ｓを、以下のように求めねばならない。

（式１４）
ここで、
ｄ_Ｓ：発光側格子の周期
ｄ_Ｄ：検出器の周期
ｕ：反射型測定目盛までの光学的に有効な発光側格子の法線距離
ｖ：検出器面までの光学的に有効な反射型測定目盛の法線距離
である。

本発明による位置測定装置の可能性ある実施形態では、例えば次のパラメータがシステム条件として与えられている。
Ｒ＝１０ｍｍ
ｄ_Ｄ＝４０μｍ
λ＝８５０ｎｍ
ｎ＝１

そして前記の式から残りのシステムパラメータを求めることができ、次のような結果となる。
ｕ＝０．７１４ｍｍ
ｖ＝０．８１６ｍｍ
ｄ_Ｍ＝１７．３４μｍ（３６２４信号周期／全周）
ｄ_Ｓ＝３５．００μｍ

本発明による位置測定装置の第二実施例を、図２で概略的に図示している。これに含まれているのは、外周に配設された反射型測定目盛２１を備え、回転軸ないし対象物長手軸Ａを中心にして回転する対象物２０である。反射型測定目盛２１は、周期的に配設され異なった光学特性を有する目盛部分を備えた格子として構成されている。ここで本発明の範疇において、反射型測定目盛２１を振幅格子として構成することができ、その場合には目盛部分が異なった反射特性を有している。しかしながら代替として、反射型測定目盛を位相格子として構成していることもある。その場合には目盛部分が、入射する光束に対して異なった位相変化作用を有している。反射型測定目盛２１の目盛部分の長手延伸方向は、対象物長手軸Ａに対して平行に向いている。

更に位置測定装置側に走査検知ユニット１０が設けられており、その中に光源１１、発光側格子１３、および検出器１２が配設されている。本実施例においては光源１１が空間的に広がる光源、例えばＬＥＤとして構成されている。発光側格子１３として機能するのは、交互に配設された透過および非透過目盛部分を有する透過格子であり、それが透明なプレート状基板１４に配設されている。検出器１２は、公知の構造に対応したフォト検出器として構成されており、その検知面にグループとして組み合わせ接続されている多数のフォトダイオードを有している。

発光側格子１３を除いて、本発明による位置測定装置では光源１１と反射型測定目盛２１間に、その他の光学要素は配設されていない。従って示しているのは、拡散する照光を使った反射型測定目盛２１の走査検知である。

対象物長手軸Ａを中心にして対象物２０が回転するケースでは検知面において、回転に対応して変調された縞模様が生じ、それが検出器１２を介して検出され、そして位相変化した多数の位置信号が、それぞれインクリメント信号に変換される。

この実施例では対象物長手軸Ａからの走査検知ユニット１０のラジアル方向距離が、円筒形状対象物２０の半径Ｒより大きく選ばれているので、ここでは以下において外側走査検知と呼ぶ円筒形状対象物２０の走査検知を示している。その場合に反射型測定目盛２１が、対象物２０の外側に配設されている。このケースではＲ＞０に従う半径Ｒを選ぶ。

従って本実施例で前記の検討に加えて考慮することは更に、発光側格子１３が透明なプレート状基板１４上に配設されており、それが従って同じく走査検知光路に、それも走査検知光路において発光側格子１３と反射型測定目盛２１の間に、そして反射型測定目盛２１および検出器１２を備えた検知面の間にも位置していることである。発光側格子１３ないし検知面を前記の式６〜１３により、反射型測定目盛２１までの光学的に有効な法線距離ｕないしｖに配設する時には、このケースでは光学的に有効な法線距離ｕ、ｖを実際の距離の値ｕ’ないしｖ’に補正せねばならず、それを以下においては物理的な法線距離ｕ’，ｖ’として表すことにする。基板１４が屈折率ｎ_Ｓおよび厚みｔ_Ｓ＝ｔ_Ｄを有する場合には、光学的に有効な法線距離ｕとｖが、物理的な法線距離ｕ’，ｖ’に非常に近似して大きくなる：

（式１５．１）

（式１５．２）
ここで、
ｔ_Ｓ：発光側格子と反射型測定目盛間の基板厚
ｔ_Ｄ：反射型測定目盛と検知面間の基板厚
である。

図示している位置測定装置の実施例では図２で分かるように、検出器１２と反射型測定目盛２１間の物理的な法線距離ｖ’が、発光側格子１３と反射型測定目盛２１間の物理的な法線距離ｕ’より大きい。物理的な法線距離ｖ’およびｕ’は、前記の式１１により選んだ法線距離εだけ異なっている。

図２の実施例では、そこに設けられた反射型測定目盛２１およびその反射型測定目盛２１とは反対側にある発光側目盛の外側走査検知を意図しているが、そこでは例えば基板固有のパラメータないし基板厚ｔ_Ｓ＝ｔ_Ｄおよびｎ_Ｓが次のように規定されている。
ｔ_Ｓ＝ｔ_Ｄ＝０．５ｍｍ
ｎ_Ｓ＝１．５１（ＢＫ７）

そして式１５．１、１５．２、１３、１１、８、７を使うことにより、物理的な法線距離ｕ’およびｖ’に対して次が得られる。
ｕ’＝０．８８２ｍｍ
ｖ’＝０．９８５ｍｍ

本発明による位置測定装置の第三実施例を図３で図示している。意図しているのは、同じくＲ＞０の外側走査検知である。この変形例が先の実施例と異なっているのは、ここでは走査検知ユニット１１０の中で発光側格子１１３が、プレート状基板１１４で反射型測定目盛１２１に向いた側に配設されていることのみである。そして前記の基板固有のパラメータないし基板厚はｔ_Ｓ＝０およびｔ_Ｄ＞０であるので、必要となるのは光学的に有効な法線距離ｖを式１５．２により物理的な法線距離ｖ’へ変換することのみである。次の基板固有のパラメータｔ_Ｄおよびｎ_Ｓ、即ち
ｔ_Ｄ＝０．１５ｍｍ
ｎ_Ｓ＝１．５１（ＢＫ７）
を使い、そして式１５．２、１３、１１、８、７を使うことにより、法線距離ｕおよびｖ’に対して
ｕ＝０．７１４ｍｍ
ｖ’＝０．８６７ｍｍ
が得られる。

それ以外は、この変形例は先に説明した実施例に相当している。

本発明による位置測定装置の第四実施例を図４で図示している。ここでは円筒形状対象物２２０が、前記実施例のように中実のドラムとして構成されているのではなく、円筒リングのみで出来ている。それが対象物長手軸Ａを中心にして回転自在で配設されている。円筒リング内側に接して反射型測定目盛２２１が、そして円筒リング内部に光源２１１、発光側格子２１３、検出器２１２を備えた走査検知ユニット２１０が配設されている。この実施例では従って、以下において内側走査検知と呼ぶ反射型測定目盛２２１の走査検知を示している。これが意味することは、対象物長手軸Ａからの走査検知ユニット２１０のラジアル方向距離が、円筒形状対象物２２０の半径Ｒより小さく選ばれていることである。このケースでも、半径Ｒに対応したマイナスの値を使用する時、即ち内側走査検知に対してＲ＜０が当て嵌まる時に、前記の式５，６および１０〜１３を使用することができる。そして式１１から、発光側格子２１３と検出器２１２間の間隔εに対しても同じくマイナスの値が得られる。図４から分かるように、これは発光側格子２１３が検知面より更に、反射型測定目盛２２１から離れていることを意味している。本発明による位置測定装置を例えばベアリング（支承、軸受）の内側に組み込まねばならない時に、この実施例は特に利点がある。

従って本発明による位置測定装置では、外側走査検知でも内側走査検知でも発光側格子の光学的に有効な位置が、検出器ないし検出器面の光学的に有効な位置より、対象物の長手軸Ａないし回転軸に近く位置するようにしている。そのとき発光側格子の光学的に有効な位置は、発光側格子と反射型測定目盛間の光学的に有効な法線距離ｕにより決まる。検出器の光学的に有効な位置は、検出器と反射型測定目盛間の光学的に有効な法線距離ｖにより決まる。

更に図４で分かるように、上に発光側格子２１３が配設されているプレート状基板は、発光側格子２１３、反射型測定目盛２２１、検出器２１２間の光路にない。そのことからこの実施形態では、光学的に有効な法線距離ｕ，ｖを物理的な法線距離ｕ’，ｖ’に変換することは不要である、即ち、ここではｕ＝ｕ’およびｖ＝ｖ’が当て嵌まる。

図５においては、本発明による位置測定装置の第五実施形態を概略的に図示している。ここで意図しているのは再び、対象物３２０に配設された反射型測定目盛３２１の、走査検知ユニット３１０を介した外側走査検知である、即ちＲ＞０が再び当て嵌まる。ここで走査検知ユニット３１０に含まれているのは、検出器３１２の他は光源３１１だけである。前方に発光側格子が配設され前記でそれぞれ設けられていた空間的に広がる光源の代わりに、この変形例は光源３１１として適切な点光源を有しており、ここでは発光側格子がない。選ばれる点光源が有する発光面は特に小さく、例えばレーザーダイオードまたは発光面が十分に小さいＬＥＤが適している。測定方向に沿った発光面の幅を、式１４による発光側格子の周期ｄ_Ｓの半分以下で選択すると好ましい。測定方向に沿った点光源発光面の幅に関して注意することは、これが出来るだけ発光側格子の周期ｄ_Ｓまたはその整数倍に相当してはならないことである。従って、この点光源が一つだけの発光スリットを備えた発光側格子のように作用する。

図５から分かるように図示しているＲ＞０の外側走査検知のケースでは、検出器３１２と反射型測定目盛３２１間の光学的に有効な法線距離ｖが、点状光源３１１の発光部分と反射型測定目盛３２１間の光学的に有効な法線距離ｕと較べて、即ち前記で説明した関係で決まる距離εだけ大きく選ばれている。

本発明による位置測定装置のこの実施形態では、発光側格子を必要としないことが利点として分かっている。

点状の光源を使って勿論、Ｒ＜０の内側走査検知も実施することができ、その場合には検出器と反射型測定目盛間の光学的に有効な法線距離が、点光源の発光部分と反射型測定目盛間の光学的に有効な法線距離と較べて小さい。

本発明による位置測定装置の第六実施形態を、図６で概略的に示している。ここでは走査検知される反射型測定目盛４２１が、先の実施例とは異なった構成となっている、即ち所謂十字格子の形態をしている。これに含まれるのは、前記検討した実施例の第一格子に加えて、周期的に配設され異なった光学特性を有する目盛部分を備えた別の格子であり、その目盛部分の長手延伸方向は、対象物長手軸Ａに対して直角に向いている。その別の格子を光学的に走査検知するために更に、第二走査検知ユニット４１０ｂが設けられているので、２つの走査検知ユニット４１０ａ，４１０ｂを介して、対象物長手軸Ａを中心にした対象物４２０の回転運動も、対象物長手軸Ａに沿った対象物４２０の並進運動も測定技術として検出可能である。

本発明による位置測定装置の第七実施形態を、図７で概略的に図示している。ここでは透明なプレート５１５が、発光側格子５１３と反射型測定目盛５２１の間に追加して配設されている。しかしながら、その透明なプレート５１５は側方の幅に制限があることにより、反射型測定目盛５２１から検知面に逆に伝播する光束が通過しない。よって基板厚ｔ_Ｓおよびｔ_Ｄで違いが生じる。従ってこの実施形態の特殊性として得られることは、発光側格子５１３および検知面が、その光学的に有効な法線距離ｕ，ｖは距離εだけ異なっているけれども基板厚ｔ_Ｓとｔ_Ｄを適切に選択することにより、反射型測定目盛５２１まで同じ物理的な法線距離ｕ’，ｖ’で配設されているということである。従って、ここでは次が当て嵌まる。

（式１６）

式１７は、

（式１７）
であり、式１５．１および１５．２と一緒で、基板厚ｔ_Ｓおよびｔ_Ｄに対する条件を与える。

式７および１１を使って、以上から次が得られる。

（式１８）

反射型測定目盛５２１として振幅格子を使用する時には、式１３による追加条件で光学的に有効な法線距離ｕを規定せねばならない。

本発明による位置測定装置の第七実施形態は、（以下で説明するように）検知面に発光側格子のように同じ基板上に格子を製造することが不可欠である時、特に干渉測定する変形例にとって利点のあることがある。円筒リング内側に装着されている反射型測定目盛に、それを類似して使用することもできる。その場合には透明なプレートが、発光側格子の幅ではなく（図では分からない）検出器の幅をカバーせねばならない。

ここまでで説明した実施例の他に勿論、本発明による位置測定装置を代替的に構成する更に別の可能性もある。

上記で既に示したように、振幅格子として設けられた反射型測定目盛の代わりに、これを位相格子として構成することも可能である。位相格子の位相変化がλ／４に等しく選ばれると、格子は振幅格子に類似して反射において０次および１次回折を生じ、それが信号生成に寄与する。このケースでは前記の式３，１２，１３において、ｎが半分数、即ち、ｎ＝０．５，１．５，２．５， ．．．．が選ばれるであろう。

本発明による位置測定装置は更に、非常に小さい周期の反射型測定目盛を備えた高分解能の干渉測定システムとして構成されることもある。そのような干渉測定システムでは反射測定目盛が、抑制されたゼロ次回折の位相格子測定目盛として選ばれる。そのような走査検知の基礎が、先に引用した非特許文献では“回折像”として記載されている。この走査検知において特別なことは、式３，１２，１３によるタルボ条件が問題にならないことである。従って反射型測定目盛の周期が小さいにも拘わらず、非常に大きな距離許容差が可能である。このケースでは反射型測定目盛の周期が半分になるので、先に述べた式８の代わりに次の式８’が当て嵌まる。

（式８´）
式９〜１１，１４および１５．１と１５．２は、そのまま変わらず当て嵌まる。

本発明による位置測定装置で以上のような干渉測定変形例に関して、可能性ある実施例の具体的な寸法データを以下で挙げてみることにする。Ｒ＝１０ｍｍ、ｕ＝１ｍｍおよび反射型測定目盛の９０００の目盛周期ないし１８０００の信号周期／全周を使い、次のようにｖ、ｄ_Ｍ、ｄ_Ｄの値が得られる。
ｖ＝１．２ｍｍ
ｄ_Ｍ＝６．９８１μｍ
ｄ_Ｄ＝８．５１７μｍ

ここで問題として分かることは、このように小さい周期ｄ_Ｄを有して構造対応したフォト検出器の製造である。この問題は、検知面における検出器の代わりに、周期ｄ_Ｖが検出器の周期ｄ_Ｄとは僅かに異なる格子を配設することにより回避できる。この場合には、格子の後に配設された検出器の検知面に、明らかに大きくなった周期を有する縞模様が生じる。そしてこの縞模様を、明らかに大きな検出器周期ｄ_ｓｔｒを有する検出器を使って検出できる。ここでは次が当て嵌まる。

（式１９）
ここで、
ｄ_Ｖ：検出面における追加格子の周期
ｄ_Ｄ：検出器の周期
ｄ_ｓｔｒ：構造対応した検出器の周期
である。

提示の寸法例では以上のような形式と方法により、検出器として周期ｄ_ｓｔｒ＝４０μｍを有する構造対応したフォト検出器を使用でき、そのとき周期ｄ_Ｖ＝７．０２２μｍの対応する格子を使用する。

本発明による位置測定装置の別の代替実施形態において、図６とは違って反射型測定目盛が、格子方向はアキシャルおよび方位角方向でなく対角方向、好ましくは対象物長手軸Ａに対して±４５°で延伸している十字格子として実施されていることがある。このケースでは格子方向に沿ってＲより大きい湾曲半径Ｒ’が生じる。従って上記の式では半径Ｒの代わりに、それぞれ格子方向に沿った湾曲半径Ｒ’を使用する。

１ 走査検知ユニット
２ 対象物
２．１ 反射型測定目盛
１０ 走査検知ユニット
１１ 光源
１２ 検出器
１３ 発光側格子
１４ プレート状基板
２０ 対象物
２１ 反射型測定目盛
１１０ 走査検知ユニット
１１３ 発光側格子
１１４ プレート状基板
１２１ 反射型測定目盛
２１０ 走査検知ユニット
２１１ 光源
２１２ 検出器
２１３ 発光側格子
２２０ 対象物
２２１ 反射型測定目盛
３１０ 走査検知ユニット
３１１ 光源
３１２ 検出器
３２０ 対象物
３２１ 反射型測定目盛
４１０ 第二走査検知ユニット
４２０ 対象物
４２１ 反射型測定目盛
５１３ 発光側格子
５１５ 透明プレート
５２１ 反射型測定目盛

Claims (14)

1. 位置測定装置であって、
   − リング状に取り巻く反射型測定目盛を有し、対象物長手軸を中心として回転自在で配設されている円筒形状の対象物、および
   − 光源、発光側格子、および検出器を有し、回転自在で配設された対象物に対向して静止していると共に、反射型測定目盛を光学的に走査検知するための、走査検知ユニット
   を備え、
   光源から発光された光束が発光側格子を通過して、反射型測定目盛に当たり、それにより検出器方向への逆反射が行われ、検出器を介して回転に対応する位置信号を生成できる位置測定装置において、
   検出器（１１２；２１２；３１２；５１２）と反射型測定目盛（２．１；２１；１２１；２１２；３２１；４２１；５２１）間の光学的に有効な法線距離（ｖ）が、円筒形状対象物（２；２０；１２０；２２０；３２０；４２０；５２０）の半径（Ｒ）に対応して、発光側格子（１３；１１３；２１３；５１３）と反射型測定目盛（２．１；２１；１２１；２１２；３２１；４２１；５２１）間の光学的に有効な法線距離（ｕ）より大きく又は小さくされる
   ことを特徴とする位置測定装置。
2. 請求項１に記載の位置測定装置において、
   発光側格子（１３；１１３；２１３；５１３）と検出器（１１２；２１２；３１２；５１２）間の法線距離が、
   ε：発光側格子と検出器間の法線距離
   ｕ：反射型測定目盛までの光学的に有効な発光側格子の法線距離
   Ｒ：円筒形状対象物の半径であり、外側走査検知ではＲ＞０、内側走査検知ではＲ＜０
   とすると
   

   

   
   に加えて±２０％の許容差である
   ことを特徴とする位置測定装置。
3. 請求項１に記載の位置測定装置において、
   発光側格子（１３；１１３；２１３；５１３）を除いて、光源（１１；１１１；２１１；３１１；５１１）と反射型測定目盛（２．１；２１；１２１；２１２；３２１；４２１；５２１）間に、その他の光学要素が配設されていない
   ことを特徴とする位置測定装置。
4. 前記請求項の少なくとも一つに記載の位置測定装置において、
   反射型測定目盛（２．１；２１；１２１；２１２；３２１；４２１；５２１）が、周期的に配設され異なった光学特性を有する目盛部分を備えた格子として構成されており、目盛部分の長手延伸方向の向きが、対象物長手軸（Ａ）に対して平行または４５°以下である
   ことを特徴とする位置測定装置。
5. 請求項４に記載の位置測定装置において、
   − 反射型測定目盛（４２１）が、周期的に配設され異なった光学特性を有する目盛部分を備えた別の格子を含んでおり、目盛部分の長手延伸方向の向きが、対象物長手軸（Ａ）に対して直角または対象物長手軸（Ａ）に対して４５°以下であり、
   − 別の格子を光学的に走査検知するために、第二の走査検知ユニット（４１０ｂ）が設けられており、
   − 二つの走査検知ユニット（４１０ａ，４１ｂ）を介して、対象物長手軸（Ａ）を中心にした対象物（４２０）の回転運動も、対象物長手軸（Ａ）に沿った対象物の（４２０）並進運動も測定技術によって検出可能である
   ことを特徴とする位置測定装置。
6. 請求項４または５に記載の位置測定装置において、
   反射型測定目盛（２．１；２１；１２１；２１２；３２１；４２１；５２１）が、振幅格子として構成されている
   ことを特徴とする位置測定装置。
7. 請求項４または５に記載の位置測定装置において、
   反射型測定目盛（２．１；２１；１２１；２１２；３２１；４２１；５２１）が、位相格子として構成されている
   ことを特徴とする位置測定装置。
8. 前記請求項の少なくとも一つに記載の位置測定装置において、
   対象物長手軸（Ａ）からの走査検知ユニット（１；１０；１１０；３１０；４１０ａ，４１０ｂ，５１０）のラジアル方向距離が、円筒形状対象物（２；２０；１２０；３２０；４２０；５２０）の半径（Ｒ）と較べて大きく選ばれている
   ことを特徴とする位置測定装置。
9. 請求項１〜７の少なくとも一つに記載の位置測定装置において、
   対象物長手軸（Ａ）からの走査検知ユニット（２１０）のラジアル方向距離が、円筒形状対象物（２２０）の半径（Ｒ）と較べて小さく選ばれている
   ことを特徴とする位置測定装置。
10. 前記請求項の少なくとも一つに記載の位置測定装置において、
    光源（１１；１１１；２１１；５１１）（３１１）が、空間的に広がる光源として構成されている
    ことを特徴とする位置測定装置。
11. 請求項１〜９の少なくとも一つに記載の位置測定装置において、
    前方に発光側格子を配設した光源の代わりに、点光源（３１１）が走査検知ユニットに配設されており、検出器と反射型測定目盛（３２１）間の光学的に有効な法線距離（ｖ）が、
    − 外側走査検知のケースでは、点光源の発光部分と反射型測定目盛間の光学的に有効な法線距離（ｕ）と較べて大きい、または
    − 内側走査検知のケースでは、点光源の発光部分と反射型測定目盛間の光学的に有効な法線距離（ｕ）と較べて小さい
    ことを特徴とする位置測定装置。
12. 前記請求項の少なくとも一つに記載の位置測定装置において、
    発光側格子（１３）が透明なプレート状基板（１４）に配設されており、透明なプレート状基板（１４）が同じく走査検知光路において、発光側格子（１３）と反射型測定目盛（２１）間および反射型測定目盛（２１）と検出器（１２）間に位置しており、物理的な法線距離（ｕ’，ｖ’）が次のように、光学的に有効な法線距離（ｕ，ｖ）から得られ、
    

    

    
    ここで、
    ｕ：反射型測定目盛までの光学的に有効な発光側格子の法線距離
    ｕ’：反射型測定目盛までの物理的な発光側格子の法線距離
    ｖ：検知面Ｄまでの光学的に有効な反射型測定目盛の法線距離
    ｖ’：検知面Ｄまでの物理的な反射型測定目盛の法線距離
    ｎ_Ｓ：基板の屈折率
    ｔ_Ｓ：発光側格子と反射型測定目盛間の基板厚
    ｔ_Ｄ：反射型測定目盛と検知面間の基板厚
    である、
    ことを特徴とする位置測定装置。
13. 請求項１〜１１の少なくとも一つに記載の位置測定装置において、
    発光側格子（１１３）が、透明なプレート状基板（１１４）で反射型測定目盛（１２１）に向いた側に配設されており、そこで物理的な法線距離（ｖ’）が次のように、光学的に有効な法線距離（ｖ）から得られ、
    

    

    
    ここで、
    ｖ：検知面Ｄまでの光学的に有効な反射型測定目盛の法線距離
    ｖ’：検知面Ｄまでの物理的な反射型測定目盛の法線距離
    ｎ_Ｓ：基板の屈折率
    ｔ_Ｄ：反射型測定目盛と検知面間の基板厚
    である、
    ことを特徴とする位置測定装置。
14. 請求項１に記載の位置測定装置において、
    発光側格子（１３；１１３；２１３；５１３）の光学的に有効な位置が、検出器（１１２；２１２；３１２；５１２）の光学的に有効な位置より対象物長手軸（Ａ）の近くにあり、発光側格子（１３；１１３；２１３；５１３）の光学的に有効な位置が、発光側格子（１３；１１３；２１３；５１３）と反射型測定目盛（２．１；２１；１２１；２１２；３２１；４２１；５２１）間の光学的に有効な法線距離（ｕ）によって決められ、検出器（１１２；２１２；３１２；５１２）の光学的に有効な位置が、検出器（１１２；２１２；３１２；５１２）と反射型測定目盛（２．１；２１；１２１；２１２；３２１；４２１；５２１）間の光学的に有効な法線距離（ｖ）によって決められている
    ことを特徴とする位置測定装置。

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