JP4303804B2

JP4303804B2 - 光学位置測定装置

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Publication number: JP4303804B2
Application number: JP17029898A
Authority: JP
Inventors: ヴオルフガング・ホルツプフエル; エルマール・ヨット・マイエル
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1998-06-17
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2018-06-17
Also published as: EP0887625A3; EP0887625A2; DE19726935B4; DE19726935A1; JPH1183432A; ATE312335T1; US6097490A; DE59813254D1; EP0887625B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、増分位置データを発生させる外に、相対運動する二つの物体が或る一定の相対位置で少なくとも一つの基準パルス（あるいは参照パルスとも言う）信号をも発生させることのできる光学位置測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の光学増分位置測定装置には、目盛板の側および走査側に一つまたはそれ以上の増分目盛がある外に、基準パルスを発生させる基準マークあるいは基準マーク構造体を伴う一つまたはそれ以上の区域もある。その場合、これ等の基準パルスは相対運動する二つの部材の特定な相対位置を確実に識別するために使用され、部材の相対運動は光学位置測定装置で検出される。例えば、相対運動する二つの部材は加工品と数値制御される工作機械の工具である。
【０００３】
目盛板の側および走査側の基準マーク構造体は、通常、光特性が交互に異なるように配置された多数の領域で構成されている。位置測定装置が透過光で動作するか、反射光で動作するかに応じて、前記領域は透光性と非透光性に形成されているか、反射性と非反射性に形成されている。目盛板の側でも走査ユニットの側でも、通常、一つの基準マークの区域内に同一の周期的構造体が配置されている。その場合、照明は平行にした光ビーム束で行われる。これに付いては、本出願人のドイツ特許第 18 14 785号明細書を参照されたい。
【０００４】
更に、例えば米国特許第 5,065,017号明細書により、目盛板の側と走査側の基準マーク構造体を最適にして、目盛板と走査ユニットの一定の相対位置で顕著な信号最大値が生じ、副最大値をできる限り抑制することも知られている。これは、異なった光特性を持つ領域を特定の非周期的な分布にすることにより達成される。しかし、これには目盛板の側でも走査ユニットの側でも対応する領域の分布は同じにされている。
【０００５】
更に、測定目盛と走査目盛を平行にした光ビーム束で照明する今まで議論した光学位置測定装置の外に、所謂発散照明を伴う光学位置測定装置も知られている。この種の位置測定装置では、光源と光ビーム束の通過する第一目盛構造体の間に嵩張ったコリメート光学系を必要としないので、光学位置測定装置の構造を特にコンパクトにできる。この種の位置測定装置に関しては、例えば米国特許第 4,823,001号明細書を参照されたい。
【０００６】
これ等の光学位置測定装置でも、目盛板と走査ユニットの特定な相対位置に関する基準パルス信号が発生すれば望ましいことである。
しかし、上に述べた基準パルスを発生する可能性は、光学位置測定装置で発散照明を使用する場合、適切でないことが知られている。これ等の実施態様では、目盛板の側と走査側の対応する構造体を設計する場合に、構造体を照明する平行にされた光ビーム束が前提となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
それ故、この発明の課題は、コリメータ光学系を必要としない光学位置測定装置に対して、二つの相対運動する物体の一つまたはそれ以上の特定な相対位置で高分解能の基準パルス信号を発生させる可能性を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、この発明により、相対運動する二つの物体の相対位置に関する別の位置信号の他に、これらの二つの物体の所定の相対位置に関する少なくとも一つの基準パルス信号をも生成可能である光学位置測定装置において、
一つの光源ＬＱと、
この光源ＬＱの前に配置された、第一の二つの異なる光学特性を持つ領域Ｓ_U,Ｓ_Dの不規則な分布を有する基準パルス発光構造体Ｓであって、その際この光源ＬＱと基準パルス発光構造体Ｓの間の光ビーム通路が発散している、基準パルス発光構造体Ｓと、
第二の二つの異なる光学特性を持つ領域Ｍ_U,Ｍ_Dの不規則な分布を有する、光ビームの伝播方向に対して基準パルス発光構造体Ｓの隣に配置された基準パルス目盛構造体Ｍと、
基準パルス目盛構造体Ｍに後置された基準パルス走査構造体Ａであって、その際基準パルス目盛構造体Ｍが基準パルス発光構造体Ｓおよび基準パルス走査構造体Ａに対して移動可能に配置されている基準パルス走査構造体Ａと、
透過および／または反射した光ビーム束を検出する少なくとも一つの光電検出素子Ｄとを備え、
その際前記の異なる光学特性を持つ領域Ｓ_U,Ｓ_D,Ｍ_U,Ｍ_Dの分布と基準パルス走査構造体Ａは、基準パルス構造体Ｍの一つの領域Ｍ_U,Ｍ_Dから到来する光ビーム束が、前記の相対運動する構造体の所定の相対位置において、基準パルス走査構造体Ａと相互作用して、その結果少なくとも一つの光電検出素子Ｄによって、十分な強度の第一基準パルス信号を検出できるように選択されていることによって解決される。
【０００９】
この発明による他の有利な構成は特許請求の範囲の従属請求項に記載されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明によれば、異なった構造体を発散照明する場合でも、目盛板と走査ユニットの一つまたはそれ以上の相対位置で基準パルス信号のできる限り顕著な最大値が生じるように、不規則なもしくは非周期的な全部で３つの基準パルス構造体を調整している。この場合、基準パルス発光構造体、基準パルス走査構造体および基準パルス目盛板構造体は適当な最適化法により目的通りに互いに調整されている。
【００１１】
このように、光学位置測定装置を極度にコンパクトに形成しても、狭い高分解能の基準パルスを発生する可能性が生じる。この場合、全系のコンパクトな構造は、特に光源と基準パルス発光構造体の間に可能な発散光ビーム通路のために生じる。この領域には、それ以外の通常のコリメータ光学系が設けてない。この発明による処置により、透過光構成でも反射光構成でもそれに応じた位置測定装置を使用できる。更に、直線運動を検出する位置測定装置や、回転運動を検出する位置測定装置もこれにより設計できる。
【００１２】
この発明による光学位置測定装置の他の利点として、基準パルス信号を発生する構造体を増分測定目盛に対して特定に配置すると、モアレに大きく鈍感になることも指摘できる。特に、測定目盛と走査ユニットが測定方向に垂直な軸の周りに僅かに相対回転しても、この発明により発生する基準パルス信号の形状と位置は実際上変わらない。
【００１３】
第一基準パルス信号の外に、この発明により、この信号に対して相補的な第二の基準パルス信号を発生させるため、提案する処置も特に有利である。このようにして、基準パルス信号の検出や評価での検出の信頼性は向上する。
【００１４】
【実施例】
以下、添付図面に基づきこの発明の実施例とこれにより得られる利点をより詳しく説明する。
この発明による光学位置測定装置の第一実施例を図１に模式部分図にして示す。ここでは、この発明により基準パルス信号の発生に働く透過光構成で形成されている位置測定装置の部品のみを示す。周知のように増分位置信号を発生する部品の図面は、見通しを良くするため省く。
【００１５】
この発明による光学位置測定装置には、少なくとも一つの基準パルス信号を発生させるため、例えばＬＥＤで形成された光源ＬＱがある。この光源ＬＱの後には光ビームの伝播方向に、この発明により基準パルス発光構造体Ｓが続く。この基準パルス発光構造体Ｓには、第一の二つの異なる光学特性を持つ領域Ｓ_U,Ｓ_Dの不規則で非周期的な分布がある。この発明による光学位置測定装置の透過光構成の図示する実施例では、基準パルスの発光構造体Ｓの領域Ｓ_U,Ｓ_Dは交互に透光状態および非透光状態に形成されている。光源ＬＱと基準パルス発光構造体Ｓの間には、図示する実施例の場合、周知の光学位置測定装置とは異なり、光源から出た光ビーム束をコリメートするために使用される付加的な光学系は配置されていない。従って、この発明による光学位置測定装置では、光源と後置されている基準パルス発光構造体との間に発散光ビーム通路がある。即ち、発散照明である。こうして、これ等の部材を極度コンパクトな構造にできる。コリメータ光学系を用いない図示する態様の代わりに、基本的には部分的にコリメートするが、依然として光源の発散放射特性を与える少なくとも一つの光学系に前置する光源ＬＱも使用できる。最後に述べた態様は、特に検出器側で大きな信号強度を必要とする場合に適する。基準パルス発光構造体Ｓ内の異なった領域Ｓ_U,Ｓ_Dの分布を適当に選ぶためには、以下の説明を参照されたい。
【００１６】
図１の実施例では、光源ＬＱが基準パルス発光構造体Ｓから一定間隔ｄほど離して配置されている。ｄ＞０に選択されている図示する態様の外に、光源ＬＱと基準パルス発光構造体Ｓの間の間隔ｄを著しく小さく選ぶこともできる。特別な場合、ｄ≒０までにできる。このようにして、光源ＬＱの発散度を可変できる。選択した間隔ｄに応じて、基準パルス信号を発生するために選ぶべき構造体を可変できる。
【００１７】
光ビームの進行方向に見て、基準パルス発光構造体Ｓの後に基準パルス目盛構造体Ｍが続く。この基準パルス目盛構造体Ｍには、第二の異なる光学特性を持つ領域Ｍ_U,Ｍ_Dの不規則な分布がある。この場合、基準パルス目盛構造体Ｍは基準パルス発光構造体Ｓに対して測定方向ｘに相対運動するように配置されている。目盛板の側でｘ方向に基準パルス目盛構造体Ｍに接する領域は、透過光構成の場合、不透光性に形成されている。従って、図１には走査される目盛板の位置部のみが示してある。
【００１８】
その外、この発明による光学位置測定装置には、第三の光学特性の異なる領域Ａ_U,Ａ_Dの不規則な分布を持つ基準パルス走査構造体Ａがある。この基準パルス走査構造体Ａの後には光電検出素子Ｄが配置されている。この光電検出素子Ｄにより三つの基準パルス構造体Ｓ，Ｍ，Ａを通過した光ビーム束を検出し、異なる構造体Ｓ，Ｍ，Ａの相対位置に応じて、一定の強度パターンが検出器面に発生する。図１には、検出素子Ｄに後続する周知の評価電子回路は図示しない。
【００１９】
図１に模式化して示すこの発明による光学位置測定装置の種々の部品の配置の外に、当然、例えば個々の部品の間隔が互いに異なる代わりの配置の可能性もある。上で説明したように、例えば基準パルス発光構造体Ｓを光源の直前に配置することができる。更に、基準パルス発光構造体を適当な光源の発光面のパターンで形成することもできる。基準パルス発光構造体を実現する他の可能性は、基準パルス発光構造体に相当する空間放射特性を有する光源を選ぶことにある。その外、検出素子Ｄの受光面をパターン構造にして基準パルス走査構造体Ａを形成することもできる。
【００２０】
光学位置測定装置の図示する実施例では、基準パルス目盛構造体Ｍに対して、図１に示す残りの部品、例えば光源ＬＱ，基準パルス発光構造体Ｓ，基準パルス走査構造体Ａおよび光電検出素子Ｄのような部品が測定方向ｘに向けて移動可能に配置されている。最後に述べた部品ＬＱ，Ｓ，ＡとＤは、例えば適当に構成された走査ユニット内の支持部材に配置され、この走査ユニットは基準パルス目盛構造体Ｍに対して移動する。この基準パルス目盛構造体Ｍは適当な目盛板の上に配置されている。この目盛板は例えばガラス目盛担体で構成され、この目盛担体の上には更に一つまたはそれ以上の周知の増分測定目盛が配置されている。目盛板と走査ユニットは、例えば工作機械の相対運動する二つの部品にそれぞれ連結し、これ等の部品の相対位置はこの発明による光学位置測定装置を用いて高精度に測定できる。
【００２１】
既に何度も述べたように、図１にはこの発明による光学位置測定装置の透過光態様が示してある。光学特性の異なる種々の構造体Ｓ，Ｍ，Ａの各領域Ｓ_U,Ｓ_D,Ｍ_U,Ｍ_D,Ａ_U,Ａ_Dは、それ故、使用する光ビームの波長に対して透光性と非透光性に形成されている。これに反して、反射光態様の場合では、例えば反射領域と非反射領域をそれに応じて不規則に配置するように、基準パルス目盛構造体Ｍを形成されている。基準パルス発光構造体および基準パルス走査構造体の側にも、再び交互に配置された透過性および非透過性の領域を設ける。
【００２２】
最後に、他の実施例では微細な格子構造のある領域を設け、他方の領域がそのような格子構造を持たないように、光学特性の異なる領域を形成することもできる。光学特性の異なる領域をどのように設計するかに付いては一連の可能性がある。
この発明によれば、相対移動する構造体の一定の相対位置の時に、検出素子Ｄにより十分な強度の基準パルス信号が生じるように、光学特性の異なる全体で３つの分布の領域Ｓ_U,Ｓ_D,Ｍ_U,Ｍ_D,Ａ_U,Ａ_Dを互いに調整している、つまり適当に選択している。このため、生じ得る副極大を十分抑制することを確保する。
【００２３】
特に、最適な分布の場合、基準パルス目盛構造体Ｍの一つの領域Ｍ_U,Ｍ_Dから来る光ビーム束が基準パルス走査構造体Ａの多数の領域Ａ_U,Ａ_Dと相互作用することが保証される。これは、例えば反射性あるいは非反射性に構成された基準パルス目盛構造体Ｍと透過性あるいは非透過性に構成された基準パルス走査構造体Ａの場合、一定の相対位置で、基準パルス目盛構造体Ｍの一つの領域Ｍ_U,Ｍ_Dからの光ビーム束が基準パルス走査構造体Ａの多数の透光性領域Ａ_Dを通過することを意味する。
【００２４】
「０」を付けて示す目盛板と走査ユニットの相対位置でこの発明により選択された分布が生じる基準パルス信号の強度波形を図２a に示す。光学特性の異なる領域Ｓ_U,Ｓ_D,Ｍ_U,Ｍ_D,Ａ_U,Ａ_Dを互いに合わせた分布であるので、目盛板と走査ユニットの相対位置「０」で十分な信号強度あるいは十分な信号有効成分が保証される。
【００２５】
当然、この発明により構成された光学位置測定装置は、相対運動する部品のただ一つの特定相対位置だけで、基準パルス信号を発生するこのような構造体を用いて設計するのでなく、むしろ目盛板の種々の位置に図１の基準パルス目盛構造体Ｍを持つ対応する区域を配置することができる。
更に、ここでは、発光構造体、目盛構造体と走査構造体および相対運動する部品の相対配置に関して使用する用語はただ例示的であると理解すべきであることも述べておく。従って、上記の機能を引き受ける部材を交換しても大変好ましい。例えば、具体例で測定目盛である第一透過格子として機能させてもよい。
【００２６】
相対運動する二つの部品の特定な相対位置で基準パルス信号を発生させるため光学特性の異なる領域Ｓ_U,Ｓ_D,Ｍ_U,Ｍ_D,Ａ_U,Ａ_Dを規則正しく分布することは図４に基づき以下に説明する最適化法により与えられる。ここでは、適当な最適化法の可能な実施例が問題であり、異なった分布を求めるため徹底的な代わりの態様を使用できる。最適化法の全ては好ましくは適当なコンピュータで数値的に行われる。この場合、最適化法の目的は、検出すべき相対位置「０」で異なる構造体Ｓ，ＭとＡの側の透過光態様の場合に透光性と非透光性の領域Ｓ_U,Ｓ_D,Ｍ_U,Ｍ_D,Ａ_U,Ａ_Dの分布が十分な強度の基準パルス信号を保証することにある。場合によって生じる副極大は基準パルス信号に対する検出信頼性が変わるためできる限り抑制すべきである。
【００２７】
図４の最適化法では、第一ステップＳ1 で発散光源ＬＱの放射特性、即ち対応するパラメータが決まる。次のステップＳ2 では光学特性の異なる領域の規則正しい分布の二つを随意に予め与える。例えば、基準パルス発光構造体Ｓに対する異なった領域の分布と、基準パルス目盛構造体Ｍに対する分布を初期構造体たとして予め指定する。しかし、基本的には他の二つの構造体も随意に予め与えることができる。
【００２８】
二つの構造体の分布に基づき、最適化法の次のステップＳ3 でそれから生じる検出器平面の強度分布を数値的にモデル化するか、あるいは測定する。最適化法の実際の実施例は、ステップＳ3 で生じる強度分布を求める時に、影投影で駆動する位置測定装置を前提とする。当然、計算経費の高いをことを甘受して回折硬化も考慮する。
【００２９】
検出面の強度分布が既知となると、ステップＳ4 で個々の所謂メリット判定基準を考慮して基準パルス走査構造体Ａの側で光学特性の異なる領域の分布を最適化する。従って、今まで未だ与えていない基準パルス走査構造体Ａの第三の分布が二つの予め与えられた二つの初期構造体Ｓ，Ｍに応じて最適化される。第三分布Ａを最適化する適当なメリット判定基準は、例えば基準パルス信号のできる限り大きい変調度および／または検出面の基準パルス信号の得られた有効成分である。上に述べたメリット判定基準を考慮して実際に最適化を行うために、検出面の基準パルス信号の強度分布を考察するが、基準パルス走査構造体Ａの側の光学特性の異なる領域の分布は変わる。
【００３０】
ステップＳ5 では、その都度、三つの分布の実際の組み合わせと、それから生じる基準パルス信号が一定の中断判定基準にどの程度十分であるかの検査が行われる。十分であれば、最適化法を中断して、ステップＳ6 で三つの構造体Ｓ，ＭとＡの光学特性の異なる領域の対応する分布を出力する。
所定の中断判定基準が三つの分布あるいは構造体の最適化で満たせないなら、ステップＳ2 のアルゴリズムの次の実行でこれ等の構造体の一つを可変し、他の構造体の一つを説明したように最適化する。
【００３１】
こうして、基準パルス走査構造体Ａ，基準パルス目盛構造体Ｍおよび基準パルス走査構造体Ａの領域の三つの分布は、得られる基準パルスが所定の要請に一致するまで、段階的に最適化される。
この種の最適化アルゴリズムで求まる光学特性の異なる領域の三つの分布は図２a に示す基準パルス信号の実施例に対して表１a に記載する。
表１a
基準パルス発光構造体（ 11 の領域、幅がそれぞれ 40 μm ）
透光性の領域：１，４，６，１０
非透光性の領域：２，３，５，７〜９，１１
基準パルス目盛構造体（ 45 の領域、幅がそれぞれ 20 μm ）
透光性の領域：１，３，５，６，７，８，９，１４，１５，１７，１９，２１，２４，２８，３３，３４，３５，３９，４０，４３，４４
非透光性の領域：２，４，１０〜１３，１６，１８，２０，２２，２３，２５〜２７，２９〜３２，３６〜３８，４１，４２，４５
基準パルス走査構造体（ 23 の領域、幅がそれぞれ 40 μm ）
透光性の領域：１，２，５，７，８，１０，１２，１５，２０，２１，２２，２１
非透光性の領域：３，４，６，９，１１，１３，１４，１６〜１９
この場合、基準パルス発光構造体，基準パルス目盛構造体と基準パルス走査構造体に付属する表１a に掲げる数は、これ等の構造体を多数の幅の等しい部分領域に分割するなら、各構造体の透光性の部分領域の番号を指定する。その時の部分領域の全体がそれぞれ一つの区域を形成する。基準パルス発光構造体の場合には、完全な区域は測定方向にそれぞれ 40 μm の幅となる 11 個の部分領域を有する。基準パルス走査構造体の区域は幅がそれぞれ 20 μm となる 45 個の部分領域を有する。基準パルス走査構造体の区域はそれぞれ 40 μm となる 20 個の部分領域を有する。その外、この実施例の場合、光源と基準パルス発光構造体の間、基準パルス発光構造体と基準パルス目盛構造体の間、および基準パルス目盛構造体と基準パルス走査構造体の間の間隔がそれぞれ 0.7 mm であることを前提としている。
【００３２】
この発明による位置測定装置の反射光態様の場合には、基準パルス目盛構造体に与えた数値は当然反射領域に対応する。これに反して、他の二つの構造体は透過光態様の透光性／非透光性に形成された基準パルス発光構造体および基準パルス走査構造体と同一に形成されている。
基準パルス構造体Ｓ，Ｍ，Ａの側の領域の三つの分布に対して表１a に示す態様は目盛周期が 20 μm の増分目盛に対して約 20 μm の幅の基準パルス信号を出力する。
【００３３】
次の表１b には、図１a あるいは表１a の第一基準パルス信号に対して相補的な第二の基準パルスを発生する種々の構造体の幅のこの発明による分布の実施例が掲げてある。この実施例は他の最適化された基準パルス走査構造体により先の実施例とは相違する。即ち、他の二つの構造体は先の例と同一である。
表１b
基準パルス発光構造体（ 11 の領域、幅がそれぞれ 40 μm ）
透光性の領域：１，４，６，１０
非透光性の領域：２，３，５，７〜９，１１
基準パルス目盛構造体（ 45 の領域、幅がそれぞれ 20 μm ）
透光性の領域：１，３，５，６，７，８，９，１４，１５，１７，１９，２１，２４，２８，３３，３４，３５，３９，４０，４３，４４
非透光性の領域：２，４，１０〜１３，１６，１８，２０，２２，２３，２５〜２７，２９〜３２，３６〜３８，４１，４２，４５
基準パルス走査構造体（ 23 の領域、幅がそれぞれ 40 μm ）
透光性の領域：３，４，９，１１，１３，１４，１８，１９
非透光性の領域：１，２，５〜８，１０，１２，１５〜１７，２０〜２３
従って、この種の分布を用いると、上で説明した第一基準パルス信号の外に、他の第二基準パルス信号を発生させることができる。この信号を以下では第一基準パルス信号に対する相補信号と称する。図２b に示す相補基準パルス信号の第一例を疑似逆相信号とも称する。基準パルス信号の対応する信号波形、つまり基準パルス信号が表１b の分布からどのように生じるかを図２b に示す。
【００３４】
利用できる相補的な基準パルス信号により、信号に関する検出の信頼性が高まる。特にＳＮ比を高めることができる。図２a と図２b の二つの個別基準パルス信号を電子的に適当に組み合わせ、両方の基準パルス信号の差をとる。図２c に示すように、最終的に得られる基準パルス信号Ｉ_S＝Ｉ_a−Ｉ_bとなる。図２c に示す信号波形では、得られた基準パルス信号の有効成分が図２a と図２b の二つの個別信号に比べて増大していることを明確に認識できる。
【００３５】
相補的な第二の基準パルス信号を発生する他の可能性は、相補的な第二の基準パルス信号の基準パルス目盛構造体を第一の基準パルス信号の基準パルス目盛構造体に対して逆に形成することにある。従って、相補的な第二の基準パルス信号を発生させることは、所謂「真」の逆相基準パルス信号を周知のように形成するに相当する。反射性と非反射性の領域を持つ構造体の場合には、これは、例えば反射性の領域がある第一基準パルス信号に対する目盛板基準パルス構造体のところに、相補的な第二の基準パルス信号の目盛板基準パルス構造体の場合、非反射性の領域が配置されている等々であることを意味する。
【００３６】
この発明により発生させた第一基準パルス信号の信号波形を図３a に示す。相補的な第二の基準パルス信号を発生させることに関する第二実施例を図３b に示す。ここでは、上に説明したように「真」の逆相基準パルス信号として形成されている。
次の表２a には、図３a の信号波形を発生させることのできる種々の構造体の内部の領域の分布を掲げる。
表２a
基準パルス発光構造体（ 15 の領域、幅がそれぞれ 40 μm ）
透光性の領域：１，２，４，５，７，９，１１，１４，１５
非透光性の領域：３，６，８，１０，１２，１３
基準パルス目盛構造体（ 45 の領域、幅がそれぞれ 20 μm ）
透光性の領域：１，５，６，８，１６，１７，２１，２３，２５，２９，３４，３５，３６，４５
非透光性の領域：２〜４，７，９〜１５，１８〜２０，２２，２４，２６〜２８，３０〜３３，３７〜４４
基準パルス走査構造体（ 23 の領域、幅がそれぞれ 40 μm ）
透光性の領域：１，９，１３，１９，２２，２３
非透光性の領域：２〜８，１０〜１２，１４〜１８，２０，２１
図３b の「真」の逆相基準パルス信号は次の表２b の種々の構造体の分布に基づき生じる。
表２b
基準パルス発光構造体（ 15 の領域、幅がそれぞれ 40 μm ）
透光性の領域：１，２，４，５，７，９，１１，１４，１５
非透光性の領域：３，６，８，１０，１２，１３
基準パルス目盛構造体（ 45 の領域、幅がそれぞれ 20 μm ）
透光性の領域：２，３，４，７，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１８，１９，２０，２２，２４，２６，２７，２８，３０，３１，３２，３３，３７，３８，３９，４０，４１，４２，４３，４４
非透光性の領域：１，５，６，８，１６，１７，２１，２３，２５，２９，３４〜３６，４５
基準パルス走査構造体（ 23 の領域、幅がそれぞれ 40 μm ）
透光性の領域：１，９，１３，１９，２２，２３
非透光性の領域：２〜８，１０〜１２，１４〜１８，２０，２１
図３a と図３b の異なった二つの信号波形を発生させるため、基準パルス目盛構造体の側に互いに反転する領域の分布を設ける。通常、このためにこの種の分布を持つ異なった構成の二つの区域を目盛板に配置する。二つの区域の走査は走査ユニットにより行われる。この走査ユニットは図示する信号波形を発生させるため同一の基準パルス発光構造体と基準パルス走査構造体を有する。
【００３７】
光学位置測定装置の増分測定目盛に対してこの発明により構成された基準パルス構造体の配置に関しては、一連の可能性が生じる。これ等を以下に図５a 〜５d の実施例に基づき簡単に説明する。この場合、それぞれ目盛板の平面図のみを示すが、これに反して、図示していない走査ユニットがｘ方向に移動可能に配置されている。
【００３８】
図５a の実施例では、目盛板の側にこの発明により構成された基準パルス目盛構造体Ｍが増分測定目盛ＩＴの横に、つまり測定方向ｘに垂直に隣接配置されている。これに合わせて、走査ユニット側には増分走査目盛に対して横に隣接させてこの発明により構成された基準パルス走査構造体を装着する。従って、このような配置を用いて、目盛板と走査ユニットの特定の相対位置で第一基準パルス信号を発生させることができる。
【００３９】
この発明により構成された基準パルス目盛構造体を配置する代わりの可能性は図５b に示してある。ここでは、少なくとも一つの対応する基準パルス目盛構造体Ｍを増分測定目盛ＩＴの一端に取り付けている。
この発明により構成された基準パルス目盛構造体Ｍを増分測定目盛ＩＴに直接組み込み、走査側を適当に構成することも当然基本的に可能である。
【００４０】
特定な相対位置で第一および第二あるいは相補的な基準パルス信号を発生させる基準パルス目盛構造体Ｍ，Ｍ′を配置する可能性は図５c に示されている。この場合、二つの基準パルス目盛構造体Ｍ，Ｍ′はそれぞれ目盛板の上の増分測定目盛ＩＴの横に隣接して配置されている。二つの基準パルス目盛構造体Ｍ，Ｍ′は表１a と表１b の実施例とほぼ同じように構成されている。しかし、付属する基準パルス走査構造体は、基準パルス目盛構造体を走査して相補的な第二基準パルス信号を発生させるため、図示していない走査ユニットの側で異なるように形成されている。この代わりに、二つの基準パルス目盛構造体は異なるように形成されているが、走査に必要な基準パルス発光構造体と基準パルス走査構造体は同一に形成されている、つまりこの態様は表２a と２b の分布に基づき図３a と３b に合わせて基準パルス信号を出力することもできる。
【００４１】
特に図５b,５c および５d の実施例は、モアレに不感性に関して有利であることが実証される。これは、走査ユニットが測定方向ｘに垂直な軸の周りに場合によって回転しても、望む位置で基準パルス信号が生じることを意味する。
しかし、図５d でも基準パルス目盛構造体Ｍ，Ｍ′を増分測定目盛ＩＴの横に隣接させて配置することができ、これ等の構造体は周知のように正相と逆相の基準パルス信号を出力する。この場合、各基準パルス構造体は互いに反転するように形成されている。つまり、同じｘ位置で、両方の区域の一方に透光性領域を設け、他方の区域に非透光性の領域を配置する等である。
【００４２】
図５a 〜５d の実施例では、この発明による光学位置測定装置の透過光態様の目盛板にも、反射光態様の目盛板にも対応する。これに応じて、透光性あるいは反射性の増分測定目盛ＩＴを使用する。
この発明による光学位置測定装置の他の実施例を図６に模式図にして示す。ここでは、反射態様の実施例である。図６の平面図には、静止配置された目盛板１０と、この目盛板１０に対して測定方向ｘに相対運動する走査ユニット２０とがある。この目盛板１０は目盛担体１，好ましくはガラスまたはスチールで構成され、この目盛担体の上に測定方向ｘに向けて一定目盛周期ＴＰの増分測定目盛２が付けてある。その外、図示する目盛板１０の領域では、この発明により形成された基準パルス目盛構造体３を含む区域が目盛担体１上に認識できる。
【００４３】
増分測定目盛２も基準パルス目盛構造体３も、この発明による位置測定装置の上記実施例では、反射性と非反射性の領域を交互に並べて形成されている。光学特性の異なる領域の長手方向は図面で測定方向ｘに垂直に向いている。
増分位置信号を発生させるため、走査ユニット２０には、好ましくはＬＥＤで形成された光源５がある。この光源５の周囲に全部で４つの検出素子９a,９b,９c,９d ががあり、これ等の検出素子により増分測定目盛２から反射した光ビーム束を検出する。これ等の検出素子９a 〜９d はそれぞれ 90 °位相のずれた走査信号を発生するように配置されている。その外、透光性の支持部材４の上には、図６では目視できないが、光源５の前のところに発光構造体として働き、受光検出面の前のところで増分測定目盛２の走査構造体として機能するパターン構造が設けてある。検出素子９a 〜９d と光源５の接触は同じように図示していない印刷回路基板で行われ、この印刷回路基板により走査ユニット２０も機械的に安定化している。
【００４４】
この発明により基準パルス信号を発生させるため、走査ユニット２０の側に他の光源６が設けてある。この光源も支持部材４の上に配置され、印刷回路基板あるいはフレキシルブ導体ベルトで接触されている。光源６の横に隣接して二つの検出素子１０a,１０b がある。これ等の検出素子により第一および第二の基準パルス信号が検出できる。その場合、両方の検出素子１０a,１０b により互いに相補的な基準パルス信号が検出され、先に説明した原理に合わせてこれ等の基準パルス信号を発生する。
【００４５】
基準パルス発光構造体は、この実施例の場合、走査ユニットの支持部材４の上で光源６の前のところに配置される。同様に、支持部材４の上には基準パルス走査構造体も検出素子１０a,１０b の受光面の前に取り付けられる。
基準パルス発光構造体、基準パルス目盛構造体および基準パルス走査構造体の中にある透光性および非透光性の領域の分布は再び上で説明した最適化法に従い互いに調整される。
【００４６】
図６に示すこの発明による光学位置測定装置の実施例は、特にコンパクトな構造を保証し、分解能の高い基準パルス信号を発生させる。しかし、この発明による構想の枠内で当然代わりの実施態様も実現できる。例えば、走査ユニットの側に増分信号と基準パルス信号を発生させるただ一つの光源を使用することもできる。更に、既に説明したように、二つの相補的な基準パルス信号の発生に関して種々の可能性がある。つまり、例えば同じ発光構造体と目盛構造体を使用するが、異なった走査構造体を使用してもよい。これ以外に、二つの相補的な基準パルス信号を発生させるため、異なった発光構造体、同一な目盛構造体および二つの異なった走査構造体を設けることもできる。しかし、同じように共通の発光構造体とそれぞれ異なった目盛構造体と走査構造体をこの目的のために使用することもできる。従って、この実施例の枠内でも、上に説明した態様の枠内でも、応用に応じてこの発明による処置を可変できる一連の可能性が生まれる。
【００４７】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明による光学位置測定装置を用いると、コリメータ光学系を必要とせず、相対運動する二つの物体の一つまたはそれ以上の特定相対位置で高分解能の基準パルス信号を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】透過光態様として構成されたこの発明による光学位置測定装置の種々の構造体の実施例を模式的に示す断面図、
【図２】この発明により発生する基準パルス信号の第一実施例のグラフ（ａ），この基準パルス信号に対して相補的な第二の基準パルス信号を示すグラフ（ｂ）および両方の基準パルス信号から形成される合成基準パルス信号を示すグラフ（ｃ），
【図３】第二実施例から生じる基準パルス信号の波形（ａ）とこの基準パルス信号に対して相補的な第二の基準パルス信号の他の実施例の波形（ｂ），
【図４】種々の構造体の適当な配分により決まる最適化法を説明する流れ図、
【図５】目盛板の上の増分測定目盛に対するこの発明により構成された基準パルス目盛構造体の配置の種々の可能性を示す平面図（ａ−ｄ），
【図６】反射光態様のこの発明による光学位置測定装置の他の実施例の平面図である。
【符号の説明】
ＬＱ光源
Ｓ基準パルス発光構造体
Ｓ_U,Ｓ_D 基準パルス発光構造体の光学特性の異なる領域
ｄ光源と基準パルス発光構造体の間の間隔
Ｍ，Ｍ′ 基準パルス目盛構造体
Ｍ_U,Ｍ_D 基準パルス目盛構造体の光学特性の異なる領域
Ａ基準パルス走査構造体
Ａ_U,Ａ_D 基準パルス走査構造体の光学特性の異なる領域
ｘ測定方向
Ｄ検出素子
ＩＴ増分測定目盛
ＴＰ目盛周期
１目盛担体
２増分測定目盛
３基準パルス目盛構造体
４支持部材
５，６光源
９a 〜９d 検出素子
１０目盛板
２０走査ユニット

Claims

相対運動する二つの物体の相対位置に関する別の位置信号の他に、これらの二つの物体の所定の相対位置に関する少なくとも一つの基準パルス信号をも生成可能である光学位置測定装置において、
一つの光源（ＬＱ）と、
この光源（ＬＱ）の前に配置された、第一の二つの異なる光学特性を持つ領域（Ｓ_U,Ｓ_D）の不規則な分布を有する基準パルス発光構造体（Ｓ）であって、その際この光源（ＬＱ）と基準パルス発光構造体（Ｓ）の間の光ビーム通路が発散している、基準パルス発光構造体（Ｓ）と、
第二の二つの異なる光学特性を持つ領域（Ｍ_U,Ｍ_D）の不規則な分布を有する、光ビームの伝播方向に対して基準パルス発光構造体（Ｓ）の隣に配置された基準パルス目盛構造体（Ｍ）と、
基準パルス目盛構造体（Ｍ）に後置された基準パルス走査構造体（Ａ）であって、その際基準パルス目盛構造体（Ｍ）を基準パルス発光構造体（Ｓ）および基準パルス走査構造体（Ａ）に対して移動可能に配置している基準パルス走査構造体（Ａ）と、
透過および／または反射した光ビーム束を検出する少なくとも一つの光電検出素子（Ｄ）とを備え、
その際前記の異なる光学特性を持つ領域（Ｓ_U,Ｓ_D,Ｍ_U,Ｍ_D）の分布と基準パルス走査構造体（Ａ）は、基準パルス目盛構造体（Ｍ）の一つの領域（Ｍ_U,Ｍ_D）から到来する光ビーム束が、前記の相対運動する構造体の所定の相対位置において、基準パルス走査構造体（Ａ）と相互作用して、その結果少なくとも一つの光電検出素子（Ｄ）によって、十分な強度の第一基準パルス信号を検出できるように選択されていることと、
基準パルス走査構造体（Ａ）が、第三の二つの異なる光学特性を持つ領域（Ａ _U, Ａ _D ）の不規則な分布を有することと、
基準パルス発光構造体（Ｓ）、基準パルス目盛構造体（Ｍ）及び基準パルス走査構造体（Ａ）の異なる光学特性を持つ領域（Ｓ _U, Ｓ _D, Ｍ _U, Ｍ _D, Ａ _U, Ａ _D ）が、それぞれ互いに異なる不規則な分布を有することと、
を特徴とする光学位置測定装置。
基準パルス目盛構造体（Ｍ）の領域（Ｍ_U,Ｍ_D）から到来する光ビーム束は、所定の相対位置において、基準パルス走査構造体（Ａ）の複数の透光性の領域（Ａ_D）に入射することを特徴とする請求項１に記載の光学位置測定装置。
少なくとも二つの構造体（Ｓ，Ｍ，Ａ）の領域（Ｓ_U,Ｓ_D,Ｍ_U,Ｍ_D,Ａ_U,Ａ_D）は、交互に透光性と非透光性に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学位置測定装置。
少なくとも一つの構造体（Ｓ，Ｍ，Ａ）の領域（Ｓ_U,Ｓ_D,Ｍ_U,Ｍ_D,Ａ_U,Ａ_D）は、交互に反射性と非反射性に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学位置測定装置。
基準パルス発光構造体（Ｓ）と基準パルス走査構造体（Ａ）は、交互に配置された透光性および非透光性の領域（Ｓ_U,Ｓ_D,Ａ_U,Ａ_D）を有し、基準パルス目盛構造体（Ｍ）は、交互に配置された反射性および非反射性の領域（Ｍ_U,Ｍ_D）を有することを特徴とする請求項１に記載の光学位置測定装置。
当該の走査構造体は、光電検出素子の受光面をパターン構造にして形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学位置測定装置。
第二基準パルス発光構造体、第二基準パルス目盛構造体および第二基準パルス走査構造体を備え、これ等の構造体は、同じく当該の光源によって照明され、これ等の構造体には、第二基準パルス信号を検出する少なくとも一つの第二光電検出素子が付属しており、その際これらの第二基準パルス発光構造体、第二基準パルス目盛構造体および第二基準パルス走査構造体は、第一基準パルス信号に対して逆相の第二の基準パルス信号を生じるように設計されていることを特徴とする請求項１に記載の光学位置測定装置。
第二基準パルス目盛構造体は、第一基準パルス目盛構造体に対して反転した形で構成されているのに対して、第一および第二基準パルス信号を発生するための基準パルス発光構造体および基準パルス走査構造体は、同一の形に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の光学位置測定装置。
当該の基準パルス目盛構造体は、少なくとも一つの基準パルス目盛構造体（Ｍ）が増分測定目盛（ＩＴ）の一端に配置される形で増分測定目盛と統合されていることを特徴とする請求項１に記載の光学位置測定装置。
少なくとも一つの光源（ＬＱ）と二つの検出素子が、走査ユニットの支持部材上に配置されており、この支持部材は、基準パルス目盛構造体を備えた目盛板に対して移動可能に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学位置測定装置。