JP4854433B2 - 光学的な位置測定装置の走査ユニット、および光学的な位置測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念による光学的な位置測定装置の走査ユニット、並びに、請求項６の上位概念による光学的な位置測定装置に関する。

光学的な位置測定装置は、長さおよび角度の測定のために使用される。これら光学的な位置測定装置は、特に、加工されるべき加工材料の関する工具の相対運動の測定のために加工機械において、ロボット、座標測定機械において、および加えて、半導体工業においても使用される。

測定誤差を回避するために、周囲媒体の光学的な走査の光線経路は妨害されていないべきである。この目的で、スケールおよび走査ユニットは、公知の位置測定装置の場合、ケーシング内において配設されている。このケーシングは、弾性的な封隙舌状部によって閉鎖されるスリットを有しており、このスリットを通って、この走査ユニットのための連行体が貫通把持（hindurchgreift）されている。この様式のケーシングは、周囲媒体の侵入を、完全に防止可能ではない。更に、しばしば、この走査ユニットは、スケール及び／またはケーシングに沿っての案内要素を介して、測定方向において案内される。この案内要素は、ローラー要素、または滑り要素であり、これら案内要素が、このスケール及び／またはケーシングに沿って支持されており、その際に、スケールもしくはケーシングと、この案内要素との間の摩擦によって、このケーシングの内側で塵埃が発生し、この塵埃がこの走査の光線経路を妨害する。

この不利な影響を排除するために、ヨーロッパ特許第０ １２０ ２０５号明細書（特許文献１）に従う走査ユニットは、密封して閉鎖されている。

密封した閉鎖において、温度変化の際の、密封して閉鎖された内側空間内における、光学的な表面の上への凝縮された液体の形成の可能性は欠点である。
ヨーロッパ特許第０ １２０ ２０５号明細書

従って、本発明の根底をなす課題は、光学的な位置測定装置の走査ユニットを、走査の光線経路を可能な限り妨害されない状態で留まるように形成することである。

この課題は、本発明により、請求項１の特徴によって解決される。

更に、高い信頼性で作動する、光学的な位置測定装置が形成されるべきである。

この課題は、請求項６の特徴によって解決される。

本発明でもって達せられる利点は、位置測定装置が、不都合な諸条件のもとでも走査の光線経路の阻害無しに使用可能であることにある。何故ならば、この光線経路が塵埃によって妨害され得ず、且つ、カプセル化された内側空間内において場合によっては存在する湿気が、それにも拘らず逃れ出ることが可能であるからである。

従属請求項内において、本発明の有利な実施形態が提示されている。

次に、実施例を用いて、本発明を詳しく説明する。

測長装置の例において、本発明が図示されており、この測長装置の場合、透明なスケール１は、このスケール１に対して相対的に測定方向Ｘに移動可能な走査ユニット２によって走査される。このスケール１は、測定目盛３を有しており、この測定目盛が、走査ユニット２によって透過光内において走査される。この目的で、この走査ユニット２は光源４を備えており、この光源が、光線束Ｌを放射し、この光線束がレンズ５によってコリメートされ、且つ、更に透明の走査板６を通ってこのスケール１の上に照射する。この光線束Ｌは、このスケール１に沿っての測定目盛３によって、位置に依存して変調され、且つ検出器７の上に照射する。

スケール１は、ケーシング８の内部に設けられており、このケーシングが、他方また、測定されるべき対象物９、例えば工作機械の機械ベッドに沿って固定されている。このケーシング８は、このケーシングの長手方向、即ち測定方向Ｘに指向するスリットを有しており、このスリットが、屋根形に傾斜された封隙舌状部１０によって閉鎖されており、この封隙舌状部によって、剣形状の中間部分を有する連行体１１が貫通把持されている。この連行体１１は、工作機械の機械ベッド９に対して相対的に位置移動可能な移動台１２に固定されている。

妨害となる媒体、特に塵埃が光線束Ｌを妨害することを防止するために、この光線束Ｌが通過する、走査ユニット２の内側空間ＩＲは、外側空間ＡＲに対して閉鎖されている。この内側空間は、光線束Ｌの方向に見て、一方ではレンズ５によって境界され、且つ、更に別にこの光線束Ｌの方向において走査板６によって境界されている。このレンズ５、および走査板６に関して、それぞれに、光学的な表面５．１、６．１が内側空間ＩＲ内において、および光学的な表面６．２が外側に設けられている。この内側空間ＩＲ内において位置する、このレンズ５の光学的な表面５．１、およびこの走査板６の光学的な表面６．１は、従って、塵埃堆積から保護されている。

この光学的な表面５．１、および６．１に沿っての凝縮物の形成を防止するために、内側空間ＩＲは、外側空間ＡＲに対して密閉して気密に閉鎖されているのではなく、むしろ、単に防塵的であり、しかしながら、ガス透過的、および水蒸気透過的である。この目的で、この内側空間ＩＲと外側空間ＡＲとの間の結合部として、フィルター１３が設けられており、このフィルターは、防塵的であり、しかしながら、ガス透過的、および蒸気透過的である。このフィルター１３は、細孔を有する多孔フィルターであり、これら細孔が、如何なる塵埃もこの外側空間ＡＲから内側空間ＩＲ内へと通過させず、しかしながら、可能な限り多く、湿気をこの内側空間ＩＲから外側空間ＡＲ内へと通過、および導出する。

このフィルター１３は、例えば、数μｍの細孔の大きさを有するセラミック、特殊鋼または黄銅のような焼結材料、または、１μｍまで以下の細孔の大きさを有するガラス繊維材料もしくは織物繊維（GORETEX（登録商標））から成っている。このフィルター１３の細孔の大きさ、および配設は、有利には、これら細孔が水蒸気を通過し、しかしながら液状の形態の水、並びに塵埃を通過しないように選択されている。

光源４から発する光束は、走査板６に照射の際に、少なくとも１つの窓を形成する導電性の不透明な被覆２０によって境界される。この不透明な被覆２０は、この窓を境界し、且つこれに伴って遮蔽部を形成し、付加的に、この導電性の不透明な被覆２０が、走査格子をこの窓の内側で形成し、この走査格子は、公知の方法で、被覆２０の交互に並列して設けられた不透明な領域および透明な領域から成っている。この走査格子は、多数の部分光束の形成の役目を果たし、これら部分光束が、スケール１の測定目盛３と相互作用し、且つ、位置に依存する、相対して位相ずれされた走査信号を形成するための検出器７に照射する。

走査板６は、２つの互いに平行に指向する、且つ互いに相対して位置している表面６．１および６．２を有している。これら表面の一方の表面６．２は、スケール１に相対して位置して向けられており、且つ、走査されるべき、測定目盛３を支持するスケール１の表面に対して平行に指向している。この表面６．２は、外側空間ＡＲ内において位置しており、且つ、以下の説明で第１の表面６．２と称される。第２の表面６．１は、保護された状態で、内側空間ＩＲ内において位置しており、且つ、このスケール１と反対側に配設されている。

窓を形成する導電性の不透明な被覆２０は、第１の表面６．２の上に被覆されている。
その際、走査板６は、絶縁状態の透明な材料、特にガラスから成っており、および、被覆２０が金属被覆、特にクロムである。

走査板６は、第１の表面６．２に関連して後退させられた（（面取り形状にされた）zurueckgesetzt）表面領域２１を有しており、この表面領域が、同様に導電的に被覆されている。この導電性の被覆部２２は、有利には、不透明な被覆２０によって一体的に形成され、この被覆部が、しかしながら同様に、別個の、この不透明な被覆２０と電気的に結合された被覆であることは可能であり、この被覆が、少なくとも部分的にこの被覆２０の下側または上方で指向している。この走査板６の後退させられたと称される表面領域２１は、スケール１から、このスケール１の対して平行に指向する表面６．２よりも更に離されている。このスケール１と、この走査板６の第１の表面６．２との間の間隔は、数μｍの値である。

被覆部２２は、後退させられた表面領域２１において、接触要素２３を介して、基準電位０Ｖを有する導電性の本体２４に接触されている。この接触の一例は、図３において、詳細に図示されている。この後退させられた表面領域２１、即ち面取り部に沿っての被覆部２２は、被覆２０の継続部である。この接触要素は、導電性の接着物質２３、特に銀系導電性接着剤（Silberleitkleber）であり、この接着物質が、この接着物質が第１の表面６．２の上の被覆２０をスケール１へと向かう方向に見て突出せず、有利な方法で同様に第１の表面６．２をも突出しないように、導入されている。

導電性の本体は、走査キャリッジ２４であり、この走査キャリッジが、玉軸受２５を介して、スケール１に沿って測定方向Ｘに案内される。この走査キャリッジ２４は、例えば導電性の合成物質、特に炭素繊維強化材を有するポリカーボネートから成り、且つ電気的な結合を介して基準電位０Ｖに接続されている。

後退させられた表面領域２１は、第１の表面６．２に関連して、この表面領域が方向成分Ｎ１を有する法線ベクトルＮ１１を備えており、この方向成分が走査板６の第１の表面６．２の法線ベクトルＮ１０に相応している、ように指向している。この表面領域２１は、この場合、この第１の表面６．２に対して傾斜されており、この表面領域が、特に４５°±２０°の傾斜角度を有している。このことは、この表面領域２１が簡単な工具でもって、材料切削によって製造可能であること、および、この表面領域２１が、第１の表面６．２と同じ方向から被覆（蒸着、スパッタリング）され得ることの利点を有している。

走査板６の長期間安定的な固定のために、しばしば必然的に、接触要素２３に加えて、更に別の構成が設けられている。図示された例において、この走査板６は、走査キャリッジ２４の開口部内において接着物質１６によって固定されている。この接着物質１６は、内側空間ＩＲから、即ち走査板６の表面６．１から導入される。この目的で、走査キャリッジ２４内において組み付け開口部１４、１５が設けられており、この組み付け開口部を通って、この接着物質１６が、走査キャリッジ２４の外側空間ＡＲから、内側空間ＩＲ内へと導入可能である。この内側空間ＩＲは、この走査キャリッジ２４の中空空間であり、且つ、これら組み付け開口部１４、１５内に、フィルター１３が導入され、例えば接着されている。

スケール１が光線束Ｌによって光を通される記載された実施例において、検出器７は、走査ユニット２の閉鎖された内側空間（中空空間）ＩＲの外側に設けられている。本発明が、スケールが反射状態で構成され且つ検出器７が光源４、レンズ５および走査板６と同じ側に設けられている、位置測定装置において使用される場合、有利な方法で、同様にこの検出器７も、この走査ユニット２の閉鎖された内側空間内において設けられている。

光学的な位置測定装置の横断面図である。 図１による位置測定装置の縦断面図である。 図２の詳細図である。 位置測定装置の走査ユニットの、透視断面図

符号の説明

１ スケール
２ 走査ユニット
３ 測定目盛
４ 光源
５ レンズ
５．１ 光学的な表面
６ 走査板
６．１ 光学的な表面
６．２ 光学的な表面、 第１の表面
７ 検出器
８ ケーシング
９ 対象物
１０ 封隙舌状部
１１ 連行体
１２ 移動台
１３ フィルター
１４ 組み付け開口部
１５ 組み付け開口部
１６ 接着物質
２０ 不透明な被覆
２１ 表面領域
２２ 被覆部
２３ 接触要素
２４ 導電性の本体、 走査キャリッジ
２５ 玉軸受
ＡＲ 外側空間
ＩＲ 内側空間
Ｌ 光線束
Ｎ１ 方向成分
Ｎ１０ 法線ベクトル
Ｎ１１ 法線ベクトル
Ｘ 測定方向

Claims (10)

1. 光学的な位置測定装置の走査ユニットであって、この走査ユニットが、
   光線束（Ｌ）によってスケール（１）を照射するための光源（４）を有し、および、
   このスケール（１）によって位置に依存して変調された光線束（Ｌ）を検出するための検出器（７）を有しており、
   その際、その内側空間内において光線束（Ｌ）が指向する、走査ユニット（２）の該内側空間（ＩＲ）が、外側空間（ＡＲ）に対して防塵的に閉鎖されており、且つ、
   この内側空間（ＩＲ）が、透明体（５、６）によって閉鎖されており、この透明体を通って、この光線束（Ｌ）が貫通する様式の上記走査ユニットにおいて、
   内側空間（ＩＲ）が、外側空間（ＡＲ）とフィルター（１３）を介して結合されており、このフィルターが、防塵的に、しかしながらガス透過的、および蒸気透過的であるように構成されていることを特徴とする走査ユニット。
2. フィルター（１３）は、液状の形態の水に関して通過不能であるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の走査ユニット。
3. フィルター（１３）は、多孔性の材料から成っていることを特徴とする請求項１または２に記載の走査ユニット。
4. フィルター（１３）は、焼結材料から成っていることを特徴とする請求項３に記載の走査ユニット。
5. 内側空間（ＩＲ）が、光線束（Ｌ）によって光を通されること、および、
   この内側空間が、一方の側からレンズ（５）によって、および、他方の側で走査板（６）によって境界されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の走査ユニット。
6. ２つの対象物（９、１２）の相対的な位置を測定するための測定装置であって、この位置測定装置が、
   スケール（１）およびこのスケール（１）に対して相対的に測定方向（Ｘ）に移動可能な走査ユニット（２）を有し、
   光線束（Ｌ）によってスケール（１）を照射するための光源（４）を有し、および、
   このスケール（１）によって位置に依存して変調された光線束（Ｌ）を検出するための検出器（７）を有しており、
   その際、その内側空間内において光線束（Ｌ）が指向する、走査ユニット（２）の該内側空間（ＩＲ）が、走査ユニット（２）の外側空間（ＡＲ）に対して防塵的に閉鎖されており、且つ、
   この内側空間（ＩＲ）が、透明体（５、６）によって閉鎖されており、この透明体を通って、この光線束（Ｌ）が貫通する様式の上記位置測定装置において、
   内側空間（ＩＲ）が、外側空間（ＡＲ）とフィルター（１３）を介して結合されており、このフィルターが、防塵的に、しかしながらガス透過的、および蒸気透過的であるように構成されていることを特徴とする位置測定装置。
7. 内側空間（ＩＲ）が、光線束（Ｌ）によって通過されること、および、
   この内側空間（ＩＲ）が、スケール（１）から離間して相対して位置して設けられている走査板（６）によって境界されており、この走査板を通ってこの光線束（Ｌ）がこのスケール（１）の上に照射するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の位置測定装置。
8. 走査ユニット（２）は、案内要素（２５）を介して、スケール（１）に沿って支持されていることを特徴とする請求項６または７に記載の位置測定装置。
9. スケール（１）および走査ユニット（２）は、ケーシング（８）の内側に配設されており、その際、このケーシング（８）の中空空間が、この走査ユニット（２）の外側空間（ＡＲ）であることを特徴とする請求項８に記載の位置測定装置。
10. ケーシング（８）が、測定されるべき対象物の一方の対象物（９）に沿って固定可能であり、且つ、弾性的な封隙要素（１０）でもって閉鎖された開口部を有しており、この開口部を通って、走査ユニット（２）のための連行体（１１）が貫通把持されており、その際、この連行体（１１）が、測定されるべき対象物の他方の対象物（１２）と結合可能であるように構成されていることを特徴とする請求項９に記載の位置測定装置。

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