JP6908446B2 - 位置測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学式位置測定装置に関する。本装置は、第二の物体に対する第一の物体の位置を求めるのに適している。

この種の位置測定機器は、例えば、特許文献１により周知である。その機器は、少なくとも一つの測定方向に沿って第一の物体に対して相対的に動くように配置された第二の物体に対する第一の物体の位置を求める役割を果たしている。その場合、一方では、第一の物体と接続された、第一の測定方向に沿って延びる基準尺が配備されている。その基準尺は、測定方向に沿って交互に配置された異なる光学特性の部分領域から成る測定目盛を有する。他方では、少なくとも一つの光源、検出器配列及び光ファイバー配列を有する走査ユニットが、第二の物体と接続されている。その光ファイバー配列は、多数の互いに隣接して配置された光ファイバーから構成され、その像入射面が基準尺の方を向き、その像出射面が検出器配列の方を向いている。光源から放射された光ビームと測定目盛の間の相互作用から、光パターンが発生し、光ファイバー配列は、その光パターンを検出器配列の検出面に伝送する。その検出器配列を用いて、検出された光パターンから、二つの互いに動く物体の位置に関する位置依存信号を生成して、その後に配置された後続の電子機器に伝送することができる。

そのような位置測定装置は、例えば、機械内において、静止した機械フレームに対するそれに対して動く機械部品の位置を求めることを可能にする。従って、その場合、一方の動く機械部品と他方の静止した機械フレームは、二つの互いに動く物体として動作する。例えば、動く機械部品の位置決めのために、生成した位置依存信号を利用する上位の機械制御部が後続の電子機器としての役割を果たす。

特許文献１の一つの実施例では、その後続の電子機器が複数のロッドレンズから成るレンズパッケージとして構成されている。その場合、レンズパッケージは、１：１の倍率を有し、絶対符号化された符号トラックの走査から得られる光パターンを検出器配列の検出面である像平面に投影する役割を果たしている。しかし、個々の部品の提案されている配置構成は、検出面への光パターンのコントラストの出来る限り大きい投影に関して最適でないことが分かっている。異なる境界面での反射のために、望ましくない散乱光が発生しており、そのことが、生成した位置依存信号の品質に悪い影響を与えている。

更に、ロッドレンズの特筆すべき湾曲が、符号トラックの外殻面の近くに有る、符号トラックの面への投影を悪化させている。その結果、高精度な位置測定装置には受け入れられない、生成された位置依存信号の位置誤差がロッドレンズの走査パターンに生じている。

所要の倍率Ａ＝１に必要なロッドレンズの長さが大きくなるために、別の欠点が生じている。そのようなロッドレンズは、典型的には、４〜６ｍｍの長さを有し、従って、位置測定装置のコンパクトな構造サイズを実現可能としていない。

欧州特許第０４７０２９１号明細書

Ｒ． Ｐｅｔｔｉｇｒｅｗ "Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｉｍａｇｉｎｇ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ" ｉｎ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ． ３６， １ｓｔ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｏｐｔｉｃｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ （１９７７）， Ｓ． ３２５−３３２

本発明の課題は、測定目盛の光学走査から発生した光パターンを検出器配列の検出面にコントラストの大きな形で投影することを保証する、冒頭で説明した種類の光学式位置測定装置を提示することである。

この課題は、本発明による請求項１の特徴を有する光学式位置測定装置によって解決される。

本発明による光学式位置測定装置の有利な実施形態は、従属請求項に記載された措置から得られる。

本発明による光学式位置測定装置は、少なくとも一つの測定方向に沿って第一の物体に対して相対的に動く第二の物体に対する第一の物体の位置を求める役割を果たす。この位置測定装置は、測定方向に沿って延びる基準尺を有し、この基準尺は、第一の物体と接続されるとともに、測定方向に沿って交互に配置された異なる光学特性の目盛領域から成る少なくとも一つの測定目盛を有する。更に、第二の物体と接続された、少なくとも一つの光源、一つの検出器配列及び少なくとも一つの光ファイバー配列を有する走査ユニットが配備されており、この光ファイバー配列は、多数の互いに隣接して配置された光ファイバーから構成され、その光ファイバーの像入射面が基準尺の方を向き、その光ファイバーの像出射面が検出器配列の方を向いている。この光源から放射された光ビームと測定目盛の間の相互作用から、光パターンが発生し、光ファイバー配列が、その光パターンを検出器配列の検出面に伝送する。この光ファイバー配列は、光ファイバープレートとして構成されており、この光ファイバープレートの像出射面と検出器配列の間には、隙間媒体が配置され、この隙間媒体は、像出射面から出て来た光ビームがその光ビームの検出器配列までの経路上において、この隙間媒体が無い場合よりも小さい屈折を受けることを保証する。

有利には、この隙間媒体は、次の範囲内の屈折率を有する。
１．３＜ｎ_ＺＭ＜２．３
ここで、ｎ_ＺＭ：＝隙間媒体の屈折率

更に、この隙間媒体の厚さが、次の範囲内に有ると規定することができる。
５μｍ＜ｄ_ＺＭ＜１００μｍ
ここで、ｄ_ＺＭ：＝隙間媒体の厚さ

有利には、接着剤が隙間媒体として配備される。

更に、光ファイバープレートの厚さが、次の範囲内に有ることが可能である。
２・ｄ_ｘ＜ｄ_ＦＰ＜ｄ_ｘ／４・ρ
ここで、
ｄ_ＦＰ：＝光ファイバープレートの厚さ
ｄ_ｘ：＝測定方向に沿った周期的な測定目盛の目盛周期又は非周期的な測定目盛の最小構造幅
ρ：＝光ファイバープレートを介して像入射面と像出射面の間で光パターンを伝送する際に発生する、ファイバー長に対して相対的な横方向のずれに相当する、光ファイバープレートの歪み率

更に、有利には、
検出器配列が、所定の検出器周期の走査パターンによる、測定方向に沿った個々の検出器エレメントの周期的な配列から構成され、
光ファイバープレートの光ファイバーが、次の式が成り立つように、
Ｐ_ＦＰｘ≦Ｐ_ＤＥＴ
ここで、
Ｐ_ＦＰｘ：＝測定方向ｘに沿った第一の光ファイバー周期
Ｐ_ＤＥＴ：＝測定方向ｘに沿った検出器周期
測定方向に沿って、第一の光ファイバー周期による周期的な走査パターンで配置される、
と規定することができる。

この場合、更に、光ファイバープレートの光ファイバーが、次の式が成り立つように、
Ｐ_ＦＰｙ＝Ｐ_ＦＰｘ
ここで、
Ｐ_ＦＰｘ：＝測定方向に沿った第一の光ファイバー周期
Ｐ_ＦＰｙ：＝測定方向に対して直角の方向に沿った第二の光ファイバー周期
測定方向に対して直角の方向に沿って、第二の光ファイバー周期による周期的な走査パターンで配置されることが可能である。

更に、測定目盛と光ファイバープレートの像入射面の間の間隔に関して、次の式が成り立つ。
ｄ_ＭＢＥ≦２００μｍ
ここで、
ｄ_ＭＢＥ：＝測定目盛と像入射面の間の間隔

実現可能な変化形態では、光ファイバープレートが長方形の横断面を有し、その長方形の長手軸が測定目盛に対して平行に延びる。

最後に、光ファイバープレートにおいて、光ファイバーの間に、信号の生成に寄与しない光を吸収するガラス媒体を配置することが可能である。

更に、測定目盛が、絶対位置を求めるための非周期的な符号部を有する絶対測定目盛として構成され、検出器配列が、絶対測定目盛から伝送されて来た非周期的な光パターンを検出するための絶対検出器配列として構成されると規定することができる。

この場合、基準尺上に、増分目盛の形の別の測定目盛を絶対測定目盛に対して平行に配置することができ、その別の測定目盛の光学走査から、周期的な光パターンが検出面で発生し、その光パターンは、検出面で増分検出器配列により検出することが可能である。

更に、増分目盛を振幅格子として構成して、この増分目盛の光学走査のために、透過走査格子又は位相格子として構成された走査格子を増分目盛と増分検出器配列の間に配置することができる。

有利には、増分目盛の目盛周期と検出面に発生する光パターンの周期に関して、次の関係式が成り立つ。
ｄ_１＝ｄ_２・（ｕ＋ｖ）／ｖ
ｄ_３＝ｄ_２・（ｕ＋ｖ）／ｕ
ここで、
ｄ_１：＝増分目盛の目盛周期
ｄ_２：＝走査格子の有効目盛周期
ｄ_３：＝検出面に発生する光パターンの周期
ｕ：＝増分目盛と走査格子の間の間隔
ｖ：＝走査格子と検出面の間の間隔

本発明による光学式位置測定装置では、本発明による措置によって、検出面への光パターンのコントラストの特に大きな投影を、そのため、位置依存信号の良好な品質を保証できるのが有利であることが分かっている。投影光路において、異なる媒体の間の屈折率の急激な変化を防止することができる。その結果、境界面における望ましくない反射が低減され、そのため、妨害散乱光が低減される。

更に、本発明では、特に、光ファイバープレートの形の光ファイバー配列を用いて、絶対符号化された測定目盛を走査した場合、走査側において、特にコンパクトで汚れに強い構造を実現することができる。

更に、検出面への光パターンのほぼ歪みの無い投影が得られ、その結果、位置に依存する高精度な信号を生成することが可能である。

以下における図面と関連した本発明による装置の実施例の記述に基づき、本発明の更なる詳細及び利点を説明する。

本発明による光学式位置測定装置の実施例の大きく模式化した断面図 図１の光学式位置測定装置の一部を拡大した斜視図 好適に選定された隙間媒体の光学作用を説明するための図１の位置測定装置の一部を拡大した別の断面図 光ファイバープレートに関する好適な寸法ルールを説明するための図１の位置測定装置の一部を拡大した別の斜視図 光ファイバープレートに関する別の好適な寸法ルールを説明するための図１の位置測定装置の一部を拡大した別の断面図

本発明による位置測定装置の実施例の模式的な断面図が図１に図示されており、この装置の更なる詳細が別の図２〜５に図示されている。以下において、異なる図面に基づき、この実施例を説明する。

本発明による位置測定装置は、少なくとも一つの測定方向ｘに沿って第一の物体に対して相対的に動く第二の物体Ｏ２に対する第一の物体Ｏ１の位置を求める役割を果たす。この場合、これらの物体の中の一方Ｏ１、例えば、第一の機械部品は、測定方向ｘに沿って延びる、位置測定装置の基準尺１０と接続されている。他方の物体Ｏ２、例えば、第二の機械部品は、測定方向ｘに沿って第一の機械部品に対して動き、位置測定装置の走査ユニット２０と接続されている。この実施例では、直線的な測定方向ｘに沿った二つの物体Ｏ１，Ｏ２の相対運動が規定され、この測定方向ｘは、図１では、図面平面に対して垂直の方向を向いている。

本発明による位置測定装置を用いて、基準尺１０の光学走査から、二つの互いに動く物体Ｏ１，Ｏ２又は対応する機械部品の位置に関する位置依存信号を生成して、（図示されていない）後続の電子機器に伝送することができる。後続の電子機器としては、例えば、この位置依存信号を機械部品の位置決めのために使用する上位の機械制御部を配備することができる。

基準尺１０は、透明な支持基板から、例えば、ガラスから構成され、この実施例では、その上側に二つの測定目盛１１，１２が配置されている。これらの測定目盛１１，１２は、第一の測定目盛１１に関して図２から分かる通り、測定方向ｘに沿って交互に配置された異なる光学特性の長方形の目盛領域１１．１，１１．２によって構成されている。ここで説明する実施例では、光を透過しない（例えば、クロムから成る）目盛領域１１．１と光を透過する目盛領域１１．２が測定目盛１１に配備されている。そのため、本発明による位置測定装置のこの実施例では、測定目盛１１，１２の透過光式走査が規定される。

図２の詳細図から明らかな通り、第一の測定目盛１１は、絶対位置を求めるのに適した、測定方向ｘに沿って非周期的な符号部を有し、以下では、これに関連して、絶対符号化された測定目盛又は絶対測定目盛についても述べる。この場合、この測定目盛１１の非周期的な符号部は、疑似ランダム符号（ＰＲＣ）として構成することができる。

更に、図示された実施例では、測定目盛１１に対して平行に配置された第二の測定目盛１２が配備されており、この第二の測定目盛は、増分目盛又は増分測定目盛として構成され、測定方向ｘに沿って異なる目盛領域の周期的な配列を有する。ここでは、増分測定目盛１２は、支持基板上に振幅格子として構成され、周期的に交互に配置された、光を透過しない目盛領域と光を透過する目盛領域を有し、これらの目盛領域は、同じく長方形に構成されている。

本発明による位置測定装置では、絶対測定目盛の光学走査から、粗い絶対位置情報が得られ、この絶対位置情報は、増分目盛の光学走査から得られる高分解能の増分情報と演算される。それにより、出力側において、二つの物体Ｏ１，Ｏ２の位置に関する高分解能の絶対位置情報が得られるか、或いはそれに対応する位置依存信号が更に処理される。

本発明による位置測定装置では、基準尺１０又は二つの測定目盛１１，１２の透過光の光学走査及び位置依存信号の生成に必要な別の部品が走査ユニット２０の側に配置されている。そのような部品には、例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）として構成された、基準尺１０の一方の側に配置された光源２１が属し、この光源は、８５０ｎｍの波長の光線を放射し、ここでは、二つの測定目盛１１，１２を走査するために使用される。光線伝播方向において、この光源２１の前には、基準尺１０の方向に放射された、光源２１の光ビームをコリメートするためのコリメータレンズ２２が配置されている。基準尺１０の反対側には、二つの測定目盛１１，１２を光学走査する役割及び位置依存信号を生成する役割を果たす別の部品が走査ユニット２０内に配置されている。

絶対測定目盛として構成された測定目盛１１を走査するために、光ファイバー配列２３と絶対検出器配列の形の検出器配列２５が走査ユニット２０内に配置されており、この検出器配列２５は、個々の検出器エレメント２５．１の測定方向ｘに沿った周期的な配列から構成される。この検出器配列２５は、支持部材２７上に、例えば、好適なボード又は回路基板上に設置されている。

増分目盛として構成された別の測定目盛１２を走査するために、透過走査格子の形の走査格子２８を統合した走査板２４と、増分検出器配列として構成された検出器配列２６とが走査ユニット２０内に配備されている。この増分検出器配列も支持部材２７上に設置されている。有利には、これらの絶対検出器配列と増分検出器配列は、支持部材２７上に配置された一つのセンサーＡＳＩＣに統合される。センサーＡＳＩＣでは、検出した信号を後続の電子機器に伝送する前に、検出した信号の第一の処理を事前に実施することができる。

ここで、本発明による位置測定装置では、絶対測定目盛として構成された第一の測定目盛１１の走査に関連する異なる措置が重要である。以下において、これらの措置を詳しく説明する。そして、それに続き、この例で更に配備された、増分測定目盛として構成された第二の測定目盛１２の走査も取り上げる。

絶対符号化された測定目盛１１の光学走査のためには、基本的に、光源２１から放射された光ビームと測定目盛１１の間の相互作用から発生する光パターンを検出器配列２５の検出面に伝送することが必要である。絶対測定目盛として構成された測定目盛１１の走査時に発生する光パターンは、絶対測定目盛の非周期的な符号部のために、同じく非周期的である。以下では、この非周期的な測定目盛１１の最小構造幅をｄ_ｘで表す。

絶対測定目盛１１の走査のために配備された検出器配列２５は、絶対検出器配列として構成され、この実施例では、例えば、図３又は５の詳細図から明らかな通り、個々の検出器エレメント２５．１の測定方向ｘに沿って周期的な配列から構成されている。この場合、検出器エレメント２５．１は、測定方向ｘに沿って（以下では、Ｐ_ＤＥＴで表す）所定の検出器周期による走査パターンで配置されている。

ここでは、例えば、図２から明らかな通り、光ファイバープレートとして構成された、多数の互いに隣接して配置された光ファイバー２３．１から成る光ファイバー配列２３が、検出器配列２５の検出面に光パターンを伝送する役割を果たしている。実際には、そのような光ファイバープレートは、互いに融着され、面平行なプレートとして裁断、研磨された光ファイバー２３．１の束から構成される。そのような光ファイバープレートは、例えば、Ｍａｉｎｚ市のＳＣＨＯＴＴ ＡＧ社から「Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｆａｃｅｐｌａｔｅｓ」の名称で商業的に入手可能である。

本発明による位置測定装置では、個々の光ファイバー２３．１の像入射面は、基準尺１０又は走査される測定目盛１１の方を向いており、像出射面は、それに対応する検出器配列２５の方を向いている。同じく図２から明らかな通り、光ファイバープレートは、表示されているｚ方向に沿った厚さがｄ_ＦＰであり、長方形の横断面を有し、この長方形の長手軸は測定方向ｘに対して平行に延びている。

この場合、光ファイバープレート２３の厚さｄ_ＦＰは、有利には、以下の範囲内で選定される。
２・ｄ_ｘ＜ｄ_ＦＰ：＜ｄ_ｘ／４・ρ （式１）
ここで、
ｄ_ＦＰ：＝光ファイバープレートの厚さ
ｄ_ｘ：＝測定方向に沿った周期的な測定目盛の目盛周期又は非周期的な測定目盛の最小構造幅
ρ：＝光ファイバープレートを介して像入射面と像出射面の間で光パターンを伝送する場合に発生する、ファイバー長に対して相対的な横方向のずれに相当する光ファイバープレートの歪み率

この光ファイバープレートの最小の厚さｄ_ＦＰに関して、測定目盛１１の金属製のクロム構造と検出器配列２５の検知部品又はそれに対応するＡＳＩＣの間で或る最小間隔を維持するのが有利である。そのような最小間隔の維持によって、動作中に、測定目盛１１の金属製の構造が場合によっては帯電した場合に、部品の損傷を防止することができる。

光ファイバープレートの許容される最大の厚さｄ_ＦＰに関しては、この部材が、通常、この部材により伝送される光パターンに、より大きな歪みを生じさせる程、この部材の厚さが、より大きく選定されることを考慮すべきである。そのような歪みは、光ファイバープレートの製造時に光ファイバー２３．１の捩じり及び撚りを回避できないことから生じる。従って、光ファイバープレートを介した出来る限り歪みの無い光パターンの伝送を保証するためには、上述した通り、各光ファイバープレートの歪み率ρと関連する、光ファイバープレートの所定の許容される最大の厚さｄ_ＦＰを上回るべきではない。

非周期的な符号トラックとして構成された測定目盛１１の最小構造幅ｄ_ｘに関する典型的な値＝２２０μｍ、並びに歪み率ρ＝１０μｍ／ｍｍの場合、前記の式１を用いて、光ファイバープレートの厚さｄ_ＦＰに関して、４４０μｍ〜５．５ｍｍの有利な範囲が得られる。測定方向ｘに沿った光ファイバープレートの長さＩ_ｘとその方向に対して直角の光ファイバープレートの長さＩ_ｙに関する一般的な値は、Ｉ_ｘ＝５〜１０ｍｍ及びＩ_ｙ＝１〜３ｍｍである。

そのため、光ファイバープレートを用いた、検出器配列２５の検出面への入力側の光パターンの伝送は、有利には、伝達比１：１又は倍率Ａ＝１で行なわれる。この場合、位置依存信号を生成するために用いられる光パターンの出来る限り小さい拡大、縮小、さもなければ歪みが得られる。

図示されている実施例では、光ファイバープレートは、絶対測定目盛１１を走査するためだけに、或いは非周期的な光パターンを検出器配列２５の検出面に伝送するためだけに使用されている。ここでは、基準尺上の増分測定目盛１２を走査するために、（以下において更に説明する）そのような光ファイバープレートを必要としない走査方法が用いられる。ここで、光ファイバープレートは、基本的に周期的な増分目盛を有する測定目盛を走査するためにも使用できることを明確に指摘したい。この場合、上記の式１の変数ｄ_ｘは、最小構造幅の代わりに、走査される増分測定目盛の目盛周期を表す。

更に、測定目盛１１と光ファイバープレートの像入射面の間の間隔ｄ_ＭＢＥが、以下の式２の通り選定されるのが、測定目盛１１に対して相対的な光ファイバープレートの配置に関して有利であることが分かっている。
ｄ_ＭＢＥ≦２００μｍ （式２）

出来る限り小さい間隔ｄ_ＭＢＥによって、測定目盛１１上に場合によっては存在する滴形状の汚れの高さが、そのため、光学走査に対する妨害作用が低減されるとの作用が得られる。従って、有利には、ｄ_ＭＢＥ≦１００μｍに、理想的には、ｄ_ＭＢＥ≦５０μｍに選定すべきである。

別の設計パラメータとして、光ファイバー配列２３又は光ファイバープレートの側において、更に、光ファイバー周期、即ち、個々の光ファイバー２３．１が配置される走査パターンも使用可能である。この場合、先ずは測定方向ｘに沿った光ファイバー２３．１の配列の周期だけが考慮され、これと関連して、次に、第一の光ファイバー周期Ｐ_ＦＰｘについて述べる。この場合、第一の光ファイバー周期Ｐ_ＦＰｘに関して、次の式３の通り選定するのが有利であることが分かっている。
Ｐ_ＦＰｘ≦Ｐ_ＤＥＴ （式３）
ここで、
Ｐ_ＦＰｘ：＝測定方向ｘに沿った第一の光ファイバー周期
Ｐ_ＤＥＴ：＝測定方向ｘに沿った検出器周期

従って、測定方向ｘに沿った第一の光ファイバー周期Ｐ_ＦＰｘは、例えば、図５の詳細図から明らかな通り、出来る限り測定方向ｘに沿った検出器周期Ｐ_ＤＥＴ以下に選定すべきである。この規定を遵守した場合、検出面への光パターンの縁の良好な伝送又はコントラストの大きな伝送が実施されることが保証される。

この場合、選定すべき検出器周期Ｐ_ＤＥＴは、基本的に、走査される測定目盛が、そのため伝送すべき光パターンが如何なる形式であるのかに依存する。

即ち、例えば、絶対符号化された測定目盛がマンチャスタ符号化されている場合、それに対応する疑似ランダム符号の１ビットを走査するために、全体として８つの検出器エレメント２５．１を使用するのが有利である。そして、最小構造幅又はビット幅ｄ_ｘに対して、Ｐ_ＤＥＴ＝ｄ_ｘ／８により所要の検出器周期が得られる。そのため、次に、第一の光ファイバー周期Ｐ_ＦＰｘに関して、式３によりＰ_ＦＰｘ≦ｄ_ｘ／８となる。従って、所与の最小構造幅又はビット幅ｄ_ｘ＝２２０μｍを有する絶対符号化された測定目盛を走査する場合、所要の検出器周期Ｐ_ＤＥＴ＝２７．５μｍが得られ、そのため、第一の光ファイバー周期Ｐ_ＦＰｘに関して、Ｐ_ＦＰｘ≦２７．５μｍとなる。

それに対して、光ファイバー配列２３又は光ファイバープレートが、増分測定目盛を走査するために、そのため、周期的な光パターンを伝送するために用いられる場合、この例では、Ｐ_ＤＥＴ＝ｄ_ｘ／４に関して、光パターンの周期ｄ_ｘ毎に４つの検出器エレメントが必要となる。第一の光ファイバー周期Ｐ_ＦＰｘは、式３によりＰ_ＦＰｘ≦ｄ_ｘ／４となる。従って、ｄ_ｘ＝４０μｍの光パターンの周期ｄ_ｘの増分測定目盛を走査する場合、所要の検出器周期Ｐ_ＤＥＴ＝１０μｍが得られ、そのため、第一の光ファイバー周期Ｐ_ＦＰｘに関して、Ｐ_ＦＰｘ≦１０μｍとなる。

図示されている実施例では、光ファイバープレートは、上述した通り、長方形の横断面を有する。そのことは、この部材に関する別の設計パラメータとして、測定方向ｘに対して直角の方向を向くｙ方向に沿った光ファイバー周期も使用可能であることを意味する。以下において、この変数と関連して、第二の光ファイバー周期Ｐ_ＦＰｙについて述べる。この場合、第二の光ファイバー周期Ｐ_ＦＰｙが第一の光ファイバー周期Ｐ_ＦＰｘと同じに、即ち、次の式４の通り選定するのが、基本的に有利であることが分かっている。
Ｐ_ＦＰｙ＝Ｐ_ＦＰｘ （式４）
ここで、
Ｐ_ＦＰｘ：＝測定方向に沿った第一の光ファイバー周期
Ｐ_ＦＰｙ：＝測定方向に対して直角の方向に沿った第二の光ファイバー周期

本発明による位置測定装置では、例えば、特に、図３と５の詳細図から明らかな通り、光ファイバープレートの像出射面と検出器配列２５の間の領域に、隙間媒体２９が配置される。この場合、隙間媒体２９によって、特に、光ファイバープレートの像出射面から出て来る光ビームが、その光ビームの検出器配列２５までの経路において、隙間媒体が無い場合よりも小さい屈折を受けることが保証される。この関係は、光ファイバープレート２３の個々の光ファイバー２３．１の像出射側の端部、隙間媒体２９及び個々の光検知用検出器エレメント２５．１を備えた検出器配列２５を図示した図３の詳細図に図解されている。この図面から明らかな通り、上方から隙間媒体２９に入射する光ビームに関して、本来のビーム方向（実線のビーム）から僅かな屈折だけが発生している。像出射面と検出器配列２５の間の領域に隙間媒体が配置されておらず、そのため、この領域で光ビームの明らかな屈折が生じる場合の光ビームが、少しだけ屈折する光ビームの左側に破線で表示されている。そのような屈折は、光ビームが、屈折しない場合のように所与の番号３の検出器エレメント２５．１に当たるのではなく、その左側に有る番号２の検出器エレメント２５．１に当たるように作用する。光パターンの伝送に関して、そのことは、検出器配列２５により検出される光パターン像のコントラストを明らかに低下させ、そのため、それに対応する測定目盛１１の走査時に劣化した信号品質が得られるとの結果を生じさせる。

光ファイバープレートの形の光ファイバー配列２３の像出射面と検出器配列２５の間の領域を好適な隙間媒体で満たすことは、それにより、この領域で屈折率が急激に変化する回数を低減できるとの更なる肯定的な効果を有する。それによって、境界面で、より小さい反射が発生し、それにより、より少ない散乱光も発生し、そのため、そうでなければ必要であった負担のかかる反射層を省略することができる。

隙間媒体２９としては、有利には、屈折率ｎ_ＺＭが約１．３＜ｎ_ＺＭ＜２．３の範囲内にある透明な材料が考慮に値する。基本的には、隙間媒体２９に好適な材料を選定する際に、屈折率が光ファイバープレートの光ファイバー２３．１のファイバーコアの屈折率ｎ_ＦＫ及び検出器配列２５の屈折率ｎ_ＤＥＴに出来る限り良好に適合する材料を選定することを追求する。例えば、次の式５により選定した場合に、特に小さい反射が得られる。

ここで、
ｎ_ＺＭ：＝隙間媒体の屈折率
ｎ_ＦＫ：＝ファイバーコアの屈折率
ｎ_ＤＥＴ：＝検出器配列の屈折率

例えば、好適な範囲内の屈折率ｎ_ＺＭを有する接着剤が隙間媒体に適している。隙間媒体２９として接着剤を使用した場合、それによって、光ファイバープレートも検出器配列２５に対して固定される。

隙間媒体２９の厚さｄ_ＺＭに関して、この厚さｄ_ＺＭを次の式６の範囲内で選定するのが有利であることが分かっている。
５μｍ＜ｎ_ＺＭ＜１００μｍ （式６）

隙間媒体２９の最大の厚さｄ_ＺＭは、光ファイバー２３．１から検出器配列２５の隣の検出器エレメント２５．１への光の漏れによって制限される。以下の考察によって、そのような漏れを防止する場合の隙間媒体２９の最大の厚さｄ_ＺＭを評価することができる。即ち、入射する光が光ファイバー２３．１の像入射面に対して垂直ではなく、使用する光源２１の幅ｗとコリメータレンズ２２の焦点距離ｆから、式ｗ／２ｆに基づき与えられる入射角γで入射することを出発点とする。更に、隙間媒体２９の屈折率ｎ_ＺＭは、ファイバーコアの屈折率ｎ_ＦＫに適合される。そして、像出射面から出て来た光は、出射角γ’＝ｗ／２ｆで検出器配列２５に当たり、検出器配列２５上への垂直な衝突と比べて横方向のずれｘ_ｄが生じる。隙間媒体２９の厚さｄ_ＺＭの好適な選定によって、このずれｘ_ｄを出来る限り小さくすることを追求する。更に、コントラストの出来る限り大きな光伝送のためには、ｘ_ｄ≦Ｐ_ＤＥＴが要求され、ｘ_ｄ＝γ’・ｄ_ＺＭが成り立つ場合、隙間媒体２９の厚さｄ_ＺＭに関して、次の関係式が得られる。

ここで、
ｄ_ＺＭ：＝隙間媒体の厚さ
ｎ_ＦＫ：＝ファイバーコアの屈折率
γ：＝像入射面への入射角
Ｐ_ＤＥＴ：＝測定方向ｘに沿った検出器周期

この場合、像入射面への入射角又は変数γは、システム状況に応じて変更することができる。即ち、例えば、γを最大発散角とし、そのため、γ＝ｗ／２ｆにより与えることができる。光ファイバープレートを用いて、非常に細かい光パターンを伝送する場合、即ち、例えば、増分目盛の場合、細かい格子構造での回折のために、変数γは、式γ＝λ／ｄ_ｘに基づき得られ、ここで、λは光の波長を表し、ｄ_ｘは増分目盛の目盛周期を表す。更に、γは、コリメートされた光の入射角とすることもでき、そのため、照射角と一致させることもできる。

基準尺の面に対して垂直に照射する場合（γ＝ｗ／２ｆ）に典型的に選定されるパラメータｗ＝０．３ｍｍ、ｆ＝６．５ｍｍ、ｎ_ＦＫ＝１．８及びＰ_ＤＥＴ＝２７．５μｍでは、式７により、ｄ_ＺＭ≦２１５μｍに基づき隙間媒体２９の最大の厚さｄ_ＺＭが得られる。従って、有利には、ｄ_ＺＭ≦２００μｍに基づき、理想的には、式６で示される通り、ｄ_ＺＭ≦１００μｍに基づき選定される。

隙間媒体２９の最小の厚さｄ_ＺＭは、隙間媒体２９の厚さｄ_ＺＭが小さい場合に光ファイバープレートと検出器配列２５の間で明らかに上昇する、発生する機械的な応力によって制限される。そのような機械的な応力は、その領域において、異なる材料の間、即ち、通常はシリコン（検出器配列２５）とガラス（光ファイバープレート）の間の異なる熱膨張率に起因して発生する。従って、隙間媒体２９の厚さは、その領域における損傷を排除するために、検出器配列２５と光ファイバープレートの間の機械的な応力が隙間媒体２９の小さい剛性によって制限されるように選定すべきである。

既に上述した通り、本発明による光学式位置測定装置の図示されている実施例では、絶対符号化された測定目盛１１の走査の外に、増分測定目盛１２の走査も規定される。この増分走査によって、測定方向ｘに沿った二つの互いに動く物体Ｏ１，Ｏ２の相対運動に関する高分解能の位置情報が生成され、この情報は、次に、絶対測定目盛の走査からの粗い分解能の位置情報と演算される。この場合、増分測定目盛１２は、振幅格子として構成され、光を透過する目盛領域と光を透過しない目盛領域の測定方向ｘに沿った周期的な配列から成る。そこで、以下では、増分測定目盛１２の周期又は目盛周期をｄ_１で表す。

図１から明らかな通り、増分測定目盛１２を走査するために、走査ユニット２０には、更に、目盛周期ｄ_２の透過走査格子の形の走査格子２８を統合した走査板２４と、増分検出器配列として構成された別の検出器配列２６とが配備されている。測定目盛１２を通過する光ビームと走査格子２８の相互作用から、検出器配列２６の検出面に、周期ｄ_３の周期的な光パターンが発生し、その光パターンは、検出面で検出器エレメントの周期的な配列を用いて検出される。この場合、増分信号を生成するための検出器配列２６は、測定方向ｘに沿って周期的に配置された多数の検出器エレメントから成る、所謂構造化された光検出器として構成されている。

この走査の異なる幾何学的な変数に関して、振幅格子又は約９０°の位相偏移を有する位相格子の形の透過走査格子の場合に、次の関係式が成り立つ。
ｄ_１＝ｄ_２・（ｕ＋ｖ）／ｖ （式８．１）
ｄ_３＝ｄ_２・（ｕ＋ｖ）／ｕ （式８．２）
ここで、
ｄ_１：＝増分目盛の目盛周期
ｄ_２：＝走査格子の有効目盛周期
ｄ_３：＝検出面に発生する光パターンの周期
ｕ：＝増分目盛と走査格子の間の間隔
ｖ：＝走査格子と検出面の間の間隔

１８０°の位相偏移を有する位相格子の形の透過走査格子を使用した場合、式８．２において、目盛周期ｄ_２は、ｄ_２＝２・ｄ_２Ｐにより与えられる有効目盛周期であり、ここで、ｄ_２Ｐは、位相格子の実際の目盛周期を表す。

増分信号を生成するために使用される走査原理に関しては、非特許文献１も参照されたい。

ここで具体的に述べた実施例の外に、本発明の範囲内には、当然のことながら、別の実施形態も存在する。

即ち、走査される基準尺が二つの測定目盛を有することは決して必須ではなく、例えば、一つの測定目盛だけを、例えば、単一の絶対符号化された測定目盛を一つの支持基板上のそれに対応するトラックに配置することもできる。

同様に、例えば、増分測定目盛の個々の目盛領域を省略し、そのようにして、一つの絶対符号部を刻み込むことによって、増分測定目盛と絶対符号化された測定目盛を一つの共通の測定目盛に組み合わせることが可能である。

更に、当然、本発明では、直線的な相対運動を検出するための位置測定装置を構成できるだけでなく、同様に、回転する相対運動を検出するための位置測定装置をそれに応じて最適化することができる。

更に、走査される測定目盛は、位相格子の形に構成することもでき、その位相偏移は９０°、さもなければ１８０°である。

更に、個々の光ファイバーを通らない光成分を吸収して抑制する光ファイバープレートを用いることが可能である。そのような望ましくない光成分は、光ファイバーの間に光が入射することが避けられない場合に発生するか、さもなければ光ファイバーの開口数内にない、光ビームが非常に大きく傾斜した場合に発生する可能性が有る。そのような望ましくない光成分の吸収は、光ファイバーの間における、信号の生成に寄与しない光を吸収する吸収性のガラス媒体によって保証することができる。このようにして、妨害散乱光を特に良好に抑制することができる。

１０ 基準尺
１１ 測定目盛
１１．１，１１．２ 目盛領域
１２ 別の測定目盛
２０ 走査ユニット
２１ 光源
２２ コリメータレンズ
２３ 光ファイバー配列
２３．１ 光ファイバー
２４ 走査板
２５ 検出器配列
２５．１ 検出器エレメント
２６ 増分検出器配列
２７ 支持部材
２８ 走査格子
２９ 隙間媒体
ｄ_ＦＰ 光ファイバープレートの厚さ
ｄ_ＭＢＥ 測定目盛と像入射面の間の間隔
ｄ_ｘ 測定方向に沿った周期的な測定目盛の目盛周期又は非周期的な測定目盛の最小構造幅
ｄ_ＺＭ 隙間媒体の厚さ
ｘ 測定方向
ｙ 測定方向に対して直角の方向
ｚ 方向
Ｉ_ｘ 測定方向に沿った光ファイバープレートの長さ
Ｉ_ｙ 測定方向に対して直角の方向に沿った光ファイバープレートの長さ
Ｐ_ＤＥＴ 測定方向に沿った検出器周期
Ｐ_ＦＰｘ 測定方向に沿った第一の光ファイバー周期

Claims (14)

1. 少なくとも一つの測定方向（ｘ）に沿って第一の物体に対して相対的に動く第二の物体（Ｏ２）に対する第一の物体（Ｏ１）の位置を求める光学式位置測定装置であって、
   第一の物体（Ｏ１）と接続されるとともに、測定方向（ｘ）に沿って交互に配置された異なる光学特性の目盛領域（１１．１，１１．２）から構成された少なくとも一つの測定目盛（１１）を有する、測定方向（ｘ）に沿って延びる基準尺（１０）と、
   第二の物体（Ｏ２）と接続されるとともに、少なくとも一つの光源（２１）と、一つの検出器配列（２５）と、多数の互いに隣接して配置された光ファイバー（２３．１）から構成され、これらの光ファイバーの像入射面が基準尺（１０）の方を向き、これらの光ファイバーの像出射面が検出器配列（２５）の方を向いた少なくとも一つの光ファイバー配列（２３）とを有する走査ユニット（２０）と、
   を備え、
   光源（２１）から放射された光ビームと測定目盛（１１）の間の相互作用から、光パターンが発生して、光ファイバー配列（２３）が、この光パターンを検出器配列（２５）の検出面に伝送する、
   光学式位置測定装置において、
   この光ファイバー配列（２３）が、光ファイバープレートとして構成され、この光ファイバープレートの像出射面と検出器配列（２５）の間に隙間媒体（２９）が配置されており、この隙間媒体は、像出射面から出て来た光ビームがその光ビームの検出器配列（２５）までの経路上で隙間媒体（２９）が無い場合よりも小さい屈折を受けることを保証することを特徴とする光学式位置測定装置。
2. 前記の隙間媒体（２９）が、次の範囲内の屈折率（ｎ_ＺＭ）を有する、
   １．３＜ｎ_ＺＭ＜２．３
   ここで、ｎ_ＺＭ：＝隙間媒体の屈折率
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学式位置測定装置。
3. 前記の隙間媒体（２９）の厚さ（ｄ_ＺＭ）が、次の範囲内である、
   ５μｍ＜ｄ_ＺＭ＜１００μｍ
   ここで、ｄ_ＺＭ：＝隙間媒体の厚さ
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式位置測定装置。
4. 前記の隙間媒体（２９）として、接着剤が配備されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置。
5. 前記の光ファイバープレートの厚さ（ｄ_ＦＰ）が、次の範囲内である、
   ２・ｄ_ｘ＜ｄ_ＦＰ＜ｄ_ｘ／４・ρ
   ここで、
   ｄ_ＦＰ：＝光ファイバープレートの厚さ
   ｄ_ｘ：＝測定方向に沿った周期的な測定目盛の目盛周期又は非周期的な測定目盛の最小構造幅
   ρ：＝光ファイバープレートを介して像入射面と像出射面の間で光パターンを伝送する際に発生する、ファイバー長に対して相対的な横方向のずれに相当する、光ファイバープレートの歪み率
   ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置。
6. 前記の検出器配列（２５）が、所定の検出器周期（Ｐ_ＤＥＴ）の走査パターンによる個々の検出器エレメント（２５．１）の測定方向（ｘ）に沿った周期的な配列から構成され、
   前記の光ファイバープレートの光ファイバー（２３．１）が、測定方向（ｘ）に沿って、次の式が成り立つ第一の光ファイバー周期（Ｐ_ＦＰｘ）の周期的な走査パターンにより配置されている、
   Ｐ_ＦＰｘ≦Ｐ_ＤＥＴ
   ここで、
   Ｐ_ＦＰｘ：＝測定方向ｘに沿った第一の光ファイバー周期
   Ｐ_ＤＥＴ：＝測定方向ｘに沿った検出器周期
   ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置。
7. 前記の光ファイバープレートの光ファイバー（２３．１）が、測定方向（ｘ）に対して直角の方向（ｙ）に沿って、次の式が成り立つ第二の光ファイバー周期（Ｐ_ＦＰｙ）の周期的な走査パターンにより配置されている、
   Ｐ_ＦＰｙ＝Ｐ_ＦＰｘ
   ここで、
   Ｐ_ＦＰｘ：＝測定方向に沿った第一の光ファイバー周期
   Ｐ_ＦＰｙ：＝測定方向に対して直角の方向に沿った第二の光ファイバー周期
   ことを特徴とする請求項６に記載の光学式位置測定装置。
8. 前記の測定目盛（１１）と光ファイバープレートの像入射面の間の間隔（ｄ_ＭＢＥ）に関して、次の式が成り立つ
   ｄ_ＭＢＥ≦２００μｍ
   ここで、
   ｄ_ＭＢＥ：＝測定目盛と像入射面の間の間隔
   ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置。
9. 前記の光ファイバープレートが長方形の横断面を有し、その長方形の長手軸が測定方向（ｘ）に対して平行に延びることを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置。
10. 前記の光ファイバープレート内において、光ファイバーの間に、信号の生成に寄与しない光を吸収するガラス媒体が配置されていることを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置。
11. 前記の測定目盛（１１）が、絶対位置を求めるための非周期的な符号部を有する絶対測定目盛として構成され、前記の検出器配列（２５）が、この絶対測定目盛から伝送されて来る非周期的な光パターンを検出するための絶対検出器配列として構成されていることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置。
12. 前記の基準尺（１０）上に、増分目盛の形の別の測定目盛（１２）が前記の絶対測定目盛に対して平行に配置されており、この別の測定目盛の光学走査から、周期的な光パターンが検出面に発生し、この光パターンが、その検出面で増分検出器配列（２６）により検出可能であることを特徴とする請求項１１に記載の光学式位置測定装置。
13. 前記の増分目盛が振幅格子として構成され、この増分目盛の光学走査のために、この増分目盛と増分検出器配列（２６）の間に、透過走査格子又は位相格子として構成された走査格子（２８）が配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の光学式位置測定装置。
14. 前記の増分目盛の目盛周期（ｄ_１）と検出面に発生する光パターンの周期（ｄ_３）に関して、次の関係式が成り立つ
    ｄ_１＝ｄ_２・（ｕ＋ｖ）／ｖ
    ｄ_３＝ｄ_２・（ｕ＋ｖ）／ｕ
    ここで、
    ｄ_１：＝増分目盛の目盛周期
    ｄ_２：＝走査格子の有効目盛周期
    ｄ_３：＝検出面に発生する光パターンの周期
    ｕ：＝増分目盛と走査格子の間の間隔
    ｖ：＝走査格子と検出面の間の間隔
    ことを特徴とする請求項１３に記載の光学式位置測定装置。

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