(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの照明装置（Ｌ）と、
反射目盛マーク（ＭＲ）を配置した少なくとも１つの基準マーク（３b ）及び少なくとも１つの測定目盛（３a ）のある目盛ホルダ（Ｍ）と、
基準マーク（３b ）の反射目盛マーク（ＭＲ）を走査するため目盛マーク（ＡＧ）のある１つの走査板（Ａ，Ａ7 ）と、
位置に依存する電気信号（Ｓ０, Ｓ１）を発生する複数の光電素子（ＰＤ０，ＰＤ１）とを備える位置測定装置において、
走査板（Ａ，Ａ７）は多数のトラック（Ｓ，Ｓ′，Ｓ７，Ｓ′７）を有し、この場合、目盛マーク（ＡＧ）を有するトラック（Ｓ′，Ｓ′７）及び中間トラック（Ｓ，Ｓ７）が、測定方向（Ｘ）に対して垂直に交互に配置されていて、走査板（Ａ，Ａ７）の個々の目盛マーク（ＡＧ）が、１つの目盛マーク（ＡＧ）当り多数の目盛を有する縦格子の形態で測定方向（Ｘ）に回折する構造をなすこと、
光源（Ｌ）の光ビーム束が、レンズ（Ｋ）でコリメートされ、偏向装置（Ｐ，Ｓ７）によって測定方向（Ｘ）に垂直に偏向されること、及び、
中間トラック（Ｓ，Ｓ７）に入射し、反射目盛マーク（ＭＲ）で反射され、目盛マーク（ＡＧ）でＸ方向に回折された光ビーム束、及び、目盛マーク（ＡＧ）でＸ方向に回折され、反射目盛マーク（ＭＲ）で反射され、中間トラック（Ｓ，Ｓ７）に入射した光ビーム束は、一方の１つの光電検出器（ＰＤ１）の方向に指向され、その一方で中間トラック（Ｓ，Ｓ７）から入射し、反射目盛マーク（ＭＲ）で反射され、目盛マーク（ＡＧ）の中間スペース（ＡＴ，ＡＴ７）に入射した光ビーム束、及び、目盛マーク（ＡＧ）の中間スペース（ＡＴ，ＡＴ７）に入射し、反射目盛マーク（ＭＲ）で反射され、中間トラック（Ｓ，Ｓ７）に入射した光ビーム束は、他方の１つの光電素子（ＰＤ０）方向に指向されることを特徴とする位置測定装置。
【請求項２】
走査板（Ａ７）の目盛マーク（ＡＧ）の中間スペース（ＡＴ７）は、目盛マーク（ＡＧ）とは異なる格子定数を有する格子であり、目盛マーク（ＡＧ）より微細な格子定数の縦格子の構造を有することを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
【請求項３】
目盛マーク（ＡＧ）は、０次の回折を抑制する位相格子であることを特徴とする請求項２に記載の位置測定装置。
置されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の位置測定装置。
【請求項４】
中間トラック（Ｓ）は、透明なトラックであることを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
【請求項５】
中間トラック（Ｓ７）は、測定方向Ｘに対して垂直に回折する構造を有することを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
【請求項６】
偏向装置は、プリズム（Ｐ）であり、目盛マーク（ＡＧ）を担持するトラック（Ｓ' ）と透明な中間トラック（Ｓ）とは、測定方向（Ｘ）に対して垂直に一定の相互間隔（Ｒ）だけずれて交互にこの相互間隔（Ｒ）で配置されていて、光源（Ｌ）から出た光ビーム束が、往路（Ｌ−Ｋ−Ｐ−Ａ−Ｍ）でトラック（Ｓ）の１つを通過し、復路（Ｍ−Ａ−Ｐ−Ｋ−ＰＤ）で測定方向に対して垂直にこの一定の相互間隔（Ｒ）だけずれて他のトラック（Ｓ' ）の１つを通過することを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、照明装置と、測定目盛及び目盛マーク付きの基準マークを有する目盛ホルダと、基準マークの目盛マークを走査するため一定配置の目盛マークを有する１つの走査板と、位置に依存する電気信号を発生する複数の光電素子と、を備えた測長装置又は測角装置で電気信号を光電的に発生させる位置測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の測定装置は周知である。同類の位置測定装置はドイツ特許第 34 16 864号明細書により詳細に取り扱われている。
【０００３】
基準パルスを発生する場合にこのような位置測定装置に固有な問題も上記明細書に既に記述されていて解決策も提示されている。光検出器の配置は、そこでは光の波長、位相格子の方位及び格子パラメータに応じて調整されている。
【０００４】
上記明細書には、目盛板（目盛ホルダ）の目盛マークである横方向格子により入射した光ビーム束を測定方向に垂直に傾いた二つの部分ビーム束に分離する基準マークが具体的に説明されている。これ等の部分ビーム束は集束レンズの焦点面内に配置された二つの光電素子で検出される。これ等の光電素子は望むタイミング信号とプッシュプル信号を出力する。両方の部分ビーム束は実質上目盛板の同じ目盛領域を走査するので、この装置は単一場の基準マークと称されている。従って、この装置は特に汚れに強い。確かに、実際には走査系が小さい場合ただ１つの集束レンズで結像しなければならない基準マークの部分ビーム束と増分走査部の部分ビーム束との間の光分離は重要である。これ等の基準マークの部分ビーム束が、増分走査部の光電素子に入射することは許されない。この入射は、測定誤差をもたらす。基準マークに属する部分ビーム束は目盛板の上にある横方向格子により測定方向に垂直に偏向される。その場合、望む横方向格子の±１次の回折の外に、実際には完全になくせない他次の回折（１，±２，±３，...)も生じる。基準マークのこれ等全ての部分ビーム束は集束レンズの焦点面の広い領域を照らすので、特に焦点距離が短い集束レンズの場合、増分トラックの光電素子の配置が困難になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、単一場走査を可能にし、基準マークの部分ビーム束と増分走査部のビーム束とを容易に分離できる基準マークを備えた位置測定装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は、この発明により、走査板は多数のトラックを有し、この場合、目盛マークを有するトラック及び中間トラックが、測定方向に対して垂直に配置されていて、走査板の個々の目盛マークが、１つの目盛マーク当り多数の目盛を有する縦格子の形態で測定方向Ｘに回折する構造をなすこと、光源の光ビーム束が、レンズでコリメートされ、偏向装置によって測定方向Ｘに垂直に偏向されること、及び、中間トラックに入射し、反射目盛マークで反射され、目盛マークでＸ方向に回折された光ビーム束、及び、目盛マークでＸ方向に回折され、反射目盛マークで反射され、中間トラックに入射した光ビーム束は、一方の１つの光電検出器の方向に指向され、その一方で中間トラックから入射し、反射目盛マークで反射され、目盛マークの中間スペースに入射した光ビーム束、及び、目盛マークの中間スペースに入射し、反射目盛マークで反射され、中間トラックに入射した光ビーム束は、他方の１つの光電素子方向に指向されることによって解決される。
【０００７】
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。
【０００８】
【発明の実施の形態】
【０００９】
【実施例】
以下、図面を参照して好適実施例に基づきこの発明をより詳しく説明する。
【００１０】
図１に示す測長装置１は実質上目盛ホルダＭを周知の方法で固定した軽金属のケース２で形成されている。このケース２は一部切り出して示してあるので、走査装置４を確認できる。この走査装置４は周知の方法で目盛ホルダＭ上に付けた測定目盛３a 及び基準マーク３b を光電的に走査する。一定の位置には１つの基準マーク３b が割り当ててある。両側に剣状断面を有する連行体５は走査装置４を組立足部６に連結する。この連行体５は屋根状に配置された気密舌部７と８により気密封止されているケース２の長手スリット２ａを貫通して突き出てている。
【００１１】
機械の固定台と移動台の間の移動量を測定する図示していない機械は、機械の固定台のところで組立足部６と連行体５を介して走査装置４を、また移動台のところで目盛ホルダＭを有するケース２を担持している。
【００１２】
以下の考察では、簡単のため、増分トラックの走査のビーム通路は図示しないし説明もしない。しかし、この走査は同じ光源とコリメータレンズで行われる。
【００１３】
図２には、光学系の図が模式的に示してある。座標方向はより良い方位になるように記入されていて、測定方向Ｘは紙面に垂直である。
【００１４】
光源Ｌ，好ましくはＬＥＤ又は半導体レーザーの光はレンズＫによりコリメートされ、プリズムＰで測定方向Ｘに垂直に（Ｙ方向に）偏向される。この光は走査板Ａに入射し、この走査板は図４のように測定方向Ｘに垂直に周期的に交互に配置されている複数のトラックＳ，Ｓ' で構成されている。トラックＳは透明であるが、構造を付けたトラックＳ' には目盛マークＡＧの間に透明領域ＡＴがある。目盛マークは縦方向格子ＡＧとして形成され、測定方向Ｘに沿って通常の基準マークの隙間と同じように配置されている。この場合、縦方向格子ＡＧ（目盛マーク）は位相格子で形成され、そのウェブは測定方向Ｘに垂直に延び、０次の回折を抑制するように形成されている。走査板Ａを通過したビーム束は反射目盛マークＭＲと吸収（又は散乱）領域ＭＡから成る配置の基準マーク３ｂを有した目盛板Ｍに入射する。走査板Ａの透明領域ＡＴの分布は目盛板Ｍの基準マーク３ｂの吸収領域ＭＡの配置に一致している（図５）。反射目盛マークＭＲと透明領域ＡＴの配置もしくは分布は、主に零位置で極値を示す走査信号Ｓ０（図６）が発生するように周知の方法で選択されている。
【００１５】
目盛板Ｍから反射したビーム束は走査板ＡとプリズムＰを通過し、レンズＫにより二つの光電素子ＰＤ0 とＰＤ1 へ偏向される（図３を参照）。その場合、ＰＤ０はプリズムの二回偏向により測定方向に垂直に偏向される部分ビーム束を検出する。ＰＤ１で検出される部分ビーム束は縦方向格子ＡＧにより１次回折で測定方向Ｘに回折する。
【００１６】
先ず、目盛板Ｍの吸収領域ＭＡと走査板Ａの透明領域ＡＴの同じ配置がそれぞれ対向する基準マーク３ｂの零位置を考察する。
【００１７】
透明なトラック（中間トラック）Ｓを通過して入射した光ビーム束は測定方向Ｘに目盛板Ｍを一様に照らし、反射目盛マークＭＲにより反射する。この光ビーム束はプリズムＰの作用により測定方向に垂直に偏向されるので、走査板Ａを二回目に通過する時に透明なトラックＳでなく、構造を付けたトラックＳ' に入射する。ＳとＳ' のトラック幅はそれに合わせて選択されている。このように、反射目盛マークＭＲから反射した光ビーム束は縦方向格子ＡＧに達し、１次（縦方向）回折に偏向される。それ故、光ビーム束は光電素子ＰＤ１に入射する。零位置で、この光電素子ＰＤ１は大きいタイミング信号Ｓ1 を出力する。光電素子ＰＤ０はこの位置で特に小さいプッシュプルＳ０を発生する。
【００１８】
走査板Ａを１回目に通過した時に構造を付けたトラックＳ' に入射し、二回目に通過する時に透明なトラックＳに入射する光ビーム束は、上述したタイミング信号Ｓ１及びプッシュプル信号と同じ信号成分を出力する。つまり、１回目の通過で透明な領域ＡＴに入射した部分ビーム束は目盛板Ｍの領域ＭＡで吸収される。最初に縦方向格子ＡＧにより１次（縦方向）回折で偏向される部分ビーム束のみが少なくとも一部目盛板Ｍの反射性の目盛マークＭＲに入射し、最後に透明なトラックＳを経由して光電素子ＰＤ１へ偏向する。この光電素子ＰＤ１の信号レベルＳ１はこうして上昇するが、光電素子ＰＤ０は低い信号レベルＳ０となる。
【００１９】
往復通路で光ビーム束にずれを発生させるプリズムＰは、散乱光を発生することなく一定のずれを与えるから特に有利である。プリズムの角度の傾きは、往路Ｌ−Ｋ−Ｐ−Ａ−ＭでトラックＳの１つを通過して入射する光ビーム束が復路Ｍ−Ａ−Ｐ−Ｋ−ＰＤで測定方向に対して垂直にずれて他のトラックＳ' の１つを通過し、往路でトラックＳ' の１つを通過する光ビーム束が復路で測定方向に対して垂直にずれて他のトラックＳの１つを通過するように選択されている。走査板Ａと目盛板Ｍの間の公称間隔Ｎは、所定のプリズム角度のときに往路と復路の光ビーム束が走査板Ａ上にＲの間隔で入射するように設計されている。
【００２０】
図４から分かるように、透明なトラックＳはトラックＳ' より幅が（Ｙ方向に）広い。これは間隔Ｎを変えた時にトラックＳ' がトラックＳ上に、またトラックＳがトラックＳ' 上に結像され、変調が生じないことを保証するのに、特に有利である。間隔Ｎが変わった時でも、トラックＳ' は完全にトラックＳ上に結像され、縁部分に濃淡が生じることはない。
【００２１】
零位置以外では、比較的大量の光が光路Ｓ−ＭＲ−ＡＴ及びＡＴ−ＭＲ−Ｓを経由して光電素子ＰＤ０に偏向されるので、その信号レベルＳ０は上昇する。図６には、光電素子ＰＤ０とＰＤ１の典型的なプッシュプル信号Ｓ０及びタイミング信号Ｓ１が記入されている。この例ではタイミング信号Ｓ１は零位置で顕著な最大値を示さない。その原因は走査板Ａを１回通過する時、縦方向格子ＡＧに入射する部分ビーム束が測定方向Ｘに偏向し、目盛板Ｍにずれて入射するためである。この構成ではこの比較的弱く変調されたタイミング信号Ｓ１は目盛板Ｍの同じ目盛領域から強く変調されたプッシュプル信号Ｓ０に対する基準レベルを発生させる働きをする（単一場走査）。この種の単一場走査は汚れがあると両方の信号が同じように影響を受けるから特に汚れに強い。タイミング信号Ｓ１とプッシュプル信号Ｓ０は両方の信号Ｓ１とＳ０の交点から基準パルスを得るため、周知のように差動結線されている。基準パルスの幅は両方の信号Ｓ１とＳ０の増幅率を変えて調節できる。
【００２２】
他の構成は種々の内容を変更して得られる。つまり、
・反射目盛マークＭＲと吸収領域ＭＡを入れ換えて目盛板の構造を反転させると、同一配置である場合、光電素子ＰＤ０は良好に変調されたタイミング信号を出力するが、光電素子ＰＤ１は変調の弱いプッシュプル信号を発生する。
【００２３】
・図４の透明トラックＳを横方向格子を有するトラックＳ7 で置き換え、横方向格子の格子線条がほぼ測定方向Ｘに平行に延び、１回通過して生じる部分ビーム束が二回目の通過で構造を付けたトラックＳ'7に入射するように、前記横方向格子の格子定数が設定されていれば、プリズムＰを除去できる。通過するビーム束の偏向は増分走査に対して良好な分離を保証するように測定方向に垂直であるべきである。走査板Ａ７を光ビーム束が１回目に通過する場合（往路），測定方向Ｘへの偏向が行われるのでなく、トラックＳ７で主に測定方向に垂直の偏向、好ましくは±１次の回折の偏向が行われる。２回目の通過（復路）では測定方向Ｘへの偏向が行われる。図７に示す実施例では、光電素子ＰＤ１とＰＤ０が光源Ｌに対して測定方向Ｘにずらして配置されている。プッシュプル信号を発生するためビーム束をずらした光電素子ＰＤ０に集束されせるため、走査板Ａの領域ＡＧに粗い格子定数の縦方向格子を設けている。更にずらして配置された光電素子ＰＤ１によりタイミング信号を発生させる中間スペースＡＴ７には微細な格子定数の縦方向格子が設けてある。
【００２４】
・光源を光軸からずらして配設すれば、入射光の束をＹ方向に適当に傾けることができるからプリズムも除去できる。
【００２５】
・走査板の上に説明した構成の代わりに、目盛板の基準マークもこの発明により構造を付けて形成することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の位置測定装置を用いると、単一場走査を可能にし、基準マークの部分ビーム束と増分走査部のビーム束とを容易に分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  測長装置の斜視図である。
【図２】  基準マークを走査するための光線図である。
【図３】  図２の光線図に対する光源と光電素子の位置図である。
【図４】  基準マーク走査視野を有する走査板の部分図である。
【図５】  基準マークを有する目盛ホルダの部分図である。
【図６】  信号波形図である。
【図７】  基準マークの走査視野の実施態様の図面である。
【符号の説明】
１                測長装置
２                ケース
２a               長手スリット
３a               測定目盛
３b               基準マーク
４                走査装置
５                連行体
６                組立足部
７，８            気密舌部
Ａ                走査板
ＡＧ              目盛マーク
ＡＴ              透明領域
Ｋ                レンズ
Ｌ                光源
Ｍ                目盛ホルダ（目盛板）
ＭＡ              吸収領域
ＭＲ              反射目盛マーク
Ｐ                プリズム
ＰＤ0,ＰＤ1       光電素子
Ｓ，Ｓ'           トラック
Ｓ0               逆相走査信号
Ｓ1               同相走査信号
Ｘ                測定方向
【図１】
0003717238.tif 000002
【図２】
0003717238.tif 000003
【図３】
0003717238.tif 000004
【図４】
0003717238.tif 000005
【図５】
0003717238.tif 000006
【図６】
0003717238.tif 000007
【図７】
0003717238.tif 000008