(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸（Ａ）の周囲を回転可能な要素の回転角を決定するための位置検出器であって、
光源（３）と、
前記光源（３）により放たれる光放射を検出するための検出要素（１８、１９、２０、２１）とを備え、前記検出要素（１８、１９、２０、２１）は、前記回転軸（Ａ）の周囲に配置されるとともに、面（２３）に配置された少なくとも２つの光センサー（１９、２０）を備え、
前記光源（３）と前記検出要素（１８、１９、２０、２１）との間の空間に配置されたビーム再形成要素（７、２０７）をさらに備え、前記ビーム再形成要素（７、２０７）によって、前記光源（３）からの光は前記検出要素（１８、１９、２０、２１）に向けられ、
前記ビーム再形成要素（７、２０７）と前記検出要素（１８、１９、２０、２１）との間に位置し、前記回転角に応じて、前記回転可能な要素とともに前記回転軸（Ａ）の周囲を回転することにより、前記検出要素（１８、１９、２０、２１）の異なる一部の領域への光の入射が防止されるような光遮断要素（５）をさらに備え、
前記ビーム再形成要素（７、２０７）は、非平面で、非球状の面であり、前記光源（３）からの光が前記検出要素（１８、１９、２０、２１）の途中で反射される、少なくとも１つの自由形状面（６、２０６）を備え、ビーム再形成要素（７、２０７）に入射する光源からの光線が、光センサー（１９、２０）への途中の前記少なくとも1つの非平面、非球状の面で反射されるという事実に基づいて所望のビーム形成効果が達成され、
前記ビーム再形成要素（７、２０７）は、前記検出要素（１８、１９、２０、２１）に向けられた光が、前記検出要素（１８、１９、２０、２１）上で、円環形状の領域として集中される、ことを特徴とする、位置検出器。
【請求項２】
前記ビーム再形成要素（７、２０７）は、前記ビーム再形成要素（７、２０７）を出る光が円環のように形作られるように構成されている、請求項１に記載の位置検出器。
【請求項３】
該光は、前記少なくとも１つの自由形状面（６、２０６）で全反射を受ける、請求項１または２に記載の位置検出器。
【請求項４】
前記光源（３）からの光が入射される光センサー領域の各々は、円環片のように形作られる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の位置検出器。
【請求項５】
前記ビーム再形成要素（７、２０７）は、前記ビーム再形成要素（７、２０７）を出る光が円環のように形作られるとともに、径方向における該円環に形作られた配光の幅が径方向における該円環片の幅よりも狭くなるように構成されている、請求項４に記載の位置検出器。
【請求項６】
前記ビーム再形成要素（７、２０７）は、前記ビーム再形成要素（７、２０７）を出る光が円環のように形作られるとともに、径方向における該円環に形作られた配光の幅が径方向における該円環片の幅よりも大きくなるように構成されている、請求項４に記載の位置検出器。
【請求項７】
前記ビーム再形成要素（７、２０７）は、上面（３０、２３０）および対称軸を備えた円錐台状または角錐台状の形状を有し、該上面（３０、２３０）は、前記光源（３）と対向し、該対称軸は前記回転軸（Ａ）と一致する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の位置検出器。
【請求項８】
前記角錐台または前記円錐台の該側面（６、２０６）はその対称軸に対して凸状であり、前記側面は該光が反射される表面である、請求項７に記載の位置検出器。
【請求項９】
ビーム再形成要素（７、２０７）は、前記光源（３）と対向する面に凹所（４、２０４）を備える、請求項７または８に記載の位置検出器。
【請求項１０】
前記凹所（４、２０４）は、円錐台または角錐台のように形作られ、前記ビーム再形成要素（７、２０７）はこの円錐台または角錐台の該上面を被覆する不透明体が提供される、請求項９に記載の位置検出器。
【請求項１１】
前記光遮断要素（５）は、前記回転軸（Ａ）と直交する方向において１０ｍｍ未満の直径を有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の位置検出器。
【請求項１２】
前記光遮断要素（５）は、前記回転軸（Ａ）に対して０．０１０ｇ・ｃｍ２未満の慣性モーメントを有する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の位置検出器。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の位置検出器を有する、スキャン装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば検流計駆動に用いられ、そのままで回転可能な要素の角度位置を測定する光角位置検出器（略して、単に「位置検出器」とも示される）に関する。特定的には、検流計駆動は、ハードディスクメモリ及びＣＤプレーヤーの読み取りヘッドの動作と切り離して、（レーザー）スキャン装置の回転ミラーに用いられる。このようなスキャン装置は、例えば、建材を選択的に固めるために建材の層の選択された位置にレーザービームが向けられるような付加的な製造方法の分野に用いられる。そうすることで、偏光ミラーは回転可能なシャフトに固定されるので、偏光されたレーザービームの入射位置は回転ミラーによって操作することができる。高い製造精度を実現するために、ミラーの回転位置は、できるだけ正確に調整されることが必要であるとともに、恒久的に測定されることが必要であることは明らかである。
【背景技術】
【０００２】
角度位置は、一般的に、角度位置を測定する位置検出器という手段によって測定される。このような検出器の高い測定精度のためには、良好な温度安定性、高い信号対ノイズ比、及び良好な出力値の再現性が要求される。操作スピードに関しては、センサーが加えられたときに、回転移動質量が実質的に増加されないことが要求される。ハンドリングに関しては、このような検出器の全体のサイズが小さいことも有利である。
【０００３】
従来、容量式位置検出器が主に用いられてきたが、最近の傾向は、より費用効果があり、小さなサイズのものを製造できる傾向の光位置検出器に向かっている。
【０００４】
光位置検出器の中でも、まず、光源からの光が、不透明なストライプを有するディスクを介して検出器の配列の中を通過し、ディスクは角度位置が測定されるシャフトの回転軸の周囲を回転する。そのときに、角度情報は、ディスクのストライプコードを介してエンコードされる。一方、角度位置は、ストライプコードの動作（相対値エンコーダ）によって誘導される明るい／暗いという推移によって発生するパルスをカウントすることによって測定される。あるいは、絶対角位置は、ディスクのコード（アブソリュートエンコーダ）によってエンコードされてもよい。
【０００５】
一方、本願は、コードの補助なしで（暗号化されていない）検出器の配列のアナログ出力信号に基づいて角度位置が測定される光位置検出器に向けられている。このような光検出器の一般的な操作原理は、シャフトの角度位置に応じて、異なる領域が覆われるセンサーに、光を向かわせることである。これにより、光センサー領域による信号出力、光が向かう領域への信号の均衡、及び回転シャフトの角度位置の相互関係が得られる。
【０００６】
このようなセンサーの例は、ＥＰ１０７１９２９Ｂ１に開示されている。ＥＰ１０７１９２９Ｂ１にしたがった位置検出器において、図５及び図６を参照して説明すると、回転シャフト１１４は、ハウジング１１６内に収容されており、ベアリング１１８及び１２０の手段によって回転可能に搭載されている。回転ミラーは、シャフト１１４の一端１２５に搭載されている。シャフトの他端１３２には、位置検出器１１２が位置している。後者は、光センサー１３４、１３６、１３８、１４０を収容した検出器のハウジング１２１、光遮断要素１３０、及びＬＥＤ光源１４６からなる。ＬＥＤ光源１４６及び光センサー１３４、１３６、１３８、１４０は固定されており、遮断要素１３０は回転シャフト１１４に接続されている。
【０００７】
特に図６に示されているように、円環片のように形作られている光センサー１３４、１３６、１３８、１４０は、回転シャフトの周囲に対称的に配置されている。光遮断要素１３０は、ちょうネクタイ（一般に「チョウ」と呼ばれている）の形状を有しており、角位置に応じて光センサーの異なる一部の領域を覆っている。
【０００８】
このような位置検出器の測定精度は、シャフトの径方向及び軸方向運動により低下する。
【０００９】
できるだけ高い信号対ノイズ比を達成するために、ＥＰ１０７１９２９Ｂ１では、光センサーのできるだけ近くに位置させた広角ＬＥＤが使用され、光要素をさらに介在させずに、光源からできるだけ多くの光が光センサーに入射される。このような構成はまた、非常に小型化になるという利点をさらに有している。シャフト１１４の径方向運動に対する非感度が増加されるために、互いに反対に配置された２つの光センサーの信号は、光センサーの示す値で合計され、これにより得られた両方の合計の信号は、差動増幅器の異なる入力に送り込まれる。
【００１０】
上述した従来技術の位置検出器にとって基本的な要件は、全ての角度方向にできるだけ均一に光を放つ広角ＬＥＤの入手である。このような均一性は、限定された範囲のみへの広角ＬＥＤにより達成できるが、異なる量の光を受信し、最終的には、角測定の精度を低減してしまい、特に線形性が不十分なので、異なる光センサーが異なる出力信号をもたらすというリスクがある。
【００１１】
そのうえ、光センサーの近くに広角ＬＥＤを位置する別の結果として、位置検出器の出力信号のシャフトの軸方向運動への依存が増加する。これは、光センサーに入射する光放射の強い発散によるものである。この理由は、例えば、ＵＳ７６８８４３２Ｂ１においては、レンズという手段によって、センサーに入射する光の視準が提供されていることである。図７は、ＵＳ７６８８４３２Ｂ１にしたがった配置を示し、ＬＥＤ４１、レンズ４２、光センサー４４、光遮断要素４５、及び回路基板４６を有し、角度位置検出器４０はモーター体４７上に配置されている。レンズ４２を用いることによって、視準から離れるので、信号対ノイズ比が増加する広角のＬＥＤにより放たれる光ビームは、失われるのではなく利用される。
【００１２】
しかしながら、前述の実施形態の欠点は、特に広角のＬＥＤ４１により放たれる光ビームを利用するために、レンズ４２の直径が非常に大きいことが必要である。そのうえ、平行な光は、レンズ４２からセンサー４４へ移動するにも関わらず、センサー４４は回路基板４６のほんの一部の領域のみを占めるので、平行な光が全く必要とされていない。これによって、レンズ４２を用いることによる信号対ノイズ比の向上は、大局的に見られる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した問題を考慮して、本発明の目的は、高い信号対ノイズ比を有する位置検出器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の目的は、請求項１にしたがった位置検出器によって解決される。本発明のさらなる展開は、独立請求項で特定される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明にしたがった角度位置検出器を示す模式横断面図である。
【図２】検出要素および光遮断要素が位置する図１に示される角度位置検出器の一部を示す平面図である。
【図３】第１実施形態にしたがった角度位置検出器における光路を示す図である。
【図４】第２実施形態にしたがった角度位置検出器における光路を示す図である。
【図５】ＥＰ１０７１９２９Ｂ１にしたがった従来技術に対応する位置検出器を示す横断面図である。
【図６】ＥＰ１０７１９２９Ｂ１にしたがった従来技術に対応する位置検出器を示し、位置検出器に用いられる光センサー上からの平面図である。
【図７】ＵＳ７６８８４３２にしたがった従来技術に対応する位置検出器を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図１〜図４を参照して、本発明の実施の形態が説明される。図１は、本発明にしたがった位置検出器の横断面図を示し、概略的に示したものにすぎない。図２は、光センサー及び光遮断要素を有する検出器部分上の平面図を示し、図３及び図４は、図１に示された組み合わせが用いられたときに光源から放たれる光の光路を示す。図２において、Ｓ１−Ｓ１切断線は、図１における断面位置を示す。
【００１７】
図１及び図２の描写において、基本的な配置は図５及び図６に示されたものと同様である。導入部ですでに触れたように、本発明は、コードの補助なしで（暗号化されていない）検出器の配列のアナログ出力信号に基づいて角度位置が測定される光位置検出器に向けられている。特定的には、配線板９、光センサー１８、１９、２０、２１、アパーチャーマスク（aperture mask）１０、及び光遮断要素（light-blocking element）５が積層されている。なお、図１において、光センサー１９、２０は良き理解のためにのみ示されている。厳密に言えば、光センサーは、図２の切断線に沿って見えない。さらに、図１における全ての構成を取り囲むハウジングは、図１において示されていないが、ハウジングは光を通さない態様の環境に関して全体の構成を取り囲む。
【００１８】
図５における構成と同様に、図１に示される構成は、例えば、検流計ミラーに固定されてもよい回転シャフトに接続される。ここで、回転シャフトは、図１の構成の下方に配置され、長手方向の軸、つまり回転軸Ａは、鉛直方向において締付ネジ１２の中心を通っている。ここで、締付ネジ１２の手段によって、光遮断要素５は、回転シャフトに固定され、回転シャフトとともに回転し、一方、配線板９、光センサー１８、１９、２０、２１及びアパーチャーマスク１０は固定されている。
【００１９】
図２に示されているように、４つの光センサー１８、１９、２０、２１は、検出器要素としてのシャフトの長手方向軸の周囲に対称的に配置され、光遮断要素５も従来技術と同様に、ちょうネクタイ（チョウ）の形状の要素であり、その対称軸は、シャフトの長手方向軸Ａと一致するように位置付けられる。アパーチャーマスク１０は、光センサー１８、１９、２０、２１を部分的に覆っており、光センサーのそれぞれの上に円環片の形状の開口を有している。円環片に形作られた開口は、要素がちょうネクタイ（チョウ）のように形作られると、非常に良好な線形性を導くので、光センサー１８、１９、２０、２１の統一された陰影となる点で有利である。好ましい実施では、光遮断要素５の外縁は、円環片の外縁よりも、回転シャフトの長手方向軸Ａへの距離が大きい。
【００２０】
本発明の背景においては、光遮断要素５は“チョウ”形状と異なる形状を有してもよいことを強調しておく。しかしながら、高い線形性のためには、回転軸と一致する対称軸に対して、光遮断要素５が対称に配列された被覆領域を有していると、被覆領域のそれぞれは対称軸と交差する直線によって周方向に制限され、直線縁はこれらの点で提供されるので、有利である。特定的には、光遮断要素５の形状は、ｎ重対称（ｎ≧２）を有している。
【００２１】
同様に、アパーチャーマスク１０の開口もまた、異なる形状を有していてもよい。しかしながら、光遮断要素５によって被覆されないセンサー領域があるなら、そこから信号対ノイズ比が低下する。そのうえ、光遮断要素の形状が、例えば長方形など、ちょうネクタイ形状から外れると、線形性の観点から場合によりトレードオフが容認されなければならない。
【００２２】
なお、アパーチャーマスク１０を省略することも可能である。このような場合、光遮断要素５によって被覆できないセンサー領域がある場合には、信号対ノイズ比の低下も容認されなければならない。しかしながら、光センサー１８、１９、２０、２１の形状は自由に選択されることが可能である。特定的には、これらは、それぞれ円環片のように形作られることができる。
【００２３】
スリットダイオードは、光センサー１８、１９、２０、２１として用いられてもよい。しかしながら、スリットダイオードを用いることは、本発明にとって、必須ではない。他のタイプの光センサーを用いることも可能である。同様に、４つの光センサーを用いることも必須ではなく、回転軸が光センサーのいずれをも通過しない態様で、２、３、５、６、７、８またはそれ以上の光センサーが回転軸の周囲に配置されてもよい。このことは必ず要求されていないが、概して、光センサーは回転軸の周囲に対称的に配置されている、すなわち、光センサーの配置は回転軸に垂直な平面においてｎ重対称（ｎ≧２）を有している。さらに、特定的には、ミラー面（回転軸を含有する）に対して対称な配置も可能である。
【００２４】
回転シャフト１１４の径方向運動に対する非感度が増加されるために、図１には示されていないが、ＥＰ１０７１９２９Ｂ１に記載された手順と類似して、互いに反対に配置された２つの光センサーの信号は、４つの光センサーの示す値で合計され、これにより得られた両方の合計の信号は、差動増幅器の異なる入力に送り込まれる。しかしながら、光センサーの信号の評価は、上述した手順に代えて、別の態様で実行されてもよい。
【００２５】
本ケースでは、１つの光源３が照明源として用いられてもよい。ここで、それは、商業的に利用可能なＬＥＤまたはレーザーダイオードであってもよい。本発明で用いることができるＬＥＤまたはレーザーダイオードは、レンズまたはアパーチャー要素を含有してもよい。図において、光源３は単に概略的に示されており、光路は、全ての光線が１点から発せられたかのように図示されている。図１において、例えば配線板などのホルダー１１が、光源３上に搭載されているように図示されている。
【００２６】
本発明の基本的な思想は、光源３によって発せられる光が利用されるほど、検出器により実行される信号が強くなる。理想的なケースでは、光遮断要素５による遮断が無視されたときに、光源３により放たれる光全体が光センサーに向かうことが好ましい。したがって、光源３により放たれる光は、光センサー１８、１９、２０、２１を有する配線板９の円環領域に向けられ、そこには、円環片に形作られた光センサー、つまり、アパーチャーマスク１０において円環片に形作られた開口のそれぞれが位置している。この目標は、図７のようなレンズという手段によっては達成できないので、本発明の思想は、ビーム形成要素を用いることであり、ビーム再形成要素とも称され、図１における参照符号７によって示されている。ビーム形成要素７に入る光源からの光線は光センサーの途中で反射され、非平面で非球状の少なくとも１つの平面をビーム形成要素７は有しているという事実により所望のビーム形成は実現されるので、以下、このビーム形成要素７は、自由形状要素（freeform element）とも称される。
【００２７】
図１におけるビーム形成要素７は、円錐台状の形状を有しており、位置検出器が回転軸に固定されるときに、円錐台の対称軸は締付ネジ１２の中心を通り、回転軸Ａと一致する。光源３と対向するビーム形成要素７の後側には、円錐台状の凹所４が設けられている。締付ネジ１２と対向するビーム形成要素７の面３２は、光センサーの面と実質的に平行である中央領域３２ａと、周辺領域３２ｂとを有している。中央領域３２ａは、締付ネジ１２に対して、周辺領域３２ｂよりもくぼんでいるので、表面３２ｂは円錐台の側面に対応する。
【００２８】
ビーム形成要素７の側面６は、凸形状を有している。特定的には、図１に示されるように、側面６は、対称軸に対して外側に向けて曲線を描いてもよく、自由形状面（freeform surface）であってもよい。ここで、ビーム形成要素７の個々の表面の正確な外形（曲率）は、例えばＡＳＡＰ．などの商業的に利用可能なソフトウエアを用いたコンピューターシュミレーションによって決定されることができる。例として、自由形状面は、多項式、スプライン、または異なる態様で特徴付けられてもよい。側面６は外側に向けて曲線を描いてもよいので、ビーム形成要素７の外形は、「円錐台状」と意図的に上述した。図１の断面図における円錐台形状の側面は外側に向けて曲線を描いておらず、円錐台形状は、特例である。図１の断面図において、凹所４の外側面４ｂも曲率を有しているので、凹所４の外形も概して「円錐台状」と特徴付けられる。
【００２９】
ビーム形成要素７は、プラスティック材料（例えばプレキシガラス）すなわち例えばガラスで作製されてもよく、屈折によってだけでなく、ビーム形成要素中の屈折によっても光センサーに光が向けられていることを特徴としている。
【００３０】
ここで例示されるビーム形成要素７において、屈折は、ビーム形成要素７の境界面から外側、すなわち側面６で生じる。ここで、理想的には、全反射であり、できるだけ高い光収率のためには光の９９％以上は反射される。しかしながら、例えば金属で側面６を被覆することによって、全反射せずに作用することも可能である。側面６で反射する光が利用されるという事実だけでも、図７に示されるケースに関して改良となる。したがって、光の１０％以上、５０％以上、７０％、８０％９０％、さらには９５％以上が反射されたとしても、本発明は、従来技術に対して改良をもたらす。確かに、できるだけ光が失われないときに、改良は最も大きい。
【００３１】
本発明によれば、ビーム形成要素７は、空間的には、光源３と光センサーを有する検出器要素との間に配置されるので、本発明にしたがった位置検出器は、小型でスペースをとらない構成をさらに有している。
【００３２】
以下、ビーム形成要素の構成及び機能について、異なる実施形態で説明される。
【００３３】
第１実施形態
図３は、第１実施形態にしたがったビーム形成要素７が用いられたときの光路を示す。ここで、光源及びビーム形成要素７の配置は、図１における配置と同様である。図３において、ビーム形成要素７下の構成は、図１における構成と同一である。しかしながら、図３は、図１に示されるビーム形成要素７下の構成の代わりに、フラットセンサー１８、１９、２０、２１が配置された面を表す面２３を概略的に示しているだけである。
【００３４】
ここで、光センサー１９、２０の位置は、概略的に示されているだけである。
【００３５】
図３からわかるように、光源３は、凹所４に突出しないように、光センサーと反対に位置するビーム形成要素７の面に接近するように位置している。光源３から発する光線は、最初にビーム形成要素７の凹所４の縁で屈折し、続いて、ビーム形成要素７の側面６での全反射によって光センサー１９、２０の方向に向けられ、屈折は出口面３２で再び生じる。第１実施形態にしたがった特定の構成において、出口表面３２は、図１のように２つの部分に分割されず、むしろ実質的には平面である。
【００３６】
前方向（光センサーに対する対称軸に沿った方向が０°とすると、対称軸の周囲のある角度範囲）において、光源３からの光線は、凹所４の境界で途切れる。これは、凹所４の境界は、この点に不透明な材料で被覆されているためである。これにより、光が締付ネジ１２に向けられることと、同様の制御できない態様で反射されることとを防止する。具体的には、図３において、光センサーと対向する円錐台状の形状の凹所４の表面、すなわち凹所４の底面４ａは、不透明である。
【００３７】
不透明な層として、不透明部は、黒色（例えばカーボンブラックに基づく）を塗ることによって達成できる。代わりに、例えば不透明なディスク、例えば、黒色の陽極酸化アルミニウムディスクが、凹所の底面４に接着されていてもよく、搭載されていてもよい。
【００３８】
具体的には、光は、第１実施形態において光センサーの一部領域のみに焦点が当てられている。「ビームスポット（beam spot）」は、円環形状を有し、その幅は、円環片に形作られた光センサー１８、１９、２０、２１のそれぞれ、すなわち、アパーチャーマスク１０における円環片に形作られた開口の幅よりも小さい。ここで、側面６での光の反射によって、光源からの光の再分配が生じる。前方向（図１において軸Ａに対応する方向が０°とする）において小さな角度で放出された光は、円環の外側部分を通過し、大きな角度で光源３から放出された光は、円環に形作られた領域の内側部分を通過する。
【００３９】
光センサーへの光の入射は平行ではないが、本実施形態では、それにもかかわらず、軸方向のシフト（光源３と光センサー１８、１９、２０、２１との間の距離の変化）の非感度が実現できる。光が光センサーに向かう円環内の幅は径方向における円環片の幅よりも非常に小さいことによって、軸方向のシフトの場合であっても、「ビームスポット」は光センサーに残る。これによって、光センサーによって記録される光の非感度における変化は、軸方向のシフトによって生じない。同様に、光の外形もまた、光センサーの径方向のシフトの非感度をもたらす。
【００４０】
ビーム形成要素７という手段によって、光源３により放たれる光のできるだけ広い部分が光センサーに入射されることが提供される。前方向に放たれた光源３からの所定の角度範囲の光は、ビーム形成要素７を被覆する不透明体のため、光センサーの照射のために用いられないにもかかわらず、本発明にしたがった位置検出器では、非常に良好な信号対ノイズ比の値が実現できる。その理由の１つは、広い放射角度では（前径方向が０°とする）、光の立体角が広いことである。ここで、立体角は、光源が点光源の放射であるとすると、光源３により放たれる光線が通過する、光源３を取り囲む球状の表面の部分であることが理解される。広い放射角度でできるだけ高い割合の光が光検出器に向けられているなら、光源３が放つ高い割合の全立体角範囲が利用される。これは、光源の放射密度は、典型的には、小角度の放射よりも大角度の放射ではないという事実を考慮しても、光源３からの光の利用の向上を導く。
【００４１】
図３に示される凹所４の底部の角度１４は、９０°よりもやや大きい。この角度は、９０°〜１０５°であってもよく、好ましくは９１°〜９５°である。ここで、凹所４の側壁の勾配は、屈折特性に影響を与える。角度が９０°に近いほど、光線は外側に向けて屈折する。これは、ビーム形成要素７はそれに応じて短く設計されてもよいという結果を導く。これにより、９０°に近い角度で、非常に小型の構成が実現される。しかしながら、この角度は好ましくは９０°よりわずかに大きいことが好ましい。これは、ビーム形成要素７の製造の利点をもたらすためである。ビーム形成要素７は、好ましくは射出成形によって製造されるので、９０°よりも大きな角度にすることで、凹部４から射出成形金型の除去を容易にする。
【００４２】
明確性の目的で、図において、ビーム形成要素７がどのように支持されているか、すなわち、締付ネジ１２、光遮断要素５、及び光センサー１８、１９、２０、２１からなる構成と、光源３との間の位置にどのように固定されているかは示されていない。基本的には、ビーム形成要素７を搭載する幾つかの方法がある。それぞれ図示された構成全体を取り囲む、図に示されていないハウジングにビーム形成要素７を固定することが適切である。ビーム形成要素７は好ましくは射出成形によって製造されるので、射出成形によるビーム形成要素を有する搭載する要素を一体的に形成することが適切である。ここで、例えばつまみ（lugs）、連結網（webs）、またはスナップで取り付ける方式のフック（snap-in hooks）は、搭載する要素として考えられ、ハウジングとのしっかりとした接続のために提供される。ビーム形成要素７の側壁に、ハウジングの突起に入って係合する凹所またはループ（loops）が提供されてもよい。搭載する要素が側壁６に配置される場合、それらの要素は、光センサーに入射する光の反射が生じる位置に配置されることが好ましい。
【００４３】
具体的には、全体の構成の回転対称のため、円筒形状のハウジングが可能である。このような場合、構成を収容する内筒は、射出成形によって形成されてもよく、円筒形状のハウジングの内部に配置されるとともに、円筒形状のハウジングに固定される。ここで、内筒とビーム形成要素７との接続は、ビーム形成要素７と内筒との間に射出成形によって形成された連結網を介して達成され、最終的には、ビーム形成要素７、接続網、及び内筒は射出成形によって一体成形される。
【００４４】
あるいは、ビーム形成要素７及び搭載する要素を一体成形するために、搭載する要素はビーム形成要素７に接着されてもよく、搭載する要素とビーム形成要素７との接続領域が、光センサーに入射する光の屈折が生じる場所に位置している場合、ビーム形成要素７の内部に向けて光を反射できる層が利用されることが好ましい。このように、搭載する要素とビーム形成要素７との接続領域は、反射表面として用いられることも達成される。
【００４５】
第２実施形態
図４は、第２実施形態にしたがったビーム形成要素２０７が用いられたときの光路を示す。第２実施形態は、変更されたビーム形成要素２０７においてのみ、第１実施形態と異なる。第２実施形態のすべての要素は、第１実施形態と同一である。さらに、第１実施形態について記載された変更の選択肢は、第２実施形態にも適用される。
【００４６】
図４に示されているように、第１実施形態と対比して、光センサー１９、２０と対向するビーム形成要素２０７の表面２３２は、平面ではなく、図１のように、くぼみがつけられた中央領域２３２ａと外周領域２３２ｂとに分割されている。
【００４７】
第１実施形態と同様に、光源３から放たれた光線は、円錐台形状の凹所２０４の底面を通らないことがわかる。この理由は、この場合も、凹所２０４の底面２０４ａは、不透明な材料で被覆されているためである。第１実施形態と同様に、不透明な層は、代替として、出口表面２３２の中央領域２３２ａにおけるビーム形成要素２０７に確実に塗布されることもできる。
【００４８】
光源３から発する光線は、最初に凹所２０４の縁（横表面２０４ｂ）で屈折し、続いて、側面２０６での全反射によって光センサー１８、１９、２０、２１に向けられ、屈折は表面２３２で再び生じる。側面２０６は、第１実施形態のように、コンピューターシュミレーションを用いて決定された形状の自由形状面である。
【００４９】
第１実施形態と異なって、第２実施形態においては、光源３からの光は、円環に焦点が当てられ、その幅は、光センサーに形作られた円環片の幅、すなわち、アパーチャーマスク１０における円環片に形作られた開口の幅よりも大きい。ビーム形成要素２０７は、光センサーに向けて出口面２３２で平行な光が出るコリメータの機能を果たす。
【００５０】
ＵＳ７６８８４３２Ｂ１のように、平行にする要素としてレンズを用いることと比べると、第２実施形態は以下の有利な点が生じる。
【００５１】
光源３を出る光は、光センサー１８、１９、２０、２１を有する面２３に向けて円環形状に放射されるように、ビーム形成要素２０７によって再形成される。具体的には、凹所２０４の存在によって、及び、ビーム形成要素２０７において光センサーと反対側のすぐ後方に光源３を配置することによって、光源３の前放射方向に対して広い放射角度で（０°の方向は上記で定義されている）放射される光線は、反射によって光センサーに向けられることを提供する。光は、それぞれに応じて形作られるビーム形成要素２０７の側面２０６で光センサーに向けて反射されるので、光源３からのより大きな光量は、同じ直径を有するアパーチャーよりも光センサーに向けられる。アパーチャーと対比して、光は、光センサーによって被覆された領域の外側の任意の広い領域に向けられていない。第１実施形態と対比して、第２実施形態にしたがったビーム形成要素２０７により発生する円環に形作られた照明領域は、円環片に形作られた光センサー１８、１９、２０、２１の幅のそれぞれ、すなわちアパーチャーマスク１０における円環片に形作られた開口の幅よりも径方向において広いにも関わらず、円環の幅は、円環片の幅のそれぞれ、すなわち円環片に形作られた開口の幅よりも大きく超える必要はない。これにより、アパーチャーに比べて、光は、光センサーにより強く集められる。
【００５２】
第２実施形態では、光源と光センサーとの間の軸方向のシフトに対する不感度が与えられるように、平行な光が光センサーに入射される。さらに、円環に形作られた照明領域の幅は、円環片の幅、すなわち円環片に形作られた開口の幅よりも大きいので、光源３について光センサーの径方向のシフトに対する不感度も与えられる。円環形状に形作られた照明領域の幅は、それぞれの円環片の幅、すなわち円環片に形作られた開口の幅を超えることによる量は、軸方向のシフトが予測されることによって決まる。円環領域の幅は、側面２０６の形状、ひいては側面２０６の反射特性によって調整される。
【００５３】
実施形態の可能な変形
本発明は、上述した２つの実施形態の明確な形態に限定されない。むしろ、以下の変形は、とりわけ両実施形態において可能である。
【００５４】
光は、ビーム形成要素において放物体片に形作られた表面で反射されることは上述した実施形態で特に可能であるが、ビーム形成要素を出る光の特定のパターンの実行においてより大きな自由度を得るために、放物体片形状から外れる表面が自由形状面として明確に選択されてもよい。
【００５５】
図１に関して上述したように、出口面３２、２３２は、平面である必要はない。この表面は、湾曲、凹所、または段を有していてもよい。例えば、凹所は、締付ネジ１２を侵入するように提供されてもよい。これにより、ビーム形成要素と、光遮断要素を含む光センサー１８、１９、２０、２１との非常に短い距離が実現され、このような測定はコンパクトな構成の観点から有利である。
【００５６】
特に、出口面３２、２３２は、任意の形状の自由形状面であってもよい。そして、その正確な形状は、どのような「ビームスポット」が生じる必要があるか、すなわち、光センサーを有する面２３に入射する光が有するべき平面形状に応じて、コンピューターシュミレーション（例えばＡＳＡＰ．）により決定されてもよい。
【００５７】
凹所４、２０４のそれぞれの底面４ａ、２０４ａ、及び／または、横表面４ｂ、２０４ｂも、自由形状面であってもよい。
【００５８】
境界、すなわち凹所４、２０４の底面のそれぞれに不透明な層を塗布する代わりに、不透明な層は、選択的または付加的に、ビーム形成要素７の出口表面３２の中央領域、すなわち出口表面３２が締付ネジ１２に面する位置に塗布されてもよい。不透明な層は、第一実施形態に関して述べたのと同様に実施されてもよい。ビーム形成要素７に不透明な層を塗布する手間を省くことも全く可能であることに留意すべきである。このような場合、特に、小さな放射角での光線は、図３及び４では不透明な層における凹所４、２０４の底面４ａ、２０４ａのそれぞれで終わっているが、光センサーに直接入射されるべきではない。さらに、締付ネジ１２の頭は、ネジ頭で反射を邪魔することを防止するために、黒くされることが好ましい。ビーム形成要素７での不透明な層が省かれたら、小さな放射角、すなわち、例えば±３０°未満、あるいは±２５°未満の角度での光線が、締付ネジ１２の黒くされた頭に意図的に向けられるように、凹所４、２０４及び／または出口表面３２、２３２を形作ることもとりわけ可能である。ネジ頭が凹所（例えばインターナル（internal hex））を有している場合には、光線はこの凹所に意図的に向けられてもよい。このアプローチにおいて、ネジ頭を黒くすることは省かれてもよいが、黒くすることはこの場合も有利である。最終的には、光線が側面６、２０６で反射されず、光センサーに届かないことが重要なだけである。
【００５９】
さらに、凹所４、２０４のそれぞれは、内部へ湾曲され、底面に向く側壁４ｂを有していてもよい。例えば、側壁４ｂが交わる領域は、普通または短縮サイクロイドの底の周囲の領域と類似してもよい。このような形状を有すると、前方向（０°に近い放射角範囲）において光源３から放たれた光線のよりよい利用が実現できる。理想的な場合には、小さな放射角で光源３から出る光を遮断するための全ての手段（例えば不透明な層）は、完全に省かれてもよい。
【００６０】
図３及び図４において凹所４、２０４のそれぞれの外側に光源が配置されているが、光源３は凹所内に侵入されてもよい。光源が凹所４の内部に突入していなければ、光源とビーム形成要素との間の距離は非常に小さくなるので、場合によっては光源（大きな放射角を含む）からの可能なすべての光がビーム形成要素に進む。
【００６１】
ビーム形成要素は、図３及び４において回転対称を有しているが、光源と対向している表面３０、２３０及び／または光センサーと対向している表面３２、２３２は多角形であってもよい。特に、ビーム形成要素７、２０７及び／または凹所４、２０４は、角錐台状を有していてもよい。
【００６２】
光が反射される、ビーム形成要素における自由形状面は、強制的に円環に形作られている必要はない。
【００６３】
本発明において、光遮断要素は、特定的には１０ｍｍよりも小さな直径、好ましくは２〜９ｍｍで成形されているが、本発明は特にこれに限定されない。したがって、回転軸Ａに直交する方向において小さな直径を有する非常にコンパクトな位置検出器が得られる。
【００６４】
一方、角度測定の精度のための要求が増えると、角度位置がエンコードされる位置検出器は限界に達する。その理由は、ディスクのストライプコードは任意の細部を有するように形成できないので、典型的にはエンコーダーディスクを使用し、エンコードする位置検出器では、角度の分解能はディスクの直径を増加することによってのみ達成されるためである。
【００６５】
回転軸に対する慣性モーメントに関しても、回転軸の周囲を回転する要素（ここでは光遮断要素）の特に小さな慣性モーメントを有する位置検出器は、本発明で実施できる。特定的には、回転軸の周囲を回転する要素（ここでは光遮断要素）の慣性モーメントは、０．０１０ｇ・ｃｍ２未満であってもよく、好ましくは０．００８ｇ・ｃｍ２未満であり、より好ましくは０．００６ｇ・ｃｍ２未満である。本発明では、回転軸の周囲を回転する要素（ここでは光遮断要素）の慣性モーメントが０．００３〜０．００４ｇ・ｃｍ２の位置検出器を実施することさえ可能である。
【００６６】
すでに述べたように、本発明にしたがった(角度)位置検出器は、明細書の導入部で触れたスキャン装置に用いられ、光ビーム、特定的にはレーザービームをスキャンする装置は、表面の異なる位置に向けられ、これらの位置特性を検出し、または、これらの位置でレーザービームを用いて加工工程を実施する。光遮断要素５に接続された回転軸Ａで固定され、光ビームを屈折させるために用いられる回転可能なミラーの角度位置は、スキャン過程を制御するために測定されるとともに使用される。特定的には、本発明にしたがった位置検出器は、ＥＰ１２９５０９０Ｂ１に開示されたスキャン装置にも適用できる。スキャン装置（スキャン装置における角度位置検出器を搭載する例）における実行の詳細は、すでにＥＰ１２９５０９０Ｂ１に開示されているので、ここでは繰り返さない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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