(57)【要約】  【課題】  測定精度を改善すると共に、生産コストを低減させるエンコーダアセンブリを提供する。  【解決手段】  モータと、モータシャフトに固定されるタイミングディスクと、光信号を生成するための信号供給源と、光信号を形成するためのビームマスクとから構成されるエンコーダアセンブリであって、当該ビームマスクは、回折構造および干渉構造を有するピット構造およびランド構造から構成されるコードバーを備える。  【選択図】        図３
2004271508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、モータシャフトに固定されるタイミングディスクと、光信号を生成するための信号供給源と、光信号を形成するためのビームマスクとから構成されるエンコーダアセンブリであって、当該ビームマスクは、回折構造および干渉構造を有するピット構造およびランド構造から構成されるコードバーを備えるものであることを特徴とするエンコーダアセンブリ。
【請求項２】
前記回折構造は、二次元サブミクロン格子構造の形態で設けられていることを特徴とする請求項１記載のエンコーダアセンブリ。
【請求項３】
前記ビームマスクは、マスク保持手段に一体的に組み込まれていることを特徴とする請求項１または２記載のエンコーダアセンブリ。
【請求項４】
前記マスク保持手段は、モータシャフトが嵌る凹部と、ミクロ干渉構造および巨視構造を備えるマスク領域を有することを特徴とする請求項３記載のエンコーダアセンブリ。
【請求項５】
前記ビームマスクは、ポリカーボネート品であって、コードビーム間の領域は透明であり、ピット構造およびランド構造は、以下の関数、
Ｄ＝Ｌ／２（ｎ−ｌ）
（式中、ｎ＝１．５、Ｌ＝光信号の波長）を満たす厚さの差Ｄを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンコーダアセンブリ。
【請求項６】
ビーム偏向およびビーム形成を目的とするプリズム部材がビーム経路に導入されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンコーダアセンブリ。
【請求項７】
前記プリズム部材は、実質的に屋根形構造であり、入射ビームおよび射出ビームは該屋根形構造の内側面で反射されることを特徴とする請求項６記載のエンコーダアセンブリ。
【請求項８】
前記プリズム部材の底部において、入射光ビームの領域に集光光学系が、射出光ビームの領域に回折構造および干渉構造がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項７記載のエンコーダアセンブリ。
【請求項９】
前記マスク保持手段および信号供給源はプリズム部材と一体化されており、ビーム入射の領域において、導体プレートとプリズムの間でぴったり合う接続部を備える結合面が設けられていることを特徴とする請求項６〜８いずれか１項に記載のエンコーダアセンブリ。
【請求項１０】
前記導体プレートには、信号供給源およびビーム受光器を備えるプリズム部材が配設される結合面が設けられていることを特徴とする請求項９記載のエンコーダアセンブリ。
【請求項１１】
前記マスク保持手段には、ビーム供給源、プリズム部材およびビーム受光器のための共通統合面が精密射出成形部品の形態で設けられていることを特徴とする請求項１０記載のエンコーダアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タイミングディスクがそれに固定されているモータシャフトを備えるモータと、光信号の信号供給源と、光信号を形成するためのビームマスクとから構成されるエンコーダアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
冒頭に述べた形式のエンコーダアセンブリは、あらゆる種類の移動プロセスを測定するのに役立ち、測定された信号は、機械部品の制御またはその位置の決定に使用されるために適する。急速な移動プロセスの測定精度は、厳格な要求条件を満たさなければならない。さらに、光信号は完全に平行な形で拡がり、回転方向が変化してもいかなる測定誤差も生じないことが保証されなければならない。
【０００３】
エンコーダは、量産品の形で大量に生産される。そのコストは大部分が生産および構成部品を調整するために必要な手段によって決定される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、冒頭に述べた形式のエンコーダアセンブリを、測定精度を改善すると共に、生産コストを低減させるような形態でさらに開発することである。本発明によれば、その目的は以下の方策によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１．ビームマスクのコードバーは、回折構造および干渉構造よりなるピット（pit）構造およびランド(land)構造を有するものである。
２．回折構造は、好ましくは二次元サブミクロン格子構造よりなる。
３．生産コストを低減するために、ビームマスクはマスク保持手段と一体的に組み込まれたものである。
４．マスク保持手段は、位置決め精度を高めるために、モータシャフトが嵌る凹部と、ミクロ干渉構造および巨視構造を備えるマスク領域を有する。
５．ビームマスクの摩耗作用はポリカーボネートを使用することによって改善でき、コードビーム間の領域は透明であり、ピット構造およびランド構造は、次ぎの関数、Ｄ＝Ｌ／２（ｎ−ｌ）
（式中、ｎ＝１．５、Ｌ＝光信号の波長）を満たす厚さの差Ｄを有する。
６．ビーム偏向およびビーム形成を目的とするプリズム部材がビーム経路に導入される場合、信号供給源および信号受信器はタイミングディスクの一面に配設され得る。
７．プリズム部材が実質的に屋根形の基本構造よりなり、入射ビームおよび射出ビームが内側屋根面で反射されることにより、光信号の特に有利な平行度が達成される。
８．特に単純に設計された信号供給源を使用できるように、入射光ビームの領域において、集光光学系をプリズム部材の底部に組み込む必要がある。射出光ビームの領域では、回折構造および干渉構造がプリズム部材に形成することができ、それによっていかなる調整問題も生じないことを保証する。
９．統合度を高め生産コストを低減するために、マスク保持手段および信号供給源を備えるマスクがプリズム部材に一体化される。この目的で、ビーム入射の領域には、エネルギーを供給する働きをする導体プレートとプリズムの間でぴったり合う接続部を備える結合面が設けられている。
１０．導体プレートは、信号供給源およびビーム受光器を備えるプリズム部材が単純な差込式接続によって配設され得る少なくとも１つの結合面を備える。
１１．好ましい実施形態において、マスク保持手段は、ビーム供給源、プリズム部材およびビーム受光器のための共通統合面が精密射出成形部品の形態で設けられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明をいくつかの実施形態に関連して説明する。
【０００７】
エンコーダアセンブリのタイミングディスクのコードが一連の線またはバーから構成されることは周知である。通常、高透過／反射の線が、低透過／反射の線と交番しており、その結果、送信器によって放出され、プロセスにおいて変化する光学的構造／特性を有する信号が、ジェネレータ素子において修正される。信号処理段階において、修正された信号から、位置および長さを決定する目的の情報を得ることができる。
【０００８】
本発明の好ましい実施の形態によれば、次元（the dimensions）は、光回折二次元サブミクロン格子構造によりつくられる（built up）。透過光源または反射光源の位相は三次元で決定される。いくつかの部分波の干渉によって、それらの位相位置で変更された光波を強めるかまたは弱めることが可能である。結果として得られる信号は、信号処理装置において、位置または経路を決定するための制御信号として使用される。
【０００９】
本発明のタイミングディスクは、吸収体パターンによる従来の膜技術に従って製造され、マスクは透過干渉回折アセンブリの技術に従って製造される。これらの技術を組み合わせることによって、センサマスクを使用する際に、異なる形式の機能素子の統合を実現することが可能になる。
【００１０】
図１は、マスク保持手段の表面にミクロ構造およびマクロ構造を備えるマスク領域を示す。マスク保持手段１は、マスク領域２と調整領域３に分けられる。後者は例えば、エンコーダのモータシャフト（図示せず）が嵌められる内径３が挙げられる。形成部４、５は、マスク保持手段のためのさらなる位置決め可能手段である。
【００１１】
図２は、プリズム部材におけるビーム経路を示す。ビームの入射端の領域には、平行度を高めるか、またはビーム焦点合わせを実現する働きをする集光光学系６を配設することが可能である。プリズム部材が屋根形基本構造よりなるので、入射ビームまたは射出ビームは内側屋根面７、８で反射され、結果的に、入射方向と平行にビームマスク９の領域内においてプリズム部材から出る。
【００１２】
ビームマスクの設計は、ピット構造およびランド構造、およびその大きさが特許請求の範囲第５項に示された式に従って計算されるそれらの厚さの差Ｄに基づいている。また、ジェネレータ素子の材料は例えば、屈折率ｎ＝１．５を有するポリカーボネートよりなり、その結果、従来の材料に比べて摩耗作用が著しく改善される。比較試験によれば、本発明の材料よりなるマスクの耐用年数は従来の装置に比べて５倍増大することが示された。
【００１３】
図３に図示したような本発明に従った完全なエンコーダアセンブリは、以下の要素よりなる。
−モータシャフト１１を備えるモータ１０
−ハブ１３を備えるタイミングディスク１２
−信号受信器１５を備える導体プレート１４
−信号供給源１７およびビームマスク１８を備えるプリズム部材１６。
【００１４】
以下のことが図から確認できる。本発明のエンコーダアセンブリの全部の構成部品は完全に統合されており、その結果、それらは単純な差込式接続によって相互に対して位置決めされ得る。これは生産コストの低減をもたらし、生産精度は１０倍増大する。
【００１５】
図４は、マスク、プリズム、信号供給源および信号形成部の完全な統合を再び例証している。プリズム部材１８は、マスク２０と一体化されているマスク保持手段１９が設けられている。
【００１６】
プリズム部材１８の底部の一部にわたって広がり、形成されたスペース部２１には、信号供給源のための凹部が形成されている。例えば集光光学系２３のための別の凹部をビーム経路に設けることができる。
【００１７】
プリズム部材１８を導体プレート上に配置するために、好ましくは、固定ジャーナル２４、２５が使用される。このようにして、単純な差込式接続を使用することによって、タイミングディスクまたはタイミングルーラといった光信号ジェネレータまたはジェネレータ素子の迅速かつ正確な配置を達成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ピット構造およびランド構造よりなるビームマスクを備えるマスク保持手段を示す。
【図２】ビーム偏向およびビーム形成の目的のプリズム部材の基本設計を示す。
【図３】完全なエンコーダシステムを分解図で示す。
【図４】統合・結合面を備えるプリズム部材を示す。
【符号の説明】
【００１９】
１  マスク保持手段
２  マスク領域
３  調整領域（モータシャフトが嵌められる内径）
４、５  形成部
６  集光光学系
７、８  内側屋根面
９  ビームマスク
１０  モータ
１１  モータシャフト
１２  タイミングディスク
１３  ハブ
１４  導体プレート
１５  信号受信器
１６  プリズム部材
１７  信号供給源
１８  ビームマスク
１８  プリズム部材
１９  マスク保持手段
２０  マスク
２１  スペース部
２３  集光光学系
２４、２５  固定ジャーナル
【図１】
2004271508.tif 000003
【図２】
2004271508.tif 000004
【図３】
2004271508.tif 000005
【図４】
2004271508.tif 000006
【外国語明細書】
DESCRIPTION
Encoder assembly
The invention relates to an encoder assembly consisting of a motor with a motor shaft on which there is secured a timing disc, of a signal source of an optical signal and of a beam mask for forming an optical signal.
Encoder assemblies of the initially mentioned type serve to measure movement processes of all kinds, with the measured signals being suitable for being used for controlling, or determining the position of, machine parts. The measuring accuracy of rapid movement processes has to meet stringent requirements. In addition, it has to be ensured that the optical signals extend in an entirely parallel way and that no measuring errors occur if the direction of rotation changes.
Encoders are produced in large numbers in the form of mass-produced products. The costs are largely determined by production and by the means required for adjusting the components.
It is the object of the present invention of further developing an encoder assembly of the initially mentioned type in such a way that the measuring accuracy is improved while at the same time reducing the production costs.
In accordance with the invention, the objective is achieved by the following measures:
1.  The code bars of the beam mask are provided with pit and land structures which comprise a diffraction and interference structure.
2.  The diffraction structure preferably consists of a 2D submicrometer grid structure.
3.  To reduce the production costs, the beam mask is integrated into mask holding means.
4.  To increase the positioning accuracy, the mask holding means comprise a recess for the motor shaft and a mask region for micro-interference structures and  macroscopic structures.
5.  The wear behaviour of the beam mask can be improved by using polycarbonate, wherein the regions between the code beams are transparent and wherein the pit and land structures comprise a thickness differential D which satisfies the following function:
D= L/2 (n-1),
with n = 1.5 and L = the wave length of the optical signal.
6.  If a prismatic member for beam deflecting and beam forming purposes is introduced into the beam path, the signal sources and the signal receiver can be arranged on one side of the timing disc.
7.  Particularly advantageous parallelism of the optical signals can be achieved in that the prismatic member comprises a substantially roof-shaped basic structure, wherein the entering and leaving beam is reflected on the inner roof faces.
8.  To be able to use particularly simply designed signal sources, it is necessary, in the region of the entering light beam, to integrate condenser optics into the base of the prismatic member. In the region of the leaving light beam, the diffraction and interference structure can be formed into the prismatic member, thus ensuring that no adjusting problems occur.
9.  To increase the degree of integration and to reduce production costs, a mask with mask holding means and the signal source are integrated into the prismatic member. For this purpose, in the region of the beam entry, there is provided a connecting plate with a form-fitting connection between a conductor plate serving to supply energy, and the prism.
10.  The conductor plate comprises at least one connecting plane on which the prismatic member with the signal source and the beam receiver can be arranged by means of simple plug-in connections.
11.  In a preferred embodiment, the mask holding means are provided in the form of a precision injection-moulded part with a common integration plane for the beam source, the prismatic member and the beam receiver.
Below, the invention will be described with reference to several embodiments:
Figure 1 shows mask holding means with a beam mask consisting of pit and land structures.
Figure 2 shows the basic design of a prismatic member for beam deflecting and beam forming purposes.
Figure 3 shows a complete encoder system in an exploded view.
Figure 4 shows a prismatic member with an integration and connecting plane.
It is known that the codes of the timing discs of encoder assemblies consist of a sequence of lines or bars. Normally, high transmission/reflection lines alternate with low transmission/reflection lines, so that the signals emitted by a transmitter and having optical structures/properties, which change in the process, are modified in the generator element. In a signal processing stage it is possible to obtain information for position and length determining purposes from the modified signals.
According to a preferred embodiment of the present invention, the dimensions are built up on a light-diffracting 2D submicrometer grid structure. The phase of the transmitted or reflected light source is determined in the third dimension. Through the interference of several partial waves, it is possible to either intensify or weaken the light waves changed in their phase position. The resulting signal can be used in a signal processing device as a control signal for determining the position or path.
The inventive timing disc is produced either in accordance with the conventional film technology with absorber pattern, and the mask is produced in accordance with the technology of the transmissive interference diffraction assembly. By combining these technologies it becomes possible to achieve different types of integration of functional elements when using the sensor masks.
Figure 1 shows a mask region with a micro and macro structure on a surface of the mask holding means. The mask holding means 1 are divided into a mask region 2 and an adjusting region 3. The latter, for example, consists of a bore 3 for a motor shaft of the encoder (not shown). The formations 4, 5 constitute further positioning possibilities for the mask holding means.
Figure 2 shows the beam path in a prismatic member. In the region of the entrance end of the beam, it is possible to arrange condenser optics 6 which serve to improve parallelism or to achieve beam focussing. Because the prismatic member comprises a roof-shaped basic structure, the entering or leaving beam is reflected on the inner roof faces 7, 8, so that it leaves the prismatic member in the region of the beam mask 9 parallel to the entering direction.
The design of the beam mask is based on the pit and land structures and their thickness differential D whose magnitude is calculated in accordance with the formula given in Claim 5. The material of the generator element can also consist for instance of polycarbonate with a refractive index n = 1.5, so that as compared to conventional materials, the wear behaviour is improved considerably. Comparative tests have shown that the service life of masks consisting of the inventive material is increased by the factor 5 as compared to conventional devices.
The complete encoder assembly in accordance with the invention as shown in Figure 3 consists of the following elements:
-  a motor 10 with a motor shaft 11
-  a timing disc 12 with a hub 13
-  a conductor plate 14 with the signal receiver 15
-  a prismatic member 16 with a signal source 17 and a beam mask 18.
The following is identifiable from the Figure:
All the components of the inventive encoder assembly are fully integrated, as a result of which they can be positioned relative to one another by means of simple plug-in connections. This results in a reduction in production costs, and the production accuracy is increased by the factor 10.
Figure 4 once again illustrates the complete integration of the mask, prism, signal source and signal formation. The prismatic member 18 is provided with mask holding means 19 which are integrated into the mask 20. 
In a formed spacing part 21 which extends over part of the base of the prismatic member 18, there is formed a recess for a signal source. Further recesses can be provided in the beam path, for example for the condenser optics 23.
For positioning the prismatic member 18 on the conductor plate, use is preferably made of fixing journals 24, 25. In this way, by using a simple plug-in connection, it is possible to achieve quick and accurate positioning of the optical signal generator or generator elements such as the timing disc and timing ruler.
CLAIMS
Claim 1:
Encoder assembly consisting of a motor and a motor shaft on which there is secured a timing disc, of a signal source for generating an optical signal and of a beam mask for forming the optical signal,
characterised in that
the beam mask is provided with code bars consisting of pit and land structures which comprise a diffraction and interference structure.
Claim 2:
An encoder assembly according to claim 1,
characterised in that
the diffraction structure is provided in the form of a 2D submicrometer grid structure.
Claim 3:
An encoder assembly according to claim 1 or 2,
characterised in that
mask holding means are integrated into the beam mask.
Claim 4:
An encoder assembly according to claim 3,
characterised in
that the mask holding means comprise a recess for the motor shaft and a mask region with micro-interference structures and macroscopic structures.
Claim 5:
An encoder assembly according to any one of claims 1 to 4,
characterised in that
the beam mask consists of a polycarbonate, wherein the regions between the code beams are transparent and wherein the pit and land structures comprise a thickness differential D which satisfies the following function:
D=L/2(n-1) 
with n = 1.5 and L = wave length of the optical signal.
Claim 6:
An encoder assembly according to any one of claims 1 - 5,
characterised in that
a prismatic member for beam deflecting and forming purposes is introduced into the beam path.
Claim 7:
An encoder assembly according to claim 6,
characterised in that
the prismatic member comprises a substantially roof-shaped structure, wherein the entering and leaving beam is reflected on the inner roof faces.
Claim 8:
An encoder assembly according to claim 7,
characterised in
that in the base of the prismatic member there are provided condenser optics in the region of the entering light beam, and the diffraction and interference structure in the region of the leaving light beam.
Claim 9:
An encoder assembly according to any one of claims 6 - 8,
characterised in that
the mask holding means and the signal source are integrated into the prismatic member, wherein, in the region of the beam entry, there is provided a connecting plane with a form-fitting connection between a conductor plate and the prism.
Claim 10:
An encoder assembly according to claim 9,
characterised in that
the conductor plate is provided with a connecting plane and that on the one connecting plane, there is arranged the prismatic member with the signal source and the beam receiver.
Claim 11:
An encoder assembly according to claim 10,
characterised in that
the mask holding means are provided in the form of a precision injection moulded part with a common integration plane for the beam source, the prismatic member and the beam receiver.
Abstract
There is described an encoder assembly consisting of a motor and a motor shaft on which there is secured a timing disc, of a signal source for generating an optical signal and of a beam mask for forming the optical signal. Said encoder assembly is characterised in that the beam mask is provided with code bars consisting of pit and land structures which comprise a diffraction and interference structure.
Ｆｉｇｕｒｅ１
2004271508.tif 000007
Ｆｉｇｕｒｅ２
2004271508.tif 000008
Ｆｉｇｕｒｅ３
2004271508.tif 000009
Ｆｉｇｕｒｅ４
2004271508.tif 000010