(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査ユニットと、その走査ユニットに対して少なくとも測定方向（ｘ）に動く、測定尺の面内に配置された、第一の直線に沿って、或いは第一の湾曲した線に沿って拡がる測定尺（１１）との相対的な位置を検出するための光学式位置測定装置であって、
走査ユニットが、回折格子を前置しない正確に点の形の光源（２３）と、検出面（２０）内に配置された、第二の線に沿って拡がる検出器配列（２１）とを有し、第二の線の湾曲が、第一の直線又は第一の湾曲した線と異なり、
測定尺の走査から得られた縞模様から第二の線に沿って拡がる縞模様への変換が行われ、この変換のために、測定尺の面（１０）と検出面（２０）が互いに非平行に配置されている、
光学式位置測定装置。
【請求項２】
測定尺（１１）が、第一の直線に沿って拡がる直線測定尺として構成されるとともに、検出器配列（２１）が、第二の湾曲した線に沿って拡がっており、そのため、直線測定尺の走査から得られた縞模様から第二の湾曲した線に沿って拡がる縞模様への変換が行われる請求項１に記載の光学式位置測定装置。
【請求項３】
測定尺（１１）が、第一の湾曲した直線に沿って拡がる角度測定尺として構成されるとともに、検出器配列（２１）が、第二の線に沿って拡がっており、そのため、角度測定尺の走査から得られた縞模様から第二の線に沿って拡がる縞模様への変換が行われる請求項１に記載の光学式位置測定装置。
【請求項４】
当該の第二の線が直線である請求項１に記載の光学式位置測定装置。
【請求項５】
光源（２３）から放出された中央の光線が測定尺（１１）に対して垂直に当たるように、光源が配置されている請求項２又は４に記載の光学式位置測定装置。
【請求項６】
光源（２３）から放出された中央の光線が測定尺（１１）に対して非垂直に当たるように、光源が配置されている請求項２又は４に記載の光学式位置測定装置。
【請求項７】
検出面（２０）が、測定尺の面（１０）に対して所定の傾斜角度（α）だけ傾斜して配置されており、この傾斜角度（α）が、実際の検出面（２０）と、検出面（２０）を測定尺の面（１０）に対して平行に配置したと仮定した面（２０’）との間の角度として定義される請求項１に記載の光学式位置測定装置。
【請求項８】
当該の傾斜角度（α）が、次の関係式から得られ、
【数１】
0005378524.tif 000023
ここで、
α：傾斜角度、
ａ1 ：測定尺から最も近い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔、
ａ2 ：測定尺から最も遠い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔、
Ｌ：測定方向に対して垂直な方向への検出器配列の拡がり、
である請求項７に記載の光学式位置測定装置。
【請求項９】
検出器配列（２１）の所定の幾何学的形状と配置構成に対して、直線測定尺（１１）の目盛周期（ｄ）が、次の通り得られ、
【数２】
0005378524.tif 000024
ここで、
ｄ：直線測定尺の目盛周期、
ｂ：光源から直線測定尺までの垂直間隔、
ｃ2 ：検出器配列上の一つの目盛範囲に属する領域における、光源から最も遠い辺の測定方向への拡がり、
ａ2 ：直線測定尺から最も遠い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔、
である請求項２に記載の光学式位置測定装置。
【請求項１０】
検出器配列（２１）の所定の幾何学的形状と配置構成に対して、直線測定尺（１１）から最も近い検出器配列（２１）の辺から測定尺の面（１０）までの垂直間隔（ａ1 ）が、次の通り得られ、
【数３】
0005378524.tif 000025
ここで、
ａ1 ：直線測定尺から最も近い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔、
ｂ：光源から直線測定尺までの垂直間隔、
ｃ1 ：検出器配列上の一つの目盛範囲に属する領域における、光源の最も近くに隣接する辺の測定方向への拡がり、
ｄ：直線測定尺の目盛周期、
である請求項９に記載の光学式位置測定装置。
【請求項１１】
検出器配列（２１）の所定の幾何学的形状と配置構成に対して、角度測定尺の内側と外側に有る側面上の円弧セグメントの弦の長さ（ｓ' i ）が、次の通り得られ、
【数４】
0005378524.tif 000026
ここで、
ｃ：検出器配列上の一つの目盛範囲に属する領域の幅、
ａ1 ：角度測定尺から最も近い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔、
ａ2 ：角度測定尺から最も遠い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔、
ｓ' 1 ＝角度測定尺の内側に有る側面上の円弧セグメントの弦の長さ、
ｓ' 2 ＝角度測定尺の外側に有る側面上の円弧セグメントの弦の長さ、
である請求項３に記載の光学式位置測定装置。
【請求項１２】
検出器配列（２１）が、第二の線に沿って周期的に配置された、多数の同一に構成された個々の検出器素子（２１．１）から成る請求項１に記載の光学式位置測定装置。
【請求項１３】
測定尺の面（１０）と検出面（２０）は、多数の検出器素子（２１．１）によって検出された信号の変調度が出来る限り同じとなるように、互いに非平行に配置されている請求項１２に記載の光学式位置測定装置。
【請求項１４】
光源（２３）が、発散する光束を放出する請求項１に記載の光学式位置測定装置。
【請求項１５】
測定尺（１１）が、透過光式測定尺として、或いは反射光式測定尺として構成されている請求項１に記載の光学式位置測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に基づく光学式位置測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
そのような形態の光学式位置測定装置は、例えば、特許文献１又は２により周知である。それらは、それぞれ測定尺と、それに対して相対的に少なくとも測定方向に動く走査ユニットとを有する。走査ユニットの側面上には、光源と検出器配列が配備されており、検出器配列は、所定の配列方向又は線に沿って拡がっている。直線測定尺の場合、検出器配列は、湾曲した配列方向に沿って拡がり、角度測定尺の場合、検出器配列は、直線的な配列方向に沿って拡がっており、特許文献２では、更に、第一の湾曲を持つ角度測定尺を走査する場合の検出器配列が、第一の湾曲と異なる第二の湾曲を持つ線に沿って拡がっている。各測定尺を走査することによって、測定尺と走査ユニットの相対的な動きの結果周期的に変調された縞模様が、発生して、検出器配列によって、変位に応じた位置信号に変換されている。そのようにして生成された位置信号は、その後に配置された後続の電子回路において、例えば、機械の動き制御のために更に処理することができる。
【０００３】
通常、直線測定尺を光学的に走査した場合、直線的に、或いは第一の直線に沿って拡がる縞模様が得られ、角度測定尺を走査した場合、扇形に拡がる方向を向いた、或いは湾曲した線に沿って拡がる縞模様が得られる。特許文献１と２は、如何にして、直線的に拡がる縞模様を検出器配列の湾曲した配列方向に沿って拡がる縞模様に変換するか、或いはその逆に変換するかに関する様々な可能性を開示している。例えば、特許文献１では、走査光路内の特殊な構造の別の格子を用いて、或いは特許文献２では、好適な構造のマイクロレンズアレーを用いて、そのことを可能にしており、特許文献２は、それ以外に、第一と第二の線の湾曲が異なり、第一の湾曲した線に沿って拡がる縞模様を第二の湾曲した線に沿って拡がる縞模様に如何にして転換することができるかに関する一般的な場合も開示している。
【０００４】
そのような所定の走査配列から得られた縞模様を別の縞模様に変換することは、例えば、検出側において、多くの場合、所定の形態の検出器配列が所謂オプトＡＳＩＣ内に配備されていることによって関心を持たれるようになっている。そのような新方式のオプトＡＳＩＣは、通常比較的負担がかかるので、既存のオプトＡＳＩＣは、適合させるための大きな負担無しに、出来る限り多くの別の用途でも使用されるようにすべきである。例えば、角度測定尺の走査用に設計されたオプトＡＳＩＣは、出来る限り直線測定尺の走査用にも使用可能とし、その逆も同様とするなどである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許第８０１７２４号明細書
【特許文献２】欧州特許公開第１４７７７７４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、測定尺が第一の直線又は第一の湾曲した線に沿って拡がっている場合に、測定尺の走査から得られた縞模様を従来技術と比べて一層簡単に変換する手法を可能とする光学式位置測定装置を提示することである。その場合、縞模様は、第二の線に沿って拡がる縞模様に変換され、第二の線の湾曲は、第一の線の湾曲又は第一の直線と異なっている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本課題は、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。
【０００８】
本発明による光学式位置測定装置の有利な実施形態は、従属請求項の措置によって得られる。
【０００９】
ここで、本発明では、縞模様の変換のために、測定尺の面と検出面が互いに非平行に、即ち、互いに傾斜して配置されるものと規定する。
【００１０】
そのため、特に、走査光路内に追加的又は特殊な構造の光学素子を必要としない、従来技術と比べて一層簡単な変換手法が得られる。測定尺の面に対して検出面を所定通り傾斜させることによって、発生した縞模様を各検出器配列による走査に適した縞模様に所望の通り変換することが実現できる。直線測定尺を備えた光学式位置測定装置用にも、角度測定尺を備えた光学式位置測定装置用にも、検出器配列又はオプトＡＳＩＣを普遍的に使用することが可能となる。従って、本発明に基づき測定尺の面に対して検出面を傾斜させることによって、第一の直線又は第一の湾曲した線に沿って拡がる測定尺の走査から得られた縞模様を第一の線と異なる湾曲を持つ第二の線に沿って拡がる縞模様に変換することができる。この場合、検出器配列は、検出面内を第二の線に沿って拡がる。
【００１１】
例えば、検出面を好適に傾斜させて直線測定尺を走査する場合、扇形の縞模様を発生させて、それを湾曲した検出器配列を用いて検出するものと規定することができる。それに対して、角度測定尺を用いた場合、所定の通り検出面を傾斜させることによって、直線的な検出器配列を用いて検出可能な、ほぼ平行な縞模様を発生させることができる。更に、本発明では、第一の曲率半径を持つ角度測定尺が、本来は第一の曲率半径と異なる第二の曲率半径を持つ角度測定尺の走査用に設計された湾曲した検出器配列を用いて走査されることなどが可能となる。
【００１２】
本発明による光学式位置測定装置に関しては、多数の実施形態が有る。
【００１３】
即ち、測定尺が、第一の直線に沿って拡がる直線測定尺として構成され、検出器配列が、第二の湾曲した線に沿って拡がり、そのため、直線測定尺の走査から得られた縞模様の第二の湾曲した線に沿って拡がる縞模様への変換が行われるものと規定することができる。
【００１４】
しかし、それに代わって、測定尺が、第一の湾曲した線に沿って拡がる角度測定尺として構成され、検出器配列が、第二の線に沿って拡がり、そのため、角度測定尺の走査から得られた縞模様の第二の線に沿って拡がる縞模様への変換が行われるものと規定することもできる。
【００１５】
この場合、第二の線は直線とすることができる。
【００１６】
更に、光源から放出された中央の光線が測定尺に対して垂直に当たるように、光源を配置することが可能である。
【００１７】
それに代わって、光源から放出された中央の光線が測定尺に対して非垂直に当たるように、光源を配置することもできる。
【００１８】
有利には、検出面は、測定尺の面に対して所定の傾斜角度だけ傾斜して配置され、その傾斜角度は、実際の検出面と、検出面を測定尺の面に対して平行に配置したと仮定した面との間の角度である。
【００１９】
必要な傾斜角度は、次の関係式から得られる。
【００２０】
【数１】
0005378524.tif 000002
【００２１】
ここで、
α：  傾斜角度、
ａ1 ：測定尺から最も近い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔、
ａ2 ：測定尺から最も遠い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔、
Ｌ：測定方向に対して垂直な方向への検出器配列の拡がり。
【００２２】
検出器配列の所定の幾何学的形状と配置構成に対して、直線測定尺の目盛周期は、次の通り得られる。
【００２３】
【数２】
0005378524.tif 000003
【００２４】
ここで、
ｄ：直線測定尺の目盛周期、
ｂ：光源から直線測定尺までの垂直間隔、
ｃ2 ：検出器配列上の一つの目盛範囲に属する領域における、光源から最も遠い辺の測定方向への拡がり、
ａ2 ：直線測定尺から最も遠い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔。
【００２５】
この場合、検出器配列の所定の幾何学的形状と配置構成に対して、直線測定尺から最も近い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔は、次の通り得られる。
【００２６】
【数３】
0005378524.tif 000004
【００２７】
ここで、
ａ1 ：直線測定尺から最も近い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔、
ｂ：光源から直線測定尺までの垂直間隔
ｃ1 ：検出器配列上の一つの目盛範囲に属する領域における、光源の最も近くに隣接する辺の測定方向への拡がり、
ｄ：直線測定尺の目盛周期。
【００２８】
検出器配列の所定の幾何学的形状と配置構成に対して、角度測定尺の内側と外側に有る側面上の円弧セグメントの弦の長さは、次の通り得られる。
【００２９】
【数４】
0005378524.tif 000005
【００３０】
ここで、
ｃ：検出器配列上の一つの目盛範囲に属する領域の幅、
ａ1 ：角度測定尺から最も近い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔、
ａ2 ：角度測定尺から最も遠い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔、
ｓ'1：角度測定尺の内側に有る側面上の円弧セグメントの弦の長さ、
ｓ'2：角度測定尺の外側に有る側面上の円弧セグメントの弦の長さ。
【００３１】
一つの可能な実施構成では、検出器配列は、第二の線に沿って周期的に配置された、多数の同一に構成された個別の検出器素子から成る。
【００３２】
この場合、有利には、測定尺の面と検出面は、多数の検出器素子によって検出された信号の変調度が出来る限り同じになるように、互いに非平行に配置される。
【００３３】
光源が発散する光束を放出することが可能である。
【００３４】
更に、測定尺は、透過光式測定尺又は反射光式測定尺として構成することができる。
【００３５】
以下における図面と関連した本発明による光学式位置測定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。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】中央投影方式を説明するための模式図
【図２】本発明による光学式位置測定装置の第一の実施例の幾何学的変数を説明するための模式図
【図３】本発明による光学式位置測定装置の第一の実施例の重要な構成要素の異なる形態の概略的な模式図
【図４】本発明による光学式位置測定装置の第一の実施例の立体的な模式図
【図５】本発明による光学式位置測定装置の第一の実施例の別の模式的な部分図
【図６】本発明による光学式位置測定装置の第一の実施例の検出面内の変換される縞模様の図
【図７】本発明による光学式位置測定装置の第二の実施例の重要な構成要素の異なる形態の概略的な模式図
【図８】本発明による光学式位置測定装置の第三の実施例の重要な構成要素の異なる形態の概略的な模式図
【図９】本発明による光学式位置測定装置の第四の実施例の重要な構成要素の異なる形態の概略的な模式図
【図１０】本発明による光学式位置測定装置の第四の実施例の幾何学的変数を説明するための模式図
【図１１】本発明による光学式位置測定装置の第五の実施例の重要な構成要素の異なる形態の概略的な模式図
【発明を実施するための形態】
【００３７】
先ずは、図１に基づき、本発明による位置測定装置で走査に使用される中央投影方式の幾つかの基本的な関係を説明する。
【００３８】
図１には、互いに平行に配置された、周期的な格子構造を持つ二つの格子Ｇ１，Ｇ２が図示されている。格子Ｇ１は、目盛周期ｄを有する。点Ｐ１には、理想的な点の形の光源が配置されている。点Ｐ１と格子Ｇ１の間の間隔は、符号ｂで表され、格子Ｇ１と格子Ｇ２の間の間隔は、符号ａで表されている。
【００３９】
通常は、実際に出来る限り点の形の光源を構成するために、光を放出する光源の領域の直径が出来る限り格子Ｇ１の目盛周期ｄ以下となるようにする。
【００４０】
本発明による位置測定装置では、格子Ｇ１は、周知の通り、直線測定尺又は角度測定尺として構成された、走査される測定尺である。本発明による位置測定装置では、格子Ｇ２は、検出器を後置した周期的な検出格子又は走査格子であるか、或いは所謂構造を持つ光検出器として構成された検出器配列である。そのような構造を持つ光検出器は、周期的に配置された、多数の同一に構成された個別の検出器素子から成る。従って、本発明による光学式位置測定装置では、検出側の周期的な格子Ｇ２は、二つの異なる変化形態で構成することができる。
【００４１】
周知の交差する線に関する定理の幾何学的な関係式に基づき、図１の異なる変数ａ〜ｄに関して、次の式１．１が成り立つ。
【００４２】
【数５】
0005378524.tif 000006
【００４３】
従って、この場合に得られる射影の拡大率βは、次の通りとなる。
【００４４】
【数６】
0005378524.tif 000007
【００４５】
従って、格子Ｇ１上の目盛周期ｄを持つ構造は、式１．３に基づき、次の通り、格子Ｇ２上の目盛周期ｃを持つ構造に射影されて拡大される。
【００４６】
【数７】
0005378524.tif 000008
【００４７】
以下では、本発明による位置測定装置の実施例を説明する過程において、このような基本的な関係式を何度も参照する。
【００４８】
ここで、次に、本発明による位置測定装置の第一の実施構成を図２〜６に基づき説明する。
【００４９】
本発明による第一の実施例の位置測定装置は、第一の直線に沿って拡がる、測定尺の面内に配置された直線測定尺と、少なくとも測定方向に動く走査ユニットとを有する。走査ユニットの側面には、光源と、検出面内に配置された、湾曲した配列方向に沿って、或いは第二の線に沿って拡がる、例えば、構造を持つ光検出器として構成された検出器配列とが配備されている。この変化形態では、直線測定尺の光学的な走査から得られる、縞が互いに平行な方向を向いた縞模様は、湾曲した配列方向に沿って拡がる、即ち、扇形に拡がる方向を向いた縞模様に変換される。既に冒頭で説明した通り、そのような変換の場合、前記の光学式位置測定装置の検出側において、角度測定尺の走査にも用いることが可能なオプトＡＳＩＣを走査ユニット内で採用することができる。
【００５０】
図２は、本発明による光学式位置測定装置の第一の実施例の様々な幾何学的変数を説明するための模式図を図示している。即ち、図２には、構造を持つ光検出器として構成された、位置測定装置の走査ユニット内の検出器配列２１が図示されている。この場合、検出器配列２１は、多数の同一に構成された四角形の検出器素子２１．１又はフォトダイオードから構成されている。検出器素子２１．１は、湾曲した配列方向に沿って、或いは部分円の線上の第二の線に沿って周期的に検出面内に配置されるとともに、それぞれ半径方向の長さＬを有する。この場合、検出器素子２１．１は、更に、同様に周期的に円環形に配置された（模式的に一部しか表示されていない）仮想的な角度測定尺Ｗの走査が可能なように周期的に配置されている。この角度測定尺Ｗの平均的な半径はＲである。検出器配列２１の所定の周期性のために、円周当り、角度測定尺Ｗの中の測定尺の面に対応するＮ個の目盛周期を走査することが可能である。
【００５１】
湾曲した線に沿って構成された、或いは配置された検出器配列２１は、半径方向に関して異なる目盛周期ＴＰを有する。以下では、検出器配列２１の半径方向に関して最も内側の目盛周期ＴＰInnen 、中間の目盛周期ＴＰMitte 及び半径方向に関して最も外側の目盛周期ＴＰAussenだけを考察する。これらの異なる目盛周期ＴＰInnen ，ＴＰMitte ，ＴＰAussenは、次の通り得られる。
【００５２】
【数８】
0005378524.tif 000009
【００５３】
ここで、
ＴＰAussen：検出器配列の半径方向に関して最も外側の目盛周期、
ＴＰMitte ：検出器配列の中間の目盛周期、
ＴＰInnen ：検出器配列の半径方向に関して最も内側の目盛周期、
Ｒ：走査される角度測定尺の平均的な半径、
Ｌ：検出器素子の半径方向の長さ、
Ｎ：円周当りの角度測定尺の目盛周期の数。
【００５４】
以下において、同様に、式２．１，２．２及び２．３を何度も参照する。
【００５５】
ここで、本発明による決定的に重要な措置として、前記の光学式位置測定装置において、測定尺の面及び検出面を所定の手法で互いに非平行に、即ち、互いに傾斜して配置するものと規定する。この関係において、測定尺の面とは、走査される測定尺が配置された面であると解釈し、検出面とは、検出器配列が配置されるとともに、発生した縞模様が走査されて、変位に応じた信号に変換される面であると定義する。
【００５６】
本発明で規定する通り測定尺の面と検出面を傾斜させることによって、例えば、直線測定尺の走査から得られる、明るい縞と暗い縞が互いに平行な方向を向いた縞模様を扇形に拡がる方向を向いた縞模様に転換又は変換することが可能である。その場合、直線測定尺は、第一の直線に沿って得られた縞模様と同様に拡がることとなる。本発明により変換した縞模様では、交互に出現する明るい縞と暗い縞が、互いに扇形に拡がる方向を向いており、湾曲した配列方向に沿って、或いは第二の線に沿って拡がる検出器配列を用いて走査することができる。そして、有利には、当初放射状の走査のために設計されたオプトＡＳＩＣは、同様に直線測定尺の走査用に使用することもできる。
【００５７】
図３には、そのような本発明による光学式位置測定装置の第一の実施構成の所定の構成要素が、又もや概略的な模式構成により異なる形態の二次元図面で図示されており、図４は、そのような位置測定装置の一部を同じく立体図的な模式図で図示している。以下では、これらの図面に基づき、本発明の別の幾何学的な関係及び有利なサイズ決定規定を説明する。
【００５８】
以下において、図面では、測定尺の面を符号１０で表し、検出面を符号２０で表す。図３の右の図面では、検出面２０が測定尺の面１０に対して傾斜角度αだけ傾斜して配置されていることが分かる。その場合、傾斜角度αは、ｙｚ平面内の実際の（傾斜した）検出面２０と、検出面２０を測定尺の面１０に対して平行に配置したと仮定した（仮想的な）面２０’との間の角度として定義される。
【００５９】
これらの図面では、それぞれ所謂測定方向は、空間方向ｘで表されており、その方向に沿って、測定尺１１が、図３と４には図示されていない走査ユニット２２に対して少なくとも相対的に動くように配置されている。図４に図示された例では、測定尺１１は、透過性と非透過性の目盛範囲が交互に配置された、測定方向ｘに対して周期的な透過光式目盛から構成されており、それらの目盛は、それぞれ測定尺の面１０内を所謂目盛線方向ｙに拡がっており、目盛線方向ｙは、測定尺の面１０内を測定方向ｘに対して垂直な方向を向いている。これらの図面では、測定尺の面１０に対して垂直な空間方向は、符号ｚで表されている。
【００６０】
図５には、そのような本発明による位置測定装置の変化形態の横断面が同じく概略的な模式図で図示されており、この図面では、前記の図面と異なる幾何学的変数は表示されていない。この実施構成では、光学式位置測定装置は、測定方向ｘに拡がる、透過光式目盛として構成された直線測定尺１１と、それに対して相対的に測定方向ｘに動く走査ユニット２２とを有する。この例では、走査ユニット２２の側面上には、点Ｐ１に配置された光源２３と、検出面内に置かれた検出器配列２１とが配置されている。場合によっては、（図示されていない）追加の光学素子を走査光路内に配置することもできる。生成した位置信号を更に処理するために、走査ユニット２２内に別の信号処理部品を配備することも可能である。（同じく図示されていない）その後に配置された後続の電子回路において、供給されて来た位置信号が更に処理される。
【００６１】
検出器配列の配列方向に対して垂直な方向への検出面２０内の検出器配列の拡がり又は長さは、図３の右の図面で表されているのと同様に、符号Ｌで表されている。直線測定尺から最も近い検出器配列２１の辺から測定尺の面１０までの垂直間隔は、符号ａ1 で表されており、それに対して、直線測定尺から最も遠い検出器配列２１の辺から測定尺の面１０までの垂直間隔は、符号ａ2 で表されている。
【００６２】
図３と４では、放射状の検出器配列２１における、図２に基づき既に定義した半径方向に関して最も内側の目盛周期ＴＰInnen には符号ｃ1 を付与し、検出器配列２１の半径方向に関して最も外側の目盛周期ＴＰAussenには符号ｃ2 を付与している。
【００６３】
図１で投影方式と関連して規定した関係式１．１を用いて、本発明による図３と４の場合に対して、次の式３．１，３．２を規定することができる。
【００６４】
【数９】
0005378524.tif 000010
【００６５】
ここで、
ａ1 ：直線測定尺又は角度測定尺から最も近い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔、
ａ2 ：直線測定尺又は角度測定尺から最も遠い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔、
ｂ：光源から直線測定尺までの垂直間隔、
ｃ1 ：検出器配列上の一つの目盛範囲に属する領域における、光源の最も近くに隣接する辺の測定方向への拡がり、
ｃ2 ：検出器配列上の一つの目盛範囲に属する領域における、光源から最も遠い辺の測定方向への拡がり、
ｄ：直線測定尺の目盛周期。
【００６６】
そして、平行に配置された検出面２０’に対する検出面２０の傾斜角度αに関して、次の式が成り立つ。
【００６７】
【数１０】
0005378524.tif 000011
【００６８】
ここで、
α：傾斜角度、
ａ1 ：直線測定尺又は角度測定尺から最も近い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔、
ａ2 ：直線測定尺又は角度測定尺から最も遠い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔、
Ｌ：配列方向に対して垂直な方向への検出器配列の拡がり。
【００６９】
更に、式３．３に関して、ａ2 −ａ1 ＜Ｌでなければならない。
【００７０】
更に、式３．１，３．２から、変数ｂとｄに関して、次の関係式３．４，３．５を導き出すことができる。
【００７１】
【数１１】
0005378524.tif 000012
【００７２】
ここで、
ａ1 ：直線測定尺又は角度測定尺から最も近い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔、
ａ2 ：直線測定尺又は角度測定尺から最も遠い検出器配列の辺から測定尺の面までの垂直間隔、
ｂ：光源から直線測定尺までの垂直間隔、
ｃ1 ：検出器配列上の一つの目盛範囲に属する領域における、光源の最も近くに隣接する辺の測定方向への拡がり、
ｃ2 ：検出器配列上の一つの目盛範囲に属する領域における、光源から最も遠い辺の測定方向への拡がり、
ｄ：直線測定尺の目盛周期。
【００７３】
従って、ここで規定した走査用幾何学的形状では、式３．４，３．５によって、本発明による光学式位置測定装置の重要な幾何学的変数を決定することができる。
【００７４】
以下において、数値に関する実施例に基づき、如何にして、本発明による光学式位置測定装置の第一の実施構成を上記の関係式を用いて設計することができるかを説明する。
【００７５】
この場合、湾曲した線又は配列方向に拡がる所定の検出器配列が規定される。この検出器配列は、前記の定義に基づき、幾何学的変数ｃ1 ，ｃ2 と、Ｌ又はＬ，Ｒと、Ｎとによって特徴付けられる。更に、全体システムが、例えば、具体的な用途の所定の構造空間に適合しなければならいので、この位置測定装置に関して、変数ｂとａ2 が規定される。
【００７６】
例えば、角度測定尺の走査用に設計されたオプトＡＳＩＣとして構成された、そのような検出器配列によって、第一の直線に沿って拡がる直線測定尺の走査も行われる。
【００７７】
ここで、本発明による位置測定装置の設計の枠組みにおいて、パラメータｄ（直線測定尺の目盛周期）、ａ2 及び特に、本発明による直線的な縞模様から扇形の縞模様への変換又は転換を保証する、検出面の設定すべき傾斜角度αを計算する。
【００７８】
パラメータａ2 ，ｂ，ｃ2 が具体的に与えられた場合、変数ｄ、即ち、直線測定尺の目盛周期は、式３．１から、次の通り得られる。
【００７９】
【数１２】
0005378524.tif 000013
【００８０】
次に、ｄが分かったとして、変数ａ1 を式３．２から計算することができる。
【００８１】
【数１３】
0005378524.tif 000014
【００８２】
そして、最後に、式３．３を用いて、更に必要な傾斜角度αを求めることができる。
【００８３】
具体的な実施構成では、光学式位置測定装置のパラメータＲ，Ｌ，ａ2 ，ｂ，ｃ1 及びｃ2 は、次の通り規定される。
【００８４】
Ｒ＝１９ｍｍ、
Ｌ＝２ｍｍ、
ａ2 ＝１０００μｍ、
ｂ＝４ｍｍ、
ｃ1 ＝２２０．８９３μｍ、
ｃ2 ＝２４５．４３７μｍ。
【００８５】
直前に説明した導出手順に基づき、光学式位置測定装置の欠けていた幾何学的パラメータｄ，ａ1 及びαが次の通り得られる。
【００８６】
ｄ＝１９６．３４μｍ、
ａ1 ＝５００μｍ、
α＝１４．４７°。
【００８７】
従って、このようにして、オプトＡＳＩＣの扇形に拡がる方向を向いた既存の検出器配列を直線測定尺の走査用に使用することも可能となる。直線測定尺を走査するために、新しい検出器配列を開発する必要がなくなる。
【００８８】
図６には、そのような位置測定装置の検出面の図面が図示されており、そこでは検出面の傾斜のために扇形の縞模様ＳW が得られている。図６には、更に、縞が互いに平行に配置された測定尺のパターンＳP が図示されている。図６に表示されていない検出器配列は、変換された扇形の縞模様ＳW に対応した、個々の検出器素子又はフォトダイオードの扇形の配列を有する。
【００８９】
以下において、本発明による光学式位置測定装置の第二の実施構成を図７に基づき説明する。
【００９０】
本発明による光学式位置測定装置の前述した第一の実施構成では、図３の通り、照明方向が測定尺の対称軸に対して平行な方向を向くものと規定した。特に、図３から分かる通り、それは、光源又は点Ｐ１から放出された中央の光線が測定尺に対して垂直に、特に、真中をｘ方向に当たるように、光源又は点Ｐ１が配置されていることを意味する。
【００９１】
しかし、ここで、現実のシステムでは、測定尺の対称軸に関して光源又は点Ｐ１の別の配置を必要とする走査条件が課される場合が有る。それは、その場合に測定尺の対称軸に対して非平行な照明方向を選定するか、或いは光源から放出された中央の光線が測定尺に対して非垂直に当たることを意味する。具体的には、その結果、例えば、光源の位置Ｐ１が目盛線方向ｙに好適に偏移されることとなる。しかし、通常の場合、非垂直な照明の場合でも、ｘｚ平面内において、中央の光線が測定尺に対して直角を成すとともに、点光源がｘ軸に沿って対称軸内に有るように、幾何学的形状が選定される。
【００９２】
そのようにして、更に、前に説明した例による目盛構造の均一な照明と異なる、所望の目盛線方向ｙからの直線測定尺上の目盛構造の照明を設定することもできる。即ち、例えば、そのように規定することで、直線測定尺上の隣接して配置された増分符号トラックが異なる形で照明される、或いは測定尺又は検出器配列上に異なる面積比率を有するように設定することができる。
【００９３】
そのような場合が、本発明による光学式位置測定装置の第二の実施構成として図７に図示されている。図７では、前に説明した図３と同じ構成要素には同じ符号を使用している。
【００９４】
既に前に述べた実施例と同様に、直線的な縞模様を扇形に拡がる方向を向いた縞模様に変換するために、検出面２０は、測定尺の面１０に対して非平行に、或いは傾斜角度αだけ傾斜して配置されている。しかし、前の例と異なり、図７の右の図面から明らかな通り、格子Ｇ１又は直線測定尺に対する光源の位置Ｐ１は、目盛線方向ｙに関して右側に偏移している。従って、光源から放出された中央の光線は、測定尺の面１０に対して垂直ではなく、同様に図７の右の図面から明らかな通り、角度βで入射する。そのようにして、測定尺の面１０内には、光源によって照らされる、目盛線方向ｙへの拡がりがｑ1 ，ｑ2 である異なる大きさの二つの領域が生じる。図示されている例では、ｑ2 ＞ｑ1 となるように選定されている。二つの領域の拡がりｑ1 ，ｑ2 は、次の二つの関係式４．１，４．２に基づき計算又は設定される。
【００９５】
【数１４】
0005378524.tif 000015
【００９６】
ここで、
ｑ1 ：測定尺上の第一の照明領域の目盛線方向ｙへの拡がり、
ｑ2 ：第一の照明領域と隣接する、測定尺上の第二の照明領域の目盛線方向ｙへの拡がり、
ｂ’：光源から、直線測定尺を長さｑ1 とｑ2 の二つの部分に分割する直線測定尺上の点までの非垂直間隔、
β：測定尺の面に対する照明角度、
Ω：光源の放射角の半分。
【００９７】
従って、図３の上述した例は、結局は照明が測定尺の面に対して垂直に入射する、β＝９０°の特別な場合を示しており、そのことから、式４．１，４．２において、ｑ1 ＝ｑ2 である。
【００９８】
図７の例の通り、照明が垂直に入射しない場合、パラメータｂ’、Ω及びβは、次の通り得られる。
【００９９】
ｂ’＝４ｍｍ、
Ω＝３０°、
β＝６０°。
【０１００】
そして、直線測定尺上の二つの照明領域の幅ｑ1 ，ｑ2 は、式４．１，４．２を用いて次の通りとなる。
【０１０１】
ｑ1 ＝２ｍｍ、
ｑ2 ＝４ｍｍ。
【０１０２】
従って、このようにして、光源の位置Ｐ１を好適に変化させることによって、検出器配列に対して直線測定尺上の領域の所望の異なる面積比率を定義して設定することができる。それは、例えば、直線測定尺上の特に汚れ易い領域を出来る限り大きく構成する場合などに有利である。その場合、そのような領域は、上記の数値の例に基づき、ｑ2 ＝４ｍｍの拡がりを有する。同時に、検出器配列の側面上において、別の領域ｑ1 からの光を検出するために使用される検出器配列の領域が、空間面積当り十分に高い光出力で照明されることが保証される。中央の光線からの角度Ωが求められた場合、ここで例示して述べた状況は、検出器配列上の出来る限り大きな全体的な強度を保証することとなる。当然のことながら、符号ｂ’で表示された直線に対して、周縁部の光線の角度を同じにする必要はなく、更に、中央の光線も直線ｂ’に従う必要はない。それは、例えば、所定の領域が特に多数の光強度を受ける場合に重要となる。そして、上で考察した式は、図示された場合に対して、新たに設定される。
【０１０３】
以下において、本発明による光学式位置測定装置の第三の実施構成を図８に基づき説明する。既に前の例と同様に、ここでも、第一の実施例と機能的に同等の構成要素には同じ符号を使用している。
【０１０４】
これまでに説明した例が、それぞれ透過光で走査される直線測定尺を有するのに対して、図８による変化形態では、直線測定尺の走査のために反射光システムを構成するものと規定している。従って、測定尺の面１０内に配置された直線測定尺は、反射特性が異なる目盛領域から成る格子を有する反射光式測定尺として構成されている。
【０１０５】
そのために、図８から分かる通り、結局のところ、検出器配列と同じ側の位置Ｐ１に光源を配置するためには、それに対応して走査光路を折り返すことが必要である。
【０１０６】
図８に図示された例では、前に説明した第二の実施構成と同様に、直線測定尺の垂直な照明に対して光源の位置を目盛線方向ｙに偏移させるものと規定している。そのようにして、又もや直線測定尺上の異なる照明領域を定義して設定することができる。
【０１０７】
本発明による光学式位置測定装置の反射光式変化形態は、特に、走査光路内の光源に関する大きな度合いの位置の自由度によって特徴付けられ、従って、様々な走査構造に対して特に有利に適合させることができる。
【０１０８】
以下において、本発明による光学式位置測定装置の第四の実施構成を図９と１０に基づき説明する。
【０１０９】
これまでに説明した例では、それぞれ第二の線の湾曲が第一の直線と異なり、湾曲した配列方向に沿って、或いは第二の線に沿って拡がる検出器配列を用いて、第一の直線に沿って拡がる直線測定尺を走査するものと規定していた。そのために、直線測定尺の走査から得られる、縞が互いに平行な方向を向いた縞模様は、測定尺の面と検出面の好適な傾斜によって、扇形の縞模様に変換しなければならなかった。
【０１１０】
本発明による光学式位置測定装置の第四の実施構成では、測定尺の面と検出面の好適な非平行な配置によって、前記と逆の場合も実現可能である。それは、それらの面の好適な傾斜によって、第二の線の湾曲が第一の線と異なり、直線的な配列方向に沿って、或いは第二の線に沿って拡がる検出器配列を用いて、第一の湾曲した線に沿って拡がる角度測定尺も走査可能であることを意味する。従って、この場合、検出面の傾斜によって、扇形の縞模様から平行な縞模様への変換が実現される。そのため、第二の線は、直線的に拡がり、その曲率半径は無限である。
【０１１１】
この場合に決定的に重要な幾何学的な関係が、前記の例と同様に図９に図示されている。測定尺の面１０内には、走査すべき角度測定尺又は格子Ｇ１が配置されている。図面では、角度測定尺の内側に有る側面上の円弧セグメントの弦の長さを符号ｓ'1で表し、角度測定尺の外側に有る側面上の円弧セグメントの弦の長さをｓ'2で表している。
【０１１２】
検出面２０内には、（周期的な）検出器配列又は格子Ｇ２が配置されている。この検出器配列は、周期ｃを有し、検出器配列の目盛線方向ｙへの拡がりには、前記の例と同様に符号Ｌが付与されている。測定尺の面１０内の符号Ｌ’は、射影に対応する拡がりを表している。
【０１１３】
検出面２０の傾斜角度αは、又もや上で考察した場合と同様に定義される。
【０１１４】
以下において、検出器配列の具体的に規定された幾何学的形状を出発点として、如何にして、本発明の考えに基づき、走査すべき角度測定尺に関する決定的に重要なパラメータｓ'1，ｓ'2，Ｌ’及び傾斜角度αを導き出すことができるかを解説する。
【０１１５】
即ち、図１に基づき説明した交差する線に関する定理の条件から、図９ａ，９ｂに図示された関係に関して、次の式５．１，５．２が成り立つ。
【０１１６】
【数１５】
0005378524.tif 000016
【０１１７】
従って、次の通り、式５．１から変数ｓ'1を求め、式５．２から変数ｓ'2を求めることができる。
【０１１８】
【数１６】
0005378524.tif 000017
【０１１９】
角度測定尺のパラメータＬ’は、式５．３の通り得られる。
Ｌ’＝２・ｂ・ｔａｎΩ    （式５．３）
更に、そのような位置測定装置の実施形態では、照射角度の半分Ωは、次の式５．４に基づき設定される。
【０１２０】
【数１７】
0005378524.tif 000018
【０１２１】
関係式５．３と５．４は、これ以外に、前述した第一の実施例でも有効である。
【０１２２】
本発明による光学式位置測定装置の第四の実施例では、検出器配列の所定の幾何学的形状に対して、これまでに説明したパラメータ以外に、最終的に、走査される角度測定尺の平均的な半径Ｒ0 も求める。そのために、図１０を参照して、測定尺の面内における角度測定尺の所定の幾何学的なパラメータを解説する。
【０１２３】
図１０の関係では、交差する線に関する定理を用いて、次の式５．５が成り立つ。
【０１２４】
【数１８】
0005378524.tif 000019
【０１２５】
これから、次の通り、角度測定尺の平均的な半径に関して求める変数Ｒ0 を計算することができる。
【０１２６】
【数１９】
0005378524.tif 000020
【０１２７】
本発明による光学式位置測定装置の第四の実施例では、傾斜角度αに関して、同様に既に前に説明した式３．３が成り立つ。
【０１２８】
最後に、又もやこれまでの例と同様に模式図を図示した図１１に基づき、本発明による光学式位置測定装置の第五の実施構成を説明する。
【０１２９】
前述した実施例では、測定尺は、それぞれ第一の直線に沿って、或いは第一の湾曲した線に沿って拡がり、それに対して、検出器配列は、それぞれ湾曲しているか、或いは直線的である第二の線に沿って配置されるものと規定していた。検出面の所定の傾斜によって、直線測定尺から得られた縞模様を扇形の縞模様に変換するか、或いは角度測定尺から得られた扇形の縞模様を平行な縞模様に変化することができた。
【０１３０】
更に、本発明の範囲内では、角度測定尺の走査による縞模様を変更した扇形の縞模様に変換することも可能である。それは、検出器配列が第二の線に沿って拡がる第二の線の湾曲は、角度測定尺が第一の湾曲した線に沿って拡がる第一の湾曲した線の湾曲と異なることを意味する。そのような場合は、全く具体的には、例えば、第一の直径を持つ第一の角度測定尺を走査するための検出器配列を備えたオプトＡＳＩＣが、第二の直径を持つ第二の角度測定尺を走査するためにも使用され、これらの二つの直径が異なる場合に得られる。そのような場合でも、本発明に基づき、傾斜角度αだけ検出面を好適に傾斜させることによって、所望の変換を行うことができる。
【０１３１】
以下において、図１１に基づき、図１０を参照して、そのような本発明による光学式位置測定装置の実施構成に関する決定的に重要な考えを説明する。
【０１３２】
そのような本発明による光学式位置測定装置の実施構成の場合、通常検出器配列の変数ｃ1 ，ｃ2 及びＬが与えられる。
【０１３３】
前述した実施例と同様に、ａ2 ，ａ1 及びＬが分かると、既に前に述べた式３．３に基づき、傾斜角度αを求めることができる。
【０１３４】
【数２０】
0005378524.tif 000021
【０１３５】
別に与えられる変数は、本発明による光学式位置測定装置の走査ユニットの構造の高さとすることができる。それは、パラメータｂと、ａ1 又はａ2 とによって決定される。ここで、この例では、交差する線に関する定理に基づき、次の式が成り立つ。
【０１３６】
【数２１】
0005378524.tif 000022
【０１３７】
ここで、二つの変数ａ1 とａ2 が分かると、走査される角度測定尺の内側と外側に有る側面上の目盛範囲の円弧セグメントの弦の長さｓ'1とｓ'2を求めることができる。
【０１３８】
以下において、本発明による光学式位置測定装置の第五の実施構成に関する具体的な数値例を提示することとして、それに対して、上記の式３．３と６を用いて、決定的に重要な変数αとｓ'1及びｓ'2を計算する。この具体的な例では、走査される角度測定尺の半径ＲM は、検出面内の湾曲した検出器配列の半径ＲD よりも小さい。
【０１３９】
例えば、次の通り与えられると、
Ｌ＝２ｍｍ、
ａ1 ＝１０００μｍ、
ａ2 ＝１．４ｍｍ、
ｂ＝４ｍｍ、
ｃ1 ＝２２０．８９３μｍ、
ｃ2 ＝２４５．４３７μｍ、
求める変数αとｓ'1及びｓ'2は、次の通りとなる。
【０１４０】
ｓ'1＝１８１．８０６μｍ、
ｓ'2＝１７６．７１４μｍ、
α＝１１．５４°。
【０１４１】
従って、ここで、当初第一の半径ＲM1を持つ角度測定尺を走査するために設計されるとともに、その角度測定尺の湾曲に対応する半径ＲD ＝ＲM1を持つ第二の線に沿って配置された、オプトＡＳＩＣの既存の扇形に拡がる方向を向いた検出器配列は、第二の半径ＲM2を持つ少なくとも一つの別の角度測定尺を走査するためにも使用することができ、この場合、第一と第二の半径ＲM1，ＲM2は異なる。
【０１４２】
当然のことながら、本発明の範囲内には、ここで具体的に説明した例以外に、更に多くの別の実施形態が有る。
【０１４３】
即ち、本発明による光学式位置測定装置の第四と第五の実施例も、当然に第二と第三の実施例と同様に変更することができる。それは、第四と第五の実施例でも、各測定尺に関して垂直又は非垂直な方向に照明方向を向けることができることを意味する。更に、本発明による光学式位置測定装置の第四と第五の実施例も、反射光式測定尺を走査する反射光式構造として構成することなどが可能である。
【０１４４】
更に、実施例の説明で言及した目盛周期ｄは、基本的に各測定尺の任意の、有利には、四角形の目盛範囲の測定方向ｘにおける幅であると解釈すべきことを指摘しておきたい。この場合、そのような目盛範囲の辺は、測定方向ｘと目盛線方向ｙに延びている。
【０１４５】
更に、前記の記述における様々な式が、結局のところ、本発明の一つの近似規定を表すだけであることに留意されたい。即ち、正確に考察すると、走査光路内での光を通すガラス素子の発散も更に考慮すべきことを指摘しておきたい。しかし、そのような様々な近似は、様々な用途の有用な特徴付けを可能としている。測定尺の面に対する検出面の相対的な配置の最終的な最適化は、それに対応する位置測定装置の製造時に、例えば、多数の検出器素子によって検出された信号の変調度が出来る限り同じになるように、傾斜を設定することによって行われる。
【０１４６】
更に、それに対して、場合によっては、ミラーやプリズムなどの別の光学素子によって、光路を偏移又は偏向させた後で、その光を検出器配列上に当てることによって、上で考察した場合を更に拡張することができる。そのような光学素子は、例えば、検出器配列と測定尺の間に配置するか、或いは測定尺と光源の間に配置することができる。光学素子の形式に応じて、測定尺の面に対する検出面の位置と向きの適合が実施される。
【０１４７】
本発明が基礎とする技術思想は、基本的に、発散する照明に代わって、収斂する照明を使用する場合でも機能する。収斂する照明は、例えば、光源と集光レンズから成る照明ユニットによって実現することができる。その場合、光源から結像側のレンズの主軸までの間隔が、それに対応するレンズの焦点距離よりも大きい。そのような光路内に湾曲した測定尺を投入した場合、その縞模様は、本発明に基づく検出面に対する測定尺の面の好適な傾斜によって、湾曲が測定尺の湾曲と異なる縞模様に転換することができる。照明が発散する更に前に考察した有利な場合と同様の関係及び関係式は、照明が収斂する場合に関しても導き出すことができる。それは、特に、半径が無限の大きさの極端な場合に、測定尺と検出器配列の湾曲の何れか一方が直線的であると看做せる形態であるとも言える。
【図１】
0005378524.tif 000027
【図２】
0005378524.tif 000028
【図３】
0005378524.tif 000029
【図４】
0005378524.tif 000030
【図５】
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【図６】
0005378524.tif 000032
【図７】
0005378524.tif 000033
【図８】
0005378524.tif 000034
【図９】
0005378524.tif 000035
【図１０】
0005378524.tif 000036
【図１１】
0005378524.tif 000037