(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検出器(３０,３２,３２',３４)と、散乱光源と、前記検出器にて光強度の変化を生じさせるために相互に操作可能に用いられる第１および第２の相対移動可能な部材(１０,２０;４０,２２ｒ;１６,２４;１６,５０)とを具え、前記第１の部材は第１のパターンを有し、前記第２の部材は前記第１のパターンと前記散乱光源からの光とに相互作用するための第２のパターンを有し、これらパターンの一方が基準位置(ｒｍ)を表す位置決定装置であって、
前記散乱光源は、この散乱光源からの光が前記第１の部材から前記第２の部材へと伝播するような広がりを持ち、
前記第１および第２のパターンが相関関係を有し、
前記第２のパターンが前記第１のパターンの倍率縮小バージョンである位置決定装置。
【請求項２】
前記第１の部材がマスクであって、前記第２の部材が測定スケールである請求項１に記載の位置決定装置。
【請求項３】
前記第１の部材が測定スケールであって、前記第２の部材が回折格子である請求項１に記載の位置決定装置。
【請求項４】
前記第１の部材が測定スケールであり、前記第２のパターンが前記検出器に形成されるように前記第２の部材と前記検出器とが組み合わされている請求項１に記載の位置決定装置。
【請求項５】
前記第１および第２のパターンは、一連の周期的ビットのうちの欠落および／または追加のビットコードから形成されている請求項１に記載の位置決定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、２つの相対的に移動可能な構成要素間の位置を基準マークを読み取ることによって決定することに関する。本発明は、特にこのような基準マークを読み取るための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる読み取りヘッドによって読み取り可能な周期的指標を有する測定スケールが測定分野においてよく知られている。一般に、この測定スケールは漸進的指標を有し、測定スケールと読み取りヘッドとの間の相対的な動きが起こった場合、周期的な信号が読み取りヘッドから生成される。これらの信号は数えられ、スケールと読み取りヘッドとの間の変位量を決定することができる。
【０００３】
基準マーク、すなわち測定スケール上の位置「基準」点を、多分通常の間隔にて読み取りヘッドにもたらすマークを持った測定スケールもまた知られているが、漸進的測定スケールの指標のような細かな周期を持つ必要性はない。基準指標は、漸進的カウントの精度に関する検査を可能とし、回転可能な測定スケールの位置周期を識別するために使用することができる。
【０００４】
基準マークは、例えば読み取りヘッドの移動が速すぎるような要因や、測定スケール上の汚れのために漸進的カウントが失われたり、不正確になされる場合、測定スケールに対する読み取りヘッドの位置を決定するために有用である。
【０００５】
一般に、漸進的スケールは、例えば一連の周期的指標を有するトラックの形態で与えられ、基準マークはまた、測定スケールに対して独立したトラックに与えられる。上述した型式の直線スケールおよび回転スケールが米国特許公報（特許文献１）に示されている。
【０００６】
従来、基準マークは疑似ランダムセットのマークから形成され、これと全く同じランダムパターンの穴を有するマスクと、光検出器とを持った読み取りヘッドにより読み取られる。読み取りヘッドが測定スケール上の基準マークに達すると、スケールマークとマスクとが一直線状になる場合に生ずる増大した光レベルの結果として信号が生ずる。このような基準マークの例示が英国特許公報（特許文献２）に示されている。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４,６３１,４０４号
【特許文献２】英国特許第１,３０２,７６２号
【特許文献３】欧州特許第２０７１２１号
【特許文献４】英国特許第１,３０３,２７３号
【特許文献５】欧州特許第１０１０９６７号
【特許文献６】米国特許第５,３０２,８２０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
基準マークとマスクとを関連付ける技術は、正確な相関関係が得られた時に光検出器が信号のピークをもたらす必要がある。このシステムの欠点は、測定スケールまたはマスク上の汚れおよび調整不良が信号の振幅を激減する可能性があることである。信号の振幅のあらゆる減少は、基準マークの位置の不正確な決定を結果として生ずる。同じ寸法の基準マークとマスクとが一直線状に並ぶか、または相関関係にある場合、平行光が良好な信号を与えるために望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によると、光検出器と、散乱光源と、前記検出器にて光強度の変化を生じさせるために相互に操作可能に用いられる第１および第２の相対移動可能な部材とを具え、前記第１の部材は第１のパターンを有し、前記第２の部材は前記第１のパターンと前記散乱光源からの光とに相互作用するための第２のパターンを有し、これらパターンの一方が基準位置(ｒｍ)を表す位置決定装置であって、前記散乱光源は、この散乱光源からの光が前記第１の部材を介して前記第２の部材へと伝播するような広がりを持ち、前記第１および第２のパターンが相関関係を有し、前記第２のパターンが前記第１のパターンの倍率縮小バージョンである位置決定装置が提供される。
【００１２】
第１の実施形態の集合に属する一実施例において、第１の部材はマスクであり、第２の部材は測定スケールである。この実施例において、マスクおよび検出器は一定の空間関係にあって良く、光は光源からパターンを通り抜けてマスクへ、測定スケールへ、およびこれらから検出器へと伝播することができる。
【００１３】
第１の実施形態の集合に属する他の実施例において、第１の部材は測定スケールであり、第２の部材は回折格子である。この実施例において、回折格子および検出器は、一定の空間関係にあって良く、光は光源から回折格子のパターンを通り抜けて測定スケールへ、および検出器へと伝播することができる。
【００１４】
上述したそれぞれの実施例において、第１のパターンに対する第２のパターンの縮小率は、等式ｖ÷(ｕ＋ｖ)ｖの結果によって与えられることができ、ここでｖは第２のパターンと検出器との間の距離であり、ｕは第１のパターンと第２のパターンとの間の距離である。このような第１のパターンの倍率縮小バージョンを使用すると、第１および第２のパターンが一直線状に並んだ場合、検出器に収束するように光が入射することをもたらす。この作用は、この出願において収束相関関係として呼称される。
【００２４】
漸進的変位量決定装置が知られている。特に、欧州特許公報（特許文献３）は、測定スケール上の周期的指標が測定スケールに沿った読み取りヘッドの移動中に変位中の信号を生成するために用いられる装置を示している。この文献は、測定スケールピッチ誤差，測定スケール上の汚れおよび（この場合に重要である）欠落した周期的指標のような欠陥を許容し得る読み取りヘッドの構成を例示している。従って、欧州特許公報（特許文献３）に示された変位量決定装置の測定スケール上にある周期的指標への基準マークパターンの組み込みは、この発明において実施可能である。並列状態にある漸進的スケールおよび基準マークは、例えば英国特許公報（特許文献４）にて考慮されている。絶対位置のデータ、すなわちコード化された位置データもまた、例えば欧州特許公報（特許文献５）の複数トラックのスケールに組み込まれている。
【００２５】
しかしながら、スケールの周期的・漸進的パターンにマークを組み込んで使用することは知られておらず、それでこのパターンは、一連の周期的ビットのうちの欠落および／または追加のビットコードから形成されることが好ましい。
【００２６】
それによって、第１および第２のコードが正確に一直線状に並んだ場合、所定の光量が検出器に入射し、それによって信号の生成をもたらそう。
【００２７】
好ましくは、一連の欠落および存在ビットは、疑似ランダムのコード（例えば Barker コード）を形成する。
【００２８】
有利なことに、上述した第１の実施形態の集合において、検出器での収束は、いくつかのコードが損なわれた場合であっても、検出器にて予想される光量に著しい誤差なく、検出器でのコードのアラインメント検出を可能にする。パターンの汚れおよび調整不良に対するこれらの実施形態の位置精度の影響もまた、少ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
さて、本発明の実施形態が図面を参照して記述されよう。
【００３０】
図１は、本発明の原理を例示し、２つのマスク１０および２０を示している。それぞれのマスクは、光が通過することを可能にするためのパターンを有する。実際には、パターン１０および２０は、何らかの相対移動可能な物体に装着されよう。拡散非平行光源Ｌが与えられているが、この光は散乱環境光や、あるいは収束される（多分環境）光であって良い。この明細書の全体に亙って言及される光は、電磁スペクトルの可視または非可視領域を包含するように意図されている。また図１には、マスク１０または２０の一方に対して実際に固定される光検出器３０も示されている。構成要素１０，２０および３０間の距離ｕおよびｖは、維持されなければならない。
【００３１】
マスク１０および２０のパターンは、疑似ランダムまたは Barker コードであることができる。マスク１０および２０のパターンは同じであるが、パターン２０はパターン１０の倍率変更バージョンである。変倍量は、等式ｖ÷(ｕ＋ｖ）によって与えられ、ｕはパターン１０および２０間を伝播しなければならない距離光であり、ｖはパターン２０と光検出器との間を伝播しなければならない距離光である。
【００３２】
マスクは、光伝達領域、例えば穴と不透明な領域とを有する。図１において、この領域はスロットであって紙面の中に延在している。パターン２０の倍率変更は、光束（この場合、光束ａ，ｂおよびｃ）が検出器３０にて一点に収束することを決定づける。従って、パターン１０または２０の何れかがｘ方向に動くと、検出器からの信号Ｓは、信号ピークＰKを生成する２つのパターンの相関関係において突然変化する。
【００３３】
さて、図２および図３を参照すると、上述の原理を利用した回転エンコーダが示されている。このエンコーダの部分の構成が図２に示されている。この実施形態において、可回転板２２の角度位置は、読み取りヘッド部材４０によるその信号解読によって決定される。この板は、２つの読み取り可能なトラック２２ｉおよび２２ｒを有する。トラック２２ｉは、光源Ｌからの光と相互作用する等間隔で並べられた半径方向に延在する一連の連続的なマーク（一部分が例示されている）である。電気回折格子３５として知られている間隔をおいて配置された一連の光検出器は、トラック２２ｉからの反射光を受光する。トラック２２ｉおよび電気回折格子３５は、これらの相対変位を表す信号を生成するための漸進的角度測定システムを形成する。これは漸進的カウントとして知られており、このようなシステムは米国特許公報（特許文献６）に開示されている。さて、読み取りヘッドに対する可回転板の実際の位置（と言うよりもむしろ発生した回転変位量）を決定するため、それゆえ１つ以上の基準マークが第２のトラック２２ｒに与えられている。
【００３４】
光源Ｌからの光は、マスク１２を通り抜けてトラック２２ｒへと伝播し、これはここから検出器３２に反射される。光の経路は、図３に示されている（この場合、経路ａ，ｂおよびｃ）。
【００３５】
この実施形態においては、図１に関して記述されたものと異なる構成が示されている。本実施形態において、基準マークｒｍは反射面上に形成されているが、それ自身は検出器へと光を反射しない。このマークは、疑似ランダム領域でエンボス加工された回折を生ずる微細構造の回折格子から作られる。この基準マークｒｍは、マスク１２の倍率変更バージョンであり、それで相関関係が存在する場合、検出器にて光の強度に突然の変化（実際は低下）をもたらす影が検出器に投写されよう。この低下は、検出可能なピークと同じ方法で検出されることができ、この説明において後で詳細に論じられる。
【００３６】
図３は、マスク１２および板のトラック２２を通る断面を示している。
【００３７】
図３は、図２中の矢印IIIの方向に関する図であり、これは明瞭性のために正確に描かれていないことに注意されたい。検出器３２は、３２′の輪郭線により示される位置に実際にあるべきであるが、光の経路をより明瞭に見ることができるように、片側を示している。正確に描かれた場合、経路ａ,ｂおよびｃは紙面の中に延在しよう。
【００３８】
このようなわけで、使用中に板２２が回転し、静止した読み取りヘッド４０は漸進的変位量と１つ以上の基準位置とを検出することができる。
【００３９】
電気回折格子３５，検出器３２およびマスク１２は、例えば１枚のガラスまたは特定用途向けの集積回路素子の同じ面に都合良く実装されることができる。板２２は、マークが形成される箇所を除いて反射面を有することができる。マークは、反射しない領域として検出器に現れるように、位相格子を形成すると共にそこに入射する散乱光に作用する５ミクロン間隔のエンボス加工された多数の線であってよい。これらの線は、従来のコンパクトディスク製造技術によって作られることができる。
【００４０】
図４および図５は、収束相関関係を用いた本発明の他の実施形態を示している。これらの図面はリニアエンコーダを例示している。この実施形態において、直線状の漸進的スケール１４が基板１６により保持されている。このスケール１４は、この場合、漸進的スケールの一部を加えたり除いたりすることによって形成した基準マークｒｍをその周期的な指標Ｐ内に組み込んでいる。この実施形態において、スケールは反射しない基板上の反射要素、例えばガラス上のクロムめっきから作られる。直線スケール１４および基準マークｒｍは、読み取りヘッド５０によって読み取られる。スケール１４に入射する光Ｌは、スケール１４の反射面によって反射される。基準マークｒｍがマスク２４と一直線状に並ぶと、この場合には経路ａ，ｂおよびｃの光が検出器３４へと直接入射しよう。この整列状態が図４に例示されているような場合、検出器３４からの出力のピークが出現しよう。このピークの信号処理は後で論じられる。
【００４１】
マスク２４もまた、基準マークパターンｒｍの倍率変更バージョンである。
【００４２】
また、この読み取りヘッド５０の一部として、第２光源Ｌ′と電気回折格子３７とを有する漸進的スケール読み取り装置が図５に示されている。周期的スケールから反射される光Ｌ′は、電気回折格子にて干渉縞を形成する。この縞は、変位量に関する指示を与えるために電子的に数えられることができる。この実施形態において、スケールおよび電気回折格子は、例えば我々の先行欧州特許公報（特許文献３）に記述された型式のものである。実際に、このような構成は、基準マークでのスケールの追加または除去ビットに対してほとんど影響を受けない漸進的カウントをもたらす。
【００４３】
さて、検出器３０，３２および３４によって生成された信号の処理が記述されよう。図１は、一方のマスク１０または２０がｘ方向へ移動中に、これと交差する光ａ，ｂおよびｃの収束経路として、検出器３０からの出力を示している。測定されることができるピークＰがある。
【００４４】
代わりに、複セルとして知られた分割検出器３２，３４を用いることができる。この場合、２つのピーク（または下落）が検出されよう。従って、図２および図３における複セル３２からの出力は、図７に例示されているようになるのに対し、図４および図５における複セル３４からの出力は、図６に例示されているようになろう。
【００４５】
それぞれの場合において、信号は図９に示された回路を用いて処理されることができる。複セルのそれぞれの側からの信号Ｓ１およびＳ２は、成分差動増幅器Ｄにて減算（Ｓ１−Ｓ２）され、加算接合器Ｅにて加算（Ｓ１＋Ｓ２）される。減算Ｓ１−Ｓ２からの結果として生ずる信号Ｓ３は、図８に示されており、複セルの分岐点にてゼロ交差点を有する。このゼロ交差点は重要な点であり、ゼロ交差検出器ｚにより検出されることができる。使用するゼロ交差検出器は、Ｓ１＋Ｓ２があらかじめ設定された閾値に達した場合に作動させられる閾値モニタＴによって可能である。ゼロ交差がもたらされてゼロ交差検出器が作動させられた時、トリガ出力Ｓ４が生成される。
【００４６】
基準マークが一直線状にない場合、閾値を越えた加算信号Ｓ１＋Ｓ２を生成しないバックグラウンドノイズがあり、従ってトリガ信号Ｓ４が得られない。
【００４７】
同様の回路が複セル３２および複セルの３４の信号Ｓ１およびＳ２のために用いられる。
【００４８】
前述の説明および図面に関する多くの変形および修正が、熟練した受け手にとって明白であろう。例えば、第１の実施形態（回転エンコーダ）は、そこに組み込まれた基準マークを有する単一の漸進的トラックを用いることができる。第２の実施形態（直線エンコーダ）は、基準マークに対する別々のトラックを用いることができる。
【００４９】
どちらの実施形態においても、例えば基準を与えるために単一の基準マークを用いることができ、あるいは１つ以上のマーク、例えば１０mm毎のマークを用いることができる。
【００５０】
上述の説明を通して用いられた「マーク」および「パターン」という表現は、そのごく身近なものから区別されるあらゆる内容を包含するように意図されている。
【００５１】
収束相関関係の方式は、光増大、すなわち光伝達部の相関関係か、または光減少、すなわち光非伝達部の相関関係の何れかをもたらそう。光伝達部のマークまたはパターンは、例えば反射領域または開口として形成されることができる。光非伝達部のマークまたはパターンは、例えば反射／不透明領域（別の光伝達部にあってよい）、あるいは（光を散乱する）回折領域として形成されることができる。利用可能である個々の組み合わせは、マークが非反射部の反射部であってよい場合、ガラスまたはプラスチックの如き透明な基板上のクロムまたはアルミニウムであり、あるいは反射面によって囲まれた回折領域である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】収束相関関係の概略表示である。
【図２】収束相関関係を利用した本発明の実施形態による位置決定装置を示している。
【図３】図２に例示された第１実施形態の詳細を示している。
【図４】収束相関関係を利用した本発明の他の実施形態による更なる位置決定装置を示している。
【図５】図４で例示された実施形態をさらに詳細に示している。
【図６】図４における実施形態に関して光検出器の出力を示すグラフである。
【図７】図２における実施形態に関して光検出器の出力を示すグラフである。
【図８】両方の上記実施形態における光検出器の出力間の差の出力を示すグラフである。
【図９】すべての上記実施形態に関して光検出器の出力から信号を得るための回路である。
【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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【図８】
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【図９】
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