JP5128368B2 - エンコーダ用のスケール及びエンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、エンコーダ用のスケール及びこのようなスケールを有するエンコーダに関する。

周期的な高精度目盛トラックを有するスケールに基づいて長さ又は角度を測定するエンコーダつまり位置測定機が公知である。これらのエンコーダは、全ての機械内で駆動部によって移動する軸を位置決めするために使用される。例えばこのような機械には、ＮＣプログラムにしたがって工具と加工品とを互いに相対的に位置決めする３軸工作機械又は多軸工作機械及び電子機器の製造でウェーハーを加工する自動搭載装置がある。

一般に、従来の技術は、このような機械の精度をより高くすることを常に要求し、同時に高精度のエンコーダの要求も増す。したがって、従来では干渉計を制限するナノメートルの範囲内の位置測定が、スケールによる位置測定機によって既に実施されている。

このような位置測定機のスケールは、一般に周期的な目盛トラックを有する。この目盛トラックは、位置測定機の検出器によって走査される。この場合、互いに移相している周期的な電気信号が生成される。変位の量及び変位の方向が、公知の方法でこれらの信号から算出され得る。

測定方向の変位に加えて、（例えば、モータを整流するために）測定すべき軸の絶対値も多くの場合に必要になるので、最初に基準位置に来る必要があるインクリメンタル形の位置測定機に比べて起動後に良好な位置を即座に出力できるアブソリュート形の位置測定機の価値が益々認められている。

アブソリュート形の位置測定機は、非常に細かい周期的なインクリメンタルトラックに加えて絶対位置の測定を可能にするその他のトラックを有する。

本出願に由来するヨーロッパ特許出願公開第1400778号明細書では、複数の基準マークをより小さい周期を有するインクリメンタルトラック内に規則的な間隔で組み込むことが望ましいことが説明されている。このため、より小さい周期を有するこのインクリメンタルトラックが、若干より大きい周期を有する第２インクリメンタルトラックに重なる。これによって、インクリメンタルトラックに対して平行に延在するアブソリュートトラックの配置（すなわち、いわゆるコード結合）が、著しく簡略化される。取り付け時のモアレ誤差に対する位置測定機の敏感さが明らかに減少する。

このヨーロッパ特許出願公開第1400778号明細書では、例えば光透過性のスケールの実際の透明な領域を黒くすることによって、明るい領域と暗い領域とが交互するインクリメンタル目盛構造内で、明るい（又は暗い）領域を暗い（又は明るい）領域に規則的な間隔で入れ換えることが提唱される。インクリメンタルトラックの周期性のこの中断は、８周期ごとに現れ、それ故に「８つ当たりの１つのギャップ(1 aus 8 Luecke)」とも呼ばれる。

このようなギャップは、スケールの周期的な汚れのようにインクリメンタル信号に影響する。多数のセンサ領域を有し、スケールの多数の周期を同時に検出する構成された１つの光検出器によってこのようなスケールを走査する場合、スケール及び検出器が互いに最適に調節されている限り、この周期性の規則的な雑音が、測定を妨害しない。しかしながら、例えば、照射光学系が、理想的に平行なビーム路を提供しないか、又は、光検出器の円形目盛が半径方向にずれている場合、光検出器上のインクリメンタルトラックの像が、このインクリメンタルトラックと同じ目盛周期を有さない。この像は、非常に大きいか又は非常に小さい。移相が、センサの中心からセンサ領域の両端にかけて測定方向に発生する。走査領域の一方の半分部分上のそれぞれのセンサに対して、センサ中心に対してミラー対象に配置された他方の半分部分上の１つのセンサが常に確保され得る限り、この移相は補整される。このとき、すなわちこれらの両センサは、同じ移相量を有するものの、正反対の符号を有する。しかしながら、汚れつまり「８つ当たりの１つのギャップ」が、センサ領域にわたって形成されている場合は、この補整は実施されない。このとき、個々のセンサが覆われ、これによって補整されなかったセンサの位相角誤差が有効になる。光検出器の電気信号から位置値を生成する場合、測定される位置値と実際の位置値との間にずれが生じ、その結果として測定が不正確になる。
ヨーロッパ特許出願公開第1400778号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第10319609号明細書

本発明の課題は、エンコーダの最適でない調節時でも正確な位置値の生成を依然として可能にする、組み込まれた基準マークを有するスケールを提供することにある。

さらに本発明の課題は、エンコーダの最適でない調節時でも正確な位置値の生成が可能であるように、本発明のスケールを評価できるエンコーダを提供することにある。

この課題は、請求項１に記載のスケール及び請求項５に記載のエンコーダによって解決される。

測定方向にＰ周期の目盛トラックを支持するエンコーダ用のスケールが提唱される。この目盛トラックは、Ｐ周期の１つの中断部分の形態の組み込まれた１つの基準マークを規則的な間隔で有する。この場合、スケールは、測定方向に対して横にずらした少なくとも２つのこのようなＰ周期の目盛トラックを支持する。これらの目盛トラックの組み込まれた基準マークは、測定方向に互いにずれている。

電気信号を生成して位置値を作るためにスケールを走査するため、このようなスケールを使用するエンコーダは、構成された検出器を有する。目盛トラックを走査するこの検出器は、測定方向に対して横にずらして配置された多数の検出器トラックを有する。これらの検出器トラックはそれぞれ、これらの目盛トラックの多数の周期に対して１周期当たりｍ個のセンサを測定方向に相前後して配置されて有する。

説明した課題を解決するための考えは、測定方向に対して横に配置された複数の目盛トラック内の規則的な間隔で配置された複数の基準マークを測定方向に互いにずらして配置することにある。このとき、個々の目盛トラックの評価時に確かに測定誤差が発生する。しかしながらこれらの測定誤差は、算出された両位置値を適切に結合することによって互いに相殺される。この効果を強化するため、これらの目盛トラックを走査する検出器トラックも、基準マークの間隔と異なる間隔で特定のセンサを省略することによって適切に構成される。

以下に、本発明のその他の利点及び詳細を図面に基づく好適な実施形から説明する。

図１は、ここで扱う種類のエンコーダの基本構造を最初に示す。光源Ｌが、コリメーターレンズＫを介してスケールＭを平行光で照射する。スケールＭが、インクリメンタル目盛Ｔを支持する。測定方向Ｘが、図面に対して垂直に存在する。光が、スケールＭ及びこのスケールＭの交互に透明で不透明な構造体を透過し、この時に基板Ｓ上の測定方向に相前後して配置された多数のセンサ又は光検出器を有する構成された検出器Ｄ上に目盛トラックＴを投影する。スケールＭが、検出器Ｍに対して移動する時に、この検出器Ｄの個々のセンサが、周期信号を生成する。これらの周期信号は、公知の方法で位置信号に変換できる。

図２の上半分は、上述した従来の技術によるスケールＭの目盛ＴのＰ周期のインクリメンタル目盛トラックの正面図である。組み込まれた基準マークＲを形成するため、８つ（Ｎ＝８）の目盛周期Ｐから規則的な間隔Ａごとに、目盛トラックＴＳの不透明な領域が、透明な領域に入れ換えられている。したがって目盛トラックＴＳのＰ周期が、規則的な間隔で中断されている。

図２の下半分では、検出器Ｄが専ら概略的に示されている。目盛トラックＴＳの像を走査するため、この検出器Ｄは、測定方向Ｘに相前後して配置された多数のセンサつまり光検出器を有する検出器トラックＤＳを有する。

位置値が、検出器Ｐの電気信号から従来の方法で生成される場合、スケールＭ及び検出器Ｄが互いに最適に調節されていない時に、上述したように測定される位置が、真の位置からずれる。図３中には、このようなずれが、定性的に示されている。測定誤差、すなわち検出器Ｄに対するスケールＭの移動Ｘに対する真の位置値からのずれΔＸがプロットされる場合、基準マークの間隔Ａに一致する周期を有する鋸歯関数が得られる。間隔Ａだけ移動するスケールＭが、検出器Ｄの移動前に同じ光パターンをこの検出器Ｄ上に正確に投影するので、このことは容易に理解できる。このとき、光パターンの最適でない投影から生じる誤差が、この誤差の初期値を再び受け取り、誤差曲線の進行が、スケールＭのさらなる移動時に繰り返される。

図４の上半分中には、本発明のスケールＭの目盛Ｔの一部が示されている。このスケールの目盛Ｔを観察した場合、Ｐ周期の中断が、４番目の周期ごとに存在し、しかしこのときに実際の不透明な領域がそれぞれ、その半分だけに対して透明な領域に入れ換えられる、つまり上半分と下半分とが交互に入れ換えられることが分かる。本発明をより良好に理解するため、その他の観察方法が考えられる：スケールＭが、測定方向Ｘに対して横（垂直）にずらしたＰ周期の２つの目盛トラックＴＳ１，ＴＳ２を有する。これらの目盛トラックＴＳ１，ＴＳ２は、規則的な間隔Ａで基準マークＲを支持する。しかしこれらの基準マークＲは、測定方向Ｘに互いにずれている、つまり間隔Ａの半分だけずれている。

両目盛トラックＴＳ１，ＴＳ２が、適切に配置された２つの検出器トラックＤＳ１，ＤＳ２を有する検出器Ｄによって通常の方法で評価される場合、位置値が得られる。これらの位置値の測定誤差が、図３中に示されたのと全く同様に観察される。しかし両周期測定誤差は、それらの半周期だけシフトしている。それ故に目盛トラックＴＳ１，ＴＳ２によって得られる位置値が平均される場合、測定誤差ΔＸが、従来の技術に比べて明らかに減少する。

測定誤差ΔＸが、図３中に示されたように鋸歯状ではなくて、正弦波状である場合、半周期シフトしている測定誤差ΔＸの２つの正弦信号が特に良好に相殺されるので、この測定誤差ΔＸの減少のこの効果はさらに著しく改良できる。

これに対して使用される検出器トラックＤＳ１，ＤＳ２の変更が、図４中に検出器トラックＤＳ１，ＤＳ２内のギャップＬによって示されている。図５中には、図４の測定方向Ｘに対して横に縮小された部分拡大図が示されている。検出器トラックＤＳ１，ＤＳ２の詳細が、この部分拡大図にしたがって説明できる。

目盛トラックＴＳ１，ＴＳ２の各周期Ｐが、４つ（ｍ＝４，ｍ＞１によるその他の値が可能である）のセンサつまり光検出器ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４によって走査されることが最初に分かる。したがって４番目ごとのセンサが、理想的には同位相を検出する。全ての同位相のセンサが互いに電気的に接続される。その結果、移動を検出するため、１つの検出器トラックが、90°だけ移相している４つの周期信号を出力する。これらの４つの信号は、一般に90°だけ移相している２つの信号に変換されて、これらの２つの信号から最終的に移動の量及び方向を算出する。

図４及び５中には、ギャップＬが検出器トラックＤＳ１，ＤＳ２内に認識できる。これらのギャップＬのそれぞれでは、センサＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４が、目盛トラックＴＳ１，ＴＳ２の１周期Ｐに対して欠けている。センサＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４が、１目盛周期Ｐの全幅から省略されることによって、図３の鋸歯の波形が希望通りに屈曲される。このためには、ギャップＬは、基準マークＲと異なる周期で出現する必要がある。１つの基準マークＲが、この実施の形態でのように目盛トラックＴＳ１，ＴＳ２の８周期Ｐごとに存在する場合、１つのギャップＬが、検出器トラックの９周期Ｐごとに出現することが考えられる。このとき、基準マークＲ同士の間隔Ａとギャップ同士の間隔Ｂとは、１周期Ｐだけ異なる。

検出器トラックＤＳ１，ＤＳ２のギャップＬは、必ずしも検出器Ｄ上に物理的に存在する必要はない。対応するセンサが電気接続されていないこと、又は、これらのセンサの信号が位置値を生成するために全く利用されないことで十分である。それ故にギャップＬは、目盛トラックＴＳ１，ＴＳ２のＰ周期からの目視可能なずれとして存在する必要がある基準マークＲと区別される。

測定方向Ｘに互いにずらした基準マークＲと比較して、検出器トラックＤＳ１，ＤＳ２のギャップは、測定方向Ｘに相前後して並んでいる。

基準マークＲを確実に検出して評価するため、両検出器トラックＤＳ１，ＤＳ２から構成されたそれぞれのセンサＰＤ１〜ＰＤ４が互いに接続される。これらの検出器トラックＤＳ１，ＤＳ２は、測定方向に４周期Ｐだけ互いにずれている。このとき、このような配置の出力信号は、従来の技術に一致し、これに応じて評価され得る。しかし測定方向Ｘに相前後しているそれぞれのセンサＰＤ１〜ＰＤ４からのインクリメンタル信号は、（可能な限り誤差のない）位置値を生成するために利用される。

図５に関連する図４に基づいて、１つの検出器トラックＤＳ１，ＤＳ２が、例えば３つのギャップＬを有し得ることが分かる。これらのギャップＬの両側が、32個（８＊４）のセンサＰＤ１〜ＰＤ４によって包囲されている。この場合、これらのそれぞれの32個のセンサＰＤ１〜ＰＤ４は、目盛トラックＴＳ１，ＴＳ２のそれぞれ８つ（ｎ＝８）の周期をカバーする。その結果、目盛トラックＴＳ１，ＴＳ２の全体で135周期Ｐが、検出器トラックＤＳ１，ＤＳ２によってカバーされている。この場合、132周期Ｐだけが、３つのギャップＬに起因して評価される。

目盛トラックＴＳ１，ＴＳ２を有するこのスケールＭは、一般には図中に示されたよりも著しく長くなり得る。

図５中には、光検出器ＰＤ１〜ＰＤ４が長方形に示されている。しかし、望まない高調波を濾波するため、ドイツ連邦共和国特許出願公開第10319609号明細書中に記されているような別の形を有してもよい。１本の共通の接線と測定方向Ｘとが90°に等しくない角度を成し、及び／又は、光検出器ＰＤ１〜ＰＤ４がこれらの長手端部の領域内に湾曲した境界線を有するように、特に隣接して配置された光検出器ＰＤ１〜ＰＤ４が配置されてもよい。これに対しては、ドイツ連邦共和国特許出願公開第10319609号明細書の図２を参照のこと。この図２の光検出器３４．１〜３４．４は、本願の図５の光検出器ＰＤ１〜ＰＤ４に相当する。

スケールＭは、透明な領域及び不透明な領域を有する透過型スケール又は反射領域及び吸収領域を有する照射型スケールでもよい。双方の場合では、検出器トラックのＤＳ１，ＤＳ２のセンサＰＤ１〜ＰＤ４は、光検出器である。

図中では、より良好に図示する理由から、基準マークＲが、暗い領域を明るい領域に入れ換えることによって生成された。しかし、逆の場合、すなわち明るい領域を暗い領域に入れ換えることも好ましい。追加の暗い領域は、使用できる信号を（ｎ＝８に対して）８分の１だけ減らす。追加の明るい領域は、さらに余計な散乱光を生成し、その結果変調度及び信号の品質を低下させる。

光学走査に基づくエンコーダのほかに、例えば容量式目盛構造，誘導式目盛構造又は磁気式目盛構造及びこれらの構造を走査するために対応したセンサを有する周期的なスケールに基づくその他のシステムも当然に可能である。

測定方向Ｘに対して横にずらした（実施の形態中で説明したような）２つの目盛トラック又は多数の目盛トラックを有するスケールが可能である。これに応じて多数の検出器トラックが必要である。したがって、多数のトラックを評価することによる１つのトラック内の測定誤差の分解能が、場合によってはさらに若干改善できる。確かに、追加の経費及び実現可能な利用の検討が必要である。

本発明のスケール又は本発明のエンコーダの基本原理は、測定方向に対して横にずらした目盛トラック内の基準マークを、１目盛トラック内の基準マークの間隔の一部だけずらすことである。基準マークによる１目盛トラックの周期性の雑音の悪影響を除去するか又は少なくとも明らかに低減する可能性が提供される。

エンコーダの構成を示す。 従来の技術による付随する検出器領域を有するスケールを示す。 従来の技術での測定位置に依存する測定誤差を示す。 付随する検出器領域を有する本発明のスケールを示す。 図４の一部の拡大図である。

符号の説明

Ｌ 隙間
Ｋ コリメーターレンズ
Ｔ 目盛
Ｍ スケール
Ｓ 基板
Ｄ 検出器
Ｐ 周期
Ａ 間隔
Ｂ 間隔
Ｒ 基準マーク
Ｘ 測定方向
ＤＳ 検出器トラック
ＴＳ 目盛トラック
ＴＳ１ 目盛トラック
ＴＳ２ 目盛トラック
ＤＳ１ 検出器トラック
ＤＳ２ 検出器トラック
ＰＤ１ 光検出器
ＰＤ２ 光検出器
ＰＤ３ 光検出器
ＰＤ４ 光検出器

Claims (11)

1. エンコーダ用のスケールであって、このスケール（Ｍ）は、測定方向（Ｘ）にＰ周期の目盛トラック（ＴＳ１，ＴＳ２）を支持し、この目盛トラック（ＴＳ１，ＴＳ２）は、規則的な間隔（Ａ）でＰ周期の中断部分の形態の組み込まれた基準マーク（Ｒ）を有するスケールにおいて、
   前記スケール（Ｍ）は、測定方向（Ｘ）に対して横にずらした少なくとも２つのこのようなＰ周期の目盛トラック（ＴＳ１，ＴＳ２）を支持し、これらの目盛トラック（ＴＳ１，ＴＳ２）の複数の組み込まれた基準マーク（Ｒ）が、測定方向に互いにずれていることを特徴とするスケール。
2. 前記スケール（Ｍ）は、測定方向（Ｘ）に対して横にＰ周期の２つの目盛トラック（ＴＳ１，ＴＳ２）を支持し、これらの目盛トラック（ＴＳ１，ＴＳ２）の規則的な間隔（Ａ）で配置された複数の基準マーク（Ｒ）が、測定方向（Ｘ）に半部の間隔（Ａ）だけ互いにずれていることを特徴とする請求項１に記載のスケール。
3. 前記目盛トラック（ＴＳ１，ＴＳ２）は、測定方向（Ｘ）に交互する明るい領域と暗い領域とから構成され、その結果、１周期（Ｐ）が、１つ明るい領域及び１つの暗い領域によって構成されていて、この場合、各目盛領域（ＴＳ１，ＴＳ２）内では、それぞれのｎ番目の明るい領域又は暗い領域が、暗い領域又は明るい領域に入れ換えられていて、これによって、規則的な間隔（Ａ，ｎ＊Ｐ）で配置された組み込まれた１つの基準マーク（Ｒ）が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスケール。
4. ｎ＝８であり、したがって前記間隔（Ａ）は、８倍の周期Ｐに一致することを特徴とする請求項３に記載のスケール。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のスケール（Ｍ）を有し、このスケール（Ｍ）を走査し、電気信号を生成し、位置値を生成する構成された検出器（Ｄ）を有するエンコーダにおいて、
   多数の検出器トラック（ＤＳ１，ＤＳ２）が、前記目盛トラック（ＴＳ１，ＴＳ２）を走査する前記検出器（Ｄ）上で測定方向（Ｘ）に対して横にずらして配置されていて、これらの検出器トラック（ＤＳ１，ＤＳ２）はそれぞれ、これらの目盛トラック（ＴＳ１，ＴＳ２）の多数の周期（Ｐ）に対して１周期当たりｍ個のセンサ（ＰＤ１〜ＰＤ４）を測定方向（Ｘ）に相前後して配置されて有することを特徴とするエンコーダ。
6. 前記各検出器トラック（ＤＳ１，ＤＳ２）は、前記基準マーク（Ｒ）の前記間隔（Ａ）と異なる第２の間隔（Ｂ）ごとに１つのギャップ（Ｌ）を有し、このギャップ（Ｌ）内では、それぞれｍ個の検出器（ＰＤ１〜ＰＤ４）が、欠けているか又は電気信号を生成するために利用されないことを特徴とする請求項５に記載のエンコーダ。
7. 前記基準マーク（Ｒ）の前記間隔（Ａ）と前記ギャップ（Ｌ）の前記第２の間隔（Ｂ）とは、１周期（Ｐ）だけ異なることを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ。
8. 前記検出器トラック（ＤＳ１，ＤＳ２）の前記ギャップ（Ｌ）は、測定方向（Ｘ）に相前後して並んでいることを特徴とする請求項６又は７に記載のエンコーダ。
9. センサ（ＰＤ１〜ＰＤ４）は、光検出器であり、これらの光検出器のうちの４つの光検出器が、測定方向（Ｘ）に相前後して配置されて１つの目盛トラック（ＴＳ１，ＴＳ２）の１周期（Ｐ）を走査することを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載のエンコーダ。
10. 光源（Ｌ）の光が、コリメートされて前記スケール（Ｍ）を透過し、構成された前記検出器（Ｄ）上に照射されることを特徴とする請求項５〜９のいずれか１項に記載のエンコーダ。
11. 周期的な目盛トラック（ＴＳ１，ＴＳ２）を検出するため、測定方向（Ｘ）に相前後しているそれぞれの光検出器（ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４）が互いに接続されていて、組み込まれた基準マーク（Ｒ）を検出するため、測定方向（Ｘ）に互いにずらした光検出器（ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４）が互いに接続されていて、この場合、このずれは、前記目盛トラック（ＴＳ１，ＴＳ２）間の組み込まれた基準マーク（Ｒ）のずれに一致することを特徴とする請求項１０に記載のエンコーダ。

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