JPH07286861A - 光学変換器および方法 - Google Patents
光学変換器および方法Info
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 高い精度の光学変換器およびその製造方法を
提供する。 【構成】 本発明の光学変換器の集積回路状の感光表面
は４つの正弦波状表面を有するように、幾何学的に形成
される。前記幾何学的に形成された表面と幾何学的に相
関付けられた光と陰のパターンを前記感光表面に投影す
ると、電気信号列が得られ、前記集積回路またはその表
面の外形の精度でこれに補間を行い、測定または位置信
号として送出する。付加感光表面１Ｂが設けられ、前記
表面の幾何学的構造と幾何学的に相関つけて形成された
光と陰のパターンＢを感光表面上に投影した時に、電気
信号列が得られるように、幾何学的に形成されている。
この電気信号列は、付加コードとして、ある絶対値に対
応し、測定または位置信号として中継可能である。前記
感光表面の電気信号を結合し、それらを共通位置信号に
形成する手段１Ｃが設けられている。
提供する。 【構成】 本発明の光学変換器の集積回路状の感光表面
は４つの正弦波状表面を有するように、幾何学的に形成
される。前記幾何学的に形成された表面と幾何学的に相
関付けられた光と陰のパターンを前記感光表面に投影す
ると、電気信号列が得られ、前記集積回路またはその表
面の外形の精度でこれに補間を行い、測定または位置信
号として送出する。付加感光表面１Ｂが設けられ、前記
表面の幾何学的構造と幾何学的に相関つけて形成された
光と陰のパターンＢを感光表面上に投影した時に、電気
信号列が得られるように、幾何学的に形成されている。
この電気信号列は、付加コードとして、ある絶対値に対
応し、測定または位置信号として中継可能である。前記
感光表面の電気信号を結合し、それらを共通位置信号に
形成する手段１Ｃが設けられている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は変換器、長さ変換器およ
び角度エンコーダの分野において、特に光学的絶対測定
変換器(absolute measuring transducer) に関するもの
である。
び角度エンコーダの分野において、特に光学的絶対測定
変換器(absolute measuring transducer) に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】絶対測定変換器、特に長さ変換器には特
有の問題がある。その１つに、かなりの長さの全長に対
して高い位置解像度を得なければならないということが
ある。かなりの長さの全長とは１メートル以上を意味す
る。また、高い位置解像度は１００ナノメートル未満を
意味する。
有の問題がある。その１つに、かなりの長さの全長に対
して高い位置解像度を得なければならないということが
ある。かなりの長さの全長とは１メートル以上を意味す
る。また、高い位置解像度は１００ナノメートル未満を
意味する。
【０００３】長い全長と高い位置解像度とを有する増分
変換器(incremental transducer)は、要件が同一の絶対
変換器と比較すると、こちらのほうが安価である。絶対
測定には、一般的に高い付加コストがかかる。例えば、
各々が固有の照明および検出部品を有し、しかも繰り返
し調節が非常に複雑な２つの別個のシステムを組み合わ
せる可能性がある。かかる変換器はＲＳＦの「ＬＣＩ」
装置である。他の変換器には、２つの別個のシステムを
必要とするので、非常に高価であり、５０センチメート
ル当たり１５０００ドイツマルクのコストに達するもの
がある。かかる変換器は、ＤＥ３９０９８５６に記載さ
れているＥ．Ｍ．Ｓ．の「スペーサ」装置である。
変換器(incremental transducer)は、要件が同一の絶対
変換器と比較すると、こちらのほうが安価である。絶対
測定には、一般的に高い付加コストがかかる。例えば、
各々が固有の照明および検出部品を有し、しかも繰り返
し調節が非常に複雑な２つの別個のシステムを組み合わ
せる可能性がある。かかる変換器はＲＳＦの「ＬＣＩ」
装置である。他の変換器には、２つの別個のシステムを
必要とするので、非常に高価であり、５０センチメート
ル当たり１５０００ドイツマルクのコストに達するもの
がある。かかる変換器は、ＤＥ３９０９８５６に記載さ
れているＥ．Ｍ．Ｓ．の「スペーサ」装置である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】結果として、絶対変換
器はあるサイズから主に経済的な理由による制限を受け
るので、よく計画を立てて用いなければならない。しか
しながら、安価なものも含めて全てのタイプの精密機械
に高性能な絶対変換器を装備できるようにすることを目
的とすれば、以前は大企業に独占されていた分野でも、
中小企業にも競争の機会がある。
器はあるサイズから主に経済的な理由による制限を受け
るので、よく計画を立てて用いなければならない。しか
しながら、安価なものも含めて全てのタイプの精密機械
に高性能な絶対変換器を装備できるようにすることを目
的とすれば、以前は大企業に独占されていた分野でも、
中小企業にも競争の機会がある。
【０００５】この目的は、特許請求の範囲に規定されて
いる本発明によって達成され、大型で高解像度を有し、
しかも安価な絶対変換器の製造が可能となる。
いる本発明によって達成され、大型で高解像度を有し、
しかも安価な絶対変換器の製造が可能となる。
【０００６】特に、１つの基本的な事実は、一方では調
節の問題を除去し、他方では補間を極限まで用いること
ができるように、よく計画して集積回路の精度(precisi
on)を用いるということである。この目的のために、本
発明のセンサ構造は、感光検出素子、好ましくは光−Ａ
ＳＩＣを有し、これを基板上に配置して、電気的に相互
接続するように、増分感応(incremental sensitive) 測
定トラックおよび絶対感応測定トラック（または検出ト
ラック）を設け、その上の例えば透過光内の従来の標準
またはスケールの光学的（コード）パターン、または入
射光即ち、反射に対する特殊なコード・パターンを評価
する。そして、好ましくは、前記パターンと検出トラッ
クとの間に撮像用光学系が接続される。検出トラックの
特別な設計により、精度の高い補間を用いて最大の解像
度を得ることができる。本発明による設計の結果とし
て、特に、非常に明白な小型化を達成することができる
ので、これ自体利点をもたらすものである。
節の問題を除去し、他方では補間を極限まで用いること
ができるように、よく計画して集積回路の精度(precisi
on)を用いるということである。この目的のために、本
発明のセンサ構造は、感光検出素子、好ましくは光−Ａ
ＳＩＣを有し、これを基板上に配置して、電気的に相互
接続するように、増分感応(incremental sensitive) 測
定トラックおよび絶対感応測定トラック（または検出ト
ラック）を設け、その上の例えば透過光内の従来の標準
またはスケールの光学的（コード）パターン、または入
射光即ち、反射に対する特殊なコード・パターンを評価
する。そして、好ましくは、前記パターンと検出トラッ
クとの間に撮像用光学系が接続される。検出トラックの
特別な設計により、精度の高い補間を用いて最大の解像
度を得ることができる。本発明による設計の結果とし
て、特に、非常に明白な小型化を達成することができる
ので、これ自体利点をもたらすものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明による変換器は絶
対測定システムであり、長さ変換器の場合、数メートル
までの測定長において１００ｎｍより高い測定解像度が
得られる。スケールは、例えば、従来の透過光ガラス・
スケールとすることができ、これに絶対コード・トラッ
クに平行に設定した周期的格子を有する従来の増分トラ
ックを載せる。絶対コードは、例えば、直列コード、好
ましくはｍ−系列によって構成される。位置変化の場
合、絶対コードの１ビットを増分トラックの１周期と等
しくする。前記スケールは、撮像系（光学系）によっ
て、光検出器上の大きなスケール上に撮像される。かか
る長さ発生器は３つの特定構造(specific features) を
有する。
対測定システムであり、長さ変換器の場合、数メートル
までの測定長において１００ｎｍより高い測定解像度が
得られる。スケールは、例えば、従来の透過光ガラス・
スケールとすることができ、これに絶対コード・トラッ
クに平行に設定した周期的格子を有する従来の増分トラ
ックを載せる。絶対コードは、例えば、直列コード、好
ましくはｍ−系列によって構成される。位置変化の場
合、絶対コードの１ビットを増分トラックの１周期と等
しくする。前記スケールは、撮像系（光学系）によっ
て、光検出器上の大きなスケール上に撮像される。かか
る長さ発生器は３つの特定構造(specific features) を
有する。
【０００８】システムの観点から、前記測定システムは
一体化された微少構造に組み込まれる。測定システム、
低解像度の絶対測定システムおよび高解像度の増分測定
システムの全要素は、共通の発光システムを有する。即
ち、これらは同じ光源の光を共有し、双方のコード・ト
ラックの共通光学画像、および共通の感応検出器、好ま
しくは光−ＡＳＩＣを有するので、個々の測定システム
の双方は自動的に繰り返し調節される。正しい信号への
調節、撮像の合焦、およびスケールに対する検出器の回
転および斜動(tilting) は、同時に双方の測定トラック
上で行われる。したがって、２つの測定システム間には
角度誤差はない。
一体化された微少構造に組み込まれる。測定システム、
低解像度の絶対測定システムおよび高解像度の増分測定
システムの全要素は、共通の発光システムを有する。即
ち、これらは同じ光源の光を共有し、双方のコード・ト
ラックの共通光学画像、および共通の感応検出器、好ま
しくは光−ＡＳＩＣを有するので、個々の測定システム
の双方は自動的に繰り返し調節される。正しい信号への
調節、撮像の合焦、およびスケールに対する検出器の回
転および斜動(tilting) は、同時に双方の測定トラック
上で行われる。したがって、２つの測定システム間には
角度誤差はない。
【０００９】前記測定システムは、標準スケールに関し
て測定ヘッドの取り付けに関する妥当な許容量とヘッド
の案内(guidance)とを有する、単純な撮像システムを用
いている。これは、物体側のテレセントリ(telecentry)
と小さな開口数(numerical aperture)とによって達成さ
れる。この開口数は増分格子や解像される絶対コードに
は十分な大きさのものである。したがって、焦点が外れ
たり、焦点深度が最大の場合でも、一定の画像倍率で画
像が得られる。前記撮像システムは、例えばＰＭＭＡま
たはポリカーボネートのプラスチック射出成形によっ
て、例えば安価なカラー印刷によってテレセントリック
・ストップ(telecentric stop)を中心から後部に設け、
光学系を取り付ける特殊部品と共に、一眼システム(sin
gle-lens system)として製造できるという利点がある。
撮像要素は、平面状の回折レンズ（例えばフレネル・レ
ンズ）によって構成することができる。
て測定ヘッドの取り付けに関する妥当な許容量とヘッド
の案内(guidance)とを有する、単純な撮像システムを用
いている。これは、物体側のテレセントリ(telecentry)
と小さな開口数(numerical aperture)とによって達成さ
れる。この開口数は増分格子や解像される絶対コードに
は十分な大きさのものである。したがって、焦点が外れ
たり、焦点深度が最大の場合でも、一定の画像倍率で画
像が得られる。前記撮像システムは、例えばＰＭＭＡま
たはポリカーボネートのプラスチック射出成形によっ
て、例えば安価なカラー印刷によってテレセントリック
・ストップ(telecentric stop)を中心から後部に設け、
光学系を取り付ける特殊部品と共に、一眼システム(sin
gle-lens system)として製造できるという利点がある。
撮像要素は、平面状の回折レンズ（例えばフレネル・レ
ンズ）によって構成することができる。
【００１０】前記測定システムでは、検出の目的のため
に特殊な光−ＡＳＩＣを用いる。このＡＳＩＣは、絶対
コードをスキャンするためのライン・センサと、局部的
に正弦波状に変化する表面を有する４つのフォトダイオ
ードの特殊なアレイとを有し、格子上に投影されるよう
に設定した場合、増分システムの直角信号を供給する。
前記４つのフォトダイオードのサイン関数は、９０゜の
繰り返し位相位置を有する。バー・パターンを前記正弦
波状ダイオードに投影し、４つのダイオード上を移動さ
せると、ダイオードの感光電流の差によって、ほぼ理想
的な個々の正弦波信号から直角信号が得られる。バー・
パターンの周期がダイオード面の正弦波の周期と同一で
あれば、フーリエ変換の基本的数学的特性を利用するこ
とができるので、この信号形状はバー・パターンの強度
プロファイルや光学的焦点外れとは独立している。
に特殊な光−ＡＳＩＣを用いる。このＡＳＩＣは、絶対
コードをスキャンするためのライン・センサと、局部的
に正弦波状に変化する表面を有する４つのフォトダイオ
ードの特殊なアレイとを有し、格子上に投影されるよう
に設定した場合、増分システムの直角信号を供給する。
前記４つのフォトダイオードのサイン関数は、９０゜の
繰り返し位相位置を有する。バー・パターンを前記正弦
波状ダイオードに投影し、４つのダイオード上を移動さ
せると、ダイオードの感光電流の差によって、ほぼ理想
的な個々の正弦波信号から直角信号が得られる。バー・
パターンの周期がダイオード面の正弦波の周期と同一で
あれば、フーリエ変換の基本的数学的特性を利用するこ
とができるので、この信号形状はバー・パターンの強度
プロファイルや光学的焦点外れとは独立している。
【００１１】半導体回路の生産や特に寸法が最少にまで
縮小されるＣＭＯＳプロセスのように、幾何学的形式お
よび形状の再現性の精度が高いことにより、前記ダイオ
ード面は事実上完全に、局部的にサイン関数と同一に作
ることができる。これらのフォトダイオードがいくつか
のサイン周期を含むように構成すれば、位置測定中にス
ケールの延長部分も同時に評価され、測定システムは、
例えば、スケールの汚れ(dirtying)による妨害を受けに
くくなる。ほぼ完全な正弦波変調による直角信号によっ
て、非常に高い精度の補間が可能となり、位置解像度を
大幅に向上させることができる。この増分トラックの特
殊設計は、解像度を最大に高めた純粋な増分変換器にも
用いられることは明白である。
縮小されるＣＭＯＳプロセスのように、幾何学的形式お
よび形状の再現性の精度が高いことにより、前記ダイオ
ード面は事実上完全に、局部的にサイン関数と同一に作
ることができる。これらのフォトダイオードがいくつか
のサイン周期を含むように構成すれば、位置測定中にス
ケールの延長部分も同時に評価され、測定システムは、
例えば、スケールの汚れ(dirtying)による妨害を受けに
くくなる。ほぼ完全な正弦波変調による直角信号によっ
て、非常に高い精度の補間が可能となり、位置解像度を
大幅に向上させることができる。この増分トラックの特
殊設計は、解像度を最大に高めた純粋な増分変換器にも
用いられることは明白である。
【００１２】
【実施例】以下、本発明の好適実施例について図面に関
連付けながら詳細に説明する。本発明による測定システ
ムの必須要素を図１に示す。システムの観点からは、一
体化された微少システムとして形成することが好まし
い。集積回路１は、その基板上に、感光増分測定範囲１
Ａと、感光絶対測定範囲１Ｂとを含み、これらを処理お
よび増幅回路ＩＣによって結合して測定システムを形成
する。好適実施例として、測定システムの２つの構成要
素、即ち、低解像度の絶対測定システム、および高解像
度の増分測定システムは、共通の発光手段を有する。即
ち、それらは同一光源３から光の放射を受け、スケール
５の絶対位置に対するコード・トラックＢと増分シフト
に対するコード・トラックＡ双方の共通光画像を、共通
の感光検出器１上に有する。感光検出器は光−ＡＳＩＣ
であることが好ましい。この場合レンズ２の形状の光学
系によって、光画像を適当に修正、例えば拡大すること
ができる。上述のように、共通光源による照明、共通光
学系による画像、および共通検出器による検出によっ
て、個々の測定システムは自動的に繰り返し調節され
る。正しい信号に対する調節または設定、即ち画像の合
焦は、双方の測定トラック上で同時に行われる。また、
図１には、測定信号が信号の調整のためにセンサの出力
からインターフェース変圧器(interface transformer)
７に渡されて、そこで機械(machine tool)８を制御する
ための標準５Ｖに変圧される状態も示されている。撮像
光学系を用いる時は、左／右および上／下は互いに入れ
替わっていることを念頭に置いておかなければならな
い。
連付けながら詳細に説明する。本発明による測定システ
ムの必須要素を図１に示す。システムの観点からは、一
体化された微少システムとして形成することが好まし
い。集積回路１は、その基板上に、感光増分測定範囲１
Ａと、感光絶対測定範囲１Ｂとを含み、これらを処理お
よび増幅回路ＩＣによって結合して測定システムを形成
する。好適実施例として、測定システムの２つの構成要
素、即ち、低解像度の絶対測定システム、および高解像
度の増分測定システムは、共通の発光手段を有する。即
ち、それらは同一光源３から光の放射を受け、スケール
５の絶対位置に対するコード・トラックＢと増分シフト
に対するコード・トラックＡ双方の共通光画像を、共通
の感光検出器１上に有する。感光検出器は光−ＡＳＩＣ
であることが好ましい。この場合レンズ２の形状の光学
系によって、光画像を適当に修正、例えば拡大すること
ができる。上述のように、共通光源による照明、共通光
学系による画像、および共通検出器による検出によっ
て、個々の測定システムは自動的に繰り返し調節され
る。正しい信号に対する調節または設定、即ち画像の合
焦は、双方の測定トラック上で同時に行われる。また、
図１には、測定信号が信号の調整のためにセンサの出力
からインターフェース変圧器(interface transformer)
７に渡されて、そこで機械(machine tool)８を制御する
ための標準５Ｖに変圧される状態も示されている。撮像
光学系を用いる時は、左／右および上／下は互いに入れ
替わっていることを念頭に置いておかなければならな
い。
【００１３】照明されるシステムの射影(shadow castin
g)のみを用いる場合、レンズ即ち撮像系がないと、検出
器上にはスケールの光学画像が得られない。したがっ
て、例えば、同じ２０μｍの格子周期の場合でも、従来
の長さ変換システムにおけるように、同じ空間検出許容
量を考慮する必要がある。
g)のみを用いる場合、レンズ即ち撮像系がないと、検出
器上にはスケールの光学画像が得られない。したがっ
て、例えば、同じ２０μｍの格子周期の場合でも、従来
の長さ変換システムにおけるように、同じ空間検出許容
量を考慮する必要がある。
【００１４】付加面１Ｂおよび測定部または計測手段１
Ｂ、即ち絶対測定部を除去すれば、非常に高い補間精度
を有する増分測定システムが得られる。更に、切り替え
によって、転移(dislocation) の増分情報のみを評価す
ることができるので、増分変換器と絶対変換器の双方が
設けられることになる。
Ｂ、即ち絶対測定部を除去すれば、非常に高い補間精度
を有する増分測定システムが得られる。更に、切り替え
によって、転移(dislocation) の増分情報のみを評価す
ることができるので、増分変換器と絶対変換器の双方が
設けられることになる。
【００１５】前記測定システムに別の光学系を付け加え
て用いる場合、単純な撮像システム２を選択する方がよ
い。撮像システム２は標準スケールに対して光源、レン
ズおよび光−ＡＳＩＣを備えた測定ヘッドの取付けとヘ
ッドの案内(guidance)に関し一定の許容量を有する。こ
れは、物体側のテレセントリ(telecentering) と、小さ
な開口数とによって達成される。開口数は、増分格子お
よび絶対コードの解像度には十分な大きさに選択され
る。したがって、焦点外れや焦点深度が最大の場合で
も、画像倍率が一定の画像が得られる。撮像システム２
は例えばＰＭＭＡまたはポリカーボネートのプラスチッ
ク射出成形によって、例えば安価なカラー印刷によって
テレセントリック・ストップ(telecentric stop)を中心
側後部に設け、光学系を取り付ける特殊部品と共に、一
眼システム(single-lens system)として製造できるとい
う利点がある。撮像部品は、平面状の回折レンズ(diffr
activelens)によって構成することができる。
て用いる場合、単純な撮像システム２を選択する方がよ
い。撮像システム２は標準スケールに対して光源、レン
ズおよび光−ＡＳＩＣを備えた測定ヘッドの取付けとヘ
ッドの案内(guidance)に関し一定の許容量を有する。こ
れは、物体側のテレセントリ(telecentering) と、小さ
な開口数とによって達成される。開口数は、増分格子お
よび絶対コードの解像度には十分な大きさに選択され
る。したがって、焦点外れや焦点深度が最大の場合で
も、画像倍率が一定の画像が得られる。撮像システム２
は例えばＰＭＭＡまたはポリカーボネートのプラスチッ
ク射出成形によって、例えば安価なカラー印刷によって
テレセントリック・ストップ(telecentric stop)を中心
側後部に設け、光学系を取り付ける特殊部品と共に、一
眼システム(single-lens system)として製造できるとい
う利点がある。撮像部品は、平面状の回折レンズ(diffr
activelens)によって構成することができる。
【００１６】本発明によるセンサ、この場合ＡＳＩＣ
は、絶対コードをスキャンするためのライン・センサ型
の第１感光領域と、図２に示すような、局部的に正弦波
状に変化する表面を有する４つのインターレース・フォ
トダイオード(interlace photodiode)Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３
およびＰ４から成る特殊アレイという形状の第２感光領
域とを有する。格子上に投影した場合、この正弦波状ア
レイは増分システムの直角信号を供給する。４つのフォ
トダイオードのサイン関数は、ダイオード１−０゜、ダ
イオード２−１８０゜、ダイオード３−９０゜、ダイオ
ード４−２７０゜という繰り返し位相位置を有する。バ
ー・パターン(bar pattern) を正弦波状ダイオード上に
投影して、４つのダイオード上を移動させて、０゜と１
８０゜のダイオードの光電流差Ｉ１−Ｉ２、および９０
゜と２７０゜のダイオードの光電流差Ｉ３−Ｉ４を形成
した場合、これによって、ほぼ理想的な正弦波状の個別
信号、即ち、各場合にサイン信号とコサイン信号とによ
って直角信号が与えられる。前記バー・パターンの周期
が正弦波状のダイオード面の周期と同一であるならば、
この信号形状はバー・パターンの強度プロファイルとは
独立するものであり、フーリエ変換の基本的な数学的特
徴を巧みに利用することができる。
は、絶対コードをスキャンするためのライン・センサ型
の第１感光領域と、図２に示すような、局部的に正弦波
状に変化する表面を有する４つのインターレース・フォ
トダイオード(interlace photodiode)Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３
およびＰ４から成る特殊アレイという形状の第２感光領
域とを有する。格子上に投影した場合、この正弦波状ア
レイは増分システムの直角信号を供給する。４つのフォ
トダイオードのサイン関数は、ダイオード１−０゜、ダ
イオード２−１８０゜、ダイオード３−９０゜、ダイオ
ード４−２７０゜という繰り返し位相位置を有する。バ
ー・パターン(bar pattern) を正弦波状ダイオード上に
投影して、４つのダイオード上を移動させて、０゜と１
８０゜のダイオードの光電流差Ｉ１−Ｉ２、および９０
゜と２７０゜のダイオードの光電流差Ｉ３−Ｉ４を形成
した場合、これによって、ほぼ理想的な正弦波状の個別
信号、即ち、各場合にサイン信号とコサイン信号とによ
って直角信号が与えられる。前記バー・パターンの周期
が正弦波状のダイオード面の周期と同一であるならば、
この信号形状はバー・パターンの強度プロファイルとは
独立するものであり、フーリエ変換の基本的な数学的特
徴を巧みに利用することができる。
【００１７】集積回路の製造は実証された技術であり、
外形の再現性に関しては、最大の精度が得られる。特
に、寸法が最小にまで縮小されるＣＭＯＳ技術を用いれ
ば、前記ダイオード面は、局部的にサイン関数と同一と
なるように、完全に基板上に形成することができる。こ
れらのフォトダイオードがいくつかのサイン周期（図２
に示すような）を含むような構造とすれば、位置測定中
にスケールの延長部分も同時に評価され、測定システム
は、例えば、スケールの汚れ(dirtying)による妨害を受
けにくくなる。しかしながら、最も重要な利点は、後者
からのほぼ完全な正弦波状に変調された直角信号によっ
て、高度で非常に精度が高い補間を行い位置解像度の向
上が図れることである。補間の場合結果が常に得られる
が、常にそれを信頼することは不可能なので、補間はし
ばしば問題を起こす。
外形の再現性に関しては、最大の精度が得られる。特
に、寸法が最小にまで縮小されるＣＭＯＳ技術を用いれ
ば、前記ダイオード面は、局部的にサイン関数と同一と
なるように、完全に基板上に形成することができる。こ
れらのフォトダイオードがいくつかのサイン周期（図２
に示すような）を含むような構造とすれば、位置測定中
にスケールの延長部分も同時に評価され、測定システム
は、例えば、スケールの汚れ(dirtying)による妨害を受
けにくくなる。しかしながら、最も重要な利点は、後者
からのほぼ完全な正弦波状に変調された直角信号によっ
て、高度で非常に精度が高い補間を行い位置解像度の向
上が図れることである。補間の場合結果が常に得られる
が、常にそれを信頼することは不可能なので、補間はし
ばしば問題を起こす。
【００１８】個体測定部上の絶対トラックＢ、スケール
５には、例えば１８ビット・ワードのｍ−コードを用い
ることができる。増分トラックには、等距離格子(equid
istant grating) が利用される。これは、スケールの背
面に突出するセンサの４つのダイオード面の規則正しい
正弦波パターンと同じ周期性を有する。最後に、絶対信
号を増分信号と組み合わせ、絶対位置の信号値とする。
５には、例えば１８ビット・ワードのｍ−コードを用い
ることができる。増分トラックには、等距離格子(equid
istant grating) が利用される。これは、スケールの背
面に突出するセンサの４つのダイオード面の規則正しい
正弦波パターンと同じ周期性を有する。最後に、絶対信
号を増分信号と組み合わせ、絶対位置の信号値とする。
【００１９】図３−３．１，３．２、増分トラックおよ
び絶対トラックの信号の相関関係即ち連携の例を示す。
び絶対トラックの信号の相関関係即ち連携の例を示す。
【００２０】３．１の増分トラックは、トラック幾何学
的に正弦波状のセンサ・トラック１Ａで構成され、その
うち２本が９０゜位相シフトされたトラック、即ち、コ
サイン・トラックＣＯＳとサイン・トラックＳＩＮとし
て示されている。また、スケール用格子がその上に投影
され、同一周期を有する。最初のギャップまで達する三
角法トラック(trigonometric track) が示されている
が、実際には、このパターンは正弦波格子電極が延在す
る長さと同数のギャップにまで達する。ここでは位相シ
フトは９０゜である。
的に正弦波状のセンサ・トラック１Ａで構成され、その
うち２本が９０゜位相シフトされたトラック、即ち、コ
サイン・トラックＣＯＳとサイン・トラックＳＩＮとし
て示されている。また、スケール用格子がその上に投影
され、同一周期を有する。最初のギャップまで達する三
角法トラック(trigonometric track) が示されている
が、実際には、このパターンは正弦波格子電極が延在す
る長さと同数のギャップにまで達する。ここでは位相シ
フトは９０゜である。
【００２１】３．２の絶対トラックにおいて、センサ格
子１Ｂ上にｍ−コードの投影が見られる。ＰＤ1 はフォ
トダイオード１から得られた二進値、ＰＤ2 はフォトダ
イオード２から得られた二進値である。この目的のため
に、二進化レベルは、最大信号の半分となるように設定
されている。本例では、このように、ＰＤ1 はＰＤ2と
は異なる二進値を有する。
子１Ｂ上にｍ−コードの投影が見られる。ＰＤ1 はフォ
トダイオード１から得られた二進値、ＰＤ2 はフォトダ
イオード２から得られた二進値である。この目的のため
に、二進化レベルは、最大信号の半分となるように設定
されている。本例では、このように、ＰＤ1 はＰＤ2と
は異なる二進値を有する。
【００２２】３．３〜３．７に、個々の信号列および所
望の絶対信号への結合について示す。
望の絶対信号への結合について示す。
【００２３】３．３に示すサインまたはコサイン関数Ｓ
およびＣ、または３．４に示すそれらのパルス列ｚ’＝
記号Ｃおよびｚ＝記号Ｓは、位相関数φと共に、増分測
定の情報を形成する。３．６において、上述のように得
られた二進値ＰＤ1 およびＰＤ2 は、絶対測定の情報を
形成する。そして、サイン関数についてはＺ・ＰＤ1の
二進乗算によって、コサイン関数についてはＺ’・ＰＤ
2 の二進乗算によって、絶対位置を算出する３．７によ
る絶対コードの対応するビットｂを計算する。ここで、
３．１と３．２の位置がどのように得られたかによっ
て、一方または他方のビットが指示され、両方というこ
とはない。
およびＣ、または３．４に示すそれらのパルス列ｚ’＝
記号Ｃおよびｚ＝記号Ｓは、位相関数φと共に、増分測
定の情報を形成する。３．６において、上述のように得
られた二進値ＰＤ1 およびＰＤ2 は、絶対測定の情報を
形成する。そして、サイン関数についてはＺ・ＰＤ1の
二進乗算によって、コサイン関数についてはＺ’・ＰＤ
2 の二進乗算によって、絶対位置を算出する３．７によ
る絶対コードの対応するビットｂを計算する。ここで、
３．１と３．２の位置がどのように得られたかによっ
て、一方または他方のビットが指示され、両方というこ
とはない。
【００２４】図４は入射光において動作する実施例を示
す。透過光で動作するセンサの形状は、透視法スケール
(transilluminated scale)の形状によって大きく左右さ
れ、その逆も成り立つ。しかしながら、このことは、入
射光による本実施例には関係なく、非常に興味深い面を
知ることができる。それらの１つは、測定精度を高める
ために、純正部品の機械を標準または測定(measure) と
して用いる。言い換えれば、通常別々のスケール上のパ
ターンは、所望の移動を行う機械の該当部分に直接刻印
され(impress) 、１つまたは複数の入射光センサは、そ
れに対して固定的に配置される。このような構造では、
例えば、スケールや機械は温度変動による作用を受けな
いので、精度の低下を防ぐことができる。
す。透過光で動作するセンサの形状は、透視法スケール
(transilluminated scale)の形状によって大きく左右さ
れ、その逆も成り立つ。しかしながら、このことは、入
射光による本実施例には関係なく、非常に興味深い面を
知ることができる。それらの１つは、測定精度を高める
ために、純正部品の機械を標準または測定(measure) と
して用いる。言い換えれば、通常別々のスケール上のパ
ターンは、所望の移動を行う機械の該当部分に直接刻印
され(impress) 、１つまたは複数の入射光センサは、そ
れに対して固定的に配置される。このような構造では、
例えば、スケールや機械は温度変動による作用を受けな
いので、精度の低下を防ぐことができる。
【００２５】正弦波状感光面によって生成された信号
は、正確に正弦波周期となっており、図３の３．３に示
すサインおよびコサイン・アナログ信号がそれから得ら
れる。最も単純な場合、測定装置の基本解像度が適当で
あれば、比較器によってアナログ信号を方形波信号に変
換することができる。このようにして、１回の周期から
４つの計数段階が得られる。アナログ信号の補間を行う
場合、基本周期を更に小さい単位に再分割する。補間の
精度は、基本周期の精度によって決まり、後者はアナロ
グ正弦波信号の形状によって決まる。後者が不正確な場
合または歪んでいる場合、対応して不正確な「補間スケ
ール」となる。幾何学的に高い精度の基本関数画像(bas
ic function imaging)、集積回路の製造精度、正確な正
弦波状感光面の結果として、この精度は対応して「補間
スケール」にも適用される。
は、正確に正弦波周期となっており、図３の３．３に示
すサインおよびコサイン・アナログ信号がそれから得ら
れる。最も単純な場合、測定装置の基本解像度が適当で
あれば、比較器によってアナログ信号を方形波信号に変
換することができる。このようにして、１回の周期から
４つの計数段階が得られる。アナログ信号の補間を行う
場合、基本周期を更に小さい単位に再分割する。補間の
精度は、基本周期の精度によって決まり、後者はアナロ
グ正弦波信号の形状によって決まる。後者が不正確な場
合または歪んでいる場合、対応して不正確な「補間スケ
ール」となる。幾何学的に高い精度の基本関数画像(bas
ic function imaging)、集積回路の製造精度、正確な正
弦波状感光面の結果として、この精度は対応して「補間
スケール」にも適用される。
【００２６】本発明は、変換器の光学部品の大幅な微小
化を可能にする。特に、図４による実施例では、固体測
定部が入射光でスキャンされると共に、変換器は機械の
一部となり、その機械上で動作するので、変換器の中心
部を当該機械に組み込むことによって、実際に用いる際
には前記機械の一体化部分となり、機械自体と同様に環
境条件に反応することになる。
化を可能にする。特に、図４による実施例では、固体測
定部が入射光でスキャンされると共に、変換器は機械の
一部となり、その機械上で動作するので、変換器の中心
部を当該機械に組み込むことによって、実際に用いる際
には前記機械の一体化部分となり、機械自体と同様に環
境条件に反応することになる。
【図１】スケールを透過する光で動作する装置の一例
を、個々の素子の概略的な配列によって示す測定原理
図。
を、個々の素子の概略的な配列によって示す測定原理
図。
【図２】高い補間の可能性を有する検出トラックを示す
図。
図。
【図３】図２の場合の絶対信号および増分信号の相関を
評価する方法の一例を示す図。
評価する方法の一例を示す図。
【図４】入射光で動作し、スケールからの反射光の評価
を評価する図１の測定原理を示す図。
を評価する図１の測定原理を示す図。
１ 集積回路 １Ａ，１Ｂ 感光増分測定範囲 ２ レンズ ３ 光源 ５ スケール ６ テレセントリック・ストップ ７ インターフェース変圧器
Claims (18)
- 【請求項１】 好ましくは光学変換器において、スキャ
ン用ヘッドの固体測定部(solid measue)または測定手段
に対する変位を測定しかつ利用する方法であって、集積
回路の形状の少なくとも１つの感光アレイ表面（例え
ば、正弦波状）上に、前記表面の幾何学的構造と幾何学
的に相関関係のある光と陰とのパターン（同一周期のバ
ー・パターン）を投影し、前記感光アレイの表面の幾何
学的形状によって、前記相関関係にある光と陰のパター
ンを前記表面に投影した時、それらの感光性の結果とし
て、前記集積回路またはその感光表面の外形の精度で補
間できるように、そして移動の範囲を表わす測定または
位置信号として使用可能となるように、電気信号列が生
成されることを特徴とする方法。 - 【請求項２】 請求項１において、感光面を付加形成
し、該付加感光表面は、前記付加感光表面の幾何学的構
造と幾何学的に相関付けられた光と陰の別のパターンを
前記付加感光表面に投影することによって、付加信号と
して絶対値に対応する電気信号列が得られ、測定または
位置信号として送出可能とするように幾何学的に設計さ
れていることを特徴とする方法。 - 【請求項３】 請求項１または２において、前記感光表
面の電気信号を結合し、共通位置信号を発生することを
特徴とする方法。 - 【請求項４】 請求項１または３において、前記感光表
面の幾何学的構造は、循環関数にしたがって形成され、
格子として投影するこの目的のために相関付けられたパ
ターンは、前記循環関数と同じ周期で形成され投影さ
れ、前記電気信号列は線形補間され、測定または位置信
号として送出されることを特徴とする方法。 - 【請求項５】 請求項４において、前記感光表面の幾何
学的構造は、正弦波形状にしたがって形成され、かかる
正弦波状表面に対して互いに０、９０、１８０および２
７０゜の位相角度で配置され、この目的のために相関付
けられたパターンは、サイン関数と同じ周期で形成さ
れ、かつ格子として投影され、４つの感光表面において
得られる電気信号列は線形補間され、測定または位置信
号として中継されることを特徴とする方法。 - 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記
感光表面に投影されるパターンは、撮像用光学系によっ
て、倍率−線形法(scale-linear manner) によって修正
されることを特徴とする方法。 - 【請求項７】 請求項１〜６のいずれかにおいて、前記
投影されるパターンは入射光において生成されることを
特徴とする方法。 - 【請求項８】 請求項１〜６のいずれかにおいて、投影
されるパターンは入射光において、前記回折光学構造ま
たは光学的拡散構造(optically scatteringstructure)
上での反射または回折によって生成されることを特徴と
する方法。 - 【請求項９】 請求項８において、前記投影されるパタ
ーンは機械の一部に刻印されるか、あるいは機械の一部
に配置されることを特徴とする方法。 - 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれかにおいて、共
通光学系によって、絶対コードおよび反射コード（増分
コード）が、共通センサ、好ましくはセンサ面を有する
集積回路に投影されることを特徴とする方法。 - 【請求項１１】 請求項１〜１０のいずれかにおいて、
物体側において、テレセントリック光学撮像システムを
用い、テレセントリック・ストップ（最大）を最適化す
ることによって、焦点外れには感応しないが、高い発光
を確保することを特徴とする方法。 - 【請求項１２】 光源（３）と集積回路形状の少なくと
も１つの感光構成表面（１Ａ）とを有する光学変換器で
あって、前記表面の幾何学的構造と一致し、かつ幾何学
的に相関付けられた光と陰のパターン（Ａ）を前記感光
表面（１Ａ）上に投影することによって、電気信号列が
得られ、前記集積回路またはその表面の外形の製造精度
で補間され、測定または位置信号として中継されるよう
に、前記表面は幾何学的に設計されていることを特徴と
する光学変換器。 - 【請求項１３】 請求項１２において、付加感光表面
（１Ｂ）を有し、該付加感光表面は、前記付加感光表面
（１Ｂ）の幾何学的構造と幾何学的に相関付けられた光
と陰の別のパターン（Ｂ）を前記付加感光表面に投影す
ることによって、付加信号として絶対値に対応する電気
信号列が得られ、測定または位置信号として送出可能と
するように幾何学的に設計されていることを特徴とする
光学変換器。 - 【請求項１４】 請求項１２および１３において、前記
感光表面の電気信号を結合し、共通位置信号を形成する
手段（１Ｃ）を備えていることを特徴とする光学変換
器。 - 【請求項１５】 請求項１２において、前記感光表面
（１Ａ）の幾何学的構造は正弦波形状を有し、かかる正
弦波状表面は０、９０、１８０および２７０゜の角度が
得られるように繰り返し形成され、それと相関つけられ
た前記固体測定部または測定手段（５）は、サイン関数
と同じ周期の格子（Ａ）として、投影のために形成さ
れ、前記４つの感光表面に形成される電気信号列は線形
補間され、測定または位置信号として送出可能であるこ
とを特徴とする光学変換器。 - 【請求項１６】 請求項１２〜１５のいずれかにおい
て、前記感光表面と投影される固体測定部（５）のパタ
ーンとの間に、撮像用光学系、好ましくは、テレセント
リック・ストップ（６）を有するテレセントリック光学
撮像システムが配置されることを特徴とする光学変換
器。 - 【請求項１７】 請求項１２〜１６のいずれかにおい
て、絶対コードおよび相対コード（増分コードを撮像す
るために、共通光学系（２）と共通センサ（１）とを供
え、前記センサは好ましくはセンサ面を有する集積回路
として構成されることを特徴とする光学変換器。 - 【請求項１８】 請求項１２〜１５のいずれかにおい
て、物体側に、テレセントリック光学撮像システム
（２、６）を用い、前記テレセントリック・ストップ
（６）を最適化することによって焦点外れには感応しな
いが、高い発光を確保することを特徴とする光学変換
器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH00562/94-0 | 1994-02-25 | ||
| CH56294A CH690971A5 (de) | 1994-02-25 | 1994-02-25 | Verfahren zur Messung und Verwertung einer Verschiebung eines Abtastkopfes gegenüber einer Massverkörperung und optischer Messgeber zur Durchführung dieses Verfahrens. |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07286861A true JPH07286861A (ja) | 1995-10-31 |
Family
ID=4189886
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7037147A Pending JPH07286861A (ja) | 1994-02-25 | 1995-02-24 | 光学変換器および方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07286861A (ja) |
| CH (1) | CH690971A5 (ja) |
| DE (1) | DE19505176A1 (ja) |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999054678A1 (fr) * | 1998-04-17 | 1999-10-28 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Detecteur de position |
| JP2000146625A (ja) * | 1998-11-04 | 2000-05-26 | Fuji Electric Co Ltd | アブソリュートエンコーダ |
| JP2001194188A (ja) * | 1999-12-23 | 2001-07-19 | Dr Johannes Heidenhain Gmbh | 位置測定装置 |
| JP2003279384A (ja) * | 2002-03-27 | 2003-10-02 | Fuji Electric Co Ltd | 光学式絶対値エンコーダ及び移動装置 |
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| CN100385206C (zh) * | 2003-09-26 | 2008-04-30 | 约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司 | 位置测量装置 |
| EP1980824A1 (en) | 2007-04-11 | 2008-10-15 | Mitutoyo Corporation | Absolute position length-measurement type encoder |
| JP2009002702A (ja) * | 2007-06-19 | 2009-01-08 | Mitsutoyo Corp | 絶対位置測長型エンコーダ |
| EP2093543A2 (en) | 2008-02-21 | 2009-08-26 | Mitutoyo Corporation | Photoelectric Encoder and Scale |
| EP2386832A2 (en) | 2010-05-10 | 2011-11-16 | Mitutoyo Corporation | Photoelectric encoder |
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| JP2012519296A (ja) * | 2009-03-02 | 2012-08-23 | アールエルエス メリルナ テニカ ディー．オー．オー． | ポジションエンコーダ装置 |
| EP2866001A1 (en) | 2013-09-03 | 2015-04-29 | Mitutoyo Corporation | Photoelectric encoder |
| CN111546134A (zh) * | 2020-04-16 | 2020-08-18 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法 |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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