(57)【要約】  １つまたは複数の読取ヘッド（１１４）および放射状目盛（２０）を備えるロータリエンコーダ装置について記載する。この１つまたは複数の読取ヘッド（１１４）の各々は、放射状目盛を照明するための発光部（３０、３２）と、読取ヘッド検光子平面（ＡＰ）に形成される干渉縞を検出するための光検出部（４０、４２）とを含む。この読取ヘッド検光子平面（ＡＰ）は、放射状目盛（２０）を収容する面に対して傾いている。好ましい実施形態では、この読取ヘッド検光子平面（ＡＰ）は、ロータリエンコーダ装置の回転中心（１１２）に向かって角度（β）だけ傾いている。
2009535634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたは複数の読取ヘッドおよび放射状目盛を備え、前記１つまたは複数の読取ヘッドの各々が、前記放射状目盛を照明するための発光部と、読取ヘッド検光子平面に形成される干渉縞を検出するための光検出部とを備えたロータリエンコーダ装置であって、前記読取ヘッド検光子平面が、前記放射状目盛を含む平面に対して傾いていることを特徴とするロータリエンコーダ装置。
【請求項２】
前記１つまたは複数の読取ヘッドは、回転中心の周りを前記放射状目盛に対して相対的に回転可能であり、各読取ヘッドの前記読取ヘッド検光子平面は前記回転中心に向かって傾いていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
各読取ヘッドの前記読取ヘッド検光子平面は、前記回転中心と実質的に交差できるように傾いていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記１つまたは複数の読取ヘッドの各々の前記光検出部は、前記読取ヘッド検光子平面内に検光子格子を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記検光子格子は、前記読取ヘッド検光子平面のところに形成される干渉縞に近似するが、一致しない角度ピッチを有することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記光検出部は、前記検光子格子からの光を受け取るように構成される構造化光検出器を備えたことを特徴とする請求項４または５に記載の装置。
【請求項７】
前記１つまたは複数の読取ヘッドの各々の前記発光部は、インデックス格子を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記インデックス格子は、前記放射状目盛を含む前記平面に対して傾いていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記放射状目盛と前記読取ヘッド検光子平面の間の垂直距離は、前記放射状目盛と前記インデックス格子の間の前記垂直距離と実質的に等しいことを特徴とする請求項７または８に記載の装置。
【請求項１０】
各読取ヘッドの前記インデックス格子は、前記読取ヘッド検光子平面内にあることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記インデックス格子は、前記放射状目盛の円周方向に間隔をあけた目盛マーキングの列の半径方向ピッチと実質的に等しい半径方向ピッチを有することを特徴とする請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記１つまたは複数の読取ヘッドの各々の前記発光部は、光源を備えることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記光源は、コリメートされていないことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記光源は、赤外線放射ダイオードを備えることを特徴とする請求項１２または１３に記載の装置。
【請求項１５】
各読取ヘッドは、前記光検出部を収容する読取ヘッドハウジングを備え、前記読取ヘッド検光子平面は前記読取ヘッドハウジングの第１の外側表面に対して傾いていることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
前記読取ヘッドハウジングの前記第１の外側表面は、実質的に透明な窓部分を備えることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記放射状目盛は、反射式放射状目盛であることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
前記放射状目盛は、透過式放射状目盛であることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１９】
前記放射状目盛は、位相目盛であることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれかに記載の装置。
【請求項２０】
複数の読取ヘッドを備えることを特徴とする請求項１ないし１９のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
請求項１ないし２０のいずれかに記載のロータリエンコーダ装置を備えたことを特徴とする座標測定デバイス。
【請求項２２】
（ｉ）一連の円周方向に間隔のあいた目盛マーキングを有する放射状目盛を取り込むステップと、
（ｉｉ）各々が、放射状目盛を照明するための発光部と、読取ヘッド検光子平面のところに形成される干渉縞を検出するための光検出部とを備えた１つまたは複数の読取ヘッドを取り込むステップと、
（ｉｉｉ）前記１つまたは複数の読取ヘッドの各々を、その前記発光部が前記放射状目盛を照明し、かつ前記読取ヘッド検光子平面のところに干渉縞を発生させるように搭載するステップとを備える、ロータリエンコーダを作成する方法であって、
ステップ（ｉｉｉ）が、使用中に前記読取ヘッド検光子平面が、前記放射状目盛を含む平面に対して傾くように、少なくとも１つの読取ヘッドを搭載するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項２３】
ステップ（ｉｉｉ）は、前記読取ヘッドが前記放射状目盛を含む前記平面に対して傾くように、前記１つまたは複数の読取ヘッドの各々を搭載するステップを有することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータリエンコーダ装置に関する。より詳しくは、本発明は、ロータリエンコーダの放射状目盛(radial scale)に対する１つまたは複数の読取ヘッドの位置合わせに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
放射状目盛を備えるロータリエンコーダは知られている。例えば、特許文献１や特許文献２において参照されるものがある。そのような装置では、１つまたは複数の読取ヘッドに対して回転可能なコードホイール(code wheel)が設けられている。このコードホイールは、その周囲周りに等角度のところに印を付けられた、一連の放射状に延びる、円周方向に間隔のあいた線を備えた放射状目盛を有する。特許文献１の図２に示すように、ロータリエンコーダの読取ヘッドは、コードホイールの放射状目盛に対して平行で、かつそれから一定の固定された距離を維持することができるように、搭載される。
【０００３】
このようなロータリエンコーダの１つまたは複数の読取ヘッドの各々は、発光部と光検出部とを備える。この発光部は、インデックス格子(index grating)および光源（例えば、ＬＥＤ）を備え、かつ放射状目盛上に周期的な光模様を投射するように構成されている。また、エンコーダは、目盛から反射される光が読取ヘッドにおける光検出部の検光子平面に干渉（縞）模様が形成されるように構成されている。
【０００４】
光検出部は、一連の光感受性と非感受性区域（例えば、一連の互いに入り込んだ光感受性フィンガー）を有するように配置された（しばしば電子格子(electrograting)と呼ばれる）構造を持つ検出器を備える。この光検出部は、そこに形成されるこのフィンガーをより大きな空間的周期を有するいわゆるバーニア(Vernier)フィンガーに変換するように構成される、目盛と構造化検出器の間に配設された検光子格子(analyser grating)を含むこともできる。読取ヘッドと目盛格子(scale grating)の間のどのような接線方向の移動によっても、（適切な場合、バーニア縞模様を含む）縞模様が光検出部に沿って移動する。次いで、構造化された検出器から正弦信号を発生させることができ、この信号から読取ヘッドと目盛の間のどのような相対的移動をも示すインクリメンタル計数値を導き出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５８８６３５２号明細書
【特許文献２】国際公開第０２／０６５０６１号パンフレット
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Pettigrew R.M., Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng. 136, ｐ．325(1977）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、ロータリエンコーダ装置は、１つまたは複数の読取ヘッドおよび放射状目盛を備え、１つまたは複数の読取ヘッドの各々は、放射状目盛を照明するための発光部と、読取ヘッドの検光子平面に形成される干渉縞を検出するための光検出部とを備え、前記読取ヘッドの検光子平面が、放射状目盛を含む平面に対して傾いていることを特徴とする。
【０００８】
したがって、本発明のロータリエンコーダ装置は、放射状目盛に対して回転可能な１つまたは複数の読取ヘッドを含む。この放射状目盛は、ロータリディスクもしくはリングの平面上に付けられた印で、一連の円周方向に間隔のあいた目盛マーキングからなっている。各読取ヘッドは、例えば以下に説明するようなインデックス格子等を使用して発生させることができる周期的な光のパターンで放射状目盛を好ましく照明する発光部を備える。使用に際しては、この放射状目盛が発光部から受け取る光を回折させ、それによって干渉模様を生じさせる。各読取ヘッドは、その関連する読取ヘッド検光子平面に形成される干渉縞を検出するように構成される光検出部も備える。各読取ヘッドの読取ヘッド検光子平面は、その読取ヘッドに対して固定した空間的関係を有するのが好ましい。
【０００９】
本発明によれば、各読取ヘッドの読取ヘッド検光子平面は、放射状目盛を含む平面に対して傾いている。換言すれば、各読取ヘッドの光検出部は、関連した放射状目盛に対して傾いている読取ヘッド検光子平面内に形成される干渉縞を検出するように構成される。読取ヘッド検光子平面の傾きは、例えば、各読取ヘッドを放射状目盛に対して傾けることによって達成することができる。この１つまたは複数の読取ヘッドは、放射状目盛に対して回転中心の周りを回転可能であり、各読取ヘッドの読取ヘッド検光子平面は、この回転中心側に傾いていることが有利である。そのような場合、各読取ヘッドの読取ヘッド検光子平面は、少なくとも近似的に、前記回転中心と交差できるように傾いているのが好ましい。
【００１０】
このように読取ヘッドを傾かせることによって、読取ヘッド検光子平面に発生する縞模様が、放射状目盛の放射状形態により密接に対応した一連の放射状干渉線を含むことができる。これによって、コリメート（平行に）されていない光源を使用するとき、発生する干渉縞と読取ヘッド検光子平面のところに配置される構造化検出器もしくは検光子格子との間の改善された相関関係を達成することができる。読取ヘッド検光子平面を傾けることから生じるこの改善された相関関係は、放射状目盛に対して実質的に平行に配置される検光子平面を有する従来技術の装置と比較して、結果として得られる検出信号の信号強度を２倍より大きくすることが見出されている。そのような増加する信号レベルを形成することによって、放射状目盛に対する読取ヘッドの内挿されるインクリメンタル位置をより高い精度で求めることが可能となる。例えば、検出信号強度を２倍にすることは、このエンコーダ装置から得ることができる角度解像度を通常２倍にする。
【００１１】
したがって、本発明による各読取ヘッドの読取ヘッド検光子平面を傾けることによって得られる性能の改善は、各読取ヘッド（およびその関連する読取ヘッド検光子平面）が放射状目盛の平面に対して実質的に平行に維持できるように向き付けられる、特許文献１に記載されたタイプのロータリエンコーダと比較して、より改善された性能を提供する。関連する放射状目盛に対して傾けられる読取ヘッド検光子平面を設けることに関連した改善の基礎をなす物理的過程を、以下により詳細に説明する。
【００１２】
前記１つまたは複数の読取ヘッドの各々の光検出部が、読取ヘッド検光子平面内に配置される検光子格子を備えることは有利な点である。この検光子格子が、読取ヘッド検光子平面に形成される放射状目盛からの縞のピッチに近いが、好ましくは同じでない角度ピッチを有することは好都合である。この検光子格子が振幅格子(amplitude grating)であることは有利な点である。適切な検光子格子の例は、特許文献１に記載されており、特に欄３から７において参照される。
【００１３】
検光子格子が読取ヘッド検光子平面内に設けられる場合は、１つまたは複数の読取ヘッド各々の光検出部は、検光子格子から光を受け取るように構成された（電子格子とも呼ばれる場合がある）構造化光検出器を有利に備えることができる。光は、必要に応じて構造化光検出器まで、検光子格子を透過させる、あるいは検光子格子から反射させることができる。
【００１４】
そのような構成では、１組のいわゆるバーニア縞(Vernier frige)が、目盛がその軸周りを回転するとき検出器に沿って移動する構造化検出器のところに形成される。この構造化光検出器は、一連の互いに入り込む光感受性フィンガーを備えることができる。これらのフィンガーは、入射バーニアフィンガーの形態と合致するように配置することができ、このバーニアフィンガーが構造化検出器を横切って移動するとき３つ以上の正弦的に変化する電気出力信号を発生させ得るようにさらに分割することができる。次いで、この電気出力信号は、読取ヘッドと放射状目盛の間の相対的な移動の測定値を高い角度解像度で提供するように、標準的な方法で内挿することができる。この方法で、いわゆるインクリメンタルエンコーダを形成することができる。
【００１５】
なお、上記で説明した型式の検光子格子を設けることは有利であるが、決して必須ではない。前に特許文献１で説明しかつ以下に概説するように、この検光子格子は、読取ヘッド検光子平面に形成される干渉縞の第１の組を、構造化検出器のところの第２の組の干渉縞に変換するために設けられる。この検光子格子は、この第２の組の干渉縞が第１の組の縞より大きな空間的周期を有し、それによって光検出器の構造化されるフィンガーのサイズを増加させることができるように構成されている。したがって、検光子格子を設けることは構造化検出器の必要とされるサイズを増大させ、それによってそのような検出器のコストおよび複雑性を減少させる。ただし、構造化光検出器は、所望の場合読取ヘッド検光子平面内に直接配置することができる。
【００１６】
１つまたは複数の読取ヘッド各々の発光部が、インデックス格子を備えることは有利な点である。このインデックス格子は、必要に応じ位相格子(phase grating)または振幅格子とすることができる。そのようなインデックス格子は、以下により詳細に説明するタイプの関連する光源と共に用いて、放射状目盛を照明する構造化される光パターンを与えることができる。光はこのインデックス格子からの反射、またはインデックス格子の透過によって放射状目盛に届く。各読取ヘッド内にこのインデックス格子を設けることは有利であるけれども、当業者であれば、動作可能な装置を設けるために決して必須ではないことを理解できる。
【００１７】
このインデックス格子が放射状目盛を収容する平面に対して傾いていることは有利な点である。傾きの量は、読取ヘッド検光子平面の傾きと同じであることも異なることもでき、光学的配置の幾何学に依存する。
【００１８】
反射放射状目盛を備える装置に対して、インデックス格子が読取ヘッド検光子平面内にあるように配置するのが好ましい。換言すれば、このインデックス格子は、光検出部の読取ヘッド検光子平面と一致する平面内にあることができる。好ましい実施形態では、このインデックス格子は光検出部の検光子格子と同じ基板上に形成することができる。換言すれば、各読取ヘッドは、その上に形成される検光子格子およびインデックス格子の両方を有する単一の、共通の基板（例えば、ガラスの一片）を備えることができる。インデックス格子は、どのような検光子格子よりも大きなまたは小さな半径方向距離のところに配置することができる。したがって、そのような配置では、インデックス格子は読取ヘッド検光子平面と同じ角度だけ放射状目盛に対して傾けられる。
【００１９】
上記で説明したタイプの反射の幾何学では、目盛から読取ヘッド検光子平面までの垂直距離（ｖ）は、所定の半径のところで、放射状目盛からインデックス格子までの垂直距離（ｕ）に通常等しい。ただし、ｕがｖに等しくない反射の幾何学を設けることも可能である。
【００２０】
反射式放射状目盛を有する装置に対する代替として、透過式放射状目盛を好都合に設けることができる。その結果光は、放射状目盛を通過することによって発光部から光検出部に好都合に届くことができる。そのような透過式構成では、光検出部および発光部は、放射状目盛に対して異なる側に配置することができる。そのような場合では、インデックス格子は放射状目盛に対して読取ヘッド検光子平面と反対の（または負の）方向に傾けるのが好ましい。そのような透過の幾何学的では、発光部と光検出部の配置に応じてｕは、ｖと等しく、あるいはｖと異なることができる。
【００２１】
このインデックス格子は好ましくは放射状格子(radial grating)である。当業者であれば分かるように、放射状格子は、それらが中心点で交差しかつ各々がある特定の（単一の）角度によって離隔するように位置合わせされる一連のピッチ線を備える。したがって、放射状格子は半径方向ピッチ、すなわち中央の交差点からの半径方向距離の関数として変化するピッチを有する。目盛からの垂直距離のこの相対的な値ｕおよびｖは、反射式および透過式放射状目盛の両方に対して、放射状インデックス格子の必要とされる半径方向ピッチを定める。ｕがｖに等しい場合は、このインデックス格子は、放射状目盛の円周方向に間隔のあいた目盛マーキングの列の半径方向ピッチに実質的に等しい半径方向ピッチを有するのが好ましい。ｕがｖに等しい透過式放射状目盛構成に対しては、読取ヘッド検光子平面の傾きも等しく、かつインデックス格子の傾きに対して反対であることが好ましい。ｕがｖと異なる場合は、放射状目盛およびインデックス格子の半径方向ピッチは、それにしたがって拡大縮小させることができる。
【００２２】
インデックス格子を有する発光部を設けることが好ましいけれども、これは決して必須ではないことに留意されたい。この発光部は、光または構造化光パターンを放射状目盛上に投影するのに適した任意の構成を有利に備えることができる。例えば、この発光部は、点光源のアレー（例えば、リニアアレー）、マイクロレンズアレー(micro-lense array)等を備えることができる。
【００２３】
１つまたは複数の読取ヘッドの各々の発光部が、光源を備えるのが好都合である。例えば、各読取ヘッドはＬＥＤを備えることができる。この光源が赤外光放射ダイオード（ＩＲＥＤ）を備えるのが好都合である。この光源は、コリメートされるまたは単色にされる必要はなく、上記で説明したタイプの関連するインデックス格子を照明するように構成することができる。したがって、本発明の装置は、発光部がＩＲＥＤなどの比較的低コストの、単純なコリメートされないかつ／または多色の光源を備えることができ、しっかりと制御されるコリメーションの光源（例えば、適切なコリメートの光学系を有するレーザ）を必要としないという追加の利点を有する。
【００２４】
放射状目盛が、読取ヘッドの発光部内に装着される静止インデックス格子に対して自身の中心の周りを回転するように構成されるのは好都合である。当業者であれば、読取ヘッド内に搭載される静止目盛格子に対してその中心の周りでインデックス格子を回転させることにより、等しく有効な回転に応じた縞移動を達成できることもわかる。そのような仕組みの利点は、装置内の位相目盛のサイズおよびコストを制限することである。
【００２５】
各読取ヘッドが発光部および／または光検出部を収容するための読取ヘッドハウジングを備えるのが好適である。この読取ヘッドハウジングは、発光部によって放射される光、および／または光検出部によって検出される光が通過する実質的に透明な窓部分を好適に有した、第１の外側表面を備えることができる。
【００２６】
この読取ヘッド検光子平面は、この読取ヘッドハウジングの第１の外側表面に対して傾いていることが有利な点である。例えば検光子格子は、読取ヘッドハウジングの第１の外側表面に対して傾くように搭載することができる。そのような装置では、この第１の外側表面は実質的に平らであり、放射状目盛を収容する平面に対して実質的に平行な平面内にあることができる。
【００２７】
反射式放射状目盛が設けられる場合は、各読取ヘッドの発光部および光検出部は、共通の読取ヘッドハウジング内に有利に収容することができる。そのような構成では、読取ヘッドは、共通の基板によって、または共通の基板上に形成されるインデックス格子および検光子格子を備えることができる。この共通の基板は、読取ヘッドハウジングの外側表面に対して傾けることができる。
【００２８】
検光子平面を読取ヘッドの外側表面に対して傾けることは好ましいけれども、読取ヘッド検光子平面は読取ヘッドハウジングの外側表面に対して実質的に平行に配置できることに留意されたい。そのような配置では、読取ヘッドハウジングそれ自体を、放射状目盛を収容する平面に対して傾けることができる。
【００２９】
この放射状目盛が位相目盛であることは有利な点である。別法として、この放射状目盛が、振幅目盛であってもよい。そのような振幅目盛は、（透過ベースの装置に対して）一連の光透過線および不透明線を、および／または（反射ベースの装置に対して）一連の反射線および非反射線を備えることができる。この放射状目盛は、２μｍほどの小さな接線方向隔離距離の目盛マーキングを有することができ、かつ任意の必要とされる半径のものとすることができる。例えば、この放射状目盛は５０ｍｍより小さな半径、３０ｍｍより小さな半径、または１０ｍｍより小さな半径を有することができる。
【００３０】
上記で述べたように、この検光子格子は振幅格子であることが好ましく、一方インデックス格子は位相格子または振幅格子とすることができる。この放射状目盛が位相目盛であり、検光子格子およびインデックス格子が振幅格子であることは便利な点である。
【００３１】
ロータリエンコーダ装置が複数の読取ヘッドを備えることは有利な点である。例えば、１対の読取ヘッドを放射状目盛の周囲の全く正反対の位置に配置することができる。この装置は、どのような偏心誤差に対しても抵抗力のある、組み合わされたインクリメンタル計数値を与えるように、読取ヘッドによって与えられるインクリメンタル計数値を混合するように構成することもできる。そのような方法でインクリメンタル計数値を混合することは、多数読取ヘッドエンコーダ装置の当業者に知られている。
【００３２】
上記で説明した型式のロータリエンコーダ装置は、多くの異なる用途に使用することができる。例えば、座標測定デバイスはそのようなロータリエンコーダ装置を備えることができる。特に、そのようなロータリエンコーダは、座標測定機（ＣＭＭ）のためのロータリ台内に有利に備えることができる。
【００３３】
本発明の第２の態様によれば、ロータリエンコーダを作成する方法は、（ｉ）一連の円周方向に間隔のあいた目盛マーキングを有する放射状目盛を取り込むステップと、（ｉｉ）各々が、放射状目盛を照明するための発光部と、読取ヘッド検光子平面のところに形成される干渉縞を検出するための光検出部とを備える１つまたは複数の読取ヘッドを取り込むステップと、（ｉｉｉ）１つまたは複数の読取ヘッドの各々を、その発光部が前記放射状目盛を照明し、かつ前記読取ヘッド検光子平面のところに干渉縞を発生させるように搭載するステップとを備え、ステップ（ｉｉｉ）が、使用中に読取ヘッド検光子平面が、放射状目盛を含む平面に対して傾くように、少なくとも１つの読取ヘッドを搭載するステップを含むことを特徴とする。ステップ（ｉｉｉ）は、前記読取ヘッドが放射状目盛を含む平面に対して傾くように、１つまたは複数の読取ヘッドの各々を搭載するステップを含むことは好都合である。
【００３４】
本明細書で使用されるとき、用語「光」は可視および非可視の光学的放射の両方を包含し、したがって、遠紫外(deep ultra-violet)から遠赤外(far infra-red)までの波長を有する放射を含むことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来技術のロータリエンコーダ装置の図である。
【図２】図１の従来技術の装置の光学的読取ヘッドのより詳細な図である。
【図３】基本回析次元(key diffractive order)に従うことによる放射状目盛エンコーダの光学的特性を示す図である。
【図４】放射状目盛エンコーダ用の最適縞平面の図である。
【図５】傾いた読取ヘッドを備える本発明のエンコーダ装置の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
次に本発明を、添付の図面を参照して、例示としてのみ説明する。
【００３７】
図１および２を参照すると、特許文献１に記載されるタイプの従来のロータリエンコーダ装置が示されている。
【００３８】
図１に示すように、このエンコーダ装置は、コードホイールの平面上の周囲全体に、交互に一連の光反射線と非反射線２２から構成される放射状目盛２０を有した円形のコードホイール１０を備える。これらの線２２は、半径方向に延びかつ円周方向に互いに間隔を置いて配置される。この放射状目盛２０は振幅目盛であるけれども、位相格子構造体を代わりに設けることができる。１対の読取ヘッド１４がこの目盛に隣接して配置される。読取ヘッド１４は、中心軸受１２の周りをロータリ目盛２０に対して相対的に回転できるように構成される。
【００３９】
図２を参照すると、図１を参照して説明した装置の読取ヘッド１４がより詳細に示されている。この読取ヘッド１４は、拡散光源３０、インデックス格子３２、検光子格子４０、検出器４２および光学的に透明な読取ヘッド窓４４とを具える。
【００４０】
拡散光源３０は、インデックス格子３２を介して目盛２０を照明する。インデックス格子３２は、目盛２０の線２２と実質的に同一の幾何学的形状を有した、交互の光透過線と不透明線（図示せず）とを備える。このインデックス格子３２を通過した後、光は目盛２０で反射されて一連の干渉縞（すなわち、周期的な縞模様）を検光子格子４０のところに形成する。インデックス格子３２および目盛２０の周期的な構造が、格子３２と目盛２０との間の離れた距離と共に、選択されることによって、検光子格子４０のところに形成される干渉縞がインデックス格子３２および目盛２０の線と同じ幾何学的形状を有するようにすることができる。
【００４１】
この検光子格子４０は、干渉縞の周期とわずかに異なる周期を有する。したがって、この干渉縞は、検光子格子４０によっていわゆるバーニア縞に変換される。バーニア縞が形成された干渉縞より長い周期を有するこれらのバーニア縞は、しばしば電子格子と呼ばれる構造化検出器４２に渡される。この構造化検出器４２は、その上に一連の光感受性要素が形成された半導体基板を備える。この光感受性要素は、コードホイールに対して半径方向に延び、所与の組の全ての要素が電気的に共通に接続される少なくとも３つの組にグループ化される。この光感受性の要素は、反復するパターンで交互配置され、連続する同様な要素が結果として得られるバーニア縞のピッチと実質的に等しいある角度で分離されるように、角度的に間隔があけられている。
【００４２】
使用に際しては、読取ヘッド１４に対するコードホイール１０の回転によって、検光子格子４０のところ（すなわち、読取ヘッド検光子平面ＡＰ内）に形成される干渉縞が移動する。この結果、読取ヘッド検光子平面内の任意の所与の点上に入射する光の強度が周期的に変化する変調が存在することになる。（例えば、ホイール１０の回転するとき）１つの干渉縞ピッチに等しい角度変位だけ、検光子格子４０に対し相対的に干渉縞模様が移動すると、それに応じた、結果としてのバーニア縞が１つの縞ピッチだけ移動する。
【００４３】
結果として得られるバーニア縞が構造化検出器４２を横切って移動するとき、各組の光感受性要素は正弦的に変化する電気出力；それぞれ０°、１２０°および２４０°の位相関係を有した３組の要素の出力を発生させる。次いで、これらの信号は、コードホイールの回転の大きさおよび方向を求めることができる１対の正弦的に変化する直交位相(quadrature)出力を生じさせるように、知られた方法で組み合わせることができる。
【００４４】
なお、検光子格子は単に干渉縞より長いピッチを有するバーニア縞を形成させるために使用されるものである。これにより、検出要素の寸法を増加させ、それによって検出器構成のコストおよび複雑性を減少させることができる。結果として得られるバーニア縞の移動は干渉縞の移動と１対１の関係を有することを示すことができ、したがって、コードホイールの角度変位を求める方法として、結果として得られるバーニア縞の移動から検光子格子の下流で起きる光強度変調を観測することが有効になる。なお、適切に構造化検出器が設けられる場合、検光子格子は装置から省略することができる。
【００４５】
図１および２を参照して説明した装置のより詳細な説明は、特許文献１で見ることができ、その内容は参照により本明細書に組み込まれている。特に特許文献１の欄２および３は、放射状目盛エンコーダのレイアウトを記載し、特許文献１の欄３から４は、検出器構造を記載する。
【００４６】
次に、本発明の発明者らは、図１および２を参照して説明した従来技術の構成は読取ヘッド１４を放射状目盛の回転中心に向けて傾けることによって改善することができるのを見出した。
【００４７】
図３を参照して、このシステムのｘ−ｚ平面の幾何学的配置を考察する。図示のようにこの光学システムは、インデックス格子２０、目盛格子２２および縞平面２４を有する。インデックス格子上の区域からの、θiの角距離を有する２つの基本回析次元進路もプロットされている。
【００４８】
以前に（非特許文献１参照）、
【００４９】
【数１】
2009535634.tif 000003
【００５０】
が示されてきており、ここで、Ｐiはインデックス格子２０の空間的周期であり、Ｐsは目盛格子２２の空間的周期であり、Ｐfは縞平面２４のところに形成される縞の空間的周期であり、ｕはインデックス格子２０と目盛平面２２の間の離隔距離であり、かつｖは目盛平面２２と縞平面２４の間の離隔距離である。
【００５１】
次に図４を参照して、放射状目盛４０に対するｙ−ｚ平面内の最適な縞平面４２の向きを説明する。特に図４は、空間的周期Ｐsを有する放射状目盛格子４０を（線４４および４６によって示すように）照明する点Po（すなわちｘ軸に沿って延びる、したがってこのページ内に延びる点）の直線アレーを示している。インデックス格子のところの点Poの間隔および目盛格子の空間的周期は、式
【００５２】
【数２】
2009535634.tif 000004
【００５３】
によって相互に関係付けられる。ここで、Ｒsは線４４に対する目盛の半径であり、Ｒs−Ｙsは線４６の交点のところの目盛の半径である。この仮定は色収差のない縞に対して有効である。上記で概略的に述べたように、色収差のない縞を生じさせるのに必要なインデックス格子ピッチ（Ｐi）は、等式（１）によって与えられる。
【００５４】
図４に示す幾何学的形状の簡単な分析の一例として、インデックス格子と目盛格子間の離隔距離が目盛平面および縞平面の間の離隔距離と同じ（すなわち、ｕがｖに等しい）と考える。また、小さな角度に対して、縞平面のところの２つの線の間の離隔距離は、目盛平面のところのこれらの線の離隔距離の２倍（すなわち、ｙfがｙsのほぼ２倍）として近似することができる。さらに、目盛から縞に移動する２つの線の間の進路の差はΔｖによって与えられると考える。
【００５５】
等式（１）および（３）と組み合わせて上記の近似を使用すると、
【００５６】
【数３】
2009535634.tif 000005
【００５７】
したがって、
【００５８】
【数４】
2009535634.tif 000006
【００５９】
を示すことができる。
【００６０】
等式（５）から、縞平面が（少なくとも近似的に）目盛中心に向かって傾くことが分かる。これは、問題の角度に対する良好な近似であることが分かってきている。
【００６１】
等式（２）および（４）から、
【００６２】
【数５】
2009535634.tif 000007
【００６３】
も示すことができる。
【００６４】
したがって、傾いた平面上に形成される縞は、目盛と同じ中心を有する放射状であることが分かる。
【００６５】
次にインデックスおよび目盛が再び同じピッチを有した、目盛上のわずかに異なる半径のところの第２のｕ、ｖ線を想像する。ｖを目盛２２から縞平面２４までの垂直距離として、かつｕをｖに等しく保つと、上記で概説した計算はやはりその通りに適用することができ、新たな点源は現行の縞を補強することになる。これは図４において破線４８および４９として示されている。
【００６６】
したがって、反射式放射状目盛から良好な縞鮮明度を生じさせるためには、インデックス格子および検出器平面が一致していることが分かる。同様に、所与の半径Ｒsのところで、このインデックス格子は、法線入射のところで目盛格子と同じ間隔を有する放射状格子を備えることが好ましい。そのような場合、格子平面は、コリメートされていない光源に対して最適な縞鮮明度を与えるために、目盛の中心に向かって傾く必要がある。
【００６７】
次に図５を参照すると、上記の教示による傾いた読取ヘッド１１４を有するロータリエンコーダが示されている。
【００６８】
この読取ヘッド１１４は、図１を参照して説明した型式の従来技術読取ヘッド１４と類似する構成部品を備える。しかしながら、この読取ヘッド１１４は、読取ヘッド検光子平面（ＡＰ）がロータリ目盛２０の回転中心１１２とほぼ交差するようにロータリ目盛２０に対してある角度（β）だけ傾いている。
【００６９】
この読取ヘッドがガラス窓４４を備えることを思い出されたい。空気より高い屈折率を有するそのような窓の影響は、最適な性能のために必要とされる読取ヘッドの傾き量を非常にわずかに変更させる。しかしながら、そのような窓の影響は通常最小限であり、良好な近似に対して無視することができる。所望の場合、最適傾きを計算するときこの窓に対応する光学モデル化を行うことができる。
【００７０】
したがって上記で説明した構成は、最適な（あるいは、最適に極めて近い）縞模様が検出器４２に届き、それによってロータリエンコーダが達成可能な位置的精度を最大にすることを確実にする。
【００７１】
図５に傾いた読取ヘッドが示されているが、検光子平面が読取ヘッドハウジングの外側表面に対して実際に傾いていることもできることは、再度強調されるべきである。そのような場合、この読取ヘッドハウジングは、関連する放射状目盛とより容易に位置合わせすることができる。
【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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【国際調査報告】
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