(57)【要約】開示された光学式エンコーダは、スケールとセンサヘッドとを備える。スケールは光学的要素を含む。センサヘッドは、光源と検出器アレイとインデックス検出器とを含み、これらの全ては基板上に配設される。スケールはセンサヘッドに対向して配設され、且つセンサヘッドに対し相対移動するために配設される。スケールとセンサヘッドの間の距離を選択して、検出器アレイをタルボット像形成平面付近に位置させる。光源は発散性光ビームを放射し、これはスケールに指向される。発散性光ビームからの光は格子によって回折されて検出器アレイに向かう。発散性光ビームからの光は光学的要素によって回折されてインデックス検出器に向かう。検出器アレイはスケールに対するセンサヘッドの位置の相対測定値を与える。インデックス検出器はスケールに対するセンサヘッドの位置の基準測定値を与える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａ．スケールと、
Ｂ．センサヘッドと
を備える光学式エンコーダであって、
前記スケールは、光学的格子と光学的要素とを含み、
前記センサヘッドは、光源と、検出器アレイと、インデックス検出器とを含み、これらの全ては基板上に配設され、
前記スケールは、前記センサヘッドに対向して配設され、且つ前記センサヘッドに対し相対移動するために配設され、
前記スケールと該スケールに最近接のタルボット像形成平面との間の距離は、ｄに等しく、
前記センサヘッドは、第１の平面と第２の平面によって制限される領域内に配設され、
前記第１の平面は、ｎ×ｄ＋ｄ×ｘにほぼ等しい距離だけ前記スケールから離され、
前記第２の平面は、ｎ×ｄ−ｄ×ｘにほぼ等しい距離だけ前記スケールから離され、ｎは整数であり、ｘは１／２以下であり、
前記光源は、発散性の光ビームを放射し、この発散性の光ビームは、前記スケールに指向され、
前記発散性の光ビームからの光は、前記格子によって回折されて前記検出器アレイに向かい、
前記発散性の光ビームからの光は、前記光学的要素によって回折されて前記インデックス検出器に向かい、
前記検出器アレイは、前記スケールに対する前記センサヘッドの位置の相対測定値を与え、
前記インデックス検出器は、前記スケールに対する前記センサヘッドの位置の基準測定値を与えるものであることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記基板は、トレンチを規定し、前記光源及び前記検出器アレイの少なくとも１つは、前記トレンチ内に配設されている請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記基板上に配設されたスペーサを更に備え、前記光源及び前記検出器アレイの少なくとも１つは、前記スペーサ上に配設されている請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記インデックス検出器は、中央光検出器と、左光検出器と、右光検出器とを含む請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項５】
ｘは０．２以下である請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項６】
ｘは０．１以下である請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項７】
Ａ．スケールと、
Ｂ．センサヘッドと、
Ｃ．前記スケールと前記センサヘッドとの間に配設されたマスクと
を備える光学式エンコーダであって、
前記スケールは、光学的格子と光学的要素とを含み、
前記センサヘッドは、光源と、検出器アレイとを含み、これらの双方は基板上に配設され、
前記スケールは、前記センサヘッドに対向して配設され、且つ前記センサヘッドに対し相対移動するために配設され、
前記スケールと該スケールに最近接のタルボット像形成平面との間の距離は、ｄに等しく、
前記センサヘッドは、第１の平面と第２の平面によって制限される領域内に配設され、
前記第１の平面は、ｎ×ｄ＋ｄ×ｘにほぼ等しい距離だけ前記スケールから離され、
前記第２の平面は、ｎ×ｄ−ｄ×ｘにほぼ等しい距離だけ前記スケールから離され、ｎは整数であり、ｘは１／２以下であり、
前記光源は、発散性の光ビームを放射し、この発散性の光ビームは、前記スケールに指向され、
前記発散性の光ビームからの光は、前記格子によって回折されて前記検出器アレイに向かい、
前記マスクは、開口を規定し、
前記マスクは、前記センサヘッドに対してほぼ固定的な状態を維持し、
前記開口は、前記格子から回折された５次ビームが前記検出器アレイに到達することをほぼ防止するようにサイズおよび位置が決定されたものであることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項８】
Ａ．スケールと、
Ｂ．センサヘッドと
を備える光学式エンコーダであって、
前記スケールは、光学的格子と光学的要素とを含み、
前記センサヘッドは、光源と、検出器アレイと、インデックス検出器とを含み、これらの全ては基板上に配設され、
前記スケールは、前記センサヘッドに対向して配設され、且つ前記センサヘッドに対し相対移動するために配設され、
前記光源は、発散性の光ビームを放射し、この発散性の光ビームは、前記スケールに指向され、
前記発散性の光ビームからの光は、前記格子によって回折されて前記検出器アレイに向かい、
前記発散性の光ビームからの光は、前記光学的要素によって回折されて前記インデックス検出器に向かい、
前記検出器アレイは、前記スケールに対する前記センサヘッドの位置の相対測定値を与え、
前記インデックス検出器は、前記スケールに対する前記センサヘッドの位置の基準測定値を与え、
前記インデックス検出器は、３つの光検出器からなることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項９】
前記インデックス検出器の前記３つの光検出器は、中央光検出器と、左光検出器と、右光検出器であり、前記３つの光検出器のそれぞれは、出力信号を発生する請求項８に記載のエンコーダ。
【請求項１０】
第１の信号を発生するための処理回路を更に備え、前記第１の信号は、前記中央光検出器によって発生された出力信号の２倍から前記左および右光検出器によって発生された出力信号の合計を引いた差を表している請求項９に記載のエンコーダ。
【請求項１１】
前記処理回路はまた、第２の信号を発生し、この第２の信号は、前記第１の信号の−１倍を表している請求項１０に記載のエンコーダ。
【請求項１２】
前記処理回路はまた、インデックス信号を発生し、このインデックス信号は、前記第１の信号が前記第２の信号にオフセット値を加算したものよりも大きいときに、第１の値に等しく、そうでない場合、前記第１の信号は、第２の値に等しい請求項１１に記載のエンコーダ。
【請求項１３】
前記中央光検出器は、１よりも多い光検出器からなる請求項９に記載のエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の参照］
この出願は、本発明の譲受人に譲り渡され、そして本願と同時代に出願された「高調波抑制光検出器アレイ」なる名称の共出願中の米国特許出願第６０／３１６，１２１号［代理人整理番号ＭＣＥ−０１８（１１１３９０−１４０）］に関連している。この出願は、ここにその全体を参照によって組み入れる。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、光学式エンコーダに関する。より具体的には、本発明は、改良された基準点光学式エンコーダに関する。
【０００３】
回折光学式エンコーダは、位置変位検知システムの分野で周知である。このような装置は、本発明の譲受人から、またいくつかの他の販社から市販されている。米国特許第５，５５９，６００号および５，６４６，７３０号は、既知の光学式エンコーダの例を記載している。
【０００４】
近年の傾向は、小型サイズの回折型エンコーダを開発することにある。米国特許第５，５５９，２２９号、５，６７１，０５２号および５，９９１，２４９号は、そのような小型サイズのエンコーダの例を開示している。一般に、そのような小型サイズのエンコーダを特徴付けるものは、準単色（またはほぼ単色）の固体照明源と、二値格子と、１以上の検出要素と、減少された数の追加的光学部品との使用である。
【０００５】
既知の小型サイズのエンコーダに関する１つの問題は、サイズ減少が一般にそれらの精度に負の影響を有する点である。従って、改良された精度によって特徴付けられる小型サイズの回折光学式エンコーダに対する要望がある。
【０００６】
［発明の開示］
これらのそして他の目的は、改良された回折光学式エンコーダによって与えられる。このエンコーダは、基準位置測定値を与えるためにインデックス検出器を備える。このインデックス検出器は、３セル構成を使用することによって実施できる。この発明はまた、インデックス検出器によって発生される信号を処理するためのアルゴリズムを提供する。この発明は更に、回折光学式エンコーダの精度を改良するための他の特徴を提供する。
【０００７】
本発明のさらに他の目的および利点は、以下の詳細な説明から当業者に容易に明らかとなる。ここでは、発明のベストモードを単に示すためのいくつかの実施形態が図示され、説明されている。以下で実現されるように、この発明は、他の異なる実施形態が可能であり、そのいくつかの詳細は、発明から逸脱することなく種々の点で全て修正可能である。従って、図面と説明は、請求の範囲に示された応用の範囲について、規制または制限的な感覚でなく、自然に示されたものとみなされるべきものである。
【０００８】
本発明の性質及び目的のより良い理解のために、添付の図面に関連してなされる以下の詳細な説明が参照されるべきである。図面において、同じ参照番号は、同じまたは同様の部分を示すことに使用される。
【０００９】
［好ましい実施形態の詳細な説明］
図１は、この発明により構成された回折光学式エンコーダ１００の斜視図である。図示のように、エンコーダ１００は、３つの基本的部品として、光電式アセンブリ即ちセンサヘッド１１０と、スケール１６０と、信号処理器１９０とを備える。
【００１０】
図２Ａは、エンコーダ１００の側面図である。図２Ｂは、図２Ａに示された線２Ｂ−２Ｂの方向に見たセンサヘッド１１０の図である。図２Ｃは、図２Ａに示された線２Ｃ−２Ｃの方向に見たスケール１６０の図である。図２Ｄは、図２Ａに示された線２Ｄ−２Ｄの方向に見たエンコーダ１００の端面図である。説明の便宜上、図２Ａ〜２Ｄに信号処理器１９０は示されていない。
【００１１】
図１および２Ａ〜２Ｄを参照すると、センサヘッド１１０は、光源１１２と、１次検出器アレイ１２０と、インデックス（即ち基準点）検出器１４０とを含む。図示のように、光源１１２と検出器１２０，１４０は全て共通の基板１１１上に搭載されている。１次検出器アレイ１２０とインデックス検出器１４０は、シリコンの単一片上に装備されることが好ましい。スケール１６０は、基板１６１を備え、その上に回折格子１６２と２つの回折光学要素（ＤＯＥ）とが搭載されている。スケール１６０とセンサヘッド１１０は、（図２Ｄに示されるように）固定距離ｄだけ離れて、概ね対向して配設されている。この結果、スケール１６０とセンサヘッド１１０は、図２Ａに示された矢印Ａ−Ａ方向に互いに相対的に移動することができる。動作時に、エンコーダ１００は、センサヘッド１１０に対するスケール１６０の（矢印Ａ−Ａの方向の）相対移動をモニタして、センサヘッド１１０に対するスケール１６０の相対位置を表す信号を発生する。
【００１２】
動作時に、光源１１２は、拡張性、即ち発散性の光のコーン（円錐）１０２を放射する。光源１１２は、準単色（またはほぼ単色）の光源であって、垂直空洞表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）を使用して実施できることが好ましい。図１に示すように、センサヘッド１１０とスケール１６０は好ましく配設されているので、光コーン１０２は、スケール１６０に到達するときに、格子１６２の一部やＤＯＥ１６６の１つに十分に広く入射する。光コーン１０２の幾分かは、スケール１６０を通して伝播し、スケール１６０によって回折される。この光は、センサヘッド１１０に戻らないことが好ましい。コーン１０２内の光の幾分かはまた、反射され、回折されてセンサヘッド１１０に戻される。センサヘッド１１０とスケール１６０が好ましく構成されているので、（１）格子１６２で回折されてセンサヘッド１１０に戻される光は、一次的に検出器アレイ１２０に入射し、また（２）ＤＯＥ１６６で回折されてセンサヘッド１１０に戻される光は、一次的にインデックス検出器１４０に入射する。以下で更に詳細に説明されるように、検出器アレイ１２０に入射する光によって、エンコーダ１００は、スケール１６０に対するセンサヘッド１１０の位置の相対測定値を与えることができる。これに対し、インデックス検出器１４０に入射する光によって、エンコーダ１００は、スケール１６０に対するセンサヘッド１１０の位置のインデックス点測定値（即ち、基準点測定値）を与えることができる。
【００１３】
図３Ａ，３Ｂおよび３Ｃは、スケール１６０を更に詳細に示している。具体的には、図３Ｂおよび３Ｃは、図３Ａに示された領域３１０の拡大図である。スケール１６０は、ガラス様の基板１６１上に形成されることが好ましい。格子１６２は、図３Ｂに示すように、光反射性ストライプ１６４と光透過性ストライプ１６３を交互に備える。光反射性ストライプ１６４は、高度に反射性の素材で基板１６１の領域を被覆することによって形成されることが好ましい。この実施形態では、光透過性ストライプ１６３は、単に基板１６１を被覆しないでおくことによって形成されている。透過性ストライプの代わりに、光吸収性ストライプを使用することもできる。図３Ｃに示すように、もう１つの実施形態では、ストライプを全て反射性とし、ストライプを交互に異なる深さに配設することができる。図３Ｂに示すタイプの格子１６２は、「振幅格子」として知られている。図３Ｃに示すタイプの格子１６２は、「位相格子」として知られている。
【００１４】
格子１６２が図３Ｂまたは３Ｃのいずれに示すように実施されているかとは関係なく、各ストライプは、その短辺がスケールの変位方向と平行（即ち、図１の矢印Ａ−Ａと平行）に指向された細い矩形であることが好ましい。ストライプの中心間隔（即ち、図３Ｂおよび３Ｃに示されているように、ストライプの間隔の左端から左端まで）は、格子１６２の周期Ｐを規定する。ストライプは等しく離れていることが好ましい。また、各ストライプの短辺は、格子１６２の周期Ｐの１／２にほぼ等しいことが好ましい。所望のシステム性能に依存して、周期Ｐは典型的には５〜４０ミクロンの範囲にあり、２０ミクロンが好ましい値である。スケールは、両面の露出したガラス領域に反射防止被覆が施されていることが理想的である。
【００１５】
図１に戻ると、格子１６２は、コーン１０２からの光を、センサヘッド１１０に向かって指向された複数の光のコーンに回折する。図２Ａに示されたものと同じ方位にあるエンコーダ１００を示す図４は、格子１６２によって回折されてセンサヘッドに向かう光のコーン１０３のいくつかを示している。回折された光のコーン１０３は互いに光学的に干渉して、スケール１６０とセンサヘッド１１０との間の空間に、複合的な縞様パターンを発生する。
【００１６】
図５は、格子１６２からの異なる距離において回折光コーン１０３間の干渉によって形成された縞パターンの強度を示している。図示のように、格子１６２からの距離ｄ２およびｄ４において光コーン１０３間の干渉によって形成された光学的縞パターンは、比較的高コントラストの周期性パターンである。逆に、格子１６２からの距離ｄ１およびｄ３において光コーン１０３間の干渉によって形成された光学的縞パターンは、比較的低コントラストである。格子１６２からの距離ｄ２およびｄ４における平面は、自己像形成平面、または「タルボット像形成平面」と呼ばれる。これらのタルボット像形成平面では、回折された光の発散性コーンは、それらが格子において有する同じ相対位相と組み合わされて、本質的に格子１６２自身の像を形成する。米国特許第５，９９１，２４９号で概ね論議されているように、これらの高コントラスト像形成平面は、規則正しく起こり、そして格子といずれかの像形成平面との間の距離は、下式（１）によって計算される。
【００１７】
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【００１８】
式（１）において、ｚ０は光源１１２と格子１１６との間の距離に等しく、ｚ１は格子１６２とタルボット自己像平面との間の距離に等しく、Ｎは整数であり、Ｐは格子の周期であり、λは光源１１２によって放射される光の波長である。
【００１９】
図５に示すように、（スケールからの距離ｄ２における）第１のタルボット平面は、（スケールからの距離ｄ４における）第２のタルボット平面に対し１８０度位相がずれている。一般に、隣接するタルボット平面は、互いに１８０度位相がずれている。隣接するタルボット平面間のこの１８０度位相ずれに対する理由は、偶数平面（即ち、Ｎが偶数であるタルボット平面）では、全ての次数の回折光はそれらが格子で有する同じ相対位相と組み合わされるのに対し、奇数平面（即ち、Ｎが奇数であるタルボット平面）では、０次が１８０度位相ずれし、また全ての他の次数はそれらが格子で有する同じ相対位相と組み合わされるためである。
【００２０】
ここで留意されるべき点は、図５に示されたパターンは、０次ビームがそのパターンに貢献した時（例えば、縞パターンが、他の高次の回折ビームと同様に、０次、＋１次、−１次間の干渉によって形成される時）の縞パターンの特徴であるということである。０次ビームが消去される場合、縞パターンは図５に示されたものとは有意に異なるように見える。１／２波長遅延のある位相格子の場合、低コントラストの平面はタルボット像形成平面であり、また高コントラストの平面はタルボット像形成平面の間にある。高コントラストの領域内では、振幅格子でのように、縞パターンが元の格子の像として現れることはない。むしろ、位相格子の縞パターンは、一般に図５のタルボット平面に示された周期の１／２の周期をもつ成分によって通常は支配される高調波成分の複雑な組み合わせである。振幅格子でのように、位相格子からの縞パターンの周期は、スケールからの距離に比例して増加する。一般に、位相格子からの縞パターンが最小調波歪みおよび／または雑音を呈する平面を予測することは困難である。
【００２１】
従って、０次ビームの消去は、エンコーダによってモニタされる周期性信号の劣化を引き起こすものとみなされる。しかしながら、それでも有利なことは、少なくとも以下の理由に対して０次ビームが消去されたエンコーダを構成することである。即ち、実際的なこととして、本発明の設計のエンコーダでは、高い回折次数は伝播によって速やかに濾過され、そして結果として得られる縞パターンはしばしば純粋なシヌソイド形状に近い。
【００２２】
上述した位相格子の利点にもかかわらず、この発明にとって好ましい格子は、振幅格子である。（図３Ｂに示される）振幅格子は、（図３Ｃに示される）位相格子よりも幅広く商業的に利用可能である。それ故、振幅格子を使用するエンコーダの設計は、さほど高価でなく、しかもスケールの捕捉が容易であるという利点がある。しかしながら、振幅格子の使用は、０次ビームの存在を意味する。０次ビームが存在するエンコーダの設計は、以下で論じられる。
【００２３】
この発明により構成されたエンコーダでは、センサヘッド１１０とスケール１６０は好ましく配設されているので、検出器アレイ１２０は、タルボット像形成平面の１つに位置する（即ち、上式（１）によって計算されるように、スケールと検出器アレイの検知表面との間の距離がｚ１に等しくなる）。図２Ａおよび２Ｄから明らかなように、この発明により構成されたエンコーダでは、光源１１２の上部発光面が、検出器アレイ１２０の上部（即ち検知）表面とほぼ共平面であることが好ましい。それ故、この発明により構成されたエンコーダでは、距離ｚ０は距離ｚ１にほぼ等しい。ｚ０がｚ１に等しい場合、上式（１）は下式（２）に簡略化される。
【００２４】
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【００２５】
それ故、検出器アレイ１２０がタルボット像形成平面の１つに配設されることを確実にするために、この発明により構成されたエンコーダでは、（図２Ｄに示すように）センサヘッド１１０とスケール１６０との間の距離ｄが好ましく調整され、式（２）によってＮの整数値について計算されるように、スケール１６０と検出器アレイ１２０との間の隔離距離はほぼｚ０に等しくなる。しかしながら、スケール１６０と検出器アレイ１２０との間の実際の距離を確実にｚ０に等しくすることはほぼ不可能であるので、この距離は好ましく選択され、検出器アレイ１２０の検知表面がタルボット平面の１つに近い領域内に位置するようにする。この領域の所望サイズが以下で論じられる。
【００２６】
図５に示すように、スケールと第１タルボット平面との間の距離はｄ２である。また、スケールと第ｎタルボット平面との間の距離はｎｄ２（即ち、ｄ２のｎ倍）である。検出器アレイを第ｎタルボット平面に配置することが望まれる場合、スケールと検出器アレイとの間の距離はｎｄ２＋または−０．５ｄ２に等しいことが好ましい。それ故、例えば、検出器アレイを第３タルボット平面に配置することが望まれる場合、検出器アレイは、スケールから２．５ｄ２離れた位置とスケールから３．５ｄ２離れた位置との間の領域内に配置されるべきである。この例を続けると、スケールと検出器アレイとの間の距離が３．０ｄ２に等しい場合、検出器アレイは確実に第３タルボット平面に位置することになる。この距離が３．０ｄ２よりも僅かに大きいか小さい場合、縞パターンのコントラストは最適よりも僅かに小さくなり、またエンコーダの精度はそれに対応して僅かに低減される。検出器アレイが所望の位置３．０ｄ２から遠くへ移動されると、縞パターンのコントラストは低減され続け、やがて距離２．５ｄ２または３．５ｄ２で最小値に達する（即ち、コントラストは、これらの位置で最小値になる。これは、タルボット平面が最小コントラストによって特徴付けられた等間隔平面によって分離されているからである）。タルボット平面が最小コントラストの等間隔平面によって分離されているので、ｎｄ２＋または−０．５ｄ２は、検出器アレイが配置されるべき領域の最大サイズを示すことになる。検出器アレイがスケールからｎｄ２＋または−０．５ｄ２離れた位置に配置される場合、エンコーダの性能は増加する。検出器アレイがスケールからｎｄ２＋または−０．１ｄ２離れた位置に配置される場合に、エンコーダの性能はさらに増加する。より一般的には、検出器アレイ１２０は、２つの平面、即ちスケールからｎｄ２＋ｘｄ２離れた第１平面と、スケールからｎｄ２−ｘｄ２離れた第２平面とによって制限された領域内に位置することが好ましい。ここで、ｘは１／２以下である。好ましいｘの値は０．２であり、より好ましいｘの値は０．１である。
【００２７】
上述したように、０次ビームが消去される場合は、検出器アレイとスケールとの間隔に関係なく、高コントラストの縞パターンが検出器アレイに入射する。従って、０次ビームをほぼ消去する位相格子（図３Ｃに示される）を有したスケール１６０を使用して、検出器アレイとスケールとの間隔について先に論じられた制限を緩和するは有利である。そのような実施形態では、上側ストライプと下側ストライプとの距離（または下側ストライプの深さ）は、光源１１２によって発生される光の１／４波長のＮ倍にほぼ等しいことが好ましい。ここでＮは奇数である。そのような位相格子を使用するもう１つの利点は、それが光学的縞パターンの周期を２の係数で低減し、これによりエンコーダの分解能を２の係数で潜在的に増加する点である。この代わりに、０次ビームが存在する位相格子を使用してエンコーダを製造することが望まれる場合は、上側ストライプと下側ストライプとの距離は、（Ｎ＋ｘ）×（光源１１２によって発生される光の波長の１／４）に等しいことが好ましい。ここでＮは奇数であり、またｘは１／２未満の小さい数である。
【００２８】
図５に示すように、干渉縞は周期的であって、周期Ｔによって特徴付けられる。格子１６２は拡張する光のコーンによって照明されるので、縞の周期Ｔは一般に下式（３）によって示されるように、格子からの距離の関数となる。
【００２９】
2005526951.tif 000005
【００３０】
式（３）において、ｚ０は光源１１２とスケール１６０との間の光路長であり、ｚ１はスケールと検出器アレイ１２０との間の光路長であり、Ｐは格子の周期であり、ｅは光源１１２と検出器アレイ１２０との間のオフセット（即ち、ｚ０とｚ１との間の差）であり、Ｋはスケール係数である。
【００３１】
式（３）から判るように、光源と格子との間の距離（ｚ０）が検出器アレイと格子との間の距離（ｚ１）に等しい特別な場合には（即ち、ｅ＝０）、スケール係数Ｋは２となり、それ故干渉縞の周期Ｔは常に格子の周期Ｐの２倍も大きな一定値に等しい（即ち、Ｔ＝２Ｐ）。上述したように、光源１１２の上部発光面が検出器アレイ１２０とほぼ共平面であることが好ましいので、この発明により構成されたエンコーダでは、光源と格子との間の距離（ｚ０）は、格子と検出器アレイとの間の距離（ｚ１）にほぼ等しい。従って、エンコーダ１００では、検出器アレイ１２０に入射する縞の周期Ｔは常に定数２Ｐにほぼ等しい。
【００３２】
動作時に、スケール１６０がセンサヘッド１１０に対して図２Ａに示された矢印Ａ−Ａ方向に相対移動すると、検出器アレイ１２０に入射する縞パターンは、検出器アレイ１２０を矢印Ａ−Ａ方向に横切って移動する。検出器アレイを横切る入射縞パターンの移動は、入射縞パターンと検出器アレイとの間の位相角の変化と等価である。検出器アレイ１２０とそれに関連した信号処理器１９０とはこの位相角をモニタし、それによってスケール１６０に対するセンサヘッド１１０の相対位置をモニタする。
【００３３】
検出器アレイは、検出器アレイと該検出器アレイに入射した縞パターンとの間の位相角の測定を容易にするように構成された複数の光検出器のアレイとして構築されることが好ましい。参照によって組み込まれた「高調波抑制光検出器アレイ」なる名称の共出願中の米国特許出願第６０／３１６，１２１号［代理人整理番号ＭＣＥ−０１８（１１１３９０−１４０）］は、検出器アレイ１２０の実施に使用され得るいくつかの検出器アレイを開示している。しかしながら、アレイと入射縞パターンとの間の位相角の測定を可能にする検出器アレイであれば、如何なるものでも検出器アレイ１２０の実施に使用され得る。検出器アレイ１２０によって発生された出力信号は信号処理器１９０に入力される。信号処理器１９０は検出器アレイ１２０と該アレイ１２０に入射した縞パターンとの間の位相角を表す出力信号を発生することが好ましい。
【００３４】
図６は図２Ｂに示された図と同様にセンサヘッド１１０の上面を示す図であるが、図６は追加された詳細を示している。図示のように、検出器アレイ１２０は、それぞれが線Ｌ−Ｌ方向に（即ち、光検出器の長さ方向に沿って）延びた長軸と、線Ｗ−Ｗ方向に（即ち、光検出器の幅方向に沿って）延びた短軸とを有する複数の矩形光検出器を含んでいる。検出器アレイ１２０は、４ビン・アルゴリズムで使用されるために構成されていることが好ましい。従って、アレイ中の光検出器は、４つのボンディングパッド１２１に電気的に接続されていることが好ましい。処理回路１９０（図示せず）は、ボンディングパッド１２１に電気的に接続されている。これは、アレイ１２０のモニタを可能にするためである。光源１１２は、２つのボンディングパッド１１３に電気的に接続され、そしてそこに印加される電気的信号よって制御されることが好ましい。ＶＣＳＥＬ１１２の開口１１４もまた図６に示されている。ＶＣＳＥＬによって放射された全ての光は、この開口を通過する。
【００３５】
これもまた図６に示されているように、インデックス検出器１４０は、中央光検出器１４２と、この中央光検出器１４２の両側に配設された２つの端部光検出器１４４とを含む３セル構成で実施されることが好ましい。中央光検出器１４２は、ボンディングパッド１４３に電気的に接続されている。端部光検出器１４４のそれぞれは、ボンディングパッド１４５に電気的に接続されている。処理回路１９０（図６には示されていない）は、ボンディングパッド１４３，１４５に電気的に接続されている。これは、インデックス検出器１４０のモニタを可能にするためである。中央光検出器１４２は光源１１２と好ましく整列されているので、開口１１４から線Ｌ−Ｌと平行に延びた線は中央光検出器１４２を二分する。
【００３６】
図１を参照すると、光源１１２から放射された発散性光コーン１０２がＤＯＥ１６６を照明しているように示されている。ここで認められるべき点は、スケール１６０とセンサヘッド１１０の一方が他方に対して図２Ａに示された矢印Ａ−Ａ方向に移動されるときに、ＤＯＥ１６６が光コーン１０２に出入りするということである。ＤＯＥ１６６が光コーン１０２によって照明されているときに、ＤＯＥ１６６はコーン１０２からの光をインデックス検出器１４０へ向けて回折する。ＤＯＥ１６６はアナモルフィックゾーン板レンズを使用して実施されることが好ましい。ＤＯＥ１６６は、光コーン１０２によって照明されているときに、光源１１２の「線像」を発生することが好ましい。即ち、ＤＯＥ１６６は、「光の線」を回折してインデックス検出器１４０に戻すことが好ましい。ＤＯＥ１６６によって発生され、センサヘッド１１０に入射した線像は、図６に示す線Ｌ−Ｌとほぼ平行であることが好ましい。
【００３７】
明瞭にするために、１つのＤＯＥ１６６だけが図１のスケール１６０に示されている。しかしながら、図２Ｃおよび３Ａに示されているように、スケール１６０は、格子１６２の両側に配設された２つのＤＯＥ１６６を含むことができる。スケール１６０に到達する光のコーン１０２は、格子１６２の一部とＤＯＥ１６６の１つを照明するに十分な大きさであることが好ましい。しかしながら、２つのＤＯＥ１６６がスケール１６０に含まれる場合、スケール１６０とセンサヘッド１１０は、エンコーダ１００を形成するときの方位に関係なく組み立てられる。即ち、スケール１６０が２つのＤＯＥ１６６を含む場合は、スケール１６０が正しく設置されているか逆さまに設置されているかに関係なく、ＤＯＥ１６６の１つは光コーン１０２によって照明される。スケール１６０は、対称的に配設されていない２つのＤＯＥ１６６を含むこともできる（例えば、１つのＤＯＥはスケールの中心付近に配設され、もう１つのＤＯＥはスケールの端部付近に配設されている）。
【００３８】
動作時にスケール１６０とセンサヘッド１１０の一方は他方に対して（図２Ａに示された矢印Ａ−Ａ方向に）移動させられるので、ＤＯＥ１６６によって発生された線像はインデックス検出器１４０を横切るように掃引する。スケール１６０がセンサヘッド１１０に対して矢印Ａ−Ａ方向に距離Ｄだけ移動すると、ＤＯＥ１６６によって発生された線像はＫＤに等しい距離だけセンサヘッド１１０を横切って移動する。ここで、Ｋは式（３）からのスケール係数である。それ故、ｅが０である場合（即ち、式（３）に記述されているようにＺ０がＺ１に等しい場合）については、スケール１６０がセンサヘッド１１０に対して変位させられているので、ＤＯＥ１６６によって発生された線像は、スケールが移動する速度の２倍の速度で、センサヘッド１１０を横切るように移動する。ＤＯＥ１６６によって発生された線像は、ＤＯＥ１６６が直接光源１１２を超える時（即ち、エンコーダが図１に示すように構成される時）にのみ、インデックス検出器１４０の中央光検出器１４２に中心をもつ。処理回路１９０は、インデックス検出器１４０に入射する光を表す出力信号を発生する。この出力信号はインデックス信号と呼ばれることもある。このインデックス信号は、ＤＯＥ１６６によって発生された線像がインデックス検出器１４０を横切って掃引する毎のパルスによって特徴付けられることが好ましい。ここで認められるべき点は、そのようなパルスが、スケール１６０とセンサヘッド１１０の相対方位のインデックス点（即ち基準点）測定値を与えるということである。検出器アレイ１２０によって発生される、スケール１６０とセンサヘッド１１０との間の距離または変位の測定値は、相対測定値である。これは、アレイ１２０に入射した縞パターンが周期的信号であるからである。しかしながら、ＤＯＥ１６６によって発生された線像は、光源１２０とＤＯＥ１６６とインデックス検出器１４０が全て１つの特別な方位にあるときにのみ、インデックス検出器１４０に入射する。これ故に、インデックス信号は、基準測定値を与えるのである。
【００３９】
処理回路１９０は、種々のアルゴリズムを使用してインデックス信号を発生する。インデックス検出器１４０によって発生される出力信号は、光源の強度変化や、迷光や、センサヘッド１１０とスケール１６０の不整合によって変化することがあるが、処理回路１９０は、このような変化に反応しないアルゴリズムを使用することが好ましい。このインデックス信号は、ＤＯＥ１６６によって回折された線像がインデックス検出器１４０を横切って掃引する毎のパルスによって特徴付けられる。このパルスの幅は、格子１６２の周期Ｐにほぼ等しいことが好ましい。そのようなパルス幅によって、このパルスは、格子１６２によって発生されたパターンの単一縞を独特に識別するか、それに対応することができる。１つの好ましい実施形態では、（図６に示された線Ｗ−Ｗの方向に測定されたように）中央光検出器１４２の幅は、格子１６２の周期Ｐの２倍にほぼ等しい。この実施形態では、インデックス信号は、ＤＯＥ１６６によって発生された線像の中心が中央光検出器１４２に入射するときはいつでも高いことが好ましく、また他の全ての時は低いことが好ましい。
【００４０】
図７は、線像７００が矢印７０２によって示されるようにアレイを左から右へ横切って移動するときに、インデックス検出器１４０によって発生される出力信号の一般的な形状を示している。曲線Ａは、線像７００が光検出器上を移動するときに、左端光検出器１４４によって発生される出力信号の形状を示している。曲線Ｂは、線像７００が光検出器上を移動するときに、中央光検出器１４２によって発生される出力信号の形状を示している。最後に、曲線Ｃは、線像７００が光検出器上を移動するときに、右端光検出器１４４によって発生される出力信号の形状を示している。未処理の出力信号Ａ，Ｂ，Ｃからインデックス信号を発生するための１つの好ましい方法は、処理回路１９０が下式（４）に従って信号Ｓ１およびＳ２を発生することである。
【００４１】
2005526951.tif 000006
【００４２】
図７はまた、図７に示された未処理信号Ａ，Ｂ，Ｃから式（４）に従って発生された信号Ｓ１およびＳ２を示している。式（４）から明らかな点は、両信号Ｓ１およびＳ２が迷光とは無関係であるということである。これは、インデックス検出器１４０の３つ全ての光検出器に入射する光が減算されるか、Ｓ１およびＳ２に貢献しないためである。
【００４３】
図示のように、信号Ｓ１は一般に、線像７００の中心が中央光検出器１４２に入射したときに、正のピークを有する。加えて、信号Ｓ１は、線像における固有の回折効果をトレース可能な多数のサイドローブまたはリンギングを有する。同様に、信号Ｓ２は一般に、線像７００の中心が中央光検出器１４２に入射したときの負のピークと、線像における回折効果からの多数のサイドローブを有する。信号Ｓ１およびＳ２からインデックス信号(index signal)を発生するための１つの好ましい方法が下式（５）に示されている。
【００４４】
2005526951.tif 000007
【００４５】
式（５）において、Ｏは一定のオフセットであり、これはＳ１およびＳ２中の予測サイドローブピークよりも大きいことが好ましく、またＳ１の最小予測最大値よりも小さいことが好ましい。
【００４６】
図７はまた、式（５）によって発生されるインデックス信号(INDEX SIGNAL)を示している。図示のように、このインデックス信号は、ＤＯＥ１６６によって発生される線像の中心が中央光検出器１４２に入射するときに、１または高い値であり、他の全ての時に０または低い値であるという所望の特徴を有する。そのようなインデックス信号は、ＤＯＥ１６６によって発生される線像がインデックス検出器１４０を横切って掃引する毎のパルスによって特徴付けられる。
【００４７】
式（５）の使用はインデックス信号を発生する好ましい方法ではあるが、ここで認められるべき点は、他の方法も同様に使用できるということである。例えば、信号Ｓ１が一定の選択値よりも大きいときはいつでも、インデックス信号を単純に高い値に設定することができる。
【００４８】
端部光検出器１４４の幅は、中央光検出器１４２の幅と等しいことが好ましい。このことにより、迷光が信号Ｓ１およびＳ２に確実に貢献しなくなる。しかしながら、ここで認められるべき点は、他の実施形態では、端部光検出器１４４の幅が中央光検出器１４２の幅と異なることができる。中央光検出器１４２と異なる幅の端部光検出器１４４を使用する１つの利点は、そのような構成が、線像の回折効果を平均化することによって、信号Ｓ１およびＳ２のサイドローブを減少できる点にある。また検出器の幅や間隔を調整すると、端部光検出器からの信号のリンギングを中央光検出器からの信号のリンギングと相殺することが可能になる。このような方法が使用される場合、式（４）中の未処理信号の重み付けは、信号Ｓ１およびＳ２が依然として迷光に反応しないように、変更されることが好ましい。更に異なる実施形態では、インデックス検出器１４０は、中央光検出器１４２だけを使用することによって、かつ端部光検出器１４４を省略することによって、構成できる。しかしながら、このような方法は好ましいものではない。何故ならば、結果として生ずるインデックス信号が余りにも雑音や不整合に反応しやすくなるからである。
【００４９】
図８はインデックス検出器１４０の別の実施形態を示している。この実施形態では、検出器１４０は２つの２セル検出器１４０Ａおよび１４０Ｂを含む。２セル１４０Ａは、中央検出器１４２と、左端検出器１４４とを有する。２セル１４０Ｂは、中央検出器１４２と、左端検出器１４４とを有する。２つの２セルは好ましく位置決めされているので、光源１２０から線Ｌ−Ｌ方向に延びる線は、図６に示すように、両２セル１４０Ａおよび１４０Ｂの中央検出器１４２を二分する。ここで認められるべき点は、２セル１４０Ａ，１４０Ｂを使用して上式（４）に従って信号Ｓ１およびＳ２が簡単に発生されるということである。例えば、２つの中央検出器１４２によって発生された出力信号を加算し、そしてその和から２つの端部検出器１４４によって発生された出力信号を減算することによって、信号Ｓ１は単純に発生される。
【００５０】
図９は、この発明により構成された回折光学式エンコーダ１００の好ましい実施形態の端面図である。図９は、図２Ａに示された線２Ｄ−２Ｄの方向に見たエンコーダ１００の図を示している。図２Ｄと図９との主な違いは、図９ではセンサヘッド１１０が格子１６０に対して（ほぼ平行である代わりに）傾いて示されている点である。より具体的には、センサヘッド１１０は、スケール１６０の移動方向にほぼ平行な（即ち、図２Ａに示された線２Ａ−２Ａに平行な）軸を中心として傾いている。エンコーダ１００の好ましい実施形態は、図９に示された傾斜を含む。図９に示すようにセンサヘッド１１０をスケール１６０に対して傾けると、少なくとも２つの利点が与えられる。第１に、その傾きは、スケール１６０から反射されて光源１２０に戻る光の量を減少させる。第２に、その傾きは、検出器アレイ１２０およびインデックス検出器１４０に達する光の量を増加させ、かつバランスさせる。
【００５１】
一般に、スケールから反射された光が光源１１２に入ることは望ましいことではない。第１に、好ましいＶＣＳＥＬ光源でさえも、レーザ発振媒体に再び入る反射光によって悪い影響を受ける。第２に、レーザの放射面が幾分か反射性であるので、この面に達する光はスケール１６０に向けて反射される。この複合的に反射および／または回折された迷光は、適切に制御されていなければ、検出信号に外来成分を生じる。本発明では、光電平面とスケールとの間の意図的な傾斜が、これら外来ビームを検出器から遠ざけるように選択されている。図９に示すようにスケールに対してセンサヘッド１１０を傾けると、効果的に（１）スケールから反射された光が光源１１２に再入射することを防止するか、そのような光の量を有意に減少させ、また（２）光源から反射された光が検出器に達しないようにすることを確実にするか、そのような光の量を有意に減少させる。
【００５２】
センサヘッド１１０とスケール１６０の間に傾斜を導入する第２の機能は、検出器に到達する光のレベルを増加し、バランスさせることである。センサヘッド１１０は傾いていて、鏡面反射した光のコーンのピーク強度を検出器アレイ１２０とインデックス検出器１４０とのほぼ中間に位置させることが好ましい。このことにより、２つの検出器領域１２０，１４０に入射する光の量は最大化される一方で、両領域上の光強度の低下は最小化される。
【００５３】
上述したように、光源１１２とスケール１６０との間の光路長が、スケール１６０と検出器アレイ１２０との間の光路長にほぼ等しくなるように、エンコーダ１００を構成することは有利である。そのようにすることで、検出器アレイ１２０に入射する縞パターンの周期は、センサヘッド１１０とスケール１６０との間の距離と確実に無関係になる。光源１１２が（図１に示されるように）、センサヘッド１１０の平面に直交した方向に光を放射するＶＣＳＥＬとして実施される時、検出器アレイ１２０の上面を光源１１２の放射面と共平面にすることによって、これらの光路長を等しくすることが達成できる。しかしながら、光源と光検出器はそれぞれ特別な厚みによって典型的に特徴付けられるので、実際にこれらの表面を共平面にすることは難しい。
【００５４】
図１０Ａは、これらの表面を共平面にするための１つの技術を示している。図１０Ａに示されるように、トレンチ９００がセンサヘッド１１０の基板１１１中にエッチングによって形成されている。検出器アレイ１２０の光検出器か光源１１２のいずれかが、トレンチ９００内にボックス９１０で示されるように配設される。ここで認められるべき点は、そのようなトレンチを使用すると、検出器アレイ１２０と光源１１２の厚さの差を補償できるということである。トレンチ９００のようなトレンチは、基板１１１を機械加工することによって、あるいはフォトリソグラフィ技術を使用することによって設けられる。
【００５５】
図１０Ｂは、これらの表面を共平面にするためのもう１つの技術を示している。図１０Ｂに示されるように、スペーサ９１２がセンサヘッド１１２の基板１１１の上面に配設されている。ボックス９１０で示されるように、検出器アレイ１２０の光検出器か光源１１２のいずれかが、そのようなスペーサ上に配設される。所望厚みのスペーサ１１２のようなスペーサは、基板１１１上に、例えば材料体積によって形成されるか、予め形成されたスペーサを基板１１１の上面に接着することによって形成される。
【００５６】
図１０Ｃおよび１０Ｄは、ＶＣＳＥＬの代わりにエッジ放射レーザダイオードを使用して、如何にして光源１１２が実施できるかを示している。それらはまた、光源１１２とスケール１６０の間の光路長を、スケール１６０と検出器アレイ１２０の間の光路長に等しくするための他の戦略を示している。図１０Ｃでは、光源１１２は、センサヘッド１１０の上面に基本的に平行な方向に光を放射するエッジ放射レーザダイオードを使用して実施されている。この実施形態では、センサヘッド１１０はまた、光源１１２の光路に配設された反射ミラー９２０を含んでいる。ミラー９２０は、光源１１２によって放射された光のコーンを、スケール（図示せず）に向けて上向きに反射する。図１０Ｄでも、光源１１２はエッジ放射レーザダイオードを使用して実施されている。この実施形態の光源は、センサヘッド１１０の基板１１１に設けられたトレンチ９００内に配設されている。トレンチ９００の１つのエッジ９０３は反射性に形成されている。このため、エッジ９０３は、光源１１２によって放射された光のコーンを、スケール（図示せず）に向けて上向きに反射する。ここで認められるべき点は、ミラー９２０や反射性エッジ９０３は、米国特許第６，１８８，０６２号に開示されているように、反射性プリズムやエッチングされた折り畳みミラーを使用して実施できるということである。図１０Ｃおよび１０Ｄに示された配置はそれぞれ、光源１１２とスケールとの間の光路長に影響を与える。ここで認められるべき点は、そのような配置は、光源１１２とスケールの間の光路長をスケールと検出器アレイ１２０の間の光路長に等しくすることに使用できるということである。
【００５７】
この代わりに、光源１１２とスケール１６０の間の光路（Ｚ０）をスケール１６０と検出器アレイ１２０の間の光路（Ｚ１）に等しくするための図１０Ａ〜１０Ｄで示唆されたトレンチやスペーサを使用するコストを回避するために、等しい光路長を有する概念と、スケールと検出器アレイとの間の距離とは無関係な縞周期とを放棄することができる。そのような場合、検出器アレイ１２０に入射した縞の周期Ｔは、格子の周期Ｐと比例し、そして上式（３）によって与えられる。そのようなエンコーダを設計するときに、スケールと検出器アレイとの間のスケール係数を校正すること、並びにそのエンコーダを最適化することが望ましい。
【００５８】
理想的な場合、即ちｚ０とｚ１が等しく、かつ他の不整合がない場合には、エンコーダのスケール係数はほぼ２に等しい（即ち、検出器アレイに入射した縞の周期Ｔが格子の周期Ｐの２倍に等しいので）。しかしながら、実際には、この発明によって構成された光学式エンコーダに関連する実際のスケール係数は、確実に等しくではないが、２に近づく傾向がある。一般にスケール係数が確実に２に等しくはならない理由は、十分正確に成分を測定すること、並びにｚ０を確実にｚ１に等しくするに十分精密にスペーサ／トレンチを製造することが困難だからである。また不整合のような他の要因もスケール係数を理想値の２から変動させることに貢献する。最後に、光学式エンコーダにとって好ましいスケール係数は、縞または検出器周期の実際の値に直接関係することなく、最高精度の性能を与えるものである。
【００５９】
この基準（最良の精度）を与えることによって、この発明によって構成された光学式エンコーダのスケール係数を決定し、そして測定されたスケール係数の観点からそのエンコーダを校正するための好ましい方法が論ぜられる。校正センサヘッドと校正スケールが製造されることが好ましい。しかしながら、校正スケールは、ほぼ均一な周期によって特徴付けられるのでなく、むしろ格子１６２と同様の校正格子を有する（格子１６２がそうであることが好ましいように）。この校正格子はいくつかの異なる区分を有し、各区分は独特な周期によって特徴付けられる。１つの区分は設計周期Ｐで製造されている（例えば、Ｐは２０ミクロンに等しい）。他の区分は、Ｐから僅かにずれた周期によって特徴付けられる。校正格子の種々の区分は、Ｐの約０．５％に相当する漸増ステップでＰの回りの周期範囲に広がっていることが好ましい。即ち、種々の区分は、約Ｐ、０．９９５Ｐ、１．００５Ｐ、０．９９０Ｐ等である周期を有する。本発明者は、+/-３％の周期の範囲が典型的に最適周期を含んでいることを観察している。勿論、当業者には明らかなように、最良性能がその範囲の端点で観察される場合は、より広い範囲となる新たな校正格子が製造されるべきである。校正の種々の区分は、共通基板上に空間的に分布され、かつ容易な識別と選択のために分離されているべきである。使用と整合を容易にするために、種々の区分の軸は平行となるべきである。校正センサヘッドは、設計点２Ｐにほぼ等しい周期Ｔのアレイに入射した縞パターンの位相角を測定するために、（例えば、「高調波抑制光検出器アレイ」なる名称の米国特許出願第６０／３１６，１２１号［代理人整理番号ＭＣＥ−０１８（１１１３９０−１４０）］に記載されている方法の１つを使用して）好ましく構成された校正検出器アレイを含んでいる。校正センサヘッドと校正スケールは、校正エンコーダを形成するように構成される（例えば、図２Ａ〜２Ｄに示されるように）。
【００６０】
校正エンコーダのエンコーダスケール係数が正確に２に等しい場合（そして他の変動効果がない場合）、校正検出器アレイが周期Ｐによって特徴付けられる校正格子の区分で使用されるときに、校正エンコーダは最も精密な結果を与える。しかしながら、通常は校正検出器アレイが校正格子の他の区分で使用されるときに、最も精密な結果が与えられる。校正エンコーダは、校正格子の区分のそれぞれを使用してテストされることが好ましい。これは、校正格子のどの区分が最も精密な結果を与えるかを決定するためである。典型的には、各テストの精度は、格子運動の同時測定をなす変位真理センサとエンコーダ出力との間のｒｍｓ（二乗平均）差によって判定される。レーザ干渉計は、真理センサとしてうまく使用されている。
【００６１】
校正エンコーダは、周期Ｐの格子で動作するように設計されているので、最も精密な結果は一般に周期ＦＰの校正格子区分から得られる。従って、測定された校正係数Ｆは、操作用エンコーダの製造中に使用されるべきであると仮定できる。具体的には、操作用エンコーダが周期ＦＰの格子を使用するか、検出器アレイ周期ＴがＴ／Ｆに修正されるべきである。
【００６２】
この点において、校正スケールの代わりにスケール１６０を使用することによって、また校正センサヘッドの代わりにセンサヘッド１１０を使用することによって、この発明によるエンコーダが多数製造できる。この発明によるエンコーダを構成する１つの方法は、（１）周期ＦＰによって特徴付けられる格子１６２を有するスケールと、（２）２Ｐにほぼ等しい周期Ｔによって特徴付けられる入射縞パターンの位相角を測定するために構成された検出器アレイ１２０を有するセンサヘッドとを使用することである。この方法の１つの問題は、格子１６２の周期ＦＰが標準長さ単位（即ち、ミクロンやミル）の整数になりそうもない点である。かくして、例えば、そのような格子の格子周期は、より典型的な２０ミクロンの代わりに、２０．２ミクロンになることもある。従って、この発明によるエンコーダを構成するための好ましい方法は、（１）周期Ｐによって特徴付けられる格子１６２と、（２）２Ｐをスケール係数Ｆで割ったものにほぼ等しい周期を有する入射縞パターンの位相角を測定するために構成された検出器アレイ１２０を有するセンサヘッドとを使用することである。後者の方法は、この発明により構成されるどの世代のセンサヘッドでも、工業的な標準尺度と相互交換可能に使用できるようにするので、より好ましいものである。
【００６３】
インデックス検出器１４０がエンコーダに含まれている場合に認められるべき点は、校正スケール係数によってインデックス検出器要素の幅を調整することもまた望ましいということである。例えば、インデックス検出器１４０の中央光検出器の幅を、格子１６２の周期Ｐをスケール係数Ｆで割ったものにほぼ等しくすることは有利である。
【００６４】
図１１Ａおよび１１Ｂは、この発明により構成されるエンコーダに組み入れられる付加的特徴を示している。図１１Ａおよび１１Ｂはそれぞれ、図２Ａと同じ見地から見られた回折光学式エンコーダ１００の側面図を示している。図１１Ａは、センサヘッド１１０から上向きにスケール１６０に向かう発散性の光コーン１０２を示している。図１１Ａはまた、スケール１６０の格子１６２によって回折されて下向きに検出器アレイ１２０に向かう３つの光ビームを示している。具体的に図１１Ａは、左右の境界が参照符合１０００によって示された０次ビームと、左右の境界が参照符合１００１によって示された−１次ビームと、左右の境界が参照符合１００３によって示された−３次ビームとを示している。図示のように、０次ビームと−１次ビームと−３次ビームは全て検出器アレイ１２０に入射する。ここで認められるべき点は、他のビーム（例えば、正の１次および３次、並びに正及び負の５次ビーム）もまた検出器アレイ１２０に入射するが、説明の便宜上、これらのビームは図１０Ａには示されていないということである。図１１Ａに示されたエンコーダに関する１つの問題は、多数の回折ビームが全て検出器アレイ１２０に入射し、これらビームの存在が検出器アレイ１２０に入射する結果的な干渉縞の質を劣化させる点である。
【００６５】
図１１Ｂに示されたエンコーダ１００は図１１Ａに示されたものと同様であるが、図１１Ｂのエンコーダはマスク１０１０を付加的に含んでいる。図示のように、マスク１０１０は、スケール１６０に近接して、センサヘッド１１０とスケール１６０との間に配置されている。マスク１０１０はまた中央開口１０１２を規定する。マスク１０１０は、コーン１０２内の光のほとんどがスケール１６０に達することを防止する。即ち、開口１０１２を通過する光だけがスケール１６０に到達する。マスク１０１０は、吸収性素材によって作られていることが好ましい。これは、マスク１０１０に入射する光が単純に吸収され、センサヘッド１１０に向けて反射されることがないからである。マスク１０１０は、スケール１６０で回折されてスケールヘッド１１０に戻るビームの角度範囲を制限する利点がある。図１１Ｂに示されたエンコーダでは、０次ビームおよび−１次ビームは検出器アレイ１２０に入射するが、−３次ビームは検出器アレイ１２０に入射しない。ここで認められるべき点は、３次ビームが検出器アレイ１２０に入射しない場合、全ての高次のビームもまた検出器アレイに入射しない（即ち、高次ビームは、図示の−３次ビームよりも検出器アレイ１２０の右または左に変位させられる）、ということである。従って、マスク１０１０は、検出器アレイ１２０に入射した干渉縞の質を、不要な高次ビームを除去することによって、有利に改良する。動作時に、マスク１０１０とセンサヘッド１１０は、互いに固定された関係にあることが好ましい。そして、スケール１６０は、センサヘッド１１０に対し（図１１Ｂに示された構成で左右に）相対移動させられる。
【００６６】
「高調波抑制光検出器アレイ」なる名称の米国特許出願第６０／３１６，１２１号［代理人整理番号ＭＣＥ−０１８（１１１３９０−１４０）］で論議されているように、好ましい検出器アレイは３次高調波には反応しない。また、５０−５０デューティサイクルによって特徴付けられる格子を使用すると、全ての偶数次のビームが検出器アレイ１２０に到達することを防止できる。従って、開口１０１２は、３次または４次ビームが検出器アレイに達しないことを確実にするように、小さいものである必要はない。開口１０１２は矩形であり、そしてその開口の幅は、５次回折ビームが検出器アレイ１２０に到達することを防止するに十分小さいことが好ましい。開口１０１２の高さは、コーン１０２からの光が格子１６２とＤＯＥ１６６の双方を照明するように選択されることが好ましい。
【００６７】
この発明により構成されるエンコーダの１つの好ましい実施形態では、センサヘッド１１０とスケール１６０との間の距離ｄはほぼ４．７ｍｍに等しく、光源１１２はＶＣＳＥＬを使用して実施され、そのコーン角度は約１７度に等しく、ＶＣＳＥＬによって放射される光の波長はほぼ８５０ｎｍに等しく、センサヘッド１１０とスケール１６０との間の傾斜角度はほぼ８度に等しく、格子１６２の周期Ｐはほぼ２０ミクロンに等しく、検出器アレイ１２０は４０ミクロンにほぼ等しい周期を有する入射縞パターンをモニタするために構成されている。他の好ましい実施形態では、矩形開口１０１２は、０．４ミリメータにほぼ等しい幅と１．２ミリメータにほぼ等しい高さとによって特徴付けられる。この矩形開口１０１２を規定するマスク１０１０は、センサヘッド１１０とスケール１６０との間に配設される。また、マスク１０１０は、２５０ミクロンにほぼ等しい距離だけ、スケール１６０から離されている。
【００６８】
改良された回折光学式エンコーダを構成するいくつかの方法が開示されてきた。ここで認められるべき点は、これらの方法の１以上を組み入れることによって、いくつかのエンコーダがこの発明により構成されるということである。例えば、この発明により構成される１つのエンコーダは、インデックス検出器を含むが、マスクを含まない（例えば、図１１Ａおよび１１Ｂに示すように）。同様に、この発明により構成される１つのエンコーダは、マスクを含むが、インデックス検出器を含まない。また、この発明により構成される１つのエンコーダは、マスクとインデックス検出器の双方を含む。
【００６９】
ここに包含された発明の範囲から逸脱することなく、上記装置に対してある程度の変更がなされるので、上記の説明に含まれたり、添付の図面に示された全ての事項は、制限的なものではなく、説明的なものであると解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】この発明により構成された回折光学式エンコーダの斜視図である。
【図２Ａ】この発明により構成された回折光学式エンコーダの側面図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示された線２Ｂ−２Ｂの方向に見たセンサヘッドの上面図である。
【図２Ｃ】図２Ａに示された線２Ｃ−２Ｃの方向に見たスケールの図である。
【図２Ｄ】図２Ａに示された線２Ｄ−２Ｄの方向に見たエンコーダの端面図である。
【図３Ａ】この発明により構成された回折光学式エンコーダで使用されるスケールの図である。
【図３Ｂ−Ｃ】図３Ａに示されたスケールの一部の拡大図であって、この発明により構成された回折光学式エンコーダで使用されるスケールを組み立てる異なる２つの手法を示す。
【図４】回折光学式エンコーダの側面図であって、スケールで回折されてセンサヘッドに向かうビームの一部を示す。
【図５】スケールから異なる距離にある干渉縞パターンを示す。
【図６】この発明により構成されたセンサヘッドのより詳細な上面の図である。
【図７】この発明により構成されたエンコーダのインデックス検出器によって発生された未処理信号のグラフと、これら未処理信号に応答してこの発明によって発生された信号のグラフを示す。
【図８】この発明により構成されたインデックス検出器の代替実施形態を示す。
【図９】この発明により構成された回折光学式エンコーダの端面図であり、センサヘッドはスケールに対して傾いている。
【図１０Ａ−Ｄ】この発明による光源とスケールの間の光路長およびスケールと検出器アレイの間の光路長を等化するための異なる戦略を示す。
【図１１Ａ】この発明により構成された光学式エンコーダにおいてスケールから回折されてセンサヘッドに向かうビームの一部を示す。
【図１１Ｂ】高次ビームが検出器アレイに到達することを防止するためのマスクを有する、この発明により構成された回折光学式エンコーダを示す。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図９】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【国際調査報告】
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