(57)【要約】      （修正有）【課題】走査ユニットに対し基準尺がモアレ回転した時のインクリメンタル信号に対する基準パルス信号のずれをなくす。【解決手段】基準尺は測定方向に平行に２つのインクリメンタル目盛トラックを有し、インクリメンタル目盛トラック間の基準位置に少なくとも１つの基準マークを具備する基準マークトラックを有する。走査ユニットは、走査線束が１つのインクリメンタル信号走査フィールドに少なくとも１回印加される。別態様は、測定方向に平行に延びる２つの基準マークトラックがそれぞれ少なくとも１つの基準位置に基準マークを有し、基準マークが１つの軸に対して鏡面対称に測定方向に構成され、基準マークトラック間にインクリメンタル目盛トラックを配置する。走査ユニットは、走査線束が１つの基準パルス信号走査フィールドにそれぞれ少なくとも１回印加され、走査線束が２つのインクリメンタル信号走査フィールドにそれぞれ少なくとも１回印加される。【選択図】図２ａ
2008129022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクリメンタル信号（ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢ）と少なくとも１つの基準位置（ＸＲＥＦ）における基準パルス信号（ＲＩ）とを生成するためのエンコーダであって、走査ユニット（１０；３１０）とそれに相対して少なくとも１つの測定方向（ｘ）に可動な基準尺（３０；３０’；３３０）とからなり、
−該基準尺（３０；３３０）が、周期的なインクリメンタル目盛（３３．１；３３．２；３３．１’；３３．２’；３３３．１；３３３．２）を具備する、測定方向（４）に平行に延びる２つのインクリメンタル目盛トラックを含み、該インクリメンタル目盛トラックの間に基準マークトラックが配置されており、該基準マークトラックが、少なくとも１つの基準位置（ＸＲＥＦ）に基準マーク（３１；３１’；３３１）を有し、かつ、
−前記走査ユニット（１０；３１０）が、
−基準パルス信号（ＲＩ）を生成するための第１の走査手段を含み、かつ、
−インクリメンタル信号（ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢ）を生成するための第２の走査手段を含み、その際、インクリメンタル信号（ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢ）を生成するために、前記インクリメンタル目盛（３３．１；３３．２；３３．１’；３３．２’；３３３．１；３３３．２）のそれぞれに対して、走査線束が１つのインクリメンタル信号走査フィールド（５３．１；５３．２；５３．１’；５３．２’）に少なくとも１回印加されるエンコーダ。
【請求項２】
前記基準マーク（３１；３１’；３３１）が複数の構造要素（３１．１，３１．２）を有し、該構造要素が、基準尺平面において測定方向（ｘ）対して垂直方向である対称軸（Ｓｙ）に対して、鏡面対称に配置されている請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
さらに、前記基準マーク（３１；３１’；３３１）の前記構造要素（３１．１，３１．２）が、基準尺平面において測定方向（ｘ）に対して平行に延びる対称軸（Ｓｘ）に対して、鏡面対称に配置されている請求項２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
基準パルス信号（ＲＩ）を生成するための、前記走査ユニット（１０；３１０）内の前記第１の走査手段を介して、基準尺（３０；３０’；３３０）上の前記基準マーク（３１；３１’；３３１）に対して、１つの基準パルス走査フィールド（５１；５１’）に１回印加が行われる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記両インクリメンタル信号走査フィールド（５３．１；５３．２；５３．１’；５３．２’）の中心と前記基準パルス走査フィールド（５１；５１’）の中心が、測定方向（ｘ）に対して垂直方向である、基準尺平面における直線（Ｇｙ）上に位置している請求項４に記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記両インクリメンタル信号走査フィールド（５３．１’、５３．２’）の中心が、測定方向（ｘ）に対して垂直方向である、基準尺平面における直線（Ｇｙ）上に位置し、かつ、前記基準パルス走査フィールド（５１’）の中心が、該直線（Ｇｙ）に対して測定方向（ｘ）にずらして基準尺（３０’）上に配置されている請求項４に記載のエンコーダ。
【請求項７】
前記基準マーク（３１）が基準位置（ＸＲＥＦ）において、
−少なくとも１組の第１の構造要素（３１．１）を有し、該構造要素が、基準尺（３０）の平面に、測定方向（ｘ）に対して垂直方向に第１の横周期性（Ｔ１）でもって周期的に配置されており、かつ、
−少なくとも１組の第２の構造要素（３１．２）を有し、該構造要素が、基準尺（３０）の平面に、測定方向（ｘ）に対して垂直方向に第２の横周期性（Ｔ２）でもって周期的に配置されており、その際、該第１の横周期性と第２の横周期性（Ｔ１，Ｔ２）が互いに異なっており、かつ、
−前記構造要素（３１．１，３１．２）が、回折構造要素として構成されており、該回折構造要素が、測定方向（ｘ）において、光学的に所定の焦点距離を有する円柱レンズと同様の働きをし、測定方向（ｘ）に対して垂直方向に、前記第１または第２の横周期性（Ｔ１，Ｔ２）を有する偏向格子と同様の働きをし、かつ、
−その際、前記構造要素（３１．１，３１．２）が、測定方向（ｘ）に虚焦点または実焦点を反射基準尺（３０）から焦点距離ｆだけ離れた位置に有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項８】
基準パルス信号（ＲＩ）を生成するための、走査ユニット（１０；３１０）内の前記第１の走査手段が、
−複数の光学素子を含み、その中に少なくとも１つの結像光学系（１２）と、絞り面に配置され、それぞれ複数のアパーチャを有する少なくとも２つの絞り構造（１３．１，１３．２）とが含まれており、かつ、
−少なくとも２つの基準パルス検出素子（１５．２）を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項９】
走査ユニット（１０）内の前記結像光学系（１２）の寸法が、該光学系を介して前記構造要素（３１．１，３１．２）の像側の焦平面の結像が絞り面に生じるように寸法決めされており、かつ、前記両絞り構造（１３．１，１３．２）のアパーチャの配置構成が、測定方向（ｘ）に、基準マーク（３１）の該構造要素（３１．１，３１．２）の配置に合わせて調整されている請求項８に記載のエンコーダ。
【請求項１０】
前記走査ユニット（１０）が走査板（１１）を含み、該走査板上に前記絞り構造（１３．１，１３．２）と前記結像光学系（１２）とが配置されている請求項９に記載のエンコーダ。
【請求項１１】
インクリメンタル信号（ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢ）を生成するための、走査ユニット（１０；３１０）内の前記第２の走査手段が、
−複数の光学素子を含み、その中には、複数の走査格子（１８．１から１８．４；３１８．１から３１８．４）と少なくとも１つの結合格子（１８．５）と少なくとも２つの反射素子（１７．１，１７．２；３１７．１，３１７．２）とが含まれており、該反射素子によって、第１のインクリメンタル信号走査フィールド（５３．１；５３．１’）から来る線束が、第２のインクリメンタル信号走査フィールド（５３．２；５３．２’）内へ後方反射され、かつ、
−複数のインクリメンタル信号検出素子（２０．１，２０．２，２０．３；３２１．１，３２１．２，３２１．３）を含んでいる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項１２】
前記走査ユニット（１０；３１０）が走査板（１１；３１１）を含み、該走査板上に、前記走査格子（１８．１から１８．４；３１８．１から３１８．４）と前記結合格子（１８．５）と前記反射素子（１７．１，１７．２；３１７．１，３１７．２）とが配置されている請求項１１に記載のエンコーダ。
【請求項１３】
−前記走査ユニット（１０；３１０）にさらに光源（１４；３１４）が付設されており、該光源が、前記第１および第２の走査手段に、インクリメンタル目盛（３３．１，３３．２；３３１．１，３３１．２）と基準マーク（３１；３３１）とを走査するための光を供給し、かつ、
−該走査ユニット（１０；３１０）がさらに分割格子（１９；３１９）を含み、該分割格子が、前記光源（１４；３１４）から来る線束を、基準パルス信号生成のための前記第１走査手段用の第１の部分線束と、インクリメンタル信号生成のための前記第２走査手段用の第２の部分線束とに分割する請求項８又は１１に記載のエンコーダ。
【請求項１４】
前記分割格子（３１９）が、反射基準尺（３３０）上の前記基準マーク（３３１）に対する収束照射が生じるように構成されている請求項１３に記載のエンコーダ。
【請求項１５】
前記分割格子（１９；３１９）が、基準尺（３０；３３０）側を向いた、前記走査板（１１；３１１）の面上に配置されている請求項１０又は１２又は１３に記載のエンコーダ。
【請求項１６】
インクリメンタル信号（ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢ）と少なくとも１つの基準位置（ＸＲＥＦ）における基準パルス信号（ＲＩ）とを生成するためのエンコーダであって、走査ユニット（４１０）とそれに相対して少なくとも１つの測定方向（ｘ）に可動な基準尺（４３０）とからなり、
−該基準尺（４３０）が、測定方向（ｘ）に平行に延びる２つの基準マークトラックを含み、該基準マークトラックが、それぞれ少なくとも１つの基準位置（ＸＲＥＦ）に基準マーク（４３１．１；４３１．２）を有し、該基準マークが対称軸（Ｓｘ）に対して対称に測定方向（ｘ）に構成されており、また、前記基準マークトラックの間に、周期的なインクリメンタル目盛（４３３）を具備するインクリメンタル目盛トラックが配置されており、かつ、
−前記走査ユニットが、
−基準パルス信号（ＲＩ）を生成するための第１の走査手段を含み、その際、基準パルス信号（ＲＩ）を生成するために、前記基準マーク（４３１．１，４３１．２）の基準マークトラックに対して、走査線束が１つの基準パルス走査フィールド（４５１．１，４５１．２）に少なくとも１回印加され、かつ
−インクリメンタル信号（ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢ）を生成するための第２の走査手段を含み、その際、インクリメンタル信号（ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢ）を生成するために、前記インクリメンタル目盛（４３３）に対して、走査線束が２つのインクリメンタル信号走査フィールド（４５３．１；４５３．２）にそれぞれ少なくとも１回印加されるエンコーダ。
【請求項１７】
さらに、前記基準マーク（４３１．１，４３１．２）が、基準尺平面において測定方向（ｘ）に対して垂直方向である対称軸（Ｓｙ）に対して、鏡面対称に構成されている請求項１６に記載のエンコーダ。
【請求項１８】
前記両インクリメンタル信号走査フィールド（４５３．１；４５３．２）の中心が、測定方向（ｘ）に対して垂直方向である、基準尺平面における第１の直線（Ｇｙ１）上に位置し、前記基準パルス走査フィールド（４５１．１，４５１．２）の中心が、基準尺平面における第２の直線（Ｇｙ２）上に位置しており、該両直線（Ｇｙ１、Ｇｙ２）が基準尺（４３０）上において測定方向（ｘ）に互いにずれた位置に配置されている請求項１６に記載のエンコーダ。
【請求項１９】
前記基準マーク（４３１．１，４３１．２）が、それぞれ円柱レンズとして基準尺（４３０）上に構成されており、該円柱レンズが横周期性を有し、その結果、両１次回折光が、照射走査線束から空間的に分離されて、走査ユニット（４１０）内の走査板（４１１）に当たる請求項１６に記載のエンコーダ。
【請求項２０】
基準パルス信号（ＲＩ）を生成するための、走査ユニット（４１０）内の前記第１の走査手段が、
−複数の光学素子を含み、その中に、複数の走査格子（４１８．１から４１８．４）と反射素子（４１３．１，４１３．２）とが含まれており、該反射素子を介して、前記第１の基準マークトラックの第１の基準パルス走査フィールド（４５１．１）から来る線束が、前記第２の基準マークトラックの第２の基準パルス走査フィールド（４５１．２）内へ後方反射され、かつ、
−単数または複数の基準パルス検出素子（４１５）を含む、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項２１】
前記走査ユニット（４１０）が走査板（４１１）を含み、該走査板の、基準尺（４３０）側を向いた面上に複数の回折走査格子（４１８．１から４１８．４）が配置されており、該走査板の反対側の面上に再帰反射するダハプリズムが配置されており、該ダハプリズムが、反射素子（４１３．１，４１３．２）として複数の鏡面を有する請求項２０に記載のエンコーダ。
【請求項２２】
インクリメンタル信号（ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢ）を生成するための、前記走査ユニット（４１０）内の第２の走査手段が、
−複数の光学素子を含み、その中に複数の走査格子（４１８．５から４１８．８）、およびオプションとしての結合格子、ならびに少なくとも２つの反射素子（４１３．１，４１３．２）が含まれており、かつ、
−複数のインクリメンタル検出素子を含む、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項２３】
前記反射素子（４１３．１，４１３．２）を介して、第１のインクリメンタル信号走査フィールド（４５３．１）から来る線束が、第２のインクリメンタル信号走査フィールド（４５３．２）内へ後方反射される請求項２２に記載の位置測定措置。
【請求項２４】
前記走査ユニット（４１０）が走査板（４１１）を有し、該走査板の、基準尺（４３０）側を向いた面上に、複数の回折走査格子（４１８．５から４１８．８）およびオプションとしての結合格子が配置されており、かつ、該走査板の反対側の面上に、再帰反射するダハプリズムが配置されており、該ダハプリズムが、反射素子（４１３．１，４１３．２）として複数の鏡面を有する請求項２２に記載のエンコーダ。
【請求項２５】
前記走査ユニット（４１０）にさらに光源（４１４）が付設されており、該光源が、前記第１および第２の走査手段に、前記インクリメンタル目盛（４３３）と前記基準マーク（４３１．１，４３１．２）とを走査するための光を供給する請求項２０又は２２に記載のエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
公知のエンコーダは、互いに相対的に動く２つの物体の相対変位に関する周期的なインクリメンタル信号のほかに、いわゆる基準パルス信号も提供する。この基準パルス信号を介して、測定区間に添った所定の基準位置において、互いに相対的に動く２つの物体の位置に関する厳密な絶対的な関係を得ることができる。次に、この種の所定の絶対位置に対して、通例明らかに分解能が高いインクリメンタル測定を、以下のように関連付けることができる。
【０００３】
基準パルス信号を生成するために、走査ユニットが走査する基準尺上にある基準マークに関する幾つかの構成方法が、現在既に知られている。
【０００４】
通常の構成態様では、１つまたは複数の基準マークが、走査されるインクリメンタル目盛トラックに対して側方に隣接して配置される。これは、例えば、特許文献１に記載されている。しかし、この種の構成の問題点として明らかになっていることは、走査ユニットと基準尺とが基準尺平面に対して垂直な軸を中心に好ましくない回転（「モアレ回転」）を生じた場合に、インクリメンタル信号に対して、生成された基準パルス信号の位置がずれてしまうことである。その結果、位置測定に誤差が生じる。
【０００５】
従って、例えば特許文献２に記されているように、２つのインクリメンタル目盛トラックを、基準尺の基準マークの両側に隣接して配置する構成方法も既に提案されている。この２つのインクリメンタル目盛トラックは、互いに対して目盛周期１つ分ずらして配置されており、その結果、それぞれ別個の走査手段によってこの２つのインクリメンタル目盛トラックを個別に走査することで、９０°位相がずれた２つのインクリメンタル信号を生成することができる。確かに、この構成態様によって、モアレ回転に関連する誤差を最小限にすることが実現できるが、インクリメンタル目盛トラックの、この提案された走査方法が、特に高分解能の位置測定に最適であると明らかになっているわけではない。例えば、この解決策は、インクリメンタル目盛トラックを個別に走査するので、比較的コストが大きくなる。さらに、２つのインクリメンタル目盛トラックの一方が汚損されている場合、誤測定が生じる恐れがある。
【０００６】
さらに、特許文献３によって、高分解能のエンコーダが知られている。この装置では、インクリメンタル目盛トラックの側方に隣接して、基準マークが、測定方向に沿って互いに反対向きにチャープされた目盛構造として配置されている。同様の基準尺側の構成態様は、特許文献４または特許文献５によっても知られている。
【特許文献１】欧州特許出願公開第１９４６１１号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第３０３００８号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１９７４８８０２号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１９９２１３０９号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第４０２１０１０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、高分解能のインクリメンタル信号を生成すること、および、少なくとも１つの基準位置において基準パルス信号を生成することに適しており、かつ、基準尺および走査ユニットのモアレ回転による影響をできる限り小さくするエンコーダを提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、請求項１に記載の特徴を有する第１のエンコーダによって解決される。
【０００９】
第１のエンコーダの有利な実施形態は、請求項１の従属請求項に記載されている方法によって得られる。
【００１０】
さらに、この課題は、請求項１６に記載の特徴を有する第２のエンコーダによって解決される。
【００１１】
第２のエンコーダの有利な実施形態は、請求項１６の従属請求項に記載されている方法によって得られる。
【００１２】
インクリメンタル信号と少なくとも１つの基準位置における基準パルス信号とを生成するための、本発明に係る第１のエンコーダは、走査ユニットとそれに相対して少なくとも１つの測定方向に可動な基準尺とを含む。基準尺は、測定方向に平行に延びる、周期的な目盛を具備する２つのインクリメンタル目盛トラックを含み、この２つのインクリメンタル目盛トラックの間に基準マークトラックが配置されている。基準マークトラックは、少なくとも１つの基準位置に基準マークを有する。走査ユニットは、基準パルス信号を生成するための第１の走査手段と、インクリメンタル信号を生成するための第２の走査手段とを含み、その際、インクリメンタル信号を生成するために、インクリメンタル目盛のそれぞれに対して、走査線束が、１つのインクリメンタル信号走査フィールドに少なくとも１回印加される。
【００１３】
第１のエンコーダの本発明に係る構成は、基準尺および走査ユニットのモアレ回転が万一生じた場合にも、位置計測の際に誤差が生じないことを保証する。生成される基準パルス信号を所望のインクリメンタル信号周期に正確に割り当てることが、常に保証されている。これは、インクリメンタル目盛トラックと基準マークトラックとが、等しい、いわば中立なモアレ軸を共有するからであり、この軸を中心に基準尺と走査ユニットとが回転したとしても、誤測定を引き起こすことがない。
【００１４】
本発明に係る解決法のもう１つの効果は、基準尺および走査ユニットの強いモアレ回転が生じた場合にも、比較的安定したインクリメンタル信号振幅が得られることだと言える。これは、特にインクリメンタル信号をさらに処理する場合、例えば、インクリメンタル信号を補間する場合に重要である。
【００１５】
好ましくは、本発明に係る第１のエンコーダは、複数の構造要素を具備する基準マークを有しており、該構造要素が、基準尺面において測定方向に対して垂直方向である対称軸に対して、鏡面対称であるように配置されている。
【００１６】
基準マークの構造要素は、有利には、基準尺面において測定方向に対して垂直方向に延びる対称軸（Ｓｘ）に対して、鏡面対称であるように配置されている。
【００１７】
基準パルス信号を生成するための、走査ユニット内の第１の走査手段を介して、基準尺上の基準マークに対して、１つの基準パルス走査フィールドに好ましくは１回印加が行われる。
【００１８】
その際、２つのインクリメンタル信号走査フィールドの中心と、基準パルス走査フィールドの中心とが、例えば、測定方向に対して垂直方向の、基準尺平面における直線上に位置している。
【００１９】
あるいはまた、２つのインクリメンタル信号走査フィールドの中心が、測定方向に対して垂直方向の、基準尺平面における直線上に位置しており、基準パルス走査フィールドの中心が、この直線に対して測定方向にずらして基準尺上に配置されている。
【００２０】
好ましくは、基準マークは、基準位置において、
−基準尺平面において測定方向に対して垂直に第１の横周期性でもって周期的に配置されている少なくとも１組の第１の構造要素と、
−基準尺平面において測定方向に対して垂直に第２の横周期性でもって周期的に配置されている少なくとも１組の第２の構造要素とを有し、その際、第１および第２の横周期性が互いに異なっており、
−これらの構造要素が回折構造要素として構成されており、測定方向には、光学的に所定の焦点距離を有するシリンダレンズと同様の働きをし、測定方向に対して垂直方向には、第１または第２の横周期性を有する走査格子と同様の働きをし、
−これらの構造要素が、測定方向に、反射基準尺から焦点距離ｆだけ離れた位置に虚焦点または実焦点を持つ。
【００２１】
有利には、基準パルス信号を生成するための、走査ユニット内の第１の走査手段は、
−少なくとも１つの結像光学系と、絞り面に配置された少なくとも２つの絞り構造とを含む複数の光学素子、および
−少なくとも２つの基準パルス検出素子
を有する。
【００２２】
その際、走査ユニットにおける結像光学系の寸法は、構造要素の像側焦点面の結像が絞り面に生じるように決定されている。その際、２つの絞り構造のアパーチャの配置構成が、基準マークの構造要素の配置に合わせて調整されている。
【００２３】
有利には、走査ユニットにはさらに走査板が含まれており、この走査板上に絞り構造と結像光学系とが配置されている。
【００２４】
また、例えば、インクリメンタル信号を生成するための、走査ユニット内の第２の走査手段は、
−複数の走査格子、少なくとも１つの結合格子と少なくとも２つの反射素子とを含む複数の光学素子を有し、該反射素子によって、第１のインクリメンタル走査フィールドから来る線束が後方反射され、さらに、
−複数のインクリメンタル信号検出素子を有する。
【００２５】
その際、走査ユニットは走査板を含み、この走査板上に走査格子、結合格子および反射素子が配置されている。
【００２６】
好ましくは、走査ユニットにはさらに光源が付設されており、この光源が、第１および第２の走査手段にインクリメンタル目盛と基準マークとを走査するための光を供給し、また、走査ユニットは分割格子を含み、この分割格子が、光源から来る線束を、基準パルス信号を生成する第１の走査手段用の第１の部分線束と、インクリメンタル信号を生成する第２の走査手段用の第２の部分線束とに分割する。
【００２７】
その際、分割格子は、反射基準尺上の基準マークに対する収束照射が生じるように構成されている。
【００２８】
分割格子は、基準尺側を向いた、走査板の面上に配置されている。
【００２９】
次に、インクリメンタル信号と少なくとも１つの基準位置における基準パルス信号とを生成するための、本発明に係る第２のエンコーダは、走査ユニットとそれに相対して少なくとも１つの測定方向に可動な基準尺とを含む。基準尺は、測定方向に平行に延びる２つのインクリメンタル目盛トラックを含む。この２つのインクリメンタル目盛トラックは、それぞれ少なくとも１つの基準位置に基準マークを有し、これらは、測定方向に対称軸に対して対称に構成されている。基準マークトラックの間に、周期的なインクリメンタル目盛を有するインクリメンタル目盛トラックが配置されている。走査ユニットは、基準パルス信号を生成するための第１の走査手段を含み、その際、基準パルス信号を生成するために、基準マークの各基準マークトラックに対して、走査線束が、１つの基準パルス信号走査フィールドにそれぞれ少なくとも１回印加される。さらに、インクリメンタル信号を生成するために走査ユニットには第２の走査手段が設けられており、その際、インクリメンタル信号を生成するために、インクリメンタル目盛に対して、走査線束が、２つのインクリメンタル信号走査フィールドにそれぞれ少なくとも１回印加される。
【００３０】
第２のエンコーダの本発明に係る構成は、第１の測定装置がそうであるように、インクリメンタル信号の幅と等しい幅を有する基準パルス信号が生成できることを保証する。従って、本発明に係るこれらの位置測定信号の信頼性が向上している。
【００３１】
本発明に係る第２のエンコーダでは、基準マークが、好ましくは、基準尺面において測定方向に対して垂直方向である対称軸に対して、鏡面対称であるように構成されている。
【００３２】
その際、２つのインクリメンタル信号走査フィールドの中心は、測定方向に対して垂直方向の、基準尺平面における第１の直線上に位置しており、さらに、基準パルス走査フィールドの中心は、測定方向に対して垂直方向の、基準尺平面における第２の直線上に位置している。その際、両直線は、測定方向に互いにずらして基準尺上に配置されている。
【００３３】
有利には、本発明に係る第２のエンコーダでは、基準マークがそれぞれシリンダレンズとして基準尺上に構成されており、このシリンダレンズが横周期性を持つことで、回折次数が１次の両方の光は、照射走査線束から空間的に分離されて、走査ユニット内の走査板に当たる。
【００３４】
本発明に係る第２のエンコーダでは、基準パルス信号を生成するための、走査ユニット内の第１の走査手段が、好ましくは複数の光学素子を有し、その光学素子の中には、複数の走査格子と反射素子とが含まれている。この反射素子によって、第１の基準マークトラックの第１の基準パルス走査フィールドから来る線束が、第２の基準マークトラックの第２の基準パルスフィールド内へ反射される。さらに、第１の走査手段は、１つまたは複数の基準パルス検出素子を含む。
【００３５】
その際、走査ユニットは走査板を含み、この走査板の、基準尺側を向いた面上に、複数の回折走査格子が配置されており、走査板の反対側の面上に、再帰反射するダハプリズムが配置されており、このダハプリズムは、反射素子として複数の鏡面を有する。
【００３６】
本発明に係る第２のエンコーダでは、インクリメンタル信号を生成するための、走査ユニット内の第２の走査手段が、好ましくは複数の光学素子を有し、その光学素子の中には、複数の走査格子、オプションとしての結合格子、および少なくとも２つの反射素子が含まれている。さらに、この第２の走査手段は、複数のインクリメンタル信号検出素子を含む。
【００３７】
その際、反射素子によって、好ましくは、第１のインクリメンタル信号走査フィールドから来る線束が、第２のインクリメンタル信号走査フィールド内へ後方反射される。
【００３８】
本発明に係る第２のエンコーダでは、さらに、好ましくは、走査ユニットが走査板を含む。走査板の、基準尺側を向いた面上に、複数の回折走査格子およびオプションとしての結合格子が配置されており、さらに、走査板の反対側の面上に、再帰反射するダハプリズムが配置されている。このダハプリズムは、反射素子として複数の鏡面を有する。
【００３９】
その際、有利には、走査ユニットにさらに光源が付設されており、この光源が、第１および第２の走査手段に、インクリメンタル目盛と基準マークとを走査するための光を供給する。
【００４０】
本発明のその他の詳細および効果については、本発明に係るエンコーダの実施例について図を参照しながら説明する中で明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
図１から図８ｂを参照しながら、以下において、本発明に係る第１のエンコーダと、特に、同装置を用いた、基準パルス信号ＲＩの生成とについて説明する。
【００４２】
図１ａと図１ｂは、本発明に係る第１のエンコーダにおける基準パルス信号の生成のための部分走査光路をそれぞれ非常に図式化して示した図である。図１ｃは、このエンコーダにおいてインクリメンタル信号を生成するための部分走査光路を簡略的に示す。
【００４３】
図１ａから図１ｃおよびそれに代わる実施形態についてのそれ以降の類似した図において、基準パルス信号の生成のための部分走査光路がそれぞれ実線で示されており、一方、インクリメンタル信号を生成するための部分走査光路が破線で示されている。
【００４４】
図示された、本発明に係る第１の光学エンコーダは、反射基準尺３０として構成された基準尺と、それに相対して少なくとも１つの測定方向ｘに可動な走査ユニット１０とを含む。反射基準尺３０と走査ユニット１０は、２つの互いに相対的に動く物体、例えば機械部品につながれている。このエンコーダを介して、相対的に動く両物体の位置に関する位置信号が生成され、（図示されていない）制御ユニットに送られる。制御ユニットは、この位置データを公知の方法で制御のために利用する。その際、本発明に係るエンコーダは、直線変位にも回転変位にも対応して構成可能である。
【００４５】
図示された、本発明に係る第１のエンコーダは、後に述べるように、周期的なインクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢのほかに、測定区間に沿った少なくとも１つの既知の基準位置ＸＲＥＦにおいて基準パルス信号ＲＩを供給する。次に、このように設定された既知の絶対位置に対して、明らかに分解能が高いインクリメンタル測定を、以下のように通常の方法で関連付けることができる。
【００４６】
そのために、走査ユニット１０は、基準パルス信号ＲＩを生成するための第１の走査手段と、インクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢを生成するための第２の走査手段とを含む。
【００４７】
まず、第１の走査手段による基準パルス信号ＲＩの生成について、そのために想定される部分走査光路を使って説明する。
【００４８】
反射基準尺３０として構成された基準尺は、周期的なインクリメンタル目盛３３．１，３３．２を具備する、測定方向ｘに延びる１つまたは複数のインクリメンタル目盛トラックのほかに、所定の基準位置ＸＲＥＦに少なくとも１つの基準マーク３１を具備する基準マークトラックを含む。原則的に、当然ながら、複数の基準マークを異なった基準位置に、例えば、いわば間隔がコード化された基準マークなどの形で配置することが考えられる。
【００４９】
図２ａに示された反射基準尺３０の部分平面図から見て取れるように、この態様では、インクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢを生成するために、２つの平行な同一のインクリメンタル目盛３３．１，３３．２が支持体３２上に配置されている。両インクリメタル目盛３３．１，３３．２は、それぞれ測定方向ｘに目盛周期ＴＰＩＮＣで配置された、異なる光学特性を有する線分状の目盛領域からなる。例えば、反射基準尺３０は、異なった入射光位相格子であり、反射された線束に対して異なった位相シフト作用を有する部分領域が交互に組み合わされている。可能な１つの実施形態では、ＴＰＩＮＣが０．５μｍに選定される。目盛領域は、測定方向ｘに対して垂直である反射基準尺３０の平面に、すなわち記載された方向ｙ（以降、線分方向とも呼ぶ）に延びている。
【００５０】
またもちろん、本発明に係る第１のエンコーダを、基準尺が透過基準尺として設けられた構成にすることも可能であることを、ここに指摘しておく。この基準尺では、例えば、異なった透過特性を有する目盛領域が交互に配置されている。
【００５１】
基準位置ＸＲＥＦにおいて、インクリメンタル目盛３３．１，３３．２の両トラックの間に、基準マーク３１が基準マークトラックに配置されている。基準マークは、インクリメンタル目盛３３．１，３３．２と同じように、異なった反射特性を有する部分領域あるいは構造要素３１．１，３１．２が所定の配置を得ることによって構成されている。本発明に係る第１のエンコーダの本例に対する、基準マークの好ましい構成について、以下でさらに詳細に説明する。
【００５２】
本例では、走査ユニット１０の側面に、光源１４、例えばレーザダイオード、および、コリメート光学系１６、基準パルス信号生成用の複数の基準パルス検出素子１５．１，１５．２、インクリメンタル信号生成用の複数のインクリメンタル信号検出素子２０．１，２０．２，２０．３（図１ｃ）、ならびにその他のさまざまな光学素子が配置されている。その際、基準パルス信号ＲＩおよびインクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢを生成するための、このさまざまな光学素子は、走査ユニット１０における走査板１１上に配置されており、これらについても以下で詳細に説明する。
【００５３】
その際、基準パルス信号ＲＩを生成するための前記第１の走査手段には、走査ユニット１０内のさまざまな光学素子あるいは走査ユニットに付設された構成部品が含まれる。その中には、少なくとも結合光学系１２、および、絞り面に配置された、それぞれ複数のアパーチャを有する絞り構造１３．１，１３．２が含まれている。さらに、基準パルス検出素子１５．１，１５．２も第１の走査手段に含めることができる。
【００５４】
光源１４、コリメート光学系１６およびさまざまな検出素子１５．１，１５．２，２０．１，２０．２，２０．３は、走査ユニット１０内あるいはそれに対応する走査ユニットハウジング内に必ずしも位置する必要はないことを、ここで指摘しておく。従って、本発明のその他の態様では、原則として、これらの構成部品を公知の方法で光導波路を介して走査ユニット１０に付設すること、および、これらのさまざまな素子を立体的に別個に走査ユニット１０の外部に配置することも可能であろう。
【００５５】
コリメート光学系１６を通過して平行になった線束は、分割格子１９によって、基準パルス信号ＲＩを生成するための走査光路（図１ａから図１ｃにおける実線で示された輪郭線）と、インクリメタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢを生成するための走査光路（図１ａから図１ｃにおける破線で示された輪郭線）とに分割される。図１ｂから看取できるように、これが意味することは、基準パルス信号の生成のために分割された部分線束が、反射基準尺３０における両インクリメタル目盛３３．１，３３．２の間に位置する領域へ偏向されるということである。分割格子１９の格子定数は、走査ユニット１０と反射基準尺３０との間の距離が標準走査距離である場合に、厳密に両インクリメタル目盛３３．１，３３．２の間の中央に位置する領域が照射されるように選定されるのが好ましい。この領域から、走査ユニット１０の方向に後方反射が生じる。走査ユニット１０において、後方反射された部分線束は、走査板１１の下面に配置されている結像光学系１２に当たる。結像光学系１２は、さまざまな形状で走査板１１上に構成することができ、例えば、個別のフレネルレンズとして構成することも可能である。あるいは、複数の単レンズからなるレンズアレイとして結像光学系１２を構成することも可能である。これについては、以下の説明の中でさらに詳細に述べる。
【００５６】
両インクリメンタル目盛３３．１，３３，２の間に基準マーク３１を配置することは、本発明の重要な効果として、反射基準尺３０および走査ユニット１０がｚ軸を中心にもし回転（モアレ回転）した場合にも、インクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢに対する基準パルス信号ＲＩの相対位置が（ひずみを生じる）変化を生じないという効果を生じる。しかも、これは、当該の装置としては比較的わずかなスペースで実現可能である。
【００５７】
結像光学系１２の寸法は、光学上、その像側の焦点面が、走査板１１の上面あるいはそこに位置する絞り面と重なり合うように選定さている。この面には、それぞれ複数のアパーチャを有する２つの絞り構造１３．１，１３．２が配置されている。絞り構造１３．１，１３．２の背後には、２つの基準パルス信号検出素子１５．１，１５．２が、走査ユニット１０内に配置されており、この基準パルス信号検出素子が、アパーチャを透過した光を検出する働きをし、従ってまた、基準パルス信号ＲＩを生成するために用いられる信号Ｓ１，Ｓ２を検出する働きをする。物体側では、結像光学系１２によって結像される焦点が、中立回転中心と反射基準尺３０の表面との間の、半分の距離の高さに位置している。すなわち、結像光学系１２は、物体側では、システムに依存する中立回転中心の位置から生じる平面あるいは点に合わせて調整されている。その際、中立回転中心と定められているのは、走査ユニット１０または反射基準尺３０が傾斜する際に中心となり得る点であり、しかも、その際、位置測定に誤差が生じることのない点である。すなわち、基準パルス信号ＲＩまたはインクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢの生成の際に誤差が生じることのない中心点である。この場合、中立回転中心は、システムの条件に応じて、異なった面、および基準尺平面、さらに基準尺平面の下方または上方に位置することも可能である。
【００５８】
基準パルス信号ＲＩを生成するために重要なことは、反射基準尺３０の側面上における基準マーク３１の構成の選定である。基準尺の適切な構成によって、基準位置ＸＲＥＦにおいて基準パルス信号ＲＩを確実に検出することが可能となる。基準マーク３１の詳細な説明として、特に図２ａが参考となる。図２ａは、反射基準尺３０の基準位置ＸＲＥＦの部分を示す平面図である。
【００５９】
基準マーク３１は、基準位置ＸＲＥＦの領域において、２つのインクリメンタル目盛３３．１，３３．２の間に第１組の構造要素３１．１と第２組の構造要素３１．２とを所定の幾何学的配置で有する。両組の構造要素３１．１，３１．２は、反射基準尺３０の平面において測定方向ｘに対して垂直方向に、すなわち記載された線分方向ｙに、第１の横周期性Ｔ１あるいは第２の横周期性Ｔ２でもって周期的に配置されている。その際、第１および第２の構造要素３１．１，３１．２の両組の横周期性Ｔ１，Ｔ２は、図２ａからも分かるように、互いに異なっており、例えば、Ｔ１を２．４μｍ、Ｔ２を２．０μｍに選定することが可能である。
【００６０】
図２ａに示された、本発明に係る第１のエンコーダの例では、基準マーク３１が、全部で、別個の４組の第１の構造要素３１．１、および別個の４組の第２の構造要素３１．２を含んでおり、これらは、測定方向ｘに互いに平行に隣接して配置されている。従って、測定方向ｘには、全部で８組の構造要素３１．１，３１．２が配置されている。それぞれ４組の第１の構造要素３１．１と第２の構造要素３１．２は、測定方向ｘに、対称軸Ｓに対して鏡面対称に配置されている。対称軸Ｓは、反射基準尺３０の平面において、測定方向ｘに対して垂直方向を向いている。対称軸Ｓは、本例では、精確に基準位置ＸＲＥＦにあり、異なった横周期性Ｔ１，Ｔ２を有する構造要素３１．１，３１．２は、対称軸Ｓに対して鏡面対称に向かい合っている。
【００６１】
図２ａにおける基準マーク３１の部分拡大図から分かるように、各構造要素３１．１，３１．２は、本例では、横方向ｙに平行に延びる２本の境界直線と、縦方向ｘに平行に延びる湾曲した境界線とからなる断面形状を有している。選定されたこの断面形状から、後にさらに詳細に説明する、これらの要素の光学的作用が生じる。第１および第２の構造要素３１．１，３１．２を伴う組が異なっている主要な点は、個々の構造要素３１．１，３１．２が方向ｙに周期的に配置される際の横周期性Ｔ１，Ｔ２の相違である。
【００６２】
次に、基準パルス信号ＲＩを生成するために用いられる、走査ユニット１０の分割格子１９から来る部分線束が、第１組および第２組の構造要素３１．１，３１．２を具備する基準マーク３１の領域に当たると、部分線束は、組によって横周期性Ｔ１およびＴ２が異なっているために、ｙ−ｚ平面におけるｙ方向にも違ったように偏向される。その際、各偏向角は、公知の方法で、各横周期性Ｔ１，Ｔ２と直接関連している。基準マーク３１から後方反射された部分線束は、走査ユニット１０内の結像光学系１２を介して、絞り面に結像される。そこに配置されている２つの絞り構造１３．１，１３．２は、それぞれ複数のアパーチャの幾何学的配置が、基準マーク３１の第１組および第２組の構造要素３１．１，３１．２の幾何学配置に合わせて調整されている。すなわち、第１の絞り構造１３．１のアパーチャは、第１組の構造要素３１．１の配置に合わせて調整されており、第２の絞り構造１３．２のアパーチャは、第２組の構造要素３１．２の配置に合わせて調整されている。これは、図２ａと図３ｂを比較すると分かる。すなわち、図２ａに示された例では、第１の構造要素３１．１が４組設けられており、それらには、それに合わせて調整された第１の絞り構造１３．１が、４つのアパーチャを有して付設されている。同様に、第２の絞り構造要素３１．２の４組に、それに合わせて調整された、第２の絞り構造１３．２の４つのアパーチャが付設されている。もちろん、アパーチャの数および構造要素の組数は、別の数であってもよい。アパーチャの位置を選定する際、当然、結像光学系１２によって生じる結像スケールｍも考慮しなければならない。
【００６３】
この種の調整を行うことによって、基準位置ＸＲＥＦに隣接する領域において、絞り構造１３．１，１３．２の背後に配置された２つの基準パルス検出素子１５．１，１５．２が、それによって検出された信号Ｓ１，Ｓ２の信号最大値を検出することが可能となる。
【００６４】
上述したように、また、結像光学系は、複数の単レンズを含むレンズアレイとしても構成可能である。これにより、構造要素の、線分方向ｙに長い組を絞り面に結像することができる。これは、検出される信号の信号強度の点で効果をもたらす。この場合、構造要素組の各部分配列は、各単レンズによって結像される。この態様でも、構造要素３１．１．３１・２の各組に、絞り構造１３．１，１３．２のアパーチャが、所定どおりに付設されている。アパーチャの位置は、この場合も、結像スケールｍを有する結像光学系１２を介した、構造要素３１．１，３１．２の組の結像に基づいて、調整されて決められる。
【００６５】
図２ｂも、本発明に係る第１のエンコーダの反射基準尺３０の基準位置ＸＲＥＦ領域を示す平面図である。図２ａに示された図に加えて、図２ｂでは、２つのインクリメンタル信号走査フィールド５３．１，５３．２が２つのインクリメンタル目盛３３．１，３３．２に描かれており、このフィールドに対して、インクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢを生成するための走査線束がそれぞれ１回印加される。さらに、図２ｂから、基準マークの領域に基準パルス信号走査フィールド５１が見て取れる。このフィールドに対して、基準パルス信号ＲＩを生成するために、走査線束が第１の走査手段によって１回印加される。
【００６６】
図２ｂから分かるように、この例では、２つのインクリメンタル信号走査フィールド５３．１，５３．２の中心と基準パルス信号走査フィールド５１の中心は、測定方向ｘに対して垂直方向の、基準尺平面における直線Ｇｙ上に位置している。反射基準尺３０におけるこれらの各走査フィールド５１，５３．１，５３．２の位置は、第１および第２の走査手段をそれらに対応して配置することによって、適切に調整される。
【００６７】
２つのインクリメンタル信号走査フィールド５３．１，５３．２の間に基準パルス走査フィールド５１が配置されているので、もし基準尺３０および走査ユニット１０のモアレ回転が生じた場合にも、システムの所望の安定性が実現できる。
【００６８】
これにわずかな変更を加えられ、各走査フィールド５１’、５３．１’、５３．２’の位置が異なった態様が、図２ｃに示されている。ここでも、第１および第２の走査手段の配置は、反射基準尺３０’における２つのインクリメンタル信号走査フィールド５３．１’、５３．２’の中心が、測定方向ｘに対して垂直方向の、基準尺平面における直線Ｇｙ’上に位置するように構成されている。しかし、基準パルス信号走査フィールド５１’の中心は、測定方向ｘにずらして配置されている。この態様では、基準尺および走査ユニット１０がｚ軸を中心にモアレ回転した場合に、基準パルス信号ＲＩの位置が、モアレ角の影響を比較的受けず済むことができる。さらに、この態様では、走査フィールドの位置がずれているので、インクリメンタル目盛トラックに対する望ましくないノイズのクロストークを最小限にすることが可能である。
【００６９】
基準位置ＸＲＥＦを中心とする領域において基準パルス検出素子１５．１，１５．２に印加される信号Ｓ１，Ｓ２が、図４ａに示されている。これらの信号Ｓ１，Ｓ２から、どのように最終的に所定の基準パルス信号ＲＩが生成できるかを、以下の説明においてさらに詳細に述べる。
【００７０】
次に、第２の走査手段によるインクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢの生成については、特に図２および図１ａと１ｂに示されている。これらには、インクリメンタル信号生成のための部分走査光路が、それぞれ破線で示されている。
【００７１】
そこでは、光源１４から放出されたインクリメンタル信号生成用の線束は、偏向されることなく分割格子１９を通過した後、反射基準尺３２上のインクリメンタル目盛３３．２に達する。そこから、ｘ−ｚ平面において分割された部分線束が、走査ユニット１０の方向へ後方反射され、そこで、走査板１１の下面に配置された走査格子１８．３，１８．４を通過する（図１ａ）。これらの走査格子は、部分線束をｙ方向へ偏向させ、その結果、部分線束は、走査板１１の上面にある２つの反射素子１７．１，１７．２に当たる（図１ｂ）。反射素子１７．１，１７．２から、両部分線束の後方反射が、走査板１１の下面の更なる走査格子１８．１，１８．２の方向へ生じる。これらの走査格子は、部分線束を、反射基準尺３０上にある第２のインクリメンタル目盛３３．１の方向へ、再び偏向して返す（図２）。インクリメンタル目盛３３．１から、もう１度、部分線束の後方反射が走査ユニット１０の方向へ生じる。そこで、この２つの後方反射された部分線束は、走査板１１の下面にある結合格子１８．５へ達する。結合格子１８．５から、最終的に３組の干渉する部分線束が、背後に配置された３つのインクリメンタル信号検出素子２０．１，２０．２，２０．３の方向へ伝播する。インクリメンタル信号検出素子は、それぞれ１２０°ずつ位相がずれた３つの周期信号を検出する働きをし、その周期信号は、位相のずれに応じて変調される。これらの信号は、最終的に、公知の方法で、（図示されていない）背後に配置された電子装置を介して、位相が９０°ずれた２つのインクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢに変換される。また、インクリメンタル走査との関連については、本出願人の独国特許出願公開１０２００６０４２７４３．２号明細書を参照のこと。
【００７２】
この場合にも、インクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢを生成するための前記の第２の走査手段に、走査ユニット１０内のさまざまな光学素子または走査ユニット１０に付設された構成部品が含まれている。その中には、少なくとも複数の走査格子１８．１から１８．４、少なくとも１つの結合格子１８．５、および少なくとも２つの反射素子１７．１，１７．２が含まれている。さらに、インクリメンタル検出素子２０．１，２０．２，２０．３を、第２の走査手段に含めることができる。
【００７３】
走査板１１の上面および下面における基準パルス信号ＲＩ生成用およびインクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢ生成用のこれらのさまざまな光学素子の配置が、図３ａおよび図３ｂに示されている。
【００７４】
既に上述したように、基準位置ＸＲＥＦの領域において、基準パルス検出素子１５．１，１５．２を介して信号Ｓ１，Ｓ２が生成される。この信号は図４ａに示されている。しかし、幅が約１５μｍの信号Ｓ１，Ｓ２では、基準パルス信号ＲＩにはまだ十分狭くはなく、特に、信号周期が例えば０．５μｍの、前述の高分解能のインクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢを利用する場合には十分に狭くはない。その際、原則として、基準位置ＸＲＥＦ領域における幅が、生成されたインクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢの幅に等しい基準パルス信号ＲＩを出力側で利用できるようにすることが望ましい。これにより、本例では、図５に示された回路構成によって信号Ｓ１，Ｓ２の更なる処理が行われることが想定されている。この処理については、以下で説明する。
【００７５】
この例では、基準パルス信号検出素子１５．１，１５．２における信号Ｓ１，Ｓ２は、まず、電流電圧変換器２１．１，２１．２に送られる。次に、下流側に配置された加算器および減算器２２，２３を介して、和信号Ｓ１＋Ｓ２および差信号Ｓ１−Ｓ２が形成される。この和信号Ｓ１＋Ｓ２および差信号Ｓ１−Ｓ２は、図４ｂの基準位置ＸＲＥＦの領域に示されている。次に、和信号Ｓ１＋Ｓ２は、第１の比較器２４．１に送られ、この比較器のもう一方の入力部には基準信号またはトリガ閾値ＴＲ１が印加される。差信号Ｓ１−Ｓ２は、第２および第３の比較器２４．２，２４．３に送られ、これらの比較器の入力部には、トリガ閾値ＴＲ３およびＴＲ２が基準信号として印加されている。図４ｂでは、和信号Ｓ１＋Ｓ２および差信号Ｓ１−Ｓ２について、さまざまなトリガ閾値の位置が示されている。次に、第１の比較器２４．１の出力信号は、第１のＡＮＤゲート２５．１に送られる。このＡＮＤゲートの第２の入力部には、第２のＡＮＤゲート２５．２の出力信号が印加される。この第２のＡＮＤゲートには、第２および第３の比較器２４．２，２４．３の出力信号が印加されている。トリガ閾値ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３が図のように選択され、図のように結線されている場合、すなわち、これらによって生じる論理ＡＮＤゲートを介した場合、ＡＮＤゲート２５．１の出力部に所望の基準パルス信号ＲＩが生成され、この基準パルス信号は、生成されたインクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢの幅ｂＩＮＣと等しい０．５μｍの幅ｂＲＩを有する。これが図４ｃに示されている。
【００７６】
では次に、反射基準尺３０の面上にある基準マーク３１の有利な構成について、さらに詳細に説明する。以下で説明する方策によって、特に、基準パルス信号ＲＩ生成の際の中立回転中心の位置を、インクリメンタル信号生成の際の中立回転中心に適合できることが保証される。これは、走査ユニット１０および反射基準尺３０が傾斜した場合に誤測定を避けるための重要な方策である。
【００７７】
このために、既に上述した、基準マーク３１の構造要素３１．１，３１．２を回折光学素子あるいは回折構造要素として構成し、この構造要素が、測定方向ｘに光学的に所定の焦点ｆを有するシリンダレンズのように作用し、従って、測定方向ｘに虚焦点または実焦点を、反射基準尺から焦点距離ｆだけ離れた位置に有することが想定されている。ｙ−ｚ平面において、構造要素３１．１，３１．２は、光学的作用として、横周期性Ｔ１またはＴ２を有する格子として働く作用を持つ。
【００７８】
好ましくは、システム上の条件により、インクリメンタル信号走査の中立回転中心が反射基準尺３０の上方または下方に位置するとき、これらの構造要素３１．１，３１．２の、選定された焦点距離ｆは、インクリメンタル信号走査の中立回転中心から反射基準尺３０までの距離の半分に等しい。このようにして、基準パルス信号生成の中立回転中心の位置を、インクリメタル信号生成の中立回転中心に適合させることが可能である。従って、走査ユニット１０および反射基準尺３０が傾斜した場合にも、この方法以外でなら生じる位置測定時の誤差を避けることができる。
【００７９】
さらに、走査ユニット１０における結像光学系１２を物体側で構造要素３１．１，３１．２の焦点面の位置に適合させることが想定されている。この焦点面は、結像光学系１２を介して、絞り構造１３．１，１３．２が配置されている絞り面に結像される。これらの要件は、結像光学系１２の位相関数によって、下記式１で表すことができる。
【００８０】
【数１】
2008129022.tif 000003
（式１）
ただし、
λ０  ＝  用いられる光源の波長
ｘ  ＝  測定方向の座標
ａ１  ＝  基準尺平面と結像光学系との間の距離
ａ２  ＝  結像光学系と絞り面との間の距離
ｎ  ＝  走査板の屈折率
ｆ  ＝  基準マークの構造要素の焦点距離
【００８１】
ここで言う位相関数とは、結像光学系１２の幾何学的形状を等高線状に示したものである。
【００８２】
結像光学系１２による結像スケールは、下記式２で示されるように選定されるのが好ましい。
【００８３】
【数２】
2008129022.tif 000004
（式２）
ただし、
ａ１  ＝  基準尺平面と結像光学系と間の距離
ａ２  ＝  結像光学系と絞り面との間の距離
ｎ  ＝  走査板の屈折率
ｆ  ＝  基準マークの構造要素の焦点距離
【００８４】
図６ａには、中立回転中心Ｎが、走査条件により、明らかに基準尺平面の下方に位置する場合が図式的に示されている。基準マーク３１の構造要素３１．１，３１．２の焦点距離ｆは、明らかなように、反射基準尺３０から中立回転中心Ｎまでの距離の半分に等しくなるように選定され、その焦点距離の位置に合わせて結像光学系１２が調整される。
【００８５】
これに対して、図６ｂは、中立回転中心Ｎが明らかに基準尺平面の上方に位置する場合を図式的に示している。この場合も同様に、基準マーク３１の構造要素３１．１，３１．２の焦点距離ｆは、明らかなように、反射基準尺３０から中立回転中心Ｎまでの距離の半分に等しくなるように選定され、また、その焦点距離の位置に合わせて結像光学系１２が調整される。
【００８６】
図６ｂに示された状況の場合、反射基準尺３０がｙ方向の軸を中心に角度αだけ傾斜したとき（図６ｃを参照）、結像光学系１２の焦点は移動し、２ｆα分だけ直線的に接近する。これは、インクリメンタル信号の変位量に一致する。すなわち、基準パルス信号の生成とインクリメンタル信号の生成とは、傾斜による影響を同等に受ける。
【００８７】
従って、基準マークの、説明してきたこの構成では、第１のエンコーダにおいて、基準パルス信号生成の中立回転中心は、インクリメンタル信号生成の中立回転中心に一致させることができる。そのとき、両信号は、本発明に係る方策を用いることで、反射基準尺が測定ユニットに対して傾斜した場合にも、それによる同等の影響を受ける。所定の光学的作用を有する構造要素を用いた上述の解決策は、特にインクリメタル信号生成の中立回転中心が、走査条件によって明らかに基準尺平面から離れた位置に来る場合に、特に有利に、基準パルス信号生成の中立回転中心の位置を適合させることを可能にする。
【００８８】
然るべき走査原理を用いる場合、さらに、インクリメンタル信号生成の中立回転中心が、基準尺平面の比較的近くに隣り合う位置になるようにすることが可能である。この場合、有利であることが明らかなことは、構造要素の各組を、上述の光学的なシリンダレンズ特性を持つように構成するのではなく、これらの構造要素の断面形状を四角形に構成することである。一方に所定の光学的作用を有する上述の構造要素を備えた組と、もう一方にその種の光学的作用を伴わない構造要素を備えた組とからなる混成配置によって、基準パルス信号生成の中立回転中心を基準尺平面のすぐ近くに移動させることができる。
【００８９】
図７ａ、図７ｂおよび図８ａと図８ｂを参照しながら、以下で、本発明に係る第１のエンコーダの１つの態様を説明する。この態様は、前述の例とわずかに異なっている。図７ａおよび図７ｂは、前述の例と同じように、本発明に係る第１のエンコーダのこの態様における部分走査光路を示す。図８ａおよび図８ｂは、走査板の下面および上面の平面図である。以下においては、主に、前述の例と異なる構成部品あるいはそれらの機能のみを説明する。
【００９０】
これらの図では、実線で示された部分走査光路は、基準パルス信号を生成する働きをする走査光路を表し、破線で示された部分走査光路は、インクリメタル信号を生成するための走査光路を表している。
【００９１】
最初の例と異なり、まず、反射基準尺３３０の基準マーク３３１に対して収束照射が行われることが想定されている。基準マーク３３１に対する収束照射が、明らかに有している効果は、基準パルス信号生成の中立回転中心の位置が、反射基準尺３３０と走査ユニット３１０との間の走査距離にほとんど影響されないことである。図７ｂには、この収束照射光路が、分割格子３１９と基準マーク３３１との間に示されている。インクリメンタル信号生成の中立回転中心の位置が走査距離に影響されないことは、そのためにインクリメンタル目盛３３３．１，３３３．２を選択的に走査することによって保証されている。
【００９２】
基準マーク３３１に対するこの種の収束照射を保証するために、本発明に係る第１のエンコーダの、図示された態様では、分割格子３１９が、走査ユニット３１０内に結像レンズとして、湾曲した格子線を有する回折分光器の形に構成される。これは、図８ａにおける走査板３１１の下面の平面図にも示されている。
【００９３】
本発明に係るエンコーダのこの態様では、分割格子３１９が結像レンズとして構成されている結果、また、走査光路も変わる。そこで重要なことは、走査格子３１９と絞り構造３１３．１，３１３．２とを走査板３１１上に相対的に精確に位置決めしておくことによって、発生する基準パルス信号の位置が、走査光路が変わった場合にも、変化しないようにすることができることである。これらの構成部品を、製造時に精確に位置決めすることが技術上より簡単に実現できるように、この態様では、絞り構造３１３．１，３１３．２と分割格子３１９とを、前記の例と異なり、走査板３１１の同じ面上に配置することが想定されている。図８ａは、走査板３１１の下面を示し、結像光学系３１２．１，３１２．２の構成部品に対してｙ方向に隣接して、それぞれ絞り構造３１３．１，３１３．２が配置されている。
【００９４】
これに代えて、また、絞り構造と分割格子とを走査板の上面に配置することも可能であろう。
【００９５】
本態様において、絞り構造３１３．１，３１３．２を走査板３１１の下面に配置できるように、走査光路には、上記の例とは異なり、さらに反射素子３２１．１，３２１．２が走査板３１１上面に配置されている。これは、例えば図８ｂに示されている。これは、走査光路に関して、次のような結果をもたらす。すなわち、図７ｂから分かるように、基準マーク３３１から走査ユニット３１０の方向に反射された部分線束が、まず、（本例では２つの構成部品からなる）結像光学系３１２．１，３１２．２から、追加された反射素子３２１．１，３２１．２を介して、走査板３１１の下面の絞り構造３１３．１，３１３．２の平面に投影される。図８ｂに示された走査板３１１の上面図には、反射素子３２１．１，３２１．２が見て取れる。次に、走査板３１１の下面にある絞り構造３１３．１，３１３．２から、基準パルス信号を生成するための検出素子３１５．１，３１５．２の方向へ後方反射が生じる。このような光路であるので、本態様では、絞り構造３１３．１，３１３．２は、当然、透光性／非透光性の構造としてではなく、反射性／非反射性の構造として構成されている。
【００９６】
前記の例に対してわずかな変更が加えられた、基準パルス信号を生成するためのこの走査光路は、最後にもう１つの変化を伴う。それは、図７ｂから分かるように、結像光学系３１２．１あるいは３１２．２によって、結像を行う光学的作用のほかに、さらに、それぞれｙ方向の、横向きの偏向作用が生じる必要があることである。これが保証されるのは、結像光学系３１２．１，３１２．２が、それぞれ回折格子レンズ構造として構成されるときである。これが、図８ａの走査板３１１の下面図に図式的に示されている。
【００９７】
上述のこれらの変更点を除けば、本発明に係る第１のエンコーダのこの態様では、基準パルス信号およびインクリメンタル信号の生成は、前記例と同様に行われる。
【００９８】
図９ａ、９ｂ、１０および１１を参照しながら、最後に、本発明に係る第２のエンコーダについて説明する。
【００９９】
図９ａおよび図９ｂも、非常に図式的な形で、本発明に係る第２のエンコーダにおけるインクリメンタル信号および基準パルス信号を生成するための部分走査光路を示した、それぞれ別方向からの正面図である。
【０１００】
図９ａおよび図９ｂには、基準パルス信号生成のための部分走査光路がそれぞれ実線で描かれており、一方、インクリメンタル信号生成のための部分走査光路が破線で示されている。
【０１０１】
本発明に係る第２のエンコーダも、走査ユニット４１０を含み、この走査ユニットが、反射基準尺４３０として構成された基準尺に相対して、少なくとも測定方向ｘに可動に配置されている。
【０１０２】
反射基準尺４３０は、本発明に係る前記の第１のエンコーダと異なり、測定方向ｘに平行に延びる２つの基準マークトラックを持ち、これらの基準マークトラックは、それぞれ少なくとも１つの基準位置ＸＲＥＦに基準マーク４３１．１，４３１．２を有している。この場合、基準マーク４３１．１，４３１．２は、図１０に示された、測定方向ｘに沿って延びる対称軸ＳＸに対して対称に構成されている。これらの基準マークトラックの間に、周期的なインクリメンタル目盛４３３を有するインクリメンタル目盛トラックが配置されている。
【０１０３】
走査ユニット４１０は、基準位置ＸＲＥＦに基準パルス信号ＲＩを生成するための第１の走査手段を含む。この第１の走査手段あるいはそれに対応する走査光路によって、基準パルス信号ＲＩを生成するために、基準マークトラックにおける基準マーク４３１．１，４３１．２に対して、走査線束が、１つの基準パルス走査フィールド４５１．１，４５１．２にそれぞれ少なくとも１回印加されることが保証される。図１０には、対応する基準パルス走査フィールド４５１．１，４５１．２が、基準マークトラックに描き込まれている。
【０１０４】
さらに、走査ユニット４１０の面上には、第２の走査手段が設けられており、この第２の走査手段が、周期的なインクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢを生成する働きをする。第２の走査手段は、適当な走査光路によって、インクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢを生成するために、インクリメンタル目盛４３３の２つのインクリメタル信号走査フィールド４５３．１，４５３．２に対して、それぞれ少なくとも１回印加が行われることを保証する。これも、同様に図１０に示されている。
【０１０５】
インクリメンタル目盛４３３の両側に隣接して配置された基準マーク４３１．１，４３１．２は、それぞれシリンダレンズとして構成されており、これらは、既に上述したように、対称軸Ｓｘに対して鏡面対称に設けられている。対称軸Ｓｘは、基準尺平面において測定方向ｘに対して平行に延びている。さらに、有利なことが明らかであるのは、基準マーク４３１．１，４３１．２も、基準尺平面において測定方向ｘに対して垂直方向に延びるもう１つの対称軸Ｓｙに対して、鏡面対称に設けられる場合である。
【０１０６】
そこでまず、本発明に係る第２のエンコーダにおける基準パルス信号ＲＩの生成と、第１の走査手段によって得られる走査光路とについて説明する。この走査光路は、図９ａと図９ｂに実線で示されている。
【０１０７】
ここでは、（図示されていない）光源から放出された平行な線束ＳＲＩは、まず、反射基準尺４３０上の第１の基準マーク４３１．２に達する。そこでは、入射線束が回折し、回折次数＋／−１の反射光に分割され、反射光は走査ユニット４１０の方向へ伝播する。後方反射され、回折された線束を入射線束から十分に空間的に分離するために、あるいは、それらをｘ−ｚ平面に十分に分割するために、シリンダレンズとして構成された基準マーク４３１．１は、横周期性ＴＲＩ１を有する。
【０１０８】
走査ユニット４１０へ向かって後方反射され、発散する部分線束はそれぞれ、走査ユニット４１０内において、走査板４１１の下面に配置された回折走査格子４１８．１，４１８．２に達する。走査格子４１８．１，４１８．２は、入射する部分線束を再び平行にし、これらの線束を走査板平面に対して偏向する。その際、その偏向は、これらの線束の光軸が、走査板４１１の通過後、走査板平面に対して垂直方向になるように行われる。次に、これらの部分線束は、背後に配置されたダハプリズムの鏡面に達し、この鏡面が反射素子４１３．１，４１３．２として機能し、部分線束を２つの更なる回折走査格子４１８．３，４１８．４の方向へ偏向する。これらの更なる回折走査格子も走査板４１１の下面に配置されている。この２つの走査格子４１８．３，４１８．４を介して、２つの部分線束は、再び偏向されて、基準尺４３０上にある第２の基準マーク４３１．２の方向へ収束しながら伝播する。横周期性ＴＲＩ２を有するシリンダレンズとして構成された第２の基準マーク４３１．２の領域で、これらの部分線束は干渉し合い、そこから再び走査ユニット４１０の方向へ後方反射され、そこで、部分線束は、複数の基準パルス検出素子に達する。図では、これらの基準パルス検出素子のうち基準パルス検出素子４１５だけが示されている。基準マーク４３１．１，４３１．２を通過する場合、基準パルス検出素子４１５で、基準パルス信号ＲＩが生じる。
【０１０９】
基準パルス信号ＲＩを生成するための前記第１の走査手段には、本発明に係るこのエンコーダの場合にも、走査ユニット４１０内のさまざまな光学素子あるいは走査ユニット４１０に付設された構成部品が含まれている。これには、例えば、走査格子４１８．１から４１８．４および反射素子４１３．１，４１３．２、ならびに基準パルス信号検出素子４１５を含めることができるであろう。
【０１１０】
次に、以下において、インクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢの生成について、図９ａ、９ｂ、１０および１１を参照しながら説明する。これらの信号は、本発明に係る第２のエンコーダでは、第２の走査手段を用いて生成される。それに対応する走査光路は、図９ａと図９ｂに破線で示されている。
【０１１１】
（図示されていない）光源から放出された平行な線束ＳＩＮＣは、反射基準尺４３０のインクリメンタル目盛４５３へ、まず１回目として、第１のインクリメンタル信号走査フィールド４５３．１に達する。その際、ただ１つの共通の光源を用いて、第１および第２の走査手段に、インクリメンタル目盛４３３と基準マーク４３１．１，４３１．２とを走査するための光を供給することが好ましいことをここに指摘しておく。原則として、もちろん、２つの別個の光源を用いることも可能である。第１のインクリメンタル信号走査フィールド４５３．１では、入射線束は回折し、回折次数＋／−１の反射光に分割され、反射光は走査ユニット４１０の方向へ伝播する。走査板４１１の下面にある走査格子４１８．５，４１８．６を通過する際、部分線束は再び偏向される。その際、その偏向は、部分線速が、それに続いて走査板平面に対して垂直方向に、背後に配置されたダハプリズムの鏡面の方向に伝播するように行われる。ダハプリズムの鏡面は、反射素子４１３．１，４１３．２として機能する。この反射素子４１３．１，４１３．２によって、部分線束は、２つの更なる走査格子４１８．７，４１８．８の方向へ再び後方反射される。これらの更なる走査格子も走査板４１１の下面に配置されている。これらの走査格子４１８．７，４１８．８を通過した後、部分線束は、インクリメンタル目盛４３３へ、２回目として第２のインクリメンタル信号走査フィールド４５３．２に達し、そこで干渉し合う。最後に、第２のインクリメンタル走査フィールド４５３．２から、複数の部分線束が、走査ユニット４１０の方向に後方反射される（これは図示されていない）。そこで、これらの部分線束は、複数のインクリメンタル信号検出素子に達する。
【０１１２】
インクリメンタル信号検出素子では、基準尺と走査ユニット４１０とが相対運動した場合に、位相がずれた周期的なインクリメンタル信号が生じる。それから、これらのインクリメンタル信号は、公知の方法で、位相差が９０°である１組のインクリメタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢに変換することができる。
【０１１３】
従って、インクリメタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢを生成するための第２の走査手段として、本発明に係る第２のエンコーダでも、走査ユニット４１０内のさまざまな光学素子あるいは走査ユニット４１０に付設された構成部品が機能する。これには、例えば、走査格子４１８．５から４１８．８および反射素子４１３．１，４１３．２、ならびに基準パルス信号検出素子が含まれる。
【０１１４】
従って、第２の走査手段によって、中央に配置されたインクリメンタル目盛４３３に対して、走査に用いられる線束が、両インクリメンタル走査フィールド４５３．１，４５３．２に対して、それぞれ１回印加されることが保証される。
【０１１５】
特に図１０から明らかなように、図の例では、両インクリメンタル信号走査フィールド４５３．１，４５３．２の中心は、基準尺平面において測定方向ｘに対して垂直方向に延びる第１の直線Ｇｙ１上に位置している。両基準パルス信号走査フィールド４５１．１，４５１．２の中心は、同様に基準尺平面において測定方向ｘに対して垂直方向に延びる第２の直線Ｇｙ２上に位置しており、この直線Ｇｙ２は、図の実施例では、上述した対称軸線Ｓｙと一致している。両直線Ｇｙ１およびＧｙ２は、測定方向ｘに互いに対してずらして配置されている。こうして走査フィールドがずらして配置されていることによって、インクリメンタル目盛に対する信号クロストークを上述のように抑制することが実現され、また、小型の構造が可能となる。
【０１１６】
本発明に係る第１および第２のエンコーダについて、前記２例以外に、本発明の枠内において、その他の構成方法が可能であることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１ａ】本発明に係る第１のエンコーダの部分走査光路についての第１の正面図であり、基準パルス信号の生成を示す。
【図１ｂ】本発明に係る第１のエンコーダの部分走査光路についての第２の正面図であり、基準パルス信号の生成を示す。
【図１ｃ】本発明に係る第１のエンコーダの部分走査光路についての第３の正面図であり、インクリメンタル信号の生成を示す。
【図２ａ】本発明に係る第１のエンコーダの反射基準尺を示す部分平面図であり、基準マークの部分拡大図を含む。
【図２ｂ】本発明に係る第１のエンコーダの反射基準尺を示す部分平面図であり、基準マークトラックとインクリメンタル目盛トラックとに走査フィールドが含まれている。
【図２ｃ】本発明に係る第１のエンコーダの変化形態の反射基準尺を示す部分平面図であり、基準マークトラックとインクリメンタル目盛トラックとに走査フィールドが含まれている。
【図３ａ】本発明に係る第１のエンコーダの走査板下面を示す平面図である。
【図３ｂ】本発明に係る第１のエンコーダの走査板上面を示す平面図である。
【図４ａ】本発明に係る第１のエンコーダを用いて基準パルス信号を生成する際に生じる信号を表す。
【図４ｂ】図４ａに記載の信号からなる和信号と差信号を示し、基準パルス信号の生成に用いられるトリガ閾値を含む。
【図４ｃ】基準位置に生じる基準パルス信号を示し、インクリメンタル信号も共に示されている。
【図５】さまざまな信号を処理すること、および図４ａから４ｃに示された基準パルス信号を生成することに適した回路構成の概略図である。
【図６ａ】図１ｂに類似した別図であり、中立回転中心が異なった位置にある、あるいは、反射基準尺が傾斜している。
【図６ｂ】図１ｂに類似した別図であり、中立回転中心が異なった位置にある、あるいは、反射基準尺が傾斜している。
【図６ｃ】図１ｂに類似した別図であり、中立回転中心が異なった位置にある、あるいは、反射基準尺が傾斜している。
【図７ａ】本発明に係る第１のエンコーダの１つの態様における部分走査光路についての第１の正面図であり、基準パルス信号の生成を示す。
【図７ｂ】本発明に係る第１のエンコーダの、図７ａに示された態様の部分走査光路についての第２の正面図であり、基準パルス信号の生成を示す。
【図８ａ】本発明に係る第１のエンコーダの前記態様の走査板下面を示す平面図である。
【図８ｂ】本発明に係る第１のエンコーダの前記態様の走査板上面を示す平面図である。
【図９ａ】本発明に係る第２のエンコーダの部分走査光路についての第１の正面図であり、信号の生成を示す。
【図９ｂ】本発明に係る第２のエンコーダの部分走査光路についての第２の正面図であり、信号の生成を示す。
【図１０】本発明に係る第２のエンコーダの反射基準尺を示す部分平面図であり、基準マークトラックとインクリメンタル目盛トラックとに走査フィールドが含まれている。
【図１１】本発明に係る第２のエンコーダの走査板下面を示す平面図である。
【符号の説明】
【０１１８】
１０  走査ユニット
１１  走査板
１２  結像光学系
１３  絞り構造
１４  光源
１９  分割格子
３０  基準尺
３１  基準マーク
３３  インクリメンタル目盛
５１  基準パルス走査フィールド
５３  インクリメンタル信号走査フィールド
【図１ａ】
2008129022.tif 000005
【図１ｂ】
2008129022.tif 000006
【図１ｃ】
2008129022.tif 000007
【図２ａ】
2008129022.tif 000008
【図２ｂ】
2008129022.tif 000009
【図２ｃ】
2008129022.tif 000010
【図３ａ】
2008129022.tif 000011
【図３ｂ】
2008129022.tif 000012
【図４ａ】
2008129022.tif 000013
【図４ｂ】
2008129022.tif 000014
【図４ｃ】
2008129022.tif 000015
【図５】
2008129022.tif 000016
【図６ａ】
2008129022.tif 000017
【図６ｂ】
2008129022.tif 000018
【図６ｃ】
2008129022.tif 000019
【図７ａ】
2008129022.tif 000020
【図７ｂ】
2008129022.tif 000021
【図８ａ】
2008129022.tif 000022
【図８ｂ】
2008129022.tif 000023
【図９ａ】
2008129022.tif 000024
【図９ｂ】
2008129022.tif 000025
【図１０】
2008129022.tif 000026
【図１１】
2008129022.tif 000027