(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの部材間の測定軸方向に沿った相対変位を測定し、基準位置の指標を提供する光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置であって、
第１の発散光源光を出力する光源、およびそれぞれ基準マーク信号を提供することができる少なくとも第１および第２の光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネルを備える、少なくとも第１の光ファイバ読取りヘッドと、
測定軸方向に沿って延びる少なくとも第１のスケールトラックを備えるスケール部材と、
を備え、
前記第１のスケールトラックは、
前記発散光源光によって照射されるとき第１の大きさの０次反射率を提供する第１のタイプのトラック部分と、
前記第１のタイプのトラック部分内に設置され、前記発散光源光によって照射されるとき、前記第１の大きさの０次反射率と異なる第２の大きさの０次反射率を提供する、少なくとも１つの基準マーク部分と、を備え、
前記第１の光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネルは、
第１の基準マーク信号レシーバチャネル光ファイバおよび第１の基準マーク信号レシーバチャネル開口を備え、
前記第２の光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネルは、
第２の基準マーク信号レシーバチャネル光ファイバおよび第２の基準マーク信号レシーバチャネル開口を備え、
前記第１の光ファイバ読取りヘッドが前記第１のスケールトラックに対して動作可能に位置決めされるとき、互いに最も近接する前記第１および第２の基準マーク信号レシーバチャネル開口の境界は前記測定軸方向に沿って寸法ＡＲ１２ＳＥＰだけ隔てられ、互いに最も離れた前記第１および第２の基準マーク信号レシーバチャネル開口の境界は前記測定軸方向に沿って全開口スパン寸法ＡＲ１２ＳＰＡＮにわたり、
前記少なくとも１つの基準マーク部分は、基準マーク部分の２つの境界が前記測定軸方向に沿ってエッジ間寸法ＬＥＴＯＥだけ隔てられるように設定され、
前記少なくとも１つの基準マーク部分および前記第１および第２の光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネルは、ＡＲ１２ＳＥＰ＜（２＊ＬＥＴＯＥ）＜ＡＲ１２ＳＰＡＮ、の関係を満たすように設定され、
前記それぞれの基準マーク信号は前記少なくとも１つの基準マーク部分に近接する信号交差領域内で基準位置を規定する、光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの基準マーク部分と前記第１および第２の光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネルが、［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．２５＊（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］＜（２＊ＬＥＴＯＥ）＜［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．７５＊（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］、の関係を満たすように構成される、請求項１に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの基準マーク部分と前記第１および第２の光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネルが、［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．４＊（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］＜（２＊ＬＥＴＯＥ）＜［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．６＊（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ）］、の関係を満たすように構成される、請求項２に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの基準マーク部分は、エッジ間寸法ＬＥＴＯＥだけ隔てられる外部境界を有する単一の基準マーク部分からなる、請求項１に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの基準マーク部分は、構造Ａおよび構造Ｂの１つに従って構成される第１および第２の基準マーク下位部分を備え、構造Ａにおいては互いに最も近い前記第１および第２の基準マーク下位部分の内部境界がエッジ間寸法ＬＥＴＯＥだけ隔てられ、構造Ｂにおいては互いに最も遠い前記第１および第２の基準マーク下位部分の外部境界がエッジ間寸法ＬＥＴＯＥだけ隔てられる、請求項１に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項６】
前記第１および第２の基準マーク副部分の各々の前記測定軸方向に沿った寸法は、少なくとも０．２５＊（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ）、および最大で０．７５＊（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ）である、請求項５に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項７】
前記第１および第２の基準マーク副部分の各々の前記測定軸方向に沿った寸法は、少なくとも０．４＊（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ）、および最大で０．６＊（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ）である、請求項６に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項８】
前記第１の発散光源光は、空間的にコヒーレントで単色性であり、
前記第１のタイプのトラック部分は、前記第１の発散光源光の０次反射を抑制するように構成される位相格子部分の１つ、および０次反射部分であり、
前記少なくとも１つの基準マーク部分は、前記第１の発散光源光の０次反射を抑制するように構成される他の位相格子部分の１つ、および０次反射部分である、請求項１に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項９】
前記０次反射部分は鏡面部分である、請求項８に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項１０】
各光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネル開口の光受信領域は、ａ）対応する基準マーク信号レシーバチャネル光ファイバの光伝送コア領域と、ｂ）空間的な周期構造を含まず、かつ、前記対応する基準マーク信号レシーバチャネル光ファイバの端部に近接して設置され、前記光伝送コア領域の一部分を覆う開口マスクと、の少なくとも一方によって規定される、請求項１に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項１１】
前記第１の光源は光源光ファイバの端部を備え、
前記第１および第２の基準マーク信号レシーバチャネル光ファイバは、前記光源光ファイバに平行に、かつ近接して設置され、
前記光源光ファイバと前記第１および第２の基準マーク信号レシーバチャネル光ファイバを含む、前記第１の光ファイバ読取りヘッド内に設置されるすべての光ファイバは、最大で１．５ｍｍの直径を有する円柱内に設置される、請求項１に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項１２】
前記円柱は最大で１．０ｍｍの直径を有する、請求項１１に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項１３】
前記第１のスケールトラックに近接する前記スケール部材に配置され、前記測定軸方向に沿って延びる反射型周期スケール格子を備える第２のスケールトラックと、
前記第１の光ファイバ読取りヘッドに近接して配置され、空間的にコヒーレントな単色性を有する第２の発散光源光を出力する第２の光源と、それぞれ空間周期的なインクリメンタル測定信号を提供することができる複数の各光ファイバインクリメンタル測定信号レシーバチャネルと、を備える第２の光ファイバ読取りヘッドと、
をさらに備え、
前記第２の光ファイバ読取りヘッドの各光ファイバインクリメンタル測定信号レシーバチャネルは、それぞれインクリメンタル測定信号レシーバチャネル光ファイバ、および、その光ファイバの端部に近接して配置されるそれぞれのインクリメンタル測定信号レシーバチャネル空間位相マスク部分を備え、前記それぞれのインクリメンタル測定信号レシーバチャネル空間位相マスク部分は、空間位相を有すると共に、前記第２の発散光源光が前記反射型周期スケール格子によって受信されて反射されるとき、公称上のレシーバ面に現れる空間周期的な強度パターンを空間フィルタ処理することができるピッチで配置される遮光要素を有しており、
前記光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置は、前記第１および第２の光ファイバ読取りヘッドが互いに固定されるように構成され、
前記それぞれの基準マーク信号は、前記少なくとも１つの基準マーク部分に近接する前記信号交差領域内の前記空間周期的なインクリメンタル測定信号の１／２周期未満で再現可能である基準位置を規定する、請求項１に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項１４】
前記第１の発散光源光は、空間的にコヒーレントで単色性であり、
前記第１のタイプのトラック部分は、前記第１の発散光源光の０次反射を抑制するように構成される位相格子部分の１つ、および０次反射部分であり、
前記少なくとも１つの基準マーク部分は、前記第１の発散光源光の０次反射を抑制するように構成される他の位相格子部分、および０次反射部分であり、
前記第２のスケールトラックの前記反射型周期スケール格子は、前記第２の発散光源光の０次反射を抑制するように構成される位相格子であり、
前記第２のスケールトラックの前記反射型周期スケール格子と、前記第１のスケールトラックの前記位相格子部分は、これらの格子要素間にそれぞれ公称上同じ陥凹高さを有する、請求項１３に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項１５】
前記第１の発散光源光は、空間的にコヒーレントで単色性であり、
前記第１のスケールトラックは、変位測定範囲にわたって前記測定軸方向に延びる反射型周期スケール格子を備え、前記反射型周期スケール格子は、前記第１の発散光源光の０次反射を抑制するように構成される位相格子であり、
前記第１の大きさの０次反射率を提供する前記第１のタイプのトラック部分は、前記少なくとも１つの基準マーク部分に近接する前記反射型周期スケール格子の一部分によって構成され、
前記少なくとも１つの基準マーク部分は０次反射部分を備え、
前記第１の光ファイバ読取りヘッドは、それぞれ空間周期的なインクリメンタル測定信号を提供することができる複数の各光ファイバインクリメンタル測定信号レシーバチャネルをさらに備え、各光ファイバインクリメンタル測定信号レシーバチャネルはそれぞれインクリメンタル測定信号レシーバチャネル光ファイバ、および、その光ファイバの端部に近接して配置されるそれぞれのインクリメンタル測定信号レシーバチャネル空間位相マスク部分を備え、前記それぞれのインクリメンタル測定信号レシーバチャネル空間位相マスク部分は、空間位相を有すると共に、前記第１の発散光源光が前記反射型周期スケール格子によって受信されて反射されるとき、公称上のレシーバ面に現れる空間周期的な強度パターンを空間フィルタ処理することができるピッチで配置される遮光要素を有し、
前記それぞれの基準マーク信号は、前記少なくとも１つの基準マーク部分に近接する前記信号交差領域内の前記空間周期的なインクリメンタル測定信号の１／２周期未満で再現可能である基準位置を規定する、請求項１に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項１６】
前記０次反射部分は鏡面部分であり、
各光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネル開口の光受信領域は、対応する基準マーク信号レシーバチャネル光ファイバの光伝送コア領域と、空間的な周期構造を含まず、かつ、前記対応する基準マーク信号レシーバチャネル光ファイバの端部に近接して設置され、前記光伝送コア領域の一部分を覆う開口マスクと、の少なくとも一方によって規定される、請求項１５に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの基準マーク部分と前記第１および第２の光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネルが、［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．２５＊（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］＜（２＊ＬＥＴＯＥ）＜［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．７５＊（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］、の関係を満たすように構成される、請求項１６に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項１８】
前記第１の光源は光源光ファイバの端部を備え、
前記第１および第２の基準マーク信号レシーバチャネル光ファイバ、および、それぞれのインクリメンタル測定信号レシーバチャネル光ファイバは、前記光源光ファイバに平行に、かつ近接して設置され、
前記光源光ファイバ、前記第１および第２の基準マーク信号レシーバチャネル光ファイバ、および前記それぞれのインクリメンタル測定信号レシーバチャネル光ファイバの各々を含む、前記第１の光ファイバ読取りヘッド内に設置されるすべての光ファイバは、最大で１．５ｍｍの直径を有する円柱内に設置される、請求項１７に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項１９】
前記円柱は最大で１．０ｍｍの直径を有する、請求項１８に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【請求項２０】
前記反射型周期スケール格子は少なくとも２μｍ、最大で８μｍの格子ピッチを有する、請求項１５に記載の光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に変位検出光エンコーダに関し、特にレシーバ要素としての光ファイバを利用する小型光ファイバエンコーダ用の基準信号を提供することに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１〜３で開示されたものなど、光ファイバレシーバチャネルを使用した様々な小型光ファイバ格子エンコーダが公知であり、同特許文献の各々は、その全体を参照することで本明細書に援用される。このような小型エンコーダは、超小型、超高精度、電気的ノイズイミュニティ、および超高速動作を含み得る、望ましい特性の組合せを提供する。
【０００３】
多くの動作制御および／または位置測定システムなどは、格子スケール内の特定周期の識別に有効な基準信号を入力する構成を含む。基準信号は、格子スケールに対して決定される特性に一般に対応しており、広範囲にわたる測定値の基礎として信号周期を計数するインクリメンタル型の変位測定システムにおいて別途に生じることがある位置のあいまいさを排除する基準点を提供する。
【特許文献１】米国特許第６，９０６，３１５号明細書
【特許文献２】米国特許第７，０５３，３６２号明細書
【特許文献３】米国特許第７，１２６，６９６号明細書（’３１５，’３６２及び’６９６特許）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記特許文献に含まれるエンコーダのような小型光ファイバ格子エンコーダと容易かつ経済的に結合可能であって、しかも同様の望ましい特性を備える基準信号生成構造は知られていない。このような基準信号生成構造が望まれていたと予測される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ここでは、以下の詳細な記述の中でさらに説明される概念を簡潔に抽出して要約する。この要約は、請求の範囲に記載される主題の重要な特徴を明確にすることを意図しておらず、請求の範囲に記載される主題の範囲の決定に使用されることを意図してもいない。
【０００６】
簡単に言うと、本発明は、基準位置の指標を提供することに利用可能な小型光ファイバ基準信号生成構造をも含む変位測定用の小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置を提供することを対象としている。様々な実施形態において、スケールは、第１のレベルの０次反射率（たとえば、位相格子）を提供する第１のタイプのトラック部分と、第２のレベルの０次反射率（たとえば、鏡面）を提供する基準マークとを備えるスケールトラックを含む。それぞれの光ファイバ基準信号レシーバチャネル開口は、種々の量の０次反射光を、基準マークとの近接性および／または重なりに応じて検出可能に受信する。本発明による基準マークは、読取りヘッドにおける一定の光ファイバ基準信号レシーバチャネル開口寸法に基づいて決定される、測定軸方向に沿った長さまたは境界距離寸法を有し、それによって得られるそれぞれの基準マーク信号間の関係を望ましいものとする。
【０００７】
一部の形態において、基準位置の指標を提供する光ファイバ読取りヘッドおよびスケールトラックは、周期的インクリメンタル測定信号を提供する光ファイバ読取りヘッドおよびスケールトラックとは別のものである。一部の形態において、一体化光ファイバ読取りヘッドおよび一体化スケールトラックは、基準位置の指標および周期的インクリメンタル測定信号の両方を提供する。
【０００８】
重要なことには、本発明による光ファイバ基準信号生成構造は、インクリメンタル測定（たとえば、’６９６特許に開示のもの）を行なう公知な小型光ファイバ格子エンコーダの特性と似た望ましい特性を備える。たとえば、重要なことには、本発明による光ファイバ基準信号生成構造は、’６９６特許に開示された干渉型光ファイバエンコーダと類似しているかあるいは同じ動作ギャップで使用され得る。さらに、本発明による光ファイバ基準信号生成構造は、同様の超小型、高精度、電気的ノイズイミュニティ、および超高速動作を備える。したがって、本発明による小型光ファイバ基準信号生成構造は、望ましい高精度の小型光ファイバインクリメンタル測定エンコーダと容易かつ経済的に結合可能である。
【発明の効果】
【０００９】
したがって、本発明は、従来技術による光学変位検出装置の欠点を解消し、超小型、高精度、経済的、かつ高速の構造の新たな応用の可能性を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明による基準信号生成構造を含む小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置１０００の第１の実施形態の等角図である。図１に示されるように、小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置１０００は、スケール格子８０を含むスケール部材８１、インクリメンタル読取りヘッド１００、および基準マーク読取りヘッド２００を含む。読取りヘッド１００および２００は、一般に、互いに堅固に取り付けられるかまたは単一ユニットとして形成され、したがってこれらの変位は同期することが理解される。
【００１１】
直交座標系ＸＹＺは、Ｙ軸がスケール格子８０のバーに平行であり、Ｚ軸がスケール格子８０の表面に垂直であり、Ｘ軸がＹ−Ｚ平面に直角であるように規定できる。測定軸８２はＸ軸に平行である。動作中、読取りヘッド１００がスケール格子８０を含むインクリメンタル測定スケールトラック８６に沿って変位され、読取りヘッド２００が基準スケールトラック８８に沿って変位されるように、スケール部材８１は測定軸８２に沿って変位する。図１において、インクリメンタル測定スケールトラック８６と基準スケールトラック８８の間の近似境界は鎖線１０で示される。図１に示される実施形態において、基準スケールトラック８８は一般にスケール格子８０を含む。しかし、重要なことには、基準スケールトラック８８は、以下にさらに詳しく説明される１つ以上の基準マーク領域２５１も含む。
【００１２】
インクリメンタル読取りヘッド１００は、光ファイバケーブル１９５に含まれる複数の光ファイバ１３０の端部を収容し位置決めするフェルール１０１を備える従来技術による小型光ファイバ読取りヘッドであればよい。様々な実施形態において、インクリメンタル読取りヘッド１００は、前述の特許文献に記載されたいずれのタイプのインクリメンタル読取りヘッドを備えてもよい。図１に示される実施形態において、インクリメンタル読取りヘッド１００は、援用された’６９６特許に詳しく記載された干渉型読取りヘッドを備える。簡単に言うと、動作中、読取りヘッド１００は光ファイバ１３０の中央ファイバからコヒーレントな発散光源光１５０を出力し、この光は照射スポット１５３においてスケール格子８０を照射し、ここで反射回折されてスケール光１５５を提供する。様々な実施形態において、スケール格子８０は０次反射を抑制するように構成される位相格子である。それゆえ、スケール光１５５は、主として読取りヘッド１００に反射される±１次回折光を備える。±１次回折光は、位相マスク要素１６１のレシーバ面１６０に近接する干渉縞の場を形成する。位相マスク要素１６１は、’６９６特許に記載されるように、複数の光ファイバインクリメンタル測定信号レシーバチャネルを提供するために、レシーバ面１６０に複数の空間フィルタを備え、外側光ファイバ１３０の端部一面に種々の空間位相を有する。空間フィルタ処理の結果として、光ファイバインクリメンタル測定信号レシーバチャネルは、スケール格子８０が読取りヘッド１００に対して変位されたとき種々の空間位相を有する周期的な光信号（たとえば、直交信号）を出力できる。
【００１３】
基準マーク読取りヘッド２００は、光ファイバケーブル２９５に含まれる複数の光ファイバ２３０の端部を収容し位置決めするフェルール２０１を備える。様々な実施形態において、基準マーク読取りヘッド２００は、以下にさらに詳しく説明されるように、本発明による様々な基準信号生成構造を備えることができる。簡単に言うと、動作中、読取りヘッド２００は、光ファイバ２３０の中央ファイバから発散光源光２５０を出力し、この光は照射スポット２５３でスケール格子８０および／または基準マーク領域２５１を照射する。様々な実施形態において、発散光源光２５０は都合の良いことに、単色性で空間的にコヒーレントであり、一部の実施形態において時間的にコヒーレントな場合もある。一般に、スケール格子８０は、読取りヘッド１００を参照して先に概説されたのと同じ方法で、干渉縞の場を生成する反射回折されたスケール光を提供する。しかし、様々な実施形態において、基準マーク読取りヘッド２００は位相マスク要素を含まない。結果として、複数の光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネルを備える外側光ファイバ２３０の端部は、変位とは関係なくほぼ一定の「平均的な」光量をその干渉縞の場から受け取るだけである。
【００１４】
先に示されたように、様々な実施形態において、スケール格子８０は０次反射を抑制するように設定された位相格子である。したがって、基準マークは、基準マーク領域２５１において少なくとも１つの鏡面基準マーク部分を使用してスケール格子８０の構造および／または動作を遮ることによって形成されてもよい。このような場合、基準マーク領域２５１が照射スポット２５３の位置にあると、鏡面基準マーク部分は、図１に示されるように、発散スケール光２５４をもたらす０次反射を生じる。結果として、読取りヘッド２００が基準マーク領域２５１全体にわたって変位すると、基準信号として送受信される（光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネルとして使用される外側光ファイバ２３０の端部のいずれか１つによって）「平均的な」干渉縞光の量と０次反射光の量は、照射スポット２５３と基準マーク部分の基準マーク領域２５１の重なり量に応じて変調される。以下にさらに詳しく説明されるように、基準位置が正確に決定され得るよう、こうした変調光基準信号を送受信する複数のそれぞれの光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネルが使用される。
【００１５】
以下にさらに詳しく説明されるように、基準マーク領域２５１における基準マーク部分は、Ｙ軸方向に沿って幅ＷＹを有し、測定軸８２の方向に沿った、所定間隔をあけて境界が配置され得る。読取りヘッド２００の所望の配列の許容範囲が基準マークスケールトラック８８の幅以内であれば十分であるとすると、幅ＷＹは、一般に、基準マーク領域２５１にとって重要でなく、あるいは本明細書に記載される他の基準マーク領域のいずれにとっても重要でない。様々な実施形態において、測定軸８２の方向に沿った基準マーク領域２５１に含まれる基準マーク部分の境界の適切な間隔は、信頼性のあるロバストな基準信号を提供するために重要な場合があり、以下にさらに詳しく説明されるように、読取りヘッド２００内に備えられる一定寸法のファイバ構成および／または光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネル開口に一般的に依存する場合もある。
【００１６】
図２は、本発明による基準信号生成構造を含む小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置２０００の第２の実施形態の等角図である。小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置２０００の動作は、いくつかの点で、図１の小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置１０００の動作に類似しており、同様の番号が付与された構成部分は、以下で特に注記がなければ外形と動作が類似しているかまたは同じであってもよい。図２に示されるように、小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置２０００は、スケール部材８１を含むスケール格子８０、インクリメンタル読取りヘッド１００、および基準マーク読取りヘッド２００を含む。小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置２０００と小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置１０００との主な違いは、基準スケールトラック８８’の構造が基準スケールトラック８８の構造と異なることである。特に、少なくとも基準マークゾーン２５１’を囲む基準スケールトラック８８’のその部分は、発散光源光が照射されるとき、相当量の０次反射率（たとえば、鏡面トラック部分）を提供するトラック部分を備える。基準マーク領域２５１’はそのトラック部分の範囲内に位置する。このような実施形態において、基準マーク領域２５１’は、周囲のトラック部分（たとえば、０次反射を抑制するように設計された格子部分）よりも相当小さい大きさの０次反射率を提供する少なくとも１つの基準マーク部分を含む。一部の実施形態において、基準マーク領域２５１’に含まれる格子基準マーク部分は、インクリメンタルスケールトラック８６に沿って延びるスケール格子８０と構造が同じであればよい。一実施形態において、鏡面トラック部分は、基準スケールトラック８８’のほぼ全長にわたって延びている。
【００１７】
簡単に言うと、動作中、読取りヘッド１００は、読取りヘッド２００に対して固定され（たとえば、各読取りヘッドを同じ取付けブラケットに取り付けることによって）、読取りヘッド１００がインクリメンタル測定スケールトラック８６に沿って変位され、かつ読取りヘッド２００が基準スケールトラック８８’に沿って変位されるように、スケール部材８１は測定軸８２に沿って変位する。一般に、照射スポット２５３は、基準マーク領域２５１’を含まず、これに近接する位置（たとえば、鎖線１５で示される位置に相当する位置）で基準スケールトラック８８’に沿って設置されるとき、基準スケールトラック８８’の鏡面部分は強力な０次反射を生じる。結果として、複数の光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネルを備える外側光ファイバ２３０の端部は、変位の範囲にわたってその０次反射からほぼ一定量で、かつ、「大量の」光を受信する。
【００１８】
基準マークは、基準マーク領域２５１’における鏡面トラック部分の構造および／または動作を遮ることによって形成され得る。たとえば、０次反射を抑制するように構成される格子型基準マークは、基準マーク領域２５１’内に設置され得る。このような場合、基準マーク領域２５１’が照射スポット２５３内に位置すると、格子部分の基準マークは０次反射を抑制し、図２の基準マーク領域２５１’の上方に発散する鎖線で示されるような±１次反射を生成する。結果として、読取りヘッド２００が基準マーク領域２５１’にわたって変位されると、０次反射光の量が著しく低減される。特に、０次反射は抑制され、その反射光のかなりの部分は±１次および３次の回折光として読取りヘッド２００から離れるように回折する。結果として、光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネルとして使用される外側光ファイバ２３０の端部の任意の特定の１つによって基準信号として送受信される光は、基準マーク領域２５１’における照射スポット２５３と基準マーク部分との重なり量に応じて変調される。以下にさらに詳しく説明されるように、このような変調された光基準信号の送受信には、基準位置が正確に決定され得るように複数のそれぞれの光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネルが使用される。
【００１９】
先に示されたように、測定軸８２の方向に沿って基準マーク領域２５１’に含まれる基準マーク部分の境界の適切な間隔は、信頼性のあるロバストな基準信号を提供するために重要な場合があり、以下にさらに詳しく説明されるように、読取りヘッド２００内に備えられるファイバ構成および／または光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネル開口の一定寸法に一般的に依存する場合もある。
【００２０】
図３は、本発明による基準信号生成構造を含む小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置３０００の第３の実施形態の等角図である。小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置３０００の動作は、いくつかの点で、図１の小型光ファイバヘッドおよびスケール配置１０００の動作に類似しており、同様の番号が付与された構成部分は、以下で特に注記がなければ外形と動作が類似しているかまたは同じであってもよい。図３に示されるように、小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置３０００は、スケール格子８０および基準マーク領域３５１、単に一体化読取りヘッド３００とも呼ばれる一体化インクリメンタルおよび基準マーク読取りヘッド３００、を含む１つのスケールトラックを有するスケール部材８１を含む。スケール格子８０は、０次反射を抑制するように構成される位相格子であればよい。基準マーク領域３５１は、図１の基準マーク領域２５１を参照して先に概説されたように、少なくとも１つの鏡面基準マーク部分を含み得る。一体化読取りヘッド３００は、光ファイバケーブル３９５に含まれる複数の光ファイバ３３０の端部を収容し位置決めするフェルール１０１を備える。様々な実施形態において、一体化読取りヘッド３００は、図１０、１１、および１２などを参照して以下に説明される一体化読取りヘッド構造のタイプのいずれかを備え得る。
【００２１】
簡単に言うと、動作中、一体化読取りヘッド３００は光ファイバ３３０の中央のファイバから発散光源光を出力し、この光は照射スポット３５３でスケール格子８０を照射する。様々な実施形態において、光源光３５０は都合の良いことに、単色性で空間的にコヒーレントであり、一部の実施形態において時間的にコヒーレントな場合もある。光源光３５０は、一般に反射回折されてスケール光３５５を提供する。スケール光３５５は、読取りヘッド３００に反射される±１次回折光を備え、位相マスク要素３６１のレシーバ面３６０に近接する干渉縞の場を形成し、位相マスク要素３６１は、先に説明された原理に従って複数の光ファイバインクリメンタル測定信号レシーバチャネルを提供するために、外側光ファイバ３３０の一定のファイバの端部にわたって種々の空間位相を有する位相マスク部分を使って干渉縞を空間的にフィルタ処理する。空間フィルタ処理の結果として、一体化読取りヘッド３００の一定の光ファイバレシーバチャネルは、スケール格子８０が読取りヘッド３００に対して変位されると種々の空間位相を有する周期的な光信号（たとえば、直交信号）を出力する可能性のあるインクリメンタル測定信号レシーバチャネルを提供する。
【００２２】
図３に示される実施形態において、一体化読取りヘッド３００の位相マスク要素３６１は、外側光ファイバ３３０の一定ファイバの端部にわたって空間フィルタ処理を行なわない領域をさらに含み、基準マーク領域３５１における鏡面基準マーク部分から現れる基準信号を提供するために使用される複数の光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネルを備える。様々な実施形態において、基準マーク領域３５１が照射スポット３５３に位置するとき、鏡面基準マーク部分は、図３に示されるように、発散スケール光３５４を提供する０次反射を生成する。結果として、読取りヘッド３００が基準マーク領域３５１にわたって変位されると、空間フィルタ処理を有さず、かつ複数の光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネルを提供する、一定の外側光ファイバ３３０の端部によって基準信号として送受信される「平均的な」干渉縞光の量と０次反射光の量は、照射スポット３５３と基準マーク領域３５１との重なり量に応じて変調される。以下にさらに詳しく説明されるように、このような変調された光基準信号の送受信には、基準位置が正確に決定され得るように複数のそれぞれの光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネルが使用される。
【００２３】
一体化読取りヘッド３００は、一体化読取りヘッド３００の照射スポット３５３が基準マーク領域３５１と重なるときに基準マーク光信号を出力すると同時に、インクリメンタル変位測定に使用される種々の空間位相を有する周期的な光信号（たとえば、インクリメンタル測定直交信号）を出力し続けることが望ましいことは当然である。それゆえ、以下にさらに詳しく説明されるように、様々な例示的実施形態において、一方で他の基準マークの設計検討事項を満たしながら、基準マーク領域３５１に含まれる鏡面基準マーク部分の領域をできる限り小さく作ることが有利である。
【００２４】
図４は、本発明による基準信号生成構造を含む小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置３０００’の第４の実施形態の等角図である。小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置３０００’の動作は、多くの点で、図３の小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置３０００の動作に類似しており、同様の番号が付与された構成部分は、以下で特に注記がなければ外形と動作が類似しているかまたは同じであればよい。一般に、小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置３０００’と３０００の動作の重要な違いのみが以下に説明される。
【００２５】
図４に示されるように、小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置３０００’は、一体化読取りヘッド３００とスケール部材８１を含み、スケール部材８１はスケール格子８０と末端領域８９に設置される基準マーク領域４５１と基準マーク境界領域４５１’とを含む１つのスケールトラックを有する。基準マーク境界領域４５１’は、基準マーク領域４５１の第１の境界を備える格子部分（たとえば、様々な実施形態におけるスケール格子８０と同じ）であるトラック部分を含み得る。スケール格子８０は、０次反射を抑制するように構成される位相格子であり、基準マーク領域４５１の第２の境界を備える。基準マーク領域４５１とスケール格子８０の境界は、読取りヘッドとスケール配置３０００’によって提供されるインクリメンタル変位測定範囲の端部にほぼ対応し得ることが理解される。領域４５１および４５１’の外側の末端領域８９は、一般に鏡面領域を備え得る。
【００２６】
基準マーク領域４５１は鏡面基準マーク部分を含み、基準マーク領域４５１はスケール格子８０と基準マーク境界領域４５１’の格子部分とによって測定軸方向に沿って境界が設定されるので、読取りヘッドおよびスケール配置３０００を参照して前述された基準マーク領域３５１に構造と動作が実質的に類似し得る。読取りヘッドおよびスケール配置３０００と比較した、読取りヘッドおよびスケール配置３０００’の１つの長所は、基準マーク領域４５１が、通常のインクリメンタル変位測定値をある程度乱すおそれのある、通常のインクリメンタル変位測定の範囲内に配置されていないことである。
【００２７】
一実施形態において、基準マーク境界領域４５１’は、基準マーク領域４５１の鏡面部分および末端部分８９の鏡面領域によって結合されており、読取りヘッドおよびスケール配置２０００を参照して前述された基準マーク領域２５１’と構造が実質的に類似しているかまたは同じであればよい。このような実施形態において、基準マーク境界領域４５１’は、補助的な基準マーク信号を提供するように使用され得る。特に、一体化読取りヘッド３００は、一般に、基準マーク領域４５１において鏡面末端領域８９と基準マーク部分から相当量の０次反射光を受信する。しかし、照射スポット３５３が基準マーク境界領域４５１’における格子部分と重なるとき、前述の原理に従って、０次反射は抑制され、反射光のかなりの部分は±１次および３次の回折光として一体化読取りヘッド３００から回折され離れる。結果として、空間フィルタ処理を有しない一定の外側光ファイバ３３０の端部によって基準信号として送受信される光の量は、照射スポット３５３と基準マーク境界領域４５１’の重なり量に応じて変調される。基準マーク境界領域４５１’における格子部分が以下でさらに説明される原理に従って決定される実用長さＬＥＴＯＥを有するとき、補助的な基準マーク位置は必要に応じて正確に決定され得る。
【００２８】
様々な実施形態において、基準マーク領域４５１からの信号は、スケール部材８１に沿った基準マーク位置を決定し、読取りヘッドおよびスケール配置３０００’のインクリメンタル変位測定範囲の端部を信号で伝えるために使用され得る。一部の実施形態において、基準マーク境界領域４５１’からの信号は、相対変位の適切な方向が示されるとき、読取りヘッドおよびスケール配置３０００’の相対変位の「リミットスイッチ」としての機能を果たし、および／または基準マーク領域４５１によって示される基準マークの位置を検出する回路を用意するルーチンまたは回路を起動するために使用され得る。
【００２９】
図５は、本発明による格子および基準マーク構造５００の１つの例示的実施形態を示す等角図である。図１〜４に示された構成部分に似た番号が付与された構成部分は、類似しているか同じである。格子および基準マーク構造５００は、スケール部材８１に設置されるスケール格子８０および鏡面部分基準マーク５０−Ｍを備える。鏡面部分基準マーク５０−Ｍは一般的な例として示される。図５に示されるように、スケール格子８０は、陥凹要素Ｇで隔てられ、Ｙ軸の方向に沿って延びる格子要素Ｅを含む。格子要素Ｅは、格子ピッチＰｇに従って測定軸８２に沿って周期的に配置される。格子要素Ｅの各々は測定軸８２の方向に沿って幅ＷＥを有し、陥凹要素Ｇの各々は幅ＷＧを有する。また、格子要素ＥはＺ軸の方向に沿って陥凹高さＨＥを有する。図５に示されるスケール格子８０の具体的な実施形態は、０次反射光とすべての偶数回折次数の反射光を抑制するように設計される。これを達成する方法は、援用された，６９６特許に記載されており、および／あるいは当分野において公知である。簡単に言うと、１つの例示的実施形態において、スケール格子８０は、長方形格子要素Ｅと陥凹要素Ｇの両方に反射クロム膜を有する反射位相格子として形成されており、さらに、０次反射光の相殺的干渉を起こす格子要素間の陥凹高さＨＥ、たとえば、格子および基準マーク構造５００に使用される光源光の波長の１／４の高さを有する反射位相格子として形成される。ＷＥがＷＧにほぼ等しい５０％デューティサイクルは、０次反射光の最適な抑制に寄与するだけでなく、残りの偶数回折次数の反射光も抑制する。
【００３０】
Ｘ軸方向に沿って長さＬＥＴＯＥを有する鏡面部分基準マーク５０−Ｍは、スケール格子８０内に設置され得る。当然ながら、スケール格子８０は、鏡面部分基準マーク５０−Ｍのそれぞれの側で同相に保たれるべきである。様々な例示的実施形態において、鏡面部分基準マーク５０−Ｍは、その境界が格子要素Ｅの同様の境界と同相であるような大きさで設置される。一部の実施形態において、長さＬＥＴＯＥは、Ｎが整数の場合にスケール格子８０の（Ｎ＋１／２）の周期と一致し得る。一部の実施形態において、Ｎはスケール格子８０の１０〜３０周期の範囲で選定され得る。ただし、この範囲は単なる例であってこれに限定されない。望ましい長さＬＥＴＯＥの選択に関する検討事項は、以下にさらに詳しく説明される。鏡面部分基準マーク５０−Ｍは格子要素Ｅの平面に対応するように形成されるものとして説明されるが、代替的に格子要素Ｇの平面に対応するように形成され得ることが理解される。様々な実施形態において、鏡面部分基準マーク５０−Ｍはスケール格子８０の加工に使用されるステップと同じステップの一部を使用して加工されてもよいことは当然である。したがって、図５に示される基準マーク５０―Ｍの実施形態は、位相型スケール格子８０と干渉型小型光ファイバ読取りヘッドを含む小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置で使用され得る基準マークを特に経済的に備える方法を提供する。図５に示されるように、格子および基準マーク構造５００は、鏡面部分基準マーク５０−Ｍが基準マーク領域２５１に設置される図１に示される読取りヘッドおよびスケール配置１０００、ならびに鏡面部分基準マーク５０−Ｍがそれぞれ基準マーク領域３５１および４５１に設置される図３および図４に示される読取りヘッドおよびスケール配置３０００および３０００’における使用に特に適している。
【００３１】
図５に示され、前述される格子および鏡面特性の役割は、Ｘ軸方向に沿って延びる鏡面スケールトラック部分、および／または図４に示される末端領域８９に含まれるような鏡面領域に埋め込まれる長さＬＥＴＯＥを有する格子部分基準マークを備えるように、逆にされ得ることが理解される。このような格子部分基準マーク、および関連鏡面スケールトラック部分または鏡面領域は、スケール部材８１のインクリメンタル測定スケールトラックに沿ってインクリメンタル測定スケール格子の加工に使用されるステップと同じステップを使用して加工され、これによって、位相型インクリメンタル測定スケール格子を含む小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置と、干渉型小型光ファイバ読取りヘッドとで使用され得る格子型基準マーク部分を特に経済的に備える方法を提供しうることは当然である。格子型基準マーク部分を含むこのような構造は、格子型基準マーク部分が基準マーク領域２５１’に設置される図２に示される読取りヘッドおよびスケール配置２０００、ならびに格子型基準マーク部分が基準マーク領域４５１’に設置される図４に示される読取りヘッドおよびスケール配置３０００’のスケールトラック８８’における使用に特に適している。
【００３２】
図６Ａおよび図６Ｂは、図示の寸法関係に関して本発明による基準信号生成構造６０００の第１の実施形態の様々な態様を図式的に示す等角図である。図６Ａに示されるように、基準信号生成構造６０００は、一般的な基準マーク５０Ａに対して動作可能に位置決めされる基準マーク読み取りヘッド光ファイバ配置６００を備えており、一般的な基準マーク５０Ａは、前述されたように、具体的な読取りヘッドおよびスケール配置において鏡面基準マーク部分または格子基準マーク部分（たとえば、図示されていないスケール部材８１）のどちらが適切であるかに応じて鏡面基準マーク部分または格子基準マーク部分のいずれかを備えていればよい。基準マーク５０ＡはＸ軸または測定軸方向に沿った寸法ＬＥＴＯＥ、Ｙ軸方向に沿った寸法ＷＹ、およびＸ軸方向に沿った中心線ＲＭＣを有する。簡単に言うと、動作中、基準マーク読取りヘッド光ファイバ配置６００は、例示的な光源光線６５０−１、６５０−２、および６５０−３で示されるように、基準マーク５０Ａを照射する中央ファイバから発散光源光６５０を出力する。様々な実施形態において、光源光６５０は都合の良いことに、単色性で空間的にコヒーレントであり、一部の実施形態において時間的にコヒーレントな場合もある。基準マーク５０Ａが格子トラック部分および／またはスケールトラックによって囲まれる鏡面基準マーク部分である場合、光源光線６５０−１、６５０−２、および６５０−３にそれぞれ対応する例示的なスケール光線６５４−１、６５４−２、および６５４−３で示されるように、基準マーク５０Ａは０次光を基準マーク読取りヘッド光ファイバ配置６００に強力に反射する。このような場合、鏡面基準マーク部分に対応する基準マーク信号影響領域５０Ａ−ＳＥは、基準マーク読取りヘッド光ファイバ配置６００によって与えられるいずれかの光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネル開口に重なる程度まで「信号が増大する」領域となる。
【００３３】
図６Ａに示されるように、反射された０次スケール光は、光ファイバ配置６００の端部によって提供される光信号レシーバ開口に近接する基準マーク信号影響領域５０Ａ−ＳＥを形成する。基準マーク信号影響領域５０Ａ−ＳＥは、反射されたスケール光の発散に起因して基準マーク５０Ａの２倍の寸法である「拡大された」寸法を有する。一般に、拡散光源光を使用することに起因して、本明細書に記載されるすべての基準マーク信号影響領域は対応する基準マークの寸法の２倍の寸法を有する。基準マーク信号影響領域５０Ａ−ＳＥは、Ｘ軸方向に沿った中心線ＲＭＣ−ＳＥを有する。基準マーク５０Ａと基準マーク信号影響領域５０Ａ−ＳＥの大きさの差にかかわらず、これらの中心線ＲＭＣとＲＭＣ−ＳＥは測定軸８２に沿って整列されてもよく、同じ比率で変位してもよいことが理解される。
【００３４】
動作についての先の説明では、基準マーク５０Ａが鏡面基準マーク部分であると仮定されている（たとえば、図１および図３に示されるように）。基準マーク５０Ａが鏡面領域またはトラック部分で囲まれた格子基準マーク部分であれば（たとえば、図２に示されるように）、例示的な光源光線６５０−１、６５０−２、および６５０−３と、それらに対応する反射された例示的なスケール光線６５４−１、６５４−２、および６５４−３とは、通常は周囲の鏡面領域またはトラック部分（たとえば、スケールトラック８８’の鏡面部分）によって提供される０次光線と判断されてもよいが、格子部分基準マーク５０Ａの０次反射抑制および高次回折特性によって乱されると判断される。このような場合、対応する基準マーク信号影響領域５０Ａ−ＳＥは、基準マーク読取りヘッド光ファイバ配置６００によって与えられるいずれかの光ファイバ基準マーク信号レシーバチャネル開口に重なる程度まで「信号が減衰する」領域となる。格子部分基準マークは格子バーを整列させることおよびスケール格子８０と等しい間隔をあけることに限定されないことは理解されたい。さらに一般に、光源光の相当量を回折して基準マーク読取りヘッド光ファイバ配置６００から離れる任意の格子部分基準マーク、および／または０次反射を大幅に抑制する任意の格子部分基準マークが使用されてもよい（たとえば、２次元格子など）。
【００３５】
図６Ｂは、基準マーク読取りヘッド光ファイバ配置６００および基準マーク信号影響領域５０Ａ−ＳＥを含む、図６Ａに示される基準信号生成構造６０００の部分６０００’を示す。図６Ｂに示されるように、基準マーク読取りヘッド光ファイバ配置６００は、図示のように光基準マーク信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ１’、ＲＥＦ２、およびＲＥＦ２’を受信する、基準マーク信号レシーバチャネル開口を提供する端部を有する、受信ファイバ６９０Ｒ１、６９０Ｒ１’、６９０Ｒ２、および６９０Ｒ２’を備え得る。他の２本のファイバ６９０Ｘと６９０Ｘ’は、所望であれば最密充填アセンブリ技法を容易にするために使用されるオプションのダミーファイバとなり得る。あるいは、一部の実施形態において、他の２本のファイバ６９０Ｘと６９０Ｘ’は、光信号出力変動、汚染作用、または他の異常の監視に有用な場合は光信号を受信するか、または光源を追加するために使用されるレシーバ開口を備えてもよい。一部の実施形態において、受信ファイバ６９０Ｒ１、６９０Ｒ１’、６９０Ｒ２、および６９０Ｒ２’は、外径がＤＲＦであり、基準マーク信号レシーバチャネル開口と一致し得る、および／または基準マーク信号レシーバチャネル開口を備え得る、直径ＤＲＡからなる光伝送コア領域を有するマルチモードファイバである。中央の光源ファイバ６７０は、一部の実施形態において一般に発散光源光を放射する光源６８０を備え、光源ファイバ６７０のシングルモードコアの端部によって提供され得る。
【００３６】
様々な実施形態において、光ファイバ読取りヘッド内に設置されるすべての光ファイバが最大で１．５ｍｍ、または１．０ｍｍ、またはこれ未満の径を有する円柱内に設置されるように、読取りヘッド光ファイバ配置を設定することが有利な場合がある。基準マーク読取りヘッド光ファイバ配置６００の１つの例示的実施形態において、光伝送コア径ＤＲＡは、およそ２００μｍであってもよく、さらに、基準マーク信号レシーバチャネル開口径であってもよく、外径ＤＲＦはおよそ２５０μｍであってもよく、中央ファイバ６７０は同じ外形ＤＲＦとおよそ４〜１０μｍのシングルモードコア径を有してもよい。したがって、このような実施形態において、基準マーク読取りヘッド光ファイバ配置６００は、ほぼ７５０μｍの全径となり得る。ただし、他の実施形態において、さらに大きいか、または、さらに小さいファイバ、および／または異なるファイバ間隔が使用されてもよいことが理解される。
【００３７】
図６Ｂにおいて、鎖線ＡＲ１Ｌ、ＡＲ１Ｒ、およびＣＡＲ１は、Ｘ軸方向に沿った信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ１’に対応する基準マーク信号レシーバチャネル開口の左右の境界と中心の位置をそれぞれ示す。鎖線ＡＲ２Ｌ、ＡＲ２Ｒ、およびＣＡＲ２は、Ｘ軸方向に沿った信号ＲＥＦ２およびＲＥＦ２’に対応する基準マーク信号レシーバチャネル開口の左右の境界と中心の位置をそれぞれ示す。寸法ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２は、信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ１’に対応する基準マーク信号レシーバチャネル開口の実効中心と、信号ＲＥＦ２およびＲＥＦ２’に対応する基準マーク信号レシーバチャネル開口の中心と、の間のＸ軸に沿った距離を示す。寸法ＡＲ１２ＳＥＰは、境界ＡＲ１ＲとＡＲ２Ｌの分離距離を示す。さらに一般的に、図１０および図１１を参照して、ここで使用されるように、寸法ＡＲ１２ＳＥＰは、光ファイバ配置に含まれる２つの基準マーク信号レシーバチャネル開口の内部境界の間、すなわち、測定軸方向に沿った互いに最も近接したこれらの境界の間の距離を示す。寸法ＡＲ１２ＳＰＡＮは、境界ＡＲ１ＬとＡＲ２Ｒの間の総距離を示す。さらに一般的に、図１０および図１１を参照して、ここで使用されるように、寸法ＡＲ１２ＳＰＡＮは、光ファイバ配置に含まれる２つの基準マーク信号レシーバチャネル開口の外部境界の間、すなわち、測定軸方向に沿った互いに最も離れたこれらの境界の間の距離を示す。
【００３８】
基準信号生成構造６０００の場合、最も一般的なガイドラインは、基準マーク読取りヘッド光ファイバ配置６００と基準マーク５０Ａが以下の関係
【数１】
0005199763.tif 000002
（式１）
を満たすように設定され、かつ、以下にさらに詳しく説明されるように、得られる基準マーク信号は、基準マーク５０Ａに近接する信号交差領域内で所望の精度および／または再現性で基準位置を規定するのに有効であるように構成されるべきであるということである。様々な実施形態において、さらに以下の関係
【数２】
0005199763.tif 000003
（式２）
【数３】
0005199763.tif 000004
（式３）
を満たす設定が有利であるかもしれない（たとえば、基準マーク信号間によりロバストであり、および／またはより信頼性がある関係を備えることによって）。様々な他の実施形態において、さらに以下の関係
【数４】
0005199763.tif 000005
（式４）
【数５】
0005199763.tif 000006
（式５）
を満たす設定がさらに有利であるかもしれない。一部の実施形態において、寸法２＊ＬＥＴＯＥが［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．５＊（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］にほぼ等しいか、または図８および図１２を参照して以下に概略的に説明されるように、基準マーク信号を提供する信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２に対応する基準マーク信号レシーバチャネル開口間の実効中心間距離ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２にほぼ等しければ最も有利であるかもしれない。
【００３９】
図７は、本発明による基準信号生成構造の第２の実施形態の部分７０００’の等角図である。部分７０００’の設計と動作は、多くの点で、図６Ｂの部分６０００’の動作に類似しており、６ＸＸおよび７ＸＸの一連の同様の番号が付与された要素（たとえば、要素６９０Ｒ２および７９０Ｒ２）は、以下で特に注記がなければ外形と動作が類似しているかまたは同じである。一般に、部分７０００’の設計と動作は部分６０００’および基準信号生成構造６０００の前述の説明に基づいて理解される。それゆえ、部分６０００’と７０００’の動作の重要な違いのみが以下に説明される。
【００４０】
基準マーク読取りヘッド光ファイバ配置７００と６００の主な違いは、光ファイバ配置７００はＸＹ平面内で異なる回転配向を有し、Ｘ軸方向に沿って互いに隣接するファイバの端部が光信号ＲＥＦ１、ＲＥＦ１’、ＲＥＦ２、およびＲＥＦ２’（ファイバ７９０Ｒ１、７９０Ｒ１’、７９０Ｒ２、および７９０Ｒ２’にそれぞれ対応する）を受信して備える基準マーク信号レシーバチャネル開口を提供することができることである。部分７０００’に対応する基準信号生成構造は、一般に、（式１）〜（式５）を参照して先に概説された寸法の検討事項と信号の検討事項に従って設定され得る。一部の実施形態において、寸法２＊ＬＥＴＯＥが［ＡＲ１２ＳＥＰ＋（０．５＊（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ））］にほぼ等しいか、または図８を参照して以下に概略的に説明されるように、基準マーク信号を提供する信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２に対応する基準マーク信号レシーバチャネル開口間の実効中心間距離ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２にほぼ等しければ最も有利であるかもしれない。寸法ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２は、光ファイバ配置６００の場合よりも光ファイバ配置７００の場合の方が小さいので、基準マーク信号影響領域５０Ｂ−ＳＥの寸法２＊ＬＥＴＯＥおよび対応する基準マークの対応する寸法ＬＥＴＯＥ（本明細書では基準マーク５０Ｂと表わす、図示せず）は、部分７０００’に対応する基準信号生成構造の場合よりも小さくなるように選択されることに気付き得る。
【００４１】
図６Ａ、図６Ｂ、および図７に示されるように、基準信号生成構造６０００、または部分７０００’に対応する基準信号生成構造は、図１に示される読取りヘッドおよびスケール配置１０００の読取りヘッド２００およびスケールトラック８８での使用に適しており、ここでは、鏡面部分の基準マークが基準マーク領域２５１内に設置される。また、いずれの構造も、図２に示される読取りヘッドおよびスケール配置２０００の読取りヘッド２００およびスケールトラック８８’での使用に適しており、ここでは、格子部分の基準マークが基準マーク領域２５１’内に設置される。
【００４２】
図８は、２つのシグナルチャート６０および７０を示す図であり、それぞれ、図６Ａおよび図６Ｂの基準信号生成構造６０００と、図７に示される部分７０００’に対応する基準信号生成構造とに対応する。図６Ａおよび図６Ｂの基準信号生成構造６０００に対応するシグナルチャート６０は、基準マーク信号影響領域５０Ａ−ＳＥ（または基準マーク５０Ａ）と基準マーク読取りヘッド光ファイバ配置６００との間の測定軸８２に沿った相対位置の関数として２つの基準信号、つまり、結合信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）と結合信号（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）を示す。特に、点６１は、基準マーク５０Ａの中心線ＲＭＣが図６Ｂに示される位置ＡＲ１Ｌの左に長さＬＥＴＯＥだけ変位された位置に対応する。したがって、基準マーク信号影響領域５０Ａ−ＳＥは、どの基準マーク信号レシーバチャネル開口とも重ならず、点６１では有意な信号が生成されない。基準マーク５０Ａは右に変位されるので、基準マーク信号影響領域５０Ａ−ＳＥは、ＲＥＦ１およびＲＥＦ１’基準マーク信号レシーバチャネル開口と次第に重なり、基準マーク信号レシーバチャネル開口径（たとえば、光伝送コア径ＤＲＡ）に等しい変位をした後、点６２で最大に達する。基準マーク５０Ａが右に変位し続けると、（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）信号と（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）信号が共通値に集束する（または共通値から発散する）、信号交差領域の左端を表わす点６３および６３’までこれ以上の信号変化は観察されない。信号交差領域において、基準マーク５０Ａの中心線ＲＭＣが位置（ＡＲ１Ｌ＋ＬＥＴＯＥ）の右に変位されると、基準マーク信号影響領域５０Ａ−ＳＥとＲＥＦ１およびＲＥＦ１’基準マーク信号レシーバチャネル開口の間の重なりが減少するにつれて信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）が減少し始める。基準マーク信号レシーバチャネル開口は同様の寸法を有し、かつ基準マーク５０Ａの長さＬＥＴＯＥは基準マーク信号影響領域５０Ａ−ＳＥの寸法２＊ＬＥＴＯＥが図６Ｂに示される寸法ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２にほぼ等しくなるように選択されるので、基準マーク信号影響領域５０Ａ−ＳＥとＲＥＦ２およびＲＥＦ２’基準マーク信号レシーバチャネル開口との間の重なりが増加すると信号（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）が点６３’において同時に増加し始める。点６４において、基準マーク５０Ａの中心線ＲＭＣがＲＥＦ１／ＲＥＦ１’基準マーク信号レシーバチャネル開口とＲＥＦ２／ＲＥＦ２’基準マーク信号レシーバチャネル開口との間に対称に設置され（図６Ｂに示される位置で）、したがって信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）と信号（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）は公称上等しい。残りの点６５、６５’、６６、および６７における信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）と信号（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）の挙動は、前の説明から類推して理解されうる。点６３および６３’に類似している点６５および６５’は、信号交差領域の右端を表わす。
【００４３】
図７に示される部分７０００’を含み、これに対応する基準信号生成構造に対応するシグナルチャート７０は、前述されたシグナルチャート６０に類似している。すなわち、点７１は点６１に類似しており、以下同様である。したがって、点７１〜７７における信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）および信号（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）の挙動は、図７の説明と組み合わせて前の説明から類推して理解され得る。特に、信号交差領域においては、基準マーク５０Ｂの中心線ＲＭＣは、点７３において位置（ＡＲ１Ｌ＋ＬＥＴＯＥ）の右に変位されると、基準マーク信号影響領域５０Ｂ−ＳＥとＲＥＦ１およびＲＥＦ１’基準マーク信号レシーバチャネル開口との間の重なりが減少するにつれて信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）は減少し始める。基準マーク信号レシーバチャネル開口は同様の寸法を有し、かつ基準マーク５０Ｂの長さＬＥＴＯＥは、基準マーク信号影響領域５０Ｂ−ＳＥの寸法２＊ＬＥＴＯＥが図７に示される寸法ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２にほぼ等しくなるように選択されるので、基準マーク信号影響領域５０Ｂ−ＳＥとＲＥＦ２およびＲＥＦ２’基準マーク信号レシーバチャネル開口との間の重なりが増加すると、信号（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）が点７３’において同時に増加し始める。点７４において、基準マーク５０Ｂの中心線ＲＭＣが、ＲＥＦ１／ＲＥＦ１’基準マーク信号レシーバチャネル開口とＲＥＦ２／ＲＥＦ２’基準マーク信号レシーバチャネル開口との間に（図７に示される位置で）対称に設置されるので、信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）と信号（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）は公称上等しい。基準マーク長さＬＥＴＯＥは、シグナルチャート６０の場合よりも、シグナルチャート７０に対応する基準信号生成構造において一層短くなっており、ＲＥＦ１／ＲＥＦ１’基準マーク信号レシーバチャネル開口とＲＥＦ２／ＲＥＦ２’基準マーク信号レシーバチャネル開口の間の中心間距離も小さいので、シグナルチャート７０の信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）と信号（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）はシグナルチャート６０の信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）と信号（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）よりも測定軸に沿ってより狭い間隔で並んでいるという特徴が理解される。
【００４４】
様々な例示的実施形態において、測定軸８２に沿った基準位置を確実な方法で提供するために、基準位置検出回路が、各信号（ＲＥＦ１＋ＲＥＦ１’）と（ＲＥＦ２＋ＲＥＦ２’）が交差し、かつ、基準位置と等しくなる位置を識別し得る。基準マークとして格子部分または鏡面部分のいずれかを使用する様々な実施形態において、（式１）〜（式５）に関して先に概説された寸法検討事項と信号検討事項に従ってエッジ間長さＬＥＴＯＥを選択すると、基準マークに近接する信号交差領域内の基準位置（たとえば、２つのそれぞれの基準信号が等しい値を有する位置）を規定するのに適切な基準マーク信号を備える基準信号生成構造が一般に提供されることは、前述の説明に基づいて理解される。（式２）と（式３）、または（式４）と（式５）の関係を満たすと、信号交差領域における基準マーク信号間に特に信頼性のある関係および／またはロバストな関係をもたらされる可能性がある。シグナルチャート６０および７０に対応する基準信号生成構造は、各々がこれらの関係を満たし、それによって、図８に示されるように、最大値と最小値のほぼ中間の信号値で公称上交差する信号を含むロバストな信号交差領域を確実にする。図８に示される信号極性は、格子領域で囲まれる鏡面部分基準マークによって実現される信号極性に一般に対応し得ることが理解される。すべての信号は、鏡面領域によって囲まれる格子部分基準マークのために一般に反転される。実際には、すべての信号は、一般に、図８に示されていないコモンモードＤＣオフセットを含む。いずれにせよ、（式１）〜（式５）を参照して先に概説された寸法検討事項と信号検討事項に従って設計される、これまでに開示されて、さらに以下で開示されるような基準信号生成構造は、基準マークがスケールに沿ってインクリメンタル測定信号の特定周期またはサイクルおよび関連する特定波長を確実に示すことができるように、基準マークに近接する信号交差領域内で望ましい空間周期的なインクリメンタル測定信号の１／２周期未満で再現可能な基準位置を規定する複数のそれぞれの基準マーク信号を提供することができる。たとえば、４μｍまたは２μｍ未満の再現性は容易に達成され、特に（式２）と（式３）、または（式４）と（式５）の関係が満たされるときは１μｍ未満の再現性が達成される可能性がある。
【００４５】
図９および図１０は、本発明による基準信号生成構造の第３の実施形態を含む、本発明による一体化基準信号およびインクリメンタル信号生成構造８０００（一体化信号生成構造８０００とも呼ばれる）の動作の様々な態様を図式的に示す等角図である。図９に示される図は、その動作の他の態様をより明瞭に示すために一体化信号生成構造８０００の必須要素である位相マスク要素８６１を示していない。位相マスク要素８６１は、図１０を参照して以下に説明される。
【００４６】
図９は、スケール格子８０（たとえば、図示は省略するがスケール部材８１表面にある、）で囲まれる一般的な鏡面部分基準マーク５０Ｃに対して動作可能に位置決めされる一体化読取りヘッド光ファイバ配置８００（図１０に示される位相マスク要素８６１より小さい）を含む、一体化信号生成構造８０００の一定の要素を示す。基準マーク５０Ｃは、図示されるようにＸ軸方向に沿った寸法ＬＥＴＯＥと中心線ＲＭＣとを有する。簡単に言うと、動作中、一体化読取りヘッド光ファイバ配置８００は、照射スポット８５３において基準マーク５０Ｃおよび周囲のスケール格子８０を照射する中央ファイバによって提供される光源８８０から発散光源光８５０を出力する。様々な実施形態において、光源光８５０は、都合の良いことに、単色性で空間的にコヒーレントであり、一部の実施形態において時間的にコヒーレントな場合もある。スケール格子８０は、図９にてその中央光線によって表わされる、反射回折された±１次スケール光８５５Ａおよび８５５Ｂをもたらす。±１次スケール光８５５Ａおよび８５５Ｂは、それぞれ領域８５５Ａ’および８５５Ｂ’を照射し、領域８５５Ａ’および８５５Ｂ’は干渉領域８５６で重なって一体化読取りヘッド光ファイバ配置８００のレシーバ面８６０に近接する干渉縞８６６を形成する。干渉縞は、前述された原理に従って、図１０を参照して以下にさらに詳しく説明されるように、光直交信号Ａ、Ａ−、Ｂ、およびＢ−を受信する光ファイバの端部にわたって位相マスク要素８６１（図１０に示される）によって空間的にフィルタ処理される。
【００４７】
同時に、先に概説された直交信号発生動作では、鏡面部分基準マーク５０Ｃが照射スポット８５３の範囲に入ると、図６Ａを参照して先に概説された原理に従って、鏡面部分基準マーク５０Ｃは発散するコヒーレント光源光８５０を反射し、鏡面部分基準マーク５０Ｃの２倍の寸法と中心線ＲＭＣに位置する中心線ＲＭＣ−ＳＥとを有する基準マーク信号影響領域５０Ｃ−ＳＥを提供する。一体化基準信号およびインクリメンタル信号生成構造８０００の動作に関するさらなる詳細は、図１０を参照して以下に説明される。
【００４８】
図１０は、一体化読取りヘッド光ファイバ配置８００、基準マーク信号影響領域５０Ｃ−ＳＥ、および位相マスク要素８６１を含む、図９に示される一体化信号生成構造８０００の部分８０００’を示す。位相マスク要素８６１をさらに明瞭に示すために、図１０は干渉領域８５６において干渉縞８６６を示していないが、このような干渉縞は前述されたように動作中に生じることは理解されたい。図１０に示されるように、一体化読取りヘッド光ファイバ配置８００は、光源８８０を提供する中央光源ファイバ８７０を備えてもよく、光源８８０は、一部の実施形態において光源ファイバ８７０のシングルモードコアの端部によって提供されてもよく、図に示されるように、光信号Ａ、−Ａ、Ｂ、−Ｂ、ＲＥＦ１、およびＲＥＦ２をそれぞれ受信するレシーバチャネルを備えるレシーバファイバ８９０Ａ、８９０Ａ’、８９０Ｂ、８９０Ｂ’、８９０Ｒ１、および８９０Ｒ２のシングルモードコアの端部によって提供されてもよい。また、一体化読取りヘッド光ファイバ配置８００は、位相マスク８２０Ａ、８２０Ｂ、８２０Ａ’、８２０Ｂ’、ブロッキングマスク８２０ＢＲ１および８２０ＢＲ２、ならびに開口マスク８２０Ｒ１および８２０Ｒ２を備える位相マスク要素８６１を含む。鎖線ＡＲ１Ｌ、ＡＲ１Ｒ、およびＣＡＲ１は、信号ＲＥＦ１に対応する基準マーク信号レシーバチャネル開口のそれぞれ左右の境界と実効中心の位置を示し、鎖線ＡＲ２Ｌ、ＡＲ２Ｒ、およびＣＡＲ２は信号ＲＥＦ２に対応する基準マーク信号レシーバチャネル開口のそれぞれ左右の境界と実効中心の位置を示す。寸法ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２は、信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２に対応する基準マーク信号レシーバチャネル開口の実効中心間のＸ軸に沿った距離を示す。寸法ＡＲ１２ＳＰＡＮは、境界ＡＲ１ＬおよびＡＲ２Ｒ間の総距離を示す。図６Ｂを参照して先に概説されたように、一般に、本明細書では、寸法ＡＲ１２ＳＥＰは、光ファイバ配置に含まれる２つの基準マーク信号レシーバチャネル開口の内部境界間、すなわち、測定軸方向に沿って互いに最も近い境界間の測定軸方向に沿った距離を示す。部分８０００’の場合、寸法ＡＲ１２ＳＥＰは、境界ＡＲ１ＲおよびＡＲ２Ｌ間にあってゼロであるので、混乱を避けるために図１０には示されていない。基準マークとして格子部分または鏡面部分のいずれを使用してもよい一体化信号生成構造８０００の様々な実施形態において、（式１）〜（式５）に関して先に概説された寸法検討事項と信号検討事項によるエッジ間長さＬＥＴＯＥを選択すると、一般に、特に（式２）と（式３）、または（式４）と（式５）の関係が満たされるときにロバストな基準信号生成構造が提供されることは前述の説明に基づいて理解される。
【００４９】
前述された基準マーク信号レシーバチャネル開口の光受信領域はそれぞれの基準マーク信号レシーバチャネル光ファイバの端部で光伝送コア領域のみによって規定されているが、一体化読取りヘッド光ファイバ配置８００において、基準マーク信号レシーバチャネル開口８９０Ｒ１および８９０Ｒ２の光受信領域は、一部がそれぞれのレシーバチャネル光ファイバの端部における光伝送コア領域の境界によって規定され、一部がそれぞれのブロッキング／開口マスク８２０ＢＲ１／８２０Ｒ１および８２０ＢＲ２／８２０Ｒ２によって規定される。当然、様々な他の実施形態において、類似の開口マスクは、所望であれば、基準マーク信号レシーバチャネル開口の光受信領域を完全に制限し規定し得る。それぞれのブロッキング／開口マスク８２０ＢＲ１／８２０Ｒ１および８２０ＢＲ２／８２０Ｒ２は、測定軸方向に沿って空間的な周期構造を含まないため、基準マーク信号レシーバチャネル開口８９０Ｒ１および８９０Ｒ２によって受信されるいずれの干渉縞光も、所望の基準マーク信号を妨げる有意な空間周期的な信号成分を作り出さない。
【００５０】
簡単に言うと、動作中、位相マスク８２０Ａ、８２０Ｂ、８２０Ａ’、および８２０Ｂ’は、受信面８６０に設置され、干渉領域８５６において干渉縞を空間的にフィルタ処理し、それぞれ直交型の周期的インクリメンタル測定信号Ａ、Ａ’、Ｂ、およびＢ’を提供する。一実施形態において、位相マスク８２０Ａ、８２０Ｂ、８２０Ａ’、および８２０Ｂ’は、それぞれ０°、９０°、１８０°、および２７０°の相対空間位相を有する。測定信号Ａ、Ａ’、Ｂ、およびＢ’の相対位置は、単なる例示であってこれに限定されないことが理解される。一般に、位相マスクは、測定信号Ａ、Ａ’、Ｂ、およびＢ’に対して任意の所望の配置を備えるように設定されてもよい。援用された特許文献には、代替的な空間位相配置だけでなく位相マスク要素８６１に関係のある様々な動作および設計原理が記載されている。
【００５１】
ブロッキングマスク８２０ＢＲ１および８２０ＢＲ２と、開口マスク８２０Ｒ１および８２０Ｒ２は、ファイバ８９０Ｒ１および８９０Ｒ２の端部をマスクし、基準信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２を提供するために受信面８６０に設置される。ブロッキングマスク８２０ＢＲ１および８２０ＢＲ２がない場合、測定軸８２の方向に沿って配列されるレシーバファイバ８９０Ｒ１および８９０Ｒ２の端部は、等しい信号を有する基準マーク信号影響領域５０Ｃ−ＳＥの様々な位置に対応することが理解される。対照的に、マスク８２０ＢＲ１、８２０ＢＲ２、８２０Ｒ１，および８２０Ｒ２の配置は、図１２を参照して以下にさらに説明されるように、測定軸８２の方向に沿って補正される基準マーク信号レシーバチャネル開口を提供しており、望ましい信号交差領域を示す基準信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２を提供する。
【００５２】
先に示されたように、信号Ａ、Ａ’、Ｂ、およびＢ’に関して、スケール格子８０から生じる干渉縞は、先に概説されたようにこれらの直交信号を発生し続けるために一体化信号生成構造８０００の動作中継続的に存在する。一般に、干渉縞は、鏡面部分基準マーク５０Ｃが照射スポット８５３に存在するときに弱められ、回折された±１次スケール光８５５Ａおよび８５５Ｂの量を引き下げることがある。さらに、位相マスク８２０Ａ、８２０Ｂ、８２０Ａ’、および８２０Ｂ’は、基準マーク信号影響領域５０Ｃ−ＳＥに含まれる０次反射光の一部分を受け入れ、それらの位置を重ね合わせる。結果として、直交信号Ａ、Ａ’、Ｂ、およびＢ’の振幅とオフセットは、一般に、基準マーク５０Ｃに影響され、それによって得られるインクリメンタル変位測定精度が損なわれることがある。それゆえ、一部の実施形態において、信号処理（たとえば、適応振幅「ゲイン制御」および／またはＤＣオフセット補償および／または位相補償など）がこのような効果を少なくとも部分的に打ち消すように直交信号Ａ、Ａ’、Ｂ、およびＢ’に適用されてもよく、および／または基準マーク５０Ｃの長さＬＥＴＯＥおよび／またはその面積がその破壊作用を抑えるように制限されてもよい。
【００５３】
基準信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２に関しては先に示されたように、スケール格子８０から生じる干渉縞は、一体化信号生成構造８０００の動作中に継続的に存在する。しかし、開口マスク８２０Ｒ１および８２０Ｒ２は、レシーバファイバ８９０Ｒ１および８９０Ｒ２の端部にわたって空間フィルタ処理を行なわず、複数の干渉縞からの光は、比較的一定の平均光量を変位と関係なく基準信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２に与えるだけである。対照的に、基準マーク信号影響領域５０Ｃ−ＳＥは開口マスク８２０Ｒ１および８２０Ｒ２の位置を重ねると、その０次反射光は重なり量に応じて基準信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２を著しく増加する。
【００５４】
様々な実施形態において、光ファイバ読取りヘッド内に設置されるすべての光ファイバが、最大で１．５ｍｍ、または１．０ｍｍ、またはそれ未満の直径を有する円柱内に設置されるように、読取りヘッド光ファイバ配置を設定すると有利な場合がある。１つの特定の実施形態において、ファイバ８９０は約２００μｍの直径ＤＲＡ、約２５０μｍの外径ＤＲＦを有する光伝送コア領域を有してもよく、中央ファイバ８７０は同じ外径ＤＲＦ、および約４〜１０μｍのシングルモードコア直径、またはモードフィールド直径を有してもよい。したがって、このような実施形態において、基準マーク読取りヘッド光ファイバ配置８００は、ほぼ７５０μｍの全径を有してもよい。ただし、他の実施形態においてさらに大きいまたはさらに小さいファイバおよび／または他のファイバ間隔が使用されてもよいことが理解される。
【００５５】
スケール格子８０は約４μｍの格子ピッチＰｇを有し、干渉縞８６６は同様のピッチを備え得る。基準マーク信号レシーバファイバの端部とブロッキング／開口マスク８２０ＢＲ１／８２０Ｒ１および８２０ＢＲ２／８２０Ｒ２とによって規定される基準マーク信号レシーバチャネル開口は、測定軸８２の方向に沿ったほぼ１００μｍの寸法を有する。基準マーク５０Ｃは一実施形態において有利には約３８μｍの長さＬＥＴＯＥを有し、これによって、十分な基準マーク信号強度とインクリメンタル測定信号に対する最小擾乱との間の望ましいトレードオフを提供する。ただし、ＬＥＴＯＥに関して先に概説された寸法関係は、単なる例であってこれに限定されないことは当然である。様々なアプリケーションにおいて、ＬＥＴＯＥに関する別の設計検討事項として、さらに小さいまたはさらに大きい寸法が好ましい場合もある。
【００５６】
図１１は、本発明による基準信号生成構造の第４の実施形態を含む、本発明による第２の一体化信号生成構造の部分９０００’を示す等角図である。部分９０００’の設計と動作は、多くの点で、図１０の部分８０００’の設計と動作に類似しており、８ＸＸおよび９ＸＸの一連の同様の番号が付与された要素（たとえば、要素８２０Ｒ２および９２０Ｒ２）は、以下で特に注記がなければ外形と動作が類似しているかまたは同じであってもよい。一般に、部分９０００’の設計と動作は、部分８０００’および一体化信号生成構造８０００の前述の説明に基づいて理解され得る。それゆえ、部分８０００’と９０００’の動作の重要な違いのみが以下に説明される。
【００５７】
図１１は、一体化読取りヘッド光ファイバ配置９００、基準マーク信号影響領域５０Ｄ−ＳＥ、および位相マスク要素９６１を含む、部分９０００’を示す。部分８０００’と９０００’の主な違いは、光ファイバ配置８００および９００がＸＹ面内で異なる回転配向を有することである。光ファイバ配置９００において、Ｘ軸方向に沿って分離されるレシーバファイバ９９０Ｒ１および９９０Ｒ２は、基準信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２を提供する。さらに、基準マーク信号影響領域５０Ｄ−ＳＥは、各寸法２ＬＳＥＧを有し、内部エッジ間寸法２＊ＬＥＴＯＥを備える２つの信号影響部分領域５０Ｄ１−ＳＥおよび５０Ｄ２−ＳＥを含む。対応する鏡面部分基準マークは、本明細書では各寸法ＬＳＥＧを有し、内部エッジ間寸法ＬＥＴＯＥを備える２つの鏡面副部分または基準マーク部分の指定された５０Ｄ１と５０Ｄ２を含む、指定された５０Ｄ（図示せず）であり、先に概説された原理に従って、２つの分離された信号影響副領域または基準マーク部分５０Ｄ１−ＳＥおよび５０Ｄ２−ＳＥを提供することが理解される。図１１に示される特別な実施形態において、寸法２＊ＬＥＴＯＥは２つの信号影響副領域５０Ｄ１−ＳＥおよび５０Ｄ２−ＳＥの内部境界間の距離に対応するが、他の実施形態において、副領域５０Ｄ１−ＳＥおよび５０Ｄ２−ＳＥの関係は、これらの外部境界（これらの内部境界でなく）間の距離が同じ寸法２＊ＬＥＴＯＥに対応するような関係であればよいことは理解されたい。いずれにせよ、分離される２つの基準マーク副部分を含むように基準マークを構成することによって、基準マークの全領域が同じ全長の単一部分基準マークと比較して有利に制限され、したがって周期的インクリメンタル測定信号へのその破壊的作用が有利に制限されることは理解されたい。一部の実施形態において、適切な基準マーク信号強度とインクリメンタル測定信号に対する最小限の擾乱との間の望ましいトレードオフを提供するために、２つの基準マーク部分の各々の測定軸方向に沿った寸法は、少なくとも０．２５＊（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ）以上、最大０．７５＊（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ）であればよい。様々な他の実施形態において、２つの基準マーク部分の各々の測定軸方向に沿った寸法は、少なくとも０．４＊（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ）以上、最大０．６＊（ＡＲ１２ＳＰＡＮ−ＡＲ１２ＳＥＰ）であればよい。
【００５８】
これらの実施形態のいずれかにおいて、（式１）〜（式５）に関して先に概説された寸法検討事項と信号検討事項に従ってエッジ間長さＬＥＴＯＥを選択すると、一般に、特に（式２）と（式３）、または（式４）と（式５）の関係が満たされるときロバストな基準信号生成構造が提供される。部分９０００’に対応する一体化信号生成構造によって提供される基準信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２は、図１２を参照して以下にさらに説明されるように、信号交差領域において望ましい信号関係を示す。
【００５９】
図９、図１０、および図１１に示されるように、基準信号生成構造８０００、または部分９０００’に対応する基準信号生成構造のいずれかは、図３および図４に示される読取りヘッドおよびスケール配置３０００および３０００’の読取りヘッド３００での使用に適している。
【００６０】
図１２は、図９および図１０に示される一体化信号生成構造８０００にそれぞれ対応する２つの略シグナルチャート８１０および９１０を示す図であり、かつ図１１に示される部分９０００’に対応する一体化信号生成構造である。シグナルチャート８１０および９１０は、垂直または水平目盛が同じでなく、実際には、すべての信号は一般に図１２に示されないコモンモードＤＣオフセットを含む。
【００６１】
図９および図１０の基準信号生成構造８０００に対応するシグナルチャート８１０は、２つの基準信号、信号ＲＥＦ１と信号ＲＥＦ２を、基準マーク信号影響領域５０Ｃ−ＳＥ（または基準マーク５０Ｃ）と基準マーク読取りヘッド光ファイバ配置８００との間の測定軸８２に沿った相対位置の関数として示す。特に、点８１１は、基準マーク５０Ｃの中心線ＲＭＣ−ＳＥが基準マーク５０Ｃの長さＬＥＴＯＥだけ図１０に示される位置ＡＲ１Ｌの左に変位される位置に対応する。したがって、基準マーク信号影響領域５０Ｃ−ＳＥは、ＲＥＦ１基準マーク信号レシーバチャネル開口に重ならず、点８１１において有意な信号が生成されない。基準マーク５０Ｃが右に変位されると、基準マーク信号影響領域５０Ｃ−ＳＥは、中心線ＲＭＣ−ＳＥが図１０に示される位置ＡＲ１Ｒから左へＬＥＴＯＥの距離にある位置、点８１２で最大に達するまで、ＲＥＦ１基準マーク信号レシーバチャネル開口と次第に重なる。信号交差領域において、基準マーク５０Ｃは点８１２から右に変位し続けると、基準マーク信号影響領域５０Ｃ−ＳＥとＲＥＦ１基準マーク信号レシーバチャネル開口の重なりが減少するので信号ＲＥＦ１は減少し始める。基準マーク信号影響領域５０Ｃ−ＳＥとＲＥＦ２基準マーク信号レシーバチャネル開口の重なりが増加すると、信号ＲＥＦ２は点８１２’から同時に増加し始める。点８１３において、基準マーク５０Ｃの中心線ＲＭＣ−ＳＥは、ＲＥＦ１基準マーク信号レシーバチャネル開口とＲＥＦ２基準マーク信号レシーバチャネル開口（図１０に示される位置における）に沿って対称的に設置され、それゆえ、信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２は公称上等しい。基準マーク信号レシーバチャネル開口は同様の寸法を有し、かつ基準マーク５０Ｃの長さＬＥＴＯＥは、基準マーク信号影響領域５０Ｃ−ＳＥの寸法２＊ＬＥＴＯＥが図１０に示される寸法ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２にほぼ等しくなるように選択されるので、信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２は信号交差領域におけるそれらの最大値と最小値のほぼ中間の値で交差し、様々な原因で生じる可能性のある各信号変動に対して十分な余裕を残す。残りの点８１４、８１４’、および８１５における信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２の挙動は、前の説明から類推して理解されてもよい。
【００６２】
シグナルチャート９１０は、図１１に示される部分９０００’を含み、これに対応する基準信号生成構造に対応する。シグナルチャート８１０は、２つの基準信号、信号ＲＥＦ１と信号ＲＥＦ２を、基準マーク信号影響副領域５０Ｄ２−ＳＥの中心線ＲＭＣ−ＳＥ−５０Ｄ２と光ファイバ配置９００との間の測定軸８２に沿った相対位置の関数として示す。中心線ＲＭＣ−ＳＥ−５０Ｄ２は、副部分の指定された５０Ｄ１も含む、二部分基準マーク５０Ｄの副部分５０Ｄ２として本明細書で指定された対応する基準マーク副部分の中心線と一致することが理解される。点９１１は、中心線ＲＭＣ−ＳＥ−５０Ｄ２が図１１に示される位置ＡＲ２Ｌの左に長さＬＳＥＧだけ変位された位置と一致する位置に対応する。したがって、基準マーク信号影響領域５０Ｄ２−ＳＥは、ＲＥＦ２基準マーク信号レシーバチャネル開口と重ならず、点８１１において有意な信号が生成されない。基準マーク５０Ｄが右に変位されると、基準マーク信号影響領域５０Ｄ２−ＳＥは、中心線ＲＭＣ−ＳＥ−５０Ｄ２が図１１に示される位置ＡＲ２Ｒから左へＬＳＥＧの距離にある点９１２で最大に達するまで、ＲＥＦ２基準マーク信号レシーバチャネル開口と次第に重なる。信号交差領域において、基準マーク５０Ｄは点９１２から右に変位し続けると、基準マーク信号影響領域５０Ｄ２−ＳＥとＲＥＦ２基準マーク信号レシーバチャネル開口の重なりが減少するので信号ＲＥＦ２は減少し始め、基準マーク信号影響領域５０Ｄ１−ＳＥとＲＥＦ１基準マーク信号レシーバチャネル開口の重なりが増加すると、信号ＲＥＦ１は点９１２’で同時に増加し始める。点９１３において、基準マーク５０Ｄは、ＲＥＦ１とＲＥＦ２の基準マーク信号レシーバチャネル開口（図１１に示される位置における）の間に対称的に設置され、それゆえ、信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２は公称上等しい。基準マーク信号レシーバチャネル開口は同様の寸法を有し、かつ基準マーク５０Ｄの長さＬＥＴＯＥは、基準マーク信号影響領域５０Ｄ−ＳＥの寸法２＊ＬＥＴＯＥが図１１に示される寸法ＬＣＡＲ１ＣＡＲ２にほぼ等しいように選択されるので、信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２は信号交差領域におけるそれらの最大値と最小値のほぼ中間の値で交差し、様々な原因で生じる可能性のある各信号変動に対して十分な余裕を残す。残りの点９１４、９１４’、および９１５における信号ＲＥＦ１およびＲＥＦ２の挙動は、前の説明から類推して理解され得る。
【００６３】
点９１６〜９１８は、基準マーク５０Ｄが右に変位し続けるとＲＥＦ２レシーバに重なる副領域５０Ｄ１−ＳＥによって与えられる二次ＲＥＦ２信号を示す。ただし、これらの点に対応するＲＥＦ１基準マーク信号レシーバチャネル開口によって与えられる相補「交差信号」がないことが理解される。図に示された信号領域の左に変位する場合に生じる類似のＲＥＦ１信号は示されていない。基準位置は信号交差領域においてＲＥＦ１信号とＲＥＦ２信号が等しい場合に確定されるので、点９１６〜９１８に対応する二次ＲＥＦ２信号は、基準位置が近づいていることの指標として、あるいは基準位置が検出されるべきであってかつ変位方向によって遠ざかっていることの確認として使用可能な場合を除き、類似の二次ＲＥＦ１信号のように重要でない。
【００６４】
本発明は先に概説された例示的実施形態に関連して説明されてきたが、当業者には自明であるように、前述された実施形態と設計要因は、他の代替実施形態、変更形態、および変形形態を暗示していることは明らかである。第１の実施例として、前述の考察は平面鏡を含む鏡面タイプの基準マーク部分を含む実施形態を説明しているが、さらに一般的には、「有意な０次反射」基準マーク部分が鏡面基準マーク部分の代りに使用されてもよい。このような「有意な０次反射」部分は、対応する基準マーク信号レベルが隣接する「０次反射抑制」部分（たとえば、インクリメンタル測定スケール格子または格子トラック部分）から得られる信号レベルと区別され得るように、相当量の０次反射光を提供し、および／または相当量の±１次回折光を妨げる表面のいかなる配置をも備え得る。たとえば、様々な実施形態において、「有意な０次反射」部分は、８０−２０デューティサイクル（たとえば、図５に示される位相格子に類似しているが、ＷＥ＝０．８＊ＰｇおよびＷＧ＝０．２＊Ｐｇ）、または７０−３０デューティサイクルなどを有する位相格子を備えてもよい。様々な他の実施形態において、０次反射部分は５０−５０デューティサイクルの位相格子を備えてもよいが、０次反射を抑制しない格子バー高さ（たとえば、図５に示される位相格子に類似しているが、ＨＥ＝０．５＊照射波長またはＨＥ＝０．１＊照射波長、など）が必要である。他の実施形態において、０次反射部分の１つ以上の格子要素は、スケールの他の部分と異なる反射率を有するように加工されてもよい。
【００６５】
第２の実施例として、図６Ａ、図６Ｂ、および図７に示される実施形態において、個別の基準信号ＲＥＦ１とＲＥＦ１’は余分であり、個別の基準信号ＲＥＦ２とＲＥＦ２’も余分であることが理解される。信号強度および／またはアライメント感度に関する一部の長所はこうした余剰姓から得られることもあるが、他の実施形態において、余分な信号は排除されてもよく、関連光ファイバ配置は本明細書に示されたものよりも少ない光ファイバからなってもよい。
【００６６】
第３の実施例として、本発明の様々な実施形態は真っすぐなスケールトラックを使って説明されているが、同一または類似の実施形態で、曲線または円形のスケールトラックが使用され得る。したがって、様々な実施形態において、スケールトラックおよび測定軸方向という用語は、たとえば、円形または曲線のトラックまたは測定軸に言及しているものと解釈でき、それに関する説明はこのような円形または曲線のトラックまたは測定軸の接線部分を示しているものと解釈できる。
【００６７】
したがって、本発明の実施形態は、前述されたように、例示的なものとして意図されており限定的なものではない。本発明の主旨と範囲を逸脱しなければ様々な変更がなされてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明による基準信号生成構造を含む小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置の第１の実施形態の等角図である。
【図２】本発明による基準信号生成構造を含む小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置の第２の実施形態の等角図である。
【図３】本発明による基準信号生成構造を含む小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置の第３の実施形態の等角図である。
【図４】本発明による基準信号生成構造を含む小型光ファイバ読取りヘッドおよびスケール配置の第４の実施形態の等角図である。
【図５】本発明による格子および基準マーク構造の１つの例示的実施形態を示す等角図である。
【図６Ａ】本発明による基準信号生成構造の第１の実施形態の様々な態様を図式的に示す等角図である。
【図６Ｂ】本発明による基準信号生成構造の第１の実施形態の様々な態様を図式的に示す等角図である。
【図７】本発明による基準信号生成構造の第２の実施形態の一部分を図式的に示す等角図である。
【図８】図６Ａ、図６Ｂ、および図７の基準信号生成構造によって発生される基準信号を示す図である。
【図９】本発明による基準信号生成構造の第３の実施形態を含む、本発明による第１の一体化基準信号およびインクリメンタル信号生成構造の動作の様々な態様を図式的に示す等角図である。
【図１０】詳細をさらに含む、図９に示される一体化基準信号およびインクリメンタル信号生成構造の一部分を示す等角図である。
【図１１】本発明による基準信号生成構造の第４の実施形態を含む、本発明による第２の一体化基準信号およびインクリメンタル信号生成構造の一部分を示す等角図である。
【図１２】図１０および１１の一体化基準信号およびインクリメンタル信号生成構造によって発生される基準信号を図式的に示す図である。
【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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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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