(57)【要約】スケールと読取ヘッドを備えるインクリメント測定エンコーダである。スケールは、インクリメントトラックおよび少なくとも１つの基準マークを形成する周期的な一連の特徴を備えている。読取ヘッドは、構造化された光源および基準マークの光検出器アレイを備えている。少なくとも１つの基準マークは、基準マークの光検出器アレイ上に構造化された光源の画像を形成するように構成された少なくとも１つの結像要素を備えることができる。
2022500646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スケールと読取ヘッドを備えるインクリメント測定エンコーダであって、
前記スケールは、インクリメントトラックを形成する周期的な一連の特徴と少なくとも１つの基準マークを備え、
前記読取ヘッドは、構造化された光源および基準マークの光検出器アレイを備え、
前記少なくとも１つの基準マークは、前記基準マークの光検出器アレイ上に前記構造化された光源の画像を形成するように構成された少なくとも１つの結像要素を備え、
前記構造化された光源は、不均一に離間された光源のアレイを備えることを特徴とするインクリメント測定エンコーダ。
【請求項２】
前記基準マークは、ｉ）レンズ、ｉｉ）回折結像要素、またはｉｉｉ）ピンホール効果によって前記構造化された光源を画像化するように構成された特徴、の少なくとも１つを備えることを特徴とする請求項１のインクリメント測定エンコーダ。
【請求項３】
形成される前記画像は、一次元画像を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のインクリメント測定エンコーダ。
【請求項４】
前記構造化された光源からの光は、前記スケールに対する前記読取ヘッドの位置におけるインクリメント変化を検出するように、光検出器において、結果フィールドを生成するためにも使用されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のインクリメント測定エンコーダ。
【請求項５】
格子は、前記構造化された光源に直接に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のインクリメント測定エンコーダ。
【請求項６】
前記基準マークの光検出器アレイは、少なくとも第１および第２の光検出器要素のセットを備え、各セットは複数の離間された光検出器要素を備え、且つ、各セットは前記少なくとも１つの結像要素によって提供される前記画像を横方向にオフセットされた位置において個別に検出するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のインクリメント測定エンコーダ。
【請求項７】
前記少なくとも第１および第２の光検出器要素のセットは、交互配置されることを特徴とする請求項６に記載のインクリメント測定エンコーダ。
【請求項８】
使用時、基準マークのゼロ点交差の信号は、前記少なくとも第１および第２の光検出器要素のセットからの出力に基づいて測定されることを特徴とする請求項７に記載のインクリメント測定エンコーダ。
【請求項９】
使用時、前記少なくとも第１および第２の光検出器要素のセットの出力に基づいて、前記測定エンコーダは、前記基準マークのゼロ点交差を監視することを特徴とする請求項８に記載のインクリメント測定エンコーダ。
【請求項１０】
前記基準マークの光検出器アレイの要素は、インクリメントスケールトラックによって生成され、且つ、前記基準マークの光検出器アレイに収まるフリンジフィールドの位相に無感覚であるように大きさが定められている、および／または離間されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のインクリメント測定エンコーダ。
【請求項１１】
前記基準マークは、前記インクリメントトラック内に埋め込まれていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のインクリメント測定エンコーダ。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの基準マークの存在を測定するために使用される少なくとも１つの信号は、前記基準マークの光検出器アレイの出力から導出され、前記信号は、前記読取ヘッドが前記基準マークの上を通過する際に発生するメインローブとサイドローブを備え、およびエンコーダ装置は、前記サイドローブの大きさが前記メインローブの大きさの７５％を超えないように構成されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のインクリメント測定エンコーダ。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの基準マークの存在を測定するために使用される前記信号は、少なくとも２セットの光検出器要素から導出されることを特徴とする請求項６および１２に記載されたインクリメント測定エンコーダ。
【請求項１４】
前記インクリメント測定エンコーダの分解能の単位内で反復可能である基準位置信号を提供するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のインクリメント測定エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
現出願の発明は、測定装置、特に、スケールと読取ヘッドを含み、当該スケールがインクリメントトラックおよび基準マークを備えている測定エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、測定エンコーダは、互いに相対して移動可能であるスケールと読取ヘッドを備えている。公知のエンコーダの一種は、スケールに、その表面にスケールマーキングが設けられ、そして読取ヘッドが、スケールを照明する光源および光、スケールおよび存在する他の光学部品との間の相互作用によって生成される光パターンを検出し、それにより、スケールおよび読取ヘッドの相対的な動きを測定するための検出器を備える光学エンコーダである。特に、インクリメント測定エンコーダは、一般に、周期的に配置されたインクリメント特徴を備えるスケールを備えている。通常、測定スケールと読取ヘッドの間の相対移動が行われるとき、何らかの形態の周期信号が生成される。この信号はカウントされ、スケールと読取ヘッドの間の変位が測定され得る。このようなカウントは、読取ヘッドの内外で行うことができる（例えば、読取ヘッドが周期信号を出力することができ、および／または読取ヘッドが上記の周期信号のカウントを出力することができる）。周期信号は正弦波の形態であてもよい。多くの場合、複数の周期信号が生成され、それらは互いに、例えば、９０°オフセットされている。通常、これらの信号は、ＳＩＮおよびＣＯＳ信号と呼ばれる。これらの信号は、エンコーダの分解能を向上させるために補間できることが知られている。
【０００３】
また、１つ以上の基準マーク、すなわち、測定スケール上の位置の「基準」点を提供するマークを持つ測定スケールも知られている。基準マークは、インクリメントカウントの正確性を検証すること、および／または、例えば、インクリメントカウントが（例えば、停電などのせいで）失われたり、または読取ヘッドの移動が速すぎる、またはスケール上の汚れなどの要因のせいで不正確に行われた場合に、スケールに対する読取ヘッドの基準位置を測定することを可能にする。（インクリメント特徴と基準マークが別々のトラックに入るように）インクリメント特徴の隣に基準マークを設けること、または（インクリメント特徴と基準マークが同じトラックに存するように）インクリメント特徴内に基準マークを埋め込むことは知られている。特許文献１（ＷＯ２００５／１２４２８２）は、基準マークがインクリメント特徴に埋め込まれ得ることを開示している。通常、基準マークは、読取ヘッド内の基準マーク検出器において、信号パルス（正または負のいずれか）を提供するように構成されている。このような信号パルスは、（基準マーク検出器に到達する光の増加または減少のいずれかによって引き起こされる）光のパルスの形態であってもよい。エンコーダ装置は、スケールと読取ヘッドの間の基準位置を測定するべく、このパルスを解析することができる。基準マーク信号は、それに応答して出力されてもよい（例えば、エンコーダ装置は、例えば、インターフェイスユニットおよび／または外部デバイスへの信号線に基準マーク信号を出力することができる）。例えば、基準マークの存在を識別するために、１つ以上のしきい値が使用されてもよい。基準マークの存在を識別しやすくし、（例えば、汚れによって引き起こされる）誤った基準マークの検出を回避し、および／または基準マークの分解能を高めるためには、パルスが明確である（例えば、比較的大きな振幅を有し、比較的狭い幅を有する）ことが好ましい。
【０００４】
理解されるように、この出願における「光」への言及は、（包括的に）紫外線から赤外線の電磁放射線（ＥＭＲ）スペクトルのどこにでも収まるＥＭＲへの言及である。同様に、「光学エンコーダ」のような用語「光学の」の使用は、（包括的に）紫外線から赤外線のＥＭＲスペクトルのどこにでも収まるＥＭＲを用いて動作するエンコーダに言及している。
【０００５】
特許文献２（ＷＯ２００８／０５３１８４Ａｌ）は、スケール読み取り装置用の読取ヘッドを開示し、図１５は、読取ヘッド内の構成要素の配置を示している。第１のＬＥＤ１５は、スケール上のインクリメントトラックを照明するべく示されており、それからの光がインクリメントパターンを形成し、その後、ＬＥＤ１５のいずれかの側に示されているインクリメント検出器によって検出される。また、基準マークを照らすＬＥＤ５０もまた示されており、それからの光は基準マーク検出器５１によって検出されている。
【０００６】
特許文献３（ＵＳ２００６／０１８０７４８Ａｌ）は、インクリメント等級順トラックを含む位置測定システムを開示し、走査ユニットは、光源２１、インクリメント信号検出器２３０および基準マーク信号検出器２４０を含んでいる。
【０００７】
特許文献４（ＵＳ７１４１７８０）は、エンコーダ装置を開示し、そして基準マークは、基準マークの信号を提供するために、マスクパターンと相関する特徴のパターンを備えている。
【０００８】
特許文献５（ＵＳ２００６／０２６７８２２）は、光源１１０とスケール１２０を備える光学エンコーダを開示している。スケールは、光検出器アレイ１５４上に明暗パターンを形成する光学パターン１２４と、基準位置パターン１２２とを備えている。基準位置パターン１２２で反射された光は、光検出器群１５２に入射する。
【０００９】
特許文献６（ＷＯ２０１５／０４９１７４）は、スケールに向かって投射された光の中に構造が存するように構成された少なくとも１つの光源を備えるエンコーダ装置を開示している。読取ヘッドは、スケールの特徴に対して実質的に不整列になるように構造が角度付けられるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第２００５／１２４２８２号
【特許文献２】国際公開第２００８／０５３１８４号
【特許文献３】米国公開第２００６／０１８０７４８号
【特許文献４】米国特許第７１４１７８０号
【特許文献５】米国公開第２００６／０２６７８２２号
【特許文献６】国際公開第２０１５／０４９１７４号
【特許文献７】国際公開第２００８／０５３１８４号
【特許文献８】国際公開第２０１７／２０３２１０号
【特許文献９】国際公開第２００７／０５７６４５号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、改良された測定エンコーダ、特に、改良されたインクリメント測定エンコーダに関する。エンコーダは、スケールと読取ヘッドを備えている。スケールは、インクリメントスケールトラックを形成する周期的な一連のマークを備えることができる。スケールはまた、少なくとも１つの基準マークを備えてもよい。
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、スケールと読取ヘッドを備え、スケールが、インクリメントトラックを形成する周期的な一連の特徴と、少なくとも１つの結像要素を備える少なくとも１つの基準マークと、を備えるインクリメント測定エンコーダが提供される。読取ヘッドは、構造化された光源（光のソース）を備えることができる。読取ヘッドは、基準マークの光検出器アレイを備えることができる。少なくとも１つの結像要素は、基準マークの光検出器アレイ上に構造化された光源の画像を形成／投影するように構成されてもよい。構造化された光源は、不均一に離間された光源のアレイを備えていてもよい。この光検出器アレイは、構造化された光源と相関するように配置された非連続的な一連の光検出器要素を備えていてもよい。
【００１３】
本発明の配置は、比較的小さな基準マークについて、基準マークの光検出器アレイにおいて比較的明確な基準マークの信号（例えば、パルス）が生成されるのを可能にするということが分かった。これは、基準マークがインクリメント特徴に埋め込まれている場合、特に有利である。何故なら、基準マークが小さければ小さいほどインクリメント信号に対する悪影響が小さくなるからである。特に、このような配置は、読取ヘッドが基準マークに対応するスケールに対する位置にある場合の反復可能な測定を可能にすることを支援できることが分かった。例えば、このような配置は、インクリメントスケールマークの幅内に繰り返し可能で、そして、これが望まれる場合、エンコーダシステムの測定単位内に繰り返し可能であり得る（例えば、エンコーダ装置によって出力される）基準マークの信号を提供するのに役立つ。これは、特に、細かいピッチのインクリメントエンコーダ（例えば、スケール周期が２０μｍ（ミクロン）未満のインクリメントエンコーダ）では行うのが難しい。
【００１４】
理解されるように、結像は、画像化されている対象のコピーを空間的に反転させる。したがって、理解されるように、結像要素によって形成される画像は、構造化された光源の空間的に反転された表現／コピーである。別の光学部材は、それが最終的に基準マークの光検出器アレイに収まるとき空間的に反転されないように、構造化された光源のコピーを元に戻すために含まれることができるが、しかしながら、これは追加の光学要素を提供する必要がある。したがって、好ましくは、結像要素は、構造化された光源の空間的に反転された表現／コピーが基準マークの光検出器アレイ上に収まることを生じさせる。
【００１５】
理解されるように、基準マークの結像要素について他の用語は、結像装置（ｉｍａｇｅｒ）、または結像手段／デバイス／部材を含んでいる。結像要素は、ｉ）レンズ（例えば、円筒形または球状のレンズ、またはフレネルレンズ）、ii）（フレネルゾーンプレート（ＦＺＰ）などの）回折結像要素、または、iii）ピンホール効果によって画像を提供するように構成された特徴、の少なくとも１つを備えてもよい。このような（ピンホール効果による結像をもたらす）特徴は、細長いピンホール（例えば、そのような特徴は、スケールの測定方向に直交して細長く、例えば、当該特徴がスケール上の線からなる）である。その場合、以下に詳細に説明されるように、基準マーク／結像要素は１次元画像のみを提供する可能性がある。選択肢として、そのような（ピンホール効果による結像をもたらす）特徴は、反射または透過性の特徴（例えば、線）からなることができる。選択肢として、基準マーク／結像要素は、インクリメントトラック内の一般的に周期的な一連の特徴の単一の連続的な省略（ｏｍｉｓｓｉｏｎ）を備えている。このような（ピンホール効果による結像をもたらす）特徴は、反射線（例えば、測定方向に沿って取られてその両側のスケールよりも反射性の高い線）または、例えば、開口部（ａｐｅｒｔｕｒｅ）からなってもよい。
【００１６】
選択肢として、インクリメント特徴の周期は２０μｍ（ミクロン）を超えず、例えば１０ｐｍ以下、例えば５μｍ以下、例えば４μｍ以下である。理解されるように、インクリメント光検出器の出力から導き出されるインクリメント信号の周期（例えば、直交信号、例えばＳＩＮおよびＣＯＳ信号、または「リッサジュ（Ｌｉｓｓａｊｏｕｓ）」期間）は、スケールのピッチに等しい可能性があるが、必ずしもそうではない。選択肢として、エンコーダ装置のインクリメント信号の周期は１０μｍ以下、例えば５μｍ以下、例えば２μｍ以下である。
【００１７】
選択肢として、基準マーク／結像要素の（スケールの測定方向に平行に測定される）幅は、インクリメント検出器アレイの（測定寸法に平行に測定される）幅の１５％以下、好ましくは、インクリメント検出器アレイの幅の１０％以下に延在する。選択肢として、基準マーク／結像要素の（スケールの測定方向に平行に測定される）幅は、１５０μｍ（ミクロン）を超えず、例えば１００μｍ以下、例えば、７５μｍ以下である。
【００１８】
理解されるように、結像要素によって形成される画像は、少なくとも１次元で延びる。必要に応じて、基準マーク／結像要素は、構造化された光源の１次元画像を形成することができる。言い換えれば、基準マークは、一次元の結像手段／部材／デバイス／要素、例えば、細長いピンホール、円筒レンズ、または一次元ＦＺＰを備えることができる。つまり、結像要素は、構造化された光源の第１の次元の画像を形成することができるが、第２の次元は形成しない。前記第１の次元は、スケールの測定寸法と平行であることができる。このような一次元の結像手段／デバイス／部材／要素は、特に基準マークがインクリメント特徴内に埋め込まれている場合、それらは（２次元の結像手段よりも）スケールへの製造のためには、より簡単で、より安価でかつより効率的に行うことができるので、有利である。例えば、結像要素がピンホール効果を介して画像化するように構成されている場合、基準マーク／結像要素は、後で、インクリメント特徴を形成する線を見過ごす（または、追加する）だけで形成され得る。また、ＦＺＰを備える基準マークの場合、結像手段は、インクリメント特徴と同じプロセスを用いて形成され得る。
【００１９】
理解されるように、光源は少なくとも１次元の構造を有するであろう。換言すると、光源から放出される光の強度は、少なくとも１次元で変化する。光源は、少なくとも１次元で捉えられて、スケールに向かって放出される光の強度が実質的に少ない（例えば、照明領域のそれよりも少なくとも５０％少ない、選択肢として、少なくとも７５％少ない、例えば、９０％以下の）「暗い」領域によって分離される、スケールに向かって光が放出される少なくとも２つの「明るい」すなわち「照明」領域が存するように構成されてもよい。選択肢として、暗い領域からは光が放出されなくてもよい。好ましくは、（「暗い」領域で区切られた）少なくとも３つの明るい／照明領域、必要に応じて、（「暗い」領域で区切られた）少なくとも４つの明るい／照明領域が存する。選択肢として、基準マークの光検出器アレイ（例えば、明るい／照明領域の幅、または暗い領域の幅）によって測定方向に平行に検出される領域の幅は、名目上同一である。これは、光検出器要素の交互配置されたセットの提供に役立つことができる（以下に詳細に説明される）。
【００２０】
構造化された光源は、離散的、または分離された光源のアレイとして記述され得る。アレイは、規則的（例えば、均一など）または不規則（不均一など）であり得る。換言すると、アレイ内の（明るい）要素は、アレイ内の全ての隣接する（すなわち、直接に隣接する）要素の対（例えば、明るい要素）について、要素間の間隔が同じになるように、等しく間隔付けられてもよい。あるいは、アレイ内の（明るい）要素は、隣接する（すなわち、直接に隣接する）要素の一対の（明るい）要素の間の間隔が、隣接する（すなわち、直接に隣接する）要素の別の対の（明るい）要素間の間隔と異なるように、不均一に配置されてもよい。
【００２１】
したがって、理解されるように、構造化された光源は、スケールに向かってパターン（繰り返しパターンである必要はないが）またはコードを投影すると言える。換言すると、構造化された光源は、パターン化された光源、またはコード化された光源と言える（ここでは、選択肢として、パターンまたはコードは少なくとも１次元に延在し、選択肢として、１次元にのみ延在する）。選択肢として、前記（少なくとも）１次元は、スケールの測定方向に平行である。
【００２２】
構造化された光源がコード化された光源として記述される場合、コード化された光源によって投影されるコードのビットの値は、放出される光の強度によって測定され得る。例えば、構造化された光源によって放出される光が所定のしきい値より大きい場合、これは「１」として測定され、そしてコード化された光源によって放出された光が所定のしきい値より小さい場合、これは「０」として測定され得る。選択肢として、光検出器要素の各セット（下記により詳細に説明される）において、コードの各「１」ビットまたは各「０」ビットごとに、少なくとも１つの対応する光検出器要素が提供されている。つまり、各「１」ビット（または、各「０」ビット）に対して、そのビットを検出するために構成された（例えば、配置された）少なくとも１つの対応する光検出器要素が存する。選択肢として、コード化された光によって投影されたコードは、隣接する「ｌ」を含まない。これは、光検出器要素の交互配置されたセットを提供するのに役立つことができる（以下により詳細に説明される）。
【００２３】
構造化された光源は、複数の空間的に分離された発光要素を備えることができる。例えば、複数の空間的に分離された発光要素は、複数の空間的に分離された発光ダイオード（ＬＥＤ）からなることができる。
【００２４】
特許文献７（Ｗ０２００８／０５３１８４）に記載されているように、読取ヘッドの光源と検出器要素（例えば、基準マークの光検出器アレイ）は、同じ光電子チップ／半導体化合物に形成されてもよい。
【００２５】
選択肢として、構造化された光源は、単一の（延長された）光源を覆うマスク（例えば、単一のＬＥＤを覆うマスク）によって提供されてもよい。したがって、上記の「明るい」または「照明」領域の各々は、ＬＥＤのような単一の発光要素によって、またはマスク内の透過領域（例えば、マスク中の開口部）によって提供され得る。選択肢として、構造化された光源からの光はコリメートされない。
【００２６】
基準マークの光検出器アレイは、構造化された光源によって放出される構造（すなわち、パターン／コード）に一致する／相互に関連するべく配置されている基準マークによって提供される画像を検出するための、少なくとも１つの光検出器要素のセットを備えることができる。理解されるように、基準マークの光検出器アレイは、このような光検出器要素の複数のセット（例えば、それぞれが基準マークによって提供される画像を個別に検出するための少なくとも第１および第２の光検出器要素のセット）を備えることができる。理解されるように、このようなセットは、読取ヘッドと基準マークとが互いに通過するとき、構造化された光源の前記画像が、光検出器要素の各セットを横切って順次（すなわち、全てのセットが同時に画像を検出するのではなく）通過するように配置されることが可能である。したがって、このセットは、スケールの測定方向と少なくとも平行な次元で、互いに相対してオフセットされ得る。選択肢として、光検出器要素のセットは交互配置される。
【００２７】
基準マークの光検出器アレイは、連続的な一連の光検出器要素（換言すると、光検出器要素の規則的なアレイ）備えることができ、連続的な系列（規則的なアレイ）内の選択要素がセット（すなわち、上述された光検出器要素の少なくとも１セット）を形成するために使用される。例えば、要素のいくつかのみが、基準マークの検出のために使用される信号に貢献するべく使用され得る。
【００２８】
選択肢として、基準マークの光検出器アレイは、非連続的な一連の光検出器要素（例えば、不規則な／中断された／不均一な光検出器要素のアレイ）を備えている。例えば、セット内の要素は、読取ヘッドが基準マークを通過するときに、正（または、負）のパルスを提供するために、検出器要素が、構造化された光源の少なくとも１つの画像の比較的明るい部分（または、比較的暗い部分）が収まることが予想される場所にのみ配置／提供されるように、離間されることができる。したがって、基準マークが構造化された光源の単一の画像のみを提供する実施形態では、基準マークの光検出器アレイは、基準マークによって画像化されたときに、構造化された光パターンと相関する（例えば、負または正に一致する）配置で、互いから離間された光検出器要素のセットを備えることができる。
【００２９】
したがって、いずれの場合（すなわち、連続または非連続的な一連の光検出器要素の場合）も、基準マークの光検出器アレイは、少なくとも１セットの光検出器要素を備えることができ、要素は、基準マークによって結像されたとき、構造化された光源の配置（例えば、パターン）に相関する／対応する、選択肢として、構造化された光源の配置（例えば、パターン）に相関する／対応する配置（例えばパターン）内で互いに離間されている。言い換えれば、検出器は、構造化された光源の構造に関連する／対応する構成（ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）で、配置／位置されている構造化された光源の構造を検出するための要素のアレイを備えることができる。理解されるように、相関すること／対応することは、構造化された光源の（例えば、前後および／または上下に）空間的に反転されたバージョン（または、否定的なバージョン）である一致する配置を含む。
【００３０】
基準マークを検出するためのものである光検出器要素の構造／パターンは、構造化された光源の構造と同じであってもよい。基準マークを検出するための複数の光検出器要素の構造／パターンは同じである可能性があるが、しかし、構造化された光源のパターンの逆である（何故なら、上記の説明通り、基準マークによって形成される画像は、構造化された光源の逆の表現であり、この逆の表現は、基準マークの光検出器アレイに収まるものである可能性があるからである）。
【００３１】
したがって、エンコーダ装置は、読取ヘッドが基準マークの視界を通るとき、構造化された光源の少なくとも１つの画像が基準マークの光検出器アレイを素早く通過するように構成されてもよい。これは、スケールと読取ヘッドの特定の相対位置（例えば、基準位置）において、少なくとも１つの画像と基準マークを検出するための複数の光検出器要素との間に高い相関関係があり、信号ピークをもたらす可能性がある。理解されるように、構造化された光源の少なくとも１つの画像は、読取ヘッドとスケールの相対的な移動の方向とは反対の方向に、基準マークの光検出器アレイを横切って掃引してもよい。
【００３２】
理解されるように、読取ヘッドは、インクリメント光検出器アレイなどの少なくとも１つのインクリメント光検出器を備えることができる。光源からの光は、インクリメント光検出器によって検出される結果のフィールドを形成するべく、インクリメントスケールトラックと相互作用することができる。結果のフィールドは、干渉フリンジからなることができる。選択肢として、読取ヘッドは、結果のフィールド（例えば、干渉フリンジ／フリンジフィールド）の形成に使用される少なくとも１つの格子（例えば、回折格子）を備える。少なくとも１つの（例えば、回折）格子は、（例えば、スケールに達する前に、構造化された光源からの光と相互作用（例えば、光を回折）するように）スケールの前に位置されてもよい。少なくとも１つの（例えば、回折）格子は、（例えば、スケールによって反射され／透過された光と相互作用（例えば、光を回折）するように）スケールの後に位置されてもよい。選択肢として、読取ヘッドは、スケールの前に少なくとも１つの（例えば、回折）格子およびスケールの後に少なくとも１つの（例えば、回折）格子を備える。回折格子以外の格子が、読取ヘッドに設けられてもよい。例えば、サンプリング格子が、例えば、インクリメント光検出器アレイを覆うように、検出器を覆って設けられてもよい。
【００３３】
選択肢として、エンコーダは、構造化された光源の少なくとも一部が、インクリメントスケールトラックと相互作用して結果のフィールドを形成する光を提供するように構成される。例えば、構造化された光源が複数の個別の光源を備える場合には、その後、前記個々の光源の、好ましくは、少なくとも１つからの光、および選択肢として、全てからの光が、前記結果の光のフィールドを形成するように構成されてもよい。
【００３４】
したがって、選択肢として、構造化された光源は、スケール上のインクリメントおよび基準マークの特徴を照らするように構成されてもよい。選択肢として、構造化された光源は、読取ヘッドによって検出されたインクリメントおよび基準マークの信号の両方を生成するように構成される。例えば、構造化された光源は、基準マークの光検出器を照らし、そのスケールに対する読取ヘッドの位置のインクリメント変化を検出するための光検出器で、結果のフィールド（例えば、フリンジフィールド）を生成するように構成されてもよい。
【００３５】
このように同じ構造化された光源を使用することで、高効率の測定エンコーダが可能になる。同じ構造化された光源を使用すると、エンコーダの複雑さを軽減し、製造、特に読取ヘッドの製造を簡素化することができる。さらに、インクリメントと基準マークの光検出器アレイの両方を照らすのに同じ光源を使用することによって、基準マークの光検出器アレイを照らすための別々の光源がないので、インクリメント光検出器アレイのバックグラウンド照明量が減少され得る。このことは、信号増幅器に供給される信号において、信号増幅器からの信号の識別度が高くなるのを可能にする、より有利な信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）比を意味し得る。
【００３６】
格子（例えば、回折格子）は、構造化された光源からの光をスケールに達する前に回折させるために、構造化された光源を覆って（例えば、直接に取り付けられて）設けられてもよい。したがって、例えば、（回折）格子は、構造化された光源の少なくとも１つの照明領域、選択肢として、構造化された光源の全ての照明領域に設けられてもよい。このような配置では、格子は、読取ヘッドとスケールの相対的な動きを検出するためのインクリメント光検出器において、構造化された光源からの光が、結果として得られるフィールド（例えば、干渉フリンジ）を形成するのを生じさせる。選択肢として、（回折）格子は振幅格子である。
【００３７】
基準マークは、複数の結像要素を備えることができる。選択肢として、基準マークは、構造化された光源を画像化し、スケール上で互いに近くに（例えば、測定寸法に平行に測定されて、構造化された光源の幅の５０％未満の距離によって）設けられている２つの結像要素を備えることができる。理解されるように、この場合、基準位置において、読取ヘッドによって検出されるパターン／コードは、構造化された光源の場合と同じではない。むしろ、基準位置で読取ヘッドによって検出されるパターン／コードは、各結像要素によって形成される２つ以上の画像の何らかの組み合わせとなる。
【００３８】
選択肢として、基準マークの光検出器アレイの光検出器要素は、フリンジフィールドの位相に無感覚になるような大きさおよび／または間隔にされている。これは、基準マークの光検出器アレイの光検出器要素が、測定方向において、基準マークの光検出器アレイでフリンジフィールドのピッチの整数倍である横方向の範囲を有すること、および／または基準マークの光検出器アレイの光検出器要素の中心が、測定方向において、基準マークの光検出器アレイでフリンジフィールドのピッチの整数倍、離間されることによって達成され得る。このような配置は、基準マークの光検出器アレイが、測定エンコーダ装置によって生成されるフリンジフィールド照明パターンの特定の位相整合によって影響されないことを許容する。
【００３９】
理解されるように、エンコーダ装置は、少なくとも１つの基準マークの存在を測定するために使用される少なくとも１つの信号を基準マークの光検出器アレイの出力から導出するように構成することができる。前記少なくとも１つの信号は、読取ヘッドが基準マークを通過するときに生ずるメインローブおよびサイドローブを備えることができる。エンコーダ装置は、サイドローブの大きさがメインローブの大きさの７５％を超えない、選択肢として、メインローブの大きさの５０％を超えない、例えば、メインローブの大きさの３５％を超えないように構成されてもよい。選択肢として、前記少なくとも１つの信号（少なくとも１つの基準マークの存在を測定するために使用される）は、少なくとも２つのセットの光検出器要素から導出される。例えば、エンコーダ装置は、少なくとも２つのセットの光検出器要素から少なくとも１つの「ゲート（ｇａｔｅ）」／「ウィンドウ（ｗｉｎｄｏｗ）」信号および／または「ゼロ点交差（ｚｅｒｏ−ｐｏｉｎｔ  ｃｒｏｓｓｉｎｇ）」信号を導出するように構成することができる。
【００４０】
（少なくとも１つの基準マークの存在を測定するために使用される）前記少なくとも１つの信号（例えば、基準マークのゼロ点交差信号）は、基準マークの光検出器アレイの少なくとも２つの要素からの出力（例えば、基準マークの光検出器要素の少なくとも２つのセットの出力から）に基づいて測定され得る。選択肢として、（少なくとも１つの基準マークの存在を測定するために使用される）前記少なくとも１つの信号（例えば、基準マークのゼロ点交差信号）は、基準マークの光検出器アレイの４つの要素からの出力（例えば、基準マークの光検出器要素の４つのセットの出力から）に基づいて測定され得る。前記少なくとも１つの信号（少なくとも１つの基準マークの存在を測定するために使用される）（例えば、基準マークのゼロ点交差信号）は、基準マークの光検出器アレイの４つ以上の要素からの出力（例えば、４セット以上の基準マークの光検出器要素の出力から）に基づいて測定され得る。使用時には、基準マークの光検出器アレイの少なくとも２つ、３つ、４つ、またはそれ以上の要素の出力に基づいて（例えば、少なくとも２つ、３つ、４つ、またはそれ以上の基準マークの光検出器要素の出力から）、測定エンコーダは基準マークのゼロ点交差を監視し得る。
【００４１】
選択肢として、基準マークはインクリメントトラック内に埋め込まれる。これにより、よりコンパクトなスケールが可能になり、効率も向上する可能性がある。
【００４２】
スケールは位相スケールであってもよい。スケールは振幅スケールでもよい。
【００４３】
また、スケールと読取ヘッドを備える測定エンコーダが開示され、スケールは、基準マークとインクリメントトラックを形成する周期的な一連のマークを備え、読取ヘッドは、インクリメント光検出器アレイと基準マークの光検出器アレイとを備えている。そこで、読取ヘッドは、構造化された光源をさらに備え、基準マーク光検出器アレイは構造化された光源のコードに対応するように配置された要素を備える。その結果、使用時に、およびまた、読取ヘッドが基準マークに対応するスケールに対して所定の位置を通過して移動するとき、基準マークの光検出器アレイの照明における変化が起こるように、インクリメント位置を監視するためにフリンジフィールドが形成される。
【００４４】
本発明の別の態様に従って、スケールと読取ヘッドを備えるインクリメントエンコーダが提供され、スケールは、インクリメントスケールを画定する周期的な一連の特徴および少なくとも１つの基準マークを備え、読取ヘッドは、スケールを照らすための光源および基準マークを検出するための検出器を備え、光源は、少なくとも１次元に（例えば、少なくとも２つの分離された光領域があるような）比較的（交互に）光と暗い領域のアレイ／配置を備えるというように構成されており、基準マークは、読取ヘッドとスケールが基準マーク位置に位置合わせされたときに、基準マーク検出器に向かって光源の構造を投影／複製する（特に、基準マーク検出器に向かって空間的に反転されたバージョンの光源を投影する）ように構成され、そして、基準マークを検出するための検出器は、読取ヘッドと基準マークが基準マーク位置に揃えられるとき、強度パルスが要素のアレイに提供されるように構造を検出するための要素のアレイを備えている（特に、検出器は、構造化された光源の構造に対応する構成に配置／位置された構造を検出するための要素のアレイを備えている）。
【００４５】
理解されるように、本発明の他の態様と関連して上記された特徴は、本発明のこの態様に等しく適用可能であり、その逆も同様である。
【００４６】
理解されるように、このような光および暗い領域は、（例えば）少なくとも１次元で互いに離間された発光要素（例えば、ＬＥＤ）の配置によって提供され得る。このような明暗領域は、少なくとも１つの発光要素とスケールとの間の（例えば）マスクによって提供することができる。例えば、マスクは明るい部分と暗い部分の配置を有することができ、ここで、「明るい」部分は、「暗い」部分よりも比較的多い量の光がスケールに向かって伝播することを可能にする。例えば、「暗い」部分は、光がスケールに向かって伝播するのを実質的に遮断してもよい。
【００４７】
光領域は、光がスケールに向かって放出される領域を備えることができ、暗い領域は、発光要素の不在からなる。
【００４８】
ここで、格子は、１つ以上の光領域（および、例えば、全ての光領域）に設けられる。
【００４９】
本発明のさらなる態様によれば、スケールと読取ヘッドを備えるインクリメント測定エンコーダが提供され、スケールは、インクリメントトラックを形成する周期的な一連の特徴と少なくとも１つの基準マークを備え、読取ヘッドは、光源と基準マークの光検出器アレイを備え、ここで、読取ヘッドは、読取ヘッドがインクリメント測定エンコーダの分解能の単位内に対する基準マークの位置にあるときを検出することができる。選択肢として、読取ヘッドがスケールに対して基準マークの位置にあるときの検出は、基準マークの光検出器上に光源の少なくとも１つの画像を形成することからなる。光源は、構造化された光源であってもよい。
【００５０】
本発明の実施形態は、ほんの一例として、および以下の図面を参照して、ここでより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態によるインクリメント測定エンコーダを示している。
【図２】図２は、図１に示された読取ヘッドの一部の構成要素の配置を示している。
【図３】図３は、図１の読取ヘッドの一部を形成する構造化された光源の一例を示している。
【図４】図４は、基準マークに対応するスケールに対する相対位置において、読取ヘッドを模式的に示している。
【図５】図５は、基準マークの光検出器の要素の間隔を示している。
【図６】図６は、基準マークの信号を測定するために、基準マークの光検出器から出力される信号の処理を示している。
【図７】図７は、図１に示された読取ヘッドの一部の構成要素の配置を示している。
【図８】図８は、基準マークが複数の結像要素を備える一実施形態を模式的に示す。
【図９】図９（ａ）は、基準マークの光検出器の要素（Ｊ、Ｋ、ＬおよびＭ）の各セットの出力に存在するサイドローブを示すグラフであり、図９（ｂ）は、基準マークの光検出器の要素（Ｊ、Ｋ、ＬおよびＭ）のセットの出力から導出されるゲートおよびゼロ点交差信号に存在するサイドローブを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
図１は、スケール２と読取ヘッド３を備える本発明による測定エンコーダ１の第１の実施形態を示す。使用中、スケール２および読取ヘッド３は、１つの機械または複数の機械の相対可動部分に固定され、測定エンコーダ１は２つの部分の相対位置が測定されるのを可能にする。
【００５３】
図１に示される実施形態では、測定エンコーダ１は、図において指示される第１の方向ｘにおけるスケール２に対する読取ヘッド３の位置を測定するための線形測定エンコーダである。
【００５４】
スケール２は、その上に、インクリメントトラックを画定する一連の周期的なマーク２００を有する細長いスケールである。この実施例では、周期的なマークは、照射されたとき、そこから反射される光によってフリンジフィールドのパターンが形成されるのを引き起こす可能性のある、スケール上の位相格子を形成する。また、スケールの一部を形成する基準マーク２０２が、この実施形態ではインクリメントトラックに埋め込まれている。本実施例では、インクリメントトラックは、４μｍ（ミクロン）のピッチスケールからなり、基準マーク２０２は、測定方向（ｘ）において１００μｍの距離に延在している。
【００５５】
図１（ｂ）は、図１（ａ）の測定エンコーダの測定方向ｘに直交する平面を通る断面を示している。
【００５６】
図２は、図１に示された実施形態の読取ヘッド３の発光および受光構成要素の配置を示している。読取ヘッド３の構成要素はスケール２に面している。特に、読取ヘッド３は、構造化された光源３００を備え、この実施形態では、空間３０４（すなわち、「暗い」領域）によって離間された３つの個別の光源３０２（すなわち、「光」または「照明」領域）から構成されている。以下に詳細に説明するように、個々の光源３０２の間隔が不均一なせいで、図２に示される構造化された光源３００は、左から右に読み取られる場合、コード１０１００１に対応すると言える。本実施形態において、個々の光源３０２には、格子（この特定の実施形態では回折格子である）が設けられている。特に、個々の光源３０２はそれぞれ、個々の光源３０２上に直接に形成された個々の要素３０６から形成された格子を有している。格子は、構造化された光源が干渉フリンジフィールドを形成するのを生じさせる。
【００５７】
図２はまた、基準マークの光検出器アレイ３１０も示している。基準マークの光検出器アレイは、構造化された光源３００の３つの個別の光源３０２に対応する３つの部分を備えている。基準マークの光検出器アレイ３１０の部分は、構造化された光源の個々の光源３０２の構成の鏡像で（つまり、空間的に反転されて）読取ヘッド３に配置されている。より詳細に説明されるように、基準マークの光検出器アレイの部分とそれらの間の空間は、コード１００１０１（構造化された光源の上述のコードの空間的な反転）を形成していると言える。図２の実施形態は、３つの部分／光検出器３ｌ０ａ、３ｌ０ｂ、３ｌ０ｃを備える基準マークの光検出器アレイ３１０を示している。
【００５８】
インクリメント光検出器アレイ３２０もまた、読取ヘッド３の一部として示されている。適切なインクリメント光検出器アレイの例は、特許文献２（ＷＯ２００８／０５３１８４Ａ１）に記載されている。インクリメント光検出器３２０は、その上に収まるフリンジフィールド（例えば干渉フリンジ）の強度の変化を検出する。この実施形態では、インクリメント光検出器アレイ３２０に収まる光のフリンジフィールドは、要素３０６によって形成された格子と相互作用し、その後、第２の格子と相互作用する構造化された光源３００から放出される光の波面によって作成され、この場合は、周期的なマーク２００から構成されるインクリメントトラックである。これは、インクリメント光検出器アレイ上のフリンジフィールド（例えば、干渉フリンジ）を形成する。スケールと読取ヘッドの相対的な動きは、インクリメント光検出器にわたるフリンジフィールドの変化（例えば、移動）を生じさせ、そのような変化／移動は読取ヘッドによって検出可能であり、例えば、相対的な位置のカウントを増加／減少させるために使用される。理解されるように、フリンジフィールド以外の結果の領域を使用してインクリメントを測定することは可能である。例えば、光源からの光は、スケールと読取ヘッドの相対的な動きで、（例えば、強度の変化）を調節する（例えば、スケール、および選択肢として読取ヘッドにおける１つまたは複数の回折格子を介しての）スポットを生成するために使用することができる。このようなエンコーダは、例えば、特許文献６（ＵＳ６１９８５３４）に記載されている。
【００５９】
理解されるように、インクリメント光検出器アレイからの信号は、１つ以上のインクリメント測定信号（例えば、直交信号、例えば、ＳＩＮおよびＣＯＳ信号）を生成するために使用することができる。このようなインクリメント測定信号は、測定されるべきスケールと読取ヘッドの相対的な位置のインクリメントカウントを可能にする。このようなインクリメント測定（例えば、直交）信号は、カウント／測定の高い分解能を提供するために補間されてもよい。理解されるように、インクリメントエンコーダ装置は、所定の／指定された分解能の単位を持つことになる。好ましくは、基準マークの光検出器アレイによって（例えば、光検出器要素のセットによって）検出される基準マークのパルスは、基準マークの位置がインクリメント測定の分解能の単位内で繰り返し測定されることを可能にし、言い換えれば、エンコーダ装置によって測定／出力される基準位置信号がインクリメント測定の分解能の単位内で繰り返し可能であるようにする。理解されるように、これは、エンコーダ装置によって測定／出力される基準位置信号が、運動の相対方向に関係なく、インクリメント測定の分解能の単位内で同じ位置において提供されることを意味し得る。
【００６０】
例えば、基準マークの光検出器アレイからの出力は、インクリメント信号のサイクル内で所定の事例が発生したとき（例えば、直交信号が負で等しいとき）に、エンコーダ装置によって基準位置信号が測定／出力される間、「ゲート」または「ウィンドウ」信号を測定するために使用され得る。したがって、曖昧さを避けるために、「ゲート」または「ウィンドウ」信号は、インクリメント信号の１サイクル（例えば、直交／ＳＩＮ信号の１周期）より広くならないようにすることが重要である。読取ヘッドによって検出される基準マークパルスが狭くなるほど（例えば、検出器の光の「パルス」が狭くなるほど）、基準マークの光検出器の信号から測定され得る「ゲート」または「ウィンドウ」信号は狭くなる。基準マークの存在を測定するために、「ゲート」または「ウィンドウ」信号を使用することはよく知られており、例えば、特許協力条約の下に公表された国際出願、特許文献８（ＷＯ２０１７／２０３２１０）および特許文献９（Ｗ０２００７／０５７６４５）において、詳細に説明されているのみならず、以下にさらに詳細に説明される。我々の発明者等は、光検出器アレイ上に画像化される構造化された光源を提供することは、より狭い基準マークのパルスが検出器に収まることを可能にし、それは次に、エンコーダによって提供される基準マークの信号の反復性を保証し、インクリメントエンコーダの単位分解能内に収まるのを促進し得ることを見出した。
【００６１】
図１および２に示される実施形態は、光源（ここでは、構造化された光源３００）および光検出器アレイ（ここでは、基準マークの光検出器アレイ３１０およびインクリメント光検出器アレイ３２０）が、使用中、スケール２の同じ側に位置される、反射式測定エンコーダであると理解される。
【００６２】
図３は、図１の実施形態で用いられる構造化された光源３００を示す。図３は、図２に示された実施形態で使用されるコード１０１００１を有する構造化された光源３００を示す。ここで、与えられた幅の個々の光源３０２は「１」を表し、一方で所定の幅の空間は「０」を表している。ここで、（左から右に読み取る場合）第１の空間３０４ａは第１の個別光源３０２ａに等しい幅を有し、一方、第２の空間３０４ｂは第１空間３０４ａの幅の２倍の幅を有していることが分かる。本実施形態では、空間３０４ｂは「００」を表している。構造化された光源のための他の可能なコードの実施例は、個々の光源が「１」を表す一方、空間が「０」を表し、個々の光源と比較された空間の幅が「０」の数を測定する状態で、コード１０００００１０００１０００１０００００１を含む。１１００１０００００１０１００００１は、使用される可能性がある別のコードの実施例である。この構造では、個々の光源の最も左は、他の個々の光源の幅を２倍にすることが理解されるであろう。何故なら、ここでは、１つの個々の光源（その幅は与えられた幅の２倍）がコード内で「１１」を表しているからである。このような個々の光源は、単一の連続光源であるか、または隣接する別々の隣接光源で構成され得る。コード１１１００１１０００１１０１１０１１はまた、実施形態でも使用され得る。他の実施形態では、構造化された光源は、Ｂａｒｋｅｒｃｏｄｅ（バーカーコード）であってもよい。図３に示されたコードを有する個々の光源を有する図２に示された実施形態に関連して上に説明されたように、基準マークの光検出器アレイ３１０は、構造化された光源３００に対応するように構成されており、且つ、構造化された光源３００の鏡像（例えば、空間的に反転されたバージョン）であってもよいことが理解されよう。
【００６３】
上記の構造化された光源３００のコードの鏡像として配置された基準マークの光検出器アレイ３１０のコードは、（図３に示された１０１００１について）１００１０１、（１００００００１０００１００００１０００００１００００００１のコードについて）１０００００１０００１０００１０００１００００１００００１、（１１００１０００００１０１０００００１のコードについて）１００００１０００００１００１、および（１１１００１１０００１１０１１０１１のコードについて）１１０１１０１１０００１１００１１１である。
【００６４】
図１および図２は反射式の実施形態を説明するが、他の配置も可能であり、例えば、基準マークの光検出器アレイが構造化された光源３００に対してスケール２の反対側に位置されてもよく、そのようなシステムは、透過式システムと呼ばれ得ることが理解されよう。
【００６５】
図４（ａ）は、透過式システム用の基準マークの光検出器アレイ３１０に対する構造化された光源３００からの光路を模式的に示している。基準マーク２０２におけるスケール２を通る光の反射／透過を除いて、基本的な原理は、図１および２の反射式実施形態および図４（ａ）の透過式実施形態に対して同一であることが理解されよう。説明を容易にするために、これから、図４（ａ）の透過式実施形態について記載される。
【００６６】
図４（ａ）では、読取ヘッド３が、基準マークの位置に対応するスケール２に対する相対位置で示されている。構造化された光源３００は、基準マーク２０２の一側に示され、そして基準マークの光検出器３１０は、基準マーク２０２の反対側に示されている。構造化された光源３００と基準マーク光検出器アレイ３１０の両方は、基準マークの光検出器アレイ３１０が読取ヘッド３の表面に位置されて、読取ヘッド３の一部を形成している。構造化された光源３００および基準マークの光検出器アレイ３１０は、互いに一定の関係を維持し、スケール２に対して移動方向ｘに移動される。読取ヘッド３がスケール２に対して相対的に移動するにつれて、読取ヘッドもまた、基準マーク２０２に対して移動する。本実施形態では、スケール２における基準マーク２０２は、光が透過されるのを許容し、そして結像要素として機能し、特に、基準マークは、構造化された光源３００をピンホール効果によって光検出器アレイ３１０上に画像化する特徴を備えている。伝送された光は、基準マークの光検出器アレイ３１０が位置されている表面を包含している平面上に、構造化された光源３００の画像を形成する。読取ヘッド３がスケール２に対して基準マーク２０２に対応する位置にある場合、形成される画像は構造化された光源３００のコードの空間反転された表現である。基準マークの光検出器アレイ３１０は、本実施形態において、構造化された光源の空間反転された表現に構成されているので、読取ヘッド３が基準マーク２に対して基準マーク２０２に対応する位置にあるとき、基準マークの光検出器アレイ３１０は、構造化された光源３００によって最大限に照らされる。基準マークの光検出器アレイ３１０は、その上に収まっている光の量に基づいて、信号を出力するように構成されている。
【００６７】
理解されるように、他の実施形態において、基準マークの結像要素は、レンズ（例えば、円筒レンズ）および／または回折光学要素（フレネルゾーンプレート（ＦＺＰ）など）からなってもよい。また、理解されるように、結像（ｉｍａｇｉｎｇ）という用語は、基準マークの光学的インパルス応答（ｏｐｔｉｃａｌ  ｉｍｐｕｌｓｅ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ）、または点広がり機能（ｐｏｉｎｔ  ｓｐｒｅａｄ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を有する構造化された光源によって放出される光の構造／パターンの畳み込み（ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）を意味し得る。同様に、画像（ｉｍａｇｅ）という用語は、この処理によって基準マーク検出器において形成される光のパターンを意味することができる。
【００６８】
図４（ｂ）は、基準マークの光検出器アレイ３１０の出力が、測定方向ｘにおいて互いに相対して移動される読取ヘッド３とスケール２に応じていかに変化するかを示している。図４（ｂ）に見られるように、読取ヘッド３がスケール２に対して基準マークの位置およびその周辺にあるとき、基準マークの光検出器アレイ３１０の出力にパルス５００が形成される。基準マーク２０２に対する調整によって、パルス５００の相対比率を変化させることができる。例えば、基準マークを広げることは、透過式システムにおいて、多くの光がスケールを透過するのを許容し、そうしてピークの強度を増大させ、逆に、基準マーク２０２を狭くすることは、少ない光がスケールを透過するのを許容し、そうしてパルス５００の強度を弱めることになる。しかしながら、基準マーク２０２を広げることはまた、パルス５００がより広くなることを生じさせ、またインクリメント信号をより混乱させる。スケールから構造化された光源３００までの垂直距離（すなわち、図１に示されるｚ軸に沿う）などの他の要因も、基準マークの光検出器アレイ３１０に到達する光の強度に影響を与える可能性がある。有利には、パルス５００の強度／振幅は、構造化された光源の「明るい」領域の数を増やすことによって、パルス５００の幅を増大させることなく増加させることができ、それによって、より明確なパルスを提供するのを助ける。したがって、基準マークによって結像される構造化された光源を用いることは、検出器で明確なパルスを得ながら、小さな基準マークを提供しようとするときに特に有用である。
【００６９】
説明された透過式配置では、構造化された光源３００から放出される光波面が、構造化された光源３００上の要素３０６を備える格子と直接に相互作用し、その後、（前述のように、周期的なマーク２００から形成されたインクリメントトラックに関連して）スケール２と相互作用する。光が基準マーク２０２を通過するに従って、要素３０６に起因して形成されたフリンジフィールドが、基準マークの光検出器アレイ３１０の３ｌ０ａ、３ｌ０ｂ、３ｌ０ｃの部分に形成される。
【００７０】
いくつかの実施形態では、部分３ｌ０ａ、３ｌ０ｂ、３ｌ０ｃは、複数のセクション／要素を含んでもよい。例えば、部分３ｌ０ａ、３ｌ０ｂ、３ｌ０ｃの各々は、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍの４つのセクション／要素から形成されてもよい。このような実施形態では、基準マークの光検出器アレイ３１０は、３つの四角いセル３ｌ０ａ、３ｌ０ｂ、３ｌ０ｃを備えている。例えば、各部分３ｌ０ａ、３ｌ０ｂおよび３ｌ０ｃは、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍの４つのセクションから構成されているのが分かる。理解されるように、３つの部分の同じセクションは、光検出器要素のセットを形成し、これらは、構造化された光源と一致する／相関する方法で間隔付けられている。例えば、全てのＪセクションは、構造化された光源と一致する／相関する方法で間隔付けられ、Ｋセクション、Ｌセクション、およびＭセクションの全ても同様である。Ｊセクションは、光検出器要素の第１のセットを形成し、Ｋセクションは第２のセットを形成し、Ｌセクションは第３のセットを形成し、Ｍセクションは第４のセットを形成する。これらのセットからの出力は、図６に関連して以下に詳細に説明されるように、基準マークの位置の測定を支援するために組み合わされてもよい。
【００７１】
図５（ａ）は、基準マークの光検出器アレイ３１０の部分３ｌ０ａが、４つのセクションＪ、Ｋ、Ｌ、Ｍを有する四角セルを備え、その上に形成されるフリンジフィールドに無感覚であるために構成され得る第１の方法を示している。図５（ａ）は、基準マークの光検出器に形成されるフリンジフィールド６００の強度を示している。見られるように、図示された四角セルの各セクションＪ、Ｋ、Ｌ、Ｍは、フリンジフィールドの周期の整数倍である幅を有している。図はまた、各フィンガーＪ、Ｋ、Ｌ、Ｍが同じ幅であることを示している。
【００７２】
図５（ｂ）は、基準マークの光検出器アレイ３１０の部分３ｌ０ａが、４つのセクションＪ、Ｋ、Ｌ、Ｍを有する四角セルを備え、その上に形成されるフリンジフィールドに無感覚であるために構成され得る第１の方法を示している。図５（ｂ）は、基準マークの光検出器に形成されるフリンジフィールド６００の強度を示している。見られるように、四角セルの各セクションＪ、Ｋ、Ｌ、Ｍは、同じ幅を有し、隣接するフィンガーＪ、Ｋ、Ｌ、Ｍの中心間の距離は、フリンジフィールドの整数倍である。
【００７３】
構造化されたソース要素および／または基準マークの光検出器要素の大きさに応じて、ＪＫＬＭの検出器は、部分的または完全に交互配置されることができる場合がある（例えば、ソース間の間隙は、信号が検出される各要素に必要とされる４つの検出器を配置するのに十分な大きさであるからである）。信号が検出される４つの要素の全てに適合することができないような、ソース要素間の間隙が十分に大きくなく（および／または基準マークの光検出器要素の所望のサイズが大きすぎる）場合には、検出器は、必要に応じて、２つ以上の隣接するトラックに配置されてもよい。完全に交互配置された検出器は、高価な半導体の面積の効率的な使用であるので有利である。隣接するトラックにおいての非交互配置の検出器は、それらが、所望のコードパターンを選択するのにより多くの自由度を提供し、そして、より多くの半導体面積を必要とするという代償を払っても、より大きく低いノイズ信号を与える、より大きな検出器面積を可能にし得るという点で有利である。図５（ｃ）（およびまた、図７（ｂ）および７（ｃ））は、検出器が非交互配置されている模式的な実施形態を示し、そして、図５（ｄ）（およびまた、図７（ａ））は、検出器が交互配置されている模式的な実施形態を示している。
【００７４】
図６（ａ）は、読取ヘッド３が測定方向ｘに沿ってスケール２に対して相対的に移動するときの、基準マークの光検出器アレイ３１０の四角セル３１０ａの各セクションＪ、Ｋ、Ｌ、Ｍからの信号を示している。読取ヘッド３が、スケール２に対して基準マーク２０２に対応する位置にあるときを識別するために、四角セルの各セクションからの信号が処理される。特に、エンコーダの分野で既に知られているように、いわゆる「ゲート（ｇａｔｅ）」および「ゼロ点交差（ｚｅｒｏ−  ｐｏｉｎｔ  ｃｒｏｓｓｉｎｇ）」信号（また、「合計（ｓｕｍ）」および「差（ｄｉｆｆ）」信号として知られている）が導出され、これらは、基準マークの存在を測定するために分析される。図６（ｂ）は、「ゲート」または「合計」信号を提供するために、式（１）に従って組み合わされた、図６（ａ）の四角セルのセクションＪ、Ｋ、Ｌ、Ｍからの信号を示している。
（Ｋ＋Ｌ）−（Ｊ＋Ｍ）      （１）
【００７５】
図６（ｂ）はまた、しきい値７００も示している。式（１）からの出力は、ゼロ交差検出器を可能にするゲート信号として使用される。ゲート信号がしきい値７００を超えるとき、ここではｘ１とｘ２の点の間で、ゼロ交差検出器が作動される。ゼロ交差検出器は、図６（ｃ）に示される出力である「ゼロ点交差」信号を得るために、式（２ａ）に従って、四角セルのセクションの信号を処理する。
Ｋ−Ｌ      （２ａ）
【００７６】
他の実施形態では、ゼロ交差検出器は、式（２ｂ）に従って四角セルの信号を処理することができるであろう。
（Ｊ＋Ｋ）−（Ｌ＋Ｍ）      （２ｂ）
【００７７】
図６（ｃ）はまた、間でゼロ交差検出器が作動される位置ｘ１およびｘ２も示している。一実施形態において、エンコーダ装置は、ゼロ交差検出器の出力が０（すなわち、「０」と交差する）であるとき、読取ヘッド３がスケール２に相対して基準マーク２０２に対応する位置にあり、それ故に基準マークの信号が読取ヘッドによって出力されて測定されるように、構成されてもよい。しかしながら、代替的な実施形態も可能である。例えば、追加のしきい値の対（例えば、ｔ1、ｔ2）は、ゼロ点交差（すなわち、「ｄｉｆｆ」）信号がこれらのしきい値の間にあるときに、ウィンドウ信号Ｗが生成され、これが次いで、インクリメントＳＩＮおよびＣＯＳ信号を分析するために使用されるように、ゼロ点交差（すなわち、「ｄｉｆｆ」）信号を分析するために使用されてもよい（Ｗ、ＳＩＮおよびＣＯＳ信号は、図６（ｄ）に重ねて模式的に示されている）。特に、このウィンドウ信号Ｗは、そのようなウィンドウ信号Ｗ内で、ＳＩＮおよび／またはＣＯＳ信号が特定の所定の条件を満たすと判断されるとき（例えば、ＳＩＮおよびＣＯＳ信号が等しく、かつ負であると判断されるとき）基準マークの信号がエンコーダ装置によって出力されるように用いられてもよい。理解されるように、このようなウィンドウ信号Ｗは、このようなＳＩＮおよびＣＯＳ信号の所定の条件がウィンドウ信号Ｗ内で一度だけ生じるように十分に狭くする必要があり、それによって、基準マークがエンコーダ装置の１単位の分解能内で繰り返し可能であることを保証している。
【００７８】
図９（ａ）は、読取ヘッド３がスケール２に相対して測定方向ｘに沿って移動するときの、基準マークの光検出器アレイ３１０の４角セル３ｌ０ａの各セクションＪ、Ｋ、Ｌ、Ｍからの信号を示しているという点で図６（ａ）に類似している。しかしながら、実際には、信号がメインローブのみならずサイドローブを備える蓋然性が高いことを示している。図９（ｂ）はまた、これらのサイドローブは、いわゆるゲート（または、「ｓｕｍ」）およびゼロ点交差（または、「ｄｉｆｆ」）信号（例えば、基準マークの光検出器要素のセットの出力から導き出された信号）にどのように存在しているかを示している。このようなサイドローブは、特にそれらの大きさが大きすぎる場合に、これらの信号の処理に悪影響を及ぼす可能性がある。所与の光学システムについては、構造化された光源の「コード」またはパターンが、サイドローブの大きさに影響を与える可能性がある。したがって、適切なコードを選択することにより、基準マークの光検出器要素のセットの出力から導出される信号（例えば、いわゆる「ゲート」および／または「ゼロ点交差」信号）において、最も有意なサイドローブの大きさが、メインローブの大きさの７５％を超えないように、エンコーダ装置を構成することが可能であることが分かった。図９でシミュレートされた実施形態（光源がコード１１００１０００００１００００１００００１を有する場合）において、最も有意なサイドローブの大きさは、メインローブの大きさの３０％未満である。
【００７９】
図７（ａ）は、図２に示される代替構成要素のジオメトリを示している。この実施形態では、基準マークの光検出器アレイ３１０の各部が、四角セルの４つのセクションを備えて示されている。図７（ａ）では、構造化された光源は、コード１００００００１０００１００００１０００００１を表している。このコードは、所与のチップサイズのための検出器面積を増加させる、基準マークの検出器要素のセットの交互配置が可能であるという利点を有している。理解されるように、基準マークの検出器要素のセットが交互配置されるのを可能にする他のコードが設けられてもよい。
【００８０】
図７（ｂ）は、読取ヘッド３の構成要素の別の代替ジオメトリを示している。この実施形態では、構造化された光源は、コード１１００１０００００１０１０００１有している。図に見られるように、このコードは、交互配置された基準マークの光検出器で実装されておらず、代わりに、基準マークの光検出器アレイが測定方向ｘに重なるセクションＪ、Ｋ、Ｌ、Ｍを有している。
【００８１】
図７（ｃ）は、コード１１１００１１０００１１０１１０１１の構成要素の配置を示している。
【００８２】
代替実施形態では、基準マークの光検出器アレイ３１０の各部分３ｌ０ａ、３ｌ０ｂ、３ｌ０ｃは、２つのセクションのみ、すなわち、第１の部分Ｋと第２の部分Ｌを有し得る二重セルで構成されてもよい。このような実施形態では、ゲート信号は、式（３）に示されるように、セクションＫとＬの出力を組み合わせ、そしてしきい値を適用することによって得られ、一方、ゼロ交差は、式（４）に示されるようにセクションＫ、Ｌの出力を組み合わせ、そして、式（４）が０の値を有するときを監視することによって、検出されてもよい。
Ｋ＋Ｌ      （３）
Ｋ−Ｌ      （４）
【００８３】
さらなる実施形態では、基準マークの光検出器３１０の部分の各セクションは、その上に形成されたフリンジパターンの周期の整数倍の幅と等しく、そして、それらの中心がその上に形成されたフリンジフィールドの整数倍だけ離間されているように離間されている。
【００８４】
本発明が、少なくとも一つの実施形態に関連して上述されたが、請求の範囲から逸脱することなく、多くの他の実施形態が可能であることが理解されるであろう。例えば、スケール２のインクリメントトラックは、上記の位相スケールの代わりに振幅（すなわち、「Ｒｏｎｃｈｉ」）スケールを備えていてもよい。さらに、図７（ａ）〜（ｃ）は、読取ヘッド３の構成要素を様々な構成で示しており、測定方向ｘに直交する方向における構成要素の位置は変化され得ることが理解されよう。上記の実施形態は線形測定エンコーダを説明するが、エンコーダは回転式測定エンコーダとすることができる。他の実施形態において、構造化された光源は、光源を覆って位置されるマスクによって提供され得、光源は、延長された光源であってもよい。理解されるように、格子が構造化された光源上に直接に形成されるのではなく、格子は、構造化された光源から離間された別の要素上に設けられてもよい。あるいは、結果のフィールド（例えば、フリンジフィールド、例えば、インクリメント光検出器での干渉フリンジ）を形成するために、スケールからの光と相互作用するためのスケールに続く格子が設けられてもよい。さらに、インクリメントスケールトラックを照明し、且つインクリメント光検出器で結果のフィールドを形成するために、別の光源が設けられてもよい。しかしながら、我々の発明者等は、同じ光源が使用され得ること、およびインクリメントスケールトラックを照らし、インクリメント光検出器で結果のフィールドを形成する構造化された光源を使用することによって、特に有利な配置であることを見出だした。特に、それは必要な構成要素の数、読取ヘッドのサイズを削減できる。また、それはバックグラウンド照明レベルを低減し、信号ノイズを低減し、信号の処理に必要なアンプのダイナミックレンジを低減する。
【００８５】
さらに他の実施形態では、基準マークの光検出器アレイは、読取ヘッドがスケールに対して基準マークの位置にあるとき、明るさの低下を検出するように構成されてもよい。このようなインクリメント測定エンコーダの実施例は、（図３に示されるように）コード１０１００１を有する構造化された光源を備えてもよいが、基準マークの光検出器アレイはコード０１１０１０（ここで、「１」は、光検出器の存在を示すために使用され、「０」は、光検出器の不在を示すために使用されている）に対応する部分を有し得、つまり、読取ヘッドがスケールに関して基準マークの位置にあるとき、照明のバックグラウンドレベルから低いレベルへの照明の低下が予想される、構造化された光源の画像の領域に対応するように配置された部分を有する。理解されるように、この場合、図６（ａ）のグラフは同じように見えるが、各光検出器要素のセットからの信号において、読取ヘッドが基準マークを通過するとき、負のパルス、つまり「ｄｉｐ」が発生するように、逆さまになる。
【００８６】
これまで、全ての実施例は、コード化されたソースの画像を形成するために、スケール上の単一のマーク（単一の結像要素）を使用してきた。しかしながら、基準マークが複数の結像要素を備えることは可能である。結像要素の各々は、コード化されたソースの画像を形成するが、各画像は、スケール上の各マークの位置によって測定される量によって横方向にシフトされる。これは、基準マーク検出器にはるかに複雑なパターンを生成する。この実施例は、図８に模式的に示されている。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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