(57)【要約】【課題】エンコーダの改良された構成を提供する。【解決手段】光学式エンコーダは、照明光源と、測定軸方向に沿って延在するスケール格子と、光学部と、モアレ格子と、検出器部とを含む。光学部は、スケール格子からの回折光の空間的フィルタリングのためのアパーチャ部を含む。モアレ格子は、空間的にフィルタリングされた前記スケール格子からの回折光を受け取り、空間的に変調された縞パターンを検出器に向けて出力するように構成される。光学部は、一次縞ピッチＰＰＦを有する一次干渉縞パターンを形成するように、空間的に変調された前記スケール格子からの回折光を出力する。検出器部は、周期的な空間的に変調された縞パターンのＮ個の各空間位相を検出するように配置される少なくともＮ個の各検出素子を含み、ここで、Ｎは、少なくとも３である整数であり、各検出素子は、縞変位の方向に沿って一次縞ピッチＰＰＦと少なくとも同じ大きさの幅寸法ＤＷを有する。【選択図】図１Ａ
2017067768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの部材間の相対変位量を測定する光学式エンコーダであって、
測定軸方向に沿って延在し、格子ピッチＰＳＦを有するスケール格子と、
前記スケール格子に対して、前記相対変位量で移動する読取ヘッド構成と、
を含み、
前記読取ヘッド構成は、
照明光源を含み、波長λを有する平行光を、前記スケール格子に向けて出力するように配置される照明構成と、
光軸に沿って配置される光学部と、
モアレ格子と、
検出器部と、
を含み、
前記光学部は、
焦点距離ｆ１を有し、前記スケール格子からおおよそｆ１の距離に配置される第１のレンズと、
前記第１のレンズからおおよそｆ１の距離に配置されるアパーチャ部と、
焦点距離ｆ２を有し、前記アパーチャ部からおおよそｆ２の距離に配置される第２のレンズと、
を含み、
前記スケール格子は、前記平行光を受け取り、前記スケール格子からの回折光を前記第１のレンズに対して出力するように構成され、
前記第１のレンズは、前記スケール格子からの回折光を受け取り、前記回折光を前記アパーチャ部に向けて集束させるように構成され、
前記アパーチャ部は、前記回折光を受け取り、当該回折光のうち０次光の大部分を遮断し、主に＋１次光及び−１次光を含む空間的にフィルタリングされた回折光を前記第２のレンズに向けて透過させるように構成され、
前記第２のレンズは、前記空間的にフィルタリングされた回折光を受け取り、前記空間的にフィルタリングされた回折光を前記モアレ格子に向けて出力し、これにより、前記光軸の方向に沿い、かつ、前記モアレ格子のバーと略平行に延在する縞を有する一次干渉縞パターンが形成されるように構成され、前記縞は、一次縞ピッチＰＰＦを有し、前記相対変位量に対応する縞変位量で移動し、
前記モアレ格子は、前記一次干渉縞パターンを受け取り、周期的な空間的に変調された縞パターンを前記検出部に対して透過させるように構成され、前記空間的に変調された縞パターンは、前記検出器の検出器平面において前記測定軸方向に対応する方向に沿って変調周期ＰＭＦＰを有し、
前記検出器部は、前記周期的な空間的に変調された縞パターンのＮ個の各空間位相を検出するように配置される少なくともＮ個の各検出素子を含み、ここで、Ｎは、少なくとも３である整数であり、各検出素子は、縞変位の方向に沿って前記一次縞ピッチＰＰＦと少なくとも同じ大きさの幅寸法ＤＷを有する、光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記モアレ格子は、前記変調周期ＰＭＦＰと前記一次縞ピッチＰＰＦとが、式ＰＭＦＰ＝Ｍ＊ＰＰＦを満たすように決定されるピッチＰＭを含み、
Ｍは、少なくとも５の値を有する、請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項３】
Ｍは、少なくとも１０の値を有する、請求項２に記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】
ｆ１は、ｆ２に等しい、請求項１から３の何れか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項５】
前記モアレ格子は、前記第２のレンズからｆ２にほぼ等しい距離に配置される、請求項１から４の何れか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項６】
前記スケール格子は、反射型であり、
前記照明構成は、
前記照明光源が、前記第１のレンズからおおよそｆ１の距離に、前記アパーチャ部の近くに配置され、前記第１のレンズに対して発散光を出力するように構成され、
前記第１のレンズが、前記照明光源から前記発散光を受け取り、平行光を前記スケール格子に対して出力するように構成されるように構成される、請求項１から５の何れか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項７】
前記照明構成は、コリメートレンズを含み、
前記照明光源は、発散光を前記コリメートレンズに対して出力するように構成され、前記コリメートレンズは、前記照明光源から前記発散光を受け取り、平行光を前記スケール格子に対して出力するように構成される、請求項１から５の何れか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項８】
前記スケール格子は、透過型格子であり、
前記照明構成は、前記スケール格子の前記光学部及び前記検出器部とは反対側に置かれる、請求項７に記載の光学式エンコーダ。
【請求項９】
前記スケール格子は、反射型格子であり、
前記照明構成は、前記スケール格子の格子要素と平行であり、前記スケール格子の平面に垂直である平面において、前記スケール格子への垂線から離れる第１の角度に沿って前記平行光を出力するように方向付けられ、
前記光学部は、前記スケール格子の格子要素と平行であり、前記スケール格子の平面に垂直である平面において、前記スケール格子への法線から離れる第２の角度に沿って回折光を受け取るように構成される、請求項７に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１０】
前記アパーチャ部は、第１の開放アパーチャ部と、第２の開放アパーチャ部と、内側遮断部と、第１の外側遮断部と、第２の外側遮断部とを含み、
前記第１の開放アパーチャ部と前記第２の開放アパーチャ部とは、前記＋１次光及び−１次光を透過させるように構成され、
前記内側遮断部は、前記回折光のうち前記０次光を遮断するように構成され、
前記第１の外側遮断部と前記第２の外側遮断部とは、前記回折光のうち＋１次及び−１次よりも高い次数の回折光を遮断するように構成される、請求項１から９の何れか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１１】
前記内側遮断部は、式：
ＡＢＷ＜ＢＭＡＸ＊ｆ＊ｔａｎ（ａｒｃｓｉｎ［λ／ＰＳＦ］）
を満たすアパーチャ遮断幅ＡＢＷを有し、
ＢＭＡＸは、多くても２である、請求項１０に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１２】
前記アパーチャ遮断幅ＡＢＷは、式：
ＡＢＷ＞ＢＭＩＮ＊ｆ＊ｔａｎ（ａｒｃｓｉｎ［λ／ＰＳＦ］）
を満たし、
ＢＭＩＮは、少なくとも０．５である、請求項１１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１３】
前記光学部の光軸からの最も広い点において、前記第１の開放アパーチャ部と前記第２の開放アパーチャ部とは、アパーチャ幅ＡＷによって離間され、
前記アパーチャ幅ＡＷは、式：
ＡＷ＞ＫＭＩＮ＊ｆ＊ｔａｎ（ａｒｃｓｉｎ［λ／ＰＳＦ］）
を満たし、
ＫＭＩＮは、少なくとも２である、請求項１０から１２の何れか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１４】
前記アパーチャ幅ＡＷは、
ＡＷ＜ＫＭＡＸ＊ｆ＊ｔａｎ（ａｒｃｓｉｎ［λ／ＰＳＦ］）
を満たし、
ＫＭＡＸは、多くても５である、請求項１３に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１５】
前記幅寸法ＤＷは、前記縞変位の方向に沿って、少なくとも２＊ＰＰＦの大きさである、請求項１から１４の何れか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１６】
前記幅寸法ＤＷは、前記縞変位の方向に沿って、少なくとも３＊ＰＰＦの大きさである、請求項１から１４の何れか１項に記載の光学式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、概して、精密測定器に関し、より具体的には、光学式変位エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
読取ヘッドを使用する様々な光学式変位エンコーダが知られており、当該読取ヘッドは、当該読取ヘッド内の光検出器配置に、スケールパターンを結像させる光学配置を有する。スケールパターンの像は、スケール部材と共に変位し、変位したスケールパターン像の移動又は位置は、光検出器配置で検出される。様々な構成において、スケールパターン像を提供するために、従来の画像化法である自己結像（タルボ（Talbot）結像とも呼ばれる）及び／又は陰影結像が使用されうる。
【０００３】
幾つかの光学式エンコーダに使用される１つのタイプの構成は、テレセントリック配置である。特許文献１〜３は、光の周期的パターンを結像し、周期的スケール構造の変位を検知するテレセントリック結像系を、片側または両側に、使用する様々なエンコーダ構成を開示している。テレセントリック結像系は、上記光学式エンコーダに、幾つかの望ましい特徴を提供する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７１８６９６９号明細書
【特許文献２】米国特許第７３０７７８９号明細書
【特許文献３】米国特許第７４３５９４５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記光学式エンコーダのデザインに関する１つの問題は、一般に、ユーザは、エンコーダの読取ヘッド及びスケールができるだけコンパクトであることを好むという点である。コンパクトなエンコーダは、様々な応用に導入するのにより都合がよい。幾つかの精密測定応用では、高分解能も求められる。しかし、様々な既知のエンコーダは、高分解能、ダイナミックレンジ、ロバスト性、広い有効検出範囲、及び、共用の製造技術及び構成要素を使用して複数の位置検出分解能のエンコーダが設計できる拡張性と、エンコーダのユーザの要望通りに低価格化を促進できるという設計上の特徴を、組み合わせて提供することができない。このような組み合わせを提供するエンコーダの改良された構成が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この概要は、詳細な説明において、以下に更に説明される単純化された形式の概念のセレクションを紹介するために提供される。この概要は、クレームされる主題の重要な特徴を特定することも、クレームされる主題の範囲を決定する助けとして使用されることも意図していない。
【０００７】
２つの部材間の相対変位量を測定する光学式エンコーダが開示される。当該光学式エンコーダは、測定軸方向に沿って延在し、格子ピッチＰＳＦを有するスケール格子と、スケール格子に対して、相対変位量で移動する読取ヘッド構成とを含む。読取ヘッドは、照明光源を含む照明構成と、光軸に沿って配置される光学部と、モアレ格子と、検出器部とを含む。光学部は、幾つかの実施形態では、アフォーカル光学系として動作するように構成されてもよい。照明構成は、波長λを有する平行光を、スケール格子に向けて出力するように配置される。光学部は、焦点距離ｆ１を有し、スケール格子からおおよそｆ１の距離に配置される第１のレンズと、第１のレンズからおおよそｆ１の距離に配置されるアパーチャ部と、焦点距離ｆ２を有し、アパーチャからおおよそｆ２の距離に配置される第２のレンズとを含む。スケール格子は、平行光を受け取り、回折光を第１のレンズに対して出力するように構成される。第１のレンズは、回折光を受け取り、当該回折光をアパーチャ部に向けて集束させるように構成される。アパーチャ部は、回折光を受け取り、当該回折光のうち０次光の大部分を遮断し、主に＋１次光及び−１次光を含む空間的にフィルタリングされた回折光を第２のレンズに向けて透過させるように構成される。なお、スケール格子を通過した回折光は複数の回折次数の光を含むところ、本明細書では、例えば＋１次の回折光を＋１次光というように、Ｎ次の回折光を「Ｎ次光」と略す場合がある。第２のレンズは、空間的にフィルタリングされた回折光を受け取り、当該空間的にフィルタリングされた回折光をモアレ格子に向けて出力し、これにより、光軸の方向に沿い、かつ、モアレ格子のバーと略平行に延在する縞を有する一次干渉縞パターンが形成されるように構成される。この一次干渉縞は、スケール格子によって回折された回折光の＋１次光と−１次光により発生する干渉縞であり、一次縞ピッチＰＰＦを有し、相対変位量に対応する縞変位量で移動する。モアレ格子は、一次干渉縞パターンを受け取り、周期的な空間的に変調された縞パターンを検出部に対して透過させるように構成される。空間的に変調された縞パターンは、検出器の検出器平面において測定軸方向に対応する方向に沿って変調周期又はピッチＰＭＦＰを有する。検出器部は、周期的な空間的に変調された縞パターンのＮ個の各空間位相を検出するように配置される少なくともＮ個の各検出素子を含み、ここで、Ｎは、少なくとも３である整数であり、各検出器要素は、縞変位の方向に沿ってＰＰＦと少なくとも同じ大きさの幅寸法ＤＷを有する。様々な実施形態において、変調周期ＰＭＦＰは、一次縞ピッチＰＰＦ及び格子ピッチＰＳＦよりも著しく大きくてよく、これにより、スケール格子ピッチに比べて大きいピッチにおいて離間される検出素子を使用することができる。更に、モアレ格子のピッチを適応させることによって、単一検出器部デザインを２つ以上のスケール格子ピッチと共に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】図１Ａは、光学式変位エンコーダ構成の第１の実施形態の模式図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、光学式変位エンコーダ構成の第２の実施形態の模式図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、光学式変位エンコーダ構成の第３の実施形態の模式図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１の光学式変位エンコーダ構成の光学信号に関連する様々な特徴を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１の光学式変位エンコーダ構成の光学信号に関連する様々な特徴を示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図１の光学式変位エンコーダ構成の光学信号に関連する様々な特徴を示す。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図１の光学式変位エンコーダ構成の光学信号に関連する様々な特徴を示す。
【図３】図３は、図１の光学式変位エンコーダ構成のアパーチャ要素の図であって、様々な寸法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１Ａは、２つの部材間の相対変位量を測定する光学式変位エンコーダ構成１００Ａの第１の実施形態の模式図である。光学式変位エンコーダ構成は、測定軸方向ＭＡに沿って延在し、格子ピッチＰＳＦを有するスケール格子１１０と、相対変位量（すなわち当該光学式変位エンコーダ構成が測定する２つの部材間の相対変位量）で、測定軸方向ＭＡに沿ってスケール格子１１０に対して移動する読取ヘッド構成とを含む。読取ヘッド構成は、照明構成１３０Ａと、光軸ＯＡに沿って配置される光学部１８０と、モアレ格子１５０と、検出器部１２０とを含む。光学部１８０は、第１のレンズ平面ＦＬＰに配置される第１のレンズ１８１と、アパーチャ平面ＡＰに配置されるアパーチャ部１８２と、第２のレンズ平面ＳＬＰに配置される第２のレンズ１８３とを含む。本明細書において、１つのレンズを別の物体又は場所からある距離に配置することについて述べる場合、これは、通常、レンズの最も近い表面の位置ではなく、（例えばレンズが非常に薄いレンズだとして）レンズの実効平面の位置決めを意味している。スケール格子１１０は、スケール格子平面ＳＧＰに置かれ、モアレ格子１５０は、モアレ格子平面ＭＧＰに置かれ、検出器部１２０は、検出器平面ＤＰに置かれる。照明構成１３０Ａは、本実施形態では、おおよそアパーチャ平面ＡＰにおいて、アパーチャ部１８２の近くに又はアパーチャ部１８２上に取り付けられうる光源１３３と、レンズ１８１とを含む。本実施形態では、レンズ１８１は、スケール格子１１０に対して、平行光１３１’を出力するように構成されるコリメートレンズとして作用することを含む２つ以上の機能を提供する。当該位置に光源１３３を置き、第１のレンズ１８１をコリメート要素として使用することによって、典型的な読取ヘッドよりも少ない構成要素を有するよりコンパクトなエンコーダ読取ヘッドが可能にされる。当然ながら、代替実施形態では、別の方法で配置された光源からの集束光ビームをレンズ１８１に向けて方向転換するように、光路を折り曲げるためのミラーが同様に配置されてもよい。更に、例えば図１Ｂ及び図１Ｃに示されるように、本明細書に開示される原理にしたがって、照明光源の他の代替配置を使用してもよい。
【００１０】
第１のレンズ１８１は、焦点距離ｆ１を有し、スケール格子１１０からおおよそｆ１の距離に配置される。アパーチャ部１８２は、第１のレンズ１８１からおおよそｆ１の距離に配置される。第２のレンズ１８３は、焦点距離ｆ２を有し、アパーチャ部１８２からおおよそｆ２の距離に配置される。モアレ格子は、第２のレンズ１８３からおおよそｆ２の距離に配置される。幾つかの実施形態では、焦点距離ｆ１及びｆ２は同じであってよいが、これは、すべての実施形態において必須とは限らない。様々な実施形態において、光学部１８０は、空間フィルタを含むテレセントリック光学系であるアフォーカル光学系を提供するように動作してもよい。
【００１１】
図１Ａは、本明細書において使用される規定にしたがって、直交するＸ、Ｙ及びＺ方向を示す。Ｘ及びＹ方向は、スケール格子１１０の平面と平行であり、更に、Ｘ方向は、意図する測定軸方向ＭＡと平行（例えばスケール格子１１０に含まれうる細長いパターン要素に垂直）である。Ｚ方向は、スケール格子平面ＳＧＰに垂直である。
【００１２】
照明構成１３０Ａは、動作中、波長λの平行光１３１’を、スケール格子１１０に向けて出力するように構成される。具体的には、第１のレンズ１８１は、光源１３３から光１３１を受け取り、平行光１３１’をスケール格子１１０に対して出力するように構成される。スケール格子１１０は、平行光１３１’を受け取り、回折光１３２を第１のレンズ１８１に対して出力（反射）するように構成される。回折光１３２は、図１に例示的に示す＋１次の回折光（＋１次光）１３２ｐ１と、−１次の回折光（−１次光）１３２ｍ１とを含む。当然ながら、回折光１３２は、０次の回折光（０次光）及び、２次以上の高い次数の回折光も含んでいるが、これらは構成によって遮断されるか及び／又は使用不能とされているため図１には示されていない。第１のレンズ１８１は、回折光１３２を受け取り、当該光をアパーチャ部１８２に向けて集束するように構成される。このように、第１のレンズ１８１は、第スケール格子１１０に向けて出力する光に対しては照明構成１３０Ａの一部として機能し、スケール格子１１０で反射されて戻ってくる光に対しては光学部１８０の一部として機能する。アパーチャ部１８２は、回折光１３２を受け取り、当該回折光１３２のうち０次光の大部分を遮断し、主に＋１次光及び−１次光を含む空間的にフィルタリングされた回折光１３２’を、第２のレンズ１８３に向けて透過させるように構成される。第２のレンズ１８３は、空間的にフィルタリングされた回折光１３２’を受け取り、当該空間的にフィルタリングされた回折光１３２’をモアレ格子１５０に向けて出力して、光軸ＯＡの方向に沿い、かつ、モアレ格子１５０のバーと略平行に延在する「平面」縞を有する一次縞パターンＰＦＰを形成するように構成される。一次縞パターンＰＦＰの縞は、一次縞ピッチＰＰＦを有し、測定軸ＭＡに沿って、スケール格子１１０と読取ヘッドとの相対変位量に対応する縞変位量で移動する。モアレ格子１５０は、一次縞パターンＰＦＰを受け取り、周期的な空間的に変調された縞パターンＭＦＰを検出器部１２０に透過させるように構成される。空間的に変調された縞パターンＭＦＰは、検出器部１２０の検出器平面ＤＰにおいて測定軸方向に対応する（例えば場合によっては平行の）方向に沿って変調周期ＰＭＦＰを有する。当然ながら、図１Ａでは、空間的に変調された縞パターンＭＦＰは、モアレ格子１５０と検出器平面ＤＰとの間のどこでも延在するが、説明のために、対応する変調された強度包絡線ＭＩＥと共に、模式的に示される。空間的に変調された縞パターンＭＦＰの変調された強度包絡線ＭＩＥは、おおよそ正弦波的に変調された（又はフィルタリングされた）光の高強度領域及び低強度領域が検出器部１２０に当たる場所を模式的に示す。空間的に変調された縞パターンＭＦＰの変調された強度包絡線ＭＩＥについては、図２Ｃを参照して、以下に更に説明される。検出器部１２０は、周期的な空間的に変調された縞パターンＭＦＰのＮ個の各空間位相を検出するように配置された少なくともＮ個の各検出素子を含む。Ｎは、（例えば既知のタイプである３位相タイプの変位信号処理スキームでは）少なくとも３である整数であり、各検出素子は、縞変位の方向に沿って一次���ピッチＰＰＦと少なくとも同じ大きさである幅寸法ＤＷを有する。図２Ｄを参照して、既知のタイプである直交タイプの変位信号処理スキームに適した検出器部の一実施形態が以下により詳細に説明される。
【００１３】
図１Ａに示される実施形態では、アパーチャ部１８２は、内側遮断部１８２Ｂと、開放アパーチャ部１８２ＡＰ１及び１８２ＡＰ２と、外側遮断部１８２ＯＢ１及び１８２ＯＢ２とを含む。内側遮断部１８２Ｂと外側遮断部１８２ＯＢ１及び１８２ＯＢ２とは、回折光１３２の一部を遮断する不透明材料から構成される。より具体的には、内側遮断部１８２Ｂは、回折光１３２のうちの０次光を遮断するように構成され、外側遮断部１８２ＯＢ１及び１８２ＯＢ２は、回折光１３２のうちの＋２次、−２次及びそれより高い次数の回折光を遮断するように構成される。開放アパーチャ部１８２ＡＰ１及び１８２ＡＰ２は、透過性材料か、又は、アパーチャ部１８２の材料の開放部を含んでよい。内側遮断部１８２Ｂと、開放アパーチャ部１８２ＡＰ１及び１８２ＡＰ２とは、光軸ＯＡを中心とする。
【００１４】
様々な実施形態において、光源１３３は、レーザダイオード又は小型ＬＥＤを含んでよい。
【００１５】
様々な応用において、照明構成１３０Ａ、光学部１８０、モアレ格子１５０及び検出器部１２０は、例えば読取ヘッド又はゲージハウジング内に、互いに固定関係で取り付けられ、既知の技術に従って、軸受系によって、スケール格子１１０に対して測定軸に沿って案内される。スケール格子１１０は、様々な応用において、移動ステージ、ゲージスピンドル等に取り付けられてよい。
【００１６】
図示される実施形態では、スケール格子１１０は、絶対位置信号を提供するアブソリュートエンコーダ内の複数のスケールトラックと併せて使用されうるインクリメンタルスケール格子である。絶対位置スケール構造は、スケールの各位置において、一意の出力信号又は信号の組み合わせを提供する。絶対位置スケール構造は、位置を特定するために、増分変位の連続的な蓄積を必要としない。アブソリュートエンコーダの一例が、参照することにより、その全体が本明細書に組み込まれる米国特許第８，３０９，９０６号に開示されている。
【００１７】
図１Ｂは、光学式変位エンコーダ構成１００Ｂの第２の実施形態の模式図である。図１Ａに示される構成は、反射型スケールの構成を使用することは理解できよう。これに対し、図１Ｂには、透過型スケールの構成が示される。当該構成は、他の面では、図１Ａに示される実施形態と同様に動作する。光学式変位エンコーダ構成１００Ｂは、透過型スケール格子１１０Ｂと照明構成１３０Ｂとを含み、照明構成１３０Ｂは、光源１３３とコリメートレンズ１３４とを含む。透過型スケール格子１１０Ｂは、照明構成１３０Ｂのレンズ１３４から平行光１３１’を受け取る（例えば既知の薄膜パターニング技術等を使用して透明基板上に製作される）光遮断部及び光透過部を含む。スケール格子１１０Ｂは、次に、回折光１３２を光学部１８０に対して、透過によって、出力する。この場合、照明部１３０Ｂは、スケール格子の光学部１８０及び検出器部１２０とは反対側に置かれる。
【００１８】
図１Ｃは、光学式変位エンコーダ構成１００Ｃの第３の実施形態の模式図である。図１Ａに示される構成は、光軸がスケール格子に垂直である反射型スケールの構成を使用することは理解できよう。これに対し、図１Ｃには、光軸がＹＺ平面における垂線から離れるようにある角度に曲げられている反射型スケールの構成が示される。当該構成は、他の面では、図１Ａに示される実施形態と同様に動作する。光学式変位エンコーダ構成１００Ｃは、反射型スケール格子１１０Ｃと照明構成１３０Ｃとを含み、照明構成１３０Ｃは、光源１３３とコリメートレンズ１３４とを含む。照明構成１３０Ｃは、平行光１３１’を、ＹＺ平面において第１の角度（例えば４５度）において、スケール格子１１０Ｃに向けて出力するように方向付けられる。スケール格子１１０Ｃは次に、回折光１３２を光学部１８０に対して、その光軸ＯＡに沿って、ＹＺ平面における相補的反射角に沿う反射によって、出力する。この場合、照明構成１３０Ｃは、スケール格子１１０Ｃの光学部１８０及び検出器部１２０と同じ側に置かれ、これは、光学式エンコーダのより単純な読取ヘッド及び取り付け構成を可能にする。
【００１９】
図２Ａ乃至図２Ｄは、図１のスケール格子１１０に対応する光学信号に関連する様々な特徴を示す。より具体的には、図２Ａは、ピッチＰＳＦを有するものとして示されるスケール格子１１０を示す。図２Ｂは、モアレ格子１５０と、当該モアレ格子１５０に重ね合わされる、空間的にフィルタリングされた回折光１３２’の一次縞パターンＰＦＰの模式的に示される強度とを示す。モアレ格子１５０は、ピッチＰＭを有するものとして示され、また、空間的にフィルタリングされた回折光１３２’は、図２Ｂに示される一次縞パターン強度曲線によって模式的に示されるように、ピッチＰＰＦを有する一次干渉縞パターン（一次縞パターンとも呼ばれる）を形成するものとして示される。
【００２０】
図２Ｃは、（例えば図１Ａに示されるように）モアレ格子１５０によって出力される周期的な空間的に変調された縞パターンＭＦＰに対応する正弦波変調された強度包絡線パターンＭＩＥの全体のグラフである。図２Ｃに示されるように、モアレ格子１５０は、模式的に示される空間的に変調された縞パターン強度を有するモアレパターン（モアレ縞とも呼ばれる）を出力する。対応する正弦波変調された強度包絡線パターンＭＩＥ全体は、このようなモアレ効果パターンで知られているように、うなり周波数効果によって決定される変調パターン周期、即ち、ピッチＰＭＦＰを有する（例えば様々な実施形態において、１０ミクロン、２０ミクロン又はそれ以上のオーダのＰＭＦＰ）。空間的に変調された縞パターン強度は、一次縞パターンの空間周波数と同じ高さの空間周波数を含みうる高周波信号成分（図２ＣにＨＦＳＣと模式的に示される）及び／又は例えばその空間高調波成分を含みうる。高周波信号成分は、図２Ｄに関してより詳細に説明されるように、広い検出素子（例えば一次縞ピッチＰＰＦよりも広い又はかなり広い）を使用することによって、及び／又は、複数の検出素子からの信号を組み合わせることによって、平均されるか、又は、検出器変位信号から除去される。
【００２１】
図２Ｄは、検出器部１２０の図であり、当該検出器部１２０は、例示のために、当該検出器部１２０上に模式的に重ね合わされる（例えば図１Ａに示されるように）空間的に変調された縞パターンＭＦＰのうなり周波数、即ち、変調された強度包絡線パターンＭＩＥを有する。検出器部は、検出素子１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ａ’、１２１Ｂ’、１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ａ’及び１２２Ｂ’を含む。図２Ｄに示されるように、検出器部は、対応する変調された強度包絡線パターンＭＩＥの１つの周期の寸法ＰＭＦＰ内で周期的な空間的に変調された縞パターンＭＦＰの４つの各空間位相を検出するように配置される４つの各検出素子（例えば検出素子１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ａ’及び１２１Ｂ’）を用いて、直交信号を出力するように構成される。図２Ｄに示されるように、検出素子１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ａ’、１２１Ｂ’、１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ａ’及び１２２Ｂ’は、個々の光検出素子又は領域を含む。これらは、変調された縞パターンＭＦＰのこれらの対応する受信部分を空間的にフィルタリングして、変調された強度包絡線パターンＭＩＥの様々な空間位相に対応する信号を示す所望の位置を提供するように配置される。幾つかの実施形態では、同じ文字及び「プライム記号」の接尾辞を有する検出素子（例えば１２１Ａと１２２Ａ、又は、１２１Ａ’と１２２Ａ’）は、変調された強度包絡線パターンＭＩＥの周期ＰＭＦＰの整数倍だけ離間され、また、同じ空間位相を有する信号を加算すべく電気的に結合されてよい。様々な実施形態において、各検出素子が、縞変位方向（例えば幾つかの実施形態では、測定軸方向ＭＡ）に沿って少なくとも（図２Ｂ及び図２Ｃに示される）ＰＰＦと同じ大きさの幅寸法ＤＷを有することが望ましい場合もある。幾つかの実施形態では、幅寸法ＤＷは、縞変位方向に沿って、少なくとも２＊ＰＰＦの大きさであってよい。幾つかの実施形態では、幅寸法ＤＷは、縞変位方向に沿って、少なくとも３＊ＰＰＦの大きさであっても、それ以上であってもよい。
【００２２】
幾つかの実施形態では、高周波信号成分ＨＦＳＣのフィルタリングは、検出器平面ＤＰとモアレ格子平面ＭＧＰとの間隔に依存しうる。幾つかの実施形態では、当該間隔は、最適性能のために１ｍｍ未満であってよい。当該間隔は、解析又は実験によって決められてもよい。
【００２３】
幾つかの実施形態では、個々の検出器領域ではなくて、検出素子として作用する個々のアパーチャを有し、比較的大きい光検出器領域をマスキングする空間フィルタマスクを使用して、個々の光検出素子と同様に、受光領域を提供してもよく、これにより、既知の技術による同様の全体的な信号効果が提供される。
【００２４】
幾つかの実施形態では、空間的周期ＰＭＦＰは、式ＰＭＦＰ＝Ｍ＊ＰＰＦを満たしうる。ここで、Ｍは、空間的に変調された縞パターンＭＦＰ（又はその変調された強度包絡線パターンＭＩＥ）の周期又はピッチＰＭＦＰを、一次縞ピッチＰＰＦと比較する倍率値である。様々な実施形態において、モアレ格子は、変調周期ＰＭＦＰと一次縞ピッチＰＰＦとが、必要な倍率Ｍを満たすように決定されるピッチＰＭを含んでよい。様々な実施形態において、比較的粗い及び／又は安価な検出器を使用できるようにするために、及び／又は、検出素子１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ａ’及び１２１Ｂ’にわたって高周波信号成分ＨＦＳＣを平均するために、Ｍが比較的大きい値（例えば少なくとも５、又は、幾つかの実施形態では、１０若しくは２０以上）を有することが望ましい。図２Ａ乃至図２Ｄに示される実施形態では、Ｍは、約２５の値を有する。これは、変調された強度包絡線パターンＭＩＥが直交信号を検出素子１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ａ’及び１２１Ｂ’に提供するように、広い検出素子が、高周波信号成分ＨＦＳＣの効果的なフィルタリングを提供するので、変調された縞パターンＭＦＰの空間的フィルタリングのための追加の光学構成要素を不要にする。
【００２５】
当然ながら、検出器部１２０は、周期的な空間的に変調された縞パターンの４つの各空間位相を検出するように配置された検出素子を含むものとして示される。代替実施形態では、検出器部は、３つの空間位相、又は、５つ以上の空間位相を検出するように配置される検出素子を含んでもよい。
【００２６】
図３は、図１のアパーチャ部１８２の図であって、様々な寸法を示す図である。図３に示される実施形態では、アパーチャ部１８２は、内側遮断部１８２Ｂと、開放アパーチャ部１８２ＡＰ１及び１８２ＡＰ２とを含む。アパーチャ部１８２の光軸ＯＡから最も広い点において、開放アパーチャ部１８２ＡＰ１及び１８２ＡＰ２は、アパーチャ幅ＡＷで離間されている。一般に、強い信号対ノイズ比を提供するために、制限アパーチャ幅ＡＷが、回折光１３２のうち、少なくとも、＋１次光及び−１次光の大部分を透過するように決定されることが有利である。公称波長λを有する光源光１３１と、スケール格子ピッチＰＳＦを有するスケール格子パターン１１０とについて、アパーチャ平面ＡＰにおける、＋１次光及び−１次光を含む光線束の公称距離間隔は、＋１次光及び−１次光の回折角と、スケール格子平面ＳＧＰと第１のレンズ平面ＦＬＰとの間の距離ｆとに依存する。回折角は、＋及び−ａｒｃｓｉｎ［λ／ＰＳＦ］である。幾つかの実施形態では、制限アパーチャ幅ＡＷは、次の通りに決定されてよい：
ＡＷ＞ＫＭＩＮ＊ｆ＊ｔａｎ（ａｒｃｓｉｎ［λ／ＰＳＦ］）      （１）
ここで、ＫＭＩＮは、少なくとも２である。幾つかの実施形態では、（例えば所望量の像コントラストを提供するために）回折光１３２のうち所望量の＋１次光及び−１次光を透過させるように、ＫＭＩＮは、少なくとも２．５又は少なくとも３であることが有利でありうる。更に、幾つかの実施形態では、制限アパーチャ幅ＡＷは、次の通りに決定されてもよい：
ＡＷ＜ＫＭＡＸ＊ｆ＊ｔａｎ（ａｒｃｓｉｎ［λ／ＰＳＦ］）      （２）
ここで、ＫＭＡＸは、多くても５である。幾つかの実施形態では、ＫＭＡＸは、多くても４又は多くても３、或いは、結果として得られる空間的にフィルタリングされた回折光１３２’にスケールピッチＰＳＦの空間高調波を生成する所望量の光線の空間的フィルタリングを提供するように選択されることが有利でありうる。空間高調波が抑制されると、空間的にフィルタリングされた回折光１３２’における測定軸方向ＭＡ沿いの像強度は、より理想的に正弦波的であり、これは、通常、変位測定誤差を減少し、及び／又は、エンコーダシステムにおける信号処理を単純にする。
【００２７】
内側遮断部１８２Ｂは、アパーチャ遮断幅ＡＢＷを有する。内側遮断部１８２Ｂのアパーチャ遮断幅ＡＢＷも、（例えば所望量の像コントラストを提供するために、）回折光１３２のうち、少なくとも、＋１次光及び−１次光の大部分を透過させるように選択されるべきである。幾つかの実施形態では、アパーチャ遮断幅ＡＢＷは、次の通りに決定されてよい：
ＡＢＷ＜ＢＭＡＸ＊ｆ＊ｔａｎ（ａｒｃｓｉｎ［λ／ＰＳＦ］）      （３）
ここでＢＭＡＸは、多くても２である。幾つかの実施形態では、回折光１３２のうち所望量の＋１次光及び−１次光を透過させるために、ＢＭＡＸは、多くても１．５又は多くても１であることが有利でありうる。更に、回折光１３２のうち０次光のほとんど又はすべてを遮断するために、アパーチャ遮断幅ＡＢＷは、次の通りに決定されてもよい：
ＡＢＷ＞ＢＭＩＮ＊ｆ＊ｔａｎ（ａｒｃｓｉｎ［λ／ＰＳＦ］）      （４）
ここで、幾つかの実施形態では、ＢＭＩＮは、少なくとも０．５である。幾つかの実施形態では、回折光１３２のうち所望量の０次光を遮断するために、ＢＭＩＮは、少なくとも０．７５又は少なくとも１であることが有利でありうる。
【００２８】
当然ながら、本明細書に開示される光学式エンコーダの実施形態のデザインは、小さいスケール格子ピッチＰＳＦに特に適している。スケール格子ピッチＰＳＦは、幾つかの実施形態では、１μｍ又はそれよりも小さくてもよい。より小さいスケール格子ピッチＰＳＦは、回折光１３２の回折次数間のより広い間隔を可能にする大きい回折角をもたらす。したがって、アパーチャ部１８２の製作公差を緩くすることができる。アパーチャ部１８２は更に、回折光１３２のうち０次光の遮断も可能にする。これは、高価又は複雑な照明光源や、より高価な透過型位相格子であるスケール格子を不要にする。
【００２９】
本開示の好適な実施態様を例示し、説明したが、本開示に基づき、当業者には、例示及び説明された特徴のアレンジメント及び動作のシーケンスにおいて多くの変形が明らかであろう。本明細書に開示される原理を実施するために、様々な代替の形態が使用されてよい。更に、上記の様々な実施態様は、更なる実施態様を提供するように組み合わされることも可能である。本明細書において参照されるすべての米国特許及び米国特許出願は、参照することにより、その全体が本明細書に組み込まれる。更なる実施態様を提供するように、様々な特許及び出願の概念を使用するために、必要に応じて、実施態様の特徴が変更されてもよい。
【００３０】
上記説明を鑑みて、実施態様にこれらの及び他の変更を行うことができる。一般に、次の請求項において使用される用語は、請求項を、本明細書及び請求項において開示される特定の実施態様に限定すると解釈されるべきではなく、むしろ、当該請求項の等価物の全範囲内のあらゆる可能な実施態様を含むと解釈されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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