特開 2018-100958 光学式エンコーダ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2018-100958(P2018-100958A)

(43)【公開日】2018年6月28日

(54)【発明の名称】光学式エンコーダ

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/38 20060101AFI20180601BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/38 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2017-225613(P2017-225613)

(22)【出願日】2017年11月24日

(31)【優先権主張番号】16205387.0

(32)【優先日】2016年12月20日

(33)【優先権主張国】EP

(71)【出願人】

【識別番号】390014281

【氏名又は名称】ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＤＲ． ＪＯＨＡＮＮＥＳ ＨＥＩＤＥＮＨＡＩＮ ＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ ＭＩＴ ＢＥＳＣＨＲＡＮＫＴＥＲ ＨＡＦＴＵＮＧ

(74)【代理人】

【識別番号】100069556

【弁理士】

【氏名又は名称】江崎 光史

(74)【代理人】

【識別番号】100111486

【弁理士】

【氏名又は名称】鍛冶澤 實

(74)【代理人】

【識別番号】100173521

【弁理士】

【氏名又は名称】篠原 淳司

(74)【代理人】

【識別番号】100191835

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 真介

(72)【発明者】

【氏名】ゴットハルト・レッパーディンガー

【テーマコード（参考）】

2F103

【Ｆターム（参考）】

2F103CA01

2F103CA03

2F103CA04

2F103CA08

2F103DA01

2F103DA08

2F103DA12

2F103EA02

2F103EA04

2F103EA05

2F103EA15

2F103EB06

2F103EB32

(57)【要約】

【課題】本発明は、２つの物体の相対位置を測定するための光学式エンコーダに関する。
【解決手段】この場合、複数の明るい領域と複数の暗い領域とを有するバーニアパターンが、測定目盛１０と光学パターンＭとの相互作用によって検出装置上に生成される。当該測定目盛は、位相回折格子である。当該バーニアパターンの明るい複数の領域の強度が、幾何学的なビーム光学機器と波動光学機器との相互作用によって最大にされているように、当該位相回折格子が、当該照射する光学パターンＭに対して構成されている。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定方向（Ｘ）に互いに可動な２つの物体の相対位置を測定するための、１つの測定目盛（１０，１００）とこの測定目盛（１０，１００）に対して測定方向（Ｘ）に相対的に可動な１つの走査装置（２）とを有する光学式エンコーダであって、光学パターン周期（Ｐ_Ｍ）を呈し、測定方向（Ｘ）に交互する複数の明るい領域と複数の暗い領域とを有する光学パターン（Ｍ）を前記測定目盛（１０，１００）上に投影させるように、前記走査装置（２）が構成されていて、前記測定目盛（１０，１００）が、測定目盛周期（Ｐ_Ｔ）を有し、前記光学パターン（Ｍ）と前記測定目盛（１０，１００）との協働によって、１つの検出装置（２１）によって走査される前記複数の明るい領域と前記複数の暗い領域とを有するバーニアパターン（Ｖ）が生成されるように、この測定目盛周期（Ｐ_Ｔ）は、前記光学パターン周期（Ｐ_Ｍ）とは僅かに異なる当該光学式エンコーダにおいて、
前記測定目盛（１０，１００）は、位相回折格子であり、この位相回折格子のストリップとギャップとの比が、１：１とは異なり、０次の回折次数が抑制されるように、前記位相回折格子のストリップ（Ｓ）とギャップ（Ｌ）との間の位相差が規定されていて、
当該照射する光学パターン（Ｍ）の１つの明るい領域の０次の回折次数が抑制される位置（Ｐ０）で、より高い少なくとも１つの回折次数が回折され、前記検出装置（２１）上の前記バーニアパターン（Ｖ）の前記複数の明るい領域のうちの１つの明るい領域に当たるように、前記エンコーダが構成されていることを特徴とする光学式エンコーダ。

【請求項2】

測定目盛周期（Ｐ_Ｔ）の前記ストリップ（Ｓ）の幅がそれぞれ、前記ギャップ（Ｌ）の幅よりも大きく、前記ストリップ（Ｓ）の幅が、前記光学パターン（Ｍ）の１つの明るい領域の幅よりも大きいこと、又は
測定目盛周期（Ｐ_Ｔ）の前記ギャップ（Ｌ）の幅がそれぞれ、前記ストリップ（Ｓ）の幅よりも大きく、前記ギャップ（Ｌ）の幅が、前記光学パターン（Ｍ）の１つの明るい領域の幅よりも大きい請求項１に記載の光学式エンコーダ。

【請求項3】

測定目盛周期（Ｐ_Ｔ）の前記ストリップ（Ｓ）の幅がそれぞれ、この測定目盛周期（Ｐ_Ｔ）の前記ギャップ（Ｌ）の幅よりも大きく、この測定目盛周期（Ｐ_Ｔ）のこのギャップ（Ｌ）の幅（Ｂ_Ｌ）は、前記光学パターン周期（Ｐ_Ｍ）の５０％であること、又は
前記ギャップ（Ｌ）の幅がそれぞれ、前記位相回折格子のストリップ（Ｓ）の幅よりも大きく、前記ストリップ（Ｓ）の幅（Ｂ_Ｓ）は、前記光学パターン周期（Ｐ_Ｍ）の５０％である請求項１又は２に記載の光学式エンコーダ。

【請求項4】

前記ストリップと前記ギャップとの比又は前記ギャップと前記ストリップとの比は、１：３である請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。

【請求項5】

前記位相回折格子の前記位相差は、λ／２である請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。

【請求項6】

前記走査装置（２）は、１つの送信器（２３，２４）と１つの回折格子（２２）とを有し、前記送信器（２３，２４）は、コリメートされた光ビーム束を生成するように構成されていて、前記コリメートされた光ビーム束は、前記回折格子（２２）へ向けられていて、前記コリメートされた光ビーム束は、前記回折格子（２２）との相互作用によって前記光学パターン（Ｍ）を生成する請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。

【請求項7】

前記光学パターン（Ｍ）を生成するための前記回折格子（２２）の前記ストリップと前記ギャップとの比は、１：１である請求項６に記載の光学式エンコーダ。

【請求項8】

前記光学パターン（Ｍ）を生成するための前記回折格子（２２）は、振幅回折格子又は位相回折格子である請求項６又は７に記載の光学式エンコーダ。

【請求項9】

前記検出装置（２１）は、前記バーニアパターン（Ｖ）を走査し、３６０°／Ｋだけ互いに位相シフトしているＫ個の走査信号を生成するために複数の検出素子（２１１，２１２，２１３，２１４，２１５）を有し、隣接した複数の検出素子（２１１，２１２，２１３，２１４，２１５）の中心間隔（Ｘ_Ｋ）に対して、
Ｘ_Ｋ＝Ｐ_Ｖ／Ｋが成立し、このとき、
１／Ｐ_Ｖ＝｜１／Ｐ_Ｔ−１／Ｐ_Ｍ｜
Ｐ_Ｖ＝バーニア周期
Ｐ_Ｔ＝測定目盛周期
Ｐ_Ｍ＝光学パターン周期
である請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。

【請求項10】

前記検出装置（２１）の複数の第Ｋ番目の検出素子（２１１，２１５）がそれぞれ、結果として合成された走査信号を生成するために互いに結合されている請求項９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】

本発明は、請求項１に記載の上位概念の特徴による光学式エンコーダに関する。

【背景技術】

【0002】

欧州特許出願公開第１０２８３０９号明細書が、このような種類の光学式エンコーダを開示する。バーニアストリップパターンが、周期的な光学パターンと周期的な測定目盛との相互作用によって、後続する検出面内に発生する。このため、当該周期的な光学パターンの周期が、−以下では、測定目盛周期と呼ばれる−当該測定目盛の目盛周期とは僅かに異なる。これから発生する−以下では、バーニア周期と呼ばれる−当該バーニアストリップパターンの周期が、当該光学パターン周期よりも大きく、当該測定目盛周期よりも大きい。当該測定目盛は、振幅回折格子として構成されていて、この測定目盛のストリップとギャップとの比は、１：１である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】欧州特許出願公開第１０２８３０９号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の課題は、バーニアストリップパターンが改良されたＳＮ比によって生成される光学式エンコーダを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明によれば、この課題は、請求項１に記載の特徴を有する光学式エンコーダによって解決される。

【0006】

測定方向に互いに可動な２つの物体の相対位置を測定するためのこの光学式エンコーダは、１つの測定目盛と、この測定目盛に対して測定方向に相対的に可動な１つの走査装置とを有する。光学パターン周期を呈し、測定方向に交互する複数の明るい領域と複数の暗い領域とを有する光学パターンを前記測定目盛上に投影させるように、前記走査装置が構成されている。この場合、前記測定目盛が、測定目盛周期を有し、前記光学パターンと前記測定目盛との協働によって、１つの検出装置によって走査される前記複数の明るい領域と前記複数の暗い領域とを有するバーニアパターンが生成されるように、この測定目盛周期は、前記光学パターン周期とは僅かに異なる。この場合、前記測定目盛は、位相回折格子であり、この位相回折格子のストリップとギャップとの比が、１：１とは異なり、０次の回折次数が抑制されるように、前記位相回折格子のストリップとギャップとの間の位相差が規定されている。さらに、当該照射する光学パターンの１つの明るい領域の０次の回折次数が抑制される位置で、より高い少なくとも１つの回折次数が回折され、前記検出装置上の前記バーニアパターンの前記複数の明るい領域のうちの１つの明るい領域に当たるように、前記エンコーダが構成されている。

【0007】

この場合、１つの測定目盛周期内の２つの領域が、当該位相回折格子のストリップとギャップとによって示されている。当該２つの領域は、要求される位相差を得るために、照射する光を異なって遅延させる。この位相差は、光を透過させる材料の経路差によって及び／又は当該材料の屈折率によって周知の方法で調整される。

【0008】

当該バーニアパターンの明るい領域の強度が、本発明によって向上される。より高い有効信号が、この信号の上昇に起因して生成される。その結果、当該エンコーダの測定精度が向上する。

【0009】

用語の光は、非可視領域内の波長を有する放射も含む。

【0010】

好ましくは、測定目盛周期の前記ストリップの幅がそれぞれ、前記ギャップの幅よりも大きく、前記ストリップの幅が、前記光学パターンの１つの明るい領域の幅よりも大きい。これにより、このストリップへ向かう光学パターンが、１つの明るい領域の中心で発生するときに、この光学パターンは、完全な透過によって又は完全な反射によって、当該バーニアパターンの当該明るい領域を生成するために完全に使用されることが保証される。

【0011】

これとは別に、測定目盛周期の前記ギャップの幅がそれぞれ、前記ストリップの幅よりも大きく、前記ギャップの幅が、前記光学パターンの１つの明るい領域の幅よりも大きい。この場合には、このギャップへ向かう光学パターンが、１つの明るい領域の中心で発生するときに、この光学パターンは、完全な透過によって又は完全な反射によって、当該バーニアパターンの当該明るい領域を生成するために完全に使用されることが保証される。

【0012】

特に、測定目盛周期の前記ストリップの幅がそれぞれ、この測定目盛周期の前記ギャップの幅よりも大きく、この測定目盛周期のこのギャップの幅は、前記光学パターン周期の５０％であるか、又はこの代わりに、前記ギャップの幅がそれぞれ、前記位相回折格子のストリップの幅よりも大きく、前記ストリップの幅は、前記光学パターン周期の５０％である。このため、ストリップの光学特性とギャップと、ギャップの光学特性（透過又は反射）とが、等しい光学特性である場合、０次の回折次数が、弱め合う干渉によって完全に消滅されることが保証される。

【0013】

好ましくは、前記ストリップと前記ギャップとの比又は前記ギャップと前記ストリップとの比は、１：３である。

【0014】

前記走査装置が、１つの送信器と１つの回折格子とを有するときに、当該エンコーダの特に簡単な構造が得られる。この場合、前記送信器は、コリメートされた光ビーム束を生成するように構成されていて、前記コリメートされた光ビーム束は、前記回折格子へ向けられていて、前記コリメートされた光ビーム束は、前記回折格子との協働によって前記光学パターンを生成する。

【0015】

当該回折格子は、振幅回折格子でもよい。しかし、特に、当該回折格子は、位相回折格子である。しかし、この代わりに、当該回折格子は、ハイブリッド型の振幅位相回折格子でもよい。

【0016】

位相回折格子として構成された測定目盛の位相差は、特にλ／２である。ここで、λ＝照射する光学パターンの光の波長。

【0017】

特に、前記検出装置は、前記バーニアパターンを走査し、３６０°／Ｋだけ互いに位相シフトしているＫ個の走査信号を生成するために複数の検出素子を有し、隣接した複数の検出素子の中心間隔に対して、
Ｘ_Ｋ＝Ｐ_Ｖ／Ｋが成立し、このとき、
１／Ｐ_Ｖ＝｜１／Ｐ_Ｔ−１／Ｐ_Ｍ｜
Ｐ_Ｖ＝バーニア周期
Ｐ_Ｔ＝測定目盛周期
Ｐ_Ｍ＝光学パターン周期
である。

【0018】

周知の方法では、信号を増幅し、平均するため、前記検出装置の複数の第Ｋ番目の検出素子がそれぞれ、結果として合成された走査信号を生成するために互いに結合され得る。

【0019】

本発明の好適な構成は、従属請求項に記載されている対策から実現される。

【0020】

本発明のさらなる詳細及び利点を、図面に関連する実施の形態の以下の記載に基づいて説明する。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明にしたがって構成された第１の光学式エンコーダの投影図である。

【図2】図１によるエンコーダの走査ビーム路の基本構成及び推移を示す。

【図3】当該エンコーダの場合に発生する検出面内の回折パターンを示す。

【図4】本発明にしたがって構成された光学式エンコーダの第２の実施の形態である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

図１及び２は、本発明の第１の実施の形態を示し、図３は、この第１の実施の形態で発生する回折パターンを示す。

【0023】

この光学式エンコーダは、走査装置２の位置を測定するためにいわゆる照射光で走査される１つの測定目盛１０を有する。当該反射式の測定目盛１０は、既知の方法でスケール１上に形成されているか又はスケール１に固定されている。測定方向Ｘに相対移動する２つの物体の位置を測定するため、スケール１が、これらの２つの物体のうちの一方の物体に固定され、走査装置２が、当該相対移動する両物体のうちの他方の物体に固定される。この走査装置２は、周期的な光学パターンＭを測定目盛１０上に投影させるように構成されている。以下では、この光学パターンＭの周期を光学パターン周期Ｐ_Ｍと呼ぶ。位置に依存する走査信号の生成は、光学パターンＭがバーニアパターンＶを生成するために測定目盛１０と協働することに基づく。このため、測定目盛１０は、光学パターン周期Ｐ_Ｍとは僅かに異なる測定目盛周期Ｐ_Ｔを有する。その結果、光学パターン周期Ｐ_Ｍ及び測定目盛周期Ｐ_Ｔよりも著しく大きい周期Ｐ_Ｖを有するバーニアパターンＶが、検出装置２１上に発生する。この場合に発生する当該バーニアパターンＶは、測定目盛１０の目盛線に対して平行に配向されている。当該周期的な光学パターンＭは、走査装置２と測定目盛１０との相対移動時に位置に依存して変調される。この場合、明るい領域と暗い領域とを有する周期的なバーニアパターンＶが形成される。当該バーニアパターンＶは、測定目盛１０と走査装置２とのそれぞれの相対位置を測定するために検出装置２１によって走査される。

【0024】

バーニア周期Ｐ_Ｖ（発生するバーニアパターンＶの周期）に対しては、
１／Ｐ_Ｖ＝｜１／Ｐ_Ｔ−１／Ｐ_Ｍ｜
ここで、
Ｐ_Ｔ＝測定目盛周期（測定目盛１０の周期）
Ｐ_Ｍ＝光学パターン（光学パターンＭの周期）
が成立する。

【0025】

光学パターンＭは、様々な方法で生成され得る。最も簡単な場合では、当該エンコーダは、二重回折格子式のエンコーダ（Ｚｗｅｉｇｉｔｔｅｒ−Ｇｅｂｅｒ）である。当該二重回折格子式のエンコーダの場合、光学パターンＭが、コリメートして照射される回折格子２２によって生成される。１つの光源２３及び１つの光学素子２４が、当該コリメートされた照射のために設けられている。当該回折格子２２は、例えば、周期的に連続する非透過性の複数のストリップと透過性の複数のギャップとを有する振幅回折格子である。これらの非透過性のストリップは、非透過性の材料を透過性のキャリア上に被覆することによって形成される。この場合、当該キャリアは、特にガラスキャリアでもよい。しかし、回折格子２２は、特に位相回折格子である。しかし、この代わりに、回折格子２２は、ハイブリッド型の振幅位相回折格子でもよい。

【0026】

回折格子２２の目盛周期が、要求される光学パターン周期Ｐ_Ｍに相当し、この回折格子２２のストリップとギャップとの比は、１：１に選択されている。したがって、この回折格子２２の１つのギャップの幅は、周期的な光学パターンＭの１つの明るい領域の幅Ｂ_Ｍに相当し、Ｐ_Ｍ／２である。

【0027】

単色の又は少なくとも狭帯域の光源２３によって生成された放射が、光学素子２４によって平行に指向され、回折格子２２の透過性のギャップを透過する。特に発光ダイオード又はその他の狭帯域の光源２３が、光源２３として適している。

【0028】

本発明によれば、測定目盛１０は、位相回折格子であり、第１の実施の形態では反射型位相回折格子である。この場合、この位相回折格子の複数の特性が、本発明の場合のバーニアパターンの明るい領域の強度を最大にするために利用される。すなわち、
幾何放射光学：
１．反射型位相回折格子の場合の反射、及び透過型回折格子の場合の透過（直線伝播）
波動光学：
２．弱め合う干渉
３．回折

【0029】

事項１．に対して
この効果は、位相回折格子の平坦な表面上に照射するビーム束の純粋な反射に基づき、当該位相回折格子のストリップとギャップとの比が１：１とは違うことによって得られる。これにより、複数のストリップＳがそれぞれ、光学パターンＭの１つの明るい領域の幅Ｂ_Ｍよりも大きい１つの幅Ｂ_Ｓを有し、又は、複数のギャップＬがそれぞれ、光学パターンＭの１つの明るい領域の幅Ｂ_Ｍよりも大きい１つの幅Ｂ_Ｌを有することが得られる。図示された例では、当該位相回折格子のストリップＳが、光学パターンＭの１つの明るい領域の幅Ｂ_Ｍよりも大きい、１つの測定目盛周期Ｐ_Ｍ内の幅Ｂ_Ｓを有し、
Ｂ_Ｓ＞Ｂ_Ｍが成立する。

【0030】

したがって、測定目盛１０は、照射する光学パターンＭにとっては、その反射を場所に依存して変調させるのに有益である。すなわち、図２に示された瞬時位置Ｐ１の場合、照射する光学パターンＭが、測定目盛１０の左側に示された領域上に当たる。この領域の場合、光学パターンＭの明るい領域に照射する全幅Ｂ_Ｍが、この測定目盛１０から反射され、検出装置２１上に当たる。それ故に、この検出装置２１上に照射するバーニアパターンＶのこの領域は、明るい領域と呼ばれ、図２に「明」で示される。

【0031】

事項２．に対して
ここでは、位相回折格子のストリップＳ上に照射し、このストリップＳから反射した部分ビーム束Ｓ１と、この位相回折格子のギャップＬ上に照射し、このギャップＬから反射した部分ビーム束Ｓ０との弱め合う干渉が利用される。

【0032】

このため、０次の回折次数が抑制されるように、当該位相回折格子のストリップＳとギャップＬとの間の位相差がもたらされる。ここでは、照射する光学パターンＭにとって有益な測定目盛１０のストリップＳとギャップＬとの間の位相差は、λ／２である。この場合、λは、光学パターンＭの波長である。

【0033】

光学パターンＭの周期と測定目盛１０の周期とが異なるので、図２に示された瞬時位置Ｐ０における光学パターンＭの一部が、図２の右側に示された測定目盛１０の領域上にも当たる。照射する光学パターンＭの明るい領域での位相及び回折が、位置Ｐ０で影響を受ける。この領域Ｐ０は、領域Ｐ１から１つのバーニア周期Ｐ_Ｖの半分だけ測定方向Ｘに離間している。当該位相に関しては、弱め合う干渉が発生する。その結果、０次の回折次数が消滅する。すなわち、この場所Ｐ０では、光が、検出装置２１上に当たらない。それ故に、バーニアパターンＶのこの領域は、暗い領域と呼ばれ、図２に「暗」で示される。

【0034】

測定目盛１０のストリップＳとギャップＬとが、同じ反射特性を有する限り、完全に弱め合う干渉に対しては、測定目盛周期Ｐ_ＴのストリップＳの幅がそれぞれ、この測定目盛周期Ｐ_ＴのギャップＬの幅よりも大きく、ギャップＬの幅Ｂ_Ｌは、光学パターン周期Ｐ_Ｍの５０％であるか、又は、測定目盛周期Ｐ_ＴのギャップＬの幅がそれぞれ、この測定目盛周期Ｐ_ＴのストリップＳの幅よりも大きく、ストリップＳの幅Ｂ_Ｓは、光学パターン周期Ｐ_Ｍの５０％である、ことも成立しなければならない。

【0035】

この領域内では、測定目盛１０、すなわち位相回折格子のギャップとストリップとの比は、１：３である。当該位相回折格子のストリップとギャップとの比が、１：３に選択されると、同じ効果が得られる。

【0036】

事項３．に対して
ここでは、位相回折格子に照射するビーム束の回折が利用される。この場合、（事項１で上述したような）反射によって得られるバーニアパターンＶの明るい領域の強度が、当該位相回折格子での回折の場所に依存する変調によって強められる。

【0037】

既に説明したように、光学パターンＭの周期と測定目盛１０の周期とは異なるので、図２の右側に示された領域内の光学パターンＭの一部が、測定目盛１０上に当たる。照射する光学パターンＭの明るい領域での位相及び回折が、この測定目盛１０のこの領域内で影響を受ける。

【0038】

上記回折に関しては、より高い回折次数Ｎ（Ｎ≠０）のうちの少なくとも１つの回折次数が、位置Ｐ１で−すなわちバーニアパターンＶの明るい領域で−検出装置２１上に当たるように、当該より高い回折次数Ｎ（Ｎ≠０）が、位置Ｐ０で測定方向Ｘに回折される。当該少なくとも１つのより高い回折次数Ｎは、バーニア周期Ｐ_Ｖのラスタ内で検出装置２１上に当たる。この領域Ｐ０は、領域Ｐ１から１つのバーニア周期Ｐ_Ｖの半分だけ測定方向Ｘに離間している。

【0039】

エンコーダの寸法を決定する場合、複数のパラメータが、Ｎ次の回折次数の回折角度αに対して、
ｓｉｎα＝Ｎ＊λ／Ｐ_Ｔ
を規定する。

【0040】

実際に意味のある小さい回折角度α（ラジアン）に対しては、
ｓｉｎα＝Ｎ＊λ／Ｐ_Ｔ
が成立する。

【0041】

位置Ｐ０で回折角度αだけ回折したビーム束が、Ｐ_Ｖ／２だけシフトして検出装置２１上に照射する必要があるので、さらに、
Ｄ＊α＝Ｐ_Ｖ／２
が成立する。

【0042】

したがって、測定目盛１０と検出装置２１との間の間隔Ｄに対して、
Ｄ＝Ｐ_Ｖ＊Ｐ_Ｔ／（２＊Ｎ＊λ）
が成立する。

【0043】

図２には、同じ次数の負の回折次数と正の回折次数とが、Ｓ２によって同じに示してある。何故なら、瞬時位置Ｐ０を始点とする正の回折次数と負の回折次数とのそれぞれに対して、同じ条件が成立するからである。

【0044】

本発明のエンコーダの機能性が、ブレッドボードに基づいて実証してある。以下のパラメータが選択された。
Ｐ_Ｍ＝２０．５１２８μｍ
Ｐ_Ｔ＝２０．００μｍ
Ｐ_Ｖ＝８００μｍ
λ＝８６０ｎｍ
測定目盛１０のストリップとギャップとの比＝３：１

【0045】

２次の回折次数Ｎ＝２が、本発明にしたがって使用されなければならない場合、約５°の回折角度αが、この回折次数に対して発生する。

【0046】

これらの条件の場合、約４．５ｍｍの値が、測定目盛１０と検出装置２１との間の間隔Ｄに対して得られる。間隔Ｄが変化しても、測定目盛１０で回折したビームＳ２が、バーニアパターンＶの明るい領域の強度をさらに高めることが実証されている。例えば、間隔Ｄは、約３ｍｍ〜６ｍｍの値をとり得る。すなわち、±１．５ｍｍの許容差が、間隔Ｄに対して許容される。

【0047】

図３には、測定目盛１０で回折した回折ビームの回折パターンが示されている。位置Ｘに対する回折次数の強度Ｉが描かれている。この場合、位置Ｐ０及びＰ１が、図２に示されている瞬時位置に相当する。さらに、図３には、位置Ｐ２が示されている。この位置Ｐ２は、位置Ｐ１からＰＶだけ離間した位置、すなわちバーニアパターンＶの次の明るい領域の中心である。

【0048】

当該バーニアパターンの明るい領域の強度を向上させるため、偶数及び／又は奇数の回折次数（Ｎ≠０）が使用され、当該設計時に考慮され得る。

【0049】

検出装置２１は、測定方向Ｘに互いに隣接して配置されている複数の検出素子２１１，２１３，２１４，２１５から構成される。互いに位相シフトしているＫ個の走査信号を生成するため、Ｋ個の検出素子２１１，２１３，２１４が、１つのバーニア周期Ｐ_Ｖ内に配置されている。

【0050】

換言すると、バーニアパターンＶを走査するため、Ｋ個の検出素子を有する検出装置２１が、３６０°／Ｋだけ互いに位相シフトしているＫ個の走査信号を生成するために配置されている。この場合、隣接した複数の検出素子の中心間隔は、Ｘ_Ｋ＝Ｐ_Ｖ／Ｋである。このとき、
１／Ｐ_Ｖ＝｜１／Ｐ_Ｔ−１／Ｐ_Ｍ｜
Ｐ_Ｖ＝バーニア周期
Ｐ_Ｔ＝測定目盛周期
Ｐ_Ｍ＝光学パターン周期

【0051】

それぞれ互いに９０°だけ位相シフトしている４つの走査信号が生成されなければならない場合、Ｋ＝４個の検出素子２１１，２１２，２１３，２１４を１つのバーニア周期Ｐ_Ｖ内に配置することが必要である。

【0052】

バーニアパターンＶの走査時に同位相の走査信号をそれぞれ供給する検出装置２１の検出素子２１１，２４５が、互いに電気接続され、結果として走査信号を生成するために統合される。換言すると、検出装置２１の複数の第Ｋ番目の検出素子２１１，２１５がそれぞれ、結果として合成された走査信号を生成するために互いに結合され得る。

【0053】

第１の実施の形態の場合、測定目盛１０が、反射型位相回折格子として構成されている。図４は、本発明が透過式にも使用され得ることを示す。測定目盛１００は、透過性の位相回折格子として構成されている。

【0054】

第１の実施の形態の場合に説明したのと同じ条件が、この第２の実施の形態に対して成立する。それ故に、別の符号が、当該測定目盛に対してだけ使用されてあるが、その他の符号は維持されてある。

【0055】

反射型回折格子を位相回折格子（測定目盛１０）として使用する場合、バーニアパターンＶの明るい領域が、当該位相回折格子の位置Ｐ１で発生し、光学パターンＭの当該明るい領域が、当該位置Ｐ１で完全に戻り反射する。これに対して、透過型回折格子を位相回折格子（測定目盛１００）として使用する場合、バーニアパターンＶの明るい領域が、位置Ｐ１で発生し、光学パターンＭの当該明るい領域が、当該位置Ｐ１で完全に透過する。

【0056】

反射型回折格子を位相回折格子（測定目盛１０）として使用する場合、バーニアパターンＶの暗い領域が、当該位相回折格子の位置Ｐ０で発生し、光学パターンＭの当該明るい領域が、当該位置Ｐ０で、反射した部分ビーム束Ｓ０，Ｓ１の弱め合う干渉によって消滅される（図２）。これに対して、透過型回折格子を位相回折格子（測定目盛１００）として使用する場合、バーニアパターンＶの暗い領域が、位置Ｐ０で発生し、光学パターンＭの当該明るい領域が、当該位置Ｐ０で、透過した部分ビーム束Ｓ０，Ｓ１の弱め合う干渉によって消滅される（図４）。

【0057】

反射型回折格子を位相回折格子（測定目盛１０）として使用する場合、当該位相回折格子の位置Ｐ１，Ｐ２で発生するバーニアパターンＶの明るい領域が、この位相回折格子の位置Ｐ０で反射によって回折される回折ビームによって強められる。これに対して、透過型回折格子を位相回折格子（測定目盛１００）として使用する場合、当該位相回折格子の位置Ｐ１，Ｐ２で発生するバーニアパターンＶの明るい領域が、この位相回折格子の位置Ｐ０で透過によって回折される回折ビームによって強められる。

【0058】

本発明は、直進する移動及び位置を測定するための測長装置の場合と、回転する移動及び位置を測定するための測角装置の場合とで使用可能である。

【符号の説明】

【0059】

１ スケール
２ 走査装置
１０ 測定目盛
２１ 検出装置
２２ 回折格子
２３ 光源、送信器
２４ 光学素子、送信器
２１１ 検出素子
２１２ 検出素子
２１３ 検出素子
２１４ 検出素子
２１５ 検出素子
１００ 測定目盛
Ｍ 光学パターン
Ｘ 測定方向
Ｓ ストリップ
Ｌ ギャップ
Ｖ バーニアパターン
Ｄ 間隔
Ｉ 強度
Ｓ０ 部分ビーム束
Ｓ１ 部分ビーム束
Ｐ０ 瞬時位置、領域、場所
Ｐ１ 瞬時位置、領域、場所

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【外国語明細書】

2018100958000001.pdf