特開 2019-82470 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2019-82470(P2019-82470A)

(43)【公開日】2019年5月30日

(54)【発明の名称】光学式エンコーダ

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/347 20060101AFI20190510BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/347 110X

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2018-198268(P2018-198268)

(22)【出願日】2018年10月22日

(31)【優先権主張番号】10 2017 219 125.2

(32)【優先日】2017年10月25日

(33)【優先権主張国】DE

(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】ヴォルフガング・ホルツアプフェル

(72)【発明者】

【氏名】カルステン・ゼンディヒ

【テーマコード（参考）】

2F103

【Ｆターム（参考）】

2F103CA01

2F103CA03

2F103CA04

2F103CA08

2F103EA23

2F103GA15

(57)【要約】      （修正有）

【課題】傾いた感度ベクトルを有し、走査間隔において波長の変化に鈍感であり、大きい取り付け公差を有する光学式エンコーダを提供する。
【解決手段】複数の光学素子を有する走査装置２０が設けられている。１つの走査ビーム経路が、走査装置２０の複数の光学素子の配列及び構成によって形成され、走査ビーム経路内では、分岐され干渉する２つの部分ビーム束Ａ、Ｂが、１つの対称面ＳＥに対してミラー対称に伝播し、測定スケール１０上にＶ字状に入射し、及び／又は測定スケール１０からＶ字状に戻り反射する。対称面ＳＥが、測定スケール１０の表面に対して平行に指向されていて、目盛方向に対して直角に延在する１つの回転軸を中心にして測定スケール１０に対して所定の傾斜角度αだけ傾いている。測定目盛１２で対称な複数の回折次数に回折される２つの部分ビーム束Ａ、Ｂが干渉し、２つの部分ビーム束Ａ、Ｂが、分岐と再結合との間で同じ光路長を進行する。
【選択図】図１ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに相対可動な２つの物体の位置を検出するための光学式エンコーダであって、当該光学式エンコーダは、
−前記２つの物体のうちの１つの物体に結合されている１つの測定スケールと、
−他方の物体に配置された複数の光学素子を有する１つの走査装置とを備え、
前記測定スケールが、なくとも１つの目盛方向（ｘ）に沿った複数の目盛領域の周期的な配列を成す１つの測定目盛を有し、
１つの走査ビーム経路が、前記走査装置の前記複数の光学素子の配列及び構成によって形成され、この走査ビーム経路内では、分岐され干渉する複数の部分ビーム束が、１つの対称面に対してミラー対称に伝播し、前記測定スケール上にＶ字状に入射し、及び／又は前記測定スケールからＶ字状に戻り反射し、
前記対称面が、前記測定スケールの表面に対して平行に指向されていて、前記目盛方向に対して直角に延在する１つの回転軸を中心にして前記測定スケールに対して所定の傾斜角度（α）だけ傾いていて、
前記測定目盛で対称な複数の回折次数に回折される複数の部分ビーム束が干渉する当該光学式エンコーダにおいて、
前記複数の部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が、その分岐とその再結合との間で同じ光路長を進行することを特徴とする光学式エンコーダ。

【請求項2】

前記測定目盛（１２；１１２；２１２；３１２；４１２）で＋１次の回折次数と−１次の回折次数とから発生する複数の部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が干渉する請求項１に記載の光学式エンコーダ。

【請求項3】

前記測定目盛（１２；１１２；２１２；３１２；４１２）は、信号を生成するために使用される前記複数の回折次数の高い回折効率に最適化されている反射位相格子として形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式エンコーダ。

【請求項4】

前記複数の部分ビーム束（Ａ，Ｂ）の同じ光路長が、これらの部分ビーム束（Ａ，Ｂ）の分岐と再結合との間で発生するように、前記対称面（ＳＥ）に対する前記測定目盛（１２；１１２；２１２；３１２；４１２）上に入射する１つのビーム束（Ｓ_ＩＮ）の入射角度（γ）が選択されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。

【請求項5】

前記走査装置は、複数の光学素子を有する少なくとも１つの走査板を備え、当該走査板は、前記対称面に対して直角に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の光学式エンコーダ。

【請求項6】

前記対称面（ＳＥ）に対する前記測定目盛（１２）上に入射する１つのビーム束（Ｓ_ＩＮ）の入射角度（γ）は、

【数1】

にしたがって選択されていて、
ここで
γ：＝対称面に対する測定目盛上に入射する１つのビーム束の入射角度
ｋ：＝λ／ｄ_Ｍ
λ：＝光波長
ｄ_Ｍ：＝測定目盛の目盛周期
α：＝対称面に対する測定目盛の傾斜角度
であることを特徴とする請求項４に記載の光学式エンコーダ。

【請求項7】

前記走査装置（２０；１２０）内に配置された１つの走査板（２１；１２１）が透過性に形成されていて、
２つの第１走査格子及び２つの第２走査格子（２２_Ａ１，２２_Ａ２，２２_Ｂ１，２２_Ｂ２；１２２_Ａ１，１２２_Ａ２，１２２_Ｂ１，１２２_Ｂ２）が、前記走査板（２１；１２１）の前記測定スケール（１０；１１０）に面した側面上に配置されていて、２つの反射器（２３_Ａ，２３_Ｂ；２３_Ａ，２３_Ｂ；）が、当該側面に対して反対の側面上に配置されていて、
前記反射器（２３_Ａ，２３_Ｂ；２３_Ａ，２３_Ｂ）の反射面が、前記測定スケール（１０；１１０）の方向に指向されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。

【請求項8】

１つの光源（２６；１２６）から放射した１つのビーム束（Ｓ_ＩＮ）が、
−前記測定目盛（１２；１１２）上に当たり、この測定目盛（１２；１１２）上で２つの異なる対称な回折次数に相当する２つの部分ビーム束（Ａ，Ｂ）に分岐し、前記走査装置（２０；１２０）に向かってＶ字状に戻り反射し、
−当該戻り反射した両部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が、前記走査装置（２０；１２０）内で前記２つの第１走査格子（２２_Ａ１，２２_Ｂ１，１２２_Ａ１，１２２_Ｂ１）を前記２つの反射器（２３_Ａ，２３_Ｂ；２３_Ａ，２３_Ｂ）の方向に透過し、このときに、入射方向に対して反平行に指向した回折作用と、専ら前記目盛方向（ｘ）に対して直角な集光作用とを受け、
−次いで、こうして回折され集光された複数の部分ビーム束（Ａ，Ｂ）がそれぞれ、前記反射器（２３_Ａ，２３_Ｂ；２３_Ａ，２３_Ｂ）上に当たり、前記測定スケール（１０；１１０）の方向に戻り反射し、
−次いで、当該戻り反射した両部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が、前記２つの第２走査格子（２２_Ａ２，２２_Ｂ２，１２２_Ａ２，１２２_Ｂ２）を前記測定スケール（１０；１１０）の方向に透過し、このときに、前記目盛方向（ｘ）への回折作用と、専ら前記目盛方向（ｘ）に対して直角なコリメート作用とを受ける結果、当該両部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が、前記測定スケール（１０；１１０）の方向にＶ字状に伝播し、
−重畳した複数の部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が、前記測定スケール（１０；１１０）で新たに回折し、前記走査装置（２０；１２０）の方向に戻り反射するように、前記走査装置（２０；１２０）が構成されていることを特徴とする請求項７に記載の光学式エンコーダ。

【請求項9】

全ての走査格子（２２_Ａ１，２２_Ａ２，２２_Ｂ１，２２_Ｂ２；１２２_Ａ１，１２２_Ａ２，１２２_Ｂ１，１２２_Ｂ２；）の目盛周期（ｄ_Ｒ）が、
ｄ_Ｒ＝ｄ_Ｍ・ｃｏｓα
にしたがって選択されていて、
ここで、
ｄ_Ｒ：＝走査格子の目盛周期
ｄ_Ｍ：＝測定目盛の目盛周期
α：＝対称面に対する測定目盛の傾斜角度
であることを特徴とする請求項７に記載の光学式エンコーダ。

【請求項10】

１つの再結合格子（１２８）が、前記測定スケール（１１０）に面している前記走査板（１２１）の側面上にさらに配置されていて、前記測定スケール（１１０）から戻り反射した前記重畳した複数の部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が、この再結合格子（１２８）上に入射し、この再結合格子（１２８）を透過することで重畳した部分ビーム束（Ａ，Ｂ）の複数の対に分岐され、これらの対が、空間的に分離して、位相シフトされている走査信号を生成するための複数の検出素子を有する１つの検出装置（１２７）の方向に伝播することを特徴とする請求項８に記載の光学式エンコーダ。

【請求項11】

前記第１走査格子及び前記第２走査格子（１２２_Ａ１，１２２_Ａ２，１２２_Ｂ１，１２２_Ｂ２）が、異なる目盛周期（ｄ_Ｒ１，ｄ_Ｒ２）を有する結果、前記複数の部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が、前記測定スケール（１１０）での２回目の反射後に異なる角度を成して前記再結合格子（１２８）上に当たることを特徴とする請求項１０に記載の光学式エンコーダ。

【請求項12】

前記走査装置（２２０）内に配置された１つの走査板（２２１）が、透過性に形成されていて、
１つの第１走査格子及び１つの第２走査格子（２２２_Ａ１，２２２_Ｂ１）が、前記走査板（２２１）の前記測定スケール（２１０）に面した側面上に配置されていて、１つの再結合格子（２２８）が、当該側面に対して反対の側面上に配置されている結果、１つの光源（２２６）から放射した１つのビーム束（Ｓ_ＩＮ）が、
−前記測定目盛（２１２）上に当たり、この測定目盛（２１２）上で２つの異なる対称な回折次数に相当する２つの部分ビーム束（Ａ，Ｂ）に分岐し、前記走査装置（２２０）に向かってＶ字状に戻り反射し、
−当該戻り反射した両部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が、前記走査装置（２２０）内で前記第１走査格子及び前記第２走査格子（２２２_Ａ１，２２２_Ｂ１）を透過し、前記再結合格子（２２８）の方向に伝播し、
−新たな回折が、前記再結合格子（２２８）で発生し、引き続き、重畳した部分ビーム束（Ａ，Ｂ）の複数の対が、複数の検出素子を有する１つの検出装置（２２５）の方向に伝播することを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。

【請求項13】

前記走査装置（３２０）が、少なくとも２つの反射器（３２８_Ａ，３２８_Ｂ）と２つのビームスプリッターキューブ（３２５_１，３２５_２）とを有する結果、１つの光源（３２６）から放射した１つのビーム束（Ｓ_ＩＮ）が、
−前記測定目盛（３１２）上に当たり、この測定目盛（３１２）上で２つの異なる対称な回折次数に相当する２つの部分ビーム束（Ａ，Ｂ）に分岐し、前記走査装置（３２０）に向かってＶ字状に戻り反射し、
−当該戻り反射した両部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が、それぞれ１つの反射器（３２８_Ａ，３２８_Ｂ）によって第１の前記ビームスプリッターキューブ（３２５_１）の方向に偏向され、当該戻り反射した両部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が、複数の偏光光学素子（３２４_Ａ，３２４_Ｂ）の透過後に第１の前記ビームスプリッターキューブ（３２５_１）で重畳し、１つの検出素子（３２８_１）の方向に部分的に再び伝播し、第２の前記ビームスプリッターキューブ（３２５_２）の方向に部分的に再び伝播し、そして
−第２の前記ビームスプリッターキューブ（３２５_２）内で別の複数の検出素子（３２８_２，３２８_３）の方向に伝播する重畳した少なくとも２つのさらなる部分ビーム束（Ａ，Ｂ）に分岐され、
−当該分岐され重畳した複数の部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が、前記複数の検出素子（３２８_１，３２８_２，３２８_３）上に当たる前に複数の別の偏光光学素子（３２７_１，３２７_２，３２７_３）をそれぞれ透過する結果、位相シフトされている走査信号が、前記複数の検出素子（３２８_１，３２８_２，３２８_３）ごとによって生成可能であることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。

【請求項14】

前記走査装置（４２０）が、少なくとも２つの反射器（４２８_Ａ，４２８_Ｂ）と３つのビームスプリッターキューブ（４２４，４２７_１，４２７_２）とを有する結果、１つの光源（４２６）から放射した１つのビーム束（Ｓ_ＩＮ）が、
−１つの第１の前記ビームスプリッターキューブ（４２４）内で２つの部分ビーム束（Ａ，Ｂ）に分岐され、
−次いで、当該両部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が、それぞれ１つの反射器（４２８_Ａ，４２８_Ｂ）によって前記測定目盛（４１２）の方向に偏向される結果、これらの部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が、測定目盛（４１２）の方向にＶ字状に伝播し、これらの部分ビーム束（Ａ，Ｂ）がそれぞれ、この測定目盛（４１２）で対称な複数の回折次数に分岐される結果、共線状に重畳した複数の部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が、第２の前記ビームスプリッターキューブ（４２７_１）の方向に伝播し、当該共線状に重畳した複数の部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が、複数の偏光光学素子（４２５_Ａ，４２５_Ｂ）の透過後に前記第２の前記ビームスプリッターキューブ（４２７_１）で重畳し、１つの検出素子（４２９_１）の方向に部分的に再び伝播し、第３の前記ビームスプリッターキューブ（４２７_２）の方向に部分的に再び伝播し、そして
−第３の前記ビームスプリッターキューブ（４２７_２）内で別の複数の検出素子（４２９_２，４２９_３）の方向に伝播する重畳した少なくとも２つのさらなる部分ビーム束（Ａ，Ｂ）に分岐され、
−当該分岐され重畳した複数の部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が、前記複数の検出素子（４２９_１，４２９_２，４２９_３）上に当たる前に複数の別の偏光光学素子（４２８_１，４２８_２，４２８_３）をそれぞれ透過する結果、位相シフトされている走査信号が、前記複数の検出素子（４２９_１，４２９_２，４２９_３）ごとによって生成可能であることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。

【請求項15】

前記走査装置（４２０）が、少なくとも２つの反射器（４２８_Ａ，４２８_Ｂ）を有し、２つの前記部分ビーム束（Ａ，Ｂ）が、これらの反射器（４２８_Ａ，４２８_Ｂ）によって測定スケール（４１０）の方向に偏向され、前記対称面（ＳＥ）に対して対称に且つ前記対称面（ＳＥ）に対して所定の入射角度（β_１，β_２）を成して前記測定スケール（４１０）上に入射し、
前記入射角度（β_１，β_２）は、

【数2】

にしたがって選択されていて、
ここで、
β_１，２：＝入射角度
λ：＝光波長
ｄ_Ｍ：＝測定目盛の目盛周期
α：＝対称面に対する測定目盛の傾斜角度
であることを特徴とする請求項１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の上位概念に記載の光学式エンコーダに関する。

【背景技術】

【0002】

互いに移動する２つの物体の位置を検出するための公知のエンコーダでは、一般に、少なくとも１つの測定方向に沿った１つの測定スケールに対する１つの走査装置の位置が測定される。測定目盛が、当該測定スケール上に１つの目盛方向に沿って配置されている。この目盛方向は、この測定方向に相当する。この場合、この走査装置とこの測定スケールとはそれぞれ、当該可動な両物体のうちの１つの物体に結合されている。公知の装置内では、それぞれ有効な測定方向を示すエンコーダのいわゆる感度ベクトルが、通常は、当該測定スケールの表面に対して平行に指向されている。

【0003】

さらに、感度ベクトルが反射式測定目盛を有する測定スケールの表面に対して傾いているエンコーダが公知である。これに関しては、例えば本出願人の欧州特許出願公開第１７６２８２８号明細書を参照のこと。このようなエンコーダでは、当該感度ベクトルの傾きの調整が、干渉する走査ビーム経路を非対称に形成することによって保証される。対応する走査ビーム経路では、入射する１つのビーム束が、最終的に干渉重畳される２つの部分ビーム束に分岐される。横方向の測定方向又は移動方向に沿った走査装置と測定スケールとの相対移動に関する位置情報と、さらに縦方向の測定方向又は移動方向に沿った走査装置と測定スケールとの相対移動に関する位置情報とが、このようなエンコーダを使用することによって取得され得る。すなわち、２つの並進移動自由度に沿った位置変化が、このようなエンコーダを使用することによって検出され得る。このようなエンコーダでは、干渉する複数の部分ビーム束の複数の経路長が、通常は、走査装置と測定スケールとの間の特定の定格走査間隔だけで同じ長さである。当該測定スケール又は当該走査装置が、それぞれの定格走査間隔から外れて移動すると、異なって進行される複数の光路長が、干渉する複数の部分ビーム束において発生する。したがって、使用される光源の波長の場合によっては起こり得る変化が、当該複数の部分ビーム束の位相に影響し、したがって検出された位置情報にも影響する。それ故に、このようなエンコーダの走査光学特性は、有色性又は波長依存性と呼ばれる。したがって、これに対して使用される光源は、十分なコヒーレント長と、極めて僅かな位相雑音とを有する必要がある。このことを保証するためには、このような光源の面倒な安定化が必要である。このため、当該光源は、比較的高価である。

【0004】

別の光学式エンコーダが、本出願人の独国特許出願公開第１０２０１５２０３１８８号明細書から公知である。横方向の測定方向又は移動方向に沿った走査装置と測定スケールとの相対移動に関する位置情報と、さらに縦方向の測定方向又は移動方向に沿った走査装置と測定スケールとの相対移動に関する位置情報とが、当該光学式エンコーダによって取得され得る。この場合、走査光学系が、当該測定スケールの表面に対して平行に指向されていて、測定目盛の格子ベクトルに対して直角に延在する回転軸を中心にして当該測定スケールに対して所定の傾斜角度だけ傾けられる。当該測定スケールに対する適切な傾斜角度の選択に加えて、複数の部分ビーム束が、信号を生成するための干渉する走査ビーム経路を非対称に形成するために使用されることがさらに提唱されている。これらの部分ビーム束は、当該測定目盛で非対称な回折次数、例えば＋３次／−１次の回折次数又は＋１次／０次の回折次数から発生する。しかしながら、これらの回折次数を使用する場合、信号強度が非常に小さく、及び／又は、取り付け公差が非常に小さい点が問題として実証されている。

【0005】

２つの並進移動自由度に沿った位置変化を検出するための別の光学式エンコーダが、本出願の請求項１の上位概念に記載の構成を基礎とした米国特許第８，７３０，４８５号明細書の図２から公知である。信号を生成するために測定目盛に向かって傾いて入射する１つのビーム束を使用することで、この光学式エンコーダは、当該測定目盛に対する＋１次／−１次の回折次数を使用し、したがって上記の明細書に由来する問題を回避する。しかしながら、分岐と再結合との間の異なる複数の光路長が、当該測定目盛で分岐された複数の部分ビーム束に対して発生する。その結果、位置測定が、波長の変動に依存する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】欧州特許出願公開第１７６２８２８号明細書

【特許文献2】独国特許出願公開第１０２０１５２０３１８８号明細書

【特許文献3】米国特許第８，７３０，４８５号明細書

【特許文献4】欧州特許出願公開第２８４８８９９号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の課題は、傾いた感度ベクトルを有し、許容し得る全ての走査間隔において波長の変化に対して鈍感であり、高い信号効率を有し、可能な限り大きい取り付け公差を有す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】

【0008】

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。

【0009】

本発明の光学式エンコーダの好適な構成が、従属請求項に記載されている。

【0010】

互いに相対可動な２つの物体の位置を検出するための本発明の光学式エンコーダは、一方では前記２つの物体のうちの１つの物体に結合されていて、少なくとも１つの目盛方向に沿った複数の目盛領域の周期的な配列を成す１つの測定目盛を有する１つの測定スケールを備える。他方では、他方の物体に配置された複数の光学素子を有する１つの走査装置が設けられている。１つの走査ビーム経路が、前記走査装置の前記複数の光学素子の配列及び構成によって形成され、この走査ビーム経路内では、分岐され干渉する複数の部分ビーム束が、１つの対称面に対してミラー対称に伝播し、前記測定スケール上にＶ字状に入射し、及び／又は前記測定スケールからＶ字状に戻り反射する。前記対称面が、前記測定スケールの表面に対して平行に指向されていて、前記目盛方向に対して直角に延在する１つの回転軸を中心にして前記測定スケールに対して所定の傾斜角度だけ傾いている。前記測定目盛で対称な複数の回折次数に回折される複数の部分ビーム束が干渉し、前記複数の部分ビーム束が、その分岐とその再結合との間で同じ光路長を進行する。

【0011】

特に、前記測定目盛で＋１次の回折次数と−１次の回折次数とから発生する複数の部分ビーム束が干渉する。

【0012】

この場合、前記測定目盛は、信号を生成するために使用される前記複数の回折次数の高い回折効率に最適化されている反射位相格子として形成され得る。

【0013】

さらに、前記複数の部分ビーム束の同じ光路長が、これらの部分ビーム束の分岐と再結合との間で発生するように、前記対称面に対する前記測定目盛上に入射する１つのビーム束の入射角度が選択されていることが可能である。

【0014】

この場合、前記走査装置は、複数の光学素子を有する少なくとも１つの走査板を備え得る。この場合、当該走査板は、前記対称面に対して直角に配置されている。

【0015】

さらに、前記対称面に対する前記測定目盛上に入射する１つのビーム束の入射角度は、

【0016】

【数1】

にしたがって選択されていて、
ここで
γ：＝対称面に対する測定目盛上に入射する１つのビーム束の入射角度
ｋ：＝λ／ｄ_Ｍ
λ：＝光波長
ｄ_Ｍ：＝測定目盛の目盛周期
α：＝対称面に対する測定目盛の傾斜角度
であることが提唱され得る。

【0017】

前記走査装置内に配置された１つの走査板が透過性に配置されていて、２つの第１走査格子及び２つの第２走査格子が、前記走査板の前記測定スケールに面した側面上に配置されていて、２つの反射器が、当該側面に対して反対の側面上に配置されていて、前記反射器の反射面が、前記測定スケールの方向に指向されていることも可能である。

【0018】

この場合、１つの光源から放射した１つのビーム束が、
−前記測定目盛上に当たり、この測定目盛上で２つの異なる対称な回折次数に相当する２つの部分ビーム束に分岐し、前記走査装置に向かってＶ字状に戻り反射し、
−当該戻り反射した両部分ビーム束、前記走査装置内で前記２つの第１走査格子を前記２つの反射器の方向に透過し、このときに、入射方向に対して反平行に指向した回折作用と、専ら前記目盛方向に対して直角な集光作用とを受け、
−次いで、こうして回折され集光された複数の部分ビーム束がそれぞれ、前記反射器上に当たり、前記測定スケールの方向に戻り反射し、
−次いで、当該戻り反射した両部分ビーム束が、前記２つの第２走査格子を前記測定スケールの方向に透過し、このときに、前記目盛方向への回折作用と、専ら前記目盛方向に対して直角なコリメート作用とを受ける結果、このときに、当該両部分ビーム束が、前記測定スケールの方向にＶ字状に伝播し、
−重畳した複数の部分ビーム束が、前記測定スケールで新たに回折し、前記走査装置の方向に戻り反射するように、前記走査装置が構成され得る。

【0019】

この場合、全ての走査格子の目盛周期が、
ｄ_Ｒ＝ｄ_Ｍ・ｃｏｓα
にしたがって選択されていて、
ここで、
ｄ_Ｒ：＝走査格子の目盛周期
ｄ_Ｍ：＝測定目盛の目盛周期
α：＝対称面に対する測定目盛の傾斜角度
であることがさらに提唱され得る。

【0020】

この場合、１つの再結合格子が、前記測定スケールに面している前記走査板の側面上にさらに配置されていて、前記測定スケールから戻り反射した前記重畳した複数の部分ビーム束が、この再結合格子上に入射し、この再結合格子を透過することで重畳した部分ビーム束の複数の対に分岐され、これらの対が、空間的に分離して、位相シフトされている走査信号を生成するための複数の検出素子を有する１つの検出装置の方向に伝播することがさらに可能である。

【0021】

この場合、好ましくは、前記第１走査格子及び前記第２走査格子が、異なる目盛周期を有する結果、前記複数の部分ビーム束が、前記測定スケールでの２回目の反射後に異なる角度を成して前記再結合格子上に当たる。

【0022】

前記走査装置内に配置された１つの走査板が、透過性に形成されていて、
１つの第１走査格子及び１つの第２走査格子が、前記走査板の前記測定スケールに面した側面上に配置されていて、１つの再結合格子が、当該側面に対して反対の側面上に配置されている結果、１つの光源から放射した１つのビーム束が、
−前記測定目盛上に当たり、この測定目盛上で２つの異なる対称な回折次数に相当する２つの部分ビーム束に分岐し、前記走査装置に向かってＶ字状に戻り反射し、
−当該戻り反射した両部分ビーム束が、前記走査装置内で前記第１走査格子及び前記第２走査格子を透過し、前記再結合格子の方向に伝播し、
−新たな回折が、前記再結合格子で発生し、引き続き、重畳した部分ビーム束の複数の対が、複数の検出素子を有する１つの検出装置の方向に伝播することも可能である。

【0023】

さらに、前記走査装置が、少なくとも２つの反射器と２つのビームスプリッターキューブとを有し得る結果、１つの光源から放射した１つのビーム束が、
−前記測定目盛上に当たり、この測定目盛上で２つの異なる対称な回折次数に相当する２つの部分ビーム束に分岐し、前記走査装置に向かってＶ字状に戻り反射し、
−当該戻り反射した両部分ビーム束が、それぞれ１つの反射器によって第１の前記ビームスプリッターキューブの方向に偏向され、当該戻り反射した両部分ビーム束が、複数の偏光光学素子の透過後に第１の前記ビームスプリッターキューブで重畳し、１つの検出素子の方向に部分的に再び伝播し、第２の前記ビームスプリッターキューブの方向に部分的に再び伝播し、そして
−第２の前記ビームスプリッターキューブ内で別の複数の検出素子の方向に伝播する重畳した少なくとも２つのさらなる部分ビーム束に分岐され、
−当該分岐され重畳した複数の部分ビーム束が、前記複数の検出素子上に当たる前に複数の別の偏光光学素子をそれぞれ透過する結果、位相シフトされている走査信号が、前記複数の検出素子ごとによって生成可能である。

【0024】

さらに、前記走査装置が、少なくとも２つの反射器と３つのビームスプリッターキューブとを有する結果、１つの光源から放射した１つのビーム束が、
−１つの第１の前記ビームスプリッターキューブ内で２つの部分ビーム束に分岐され、
−次いで、当該両部分ビーム束が、それぞれ１つの反射器によって前記測定目盛の方向に偏向される結果、これらの部分ビーム束が、測定目盛の方向にＶ字状に伝播し、これらの部分ビーム束がそれぞれ、この測定目盛で対称な複数の回折次数に分岐される結果、共線状に重畳した複数の部分ビーム束が、第２の前記ビームスプリッターキューブの方向に伝播し、当該共線状に重畳した複数の部分ビーム束が、複数の偏光光学素子の透過後に前記第２の前記ビームスプリッターキューブで重畳し、１つの検出素子の方向に部分的に再び伝播し、第３の前記ビームスプリッターキューブの方向に部分的に再び伝播し、そして
−第３の前記ビームスプリッターキューブ内で別の複数の検出素子の方向に伝播する重畳した少なくとも２つのさらなる部分ビーム束に分岐され、
−当該分岐され重畳した複数の部分ビーム束が、前記複数の検出素子上に当たる前に複数の別の偏光光学素子をそれぞれ透過する結果、位相シフトされている走査信号が、前記複数の検出素子ごとによって生成可能であることが可能である。

【0025】

さらに、前記走査装置が、少なくとも２つの反射器を有し、２つの前記部分ビーム束が、これらの反射器によって測定スケールの方向に偏向され、前記対称面に対して対称に且つ前記対称面に対して所定の入射角度を成して前記測定スケール上に入射し、
前記入射角度は、

【0026】

【数2】

にしたがって選択されていて、
ここで、
β_１，２：＝入射角度
λ：＝光波長
ｄ_Ｍ：＝測定目盛の目盛周期
α：＝対称面に対する測定目盛の傾斜角度
であることが提唱され得る。

【0027】

本発明の光学式エンコーダは、傾いた感度ベクトルによる位置測定を十分な信号強度及び取り付け公差で提供する。さらに、当該測定は、波長の変化に対してほぼ鈍感である。

【0028】

本発明のさらなる詳細及び利点を、図面に関連する本発明の装置の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】

【0029】

【図1a】傾いた感度ベクトルによる本発明の光学式エンコーダの第１の実施の形態の概略断面図である。

【図1b】傾いた感度ベクトルによる本発明の光学式エンコーダの第１の実施の形態の概略断面図である。

【図1c】傾いた感度ベクトルによる本発明の光学式エンコーダの第１の実施の形態の概略断面図である。

【図2a】傾いた感度ベクトルによる本発明の光学式エンコーダの第２の実施の形態の概略断面図である。

【図2b】傾いた感度ベクトルによる本発明の光学式エンコーダの第２の実施の形態の概略断面図である。

【図2c】傾いた感度ベクトルによる本発明の光学式エンコーダの第２の実施の形態の概略断面図である。

【図3】傾いた感度ベクトルによる本発明の光学式エンコーダの第３の実施の形態の概略断面図である。

【図4】傾いた感度ベクトルによる本発明の光学式エンコーダの第４の実施の形態の概略断面図である。

【図5】傾いた感度ベクトルによる本発明の光学式エンコーダの第５の実施の形態の概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

本発明の光学式エンコーダの複数の実施の形態を図面に基づいて詳しく記載する前に、最初に、幾つかの概念を本発明に関連させて最初に説明する。

【0031】

このため、エンコーダの走査光学系についてもう一度説明する。当該光学系の場合、感度ベクトルが、測定動作中にスケールの表面に対して平行に指向されている。このような走査光学系では、一般に、１つの光源から放射した１つのビーム束が、２つの部分ビーム束に分割される。当該両部分ビーム束は、当該スケールの測定目盛で異なる回折次数に回折され、最終的に重畳されて干渉される。こうして、互いに位相シフトした複数の走査信号が生成され得る。複数の位置値が、インクリメンタル計数と補間とによって当該複数の走査信号から生成される。このような幾つかの走査光学系が、１つの対称面に対してミラー対称に当該分割から当該重畳まで進行される複数の部分ビーム束を生成する。この場合、この動作モードでは、このような複数の走査ビーム経路が、当該スケールの表面に対して直角に、したがって当該スケールの測定目盛の目盛方向に対して直角に直立している。この場合、当該目盛方向は、当該測定目盛の複数の格子線に対して常に直角に指向されている当該測定目盛の格子ベクトルに対応する。それ故に、以下では、用語の目盛方向と格子ベクトルとは、相互に同じに適用される。当該走査ビーム経路が、ミラー対称であるので、分割と再結合との間の当該複数の部分ビーム束の複数の伝播経路の長さが同じになる。当該走査光学系は、アクロマティックである。すなわち、光源の複数の波長とこれらの波長のスペクトル分布とが、個々の走査信号の位相と変調度とに影響しない。

【0032】

さらに、干渉する複数の部分ビーム束が、１つの対称面に対してミラー対称に伝播する走査光学系では、走査装置のいわゆる中立回転中心点（ｎｅｕｔｒａｌｅ Ｄｒｅｈｐｕｎｋｔ）が、スケール上に存在するように、当該走査光学系は構成される。この場合、中立回転中心点は、示された位置値が変化することなしに、当該走査装置又は当該スケールが空間内の点を中心にして傾倒され得る当該点を意味する。当該中立回転中心点を中心とした傾倒の場合、分割と再結合との間の両部分ビーム束の複数の往復伝播経路が同じままである。以下では、ミラー対称な複数の部分ビーム束と当該スケール上の中立回転中心点とによるこのような走査光学系は、対称Ｖ字状の走査光学系と呼ばれる。したがって、この表記は、走査光学系の干渉する２つの部分ビーム束が一方では１つの対称面に対してミラー対称に伝播し、他方ではスケール上の共通の１つの走査地点上にＶ字状に入射し、当該スケールからＶ字状に戻り反射するあらゆる走査光学系を示す。この場合、目盛方向に沿った又は格子ベクトルに沿ったスケール上両部分ビーム束の目標地点同士をほぼ同一にするだけで済み、当該格子ベクトルに対して直角方向の目標地点同士のずれ、又は線状の複数の目盛領域の長手方向に沿った目標地点同士のずれは重要でない。

【0033】

格子ベクトルに沿ったスケール上の両部分ビーム束の同じ又はほぼ同じ目標地点を有するこのような走査光学系の他に、中立回転中心点がスケール上に存在するその他の対称な走査光学系が存在する。欧州特許出願の欧州特許出願公開第２８４８８９９号明細書には、走査光学系の任意のビーム経路と中立回転中心点の付随する位置との間の関係の一般的な説明が明記されている。対称なビーム経路を有する別の走査光学系が、この明細書に記載されている。当該対称なビーム経路の中立回転中心点が、当該スケール上に存在する。以下では、全てのこれらの走査光学系は、対称Ｖ字状の走査光学系とも呼ばれる。

【0034】

測定スケールの表面に対して平行な感度ベクトルを有するこのような対象Ｖ字状の走査光学系の動作では、上記の対称面が、測定スケールの表面に対して直立し、当該測定スケールの測定目盛の格子ベクトルに対しても直立するように、走査装置が、測定スケールに対して指向される。このことは、走査装置と測定スケールとの平行な指向と呼ばれる。

【0035】

本発明では、このような対象Ｖ字状の走査光学系又は付随する対称面を、測定スケールに対して所定の傾斜角度αだけ回転軸を中心にして傾けるという、冒頭で述べた独国特許出願公開第１０２０１５２０３１８８号明細書で提唱されているのと同様な措置が取られる。当該回転軸は、当該測定スケールの表面に対して平行に指向されていて、当該測定スケールの測定目盛の格子ベクトルに対して直角に、すなわち当該測定目盛の目盛領域の長手延在方向に対して平行に延在する。しかしながら、独国特許出願公開第１０２０１５２０３１８８号明細書から知られた当該明細書に明記されているエンコーダとは違って、本発明によれば、干渉する非対称な回折次数から成る複数の部分ビーム束が、信号生成のために使用されない。むしろ、当該測定目盛で対称な回折次数で回折される、特に当該測定目盛で＋１次及び−１次の回折次数で発生する複数の部分ビーム束を干渉させることが提唱されている。このことは、当該測定目盛上に入射する１つのビーム束の、対称面に対する入射角度γが適切に選択されることによって達成され得る。換言すれば、傾けた照射を実行することが必要である。第２の条件として、本発明の解決策における入射角度γに対して、当該複数の部分ビーム束の同一の光波長が、これらの部分ビーム束の分割と再結合との間で発生するように、この入射角度γが選択されることを考慮する必要がある。こうして、位置測定の希望した波長の独立性又は無色性が保証され得る。

【0036】

以下に、これらの関係を本発明の光学式エンコーダの複数の実施の形態に基づいて詳しく説明する。

【0037】

図１ａ、１ｂ及び１ｃには、対称なＶ字状の走査光学系と測定スケールの表面に対して傾いた感度ベクトル

【0038】

【数3】

とを有する本発明の光学式エンコーダの第１の実施の形態の走査ビーム経路が、異なる視野で示されている。この場合、図１ａには、１つの光源から反射器２３_Ａ，２３_Ｂまでのビーム束Ｓ_ＩＮのビーム推移が、ｘｚ平面内に示されている。図１ｃは、反射器２３_Ａ，２３_Ｂから出射する信号ビーム束Ｓ_ＯＵＴのビーム推移を、同じ平面内で検出装置２５の方向に伝播する重畳した部分ビーム束によって示す。図１ｂは、ｙｚ平面内の完全な走査ビーム経路を示す。最初に、軸がｘ′、ｙ及びｚ′で示されている座標系ｘ′ｙｚ′を説明する。それぞれの図では、測定目盛１２が延在する目盛方向が、ｘ′で示されている。ｙは、当該測定目盛面内で当該測定目盛面に対して直角に指向した方向を示す。ｚ′は、当該測定目盛面に対して垂直に指向している方向を示す。

【0039】

これらの図に示されたエンコーダは、目盛方向ｘ′に沿って延在する１つの測定スケール１０と、当該測定スケール１０に対して１つの方向に少なくとも相対可動に配置されている１つの走査装置２０とを有する。測定スケール１０と走査装置２０とはそれぞれ、図に示されなかった物体、例えば互いに相対可動な機械要素に結合されている。後続配置された機械制御装置が、当該エンコーダによって生成された走査信号を用いてこれらの機械要素の空間位置を制御する。

【0040】

測定スケール１０は、１つの目盛キャリア１１から成る。１つの測定目盛１２が、この目盛キャリア１１の表面上に配置されている。この測定目盛１２は、１つの格子ベクトル又は目盛方向ｘ′に沿った複数の線状区分領域の配列を成す。これらの区分領域の長手延在方向は、図中のｙ方向相当する。当該実施の形態では、測定目盛１２は、目盛周期ｄ_Ｍを有するバイナリ式又は二段式の反射型位相格子として形成されていて、入射する光に対して異なる位相シフト作用を呈する複数の区分領域が、連続して周期的に配置されている。測定目盛１２の当該反射型位相格子は、信号を生成するために使用される回折次数の高い回折効率に対して最適化されていて、したがって主に＋１次及び−１次の回折次数に対して最適化されている。

【0041】

様々な光学素子が、走査装置２０の側面に配置されている。この場合、図１ａ〜１ｃには、これらの光学素子のうちの１つの光源２６、１つの透過型走査板２１、当該透過型走査板の上側に配置された反射器２３_Ａ，２３_Ｂ又は当該透過型走査板の下側に配置された第１走査格子２２_Ａ１，２２_Ｂ１及び第２走査格子２２_Ａ２，２２_Ｂ２及び偏向光学素子２４_Ａ，２４_Ｂ並びに検出装置２５が示されている。当該図示された実施の形態の代わりに、光源２６と検出装置２５とを走査装置２０から空間的に分離して設置し、光ファイバを用いて走査装置２０に結合することも可能である。このとき、入射するビーム束Ｓ_ＩＮ又は出射する信号ビーム束Ｓ_ＯＵＴがそれぞれ、当該光ファイバを通じて伝送される。

【0042】

走査装置２０における当該様々な光学素子の配置及び構成によって、干渉する部分ビーム束Ａ，Ｂが、対称面ＳＥに対してミラー対称に伝播する走査ビーム経路が発生することが、本発明のエンコーダごとに保証されている。この場合、これらの部分ビーム束は、測定スケール１０上にＶ字状に入射し、及び／又はこの測定スケール１０からＶ字状に戻り反射する。

【0043】

特に図１ａ及び１ｃから分かるように、走査装置２０又は対称面ＳＥは、ｙ方向の回転軸を中心にして測定スケール１０に対して傾斜角度αだけ傾いて配置されている。これに応じて、走査装置２０内に設けられている走査板２１も、傾いて、すなわち対称面ＳＥに対して直角に配置されている。この場合、傾斜角度αは、ｚ′方向に沿った当該測定スケールに対する法線と対称面ＳＥとの成す角度を示すか、又は対称面ＳＥに対する測定目盛１２の角度を示す。したがって、ｙ方向の対応する回転軸は、測定スケール１０の表面に対して平行に指向していて、ｘ′方向に指向した測定目盛１２の格子ベクトルに対して直角に延在する。次に、傾斜角度αだけ回転された座標系ｘｙｚでさらに説明する。この座標系ｘｙｚでは、走査板２１の代わりに、測定スケール１０が、傾斜角度αだけ傾斜している。

【0044】

ここでは、独国特許出願公開第１０２０１５２０３１８８号明細書から公知のシステムとは違って、光源２６から入射するビーム束Ｓ_ＩＮが対称面ＳＥに対して入射角度γを成して入射することがさらに提唱されている。このとき、当該ビーム束Ｓ_ＩＮは、透明な走査板２１を回折されずに透過した後に、測定スケール１０の測定目盛１２上の第１衝突地点Ｐ_Ｍに最初に当たる。走査装置２０に向かってＶ字状に戻り反射する２つの部分ビーム束Ａ，Ｂへの分岐が、この衝突地点Ｐ_Ｍで発生する。この場合、当該入射したビーム束Ｓ_ＩＮが、その後に信号を生成するために使用される部分ビーム束Ａ，Ｂを示す対称な回折次数ｎ_Ａ１＝＋１と回折次数ｎ_Ｂ１＝−１とに分岐される。

【0045】

入射角度γが予め設定されている場合、測定スケール１０又は測定目盛１１で反射した２つの第１回折次数（ｎ_Ａ１＝＋１，ｎ_Ｂ１＝−１）の回折角度β_２，１に対して、以下の関係式１）が得られる。
β_２，１＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎ（γ−α）±ｋ）−α （方程式１）
ここで、
β_１：＝測定スケールに対する−１次の回折次数の回折角度
β_２：＝測定スケールに対する＋１次の回折次数の回折角度
α：＝対称面に対する測定目盛の傾斜角度
γ：＝対称面に対する入射ビーム束の入射角度
ｋ：＝λ／ｄ_Ｍ
λ：＝光波長
ｄ_Ｍ：＝測定目盛の目盛周期
である。

【0046】

既に上述したように、本発明では、位置測定が波長に依存しないことが保証されている。このため、干渉する部分ビーム束Ａ，Ｂが分岐と再結合との間で同じ光路長を進行することが保証される。このことは、対称面ＳＥに対する入射光束Ｓ_ＩＮの入射角度γが適切に選択されるときに保証され得る。この場合、方程式１）と条件β_１＝−β_２（絶対値が等しい回折角度）との使用の下では、入射角度γに対して：

【0047】

【数4】

が得られる。
ここで、
γ：＝対称面に対する入射ビーム束の入射角度
ｋ：＝λ／ｄ_Ｍ
λ：＝光波長
ｄ_Ｍ：＝測定目盛の目盛周期
α：＝対称面に対する測定目盛の傾斜角度
である。

【0048】

このとき、測定目盛１１で回折され戻り反射した部分ビーム束Ａ，Ｂがそれぞれ、透明な走査板２１の下面上の第１走査格子２２_Ａ１又は２２_Ｂ１に向かって伝播し、この走査板２１を透過する。この場合、当該両第１走査格子２２_Ａ１又は２２_Ｂ１に共通の回折パターンが、複数の光学機能を兼ね備えている。

【0049】

このとき、第１走査格子２２_Ａ１又は２２_Ｂ１を透過することで、ｘｚ平面内の部分ビーム束Ａ，Ｂ（図１ａ）がそれぞれ、その入射方向に対して反平行に指向した偏向作用によってｚ方向に再び偏向される。この偏向作用を得るために必要な走査格子２２_Ａ１又は２２_Ｂ１の目盛周期ｄ_Ｒはそれぞれ、特に以下の関係式３）にしたがって選択されている：
ｄ_Ｒ＝ｄ_Ｍ・ｃｏｓα （方程式３）
ここで、
ｄ_Ｒ：＝走査格子の偏向作用にしたがう目盛周期
ｄ_Ｍ：＝測定目盛の目盛周期
α：＝対称面に対する測定目盛の傾斜角度
である。

【0050】

ｙｚ平面内では（図１ｂ）、部分ビーム束Ａ，Ｂが、第１走査格子２２_Ａ１又は２２_Ｂ１のシリンダレンズ機能によって走査板２１の上面上の反射器２３_Ａ，２３_Ｂに向かって部分的に集光される。この場合、集光作用が、専ら方向ｘに対して直角に又はｙ方向に沿って発生する。次いで、こうして回折され部分的に集光した部分ビーム束Ａ，Ｂはそれぞれ、反射器２３_Ａ，２３_Ｂ上に当たり、当該反射器２３_Ａ，２３_Ｂで測定スケール１０の方向に戻り反射する。当該両部分ビーム束Ａ，Ｂは、反射器２３_Ａ，２３_Ｂでの反射後に同様に走査板２１の下面上に配置されている２つの第２走査格子２２_Ａ２又は２２_Ｂ２を透過する。当該両第２走査格子２２_Ａ２，２２_Ｂ２はそれぞれ、両第１走査格子２２_Ａ１，２２_Ｂ１と同じ光学機能を兼ね備えている。したがって、当該両第２走査格子２２_Ａ２，２２_Ｂ２は、部分ビーム束Ａ，Ｂをシリンダレンズ機能によってｙｚ平面（図１ｂ）内で再びリコリメートし、当該部分ビーム束Ａ，Ｂをｘｚ平面（図１ｃ）内で測定スケール１０又は測定目盛１２上の共通の１つの衝突地点Ｐ_Ｍ′に向けて回折させる。この場合、当該両部分ビーム束Ａ，Ｂは、測定スケール１０の方向に又は第２衝突地点Ｐ_Ｍ′の方向にＶ字状に伝播する。当該両部分ビーム束Ａ，Ｂは、この測定スケール１０又はこの第２衝突地点Ｐ_Ｍ′で新たな回折によって対称な回折次数（ｎ_Ａ２＝＋１及びｎ_Ｂ２＝＋１）で重畳され、干渉され、そして走査装置２０及び検出装置２５の方向に信号ビーム束Ｓ_ＯＵＴの状態で伝播される。周期的で位相シフトされている複数の走査信号が、この走査装置２０及びこの検出装置２５で信号ビーム束Ｓ_ＯＵＴから得られる。

【0051】

この実施の形態では、当該位相シフトされている複数の走査信号は、偏光光学素子によって生成される。例えばレーザとして形成されて、光源２６から放射したビーム束Ｓ_ＩＮが、直線偏光を成す。当該分岐された部分ビーム束Ａ，Ｂの両ビーム経路ごとに、又は対応する干渉計のアームごとに、それぞれ１つのλ／４板２４_Ａ，２４_Ｂが、測定目盛１１と走査板２１との間に存在する。それぞれの部分ビーム束Ａ，Ｂが、当該λ／４板２４_Ａ，２４_Ｂによって右円偏向又は左円偏向される。これらの部分ビーム束Ａ，Ｂが、第２衝突地点Ｐ_Ｍ′で再結合した後に、３つの干渉ビーム束への分岐が、１つのビームスプリッタによって実行される。次いで、当該３つの干渉ビーム束は、異なって配向した３つの偏光器を透過して複数の検出素子に到達する。最終的に、これらの検出素子は、位相シフトされている走査信号を生成する。ここでは、検出装置が、図１ｂ，１ｃにおいて符号２５によって示されている。この検出装置２５は、当該ビームスプリッタと当該偏光器と当該個々の検出素子とを有する。当該ビームスプリッタと当該偏光器と当該個々の検出素子とはそれぞれ、図面では詳しく示されていない。

【0052】

本発明のエンコーダでは、図１ａ，１ｃから分かるように、走査の感度ベクトル

【0053】

【数5】

が、走査板２１に対して平行に又は測定スケール１０の表面に対して傾いて延在する。こうして、位置に依存する走査信号が、目盛方向ｘ′に沿った、又はｘ′方向に指向した測定目盛１２の格子ベクトルに沿った走査装置２０と測定スケール１０との相対移動と、当該方向に対して直角の方向ｚ′に沿った走査装置２０と測定スケール１０との相対移動との双方に対して生成される。

【0054】

したがって、走査装置２０が、当該測定スケールの表面に対して平行に、すなわち方向ｘ′に移動されると、この測定方向に対する走査信号の信号周期ＳＰ_ｘ′が、測定目盛１２の目盛周期ｄ_Ｍの４分の１、すなわち
ＳＰ_ｘ′＝１／４・ｄ_Ｍ （方程式４）
になる。
ここで、
ＳＰ_ｘ′：＝ｘ′方向の相対移動時の走査信号の信号周期
ｄ_Ｍ：＝測定目盛の目盛周期
である。

【0055】

走査装置２０が、測定スケール１０に対する法線に沿って、すなわち方向ｚ′に移動する場合、

【0056】

【数6】

ＳＰ_ｚ′：＝ｚ′方向の相対移動時の走査信号の信号周期
ｄ_Ｍ：＝測定目盛の目盛周期
α：＝対称面に対する測定目盛の傾斜角度
にしたがう信号周期ＳＰ_ｚ′が得られる。

【0057】

以下に、本発明の光学式エンコーダの第２の実施の形態を図２ａ〜２ｃに基づいて説明する。この場合、第１の実施の形態で図示したのと同様に、走査ビーム経路の様々な部分が、異なる図で示されている。以下では、第１の実施の形態に対する最も重要な相違点だけを説明する。第一に、この相違点は、位相シフトされている走査信号の生成にある。この場合、走査信号が、偏光光学式に生成されるのではなくて、むしろ当該生成のために、再結合格子（Ｖｅｒｅｉｎｉｇｕｎｇｓｇｉｔｔｅｒ）１２８が使用される。この再結合格子１２８は、走査板１２１の下面上に配置されていて、この走査板１２１の目盛周期は、測定目盛の目盛周期ｄ_Ｍよりも著しく大きい。したがって、第１の実施の形態とは違って、走査ビーム経路内に設けられているλ／４板のような偏光光学素子と偏光器とが省略される。

【0058】

図２ａに示された光源１２６から反射器１２３_Ａ，１２３_Ｂまでの部分走査ビーム経路は、図１ａによる第１の実施の形態の走査ビーム経路にほぼ同一に一致する。走査板１２０内の部分ビーム束Ａ，Ｂが、−図２ａに示されているように−若干傾いているが、対称面ＳＥに対して対称に延在するように、第１走査格子１２２_Ａ１及び１２２_Ｂ１の回折機能だけが、若干より弱く又はより強く形成されている。当該部分ビーム束Ａ，Ｂは、反射器１２３_Ａ，１２３_Ｂを経由した戻り反射後に、図２ｃに示されているように第１の実施の形態と同様に、１測定スケール１１０上の衝突地点Ｐ_Ｍ′Ａ又はＰ_Ｍ′Ｂに到達する。この場合、λ／４板の透過だけが省略されている。当該回折された複数の部分ビーム束が、２つの衝突地点Ｐ_Ｍ′Ａ又はＰ_Ｍ′Ｂから再結合格子１２８の方向に戻り反射する。

【0059】

第１の実施の形態に対するさらなる相違点としては、主に、走査板１２１の下面上の最初に透過する２つの第１走査格子１２２_Ａ１及び１２２_Ｂ１が、その後に透過する第２走査格子１２２_Ａ１及び１２２_Ｂ１の目盛周期ｄ_Ｒ２とは違う目盛周期ｄ_Ｒ１を有することが提唱されている。こうして、部分ビーム束Ａ，Ｂが、測定スケール１１０での第２の反射後に異なる角度を成して再結合格子１２８の同じ地点に当たることが保証される。干渉計の一方のアームの＋１次の回折次数の方向が、当該干渉計の他方のアームの−１次の回折次数の方向と一致するように、再結合格子１２８の目盛周期が選択される場合、部分ビーム束Ａ，Ｂが、完全に相互に干渉する。このとき、当該一方の部分ビーム束の０次の回折次数と当該他方の部分ビーム束の＋２次の回折次数とが、同じ方向を有する。このことは、当該干渉計の一方のアームの−２次の回折次数と当該干渉計の他方のアームの０次の回折次数とに対しても成立する。こうして、互いに位相シフトされている走査信号を有する全部で３つのビーム束が、再結合格子１２８の透過後に信号ビーム束Ｓ_ＯＵＴにおいて発生する。この場合、異なる回折次数のそれぞれの部分ビーム束が重畳される。直流成分のないそれぞれ９０°だけ位相シフトされている２つの走査信号が、出力側に存在するように、これらの走査信号は、検出装置１２７内の３つの検出素子によって電気信号に変換され、公知の方法で相互に結合される。

【0060】

この実施の形態では、２つの部分ビーム束Ａ，Ｂの正確な対称性が、測定スケール１１０と再結合格子１２８との間の最後の区間内で損なわれる。このため、当該両部分ビーム束Ａ，Ｂは、ほぼ同じ光路区間だけを有する。これにより、エンコーダの希望した無色性が専ら近似値的に満たされる。測定スケール１１０と走査板１２１との間の所定の間隔が、当該部分ビーム束Ａ，Ｂ間の所定の非対称性によって予め補正されるときに、当該エンコーダの無色性は、当該所定の間隔に対してさらに達成される。このことは、例えば、格子定数ｄ_Ｒ１Ａと格子定数ｄ_Ｒ１Ｂとがそれぞれ互いに異なって寸法決めされ、したがって同様に格子定数ｄ_Ｒ２Ａと格子定数ｄ_Ｒ２Ｂとがそれぞれ互いに異なって寸法決めされることによって実行され得る。これにより、異なる角度、すなわち異なる経路長が、走査板１２１内の両部分ビーム束Ａ，Ｂに対して発生する。

【0061】

当該第２の実施の形態の或るバリエーションでは、再結合格子１２８の代わりに、いわゆるパターン化された光検出器を走査ビーム経路内に配置すること、及びこの平面内で発生するストリップパターンを検出することも提唱され得る。当該パターン化された光検出器は、測定方向ｘに沿った複数の検出素子の周期的な配列から成り、位相シフトされている３つ又は４つの走査信号の生成を公知の方法で可能にする。この場合、当該パターン化された光検出器は、検出装置として機能する。

【0062】

傾いた感度ベクトル

【0063】

【数7】

を有する本発明の光学式エンコーダの第３の実施の形態のｘｚ平面の概略断面が、図３に示されている。以下に、後続する複数の例と同様に、上記の実施の形態に対する最も重要な相違点を説明する。

【0064】

この場合、偏光光学素子の省略に加えて、測定スケール２１０の簡単な走査だけが提唱されている。すなわち、光源２２６から傾いて入射するビーム束Ｓ_ＩＮが、測定目盛２１２又は測定スケール２１０の衝突地点Ｐ_Ｍに一回だけ当たる。感度ベクトル

【0065】

【数8】

が、既定の傾斜角度αだけ傾いている場合、測定スケール２１０から走査板２２１に向かって戻り反射した部分ビーム束Ａ，Ｂの２つの入射角度β_１及びβ_２が、絶対値的に等しいときに、当該走査光学系の希望した無色性が達成される。これに応じて、対称面ＳＥに対するビーム束Ｓ_ＩＮの入射角度γが、上記の方程式２）によって算定され得る。

【0066】

当該測定スケールによって回折され、走査装置２２０の方向に戻り反射した当該両部分ビーム束Ａ，Ｂは、走査格子２２２_Ａ１，２２２_Ｂ１によって対称面ＳＥの方向に戻り反射され、走査板２２１の上面上に配置されている再結合格子２２８に当たる。この場合、この再結合格子２２８の目盛周期ｄ_Ｒ２が、特に以下のように選択される：

【0067】

【数9】

ここで、
ｄ_Ｒ２：＝再結合格子の目盛周期
ｄ_Ｍ：＝測定目盛の目盛周期
α：＝対称面に対する測定目盛の傾斜角度
ａ：＝測定目盛と走査格子との間の間隔
ｂ：＝走査格子と再結合格子との間の間隔
λ：＝光波長
ｎ_ｒ：＝走査格子と再結合格子との間の媒体の屈折率
である。

【0068】

この実施の形態では、両走査格子２２２_Ａ１，２２２_Ｂ１の周期性又は目盛周期ｄ_Ｒ１が、方程式６）を使用して以下のように算定される：

【0069】

【数10】

ここで、
ｄ_Ｒ１：＝走査格子の目盛周期
ｄ_Ｍ：＝測定目盛の目盛周期
α：＝対称面に対する測定目盛の傾斜角度
ｄ_Ｒ２：＝再結合格子の目盛周期
である。

【0070】

このとき、再結合格子２２８での部分ビーム束Ａ，Ｂの再結合に加えて、重畳した部分ビーム束Ａ，Ｂの対が、信号ビーム束Ｓ_ＯＵＴとして検出装置２２５の方向に伝播する。位相シフトされている走査信号が、この検出装置２２５の複数の検出素子によって生成される。

【0071】

図３から分かるように、この実施の形態では、走査の感度ベクトル

【0072】

【数11】

が、走査板２２１に対して平行に且つ測定スケール２１０に対して傾いて延在する。したがって、位置に存する信号の生成が、ｘ′方向に沿って可能であり、ｚ′方向に沿っても可能である。

【0073】

走査装置２２０が、測定スケールの表面に対して平行に、すなわち方向ｘ′に移動すると、当該測定目盛の目盛周期ｄ_Ｍの半分に相当する走査信号の信号周期ＳＰｘ′が発生する：

【0074】

【数12】

ここで、
ＳＰ_ｘ′：＝ｘ′方向の相対移動時の走査信号の信号周期
ｄ_Ｍ：＝測定目盛の目盛周期
である。

【0075】

走査装置２２０が、測定スケール２１０に対する法線に沿って、すなわちｚ′方向に移動する場合、当該走査信号の信号周期は、

【0076】

【数13】

ここで、
ＳＰ_ｘ′：＝ｚ′方向の相対移動時の走査信号の信号周期
ｄ_Ｍ：＝測定目盛の目盛周期
α：＝対称面に対する測定目盛の傾斜角度
である。

【0077】

傾いた感度ベクトル

【0078】

【数14】

を有する本発明の光学式エンコーダの第４の実施の形態のｘｚ平面の概略断面が、図４に示されている。

【0079】

対称面ＳＥに対して入射角度γを成して入射する、レーザとして形成された光源３２６から放射されるビーム束Ｓ_ＩＮが、直線偏光を成す。当該ビーム束Ｓ_ＩＮは、測定スケール３１０の測定目盛３１２の衝突地点Ｐ_Ｍに当たり、そこで＋１次の回折次数と−１次の回折次数とに反射回折される。その後に、当該分岐された両部分ビーム束Ａ，Ｂはそれぞれ、平面鏡として形成されている反射器３２８_Ａ，３２８_Ｂ上に当たり、これらの反射器３２８_Ａ，３２８_Ｂを経由して第１ビームスプリッターキューブ３２５_１の方向に偏向される。この場合、当該部分ビーム束Ａ，Ｂはそれぞれ、第１ビームスプリッターキューブ３２５_１に到達する前にλ／４板３２４_Ａ，３２４_Ｂをさらに透過し、当該λ／４板３２４_Ａ，３２４_Ｂによって左円偏向又は右円偏向される。当該部分ビーム束Ａ，Ｂは、第１ビームスプリッターキューブ３２５_１内で重畳され、次いで１つの検出素子３２８_１の方向に部分的に伝播し、１つの第２ビームスプリッターキューブ３２５_２の方向に部分的に伝播する。さらなる２つの部分ビーム束の対へのさらなる分岐が、第２ビームスプリッターキューブ３２５_２内で発生する。次いで、こうして生成された３つの部分ビーム束の対が、３つの検出素子３２７_１〜３２７_３に到達する前に、これらの部分ビーム束の対は、図４から分かるように当該両ビームスプリッターキューブ３２５_１，３２５_２に配置されているさらに３つの偏光器３２７_１〜３２７_３を最終的に透過する。次いで、これらの偏光器３２７_１〜３２７_３は、位相シフトされている３つの走査信号を生成する。当該３つの走査信号は相互に、これらの偏光器３２７_１〜３２７_３の方向によってそれぞれ１２０°に設定されている。

【0080】

この実施の形態でも、位置測定が無色性である。何故なら、分岐と再結合との間の部分ビーム束Ａ，Ｂの進行される光路長が、同じ長さであるからである。当該同じ長さは、ここでは、測定スケール３１０から第１ビームスプリッターキューブ３２５_１までの両部分ビーム束Ａ，Ｂのビーム経路が、光学軸又は対称面ＳＥに対して対称であることによって保証される。入射角度γが、同様に上記の方程式２）にしたがって選択される。反射器３２８_Ａ及び３２８_Ｂが、対称面ＳＥに対して対称に配置されている。

【0081】

最後に、傾いた感度ベクトル

【0082】

【数15】

を有する本発明の光学式エンコーダの第５の実施の形態を、ｘｚ平面内の走査ビーム経路を示す図５の概略断面に基づいて説明する。

【0083】

当該第５の実施の形態は、第４の実施の形態とほぼ同様に構成されている。主な相違点は、走査ビーム経路内の根本的に逆にされたビーム方向にある。当該第５の実施の形態では、１つの光源４２６から放射したビーム束Ｓ_ＩＮが、１つのビームスプリッターキューブ４２４を透過して２つの部分ビーム束Ａ，Ｂに分岐される。これらの部分ビーム束Ａ，Ｂは、２つのλ／４板４２５_Ａ，４２５_Ｂによって右円偏向と左円偏向とを受ける。次いで、当該両部分ビーム束Ａ，Ｂは、反射器４２８_Ａ，４２８_Ｂを経由して測定スケール４１０に向かって偏向される。当該両部分ビーム束Ａ，Ｂは、この測定スケール４１０の測定目盛４１２上の衝突地点Ｐ_Ｍに当たる。ビームスプリッターキューブ４２４と測定スケール４１０との間の両部分ビーム束Ａ，Ｂのビーム経路は、光学軸又は対称面ＳＥに対して対称であり、したがって無色性である。この場合、照射角度又は入射角度β_１又はβ_２は、

【0084】

【数16】

にしたがって選択することができる。
ここで、
β_１，２：＝入射角度
λ：＝光波長
ｄ_Ｍ：＝測定目盛の目盛周期
α：＝対称面に対する測定目盛の傾斜角度
である。

【0085】

当該両部分ビーム束Ａ，Ｂは、測定スケール４１０又はそこに配置された測定目盛４１２で＋１次の回折次数又は−１次の回折次数に反射回折され、このときに共線状に重畳される。当該重畳された部分ビーム束は、別の２つのビームスプリッターキューブ４２７_１，４２７_２に到達する。当該重畳された部分ビーム束は、重畳された３つの部分ビーム束に分岐される。上記の実施の形態と同様に、当該３つの部分ビーム束は、偏光器４２８_１〜４２８_３によって３つの検出素子４２９_１〜４２９_３に向かって偏向される。１２０°だけ位相シフトした３つの
走査信号が、これらの検出素子４２９_１〜４２９_３で発生する。

【0086】

本発明の範囲内では、説明した実施の形態のほかに、当然に、さらに別の実施の形態の可能性がある。

【0087】

したがって、上記の直線移動を検出するためのエンコーダの代わりに、回転移動を検出するためのエンコーダを本発明にしたがって構成することも当然に可能である。このとき、対応する測定目盛は、ラジアル目盛として又はドラム目盛として形成されている。

【0088】

さらに、いわゆる十字格子目盛としての二次元パターンも、測定目盛として本発明のエンコーダで使用され得る。

【0089】

さらに、本発明の走査の無色性に起因して、レーザーダイオードの代わりに、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＥＤ）を光源として使用することも可能である。

【符号の説明】

【0090】

１０ 測定スケール
１１ 目盛キャリア
１２ 測定目盛
２０ 走査装置
２１ 走査板
２２_Ａ１ 第１走査格子
２２_Ｂ１ 第１走査格子
２２_Ａ２ 第２走査格子
２２_Ｂ２ 第２走査格子
２３_Ａ 反射器
２３_Ｂ 反射器
２４_Ａ 偏向光学素子
２４_Ｂ 偏向光学素子
２５ 検出装置
２６ 光源
１２８ 再結合格子

【図1a】

【図1b】

【図1c】

【図2a】

【図2b】

【図2c】

【図3】

【図4】

【図5】

【外国語明細書】

2019082470000001.pdf