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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-09-09
(45)【発行日】2022-09-20
(54)【発明の名称】光学式エンコーダ
(51)【国際特許分類】
G01D 5/347 20060101AFI20220912BHJP
G01D 5/244 20060101ALI20220912BHJP
G01D 5/245 20060101ALI20220912BHJP
【ＦＩ】
G01D5/347 110M
G01D5/347 110T
G01D5/244 B
G01D5/245 110B
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2018120412
(22)【出願日】2018-06-26
(65)【公開番号】P2019012066
(43)【公開日】2019-01-24
【審査請求日】2021-05-12
(31)【優先権主張番号】15/637,750
(32)【優先日】2017-06-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】15/702,520
(32)【優先日】2017-09-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】15/858,218
(32)【優先日】2017-12-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】000137694
【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ
(74)【代理人】
【識別番号】100103894
【弁理士】
【氏名又は名称】家入 健
(72)【発明者】
【氏名】ジョセフ ダニエル トバイアソン
(72)【発明者】
【氏名】ノーマン ラマン
(72)【発明者】
【氏名】木村 彰秀
(72)【発明者】
【氏名】平田 州
【審査官】吉田 久
(56)【参考文献】
【文献】特開２００５－３４３８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｄ ５／１２－５／３８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
実質的に測定軸方向に平行なスケール面に配列され、前記測定軸方向に細く、前記測定軸方向と交差するスケール格子バー方向に長く、前記測定軸方向にスケールピッチPSFで周期的に配列されたスケール格子バーで構成されるスケール格子を有する、前記測定軸方向に延在するスケールと、光を出力する光源と、前記光が入力され、前記測定軸方向に細く、前記測定軸方向と交差する方向に向いた照明干渉縞方向に長い縞で構成される照明干渉縞パターンを有する構造化照明を、光源光経路ＳＯＬＰを介して、前記スケール面の照明領域へ出力する構造化照明生成部と、を有する照明光源と、
前記測定軸方向と交差する検出干渉縞移動方向に検出器ピッチＰＤで配列されたＮ個の空間位相検出器からなるセットを有し、前記空間位相検出器のそれぞれは空間位相検出器信号を与えるように構成され、少なくとも過半数の前記空間位相検出器は、比較的長い寸法にわたって前記測定軸方向に延在し、前記測定軸方向と交差する前記検出干渉縞移動方向に比較的細く、前記Ｎ個の空間位相検出器からなるセットは、空間位相列に、前記検出干渉縞移動方向に沿って配列される、光検出器構造と、を備え、
前記スケール格子は、前記照明領域に前記照明干渉縞パターンが入力され、前記光検出器構造に干渉縞パターンを形成するスケール光を、スケール光経路ＳＣＬＰを介して出力し、前記干渉縞パターンは、比較的長い寸法にわたって前記測定軸方向に延在し、前記測定軸方向と交差する前記検出干渉縞移動方向に比較的細く、かつ、検出干渉縞周期ＰＤＦの周期性を有する、周期的な高光強度及び低光強度のバンドで構成され、
前記スケール格子バーは、光源光経路ＳＯＬＰ及びスケール光経路ＳＣＬＰによって定義されるリードヘッド面ＲＨＰに対して０以外のヨー角ψＳＣをなす方向に向いており、
前記構造化照明生成部は、
第１インデックス面に第１インデックスピッチＰ１で周期的に配列され、前記測定軸方向に細く、前記測定軸方向と交差し、かつ、前記リードヘッド面ＲＨＰに対して角度ψ１だけ回転している第１インデックス格子バー方向に延在する第１照明光源格子バーで構成される第１照明光源回折格子と、
前記第１インデックス面と平行な第２インデックス面に第２インデックスピッチＰ２で周期的に配列され、前記測定軸方向に細く、前記測定軸方向と交差し、かつ、前記リードヘッド面ＲＨＰに対して角度ψ２だけ回転している第２のインデックス格子バー方向に延在する第２照明光源格子バーで構成される第２照明光源回折格子と、を備え、
前記検出干渉縞周期ＰＤＦと前記測定軸方向と交差する前記検出干渉縞移動方向とは、少なくとも部分的に前記０以外のヨー角ψＳＣに依存し、
前記高光強度及び低光強度のバンドは、前記スケール格子が前記測定軸方向に変位するにつれて、前記測定軸方向と交差する前記検出干渉縞移動方向に移動し、
前記光検出器構造は、前記測定軸方向と交差する前記検出干渉縞移動方向での前記高光強度及び低光強度のバンドの変位を検出し、かつ、スケールの変位を示す空間位相変位信号を与える、
光学式エンコーダ。
【請求項2】
前記第１照明光源回折格子及び第２照明光源回折格子は、位相格子である、請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項3】
前記検出干渉縞周期ＰＤＦは、４０μｍ以上である、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、一般に、精密な位置又は変位の測定装置に関し、特に、スケールの汚染部分又は欠陥部分による誤差への耐性を有する信号処理を行うエンコーダに関する。
【背景技術】
【0002】
光学式位置エンコーダは、リードヘッドにより検出されるパターンを有するスケールに対する、リードヘッドの変位を決定する。典型的には、位置エンコーダは、周期的パターンを有する少なくとも１つのスケールトラックを有する。スケールから生じる信号は、スケールトラックに沿う方向のリードヘッドの変位又は位置の関数として周期的である。アブソリュート型の位置エンコーダは、複数のスケールトラックを用いることで、アブソリュートスケールに沿う方向の各位置において特定の信号の組み合わせを与えることができる。
【0003】
光学式エンコーダは、インクリメンタル又はアブソリュート位置スケール構造を用いることができる。インクリメンタル位置スケール構造では、スケールに沿う方向の初期位置からスタートして、変位のインクリメンタル単位を累積することで、スケールに対するリードヘッドの変位を決定することができる。このようなエンコーダは、特定の用途、特に商用電力が使用できる場合に適している。低消費電力用途（例えば、バッテリーから電源供給を受けるゲージなど）では、アブソリュート位置スケール構造を用いことがより望ましい。アブソリュート位置スケール構造は、スケールに沿う方向の各位置において、特定の出力信号又は信号の組み合わせを与える。よって、アブソリュート位置スケール構造には、様々な電力節約方式が適用できる。特許文献１～１１には、アブソリュート位置エンコーダに関する様々なエンコーダ構造及び信号処理技術の一方又は両方が開示されている。これらの文献を参照することで、これらの文献は全体的に本明細書に取り込まれる。
【0004】
照明部で照明光源回折格子を用いることで、特定の利点を実現するエンコーダ構造が存在する。特許文献１２～１５には、このようなエンコーダ構造が開示されている。これらの特許で開示された構造は、超解像モアレ結像を利用するもとのとして特徴づけることができる。
【0005】
様々な用途においては、スケールトラック上の埃や油などのスケールの製造欠陥又は汚染は、リードヘッドにより検出されるパターンを乱し、その結果として得られる位置又は変位測定結果には誤差が生じる。一般に、欠陥又は汚染による誤差の大きさは、欠陥又は汚染の大きさ、スケール上の周期的パターンの波長、リードヘッドの検出領域の大きさ、これらの大きさの間の関連性などの要素に依存する。エンコーダでの異常信号に対応する様々な手法が知られている。これらの方法のほぼ全ては、エンコーダ信号の無効化、ユーザに警告する「エラー信号」の提供、低レベルの信号を増幅するための光源強度の調整などに基づいている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】米国特許第３，８８２，４８２号明細書
【文献】米国特許第５，９６５，８７９号明細書
【文献】米国特許第５，２７９，０４４号明細書
【文献】米国特許第５，８８６，５１９号明細書
【文献】米国特許第５，２３７，３９１号明細書
【文献】米国特許第５，４４２，１６６号明細書
【文献】米国特許第４，９６４，７２７号明細書
【文献】米国特許第４，４１４，７５４号明細書
【文献】米国特許第４，１０９，３８９号明細書
【文献】米国特許第５，７７３，８２０号明細書
【文献】米国特許第５，０１０，６５５号明細書
【文献】米国特許第８，９４１，０５２号明細書
【文献】米国特許第９，０１８，５７８号明細書
【文献】米国特許第９，０２９，７５７号明細書
【文献】米国特許第９，０８０，８９９号明細書
【文献】特開２００３－６５８０３号公報
【文献】米国特許第８，４９３，５７２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、上記したような方法は、ある種のスケールの欠陥や汚染に起因する異常信号にかかわらず正確な測定動作を継続できる手段を与えるものではない。よって、これらの方法は、用途に制限がある。スケールの汚染や欠陥による測定精度への影響を軽減する既知の手法が、特許文献１６に開示されている。特許文献１６は、複数の光検出器が同じ位相を有する周期的な信号を出力する手法を提案しており、これらの信号のそれぞれは、信号安定度判定手段に入力される。信号安定度判定手段は、「正常」と判定された信号のみを出力し、「正常」な信号は合成されて、位置測定の基礎となる。「異常」な信号は、位置測定演算から取り除かれる。しかし、特許文献１６に開示された「正常」及び「異常」な信号を判定する手法には、特許文献１６の開示の利用が制限されるという欠点を有する。
【0008】
特許文献１７には、汚染の影響を受けていない光検出器からの信号を選択する手段を与える、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造が開示されている。しかし、特許文献１７の構造は、用途によっては望ましくない複雑な信号処理に依存している。
【0009】
複雑な信号処理を要することなく、ある種のスケールの欠陥や汚染に起因する異常信号を防止又は緩和する高精度な測定動作をもたらす改良手法が望まれる。
【0010】
本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の一態様である光学式エンコーダは、
実質的に測定軸方向に平行なスケール面に配列され、前記測定軸方向に細く、前記測定軸方向と交差するスケール格子バー方向に長く、前記測定軸方向にスケールピッチPSFで周期的に配列されたスケール格子バーで構成されるスケール格子を有する、前記測定軸方向に延在するスケールと、
光を出力する光源と、前記光が入力され、前記測定軸方向に細く、前記測定軸方向と交差する方向に向いた照明干渉縞方向に長い縞で構成される照明干渉縞パターンを有する構造化照明を、光源光経路ＳＯＬＰを介して、前記スケール面の照明領域へ出力する構造化照明生成部と、を有する照明光源と、
前記測定軸方向と交差する検出干渉縞移動方向に検出器ピッチＰＤで配列されたＮ個の空間位相検出器からなるセットを有し、前記空間位相検出器のそれぞれは空間位相検出器信号を与えるように構成され、少なくとも過半数の前記空間位相検出器は、比較的長い寸法にわたって前記測定軸方向に延在し、前記測定軸方向と交差する前記検出干渉縞移動方向に比較的細く、前記Ｎ個の空間位相検出器からなるセットは、空間位相列に、前記検出干渉縞移動方向に沿って配列される、光検出器構造と、を有し、
前記スケール格子は、前記照明領域に前記照明干渉縞パターンが入力され、前記光検出器構造に干渉縞パターンを形成するスケール光を、スケール光経路ＳＣＬＰを介して出力し、前記干渉縞パターンは、比較的長い寸法にわたって前記測定軸方向に延在し、前記測定軸方向と交差する前記検出干渉縞移動方向に比較的細く、かつ、検出干渉縞周期ＰＤＦの周期性を有する、周期的な高光強度及び低光強度のバンドで構成され、
前記スケール格子バーは、光源光経路ＳＯＬＰ及びスケール光経路ＳＣＬＰによって定義されるリードヘッド面ＲＨＰに対して０以外のヨー角ψＳＣをなす方向に向いており、
前記構造化照明生成部は、
第１インデックス面に第１インデックスピッチＰ１で周期的に配列され、前記測定軸方向に細く、前記測定軸方向と交差し、かつ、前記リードヘッド面ＲＨＰに対して角度ψ１だけ回転している第１インデックス格子バー方向に延在する第１照明光源格子バーで構成される第１照明光源回折格子と、
前記第１インデックス面と平行な第２インデックス面に第２インデックスピッチＰ２で周期的に配列され、前記測定軸方向に細く、前記測定軸方向と交差し、かつ、前記リードヘッド面ＲＨＰに対して角度ψ２だけ回転している第２のインデックス格子バー方向に延在する第２照明光源格子バーで構成される第２照明光源回折格子と、を備え、
前記検出干渉縞周期ＰＤＦと前記測定軸方向と交差する前記検出干渉縞移動方向とは、少なくとも部分的に前記０以外のヨー角ψＳＣに依存し、
前記高光強度及び低光強度のバンドは、前記スケール格子が前記測定軸方向に変位するにつれて、前記測定軸方向と交差する前記検出干渉縞移動方向に移動し、
前記光検出器構造は、前記測定軸方向と交差する前記検出干渉縞移動方向での前記高光強度及び低光強度のバンドの変位を検出し、かつ、スケールの変位を示す空間位相変位信号を与える、ものである。
実質的に測定軸方向に平行なスケール面に配列され、前記測定軸方向に細く、前記測定軸方向と交差するスケール格子バー方向に長く、前記測定軸方向にスケールピッチPSFで周期的に配列されたスケール格子バーで構成されるスケール格子を有する、前記測定軸方向に延在するスケールと、
光を出力する光源と、前記光が入力され、前記測定軸方向に細く、前記測定軸方向と交差する方向に向いた照明干渉縞方向に長い縞で構成される照明干渉縞パターンを有する構造化照明を、光源光経路ＳＯＬＰを介して、前記スケール面の照明領域へ出力する構造化照明生成部と、を有する照明光源と、
前記測定軸方向と交差する検出干渉縞移動方向に検出器ピッチＰＤで配列されたＮ個の空間位相検出器からなるセットを有し、前記空間位相検出器のそれぞれは空間位相検出器信号を与えるように構成され、少なくとも過半数の前記空間位相検出器は、比較的長い寸法にわたって前記測定軸方向に延在し、前記測定軸方向と交差する前記検出干渉縞移動方向に比較的細く、前記Ｎ個の空間位相検出器からなるセットは、空間位相列に、前記検出干渉縞移動方向に沿って配列される、光検出器構造と、を有し、
前記スケール格子は、前記照明領域に前記照明干渉縞パターンが入力され、前記光検出器構造に干渉縞パターンを形成するスケール光を、スケール光経路ＳＣＬＰを介して出力し、前記干渉縞パターンは、比較的長い寸法にわたって前記測定軸方向に延在し、前記測定軸方向と交差する前記検出干渉縞移動方向に比較的細く、かつ、検出干渉縞周期ＰＤＦの周期性を有する、周期的な高光強度及び低光強度のバンドで構成され、
前記スケール格子バーは、光源光経路ＳＯＬＰ及びスケール光経路ＳＣＬＰによって定義されるリードヘッド面ＲＨＰに対して０以外のヨー角ψＳＣをなす方向に向いており、
前記構造化照明生成部は、
第１インデックス面に第１インデックスピッチＰ１で周期的に配列され、前記測定軸方向に細く、前記測定軸方向と交差し、かつ、前記リードヘッド面ＲＨＰに対して角度ψ１だけ回転している第１インデックス格子バー方向に延在する第１照明光源格子バーで構成される第１照明光源回折格子と、
前記第１インデックス面と平行な第２インデックス面に第２インデックスピッチＰ２で周期的に配列され、前記測定軸方向に細く、前記測定軸方向と交差し、かつ、前記リードヘッド面ＲＨＰに対して角度ψ２だけ回転している第２のインデックス格子バー方向に延在する第２照明光源格子バーで構成される第２照明光源回折格子と、を備え、
前記検出干渉縞周期ＰＤＦと前記測定軸方向と交差する前記検出干渉縞移動方向とは、少なくとも部分的に前記０以外のヨー角ψＳＣに依存し、
前記高光強度及び低光強度のバンドは、前記スケール格子が前記測定軸方向に変位するにつれて、前記測定軸方向と交差する前記検出干渉縞移動方向に移動し、
前記光検出器構造は、前記測定軸方向と交差する前記検出干渉縞移動方向での前記高光強度及び低光強度のバンドの変位を検出し、かつ、スケールの変位を示す空間位相変位信号を与える、ものである。
【0012】
本発明によれば、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダを提供することができる。
【0013】
本発明の上述及び他の目的、特徴、及び長所は以下の詳細な説明及び付随する図面からより完全に理解されるだろう。付随する図面は図解のためだけに示されたものであり、本発明を制限するためのものではない。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造１００の部分的かつ模式的な立体分解図である。
【図2】変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造２００の部分模式図である。
【図3】耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造３００の光検出器構造３６０の部分模式図である。
【図4A】耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造４００Ａの光検出器構造４６０Ａの部分模式図である。
【図4B】耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造４００Ｂの光検出器構造４６０Ｂの部分模式図である。
【図5】変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造５００の追加実施例の部分模式図である。
【図6A】図５の光検出器構造５６０に類似する光検出器構造６６０の近傍での、検出器干渉縞パターン５３５と類似の又は同じ検出器干渉縞パターン６３５を形成するスケール光成分ＳＬ１及びＳＬ２の模式的な第１の図である。
【図6B】干渉縞パターン６３５を形成するスケール光成分ＳＬ１及びＳＬ２の模式的な第２の図である。
【図10】変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造１０００の追加実施例の部分模式図である。
【図11A】第１照明光源回折格子１０４０の模式図である。
【図11B】第２照明光源回折格子１０５０の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。
【0016】
以下では、変位信号を与える、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造が開示されている。以下では、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造は、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダの構造を示すものとして理解されるべきである。
【0017】
図１は、変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造１００の部分的かつ模式的な立体分解図である。エンコーダ構造１００は、スケール格子１１０、照明部１２０及び光検出器構造１６０を有する。
【0018】
図１には、慣習に則り、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向を表示している。Ｘ方向及びＹ方向はスケール格子１１０の面に対して平行であり、Ｘ方向は測定軸方向ＭＡに対して平行である（例えば、Ｘ方向は、スケール格子１１０の細長のパターン要素に対して直交している）。Ｚ方向は、スケール格子１１０の面に対して垂直である。
【0019】
図１に示す実施例では、スケール格子１１０は透過回折格子である。スケール格子１１０は、測定軸方向ＭＡに延在している。スケール格子１１０は、測定軸方向ＭＡに周期的に配置された、測定軸方向ＭＡに細く、かつ、測定軸方向ＭＡに直交する方向（すなわち、Ｙ方向）に長いバーで構成される周期的パターンを有する。
【0020】
照明部１２０は、照明光源１３０、第１の照明格子１４０及び第２の照明格子１５０を有する。照明光源１３０は、光源１３１及びコリメートレンズ１３２を有する。光源１３１は、コリメートレンズ１３２へ光源光１３４を出力するように構成される。コリメートレンズ１３２は、光源光１３４を受け取り、コリメートされた光源光１３４’を第１の照明格子１４０へ出力するように構成される。第１の照明格子１４０は、光源光１３４’を受け取り、第２の照明格子１５０へ向けて光源光１３４’を回折させる。第２の照明格子１５０は、光源光１３４’を受け取り、光源光経路ＳＯＬＰへ沿う経路を介して、スケール格子１１０へ向けて、光源光１３４’をさらに回折させる。スケール格子１１０は、光源光経路ＳＯＬＰに沿った光源光１３４’を入力とし、周期的スケール光パターン１３５を有するスケール光を、スケール光経路ＳＣＬＰに沿う経路を介して、光検出器構造１６０へ出力する。光検出器構造１６０は、スケール光経路ＳＣＬＰに沿う経路を介して、スケール格子１１０から周期的スケール光パターン１３５を受け取る。周期的スケール光パターン１３５は、スケール格子１１０と光検出器構造１６０との間の測定軸方向ＭＡでの相対的変位に応じて、光検出器構造１６０上を移動する。光検出器構造１６０に類似する光検出器構造の例を、図３に詳細に示す。光検出器構造１６０は、空間位相列に、測定軸方向ＭＡと交差する方向（すなわち、Ｙ方向）に沿って配列された、Ｎ個の空間位相検出器からなるセットを有する。但し、Ｎは、６以上の整数である。空間位相列は、測定軸方向ＭＡと交差する方向の始まり及び終わりに位置する２つの外側空間位相検出器と、２つの外側空間位相検出器の間に位置する空間位相検出器の内側の群と、を有する。図１に示す実施例では、Ｎ個の空間位相光検出器からなるセットは、同じサブセット空間位相列を有する３つの空間位相検出器のサブセットＳ１、Ｓ２及びＳ３を有する。
【0021】
空間位相検出器のそれぞれの少なくとも過半数は、測定軸方向ＭＡに比較的長く、測定軸方向ＭＡに直交する方向（すなわちＹ方向）に比較的細い。空間位相検出器のそれぞれの少なくとも過半数は、周期的なスケール光パターンに応じた空間位相検出器の空間位相のそれぞれに対応して配置された、測定軸方向ＭＡに沿って空間周期的なスケール光受光領域を有し、かつ、それぞれ空間位相検出器信号を与えるように構成される。空間位相列内では、内側の群の空間位相検出器のそれぞれは、当該空間位相検出器とは異なる空間位相を有する空間位相検出器によって先行され、かつ、後続される。先行及び後続する空間位相検出器は、それぞれ異なる空間位相を有する。換言すれば、１つの空間位相検出器に注目した場合、注目した空間位相検出器は、測定軸方向ＭＡと交差する方向で、後続する１又は複数の空間位相検出器と、先行する１又は複数の空間位相検出器とによって挟まれている。但し、内側の群において測定軸方向ＭＡと交差する方向の端部に設けられた空間位相検出器に注目した場合、注目した空間位相検出器は、１つの外側位相検出と、内側の群に属するその他の空間位相検出器とによって挟まれることとなる。
【0022】
様々な用途においては、光検出器構造１６０及び照明部１２０は、例えばリードヘッド又はゲージハウジング（不図示）内で、互いに固定的な関係を有するように実装されてもよい。既知の技術により、光検出器構造１６０及び照明部１２０は、ベアリングシステムによってスケール格子１１０に対して測定軸方向ＭＡにガイドされる。スケール格子１１０は、様々な用途において、可動ステージやゲージスピンドルなどに取り付けられてもよい。
【0023】
耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造１００は、本明細書で開示する原理に応じた耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造の一例に過ぎないことは、言うまでもない。変形例においては、テレセントリック結像システム及び開口絞りなどの各種の光学部品を利用してもよい。変形例においては、照明部は、１つの照明格子のみを有していてもよい。
【0024】
図２は、変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造２００の部分模式図である。耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造２００は、エンコーダ構造１００と同様である。近似した符号である図２の２ＸＸ及び図１の１ＸＸは、特に断らない限り、同様の要素を示すものとする。図２に示すエンコーダ構造２００は、反射型構造である。スケール２１０は、反射型スケール格子である。
【0025】
図３は、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造３００の光検出器構造３６０の部分模式図である。耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造３００は、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造１００又は耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造２００と同様であってもよい。光検出器構造３６０は、空間位相列に、測定軸方向ＭＡと交差する方向に沿って配列された、Ｎ個の空間位相検出器からなるセットを有する。但し、Ｎは、６以上の整数である。空間位相列は、測定軸方向ＭＡと交差する方向の始まり及び終わりに位置する２つの外側空間位相検出器と、２つの外側空間位相検出器の間に位置する空間位相検出器の内側の群と、を有する。空間位相検出器のそれぞれの過半数は、測定軸方向ＭＡに比較的長く、測定軸方向ＭＡに直交する方向に比較的細い。空間位相検出器のそれぞれの少なくとも過半数は、周期的なスケール光パターンに応じた空間位相検出器の空間位相のそれぞれに対応して配置された、測定軸方向ＭＡに沿って空間周期的なスケール光受光領域を有し、かつ、それぞれ空間位相検出器信号を与えるように構成される。空間位相列内では、内側の群の空間位相検出器のそれぞれは、当該空間位相検出器とは異なる空間位相を有する空間位相検出器によって先行され、かつ、後続される。先行及び後続する空間位相検出器は、それぞれ異なる空間位相を有する。換言すれば、１つの空間位相検出器に注目した場合、注目した空間位相検出器は、測定軸方向ＭＡと交差する方向で、後続する１又は複数の空間位相検出器と、先行する１又は複数の空間位相検出器とによって挟まれている。但し、内側の群において測定軸方向ＭＡと交差する方向の端部に設けられた空間位相検出器に注目した場合、注目した空間位相検出器は、１つの外側位相検出と、内側の群に属するその他の空間位相検出器とによって挟まれることとなる。
【0026】
実施例においては、Ｎ個の空間位相光検出器からなるセットは、少なくとも空間位相検出器のＭ個のサブセットを有してもよい。但し、Ｍは、２以上の整数である。Ｍ個のサブセットのそれぞれは、それぞれの空間位相を与える、Ｎ個の空間位相光検出器からなるセットに含まれる空間位相検出器を有する。実施例においては、Ｍは３以上としてもよい。実施例においては、Ｍは６以上としてもよい。実施例においては、空間位相検出器のＭ個のサブセットのそれぞれは、同じ空間位相列サブセットに配列された、同じ空間位相を与える空間位相検出器を含んでもよい。図３は、Ｓ１～ＳＭで示される空間位相検出器のＭ個のサブセットの実施例を示す。サブセットＳ１は、空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ、ＳＰＤ１Ｂ、ＳＰＤ１Ｃ及びＳＰＤ１Ｄを有する。サブセットＳ２は、空間位相検出器ＳＰＤ２Ａ、ＳＰＤ２Ｂ、ＳＰＤ２Ｃ及びＳＰＤ２Ｄを有する。サブセットＳＭは、空間位相検出器ＳＰＤＭＡ、ＳＰＤＭＢ、ＳＰＤＭＣ及びＳＰＤＭＤを有する。図３の空間位相検出器のそれぞれは、Ｋ個のスケール光受光領域を有するものとして表されている。スケール光受光領域の例として、空間位相検出器ＳＰＤＭＤは、スケール光受光領域ＳＬＲＡＭ１及びＳＬＲＡＭＫでラベルリングされている。実施例においては、Ｋは偶数値であってもよい。
【0027】
図３に示す実施例においては、空間位相列は、下付文字Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを含む空間位相検出器（例えば、空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ、ＳＰＤ１Ｂ、ＳＰＤ１Ｃ及びＳＰＤ１Ｄ）で表されている。下付文字Ａ及びＤが付された空間位相検出器は、空間位相列の各例の始まり及び終わりに位置する２つの外側空間位相検出器である。下付文字Ｂ及びＣが付された空間位相検出器は、内側の群である。
【0028】
空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ、ＳＰＤ１Ｂ、ＳＰＤ１Ｃ及びＳＰＤ１Ｄは、それぞれ空間位相検出器信号Ａ１、Ｂ１、Ｃ１及びＤ１を出力する。空間位相検出器ＳＰＤ２Ａ、ＳＰＤ２Ｂ、ＳＰＤ２Ｃ及びＳＰＤ２Ｄは、それぞれ空間位相検出器信号Ａ２、Ｂ２、Ｃ２及びＤ２を出力する。空間位相検出器ＳＰＤＭＡ、ＳＰＤＭＢ、ＳＰＤＭＣ及びＳＰＤＭＤは、それぞれ空間位相検出器信号ＡＭ、ＢＭ、ＣＭ及びＤＭを出力する。
【0029】
本明細書に開示された原理にかかる耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造は、１００μｍの大きさの汚染（例えば、ワイヤボンディング汚染）や３００μｍの大きさのスケール欠陥を許容できる、単純な設計を提供する。スケール上の汚染又は欠陥は、典型的には、信号処理（例えば、直交処理）で相殺し得る、隣接する空間位相検出器でのコモンモード誤差成分を生じる。測定軸方向ＭＡに比較的長く、測定軸方向ＭＡに直交する方向に比較的細い空間位相検出器は、より良好な耐汚染性及び耐欠陥性をもたらす。測定軸方向ＭＡでの空間位相検出器の構造周波数を減少させることで、信号レベルの変化をより緩やかにすることができる。また、このようなエンコーダは、耐汚染性及び耐欠陥性を与えるための複雑な信号処理を行う必要が無い。Ｎ個の空間位相検出器からなるセットにより与えられる信号は、当業者に知られている標準的な技術に基づいて処理してもよい。
【0030】
図３に示すような実施例においては、Ｎは８以上であり、空間位相検出器サブセットのそれぞれは、それぞれ９０度ずつ離れた空間位相を有する４つの空間位相検出器を有してもよい。変形例においては、空間位相検出器サブセットのそれぞれは、それぞれ１２０度ずつ離れた空間位相を有する３つの空間位相検出器を有してもよい。
【0031】
図３に示す実施例では、光検出器構造３６０は、同じ空間位相に対応する空間位相検出器信号を合成し、かつ、合成した信号のそれぞれを空間位相位置信号として出力するように構成された接続部を有する。光検出器構造３６０は、９０度ずつ離れた空間位相に対応する４つの空間位相位置信号を出力するように構成される。同じ文字表記が付された空間位相信号（例えば、Ａ１、Ａ２及びＡＭ）は、空間位相信号ΣＡ、ΣＢ、ΣＣ及びΣＤを与えるように合成（例えば加算）される。変形例においては、光検出器構造は、１２０度ずつ離れた空間位相に対応する３つの空間位相位置信号を出力するように構成されてもよい。他の場合においては、更に、空間位相位置信号は、例えば直交信号処理又は三相信号処理よって変位信号を決定するのに用いられてもよい。
【0032】
変形例においては、空間位相検出器のそれぞれは、測定軸方向ＭＡに比較的長く、測定軸方向ＭＡに直交する方向に比較的細い。空間位相検出器のそれぞれの少なくとも過半数は、周期的なスケール光パターンに応じた空間位相検出器の空間位相のそれぞれに対応して配置された、測定軸方向ＭＡに沿って空間周期的なスケール光受光領域を有し、かつ、それぞれ空間位相検出器信号を与えるように構成される。
【0033】
実施例においては、Ｎ個の空間位相検出器それぞれのスケール光受光領域のＹ方向の寸法ＹＳＬＲＡは、最大で２５０μｍとすることができる。実施例においては、ＹＳＬＲＡは、５μｍ以上であってもよい。
【0034】
実施例においては、Ｎ個の空間位相検出器の隣接ペアにおけるスケール光受光領域間のＹ方向の距離ＹＳＥＰは、最大で２５μｍとすることができる。
【0035】
実施例においては、Ｎ個の空間位相検出器のそれぞれのスケール光受光領域の寸法ＹＳＬＲＡは、Ｙ方向で同じである。実施例においては、Ｎ個の空間位相検出器の隣接ペアにおけるスケール光受光領域間のＹ方向の距離ＹＳＥＰは、同じである。
【0036】
Ｎの値を大きくすることで汚染に対してより耐性が増す一方で、Ｎの値を大きくすることで空間位相検出器のそれぞれの信号レベルが小さくなってしまうトレードオフの関係が存在することは、言うまでもない。
【0037】
図４Ａは、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造４００Ａの光検出器構造４６０Ａの部分模式図である。簡略化のため、図４Ａは、２つの空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ及びＳＰＤ１Ｂを有する、１つの空間位相検出器サブセットＳ１のみを示している。光検出器構造４６０Ａは、本明細書で開示される原理に基づいた少なくとも６つの空間位相検出器を有しているが、簡略化のため２つしか表されていないことは、言うまでもない。図４Ａに示す実施例では、Ｎ個の空間位相検出器（例えば、空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ及びＳＰＤ１Ｂ）のそれぞれは、空間位相マスク（例えば、位相マスクＰＭ１Ａ及びＰＭ１Ｂ）で覆われた光検出器（例えば、破線で示されるＰＤ１Ａ及びＰＤ１Ｂ）を有する。空間位相マスクは、空間位相マスクに設けられた開口を通るものを除いて、光検出器が周期的なスケール光パターンを受光しないように、スケール光パターンを遮断する。この場合、スケール光受光領域は、空間位相マスク（例えば、空間位相マスクＰＭ１Ａ及びＰＭ１Ｂ）のそれぞれの開口を通じて暴露された光検出器（例えば、光検出器ＰＤ１Ａ及びＰＤ１Ｂ）を有する。図４Ａに示す実施例では、位相マスクＰＭ１Ｂのスケール光受光領域（すなわち、開口）は、位相マスクＰＭ１Ａのスケール光受光領域に対して、測定軸方向ＭＡに９０度オフセットされている。図４Ａでは空間位相マスクＰＭ１Ａ及びＰＭ１Ｂが模式的に離隔した部分として表示されているが、実施例においては、潜在的な位置決め誤差を無くすため、適宜、同じ材料及び同じ工程で作製されてもよいことは、言うまでもない。
【0038】
図４Ｂは、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造４００Ｂの光検出器構造４６０Ｂの部分模式図である。簡略化のため、図４Ｂは、２つの空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ’及びＳＰＤ１Ｂ’を有する、１つの空間位相検出器サブセットＳ１’のみを示している。光検出器構造４６０Ｂは、本明細書で開示される原理に基づいた少なくとも６つの空間位相検出器を有しているが、簡略化のため２つしか表されていないことは、言うまでもない。図４Ｂに示す実施例では、Ｎ個の空間位相検出器（例えば、空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ’及びＳＰＤ１Ｂ’）のそれぞれは、周期的なスケール光パターンを受け取る電気的かつ相互的に接続された光検出器領域の周期的なアレイを有する。この場合、スケール光受光領域は、光検出器の周期的なアレイである光検出器領域を有する。図４Ｂに示す実施例では、空間位相検出器 ＳＰＤ１Ｂ’の光検出器領域は、空間位相検出器 ＳＰＤ１Ａ’の光検出器領域に対して、測定軸方向ＭＡに９０度オフセットされている。
【0039】
図５は、変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造５００の追加実施例の部分模式図である。エンコーダ構造５００では、検出対象である周期的スケール光パターン５３５は、検出器干渉縞パターン５３５で構成される。検出器干渉縞パターン５３５は、比較的長い寸法にわたって測定軸方向ＭＡに延在するように配置されたバンドで構成され、光学式エンコーダが変位している間に、検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤに沿って、測定軸方向と交差するように移動する。
【0040】
光学式エンコーダ構造５００はスケール５１０、照明光源５２０及び光検出器構造５６０を有する。スケール５１０は、測定軸方向ＭＡに延在する。スケール５１０は、スケール面ＳＰにおいて測定軸方向ＭＡと実質的に平行に配列された格子バーＧＢで構成されるスケール格子を有する。格子バーＧＢは、測定軸方向ＭＡに細く、測定軸方向ＭＡと交差する格子バー方向ＧＢＤに長く、測定軸方向ＭＡにスケールピッチＰＳＦで周期的に配列されている。照明光源５２０は、光源５３０と構造化照明生成部５３３とを有する。光源５３０は、光５３４’を出力する。構造化照明生成部５３３は、光５３４’が入力され、スケール面ＳＰの照明領域ＩＲへ構造化照明５３４’’を出力する。構造化照明５３４’’は、測定軸方向ＭＡに細く、格子バー方向ＧＢＤに対して０以外の照明干渉縞ヨー角ψをなし、かつ、測定軸方向ＭＡと交差する照明干渉縞方向ＩＦＤに長い干渉縞からなる照明干渉縞パターンＩＦＰで構成される。光源５３０は、点光源５３１及びコリメートレンズ５３２を有する。点光源５３１は、コリメートレンズへ光５３４を出力し、コリメートレンズは光５３４を光５３４’にコリメートする。様々な実施例においては、０以外の照明干渉縞ヨー角ψは、構造化照明生成部５３３の１以上の要素（例えば、要素５４０及び５５０の一方）を、Ｙ軸に対して所望の角度だけ、Ｚ軸回りに回転させることで実現してもよい。実施例においては、０以外の照明干渉縞ヨー角ψは、格子バー方向ＧＢＤを、Ｙ軸に対して所望の角度だけ、Ｚ軸回りに回転させることで、実現又は増加させてもよい。
【0041】
図８、９Ａ及び９Ｂを参照してより詳細に後述するが、光検出器構造５６０は、測定軸方向ＭＡと交差する検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤに検出器ピッチＰＤ（図６参照）で周期的に配列されたＮ個の空間位相検出器からなるセットを有する。空間位相検出器のそれぞれは、空間位相検出器信号を与えるように構成される。少なくとも過半数の空間位相検出器は、比較的長い寸法にわたって測定軸方向ＭＡに延在し、かつ、測定軸方向ＭＡと交差する検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤに比較的細い。Ｎ個の空間位相検出器からなるセットは、空間位相列に、検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤに沿って配列される。
【0042】
スケール５１０は、照明領域ＩＲに照明干渉縞パターンが入力され、スケール光成分を、スケール光経路ＳＣＬＰを介して出力する。これにより、光検出器構造５６０に検出器干渉縞パターン５３５が形成される。詳細には図６を参照して後述するように、検出器干渉縞パターン５３５は、比較的長い寸法にわたって測定軸方向ＭＡに延在し、測定軸方向ＭＡと交差する検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤに比較的に細く、かつ、検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤに検出干渉縞周期ＰＤＦの周期性を有する高光強度及び低光強度のバンドで構成される。これらの方向性を示すため、ここでは、バンドは比較的長い寸法にわたって測定軸方向ＭＡに延在しているが、様々な実施例において、バンドが測定軸方向ＭＡに沿うように配列されなければならないことを意味するものではない。以下で図６を参照して説明するように、様々な例示的な実施例では、バンドは測定軸方向ＭＡに対して適度な又は小さな角度で配列されてもよい。
【0043】
図７を参照して後述するが、検出干渉縞周期ＰＤＦ及び測定軸方向ＭＡと交差する検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤは、部分的ではあるものの、０以外の照明干渉縞ヨー角ψに依存する。スケール５１０が測定軸方向ＭＡに変位するにつれて、高光強度及び低光強度のバンドは、測定軸方向ＭＡと交差する検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤに移動する。光検出器構造５６０は、測定軸方向ＭＡと交差する検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤでの高光強度及び低光強度のバンドの変位を検出し、スケールの変位を示す空間位相変位信号を与えるように構成される。
【0044】
図５に示す実施例では、構造化照明生成部５３３は、第１照明光源回折格子５４０と第２照明光源回折格子５５０とを有する。実施例においては、第１照明光源回折格子５４０及び第２照明光源回折格子５５０は、位相格子であってもよい。位相格子は、光のロスを低減することで、より高い出力効率を与える。
【0045】
図５～図９Ｂについて説明する原理にかかる耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造は、１００μｍの大きさの汚染（例えば、ワイヤボンディング汚染）や３００μｍの大きさのスケール欠陥に耐性を有する単純な設計を提供する。検出干渉縞周期と同じ又はそれよりも大きなサイズのスケール上の汚染又は欠陥は、典型的には、信号処理（例えば、直交処理）で相殺し得る、隣接する空間位相検出器でのコモンモード誤差成分を生じる。すなわち、測定軸方向に沿って移動する汚染の影響は、隣接する空間位相検出器間で共有され、スケール又はリードヘッド構造が測定軸方向に変位するにつれて、隣接する空間位相検出器間を測定軸方向に移動する。汚染の影響は隣接する空間位相検出器間のコンモードの影響であるため、かつ、空間位相検出器は、汚染の影響よりも実質的に大きな、比較的長い寸法にわたって測定軸方向ＭＡに延在しているため、変位信号の精度に対する汚染の影響は、実質的に緩和される。未処理の非コモンモードエラーの場合には、光検出器構造５６０がスケール５１０に対して変位するにつれて、検出器干渉縞パターン５３５の欠陥に対応する部分は、ある空間位相検出器から他の空間位相検出器へたいへんゆっくりと移動し、これにより空間位相変位信号をより効率的に補償できることが、他の利点として挙げられる。このようなエンコーダは、複雑な信号処理を要することなく、汚染や欠陥に対する耐性を提供できる。Ｎ個の空間位相検出器からなるセットにより与えられる空間位相変位信号は、当業者に知られた標準的な技術に応じて処理さてもよい。
【0046】
図６Ａに、図５の光検出器構造５６０に類似する光検出器構造６６０の近傍での、検出器干渉縞パターン５３５と類似の又は同じ検出器干渉縞パターン６３５を形成するスケール光成分ＳＬ１及びＳＬ２の第１の図を模式的に示す。検出器干渉縞パターン６３５は、図５を参照して概説した光学式エンコーダ構造５００と類似の光学式エンコーダにより与えられてもよい。図５を参照して既述したように、図６Ａは、測定軸方向ＭＡとスケール光経路ＳＣＬＰとで定義される面に検出器干渉縞パターン６３５を形成するスケール光の断面を示している。図６Ａに示すように、スケール光成分は、第１スケール光成分ＳＬ１と第２スケール光成分ＳＬ２（高光強度バンドを表す破線で示されている）を含む。第１スケール光成分ＳＬ１と第２スケール光成分ＳＬ２は、それぞれ平行な光線を含み、第１スケール光成分ＳＬ１の平行光線は、スケール光経路ＳＣＬＰに対して反対の角度の方向に沿っている。第１スケール光成分ＳＬ１及び第２スケール光成分ＳＬ２は、既知の原理により、重複することで検出器干渉縞パターン６３５を形成する。第１スケール光成分ＳＬ１及び第２スケール光成分ＳＬ２は、構造化照明生成部からの異なる回折次数の回折光によって形成されてもよい。検出器干渉縞パターン６３５は、破線で表される暗又は低光強度のバンド６３５Ｄと、太線で表される明又は高光強度のバンド６３５Ｌとで構成される。
【0047】
図６Ｂに、干渉縞パターン６３５を形成するスケール光成分ＳＬ１及びＳＬ２の第２の図を模式的に示す。図６Ｂは、図５について既述した、測定軸方向ＭＡとＹ方向とで定義される面での検出器干渉縞パターン６３５の、光検出器構造６６０近傍での断面を示している。図６Ｂに示すように、検出器干渉縞パターン６３５は、太線で表される暗又は低光強度のバンド６３５Ｄと、破線で表される明又は高光強度のバンド６３５Ｌとで構成される。暗又は低光強度のバンド６３５Ｄと明又は高光強度のバンド６３５Ｌとは、検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤに検出干渉縞周期ＰＤＦの周期性を有する。一般に、検出干渉縞移動方向は、Ｙ方向に対して０以外の照明干渉縞ヨー角ψと等しい僅かな回転伴って、干渉バンド６３５Ｄ及び６３５Ｌの方向と交差する。
【0048】
図７は、図５及び図６に示した光学式エンコーダ構造５００に類似する耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダの特性のグラフ７００である。このグラフは、照明干渉縞ヨー角ψに対する検出干渉縞周期ＰＤＦを示している。グラフ７００は、格子ピッチＰ１の第１照明光源回折格子、格子ピッチＰ２の第２照明光源回折格子及びスケールピッチＰＳＦのスケールを有する構造化照明生成部を有する耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダのデータを示している。上記のピッチＰ１、Ｐ２及びＰＳＦは、以下の式を満たす。
【数1】
【0049】
以下の式により、検出干渉縞周期ＰＤＦは、照明干渉縞ヨー角ψと結びつけられる。
【数2】
【0050】
一般に、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダにとっては、検出干渉縞周期ＰＤＦが大きくなる（例えば、７μｍよりも大きい、又は、実施例によっては４０μｍよりも大きい）ように構成されることが望ましい。この場合には、照明干渉縞ヨー角ψは、小さな値（例えば、７μｍ未満）である必要がある。大きな値の検出干渉縞周期ＰＤＦは、スケール、光検出器構造及び照明光源間の位置ズレに起因する測定誤差に対する良好な耐性を与える。照明光源及び光検出器構造の一方又は両方に対するスケールのピッチングやローリングに起因する誤差は、検出干渉縞周期ＰＤＦに反比例する。よって、大きな値の検出干渉縞周期ＰＤＦは、スケールのうねりによって生じる測定誤差に対する良好なロバスト性を与える。
【0051】
図８は、図５及び図６に示した光学式エンコーダ構造５００に類似する耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダにおいて使用可能な例示的な光検出器構造８６０の模式図８００である。ここでは、光検出器構造は、測定軸方向に近接して、又は、概ね測定軸方向に沿って延在し、測定軸方向と交差して周期的に配列された空間位相検出器を有する。類似の符号である図８の８ＸＸと図５の５ＸＸとは、特に断らない限り、類似の要素を示すものとする。
【0052】
光検出器構造８６０は、空間位相列に検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤに沿って配列されたＮ個の空間位相検出器からなるセットを有する。Ｎは、６以上の整数である。空間位相列は、測定軸方向ＭＡと交差する方向の始まり及び終わりに位置する２つの外側空間位相検出器と、２つの外側空間位相検出器の間に位置する空間位相検出器の内側の群と、を有する。内側の群の空間位相検出器のそれぞれは、空間位相列において、当該空間位相検出器とは異なる空間位相を有する空間位相検出器によって先行され、かつ、後続される。先行及び後続する空間位相検出器は、それぞれ異なる空間位相を有する。換言すれば、１つの空間位相検出器に注目した場合、注目した空間位相検出器は、測定軸方向ＭＡと交差する方向で、後続する１又は複数の空間位相検出器と、先行する１又は複数の空間位相検出器とによって挟まれている。但し、内側の群において測定軸方向ＭＡと交差する方向の端部に設けられた空間位相検出器に注目した場合、注目した空間位相検出器は、１つの外側位相検出と、内側の群に属するその他の空間位相検出器とによって挟まれることとなる。空間位相検出器のそれぞれは、検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤの空間周期性を有し、かつ、周期的なスケール光パターンに応じた空間位相検出器の空間位相のそれぞれに対応して配置された、スケール光受光領域を有する。
【0053】
実施例においては、Ｎ個の空間位相光検出器からなるセットは、少なくとも空間位相検出器のＭ個のサブセットを有してもよい。但し、Ｍは、２以上の整数である。Ｍ個のサブセットのそれぞれは、それぞれの空間位相を与える、Ｎ個の空間位相光検出器からなるセットに含まれる空間位相検出器を有する。実施例においては、Ｍは４以上としてもよい。実施例においては、Ｍは６以上としてもよい。実施例においては、空間位相検出器のＭ個のサブセットのそれぞれは、同じ空間位相列サブセットに配列された、同じ空間位相を与える空間位相検出器を含んでもよい。図８は、Ｓ１～ＳＭで示される空間位相検出器のＭ個のサブセットの実施例を示す。サブセットＳ１は、空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ、ＳＰＤ１Ｂ、ＳＰＤ１Ｃ及びＳＰＤ１Ｄを有する。サブセットＳ２は、空間位相検出器ＳＰＤ２Ａ、ＳＰＤ２Ｂ、ＳＰＤ２Ｃ及びＳＰＤ２Ｄを有する。サブセットＳＭは、空間位相検出器ＳＰＤＭＡ、ＳＰＤＭＢ、ＳＰＤＭＣ及びＳＰＤＭＤを有する。
【0054】
図８に示す実施例においては、空間位相列は、下付文字Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを含む空間位相検出器（例えば、空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ、ＳＰＤ１Ｂ、ＳＰＤ１Ｃ及びＳＰＤ１Ｄ）で表されている。下付文字Ａ及びＤが付された空間位相検出器は、空間位相列の各例の始まり及び終わりに位置する２つの外側空間位相検出器である。下付文字Ｂ及びＣが付された空間位相検出器は、内側の群である。
【0055】
空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ、ＳＰＤ１Ｂ、ＳＰＤ１Ｃ及びＳＰＤ１Ｄは、それぞれ空間位相検出器信号Ａ１、Ｂ１、Ｃ１及びＤ１を出力する。空間位相検出器ＳＰＤ２Ａ、ＳＰＤ２Ｂ、ＳＰＤ２Ｃ及びＳＰＤ２Ｄは、それぞれ空間位相検出器信号Ａ２、Ｂ２、Ｃ２及びＤ２を出力する。空間位相検出器ＳＰＤＭＡ、ＳＰＤＭＢ、ＳＰＤＭＣ及びＳＰＤＭＤは、それぞれ空間位相検出器信号ＡＭ、ＢＭ、ＣＭ及びＤＭを出力する。
【0056】
図８に示すような実施例においては、Ｎは８以上であり、空間位相検出器サブセットのそれぞれは、それぞれ９０度ずつ離れた空間位相を有する４つの空間位相検出器を有してもよい。変形例においては、空間位相検出器サブセットのそれぞれは、それぞれ１２０度ずつ離れた空間位相を有する３つの空間位相検出器を有してもよい。
【0057】
図８に示す実施例では、光検出器構造８６０は、同じ空間位相に対応する空間位相検出器信号を合成し、かつ、合成した信号のそれぞれを空間位相位置信号として出力するように構成された接続部を有する。光検出器構造８６０は、９０度ずつ離れた空間位相に対応する４つの空間位相位置信号を出力するように構成される。同じ文字表記が付された空間位相信号（例えば、Ａ１、Ａ２及びＡＭ）は、空間位相信号ΣＡ、ΣＢ、ΣＣ及びΣＤを与えるように合成（例えば加算）される。変形例においては、光検出器構造は、１２０度ずつ離れた空間位相に対応する３つの空間位相位置信号を出力するように構成されてもよい。他の場合においては、更に、空間位相位置信号は、例えば直交信号処理又は三相信号処理よって変位信号を決定するのに用いられてもよい。
【0058】
実施例においては、Ｎ個の空間位相検出器の隣接ペアのそれぞれのスケール光受光領域間の検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤの距離ＹＳＥＰは、２５μｍ以下としてもよい。実施例においては、Ｎ個の空間位相検出器の隣接ペアのそれぞれのスケール光受光領域間の検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤの距離ＹＳＥＰは、同じである。
【0059】
図８では、さらに、測定軸方向ＭＡに対する検出器軸ＤＡを示している。検出器軸は、空間位相検出器の特定の伸長方向と平行な方向である。一般に、検出器軸ＤＡは、検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤと直交（実質的に直交）することが望ましい。しかしながら、良好な変位信号が得られるならば、厳密にこの例に限られるものではない。よって、実施例においては、特に検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤが測定軸方向ＭＡと直交していない場合、検出器軸は、測定軸方向ＭＡに対して角度αだけ回転していてもよい。（図７について説明したように）小さな照明干渉縞ヨー角ψを用いることが望ましいので、角度αは相当に小さくてもよい。照明干渉縞ヨー角ψがきわめて小さな値である場合には、検出器軸ＤＡを測定軸方向ＭＡに対して回転させる必要すらない。
【0060】
図９Ａは、図８に示した光検出器構造に類似する耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ９００Ａの他の例示的な光検出器構造９６０Ａの断面を示す模式図である。簡略化のため、図９Ａは、２つの空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ及びＳＰＤ１Ｂを有する、１つの空間位相検出器サブセットＳ１のみを示している。光検出器構造９６０Ａは、本明細書で開示される原理に基づいたより多くの空間位相検出器を有しているが、簡略化のため２つしか表されていないことは、言うまでもない。図９Ａに示す実施例では、Ｎ個の空間位相検出器（例えば、空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ及びＳＰＤ１Ｂ）のそれぞれは、空間位相マスク（例えば、位相マスクＰＭ１Ａ及びＰＭ１Ｂ）で覆われた光検出器（例えば、破線で示されるＰＤ１Ａ及びＰＤ１Ｂ）を有する。空間位相マスクは、空間位相マスクに設けられた開口を通るものを除いて、光検出器が周期的なスケール光パターンを受光しないように、スケール光パターンを遮断する。この場合、スケール光受光領域は、空間位相マスク（例えば、空間位相マスクＰＭ１Ａ及びＰＭ１Ｂ）のそれぞれの開口を通じて暴露された光検出器領域（例えば、光検出器ＰＤ１Ａ及びＰＤ１Ｂ）を有する。図９Ａに示す実施例では、位相マスクＰＭ１Ｂのスケール光受光領域（すなわち、開口）は、位相マスクＰＭ１Ａのスケール光受光領域に対して、検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤに９０度オフセットされている。図９Ａでは空間位相マスクＰＭ１Ａ及びＰＭ１Ｂが模式的に離隔した部分として表示されているが、実施例においては、潜在的な位置決め誤差を無くすため、適宜、同じ材料及び同じ工程で作製されてもよいことは、言うまでもない。
【0061】
図９Ｂは、図８に示した光検出器構造８６０に類似する耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ９００Ｂの他の例示的な光検出器構造９６０Ｂの断面を示す模式図である。簡略化のため、図９Ｂは、２つの空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ’及びＳＰＤ１Ｂ’を有する、１つの空間位相検出器サブセットＳ１’のみを示している。光検出器構造９６０Ｂは、本明細書で開示される原理に基づいたより多くの空間位相検出器を有しているが、簡略化のため２つしか表されていないことは、言うまでもない。図９Ｂに示す実施例では、Ｎ個の空間位相検出器（例えば、空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ’及びＳＰＤ１Ｂ’）のそれぞれは、周期的なスケール光パターンを受け取る電気的かつ相互的に接続された光検出器領域の周期的なアレイを有する。この場合、スケール光受光領域は、光検出器の周期的なアレイである光検出器領域を有する。図９Ｂに示す実施例では、空間位相検出器 ＳＰＤ１Ｂ’の光検出器領域は、空間位相検出器 ＳＰＤ１Ａ’の光検出器領域に対して、検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤに９０度の空間位相シフトによってオフセットされている。
【0062】
光検出器構造９６０Ａ及び９６０Ｂに類似する光検出器構造の実施例においては、Ｎ個の空間位相検出器のそれぞれが、偶数個のスケール光受光領域を有することが有利である。スケール光の０次回折光成分は、スケール光に交互に現れる縞の光強度を変動させうる。よって、スケール光受光領域を偶数個とすることで、この変動を平均化する。
【0063】
図１０は、変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造１０００の追加実施例の部分模式図である。エンコーダ構造１０００では、検出対象である周期的スケール光パターンは、検出器干渉縞パターン１０３５で構成される。検出器干渉縞パターン１０３５は、比較的長い寸法にわたって測定軸方向ＭＡに延在するように配置されたバンドで構成され、光学式エンコーダが変位する間に、測定軸方向と交差する方向である検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤに沿って移動する。
【0064】
エンコーダ構造１０００はスケール１０１０、照明光源１０２０及び光検出器構造１０６０を有する。スケール１０１０は、測定軸方向ＭＡと実質的に平行なスケール面ＳＰに配列された格子バーＧＢで構成されるスケール格子を有する。スケール格子バーＧＢは、測定軸方向ＭＡに細く、測定軸方向ＭＡに直交するスケール格子バー方向ＳＧＢＤに長く、測定軸方向ＭＡにスケールピッチＰＳＦで周期的に配列されている。照明光源１０２０は、光源１０３０と構造化照明生成部１０３３とを有する。光源１０３０は、光１０３４’を出力する。構造化照明生成部１０３３は、光１０３４’が入力され、光源光経路ＳＯＬＰを介して、スケール面ＳＰの照明領域ＩＲへ構造化照明１０３４’’を出力する。構造化照明１０３４’’は、測定軸方向ＭＡに細く、測定軸方向ＭＡと交差する方向に向いており、照明干渉縞方向ＩＦＤに長い縞からなる照明干渉パターンＩＦＰで構成される。光源１０３０は、点光源１０３１及びコリメートレンズ１０３２を有する。点光源１０３１は、コリメートレンズへ光１０３４を出力し、コリメートレンズは光１０３４を光１０３４’にコリメートする。
【0065】
図８、９Ａ及び９Ｂを参照して詳細に既述したように、光検出器構造１０６０は、測定軸方向ＭＡと交差する検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤに検出器ピッチＰＤ（図６Ａ及び図６Ｂ参照）で周期的に配列されたＮ個の空間位相検出器からなるセットを有する。空間位相検出器は、それぞれ位相検出信号を与えるように構成される。少なくとも過半数の空間位相検出器は、それぞれ比較的長い寸法にわたって測定軸方向ＭＡに延在し、かつ、測定軸方向ＭＡと交差する検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤに比較的細い。Ｎ個の空間位相検出器からなるセットは、空間位相列に、検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤに沿って配列される。
【0066】
エンコーダ構造５００の場合と同様に、スケール１０１０は、照明領域ＩＲに照明干渉縞パターンが入力され、スケール光成分を、スケール光経路ＳＣＬＰを介して出力する。これにより、光検出器構造１０６０に検出器干渉縞パターン１０３５が形成される。以下、図６を参照して既述したように、検出器干渉縞パターン１０３５は、比較的長い寸法にわたって測定軸方向ＭＡに延在し、測定軸方向ＭＡに直交する検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤに比較的細く、かつ、検出干渉縞周期ＰＤＦで周期的な高強度及び低強度のバンドを有する。
【0067】
スケール格子バー方向ＳＧＢＤは、光源光経路ＳＯＬＰとスケール光経路ＳＣＬＰとで定義されるリードヘッドの面ＲＨＰに対して０ではないヨー角ψＳＣをなす方向に向いている。
【0068】
構造化照明生成部１０３３は、第１照明光源回折格子１０４０及び第２照明光源回折格子１０５０を有する。これらについては、図１１Ａ及び図１１Ｂにてより詳細に示す。実施例においては、第１照明光源回折格子１０４０及び第２照明光源回折格子１０５０は、位相格子であってもよい。
【0069】
図７を参照して既述したように、検出干渉縞周期ＰＤＦ及び測定軸方向ＭＡと交差する検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤは、部分的ではあるものの、０ではない照明干渉縞ヨー角ψＳＣに依存する。スケール１０１０が測定軸方向ＭＡに変位するにつれて、高強度及び低強度のバンドは、測定軸方向ＭＡと交差する検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤに移動する。光検出器構造１０６０は、測定軸方向ＭＡと交差する検出干渉縞移動方向ＤＦＭＤでの高強度及び低強度のバンドの変位を検出するように構成され、それぞれスケールの変位を示す空間位相変位信号を与える。
【0070】
図１１Ａは、第１照明光源回折格子１０４０の模式図である。図１１Ｂは、第２照明光源回折格子１０５０の模式図である。様々な実施例においては、光学式エンコーダ１０００は、スケール１０１０、照明光源１０２０及び光検出器構造１０６０間のギャップの変動によって生じる変位信号の誤差を最小化するように構成されることが望ましい。
【0071】
図１１Ａに示すように、第１照明光源回折格子１０４０は、第１インデックス面に第１インデックスピッチＰ１で周期的に配列された第１インデックス格子バーで構成される。第１インデックス格子バーは、測定軸方向に細く、測定軸方向と交差し、かつ、リードヘッド面ＲＨＰに対して角度ψ１だけ回転している第１インデックス格子バー方向に長い。図１１Ｂに示すように、第２照明光源回折格子１０５０は、第１インデックス面と平行な第２インデックス面に第２インデックスピッチＰ２で周期的に配列された第２インデックス格子バーで構成される。第２インデックス格子バーは、測定軸方向に細く、測定軸方向と交差し、かつ、リードヘッド面ＲＨＰに対して角度ψ２だけ回転している第２インデックス格子バー方向に長い。
【0072】
光学式エンコーダ５００のような様々な実施の形態においては、動的なギャップ誤差は、照明部５２０とスケール５１０との間の光源光経路ＳＯＬＰに沿う方向の距離の変動であるスケールのうねりによって生じる。スケール光経路ＳＣＬＰに沿う方向の光路長が変化すると、検出器干渉縞パターン１０３５を形成する干渉光ビームの相対的な位相が変化する。
様々な実施例においては、ψ１及びψ２は、同じ大きさで異なる符号の動的ギャップエラーを与えるように選択されてもよい。検出器干渉縞パターン１０３５を形成する干渉光ビームの２つの干渉光の位相は、Φ＋及びΦ－で表されてもよい。光源１０３０から出力された光の波長は、λである。動的なギャップ誤差ＤＧＥは、測定軸方向ＭＡとスケール格子バー方向ＳＧＢＤ（すなわち、Ｚ方向）とに垂直な方向のギャップ変動Δｇに関係する。動的なギャップ誤差ＤＧＥは、以下の式で表される。
様々な実施例においては、ψ１及びψ２は、同じ大きさで異なる符号の動的ギャップエラーを与えるように選択されてもよい。検出器干渉縞パターン１０３５を形成する干渉光ビームの２つの干渉光の位相は、Φ＋及びΦ－で表されてもよい。光源１０３０から出力された光の波長は、λである。動的なギャップ誤差ＤＧＥは、測定軸方向ＭＡとスケール格子バー方向ＳＧＢＤ（すなわち、Ｚ方向）とに垂直な方向のギャップ変動Δｇに関係する。動的なギャップ誤差ＤＧＥは、以下の式で表される。
【数3】
【0073】
より具体的には、上式の微分項は、以下の式で表される。
但し、係数Ωは、以下の式で定義される。
但し、係数Ωは、以下の式で定義される。
【数4】
【数5】
【0074】
式４では、第１項の
は、第１照明光源回折格子１０４０ 及び第２照明光源回折格子１０５０のそれぞれのヨーイングに起因する誤差成分である。
第２項の
は、ヨー角ψＳＣに起因する誤差成分である。角度ψ１及びψ２で規定される誤差を意図的に導入することで、第２項に起因する誤差を補償することができる。
【数6】
第２項の
【数7】
【0075】
実施例においては、スケール１０１０は、反射型格子からなるスケール格子で格子される。図１０に示すように、光源光経路ＳＯＬＰは、スケール面に垂直な方向に対して角度Ｖをなす方向に向いていてもよい。所望の検出干渉縞周期ＰＤＦを与えるため、ヨー角ψＳＣは以下の式を満たす。
【数8】
【0076】
式３に示した動的なギャップ誤差ＤＧＥをキャンセルするため、角度ψ１及びψ２は、以下の式を満たす。
【数9】
【0077】
光学式エンコーダ構造５００と同様に構成された、ＰＳＦが２μｍ、Ｐ１が２μｍ、Ｐ２が１μｍ、Ｖが３０°、λが６６０ｎｍ、ＰＤＦが１２０μｍの光学式エンコーダの典型例では、ψＳＣは０．４８°としてもよい。この場合、位置測定誤差には、１μｍのギャップ変動Δｇあたり４．８ｎｍの動的なギャップ誤差が生じる。光学式エンコーダ構造１０００と同様に構成された、上記と同様のパラメータを有する光学式エンコーダの典型例では、ψＳＣは０．９４°としてもよく、ψ１は－０．４６°としてもよく、かつ、ψ２は０．０°としてもよい。ヨー角ψ１は、位置測定誤差において、１μｍのギャップ変動Δｇあたり－９．４ｎｍの動的なギャップ誤差を生じさせる。ヨー角ψ２は、位置測定誤差において、１μｍのギャップ変動Δｇあたり９．４ｎｍの動的なギャップ誤差を生じさせる。この２つの動的なギャップ誤差のバランスをとることで、動的なギャップ誤差は正味でゼロとなる。
【0078】
本開示の望ましい実施例について図示、説明したが、図示、説明した構成要素の配置及びプロセスの順序の様々な変形については、本開示に基づいて当業者にとって明らかであろう。ここで開示した原理を実現するため、様々な変形形態を用いてもよい。さらに、上述した様々な実施例を組み合わせて、更なる実施例を与えることが可能である。本明細書で参照する特許文献は、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。必要に応じて、実施例の態様は、様々な特許及び特許出願の概念を適用して、さらなる実施例を与えるために変形することができる。
【0079】
これらの及び他の変形は、上記の詳細な説明に照らして、実施例に適用することができる。一般に、以下の特許請求の範囲では、用いられる用語は、明細書及び特許請求の範囲に開示された特定の実施例に特許請求の範囲が限定されるものとして解釈されるべきではなく、クレームの均等物と解される全ての範囲と共に、すべての可能な実施例を含むと解釈されるべきである。
【符号の説明】
【0080】
１００、２００、３００、４００Ａ、４００Ｂ、５００、９００Ａ、９００Ｂ、１０００ 光学式エンコーダ構造
１１０ スケール格子
１２０ 照明部
１３０ 照明光源、
１３１ 光源
１３２ コリメートレンズ
１３４ 光源光
１３５ 周期的スケール光パターン
１４０ 第１の照明格子
１５０ 第２の照明格子
１６０、３６０、４６０Ａ、４６０Ｂ、５６０、６６０、８６０、９６０Ａ、９６０Ｂ、１０６０ 光検出器構造
２１０、５１０、１０１０ スケール
５２０、１０２０ 照明光源
５３０、１０３０ 光源
５３１、１０３１ 点光源
５３２、１０３２ コリメートレンズ
５３３、１０３３ 構造化照明生成部
５３４、５３４’、１０３４、１０３４’ 光
５３４’’、１０３４’’ 構造化照明
５３５、６３５ 検出器干渉縞パターン
５４０、１０４０ 第１照明光源回折格子
５５０、１０５０ 第２照明光源回折格子
６３５Ｄ 暗又は低光強度のバンド
６３５Ｌ 明又は高光強度のバンド
Ａ１～ＡＭ 空間位相検出器信号
ＤＡ 検出器軸
ＤＦＭＤ 検出干渉縞移動方向
ＧＢ 格子バー
ＧＢＤ 格子バー方向
ＩＦＤ 照明干渉縞方向
ＩＦＰ 照明干渉縞パターン
ＩＲ 照明領域
ＳＬ１、ＳＬ２ スケール光成分
ＭＡ 測定軸方向
ＳＰ スケール面
Ｓ１～ＳＭ サブセット
ＳＣＬＰ スケール光経路
ＳＯＬＰ 光源光経路
１１０ スケール格子
１２０ 照明部
１３０ 照明光源、
１３１ 光源
１３２ コリメートレンズ
１３４ 光源光
１３５ 周期的スケール光パターン
１４０ 第１の照明格子
１５０ 第２の照明格子
１６０、３６０、４６０Ａ、４６０Ｂ、５６０、６６０、８６０、９６０Ａ、９６０Ｂ、１０６０ 光検出器構造
２１０、５１０、１０１０ スケール
５２０、１０２０ 照明光源
５３０、１０３０ 光源
５３１、１０３１ 点光源
５３２、１０３２ コリメートレンズ
５３３、１０３３ 構造化照明生成部
５３４、５３４’、１０３４、１０３４’ 光
５３４’’、１０３４’’ 構造化照明
５３５、６３５ 検出器干渉縞パターン
５４０、１０４０ 第１照明光源回折格子
５５０、１０５０ 第２照明光源回折格子
６３５Ｄ 暗又は低光強度のバンド
６３５Ｌ 明又は高光強度のバンド
Ａ１～ＡＭ 空間位相検出器信号
ＤＡ 検出器軸
ＤＦＭＤ 検出干渉縞移動方向
ＧＢ 格子バー
ＧＢＤ 格子バー方向
ＩＦＤ 照明干渉縞方向
ＩＦＰ 照明干渉縞パターン
ＩＲ 照明領域
ＳＬ１、ＳＬ２ スケール光成分
ＭＡ 測定軸方向
ＳＰ スケール面
Ｓ１～ＳＭ サブセット
ＳＣＬＰ スケール光経路
ＳＯＬＰ 光源光経路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11A】
【図11B】