(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】
(54)【発明の名称】エンコーダ装置
(51)【国際特許分類】
【FI】
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】
(86)(22)【出願日】
(85)【翻訳文提出日】
(86)【国際出願番号】
(87)【国際公開番号】
(87)【国際公開日】
(32)【優先日】
(33)【優先権主張国・地域又は機関】
(32)【優先日】
(33)【優先権主張国・地域又は機関】
(32)【優先日】
(33)【優先権主張国・地域又は機関】
(32)【優先日】
(33)【優先権主張国・地域又は機関】
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】391002306
【氏名又は名称】レニショウ パブリック リミテッド カンパニー
【氏名又は名称原語表記】RENISHAW PUBLIC LIMITED COMPANY
(74)【代理人】
【識別番号】110001243
【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】シモン エリオット マクアダム
(72)【発明者】
【氏名】リチャード ジェームズ ベイル
(72)【発明者】
【氏名】テオドール リチャード リーヴ
【テーマコード(参考)】
【Fターム(参考)】
2F103BA10
2F103CA03
2F103CA04
2F103DA01
2F103DA04
2F103DA11
2F103DA12
2F103DA13
2F103EA12
2F103EA15
2F103EB01
2F103EB11
2F103EB12
2F103EC01
2F103EC02
(57)【要約】
スケール部材を読み取るための位置エンコーダリードヘッドであって、リードヘッドは、その上に落ちる一次スケール信号を検出するための一次センサー要素の実質的に連続したアレイを含む一次センサーであって、前述のアレイは測定する寸法に沿って延び、一次センサーは、測定する寸法に沿ったリードヘッドとスケールとの相対位置に依存する信号を出力するように構成されている、一次センサーと、その上に落ちる二次スケール信号を検出するために、測定する寸法に沿って一次センサーの両端の間の位置に配置された少なくとも第1の二次センサー要素を含む二次センサーと、を備え、i)一次センサーによって出力される位置信号に対する一次センサー要素の影響は、測定する寸法に沿って、その両端に向かってテーパリングする多峰分布に従って変化し、ii)測定する寸法に平行に延び、少なくとも第1の二次センサー要素を通り、少なくとも第1の二次センサー要素のどちらの側でも、少なくとも1つの一次センサー要素を通る第1の概念的な線を識別することが可能であるように構成される。
【特許請求の範囲】
【請求項】
スケール部材を読み取るための位置エンコーダリードヘッドであって、
上に落ちる一次スケール信号を検出するための一次センサー要素の実質的に連続したアレイを含む一次センサーであって、前記アレイは、測定する寸法に沿って延び、前記一次センサーは、前記測定する寸法に沿った前記リードヘッドとスケールとの相対位置に依存する信号を出力するように構成される、一次センサーと、
上に落ちる二次スケール信号を検出するために、前記一次センサー の両端の間のロケーションにおいて前記測定する寸法に沿って置かれた少なくとも第1の二次センサー要素を含む二次センサーと
を備え、
i)前記一次センサーによって出力される前記位置信号における前記一次センサー要素の影響は、両端に向かってテーパリングする多峰分布に従って、前記測定する寸法に沿って変わり、
ii)前記測定する寸法に平行に延び、前記少なくも第1の二次センサー要素を通り、前記少なくとも第1の二次センサー要素のどちらの側でも、少なくとも1つの一次センサー要素を通る第1の概念的な線が識別されることが可能である
ように構成されたことを特徴とする位置エンコーダリードヘッド。
【請求項】
前記測定する寸法に垂直に測定される前記少なくとも第1の二次センサー要素の長さの少なくとも15%、例えば少なくとも25%、オプションとして少なくとも50%、好ましくは少なくとも75%に対して、前記測定する寸法に平行に延び、前記少なくとも第1の二次センサー要素を通り、前記少なくとも第1の二次センサー要素のどちらの側でも、少なくとも1つの一次センサー要素を通る前記第1の概念的な線が識別されることが可能であるように構成されることを特徴とする請求項1に記載の位置エンコーダリードヘッド。
【請求項】
前記第1の概念的な線は、前記少なくとも第1の二次センサー要素を通り、前記少なくとも第1の二次センサー要素のどちらの側でも、少なくともX個の一次センサー要素のグループを通り、ただし、Xは、前記一次センサーのセンシング要素のアレイにおけるセンシング要素の総数の少なくとも5%であることを特徴とする請求項1または2に記載の位置エンコーダリードヘッド。
【請求項】
前記多峰分布は、ピークの領域と波の谷の領域との間においてテーパリングすることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の位置エンコーダリードヘッド。
【請求項】
前記少なくとも第1の二次センサー要素は、前記測定する寸法に沿って前記一次センサーに関して実質的に中央に置かれることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の位置エンコーダリードヘッド。
【請求項】
前記少なくとも第1の二次センサー要素は、前記測定する寸法に平行に延びる前記一次センサーの概念的な中心線の第1の側に少なくとも優位に、前記一次センサーの横に配列されることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の位置エンコーダリードヘッド。
【請求項】
前記二次センサーは、前記一次センサーの両端の間のロケーションにおいて前記測定する寸法に沿って置かれ、前記測定する寸法に平行に延びる前記一次センサーの前記概念的な中心線の第2の側において前記一次センサーの側に配列された少なくとも第2の二次センサー要素を含み、前記一次センサーは、
i)前記測定する寸法に平行に延び、前記第2の二次センサー要素を通り、前記少なくとも第2の二次センサー要素のどちらの側でも、少なくとも1つの一次センシング要素を通る第2の概念的な線が識別されることが可能である
ように構成されることを特徴とする請求項6に記載の位置エンコーダリードヘッド。
【請求項】
前記測定する寸法に垂直に測定される前記少なくとも第2の二次センサー要素の長さの少なくとも50%、オプションとして少なくとも75%、好ましくは少なくとも95%に対して、前記測定する寸法に平行に延び、前記少なくとも第2の二次センサー要素を通り、前記少なくとも第2の二次センサー要素のどちらの側でも、少なくとも1つの一次センシング要素を通る前記第2の概念的な線が識別されることが可能であるように構成されることを特徴とする請求項7に記載の位置エンコーダリードヘッド。
【請求項】
前記少なくとも第2の二次センサー要素は、前記一次センサーの中央に位置したトラフ形状に分けられた区域内に少なくとも部分的にあるように、前記測定する寸法に沿って前記一次センサーに関して実質的に中央に置かれることを特徴とする請求項7または8に記載の位置エンコーダリードヘッド。
【請求項】
前記一次センサーは、出力される前記位置信号における前記一次センサー要素の影響が、両端に向かってテーパリングする二峰分布に従って、前記測定する寸法に沿って変わるように構成されることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか一項に記載の位置エンコーダリードヘッド。
【請求項】
出力される前記位置信号における前記一次センサーの影響の変動は、前記測定する寸法に垂直に延びる前記一次センサーの概念的な中心線について、実質的に対称であることを特徴とする請求項1ないし10のいずれか一項に記載の位置エンコーダリードヘッド。
【請求項】
前記一次センサー全体のセンシングエリアは、前記測定する寸法に垂直な方向に測定されるような、前記一次センサー要素の有効なセンシングの長さが、両端に向かってテーパリングする多峰分布に従って、前記測定する寸法に沿って変わるように形成されることを特徴とする請求項1に記載の位置エンコーダリードヘッド。
【請求項】
前記一次センサーは、インクリメンタルポジションセンサーを含み、前記一次センサー要素の連続したアレイは、インクリメンタルポジションセンサー要素の連続したアレイを含み、前記一次スケール信号は、インクリメンタルポジションスケール信号を含むことを特徴とする請求項1ないし12のいずれか一項に記載の位置エンコーダリードヘッド。
【請求項】
前記二次センサーは、リファレンスマークセンサーを含み、前記少なくとも第1の二次センサー要素は、少なくとも第1の二次リファレンスマークセンサー要素を含むことを特徴とする請求項1ないし13のいずれか一項に記載の位置エンコーダリードヘッド。
【請求項】
前記一次および二次センサー要素は、フォトセンシティブな要素を含むことを特徴とする請求項1ないし14のいずれか一項に記載の位置エンコーダリードヘッド。
【請求項】
前記一次スケール信号は、フリンジフィールド、オプションとして干渉縞を含むことを特徴とする請求項1ないし15のいずれか一項に記載の位置エンコーダリードヘッド。
【請求項】
前記リードヘッドは、前記干渉縞を生成するための1つまたは複数の回折格子を含むことを特徴とする請求項16に記載の位置エンコーダリードヘッド。
【請求項】
請求項1ないし17のいずれか一項に係るリードヘッドと、
前記一次スケール信号が生成される少なくとも1つの一連の位置特徴を含むスケールと
を備えたことを特徴とするポジションエンコーダ装置。
【請求項】
位置エンコーダ装置のためのスケールであって、
周期的に配列されたインクリメンタルなスケール特徴の一連を含むインクリメンタルスケールトラックであって、前記一連は、測定する寸法に沿って延びる、インクリメンタルスケールトラックと、
前記インクリメンタルスケールトラック内に少なくとも部分的に埋め込まれる1つまたは複数の二次位置特徴であって、前記1つまたは複数の二次位置特徴は、間の空間に提供された、中断されない周期的に配列されたインクリメンタルなスケール特徴を有して少なくとも2つの部分に、前記測定する寸法に垂直な寸法において割られる、二次位置特徴と
を備えたことを特徴とするスケール。
【請求項】
二次位置特徴の一連を含み、二次位置特徴の前記一連は、一連の周期的に配列されるインクリメンタルなスケール特徴と同じ測定する寸法に沿って延び、二次位置特徴の前記一連における前記特徴は、少なくとも2つの部分に、前記測定する寸法に垂直な寸法において割られて、前記スケールが、インクリメンタルなスケール特徴と二次位置特徴との両方を含む2列のスケール特徴と、前記2列のスケール特徴の間に位置した中断されない周期的に配置されたインクリメンタルなスケール特徴を含む1列とを含むことを特徴とする請求項19に記載のスケール。
【請求項】
前記1つまたは複数の二次位置特徴がリファレンスマークを定義することを特徴とする請求項19または20に記載の位置エンコーダ装置。
【請求項】
前記1つまたは複数の二次位置特徴は、前記測定する寸法に沿った一連の一意的な絶対位置を定義することを特徴とする請求項19または20に記載の位置エンコーダ装置。
【請求項】
前記1つまたは複数の二次位置特徴は、前記測定する寸法に沿って延びる少なくとも2つの列に含まれ、前述の少なくとも2つの列は、前記測定する寸法に垂直な寸法において横方向に分離されることを特徴とする請求項19ないし22のいずれか一項に記載のスケール。
【請求項】
請求項19ないし23のいずれかに記載のスケールと、
インクリメンタルなスケール特徴をセンスするための少なくとも1つのインクリメンタルセンサー、および、前記測定する寸法に垂直な前記寸法において前記少なくとも1つのインクリメンタルセンサーの反対側に位置した少なくとも第1および第2の二次位置センサー、を含むリードヘッドと
を備えたことを特徴とするポジションエンコーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【】
本発明は、エンコーダ装置に関し、特に、互いに相対的に移動可能であるスケールおよびリードヘッドを含む位置測定エンコーダ装置
【背景技術】
【】
よく知られているように、位置測定エンコーダ装置は、通常、リードヘッドが、相対位置(と、たとえば速度および/または加速度などの派生されたものと)を読み取って決定し測定することが可能である一連の特徴を有するスケールを含む。エンコーダは、通常、インクリメンタルエンコーダかアブソリュートエンコーダかのいずれかであるとして分類される。インクリメンタルエンコーダ(たとえばRenishaw plcから入手可能なTONiCTMエンコーダなど)のスケールは、リードヘッドが検出して、スケールおよびリードヘッドの相対的な位置および/または移動を決定する一連の一般に周期的な特徴を含む。1つまたは複数のリファレンスマークがスケールに提供されて、スケールおよび/またはリードヘッドの相対位置がカウントされることが可能である基準位置を提供することが可能である。アブソリュートエンコーダのスケール(たとえばRenishaw plcから入手可能なRESOLUTETMエンコーダなど)は、スケール長に沿って一意的な位置、たとえば一連の一意的な絶対位置を定義する特徴を含み、リードヘッドに、相対運動を必要とせずに、起動時に絶対位置を決定することができるようにすることが可能である。
【】
国際公開第2017/042570号は、アブソリュートエンコーダまたはインクリメンタルエンコーダの例示的なリードヘッドを開示し、リードヘッドが、特定の種類の誤差、特にエンコーダ装置のサブディビジョナルエラーを減らすように構成された予め決められた窓関数に従って重み付けられた(例えば、形作られた/大きさに作られた)センサー要素のアレイを含む位置センサーを含む。国際公開第2017/042570号に教示されるように、重み付けをすることは、決定された相対位置のセンサー出力の影響が、センサーの両端に向かって優位に減少するように構成される。
【発明の概要】
【】
本発明は、複数のセンサー(例えば、インクリメンタルセンサーおよびリファレンスセンサーまたはアブソリュートセンサー)を含むエンコーダリードヘッドと、特に有利な配列と
【】
本発明の第1の態様によれば、スケール部材を読み取るための位置エンコーダリードヘッドが提供され、リードヘッドは、落ちる一次スケール信号を検出するための一次センサー要素の実質的に連続したアレイを含む一次センサーを含む、一次センサーであって、前述のアレイは、測定する寸法に沿って拡張する、一次センサーと、落ちる二次スケール信号を検出するために、一次センサーの両端の間の位置において測定する寸法に沿って置かれた少なくとも第1の二次センサー要素と、を含み、i)一次センサーによって出力される位置信号の一次センサー要素の影響が、両端に向かってテーパリングする(換言すれば、次第に減少する)多峰分布に従って、測定する寸法に沿って変わり(換言すれば、測定する寸法に沿った一次センサー要素の位置に依存して変わり)、ii)測定する寸法に平行に拡張し、少なくとも第1の二次センサー要素を通り、少なくとも第1の二次センサー要素のどちらの側でも、少なくとも1つの一次センサー要素を通る第1の概念的な線が、識別されることが可能である、ように構成される。
【】
国際公開第2017/042570号に示される配列(たとえば、インクリメンタルセンサーおよびリファレンスマークセンサーを含む図21の実施形態など)と比較して、本発明の設計アプローチは、一次(例えばインクリメンタル)センサーと二次(例えばアブソリュートのリファレンスマーク)センサーとにより占められる空間のより効率的な使用を提供する。本発明によるエンコーダリードヘッドの一次センサーは、国際公開第2017/042570号の教示から離れ、それゆえ、国際公開第2017/042570号によって抑制されることになるように努めるエラーのタイプの影響をより受けやすいことが可能であるが、本発明者は、センサーに関する設計アプローチを採用することが、他のやり方にて改良されたリードヘッドを提供するのに役立つことが可能であることを特定した。特に、本発明のアプローチを採用することは、国際公開第2017/042570号に説明された設計と比較して、一次センサーによって出力される信号(複数可)に存在するノイズの量を減らすのに役立つことが可能であり、順に、ポジションジッタ(または「ジッタエラー(jitter error)」)を減らしているリードヘッドを提供することが可能である。
【】
理解されるように、ノイズは、物理学および熱力学の結果である信号の望ましくない妨害として与えられる。たとえば、ノイズは、例が、熱ノイズ、増幅器ノイズ、およびショットノイズを含む、すべての独立したノイズ源の二乗平均平方根(root-mean-squared;RMS)の和として測定されることが可能である。リードヘッドの一次センサーによって出力される信号(複数可)のノイズは、リードヘッドにより報告される位置に「ポジションジッタ(position jitter)」(または「ジッタエラー(jitter error)」)を導くことが可能である。ポジションジッタ/ジッタエラーは、あらゆる状況において存在することが可能であり、問題のあることが可能であるが、スケールおよびリードヘッドが互いに相対的に静止/不変の位置に保持されるが、リードヘッドにより報告される位置が不安定であるとき、観察者に最も明らかになることが可能である。さらに、ポジションジッタ/ジッタエラーの影響は、位置エンコーダが2つの相対的な部材の位置を制御するためにサーボ機構にて用いられるとき、および、サーボ機構が位置エンコーダの出力を用いて2つの相対的な部材を静止位置に保持しようと試みるとき、明らかになることも可能であり、この場合、ポジションジッタ/ジッタエラーは、サーボ機構が、2つの相対的な部材に、位置において依然として保持するよりも変えることを生じることに帰着することが可能である。ポジションジッタ/ジッタエラーが重大な問題であることが可能であるときの別の例は、インクリメンタルな位置特徴と1つまたは複数のリファレンスマークとを有するスケール部材を読み取るのにリードヘッドが用いられるときであり、ポジションジッタ/ジッタエラーは、インクリメンタル信号とリファレンスマーク信号との間の一貫性のない位置関係に帰着することが可能である。理解されるように、ノイズと、関連したポジションジッタ/ジッタエラーとは、アナログの位置信号(例えばアナログの正弦信号および余弦信号)を出力する位置エンコーダのリードヘッドに、デジタルの位置信号(例えばデジタルの矩形波またはたとえば一意的な位置を表すデジタルワードなどのデジタルシリアル出力を生成するもの)を出力する位置エンコーダのリードヘッドにも同様に、存在することが可能である。
【】
一次センサーは、一次センサー要素の一次元アレイ(測定する寸法に沿って延びる)を含むことが可能である。二次センサーは、二次センサー要素のアレイ(例えば、たとえば測定する寸法に沿って延びる二次センサー要素の一次元アレイ)を含むことが可能であるだろう。
【】
理解されるように、一次センサーのセンサー要素のアレイは、前述のアレイにおいてじかに隣接したセンサー要素の間に実質的なすき間がないことにより、実質的に連続している。理解されるように、製造公差のために、アレイにおいてじかに隣接したセンサー要素の間のすき間は、アレイにおいてじかに隣接したセンサー要素のあらゆるペアに対して、完全に同一ではないことがあるだろう。さらに、一次センサーおよび/または二次センサーの特定の設計のために、じかに隣接したセンサー要素の間のすき間は、じかに隣接したセンサー要素のあらゆるペアに対して、意図的に同一でないことがあるだろう、および/または、じかに隣接したセンサー要素のペアの間のすき間が、じかに隣接したセンサー要素の他のペアの大部分のすき間よりも大きい1つのまたは複数の場所があり得るだろう。それにもかかわらず、本発明は、センサー要素のアレイにおいて、じかに隣接したセンサー要素の間に実質的なすき間がない一次センサーに関与する。特に、本発明および本書の目的のために、一次センサーのセンサー要素のアレイは、アレイにおいてじかに隣接したセンサー要素のすべての組に対して、じかに隣接したセンサー要素の間のすき間(測定する寸法に沿って測定される)が、測定する寸法に沿って測定された一次センサーの全長の10%以下(好ましくは5%以下)であるということにより、実質的に連続している。
【】
一次センサーによって出力される位置信号における一次センサーのセンサー要素の影響は、電子的に重みを付けることによって制御されることが可能であるだろう。好ましい実施形態では、一次センサーによって出力される位置信号における一次センサーのセンサー要素の影響は、センサー要素の(測定する方向に垂直な寸法における)有効なセンシングの長さを介して制御される。したがって、好ましい実施形態では、一次センサーは、一次センサー要素の有効なセンシングエリアが、両端に向かってテーパリングする多峰分布に従って、測定する寸法に沿って変わるように構成される。センサー要素の有効なセンシングエリアは、センサー要素の物理的な大きさによって、および/またはセンサー要素の物理的なセンシングエリア全体に届く光を防ぐように構成された1つまたは複数のマスク特徴によって左右されることが可能であるだろう。のマスク(複数可)は、あらゆる1つの個々のセンシング要素の有効なセンシングエリアが連続的であるように構成されることが可能であるだろう、または、あるいは、のマスク(複数可)は、各個々のセンシング要素が、ブロックされた/マスクされた領域によって分離された、長さに沿った多数の離散的なセンシングエリアを有するように(例えば、センシングエリアがセンサー要素の長さに沿って広がるように)構成されることが可能であるだろう。センサー要素の幅(測定する寸法に沿って測定されるような)は、アレイにおいてすべてのセンサー要素に対して実質的に同一であることが好まれることが可能である。一次センサーは、(測定する寸法に垂直に測定されるような)一次センサー要素の有効なセンシングの長さが、両端に向かってテーパリングする多峰分布に従って、測定する寸法に沿って変わるように構成されることが可能であるだろう。
【】
本発明の今述べた実施形態に従って、一次センサー全体のセンシングエリアは、(測定する寸法に垂直な方向に測定されるような)一次センサー要素の有効なセンシングの長さが、両端に向かってテーパリングする多峰分布に従って、測定する寸法に沿って変わるように形成されることが可能であるだろう。言い換えれば、一次センサーは、(測定する寸法に垂直な方向に測定されるような)一次センサー要素の有効なセンシングの長さが、測定する寸法に沿った一次センサー要素の位置に依存して変わるように、形成されることが可能であるだろう。
【】
好ましくは、位置エンコーダのリードヘッドは、(測定する寸法に垂直に測定される)少なくとも第1の二次センサー要素の長さの少なくとも15%、例えば少なくとも25%、オプションとして少なくとも50%、好ましくは少なくとも75%に対して、測定する寸法に平行に延び、少なくとも第1の二次センサー要素を通り、少なくとも第1の二次センサー要素のどちらの側でも、少なくとも1つの一次センサー要素を通る前述の第1の概念的な線が識別されることが可能であるように構成される。前述の第1の概念的な線が識別されることが可能である少なくとも第1の二次センサー要素の長さの割合が大きいほど、本発明の設計のアプローチによって取得されることが可能であるという利益が大きくなる場合であることが可能である。
【】
前述の第1の概念的な線が、少なくとも第1の二次センサー要素のどちらの側でも一次センサーの1つのセンサー要素のみを通ることが可能であるが、一般的には、特に本発明の設計のアプローチを採用することで最も恩恵を受ける構成は、今述べた線が、少なくとも第1の二次センサー要素のどちらの側でも一次センサーの複数のセンサー要素のグループを通るだろう。したがって、オプションとして、位置エンコーダのリードヘッドは、少なくとも第1の二次センサー要素を通り、少なくとも第1の二次センサー要素のどちらの側でも、少なくともX個の一次センサー要素のグループを通る前述の第1の概念的な線が通るように構成され、ただし、Xは、一次センサーのセンシング要素のアレイにおけるセンシング要素の総数の少なくとも5%であり、ただし、より好ましくは、Xは、センシング要素の総数の少なくとも10%である。
【】
位置エンコーダのリードヘッドは、前述の多峰分布がそのピークの領域と波の谷の領域との間でテーパリングするように構成されることが好まれることが可能である。例えば、一次センサーのセンシングエリアは、多峰分布がそのピークの領域と波の谷の領域との間でテーパリングするように形成されることが可能であるだろう。したがって、のテーパリングは、ピークの領域と波の谷の領域との間の滑らかな推移を提供することが可能である。今述べたことは、特にセンサーに落ちる信号が最適でない(例えば歪んでいる)とき、システム/位置誤差を減らすのに役立つので有利であることが可能である。
【】
のテーパリング(例えば、一次センサーの両端に向かうテーパリング、および/または、ピークの領域と波の谷の領域との間のテーパリング)は、直線状のテーパリングであることが可能であるだろう。オプションとして、のテーパリングは、非直線状であることが可能であるだろう。
【】
少なくとも第1の二次センサー要素は、測定する寸法に沿って一次センサーに関して実質的に中央に置かれることが好まれることが可能である。今述べたことは、たとえば、センサーの面センサーに落ちる一様でない光学パターンを有するとき(例えば、信号が点光源から形成されるために)、有益であることが可能である。の場合、少なくとも第1の二次センサー要素を、測定する寸法手段に沿って一次センサーに関して実質的に中央に設置することは、例えば、リードヘッドの粗末な組み立ておよび/または設置によって誘発される誤差に最も影響されにくいことを提供することを意味する。
【】
少なくとも第1の二次センサー要素は、一次センサーの横に、測定する寸法に平行に延びる一次センサーの概念的な中心線の第1の側に、少なくとも優位に(オプションとして、完全に)配列されることが可能であるだろう。
【】
本発明にしたがって、少なくとも第1の二次センサー要素は、少なくとも部分的に(オプションとして、完全に)、一次センサーのトラフ形状に分けられた区域内にあることが可能である。少なくとも第1の二次センサー要素が、測定する寸法に沿って一次センサーに関して実質的に中央に置かれる場合では、少なくとも第1の二次センサー要素は、少なくとも部分的に(オプションとして、完全に)、一次センサーの中央に位置したトラフ形状に分けられた区域内にあることが可能である。
【】
二次センサーは、少なくとも第2の二次センサー要素を含むことが可能である。少なくとも第2の二次センサー要素は、一次センサーの両端の間のロケーションにおいて、測定する寸法に沿って、置かれることが可能である。オプションとして、少なくとも第2の二次センサー要素は、一次センサーの横に、測定する寸法に平行に延びる一次センサーの前述の概念的な中心線の第2の側に、少なくとも優位に(オプションとして、完全に)配列される。
【】
好ましくは、リードヘッドは、測定する寸法に平行に延び、第2の二次センサー要素を通り、少なくとも第2の二次センサー要素のどちらの側でも、少なくとも1つの一次センシング要素を通る第2の概念的な線が識別されることが可能であるように、構成される。第1の二次センサー要素および第1の概念的な線の(上に説明した)場合のように、リードヘッドは、(測定する寸法に垂直に測定される)少なくとも第2の二次センサー要素の長さの少なくとも50%、オプションとして少なくとも75%、好ましくは少なくとも95%に対して、測定する寸法に平行に延び、少なくとも第2の二次センサー要素を通り、少なくとも第2の二次センサー要素のどちらの側でも、少なくとも1つの一次センシング要素を通る前述の第2の概念的な線が識別されることが可能であるように構成されることが好まれることが可能である。第1の二次センサー要素および第1の概念的な線の(上に説明した)場合のように、特に、本発明の設計アプローチから最大の利益を得たい構成の場合、前述の第2の概念的な線は、少なくとも第2の二次センサー要素のどちらの側でも一次センサーのセンサー要素のグループを通ることが一般的であるだろう。したがって、オプションとして、位置エンコーダのリードヘッドは、少なくとも第2の二次センサー要素を通り、少なくとも第2の二次センサー要素のどちらの側でも、少なくともX個の一次センサー要素のグループを通る前述の第2の概念的な線が通るように構成され、ただし、Xは、一次センサーのセンシング要素のアレイにおけるセンシング要素の総数の少なくとも5%であり、ただし、より好ましくは、Xは、センシング要素の総数の少なくとも10%である。
【】
第1の二次センサー要素の場合のように、少なくとも第2の二次センサー要素は、測定する寸法に沿って一次センサーに関して実質的に中央に置かれることが好まれることが可能である。したがって、リードヘッドは、少なくとも第2の二次センサー要素が、少なくとも部分的に(オプションとして、完全に)、位置した一次センサーの中央に位置したトラフ形状に分けられた区域にあるように構成されることが可能である。
【】
一次センサーは、一次センサーによって出力される位置信号に対する一次センサー要素の影響が、両端に向かってテーパリングする二峰分布に従って、測定する寸法に沿って変わるように構成されることが可能である。オプションとして、一次センサー全体のセンシングエリアは、(測定する寸法に垂直な方向に測定されるような)センサー要素の有効なセンシングの長さが、両端に向かってテーパリングする二峰性分布に従って、測定する寸法に沿って変わるような形状にされることが可能である。
【】
それによって出力される位置信号に対する一次センサーの影響の変動は、測定する寸法に垂直に延びる一次センサーの概念的な中心線について、実質的に対称であることが可能である。今述べたことは、好まれて、スケールおよびリードヘッドの相対的なヨー(すなわち、スケールに垂直な軸を中心とした回転)によって生じる、一次センサーおよび二次センサーによって出力される信号の位相を合わせないことによって生じる誤差を減らすのに役立つことが可能である。したがって、一次センサー全体のセンシングエリアの形状は、測定する寸法に垂直に延びる一次センサーの概念的な中心線について実質的に対称であることが可能であるだろう。以下により詳細に説明されるように、一次センサー全体のセンシングエリアの形状は、測定する寸法に平行に延びる一次センサーの概念的な中心線について非対称であることが可能であり、いくつかの状況では、今述べたことは、例えば、一次センサーの平面に落ちる光のフットプリントが対称でないならば、有益であることが可能であるだろう。
【】
本発明によれば、一次センサーの出力は、測定する寸法に沿ったリードヘッドおよびスケールの相対位置に依存する。リードヘッドは、二次センサーによって出力される信号が、リードヘッドおよびスケールの相対位置(例えば、6つの相対自由度のうちの、すなわち3つの直線自由度および3つの回転自由度のうちの、いずれか1つまたは複数)に依存するように構成されることが可能である。リードヘッドは、二次センサーによって出力される信号が、測定する寸法に沿った、および/または(例えば、測定する寸法に垂直な寸法、および/または回転の軸に関しての寸法の1つまたは両方における)異なった自由度に沿った、リードヘッドおよびスケールの相対位置に依存するように構成されることが可能であるだろう。代替の実施形態では、二次センサーの出力が用いられて、スケールおよびリードヘッドの相対位置に関する情報以外の何かを決定し、例えば、二次センサーは、たとえばリードヘッドをプログラムするのに用いられることが可能であるだろう、スケールタイプ識別子をセンスするように構成されることが可能であるだろう(例えば、国際公開第2010/116145号に記載されるような)。
【】
一次センサーは、インクリメンタルポジションセンサーを含むことが可能であるだろう。したがって、一次センサー要素の実質的に連続したアレイは、インクリメンタルポジションセンサー要素の実質的に連続したアレイを含むことが可能であるだろう。したがって、一次スケール信号は、インクリメンタルスケール信号を含むことが可能であるだろう。一次スケール信号は、フリンジフィールドを、例えば干渉縞を含むことが可能であるだろう。一次センサーのセンサー要素のアレイは、かみ合わされた二次センサー要素の2つ以上のセットを含むエレクトログレーティング(electrograting)を形成することが可能であり、各セットが、フリンジフィールドの異なった位相を検出するように構成される。リードヘッドは、前述の干渉縞を生成するための1つまたは複数の回折格子を含む。
【】
二次センサーは、リファレンスマークセンサーを含むことが可能であるだろう。したがって、少なくとも第1の二次センサー要素は、少なくとも第1の二次リファレンスマークセンサー要素を含むことが可能であるだろう。したがって、二次スケール信号は、リファレンスマーク信号を含むことが可能であるだろう。二次センサーは、絶対位置センサーを含むことが可能であるだろう。したがって、二次スケール信号は、絶対位置信号を含むことが可能であるだろう。
【】
一次および二次のスケールの信号は、実質的に同じ/同一の信号であることが可能であるだろう。一次および二次のスケール信号は、リードヘッドが読み取るように構成されるスケール部材によって(例えば、リードヘッドが読み取るように構成されるスケール部材の同じスケール特徴によって)形成される1つの同じ信号の一部であることが可能であるだろう。たとえば、以下により詳細に説明sれるように、二次スケール信号が生成される位置特徴は、前述の一次スケール信号が生成される一連の位置特徴内に少なくとも部分的に(およびたとえば完全に)埋め込まれることが可能であるだろう。したがって、特に、二次スケール信号が生成される位置特徴が、前述の一次スケール信号が生成される一連の位置特徴内に完全に埋め込まれる場合では、一次および二次のセンサーに落ちる一次および二次の信号は、同じに/同一にすることが可能である。もちろん、一次および二次の信号は、たとえスケールの同じ特徴によって形成されるても、必ずしも同じ/同一である必要はない(例えば、二次スケール信号が生成される位置特徴が、前述の一次スケール信号が生成される一連の位置特徴内に完全に埋め込まれる場合でさえ)。たとえば、リードヘッド内のオプティック(例えば、たとえば回折格子などのディフラクティブオプティック、および/またはたとえばレンズなどのリフラクティブオプティック)は、一次センサーに落ちる一次信号が二次信号に落ちる二次信号と異なるように、スケールからの信号をマニピュレートするように構成されることが可能であるだろう。実際、特定の目的に合わせた一次および二次の信号を提供するために、一次センサーに落ちる一次信号は、二次信号に落ちる二次信号とは異なることが好まれることが可能である。
【】
一次センサーのセンサー要素は、フォトセンシティブな要素を含むことが可能であるだろう。二次センサーの少なくとも第1の二次センサー要素は、フォトセンシティブな要素を含むことが可能であるだろう。理解されるように、一次センサーおよび/または二次センサーのセンサー要素は、異なるタイプのセンサー、例えば磁気センサー、誘導センサー、または静電容量センサーであることが可能であるだろう。一次センサーおよび二次センサーの両方のセンサー要素は、必ずしもこの場合である必要はないが、両方とも同じタイプのセンサーであることが可能であるだろう。(例えば、両方ともフォトセンシティブな要素であることが可能であるだろう)。
【】
一次センサーおよび二次センサーは、異なった基板(例えば、異なった半導体基板、例えばシリコン)に提供されることが可能であるだろう。オプションとして、これらは、同じ基板(例えば同じ半導体基板)に提供され、リードヘッドの製造/組み立てを助けることが可能である。
【】
位置エンコーダのリードヘッドは、リニアスケールを読み取るように構成されることが可能であるだろう。位置エンコーダのリードヘッドは、回転スケールを読み取るように構成されることが可能であるだろう。
【】
本発明の第2の態様によれば、上にまたは下に説明される実施形態のいずれかによるリードヘッドと、前述の一次スケール信号が生成される少なくとも1つの一連の(例えば一次)位置特徴を含むスケールと、を含む位置エンコーダ装置が提供される。前述の一連の(例えば一次)位置特徴は、一連の一般に周期的に配列される特徴を含むことが可能であるだろう。前述の一連の(例えば一次)位置特徴は、インクリメンタルスケールを定義することが可能であるだろう。前述の一連の(例えば一次)位置特徴は、アブソリュートスケールを定義することが可能であるだろう。知られているように、前述の一連の位置特徴は、ハイブリッドなインクリメンタルおよびアブソリュートのスケールを定義することが可能であるだろう(例えば、国際公開第2002/084223号に記載されるような)。国際公開第2002/084223号に記載されているような、スケールは、基本的に、絶対位置情報が埋め込まれたインクリメンタルスケールである。特定の実装に依存して、絶対位置特徴は、前述の一次スケール信号を形成することが可能であるだろう、または、絶対位置特徴は、前述の二次スケール信号を形成することが可能であるだろう。
【】
スケールは、二次スケール信号が生成される1つまたは複数の(例えば二次の)(例えば位置の)特徴を含むことが可能であるだろう。二次スケール信号は、一次スケール信号を生成するのにも用いられる(例えば一次の)位置特徴から生成されることが可能であるだろう。
【】
二次スケール信号が生成される前述の(例えば二次の)(例えば位置の)特徴は、前述の一次スケール信号が生成される一連の位置特徴内に少なくとも部分的に埋め込まれることが可能であるだろう。二次スケール信号が生成される前述の(例えば二次の)(例えば位置の)特徴は、前述の一次スケール信号が生成される(例えば一次の)位置特徴を含むトラックの幅全体にわたって延びることが可能であるだろう(トラックの幅は、測定する寸法に垂直な寸法/一連の特徴の範囲に垂直な寸法である)。(したがって、理解されるように、2つの基本的なスケール周期(例えば、8μmおよび32μm)を含むスケールトラックの概念は、マルチトラックの実施形態に限定されない。)しかしながら、必ずしもこの場合である必要はなく、二次スケール信号が生成される(例えば二次の)(例えば位置の)特徴は、前述の一次スケール信号が生成される(例えば一次の)位置特徴を含むトラックの幅を部分的に横切ってのみ延びることが可能であるだろう。オプションとして、二次スケール信号が生成される(例えば二次の)(例えば位置の)特徴は、測定する寸法に沿って(前述の一次スケール信号が生成される(例えば一次の)位置特徴の一連の範囲に沿って)延びる少なくとも2つの行に含まれる。前述の少なくとも2つの列は、横方向に分離される(例えば、測定する寸法に垂直な寸法に離れて間隔をあけられる)ことが可能である。
【】
前述の1つまたは複数のリファレンスの特徴は、一連の位置特徴内に埋め込まれることが可能であるだろう。スケールは、アブソリュートスケール位置情報を定義する1つまたは複数の特徴を含むことが可能であるだろう。アブソリュートスケール位置情報を定義する前述の特徴は、一連の位置特徴内に埋め込まれることが可能であるだろう。
【】
本発明の第3の態様によれば、位置エンコーダ装置のスケールが提供され、スケールは、一連の周期的に配列されたインクリメンタルなスケール特徴を含むインクリメンタルスケールトラックであって、一連は、測定する寸法に沿って延びる、インクリメンタルスケールトラックと、インクリメンタルスケールトラック内に少なくとも部分的に埋め込まれる1つまたは複数の二次位置特徴であって、1つまたは複数の二次位置特徴は、測定する寸法に垂直な寸法において、間の空間に提供された中断されない周期的に配列されたインクリメンタルなスケール特徴を有する少なくとも2つの部分に割られる、二次位置特徴と、を含む。したがって、の構成は、二次スケール特徴がインクリメンタルスケールトラック内に少なくとも部分的に埋め込まれるにもかかわらず、二次スケール特徴の2つの部分の間の空間に、測定する寸法に沿って連続的に延びる中断されない一連のインクリメンタルな位置特徴のままでいることを意味する。今述べたことは、インクリメンタルセンサースケールトラックによって生成されるインクリメンタル信号の強度を高めるのに役立つことが可能である。
【】
スケールは、一連の二次位置特徴を含むことが可能であり、一連の二次位置特徴は、一連の周期的に配列されるインクリメンタルなスケール特徴と同じ測定する寸法に沿って延び、一連の二次位置特徴は、測定する寸法に垂直な寸法において、少なくとも2つの部分に割られて、スケールが、インクリメンタルなスケール特徴と二次位置特徴との両方を含む2列のスケール特徴と、前述の2列のスケール特徴の間に位置した中断されない周期的に配置されたインクリメンタルなスケール特徴の1列(すなわち、インクリメンタルなスケール特徴と二次位置特徴との両方を含む2列のスケール特徴の間に位置した、単なるインクリメンタルなスケール特徴の1列)を含む。
【】
二次位置特徴は、リファレンスマークを定義することが可能である。オプションとして、二次位置特徴は、測定する寸法に沿って一連の一意的な絶対位置を定義する。したがって、二次位置特徴は、アブソリュートスケールの位置特徴であることが可能である。
【】
1つまたは複数の二次位置特徴は、測定する寸法に沿って延びる少なくとも2つの列に含まれることが可能であり、前述の少なくとも2つの列は、測定する寸法に垂直な寸法において横方向に分離される。
【】
オプションとして、1つまたは複数の二次位置特徴は、インクリメンタルスケールトラック内に完全に埋め込まれる。
【】
本発明の他の態様に関連して上におよび下に説明されるスケールの態様は、本発明の本態様に等しく適用可能であり、その逆もまた同様である。
【】
本発明の第4の態様によれば、上に(または下に)説明されるようなスケールと、インクリメンタルなスケール特徴をセンスするための少なくとも1つのインクリメンタルセンサーと、測定する寸法に垂直な寸法において少なくとも1つのインクリメンタルセンサーの反対側に位置した少なくとも第1および第2の二次位置センサーとを含むリードヘッドとを含む位置エンコーダ装置が提供される。本発明の他の態様に関連して上におよび下に説明される位置エンコーダ装置の態様は、本発明の本態様に等しく適用可能であり、その逆もまた同様である。
【】
位置エンコーダ装置は、リニア位置エンコーダ装置であることが可能であるだろう。位置エンコーダ装置は、ロータリー位置エンコーダ装置であることが可能であるだろう。
【】
本発明の態様は、例としてのみ、次の図面を参照して、ただちに説明されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【】
【図】本発明によるリードヘッドを含む第1の例示的な位置エンコーダ装置を示す。
【図】本発明の第1の実施形態による図1のリードヘッド内に位置したオプティカルコンポーネントを概略的に例示する。
【図】例示的なエレクトログレーティングセンサーを例示する。
【図】図1および図2のリードヘッドのリファレンスマークフォトダイオードからの例示的なリファレンスマーク信号を示す図である。
【図】取得された差分信号を示す図である。
【図】図1および図2のリードヘッドのインクリメンタルおよびリファレンスマークセンサー要素の配列を例示する。
【図】図5aのインクリメンタルセンサーによって出力される位置信号に対する個々のセンサー要素の影響Iが、インクリメンタルセンサーのセンサー要素の配列に沿ってどのように変わるかを例示するグラフである。
【図】本発明のアプローチを採用することによって達成される追加のセンシングエリアを概略的に例示する。
【図】本発明によるインクリメンタルおよびリファレンスマークセンサー要素の第1の代替の構成を例示する。
【図】図7aのインクリメンタルセンサーによって出力される位置信号に対する個々のセンサー要素の影響Iが、インクリメンタルセンサーのセンサー要素の配列に沿ってどのように変わるかを例示するグラフである。
【図】本発明によるインクリメンタルおよびリファレンスマークセンサー要素の第2の代替の構成を例示する。
【図】図8aのインクリメンタルセンサーによって出力される位置信号に対する個々のセンサー要素の影響Iが、インクリメンタルセンサーのセンサー要素の配列に沿ってどのように変わるかを例示するグラフである。
【図】本発明によるインクリメンタルおよびリファレンスマークセンサー要素の第3の代替の構成を例示する。
【図】図9aのインクリメンタルセンサーによって出力される位置信号に対する個々のセンサー要素の影響Iが、インクリメンタルセンサーのセンサー要素の配列に沿ってどのように変わるかを例示するグラフである。
【図】本発明によるインクリメンタルおよびリファレンスマークセンサー要素の第4の代替の配列を例示する。
【図】図10aのインクリメンタルセンサーによって出力される位置信号に対する個々のセンサー要素の影響Iが、インクリメンタルセンサーのセンサー要素の配列に沿ってどのように変わるかを例示するグラフである。
【図】スケールにおけるリファレンスマーク構成を除いて図1および図2のと同一の本発明の実施形態を例示する。
【図】スケールにおけるリファレンスマーク構成を除いて図1および図2のと同一の本発明の実施形態を例示する。
【図】アブソリュートスケールを有する使用のために実装される本発明の代替の実施形態を例示する。
【図】アブソリュートスケールを有する使用のために実装される本発明の代替の実施形態を例示する。
【図】スケール信号の周期とインクリメンタルセンサー周期とのミスマッチによる位置信号へのリファレンスマークの影響を概略的に例示する。
【図】スケール信号の周期とインクリメンタルセンサー周期とのミスマッチによる位置信号へのリファレンスマークの影響を概略的に例示する。
【図】スケール信号の周期とインクリメンタルセンサー周期とのミスマッチによる位置信号へのリファレンスマークの影響を概略的に例示する。
【図】スケール信号の周期とインクリメンタルセンサー周期とのミスマッチによる位置信号へのリファレンスマークの影響を概略的に例示する。
【図】本発明によるインクリメンタルおよびリファレンスマークセンサー要素の第5の代替の配列を例示する。
【図】リードヘッドがスケールにおけるリファレンスマーク/汚れの上を通過するときにスケールにおけるリファレンスマーク/汚れによって引き起こされる位置信号の誤差の変動を概略的に表すグラフである。
【図】本発明の別の態様の第1の実施形態を例示する。
【図】本発明の他の態様の第2の実施形態を例示する。
【発明を実施するための形態】
【】
図1および図2を参照して、本発明によるリードヘッド6を含む第1の例の位置エンコーダ装置2が示される。エンコーダ装置は、スケール4とリードヘッド6とを含む。図示されていないが、使用時には、リードヘッド6を機械の一部分に固定し、スケール4を機械の別の部分に固定して、前述の部品が自由度に沿って互いに相対的に移動可能であるようにすることが可能である。リードヘッド6は、図1に矢印Aで示す寸法に沿って、すなわち図示の向きでXディメンジョンに沿って、スケール4に関して自身の相対位置を測定するために使用されることが可能であり、ゆえに、Xディメンジョンに沿って機械の2つの移動可能な部分の相対位置の測定を提供するのに用いられることが可能である。この実施形態では、機械の2つの部分(したがって、スケール4とリードヘッド6)は、直線的な自由度に沿って、特に矢印Aで示す方向に沿って/Xディメンジョンに沿って、互いに相対的に移動するように構成される。したがって、説明される実施形態では、エンコーダ装置2は、一般にリニア位置エンコーダ装置と呼ばれるものである。しかしながら、理解されるように、本発明は、回転位置エンコーダ装置、例えば回転軸を中心としたスケールとリードヘッドの相対回転位置を測定するように構成されたリングエンコーダ装置またはディスクエンコーダ装置、に関するリードヘッドにも等しく適用可能である。
【】
リードヘッド6は、ワイヤードおよび/またはワイヤレス通信チャネルを介して、例えばコントローラ(図示せず)などの処理デバイスと通信する。理解されるように、処理デバイスは、特定のアプリケーションに関して構成された特注のプロセッサー(例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ「FPGA」)を、それが用いられるアプリケーションのニーズに従って(例えば、ソフトウェアを介して)プログラミングされることが可能である、より汎用的なプロセッサーも同様に、含むことを意図する。リードヘッド6は、そのセンサーからの信号(以下でさらに詳しく説明する)をコントローラに報告し、コントローラはその信号を処理して位置情報を決定することができ、および/またはリードヘッド6自身がそのセンサーからの信号を処理して位置情報をコントローラに送信することが可能である。別の態様では、中間ユニットは、例えばインターフェースユニットは、リードヘッド6とコントローラとの間に位置されることが可能である。インターフェースユニットは、リードヘッド6とコントローラとの間の通信を容易にすることが可能である。例えば、インターフェースユニットは、リードヘッド信号を処理し、位置情報をコントローラに提供するように構成されることが可能であるだろう。
【】
スケール4は、複数のスケール/位置特徴を含む。説明される実施形態では、スケール4はインクリメンタルスケールであり、インクリメンタルな位置特徴10の概ね周期的な配列を含む単一のトラックを含む。説明される実施形態では、スケール6は、インクリメンタルな特徴10と同じトラック内に埋め込まれたリファレンスマーク11も含む。
【】
本実施形態では、エンコーダ装置は光学式の回折式エンコーダである。インクリメンタルな位置特徴10は、回折格子を形成する一連の周期的なスケール特徴を含む。スケール4は、一般に振幅スケールまたは位相スケールと呼ばれるものである。理解されるように、振幅スケールである場合、インクリメンタルな位置特徴10(およびオプションとしてリファレンスマーク11)は、リードヘッド6に向かって透過する光の振幅を(例えば、光を選択的に吸収、散乱、および/または反射することによって)制御するように構成され、一方、位相スケールである場合、インクリメンタルな位置特徴10(およびオプションとしてリファレンスマーク11)は、リードヘッドに向かって透過する光の位相を(例えば、光の位相を遅らせることによって)制御するように構成される。本実施形態では、インクリメンタルな位置特徴10とリファレンスマーク11は振幅スケール特徴であり、光はインクリメンタルな位置特徴10と相互作用して回折次数を生成する。理解されるように、インクリメンタルおよびリファレンスマークの特徴の両方に対して、両方が振幅特徴である、または両方が位相特徴であることは、必要ではなく、例えば、インクリメンタルな位置特徴は位相特徴であることが可能であり、リファレンスマークは振幅特徴であることが可能であるだろう。また、インクリメンタルマークとリファレンスマークの両方が光学的特徴である必要はない。例えば、インクリメンタル特徴は光学的特徴であり、リファレンスマーク特徴は磁気的特徴であることが可能であり、この場合、一次(インクリメンタル)センサー24はオプティカル/フォトセンシティブセンサーで構成することができ、二次(リファレンスマーク)センサー26は磁気センサーで構成することが可能である。
【】
図2に示すように、この実施形態では、リードヘッド6(その本体/物理的構造は、図示を容易にするために示されていない)は、光源12(今述べたことは、スケール4の一部(フットプリント外形25’で図示されている)を照らすように構成されている)、光学デバイス16、およびセンサーユニット20を含む。スケールにおける前述のフットプリント内からの反射光は、光学デバイス16にスケール光のフットプリント25’’を形成し、フットプリント25’’内の光はセンサーユニット20にリレーされる。特に、光学デバイス16は、回折格子18と、第1の22aおよび第2の22bの光集束(例えば結像)要素とを含む。説明される実施形態では、光学集光(例えば撮像)要素22a、22bは、フレネルゾーンプレートなどの回折レンズを含むが、代わりに、シリンドリカルレンズやフレネルレンズなどの屈折レンズを含むことが可能であるだろう。1つまたは複数の追加のレンズ、ビームスプリッター、ミラー、またはその他の光学要素(図示せず)を使用して、スケール4への/からの光を誘導、制御、および/または集光することが可能である。例えば、光源12とスケールの間にレンズ(図示せず)を配置して、スケール4に向けて光を照射する前に、光源12からの光を実質的に平行光にすることが可能であるだろう。
【】
図2に示すように、スケール4から反射された光の足跡25‘’がセンサーユニット20に落ちる。センサーユニット20は、一次センサー24と二次センサー26とを含む。以下に詳しく説明するように、一次センサーは実質的に連続した一次センサー要素のアレイを含み、アレイはリードヘッドの測定する寸法に沿って(すなわち、図示の向きではXディメンジョンに沿って)延びている。説明される実施形態では、センサー/センサー要素はフォトセンシティブ(「オプティカル」)センサー/センサー要素であるが、必ずしもこの場合である必要はない。例えば、一次および/または二次センサー/センサー要素は、代わりに、静電容量、磁気、または誘導センサー/センサー要素であることが可能であるだろう。
【】
説明される実施形態では、一次センサー24は、スケールのインクリメンタルな特徴10によって生成されるインクリメンタル信号を検出するように構成されたインクリメンタルセンサーであり、二次センサー26は、リードヘッド6に対して通過するリファレンスマーク11を検出するように構成されたリファレンスマークセンサーである。リファレンスマークセンサー26は、この実施形態では、4つのセンサー要素、すなわち、第1のリファレンスマークセンサー要素26a’、第2のリファレンスマークセンサー要素26a‘’、第3のリファレンスマークセンサー要素26b’、および第4のリファレンスマークセンサー要素26b‘’を含む。第1のリファレンスマークセンサー要素26a’および第2のリファレンスマークセンサー要素26a”の出力は、下流の電子機器がそれらの出力を1つの信号(例えば第1のリファレンスマーク信号出力)として見る/扱うように組み合わされる。第3のリファレンスマークセンサー要素26b’および第4のリファレンスマークセンサー要素26b”の出力は、下流の電子機器がそれらの出力を1つの信号(例えば、第2のリファレンスマーク信号出力)として見る/扱うように組み合わされる。したがって、リファレンスマークセンサー26は、第1のリファレンスマークセンサー要素26a’および第2のリファレンスマークセンサー要素26a”によって形成される前半部と、第3のリファレンスマークセンサー要素26b’および第4のリファレンスマークセンサー要素26b”によって形成される後半部とを含む、いわゆる「スプリットディテクタ」を含む。しかしながら、理解されるように、リファレンスマークセンサーはスプリットセンサーを含む必要はなく、例えば、単一のリファレンスマークセンサー要素を含むことが可能であるだろう。
【】
回折ベースのエンコーダの分野でよく知られ理解されているように(例えば、国際公開第2005/124282号および国際公開第2017/042570号に記載されているように)、スケール4によって反射された回折次数は、センサーユニット20の平面で干渉縞パターンを形成するように回折格子18と相互作用する(したがって、インクリメンタルセンサー24に落ちる)。リードヘッド6とスケール4の相対的な動きは、リードヘッド/インクリメンタルセンサー24に対する干渉縞の変調/移動を引き起こし、その出力は、変位のインクリメンタル測定を可能にするインクリメンタルアップ/ダウンカウントを提供するために処理することが可能である。理解されるように、エンコーダは多くの場合、直交する2つの信号(互いに位相が90度ずれている)を提供するように構成され、一般にSIN信号およびCOS信号と表示される(実際には正弦信号または余弦信号でない場合もある)。直交信号を補間することで、繰り返しスケールパターンの1周期未満まで正確にリードヘッドの位置を測定することが可能である。リードヘッドとスケールの相対的な動きだけでなく、方向の指示を提供するために、エンコーダ装置がの直交信号を提供することはよく知られている。
【】
説明された実施形態では、インクリメンタルセンサー24は、エレクトログレーティングの形態であり、言い換えれば、2つ以上の組のかみ合わされた/インターレースされた/インターリーブされたフォトセンシティブな要素(本明細書では「フォトディテクタ」または「フィンガー」とも呼ばれる)を含むフォトセンサーアレイである。各セットは、例えば、インクリメンタルセンサー24で干渉縞の異なる位相を検出することが可能である。図3には、4組のセンサー要素(A、B、C、D)のセンサー要素が、センサー要素のアレイを形成するようにかみ合わされた/インターリーブされた、標準/直方体形状の公知のエレクトログレーティングの例が示されており、前述のアレイは、リードヘッドの測定する寸法に沿って(この実施形態では、Xディメンジョンに沿って)延びている。一組のフォトダイオードは、周期「p」(したがって周波数「f」は1/「p」)で繰り返し配列されている。
【】
図示されるように、説明される実施形態では、個々のセンサー要素のアレイは、インクリメンタルディテクタ24の測定する寸法Xに実質的に平行に延びる。また、個々のフィンガー/フォトダイオード/センサー要素は、実質的に長方形の形状であり、その長辺は測定する寸法Xに対して垂直に延びている。理解されるように、さらに、本発明は、他の形成され配列されるセンサー要素に適用可能である。
【】
セット内の各センサー要素からの出力が組み合わされて1つの出力を提供することによって、4つのチャネル出力A’、B’、C’、D’に帰着する。これらの出力は、直交信号SINとCOSを得るために使用される。特に、A’-C’は第1の信号(SIN)を提供するために使用され、B’-D’は第1の信号から90度位相がずれた第2の信号(COS)を提供するために使用される。具体的な実施形態では、エレクトログレーティングは、4つのチャネルA’、B’、C’およびD’を提供する4組のフォトダイオードを含むが、必ずしもこの場合である必要はない。例えば、エレクトログレーティングは、2つのチャネルA’とB’を提供する2組のフォトダイオードを含むことが可能であるだろう。さらに、この実施形態では、インクリメンタルディテクタ24はノンエイリアスである。しかしながら、理解されるように、本発明は、エイリアスセンサー(例えば、各セットのセンサー要素間の距離が1フリンジ周期より大きいセンサー)にも同様に適用可能である。
【】
図3では、干渉縞は、インクリメンタルディテクタ24を横切る理想的な干渉縞の強度の変化を模式的に示す線27で表されている。図示されているように、エンコーダ装置は、理想的な状況において、任意の1つの瞬間において、任意の1つのセットのすべてのインクリメンタルセンサー要素が干渉縞の同じ位相を検出するように構成されている(干渉縞周期p’とセンサー周期pが同じ場合)。
【】
次に、リファレンスマーク11の検出に目を向ける。説明される実施形態では、リファレンスマーク11は、インクリメンタル特徴の除去(または余分の追加)によって形成される。あるいは、インクリメンタルな位置特徴10と区別されることが可能である任意のパターンで構成することもされることが可能である。例えば、リファレンスマークは、測定する寸法Xおよび/または測定する寸法に垂直な寸法に構造を有することが可能である。例えば、リファレンスマークは、リファレンスマークがインクリメンタルな位置特徴10とインターレースされたパターンを形成し、例えば国際公開第2002/065061号に記載されているように、マッチングマスクがリードヘッドに設けられる自己相関器を含むことができる。
【】
光学集光(例えば結像)要素22a、22bは、スケールの上部および下部によって反射された光をセンサーユニット20の平面に集光(例えば結像)し、リードヘッド6がリファレンスマーク11上を通過するときに、スケール4によって反射された光の強度の変化がリファレンスマークセンサー26によって感知されるようにする。以上説明したように、説明される実施形態では、リファレンスマークセンサー26は、いわゆる「スプリットディテクタ」(第1のリファレンスマークセンサー要素26A’および第2のリファレンスマークセンサー要素26A’によって形成される前半部と、第3のリファレンスマークセンサー要素26b’および第4のリファレンスマークセンサー要素26b’によって形成される後半部とを含む)である。図4aは、リードヘッドがスケールに沿って移動する際の、スプリットディテクタの2つのハーフからの出力S1、S2を示す。スプリットディテクタの2つの半分からの信号S1とS2は、図4bに示す信号S3を形成するために減算することが可能である。リファレンスマークの位置は、信号S3から決定することができ、例えば、信号S3の立ち下がりエッジが読み取り方向において既知の閾値と交差する位置から決定することが可能である。この実施形態では、リファレンスマークを検出するためにスプリットリファレンスマークセンサーを使用しているが、他のタイプのリファレンスマークセンサーを使用してもよい。例えば、3つ以上の別々の検出要素からの出力を組み合わせることが可能であるだろう。別の代替の実施形態では、単一のリファレンスマークセンサー要素の出力だけを使用されることが可能であるだろう(例えば、単一のリファレンスマークセンサー要素の出力が予め決められた閾値を横切る位置がリファレンスマークであると識別されることが可能であるだろう)。
【】
一次/インクリメンタルセンサー24および二次/リファレンスマークセンサー26からの信号は、エンコーダの分野でよく知られているように、リードヘッド6内および/またはリードヘッド6の外部の装置内の電子機器(図示せず)によって処理され、そこから位置情報を決定/監視する。
【】
国際公開第2017/042570号で教示されているように、インクリメンタルセンサーに落ちる信号の望ましくない周波数によって引き起こされるサブディビジョナルエラーを低減するために、決定された相対位置に対するセンサー出力の影響がセンサーの端部に向かって優位に減少するような方法で、特に窓関数に従ってインクリメンタルセンサー要素の出力を重み付けすることが有益であることが可能である。国際公開第2017/042570号でも教示されているように、リファレンスマークセンサーは、窓付きインクリメンタルセンサーの横、インクリメンタルセンサーの両端の中間に配置されることが可能である(例えば、国際公開第2017/042570号の図21参照)。しかしながら、の構成では、スケール4から戻ってきた光の大部分が、一次(例えばインクリメンタル)センサーによって感知されないことになります。本発明者は、特定の状況において、例えば、スケール4から戻ってくる光の割合が一次(例えばインクリメンタル)センサーによって感知されやすくなるように、国際公開第2017/042570号に示される構成から逸脱することが有益であることが可能であることを見つけた。
【】
例えば、本発明者らは、i)プライマリ/インクリメンタルセンサー要素の影響が、一般に、インクリメンタルセンサーの端部に向かって漸減する(すなわち、テーパが付く)。以下に詳細に説明するように、国際公開第2017/042570号で特定された理由以外の理由によるものではあるが)インクリメンタルセンサーの端部に向かってテーパすること、および、ii)リファレンスマークセンサー要素が、測定する寸法に沿ってインクリメンタルセンサーの端部の間に配置されることを、依然として有益であることを見つけ、インクリメンタルセンサー要素の一部が、リファレンスマークセンサー要素の側部の空間に位置するように、測定する寸法に垂直な方向に十分に長いならば有益であることが可能である。
【】
のセンサーの例示的な実施形態を図2に示し、さらに図5Aに詳細に示す。図示されているように、インクリメンタルセンサー24は、インクリメンタルセンサー要素の実質的に連続したアレイを含み、前述のアレイは、測定する寸法Xに沿って延びている。今述べた実施形態では、インクリメンタルセンサー24は、エレクトログレーティングであるので、図3に関するの説明と同様に、インクリメンタルセンサー24は、4組のかみ合わされた/インターリーブされたセンサー要素を含む。理解されるように、本発明は、リニアCMOS(Complementary metal-oxide semiconductor)アレイのような非エレクトログレーティングセンサーアレイにも適用可能である。図5Aに示すように、インクリメンタルセンサー要素の2つのグループG1、G2があり、それらはリファレンスマークセンサー要素(単数または複数)の両側のスペースに位置するように、測定する寸法に垂直な方向に十分な長さがある。したがって、i)リードヘッドの測定する寸法Xに平行に延び、ii)リファレンスマークセンサー要素を通り、iii)リファレンスマークセンサー要素26A’、26A‘’、26b’、26b‘’のどちらの側でも、少なくとも1つのインクリメンタルセンサー要素を通る、少なくとも1つの概念的な線(例えば、図5Aの破線30を参照)を特定することが可能である。
【】
インクリメンタルセンサー要素の少なくともいくつかを、リファレンスマークセンサー要素の側方の空間に位置するように拡張することで、一次/インクリメンタルセンサー24によって感知される光の量を増加させることができ、その結果、一次/インクリメンタルセンサー24によって出力される信号に存在するノイズの量を減少させることができ、その結果、一次/インクリメンタルセンサー24による出力から決定される位置信号に存在するジッタエラーの量を減少させることが可能である。例えば、図6の斜線のエリア27は、(図2および図5のインクリメンタルセンサーについて)インクリメンタルセンサー要素がリファレンスマークセンサー要素の側方の空間に配置されないインクリメンタルセンサーの設計(例えば、国際公開第2017/042570号に教示されている)と比較して達成される追加のセンシングエリアを表す。図示されているように、本発明によるセンサーは、スケールによって反射され、センサーユニット20センサーに落ちる利用可能な光のフットプリント25‘’をより多く利用し、それによって信号ノイズの低減と、結果として生じるポジションジッタ/ジッタエラーを改善する。
【】
図5aに明らかに示されるように、インクリメンタルセンサー要素(A、B、C、Dなど)の長さは、測定する寸法に垂直な方向に測定されるとき(すなわち、Yディメンジョンに沿って)、測定するディメンジョンXに沿って変わる。したがって、インクリメンタルセンサー24によって出力される位置信号に対する個々のセンサー要素の影響Iは、一次/インクリメンタルセンサー24のセンサー要素の配列に沿って変化する(すなわち、測定する寸法Xに沿って変化する)。図5bは、インクリメンタルセンサー24によって出力される位置信号に対する個々のセンサー要素の影響Iが、一次/インクリメンタルセンサー24のセンサー要素の配列に沿ってどのように変化するか(すなわち、インクリメンタルセンサー24によって出力される位置信号に対する個々のセンサー要素の影響Iが、測定するディメンジョンXに沿ってどのように変化するか)を示すグラフである。言い換えれば、図5bは図5aのセンサーの「影響分布」を示している。示されているように、影響は、両端に向かってテーパリングする多峰性(この実施形態では二峰性)分布に従って変化する。のマルチモーダルな分布は、インクリメンタルセンサー24が、i)リファレンスマークセンサー要素をインクリメンタルセンサー24の両端間の光学的に優れた位置に配置し、一次および二次センサーによって出力される信号の位相を合わせないことを引き起こすことが可能であるスケールとリードヘッドのヨー(すなわち、スケールに垂直な軸を中心とした回転)の影響を受けにくくすること、ii)センサーの両端に向かってインクリメンタルセンサー要素の影響を低減し、リファレンスマークの近くに起こる出力から導出される信号における測定誤差を減らす、iii)信号ノイズを減らし、ジッタを減らすように可能な限りインクリメンタルセンサーに落ちる多くの光として有すること、のバランスをとるやり方において設計されることの結果である。
【】
説明される実施形態では、インクリメンタルセンサー24によって出力される位置信号に対するインクリメンタルセンサー要素の影響Iは、インクリメンタルセンサー要素の物理的長さ(測定する寸法に垂直に測定、すなわちYディメンジョンに沿って測定)の違いにより変化する。しかしながら、必ずしもこの場合である必要はない。例えば、インクリメンタルセンサー要素の少なくとも一部にマスクを配置し、そこに入射する光の量を制限(例えば遮断)することができる。マスク(複数可)は、あらゆる1つの個々のセンシング要素の有効なセンシングエリアが連続的であるように構成されることが可能であるだろう、または、マスク(複数可)は、センシングエリアがセンサー要素の長さに沿って広がるように、ブロック/マスク領域によって分離された多数の離散的センシングエリアを有するように、各個々のセンシング要素が構成されることが可能であるだろう。さらに、またはその代わりに、インクリメンタルセンサー24によって出力される位置信号に対するインクリメンタルセンサー要素の影響Iを、電子重み付けによって制御することもできる。インクリメンタルセンサー要素がリファレンスマークセンサー要素と測定する寸法(X)に沿って一緒に配置されている場合は、本発明に従ってリファレンスマークセンサー要素を配置するために、インクリメンタルセンサー要素の長さを物理的に短くする必要がある、しかし、他のインクリメンタルセンサー要素(リファレンスマークセンサー要素と測定する寸法(X)に沿って同位置に配置されていない)については、インクリメンタルセンサー24によって出力される位置信号への影響Iをどのように制御するかを選択する自由度がある(例えば、設計者は、インクリメンタルセンサー24によって出力される位置信号への影響Iをどのように制御するかを選択することができる)。例えば、設計者は、電子的な重み付け、マスキング、および/またはインクリメンタルセンサー要素を異なる長さにするかどうかを選ぶことが可能である)。
【】
本発明による代替のセンサーの配列の例が、図7a、8a、9a、および10aに示される。図7b、図8b、図9b、および図10bは、個々のセンサー要素の影響Iが、一次/インクリメンタルセンサー24のセンサー要素の配列に沿ってどのように変化するかを示すグラフである(言い換えれば、図7b、図8b、図9b、および図10bは、それぞれ、図7a、図8a、図9a、および図10aのセンサーの「影響分布」を示す)。示されるように、これらの各実施形態において、一次センサー(これらの実施形態では、インクリメンタルセンサー24)は、i)一次/インクリメンタルセンサー要素の位置信号出力(特に、測定する寸法に垂直な方向で測定される有効なセンシングの長さ)への影響が、測定する寸法に沿って、その両端に向かってテーパリングする多峰分布に従って変化するように構成(特に、形状)され、ii)少なくとも1つの概念的な線(例えば、破線30)が、測定する寸法Xに平行に延び、少なくとも1つの二次(これらの実施形態では、リファレンスマーク)センサー要素を通り、少なくとも1つの二次(これらの実施形態では、インクリメンタルセンサー24)センサー要素の両側を通るように特定され得るように構成(特に、形状)され、測定する寸法Xに平行に延び、少なくとも1つの二次(これらの実施形態ではリファレンスマーク)センサー要素を通り、少なくとも1つの二次(例えばリファレンスマーク)センサー要素のどちらの側でも、少なくとも1つの一次(インクリメンタル)センサー要素を通る、少なくとも1つの概念的な線(例えば破線30)を特定することが可能である。
【】
図7Aの実施例は、図5A(および図8A、9A、10A)の実施例とは異なり、インクリメンタルセンサー24’の形状が、測定する寸法Xに平行に延びる中心線CLXに関して対称ではない。また、リファレンスマークセンサー要素は、測定する寸法Xに平行に延びるインクリメンタルセンサー中心線CLXの片側にのみ配置される。
【】
図8aの一次センサー(これらの実施形態では、インクリメンタルセンサー24‘’)が、一次/インクリメンタルセンサー要素の位置信号出力(特に、測定する寸法に垂直な方向で測定される有効なセンシングの長さ)への影響が、(その両端に向かってテーパリングする)三峰分布に従って、測定する寸法に沿って変化するように構成(特に、形状)されている点で、図5a(および図7a、図9a、図10a)の実施形態とは異なる。図5a(および図7aおよび図9a)の実施形態と同様に、リファレンスマークセンサー26は、第1のリファレンスマークセンサー要素26a’および第2のリファレンスマークセンサー要素26a’によって形成される前半部と、第3のリファレンスマークセンサー要素26b’および第4のリファレンスマークセンサー要素26b’によって形成される後半部とを含む、いわゆる「スプリットディテクタ」を含む。しかしながら、図5a(および図7aおよび図9a)の実施形態とは異なり、「スプリットディテクタ」の前半部を形成する第1のリファレンスマークセンサー要素26a’および第2のリファレンスマークセンサー要素26a’は、インクリメンタルセンサー要素のグループG2によって、「スプリットディテクタ」の後半部を形成する第3のリファレンスマークセンサー要素26b’および第4のリファレンスマークセンサー要素26b’から分離されている。この実施形態では、図示されているように、測定する寸法に平行に延び、少なくとも1つのリファレンスマークセンサー要素を通り、少なくとも1つのリファレンスマークセンサー要素のどちらの側でも、少なくとも1つの一次センサー要素(例えば、インクリメンタルセンサー要素のグループG1、G2、G3を参照)を通る少なくとも1つの概念的な線(例えば、破線30を参照)を特定することが可能である。この実施形態によって例示されるように、の概念的な線がリファレンスマークセンサー要素(単数または複数)の全長にわたって識別可能である必要はない(この実施形態では。リファレンスマークセンサー要素は、すべてのインクリメンタルセンサー要素よりもYディメンジョン方向に長く延びている)。
【】
図9aの図5aの実施形態と非常に類似している。しかしながら、図5a(および図7a、図8a)の実施形態では、インクリメンタルセンサーは、(図5b、図7b、図8bによって示されるような)その影響分布がピークの領域と波の谷の領域との間でテーパリングするように構成されているが、図9(および図10)の実施形態の場合はそうではない。図9および図10の図5の実施形態と比較して、インクリメンタルセンサーに入射する光のより大きな割合を提供することが可能である一方で、インクリメンタルセンサーの影響分布を、ピークの領域と波の谷の領域との間でテーパリングするように設計することが、特にセンサーに落ちる信号が最適でない(歪んでいるなど)場合に、システム/位置誤差を低減するのに役立つことが分かっている。
【】
図10aのリファレンスマークセンサー26が単一のセンサー要素のみで構成されている点で、上述の実施形態とは異なる。また、リファレンスマークセンサー26は、インクリメンタルセンサー24‘’’のインクリメンタルセンサー要素の実質的に連続したアレイに完全に埋め込まれ/囲まれている。図示されているように、センサー26への電気接続線に起因して(および/または、製造上の理由など、他の何らかの理由で)、センサーアレイの配列の連続性に小さな断絶があるが、リードヘッドの測定する寸法に沿って(すなわち、X軸に沿って)測定されたすき間の大きさは、再び測定する寸法に沿って測定された一次センサーの全長の10%未満であるため、インクリメンタルセンサー24の計量性能に比較的重要でない影響を及ぼす。
【】
上述したすべての実施形態において、それによって出力される位置信号に対する一次/インクリメンタルセンサーの影響の変動は、測定する寸法Xに垂直に延びる一次/インクリメンタルセンサーの概念的な中心線CLYに関して実質的に対称である。今述べたことは、位置誤差の最小化を含む様々な理由で有益であることが可能である一方で、の構成は必要/不可欠ではない。
【】
位置信号出力に対する一次センサー要素の影響が(国際公開第2017/042570号によって促進されるような単峰分布ではなく)多峰分布に従って測定する寸法に沿って変化するように一次/インクリメンタルセンサーを構成することは、一次/インクリメンタルセンサーによって出力される位置信号に存在するサブディビジョナルエラーに悪影響を有することが可能である(したがって、国際公開第2107/042570号の教示に反する)。しかしながら、多峰分布を採用することで達成されることが可能であるノイズとジッタの低減というメリットは、サブディビジョナルエラー(sub-divisional error;SDE)性能の低下を上回ることが可能である。さらに、必要であれば、SDEを下流の電子機器にて(例えばマッピングを介して)補正することが可能である。
【】
図11aおよび図11bは、図2のものと実質的に同一の位置エンコーダ装置2’の代替の実施形態を示しており、同様の部品には同じ参照符号が付されている。この実施形態では、リファレンスマーク11’は(Yディメンジョンにおいて)スケール4’の幅を完全に横切って延びておらず、その代わりに、Yディメンジョンに沿って離れて分離される/間隔をあけられる2つの別個のリファレンスマーク領域11a、11bを含む。説明される実施形態では、2つの別個のリファレンスマーク領域11A、11bAは、測定する寸法Xに沿って併置される。リードヘッド6がリファレンスマーク11’を通過するとき、第1のリファレンスマーク領域11Aは、第1の26A’および第3の26b’リファレンスマークセンサー要素に結像され、第2のリファレンスマーク領域11bは、第2の26A‘’および第4の26b‘’リファレンスマークセンサー要素に結像される。したがって、インクリメンタルな位置特徴10は、リファレンスマーク11’の領域では長さが短くなるものの、それらの間に切れ目なく連続して延びている。これにより、インクリメンタルセンサー24で生成されるインクリメンタル信号の強度を高め、基準マークによる誤差を減らすことが可能である。
【】
上述のすべての実施形態において、一次センサーはインクリメンタルセンサーを含み、二次センサーはリファレンスマークセンサーを含む。図12aおよび図12bは、絶対位置情報がインクリメンタルスケール内に埋め込まれた、代替の実施形態による位置エンコーダ装置2’を示す。位置エンコーダ装置2’は、図2のものと多くの共通点があり、同様の部品には同じ参照符号が付されている。この実施形態では、スケール4‘’は、(上述した実施形態に従って)絶対コード特徴が、純粋な/壊れていないインクリメンタル特徴10’の列のどちらの側でも、スケールの長さに沿って延びる第1の15aおよび第2の15bの列に沿ってその中に埋め込まれる一連のインクリメンタル特徴を含む(それに応じて、絶対コード特徴は、スケールの測定する寸法に垂直な寸法において分離される)。
【】
センサーユニット20’は、一次(インクリメンタル)センサー24と、第1のフォトダイオードアレイ40aと第2のフォトダイオードアレイ40b(この実施形態では一次元のフォトダイオードアレイであるが、二次元でもよい)を含む絶対センサー40とを含む。第1の光学フォーカシング(例えば撮像)要素22aは、アブソリュートスケール特徴15aを含む第1の列の像を第1のフォトダイオードアレイ40a上に形成させ、第2の光学フォーカシング(例えば撮像)要素22bは、アブソリュートスケール特徴15bを含む第2の列の像を第2のフォトダイオードアレイ40b上に形成させる。説明される実施形態では、アブソリュートスケール特徴の第1の列15aと第2の列15bの絶対コードは同一である。したがって、第1のフォトダイオードアレイ40Aと第2のフォトダイオードアレイ40bの出力は組み合わされ、1つとして扱うことが可能である。周知のように、例えばUS7499827、US5279044、US10989567に記載されているように、アブソリュートスケール特徴の第1の列15Aおよび第2の列15bの画像(複数可)は、それによって絶対位置を決定するように絶対/一意コードを抽出するために処理することが可能である。絶対位置は、インクリメンタルディテクタ24から決定されたインクリメンタルな位置と組み合わされ、ファインピッチ絶対位置を提供することが可能である。オプションとして、一旦絶対位置が決定されると、その後の位置はインクリメンタルディテクタ24からの出力を監視することによってのみ決定することが可能である。
【】
説明される実施形態では、絶対スケールの第1の列15aおよび第2の列15bは、粗いピッチ/周期の絶対スケールの間のスペースに、より細かいピッチ/周期のインクリメンタルスケールも含む(必ずしもこの場合である必要はないが)。一例として、絶対位置情報をエンコードする粗い特徴は約32μmの公称周期を有することが可能であるだろう、および、より細かいピッチ/周期のインクリメンタル特徴は約8μmの周期を有することが可能である。したがって、アブソリュートスケール特徴の第1の列15Aおよび第2の列15bは、センサーユニット20’センサーに落ちる光25‘’のフットプリント内でインクリメンタルな位置の信号の形成にも寄与する。
【】
上述したすべての実施形態において、一次センサーは、一次センサー要素の位置信号出力(例えば、測定する寸法に垂直な寸法で測定される有効なセンシングの長さ)への影響が、その両端に向かってテーパリングする多峰分布に従って、測定する寸法に沿って変化するように構成(例えば、形状)される。センサーの影響が両端に向かってテーパリングするように構成することの利点は、リファレンスマーク近傍の位置信号の誤差を減らすのに役立つことが可能である。これについては、図3および図13を参照して説明する。上述したように、図3は、線27によって表される干渉縞が純粋に正弦波状に変化する強度を有し、縞周期p’がエレクトログレーティング周期「p」(例えば、2つの「A」フォトダイオードのような2つの同種のフォトダイオードの中心の周期)に一致し、それによってチャネルごとに干渉縞の周期的パターンの整数回の繰り返しが提供される理想的なシナリオを示している。言い換えれば、干渉縞の空間周波数(例えば1/p’)は、フォトダイオードのセットの繰り返しの空間周波数(例えば1/p)の整数倍である(特に、この場合、干渉縞の空間周波数は、フォトダイオードのセットの繰り返しの空間周波数に等しい)。様々な状況により、フリンジ周期p’がセンサー周期pと一致しなくなることが可能である。例えば、リードヘッド6とスケール4の分離が変化すると、センサーに落ちる干渉縞周期p’における変化を生じることが可能である(例えば、拡大の影響のために、分離が増加するか減少するかによって干渉縞が伸びたり縮んだりする)。さらに、フリンジフィールドの歪み(例えば、光学系の品質によって生じる)は、フリンジ周期とセンサー周期との間のミスマッチを引き起こすことも可能である。干渉縞の周期のの変化は、インクリメンタルディテクタ24を横切る干渉縞の強度の変化を概略的に示す点線27’によって示されている。見られることが可能であるように、ただちに、図13を参照してただちに説明されるだろう、フリンジ周期(線27の)とエレクトログレーティング周期とのミスマッチの影響がある。
【】
図13は、上述したインクリメンタルセンサー24のようなセンサーアレイの小さな中央部分を模式的に示しており、空白の長方形で表されている。センサーに落ちる光信号(干渉縞など)は、ドットで塗りつぶされた長方形の形状で表される。光信号とインクリメンタルセンサーのセンサー要素の相対位置が容易に見られることが可能であるように、光信号はインクリメンタルセンサーのセンサー要素とYディメンジョンで部分的にしか重ならないように示されているが、理解されるように、通常の動作では、光信号はインクリメンタルセンサーのセンサー要素とYディメンジョンで完全に重なる。
【】
図13aは、フリンジ周期がセンサー周期と一致する(すなわち、図3のライン27の通り)理想的なシナリオを表している。図13bは、フリンジ周期がセンサー周期と一致しなくなる(例えば、上述の拡大の影響と、リードヘッドおよびスケールの分離の変化とによる)シナリオを表している(すなわち、図3のライン27’の通り)。図13に見られることが可能であるように、干渉縞とインクリメンタルセンサー24の個々のセンサー要素との間の位相差Θは、センサーの中心線CLY(すなわち、測定する寸法Xに垂直に延びる中心線)からの距離とともに増大する。しかしながら、位相差の変化はセンサーの中心線CLYに対して対称であるため、位相差はセンサー全体で平均化され、図13aのように、信号の平均位相位置はセンサーの中心線CLYと一致し、位置誤差は生じない。
【】
しかしながら、図13cおよび図13dに例示されるように、今述べたことは、もはや、リードヘッドがスケールにおけるリファレンスマークまたは汚れの上を通過するときの場合ではない。図示されているように、リファレンスマーク(図13cと13dのストライプで塗りつぶされたボックスで表されている)がセンサー24を横切って掃引するにつれて、インクリメンタルな位置の信号の位相差の変化はセンサーの中心線CLYに関して対称ではなくなり、それによって平均位相位置のシフトが引き起こされる。これにより、インクリメンタルセンサー24の出力から決定される位置信号は、最初は測定する寸法Xに沿った一方向にシフトし、その後、リードヘッドがリファレンスマークを含むスケールの部分を通過するにつれて、測定する寸法に沿った反対方向にシフトし、図15に示されるように、リードヘッドがスケールにおけるリファレンスマーク/汚れの上を通過するときに位置信号における誤差が変わる。
【】
見られることが可能であるように、位相差はインクリメンタルセンサーの中心線CLYから離れるほど大きくなる。したがって、インクリメンタルセンサーを、インクリメンタルセンサー要素が位置信号出力に与える影響が終端に向かって徐々にテーパリングするように構成することで、位置信号の誤差のばらつきの大きさを低減することができる。
【】
図14は、スケールから反射される光のフットプリント‘’’の非円形形状(この実施形態では図示せず)に対応するために、一次センサー24(灰色の斜線のエリアによって表される)が、測定する寸法に平行に延びる一次センサーの中心線CLXに関して対称ではないことを除いて、図5aのものと非常に類似する本発明の実施形態を示す。見られることが可能であるように、は、一次センサー24の端にあるセンサー要素の中心線CLX1およびCLX2は、一次センサー24の中央にあるセンサー要素の中心線(一次センサーの中心線CLXとたまたま同軸である)と同軸ではない。したがって、一次センサー24の端部におけるセンサー要素の中心線CLX1およびCLX2は、測定する寸法に垂直な寸法において、一次センサー24の端部におけるセンサー要素の中心線に対して横方向にオフセットしている。
【】
図14の中央のトラフに分けられた区域が平坦である点でも図5aの実施形態と異なる。図14の実施形態はまた、図14のインクリメンタルセンサーが、センサー要素の有効なセンシングの長さが個々のセンサー要素のグループ(この実施形態では、4つのセンサー要素のグループ)単位でステップダウン/アップするように構成されている点で、図5aの実施形態とは異なる。したがって、さらに、ピークの領域と波の谷の領域と間のセンサーの影響分布について上に説明したテーパリングは、かたちにおいて段状にもなるだろう。センサーが(上述したように)エレクトログレーティングタイプのセンサーである場合、センサーは、エレクトログレーティングを構成するセンサー要素の隣接したセットの1つのグループ(例えば、1つの「A」センサー要素、1つの「B」センサー要素、1つの「C」センサー要素、および1つの「D」センサー要素を含むグループ)内で、センサー要素が同じ長さを有するように構成することが可能である。
【】
上述した回折ベースのインクリメンタルエンコーダを含むことによって、スケールからの回折次数がリードヘッド内の回折格子と相互作用して、インクリメンタルセンサーに干渉縞を生成する。理解されるように、他のタイプのインクリメンタルエンコーダも存在し、それらは異なる方法で回折次数からセンサーに信号を生成する。また、インクリメンタルエンコーダには、インクリメンタルセンサーで信号を生成するために回折次数に依存せず、代わりに他の光学現象/特性、例えば、センサーにおいて形成されるスケールのシャドウキャストまたは画像に依存する他のタイプのインクリメンタルエンコーダが存在する。したがって、本発明は、上述した実施形態に描かれたタイプのエンコーダに限定されるものではなく、これらの他のタイプのエンコーダにも使用することが可能である。
【】
上に説明される実施形態では、一次センサーはインクリメンタルセンサーを含む。しかしながら、必ずしもこの場合である必要はない。例えば、一次センサーは、スケールにおける絶対位置コードをセンスするための絶対センサー、例えばイメージセンサーを含むことが可能であるだろう。の場合、二次センサーは、例えば、リードヘッドとスケールの相対ピッチなどスケールの別の側面をセンスするため、またはスケールにおける機能安全限界マークをセンスするためなど、他の何かをセンスするための1つまたは複数の補助センサーを含むことが可能であるだろう。
【】
本明細書では、斬新なスケールの配列についても記述している。スケールは、一般に周期的に配置された一連の特徴を含むインクリメンタルスケールトラックを含み、前述の一連の特徴は、測定する寸法に沿って延びる。さらに、スケールは、一連の一次位置特徴の中に少なくとも部分的に埋め込まれ、測定する寸法に垂直な寸法で横方向に分離している特徴を含む二次位置特徴も含む。のスケールの図11および図12に関連してに図示および説明されている。もちろん、本発明のこの態様のために、リードヘッドのセンサーは、本発明の第1の態様に従って形成される必要はない。したがって、図17および図18(インクリメンタルセンサーの形状を除き、図11および図12の実施形態と同一である)に示されるように、他の上述の実施形態のセンサー24の代わりに、標準/既知の形状のインクリメンタルセンサー24A(この場合、長方形の形状を有する)を使用することが可能である。したがって、これらの実施形態の埋め込みリファレンスマークおよび絶対コード特徴は、測定する寸法に垂直な寸法において、その間の空間に設けられた純粋な/中断されない周期的に配置されたインクリメンタルなスケール特徴を有する少なくとも2つの部分に分割される。
【】
上述の実施形態において、リファレンスマーク(複数可)は、測定する寸法に平行な寸法において、単一の連続ブロック特徴を含む。しかしながら、これは必ずしもそうである必要はなく、例えば、リファレンスマークはパターン化されたリファレンスマーク、例えば、測定方向に沿って(例えば、それらの間に少なくとも1つのインクリメンタル特徴によって)それぞれ分離された帯(オプションとして異なる幅の)などを含むことが可能であるだろう。パターン化されたリファレンスマーク」という表現における「パターン化された」という用語は、リファレンスマークが繰り返しデザイン/形状を有することを意味するために使用されているのではなく、むしろリファレンスマークが測定する寸法に沿って不均一なデザイン/形状を有することを意味するために使用されている。もちろん、「パターン化されたリファレンスマーク」は、測定する寸法に沿って、繰り返し形状/デザインを有することが可能であるだろう、または、繰り返し形状/デザインを有さないこともある。
【図】
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【手続補正書】
【提出日】
【手続補正】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項】
位置エンコーダ装置のためのスケールであって、
周期的に配列されたインクリメンタルなスケール特徴の一連を含むインクリメンタルスケールトラックであって、前記一連は、測定する寸法に沿って延びる、インクリメンタルスケールトラックと、
前記インクリメンタルスケールトラック内に少なくとも部分的に埋め込まれる1つまたは複数の二次位置特徴であって、前記1つまたは複数の二次位置特徴は、間の空間に提供された、中断されない周期的に配列されたインクリメンタルなスケール特徴を有して少なくとも2つの部分に、前記測定する寸法に垂直な前記寸法において割られる、1つまたは複数の二次位置特徴と
を備えたことを特徴とするスケール。
【請求項】
二次位置特徴の一連を含み、二次位置特徴の前記一連は、周期的に配列されるインクリメンタルなスケール特徴の前記一連と同じ測定する寸法に沿って延び、二次位置特徴の前記一連における特徴は、少なくとも2つの部分に、前記測定する寸法に垂直な前記寸法において割られて、前記スケールが、前記インクリメンタルなスケール特徴と前記二次位置特徴との両方を含む2つの列のスケール特徴と、前記2つの列のスケール特徴の間に位置した中断されない周期的に配置されたインクリメンタルなスケール特徴を含む1つの列とを含むことを特徴とする請求項1に記載のスケール。
【請求項】
前記1つまたは複数の二次位置特徴は、リファレンスマークを定義することを特徴とする請求項1または2に記載のスケール。
【請求項】
前記1つまたは複数の二次位置特徴は、前記測定する寸法に沿った一連の一意的な絶対位置を定義することを特徴とする請求項1または2に記載のスケール。
【請求項】
前記1つまたは複数の二次位置特徴は、前記測定する寸法に沿って延びる少なくとも2つの列に含まれ、前記少なくとも2つの列は、前記測定する寸法に垂直な寸法において横方向に分離されることを特徴とする請求項1または2に記載のスケール。
【請求項】
前記1つまたは複数の二次位置特徴は、前記インクリメンタルスケールトラック内に完全に埋め込まれることを特徴とする請求項1または2に記載のスケール。
【請求項】
請求項1または2に記載のスケールと、
前記インクリメンタルなスケール特徴をセンスするための少なくとも1つのインクリメンタルセンサー、および、前記測定する寸法に垂直な前記寸法において前記少なくとも1つのインクリメンタルセンサーの反対側に位置した少なくとも第1および第2の二次位置センサー、を含むリードヘッドと
を備えたことを特徴とするポジションエンコーダ装置。
【国際調査報告】