特表 2021-527230 線形及び回転マルチトラック絶対位置エンコーダ並びにそれを使用した方法

(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】特表2021-527230(P2021-527230A)

(43)【公表日】2021年10月11日

(54)【発明の名称】線形及び回転マルチトラック絶対位置エンコーダ並びにそれを使用した方法

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/347 20060101AFI20210913BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/347 110A

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

【全頁数】28

(21)【出願番号】特願2021-518041(P2021-518041)

(86)(22)【出願日】2019年6月6日

(85)【翻訳文提出日】2021年1月15日

(86)【国際出願番号】US2019035759

(87)【国際公開番号】WO2019236821

(87)【国際公開日】20191212

(31)【優先権主張番号】62/681,896

(32)【優先日】2018年6月7日

(33)【優先権主張国】US

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT

(71)【出願人】

【識別番号】520478183

【氏名又は名称】ジョンソン、フィリップ エム．

(71)【出願人】

【識別番号】520478194

【氏名又は名称】ジョンソン、デイビッド ケイ．

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】特許業務法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ジョンソン、フィリップ エム．

(72)【発明者】

【氏名】ジョンソン、デイビッド ケイ．

【テーマコード（参考）】

2F103

【Ｆターム（参考）】

2F103BA37

2F103CA03

2F103DA06

2F103DA12

2F103DA13

2F103EA12

2F103EA15

2F103EB02

2F103EB06

2F103EB12

2F103EB16

2F103EB18

2F103EB32

2F103FA15

(57)【要約】

光学位置エンコーダ及びそれを使用した方法について説明する。実施例では、光学位置エンコーダは、マルチトラック・ハイブリッド巡回２進コード−２（ＨＣＢＣ−２）符号化されたスケールと、光学読出しアセンブリ（ＯＲＡ）とを含み、ＯＲＡは、絶対位置光学読出しと、スケールに対する自動物理的整合とを与える。また、線形光学位置エンコーダ、回転光学位置エンコーダ、及びそのようなエンコーダを使用してスケールに対するＯＲＡの位置を測定する方法について説明する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ハイブリッド巡回２進コード２（ＨＣＢＣ−２）で符号化された第１の領域を備える基板を備えるスケールと、
光学読出しアセンブリ（ＯＲＡ）と
を備える、光学絶対位置エンコーダであって、
前記ＨＣＢＣ−２で符号化された前記第１の領域が、
ハイブリッド巡回２進コード（ＨＣＢＣ）パターンの第１のマルチトラック・アレイを備える第１の下位領域と、
ＨＣＢＣパターンの第２のマルチトラック・アレイを備える第２の下位領域と
を備え、前記第２のマルチトラック・アレイが前記第１のマルチトラック・アレイの反射及び補完であって、
前記ＯＲＡが、前記ＨＣＢＣ−２符号化されたスケール上に光パルスを放出するように構成された少なくとも１つの光源を備え、
前記ＯＲＡが、前記ＨＣＢＣ−２スケールによって反射された光の少なくとも一部分を測定し、前記ＯＲＡに対する前記ＨＣＢＣ−２スケールの位置を決定するように構成された、光学絶対位置エンコーダ。

【請求項2】

前記スケールが、前記第１の下位領域を備える第１の内側領域と、前記第２の下位領域を備える第２の内側領域とを備え、
前記第１のマルチトラック・アレイの各トラックが、非測定方向においてよりも測定方向において長い符号化されたストリップである、請求項１に記載の光学絶対位置エンコーダ。

【請求項3】

前記スケールが、第１の外側領域と、第２の外側領域とをさらに備え、
前記第１の外側領域、前記第２の外側領域、又は前記第１の外側領域と前記第２の外側領域の両方が、少なくとも１つの符号化されていない整合トラックを備える、
請求項２に記載の光学絶対位置エンコーダ。

【請求項4】

前記第１の領域が、前記第１の外側領域と前記第２の外側領域との間に配設された、請求項３に記載の光学絶対位置エンコーダ。

【請求項5】

前記第１の外側領域及び前記第２の外側領域が、それぞれ、符号化されていない整合トラックを備える、請求項４に記載の絶対光学位置エンコーダ。

【請求項6】

前記少なくとも１つの整合トラックが、第１の整合トラック・ペアと、第２の整合トラック・ペアとを備え、
前記第１の外側領域が前記第１の整合トラック・ペアを備え、
前記第２の外側領域が前記第２の整合トラック・ペアを備え、
前記第１の整合トラック・ペア及び第２の整合トラック・ペアの各々が、第１のトラックと、前記第１のトラックに隣接する第２のトラックとを備え、前記第１のトラックが、前記スケールの長さ全体にわたって非反射性又は非透過性であり、前記第２のトラックが、前記スケールの前記長さ全体にわたって反射性又は透過性である、請求項４に記載の絶対光学位置エンコーダ。

【請求項7】

前記ＯＲＡが光学センサー・アレイを備え、前記光学センサー・アレイが、
光源のアレイと、
光センサーのアレイと
を備える、請求項３から６までのいずれか一項に記載の絶対光学位置エンコーダ。

【請求項8】

光センサーの前記アレイが複数の共焦点光学センサーを備える、請求項７に記載の絶対光学位置エンコーダ。

【請求項9】

前記光学センサー・アレイが、少なくとも１つの読出しラインを備える読出しライン・アセンブリを備え、
前記少なくとも１つの読出しラインが、複数の読出し光源と、複数の読出しライン光学センサーとを備え、
光源の前記アレイが前記複数の読出し光源を備え、
光センサーの前記アレイが前記複数の前記読出しライン光学センサーを備える、
請求項７に記載の絶対光学位置エンコーダ。

【請求項10】

前記光学センサー・アレイが複数の整合センサーをさらに備える、請求項９に記載の絶対光学位置エンコーダ。

【請求項11】

前記複数の読出しライン光学センサーが、第１の方向において線形位置誤差を最も正確に測定するように構成され、
前記複数の整合センサーが、第２の方向において整合位置を最も正確に測定するように構成され、
前記第１の方向と前記第２の方向とが互いに異なる、
請求項９に記載の絶対光学位置エンコーダ。

【請求項12】

前記光学絶対位置エンコーダが線形光学絶対位置エンコーダであり、
前記スケールが平面であり、前記第１のマルチトラック・アレイ及び第２のマルチトラック・アレイが、平面２次元レイアウトで前記基板上に構成されるか、又は前記基板内に形成された、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の光学絶対位置エンコーダ。

【請求項13】

前記光学絶対位置エンコーダが回転光学絶対位置エンコーダであり、
前記スケールが回転スケールであり、
前記基板が、円筒形ドラムの内面又は外面であるか、又は円筒形ドラムの内面上若しくは外面上に配設された、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の光学絶対位置エンコーダ。

【請求項14】

読出しアセンブリに対するスケールの絶対位置を測定する方法であって、
光源から光パルスを放出することであって、前記光パルスがスケールに入射し、前記スケールがハイブリッド２進巡回コード２（ＨＣＢＣ−２）で符号化された第１の領域を備える、光パルスを放出することと、
光学読出しアセンブリ（ＯＲＡ）を用いて、前記スケールによって反射された前記光パルスの少なくとも一部分を検出し、少なくとも１つのセンサー信号を生成することと、
前記少なくとも１つのセンサー信号に基づいて、コントローラを用いて、前記読出しアセンブリに対する前記スケールの位置を計算することと
を含み、
前記ＨＣＢＣ−２スケールで符号化された前記第１の領域が、
ハイブリッド巡回２進コード（ＨＣＢＣ）パターンの第１のマルチトラック・アレイを備える第１の下位領域と、
ＨＣＢＣパターンの第２のマルチトラック・アレイを備える第２の下位領域と
を備え、前記第２のマルチトラック・アレイが前記第１のマルチトラック・アレイの反射及び補完である、方法。

【請求項15】

前記スケールが、前記第１の下位領域を備える第１の内側領域と、前記第２の下位領域を備える第２の内側領域とを備え、
前記第１のマルチトラック・アレイの各トラックが、非測定方向においてよりも測定方向において長い符号化されたストリップである、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記スケールが、第１の外側領域と、第２の外側領域とをさらに備え、
前記第１の外側領域、前記第２の外側領域、又は前記第１の外側領域と前記第２の外側領域の両方が、少なくとも１つの符号化されていない整合トラックを備える、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記第１の外側領域及び前記第２の外側領域が、それぞれ、符号化されていない整合トラックを備える、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記ＯＲＡが光学センサー・アレイを備え、前記光学センサー・アレイが、
前記光パルスを放出するように構成された光源のアレイと、
前記スケールによって反射された光を検出するように構成された光センサーのアレイと
を備える、請求項１６又は１７に記載の方法。

【請求項19】

光センサーの前記アレイが複数の共焦点光学センサーを備える、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

前記光学センサー・アレイが、少なくとも１つの読出しラインを備える読出しライン・アセンブリを備え、
前記少なくとも１つの読出しラインが、複数の読出し光源と、複数の読出しライン光学センサーとを備え、
光源の前記アレイが前記複数の読出し光源を備え、
光センサーの前記アレイが、前記複数の前記読出しライン光学センサーを備える、請求項１８に記載の方法。

【請求項21】

前記少なくとも１つのセンサー信号が複数のセンサー信号を含み、前記方法は、
前記複数のセンサー信号を測定することと、
前記複数のセンサー信号から基準信号値を生成することと、
複数の正規化されたセンサー信号を生成するために、前記基準信号値を用いて前記複数のセンサー信号の各々を正規化することと
をさらに含み、
前記読出しアセンブリに対する前記スケールの前記位置を計算することが、前記複数の正規化されたセンサー信号に基づいて実行される、
請求項１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

精密工業機械のサーボ制御ループにおける高精度、高サンプル・レートの線形及び回転位置エンコーダは、機械精度及び速度を著しく改善することができる。そのような改善は、より高い帯域幅の位置及び速度フィードバック、（すなわち、より高い位置サンプル・レート）を与えることによって、及び機械的リンク機構（たとえば、ギア、レバー及びカム）における摩耗、たわみ及び緩みに関連する位置誤差をなくすことによって達成され得る。

【背景技術】

【0002】

（たとえば、２進デジタル・グレイ・コード・スケールを用いる）光学マルチトラック・アブソリュート・エンコーダは、測定スケールに対する読出し機構の不完全な整合により起こる測定誤差の可能性により、シングルトラック手法の方を好んで、しばしば退けられる。しかしながら、アブソリュート・エンコーダは、一般に、精度及び機械オペレータ安全性が改善されるという潜在的な利点を有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国非仮特許出願第１５／７１１，２３８号

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

本開示は、改善されたマルチトラック光学絶対位置符号化システム及び方法に関する。明らかになるように、本明細書で開示するシステム及び方法は、位置誤差を著しく低減し、同時に、より高い測定サンプル・レートを与え得る。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1】本開示の様々な実施例による、平面ハイブリッド巡回２進コード−２（Planar Hybrid Cyclic Binary Code-2）（ＨＣＢＣ−２）スケール上に入射し、ＨＣＢＣ−２スケールによって光学センサーに反射される、共焦点（confocal）光学センサー・アレイにおいて生成される光線を示す、本開示による、光学絶対線形位置エンコーダ（Optical Absolute Linear Position Encoder）の１つの実例の高レベル・ブロック図である。

【図2】本開示の様々な実施例による、スケールの平面に垂直な方向から見た、平面共焦点光学センサー・アレイ（Planar Confocal Optical Sensor Array）、及び整合トラックをもつ平面ＨＣＢＣ−２スケールの部分の図である。本開示の様々な実施例による、読出しライン・アレイ中の例示的な５つの読出しライン・アセンブリ、及び平面共焦点光学センサー・アレイ中の４つの個々の整合センサーも示されている。

【図3】本開示の様々な実施例による、外側透明ウィンドウの部分を含む例示的な共焦点光学センサー・セル（Confocal Optical Sensor Cell）（ＣＯＳＣ）の注釈付き３Ｄ等角図である。

【図4】本開示の様々な実施例による、図３に示された共焦点光学センサー・セル（ＣＯＳＣ）設計とウィンドウとによって生成された回折限界（diffraction-limited）点広がり関数（point spread function）（すなわち、Ｘ座標及びＹ座標の関数としての光学収差及び回折の存在下でのぼやけ画像放射照度（blurred image irradiance））を示す光学ソフトウェアによって生成された３Ｄ表面プロットである。

【図5】本開示の様々な実施例による、図４に示された光学画像点広がり関数のＸＹ等高線図（contour plot）である。

【図6】米国非仮特許出願第１５／７１１，２３８号（‘２３８出願）と本開示の様々な実施例とに開示されているＨＣＢＣコード・パターンの数学による、重みなし番号付けシステム（Unweighted Numbering System）単一周期可変オフセット・バー・パターンの下位領域、及び重み付き番号付けシステム（Weighted Numbering System）複数周期一定オフセット・バー・パターンの下位領域を示す、本開示による、例示的な６８トラックＨＣＢＣ−２平面又は円筒マルチトラック・スケールの選択された領域のノンスケール図である。

【図7】ＨＣＢＣ−２コードの重みなし番号付けシステム、単一周期、可変オフセット部分を表す３つの連続垂直バー・パターンを示し、また、‘２３８出願と本開示の様々な実施例とに開示されているＨＣＢＣコード・パターンの数学による、図５の例示的な光学読出しぼけスポットを示す、図６中の小さい領域の拡大図である。

【図8】本開示の様々な実施例による、５つのマージされた共焦点光学センサー・セル（Merged Confocal Optical Sensor Cell）（ＭＣＯＳＣ）と環境ウィンドウの断面との実例を示すＹＺ平面内の断面図である。

【図9】本開示の様々な実施例による、Ｙ位置読出しのために使用される単一の読出しラインにおけるマージされた複数の共焦点光学センサー・セル（ＭＣＯＳＣ）、＋第２のＸＺ平面内の整合センサーとして使用される２つの単一回転ＣＯＳＣのＸＺ平面内の断面図である。

【図10】本開示の様々な実施例による、円筒ＨＣＢＣ−２スケール上に入射し、円筒ＨＣＢＣ−２スケールによって反射された、共焦点光学センサー・アレイ（ＣＯＳＡ）の円筒バージョンにおいて生成された光線を示す、本開示による、絶対光学回転位置エンコーダ（Absolute Optical Rotary Position Encoder）（ＡＯＲＰＥ）の高レベル・ブロック図である。

【図11】本開示の様々な実施例による、それぞれ、位置読出しとして動作する複数のＭＣＯＳＣを含んでおり、また、整合センサーとして動作する２つの例示的な回転ＣＯＳＣを示す、図面の平面に平行な軸の周りを回転する円筒ＨＣＢＣ−２スケールと、５つの例示的な回転読出しライン（Rotational Readout Line）（ＲＲＬ）を備える共焦点光学センサーの円筒アレイとのＸＹ図である。

【図12】すべて、図面の平面に垂直な軸をもつ回転円筒ＨＣＢＣ−２スケールを整合させ、読み出すように構成された、位置読出しとして動作する５つの例示的なＭＣＯＳＣと、整合センサーとして動作する２つの例示的な回転ＣＯＳＣとを示す本開示の様々な実施例による、例示的な光学絶対回転位置エンコーダ（Optical Absolute Rotary Position Encoder）のＹＺ断面図である。

【図13】本開示の様々な実施例による、光学絶対線形位置エンコーダ又は光学絶対回転位置エンコーダを用いて物体の線形位置又は回転位置を測定するための方法の例示的な動作を示す流れ図である。

【図14】米国非仮特許出願第（ＵＳＰＴＯ出願第）１５／７１１，２３８号の従来技術と本開示の様々な実施例とに開示されているＨＣＢＣコード・パターンの数学による、光学絶対線形位置エンコーダとともに使用するために調整された、ＨＣＢＣ−２平面スケールのいくつかの非限定的な実例についてのパラメータの表である。

【図15】米国非仮特許出願第（ＵＳＰＴＯ出願第）１５／７１１，２３８号の従来技術と本開示の様々な実施例とに開示されているＨＣＢＣコード・パターンの数学による、本開示の様々な実施例による、光学絶対回転位置エンコーダとともに使用するために調整された、ＨＣＢＣ−２円筒スケールのいくつかの非限定的な実例についてのパラメータの表である。

【発明を実施するための形態】

【0006】

本開示は、一般に、光学絶対線形位置エンコーダ（ＯＡＬＰＥ）、光学絶対回転位置エンコーダ（ＯＡＲＰＥ）、及びそれを使用した方法に関する。開示されるエンコーダは、それぞれ、マルチトラック・ハイブリッド巡回２進コード−２（ＨＣＢＣ−２）符号化スケールと、光学読出しアセンブリ（ＯＲＡ）とを含み、ＯＲＡは、絶対位置光学読出しと、それらのそれぞれのスケールに対する自動物理的整合とを与える。実施例では、ＨＣＢＣ−２スケールは、平面基板若しくは円筒基板に取り付けられるか、又はそのような基板上に書き込まれる。両方のスケール実施例は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、「Non-Contact Coordinate Measuring Machine using Hybrid Cyclic Binary Code Structured Light」と題する米国非仮特許出願第１５／７１１，２３８号（以下、「‘２３８出願」）に開示されているハイブリッド巡回２進コード（ＨＣＢＣ）から導出される。３Ｄ表面プロファイリング測定を実行するためのＨＣＢＣの生成及び復号に関する式形式及びフローチャート図面中の数学的要件の説明は、‘２３８出願において見られ、したがって、簡潔のためにここでは繰り返さない。

【0007】

線形位置エンコーダ実施例におけるＨＣＢＣ−２スケールは、いくつかの２進バー・パターン・トラックの平面２次元物理的レイアウトを含む。対照的に、回転位置エンコーダの実施例におけるＨＣＢＣ−２スケールは、円筒形ドラムの外側若しくは内側の周りに巻かれたフレキシブルな薄いシート基板上のトラックの同様のセットか、又は円筒形ドラムの外面若しくは内面にエッチングされるか若しくは書き込まれるトラックのセットのいずれかを含む。トラックのセットが内面上にあるときは、透明な円筒シェル基板が使用される。

【0008】

‘２３８出願では、ＨＣＢＣコードは時間シーケンスにおける構造光（structured light）として投影され、したがって連続時間シーケンスとして読み出される。対照的に、本明細書で説明する線形絶対位置エンコーダ及び回転絶対位置エンコーダは、パターニングされたスケール・トラックのセットとして実施されるＨＣＢＣコードの改変体（以下「ＨＣＢＣ−２」）を利用する。トラックのセット全体は、個々のセンサー・ユニット（セル）の固定されたアレイ、すなわち、平行読出しのアレイの使用によって、はるかに短い時間中に読み出され得る。結果は、すべてのトラックのためのコード・ビット（２進値）の読出しが、ほとんど同時になり得る（たとえば、１０ナノ秒（ｎｓ）未満の遅れ又は進み）。これは、線形位置又は回転位置のいずれかの高い時間読出しレート、たとえば、２００キロヘルツ（ｋＨｚ）、５００ｋＨｚ、又はさらには１メガヘルツ（ＭＨｚ）よりも大きいサンプリング・レートを可能にする。

【0009】

本開示のＨＣＢＣ−２コードはまた、それがＨＣＢＣコードを反射及び補完（complementary）バージョンとペアにするという点で、‘２３８出願に記載されているＨＣＢＣコードとは異なり、ここで、「補完」は、コード・パターンにおける「１」２進ビットが反射コード・パターンにおける対応するロケーションにおいて「０」ビットによって置換されること、及びその逆を意味する。２次元ＨＣＢＣパターンと比較して得られた２次元ＨＣＢＣ−２パターンの詳細な実例が、本開示の図６に与えられている。別の差異は、本開示における線形エンコーダと回転エンコーダの両方のためのマルチトラック・スケールが、図２、図６及び図１１に示された、ＨＣＢＣ−２位置測定トラックの中央グループのいずれかの側で整合機能を実行する２つの外側の、符号化されていない、整合トラックを含むことである。たとえば、整合トラックは、ＨＣＢＣ−２スケールに対するエンコーダ読出しアセンブリ（Encoder Readout Assembly）の正確な物理的整合を維持するために、整合センサー及び制御された整合アクチュエータとともに使用される。

【0010】

「ストライプル（stripel）」という用語が‘２３８出願において導入され、また、１次元距離測定ユニットを示すために、本開示全体にわたって使用される。ストライプルは、「デジタル分解能要素」及び「量子化増分」など、同等の他の名称を有する、「ストライプ分解能要素」を表すための便利な略称である。どのＨＣＢＣ又はＨＣＢＣ−２スケール実施例においても、選定されたストライプル幅Ｑ_Ｓがある。例のために、本開示全体にわたって、Ｑ_Ｓ＝１００ｎｍ（０．１μｍ）が様々な実施例において使用される。より大きい又はより小さいストライプル値が選定され得、値が小さくなるほど、所与のトラック長に対する全符号化ストライプルの数が多くなり、したがって１つ又は複数のスケール・トラックを追加する必要がある。図１４及び図１５の表は、異なるエンコーダ設計実施例を促進するために、関連する説明とともに本開示中に含まれている。

【0011】

一緒に約１μｍの幅をもつ回折限界光点広がり関数を生じる、比較的短い（たとえば、４００ｎｍ）光源波長、及び読出しセルにおける光開口数（optical numerical aperture）（ＮＡ）の中程度の値（たとえば、０．３）との適合性のために、例示的な１００ｎｍストライプル幅実施例値を選定した。当業者によって理解されるように、ＮＡ及び物理的点広がり関数幅の他の値も使用され得る。

【0012】

‘２３８出願に開示されている方法を使用して、識別されたストライプルの内側の外挿によって、Ｑ_Ｓよりも小さい（たとえば、Ｑ_Ｓの０．１又はさらには０．０１まで）測定誤差が達成され得る。さらに、外挿のみから利用可能なものに加えて、（図１、図２、図８、図１０、図１１及び図１２に示されているように、複数の読出しラインの使用によって本開示で説明する）複数の（たとえば、５つ、１０個、２０個又はより多くの）同時測定値の平均化により、精度改善が可能になり得る。

【0013】

図１は、本開示による、移動している物体の線形位置及び速度を決定するための光学絶対線形位置エンコーダ（ＯＡＬＰＥ）の１つの実例を表す高レベル・ブロック図である。光学絶対線形位置エンコーダ（ＯＡＬＰＥ）は、線形エンコーダ光学読出しアセンブリ（Linear Encoder Optical Readout Assembly）（ＬＥＯＲＡ）１００と、読出し光平行主光線（Readout Light Parallel Chief Ray）（ＲＬＰＣＲ）１２０と、平面ＨＣＢＣ−２スケール１１０とを含む。座標配向インジケータ１０１は、Ｙ座標を、測定の方向と、スケール１１０のトラックの各々の符号化方向とに平行であると定義し、また、Ｚ座標を焦点整合の方向に平行であると定義する。Ｘ座標は図面の平面に垂直である。

【0014】

図１における線形エンコーダ光学読出しアセンブリ（ＬＥＯＲＡ）１００は、オペレータ及び機械インターフェース１４５と、コントローラ１４０と、平面共焦点光学センサー・アレイ（Planar Confocal Optical Sensor Array）（ＰＣＯＳＡ）１３０と、微整合アクチュエータ（Fine Alignment Actuator）１６０と、随意の粗整合アクチュエータ（Coarse Alignment Actuator）１５０と、環境ウィンドウ１２５と、慣性センサー（Inertial Sensor）１４６とを含む。

【0015】

オペレータ及び機械インターフェース１４５は、ＬＥＯＲＡ１００においてコントローラ１４０への及びコントローラ１４０からの電力及びデータ転送を行うように構成される。コントローラ１４０は、データ（すなわち、電気信号）を、慣性センサー１４６と、ＰＣＯＳＡ１３０と、微整合アクチュエータ１６０と、随意の粗整合アクチュエータ１５０とに送信し、慣性センサー１４６と、ＰＣＯＳＡ１３０と、微整合アクチュエータ１６０と、随意の粗整合アクチュエータ１５０とから受信するように構成される。いくつかの実施例では、粗整合アクチュエータ１５０はＯＡＬＰＥ全体の初期設置のためにのみ使用され得、その時間において、それらは、たとえば、細目ねじ機械式親ねじ（fine thread mechanical lead screw）によって、手動で調整され得る。

【0016】

コントローラ１４０は、ＰＣＯＳＡ１３０において作成された電気信号サンプルから電気整合制御信号を生成するように、並びに、オペレータ及び機械インターフェース１４５を介したデータ報告のために、測定されたＹ位置及び速度を計算するように構成される。実施例では、微整合アクチュエータ１６０は、焦点（Ｚ方向）と、ピッチ角と、ロール角と、ヨー角と、平面ＨＣＢＣ−２スケール１１０に対するＬＥＯＲＡ１００のトラック・センタリング（Ｘ方向）誤差とを制御するために、コントローラ１４０からの電気制御信号に応答して、圧電力、静電力、又は電磁力を与えるように構成され得る。

【0017】

随意の粗整合アクチュエータ１５０は、微整合アクチュエータ１６０と連続して、すなわち、所与の整合座標に、より大きい一定の加算値又は減算値を与えるように動作し得る。位置誤差信号及び速度誤差信号は、ＰＣＯＳＡ１３０とオペレータ及び機械インターフェース１４５とからの信号を使用して、測定された位置及び速度の比較によってコントローラ１４０において生成され得る。

【0018】

再び図１において、図２、図３、図８及び図９に関して詳細に説明するように、平面共焦点光学センサー・アレイ（ＰＣＯＳＡ）１３０は、共焦点光学構成において、光源（レーザー又は発光ダイオード）のアレイと、光センサー、好ましくは相補型金属酸化物半導体（Complementary Metal Oxide Semiconductor）（ＣＭＯＳ）フォトダイオード・ピクセルのアレイとから構成される。

【0019】

読出し光平行主光線（ＲＬＰＣＲ）１２０は、個々の光源（例が図３中に光源３０２として示されている）によって放出され、Ｚ方向に進行させられる、複数の単一中央光線（例は図３における単一光線３９０である）を表す。ＲＬＰＣＲ１２０は、次いで、逆Ｚ方向において２進スケール１１０から反射され、反射の大きさは、Ｚ焦点と、ＲＬＰＣＲの２進コード化スケール上のＹ位置とに依存する。最適なＺ焦点は、反射光の大きさがスケール１１０に対するエンコーダ本体のＹ位置にほとんど完全に応じて変動するように、Ｚ（焦点）アクチュエータ制御ループによって維持される。反射光線は、それぞれ、複数の共焦点センサー・セル（例は図３中の光センサー３０５である）の各々における知られている光センサー・ピクセルによって受光される。

【0020】

図１において、また、複数のＲＬＰＣＲの各々がＹ測定座標の一意の値に関連することが、座標配向シンボル１０１を使用して見られ得る。したがって、中央読出しライン（central readout line）（ＲＬ Ｃ）から各読出しラインの事前較正されたＹ変位を知ることにより、複数の同時絶対位置測定の平均化を行うことが可能になる。９つの読出しラインの場合、センサー・ランダム・ノイズ誤差の影響は３分の１に低減され得る。

【0021】

図２は、整合トラックＡＴ１〜ＡＴ４を含む、平面ＨＣＢＣ−２スケール１１０のセクションを示す、Ｚ方向におけるビューである。また、平面共焦点光学センサー・アレイ（ＰＣＯＳＡ）１３０の様々な部分が重ね合わせられて示されている。図面中の読出しライン・アセンブリ２３０は、すべて座標インジケータ２０１のＸ軸に平行な、５つの位置読出しライン（ＲＬ Ｃ−２、ＲＬ Ｃ−１、ＲＬ Ｃ、ＲＬ Ｃ＋１、ＲＬ Ｃ＋２）の例示的なアレイを備える。ラインＲＬ Ｃは、アレイの中心読出しラインとして見られ、それのＹ位置は、エンコーダの位置を表すために使用され得る。例示的な実施例では、各読出しラインは、図６に示された例示的な平面ＨＣＢＣ−２スケール１１０における６８個のコード・トラックによる、共焦点構成における点光源とポイント・センサーとの６８個のペアから構成される。視覚的明瞭さのために、図２の読出しラインにおけるトラック及びドットは、６８個よりも少なく描かれている。

【0022】

ＰＣＯＳＡ１３０はまた、ＸＹ平面内に、それぞれＷｘ及びＷｙの寸法をもつ矩形ハウジングのコーナーに、４つの整合センサーＡＳ１、ＡＳ２、ＡＳ３、及びＡＳ４を備える。９つの読出しラインを使用した１つの例示的な線形位置エンコーダ実施例では、Ｗｘは約８ｍｍであり、Ｗｙは約１２ｍｍであり得る。しかしながら、図２は、視覚的明瞭さのために、９つの代わりに５つの読出しラインのみを示す。

【0023】

座標インジケータ・シンボル２０１の原点は、ＰＣＯＳＡ１３０上のＸＹ平面の幾何学的中心と考えられ得るが、平面ＨＣＢＣ−２スケール１１０は、図面中へのＺ軸に沿った別のＸＹ平面内にあり得る。Ｚ軸の周りの回転はヨー角として定義されるが、ピッチ角はＸ軸の周りの回転として定義され、ロール角はＹ軸の周りの回転として定義される。

【0024】

図２の実例はゼロ不整合の条件を示す。その条件では、すべての４つの整合センサーが、白い（ＡＴ２及びＡＴ４）整合トラックと黒い（ＡＴ１及びＡＴ３）整合トラックとの間の遷移ラインにわたってセンタリングされる。ゼロ不整合の場合、整合センサーからの正規化された信号は等しく、アクチュエータ補正動きは必要とされない。多くの適用例では、しかしながら、整合センサーによって検出されるべきＸ及びヨー不整合があり得る。ＡＳ１とＡＳ２との間、またＡＳ４とＡＳ３との間のＹ距離Ｗｙがわかっていて、ＡＳ１からのセンサー信号がＳ_１として定義され、ＡＳ２からの信号がＳ_２として定義されるなどの場合、（初期整合後のシステム動作中に予想され得るような）小さい回転及び偏心のための誤差信号は、以下の式を使用してコントローラ１４０において作成され得る。
ΔＸ＝Ｋ_Ｘ（Ｓ_１＋Ｓ_２−Ｓ_３−Ｓ_４） （１）
φ＝（Ｋ_ＹＡＷ）（Ｓ_１−Ｓ_２＋Ｓ_２−Ｓ_４）／Ｗｙ （ラジアン） （２）
ここで、ΔＸはＸ整合誤差であり、φはヨー不整合誤差であり、Ｋｘ、Ｋｙａｗは較正定数である。Ｘ不整合が大きい場合、整合センサーの点広がり関数（ＰＳＦ、図５）の楕円ぼけ領域は、最大又は最小信号値のみが利用可能であるように、白い又は黒い整合トラック内に完全に入り得る。しかしながら、誤差方向（すなわち、図２における＋Ｘ又は−Ｘ）は依然として決定され得、慣性センサー１４６からの速度フィードバック（減衰）信号の助けを借りて、コントローラは、共焦点光学センサー・アレイ１３０を、回転し、及び／又は適切な方向に平行移動し得、すなわち、大きい誤差信号ΔＸは、最初に、それが、式（１）に提示された、ΔＸ対信号Ｓ_１、Ｓ_２などの線形領域にある点まで低減され得る。コントローラは、次いで、ΔＸ及びヨー角φを最小にするために、慣性センサー１４６からの速度フィードバックとともに、式（１）及び式（２）を使用し得る。

【0025】

明快及び理解の容易さのために、図２は、ＡＴ１及びＡＴ３を「黒い」（低反射率）トラックとして、ＡＴ２及びＡＴ４を「白い」（高反射率）トラックとして示すが、トラックのペア中の１つのトラックの反射率値がトラックのペア中の別のトラックの反射率値と交換された構成が使用され得る。

【0026】

ＰＣＯＳＡ１３０のコーナーにある整合センサーＡＳ１、ＡＳ２、ＡＳ３及びＡＳ４が読出しライン・アレイ２３０中の位置読出しセンサーに対して（たとえば、９０°）回転されるので、これらのセンサーについての回折ぼけスポットはＸ方向においてより狭い。したがって、整合センサーは、回転されず、Ｙ方向において線形位置誤差を最も正確に測定するように設計された読出しライン中の同等のセンサーに対して、Ｘ方向における線形整合位置を最も正確に測定することができる。

【0027】

ＰＣＯＳＡ、慣性センサー１４６による感知、及び少なくとも１つの微整合アクチュエータ１６０による補正の後の残留被制御Δφ誤差が、５マイクロラジアン（μｒａｄ）くらい小さい（後で示すが、ヨー誤差感知及び補正の後の妥当な値である）場合、中心線ＲＬ Ｃ−２上の最も外側のトラック・センサーについてのＹ誤差は、（ここで、図６に示されたＨＣＢＣ−２コード構成を参照して）ΔＹ＝２ｍｍ×１^−３ｍ／ｍｍ×５^−６ラジアン＝１^−８ｍ、すなわち１０ｎｍになるであろう。この誤差は、たとえば、９つの読出しラインの各々において測定された誤差値を平均化することによって低減され得、読出しラインの各々は、たとえば、図６に示されているように、ＨＣＢＣ−２コード中のコード・トラックの冗長な反射性質の結果として、２つの位置測定値を与える。ランダム・ガウシアン・センサー雑音統計のために、そのような平均化は、全体的なＹ位置測定誤差が２．４ｎｍに低減し得るように、√１８＝４．２４の誤差低減係数を与え得る。

【0028】

次に、例示的な線形エンコーダ光学読出しアセンブリ（ＬＥＯＲＡ）１００における各共焦点光学センサー・セル（ＣＯＳＣ）のための例示的な光学設計を示す、図３に注目する。９つの読出しライン及び６８個のトラックの場合、ＣＯＳＣ読出しセンサー・セルの総数は６８×９＝６１２になるであろう。コード読出しセルに加えて、各ＬＥＯＲＡは、図２に関して前に説明した少なくとも４つの整合センサー（ＡＳ）セルを含んでいる。各ＡＳは、ＬＥＯＲＡ読出しセルと同じ光学設計を有するが、Ｘ方向における信号大きさ変動を最良に決定するために、９０度だけそれの軸の周りを回転させられる。

【0029】

図３において、単一の共焦点光学センサー・セル（ＣＯＳＣ）が共焦点顕微鏡構成であることが見られ得る。点光源３０２からの光は、透明プリズム・セクション３１０中に入り、次いで５０％公称透過ビーム・スプリッタ３１２を通る。光源光の残りの５０％は、次いでレンズ３６０によって集束され、透明な平面ウィンドウ１２５の部分を通って、スケール１１０（スケールは図３に示されていない）上にぼけスポット４００を形成する。ぼけスポット４００においてスケールから反射された光線束の部分はレンズ３６０に戻る。ビーム・スプリッタ表面３１２がなければ、光線束の部分は集束され、光源３０２において共役像（conjugate image）を形成するであろう。しかしながら、ビーム・スプリッタ３１２を用いると、光のほぼ半分は光センサー３０５上に集束される。光源３０２、フォトダイオード・センサー３０５及びスケール測定点４００（図４及び図５）は、透過光大きさ又は反射光大きさの差にかかわらず、互いの共焦点像のままである。

【0030】

平面ＨＣＢＣ−２スケール１１０から反射され、光源３０２に到達する入射光の一部は、センサー３０５に到達した光から失われるが、光源３０２の性能に影響を及ぼさないことが予想される。偏光光源（たとえば、ＬＥＤではなく、垂直キャビティ面発光レーザー（Vertical Cavity Surface-Emitting Laser）などのレーザー・ダイオード）が１／４波長板と協働して使用され、センサー３０５上に入射する光を増加させ、光源３０２上に入射する量を低減し、すなわち光学効率を改善し得る。その目的のための光学構成は当業者によって理解されよう。

【0031】

図３〜図５におけるスケール読出しスポット４００の小さいエリアを考えると、照明に対する共焦点顕微鏡手法は、読出しライン間に何もない、スケール（すなわち、読出しライン）の重要な領域上でのみ光源３０２のエネルギーを維持する。１つのトラックからの一部の光が隣接するトラックの共焦点レンズ中に、すなわち＋Ｘ方向／−Ｘ方向に反射されるように、各トラック中のスポット４００において、スケールから拡散反射される光があり得る。しかしながら、可能性があるクロストーク光線の入射角は、たいてい、光センサー３０５によって受け入れられる光線錐（cone of rays）の外側にあるので、これが著しいクロストークを引き起こすことは予想されない。これは、商用ソフトウェアＺｅｍａｘ（登録商標）ＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏ（登録商標）を使用した詳細な光学光線追跡によって検証されている。結果として、クロストークを回避するためにＣＯＳＣ間の吸収フィルムが不要になり、たとえば、図９に示されているようなマージされたＣＯＳＣ（ＭＣＯＳＣ）の読出しラインを作製するためのより広範な方法が可能になる。

【0032】

図３に示された例示的な実施例におけるレンズ３６０は、バイコニック・シングレット（biconic singlet）（すなわち、主光線の方向において見たとき、円形ではなく、矩形の光収集開口を有する単レンズ）である。場合によっては、バイコニック・レンズは、Ｘ方向対Ｙ方向において異なる球面曲率又は非球面曲率を有する前面と後面とを有する。レンズ３６０の場合、表面曲率は、Ｘ方向とＹ方向の両方についてポイント４００において焦点を生成するために各々について同じであるが、見られ得るように、レンズのＸ幅（図３の例示的な実施例では１００μｍ）はレンズのＹ幅（図３の例示的な実施例では８００μｍ）よりも著しく小さい。その結果、回折限界ぼけスポット４００の照明プロファイルはやや楕円になり、ＸぼけがＹぼけよりも著しく大きくなる。これは、図４、図５、及び図７において、光学光線追跡ぼけスポット４００について見られ得る。

【0033】

図３における環境ウィンドウ１２５は、ＬＥＯＲＡ１００の内部のための環境保護を行いながら、読出し光平行主光線（Readout Light Parallel Chief Ray）（ＲＬＰＣＲ）１２０を含む、すべての読出し光線を透過する、ガラス又は他の材料の平面平行ストリップであり得る。実施例では、事前較正された光出力パルス・エネルギーをもつ、指定された繰り返し率（たとえば、５００ｋＨｚの又はより大きい）で、短い持続時間（たとえば、１〜５０ｎｓ）の光パルスを放出し、受光するために、ＰＣＯＳＡ１３０中の光源及びセンサーのすべてが同期させられる。ビーム・スプリッタ表面３１２によって反射されない戻る光は、先に進み続け、光源３０２に入射することができる。

【0034】

読出しライン間のＹ方向距離は、いくつかの測定ラインからの測定値を平均化することにより読出し精度が改善され得るように、事前較正され、知られ得る。スケール上の単一の測定点から反射された光線は一般に散乱させられるが、散乱光のかなりの部分は、光を生成した同じＭＣＯＳＣによって収集される。本開示の例示的な実施例では、（ＬＥＤ３０２と像点４００との間の）主光線３９０とＣＯＳＣ全体との全長Ｈは約３．３ｍｍである。

【0035】

図３におけるＣＯＳＣは、図８及び図９に見られ得るように、整合センサーＡＳ１〜ＡＳ４の役に立つために「そのままで」及び９０°回転されて使用され得る、センサー・セルを表す。しかしながら、読出しライン・センサー・アレイ２３０にとって、各Ｘ幅が１つのＨＣＢＣ−２トラック幅に等しくなるように、Ｘ寸法においてＣＯＳＣをスタック（「マージ」）することが有利である。また、ビーム・スプリッタ３１０がすべて平坦面を有するので、１つの斜辺が薄いビーム・スプリッタ・コーティングをもつ、２つの長い４５°×９０°×４５°三角プリズムの斜辺を互いに接着することによって、単一の長いビーム・スプリッタ・ロッドＭ３１０を作製することが可能であり、望ましい。上記の検討の結果として、理解の明快のために、非球面レンズ３６０と光源３０２と光センサー３０５とのマージされたスタックに加えて、マージされたビーム・スプリッタＭ３１０を含む、マージされた共焦点光学センサー・セル（ＭＣＯＳＣ）を定義することが望ましいことがわかった。単一の読出しラインを定義するＭＣＯＳＣの１つの実例が、図９のＸＺビューにおいて見られ得る。

【0036】

図４は、光学収差と回折効果の両方を考慮して、図３のＣＯＳＣ光学システムのための光学シミュレーション・ソフトウェアによって計算された画像放射照度についてのホイヘンス（Huygens）方法点広がり関数（ＰＳＦ）の表面プロファイルの１つの実例である。Ｘ寸法（Ｘ幅）における１００μｍの狭いレンズ口径により、その寸法においてレンズ収差が低減されることが予想され得るが、収差が低減されて獲得された分解能改善は、増大した回折の効果によって圧倒される、すなわち、開口が縮小されると、低減されたレンズ収差の効果を支配する大きい回折効果が生じる。したがって、図３に示されている１００μｍの例示的なレンズ口径Ｘ幅により、図４においてＸぼけがＹぼけよりもはるかに大きくなる。図５のＰＳＦ等高線図は、図４のために使用されたデータと同じデータからプロットされており、約３．８μｍのＸぼけとは対照的に、計算されたＹぼけが約１．２μｍであることを示す。

【0037】

図６は、（Ｙ＝０における）スケールの左側の始点に近い平面ＨＣＢＣ−２ ２進スケール・パターンの例示的なＹ領域を示す。座標配向インジケータ６０８は、スケール測定方向Ｙを右側になるように示す。図面は、スケール・コードを作成するためのすべてのルールと数学的に一致するが、測定方向Ｙにおいてより大きく伸ばされ、トラック方向Ｘにおいて圧縮されている。これは、図面の閲覧者が、重みなし番号付けシステム（ＵＷＮＳ）の（Ｙ方向）最小周期Λ_ＭＩＮと、重みなし番号付けシステム−反射相補（ＵＷＮＳ−ＲＣ）の（Ｙ方向）最小周期Λ_ＭＩＮの両方、並びに本開示の例示的な実施例の（Ｘ方向）６８スケール・トラックを可視化することを可能にするために行われる。

【0038】

光学ぼけスポット４００の物理的寸法Ｘぼけ及びＹぼけは、合計ＨＣＢＣ−２スケール幅（６８トラック×１００μｍトラック幅＝６．８ｍｍ）と比較して非常に小さく（Ｙぼけ約１μｍ）、ＨＣＢＣ−２スケールのすべてのトラック並びにぼけスポット４００のサイズを示す単一ページ図面を作成することは実現不可能であるので、図６において寸法ＴＷは一定の縮尺で描かれていない。

【0039】

図６はまた、回転エンコーダの円筒形スケールの開始領域を想定するために使用され得、スケールは、ここでは、それの回転軸が座標配向に示されたＸ軸に平行である、円筒の外側又は内側の周りに巻かれた薄膜と考えられ得る。

【0040】

図６における読出しラインＲＬ Ｃ−２は、一連の読出しぼけ円６９５を通る直線として示されており、円６９５は、はるかに小さい読出しぼけスポット４００の代わりに、大きく見えるようにしたものである。（本開示の例示的な線形エンコーダ・システムによる）図中には６８個の読出し円及び６８個のトラックがあるが、任意の好適な数の読出し円及びトラックが使用され得る。すべてのトラックのためのトラック幅ＴＷには、図３に見られるように、１００μｍのＣＯＳＣレンズＸ幅に一致するように、１００μｍの値が割り当てられる。

【0041】

垂線ＲＬ Ｃ−２は、読出しラインＲＬ Ｃ−２が符号化されたスケール上のＹ＝０の近くにあるかのように、読出しラインＲＬ Ｃ−２の位置を表す。２つの整合センサー（ＡＳ１及びＡＳ４）がスケールの符号化された部分の左側に見られ得、ＡＳ１は、トラックＡＴ３とトラックＡＴ４との間の遷移ラインに位置するが、図６の下部にあるＡＳ４は、トラックＡＴ１とトラックＡＴ２との間の遷移ラインに位置する。図２に見られる左側ＡＳと右側ＡＳとの間のＹ距離Ｗｙは数ミリメートル又はより大きいので、２つの左側ＡＳのみが図面に示されているが、スケール上のＹ距離の約１ミリメートルのみが図６に示されている。

【0042】

同じく図６において、大きい屈曲したブラケットＨＣＢＣ−２は、整合トラックＡＴ１及びＡＴ３（黒い実例）並びに整合トラックＡＴ２及びＡＴ４（白い実例）を除く、スケール上のすべての位置読出しトラックを含む。スケールＨＣＢＣ−２は、したがって、コーディングされたスケール・セクションＨＣＢＣ（下側中間サイズ・ブラケット）と、反射／補完セクションＨＣＢＣ−ＲＣ（上側中間サイズ屈曲ブラケット）とを含むものとして見られ得る。パターン反射プロセスは、ヒンジ・ライン６０４の周りの元のＨＣＢＣのコピーの上方回転として可視化され得る。

【0043】

図６の右側にある、屈曲したブラケットＵＷＮＳ、ＷＮＳ、ＷＮＳ ＲＣ及びＵＷＮＳ ＲＣは、それぞれ、重みなし番号付けシステム、重み付き番号付けシステム、反射及び補完重み付き番号付けシステム、並びに反射及び補完重みなし番号付けシステムを指す。重みなし番号付けシステム方形波バー・パターンは、同じ反復周期を有するが、それぞれ固定基準に対する異なる一意のＹオフセットを有することを思い出すことは有用であり得る。本開示の例示的な実施例では、重みなし番号付けシステム方形波バー・パターンの反復周期Λ_ＭＩＮは３２ストライプル（０．１μｍストライプル幅の選択された値に対して３．２μｍ周期）である。図６に示されたこれらのパターンの約３０個の周期があり、３．２×３０＝９６μｍのみの物理的Ｙ距離をカバーすることがわかる。

【0044】

図６に示されたすべてのパターンの水平方向（Ｙ）広がりは、元のＨＣＢＣコード（図６の下部）又はＨＣＢＣ−ＲＣコード（図６の上部）のいずれかについて重みなし番号付けシステム（ＵＮＷＳ）バー周期をカウントすることによって推定され得る。図６についての結果は、示されている３２個のバー（及び周期）であり、これは３２×３２μｍ＝１，０２４μｍ（１．０２４ｍｍ）の水平距離を示す。

【0045】

矩形ボックス６０６は、図６における矩形ボックスに対する図７の図面全体の寸法及び概略位置を識別する。これは、最初に、図６におけるコード・パターンの水平方向（Ｙ）広がりが図６におけるボックス６０６の内側のバー・パターンの周期と同じであることを確認することによって検証され得る。図７における中央パターンの垂直方向（Ｘ）広がりは、定義によって、１つのトラック幅（ＴＷ）であり、図６におけるボックス６０６の高さは、図７における図面の中心における寸法決定された距離ＴＷに等しいと見られ得る。

【0046】

図７は、１つの中央トラック幅７９０、及びバー・パターン及び光ぼけスポット４００の１つの実例及び中央の「重みなし番号付けシステム」（ＮＷＮＳ）バー・パターン７９０上に重ね合わせられた読出しラインＲＬ Ｃ−２の拡大図を示し、また、隣接する上側ＮＷＮＳバー・パターン７９１及び隣接する下側ＮＷＮＳバー・パターン７８９の部分を示す。座標配向インジケータ６０８は図７においても適用される。すべての３つのバー・パターンは、固定の反復周期Λ_ＭＩＮ（本開示の例示的な設計では３．２０μｍ）によって特徴付けられる。３つのバー・パターンのＸ長さ（図面に見られる垂直高さ）は、図面に示されているように１つのスケール・トラック幅ＴＷに等しい。ＴＷは、好都合に、図３におけるレンズ３６０のＸ幅と同じになるように、例示的な設計では１００μｍになるように定義され得る。２つの他のバー・パターンの短い部分が図面において中央パターンの上及び下に示されており、上側パターンは、トラック・エッジ７１５において開始し、１つのストライプル幅Ｑ_Ｓ（本開示の例示的な設計では１００ｎｍであるが、他の値が割り当てられ得る）だけ左にオフセットされる（シフトされる）。トラック・エッジ７１４において開始する下側パターンは、Ｑ_Ｓだけ右にオフセットされるように見られ得る。（定義された０位置に対する）絶対オフセット整数値の範囲を−（Λ_ＭＩＮ／２−１）〜（Λ_ＭＩＮ／２−１）として定義することは好都合であるが、制約的でない。この定義は、‘２３８出願において開示されているＨＣＢＣの例示的な実施例において使用されている。

【0047】

図７における３つの読出しトラックは、座標インジケータ７０８のＹ軸に平行な水平分離ライン７１４及び７１５によって定義される。この場合、８３８．８６ミリメートルの最大長を符号化する、幅１００ｎｍの８，３８８，６０８個のストライプルの最大符号化長さを可能にするために６８個のトラックが使用される。この長さは、読出しトラックの数を２だけ増加させることによって２倍になり得る、すなわち、上記の例ではトラックが７０個になり、図１４におけるＨＣＢＣ表値による、同じ０．１μｍストライプル幅に対して１，６７７．７２ミリメートルのトラックが可能になる。７０コード・トラック＋４整合トラックの例示的な設計のための（Ｘ寸法における）符号化されたスケール幅は、したがって、すべてのトラックが１００μｍ幅を有すると仮定すると、約７．４ｍｍになり得る。‘２３８出願において説明されている複数の読出しライン（たとえば、９つのライン又はより多い）にわたる読出し信号平均化及び位置外挿の使用によって、絶対位置測定誤差は１〜５ｎｍの範囲内であり得、最小検出可能動きは１ｎｍよりも小さくなり得る。パルス状グローバル照明をもつ共焦点顕微鏡読出しセンサー・アセンブリの使用、及びすべてのセンサー要素の本質的に瞬時の読出しにより、ＬＲＭＡＰＥシステムの線形バージョンと回転バージョンの両方の最大読出しサンプル・レートは少なくとも５００ｋＨｚ、及びいくつかの事例では少なくとも１ＭＨｚであり得る。また、測定トラックの数は６８個又は７０個に限定されず、トラックの各々の詳細（たとえば、それらの幅）は異なり得ることに留意されたい。

【0048】

次に、線形エンコーダについての断面図における５つのマージされた共焦点測定ユニット（ＭＣＯＳＣ）の例示的なグループを示す、図８に注意を向けると、各ＭＣＯＳＣは、前に図２に示された例示的な５つの読出しラインによる、スケール１１０上の５つの位置読出しライン（ＲＬ Ｃ−２、ＲＬ Ｃ−１、ＲＬ Ｃ、ＲＬＣ＋１及びＲＬ Ｃ＋２）の各々中のスケール１１０上に読出しぼけスポット４００を与える。また、図２に見られるそれらのロケーションによる２つの回転された整合センサー（ＡＳ１及びＡＳ２）が図８に示されている。図３から、本開示の例示的なＣＭＵ（confocal measurement unit）実施例における読出しポイント４００とＬＥＤ光源３０２との間の高さＨは８００μｍであることが思い出され得る。これは、すべてのＣＯＳＣ光学設計寸法をスケール・ダウン又はスケール・アップすることによって、測定精度に影響を及ぼすことなしに減少又は増加され得る。そのようなスケーリングは、レンズ３６０とウィンドウ１２５との間、又はウィンドウ１２５とスケール１１０との間のクリアランス距離に影響を及ぼし得るが、ＭＣＯＳＣ開口数（numerical aperture）又はＹぼけサイズには影響を及ぼさない。

【0049】

図９は、中心読出しラインＲＬ ＣのＸＺ断面、＋ＣＯＳＣ整合センサーＡＳ１及びＡＳ４の２つの別個の断面を示す。読出しセンサーに対するＡＳ１及びＡＳ４の相対Ｙ位置は、図２のＸＹビューにおいてより明らかに見られ得る。見られ得るように、図９における整合センサーＡＳ１及びＡＳ４は、Ｙ位置センサーＭＣＯＳＣに対して９０°回転されたＣＯＳＣを含む。この構成の理由は、Ｘ寸法においてより高い精度でスケール整合トラックＡＴ１、ＡＴ２、ＡＴ３及びＡＴ４に対する不整合の測定を可能にするためであるが、読出しライン・アレイにおける位置センサー（ＭＣＯＳＣ）は、Ｙ寸法においてより高い精度を達成するように整合される。図５に示されたＣＯＳＣ点広がり関数４００の非対称性を仮定すれば、図示のように整合ＣＯＳＣを９０°回転することによって、改善された不整合感知が得られ得る。図３におけるプリズム３１０について示されているような、ビームスプリッタ・プリズムの短い断片３１０が、図９に示されたより長いプリズムＭ３１０の代わりに整合センサーのために使用され得る。しかしながら、より長いプリズムＭ３１０は、マージされた（ＭＣＯＳＣ）位置センサーのフル読出しアレイとともに使用するためにより便利であり得、全体的な作製及び組立コストを低減し得る。

【0050】

図１０は、本開示による、光学絶対回転位置エンコーダＯＡＲＰＥの１つの実例の高レベル・ブロック図である。回転エンコーダは、平面ＨＣＢＣ−２スケール１１０の代わりに、外側円筒形ＨＣＢＣ−２スケール１０１０又は内側円筒形ＨＣＢＣ−２スケール１０２０を利用する。回転エンコーダはまた、平面共焦点光学センサー・アレイ（ＰＣＯＳＡ）１３０の代わりに、円筒形共焦点光学センサー・アレイ（ＣＣＯＳＡ）１１３０を利用する。さらに、回転エンコーダは、スケール回転の中心（すなわち、図１２に見られるＺ軸に沿ったポイント１２０１）に向けられる読出し光半径方向主光線（Readout Light Radial Chief Ray）１０２５を生成する。例示的な一実施例では、読出し光半径方向主光線１０２５は、円筒本体１０１５の外表面１０１０に取り付けられたＨＣＢＣ−２スケールから反射され得る。別の例示的な実施例では、読出し光半径方向主光線１０２５は、最初に透過性外表面１０１０を通り、次いで本体１０１５の随意の透明な円筒シェル・バージョンを通り、その後、読出し光半径方向主光線１０２５は、内表面１０２０に取り付けられたＨＣＢＣ−２スケールによって反射され、同じシェル及び表面を通って戻され、ＣＣＯＳＡ１０３０に再び入り得る。

【0051】

オペレータ及び機械インターフェース・ブロック１０４５並びに回転エンコーダ読出しアセンブリ１０００の他の要素も、前に説明した図１におけるオペレータ及び機械インターフェース・ブロック１４５並びに線形エンコーダ読出しアセンブリ１００と同じ機能を実行し得るが、詳細な構成のいくつかは異なり得る。

【0052】

図１１は、円筒形共焦点光学センサー・アレイ（ＣＣＯＳＡ）１１３０ａを通る、円筒形ＨＣＢＣ−２スケール１０１０／１０２０（２つの参照番号１０１０及び１０２０は内側スケール及び外側スケールの代替を表す）の湾曲面における座標配向インジケータ１１０１のＺ軸方向における（すなわち、上から見下ろした）３Ｄビューである。線１１８０は、軸方向インジケータ１１０１のＸ軸に平行な、スケール回転の軸を示す。

【0053】

回転エンコーダのために、ＣＣＯＳＡ１１３０ａは非平面支持構造を利用し得る。しかしながら、支持構造の内側の各個々のＣＯＳＣ及びＭＣＯＳＣは、前に説明した線形エンコーダ設計におけるものと同じであり得る。５つの例示的な回転読出しラインＲＲＬ Ｃ−２、ＲＲＬ Ｃ−１、ＲＲＬ Ｃ、ＲＲＬ Ｃ＋１及びＲＲＬ Ｃ＋２を備える共焦点回転読出しライン・アレイ（Confocal Rotational Readout Line Array）（ＣＲＲＬＡ）１１４０ａが示されており、ここでＲＲＬ Ｃは、この場合も中央読出しラインを示す。より多い又はより少ない読出しラインが使用され得る。回転エンコーダのための整合トラックはまた、平坦面とは対照的に、円筒面の内側又は外側のいずれかにあり、したがって新しい番号ＡＴ５、ＡＴ６、ＡＴ７及びＡＴ８によって参照される。回転エンコーダのための整合センサーは、個々には線形エンコーダの場合と同じであり得るが、それらの円筒整合のために、図面において新しい名称ＡＳ５、ＡＳ６、ＡＳ７及びＡＳ８が与えられている。湾曲した円筒面に沿った個々のＸ方向コード・トラック幅は、必要な場合、線形エンコーダの場合と同じＭＣＯＳＣ設計を維持するために平面スケールの場合と同じであり得る。

【0054】

図１２は、Ｘ方向において見たときの、図１１に示されている例示的な円筒形共焦点光学センサー・アレイ（ＣＣＯＳＡ）１１３０ａにおける５つのＭＣＯＳＣの断面図を含んでいるＹＺ平面内のビューである。例示的な５つの読出しＭＣＯＳＣは、各ＭＣＯＳＣの光軸が円筒形マルチトラック・スケール１０１０／１０２０の回転軸と交差するように延長され得るように構成される。２つの回転された整合センサーＣＯＳＣ（ＡＳ５及びＡＳ６）が読出しＭＣＯＳＣの左側及び右側に示されている。整合センサーＡＳ５及びＡＳ６は、座標配向インジケータ１１０１に対して異なるＹＺ平面、すなわち、図１１に示されているように、異なるＸ座標をもつ平面内にあり得る。

【0055】

環境ウィンドウ１２２５は透明円筒形シェルの部分である。また、図１２には、アーク距離Ｌ（図１０において回転エンコーダＯＡＲＰＥによって測定される位置量）、スケール・パターンまでの半径Ｒ、及び回転角θ（必要な場合、関係θ＝Ｌ／Ｒを使用して、最終出力パラメータとして計算され得る）をもつ扇形の破線輪郭が示されている。この例示的なシステムにおけるＣＯＳＣ／ＭＣＯＳＣの高さＨはすべてのＣＯＳＣ及びＭＣＯＳＣに対して８００μｍであるが、任意の好適な高さが使用され得る。明快のために、図面における円形断面全体を示すためにスケール１０１０／１０２０の半径Ｒが選定されている。半径Ｒは、距離Ｈに対してスケーリングされ、例示的な実施例では、約２，０００μｍ（２ｍｍ）である。任意の好適な半径Ｒが使用され得、半径値が大きくなると、弧角θの値は示されているものよりも小さくなることが予想され得る。また、図１２に示されているように、ＣＣＯＳＡ１１３０ｂ、ＣＣＯＳＡ１１３０ｃ及びＣＣＯＳＡ１１３０ｄなど、随意の追加のＣＣＯＳＡが使用され得る。また、ＣＲＲＬＡ１１４０ａに示された５つよりも少ない又は多い読出しＭＣＯＳＣが任意のＣＲＲＬＡにおいて使用され得る。

【0056】

図１３は、本開示で説明する様々な例示的な実施例による、平面読出しアセンブリ又は回転読出しアセンブリに対する平面又は回転（たとえば、円筒形）スケールの位置を測定するための方法における例示的な動作のフローチャートである。方法１３００は随意のブロック１３０１で開始し、ブロック１３０１に従って、第２の機械部品又はデバイスに対する線形又は回転位置が望まれる、第１の機械部品又はデバイスに平面又は回転（たとえば、円筒形）スケールが取り付けられる。本方法は、次いで随意のブロック１３０２に進み、ブロック１３０２に従って、較正された線形位置読出しアセンブリ又は回転位置読出しアセンブリが前記第２の機械部品又はデバイスに取り付けられる。

【0057】

本方法は、次いでブロック１３０３に進み、ブロック１３０３に従って、平面又は円筒形共焦点光学センサー・アレイ１３０又は１１３０ａの光源から光パルスが放出される。その目的で、コントローラ（たとえば、図１におけるコントローラ１４０又は図１０におけるコントローラ１４０）は、図１〜図１２に示されているように、線形又は回転／円筒形エンコーダ光学読出しアセンブリの一部である平面又は回転／円筒形共焦点光学センサー・アレイ（ＣＯＳＡ）における光源（たとえば、ＬＥＤ又はレーザー・ダイオード）の全部又は一部分から一連の光パルスを放出させ得る。実施例では、光源エミッタの時間パルス幅は、スケールと読出しヘッドとの間の相対的動きを「フリーズ」するために、短く保たれる。また、相対速度推定における時間遅延及び誤差を低減するか、さらには最小にするために、高いパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）を使用することが望ましいことがある。そのような推定は、測定された位置差を既知のパルス繰り返し周期で除することによって、又は位置差にＰＲＦを乗ずることによって実行され得る。他の箇所で説明したように、パルス幅は１〜１０ｎｓもの短さであり、ＰＲＦは５００ｋＨｚ〜１ＭＨｚもの高さであり得る。線形又は回転／円筒形エンコーダ光学読出しアセンブリの初期微整合は、許容できる整合精度を達成するために数パルス時間を必要とし得、その時間中、警告フラグが位置データ報告に付随し得る。

【0058】

本方法は、次いでブロック１３０４に進み得、ブロック１３０４に従って、ＨＣＢＣ−２スケールから反射された光によって生成されたセンサー信号が測定される。実施例では、それぞれの平面又は回転スケールのいずれかから反射された光の一部分が各個々のＣＯＳＣ（例示的なＣＯＳＣ構成が図３において見られ得る）中の光センサー（たとえば、フォトダイオード）によってキャプチャされたとき、そのような信号が測定され、測定された信号の大きさをもつ電気信号パルスが生じる。本方法は、次いでブロック１３０５に進み得、ブロック１３０５に従って、基準信号値が生成される。実施例では、基準信号値は、読出しライン・センサーからのすべての信号値を平均化することによって生成される。本方法は、次いでブロック１３０６に進み得、ブロック１３０６に従って、ブロック１３０４に従って測定されたセンサー信号が基準信号値で正規化される。ＨＣＢＣ−２スケール中には等しい「白」反射エリアと「黒」反射エリアとがあるので、基準信号値は、各信号を１又は０にデジタル化する際に使用するための信頼できる５０％基準レベルであり得、測定の精度を改善するために外挿計算にも使用され得る。照明され、測定される面積が比較的大きく（たとえば、幅７ｍｍ×長さ１０〜２０ｍｍ）、ＨＣＢＣ−２の性質が冗長であるので、いずれかの測定スケール上の汚れ又はグリースの小さい面積の影響は無視できることが予想される。

【0059】

本方法は、次いでブロック１３０７に進み得、ブロック１３０７に従って、整合プロセスが実行される。実施例では、整合プロセスは、ＣＯＳＡのそれぞれのＨＣＢＣ−２マルチトラック・スケールに対する少なくとも１つのＣＯＳＡの微整合を開始する目的で、誤差信号を作成するために、測定された信号のいくつかのグループを使用することを含む。特に、重みなし番号付けシステムの主要な領域ＵＷＮＳ及びＵＷＮＳ ＲＣ（図６参照）の下位領域（たとえば、４つの象限の各々）から測定された信号の大きさは、下位領域についての焦点誤差の大きさを推定するために使用され得る。「ディザリング」されたＺ座標走査中の測定されたコントラスト変動など、自動焦点測定の任意の好適な方法が使用され得る。

【0060】

次に、ピッチ及びロール角整合について考えると、重みなし番号付けシステム（ＵＮＷＳ）象限の左側ペアの推定された焦点ぼけの符号及び大きさ（たとえば、図６のように）と、象限の右側ペアの推定された焦点ぼけの符号及び大きさとの比較は、ピッチ角誤差の方向及び大きさを与え得るが、（たとえば、図６のように）ＵＮＷＳ象限の上側ペアの推定された焦点ぼけの符号及び大きさと、象限の下側ペアの推定された焦点ぼけの符号及び大きさとの比較は、ロール角誤差の方向及び大きさを与え得る。上記で説明したＺ、ロール及びピッチ整合誤差の低減の後、（たとえば、図２及び図１１のように）ＣＯＳＡ中の少なくとも４つの専用ＡＳユニットからの信号の大きさが、読出しアセンブリ１３０及び／又は１１４０ａの自動微ヨー整合のための符号及び大きさ誤差信号を作成するために使用され得る。

【0061】

本方法は、次いで決定ブロック１３０８に進み得、決定ブロック１３０８に従って、整合が許容できるかどうかに関する決定が行われる。実施例では、決定は、ピッチ、ロール、ヨー及び平均焦点誤差を所定の許容差値のセットと比較することを伴い、整合は、誤差が所定の許容差を下回る場合は許容でき、誤差が所定の許容差を上回る場合は許容できない。結果が「いいえ」である場合、本方法は整合プロセスの継続を求め、位置データは報告されない。しかし、ブロック１３０８において、結果が「はい」である場合、本方法はブロック１３０９に進み得、ブロック１３０９に従って、光エネルギーの最後に受信されたパルスについての線形又は回転位置値がコントローラ１４０又は１０４０において計算される。

【0062】

本方法は、次いでブロック１３１０に進み、ブロック１３１０に従って、位置が報告される。実施例では、コントローラ１４０又は１０４０は、測定された位置値を、オペレータ及び機械インターフェース１４５又は１０４５を介してシステム・ユーザに報告する。本方法は、次いでブロック１３１１に進み、ブロック１３１１に従って、動作が継続するべきか否かに関する決定が行われる。「はい」である場合、本方法は、ブロック１３０３にループ・バックし、反復するが、「いいえ」である場合、本方法は、ブロック１３１２に進み、終了する。

【0063】

図１４は、平面ＨＣＢＣ−２スケール絶対位置線形エンコーダの一例についての例示的な符号化パラメータの表である。示されている表は、第１の数値行の破線ブロック１４０１に見られるように、ストライプル幅Ｑ_Ｓに対して１００ｎｍの選定された特定の値について事前計算される。表は、破線ブロック１４０２中の例示的な８，３８８，６０８を含む、第２の数値行に「符号化されたストライプルの総数Ｎ_Ｓ」の６つの利用可能な値を含む。各項目が、ＨＣＢＣコードとＨＣＢＣ−２コードの両方の要件である、前の項目の２倍及び次の項目の半分の値を有するように、第２の数値行における例示的な項目の各々は一意の２のべき乗を表すことが気づかれ得る。たとえば、破線ボックス１４０２中の選択された値８，３８８，６０８は、２の２３乗、すなわち２^２３と書かれ得、次の列における値１６，７７７，２１６は、２の２４乗、すなわち２^２４と書かれ得る。

【0064】

表を使用するために、ユーザは、最初に、本開示の例示的なシステム設計による、破線ボックス１４０２中の８，３８８，６０８など、第２の数値行における「符号化されたストライプルの総数Ｎ_Ｓ」の６つの値のうちの１つを選定する。ボックス１４０２と同じ列に留まり、ユーザは、次に、第３の数値行において見出されるボックス１４０３中の８３８．８６１ｍｍの事前計算された「符号化されたスケール長（ｍｍ）」を読み取り得る。より大きい又はより短い「符号化されたスケール長」が望まれる場合、ユーザは、「符号化されたスケール長」の新しい値を取得するために、第２の数値行における「符号化されたストライプルの総数Ｎ_Ｓ」の異なる値を選択し得る。そうすることはまた、「コード・トラックの総数ｐ_ｍａｘ．」を最後に決定するために、６つの可能性の中から適切な列を規定することが見られ得る。

【0065】

「コード・トラックの総数ｐ_ｍａｘ．」を決定するために、ユーザは、次に、第１列における「ストライプルにおける最小方形波周期Λ_ＭＩＮ」の６つの事前入力された値のうちの１つを選定する。本開示の例示的なシステム設計による、３２の選定された値が破線ボックス１４０４中に示されている。この選択は、コード・トラックの総数ｐ_ｍａｘ．の６つの可能な値と、「重みなしトラックの総数」の右側列における１つの値とを含んでいる行を規定する。Λ_ＭＩＮ＝３２の選択された実例について、同じ行において、ボックス１４０５中に見られるように、重みなしトラックの総数の一般的な値は３０である。「コード・トラックの総数ｐ_ｍａｘ．」のための値は、次に、「最小方形波周期Λ_ＭＩＮ」と同じ行を有し、選択された「符号化されたストライプルの総数Ｎ_Ｓ」と同じ列を有する、表項目中に見られ得る。Ｎ_Ｓ＝８，３８８，６０８の例示的な選択について、本開示の例示的なシステム設計による、合計６８個のＨＣＢＣ−２トラックが必要とされることが、ボックス１４０６中に見られ得る。‘２３８出願において与えられた方法を使用することによって、１００ｎｍ以外のＱ_Ｓの選定のために新しい表が構築され得る。

【0066】

図１５は、本開示による、円筒形スケールＨＣＢＣ−２回転マルチトラック絶対位置エンコーダの一例のための例示的な符号化パラメータの表である。図１５の表は、図１４に関して説明したものと同様の様式で使用され得る。第１の数値行名「ナノメートルでのストライプル・アーク長（Stripel Arc Length）」に対するボックス１５０１項目は、この場合も（例のために）１００ｎｍであるが、平面上に代わり、図１２に示されているような円筒面上のアーク長に関する。ボックス１５０４中の１００ｎｍストライプル・アーク長のための符号化されたスケール直径（ｍｍ）を図１２の図面の物理的サイズ及びスケールに適合させるために、「１回転当たりの符号化されたストライプルの総数Ｎ_Ｓ」のための１３１，０７２のボックス１５０２項目が選定されたが、１５０２の行における６つの利用可能な項目のいずれかが選定され得る。「符号化されたスケール周長」に対するボックス１５０３中の１３．１０７２ｍｍの項目は、図１４のボックス１４０３中の８３８．８６１ｍｍの「符号化されたスケール長」の前に説明した項目にまさに類似する。図１５のボックス１５０４に戻ると、選定された例に対するスケール直径はわずか４．１７ｍｍであることが見られ得る。しかしながら、５つのより大きいスケール直径（最高１３３．５ｍｍ）をもつエンコーダのためのパラメータも図１５中に文書化されている。回転エンコーダの特定の直径のための要件は、１回転当たりのストライプルの総数及び最適化されたストライプル・アーク長のための２の異なる倍数の組合せによって満たされ得ることに留意されたい。

【0067】

図１５は、Λ_ＭＩＮのための３２ストライプル周期（ボックス１５０６）、及びボックス１５０７中の３０個の重みなし番号付けシステム・トラックの例示的な選択を示す。ボックス１５０６及び１５０７と同じ行におけるボックス１５０８は、ストライプル・アーク長１００ｎｍをもつ直径４．１７ｍｍの例示的な円筒形スケールを符号化するために（この実例では）合計５６個のコード・トラックが使用されるであろうことを示している。図１５における表はまた、本開示における例示的なシステム設計による一定の１００ｎｍストライプル・アーク長に対するマイクロラジアン（μｒａｄ）での事前計算された角ストライプル・アーク長（Angular Stripel Arc Length）の行を含む。ボックス１５０５は、直径４．１７ｍｍの例示的なエンコーダについての４７．９μｒａｄの値と、直径１３３．５ｍｍのエンコーダについての１．４９８μｒａｄの値とを示す。本明細書において線形エンコーダについて説明した１つのストライプルの小さい部分に対する測定の外挿及び複数読出しライン平均化方法は回転エンコーダにも適用するので、達成可能な角度精度は、図１５の表に示されたストライプル値よりも１桁又はおそらく２桁良い、すなわち、１００ｍｍ又はより大きいエンコーダ直径に対してナノラジアン範囲内であり得る。

【0068】

以下の例は、本開示による追加の非限定的な実施例を表す。

【0069】

「実例１」
この実例によれば、ハイブリッド巡回２進コード２（ＨＣＢＣ−２）で符号化された第１の領域を含む基板を含むスケールと、光学読出しアセンブリ（ＯＲＡ）とを含む光学絶対位置エンコーダが提供され、ＨＣＢＣ−２で符号化された第１の領域は、ハイブリッド巡回２進コード（ＨＣＢＣ）パターンの第１のマルチトラック・アレイを含む第１の下位領域と、ＨＣＢＣパターンの第２のマルチトラック・アレイを含む第２の下位領域とを含み、第２のマルチトラック・アレイが第１のマルチトラック・アレイの反射及び補完であり、ＯＲＡは、ＨＣＢＣ−２符号化されたスケール上に光パルスを放出するように構成された少なくとも１つの光源を含み、ＯＲＡは、ＨＣＢＣ−２スケールによって反射された光の少なくとも一部分を測定し、ＯＲＡに対するＨＣＢＣ−２スケールの位置を決定するように構成される。

【0070】

「実例２」
この実例は、スケールが、第１の下位領域を含む第１の内側領域と、第２の下位領域を含む第２の内側領域とを含み、第１のマルチトラック・アレイの各トラックが、非測定方向においてよりも測定方向において長い符号化されたストリップである、実例１の特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0071】

「実例３」
この実例は、スケールが、第１の外側領域と、第２の外側領域とをさらに含み、第１の外側領域、第２の外側領域、又は第１の外側領域と第２の外側領域の両方が、少なくとも１つの符号化されていない整合トラックを備える、実例２の特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0072】

「実例４」
この実例は、第１の領域が、第１の外側領域と第２の外側領域との間に配設された、実例３の特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0073】

「実例５」
この実例は、第１の外側領域及び第２の外側領域が、それぞれ符号化されていない整合トラックを備える、実例４の特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0074】

「実例６」
この実例は、少なくとも１つの整合トラックが、第１の整合トラック・ペアと第２の整合トラック・ペアとを含み、第１の外側領域が第１の整合トラック・ペアを含み、第２の外側領域が第２の整合トラック・ペアを含み、第１の整合トラック・ペア及び第２の整合トラック・ペアの各々が、第１のトラックと、第１のトラックに隣接する第２のトラックとを備え、第１のトラックが、スケールの長さ全体にわたって非反射性又は非透過性であり、第２のトラックが、スケールの長さ全体にわたって反射性又は透過性である、実例４の特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0075】

「実例７」
この実例は、ＯＲＡが光学センサー・アレイを含み、光学センサー・アレイが、光源のアレイと、光センサーのアレイとを含む、実例３から６のいずれか１つの特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0076】

「実例８」
この実例は、光センサーのアレイが複数の共焦点光学センサーを含む、実例７の特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0077】

「実例９」
この実例は、光学センサー・アレイが、少なくとも１つの読出しラインを含む読出しライン・アセンブリを含み、少なくとも１つの読出しラインが、複数の読出し光源と、複数の読出しライン光学センサーとを含み、光源のアレイが複数の読出し光源を含み、光センサーのアレイが複数の読出しライン光学センサーを含む、実例７の特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0078】

「実例１０」
この実例は、光学センサー・アレイが複数の整合センサーをさらに含む、実例９の特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0079】

「実例１１」
この実例は、複数の読出しライン光学センサーが、第１の方向において線形位置誤差を最も正確に測定するように構成され、複数の整合センサーが、第２の方向において整合位置を最も正確に測定するように構成され、第１の方向と第２の方向とが互いに異なる、実例９の特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0080】

「実例１２」
この実例は、光学絶対位置エンコーダが線形光学絶対位置エンコーダであり、スケールが平面であり、第１のマルチトラック・アレイ及び第２のマルチトラック・アレイが、平面２次元レイアウトで基板上に構成されたか、又は基板内に形成された、実例１から１１のいずれか１つの特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0081】

「実例１３」
この実例は、光学絶対位置エンコーダが回転光学絶対位置エンコーダであり、スケールが回転スケールであり、基板が、円筒形ドラムの内面若しくは外面であるか、又は円筒形ドラムの内面若しくは外面に配設される、実例１から１１のいずれか１つの特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0082】

「実例１４」
この実例によれば、光源から光パルスを放出することであって、光パルスがスケールに入射し、スケールが、ハイブリッド２進巡回コード２（ＨＣＢＣ−２）で符号化された第１の領域を含む、光パルスを放出することと、光学読出しアセンブリ（ＯＲＡ）を用いて、スケールによって反射された光パルスの少なくとも一部分を検出し、少なくとも１つのセンサー信号を生成することと、少なくとも１つのセンサー信号に基づいて、コントローラを用いて、読出しアセンブリに対するスケールの位置を計算することとを含む、読出しアセンブリに対するスケールの絶対位置を測定する方法であって、ＨＣＢＣ−２スケールで符号化された第１の領域が、ハイブリッド巡回２進コード（ＨＣＢＣ）パターンの第１のマルチトラック・アレイを含む第１の下位領域と、ＨＣＢＣパターンの第２のマルチトラック・アレイを含む第２の下位領域とを含み、第２のマルチトラック・アレイが第１のマルチトラック・アレイの反射及び補完である、スケールの絶対位置を測定する方法が提供される。

【0083】

「実例１５」
この実例は、スケールが、第１の下位領域を含む第１の内側領域と、第２の下位領域を含む第２の内側領域とを含み、第１のマルチトラック・アレイの各トラックが、非測定方向においてよりも測定方向において長い符号化されたストリップである、実例１４の特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0084】

「実例１６」
この実例は、スケールが、第１の外側領域と、第２の外側領域とをさらに含み、第１の外側領域、第２の外側領域、又は第１の外側領域と第２の外側領域の両方が、少なくとも１つの符号化されていない整合トラックを備える、実例１５の特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0085】

「実例１７」
この実例は、第１の外側領域及び第２の外側領域が、それぞれ符号化されていない整合トラックを備える、実例１６の特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0086】

「実例１８」
この実例は、ＯＲＡが光学センサー・アレイを含み、光学センサー・アレイが、光パルスを放出するように構成された光源のアレイと、スケールによって反射された光を検出するように構成された光センサーのアレイとを含む、実例１６又は実例１７の特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0087】

「実例１９」
この実例は、光センサーのアレイが複数の共焦点光学センサーを含む、実例１８の特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0088】

「実例２０」
この実例は、光学センサー・アレイが、少なくとも１つの読出しラインを含む読出しライン・アセンブリを含み、少なくとも１つの読出しラインが、複数の読出し光源と、複数の読出しライン光学センサーとを含み、光源のアレイが複数の読出し光源を含み、光センサーのアレイが、複数の読出しライン光学センサーを含む、実例１８の特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0089】

「実例２１」
この実例は、少なくとも１つのセンサー信号が複数のセンサー信号を含み、本方法が、複数のセンサー信号を測定することと、複数のセンサー信号から基準信号値を生成することと、複数の正規化されたセンサー信号を生成するために、基準信号値を用いて複数のセンサー信号の各々を正規化することとをさらに含み、読出しアセンブリに対するスケールの位置を計算することが、複数の正規化されたセンサー信号に基づいて実行される、実例１４の特徴のいずれか又はすべてを含む。

【0090】

本開示の他の実施例は、本明細書の検討、及び本明細書で開示する本発明の実施から当業者に明らかになろう。本明細書及び実例は例示的なものにすぎないと考えられ、本発明の真の範囲及び趣旨は以下の特許請求の範囲によって示されることが意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【国際調査報告】