JP2011133482A - 光ファイバによる光受信チャネルを使用した光干渉型小型格子エンコーダのリードヘッド用基準信号発生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光ファイバによる光受信チャネルを使用した光干渉型小型格子エンコーダのリードヘッド用基準信号発生部が提供される。リードヘッドは「1次」ファイバを備えていてもよく、この1次ファイバは、約0.2ミクロンの精度の基準信号を発生するように処理される基準マーク1次信号を供給する。いくつかの実施形態において、ゾーン格子型の基準マークを周期的スケール格子の中に埋め込み、周期的スケール格子に伴う周期的なインクリメンタル計測信号を打ち消すことなく、強力な基準マーク1次信号を供給するように構成してもよい。1つの実施形態において、リードヘッドは「2次」ファイバを備えていてもよく、この2次ファイバは、約20ナノメートルの精度で基準信号を発生するように処理される基準マーク2次信号を供給するために用いられる。
【選択図】図23
Description
AR12SEP<(2*LETOE)<AR12SPAN (式1)
が満たされ、そして、結果として得られる基準マーク信号が、基準マーク50Aに近い信号交差領域内において、所望の精度および/または再現性で基準点を特定するために使用できるように構成するべきである、という点であり、これについては以下に詳しく説明する。各種の実施形態において、さらに以下の関係、
(2*LETOE)>[AR12SEP+(0.25*(AR12SPAN−AR12SEP))]
(2*LETOE)<[AR12SEP+(0.75*(AR12SPAN−AR12SEP))] (式2、3)
を満たす構成が有利であるかもしれない(たとえば、基準マーク信号間の、よりロバストおよび/または信頼性の高い関係を提供することによる)。各種の他の実施形態において、さらに、以下の関係、
(2*LETOE)>[AR12SEP+(0.4*(AR12SPAN−AR12SEP))]
(2*LETOE)<[AR12SEP+(0.6*(AR12SPAN−AR12SEP))] (式4、5)
を満たす構成がより有利であるかもしれない。いくつかの実施形態において、寸法2*LETOEは、[AR12SEP+(0.5*(AR12SPAN−AR12SEP))]とほぼ等しく、あるいは信号REF1、REF2に対応する基準マーク信号受信チャネル開口の間の中心間距離LCAR1CAR2とほぼ等しい場合、図8、図12に関して後述するような基準マーク信号を提供することが最も有利であるかもしれない。
これまでに説明した基準マーク信号発生部は一般に、第1のレベルの分解能と再現性を有する1つの基準マーク信号を提供する。各種の実施形態において、第1のレベルの分解能と再現可能性は、0.2ミクロン程度である。以下の説明においては、このようにして発生された基準マーク信号を「基準マーク1次信号」と呼ぶことがある。
ASR12SEP≧2*LETOE (式6)
のように配置することが有利である。
ASR12SEP=(2*LETOE)+(2*PSCLR) (式7)
ASR12SPAN≦2*LETOE (式8)
ASR12SPAN=(2*LETOE)−(2*PSCLR) (式9)
となる。
実施形態および/または用途によっては、高度なレベルの基準マーク位置分解能と再現性を提供するために、基準マーク1次信号と基準マーク2次信号を提供する前述の基準マーク信号発生部は、複雑さ、大きさおよび/またはコストの面から、望ましくないかもしれない。また、実施形態および/または用途によっては、1次または単独のセットの基準マーク信号だけが提供され、前述の基準マーク信号発生部より高いロバスト性および/または精度が提供されるほうが好ましいかもしれない。特に、一体型光ファイバリードヘッドと一体型スケールトラックによって基準位置指標と周期的インクリメンタル計測信号の両方が提供される実施形態では、一般的には同時に2つの基準を満たすことが好ましい。すなわち、第1の基準とは、満足できる基準マーク信号を供給するために、基準マークが基準マーク信号作用領域において、強力で局所的な基準マーク信号光成分を提供しなければならないことである。しかしながら、同時に、基準マークが空間的に周期的なインクリメンタル計測信号を打ち消さないようにしなければならない。本発明者は、上記の基準マークまたは他の先行技術による基準マークは、スケール格子80の中に埋め込んだ場合、用途によっては、性能は容認できても、すべての用途で最大限のロバスト性と計測分解能を実現できるようには上記の二重の要求を満たすことができないことに気づいた。
AR12SEP<(LETOE(ZRM−SE))<AR12SPAN (式10)
を満たし、結果として得られる基準マーク信号が、ゾーン格子基準マーク50ZRMに近い信号交差領域の中で、所望の精度および/または再現性で基準位置を決定するために使用されるというものであり、これについて以下に詳しく説明する。各種の実施形態において、以下の関係、
(LETOE(ZRMSE))>[AR12SEP+(0.25*(AR12SPAN−AR12SEP))]
(LETOE(ZRMSE))<[AR12SEP+(0.75*(AR12SPAN−AR12SEP))] (式11、12)
をさらに満たす構成は、有利であるかもしれない(たとえば、基準マーク信号の間に、よりロバストおよび/または信頼性の近い関係を提供することによる)。各種の他の実施形態において、以下の関係、
(LETOE(ZRMSE))>[AR12SEP+(0.4*(AR12SPAN−AR12SEP))]
(LETOE(ZRMSE))<[AR12SEP+(0.6*(AR12SPAN−AR12SEP))] (式13,14)
を満たす構成が、より有利かもしれない。いくつかの実施形態において、寸法LETOE(ZRMSE)は、[AR12SEP+(0.5*(AR12SPAN−AR12SEP))]とほぼ等しいか、信号REF1、REF2に対応する基準マーク信号受信チャネル開口の間の実効中心間距離LCAR1CAR2とほぼ等しく、基準マーク信号を発生することが最も有利かもしれず、これを図25に関して以下に説明する。
2*(OPL2)=2*(OPL1−λ/4+λ/2) (式15)
式中、最初のλ/4の項は、上記の高さの差を示し、λ/2は、2つの領域に関連付けられる往復の光に関する強め合うような干渉を提供する。式15は、以下のように簡略化される。
OPL2=OPL1+λ/4 (式16)
OPL1OB=OPL1+λ/8 (式17)
なる。図26をよく見ると、
0.5*ZONE1OBD=tan(cos-1(OPL1/OPL1OB))*OPL1 (式18)
であり、OPL1が指定された動作ギャップZGAPに等しいことがわかる。したがって、式17のOPL1OPの置換のために、OPL1のZGAPを置換すると:
ZONE1OBD=2*tan(cos-1(ZGAP/(ZGAP+λ/8)))*ZGAP (式19)
となる。
81 スケール部材
82 計測軸
86 インクリメンタル計測スケールトラック
88,88’ 基準スケールトラック
89 端部領域
100,200,300 リードヘッド
101,201,301 フレール
130,230,330 光ファイバ
150,250,350,850 光源光
153,253,335,853 照射スポット
155,254,255,354,355,855 スケール光
160 360,860 光受信面
161,361,861 位相マスク要素
195,295,395 光ファイバケーブル
251,251’,351,451,451’ 基準マークゾーン
300 一体型インクリメンタルおよび基準マークリードヘッド
500 格子および基準マーク構造
600,700 基準マークリードヘッド光ファイバ装置
650 光源光線
654 スケール光線
670,870 中央光源用ファイバ
680,880 光源
690,790,890 光受信用ファイバ
800 一体型リードヘッド光ファイバ構成
820BR ブロッキングマスク
820R 開放開口マスク
820A,820A’,820B,820B’ 位相マスク
856 干渉領域
866 干渉縞
1000,2000,3000,3000’光ファイバリードヘッドおよびスケール装置
6000 基準信号発生部
50A−SE,50B−SE 基準マーク信号作用領域
Claims (16)
- 計測軸方向に沿って相互に関して移動する2つの部材の間の基準位置の指標を提供することに使用可能な光ファイバ基準信号発生部を含む光ファイバリードヘッドおよびスケール装置であって、
前記光ファイバ基準信号発生部は、
第1の光ファイバリードヘッドの少なくとも一部を含み、前記第1の光ファイバリードヘッドの少なくとも一部は、第1の分散性光源光を出力する光源と、それぞれの基準マーク信号を提供するように構成された少なくとも第1と第2の光ファイバ基準マーク信号受信チャネルを含み、前記第1の光ファイバ基準マーク信号受信チャネルは、第1の基準マーク信号受信チャネル光ファイバと第1の基準マーク信号受信チャネル開口を含み、前記第2の光ファイバ基準マーク信号受信チャネルは、第2の基準マーク信号受信光ファイバと第2の基準マーク信号受信チャネル開口を含み、
スケール部材の上で前記計測軸方向に沿って延びる第1のスケールトラックを含み、前記第1のスケールトラックは、前記第1の分散性光源光を反射して、前記第1の光ファイバリードヘッドにスケール光を供給するように構成され、前記第1のスケールトラックは、
前記計測軸の方向に沿った変位計測範囲の全体にわたって延び、前記分散性光源光により照射されたときに、前記スケール光のインクリメンタル信号光成分に寄与する第1のタイプのトラック部分を含み、前記第1のタイプのトラック部分は、格子ピッチPGを有し、0次反射を抑制して、前記第1の光ファイバリードヘッドの光受信面の付近の前記スケール光の前記インクリメンタル信号光成分における空間的周期的強度パターンを提供するように構成された反射性周期的位相格子を含み、前記反射性周期的位相格子は、
対応する隆起格子要素の見かけ上の位置に見かけ上中心を置く隆起スケール要素であって、前記隆起格子要素の見かけ上の位置は、前記計測軸方向に沿って、前記格子ピッチPGだけ相互に離間されている隆起スケール要素と、
対応する陥凹格子要素の見かけ上の位置に見かけ上中心を置く陥凹スケール要素であって、前記陥凹格子要素の見かけ上の位置は、前記計測軸方向に沿って、前記格子ピッチPGだけ相互に離間され、前記計測軸方向に沿って、前記隆起格子要素の見かけ上の位置から前記格子ピッチPGの半分だけオフセットされる陥凹スケール要素と、を含み、
前記第1のスケールトラックは、前記第1のタイプのトラック部分の中に配置され、前記分散性光源光により照射されたときに、前記スケール光の基準マーク信号光成分に寄与する少なくとも1つのゾーン格子基準マーク部分を含むゾーン格子基準マークを含み、各ゾーン格子基準マーク部分は、前記スケール光の前記基準マーク信号光成分が、前記第1の光ファイバリードヘッドが前記第1のスケールトラックに関して動作的に位置付けられたときに、前記第1の光ファイバリードヘッドの前記光受信面の付近の対応する基準マーク信号作用領域を横切って高い基準マーク信号光強度を提供するように絞られる反射光を含むように構成され、前記ゾーン格子基準マークとその少なくとも1つの対応する基準マーク信号作用領域は、前記計測軸方向に沿って再現的関係を有し、前記第1と第2の基準マーク信号受信チャネル開口は、前記少なくとも1つのゾーン格子基準マーク部分とその少なくとも1つの対応する基準マーク信号作用領域部分とのそれぞれの近接性に応じて、検出可能な異なる量のスケール光を受信し、
前記隆起格子要素の見かけ上の位置と前記陥凹格子要素の見かけ上の位置は、前記計測軸方向に沿って、前記少なくとも1つのゾーン格子基準マーク部分を通じて、前記第1のタイプのトラック部分から継続するように画定され、
前記少なくとも1つのゾーン格子基準マーク部分は、それぞれ対応する隆起格子要素の見かけ上の位置にわたって配置された複数の隆起ゾーン格子要素と、それぞれ対応する陥凹格子要素の見かけ上の位置にわたって配置された複数の陥凹ゾーン格子要素を含む反射位相格子を含み、
前記少なくとも1つのゾーン格子基準マーク部分は、少なくとも第1のゾーンと、前記第1のゾーンより前記基準マーク信号作用領域から遠い第2のゾーンを含むように構成され、
前記第1のゾーンは、前記隆起ゾーン格子要素の第1のセットと、前記陥凹第1ゾーン格子要素の第1のセットを含み、
前記隆起ゾーン格子要素の第1のセットの各要素は、前記計測軸方向に沿って、平均隆起要素幅W1Eを有し、
前記陥凹ゾーン格子要素の第1のセットの各要素は、前記計測軸方向に沿って、平均陥凹要素幅W1Gを有し、
前記第1のゾーンにおいて、前記平均隆起要素幅W1Eと前記平均陥凹要素幅W1Gのうちの長いほうが(0.5*PG)より大きく、前記平均隆起要素幅W1Eと前記平均陥凹要素幅W1Gのうちの短いほうが(0.5*PG)より小さく、
前記第2のゾーンは、前記隆起ゾーン格子要素の第2のセットと、前記陥凹ゾーン格子要素の第2のセットを含み、
前記隆起ゾーン格子要素の第2のセットの各要素は、前記計測軸方向に沿って、平均隆起要素幅W2Eを有し、
前記陥凹ゾーン格子要素の第2のセットの各要素は、前記計測軸方向に沿って、平均陥凹要素幅W2Gを有し、
前記第2のゾーンにおいて、前記平均隆起要素幅W2Eと前記平均陥凹要素幅W2Gのうちの長いほうが(0.5*PG)より大きく、前記平均隆起要素幅W2Eと前記平均陥凹要素幅W2Gのうちの短いほうが(0.5*PG)より小さく、
前記第1のゾーンにおいてW1E>W1Gであると、前記第2のゾーンではW2G>W2Eとなり、前記第1のゾーンにおいてW1E<W1Gであると、前記第2のゾーンではW2G<W2Eとなり、
前記第1と第2の基準マーク信号受信チャネル開口は、前記第1の光ファイバリードヘッドが前記第1のスケールトラックに関して動作的に位置付けられたときに、前記計測軸方向に沿って相互に最も近いその開口境界が前記計測軸方向に沿って寸法AR12SEPによって分離され、前記計測軸方向に沿って相互に最も遠いその開口境界が前記計測軸方向に沿って総開口範囲寸法AR12SPANにわたるように構成され、
前記少なくとも1つの基準マーク部分は、その少なくとも1つの対応する基準マーク信号作用領域部分の2つの信号作用領域境界が、前記計測軸方向に沿って縁辺間寸法LETOEZRMSEだけ分離されるように構成され、
前記少なくとも1つの基準マーク部分と前記第1と第2の光ファイバ基準マーク信号受信チャネル開口は、AR12SEP<LETOEZRMSE<AR12SPANとなるように構成され、
前記第1の光ファイバリードヘッドが前記第1のスケールトラックに関して動作的に位置付けられたときに、前記少なくとも第1と第2の光ファイバ基準マーク信号受信チャネルが、その開口から前記スケール光の一部を入力し、前記スケール光の前記入力部分を送信して、それぞれの基準マーク信号を供給し、これが前記ゾーン格子基準マークに近い信号交差領域の中の基準位置を示す
光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。 - 対応する基準マーク信号作用領域部分を通過する増強された基準マーク信号光強度は、前記対応する基準マーク信号作用領域部分にわたって増強強度分布を含み、前記2つの信号作用領域境界の各々は、前記スケール光の前記基準マーク信号光成分の強度分布が最大で前記増強強度分布の最大寄与度の80%と、最低で前記増強強度分布のその最大寄与度の20%の範囲内に入るように定められる、請求項1に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。
- 前記幅WEZとWGZが、PG/2から、最大でPG±25%、最小でPG±5%だけ異なる、請求項1に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。
- 前記幅WEZとWGZが、PG/2から、最大でPG±20%、最小でPG±10%だけ異なる、請求項4に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。
- 前記ゾーン格子基準マークの隣接するゾーン間の境界に最も近い隆起または陥凹ゾーン格子要素は、幅が約0.5*PGである、請求項1に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。
- 前記第1と第2の基準マーク信号受信チャネル開口は各々、それぞれの基準マーク信号受信チャネル光ファイバの端部の付近に位置付けられ、その光伝送コアエリアの一部を覆うそれぞれの開口マスクを含み、
前記それぞれの開口マスクは、前記計測軸方向に垂直でなく、隣接する開口境界から前記計測軸方向に沿って、反対側の横断方向開口縁辺に向かう開口縁辺推移寸法PAETにわたる、少なくとも第1の横断方向開口縁辺を含む、請求項1に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。 - 前記空間的周期的強度パターンは、前記それぞれの開口マスクの1つの平面において干渉縞ピッチFPを有する干渉縞を含み、
前記開口縁辺推移寸法PAETは、前記第1の光ファイバリードヘッドが前記第1のスケールトラックに関して動作的に位置付けられたときに、前記それぞれの開口マスクの前記平面において干渉縞ピッチFPの少なくとも1つ分にわたる、請求項7に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。 - 前記開口縁辺推移寸法PAETは、それぞれの開口マスクの前記平面において、干渉縞ピッチFPの整数個分に見かけ上等しい、請求項8に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。
- 前記反対側の横断方向開口縁辺は、前記それぞれの開口マスクの第2の横断方向開口縁辺を含み、
前記第1と第2の開口縁辺は、それらの間に、前記計測軸方向に沿って開口幅寸法PAWを画定し、
前記寸法PAWは、前記測定軸方向を横断する方向に沿った各位置において定められる、請求項8に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。 - 前記寸法PAWは、前記それぞれの開口マスクの前記平面において、前記第1と第2の開口縁辺の長さの少なくとも大部分に沿って、干渉縞ピッチFPの整数個分に見かけ上等しく、
前記開口縁辺推移寸法PAETは、前記それぞれの開口マスクの前記平面において、干渉縞ピッチFP整数個分に見かけ上等しい、請求項10に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。 - 前記光ファイバ基準信号発生部は、1部式ゾーン格子基準マーク構成と2区分式ゾーン格子基準マーク構成のうちの一方にしたがって構成され、
前記1部式ゾーン格子基準マーク部分は、単独ゾーン格子基準マーク部分からなり、前記単独ゾーン格子基準マーク部分は、前記計測軸方向に沿って、LETOEZRMSEにより分離される外側境界を有するゾーン格子基準マーク信号作用領域を提供するように構成され、
前記2区分式ゾーン格子基準マーク構成において、前記少なくとも1つのゾーン格子基準マーク部分が、構成Aと構成Bのうちの一方に従って構成された第1と第2のゾーン格子基準マーク小区分を含み、
構成Aにおいて、前記第1と第2の基準マーク小区分が、対応するゾーン格子基準マーク作用領域部分を提供するように構成され、この中では前記計測軸方向に沿って相互に最も近い前記ゾーン格子基準マーク信号作用領域の前記外側境界が、前記縁辺間寸法LETOEZMSEによって分離され、
構成Bにおいて、前記第1と第2の基準マーク小区分が、対応するゾーン格子基準マーク作用領域部分を提供するように構成され、この中では前記計測軸方向に沿って相互から最も遠い前記ゾーン格子基準マーク信号作用領域の前記外側境界が、前記縁辺間寸法LETOEZMSEによって分離される、請求項7に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。 - 前記光ファイバ基準信号発生部は、前記1部式基準マーク構成にしたがって構成され、
前記反対の横断方向開口縁辺は、前記それぞれの開口マスクの第2の横断方向開口縁辺を含み、
前記第1と第2の開口縁辺は、それらの間に、前記測定軸方向に沿って、開口幅寸法PAWを画定し、
前記開口幅寸法PAWは、前記計測軸方向を横断する方向に沿った各位置において画定され、前記それぞれの開口マスクの前記平面において、前記第1と第2の開口縁辺の長さの少なくとも大部分に沿って、干渉縞ピッチFPの整数個分に見かけ上等しく、
前記開口縁辺推移寸法PAETは、前記それぞれの開口マスクの前記平面において、干渉縞ピッチFPの整数個分に見かけ上等しい、請求項12に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。 - 前記第1の分散性光源光は、空間的にコヒーレントで単色である、請求項1に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。
- 前記空間的に周期的な強度パターンは、干渉縞ピッチFPを有する干渉縞を含み、
前記第1の光ファイバリードヘッドはさらに、それぞれの空間的に周期的なインクリメンタル計測信号を提供するように構成された複数のそれぞれの光ファイバインクリメンタル計測信号受信チャネルを含み、
それぞれの光ファイバインクリメンタル計測信号受信チャネルは、それぞれのインクリメンタル計測信号受信チャネル光ファイバと、前記光ファイバの端部の付近に配置されたそれぞれのインクリメンタル計測信号受信チャネル空間位相マスク部分を含み、
前記それぞれのインクリメンタル計測信号受信チャネル空間位相マスク部分は、それぞれの空間位相を有し、かつ、前記第1のスケールトラックから反射された前記スケール光の中に含まれる、空間的周期的強度パターンをフィルタリングするように動作できる、ピッチで配置される光ブロッキング要素を有し、
前記光ファイバリードヘッドおよびスケール装置は、それぞれの基準マーク信号は、前記少なくとも1つの基準マーク部分に近い前記信号交差領域の中の前記基準位置を、前記空間的周期的インクリメンタル計測信号の±半周期の位置再現性で示す指標を提供する、請求項1に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。 - 前記光源は、光源光ファイバの前記端部を含み、
前記少なくとも第1と第2の基準マーク信号受信チャネル光ファイバと、前記それぞれのインクリメンタル計測信号受信チャネル光ファイバの各々は、前記光源光ファイバに平行に、その付近に配置され、
すべての光ファイバは、前記光源光ファイバと、前記第1と第2の基準マーク信号受信チャネル光ファイバを含むすべての光ファイバは、前記第1の光ファイバリードヘッドの中に配置され、
前記それぞれのインクリメンタル計測信号受信チャネル光ファイバの各々は、直径最大1.5ミリメートルの円筒空間の中に配置されている、請求項15に記載の光ファイバリードヘッドおよびスケール装置。
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