JP2016532095A - 測定エンコーダ - Google Patents

Abstract

エンコーダ装置は、少なくとも１つのスケールトラックを画定する一連の特徴を備えるスケールと、スケールの特徴を読み取る読取りヘッドとを備える。読取りヘッドは、スケールを照明する少なくとも１つの光源と、少なくとも１つの検出器とを備える。少なくとも１つの光源の構成は、スケールの方へ投影される光の中に構造が位置するような構成である。読取りヘッドは、読取りヘッドによって出力される信号内の測定誤差を低減させるために、構造が傾斜し、その結果、それがスケールの特徴に対して実質的に位置ずれされるように構成される。

Description

本発明は、測定エンコーダに関する。理解されるように、測定エンコーダは、典型的には、特徴を備えるスケールと、特徴を読み取る読取りヘッドとを備え、読取りヘッドおよびスケールの相対位置を判定することが可能である。スケールおよび読取りヘッドは、互いに対して可動である。

スケールが一連の概して周期的な特徴を備え、読取りヘッドが一連の概して周期的な特徴を読み取って相対的な動きを判定および測定することができるエンコーダが知られている。インクリメンタルエンコーダおよびアブソリュートエンコーダを含めて、様々なタイプのエンコーダが存在する。典型的には、インクリメンタルエンコーダは、一連の周期的マーキングを備えるスケールを備え、これらの周期的マーキングが、読取りヘッドによって「読み取られる」。たとえば、それらは、読取りヘッド内で光源からの光と相互作用するスケール（また多くの場合、読取りヘッド内の１または複数の回折格子）によって動作して、スケールおよび読取りヘッドの相対運動とともに変化する結果領域（たとえば、変調したスポットまたは干渉縞）を検出器に生成することができる。多くの場合、１または複数の基準マークが設けられ（たとえば、一連の特徴内にまたは一連の特徴に隣接して埋め込まれる）、それにより、基準マークによって画定される既知の基準位置に対する相対位置を判定することができる。インクリメンタルエンコーダの一例は、特許文献１に記載されている。

典型的には、アブソリュートエンコーダは、読取りヘッドによって読み取ることができる固有のパターン（たとえば、コード）を画定するスケールによって動作する。アブソリュートエンコーダの例は、特許文献２および特許文献３に記載されている。インクリメンタルエンコーダと同様に、アブソリュートエンコーダも、スケールの読取り中にスケールを照明する光源を備えることができる。

国際公開第２００５／１２４２８２号パンフレット 国際公開第２００２／０８４２２３号パンフレット 国際公開第２０１０／０４９６８２号パンフレット 米国特許第７６２４５１３号明細書 米国特許第７２８９０４２号明細書 米国特許第５８６１９５３号明細書

本発明者らは、改善されたエンコーダ、特に改善された精度を有するエンコーダを提供したいと考えた。

本発明の第１の態様によれば、スケールトラックを画定する一連の特徴を備えるスケールと、スケールの特徴を読み取る読取りヘッドとを備え、読取りヘッドが、スケールを照明する少なくとも１つの光源と、少なくとも１つの光検出器とを備える、エンコーダ装置であって、少なくとも１つの光源の構成は、それが投影する光の中に構造（たとえば、パターン）を与え、読取りヘッドは、読取りヘッドによって出力される信号内の測定誤差を低減させるために、スケールの方へ投影されるときの構造が傾斜し、その結果、それがスケールの特徴に対して実質的に位置ずれされるように構成されることを特徴とするエンコーダ装置が提供される。

したがって、本発明は、読取りヘッドによって出力される信号内の測定誤差を低減させるために、スケールの方へ投影されるときの構造が傾斜し、その結果、それがスケールの特徴に対して（または、より詳細に以下で説明するように、感知チャネルの読取りヘッドのアレイに対して）実質的に位置ずれされるように、読取りヘッドを構成することによって、光源からの光の中の不都合な構造の負の影響を低減させ、またはさらに解消することができることを突き止めた。

理解されるように、構造は、少なくとも１つの光源から投影される光の領域内に位置することができる。たとえば、それは、少なくとも１つの光源から投影される光の領域内に光の強度の変動を含むことができる。

本発明者らは、それが投影する光の中に構造を与える光源を使用するとき、読取りヘッドによって出力される信号内に大幅な誤差が存在する可能性があることを見出した。しかし、本発明者らは、それがスケールの方へ投影されるときに構造をスケールの特徴に対して傾斜させ、その結果、それがスケールの特徴に対して位置ずれされる（すなわち、角度的に位置ずれされる）ことによって、これらの誤差を低減させることができることを見出した。特に、本発明者らは、そのような構造が、光源を複数の別個の点光源に事実上分割する可能性があり、その結果、読取りヘッドの検出器における信号が歪むことを突き止めた。それがスケールの特徴に対して位置ずれされるように構造を回すことによって、そのような歪みを低減させることができる。インクリメンタルエンコーダの場合、これはそれによって、エンコーダ装置によって出力される信号内に存在する循環的誤差の低減をもたらすことができる。インクリメンタルエンコーダの場合、これはそれによって、スケール上の特徴の読み違いの低減をもたらすことができる。どちらの場合も、本発明は、不正確な位置判定の可能性および／または範囲を低減させる。

構造は、放出点からの構造が位置ずれされるように（たとえば、光源が傾斜するように）少なくとも光源を位置決め／配向することによって、位置ずれされるように構成することができる。オプションで、１または複数の光学構成要素を使用して、構造を位置ずれさせることもできる。したがって、この場合、放出点では、構造は位置合わせされているはずである。

構造は、主な細長い構成要素を備えることができる。この場合、好ましくは、光の中の構造のあらゆるそのような主な細長い構成要素は、スケールの特徴に対して、特にスケールの特徴の長手方向範囲に対して（たとえば、少なくとも５度、たとえば少なくとも１０度、オプションで少なくとも１５度）傾斜する／位置ずれされる。

少なくとも１つの光源は、少なくとも１つの方向に、投影される光の構造の周期性を与えることができる。好ましくは、読取りヘッドは、周期性の方向が傾斜し、その結果、それがスケールの特徴に対して実質的に位置ずれされ、特に、スケールの特徴の周期性の方向に対して、またオプションでスケールの測定方向に対して傾斜するように構成される。構造は、周期性の１つよりも多い方向が存在するような構造とすることができる。その場合、周期性のすべての方向がスケールの特徴に対して位置ずれされるように傾斜することが好ましい。

少なくとも１つの光源は、測定次元で測定されるスケールの方へ投影される光の強度分布が、０．５以下、たとえば０．４以下、たとえば、０．３５以下の変調深さを有するように構成することができる。

光の中の構造は、特徴のアレイを備えることができる。読取りヘッドは、特徴のアレイがスケールの特徴に対して傾斜するように構成することができる。理解されるように、アレイは、２つまたはより多くの特徴を備えることができる。オプションで、特徴は、実質的に細長い。オプションで、特徴は、実質的に平行である。理解されるように、そのような特徴は、必ずしもまっすぐである必要はなく、たとえばそれらは、湾曲したかつ／または波状の細長い、平行な特徴を構成することができる。

少なくとも１つの光源は、投影される光の中に構造を与える少なくとも１つの特徴をその放出表面またはその付近に備えることができる。たとえば、少なくとも１つの特徴は、少なくとも１つの光源に一体化された部分を構成することができる。たとえば、少なくとも１つの特徴は、少なくとも１つの流れスプレッダを構成することができる。オプションで、そのような特徴は、ボンドパッドを構成することができる。少なくとも１つの光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えることができる。ＬＥＤは、投影される光に構造を与える特徴を（たとえば、ＬＥＤの放出表面またはその付近に）備えることができる。

検出器は、光検出器アレイを構成することができる。そのような光検出器アレイは、アレイ内に延びる複数の感知チャネルを画定することができる。そのようなアレイの方向は、読取りヘッドの読取り方向に対して実質的に平行に延びることができる。読取りヘッドを、光の中の構造であってそれが光源からスケールの方へ投影されるときの光の中の構造が複数の感知チャネルに対して傾斜するように構成することができる。

読取りヘッドは、少なくとも１つの回折格子を備えることができる。オプションで、読取りヘッドは、少なくとも１つのレンズを備えることができる。少なくとも１つのレンズを使用して、スケールから検出器の方へ進む光と相互作用することができる。オプションで、少なくとも１つのレンズを使用して、検出器上にスケールの画像を形成することができる。

エンコーダ装置は、インクリメンタルエンコーダ装置を構成することができる。この場合、スケールは、一連のインクリメンタルスケールマーク、たとえば一連の概して周期的な特徴を備えることができる。エンコーダ装置、たとえば読取りヘッドは、構造（光の中）が傾斜し、その結果、それがスケールの一連のインクリメンタルスケールマークに対して実質的に位置ずれされるように構成することができる。

スケールは、位相スケールまたは振幅スケールとすることができる。すなわち、スケールの特徴は、スケールを離れて読取りヘッドの方へ向かう光の位相または振幅を操作するように構成された特徴を構成することができる。理解されるように、典型的には、スケールの特徴の周期は、５００μｍ（ミクロン）未満、オプションで２００μｍ（ミクロン）未満、たとえば１００μｍ（ミクロン）未満、たとえば５０μｍ（ミクロン）未満である。スケール上にまたはスケールに隣接して、少なくとも１つの基準マークを設けることができる。基準マークは、スケールのインクリメンタルスケール特徴内に埋め込むことができる。読取りヘッドは、少なくとも１つの基準マークを検出する少なくとも１つの基準マーク光検出器を備えることができる。エンコーダ装置、たとえば読取りヘッドは、構造（光の中）が傾斜し、その結果、それが基準マークに対して実質的に位置ずれされるように構成することができる。

オプションで、エンコーダ装置は、アブソリュートエンコーダ装置を構成することができる。したがって、スケールは、一連の固有に特定可能な位置、好ましくは連続する一連の固有に特定可能な位置を画定する特徴を備えることができる。

エンコーダ装置は、スケールの特徴のスナップショット図（たとえば画像）を得るように構成することができる。

理解されるように、光源は、１または複数の光放出構成要素を備えることができる。光放出構成要素と少なくとも１つの検出器の間の光路内（たとえば、光路のうち読取りヘッド内の部分内）の任意の光学構成要素の光パワー（ジオプトリ単位でｍ^-1）は、−１００から１００、たとえば−５０から５０、たとえば−１０から１０、特に−５から５とすることができる。オプションで、光放出構成要素と少なくとも１つの検出器の間の光路内（たとえば、光路のうち読取りヘッド内の部分内）の任意の光学構成要素の光パワー（ジオプトリ単位でｍ^-1）は、実質的に０である。したがって、オプションで、光源の光放出構成要素と少なくとも１つの検出器の間の光路内（たとえば、光路のうち読取りヘッド内の部分内）には、レンズは設けられない。

オプションで、読取りヘッド内の任意の光学構成要素の光パワー（ジオプトリ単位でｍ^-1）は、−１００から１００、たとえば−５０から５０、たとえば−１０から１０、特に−５から５、たとえば実質的に０である。

光源は、発散式の光源を構成することができる（たとえば、発散光ビームを生じさせることができる）。オプションで、光ビームの発散は、前述の光路全体にわたって実質的に変わらないままとすることができる。

少なくとも１つの光源からの光は、スケールおよび読取りヘッド内の少なくとも１つの回折格子と相互作用して、スケールおよび読取りヘッドの相対運動とともに変化する結果領域を検出器に生じさせることができる。結果領域のそのような変化を使用して、読取りヘッドおよびスケールの相対位置を判定することができる。結果領域は、読取りヘッドおよびスケールの相対運動とともに変調する光の少なくとも１つの領域を構成することができる（たとえば、結果領域は、変調したスポットを構成することができる）。オプションで、結果領域は、干渉縞を構成する。

したがって、読取りヘッドは、回折格子を備えることができる。エンコーダ装置は、まず少なくとも１つの光源からの光がスケールと相互作用して第１の組の回折次数を生じさせ、次いで読取りヘッド内の回折格子と相互作用してさらなる回折次数を生じさせ、該回折次数は次いで、スケールおよび読取りヘッドの相対運動とともに変化する干渉縞を検出器に生じさせるように結合する、ように構成することができる。

理解されるように、構造（投影される光の中）は、パターンを構成することができ、たとえば特定可能な規則的なパターンを構成することができる。

少なくとも１つの光源は、可視範囲内の光を放出することができる。理解されるように、適した光源には、電磁スペクトルの赤外から紫外の範囲内の任意の位置の光を放出するものが含まれる。オプションで、光源は、赤外範囲内の光を放出する。

本発明の第２の態様によれば、スケールを読み取ってそれらの間の相対位置を判定するエンコーダ読取りヘッドが提供され、読取りヘッドは、スケールを照明する少なくとも１つの光源であって、光源の構成が、それが投影する光の中に構造（たとえばパターン）を与える光源と、読取りヘッドの読取り方向に対して実質的に平行なアレイ内に延びる複数の感知チャネルを画定する光検出器のアレイとを備え、読取りヘッドは、それが光源からスケールの方へ投影されるときの光の中の構造が複数の感知チャネルに対して傾斜するように構成される。

本発明の実施形態について、例示のみを目的として、以下の図面を参照しながら次に説明する。

本発明による反射型エンコーダの概略的な等角図である。 スケールの長さに沿って見た図１のエンコーダの概略的な横断面図である。 読取りヘッド位置の増分読取りを容易にするために回折光の使用を介して増分光検出器に結果領域を生成することを概略的に示す概略的な光線図である。 読取りヘッド位置の増分読取りを容易にするために回折光の使用を介して増分光検出器に結果領域を生成することを概略的に示す概略的な光線図である。 それがスケールの方へ投影する光の中に構造を与えない光源を概略的に示す図である。 本発明による図１のエンコーダの光源のグラフィック表示を示す図である。 本発明による図１のエンコーダの光源の画像を示す図である。 不十分な品質の干渉縞を与える光源セットアップを概略的に示す図である。 増分光検出器における理想的な縞強度を概略的に示す図である。 たとえば図６に示すようなセットアップによって得られる不十分な高調波品質を有する干渉縞のフーリエ変換を概略的に示すグラフである。 本発明の一実施形態による良好な品質の干渉縞を与える光源セットアップを概略的に示す図である。 図１のエンコーダに対する基準位置の検出を示すグラフである。 本発明による透過型エンコーダを概略的に示す図である。 スケールの長さに沿って見た図１１のエンコーダの概略的な横断面図である。 本発明による単一トラック式インクリメンタルエンコーダを概略的に示す図である。 光源を傾斜させることがエンコーダ装置の測定次元で測定される光源の強度分布の変調深さに与える影響を示す図である。 光源を傾斜させることがエンコーダ装置の測定次元で測定される光源の強度分布の変調深さに与える影響を示す図である。

図１および図２を参照すると、本発明によるエンコーダ装置２が示されている。エンコーダ装置は、読取りヘッド４およびスケール６を備える。図示しないが、典型的には、実際には、読取りヘッド４は機械の一部分に、および、スケール６は機械の別の部分にしっかり留められ、互いに対して可動である。読取りヘッド４は、それ自体およびスケール６の相対位置を測定するために使用され、したがって機械の２つの可動部分の相対位置の測定を提供するために使用することができる。典型的には、読取りヘッド４は、有線（図示の通り）および／または無線通信チャネルを介して、コントローラ８などのプロセッサと通信する。読取りヘッド４は、その検出器（より詳細には後述）からの信号をコントローラ８に報告することができ、次いでコントローラ８はそれらを処理して位置情報を判定し、および／または読取りヘッド４自体がその検出器からの信号を処理し、位置情報をコントローラ８へ送ることができる。

スケール６は、インクリメンタルトラック１０および基準トラック１２を画定する複数のスケールマーキングを備える。

インクリメンタルトラック１０は、回折格子を事実上形成するように読取りヘッドの方へ透過される光を制御する一連の周期的スケールマーク１４を含む。インクリメンタルトラック１０は、振幅スケールまたは位相スケールと一般に呼ばれるものとすることができる。理解されるように、それが振幅スケールである場合、特徴は、読取りヘッドの増分検出器の方へ透過される光の振幅を制御するように構成される（たとえば、光を選択的に吸収、散乱、および／または反射することによる）。理解されるように、それが位相スケールである場合、特徴は、読取りヘッドの増分検出器の方へ透過される光の位相を制御するように構成される（たとえば、光の位相を遅延させることによる）。本実施形態では、インクリメンタルトラック１０は振幅スケールであるが、どちらの場合も、より詳細に以下で説明するように、光は周期的スケールマーク１４と相互作用して、回折次数を生成する。

基準位置は、読取りヘッド４がスケール６に対するそれの正確な位置を判定することを可能にするために有用となり得る。したがって、基準位置からの増分位置を数えることができる。さらに、そのような基準位置は、それらを使用して、読取りヘッド４が間を進むことが許容されるスケール６の限界または端部を画定し得ることから、「限界位置」とも呼ばれるものとすることができる。

この実施形態では、基準トラック１２は、基準トラックの残り部分と比較して、光源１８からの比較的大量の光が基準検出器２４に到達することを許容する少なくとも１つの特徴１６を有することによって、基準位置を画定する。したがって、スケール６（特に基準トラック１２）は、基準トラック１２の長さに沿って延びる光制限マーキング４０の形のマーキングを備える。これらの光制限マーキング４０は、光が基準検出器２４に到達するのを必ずしも完全に停止させる必要はない。むしろそれらは、たとえば、基準マーク特徴１６と比較して、基準検出器２４に到達する光の量を単に低減させることができる。

この実施形態では、エンコーダ装置は、それが電磁放射（ＥＭＲ）光源１８、たとえば赤外光源１８と、スケール６と同じ側に位置する少なくとも１つの検出器（より詳細には後述）とを備えることから、反射型エンコーダである。概して、光源１８からの赤外は、スケール６によって読取りヘッドの方へ後方反射されるように構成される。図示のように、光源１８は発散式であり、光源の照明フットプリントは、インクリメンタルトラック１０と基準トラック１２の両方に当たる。記載の実施形態では、光源１８は、赤外範囲内のＥＭＲを放出するが、理解されるように、必ずしもこれは当てはめる必要はなく、他の範囲内、たとえば赤外から紫外の任意の場所のＥＭＲを放出することもできる。理解されるように、光源１８に適した波長の選択は、ＥＭＲ波長で作用するのに適した格子および検出器の利用可能性を含む多くの要因に依存して行うことができる。また図示のように、読取りヘッド４はまた、回折格子２０（一般に屈折率格子とも呼ばれる）、増分光検出器２２、および基準光検出器２４を備える。

記載の実施形態では、赤外光源１８は発光ダイオード（「ＬＥＤ」）である。

図示のように、赤外光源１８は、読取りヘッドの読取り方向（矢印Ｂによって示す）を横切る方向（矢印Ａによって示す）に、増分光検出器２２と基準光検出器２４の間に位置決めされる。これは、インクリメンタルトラック１０と基準トラック１２の両方の良好な均一の照明を容易にする。特に、この実施形態では、光源１８は、増分光検出器２２と基準光検出器２４の間に実質的に等距離を隔てて位置決めされ、読取りヘッド４の増分光検出器２２および基準光検出器２４の外側範囲（破線２７によって概略的に示す）によって画定される区域２５内に収容される。さらに、本発明によれば、図示のように、光源１８は傾斜している。その理由については、以下でより詳細に説明する。

これらの光学構成要素について、以下でより詳細に次に説明するが、要約すると、光源１８からの赤外光は、読取りヘッド４からスケール６の方へ放出され、光源１８のフットプリントの一部が、基準トラック１２と相互作用し、光源のフットプリントの一部が、インクリメンタルトラック１０と相互作用する。ここで説明している実施形態では、基準位置は、トラックの残り部分と比較して、光源１８からの光のより多くを基準光検出器２４の方へ後方反射する基準トラック１２内の特徴１６によって画定される。これは、たとえば、特徴１６自体よりも多くの赤外光を吸収、透過、および／または散乱する光制限式特徴４０によって実現することができる。したがって、いずれにせよ、読取りヘッド４がスケール６に沿って進むとき、基準位置を画定するスケールのマークの影／撮像されていない部分（この場合、光制限式特徴４０の影）が、基準検出器２４上に当たる。読取りヘッド４が基準位置を通り過ぎると、特徴１６は、基準光検出器２４に到達する光源１８からの光の量を増大させる。図２に示す位置で、読取りヘッド４は、基準位置と位置合わせされており、したがって光が基準光検出器２４の方へ後方反射されることが示されている。

基準位置の検出に関して、上記によれば、読取りヘッド４が基準位置を通り過ぎると、特徴１６は、より多くの光を基準光検出器２４の方へ後方反射させる。したがって、読取りヘッド４および／またはコントローラ８は、基準光検出器２４で受け取った光の強度の変化（この場合は増大）を探すように構成することができる。図示のように、記載の実施形態では、基準光検出器２４は実際には、互いに対して測定方向にずれた別個の第１の検出器チャネル２８および第２の検出器チャネル３０を備える「分割検出器」である。これらの２つの別個の検出チャネルはそれぞれ、それに当たる光の強度を測定し、測定した強度に比例する出力を提供する。

この実施形態では、基準マーク特徴１６を画定するスケールマーキング（すなわち、光制限マーキング４０）は、スケール６の長さの大部分にわたって基準検出器２４上へ影を落とす（言い換えれば、基準検出器２４は、スケールの長さの大部分にわたって光制限マーキング４０の影の中に位置する）。しかし、読取りヘッド４が基準位置を通過すると、基準マーク特徴１６は、光源１８からの光を基準検出器２４の第１の検出器チャネル２８および第２の検出器チャネル３０の方へ後方反射する。したがって、第１の検出チャネル２８および第２の検出チャネル３０の出力は、図１０においてグラフの頂部部分によって示すように、読取りヘッド４が基準位置を通過するときにピークに達する。

第１の検出チャネル２８および第２の検出チャネル３０が測定方向にずれている場合、検出チャネルの一方によって報告される強度のピークは他方より遅れる。この実施形態では、特徴１６ならびに第１の検出器チャネル２８および第２の検出器チャネル３０は、第１の検出器チャネル２８および第２の検出器チャネル３０の出力の差信号３８（たとえば、差動増幅器を介して得られる）が上限閾値レベル４１と下限閾値レベル４３の間を交差したことを判定することによって、基準位置を判定することができるように構成される。図示のように、２つの閾値レベル４１，４３によって画定されるこの「区間」は、２つの信号２８、３０が交差する点（線３４によって示す点）を収容し、したがって、差信号３８がゼロ値を交差する点（たとえば、点３６）も収容する。したがって、基準位置は、実際には、２つの閾値レベル４１、４３間の基準「区間」３９として判定される。差信号がこの区間３９内に位置するとき、パルス４５によって概略的に示す基準パルスが、読取りヘッド４によってコントローラ／プロセッサデバイス８へ出力される。基準パルスの幅は、増分直交信号から判定し得るリサージュの１リサージュ周期以下である。２つの検出チャネルの出力間の差を得ることによって基準位置を検出することに関するさらなる詳細は、特許文献４および特許文献５に記載されている。

インクリメンタルトラック１０に関して、光源１８からの光は、回折パターンを画定する周期的スケールマーク１４に当たる。したがって、この光は複数の次数に回折し、次いで読取りヘッド４内の回折格子２０に当たる。本実施形態では、回折格子２０は位相格子である。次いで、この光は、回折格子２０によってさらに次数に回折され、次いで、増分光検出器２２で干渉して、結果領域を、この場合は干渉縞を形成する。

干渉縞の生成について、図３および図４を参照してより詳細に説明する。理解されるように、図３は、エンコーダ装置内で遭遇する実際の光学的状況の非常に簡略化された図である。特に、この状況について、光源からの１つの光線のみに関して示されているが、実際には、インクリメンタルトラック１０の区域が光源によって照明される。したがって、実際には、図３に示す光学的状況は、スケールの長さに沿って（すなわち、光源によって照明される区域にわたって）何度も繰り返され、したがって、図４に概略的に示すように、検出器において長い干渉パターンを生じさせる。また、例示の目的で、±１次のみを示す（たとえば、理解されるように、光は、複数の次数、たとえば±３次、±５次などの回折次数に回折される）。光は、スケール６のインクリメンタルトラック１０内の一連の周期的特徴１４によって回折され、これらの回折次数は回折格子２０の方へ伝播し、回折格子２０において、この光は、増分検出器２２に結果領域２６（この場合は干渉縞であるが、たとえば、変調したスポットとすることもできる）を形成する前に再び回折される。図４に示すように、結果領域２６は、回折格子２０およびスケール６からの光の回折次数の再結合によって生じる。

説明を簡単にするために、図３および図４の光線図は、透過型光線図として示す（すなわち、光は、スケールおよび回折格子のそれぞれを通って透過されるものとして示す）が、実際には、これらの少なくとも１つを反射型にすることもできる。たとえば、図１および図２の実施形態では、光線は、スケール６から反射されるはずである。

増分検出器２２は、結果領域２６（たとえば、干渉縞）を検出して信号を生じさせ、この信号は、読取りヘッド４によってコントローラ８などの外部デバイスへ出力される。特に、読取りヘッド４およびスケール６の相対運動は、結果領域２６の変化（たとえば、検出器２２に対する干渉縞の動きまたは増分検出器２２における変調したスポットの強度の変化）を引き起こし、この出力を処理して、変位の増分測定を可能にする上下のインクリメンタルカウントを提供することができる。

増分検出器２２は、たとえば、複数のフォトダイオードを備えることができる。特に、理解されるように、増分検出器２２に干渉縞２６が生じる実施形態では、増分検出器２２は、電子格子の形態とすることができ、言い換えれば、たとえば２組またはより多くの組のインターディジット構造の／インターレースした感光性センサを備えることができる光センサアレイであり、各組は、検出器２２で干渉縞２６の異なる位相を検出する。増分検出器２２の一部を示す図７に一例が示されており、４組のフォトダイオードＡ、Ｂ、Ｃ、およびＤからなるフォトダイオードが、インターディジット構造とされた、組の中の各フォトダイオードからの出力が結合されて、単一の出力Ａ’、Ｂ’、Ｃ’、およびＤ’を提供する。次いで、これらの出力を使用して、直交信号を提供する。たとえば、Ａ’−Ｃ’を使用して第１の信号を提供することができ、Ｂ’−Ｄ’を使用して第２の信号を提供することができ、第２の信号は、第１の信号から９０度位相ずれしている（たとえば、Ｃｏｓ信号とＳｉｎ信号）。図示のように、任意の１つの瞬間に、任意の１組の中のすべてのフォトダイオードが、干渉縞の同じ位相の強度を検出する（縞の周期とセンサの周期が同じである場合）。この配置には、光学系のフィルタリング効果のため、読取りヘッド４が周期的スケールマーク１４の周期性の崩壊の影響をまったく受けないという利点がある。したがって、汚染および／または埋め込まれた基準マークの存在は、増分検出器２２によって検出される干渉縞に大幅な影響を与えることがない。

このタイプのスケールおよび読取りヘッドのさらなる詳細は、内容全体が参照により本明細書に組み込まれている特許文献６に記載されている。理解されるように、電子格子／光センサアレイは、インターディジット構造の３組のフォトダイオードのみを備えるなどの他の形態をとることができ、異なるレイアウトを使用することができる。

図７は、線２６によって示すように、インターレースした感光性センサＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの周期性と同相で正弦曲線状に変動する強度を有するきれいな干渉縞の理想的な場合を示す。しかし、理解されるように、実際には、干渉縞内には様々な要因によって引き起こされるノイズが存在することが多い。

さらに、最近まで、本発明者らは、図５ａに示すように「きれいな」または「構造化されていない」光源を使用することを求めてきた。図５ａは、円形の放出区域１０４およびワイアボンド１０６を備えるＬＥＤ１００を示す。しかし、読取りヘッド４の寸法を低減させたいという要求を含む多くの理由で、本発明者らは、代替的光源を探してきた。本発明者らが使用することを選択した１つの特定のタイプの光源を、図５ｂおよび図５ｃに示す。この光源１８は、放出区域５２の表面上に設けられたワイアボンド５０を有する。さらに、放出区域５２の表面上には流れスプレッダ５４が設けられる。図示のように、ワイアボンド５０は、正方形の形状の放出区域５２内で中心に取り付けられ、流れスプレッダは、主として、第１の細長いアーム５６および第２の細長いアーム５８を備え、これらのアームは、互いに平行に延び、実質的にＨ字状のパターン／形成をともに画定する（光源から投影される光の中へ与えられる）。図５ｃの実際の光源の画像に示すように、これらのワイアボンド５０および流れスプレッダ５４の特徴は、光源１８から投影される光の中に不都合な（たとえば、望ましくない／有害な）構造を与える。この場合は実質的にＨ字状のパターン／形成の形態である。

そのような光源１８の使用は、増分検出器２２で生成される干渉縞に大幅な不都合な結果を与えることがあることが分かった。

たとえば、図８は、図６に示すようなセットアップを使用して生成される干渉縞のフーリエ変換のグラフを示す。理想的な干渉縞では（すなわち、図７によって示すように）、フーリエ変換は、基本周波数ｆ₀の成分のみを含む。しかし、図８に示すように、干渉縞は、それが大幅な望ましくない／不都合な非整数高調波（たとえば、低調波）成分（この場合、０．５５ｆ₀および１．５５ｆ₀を示す）を含むため歪んでおり、したがって読取りヘッド４の精度を大幅に低減させる。

しかし、本発明者らは、光源１８の主な細長い構造のどれもが増分光検出器２２の複数の感知チャネルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対して傾斜するように読取りヘッドを構成することによって、そのような非整数高調波成分の振幅（たとえば、上記の実施形態では、成分０．５５ｆ₀および１．５５ｆ₀の振幅）が低減され、それによって干渉縞の品質を改善することを見出した。たとえば、第１の流れスプレッダアーム５６および第２の流れスプレッダアーム５８がインクリメンタルトラック１０の周期的特徴１４に対して傾斜する（この実施形態では、増分検出器２２の光検出器要素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのアレイに対しても傾斜する）ように、図５ｂおよび図５ｃの光源１８が、図９に示すように角度をなして取り付けられる場合、非整数高調波成分の振幅が大幅に低減されることが分かった。

本発明者らは、光源１８の流れスプレッダ５４の第１の細長いアーム５６および第２の細長いアーム５８が、光源を別個の周期的に配置された光源に事実上分割し、これらの別個の周期的に配置された光源は、主な干渉縞２６と不都合に干渉してそれを歪ませる別個の組の回折次数および２次干渉縞を生成するように作用することを突き止めた。これを図１４ａに示し、グラフは、エンコーダの測定次元Ｂで測定される光源からの光の強度分布プロファイル４７を示す。見ることができるように、流れスプレッダ５４およびワイアボンド５０の存在は、強度分布プロファイルに大幅な低下を引き起こし、強度分布プロファイル内に実質的なピークおよびトラフを引き起こし、前述の明らかな別個の光源をもたらす。図示のように、エンコーダの測定次元Ｂで測定される強度分布プロファイルは、０．５超、たとえば約０．６の変調深さ（破線によって強調）を有する（理解されるように、変調深さとは、変調した強度分布プロファイル（この場合、測定次元で測定される）の最大ピーク値と最小トラフ値の間の差を、ピーク値とトラフ値との和で割った値である）。

第１の細長いアーム５６および第２の細長いアーム５８が傾斜するように光源１８を構成することによって、有効な点光源の周期性が、周期的スケール特徴１４または増分光検出器２２の周期的に配置された光検出器要素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと位置合わせされることはなくなる。図１４ｂは、図１４ａの実施形態のＬＥＤが約１６度回転させられた一例を示し、グラフは、エンコーダの測定次元Ｂで測定される傾斜した光源からの光の強度分布を示す。見ることができるように、測定方向に得た強度分布内のあらゆるトラフの深さが低減され、したがって変調深さが大幅に低減される。この実施形態では、変調深さは、約０．３までほぼ半減した。そのような構成は、前述の２次干渉縞の振幅を低減させ、それによって干渉縞内の非整数高調波成分の振幅を低減させ（すなわち、少なくとも半減させ）、したがって干渉縞２６にかかる歪みの影響を小さくする。

理解されるように、光源１８が配置されるべき最適の角度は、光源１８から投影される光の中に与えられる構造の形状および／またはインクリメンタルスケールマーク１４の周期および／または回折格子２０の周期などの要因に応じて、エンコーダごとに変わる。また、空間などの実用上の制限が、光源を配向し得る角度を制限することもある。それにもかかわらず、本発明者らは、上記の構成を用いて、１０から２０度の間の何らかの値、たとえば約１６度だけ光源１８を傾斜させることによって（たとえば、流れスプレッダ５４の第１の細長いアーム５６（および／または第２の細長いアーム５８）と周期的スケール特徴（また、図９に示す増分光検出器２２の周期的に配置された光検出器要素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）との間の角度αが、１０から２０度の間の何らかの値、たとえば約１６度になるように）、歪みの大幅な低減を実現し得ることを見出した。それにもかかわらず、理解されるように、本実施形態では、０および１８０度以外の任意の角度をなす光源を用いて、歪みの低減を実現することができるが、５から１７５度、特に１０から１７０度だけそれを傾斜させることによって、大幅な歪みの低減を実現することができる。

さらに、流れスプレッダ５４の第１の細長いアーム５６（および／または第２の細長いアーム５８）が周期的スケール特徴（また、図９に示す増分光検出器２２の周期的に配置された光検出器要素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）に直交するように光源１８を傾斜させることによって、干渉縞２６内の前述の歪みをいずれも事実上解消して、干渉縞２６を図７に示すものに可能な限り近くまで戻すことができる（当然ながら、依然としてランダムノイズの影響を受けやすい）ことが分かった。

理解されるように、本発明は、投影される光の中に構造を与える特徴（ワイアボンド、流れスプレッダ）などを有する他のタイプの光源にも適用することができる。

前述の実施形態では、エンコーダ装置２は反射型エンコーダ装置である。しかし、理解されるように、必ずしもこれに当てはめる必要はなく、本発明は、図１１および図１２に示すように、透過型エンコーダ装置２０２にも等しく適用することができる。この場合、スケール２０６は、読取りヘッド２０４の光源１８からの光がそれを通って、光源１８とはスケール２０６の反対側に位置する読取りヘッド２０４内の増分光検出器２２および基準光検出器２４の方へ進むことを可能にするように主に構成される。たとえば、読取りヘッド２０４は、光源１８、増分検出器２２、および基準検出器２４（測定方向にずれた第１の検出器チャネル２８および第２の検出器チャネル３０（図示せず）を備える）を備える。これらの読取りヘッド構成要素は、図１から図１１の実施形態に関連して説明したものと実質的に同じであり、同じ方法で動作するが、唯一の違いは、増分検出器２２および基準検出器２４が、光源１８とはスケール２０６の反対側に位置決めされることである。したがって、図３および図４に関連して説明したものと同様に、干渉縞（図示せず）が生じ、増分検出器２２で検出される。同様に、基準位置も同じ方法で判定され、すなわち、上限閾値と下限閾値の間で差信号（基準検出器２４の第１の検出器チャネル２８および第２の検出器チャネル３０の出力の差動増幅によって得られる）が収容される基準マーク区間を見出すことによって判定される。図示の実施形態では、基準トラック２１２は大部分が透過型であるが、光が基準光検出器２４に到達するのを阻止する特徴２１６を基準位置に備える。したがって、基準位置は、図１０に関連して上述したものとほぼ同じ方法で判定することができるが、理解されるように、信号は反転している（すなわち、第１の検出器チャネル２８および第２の検出器チャネル３０から出力される信号は、読取りヘッドが基準位置を通過すると低下する）。

前述の実施形態では、インクリメンタルトラックとは別個の基準マークトラックが設けられる。それにもかかわらず、理解されるように、必ずしもこれに当てはめる必要はなく、たとえば基準位置を、インクリメンタルスケールトラック内に埋め込まれた少なくとも１つの特徴によって画定することもできる。さらに、理解されるように、本発明は、たとえば、読取りヘッド３０４と、インクリメンタルスケール特徴３１４を備えるインクリメンタルスケール３０６とを備えるエンコーダ装置３０２を示す図１３のように、スケールが基準位置を画定する、いかなる特徴も備えないエンコーダにも等しく適用することができる。

前述の実施形態では、エンコーダはインクリメンタルエンコーダである。しかし、理解されるように、必ずしもこれに当てはめる必要はない。たとえば、本発明はまた、アブソリュートエンコーダとともに使用される。理解されるように、アブソリュートエンコーダは、特徴を有するスケールを備え、これらの特徴は、スケールに沿って位置を固有に識別する。たとえば、スケール特徴は、一連の固有に特定可能なコードを画定することができる。読取りヘッドは、スケールのスナップショット図（たとえば、画像）を得るように構成することができ、このスナップショット図を分析して、位置コードを識別する。スケール上の構造化された光の存在は、コードの検出および分析と干渉することあるが、光の構造がスケールの特徴とは位置ずれされている場合、その影響を低減することができる。

さらに、一部のアブソリュートエンコーダ装置は、本発明の図示の実施形態に関連して上述したものと同一のまたは類似の方法でスケールを読み取る。たとえば、エンコーダ装置は、スケールを読み取って固有の位置コードを見つけることができることに加えて、スケールを読み取り、たとえばＥＭＲの回折によって生成される結果領域／干渉縞を分析することによって、増分情報を得ることもできる。これは、同一のまたは異なる読取りヘッド内で行うことができる。さらに、これは、単一のスケールトラック（たとえば、特許文献２に記載）の使用によって、または任意の絶対スケールトラックに沿って走る専用のインクリメンタルスケールトラックを有することによって実現することができる。したがって、理解されるように、増分のみの実施形態に関連して上述したものは、そのようなアブソリュートエンコーダ装置の少なくとも増分側にも等しく適用することができる。

留意されるように、上記の実施形態では、光源からの光の波面曲率を変えるレンズまたは他の光学構成要素は読取りヘッド内に設けられていない。しかし、理解されるように、必ずしもこれに当てはめる必要はない。たとえば、レンズを使用して、光源１８からの光を平行にすることができる。オプションで、レンズを使用して、スケールの画像を形成することもできる。それにもかかわらず、理解されるように、そのような光学構成要素の省略（または非常に弱い光学構成要素のみの使用）により、非常に小型の読取りヘッドを提供することが可能になる。特に、本発明者らは、１０ｍｍ以下、たとえば６．７ｍｍ以下の全体的な高さを有し、全体的なシステムの高さ（読取りヘッドの頂部からスケールの頂面まで）が１４ｍｍ未満、たとえば７．８ｍｍ以下である、反射型エンコーダ内で使用するための読取りヘッドを提供することを可能にした。特に、本発明者らは、増分光検出器２２と回折／屈折率格子２０の間の高さを２．３ｍｍ以下まで低減させることを可能にした。

Claims (12)

1. 少なくとも１つのスケールトラックを画定する一連の特徴を備えるスケールと、前記スケールの特徴を読み取る読取りヘッドとを備え、前記読取りヘッドが、前記スケールを照明する少なくとも１つの光源と、少なくとも１つの検出器とを備える、エンコーダ装置であって、
   前記少なくとも１つの光源の構成は、前記スケールの方へ投影される光の中に構造が位置するような構成であり、前記読取りヘッドは、前記読取りヘッドによって出力される信号内の測定誤差を低減させるために、前記構造が傾斜し、その結果、それが前記スケールの特徴に対して実質的に位置ずれされるように構成されることを特徴とするエンコーダ装置。
2. 前記スケールの方へ投影される光の中の前記構造の主な細長い構造のどれでも、前記スケールの特徴に対して傾斜することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ装置。
3. 前記光源の構成は、少なくとも１つの方向に、投影される光の前記構造の周期性を与え、前記読取りヘッドは、周期性の方向が傾斜し、その結果、それが前記スケールの特徴の前記周期性に対して実質的に位置ずれされるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ装置。
4. 前記少なくとも１つの光源は、前記エンコーダ装置の測定次元で測定される前記スケールの方へ投影される光の強度分布が、０．５以下の変調深さを有するように構成することができることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ装置。
5. 光の中の前記構造は、特徴のアレイを備え、前記読取りヘッドは、特徴の前記アレイが前記スケールの特徴に対して傾斜するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ装置。
6. 前記少なくとも１つの光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）を備え、前記ＬＥＤは、前記投影される光の中に前記構造を与える特徴を前記ＬＥＤの放出表面上に備えることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ装置。
7. 前記特徴は、ボンドパッドおよび／または少なくとも１つの流れスプレッダを構成することを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ装置。
8. 前記エンコーダ装置はインクリメンタルエンコーダ装置であり、前記スケールは一連のインクリメンタルスケールマークを備えることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ装置。
9. 前記構造が傾斜し、その結果、それが前記スケールの前記一連のインクリメンタルスケールマークに対して実質的に位置ずれされるように構成されることを特徴とする請求項８に記載のエンコーダ装置。
10. 前記検出器は光検出器を構成し、光が前記読取りヘッド内の前記スケールおよび少なくとも１つの回折格子と相互作用して、前記スケールおよび前記読取りヘッドの相対運動とともに変化する結果領域を前記光検出器に生じさせることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ装置。
11. 前記読取りヘッドは回折格子を備え、前記少なくとも１つの光源からの光が、まず前記スケールと相互作用して第１の組の回折次数を生じさせ、次いで前記読取りヘッドの回折格子と相互作用してさらなる回折次数を生じさせ、該回折次数が、前記スケールおよび前記読取りヘッドの相対運動とともに変化する干渉縞を前記検出器に生じさせるように結合することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ装置。
12. スケールを読み取ってそれらの間の相対位置を判定するエンコーダ読取りヘッドであって、
    前記スケールを照明する光源であって、前記光源の構成がそれが投影する光の中に構造を与える光源と、
    前記読取りヘッドの読取り方向に対して実質的に平行なアレイ内に延びる複数の感知チャネルを画定する光検出器のアレイとを備え、
    光の中の前記構造であってそれが前記光源から前記スケールの方へ投影されるときの光の中の前記構造が前記複数の感知チャネルに対して傾斜するように、前記読取りヘッドが構成されていることを特徴とするエンコーダ読取りヘッド。