JP2017223674A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の回折次数の高い回折効率に最適化した光学式エンコーダを提供する。【解決手段】光学式エンコーダは、複数の光学要素を有し、スケール本体に対して相対移動可能に配置されている走査装置を備える。１つの走査ビーム路が、走査装置の複数の光学要素の配置と構成とによって発生し、この走査ビーム路では、干渉する複数の部分ビーム束が、１つの対称面に対してミラー対称に伝播し、Ｖ字形にスケール本体に入射し、スケール本体からＶ字形に戻り反射する。この対称面は、目盛方向に対して直角に延在する回転軸を中心にして所定の傾斜角度だけ傾斜している。測定目盛１２’は、重畳構造を成し、１つの目盛周期ｄ’ＭＵｅ内に２つよりも多い格子オフセット点Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を有する。これらの格子オフセット点は、１つの目盛周期内に非対称に配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の光学式エンコーダに関する。

互いに移動する２つの物体の位置を取得するための周知のエンコーダでは、一般に、１つのスケール本体上に配置された１つの測定目盛を有するこのスケール本体に対する１つの走査装置の位置が、このスケール本体の目盛方向に沿って測定される。この場合、この目盛方向は、測定方向に一致する。この場合、走査装置とスケール本体とがそれぞれ、当該移動する２つの物体のうちの１つの物体に接合されている。エンコーダの、効果的なそれぞれの測定方向を示すいわゆる感度ベクトルが、周知の装置においてスケール本体の表面に対して通常は平行に指向されている。

さらに、エンコーダの感度ベクトルが、１つの反射測定目盛を有するスケール本体の表面に対して傾斜して指向されているエンコーダが周知である。これに関しては、例えば、本出願人の欧州特許出願公開第１７６２８２８号明細書を参照のこと。このようなエンコーダでは、当該感度ベクトルの傾斜方向が、干渉する走査ビーム路を非対称に形成することによって保証される。適切な走査ビーム路では、入射する１つのビーム束が、最終的に干渉して重畳される少なくとも２つの部分ビーム束に分岐される。このようなエンコーダを使用することで、横の測定方向又は移動方向に沿った走査装置とスケール本体との相対移動に関する位置情報のほかに、垂直の測定方向又は移動方向に沿った走査装置とスケール本体との相対移動に関する位置情報も取得され得る。すなわち、このようなエンコーダを使用することで、２つの並進移動自由度に沿った位置変化が取得され得る。このようなエンコーダでは、当該干渉する複数の部分ビーム束の波長が、走査装置とスケール本体との間の専ら或る定格走査間隔において同じ長さである。このスケール本体又はこの走査装置が、この定格走査間隔から移動すると、当該干渉する複数の部分ビーム束の波長がずれる。したがって、使用される光源の波長の場合によっては起こる変化が、干渉する複数の部分ビーム束の位相に影響し、したがって算出された位置情報にも影響する。それ故に、このようなエンコーダの走査光学系は、クロマティック光学系と呼ばれる。このため、当該クロマティック光学系で使用される光源は、十分なコヒーレント長を有する必要があり、位相ノイズを極めて小さくする必要がある。このことを保証するため、このような光源の面倒な安定化が必要である。このため、この光源は、これに応じてより高価である。

本願の請求項１に記載の上位概念の構成に基づく本出願人の独国特許出願第１０２０１５２０３１８８．８号明細書には、上記の問題を解決する光学式エンコーダが提唱されている。当該対応するエンコーダは、傾斜した感度ベクトルを有し、許容される全ての走査間隔において波長の変化に対して鈍感である。この場合、当該エンコーダは、２つの物体のうちの一方の物体に接合されていて、少なくとも１つの目盛方向に沿った複数の目盛領域の周期的な配列を成す１つの測定目盛を有する１つのスケール本体を備える。さらに、複数の光学要素を有し、他方の物体に接合されていて、当該スケール本体に対して相対移動可能に配置されている１つの走査装置が設けられている。１つの走査ビーム路が、この走査装置の当該複数の光学要素の配置と構成とによって発生する。この走査ビーム路では、干渉する複数の部分ビーム束が、１つの対称面に対してミラー対称に伝播し、Ｖ字形に当該スケール本体に入射し、及び／又は当該スケール本体からＶ字形に戻り反射する。この対称面は、１つの回転軸を中心にして所定の傾斜角度だけ傾斜している。この対称軸は、このスケール本体の表面に対して平行に配向されていて、当該目盛方向に対して直角に延在する。このエンコーダでは、当該測定目盛の非対称な複数の回折次数から発生する複数の部分ビーム束が、信号を生成するために干渉する。それ故に、当該対応する測定目盛は、特に当該複数の回折次数の高い回折効率を目指して最適化する必要がある。

欧州特許出願公開第１７６２８２８号明細書 欧州特許出願公開第２８４８８９９号明細書

本発明の課題は、光学式エンコーダの測定目盛が信号を生成するために使用される複数の回折次数の高い回折効率を目指して最適化されている、このような種類の光学式エンコーダを提供することにある。

本発明によれば、この課題は、請求項１に記載の特徴を有する光学式エンコーダによって解決される。

本発明のエンコーダの好適な構成は、従属請求項に記載されている手段から得られる。

一方では、互いに相対移動する２つの物体の位置を取得するための本発明の光学式エンコーダは、当該２つの物体のうちの一方の物体に接合されていて、少なくとも１つの目盛方向に沿った複数の目盛領域の周期的な配列を成す１つの測定目盛を有する１つのスケール本体を備える。他方では、複数の光学要素を有し、他方の物体に接合されていて、当該スケール本体に対して相対移動可能に配置されている１つの走査装置が設けられている。１つの走査ビーム路が、この走査装置の当該複数の光学要素の配置と構成とによって発生する。この走査ビーム路では、干渉する複数の部分ビーム束が、１つの対称面に対してミラー対称に伝播し、Ｖ字形に当該スケール本体に入射し、及び／又は当該スケール本体からＶ字形に戻り反射する。この対称面は、１つの回転軸を中心にして所定の傾斜角度だけ傾斜している。この対称軸は、このスケール本体の表面に対して平行に配向されていて、当該目盛方向に対して直角に延在する。この場合、当該測定目盛は、重畳構造を成し、１つの目盛周期内に２つよりも多い格子オフセット点を有する。この場合、これらの格子オフセット点は、１つの目盛周期内に非対称に配置されている。

当該測定目盛が、１つの目盛周期内に偶数個の格子オフセット点を有することが提唱され得る。

さらに、当該測定目盛の非対称な複数の回折次数から発生する複数の部分ビーム束が干渉し、
ｄ_ＭＵｅ：＝インプレーンモード用の重畳構造を成す測定目盛の目盛周期
ｄ′_ＭＵｅ：＝アウトオブプレーンモード用の重畳構造を成す測定目盛の目盛周期
α：＝傾斜角度
ｎ、ｍ：＝．．．−２、−１、０、＋１、＋２、．．．
のときに、当該測定目盛の目盛周期が、
ｄ′_ＭＵｅ＝ｄ_ＭＵｅ・（ｎ−ｍ）／（２ｃｏｓα）
にしたがって選択されるように、当該測定目盛は形成されていることが可能である。

当該測定目盛（１２′）の複数の回折次数のうちの以下の複数の組み合わせである、
＋１次／−２次の回折次数、
＋２次／−３次の回折次数、
＋１次／−３次の回折次数、
＋３次／−１次の回折次数、
＋１次／０次の回折次数、
−１次／０次の回折次数、
のうちの１つの組み合わせから発生する複数の部分ビーム束が干渉することが提唱され得る。

好ましくは、当該測定目盛は、二元式の反射型位相格子として形成されている。

当該反射型位相格子は、λ／４の移相を呈し得る。

可能な１つの実施の形態では、当該測定目盛の＋１次の回折次数と−２次の回折次数との組み合わせから発生する複数の部分ビーム束が干渉することが提唱されている。この場合、使用される光の波長が、λ＝８５０ｎｍであるときに、当該測定目盛の目盛周期と、当該対称面の傾斜角度と、目盛周期ごとに４つの格子オフセット点を有する当該測定目盛の重畳構造パラメータとが、以下の、
ｄ′_ＭＵｅ＝３．０８０μｍ
α＝４．１４３°
ａ＝０．０６・ｄ′_ＭＵｅ（第１格子オフセット点と第２格子オフセット点との間の間隔）
ｂ＝０．３１・ｄ′_ＭＵｅ（第２格子オフセット点と第３格子オフセット点との間の間隔）
ｃ＝０．３９・ｄ′_ＭＵｅ（第３格子オフセット点と第４格子オフセット点との間の間隔）
のように選択されている。

可能な別の１つの実施の形態では、当該測定目盛の＋２次の回折次数と−３次の回折次数との組み合わせから発生する複数の部分ビーム束が干渉することが提唱されている。この場合、使用される光の波長が、λ＝８５０ｎｍであるときに、当該測定目盛の目盛周期と、当該対称面の傾斜角度と、目盛周期ごとに４つの格子オフセット点を有する当該測定目盛の重畳構造パラメータとが、以下の、
ｄ′_ＭＵｅ＝５．１２４μｍ
α＝２．４８８°
ａ＝０．１９・ｄ_ＭＵｅ（第１格子オフセット点と第２格子オフセット点との間の間隔）
ｂ＝０．２０・ｄ_ＭＵｅ（第２格子オフセット点と第３格子オフセット点との間の間隔）
ｃ＝０．１９・ｄ_ＭＵｅ（第３格子オフセット点と第４格子オフセット点との間の間隔）
のように選択されている。

可能な別の１つの実施の形態では、当該測定目盛の＋１次の回折次数と−３次の回折次数との組み合わせから発生する複数の部分ビーム束が干渉することが提唱されている。この場合、使用される光の波長が、λ＝８５０ｎｍであるときに、当該測定目盛の目盛周期と、当該対称面の傾斜角度と、目盛周期ごとに４つの格子オフセット点を有する当該測定目盛の重畳構造パラメータとが、以下の、
ｄ′_ＭＵｅ＝４．１２０μｍ
α＝６．２０１°
ａ＝０．０８・ｄ_ＭＵｅ（第１格子オフセット点と第２格子オフセット点との間の間隔）
ｂ＝０．２１・ｄ_ＭＵｅ（第２格子オフセット点と第３格子オフセット点との間の間隔）
ｃ＝０．５・ｄ_ＭＵｅ（第３格子オフセット点と第４格子オフセット点との間の間隔）
のように選択されている。

本発明の光学式エンコーダは、重畳回折格子としての当該測定目盛の選択された構成に起因して、特に、高い走査効率を有し、したがって生成された位置に応じた信号の高い信号強度を有する。その結果、当該傾斜角度に関するより大きい許容誤差が達成される。当該エンコーダが正常に機能するように、当該走査装置が、当該スケール本体に対して当該傾斜角度を成して取り付けられる必要がある。さらに、様々な傾斜角度が、当該測定目盛の具体的な構成に応じて保証される。すなわち、それぞれの取り付け状況に適した傾斜角度が、当該測定目盛の対応する構成によって選択され得る。

本発明のさらなる詳細及び利点を、図面に関連する本発明の装置の実施の形態の以下の記載に基づいて説明する。

走査されるスケール本体の表面に対して平行に感度ベクトルを有するエンコーダで使用される本発明の光学式エンコーダの実施の形態の走査装置のそれぞれ１つの概略断面図である。 走査されるスケール本体の表面に対して平行に感度ベクトルを有するエンコーダで使用される本発明の光学式エンコーダの実施の形態の走査装置のそれぞれ１つの概略断面図である。 走査されるスケール本体の表面に対して平行に感度ベクトルを有するエンコーダで使用される本発明の光学式エンコーダの実施の形態の走査装置のそれぞれ１つの概略断面図である。 傾斜された感度ベクトルを有する本発明の光学式エンコーダの実施の形態のそれぞれ１つの概略断面図である。 傾斜された感度ベクトルを有する本発明の光学式エンコーダの実施の形態のそれぞれ１つの概略断面図である。 傾斜された感度ベクトルを有する本発明の光学式エンコーダの実施の形態のそれぞれ１つの概略断面図である。 図２ａ〜２ｃの実施の形態による測定目盛の概略部分断面図である。

本発明の光学式エンコーダの実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する前に、本発明に関連する幾つかの概念を最初に説明する。

このため、感度ベクトルが測定動作中にスケール本体の表面に対して平行に指向されているエンコーダの複数の走査光学系をもう一回参照のこと。このような走査光学系では、一般に、１つの光源から放射した１つのビーム束が、２つの部分ビーム束に分岐される。当該２つの部分ビーム束は、スケール本体の測定目盛で異なる回折次数に回折され、引き続き重畳され、そして干渉される。こうして、互いに位相シフトされている複数の走査信号が生成され得る。複数の位置値が、インクリメント計数と補間とによって当該走査信号から提供される。このような幾つかの走査光学系は、当該分岐から当該重畳までに、１つの対称面に対してミラー対称に延在する複数の部分ビーム束を生成する。この場合、このような動作モードでは、このような走査ビーム路の当該対称面が、当該スケール本体の表面上に垂直に、すなわち当該スケール本体の測定目盛の目盛方向に対して垂直に直立している。この場合、当該目盛方向は、当該測定目盛の格子線に対して常に直角に指向されている当該測定目盛の格子ベクトルに相当する。それ故に、以下では、用語である目盛方向と格子ベクトルとは、等価なものとして一緒に使用される。分岐と再結合との間の当該複数の部分ビーム束の同じ長さの複数の伝播経路が、当該走査ビーム路のミラー対称に起因して発生する。したがって、当該走査光学系は、アクロマティック光学系である。すなわち、当該光源の波長と当該波長のスペクトル分布とが、当該生成された走査信号の位相と変調度とに影響しない。

さらに、走査部のいわゆる回転中立点が、スケール本体上に存在するように、干渉する複数の部分ビーム束が１つの対称面に対してミラー対称に伝播する走査光学系が構成されてもよい。この場合、当該示される位置値が変化することなしに、走査装置又はスケール本体が傾斜され得る当該空間内の点が、回転中立点と呼ばれる。当該回転中立点に対して傾斜させた場合でも、分岐と再結合との間の当該２つの部分ビーム束の逆戻りする伝播経路は等しい。ミラー対称な複数の部分ビーム路とスケール本体上の回転中立点とを有するこのような走査光学系は、以下では、対称Ｖ字形走査光学系とも呼ばれる。したがって、この用語は、光学系の干渉する２つの部分ビーム束が一方では１つの対称面に対してミラー対称に伝播し、他方では当該スケール本体上の共通の１つの走査地点にＶ字形に入射し、及び／又は当該スケール本体の当該共通の走査地点から後方反射する全ての光学系を言い表している。この場合、当該目盛方向に沿った又は当該格子ベクトルに沿った当該スケール本体上の２つの部分ビーム束の入射地点だけが、ほぼ等しい必要がある。格子ベクトルに対して直角方向のオフセット又はリニア目盛領域に沿ったオフセットは僅かである。

上記の格子ベクトルに沿ったスケール本体上の２つの部分ビーム束の同じかほぼ同じ入射地点を有するこのような走査光学系に並んで、その回転中立点がこのスケール本体上に存在する、別の対称な走査光学系が存在する。１つの走査光学系の任意の１つのビーム路とこの回転中立点の付随する位置との間の関係の共通の記載が、本出願人の欧州特許出願公開第２８４８８９９号明細書に開示されている。その回転中立点がこのスケール本体上に存在する、対称なビーム路を有する別の走査光学系が、この記載に基づいて示され得る。これらの全ての走査光学系は、以下では、対称Ｖ字形走査光学系とも呼ばれる。

当該スケール本体の表面に対して平行な感度ベクトルを有するこのような対称Ｖ字形走査光学系の動作では、上記の対称面が、当該スケール本体の表面に対して垂直に且つ当該スケール本体の測定目盛の格子ベクトルに対して垂直に直立しているように、当該走査装置が、目盛周期ｄ_ＭＵｅを有するスケール本体に対して整合される。当該整合は、走査装置とスケール本体との平行な整合と呼ばれる。

本発明の観点は、以下では、このような対称Ｖ字形走査光学系又は付随する対称面を、当該スケール本体の表面に対して平行に指向されていて、当該スケール本体の測定目盛の格子ベクトルに対して直角に、すなわち当該測定目盛の目盛領域の縦円延在方向に対して平行に延在する回転軸に対して所定の傾斜角度αだけ傾斜させることにある。当該走査装置に対する走査ビーム路が、傾斜されていない状態にある走査ビーム路に等しいことが、適切な別の手段によって保証される。当該追加の手段は、当該適切な傾斜角度αの選択に加えて、当該測定目盛の適切な目盛周期の選択と、別の測定目盛パラメータの選択と、当該測定目盛の非対称な複数の回折次数から発生し、干渉する適切な複数の部分ビーム束の選択とを含む。

以下に、これらの関係を、本発明の光学式エンコーダの１つの実施の形態に基づいて詳しく説明する。

図１ａ、１ｂ及び１ｃには、対称Ｖ字形走査光学系を有する周知の光学式エンコーダの走査ビーム路が、異なる視点から示されている。ここでは、この走査光学系の感度ベクトル

は、当該スケール本体の表面に対して平行に、且つ当該測定目盛の格子ベクトル又は目盛方向ｘに対して平行に指向されている。以下に、当該感度ベクトル

のこのような指向に関連して、対応するエンコーダのいわゆるインプレーンモード（ｉｎ−ｐｌａｎｅ−Ｂｅｔｒｉｅｂ）についても説明する。図１ａには、−図示されていない−１つの光源から入射するビーム束Ｓ_ＩＮから反射器２３_Ａ，２３_Ｂまでのｘｚ平面内のビーム路が示されている。図１ｃには、反射器２３_Ａ，２３_Ｂから重畳された複数の部分ビーム束を有する出射する信号ビーム束Ｓ_ＯＵＴまでの当該同じ平面内のビーム路が示されている。当該重畳された複数の部分ビーム束は、−同様に図示されていない−１つの検出装置の方向に伝播する。図１ｂは、ｙｚ平面内の完全な走査ビーム路を示す。

これらの図に示された光学式エンコーダは、目盛方向ｘに沿って延在する１つのスケール本体１０と、少なくともこの目盛方向ｘに沿ってこのスケール本体１０に対して相対移動するように配置されている１つの走査装置２０とを有する。このスケール本体１０とこの走査装置２０とはそれぞれ、これらの図に示されていない複数の物体、例えば互いに相対移動する複数の機械要素に接合されている。後続配置された１つの機械制御装置が、当該エンコーダによって生成された走査信号を用いてこれらの機械要素の空間的な位置決めを制御する。

スケール本体１０は、１つの目盛キャリア１１から成る。１つの測定目盛１２が、この目盛キャリア１１の上面上に配置されている。この測定目盛１２は、格子ベクトルに沿った又は目盛方向ｘに沿った複数のリニア目盛領域から成る配列を有する。これらの図では、これらのリニア目盛領域の縦延在方向が、ｙ方向に一致する。この実施の形態では、この測定目盛１２は、目盛周期ｄ_ＭＵｅを有し、且つλ／４の移相又は反射ごとにλ／２の移相を呈する二元式又は二段式の反射型位相格子として形成されていて、これらのリニア目盛領域に入射する光に対して異なって位相シフトされる作用を呈するこれらのリニア目盛から成る連続する配列を提供する。いわゆる重畳回折格子（Ｕｅｂｅｒｓｔｒｕｋｔｕｒ−Ｇｉｔｔｅｒ）としての測定目盛１２の非常に好適な構成に関しては、特に以下の図３の説明を参照のこと。

これらの図中の走査装置２０側には、この走査装置２０内に配置されている様々な光学要素のうちの、専ら光透過性の走査板２１と、この走査板２１の上面上に配置された反射器２３_Ａ，２３_Ｂ又はこの走査板２１の下面上に配置された走査格子２２_Ａ１，２２_Ａ２，２２_Ｂ１，２２_Ｂ２とが主に示されている。これに対して、基本的に同様に走査装置２０内に配置され得る光源及び検出装置は図示されていない。しかし、この代わりに、これらの光学要素を走査装置２０から遠ざけて設置すること、入射するビーム束Ｓ_ＩＮ又は出射する信号ビーム束Ｓ_ＯＵＴがそれぞれ伝送される光ファイバを用いて走査装置２０に接続することも可能である。

以下で、異なる走査ビーム路の詳しい説明に基づいて明らかなように、走査装置２０内の様々な光学要素のそれぞれの配置及び構成によって、干渉する部分ビーム束Ａ，Ｂが１つの対称面ＳＥに対してミラー対称に伝播する走査ビーム路が発生することが保証されている。この場合、これらの部分ビーム束Ａ，Ｂは、スケール本体１０にＶ字形に入射し、及び／又はこのスケール本体１０からＶ字形に戻り反射する。

−図示されていない−光源から入射するビーム束Ｓ_ＩＮが、光透過性の走査板２１を透過した後に、スケール本体１０の測定目盛１２に対して垂直の第１入射地点Ｐ_Ｍに到達する。走査装置２０へ向かってＶ字形に戻り反射する２つの部分ビーム束Ａ，Ｂへの分岐が、この第１入射地点Ｐ_Ｍで発生する。この場合、当該入射するビーム束Ｓ_ＩＮは、対称な回折次数ｎ_Ａ１＝＋１とｎ_Ｂ１＝−１とに分岐される、すなわち当該入射するビーム束Ｓ_ＩＮの入射方向に対して等しい回折角度又は偏光角度β_Ａ＝β_Ｂを成す２つの部分ビーム束Ａ，Ｂに分岐される。この場合、
β_Ａ：＝入射するビーム束の入射方向に対する部分ビーム束Ａの偏光角度
β_Ｂ：＝入射するビーム束の入射方向に対する部分ビーム束Ｂの偏光角度
λ：＝光の波長
ｄ_ＭＵｅ：＝測定目盛の目盛周期
のときに、

が成立する。

このとき、当該分岐された部分ビーム束Ａ及びＢはそれぞれ、光透過性の走査板２１の下面上の第１走査格子２２_Ａ１又は２２_Ｂ１へ向かって伝播し、これらの第１走査格子２２_Ａ１又は２２_Ｂ１を透過する。この場合、当該２つの第１走査格子２２_Ａ１又は２２_Ｂ１は、複数の光学機能を共通の１つの回折パターン内で一体化する。したがって、ｘｚ平面（図１）内の部分ビーム束Ａ，Ｂがそれぞれ、その入射方向に対して逆平行に配向された偏向作用によって、光学軸に対して平行にｚ方向に再び偏向される。ｙｚ平面内（図１ｂ）では、当該部分ビーム束Ａ，Ｂは、シリンダーレンズ機能によって走査板２１の上面上の反射器２３_Ａ，２３_Ｂに集束される。この場合、集束作用が、専ら測定目盛の格子ベクトルの方向ｘに対して直角に又はこの測定目盛の目盛方向ｘに沿って発生する。このとき、こうして偏向され集束された部分ビーム束Ａ，Ｂはそれぞれ、反射器２３_Ａ，２３_Ｂ上に当たり、当該反射器２３_Ａ，２３_Ｂからスケール本体１０の方向に戻り反射する。当該２つの部分ビーム束Ａ，Ｂは、反射器２３_Ａ，２３_Ｂでの反射後に、同様に走査板２１の下面上に配置されている２つの第２走査格子２２_Ａ２，２２_Ｂ２を透過する。当該２つの第２走査格子２２_Ａ２，２２_Ｂ２は、当該２つの第１走査格子２２_Ａ１又は２２_Ｂ１と等価の複数の機能を一体化する。すなわち、当該２つの第２走査格子２２_Ａ２，２２_Ｂ２は、ｙｚ平面（図１ｂ）内でシリンダーレンズ機能によって部分ビーム束Ａ，Ｂを再びリコリメートし、これらの部分ビーム束Ａ，Ｂを、ｘｚ平面（図１ｃ）内でスケール本体１０又は測定目盛１２上の共通の１つの入射地点Ｐ_Ｍ’に再び戻るように偏向させる。この場合、当該２つの部分ビーム束Ａ，Ｂは、スケール本体１０の方向に又は第２入射地点Ｐ_Ｍ’の方向にＶ字形に伝播する。当該２つの部分ビーム束Ａ，Ｂは、この第２入射地点Ｐ_Ｍ’で新たな回折によって対称な回折次数ｎ_Ａ２＝＋１及びｎ_Ｂ２＝−１で重畳され、干渉し、信号ビーム束Ｓ_ＯＵＴ中で走査装置２０と−図示されていない−検出装置との方向に伝播する。この検出装置では、位相シフトされている周期的な複数の走査信号が、当該信号ビーム束Ｓ_ＯＵＴから取得され得る。

図１ａ、１ｂから明らかなように、２つの部分ビーム束Ａ，Ｂが、分岐と再結合との間で、ここでは図１ｂによるｙｚ平面に等しい対称面ＳＥに対してミラー対称に進行し、測定目盛１２の同じ入射地点Ｐ_Ｍ又はＰ_Ｍ’で回折される。したがって、この走査光学系の回転中立点は、スケール本体１０上に存在する。すなわち、この走査光学系は、対称なＶ字形である。干渉する部分ビーム束Ａ，Ｂが、対称面ＳＥに対してミラー対称に伝播し、最初にスケール本体１０からＶ字形に戻り反射し、次いでスケール本体１０にＶ字形に入射する。

当該図示されたインプレーンモードでは、このエンコーダによって生成された当該周期的な複数の走査信号の信号周期ＳＰは、ＳＰ＝ｄ_ＭＵｅ／４である。感度ベクトル

が、測定目盛１２の方向ｘに延在する格子ベクトルに対して平行に指向されている。

次いで、図２ａ、２ｂ及び２ｃには、いわゆるアウトオブプレーンモード（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ−Ｂｅｔｒｉｅｂ）で作動し、図２ａ、２ｃから明らかなようにスケール本体の表面に対して傾斜された感度ベクトル

を有する本発明の光学式エンコーダの１つの実施の形態が示されている。したがって、目盛方向ｘに沿った又は測定目盛１２のｘ方向に指向された格子ベクトルに沿った走査装置とスケール本体との相対移動と、当該目盛方向ｘに沿った又は当該測定目盛１２のｘ方向に指向された格子ベクトルに対して垂直な方向ｚに沿った当該走査装置と当該スケール本体との相対移動との双方に関する位置に依存する走査信号が生成され得る。この場合、本発明の光学式エンコーダは、図１ａ〜１ｃから周知のエンコーダと同じ走査光学系、すなわち当該周知のエンコーダと同じ走査装置２０を使用する。しかしながら、図１ａ〜１ｃとは違って、ここでは、走査装置２０又は対称面ＳＥが、−図２ａ及び２ｃから明らかなように−ｙ方向の１つの回転軸を中心にして傾斜角度αだけ傾斜して配置されている。このとき、走査装置２０内に設けられている走査板２１も、これに応じて傾斜して配置されている、すなわち対称面ＳＥに対して直角に配置されている。当該対応する回転軸が、スケール本体１０′の表面に対して平行に配向されていて、測定目盛１２′のｘ方向に指向された格子ベクトルに対して直角に延在する。さらに、本発明の光学式エンコーダの測定目盛１２′の目盛周期ｄ′_ＭＵｅは、図１ａ〜１ｃによる上記のエンコーダの測定目盛１２の目盛周期ｄ_ＭＵｅとは違うｄ′_ＭＵｅ≠ｄ_ＭＵｅで選択されている。さらに、図１ａ〜１ｃによる従来のエンコーダの場合とは違うように発生する測定目盛１２′の回折次数も、２つの部分ビーム束Ａ，Ｂを分岐させ重畳させるために使用される。当該走査ビーム放射が異なる複数の光学要素を透過しこれらの光学要素に当たる経路は、図１ａ〜１ｃによる上記のエンコーダの走査ビーム路に一致する。

以下に、当該傾斜角度αのほかにさらに提唱されている本発明の光学式エンコーダと図１ａ〜１ｃから周知の装置との間の相違点を詳しく説明する。

本発明の光学式エンコーダの図示された実施の形態では、部分ビーム束Ａは、＋３次の回折次数（ｎ_Ａ１＝ｎ_Ａ２＝＋３）で測定目盛１２′において２回回折される一方で、部分ビーム束Ｂは、−１次の回折次数（ｎ_Ａ１＝ｎ_Ａ２＝−１）で偏向される。このとき、対称面ＳＥが、傾斜角度αだけ傾斜している以外は、当該走査光学系のビーム路が、上記のインプレーンモードのビーム路に一致するように、傾斜角度αと目盛周期ｄ′_ＭＵｅとが選択されている。このことは、本発明の光学式エンコーダの測定目盛１２′での回折時の回折角度又は偏光角度β_Ａ′及びβ_Ｂ′が、図１ａ〜１ｃによるインプレーンモードにおけるエンコーダの偏光角度β_Ａ＝β_Ｂに一致することを意味する。この場合、
β_Ａ′：＝アウトオブプレーンモードにおいて入射するビーム束の入射方向に対する部分ビーム束Ａの偏光角度
β_Ｂ′：＝アウトオブプレーンモードにおいて入射するビーム束の入射方向に対する部分ビーム束Ｂの偏光角度
β_Ａ：＝インプレーンモードにおいて入射するビーム束の入射方向に対する部分ビーム束Ａの偏光角度
β_Ｂ：＝インプレーンモードにおいて入射するビーム束の入射方向に対する部分ビーム束Ｂの偏光角度
のときに、
β_Ａ′＝β_Ｂ′＝β_Ａ＝β_Ｂ （方程式２）
が成立する。
α：＝傾斜角度
ｎ_Ａ１：＝測定目盛での第１回折時の部分ビーム束Ａの回折次数
ｎ_Ｂ１：＝測定目盛での第１回折時の部分ビーム束Ｂの回折次数
λ：＝光の波長
ｄ′_ＭＵｅ：＝アウトオブプレーンモードのための測定目盛の目盛周期
β_Ａ′：＝アウトオブプレーンモードにおいて入射するビーム束の入射方向に対する部分ビーム束Ａの偏光角度
β_Ｂ′：＝アウトオブプレーンモードにおいて入射するビーム束の入射方向に対する部分ビーム束Ｂの偏光角度
のときに以下の偏光角度β_Ａ′又はβ_Ｂ′：

が、目盛周期ｄ′_ＭＵｅを有する測定目盛１２において回折次数ｎ_Ａ１又はｎ_Ｂ１で回折させるために、傾斜角度αを考慮して発生する。
α：＝傾斜角度
ｎ_Ａ１：＝測定目盛での第１回折時の部分ビーム束Ａの回折次数
ｎ_Ｂ１：＝測定目盛での第１回折時の部分ビーム束Ｂの回折次数
λ：＝光の波長
ｄ′_ＭＵｅ：＝アウトオブプレーンモードのための測定目盛の目盛周期
ｄ_ＭＵｅ：＝インプレーンモードのための測定目盛の目盛周期
のときに、最終的に、以下の本発明の光学式エンコーダのための条件４ａ、４ｂ：

が、方程式１、２、３ａ及び３ｂから発生する。
ｄ′_ＭＵｅ：＝アウトオブプレーンモードのための測定目盛の目盛周期
α：＝傾斜角度
ｎ_Ａ１：＝測定目盛での第１回折時の部分ビーム束Ａの回折次数
ｎ_Ｂ１：＝測定目盛での第１回折時の部分ビーム束Ｂの回折次数
λ：＝光の波長
ｄ_ＭＵｅ：＝インプレーンモードのための測定目盛の目盛周期
のときに、方程式４ａ、４ｂが、当該測定目盛の傾斜角度α及び目盛周期ｄ′_ＭＵｅ：

にしたがって解かれ得る。

方程式５ａ、５ｂは、複数の回折次数のうちの非対称なそれぞれの対ｎ_Ａ１，ｎ_Ｂ１（ｎ_Ａ，≠ｎ_Ｂ）ごとに、付随する１つの傾斜角度α≠０と１つの目盛周期ｄ′_ＭＵｅ≠ｄ_ＭＵｅとを提供する。当該走査ビーム路が、対称面ＳＥに対して対称に延在することが、当該傾斜角度α≠０と当該目盛周期ｄ′_ＭＵｅ≠ｄ_ＭＵｅとによって保証されている。対称面ＳＥが、操作装置２０に対して相対的に変化しないままであり、本発明にしたがって、スケール本体１０′に対して平行に且つ当該格子ベクトルの方向ｘ又は目盛方向ｘに対して直角に、１つの回転軸を中心にして傾斜角度αだけ傾斜して配置されている。したがって、部分ビーム束Ａの波長と部分ビーム束Ｂの波長との双方が、同じ長さであり、当該走査光学系は、傾斜された感度ベクトル

を有するアウトオブプレーンモードでも−規定通りに−アクロマティックである。このことは、同じアクロマティック光学系又は走査装置２０が、周知のインプレーンモードと、本発明のアウトオブプレーンモードとの双方で使用され得ることを意味する。したがって、対応する走査装置２０の兼用が可能である。当該アウトオブプレーンモードのために最適化された固有の走査光学系の入念な開発は、もはや必要でない。このことは、例えば当該２つの動作モードを使用したい機械メーカーにとって、その製造計画を著しく簡単にする。

予測できるように、方程式５ａ、５ｂは、対称な回折次数ｎ_Ａ＝−ｎ_Ｂに対して、図１ａ〜１ｃから周知の装置のインプレーンモードの自明解であるα＝０及びｄ′_ＭＵｅ＝ｄ_ＭＵｅを提供する。

感度ベクトル

は、アウトオブプレーンモードにおいて、スケール本体の表面と、測定目盛１２′のｘ方向に延在する格子ベクトルとに対して傾斜角度αだけ傾斜していて、インプレーンモードにおけるのと同じ長さを有する。このことは、
ＳＰ_ｘ′：＝ｘ方向に沿ったスケール本体の移動に対して生成された走査信号の信号周期
ＳＰ_ｚ′：＝ｚ方向に沿ったスケール本体の移動に対して生成された走査信号の信号周期
ＳＰ：＝インプレーンモードにおける同じ走査光学系の信号周期
α：＝傾斜角度
のときに、ｘ方向に沿ったスケール本体の移動に対して生成された走査信号の信号周期ＳＰ_ｘ′と、ｚ方向に沿ったスケール本体の移動に対して生成された走査信号の信号周期ＳＰ_ｚ′とが、以下の関係式：

によって与えられていることを意味する。

複数の回折次数のいろいろな複数の組み合わせが、条件ｎ_Ａ１＝ｎ_Ａ２≠−ｎ_Ｂ１＝−ｎ_Ｂ２にしたがって非対称である限り、当該回折が、測定目盛１２′で発生するときに、当然に、これらの組み合わせは、アウトオブプレーンモードのために使用されてもよい。上記のｎ_Ａ１＝ｎ_Ａ２＝＋３とｎ_Ｂ１＝ｎ_Ｂ２＝−１との組み合わせのほかに、ｎ_Ａ１＝ｎ_Ａ２＝＋１とｎ_Ｂ１＝ｎ_Ｂ２＝０との非対称な回折次数の組み合わせも非常に有益である。しかし、基本的には、複数の回折次数のその他の非対称な組み合わせも使用可能である。例えば、ｎ_Ａ１＝ｎ_Ａ２＝−３とｎ_Ｂ１＝ｎ_Ｂ２＝＋１との組み合わせ、又はｎ_Ａ１＝ｎ_Ａ２＝＋１とｎ_Ｂ１＝ｎ_Ｂ２＝０との組み合わせ等が使用可能である。

測定目盛１２′は、本発明のエンコーダのアウトオブプレーンモードのために、信号を生成するために使用される当該複数の回折次数の高い回折効率を目指して最適化されている。このため、既に上述したように、測定目盛１２が、重畳回折格子として形成されていることが提唱されている。それ故に、測定目盛１２′は、重畳構造を成し、１つの目盛周期ｄ′_ＭＵｅ内に、通常の場合は２つよりも多い偶数個の格子オフセット点を有する。具体的な実施の形態では、測定目盛１２′は、λ／４の移相又は反射ごとにλ／２の移相を呈する二元式の反射型位相格子として形成されていて、図３には、当該反射型位相格子のうちの、２つの目盛周期ｄ′_ＭＵｅにわたって延在する部分断面が示されている。この場合、入射するビーム束に異なる位相シフト作用を及ぼす目盛領域１２．１′，１２．２′が、測定方向ｘに沿って交互に現れている。図３には、上昇した目盛領域が、符号１２．１′で示され、より低い目盛領域が、符号１２．２′で示される。当該図示された測定目盛１２′の形態は、目盛周期ｄ′_ＭＵｅごとに明らかなように４つの格子オフセット点Ｇ１〜Ｇ４を有する。これらの格子オフセット点では、それぞれ１つのオフセットが、低から高へ又は高から低へ推移する格子高さで存在する。

当該図示された実施の形態では、測定目盛１２′の重畳構造が、この測定目盛１２′の１つの目盛周期ｄ′_ＭＵｅ内の幾何学条件を示す重畳構造パラメータａ，ｂ，ｃによって特徴付けられ得る。この場合、図３に示されているように、重畳構造パラメータａは、第１格子オフセット点Ｇ１と第２格子オフセット点Ｇ２との間の間隔を示し、重畳構造パラメータｂは、第２格子オフセット点Ｇ２と第３格子オフセット点Ｇ３との間の間隔を示し、重畳構造パラメータｃは、第３格子オフセット点Ｇ３と第４格子オフセット点Ｇ４との間の間隔を示す。以下に、具体的な１つの実施の形態の好適なパラメータをさらに説明する。この場合、図３に具体的に示された複数の間隔又は複数の重畳構造パラメータａ，ｂ，ｃは、実際の測定目盛の実施の形態に一致するのではなくて、これらの寸法の幾何学的意味を視覚化するためだけに使用される。

反射から発生する非対称な複数の回折次数から成る対が、重畳回折格子として形成された測定目盛１２′によって生成され得る。特に当該対は、本発明のエンコーダのアウトオブプレーンモードで信号を生成するために必要になる。したがって、この場合、当該対は、例えば、既に上述した＋１次／−２次の回折次数から成る組み合わせ、＋２次／−３次の回折次数から成る組み合わせ、＋１次／−３次の回折次数から成る組み合わせ、＋３次／−１次の回折次数から成る組み合わせ、＋１次／０次の回折次数から成る組み合わせ、−１次／０次の回折次数から成る組み合わせ等でもよい。

生成すべき非対称な回折次数ｎ、ｍに応じて、この場合、
ｄ_ＭＵｅ：＝インプレーンモード用の重畳構造を成す測定目盛の目盛周期
ｄ′_ＭＵｅ：＝アウトオブプレーンモード用の重畳構造を成す測定目盛の目盛周期
α：＝傾斜角度
ｎ、ｍ：＝．．．−２、−１、０、＋１、＋２、．．．
のときに、重畳回折格子として形成されたアウトオブプレーンモード用の測定目盛１２′に必要な目盛周期ｄ′_ＭＵｅが、特に、上記の変数ｄ′_ＭＵｅに対する方程式５とは違う算定可能性を示す以下の関係式７：
ｄ′_ＭＵｅ＝ｄ_ＭＵｅ・（ｎ−ｍ）／（２ｃｏｓα） （７）
にしたがって選択される。

以下に、重畳構造を成す適切な測定目盛１２′の具体的な実施の形態を示す。当該測定目盛１２′は、図３にしたがって目盛周期ｄ′_ＭＵｅ当たり４つの格子オフセット点Ｇ１〜Ｇ４有し、本発明のエンコーダにおいて使用可能である。

実施の形態１
使用される回折次数：＋１／−２
光の波長：８５０ｎｍ
ｄ′_ＭＵｅ＝３．０８０μｍ
α＝４．１４３°
ａ＝０．０６・ｄ′_ＭＵｅ
ｂ＝０．３１・ｄ′_ＭＵｅ
ｃ＝０．３９・ｄ′_ＭＵｅ

実施の形態２
使用される回折次数：＋２／−３
光の波長：８５０ｎｍ
ｄ′_ＭＵｅ＝５．１２４μｍ
α＝２．４８８°
ａ＝０．１９・ｄ′_ＭＵｅ
ｂ＝０．２０・ｄ′_ＭＵｅ
ｃ＝０．１９・ｄ′_ＭＵｅ

実施の形態３
使用される回折次数：＋１／−３
光の波長：８５０ｎｍ
ｄ′_ＭＵｅ＝４．１２０μｍ
α＝６．２０１°
ａ＝０．０８・ｄ′_ＭＵｅ
ｂ＝０．２１・ｄ′_ＭＵｅ
ｃ＝０．５・ｄ′_ＭＵｅ

説明した実施の形態のほかに、当然に、本発明のエンコーダを構成するためのさらに別の可能性も存在する。

したがって、例えば、上記の走査光学系の代わりに、冒頭で述べた本出願人の独国特許出願第１０２０１５２０３１８８．８号明細書に記載のこの明細書において第２の実施の形態及び第３の実施の形態として開示されている走査光学系のうちの１つの走査光学系を使用すること、及び測定目盛を重畳構造の測定目盛として形成すること等も可能である。

１０ スケール本体
１１ 目盛キャリア
１２ 測定目盛
２０ 走査装置
２１ 走査板
２２_Ａ１ 第１走査格子
２２_Ａ２ 第２走査格子
２２_Ｂ１ 第１走査格子
２２_Ｂ２ 第２走査格子
２３_Ａ 反射器
２３_Ｂ 反射器
１２．１′ 目盛領域
１２．２′ 目盛領域

Claims (9)

1. 互いに相対移動する２つの物体の位置を取得するための光学式エンコーダであって、当該光学式エンコーダは、前記２つの物体のうちの一方の物体に接合されていて、少なくとも１つの目盛方向に沿った複数の目盛領域の周期的な配列を成す１つの測定目盛を有する１つのスケール本体を備え、且つ複数の光学要素を有し、他方の物体に接合されていて、前記スケール本体に対して相対移動可能に配置されている１つの走査装置を備え、
   １つの走査ビーム路が、この走査装置の前記複数の光学要素の配置と構成とによって発生し、この走査ビーム路では、干渉する複数の部分ビーム束が、１つの対称面に対してミラー対称に伝播し、Ｖ字形に前記スケール本体に入射し、及び／又は前記スケール本体からＶ字形に戻り反射し、
   この対称面は、１つの回転軸を中心にして所定の傾斜角度だけ傾斜していて、この回転軸は、このスケール本体の表面に対して平行に配向されていて、前記目盛方向に対して直角に延在する当該光学式エンコーダにおいて、
   前記測定目盛（１２′）は、重畳構造を成し、１つの目盛周期（ｄ′_ＭＵｅ）内に２つよりも多い格子オフセット点（Ｇ１〜Ｇ４）を有し、これらの格子オフセット点（Ｇ１〜Ｇ４）は、１つの目盛周期内に非対称に配置されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記測定目盛（１２′）は、１つの目盛周期（ｄ′_ＭＵｅ）内に偶数個の格子オフセット点（Ｇ１〜Ｇ４）を有する請求項１に記載の光学式エンコーダ。
3. 前記測定目盛（１２′）の非対称な複数の回折次数（ｎ，ｍ）から発生する複数の部分ビーム束が干渉し、
   ｄ_ＭＵｅ：＝インプレーンモード用の重畳構造を成す測定目盛の目盛周期
   ｄ′_ＭＵｅ：＝アウトオブプレーンモード用の重畳構造を成す測定目盛の目盛周期
   α：＝傾斜角度
   ｎ、ｍ：＝．．．−２、−１、０、＋１、＋２、．．．
   のときに、前記測定目盛（１２′）の目盛周期（ｄ′_ＭＵｅ）が、
   ｄ′_ＭＵｅ＝ｄ_ＭＵｅ・（ｎ−ｍ）／（２ｃｏｓα）
   にしたがって選択されるように、前記測定目盛（１２′）は形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
4. 前記測定目盛（１２′）の複数の回折次数のうちの以下の複数の組み合わせである、
   ＋１次／−２次の回折次数、
   ＋２次／−３次の回折次数、
   ＋１次／−３次の回折次数、
   ＋３次／−１次の回折次数、
   ＋１次／０次の回折次数、
   −１次／０次の回折次数、
   のうちの１つの組み合わせから発生する複数の部分ビーム束が干渉することを特徴とする請求項３に記載の光学式エンコーダ。
5. 前記測定目盛（１２′）は、二元式の反射型位相格子として形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
6. 前記二元式の反射型位相格子は、λ／４の移相を呈する請求項５に記載の光学式エンコーダ。
7. 前記測定目盛の＋１次の回折次数と−２次の回折次数との組み合わせから発生する複数の部分ビーム束が干渉し、使用される光の波長が、λ＝８５０ｎｍであるときに、前記測定目盛（１２′）の目盛周期（ｄ′_ＭＵｅ）と、前記対称面の傾斜角度（α）と、目盛周期（ｄ′_ＭＵｅ）ごとに４つの格子オフセット点（Ｇ１〜Ｇ４）を有する前記測定目盛（１２′）の重畳構造パラメータ（ａ，ｂ，ｃ）とが、以下の、
   ｄ′_ＭＵｅ＝３．０８０μｍ
   α＝４．１４３°
   ａ＝０．０６・ｄ′_ＭＵｅ（第１格子オフセット点Ｇ１と第２格子オフセット点Ｇ２との間の間隔）
   ｂ＝０．３１・ｄ′_ＭＵｅ（第２格子オフセット点Ｇ２と第３格子オフセット点Ｇ３との間の間隔）
   ｃ＝０．３９・ｄ′_ＭＵｅ（第３格子オフセット点Ｇ３と第４格子オフセット点Ｇ４との間の間隔）
   のように選択されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
8. 前記測定目盛の＋２次の回折次数と−３次の回折次数との組み合わせから発生する複数の部分ビーム束が干渉し、使用される光の波長が、λ＝８５０ｎｍであるときに、前記測定目盛（１２′）の目盛周期（ｄ′_ＭＵｅ）と、前記対称面の傾斜角度（α）と、目盛周期（ｄ′_ＭＵｅ）ごとに４つの格子オフセット点（Ｇ１〜Ｇ４）を有する前記測定目盛（１２′）の重畳構造パラメータ（ａ，ｂ，ｃ）とが、以下の、
   ｄ′_ＭＵｅ＝５．１２４μｍ
   α＝２．４８８°
   ａ＝０．１９・ｄ_ＭＵｅ（第１格子オフセット点Ｇ１と第２格子オフセット点Ｇ２との間の間隔）
   ｂ＝０．２０・ｄ_ＭＵｅ（第２格子オフセット点と第３格子オフセット点との間の間隔）
   ｃ＝０．１９・ｄ_ＭＵｅ（第３格子オフセット点と第４格子オフセット点との間の間隔）
   のように選択されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
9. 前記測定目盛の＋１次の回折次数と−３次の回折次数との組み合わせから発生する複数の部分ビーム束が干渉し、使用される光の波長が、λ＝８５０ｎｍであるときに、前記測定目盛（１２′）の目盛周期（ｄ′_ＭＵｅ）と、前記対称面の傾斜角度（α）と、目盛周期（ｄ′_ＭＵｅ）ごとに４つの格子オフセット点（Ｇ１〜Ｇ４）を有する前記測定目盛（１２′）の重畳構造パラメータ（ａ，ｂ，ｃ）とが、以下の、
   ｄ′_ＭＵｅ＝４．１２０μｍ
   α＝６．２０１°
   ａ＝０．０８・ｄ_ＭＵｅ（第１格子オフセット点Ｇ１と第２格子オフセット点Ｇ２との間の間隔）
   ｂ＝０．２１・ｄ_ＭＵｅ（第２格子オフセット点Ｇ２と第３格子オフセット点Ｇ３との間の間隔）
   ｃ＝０．５・ｄ_ＭＵｅ（第３格子オフセット点Ｇ３と第４格子オフセット点Ｇ４との間の間隔）
   のように選択されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。

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