JP2020510839A - エンコーダ装置 - Google Patents

Abstract

スケールと、リードヘッドとを備える、シャドウキャストエンコーダ装置。リードヘッドは、シャドウキャスト縞パターンを、シャドウキャスト縞パターンを検出するように構成された検出器において生成するために、スケールを照明するための少なくとも１つの電磁放射源を備える。エンコーダ装置は、縞パターンの合算高調波歪みを抑制するように、例えば、縞パターンの合算高調波歪みが６％以下であるように構成されることができる。

Description

本発明は、エンコーダ装置に関し、詳細には、互いに対して可動なスケールとリードヘッドとを備える、シャドウキャスト位置測定エンコーダ装置に関する。

よく知られているように、位置測定エンコーダ装置は、一般に、相対位置（ならびに速度および／または加速度などのそれの派生）を決定および測定するために、リードヘッドが読むことができる、一連の特徴を有するスケールを備える。エンコーダは、一般に、インクリメンタルまたはアブソリュートとして分類される。インクリメンタルエンコーダのためのスケールは、スケールとリードヘッドの相対位置および運動を決定するために、リードヘッドが検出する、一連のほぼ周期的な特徴を備える。理解されるように、インクリメンタルエンコーダは、（互いから位相が９０度ずれた）直交する２つの信号を提供するように構成されることができ、それらは、（実際にはサイン信号またはコサイン信号ではないことがあるとしても）一般に、ＳＩＮ信号およびＣＯＳ信号と呼ばれる。直交信号は、繰り返すスケールパターンの１周期よりも小さい、リードヘッドの位置の正確な測定を提供するために、補間されることができる。方向ならびにリードヘッドとスケールの相対運動の表示を提供するための、エンコーダ装置によるそのような直交信号の提供がよく知られている。スケールとリードヘッドの相対位置がそこからカウントされることができる基準位置を提供するために、１つまたは複数の基準マークが、スケール上に提供されることができる。アブソリュートエンコーダのためのスケールは、スケール長に沿った一意的な位置、例えば、一連の一意的な絶対位置を定義する特徴を備え、いかなる相対運動も必要とせずに、始動時に、リードヘッドがそれの絶対位置を決定することを可能にすることができる。

理解されるように、インクリメンタルエンコーダは、光の回折を利用して、スケールとリードヘッドの相対運動とともに変化する合成場を検出器において生成することによって、動作することができる。例えば、光は、検出器において干渉縞を形成するように、スケールによって、およびリードヘッド内の回折格子によって、回折されることができる。インクリメンタルエンコーダは、スケールの特徴の結像されない表現（例えば、影）が、インクリメンタル検出器上に投げられるように、光が検出器に到達することを、スケール特徴が選択的に妨げる（例えば、ブロックする）ことによって、動作することも知られている。そのようなエンコーダは、一般に、シャドウキャストエンコーダとして知られている。シャドウキャストエンコーダは、透過的であることができ（電磁放射源と検出器がスケールを挟んで反対側にある）、または反射的であることができる（電磁放射源と検出器がスケールの同じ側にある）。先行技術のシステムにおいては、（回折エンコーダおよびシャドウキャストエンコーダの両方について）スケールを照明するために使用される光源のために一般に使用される形状は、正方形および円形を含む。

位置測定エンコーダの分野においてよく知られているように、信号の読み取り値の補間における不完全さのせいで、細分誤差（ＳＤＥ）が発生することがある。そのような不完全さは、読み取り値が処理される方法に起因する場合があり、および／またはリードヘッドによって検出された信号が不完全であることに起因する場合がある。リードヘッドによって検出される信号は、形状が実質的に正弦関数であること（例えば、検出器上に落ちるパターンの強度の変化が、正弦関数的に変化すること）が、一般に望まれる。正弦波信号からの偏差は、ＳＤＥに悪影響を与える望ましくない周波数（例えば、信号の第１高調波／基本周波数に対する高調波）を信号が含むことを意味することができる。今度は、ＳＤＥが、決定された位置の正確性に悪影響を与える。ＳＤＥは、一般に、「補間誤差」としても知られている。本文書においては、ＳＤＥという用語と、補間誤差という用語は、交換可能に使用されることができる。リサージュ（Ｌｉｓｓａｊｏｕｓ）を生成するために使用されることができる直交信号を含む、インクリメンタルエンコーダのケースにおいては、ＳＤＥを低減させることは、リサージュの真円度を改善する。

本発明は、改善されたエンコーダ、特に、改善されたシャドウキャストエンコーダを提供する。

例えば、本明細書においては、スケール信号内の望ましくない周波数（高調波）を低減させ、それによって、エンコーダ装置の細分誤差を低減させるように構成された、スケールとリードヘッドとを備えるエンコーダ装置が説明される。

本明細書においては、スケールとリードヘッドとを備える、エンコーダ装置が、説明され、リードヘッドは、縞パターンを検出器において生成するために、スケールを照明するための少なくとも１つの電磁放射源を備える。縞パターンは、スケールの結像されない表現であることができる。言い換えると、縞パターンは、シャドウキャスト縞パターンであることができる。エンコーダ装置は、縞パターンの合算高調波歪みを抑制するように、例えば、縞パターンの合算高調波歪みが６％以下であるように構成されることができる。

本発明の第１の態様によれば、スケールとリードヘッドとを備えるシャドウキャストエンコーダ装置が、提供され、リードヘッドは、スケールの結像されない表現／シャドウキャスト縞パターンを、シャドウキャスト縞パターンを検出するように構成された検出器において生成するために、スケールを照明するための少なくとも１つの電磁放射源を備える。エンコーダ装置は、スケールの結像されない表現／シャドウキャスト縞パターンの合算高調波歪み（ＴＨＤ）が６％以下であるように構成されることができる。

与えられたスケールに対して、リードヘッドの少なくとも１つの電磁放射源の構成は、スケールの結像されない表現／シャドウキャスト縞パターンの品質に影響を与えることができることが見出されている。リードヘッドの少なくとも１つの電磁放射源は、スケールの改善された結像されない表現／シャドウキャスト縞パターンを提供するように構成されることができ、例えば、その場合、高調波などの望ましくない周波数の大きさが低減されて、例えば、６％以下のＴＨＤを有する縞パターンを提供することが見出されている。以下でより詳細に説明されるように、これは、例えば、エンコーダの測定次元と実質的に平行な軸に沿って電磁放射源の放射電力を適切に変化させることによって、および／または（例えば、エンコーダの測定次元に沿って）適切にずらされた／間隔を空けられた多数の電磁放射源を提供することによって、達成されることができる。

本発明は、例えば、エンコーダ装置のＳＤＥを、例えば、リードヘッドのセンサ上に落ちる信号の不完全さによって引き起こされるＳＤＥなどを低減させることによって、エンコーダ装置の出力を改善することができる。

任意選択で、少なくとも２つの電磁放射源が、提供され、縞パターンの合算高調波歪みが６％以下であるように、（エンコーダの測定次元に沿って）ずらされ／間隔を空けられる。任意選択で、電磁放射源の放射電力プロファイルは、縞パターンの合算高調波歪みが６％以下であるように、（エンコーダの測定次元に沿って）非一様であるように構成されることができる。

理解されるように、ＴＨＤは、信号の高調波歪みのよく知られた標準的な測定量であり、基本周波数／第１高調波の高調波を使用して計算される。特に、信号／縞パターンのＴＨＤは、第１高調波の電力に対する、すべての（測定可能な）高調波成分の電力の和の比として、定義されることができる。このケースにおいては、ＴＨＤは、第１３高調波までを含む高調波を考慮して、決定されることができる。

任意選択で、縞パターンの合算高調波歪みは、３％以下であり、任意選択で、２％以下であり、任意選択で、１．５％以下であり、任意選択で、１％以下であり、任意選択で、０．７％以下である。

任意選択で、縞パターンの第３高調波の大きさは、第１高調波の大きさの３％以下であり、任意選択で、２％以下であり、任意選択で、１％以下である。

任意選択で、縞パターンの第５高調波の大きさは、第１高調波の大きさの３％以下であり、任意選択で、２％以下であり、任意選択で、１％以下である。

シャドウキャストエンコーダは、縞パターンを生成するために、スケールを照明するための複数の電磁放射源（例えば、複数の電磁放射源からなる少なくとも１つのグループ）を備えてよい。

任意選択で、電磁放射源は、電磁放射源の数によって除算された第１高調波の（特定の）高調波の周期に実質的に等しい距離だけずらされた／間隔を空けられたのと等価である位置にあるように、間隔を空けられる。

例えば、電磁放射源は、装置の測定方向に、距離Ｄだけずらされる／間隔を空けられることができ、

であり、ここで、
ｆは、スケールのピッチであり、
ｈは、打ち消される（特定の）高調波の次数であり、
ｓは、源の数であり、
ｎ_iは、整数であり（理解されるように、整数はゼロを含む）、
Ｍは、エンコーダの倍率である。

そのような構成は、（特定の）高調波を実質的に低減させる／抑制することができ、実質的に除去することさえできる。

である。

第１高調波の（特定の）高調波は、奇数番目の高調波であることができる。第１高調波の（特定の）高調波は、第３、第５、および／または第７高調波であることができる。

理解されるように、３つ以上の源が存在する場合、Ｄの複数の値、例えば、Ｄ’およびＤ”を決定することが必要なことがあり、したがって、ｎ_iは、同じであるかまたは間隔ごとに異なることがある。例えば、３つの源（したがって、２つのずれ／間隔）が存在するケースにおいては、

である。

少なくとも２つの源は、装置の測定方向を横断する方向において、ずらされ／間隔を空けられることもできる。特に、これは、ｎ_i＝０であるときに、役立つことがある。

以下でより詳細に説明されるように、源（例えば、源のグループ）を、それらが、あたかも単一の源であるかのように実質的に振る舞うように（例えば、それらが、実質的に単一の源を形成／提供するように）特定の距離（Ｆ）だけ離すことが可能である。そのケースにおいては、縞パターンの形成は、無変化のままであることができる（そのため、高調波の大きさの比は、無変化のままであることができる）。任意選択で、
Ｆ＝ｆＭ
である。

ここで、ｆは、スケールのピッチであり、Ｍは、エンコーダの倍率である。
任意選択で、

であり、ここで、
ｕは、源からスケールまでの距離であり、
ｖは、スケールから検出器までの距離である。

任意選択で、電磁放射源は、それらのそれぞれの（シャドウキャスト）縞パターンの第１高調波の（特定の）高調波が、検出器において実質的に打ち消されるように、ずらされ／間隔を空けられる。言い換えると、任意選択で、電磁放射源は、縞パターンの（特定の）高調波成分が、検出器において消えるように、ずらされ／間隔を空けられる。任意選択で、電磁放射源は、それらのそれぞれの（シャドウキャスト）縞パターン間の横方向シフトが、電磁放射源の数によって除算された第１高調波の（特定の）高調波の周期に等しい／等価であるように、ずらされ／間隔を空けられる。

任意選択で、少なくとも１つの電磁放射（ＥＭＲ）源は、単一のＥＭＲ源を備える。任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源は、２つ以上のＥＭＲ源を備える。任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源は、２つのＥＭＲ源を備える。任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源は、３つのＥＭＲ源を備える。理解されるように（また以下でより詳細に説明されるように）、いずれか１つのＥＭＲ源は、複数のサブ源を備える、有効な単一の源であることができる。言い換えると、任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源、または少なくとも１つのＥＭＲ源の各々は、２つ以上のサブ源から形成される。任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源、または少なくとも１つのＥＭＲ源の各々は、２つ以上の等価な位置間に分散される。任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源、または少なくとも１つのＥＭＲ源の各々は、それらのそれぞれの（シャドウキャスト）縞パターンの第１高調波の（特定の）高調波が、検出器において、実質的に打ち消されるように、２つ以上の等価な位置間に分散される。任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源、または少なくとも１つのＥＭＲ源の各々は、それらの縞パターン間の横方向シフトが、ＥＭＲ源の数によって除算された第１高調波の高調波の周期に等しいように、２つ以上の等価な位置間に分散される。任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源、または少なくとも１つのＥＭＲ源の各々は、それらの縞パターンが、統一ＥＭＲ源に等価であるように、２つ以上の等価な位置間に分散される。

任意選択で、複数の電磁放射源からなる少なくとも１つのグループは、２つの電磁放射源を含む。任意選択で、複数の電磁放射源からなる少なくとも１つのグループは、３つの電磁放射源を含む。任意選択で、複数の電磁放射源からなる少なくとも１つのグループは、１つの有効な電磁放射源を含む。任意選択で、複数の電磁放射源からなる少なくとも１つのグループは、複数の電磁放射源からなる２つのグループを含む。任意選択で、複数の電磁放射源からなる少なくとも１つのグループは、複数の電磁放射源からなる３つのグループを含む。

任意選択で、第１の電磁放射源または電磁放射源の第１のグループ、および第２の電磁放射源または電磁放射源の第２のグループが提供される。第１の電磁放射源または電磁放射源の第１のグループ、および第２の電磁放射源または電磁放射源の第２のグループの各々は、第１の電磁放射源または電磁放射源の第１のグループ、および第２の電磁放射源または電磁放射源の第２のグループのうちの他方に対応する部分を実質的に備えることができる。第１の電磁放射源または電磁放射源の第１のグループ、および第２の電磁放射源または電磁放射源の第２のグループの対応する部分は、距離Ｄだけ間隔を空けられることができる。

任意選択で、第３の電磁放射源または電磁放射源の第３のグループが提供される。任意選択で、第３の電磁放射源または電磁放射源の第３のグループは、第１の電磁放射源もしくは電磁放射源の第１のグループ、および／または第２の電磁放射源もしくは電磁放射源の第２のグループに対する部分を実質的に備える。任意選択で、第１の電磁放射源または電磁放射源の第１のグループ、第２の電磁放射源または電磁放射源の第２のグループ、および第３の電磁放射源または電磁放射源の第３のグループの対応する部分は、提供され、距離Ｄだけ間隔を空けられる。

任意選択で、第１高調波の（特定の）高調波は、第３高調波である。任意選択で、２つの電磁放射源は、第３高調波の周期の半分に等価な距離だけ間隔を空けられる。任意選択で、３つの電磁放射源は、第３高調波の周期の３分の１に等価な距離だけ間隔を空けられる。任意選択で、第１高調波の（特定の）高調波は、第５高調波である。任意選択で、２つの電磁放射源は、第５高調波の周期の半分に等価な距離だけ間隔を空けられる。任意選択で、３つの電磁放射源は、第５高調波の周期の３分の１に等価な距離だけ間隔を空けられる。

任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源は、装置測定方向に平行なそれの広がりに沿ったそれの放射電力が変化するように構成されて、縞パターンの前記合算高調波歪みが達成されるように構成される。任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源は、三角形をした放射電力プロファイルを生成する。任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源の中央３分の１の総放射電力は、（例えば、放射電力のピークが、少なくとも１つのＥＭＲ源の中央に向かうように）少なくとも１つのＥＭＲ源の外側２つの３分の１各々の総放射電力よりも大きい。任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源は、実質的に高調波成分を有さない縞パターンを検出器において生成する、放射電力プロファイルを生成する。任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源は、実質的にゼロの合算高調波歪みを有する縞パターンを検出器において生成するための放射電力プロファイルを生成する。

任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源は、放射電力の前記変化を生成するために、それの幅がそれの広がりに沿って変化するように成形される。任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源は、装置測定方向に平行なそれの広がりに沿ったそれの放射電力プロファイルが実質的に一様／一定でないように成形される。任意選択で、ＥＭＲ源は、形状が正方形ではない（それの辺が、装置の測定次元に平行であるように配置される）。任意選択で、ＥＭＲ源は、形状が円ではない。任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源は、装置測定方向に平行なそれの広がりに沿ったそれの放射電力プロファイルが、半楕円のそれではない（例えば、楕円の短軸が装置の測定次元に沿って延びる場合の半楕円のそれではない）ように成形される。任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源は、装置測定方向に平行なそれの広がりに沿ったそれの放射電力プロファイルが、長軸が短軸の２倍である半楕円のそれではないように成形される。

任意選択で、少なくとも１つのＥＭＲ源は、光源を含む。理解されるように、本文書においては、光は、ＥＭＲスペクトルの赤外から紫外範囲内のどこかにあるＥＭＲを含む。

任意選択で、検出器は、少なくとも１つのセンサ要素、例えば、センサ要素のアレイを備える。任意選択で、アレイは、装置の測定次元に沿って（例えば、平行に）延びる。任意選択で、検出器は、シャドウキャスト縞パターンの異なる位相を検出するように構成されたセンサ要素を備える。任意選択で、各センサ要素は、センサ要素が検出する縞パターンの位相を選択するための、格子またはマスクなどの、（センサ要素上または前に配置された）セレクタ構成を備える。したがって、検出器は、１つまたは複数のセンサ要素と、任意選択で、前記格子／マスクなどの他の（例えば、光学）構成要素とを備えることができる。任意選択で、検出器は、電子格子を備え、電子格子は、センサアレイを備え、センサアレイは、交互嵌合／交互配置されたセンサ要素の２つ以上のセットを備え、各セットは、干渉縞の異なる位相を検出するように構成される。各セットは、チャネルと呼ばれることができる。

理解されるように、スケールは、特徴のほぼ周期的なアレイを備えることができる。スケールは、２つの（例えば、異なる）タイプの特徴の周期的な配置を備えることができる。特徴の周期的なパターンは、（前記縞パターンを形成するために）ＥＭＲ源から検出器への（例えば、検出器に向かって伝搬される）ＥＭＲの制限の交互に変わる程度を提供することができる。したがって、スケールが、２つのタイプの特徴からなる周期的な配置を備えるとき、一方は、第１のレベルの制限を（例えば、一様に）提供することができ、他方は、第２のレベルの制限を（例えば、一様に）提供することができる。（例えば、源からのＥＭＲが検出器に向かって伝わるのを実質的に制限しないように）制限のレベルの一方は、実質的にゼロであることができる。例えば、特徴の周期的なパターンは、（前記縞パターンを形成するために）電磁放射が検出器に向かって伝搬されるのを制限（例えば、妨害）することと、容易にすることとを交互に行うことができる。例えば、特徴の周期的なパターンは、電磁放射をブロックすることと、透過させることとを交互に行うことができ、または例えば、電磁放射を吸収する（もしくは散乱させる）ことと、反射することとを交互に行うことができる。アレイは、エンコーダの測定次元に沿って（例えば、平行に）延びることができる。特徴は、実質的に細長い特徴を備えることができ、それの長さは、測定次元に対して実質的に垂直に延びる。特徴は、個別の／異なる特徴であることができる。例えば、装置の測定次元に沿って取られた場合、（例えば、２つのタイプの）スケール特徴の各々は、検出器に向かって伝搬されるＥＭＲ源からのＥＭＲの一様／一定の程度の制限を提供することができる。

任意選択で、スケール周期は、少なくとも４０μｍ、例えば、少なくとも６０μｍ、例えば、少なくとも８０μｍである。

任意選択で、エンコーダは、インクリメンタルエンコーダである。任意選択で、エンコーダは、反射エンコーダである。任意選択で、エンコーダは、透過エンコーダである。任意選択で、スケールは、基準マークを備える。任意選択で、基準マークは、反射的であり、または電磁放射の透過を可能にする。任意選択で、基準マークが配置されたスケールの部分は、電磁放射を吸収する。任意選択で、基準マークは、電磁放射を吸収する。任意選択で、基準マークが配置されたスケールの部分は、電磁放射を反射または透過する。任意選択で、スケールは、反射スケールである。任意選択で、スケールは、透過スケールである。

任意選択で、エンコーダ装置の細分誤差（ＳＤＥ）は、０．１５μｍよりも小さく、任意選択で、０．１μｍよりも小さい。

任意選択で、縞パターンは、２つ以上の間隔を空けられた電磁放射源からの電磁放射から形成される。任意選択で、縞パターンは、検出器において形成される。

理解されるように、本発明の上で説明された態様の変形および選択肢は、本発明の以下の態様にも等しく適用可能であり、その逆も成り立つ。

本発明の別の態様に従うと、スケールとリードヘッドとを備える、シャドウキャストエンコーダ装置が、提供され、リードヘッドは、シャドウキャスト縞パターンを、シャドウキャスト縞パターンを検出するように構成された検出器において生成するために、スケールを照明するための少なくとも１つの電磁放射源を備え、少なくとも１つの電磁放射源は、シャドウキャスト縞パターンの合算高調波歪みが６％以下であるように構成される。

本発明のさらなる態様に従うと、スケールとリードヘッドとを備える、シャドウキャストエンコーダ装置が、提供され、リードヘッドは、シャドウキャスト縞パターンを、シャドウキャスト縞パターンを検出するように構成された検出器において生成するために、スケールを照明するための少なくとも１つの電磁放射源を備え、
少なくとも１つの電磁放射源は、シャドウキャスト縞パターンの第３高調波の大きさが、基本／第１高調波の大きさの３％以下であるように構成され、および／またはシャドウキャスト縞パターンの第５高調波の大きさが、基本／第１高調波の大きさの３％以下であるように構成される。

本発明のまたさらなる態様に従うと、スケールとリードヘッドとを備える、シャドウキャストエンコーダ装置が、提供され、リードヘッドは、シャドウキャスト縞パターンを生成するために、スケールを照明するための複数の電磁放射源（例えば、複数の電磁放射源からなる少なくとも１つのグループ）と、シャドウキャスト縞パターンを検出するための検出器とを備え、電磁放射源は、装置測定方向において、距離Ｄだけ間隔を空けられることができ、

であり、ここで、
ｆは、スケールのピッチであり、
ｈは、打ち消される高調波の次数であり、
ｓは、源の数であり、
ｎ_iは、（同じであるかまたは間隔ごとに異なることがある）整数であり、
Ｍは、エンコーダの倍率である。

本発明のさらなる態様に従うと、スケールとリードヘッドとを備える、エンコーダ装置が、提供され、リードヘッドは、縞パターンを、縞パターンを検出するように構成された検出器において生成するために、ＥＭＲ源から検出器へのＥＭＲの制限の交互に変わる程度を提供する、特徴のほぼ周期的なアレイを備える、スケールを照明するための少なくとも１つの電磁放射（ＥＭＲ）源を備え、縞パターンの合算高調波歪み（ＴＨＤ）は、６％以下である。任意選択で、スケール周期は、少なくとも４０μｍ、例えば、少なくとも６０μｍ、例えば、少なくとも８０μｍである。スケールは、２つの（例えば、異なる）タイプの特徴の周期的な配置を備えることができる。したがって、スケールが、２つのタイプの特徴からなる周期的な配置を備えるとき、一方は、第１のレベルの制限を（例えば、一様に）提供することができ、他方は、第２のレベルの制限を（例えば、一様に）提供することができる。（例えば、源からのＥＭＲが、検出器に向かって伝わるのを実質的に制限しないように）制限のレベルの一方は、実質的にゼロであることができる。例えば、特徴の周期的なパターンは、（前記縞パターンを形成するために）電磁放射が検出器に向かって伝搬されるのを制限（例えば、妨害）することと、容易にすることとを交互に行うことができる。例えば、特徴の周期的なパターンは、電磁放射をブロックすることと、透過させることとを交互に行うことができ、または例えば、電磁放射を吸収する（もしくは散乱させる）ことと、反射することとを交互に行うことができる。アレイは、エンコーダの測定次元に沿って（例えば、平行に）延びることができる。特徴は、実質的に細長い特徴を備えることができ、それの長さは、測定次元に対して実質的に垂直に延びる。特徴は、個別の／異なる特徴であることができる。例えば、装置の測定次元に沿って取られた場合、（例えば、２つのタイプの）スケール特徴の各々は、検出器に向かって伝搬されるＥＭＲ源からのＥＭＲの一様／一定の制限の程度を提供することができる。

本発明のさらなる態様に従うと、スケールとリードヘッドとを備える、エンコーダ装置が、提供され、リードヘッドは、（シャドウキャスト）縞パターンを、縞パターンを検出するように構成された検出器において生成するために、スケールを照明するための複数の電磁放射（ＥＭＲ）源を備え、電磁放射源は、それらのそれぞれの（シャドウキャスト）縞パターンの第１高調波の（特定の）高調波が、検出器において、実質的に打ち消されるように、ずらされ／間隔を空けられる。第１高調波の（特定の）高調波は、奇数番目の高調波であることができる。第１高調波の（特定の）高調波は、第３、第５、および／または第７高調波であることができる。

本発明の実施形態が、今から、以下の図面を参照して、例としてのみ説明される。

本発明に従った、エンコーダ装置を示す概略図である。 図１のエンコーダ装置の光学方式を概略的に示す図である。 電子格子の概略図である。 点源によるインクリメンタル光検出器における縞の生成を示す概略光路図である。 （ａ）は間に無限に小さい間隔を有する多数のＥＭＲ点源を備えるＥＭＲ源によって生成される、インクリメンタル光検出器における縞の生成を示す概略光路図であり、（ｂ）は（ａ）のＥＭＲ源によって生成された台形の縞パターンを示す図であり、（ｃ）は（ｂ）の台形の縞パターンの高調波成分を示す図である。 （ａ）は本発明の一実施形態に従った、ＥＭＲ源の放射電力プロファイルを示す図であり、（ｂ）は（ａ）に従った放射電力分布を提供する、成形されたＥＭＲ源の実施形態を示す図であり、（ｃ）は（ｂ）のＥＭＲ源によって生成された縞パターンを示す図であり、（ｄ）は（ｂ）のＥＭＲ源によって生成された縞パターンの高調波成分を示す図である。 （ａ）は本発明の別の実施形態に従った、ＥＭＲ源についての放射電力プロファイルを示す図であり、（ｂ）は（ａ）に従った放射電力分布を提供する、成形されたＥＭＲ源の実施形態を示す図であり、（ｃ）は（ｂ）のＥＭＲ源によって生成された縞パターンを示す図であり、（ｄ）は（ｂ）のＥＭＲ源によって生成された縞パターンの高調波成分を示す図である。 成形されたＥＭＲ源のさらなる代替的実施形態を示す図である。 図６および図７に示される実施形態についての放射源横方向広がり誤差（ｓｏｕｒｃｅ ｌａｔｅｒａｌ ｅｘｔｅｎｔ ｅｒｒｏｒ）に伴うＳＤＥの変化を示す図である。 スケールに関して等価な点源の２つの位置を概略的に示す図である。 成形されたＥＭＲ源の等価な分布を概略的に示す図である。 望ましくない高調波を低減させるために、検出器における放射電力分布を変化させるための、代替的配置を概略的に示す図である。 （ａ）は多数の間隔を空けられた点源によって生成されたインクリメンタルにおける縞の生成を示す概略光路図であり、（ｂ）は単一の三角形のＥＭＲ源の高調波成分を示す図であり、（ｃ）は３つの間隔を空けられた三角形のＥＭＲ源の高調波成分を示す図である。 単一の三角形のＥＭＲ源および３つの離された三角形のＥＭＲ源についての放射源横方向広がり誤差に伴うＳＤＥの変化を示す図である。 第３高調波を打ち消すように間隔を空けられたＥＭＲ源の配置を概略的に示す図である。

図１および図２を参照すると、本発明に従った、第１の例示的なエンコーダ装置２が示されている。エンコーダ装置は、リードヘッド４と、スケール６’とを備える。示されてはいないが、使用中、リードヘッド４は、マシンの一部分に、スケール６’は、マシンの別の部分に固定されることができ、それらの部分は互いに対して可動である。リードヘッド４は、自らとスケール６’の相対位置を測定するために使用され、したがって、マシンの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されることができる。リードヘッド４は、（示されるような）有線および／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。理解されるように、プロセッサは、特定の用途のために構成された特注のプロセッサ（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ「ＦＰＧＡ」）、およびそれが使用される用途の必要に従って（例えば、ソフトウェアを介して）プログラムされることができるより汎用的なプロセッサを含むことができる。リードヘッド４は、それの検出器からの信号をコントローラ８に報告することができ、その後、コントローラ８は、それらを処理して、位置情報を決定し、および／またはリードヘッド４自体が、それ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に送信することができる。別の実施形態においては、中間ユニット、例えば、インターフェースユニットが、リードヘッド４とコントローラ８との間に配置されることができる。インターフェースユニットは、リードヘッド４とコントローラ８との間の通信を容易にすることができる。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８に提供するように構成されることができる。

スケール６’は、インクリメンタルトラック１０を定義する複数のスケールマーキングを備える。説明される実施形態においては、スケール６’は、基準トラック１２も備える。

この実施形態においては、エンコーダ装置は、光学的シャドウキャストエンコーダである。したがって、インクリメンタルトラック１０は、図１において矢印Ｅによって示されるような、リードヘッド４の運動方向に実質的に平行に走る細長いスケール方向において延びるスケール格子を形成する、一連の周期的なスケールマーク１４を備える。示される実施形態においては、周期的なスケールマーク１４は、相対的に反射的なマークと相対的に吸収的なマークとを交互に配置している。スケール格子のピッチが十分に大きい（一般に４０μｍよりも大きい）ときは、幾何学的なシャドウキャスティングが、検出器アレイ上に縞パターンを形成するための優勢なメカニズムであり、少量の回折は無視されることができる。

基準トラック１２は、反射的基準マーク１６によって定義される基準位置を備える。トラックの残りは、光を吸収する特徴１７を備える。他の実施形態においては、基準マーク１６が、光を吸収してよく、特徴１７が、光を反射してよいことが理解されよう。したがって、基準位置は、マークによって定義され、マークは、それが含まれるトラックの残りの部分よりも相対的に多くの光が、基準光検出器２４に到達することを可能にし、このケースにおいては、それが含まれるトラックの残りの部分よりも相対的に反射的である。基準位置は、リードヘッド４が、それがスケール６’に対してどこにあるかを正確に決定することができることを可能にするのに有益であることができる。したがって、インクリメンタル位置は、基準位置からカウントされることができる。さらに、そのような基準位置は、「限界位置」とも呼ばれるものであることができるが、その訳は、それらが、リードヘッド４がその間を移動することを許されるスケール６’の限界または終端を定義するために使用されることができるからである。

この実施形態においては、エンコーダ装置は、スケール６’の同じ側に、電磁放射（ＥＭＲ）源１８、例えば、赤外光源１８と、少なくとも１つの検出器２２、２４とを備えるので、それは、反射的光学エンコーダである。しかしながら、これはそうである必要はなく、エンコーダは、ＥＭＲ源１８と少なくとも１つの検出器が、スケール６’を挟んで反対側にあることができるように構成されることができる。一般に、光源１８からの赤外光は、スケール６’によってリードヘッドに向かって反射されるように構成される。示されるように、光源１８は、発散的であり、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の両方の上に落ちる。説明される実施形態においては、光源１８は、赤外範囲のＥＭＲを放出するが、しかしながら、理解されるように、これは必ずしもそうである必要はなく、他の範囲の、例えば、赤外から紫外のどこかのＥＭＲを放出することができる。理解されるように、光源１８に適した波長の選択は、その電磁放射（ＥＭＲ）波長で機能する適切な検出器の利用可能性を含む、多くの要因に依存することができる。やはり示されるように、リードヘッド４も、インクリメンタル光検出器２２と、基準光検出器２４とを備える。示される実施形態におけるインクリメンタル光検出器２２は、電子格子の形態の検出器アレイを備える。

インクリメンタル光検出器２２は、図３により詳細に示される電子格子の形態を取ってよい。示されるように、インクリメンタル光検出器２２は、（本明細書においては「光検出器」または「フィンガ」とも呼ばれる）交互嵌合／交互飛び越し／交互配置された光感知センサ要素の２つ以上のセットを備える、光センサアレイを備える。例えば、各セットは、検出器２２において、異なる位相のシャドウキャスト縞パターン２８を検出することができる。図３は、センサの長さ「Ｌ」に沿って延びるセンサ要素のアレイを形成する、交互嵌合／交互配置されたフォトダイオードの４つのセット（Ａ、Ｂ、ＣおよびＤ）をなすフィンガ／フォトダイオードを示している。フォトダイオードのセットは、周期ｐを有する繰り返し配置で配置される（したがって、周波数「ｆ」は、１／「ｐ」である）。

示されるように、説明される実施形態においては、個々のフィンガ／フォトダイオード／センサ要素は、インクリメンタル光検出器２２の長さＬに対して実質的に垂直に延びる。また、個々のフィンガ／フォトダイオード／センサ要素は、実質的に長方形の形状である。理解されるように、本発明は、他の成形および配置が行われたセンサ要素にも適用可能である。

セット内の各フィンガ／フォトダイオードからの出力は、組み合わされて、単一の出力を提供し、それによって、４つのチャネル出力Ａ’、Ｂ’、Ｃ’およびＤ’をもたらす。これらの出力は、その後、直交信号ＳＩＮおよびＣＯＳを獲得す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の信号から位相が９０度ずれた第２の信号（ＣＯＳ）を提供するために使用される。特定の実施形態においては、電子格子は、４つのチャネルＡ’、Ｂ’、Ｃ’およびＤ’を提供する、フォトダイオードの４つのセットを備えるが、これは、必ずしもそうである必要はない。例えば、電子格子は、２つのみのチャネルＡ’およびＢ’を提供する、フォトダイオードの２つのセットを備えることができる。

図３においては、シャドウキャスト縞パターン２８は、インクリメンタル検出器２２にわたる、理想的な（すなわち、インクリメンタルスケールトラック１０の影によって引き起こされる）シャドウキャスト縞パターンの変化する放射電力を概略的に示す、線によって表される。示されるように、エンコーダ装置は、（シャドウキャスト縞パターン周期ｐとセンサ周期ｐが同じ場合は）時間における任意の瞬間において、どの１つのセット内においてもすべてのフォトダイオードが、同じ位相のシャドウキャスト縞を検出するように構成される。

図２に示されるように、光源１８は、インクリメンタル光検出器２２と基準光検出器２４との間に、細長いスケール方向に対して実質的に横向きの方向に、位置付けられる。これは、インクリメンタルトラック１０と基準マークトラック１２の両方の照明すら容易にする。

光源１８からの光は、リードヘッド４からスケール６’に向かって放出され、光源１８のフットプリントの一部は、基準マークトラック１２と相互作用し、光源のフットプリントの一部は、インクリメンタルトラック１０と相互作用する。今説明されている実施形態においては、基準位置は、基準マークが含まれるトラックの残りと比較して、基準光検出器２４に向かって反射される光源１８からの光の量を変更する、基準マークトラック１２内の特徴１６によって定義される。これは、例えば、基準マーク１６よりも多くの光を吸収し、透過させ、および／または散乱させる、基準マークトラック１２の残りの中の特徴１７によって達成されることができる。図２に示される位置において、リードヘッド４は、基準位置に合わされており、そのため、光は、基準光検出器２４に向かって反射されるように示されている。

インクリメンタルトラック１０に関して、源１８からの光は、周期的なスケールマーク１４上に落ちる。リードヘッド４は、スケール６’に対して（矢印Ｅによって示される方向に）移動するので、光のいくらかは、スケールマーキング１４によって吸収され、透過させられ、および／または散乱させられ、光のいくらかは、リードヘッド４に向かって反射され、インクリメンタル光検出器２２上に落ちる。理想的には、上で説明されたように電子格子を備えるインクリメンタル光検出器２２からの出力は、相対運動に伴って正弦的に変化する（すなわち、空間的に正弦的である）。

現在の実施形態は、電子格子に関連して説明されたが、他の実施形態は、リードヘッド４の位置を監視するための異なるデバイスおよび／または方法を使用してよいことが理解されよう。例えば、インクリメンタル光検出器２２は、位相情報の検出を可能にするために、それぞれ（例えば、クロム）マスクを有する１つまたは複数のフォトダイオードを備えてよい。

図４は、スケール６と相互作用し、シャドウキャスト縞パターン２８をインクリメンタル光検出器２２において生成する、点源２６からの光を概略的に示している。分かりやすくするため、図４は、点源２６からの光が、スケール６’によって反射されるのではなく、スケール６’を通過する、透過的構成を示しているが、反射的構成と透過的構成の両方が可能であることが理解されよう。

図４において見ることができるように、点源２６からのＥＭＲ（この実施形態においては、赤外光であるが、他の実施形態においては、ＥＭＲは、紫外から赤外スペクトル内の任意の波長であってよい）は、スケール６へと向けられる。スケール６は、スケールに沿って、ある領域においては、光の通過／伝搬を許すが、他の領域においては、そのような通過／伝搬を妨げる。図４においては、影付きエリアは、光の通過／伝搬がスケール６によってブロックされるエリアを表す。（この実施形態においては、近似的に８０μｍであるが、一般に、４０μｍよりも大きいいずれかであることができる）スケール６のピッチのせいで、幾何学的シャドウキャスティングが、インクリメンタル光検出器２２上に縞パターンを形成するための優勢なメカニズムであり、方形波縞パターン２８が検出される。最小スケールピッチは、縞の可視性を許容可能レベルより下に引き下げる回折の程度によって決定される。可視性についてのレイリ基準を使用すると、スケールピッチ（ｆ）の下限は、式（１）によって与えられ、

ここで、
λは、ＥＭＲ波長であり、
ｕは、ＥＭＲ源からスケールまでの距離である。

インクリメンタル光検出器２２（図４には図示されず）は、縞パターン２８を検出し、リードヘッド４によってコントローラ８などの外部デバイスに出力される、（図１から図３に関連して上で説明されたような）信号を生成する。単一の点源によって生成される方形波シャドウキャスト縞パターン２８についてのインクリメンタル光検出器２２からの出力は、理想的な純粋な正弦波信号から実質的に逸脱していることが理解されよう。検出されたシャドウキャスト縞パターン２８の、理想的な正弦波シャドウキャスト縞パターンからの逸脱は、インクリメンタル光検出器２２の出力が、純粋に正弦的であることから逸脱する原因となり、それが、ＳＤＥをもたらす。

実際の応用においては、ＥＭＲ源は、図４に示される点源２６などの点源ではなく、有限の広がりを有する。ここでは、言及される広がりは、細長いスケール方向に実質的に平行なＥＭＲ源の広がりである。有限の広がりを有するＥＭＲ源は、無限小の間隔を有する無限個の点源２６と考えられることができる。図５（ａ）は、有限の広がりを有するそのようなＥＭＲ源を示しており、分かりやすくするために、３つの点源２６だけが示されている。各点源２６からの光は、スケールに沿って、ある領域においては、光の通過を許し、他の領域においては、そのような通過を妨げる、スケール６へと向けられる。各点源は、個々の方形波縞パターン２８ｉを生成し、それらは、互いにずれており、インクリメンタル光検出器２２によって検出される合成された縞パターン２８ｄを生成する。見ることができるように、合成された縞パターン２８ｄは、台形をしている。合成された縞パターン２８ｄの形状は、ＥＭＲ源の広がりに応じて変化し、例えば、三角形をしていることができることが理解されよう。これらのパターンは、（例えば、図３に概略的に示されるような）理想的な正弦波変化と比較して、かなり高い高調波成分（すなわち、基本成分の倍数）を有する。

図５（ｂ）は、例示的な台形の合成された縞パターン２８ｄを示しており、図５（ｃ）は、図５（ｂ）に示される縞パターンの関連付けられた高調波成分を示している。図５（ｃ）は、対数目盛を有し、（第１高調波とも呼ばれる）基本周波数３１と、第３高調波３３と、第５高調波３５と、第７高調波３７と、第９高調波３９とを示している。これらの高調波３３、３５、３７、３９は、補間中に誤差をもたらし、すなわち、高調波３３、３５、３７、３９は、ＳＤＥの原因となり、したがって、スケール６に対するリードヘッド４の測定された位置における誤差の原因となる。大きさは、対数目盛で示されており、基本周波数／第１高調波が値１になるように設定して、正規化されている。ＥＭＲ源の放射電力をそれの広がり（広がりは細長いスケール方向に実質的に平行である）に沿って変化させることによって、インクリメンタル光検出器２２によって検出されるシャドウキャスト縞パターン２８ｄを調整し、そうすることによって、ＳＤＥを低減させ、それによって、スケール６に対するリードヘッド４の測定位置の正確性を高めることが可能であることが認識された。

ＥＭＲ源の放射電力をそれの広がりに沿って変化させることは、以下でより詳細に説明されるように、ＥＭＲ源の中央により多くの放出エリアが存在し、端により少なく存在するように、ＥＭＲ源の形状を構成することによって、達成されることができる。しかしながら、本発明は、ＥＭＲ源を成形することによって、ＥＭＲ源の放射電力をそれの広がりに沿って変化させることに限定されず、より大きい源上にマスクを適用すること（またはさもなければ、ＥＭＲ源とスケールとの間にマスクを配置すること）であって、それは透明な窓を有する不透明なマスクであることができ、または段階的中性濃度フィルタを有するマスクであってよく、それの濃度が所望の分布に従って変化することを適用することなど、ＥＭＲ源の放射電力をそれの広がりに沿って変化させる他の方法が可能であることが理解されよう。源内の現在の濃度の分布を制御することによって、ＥＭＲ源の放射電力を細長いスケール方向に実質的に平行なそれの広がりに沿って変化させることも可能である。当業者に明らかなように、ＥＭＲ源の放射電力を細長いスケール方向に実質的に平行なそれの広がりに沿って変化させる他の方法が可能である。

図６（ａ）は、（一様／方形放射電力プロファイルを有する光源が使用される等価なシステムと比較して）縞パターン内の高調波成分を低減させるための、（ＥＭＲ源の放射電力がそれの広がりに沿ってどのように変化するかを示す）１つの可能な放射電力プロファイルを示している。図６（ａ）に示される放射電力プロファイルを有するＥＭＲ源の１つの可能な実施形態の形状が、図６（ｂ）に示されている。図６（ｂ）に示される形状を有するＥＭＲ源は、使用中、ｘ軸が、細長いスケール方向に実質的に平行に走り、ｙ軸が、図６（ｂ）に示されるように、細長いスケール方向に実質的に直角に走るように合わせられる。図６（ａ）の放射電力プロファイルは、光源の放射電力が、ＥＭＲ源の中央に向かって最大となり、端においてより小さくなるように構成されるものとして説明されることができる（端は、図６（ａ）のｘ軸に沿ったグラフの端部であり、中央は、端の間に配置される）。ＥＭＲ源が、それの表面上において一様に放出する場合、所望の放射電力分布は、光源を、それの横方向の広がりがＩ（ｘ）に比例するように、物理的に成形することによって、達成されることができる。図６（ａ）の放射電力プロファイルの形状（したがって、図６（ｂ）に示されるそれの表面上において一様に放出するＥＭＲ源の形状の幅）は、式（２）によって説明されることができ、

ここで、
Ｉ（ｘ）は、細長いスケール方向に実質的に横向きの方向における源の放射電力（すなわち、使用中、細長いスケール方向に実質的に平行なそれの広がりに沿った与えられた点において、ＥＭＲ源によって放出される放射電力）であり、
ｆは、スケールのピッチであり、
ｘは、細長いスケール方向に実質的に平行な方向における位置であり、
ｋは、スケーリング定数である。

例えば、源の表面上における不透明な電極、非一様な電流注入、または他の何らかの理由のせいで、それの表面上におけるＥＭＲ源の放出に何らかの非一様性が、存在する場合、図６（ａ）のそれと実質的に同一の放射電力プロファイルを提供するために、ＥＭＲ源の物理的な形状は、変更されてよい。

図６（ｃ）は、現在の実施形態によって形成されるシャドウキャスト縞パターン２８の、それが検出器２２上に落ちたときの、放射電力プロファイルを示している。

図６（ｄ）は、図６（ａ）に示されるような放射電力プロファイルを有する光源を使用するときに生成される、図６（ｃ）に示される縞パターンの高調波成分を示している。基本周波数／第１高調波３１が、値１になるように正規化されている。図６（ｄ）において見ることができるように、図５（ｃ）に示される高調波と比較されたとき、より高い高調波３３、３５、３７、３９は、除去されている。スケール６との相互作用の後、検出器２２に到達する、ＥＭＲ源からのＥＭＲ線は、光検出器２２の検出要素の周期ｐと実質的に一致する縞周期ｐ’を有する、実質的に純粋な正弦波縞パターンが、光検出器２２において形成されるように、角度および放射電力の多様性を有する。これは、より低いＳＤＥをもたらし、したがって、改善されたエンコーダをもたらす。図６（ｃ）に示される縞パターンの合算高調波歪みは、（図６（ｄ）における情報を使用して）より高い高調波の振幅の２乗平均平方根の、基本／第１高調波３１の２乗平均平方根振幅に対する比として、計算されることができる。合算高調波歪みは、第１３高調波までの第１高調波／基本周波数３１のすべての高調波を使用することによって、計算されてよい。他の実施形態においては、合算高調波歪みを計算するために、第１高調波／基本周波数３１のより多いまたはより少ない高調波が使用されてよい。図６（ｃ）に示される縞パターンについての合算高調波歪みはゼロである。

図７（ａ）は、（一様／方形放射電力プロファイルを有する光源が使用される等価なシステムと比較して）縞パターン内の高調波成分を低減させるための、（ＥＭＲ源の放射電力がそれの広がりに沿ってどのように変化するかを示す）さらなる可能な放射電力プロファイルを示している。図７（ａ）に示される放射電力プロファイルは、三角形をしている。図７（ａ）に示される放射電力プロファイルを有するＥＭＲ源の１つの可能な実施形態の形状が、図７（ｂ）に示されている。図７（ｂ）に示される例においては、ＥＭＲ源は三角形である。図７（ｂ）に示される形状を有するＥＭＲ源は、使用中、ｘ軸が、細長いスケール方向に実質的に平行に走り、ｙ軸が、図７（ｂ）に示されるように、細長いスケール方向に実質的に直角に走るように合わせられる。図７（ａ）の放射電力プロファイルは、光源の放射電力が、ＥＭＲ源の中央に向かって最大となり、端においてより小さくなるように構成されるものとして説明されることができる（端は、図７（ａ）のｘ軸に沿ったグラフの端部であり、中央は、端の間に配置される）。ＥＭＲ源が、それの表面上において一様に放出する場合、所望の放射電力分布は、光源を、それの横方向の広がりがＩ（ｘ）に比例するように、物理的に成形することによって、達成されることができる。図７（ａ）の放射電力プロファイルの形状（したがって、図７（ｂ）に示されるそれの表面上において一様に放出するＥＭＲ源の形状の幅）は、式（３）によって説明されることができ、

ここで、
Ｉ（ｘ）は、細長いスケール方向に実質的に横向きの方向における源の放射電力（すなわち、使用中、細長いスケール方向に実質的に平行なそれの広がりに沿った与えられた点において、ＥＭＲ源によって放出される放射電力）であり、
ｆは、スケールのピッチであり、
ｘは、細長いスケール方向に実質的に平行な方向における位置であり、
ｋは、スケーリング定数である。

図６に示された実施形態と同様に、それの表面上におけるＥＭＲ源の放出に何らかの非一様性が、存在する場合、図７（ａ）の三角形の放射電力プロファイルを提供するために、ＥＭＲ源の物理的な形状は、図７（ｂ）の三角形形状から離れて、変更されてよい。

図７（ｃ）は、現在の実施形態によって形成されるシャドウキャスト縞パターン２８の、それが検出器２２上に落ちたときの、放射電力を示している。

図７（ｄ）は、図７（ａ）に示されるような放射電力プロファイルを有するＥＭＲ源を使用するときに生成される、高調波成分を示しており、大きさは、（基本周波数／第１高調波３１が値１になるように設定して）正規化されており、対数目盛上にプロットされている。図７（ｄ）において見ることができるように、図５（ｃ）に示される高調波と比較されたとき、より高い高調波３３、３５、３７、３９は、基本３１と比べて、大きく低減される。図７（ｃ）に示される縞パターンについての合算高調波歪みは、１．８％である。これは、より低いＳＤＥをもたらし、したがって、改善されたエンコーダをもたらす。

図６（ｂ）および図７（ｂ）に示されるＥＭＲ源の形状は例であるにすぎず、当業者に明らかなように、（図６（ａ）および図７（ａ）に示されるものなど）所望の放射電力プロファイルを提供する、他のＥＭＲ形状が、使用されてよいことが理解されよう。図８は、さらなる代替的なＥＭＲ源形状の例を示している。図８（ａ）および図８（ｂ）は、図６（ａ）に示される放射電力プロファイルを提供することができる形状を示している。図８（ａ）は、（式（１）で定義されるような）図６（ａ）に示される放射電力プロファイルおよびｘ軸によって形成される形状に対応する形状を示していることが留意される。図８（ｂ）は、またさらなる形状が、所望の放射電力プロファイルを達成することが可能であることを示している。図８（ｃ）は、（式（２）で定義されるような）図７（ａ）に示される所望の放射電力プロファイルを達成する形状を示している。図８（ｄ）は、またさらなる形状が、所望の放射電力プロファイルを達成することが可能であることを示している。本発明は、開示された形状に限定されず、一様／方形放射電力プロファイルを有する光源が使用される等価なシステムと比較して、図５（ｃ）に示される高調波信号の少なくともいくつかを実質的に低減または除去するために、ＥＭＲ源の形状は、ＥＭＲ源の放射電力プロファイルが、細長いスケール方向に実質的に平行な方向において変化するように構成されてよいことが理解されよう。

変化する放射電力プロファイルが、光源を物理的に成形することによって達成される実施形態においては、成形されたＥＭＲ源は、例えば、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）であってよく、ＬＥＤ放出分布は、エピタキシャル半導体構造のエッチングによって（および／または放出面上に成形されたマスクを適用することによって）達成されてよい。しかしながら、任意の成形方法が使用されてよく、例えば、源（例えば、有機ＬＥＤ「ＯＬＥＤ」であってよいＬＥＤ）は、所望の形状になるようにプリントされてよい。

上で説明されたＥＭＲ源は、単一の源として説明されたが、これは、そうである必要はなく、図６、図８、または図１０に示されるもののようなＥＭＲ源は、単一の合成ＥＭＲ源を形成するように隣接して配置された、多数の異なる源から形成されることができる。

上で説明されたように、図６（ａ）に示されるように成形された放射電力プロファイルを有するＥＭＲ源は、図６（ｄ）に示される高調波成分を有するシャドウキャスト縞パターン２８ｄを、検出器２２において提供し、すなわち、基本３１が、より高い高調波３３、３５、３７、３９なしに提示される。放出された放射電力プロファイルに逸脱が存在する場合、より高い高調波３３、３５、３７、３９は、縞パターン２８ｄから完全には除去されない。図９は、８０μｍスケールについて、ＳＤＥが、（製造公差などのせいで提示されることがあるような）放射源横方向広がり誤差に伴ってどのように変化するかを示しており、プロット４０は、図６（ｂ）におけるように成形されたＥＭＲ源についてのものであり、プロット４２は、図７（ｂ）におけるように成形されたＥＭＲ源についてのものである。（ＳＤＥに対する放射源横方向誤差を示す）図９から見ることができるように、下限ＳＤＥは、ＥＭＲ源が、図６（ｂ）に示されるように成形された場合、達成されることができるが、この形状は、プロット４０によって示されるように、ＥＭＲ源の横方向広がりにおける誤差に非常に敏感である。ＥＭＲ源が、図７（ｂ）に示されるように成形された場合、プロット４２によって示されるように、ＳＤＥの変化は、プロット４０と比較したとき、ＥＭＲ源の横方向広がりにおける誤差に対して比較的安定である。

本発明を実施する他の実施形態および方法が、図１０から図１４を参照して、今から説明される。初めに、図１０（ａ）を参照すると、点源２６がスケール６に対して第１の位置に配置される、第１の状況が示されている。点源２６は、シャドウキャスト縞パターン２８を検出器（図示されず）において生成する。図１０（ｂ）は、同じスケールおよび検出器配置に対して、点源２６が細長いスケール方向に距離Ｆだけ移動させられた、第２の状況を示している。見ることができるように、図１０（ｂ）のシャドウキャスト縞パターン２８は、図１０（ａ）のシャドウキャスト縞パターンとまったく同じで、同相であり、すなわち、２つの位置は等価である。

これは、式（４）に従って発生し、

ここで、
ｆは、スケールピッチであり、
ｕは、ＥＭＲ源からスケールまでの距離であり、
ｖは、スケールから検出器までの距離である。

ここで図１１を参照すると、多数のＥＭＲ源構成が示されており、ここには（（ａ）および（ｂ）には）、三角形の源が示されているが、説明される原理は、他の成形されたＥＭＲ源にも等しく適用可能である。図１１（ａ）は、成形された源の２つの可能な位置を示しており、２つの位置は、等価である（すなわち、図１０に関連して上で説明されたように等価である）。図１１においては、影付き／黒いエリアは、成形されたＥＭＲ源（またはそれの一部）を表す（影なしエリアは、ＥＭＲ源の非存在を示す）。図１１（ａ）は、スケール６が、成形されたＥＭＲ源と光検出器２２との間の経路内に位置付けられたときに、シャドウキャスト縞パターンを光検出器２２において生成する、単一の三角形の源を示している。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の三角形の源に関して距離Ｆだけ移動させられた、等価的に配置された単一の三角形のＥＭＲ源を示している。図１１（ｂ）の成形されたＥＭＲ源は、図１１（ａ）の成形されたＥＭＲ源と実質的に同一のシャドウキャスト縞パターンを光検出器２２において生成する。

図１１（ｃ）から図１１（ｅ）は、やはり図１１（ａ）の成形されたＥＭＲ源と実質的に同一のシャドウキャスト縞パターンを光検出器２２において生成する（すなわち、（ａ）または（ｂ）に示されるような単一の成形された源と等価な）、ＥＭＲ源の配置を示している。これらの例においては、シャドウキャスト縞パターンは、単一の三角形のＥＭＲ源と等価になるように配置された、２つの成形されたＥＭＲ源によって生成される。図１１（ｆ）は、これが、成形されたＥＭＲ源を２つの部分に分割することに限定されず、単一のＥＭＲ源が３つ以上の部分に分割される場合に、等価なＥＭＲ分布が、光検出器２２において達成されることができることを示している。図１１（ｇ）は、これが、単一の成形されたＥＭＲ源を２つの等価な位置の間で分割することに限定されず、成形されたＥＭＲ源は、３つ（またはより多く）の等価な位置の間で分割されることができることを示している。

図１１（ａ）から図１１（ｇ）に示される状況の各々において、ＥＭＲ源の総表面積は、同じである。さらに、等価な位置間における分布は、ＥＭＲ源が、等価な位置から単一の等価な位置に配置された場合（すなわち、等価な位置が、重ね合わされた場合）、ＥＭＲ源の重なり合いは、実質的に存在しないようなものである。しかしながら、理解されるように、これは必ずしもそうである必要はない。図１１（ｈ）は、等価な位置に配置された第１および第２の三角形の源を示しており、各源の放射電力が、（例えば）図１１（ａ）に示される源の半分である場合、同じ放射電力分布が、達成される。図１１（ｈ）に示される第１および第２の源の各々は、図１１（ｃ）から図１１（ｇ）に関連して上で説明されたように、多数の間隔を空けた源から形成されることができる。図１１（ｉ）は、（図１１（ｈ）の第２の源など名目上三角形の第２の源の一部が、名目上三角形の第１の源に向かう方向に距離Ｆだけ移動させられた状況を示している。図１１（ｉ）に示される源は、図１１（ｈ）のものと等価な放射電力分布を生成する構成をとる。図１１（ｊ）は、名目上三角形の第１の源の一部が、名目上三角形の第２の源に向かう方向に距離Ｆだけ移動させられ、名目上三角形の第２の源の一部が、第１の名目上三角形の源に向かう方向に距離Ｆだけ移動させられた状況を示している。図１１（ｊ）に示される源は、図１１（ｈ）のものと等価な放射電力分布を生成する構成をとる。

複数の源からの放射電力プロファイルを形成するさらなる例が、図１２に関して、今から説明される。図１２（ａ）は、（図１０に関連して上で説明されたような）３つの等価な位置がそれによって示される、実施形態を示している。図１１と同様に、影付き／黒いエリアは、ＥＭＲ源の存在を表す（影なしエリアは、ＥＭＲ源の非存在を示す）。図１２（ａ）に示される配置については、ＥＭＲ源が、等価な位置から単一の等価な位置に配置される場合（すなわち、等価な位置が、重ね合わされる場合）、ＥＭＲ源の重なり合いが存在する。図１２（ａ）に示されるＥＭＲ源の配置は、図１２（ｂ）に示されるような放射電力プロファイルを提供する単一の成形されたＥＭＲ源と同じ縞パターンを検出器においてもたらす配置を提供することが理解されよう。

多くの他の分布が当業者には明らかであり、例えば、成形されたＥＭＲ源は、ｎＦだけ間隔を空けた等価な位置の間に分布させられることができ、ここで、ｎは、整数であり、１よりも大きくてよい。

図１３（ａ）は、シャドウキャストエンコーダ装置のＳＤＥを著しく低減させる別の方法を示している。この実施形態においては、３つの個別の実質的に同一のＥＭＲ点源２６ａ、２６ｂ、２６ｃが、有限の間隔Ｄ’およびＤ”だけ間隔を空けられている。（有限の間隔だけ離された２個、３個、４個、５個、またはより多くの点源も、説明される効果を生成することが理解されよう）。分かりやすくするために、図１３（ａ）は、ＥＭＲ点源２６ａ、２６ｂ、２６ｃからの光が、スケール６によって反射されるのではなく、スケール６を通過する、透過的構成を示しているが、反射的および透過的構成の両方が可能であることが理解されよう。

見ることができるように、個々の点源２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、各源が、独自に実質的に同一の方形波縞パターン２８ａ、２８ｂ、２８ｃを検出器において生成するとしても、検出器における方形波縞パターン２８ａ、２８ｂ、２８ｃが、互いに対して僅かに位相シフトされ、間隔を空けたＥＭＲ源２６ａ、２６ｂ、２６ｃから生成される（個々の縞パターン２８ａ、２８ｂ、２８ｃの合算である）検出される縞パターン２８ｄが、方形波縞パターンから離れて理想的な正弦波パターンに向かう動きを示すように、点源２６ａ、２６ｂ、２６ｃの間隔Ｄ’およびＤ”が、（以下でより詳細に説明されるように）選択されるように配置されることができる。

図１３（ａ）においては、源２６ｂは、源２６ａから距離Ｄ’だけ、また源２６ｃから距離Ｄ”だけ間隔を空けられる。

距離Ｄ’およびＤ”は、式（５）によって定義される。図１３（ａ）に示される例においては、間隔Ｄ’については、ｎ_i＝１であり、一方、間隔Ｄ”については、ｎ_i＝２である。他の実施形態においては、Ｄ’とＤ”の両方が同じｎ_iの値を有してよいことが理解されよう。

ここで、
ｆは、スケールのピッチであり、
ｈは、打ち消される高調波の次数であり、
ｓは、源の数であり、
ｎ_iは、（同じであるかまたは間隔ごとに異なることがある）整数であり、
Ｍは、倍率である。
倍率Ｍは、

によって与えられ、ここで、
ｕは、源からスケールまでの距離であり、
ｖは、スケールから電子格子までの距離である。

上で式（４）において定義されたように、Ｍｆ＝Ｆであることが留意される。

源２６ａ、２６ｂ、２６ｃの間隔は、それらの縞パターン２８ａ、２８ｂ、２８ｃ間の横方向シフトが、第３高調波３３の周期の３分の１に等しいようなものであり、これは、合成された縞パターン２８ｄの第３高調波３３の振幅をゼロまで低減させる。

この効果は、３つの離された源を使用することに限定されない。例えば、２つの離された源を有することによって、類似の効果が、達成されることができる。２つの源の間隔Ｄが、それらの縞パターン間の横方向シフトが、第３高調波３３の周期の半分に等しいようなものである場合、第３高調波成分は、完全に逆位相であるので、合成された縞パターンの第３高調波３３の振幅は、ゼロまで低減させられることができる。

同様に、この効果は、他のより高い高調波をターゲットにすることができる。例えば、３つの離された源が、それらが個々に形成する縞パターンが、第５高調波３５の周期の３分の１だけ横方向シフトされるように間隔を空けられた場合、第５高調波３５の打ち消しが発生する。

図１３（ｃ）は、図７（ｂ）に示されるタイプの３つの三角形源を使用する例を示している。

図１３（ｂ）は、図７（ｂ）に示されるタイプの単一の三角形源についての縞パターンの高調波成分を示している（上で説明された図７（ｄ）と同一の情報を示している）。

図１３（ａ）および図１３（ｂ）においては、図中の値は、基本周波数／第１高調波３１が１と定義された値を有するように、正規化されている。

単一の三角形源によって生成される縞パターンにおけるより高い高調波の振幅（図１３（ｂ））を、第３高調波３３の周期の３分の１だけ位相シフトされた縞パターンを各々が生成するように離された、３つの三角形源によって生成される合成された縞パターン（図１３（ｃ））と比較することによって、３つの離された三角形ＥＭＲ源からのＥＭＲを合成することによって、第３高調波３３の大きさをゼロまで低減させること、および第５高調波の大きさを低減させることが可能であることを見ることができる。図１３（ｃ）に示される縞パターンについての合算高調波歪みは、０．７％である。

いくつかのより高い高調波成分３５、３９は、光検出器２２上に形成される縞パターン内に残っているので、源の横方向広がりの最適化は、電子格子構造の高調波フィルタリング効果を考慮することが必要である。電子格子構造によるこの高調波フィルタリングは、サンプリング理論からのよく知られた結果である。異なる電子格子構成は、異なる高調波を抑制することができるので、源広がりの最適化は、これを考慮する必要がある。

図１４は、単一の三角形ＥＭＲ源（プロット４２）、および３つの離された三角形ＥＭＲ源（プロット４４）について、ＳＤＥの変化を放射源横方向広がり誤差と比較している。見ることができるように、単一の源の性能に対する製造公差の影響は、著しいが、３つの間隔を空けた源の性能４４は、（製造公差などに起因する）源サイズの適度に可能な誤差に対してほとんど無反応である。

理解されるように、本発明のこの態様は、３つの間隔を空けたＥＭＲ源の使用に限定されず、例えば、２個、３個、４個、５個、１０個、またはより多くの源が、使用されてよい。同様に、本発明のこの態様は、三角形に成形されたＥＭＲ源に、および／または図６（ｂ）もしくは図８に示されるように成形された源に限定されないことが理解されよう。

さらに、図１１または図１２の実施形態の概念は、図１３（ａ）の実施形態の概念と組み合わされることができる。例えば、図１５（ａ）は、式（５）に従った距離Ｄ’だけ間隔を空けた、２つの三角形の源２６ａ、２６ｂを示している。示される例においては、
ｎ₁＝１、ｈ＝３、ｓ＝２である。この例においては、第３高調波成分は、完全に逆位相であり、シャドウキャスト縞パターンは、第３高調波成分を有さない。

図１５（ｂ）においては、図１１および図１２においてそうであるように、影付き／黒いエリアは、成形されたＥＭＲ源（またはそれの一部）を表す（影なしエリアは、ＥＭＲ源の非存在を示す）。

図１５（ｂ）は、図１５（ａ）と同様に、第３高調波成分が完全に逆位相であり、シャドウキャスト縞パターンが第３高調波成分を有さない、例を示している。図１５（ｂ）においては、三角形の源２６ｂは、２つのサブ源２６ｂ（ｉ）および２６ｂ（ｉｉ）から形成されている。サブ源２６ｂ（ｉ）および２６ｂ（ｉｉ）は、式（４）によって定義されるような距離Ｆだけ間隔を空けられる。図１１に関して説明されたように、２つのサブ源２６ｂ（ｉ）および２６ｂ（ｉｉ）は、一緒になって、単一の源と等価であり、（図１５（ａ）の構成と等価な１つの有効な源を提供する。図１５（ｂ）に示されるように、源２６ａは、（図１５（ａ）においてそうであるように）源２６ｂが単一源であるとした場合の位置から、式（５）に従った距離Ｄ’だけ間隔を空けられる。サブ源２６ｂ（ｉ）および２６ｂ（ｉｉ）は、単一の源と等価であるので、図１５（ｂ）に示される構成においては、シャドウキャスト縞パターンの第３高調波成分は、完全に逆位相であり、シャドウキャスト縞パターンは、第３高調波成分を有さない。

図１５（ｂ）は、２つの源、すなわち、単一源２６ａ、およびサブ源２６ｂ（ｉ）、２６ｂ（ｉｉ）によって形成される源を示しているが、２つ以上の源が、多数のサブ源から形成されることができることが理解されよう。単一源の使用に対する要件は、存在しないこと、およびすべての源が、多数のサブ源から形成されることができることがさらに理解されよう。

２つ以上の源を式（５）によって定義される距離Ｄだけ間隔を空けることによって、第１高調波／基本周波数３１の（第３高調波３３または第５高調波３５などの）高調波の打ち消しを達成するために、図１２に関連して上で説明されたように、１つまたは複数の単一の源が、多数のサブ源から形成されてよいことが理解されよう。

Claims (15)

1. スケールと、リードヘッドとを備える、シャドウキャストエンコーダ装置であって、前記リードヘッドは、シャドウキャスト縞パターンを、前記シャドウキャスト縞パターンを検出するように構成された検出器において生成するために、前記スケールを照明するための少なくとも１つの電磁放射源を備え、
   前記シャドウキャスト縞パターンの合算高調波歪みが６％以下であるように構成される
   シャドウキャストエンコーダ装置。
2. 前記シャドウキャスト縞パターンの前記合算高調波歪みが３％以下である請求項１に記載のシャドウキャストエンコーダ。
3. 前記シャドウキャスト縞パターンの第３高調波の大きさが、前記縞パターンの第１高調波の大きさの３％以下であり、および／または前記シャドウキャスト縞パターンの第５高調波の大きさが、前記第１高調波の前記大きさの３％以下である請求項１に記載のシャドウキャストエンコーダ。
4. 前記シャドウキャスト縞パターンを生成するために、前記スケールを照明するための複数の電磁放射源を備え、前記電磁放射源は、装置測定方向において、距離Ｄだけ間隔を空けられ、
   

   

   であり、ここで、
   ｆは、前記スケールのピッチであり、
   ｈは、打ち消される高調波の次数であり、
   ｓは、源の数であり、
   ｎ_iは、３つ以上の源が存在する場合、同じであるかまたは間隔ごとに異なることがある整数であり、
   Ｍは、倍率である
   請求項１に記載のシャドウキャストエンコーダ装置。
5. 前記複数の電磁放射源は、２つの電磁放射源、または３つの電磁放射源を備える請求項４に記載のシャドウキャストエンコーダ。
6. 前記第１高調波の高調波は、前記第３高調波または前記第５高調波である請求項４または５に記載のシャドウキャストエンコーダ。
7. 前記電磁放射源は、前記装置測定方向に平行なそれの広がりに沿ったそれの放射電力が、前記シャドウキャスト縞の前記合算高調波歪みが達成されるように変化するように構成されるように構成される請求項１乃至６のいずれか一項に記載のシャドウキャストエンコーダ。
8. 前記少なくとも１つの電磁放射源は、放射電力のそのような変化を生成するために、それの幅がそれの広がりに沿って変化するように成形される請求項１乃至７のいずれか一項に記載のシャドウキャストエンコーダ。
9. 前記少なくとも１つの電磁放射源は、三角形である放射電力プロファイルを生成する請求項９または請求項１０に記載のシャドウキャストエンコーダ。
10. スケール周期が少なくとも４０μｍである請求項１乃至９のいずれか一項に記載のシャドウキャストエンコーダ。
11. 前記エンコーダがインクリメンタルエンコーダである請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のシャドウキャストエンコーダ。
12. 細分誤差（ＳＤＥ）が０．１５μｍ未満である請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のシャドウキャストエンコーダ。
13. 前記少なくとも１つの電磁放射源は、前記シャドウキャスト縞パターンの前記合算高調波歪みが６％以下であるように構成される請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のシャドウキャストエンコーダ。
14. スケールと、リードヘッドとを備える、シャドウキャストエンコーダ装置であって、前記リードヘッドは、シャドウキャスト縞パターンを、前記シャドウキャスト縞パターンを検出するように構成された検出器において生成するために、前記スケールを照明するための少なくとも１つの電磁放射源を備え、
    前記少なくとも１つの電磁放射源は、前記シャドウキャスト縞パターンの第３高調波の大きさが、前記シャドウキャスト縞パターンの第１高調波の大きさの３％以下を含み、３％以下であり、および／または前記シャドウキャスト縞パターンの第５高調波の大きさが、前記第１高調波の前記大きさの３％以下であるように構成される
    シャドウキャストエンコーダ装置。
15. スケールと、リードヘッドとを備える、シャドウキャストエンコーダ装置であって、前記リードヘッドは、シャドウキャスト縞パターンを生成するために、前記スケールを照明するための複数の電磁放射源からなる少なくとも１つのグループと、前記シャドウキャスト縞パターンを検出するための検出器とを備え、
    前記電磁放射源は、装置測定方向において、距離Ｄだけ間隔を空けられ、
    

    

    であり、ここで、
    ｆは、前記スケールのピッチであり、
    ｈは、打ち消される高調波の次数であり、
    ｓは、源の数であり、
    ｎ_iは、３つ以上の源が存在する場合、同じであるかまたは間隔ごとに異なることがある整数であり、
    Ｍは、倍率である
    シャドウキャストエンコーダ装置。

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