JP6332987B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載の上位概念による光学式エンコーダに関する。

公知の光学式エンコーダは、リニアスケール及びこのリニアスケールに対して可動な走査装置を有する。一般に、光源、光電検出素子及びレンズ、格子等の光学素子が、この走査装置内に配置されている。しかしながら、特定の使用状況に対しては、これらの全ての素子を有する走査装置が、場合によっては非常に大きく構成されうる。さらに、妨害電磁場又は高温に起因した当該走査装置の能動部品の望まない影響が、特定の用途で発生しうる。さらに、光源の電力損失に起因した熱が、測定精度に影響しうる。

それ故に、走査されるリニアスケール及びこのリニアスケールに対して可動な受動的な光ファイバ走査ヘッドだけが、実際の測定地点に配置される光学式エンコーダのための解決手段が公知である。光源及び光電検出素子のような、走査機能に関連するその他の能動部品は、当該測定地点から空間的に離れて配置され、且つ光ファイバを通じて光ファイバ走査ヘッドに接続されている。こうして、非常にコンパクトに構成される装置が、実際の測定地点で構成され得る。さらに、走査側の、各種能動部品に対する悪影響も減少され得る。

上記エンコーダは、例えば、本出願人の独国特許出願公開第１０２００７０２４３４９号明細書で提唱されてある。この明細書に開示されたエンコーダは、反射型リニアスールとして形成されたリニアスケールのほかに、このリニアスケールに対して少なくとも１つの測定方向に移動可能な光ファイバ走査ヘッドを有する。当該エンコーダのその他の部品が、適切な光ファイバを経由して、この光ファイバ走査ヘッドの後方に空間的に離れて配置されている。例えば、光学式の走査に必要な光源、複数の光電検出素子及び場合によっては、信号を生成して信号をさらに処理するためのその他の能動部品が、これらの部品に属する。さらに、当該完全に受動的な光ファイバ走査ヘッドは、走査板と、信号を生成する照射ビーム束を供給して帰還させるための光ファイバの端部とを有する。複数の位相差走査信号を生成するため、当該走査信号を波長に応じてコード化することが提唱されている。このため、当該走査板は広帯域で照射され、且つ、この走査板は、複数の単位格子から構成される。これらの単位格子はそれぞれ、複数の領域から構成される。これらの領域は、照射スペクトルの幾つかの波長領域に対して透過性である。このため、当該走査板の単位格子ごとの当該異なる領域が、例えば、異なる波長を透過させる部分エタロンとして形成されている。しかしながら、当該独国特許出願公開第１０２００７０２４３４９号明細書で利用される走査原理は、反射型リニア格子側の、非常に小さい目盛周期に対しては使用され得ない。何故なら、部分エタロンの波長に関係する透過性を維持しつつ、当該部分エタロンを任意に小さくすることができないからである。

独国特許出願公開第１０２００７０２４３４９号明細書

本発明の課題は、高い分解能の位置測定が可能である受動的な光ファイバ走査ヘッドを有する光学式エンコーダを提供することにある。

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。

本発明の光学式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。

本発明の光学式エンコーダは、光ファイバ走査ヘッドと、この光ファイバ走査ヘッドに対して少なくとも１つの測定方向に可動な反射型リニアスケールとの相対位置に関する複数の位相差走査信号を生成するために使用される。当該光ファイバ走査ヘッド内では、走査板が、光ファイバの、リニアスケール側の端部の前方に配置されている。位相差走査信号が、波長に応じてコード化される。
・走査板上に入射した１つのビーム束が、少なくとも２つの部分ビーム束に分割され、これらの部分ビーム束が、反射型リニアスケールに照射され、次いで位相差走査信号を生成するために再集束して互いに干渉し、
・これらの部分ビーム束が、当該分割と当該再集束との間に異なる光路長を進行するように、当該走査板は形成されている。

好適な実施の形態では、さらに、少なくとも２つの部分ビーム束が、走査板と反射型リニアスケールとの間でこの走査板の法線に対して対称に伝播し、これらの部分ビーム束のリトロー角度を成してこの反射型リニアスケールに照射されるように、当該走査板は形成されている。

特に、使用される反射型リニアスケールは、±１次の回折次数で最大回折効率を有する。

光ファイバが、マルチモード光ファイバとして形成されていて、光ファイバ走査ヘッドに向けて照射するために使用されるビーム束と、この光ファイバ走査ヘッドから離れるように再集束する部分ビーム束との双方が、当該光ファイバを通じて伝送可能であることが提唱され得る。

さらに、光ファイバの、リニアスケールに面しない端部に、
・スペクトル広帯域の１つの光源、又は、
・異なる波長の放射光を放射する複数の光源
が配置されていることが可能である。当該光源の放射光が、照射ビーム束としてカップリング手段を通じて光ファイバ内に入射可能である。

この場合、検出装置が、光ファイバの、リニアスケールに面しない端部に配置され得る。当該検出装置は、
・再集束した部分ビーム束を波長に応じて分光するための分光手段、及び
・複数の光電検出素子を有する。これらの光電検出素子は、当該分光された部分ビーム束を転送可能であり、且つ当該検出された部分ビーム束を電気的な位相差走査信号に変換する。

好ましくは、当該走査板は、板状で透過性の基板として形成されている。この場合
・第１透過格子が、走査板の、光ファイバに面した面上に配置されている。この第１透過格子は、この第１透過格子上に入射するビーム束を少なくとも２つの回折部分ビーム束に分割する。これらの回折部分ビーム束は、走査板の法線に対して非対称に引き続き伝播する。
・第２透過格子が、走査板の、反射型リニアスケールに面した面上に配置されている。第１透過格子からこの第２透過格子上に入射する複数の部分ビーム束が、走査板の法線に対して互いに対称にこの走査板とこの反射型リニアスケールとの間を伝播し、これらの部分ビーム束のリトロー角度を成してこの反射型リニアスケールに照射されるように、この第２透過格子は、当該複数の部分ビーム束を回折させる。

有利には、第１透過格子及び第２透過格子がそれぞれ、ブレーズド位相格子として形成されている。

第１透過格子と第２透過格子とが、測定方向に沿って周期的な位相変化を有することが提唱され得る。

さらに、第１透過格子上に入射する部分ビームにコリメート作用をこの第１透過格子を通じて及ぼすように、この第１透過格子を形成することが可能である。

特に、位相差走査信号に寄与する複数の信号成分の多重走査を設定するため、走査板の厚さ及び／又はこの走査板上に配置された両透過格子の格子パラメータが適切に選択されている。

別の実施の形態では、直線偏光された１つのビーム束が、走査板上に入射することが提唱され得る。この場合、
・第１透過格子が、走査板の、光ファイバに面した面上に配置されている。この第１透過格子は、この第１透過格子上に入射するビーム束を少なくとも２つの回折部分ビーム束に分割する。
・複屈折要素が、走査板の、反射型リニアスケールに面した面上に配置されている。この複屈折要素内では、当該分割された複数の部分ビーム束が、走査板の法線に対して非対称に引き続き伝播し、この走査板を離れた後に、この走査板の法線に対して互いに対称に、この走査板とこの反射型リニアスケールとの間を伝播し、これらの部分ビーム束のリトロー角度を成してこの反射型リニアスケールに照射される。

有益には、位相差走査信号に寄与する複数の信号成分の多重走査を設定するため、複屈折要素の厚さが適切に選択されている。

さらに、分光手段が、ビーム路内に連続して配置された複数の回折格子を有することが提唱され得る。

さらに、反射防止膜が、光ファイバの、リニアスケールに面しない端部に配置されていること、及び／又は、光ファイバの当該端部が、斜め研磨されていることが可能である。

本発明の光学式エンコーダによれば、高い分解能の位置測定も、受動的な光ファイバ走査ヘッドによって実施できる。すなわち、非常に小さい目盛周期を有する反射型リニアスケールが、当該光ファイバ走査ヘッドを用いて走査され得る。

その他の利点としては、分割された複数の部分ビーム束が、光ファイバ走査ヘッドと反射型リニアスケールとの間で対称に進行するので、本発明の装置は、当該走査間隔の変動に対して非常に鈍感である。つまり、特に、計測される位置が、当該走査間隔から影響を受けないことが指摘され得る。

さらに、本発明の光学式エンコーダの受動的な光ファイバ走査ヘッドは、非常に簡単な構造を成し、且つ非常にコンパクトに構成される。

以下に、本発明のさらなる詳細及び利点を図面に示された本発明のエンコーダの実施の形態に基づいて説明する。

本発明のエンコーダの第１の実施の形態を大まかに示す。 第１の実施の形態の走査板の上面上の第１透過格子の位相変化を大まかに示す。 第１の実施の形態の走査板の下面上の第２透過格子の位相変化を大まかに示す。 本発明のエンコーダの第２の実施の形態の一部を大まかに示す。 第２の実施の形態の走査板の上面上の第１の透過格子の位相変化を大まかに示す。 本発明のエンコーダの第３の実施の形態の一部を大まかに示す。 第２の実施の形態の走査板の上面上の第３の透過格子の位相変化を大まかに示す。 本発明のエンコーダの第４の実施の形態の一部を大まかに示す。 第２の実施の形態の走査板の上面上の第４の透過格子の位相変化を大まかに示す。

以下に、本発明のエンコーダの第１の実施の形態を図１、２ａ及び２ｂに基づいて説明する。

図示された実施の形態の光学式エンコーダは、反射型リニアスケール１０を有する。この反射型リニアスケール１０は、光ファイバ走査ヘッド２０に対して相対移動可能に、示された測定方向ｘに配置されている。この場合、反射型リニアスケール１０が固定式に配置され且つ光ファイバ走査ヘッド２０が移動式に配置され得る、又は、反射型リニアスケール１０が移動式に配置され且つ光ファイバ走査ヘッド２０が固定式に配置され得る。反射型リニアスケール１０及び光ファイバ走査ヘッド２０は、−図示されなかった−２つの物体に結合されている。これらの物体は、測定方向ｘに互いに相対移動可能であり、これらの物体の向き合った相対位置が測定され得る。この場合、これらの物体は、例えば、１つの機械の、相対位置が検出されなければならない相対移動する２つの部品でもよい。このとき、当該エンコーダによって生成された位置に応じた走査信号が供給される、後続配置された、同様に図示されなかった測位装置によって、これらの部品に対応する所在地又は位置が制御され得る。

図示された実施の形態の反射型リニアスケール１０は、反射型リニア位相格子として形成されている。この反射型リニア位相格子の反射光が、光ファイバ走査ヘッド２０によって走査される。この反射型リニアスケール１０は、測定方向ｘに周期的に配置された、異なる移相作用を呈する複数の目盛領域から構成される。これらの目盛領域は、長方形を成す。この場合、長方形の長手軸が、示されたｙ方向に沿って延在する。このｙ方向は、当該反射型リニアスケール平面内で測定方向ｘに対して垂直に配向されている。

当然に、図示された実施の形態とは違って、反射型ロータリースケールも、ラジアル目盛又はドラム目盛として本発明のエンコーダで使用され得る。

反射型リニアスケール１０は、光ファイバ３０を通じて照射ビーム束を供給することによって照射される。このため、スペクトルを広帯域化した光源４０が、光ファイバ３０の、反射型リニアスケールに対向していない端部に配置されている。この光源４０の放射光が、コリメートレンズ４１、ビームスプリッタ４２及びカップリングレンズ４３としてのカップリング手段を通じてこの光ファイバ３０の中に入射される。例えば、８５０ｎｍの中心波長で放射し且つ６０ｎｍのスペクトル幅を有する赤外線発光ダイオードが、十分に広い帯域の放射スペクトルを有する適切な光源４０として考えられる。

光源４０の活性面が、カップリングレンズ４３の焦点距離とコリメートレンズ４１の焦点距離との図示された関係を成す配置によって光ファイバ３０の入射面内に投影される。この場合、光が、最大許容光出力で入射するように、当該投影倍率が、最適化され得る。

さらに、光源４０のほかに、検出装置５０も、光ファイバ３０の、反射型リニアスケールに対向していない端部に設けられている。複数の位相差走査信号が、この検出装置５０によって、供給された複数の重畳部分ビーム束から生成される。反射型リニアスケール１０によって反射されて重畳されたこれらの部分ビーム束は、光ファイバ３０を通じて検出装置５０に供給される。この検出装置５０の詳細な構成については、別に記載されている。当該位相差走査信号が、この検出装置５０から−図示されなかった−測位装置に供給される。この測位装置は、相対移動する物体の所在地又は位置を制御する目的で当該位相差走査信号を利用する。

したがって、特に光源４０及び検出装置５０のような、本発明のエンコーダの様々な能動部品が、実際の測定地点から空間的に離れて配置されていて、光ファイバ３０だけを通じてこの測定地点に光学式に結合されている。すなわち、一方では、これらの能動部品に対する悪影響の最小化が保証されていて、他方では、受動的な光ファイバ走査ヘッド２０が、測定地点で非常にコンパクトに構成され得る。

光ファイバ３０は、好ましくはマルチモード光ファイバとして形成されている。反射型リニアスケール１０に向かう、照射するために利用される照射ビーム束と、反射型リニアスケール１０から検出装置５０の方向に向かう検出するために利用される重畳部分ビーム束との双方が、当該光ファイバ３０を通じて伝送可能である。

第１の実施の形態に関して以下で詳しく説明される光ファイバ走査ヘッド２０の構成が、本発明にとって重要である。図１から分かるように、この実施の形態では、光ファイバ走査ヘッド２０は、光ファイバ３０の、反射型リニアスケール側の端部の前方に配置されている走査板２１と、レンズ２２としての屈折光学素子とを有する。この場合、このレンズ２２は、光ファイバ３０と光ファイバ走査ヘッド２０内の走査板２１との間に配置されている。この光ファイバの出射面から入射するビーム束が、レンズ２２を通じて、光学軸ＯＡに沿った光ファイバ走査ヘッド１０の方向の経路上でコリメートされる、又は、光ファイバ走査ヘッド１０の方向からレンズ２２に向かって入射する部分ビーム束が、このレンズ２２を通じて、光ファイバ３０の中に再び入射される、つまりこの光ファイバの入射面上に集光される。

透明なガラス製支持基板が、走査板２１として使用される。第１透過格子２３が、当該支持基板の、光ファイバ３０に面した側（上面）に配置されていて、第２透過格子２４が、反射型リニアスケール１０に面した側（下面）に配置されている。

レンズ２２を通じてコリメートされて第１透過格子２３上に入射するビーム束が、この第１透過格子２３を通じて少なくとも２つの回折部分ビーム束に分割される。これらの回折部分ビーム束は、当該分割後に走査板２１内でこの走査板の法線に対して非対称に引き続き伝播する。すなわち、この実施の形態では、例えば、図１に示された光学軸ＯＡが、当該走査板の法線を示す。第１透過格子２３は、ブレーズド位相格子として形成されている。このブレーズド位相格子は、最大の回折効率を＋１次及び−２次の回折次数で有する。したがって、これらの両回折次数は、走査ビーム路内の、非対称に引き続き伝播する部分ビーム束を示す。これらの部分ビーム束は、位相差に関係する走査信号を生成するために利用され、分割と再集束のとの間に異なる光路を進行する。

分割された部分ビーム束は、走査板２１の透過後に、この走査板２１の、反射型リニアスケール１０に面している片面に配置されている第２透過格子２４上に到達する。次いで、これらの部分ビーム束が、当該走査板の法線に対して対称にこの走査板２１とこの反射型リニアスケール１０との間を引き続き伝播するように、第２透過格子２４が、第１透過格子２３から入射する部分ビーム束を回折させる。さらに、これらの部分ビーム束が、いわゆるリトロー角度を成して反射型リニアスケール１０上に入射するように、これらの部分ビーム束は、第２透過格子２４によって回折される。これらの部分ビーム束が、リトロー角度を成して反射型リニアスケール１０上に入射する結果、これらの部分ビーム束は、同じ角度で反射型リニアスケール１０から走査板２１に向かって戻るように反射される。これらの部分ビーム束は、当該同じ角度でこの走査板２１に向かって入射する。第２透過格子２４は、同様にブレーズド位相格子として形成されている。つまり、この位相格子の最大回折効率が、＋１次及び−１次の回折次数で最適化されている。

これらの部分ビーム束は、反射型リニアスケール１０での戻り反射後に、走査板２１の下面の第２透過格子２４を新たに透過し、第１透過格子２３で再集束するまで、走査板２１の法線に対して非対称にこの走査板内で伝播する。この透過格子に対して＋１次及び−２次の回折次数で分割された部分ビーム束が、走査板２１の上面の第１透過格子２３で重畳干渉光になる。次いで、最終的には、当該重畳された一対の部分ビーム束が、光学軸ＯＡに沿ってレンズ２２の方向に伝播し、このレンズ２２を通じて光ファイバ３０中に入射される。

独国特許出願公開第１０２００７０２４３４９号明細書で既に開示されているように、本発明は、位相差走査信号を波長に応じてコード化することが提唱されている。このことは、当該位相差走査信号が、異なる波長を有する回折スペクトルの複数の成分から生成されることを意味する。したがって、第１透過格子での分割と再集束との間に信号生成される複数の部分ビーム束の非対称なビーム路と、こうして生成される異なる光路長とが、当該位相差走査信号のために重要である。分割と再集束との間のこれらの部分ビーム束が、当該異なる光路長を進行する。したがって、当該ビーム路のこの領域内の非対称なビーム路が、分割されたこれらの部分ビーム束間に、波長に関係する位相差をもたらす。

位相差走査信号を波長に応じてコード化するため、さらに、第１透過格子２３が、周期的な位相変化Δｐ（ｘ）を測定方向ｘに有することが提唱されている。第１透過格子２３のこの周期性は、図２ａの第１透過格子２３の縦断面図とその概略平面図との双方から分かる。第１透過格子２３の、４つのステップに量子化して形成されている一目盛周期ＴＰ_Ｇ１内には、図示された実施の形態では、異なる４つの移相目盛領域が設けられている。当該４つの移相目盛領域は、位相０°、９０°、１８０°、２７０°を有する位相差走査信号に割り当てられている。つまり、図２ａの表示では、これらの異なる移相目盛領域は、異なるハッチングで表示されている。当然に、この第１透過格子は、４つより多いステップ、例えば８つのステップで量子化されて形成されてもよい。

この場合、測定方向ｘに沿った第１透過格子２３の位相変化Δｐ（ｘ）は、第１の実施の形態では、以下のように表記され得る。

（方程式１）
ｍ：＝２、０、−２、−３、．．．（第１透過格子の＋１次の回折次数以外に使用される非対称な別の回折次数；上記では、ｍ＝−２）
ＴＰ_Ｇ１：＝第１透過格子の目盛周期

また、図１の横断面図及び図２ｂの平面図から見て取れるように、走査板の下面の第２透過格子２４は、４つのステップに量子化して形成されている。この第２透過格子２４の１つの目盛周期ＴＰ_Ｇ２内では、同様に異なる４つの移相目盛領域が設けられている。当該４つの移相目盛領域は、位相０°、９０°、１８０°、２７０°を有する４つの位相差走査信号に割り当てられている。

本発明の光学式エンコーダの実施の形態を具体的に構成するためには、以下で示すように、関与するビーム束、部分ビーム束及び格子の波数ベクトルつまりｋベクトルを検討することが有益である。

すなわち、第１透過格子２３で発生する＋１次の回折次数の部分ビーム束のｋベクトルは、ｋ_１で示される。したがって、当該同じ透過格子２３に対する−２次の回折次数のｋベクトルは、−２ｋ_１になる。ｋベクトルｋ_２を有する第２透過格子２４では、その他のビーム路で必要な対称性に起因して、ｋベクトルｋ_２＝ｋ_１／２が、２つの部分ビーム束に対して加算される。したがって、ｋ_{Ｓｔｒａｈｌ}＝３ｋ_１／２に応じたｋベクトル及びｋ_{Ｓｔｒａｈｌ}＝−３ｋ_１／２に応じたｋベクトルが、反射型リニアスケール１０の方向に引き続き伝播する当該両部分ビーム束に対して発生する。それ故に、これらのｋベクトルｋ_{Ｓｔｒａｈｌ}の絶対値が、このビーム路部分内の当該両部分ビーム束に対して等しい。リトローの条件を満たすためには、反射型リニアスケール１０のｋベクトルｋ_Ｍの絶対値が、それぞれのｋベクトルｋ_{Ｓｔｒａｈｌ}の絶対値の２倍の大きさに選択される必要がある。すなわち、ｋ_Ｍ＝３ｋ_１が成立する必要がある。

第１透過格子２３の上述した構成の代わりに、走査板２１内で引き続き伝播するその他の非対称な回折次数に対して、すなわち−２次及び＋１次の回折次数に対してではなくて、その他の非対称な回折次数の組み合わせ、例えば、０次及び１次の回折次数又は＋１次及び−３次の回折次数等に対して、この第１透過格子２３を最適化することが提唱され得る。例えば、＋１次の回折次数以外で、−２次の回折次数の代わりに、以下ではｍ次の回折次数と呼ばれる別の回折次数が使用される場合、走査板２１の下面上の第２透過格子２４のｋベクトルｋ_２に対して、

（方程式２）
ｋ_２：＝第２透過格子のｋベクトル
ｋ_１：＝第１透過格子のｋベクトル
ｍ：＝２、０、−２、−３、．．．（第１透過格子の＋１次の回折次数以外に使用される非対称な別の回折次数；上記では、ｍ＝−２）
が成立する。

したがって、反射型リニアスケール１０上に照射される２つの部分ビーム束のｋベクトルｋ_{Ｓｔｒａｈｌ}に対して、

（方程式３）
ｋ_{Ｓｔｒａｈｌ}：＝反射型リニアスケール１０上に照射される２つの部分ビーム束のｋベクトル
ｋ_２：＝第２透過格子のｋベクトル
ｋ_１：＝第１透過格子のｋベクトル
ｍ：＝２、０、−２、−３、．．．（第１透過格子の＋１次の回折次数以外に使用される非対称な別の回折次数；上記では、ｍ＝−２）
が成立する。

したがって、

（方程式４）
ｋ_Ｍ：＝反射型リニアスケールのｋベクトル
ｋ_１：＝第１透過格子のｋベクトル
ｍ：＝２、０、−２、−３、．．．（第１透過格子の＋１次の回折次数以外に使用される非対称な別の回折次数；上記では、ｍ＝−２）
による反射型リニアスケール１０のｋベクトルｋ_Ｍの絶対値が得られる。

ｋ_１が、方程式４から求まる。

（方程式４ａ）
これに応じて、第１透過格子の目盛周期ＴＰ_Ｇ１及び第２透過格子の目盛周期ＴＰ_ＧＰ２に対して、

（方程式４ｂ）
及び

（方程式４ｃ）
ｋ_Ｍ：＝反射型リニアスケールのｋベクトル
ｋ_１：＝第１透過格子のｋベクトル
ｍ：＝２、０、−２、−３、．．．（第１透過格子の＋１次の回折次数以外に使用される非対称な別の回折次数；上記では、ｍ＝−２）

反射型リニアスケール１０の目盛周期ＴＰ_Ｍが、例えばＴＰ_Ｍ＝４μｍに選択される場合、方程式（４ｂ）においてｍ＝−２のときに、第１透過格子２３の目盛周期ＴＰ_Ｇ１が、ＴＰ_Ｇ１＝１２μｍに選択され、方程式（４ｃ）にしたがって、第２透過格子２４の目盛周期ＴＰ_Ｇ２が、ＴＰ_Ｇ２＝２４μｍに選択され得る。

既に上述したように、非常に小さい目盛周期ＴＰ_Ｍを有する反射型リニアスケールの可能な走査のほかに、走査信号の生成が、反射型リニアスケール１０と光ファイバ走査ヘッド２０との間の走査距離の変動にほとんど関係ないことが、本発明の装置のさらなる利点として奏される。当該利点は、上記両部分ビーム束が、第２透過格子２４と反射型リニアスケール１０との間で走査板の法線に対して対称に伝播することに起因する。実際に対称な回折次数を有する２つの部分ビーム束が、反射型リニアスケール１０に照射されるために、干渉するこれらの部分ビーム束間の光路差が、当該走査距離に関係しない。

本発明の光学式エンコーダでは、位相差走査信号が、照射スペクトルの異なる複数のスペクトル成分から生成される。当該位相差走査信号の生成を、希望した数の位相差走査信号に対して可能にするためには、或る程度の検討が、当該方式を実現するために必要である。すなわち、当該検討のためには、最初に、照射スペクトルの異なる波長λ_１、λ_２から成る２つの信号の位相差Δｐ（λ_１、λ_２）を、信号周期で表記することが必要である。この関係は、第１の実施の形態では以下のようになる。

（方程式５）
λ_１、λ_２：＝照射スペクトルから成る異なる波長
ｍ：＝２、０、−２、−３、．．．（第１透過格子の＋１次の回折次数以外に使用される非対称な別の回折次数；上記では、ｍ＝−２）
ｎ_ｒｅｆ１、ｎ_ｒｅｆ１：＝波長λ_１、λ_２のときの走査板の分散に関係する屈折率
ＴＰ_Ｇ１：＝第１透過格子の目盛周期
ｄ_Ａｐ：＝走査板の厚さ

以下に、本発明の光学式エンコーダの第１の実施の形態のための具体的な構成例を説明する。

この場合、８５０ｎｍの中心波長と６０ｎｍのスペクトル幅とを有する赤外線発光ダイオードが、光源として使用される。４つの位相差走査信号が、出力側で取得されなければならない場合、当該光源の全波長領域から成るこれらの４つの信号成分の各々の二重走査が実行される。すなわち、それぞれ９０°位相差のある８つの信号成分が、当該使用可能な６０ｎｍの光源のスペクトル領域から取得される必要がる。受信機側の、対応する高いスペクトル分解能によって、当該信号成分の、さらに高い分解能の走査も考えられる。その結果、光源のスペクトルが、例えば温度の影響によって変化しても、より良好な安定性が得られる。上記に提唱されている二重走査のときに、当該８つの信号成分を生成するためには、３０ｎｍの波長差のときに、１（３６０°）の位相差が発生するように、走査板２１の厚さｄ_Ａｐ及び／又はこの走査板２１上に配置された透過格子の格子パラメータが決定される必要がある。具体的な実施の形態では、クウォーツが、走査板２１用の材料として使用される（ｎ_ｒｅｆ≒１．４５２）。さらに、上記に挙げられた目盛周期ＴＰ_Ｍ＝４μｍ、ＴＰ_Ｇ１＝１２μｍ、ＴＰ_Ｇ２＝２４μｍが、反射型リニアスケール１０並びに第１透過格子２３及び第２透過格子２４に対して適用される。走査板２１の厚さｄ_Ａｐに関する上記方程式（５）を解くと、ｄ_Ａｐ＝２．２８ｍｍに相当する当該走査板に必要な厚さｄ_Ａｐが求まる。したがって、対応する位相差が、方程式（５）にしたがって波長変化ごとに求まるように、走査板２１の厚さｄ_Ａｐ及び／又はこの走査板２１上に配置された透過格子の格子パラメータが、本発明のエンコーダにおいて決定される。

図１には、本発明の光学式エンコーダの上述した構成要素のほかに、さらに、波長に応じてコード化された位相差走査信号を検出するために使用される検出装置５０が示されている。

このため、光ファイバ３０の、反射型リニアスケールに面しない端部に配置されている当該検出装置５０は、大まかに示された、重畳された部分ビーム束を波長に応じて分光するための分光手段５１を有する。当該部分ビーム束は、光ファイバ３０を通じて検出装置５０の方向に伝送される。この例では、分光手段５１が、回折格子型の分散素子として形成されている。光が、分光手段５１の後方に配置されたレンズ５２を通じて、構造化された光検出器５３上に集光される。ここでは、この光検出器５３は、８つの個別検出素子から構成される。この場合、１つの所定の波長の当該投影された光は、集光面内で円を形成する。この円の直径は、光ファイバ３０のファイバコアの直径と、レンズ５２とカップリングレンズ４３との焦点距離比との積によって算出される。それ故に、当該光ファイバの端部の複数の円形投影光が、空間的に分離して存在するように、すなわち別々に検出可能であるように、分光手段５１の分散度が十分に大きくなくてはならない。本発明の実施の形態では、１つの位相差は、３０ｎｍ／３６０°に相当する。

例えば、９０°ずつ移相されている４つの走査信号が生成されるときは、これに応じて、７．５ｎｍのスペクトル分解能が必要である。この場合、各走査信号は、３６０°の位相差ごとに繰り返し走査され得る。こうして、全ての光源スペクトルが利用され得る一方で、例えば温度誘導された波長シフトが、生成された走査信号の振幅にほとんど影響しない。

必要に応じて、検出装置５０内にさらに追加して配置され得る、信号を処理するためのその他の構成要素は、図１には示されていない。例えば、増幅器、Ａ／Ｄ変換器等が、当該その他の構成要素に属される。走査新号が、さらなる処理のために図示されなかった後続の電子機器に対して伝送される前に、当該走査信号は、上記その他の構成要素によってさらに演算処理されて評価される。

また、十分な分解能を小型の評価装置で達成するため、光路内に連続して配置された複数の回折格子を分光手段５１として使用することが可能である。このため、これらの回折格子が、ほぼリトロー角度を成して照射されるときに、これらの回折格子の高い回折効率が達成され得る。この条件下では、カップリングレンズ４３の焦点距離ｆが、特に以下のように決定され得る。

（方程式６）
λ：＝平均波長
ｄ：＝回折格子の格子定数
Ｄ_ｆ：＝光ファイバの端部の直径
Ｎ：＝使用された回折格子の数
Δλ：＝必要な波長分解能

さらに、入射光が光ファイバの端部で反射することによって検出路内に到達する連続光成分を減少させることが好ましい。当該連続光の減少は、反射防止膜を光ファイバの端部上にコーティングすることによって達成され得る。この代わりに又はこれに加えて、光ファイバの端部を斜め研磨することによって、入射時に反射した光が、検出路内に到達することが阻止され得る。

この代わりに又はこれに加えて、本発明の装置では、さらに、未変調スペクトルが、一緒に測定され得る。このため、斜め研磨された光ファイバの端部で反射された光が、例えば、当該出射側の光ファイバの端部とカップリングレンズとの間のプリズム又は回折素子によって偏光され得る結果、当該反射された光は、実際にはこの光ファイバの端部に対してずれた地点から出射される。その結果、変調スペクトルの隣に空間的にずれるように、未変調スペクトルが、検出素子基板の平面内でさらに取得され得る。当該未変調スペクトルは、追加の検出素子によって検出可能である。こうして取得された情報は、照射スペクトルの変化から生じる信号誤差を補正するために利用され得る。

第１の実施の形態と僅かに異なる本発明の光学式エンコーダの第２の実施の形態が、図３にその一部を示されている。この場合、測定地点側の構成要素だけが示されている。すなわち、光ファイバ走査ヘッド１２０及び反射型リニアスケール１１０が示されている。光ファイバ１３０の、この反射型リニアスケールに面しない端部側の別の構成要素は、図示していない。つまり、当該別の構成要素は、第１の実施の形態と同一である。以下に、第１の実施の形態との決定的な相違点だけを説明する。

すなわち、光ファイバ走査ヘッド１２０の第２の実施の形態では、独立したレンズが、走査板１２１の上面上の、光ファイバ１３０と第１透過格子１２３との間にもはや存在しない。第１の実施の形態とは違って、このレンズに対応する光学機能が、第１透過格子１２３にさらに組み込まれている。当該構成は、第１透過格子１２３が、既に上述した光学機能のほかに、コリメート作用をも光ファイバ１３０から入射するビーム束に及ぼすことを意味する。反対方向に伝播する重畳部分ビーム束が、当該第１透過格子１２３を透過することによって光ファイバ１３０内に入射される、すなわち対応する光ファイバの入射面内に集光される。第１の実施の形態に比べてさらにコンパクトな光ファイバ走査ヘッド１２０が構成される。さらに、本発明の装置の製造時の独立したレンズに関する調整コストがかからない。

図４は、当該追加の光学機能を有する第１透過格子１２３で発生する位相変化の平面図である。

上記以外の位相差走査信号及びその他の詳細は、第１の実施の形態の説明に記載されている。

本発明の光学式エンコーダの第３の実施の形態が、図５及び図６に示されている。以下に、この第３の実施の形態の説明では、第１の実施の形態との決定的な相違点について最初に言及する。

図５には、再度、測定地点の領域だけが示されている。図６は、第１透過格子の位相変化を大まかに示す。光を光ファイバ２３０内に入射させること、及び、重畳部分ビーム束を検出することは、既に説明した実施の形態と同様である。

光ファイバ走査ヘッド２２０内の光ファイバ２３０から出射するビーム束が、第１の実施の形態のように、光路上のレンズ２２２を透過して反射型リニアスケール２１０の方向に光学軸ＯＡに沿ってコリメートされる。次いで、当該コリメートされたビーム束は、偏光子２２５を透過する。当該ビーム束は、この偏光子２２５を透過すると直線偏光したものになる。この場合、当該偏光方向は、測定方向ｘに配向されている。引き続き、当該直線偏光されたビーム束は、走査板２２１、つまり第１透過格子２２３上に照射される。この第１透過格子２２３は、この走査板２２１の、光ファイバ２３０に面した面上に配置されている。この実施の形態では、上述の２つの実施の形態と違って、入射したビーム束が、第１透過格子２２３を透過して＋１次の回折次数の部分ビーム束と−１次の回折次数の部分ビーム束とに分割される。この場合、第１透過格子２２３は、位相格子として形成されていて、且つ目盛周期ＴＰ_Ｇ１を有する。この目盛周期ＴＰ_Ｇ１は、反射型リニアスケール２１０の目盛周期ＴＰ_Ｍの半分に相当する。

次いで、当該分割された複数の部分ビーム束は、走査板２２１を伝播し、複屈折要素２２６内に到達する。この複屈折要素２２６は、この走査板２２１の、反射型リニアスケール２１０に面した面上に配置されている。次いで、当該分割された複数の部分ビーム束は、この走査板２２１のこの複屈折要素２２６内で非対称に引き続き伝播する。これらの部分ビーム束の、測定方向ｘの直線偏光に起因して、非偏光（自然光）（ｏｒｄｅｎｔｌｉｃｈｅｎ Ｓｔｒａｈｌｅｎ）の伝播が、この複屈折要素２２６内で抑制されるように、当該非対称な伝播は、この複屈折要素２２６の選択された偏光方向によって引き起こされる。さらに、この複屈折要素２２６の楕円偏光が、走査板の法線に対して０°以外で且つ９０°以外の角度を成して生成される。したがって、第１透過格子２２３の回折地点において＋１次の回折次数と−１次の回折次数とを成す２つの偏光（ａｕｓｓｅｒｏｒｄｅｎｔｌｉｃｈｅｎ Ｓｔｒａｈｌｅｎ）の屈折率が異なる。当該屈折率が異なるのは、当該２つの部分ビーム束の伝播方向に対する複屈折要素２２６の主軸の相対角度が異なることに起因する。

本発明のエンコーダの上記の実施の形態を具体的に構成するためには、同様に、信号周期で表記された、異なる波長λ_１、λ_２に基づく２つの信号の位相差Δｐ（λ_１、λ_２）を知ることが必要である。この実施の形態では、この位相差Δｐ（λ_１、λ_２）は、複屈折要素２２６の厚さｄ_ｄＥに比例し、以下のように表記される。

（方程式７）
λ_１、λ_２：＝照射スペクトルの異なる波長
ｄ_ｄＥ：＝複屈折要素の厚さ
β_１、β_２：＝照射角度。当該分割された２つの部分ビーム束が、上面の法線に対してこの照射角度を成して複屈折要素上に入射する。
ＴＰ_Ｇ１：＝第１透過格子の目盛周期
ｎ_ｒ：＝偏光の、波長と照射方向とに関係する複屈折要素の屈折率

この場合、屈折率ｎ_ｒは、それぞれの波長λ_１、λ_２と照射方向β_１、β_２との双方に関係する。これらの異なる両照射方向β_１、β_２は、第１透過格子２２３で生じる±１次の回折次数から得られる。また、屈折率ｎ_ｒは、照射方向に関係するので、β_１及びβ_２は、複屈折媒体のための以下の屈折式から零点を求めることによって計算される。

（方程式８）
λ_ｉ＝照射スペクトルの異なる波長
ｎ_ｒ：＝偏光の、波長と照射方向とに関係する複屈折要素の屈折率
β_１，２：＝角度。当該分割された２つの部分ビーム束が、上面の法線に対してこの角度を成して複屈折要素を伝播する。
γ：＝上面の法線に対する複屈折要素の材料の配向角

したがって、当該照射方向に関係する屈折率ｎ_ｒは、

（方程式９）
によって計算される。
ｎ_ｒ：＝偏光の、波長と照射方向とに関係する複屈折要素の屈折率
ｎ_０：＝非偏光の屈折率
ｎ_ｅ：＝偏光の屈折率
Θ：＝ビーム方向β_１、β_２と複屈折要素の配向角との成す角度

当該屈折率ｎ_０、ｎ_ｅは、それぞれの波長のときに対応する複屈折材料の分散式から算出され得る。

以下に、本発明の光学式エンコーダの第３の実施の形態のための具体的な構成例を説明する。

同様に、８５０ｎｍの中心波長と６０ｎｍのスペクトル幅とを有する光源が使用される。方解石が、複屈折要素２６用の材料として設けられている。

一般に、複屈折要素２２６に必要な厚さｄ_ｄＥは、反射型リニアスケール２１０の目盛周期ＴＰ_Ｍが小さくなると共に減少する。何故なら、伝播した２つの部分ビーム束の±１次の回折次数の回折角度が、複屈折要素２２６内で大きく相違するからである。それ故に、以下では、第１透過格子２２３の１つの目盛周期ＴＰ_Ｇ１は、ＴＰ_Ｇ１＝４μｍに相当する。反射型リニアスケール２１０の目盛周期ＴＰ_Ｍは、ＴＰ_Ｍ＝２μｍになり、走査信号の１つの信号周期は、１μｍに相当する。さらに、配向角γ＝４５°が採用される。同様に、１つの位相差が、３０ｎｍ／３６０°に相当しなければならない場合は、ｄ_ｄＥ＝３．７１ｍｍに相当する複屈折要素２２６の厚さｄ_ｄＥが必要である。

複屈折要素２２６のさらによりコンパクトな構造又はより薄い厚さｄ_ｄＥは、ＡｇＧａＳｅ_２（銀ガリウムセレナイト）を複屈折要素として使用することによって達成される。上述した同じ回折角度の下では、ｄ_ｄＥ＝０．４７ｍｍに相当する複屈折要素２２６の厚さｄ_ｄＥが得られる。

最後に、本発明の光学式エンコーダの第４の実施の形態を図７及び図８に基づいて説明する。

第４の実施の形態は、上述した第３の実施の形態を基礎とし、さらに、第２の実施の形態で既に提唱されたように、レンズ２２２の光学機能が、走査板３２１の上面上の第１透過格子３２３に組み込まれるという点だけが、第３の実施の形態と相違する。当該第１透過格子３２３は、ビーム束を分割する光学機能のほかに、コリメート作用をも光ファイバ３３０から入射する当該ビーム束に及ぼす。反対方向に伝播する重畳部分ビーム束が、当該第１透過格子３２３を透過することによって光ファイバ３３０内に入射される、すなわち対応する光ファイバの入射面内に集光される。同様に、第３の実施の形態に比べてさらによりコンパクトな光ファイバ走査ヘッド３２０が構成される。

図８は、当該追加の光学機能を有する第１の透過格子３２３で発生する位相変化の平面図である。

上記以外の位相差走査信号及びその他の詳細は、第３の実施の形態又はその他の実施の形態の説明に記載されている。

当然に、本発明は、上記の説明した実施の形態以外に、さらに変更可能である。

適切な走査板の第２の実施の形態の説明に関連して言及したように、必要に応じて、ただ１つの広帯域光源の代わりに、異なる個別波長を有する複数の個別光源から成る組み合わされた光源又は光源装置を使用してもよい。この場合、実施の形態に応じて、レーザーダイオード、垂直共振器面発光レーザ、発光ダイオード、有機発光ダイオード等が、光源として使用される。ダイクロイックミラー又は適切な分散素子を用いることで、光が、これらの異なる光源から集束し、一緒に光ファイバ内に入射され得る。

９０°ずつ移相されている４つの走査信号による方式を実現することのほかに、本発明の範囲内では、当然に、１２０°ずつ移相されている３つの走査新号が生成される別の実施の形態も提唱され得る。つまり、この場合位にも、上述した４つの位相の方式と同様に、多重走査等が実現可能である。

１０ 反射型リニアスケール
２０ 光ファイバ走査ヘッド
２１ 走査板
２２ レンズ
２３ 第１透過格子
２４ 第２透過格子
３０ 光ファイバ
４０ 光源
４１ コリメートレンズ
４２ ビームスプリッタ
４３ カップリングレンズ
５０ 検出装置
５１ 分光手段
５２ レンズ
５３ 光検出器
１１０ 反射型リニアスケール
１２１ 走査板
１２３ 第１透過格子
１２４ 第２透過格子
１３０ 光ファイバ
２１０ 反射型リニアスケール
２２１ 走査板
２２２ レンズ
２２３ 第１透過格子
２２５ 偏光子
２２６ 複屈折要素
３１０ 反射型リニアスケール
３２０ 光ファイバ走査ヘッド
３２３ 第１透過格子
３２５ 偏光子
３２６ 複屈折要素
３３０ 光ファイバ
３３１ 走査板

Claims (15)

1. 光ファイバ走査ヘッドと、この光ファイバ走査ヘッドに対して少なくとも１つの測定方向に可動な反射型リニアスケールとの相対位置に関する複数の位相差走査信号を生成するための光学式エンコーダであって、前記光ファイバ走査ヘッド内では、走査板が、光ファイバの、前記反射型リニアスケール側の端部の前方に配置されていて、前記位相差走査信号が、波長に応じてコード化される当該光学式エンコーダにおいて、
   ・前記走査板（２１；１２１；２２１；３２１）上に入射した１つのビーム束が、少なくとも２つの部分ビーム束に分割され、これらの部分ビーム束が、前記反射型リニアスケール（１０；１１０；２１０；３１０）に照射され、次いで前記位相差走査信号を生成するために再集束して互いに干渉し、
   ・これらの部分ビーム束が、当該分割と当該再集束との間に異なる光路長を進行するように、前記走査板（２１；１２１；２２１；３２１）は形成されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 少なくとも２つの部分ビーム束が、前記走査板（２１；１２１；２２１；３２１）と前記反射型リニアスケール（１０；１１０；２１０；３１０）との間でこの走査板の法線に対して対称に伝播し、これらの部分ビーム束のリトロー角度を成して前記反射型リニアスケール（１０；１１０；２１０；３１０）に照射されるように、前記走査板（２１；１２１；２２１；３２１）はさらに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。
3. 前記反射型リニアスケール（１０；１１０；２１０；３１０）は、±１次の回折次数で最大回折効率を有することを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ。
4. 前記光ファイバ（３０；１３０；２３０；３３０）は、マルチモード光ファイバとして形成されていて、前記光ファイバ走査ヘッド（２０；１２０；２２０；３２０）に向けて照射するために使用される前記ビーム束と、この光ファイバ走査ヘッド（２０；１２０；２２０；３２０）から離れるように再集束する前記部分ビーム束との双方が、前記光ファイバ（３０；１３０；２３０；３３０）を通じて伝送可能であ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。
5. ・スペクトル広帯域の１つの光源（４０）、又は
   ・異なる波長の放射光を放射する複数の光源が、
   前記光ファイバ（３０；１３０；２３０；３３０）の、前記反射型リニアスケールに面しない端部に配置されていて、当該光源の放射光が、照射ビーム束としてカップリング手段を通じて前記光ファイバ（３０；１３０；２３０；３３０）内に入射可能であ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。
6. 検出装置（５０）が、前記光ファイバ（３０；１３０；２３０；３３０）の、前記反射型リニアスケールに面しない端部に配置されていて、当該検出装置（５０）は、
   ・再集束した前記部分ビーム束を波長に応じて分光するための分光手段（５１）、及び
   ・複数の光電検出素子を有し、これらの光電検出素子は、当該分光された部分ビーム束を転送可能であり、且つ当該検出された部分ビーム束を電気的な位相差走査信号に変換することを特徴とする請求項５に記載の光学式エンコーダ。
7. 前記走査板（２１；１２１）は、板状で透過性の基板として形成されていて、
   ・第１透過格子（２３；１２３）が、前記走査板（２１；１２１）の、前記光ファイバ（３０；１３０）に面した面上に配置されていて、この第１透過格子（２３；１２３）は、この第１透過格子（２３；１２３）上に入射する前記ビーム束を少なくとも２つの回折部分ビーム束に分割し、これらの回折部分ビーム束は、前記走査板の法線に対して非対称に引き続き伝播し、
   ・第２透過格子（２４；１２４）が、前記走査板（２１；１２１）の、前記反射型リニアスケール（１０；１１０）に面した面上に配置されていて、前記第１透過格子（２３；１２３）からこの第２透過格子（２４；１２４）上に入射する複数の前記部分ビーム束が、前記走査板の法線に対して互いに対称にこの走査板（２１；１２１）とこの反射型リニアスケール（１０；１１０）との間を伝播し、前記複数の部分ビーム束のリトロー角度を成してこの反射型リニアスケール（１０；１１０）に照射されるように、この第２透過格子（２４；１２４）は、前記複数の部分ビーム束を回折させ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. 前記第１透過格子（２３；１２３）及び前記第２透過格子（２４；１２４）はそれぞれ、ブレーズド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７に記載の光学式エンコーダ。
9. 前記第１透過格子（２３；１２３）及び前記第２透過格子（２４；１２４）は、測定方向に沿って周期的な位相変化を有することを特徴とする請求項８に記載の光学式エンコーダ。
10. 前記第１透過格子（１２３）上に入射する前記部分ビームにコリメート作用をこの第１透過格子（１２３）を通じて及ぼすように、この第１透過格子（１２３）はさらに形成されていることを特徴とする請求項７に記載の光学式エンコーダ。
11. 前記位相差走査信号に寄与する複数の信号成分の多重走査を設定するため、前記走査板（２１；１２１）の厚さ（ｄ_ＡＰ）及び／又はこの走査板（２１；１２１）上に配置された前記両透過格子（２３，２４；１２３，１２４）の格子パラメータが適切に選択されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の光学式エンコーダ。
12. 直線偏光された１つのビーム束が、前記走査板（２２１；３２１）上に入射し、
    ・第１透過格子（２２３；３２３）が、前記走査板（２２１；３２１）の、前記光ファイバ（２３０；３３０）に面した面上に配置されていて、この第１透過格子（２２３；３２３）は、この第１透過格子（２２３；３２３）上に入射する前記ビーム束を少なくとも２つの回折部分ビーム束に分割し、且つこの第１透過格子（２２３；３２３）上に入射するこのビーム束にコリメート作用を及ぼし、
    ・複屈折要素（２２６；３２６）が、前記走査板（２２１；３２１）の、前記反射型リニアスケール（２１０；３１０）に面した面上に配置されていて、この複屈折要素（２２６；３２６）内では、当該分割された複数の部分ビーム束が、前記走査板の法線に対して非対称に引き続き伝播し、この走査板（２２１；３２１）を離れた後に、この走査板の法線に対して互いに対称に、この走査板（２２１；３２１）と前記反射型リニアスケール（２１０；３１０）との間を伝播し、前記複数の部分ビーム束のリトロー角度を成してこの反射型リニアスケールに照射され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。
13. 前記位相差走査信号に寄与する複数の信号成分の多重走査を設定するため、前記複屈折要素（２２６；３２６）の厚さ（ｄ_ｄＥ）が適切に選択されていることを特徴とする請求項６を引用する請求項１２に記載の光学式エンコーダ。
14. 前記分光手段は、ビーム路内に連続して配置された複数の回折格子を有することを特徴とする請求項６に記載の光学式エンコーダ。
15. 反射防止膜が、前記光ファイバの、前記反射型リニアスケールに面しない端部に配置されていること、及び／又は、前記光ファイバの当該端部が、斜め研磨されていることを特徴とする請求項５に記載の光学式エンコーダ。

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