JPH09505150A - 直角回折エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 正確な一次元動作用好適位置検出システムは、９０°位相が外れた２つのディジタル出力信号を提供する回折エンコーダを使用して実現される。これら２つの出力信号は、２つの物体の間の相対運動に相当する。この回折エンコーダは、光源、コリメータレンズ、マスク、回折格子、４つの光検出器、及び２つの比較器を含む。光源からの光は、コリメータレンズを通してコリメートされ、マスク内のアパーチャを選択的に通過させられ、回折格子によって回折され、４つの光検出器によって感知され、次いで比較器によって比較されて、２つのディジタル出力信号を生成し、これらの出力信号がマスクと回折格子との間の相対運動を表現する。

Description

【発明の詳細な説明】 直角回折エンコーダ 発明の分野 この発明は、一次元位置情報を正確に提供するコード化方式を採用することに よって、装置の位置、又は装置に入射する光ビームの位置を検出する汎用エンコ ーダに関する。特に、本発明は、直角位相差を取って回折される光ビームを感知 して互いに９０度位相が外れている２つの出力信号を生成し、それゆえモータド ライバ用読出し装置及びコントローラのような標準エンコーダ支持ハードウェア に適合する直角回折エンコーダを目指している。 発明の背景 汎用光学エンコーダは、テレスコープ、フライス盤、旋盤等のような機器の正 確な位置決めを必要とする種々のシステム内で位置及び運動センシング用に普及 している。普及しているエンコーダには回転型と直線型とがあり、これらの型式 では回転エンコーダがコードホイールを使用し及び直線エンコーダが直線目盛を 使用する。両型式のエンコーダは、光源、光検出器、及び信号プロセッサを含む 。 基本的なエンコーダは、光源からコリメータレンズを通して光ブームを直線又 は回転目盛へ発射するように動作し、これらの目盛は典型的に不透明及び透明区 画の格子を含む。コリメートされた光ビームは、透過中は光検出器が高強度の光 を受け及び不透明区画がコリメートされた光を阻止するときは光を受けないよう に、透明区画を通して適当に位置決めされた光検出器へ通過する。従来のコード 化システムは強度感受性であり、それであるから光検出器による回折光の検出が 検出誤りを導入する。精細格子が検出正確度を改善するには望ましいが、光の回 折及びその結果の検出誤りを最小限に止めるには比較的粗い格子が必要である。 １９９１年３月１９日にノーズ（Nose）他に発行された米国特許第５，０００ ，５７２号は、回折光の位相を検出することによって２つの物体間の距離を測定 する距離測定システムを開示している。特に、この距離測定システムは、次を含 む。即ち、２つの物体のうちの１つの上に備えられかつこれら２つの物体の相対 運動 方向に沿って配置された第１回折格子、及び他方の物体の上に備えられた測定部 分。測定部分は第２回折格子、光源、及び光検出システムを含み、ここで光源か ら発生する光は第２回折格子上の２つの点へ投射され、その結果これらの光はこ れら２つの点から異なる次数を有する回折光の形で出る。これらの回折光は、第 １回折格子上の同じ点へ向けられ、かつ第１回折格子によって再び回折され、そ の結果これらの光は同じ方向に発射され、及び光検出システムは第１回折格子か ら出るこれら２つの光の干渉によって起こされる光強度の変化を検出するように 動作する。この距離測定システムは、更に、光検出システムによる検出に基づい て２つの物体の相対運動距離を検出する検出システムを含む。上述のように、ノ ーズの距離測定システムは、２つの回折格子を付属の光学及び電子回路と共に使 用して、回折光の位相を測定する。 １９９１年１０月１５日に提出され放棄された米国特許出願第０７／７７６， ５６５号の一部継続出願として１９９４年２月２４日に提出された米国特許出願 第０８／２０１，２５６号（共にポール・Ｆ・サリバン（Paul F．Sullivan）に よる）は、回折パターンを採用する回折光ビーム位置検出及び制御装置を開示し ている。特に、３つの繰返し回折パターンを使用する物体の一次元位置決め又は ６つの重合わせパターンを使用する二次元位置決め用にシステムが開示されてい る。開示されたコード化システムは、先行技術を凌ぐ優れた、改善された性能を 示すが、互いに９０度位相が外れている２つの信号を有するエンコーダ出力に対 する工業標準に適合しない。二重エンコーダ出力は、典型的に直角位相を取って おり、モータドライブの読出し装置及びコントローラの入力要件に整合する。１ つの標準増分光学直線エンコーダは、ＤＲＣによって製造されたモデルＳＲＬで あって、これは１８０±１０°で対称、９０±４５°で直角、及び１．２７メー トル毎秒（５０インチ毎秒）の動作速度を仕様に挙げている。 従って、本発明の主目的は、回折光ビームを正確に検出しかつ直角位相差を取 って２つの出力を発生することによって上の及び他の先行技術を凌ぐ改善された 解像度性能を与える位置検出及び制御用汎のためのエンコーダを提供することで ある。 本発明の他の目的は、改善された電気的及び機械的特性を備える汎用直角回折 エンコーダを提供することである。 上の及び他の目的は、一部は以後で明らかに及び一部は次の詳細な説明が付図 と関連して読まれるとき明白になるであろう。 発明の要約 正確な一次元動作用位置検出及び制御システムは、所与の基準に対して物体又 は光ビームの位置を検出する直角回折エンコーダを使用して実現される。回折エ ンコーダの好適実施例は以下の要素を含む。即ち、光ビームを提供する光源、光 源からの光ビームを受けかつコリメートされた光ビームを生成するコリメータレ ンズ、コリメートされた光ビームを選択的に通過させるために、１つまたは同じ 長さの複数のスリットの形成された開口部を備えるマスク、マスクの開口部から 出てくるコリメートされた光ビームを受けて回折光ビームを発生し、それを透過 または反射する回折格子を備える。前記回折格子は互いに並列関係に配置された 第１パターン及び第２パターンで構成され、第１パターンは第１区画の複数の対 を有しその各対の第１区画は第１パターン内の共通輪郭（common border）に沿 って接続された互いの鏡像であり、第２パターンは第２区画の複数の対を有しそ の各対の第２区画は第２パターン内の共通輪郭に沿って接続された互いの鏡像で あり、第１及び第２区画は各々スリット長さに等しい長さを有し、各第１区画は 複数の等距離を置いた平行な直線又はテクスチャを有し、各第２区画は複数の等 距離を置いた平行な直線又はテクスチャを有し、第１区画の各対の線又はテクス チャは第１パターン内の共通輪郭に沿って第１角を形成し、第２区画の各対の線 又はテクスチャは第２パターン内の共通境界に沿って第２角を形成し、第１角は 第２角の余角であり、第１パターンと第２パターンとは１区画長さの半分だけオ フセットしている。本実施例による回折エンコーダはさらに、第１及び第２回折 光ビームの検出に応答して、それぞれ、第１及び第２光検出器信号を生成するよ うに位置決めされた第１及び第２光検出器、第１及び第２光検出器信号の受信に 応答して第１システム出力を生成する第１比較器、第３及び第４回折光ビームの 検出に応答して、それぞれ、第３及び第４光検出器信号を生成するように位置決 めされた第３及び第４光検出器、及び第３及び第４光検出器信号の受信に応答し て第２システム出力を生成する第２比較器であって、第２システム出力が第１シ ステム出力と９０度位相が外れている第２比較器を備える。 図面の簡単な説明 本発明の特性と考えられる新規な特徴が添付の請求の範囲に個別に記載されて いる。しかしながら、本発明自体は、それの他の目的及び利点と共にその組織及 びその動作方法の両方に関して図解の実施例についての次の説明から、付図と関 連して読まれるとき、最も良く理解されるであろう。 第１図は本発明による透過モードにおける直角回折エンコーダを含む位置検出 システムの第１実施例の概略線図である。 第２図は本発明による反射モードにおける直角回折エンコーダを含む位置検出 及び制御システムの第２実施例の概略線図である。 第３図は本発明による回折格子の好適パターンの拡大線図である。 第４図は直角位相にあるエンコーダ出力ＡとＢとの間の位相関係を示すグラフ である。 第５図はマスクの主軸に沿う運動の追跡のため図示のような２つの繰返しパタ ーンを有する第１の好適回折格子を利用する、第１又は第２図の第１又は第２実 施例による直角回折エンコーダの概略図である。 第６図はマスクのヨーイングを補正するように設計され、かつマスクの主軸に 沿う位置の追跡のため図示の３つの繰返しパターンを有する第２好適回折格子を 利用する、第１又は第２図の第１又は第２実施例による直角回折エンコーダの概 略図である。 第７図は直角回折格子の光検出器の出力を利用することによってマスクの主軸 に垂直な軸に沿う位置追跡のため、第１又は第２図の直角回折エンコーダと共同 使用される、アナログ位置検出装置の概略図である。 第８図はアナログ位置検出装置と共に直角回折エンコーダを使用する第７図の 二次元位置検出装置の詳細回路図である。 好適実施例の詳細な説明 位置検出及び制御装置用回折格子パターンの動作及び使用は、前記米国特許出 願第０８／２０１，２５６号に詳述されている。位置検出される回折光ビームを コード化することによって電気的及び機械的性能の改善のような多数の便益がか なえられると云うことは、判明している。以下述べる本願発明は、直角位相を取 った位置検出コード化信号に応答する工業標準読出し装置及びコントローラとの 回折エンコーダのシステム出力の整合を与える。 第１図は、本発明による直角回折エンコーダを使用して２つの物体間の相対位 置を検出する位置検出システムを図示する。光源２は、レーザダイオード、ＬＥ Ｄ、又は他のなんらかの源であって良く、コヒーレントか非コヒーレントかいず れにせよ、光ビーム２２を発射しこれがコリメータレンズ４を通過する間にコリ メートされた光ビーム２４に変換される。コリメートされた光ビーム２４は、マ スク６内の１つまたは複数のスリット７からなる開口部を通過し、かつマスク６ から回折格子８までの距離９を通過する。２つ物体（即ち、マスク６及び回折格 子８、又はこれに取り付けられた物体）間の相対運動が直角回折エンコーダによ って測定される。マスク６及び回折格子８のどちらか１方又は両方が可動性とさ れる。この実施例では、マスク６が（第３図に示された）その主軸に沿って可動 性である。距離９は、マスク６を格子８上へ１対１で作像するために、マスク６ 内の２つ以上のスリット７が存在するとき、タルボット距離（Talbot distance ）の整数倍である。タルボット距離は、ロンドン及びエジンバラのフィロソフィ カルマガジン及科学ジャーナル（The London and Edinburgh Philosophical Mag azine and Journal of Science）に発表されたエッチ・エフ・タルボット（H．F ．Talbot）の１８３６年１２月の論文に定義されたようにこの分野で周知である 。２つ以上のスリット７を有するマスク６を使用するとき、適度に単色な光源２ をタルボット距離に従って使用しなければならない。回折格子８は２つの繰返し パターン８９及び９１（第３図参照）から構成され、この回折格子に入射したコ リメートされた光ビームを回折させる。例えば、各繰返しパターンは、各各が第 ３図に示されたような複数の等距離を置いた平行な直線又は格子を有する区画の 複数の対から構成されて良い。これらの線は強度変調器、例えば、ガラス上のク ロム又は白い紙上の黒いインキ、又は位相変調器、例えば、透明又は反射性基板 内にエンボスされた山及び谷のいずれかであって良く、反射モードに適用可能な 各場合における後者の例を以下説明する。距離９を走行した後、光ビーム２４が 回折格子８を通過し、その結果、回折光ビーム２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、 及び２６ｄが、それぞれ、光検出器１０、１２、１４、及び１６によって検出さ れる。これらの光検出器は、回折格子８上の線の角及び間隔によって定められた 所定回折パターンに従って回折光ビームを検出するように正確に位置決めされて いる。マスク６がその主軸に沿って一次元内を運動するに従って、各光検出器に よって検出された回折光の量が変動することになる。ホトダイオード１０及び１ ２の、それぞれ、出力１１と１３は比較器１８内で比較され、この比較器はその 後第４図に示された方形波を第１システム出力信号Ａとして生成する。光検出器 １４及び１６の、それぞれ、出力１５と１７とが比較器２０内で比較されるとき 生成された第２システム出力信号Ｂは、また、方形波であり、かつ第４図に示さ れたように信号Ａと９０°位相が外れている。第４図の波形の電気角度は回折格 子８に沿って走行した距離に相当し、それであるからどちらの波形の周期も回折 格子８の周期に等しい。特に、第３図の第１区画８１又は第２区画８６の長さは 、第４図の位相目盛上の１８０°に等しい。 第２図は反射モードにおける回折エンコーダを図示する。その動作は、回折格 子８がコリメートされた光ビーム２４をホトダイオード１０、１２、１４、及び １６に向けて、それぞれ、回折光ビーム２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、及び２６ｄと して反射し、これらのホトダイオードがマスク６に沿って示されたように適当に 位置決めされていると云うことを除き、第１図の透過モードに対して先に説明し たのと同じである。これらのホトダイオードの出力は、比較器１８及び２０に与 えられ、これらの比較器は第４図の２つの直角出力信号Ａ及びＢを生成する。 第３図で良く判るように、好適回折格子８の部分は、複数の第１区画対８０を 有する第１繰返しパターン８９及び複数の第２区画対８４を有する第２繰返しパ ターン９１から構成される。各第１区画対８０は、一対の第１区画８２を含み、 これらの区画は共通輪郭９４に沿って互の鏡像であり、かつ各第１区画は複数の 等距離を置いた平行な直線９２から構成される。各第１区画内の直線９２は第１ 角θ₁及び−θ₁を形成し、これらは共通輪郭９４に沿って互いにミラー反射する 。同様に、各第２区画対８４は一対の第２区画８６を含み、これらの区画は共通 輪郭９６に沿って互の鏡像であり、かつ各第２区画は複数の等距離を置いた平行 な直線９８から構成される。各第２区画内の直線９８は第２角θ₂及び−θ₂ を形成し、これらは共通輪郭９６に沿って互いにミラー反射しかつ第１角θ₁及 び−θ₁に対して余角である。複数の第１区画対と複数の第２区画対とは互いに 対して並列関係で交さ線（intersection）８８に沿って配置されている。第１区 画８２及び第２区画８６の両方は、（第５図に二重矢印によって示された）マス クの運動の主軸の方向に沿って測定された同じ長さ８１を有する。しかしながら 、第１区画８２の（マスクの運動の主軸に垂直な軸に沿って測定された）幅１０ ４は、第２区画８６の幅１０４と異なって良い。複数の第１区画対は、区画長さ ８１の半分である距離９０だけ交さ線８８に沿って複数の第２区画対からオフセ ットしている。１／２区画長さのオフセットは、回折光ビーム２６ａ、２６ｂ、 ２６ｃ、及び２６ｄに、結局、直角位相にある２つのシステム出力信号Ａ及びＢ （第１、第２、及び４図参照）を対称的に、通常約±１５°の許容範囲において 生成させる。 第５図は、第１図又は第２図のどちらかの回折エンコーダシステムの部品を示 す。回折格子又は目盛８は、この場合、第３図に関して先に説明されたようなし ま状(striped)区画によって表現され、ここで光検出器１０、１２、１４、及び １６は、それぞれ、回折光ビーム２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、及び２６ｄを受ける 。第５図のホトダイオードは回折格子８からタルボット距離の整数倍離れている ように示されている。それであるから（開口部が２つ以上のスリットを含むとき ）回折格子８の照明された部分は、回折目盛８上のどこに回折光ビーム２６ａ、 ２６ｂ、２６ｃ、及び２６ｄが起源するかを示すように、ホトダイオード上に実 際に結像される。例えば、回折目盛８の右側からの回折ビーム２６ａ及び２６ｂ はホトダイオード１０及び１２によって捕獲され、及び回折目盛８の左側からの 回折ビーム２６ｃ及び２６ｄはホトダイオード１４及び１６によって捕獲される 。光検出器１０及び１２の、それぞれのホトダイオード出力１１及び１３は比較 器１８に与えられ、比較器はシステム出力Ａを生成する。一方光検出器１４及び １６からの、それぞれのホトダイオード出力１５及び１７は比較器２０に与えら れ、比較器は、システム出力Ｂを生成する。第１及び第２繰返しパターンは区画 長さの半分だけオフセットしているから、もちろん、出力ＡとＢとは９０°位相 が外れている。 第５図において、第１繰返しパターン８９の第１区画の線は、回折光ビーム２ ６ａ及び２６ｂを生成しこれらのビームは出力Ａを生じかつ共通輪郭９４（第３ 図参照）に対して±６０°にある。このような鏡像線は、開口部スリットの等し くない長さ９３及び幅９５によるバイアス発生を防止する。第２区画の線は、回 折光ビーム２６ｃ及び２６ｄを生成しこれらのビームは出力Ｂを生じ、かつ共通 輪郭９６に対して±３０°にあり、かつ開口部アスペクト比の影響を防止する。 回折目盛８の製造に使用される、プラスチックウエブの溶媒エンボッシング(sol vent embossing)のような、なんらかのプロセスを共通輪郭方向に平行又は垂直 に整列させることによって、プロセス作用による影響の防止をより確実にするこ とがまたできる。２つの繰返しパターンの線の角を補角関係にすることは光検出 器アレイ１０、１２を光検出器アレイ１４、１６と同一にするのに有効であり、 一方互いに直角に取り付けることは部品の共通化に有効である。（±３０°及び ６０°ではなく）±２２．５°及び±６７．５°を選択することによって、回折 光ビーム間の角分離を最大にし、漏話を最小限にとどめる。±１５°及び±７５ °の角を選択することによって、優れた並行整合を示す市販のスプリット光電池 （splot photcell）の使用が可能となる。 しかしながら、上記の角に限定されるのではなく、単なる例示である。回折光 ビームの分離を可能にするどんな角も使用することができる。ここでの技術によ るどんな回折格子でもオフセット長さ９０が区画長さ８１の半分でありかつ各区 画の長さ８１がマスク内の開口部スリットの長さ９３に等しいことを必要とする が、他の寸法は変えることができる。例えば、各区画を複数の曲線又はテクスチ ャから構成することもでき、区画の対は互いの鏡像である必要はなく、かつ第１ 区画内に形成される第１角は第２区画内に形成される第２角の補角である必要な ない。 第５図を参照して説明を続ける。システム出力信号Ａ及びＢは、二重矢印によ って示されたようにマスク６がその主軸に沿って運動するに従って、発生される 。各比較器１８及び２０は回折格子の半分だけから反射又は透過された信号を処 理するから、システム出力信号Ａ及びＢは回折格子８を横切ってのマスク６の僅 かな左右のふらつきによって（信号対雑音比を除き）影響されない。精密運動シ ス テムにおいてはマスク６の認められる左右のふらつきの公算はないが、現行エン コーダシステムは第６図に示されたように第１及び第２繰返しパターンの幅１０ ４をマスク６内のスリットの幅の約半分に作ることによってこのような可能なふ らつきが防止される。この特徴が、また、精密な制御を伴わずに回折格子８を幅 広いウエブから細長く切り取ることを許す。マスクスリット幅と第１及び第２繰 返しパターンとの間の上の寸法関係の他の利点は、信号Ａ及びＢに相当する２つ の出力チャンネル間に起こるおそれのある位相誤りの減少である。もしマスク６ が第６図に示されたようにスリットの幅の半分である回折繰返しパターンの１つ にほぼ心出しされるならば、たとえ酷しいヨーイング、即ち、１０分の数度の量 でのマスクの回転に面しても、２つの直角信号の相対位相は約１０分の１ミクロ ンに収まる精度である。もし繰返しパターンの幅がスリットの幅の約半分でない 又はどちらのパターンもこれらのスリットに心出ししていないならば、マスクの ヨーイングが第５図のコード化システムに影響して、マスクスリットの幅の半分 にヨー角（yaw angle）の正弦を乗じた量に達する位相誤りを２つのチャンネル 間に生じるおそれがある。 第７図は位置検出システムを示す。このシステムは先に説明したように（二重 矢印によって示された）マスク６の運動の主軸に沿う電子的直角位置検出（図示 せず）、及びマスク運動の主軸に垂直な軸に沿うアナログ位置検出の両方を含む 。二重矢印によって指示されたマスクの運動の主軸に沿う位置運動が先に説明し たようにシステム出力信号Ａ及びＢを生成する直角回折コード化システムによっ て制御されるのに対して、マスクの運動の主軸に垂直な軸に沿う位置運動は光検 出器出力信号１１、１３、１５、及び１７に応答してアナログ位置信号１０２に 基づいてアナログシステムによって制御され得る。マスク６の透過スリットの長 さ９３は、第１及び第２繰返しパターン８９及び９１の、それぞれ、第１及び第 ２区画の長さ８１に等しくなければならず、かつ各繰返しパターンは先に論じた ように輪郭に沿う（bordering）繰返しパターンから区画の半分だけオフセット していなればならない。更に、各区画長さの幅１０４は、マスク６の透過スリッ トの幅９５の半分より実質的に大きくなければならない。ホトダイオード１０、 １２、１４、及び１６からの、それぞれ、ホトダイオード出力１１、１３、１５ 、 及び１７は、直角出力信号Ａ及びＢの発生のために比較器１８及び２０に供給さ れるのに加えて、示されたように加算器７２及び７４に供給される。第１加算信 号７３は、ホトダイオード１０及び１２からの、それぞれ、ホトダイオード出力 信号１１及び１３を加算することによって加算器７２から発生され、及び第２加 算信号７５は、ホトダイオード１４及び１６からの、それぞれ、ホトダイオード 出力信号１５及び１７を加算することによって加算器７４から発生される。第１ 及び第２加算信号７３及び７５は、次いで、差働増幅器７６に与えられ、この増 幅器はアナログ位置信号１０２を生成し、この信号の値は（第７図に見えるよう に）もしマスク６が左へふらつくならば増大し、マスク６が右にふらつくならば 減少する。アナログ位置信号１０２は、マスク６の中心が第１及び第２繰返しパ ターン８９及び９１を分離する境界８８上にあるとき零である。アナログ位置信 号１０２を従来のアナログサーボシステムに接続することによって、マスク６は 、直角サーボシステムの制御の下に二重矢印の軸に沿ってこのマスクが運動する に従って、２つの隣合う繰返しパターンの間の境界８８を追跡することができる 。直角サーボシステムとアナログサーボシステムとの間でホトダイオード１０、 １２、１４、及び１６を実際に共用するに当たって、これらのホトダイオードは （第８図に示されたように）従来設計の電圧変換器への電流を駆動する必要があ るであろうし、この変換器の出力は（第６図に示された）比較器１８及び２０と 並行な加算器７２及び７４を駆動するであろう。 第８図は、直角位置検出及びアナログ位置検出の両方を含む、第７図の位置検 出システムの詳細回路図である。このシステムは、ホトダイオード１０、１２、 １４、及び１６を含み、これらのダイオードはバイアス電圧Ｖを供給されかつ回 折光ビーム２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、及び２６ｄを受けることによって活性化さ れる。ホトダイオード１０が回折格子８から回折光ビーム２６ａを受けると、ホ トダイオード出力１１が生成され、これが演算増幅器４４及び抵抗器４２から構 成される前置増幅器を通して増幅され、かつ増幅信号１１′が比較器１８の正入 力に供給される。ホトダイオード１２が回折格子８から回折光ビーム２６ｂを受 けると、ホトダイオード出力１３が生成され、これが演算増幅器４０及び抵抗器 ３８から構成される前置増幅器を通して増幅され、かつ増幅信号１３′が比較器 １８の負入力に供給される。ホトダイオード１４が回折格子８から回折光ビーム ２６ｃを受けると、ホトダイオード出力１５が生成され、これが演算増幅器３６ 及び抵抗器３２から構成される前置増幅器を通して増幅され、かつ増幅信号１５ ′が比較器２０の正入力に供給される。ホトダイオード１６が回折格子８から回 折光ビーム２６ｄを受けると、ホトダイオード出力１７が生成され、これが演算 増幅器３４及び抵抗器３０から構成される前置増幅器を通して増幅され、かつ増 幅信号１７′が比較器２０の負入力に供給される。これらの前置増幅器の各々は 電流・電圧変換器として働き、かつ抵抗器３０、３２、３８、及び４２は好適に は約１メグオームで整合する。比較器１８は増幅ホトダイオード信号１１′及び １３′に応答して直角信号出力Ａを発生し、及び比較器２０は増幅ホトダイオー ド信号１５′及び１７′に応答して直角信号出力Ｂを発生する。 加算器７２は、抵抗器４６、４８、５０、及び演算増幅器５２から構成される 。ホトダイオード１０及び１２の前置増幅器から受信された増幅出力１１′及び １３′は、抵抗器４６及び５０を通して加算され、次いで、抵抗器４８と結合さ れた演算増幅器５２を通して増幅されて、第１加算信号７３を生成する。加算器 ７４は、抵抗器５４、５６、５８、及び演算増幅器６０から構成される。ホトダ イオード１４及び１６の前置増幅器から受信された増幅出力１５′及び１７′は 、抵抗器５４及び５８を通して加算され、次いで、抵抗器５６と結合された演算 増幅器６０を通して増幅されて、第２加算信号７５を生成する。差働増幅器７７ は、抵抗器６２、６４、６６、及び７０、及び演算増幅器７６から構成される。 第１加算信号７３と第２加算信号７５との間の差は、差働増幅器７７によって増 幅されて、アナログ位置信号１０２を生成する。抵抗器４６、４８、５０、５４ 、５６、５８、６２、６４、６６、及び７０は、好適には約１０キロオームで整 合させられる。 低速方向に固定トラック対トラック間隔を有する二次元内ラスタ走査を必要と する器械（例えば、プリンタ）の場合、このハイブリッド直角／アナログエンコ ーダを更に発展させることができる。先に説明したような回折格子８が交互に第 １及び第２繰返しパターン８９及び９１を含むように拡張されると共に各パター ンの幅１０４が所望トラック対トラック間隔に等しいように選択される。各トラ ック走査中、アナログ信号１０２は、上に説明したように使用されて器械を適正 なトラックに心出したままに維持する。各トラック走査の終端で（又は単一方向 動作の際のリトレース中）、アナログ制御ループが使用禁止され、差働増幅器７ ７の符号が反転され、かつその器械が約１トラックだけ開ループで前進させられ る。アナログ制御ループが次のトラック走査の開始で再使用可能とされるとき、 この器械が次のトラック上に整定されることになり、ここでこの器械は前のよう に心出されたままでいることになる。 これらの実施例は、回折格子上へ作像されたマルチスリットタルボットを典型 的に使用する。従来レンズがまた受け入れ可能であることは、その技術の通常の 習熟者に明白である。更に、もしマスク及びその作像が、マスクのアパーチャ内 の単一スリットを通して作像されただ円集束スポットによって単に置換され、こ こでスポットは上に説明したスリット寸法に匹敵する直径を示すならば、コード 化機能性がまた有効である。米国特許出願第０８／２１０，２５６号は、また、 この簡単化によって招く不利益をも説明している。 本発明の上述の実施例は、請求されかつ教示されたように本発明との関係を保 つ技術の通常の習熟者に明白であろう多くの変形及び修正の好適例である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２つの物体の間の相対的位置を検出する光学エンコーダにして、 光ビームを発生する光源と、 前記光源からの光ビームを受けてコリメートした光ビームを発生するコリメー タレンズと、 同じ長さをもった１つまたは複数のスリットが形成され、前記コリメートされ た光ビームを選択的に通過させる開口部をもち、前記２つの物体の一方（第１の 物体という）と物理的に関連しているマスクと、 前記マスクの開口部から出てくる前記コリメートされた光ビームを受けて、複 数の透過、または反射回折光ビームを発生する回折格子であって、互いに並列関 係に配列された第１と第２のパターンを有し、前記第１のパターンは、各対が２ つの第１区画よりなる複数対の第１区画を該第１のパターン内にある共通の輪郭 に沿って接続して形成され、前記第２のパターンは、各対が２つの第２区画より なる複数対の第２区画を該第２のパターン内にある共通の輪郭に沿って接続して 形成され、前記第１、第２区画の各々は前記スリットの長さに等しい区画長をも ち、前記第１区画の各々は複数の等間隔に平行に延びる直線、またはテクスチャ を含み、前記第２区画の各々は複数の等間隔に平行に延びる直線、またはテクス チャを含み、かつ前記第１のパターンと第２のパターンとが互いに前記区画長の 半分に等しい距離オフセットするように構成され、かつ前記２つの物体の他方（ 第２の物体という）と物理的に関連する前記回折格子と、 前記複数の回折光ビームの中の第１、第２の回折光ビームを検出し、それに応 答してそれぞれ第１、第２の光検出信号を発生するように位置決めされた第１、 第２の光検出器と、 前記第１と第２の光検出信号を受けて、それに応答して第１のシステム出力を 発生する第１の比較器と、 前記複数の回折光ビームの中の第３、第４の回折ビームを検出し、それに応答 してそれぞれ第３、第４の光検出信号を発生するように位置決めされた第３、第 ４の光検出器と、 前記第３と第４の光検出信号を受けて、それに応答して前記第１のシステム出 力と９０度位相差のある第２のシステム出力を発生する第２の比較器と、 を備えた、前記光学エンコーダ。 ２．請求項１において、前記開口部が２つ以上のスリットを含み、前記マスク が前記回折格子からタルボットの距離の整数倍離れて位置決めされている、光学 エンコーダ。 ３．請求項１において、前記回折格子は、前記第１のパターンの複数の繰返し と、それと並列関係に交互に配置された前記第２のパターンの複数の繰返しを更 に含み、前記第１のパターンと前記第２のパターンとは同じ幅を有する、光学エ ンコーダ。 ４．請求項３において、前記区画幅は前記スリットの幅に等しい、光学エンコ ーダ。 ５．請求項３において、前記区画幅は前記スリットの幅の約半分に等しい、光 学エンコーダ。 ６．請求項１において、前記第１、第２の光検出器が第１のスプリット光電池 を含み、前記第３、第４の光検出器が第２のスプリット光電池を含む、光学エン コーダ。 ７．請求項１において、前記第１区画の対は前記第１パターン内の前記共通輪 郭に沿って接続された互いの鏡像である、光学エンコーダ。 ８．請求項７において、前記第２区画の対は前記第１パターン内の前記共通輪 郭に沿って接続された互いの鏡像である、光学エンコーダ。 ９．請求項８において、前記第１パターン内での前記第１区画の前記複数の直 線又はテクスチャと前記共通輪郭との交さの第１角は、前記第２パターン内での 前記第２区画の前記複数の直線又はテクスチャと前記共通輪郭との交さの第２角 の補角である、光学エンコーダ。 10．光ビームを発生する手段と、 回折格子と、所定の角度に沿って配置された回折次数を有する二次元回折パタ ーンが前記回折格子によって生成されるように前記回折格子へ光ビームを選択的 に透過する光ビーム透過手段と、 前記回折次数を検出しかつ前記検出された回折次数に応答して互いに９０°位 相差のある２つのディジタル出力を発生する手段とを備え、 前記２つのディジタル出力が前記回折格子と前記光ビーム透過手段の間の相対 位置に相当する、光学エンコーダ。