JP2019012064A - 光学式エンコーダ - Google Patents

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彰秀 木村
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Abstract

【課題】耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダを提供する。【解決手段】周期的パターンを有するスケールは、照明部から光源光が入力され、スケール光を出力する。スケールと光検出器構造との間の変位に対応して周期的なスケール光パターンが光検出器構造上を移動する。光検出器構造は、空間位相列に配列されたＮ個の空間位相検出器からなるセットを有する。空間位相列は、２つの外側空間位相検出器とこれらの間に配置された空間位相検出器の内側の群とを含む。空間位相検出器は、周期的なスケール光パターンに応じた空間位相検出器の空間位相に対応して配置された、空間周期的なスケール光受光領域を有する。内側の群の空間位相検出器のそれぞれは、空間位相列内で、当該空間位相検出器とは異なる空間位相を有する空間位相検出器によって先行され、後続される。先行及び後続する空間位相検出器はそれぞれ異なる空間位相を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、精密な位置又は変位の測定装置に関し、特に、スケールの汚染部分又は欠陥部分による誤差への耐性を有する信号処理を行うエンコーダに関する。
光学式位置エンコーダは、リードヘッドにより検出されるパターンを有するスケールに対する、リードヘッドの変位を決定する。典型的には、位置エンコーダは、周期的パターンを有する少なくとも１つのスケールトラックを有する。スケールから生じる信号は、スケールトラックに沿う方向のリードヘッドの変位又は位置の関数として周期的である。アブソリュート型の位置エンコーダは、複数のスケールトラックを用いることで、アブソリュートスケールに沿う方向の各位置において特定の信号の組み合わせを与えることができる。
光学式エンコーダは、インクリメンタル又はアブソリュート位置スケール構造を用いることができる。インクリメンタル位置スケール構造では、スケールに沿う方向の初期位置からスタートして、変位のインクリメンタル単位を累積することで、スケールに対するリードヘッドの変位を決定することができる。このようなエンコーダは、特定の用途、特に商用電力が使用できる場合に適している。低消費電力用途（例えば、バッテリーから電源供給を受けるゲージなど）では、アブソリュート位置スケール構造を用いことがより望ましい。アブソリュート位置スケール構造は、スケールに沿う方向の各位置において、特定の出力信号又は信号の組み合わせを与える。よって、アブソリュート位置スケール構造には、様々な電力節約方式が適用できる。特許文献１〜１１には、アブソリュート位置エンコーダに関する様々なエンコーダ構造及び信号処理技術の一方又は両方が開示されている。これらの文献を参照することで、これらの文献は全体的に本明細書に取り込まれる。
照明部で照明光源回折格子を用いることで、特定の利点を実現するエンコーダ構造が存在する。特許文献１２〜１５には、このようなエンコーダ構造が開示されている。これらの特許で開示された構造は、超解像モアレ結像を利用するもとのとして特徴づけることができる。
様々な用途においては、スケールトラック上の埃や油などのスケールの製造欠陥又は汚染は、リードヘッドにより検出されるパターンを乱し、その結果として得られる位置又は変位測定結果には誤差が生じる。一般に、欠陥又は汚染による誤差の大きさは、欠陥又は汚染の大きさ、スケール上の周期的パターンの波長、リードヘッドの検出領域の大きさ、これらの大きさの間の関連性などの要素に依存する。エンコーダでの異常信号に対応する様々な手法が知られている。これらの方法のほぼ全ては、エンコーダ信号の無効化、ユーザに警告する「エラー信号」の提供、低レベルの信号を増幅するための光源強度の調整などに基づいている。
米国特許第３，８８２，４８２号明細書 米国特許第５，９６５，８７９号明細書 米国特許第５，２７９，０４４号明細書 米国特許第５，８８６，５１９号明細書 米国特許第５，２３７，３９１号明細書 米国特許第５，４４２，１６６号明細書 米国特許第４，９６４，７２７号明細書 米国特許第４，４１４，７５４号明細書 米国特許第４，１０９，３８９号明細書 米国特許第５，７７３，８２０号明細書 米国特許第５，０１０，６５５号明細書 米国特許第８，９４１，０５２号明細書 米国特許第９，０１８，５７８号明細書 米国特許第９，０２９，７５７号明細書 米国特許第９，０８０，８９９号明細書 特開２００３−６５８０３号公報 米国特許第８，４９３，５７２号明細書
しかし、上記したような方法は、ある種のスケールの欠陥や汚染に起因する異常信号にかかわらず正確な測定動作を継続できる手段を与えるものではない。よって、これらの方法は、用途に制限がある。スケールの汚染や欠陥による測定精度への影響を軽減する既知の手法が、特許文献１６に開示されている。特許文献１６は、複数の光検出器が同じ位相を有する周期的な信号を出力する手法を提案しており、これらの信号のそれぞれは、信号安定度判定手段に入力される。信号安定度判定手段は、「正常」と判定された信号のみを出力し、「正常」な信号は合成されて、位置測定の基礎となる。「異常」な信号は、位置測定演算から取り除かれる。しかし、特許文献１６に開示された「正常」及び「異常」な信号を判定する手法には、特許文献１６の開示の利用が制限されるという欠点を有する。
特許文献１７には、汚染の影響を受けていない光検出器からの信号を選択する手段を与える、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造が開示されている。しかし、特許文献１７の構造は、用途によっては望ましくない複雑な信号処理に依存している。
複雑な信号処理を要することなく、ある種のスケールの欠陥や汚染に起因する異常信号を防止又は緩和する高精度な測定動作をもたらす改良手法が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダを提供することを目的とする。
本発明の一態様である光学式エンコーダは、
光源光経路を介してスケールに光源光を送る照明部と、
測定軸方向に細く、前記測定軸方向と直交するＹ方向に長く、前記測定軸方向に周期的に配列されるバーで構成される周期的パターンを有し、前記光源光経路に沿う前記光源光を入力され、スケール光経路を介してスケール光を出力する、前記測定軸方向に延在するスケールと、
前記スケールから前記スケール光経路を介して周期的なスケール光パターンを受け取る光検出器構造であって、前記スケールと前記光検出器構造との間の前記測定軸方向の相対的な変位に対応して、前記周期的なスケール光パターンが前記光検出器構造上を移動する前記光検出器構造と、を有し、
前記光検出器構造は、空間位相列に測定軸と交差する方向に沿って配列されたＮ個の空間位相検出器からなるセットを有し、Ｎは６以上の整数であり、前記空間位相列は、前記測定軸と交差する方向の前記空間位相列の始まり及び終わりに位置する２つの外側空間位相検出器と、前記２つの外側空間位相検出器の間に配置された空間位相検出器の内側の群を含み、
前記空間位相検出器のそれぞれの少なくとも過半数は、相対的に前記測定軸方向に長く、相対的に前記測定軸方向に直交する方向に細く、周期的なスケール光パターンに応じた空間位相検出器の空間位相のそれぞれに対応して配置された、前記測定軸方向に沿って空間周期的なスケール光受光領域を有し、かつ、それぞれが空間位相検出器信号を与え、
前記内側の群の空間位相検出器のそれぞれは、前記空間位相列内で、当該空間位相検出器とは異なる空間位相を有する空間位相検出器によって先行され、かつ、後続され、先行及び後続する空間位相検出器は、それぞれ異なる空間位相を有する、ものである。
本発明によれば、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダを提供することができる。
本発明の上述及び他の目的、特徴、及び長所は以下の詳細な説明及び付随する図面からより完全に理解されるだろう。付随する図面は図解のためだけに示されたものであり、本発明を制限するためのものではない。
変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造１００の部分的かつ模式的な立体分解図である。 変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造２００の部分模式図である。 耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造３００の光検出器構造３６０の部分模式図である。 耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造４００Ａの光検出器構造４６０Ａの部分模式図である。 耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造４００Ｂの光検出器構造４６０Ｂの部分模式図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。
以下では、変位信号を与える、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造が開示されている。以下では、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造は、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダの構造を示すものとして理解されるべきである。
図１は、変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造１００の部分的かつ模式的な立体分解図である。エンコーダ構造１００は、スケール格子１１０、照明部１２０及び光検出器構造１６０を有する。
図１には、慣習に則り、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向を表示している。Ｘ方向及びＹ方向はスケール格子１１０の面に対して平行であり、Ｘ方向は測定軸方向ＭＡに対して平行である（例えば、Ｘ方向は、スケール格子１１０の細長のパターン要素に対して直交している）。Ｚ方向は、スケール格子１１０の面に対して垂直である。
図１に示す実施例では、スケール格子１１０は透過回折格子である。スケール格子１１０は、測定軸方向ＭＡに延在している。スケール格子１１０は、測定軸方向ＭＡに周期的に配置された、測定軸方向ＭＡに細く、かつ、測定軸方向ＭＡに直交する方向（すなわち、Ｙ方向）に長いバーで構成される周期的パターンを有する。
照明部１２０は、照明光源１３０、第１の照明格子１４０及び第２の照明格子１５０を有する。照明光源１３０は、光源１３１及びコリメートレンズ１３２を有する。光源１３１は、コリメートレンズ１３２へ光源光１３４を出力するように構成される。コリメートレンズ１３２は、光源光１３４を受け取り、コリメートされた光源光１３４’を第１の照明格子１４０へ出力するように構成される。第１の照明格子１４０は、光源光１３４’を受け取り、第２の照明格子１５０へ向けて光源光１３４’を回折させる。第２の照明格子１５０は、光源光１３４’を受け取り、光源光経路ＳＯＬＰへ沿う経路を介して、スケール格子１１０へ向けて、光源光１３４’をさらに回折させる。スケール格子１１０は、光源光経路ＳＯＬＰに沿った光源光１３４’を入力とし、周期的スケール光パターン１３５を有するスケール光を、スケール光経路ＳＣＬＰに沿う経路を介して、光検出器構造１６０へ出力する。光検出器構造１６０は、スケール光経路ＳＣＬＰに沿う経路を介して、スケール格子１１０から周期的スケール光パターン１３５を受け取る。周期的スケール光パターン１３５は、スケール格子１１０と光検出器構造１６０との間の測定軸方向ＭＡでの相対的変位に応じて、光検出器構造１６０上を移動する。光検出器構造１６０に類似する光検出器構造の例を、図３に詳細に示す。光検出器構造１６０は、空間位相列に、測定軸方向ＭＡと交差する方向（すなわち、Ｙ方向）に沿って配列された、Ｎ個の空間位相検出器からなるセットを有する。但し、Ｎは、６以上の整数である。空間位相列は、測定軸方向ＭＡと交差する方向の始まり及び終わりに位置する２つの外側空間位相検出器と、２つの外側空間位相検出器の間に位置する空間位相検出器の内側の群と、を有する。図１に示す実施例では、Ｎ個の空間位相光検出器からなるセットは、同じサブセット空間位相列を有する３つの空間位相検出器のサブセットＳ１、Ｓ２及びＳ３を有する。
空間位相検出器のそれぞれの少なくとも過半数は、測定軸方向ＭＡに比較的長く、測定軸方向ＭＡに直交する方向（すなわちＹ方向）に比較的細い。空間位相検出器のそれぞれの少なくとも過半数は、周期的なスケール光パターンに応じた空間位相検出器の空間位相のそれぞれに対応して配置された、測定軸方向ＭＡに沿って空間周期的なスケール光受光領域を有し、かつ、それぞれ空間位相検出器信号を与えるように構成される。空間位相列内では、内側の群の空間位相検出器のそれぞれは、当該空間位相検出器とは異なる空間位相を有する空間位相検出器によって先行され、かつ、後続される。先行及び後続する空間位相検出器は、それぞれ異なる空間位相を有する。換言すれば、１つの空間位相検出器に注目した場合、注目した空間位相検出器は、測定軸方向ＭＡと交差する方向で、後続する１又は複数の空間位相検出器と、先行する１又は複数の空間位相検出器とによって挟まれている。但し、内側の群において測定軸方向ＭＡと交差する方向の端部に設けられた空間位相検出器に注目した場合、注目した空間位相検出器は、１つの外側位相検出と、内側の群に属するその他の空間位相検出器とによって挟まれることとなる。
様々な用途においては、光検出器構造１６０及び照明部１２０は、例えばリードヘッド又はゲージハウジング（不図示）内で、互いに固定的な関係を有するように実装されてもよい。既知の技術により、光検出器構造１６０及び照明部１２０は、ベアリングシステムによってスケール格子１１０に対して測定軸方向ＭＡにガイドされる。スケール格子１１０は、様々な用途において、可動ステージやゲージスピンドルなどに取り付けられてもよい。
耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造１００は、本明細書で開示する原理に応じた耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造の一例に過ぎないことは、言うまでもない。変形例においては、テレセントリック結像システム及び開口絞りなどの各種の光学部品を利用してもよい。変形例においては、照明部は、１つの照明格子のみを有していてもよい。
図２は、変位信号を与える耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造２００の部分模式図である。耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造２００は、エンコーダ構造１００と同様である。近似した符号である図２の２ＸＸ及び図１の１ＸＸは、特に断らない限り、同様の要素を示すものとする。図２に示すエンコーダ構造２００は、反射型構造である。スケール２１０は、反射型スケール格子である。
図３は、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造３００の光検出器構造３６０の部分模式図である。耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造３００は、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造１００又は耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造２００と同様であってもよい。光検出器構造３６０は、空間位相列に、測定軸方向ＭＡと交差する方向に沿って配列された、Ｎ個の空間位相検出器からなるセットを有する。但し、Ｎは、６以上の整数である。空間位相列は、測定軸方向ＭＡと交差する方向の始まり及び終わりに位置する２つの外側空間位相検出器と、２つの外側空間位相検出器の間に位置する空間位相検出器の内側の群と、を有する。空間位相検出器のそれぞれの過半数は、測定軸方向ＭＡに比較的長く、測定軸方向ＭＡに直交する方向に比較的細い。空間位相検出器のそれぞれの少なくとも過半数は、周期的なスケール光パターンに応じた空間位相検出器の空間位相のそれぞれに対応して配置された、測定軸方向ＭＡに沿って空間周期的なスケール光受光領域を有し、かつ、それぞれ空間位相検出器信号を与えるように構成される。空間位相列内では、内側の群の空間位相検出器のそれぞれは、当該空間位相検出器とは異なる空間位相を有する空間位相検出器によって先行され、かつ、後続される。先行及び後続する空間位相検出器は、それぞれ異なる空間位相を有する。換言すれば、１つの空間位相検出器に注目した場合、注目した空間位相検出器は、測定軸方向ＭＡと交差する方向で、後続する１又は複数の空間位相検出器と、先行する１又は複数の空間位相検出器とによって挟まれている。但し、内側の群において測定軸方向ＭＡと交差する方向の端部に設けられた空間位相検出器に注目した場合、注目した空間位相検出器は、１つの外側位相検出と、内側の群に属するその他の空間位相検出器とによって挟まれることとなる。
実施例においては、Ｎ個の空間位相光検出器からなるセットは、少なくとも空間位相検出器のＭ個のサブセットを有してもよい。但し、Ｍは、２以上の整数である。Ｍ個のサブセットのそれぞれは、それぞれの空間位相を与える、Ｎ個の空間位相光検出器からなるセットに含まれる空間位相検出器を有する。実施例においては、Ｍは３以上としてもよい。実施例においては、Ｍは６以上としてもよい。実施例においては、空間位相検出器のＭ個のサブセットのそれぞれは、同じ空間位相列サブセットに配列された、同じ空間位相を与える空間位相検出器を含んでもよい。図３は、Ｓ１〜ＳＭで示される空間位相検出器のＭ個のサブセットの実施例を示す。サブセットＳ１は、空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ、ＳＰＤ１Ｂ、ＳＰＤ１Ｃ及びＳＰＤ１Ｄを有する。サブセットＳ２は、空間位相検出器ＳＰＤ２Ａ、ＳＰＤ２Ｂ、ＳＰＤ２Ｃ及びＳＰＤ２Ｄを有する。サブセットＳＭは、空間位相検出器ＳＰＤＭＡ、ＳＰＤＭＢ、ＳＰＤＭＣ及びＳＰＤＭＤを有する。図３の空間位相検出器のそれぞれは、Ｋ個のスケール光受光領域を有するものとして表されている。スケール光受光領域の例として、空間位相検出器ＳＰＤＭＤは、スケール光受光領域ＳＬＲＡＭ１及びＳＬＲＡＭＫでラベルリングされている。実施例においては、Ｋは偶数値であってもよい。
図３に示す実施例においては、空間位相列は、下付文字Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを含む空間位相検出器（例えば、空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ、ＳＰＤ１Ｂ、ＳＰＤ１Ｃ及びＳＰＤ１Ｄ）で表されている。下付文字Ａ及びＤが付された空間位相検出器は、空間位相列の各例の始まり及び終わりに位置する２つの外側空間位相検出器である。下付文字Ｂ及びＣが付された空間位相検出器は、内側の群である。
空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ、ＳＰＤ１Ｂ、ＳＰＤ１Ｃ及びＳＰＤ１Ｄは、それぞれ空間位相検出器信号Ａ１、Ｂ１、Ｃ１及びＤ１を出力する。空間位相検出器ＳＰＤ２Ａ、ＳＰＤ２Ｂ、ＳＰＤ２Ｃ及びＳＰＤ２Ｄは、それぞれ空間位相検出器信号Ａ２、Ｂ２、Ｃ２及びＤ２を出力する。空間位相検出器ＳＰＤＭＡ、ＳＰＤＭＢ、ＳＰＤＭＣ及びＳＰＤＭＤは、それぞれ空間位相検出器信号ＡＭ、ＢＭ、ＣＭ及びＤＭを出力する。
本明細書に開示された原理にかかる耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造は、１００μｍの大きさの汚染（例えば、ワイヤボンディング汚染）や３００μｍの大きさのスケール欠陥を許容できる、単純な設計を提供する。スケール上の汚染又は欠陥は、典型的には、信号処理（例えば、直交処理）で相殺し得る、隣接する空間位相検出器でのコモンモード誤差成分を生じる。測定軸方向ＭＡに比較的長く、測定軸方向ＭＡに直交する方向に比較的細い空間位相検出器は、より良好な耐汚染性及び耐欠陥性をもたらす。測定軸方向ＭＡでの空間位相検出器の構造周波数を減少させることで、信号レベルの変化をより緩やかにすることができる。また、このようなエンコーダは、耐汚染性及び耐欠陥性を与えるための複雑な信号処理を行う必要が無い。Ｎ個の空間位相検出器からなるセットにより与えられる信号は、当業者に知られている標準的な技術に基づいて処理してもよい。
図３に示すような実施例においては、Ｎは８以上であり、空間位相検出器サブセットのそれぞれは、それぞれ９０度ずつ離れた空間位相を有する４つの空間位相検出器を有してもよい。変形例においては、空間位相検出器サブセットのそれぞれは、それぞれ１２０度ずつ離れた空間位相を有する３つの空間位相検出器を有してもよい。
図３に示す実施例では、光検出器構造３６０は、同じ空間位相に対応する空間位相検出器信号を合成し、かつ、合成した信号のそれぞれを空間位相位置信号として出力するように構成された接続部を有する。光検出器構造３６０は、９０度ずつ離れた空間位相に対応する４つの空間位相位置信号を出力するように構成される。同じ文字表記が付された空間位相信号（例えば、Ａ１、Ａ２及びＡＭ）は、空間位相信号ΣＡ、ΣＢ、ΣＣ及びΣＤを与えるように合成（例えば加算）される。変形例においては、光検出器構造は、１２０度ずつ離れた空間位相に対応する３つの空間位相位置信号を出力するように構成されてもよい。他の場合においては、更に、空間位相位置信号は、例えば直交信号処理又は三相信号処理よって変位信号を決定するのに用いられてもよい。
変形例においては、空間位相検出器のそれぞれは、測定軸方向ＭＡに比較的長く、測定軸方向ＭＡに直交する方向に比較的細い。空間位相検出器のそれぞれの少なくとも過半数は、周期的なスケール光パターンに応じた空間位相検出器の空間位相のそれぞれに対応して配置された、測定軸方向ＭＡに沿って空間周期的なスケール光受光領域を有し、かつ、それぞれ空間位相検出器信号を与えるように構成される。
実施例においては、Ｎ個の空間位相検出器それぞれのスケール光受光領域のＹ方向の寸法ＹＳＬＲＡは、最大で２５０μｍとすることができる。実施例においては、ＹＳＬＲＡは、５μｍ以上であってもよい。
実施例においては、Ｎ個の空間位相検出器の隣接ペアにおけるスケール光受光領域間のＹ方向の距離ＹＳＥＰは、最大で２５μｍとすることができる。
実施例においては、Ｎ個の空間位相検出器のそれぞれのスケール光受光領域の寸法ＹＳＬＲＡは、Ｙ方向で同じである。実施例においては、Ｎ個の空間位相検出器の隣接ペアにおけるスケール光受光領域間のＹ方向の距離ＹＳＥＰは、同じである。
Ｎの値を大きくすることで汚染に対してより耐性が増す一方で、Ｎの値を大きくすることで空間位相検出器のそれぞれの信号レベルが小さくなってしまうトレードオフの関係が存在することは、言うまでもない。
図４Ａは、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造４００Ａの光検出器構造４６０Ａの部分模式図である。簡略化のため、図４Ａは、２つの空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ及びＳＰＤ１Ｂを有する、１つの空間位相検出器サブセットＳ１のみを示している。光検出器構造４６０Ａは、本明細書で開示される原理に基づいた少なくとも６つの空間位相検出器を有しているが、簡略化のため２つしか表されていないことは、言うまでもない。図４Ａに示す実施例では、Ｎ個の空間位相検出器（例えば、空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ及びＳＰＤ１Ｂ）のそれぞれは、空間位相マスク（例えば、位相マスクＰＭ１Ａ及びＰＭ１Ｂ）で覆われた光検出器（例えば、破線で示されるＰＤ１Ａ及びＰＤ１Ｂ）を有する。空間位相マスクは、空間位相マスクに設けられた開口を通るものを除いて、光検出器が周期的なスケール光パターンを受光しないように、スケール光パターンを遮断する。この場合、スケール光受光領域は、空間位相マスク（例えば、空間位相マスクＰＭ１Ａ及びＰＭ１Ｂ）のそれぞれの開口を通じて暴露された光検出器（例えば、光検出器ＰＤ１Ａ及びＰＤ１Ｂ）を有する。図４Ａに示す実施例では、位相マスクＰＭ１Ｂのスケール光受光領域（すなわち、開口）は、位相マスクＰＭ１Ａのスケール光受光領域に対して、測定軸方向ＭＡに９０度オフセットされている。図４Ａでは空間位相マスクＰＭ１Ａ及びＰＭ１Ｂが模式的に離隔した部分として表示されているが、実施例においては、潜在的な位置決め誤差を無くすため、適宜、同じ材料及び同じ工程で作製されてもよいことは、言うまでもない。
図４Ｂは、耐汚染性及び耐欠陥性を有する光学式エンコーダ構造４００Ｂの光検出器構造４６０Ｂの部分模式図である。簡略化のため、図４Ｂは、２つの空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ’及びＳＰＤ１Ｂ’を有する、１つの空間位相検出器サブセットＳ１’のみを示している。光検出器構造４６０Ｂは、本明細書で開示される原理に基づいた少なくとも６つの空間位相検出器を有しているが、簡略化のため２つしか表されていないことは、言うまでもない。図４Ｂに示す実施例では、Ｎ個の空間位相検出器（例えば、空間位相検出器ＳＰＤ１Ａ’及びＳＰＤ１Ｂ’）のそれぞれは、周期的なスケール光パターンを受け取る電気的かつ相互的に接続された光検出器領域の周期的なアレイを有する。この場合、スケール光受光領域は、光検出器の周期的なアレイである光検出器領域を有する。図４Ｂに示す実施例では、空間位相検出器 ＳＰＤ１Ｂ’の光検出器領域は、空間位相検出器 ＳＰＤ１Ａ’の光検出器領域に対して、測定軸方向ＭＡに９０度オフセットされている。
本開示の望ましい実施例について図示、説明したが、図示、説明した構成要素の配置及びプロセスの順序の様々な変形については、本開示に基づいて当業者にとって明らかであろう。ここで開示した原理を実現するため、様々な変形形態を用いてもよい。さらに、上述した様々な実施例を組み合わせて、更なる実施例を与えることが可能である。本明細書で参照する特許文献は、参照することにより、その全体が本明細書に組み込まれる。必要に応じて、実施例の態様は、様々な特許及び特許出願の概念を適用して、さらなる実施例を与えるために変形することができる。
これらの及び他の変形は、上記の詳細な説明に照らして、実施例に適用することができる。一般に、以下の特許請求の範囲では、用いられる用語は、明細書及び特許請求の範囲に開示された特定の実施例に特許請求の範囲が限定されるものとして解釈されるべきではなく、クレームの均等物と解される全ての範囲と共に、すべての可能な実施例を含むと解釈されるべきである。
１００、２００、３００、４００Ａ、４００Ｂ 光学式エンコーダ構造
１１０ スケール格子
１２０ 照明部
１３０ 照明光源
１３１ 光源
１３２ コリメートレンズ
１３４ 光源光
１３５ 周期的スケール光パターン
１４０ 第１の照明格子
１５０ 第２の照明格子
１６０、３６０、４６０Ａ、４６０Ｂ 光検出器構造
２１０ スケール
Ａ１〜ＡＭ 空間位相検出器信号
ＭＡ 測定軸方向
Ｓ１〜ＳＭ サブセット
ＳＣＬＰ スケール光経路
ＳＯＬＰ 光源光経路

Claims (19)

  1. 光源光経路を介してスケールに光源光を送る照明部と、
    測定軸方向に細く、前記測定軸方向と直交するＹ方向に長く、前記測定軸方向に周期的に配列されるバーで構成される周期的パターンを有し、前記光源光経路に沿う前記光源光が入力され、スケール光経路を介してスケール光を出力する、前記測定軸方向に延在するスケールと、
    前記スケールから前記スケール光経路を介して周期的なスケール光パターンを受け取る光検出器構造であって、前記スケールと前記光検出器構造との間の前記測定軸方向の相対的な変位に対応して、前記周期的なスケール光パターンが前記光検出器構造上を移動する前記光検出器構造と、を備え、
    前記光検出器構造は、空間位相列に測定軸と交差する方向に沿って配列されたＮ個の空間位相検出器からなるセットを有し、Ｎは６以上の整数であり、前記空間位相列は、前記測定軸と交差する方向の前記空間位相列の始まり及び終わりに位置する２つの外側空間位相検出器と、前記２つの外側空間位相検出器の間に配置された空間位相検出器の内側の群を含み、
    前記空間位相検出器のそれぞれの少なくとも過半数は、相対的に前記測定軸方向に長く、相対的に前記測定軸方向に直交する方向に細く、周期的なスケール光パターンに応じた空間位相検出器の空間位相のそれぞれに対応して配置された、前記測定軸方向に沿って空間周期的なスケール光受光領域を有し、かつ、それぞれが空間位相検出器信号を与え、
    前記内側の群の空間位相検出器のそれぞれは、前記空間位相列内で、当該空間位相検出器とは異なる空間位相を有する空間位相検出器によって先行され、かつ、後続され、先行及び後続する空間位相検出器は、それぞれ異なる空間位相を有する、
    光学式エンコーダ。
  2. 前記Ｎ個の空間位相光検出器からなるセットは、空間位相検出器の少なくともＭ個のサブセットを有し、Ｍは２以上の整数であり、前記Ｍ個のサブセットのそれぞれは、前記Ｎ個の空間位相光検出器からなるセットに含まれる空間位相のそれぞれを与える空間位相検出器を有する、
    請求項１に記載の光学式エンコーダ。
  3. Ｍは、３以上である、
    請求項２に記載の光学式エンコーダ。
  4. Ｍは、６以上である、
    請求項２に記載の光学式エンコーダ。
  5. 前記空間位相検出器のＭ個のサブセットのそれぞれは、同じサブセット空間位相列に配列された同じ空間位相を与える空間位相検出器を有する、
    請求項２に記載の光学式エンコーダ。
  6. 前記空間位相検出器のサブセットのそれぞれは、１２０度ずつ離れた空間位相を有する３つの空間位相検出器を有する、
    請求項５に記載の光学式エンコーダ。
  7. Ｎは、８以上であり、
    前記空間位相検出器のサブセットのそれぞれは、９０度ずつ離れた空間位相を有する４つの空間位相検出器を有する、
    請求項５に記載の光学式エンコーダ。
  8. 前記光検出器構造は、同じ空間位相に対応する空間位相検出器信号を合成する接続部を有し、合成した信号のそれぞれを空間位相位置信号として出力する、
    請求項１に記載の光学式エンコーダ。
  9. 前記光検出器構造は、１２０度ずつ離れた空間位相に対応する３つの空間位相位置信号を出力する、
    請求項８に記載の光学式エンコーダ。
  10. 前記光検出器構造は、９０度ずつ離れた空間位相に対応する４つの空間位相位置信号を出力する、
    請求項８に記載の光学式エンコーダ。
  11. 前記空間位相検出器のそれぞれは、相対的に前記測定軸方向に長く、相対的に前記測定軸方向と直交する方向に細く、周期的なスケール光パターンに応じた空間位相検出器の空間位相のそれぞれに対応して配置された、前記測定軸方向に沿って空間周期的なスケール光受光領域を有し、かつ、それぞれが空間位相検出器信号を与える、
    請求項１に記載の光学式エンコーダ。
  12. 前記Ｎ個の空間位相検出器からなるセットのそれぞれの前記スケール光受光領域の前記Ｙ方向の寸法ＹＳＬＲＡは、２５０μｍ以下である、
    請求項１に記載の光学式エンコーダ。
  13. 前記Ｎ個の空間位相検出器からなるセットの前記スケール光受光領域の各隣接ペアの前記Ｙ方向の離隔距離ＹＳＥＰは、２５μｍ以下である、
    請求項１１に記載の光学式エンコーダ。
  14. 前記Ｎ個の空間位相検出器からなるセットのそれぞれの前記スケール光受光領域の前記Ｙ方向の寸法ＹＳＬＲＡは、５μｍ以下である、
    請求項１に記載の光学式エンコーダ。
  15. 前記Ｎ個の空間位相検出器からなるセットのそれぞれの前記スケール光受光領域の前記Ｙ方向の寸法ＹＳＬＲＡは、同一である、
    請求項１に記載の光学式エンコーダ。
  16. 前記Ｎ個の空間位相検出器からなるセットの前記スケール光受光領域の各隣接ペアの前記Ｙ方向の離隔距離ＹＳＥＰは、同一である、
    請求項１５に記載の光学式エンコーダ。
  17. 前記Ｎ個の空間位相検出器のそれぞれは、空間位相マスクで覆われた光検出器を有し、
    前記空間位相マスクは、前記空間位相マスクに設けられた開口を通るものを除いて、前記光検出器が前記周期的なスケール光パターンを受光しないように前記周期的なスケール光パターンを遮断し、
    前記スケール光受光領域は、前記空間位相マスクの前記開口を通じて暴露された光検出器領域を有する、
    請求項１に記載の光学式エンコーダ。
  18. 前記Ｎ個の空間位相検出器のそれぞれは、前記周期的なスケール光パターンを受け取る電気的かつ内部的に接続された光検出器領域の周期的なアレイを有し、
    前記スケール光受光領域は、前記周期的な光検出器のアレイの前記光検出器領域を含む、
    請求項１に記載の光学式エンコーダ。
  19. 前記Ｎ個の空間位相検出器のそれぞれは、偶数個の前記スケール光受光領域を有する、
    請求項１に記載の光学式エンコーダ。
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