光学式エンコーダおよびその読取ヘッド
【課題】経済的で頑丈であるとともに設置しやすく高分解能な光学式エンコーダおよびその読取ヘッドを提供すること。
【解決手段】２つの部材間の相対位置を測定する光学式エンコーダは、スケール格子と、この格子を照らす第１波長光源を備える読取ヘッドとを備える。格子はスケール光を出力し、変位する周期的強度パターンを第１波長で形成する。読取ヘッドは複数の空間位相検出器を備え、空間位相検出器は、周期的な空間フィルタと、第１波長周期的強度パターンから生じる光を受光し、第２波長光を出力する蛍光体層と、この第２波長光を受光・感知する光検出素子とを備える。光検出素子は、第１波長周期的強度パターンの空間フィルタ処理後のパターンに対応する第２波長光を受光し、当該空間位相検出器に対する空間位相を示す信号を出力する。
【解決手段】２つの部材間の相対位置を測定する光学式エンコーダは、スケール格子と、この格子を照らす第１波長光源を備える読取ヘッドとを備える。格子はスケール光を出力し、変位する周期的強度パターンを第１波長で形成する。読取ヘッドは複数の空間位相検出器を備え、空間位相検出器は、周期的な空間フィルタと、第１波長周期的強度パターンから生じる光を受光し、第２波長光を出力する蛍光体層と、この第２波長光を受光・感知する光検出素子とを備える。光検出素子は、第１波長周期的強度パターンの空間フィルタ処理後のパターンに対応する第２波長光を受光し、当該空間位相検出器に対する空間位相を示す信号を出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位検出光用の光学式エンコーダおよびその読取ヘッドに関し、特に光学式エンコーダに用いられる高分解能読取ヘッドの構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直線運動、回動または回転運動を検知する各種の移動エンコーダまたは位置エンコーダが利用されている。このようなエンコーダは、一般に、光学システム、磁気スケール、誘導性変換器、誘導トランスデューサまたは容量トランスデューサにより構成される。
光学式エンコーダにおいては、スケール格子を備えるスケール部材の変位を検出するための構成として、セルフイメージ構造が用いられる。
セルフイメージ構造の基本原理は、タルボットイメージとしても知られ、例えば非特許文献１に記載されている。セルフイメージを用いる例示的な光学式エンコーダとしては、特許文献１に開示されている。
【０００３】
光学式エンコーダには、スケール格子を備えるスケール部材の変位を検出するために、干渉構造が用いられる。干渉構造を用いる光学式エンコーダ用に、数多くのシステムが開発されてきた。近年、従来システムのほとんどに比べて使用する部品が少ないシステムが開発されている。
このようなシステムの一例として、特許文献２がある。特許文献２に記載のシステムは、回折格子スケールと読取ヘッドを有し、この読取ヘッドは、点光源（読取ヘッド内のレーザーダイオード）と、空間フィルタとして機能するロンキー格子またはホログラフィー要素と、光検出器アレイとを備える。点光源は、スケールの格子と同等の縞ピッチを有する干渉縞を形成する。干渉縞を形成する干渉縞光は、ロンキー格子またはホログラフィー要素を介して光検出器アレイに伝達される。光検出器アレイは、伝達された干渉縞光から４つの矩形信号のチャネルを得るように構成される。
別の例として、特許文献３に干渉構造を用いる光学式エンコーダが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，９０６，３１５号
【特許文献２】米国特許第５，９０９，２８３号
【特許文献３】米国特許第７，１２６，６９６号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Cowley,J.M.,and A.F.Moodie,1957,Proc.Phys.Soc.B,70,486
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述したような光学式エンコーダの改善にも拘わらず、経済的で頑丈であるとともに設置しやすく高分解能な光学式エンコーダは、現在も引き続き求められている。
光学式エンコーダにおいて、より高い分解能を可能にする方法の一つは、非常に微細なスケール格子ピッチを規定するスケール格子を備えたスケール部材を用いることである。しかしながら、この方法を用いる先行技術のエンコーダには様々な不都合な制限が生じる。
従って、分解能が改善され、設計や組立ての際に制約がより少ない光学式エンコーダが望まれている。
【０００７】
詳細に述べると、従来の各種光学式エンコーダは、読取ヘッドを用い、スケールとともに変位する周期的な光強度パターンを検出する。読取ヘッドで検出すべき周期的な光強度パターンをスケールから生成するために、様々な技術がある。多くの技術では、光強度パターンのピッチもしくは空間的周期は、スケール上のスケール格子パターンのピッチもしくは空間的周期に左右される。
【０００８】
前述の通り、高分解能光学式エンコーダを可能にする方法の一つは、比較的微細なスケール格子ピッチ（例えば、エンコーダによっては約数μｍ（ミクロン）以下）を有するスケール部材を用いることである。しかしながら、この方法を用いる先行技術のエンコーダには様々な不都合な制限が生じる。
例えば、セルフイメージ技術を用いて光学式エンコーダ読取ヘッドで検出される周期的な光強度パターンを生成する場合、スケール格子と読取ヘッド間の動作間隔動作間隔はセルフイメージに用いられる光の波長に左右される。
【０００９】
しかし、光検出器の応答は所望の動作間隔動作間隔を規定する波長が弱く、ＳＮ比（信号対ノイズ比）が低くなるおそれがある。そして、低いＳＮ比は達成可能な変位度あるいは位置信号補間を制限してしまう。例えば、光学式エンコーダに用いられる公知の矩形信号検出手方法は、正弦波状の位置信号を補間し、スケール格子ピッチよりはるかに小さい位置分解能を可能にする。実際のところ、低いＳＮ比により信号補間度や得られる分解能は制限される。
したがって、動作間隔動作間隔と光源波長と光検出器の応答を実際に組み合わせる場合、セルフイメージ型エンコーダで達成される設計選択および／または分解能は制限されてしまい、好ましくなかった。さらに、間隙の変動許容度が所望のものより小さくなり、このようなエンコーダの測定における実際に達成可能な信頼性および繰り返し性を低下させてきた。
【００１０】
周期的な光強度パターンを規定する干渉縞を生成する際に干渉技術が用いられる場合、所望の干渉縞領域の位置（および関連する動作間隔範囲）および／または縞周期は、スケール格子での光源波長源の回折次数の回折角に左右される。上記でセルフイメージ型エンコーダに関し述べたように考察した結果、動作間隔と光源波長と光検出器の応答を実際に組み合わせる場合、干渉型エンコーダで達成される設計選択および／または分解能も同様に制限されてきた。
【００１１】
本発明の目的は、経済的で頑丈であるとともに設置しやすく高分解能な光学式エンコーダおよびその読取ヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では、スケール格子と読取ヘッドとの間に比較的大きな動作間隔（および比較的大きな間隙許容度）を形成するために、光学式エンコーダは、比較的短い第１波長（例えば３００〜４５０ｎｍ（ナノメートル））を有する光を用いてスケール格子を照らす。
光学式エンコーダの読取ヘッドには、その波長応答ピークが前述した第１波長よりかなり大きな第２波長（例えば７５０ｎｍ）であるような、比較的経済的な光検出器が用いられるこの光検出器は、第２波長に反応があればよく、第１波長に対して無反応であってもよい。
高いＳＮ比を可能にするために、読取ヘッドに用いられる空間位相検出器には、第１波長を受光して第２波長（前述した光検出器の波長応答ピークに近い）を出力する蛍光体層と、この蛍光体層と組み合わせられる周期的な空間フィルタとを備えたものとされる。
具体的に、本発明の光学式エンコーダおよびその読取ヘッドは、次のような構成とされる。
【００１３】
本発明の光学式エンコーダは、２つの部材間の所定の測定軸方向に沿った相対変位を測定する光学式エンコーダであって、測定軸方向に沿って形成されるスケール格子を備えるスケールと、前記スケールの変位を読み取る読取ヘッドとを備える。
【００１４】
本発明の読取ヘッドは、スケール格子に第１波長を有する光源光を出力する光源を備え、スケール格子はスケール光を出力し、スケールとともに変位する第１波長での周期的強度パターンを形成する。
読取ヘッドは、検出器アセンブリを備え、この検出器アセンブリは、検出器アセンブリに対する第１波長での周期的強度パターンの位置を検出可能である。
検出器アセンブリは、複数の空間位相検出器を備え、この空間位相検出器は、周期的な空間フィルタと、第１波長での周期的強度パターンから生じる光を受光するとともに、第１波長より大きな第２波長を有する第２波長光を出力するように配置される蛍光体層と、第２波長光を入力するとともに空間位相検出器に対する第１波長での周期的強度パターンの空間位相を示す信号を出力するように配置される光検出素子と、を備える。
【００１５】
本発明において、空間位相検出器の光検出素子は、第１波長周期的強度パターンの空間フィルタ処理後のパターンに対応する第２波長光を受光するとともに、空間位相検出器に対する第１波長周期的強度パターンの空間位相を示す信号を出力する。
本発明において、第１波長周期的強度パターンの空間フィルタ処理後のパターンを規定する空間フィルタは、別体の空間フィルタマスク要素であってもよく、または、蛍光体層のパターンでもよく、および／または、光検出素子のパターンでもよい。
本発明において、光検出素子は、空間フィルタを形成する各部からなるパターンを備えてもよい。
本発明において、蛍光体層は、光検出素子をなす各部からなるパターンに近接する連続層でもよい。
【００１６】
本発明において、蛍光体層は、空間フィルタを形成する各部からなるパターンを備えてもよい。実施形態によっては、光検出素子は、蛍光体層をなす各部からなるパターンに近接する連続的要素でもよい。
本発明において、空間フィルタは、第１波長での周期的強度パターンと蛍光体層との間に設けられる各開口部からなるパターンを有するマスク要素を備えてもよい。
本発明において、第１波長での周期的強度パターンは、（ａ）スケール格子のセルフイメージおよび（ｂ）スケール格子によって回折されたスケール光の干渉回折次数に基づく干渉縞のいずれか１つを備えてもよい。
【００１７】
本発明において、スケール格子は２０μｍ未満（より好ましくは１０μｍ未満）の格子ピッチＰgを有してもよい。第２波長は光検出素子の波長応答ピークに一致する波長を有してもよい。
本発明において、第１波長は少なくとも３００〜４５０ｎｍの範囲であり、第２波長は５００〜８００ｎｍの範囲であることが望ましい。
本発明において、蛍光体層は半導体ナノ結晶である蛍光体粒子を備えてもよい。
本発明において、蛍光体層は、蛍光体層の体積で少なくとも８０％に対応する密度の蛍光体粒子を備えてもよい。
本発明において、蛍光体層は、光検出器に到達する全ての光が第２波長光となるような厚みに構成されてもよい。
【００１８】
本発明において、蛍光体層は、平均粒径が第１波長での周期的強度パターンの周期の多くとも２５％となるような粒度分布を有する蛍光体粒子を備えてもよい。
本発明において、光検出器はＣＭＯＳ光検出器アレイを備えてもよい。
なお、蛍光体層は一般に、第１周期光の周期的強度パターンのエネルギーを、第１波長よりも光検出素子において効率的に電気信号に変換される第２波長あるいは第２波長域のエネルギーに変換するものである。一般に、光検出器のピーク波長応答は第１波長よりも大きな波長であるため、蛍光体から出力される第２波長あるいは第２波長域の大部分は第１波長よりも長い波長である。
本発明において、一種類の蛍光体が第２波長光の比較的狭い波長域を出力してもよく、または、巣種類の蛍光体の混合が第２波長光の比較的広い波長域（例えば、全体として、第１波長よりも光検出素子において効率的に電気信号に変換される波長域）を出力してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】光学式エンコーダのセルフイメージ構造に用いられる、本発明の第１実施形態に係る空間位相検出器を備える検出器アセンブリを示す。
【図２】光学式エンコーダの干渉構造に用いられる、本発明の第２実施形態に係る空間位相検出器を備える検出器アセンブリを示す。
【図３】本発明の第３実施形態に係る空間位相検出器を備える検出器アセンブリの一部分の断面を示す図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る空間位相検出器を備える検出器アセンブリの一部分の断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態として、光学式エンコーダのセルフイメージ構造１００に用いられる検出器アセンブリ１７０を示す。検出器アセンブリ１７０は、本発明に係る空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４を備える（図１にはＳＰＤ２〜ＳＰＤ４の図示を省略）。
セルフイメージ構造１００は、スケール格子８０を備えるとともに、読取ヘッドとして検出器アセンブリ１７０および光源１８０を備える。
【００２１】
検出器アセンブリ１７０および光源１８０は、実施の際、互いに固定的な関係で図示されない読取ヘッドハウジング内に搭載される。
スケール格子８０と検出器アセンブリ１７０とは、動作間隔１８４によって隔てられる。動作間隔１８４の寸法は、後述する各式におけるセルフイメージ距離ｚｇと等しくなるように、検出器アセンブリ１７０がセルフイメージ面１６５（詳細は後述）に設けられてもよい。
【００２２】
スケール格子８０は、測定軸８２に沿って位置合わせされ、この測定軸８２に対し垂直に延びる格子要素または線条（照射箇所１５３において縦線で図示される）を備える。格子要素または線条は、格子周期または格子ピッチＰｇである格子周期８１に従い、測定軸８２に沿って周期的に配列される。
光源１８０は、線光源または線光源アレイ（例えば、アパーチャマスク要素を使用）を規定するＵＶレーザ（紫外線レーザ）またはＵＶ−ＬＥＤ（紫外線発光ダイオード）を備える。光源１８０は、セルフイメージに好適なその他の公知の線光源構造で構成してもよい。
【００２３】
検出器アセンブリ１７０は、光検出器１７３と蛍光体層１７５（詳細は後述）を備える。
図１に示す直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、スケール格子８０の面を基準にして規定されている。Ｘ軸はスケール格子８０の面および測定軸８２に平行である。Ｘ−Ｙ面はスケール格子８０の面に平行であり、Ｚ軸はスケール格子８０の面に垂直である。
【００２４】
光源１８０は、光源光軸１５１に沿って光源光１５０を放出する。
光源光１５０は、通常単色または準単色であり、その公称波長は第１波長l1である。光源光１５０は、スケール格子８０の照射箇所１５３を照らし、照射箇所１５３はスケール光軸１５５に沿ってスケール光１５４を出力する。
本実施形態では、光源光軸１５１とスケール光軸１５５とは、それぞれＺ軸に平行かつ互いに一致する。しかしながら、他の実施形態では、公知の反射型セルフイメージ構造を用いてもよく、この場合、光源光軸とスケール光軸とは平行ではないとしてもよい。
【００２５】
スケール格子８０の照射箇所１５３からのスケール光１５４は、動作間隔１８４を通過してセルフイメージ面１６５に至る。
セルフイメージ面１６５において、スケール光１５４は、図１に示すように、検出器アセンブリ１７０に一致する受光面１６０に、セルフイメージ１６６を含む周期的強度パターン１５６を形成する。周期的強度パターン１５６は、スケール格子８０の移動に応じて、受光面１６０上を変位する。
周期的強度パターン１５６に現れるセルフイメージ１６６は、測定軸８２に垂直に延びる明暗の縞からなる像である。セルフイメージ１６６の明暗の縞は、測定軸８２に平行な方向に周期的であり、その空間周期はセルフイメージ周期８３またはセルフイメージピッチＰsiとして示される。詳細は後述するが、検出器アセンブリ１７０は、測定軸８２に沿ってスケール格子８０の変位を測定するために、セルフイメージ面１６５で周期的強度パターン１５６を検出する。
セルフイメージ構造１００において、セルフイメージ面１６５はスケール格子８０の面と平行である。なお、セルフイメージは、距離をおいた幾つかのセルフイメージ面セットに現れる。図１において、光源１８０がコリメートされた光源光１５０を出力した場合、利用可能なセルフイメージ面の条件は以下のようになる。
【００２６】
【数１】
（式１）
【００２７】
図１に示される構成の場合、この式１は次の式２のような１Ｘレベル（等倍レベル）の倍率を規定する。
【００２８】
【数２】
（式２）
【００２９】
多くの用途では、セルフイメージ距離ｚgができるだけ大きいことが望ましい。これは、例えば機器への搭載や、アラインメントおよび作動時により大きなクリアランスや許容範囲を可能にするためである。多くの用途では、微細な格子ピッチＰｇを用いることが望ましい。これは、例えば高分解能測定を可能にするためである。
前述した式１の条件によれば、所定の格子ピッチＰｇに対し、より大きなまたは同等のセルフイメージ距離ｚｇを規定するために、第１波長l１を小さくすることが望ましいことが解る。このために、従来のセルフイメージ型エンコーダは、従来約７８０ｎｍの第１波長l１を用いてきた。こういった波長が２０μｍの格子ピッチＰｇと併用される場合、動作間隔は約５１３μｍのセルフイメージ距離ｚｇに設定されてもよい。
【００３０】
同様の間隙距離を維持しつつ格子ピッチを減らす、または、同じ格子ピッチを用いてより大きな動作間隔を可能にするために、光源１８０はより小さな波長l1の光源光１５０を放出することが望ましい。例えば、図１に示される実施形態において、光源１８０がＵＶレーザまたはＵＶ−ＬＥＤ等の場合、光源光１５０は約４００ｎｍの第１波長l１を用いてもよい。同様に５００μｍのセルフイメージ距離ｚｇにより、約１４μｍの格子ピッチＰｇが可能になる。
これに対し、本発明に基づく空間位相検出器を有する検出器アセンブリが用いられる場合、測定分解能を約３０％改善することができる。または、格子ピッチＰｇが２０μｍに維持され、第１波長l１が約４００ｎｍの場合、動作間隔は約１ｍｍのセルフイメージ距離ｚｇまで増加させることができる。すなわち、動作間隔を約２倍増加させることができる。
【００３１】
しかしながら、本発明の空間位相検出器を有する検出器アセンブリを用いない場合、一般にピーク波長応答が７００ｎｍ付近であり、応答が４００ｎｍ（ピーク波長応答の約半分）である従来用いられている光検出器（例えば、CMOS光検出器）においては、約４００ｎｍの第１波長l１では生成される信号が低すぎるおそれがある。したがって、先行技術のエンコーダはこのような波長を避けてきたか、あるいは避けられない場合には、生成された弱い信号によってＳＮ比の低下などの悪影響を受けてきた。本発明の採用により、これらの問題が解消できることになる。
【００３２】
図１に示される検出器アセンブリ１７０は、本発明に係る空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４の第１実施形態を含む。
なお、空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４は、周期的強度パターン１５６に対する空間位相を除き互いに類似する。したがって、以下には空間位相検出器ＳＰＤ１のみを代表として詳細に説明する。
【００３３】
図１において、空間位相検出器ＳＰＤ１は、蛍光体層１７５の一部をなす蛍光体層ＰＬ１と、光検出器１７３の一部をなす光検出素子Ｄ１と、光検出素子Ｄ１の各検出素子ＤＥ１からなる周期構造である周期的な空間フィルタＳＦ１とを備える。
すなわち、本実施形態において、周期的な空間フィルタＳＦ１は光検出素子Ｄ１と別体の要素ではない。
各検出素子ＤＥは、検出器アレイ状に配列されるとともに、相互に連結してそれぞれの信号を合計してもよい。各検出素子ＤＥは、測定軸８２に沿ってセルフイメージピッチＰｓｉと等しいピッチまたは空間波長で互いに離間するとともに、ピッチＰｓｉを有する変位する周期的強度パターンが空間フィルタ処理されるようにピッチＰｓｉより小さい（例えば半分の）幅を有する。
【００３４】
本実施形態において、蛍光体層ＰＬ１（例えば蛍光体層１７５の一部）は、第１波長での周期的強度パターン１５６から生じる光を受光するとともに、第２波長光を出力するように配置される。第２波長光は、第１波長より長い第２波長（例えば光検出素子Ｄ１の波長応答ピークにおおよそ対応する第２波長）での光を含み、第１波長での周期的強度パターン１５６に対応した周期的強度パターンを形成する。
蛍光体層ＰＬ１は、周期的強度パターン１５６による励起に反応して散光を発する。蛍光体層ＰＬ１の発光は基本的に散光であるが、蛍光体層ＰＬ１の厚さＴがＰｓｉに対し十分に小さく、かつ、光検出素子Ｄ１に近接して設けられていれば（例えば蛍光体層ＰＬ１は光検出素子Ｄ１に当接または塗布される層として設けられる）、第２波長光は光検出素子Ｄ１にて第１波長の周期的強度パターン１５６に対応して変位する第２波長の周期的強度パターンを形成することになる。
【００３５】
光検出素子Ｄ１は、こうして第２波長強度パターンを空間フィルタ処理する周期的空間フィルタとして機能することができ、空間位相検出器ＳＰＤ１に対する周期的強度パターン１５６の空間位相を示す信号を生成する。さらに、第２波長が光検出素子Ｄ１へのピーク波長応答に略匹敵することから、生成された信号は高いＳＮ比を示し、公知技術による高レベルの位置信号補間が可能となる。前述のように、高レベルの位置信号補間は高分解能位置測定を可能にしうる。
したがって、検出器アセンブリ１７０は、空間位相検出器を備え、この検出器は前述の原理により、おおよそ４００ｎｍの第１波長l１すなわち従来の空間位相検出器（例えばＣＭＯＳ光検出器）の光検出器では生成信号が低くなってしまうような波長を用いても、性能に対する悪影響とならない。
【００３６】
以上、空間位相検出器ＳＰＤ１について説明したが、他の空間位相検出器ＳＰＤ２、ＳＰＤ３およびＳＰＤ４は、空間位相検出器ＳＰＤ１の位置および周期的強度パターン１５６に対し、それぞれ９０、１８０および２７０度空間シフトした空間位相位置に配置されることを除き、空間位相検出器ＳＰＤ１と同じである。このような構造により、各空間位相検出器からの信号は、公知の矩形信号処理方法により高分解能補間された矩形信号に基づいて処理され、位置信号を生成することができる。なお、矩形信号処理は、前述した特許文献１あるいは特許文献３に記載の技術によって処理すればよい。
【００３７】
前述のように、セルフイメージ型エンコーダでの使用に適した従来の経済的な光検出器は、一般に、約７００ｎｍでピーク波長応答を示す。このような従来の光検出器は、約４００ｎｍの波長に対して感度がよくない場合があり、光源光１５０が約４００ｎｍ、あるいは３７５ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲の波長l１を用いる場合、周期的強度パターン１５６の検出に適さない。しかしながら、このような波長には前述のような格子ピッチと動作間隔に関して好ましい効果がある。
【００３８】
したがって、図１に示される実施形態は、光源光１５０が約４００ｎｍの波長l１を利用するとともに、このような約４００ｎｍの波長l１を利用した場合でも周期的強度パターン１５６を適切に検出できるように、本発明に基づく手段を採用する。
すなわち、蛍光体層１７５は、第１波長l１での周期的強度パターン１５６を受光し、光検出器１７３の波長感度ピークに略対応する第２波長l２の第２波長光を光検出器１７３に出力する。つまり蛍光体層１７５により、区間に応じた波長の切替を行うということである。
【００３９】
蛍光体層１７５は、蛍光体粒子（例えば、従来の蛍光体または発光ナノ粒子等）を備える。
蛍光体粒子の種類は、好ましくは、蛍光体粒子が第１波長l１の光によって励起されると、光検出器１７３のピーク感度に略対応する第２波長l２で光を出力するように選択される。
したがって、本実施形態によれば、比較的大きなセルフイメージ距離ｚｇに対応する比較的大きな動作間隔（たとえ格子ピッチＰｇが比較的微細であっても）および正確な信号補間を可能にするＳＮ比を有する光学式エンコーダが可能となる。さらに、間隙許容度は大きな動作間隔で改善されうる。
なお、前述した検出器アセンブリ１７０の実施形態は例示的なものに過ぎず、本発明を限定するものではない。例えば、各種実施形態において、検出器アセンブリ１７０は、後述する図３および図４の構成要素および特徴事項を備えてもよい。
【００４０】
［第２実施形態］
図２は、本発明の第２実施形態として、光学式エンコーダの干渉構造２００に用いられる、本発明に係る空間位相検出器を備える検出器アセンブリ２７０を示す。
干渉型エンコーダの基本的な動作原理は公知であり、本発明に関する動作のみ本明細書で詳述される。図２に示される構成要素のいくつかは、図１に示される前述した第１実施形態の構成要素に対応するものであり、対応する構成要素の参照番号と同じかあるいは末尾が同じ（例えば、参照番号１ＸＸと２ＸＸの末尾ＸＸが同じ）参照番号を付して重複する説明を省略する。このような構成要素は、別段の記載がなければ前述した第１実施形態の説明を例に理解されてもよく、以下には図１のセルフイメージ構造１００に対する、図２の干渉構造２００の特徴事項または動作における重要な相違点のみ説明する。
【００４１】
干渉構造２００は、スケール格子８０’と、検出器アセンブリ２７０と光源２８０とを備える光学式エンコーダ読取ヘッド素子とを備える。検出器アセンブリ２７０と光源２８０は実施の際、互いに固定的な関係で図示されない読取ヘッドハウジング内に搭載される。スケール格子８０’と検出器アセンブリ２７０は動作間隔２８４によって隔てられる。動作間隔２８４に関し、詳細は後述する。
【００４２】
光源２８０は、コヒーレント光源２８０Ｓとコリメーティングレンズ２８０Ｌを備える。
コヒーレント光源２８０Ｓは、ＵＶレーザまたはＵＶ−ＬＥＤが利用できるが、干渉縞を作るのに適した他の公知の光源を用いてもよい。
検出器アセンブリ２７０は、光検出器２７３と蛍光体層２７５を備え、前述した第１実施形態の検出器アセンブリ１７０と類似または同じ構成とすることができ、あるいは、後述する図３および図４の構成要素および特徴事項を備えてもよい。
【００４３】
本実施形態のスケール格子８０’は、このスケール格子８０’に照射されて反射されてゆく光のうち０次光成分を抑制する位相格子である。スケール格子８０’の格子要素は、格子周期または格子ピッチＰｇである格子周期８４に従い測定軸８２に沿って周期的に配列される。
本実施形態において、コヒーレント光源２８０Ｓはレンズ２８０Ｌに光源光を発し、この光源光はレンズ２８０Ｌを経て光源軸２５１に沿った光源光２５０としてスケール格子８０’に向けて照射される。
【００４４】
図２に示されるように、光源光２５０はコリメート光とされる。しかしながら、光源光２５０は発散角を有する光としてもよい。光源光は通常単色または準単色であり、その公称波長は第１波長l１である。
スケール格子８０’に向けて照射される光源光２５０は、スケール格子８０’の照射箇所２５３を照らし、光源光２５０を受けたスケール格子８０’はスケール光軸２５５に沿ったスケール光２５４を出力する。
【００４５】
図２に示されるように、光源軸２５１とスケール光軸２５５はＺ軸に平行であり一致する。しかしながら、他の実施形態では、公知の反射型干渉構造が用いられてもよく、この場合、光源光軸とスケール光軸は平行ではないものとされる。いずれの場合も、スケール光２５４は動作間隔２８４を通過し、図２において検出器アセンブリ２７０に一致する受光面２６０に干渉縞を含む周期的強度パターン２５６を形成する。周期的強度パターン２５６はスケール格子８０’と共に変位する。
【００４６】
スケール格子８０’の表面の凹凸構造は、スケール光２５４の０次成分を抑制し、スケール格子８０’の凹凸比（デューティサイクル）に応じて偶数次の回折次数を抑制する。±３次以上の奇数次の回折次数（＋３次、＋５次…、および−３次、−５次…）は一般に、無関係な干渉縞特徴を作り出し、周期的強度パターン２５６に基づく測定信号を正確に補間する能力を損ねる。
したがって、本実施形態では、検出器アセンブリ２７０は、その構成要素である空間位相検出器が±３次以上の回折次数に基づく光を回避することができるように選択された動作間隔で配置される。すなわち、本実施形態では±１次回折次数（＋１次および−１次）の光のみを透過させるように設定され、これらの回折次数に基づく光と干渉縞のみ検出される。
【００４７】
図２には、これらの±１次回折次数の光のみを図示してあり、抑制される０次、偶数次（＋２次、＋４次…、および−２次、−４次…）、および三次以上の奇数次の回折次数（＋３次、＋５次…、および−３次、−５次…）の光は図２には示されない。
図２に示されるように、±１次回折次数の光は、回折によりスケール光軸２５５Ａ，２５５Ｂに沿ったスケール光２５４Ａ，２５４Ｂとして出力される。なお、スケール光軸２５５Ａ，２５５Ｂは、光源光２５０の中心光線の回折に対応する。したがって、図２に示されるように、光源光２５０がスケール格子８０’の面に略垂直に入射すると、スケール光軸２５５Ａ，２５５Ｂは１次回折角度θ−１，θ＋１に従う。±１次回折次数のスケール光２５４Ａ，２５４Ｂは、それぞれスケール光軸２５５Ａ，２５５Ｂに従って照射ゾーン２５４Ａ’，２５４Ｂ’を規定する。
【００４８】
図２中の破線円は、検出器アセンブリ２７０と一致する受光面２６０における照射ゾーン２５４Ａ’，２５４Ｂ’の略断面を示す。スケール光２５４Ａ，２５４Ｂの照射ゾーン２５４Ａ’，２５４Ｂ’は、互いに交わって干渉縞２６６を有する干渉ゾーン２５６’を規定する。干渉ゾーン２５６’は、検出器アセンブリ２７０によって検出される周期的強度パターン２５６を有する。
検出器アセンブリ２７０を構成する空間位相検出器（例えば、空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４）は、干渉ゾーン２５６’内に配置されるように構成される。
【００４９】
干渉ゾーン２５６’の干渉縞２６６は、明暗の干渉縞ゾーンから構成され、各干渉縞ゾーンはＺ軸およびＹ軸方向に沿って測定軸８２と垂直に広がる。明暗の干渉縞ゾーンは干渉縞周期８３’（干渉縞ピッチＰｉｆ）に従って測定軸８２に平行な方向に沿って周期的である。こうして、干渉縞ゾーンがスケール格子８０’の面に垂直な方向に沿って延びることから、操作可能な周期的強度パターン２５６は干渉ゾーン２５６’にわたるポテンシャルギャップである動作間隔２８４の範囲に存在する。
したがって、前述のセルフイメージ型の構造と対照的に、動作間隔２８４と受光面２６０の対応位置は通常、測定軸８２に沿った位置測定の動作または精度にあまり影響することなく、合理的な許容差範囲内で変化可能である。
【００５０】
しかしながら、各種実施形態において、一定の制限を満たすことは形式上の動作間隔２８４にとって依然として効果的である。
特に、動作間隔２８４としては、±１次回折次数の干渉ゾーン２５６’が空間位相検出器を取り囲むのに十分な大きさを有するように検出器アセンブリ２７０を構成する空間位相検出器（例えば、空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４）の受光面２６０が配置され、かつ、空間位相検出器が±３次回折次数に基づく光を受光しないようなものでなくてはならない。
光源光２５０がコリメートされると、スケール光軸２５５Ａ，２５５Ｂは、以下の回折角度関係に従って、光源光軸２５１（Ｚ軸に平行）に対してＸ−Ｚ平面でそれぞれ１次回折角度θ−１，θ＋１で傾いた（それた）光路に沿う。
【００５１】
【数３】
（式３）
【００５２】
式３によれば、所定の格子ピッチＰｇに対しては、波長が大きいほど、１次回折角度θが大きくなる。
図２から解るように、１次回折角度θが大きいほど、スケール光２５４Ａ，２５４Ｂが互いに大きくそれるようになる。したがって、比較的大きな波長であると、干渉ゾーン２５６’が消えてしまうほど小さくなることもある。このような大きな波長のもとで干渉ゾーン２５６’を確保するためには、スケール光２５４Ａ，２５４Ｂが互いにそれる面をスケール格子８０’に比較的近く配置すること、つまり動作間隔２８４を小さくし、受光面２６０とスケール格子８０’とを近づけることが必要となってしまう。このような状況は、前述のデメリットを伴うことになり、好ましくない。
【００５３】
したがって、式３の条件を考慮すると、所定の格子ピッチＰｇに対し、より大きな動作間隔２８４を確保するために、第１波長l1を減少させることが望ましい。
従来、干渉型エンコーダでは、約７８０ｎｍの第１波長l1を用いてきた。このような従来と同様の動作間隔を維持しつつ格子ピッチを減らす、または、同じ格子ピッチを用いてより大きな動作間隔を可能にするために、光源２８０Ｓは、より小さな波長l1の光源光２５０を放出することが望ましい。
【００５４】
本実施形態において、検出器アセンブリ２７０は、良好なＳＮ比を維持しつつ、約４００ｎｍである第１波長l1を有する光源２８０Ｓを使用する。１次回折角度θが同じである場合（動作間隔が同じ場合）、従来の７８０ｎｍの波長を有するものに比べ、格子ピッチＰｇを約２分の１とすることが可能になる。したがって、本発明の空間位相検出器を備える検出器アセンブリ２７０を用いれば、格子ピッチを許容範囲内で減じたうえで、測定分解能を約２倍に改善しうる。または、格子ピッチＰｇが同じでも、約４００ｎｍである第１波長l1に対し、回折角度を減少させるとともに、動作間隔を増加させることができる。例えば、１５μｍの格子ピッチに対し、所定の照射箇所２５３と検出器アセンブリ２７０の動作間隔は約２倍になりうる。
【００５５】
前述のように、約４００ｎｍの第１波長l1は、従来の光検出器（例えばＣＭＯＳ光検出器）では低レベルの信号しか生成できない。つまり、従来の光検出器では約７８０ｎｍのピーク波長応答であるのに対し、４００ｎｍとした場合のピーク波長応答は従来の約半分である。このため、従来の干渉型エンコーダでは、このような短い波長を避けてきたか、あるいは、短い波長による弱い生成信号に伴う悪影響が避けられなかった。
【００５６】
これに対し、本実施形態の検出器アセンブリ２７０は、本発明に基づく空間位相検出器を備え、検出器アセンブリ２７０に形成された蛍光体層２７５は、光検出器２７３の光検出素子のピーク波長応答に略匹敵する第２波長で光を生成するように選択された蛍光体粒子を備えることから、従来の空間位相検出器の光検出素子において低レベルの信号を生成する第１波長l1を使用するにも拘わらず、高レベルの信号を生成することができ、高いＳＮ比を示すものにできる。
こうして、本実施形態においては、高レベルの位置信号補間と高分解能の位置測定が可能になる。したがって、検出器アセンブリ２７０は、本発明の空間位相検出器を備えることで、前述の原理に基づく蛍光体層による波長の変換により、略４００ｎｍの第１波長l1を用いても性能への悪影響を回避することができる。言い換えれば、上記で開示される実施形態は、たとえ格子ピッチＰｇが比較的微細であるとしても、比較的大きな動作間隔を有する光学式エンコーダを可能にし、また、正確な信号補間を実現する高いＳＮ比も可能にする。
【００５７】
［第３実施形態］
図３は、本発明の第３実施形態に係る空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４を備える検出器アセンブリ３７０の一部分３００の断面を示す。
検出器アセンブリ３７０は、例えば、セルフイメージ構造１００の検出器アセンブリ１７０（第１実施形態、図１参照）、または、干渉構造２００の検出器アセンブリ２７０（第２実施形態、図２参照）の代わりに用いられる。
【００５８】
図３に示される実施形態では、検出器アセンブリ３７０は、光検出器３７３と蛍光体層３７５とを備える。第１実施形態の検出器アセンブリ１７０が連続的な蛍光体層１７５を備えていたのに対し、本実施形態の検出器アセンブリ３７０では、蛍光体層３７５がパターン化されている。さらに、空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４は、別個のエリアに分けられるのではなく、同じエリアに交互に配置される。
なお、図３に示される空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４は、第１波長λ1での光を有する受信した周期的強度パターン（図示されず）に対するそれぞれの空間位相が異なることを除き、互いに同じである。したがって、以下には空間位相検出器ＳＰＤ１のみ詳述される。
【００５９】
図３に示されるように、空間位相検出器ＳＰＤ１は、後述の空間フィルタＳＦ１と、部分ＰＬ１−ｉ（例えばＰＬ１−１，ＰＬ１−２…）を含んでパターン化されて蛍光体層３７５を構成する蛍光体層ＰＬ１と、部分Ｄ１−ｉ（例えばＤ１−１，Ｄ１−２…）を含んで光検出器３７３を構成する光検出素子Ｄ１と、を備えている。
なお、検出器アセンブリ３７０の全体では、図３に示される素子からなる反復パターン（例えば、その他の空間位相検出器における、空間位相検出器ＳＰＤ１の追加的な素子あるいは部分ＰＬ１−ｉ，Ｄ１−ｉなどに対応）を有する。
【００６０】
図３に示される実施形態では、空間フィルタＳＦ１は、パターン化された部分ＰＬ１−ｉからなる周期的な構造によって構成される。すなわち、本実施形態において、空間フィルタＳＦ１は、パターン化された蛍光体層ＰＬ１と別体の要素ではなく一体化されている。
図３に示されるように、各光検出素子Ｄ１−ｉはアレイ状に配列され、それぞれの信号が統合するように相互に連結されてもよい。各光検出素子Ｄ１−ｉは、測定軸８２に沿ってセルフイメージピッチＰｓｉ（または干渉縞ピッチＰｉｆ）の５倍（一般的には整数Ｎ倍）に等しいピッチまたは空間波長で離間するとともに、セルフイメージピッチＰｓｉ（または干渉縞ピッチＰｉｆ）を有する変位する周期的強度パターンが空間フィルタ処理されるようにセルフイメージピッチＰｓｉ（または干渉縞ピッチＰｉｆ）未満の幅（例えば半分の）を有する。
【００６１】
図３に示される実施形態では、蛍光体層ＰＬ１のパターン化部分（ＰＬ１−１，ＰＬ１−２等）は、第１波長での周期的強度パターンに基づく光を受光し、その周期的な空間フィルタＳＦ１に基づき周期的強度パターンを空間フィルタ処理し、第１波長よりも大きい第２波長、例えば光検出素子Ｄ１の部分（Ｄ１−１，Ｄ１−２等）の波長応答ピークに略対応する第２波長での光を含む第２波長光を出力するように配置される。
【００６２】
図１の空間位相検出器ＳＰＤ１と対照的に、図３の空間位相検出器ＳＰＤ１の蛍光体層は、パターン化されて空間フィルタ処理を実施することから、光検出器３７３で受光される第２波長光は、パターン化した蛍光体層で空間フィルタ処理された後、第１波長での周期的強度パターンに対応するものとなる。光検出素子Ｄ１（部分Ｄ１−ｉを備える）はその後、空間位相検出器ＳＰＤ１に対する第１波長での周期的強度パターンの空間位相を示す信号を生成する。第２波長が光検出素子Ｄ１−ｉのピーク波長応答に略匹敵することから、生成された信号は高いＳＮ比を示し、公知技術による高レベルの位置信号補間が可能となる。
【００６３】
図３に示されるように、本実施形態において、パターン化された部分（ＰＬ１−１，ＰＬ２−１，ＰＬ３−１等）は、それぞれ蛍光体パターンテンプレートの障壁部ＰＴＢによって隔てられている。
蛍光体パターンテンプレートの障壁部ＰＴＢは、光検出器３７３に固定される材料層を備えてもよい。このような材料は、例えばフォトレジストまたはプラスチック層等に堆積または焼付けて形成される。この材料層は、その後フォトリソグラフィ、ナノインプリンティングまたはエッチング、または他の公知の方法によってパターン化され、各光検出素子の部分Ｄ１−ｉ，Ｄ２−ｉ等に対応する開口が形成される。その後、これらの開口は、蛍光体層３７５の材料で充填され、これにより部分ＰＬ１−ｉ，ＰＬ２−ｉ等が形成される。障壁部ＰＴＢを形成する材料は、第２波長光（および好ましくは第１波長光）を大幅に減衰またはブロックし、好ましくない迷光効果を防ぐように選択される。
【００６４】
したがって、本実施形態の検出器アセンブリ３７０は、本発明の空間位相検出器を備えることで、前述の原理により、従来の空間位相検出器（例えばＣＭＯＳ光検出器）の光検出器では生成信号が低くなる略４００ｎｍの第１波長l1を用いても、性能に対する悪影響を回避することができる。なお、空間位相検出器ＳＰＤ２，ＳＰＤ３，ＳＰＤ４は、空間位相検出器ＳＰＤ１の位置および第１波長での周期的強度パターンに対し、それぞれ９０，１８０，２７０度空間シフトした空間位相位置に配置されることを除き、空間位相検出器ＳＰＤ１と同じである。このような構造で得られる各空間位相検出器からの信号は、公知の矩形信号処理方法に従い高分解能補間された矩形信号に基づいて処理され、位置信号として規定される。
【００６５】
前述した各実施形態で利用する蛍光体層は、米国特許第６，０６６，８６１号および６，４１７，０１９号に開示されるようなYAG-Ce+系蛍光体といった１つ以上の従来の蛍光体材料を備えてもよい。
蛍光体層としては、米国特許出願第２００８／０１７３８８６号に開示されるような光輝性の半導体ナノ粒子すなわちＱ−粒子蛍光体（一般に量子ドットまたは半導体量子ドットと称される）、米国特許第７，２３５，７９２号に開示されるようなナノ結晶材料、または、米国特許第７，０８３，４９０号に開示されるような半導体ナノ結晶等を利用してもよい。
【００６６】
一般に、検出された周期的強度パターンの比較的微細なピッチまたは空間周期を検出する際、非均一な蛍光体粒子分布および／または粒径が原因で好ましくない信号影響を加えることがないように、蛍光体粒子は比較的小さい粒子であることが望ましい。
小さい粒径は、小さい縞ピッチおよび／または検出素子幅（例えば約２０μｍ以下の幅）内で、より均一な蛍光体密度やより均一なエネルギー変換または信号応答を実現するために好適である。言い換えれば、小さい粒子は、形成される蛍光体層が、第１波長での周期的強度パターンにより密接に対応する第２波長光を生成し、検出された格子変位情報を提供する点で好ましい。
蛍光体粒子が、蛍光体層の体積比で少なくとも８０％に対応する密度を有し、または、平均粒径（例えば、形式上の直径を示す粒径または最大粒径）が第１波長での周期的強度パターンの周期またはピッチの多くとも２５％になるような粒度分布を有することが望ましい。あるいは、蛍光体層が、光検出器に達する全ての光が第２波長光となるほど十分に大きい厚さＴを有する（例えば厚さＴが平均蛍光体粒径の少なくとも３倍である）ことが望ましい。
蛍光体粒子は、透明な結合剤に埋め込まれるか、被覆されて位置が固定されればよい。
【００６７】
［第４実施形態］
図４は、本発明の第４実施形態に係る空間位相検出器を備える検出器アセンブリ４７０の一部分４００（空間位相検出器ＳＰＤ１，ＳＰＤ２に相当する部分）の断面を示す。
検出器アセンブリ４７０は、例えば前述した各実施形態の検出器アセンブリの代わりに用いられてもよい。
【００６８】
本実施形態では、検出器アセンブリ４７０は、光検出器４７３と蛍光体層４７５とを備える。前述した第３実施形態の検出器アセンブリ３７０がパターン化した蛍光体層３７５からなる空間フィルタを備えていたのに対し、本実施形態の検出器アセンブリ４７０では、空間フィルタは後述される別体の空間フィルタマスク要素ＳＦＭからなる。さらに、蛍光体層４７５は連続してもよく（パターン化されず）、空間位相検出器は別個のエリアに分けてグループを形成している。
なお、本実施形態において、図４に示される空間位相検出器ＳＰＤ１，ＳＰＤ２および図示されない他の空間位相検出器ＳＰＤ３，ＳＰＤ４は、第１波長λ1の光を有する周期的強度パターン（図示省略）を受光した際のそれぞれに対する空間位相が異なることを除き、互いに同一である。したがって、以下には代表として空間位相検出器ＳＰＤ１のみ詳述する。
【００６９】
図４に示されるように、空間位相検出器ＳＰＤ１は、後述の空間フィルタＳＦ１と、蛍光体層４７５の一部である蛍光体層ＰＬ１と、光検出器４７３の一部である光検出素子Ｄ１と、を備える。なお、検出器アセンブリ４７０の全体では、図４に示される素子の反復パターン（例えば空間位相検出器ＳＰＤ３の蛍光体層ＰＬ３あるいは光検出素子Ｄ３のパターン、空間位相検出器ＳＰＤ４における同様なパターン）を有する。
【００７０】
本実施形態では、空間フィルタＳＦ１は、空間フィルタマスク要素ＳＦＭの開口部ＳＦ１−ｉ（例えばＳＦ１−１，ＳＦ１−２等）によって構成される。すなわち、本実施形態において、空間フィルタＳＦ１は、蛍光体層ＰＬ１と光検出素子Ｄ１とは別個の要素である。各空間フィルタ素子ＳＦ１−ｉは、測定軸８２に沿ってセルフイメージピッチＰｓｉ（または干渉縞ピッチＰｉｆ）に等しいピッチまたは空間波長で離間するとともに、セルフイメージピッチＰｓｉ（または干渉縞ピッチＰｉｆ）を有する変位する周期的強度パターンが空間フィルタ処理されるようにセルフイメージピッチＰｓｉ（または干渉縞ピッチＰｉｆ）未満の幅（例えば半分の）を有する。
【００７１】
図４の実施形態では、空間フィルタ素子ＳＦ１−ｉは第１波長での周期的強度パターンから生じる光を受光し、空間フィルタＳＦ１に基づきその周期的強度パターンを空間フィルタ処理し、空間フィルタ処理された第１波長光を出力するように配置される。空間フィルタ処理された第１波長光は、蛍光体層４７５の一部である蛍光体層ＰＬ１で受光される。
蛍光体層ＰＬ１は、第１波長より大きい第２波長で、例えば光検出素子Ｄ１の波長応答ピークに略対応する第２波長で受光された空間フィルタ処理済みの第１波長光の量に対応するエネルギーを出力する。
【００７２】
図１の空間位相検出器ＳＰＤ１と対照的に、空間フィルタマスク要素ＳＦＭは、パターン化されて空間フィルタ処理を実施することから、光検出器３７３で受光される第２波長光は、空間フィルタマスク要素ＳＦＭで空間フィルタ処理された後、第１波長での周期的強度パターンに対応する。光検出素子Ｄ１はその後、空間位相検出器ＳＰＤ１に対する第１波長での周期的強度パターンの空間位相を示す信号を生成する。前述の通り、第２波長は光検出素子Ｄ１のピーク波長応答に略匹敵し、生成された信号は高いＳＮ比を示し、公知技術による高レベルの位置信号補間が可能となる。
【００７３】
なお、本実施形態においては、空間位相検出器ＳＰＤ２、および図示されない空間位相検出器ＳＰＤ３，ＳＰＤ４は、空間位相検出器ＳＰＤ１の位置および第１波長での周期的強度パターンに対し、それぞれ９０度，１８０度，２７０度だけ空間シフトした空間位相位置に配置されることが異なるが、この点を除き、空間位相検出器ＳＰＤ１と同じである。このような構造により、各空間位相検出器からの信号は、公知の矩形信号処理方法に従い高分解能補間された矩形信号に基づいて処理され、位置信号とされる。
【００７４】
［変形例］
本発明について、前述した各実施形態で説明したが、各実施形態で図示および説明した特徴の構成や一連の動作における数多くの変形例は、本発明に基づき当業者に適宜なしうる自明なものである。
一例として、前述した各実施形態では４つの空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４を有する検出器アセンブリを説明した。しかしながら、本発明では、３つあるいは５以上の空間位相を用いるレイアウトで実施してもよい。
したがって、本発明の技術的思想および範囲を逸脱することなく、前述した様々な特定の実施形態に対し本明細書の教示事項に基づく様々な変形を加えることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１００…セルフイメージ構造
１５０…光源光
１５１…光源光軸
１５３…照射箇所
１５４…スケール光
１５５…スケール光軸
１５６…周期的強度パターン
１６０…受光面
１６５…セルフイメージ面
１６６…セルフイメージ
１７０…検出器アセンブリ
１７３…光検出器
１７５…蛍光体層
１８０…光源
１８４…動作間隔
２００…干渉構造
２５０…光源光
２５１…光源軸
２５３…照射箇所
２５４，２５４Ａ…スケール光
２５５，２５５Ａ…スケール光軸
２５６…周期的強度パターン
２６０…受光面
２６６…干渉縞
２７０…検出器アセンブリ
２７３…光検出器
２７５…蛍光体層
２８０…光源
２８０Ｌ…コリメーティングレンズ
２８０Ｓ…コヒーレント光源
２８４…動作間隔
３７０…検出器アセンブリ
３７３…光検出器
３７５…蛍光体層
４７０…検出器アセンブリ
４７３…光検出器
４７５…蛍光体層
８０…スケール格子
８１…格子周期
８２…測定軸
８３…セルフイメージ周期
８４…格子周期
Ｄ１…光検出素子
ＤＥ…検出素子
Ｐｇ…格子ピッチ
Ｐｉｆ…干渉縞ピッチ
ＰＬ１…蛍光体層
Ｐｓｉ…セルフイメージピッチ
ＰＴＢ…障壁部
ＳＦ１…空間フィルタ
ＳＦＭ…空間フィルタマスク要素
ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４…空間位相検出器
ｚｇ…セルフイメージ距離
θ…回折角度
λ１…波長
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位検出光用の光学式エンコーダおよびその読取ヘッドに関し、特に光学式エンコーダに用いられる高分解能読取ヘッドの構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直線運動、回動または回転運動を検知する各種の移動エンコーダまたは位置エンコーダが利用されている。このようなエンコーダは、一般に、光学システム、磁気スケール、誘導性変換器、誘導トランスデューサまたは容量トランスデューサにより構成される。
光学式エンコーダにおいては、スケール格子を備えるスケール部材の変位を検出するための構成として、セルフイメージ構造が用いられる。
セルフイメージ構造の基本原理は、タルボットイメージとしても知られ、例えば非特許文献１に記載されている。セルフイメージを用いる例示的な光学式エンコーダとしては、特許文献１に開示されている。
【０００３】
光学式エンコーダには、スケール格子を備えるスケール部材の変位を検出するために、干渉構造が用いられる。干渉構造を用いる光学式エンコーダ用に、数多くのシステムが開発されてきた。近年、従来システムのほとんどに比べて使用する部品が少ないシステムが開発されている。
このようなシステムの一例として、特許文献２がある。特許文献２に記載のシステムは、回折格子スケールと読取ヘッドを有し、この読取ヘッドは、点光源（読取ヘッド内のレーザーダイオード）と、空間フィルタとして機能するロンキー格子またはホログラフィー要素と、光検出器アレイとを備える。点光源は、スケールの格子と同等の縞ピッチを有する干渉縞を形成する。干渉縞を形成する干渉縞光は、ロンキー格子またはホログラフィー要素を介して光検出器アレイに伝達される。光検出器アレイは、伝達された干渉縞光から４つの矩形信号のチャネルを得るように構成される。
別の例として、特許文献３に干渉構造を用いる光学式エンコーダが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，９０６，３１５号
【特許文献２】米国特許第５，９０９，２８３号
【特許文献３】米国特許第７，１２６，６９６号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Cowley,J.M.,and A.F.Moodie,1957,Proc.Phys.Soc.B,70,486
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述したような光学式エンコーダの改善にも拘わらず、経済的で頑丈であるとともに設置しやすく高分解能な光学式エンコーダは、現在も引き続き求められている。
光学式エンコーダにおいて、より高い分解能を可能にする方法の一つは、非常に微細なスケール格子ピッチを規定するスケール格子を備えたスケール部材を用いることである。しかしながら、この方法を用いる先行技術のエンコーダには様々な不都合な制限が生じる。
従って、分解能が改善され、設計や組立ての際に制約がより少ない光学式エンコーダが望まれている。
【０００７】
詳細に述べると、従来の各種光学式エンコーダは、読取ヘッドを用い、スケールとともに変位する周期的な光強度パターンを検出する。読取ヘッドで検出すべき周期的な光強度パターンをスケールから生成するために、様々な技術がある。多くの技術では、光強度パターンのピッチもしくは空間的周期は、スケール上のスケール格子パターンのピッチもしくは空間的周期に左右される。
【０００８】
前述の通り、高分解能光学式エンコーダを可能にする方法の一つは、比較的微細なスケール格子ピッチ（例えば、エンコーダによっては約数μｍ（ミクロン）以下）を有するスケール部材を用いることである。しかしながら、この方法を用いる先行技術のエンコーダには様々な不都合な制限が生じる。
例えば、セルフイメージ技術を用いて光学式エンコーダ読取ヘッドで検出される周期的な光強度パターンを生成する場合、スケール格子と読取ヘッド間の動作間隔動作間隔はセルフイメージに用いられる光の波長に左右される。
【０００９】
しかし、光検出器の応答は所望の動作間隔動作間隔を規定する波長が弱く、ＳＮ比（信号対ノイズ比）が低くなるおそれがある。そして、低いＳＮ比は達成可能な変位度あるいは位置信号補間を制限してしまう。例えば、光学式エンコーダに用いられる公知の矩形信号検出手方法は、正弦波状の位置信号を補間し、スケール格子ピッチよりはるかに小さい位置分解能を可能にする。実際のところ、低いＳＮ比により信号補間度や得られる分解能は制限される。
したがって、動作間隔動作間隔と光源波長と光検出器の応答を実際に組み合わせる場合、セルフイメージ型エンコーダで達成される設計選択および／または分解能は制限されてしまい、好ましくなかった。さらに、間隙の変動許容度が所望のものより小さくなり、このようなエンコーダの測定における実際に達成可能な信頼性および繰り返し性を低下させてきた。
【００１０】
周期的な光強度パターンを規定する干渉縞を生成する際に干渉技術が用いられる場合、所望の干渉縞領域の位置（および関連する動作間隔範囲）および／または縞周期は、スケール格子での光源波長源の回折次数の回折角に左右される。上記でセルフイメージ型エンコーダに関し述べたように考察した結果、動作間隔と光源波長と光検出器の応答を実際に組み合わせる場合、干渉型エンコーダで達成される設計選択および／または分解能も同様に制限されてきた。
【００１１】
本発明の目的は、経済的で頑丈であるとともに設置しやすく高分解能な光学式エンコーダおよびその読取ヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では、スケール格子と読取ヘッドとの間に比較的大きな動作間隔（および比較的大きな間隙許容度）を形成するために、光学式エンコーダは、比較的短い第１波長（例えば３００〜４５０ｎｍ（ナノメートル））を有する光を用いてスケール格子を照らす。
光学式エンコーダの読取ヘッドには、その波長応答ピークが前述した第１波長よりかなり大きな第２波長（例えば７５０ｎｍ）であるような、比較的経済的な光検出器が用いられるこの光検出器は、第２波長に反応があればよく、第１波長に対して無反応であってもよい。
高いＳＮ比を可能にするために、読取ヘッドに用いられる空間位相検出器には、第１波長を受光して第２波長（前述した光検出器の波長応答ピークに近い）を出力する蛍光体層と、この蛍光体層と組み合わせられる周期的な空間フィルタとを備えたものとされる。
具体的に、本発明の光学式エンコーダおよびその読取ヘッドは、次のような構成とされる。
【００１３】
本発明の光学式エンコーダは、２つの部材間の所定の測定軸方向に沿った相対変位を測定する光学式エンコーダであって、測定軸方向に沿って形成されるスケール格子を備えるスケールと、前記スケールの変位を読み取る読取ヘッドとを備える。
【００１４】
本発明の読取ヘッドは、スケール格子に第１波長を有する光源光を出力する光源を備え、スケール格子はスケール光を出力し、スケールとともに変位する第１波長での周期的強度パターンを形成する。
読取ヘッドは、検出器アセンブリを備え、この検出器アセンブリは、検出器アセンブリに対する第１波長での周期的強度パターンの位置を検出可能である。
検出器アセンブリは、複数の空間位相検出器を備え、この空間位相検出器は、周期的な空間フィルタと、第１波長での周期的強度パターンから生じる光を受光するとともに、第１波長より大きな第２波長を有する第２波長光を出力するように配置される蛍光体層と、第２波長光を入力するとともに空間位相検出器に対する第１波長での周期的強度パターンの空間位相を示す信号を出力するように配置される光検出素子と、を備える。
【００１５】
本発明において、空間位相検出器の光検出素子は、第１波長周期的強度パターンの空間フィルタ処理後のパターンに対応する第２波長光を受光するとともに、空間位相検出器に対する第１波長周期的強度パターンの空間位相を示す信号を出力する。
本発明において、第１波長周期的強度パターンの空間フィルタ処理後のパターンを規定する空間フィルタは、別体の空間フィルタマスク要素であってもよく、または、蛍光体層のパターンでもよく、および／または、光検出素子のパターンでもよい。
本発明において、光検出素子は、空間フィルタを形成する各部からなるパターンを備えてもよい。
本発明において、蛍光体層は、光検出素子をなす各部からなるパターンに近接する連続層でもよい。
【００１６】
本発明において、蛍光体層は、空間フィルタを形成する各部からなるパターンを備えてもよい。実施形態によっては、光検出素子は、蛍光体層をなす各部からなるパターンに近接する連続的要素でもよい。
本発明において、空間フィルタは、第１波長での周期的強度パターンと蛍光体層との間に設けられる各開口部からなるパターンを有するマスク要素を備えてもよい。
本発明において、第１波長での周期的強度パターンは、（ａ）スケール格子のセルフイメージおよび（ｂ）スケール格子によって回折されたスケール光の干渉回折次数に基づく干渉縞のいずれか１つを備えてもよい。
【００１７】
本発明において、スケール格子は２０μｍ未満（より好ましくは１０μｍ未満）の格子ピッチＰgを有してもよい。第２波長は光検出素子の波長応答ピークに一致する波長を有してもよい。
本発明において、第１波長は少なくとも３００〜４５０ｎｍの範囲であり、第２波長は５００〜８００ｎｍの範囲であることが望ましい。
本発明において、蛍光体層は半導体ナノ結晶である蛍光体粒子を備えてもよい。
本発明において、蛍光体層は、蛍光体層の体積で少なくとも８０％に対応する密度の蛍光体粒子を備えてもよい。
本発明において、蛍光体層は、光検出器に到達する全ての光が第２波長光となるような厚みに構成されてもよい。
【００１８】
本発明において、蛍光体層は、平均粒径が第１波長での周期的強度パターンの周期の多くとも２５％となるような粒度分布を有する蛍光体粒子を備えてもよい。
本発明において、光検出器はＣＭＯＳ光検出器アレイを備えてもよい。
なお、蛍光体層は一般に、第１周期光の周期的強度パターンのエネルギーを、第１波長よりも光検出素子において効率的に電気信号に変換される第２波長あるいは第２波長域のエネルギーに変換するものである。一般に、光検出器のピーク波長応答は第１波長よりも大きな波長であるため、蛍光体から出力される第２波長あるいは第２波長域の大部分は第１波長よりも長い波長である。
本発明において、一種類の蛍光体が第２波長光の比較的狭い波長域を出力してもよく、または、巣種類の蛍光体の混合が第２波長光の比較的広い波長域（例えば、全体として、第１波長よりも光検出素子において効率的に電気信号に変換される波長域）を出力してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】光学式エンコーダのセルフイメージ構造に用いられる、本発明の第１実施形態に係る空間位相検出器を備える検出器アセンブリを示す。
【図２】光学式エンコーダの干渉構造に用いられる、本発明の第２実施形態に係る空間位相検出器を備える検出器アセンブリを示す。
【図３】本発明の第３実施形態に係る空間位相検出器を備える検出器アセンブリの一部分の断面を示す図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る空間位相検出器を備える検出器アセンブリの一部分の断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態として、光学式エンコーダのセルフイメージ構造１００に用いられる検出器アセンブリ１７０を示す。検出器アセンブリ１７０は、本発明に係る空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４を備える（図１にはＳＰＤ２〜ＳＰＤ４の図示を省略）。
セルフイメージ構造１００は、スケール格子８０を備えるとともに、読取ヘッドとして検出器アセンブリ１７０および光源１８０を備える。
【００２１】
検出器アセンブリ１７０および光源１８０は、実施の際、互いに固定的な関係で図示されない読取ヘッドハウジング内に搭載される。
スケール格子８０と検出器アセンブリ１７０とは、動作間隔１８４によって隔てられる。動作間隔１８４の寸法は、後述する各式におけるセルフイメージ距離ｚｇと等しくなるように、検出器アセンブリ１７０がセルフイメージ面１６５（詳細は後述）に設けられてもよい。
【００２２】
スケール格子８０は、測定軸８２に沿って位置合わせされ、この測定軸８２に対し垂直に延びる格子要素または線条（照射箇所１５３において縦線で図示される）を備える。格子要素または線条は、格子周期または格子ピッチＰｇである格子周期８１に従い、測定軸８２に沿って周期的に配列される。
光源１８０は、線光源または線光源アレイ（例えば、アパーチャマスク要素を使用）を規定するＵＶレーザ（紫外線レーザ）またはＵＶ−ＬＥＤ（紫外線発光ダイオード）を備える。光源１８０は、セルフイメージに好適なその他の公知の線光源構造で構成してもよい。
【００２３】
検出器アセンブリ１７０は、光検出器１７３と蛍光体層１７５（詳細は後述）を備える。
図１に示す直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、スケール格子８０の面を基準にして規定されている。Ｘ軸はスケール格子８０の面および測定軸８２に平行である。Ｘ−Ｙ面はスケール格子８０の面に平行であり、Ｚ軸はスケール格子８０の面に垂直である。
【００２４】
光源１８０は、光源光軸１５１に沿って光源光１５０を放出する。
光源光１５０は、通常単色または準単色であり、その公称波長は第１波長l1である。光源光１５０は、スケール格子８０の照射箇所１５３を照らし、照射箇所１５３はスケール光軸１５５に沿ってスケール光１５４を出力する。
本実施形態では、光源光軸１５１とスケール光軸１５５とは、それぞれＺ軸に平行かつ互いに一致する。しかしながら、他の実施形態では、公知の反射型セルフイメージ構造を用いてもよく、この場合、光源光軸とスケール光軸とは平行ではないとしてもよい。
【００２５】
スケール格子８０の照射箇所１５３からのスケール光１５４は、動作間隔１８４を通過してセルフイメージ面１６５に至る。
セルフイメージ面１６５において、スケール光１５４は、図１に示すように、検出器アセンブリ１７０に一致する受光面１６０に、セルフイメージ１６６を含む周期的強度パターン１５６を形成する。周期的強度パターン１５６は、スケール格子８０の移動に応じて、受光面１６０上を変位する。
周期的強度パターン１５６に現れるセルフイメージ１６６は、測定軸８２に垂直に延びる明暗の縞からなる像である。セルフイメージ１６６の明暗の縞は、測定軸８２に平行な方向に周期的であり、その空間周期はセルフイメージ周期８３またはセルフイメージピッチＰsiとして示される。詳細は後述するが、検出器アセンブリ１７０は、測定軸８２に沿ってスケール格子８０の変位を測定するために、セルフイメージ面１６５で周期的強度パターン１５６を検出する。
セルフイメージ構造１００において、セルフイメージ面１６５はスケール格子８０の面と平行である。なお、セルフイメージは、距離をおいた幾つかのセルフイメージ面セットに現れる。図１において、光源１８０がコリメートされた光源光１５０を出力した場合、利用可能なセルフイメージ面の条件は以下のようになる。
【００２６】
【数１】
（式１）
【００２７】
図１に示される構成の場合、この式１は次の式２のような１Ｘレベル（等倍レベル）の倍率を規定する。
【００２８】
【数２】
（式２）
【００２９】
多くの用途では、セルフイメージ距離ｚgができるだけ大きいことが望ましい。これは、例えば機器への搭載や、アラインメントおよび作動時により大きなクリアランスや許容範囲を可能にするためである。多くの用途では、微細な格子ピッチＰｇを用いることが望ましい。これは、例えば高分解能測定を可能にするためである。
前述した式１の条件によれば、所定の格子ピッチＰｇに対し、より大きなまたは同等のセルフイメージ距離ｚｇを規定するために、第１波長l１を小さくすることが望ましいことが解る。このために、従来のセルフイメージ型エンコーダは、従来約７８０ｎｍの第１波長l１を用いてきた。こういった波長が２０μｍの格子ピッチＰｇと併用される場合、動作間隔は約５１３μｍのセルフイメージ距離ｚｇに設定されてもよい。
【００３０】
同様の間隙距離を維持しつつ格子ピッチを減らす、または、同じ格子ピッチを用いてより大きな動作間隔を可能にするために、光源１８０はより小さな波長l1の光源光１５０を放出することが望ましい。例えば、図１に示される実施形態において、光源１８０がＵＶレーザまたはＵＶ−ＬＥＤ等の場合、光源光１５０は約４００ｎｍの第１波長l１を用いてもよい。同様に５００μｍのセルフイメージ距離ｚｇにより、約１４μｍの格子ピッチＰｇが可能になる。
これに対し、本発明に基づく空間位相検出器を有する検出器アセンブリが用いられる場合、測定分解能を約３０％改善することができる。または、格子ピッチＰｇが２０μｍに維持され、第１波長l１が約４００ｎｍの場合、動作間隔は約１ｍｍのセルフイメージ距離ｚｇまで増加させることができる。すなわち、動作間隔を約２倍増加させることができる。
【００３１】
しかしながら、本発明の空間位相検出器を有する検出器アセンブリを用いない場合、一般にピーク波長応答が７００ｎｍ付近であり、応答が４００ｎｍ（ピーク波長応答の約半分）である従来用いられている光検出器（例えば、CMOS光検出器）においては、約４００ｎｍの第１波長l１では生成される信号が低すぎるおそれがある。したがって、先行技術のエンコーダはこのような波長を避けてきたか、あるいは避けられない場合には、生成された弱い信号によってＳＮ比の低下などの悪影響を受けてきた。本発明の採用により、これらの問題が解消できることになる。
【００３２】
図１に示される検出器アセンブリ１７０は、本発明に係る空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４の第１実施形態を含む。
なお、空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４は、周期的強度パターン１５６に対する空間位相を除き互いに類似する。したがって、以下には空間位相検出器ＳＰＤ１のみを代表として詳細に説明する。
【００３３】
図１において、空間位相検出器ＳＰＤ１は、蛍光体層１７５の一部をなす蛍光体層ＰＬ１と、光検出器１７３の一部をなす光検出素子Ｄ１と、光検出素子Ｄ１の各検出素子ＤＥ１からなる周期構造である周期的な空間フィルタＳＦ１とを備える。
すなわち、本実施形態において、周期的な空間フィルタＳＦ１は光検出素子Ｄ１と別体の要素ではない。
各検出素子ＤＥは、検出器アレイ状に配列されるとともに、相互に連結してそれぞれの信号を合計してもよい。各検出素子ＤＥは、測定軸８２に沿ってセルフイメージピッチＰｓｉと等しいピッチまたは空間波長で互いに離間するとともに、ピッチＰｓｉを有する変位する周期的強度パターンが空間フィルタ処理されるようにピッチＰｓｉより小さい（例えば半分の）幅を有する。
【００３４】
本実施形態において、蛍光体層ＰＬ１（例えば蛍光体層１７５の一部）は、第１波長での周期的強度パターン１５６から生じる光を受光するとともに、第２波長光を出力するように配置される。第２波長光は、第１波長より長い第２波長（例えば光検出素子Ｄ１の波長応答ピークにおおよそ対応する第２波長）での光を含み、第１波長での周期的強度パターン１５６に対応した周期的強度パターンを形成する。
蛍光体層ＰＬ１は、周期的強度パターン１５６による励起に反応して散光を発する。蛍光体層ＰＬ１の発光は基本的に散光であるが、蛍光体層ＰＬ１の厚さＴがＰｓｉに対し十分に小さく、かつ、光検出素子Ｄ１に近接して設けられていれば（例えば蛍光体層ＰＬ１は光検出素子Ｄ１に当接または塗布される層として設けられる）、第２波長光は光検出素子Ｄ１にて第１波長の周期的強度パターン１５６に対応して変位する第２波長の周期的強度パターンを形成することになる。
【００３５】
光検出素子Ｄ１は、こうして第２波長強度パターンを空間フィルタ処理する周期的空間フィルタとして機能することができ、空間位相検出器ＳＰＤ１に対する周期的強度パターン１５６の空間位相を示す信号を生成する。さらに、第２波長が光検出素子Ｄ１へのピーク波長応答に略匹敵することから、生成された信号は高いＳＮ比を示し、公知技術による高レベルの位置信号補間が可能となる。前述のように、高レベルの位置信号補間は高分解能位置測定を可能にしうる。
したがって、検出器アセンブリ１７０は、空間位相検出器を備え、この検出器は前述の原理により、おおよそ４００ｎｍの第１波長l１すなわち従来の空間位相検出器（例えばＣＭＯＳ光検出器）の光検出器では生成信号が低くなってしまうような波長を用いても、性能に対する悪影響とならない。
【００３６】
以上、空間位相検出器ＳＰＤ１について説明したが、他の空間位相検出器ＳＰＤ２、ＳＰＤ３およびＳＰＤ４は、空間位相検出器ＳＰＤ１の位置および周期的強度パターン１５６に対し、それぞれ９０、１８０および２７０度空間シフトした空間位相位置に配置されることを除き、空間位相検出器ＳＰＤ１と同じである。このような構造により、各空間位相検出器からの信号は、公知の矩形信号処理方法により高分解能補間された矩形信号に基づいて処理され、位置信号を生成することができる。なお、矩形信号処理は、前述した特許文献１あるいは特許文献３に記載の技術によって処理すればよい。
【００３７】
前述のように、セルフイメージ型エンコーダでの使用に適した従来の経済的な光検出器は、一般に、約７００ｎｍでピーク波長応答を示す。このような従来の光検出器は、約４００ｎｍの波長に対して感度がよくない場合があり、光源光１５０が約４００ｎｍ、あるいは３７５ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲の波長l１を用いる場合、周期的強度パターン１５６の検出に適さない。しかしながら、このような波長には前述のような格子ピッチと動作間隔に関して好ましい効果がある。
【００３８】
したがって、図１に示される実施形態は、光源光１５０が約４００ｎｍの波長l１を利用するとともに、このような約４００ｎｍの波長l１を利用した場合でも周期的強度パターン１５６を適切に検出できるように、本発明に基づく手段を採用する。
すなわち、蛍光体層１７５は、第１波長l１での周期的強度パターン１５６を受光し、光検出器１７３の波長感度ピークに略対応する第２波長l２の第２波長光を光検出器１７３に出力する。つまり蛍光体層１７５により、区間に応じた波長の切替を行うということである。
【００３９】
蛍光体層１７５は、蛍光体粒子（例えば、従来の蛍光体または発光ナノ粒子等）を備える。
蛍光体粒子の種類は、好ましくは、蛍光体粒子が第１波長l１の光によって励起されると、光検出器１７３のピーク感度に略対応する第２波長l２で光を出力するように選択される。
したがって、本実施形態によれば、比較的大きなセルフイメージ距離ｚｇに対応する比較的大きな動作間隔（たとえ格子ピッチＰｇが比較的微細であっても）および正確な信号補間を可能にするＳＮ比を有する光学式エンコーダが可能となる。さらに、間隙許容度は大きな動作間隔で改善されうる。
なお、前述した検出器アセンブリ１７０の実施形態は例示的なものに過ぎず、本発明を限定するものではない。例えば、各種実施形態において、検出器アセンブリ１７０は、後述する図３および図４の構成要素および特徴事項を備えてもよい。
【００４０】
［第２実施形態］
図２は、本発明の第２実施形態として、光学式エンコーダの干渉構造２００に用いられる、本発明に係る空間位相検出器を備える検出器アセンブリ２７０を示す。
干渉型エンコーダの基本的な動作原理は公知であり、本発明に関する動作のみ本明細書で詳述される。図２に示される構成要素のいくつかは、図１に示される前述した第１実施形態の構成要素に対応するものであり、対応する構成要素の参照番号と同じかあるいは末尾が同じ（例えば、参照番号１ＸＸと２ＸＸの末尾ＸＸが同じ）参照番号を付して重複する説明を省略する。このような構成要素は、別段の記載がなければ前述した第１実施形態の説明を例に理解されてもよく、以下には図１のセルフイメージ構造１００に対する、図２の干渉構造２００の特徴事項または動作における重要な相違点のみ説明する。
【００４１】
干渉構造２００は、スケール格子８０’と、検出器アセンブリ２７０と光源２８０とを備える光学式エンコーダ読取ヘッド素子とを備える。検出器アセンブリ２７０と光源２８０は実施の際、互いに固定的な関係で図示されない読取ヘッドハウジング内に搭載される。スケール格子８０’と検出器アセンブリ２７０は動作間隔２８４によって隔てられる。動作間隔２８４に関し、詳細は後述する。
【００４２】
光源２８０は、コヒーレント光源２８０Ｓとコリメーティングレンズ２８０Ｌを備える。
コヒーレント光源２８０Ｓは、ＵＶレーザまたはＵＶ−ＬＥＤが利用できるが、干渉縞を作るのに適した他の公知の光源を用いてもよい。
検出器アセンブリ２７０は、光検出器２７３と蛍光体層２７５を備え、前述した第１実施形態の検出器アセンブリ１７０と類似または同じ構成とすることができ、あるいは、後述する図３および図４の構成要素および特徴事項を備えてもよい。
【００４３】
本実施形態のスケール格子８０’は、このスケール格子８０’に照射されて反射されてゆく光のうち０次光成分を抑制する位相格子である。スケール格子８０’の格子要素は、格子周期または格子ピッチＰｇである格子周期８４に従い測定軸８２に沿って周期的に配列される。
本実施形態において、コヒーレント光源２８０Ｓはレンズ２８０Ｌに光源光を発し、この光源光はレンズ２８０Ｌを経て光源軸２５１に沿った光源光２５０としてスケール格子８０’に向けて照射される。
【００４４】
図２に示されるように、光源光２５０はコリメート光とされる。しかしながら、光源光２５０は発散角を有する光としてもよい。光源光は通常単色または準単色であり、その公称波長は第１波長l１である。
スケール格子８０’に向けて照射される光源光２５０は、スケール格子８０’の照射箇所２５３を照らし、光源光２５０を受けたスケール格子８０’はスケール光軸２５５に沿ったスケール光２５４を出力する。
【００４５】
図２に示されるように、光源軸２５１とスケール光軸２５５はＺ軸に平行であり一致する。しかしながら、他の実施形態では、公知の反射型干渉構造が用いられてもよく、この場合、光源光軸とスケール光軸は平行ではないものとされる。いずれの場合も、スケール光２５４は動作間隔２８４を通過し、図２において検出器アセンブリ２７０に一致する受光面２６０に干渉縞を含む周期的強度パターン２５６を形成する。周期的強度パターン２５６はスケール格子８０’と共に変位する。
【００４６】
スケール格子８０’の表面の凹凸構造は、スケール光２５４の０次成分を抑制し、スケール格子８０’の凹凸比（デューティサイクル）に応じて偶数次の回折次数を抑制する。±３次以上の奇数次の回折次数（＋３次、＋５次…、および−３次、−５次…）は一般に、無関係な干渉縞特徴を作り出し、周期的強度パターン２５６に基づく測定信号を正確に補間する能力を損ねる。
したがって、本実施形態では、検出器アセンブリ２７０は、その構成要素である空間位相検出器が±３次以上の回折次数に基づく光を回避することができるように選択された動作間隔で配置される。すなわち、本実施形態では±１次回折次数（＋１次および−１次）の光のみを透過させるように設定され、これらの回折次数に基づく光と干渉縞のみ検出される。
【００４７】
図２には、これらの±１次回折次数の光のみを図示してあり、抑制される０次、偶数次（＋２次、＋４次…、および−２次、−４次…）、および三次以上の奇数次の回折次数（＋３次、＋５次…、および−３次、−５次…）の光は図２には示されない。
図２に示されるように、±１次回折次数の光は、回折によりスケール光軸２５５Ａ，２５５Ｂに沿ったスケール光２５４Ａ，２５４Ｂとして出力される。なお、スケール光軸２５５Ａ，２５５Ｂは、光源光２５０の中心光線の回折に対応する。したがって、図２に示されるように、光源光２５０がスケール格子８０’の面に略垂直に入射すると、スケール光軸２５５Ａ，２５５Ｂは１次回折角度θ−１，θ＋１に従う。±１次回折次数のスケール光２５４Ａ，２５４Ｂは、それぞれスケール光軸２５５Ａ，２５５Ｂに従って照射ゾーン２５４Ａ’，２５４Ｂ’を規定する。
【００４８】
図２中の破線円は、検出器アセンブリ２７０と一致する受光面２６０における照射ゾーン２５４Ａ’，２５４Ｂ’の略断面を示す。スケール光２５４Ａ，２５４Ｂの照射ゾーン２５４Ａ’，２５４Ｂ’は、互いに交わって干渉縞２６６を有する干渉ゾーン２５６’を規定する。干渉ゾーン２５６’は、検出器アセンブリ２７０によって検出される周期的強度パターン２５６を有する。
検出器アセンブリ２７０を構成する空間位相検出器（例えば、空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４）は、干渉ゾーン２５６’内に配置されるように構成される。
【００４９】
干渉ゾーン２５６’の干渉縞２６６は、明暗の干渉縞ゾーンから構成され、各干渉縞ゾーンはＺ軸およびＹ軸方向に沿って測定軸８２と垂直に広がる。明暗の干渉縞ゾーンは干渉縞周期８３’（干渉縞ピッチＰｉｆ）に従って測定軸８２に平行な方向に沿って周期的である。こうして、干渉縞ゾーンがスケール格子８０’の面に垂直な方向に沿って延びることから、操作可能な周期的強度パターン２５６は干渉ゾーン２５６’にわたるポテンシャルギャップである動作間隔２８４の範囲に存在する。
したがって、前述のセルフイメージ型の構造と対照的に、動作間隔２８４と受光面２６０の対応位置は通常、測定軸８２に沿った位置測定の動作または精度にあまり影響することなく、合理的な許容差範囲内で変化可能である。
【００５０】
しかしながら、各種実施形態において、一定の制限を満たすことは形式上の動作間隔２８４にとって依然として効果的である。
特に、動作間隔２８４としては、±１次回折次数の干渉ゾーン２５６’が空間位相検出器を取り囲むのに十分な大きさを有するように検出器アセンブリ２７０を構成する空間位相検出器（例えば、空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４）の受光面２６０が配置され、かつ、空間位相検出器が±３次回折次数に基づく光を受光しないようなものでなくてはならない。
光源光２５０がコリメートされると、スケール光軸２５５Ａ，２５５Ｂは、以下の回折角度関係に従って、光源光軸２５１（Ｚ軸に平行）に対してＸ−Ｚ平面でそれぞれ１次回折角度θ−１，θ＋１で傾いた（それた）光路に沿う。
【００５１】
【数３】
（式３）
【００５２】
式３によれば、所定の格子ピッチＰｇに対しては、波長が大きいほど、１次回折角度θが大きくなる。
図２から解るように、１次回折角度θが大きいほど、スケール光２５４Ａ，２５４Ｂが互いに大きくそれるようになる。したがって、比較的大きな波長であると、干渉ゾーン２５６’が消えてしまうほど小さくなることもある。このような大きな波長のもとで干渉ゾーン２５６’を確保するためには、スケール光２５４Ａ，２５４Ｂが互いにそれる面をスケール格子８０’に比較的近く配置すること、つまり動作間隔２８４を小さくし、受光面２６０とスケール格子８０’とを近づけることが必要となってしまう。このような状況は、前述のデメリットを伴うことになり、好ましくない。
【００５３】
したがって、式３の条件を考慮すると、所定の格子ピッチＰｇに対し、より大きな動作間隔２８４を確保するために、第１波長l1を減少させることが望ましい。
従来、干渉型エンコーダでは、約７８０ｎｍの第１波長l1を用いてきた。このような従来と同様の動作間隔を維持しつつ格子ピッチを減らす、または、同じ格子ピッチを用いてより大きな動作間隔を可能にするために、光源２８０Ｓは、より小さな波長l1の光源光２５０を放出することが望ましい。
【００５４】
本実施形態において、検出器アセンブリ２７０は、良好なＳＮ比を維持しつつ、約４００ｎｍである第１波長l1を有する光源２８０Ｓを使用する。１次回折角度θが同じである場合（動作間隔が同じ場合）、従来の７８０ｎｍの波長を有するものに比べ、格子ピッチＰｇを約２分の１とすることが可能になる。したがって、本発明の空間位相検出器を備える検出器アセンブリ２７０を用いれば、格子ピッチを許容範囲内で減じたうえで、測定分解能を約２倍に改善しうる。または、格子ピッチＰｇが同じでも、約４００ｎｍである第１波長l1に対し、回折角度を減少させるとともに、動作間隔を増加させることができる。例えば、１５μｍの格子ピッチに対し、所定の照射箇所２５３と検出器アセンブリ２７０の動作間隔は約２倍になりうる。
【００５５】
前述のように、約４００ｎｍの第１波長l1は、従来の光検出器（例えばＣＭＯＳ光検出器）では低レベルの信号しか生成できない。つまり、従来の光検出器では約７８０ｎｍのピーク波長応答であるのに対し、４００ｎｍとした場合のピーク波長応答は従来の約半分である。このため、従来の干渉型エンコーダでは、このような短い波長を避けてきたか、あるいは、短い波長による弱い生成信号に伴う悪影響が避けられなかった。
【００５６】
これに対し、本実施形態の検出器アセンブリ２７０は、本発明に基づく空間位相検出器を備え、検出器アセンブリ２７０に形成された蛍光体層２７５は、光検出器２７３の光検出素子のピーク波長応答に略匹敵する第２波長で光を生成するように選択された蛍光体粒子を備えることから、従来の空間位相検出器の光検出素子において低レベルの信号を生成する第１波長l1を使用するにも拘わらず、高レベルの信号を生成することができ、高いＳＮ比を示すものにできる。
こうして、本実施形態においては、高レベルの位置信号補間と高分解能の位置測定が可能になる。したがって、検出器アセンブリ２７０は、本発明の空間位相検出器を備えることで、前述の原理に基づく蛍光体層による波長の変換により、略４００ｎｍの第１波長l1を用いても性能への悪影響を回避することができる。言い換えれば、上記で開示される実施形態は、たとえ格子ピッチＰｇが比較的微細であるとしても、比較的大きな動作間隔を有する光学式エンコーダを可能にし、また、正確な信号補間を実現する高いＳＮ比も可能にする。
【００５７】
［第３実施形態］
図３は、本発明の第３実施形態に係る空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４を備える検出器アセンブリ３７０の一部分３００の断面を示す。
検出器アセンブリ３７０は、例えば、セルフイメージ構造１００の検出器アセンブリ１７０（第１実施形態、図１参照）、または、干渉構造２００の検出器アセンブリ２７０（第２実施形態、図２参照）の代わりに用いられる。
【００５８】
図３に示される実施形態では、検出器アセンブリ３７０は、光検出器３７３と蛍光体層３７５とを備える。第１実施形態の検出器アセンブリ１７０が連続的な蛍光体層１７５を備えていたのに対し、本実施形態の検出器アセンブリ３７０では、蛍光体層３７５がパターン化されている。さらに、空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４は、別個のエリアに分けられるのではなく、同じエリアに交互に配置される。
なお、図３に示される空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４は、第１波長λ1での光を有する受信した周期的強度パターン（図示されず）に対するそれぞれの空間位相が異なることを除き、互いに同じである。したがって、以下には空間位相検出器ＳＰＤ１のみ詳述される。
【００５９】
図３に示されるように、空間位相検出器ＳＰＤ１は、後述の空間フィルタＳＦ１と、部分ＰＬ１−ｉ（例えばＰＬ１−１，ＰＬ１−２…）を含んでパターン化されて蛍光体層３７５を構成する蛍光体層ＰＬ１と、部分Ｄ１−ｉ（例えばＤ１−１，Ｄ１−２…）を含んで光検出器３７３を構成する光検出素子Ｄ１と、を備えている。
なお、検出器アセンブリ３７０の全体では、図３に示される素子からなる反復パターン（例えば、その他の空間位相検出器における、空間位相検出器ＳＰＤ１の追加的な素子あるいは部分ＰＬ１−ｉ，Ｄ１−ｉなどに対応）を有する。
【００６０】
図３に示される実施形態では、空間フィルタＳＦ１は、パターン化された部分ＰＬ１−ｉからなる周期的な構造によって構成される。すなわち、本実施形態において、空間フィルタＳＦ１は、パターン化された蛍光体層ＰＬ１と別体の要素ではなく一体化されている。
図３に示されるように、各光検出素子Ｄ１−ｉはアレイ状に配列され、それぞれの信号が統合するように相互に連結されてもよい。各光検出素子Ｄ１−ｉは、測定軸８２に沿ってセルフイメージピッチＰｓｉ（または干渉縞ピッチＰｉｆ）の５倍（一般的には整数Ｎ倍）に等しいピッチまたは空間波長で離間するとともに、セルフイメージピッチＰｓｉ（または干渉縞ピッチＰｉｆ）を有する変位する周期的強度パターンが空間フィルタ処理されるようにセルフイメージピッチＰｓｉ（または干渉縞ピッチＰｉｆ）未満の幅（例えば半分の）を有する。
【００６１】
図３に示される実施形態では、蛍光体層ＰＬ１のパターン化部分（ＰＬ１−１，ＰＬ１−２等）は、第１波長での周期的強度パターンに基づく光を受光し、その周期的な空間フィルタＳＦ１に基づき周期的強度パターンを空間フィルタ処理し、第１波長よりも大きい第２波長、例えば光検出素子Ｄ１の部分（Ｄ１−１，Ｄ１−２等）の波長応答ピークに略対応する第２波長での光を含む第２波長光を出力するように配置される。
【００６２】
図１の空間位相検出器ＳＰＤ１と対照的に、図３の空間位相検出器ＳＰＤ１の蛍光体層は、パターン化されて空間フィルタ処理を実施することから、光検出器３７３で受光される第２波長光は、パターン化した蛍光体層で空間フィルタ処理された後、第１波長での周期的強度パターンに対応するものとなる。光検出素子Ｄ１（部分Ｄ１−ｉを備える）はその後、空間位相検出器ＳＰＤ１に対する第１波長での周期的強度パターンの空間位相を示す信号を生成する。第２波長が光検出素子Ｄ１−ｉのピーク波長応答に略匹敵することから、生成された信号は高いＳＮ比を示し、公知技術による高レベルの位置信号補間が可能となる。
【００６３】
図３に示されるように、本実施形態において、パターン化された部分（ＰＬ１−１，ＰＬ２−１，ＰＬ３−１等）は、それぞれ蛍光体パターンテンプレートの障壁部ＰＴＢによって隔てられている。
蛍光体パターンテンプレートの障壁部ＰＴＢは、光検出器３７３に固定される材料層を備えてもよい。このような材料は、例えばフォトレジストまたはプラスチック層等に堆積または焼付けて形成される。この材料層は、その後フォトリソグラフィ、ナノインプリンティングまたはエッチング、または他の公知の方法によってパターン化され、各光検出素子の部分Ｄ１−ｉ，Ｄ２−ｉ等に対応する開口が形成される。その後、これらの開口は、蛍光体層３７５の材料で充填され、これにより部分ＰＬ１−ｉ，ＰＬ２−ｉ等が形成される。障壁部ＰＴＢを形成する材料は、第２波長光（および好ましくは第１波長光）を大幅に減衰またはブロックし、好ましくない迷光効果を防ぐように選択される。
【００６４】
したがって、本実施形態の検出器アセンブリ３７０は、本発明の空間位相検出器を備えることで、前述の原理により、従来の空間位相検出器（例えばＣＭＯＳ光検出器）の光検出器では生成信号が低くなる略４００ｎｍの第１波長l1を用いても、性能に対する悪影響を回避することができる。なお、空間位相検出器ＳＰＤ２，ＳＰＤ３，ＳＰＤ４は、空間位相検出器ＳＰＤ１の位置および第１波長での周期的強度パターンに対し、それぞれ９０，１８０，２７０度空間シフトした空間位相位置に配置されることを除き、空間位相検出器ＳＰＤ１と同じである。このような構造で得られる各空間位相検出器からの信号は、公知の矩形信号処理方法に従い高分解能補間された矩形信号に基づいて処理され、位置信号として規定される。
【００６５】
前述した各実施形態で利用する蛍光体層は、米国特許第６，０６６，８６１号および６，４１７，０１９号に開示されるようなYAG-Ce+系蛍光体といった１つ以上の従来の蛍光体材料を備えてもよい。
蛍光体層としては、米国特許出願第２００８／０１７３８８６号に開示されるような光輝性の半導体ナノ粒子すなわちＱ−粒子蛍光体（一般に量子ドットまたは半導体量子ドットと称される）、米国特許第７，２３５，７９２号に開示されるようなナノ結晶材料、または、米国特許第７，０８３，４９０号に開示されるような半導体ナノ結晶等を利用してもよい。
【００６６】
一般に、検出された周期的強度パターンの比較的微細なピッチまたは空間周期を検出する際、非均一な蛍光体粒子分布および／または粒径が原因で好ましくない信号影響を加えることがないように、蛍光体粒子は比較的小さい粒子であることが望ましい。
小さい粒径は、小さい縞ピッチおよび／または検出素子幅（例えば約２０μｍ以下の幅）内で、より均一な蛍光体密度やより均一なエネルギー変換または信号応答を実現するために好適である。言い換えれば、小さい粒子は、形成される蛍光体層が、第１波長での周期的強度パターンにより密接に対応する第２波長光を生成し、検出された格子変位情報を提供する点で好ましい。
蛍光体粒子が、蛍光体層の体積比で少なくとも８０％に対応する密度を有し、または、平均粒径（例えば、形式上の直径を示す粒径または最大粒径）が第１波長での周期的強度パターンの周期またはピッチの多くとも２５％になるような粒度分布を有することが望ましい。あるいは、蛍光体層が、光検出器に達する全ての光が第２波長光となるほど十分に大きい厚さＴを有する（例えば厚さＴが平均蛍光体粒径の少なくとも３倍である）ことが望ましい。
蛍光体粒子は、透明な結合剤に埋め込まれるか、被覆されて位置が固定されればよい。
【００６７】
［第４実施形態］
図４は、本発明の第４実施形態に係る空間位相検出器を備える検出器アセンブリ４７０の一部分４００（空間位相検出器ＳＰＤ１，ＳＰＤ２に相当する部分）の断面を示す。
検出器アセンブリ４７０は、例えば前述した各実施形態の検出器アセンブリの代わりに用いられてもよい。
【００６８】
本実施形態では、検出器アセンブリ４７０は、光検出器４７３と蛍光体層４７５とを備える。前述した第３実施形態の検出器アセンブリ３７０がパターン化した蛍光体層３７５からなる空間フィルタを備えていたのに対し、本実施形態の検出器アセンブリ４７０では、空間フィルタは後述される別体の空間フィルタマスク要素ＳＦＭからなる。さらに、蛍光体層４７５は連続してもよく（パターン化されず）、空間位相検出器は別個のエリアに分けてグループを形成している。
なお、本実施形態において、図４に示される空間位相検出器ＳＰＤ１，ＳＰＤ２および図示されない他の空間位相検出器ＳＰＤ３，ＳＰＤ４は、第１波長λ1の光を有する周期的強度パターン（図示省略）を受光した際のそれぞれに対する空間位相が異なることを除き、互いに同一である。したがって、以下には代表として空間位相検出器ＳＰＤ１のみ詳述する。
【００６９】
図４に示されるように、空間位相検出器ＳＰＤ１は、後述の空間フィルタＳＦ１と、蛍光体層４７５の一部である蛍光体層ＰＬ１と、光検出器４７３の一部である光検出素子Ｄ１と、を備える。なお、検出器アセンブリ４７０の全体では、図４に示される素子の反復パターン（例えば空間位相検出器ＳＰＤ３の蛍光体層ＰＬ３あるいは光検出素子Ｄ３のパターン、空間位相検出器ＳＰＤ４における同様なパターン）を有する。
【００７０】
本実施形態では、空間フィルタＳＦ１は、空間フィルタマスク要素ＳＦＭの開口部ＳＦ１−ｉ（例えばＳＦ１−１，ＳＦ１−２等）によって構成される。すなわち、本実施形態において、空間フィルタＳＦ１は、蛍光体層ＰＬ１と光検出素子Ｄ１とは別個の要素である。各空間フィルタ素子ＳＦ１−ｉは、測定軸８２に沿ってセルフイメージピッチＰｓｉ（または干渉縞ピッチＰｉｆ）に等しいピッチまたは空間波長で離間するとともに、セルフイメージピッチＰｓｉ（または干渉縞ピッチＰｉｆ）を有する変位する周期的強度パターンが空間フィルタ処理されるようにセルフイメージピッチＰｓｉ（または干渉縞ピッチＰｉｆ）未満の幅（例えば半分の）を有する。
【００７１】
図４の実施形態では、空間フィルタ素子ＳＦ１−ｉは第１波長での周期的強度パターンから生じる光を受光し、空間フィルタＳＦ１に基づきその周期的強度パターンを空間フィルタ処理し、空間フィルタ処理された第１波長光を出力するように配置される。空間フィルタ処理された第１波長光は、蛍光体層４７５の一部である蛍光体層ＰＬ１で受光される。
蛍光体層ＰＬ１は、第１波長より大きい第２波長で、例えば光検出素子Ｄ１の波長応答ピークに略対応する第２波長で受光された空間フィルタ処理済みの第１波長光の量に対応するエネルギーを出力する。
【００７２】
図１の空間位相検出器ＳＰＤ１と対照的に、空間フィルタマスク要素ＳＦＭは、パターン化されて空間フィルタ処理を実施することから、光検出器３７３で受光される第２波長光は、空間フィルタマスク要素ＳＦＭで空間フィルタ処理された後、第１波長での周期的強度パターンに対応する。光検出素子Ｄ１はその後、空間位相検出器ＳＰＤ１に対する第１波長での周期的強度パターンの空間位相を示す信号を生成する。前述の通り、第２波長は光検出素子Ｄ１のピーク波長応答に略匹敵し、生成された信号は高いＳＮ比を示し、公知技術による高レベルの位置信号補間が可能となる。
【００７３】
なお、本実施形態においては、空間位相検出器ＳＰＤ２、および図示されない空間位相検出器ＳＰＤ３，ＳＰＤ４は、空間位相検出器ＳＰＤ１の位置および第１波長での周期的強度パターンに対し、それぞれ９０度，１８０度，２７０度だけ空間シフトした空間位相位置に配置されることが異なるが、この点を除き、空間位相検出器ＳＰＤ１と同じである。このような構造により、各空間位相検出器からの信号は、公知の矩形信号処理方法に従い高分解能補間された矩形信号に基づいて処理され、位置信号とされる。
【００７４】
［変形例］
本発明について、前述した各実施形態で説明したが、各実施形態で図示および説明した特徴の構成や一連の動作における数多くの変形例は、本発明に基づき当業者に適宜なしうる自明なものである。
一例として、前述した各実施形態では４つの空間位相検出器ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４を有する検出器アセンブリを説明した。しかしながら、本発明では、３つあるいは５以上の空間位相を用いるレイアウトで実施してもよい。
したがって、本発明の技術的思想および範囲を逸脱することなく、前述した様々な特定の実施形態に対し本明細書の教示事項に基づく様々な変形を加えることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１００…セルフイメージ構造
１５０…光源光
１５１…光源光軸
１５３…照射箇所
１５４…スケール光
１５５…スケール光軸
１５６…周期的強度パターン
１６０…受光面
１６５…セルフイメージ面
１６６…セルフイメージ
１７０…検出器アセンブリ
１７３…光検出器
１７５…蛍光体層
１８０…光源
１８４…動作間隔
２００…干渉構造
２５０…光源光
２５１…光源軸
２５３…照射箇所
２５４，２５４Ａ…スケール光
２５５，２５５Ａ…スケール光軸
２５６…周期的強度パターン
２６０…受光面
２６６…干渉縞
２７０…検出器アセンブリ
２７３…光検出器
２７５…蛍光体層
２８０…光源
２８０Ｌ…コリメーティングレンズ
２８０Ｓ…コヒーレント光源
２８４…動作間隔
３７０…検出器アセンブリ
３７３…光検出器
３７５…蛍光体層
４７０…検出器アセンブリ
４７３…光検出器
４７５…蛍光体層
８０…スケール格子
８１…格子周期
８２…測定軸
８３…セルフイメージ周期
８４…格子周期
Ｄ１…光検出素子
ＤＥ…検出素子
Ｐｇ…格子ピッチ
Ｐｉｆ…干渉縞ピッチ
ＰＬ１…蛍光体層
Ｐｓｉ…セルフイメージピッチ
ＰＴＢ…障壁部
ＳＦ１…空間フィルタ
ＳＦＭ…空間フィルタマスク要素
ＳＰＤ１〜ＳＰＤ４…空間位相検出器
ｚｇ…セルフイメージ距離
θ…回折角度
λ１…波長
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定軸方向に沿ってスケール格子が形成されたスケールを用いて２つの部材の相対変位を測定する光学式エンコーダに設置されて、前記スケールの変位を読み取る読取ヘッドであって、
前記スケール格子に第1波長の光源光を出力して前記スケールからスケール光を出力させ、前記スケール光によって前記スケールとともに変位する第１波長での周期的強度パターンを形成させる光源と、
複数の空間位相検出器を備えて前記第１波長での前記周期的強度パターンの位置を検出可能な検出器アセンブリと、を備え
前記空間位相検出器は、
周期的な空間フィルタと、
前記第１波長での前記周期的強度パターンを有する前記スケール光を受光し、前記第１波長より大きい第２波長を有する第２波長光を出力するように配置された蛍光体層と、
前記第２波長光を受光し、前記空間位相検出器に対する前記第１波長での前記周期的強度パターンの空間位相を示す信号を出力するように配置された光検出素子と、を備えることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の読取ヘッドであって、前記光検出素子は、前記第１波長の周期的強度パターンの空間フィルタ処理後のパターンに対応する第２波長光を入力することを特徴とする読取ヘッド。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の読取ヘッドであって、前記光検出素子は、前記空間フィルタを形成する各部からなるパターンを備えることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項４】
請求項３に記載の読取ヘッドであって、前記蛍光体層は、前記空間フィルタを形成する前記各部からなるパターンに近接する連続層であることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の読取ヘッドであって、前記蛍光体層は、前記空間フィルタを形成する各部からなるパターンを備えることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項６】
請求項５に記載の読取ヘッドであって、前記光検出素子は、前記空間フィルタを形成する各部からなるパターンに近接する連続的要素であることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項７】
請求項１または請求項２に記載の読取ヘッドであって、前記空間フィルタは、前記第１波長の周期的強度パターンと前記蛍光体層との間に設けられる各開口部からなるパターンを有するマスク要素を備えることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項８】
請求項１から請求項７の何れかに記載の読取ヘッドであって、前記第１波長での周期的強度パターンは、（ａ）前記スケール格子のセルフイメージおよび（ｂ）前記スケール格子によって回折されたスケール光の干渉回折次数に起因する干渉縞のいずれか１つを備えることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項９】
請求項１から請求項８の何れかに記載の読取ヘッドであって、前記第２波長は、前記光検出素子の波長応答ピークに一致する波長を含むことを特徴とする読取ヘッド。
【請求項１０】
請求項１から請求項９の何れかに記載の読取ヘッドであって、前記第１波長は３００〜４５０ｎｍの範囲であり、前記第２波長は、５００〜８００ｎｍの範囲であることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０の何れかに記載の読取ヘッドであって、前記蛍光体層は、半導体ナノ結晶である蛍光体粒子を備えることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１の何れかに記載の読取ヘッドであって、前記蛍光体層は、前記光検出素子に到達する全ての光が第２波長光となるような厚みに構成されることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２の何れかに記載の読取ヘッドであって、前記光検出素子は、ＣＭＯＳ光検出器アレイであることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項１４】
２つの部材間の相対変位を測定する光学式エンコーダであって、
測定軸方向に沿ってスケール格子が形成されたスケールと、
請求項１から請求項１７の何れかに記載の読取ヘッドと、を備えたことを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項１】
測定軸方向に沿ってスケール格子が形成されたスケールを用いて２つの部材の相対変位を測定する光学式エンコーダに設置されて、前記スケールの変位を読み取る読取ヘッドであって、
前記スケール格子に第1波長の光源光を出力して前記スケールからスケール光を出力させ、前記スケール光によって前記スケールとともに変位する第１波長での周期的強度パターンを形成させる光源と、
複数の空間位相検出器を備えて前記第１波長での前記周期的強度パターンの位置を検出可能な検出器アセンブリと、を備え
前記空間位相検出器は、
周期的な空間フィルタと、
前記第１波長での前記周期的強度パターンを有する前記スケール光を受光し、前記第１波長より大きい第２波長を有する第２波長光を出力するように配置された蛍光体層と、
前記第２波長光を受光し、前記空間位相検出器に対する前記第１波長での前記周期的強度パターンの空間位相を示す信号を出力するように配置された光検出素子と、を備えることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の読取ヘッドであって、前記光検出素子は、前記第１波長の周期的強度パターンの空間フィルタ処理後のパターンに対応する第２波長光を入力することを特徴とする読取ヘッド。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の読取ヘッドであって、前記光検出素子は、前記空間フィルタを形成する各部からなるパターンを備えることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項４】
請求項３に記載の読取ヘッドであって、前記蛍光体層は、前記空間フィルタを形成する前記各部からなるパターンに近接する連続層であることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の読取ヘッドであって、前記蛍光体層は、前記空間フィルタを形成する各部からなるパターンを備えることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項６】
請求項５に記載の読取ヘッドであって、前記光検出素子は、前記空間フィルタを形成する各部からなるパターンに近接する連続的要素であることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項７】
請求項１または請求項２に記載の読取ヘッドであって、前記空間フィルタは、前記第１波長の周期的強度パターンと前記蛍光体層との間に設けられる各開口部からなるパターンを有するマスク要素を備えることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項８】
請求項１から請求項７の何れかに記載の読取ヘッドであって、前記第１波長での周期的強度パターンは、（ａ）前記スケール格子のセルフイメージおよび（ｂ）前記スケール格子によって回折されたスケール光の干渉回折次数に起因する干渉縞のいずれか１つを備えることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項９】
請求項１から請求項８の何れかに記載の読取ヘッドであって、前記第２波長は、前記光検出素子の波長応答ピークに一致する波長を含むことを特徴とする読取ヘッド。
【請求項１０】
請求項１から請求項９の何れかに記載の読取ヘッドであって、前記第１波長は３００〜４５０ｎｍの範囲であり、前記第２波長は、５００〜８００ｎｍの範囲であることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０の何れかに記載の読取ヘッドであって、前記蛍光体層は、半導体ナノ結晶である蛍光体粒子を備えることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１の何れかに記載の読取ヘッドであって、前記蛍光体層は、前記光検出素子に到達する全ての光が第２波長光となるような厚みに構成されることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２の何れかに記載の読取ヘッドであって、前記光検出素子は、ＣＭＯＳ光検出器アレイであることを特徴とする読取ヘッド。
【請求項１４】
２つの部材間の相対変位を測定する光学式エンコーダであって、
測定軸方向に沿ってスケール格子が形成されたスケールと、
請求項１から請求項１７の何れかに記載の読取ヘッドと、を備えたことを特徴とする光学式エンコーダ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１３７４８９（Ｐ２０１２−１３７４８９Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８６６６１（Ｐ２０１１−２８６６６１）
【出願日】平成２３年１２月２７日（２０１１．１２．２７）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月２７日（２０１１．１２．２７）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
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