CN115707934A - 编码器 - Google Patents

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平田州
向田达彦
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Abstract

提供了一种编码器，即使标尺通过绕与接收表面正交的轴线旋转而相对于接收单元以倾斜方式设置，也能抑制精度劣化。编码器1包括标尺2和检测头3。检测头3包括光源(发射单元)4和光接收单元(接收单元)5。光接收单元包括光接收表面50，将在光接收表面50处接收的光转换成具有两个相位的差分检测信号并输出。光接收表面50包括元件阵列组7，其包括沿正交方向以平行方式设置的四个元件阵列71‑74，每个阵列包括多个光接收元件(接收元件)500。元件阵列组7中的多个元件阵列71‑74布置在(i)在正交方向上从参考位置到正相位信号元件阵列71、72的距离和(ii)在正交方向上从参考位置到负相位信号元件阵列73、74的距离之和对于至少两相位的所有相位都相同的位置处。

Description

编码器
技术领域
本发明涉及编码器。
背景技术
传统上已知的编码器设置有板状标尺和检测头，该标尺具有沿测量方向以预定周期形成的刻度，该检测头相对于标尺沿测量方向可动地设置。例如，专利文献1中的光学编码器(编码器)的检测头设置有向标尺辐射光(测量信号)的光源(发射单元)以及具有经由标尺接收来自光源的光的光接收表面(接收表面)的光接收单元(接收单元)。光接收单元将在光接收表面接收的光转换成检测信号，该检测信号响应于标尺和检测头之间的相对移动而对应于刻度的周期而变化，并输出这种检测信号。检测信号是具有至少两个不同相位的差分检测信号。
光接收单元的光接收表面包括元件阵列组，该元件阵列组包括沿着与测量方向正交的正交方向以平行方式设置的多个元件阵列，每个元件阵列包括多个光接收元件(接收元件),这些光接收元件沿着测量方向以对应于刻度的周期的周期设置。在这种光学编码器中，从光源辐射的光经由刻度变成多条衍射线。多条衍射线产生具有与刻度周期相同的周期的干涉条纹。光接收单元接收这些干涉条纹，并且检测头从光接收单元接收的干涉条纹中检测用于检测标尺和检测头之间的相对移动量的检测信号。光学编码器基于检测信号计算标尺和检测头之间的相对移动量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本未审查专利申请公开号2019-012064。
发明内容
本发明要解决的问题
图10是示出传统编码器100中的光接收单元9、信号输入单元600a、 600b和计算装置800的示意图。
光接收单元9输出具有A-相位和B-相位的检测信号，A-相位和B-相位是两个不同的相位。A-相位检测信号和B-相位检测信号中的每一个都是差分信号。如图10所示，光接收单元9的光接收表面90设置有元件阵列组 700，其中多个元件阵列710-740沿着与测量方向正交的正交方向以平行方式设置。多个元件阵列710-740从+Y侧(纸平面中的顶部)到-Y侧(纸平面中的底部)的次序包括第一元件阵列710、第二元件阵列720、第三元件阵列730 和第四元件阵列740。
第一元件阵列710输出作为A-相位的正相位信号的A-相位信号，第二元件阵列720输出作为B-相位的正相位信号的B-相位信号，第三元件阵列 730输出作为A-相位的负相位信号的AB-相位信号，以及第四元件阵列740 输出作为B-相位的负相位信号的BB-相位信号。
这里，正相位信号是指用于检测相对移动量的差分检测信号的正相位信号。负相位信号指的是与差分检测信号的正相位信号配对的负相位检测信号。成对的正相位信号和负相位信号是相位理想地移位180度的一对信号。在以下描述的附图中，A-相位信号将由“A-相位”表示，AB-相位信号将由“AB-相位”表示，B-相位信号将由“B-相位”表示，而BB-相位信号将由“BB-相位”表示
编码器100还设置有：第一信号输入单元600a和第二信号输入单元600b，从光接收单元9输出的检测信号(即，一对正相位信号和负相位信号)作为差分信号输入到第一信号输入单元600a和第二信号输入单元600b；以及计算装置800，其基于从两个信号输入单元600a、600b输出的信号计算标尺2(见图11)和检测头300之间的相对移动量。
两个信号输入单元600a、600b中的每一个都设置有正相位信号输入单元610a、610b和负相位信号输入单元620a、620b，正相位信号作为来自光接收单元9的检测信号被输入到正相位信号输入单元610a、610b中，负相位信号作为来自光接收单元9的检测信号被输入到负相位信号输入单元 620a、620b中。
对于第一信号输入单元600a，A-相位信号从光接收单元9的第一元件阵列710输入到正相位信号输入单元610a，并且AB-相位信号从第三元件阵列730输入到负相位信号输入单元620a。第一信号输入单元600a然后向计算装置800输出差分A-相位信号，该差分A-相位信号是A-相位信号和AB- 相位信号之间的差(即，A-相位信号减去AB-相位信号)。
对于第二信号输入单元600b，B-相位信号从光接收单元9的第二元件阵列720输入到正相位信号输入单元610b，并且BB-相位信号从第四元件阵列740输入到负相位信号输入单元620b。第二信号输入单元600b然后向计算装置800输出差分B-相位信号，该差分B-相位信号是B-相位信号和BB- 相位信号之间的差(即，B-相位信号减去BB-相位信号)。在图10中，关于从多个元件阵列710-740到两个信号输入单元600a、600b的输入，正相位信号用实线表示，负相位信号用虚线表示。
图11是示出了在传统编码器100中标尺2相对于光接收单元9以倾斜角θ＝0设置的状态的顶视图。图12是示出其中在传统编码器100中标尺2 相对于光接收单元9以倾斜角θ≠0设置的状态的顶视图。更具体地，图11 和12是顶视图，其中光接收单元9是从标尺2侧看到的。
如图11所示，在编码器100中，标尺2优选地相对于光接收单元9以倾斜角θ＝0设置，而标尺2不通过围绕与光接收表面90正交的轴线(即旋转轴线)旋转以倾斜方式设置。此时，关于倾斜干涉条纹和/或检测信号的移位量的问题(将在下文中描述)将不会在编码器100中出现。
然而，如图12所示，在诸如组装的制造过程中，标尺2可以通过围绕正交于光接收表面90的旋转轴线旋转而相对于光接收单元9以倾斜角θ≠0 设置。在这种情况下，会出现以下效果。
如果标尺通过绕正交于光接收表面的旋转轴线旋转而相对于光接收单元9特别是相对于正交于测量方向的方向(Y方向)以倾斜角θ≠0的倾斜方式设置，在光接收单元9的光接收表面90中产生的干涉条纹也根据标尺的旋转以倾斜角θ≠0产生。当光接收单元9以倾斜角θ≠0接收干涉条纹时，从在Y方向上以平行方式设置的多个元件阵列710-740输入到信号输入单元 600a、600b的检测信号的相位也根据倾斜角θ≠0的旋转而移位。在光接收元件(未示出)处检测的检测信号的相移量由于各个元件阵列710-740在Y方向上的位置差异而变化。因此，基于输入到两个信号输入单元600a、600b的检测信号的两个信号也将移位，并且计算结果(相对移动量)将受到影响。
图13是示出传统编码器100中基于两个相位的差分信号变化的曲线图。更具体地说，在图13中，纵轴代表两个信号输入单元600a、600b的输出电压，横轴代表检测头300相对于标尺2的相对位移。图14是示出根据传统编码器100中基于两个相位的差分信号计算的利萨如信号的曲线图。更具体地说，在图14中，纵轴代表差分B-相位信号，横轴代表差分A-相位信号。在图13和14中，当标尺相对于光接收单元9以倾斜角θ≠0设置时的曲线图用实线表示，当标尺相对于光接收单元9以倾斜角θ＝0设置时的曲线图用虚线表示。
如果标尺相对于光接收单元9以倾斜角θ≠0设置，如图13所示，当与虚线所示的变化相比时，在标尺2以倾斜角θ＝0设置的情况下(见图11)，变化在指向纸平面东南的箭头方向和指向纸平面西北的箭头方向上移动，并且输出电压降低。此外，如图14所示，在标尺2以倾斜角θ＝0设置的情况下，与用虚线表示的利萨如信号相比，利萨如信号较小，并且其形状变为椭圆形。计算装置800基于该变形的利萨如信号执行计算，并输出相对移动量作为计算结果。因此，存在的问题是，如果标尺以相对于光接收单元9以倾斜角θ≠0的倾斜方式设置，则编码器100的精度会劣化。
本发明的目的是提供一种编码器，即使标尺通过绕与接收表面正交的轴线(即旋转轴线)旋转而相对于接收单元以倾斜方式设置，该编码器也能够抑制精度劣化。
解决问题的手段
本发明的编码器包括：板状标尺，其具有沿测量方向以预定周期形成的刻度；和相对于标尺沿测量方向可动地设置的检测头。检测头包括：发射单元，该发射单元向标尺发射测量信号；以及接收单元，该接收单元包括接收表面，该接收表面经由标尺接收来自发射单元的测量信号。接收单元将在接收表面接收的测量信号转换成具有至少两个不同相位的差分检测信号，并输出检测信号。响应于标尺和检测头之间的相对移动，检测信号相应于刻度周期而变化。接收表面包括：元件阵列组，其包括沿着与测量方向正交的正交方向以平行方式设置的多个元件阵列。多个元件阵列包括至少四个元件阵列。每个元件阵列包括多个沿测量方向设置的接收元件，其周期对应于刻度的周期。对于至少两相位中的每一相位，多个元件阵列包括：输出正相位信号的正相位信号元件阵列；以及输出负相位信号的负相位信号元件阵列。所述至少两个相沿着测量方向以具有预定相位差的移位方式设置。元件阵列组中的多个元件阵列设置在一些位置，在这些位置以下两距离之和对于至少两个相位中的所有相位都是相同的：(i)在正交方向上从参考位置到正相位信号元件阵列的距离；和(ii)在正交方向上从参考位置到负相位信号元件阵列的距离。参考位置是指接收表面上的预定位置。
根据这样的发明，元件阵列组中的多个元件阵列设置在一些位置，在这些位置以下两距离之和对于所述至少两个相位中的所有相位都是相同的：(i) 在正交方向上从参考位置到正相位信号元件阵列的距离；和(ii)在正交方向上从参考位置到负相位信号元件阵列的距离。这使得通过围绕与接收表面正交的轴线(即旋转轴线)旋转而相对于接收单元以倾斜方式设置的标尺所引起的差分信号之间的相位差的移位能够被抵消。因此，即使当标尺通过围绕与接收表面正交的轴线(即，旋转轴线)旋转而相对于接收单元以倾斜方式设置时，编码器也可以抑制精度劣化。
在这种情况下，正相位信号元件阵列优选地占元件阵列组中的多个元件阵列的一半，并且相对于中心线设置在接收表面的一侧，该中心线在以平行方式设置在正交方向上的多个元件阵列的中心处沿测量方向延伸。此外，负相位信号元件阵列优选地占元件阵列组中的多个元件阵列的一半，并且相对于中心线设置在接收表面的另一侧，该中心线在以平行方式设置在正交方向上的多个元件阵列的中心处沿测量方向延伸。
根据这种配置，正相位信号元件阵列相对于在以平行方式设置在正交方向上的元件阵列的中心处的中心线布置在接收表面中的一侧，而负相位信号元件阵列相对于在以平行方式设置在正交方向上的元件阵列的中心处的中心线布置在接收表面中的另一侧。这使得设计能够被简化，并且使得差分信号的幅值减小能够被抑制。
在这种情况下，元件阵列组优选地包括：第一元件阵列组；和第二元件阵列组。第二元件阵列组在接收表面中的正交方向上与第一元件阵列组相邻并以平行方式设置，并且第二元件阵列组包括与第一元件阵列组中的多个元件阵列不同地布置的多个元件阵列。优选地，第一元件阵列组中的正相位信号元件阵列占第一元件阵列组中的多个元件阵列的一半，相对于中心线布置在一侧，并且从正交方向上的一端朝向第一元件阵列组中的中心以用作预定基准的顺序布置，其中中心线在多个元件阵列的中心处沿测量方向延伸，所述多个元件阵列在第一元件阵列组中在正交方向上以平行方式设置。这里,“用作预定基准的顺序”可以被定义为例如A-相位然后B-相位的顺序，如果这两相由A-相位和B-相位组成的话。优选地，第一元件阵列组中的负相位信号元件阵列占第一元件阵列组中的多个元件阵列的一半，相对于中心线布置在另一侧，并且从正交方向上的另一端朝向第一元件阵列组中的中心以用作预定基准的顺序布置，其中中心线在多个元件阵列的中心处沿测量方向延伸，所述多个元件阵列在第一元件阵列组中在正交方向上以平行方式设置。优选地，第二元件阵列组中的正相位信号元件阵列占第二元件阵列组中的多个元件阵列的一半，相对于中心线设置在一侧，并且从正交方向上的一端朝向第二元件阵列组的中心以与用作预定基准的顺序相反的顺序(在上述示例中，以B-相位然后A-相位的顺序)布置，其中中心线在多个元件阵列的中心处沿测量方向延伸，所述多个元件阵列在第二元件阵列组中在正交方向上以平行方式设置。优选地，第二元件阵列组的负相位信号元件阵列占第二元件阵列组中的多个元件阵列的一半，相对于中心线布置在另一侧，并且在第二元件阵列组中从正交方向上的另一端朝向中心以与用作预定基准的顺序相反的顺序布置，其中中心线在多个元件阵列的中心处沿着测量方向延伸，所述多个元件阵列在第二元件阵列组中在正交方向上以平行方式设置。
根据这种配置，在抑制基于来自接收单元的检测信号的差分信号的幅值减小的同时，与不设置第一元件阵列组和第二元件阵列组的情况相比，可以更有效地抵消由标尺通过绕与接收表面正交的轴线(即旋转轴线)旋转而相对于接收单元以倾斜方式设置所引起的差分信号之间的相位差的移位。
在这种情况下，优选地，多个元件阵列组沿着接收表面中的正交方向设置。
这种配置使得经由标尺发射到接收表面上的测量信号的分布变得均匀。例如，如果编码器是光学类型的，并且发射单元是光源，则经由标尺辐射到光接收表面上的光的光分布可以是均匀的。
在这种情况下，检测头包括：用作发射单元的光源，其向标尺辐射用作测量信号的光；以及用作接收单元的光接收单元，该光接收单元包括用作经由标尺接收来自光源的光的接收表面的光接收表面。光接收单元将在光接收表面处接收的光转换成具有至少两个不同相位的差分检测信号，并输出检测信号。响应于标尺和检测头之间的相对移动，检测信号相应于刻度周期而变化。优选地，光接收表面包括：元件阵列组，其包括沿着与测量方向正交的正交方向以平行方式设置的多个元件阵列。该多个元件阵列包括至少四个元件阵列。每个元件阵列包括多个用作接收元件的光接收元件，这些光接收元件以对应于刻度周期的周期沿测量方向设置。
如果编码器是光学编码器，这种配置使得即使标尺通过围绕与接收表面 (光接收表面)正交的轴线(即，旋转轴线)旋转而相对于接收单元(光接收单元) 以倾斜方式设置，也能够抑制编码器的精度劣化。
在这种情况下，编码器优选地包括板状栅格板，该板状栅格板具有沿着测量方向形成的多个栅格，这些栅格的周期对应于刻度的周期。栅格板优选设置在标尺和光接收单元之间。光接收单元优选地接收已经穿过栅格板的光。
例如，即使只能使用尺寸大于期望尺寸的光接收元件，这种配置也能够通过在光接收元件上设置栅格板来产生与由具有期望尺寸的光接收元件产生的干涉条纹几乎相似的干涉条纹。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的编码器的透视图。
图2是示出上述编码器中的光接收单元的平面图。
图3是示出上述编码器中的光接收单元、信号输入单元和计算装置的示意图。
图4是示出上述编码器中检测信号变化的曲线图。
图5是示出上述编码器中基于两个相位的差分信号变化的曲线图。
图6是示出从基于上述编码器中的两个相位的差分信号计算的利萨如(Lissajous)信号的曲线图。
图7是示出根据第二实施例的编码器中的光接收单元的平面图。
图8是示出上述编码器中的光接收单元、信号输入单元和计算装置的示意图。
图9是示出上述编码器中检测信号变化的曲线图。
图10是示出传统编码器中的光接收单元、信号输入单元和计算装置的示意图。
图11是示出在传统编码器中标尺相对于光接收单元以倾斜角θ＝0设置的状态的顶视图。
图12是示出在传统编码器中标尺相对于光接收单元以倾斜角θ≠0设置的状态的顶视图。
图13是示出传统编码器中基于两个相位的差分信号变化的曲线图。
图14是示出从传统编码器中基于两个相位的差分信号计算的利萨如信号的曲线图。
具体实施方式
第一实施例
下面将参照图1至5描述本发明的第一实施例。
图1是示出根据第一实施例的编码器1的透视图。
如图1所示，编码器1是光学线性编码器，其设置有沿着作为测量方向的X方向形成的板状标尺2，以及相对于标尺2沿着X方向可动地设置的检测头3。在下面的描述和各个附图中，测量方向，即标尺2的纵向方向将被称为X方向，标尺2的横向方向将被称为Y方向，与X方向和Y方向正交的高度方向将被称为Z方向。
检测头3设置有向标尺2发送测量信号的发射单元4和将接收到的测量信号转换成检测信号并将其输出的接收单元5。在本实施例中，用作发射单元4的光源4向标尺2辐射用作测量信号的光，并且用作接收单元5的光接收单元5将接收到的光转换成检测信号并将其输出。检测头3与光源4和光接收单元5一体地设置，并且可以相对于标尺2在X方向上向前或向后移动。线性编码器通过沿着标尺2移动检测头3，从标尺2和检测头3之间的相对移动量获取位置信息。
标尺2由诸如玻璃的材料形成为板状。标尺2的一侧设置有刻度20，该刻度20沿着X方向以预定的周期g形成。刻度20具体是形成在标尺2中的栅格状孔。代替栅格状的孔，也可以例如通过将诸如形成栅格形状的不透光薄膜这样的材料施加到刻度板上而形成刻度20。
光源4在标尺2上方辐射平行光。发光二极管(LED)用于光源4。然而，光源4不限于LED，并且可以采用任何光源，例如半导体激光器、氦氖激光器，只要它能够导致在光接收单元5中产生干涉条纹。从光源4辐射的光的光路在图1中用箭头示出。
光接收单元5平行于XY平面布置，该XY平面对应于标尺2的板平面。光接收单元5包括光接收表面50，该光接收表面50用作用于通过标尺 2接收来自光源4的光的表面。
光接收单元5接收已经穿过标尺2的光，并从光产生的干涉条纹中检测出检测信号。在本实施例中，沿着Y方向在光接收单元5上的光接收表面 50处产生干涉条纹，Y方向是标尺2的横向方向。光电二极管阵列(PDA)用于光接收单元5。PDA是一种检测器，具有允许同时测量多个干涉条纹的特性。然而，光接收单元5不限于PDA，并且可以使用任何检测器，例如电荷耦合器件(CCD)。
图2是示出编码器1中的光接收单元5的平面图。
光接收单元5将在下文中详细描述。
基于在光接收表面50处接收的光，光接收单元5响应于标尺2(见图1) 和检测头3之间的相对移动，输出对应于刻度20(见图1)的周期而变化的检测信号。检测信号包括具有两个不同相位(即，A-相位和B-相位)的检测信号。每一相位的检测信号是差分信号。在本实施例中，检测信号包括作为A-相位的正相位信号的A-相位信号、作为A-相位的负相位信号的AB-相位信号、作为B-相位的正相位信号的B-相位信号、和作为B-相位的负相位信号的BB- 相位信号。
如图2所示，光接收表面50包括多个元件阵列71-74。每个元件阵列 71-74设置有多个光接收元件500，用作沿测量方向(X方向)以与刻度20的周期对应的周期设置的多个接收元件。多个元件阵列71-74沿着正交于测量方向的方向(Y方向)以平行方式设置。
光接收表面50还设置有将四个阵列(即，元件阵列71-74)分组成单个组的元件阵列组7。元件阵列组7包括至少四个元件阵列71-74，以及任意偶数个元件阵列71-74。多个元件阵列组7沿着Y方向布置在光接收表面50 中。
图3是示出编码器1中的光接收单元5、信号输入单元6a、6b和计算装置8的示意图。
如图3所示，元件阵列组7包括第一元件阵列71、第二元件阵列72、第三元件阵列73和第四元件阵列74，从+Y侧(纸平面中的顶部)到-Y侧(纸平面中的底部)依次排列。多个元件阵列71-74沿着Y方向以预定间距P设置。对于两相位中的每一相位，多个元件阵列71-74包括输出正相位信号的正相位信号元件阵列(第一元件阵列71和第二元件阵列72)和输出负相位信号的负相位信号元件阵列(第三元件阵列73和第四元件阵列74)。
第一元件阵列71输出作为A-相位的正相位信号的A-相位信号，第二元件阵列72输出作为B-相位的正相位信号的B-相位信号，第三元件阵列73 输出作为B-相位的负相位信号的BB-相位信号，第四元件阵列74输出作为 B-相位的负相位信号的AB-相位信号。因此，第一元件阵列71和第二元件阵列72对应于本发明中的正相位信号元件阵列，并且第三元件阵列73和第四元件阵列74对应于本发明中的负相位信号元件阵列。
此外，多个元件阵列71-74以预定相位差沿着X方向以移位的方式设置。更具体地，当将A-相位信号作为基准时，B-相位信号被布置成具有90 度的相位差，AB-相位信号被布置成具有180度的相位差，并且BB-相位信号被布置成具有270度的相位差。因此，第二元件阵列72以相对于第一元件阵列71具有90度相位差沿着X方向以移位的方式设置，第三元件阵列 73以相对于第一元件阵列71具有270度相位差的沿着X方向以移位方式设置，第四元件阵列74以相对于第一元件阵列71具有180度相位差沿着X方向以移位的方式设置。
作为正相位信号元件阵列的第一元件阵列71和第二元件阵列72占元件阵列组7中的多个(即，四个)元件阵列71-74的一半(即，两个阵列)。第一元件阵列71和第二元件阵列72相对于中心线设置在光接收表面50的一侧(即 +Y侧),该中心线在Y方向上以平行方式设置的元件阵列的中心处沿X方向延伸。中心线在图3中表示为X轴。作为负相位信号元件阵列的第三元件阵列73和第四元件阵列74占元件阵列组7中的多个(即，四个)元件阵列71- 74的一半(即，两个阵列)。第三元件阵列73和第四元件阵列74相对于中心线设置在光接收表面50的另一侧(即-Y侧)。
编码器1还设置有：第一信号输入单元6a和第二信号输入单元6b，从光接收单元5输出的检测信号作为差分信号输入到其中；以及计算装置8，其基于从两个信号输入单元6a、6b输出的差分信号来计算标尺(见图1)和检测头3之间的相对移动量。
两个信号输入单元6a、6b中的每一个都设置有正相位信号输入单元61a、 61b和负相位信号输入单元62a、62b，正相位信号作为来自光接收单元5的检测信号被输入到正相位信号输入单元61a、61b中，负相位信号作为来自光接收单元5的检测信号被输入到负相位信号输入单元62a、62b中。
对于第一信号输入单元6a，A-相位信号从光接收单元5的第一元件阵列71输入到正相位信号输入单元61a，并且AB-相位信号从第四元件阵列 74输入到负相位信号输入单元62a。然后，第一信号输入单元6a向计算装置8输出差分A-相位信号，该差分A-相位信号是A-相位信号和AB-相位信号之间的差(即，A-相位信号减去AB-相位信号)。
对于第二信号输入单元6b，B-相位信号从光接收单元5的第二元件阵列72输入到正相位信号输入单元61b，并且BB-相位信号从第三元件阵列 73输入到负相位信号输入单元62b。然后，第二信号输入单元6b向计算装置8输出差分B-相位信号，该差分B-相位信号是B-相位信号和BB-相位信号之间的差(即，B-相位信号减去BB-相位信号)。在以下描述的附图中，关于从多个元件阵列71-74到两个信号输入单元6a、6b的输入，正相位信号用实线表示，负相位信号用虚线表示。
现在，如上所述的，在编码器1中，标尺2优选地相对于光接收单元5 以倾斜角θ＝0设置(见图11)。这是因为，当标尺2以倾斜角θ＝0设置时，当进行测量时，可以在光接收表面50上产生理想的干涉条纹，并且可以获得稳定的测量结果。然而，即使标尺2相对于光接收单元5以倾斜角θ≠0 设置(见图12)，也可以使编码器1较少受到这种情况的影响。在下文中，将描述这样的原理，通过该原理，即使标尺2相对于光接收单元5以倾斜角θ≠0设置，也可以通过光接收单元5的配置使编码器1较少受这种情况的影响。
元件阵列组7中的多个元件阵列71-74设置在一些位置，在这些位置，对于所有相位来说，以下两距离之和都是相同的：(i)在+Y方向上从参考位置到正相位信号元件阵列(第一元件阵列71或第二元件阵列72)的距离；和 (ii)在-Y方向上从参考位置到负相位信号元件阵列(第三元件阵列73或第四元件阵列74)的距离。
这里，参考位置是指光接收表面50上的预定位置，并且在本实施例中，将通过将图中的X轴作为参考位置来提供描述。
第一元件阵列71位于+Y方向上距参考位置+3P/2的距离处，第二元件阵列72位于+Y方向上距参考位置+P/2的距离处，第三元件阵列73位于-Y 方向上距参考位置-P/2的距离处，以及第四元件阵列74位于-Y方向上距参考位置-3P/2的距离处。
类似地，同样在图10所示的传统编码器100中，第一元件阵列710位于+Y方向上距参考位置+3P/2的距离处，第二元件阵列720位于+Y方向上距参考位置+P/2的距离处，第三元件阵列730位于-Y方向上距参考位置-P/2 的距离处，以及第四元件阵列740位于-Y方向上距参考位置-3P/2的距离处。
下面的等式(1)示出了以下距离之和：(i)输出A-相位信号的第一元件阵列710和参考位置之间的距离；和(ii)输出AB-相位信号的第三元件阵列730 和参考位置之间的距离。A-相位信号和AB-相位信号作为用于产生差分A- 相位信号的输入。下面的等式(2)示出了以下距离之和：(i)输出B-相位信号的第二元件阵列720和参考位置之间的距离；和(ii)输出BB-相位信号的第四元件阵列740和参考位置之间的距离。B-相位信号和BB-相位信号作为用于产生差分B-相位信号的输入。
(+3P/2) + (-P/2) ＝ +P (1)
(+P/2) + (-3P/2) ＝ -P (2)
如等式(1)和(2)所示，在传统编码器100中，元件阵列被布置在以下位置处，其中，对于差分A-相位信号和差分B-相位信号来说，以下距离之和是不同的：(i)在+Y方向上从参考位置到正相位信号元件阵列(第一元件阵列 710或第二元件阵列720)的距离，和(ii)和在-Y方向上从参考位置到负相位信号元件阵列(第三元件阵列730或第四元件阵列740)的距离。
相比之下，在图3所示的编码器1中，下面的等式(3)示出了以下距离之和：(i)输出A-相位信号的第一元件阵列71和参考位置之间的距离；和(ii) 输出AB-相位信号的第四元件阵列74和参考位置的距离。A-相位信号和AB- 相位信号作为用于产生差分A-相位信号的输入。下面的等式(4)示出了以下距离之和：(i)输出B-相位信号的第二元件阵列72和参考位置之间的距离；和(ii)输出BB-相位信号的第三元件阵列73和参考位置之间的距离。B-相位信号和BB-相位信号作为用于产生差分B-相位信号的输入。
(+3P/2) + (-3P/2) ＝ 0 (3)
(+P/2) + (-P/2) ＝ 0 (4)
如等式(3)和(4)所示，在编码器1中，元件阵列被布置在这样的位置，该这些位置中，对于差分A-相位信号和差分B-相位信号来说，以下距离之和是相同的：(i)在+Y方向上从参考位置到正相位信号元件阵列(第一元件阵列71或第二元件阵列72)的距离，和(ii)在-Y方向上从参考位置到负相位信号元件阵列(第三元件阵列73或第四元件阵列74)的距离。如果标尺2(见图 1)通过围绕与光接收表面50正交的轴线(即旋转轴线)旋转而相对于光接收单元5(特别是相对于与测量方向(X方向)正交的方向(Y方向))以倾斜角θ≠0 的倾斜方式设置，则多个元件阵列71-74的这种布置允许获得以下效果。
如果在如图12所示的传统编码器100中标尺2以倾斜角θ以倾斜方式设置，则产生包括由标尺的倾斜角θ导致的相位差的干涉条纹，如关于差分 A-相位信号的等式(5)和关于差分B-相位信号的等式(6)所示。当光接收单元 9接收这些干涉条纹时，从在Y方向上以平行方式设置的多个元件阵列710- 740输入到信号输入单元600a、600b的检测信号的相位也存在移位(shift)。在各个元件阵列710-740中的光接收元件处检测到的检测信号的相移量根据它们在Y方向上的位置差异而变化。因此，两个差分信号也被移位，并且计算结果(相对移动量)受到影响。
(-3P/2 × θ) + (P/2 × θ) ＝ -P·θ (5)
(-P/2 × θ) + (3P/2 × θ) ＝ +P·θ (6)
相比之下，如图3所示，即使标尺2(见图1)在编码器1中以倾斜角θ以倾斜方式设置，由标尺2的倾斜角θ产生的两个差分信号的移位量被抵消，如关于差分A-相位信号的等式(7)和关于差分B-相位信号的等式(8)所示。
(-3P/2 × θ) + (3P/2 × θ) ＝ 0 (7)
(-P/2 × θ) + (P/2 × θ) ＝ 0 (8)
图4是示出编码器1中检测信号变化的曲线图。更具体地说，在图4中，纵轴代表输出电压，横轴代表位移。图5是示出了基于编码器1中的两个相位的差分信号的变化的曲线图。更具体地说，在图5中，纵轴表示两个信号输入单元6a、6b的输出电压，横轴表示检测头3相对于标尺2的相对位移。图6是示出从编码器1中基于两个相位的差分信号计算的利萨如信号 (Lissajous signal)的曲线图。更具体地说，在图6中，纵轴代表差分B-相位信号，横轴代表差分A-相位信号。在图4、5和6中，当标尺2(见图1)相对于光接收单元5以倾斜角θ≠0设置时的曲线图用实线表示，当标尺2相对于光接收单元5以倾斜角θ＝0设置时的曲线图用虚线表示。
在下文中，将描述从光接收单元5输出到信号输入单元6a、6b的检测信号的变化以及从信号输入单元6a、6b输出到计算装置8的差分A-相位信号和差分B-相位信号的变化。
如图4所示，如果标尺2(见图1)相对于光接收单元5以倾斜角θ≠0设置，则与标尺2以倾斜角θ＝0设置的情况相比，从第一元件阵列71输入的 A-相位信号的相位移动(相移)-3P/2×θ。从第二元件阵列72输入的B-相位信号的相移-P/2×θ。从第三元件阵列73输入的BB-相位信号的相移+P/2×θ。从第四元件阵列74输入的AB-相位信号的相移+3P/2×θ。
在这种情况下，对于输出差分A-相位信号的信号输入单元6a(见图3), 具有-3P/2×θ相移的A-相位信号从第一元件阵列71输入到正相位信号输入单元61a(见图3),而具有+3P/2×θ相移的AB-相位信号从第四元件阵列74 输入到负相位信号输入单元62a。然后，在转换成差分A-相位信号的过程中执行等式(7)的计算，并且A-相位信号和AB-相位信号之间的相移被抵消，因此差分A-相位信号中的相移变为零。
此外，对于输出差分B-相位信号的信号输入单元6b(见图3),具有-P/2×θ相移的B-相位信号从第二元件阵列72输入到正相位信号输入单元61b(见图3),并且具有+P/2×θ相移的B-相位信号从第三元件阵列73输入到负相位信号输入单元62b。然后，在转换成差分B-相位信号的过程中执行等式(8)的计算，并且B-相位信号和BB-相位信号之间的相移被抵消，因此差分B-相位信号中的相移变为零。
差分A-相位信号的相移和差分B-相位信号的相移都变为零，因此是相同的。因此，在标尺2处于倾斜角θ＝0的情况和标尺2处于倾斜角θ≠0的情况之间，差分A-相位信号和差分B-相位信号之间的相位差保持不变，并且在光接收表面50中产生的干涉条纹也近似于标尺2处于倾斜角θ＝0时产生的干涉条纹。
因此，如图5所示，尽管与标尺2(见图1)处于倾斜角θ＝0的情况相比，从两个信号输入单元6a、6b(见图3)输出的差分A-相位信号和差分B-相位信号的输出电压降低，但是差分A-相位信号和差分B-相位信号被输出到计算装置8，同时保持倾斜角θ＝0时的相位差(即，90度的相位差)。
此外，如图6所示，尽管基于从两个信号输入单元6a、6b输出的差分 A-相位信号和差分B-相位信号在计算装置8处计算的利萨如信号变成椭圆形的利萨如信号，与标尺2以倾斜角θ＝0设置的情况相比，其幅值减小并且其扁率更高，但是与图14所示的传统编码器100中的利萨如信号相比，获得了接近于正圆的利萨如信号。
因此，即使标尺2通过绕正交于光接收表面50的轴线(即，旋转轴线)旋转而相对于光接收单元5以倾斜方式设置，编码器1也可以抑制精度劣化。
根据这样的第一实施例，可以实现以下效果：
(1)元件阵列组7中的多个元件阵列71-74被布置在这样的位置，在这些位置中，对于差分A-相位信号和差分B-相位信号来说，以下距离之和是相同的：(i)在正交方向(+Y方向)上从参考位置到正相位信号元件阵列(第一元件阵列71或第二元件阵列72)的距离，和(ii)在正交方向(-Y方向)上从参考位置到负相位信号元件阵列(第三元件阵列73或第四元件阵列74)的距离。这使得通过围绕与光接收表面50正交的轴线(即，旋转轴线)旋转而相对于光接收单元5以倾斜方式设置的标尺2所引起的差分信号之间的相位差中的移位能够被抵消。因此，即使标尺2通过绕正交于光接收表面50的轴线(即，旋转轴线)旋转而相对于光接收单元5以倾斜方式设置，编码器1也可以抑制精度劣化；
(2)正相位信号元件阵列(第一元件阵列71和第二元件阵列72)相对于在Y方向上以平行方式设置的元件阵列的中心处的中心线设置在光接收表面50中的+Y侧，而负相位信号元件阵列(第三元件阵列73和第四元件阵列 74)相对于所述中心线设置在光接收表面50中的-Y侧。这使得该设计能够被简化，并且使得差分信号的幅值减小能够被抑制；和
(3)多个元件阵列组7沿着Y方向设置在光接收表面50中。这使得经由标尺2辐射到光接收表面50上的光的光分布变得均匀。
第二实施例
下面将参照图7至9描述本发明的第二实施例。在下面的描述中，将对已经描述过的部分给出相同的附图标记，并且将省略对它们的描述。
图7是示出根据第二实施例的编码器1A中的光接收单元5A的平面图。
在上述第一实施例中，在元件阵列组7中，第一元件阵列71将A-相位信号输入到正相位信号输入单元61中，第二元件阵列72将B-相位信号输入到正相位信号输入单元61中，第三元件阵列73将BB-相位信号输入到负相位信号输入单元62中，并且第四元件阵列74将AB-相位信号输入到负相位信号输入单元62中。
如图7所示，第二实施例与上述第一实施例的不同之处在于，光接收表面50A设置有与第一实施例中的第一元件阵列组类似的第一元件阵列组7，以及在光接收表面50A中在作为正交方向的Y方向上与第一元件阵列组7 相邻并以平行方式设置的第二元件阵列组7A。
下文将详细描述光接收单元5A。
元件阵列组包括第一元件阵列组7和第二元件阵列组7A，第二元件阵列组7A在光接收表面50中在Y方向(正交方向)与第一元件阵列组7相邻并以平行方式设置。
第二元件阵列组7A包括以与第一元件阵列组7中的多个元件阵列71- 74不同的方式布置的多个元件阵列75-78，即，至少四个元件阵列和偶数个元件阵列。多个元件阵列75-78沿着与测量方向正交的正交方向(Y方向)以平行方式设置。
现在，在上述第一实施例中，多个元件阵列组7沿着Y方向设置在光接收表面50中。
第二实施例与上述第一实施例的不同之处在于，第一元件阵列组7和第二元件阵列组7A被分组为一组，并且多组元件阵列组7、7A沿着Y方向设置在光接收表面50A中。更具体地，第一元件阵列7和第二元件阵列7A以交替且重复的方式沿着Y方向设置在光接收表面50A中。
图8是示出编码器1A中的光接收单元5A、信号输入单元6a、6b和计算装置8的示意图。
如图8所示，第二元件阵列组7A包括第五元件阵列75、第六元件阵列 76、第七元件阵列77和第八元件阵列78，它们从+Y侧(纸平面中的顶部)到 -Y侧(纸平面中的底部)按上述顺序排列。多个元件阵列75-78沿着Y方向以预定间距P设置。
对于两相位中的每一相位，多个元件阵列75-78包括输出正相位信号的正相位信号元件阵列(第五元件阵列75和第六元件阵列76)和输出负相位信号的负相位信号元件阵列(第七元件阵列77和第八元件阵列78)。
此外，多个元件阵列75-78以预定相位差沿着X方向以移位的方式设置。更具体地，第六元件阵列76以相对于第五元件阵列75具有90度相位差的方式沿X方向以移位方式设置，第七元件阵列77以相对于第五元件阵列75具有270度相位差的方式沿X方向以移位方式设置，第八元件阵列78 以相对于第五元件阵列75具有180度相位差的方式沿X方向以移位方式设置。
第五元件阵列75输出作为B-相位的正相位信号的B-相位信号，第六元件阵列76输出作为A-相位的正相位信号的A-相位信号，第七元件阵列77 输出作为A-相位的负相位信号的AB-相位信号，且第八元件阵列78输出作为B-相位的负相位信号的BB-相位信号。因此，第五元件阵列75和第六元件阵列76对应于本发明中的正相位信号元件阵列，并且第七元件阵列77和第八元件阵列78对应于本发明中的负相位信号元件阵列。
在第一元件阵列组7中，正相位信号元件阵列(第一元件阵列71和第二元件阵列72)占第一元件阵列组7中的多个(即四个)元件阵列71-74的一半 (即两个阵列)。正相位信号元件阵列(第一元件阵列71和第二元件阵列72)相对于在Y方向上以平行方式设置的第一元件阵列组7中的元件阵列的中心处的中心线布置在+Y侧。此外，正相位信号元件阵列(第一元件阵列71和第二元件阵列72)从Y方向上的一端(第一元件阵列组7在纸平面中的顶部)朝向第一元件阵列组7中的中心(纸平面中的向下方向)以用作预定基准 (predeterminedreference)的顺序布置。在本实施例中，“作为用于正相位信号元件阵列的预定基准的顺序”被定义为A-相位和B-相位的顺序。
此外，在第二元件阵列组7A中，正相位信号元件阵列(第五元件阵列75 和第六元件阵列76)占第二元件阵列组7A中的多个(即，四个)元件阵列75- 78的一半(即，两个阵列)。正相位信号元件阵列(第五元件阵列75和第六元件阵列76)相对于在Y方向上以平行方式设置的第二元件阵列组7A中的元件阵列的中心处的中心线布置在+Y侧。另外，正相位信号元件阵列(第五元件阵列75和第六元件阵列76)以与用作预定基准的顺序相反的顺序从Y方向上的一端(第二元件阵列组7A在纸平面中的顶部)朝向第二元件阵列组7A 中的中心(纸平面中的向下方向)布置。
更具体地，由于“作为用于正相位信号元件阵列的预定基准的顺序”被定义为A-相位然后B-相位的顺序，所以作为与用于正相位信号元件阵列的预定基准的顺序相反的顺序”被定义为B-相位然后A-相位的顺序。因此，如果第一元件阵列组7中的正相位信号元件阵列从Y方向上的一端(第一元件阵列组7在纸平面中的顶部)朝向中心(纸平面中的向下方向)以输出A-相位信号的第一元件阵列71然后输出B-相位信号的第二元件阵列72的顺序布置，则第二元件阵列组7A中的正相位信号元件阵列从Y方向的一端(第二元件阵列组7A在纸平面中的顶部)朝向中心(纸平面中的向下方向)以输出B-相位信号的第五元件阵列75然后输出A-相位信号的第六元件阵列76的顺序布置，并且正相位信号元件阵列布置成使得两相位以彼此相反的顺序布置。
在第一元件阵列组7中，负相位信号元件阵列(第三元件阵列73和第四元件阵列74)占第一元件阵列组7中的多个(即四个)元件阵列71-74的一半 (即两个阵列)。负相位信号元件阵列(第三元件阵列73和第四元件阵列74)相对于在Y方向上以平行方式设置的第一元件阵列组7中的元件阵列的中心处的中心线布置在-Y侧。另外，负相位信号元件阵列(第三元件阵列73和第四元件阵列74)从Y方向上的另一端(第一元件阵列组7在纸平面中的底部) 朝向第一元件阵列组7中的中心(纸平面中的向上方向)以用作预定基准的顺序布置。在本实施例中，“作为用于负相位信号元件阵列的预定基准的顺序”被定义为AB-相位然后BB-相位的顺序。
此外，在第二元件阵列组7A中，负相位信号元件阵列(第七元件阵列77 和第八元件阵列78)占第二元件阵列组7A中的多个(即四个)元件阵列75-78 的一半(即两个阵列)。负相位信号元件阵列(第七元件阵列77和第八元件阵列78)相对于在Y方向上以平行方式设置的第二元件阵列组7A中的元件阵列的中心处的中心线布置在-Y侧。另外，负相位信号元件阵列(第七元件阵列77和第八元件阵列78)从Y方向上的另一端(第二元件阵列组7A在纸平面中的底部)朝向第二元件阵列组7A中的中心(纸平面中的向上方向)以与用作预定基准的顺序相反的顺序布置。
更具体地，由于“作为用于负相位信号元件阵列的预定基准的顺序”被定义为AB-相位然后BB-相位的顺序，所以“作为用于负相位信号元件阵列的预定基准的顺序的相反顺序”被定义为BB-相位然后AB-相位的顺序。因此，如果第一元件阵列组7中的负相位信号元件阵列从Y方向上的另一端(第一元件阵列组7在纸平面中的底部)朝向中心(纸平面中的向上方向)以输出AB- 相位信号的第四元件阵列74然后输出BB-相位信号的第三元件阵列73的顺序布置，则第二元件阵列组7A中的负相位信号元件阵列从Y方向上的另一端(第二元件阵列组7A在纸平面中的底部)朝向中心(纸平面中的向上方向) 以输出BB-相位信号的第八元件阵列78然后输出AB-相位信号的第七元件阵列77的顺序布置，并且负相位信号元件阵列布置成使得两相位以彼此相反的顺序布置。
即，在第一元件阵列组7中，多个元件阵列71-74从+Y侧向-Y侧布置，使得它们的输出检测信号按照用作预定基准的顺序，即按照A-相位信号、B- 相位信号、BB-相位信号和AB-相位信号的顺序。在第二元件阵列组7A中，多个元件阵列75-78从+Y侧向-Y侧布置，使得它们的输出检测信号的顺序与用作预定基准的顺序相反，即，按照B-相位信号、A-相位信号、AB-相位信号和BB-相位信号的顺序。
关于两个信号输入单元6a、6b，对于第一信号输入单元6a，A-相位信号从光接收单元5中的第一元件阵列71和第六元件阵列76输入到正相位信号输入单元61a，并且AB-相位信号从第四元件阵列74和第七元件阵列77输入到负相位信号输入单元62a。然后，第一信号输入单元6a向计算装置8输出差分A-相位信号，该差分A-相位信号是A-相位信号和AB-相位信号之间的差(即，A-相位信号减去AB-相位信号)。
对于第二信号输入单元6b，B-相位信号从光接收单元5中的第二元件阵列72和第五元件阵列75输入到正相位信号输入单元61b，并且BB-相位信号从第三元件阵列73和第八元件阵列78输入到负相位信号输入单元62b。然后，第二信号输入单元6b向计算装置8输出差分B-相位信号，该差分B- 相位信号是B-相位信号和BB-相位信号之间的差(即，B-相位信号减去BB- 相位信号)。
第一元件阵列组7和第二元件阵列7A中的多个元件阵列71-78被布置在这样的位置中，在这些位置，对于两相(即，A-相位和B-相位)的所有相位来说，以下距离之和是相同的：(i)在Y方向上从参考位置到正相位信号元件阵列(第一元件阵列71、第二元件阵列72、第五元件阵列75或第六元件阵列76)的距离；和(ii)在Y方向上从参考位置到负相位信号元件阵列(第三元件阵列73、第四元件阵列74、第七元件阵列77或第八元件阵列78)的距离。
第一元件阵列71位于+Y方向上距参考位置+7P/2的距离处，第二元件阵列72位于+Y方向上距参考位置+5P/2的距离处，第三元件阵列73位于 +Y方向上距参考位置+3P/2的距离处，第四元件阵列74位于+Y方向上距参考位置+P/2的距离处，第五元件阵列75位于在-Y方向上距参考位置-P/2 的距离处，第六元件阵列76位于在-Y方向上距参考位置-3P/2的距离处，第七元件阵列77位于在-Y方向上距参考位置-5P/2的距离处，第八元件阵列78位于在-Y方向上距参考位置-7P/2的距离处。
在编码器1A中，以下距离之和由下面的等式(9)表示：(i)输出A-相位信号的第一元件阵列71和参考位置之间的距离；(ii)输出A-相位信号的第六元件阵列76和参考位置之间的距离；(iii)输出AB-相位信号的第四元件阵列74 和参考位置之间的距离；和(iv)输出AB-相位信号的第七元件阵列77和参考位置之间的距离。A-相位信号和AB-相位信号作为用于产生差分A-相位信号的输入。以下距离之和由下面的等式(10)表示：(i)输出B-相位信号的第二元件阵列72和参考位置之间的距离；(ii)输出B-相位信号的第五元件阵列75 和参考位置之间的距离；(iii)输出BB-相位信号的第三元件阵列73和参考位置之间的距离；和(iv)输出BB-相位信号的第八元件阵列78和参考位置之间的距离。B-相位信号和BB-相位信号作为用于产生差分B-相位信号的输入。
(+7P/2) + (-3P/2) + (+P/2) + (-5P/2) ＝ 0 (9)
(+5P/2) + (-P/2) + (+3P/2) + (-7P/2) ＝ 0 (10)
如等式(9)和(10)所示，在编码器1A中，元件阵列被布置在这样的位置中，在这些位置，对于对于差分A-相位信号和差分B-相位信号来说，以下距离之和是相同的：(i)在Y方向上从参考位置到正相位信号元件阵列(第一元件阵列71、第二元件阵列72、第五元件阵列75或第六元件阵列76)的距离；和(ii)在Y方向上从参考位置到负相位信号元件阵列(第三元件阵列73、第四元件阵列74、第七元件阵列77或第八元件阵列78)的距离。如果标尺 2(见图1)通过围绕与光接收表面50A正交的轴线(即，旋转轴线)旋转而相对于光接收单元5A(特别是相对于与测量方向(X方向)正交的方向(Y方向))以倾斜角θ≠0的倾斜方式设置，则多个元件阵列71-78的这种设置允许获得以下效果。
在编码器1A中，即使标尺2(见图1)以倾斜的方式以倾斜角θ设置，由标尺2的倾斜角θ产生的两个差分信号的移位量被抵消，如关于差分A-相位信号的等式(11)和关于差分B-相位信号的等式(12)所示。
(-7P/2 × θ) + (-P/2 × θ) + (3P/2 × θ) + (5P/2 × θ) ＝ 0 (11)
(-5P/2 × θ) + (-3P/2 × θ) + (P/2 × θ) + (7P/2 × θ) ＝ 0 (12)
图9是示出编码器1A中检测信号变化的曲线图。更具体地说，在图9 中，纵轴代表输出电压，横轴代表位移。在图9中，当标尺2(见图1)相对于光接收单元5A以倾斜角θ≠0设置时的曲线图用实线表示，当标尺2相对于光接收单元5A以倾斜角θ＝0设置时的曲线图用虚线表示。
在下文中，将描述从光接收单元5A输出到信号输入单元6a、6b的检测信号的变化以及从信号输入单元6a、6b输出到计算装置8的差分A-相位信号和差分B-相位信号的变化。
如图9所示，如果标尺2(见图1)相对于光接收单元5A以倾斜角θ≠0 设置，则与标尺2以倾斜角θ＝0设置的情况相比，从第一元件阵列71输入的A-相位信号的相移-7P/2×θ。从第二元件阵列72输入的B-相位信号的相移-5P/2×θ。从第三元件阵列73输入的BB-相位信号的相移-3P/2×θ。从第四元件阵列74输入的AB-相位信号的相移-P/2×θ。从第五元件阵列75输入的B-相位信号的相移+P/2×θ。从第六元件阵列76输入的A-相位信号的相移了+3P/2×θ。从第七元件阵列77输入的AB-相位信号的相移+5P/2×θ。从第八元件阵列78输入的BB-相位信号的相移+7P/2×θ。
在这种情况下，对于输出差分A-相位信号的信号输入单元6a(见图8), 具有-7P/2×θ相移的A-相位信号从第一元件阵列71输入到正相位信号输入单元61a(见图8),并且具有+3P/2×θ相移的A-相位信号从第六元件阵列76 输入到正相位信号输入单元61a，并且具有-P/2×θ相移的AB-相位信号从第四元件阵列74输入到负相位信号输入单元62a，并且具有+5P/2×θ相移的 AB-相位信号从第七元件阵列77输入到负相位信号输入单元62a。然后，在转换成差分A-相位信号的过程中执行等式(11)的计算，并且A-相位信号和 AB-相位信号之间的相移被抵消，因此差分A-相位信号中的相移变为零。
此外，对于输出差分B-相位信号的信号输入单元6b(见图8),具有-5P/2 ×θ相移的B-相位信号从第二元件阵列72输入到正相位信号输入单元61b(见图8),并且具有+P/2×θ相移的B-相位信号从第五元件阵列75输入到正相位信号输入单元61b，并且具有-3P/2×θ相移的BB-相位信号从第三元件阵列 73输入到负相位信号输入单元62b，并且具有+7P/2×θ相移的BB-相位信号从第八元件阵列78输入到负相位信号输入单元62b。然后，在转换成差分B- 相位信号的过程中执行等式(12)的计算，并且B-相位信号和BB-相位信号之间的相移被抵消，因此差分B-相位信号中的相移变为零。
差分A-相位信号的相移和差分B-相位信号的相移都变为零，因此是相同的。因此，在标尺2处于倾斜角θ＝0的情况和标尺2处于倾斜角θ≠0的情况之间，差分A-相位信号和差分B-相位信号之间的相位差保持不变，并且在光接收表面50A中产生的干涉条纹也近似于当标尺2处于倾斜角θ＝0 时产生的干涉条纹。
因此，如图5所示，尽管与标尺2(见图1)处于倾斜角θ＝0的情况相比，从两个信号输入单元6a、6b(见图3)输出的差分A-相位信号和差分B-相位信号的输出电压降低，但是差分A-相位信号和差分B-相位信号被输出到计算装置8，同时保持倾斜角θ＝0时的相位差(即，90度的相位差)。
此外，如图6所示，尽管基于从两个信号输入单元6a、6b输出的差分 A-相位信号和差分B-相位信号在计算装置8处计算的利萨如信号变成椭圆形的利萨如信号，与标尺2以倾斜角θ＝0设置的情况相比，其幅值减小并且其扁率更高，但是与图14所示的传统编码器100中的利萨如信号相比，获得了接近于正圆的利萨如信号。应当注意，第二实施例的编码器1A中的利萨如信号比第一实施例的编码器1中的利萨如信号更接近于正圆。
因此，即使标尺2通过绕正交于光接收表面50A的轴线(即，旋转轴线) 旋转而相对于光接收单元5A以倾斜方式设置，编码器1A也可以抑制精度劣化。
在第二实施例中，除了上述第一实施例的效果(1)至(3)之外，还可以实现以下效果：
(4)在抑制基于来自光接收单元5A的检测信号的差分信号的幅值减小的同时，与不设置第一元件阵列组7和第二元件阵列组7A的情况相比，可以更有效地抵消由标尺2通过绕与光接收表面50A正交的轴线(即旋转轴线) 旋转而相对于光接收单元5A以倾斜方式设置所引起的差分信号之间的相位差的移位。
实施例的变化例
应当注意，本发明不限于上述各个实施例，并且变化、修改等包括在本发明中到这样的程度，使得这些变化、修改等能够实现本发明的目的。
例如，在上述各个实施例中，描述的是将本发明应用于编码器1、1A(它们是线性编码器)的情况；然而，可以使用任何编码器，而不特别考虑检测器的类型、检测方法等。
更具体地，在上述各个实施例中，使用光学编码器1、1A，其中检测头 3、3A设置有：用作发射单元的光源4，其向标尺2辐射用作测量信号的光；以及用作接收单元的光接收单元5、5A，其包括用作接收表面的光接收表面50、50A，其经由标尺2接收来自光源4的光，并且光接收表面50、50A设置有包括用作接收元件的多个光接收元件500的元件阵列。代替光学类型，编码器可以是其他检测类型，例如电容类型或电感类型。在这种情况下，发射测量信号的发射单元、包括接收表面的接收单元、多个接收元件等可以是在电容型、电感型等编码器中具有类似功能的任何单元/元件。例如，在电感型编码器中，发射单元可以发射对应于测量信号的磁力，用于激励对应于刻度的线圈，接收单元可以包括对应于多个接收元件的多个接收线圈，并接收线圈的磁通量的变化。
在上述各个实施例中，在标尺和光接收单元之间没有设置诸如光学构件的部件；然而，可以设置如下所述配置的构件。
即，编码器优选地设置有板状栅格板，该板状栅格板具有沿测量方向形成的多个栅格，这些栅格的周期对应于刻度的周期。栅格板优选设置在标尺和光接收单元之间。光接收单元优选地接收已经穿过栅格板的光。
例如，即使只能使用尺寸大于期望尺寸的光接收元件，上述配置也能够通过在光接收元件上方设置栅格板来产生几乎类似于由具有期望尺寸的光接收元件产生的干涉条纹。
在上述第二实施例中，第一元件阵列组7和第二元件阵列组7A被分组为一组，并且第一元件阵列7和第二元件阵列7A沿着Y方向以交替和重复的方式设置在光接收表面50A中。然而，可以不需要在光接收表面50A中沿着Y方向设置多组元件阵列组7、7A。例如，代替以交替和重复的方式设置第一元件阵列组7和第二元件阵列组7A，可以在光接收表面50A中沿着 Y方向以任意组合设置多个元件阵列组。简而言之，如果在接收表面中沿着正交方向布置多个元件阵列组就足够了。
在上述第一实施例中，第一元件阵列71输出作为正相位信号的A-相位信号，第二元件阵列72输出作为正相位信号的B-相位信号，第三元件阵列 73输出作为负相位信号的BB-相位信号，第四元件阵列74输出作为负相位信号的AB-相位信号。然而，第一元件阵列可以输出作为正相位信号的A-相位信号，第二元件阵列可以输出作为负相位信号的BB-相位信号，第三元件阵列可以输出作为正相位信号的B-相位信号，第四元件阵列可以输出作为负相位信号的AB-相位信号。
此外，在上述第二实施例中，在第一元件阵列组7中，第一元件阵列71 输出作为正相位信号的A-相位信号，第二元件阵列72输出作为正相位信号的B-相位信号，第三元件阵列73输出作为负相位信号的BB-相位信号，第四元件阵列74输出作为负相位信号的AB-相位信号。另外，在第二元件阵列组7A中，第五元件阵列75输出作为正相位信号的B-相位信号，第六元件阵列76输出作为正相位信号的A-相位信号，第七元件阵列77输出作为负相位信号的AB-相位信号，第八元件阵列78输出作为负相位信号的BB- 相位信号。
然而，在第二元件阵列组中，多个元件阵列可以以任何其他组合输出检测信号。简而言之，如果至少两个信号输入单元从布置在一些位置处的元件阵列接收检测信号作为输入就足够了，在这些位置处，以下相位差之和在各个信号输入单元处是相同的：(i)将正相位信号输入到正相位信号输入单元的元件阵列的相位差；和(ii)将负相位信号输入到负相位信号输入单元的元件阵列的相位差。
在上述各个实施例中，X轴被定义为参考位置；然而，参考位置可以是任何位置，只要它是光接收表面上的预定位置。例如，在参考位置被定义为用于图3所示的第一实施例的多个元件阵列71-74的第一元件阵列71的情况下：
第二元件阵列72将在-Y方向上位于距参考位置(即，第一元件阵列71)- P的距离处，第三元件阵列73将在-Y方向上位于距参考位置-2P的距离处，第四元件阵列74将在-Y方向上位于距参考位置-3P的距离处。
以下距离之和被表示为下面的等式(13)：(i)输出A-相位信号的第一元件阵列71和参考位置之间的距离；和(ii)输出AB-相位信号的第四元件阵列 74和参考位置之间的距离。A-相位信号和AB-相位信号作为用于产生差分 A-相位信号的输入。此外，以下距离之和被表示为下面的等式(14)：(i)输出 B-相位信号的第二元件阵列72和参考位置之间的距离；和(ii)输出BB-相位信号的第三元件阵列73和参考位置之间的距离之和。B-相位信号和BB-相位信号作为用于产生差分B-相位信号的输入。
0 + (-3P) ＝ -3P (13)
(-P) + (-2P) ＝ -3P (14)
如等式(13)和(14)所示，元件阵列被布置在一些位置处，在这些位置，对于差分A-相位信号和差分B-相位信号来说，以下距离之和是相同的：(i)在Y方向上从参考位置(第一元件阵列71)到正相位信号元件阵列(第一元件阵列71或第二元件阵列72)的距离；和(ii)在Y方向上从参考位置到负相位信号元件阵列(第三元件阵列73或第四元件阵列74)的距离。因此，任何位置都可以被定义为基准位置，只要它是光接收表面上的预定位置。简而言之，如果元件阵列组中的多个元件阵列被布置在一些位置，在这些位置处，对于至少两相位的所有相位(即，A-相位和B-相位)来说，以下距离之和是相同的： (i)在正交方向上从参考位置到正相位信号元件阵列的距离；和(ii)在正交方向上从参考位置到负相位信号元件阵列的距离。
在上述各个实施例中，编码器1,1A输出差分A-相位信号和差分B-相位信号作为具有两个相位的差分信号；然而，可以输出具有多个相位的差分信号，只要它们是具有至少两个相位的差分信号。在上述各个实施例中，第一元件阵列组7和第二元件阵列组7A各自包括四个元件阵列；然而，它可以包括六个阵列或八个阵列。
例如，如果编码器输出具有三个相位(A-相位、B-相位和C相位)的差分信号，则第一元件阵列组和第二元件阵列组各自包括六个元件阵列，并且这样的元件阵列可以如下布置。例如，在第一实施例中，元件阵列组中的六个元件阵列可以沿着与测量方向正交的正交方向布置，使得它们以A-相位信号、B-相位信号、C相位信号、CB-相位信号、BB-相位信号和AB-相位信号的顺序输出检测信号。例如，在第二实施例中，第一元件阵列组中的六个元件阵列可以在与测量方向正交的正交方向上从一侧朝向另一侧布置，使得它们以A-相位信号、B-相位信号、C相位信号、CB-相位信号、BB-相位信号和AB-相位信号的顺序输出检测信号，这种顺序用作预定基准。第二元件阵列组中的六个元件阵列可以在与测量方向正交的正交方向上从一侧向另一侧布置，使得它们以与预定基准相反的顺序，即以C相位信号、B-相位信号、 A-相位信号、AB-相位信号、BB-相位信号和CB-相位信号的顺序，输出检测信号。
在上述各个实施例中，描述了两个信号输入单元6a、6b；然而，信号输入单元的数量可以根据元件阵列的数量和/或要获取的信号的数量而增加或减少，或者甚至可以不需要提供信号输入单元。此外，上述各个实施例设置有计算装置8；然而，如果例如编码器连接到外部设备并且计算在这样的外部设备中进行，则可以不需要提供计算装置。
工业适用性
如上所述，本发明可以适用于编码器。

Claims (8)

1.一种编码器，包括：板状标尺，其具有沿测量方向以预定周期形成的刻度；以及检测头，其相对于标尺沿测量方向可动地设置，
其中所述检测头包括：
发射单元，其向所述标尺发射测量信号；和
接收单元，其包括接收表面，所述接收表面经由所述标尺接收来自所述发射单元的测量信号，所述接收单元将在所述接收表面处接收的测量信号转换成具有至少两个不同相位的差分检测信号并输出所述检测信号，所述检测信号响应于所述标尺和所述检测头之间的相对移动而与所述刻度的周期相对应地变化，
其中所述接收表面包括：
元件阵列组，其包括沿与测量方向正交的正交方向以平行方式设置的多个元件阵列，所述多个元件阵列包括至少四个元件阵列，每个元件阵列包括沿测量方向按照与所述刻度的周期相对应的周期设置的多个接收元件，
其中，对于所述至少两个相位中的每个相位，所述多个元件阵列包括：
输出正相位信号的正相位信号元件阵列；和
输出负相位信号的负相位信号元件阵列，
其中，所述至少两个相位沿测量方向以具有预定相位差的移位方式设置，并且
其中所述元件阵列组中的多个元件阵列被设置在一些位置，在这些位置以下两距离之和对于所述至少两个相位中的所有相位都是相同的：(i)在正交方向上从参考位置到正相位信号元件阵列的距离；以及(ii)在正交方向上从参考位置到负相位信号元件阵列的距离。
2.根据权利要求1所述的编码器，
其中所述正相位信号元件阵列占所述元件阵列组中的所述多个元件阵列的一半，并且相对于中心线设置在所述接收表面的一侧，所述中心线在所述多个元件阵列的中心处沿测量方向延伸，所述多个元件阵列在正交方向上以平行方式设置，并且
负相位信号元件阵列占元件阵列组中的多个元件阵列的一半，并且相对于中心线设置在接收表面的另一侧，所述中心线在所述多个元件阵列的中心处沿测量方向延伸，所述多个元件阵列在正交方向上以平行方式设置。
3.根据权利要求1或2所述的编码器，
其中所述元件阵列组包括：
第一元件阵列组；以及第二元件阵列组，所述第二元件阵列组在所述接收表面中在正交方向上与所述第一元件阵列组相邻并以与之平行方式设置，所述第二元件阵列组包括与所述第一元件阵列组中的多个元件阵列不同地设置的多个元件阵列，
其中所述第一元件阵列组中的正相位信号元件阵列占所述第一元件阵列组中的多个元件阵列的一半，相对于中心线设置在一侧，并且从所述正交方向上的一端朝向所述第一元件阵列组中的中心以用作预定基准的顺序设置，其中，所述中心线在所述多个元件阵列的中心处沿测量方向延伸，所述多个元件阵列在所述第一元件阵列组中在正交方向上以平行方式设置，
其中，所述第一元件阵列组中的负相位信号元件阵列占所述第一元件阵列组中的多个元件阵列的一半，相对于中心线设置在另一侧，并且从所述正交方向上的另一端朝向所述第一元件阵列组中的中心以用作预定基准的顺序设置，其中，所述中心线在所述多个元件阵列的中心处沿测量方向延伸，所述多个元件阵列在所述第一元件阵列组中在正交方向上以平行方式设置，
其中所述第二元件阵列组中的正相位信号元件阵列占所述第二元件阵列组中的多个元件阵列的一半，相对于中心线设置在一侧，并且从所述正交方向上的一端朝向所述第二元件阵列组中的中心以与用作预定基准的所述顺序相反的顺序设置，其中，所述中心线在所述多个元件阵列的中心处沿测量方向延伸，所述多个元件阵列的中心在所述第二元件阵列组中在正交方向上以平行方式设置，并且
其中，所述第二元件阵列组中的负相位信号元件阵列占所述第二元件阵列组中的多个元件阵列的一半，相对于中心线设置在另一侧，并且从所述正交方向上的另一端朝向所述第二元件阵列组中的中心以与用作预定基准的所述顺序相反的顺序设置，其中，所述中心线在所述多个元件阵列的中心处沿测量方向延伸，所述多个元件阵列在所述第二元件阵列组中在正交方向上以平行方式设置。
4.根据权利要求1或2所述的编码器，
其中多个元件阵列组在所述接收表面中沿正交方向设置。
5.根据权利要求1或2所述的编码器，
其中所述编码器是光学编码器，
其中所述检测头包括：
光源，用作向所述标尺辐射出用作测量信号的光的发射单元；和
光接收单元，用作接收单元，所述光接收单元包括用作接收表面的光接收表面，所述光接收表面经由所述标尺接收来自所述光源的光，所述光接收单元将在所述光接收表面处接收的光转换成具有至少两个不同相位的差分检测信号，并输出所述检测信号，所述检测信号响应于所述标尺和所述检测头之间的相对移动而与所述刻度的周期相对应地变化，以及
其中所述光接收表面包括：
元件阵列组，其包括沿与测量方向正交的正交方向以平行方式设置的多个元件阵列，所述多个元件阵列包括至少四个元件阵列，每个元件阵列包括用作接收元件的多个光接收元件，所述多个光接收元件沿测量方向按照与所述刻度的周期相对应的周期设置。
6.根据权利要求5所述的编码器，进一步包括
板状栅格板，具有沿测量方向形成的多个栅格，多个栅格的周期对应于所述刻度的周期，
其中所述栅格板设置在所述标尺和所述光接收单元之间，并且
其中所述光接收单元接收已经穿过所述栅格板的光。
7.一种光学编码器，包括：板状标尺，其具有沿测量方向以预定周期形成的刻度；检测头，其相对于标尺沿测量方向可动地设置；以及板状栅格板，其具有沿测量方向形成的多个栅格，所述多个栅格的周期对应于所述刻度的周期，
其中所述检测头包括：
光源，其向所述标尺辐射出用作测量信号的光；和
光接收单元，其包括光接收表面，所述光接收表面经由所述标尺接收来自所述光源的光，所述光接收单元将在所述光接收表面处接收的光转换成具有至少两个不同相位的差分检测信号，并输出所述检测信号，所述检测信号响应于所述标尺和所述检测头之间的相对移动而与所述刻度的周期相对应地变化，以及
其中所述光接收表面包括：
元件阵列组，其包括沿与测量方向正交的正交方向以平行方式设置的多个元件阵列，所述多个元件阵列包括至少四个元件阵列，每个元件阵列包括沿测量方向按照与所述刻度的周期相对应的周期设置的多个光接收元件，
其中多个元件阵列组在所述光接收表面中沿正交方向设置，
其中，对于所述至少两个相位中的每个相位，所述多个元件阵列包括：
输出正相位信号的正相位信号元件阵列；和
输出负相位信号的负相位信号元件阵列，
其中，所述至少两个相位沿测量方向以具有预定相位差的移位方式设置，并且
其中所述元件阵列组中的多个元件阵列被设置在一些位置，在这些位置以下两距离之和对于所述至少两个相位中的所有相位都是相同的：(i)在正交方向上从参考位置到正相位信号元件阵列的距离；以及(ii)在正交方向上从参考位置到负相位信号元件阵列的距离，
其中所述栅格板设置在所述标尺和所述光接收单元之间，并且
其中所述光接收单元接收已经穿过所述栅格板的光。
8.根据权利要求7所述的编码器，
其中所述正相位信号元件阵列占所述元件阵列组中的所述多个元件阵列的一半，并且相对于中心线设置在所述光接收表面的一侧，所述中心线在所述多个元件阵列的中心处沿测量方向延伸，所述多个元件阵列在正交方向上以平行方式设置，并且
负相位信号元件阵列占元件阵列组中的多个元件阵列的一半，并且相对于中心线设置在光接收表面的另一侧，所述中心线在所述多个元件阵列的中心处沿测量方向延伸，所述多个元件阵列在正交方向上以平行方式设置。
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