JP5891921B2 - 変位計測装置、変位計測方法及び変位計測プログラム - Google Patents

変位計測装置、変位計測方法及び変位計測プログラム Download PDF

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Description

開示する技術は、変位計測装置、変位計測方法及び変位計測プログラムに関する。
光電式エンコーダを用いた技術としては、干渉縞の変位を計測することで、対象物の移動距離などを計測する技術がある。この技術を用いた計測装置では、干渉縞が移動したときの明暗の変化に応じて光検出センサが出力するパルスをカウントすることで、干渉縞の変位量を判定し、干渉縞の変位量と１周期あたりの距離に基づいて、対象物の移動距離を得る。
また、光電式エンコーダとしては、干渉縞の移動に応じて光検出センサが出力する電気信号から、位相が９０°ずれた２つの擬似正弦波形（以下、ｓｉｎ波形及びｃｏｓ波形とする）を生成するものがある。この光電式エンコーダでは、干渉縞の移動により変化するｓｉｎ波形及びｃｏｓ波形の位相の変化から、干渉縞の移動量を計測する。
ところで、干渉縞には、必要とする次数の縞と共に高次数の縞が形成されることがある。この高次数の干渉縞は、光検出センサが出力する信号のＳ／Ｎ比を悪化させ、ｓｉｎ波形及びｃｏｓ波形を崩してしまう。これにより、変位量の計測精度が悪化してしまう。
特開昭６３−２７７９２６号公報 特開２０１１−７５５８１号公報
開示の技術は、Ｓ／Ｎ比の悪化を招くことなく、変位の計測精度の向上を図ることが目的である。
開示の技術は、複数の受光素子が、明部の照度が交互に変化するように形成されると共に変位に応じて形成位置が移動する２次以上の次数の干渉縞に対し、前記干渉縞の２周期の範囲に前記干渉縞の周期に基づいた間隔で前記干渉縞の移動方向に沿って配置される。受光部では、複数の受光素子の各々が、前記干渉縞による照度に応じた信号を出力する。差分処理部は、前記複数の受光素子からの出力信号に対して予め設定した組み合わせで差分処理を行なうことで、位相又は波形が互いに異なる４個の信号を生成する差分処理部また、位相算出部は、前記受光素子が出力する信号に基づいて前記干渉縞の位相を算出する。さらに、出力信号選択部は、前記干渉縞の位相に基づいて前記４個の信号から２個の信号を選択すると共に、選択した前記２個の信号から絶対値の大きい信号を、前記変位に応じた出力信号として選択する。
開示の技術は、明部の照度が交互に変化するように形成されると共に変位に応じて形成位置が移動する２次以上の次数の干渉縞の変位を、Ｓ／Ｎ比の悪化を招くことなく、高精度計測することができる、という効果を有する。
本実施の形態に係る光電式エンコーダの要部の斜視図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、回折格子の一例を示す要部の平面図である。 受光素子の配列を示す受光部の要部の平面図である。 本実施の形態に係る反射部のデューティ比７５％における干渉縞の照度を示す線図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、反射部のデューティ比に応じた干渉縞の照度を示す線図であり、（Ａ）はデューティ比５０％、（Ｂ）はデューティ比１２．５％である。 信号処理部の一例を示す機能ブロック図である。 差分処理部の一例を示す機能ブロック図である。 減算器ごとの入力信号に対する出力信号の設定を示す図表である。 位相算出部の一例を示す機能ブロック図である。 位相情報に応じて選択される信号の組み合わせを示す図表である。 エンコーダとして機能するコンピュータの機能ブロック図である。 エンコーダにおける信号処理の一例を示す流れ図である。 （Ａ）〜（Ｈ）は干渉縞の移動により８個の受光素子上のそれぞれにおける照度の変化の一例を示す線図である。 （Ａ）〜（Ｈ）は、干渉縞の移動により８個の加算器のそれぞれで得られる信号に応じた照度の変化の一例を示す線図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、干渉縞の移動量に応じた信号レベルの変化の一例を示す線図であり、（Ａ）は信号ｓｉｎＡ、（Ｂ）は信号ｓｉｎＢ、（Ｃ）は信号ｓｉｎＣ、（Ｄ）は信号ｓｉｎＤを示す。 （Ａ）〜（Ｄ）は、干渉縞の移動量に応じた信号レベルの変化の一例を示す線図であり、（Ａ）は信号ｃｏｓＡ、（Ｂ）は信号ｃｏｓＢ、（Ｃ）は信号ｃｏｓＣ、（Ｄ）は信号ｃｏｓＤを示す。 （Ａ）は信号ｓｉｎＡと信号ｓｉｎＢを加算することで得られるｓｉｎ側の波形を線図であり、（Ｂ）は信号ｃｏｓＡと信号ｃｏｓＢを加算することで得られるｃｏｓ側の波形を線図である。 （Ａ）は、信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢ、ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤの干渉縞の位相に対する信号レベルの変化の一例を示す線図、（Ｂ）は図（Ａ）から得られる波形信号の一例を示す線図である。 （Ａ）は、信号ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢ、ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤの干渉縞の位相に対する信号レベルの変化の一例を示す線図、（Ｂ）は図（Ａ）から得られる波形信号の一例を示す線図である。 比較例における信号処理の一例を示す機能ブロック図である。
〔比較例〕
以下、開示の技術の実施形態の説明に先立ち、開示の技術の比較例を説明する。
光電式エンコーダは、予め設定したピッチで回折格子を形成したスケールへ、光源から光を照射し、回折格子で反射された光を、複数の受光素子が配列されたセンサアレイへ照射させ、センサアレイ上に干渉縞を形成する。センサアレイには、干渉縞の周期に基づいて４個の受光素子が配列されている。例えば、干渉縞の明部から暗部を経て次の明部に達するまでを１周期とした場合に、センサアレイ上の受光素子は、干渉縞の１周期に対して位相が０°、９０°、１８０°、２７０°となる間隔で配置され、照度に応じた電気信号を出力する。
光電式エンコーダでは、センサアレイに対してスケールが相対移動することで、干渉縞の形成位置が移動することから、干渉縞の形成位置の移動に応じた照度の変化を電気信号に変換し、この電気信号からスケールの移動方向及び移動量を計測する。
図２０には、本比較例に係る光電式エンコーダの一例を示している。この光電式エンコーダ２００は、複数のセンサアレイ２０２Ａ、２０２Ｂ、２０２Ｃ、２０２Ｄが干渉縞の移動方向に沿って配置される。センサアレイ２０２Ａ〜２０２Ｄは、干渉縞における位相に合わせた間隔で４個ずつの受光素子２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄを各々備え、受光素子２０４ａ〜２０４ｄが、干渉縞の移動によって変化する照度に応じた電気信号を出力する。
光電式エンコーダ２００は、加算器２０６Ａ、２０６Ｂ、２０６Ｃ、２０６Ｄを備える。センサアレイ２０２Ａ〜２０２Ｄの各受光素子２０４ａの出力が、加算器２０６Ａに入力され、各受光素子２０４ｂの出力が加算器２０６Ｂに入力される。また、光電式エンコーダ２００では、センサアレイ２０２Ａ〜２０２Ｄの各受光素子２０４ｃの出力が、加算器２０６Ｃに入力され、各受光素子２０４ｄの出力が、加算器２０６Ｄに入力される。光電式エンコーダ２００では、加算器２０６Ａ〜２０６Ｄが入力された信号を加算して出力する。
また、光電式エンコーダ２００は、減算器２０８Ａ、２０８Ｂを備える。加算器２０６Ａの出力信号及び加算器２０６Ｃの出力信号は、減算器２０８Ａに入力される。減算器２０８Ａは、加算器２０６Ａの出力信号から加算器２０６Ｃの出力信号を差し引く差分処理を行なうことで、干渉縞の移動に応じた波形（以下、ｓｉｎ波形とする）の信号を出力する。加算器２０６Ｂの出力信号及び加算器２０６Ｄの出力信号は、減算器２０８Ｂに入力される。減算器２０８Ｂは、加算器２０６Ｂの出力信号から加算器２０６Ｄの出力信号を差し引く差分処理を行なうことで、干渉縞の移動に応じた波形（以下、ｃｏｓ波形とする）の信号を出力する。
光電式エンコーダ２００は、ｓｉｎ波形の信号とｃｏｓ波形の信号に基づき、干渉縞の移動方向及び移動量を算出する。この干渉縞の移動方向は、回折格子に形成されたスケールの相対移動方向に対応し、干渉縞の形成位置の移動量は、スケールの相対移動量に対応する。
ところで、光電式エンコーダにおいては、回折格子に形成する反射部ピッチであるスケールピッチにより分解能が定まる。また、光電式エンコーダにおいては、スケールピッチに対して、反射面の幅がデューティ比で５０％とすることが一般的である。
したがって、光電式エンコーダにおいて、スケールピッチを狭くすれば、分解能を向上させることができる。また、光電式エンコーダにおいて分解能を向上させる方法としては、２次以上の干渉縞を形成することで、干渉縞の周期を短くする方法もある。
スケールピッチを狭くした場合及び２次以上の干渉縞を形成する場合には、回折格子における光の反射部の幅が狭くなる。このために、センサアレイ上では、干渉縞の明部の照度が低下する。この照度の低下は、受光素子から出力する信号を低下させ、受光素子から出力する信号のＳ／Ｎ比の悪化を生じさせる。
例えば、ｓｉｎ波形及びｃｏｓ波形に基づいてリサージュ円を形成する場合、信号レベルの低下は、リサージュ円を小さくさせ、Ｓ／Ｎ比の悪化は、リサージュ円の形を崩してしまう。
光源から発する光を強くすれば、干渉縞による照度の低下を防止することができるが、この場合、光源に設ける発光素子の発熱の増加、短寿命化を生じさせる。
また、回折格子に形成する反射部のデューティ比を高くすれば、照度の低下を抑えることができるが、反射部のデューティ比を高くすると、干渉縞の１周期ごとに明部の照度が低くなり、ｓｉｎ波形、ｃｏｓ波形の生成が困難となる。この場合、図２０に示す光電式エンコーダ２００において、干渉縞の２周期分の受光素子２０４を用い、明度の低い領域の信号と明度の高い領域の信号とを重ね合わせることで、明度の照度の平均化を図ることができる。
しかしながら、複数の受光素子の信号を加算すると、個々の信号に含まれるノイズ成分も重畳されてしまい、ｓｉｎ波形及びｃｏｓ波形の信号にＳ／Ｎ比の悪化が生じてしまう。
〔実施形態〕
続いて、図面を参照して開示の技術の実施の形態の一例を詳細に説明する。
図１には、本実施の形態に係る光電式エンコーダ（以下、エンコーダ１０とする）の要部を示す。なお、エンコーダ１０は、開示の技術に係る変位計測装置の一例である。エンコーダ１０は、エンコーダヘッド１２及びスケール部１４を備える。エンコーダ１０は、エンコーダヘッド１２とスケール部１４とが互いに対向されている。また、エンコーダ１０は、エンコーダヘッド１２に対してスケール部１４が相対移動する。なお、図１では、相対移動方向の一例を矢印Ｘで示している。
エンコーダヘッド１２は、スケール部１４に対向する面に光源部１６及び受光部１８を備える。光源部１６は、例えば、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting ＬＡＳＥＲ：垂直共振器面発光レーザ）などを用い、予め設定した波長の光を、スケール部１４へ向けて照射する。
スケール部１４は、回折格子２０を備える。回折格子２０は、スケール部１４のエンコーダヘッド１２に対向する面に形成され、エンコーダヘッド１２の光源部１６から照射された光を、エンコーダヘッド１２の受光部１８へ向けて反射する。エンコーダ１０は、回折格子２０の反射光により、受光部１８上に干渉縞が形成される。また、エンコーダ１０は、スケール部１４が相対移動することで、受光部１８上の干渉縞の形成位置が移動する。
開示の技術において、光源部１６は、ＶＣＳＥＬに限らず、受光部１８に所定の干渉縞が形成される構成であれば良い。また、回折格子２０は、光を反射する形態に限らず、光を通過させるスリットを形成し、スリットを通過した光により干渉縞を形成しても良い。
図２（Ａ）に示すように、スケール部１４の回折格子２０は、相対移動方向に沿って所定のスケールピッチＰで配置された複数の反射部２２、及び反射部２２の間に配置された非反射部２４により形成される。反射部２２は、相対移動方向（図２（Ａ）の矢印Ｘ方向）に沿った幅がＷとされ、光源部１６から照射された光をエンコーダヘッド１２の受光部１８へ向けて反射する。また、非反射部２４は、相対移動方向に沿った幅がＷｕとされ、エンコーダヘッド１４へ向けた光の反射が抑えられている。
このような回折格子２０は、図２（Ａ）に示すように、スケール部１４のベース１４Ａに反射部２２が形成されて構成されても良い。また、図２（Ｂ）に示すように、回折格子２０は、光を反射する面を形成したベース１４Ｂに、スケールピッチＰで非反射部２４が形成されて構成されても良い。
図１に示すように、エンコーダ１０は、エンコーダヘッド１２の受光部１８に設けられたセンサアレイ２６を備える。図３には、受光部１８に設けられたセンサアレイ２６を示す。受光部１８には、複数のセンサアレイ２６がスケール部１４の相対移動方向（図３の矢印Ｘ方向）に沿って配列されている。このスケール部１４の相対移動方向は、受光部１８上における干渉縞の形成位置の移動方向となる。
各センサアレイ２６は、４個の受光素子２８が所定のセンサピッチＤで相対移動方向に配列され、互いに隣接するセンサアレイ２６の間においても、隣合う受光素子２８の配列周期がセンサピッチＤとなっている。
各受光素子２８は、照射された光の強度（照度とも表記する）に応じた電気信号を出力する。このとき、各受光素子２８は、干渉縞の形成位置の移動に応じて照射される光の照度が変化することで、出力する電気信号が変化する。
本実施の形態においては、スケール部１４の相対移動に応じて干渉縞が移動するときの干渉縞の１周期分の移動量に一つのセンサアレイ２６が対応される。また、センサアレイ２６の受光素子２８の位置は、干渉縞の１周期分の移動量に対応する位相を２π(３６０°)としたときに、π／２(９０°)ずつずれた位置となる(例えば、０(０°)、π／２(９０°)、π(１８０°)、３π／２(２７０°)に対応する位置）。
エンコーダ１０は、上記位相で配列された受光素子２８が出力する電気信号の変化から、位相が９０°ずれた２相の波形信号を生成する。以下の説明では、２相の波形信号の一方を波形信号ＳｉｎＱ、他方を波形信号ＣｏｓＱと表記する。また、以下においては、波形信号ＳｉｎＱの生成に寄与する構成をｓｉｎ側とし、波形信号ＣｏｓＱの生成に寄与する構成をｃｏｓ側と表記する。波形信号ＳｉｎＱ、ＣｏｓＱの一方が開示の技術における第１の相の一例である、他方が開示の技術における第２の相の一例である。
エンコーダ１０は、波形信号ＳｉｎＱ及び波形信号ＣｏｓＱから、干渉縞の形成位置の移動方向及び移動量、すなわち、スケール部１４の相対移動方向及び相対移動量を算出する。
干渉縞は、スケール部１４の回折格子２０とエンコーダヘッド１２（受光部１８）の距離Ｌ、光の波長λ、回折格子２０の反射部２２のスケールピッチＰに応じて、次数が定まる。干渉縞の次数に応じた定数ｎから、距離Ｌは、Ｌ＝（２ｎＰ２）／λとなる。
この場合、９０°の位相差で配置する受光素子２８の間隔（センサピッチＤ）は、干渉縞の次数に応じて広くなり、このためにエンコーダ１０の分解能が低下する。エンコーダ１０の分解能が低下しないように、干渉縞の次数をｍ（ｍは１以上の整数）としたときに、スケールピッチＰに代えてｍＰを適用し、反射部２２の幅Ｗと非反射部２４の幅Ｗｕの比を、反射部１に対して非反射部（２ｍ−１）、次数に応じた定数ｎ＝１／ｍとする。このときの距離Ｌは、Ｌ＝２Ｐ２／ｍλとなる。
しかし、反射部２２の幅Ｗと非反射部２４の幅Ｗｕとの比を１：（２ｍ−１）とすると、干渉縞の次数ｍが高くなることで反射部２２の幅Ｗが狭くなり、干渉縞の照度が低下する。この照度の低下は、受光素子２８で受光される信号レベルの低下として表れ、受光素子２８から出力する電気信号にＳ／Ｎ比の悪化を生じさせる。信号レベルの低下、Ｓ／Ｎ比の悪化は、ｓｉｎ側の波形信号及びｃｏｓ側の波形信号に基づいて形成するリサージュ円を小さくすると共に、円の形を崩す。
照度の低下を防止する方法としては、光源部１６に設ける発光素子が発する光量を増加させることが考えられるが、発光素子の光量の増加は、発光素子の温度上昇、発光素子の寿命の短縮を生じさせる。
本実施形態においては、スケールピッチＰに対する反射部２２の幅Ｗの比とするデューティ比Ｄｒを、干渉縞の次数ｍに応じて設定する。また、本実施形態においては、センサアレイ２６の間隔であるアレイピッチＤａをスケールピッチＰに対してＰ＝Ｄａとすることで、センサピッチＤをＤ＝Ｐ／４として、分解能の低下を抑える。このとき、本実施形態においては、２次以上の干渉縞について、反射部２２の幅Ｗを、干渉縞の次数ｍ（ｍは２以上の整数）に応じて広げる。
本実施形態においては、反射部２２の幅Ｗと非反射部２４の幅Ｗｕとの比率を、非反射部２４を１としたときに反射部２２を（ｍ−１）とする。また、本実施形態においては、次数ｍにより定まる定数ｎを、ｎ＝（ｍ−１）／ｍとする。
これにより、次数ｍの干渉縞を形成するための距離Ｌは、
Ｌ＝（２ｎｐ２）／λ
＝２（ｍ−１）Ｐ２／ｍλ
となる。
また、本実施形態において、スケールピッチＰに対する反射部２２の幅Ｗの比率（デューティ比）Ｄｒは、Ｄｒ＝（（ｍ−１）／ｍ）×１００（％）となる。このデューティ比Ｄｒは、２次の干渉縞を用いる場合、Ｄｒ＝５０％、３次の干渉縞を用いる場合、Ｄｒ＝６０％、４次の干渉縞を用いる場合、Ｄｒ＝７５％、５次の干渉縞を用いる場合、Ｄｒ＝８０％となる。したがって、スケールピッチＰが同じであれば、干渉縞の次数が高くなるほど反射部２２の幅Ｗが広くなる。
本実施形態に係るエンコーダ１０においては、一例として４次の干渉縞を用い、反射部２２の幅ＷをスケールピッチＰの７５％（Ｄｒ＝７５％）、非反射部２４の幅ＷｕをスケールピッチＰの２５％としている。また、本実施の形態に係るエンコーダ１０においては、センサピッチＤとスケールピッチＰとを、Ｄ＝Ｐ／４としている。
図４には、デューティ比Ｄｒ＝７５％としたときの、干渉縞による照度変化を示している。また、図５（Ａ）には、デューティ比Ｄｒ＝５０％とした場合の照度変化を示し、図５（Ｂ）には、デューティ比Ｄｒ＝１２．５％とした場合の照度変化を示している。なお、図４、図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、横軸が相対移動方向に沿う位置であり、スケールピッチＰをＰ＝０．０８ｍｍ、センサピッチＤをＤ＝０．０２ｍｍとしている。また、図４、図５（Ａ）、図５（Ｂ）には、受光素子２８の位置の一例を、照度の波形上に太線で示している。
図５（Ｂ）に示すように、デューティ比Ｄｒ＝１２．５％と低くした場合は、スケールピッチＰの１／２の間隔で干渉縞の明部が現れ、これにより、この明部に対応する受光素子２８が出力する信号レベルも高くなる。ただし、デューティ比Ｄｒ＝１２．５％では、明部の照度が低く、明部と暗部との照度差も小さい。
図５（Ａ）に示すように、光電式エンコーダにおいて一般的なデューティ比Ｄｒ＝５０％とした場合は、デューティ比Ｄｒ＝１２．５％の場合に比べれば、照度が高く、明部と暗部との照度差も大きくなる。
一方、図４に示すように、デューティ比Ｄｒ＝７５％の場合は、デューティ比Ｄｒ＝５０％（図５（Ａ）参照）の場合より照度の高い領域が現れる。したがって、デューティ比＝７５％において、この明部に対応する照度に応じた受光素子２８の出力を用いることで、次数の高い干渉縞を用いた場合でも、デューティ比Ｄｒ＝５０％の場合と比較してＳ／Ｎ比を高くすることができる。
本実施形態では、次数の高い干渉縞を用いるときに、大きな照度が得られるように、干渉縞の次数に応じてデューティ比Ｄｒを高くすることで、干渉縞の照度の減少を抑える。
しかし、デューティ比Ｄｒ＝７５％の場合は、干渉縞の明部において照度の高い明部と照度の低い明部が交互に現れる。すなわち、干渉縞の次数に応じてデューティ比Ｄｒを大きく設定した場合、干渉縞には、高い照度の明部と低い照度の明部とが交互に現れる。
本実施形態は、干渉縞の明・暗を１周期としたときに、明部の照度が交互に変化する干渉縞から、波形信号ＳｉｎＱ及び波形信号ＣｏｓＱを得る。なお、本実施形態は、明部の照度が交互に変化する干渉縞に限らず、明部の変化の少ない干渉縞に対しても適用し得る。
また、図５（Ａ）に示すように、一般的なデューティ比Ｄｒ＝５０％の場合、干渉縞の１周期が、スケールピッチＰの倍の０．１６ｍｍとなっている。これに対して、図４に示すデューティ比Ｄｒ＝７５％の場合、干渉縞の１周期が、デューティ比Ｄｒ＝５０％の場合の１周期の半分となっている。
したがって、本実施形態においては、デューティ比Ｄｒを一般的なデューティ比Ｄｒ＝５０％より高くすることで、デューティ比Ｄｒ＝５０％の場合と比較して、エンコーダ１０の分解能を高くすることができる。
図６に示すように、エンコーダ１０は、波形信号ＳｉｎＱ及び波形信号ＣｏｓＱを生成する信号処理部３０を備える。信号処理部３０は、加算処理部３２、差分処理部３４、位相算出部３６、出力信号選択部３８を含む。
エンコーダ１０では、１つのセンサアレイ２６について、受光素子２８を、干渉縞の位相角が３６０°（２π）となる１周期分の相対移動量に対して、位相角が９０°（π／２）となる間隔で配置している。図６は、一組の波形信号ＳｉｎＱ、ＣｏｓＱの生成に用いる１ブロック分を示している。本実施形態においては、相対移動方向に連続して多数のセンサアレイ２６を配置することで、多数組の波形信号ＳｉｎＱ、ＣｏｓＱを生成する。
本実施形態においては、干渉縞の２周期分のセンサアレイ２６Ａ、２６Ｂを１セットとして、２セット分のセンサアレイ２６Ａ、２６Ｂを用いて１組の波形信号ＳｉｎＱ、波形信号ＣｏｓＱを生成する。以下では、センサアレイ２６Ａの個々の受光素子２８を、受光素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄと表記して区別し、センサアレイ２６Ｂの個々の受光素子２８を、受光素子２８ｅ、２８ｆ、２８ｇ、２８ｈと表記して区別する。
本実施形態においては、センサアレイ２６Ａ、２６Ｂに加え、センサアレイ２６Ａの受光素子２８ｃ、２８ｄ及びセンサアレイ２６Ｂの受光素子２８ｅ、２８ｆを一つのセンサアレイとして扱う（以下、センサアレイ２６Ｃとする）。また、本実施形態においては、センサアレイ２６Ｂの受光素子２８ｇ、２８ｈ及びセンサアレイ２６Ａの受光素子２８ａ、２８ｂを他の一つのセンサアレイとして扱う（以下、センサアレイ２６Ｄとする）。
本実施形態においては、センサアレイ２６Ｃ、２６Ｄを設けることで、センサアレイ２６Ａ、２６Ｂから得られる信号に対して位相が１８０°ずれた信号を得る。なお、本実施の形態では、説明の簡略化を図るために、センサアレイ２６Ａの受光素子２８ａ、２８ｂに代えて、センサアレイ２６Ｂに隣接するセンサアレイ２６Ａの受光素子２８ａ、２８ｂを用いて、センサアレイ２６Ｄを形成している。
図６及び図７に示すように、加算処理部３２は、受光素子２８ａ〜２８ｈのそれぞれに対応する加算器４０（加算器４０Ａ〜４０Ｈ）を備える。加算器４０Ａは、２つのセンサアレイ２６Ａの受光素子２８ａから照度に応じた信号ａ１、ａ２が入力されることで、信号ａ１、ａ２を加算した信号ａを出力する。加算器４０Ｂは、２つのセンサアレイ２６Ａの受光素子２８ｂから信号ｂ１、ｂ２が入力されることで、信号ｂ１、ｂ２を加算した信号ｂを出力する。
また、加算器４０Ｃは、２つのセンサアレイ２６Ａの受光素子２８ｃから信号ｃ１、ｃ２が入力されることで、信号ｃを出力する。加算器４０Ｄは、２つのセンサアレイ２６Ａの受光素子２８ｄから信号ｄ１、ｄ２が入力されることで、信号ｄを出力する。さらに、加算器４０Ｅは、２つのセンサアレイ２６Ｂの受光素子２８ｅから信号ｅ１、ｅ２が入力されることで信号ｅを出力し、加算器４０Ｆは、２つのセンサアレイ２６Ｂの受光素子２８ｆから信号ｆ１、ｆ２が入力されることで信号ｆを出力する。また、加算器４０Ｇは、２つのセンサアレイ２６Ｂの受光素子２８ｇから信号ｇ１、ｇ２が入力されることで信号ｇを出力し、加算器４０Ｈは、２つのセンサアレイ２６Ｂの受光素子２８ｈから信号ｈ１、ｈ２が入力されることで信号ｈを出力する。
加算処理部３２は、加算器４０Ａ〜４０Ｈにより干渉縞の２周期分の信号ａ〜ｈを得る。また、加算処理部３２は、信号ａ〜ｈを差分処理部３４へ出力する。
図６及び図７に示すように、差分処理部３４は、複数の減算器４２を備える。本実施形態においては、減算器４２として、波形信号ＳｉｎＱの生成に用いるｓｉｎ側の減算器４２Ａ〜４２Ｄ、及び波形信号ＣｏｓＱの生成に用いるｃｏｓ側の減算器４２Ｅ〜４２Ｈを備える。
減算器４２Ａ〜４２Ｈには、信号ａ〜ｈが予め設定された組み合わせで入力される。図８には、減算器４２Ａ〜４２Ｈに入力される信号の組み合わせ、及び出力する信号を示している。なお、図８では、減算器４２Ａ〜４２Ｈを、Ａ〜Ｈとして表記している。
減算器４２Ａには、信号ａ、ｃが入力され、信号ａから信号ｃを減算する。これにより、減算器４２Ａは、波形信号ＳｉｎＱの生成に適用する信号ｓｉｎＡを出力する。減算器４２Ｂには、信号ｅ、ｇが入力され、信号ｅから信号ｇを減算する。これにより、減算器４２Ｂは、信号ｓｉｎＢを出力する。
また、減算器４２Ｅは、信号ｂ、ｄが入力されることで、信号ｂから信号ｄを減算する。これにより、減算器４２Ｅは、波形信号ＣｏｓＱの生成に適用する信号ｃｏｓＡを出力する。さらに、減算器４２Ｆは、信号ｆ、ｈが入力されることで、信号ｆから信号ｈを減算し、信号ｃｏｓＢを出力する。
差分処理部３４は、減算器４２Ｃ、４２Ｄ、４２Ｇ、４２Ｈのそれぞれが、信号の正負を反転するインバータ４４を備える。減算器４２Ｃは、信号ｃ、ｅが入力されることで、信号ｃから信号ｅを減算し、減算結果を反転した信号を出力する。これにより、減算器４２Ｃは、波形信号ＳｉｎＱの生成に適用する信号ｓｉｎＣを出力する。減算器４２Ｄは、信号ｇ、ａが入力されることで、信号ｇから信号ａを減算し、減算結果を反転した信号ｓｉｎＤを出力する。
また、減算器４２Ｇは、信号ｄ、ｆが入力されることで、信号ｄから信号ｆを減算し、減算結果を反転した信号ｃｏｓＣを出力する。さらに、減算器４２Ｈは、信号ｈ、ｂが入力されることで、信号ｈから信号ｂを減算し、減算結果を反転した信号ｃｏｓＤを出力する。
本実施形態においては、減算器４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｅ、４２Ｆにより、センサアレイ２６Ａ、２６Ｂの受光素子２８ａ〜２８ｈから得られる電気信号に基づき、信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢ及び信号ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢを出力する。また、本実施形態においては、減算器４２Ｃ、４２Ｄ、４２Ｇ、４２Ｈにより、センサアレイ２６Ｃ、２６Ｄの受光素子２８ａ〜２８ｈから得られる電気信号に基づき、信号ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤ及び信号ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤを出力する。
本実施形態では、センサアレイ２６Ａ、２６Ｂに対してセンサアレイ２６Ｃ、２６Ｄを設定し、センサアレイ２６Ａ、２６Ｂから得られる信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢ、ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢに対して、逆相となる信号ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤ、ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤを生成する。
本実施形態において、信号を逆相とすることで、信号ｓｉｎＣ（一例を図１５（Ｃ）に示す）は、信号ｓｉｎＡ（一例を図１５（Ａ）に示す）の波形に対し、移動量に相当する軸に直交する軸に関し、線対称の波形となる。また、信号ｓｉｎＤ（一例を図１５（Ｄ）に示す）は、信号ｓｉｎＢ（一例を図１５（Ｂ）に示す）の波形に対し、移動量に相当する軸に直交する軸に関し、線対称の波形となる。さらに、信号ｃｏｓＣ（一例を図１６（Ｃ）に示す）は、信号ｃｏｓＡ（一例を図１６（Ａ）に示す）の波形に対し、移動量に相当する軸に直交する軸に関し、線対称の波形となる。また、信号ｃｏｓＤ（一例を図１６（Ｄ）に示す）は、信号ｃｏｓＢ（一例を図１６（Ｂ）に示す）の波形に対し、移動量に相当する軸に直交する軸に関し、線対称の波形となる。
図６に示すように、位相算出部３６には、信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢ、ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢが入力される。位相算出部３６は、信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢ、ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢに基づき、予め設定した位置を基準とした干渉縞の位置（例えば、明部の位置）の位相を判定し、位相情報θを出力する。なお、信号ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤ、ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤを用いて位相情報θを算出しても良い。
開示の技術において、位相算出部３６は、干渉縞の位相情報θを算出し得る構成であれば良い。図９には、本実施形態に係る位相算出部３６の一例を示す。位相算出部３６は、加算器４６Ａ、４６Ｂ、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）４８Ａ、４８Ｂ、位相判定部５０及び記憶部５２を備える。
加算器４６Ａは、減算器４２Ａの信号ｓｉｎＡと減算器４２Ｂの信号ｓｉｎＢとを加算する。ＡＤ変換器４８Ａは、加算器４６Ａの出力信号をデジタル信号に変換することで、所定の信号（以下、位相信号θｓとする）を出力する。加算器４６Ｂは、減算器４２Ｅの信号ｃｏｓＡと減算器４２Ｆの信号ｃｏｓＢとを加算する。ＡＤ変換器４８Ｂは、加算器４６Ｂの出力信号をデジタル信号に変換することで、所定の信号（以下、位相信号θｃとする）を出力する。なお、本実施形態において、受光素子２８が出力するアナログ信号を予めデジタル信号に変換してもよく、この場合、位相算出部３６は、ＡＤ変換器４８Ａ、４８Ｂが省略された構成となる。
エンコーダ１０においては、位相信号θｓ及び位相信号θｃに対応する位相情報θが予め取得され、位相信号θｓ及び位相信号θｃと対応する位相情報θを対応付けたテーブル（ＬＵＴ：Look−Up Table）が予め設けられている。記憶部５２には、このＬＵＴが記憶されている。
位相判定部５０は、記憶部５２に記憶されたＬＵＴを参照することで、位相信号θｓ、θｃに対応する位相情報θを読み出して出力する。本実施形態において、位相情報θは、干渉縞の移動量に対応する位相（位相情報θ）が、０°〜９０°、９０°〜１８０°、１８０°〜２７０°、２７０°〜０°（３６０°）の何れの範囲に対応するか判定し得るものであれば良い。
図６に示す信号処理部３０において、出力信号選択部３８は、第１信号選択部５４、切替設定部５６、及び第２信号選択部５８を備える。第１信号選択部５４は、ｓｉｎ側のセレクタ６０Ａ及びｃｏｓ側のセレクタ６０Ｂを含む。セレクタ６０Ａには、信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢ、ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤが入力され、セレクタ６０Ｂには、信号ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢ、ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤが入力される。また、セレクタ６０Ａ、６０Ｂのそれぞれには、位相算出部３６が出力する位相情報θが入力される。
セレクタ６０Ａは、位相情報θに応じて、信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢ又は信号ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤを出力する。また、セレクタ６０Ｂは、位相情報θに応じて、信号ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢ又は信号ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤを出力する。
図１０には、開示の技術における位相情報θに対応するｓｉｎ側のセレクタ６０Ａの出力信号、及びｃｏｓ側のセレクタ６０Ｂの出力信号の組み合わせを示す。
出力信号選択部３８は、位相情報θが、０°〜９０°及び２７０°〜０°（３６０°）の範囲において、セレクタ６０Ａが信号ｓｉｎＣ及び信号ｓｉｎＤを出力する。また、出力信号選択部３８は、位相情報θが、９０°〜１８０°及び１８０°〜２７０°（９０°〜２７０°）の範囲において、セレクタ６０Ａが信号ｓｉｎＡ及び信号ｓｉｎＢを出力する。
また、出力信号選択部３８は、位相情報θが０°〜９０°及び９０°〜１８０°（０°〜１８０°）の範囲において、セレクタ６０Ｂが信号ｃｏｓＡ及び信号ｃｏｓＢを出力する、また、出力信号選択部３８は、位相情報θが、１８０°〜２７０°及び２７０°〜０°（１８０°〜３６０°）の範囲において、セレクタ６０Ｂが信号ｃｏｓＣ及び信号ｃｏｓＤを出力する。なお、位相情報θ＝９０°、２７０°の場合、セレクタ６０Ａは、信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢ又は信号ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤのうち予め設定された一方を出力する。また、位相情報θ＝０°、１８０°の場合、セレクタ６０Ｂは、信号ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢ又は信号ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤのうち予め設定された一方を出力する。
図６に示すように、出力信号選択部３８の切替設定部５６は、ｓｉｎ側に絶対値抽出部６２Ａ、６２Ｂ及び比較器６４Ａを備え、ｃｏｓ側に絶対値抽出部６２Ｃ、６２Ｄ及び比較器６４Ｂを備える。
絶対値抽出部６２Ａは、セレクタ６０Ａが出力する信号ｓｉｎＡ又は信号ｓｉｎＣが入力されることで、入力された信号の絶対値を比較器６４Ａへ出力する。絶対値抽出部６２Ｂは、セレクタ６０Ａが出力する信号ｓｉｎＢ又は信号ｓｉｎＤが入力されることで、入力された信号の絶対値を比較器６４Ａへ出力する。比較器６４Ａは、絶対値抽出部６２Ａの出力信号と絶対値抽出部６２Ｂの出力信号の比較結果を出力する。
絶対値抽出部６２Ｃは、セレクタ６０Ｂが出力する信号ｃｏｓＡ又は信号ｃｏｓＣが入力されることで、入力された信号の絶対値を比較器６４Ｂへ出力する。絶対値抽出部６２Ｄは、セレクタ６０Ｂが出力する信号ｃｏｓＢ又は信号ｃｏｓＤが入力されることで、入力された信号の絶対値を比較器６４Ｂへ出力する。比較器６４Ｂは、絶対値抽出部６２Ｃの出力信号と絶対値抽出部６２Ｄの出力信号の比較結果を出力する。
第２信号選択部５８は、Ｓｉｎ側のセレクタ６６Ａ及びＣｏｓ側のセレクタ６６Ｂを含む。セレクタ６６Ａには、セレクタ６０Ａが出力する信号ｓｉｎＡと信号ｓｉｎＢ又は信号ｓｉｎＣと信号ｓｉｎＤが入力されると共に、比較器６４Ａの比較結果に応じた信号が入力される。
比較器６４Ａは、セレクタ６０Ａが信号ｓｉｎＡと信号ｓｉｎＢを出力したときに、絶対値が大きく信号レベルが高い方の信号を波形信号ＳｉｎＱとしてセレクタ６６Ａから出力させる。また、比較器６４Ａは、セレクタ６０Ａが信号ｓｉｎＣと信号ｓｉｎＤを出力したときに、絶対値が大きく信号レベルの高い方の信号を波形信号ＳｉｎＱとしてセレクタ６６Ａから出力させる。
セレクタ６６Ｂには、セレクタ６０Ｂが出力する信号ｃｏｓＡと信号ｃｏｓＢ又は信号ｃｏｓＣと信号ｃｏｓＤが入力されると共に、比較器６４Ｂの比較結果に応じた信号が入力される。
比較器６４Ｂは、セレクタ６０Ｂが信号ｃｏｓＡと信号ｃｏｓＢを出力したときに、絶対値が大きく信号レベルの高い方の信号を波形信号ＣｏｓＱとしてセレクタ６６Ｂから出力させる。また、比較器６４Ｂは、セレクタ６０Ｂが信号ｃｏｓＣと信号ｃｏｓＤを出力したときに、絶対値が大きく信号レベルの高い方の信号を波形信号ＣｏｓＱとしてセレクタ６６Ｂから出力させる。
エンコーダ１０は、信号処理部３０から出力される波形信号ＳｉｎＱ及び波形信号ＣｏｓＱに基づき、スケール部１４の相対移動方向及び相対移動量を算出する。本実施形態においては、波形信号ＳｉｎＱ及び波形信号ＣｏｓＱの位相の変化量を干渉縞の移動量に変換することで、スケール部１４の相対移動量を算出する。
エンコーダ１０は、例えば、図１１に示すコンピュータ７０で実現することができる。コンピュータ７０は、ＣＰＵ７２Ａ、メモリ７２Ｂ、不揮発性の記憶部７２Ｃ、キーボード７２Ｄ、マウス７２Ｅ、ディスプレイ７２Ｆを備え、これらが、バス７２Ｇにより接続されている。また、コンピュータ７０には、エンコーダヘッド１２が接続される。なお、エンコーダヘッド１２は、不図示の入出力インターフェイスを介して、コンピュータ７０のバス７２Ｇに接続される。
コンピュータ７０の記憶部７２Ｃは、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、フラッシュメモリ等の不揮発性の記憶媒体により実現できる。記憶部７２Ｃには、コンピュータ７０を加算処理部３２として機能させるための加算処理プログラム７４、差分処理部３４として機能させるための差分処理プログラム７６が記憶されている。また、記憶部７２Ｃには、コンピュータ７０を位相算出部３６として機能させるための位相算出プログラム７８、出力信号選択部３８として機能させる信号選択プログラム８０が記憶されている。
ＣＰＵ７２Ａは、各プログラムを記憶部７２Ｃから読み出してメモリ７２Ｂに展開し、各プログラム７４〜８０が有するプロセスを順次実行する。ＣＰＵ７２Ａは、加算処理プログラム７４を実行することで、加算処理部３２として動作し、差分処理プログラムを実行することで、差分処理部３４として動作し、位相算出プログラム７６を実行することで、位相算出部３６として動作する。
また、出力信号選択プログラム８０は、第１信号選択プロセス８２、切替設定プロセス８４、第２信号選択プロセス８６を有する。ＣＰＵ７２Ａは、第１信号選択プロセス８２を実行することで、第１信号選択部５４として動作し、切替設定プロセス８４を実行することで、切替設定部５６として動作し、第２信号選択プロセス８６を実行することで、第２信号選択部５８として動作する。
コンピュータ７０によりエンコーダ１０の信号処理部３０が実現される場合、記憶部７２Ｃは、ＬＵＴを記憶する記憶部５２として用いることができる。
なお、エンコーダ１０の信号処理部３０は、例えば半導体集積回路、より詳しくは、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等で実現することも可能である。
以下に、本実施の形態の作用を説明する。
エンコーダ１０は、エンコーダヘッド１２に設けた光源部１６が発する光をスケール部１４へ照射し、スケール部１４の回折格子２０で反射させた光で、エンコーダヘッド１２の受光部１８上に干渉縞を形成させる。このとき、エンコーダ１０は、干渉縞の次数ｍに基づき、回折格子２０に形成されている反射部２２のデューティ比Ｄｒが設定されている。
エンコーダ１０は、回折格子２０のデューティ比Ｄｒ＝７５％とされ、図４に示す干渉縞をエンコーダヘッド１２の受光部１８上に形成させる。これにより、エンコーダ１０では、４次の干渉縞として、照度の低下が抑制された明部が干渉縞の１周期毎に出現する縞が受光部１８上に形成されることになる。
図１２には、エンコーダ１０の信号処理部３０において、波形信号ＳｉｎＱ及び波形信号ＣｏｓＱを出力するための信号処理の流れを示している。
エンコーダ１０では、最初のステップ１００で干渉縞の２周期分に相当するセンサアレイ２８Ａ、２８Ｂの受光素子２８ａ〜２８の信号ａ１、ａ２、ｂ１、・・・、ｇ２、ｈ１、ｈ２を読み込む。
図１３（Ａ）〜図１３（Ｈ）には、図４に示す干渉縞が移動することに伴う、受光部１８の受光素子２８ａ〜２８ｈ上における照度の変化を示している。図１３では、受光素子２８ａ〜受光素子２８ｈを受光素子ａ〜ｈとして表記し、図１３（Ａ）〜図１３（Ｈ）が受光素子２８ａ〜２８ｈに順に対応している。また、図１３（Ａ）〜図１３（Ｈ）において、横軸は干渉縞の移動量であり、干渉縞の移動量がスケール部１４の相対移動量に対応する。
２セット分の受光素子２８ａ〜２８ｈは、照度に応じた信号レベル（電圧）の信号ａ１、ａ２、ｂ１、・・・ｇ２、ｈ１、ｈ２を出力する。エンコーダ１０は、この信号ａ１、ａ２、ｂ１、・・・ｇ２、ｈ１、ｈ２を読み込む。
図１２に示すように、エンコーダ１０は、次のステップ１０２において、２セット分の受光素子２８ａ〜２８ｈから読み込んだ信号ａ１、ａ２、ｂ１、・・・ｇ２、ｈ１、ｈ２を加算する。すなわち、１セット分の受光素子２８ａ〜２８ｈの出力信号ａ１〜ｈ１に、次の１セット分の受光素子２８ａ〜２８ｈの出力信号ａ２〜ｈ２を加算することで、信号ａ〜ｈを出力する。
図１４（Ａ）〜図１４（Ｈ）には、加算器４０Ａ〜Ｈが出力する信号ａ〜ｈを示している。なお、図１４（Ａ）〜図１４（Ｈ）では、加算器４０Ａ〜加算器４０Ｈを、加算器Ａ〜加算器Ｈと表記し、図１４（Ａ）〜図１４（Ｈ）が順に加算器４０Ａ〜４０Ｈに対応している。また、図１４（Ａ）〜図１４（Ｈ）では、縦軸が信号レベルに対応する照度を表している。
図１３（Ａ）〜図１３（Ｈ）及び図１４（Ａ）〜図１４（Ｈ）に示すように、加算器４０Ａが出力する信号ａは、２個の受光素子２８ａが受ける照度を加算した照度の信号となる。また、加算器４０Ｂ〜４０Ｈが出力する信号ｂ〜ｈは、受光素子ｂ〜ｈが２個ずつで受ける照度に応じた信号となる。
図１２のステップ１０４では、出力信号ａ〜ｈについて、センサアレイ２８Ａ、２８Ｂ（図１２ではアレイＡ、Ｂと表記、以下同じとする）に対応させて差分処理を行い、センサアレイ２８Ａ、２８Ｂから信号sinＡ、ｓｉｎＢ、ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢを算出する。また、ステップ１０６では、センサアレイ２６Ａ、２６Ｂ上で設定したセンサアレイ２８Ｃ、２８Ｄに対応させて差分処理を行なうことで、センサアレイ２８Ｃ、２８Ｄの組み合わせより信号ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤ、ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤを算出する。本実施形態において、差分処理は、公知の手法を適用し得る。
図１５（Ａ）〜図１５（Ｄ）には、sin側の減算器４２Ａ〜４２Ｄが出力する信号ｓｉｎＡ〜ｓｉｎＤを示している。また、図１６（Ａ）〜図１６（Ｄ）には、ｃｏｓ側の減算器４２Ｅ〜４２Ｈが出力する信号ｃｏｓＡ〜ｃｏｓＤを示している。減算器４２Ｅ〜４２Ｈが出力する信号ｃｏｓＡ〜ｃｏｓＤは、減算器４２Ａ〜４２Ｄが出力する信号ｓｉｎＡ〜ｓｉｎＤに対して、位相が１８０°ずれた波形となる。
図１５（Ａ）に示す信号ｓｉｎＡは、信号ａ（図１４（Ａ）参照）から、信号ａに対して位相が１８０°ずれた位置における信号ｃ（図１４（Ｃ）参照）を差し引いたものとなる。また、図１５（Ｂ）に示す信号ｓｉｎＢは、信号ｅ（図１４（Ｅ）参照）から、信号ｅに対して位相が１８０°ずれた位置における信号ｇ（図１４（Ｇ）参照）を差し引いたものとなっている。
これに対して、図１５（Ｃ）に示す信号ｓｉｎＣは、信号ｃから、信号ｃに対して位相が１８０°ずれた位置における信号ｅを差し引き、さらに、反転させたものとなる。また、図１５（Ｄ）に示す信号ｓｉｎＤは、信号ｇから、信号ｇに対して位相が１８０°ずれた位置における信号ａを差し引き、さらに、反転させたものとなる。
ここで、信号ｓｉｎＢの信号レベルの変化の波形（以下、単に波形とする）は、信号ｓｉｎＡに対して位相が干渉縞の１周期分だけずれた信号の波形となる。また、信号ｓｉｎＤの波形は、信号ｓｉｎＣに対して位相が干渉縞の１周期分だけずれた信号の波形となる。
また、信号ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤは、干渉縞上の位相でセンサアレイ２６Ａ、２６Ｂに対して１８０°ずれた位相となるセンサアレイ２６Ｃ、２６Ｄから得られる信号となっている。また、減算器４２Ｃ、４２Ｄは、インバータ４４により符号を反転している。
図１６（Ａ）に示す信号ｃｏｓＡは、信号ｂ（図１４（Ｂ）参照）から、信号ｂに対して位相が１８０°ずれた位置における信号ｄ（図１４（Ｄ）参照）を差し引いたものとなる。また、図１６（Ｂ）に示す信号ｃｏｓＢは、信号ｆ（図１４（Ｆ）参照）から、信号ｆに対して位相が１８０°ずれた位置における信号ｈ（図１４（Ｈ）参照）を差し引いたものとなっている。
さらに、図１６（Ｃ）に示す信号ｃｏｓＣは、信号ｄから、信号ｄに対して位相が１８０°ずれた位置における信号ｆを差し引き、反転させたものとなる。また、図１６（Ｄ）に示す信号ｃｏｓＤは、信号ｈから、信号ｈに対して位相が１８０°ずれた位置における信号ｂを差し引き、反転させたものとなる。
したがって、信号ｓｉｎＣの波形は、信号ｓｉｎＡの波形に対し、移動量に相当する軸に直交する軸に関し、線対称の波形となり、信号ｓｉｎＤの波形は、信号ｓｉｎＢの波形に対し、移動量に相当する軸に直交する軸に関し、線対称の波形となる。また、信号ｃｏｓＣの波形は、信号ｃｏｓＡの波形に対し、移動量に相当する軸に直交する軸に関し、線対称の波形となり、信号ｃｏｓＤの波形は、信号ｃｏｓＢの波形に対し、移動量に相当する軸に直交する軸に関し、線対称の波形となる。
図１２のステップ１０８では、センサアレイ２８Ａ、２８Ｂの組み合わせから得られる信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢ、ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢの位相情報θを算出する。この位相情報θは、例えば、ｓｉｎＡ＋ｓｉｎＢ＝０を原点とする干渉縞の位相を表す情報となる。
位相算出部３６は、信号ｓｉｎＡと信号ｓｉｎＢを加算して位相信号θｓを算出し（ｓｉｎＡ＋ｓｉｎＢ＝θｓ）、信号ｃｏｓＡと信号ｃｏｓＢを加算して位相信号θｃを算出する（ｃｏｓＡ＋ｃｏｓＢ＝θｃ）。
図１７（Ａ）には、信号ｓｉｎＡ（図１５（Ａ）参照）と信号ｓｉｎＢ（図１５（Ｂ）参照）とを加算することで得られる信号レベルの変化を示している。また、図１７（Ｂ）には、同様にして信号ｃｏｓＡ（図１６（Ａ）参照）と信号ｃｏｓＢ（図１６（Ｂ）参照）とを加算することで得られる信号レベルの変化を示している。
図１７（Ａ）に示すように、明暗が干渉縞の２周期で変化する場合、３６０°の位相差を持つ信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢを加算することで正弦波形（ｓｉｎ波形）が得られる。また、図１７（Ｂ）に示すように、３６０°の位相差を持つ信号ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢを加算することで余弦波形（ｃｏｓ波形）が得られる。
図１７（Ａ）において、位相情報θを移動量に換算した点ｘθに対応する信号レベルが位相信号θｓとなる。また、図１７（Ｂ）において、点ｘθに対応する信号レベルが位相信号θｃとなる。エンコーダ１０は、記憶部５２に格納しているＬＵＴを参照して、位相信号θｓ、θｃに対応する位相情報θを読み出す。
図１２におけるステップ１１０では、位相情報θに基づき信号ｓｉｎＡと信号ｓｉｎＣ又は信号ｓｉｎＢと信号ｓｉｎＤの一方の組み合わせを選択する。また、ステップ１１２では、位相情報θに基づき信号ｃｏｓＡと信号ｃｏｓＣ又は信号ｃｏｓＢと信号ｃｏｓＤの一方の組み合わせを選択する。このとき、エンコーダ１０では、図１０に示すように、位相情報θが、０°〜９０°及び２７０°〜０°（３６０°）の範囲では、信号ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤ及び信号ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤを出力する。また、位相情報θが、９０°〜２７０°（９０°〜１８０°及び１８０°〜２７０）の範囲では、信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢ及び信号ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢを出力する。
図１２において、次のステップ１１４では、信号ｓｉｎＡと信号ｓｉｎＢ又は信号ｓｉｎＣと信号ｓｉｎＤの絶対値を比較する。また、ステップ１１６では、信号ｃｏｓＡと信号ｃｏｓＢ又は信号ｃｏｓＣと信号ｃｏｓＤの絶対値を比較する。すなわち、信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢ及び信号ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢが選択されている場合、信号ｓｉｎＡと信号ｓｉｎＢの絶対値を比較すると共に、信号ｃｏｓＡと信号ｃｏｓＢの絶対値を比較する。また、信号ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤ及び信号ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤが選択されている場合、信号ｓｉｎＣと信号ｓｉｎＤの絶対値を比較すると共に、信号ｃｏｓＣと信号ｃｏｓＤの絶対値を比較する。
次のステップ１１８では、信号ｓｉｎＡと信号ｓｉｎＢ又は信号ｓｉｎＣと信号ｓｉｎＤとの比較結果に基づき、絶対値の大きい方の信号を波形信号ＳｉｎＱとして出力する。また、ステップ１２０では、信号ｃｏｓＡと信号ｃｏｓＢ又は信号ｃｏｓＣと信号ｃｏｓＤとの比較結果に基づき、絶対値の大きい方の信号を波形信号ＣｏｓＱとして出力する。
図１８（Ａ）は、信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢ、ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤ（図１５（Ａ）〜図１５（Ｄ）参照）を重ねて示し、図１８（Ｂ）は、信号処理部３０から出力される波形信号ＳｉｎＱを示している。また、図１９（Ａ）は、信号ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢ、ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤ（図１６（Ａ）〜図１６（Ｄ）参照）を重ねて示し、図１９（Ｂ）は、信号処理部３０から出力される波形信号ＣｏｓＱを示している。なお、図１８（Ａ）、図１８（Ｂ）、図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）では、横軸を干渉縞の位相θとしている。干渉縞は、この位相θが０°〜３６０°まで変化することで、受光部１８上の形成位置の１周期分の移動量となる。
ｓｉｎＡ＋ｓｉｎＢ＝０となる点をθ＝０°とすると、信号ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤは、θ＝０°、３６０°（２周期目の０°）でゼロクロスし、信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢは、θ＝１８０°、５４０°（２周期目の１８０°）でゼロクロスする（図１８（Ａ）参照）。また、θ＝９０°、２７０°において、ｓｉｎＡ＝ｓｉｎＣ、ｓｉｎＢ＝ｓｉｎＤとなる。
また、図１９（Ａ）に示すように、信号ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢは、θ＝９０°、４５０°（２周期目の９０°）でゼロクロスし、信号ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤは、θ＝２７０°、６３０°（２周期目の２７０°）でゼロクロスする。また、θ＝０°、１８０°において、ｃｏｓＡ＝ｃｏｓＣ、ｃｏｓＢ＝ｃｏｓＤとなる。
ここから、エンコーダ１０では、位相θ＝０°、９０°、１８０°、２７０°において、信号ｓｉｎＡ〜ｓｉｎＤ及び信号ｃｏｓＡ〜ｃｏｓＤの切り替えを行なう。
これにより、図１８（Ｂ）に示すように、波形信号ＳｉｎＱは、位相θの０°〜９０°の範囲において、信号ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤのうちの信号ｓｉｎＤとなり、位相θの９０°〜１８０°の範囲において、信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢのうちの信号ｓｉｎＡとなる。また、波形信号ＳｉｎＱは、位相θの１８０°〜２７０°の範囲において、信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢのうちの信号ｓｉｎＡとなり、位相θの２７０°〜３６０°の範囲において、信号ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤのうちの信号ｓｉｎＣとなる。
さらに、干渉縞の次の周期において、波形信号ＳｉｎＱは、位相θの０°〜９０°（３６０°〜４５０°）の範囲が、信号ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤのうちの信号ｓｉｎＣとなる。また、波形信号ＳｉｎＱは、位相θの９０°〜１８０°（４５０°〜５４０°）の範囲において、信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢのうちの信号ｓｉｎＢとなる。波形信号ＳｉｎＱは、位相θの１８０°〜２７０°（５４０°〜６３０°）の範囲が、信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢのうちの信号ｓｉｎＢとなり、位相θの２７０°〜０°（６３０°〜７２０°）の範囲において、信号ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤのうちの信号ｓｉｎＤとなる。
また、図１９（Ｂ）に示すように、波形信号ＣｏｓＱは、位相θの０°〜９０°の範囲において、信号ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢのうちの信号ｃｏｓＡとなり、位相θの９０°〜１８０°の範囲において、信号ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢのうちの信号ｃｏｓＡとなる。また、波形信号ＣｏｓＱは、位相θの１８０°〜２７０°の範囲において、信号ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤのうちの信号ｃｏｓＣとなり、位相θの２７０°〜３６０°の範囲において、信号ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤのうちの信号ｃｏｓＣとなる。
さらに、干渉縞の次の周期において、波形信号ＣｏｓＱは、位相θの０°〜９０°（３６０°〜４５０°）の範囲が、信号ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢのうちの信号ｃｏｓＢとなる。また、波形信号ＣｏｓＱは、位相θの９０°〜１８０°（４５０°〜５４０°）の範囲において、信号ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢのうちの信号ｃｏｓＢとなる。波形信号ＣｏｓＱは、位相θの１８０°〜２７０°（５４０°〜６３０°）の範囲が、信号ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤのうちの信号ｃｏｓＤとなり、位相θの２７０°〜０°（６３０°〜７２０°）の範囲において、信号ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤのうちの信号ｃｏｓＤとなる。
本実施形態においては、信号ｓｉｎＡ〜ｓｉｎＤ及び信号ｃｏｓＡ〜ｃｏｓＤの間で、互いに関連する位相θで選択する信号の切り替えを行なうことで、波形信号ＳｉｎＱ、ＣｏｓＱの連続性を損なうことがない。
２周期で明暗変化の１周期が生じる干渉縞に対し、２周期分の信号について差分処理を行なって一つのｓｉｎ波形及び一つのｃｏｓ波形を生成しようとした場合、得られる波形は、図１５（Ａ）に示す波形及び図１６（Ａ）に示す波形となる。この場合は、ｓｉｎ波形及びｃｏｓ波形とならないので、リサージュ図形の形成は困難であり、スケール部の相対移動量の検出は困難となる。
一方、センサアレイ２８Ａ、２８Ｂから得られる信号ｓｉｎＡ（図１５（Ａ）参照）と信号ｓｉｎＢ（図１５（Ｂ）参照）とを加算することで、ｓｉｎ波形が得られる。また、センサアレイ２８Ａ、２８Ｂから得られる信号ｃｏｓＡ（図１６（Ａ）参照）と信号ｃｏｓＢ（図１６（Ｂ）参照）とを加算することで、ｃｏｓ波形が得られる。この場合、ｓｉｎ波形は、図１７（Ａ）に示す波形となり、ｃｏｓ波形は、図１７（Ｂ）に示す波形となる。また、また、センサアレイ２６Ｃ、２６Ｄから得られる信号ｓｉｎＣとｓｉｎＤとを加算した場合、及び信号ｃｏｓＣとｃｏｓＤとを加算した場合においても同様の波形が得られる。
このようにして得られるｓｉｎ波形及びｃｏｓ波形は、干渉縞の位相情報θを取得するのに用いることはできるが、ノイズ成分が重畳されるため、Ｓ／Ｎ比が悪化している。
これに対して、本実施形態においては、センサアレイ２６Ａ、２６Ｂから信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢ及び信号ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢを得ると共に、センサアレイ２６Ｃ、２６Ｄから、信号ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤ及び信号ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤを得る。また、本実施形態においては、位相情報θに基づき、センサアレイ２６Ａ、２６Ｂから得られる信号又はセンサアレイ２６Ｃ、２６Ｄから得られる信号の一方を選択する。
本実施形態においては、干渉縞の２周期で明暗変化の１周期が形成される場合に、センサアレイ２６Ａ、２６Ｂを１セットとして干渉縞の２周期分の照度に対応する信号ｓｉｎＡ、ｓｉｎＢ及び信号ｃｏｓＡ、ｃｏｓＢを得る。また、本実施形態においては、センサアレイ２６Ａ、２６Ｂ上で干渉縞の周期の１／２だけずらした１セット分のセンサアレイ２６Ｃ、２６Ｄとして用い、信号ｓｉｎＣ、ｓｉｎＤ及び信号ｃｏｓＣ、ｃｏｓＤを得る。
また、本実施形態においては、信号ｓｉｎＡ〜ｓｉｎＤから干渉縞の位相情報θに基づいて選択した波形を組み合わせて波形信号ＳｉｎＱを出力し、信号ｃｏｓ Ａ〜ｃｏｓＤから干渉縞の位相θに基づいて選択した波形を組み合わせて波形信号ＣｏｓＱを出力する。
このように、本実施形態では、信号レベルの大きい信号を選択して、波形信号ＳｉｎＱ及び波形信号ＣｏｓＱを得るので、波形信号ＳｉｎＱ、ＣｏｓＱは、信号レベルが高く、かつ、ノイズ成分が重畳してしまうことがない。
したがって、本実施形態においては、信号レベルが高く、かつ、Ｓ／Ｎ比の大きい波形信号ＳｉｎＱ及び波形信号ＣｏｓＱを得ることができる。このような波形信号ＳｉｎＱ及び波形信号ＣｏｓＱを用いることで、リサージュ円を形成した場合に、リサージュ円を大きくし、かつ真円に近づけることができる。
これにより、本実施形態に係るエンコーダ１０は、スケール部１４の相対移動の移動量をエンコーダヘッド１２によって高精度で計測することができる。また、エンコーダ１０は、反射部２２のデューティ比Ｄｒを７５％とすることで、図５（Ａ）に示す一般的なデューティ比Ｄｒ＝５０％の場合より、分解能が高くなる。
また、本実施の形態に係るエンコーダ１０は、反射部２２のデューティ比Ｄｒを高くすることで、干渉縞の明部の照度を高くできるので、デューティ比Ｄｒ＝５０％の場合と同等の照度を得る場合に、光源部１６の発する光の強度を低くすることができる。また、本実施形態に係るエンコーダ１０においては、回折格子２０のスケールピッチＰを狭めた場合でも、反射部２２のデューティ比Ｄｒを高くすることで、干渉縞の照度低下を抑えることができる。したがって、本実施形態に係るエンコーダ１０においては、分解能を落とさずに光源部１６の消費電力の抑制、発光素子の超寿命化を図ることができる。
開示の技術においては、スケール部１４の直線的な相対移動に限らず、円筒形状又は円柱形状のスケール部を用い、円筒の内面又は円柱の外面に回折格子を形成し、干渉縞の移動方向及び相対移動量をスケール部の回転方向及び回転角として検出することを含む。
さらに、本明細書に記載された全ての特許出願及び特許出願に開示される技術文献は、個々の文献、特許出願及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に、参照により取り込まれる。
１０ 光電式エンコーダ
１２ エンコーダヘッド
１４ スケール部
１６ 光源部
１８ 受光部
２０ 回折格子
２２ 反射部
２６（２６Ａ〜２６Ｄ） センサアレイ
２８（２８ａ〜２８ｈ） 受光素子
３０ 信号処理部
３２ 加算処理部
３４ 差分処理部
３６ 位相算出部
３８ 出力信号選択部
４０（４０Ａ〜４０Ｈ） 加算器
４２（４２Ａ〜４２Ｈ） 減算器
５４ 第１信号選択部
５６ 絶対値抽出部
５８ 第２信号選択部
７０ コンピュータ

Claims (7)

  1. 明部の照度が交互に変化するように形成されると共に変位に応じて形成位置が移動する２次以上の次数の干渉縞に対し、前記干渉縞の２周期の範囲に前記干渉縞の周期に基づいた間隔で前記干渉縞の移動方向に沿って配置された複数の受光素子の各々が、前記干渉縞による照度に応じた信号を出力する受光部と、
    前記複数の受光素子からの出力信号に対して予め設定した組み合わせで差分処理を行なうことで、位相又は波形が互いに異なる４個の信号を生成する差分処理部と、
    前記受光素子が出力する信号に基づいて前記干渉縞の位相を算出する位相算出部と、
    前記干渉縞の位相に基づいて前記４個の信号から２個の信号を選択すると共に、選択した前記２個の信号から絶対値の大きい信号を、前記変位に応じた出力信号として選択する出力信号選択部と、
    を含む変位計測装置。
  2. スケールピッチに対する反射面の幅の比率が５０％以上の回折格子を含む請求項１記載の変位計測装置。
  3. 前記差分処理部が、前記４個の信号の各々の形成する波形の間で、前記干渉縞の１周期分の位相差を持つ２個ずつの信号による２組の信号を生成し、
    前記出力信号選択部が、前記干渉縞の位相情報に基づいて前記２組の信号のうちの一方を選択する第１選択部、及び選択された前記２個の信号から前記絶対値の大きい信号を前記出力信号として選択する第２選択部を含む、
    請求項１又は請求項２記載の変位計測装置。
  4. 前記２組の信号のうちの一方を形成する波形に対して、前記２組の信号のうちの他方を形成する波形が、変位量に相当する軸に直交する軸に関し、線対称の波形である、請求項３記載の変位計測装置。
  5. 前記変位に応じた出力信号として所定の位相差を持つ第１の相の出力信号及び第２の相の出力信号を出力する場合において、
    前記差分処理部が、前記第１の相について４個の信号を生成すると共に、前記第２の相について４個の信号を生成し、
    前記出力信号選択部が、前記第１の相について４個の信号から前記第１の相の出力信号とする信号を選択すると共に、前記第２の相について４個の信号から前記第２の相の出力信号とする信号を選択する、
    請求項１から請求項４の何れか１項記載の変位計測装置。
  6. 明部の照度が交互に変化するように形成されると共に変位に応じて形成位置が移動する２次以上の次数の干渉縞に対し、前記干渉縞の２周期の範囲に前記干渉縞の周期に基づいた間隔で前記干渉縞の移動方向に沿って配置された複数の受光素子の各々が、前記干渉縞による照度に応じて出力する信号を読み込む受光ステップと、
    前記複数の受光素子からの出力信号に対して予め設定した組み合わせで差分処理を行なうことで、位相又は波形が互いに異なる４個の信号を生成する差分処理ステップと、
    前記受光素子が出力する信号に基づいて前記干渉縞の位相を算出する位相算出ステップと、
    前記干渉縞の位相に基づいて前記４個の信号から２個の信号を選択すると共に、選択した前記２個の信号から絶対値の大きい信号を、前記変位に応じた出力信号として選択する出力信号選択ステップと、
    を含む変位計測方法。
  7. コンピュータに、
    明部の照度が交互に変化するように形成されると共に変位に応じて形成位置が移動する２次以上の次数の干渉縞に対し、前記干渉縞の２周期の範囲に前記干渉縞の周期に基づいた間隔で前記干渉縞の移動方向に沿って配置された複数の受光素子の各々が、前記干渉縞による照度に応じて出力する信号を読み込む受光ステップと、
    前記複数の受光素子からの出力信号に対して予め設定した組み合わせで差分処理を行なうことで、位相又は波形が互いに異なる４個の信号を生成する差分処理ステップと、
    前記受光素子が出力する信号に基づいて前記干渉縞の位相を算出する位相算出ステップと、
    前記干渉縞の位相に基づいて前記４個の信号から２個の信号を選択すると共に、選択した前記２個の信号から絶対値の大きい信号を、前記変位に応じた出力信号として選択する出力信号選択ステップと、
    を含む処理を実行させるための変位計測プログラム。
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