WO2011013773A1 - 光学式変位検出装置 - Google Patents

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WO2011013773A1
WO2011013773A1 PCT/JP2010/062846 JP2010062846W WO2011013773A1 WO 2011013773 A1 WO2011013773 A1 WO 2011013773A1 JP 2010062846 W JP2010062846 W JP 2010062846W WO 2011013773 A1 WO2011013773 A1 WO 2011013773A1
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pattern
scale
photodetector
signal
optical
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PCT/JP2010/062846
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English (en)
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英二 山本
愛子 吉田
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オリンパス株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/70—Position sensors comprising a moving target with particular shapes, e.g. of soft magnetic targets
    • G01D2205/77—Specific profiles
    • G01D2205/776—Cam-shaped profiles

Definitions

  • the present invention relates to an optical displacement detection device that detects displacement between a scale on which a predetermined pattern is formed and a head provided with a sensor.
  • Patent Literature 1 discloses the following technology as a technology related to the optical displacement detection device.
  • the subject is a photoelectric detection device in which slits or reflection surfaces are arranged at regular intervals and a light pulse derived from the slits or reflection surfaces is detected, and the radial length of the slits or reflection surfaces
  • Patent Document 1 discloses a photoelectric detection device that is configured so that is gradually increased clockwise.
  • FIG. 33 is a cross-sectional view of the photoelectric detection device disclosed in Patent Document 1. As shown in the figure, the light beam emitted from the light source 1 is applied to the slit of the scale 4 as the subject, and the transmitted light is detected by the photodetector 2.
  • FIG. 34 is a plan view of the scale 4. As shown in the figure, the length of the slit provided in the scale 4 is increased or decreased at regular intervals from the reference position with respect to the rotation direction indicated by the arrow in the figure. Yes.
  • FIG. 35 is a diagram showing an output signal of the photoelectric detection device.
  • the horizontal axis represents the rotation angle of the subject
  • the vertical axis represents the output of the photodetector A2.
  • Patent Document 1 describes that the rotational speed of the scale 4 can be detected by appropriately calculating the periodic signal from the photodetector 2 and the rotational direction of the scale 4 can be detected by detecting a change in amplitude. Has been.
  • the photoelectric detection device disclosed in Patent Document 1 detects the movement direction and absolute position of the subject based on the amplitude of the detection signal that changes with the movement of the subject.
  • the output signal 101 actually has a DC component 102 that is greatly influenced by the optical arrangement of the light source 1 and the scale 4 as shown in FIG. Then, the DC component 102 shifts as shown in FIG. 37 as the amplitude of the detection signal is displaced.
  • the amplitude of the detection signal decreases as the minimum value of the opening length of the slit or the like is reduced. Therefore, in this case, the noise component of the periodic signal from the photodetector 2 becomes relatively large, and as a result, the detection performance (resolution and stability) is lowered at the displacement portion where the opening length of the slit is small. End up.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and in both absolute position detection and relative position detection, while maintaining resolution and stability at a high level, improvement in absolute position detection sensitivity and detection range
  • An object of the present invention is to provide an optical displacement detection device that realizes an enlargement of the above.
  • an optical displacement detection device for detecting displacement in a predetermined direction of a displacement detection object, A light source that emits a light beam; A scale in which a first track pattern and a second track pattern are formed with the predetermined direction as a longitudinal direction; A first light detector that detects a light beam emitted from the light source through the first track pattern to generate a first signal, and a light beam emitted from the light source is the second light beam.
  • a sensor head having a second photodetector that detects the second signal and detects the second signal via the track pattern;
  • a signal processing unit that calculates the displacement based on the first signal and the second signal;
  • Comprising The scale or the sensor head is connected to the displacement detection object,
  • the first signal and the second signal are at least a first component that is canceled by a predetermined calculation of the first signal and the second signal, and the scale that remains after the predetermined calculation
  • a second component corresponding to the absolute displacement of The first track pattern, the second track pattern, the first photodetector, the second detector, and the light source are detected by the first detector and the second detector It is characterized by being arranged to be executed in association with the detection by.
  • an optical displacement detection device for detecting displacement in a predetermined direction of a displacement detection object, A light source that emits a light beam; A scale in which a first track pattern and a second track pattern are formed on the same plane with the predetermined direction as a longitudinal direction; A first photodetector for generating a first signal by detecting a light beam emitted from the light source and reflected by the first track pattern; and emitted from the light source by the second track pattern.
  • a sensor head having a second photodetector that detects the reflected light beam and generates a second signal;
  • a signal processing unit that calculates the displacement based on the first signal and the second signal; Comprising The scale or the sensor head is connected to the displacement detection object,
  • the first signal and the second signal are at least a first component that is canceled out by a predetermined calculation of the first signal and the second signal, and any remaining after the predetermined calculation
  • the first track pattern, the second track pattern, the first photodetector, the second detector, and the light source are detected by the first detector and the second detector It is characterized by being arranged to be executed in association with the detection by.
  • an optical displacement detection device that realizes improvement of absolute position detection sensitivity and expansion of a detection range while maintaining a high level of resolution and stability in both absolute position detection and relative position detection. Can be provided.
  • FIG. 1 is a projection view of a sensor head and a scale of the optical displacement detection device according to the first embodiment of the present invention as viewed from above.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ shown in FIG.
  • FIG. 3 shows a light receiving element array mounted on the first photodetector and a light receiving element array mounted on the second photodetector, and optics formed on a light receiving surface constituted by these light receiving element arrays. It is a figure which shows an example of the relationship with an image.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating an example of signals output from the four groups of the light receiving element array mounted on the first photodetector when the target is displaced in the X direction.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating an example of signals output from the four groups of the light receiving element array mounted on the first photodetector when the target is displaced in the X direction.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating an example of signals output from the four groups of the light receiving element array mounted on the second photodetector when the target is displaced in the X direction.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of a physical quantity detection circuit that executes signal processing in the optical displacement detection device according to the first embodiment.
  • FIG. 6A is a diagram illustrating an example of signals obtained by subtracting the opposite phases of four signals output from the four groups of light receiving element arrays of the first photodetector.
  • FIG. 6B is a diagram illustrating an example of signals obtained by subtracting the opposite phases of the four signals output from the four groups of light receiving element arrays of the second photodetector.
  • FIG. 7 is a diagram showing the characteristics of Vpp1 and Vpp2.
  • FIG. 8 is a diagram showing the characteristics of (Vpp1 + Vpp2) and (Vpp1-Vpp2).
  • FIG. 9 is a diagram showing the characteristic of the ratio between (Vpp1 + Vpp2) and (Vpp1-Vpp2).
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of Va and Vb.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a Lissajous figure used for the relative displacement detection process.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration example of the physical quantity detection circuit.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a Lissajous figure used for absolute displacement detection processing.
  • FIG. 14 is a perspective view showing a configuration example of a modulation code pattern unique to the optical displacement detection device according to the first modification of the present invention.
  • FIG. 15 is a perspective view showing a configuration example of a modulation code pattern unique to the optical displacement detection apparatus according to the second modification of the present invention.
  • FIG. 16A is a cross-sectional view showing one configuration example of a scale provided with a modulation code pattern in the third modification.
  • FIG. 16B is a cross-sectional view showing a configuration example of a scale provided with a modulation code pattern in the third modification.
  • FIG. 17A is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a scale provided with a modulation code pattern according to a fourth modification.
  • FIG. 17B is a cross-sectional view showing a configuration example of a scale provided with a modulation code pattern in the fourth modification.
  • FIG. 16A is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a scale provided with a modulation code pattern according to a fourth modification.
  • FIG. 17B is a cross-sectional view showing a configuration example of a scale provided with a modulation code pattern in
  • FIG. 18A is a cross-sectional view showing a configuration example of a scale provided with a modulation code pattern in the fifth modification.
  • FIG. 18B is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a scale provided with a modulation code pattern according to a fifth modification.
  • FIG. 19 is a perspective view illustrating a configuration example of a scale and a sensor head unique to the optical displacement detection device according to the sixth modification.
  • FIG. 20A is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a scale according to the seventh modification.
  • FIG. 20B is a cross-sectional view showing one configuration example of the scale in the seventh modified example.
  • FIG. 21A is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a scale according to an eighth modification.
  • FIG. 21B is a cross-sectional view showing one configuration example of the scale in the eighth modification.
  • FIG. 22A is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a scale according to the ninth modification.
  • FIG. 22B is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a scale according to the ninth modification.
  • FIG. 23 is a perspective view illustrating a configuration example of a scale and a sensor head unique to the optical displacement detection device according to the tenth modification.
  • FIG. 24 is a diagram illustrating a configuration example of a scale of the optical displacement detection device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a diagram illustrating a configuration example of the optical displacement detection device according to the eleventh modification.
  • FIG. 22A is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a scale according to the ninth modification.
  • FIG. 22B is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a scale according to the ninth modification.
  • FIG. 23 is
  • FIG. 26 is a cross-sectional view when the scale of the twelfth modification is cut at a position where the modulation code pattern is provided on the outer peripheral surface.
  • FIG. 27 is a cross-sectional view when the scale of the thirteenth modification is cut at a position where the modulation code pattern is provided on the outer peripheral surface.
  • FIG. 28 is a perspective view illustrating a configuration example of a scale and a sensor head unique to the optical displacement detection device according to the fourteenth modification.
  • FIG. 29 is a diagram illustrating a configuration example of a scale of the optical displacement detection device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 30 is a diagram illustrating a configuration example of a scale of the optical displacement detection device according to the fifteenth modification.
  • FIG. 31 is a diagram illustrating characteristics of signals obtained from the first photodetector and the second photodetector.
  • FIG. 32 is a diagram illustrating a configuration example of a scale and a sensor head unique to the optical displacement detection device according to the sixteenth modification.
  • FIG. 33 is a cross-sectional view of the photoelectric detection device disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 34 is a plan view of a scale of the photoelectric detection device disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. FIG. 35 is a diagram illustrating an output signal of the photoelectric detection device disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 36 is a diagram illustrating the characteristics of the output signal of the photoelectric detection device disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 37 is a diagram illustrating the characteristics of the output signal of the photoelectric detection device disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 36 is a diagram illustrating the characteristics of the output signal of the photoelectric detection device disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 37 is a diagram illustrating the characteristics of the output signal of the photoelectric detection device disclosed in Patent
  • FIG. 1 is a projection view of the sensor head and the scale of the optical displacement detection device according to the first embodiment as viewed from the upper surface side.
  • 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ shown in FIG. 3 is formed on a light receiving surface composed of a light receiving element array mounted on the first light detector 21 and a light receiving element array mounted on the second light detector 22, and these light receiving element arrays. It is a figure which shows an example of the relationship with an optical image.
  • ⁇ Grayscale pattern> An optical pattern in which effective reflectance or effective transmittance gradually increases or decreases in a predetermined section in a predetermined direction is referred to as a “grayscale pattern”.
  • Encoding pattern An optical pattern in which any one of reflectance, transmittance, and diffraction characteristics periodically changes in accordance with a transition in a predetermined direction is referred to as an “encode pattern”.
  • Modulation code pattern A pattern having optical characteristics in which the encode pattern and the gray scale pattern are superimposed is referred to as a “modulation code pattern”.
  • a track constituted by the gray scale pattern or the modulation code pattern is referred to as a “gray track”.
  • the optical displacement detection device includes a scale 4, a sensor head 30, and a physical quantity detection circuit 210.
  • gray tracks 51 and gray tracks 52 configured by a modulation code pattern are arranged in parallel on the surface of the scale 4.
  • the sensor head 30 is provided with a light source 1, a first light detector 21, and a second light detector 22.
  • the light beam emitted from the light source 1 (light beam 10 shown in FIG. 2) is irradiated onto two rows of tracks (gray track 51 and gray track 52) disposed on the scale 4, and the modulation code on each track is irradiated.
  • the light After being reflected by the pattern, the light is incident on the light receiving surfaces of the first photodetector 21 and the second photodetector 22 mounted on the sensor head 30. Then, on this light receiving surface, for example, as shown in FIG. 3, an optical image 80 corresponding to each modulation code pattern is formed.
  • the light receiving surface of the sensor head 30 (the surface on which the first photodetector 21 and the second photodetector 22 are provided) and the surface of the scale 4 on which the modulation code pattern is formed (gray track 51). , 52 are arranged in parallel to face each other.
  • either the scale 4 or the sensor head 30 is connected to an object for measuring displacement, and the one not connected to the object is connected to a reference plane.
  • the “predetermined direction” corresponds to the x direction.
  • the spatial pitch of the optical pattern 53 in which any one of reflectance, transmittance, and diffraction characteristics changes periodically corresponds to ps shown in FIG.
  • a predetermined number of the periodic patterns of the encode patterns are grouped together (for example, the groups 61, 62, 63, 64, 65 shown in FIG. 1), and the effective reflectance or effective for each group.
  • the transmittance gradually increases or decreases.
  • FIG. 2 shows an example in which slits 11 having a period po in the x direction are provided on the upper surface of the light source 1.
  • this configuration uses the imaging principle of an optical image by a triple grating configuration. It is a structure when assuming this. Therefore, when using another imaging principle, the slit 11 is not necessarily an essential component.
  • the modulation code pattern on 52 is arranged as follows. That is, when the displacement detection object is displaced in the x direction, the effective reflectance or effective transmittance of the modulation code pattern detected by the first photodetector 21 and the second photodetector 22 is in reverse phase. Each component is arranged and configured to be detected. Hereinafter, an example of this arrangement / configuration will be specifically described.
  • the light emitting part of the light source 1 and the centers of the first photodetector 21 and the second photodetector 22 are both line segments AA ′ (first light shown in FIG. 1 and FIG.
  • the detector 21 and the second photodetector 22 are arranged on a line segment that bisects vertically in the x direction, and the predetermined section Lgray (effective reflectance or effective transmittance gradually increases or decreases gradually) shown in FIG.
  • the effective reflectance or effective transmittance of only the two rows of modulation code patterns is mirror-inverted with respect to the line segment BB ′, which is a line segment that bisects the predetermined section) into two equal parts.
  • the modulation code patterns in the gray tracks 51 and 52 are created and arranged.
  • the configurations of the gray tracks 51 and 52, the first photodetector 21 and the second photodetector 22, and the gray that detect the effective reflectance and effective transmittance of the optical pattern on the scale 4 in reverse phase The arrangement state with the tracks 51 and 52 is referred to as “arrangement / configuration so that the effective reflectance or effective transmittance of the gray scale pattern is detected in reverse phase”.
  • the grayscale pattern is arranged and configured so that the effective reflectance or the effective transmittance is detected in reverse phase” is more specifically “the effective reflectance and effective transmittance of the grayscale pattern”.
  • the scale 4 and the first photodetector 21 are arranged so that either of the diffraction efficiencies is detected with a characteristic of gradually increasing or decreasing with respect to a predetermined section in the predetermined direction, and the gray scale pattern
  • the scale 4 and the scale 4 are detected so that any one of the effective reflectance, the effective transmittance, and the diffraction efficiency is detected with a characteristic that gradually decreases or gradually increases with respect to the predetermined section in the predetermined direction, contrary to the first photodetector 21.
  • the second photodetector 22 is disposed.
  • the distance between the light source 1 and the encode pattern on the scale 4 is z1
  • the encode pattern on the scale 4 and the light receiving surface of the first photodetector 21 and the light received by the second photodetector 22 are received.
  • the distance from the surface is z2
  • the pitch of the slits on the light source 1 in the x direction is po
  • the pitch of the encode pattern on the scale 4 is ps.
  • the light beam When the light beam is irradiated from the light source 1 through the slit with the period po to the encode pattern with the period ps, the light beam is reflected by the encode pattern and the first photodetector 21 and the second photodetector 22.
  • a periodic optical pattern having a spatial period pi is formed on the light receiving surfaces of the first photodetector 21 and the second photodetector 22.
  • pi, po, ps, z1, and z2 satisfy the following relationship.
  • the light wavelength 1 of the light source 1 is configured so as to match the optical image forming condition by the triple grating configuration.
  • the generation principle of the optical image is not limited to the imaging principle of the optical image by the triple lattice configuration. Matching to is not necessary.
  • each group of light receiving element arrays is formed at a pitch corresponding to the spatial period pi of the optical pattern, and each group has a spatial period. They are arranged so as to be shifted from each other by pi / 4 in the direction.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating an example of signals output from the four groups of light receiving element arrays mounted on the first photodetector 21.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating an example of signals output from the four groups of light receiving element arrays mounted on the second photodetector 22.
  • the output from the light receiving element array mounted on the first photodetector 21 is shifted by a quarter of the period from the optical image.
  • the output terminals of the light receiving element array mounted on the first photodetector 21 are VA1, VB1, VAB1, and VBB1
  • the output terminals Periodic signals that are shifted from each other by 90 degrees (ie, a quarter period) are output.
  • the modulation code pattern is superimposed with a characteristic that the effective reflectance or effective transmittance gradually increases or decreases. Therefore, when the modulation code pattern is applied, the periodic signals shifted from each other by 90 degrees (that is, 1 ⁇ 4 period) from the output terminal of each light receiving element array described above at a pitch corresponding to the displacement amount ps.
  • the displacement detection object is displaced in the x direction, a signal in which the DC level or / and the amplitude gradually increase or decrease is output.
  • the gray tracks 51 and 52 are respectively output from the output terminals of the light receiving element arrays of the two photodetectors (the first photodetector 21 and the second photodetector 22).
  • the modulation code pattern is arranged so that the effective reflectivity or effective transmittance of the modulation code pattern arranged in the above is detected in opposite phases.
  • the DC level or the amplitude is output from the output terminal of the light receiving element array of the first photodetector 21 and the output terminal of the light receiving element array of the second photodetector 22.
  • the characteristics that gradually increase (see FIG. 4A) or gradually decrease (see FIG. 4B) are output as opposite phases.
  • the output of the light receiving element array of each group of the first photodetector 21 has the characteristics indicated by VA1, VB1, VAB1, and VBB1 in FIG. 4A, and the DC level has the characteristics indicated by VDC1.
  • the output of the light receiving element array of each group of the second photodetector 22 has the characteristics indicated by VA2, VB2, VAB2, and VBB2 in FIG. 4B, and the DC level has the characteristics indicated by VDC2.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of a physical quantity detection circuit that performs the signal processing described above.
  • the physical quantity detection circuit 210 includes a preprocessing circuit 225 that performs predetermined preprocessing, a relative position output circuit 228 that outputs in-period phase information, and an amplitude component calculation circuit 229 that outputs amplitude information.
  • the pre-processing circuit 225 includes an in-phase synthesis unit 223 and an amplitude component differential calculation unit 224.
  • the output signals from the first photodetector 21 and the second photodetector 22 are subjected to the in-phase noise removal processing by the in-phase noise removing means 201 before being input to the physical quantity detection circuit 210. . That is, the output signals from the first photodetector 21 and the second photodetector 22 are subtracted from the outputs from the output terminals having different 1 ⁇ 2 cycle (180 degrees) phases by the in-phase noise removing unit 201. 6A and 6B, two sets of signals having a phase difference of 90 degrees (that is, a quarter cycle) are generated and input to the physical quantity detection circuit 210.
  • the signals that the first photodetector 21 and the second photodetector 22 receive the reflected light from the gray tracks 51 and 52 and output the received light amount as a voltage value are output by the common-mode noise removing unit 201. In-phase noise components are removed.
  • the signal output from the first photodetector 21 is processed by the in-phase noise removing unit 201, and the two-phase amplitude modulation signals S1A and S1B having a phase difference of 90 degrees (Va1 described later) , Vb1) at a predetermined cycle.
  • the signal output from the second photodetector 22 undergoes processing by the in-phase noise removing means 201, and two-phase amplitude modulation signals S2A and S2B (with a 90-degree phase difference) (Corresponding to Va2 and Vb2, which will be described later).
  • the two-phase amplitude modulation signals output from the first photodetector 21 and the second photodetector 22 do not necessarily have a 90 ° phase difference.
  • the amplitude modulation signals S1A, S1B, S2A, and S2B are input to both the in-phase synthesis unit 223 and the amplitude component differential calculation unit 224 in the preprocessing circuit 225, respectively.
  • the amplitude component differential calculation unit 224 executes an amplitude component calculation process (subtraction result: AC1, summation result: AC2) based on the amplitude component A1A of S1A and the amplitude component A2A of S2A.
  • the amplitude component calculation circuit 229 includes a digital calculation unit 227 that calculates and outputs an absolute position. This digital calculation unit 227 is based on the calculation results of (Expression 3) and (Expression 4). AC1 / AC2 (Formula 5) To calculate the absolute position and output it.
  • the method using the amplitude components A1A and A2A has been described as the absolute displacement detection method.
  • any signal that is differentially detected in reverse phase may be used.
  • the processing of (Equation 3) to (Equation 6) may be performed using VDC1 and VDC2 which are DC level signals in FIGS. 4A and 4B instead of A1A and A2A.
  • Vpp2 ⁇ a ⁇ (x ⁇ Lgray) (Equation 8) Represented as:
  • Lgray is the length of a predetermined section in which the reflectance or transmittance of the scale 4 gradually increases.
  • Vppmax the maximum amplitude in the Lgray section
  • the slope a that is a proportional coefficient indicates a slope in which the amplitude increases with respect to the absolute displacement x.
  • the inclination a generally depends on the displacement x, but is a constant when the effective reflectance or effective transmittance of the gray scale pattern described above is linearly changed with respect to the displacement x.
  • a Vppmax / Lgray (Formula 9) Represented as:
  • Vpp1 and Vpp2 are calculated as follows.
  • FIG. 8 is a diagram showing (Equation 10) and (Equation 11).
  • Vpp1 and Vpp2 After obtaining these Vpp1 and Vpp2, the ratio of Vpp1 + Vpp2 and Vpp1-Vpp2 is calculated. By this calculation, the characteristics shown in FIG. 8 can be obtained.
  • (Vpp1-Vpp2) / (Vpp1 + Vpp2) does not depend on the maximum amplitude Vppmax or the slope a. Therefore, it is not necessary to obtain the maximum amplitude Vppmax and the value of the inclination a in advance, and the absolute displacement x can be detected stably even if the value of the maximum amplitude Vppmax and the inclination a varies.
  • the proportionality coefficient a described in (Expression 7) and (Expression 8) is a constant value.
  • either “effective reflectance, effective transmittance, or diffraction efficiency of the gray scale pattern detected by the first photodetector 21 and the second photodetector 22 for a predetermined displacement section is selected.
  • the gray scale pattern detected by the first photodetector 21 and any one of the effective reflectance, effective transmittance, and diffraction efficiency of the gray scale pattern detected by the first photodetector 21 and the second light It is desirable that the gray scale pattern is formed so that the sum of the effective reflectance, effective transmittance, or diffraction efficiency of the gray scale pattern detected by the detector is substantially constant.
  • the output from the light source, the sensitivity characteristics of the photodetector, etc. change. Even if the output from the light source or the sensitivity characteristic of the photodetector does not change, the amount of light detected by the photodetector changes due to factors such as the backlash of the sensor head and the scale.
  • the output amplitude from the sensor head and its sum / difference component are indicated by a broken line 104 ′ from the characteristic indicated by the solid line 104 as shown in FIGS. From the characteristic indicated by the solid line 105 to the characteristic indicated by the broken line 105 ′, from the characteristic indicated by the solid line 106 to the characteristic indicated by the broken line 106 ′, from the characteristic indicated by the solid line 107 to the characteristic indicated by the broken line 107 ′. End up. Therefore, the absolute position cannot be accurately detected using the characteristics shown in FIGS.
  • the position information cannot be calculated unless the values of the maximum amplitude Vppmax and the inclination a are obtained once.
  • the slope a or the maximum amplitude Vppmax varies depending on various fluctuation factors in the above-described (formula 7) to (formula 11), and the slope a or the maximum amplitude Vppmax is originally obtained. Otherwise, it means that absolute displacement cannot be calculated.
  • the relative displacement can be detected with high accuracy by the processing method described below.
  • the in-phase synthesizing unit 223 extracts the periodic components of the amplitude modulation signals output from the first photodetector 21 and the second photodetector 22, and synthesizes them for each in-phase signal.
  • the relative position output circuit 228 includes a multiplication processing result output unit 226 that calculates and outputs a relative position.
  • the multiplication processing result output unit 226 converts the displacement into angle information based on the phase angle of the periodic component extracted by the in-phase synthesis unit 223, and compares it with the previous calculation processing result, thereby resolving the resolution. The amount of displacement corresponding to is calculated.
  • the multiplication processing result output unit 226 may employ a processing method that directly calculates an amplitude value and converts it into angle information, or a processing method based on a so-called ROM table reference method. May be.
  • the calculation of the relative displacement xp shown in (Equation 16) uses the amplitude modulation signals output from the first photodetector 21 and the second photodetector 22 as shown in FIGS. 6A and 6B. Can also be calculated. However, in this case, the amplitude varies according to the relative displacement xp (the radius of the Lissajous figure varies). Therefore, a detection error becomes large in a region with a small amplitude, and the relative position cannot be detected stably and with high accuracy over the entire predetermined section.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration example of the physical quantity detection circuit in this example.
  • the physical quantity detection circuit 412 includes a Lissajous generation circuit 443 that generates a periodic component signal and an amplitude component signal, a periodic component calculation circuit 444 that outputs relative displacement, and an amplitude component calculation circuit that outputs absolute displacement. 411.
  • the Lissajous generation circuit 443 generates the periodic component signal Sw1 based on the amplitude modulation signals S1A and S1B input from the first photodetector 21, and the amplitude modulation signal S2A input from the second photodetector 22. , S2B, the periodic component signal Sw2 is generated. Further, the Lissajous generation circuit 443 generates an amplitude component signal Sa1 based on the amplitude modulation signals S1A and S1B input from the first photodetector 21, and amplitude modulation input from the second photodetector 22. An amplitude component signal Sa2 is generated based on the signals S2A and S2B.
  • the amplitude modulation signals S1A (cos component) and S1B (sin component) from the first photodetector 21, and the amplitude modulation signals S1A (cos component) and S1B (sin component) from the second photodetector 22 are used.
  • the Lissajous figure drawn based on each amplitude modulation signal draws a spiral locus as shown in FIG.
  • a Lissajous figure L1 indicated by a thick line is a Lissajous figure based on the amplitude modulation signals S1A (cos component) and S1B (sin component) from the first photodetector 21.
  • a Lissajous figure L2 indicated by a thin line is a Lissajous figure based on the amplitude modulation signals S2A (cos component) and S2B (sin component) from the second photodetector 22.
  • the periodic component calculation circuit 444 includes a first interpolation circuit 445, a second interpolation circuit 446, and an incremental signal calculation circuit 447.
  • the first interpolation circuit 445 and the second interpolation circuit 446 convert the input periodic component signals Sw1 and Sw2 into angle information.
  • the first interpolation circuit 445 and the second interpolation circuit 446 directly calculate arctan from, for example, two-phase cos and sin values output from the Lissajous generation circuit 443, thereby obtaining angle information. Can be obtained. Further, the signal output from the Lissajous generation circuit 443 is converted from analog to digital to generate address data, and the interpolation process is performed by referring to the angle information recorded in the storage area in advance based on the address data. Of course. Further, depending on the resolution, it is of course possible to detect the displacement by directly detecting the signal using a simple circuit element such as a comparator using an analog value.
  • the incremental signal arithmetic circuit 447 performs arithmetic processing on the angle information input from the first interpolation circuit 445 and the second interpolation circuit 446 to eliminate an error component, and is acquired at the previous timing. The difference from the angle information is calculated, and the amount of change is calculated and output.
  • excludede error component does not simply mean the average value of the angle information output from the interpolation circuits 445 and 446, but also performs the following processing to obtain the original signals S1A, S1B, and S2A.
  • S2B means that the angle information error due to the amplitude fluctuation is reduced.
  • the following three examples can be given as error component removal processing methods.
  • Example 2 The angle information from the interpolation circuits 445 and 446 is weighted and averaged according to the magnitude of the amplitude of the EBARA signal.
  • the amplitude component calculation circuit 411 includes a digital calculation unit 410 that calculates and outputs an absolute displacement with respect to a reference value.
  • the digital calculation unit 410 calculates the absolute displacement by executing the following calculation for the radii r1 and r2 of the Lissajous figure output from the Lissajous generation circuit 443.
  • the absolute displacement can be obtained by subtracting the radius subtraction by the maximum value of the output signal.
  • a signal can be detected and compared by a simple circuit element such as a comparator, and the absolute position may be directly calculated based on an analog value.
  • an optical pattern in which the effective reflectance or effective transmittance gradually increases or decreases is not limited to simply increasing or gradually decreasing the reflectance or transmittance of the pattern.
  • the optical pattern here refers to the spatial amplitude of the optical image formed on the light-receiving surface of the photodetector by the light beam applied to the scale being reflected, transmitted, and diffracted by the optical pattern on the scale.
  • all the optical patterns whose total light amount is modulated are included.
  • the absolute position detection sensitivity is improved and the detection range is expanded while maintaining high resolution and stability in both absolute position detection and relative position detection. It is possible to provide an optical displacement detector that realizes the above.
  • a plurality of photodetectors and light sources are integrated in one sensor head, and the interval between the parallel gray tracks is narrowed. This makes it possible to reduce the size of the sensor head as a whole, and to facilitate alignment between the sensor head and the scale.
  • the number of light sources 1 is not limited to one. That is, of course, a plurality of light sources may be provided.
  • the number of sensor heads is not limited to one. That is, of course, a plurality of sensor heads may be provided.
  • the first modified example is a modified example regarding the configuration of the optical pattern formed on the scale 4.
  • FIG. 14 is a perspective view showing a configuration example of a modulation code pattern unique to the optical displacement detection apparatus according to the first modification.
  • the modulation code pattern 150 is a pattern finer than the light beam area 111, and includes an encode pattern 157 for a predetermined direction (the X direction which is a direction for detecting displacement) and a wedge-shaped pattern 155. It is composed and composed. By adopting this configuration, it is possible to easily create a pattern in which the effective reflectance is gradually increased or decreased linearly.
  • the second modification is a modification related to the configuration of the optical pattern formed on the scale 4.
  • FIG. 15 is a perspective view illustrating a configuration example of a modulation code pattern unique to the optical displacement detection device according to the second modification.
  • the modulation code pattern 150 includes a member formed with an encode pattern 157 in a predetermined direction (the X direction which is a direction for detecting displacement) in a pattern finer than the light beam area 111, and a wedge-shaped member. A member on which the pattern 155 is formed is superposed.
  • FIG. 16A and 16B are cross-sectional views showing an example of the configuration of the scale 4 provided with the modulation gray scale pattern. Specifically, FIG. 16A is a cross-sectional view taken along the line BB ′ shown in FIG. 1, and FIG. 16B is a cross-sectional view taken along the line CC ′ shown in FIG.
  • the optical pattern 53 is provided on the surface of the scale 4 facing the sensor head 30 at predetermined intervals in the predetermined direction (the x direction, which is the direction in which displacement is detected).
  • a scale pattern 150 ' is formed.
  • the scale 4 is configured such that its thickness gradually increases in the X direction in the BB ′ cross section and gradually decreases in the X direction in the CC ′ cross section.
  • the scale 4 is configured such that the sum of the thickness in the BB ′ section and the thickness in the CC ′ section takes a constant value.
  • the geometric distance between the scale 4 and the sensor head 30 is gradually changed, and the effective reflectivity at which the two modulation gray scale patterns change can be detected in opposite phases.
  • FIG. 17A and FIG. 22B are cross-sectional views showing one configuration example of the scale 4 provided with the modulation gray scale pattern. Specifically, FIG. 17A is a cross-sectional view taken along the line BB ′ shown in FIG. 1, and FIG. 17B is a cross-sectional view taken along the line CC ′ shown in FIG.
  • the optical pattern 53 is in a predetermined direction (the x direction that is a direction for detecting displacement) on the surface of the scale 4 that is a transparent member opposite to the surface facing the sensor head 30.
  • the modulation gray scale pattern 150 ' is formed at predetermined intervals in FIG.
  • the scale 4 is configured such that its thickness gradually increases in the X direction in the BB ′ section and gradually decreases in the x direction in the CC ′ section.
  • the scale 4 is configured such that the sum of the thickness in the BB ′ section and the thickness in the CC ′ section takes a constant value.
  • the optical distance in the scale 4 which is a transparent member is naturally different from the optical distance in the air. That is, even if the geometric distance between the light source 1 and each optical pattern 53 constituting the modulation gray scale pattern 150 ′ is the same, the optical distance is different (the above-described configuration gradually increases / decreases in the x direction). To do).
  • the optical distance between the scale 4 and the sensor head 30 is gradually changed, and the effective reflectivity at which the two modulation gray scale patterns change can be detected in opposite phases. Become.
  • FIG. 18A and 18B are cross-sectional views showing an example of the configuration of the scale 4 provided with a modulation gray scale pattern. Specifically, FIG. 18A is a cross-sectional view taken along the line BB ′ shown in FIG. 1, and FIG. 18B is a cross-sectional view taken along the line CC ′ shown in FIG.
  • optical patterns 53 are provided at predetermined intervals in the longitudinal direction of the scale 4 on the surface opposite to the surface facing the sensor head 30 of the scale 4 having a predetermined transmittance.
  • a modulation gray scale pattern 150 ' is formed.
  • the scale 4 is configured such that its thickness gradually increases in the x direction in the BB ′ section and gradually decreases in the x direction in the CC ′ section.
  • the scale 4 is configured such that the sum of the thickness in the BB ′ section and the thickness in the CC ′ section takes a constant value.
  • the transmittance between the optical pattern 53 and the sensor head 30 is gradually changed, and the effective reflectivity at which the two modulation gray scale patterns change can be detected in opposite phases. Become.
  • the sixth modified example is a modified example related to the configuration (shape) of the scale 4.
  • FIG. 19 is a perspective view illustrating a configuration example of a scale and a sensor head unique to the optical displacement detection device according to the sixth modification.
  • the scale 4 is formed in a cylindrical shape.
  • a gray track 51 and a gray track 52 are provided in parallel to each other on the outer peripheral surface of the cylindrical scale 4.
  • the sensor head 30 is provided with the first photodetector 21 corresponding to the position where the gray track 51 is provided on the scale 4 and the second light detection corresponding to the position where the gray track 52 is provided.
  • a vessel 22 is provided.
  • a light source 1 is provided between the first photodetector 21 and the second photodetector 22.
  • the gray track 51 and the gray track 52 are arranged and configured such that the effective reflectance is detected in reverse phase by the first photodetector 21 and the second photodetector 22.
  • the scale 4 is configured in a cylindrical shape having a circular cross section.
  • the scale 4 is formed in a cylinder having a non-circular cross section. Configure in shape.
  • FIG. 20A is a cross-sectional view when the scale 4 is cut at the position of the outer peripheral surface where the modulation gray scale pattern to be detected by the first photodetector 21 is provided.
  • FIG. 20B is a cross-sectional view when the scale 4 is cut at the position of the outer peripheral surface where the modulated gray scale pattern to be detected by the second photodetector 22 is provided.
  • the cross section of the scale 4 is not a circular shape with a constant radius as in the scale 4 of the sixth modified example, and the scale 4 and the sensor head as the scale 4 rotates.
  • the shape is such that the geometric distance with respect to 30 changes, that is, a substantially circular shape in which the radius gradually increases / decreases.
  • the scale 4 and the sensor head in accordance with the rotation of the scale 4 at a portion where the modulation gray scale pattern to be detected by the first photodetector 21 is provided. It is configured to have a cross-sectional shape in which the radius gradually increases so that the geometric distance from 30 is closer (see FIG. 20A).
  • the geometric distance between the scale 4 and the sensor head 30 as the scale 4 rotates Is configured to have a cross-sectional shape with a gradually decreasing radius (see FIG. 20B).
  • the scale 4 has a cross-sectional radius of a portion where a modulated gray scale pattern to be detected by the first photodetector 21 is provided, and a modulated gray scale pattern to be detected by the second photodetector 22. It is configured such that the sum of the cross-sectional radius of the portion provided and a constant value.
  • the geometric distance between the scale 4 and the sensor head 30 is gradually changed, and the effective reflectivity at which the two modulation gray scale patterns change can be detected in opposite phases.
  • the outer peripheral surface of the scale 4 (cylindrical shape having a circular cross section) in the optical displacement detecting device according to the sixth modified example is transparent.
  • a member 93 is provided.
  • FIG. 21A is a cross-sectional view when the scale 4 is cut at the position of the outer peripheral surface where the modulated gray scale pattern to be detected by the first photodetector 21 is provided.
  • FIG. 21B is a cross-sectional view when the scale 4 is cut at the position of the outer peripheral surface where the modulation gray scale pattern to be detected by the second photodetector 22 is provided.
  • the optical pattern is provided on the circumferential surface indicated by the broken line 97 in FIGS. 21A and 21B (circular surface having an elliptical shape).
  • the scale 4 has an optical pattern, the sensor head 30, and the sensor head 30 in accordance with the rotation of the scale 4 at a portion where the modulation gray scale pattern to be detected by the first photodetector 21 is provided.
  • the transparent member 93 is provided so as to have a cross-sectional shape in which the radius gradually decreases so that the optical distance becomes shorter (see FIG. 21A).
  • the transparent member 93 is provided so as to have a cross-sectional shape with a gradually increasing radius (see FIG. 21B).
  • the scale 4 is provided with a cross-sectional radius of a portion where a modulation gray scale pattern to be detected by the first photodetector 21 is provided and a modulation code pattern to be detected by the second photodetector 22.
  • the sum of the cross-sectional radii of the portions being taken takes a constant value.
  • the optical distance in the scale 4 which is a transparent member is naturally different from the optical distance in the air. That is, even if the geometric distance between the light source 1 and each optical pattern is the same, the optical distance is different (gradual increase / decrease due to the above-described configuration).
  • the optical distance between the modulated gray scale pattern and the sensor head 30 gradually changes, and the effective reflectances of the two modulated gray scale patterns that change can be detected in opposite phases. Become.
  • the scale 4 in the optical displacement detection device according to the sixth modification is constituted by a member 91 having a predetermined transmittance.
  • the modulation gray scale pattern is provided on a circumferential surface (circular surface having an elliptical shape) indicated by a broken line 97 in FIGS. 22A and 22B.
  • FIG. 22A is a cross-sectional view when the scale 4 is cut at a portion where a modulation gray scale pattern to be detected by the first photodetector 21 is provided.
  • FIG. 22B is a cross-sectional view when the scale 4 is cut at a portion where the modulation gray scale pattern to be detected by the second photodetector 22 is provided.
  • the scale 4 has a transmittance of light from the light source 1 as the scale 4 rotates at a portion where a modulation gray scale pattern to be detected by the first photodetector 21 is provided. Is formed so as to have a cross-sectional shape in which the radius gradually decreases (see FIG. 22A).
  • the transmittance of light from the light source 1 gradually decreases as the scale 4 rotates. It is formed to have a cross-sectional shape with a gradually increasing radius (see FIG. 22B).
  • the scale 4 has a cross-sectional radius of a portion where a modulated gray scale pattern to be detected by the first photodetector 21 is provided, and a modulated gray scale pattern to be detected by the second photodetector 22. It is configured such that the sum of the cross-sectional radius of the portion provided and a constant value.
  • the optical distance in the scale 4 which is a member having a predetermined transmittance is naturally different from the optical distance in the air. That is, even if the geometric distance between the light source 1 and each optical pattern is the same, the optical distance is different (gradual increase / decrease due to the above-described configuration).
  • the light transmittance and optical distance between the modulation gray scale pattern and the sensor head 30 are gradually changed, and the effective reflectances of the two modulation gray scale patterns that change are detected in opposite phases. It becomes possible to do.
  • the tenth modification is a modification related to the configuration (shape) of the scale 4.
  • FIG. 23 is a perspective view illustrating a configuration example of a scale and a sensor head unique to the optical displacement detection device according to the sixth modification.
  • the scale 4 is formed in a disk shape.
  • the gray track 51 and the gray track 52 in a band shape along the outer periphery of the disk surface detect the effective reflectivity in opposite phases to each other. Is provided.
  • the sensor head 30 is provided with the first photodetector 21 corresponding to the position where the gray track 51 is provided on the scale 4 and the second light detection corresponding to the position where the gray track 52 is provided.
  • a vessel 22 is provided.
  • a light source 1 is provided between the first photodetector 21 and the second photodetector 22.
  • both the relative rotation angle and the absolute angle of the displacement detection target object can be detected with high accuracy. Can do.
  • FIG. 24 is a diagram illustrating a configuration example of a scale of the optical displacement detection device according to the second embodiment of the present invention.
  • two modulation code patterns are formed on the scale 4 in parallel on the individual gray tracks.
  • two modulation code patterns 53a and 53b are arranged in series on one gray track 50.
  • the first modulation code pattern 53a and the second modulation code pattern 53b are connected in series and formed on one gray track 50. Has been.
  • the first modulation code pattern 53a in which the effective reflectance or effective transmittance gradually increases or decreases in the x direction, and the effective reflectance or effective transmittance in the predetermined section Lgray in the x direction, which is the direction in which the displacement is detected. Is formed in series on the same gray track 50 with the second modulation code pattern 53b configured to be mirror-inverted with respect to the first modulation code pattern 53a in the x direction.
  • the first sensor head 30a for detecting the reflected light from the first modulation code pattern 53a and the reflected light from the second modulation code pattern 53b are detected.
  • the second sensor head 30b is provided at an interval corresponding to a predetermined section Lgray in the x direction.
  • the reflected light from the first modulation code pattern 53a and the second modulation code pattern 53b is detected in reverse phase by the first photodetector 21 and the second photodetector 22, respectively. Can do.
  • the same effects as those of the optical displacement detection device according to the first embodiment can be obtained, and the scale 4 can be further improved by the arrangement configuration of the modulation code pattern described above. It is possible to provide an optical displacement detection device that achieves miniaturization.
  • the eleventh modification is a modification related to the configuration (shape) of the scale 4.
  • FIG. 25 is a diagram illustrating a configuration example of the optical displacement detection device according to the eleventh modification.
  • the scale 4 in the optical displacement detector according to the second embodiment is formed in a cylindrical shape as shown in FIG.
  • the first modulation code pattern 53a and the second modulation code pattern 53b are connected in series on the outer peripheral surface of the cylindrical scale 4 so as to make a round circuit around the outer peripheral surface. Is formed.
  • the first sensor head 30a and the second sensor head 30a arranged on the opposite sides of the scale 4 Two sensor heads 30b are provided with a first photodetector 21 and a second photodetector 22, respectively.
  • the second modulation code pattern 53b configured so that the effective reflectance or the effective transmittance is mirror-inverted with respect to the first modulation code pattern 53a in the x direction is connected in series on the same gray track 50. Is formed.
  • the gray track is formed on the cylindrical scale 4, it is possible to detect both the relative rotation angle and the absolute angle of the measurement object with high accuracy.
  • the scale 4 is formed in a cylindrical shape having a circular cross section.
  • the scale 4 is a cylinder having a non-circular cross section. Configure in shape.
  • FIG. 26 is a cross-sectional view when the scale 4 is cut at a position where the modulation gray scale pattern is provided on the outer peripheral surface.
  • the cross-sectional shape of the scale 4 is not a circular shape with a constant radius as in the scale 4 of the eleventh modification, but an elliptical shape.
  • the modulation gray scale pattern on the outer peripheral surface of the elliptical scale 4 whose cross-sectional radius gradually increases / decreases periodically, the same effect as the above-described modulation code pattern, that is, the effective reflectance or effective
  • permeability increases or decreases gradually with rotation of the scale 4 can be acquired.
  • the geometric distance between the modulation gray scale pattern and the sensor head 30 is gradually changed, and the effective reflectivity at which the two modulation gray scale patterns change can be detected in opposite phases. It becomes.
  • the modulation code pattern is changed by changing the optical distance between the photodetectors 21 and 22 and the light transmittance.
  • a “modulated gray scale pattern” that exhibits the same function as the above is provided integrally with the scale 4.
  • a predetermined transmission as shown in FIG. 27 is applied to the outer peripheral surface 97 of the scale 4 (cylindrical shape having a circular cross section) in the optical displacement detection device according to the eleventh modification.
  • a member 91 having a rate is provided.
  • FIG. 27 is a cross-sectional view when the scale 4 is cut at a portion where the modulation gray scale pattern is provided. As shown in FIG. 27, by providing a member 91 having a predetermined transmittance on the outer peripheral surface 97, the scale 4 has an elliptical cross section.
  • the optical distance in the member 91 having a predetermined transmittance is naturally different from the optical distance in the air. That is, even if the geometric distance between the light source 1 and each modulation gray scale pattern is the same, the optical distance is different (gradual increase / decrease due to the above-described configuration).
  • the optical distance between the modulation gray scale pattern and the sensor head 30 is gradually changed, and the light transmittance is changed by gradually increasing / decreasing the thickness of a member having a predetermined transmittance.
  • the effective reflectance of the scale pattern gradually increases / decreases, it becomes possible to detect the changing effective reflectances of the two modulation gray scale patterns in mutually opposite phases.
  • the fourteenth modification is a modification related to the configuration (shape) of the scale 4.
  • FIG. 28 is a perspective view showing a configuration example of a scale and a sensor head unique to the optical displacement detection device according to the fourteenth modification.
  • the scale 4 is configured in a disk shape.
  • the disk surface of the disk-shaped scale 4 is provided with the first modulation code pattern 53a and the second modulation code pattern 53b connected in a band shape along the circumference of the disk surface.
  • the first modulation code pattern 53a and the second modulation code pattern 53b are configured to make one round of the disk surface along the circumference.
  • the first modulation code pattern 53a and the second modulation code pattern 53b have an effective reflectance or effective transmittance that gradually increases / decreases in the rotation direction with respect to the line segment CC ′ shown in FIG.
  • the mirror surfaces are mutually reversed.
  • the sensor head has a first sensor head 30a and a second sensor head 30b at the center of rotation of the disk-shaped scale 4 in order to detect the reflectance of the modulation code pattern in reverse phase. It arrange
  • FIG. 29 is a diagram illustrating a configuration example of a scale of the optical displacement detection device according to the third embodiment of the present invention.
  • a first grayscale pattern 551, a second grayscale pattern 552, an encode pattern 553, are arranged in parallel on the scale 4.
  • a third photodetector 523 is provided on the sensor head 530 as a photodetector corresponding to 553.
  • the first photodetector 521 and the second photodetector 522 are provided with a single light receiving element, but the third photodetector 523 is an optical displacement detector according to the first embodiment.
  • the photodetector provided in the apparatus it has four groups of light receiving element arrays, and when the displacement detection target object is displaced, a four-phase period shifted from the four groups of light receiving element arrays by a quarter period. A signal is output. Then, by performing the processing described in the first embodiment, the relative displacement of the target can be detected stably and finely.
  • the same effect as that of the optical displacement detection device according to the first embodiment can be obtained, and the process of separating the amplitude component and the periodic component from the encoder signal is not required. Therefore, it is possible to provide an optical displacement detector that can simplify the processing circuit.
  • the fifteenth modification is a modification related to the configuration of the scale 4.
  • FIG. 30 is a diagram illustrating a configuration example of a scale and a sensor head unique to the optical displacement detection device according to the fifteenth modification.
  • the first gray scale pattern 551 and the second gray scale pattern 552 are formed on the scale 4 in parallel.
  • the sensor head 530 includes a light source 1 that irradiates light on the gray track on which the first gray scale pattern 551 is provided and the gray track and the second gray scale pattern 552 are provided, and the first gray scale pattern 551.
  • a corresponding first photodetector 525 and a second photodetector 526 corresponding to the second grayscale pattern 552 are included.
  • the first photodetector 525 and the second photodetector 526 are formed by a single light receiving element instead of a plurality of light receiving element arrays. ing.
  • the light beam emitted from the light source 1 is reflected by the first grayscale pattern 551 and the second grayscale pattern 552 on the scale 4, and the amount of light is reflected by the first photodetector 525 and the second photodetector 526, respectively. Be detected.
  • a set of signals as shown in FIG. 7 is obtained from the first photodetector 525 and the second photodetector 526, and increases monotonously with the displacement x as shown in FIG.
  • the characteristic 105 ′ and the characteristic 105 that monotonously decreases with respect to the displacement x can be obtained.
  • the absolute displacement can be detected with high accuracy without grasping the output characteristics by displacing the predetermined section in advance.
  • FIG. 32 is a diagram illustrating a configuration example of a scale and a sensor head unique to the optical displacement detection device according to the sixteenth modification.
  • the reflectance is effectively changed by changing the width of the pattern.
  • the first pattern 561 and the second pattern 562 are formed in a wedge shape and arranged so as to be opposite to each other with respect to the displacement direction (x direction).
  • the first pattern 561 has a maximum width smaller than the diameter of the light beam on the scale 4.
  • the effective reflectance of the pattern surface can be easily changed linearly by adopting the above-described configuration. Thereby, it is possible to detect the absolute displacement with high accuracy using the change in reflectance.
  • the present invention has been described based on the first to third embodiments.
  • the above-described embodiments include various stages of the invention, and an appropriate combination of a plurality of disclosed structural requirements.
  • Various inventions can be extracted. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and the effect described in the column of the effect of the invention Can be extracted as an invention.
  • second photodetector 223 ... in-phase synthesis unit, 24 ... Amplitude component differential operation unit, 225 ... Pre-processing circuit, 226 ... Multiplication processing result output unit, 227 ... Digital operation unit, 228 ... Relative position output circuit, 229 ... Amplitude component operation circuit, 410 ... Digital operation unit, 411 ... Amplitude component calculation circuit, 412 ... physical quantity detection circuit, 443 ... Lissajous generation circuit, 444 ... periodic component calculation circuit, 445 ... interpolation circuit, 446 ... interpolation circuit, 447 ... incremental signal calculation circuit, 521 ... first light Detector, 522 ... second photodetector, 523 ...
  • third photodetector 525 ... first photodetector, 526 ... second photodetector, 530 ... sensor head, 551 ... first gray Scale pattern, 552 ... second gray scale pattern, 553 ... encode pattern, 561 ... first pattern , 562 ... second pattern.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Abstract

　第１の変調コードパターン(51,53a)と第２の変調コードパターン(52,53b)とが形成されたスケール(4)と、光源(1)から射出された光ビームを第１の変調コードパターン(51,53a)を介して検出して第１の信号を生成する第１の光検出器(21)と、第２の変調コードパターン(52,53b)を介して検出して第２の信号を生成する第２の光検出器(22)と、を有するセンサヘッド(30)と、第１の信号と第２の信号とに基づいて変位を算出する物理量検出回路(210)と、を光学式変位検出装置に具備させる。第１の信号及び第２の信号は、所定演算により相殺される第１成分と、前記所定演算後に残存する第２成分と、を含む。第１の検出器(21)による検出と、第２の検出器(22)による検出と、は関連付けて実行される。

Description

光学式変位検出装置
　本発明は、所定のパターンが形成されたスケールと、センサが設けられたヘッドとの変位を検出する光学式変位検出装置に関する。
　光学式変位検出装置に関連する技術としては、例えば、特許文献１に次のような技術が開示されている。
　すなわち、被検体には一定の間隔でスリットまたは反射面が列設され、このスリットまたは反射面に由来する光パルスを検出する光電式検出装置であって、スリットまたは反射面の径方向の長さが時計回りに順次大きくなるように構成されている光電式検出装置が、特許文献１に開示されている。
　図３３は、特許文献１に開示されている光電式検出装置の断面図である。同図に示すように、光源１から出射した光ビームが被検体であるスケール４のスリットに照射され、その透過光が光検出器２によって検出される。
　図３４は、前記スケール４の平面図である。同図に示すように、スケール４に設けられているスリットは、同図中において矢印で示されている回転方向に対して、基準位置から、一定の間隔で長さが拡大または減少させられている。
　図３５は、前記光電式検出装置の出力信号を示す図である。同図に示すグラフでは、横軸に被検体の回転角を取り、縦軸に光検出器Ａ２の出力を取っている。スケール４が反時計周りに回転すると、スリットの開口長さが減少する。従って、図３５に示すように周期信号の振幅が徐々に減少するような特性が得られると、特許文献１に記載されている。
　そして、光検出器２からの周期信号を適切に演算することにより回転速度を検出し、振幅の変化を検出することによりスケール４の回転方向を検出することができる旨が、特許文献１に記載されている。
　なお、特許文献１には明記されてないが、上述した構成により絶対位置を検出する場合には、回転変位に対する出力信号の振幅１０４（図３６参照）またはＤＣ成分１０２（図３７参照）の大きさを予め調べておくことにより、出力信号の振幅またはＤＣレベルを測定すれば、基準位置からのスケール４の回転角の絶対位置を検出することができる。
　つまり、特許文献１に開示されている光電式検出装置では、被検体の動きに伴い変化する検出信号の振幅に基づいて、被検体の運動方向や絶対位置を検出する。
特開昭４８－７８９５９号公報
　ところで、特許文献１に開示されている技術では、実際には図３７に示すように、出力信号１０１は、光源１やスケール４の光学的配置に大きく影響されるＤＣ成分１０２を有する。そして、このＤＣ成分１０２は、検出信号の振幅が変位するに従って図３７に示すようにシフトしていく。
　ここで、絶対位置の検出感度を向上させる為に、あるいは、絶対位置検出範囲を拡げる為に、スリット等の開口長さを小さくする場合を考える。この場合、スリット等の開口長さの最小値を小さくする程、検出信号の振幅が減少する。従って、この場合には、光検出器２からの周期信号のノイズ成分が相対的に大きくなってしまい、結果としてスリットの開口長さが小さい変位箇所では検出性能（分解能、安定性）が低下してしまう。
　さらに言えば、特許文献１に開示されている構成により絶対位置を検出する場合には、回転変位に対する出力信号の振幅１０４の特性を予め調べておく必要がある。また、回転変位に対する出力信号の振幅の特性１０４は、例えば周囲環境、センサの取り付けガタ、及び経時変化等に起因して、図３６に示す振幅１０４及び振幅１０４’に示すように変化する。従って、その検出精度は極めて低い。
　すなわち、特許文献１に開示されている技術では、絶対位置の検出感度を向上させた場合や、検出範囲を拡大させた場合には、絶対位置検出及び相対位置検出の双方において分解能及び安定性の極端な悪化を生じさせてしまう。
　本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、絶対位置検出及び相対位置検出の何れにおいても分解能及び安定性を高いレベルで維持しつつ、絶対位置の検出感度の向上及び検出範囲の拡大を実現した光学式変位検出装置を提供することを目的とする。
　前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による光学式変位検出装置は、
　変位検出対象物の所定方向における変位を検出する光学式変位検出装置であって、
　光ビームを射出する光源と、
　第１のトラックパターンと、第２のトラックパターンと、が前記所定方向を長手方向として形成されたスケールと、
　前記光源から射出された光ビームを、前記第１のトラックパターンを介して検出して第１の信号を生成する第１の光検出器と、前記光源から射出された光ビームを、前記第２のトラックパターンを介して検出して第２の信号を生成する第２の光検出器と、を有するセンサヘッドと、
　前記第１の信号と、前記第２の信号と、に基づいて前記変位を算出する信号処理部と、
　を具備し、
　前記スケール又は前記センサヘッドは、前記変位検出対象物に連結され、
　前記第１の信号及び前記第２の信号は、少なくとも、前記第１の信号と前記第２の信号とを所定演算することにより相殺される第１成分と、前記所定演算後にも残存する前記スケールの絶対変位に対応した第２成分と、を含み、
　前記第１のトラックパターン、前記第２のトラックパターン、前記第１の光検出器、前記第２の検出器、及び前記光源は、前記第１の検出器による検出と、前記第２の検出器による検出と、が関連付けて実行されるように配置されている
　ことを特徴とする。
　前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様による光学式変位検出装置は、
　変位検出対象物の所定方向における変位を検出する光学式変位検出装置であって、
　光ビームを射出する光源と、
　第１のトラックパターンと、第２のトラックパターンと、が同一面上において前記所定方向を長手方向として形成されたスケールと、
　前記光源から射出され、前記第１のトラックパターンにより反射された光ビームを検出して第１の信号を生成する第１の光検出器と、前記光源から射出され、前記第２のトラックパターンにより反射された光ビームを検出して第２の信号を生成する第２の光検出器と、を有するセンサヘッドと、
　前記第１の信号と、前記第２の信号と、に基づいて前記変位を算出する信号処理部と、
　を具備し、
　前記スケール又は前記センサヘッドは、前記変位検出対象物に連結され、
　前記第１の信号及び前記第２の信号は、少なくとも、前記第１の信号と前記第２の信号とを所定演算することにより相殺される第１成分と、前記所定演算後にも残存する任意の位置に特有の第２成分と、を含み、
　前記第１のトラックパターン、前記第２のトラックパターン、前記第１の光検出器、前記第２の検出器、及び前記光源は、前記第１の検出器による検出と、前記第２の検出器による検出と、が関連付けて実行されるように配置されている
　ことを特徴とする。
　本発明によれば、絶対位置検出及び相対位置検出の何れにおいても分解能及び安定性を高いレベルで維持しつつ、絶対位置の検出感度の向上及び検出範囲の拡大を実現した光学式変位検出装置を提供することができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る光学式変位検出装置のセンサヘッド及びスケールを上面から見た投射図である。 図２は、図１に示す線分Ａ－Ａ’における断面図である。 図３は、第１の光検出器に搭載された受光素子アレイ及び第２の光検出器に搭載された受光素子アレイと、これらの受光素子アレイで構成される受光面上に形成される光学イメージと、の関係の一例を示す図である。 図４Ａは、対象がＸ方向に変位した時に第１の光検出器に搭載された受光素子アレイの４つの群から出力される信号の一例を示す図である。 図４Ｂは、対象がＸ方向に変位した時に第２の光検出器に搭載された受光素子アレイの４つの群から出力される信号の一例を示す図である。 図５は、第１実施形態に係る光学式変位検出装置において信号処理を実行する物理量検出回路の一構成例を示す図である。 図６Ａは、第１の光検出器の４群の受光素子アレイから各々出力される４つの信号の逆相同士を減算して得られる信号の一例を示す図である。 図６Ｂは、第２の光検出器の４群の受光素子アレイから各々出力される４つの信号の逆相同士を減算して得られる信号の一例を示す図である。 図７は、Ｖｐｐ１及びＶｐｐ２の特性を示す図である。 図８は、（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）及び（Ｖｐｐ１－Ｖｐｐ２）の特性を示す図である。 図９は、（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）と、（Ｖｐｐ１－Ｖｐｐ２）と、の比の特性を示す図である。 図１０は、Ｖａ及びＶｂの一例を示す図である。 図１１は、相対変位の検出処理に利用するリサージュ図形の一例を示す図である。 図１２は、物理量検出回路の一構成例を示す図である。 図１３は、絶対変位の検出処理に利用するリサージュ図形の一例を示す図である。 図１４は、本発明の第１変形例に係る光学式変位検出装置に特有の変調コードパターンの一構成例を示す斜視図である。 図１５は、本発明の第２変形例に係る光学式変位検出装置に特有の変調コードパターンの一構成例を示す斜視図である。 図１６Ａは、第３変形例における変調コードパターンが設けられたスケールの一構成例を示す断面図である。 図１６Ｂは、第３変形例における変調コードパターンが設けられたスケールの一構成例を示す断面図である。 図１７Ａは、第４変形例における変調コードパターンが設けられたスケールの一構成例を示す断面図である。 図１７Ｂは、第４変形例における変調コードパターンが設けられたスケールの一構成例を示す断面図である。 図１８Ａは、第５変形例における変調コードパターンが設けられたスケールの一構成例を示す断面図である。 図１８Ｂは、第５変形例における変調コードパターンが設けられたスケールの一構成例を示す断面図である。 図１９は、第６変形例に係る光学式変位検出装置に特有のスケール及びセンサヘッドの一構成例を示す斜視図である。 図２０Ａは、第７変形例におけるスケールの一構成例を示す断面図である。 図２０Ｂは、第７変形例におけるスケールの一構成例を示す断面図である。 図２１Ａは、第８変形例におけるスケールの一構成例を示す断面図である。 図２１Ｂは、第８変形例におけるスケールの一構成例を示す断面図である。 図２２Ａは、第９変形例におけるスケールの一構成例を示す断面図である。 図２２Ｂは、第９変形例におけるスケールの一構成例を示す断面図である。 図２３は、第１０変形例に係る光学式変位検出装置に特有のスケール及びセンサヘッドの一構成例を示す斜視図である。 図２４は、本発明の第２実施形態に係る光学式変位検出装置のスケールの一構成例を示す図である。 図２５は、第１１変形例に係る光学式変位検出装置の一構成例を示す図である。 図２６は、第１２変形例のスケールを、外周面における変調コードパターンが設けられている位置で切断した場合の断面図である。 図２７は、第１３変形例のスケールを、外周面における変調コードパターンが設けられている位置で切断した場合の断面図である。 図２８は、第１４変形例に係る光学式変位検出装置に特有のスケール及びセンサヘッドの一構成例を示す斜視図である。 図２９は、本発明の第３実施形態に係る光学式変位検出装置のスケールの一構成例を示す図である。 図３０は、第１５変形例に係る光学式変位検出装置のスケールの一構成例を示す図である。 図３１は、第１の光検出器及び第２の光検出器から得られる信号の特性を示す図である。 図３２は、第１６変形例に係る光学式変位検出装置に特有のスケール及びセンサヘッドの一構成例を示す図である。 図３３は、特許文献１に開示されている光電式検出装置の断面図である。 図３４は、特許文献１に開示されている光電式検出装置のスケールの平面図である。 図３５は、特許文献１に開示されている光電式検出装置の出力信号を示す図である。 図３６は、特許文献１に開示されている光電式検出装置の出力信号の特性を示す図である。 図３７は、特許文献１に開示されている光電式検出装置の出力信号の特性を示す図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
　図１は、本第１実施形態に係る光学式変位検出装置のセンサヘッド及びスケールを上面側から見た投射図である。図２は、図１に示す線分Ａ－Ａ’線の位置における断面図である。図３は、第１の光検出器２１に搭載された受光素子アレイ及び第２の光検出器２２に搭載された受光素子アレイと、これらの受光素子アレイで構成される受光面上に形成される光学イメージと、の関係の一例を示す図である。
　ここで、本第１実施形態においては、後述するスケールに形成された各種パターンを次のように定義する。
＜グレースケールパターン＞
　所定方向の所定区間において、実効反射率または実効透過率が漸増または漸減する光学パターンを、“グレースケールパターン”と称する。
＜エンコードパターン＞
　所定方向への推移に従って、反射率、透過率、及び回折特性のうち何れかが周期的に変化する光学パターンを、“エンコードパターン”と称する。
＜変調コードパターン＞
　前記エンコードパターンと前記グレースケールパターンとを重畳した光学特性を有するパターンを、“変調コードパターン”と称する。
＜グレートラック＞
　前記グレースケールパターン又は前記変調コードパターンによって構成されるトラックを、“グレートラック”と称する。
　ところで、図１に示すように、本第１実施形態に係る光学式変位検出装置は、スケール４と、センサヘッド３０と、物理量検出回路２１０と、を具備する。
　前記スケール４には、例えば変調コードパターンにより構成されるグレートラック５１と、グレートラック５２と、が当該スケール４の面上に並行して２列配設されている。
　前記センサヘッド３０には、光源１と、第１の光検出器２１と、第２の光検出器２２と、が設けられている。
　光源１から出射した光ビーム（図２に示す光ビーム１０）は、スケール４上に配設された２列のトラック（グレートラック５１、グレートラック５２）に照射され、各々のトラック上の変調コードパターンで反射された後、センサヘッド３０に搭載された第１の光検出器２１及び第２の光検出器２２の各々の受光面に入射する。そして、この受光面上において、例えば図３に示すように各々の変調コードパターンに対応する光学イメージ８０を形成する。
　ここで、センサヘッド３０の受光面（第１の光検出器２１及び第２の光検出器２２が設けられている面）と、スケール４のうち変調コードパターンが形成された面（グレートラック５１，５２が設けられている面）と、は互いに対向するように且つ平行に配置されている。
　ところで、スケール４またはセンサヘッド３０のうち何れか一方は、変位を測定する対象物に連結され、この対象物に連結されていない方は、基準面に連結されている。
　変位検出対象物の変位を検出する方向を図１に示すｘ方向とすると、前記“所定方向”はｘ方向に相当する。そして、反射率、透過率、回折特性の何れかが周期的に変化する光学パターン５３の空間ピッチは、図１に示すｐｓに相当する。
　また、本第１実施形態では、エンコードパターンの周期模様を、所定本数だけまとめてグループ化し（例えば図１に示すグループ６１，６２，６３，６４，６５）、各グループ毎に実効反射率または実効透過率が漸増または漸減する構成としている。
　さらに、図２においては、光源１の上面上に、ｘ方向について周期ｐｏのスリット１１を設ける例を示しているが、この構成は、３重格子構成による光学イメージの結像原理を利用するケースを想定した場合の構成である。従って、他の結像原理を利用する場合には、スリット１１は必ずしも必須の構成要件ではない。
　そして、本第１実施形態に係る光学式変位検出装置では、光源１と、第１の光検出器２１と、第２の光検出器２２と、グレートラック５１上の変調コードパターンと、グレートラック５２上の変調コードパターンと、は次のように配置されている。すなわち、変位検出対象物がｘ方向に変位したときに、第１の光検出器２１，第２の光検出器２２により検出される変調コードパターンの実効反射率または実効透過率が、逆相で検出されるように、各構成部材が配置・構成されている。以下、この配置・構成の一例について具体的に説明する。
　すなわち、例えば光源１の光出射部と、第１の光検出器２１，第２の光検出器２２の中心と、を共に図１、図３に示す線分Ａ－Ａ’（第１の光検出器２１、第２の光検出器２２をｘ方向において垂直に２等分する線分）上に配置し、且つ、図１に示す所定区間Ｌｇｒａｙ（実効反射率または実効透過率が漸増または漸減する所定区間）を垂直に２等分する線分である線分Ｂ－Ｂ’に対して、前記２列の変調コードパターンの実効反射率または実効透過率のみが鏡面反転した構成となるように、各々のグレートラック５１，５２における変調コードパターンを作成・配置する。
　なお、スケール４上の光学パターンの実効反射率や実効透過率を逆相で検出するような、グレートラック５１，５２の構成、第１の光検出器２１及び第２の光検出器２２とグレートラック５１，５２との配置状態を、“グレースケールパターンの実効反射率または実効透過率を逆相で検出するように配置・構成”と称する。
　なお、「グレースケールパターンは、実効反射率または実効透過率が逆相で検出されるように配置・構成されている」とは、より詳しくは「前記グレースケールパターンの実効反射率、実効透過率または回折効率のいずれかが前記所定方向の所定区間に対して漸増または漸減する特性で検出されるように前記スケール４と前記第１の光検出器２１が配置されると共に、前記グレースケールパターンの実効反射率、実効透過率または回折効率のいずれかが前記所定方向の所定区間に対して前記第１の光検出器２１とは逆に漸減または漸増する特性で検出されるように前記スケール４と前記第２の光検出器２２が配置される」ことを意味する。
　ここで、スケール４上に形成されたエンコードパターン或いは変調コードパターンにおけるエンコードパターンの光学特性を利用した処理について説明する。
　なお、本第１実施形態には種々の光学イメージの生成原理を適用することが可能であるが、ここでは典型的な例として３重格子構成による検出原理を利用する例を説明する。
　図２に示すように、光源１とスケール４上のエンコードパターンとの距離をｚ１とし、スケール４上のエンコードパターンと第１の光検出器２１の受光面及び第２の光検出器２２の受光面との距離をｚ２とし、光源１上のスリットのｘ方向におけるピッチをｐｏとし、スケール４上のエンコードパターンのピッチをｐｓとする。
　光源１から、周期ｐｏのスリットを経て、周期ｐｓのエンコードパターンに光ビームが照射されると、この光ビームはエンコードパターンによって反射されて第１の光検出器２１及び第２の光検出器２２に入射し、第１の光検出器２１及び第２の光検出器２２の受光面上には空間周期ｐｉの周期的な光学パターンが形成される。
　ここで、ｐｉと，ｐｏと、ｐｓと，ｚ１と，ｚ２と、は次の関係を満たす。
　　ｐｉ＝ｐｓ・(ｚ１＋ｚ２)／ｚ１　　　…（式１）
　　ｐｏ＝ｐｓ・（ｚ１＋ｚ２）／ｚ２　　…（式２）
である。
　なお、第１の光検出器２１，第２の光検出器２２の受光面上に、空間周期ｐｉの周期的な光学パターンが明瞭に形成される為に、ｐｉ，ｐｓ，ｐｏ，ｚ１，ｚ２及び光源１の光波長λが、３重格子構成による光学イメージの形成条件に合致するように構成する。
　しかしながら、本第１実施形態においては、上述したように光学イメージの生成原理は３重格子構成による光学イメージの結像原理に限定されず、他の結像原理を用いる場合には、前記形成条件への合致は不要である。
　ここで、第１の光検出器２１，第２の光検出器２２には、受光素子アレイが、光学パターンの空間周期ｐｉに相当するピッチで４群形成されており、各群は、空間周期方向に互いにｐｉ／４だけずらせられて配置されている。
　図４Ａは、第１の光検出器２１に搭載された４群の受光素子アレイから出力される信号の一例を示す図である。図４Ｂは、第２の光検出器２２に搭載された４群の受光素子アレイから出力される信号の一例を示す図である。
　ところで、図３に示すように、第１の光検出器２１に搭載された受光素子アレイからの出力は、光学イメージに対して１／４周期ずれている。ここで、第１の光検出器２１に搭載された受光素子アレイの出力端子をＶＡ１，ＶＢ１，ＶＡＢ１，ＶＢＢ１とすると、変位検出対象物がｘ方向に変位した場合には、これら出力端子からは互いに９０度（すなわち１／４周期）ずれた周期信号が出力される。この点については、第２の光検出器２２に搭載された受光素子アレイの出力端子から出力される周期信号についても同様である。
　ところで、変調コードパターンはエンコードパターンとは異なり、実効反射率または実効透過率が漸増または漸減する特性が重畳されている。従って、変調コードパターンを適用した場合には、上述した各々の受光素子アレイの出力端子からは、変位量ｐｓに相当するピッチで互いに９０度（すなわち１／４周期）ずれた周期信号であって、且つ、変位検出対象物がｘ方向に変位すると、ＤＣレベル又は／及び振幅が、漸増または漸減する信号が出力される。
　グレートラック５１及びグレートラック５２においては、２つの光検出器（第１の光検出器２１，第２の光検出器２２）の各々の受光素子アレイの出力端子から、各々のグレートラック５１，５２に配置された変調コードパターンの実効反射率または実効透過率が互いに逆相で検出されるように、変調コードパターンが配置されている。
　従って、例えば図４Ａ、図４Ｂに示すように、第１の光検出器２１の受光素子アレイの出力端子及び第２の光検出器２２の受光素子アレイの出力端子からは、ＤＣレベルまたは振幅が漸増（図４Ａ参照）或いは漸減（図４Ｂ参照）する特性が逆相として出力される。
　このため、第１の光検出器２１の各群の受光素子アレイの出力は、図４ＡにおいてＶＡ１，ＶＢ１，ＶＡＢ１，ＶＢＢ１で示される特性になり、ＤＣレベルはＶＤＣ１で示される特性になる。他方、第２の光検出器２２の各群の受光素子アレイの出力は、図４ＢにおいてＶＡ２，ＶＢ２，ＶＡＢ２，ＶＢＢ２で示され特性になり、ＤＣレベルはＶＤＣ２で示される特性になる。
　図５は、上述した信号処理を実行する物理量検出回路の一構成例を示す図である。
　以下、まず物理量検出回路の構成例、及び物理量検出回路による信号処理の流れを説明した後、当該信号処理について具体的に説明する。
　前記物理量検出回路２１０は、所定の前処理を行う前処理回路２２５と、周期内位相情報を出力する相対位置出力回路２２８と、振幅情報を出力する振幅成分演算回路２２９と、を有する。ここで、前記前処理回路２２５は、同相合成部２２３と、振幅成分差動演算部２２４と、を備える。
　ところで、第１の光検出器２１及び第２の光検出器２２からの出力信号は、物理量検出回路２１０へ入力される前に、同相ノイズ除去手段２０１により、同相ノイズ成分が除去処理されている。すなわち、第１の光検出器２１及び第２の光検出器２２からの出力信号は、同相ノイズ除去手段２０１により、１／２周期(１８０度)位相の異なる出力端子からの出力が互いに減算処理され、図６Ａ、図６Ｂに示すように９０度（すなわち１／４周期）の位相差を有する２組の信号が生成されて、物理量検出回路２１０に入力される。
　つまり、第１の光検出器２１及び第２の光検出器２２が、それぞれグレートラック５１，５２からの反射光を受光して受光量を電圧値として出力した信号は、同相ノイズ除去手段２０１により同相ノイズ成分が除去処理される。
　以上説明したように、前記第１の光検出器２１から出力された信号は、同相ノイズ除去手段２０１による処理を経て、９０度位相差を有する２相の振幅変調信号Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂ（後述するＶａ１，Ｖｂ１に対応）として所定周期にて出力される。同様にして、図６Ｂに示すように第２の光検出器２２から出力された信号は、同相ノイズ除去手段２０１による処理を経て、９０度位相差を有する２相の振幅変調信号Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ（後述するＶａ２，Ｖｂ２に対応）として所定周期にて出力される。
　なお、第１の光検出器２１及び第２の光検出器２２からそれぞれ出力される２相の振幅変調信号は必ずしも９０°の位相差を有していなくともよい。
　ところで、振幅変調信号Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂ，Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂは、それぞれ、前処理回路２２５における同相合成部２２３、及び振幅成分差動演算部２２４の両方に入力される。
　次に、対象の絶対変位と相対変位とを、それぞれ安定して且つ高精度に検出する処理方法について説明する。
《絶対変位の検出処理について》
　まず、対象の絶対変位を検出する処理方法について説明する。
　前記振幅成分差動演算部２２４は、Ｓ１Ａの振幅成分Ａ１Ａ，Ｓ２Ａの振幅成分Ａ２Ａに基づいて、振幅成分の演算処理（減算結果：ＡＣ1，和算結果：ＡＣ２）を実行する。
　すなわち、前記振幅成分差動演算部２２４は、
　　　ＡＣ1＝Ａ１Ａ－Ａ２Ａ　　　　　　　　　　…（式３）
　　　ＡＣ２＝Ａ１Ａ＋Ａ２Ａ　　　　　　　　　　…（式４）
を演算する。
　前記振幅成分演算回路２２９は、絶対位置を算出して出力するデジタル演算部２２７を備える。このデジタル演算部２２７は、（式３）、（式４）による演算結果に基づいて、
　　　ＡＣ１／ＡＣ２　　　　　　　…（式５）
を演算して絶対位置を求めて出力する。
　より詳細には、絶対位置Ｘは、（式５）による演算結果を利用した次の演算により算出される。すなわち、
　　　Ｘ＝α・ＡＣ１／ＡＣ２＋β　　　　…（式６）
により算出される。ただし、α（≠０）、βは係数である。
　なお、絶対位置Ｘを算出する為の（式５）から（式６）への変換は極めて容易である為、必ずしもデジタル演算部２２７内で演算しなくてもよい。その場合には、後段のホストコンピュータ等で、（式６）による変換を実行すれば良い。
　また、上述の例では絶対変位の検出方法として振幅成分Ａ１Ａ、Ａ２Ａを用いた方法について説明したが、本質的には逆相で差動検出される信号であればよい。例えば、図４Ａ，図４ＢにおけるＤＣレベル信号であるＶＤＣ１，ＶＤＣ２をＡ１Ａ，Ａ２Ａの代わりに活用して（式３）乃至（式６）の処理を行ってもよい。
　以下、より詳細に、絶対変位ｘの算出処理について説明する。
　図６Ａに示す出力信号Ｖａ１，Ｖｂ１の振幅を演算すると、図７に示すように単調増加する信号１０４を得ることができる。この信号出力をＶｐｐ１とする。図６Ｂに示す出力信号Ｖａ２，Ｖｂ２の振幅を演算すると、図７に示すように単調減少する信号１０５を得ることができる。この信号出力をＶｐｐ２とする。
　Ｖｐｐ１とＶｐｐ２は、
Ｖｐｐ１＝ａ・ｘ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（式７）
Ｖｐｐ２=－a・（ｘ－Ｌｇｒａｙ）　　　　　　　　　　　…（式８）
として表される。
　なお、Ｌｇｒａｙとは、スケール４の反射率または透過率が漸増する所定区間の長さである。ここで、Ｌｇｒａｙ区間における最大振幅をＶｐｐｍａｘとすると、比例係数である傾きaは絶対変位ｘに対して振幅が増加する傾きを示す。そして、この傾きａは、一般には変位ｘに依存するが、上述のグレースケールパターンの実効反射率または実効透過率が変位ｘに対して直線的に変化するように構成されている場合は定数となり、
　ａ＝Ｖｐｐｍａｘ／Ｌｇｒａｙ　　　　　　　　　　　　…（式９）
として表される。
　更に、Ｖｐｐ１とＶｐｐ２との和及び差を演算すると以下のようになる。
　Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２＝ａ・Ｌｇｒａｙ　　　　　　　　　…（式１０）
　Ｖｐｐ１－Ｖｐｐ２= ２ａ・ｘ－ａ・Ｌｇｒａｙ　　　　…（式１１）
　図８は、これら（式１０）及び（式１１）を示す図である。
　これらＶｐｐ１及びＶｐｐ２を求めた後、Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２と、Ｖｐｐ１－Ｖｐｐ２と、比を演算する。この演算により、図８に示す特性を得ることができる。
　すなわち、
（Ｖｐｐ１－Ｖｐｐ２）／（Ｖｐｐ１+Ｖｐｐ２）＝２／Ｌｇｒａｙ・ｘ－１
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（式１２）
をｘについて解けば、
ｘ＝Ｌｇｒａｙ・（（Ｖｐｐ１－Ｖｐｐ２）／（Ｖｐｐ１+ Ｖｐｐ２）＋１）／２
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（式１３）
となる。
　ここで、（Ｖｐｐ１－Ｖｐｐ２）／（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）は最大振幅Ｖｐｐｍａｘや傾きaに依存しない。従って、予め最大振幅Ｖｐｐｍａｘや傾きaの値を求める必要はなく、また、最大振幅Ｖｐｐｍａｘや傾きaの値が変動しても、安定して絶対変位ｘを検出することができる。
　ここで、上述の絶対変位の算出においては、（式７）、（式８）で記載した比例係数ａは一定値であることが望ましい。このためには、「所定変位区間に対して前記第１の光検出器２１と前記第２の光検出器２２が検出する前記グレースケールパターンの実効反射率、実効透過率または回折効率の何れかの増減が互いに逆方向に略直線的に変化し、さらに、前記第１の光検出器２１が検出する前記グレースケールパターンの実効反射率、実効透過率または回折効率の何れかと前記第２の光検出器が検出する前記グレースケールパターンの実効反射率、実効透過率または回折効率の何れかとの和が略一定であるように、前記グレースケールパターンが形成されている」ことが望ましい。
　以下、上述した一連の処理について、その有効性を述べる。
　通常、センサの経時変化、周辺の環境温度の変化が生じると、光源からの出力や光検出器の感度特性等が変化する。また、光源からの出力や光検出器の感度特性が変化しなくとも、センサヘッド及びスケールのがたつき等の要因により、光検出器で検出される光量が変化してしまう。
　一般的には、このように多様な変動要因により、センサヘッドからの出力振幅やその和・差成分は、例えば図７及び図８に示すように、実線１０４で示す特性から破線１０４´で示す特性へ、実線１０５で示す特性から破線１０５´で示す特性へ、実線１０６で示す特性から破線１０６´で示す特性、実線１０７で示す特性から破線１０７´で示す特性へ、というように大きく変動してしまう。従って、図７、図８に示す特性を利用して絶対位置を正確に検出することはできない。
　更に言えば、最大振幅Ｖｐｐｍａｘや傾きａの値を一度は求めておかなければ位置情報を演算することができない。このことは、数式の上では、上述の(式７)乃至（式１１）において、傾きa或いは最大振幅Ｖｐｐｍａｘが多様な変動要因により変化すること、及び、そもそも傾きa或いは最大振幅Ｖｐｐｍａｘを求めていなければ絶対変位を算出できないことを意味している。
　本第１実施形態においては、このような事情を鑑みて、Ｖｐｐ１とＶｐｐ２との和・差を演算した上で、更にこれらの比を演算することで、（式１２）及び（式１３)に示すように、変動する成分である傾きa、最大振幅Ｖｐｐｍａｘをキャンセルした特性を得る。この処理により、非常に安定且つ高精度で絶対変位ｘを検出することができる。
　すなわち、本第１実施形態に係る光学式変位検出装置では、図７、図８に示す信号処理段階では、上述したように変動要因に起因して生じる特性の変動が見られるが、Ｖｐｐ１とＶｐｐ２との和・差の比を演算することにより、図９に示すように変動要因がキャンセルされて安定なセンサ特性を得ることができる。
　また、図９に示す特性は、傾きａ、最大振幅Ｖｐｐｍａｘに依存しない為、そもそも傾きａ及び最大振幅Ｖｐｐｍａｘを求める必要がない。従って、センサの初期設定を必要とせず、この点も大きなメリットである。
《相対変位の検出処理について》
　本第１実施形態に係る光学式変位検出装置によれば、相対変位についても、以下説明する処理方法により高精度に検出することができる。
　前記同相合成部２２３は、第１の光検出器２１及び第２の光検出器２２から出力された振幅変調信号の周期成分を抽出し、各同位相の信号ごとに合成する。
　すなわち、前記同相合成部２２３は、
　　　Ｓ３Ａ＝Ｓ１Ａ+Ｓ２Ａ＝Ｖａ１＋Ｖａ２　　　　　　　…（式１４）
　　　Ｓ３Ｂ＝Ｓ１Ｂ＋Ｓ２Ｂ＝Ｖｂ１＋Ｖｂ２　　　　　　…（式１５）
を演算する。
　前記相対位置出力回路２２８は、相対位置を算出して出力する逓倍処理結果出力部２２６を備える。この逓倍処理結果出力部２２６は、同相合成部２２３により抽出された周期成分の位相角に基づいて、変位を角度情報へ変換し、一つ前の演算処理結果との比較を行うことで、分解能に応じた変位量を算出する。
　この逓倍処理を行う際には、逓倍処理結果出力部２２６は、直接的に振幅値を演算し、角度情報へ変換する処理手法を採ってもよいし、所謂ＲＯＭテーブル参照方式による処理方法を採ってもよい。
　なお、振幅変調信号から生成されるリサージュ図形に基づいて、相対変位を検出することも可能である。以下、詳細に説明する。
＜リサージュ図形に基づく相対変位の検出処理＞
　まず、図６Ａ及び図６Ｂに示す互いに１／４周期の位相差を有する２組の信号を、それぞれ同相信号ごとに加算する。ここで、上述したようにグレートラック５１，５２においては、変調コードパターンはその実効反射率または実効透過率が逆相で検出されるように配置されている為、図１０においてＶａ，Ｖｂで示すように変位Ｘに対してほぼ一定の振幅を有する１／４周期位相差の信号を得ることができる。この信号を、通常のエンコードパターンを有するエンコーダの信号処理方法を利用して、非常に高精度な相対位置信号に変換することができる。
　例えば、図１０に示す信号をリサージュ図形として表示すると、図１１に示すように一定の半径で描かれる円表示となる。この円周上の位相角θが周期ｐｓ内での変位に相当する。
　ここで、周期ｐｓ内の相対変位をｘｐとすると、
　　　ｘｐ＝ｐｓ・θ／２π　　　　　　　　…（式１６）
となる。
　従って、上記の位相角θを細かく演算することで、周期ｐｓより非常に細かい変位量を検出することが可能となる。
　なお、相対変位ｘｐと組み合わせて、リサージュ図形の回転数を記録するカウンタ情報を利用することで、高精度な相対位置検出を行うことができる。
　ところで、（式１６）に示す相対変位ｘｐの算出は、図６Ａ、図６Ｂに示すような第１の光検出器２１及び第２の光検出器２２から出力された振幅変調信号を利用しても演算可能である。しかしながら、この場合には相対変位ｘｐに応じて振幅が変動してしまう（リサージュ図形の半径が変動してしまう）。従って、振幅の小さな領域においては検出誤差が大きくなってしまい、前記所定区間の全域に渡って安定且つ高精度に相対位置を検出することができない。
　他方、本第１実施形態においては、“第１の光検出器２１及び第２の光検出器２２が出力される２組の振幅変調信号を、それぞれ同相信号ごとに加算した上で、リサージュ図形上の位相角を検出する”ことにより、前記所定区間の場所に寄らず、安定に高精度な位置検出をすることを可能とする。
　なお、振幅変調信号から生成されるリサージュ図形に基づいて、絶対変位を検出することも可能である。以下、詳細に説明する。
＜リサージュ図形に基づく絶対変位の検出処理例＞
　図１２は、本例における物理量検出回路の一構成例を示す図である。
　物理量検出回路４１２は、図１２に示すように、周期成分信号及び振幅成分信号を生成するリサージュ生成回路４４３と、相対変位を出力する周期成分演算回路４４４と、絶対変位を出力する振幅成分演算回路４１１と、を有する。
　前記リサージュ生成回路４４３は、第１の光検出器２１から入力される振幅変調信号Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂに基づいて周期成分信号Ｓｗ１を生成し、第２の光検出器２２から入力される振幅変調信号Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂに基づいて周期成分信号Ｓｗ２を生成する。さらに、前記リサージュ生成回路４４３は、第１の光検出器２１から入力される振幅変調信号Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂに基づいて振幅成分信号Ｓａ1を生成し、第２の光検出器２２から入力される振幅変調信号Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂに基づいて振幅成分信号Ｓａ２を生成する。
　ここで、第１の光検出器２１からの振幅変調信号Ｓ１Ａ（ｃｏｓ成分）、Ｓ１Ｂ（ｓｉｎ成分）、及び第２の光検出器２２からの振幅変調信号Ｓ１Ａ（ｃｏｓ成分）、Ｓ１Ｂ（ｓｉｎ成分）は、一定位相差を有する周期ｐの周期信号である。そして、それぞれの振幅変調信号に基づいて描画したリサージュ図形は、図１３に示すように螺旋状の軌跡を描く。
　図１３において、太線で示すリサージュ図形Ｌ１は、第１の光検出器２１からの振幅変調信号Ｓ１Ａ（ｃｏｓ成分）、Ｓ１Ｂ（ｓｉｎ成分）に基づくリサージュ図形である。細線で示すリサージュ図形Ｌ２は、第２の光検出器２２からの振幅変調信号Ｓ２Ａ（ｃｏｓ成分）、Ｓ２Ｂ（ｓｉｎ成分）に基づくリサージュ図形である。
　前記周期成分演算回路４４４は、第１内挿回路４４５と、第２内挿回路４４６と、インクリメンタル信号演算回路４４７と、を備える。
　前記第１内挿回路４４５及び前記第２内挿回路４４６は、入力された周期成分信号Ｓｗ１、Ｓｗ２を、角度情報に変換する。
　具体的には、前記第１内挿回路４４５及び前記第２内挿回路４４６は、例えばリサージュ生成回路４４３から出力された２相のｃｏｓ,ｓｉｎの値からａｒｃｔａｎを直接演算することで、角度情報を取得することができる。また、リサージュ生成回路４４３から出力された信号をアナログ-デジタル変換してアドレスデータを生成し、予め記憶領域に記録されている角度情報をアドレスデータに基づいて参照することで、内挿処理を行っても勿論よい。さらには、分解能によっては、直接アナログ値を用いて、コンパレータなどの簡易な回路素子により、信号を検出して変位を求めても勿論よい。
　前記インクリメンタル信号演算回路４４７は、前記第１内挿回路４４５及び前記第２内挿回路４４６から入力された角度情報を演算処理して誤差成分を排除すると共に、一つ前のタイミングで取得された角度情報との差を演算し、変化量を算出して出力する。
　ここで、「誤差成分を排除する」とは、単に内挿回路４４５，４４６から出力される角度情報の平均値をとるだけでなく、次のような処理を行い、原信号Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂ，Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂの振幅変動による角度情報の誤差を低減させることを意味する。誤差成分の除去処理方法としては、例えば次の３つの例を挙げることができる。
（例１） 原信号の振幅の大きい方に相当する内挿回路４４５，４４６からの角度情報のみ出力する（リサージュ生成回路４４３による処理で振幅変動がある場合又は無くさない場合に適用可能）。
（例２） 原信号の振幅の大きさに応じて、内挿回路４４５，４４６からの角度情報を重み付けして平均化処理する。
（例３） 処理開始時に、誤差分を除去する。
　前記振幅成分演算回路４１１は、基準値に対する絶対変位を演算して出力するデジタル演算部４１０を備える。
　デジタル演算部４１０は、リサージュ生成回路４４３から出力されたリサージュ図形の半径ｒ１、ｒ２について、次の演算を実行することで、絶対変位を算出する。
　すなわち、
（ｒ１－ｒ２）／（ｒ１＋ｒ２）　　　　　　　　…（式１７）
を演算することで、絶対変位を算出する。
　なお、半径の減算を、出力信号の最大値で除算しても絶対変位が求まる。
　すなわち、
（ｒ１－ｒ２）／ｒｍａｘ　　　　　　　　　　　　…（式１８）
を算出することで、絶対変位を算出してもよい。
　なお、絶対位置の算出においては、振幅成分演算回路４１１によってラフな絶対位置を求めた後、該絶対位置と、周期成分演算回路４４４で出力される相対位置と、の両者を併せた情報とすることで、高精度な絶対位置を求めることができる。
　また、例えばコンパレータなどの簡易な回路素子により信号を検出して比較判定することも可能であり、直接アナログ値に基づいて絶対位置を算出しても勿論よい。
　なお、本第１実施形態において、“実効反射率または実効透過率が、漸増または漸減する光学パターン”とは、単にパターンの反射率や透過率が漸増または漸減することに限定されない。すなわち、ここで言う光学パターンとは、スケールに照射された光ビームが当該スケール上の光学パターンにて反射、透過、回折されて、光検出器の受光面上に形成される光学イメージの空間振幅または総光量が変調される光学パターンを全て含むものである。
　以上説明したように、本第１実施形態によれば、絶対位置検出及び相対位置検出の何れにおいても分解能及び安定性を高いレベルで維持しつつ、絶対位置の検出感度の向上及び検出範囲の拡大を実現する光学式変位検出装置を提供することができる。
　更には、本第１実施形態に係る光学式変位検出装置によれば、複数の光検出器と、光源と、を１つのセンサヘッドに集積した構成とし、並列するグレートラック同士の間隔を狭く取ることを可能とし、センサヘッドを全体として小型化し、更にはセンサヘッドとスケールとの位置合わせが容易となる。
　なお、光源１の個数は１個に限られない。すなわち、複数の光源を設けても勿論よい。また、センサヘッドの個数も１個に限られない。すなわち、複数のセンサヘッドを設けても勿論よい。
　例えば、２つのグレートラックの各々に対して、別々に光源とセンサヘッドとを設ける構成としても勿論よい。このように構成する場合、各々のグレートラック及びセンサヘッドに対して別々の光源を利用できるので、グレートラック間の距離配置に自由度が増す。なお、２つの光源の光量に差がある場合であって、高精度検出が要求される場合には、当該光量の差を補正することが望ましい。
　以上、第１実施形態を説明したが、上述した例に限定されるものではなく、本第１実施形態の要旨の範囲内で、種々の変形及び応用が可能なことは勿論である。
　以下、本第１実施形態に係る光学式変位検出装置についての変形例を説明する。
〔第１変形例〕
　本第１変形例は、スケール４上に形成する光学パターンの構成に関する変形例である。図１４は、本第１変形例に係る光学式変位検出装置に特有の変調コードパターンの一構成例を示す斜視図である。
　図１４に示すように、変調コードパターン１５０は、光ビームエリア１１１よりも細かいパターンで所定方向（変位を検出する方向である前記Ｘ方向）に対するエンコードパターン１５７と、楔形状のパターン１５５と、が合成されて構成されている。この構成を採ることで、実効反射率を直線的に漸増或いは漸減するパターンを容易に作成することができる。
〔第２変形例〕
　本第２変形例は、スケール４上に形成する光学パターンの構成に関する変形例である。図１５は、本第２変形例に係る光学式変位検出装置に特有の変調コードパターンの一構成例を示す斜視図である。
　図１５に示すように、変調コードパターン１５０は、光ビームエリア１１１よりも細かいパターンで所定方向（変位を検出する方向である前記Ｘ方向）にエンコードパターン１５７が形成された部材と、楔形状のパターン１５５が形成された部材と、が重ね合わせられて構成されている。この構成を採ることで、実効反射率を直線的に漸増或いは漸減するパターンを容易に作成できる。
〔第３変形例〕
　本第３変形例に係る光学式変位検出装置では、スケール４上に変調コードパターンを設ける代わりに、各光検出器２１，２２との間の幾何学的距離の変化により変調コードパターンと同様の機能を発揮する“変調グレースケールパターン”を、スケール４と一体的に構成して設ける。
　図１６Ａ及び図１６Ｂは、変調グレースケールパターンが設けられたスケール４の一構成例を示す断面図である。詳細には、図１６Ａは図１に示すＢ－Ｂ´における断面図であり、図１６Ｂは図１に示すＣ－Ｃ´における断面図である。
　図１６Ａ及び図１６Ｂに示すように、スケール４のうちセンサヘッド３０に対向する面に、光学パターン５３が所定方向（変位を検出する方向である前記ｘ方向）において所定間隔で設けられて変調グレースケールパターン１５０´が形成されている。
　ここで、スケール４は、Ｂ－Ｂ´断面においてはその厚みがＸ方向に向かって漸増し、Ｃ－Ｃ´断面においてはその厚みがＸ方向に向かって漸減するように構成されている。また、スケール４は、Ｂ－Ｂ´断面における厚みとＣ－Ｃ´断面における厚みとの和が一定値を取るように構成されている。
　上述した構成により、スケール４とセンサヘッド３０との間の幾何学的距離が漸次変化する構成となり、２つの変調グレースケールパターンの変化する実効反射率を互いに逆相で検出することが可能となる。
〔第４変形例〕
　本第４変形例に係る光学式変位検出装置では、スケール４上に変調コードパターンを設ける代わりに、各光検出器２１，２２との間の光学的距離の変化により変調コードパターンと同様の機能を発揮する“変調グレースケールパターン”を、スケール４と一体的に構成して設ける。
　図１７Ａ及び図２２Ｂは、変調グレースケールパターンが設けられたスケール４の一構成例を示す断面図である。詳細には、図１７Ａは図１に示すＢ－Ｂ´における断面図であり、図１７Ｂは図１に示すＣ－Ｃ´における断面図である。
　図１７Ａ及び図１７Ｂに示すように、透明部材であるスケール４のうちセンサヘッド３０に対向する面とは逆の面に、光学パターン５３が所定方向（変位を検出する方向である前記ｘ方向）において所定間隔で設けられて変調グレースケールパターン１５０´が形成されている。
　ここで、スケール４は、Ｂ－Ｂ´断面においてはその厚みがＸ方向に向かって漸増し、Ｃ－Ｃ´断面においてはその厚みがｘ方向に向かって漸減するように構成されている。また、スケール４は、Ｂ－Ｂ´断面における厚みとＣ－Ｃ´断面における厚みとの和が一定値を取るように構成されている。
　ところで、透明部材であるスケール４中における光学的距離と、空気中における光学的距離とは当然ながら異なる。つまり、光源１と、変調グレースケールパターン１５０´を構成する各々の光学パターン５３との幾何学的距離は同じであっても、光学的距離は異なる（上述した構成により、ｘ方向において漸増／漸減する）。
　従って、上述した構成により、スケール４とセンサヘッド３０との間の光学的距離が漸次変化する構成となり、２つの変調グレースケールパターンの変化する実効反射率を互いに逆相で検出することが可能となる。
〔第５変形例〕
　本第５変形例に係る光学式変位検出装置では、スケール上にグレートラックを設ける代わりに、後述する構成によりグレートラックと同様の機能を発揮する変調グレースケールパターンをスケール上に設ける。
　図１８Ａ及び図１８Ｂは、変調グレースケールパターンが設けられたスケール４の一構成例を示す断面図である。詳細には、図１８Ａは図１に示すＢ－Ｂ´における断面図であり、図１８Ｂは図１に示すＣ－Ｃ´における断面図である。
　図１８Ａ及び図１８Ｂに示すように、所定の透過率を有するスケール４のうちセンサヘッド３０に対向する面とは逆の面に、光学パターン５３がスケール４の長手方向において所定間隔で設けられて変調グレースケールパターン１５０´が形成されている。
　ここで、スケール４は、Ｂ－Ｂ´断面においてはその厚みがｘ方向において漸増し、Ｃ－Ｃ´断面においてはその厚みがｘ方向において漸減するように構成されている。また、スケール４は、Ｂ－Ｂ´断面における厚みとＣ－Ｃ´断面における厚みとの和が一定値を取るように構成されている。
　従って、上述した構成により、光学パターン５３とセンサヘッド３０との間の透過率が漸次変化する構成となり、２つの変調グレースケールパターンの変化する実効反射率を互いに逆相で検出することが可能となる。
〔第６変形例〕
　本第６変形例は、スケール４の構成（形状）に関する変形例である。図１９は、本第６変形例に係る光学式変位検出装置に特有のスケール及びセンサヘッドの一構成例を示す斜視図である。
　図１９に示すように、本第６変形例に係る光学式変位検出装置においては、スケール４は円筒形状に構成されている。この円筒形状のスケール４における外周面には、グレートラック５１とグレートラック５２とが互いに並行に設けられている。
　一方、センサヘッド３０は、スケール４におけるグレートラック５１が設けられた位置に対応して第１の光検出器２１が設けられ、グレートラック５２が設けられた位置に対応して第２の光検出器２２が設けられている。そして、これら第１の光検出器２１と第２の光検出器２２との間には光源１が設けられている。
　なお、グレートラック５１とグレートラック５２は、第１の光検出器２１と第２の光検出器２２により、実効反射率が逆相で検出されるように配置・構成されている。
　上述した構成により、２つの変調コードパターンの変化する実効反射率を互いに逆相で検出することが可能となる。
　本第６変形例によれば、円筒形状のスケール４上にグレートラックが形成される為、測定対象の相対的な回転角度と、絶対的な角度と、を共に高精度に検出することができる。
〔第７変形例〕
　本第７変形例に係る光学式変位検出装置では、スケール４上に変調コードパターンを設ける代わりに、各光検出器２１，２２との間の幾何学的距離の変化により変調コードパターンと同様の機能を発揮する“変調グレースケールパターン”を、スケール４と一体的に構成して設ける。
　ここで、第６変形例に係る光学式変位検出装置においてはスケール４を断面が円形である円筒形状に構成しているが、本第７変形例においてはスケール４を、断面が円形ではない筒形状に構成する。
　図２０Ａは、第１の光検出器２１による光検出対象の変調グレースケールパターンが設けられている外周面の位置でスケール４を切断した場合の断面図である。図２０Ｂは、第２の光検出器２２による光検出対象の変調グレースケールパターンが設けられている外周面の位置でスケール４を切断した場合の断面図である。
　図２０Ａ及び図２０Ｂに示すようにスケール４の断面は、第６変形例のスケール４のような半径が一定値の円形形状ではなく、当該スケール４の回転に伴って当該スケール４と前記センサヘッド３０との幾何学的距離が変化していくような形状、すなわち半径が漸次大きくなる／小さくなるような略円形形状に構成されている。
　具体的には、スケール４は、第１の光検出器２１による光検出対象の変調グレースケールパターンが設けられている部位においては、当該スケール４の回転に伴って、当該スケール４と前記センサヘッド３０との幾何学的距離が近くなるように、半径が漸次大きくなる断面形状に構成されている（図２０Ａ参照）。
　一方、第２の光検出器２１２よる光検出対象の変調グレースケールパターンが設けられている部位においては、当該スケール４の回転に伴って、当該スケール４と前記センサヘッド３０との幾何学的距離が遠くなるように、半径が漸次小さくなる断面形状に構成されている（図２０Ｂ参照）。
　また、スケール４は、第１の光検出器２１による光検出対象の変調グレースケールパターンが設けられている部位の断面半径と、第２の光検出器２２による光検出対象の変調グレースケールパターンが設けられている部位の断面半径と、の和が一定値を取るように構成されている。
　上述した構成により、スケール４とセンサヘッド３０との間の幾何学的距離が漸次変化する構成となり、２つの変調グレースケールパターンの変化する実効反射率を互いに逆相で検出することが可能となる。
〔第８変形例〕
　本第８変形例に係る光学式変位検出装置では、スケール４上に変調コードパターンを設ける代わりに、各光検出器２１，２２との間の光学的距離の変化により変調コードパターンと同様の機能を発揮する“変調グレースケールパターン”を、スケール４と一体的に構成して設ける。
　また、本第８変形例においては、第６変形例に係る光学式変位検出装置におけるスケール４（断面が円形である円筒形状）の外周面に対して、図２１Ａ及び図２１Ｂに示すように透明部材９３を設ける。
　図２１Ａは、第１の光検出器２１による光検出対象の変調グレースケールパターンが設けられている外周面の位置でスケール４を切断した場合の断面図である。図２１Ｂは、第２の光検出器２２による光検出対象の変調グレースケールパターンが設けられている外周面の位置でスケール４を切断した場合の断面図である。なお、光学パターンは、図２１Ａ、図２１Ｂにおいて破線９７で示す円周面（楕円形状を呈している円周面）に設けられている。
　具体的には、スケール４は、第１の光検出器２１による光検出対象の変調グレースケールパターンが設けられている部位においては、当該スケール４の回転に伴って光学パターンと前記センサヘッド３０との光学的距離が近くなるように、半径が漸次小さくなる断面形状となるように透明部材９３が設けられている（図２１Ａ参照）。一方、第２の光検出器２２よる光検出対象の変調グレースケールパターンが設けられている部位においては、当該スケール４の回転に伴って、光学パターンと前記センサヘッド３０との光学的距離が遠くなるように、半径が漸次大きくなる断面形状となるように透明部材９３が設けられている（図２１Ｂ参照）。
　また、スケール４は、第１の光検出器２１による光検出対象の変調グレースケールパターンが設けられている部位の断面半径と、第２の光検出器２２による光検出対象の変調コードパターンが設けられている部位の断面半径と、の和が一定値を取るように構成されている。
　ところで、透明部材であるスケール４中における光学的距離は、空気中における光学的距離とは当然ながら異なる。つまり、光源１と各々の光学パターンとの幾何学的距離は同じであっても、光学的距離は異なる（上述した構成により、漸増／漸減する）。
　上述した構成により、変調グレースケールパターンとセンサヘッド３０との間の光学的距離が漸次変化する構成となり、２つの変調グレースケールパターンの変化する実効反射率を互いに逆相で検出することが可能となる。
〔第９変形例〕
　本第９変形例に係る光学式変位検出装置では、スケール４上に変調コードパターンを設ける代わりに、各光検出器２１，２２との間の光透過率の変化により変調コードパターンと同様の機能を発揮する“変調グレースケールパターン”を、スケール４と一体的に構成して設ける。
　また、本第９変形例においては、第６変形例に係る光学式変位検出装置におけるスケール４を、所定の透過率を有する部材９１で構成する。なお、変調グレースケールパターンは、図２２Ａ、図２２Ｂにおいて破線９７で示す円周面（楕円形状を呈している円周面）に設けられている。
　図２２Ａは、第１の光検出器２１による光検出対象の変調グレースケールパターンが設けられている部位でスケール４を切断した場合の断面図である。図２２Ｂは、第２の光検出器２２による光検出対象の変調グレースケールパターンが設けられている部位でスケール４を切断した場合の断面図である。
　具体的には、スケール４は、第１の光検出器２１による光検出対象の変調グレースケールパターンが設けられている部位においては、当該スケール４の回転に伴って光源１からの光の透過率が漸次大きくなるように、半径が漸次小さくなる断面形状となるように形成されている（図２２Ａ参照）。
　一方、第２の光検出器２２による光検出対象の変調グレースケールパターンが設けられている部位においては、当該スケール４の回転に伴って光源１からの光の透過率が漸次小さくなるように、半径が漸次大きくなる断面形状となるように形成されている（図２２Ｂ参照）。
　また、スケール４は、第１の光検出器２１による光検出対象の変調グレースケールパターンが設けられている部位の断面半径と、第２の光検出器２２による光検出対象の変調グレースケールパターンが設けられている部位の断面半径と、の和が一定値を取るように構成されている。
　ところで、所定の透過率を有する部材であるスケール４中における光学的距離は、空気中における光学的距離とは当然ながら異なる。つまり、光源１と各々の光学パターンとの幾何学的距離は同じであっても、光学的距離は異なる（上述した構成により、漸増／漸減する）。
　上述した構成により、変調グレースケールパターンとセンサヘッド３０との間の光の透過率と光学的距離が漸次変化する構成となり、２つの変調グレースケールパターンの変化する実効反射率を互いに逆相で検出することが可能となる。
〔第１０変形例〕
　本第１０変形例は、スケール４の構成（形状）に関する変形例である。図２３は、本第６変形例に係る光学式変位検出装置に特有のスケール及びセンサヘッドの一構成例を示す斜視図である。
　図２３に示すように、本第１０変形例に係る光学式変位検出装置においては、スケール４は円盤形状に構成されている。
　具体的には、この円盤形状のスケール４における円板面には、当該円板面の外周に沿って帯状にグレートラック５１とグレートラック５２とが、実効反射率を互いに逆相で検出することが可能に設けられている。
　一方、センサヘッド３０は、スケール４におけるグレートラック５１が設けられた位置に対応して第１の光検出器２１が設けられ、グレートラック５２が設けられた位置に対応して第２の光検出器２２が設けられている。そして、これら第１の光検出器２１と第２の光検出器２２との間には光源１が設けられている。
　本第１０変形例によれば、円盤形状のスケール４上にグレートラックが形成される為、変位検出対象物の相対的な回転角度と、絶対的な角度と、を共に高精度で検出することができる。
［第２実施形態］
　以下、図面を参照して、本発明の第２実施形態に係る光学式変位検出装置について説明する。なお、説明の重複を避ける為、第１実施形態に係る光学式変位検出装置との相違点のみを説明する。
　第１実施形態に係る光学式変位検出装置との主な相違点の１つは、グレートラックの配置構成である。図２４は、本発明の第２実施形態に係る光学式変位検出装置のスケールの一構成例を示す図である。
　具体的には、上述した第１実施形態に係る光学式変位検出装置においては、スケール４上に２つの変調コードパターンがそれぞれ並行して個別のグレートラック上に形成されているが、本第２実施形態に係る光学式変位検出装置においては、図２４に示すように１つのグレートラック５０上に２つの変調コードパターン５３ａ，５３ｂが直列的に配置されて形成されている。
　換言すれば、本第２実施形態に係る光学式変位検出装置においては、第１の変調コードパターン５３ａと第２の変調コードパターン５３ｂとが直列的に連結されて１つのグレートラック５０上に形成されている。
　詳細には、変位を検出する方向であるｘ方向における所定区間Ｌｇｒａｙにおいて、実効反射率または実効透過率がｘ方向において漸増或いは漸減する第１の変調コードパターン５３ａと、実効反射率または実効透過率が前記第１の変調コードパターン５３ａとはｘ方向に関して鏡面反転するように構成された第２の変調コードパターン５３ｂと、が同一のグレートラック５０上に直列的に形成されている。
　このような構成のスケール４に対応して、第１の変調コードパターン５３ａからの反射光を検出する為の第１のセンサヘッド３０ａと、第２の変調コードパターン５３ｂからの反射光を検出する為の第２のセンサヘッド３０ｂと、がｘ方向における所定区間Ｌｇｒａｙに対応した間隔で設けられている。
　上述した構成により、第１の変調コードパターン５３ａ，第２の変調コードパターン５３ｂからの反射光を、それぞれ第１の光検出器２１と第２の光検出器２２とにより逆相で検出することができる。
　以上説明したように、本第２実施形態によれば、第１実施形態に係る光学式変位検出装置と同様の効果を奏する上に、上述した変調コードパターンの配置構成により、スケール４の更なる小型化を実現した光学式変位検出装置を提供することができる。
　以下、本第２実施形態に係る光学式変位検出装置についての変形例を説明する。
〔第１１変形例〕
　本第１１変形例は、スケール４の構成（形状）に関する変形例である。図２５は、本第１１変形例に係る光学式変位検出装置の一構成例を示す図である。
　本第１１変形例に係る光学式変位検出装置においては、第２実施形態に係る光学式変位検出装置におけるスケール４を、図２５に示すように円筒形状に構成している。この円筒形状のスケール４における外周面には、当該外周面を帯状に一周するように、第１の変調コードパターン５３ａと第２の変調コードパターン５３ｂとが直列的に連結されて１つのトラック上に形成されている。
　一方、第１の変調コードパターン５３ａと第２の変調コードパターン５３ｂとの反射率を逆相で検出する為に、スケール４に対して互いに逆側に配置された第１のセンサヘッド３０ａ及び第２のセンサヘッド３０ｂに、それぞれ第１の光検出器２１と第２の光検出器２２とが設けられている。
　そして、〔第１０変形例〕と同様に、変位を検出する方向であるｘ方向における所定区間Ｌｇｒａｙにおいて、実効反射率または実効透過率がｘ方向において漸増或いは漸減する第１の変調コードパターン５３ａと、実効反射率または実効透過率が前記第１の変調コードパターン５３ａとはｘ方向に対して鏡面反転するように構成された第２の変調コードパターン５３ｂと、が同一のグレートラック５０上に直列的に形成されている。
　上述した構成により、２つの変調コードパターンの変化する実効反射率を互いに逆相で検出することが可能となる。
　本第１１変形例によれば、円筒形状のスケール４上にグレートラックが形成される為、測定対象の相対的な回転角度と、絶対的な角度と、を共に高精度に検出することができる。
〔第１２変形例〕
　本第１２変形例に係る光学式変位検出装置では、スケール４上に変調コードパターンを設ける代わりに、各光検出器２１，２２との間の幾何学的距離の変化により変調コードパターンと同様の機能を発揮する“変調グレースケールパターン”を、スケール４と一体的に構成して設ける。
　ここで、第１１変形例に係る光学式変位検出装置においてはスケール４を断面が円形である円筒形状に構成しているが、本第１２変形例においては、スケール４を断面が円形ではない筒形状に構成する。
　図２６は、外周面における変調グレースケールパターンが設けられている位置でスケール４を切断した場合の断面図である。図２６に示すようにスケール４の断面形状は、第１１変形例のスケール４のような半径が一定値の円形形状ではなく、楕円形状に構成されている。
　換言すれば、断面半径が周期的に漸増／漸減する楕円形状のスケール４の外周面上に変調グレースケールパターンを設けることにより、上述した変調コードパターンと同様の作用効果、すなわち実効反射率または実効透過率がスケール４の回転と共に漸増または漸減するという作用・効果を得ることができる。
　上述した構成により、変調グレースケールパターンとセンサヘッド３０との間の幾何学的距離が漸次変化する構成となり、２つの変調グレースケールパターンの変化する実効反射率を互いに逆相で検出することが可能となる。
〔第１３変形例〕
　本第１３変形例に係る光学式変位検出装置では、スケール４上に変調コードパターンを設ける代わりに、各光検出器２１，２２との間の光学的距離や光透過率の変化により変調コードパターンと同様の機能を発揮する“変調グレースケールパターン”を、スケール４と一体的に構成して設ける。
　すなわち、本第１３変形例においては、第１１変形例に係る光学式変位検出装置におけるスケール４（断面が円形である円筒形状）の外周面９７に対して、図２７に示すように所定の透過率を有する部材９１を設ける。
　図２７は、変調グレースケールパターンが設けられている部位でスケール４を切断した場合の断面図である。図２７に示すように、所定の透過率を有する部材９１を外周面９７上に設けることで、スケール４の断面形状を楕円形状としている。
　ところで、所定の透過率を有する部材９１中における光学的距離は、空気中における光学的距離とは当然ながら異なる。つまり、光源１と各々の変調グレースケールパターンとの幾何学的距離は同じであっても、光学的距離は異なる（上述した構成により、漸増／漸減する）。
　上述した構成により、変調グレースケールパターンとセンサヘッド３０との間の光学的距離が漸次変化する効果と、所定の透過率の部材の厚さが漸増／漸減して光の透過率が変化する効果と、が合算されて、スケールパターンの実効的反射率が漸増／漸減することにより、２つの変調グレースケールパターンの変化する実効反射率を互いに逆相で検出することが可能となる。
〔第１４変形例〕
　本第１４変形例は、スケール４の構成（形状）に関する変形例である。図２８は、本第１４変形例に係る光学式変位検出装置に特有のスケール及びセンサヘッドの一構成例を示す斜視図である。
　図２８に示すように、本第１４変形例に係る光学式変位検出装置においては、スケール４は円盤形状に構成されている。この円盤形状のスケール４における円板面には、当該円板面の円周に沿って帯状に第１の変調コードパターン５３ａと第２の変調コードパターン５３ｂとが連結されて設けられている。換言すれば、第１の変調コードパターン５３ａと第２の変調コードパターン５３ｂとによって、当該円板面を円周に沿って一周するように構成されている。
　詳細には、第１の変調コードパターン５３ａと第２の変調コードパターン５３ｂとは、回転方向において漸増／漸減する実効反射率または実効透過率が、図２８に示す線分Ｃ－Ｃ’に対して互いに鏡面反転した構成となるように形成されている。
　これに対応してセンサヘッドとしては、変調コードパターンの反射率を逆相で検出する為に、第１のセンサヘッド３０ａと第２のセンサヘッド３０ｂとが、円盤形状のスケール４の回転中心に対して互いに反対側に位置するように配置されている。
［第３実施形態］
　以下、図面を参照して、本発明の第３実施形態に係る光学式変位検出装置について説明する。なお、説明の重複を避ける為、第１実施形態に係る光学式変位検出装置との相違点のみを説明する。
　第１実施形態に係る光学式変位検出装置との主な相違点の１つは、スケールの構成である。図２９は、本発明の第３実施形態に係る光学式変位検出装置のスケールの一構成例を示す図である。
　具体的には、本第３実施形態に係る光学式変位検出装置においては、図２９に示すように、第１のグレースケールパターン５５１と、第２のグレースケールパターン５５２と、エンコードパターン５５３と、がスケール４上に並行して配置されている。
　そして、第１のグレースケールパターン５５１に対応する光検出器として第１の光検出器５２１、第２のグレースケールパターン５５２に対応する光検出器として第２の光検出器５２２、及び、エンコードパターン５５３に対応する光検出器として第３の光検出器５２３がセンサヘッド５３０上に設けられている。
　なお、第１の光検出器５２１、第２の光検出器５２２には単一の受光素子が設けられているが、第３の光検出器５２３は、第１実施形態に係る光学式変位検出装置が具備する光検出器と同様に、４群の受光素子アレイを有し、変位検出対象物が変位すると、４群の受光素子アレイからは１／４周期づつ位相がずれた４相の周期信号が出力される。そして、第１実施形態で説明した処理を行うことで、対象の相対変位を安定且つ細かく検出することができる。
　以上説明したように、本第３実施形態によれば、第１実施形態に係る光学式変位検出装置と同様の効果を奏する上に、エンコーダ信号について振幅成分と周期成分とを分離する処理が不要である為、処理回路を簡略化することが可能な光学式変位検出装置を提供することができる。
　以下、本第３実施形態に係る光学式変位検出装置の変形例について説明する。
〔第１５変形例〕
　本第１５変形例は、スケール４の構成に関する変形例である。図３０は、本第１５変形例に係る光学式変位検出装置に特有のスケール及びセンサヘッドの一構成例を示す図である。
　本第１５変形例に係る光学式変位検出装置においては、第１のグレースケールパターン５５１と、第２のグレースケールパターン５５２と、が並行してスケール４上に形成されている。
　そして、センサヘッド５３０は、第１のグレースケールパターン５５１が設けられグレートラック及び第２のグレースケールパターン５５２が設けられたグレートラックに光を照射する光源１と、第１のグレースケールパターン５５１に対応する第１の光検出器５２５と、第２のグレースケールパターン５５２に対応する第２の光検出器５２６と、を有している。
　ここで、本第１５変形例に係る光学式変位検出装置では、第１の光検出器５２５及び第２の光検出器５２６は、複数の受光素子アレーではなく、単一の受光素子により形成されている。
　光源１から出射した光ビームは、スケール４上の第１のグレースケールパターン５５１及び第２のグレースケールパターン５５２で反射され、それぞれ第１の光検出器５２５、第２の光検出器５２６により光量を検出される。
　ここで、第１の光検出器５２５及び第２の光検出器５２６からは、例えば図７に示すような１組の信号が得られ、図３１に示すように変位ｘに対して単調に増加する特性１０５´と、変位ｘに対して単調に減少する特性１０５と、を得ることができる。このようにして得た信号に対して、図８、図９を参照して説明した演算を実行することにより、変位ｘを安定且つ高精度に検出することができる。
　本第１５変形例によれば、予め所定区間を変位させることで出力特性を把握することなく、絶対変位を高精度に検出することができる。
〔第１６変形例〕
　本第１６変形例は、スケール４の構成に関する変形例である。図３２は、本第１６変形例に係る光学式変位検出装置に特有のスケール及びセンサヘッドの一構成例を示す図である。
　本第１６変形例においては、第１５変形例で示したグレースケールパターンのようにパターン表面の反射率自体を変化させるのではなく、パターンの幅を変化させることによって実効的に反射率を変化させる。
　具体的には、図３２に示すように、第１のパターン５６１と第２のパターン５６２とを楔形形状に形成し、且つ、変位方向（ｘ方向）に関して互いに逆向きとなるように配置する。
　なお、センサヘッド３０とスケール４との位置ずれの影響を小さくする為に、第１のパターン５６１の最大幅はスケール４上における光ビームの直径よりも小さくなるように構成することが好ましい。
　本第１６変形例に係る光学式変位検出装置においては、上述した構成を採ることにより、容易にパターン表面の実効反射率を直線的に変化させることができる。これにより、反射率の変化を利用した絶対変位の高精度な検出を可能とする。
　上述した構成により、２つのパターンの変化する実効反射率を互いに逆相で検出することが可能となる。
　以上、第１実施形態乃至第３実施形態に基づいて本発明を説明したが、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
　　４…スケール、　１１…スリット、　２１…第１の光検出器、　２２…第２の光検出器、　３０…センサヘッド、　３０ａ…第１のセンサヘッド、　３０ｂ…第２のセンサヘッド、　５１，５２…グレートラック、　５１´…第１の変調コードパターン、　５２…グレートラック、　５２´…第２の変調コードパターン、　５３…光学パターン、　５３ａ…第１の変調コードパターン、　５３ｂ…第２の変調コードパターン、　８０…光学イメージ、　９３…透明部材、　１０２…ＤＣ成分、　１１１…光ビームエリア、　１５０…変調コードパターン、　１５０´…変調グレースケールパターン、　１５５…パターン、　１５７…エンコードパターン、　２１０…物理量検出回路、　２１２…第２の光検出器、　２２３…同相合成部、　２２４…振幅成分差動演算部、　２２５…前処理回路、　２２６…逓倍処理結果出力部、　２２７…デジタル演算部、　２２８…相対位置出力回路、　２２９…振幅成分演算回路、　４１０…デジタル演算部、　４１１…振幅成分演算回路、　４１２…物理量検出回路、　４４３…リサージュ生成回路、　４４４…周期成分演算回路、　４４５…内挿回路、　４４６…内挿回路、　４４７…インクリメンタル信号演算回路、　５２１…第１の光検出器、　５２２…第２の光検出器、　５２３…第３の光検出器、　５２５…第１の光検出器、　５２６…第２の光検出器、　５３０…センサヘッド、　５５１…第１のグレースケールパターン、　５５２…第２のグレースケールパターン、　５５３…エンコードパターン、　５６１…第１のパターン、　５６２…第２のパターン。

Claims (14)

  1. 　変位検出対象物の所定方向における変位を検出する光学式変位検出装置であって、
    　光ビームを射出する光源(1)と、
    　第１のトラックパターン(51,53a)と、第２のトラックパターン(52,53b)と、が前記所定方向を長手方向として形成されたスケール(4)と、
    　前記光源(1)から射出された光ビームを、前記第１のトラックパターン(51,53a)を介して検出して第１の信号を生成する第１の光検出器(21)と、前記光源(1)から射出された光ビームを、前記第２のトラックパターン(52,53b)を介して検出して第２の信号を生成する第２の光検出器(22)と、を有するセンサヘッド(30)と、
    　前記第１の信号と、前記第２の信号と、に基づいて前記変位を算出する信号処理部(210)と、
    　を具備し、
    　前記スケール(4)又は前記センサヘッド(30)は、前記変位検出対象物に連結され、
    　前記第１の信号及び前記第２の信号は、少なくとも、前記第１の信号と前記第２の信号とを所定演算することにより相殺される第１成分と、前記所定演算後にも残存する前記スケールの絶対変位に対応した第２成分と、を含み、
    　前記第１のトラックパターン(51,53a)、前記第２のトラックパターン(52,53b)、前記第１の光検出器(21)、前記第２の検出器(22)、及び前記光源(1)は、前記第１の検出器(21)による検出と、前記第２の検出器(22)による検出と、が関連付けて実行されるように配置されている
    　ことを特徴とする光学式変位検出装置。
  2. 　前記第１の信号における振幅成分及び／又はＤＣ成分と、前記第２の信号における振幅成分及び／又はＤＣ成分と、の和の値は、諸変動要因により変化し、
    　前記所定演算は、
    　前記第１の信号における振幅成分及び／又はＤＣ成分と、前記第２の信号における振幅成分及び／又はＤＣ成分と、の和の値を変化させる成分を相殺する演算である
    　ことを特徴とする請求項１に記載の光学式変位検出装置。
  3. 　前記第１のトラックパターン(51,53a)と前記第２のトラックパターン(52,53b)とは、前記スケール(4)上に並列して形成されている
    　ことを特徴とする請求項１に記載の光学式変位検出装置。
  4. 　前記光源(1)は、前記第１のトラックパターン(51,53a)に対する距離と、前記第２のトラックパターン(52,53b)に対する距離と、が等しい位置に配置されている
    　ことを特徴とする請求項３に記載の光学式変位検出装置。
  5. 　前記第１のトラックパターン(51,53a)と前記第２のトラックパターン(52,53b)とは、前記スケール(4)上に直列に形成され、
    　前記光源(1)は、前記第１のトラックパターン(51,53a)に対して光ビームを照射する第１の光源(1a)と、前記第２のトラックパターン(52,53b)に対して光ビームを照射する第２の光源(1b)と、から成る
    　ことを特徴とする請求項１に記載の光学式変位検出装置。
  6. 　前記所定方向の所定区間において実効反射率、実効透過率または回折効率が漸増または漸減する光学パターンを、グレースケールパターンと定義し、
    　前記所定方向に対して実効反射率、実効透過率または回折効率のいずれかが所定の空間周期で変化する光学パターンを、エンコードパターンと定義し、
    　前記エンコードパターンと前記グレースケールパターンを重畳した光学特性を有するパターンを、変調コードパターンと定義し、
    　前記グレースケールパターンまたは前記変調コードパターンのいずれかで構成されるトラックを、グレートラックと定義した場合に、
    　前記スケール(4)には、少なくとも第１のグレートラック(51)及び第２のグレートラック(52)が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式変位検出装置。
  7. 　前記スケール(4)には、少なくとも第１の変調コードパターン(53a)及び第２の変調コードパターン(53b)が形成され、
    　前記光源(1)から出射した光が、変調コードパターン(53a,53b)にて透過、反射、または回折され、前記第１の光検出器(21)及び前記第２の光検出器(22)の受光面上において空間周期piの周期模様を形成するように、前記センサヘッド(30)と前記スケール(4)とが配置されており、
    　前記第１の光検出器(21)及び前記第２の光検出器(22)の受光面上には、前記空間周期piの回折模様と同一または前記空間周期piの整数倍の空間周期を有する受光素子アレイが複数形成されており、
    　前記複数の受光素子アレイは、互いに異なる空間位相差で前記回折模様を検出するように、前記所定方向にずらせて配置構成されており、
    　前記第１の光検出器(21)及び前記第２の光検出器(22)における複数の受光素子アレイのうち、前記回折模様の同相部分を受光する受光素子アレイからの出力同士を加算する複数チャンネルの加算演算部(223)と、
    　前記加算演算部(223)の複数チャンネルからの出力を組み合わせて、相対変位を演算する相対位置演算部(228)と、
    　を含むことを特徴とする請求項６に記載の光学式変位検出装置。
  8. 　前記第１のトラックパターン(51,53a)及び前記第２のトラックパターン(52,53b)は、
    　　前記所定方向において濃淡が連続的に漸次変化していく構成、または、前記所定方向において濃淡が離散的に漸次変化していく構成を採る
    　ことを特徴とする請求項６に記載の光学式変位検出装置。
  9. 　前記第１のトラックパターン(51,53a)及び前記第２のトラックパターン(52,53b)は、
    　　前記所定方向において、実効反射率または実効透過率が、漸増または漸減する光学パターンと、
    　　前記所定方向において、反射率、透過率、及び回折特性のうち何れか１つが周期的に変化する光学パターンと、
    　が一体的に又は別体として形成されていることを特徴とする請求項６に記載の光学式変位検出装置。
  10. 　前記第１のトラックパターン(51,53a)及び前記第２のトラックパターン(52,53b)と前記センサヘッド(30)との幾何学的距離あるいは光学的距離、または、前記第１の光検出器(21)及び前記第２の光検出器(22)により検出される光ビームの光路中における透過率、が前記所定方向において漸次変化していく
    　ことを特徴とする請求項６に記載の光学式変位検出装置。
  11. 　前記信号処理部(210)は、
    　　前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて、各々の信号におけるＤＣ成分に係る信号または振幅成分に係る信号を抽出する抽出処理手段(225)と、
    　　前記抽出処理手段により抽出された直流成分または振幅を互いに減算処理することにより、所定区間における前記スケールの絶対変位を算出する絶対変位算出手段(227)と、
    　を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学式変位検出装置。
  12. 　前記第１のトラックパターン(51,53a)及び前記第２のトラックパターン(52,53b)は、
    　実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れか１つが前記所定方向において互いに逆向きに略直線的に増減し、且つ、前記第１の光検出器(21)により検出される前記第１のトラックパターン(51,53a)の実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れかの値と、前記第２の光検出器(22)により検出される前記第２のトラックパターン(52,53b)の実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れかの値と、の和の値が略一定となる光学パターンであり、
    　前記絶対変位算出手段(227)は、
    　前記抽出処理手段(225)により抽出された一組の信号を互いに減算した値と、前記抽出処理手段により抽出された一組の信号を互いに加算した値と、の比を演算することにより、絶対変位を検出する
    　ことを特徴とする請求項１１に記載の光学式変位検出装置。
  13. 　前記第１のトラックパターン及び前記第２のトラックパターンは、
    　実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れか１つが前記所定方向において互いに逆向きに略直線的に増減し、且つ、前記第１の光検出器により検出される前記第１のトラックパターンの実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れかの値と、前記第２の光検出器により検出される前記第２のトラックパターンの実効反射率、実効透過率、及び回折効率のうち何れかの値と、の和の値が略一定となる光学パターンであり、
    　前記絶対変位算出手段(227)は、当該光学式変位検出装置の起動時または所定のタイミングにおいて、前記抽出処理手段(225)により抽出された一組の信号を互いに加算し、該加算結果を参照値として保持または更新する記憶手段を含み、
    　前記絶対変位算出手段(227)は、前記抽出処理手段(225)により抽出された一組の信号を互いに減算した値と、前記参照値と、の比を演算することにより、絶対変位を検出する
    　こと特徴とする請求項１１に記載の光学式変位検出装置。
  14. 　変位検出対象物の所定方向における変位を検出する光学式変位検出装置であって、
    　光ビームを射出する光源(1)と、
    　第１のトラックパターン(51,53a)と、第２のトラックパターン(52,53b)と、が同一面上において前記所定方向を長手方向として形成されたスケール(4)と、
    　前記光源(1)から射出され、前記第１のトラックパターン(51,53a)により反射された光ビームを検出して第１の信号を生成する第１の光検出器(21)と、前記光源(1)から射出され、前記第２のトラックパターン(52,53b)により反射された光ビームを検出して第２の信号を生成する第２の光検出器(22)と、を有するセンサヘッドと、
    　前記第１の信号と、前記第２の信号と、に基づいて前記変位を算出する信号処理部(210)と、
    　を具備し、
    　前記スケール(4)又は前記センサヘッド(30)は、前記変位検出対象物に連結され、
    　前記第１の信号及び前記第２の信号は、少なくとも、前記第１の信号と前記第２の信号とを所定演算することにより相殺される第１成分と、前記所定演算後にも残存する任意の位置に特有の第２成分と、を含み、
    　前記第１のトラックパターン(51,53a)、前記第２のトラックパターン(52,53b)、前記第１の光検出器(21)、前記第２の検出器(22)、及び前記光源(1)は、前記第１の検出器(21)による検出と、前記第２の検出器(22)による検出と、が関連付けて実行されるように配置されている
    　ことを特徴とする光学式変位検出装置。
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