光学式信号出力装置の信号処理装置及び光学式変位検出装置
【課題】位置検出の分解能及び安定性を広い変位検出範囲に渡って高いレベルで維持しつつ且つスケール上の欠陥等の影響による信頼度をもチェックできる光学式信号出力装置の信号処理装置及びそのような信号処理装置を備えた光学式変位検出装置を提供すること。
【解決手段】スケール５０上に形成され、変位検出対象物の変位方向Ｘに沿って実効反射率が漸増する光学特性を有するグレートラック５１に光ビーム６１を照射して得られる第１の信号群の振幅成分と変位検出対象物の変位方向Ｘに沿って実効反射率が漸減する光学特性を有するグレートラック５２に光ビーム６２を照射して得られる第２の信号群の振幅成分との和と第１の信号群の振幅成分と第２の信号群の振幅成分の差との比から変位検出対象物の絶対変位を求める。また、第１の信号群の振幅成分と第２の信号群の振幅成分の和から光学式信号出力装置が正常であるか否かを判定する。
【解決手段】スケール５０上に形成され、変位検出対象物の変位方向Ｘに沿って実効反射率が漸増する光学特性を有するグレートラック５１に光ビーム６１を照射して得られる第１の信号群の振幅成分と変位検出対象物の変位方向Ｘに沿って実効反射率が漸減する光学特性を有するグレートラック５２に光ビーム６２を照射して得られる第２の信号群の振幅成分との和と第１の信号群の振幅成分と第２の信号群の振幅成分の差との比から変位検出対象物の絶対変位を求める。また、第１の信号群の振幅成分と第２の信号群の振幅成分の和から光学式信号出力装置が正常であるか否かを判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位検出対象物の変位を検出するための光学式信号出力装置からの信号を処理する信号処理装置、及びこのような信号処理装置を備えて変位検出対象物の変位を検出する光学式変位検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
変位検出対象物の変位を検出する光学式変位検出装置に関連する技術として、例えば特許文献１には次のような技術が開示されている。即ち、特許文献１においては、被検体に一定の間隔でスリット又は反射面を列設し、このスリット又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、スリット又は反射面の径方向の長さを時計回りに順次大きくなるように構成している。
【０００３】
図１４は、特許文献１の光電式検出装置（光学式変位検出装置）の光学式信号出力装置に係る部分を示す側面図である。図１４に示すように、光源１から出射した光ビームＢは、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。
【０００４】
また、図１５は、特許文献１の光電式検出装置におけるスケール４の平面図である。図１５に示すように、スケール４に設けられているスリットの径方向の長さは、図１５において矢印で示されている回転方向に対し、基準位置Ａ又はＢを基準に一定の間隔で増大又は減少（図は増大の例を示している）させられている。
【０００５】
さらに、図１６は、特許文献１の光電式検出装置における光検出器の出力信号を示す図である。図１６に示すグラフでは、横軸に被検体の変位（回転角）を取り、縦軸に光検出器２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。この場合、図１６に示すように光検出器からの出力信号は、振幅が徐々に減少するような特性となる。このような特性を有する出力信号を信号処理装置において適切に演算することにより、被検体の回転速度を検出することができる。また、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。
【０００６】
なお、特許文献１には明記されてないが、上述した構成においては、回転変位に対する出力信号の振幅又は直流（ＤＣ）成分の大きさを予め調べておくことにより、出力信号の振幅又は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もできる。このようにして、特許文献１に開示されている光電式検出装置では、被検体の動きに伴って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ことが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭４８−７８９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特許文献１に開示されている技術において、光検出器２からの出力信号は、光源１やスケール４の光学的配置や光源の出力変動、さらにはスケール４の欠陥等に大きく影響されるＤＣ成分を有している。ここで、絶対位置の検出感度を向上させるために或いは絶対位置の検出範囲を拡げるために、スリット等の開口長さを小さくする場合を考える。この場合には、スリット等の開口長さの最小値を小さくする程、出力信号の振幅が減少する。したがって、光検出器２からの出力信号における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箇所では検出性能（分解能、安定性）が低下してしまう。
【０００９】
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、回転変位に対する光検出器２の出力信号の振幅特性を予め調べておく必要がある。ここで、回転変位に対する出力信号の振幅の特性は、例えば周囲環境、センサの取り付けガタ、経時変化、さらにはスケール上の欠陥等に起因して変化する。このため、その検出精度とその信頼性は極めて低い。
【００１０】
本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものであり、位置検出の分解能及び安定性を広い変位検出範囲に渡って高いレベルで維持しつつ且つスケール上の欠陥等の影響による信頼度をもチェックできる光学式信号出力装置の信号処理装置及びそのような信号処理装置を備えた光学式変位検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様の光学式信号出力装置の信号処理装置は、変位検出対象物に連結された光学式信号出力装置から出力され前記変位検出対象物の所定方向の変位に伴って振幅又は直流成分が漸増する第１の信号群と前記光学式信号出力装置から出力され前記変位検出対象物の前記所定方向の変位に伴って振幅又は直流成分が漸減し且つ前記第１の信号群に対して逆相となる第２の信号群とに対して第１の所定演算をすることにより、前記光学式信号出力装置が正常状態の時に所定特性となる第１成分を抽出する第１の信号処理部と、前記第１の信号群と前記第２の信号群に対して第２の所定演算をすることにより、前記変位検出対象物の任意の位置に特有の第２成分を含む出力を前記変位検出対象物の変位として抽出する第２の信号処理部と、を具備することを特徴とする。
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明の第２の態様の光学式変位検出装置は、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変位検出対象物の変位方向に平行な方向が長手方向となるように形成されたスケールと、前記スケールに対して光ビームを照射する光源と、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することで前記変位検出対象物の所定方向の変位に伴って振幅又は直流成分が漸増する第１の信号群を生成する第１の光検出器及び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することで前記変位検出対象物の前記所定方向の変位に伴って振幅又は直流成分が漸減し且つ前記第１の信号群に対して逆相となる第２の信号群を生成する第２の光検出器を有するセンサヘッドと、を具備し、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の光検出器、及び前記光源はそれぞれ前記第１の光検出器による検出と前記第２の光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光学式信号出力装置と、前記第１の信号群と前記第２の信号群とに対して第１の所定演算をすることにより、前記光学式信号出力装置が正常状態の時に所定特性となる第１成分を抽出する第１の信号処理部と、前記第１の信号群と前記第２の信号群に対して第２の所定演算をすることにより、前記変位検出対象物の任意の位置に特有の第２成分を含む出力を前記変位検出対象物の変位として抽出する第２の信号処理部と、を具備する信号処理装置と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、位置検出の分解能及び安定性を広い変位検出範囲に渡って高いレベルで維持しつつ且つスケール上の欠陥等の影響による信頼度をもチェックできる光学式信号出力装置の信号処理装置及びそのような信号処理装置を備えた光学式変位検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光学式変位検出装置の構成を示す斜視図である。
【図２】信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における同相成分除去部の出力特性の一例を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における振幅成分演算回路の出力特性の一例を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における加算回路及び減算回路の出力特性の一例を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態における加算回路の出力と減算回路の出力との比の特性を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態における同相加算回路の出力特性の一例を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施形態におけるリサージュ生成回路で生成されるリサージュ図形の一例を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施形態において光学式信号出力装置が非正常状態のときの同相成分除去部の出力特性の一例を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る光学式変位検出装置の構成を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態における受光素子の出力特性の一例を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態における加算回路及び減算回路の出力特性の一例を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態における加算回路の出力と減算回路の出力との比の特性を示す図である。
【図１４】従来例の光電式検出装置の光学式信号出力装置に係る部分を示す側面図である。
【図１５】従来例の光電式検出装置におけるスケールの平面図である。
【図１６】従来例の光電式検出装置における光検出器の出力信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
［第１の実施形態］
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学式変位検出装置の構成を示す斜視図である。
【００１６】
図１に示すように、光学式変位検出装置１０は、センサヘッド３０及びスケール５０を含む光学式信号出力装置と、信号処理装置７０とを有している。ここで、センサヘッド３０とスケール５０とは、一方が所定方向に変位可能な変位検出対象物に連結され、他方が基準面に連結されている。本実施形態においては、変位検出対象物の変位方向を図１に示すＸ軸に沿った方向（Ｘ方向）とする。勿論、変位検出対象物の変位方向を図１に示すＹ軸に沿った方向やＺ軸に沿った方向としても良い。さらには、変位検出対象物の変位方向を図１に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸回りの回転方向としても良い。
【００１７】
センサヘッド３０は、光源３１と、第１の光検出器３２と、第２の光検出器３３とを有している。そして、光源３１と、第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３の受光面とはスケール５０と対向して且つ平行となるように配置されている。
【００１８】
光源３１は、光源（例えばレーザダイオード）とスリットを有する本体とを備え、光源からの光ビームを、スリットを介してスケール５０に向けて照射する。本実施形態における光源３１は、スリットを介して２方向に光ビームを照射可能になされている。図１では一方の光ビームを参照符号６１、他方の光ビームを参照符号６２で示している。
【００１９】
第１の光検出器３２はスケール５０に向けて出射されスケール５０で反射された光ビーム６１を電気信号に変換するための複数の受光素子（例えばフォトダイオード）を有してなる受光素子アレイが４群形成された受光面を有している。また、第２の光検出器３３はスケール５０に向けて出射されスケール５０で反射された光ビーム６２を電気信号に変換するための複数の受光素子を有してなる受光素子アレイが４群形成された受光面を有している。ここで、各群の受光素子アレイを構成する受光素子は、スケール５０からの反射光によって第１の光検出器３２、第２の光検出器３３のそれぞれに形成される光学イメージ（回折模様）の空間周期ｐｉと同一の空間周期で形成されている。さらに、各群の受光素子アレイはｐｉ/４だけずらして形成されている。ここで、図１においては、各群の受光素子アレイを構成する受光素子を、光学イメージの空間周期ｐｉと同一の空間周期で形成している。実際には、各群の受光素子アレイを構成する受光素子を光学イメージの空間周期ｐｉの正の整数倍（１、２、３、…、）の空間周期で形成して良い。
【００２０】
また、図１において、第１の光検出器３２を構成する４群の受光素子アレイはそれぞれ出力端子ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１を介して信号処理装置７０に接続されている。さらに、第２の光検出器３３を構成する４群の受光素子アレイはそれぞれ出力端子ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２を介して信号処理装置７０接続されている。
【００２１】
スケール５０は、変位対象物の変位方向（図１の例ではＸ方向）が長手方向となるように形成されている。そして、スケール５０のセンサヘッド３０と対向する側の面には、第１のトラックパターンの一例としてのグレートラック５１と、第２のトラックパターンの一例としてのグレートラック５２とが形成されている。
【００２２】
ここで、以下に説明するトラックパターンに係る用語の定義を行う。まず、スケール５０の変位方向に沿った所定区間において実効反射率、実効透過率、回折効率の何れかが漸増又は漸減する光学パターンを「グレースケールパターン」と定義する。また、スケール５０の変位方向に対して実効反射率、実効透過率、回折効率の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」と定義する。また、エンコードパターンとグレースケールパターンとを重畳してなる光学特性を有するパターンを「変調コードパターン」と定義する。さらに、グレースケールパターンと変調コードパターンの何れかで構成されるトラックを「グレートラック」と定義する。
【００２３】
上述のような定義に対し、図１に示すグレートラック５１、５２はそれぞれが変調コードパターンのみで構成されているものである。そして、グレートラック５１の変調コードパターンにおいては、図１のＸ方向に沿って空間周期ｐｓ毎に実効反射率が漸増するように複数の異なる実効反射率を有するエンコードパターン５３が形成されている。また、グレートラック５２の変調コードパターンにおいては、図１のＸ方向に沿って空間周期ｐｓ毎に実効反射率が漸減するように複数の異なる実効反射率を有するエンコードパターン５３が形成されている。このようにして、グレートラック５１とグレートラック５２とを構成することにより、グレートラック５１を構成する変調コードパターンとグレートラック５２を構成する変調コードパターンとは実効反射率が鏡面反転した光学特性を有するものとなる。
【００２４】
なお、グレートラック５１、５２の構成は、図１に示した構成に限定されるものではない。例えば、図１のグレートラック５１、５２の構成は、光源３１から出射された光ビーム６１、６２のスケール５０からの反射光を第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３で検出する反射型の光学式信号出力装置の場合の構成例を示している。これに対し、光源３１からスケール５０に対して出射された光ビーム６１、６２の透過光を第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３で検出する透過型の光学式信号出力装置の場合には、グレートラック５１の変調コードパターンとグレートラック５２の変調コードパターンとには実効透過率が鏡面反転するように光学特性を持たせる。この他、本実施形態においては、スケール５０に照射した光ビーム６１、６２の反射光、透過光、又は回折光により第１の光検出器３２又は第２の光検出器３３の受光面上に形成される光学イメージの空間振幅又は総光量が変調される各種のグレートラックの構成を適用可能である。
【００２５】
信号処理装置７０は、第１の光検出器３２と第２の光検出器３３からそれぞれ出力される信号を処理して変位検出対象物の変位を検出する。図２は、信号処理装置７０の構成を示すブロック図である。図２に示す信号処理装置７０は、同相成分除去部７１、７２と、前段の信号処理部７３と、後段の信号処理部７４とを有している。
【００２６】
同相成分除去部７１は、第１の光検出器３２の出力端子ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１からそれぞれ出力される信号（第１の信号群）ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１のうちで互いに１/２周期位相の異なる信号同士の差を演算することにより、同相のオフセット成分やノイズを除去する。また、同相成分除去部７２は、第２の光検出器３３の出力端子ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２からそれぞれ出力される信号（第２の信号群）ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２のうちで互いに１/２周期位相の異なる信号同士の差を演算することにより、同相のオフセット成分やノイズを除去する。
【００２７】
前段の信号処理部７３は、同相成分除去部７１の出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１と同相成分除去部７２の出力信号Ｖａ２、Ｖｂ２とを用いて第１の所定演算等を行う。この前段の信号処理部７３は、振幅成分演算回路７３１と、加算回路７３２と、減算回路７３３と、告知部７３４と、所定特性記憶部７３５と、同相加算回路７３６とを有している。なお、加算回路７３２は、「第１の信号処理部」の一例として機能する。
【００２８】
振幅成分演算回路７３１は、同相成分除去部７１、７２の出力を用いて第１の光検出器３２からの信号の振幅成分Ｖｐｐ１と第２の光検出器３３からの信号の振幅成分Ｖｐｐ２とをそれぞれ演算する。
【００２９】
加算回路７３２は、第１の所定演算として、第１の光検出器３２からの信号の振幅成分Ｖｐｐ１と第２の光検出器３３からの信号の振幅成分Ｖｐｐ２との和（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）を演算する。また、減算回路７３３は、第１の光検出器３２からの信号の振幅成分Ｖｐｐ１と第２の光検出器３３からの信号の振幅成分Ｖｐｐ２との差（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）を演算する。
【００３０】
告知部７３４は、加算回路７３２の出力信号（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）に基づいて光学式信号出力装置であるセンサヘッド３０やスケール５０が正常状態であるか否かを判定し、この判定結果を例えば表示出力によって告知する。所定特性記憶部７３５は、光学式信号出力装置であるセンサヘッド３０やスケール５０が正常状態であるか否かを告知部７３４において判定するための所定特性を記憶している。
【００３１】
同相加算回路７３６は、複数の入力チャンネルを有し、同相成分除去部７１の出力Ｖａ１、Ｖｂ１と同相成分除去部７２の出力Ｖａ２、Ｖｂ２との同相成分同士を加算する。
【００３２】
後段の信号処理部７４は、前段の信号処理部７３で演算された結果を用いて変位を算出するための第２の所定演算等を行う。この後段の信号処理部７４は、絶対変位演算回路７４１と、リサージュ生成回路７４２とを有している。
【００３３】
なお、後段の信号処理部７４の絶対変位演算回路７４１、リサージュ生成回路７４２、及び前段の信号処理部７３の振幅成分演算回路７３１、加算回路７３２、減算回路７３３、同相加算回路７３６が、「第２の信号処理部」の一例として機能する。
【００３４】
絶対変位演算回路７４１は、加算回路７３２の出力と減算回路７３３の出力とを用いて変位検出対象物の絶対変位ｘを演算するための演算を行う。相対変位演算部の一例としてのリサージュ生成回路７４２は同相加算回路７３６の出力を用いてリサージュ図形を生成し、このリサージュ図形から変位検出対象物の相対変位に対応したθを演算する。
【００３５】
以下、図１に示す光学式変位検出装置１０の動作について説明する。なお、理解を容易にするために、まずは、光学式信号出力装置が正常状態であるときの光学式変位検出装置１０の動作について説明する。ここで、本実施形態における「光学式信号出力装置の正常状態」とは、スケール５０上のグレートラック５１又は５２にゴミや傷等の物理的な欠陥や各種の使用上の欠陥が存在していない状態を言うものとする。一方、「光学式信号出力装置の非正常状態」とは、スケール５０上のグレートラック５１又は５２にゴミや傷等の物理的な欠陥や各種の使用上の欠陥が存在している状態を言うものとする。
【００３６】
まず、光学式信号出力装置としてのセンサヘッド３０とスケール５０による信号出力動作について説明する。図１に示す構成において、光源３１から出射された光ビーム６１、６２はスケール５０に形成されたグレートラック５１、５２に照射される。そして、グレートラック５１に照射された光ビーム６１はグレートラック５１で反射される。これにより、第１の光検出器３２の受光素子上にグレートラック５１を構成する変調コードパターンに対応した光学イメージ（回折模様）が形成される。同様に、グレートラック５２に照射された光ビーム６２はグレートラック５２で反射される。これにより、第２の光検出器３３の受光素子上にグレートラック５２を構成する変調コードパターンに対応した光学イメージが形成される。
【００３７】
ここで、変調コードパターンに対応した光学イメージについて説明する。まずは、変調コードパターン中のあるエンコードパターン５３に対応した光学イメージについて説明する。ここで、本実施形態においては多様な光学イメージの生成原理が適用可能である。以下の説明では、典型的な例として、点光源構成による検出原理（Talbotイメージ）を用いた光学イメージの生成原理について説明する。
【００３８】
まず、図１において、光源３１が点光源であるとし、さらに光源３１とスケール５０上のエンコードパターン５３とのＺ方向距離をＺ１、第１の光検出器３２又は第２の光検出器３３の受光面（受光素子で構成される面）とスケール５０上のエンコードパターン５３とのＺ方向距離をＺ２、スケール５０上のエンコードパターン５３の空間周期をｐｓとする。
【００３９】
このような前提において、光源３１からあるエンコードパターン５３に光ビーム６１、６２が照射されると、これら照射された光ビーム６１、６２はそれぞれエンコードパターン５３で反射される。これにより第１の光検出器３２、第２の光検出器３３の受光面上に空間周期ｐｉの周期的な光学イメージが形成される。この場合、Talbotイメージにおいては、以下の（式１）で示す関係が成立する。
ｐｉ＝ｐｓ・（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ１ （式１）
なお、第１の光検出器３２、第２の光検出器３３の受光面上に空間周期ｐｉの周期的な光学イメージがクリアに形成されるためには、ｐｉ、ｐｓ、Ｚ１、Ｚ２、及び光源３１の光波長λをTalbot光学イメージの形成条件に合致させる必要がある。しかしながら、本実施形態においては光学イメージの生成原理がTalbotイメージに限定されないのでｐｉ、ｐｓ、Ｚ１、Ｚ２、及び光源３１の光波長λの詳細な決定手法については説明を省略する。
【００４０】
上述したように、第１の光検出器３２、第２の光検出器３３にはエンコードパターン５３の空間周期ｐｉに相当する空間周期で受光素子アレイが４群形成されており、各群は空間周期方向に沿ってｐｉ/４だけずらして配置されている。即ち、受光面上に空間周期ｐｉを持って形成された光学イメージに対し、各群の受光素子アレイは１/４周期ずつずれた空間位相差を持って光を検出する。したがって、第１の光検出器３２の各受光素子アレイの出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１は電気角で９０度（即ち１/４周期）ずつずれた周期信号となる。同様に、第２の光検出器３３の受光素子アレイの出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２も電気角で９０度ずつずれた周期信号となる。
【００４１】
次に、変位検出対象物がＸ方向に変位したときの変調コードパターンに対応した受光素子アレイの出力信号について説明する。上述したように、グレートラック５１は、変調コードパターンとして、Ｘ方向に沿って実効反射率が漸増するような光学特性を有している。また、グレートラック５２は、Ｘ方向に沿って実効反射率が漸減するような光学特性を有している。ここで、変位検出対象物がＸ方向にｐｓだけ変位すると、光源３１からの光ビーム６１、６２がｐｓだけずれた位置のエンコードパターン５３に照射される。そして、ｐｓだけずれた位置のエンコードパターン５３からの反射光に基づく光学イメージが第１の光検出器３２、第２の光検出器３３の受光面上に形成される。このため、第１の光検出器３２の各群の受光素子アレイからの出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１は振幅が増加する。一方、第２の光検出器３３の各群の受光素子アレイからの出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２は振幅が減少する。即ち、変位検出対象物がＸ方向にｐｓだけ変位する毎に、第１の光検出器３２の各群の受光素子アレイの出力端子ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１からは９０度（即ち１/４周期）ずつの位相差を有し且つ振幅が漸増する特性を有する周期信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１が出力され、第２の光検出器３３の各群の受光素子アレイの出力端子ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２からは９０度（即ち１/４周期）ずつの位相差を有し且つ振幅が漸減する特性を有する周期信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２が出力される。このようにして、出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１の振幅の特性に対して出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の振幅の特性は逆相の特性となる。
【００４２】
次に、信号処理装置７０における信号処理動作について説明する。
まず、同相ノイズ成分の除去について説明する。まず、同相成分除去部７１において、第１の光検出器３２からの出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１のうちで互いに１/２周期（１８０度）位相の異なる信号同士の差が演算される。即ち、同相成分除去部７１においては以下の（式２）で示す演算が行われる。
Ｖａ１＝ＶＡ１−ＶＡＢ１
Ｖｂ１＝ＶＢ１−ＶＢＢ１ （式２）
同様に、同相成分除去部７２において、第２の光検出器３３からの出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２のうちで互いに１/２周期（１８０度）位相の異なる信号同士の差が演算される。即ち、同相成分除去部７２においては以下の（式３）で示す演算が行われる。
Ｖａ２＝ＶＡ２−ＶＡＢ２
Ｖｂ２＝ＶＢ２−ＶＢＢ２ （式３）
このような同相成分除去部７１、７２の動作により、同相成分除去部７１からは図３（ａ）に示すような９０度（すなわち１/４周期）の位相差を有する信号Ｖａ１、Ｖｂ１が得られ、同相成分除去部７２からは図３（ｂ）に示すような９０度（すなわち１/４周期）の位相差を有する信号Ｖａ２、Ｖｂ２が得られる。
【００４３】
次に、信号処理装置７０における変位対象物の絶対変位の検出について説明する。まず、振幅成分演算回路７３１において、図３（ａ）に示すようにして得られた信号Ｖａ１、Ｖｂ１の振幅成分Ｖｐｐ１と図３（ｂ）に示すようにして得られた信号Ｖａ２、Ｖｂ２の振幅成分Ｖｐｐ２とがそれぞれ演算される。上述したように、グレートラック５１の変調コードパターンは図１のＸ方向に沿って実効反射率が漸増するような光学特性を有し、また、グレートラック５２の変調コードパターンは図１のＸ方向に沿って実効反射率が漸減するような光学特性を有している。このため、第１の光検出器３２から出力される信号の振幅成分Ｖｐｐ１は、図４に示すように、変位量ｘに対して単調増加の特性１０４を有する。一方、第２の光検出器３３から出力される信号の振幅成分Ｖｐｐ２は、図４に示すように、変位量ｘに対して単調減少の特性１０５を有する。なお、図４に示す振幅成分Ｖｐｐ１、Ｖｐｐ２はそれぞれ（式４）、（式５）に示す関係で定義される。
Ｖｐｐ１＝ａ・ｘ （式４）
Ｖｐｐ２＝−ａ・（ｘ−Ｌｇｒａｙ） （式５）
ここで、Ｌｇｒａｙはグレートラック５１、５２において実効反射率が変化する所定区間の長さであり、ａは変位検出対象物が単位距離だけ変位した際の振幅成分Ｖｐｐ１の変化量（即ち図４に示すＶｐｐ１の傾き）である。なお、Ｖｐｐｍａｘを所定区間において第１の光検出器３２、第２の光検出器３３からそれぞれ出力される信号の最大振幅とすると、傾きａは以下の（式６）によって求めることができる。
ａ＝Ｖｐｐｍａｘ／Ｌｇｒａｙ （式６）
振幅成分演算回路７３１における振幅成分の演算の後、加算回路７３２においてＶｐｐ１とＶｐｐ２の和が演算され、また減算回路７３３においてＶｐｐ１とＶｐｐ２の差が演算される。これらの演算結果を以下の（式７）、（式８）に示す。
【００４４】
Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２＝ａ・Ｌｇｒａｙ＝Ｖｐｐｍａｘ （式７）
Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２＝２ａ・ｘ−ａ・Ｌｇｒａｙ （式８）
（式７）の特性を図５の特性１０６で、（式８）の特性を図５の特性１０７でそれぞれ示す。図５の特性１０６で示すように、Ｖｐｐ１とＶｐｐ２の和として第１の成分は変位量ｘに依存しない略一定値Ｖｐｐｍａｘとなる。
【００４５】
ここで、第２の所定演算として、（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）と（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）の比を演算すると、図６の参照符号１０８で示す特性が得られる。この特性を数式で示すと以下の（式９）となる。
（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）／（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）＝２／Ｌｇｒａｙ・ｘ−１
（式９）
（式９）をｘについて解いた結果は（式１０）となる。
ｘ＝Ｌｇｒａｙ・（（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）／（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）＋１）／２
（式１０）
（式１０）から分かるように、予めＬｇｒａｙを測定しておきさえすれば絶対変位演算回路７４１において変位量ｘを検出することができる。また、（式９）に示すように、（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）／（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）は、最大振幅Ｖｐｐｍａｘや傾きａに依存しない値である。また、Ｌｇｒａｙはスケール５０の設計段階で決定される固定値である。このため、光学式変位検出装置１０の動作中にＶｐｐｍａｘやａが変動しても（式１０）の変位量ｘは変化しない。また、（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）の値や（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）の値も光源３１の光量変動や光源３１とスケール５０の配置状態等の要因によって変動する可能性はあるが、第１の実施形態では（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）と（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）との比を取ることによりこれらの変動成分をキャンセルすることができる。したがって、安定して変位量ｘを検出することができる。
【００４６】
本実施形態においては、第２の所定演算の後に変位にのみ依存する第２成分が抽出される。ここで、第２成分とは、典型的には、上述の（式９）や（式１０）で示す関係が該当するが、所定演算を行った後に変位のみに依存する値が得られるのであれば種々の値を第２成分として用いることが可能である。
【００４７】
次に、信号処理装置７０における変位対象物の相対変位の検出について説明する。まず、同相加算回路７３６において、図４（ａ）、図４（ｂ）に示す１/４周期の位相差を有する２組の信号が同相信号毎に加算される。即ち、同相加算回路７３６においては以下の（式１１）で示す演算が行われる。
Ｖａ＝Ｖａ１＋Ｖａ２
Ｖｂ＝Ｖｂ１＋Ｖｂ２ （式１１）
このような同相加算回路７３６からは図７に示すような９０度（すなわち１/４周期）の位相差を有する信号Ｖａ、Ｖｂが得られる。
【００４８】
同相加算回路７３６における演算の後、リサージュ生成回路７４２においてリサージュ図形が生成される。図８はリサージュ生成回路７４２において生成されるリサージュ図形の例を示した図である。図８に示すように、リサージュ図形は一定の半径で回転する円になり、この円周上の位相角θが空間周期ｐｓ内での変位量ｘに相当するものとなる。
【００４９】
次に、光学式信号出力装置が非正常状態であるときの光学式変位検出装置１０の動作について説明する。ここでは一例として、図２に示すように、グレートラック５１上にゴミ１００が付着していた場合を考える。この場合、ゴミ１００によって光ビーム６１の反射が阻害されるため、第１の光検出器３２の受光素子アレイに入射する光の光量も低下する。したがって、第１の光検出器３２からの信号の振幅Ｖｐｐ１の特性も図９（ａ）に示すように、ゴミ１００の位置において振幅強度が低下するような特性に変化する。これに対し、第２の光検出器３３からの信号の振幅Ｖｐｐ２の特性は図９（ｂ）に示すように、図３（ｂ）と同じ特性である。
【００５０】
この結果、加算回路７３２の出力である（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）の特性も図５の特性１０６’で示すように、ゴミ１００の位置に対応した部分１０６ａにおいて窪みが生じる。また、減算回路７３３の出力である（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）の特性も図５の特性１０７’で示すように、ゴミ１００の位置に対応した部分においてレベルの低下が生じる。結果として、（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）と（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）との比の特性も図６の特性１０８’で示すように、ゴミ１００の位置に対応した部分においてレベルの低下が生じる。
【００５１】
上述したように、光学式信号出力装置が正常状態であるときには（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）は図５の特性１０６で示すように略一定となる。したがって、加算回路７３２の出力（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）を、光学式信号出力装置が正常状態のときの加算回路７３２の出力（ａ・Ｌｇｒａｙ＝Ｖｐｐｍａｘ）と比較することにより、光学式信号出力装置が正常状態であるか否かを判定することができる。
【００５２】
このような比較が告知部７３４において行われる。告知部７３４では、所定特性記憶部７３５に予め記憶しておいた所定値Ｖｐｐｍａｘと加算回路７３２から出力される（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）との比較が行われる。そして、Ｖｐｐｍａｘと（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）との差異が一定未満のときには、光学式信号出力装置が正常状態である旨が例えば表示出力によって告知される。一方、Ｖｐｐｍａｘと（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）との差異が一定以上となった時点で、光学式信号出力装置が非正常状態である旨が例えば表示出力によって告知される。なお、（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）との差異の程度によりゴミ１００の付着による検出精度への影響の程度を検出することもできる。したがって、Ｖｐｐｍａｘと（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）との差異の程度に基づいて告知部７３４においてゴミ１００の付着による検出精度の影響を告知できるようにしても良い。
【００５３】
ここで、告知部７３４における比較には各種の変形例が適用できる。「光学式信号出力装置が正常状態の時に所定特性となる第１成分」は正常時と異常時の判別が容易な指標であれば良い。したがって、例えば、図４に示す正常時の振幅成分の特性１０４、１０５を予め記憶しておき、この特性１０４、１０５と振幅成分演算回路の出力Ｖｐｐ１、Ｖｐｐ２をそれぞれ比較するようにしても良い。この他、減算回路７３３の出力や絶対変位演算回路７４１の出力を比較に用いるようにしても良い。
【００５４】
以上説明したように、第１の実施形態によれば、変位検出対象物の変位方向に沿って実効反射率が漸増する光学特性を有する変調コードパターンで構成されるグレートラック５１と変位検出対象物の変位方向に沿って実効反射率が漸減する光学特性を有する変調コードパターンで構成されるグレートラック５２とが形成されたスケール５０に光ビーム６１、６２を照射し、グレートラック５１、５２からの反射光を第１の光検出器３２と第２の光検出器３３とで個別に検出している。そして、第１の光検出器３２からの出力信号と第２の光検出器３３からの出力信号を用いて第２の所定演算を行うことにより、変位量ｘにのみ依存する第２成分を抽出することができる。これにより、変位量ｘを安定して検出することができる。
【００５５】
また、第１の光検出器３２からの出力信号と第２の光検出器３３からの出力信号を用いて第１の所定演算を行うことにより、光学式信号出力装置が正常状態の時に変位量ｘに依存しない略一定となる第１成分を抽出することができる。これにより、スケール５０上の異常の有無や欠陥等による影響等の信頼度を容易にチェックすることができる。
【００５６】
ここで、第１の実施形態においては、第１の光検出器３２と第２の光検出器３３からそれぞれ４相の信号を得るようにしているが、必ずしも４相ずつの信号を得るようにしなくとも良い。例えば、ノイズの影響を考慮しないのであれば、第１の光検出器３２において信号ＶＡ１と信号ＶＢ１のみを得るようにし、第２の光検出器３３において信号ＶＡ２と信号ＶＢ２のみを得るようにしても良い。
【００５７】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１０は、本発明の第２の実施形態に係る光学式変位検出装置の構成を示す斜視図である。第１の実施形態においては、第１のトラックパターンの一例としてのグレートラック５１と第２のトラックパターンの一例としてのグレートラック５２とが何れも変調コードパターンで構成されている例について説明している。これに対し、第２の実施形態においては、２つのグレートラックがそれぞれグレースケールパターン５１１、５１２で構成されている点が異なる。ここで、グレースケールパターン５１１は、図１０のＸ方向に沿って実効反射率が連続的に増加するような光学特性を有し、また、グレースケールパターン５１２は、図１０のＸ方向に沿って実効反射率が連続的に減少するような光学特性を有している。
【００５８】
このようなグレートラックの変更に対応して、第１の光検出器及び第２の光検出器も受光素子アレイではなく、一面ベタの受光素子３５、３６で構成されている。そして、第１の光検出器の出力端子はＶ１のみであり、この出力端子Ｖ１は信号処理装置７０に接続されている。同様に、第２の光検出器の出力端子はＶ２のみであり、この出力端子Ｖ２は信号処理装置７０に接続されている。なお、第２の実施形態における信号処理装置７０の構成については図示を省略する。この第２の実施形態における信号処理装置７０は、図２で示した構成から、同相成分除去部７１及び７２、振幅成分演算回路７３１、同相加算回路７３６、リサージュ生成回路７４２を省略したものである。
【００５９】
以下、図１０に示す光学式変位検出装置１０の動作について説明する。まず、光学式信号出力装置が正常状態であるときの光学式変位検出装置１０の動作について説明する。図１０に示す光学式変位検出装置１０において、変位対象物がＸ方向に変位したときに第１の光検出器の受光素子３５から出力される信号Ｖ１は、図１１の特性１０４で示すものとなる。この図１１の特性１０４は、図４の特性１０４で示した振幅成分Ｖｐｐ１の特性に対応したものである。また、第２の光検出器の受光素子３６から出力される信号Ｖ２は、図１１の特性１０５で示すものとなる。この図１１の特性１０５は、図４の特性１０５で示した振幅成分Ｖｐｐ２の特性に対応したものである。
【００６０】
加算回路７３２においては第１の所定演算としてＶ１とＶ２の和が演算されて第１成分が抽出される。また、減算回路７３３においてはＶ１とＶ２の差が演算される。加算回路７３２の出力特性を図１２の特性１０６で、減算回路７３３の出力特性を図１２の特性１０７でそれぞれ示す。図１２の特性１０６で示すように、Ｖ１とＶ２の和としての第１の成分も変位量ｘに依存しない略一定値Ｖｍａｘとなる。
【００６１】
ここで、第２の所定演算として（Ｖ１＋Ｖ２）と（Ｖ１−Ｖ２）の比を演算すると、図１３の特性１０８で示すものとなる。この特性１０８も図６の特性１０８と対応したものであり、上述の（式９）においてＶｐｐ１をＶ１に、Ｖｐｐ２をＶ２にそれぞれ置き換えたものである。（Ｖ１＋Ｖ２）の値や（Ｖ１−Ｖ２）の値は光源３１の光量変動や光源３１とスケール５０の配置状態等の各種の要因により変動する可能性がある。これに対し、第２の実施形態では（Ｖ１＋Ｖ２）と（Ｖ１−Ｖ２）との比を取ることによりこれらの変動成分をキャンセルすることができる。これにより、絶対変位演算回路７４１において安定して変位量ｘを検出することができる。
【００６２】
次に、光学式信号出力装置が非正常状態であるときの光学式変位検出装置１０の動作について説明する。変位検出対象物がＸ方向に変位したときに第１の光検出器の受光素子３５から出力される信号Ｖ１は、図１１の特性１０４’で示すものとなる。また、第２の光検出器の受光素子３６から出力される信号Ｖ２は、図１１の特性１０５’で示すものとなる。図１１の特性１０４’で示すように、ゴミ１００の位置において局所的に信号強度が変化する。このため、加算回路７３２の出力である（Ｖ１＋Ｖ２）の特性は図１２の特性１０６’に示すものとなり、ゴミ１００が付着した部分１０６ａにおいて窪みが生じる。また、減算回路７３３の出力である（Ｖ１−Ｖ２）の特性も図１２の特性１０７’で示すように、ゴミ１００の位置に対応した部分においてレベルの低下が生じる。結果として、（Ｖ１＋Ｖ２）と（Ｖ１−Ｖ２）との比の特性も図１３の特性１０８’で示すように、ゴミ１００の位置に対応した部分においてレベルの低下が生じる。
【００６３】
図１２の特性１０６で示したように、光学式信号出力装置が正常状態であるときには（Ｖ１＋Ｖ２）は略一定となる。したがって、加算回路７３２の出力（Ｖ１＋Ｖ２）を、光学式信号出力装置が正常状態のときの加算回路７３２の出力Ｖｍａｘと比較することにより、光学式信号出力装置が正常状態であるか否かを判定することができる。
【００６４】
このような比較が告知部７３４において行われる。告知部７３４では、所定特性記憶部７３５に予め記憶しておいた所定値Ｖｍａｘと加算回路７３２から出力される（Ｖ１＋Ｖ２）との比較が行われる。そして、Ｖｍａｘと（Ｖ１＋Ｖ２）との差異が一定未満のときには、光学式信号出力装置が正常状態である旨が例えば表示出力によって告知される。一方、Ｖｍａｘと（Ｖ１＋Ｖ２）との差異が一定以上となった時点で、光学式信号出力装置が非正常状態である旨が例えば表示出力によって告知される。なお、（Ｖ１＋Ｖ２）との差異の程度によりゴミ１００の付着による検出精度への影響の程度を検出することもできる。したがって、Ｖｍａｘと（Ｖ１＋Ｖ２）との差異の程度に基づいて告知部７３４においてゴミ１００の付着による検出精度の影響を告知できるようにしても良い。
【００６５】
ここで、告知部７３４における比較には各種の変形例が適用できる。第１の実施形態と同様に、「光学式信号出力装置が正常状態の時に所定特性となる第１成分」は正常時と異常時の判別が容易な指標であれば良い。したがって、例えば、図１１に示す正常時の振幅成分の特性１０４、１０５を予め記憶しておき、この特性１０４、１０５とＶ１、Ｖ２をそれぞれ比較するようにしても良い。この他、減算回路７３３の出力や絶対変位演算回路７４１の出力を比較に用いるようにしても良い。
【００６６】
以上説明したように、第２の実施形態によれば、変位検出対象物の変位方向に沿って実効反射率が連続的に増加する光学特性を有するグレースケールパターン５１１で構成されるグレートラックと変位検出対象物の変位方向に沿って実効反射率が連続的に減少する光学特性を有するグレースケールパターン５１２で構成されるグレートラックとが形成されたスケール５０に光ビーム６１、６２を照射し、各グレートラックからの反射光を受光素子３５及び受光素子３６を用いて個別に検出している。そして、受光素子３５からの出力信号と受光素子３６からの出力信号を用いて第２の所定演算を行うことにより、変位量ｘにのみ依存する第２成分を抽出することができる。これにより、変位量ｘを安定して検出することができる。
【００６７】
また、受光素子３５からの出力信号と受光素子３６からの出力信号を用いて第１の所定演算を行うことにより、光学式信号出力装置が正常状態の時に変位量ｘに依存しない略一定となる第１成分を抽出することができる。これにより、スケール５０上の異常の有無や欠陥等による影響等の信頼度を容易にチェックすることができる。
【００６８】
以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
【００６９】
さらに、上記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合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、上述したような課題を解決でき、上述したような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。
【符号の説明】
【００７０】
１０…光学式変位検出装置、３０…センサヘッド、３１…光源、３２…第１の光検出器、３３…第２の光検出器、３５,３６…受光素子、５０…スケール、５１,５２…グレートラック、５３…エンコードパターン、５１１,５１２…グレースケールパターン、７０…信号処理装置、７１,７２…同相成分除去部、７３…前段の信号処理部、７４…後段の信号処理部、７３１…振幅成分演算回路、７３２…加算回路、７３３…減算回路、７３４…告知部、７３５…所定特性記憶部、７３６…同相加算回路、７４１…絶対変位演算回路、７４２…リサージュ生成回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位検出対象物の変位を検出するための光学式信号出力装置からの信号を処理する信号処理装置、及びこのような信号処理装置を備えて変位検出対象物の変位を検出する光学式変位検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
変位検出対象物の変位を検出する光学式変位検出装置に関連する技術として、例えば特許文献１には次のような技術が開示されている。即ち、特許文献１においては、被検体に一定の間隔でスリット又は反射面を列設し、このスリット又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、スリット又は反射面の径方向の長さを時計回りに順次大きくなるように構成している。
【０００３】
図１４は、特許文献１の光電式検出装置（光学式変位検出装置）の光学式信号出力装置に係る部分を示す側面図である。図１４に示すように、光源１から出射した光ビームＢは、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。
【０００４】
また、図１５は、特許文献１の光電式検出装置におけるスケール４の平面図である。図１５に示すように、スケール４に設けられているスリットの径方向の長さは、図１５において矢印で示されている回転方向に対し、基準位置Ａ又はＢを基準に一定の間隔で増大又は減少（図は増大の例を示している）させられている。
【０００５】
さらに、図１６は、特許文献１の光電式検出装置における光検出器の出力信号を示す図である。図１６に示すグラフでは、横軸に被検体の変位（回転角）を取り、縦軸に光検出器２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。この場合、図１６に示すように光検出器からの出力信号は、振幅が徐々に減少するような特性となる。このような特性を有する出力信号を信号処理装置において適切に演算することにより、被検体の回転速度を検出することができる。また、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。
【０００６】
なお、特許文献１には明記されてないが、上述した構成においては、回転変位に対する出力信号の振幅又は直流（ＤＣ）成分の大きさを予め調べておくことにより、出力信号の振幅又は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もできる。このようにして、特許文献１に開示されている光電式検出装置では、被検体の動きに伴って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ことが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭４８−７８９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特許文献１に開示されている技術において、光検出器２からの出力信号は、光源１やスケール４の光学的配置や光源の出力変動、さらにはスケール４の欠陥等に大きく影響されるＤＣ成分を有している。ここで、絶対位置の検出感度を向上させるために或いは絶対位置の検出範囲を拡げるために、スリット等の開口長さを小さくする場合を考える。この場合には、スリット等の開口長さの最小値を小さくする程、出力信号の振幅が減少する。したがって、光検出器２からの出力信号における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箇所では検出性能（分解能、安定性）が低下してしまう。
【０００９】
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、回転変位に対する光検出器２の出力信号の振幅特性を予め調べておく必要がある。ここで、回転変位に対する出力信号の振幅の特性は、例えば周囲環境、センサの取り付けガタ、経時変化、さらにはスケール上の欠陥等に起因して変化する。このため、その検出精度とその信頼性は極めて低い。
【００１０】
本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものであり、位置検出の分解能及び安定性を広い変位検出範囲に渡って高いレベルで維持しつつ且つスケール上の欠陥等の影響による信頼度をもチェックできる光学式信号出力装置の信号処理装置及びそのような信号処理装置を備えた光学式変位検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様の光学式信号出力装置の信号処理装置は、変位検出対象物に連結された光学式信号出力装置から出力され前記変位検出対象物の所定方向の変位に伴って振幅又は直流成分が漸増する第１の信号群と前記光学式信号出力装置から出力され前記変位検出対象物の前記所定方向の変位に伴って振幅又は直流成分が漸減し且つ前記第１の信号群に対して逆相となる第２の信号群とに対して第１の所定演算をすることにより、前記光学式信号出力装置が正常状態の時に所定特性となる第１成分を抽出する第１の信号処理部と、前記第１の信号群と前記第２の信号群に対して第２の所定演算をすることにより、前記変位検出対象物の任意の位置に特有の第２成分を含む出力を前記変位検出対象物の変位として抽出する第２の信号処理部と、を具備することを特徴とする。
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明の第２の態様の光学式変位検出装置は、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変位検出対象物の変位方向に平行な方向が長手方向となるように形成されたスケールと、前記スケールに対して光ビームを照射する光源と、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することで前記変位検出対象物の所定方向の変位に伴って振幅又は直流成分が漸増する第１の信号群を生成する第１の光検出器及び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することで前記変位検出対象物の前記所定方向の変位に伴って振幅又は直流成分が漸減し且つ前記第１の信号群に対して逆相となる第２の信号群を生成する第２の光検出器を有するセンサヘッドと、を具備し、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の光検出器、及び前記光源はそれぞれ前記第１の光検出器による検出と前記第２の光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光学式信号出力装置と、前記第１の信号群と前記第２の信号群とに対して第１の所定演算をすることにより、前記光学式信号出力装置が正常状態の時に所定特性となる第１成分を抽出する第１の信号処理部と、前記第１の信号群と前記第２の信号群に対して第２の所定演算をすることにより、前記変位検出対象物の任意の位置に特有の第２成分を含む出力を前記変位検出対象物の変位として抽出する第２の信号処理部と、を具備する信号処理装置と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、位置検出の分解能及び安定性を広い変位検出範囲に渡って高いレベルで維持しつつ且つスケール上の欠陥等の影響による信頼度をもチェックできる光学式信号出力装置の信号処理装置及びそのような信号処理装置を備えた光学式変位検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光学式変位検出装置の構成を示す斜視図である。
【図２】信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における同相成分除去部の出力特性の一例を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における振幅成分演算回路の出力特性の一例を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における加算回路及び減算回路の出力特性の一例を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態における加算回路の出力と減算回路の出力との比の特性を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態における同相加算回路の出力特性の一例を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施形態におけるリサージュ生成回路で生成されるリサージュ図形の一例を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施形態において光学式信号出力装置が非正常状態のときの同相成分除去部の出力特性の一例を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る光学式変位検出装置の構成を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態における受光素子の出力特性の一例を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態における加算回路及び減算回路の出力特性の一例を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態における加算回路の出力と減算回路の出力との比の特性を示す図である。
【図１４】従来例の光電式検出装置の光学式信号出力装置に係る部分を示す側面図である。
【図１５】従来例の光電式検出装置におけるスケールの平面図である。
【図１６】従来例の光電式検出装置における光検出器の出力信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
［第１の実施形態］
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学式変位検出装置の構成を示す斜視図である。
【００１６】
図１に示すように、光学式変位検出装置１０は、センサヘッド３０及びスケール５０を含む光学式信号出力装置と、信号処理装置７０とを有している。ここで、センサヘッド３０とスケール５０とは、一方が所定方向に変位可能な変位検出対象物に連結され、他方が基準面に連結されている。本実施形態においては、変位検出対象物の変位方向を図１に示すＸ軸に沿った方向（Ｘ方向）とする。勿論、変位検出対象物の変位方向を図１に示すＹ軸に沿った方向やＺ軸に沿った方向としても良い。さらには、変位検出対象物の変位方向を図１に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸回りの回転方向としても良い。
【００１７】
センサヘッド３０は、光源３１と、第１の光検出器３２と、第２の光検出器３３とを有している。そして、光源３１と、第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３の受光面とはスケール５０と対向して且つ平行となるように配置されている。
【００１８】
光源３１は、光源（例えばレーザダイオード）とスリットを有する本体とを備え、光源からの光ビームを、スリットを介してスケール５０に向けて照射する。本実施形態における光源３１は、スリットを介して２方向に光ビームを照射可能になされている。図１では一方の光ビームを参照符号６１、他方の光ビームを参照符号６２で示している。
【００１９】
第１の光検出器３２はスケール５０に向けて出射されスケール５０で反射された光ビーム６１を電気信号に変換するための複数の受光素子（例えばフォトダイオード）を有してなる受光素子アレイが４群形成された受光面を有している。また、第２の光検出器３３はスケール５０に向けて出射されスケール５０で反射された光ビーム６２を電気信号に変換するための複数の受光素子を有してなる受光素子アレイが４群形成された受光面を有している。ここで、各群の受光素子アレイを構成する受光素子は、スケール５０からの反射光によって第１の光検出器３２、第２の光検出器３３のそれぞれに形成される光学イメージ（回折模様）の空間周期ｐｉと同一の空間周期で形成されている。さらに、各群の受光素子アレイはｐｉ/４だけずらして形成されている。ここで、図１においては、各群の受光素子アレイを構成する受光素子を、光学イメージの空間周期ｐｉと同一の空間周期で形成している。実際には、各群の受光素子アレイを構成する受光素子を光学イメージの空間周期ｐｉの正の整数倍（１、２、３、…、）の空間周期で形成して良い。
【００２０】
また、図１において、第１の光検出器３２を構成する４群の受光素子アレイはそれぞれ出力端子ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１を介して信号処理装置７０に接続されている。さらに、第２の光検出器３３を構成する４群の受光素子アレイはそれぞれ出力端子ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２を介して信号処理装置７０接続されている。
【００２１】
スケール５０は、変位対象物の変位方向（図１の例ではＸ方向）が長手方向となるように形成されている。そして、スケール５０のセンサヘッド３０と対向する側の面には、第１のトラックパターンの一例としてのグレートラック５１と、第２のトラックパターンの一例としてのグレートラック５２とが形成されている。
【００２２】
ここで、以下に説明するトラックパターンに係る用語の定義を行う。まず、スケール５０の変位方向に沿った所定区間において実効反射率、実効透過率、回折効率の何れかが漸増又は漸減する光学パターンを「グレースケールパターン」と定義する。また、スケール５０の変位方向に対して実効反射率、実効透過率、回折効率の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」と定義する。また、エンコードパターンとグレースケールパターンとを重畳してなる光学特性を有するパターンを「変調コードパターン」と定義する。さらに、グレースケールパターンと変調コードパターンの何れかで構成されるトラックを「グレートラック」と定義する。
【００２３】
上述のような定義に対し、図１に示すグレートラック５１、５２はそれぞれが変調コードパターンのみで構成されているものである。そして、グレートラック５１の変調コードパターンにおいては、図１のＸ方向に沿って空間周期ｐｓ毎に実効反射率が漸増するように複数の異なる実効反射率を有するエンコードパターン５３が形成されている。また、グレートラック５２の変調コードパターンにおいては、図１のＸ方向に沿って空間周期ｐｓ毎に実効反射率が漸減するように複数の異なる実効反射率を有するエンコードパターン５３が形成されている。このようにして、グレートラック５１とグレートラック５２とを構成することにより、グレートラック５１を構成する変調コードパターンとグレートラック５２を構成する変調コードパターンとは実効反射率が鏡面反転した光学特性を有するものとなる。
【００２４】
なお、グレートラック５１、５２の構成は、図１に示した構成に限定されるものではない。例えば、図１のグレートラック５１、５２の構成は、光源３１から出射された光ビーム６１、６２のスケール５０からの反射光を第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３で検出する反射型の光学式信号出力装置の場合の構成例を示している。これに対し、光源３１からスケール５０に対して出射された光ビーム６１、６２の透過光を第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３で検出する透過型の光学式信号出力装置の場合には、グレートラック５１の変調コードパターンとグレートラック５２の変調コードパターンとには実効透過率が鏡面反転するように光学特性を持たせる。この他、本実施形態においては、スケール５０に照射した光ビーム６１、６２の反射光、透過光、又は回折光により第１の光検出器３２又は第２の光検出器３３の受光面上に形成される光学イメージの空間振幅又は総光量が変調される各種のグレートラックの構成を適用可能である。
【００２５】
信号処理装置７０は、第１の光検出器３２と第２の光検出器３３からそれぞれ出力される信号を処理して変位検出対象物の変位を検出する。図２は、信号処理装置７０の構成を示すブロック図である。図２に示す信号処理装置７０は、同相成分除去部７１、７２と、前段の信号処理部７３と、後段の信号処理部７４とを有している。
【００２６】
同相成分除去部７１は、第１の光検出器３２の出力端子ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１からそれぞれ出力される信号（第１の信号群）ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１のうちで互いに１/２周期位相の異なる信号同士の差を演算することにより、同相のオフセット成分やノイズを除去する。また、同相成分除去部７２は、第２の光検出器３３の出力端子ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２からそれぞれ出力される信号（第２の信号群）ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２のうちで互いに１/２周期位相の異なる信号同士の差を演算することにより、同相のオフセット成分やノイズを除去する。
【００２７】
前段の信号処理部７３は、同相成分除去部７１の出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１と同相成分除去部７２の出力信号Ｖａ２、Ｖｂ２とを用いて第１の所定演算等を行う。この前段の信号処理部７３は、振幅成分演算回路７３１と、加算回路７３２と、減算回路７３３と、告知部７３４と、所定特性記憶部７３５と、同相加算回路７３６とを有している。なお、加算回路７３２は、「第１の信号処理部」の一例として機能する。
【００２８】
振幅成分演算回路７３１は、同相成分除去部７１、７２の出力を用いて第１の光検出器３２からの信号の振幅成分Ｖｐｐ１と第２の光検出器３３からの信号の振幅成分Ｖｐｐ２とをそれぞれ演算する。
【００２９】
加算回路７３２は、第１の所定演算として、第１の光検出器３２からの信号の振幅成分Ｖｐｐ１と第２の光検出器３３からの信号の振幅成分Ｖｐｐ２との和（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）を演算する。また、減算回路７３３は、第１の光検出器３２からの信号の振幅成分Ｖｐｐ１と第２の光検出器３３からの信号の振幅成分Ｖｐｐ２との差（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）を演算する。
【００３０】
告知部７３４は、加算回路７３２の出力信号（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）に基づいて光学式信号出力装置であるセンサヘッド３０やスケール５０が正常状態であるか否かを判定し、この判定結果を例えば表示出力によって告知する。所定特性記憶部７３５は、光学式信号出力装置であるセンサヘッド３０やスケール５０が正常状態であるか否かを告知部７３４において判定するための所定特性を記憶している。
【００３１】
同相加算回路７３６は、複数の入力チャンネルを有し、同相成分除去部７１の出力Ｖａ１、Ｖｂ１と同相成分除去部７２の出力Ｖａ２、Ｖｂ２との同相成分同士を加算する。
【００３２】
後段の信号処理部７４は、前段の信号処理部７３で演算された結果を用いて変位を算出するための第２の所定演算等を行う。この後段の信号処理部７４は、絶対変位演算回路７４１と、リサージュ生成回路７４２とを有している。
【００３３】
なお、後段の信号処理部７４の絶対変位演算回路７４１、リサージュ生成回路７４２、及び前段の信号処理部７３の振幅成分演算回路７３１、加算回路７３２、減算回路７３３、同相加算回路７３６が、「第２の信号処理部」の一例として機能する。
【００３４】
絶対変位演算回路７４１は、加算回路７３２の出力と減算回路７３３の出力とを用いて変位検出対象物の絶対変位ｘを演算するための演算を行う。相対変位演算部の一例としてのリサージュ生成回路７４２は同相加算回路７３６の出力を用いてリサージュ図形を生成し、このリサージュ図形から変位検出対象物の相対変位に対応したθを演算する。
【００３５】
以下、図１に示す光学式変位検出装置１０の動作について説明する。なお、理解を容易にするために、まずは、光学式信号出力装置が正常状態であるときの光学式変位検出装置１０の動作について説明する。ここで、本実施形態における「光学式信号出力装置の正常状態」とは、スケール５０上のグレートラック５１又は５２にゴミや傷等の物理的な欠陥や各種の使用上の欠陥が存在していない状態を言うものとする。一方、「光学式信号出力装置の非正常状態」とは、スケール５０上のグレートラック５１又は５２にゴミや傷等の物理的な欠陥や各種の使用上の欠陥が存在している状態を言うものとする。
【００３６】
まず、光学式信号出力装置としてのセンサヘッド３０とスケール５０による信号出力動作について説明する。図１に示す構成において、光源３１から出射された光ビーム６１、６２はスケール５０に形成されたグレートラック５１、５２に照射される。そして、グレートラック５１に照射された光ビーム６１はグレートラック５１で反射される。これにより、第１の光検出器３２の受光素子上にグレートラック５１を構成する変調コードパターンに対応した光学イメージ（回折模様）が形成される。同様に、グレートラック５２に照射された光ビーム６２はグレートラック５２で反射される。これにより、第２の光検出器３３の受光素子上にグレートラック５２を構成する変調コードパターンに対応した光学イメージが形成される。
【００３７】
ここで、変調コードパターンに対応した光学イメージについて説明する。まずは、変調コードパターン中のあるエンコードパターン５３に対応した光学イメージについて説明する。ここで、本実施形態においては多様な光学イメージの生成原理が適用可能である。以下の説明では、典型的な例として、点光源構成による検出原理（Talbotイメージ）を用いた光学イメージの生成原理について説明する。
【００３８】
まず、図１において、光源３１が点光源であるとし、さらに光源３１とスケール５０上のエンコードパターン５３とのＺ方向距離をＺ１、第１の光検出器３２又は第２の光検出器３３の受光面（受光素子で構成される面）とスケール５０上のエンコードパターン５３とのＺ方向距離をＺ２、スケール５０上のエンコードパターン５３の空間周期をｐｓとする。
【００３９】
このような前提において、光源３１からあるエンコードパターン５３に光ビーム６１、６２が照射されると、これら照射された光ビーム６１、６２はそれぞれエンコードパターン５３で反射される。これにより第１の光検出器３２、第２の光検出器３３の受光面上に空間周期ｐｉの周期的な光学イメージが形成される。この場合、Talbotイメージにおいては、以下の（式１）で示す関係が成立する。
ｐｉ＝ｐｓ・（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ１ （式１）
なお、第１の光検出器３２、第２の光検出器３３の受光面上に空間周期ｐｉの周期的な光学イメージがクリアに形成されるためには、ｐｉ、ｐｓ、Ｚ１、Ｚ２、及び光源３１の光波長λをTalbot光学イメージの形成条件に合致させる必要がある。しかしながら、本実施形態においては光学イメージの生成原理がTalbotイメージに限定されないのでｐｉ、ｐｓ、Ｚ１、Ｚ２、及び光源３１の光波長λの詳細な決定手法については説明を省略する。
【００４０】
上述したように、第１の光検出器３２、第２の光検出器３３にはエンコードパターン５３の空間周期ｐｉに相当する空間周期で受光素子アレイが４群形成されており、各群は空間周期方向に沿ってｐｉ/４だけずらして配置されている。即ち、受光面上に空間周期ｐｉを持って形成された光学イメージに対し、各群の受光素子アレイは１/４周期ずつずれた空間位相差を持って光を検出する。したがって、第１の光検出器３２の各受光素子アレイの出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１は電気角で９０度（即ち１/４周期）ずつずれた周期信号となる。同様に、第２の光検出器３３の受光素子アレイの出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２も電気角で９０度ずつずれた周期信号となる。
【００４１】
次に、変位検出対象物がＸ方向に変位したときの変調コードパターンに対応した受光素子アレイの出力信号について説明する。上述したように、グレートラック５１は、変調コードパターンとして、Ｘ方向に沿って実効反射率が漸増するような光学特性を有している。また、グレートラック５２は、Ｘ方向に沿って実効反射率が漸減するような光学特性を有している。ここで、変位検出対象物がＸ方向にｐｓだけ変位すると、光源３１からの光ビーム６１、６２がｐｓだけずれた位置のエンコードパターン５３に照射される。そして、ｐｓだけずれた位置のエンコードパターン５３からの反射光に基づく光学イメージが第１の光検出器３２、第２の光検出器３３の受光面上に形成される。このため、第１の光検出器３２の各群の受光素子アレイからの出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１は振幅が増加する。一方、第２の光検出器３３の各群の受光素子アレイからの出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２は振幅が減少する。即ち、変位検出対象物がＸ方向にｐｓだけ変位する毎に、第１の光検出器３２の各群の受光素子アレイの出力端子ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１からは９０度（即ち１/４周期）ずつの位相差を有し且つ振幅が漸増する特性を有する周期信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１が出力され、第２の光検出器３３の各群の受光素子アレイの出力端子ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２からは９０度（即ち１/４周期）ずつの位相差を有し且つ振幅が漸減する特性を有する周期信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２が出力される。このようにして、出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１の振幅の特性に対して出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の振幅の特性は逆相の特性となる。
【００４２】
次に、信号処理装置７０における信号処理動作について説明する。
まず、同相ノイズ成分の除去について説明する。まず、同相成分除去部７１において、第１の光検出器３２からの出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１のうちで互いに１/２周期（１８０度）位相の異なる信号同士の差が演算される。即ち、同相成分除去部７１においては以下の（式２）で示す演算が行われる。
Ｖａ１＝ＶＡ１−ＶＡＢ１
Ｖｂ１＝ＶＢ１−ＶＢＢ１ （式２）
同様に、同相成分除去部７２において、第２の光検出器３３からの出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２のうちで互いに１/２周期（１８０度）位相の異なる信号同士の差が演算される。即ち、同相成分除去部７２においては以下の（式３）で示す演算が行われる。
Ｖａ２＝ＶＡ２−ＶＡＢ２
Ｖｂ２＝ＶＢ２−ＶＢＢ２ （式３）
このような同相成分除去部７１、７２の動作により、同相成分除去部７１からは図３（ａ）に示すような９０度（すなわち１/４周期）の位相差を有する信号Ｖａ１、Ｖｂ１が得られ、同相成分除去部７２からは図３（ｂ）に示すような９０度（すなわち１/４周期）の位相差を有する信号Ｖａ２、Ｖｂ２が得られる。
【００４３】
次に、信号処理装置７０における変位対象物の絶対変位の検出について説明する。まず、振幅成分演算回路７３１において、図３（ａ）に示すようにして得られた信号Ｖａ１、Ｖｂ１の振幅成分Ｖｐｐ１と図３（ｂ）に示すようにして得られた信号Ｖａ２、Ｖｂ２の振幅成分Ｖｐｐ２とがそれぞれ演算される。上述したように、グレートラック５１の変調コードパターンは図１のＸ方向に沿って実効反射率が漸増するような光学特性を有し、また、グレートラック５２の変調コードパターンは図１のＸ方向に沿って実効反射率が漸減するような光学特性を有している。このため、第１の光検出器３２から出力される信号の振幅成分Ｖｐｐ１は、図４に示すように、変位量ｘに対して単調増加の特性１０４を有する。一方、第２の光検出器３３から出力される信号の振幅成分Ｖｐｐ２は、図４に示すように、変位量ｘに対して単調減少の特性１０５を有する。なお、図４に示す振幅成分Ｖｐｐ１、Ｖｐｐ２はそれぞれ（式４）、（式５）に示す関係で定義される。
Ｖｐｐ１＝ａ・ｘ （式４）
Ｖｐｐ２＝−ａ・（ｘ−Ｌｇｒａｙ） （式５）
ここで、Ｌｇｒａｙはグレートラック５１、５２において実効反射率が変化する所定区間の長さであり、ａは変位検出対象物が単位距離だけ変位した際の振幅成分Ｖｐｐ１の変化量（即ち図４に示すＶｐｐ１の傾き）である。なお、Ｖｐｐｍａｘを所定区間において第１の光検出器３２、第２の光検出器３３からそれぞれ出力される信号の最大振幅とすると、傾きａは以下の（式６）によって求めることができる。
ａ＝Ｖｐｐｍａｘ／Ｌｇｒａｙ （式６）
振幅成分演算回路７３１における振幅成分の演算の後、加算回路７３２においてＶｐｐ１とＶｐｐ２の和が演算され、また減算回路７３３においてＶｐｐ１とＶｐｐ２の差が演算される。これらの演算結果を以下の（式７）、（式８）に示す。
【００４４】
Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２＝ａ・Ｌｇｒａｙ＝Ｖｐｐｍａｘ （式７）
Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２＝２ａ・ｘ−ａ・Ｌｇｒａｙ （式８）
（式７）の特性を図５の特性１０６で、（式８）の特性を図５の特性１０７でそれぞれ示す。図５の特性１０６で示すように、Ｖｐｐ１とＶｐｐ２の和として第１の成分は変位量ｘに依存しない略一定値Ｖｐｐｍａｘとなる。
【００４５】
ここで、第２の所定演算として、（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）と（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）の比を演算すると、図６の参照符号１０８で示す特性が得られる。この特性を数式で示すと以下の（式９）となる。
（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）／（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）＝２／Ｌｇｒａｙ・ｘ−１
（式９）
（式９）をｘについて解いた結果は（式１０）となる。
ｘ＝Ｌｇｒａｙ・（（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）／（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）＋１）／２
（式１０）
（式１０）から分かるように、予めＬｇｒａｙを測定しておきさえすれば絶対変位演算回路７４１において変位量ｘを検出することができる。また、（式９）に示すように、（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）／（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）は、最大振幅Ｖｐｐｍａｘや傾きａに依存しない値である。また、Ｌｇｒａｙはスケール５０の設計段階で決定される固定値である。このため、光学式変位検出装置１０の動作中にＶｐｐｍａｘやａが変動しても（式１０）の変位量ｘは変化しない。また、（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）の値や（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）の値も光源３１の光量変動や光源３１とスケール５０の配置状態等の要因によって変動する可能性はあるが、第１の実施形態では（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）と（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）との比を取ることによりこれらの変動成分をキャンセルすることができる。したがって、安定して変位量ｘを検出することができる。
【００４６】
本実施形態においては、第２の所定演算の後に変位にのみ依存する第２成分が抽出される。ここで、第２成分とは、典型的には、上述の（式９）や（式１０）で示す関係が該当するが、所定演算を行った後に変位のみに依存する値が得られるのであれば種々の値を第２成分として用いることが可能である。
【００４７】
次に、信号処理装置７０における変位対象物の相対変位の検出について説明する。まず、同相加算回路７３６において、図４（ａ）、図４（ｂ）に示す１/４周期の位相差を有する２組の信号が同相信号毎に加算される。即ち、同相加算回路７３６においては以下の（式１１）で示す演算が行われる。
Ｖａ＝Ｖａ１＋Ｖａ２
Ｖｂ＝Ｖｂ１＋Ｖｂ２ （式１１）
このような同相加算回路７３６からは図７に示すような９０度（すなわち１/４周期）の位相差を有する信号Ｖａ、Ｖｂが得られる。
【００４８】
同相加算回路７３６における演算の後、リサージュ生成回路７４２においてリサージュ図形が生成される。図８はリサージュ生成回路７４２において生成されるリサージュ図形の例を示した図である。図８に示すように、リサージュ図形は一定の半径で回転する円になり、この円周上の位相角θが空間周期ｐｓ内での変位量ｘに相当するものとなる。
【００４９】
次に、光学式信号出力装置が非正常状態であるときの光学式変位検出装置１０の動作について説明する。ここでは一例として、図２に示すように、グレートラック５１上にゴミ１００が付着していた場合を考える。この場合、ゴミ１００によって光ビーム６１の反射が阻害されるため、第１の光検出器３２の受光素子アレイに入射する光の光量も低下する。したがって、第１の光検出器３２からの信号の振幅Ｖｐｐ１の特性も図９（ａ）に示すように、ゴミ１００の位置において振幅強度が低下するような特性に変化する。これに対し、第２の光検出器３３からの信号の振幅Ｖｐｐ２の特性は図９（ｂ）に示すように、図３（ｂ）と同じ特性である。
【００５０】
この結果、加算回路７３２の出力である（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）の特性も図５の特性１０６’で示すように、ゴミ１００の位置に対応した部分１０６ａにおいて窪みが生じる。また、減算回路７３３の出力である（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）の特性も図５の特性１０７’で示すように、ゴミ１００の位置に対応した部分においてレベルの低下が生じる。結果として、（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）と（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）との比の特性も図６の特性１０８’で示すように、ゴミ１００の位置に対応した部分においてレベルの低下が生じる。
【００５１】
上述したように、光学式信号出力装置が正常状態であるときには（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）は図５の特性１０６で示すように略一定となる。したがって、加算回路７３２の出力（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）を、光学式信号出力装置が正常状態のときの加算回路７３２の出力（ａ・Ｌｇｒａｙ＝Ｖｐｐｍａｘ）と比較することにより、光学式信号出力装置が正常状態であるか否かを判定することができる。
【００５２】
このような比較が告知部７３４において行われる。告知部７３４では、所定特性記憶部７３５に予め記憶しておいた所定値Ｖｐｐｍａｘと加算回路７３２から出力される（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）との比較が行われる。そして、Ｖｐｐｍａｘと（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）との差異が一定未満のときには、光学式信号出力装置が正常状態である旨が例えば表示出力によって告知される。一方、Ｖｐｐｍａｘと（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）との差異が一定以上となった時点で、光学式信号出力装置が非正常状態である旨が例えば表示出力によって告知される。なお、（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）との差異の程度によりゴミ１００の付着による検出精度への影響の程度を検出することもできる。したがって、Ｖｐｐｍａｘと（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）との差異の程度に基づいて告知部７３４においてゴミ１００の付着による検出精度の影響を告知できるようにしても良い。
【００５３】
ここで、告知部７３４における比較には各種の変形例が適用できる。「光学式信号出力装置が正常状態の時に所定特性となる第１成分」は正常時と異常時の判別が容易な指標であれば良い。したがって、例えば、図４に示す正常時の振幅成分の特性１０４、１０５を予め記憶しておき、この特性１０４、１０５と振幅成分演算回路の出力Ｖｐｐ１、Ｖｐｐ２をそれぞれ比較するようにしても良い。この他、減算回路７３３の出力や絶対変位演算回路７４１の出力を比較に用いるようにしても良い。
【００５４】
以上説明したように、第１の実施形態によれば、変位検出対象物の変位方向に沿って実効反射率が漸増する光学特性を有する変調コードパターンで構成されるグレートラック５１と変位検出対象物の変位方向に沿って実効反射率が漸減する光学特性を有する変調コードパターンで構成されるグレートラック５２とが形成されたスケール５０に光ビーム６１、６２を照射し、グレートラック５１、５２からの反射光を第１の光検出器３２と第２の光検出器３３とで個別に検出している。そして、第１の光検出器３２からの出力信号と第２の光検出器３３からの出力信号を用いて第２の所定演算を行うことにより、変位量ｘにのみ依存する第２成分を抽出することができる。これにより、変位量ｘを安定して検出することができる。
【００５５】
また、第１の光検出器３２からの出力信号と第２の光検出器３３からの出力信号を用いて第１の所定演算を行うことにより、光学式信号出力装置が正常状態の時に変位量ｘに依存しない略一定となる第１成分を抽出することができる。これにより、スケール５０上の異常の有無や欠陥等による影響等の信頼度を容易にチェックすることができる。
【００５６】
ここで、第１の実施形態においては、第１の光検出器３２と第２の光検出器３３からそれぞれ４相の信号を得るようにしているが、必ずしも４相ずつの信号を得るようにしなくとも良い。例えば、ノイズの影響を考慮しないのであれば、第１の光検出器３２において信号ＶＡ１と信号ＶＢ１のみを得るようにし、第２の光検出器３３において信号ＶＡ２と信号ＶＢ２のみを得るようにしても良い。
【００５７】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１０は、本発明の第２の実施形態に係る光学式変位検出装置の構成を示す斜視図である。第１の実施形態においては、第１のトラックパターンの一例としてのグレートラック５１と第２のトラックパターンの一例としてのグレートラック５２とが何れも変調コードパターンで構成されている例について説明している。これに対し、第２の実施形態においては、２つのグレートラックがそれぞれグレースケールパターン５１１、５１２で構成されている点が異なる。ここで、グレースケールパターン５１１は、図１０のＸ方向に沿って実効反射率が連続的に増加するような光学特性を有し、また、グレースケールパターン５１２は、図１０のＸ方向に沿って実効反射率が連続的に減少するような光学特性を有している。
【００５８】
このようなグレートラックの変更に対応して、第１の光検出器及び第２の光検出器も受光素子アレイではなく、一面ベタの受光素子３５、３６で構成されている。そして、第１の光検出器の出力端子はＶ１のみであり、この出力端子Ｖ１は信号処理装置７０に接続されている。同様に、第２の光検出器の出力端子はＶ２のみであり、この出力端子Ｖ２は信号処理装置７０に接続されている。なお、第２の実施形態における信号処理装置７０の構成については図示を省略する。この第２の実施形態における信号処理装置７０は、図２で示した構成から、同相成分除去部７１及び７２、振幅成分演算回路７３１、同相加算回路７３６、リサージュ生成回路７４２を省略したものである。
【００５９】
以下、図１０に示す光学式変位検出装置１０の動作について説明する。まず、光学式信号出力装置が正常状態であるときの光学式変位検出装置１０の動作について説明する。図１０に示す光学式変位検出装置１０において、変位対象物がＸ方向に変位したときに第１の光検出器の受光素子３５から出力される信号Ｖ１は、図１１の特性１０４で示すものとなる。この図１１の特性１０４は、図４の特性１０４で示した振幅成分Ｖｐｐ１の特性に対応したものである。また、第２の光検出器の受光素子３６から出力される信号Ｖ２は、図１１の特性１０５で示すものとなる。この図１１の特性１０５は、図４の特性１０５で示した振幅成分Ｖｐｐ２の特性に対応したものである。
【００６０】
加算回路７３２においては第１の所定演算としてＶ１とＶ２の和が演算されて第１成分が抽出される。また、減算回路７３３においてはＶ１とＶ２の差が演算される。加算回路７３２の出力特性を図１２の特性１０６で、減算回路７３３の出力特性を図１２の特性１０７でそれぞれ示す。図１２の特性１０６で示すように、Ｖ１とＶ２の和としての第１の成分も変位量ｘに依存しない略一定値Ｖｍａｘとなる。
【００６１】
ここで、第２の所定演算として（Ｖ１＋Ｖ２）と（Ｖ１−Ｖ２）の比を演算すると、図１３の特性１０８で示すものとなる。この特性１０８も図６の特性１０８と対応したものであり、上述の（式９）においてＶｐｐ１をＶ１に、Ｖｐｐ２をＶ２にそれぞれ置き換えたものである。（Ｖ１＋Ｖ２）の値や（Ｖ１−Ｖ２）の値は光源３１の光量変動や光源３１とスケール５０の配置状態等の各種の要因により変動する可能性がある。これに対し、第２の実施形態では（Ｖ１＋Ｖ２）と（Ｖ１−Ｖ２）との比を取ることによりこれらの変動成分をキャンセルすることができる。これにより、絶対変位演算回路７４１において安定して変位量ｘを検出することができる。
【００６２】
次に、光学式信号出力装置が非正常状態であるときの光学式変位検出装置１０の動作について説明する。変位検出対象物がＸ方向に変位したときに第１の光検出器の受光素子３５から出力される信号Ｖ１は、図１１の特性１０４’で示すものとなる。また、第２の光検出器の受光素子３６から出力される信号Ｖ２は、図１１の特性１０５’で示すものとなる。図１１の特性１０４’で示すように、ゴミ１００の位置において局所的に信号強度が変化する。このため、加算回路７３２の出力である（Ｖ１＋Ｖ２）の特性は図１２の特性１０６’に示すものとなり、ゴミ１００が付着した部分１０６ａにおいて窪みが生じる。また、減算回路７３３の出力である（Ｖ１−Ｖ２）の特性も図１２の特性１０７’で示すように、ゴミ１００の位置に対応した部分においてレベルの低下が生じる。結果として、（Ｖ１＋Ｖ２）と（Ｖ１−Ｖ２）との比の特性も図１３の特性１０８’で示すように、ゴミ１００の位置に対応した部分においてレベルの低下が生じる。
【００６３】
図１２の特性１０６で示したように、光学式信号出力装置が正常状態であるときには（Ｖ１＋Ｖ２）は略一定となる。したがって、加算回路７３２の出力（Ｖ１＋Ｖ２）を、光学式信号出力装置が正常状態のときの加算回路７３２の出力Ｖｍａｘと比較することにより、光学式信号出力装置が正常状態であるか否かを判定することができる。
【００６４】
このような比較が告知部７３４において行われる。告知部７３４では、所定特性記憶部７３５に予め記憶しておいた所定値Ｖｍａｘと加算回路７３２から出力される（Ｖ１＋Ｖ２）との比較が行われる。そして、Ｖｍａｘと（Ｖ１＋Ｖ２）との差異が一定未満のときには、光学式信号出力装置が正常状態である旨が例えば表示出力によって告知される。一方、Ｖｍａｘと（Ｖ１＋Ｖ２）との差異が一定以上となった時点で、光学式信号出力装置が非正常状態である旨が例えば表示出力によって告知される。なお、（Ｖ１＋Ｖ２）との差異の程度によりゴミ１００の付着による検出精度への影響の程度を検出することもできる。したがって、Ｖｍａｘと（Ｖ１＋Ｖ２）との差異の程度に基づいて告知部７３４においてゴミ１００の付着による検出精度の影響を告知できるようにしても良い。
【００６５】
ここで、告知部７３４における比較には各種の変形例が適用できる。第１の実施形態と同様に、「光学式信号出力装置が正常状態の時に所定特性となる第１成分」は正常時と異常時の判別が容易な指標であれば良い。したがって、例えば、図１１に示す正常時の振幅成分の特性１０４、１０５を予め記憶しておき、この特性１０４、１０５とＶ１、Ｖ２をそれぞれ比較するようにしても良い。この他、減算回路７３３の出力や絶対変位演算回路７４１の出力を比較に用いるようにしても良い。
【００６６】
以上説明したように、第２の実施形態によれば、変位検出対象物の変位方向に沿って実効反射率が連続的に増加する光学特性を有するグレースケールパターン５１１で構成されるグレートラックと変位検出対象物の変位方向に沿って実効反射率が連続的に減少する光学特性を有するグレースケールパターン５１２で構成されるグレートラックとが形成されたスケール５０に光ビーム６１、６２を照射し、各グレートラックからの反射光を受光素子３５及び受光素子３６を用いて個別に検出している。そして、受光素子３５からの出力信号と受光素子３６からの出力信号を用いて第２の所定演算を行うことにより、変位量ｘにのみ依存する第２成分を抽出することができる。これにより、変位量ｘを安定して検出することができる。
【００６７】
また、受光素子３５からの出力信号と受光素子３６からの出力信号を用いて第１の所定演算を行うことにより、光学式信号出力装置が正常状態の時に変位量ｘに依存しない略一定となる第１成分を抽出することができる。これにより、スケール５０上の異常の有無や欠陥等による影響等の信頼度を容易にチェックすることができる。
【００６８】
以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
【００６９】
さらに、上記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合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、上述したような課題を解決でき、上述したような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。
【符号の説明】
【００７０】
１０…光学式変位検出装置、３０…センサヘッド、３１…光源、３２…第１の光検出器、３３…第２の光検出器、３５,３６…受光素子、５０…スケール、５１,５２…グレートラック、５３…エンコードパターン、５１１,５１２…グレースケールパターン、７０…信号処理装置、７１,７２…同相成分除去部、７３…前段の信号処理部、７４…後段の信号処理部、７３１…振幅成分演算回路、７３２…加算回路、７３３…減算回路、７３４…告知部、７３５…所定特性記憶部、７３６…同相加算回路、７４１…絶対変位演算回路、７４２…リサージュ生成回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位検出対象物に連結された光学式信号出力装置から出力され前記変位検出対象物の所定方向の変位に伴って振幅又は直流成分が漸増する第１の信号群と前記光学式信号出力装置から出力され前記変位検出対象物の前記所定方向の変位に伴って振幅又は直流成分が漸減し且つ前記第１の信号群に対して逆相となる第２の信号群とに対して第１の所定演算をすることにより、前記光学式信号出力装置が正常状態の時に所定特性となる第１成分を抽出する第１の信号処理部と、
前記第１の信号群と前記第２の信号群に対して第２の所定演算をすることにより、前記変位検出対象物の任意の位置に特有の第２成分を含む出力を前記変位検出対象物の変位として抽出する第２の信号処理部と、
を具備することを特徴とする光学式信号出力装置の信号処理装置。
【請求項２】
前記第１の信号処理部により実際に抽出された第１成分と前記所定特性とに差異があるか否かを比較し、該比較の結果に応じて前記光学式信号出力装置が正常状態であるか否かを告知する、又は前記比較の結果に応じて前記第１の信号処理部により実際に抽出された第１成分と前記所定特性との差異の程度を告知する告知部をさらに具備することを特徴とする請求項１に光学式信号出力装置の信号処理装置。
【請求項３】
前記第１の信号処理部は、前記第１の信号群の振幅と前記第２の信号群の振幅との和又は前記第１の信号群の直流成分と前記第２の信号群の直流成分の和を、前記第１の所定演算として演算することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式信号出力装置の信号処理装置。
【請求項４】
前記光学式信号出力装置は、
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変位検出対象物の変位方向に平行な方向が長手方向となるように形成されたスケールと、
前記スケールに対して光ビームを照射する光源と、
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することで前記第１の信号群を生成する第１の光検出器及び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することで第２の信号群を生成する第２の光検出器を有するセンサヘッドと、
を具備し、
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の光検出器、及び前記光源はそれぞれ前記第１の光検出器による検出と前記第２の光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請求項１乃至３の何れか１項に記載の光学式信号出力装置の信号処理装置。
【請求項５】
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の光検出器、及び前記光源は、前記第１の信号処理部により抽出される第１成分が前記変位検出対象物の所定区間の変位に依存せず略一定であるように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の光学式信号出力装置の信号処理装置。
【請求項６】
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変位検出対象物の変位方向に平行な方向が長手方向となるように形成されたスケールと、前記スケールに対して光ビームを照射する光源と、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することで前記変位検出対象物の所定方向の変位に伴って振幅又は直流成分が漸増する第１の信号群を生成する第１の光検出器及び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することで前記変位検出対象物の前記所定方向の変位に伴って振幅又は直流成分が漸減し且つ前記第１の信号群に対して逆相となる第２の信号群を生成する第２の光検出器を有するセンサヘッドと、を具備し、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の光検出器、及び前記光源はそれぞれ前記第１の光検出器による検出と前記第２の光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光学式信号出力装置と、
前記第１の信号群と前記第２の信号群とに対して第１の所定演算をすることにより、前記光学式信号出力装置が正常状態の時に所定特性となる第１成分を抽出する第１の信号処理部と、前記第１の信号群と前記第２の信号群に対して第２の所定演算をすることにより、前記変位検出対象物の任意の位置に特有の第２成分を含む出力を前記変位検出対象物の変位として抽出する第２の信号処理部と、を具備する信号処理装置と、
を有することを特徴とする光学式変位検出装置。
【請求項７】
前記信号処理装置は、前記第１の信号処理部により実際に抽出された第１成分と前記所定特性とに差異があるか否かを比較し、該比較の結果に応じて前記光学式信号出力装置が正常状態であるか否かを告知する、又は前記比較の結果に応じて前記第１の信号処理部により実際に抽出された第１成分と前記所定特性との差異の程度を告知する告知部をさらに具備することを特徴とする請求項６に光学式変位検出装置。
【請求項８】
前記第１の信号処理部は、前記第１の信号群の振幅と前記第２の信号群の振幅との和又は前記第１の信号群の直流成分と前記第２の信号群の直流成分の和を、前記第１の所定演算として演算することを特徴とする請求項６又は７に記載の光学式変位検出装置。
【請求項９】
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の光検出器、及び前記光源は、前記第１の信号処理部により抽出される第１成分が前記変位検出対象物の所定区間の変位に依存せず略一定であるように配置されていることを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載の光学式変位検出装置。
【請求項１０】
前記第１のトラックパターンと前記第２のトラックパターンとには、
前記変位検出対象物の変位方向に沿った所定区間において実効反射率、実効透過率、回折効率の何れかが漸増或いは漸減する光学パターンであるグレースケールパターンと、
前記グレースケールパターンと、前記変位検出対象物の変位方向に沿った方向に対して実効反射率、実効透過率、回折効率の何れかが所定の空間周期で変化する光学パターンであるエンコードパターンとが重畳されてなる光学特性を有するパターンである変調コードパターンと、
の何れかで構成されるグレートラックが形成されていることを特徴とする請求項６乃至９の何れかに記載の光学式変位検出装置。
【請求項１１】
前記第１のトラックパターンと前記第２のトラックパターンとには、少なくとも前記変調コードパターンが形成され、
前記光源から出射された光ビームが前記変調コードパターンにて透過、反射、又は回折された際に前記第１の光検出器と前記第２の光検出器の受光面上に空間周期ｐｉの回折模様を形成するように、前記スケールと前記センサヘッドとが配置されており、
前記第１の光検出器と前記第２の光検出器の受光面上には、前記空間周期ｐｉの回折模様と同一又は前記空間周期ｐｉの整数倍の空間周期を有する複数の受光素子アレイが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変位検出対象物の変位方向に沿った方向に対してずらして配置されているとともに、
前記信号処理装置は、
第１の光検出器と前記第２の光検出器の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同相加算部と、
前記同相加算部から出力される複数チャンネル出力を組み合わせて前記変位を演算する相対変位演算部と、
をさらに具備することを特徴とする請求項１０に記載の光学式変位検出装置。
【請求項１】
変位検出対象物に連結された光学式信号出力装置から出力され前記変位検出対象物の所定方向の変位に伴って振幅又は直流成分が漸増する第１の信号群と前記光学式信号出力装置から出力され前記変位検出対象物の前記所定方向の変位に伴って振幅又は直流成分が漸減し且つ前記第１の信号群に対して逆相となる第２の信号群とに対して第１の所定演算をすることにより、前記光学式信号出力装置が正常状態の時に所定特性となる第１成分を抽出する第１の信号処理部と、
前記第１の信号群と前記第２の信号群に対して第２の所定演算をすることにより、前記変位検出対象物の任意の位置に特有の第２成分を含む出力を前記変位検出対象物の変位として抽出する第２の信号処理部と、
を具備することを特徴とする光学式信号出力装置の信号処理装置。
【請求項２】
前記第１の信号処理部により実際に抽出された第１成分と前記所定特性とに差異があるか否かを比較し、該比較の結果に応じて前記光学式信号出力装置が正常状態であるか否かを告知する、又は前記比較の結果に応じて前記第１の信号処理部により実際に抽出された第１成分と前記所定特性との差異の程度を告知する告知部をさらに具備することを特徴とする請求項１に光学式信号出力装置の信号処理装置。
【請求項３】
前記第１の信号処理部は、前記第１の信号群の振幅と前記第２の信号群の振幅との和又は前記第１の信号群の直流成分と前記第２の信号群の直流成分の和を、前記第１の所定演算として演算することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式信号出力装置の信号処理装置。
【請求項４】
前記光学式信号出力装置は、
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変位検出対象物の変位方向に平行な方向が長手方向となるように形成されたスケールと、
前記スケールに対して光ビームを照射する光源と、
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することで前記第１の信号群を生成する第１の光検出器及び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することで第２の信号群を生成する第２の光検出器を有するセンサヘッドと、
を具備し、
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の光検出器、及び前記光源はそれぞれ前記第１の光検出器による検出と前記第２の光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請求項１乃至３の何れか１項に記載の光学式信号出力装置の信号処理装置。
【請求項５】
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の光検出器、及び前記光源は、前記第１の信号処理部により抽出される第１成分が前記変位検出対象物の所定区間の変位に依存せず略一定であるように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の光学式信号出力装置の信号処理装置。
【請求項６】
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変位検出対象物の変位方向に平行な方向が長手方向となるように形成されたスケールと、前記スケールに対して光ビームを照射する光源と、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することで前記変位検出対象物の所定方向の変位に伴って振幅又は直流成分が漸増する第１の信号群を生成する第１の光検出器及び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することで前記変位検出対象物の前記所定方向の変位に伴って振幅又は直流成分が漸減し且つ前記第１の信号群に対して逆相となる第２の信号群を生成する第２の光検出器を有するセンサヘッドと、を具備し、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の光検出器、及び前記光源はそれぞれ前記第１の光検出器による検出と前記第２の光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光学式信号出力装置と、
前記第１の信号群と前記第２の信号群とに対して第１の所定演算をすることにより、前記光学式信号出力装置が正常状態の時に所定特性となる第１成分を抽出する第１の信号処理部と、前記第１の信号群と前記第２の信号群に対して第２の所定演算をすることにより、前記変位検出対象物の任意の位置に特有の第２成分を含む出力を前記変位検出対象物の変位として抽出する第２の信号処理部と、を具備する信号処理装置と、
を有することを特徴とする光学式変位検出装置。
【請求項７】
前記信号処理装置は、前記第１の信号処理部により実際に抽出された第１成分と前記所定特性とに差異があるか否かを比較し、該比較の結果に応じて前記光学式信号出力装置が正常状態であるか否かを告知する、又は前記比較の結果に応じて前記第１の信号処理部により実際に抽出された第１成分と前記所定特性との差異の程度を告知する告知部をさらに具備することを特徴とする請求項６に光学式変位検出装置。
【請求項８】
前記第１の信号処理部は、前記第１の信号群の振幅と前記第２の信号群の振幅との和又は前記第１の信号群の直流成分と前記第２の信号群の直流成分の和を、前記第１の所定演算として演算することを特徴とする請求項６又は７に記載の光学式変位検出装置。
【請求項９】
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の光検出器、及び前記光源は、前記第１の信号処理部により抽出される第１成分が前記変位検出対象物の所定区間の変位に依存せず略一定であるように配置されていることを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載の光学式変位検出装置。
【請求項１０】
前記第１のトラックパターンと前記第２のトラックパターンとには、
前記変位検出対象物の変位方向に沿った所定区間において実効反射率、実効透過率、回折効率の何れかが漸増或いは漸減する光学パターンであるグレースケールパターンと、
前記グレースケールパターンと、前記変位検出対象物の変位方向に沿った方向に対して実効反射率、実効透過率、回折効率の何れかが所定の空間周期で変化する光学パターンであるエンコードパターンとが重畳されてなる光学特性を有するパターンである変調コードパターンと、
の何れかで構成されるグレートラックが形成されていることを特徴とする請求項６乃至９の何れかに記載の光学式変位検出装置。
【請求項１１】
前記第１のトラックパターンと前記第２のトラックパターンとには、少なくとも前記変調コードパターンが形成され、
前記光源から出射された光ビームが前記変調コードパターンにて透過、反射、又は回折された際に前記第１の光検出器と前記第２の光検出器の受光面上に空間周期ｐｉの回折模様を形成するように、前記スケールと前記センサヘッドとが配置されており、
前記第１の光検出器と前記第２の光検出器の受光面上には、前記空間周期ｐｉの回折模様と同一又は前記空間周期ｐｉの整数倍の空間周期を有する複数の受光素子アレイが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変位検出対象物の変位方向に沿った方向に対してずらして配置されているとともに、
前記信号処理装置は、
第１の光検出器と前記第２の光検出器の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同相加算部と、
前記同相加算部から出力される複数チャンネル出力を組み合わせて前記変位を演算する相対変位演算部と、
をさらに具備することを特徴とする請求項１０に記載の光学式変位検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−１０７１０６（Ｐ２０１１−１０７１０６Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６５５１７（Ｐ２００９−２６５５１７）
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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