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簡便な構成で実現することが可能な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に光ビームを照射して得られる第１の複数の周期信号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に光ビームを照射して得られる第２の複数の周期信号との間の位相差Δを調整すべく、位相調整部７０１の位相シフト部７０１ａによって第２の複数の周期信号の位相をΔだけシフトさせる。そして、第１の複数の周期信号と位相シフト後の第２の複数の周期信号とを用いて変位検出対象物の絶対変位及び相対変位を求める。
【解決手段】スケール上に形成され、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に光ビームを照射して得られる第１の複数の周期信号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に光ビームを照射して得られる第２の複数の周期信号との間の位相差Δを調整すべく、位相調整部７０１の位相シフト部７０１ａによって第２の複数の周期信号の位相をΔだけシフトさせる。そして、第１の複数の周期信号と位相シフト後の第２の複数の周期信号とを用いて変位検出対象物の絶対変位及び相対変位を求める。
【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。すなわち、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２２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２２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２３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２３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２３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２４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２４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２４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、出力信号の振幅成分の大きさを測定すれば、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】
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、その検出精度は極めて低いと考えられる。
【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簡便な構成で実現することが可能な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が漸増する複数の第１の周期信号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が漸減する複数の第２の周期信号とのうちの少なくとも何れかの位相をシフトさせる位相シフト部と、前記位相シフト部から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とに対して所定演算を行うことにより、前記変位検出対象物の変位を求める信号処理部と、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るスケールと、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が漸増する複数の第１の周期信号を生成する第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が漸減する複数の第２の周期信号を生成する第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、前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とのうちの少なくとも何れかの位相をシフトさせる位相シフト部と、前記位相シフト部から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とに対して所定演算を行うことにより、前記変位検出対象物の変位を求める信号処理部と、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簡便な構成で実現することが可能な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】本発明の一実施形態に係る光学式変位検出装置の構成を示す正面図である。
【図２】図１に示す光学式変位検出装置を線分Ａ−Ａ’で切断したときの断面図である。
【図３】第１の光検出器に形成された受光面とこの受光面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４】光検出器の４群の受光素子アレイの出力信号の一例を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る信号処理装置の概念的な構成を示す図である。
【図６】位相シフト部の具体的な回路構成例を示す図である。
【図７】位相シフト部の変形例の回路構成を示す図である。
【図８】信号処理装置の第１の具体的な構成例を示す図である。
【図９】同相ノイズ除去部の出力特性の一例を示す図である。
【図１０】振幅成分Ｖｐｐ１、Ｖｐｐ２の特性の一例を示す図である。
【図１１】（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）及び（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）の特性の一例を示す図である。
【図１２】（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）と（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）との比の特性を示す図である。
【図１３】同相合成部の出力特性の一例を示す図である。
【図１４】信号処理装置の第２の具体的な構成例を示す図である。
【図１５】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した図である。
【図１６】リサージュ図形による相対変位演算について説明するための図である。
【図１７】位相調整部の第１の変形例としての構成を示す図である。
【図１８】位相調整部の第２の変形例としての構成を示す図である。
【図１９】位相調整部の第３の変形例としての構成を示す図である。
【図２０】位相調整部の第４の変形例としての構成を示す図である。
【図２１】位相調整を行わないで信号加算を行う変形例の構成を示す図である。
【図２２】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２３】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２４】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。
図１は、本発明の一実施形態に係る光学式変位検出装置の構成を示す正面図である。図２は、図１に示す光学式変位検出装置を線分Ａ−Ａ’で切断したときの断面図である。
【００１６】
本発明の一実施形態に係る光学式変位検出装置について説明する前に、後述するスケールに形成されるトラックパターンに係る用語の定義を行う。まず、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、変位検出対象物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。
【００１７】
以下、図１及び図２を参照して光学式変位検出装置の構成について説明する。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ｘ軸と直交する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ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りの回転方向としても良い。
【００１８】
以下、光学式信号出力装置の構成について説明する。図１に示すように、光学式信号出力装置のセンサヘッド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、図２に示すように、センサヘッド３０の受光面（第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３が設けられている面）とスケール５０とは対向するように且つ平行に配置されている。
【００１９】
光源３１は、光源（例えばレーザダイオード）とスリット３１ａとを備え、光源からの光ビームを、スリット３１ａ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、図２に示すように、スリット３１ａ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２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。
【００２０】
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）の空間周期と同一の空間周期で形成されている。
【００２１】
図３は、第１の光検出器３２に形成された受光面とこの受光面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。なお、第２の光検出器３３についても以下の第１の光検出器３２に関する説明と同様の説明が成立する。
【００２２】
詳細は後述するが、光源３１から出射された光ビーム６１はスケール５０において反射され、この反射光が第１の光検出器３２の受光面に入射する。そして、第１の光検出器３２の受光面上において、例えば図３に示すような空間周期ｐｉを持った光学イメージ８０が形成される。上述したように、第１の光検出器３２には、４群の受光素子アレイ３２１、３２２、３２３、３２４が、光学イメージ８０の空間周期ｐｉに相当するピッチで形成されており、受光素子アレイ３２１、３２２、３２３、３２４同士は、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。そして、受光素子アレイ３２１の各受光素子は出力端子ＶＡ１から信号を出力し、受光素子アレイ３２２の各受光素子は出力端子ＶＢ１から信号を出力し、受光素子アレイ３２３は出力端子ＶＡＢ１から信号を出力し、受光素子アレイ３２４は出力端子ＶＢＢ１から信号を出力するようになされている。
【００２３】
このような構成において、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８０に対し、受光素子アレイ３２１、３２２、３２３、３２４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（すなわち１/４周期）ずつずれた周期信号となる。
【００２４】
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。
【００２５】
ここで、図１に示すグレートラック５１、５２は例えば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。
【００２６】
次に、光学式信号出力装置の動作について説明する。なお、本実施形態においては、第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３の受光面に形成される光学イメージの生成原理に種々の生成原理を適用することが可能である。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適用する例を説明する。
【００２７】
まず、図２に示すように、光源３１とスケール５０上のエンコードパターン５３との距離をＺ１とし、スケール５０上のエンコードパターンと第１の光検出器３２の受光面及び第２の光検出器３３の受光面との距離をＺ２とする。また、光源３１に設けられたスリット３１ａのＸ方向におけるピッチをｐｏとする。
【００２８】
光源３１に設けられたピッチｐｏのスリット３１ａを経て、スケール５０上の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、これらの光ビーム６１、６２はエンコードパターン５３によって反射される。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、ｐｉと、ｐｏと、ｐｓと、Ｚ１と、Ｚ２とは以下の関係を満たす。
ｐｉ＝ｐｓ・（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ１ …（式１）
ｐｏ＝ｐｓ・（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ２ …（式２）
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の周期的な光学パターンが明瞭に形成されるためには、ｐｉ、ｐｓ、ｐｏ、Ｚ１、Ｚ２及び光源１の光波長λを、３重格子構成による光学イメージの形成条件に合致させるように構成する必要がある。しかしながら、本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るものではなく、他の結像原理を用いることもできる。したがって、ｐｉ、ｐｓ、ｐｏ、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。
【００２９】
上述したように、第１の光検出器３２と第２の光検出器３３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。このため、図３で示したように、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（第１の周期信号）ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１は電気角で９０度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（第２の周期信号）ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２も電気角で９０度ずつずれた周期信号となる。
【００３０】
ところで、上述したように、グレートラック５１を構成する変調コードパターンは、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ようにエンコードパターン５３が形成されて構成されている。また、グレートラック５２を構成する変調コードパターンは、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ようにエンコードパターン５３が形成されて構成されている。このため、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。
【００３１】
すなわち、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（すなわち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（すなわち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。
【００３２】
図４（ａ）に第１の光検出器３２の４群の受光素子アレイの出力信号の一例を示し、また、図４（ｂ）に第２の光検出器３３の４群の受光素子アレイの出力信号の一例を示す。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、実際の受光素子アレイの出力信号は、光源３１やスケール５０の光学的配置に大きく影響される直流（ＤＣ成分）を含むものである。図４（ａ）において出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１がそれぞれ有するＤＣ成分をＶＤＣ１で、また、図４（ｂ）において出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２がそれぞれ有するＤＣ成分をＶＤＣ２で示している。図４（ａ）に示すように、ＶＤＣ１は、変位検出対象物の変位に従ってそのレベルが漸増（単調増加）する特性を有している。また、図４（ｂ）に示すように、ＶＤＣ２は、変位検出対象物の変位に従ってそのレベルが漸減（単調減少）する特性を有している。
【００３３】
以上が光学式信号出力装置の構成及び動作である。ここで、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。
【００３４】
また、上述した例においては、光源３１に、ピッチｐｏのスリット３１ａを設ける例を示している。しかしながら、このような構成は、３重格子構成による光学イメージの結像原理の利用を想定した場合の構成である。したがって、他の結像原理を利用する場合には、スリット３１ａは必ずしも必須の構成要件ではない。
【００３５】
次に、信号処理装置７０について説明する。まず、信号処理装置７０における信号処理の概念について説明する。図５は、本実施形態に係る信号処理装置７０の概念的な構成を示す図である。
【００３６】
なお、図５においては、第１の光検出器３２からの出力信号として互いにφ（図の例では９０度（すなわち１/４周期））位相の異なる出力信号ＶＡ１、ＶＢ１のみが信号処理装置７０に入力され、第２の光検出器３３からの出力信号として９０度（すなわち１/４周期）位相の異なる出力信号ＶＡ２、ＶＢ２のみが信号処理装置７０に入力されるように図示している。これは説明を簡略化するためである。図５に示した出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡ２、ＶＢ２は、変位検出対象物の変位検出に必要且つ十分な信号である。これらの信号に加えて出力信号ＶＡＢ１、ＶＢＢ１、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２を信号処理装置７０に入力することにより、同相ノイズの除去等を行うことが可能となる。
【００３７】
また、図４（ａ）で示したように出力信号ＶＡ１、ＶＢ１は変位に従って振幅とＤＣ成分とが漸増する特性を有し、図４（ｂ）で示したように出力信号ＶＡ２、ＶＢ２は変位に従って振幅とＤＣ成分が漸減する特性を有するものである。しかしながら、説明を簡単にするため、図５においては、信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡ２、ＶＢ２の振幅及びＤＣ成分が変位によらずに一定であるように図示している。図４（ａ）、図４（ｂ）に示した出力信号に対する位相調整部７０１の動作は、以下に説明する図５に示した出力信号に対する位相調整部７０１の動作と殆ど変わらない。
【００３８】
図５に示すように、信号処理装置７０は、位相調整部７０１と、絶対変位演算部７０２と、相対変位演算部７０３とを主に有している。
【００３９】
位相調整部７０１は、１つ以上の位相シフト部を有する。ここで、位相シフト部は、同一の光検出器から出力される一群の周期信号の位相を同位相分だけ一斉にシフトさせるものである。本例において、位相シフト部は、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２との少なくとも一方の位相を、第１の光検出器３２の出力信号と第２の光検出器３３の出力信号との位相差Δだけシフトさせる。なお、図５における位相調整部７０１は、第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２の位相をΔだけシフトさせる位相シフト部７０１ａを有している例である。
【００４０】
図１で示した光学式信号出力装置では、スケール５０に２列のグレートラックが形成されている。このように、第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３がそれぞれ別のグレートラックを介して光ビームの反射光を受光する構成となっている場合、センサヘッド３０とスケール５０との間の配置のずれにより、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２との間、及び第１の光検出器３２の出力信号ＶＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＢ２の間にはそれぞれ位相ずれΔが生じている可能性が高い。なお、図１の例では、さらに第１の光検出器３２の出力信号ＶＡＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡＢ２との間、第１の光検出器３２の出力信号ＶＢＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＢＢ２の間にもそれぞれ位相ずれΔが生じることになる。
【００４１】
光検出器の出力信号のようなアナログの周期信号に対する振幅や位相の検出処理は、そのための処理回路に対する負担が大きい。ここで、複数の光検出器の出力信号を加算したり減算したりすることで得られる信号の振幅や位相を検出するようにすれば、複数の光検出器の出力信号を１つ分の光検出器の出力信号にまとめることができる。この場合、その後の位置検出の処理を簡便にすることができる。
【００４２】
位相ずれのないアナログ周期信号同士であれば、アナログ周期信号の振幅や位相の検出を行ってから加減算をしても、アナログ周期信号の加減算の前に振幅や位相の検出を行っても同じ結果が得られる。これに対し、位相ずれのあるアナログ周期信号同士を加減算してしまうと、その後の振幅や位相の検出の際に所望の振幅や位相が得られなくなることがある。また、加減算前のアナログ周期信号の振幅が光検出器毎にばらばらに変化すると、加減算後の信号の変位に対する周期性が失われてしまう。この場合、変位の検出結果に誤差を生じることとなる。
【００４３】
以上のような複数の光検出器の間の出力信号の位相を機械的に一致させることは困難である。機械的な位相調整をしない場合又は機械的な位相調整で除去できない位相ずれをなくしたい場合には、電気的な位相調整が必要となる。このような電気的な位相調整を位相調整部７０１の位相シフト部７０１ａにおいて行う。
【００４４】
第２の光検出器３３の位相調整は、例えば、互いにφ（図の例では９０度）の位相差を有する出力信号ＶＡ２及びＶＢ２と以下に示す３角関数の（式３）とを用いて、もとの位相からΔだけ位相のずれた信号ＶＡ２’、ＶＢ２’を生成することによって行う。
【数１】
【００４５】
なお、（式３）におけるａ、ｂは係数である。また、Ａは変位検出対象物の変位に対応している。また、（式３）の演算を行うための条件として、第１の光検出器３２の出力信号の振幅はそれぞれ等しく、また、第２の光検出器３３の出力信号の振幅もそれぞれ等しいものとする。ただし、第１の光検出器３２の出力信号の振幅と第２の光検出器３３の出力信号の振幅とは必ずしも一致していなくとも良い。
【００４６】
（式３）において、ａ２＋ｂ２＝１、且つΔ＝ｔａｎ−１（ａ/ｂ）を満たすａとｂを求める。このようにして求めたｓｉｎ（Ａ＋Δ）がＶＡ２’となる。同様にしてｓｉｎ（Ａ＋Δ）に対して９０度位相のずれたｃｏｓ（Ａ＋Δ）を求める。このｃｏｓ（Ａ＋Δ）がＶＢ２’となる。なお、実際のＶＡ２’、ＶＢ２’は振幅が「１」ではなく、出力信号ＶＡ２、ＶＢ２の振幅に応じた振幅を有するものとなる。
【００４７】
（式３）のような位相調整を行うための具体的な位相シフト部の回路構成例を図６に示す。図６（ａ）は０度≦Δ≦９０度までの位相差Δに対する位相調整を行う回路構成例である。この回路は、第２の光検出器３３からの出力信号の入力端子ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２を有している。また、この回路は、入力端子の数に応じた数（図６（ａ）の例では４つ）の可変抵抗を有しており、これらの可変抵抗は直列に接続されている。そして、入力端子ＶＡ２は、ボルテージフォロワ回路等のバッファ回路Ｂｕｆを介して可変抵抗の接点ＲＡ２に接続されている。同様に、入力端子ＶＢ２は、バッファ回路Ｂｕｆを介して可変抵抗の接点ＲＢ２に接続されている。また、入力端子ＶＡＢ２は、バッファ回路Ｂｕｆを介して可変抵抗の接点ＲＡＢ２に接続されている。また、入力端子ＶＢＢ２は、バッファ回路Ｂｕｆを介して可変抵抗の接点ＲＢＢ２に接続されている。さらに、各可変抵抗は、端子間の抵抗値が等しくなるよう、トリマ連動されている。
【００４８】
図６（ａ）に示す回路構成において、９０度ずつの位相差を有する出力信号ＶＡ２＝ｓｉｎＡ、ＶＢ２＝ｃｏｓＡ、ＶＡＢ２＝−ｓｉｎＡ、ＶＢＢ２＝−ｃｏｓＡが入力されたとすると、出力信号ＶＡ２、ＶＢ２から、以下の（式４）で示すようにして出力信号ＶＡ２に対してΔの位相差を有する出力信号ＶＡ２’が得られる。また、出力信号ＶＢ２’、ＶＡＢ２’、ＶＢＢ２’についても同様にして得ることができる。
【数２】
【００４９】
なお、（式４）におけるＲ１は接点ＲＡ２とスイッチとの間の抵抗値を示し、Ｒ２はスイッチと接点ＲＢ２との間の抵抗値を示している。そして、Ｒ１/（Ｒ１＋Ｒ２）が（式３）におけるａに対応し、Ｒ２/（Ｒ１＋Ｒ２）が（式３）におけるｂに対応している。
【００５０】
図６（ａ）に示す位相シフト部の回路を複数段組み合わせることで、位相調整範囲を拡げることが出来る。例えば、２段組み合わせることで０度から１８０度までの調整が可能となる。また、図６（ａ）に示す位相調整シフト回路への入力を入れ換える入力入れ換え回路、又は出力を入れ換える出力入れ換え回路を、図６（ａ）に示す位相シフト部の回路と組み合わせて用いることで、０度から３６０度まで、全ての角度の位相調整が可能となる。
【００５１】
ここで、図６（ａ）に示すように、ＶＡＢ２’はＶＡ２’に対して位相が１８０度ずれており、ＶＢＢ２’はＶＢ２’に対して位相が１８０度ずれている。これを利用して、図６（ａ）に示す回路から破線枠で示した部分を削除し、インバータ等によってＶＡ２’、ＶＢ２’の位相を１８０度反転させることでＶＡＢ２’、ＶＢＢ２’をそれぞれ生成するようにしても良い。
【００５２】
図６（ａ）の例では、抵抗を仲介した和信号の生成によって位相シフトを行ったが、オペアンプを用いた回路を用いても良い。具体例の１つを図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）の回路において、ＶＡ２＝ｓｉｎＡ、ＶＢ２＝ｃｏｓＡの信号を入力すると、出力ＶＡ２’は以下の（式５）の様になる。
【数３】
【００５３】
この図６（ｂ）の例では、Ｒ１を可変抵抗としており、Ｒ１の値を変化させることで、−９０度＜Δ≦０度の範囲で位相シフト量を変えることができる。Ｒ２も可変抵抗とすれば、Δ＝−９０度の位相シフト量も実現できる。
【００５４】
以上のことから、図６（ａ）と図６（ｂ）の例では、絶対値で９０度の範囲内での位相シフトが可能となる。これらの位相シフト回路を複数組み合わせたり、入出力信号の入れ換えや信号反転回路と組み合わせたりすることで、所望の角度範囲での位相調整が可能な位相調整シフト回路を実現することができる。
【００５５】
また、図６（ａ）、図６（ｂ）に示した回路は抵抗値をアナログ的に変化させる構成である。これに対し、抵抗値をデジタル的に変化させて位相調整を行う構成としても良い。このような場合の回路構成例を図７に示す。図７の構成においては、複数の位相信号の選択肢の中から、最も好ましい位相の信号群を選択する。なお、図７は、０度＜Δ≦９０度までの位相差Δに対する位相調整を行う回路構成例である。このような図７の構成では、位相調整を自動的に行うことが可能である。
【００５６】
以上、図６、図７に示した以外であっても、同一の光検出器から出力される一群の周期信号の位相を位相差Δ分だけ一斉にシフトさせることができる構成であれば、位相シフト部７０１ａとして各種の構成を適用することが可能である。例えば、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の両方の位相をシフトさせることによって位相差Δを無くすような構成としても良い。また、位相のシフトを行う信号を第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２との間で切り替えられるようにしても良い。さらには、位相シフト部７０１ａを演算回路で実現しても良い。
【００５７】
絶対変位演算部７０２は、第１の光検出器３２の出力信号と、位相シフト部７０１ａによって位相シフトされた第２の光検出器３３の出力信号とに基づいて変位検出対象物の絶対変位を演算する。相対変位演算部７０３は、第１の光検出器３２の出力信号と、位相シフト部７０１ａによって位相シフトされた第２の光検出器３３の出力信号とに基づいて変位検出対象物の相対変位を演算する。
【００５８】
図８は、信号処理装置７０の第１の具体的な構成例を示す図である。図８に示す信号処理装置７０は、同相ノイズ除去部７０４ａ、７０４ｂと、位相調整部７０１と、振幅成分差動演算部７０５と、同相合成部７０６と、絶対変位演算部７０２と、相対変位演算部７０３とを有している。なお、振幅成分差動演算部７０５と、同相合成部７０６と、絶対変位演算部７０２と、相対変位演算部７０３が「信号処理部」の一例として機能する。
【００５９】
まず、第１の光検出器３２の出力信号、第２の光検出器３３の出力信号の前処理に係る構成及び動作について説明する。
同相ノイズ除去部７０４ａ、７０４ｂは、第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３からの出力信号のうちで、１８０度（すなわち１/２周期）位相の異なる出力信号の差を演算する。すなわち、同相ノイズ除去部７０４ａにおいては以下の（式６）で示す演算が行われ、同相ノイズ除去部７０４ｂにおいては以下の（式７）で示す演算が行われる。
Ｖａ１＝ＶＡ１−ＶＡＢ１
Ｖｂ１＝ＶＢ１−ＶＢＢ１ （式６）
Ｖａ２＝ＶＡ２−ＶＡＢ２
Ｖｂ２＝ＶＢ２−ＶＢＢ２ （式７）
図９（ａ）に同相ノイズ除去部７０４ａの出力信号を示し、図９（ｂ）に同相ノイズ除去部７０４ｂの出力信号を示す。同相ノイズ除去部７０４ａの動作により、第１の光検出器３２の出力信号に含まれるオフセット成分、ノイズ成分、ＤＣ成分の影響がキャンセルされる。そして、位相差φ（例では９０度）を有する出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１が得られる。また、同相ノイズ除去部７０４ｂの動作により、第２の光検出器３３の出力信号に含まれるオフセット成分、ノイズ成分、ＤＣ成分の影響がキャンセルされる。そして、位相差φ（例では９０度）を有する出力信号Ｖａ２、Ｖｂ２が得られる。
【００６０】
なお、ノイズ成分等の影響を考慮しないのであれば、同相ノイズ除去部７０４ａ、７０４ｂは不要である。また、この場合には光学式信号出力装置からの信号も出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡ２、ＶＢ２だけ入力するようにすれば良い。
【００６１】
位相調整部７０１は、位相シフト部７０１ａを用いて、同相ノイズ除去部７０４ａの出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１と同相ノイズ除去部７０４ｂの出力信号Ｖａ２、Ｖｂ２のうち、少なくとも一方（図８の例では出力信号Ｖａ２、Ｖｂ２のみ）の位相をΔだけシフトさせる。なお、出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１と出力信号Ｖａ２、Ｖｂ２との位相差Δ、すなわち第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ２と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２との位相差Δは、例えば信号処理装置７０とは別個に設けられた位相差検出回路において検出されるものである。この他、例えば、後述の振幅成分差動演算部７０５や同相合成部７０６における信号の加算前後の振幅の変化によっても位相差Δを検出することが可能である。
【００６２】
同一の周期を持つ複数の周期信号間の位相差や特定の位相を有する周期信号に対する位相差を検出する具体的な方法としては、例えば、次のようなものがある。オシロスコープ等で取り込んだ波形のピーク等の位相を特定できるポイント間の位相差を検出したり、２つの正弦波信号によって生成されるリサージュ波形の楕円形状を用いて算出したりする。楕円状のリサージュ波形では、２つの信号振幅と楕円の長軸・短軸の座標軸に対する倒れ角から２信号の位相差を算出可能である。また、２つの正弦波信号の一方の位相をシフトさせた後に２信号の和を取る場合に、和信号の振幅が最大、又は最小となる位相シフト量から、元の２信号の位相差を算出することが可能である。この場合の位相シフト量の与え方は、１組の２信号の一方の位相シフト量を１８０度、又は３６０度といった範囲内で変化させて行く方法と、複数組の２信号の一方へ、それぞれ値の異なる既知の位相シフト量を与える方法などがある。１組の２信号の一方の位相シフト量を変化させる前者の方法では、所定範囲内を所定ステップでスイープして位相差を検出する方法と、最適化手法の様に徐々に、求める位相差である最適値へ近づいていく方法がある。
【００６３】
ここに記載した位相差検出の方法は具体的例として例示したものであり、位相差検出にこれら以外の方法を用いても構わない。
【００６４】
振幅成分差動演算部７０５は、位相調整部７０１の出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１の振幅成分Ｖｐｐ１と、位相調整部７０１の出力信号Ｖａ２’、Ｖｂ２’の振幅成分Ｖｐｐ２（出力信号Ｖａ２、Ｖｂ２の振幅成分と同じ）とを演算する。そして、振幅成分差動演算部７０５は、振幅成分Ｖｐｐ１と振幅成分Ｖｐｐ２との和、及び振幅成分Ｖｐｐ１と振幅成分Ｖｐｐ２との差を演算する。
【００６５】
ここで、振幅成分Ｖｐｐ１、Ｖｐｐ２の特性をそれぞれ図１０に示す。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、振幅成分Ｖｐｐ１は、図１０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１０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１０からも明らかなように、振幅成分Ｖｐｐ１、Ｖｐｐ２はそれぞれ（式８）、（式９）に示す関係で定義される。
Ｖｐｐ１＝ａ・ｘ （式８）
Ｖｐｐ２＝−ａ・（ｘ−Ｌｇｒａｙ） （式９）
ここで、Ｌｇｒａｙは、スケール５０の実効反射率が漸増又は漸減する所定区間の長さである。また、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（すなわち図１０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１０）によって求めることができる。
ａ＝Ｖｐｐｍａｘ／Ｌｇｒａｙ （式１０）
また、Ｖｐｐ１とＶｐｐ２の和、差の演算結果を以下の（式１１）、（式１２）に示す。
Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２＝ａ・Ｌｇｒａｙ （式１１）
Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２＝２ａ・ｘ−ａ・Ｌｇｒａｙ （式１２）
（式１１）の特性を図１１の特性１０６で、（式１２）の特性を図１１の特性１０７でそれぞれ示す。位相調整部７０１の動作により、（式１１）、（式１２）で示す演算を正しく行うことが可能となる。
【００６６】
次に、絶対変位演算に係る構成及び動作について説明する。
絶対変位演算部７０２は、振幅成分差動演算部７０５で演算された振幅成分の和（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）と振幅成分の差（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）とを用いて絶対変位ｘを算出するための演算を行う。この演算として、絶対変位演算部７０２においては以下の（式１３）で示す演算が行われる。
（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）／（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２） （式１３）
より詳細には、絶対変位ｘは、（式１３）による演算結果を利用した（式１４）の演算により算出される。
ｘ＝α・（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）／（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）＋β （式１４）
ここで、α（≠０）、βは係数である。なお、絶対変位ｘを算出するための（式１３）から（式１４）への変換は極めて容易である。このため、必ずしも（式１４）の演算を絶対変位演算部７０２内で行わなくとも良い。この場合、信号処理装置７０のさらに後段に設けられる、図示しないホストコンピュータ等で（式１４）による変換を実行すれば良い。
【００６７】
また、上述の例では、絶対変位の演算方法として振幅成分Ｖｐｐ１、Ｖｐｐ２を用いる例について説明している。本質的には、第１の光検出器３２の出力信号と第２の光検出器３３の出力信号に基づく逆相となる成分の信号であれば良い。例えば、図４（ａ）、図４ｂ）におけるＤＣレベル信号であるＶＤＣ１、ＶＤＣ２を用いて（式１１）〜（式１４）の演算を行うようにしても良い。
【００６８】
なお、（式１３）に、（式１１）、（式１２）の関係を代入すると以下の（式１５）、（式１６）の関係が得られる。
（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）／（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）＝２／Ｌｇｒａｙ・ｘ−１
（式１５）
ｘ＝Ｌｇｒａｙ・（（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）／（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）＋１）／２
（式１６）
ここで、（式１５）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１６）の変位量ｘは変化しない。
【００６９】
また、通常、光学式信号出力装置の経時変化や環境温度の変化により、光源からの出力や光検出器の感度特性等は変化する。また、光源からの出力や光検出器の感度特性が変化していなくとも、センサヘッドやスケールのがたつき等の要因によって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、このような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１０及び図１１に示す、実線１０４で示す特性から破線１０４’で示す特性、実線１０５で示す特性から破線１０５’で示す特性、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、というように大きく変動してしまう。この場合、絶対位置を正確に検出することは困難となる。
【００７０】
本実施形態においては、Ｖｐｐ１とＶｐｐ２との和・差を演算した上で、さらにこれらの比を演算することで、（式１６）に示すように、変動する成分である傾きａや最大振幅Ｖｐｐｍａｘをキャンセルした変位を得ることができる。このようにして非常に安定且つ高精度に絶対変位ｘを検出することができる。また、（式１５）の特性は図１２の実線１０８で示す特性となる。図１２に示す特性は、傾きａ、最大振幅Ｖｐｐｍａｘに依存しないため、傾きａや最大振幅Ｖｐｐｍａｘを求めることなく、絶対変位ｘを演算することが可能である。したがって、絶対変位ｘを演算するためにセンサヘッドやスケールの初期設定も必要としない。
【００７１】
次に、相対変位演算に係る構成及び動作について説明する。
同相合成部７０６は、位相調整部７０１からの出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１、Ｖａ２’、Ｖｂ２’のうちで同位相の信号を加算する。すなわち、同相合成部７０６においては以下の（式１７）で示す演算が行われる。
Ｖａ＝Ｖａ１＋Ｖａ２’
Ｖｂ＝Ｖｂ１＋Ｖｂ２’ （式１７）
このような同相合成部７０６からは図１３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。
【００７２】
相対変位演算部７０３は、同相合成部７０６により得られた信号Ｖａ、Ｖｂの位相角に基づいて変位量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。このような処理を行う際に、相対変位演算部７０３は、直接的に振幅値を演算して角度情報へ変換することで変位量を算出するようにしても良いし、所謂ＲＯＭテーブル参照方式によって変位量を算出するようにしても良い。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態によれば、光学式信号出力装置に設けられた２つの光検出器から出力される互いに逆相となる信号を用いて変位検出対象物の絶対変位及び相対変位を検出するようにしている。これにより、絶対変位検出及び相対変位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ことができる。
【００７４】
また、本実施形態によれば、２つの光検出器の出力信号を加減算するに先立って少なくとも一方の光検出器からの出力信号の位相を位相差Δだけシフトさせるようにしている。これにより、変位の検出の際の誤差の影響を低減してより安定且つ高精度な変位検出を行うことが可能である。
【００７５】
以下、本実施形態の変形例について説明する。
まず、図１においては、光源３１を１個のみ図示しているが、光源の数は１個に限られない。すなわち、複数の光源を設けても勿論良い。また、センサヘッドの数も１個に限られない。例えば、グレートラック５１、５２の各々に対して個別にセンサヘッドを設ける構成としても良い。このように構成する場合には、各々のグレートラック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変位の検出に高精度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。
【００７６】
また、図１４は、信号処理装置７０の変形例としての第２の具体的な構成例を示す図である。図１４に示す信号処理装置７０は、同相ノイズ除去部７０４ａ、７０４ｂと、位相調整部７０１と、リサージュ生成回路７０７と、絶対変位演算部７０２と、内挿回路７０８ａ、７０８ｂと、相対変位演算部７０３とを有している。この図１４の構成はリサージュ図形に基づいて変位検出対象物の絶対変位及び相対変位を検出する構成である。
【００７７】
まず、第１の光検出器３２の出力信号、第２の光検出器３３の出力信号の前処理に係る構成及び動作について説明する。なお、図１４に示す同相ノイズ除去部７０４ａ、７０４ｂと、位相調整部７０１の構成及び動作は図８で示した構成及び動作と同一である。したがって、同相ノイズ除去部７０４ａ、７０４ｂと、位相調整部７０１の説明については省略する。
【００７８】
リサージュ生成回路７０７は、位相調整部７０１からの出力信号Ｖａ１と出力信号Ｖｂ１、出力信号Ｖａ２’と出力信号Ｖｂ２’とからリサージュ図形をそれぞれ生成する。
【００７９】
ここで、位相調整部７０１からの出力信号Ｖａ１を余弦成分とし、出力信号Ｖｂ１を正弦成分としてリサージュ図形を生成するとともに、位相調整部７０１からの出力信号Ｖａ２’を余弦成分とし、出力信号Ｖｂ２’を正弦成分としてリサージュ図形を生成する場合を考える。図９（ａ）に示したように、出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１は、変位量に従って振幅が漸増する特性を有している。一方、図９（ｂ）に示したように、出力信号Ｖａ２’、Ｖｂ２’（図９（ｂ）は、同相ノイズ除去部７０４ｂの出力信号Ｖａ２、Ｖｂ２を示しているが、Ｖａ２とＶａ２’、Ｖｂ２とＶｂ２’は位相が異なるのみで振幅は同じである）は、変位量に従って振幅が漸減する特性を有している。このため、出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１に基づいて描画したリサージュ図形は、図１５に示すように、半径（原点からの距離）が漸増する渦状の軌跡Ｌ１となる。一方、出力信号Ｖａ２’、Ｖｂ２’に基づいて描画したリサージュ図形は、図１５に示すように、半径が漸減する渦状の軌跡Ｌ２となる。
【００８０】
次に、絶対変位演算に係る構成及び動作について説明する。
図１４の構成における絶対変位演算部７０２は、リサージュ生成回路７０７において生成されたリサージュ図形Ｌ１の半径ｒ１とリサージュ図形Ｌ２の半径ｒ２について、以下の（式１８）で示す演算を実行することで絶対変位を算出する。
（ｒ１−ｒ２）／（ｒ１＋ｒ２） （式１８）
この（式１８）は（式１３）と等価な式である。したがって、実際の絶対変位ｘは、（式１８）による演算結果を利用した（式１９）の演算により算出される。
ｘ＝α・（ｒ１−ｒ２）／（ｒ１＋ｒ２）＋β （式１９）
位相調整部７０１の動作により、（式１８）、（式１９）で示す演算を正しく行うことが可能となる。
【００８１】
ここで、（式１８）の演算の代わりに、半径ｒ１とｒ２の差をリサージュ図形の最大半径ｒｍａｘ（上述のＶｍａｘに対応）で除算しても絶対変位を求めることができる。すなわち、以下の（式２０）で示す演算を行っても良い。
【００８２】
（ｒ１−ｒ２）／ｒｍａｘ （式２０）
なお、絶対位置の算出においては、絶対変位演算部７０２においてラフな絶対位置を求めた後、このラフな絶対位置と相対変位演算部７０３において求められる相対位置とを併せてより高精度な絶対位置を求めるようにしても良い。さらには、例えばコンパレータ等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良い。
【００８３】
次に、相対変位演算に係る構成及び動作について説明する。
図１４の構成における内挿回路７０８ａは、リサージュ生成回路７０７において生成されたリサージュ図形Ｌ１の余弦成分、正弦成分を用いて内挿処理を行って角度情報θ１を取得する。また、内挿回路７０８ｂは、リサージュ生成回路７０７において生成されたリサージュ図形Ｌ２の余弦成分、正弦成分を用いて内挿処理を行って角度情報θ２を取得する。
【００８４】
具体的には、内挿回路７０８ａは、例えばリサージュ生成回路７０７において生成されたリサージュ図形Ｌ１の余弦成分（＝Ｖａ１）と正弦成分（＝Ｖｂ１）の値からθ１＝ｔａｎ−１（Ｖｂ１/Ｖａ１）を演算することで角度情報を取得する。また、内挿回路７０８ｂは、例えばリサージュ生成回路７０７において生成されたリサージュ図形Ｌ２の余弦成分（＝Ｖａ２’）と正弦成分（＝Ｖｂ２’）の値からθ２＝ｔａｎ−１（Ｖｂ２’/Ｖａ２’）を演算することで角度情報を取得する。なお、角度情報を細かく演算することで空間周期ｐｓよりも細かい変位量を検出することが可能となる。
【００８５】
ここで、リサージュ生成回路７０７からの出力信号をアナログ−デジタル変換してアドレスデータを生成し、各内挿回路に記録されている角度情報のテーブル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良い。さらには、分解能によっては、直接、アナログ値を用いて、コンパレータ等の簡易な回路素子によって信号を検出して変位を求めても勿論良い。
【００８６】
相対変位演算部７０３は、内挿回路７０８ａで演算された角度情報θ１と内挿回路７０８ｂで演算された角度情報θ２とを演算処理して誤差成分を排除するとともに、該誤差成分が排除された現在の角度情報と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する。ここで、「誤差成分を排除する」処理とは、単に内挿回路７０８ａ、７０８ｂから出力される角度情報の平均値をとる処理に限定されない。例えば以下の３つの例で示す処理も「誤差成分を排除する」処理として含めることができる。
（例１） 内挿回路７０８ａ、７０８ｂで演算される角度情報のうち、原信号の振幅の大きい方に相当する角度情報のみを出力させる。
（例２） 原信号の振幅の大きさに応じて、内挿回路７０８ａ、７０８ｂ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。
【００８７】
ここで、相対変位演算部７０３において演算される角度情報の変化量θが空間周期ｐｓ内での変位に相当する。θから相対変位ｘｐへは、以下の（式２１）に従って変換することができる。
ｘｐ＝ｐｓ・θ／２π （式２１）
ところで、実際には、（式２１）に示す相対変位ｘｐは、内挿回路７０８ａ、７０８ｂの何れかからの角度情報だけでも演算可能である。ただし、一方の角度情報のみから相対変位を演算してしまうと、振幅の小さな領域において相対変位の演算誤差が大きくなってしまう。これに対し、本実施形態においては、２つの内挿回路７０８ａ、７０８ｂの角度情報を用いて相対変位を演算するようにしている。この場合、一方の信号の振幅が小さい場合には他方の信号の振幅が大きくなっている。したがって、演算誤差の影響がキャンセルされて安定して高精度に相対位置を演算することが可能である。
【００８８】
次に、リサージュ図形に基づく相対変位の別の演算手法について説明する。まず、リサージュ生成回路７０７において、位相調整部７０１からの出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１、Ｖａ２’、Ｖｂ２’のうちで同位相の信号を加算する。この場合、図１３で示したような、変位ｘに対して一定の振幅を有する１/４周期位相差の信号Ｖａ、Ｖｂが得られる。ここで、信号Ｖａを余弦成分、信号Ｖｂを正弦成分としてリサージュ図形を生成すると、図１６に示すような一定の半径で描かれる円軌跡となる。この円周上の位相角θの変化量から相対変位ｘｐを求めることが可能である。このような手法でも安定して高精度に相対位置を演算することが可能である。
【００８９】
また、図１７は、位相調整部７０１の第１の変形例としての構成を示す図である。この第１の変形例の構成は、図５で示した構成に加えて位相差検出部７０１ｂを設けたものである。
【００９０】
位相差検出部７０１ｂは、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２のうちで互いに対応する（特定位相同士の）信号（図では出力信号ＶＡ１と出力信号ＶＡ２）の位相差Δを検出し、この検出した位相差Δを位相シフト部７０１ａに出力する。位相シフト部７０１ａは位相差検出部７０１ｂで検出された位相差Δだけ、第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の位相をシフトさせる。
【００９１】
なお、図１７は、第２の光検出器３３の出力信号の位相をシフトさせているが、第１の光検出器３２の出力信号の位相をシフトさせるようにしても良い。また、両方の光検出器の位相をシフトさせるようにしても良い。また、図１７は、出力信号ＶＡ１と出力信号ＶＡ２とからなる１組の出力信号の位相差を検出するようにしているが、４組の出力信号の位相差を全て検出するようにしても良い。この場合は、例えば４組の出力信号の位相差の平均値を位相シフト部７０１ａに入力する。
【００９２】
図１７で示した構成では、位相調整に係る全ての処理を信号処理装置７０内で行うことができるようになる。さらに、必要な時に位相検出を行うことができるので、最新の検出結果に基づいた調整が可能となる。特に、常に位相検出を行うことでリアルタイムの位相調整の実現が可能となる。
【００９３】
図１８は、位相調整部７０１の第２の変形例としての構成を示す図である。この第２の変形例の構成は、図１７で示した構成に加えて選択部７０１ｃを設けたものである。また、図１８においては、位相差検出部７０１ｂで検出された位相差Δが選択部７０１ｃと位相シフト部７０１ａとに入力される。
【００９４】
選択部７０１ｃは、位相差検出部７０１ｂで検出された位相差Δに応じて、第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２を並べ替え、並べ替え後の信号ＶＡ２Ａ、ＶＡ２Ｂ、ＶＢ２Ａ、ＶＢ２Ｂを位相シフト部７０１ａに出力する。位相シフト部７０１ａは、並べ替え後の信号ＶＡ２Ａ、ＶＡ２Ｂ、ＶＢ２Ａ、ＶＢ２Ｂを位相シフトさせ、位相シフト後の信号ＶＡ２Ａを出力ＶＡ２’とし、位相シフト後の信号ＶＡ２Ｂを出力ＶＢ２’とし、位相シフト後の信号ＶＢ２Ａを出力ＶＡＢ２’とし、位相シフト後の信号ＶＢ２Ｂを出力ＶＢＢ２’として位相シフト部７０１ａに出力する。
【００９５】
なお、選択部７０１ｃにおける並べ替えは、位相シフト部７０１ａにおける位相のシフト量が小さくなるようにする。すなわち、出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２はφ（本実施形態の例では９０度（１/４周期））ずつの位相差を有している。このため、選択部７０１ｃにおいて信号の並べ替えを行うことで、位相シフト部７０１ａに入力する前にφ単位での位相シフトを行ったのと同じことになる。このようにして、位相シフト部７０１ａにおける位相シフト量を少なくすることが可能である。
【００９６】
図１９は、位相調整部７０１の第３の変形例としての構成を示す図である。この第３の変形例の構成は、図１８で示した構成に加えて振幅中心差補正部７０１ｄと、振幅差検出部７０１ｅと、振幅調整部７０１ｆとを設けたものである。
【００９７】
振幅中心差補正部７０１ｄは、振幅中心差検出部７０１１ｄを有している。この振幅中心差検出部７０１１ｄは、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２とのそれぞれの振幅中心のＤＣレベルの所定の値からの差、又は第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１の振幅中心のＤＣレベルと第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の振幅中心のＤＣレベルとの差を検出する。そして、振幅中心差補正部７０１ｄは、振幅中心差検出部７０１１ｄで検出された振幅中心のＤＣレベルの所定値からの差、又は振幅中心のＤＣレベル同士の差を補償するように（無くなるように）、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２との少なくとも何れか一方の振幅中心のＤＣレベルを補正する。
【００９８】
振幅差検出部７０１ｅは、第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の振幅差を検出する。振幅調整部７０１ｆは、位相シフト部７０１ａの出力信号の数（図では出力信号ＶＡ２’、ＶＢ２’、ＶＡＢ２’、ＶＢＢ２’の４つ）に応じた振幅調整回路（例えば増幅回路からなる）を有し、振幅差検出部７０１ｅで検出された振幅差に応じて、出力信号ＶＡ２’、ＶＢ２’、ＶＡＢ２’、ＶＢＢ２’の振幅調整を行う。この振幅調整は各出力信号の振幅を合わせたり、所望の振幅や振幅比にしたりするために行う。このようにすることで、信号の加減算の結果として得られる信号への第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３の影響を所望の割合とすることができる。すなわち、加減算された信号の振幅や位相といった信号情報への第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３の元信号の影響割合を所定の割合とすることができる。そのため、一方の光検出器の出力に偏った位置検出を避けることができ、高精度な位置検出が可能となる。
【００９９】
ここで、図１８では、振幅差検出部７０１ｅ、振幅調整部７０１ｆを位相調整部７０１内部に設けている。しかしながら、振幅差検出部７０１ｅ、振幅調整部７０１ｆを位相調整部７０１の後段に設けるようにしても良い。また、図１８の例では、位相シフト部７０１ａの出力信号に対して振幅調整を行っている。しかしながら、振幅差検出部７０１ｅ、振幅調整部７０１ｆを位相シフト部７０１ａの前段に設けるようにして、位相シフトの前に振幅調整を行うようにしても良い。
【０１００】
図２０は、位相調整部７０１の第４の変形例としての構成を示す図である。この第４の変形例の構成は、図１８で示した構成に加えてオフセット検出部７０１ｇと、オフセット補正部７０１ｉ、７０１ｈとを設けたものである。
【０１０１】
オフセット検出部７０１ｇは、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１と位相シフト部７０１ａの出力信号ＶＡ２’、ＶＢ２’、ＶＡＢ２’、ＶＢＢ２’との基準電圧に対するオフセット量、又は第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１に対する位相シフト部７０１ａの出力信号ＶＡ２’、ＶＢ２’、ＶＡＢ２’、ＶＢＢ２’のオフセット量を検出する。オフセット補正部７０１ｉ、７０ｈは、オフセット検出部７０１ｇで検出されたオフセットが無くなるように、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１と位相シフト部７０１ａの出力信号ＶＡ２’、ＶＢ２’、ＶＡＢ２’、ＶＢＢ２’との少なくとも何れか一方のオフセットを補正する。オフセット補正は、例えばレベルシフトによって行う。なお、図２０は両方の信号のオフセット補正を行う例である。
【０１０２】
オフセットを持ったままの信号を用いて相対位置及び絶対位置の位置検出を行うと誤差を生じさせる大きな要因の１つなりうる。図２０で示した構成によってオフセット補正を行うことで、位相調整のみを行うよりも、より高精度な位置検出が可能となる。
【０１０３】
ここで、図２０では、オフセット検出部７０１ｇと、オフセット補正部７０１ｈ、７０１ｉを位相調整部７０１内部に設けている。しかしながら、オフセット検出部７０１ｇと、オフセット補正部７０１ｈ、７０１ｉを位相調整部７０１の後段に設けるようにしても良い。また、図２０の例では、位相シフト部７０１ａの出力信号に対してオフセット補正を行っている。しかしながら、オフセット検出部７０１ｇ、オフセット補正部７０１ｈを位相シフト部７０１ａの前段に設けるようにして、位相シフトの前にオフセット補正を行うようにしても良い。
【０１０４】
さらに、図１９で示した振幅調整と図２０で示したオフセット補正とは組み合わせて行っても良い。この際、振幅調整とオフセット補正との順番は、どちらが先でも同時でも構わない。
【０１０５】
なお、上述した各種の位相調整において、例えば、位相差が５度程度ずれていても振幅誤差は０．５％程度しか生じない。そのため、用途によっては第１の光検出器３２の出力信号と第２の光検出器３３の出力信号との位相を完全に一致させなくても良い。この場合、例えば、複数の候補の中から位相差の少ない信号同士を選択すれば良い。
【０１０６】
図２１は、このような変形例の構成を示す図である。該変形例の構成は、入力信号の数（図２１の例では第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１、第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の８つ）に対応したバッファ回路Ｂｕｆと、振幅差検出回路８０１ａ、８０１ｂと、ゲイン指示回路８０２と、振幅調整回路８０３ａ、８０３ｂと、スイッチ回路８０４と、スイッチ回路８０４と振幅調整回路８０３ａ、８０３ｂとの間に接続されたバッファ回路Ｂｕｆと、位相差検出部８０５と、接続切替演算部８０６と、スイッチドライブ回路８０７と、加算回路８０８と、を有している。
【０１０７】
振幅差検出回路８０１ａは、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１の振幅差を検出する。振幅差検出回路８０１ｂは、第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の振幅差を検出する。
【０１０８】
ゲイン指示回路８０２は、振幅差検出回路８０１ａによって検出された第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１の振幅差が補償されるように（無くなるように）第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１の各々のゲイン値を振幅調整回路８０３ａに指示する。また、ゲイン指示回路８０２は、振幅差検出回路８０１ｂによって検出された第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の振幅差が補償されるように第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の各々のゲイン値を振幅調整回路８０３ｂに指示する。
【０１０９】
図２１の変形例においては、位相シフトを行わずに信号の並べ替えのみを行って信号の加算を行うものである。このため、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１の間、又は第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の間に振幅差があると正しい加算結果が得られなくなる。振幅調整回路８０３ａ、８０３ｂによって第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１の間、第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の間での振幅差を無くすことで、位相差Δが小さい場合には、並べ替えのみで信号の加算を行っても正しい加算結果を得ることが可能である。
【０１１０】
スイッチ回路８０４は、第２の光検出器３３の出力信号と同数（図では４つ）のスイッチを有している。これらのスイッチは、スイッチドライブ回路８０７によって振幅調整回路８０３ｂから出力される振幅調整後の第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の何れかを選択して加算回路８０８に出力するようになされている。
【０１１１】
位相差検出部８０５は、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１と、第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２との位相差Δを検出する。そして、位相差検出部８０５は、位相差Δが所定値（例えば５度）以下の場合、接続切替演算部８０６に制御信号を出力する。
【０１１２】
接続切替演算部８０６は、振幅調整後の第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１と出力信号ＶＡ１に対して位相が略等しい振幅調整後の第２の光検出器３３の出力信号とが同じ加算回路８０８に入力され、振幅調整後の第１の光検出器３２の出力信号ＶＢ１と出力信号ＶＢ１に対して位相が略等しい振幅調整後の第２の光検出器３３の出力信号とが同じ加算回路８０８に入力され、振幅調整後の第１の光検出器３２の出力信号ＶＡＢ１と出力信号ＶＡＢ１に対して位相が略等しい振幅調整後の第２の光検出器３３の出力信号とが同じ加算回路８０８に入力され、振幅調整後の第１の光検出器３２の出力信号ＶＢＢ１と出力信号ＶＢＢ１に対して位相が略等しい振幅調整後の第２の光検出器３３の出力信号とが同じ加算回路８０８に入力されるようにスイッチドライブ回路８０７に対してスイッチの切り替え指示を送る。
【０１１３】
スイッチドライブ回路８０７は、接続切替演算部８０６の指示に従ってスイッチ回路８０４を構成する４つのスイッチの接続先の切り替えを行う。
【０１１４】
加算回路８０８は、振幅調整後の第１の光検出器３２の出力信号と振幅調整及び並び替え後の第２の光検出器３３の出力信号とを加算する。
【０１１５】
ここで、図２１で示した構成は図８における相対変位演算のための構成を示しており、図２１の加算回路８０８は図８の同相合成部７０６と対応している。なお、絶対変位演算の際には、第１の光検出器３２の出力信号と第２の光検出器３３の出力信号とで逆相となる信号同士を加減算する。したがって、スイッチ回路８０４において、第１の光検出器３２の出力信号と第２の光検出器３３の出力信号とで逆相となる信号同士が同一の加算回路８０８及び図示しない減算回路に入力されるように信号の選択を行わせるようにすれば、図２１で示した構成を絶対変位演算に対しても適用可能である。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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】
【０１１８】
１０…光学式変位出力装置、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、５０…スケール、５１,５２…グレートラック、５３…エンコードパターン、７０…信号処理装置、７０１…位相調整部、７０１ａ…位相シフト部、７０１ｂ…位相差検出部、７０１ｃ…選択部、７０１ｄ…振幅中心差補正部、７０１１ｄ…振幅中心差検出部、７０１ｅ…振幅差検出部、７０１ｆ…振幅調整部、７０１ｇ…オフセット検出部、７０１ｈ,７０１ｉ…オフセット補正部、７０２…絶対変位演算部、７０３…相対変位演算部、７０４ａ,７０４ｂ…同相ノイズ除去部、７０５…振幅成分差動演算部、７０６…同相合成部、７０７…リサージュ生成回路、７０８ａ,７０８ｂ…内挿回路、８０１ａ,８０１ｂ…振幅差検出回路、８０２…ゲイン指示回路、８０３ａ,８０３ｂ…振幅調整回路、８０４…スイッチ回路、８０５…位相差検出部、８０６…接続切替演算部、８０７…スイッチドライブ回路、８０８…加算回路
【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。すなわち、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２２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２２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２３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２３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２３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２４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２４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２４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、出力信号の振幅成分の大きさを測定すれば、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】
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、その検出精度は極めて低いと考えられる。
【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簡便な構成で実現することが可能な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が漸増する複数の第１の周期信号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が漸減する複数の第２の周期信号とのうちの少なくとも何れかの位相をシフトさせる位相シフト部と、前記位相シフト部から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とに対して所定演算を行うことにより、前記変位検出対象物の変位を求める信号処理部と、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るスケールと、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が漸増する複数の第１の周期信号を生成する第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が漸減する複数の第２の周期信号を生成する第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、前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とのうちの少なくとも何れかの位相をシフトさせる位相シフト部と、前記位相シフト部から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とに対して所定演算を行うことにより、前記変位検出対象物の変位を求める信号処理部と、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簡便な構成で実現することが可能な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】本発明の一実施形態に係る光学式変位検出装置の構成を示す正面図である。
【図２】図１に示す光学式変位検出装置を線分Ａ−Ａ’で切断したときの断面図である。
【図３】第１の光検出器に形成された受光面とこの受光面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４】光検出器の４群の受光素子アレイの出力信号の一例を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る信号処理装置の概念的な構成を示す図である。
【図６】位相シフト部の具体的な回路構成例を示す図である。
【図７】位相シフト部の変形例の回路構成を示す図である。
【図８】信号処理装置の第１の具体的な構成例を示す図である。
【図９】同相ノイズ除去部の出力特性の一例を示す図である。
【図１０】振幅成分Ｖｐｐ１、Ｖｐｐ２の特性の一例を示す図である。
【図１１】（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）及び（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）の特性の一例を示す図である。
【図１２】（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）と（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）との比の特性を示す図である。
【図１３】同相合成部の出力特性の一例を示す図である。
【図１４】信号処理装置の第２の具体的な構成例を示す図である。
【図１５】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した図である。
【図１６】リサージュ図形による相対変位演算について説明するための図である。
【図１７】位相調整部の第１の変形例としての構成を示す図である。
【図１８】位相調整部の第２の変形例としての構成を示す図である。
【図１９】位相調整部の第３の変形例としての構成を示す図である。
【図２０】位相調整部の第４の変形例としての構成を示す図である。
【図２１】位相調整を行わないで信号加算を行う変形例の構成を示す図である。
【図２２】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２３】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２４】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。
図１は、本発明の一実施形態に係る光学式変位検出装置の構成を示す正面図である。図２は、図１に示す光学式変位検出装置を線分Ａ−Ａ’で切断したときの断面図である。
【００１６】
本発明の一実施形態に係る光学式変位検出装置について説明する前に、後述するスケールに形成されるトラックパターンに係る用語の定義を行う。まず、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、変位検出対象物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。
【００１７】
以下、図１及び図２を参照して光学式変位検出装置の構成について説明する。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ｘ軸と直交する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ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りの回転方向としても良い。
【００１８】
以下、光学式信号出力装置の構成について説明する。図１に示すように、光学式信号出力装置のセンサヘッド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、図２に示すように、センサヘッド３０の受光面（第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３が設けられている面）とスケール５０とは対向するように且つ平行に配置されている。
【００１９】
光源３１は、光源（例えばレーザダイオード）とスリット３１ａとを備え、光源からの光ビームを、スリット３１ａ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、図２に示すように、スリット３１ａ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２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。
【００２０】
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）の空間周期と同一の空間周期で形成されている。
【００２１】
図３は、第１の光検出器３２に形成された受光面とこの受光面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。なお、第２の光検出器３３についても以下の第１の光検出器３２に関する説明と同様の説明が成立する。
【００２２】
詳細は後述するが、光源３１から出射された光ビーム６１はスケール５０において反射され、この反射光が第１の光検出器３２の受光面に入射する。そして、第１の光検出器３２の受光面上において、例えば図３に示すような空間周期ｐｉを持った光学イメージ８０が形成される。上述したように、第１の光検出器３２には、４群の受光素子アレイ３２１、３２２、３２３、３２４が、光学イメージ８０の空間周期ｐｉに相当するピッチで形成されており、受光素子アレイ３２１、３２２、３２３、３２４同士は、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。そして、受光素子アレイ３２１の各受光素子は出力端子ＶＡ１から信号を出力し、受光素子アレイ３２２の各受光素子は出力端子ＶＢ１から信号を出力し、受光素子アレイ３２３は出力端子ＶＡＢ１から信号を出力し、受光素子アレイ３２４は出力端子ＶＢＢ１から信号を出力するようになされている。
【００２３】
このような構成において、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８０に対し、受光素子アレイ３２１、３２２、３２３、３２４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（すなわち１/４周期）ずつずれた周期信号となる。
【００２４】
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。
【００２５】
ここで、図１に示すグレートラック５１、５２は例えば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。
【００２６】
次に、光学式信号出力装置の動作について説明する。なお、本実施形態においては、第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３の受光面に形成される光学イメージの生成原理に種々の生成原理を適用することが可能である。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適用する例を説明する。
【００２７】
まず、図２に示すように、光源３１とスケール５０上のエンコードパターン５３との距離をＺ１とし、スケール５０上のエンコードパターンと第１の光検出器３２の受光面及び第２の光検出器３３の受光面との距離をＺ２とする。また、光源３１に設けられたスリット３１ａのＸ方向におけるピッチをｐｏとする。
【００２８】
光源３１に設けられたピッチｐｏのスリット３１ａを経て、スケール５０上の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、これらの光ビーム６１、６２はエンコードパターン５３によって反射される。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、ｐｉと、ｐｏと、ｐｓと、Ｚ１と、Ｚ２とは以下の関係を満たす。
ｐｉ＝ｐｓ・（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ１ …（式１）
ｐｏ＝ｐｓ・（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ２ …（式２）
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の周期的な光学パターンが明瞭に形成されるためには、ｐｉ、ｐｓ、ｐｏ、Ｚ１、Ｚ２及び光源１の光波長λを、３重格子構成による光学イメージの形成条件に合致させるように構成する必要がある。しかしながら、本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るものではなく、他の結像原理を用いることもできる。したがって、ｐｉ、ｐｓ、ｐｏ、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。
【００２９】
上述したように、第１の光検出器３２と第２の光検出器３３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。このため、図３で示したように、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（第１の周期信号）ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１は電気角で９０度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（第２の周期信号）ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２も電気角で９０度ずつずれた周期信号となる。
【００３０】
ところで、上述したように、グレートラック５１を構成する変調コードパターンは、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ようにエンコードパターン５３が形成されて構成されている。また、グレートラック５２を構成する変調コードパターンは、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ようにエンコードパターン５３が形成されて構成されている。このため、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。
【００３１】
すなわち、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（すなわち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（すなわち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。
【００３２】
図４（ａ）に第１の光検出器３２の４群の受光素子アレイの出力信号の一例を示し、また、図４（ｂ）に第２の光検出器３３の４群の受光素子アレイの出力信号の一例を示す。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、実際の受光素子アレイの出力信号は、光源３１やスケール５０の光学的配置に大きく影響される直流（ＤＣ成分）を含むものである。図４（ａ）において出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１がそれぞれ有するＤＣ成分をＶＤＣ１で、また、図４（ｂ）において出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２がそれぞれ有するＤＣ成分をＶＤＣ２で示している。図４（ａ）に示すように、ＶＤＣ１は、変位検出対象物の変位に従ってそのレベルが漸増（単調増加）する特性を有している。また、図４（ｂ）に示すように、ＶＤＣ２は、変位検出対象物の変位に従ってそのレベルが漸減（単調減少）する特性を有している。
【００３３】
以上が光学式信号出力装置の構成及び動作である。ここで、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。
【００３４】
また、上述した例においては、光源３１に、ピッチｐｏのスリット３１ａを設ける例を示している。しかしながら、このような構成は、３重格子構成による光学イメージの結像原理の利用を想定した場合の構成である。したがって、他の結像原理を利用する場合には、スリット３１ａは必ずしも必須の構成要件ではない。
【００３５】
次に、信号処理装置７０について説明する。まず、信号処理装置７０における信号処理の概念について説明する。図５は、本実施形態に係る信号処理装置７０の概念的な構成を示す図である。
【００３６】
なお、図５においては、第１の光検出器３２からの出力信号として互いにφ（図の例では９０度（すなわち１/４周期））位相の異なる出力信号ＶＡ１、ＶＢ１のみが信号処理装置７０に入力され、第２の光検出器３３からの出力信号として９０度（すなわち１/４周期）位相の異なる出力信号ＶＡ２、ＶＢ２のみが信号処理装置７０に入力されるように図示している。これは説明を簡略化するためである。図５に示した出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡ２、ＶＢ２は、変位検出対象物の変位検出に必要且つ十分な信号である。これらの信号に加えて出力信号ＶＡＢ１、ＶＢＢ１、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２を信号処理装置７０に入力することにより、同相ノイズの除去等を行うことが可能となる。
【００３７】
また、図４（ａ）で示したように出力信号ＶＡ１、ＶＢ１は変位に従って振幅とＤＣ成分とが漸増する特性を有し、図４（ｂ）で示したように出力信号ＶＡ２、ＶＢ２は変位に従って振幅とＤＣ成分が漸減する特性を有するものである。しかしながら、説明を簡単にするため、図５においては、信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡ２、ＶＢ２の振幅及びＤＣ成分が変位によらずに一定であるように図示している。図４（ａ）、図４（ｂ）に示した出力信号に対する位相調整部７０１の動作は、以下に説明する図５に示した出力信号に対する位相調整部７０１の動作と殆ど変わらない。
【００３８】
図５に示すように、信号処理装置７０は、位相調整部７０１と、絶対変位演算部７０２と、相対変位演算部７０３とを主に有している。
【００３９】
位相調整部７０１は、１つ以上の位相シフト部を有する。ここで、位相シフト部は、同一の光検出器から出力される一群の周期信号の位相を同位相分だけ一斉にシフトさせるものである。本例において、位相シフト部は、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２との少なくとも一方の位相を、第１の光検出器３２の出力信号と第２の光検出器３３の出力信号との位相差Δだけシフトさせる。なお、図５における位相調整部７０１は、第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２の位相をΔだけシフトさせる位相シフト部７０１ａを有している例である。
【００４０】
図１で示した光学式信号出力装置では、スケール５０に２列のグレートラックが形成されている。このように、第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３がそれぞれ別のグレートラックを介して光ビームの反射光を受光する構成となっている場合、センサヘッド３０とスケール５０との間の配置のずれにより、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２との間、及び第１の光検出器３２の出力信号ＶＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＢ２の間にはそれぞれ位相ずれΔが生じている可能性が高い。なお、図１の例では、さらに第１の光検出器３２の出力信号ＶＡＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡＢ２との間、第１の光検出器３２の出力信号ＶＢＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＢＢ２の間にもそれぞれ位相ずれΔが生じることになる。
【００４１】
光検出器の出力信号のようなアナログの周期信号に対する振幅や位相の検出処理は、そのための処理回路に対する負担が大きい。ここで、複数の光検出器の出力信号を加算したり減算したりすることで得られる信号の振幅や位相を検出するようにすれば、複数の光検出器の出力信号を１つ分の光検出器の出力信号にまとめることができる。この場合、その後の位置検出の処理を簡便にすることができる。
【００４２】
位相ずれのないアナログ周期信号同士であれば、アナログ周期信号の振幅や位相の検出を行ってから加減算をしても、アナログ周期信号の加減算の前に振幅や位相の検出を行っても同じ結果が得られる。これに対し、位相ずれのあるアナログ周期信号同士を加減算してしまうと、その後の振幅や位相の検出の際に所望の振幅や位相が得られなくなることがある。また、加減算前のアナログ周期信号の振幅が光検出器毎にばらばらに変化すると、加減算後の信号の変位に対する周期性が失われてしまう。この場合、変位の検出結果に誤差を生じることとなる。
【００４３】
以上のような複数の光検出器の間の出力信号の位相を機械的に一致させることは困難である。機械的な位相調整をしない場合又は機械的な位相調整で除去できない位相ずれをなくしたい場合には、電気的な位相調整が必要となる。このような電気的な位相調整を位相調整部７０１の位相シフト部７０１ａにおいて行う。
【００４４】
第２の光検出器３３の位相調整は、例えば、互いにφ（図の例では９０度）の位相差を有する出力信号ＶＡ２及びＶＢ２と以下に示す３角関数の（式３）とを用いて、もとの位相からΔだけ位相のずれた信号ＶＡ２’、ＶＢ２’を生成することによって行う。
【数１】
【００４５】
なお、（式３）におけるａ、ｂは係数である。また、Ａは変位検出対象物の変位に対応している。また、（式３）の演算を行うための条件として、第１の光検出器３２の出力信号の振幅はそれぞれ等しく、また、第２の光検出器３３の出力信号の振幅もそれぞれ等しいものとする。ただし、第１の光検出器３２の出力信号の振幅と第２の光検出器３３の出力信号の振幅とは必ずしも一致していなくとも良い。
【００４６】
（式３）において、ａ２＋ｂ２＝１、且つΔ＝ｔａｎ−１（ａ/ｂ）を満たすａとｂを求める。このようにして求めたｓｉｎ（Ａ＋Δ）がＶＡ２’となる。同様にしてｓｉｎ（Ａ＋Δ）に対して９０度位相のずれたｃｏｓ（Ａ＋Δ）を求める。このｃｏｓ（Ａ＋Δ）がＶＢ２’となる。なお、実際のＶＡ２’、ＶＢ２’は振幅が「１」ではなく、出力信号ＶＡ２、ＶＢ２の振幅に応じた振幅を有するものとなる。
【００４７】
（式３）のような位相調整を行うための具体的な位相シフト部の回路構成例を図６に示す。図６（ａ）は０度≦Δ≦９０度までの位相差Δに対する位相調整を行う回路構成例である。この回路は、第２の光検出器３３からの出力信号の入力端子ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２を有している。また、この回路は、入力端子の数に応じた数（図６（ａ）の例では４つ）の可変抵抗を有しており、これらの可変抵抗は直列に接続されている。そして、入力端子ＶＡ２は、ボルテージフォロワ回路等のバッファ回路Ｂｕｆを介して可変抵抗の接点ＲＡ２に接続されている。同様に、入力端子ＶＢ２は、バッファ回路Ｂｕｆを介して可変抵抗の接点ＲＢ２に接続されている。また、入力端子ＶＡＢ２は、バッファ回路Ｂｕｆを介して可変抵抗の接点ＲＡＢ２に接続されている。また、入力端子ＶＢＢ２は、バッファ回路Ｂｕｆを介して可変抵抗の接点ＲＢＢ２に接続されている。さらに、各可変抵抗は、端子間の抵抗値が等しくなるよう、トリマ連動されている。
【００４８】
図６（ａ）に示す回路構成において、９０度ずつの位相差を有する出力信号ＶＡ２＝ｓｉｎＡ、ＶＢ２＝ｃｏｓＡ、ＶＡＢ２＝−ｓｉｎＡ、ＶＢＢ２＝−ｃｏｓＡが入力されたとすると、出力信号ＶＡ２、ＶＢ２から、以下の（式４）で示すようにして出力信号ＶＡ２に対してΔの位相差を有する出力信号ＶＡ２’が得られる。また、出力信号ＶＢ２’、ＶＡＢ２’、ＶＢＢ２’についても同様にして得ることができる。
【数２】
【００４９】
なお、（式４）におけるＲ１は接点ＲＡ２とスイッチとの間の抵抗値を示し、Ｒ２はスイッチと接点ＲＢ２との間の抵抗値を示している。そして、Ｒ１/（Ｒ１＋Ｒ２）が（式３）におけるａに対応し、Ｒ２/（Ｒ１＋Ｒ２）が（式３）におけるｂに対応している。
【００５０】
図６（ａ）に示す位相シフト部の回路を複数段組み合わせることで、位相調整範囲を拡げることが出来る。例えば、２段組み合わせることで０度から１８０度までの調整が可能となる。また、図６（ａ）に示す位相調整シフト回路への入力を入れ換える入力入れ換え回路、又は出力を入れ換える出力入れ換え回路を、図６（ａ）に示す位相シフト部の回路と組み合わせて用いることで、０度から３６０度まで、全ての角度の位相調整が可能となる。
【００５１】
ここで、図６（ａ）に示すように、ＶＡＢ２’はＶＡ２’に対して位相が１８０度ずれており、ＶＢＢ２’はＶＢ２’に対して位相が１８０度ずれている。これを利用して、図６（ａ）に示す回路から破線枠で示した部分を削除し、インバータ等によってＶＡ２’、ＶＢ２’の位相を１８０度反転させることでＶＡＢ２’、ＶＢＢ２’をそれぞれ生成するようにしても良い。
【００５２】
図６（ａ）の例では、抵抗を仲介した和信号の生成によって位相シフトを行ったが、オペアンプを用いた回路を用いても良い。具体例の１つを図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）の回路において、ＶＡ２＝ｓｉｎＡ、ＶＢ２＝ｃｏｓＡの信号を入力すると、出力ＶＡ２’は以下の（式５）の様になる。
【数３】
【００５３】
この図６（ｂ）の例では、Ｒ１を可変抵抗としており、Ｒ１の値を変化させることで、−９０度＜Δ≦０度の範囲で位相シフト量を変えることができる。Ｒ２も可変抵抗とすれば、Δ＝−９０度の位相シフト量も実現できる。
【００５４】
以上のことから、図６（ａ）と図６（ｂ）の例では、絶対値で９０度の範囲内での位相シフトが可能となる。これらの位相シフト回路を複数組み合わせたり、入出力信号の入れ換えや信号反転回路と組み合わせたりすることで、所望の角度範囲での位相調整が可能な位相調整シフト回路を実現することができる。
【００５５】
また、図６（ａ）、図６（ｂ）に示した回路は抵抗値をアナログ的に変化させる構成である。これに対し、抵抗値をデジタル的に変化させて位相調整を行う構成としても良い。このような場合の回路構成例を図７に示す。図７の構成においては、複数の位相信号の選択肢の中から、最も好ましい位相の信号群を選択する。なお、図７は、０度＜Δ≦９０度までの位相差Δに対する位相調整を行う回路構成例である。このような図７の構成では、位相調整を自動的に行うことが可能である。
【００５６】
以上、図６、図７に示した以外であっても、同一の光検出器から出力される一群の周期信号の位相を位相差Δ分だけ一斉にシフトさせることができる構成であれば、位相シフト部７０１ａとして各種の構成を適用することが可能である。例えば、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の両方の位相をシフトさせることによって位相差Δを無くすような構成としても良い。また、位相のシフトを行う信号を第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２との間で切り替えられるようにしても良い。さらには、位相シフト部７０１ａを演算回路で実現しても良い。
【００５７】
絶対変位演算部７０２は、第１の光検出器３２の出力信号と、位相シフト部７０１ａによって位相シフトされた第２の光検出器３３の出力信号とに基づいて変位検出対象物の絶対変位を演算する。相対変位演算部７０３は、第１の光検出器３２の出力信号と、位相シフト部７０１ａによって位相シフトされた第２の光検出器３３の出力信号とに基づいて変位検出対象物の相対変位を演算する。
【００５８】
図８は、信号処理装置７０の第１の具体的な構成例を示す図である。図８に示す信号処理装置７０は、同相ノイズ除去部７０４ａ、７０４ｂと、位相調整部７０１と、振幅成分差動演算部７０５と、同相合成部７０６と、絶対変位演算部７０２と、相対変位演算部７０３とを有している。なお、振幅成分差動演算部７０５と、同相合成部７０６と、絶対変位演算部７０２と、相対変位演算部７０３が「信号処理部」の一例として機能する。
【００５９】
まず、第１の光検出器３２の出力信号、第２の光検出器３３の出力信号の前処理に係る構成及び動作について説明する。
同相ノイズ除去部７０４ａ、７０４ｂは、第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３からの出力信号のうちで、１８０度（すなわち１/２周期）位相の異なる出力信号の差を演算する。すなわち、同相ノイズ除去部７０４ａにおいては以下の（式６）で示す演算が行われ、同相ノイズ除去部７０４ｂにおいては以下の（式７）で示す演算が行われる。
Ｖａ１＝ＶＡ１−ＶＡＢ１
Ｖｂ１＝ＶＢ１−ＶＢＢ１ （式６）
Ｖａ２＝ＶＡ２−ＶＡＢ２
Ｖｂ２＝ＶＢ２−ＶＢＢ２ （式７）
図９（ａ）に同相ノイズ除去部７０４ａの出力信号を示し、図９（ｂ）に同相ノイズ除去部７０４ｂの出力信号を示す。同相ノイズ除去部７０４ａの動作により、第１の光検出器３２の出力信号に含まれるオフセット成分、ノイズ成分、ＤＣ成分の影響がキャンセルされる。そして、位相差φ（例では９０度）を有する出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１が得られる。また、同相ノイズ除去部７０４ｂの動作により、第２の光検出器３３の出力信号に含まれるオフセット成分、ノイズ成分、ＤＣ成分の影響がキャンセルされる。そして、位相差φ（例では９０度）を有する出力信号Ｖａ２、Ｖｂ２が得られる。
【００６０】
なお、ノイズ成分等の影響を考慮しないのであれば、同相ノイズ除去部７０４ａ、７０４ｂは不要である。また、この場合には光学式信号出力装置からの信号も出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡ２、ＶＢ２だけ入力するようにすれば良い。
【００６１】
位相調整部７０１は、位相シフト部７０１ａを用いて、同相ノイズ除去部７０４ａの出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１と同相ノイズ除去部７０４ｂの出力信号Ｖａ２、Ｖｂ２のうち、少なくとも一方（図８の例では出力信号Ｖａ２、Ｖｂ２のみ）の位相をΔだけシフトさせる。なお、出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１と出力信号Ｖａ２、Ｖｂ２との位相差Δ、すなわち第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ２と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２との位相差Δは、例えば信号処理装置７０とは別個に設けられた位相差検出回路において検出されるものである。この他、例えば、後述の振幅成分差動演算部７０５や同相合成部７０６における信号の加算前後の振幅の変化によっても位相差Δを検出することが可能である。
【００６２】
同一の周期を持つ複数の周期信号間の位相差や特定の位相を有する周期信号に対する位相差を検出する具体的な方法としては、例えば、次のようなものがある。オシロスコープ等で取り込んだ波形のピーク等の位相を特定できるポイント間の位相差を検出したり、２つの正弦波信号によって生成されるリサージュ波形の楕円形状を用いて算出したりする。楕円状のリサージュ波形では、２つの信号振幅と楕円の長軸・短軸の座標軸に対する倒れ角から２信号の位相差を算出可能である。また、２つの正弦波信号の一方の位相をシフトさせた後に２信号の和を取る場合に、和信号の振幅が最大、又は最小となる位相シフト量から、元の２信号の位相差を算出することが可能である。この場合の位相シフト量の与え方は、１組の２信号の一方の位相シフト量を１８０度、又は３６０度といった範囲内で変化させて行く方法と、複数組の２信号の一方へ、それぞれ値の異なる既知の位相シフト量を与える方法などがある。１組の２信号の一方の位相シフト量を変化させる前者の方法では、所定範囲内を所定ステップでスイープして位相差を検出する方法と、最適化手法の様に徐々に、求める位相差である最適値へ近づいていく方法がある。
【００６３】
ここに記載した位相差検出の方法は具体的例として例示したものであり、位相差検出にこれら以外の方法を用いても構わない。
【００６４】
振幅成分差動演算部７０５は、位相調整部７０１の出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１の振幅成分Ｖｐｐ１と、位相調整部７０１の出力信号Ｖａ２’、Ｖｂ２’の振幅成分Ｖｐｐ２（出力信号Ｖａ２、Ｖｂ２の振幅成分と同じ）とを演算する。そして、振幅成分差動演算部７０５は、振幅成分Ｖｐｐ１と振幅成分Ｖｐｐ２との和、及び振幅成分Ｖｐｐ１と振幅成分Ｖｐｐ２との差を演算する。
【００６５】
ここで、振幅成分Ｖｐｐ１、Ｖｐｐ２の特性をそれぞれ図１０に示す。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、振幅成分Ｖｐｐ１は、図１０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１０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１０からも明らかなように、振幅成分Ｖｐｐ１、Ｖｐｐ２はそれぞれ（式８）、（式９）に示す関係で定義される。
Ｖｐｐ１＝ａ・ｘ （式８）
Ｖｐｐ２＝−ａ・（ｘ−Ｌｇｒａｙ） （式９）
ここで、Ｌｇｒａｙは、スケール５０の実効反射率が漸増又は漸減する所定区間の長さである。また、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（すなわち図１０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１０）によって求めることができる。
ａ＝Ｖｐｐｍａｘ／Ｌｇｒａｙ （式１０）
また、Ｖｐｐ１とＶｐｐ２の和、差の演算結果を以下の（式１１）、（式１２）に示す。
Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２＝ａ・Ｌｇｒａｙ （式１１）
Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２＝２ａ・ｘ−ａ・Ｌｇｒａｙ （式１２）
（式１１）の特性を図１１の特性１０６で、（式１２）の特性を図１１の特性１０７でそれぞれ示す。位相調整部７０１の動作により、（式１１）、（式１２）で示す演算を正しく行うことが可能となる。
【００６６】
次に、絶対変位演算に係る構成及び動作について説明する。
絶対変位演算部７０２は、振幅成分差動演算部７０５で演算された振幅成分の和（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）と振幅成分の差（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）とを用いて絶対変位ｘを算出するための演算を行う。この演算として、絶対変位演算部７０２においては以下の（式１３）で示す演算が行われる。
（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）／（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２） （式１３）
より詳細には、絶対変位ｘは、（式１３）による演算結果を利用した（式１４）の演算により算出される。
ｘ＝α・（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）／（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）＋β （式１４）
ここで、α（≠０）、βは係数である。なお、絶対変位ｘを算出するための（式１３）から（式１４）への変換は極めて容易である。このため、必ずしも（式１４）の演算を絶対変位演算部７０２内で行わなくとも良い。この場合、信号処理装置７０のさらに後段に設けられる、図示しないホストコンピュータ等で（式１４）による変換を実行すれば良い。
【００６７】
また、上述の例では、絶対変位の演算方法として振幅成分Ｖｐｐ１、Ｖｐｐ２を用いる例について説明している。本質的には、第１の光検出器３２の出力信号と第２の光検出器３３の出力信号に基づく逆相となる成分の信号であれば良い。例えば、図４（ａ）、図４ｂ）におけるＤＣレベル信号であるＶＤＣ１、ＶＤＣ２を用いて（式１１）〜（式１４）の演算を行うようにしても良い。
【００６８】
なお、（式１３）に、（式１１）、（式１２）の関係を代入すると以下の（式１５）、（式１６）の関係が得られる。
（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）／（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）＝２／Ｌｇｒａｙ・ｘ−１
（式１５）
ｘ＝Ｌｇｒａｙ・（（Ｖｐｐ１−Ｖｐｐ２）／（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）＋１）／２
（式１６）
ここで、（式１５）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１６）の変位量ｘは変化しない。
【００６９】
また、通常、光学式信号出力装置の経時変化や環境温度の変化により、光源からの出力や光検出器の感度特性等は変化する。また、光源からの出力や光検出器の感度特性が変化していなくとも、センサヘッドやスケールのがたつき等の要因によって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、このような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１０及び図１１に示す、実線１０４で示す特性から破線１０４’で示す特性、実線１０５で示す特性から破線１０５’で示す特性、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、というように大きく変動してしまう。この場合、絶対位置を正確に検出することは困難となる。
【００７０】
本実施形態においては、Ｖｐｐ１とＶｐｐ２との和・差を演算した上で、さらにこれらの比を演算することで、（式１６）に示すように、変動する成分である傾きａや最大振幅Ｖｐｐｍａｘをキャンセルした変位を得ることができる。このようにして非常に安定且つ高精度に絶対変位ｘを検出することができる。また、（式１５）の特性は図１２の実線１０８で示す特性となる。図１２に示す特性は、傾きａ、最大振幅Ｖｐｐｍａｘに依存しないため、傾きａや最大振幅Ｖｐｐｍａｘを求めることなく、絶対変位ｘを演算することが可能である。したがって、絶対変位ｘを演算するためにセンサヘッドやスケールの初期設定も必要としない。
【００７１】
次に、相対変位演算に係る構成及び動作について説明する。
同相合成部７０６は、位相調整部７０１からの出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１、Ｖａ２’、Ｖｂ２’のうちで同位相の信号を加算する。すなわち、同相合成部７０６においては以下の（式１７）で示す演算が行われる。
Ｖａ＝Ｖａ１＋Ｖａ２’
Ｖｂ＝Ｖｂ１＋Ｖｂ２’ （式１７）
このような同相合成部７０６からは図１３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。
【００７２】
相対変位演算部７０３は、同相合成部７０６により得られた信号Ｖａ、Ｖｂの位相角に基づいて変位量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。このような処理を行う際に、相対変位演算部７０３は、直接的に振幅値を演算して角度情報へ変換することで変位量を算出するようにしても良いし、所謂ＲＯＭテーブル参照方式によって変位量を算出するようにしても良い。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態によれば、光学式信号出力装置に設けられた２つの光検出器から出力される互いに逆相となる信号を用いて変位検出対象物の絶対変位及び相対変位を検出するようにしている。これにより、絶対変位検出及び相対変位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ことができる。
【００７４】
また、本実施形態によれば、２つの光検出器の出力信号を加減算するに先立って少なくとも一方の光検出器からの出力信号の位相を位相差Δだけシフトさせるようにしている。これにより、変位の検出の際の誤差の影響を低減してより安定且つ高精度な変位検出を行うことが可能である。
【００７５】
以下、本実施形態の変形例について説明する。
まず、図１においては、光源３１を１個のみ図示しているが、光源の数は１個に限られない。すなわち、複数の光源を設けても勿論良い。また、センサヘッドの数も１個に限られない。例えば、グレートラック５１、５２の各々に対して個別にセンサヘッドを設ける構成としても良い。このように構成する場合には、各々のグレートラック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変位の検出に高精度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。
【００７６】
また、図１４は、信号処理装置７０の変形例としての第２の具体的な構成例を示す図である。図１４に示す信号処理装置７０は、同相ノイズ除去部７０４ａ、７０４ｂと、位相調整部７０１と、リサージュ生成回路７０７と、絶対変位演算部７０２と、内挿回路７０８ａ、７０８ｂと、相対変位演算部７０３とを有している。この図１４の構成はリサージュ図形に基づいて変位検出対象物の絶対変位及び相対変位を検出する構成である。
【００７７】
まず、第１の光検出器３２の出力信号、第２の光検出器３３の出力信号の前処理に係る構成及び動作について説明する。なお、図１４に示す同相ノイズ除去部７０４ａ、７０４ｂと、位相調整部７０１の構成及び動作は図８で示した構成及び動作と同一である。したがって、同相ノイズ除去部７０４ａ、７０４ｂと、位相調整部７０１の説明については省略する。
【００７８】
リサージュ生成回路７０７は、位相調整部７０１からの出力信号Ｖａ１と出力信号Ｖｂ１、出力信号Ｖａ２’と出力信号Ｖｂ２’とからリサージュ図形をそれぞれ生成する。
【００７９】
ここで、位相調整部７０１からの出力信号Ｖａ１を余弦成分とし、出力信号Ｖｂ１を正弦成分としてリサージュ図形を生成するとともに、位相調整部７０１からの出力信号Ｖａ２’を余弦成分とし、出力信号Ｖｂ２’を正弦成分としてリサージュ図形を生成する場合を考える。図９（ａ）に示したように、出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１は、変位量に従って振幅が漸増する特性を有している。一方、図９（ｂ）に示したように、出力信号Ｖａ２’、Ｖｂ２’（図９（ｂ）は、同相ノイズ除去部７０４ｂの出力信号Ｖａ２、Ｖｂ２を示しているが、Ｖａ２とＶａ２’、Ｖｂ２とＶｂ２’は位相が異なるのみで振幅は同じである）は、変位量に従って振幅が漸減する特性を有している。このため、出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１に基づいて描画したリサージュ図形は、図１５に示すように、半径（原点からの距離）が漸増する渦状の軌跡Ｌ１となる。一方、出力信号Ｖａ２’、Ｖｂ２’に基づいて描画したリサージュ図形は、図１５に示すように、半径が漸減する渦状の軌跡Ｌ２となる。
【００８０】
次に、絶対変位演算に係る構成及び動作について説明する。
図１４の構成における絶対変位演算部７０２は、リサージュ生成回路７０７において生成されたリサージュ図形Ｌ１の半径ｒ１とリサージュ図形Ｌ２の半径ｒ２について、以下の（式１８）で示す演算を実行することで絶対変位を算出する。
（ｒ１−ｒ２）／（ｒ１＋ｒ２） （式１８）
この（式１８）は（式１３）と等価な式である。したがって、実際の絶対変位ｘは、（式１８）による演算結果を利用した（式１９）の演算により算出される。
ｘ＝α・（ｒ１−ｒ２）／（ｒ１＋ｒ２）＋β （式１９）
位相調整部７０１の動作により、（式１８）、（式１９）で示す演算を正しく行うことが可能となる。
【００８１】
ここで、（式１８）の演算の代わりに、半径ｒ１とｒ２の差をリサージュ図形の最大半径ｒｍａｘ（上述のＶｍａｘに対応）で除算しても絶対変位を求めることができる。すなわち、以下の（式２０）で示す演算を行っても良い。
【００８２】
（ｒ１−ｒ２）／ｒｍａｘ （式２０）
なお、絶対位置の算出においては、絶対変位演算部７０２においてラフな絶対位置を求めた後、このラフな絶対位置と相対変位演算部７０３において求められる相対位置とを併せてより高精度な絶対位置を求めるようにしても良い。さらには、例えばコンパレータ等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良い。
【００８３】
次に、相対変位演算に係る構成及び動作について説明する。
図１４の構成における内挿回路７０８ａは、リサージュ生成回路７０７において生成されたリサージュ図形Ｌ１の余弦成分、正弦成分を用いて内挿処理を行って角度情報θ１を取得する。また、内挿回路７０８ｂは、リサージュ生成回路７０７において生成されたリサージュ図形Ｌ２の余弦成分、正弦成分を用いて内挿処理を行って角度情報θ２を取得する。
【００８４】
具体的には、内挿回路７０８ａは、例えばリサージュ生成回路７０７において生成されたリサージュ図形Ｌ１の余弦成分（＝Ｖａ１）と正弦成分（＝Ｖｂ１）の値からθ１＝ｔａｎ−１（Ｖｂ１/Ｖａ１）を演算することで角度情報を取得する。また、内挿回路７０８ｂは、例えばリサージュ生成回路７０７において生成されたリサージュ図形Ｌ２の余弦成分（＝Ｖａ２’）と正弦成分（＝Ｖｂ２’）の値からθ２＝ｔａｎ−１（Ｖｂ２’/Ｖａ２’）を演算することで角度情報を取得する。なお、角度情報を細かく演算することで空間周期ｐｓよりも細かい変位量を検出することが可能となる。
【００８５】
ここで、リサージュ生成回路７０７からの出力信号をアナログ−デジタル変換してアドレスデータを生成し、各内挿回路に記録されている角度情報のテーブル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良い。さらには、分解能によっては、直接、アナログ値を用いて、コンパレータ等の簡易な回路素子によって信号を検出して変位を求めても勿論良い。
【００８６】
相対変位演算部７０３は、内挿回路７０８ａで演算された角度情報θ１と内挿回路７０８ｂで演算された角度情報θ２とを演算処理して誤差成分を排除するとともに、該誤差成分が排除された現在の角度情報と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する。ここで、「誤差成分を排除する」処理とは、単に内挿回路７０８ａ、７０８ｂから出力される角度情報の平均値をとる処理に限定されない。例えば以下の３つの例で示す処理も「誤差成分を排除する」処理として含めることができる。
（例１） 内挿回路７０８ａ、７０８ｂで演算される角度情報のうち、原信号の振幅の大きい方に相当する角度情報のみを出力させる。
（例２） 原信号の振幅の大きさに応じて、内挿回路７０８ａ、７０８ｂ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。
【００８７】
ここで、相対変位演算部７０３において演算される角度情報の変化量θが空間周期ｐｓ内での変位に相当する。θから相対変位ｘｐへは、以下の（式２１）に従って変換することができる。
ｘｐ＝ｐｓ・θ／２π （式２１）
ところで、実際には、（式２１）に示す相対変位ｘｐは、内挿回路７０８ａ、７０８ｂの何れかからの角度情報だけでも演算可能である。ただし、一方の角度情報のみから相対変位を演算してしまうと、振幅の小さな領域において相対変位の演算誤差が大きくなってしまう。これに対し、本実施形態においては、２つの内挿回路７０８ａ、７０８ｂの角度情報を用いて相対変位を演算するようにしている。この場合、一方の信号の振幅が小さい場合には他方の信号の振幅が大きくなっている。したがって、演算誤差の影響がキャンセルされて安定して高精度に相対位置を演算することが可能である。
【００８８】
次に、リサージュ図形に基づく相対変位の別の演算手法について説明する。まず、リサージュ生成回路７０７において、位相調整部７０１からの出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１、Ｖａ２’、Ｖｂ２’のうちで同位相の信号を加算する。この場合、図１３で示したような、変位ｘに対して一定の振幅を有する１/４周期位相差の信号Ｖａ、Ｖｂが得られる。ここで、信号Ｖａを余弦成分、信号Ｖｂを正弦成分としてリサージュ図形を生成すると、図１６に示すような一定の半径で描かれる円軌跡となる。この円周上の位相角θの変化量から相対変位ｘｐを求めることが可能である。このような手法でも安定して高精度に相対位置を演算することが可能である。
【００８９】
また、図１７は、位相調整部７０１の第１の変形例としての構成を示す図である。この第１の変形例の構成は、図５で示した構成に加えて位相差検出部７０１ｂを設けたものである。
【００９０】
位相差検出部７０１ｂは、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２のうちで互いに対応する（特定位相同士の）信号（図では出力信号ＶＡ１と出力信号ＶＡ２）の位相差Δを検出し、この検出した位相差Δを位相シフト部７０１ａに出力する。位相シフト部７０１ａは位相差検出部７０１ｂで検出された位相差Δだけ、第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の位相をシフトさせる。
【００９１】
なお、図１７は、第２の光検出器３３の出力信号の位相をシフトさせているが、第１の光検出器３２の出力信号の位相をシフトさせるようにしても良い。また、両方の光検出器の位相をシフトさせるようにしても良い。また、図１７は、出力信号ＶＡ１と出力信号ＶＡ２とからなる１組の出力信号の位相差を検出するようにしているが、４組の出力信号の位相差を全て検出するようにしても良い。この場合は、例えば４組の出力信号の位相差の平均値を位相シフト部７０１ａに入力する。
【００９２】
図１７で示した構成では、位相調整に係る全ての処理を信号処理装置７０内で行うことができるようになる。さらに、必要な時に位相検出を行うことができるので、最新の検出結果に基づいた調整が可能となる。特に、常に位相検出を行うことでリアルタイムの位相調整の実現が可能となる。
【００９３】
図１８は、位相調整部７０１の第２の変形例としての構成を示す図である。この第２の変形例の構成は、図１７で示した構成に加えて選択部７０１ｃを設けたものである。また、図１８においては、位相差検出部７０１ｂで検出された位相差Δが選択部７０１ｃと位相シフト部７０１ａとに入力される。
【００９４】
選択部７０１ｃは、位相差検出部７０１ｂで検出された位相差Δに応じて、第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２を並べ替え、並べ替え後の信号ＶＡ２Ａ、ＶＡ２Ｂ、ＶＢ２Ａ、ＶＢ２Ｂを位相シフト部７０１ａに出力する。位相シフト部７０１ａは、並べ替え後の信号ＶＡ２Ａ、ＶＡ２Ｂ、ＶＢ２Ａ、ＶＢ２Ｂを位相シフトさせ、位相シフト後の信号ＶＡ２Ａを出力ＶＡ２’とし、位相シフト後の信号ＶＡ２Ｂを出力ＶＢ２’とし、位相シフト後の信号ＶＢ２Ａを出力ＶＡＢ２’とし、位相シフト後の信号ＶＢ２Ｂを出力ＶＢＢ２’として位相シフト部７０１ａに出力する。
【００９５】
なお、選択部７０１ｃにおける並べ替えは、位相シフト部７０１ａにおける位相のシフト量が小さくなるようにする。すなわち、出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２はφ（本実施形態の例では９０度（１/４周期））ずつの位相差を有している。このため、選択部７０１ｃにおいて信号の並べ替えを行うことで、位相シフト部７０１ａに入力する前にφ単位での位相シフトを行ったのと同じことになる。このようにして、位相シフト部７０１ａにおける位相シフト量を少なくすることが可能である。
【００９６】
図１９は、位相調整部７０１の第３の変形例としての構成を示す図である。この第３の変形例の構成は、図１８で示した構成に加えて振幅中心差補正部７０１ｄと、振幅差検出部７０１ｅと、振幅調整部７０１ｆとを設けたものである。
【００９７】
振幅中心差補正部７０１ｄは、振幅中心差検出部７０１１ｄを有している。この振幅中心差検出部７０１１ｄは、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２とのそれぞれの振幅中心のＤＣレベルの所定の値からの差、又は第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１の振幅中心のＤＣレベルと第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の振幅中心のＤＣレベルとの差を検出する。そして、振幅中心差補正部７０１ｄは、振幅中心差検出部７０１１ｄで検出された振幅中心のＤＣレベルの所定値からの差、又は振幅中心のＤＣレベル同士の差を補償するように（無くなるように）、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１と第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２との少なくとも何れか一方の振幅中心のＤＣレベルを補正する。
【００９８】
振幅差検出部７０１ｅは、第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の振幅差を検出する。振幅調整部７０１ｆは、位相シフト部７０１ａの出力信号の数（図では出力信号ＶＡ２’、ＶＢ２’、ＶＡＢ２’、ＶＢＢ２’の４つ）に応じた振幅調整回路（例えば増幅回路からなる）を有し、振幅差検出部７０１ｅで検出された振幅差に応じて、出力信号ＶＡ２’、ＶＢ２’、ＶＡＢ２’、ＶＢＢ２’の振幅調整を行う。この振幅調整は各出力信号の振幅を合わせたり、所望の振幅や振幅比にしたりするために行う。このようにすることで、信号の加減算の結果として得られる信号への第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３の影響を所望の割合とすることができる。すなわち、加減算された信号の振幅や位相といった信号情報への第１の光検出器３２及び第２の光検出器３３の元信号の影響割合を所定の割合とすることができる。そのため、一方の光検出器の出力に偏った位置検出を避けることができ、高精度な位置検出が可能となる。
【００９９】
ここで、図１８では、振幅差検出部７０１ｅ、振幅調整部７０１ｆを位相調整部７０１内部に設けている。しかしながら、振幅差検出部７０１ｅ、振幅調整部７０１ｆを位相調整部７０１の後段に設けるようにしても良い。また、図１８の例では、位相シフト部７０１ａの出力信号に対して振幅調整を行っている。しかしながら、振幅差検出部７０１ｅ、振幅調整部７０１ｆを位相シフト部７０１ａの前段に設けるようにして、位相シフトの前に振幅調整を行うようにしても良い。
【０１００】
図２０は、位相調整部７０１の第４の変形例としての構成を示す図である。この第４の変形例の構成は、図１８で示した構成に加えてオフセット検出部７０１ｇと、オフセット補正部７０１ｉ、７０１ｈとを設けたものである。
【０１０１】
オフセット検出部７０１ｇは、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１と位相シフト部７０１ａの出力信号ＶＡ２’、ＶＢ２’、ＶＡＢ２’、ＶＢＢ２’との基準電圧に対するオフセット量、又は第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１に対する位相シフト部７０１ａの出力信号ＶＡ２’、ＶＢ２’、ＶＡＢ２’、ＶＢＢ２’のオフセット量を検出する。オフセット補正部７０１ｉ、７０ｈは、オフセット検出部７０１ｇで検出されたオフセットが無くなるように、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１と位相シフト部７０１ａの出力信号ＶＡ２’、ＶＢ２’、ＶＡＢ２’、ＶＢＢ２’との少なくとも何れか一方のオフセットを補正する。オフセット補正は、例えばレベルシフトによって行う。なお、図２０は両方の信号のオフセット補正を行う例である。
【０１０２】
オフセットを持ったままの信号を用いて相対位置及び絶対位置の位置検出を行うと誤差を生じさせる大きな要因の１つなりうる。図２０で示した構成によってオフセット補正を行うことで、位相調整のみを行うよりも、より高精度な位置検出が可能となる。
【０１０３】
ここで、図２０では、オフセット検出部７０１ｇと、オフセット補正部７０１ｈ、７０１ｉを位相調整部７０１内部に設けている。しかしながら、オフセット検出部７０１ｇと、オフセット補正部７０１ｈ、７０１ｉを位相調整部７０１の後段に設けるようにしても良い。また、図２０の例では、位相シフト部７０１ａの出力信号に対してオフセット補正を行っている。しかしながら、オフセット検出部７０１ｇ、オフセット補正部７０１ｈを位相シフト部７０１ａの前段に設けるようにして、位相シフトの前にオフセット補正を行うようにしても良い。
【０１０４】
さらに、図１９で示した振幅調整と図２０で示したオフセット補正とは組み合わせて行っても良い。この際、振幅調整とオフセット補正との順番は、どちらが先でも同時でも構わない。
【０１０５】
なお、上述した各種の位相調整において、例えば、位相差が５度程度ずれていても振幅誤差は０．５％程度しか生じない。そのため、用途によっては第１の光検出器３２の出力信号と第２の光検出器３３の出力信号との位相を完全に一致させなくても良い。この場合、例えば、複数の候補の中から位相差の少ない信号同士を選択すれば良い。
【０１０６】
図２１は、このような変形例の構成を示す図である。該変形例の構成は、入力信号の数（図２１の例では第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１、第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の８つ）に対応したバッファ回路Ｂｕｆと、振幅差検出回路８０１ａ、８０１ｂと、ゲイン指示回路８０２と、振幅調整回路８０３ａ、８０３ｂと、スイッチ回路８０４と、スイッチ回路８０４と振幅調整回路８０３ａ、８０３ｂとの間に接続されたバッファ回路Ｂｕｆと、位相差検出部８０５と、接続切替演算部８０６と、スイッチドライブ回路８０７と、加算回路８０８と、を有している。
【０１０７】
振幅差検出回路８０１ａは、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１の振幅差を検出する。振幅差検出回路８０１ｂは、第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の振幅差を検出する。
【０１０８】
ゲイン指示回路８０２は、振幅差検出回路８０１ａによって検出された第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１の振幅差が補償されるように（無くなるように）第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１の各々のゲイン値を振幅調整回路８０３ａに指示する。また、ゲイン指示回路８０２は、振幅差検出回路８０１ｂによって検出された第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の振幅差が補償されるように第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の各々のゲイン値を振幅調整回路８０３ｂに指示する。
【０１０９】
図２１の変形例においては、位相シフトを行わずに信号の並べ替えのみを行って信号の加算を行うものである。このため、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１の間、又は第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の間に振幅差があると正しい加算結果が得られなくなる。振幅調整回路８０３ａ、８０３ｂによって第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１の間、第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の間での振幅差を無くすことで、位相差Δが小さい場合には、並べ替えのみで信号の加算を行っても正しい加算結果を得ることが可能である。
【０１１０】
スイッチ回路８０４は、第２の光検出器３３の出力信号と同数（図では４つ）のスイッチを有している。これらのスイッチは、スイッチドライブ回路８０７によって振幅調整回路８０３ｂから出力される振幅調整後の第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２の何れかを選択して加算回路８０８に出力するようになされている。
【０１１１】
位相差検出部８０５は、第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１、ＶＢ１、ＶＡＢ１、ＶＢＢ１と、第２の光検出器３３の出力信号ＶＡ２、ＶＢ２、ＶＡＢ２、ＶＢＢ２との位相差Δを検出する。そして、位相差検出部８０５は、位相差Δが所定値（例えば５度）以下の場合、接続切替演算部８０６に制御信号を出力する。
【０１１２】
接続切替演算部８０６は、振幅調整後の第１の光検出器３２の出力信号ＶＡ１と出力信号ＶＡ１に対して位相が略等しい振幅調整後の第２の光検出器３３の出力信号とが同じ加算回路８０８に入力され、振幅調整後の第１の光検出器３２の出力信号ＶＢ１と出力信号ＶＢ１に対して位相が略等しい振幅調整後の第２の光検出器３３の出力信号とが同じ加算回路８０８に入力され、振幅調整後の第１の光検出器３２の出力信号ＶＡＢ１と出力信号ＶＡＢ１に対して位相が略等しい振幅調整後の第２の光検出器３３の出力信号とが同じ加算回路８０８に入力され、振幅調整後の第１の光検出器３２の出力信号ＶＢＢ１と出力信号ＶＢＢ１に対して位相が略等しい振幅調整後の第２の光検出器３３の出力信号とが同じ加算回路８０８に入力されるようにスイッチドライブ回路８０７に対してスイッチの切り替え指示を送る。
【０１１３】
スイッチドライブ回路８０７は、接続切替演算部８０６の指示に従ってスイッチ回路８０４を構成する４つのスイッチの接続先の切り替えを行う。
【０１１４】
加算回路８０８は、振幅調整後の第１の光検出器３２の出力信号と振幅調整及び並び替え後の第２の光検出器３３の出力信号とを加算する。
【０１１５】
ここで、図２１で示した構成は図８における相対変位演算のための構成を示しており、図２１の加算回路８０８は図８の同相合成部７０６と対応している。なお、絶対変位演算の際には、第１の光検出器３２の出力信号と第２の光検出器３３の出力信号とで逆相となる信号同士を加減算する。したがって、スイッチ回路８０４において、第１の光検出器３２の出力信号と第２の光検出器３３の出力信号とで逆相となる信号同士が同一の加算回路８０８及び図示しない減算回路に入力されるように信号の選択を行わせるようにすれば、図２１で示した構成を絶対変位演算に対しても適用可能である。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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】
【０１１８】
１０…光学式変位出力装置、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、５０…スケール、５１,５２…グレートラック、５３…エンコードパターン、７０…信号処理装置、７０１…位相調整部、７０１ａ…位相シフト部、７０１ｂ…位相差検出部、７０１ｃ…選択部、７０１ｄ…振幅中心差補正部、７０１１ｄ…振幅中心差検出部、７０１ｅ…振幅差検出部、７０１ｆ…振幅調整部、７０１ｇ…オフセット検出部、７０１ｈ,７０１ｉ…オフセット補正部、７０２…絶対変位演算部、７０３…相対変位演算部、７０４ａ,７０４ｂ…同相ノイズ除去部、７０５…振幅成分差動演算部、７０６…同相合成部、７０７…リサージュ生成回路、７０８ａ,７０８ｂ…内挿回路、８０１ａ,８０１ｂ…振幅差検出回路、８０２…ゲイン指示回路、８０３ａ,８０３ｂ…振幅調整回路、８０４…スイッチ回路、８０５…位相差検出部、８０６…接続切替演算部、８０７…スイッチドライブ回路、８０８…加算回路
【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が漸増する複数の第１の周期信号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が漸減する複数の第２の周期信号とのうちの少なくとも何れかの位相をシフトさせる位相シフト部と、
前記位相シフト部から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とに対して所定演算を行うことにより、前記変位検出対象物の変位を求める信号処理部と、
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】
前記光学式信号出力装置から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のうちの少なくとも１組の特定位相同士の第１の周期信号と第２の周期信号の位相差を検出する位相差検出部をさらに具備し、
前記位相シフト部は、前記位相差検出部によって位相差に相当する分だけ前記第１の複数の周期信号と前記第２の複数の周期信号とのうちの少なくとも何れかの位相をシフトさせることを特徴とする請求項１に記載の光学式信号出力装置の信号処理装置。
【請求項３】
前記光学式信号出力装置から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のうちの少なくとも１組の特定位相同士の第１の周期信号と第２の周期信号のそれぞれの振幅中心の所定の値からの差、又は前記振幅中心同士の差を検出する振幅中心差検出部と、
前記振幅中心差検出部によって検出された振幅中心の所定の値からの差、又は振幅中心同士の差に相当する分だけ前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のそれぞれの振幅中心の補正を行う振幅中心差補正部と、
をさらに具備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から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のうちの少なくとも１組の特定位相同士の第１の周期信号と第２の周期信号のそれぞれの振幅の差を検出する振幅差検出部と、
前記振幅差検出部によって検出された振幅の差を補償する分だけ前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のそれぞれの振幅を調整する振幅調整部と、
をさらに具備す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】
前記信号処理部は、前記位相シフト部から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とのうち逆相となる第１の周期信号と第２の周期信号とを加算及び減算して前記変位検出対象物の絶対変位を求める演算と、前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とのうち同相となる第１の周期信号と第２の周期信号とを加算して前記変位検出対象物の相対変位を求める演算との少なくとも何れかを前記所定演算として行うことを特徴とする請求項１乃至４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６】
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るスケールと、
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複数の第１の周期信号を生成する第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複数の第２の周期信号を生成する第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５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７】
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るスケールと、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が漸増する複数の第１の周期信号を生成する第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が漸減する複数の第２の周期信号を生成する第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、
前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とのうちの少なくとも何れかの位相をシフトさせる位相シフト部と、前記位相シフト部から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とに対して所定演算を行うことにより、前記変位検出対象物の変位を求める信号処理部と、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８】
前記信号処理装置は、
前記光学式信号出力装置から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のうちの少なくとも１組の特定位相同士の第１の周期信号と第２の周期信号の位相差を検出する位相差検出部をさらに具備し、
前記位相シフト部は、前記位相差検出部によって位相差に相当する分だけ前記第１の複数の周期信号と前記第２の複数の周期信号とのうちの少なくとも何れかの位相をシフトさせることを特徴とする請求項７に記載の光学式変位検出装置。
【請求項９】
前記信号処理装置は、
前記光学式信号出力装置から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のうちの少なくとも１組の特定位相同士の第１の周期信号と第２の周期信号のそれぞれの振幅中心の所定の値からの差、又は前記振幅中心同士の差を検出する振幅中心差検出部と、
前記振幅中心差検出部によって検出された振幅中心の所定の値からの差、又は振幅中心同士の差に相当する分だけ前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のそれぞれの振幅中心の補正を行う振幅中心差補正部と、
をさらに具備することを特徴とする請求項７又は８に記載の光学式変位検出装置。
【請求項１０】
前記信号処理装置は、
前記光学式信号出力装置から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のうちの少なくとも１組の特定位相同士の第１の周期信号と第２の周期信号のそれぞれの振幅の差を検出する振幅差検出部と、
前記振幅差検出部によって検出された振幅の差を補償する分だけ前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のそれぞれの振幅を調整する振幅調整部と、
をさらに具備することを特徴とする請求項７乃至９の何れか１項に記載の光学式変位検出装置。
【請求項１１】
前記信号処理部は、前記位相シフト部から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とのうち逆相となる第１の周期信号と第２の周期信号とを加算及び減算して前記変位検出対象物の絶対変位を求める演算と、前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とのうち同相となる第１の周期信号と第２の周期信号とを加算して前記変位検出対象物の相対変位を求める演算との少なくとも何れかを前記所定演算として行うことを特徴とする請求項７乃至１０の何れか１項に記載の光学式信号出力装置。
【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が漸増する複数の第１の周期信号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が漸減する複数の第２の周期信号とのうちの少なくとも何れかの位相をシフトさせる位相シフト部と、
前記位相シフト部から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とに対して所定演算を行うことにより、前記変位検出対象物の変位を求める信号処理部と、
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】
前記光学式信号出力装置から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のうちの少なくとも１組の特定位相同士の第１の周期信号と第２の周期信号の位相差を検出する位相差検出部をさらに具備し、
前記位相シフト部は、前記位相差検出部によって位相差に相当する分だけ前記第１の複数の周期信号と前記第２の複数の周期信号とのうちの少なくとも何れかの位相をシフトさせることを特徴とする請求項１に記載の光学式信号出力装置の信号処理装置。
【請求項３】
前記光学式信号出力装置から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のうちの少なくとも１組の特定位相同士の第１の周期信号と第２の周期信号のそれぞれの振幅中心の所定の値からの差、又は前記振幅中心同士の差を検出する振幅中心差検出部と、
前記振幅中心差検出部によって検出された振幅中心の所定の値からの差、又は振幅中心同士の差に相当する分だけ前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のそれぞれの振幅中心の補正を行う振幅中心差補正部と、
をさらに具備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から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のうちの少なくとも１組の特定位相同士の第１の周期信号と第２の周期信号のそれぞれの振幅の差を検出する振幅差検出部と、
前記振幅差検出部によって検出された振幅の差を補償する分だけ前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のそれぞれの振幅を調整する振幅調整部と、
をさらに具備す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】
前記信号処理部は、前記位相シフト部から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とのうち逆相となる第１の周期信号と第２の周期信号とを加算及び減算して前記変位検出対象物の絶対変位を求める演算と、前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とのうち同相となる第１の周期信号と第２の周期信号とを加算して前記変位検出対象物の相対変位を求める演算との少なくとも何れかを前記所定演算として行うことを特徴とする請求項１乃至４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６】
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るスケールと、
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複数の第１の周期信号を生成する第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複数の第２の周期信号を生成する第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５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７】
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るスケールと、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が漸増する複数の第１の周期信号を生成する第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が漸減する複数の第２の周期信号を生成する第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、
前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とのうちの少なくとも何れかの位相をシフトさせる位相シフト部と、前記位相シフト部から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とに対して所定演算を行うことにより、前記変位検出対象物の変位を求める信号処理部と、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８】
前記信号処理装置は、
前記光学式信号出力装置から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のうちの少なくとも１組の特定位相同士の第１の周期信号と第２の周期信号の位相差を検出する位相差検出部をさらに具備し、
前記位相シフト部は、前記位相差検出部によって位相差に相当する分だけ前記第１の複数の周期信号と前記第２の複数の周期信号とのうちの少なくとも何れかの位相をシフトさせることを特徴とする請求項７に記載の光学式変位検出装置。
【請求項９】
前記信号処理装置は、
前記光学式信号出力装置から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のうちの少なくとも１組の特定位相同士の第１の周期信号と第２の周期信号のそれぞれの振幅中心の所定の値からの差、又は前記振幅中心同士の差を検出する振幅中心差検出部と、
前記振幅中心差検出部によって検出された振幅中心の所定の値からの差、又は振幅中心同士の差に相当する分だけ前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のそれぞれの振幅中心の補正を行う振幅中心差補正部と、
をさらに具備することを特徴とする請求項７又は８に記載の光学式変位検出装置。
【請求項１０】
前記信号処理装置は、
前記光学式信号出力装置から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のうちの少なくとも１組の特定位相同士の第１の周期信号と第２の周期信号のそれぞれの振幅の差を検出する振幅差検出部と、
前記振幅差検出部によって検出された振幅の差を補償する分だけ前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号のそれぞれの振幅を調整する振幅調整部と、
をさらに具備することを特徴とする請求項７乃至９の何れか１項に記載の光学式変位検出装置。
【請求項１１】
前記信号処理部は、前記位相シフト部から出力された前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とのうち逆相となる第１の周期信号と第２の周期信号とを加算及び減算して前記変位検出対象物の絶対変位を求める演算と、前記複数の第１の周期信号と前記複数の第２の周期信号とのうち同相となる第１の周期信号と第２の周期信号とを加算して前記変位検出対象物の相対変位を求める演算との少なくとも何れかを前記所定演算として行うことを特徴とする請求項７乃至１０の何れか１項に記載の光学式信号出力装置。
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２０１１−１３７６４３（Ｐ２０１１−１３７６４３Ａ）
【公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９５９７７（Ｐ２００９−２９５９７７）
【出願日】平成２１年１２月２５日（２００９．１２．２５）
【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７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２５日（２００９．１２．２５）
【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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