(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動可能な格子スケールと、
光束を照射された前記格子スケールからの反射光または透過光を受光して、互いに位相が異なるＮ相信号（Ｎは６以上の整数）を生成する受光素子アレイと、
前記受光素子アレイで生成されたＮ相信号に対して、互いに異なるＭ組（Ｍは２以上の整数）の係数群のそれぞれに関してＮ個の係数をそれぞれ乗算し、該乗算して得られた値の総和を該Ｍ組のそれぞれに関して求めてＭ相信号を生成する生成手段と、を有し、
前記Ｍ組の係数群は、
Ｇ１（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（１／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ２（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（２／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ３（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（３／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
…
ＧＮ（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（Ｎ／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
（但し、ｋ＝１、２、…、Ｍ）
で表されることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記Ｍ相信号を用いて内挿処理を行う内挿手段を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項３】
前記受光素子アレイ中のＮ−１個置きの２つの受光素子は、受光される光の強度分布の１周期分だけ離れており、前記Ｎ相信号のそれぞれは、前記受光素子アレイ中のＮ−１個置きの複数の受光素子により生成される、ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】
前記受光素子アレイは、前記格子スケールからの光の干渉により得られた光を受光する、ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項５】
前記生成手段は、増幅器またはデジタル処理回路を含む、ことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項６】
格子スケールと、
前記格子スケールからの信号を検出して、互いに位相が異なるＮ相信号（Ｎは６以上の整数）を生成する検出素子アレイと、
前記検出素子アレイで生成されたＮ相信号に対して、互いに異なるＭ組（Ｍは３以上の整数）の係数群のそれぞれに関してＮ個の係数をそれぞれ乗算し、該乗算して得られた値の総和を該Ｍ組のそれぞれに関して求めてＭ相信号を生成する生成手段と、を有することを特徴とするエンコーダ。
【請求項７】
前記Ｍ組の係数群は、
Ｇ１（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（１／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ２（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（２／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ３（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（３／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
…
ＧＮ（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（Ｎ／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
（但し、ｋ＝１、２、…、Ｍ）
で表されることを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ。
【請求項８】
前記Ｍ相信号を用いて内挿処理を行う内挿手段を有する、ことを特徴とする請求項６または７に記載のエンコーダ。
【請求項９】
前記検出素子アレイ中のＮ−１個置きの２つの検出素子は、検出される信号の強度分布の１周期分だけ離れており、前記Ｎ相信号のそれぞれは、前記検出素子アレイ中のＮ−１個置きの複数の検出素子により生成される、ことを特徴とする請求項６乃至８のうちいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項１０】
前記検出素子アレイは、前記格子スケールからの光を検出する、ことを特徴とする請求項６乃至９のうちいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項１１】
前記検出素子アレイは、前記格子スケールからの光の干渉により得られた光を検出する、ことを特徴とする請求項１０に記載のエンコーダ。
【請求項１２】
格子スケールと、
前記格子スケールからの信号を検出して、互いに位相が異なるＮ相信号（Ｎは６以上の整数）を生成する検出素子アレイと、
前記検出素子アレイで生成されたＮ相信号に対して、互いに異なるＭ組（Ｍは２以上の整数）の係数群のそれぞれに関してＮ個の係数をそれぞれ乗算し、該乗算して得られた値の総和を該Ｍ組のそれぞれに関して求めてＭ相信号を生成する生成手段と、を有し、
前記Ｍ組の係数群は、
Ｇ１（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（１／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ２（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（２／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ３（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（３／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
…
ＧＮ（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（Ｎ／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
（但し、ｋ＝１、２、…、Ｍ）
で表されることを特徴とするエンコーダ。
【請求項１３】
前記生成手段は、増幅器またはデジタル処理回路を含む、ことを特徴とする請求項６乃至１２のうちいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項１４】
移動可能な面からの光を他の光と干渉させて得られた光を受光して、互いに位相が異なるＮ相信号（Ｎは６以上の整数）を生成する受光素子アレイと、
前記受光素子アレイで生成されたＮ相信号に対して、互いに異なるＭ組（Ｍは２以上の整数）の係数群のそれぞれに関してＮ個の係数をそれぞれ乗算し、該乗算して得られた値の総和を該Ｍ組のそれぞれに関して求めてＭ相信号を生成する生成手段と、を有し、
前記Ｍ組の係数群は、
Ｇ１（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（１／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ２（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（２／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ３（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（３／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
…
ＧＮ（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（Ｎ／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
（但し、ｋ＝１、２、…、Ｍ）
で表されることを特徴とする干渉計測装置。
【請求項１５】
移動可能な面からの光を他の光と干渉させて得られた光を受光して、互いに位相が異なるＮ相信号（Ｎは６以上の整数）を生成する受光素子アレイと、
前記受光素子アレイで生成されたＮ相信号に対して、互いに異なるＭ組（Ｍは３以上の整数）の係数群のそれぞれに関してＮ個の係数をそれぞれ乗算し、該乗算して得られた値の総和を該Ｍ組のそれぞれに関して求めてＭ相信号を生成する生成手段と、を有することを特徴とする干渉計測装置。
【請求項１６】
前記Ｍ組の係数群は、
Ｇ１（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（１／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ２（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（２／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ３（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（３／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
…
ＧＮ（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（Ｎ／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
（但し、ｋ＝１、２、…、Ｍ）
で表されることを特徴とする請求項１５に記載の干渉計測装置。
【請求項１７】
前記Ｍ相信号を用いて内挿処理を行う内挿手段を有する、ことを特徴とする請求項１５または１６に記載の干渉計測装置。
【請求項１８】
前記生成手段は、増幅器またはデジタル処理回路を含む、ことを特徴とする請求項１４乃至１７のうちいずれか１項に記載の干渉計測装置。
【請求項１９】
変位または位置を計測する計測方法であって、
検出素子アレイを用いて格子スケールからの信号を検出して、互いに位相が異なるＮ相信号（Ｎは６以上の整数）を生成し、
前記Ｎ相信号に対して、互いに異なるＭ組（Ｍは３以上の整数）の係数群のそれぞれに関してＮ個の係数をそれぞれ乗算し、該乗算して得られた値の総和を該Ｍ組のそれぞれに関して求めてＭ相信号を生成する、ことを特徴とする計測方法。
【請求項２０】
変位または位置を計測する計測方法であって、
検出素子アレイを用いて格子スケールからの信号を検出して、互いに位相が異なるＮ相信号（Ｎは６以上の整数）を生成し、
前記Ｎ相信号に対して、互いに異なるＭ組（Ｍは２以上の整数）の係数群のそれぞれに関してＮ個の係数をそれぞれ乗算し、該乗算して得られた値の総和を該Ｍ組のそれぞれに関して求めてＭ相信号を生成し、
前記Ｍ組の係数群は、
Ｇ１（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（１／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ２（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（２／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ３（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（３／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
…
ＧＮ（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（Ｎ／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
（但し、ｋ＝１、２、…、Ｍ）
で表されることを特徴とする計測方法。
【請求項２１】
変位または位置を計測する計測方法であって、
移動可能な面からの光を他の光と干渉させて得られた光を受光して、互いに位相が異なるＮ相信号（Ｎは６以上の整数）を生成し、
前記Ｎ相信号に対して、互いに異なるＭ組（Ｍは３以上の整数）の係数群のそれぞれに関してＮ個の係数をそれぞれ乗算し、該乗算して得られた値の総和を該Ｍ組のそれぞれに関して求めてＭ相信号を生成する、ことを特徴とする計測方法。
【請求項２２】
変位または位置を計測する計測方法であって、
移動可能な面からの光を他の光と干渉させて得られた光を受光して、互いに位相が異なるＮ相信号（Ｎは６以上の整数）を生成し、
前記Ｎ相信号に対して、互いに異なるＭ組（Ｍは２以上の整数）の係数群のそれぞれに関してＮ個の係数をそれぞれ乗算し、該乗算して得られた値の総和を該Ｍ組のそれぞれに関して求めてＭ相信号を生成し、
前記Ｍ組の係数群は、
Ｇ１（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（１／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ２（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（２／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ３（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（３／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
…
ＧＮ（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（Ｎ／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
（但し、ｋ＝１、２、…、Ｍ）
で表されることを特徴とする計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式エンコーダおよび干渉計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、移動可能な透過スリットに対して光源から光束が照射され、この光束が透過スリットに周期的に遮断され受光素子アレイに入射する光学式エンコーダが開示されている。受光素子アレイ上ではスリットの周期にて明暗分布が生じているが、スリットの回折の影響により、三角波状や台形状の高調波成分が含まれた複雑な波形になっている。
【０００３】
このような高調波成分が含まれた複雑な波形の明暗分布光を４相の受光素子で検出してＡ、Ｂ相の差動信号に変換し、オシロスコープ等でリサージュ波形を観測すると、円形ではない波形が得られる。特に、３次の高調波成分の量および位相によって、リサージュ波形は台形状や三角波状になる。エンコーダの周期信号は、２相の正弦波および余弦波信号（Ａ、Ｂ相信号）であるとしてＡ、Ｂ相信号のアークタンジェントを演算するために用いられる。しかしリサージュ波形が円形でない場合（Ａ、Ｂ相信号に歪みが多い場合）、計測誤差が発生する。
【０００４】
特許文献２では、発光部の形状をマスクにて補正し、受光素子アレイ上に照明される明暗分布の波形を正弦波に近づける構成が開示されている。しかしこの明暗分布の状態は、光源の発光部のサイズや形状以外にも、波長の広がり、光源からの光束の照明方法、スリットのエッジの状態、スリットと受光素子の間の距離などのパラメータで変動する。このため、特にスリットと受光素子の間の距離の状態が変動する環境下において、安定した補正が困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２０７８２２号公報
【特許文献２】特開平０３−１２８４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようにエンコーダ信号や干渉計測装置には、振幅、オフセット、位相、高調波歪の誤差が含まれるため、高精度計測するためには信号補正が必要である。特にスリット透過型エンコーダや干渉縞投影型エンコーダの場合には、スケールと受光素子の間の間隔変動により高調波歪成分が大きく変動する。このため、内挿による高精度計測が困難であった。また、正弦波信号に内在する高調波歪を除去する技術をマイケルソン干渉測長装置の分野でも要望されていた。
【０００７】
そこで本発明は、高精度な光学式エンコーダ、エンコーダ、干渉計測装置、計測方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての光学式エンコーダは、移動可能な格子スケールと、光束を照射された前記格子スケールからの反射光または透過光を受光して、互いに位相が異なるＮ相信号（Ｎは６以上の整数）を生成する受光素子アレイと、前記受光素子アレイで生成されたＮ相信号に対して、互いに異なるＭ組（Ｍは２以上の整数）の係数群のそれぞれに関してＮ個の係数をそれぞれ乗算し、該乗算して得られた値の総和を該Ｍ組のそれぞれに関して求めてＭ相信号を生成する生成手段と、を有し、前記Ｍ組の係数群は、
Ｇ１（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（１／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ２（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（２／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ３（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（３／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
…
ＧＮ（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（Ｎ／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
（但し、ｋ＝１、２、…、Ｍ）
で表されることを特徴とする。
【０００９】
本発明の他の側面としての干渉計測装置は、移動可能な面からの光を他の光と干渉させて得られた光を受光して、互いに位相が異なるＮ相信号（Ｎは６以上の整数）を生成する受光素子アレイと、前記受光素子アレイで生成されたＮ相信号に対して、互いに異なるＭ組（Ｍは２以上の整数）の係数群のそれぞれに関してＮ個の係数をそれぞれ乗算し、該乗算して得られた値の総和を該Ｍ組のそれぞれに関して求めてＭ相信号を生成する生成手段と、を有し、前記Ｍ組の係数群は、
Ｇ１（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（１／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ２（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（２／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ３（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（３／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
…
ＧＮ（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（Ｎ／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
（但し、ｋ＝１、２、…、Ｍ）
で表されることを特徴とする。
【００１０】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高精度な光学式エンコーダ、エンコーダ、干渉計測装置、計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態における光学式エンコーダの概略構成図である。
【図２】第１実施形態における受光素子アレイの波形図である。
【図３】第１実施形態における波形図である。
【図４】第２実施形態における光学式エンコーダの概略構成図である。
【図５】第３実施形態における光学式エンコーダの概略構成図である。
【図６】第３実施形態における波形図である。
【図７】第４実施形態における光学式エンコーダの概略構成図である。
【図８】第５実施形態における回折干渉型エンコーダの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
〔第１実施形態〕
まず本発明の第１実施形態における光学式エンコーダについて説明する。図１は、本実施形態における光学式エンコーダ１０（透過スリット型エンコーダ）の概略構成図である。図１に示されるように、本実施形態の光学式エンコーダ１０では、点光源ＬＥＤから射出した発散光束がコリメータレンズＬＮＳにて平行光に変換され、この平行光は移動可能な透過スリットを備えたスケールＳＣＬ（格子スケール）を照明する。そして、スケールＳＣＬを透過した透過光が受光素子アレイＰＤＡ（複数の受光素子）により受光される。受光素子アレイＰＤＡは、各受光素子の出力をＮ個（Ｎは６以上の整数。本実施形態ではＮ＝１２）ごとに集電する受光素子アレイであり、受光素子アレイＰＤＡの１周期分が明暗分布光の１周期分に対応している。
【００１５】
本実施形態において、受光素子アレイＰＤＡは、（正弦波状でない）明暗１周期の（正弦波状ではない）透過光に対してＮ（本実施形態ではＮ＝１２）個の受光素子に分割されている。また、受光素子アレイＰＤＡの各受光素子から出力される周期信号の位相が３６０°／Ｎ（図１では３０°）ずつ相違するように構成されている。なお、図１では明暗３周期分の透過光を受光素子アレイＰＤＡで受光しているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、２周期分または４周期分以上の透過光を受光するように構成してもよい。
【００１６】
図２は受光素子アレイＰＤＡの波形図である。図２（ａ）は受光素子アレイＰＤＡの出力波形図（１２相の出力波形）、（ｂ）は受光素子アレイＰＤＡの１２相の出力波形のうち４相の出力波形のみを用いて生成したリサージュ波形図である。このように、受光素子アレイＰＤＡの出力波形は厳密には正弦波状ではない。このため、従来のように４相の出力波形のみを用いて生成されたリサージュ波形は厳密には円形状にはならない。
【００１７】
そこで本実施形態の増幅器ＡＭＰは、受光素子アレイＰＤＡから得られたＮ相（Ｎは６以上の整数。本実施形態ではＮ＝１２）の周期信号に対して、位相が互いに異なる第一の係数群（第一の増幅率群）を乗算する（第一の増幅率群で増幅する）。そして増幅器ＡＭＰは、第一の係数群を乗算して得られた値の総和から第１相（Ａ相）の正弦波状周期信号を生成する。本実施形態において、Ｎ相の周期信号に対する第一の係数群は、例えば以下のように表される。
【００１８】
Ｇ１（１）＝｛１＋ｓｉｎ（１／Ｎ×２π）｝／２
Ｇ２（１）＝｛１＋ｓｉｎ（２／Ｎ×２π）｝／２
Ｇ３（１）＝｛１＋ｓｉｎ（３／Ｎ×２π）｝／２
…
ＧＮ（１）＝｛１＋ｓｉｎ（Ｎ／Ｎ×２π）｝／２
同様に、増幅器ＡＭＰは、Ｎ相の周期信号を、位相が互いに異なる第二の係数群（第二の増幅率群）を乗算する（第二の増幅率群で増幅する）。そして増幅器ＡＭＰは、第二の係数群を乗算して得られた値の総和から第２相（Ｂ相）の正弦波状周期信号を生成する。本実施例において、Ｎ相の周期信号に対する第二の係数群は、例えば以下のように表される。
【００１９】
Ｇ１（２）＝｛１＋ｓｉｎ（１／Ｎ×２π＋π／２）｝／２
Ｇ２（２）＝｛１＋ｓｉｎ（２／Ｎ×２π＋π／２）｝／２
Ｇ３（２）＝｛１＋ｓｉｎ（３／Ｎ×２π＋π／２）｝／２
…
ＧＮ（２）＝｛１＋ｓｉｎ（Ｎ／Ｎ×２π＋π／２）｝／２
図３は本実施形態における波形図であり、（ａ）はＡ相、Ｂ相信号波形図、（ｂ）はＡ相、Ｂ相信号から生成されたリサージュ波形図である。このように、増幅器ＡＭＰの出力波形は正弦波状（実質的な正弦波状）であり、増幅器ＡＭＰの出力波形に基づいて生成されたリサージュ波形は円形状（実質的な円形状）となる。
【００２０】
本実施形態では、Ａ相信号およびＢ相信号からなる２相信号を利用するが、これに限定されるものではなく、３相以上の信号を利用してもよい。Ｍ相信号（Ｍは２以上の整数）を利用する場合には、Ｍ組の係数群（第ｋの係数群）は、例えば以下のような一般式で表すことができる。
【００２１】
Ｇ１（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（１／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ２（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（２／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
Ｇ３（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（３／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
…
ＧＮ（ｋ）＝｛１＋ｓｉｎ（Ｎ／Ｎ×２π＋π×（ｋ−１）／Ｍ）｝／２
（但し、ｋ＝１、２、…、Ｍ）
このとき、増幅器ＡＭＰは、Ｎ相の周期信号に対して、位相が互いに異なるＭ組の係数群（第ｋの係数群）を乗算する（第ｋの増幅率群で増幅する）。そして増幅器ＡＭＰは、Ｍ組の係数群（第ｋの係数群）を乗算して得られた値の総和からＭ相（第ｋ相）の正弦波状周期信号を生成する。
【００２２】
なお本実施形態において、受光素子の感度バラツキや光学系に起因する光量ムラを考慮し、必要に応じて上記係数群の値を変更してもよい。また光学式エンコーダ１０は、更に、Ｍ相の正弦波状周期信号を用いて電気内挿処理を行う内挿手段を備えてもよい。
【００２３】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態における光学式エンコーダについて説明する。図４は、本実施形態における光学式エンコーダ２０（反射スリット型エンコーダ）の概略構成図であり、（ａ）は正面図、図４（ｂ）は底面図である。図４に示されるように、本実施形態の光学式エンコーダ２０は、点光源ＬＥＤから射出した発散光束を、距離ｄだけ離れた位置に配置された相対移動可能な反射スリットを有するスケールＳＣＬ（反射／非反射の周期をＰ１とする）に斜めに照明する。そして、その反射光を拡大しながら受光素子アレイＰＤＡ上に２倍の明暗パターンを投影する。
【００２４】
本実施形態において、受光素子アレイＰＤＡは、（正弦波状ではない）明暗１周期（周期Ｐ２）に対して１２個の受光素子に分割され、各受光素子は、出力信号の位相が互いに３０°ずつ異なるように配置されている。なお、図４に示されるように明暗２周期分の反射光を受光素子アレイＰＤＡで受光すると、明暗信号の０．５次の歪成分を効果的に除去することができる。更に好ましくは、受光素子アレイＰＤＡは、偶数周期である６周期分または１２周期分の反射光を受光するように構成される。受光素子アレイＰＤＡから出力される信号は、図２（ａ）に示される波形と同様である。この出力信号（１２相の信号ＣＨ０１、ＣＨ０２、ＣＨ０３、…、ＣＨ１２）は、それぞれ２組の増幅器ＡＭＰにより、第１実施形態と同様に、正弦波状または余弦波状の増幅率の重みをつけて加算され、Ａ相信号およびＢ相信号として出力される。
【００２５】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態における光学式エンコーダについて説明する。図５は、本実施形態における光学式エンコーダ３０（透過スリット型エンコーダ）の概略構成図である。図５に示されるように、本実施形態の光学式エンコーダ３０は、点光源ＬＥＤから射出した発散光束を、コリメータレンズＬＮＳにて平行光に変換し、相対移動可能な透過スリットを有するスケールＳＣＬに照明し、その透過光を受光素子アレイＡＭＰにて受光する。
【００２６】
受光素子アレイＡＭＰは、（正弦波状ではない）明暗１周期の透過光に対してＮ個（本実施形態ではＮ＝６）の受光素子に分割され、各受光素子から出力される信号の位相が３６０°／Ｎ（本実施形態では３６０°／６＝６０°）ずつ相違するように構成されている。なお、本実施形態では明暗４周期分の透過光を受光素子アレイＰＤＡで受光しているが、これに限定されるものではない。
【００２７】
図６（ａ）は、受光素子アレイＰＤＡの出力波形図（６相の出力波形）である。このように、受光素子アレイＰＤＡの出力波形は厳密には正弦波状ではない。そこで本実施形態の増幅器ＡＭＰは、受光素子アレイＰＤＡから得られたＮ相（本実施形態ではＮ＝６）の周期信号に対して、位相が互いに異なる第一の係数群（第一の増幅率群）を乗算する（第一の増幅率群で増幅する）。そして増幅器ＡＭＰは、第一の係数群を乗算して得られた値の総和から第１相（Ａ相）の正弦波状周期信号を生成する。本実施形態において、Ｎ相の周期信号に対する第一の係数群は、例えば以下のように表される。
【００２８】
Ｇ１（１）＝｛１＋ｓｉｎ（１／６×２π）｝／２
Ｇ２（１）＝｛１＋ｓｉｎ（２／６×２π）｝／２
Ｇ３（１）＝｛１＋ｓｉｎ（３／６×２π）｝／２
…
Ｇ６（１）＝｛１＋ｓｉｎ（６／６×２π）｝／２
同様に、増幅器ＡＭＰは、Ｎ相の周期信号を、位相が互いに異なる第二の係数群（第二の増幅率群）を乗算する（第二の増幅率群で増幅する）。そして増幅器ＡＭＰは、第二の係数群を乗算して得られた値の総和から第２相（Ｂ相）の正弦波状周期信号を生成する。本実施例において、Ｎ相の周期信号に対する第二の係数群は、例えば以下のように表される。
【００２９】
Ｇ１（２）＝｛１＋ｓｉｎ（１／６×２π＋π／２）｝／２
Ｇ２（２）＝｛１＋ｓｉｎ（２／６×２π＋π／２）｝／２
Ｇ３（２）＝｛１＋ｓｉｎ（３／６×２π＋π／２）｝／２
…
Ｇ６（２）＝｛１＋ｓｉｎ（６／６×２π＋π／２）｝／２
図６（ｂ）は、Ａ相、Ｂ相信号波形図であり、図６（ｃ）はＡ相、Ｂ相信号から生成されたリサージュ波形図である。このように、増幅器ＡＭＰの出力波形は正弦波状（実質的な正弦波状）であり、増幅器ＡＭＰの出力波形に基づいて生成されたリサージュ波形は円形状（実質的な円形状）となる。なお本実施形態では、Ａ相信号およびＢ相信号からなる２相信号を利用するが、これに限定されるものではなく、第１実施形態で説明したように３相以上の信号を利用してもよい。
【００３０】
〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態における光学式エンコーダについて説明する。図７は、本実施形態における光学式エンコーダ４０（干渉縞投影型エンコーダ）の概略構成図である。なお本光学系の原理は、特開平０８−２２６８０４号公報に開示されている。本光学系は、凹凸格子を有するスケールを透過した光束が特定の空間にて凹凸格子のピッチの半分のピッチの明暗パターンを発生させ、それを受光素子アレイで検出する方式を採用する。
【００３１】
そこで本実施形態の光学式エンコーダ４０は、１／２ピッチ明暗パターンに６相の受光素子アレイＰＤＡを６組配置し、その６組の受光素子ＰＤＡの出力信号を加算する。６相の信号ｃｈ１、ｃｈ２、ｃｈ３、…、ｃｈ６は、前述の実施形態と同様な手法で、それぞれ２組の増幅器ＡＭＰにより正弦波状または余弦波状のゲイン（増幅率）の重みをつけて加算され、Ａ相信号およびＢ相信号として出力される。凹凸格子による１／２明暗投影パターンは歪が多いため、本実施形態の構成は特に有効である。また本実施形態は、凹凸格子以外でも、トールボット干渉縞投影方式のエンコーダやその変形の明暗パターンを受光素子アレイに投影する方式を採用するエンコーダ光学系にも広く適用可能である。
【００３２】
〔第５実施形態〕
次に、本発明の第５実施形態における光学式エンコーダについて説明する。図８は本実施形態における光学式エンコーダ５０（回折干渉型エンコーダ）の構成図であり、（ａ）は光学式エンコーダ５０の全体構成図、（ｂ）は受光素子アレイＡＭＰの詳細および信号の重み付け加算の説明図である。光学式エンコーダ５０は、スケール回折格子で発生した±１次回折光を光学手段にて干渉させ、所謂ワンカラー（またはモノカラー）の一様な干渉光を実現する際に偏光差を付与することで、２相または４相の位相差信号光を生成する。そして、生成された位相差信号光を２相または４相の受光素子アレイＡＭＰで受光する。
レーザ光源ＬＤから射出した発散光束（０度方位の直線偏光光束）はコリメータレンズＣＯＬにて平行光束にされ、第一の回折格子ＧＴ１（格子ピッチ＝Ｐ１）にて２光束に分割される。分割された光束は、それぞれ（４５°および−４５°方位に透過軸を設定した）偏光板ＰＯＬ１またはＰＯＬ２  を透過し、第二の回折格子ＧＴ２１またはＧＴ２２（格子ピッチ＝Ｐ２）にて偏向される。そして、相対移動するスケールＳＣＬ上の回折格子ＧＴ３（格子ピッチ＝Ｐ３）に照明され、±１次回折光が同軸に合成され、若干光源側と異なる方位に射出される。なお同軸に合成された光束は、互いに直線偏光軸を９０°ずらされていたため、１／４波長板ＱＷＰを透過すると互いに逆向きに偏光面が回転する円偏光同士となっていて、ベクトル合成することで、単一の直線偏光光束に変換されている。そしてこの単一の直線偏光光束は、相対移動スケール上の回折格子ＧＴ３が１ピッチ移動する間に、直線偏光面が半回転する性質になっている。
【００３３】
受光素子アレイＰＤＡは、例えば幅１２ミクロン、長さ２０００ミクロンの短冊状の受光面を１５ミクロン間隔で６６０本配列し、６つ毎に共通の電極に接続してあり、６チャンネルの光電流を出力するように構成されている。
【００３４】
また、受光素子アレイＰＤＡの受光面の直前には、幅１２ミクロン、長さ２０００ミクロンの短冊状の領域に、ワイヤグリッド偏光素子等の偏光素子パターンを形成したものを１５ミクロン間隔で６６０本配列している。また、６つ毎にワイヤグリッド偏光板の格子方位を０度、＋３０度、＋６０度、９０度、１２０度、１５０度に変えて形成した６チャンネル偏光素子アレイ板が挿入され、前記受光素子アレイの短冊状の各領域と重なるように組み合わされている。本実施形態では、これらを「６ＣＨ偏光受光ユニット６ＰＰＤＡ」という。
【００３５】
前述の格子干渉エンコーダ光学系より、スケールの移動に伴い偏光面の方位が変化する直線偏光光束を得て、６Ｃｈ偏光受光ユニット６ＰＰＤＡに入射させると、スケールが移動するとともに直線偏光の向きが回転するほぼ一様な状態の直線偏光として照明される。このため、出力端子から６相の（歪が若干加わった）正弦波信号が得られる。
【００３６】
これらの６相の信号ｃｈ１、ｃｈ２、ｃｈ３、…、ｃｈ６は、それぞれ２組の増幅器ＡＭＰにて正弦波状または余弦波状のゲインの重みをつけて加算され、Ａ相信号およびＢ相信号として出力される。このような構成により、元の信号に混入された歪は除去される。なお、６相信号は、受光素子アレイＰＤＡではなく、受光素子を複数個配置することでも構成可能である。
【００３７】
また、受光素子アレイＰＤＡは６相信号ではなく８相信号を出力するように構成することも可能である。この場合、受光素子アレイＰＤＡの直前の偏光素子アレイの隣同士の偏光透過軸が２２．５°ずつ異なるように構成し、８ｃｈ毎に電極に集電すればよい。これらの８相の信号ｃｈ１、ｃｈ２、ｃｈ３、…、ｃｈ８は、それぞれ２組の増幅器ＡＭＰにより正弦波状または余弦波状のゲインの重みをつけて加算され、Ａ相信号およびＢ相信号として出力される。格子干渉方式では、０．５次、２次、４次成分歪が出やすいため特に有効である。
【００３８】
各実施形態の複数位相差信号検出、２相合成のシステムを有するスリット透過／反射型エンコーダを構成することで、例えばスケールの姿勢が変化してギャップが変動しても正弦波信号の歪が生じない高精度なエンコーダが実現可能となる。また、レーザ干渉計や格子干渉型エンコーダに適用すれば、ミラーやスケールの姿勢変化による迷光の状態の変動による正弦波歪の変動による計測誤差の発生を防止でき、高精度な干渉計測装置を提供することができる。この場合、干渉計測装置は、移動可能な反射面または透過物体に照射した光束の反射光または透過光を他の光と干渉させて得られた干渉信号を光電変換して、互いに位相差が異なるＮ相の周期信号を生成する受光素子アレイＰＤＡを備える。上記各実施形態によれば、高精度な光学式エンコーダおよび干渉計測装置を提供することができる。
【００３９】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれ前述の実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。特に、正弦波状または余弦波状のゲインの重みをつけて加算する部分は、オペアンプではなく同様の機能をデジタル処理回路で実現してもよい。また本発明は、マイケルソンレーザ干渉測長装置や一般的な干渉光学装置における低歪な２相信号生成部にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１０、２０、３０、４０、５０  光学式エンコーダ
ＳＣＬ  スケール
ＰＤＡ  受光素子アレイ
ＡＭＰ  増幅器
ＳＣＬ  スケール
【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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