JP2012181019A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】検出波形の誤差成分を低減し、高精度な位置検出を可能とする。
【解決手段】スケールの透過率分布または反射率分布を、測位方向に垂直な方向の積分値が測位方向に均一な変調振幅となる細周期パターンに対応した変調成分と、測位方向に均一な変調振幅となる粗周期パターンに対応した変調成分と、の加算された値となる分布とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、測位方向が直進方向あるいは回転方向であって位置を検出する光学式エンコーダに関する。

従来、工作機やＦＡ装置などの位置検出に、エンコーダが用いられている。エンコーダの位置検出方式としては、位置の相対値である相対移動距離を測定するインクリメンタル方式と、位置の絶対値を検出するアブソリュート方式に大別される。インクリメンタル方式は、構成が単純で済む反面、電源が切れたときに位置情報が失われることや、外来ノイズによって誤差が蓄積されてしまうという難点がある。一方、アブソリュート方式のエンコーダは、一般に、誤差が蓄積せず高精度であり、電源が切れた時にもホームポジションへの移動が不要、といった利点を有している。

測位方向の位置に関する相対値出力と共に絶対値出力を可能とするアブソリュート方式のエンコーダは、例えば図１９に示されるような構成である（特許文献１）。この例によれば、相対値出力のために１トラック上のスケールパターンに複数の異なる周期の変調を形成することにより、少ないスケールトラックからより多くの情報を得ることができる。

特開２００９−１９８３１８号公報

従来例を基に分析をしていくと、複数の変調周期を含むスケールを介して反射される光強度分布には、位置検出誤差要因となる不要な空間周波数成分が含まれることが分かった。即ち、従来例では、光強度分布が細周期パターンに対応した変調成分Ａと、粗周期パターンに対応した変調成分Ｂとの積算に相当するが、位置検出誤差要因となる不要な空間周波数成分（Ａ＋Ｂ、Ａ−Ｂ、更には不要回折光による成分）が含まれる。この影響によって、理想的な正弦波からの誤差が生じ、その結果、逆正接演算によって位置信号に変換する際に、位置検出誤差となるという問題がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、一つのトラックから複数の情報を高精度に検出することが可能な光学式エンコーダを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本出願に係る発明は、光源と、前記光源により照射され測位方向の細周期パターンおよび粗周期パターンを１つのトラック内に備えるスケールと、前記スケールからの光を受光して前記細周期パターンを検出する高分解能検出センサアレイと、前記スケールからの光を受光して前記粗周期パターンを検出する低分解能検出センサアレイと、を有する光学式エンコーダであって、前記スケールの透過率分布または反射率分布は、測位方向に垂直な方向の積分値が測位方向に均一な変調振幅となる前記細周期パターンに対応した変調成分と、測位方向に均一な変調振幅となる前記粗周期パターンに対応した変調成分と、の加算された値となる分布であることを特徴とする。

本発明によれば、細周期パターンと粗周期パターンの位置検出に関して、不要な空間周波数成分の混入を抑え、細周期パターンと粗周期パターンの位置検出の分離をより高精度に行うことができる。

本発明の第１の実施形態におけるスケールの１トラックの反射率分布を示す図である。 本発明の第１の実施形態における光学式エンコーダの構成を示す概略図である。 （ａ）はセンサユニットの概略構成を示す側面図、（ｂ）はその上面図である。 センサユニットにおけるスケールの１トラックの構成を説明する平面図である。 高分解能検出モードにおけるフォトダイオードアレイの受光面配置を示す平面図である。 低分解能検出モードにおけるフォトダイオードアレイの受光面配置を示す平面図である。 スケールからの反射回折像に含まれる空間周波数成分を示す図である。 正弦波状信号Ｓ（Ａ）に含まれる高調波成分を示す図である。 アブソリュート位置検出に関するアブソリュート位置信号合成の初期化動作を説明する図である。 第２の実施形態におけるスケールのパターンを示す図である。 第２の実施形態におけるスケールの反射率分布を示す図である。 第３の実施形態におけるスケールのパターンを示す図である。 第３の実施形態における高分解能検出モードにおけるフォトダイオードアレイの配列を示す平面図である。 第３の実施形態における低分解能検出モードにおけるフォトダイオードアレイの配列を示す平面図である。 第４の実施形態における光学式ロータリーエンコーダの構成を示す概略図である。 第４の実施形態におけるロータリースケールのトラック構成を示す図である。 第４の実施形態における放射状トラックの一部の拡大図である。 （ａ）は第４の実施形態におけるセンサユニットの概略構成を示す側面図、（ｂ）はその上面図である。 従来技術を示す図である。

《第１の実施形態》
本実施形態は、位置に関する相対値出力と共に絶対値出力を可能とするアブソリュート方式の光学式エンコーダであり、その構成を図２に示す。このエンコーダは、可動部に取り付けられるスケール２００、固定部に取り付けられるセンサユニット３０１、信号処理回路４０１、記憶装置４０２を備える。信号処理回路４０１は、センサユニット３０１で得られたエンコーダ信号の内挿処理や、記憶装置４０２への信号の書き込み、および、読み出し、位置信号の出力等を行う。

相対移動距離測定のため位置に関する相対値出力を得るには、図４に示すようなスリットトラック２０１と、図５、図６に示すようなフォトダイオードアレイ３１１の１組を用れば良い。スリットトラック２０１は、細周期パターンと粗周期パターンを１トラック内に備える。フォトダイオードアレイ３１１は、細周期パターンと粗周期パターンの検出に兼用される共通のフォトダイオードアレイである。しかし、スリットトラック２０１に対し、細周期パターンと粗周期パターンの検出に別々のフォトダイオードアレイを用いることもできる。

アブソリュート位置を検出するためには、相対移動距離を測定するためのスリットトラック２０１、フォトダイオードアレイ３１１に加え、更にスリットトラック２０２、フォトダイオードアレイ３１２を含めた２組を用いる。スリットトラック２０２、フォトダイオードアレイ３１２は、スリットトラック２０１、フォトダイオードアレイ３１１に対し、夫々僅かにずれた周期を備えてアブソリュート位置検出を可能としている。

図３でセンサユニット３０１の具体的構成を説明する。図３（ａ）が側面図、図３（ｂ）が上面図である。センサユニット３０１は、光源としてのＬＥＤ３１０とセンサアレイとしてのフォトダイオードアレイ３１１、フォトダイオードアレイ３１２が同一パッケージ内に実装された受発光一体型のセンサユニットである。ＬＥＤ３１０で照射されるスケール２００は、ガラス基板上にクロム反射膜が２本のスリットトラック２０１、２０２としてパターニングされている。

センサユニット３０１内のＬＥＤ３１０から出射した発散光束はスケール２００の第１トラック２０１、および第２トラック２０２上の読み取り領域２１３に照射される。上面図における読み取り領域２１３の位置は、ＬＥＤ３１０とフォトダイオードアレイ３１１の受光領域の４隅を結ぶ線の中点によって囲まれる領域である。読み取り領域２１３から反射した光束は、センサユニット３０１内のフォトダイオードアレイ３１１、３１２に向けてそれぞれ反射される。

そして、ＬＥＤ３１０とフォトダイオードアレイ３１１はスリットトラック２０１，２０２の平面と平行な同一平面上にあって、ＬＥＤ３１０から出てスリットトラック２０１で反射されてフォトダイオードアレイ３１１に至る。即ち、ＬＥＤ３１０からフォトダイオードアレイ３１１に至る光路の丁度中間位置にスリットトラック２０１が存在する関係となる。これより、スケールであるスリットトラック２０１、２０２の反射率分布が２倍拡大された像としてフォトダイオードアレイ３１１、３１２上で受光される。フォトダイオードアレイ３１１、フォトダイオードアレイ３１２によって受光された光束は電気信号に変換され、エンコーダ信号として図２に示す信号処理回路４０１に送られる。

（細周期パターンと粗周期パターンを備えたスケール）
スケール２００の第１トラック２０１および第２トラック２０２の一部の拡大図を図４に示す。第１トラック２０１は測位方向（移動方向）に垂直な方向（Ｙ軸方向）に対し一様で、測位方向（Ｘ軸方向）に５０μｍごとに異なる領域に分けられている。それぞれの領域は、反射膜に一定密度で反射膜の抜けたピンホールが形成されており、反射膜のある面積と反射膜の無い面積の比率を変化させることで平均反射率を異ならせてある。

第１トラック２０１に関し、細周期パターンは１００μｍ周期（フォトダイオードアレイ３１１上の反射像周期は２倍の２００μｍ周期）である。また、粗周期パターンは７００μｍ周期（フォトダイオードアレイ３１１上の反射像周期は２倍の１４００μｍ周期）である。一方、後述する第２トラック２０２に関しては、細周期パターンは１０２．０８３３３μｍ周期（フォトダイオードアレイ３１２上の反射像周期は２倍の２０４．１６６６６μｍ周期）である。また、粗周期パターンは７１４．５８３３３μｍ周期（フォトダイオードアレイ３１２上の反射像周期は２倍の１４２９．１６６６６μｍ周期）である。

第１トラック２０１、第２トラック２０２に関し、平均反射率の測位方向（Ｘ方向）分布は、以下のように形成されている。即ち、図１に示すように平均反射率差３０％の１００μｍ周期（細周期Ｐ）の反射率変調に、平均反射率差３０％の７００μｍ周期（粗周期Ｘ０）の反射率変調が加算された反射率パターンとなっている。即ち、スケールの反射率分布は、測位方向に垂直な方向の積分値が測位方向に均一な変調振幅となる細周期パターンに対応した変調成分と、測位方向に均一な変調振幅となる粗周期パターンに対応した変調成分と、の加算された値となる分布である。

具体的には、Ｘ方向５０μｍごとに、平均反射率が３０％、０％、３６％、１０．８％、４９．２％、２４％、６０％、３０％、６０％、２４％、４９．２％、１０．８％、３６％、０％の順で、反射膜の領域が並んでいる。即ち、１００μｍ周期（細周期Ｐ）反射率変調の成分は、３０％、０％、３０％、０％、３０％、０％、３０％、０％、３０％、０％、３０％、０％、３０％、０％となる。変調振幅に相当する１周期内の最大反射率と最小反射率の差は３０％であって、測位方向の各１周期内で均一な変調振幅を備えている。

一方、７００μｍ周期（粗周期Ｘ０）反射率変調の成分は、０％、０％、６％、１０，８％、１９，２％、２４％、３０％、３０％、３０％、２４％、１９，２％、１０．８％、６％、０％となる。変調振幅に相当する１周期内の最大反射率と最小反射率の差は３０％であって、測位方向の各１周期内で均一な変調振幅を備えている。

ここで、測位方向（Ｘ方向）の任意の位置における、第１トラック２０１の反射率分布として読み取り領域２１３のＹ方向幅の範囲でのＹ方向への積分を考える。その結果は、測位方向に変調振幅が一定である１００μｍ周期（細周期Ｐ）の変調成分と、測位方向に変調振幅が一定である７００μｍ周期（粗周期Ｘ０）の変調成分との和となっている。

同様に、第２トラック２０２の平均反射率の測位方向（Ｘ方向）分布も、細周期の反射率変調と粗周期の反射率変調とが加算された分布となっている。即ち、上述したように第２トラック２０２では第１トラック２０１における各周期と僅かにずれた周期を備え、第１トラック２０１と同様に夫々平均反射率差３０％を備えている。

（検出分解能の切り替え可能なフォトダイオードアレイ）
次に、フォトダイオードアレイ３１１の受光面配置を図５、図６に示し、エンコーダの出力信号に関して説明する。フォトダイオードアレイ３１１の受光面は、細周期パターン検出（高分解能検出モード）時には２００μｍ周期であり、粗周期パターン検出（低分解能検出モード）時には１４００μｍ周期で配置構成される。フォトダイオードアレイ３１２もフォトダイオードアレイ３１１と同様である。フォトダイオードアレイ３１１にはフォトダイオードがＸ軸方向に５０μｍピッチで２８個並んでおり、一つのフォトダイオードはＸ方向幅Ｘ＿ｐｄが５０μｍであり、Ｙ方向幅Ｙ＿ｐｄは８００μｍである。フォトダイオードアレイ３１１の全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは１４００μｍである。

後に詳述するが、細周期パターン検出用のセンサアレイの測位方向の全幅は、粗周期パターンの周期に対応した低分解能検出用のセンサアレイの測位方向の幅の整数倍（ここでは１倍）とされる。また粗周期パターン検出用の測位方向の各受光幅は、スケールの細周期パターンの周期に対応した細周期パターン検出用センサアレイの測位方向の各受光幅の整数倍（ここでは１倍）とされる。

これにより、細周期パターンの検出の際に、粗周期パターンの１周期分が包含されているため出力が加算される結果、粗周期パターンの影響を除去できる。同様に、粗周期パターンの検出の際に、細周期パターンの１周期分が包含されているため出力が加算される結果、細周期パターンの影響を除去できる。

それぞれのフォトダイオードからの出力は、スイッチ回路を介して後段の４つのＩＶ変換アンプに接続され、４つのＩＶ変換アンプからの出力は、Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）の４相正弦波出力にそれぞれに対応する。４相正弦波出力を用いるのは、直流成分を除去して振幅を２倍に拡大した信号を得て、移動方向の判別を行うことができるようにするためである。スイッチ回路は外部からの入力によって接続を切り替えることができる。

スイッチ回路への入力がハイレベルの場合は、高分解能検出モードとして図５に示すように、スケールパターン１００μｍ（反射像周期２００μｍ）の検出ピッチとなる。一方、スイッチ回路への入力がローレベルの場合は、低分解能検出モードとして図６に示すようにスケールパターン７００μｍ（反射像周期１４００μｍ）の検出ピッチとなる。即ち、フォトダイオードアレイ３１１は高分解能検出モード（図５）では測位方向に第１の幅１００μｍ、第１の周期２００μｍを備え、低分解能検出モード（図６）では測位方向に第２の幅４００μｍ、第２の周期１４００μｍを備える。

（低分解能検出モード）
低分解能検出モード時の７００μｍの検出ピッチにおいては、各々４つの隣接するフォトダイオードが電気的に接続される。これにより、図６のＡ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−夫々がスケールパターン１００μｍ周期の変調成分の反射像周期と一致する２００μｍの幅で加算されることになり、１００μｍ周期の変調成分が出力に与える影響を低減することができる。

第２トラック２０２の細周期は１０２．０８３３３μｍ（反射像周期２０４．１６６６６μｍ）であるが、各々４つの隣接するＡ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−夫々が変調成分の反射像周期と概略一致する２００μｍの幅で加算される。このため、変調成分の低減効果は十分得られる。

なお、低分解能検出モード時に位置検出に用いられないフォトダイオードアレイ３１１，３１２の未使用のセンサはＧＮＤに接続されている（図６）。

（高分解能検出モード）
高分解能検出モード時の１００μｍの検出ピッチにおいては、信号に関わるフォトダイオードの全幅が１４００μｍとなり、スケールパターン７００μｍ周期の変調成分の反射像周期と一致する。このため、７００μｍ周期の変調成分によって出力振幅が変動する影響を低減することができる。即ち、図５において離散して配置されるＡ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−夫々がスケールパターン７００μｍ周期の変調成分の反射像周期と一致する１４００μｍの範囲で加算されることになり、７００μｍ周期の変調成分が出力に与える影響を低減することができる。

第２トラック２０２の粗周期は７１４．５８３３３μｍ（反射像周期１４２９．１６６６６μｍ）であるが、離散して配置されるＡ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−夫々が変調成分の反射像周期と概略一致する１４００μｍの範囲で加算される。このため、変調成分の低減効果は十分得られる。

（位相信号の形成）
４相正弦波の相対位相はそれぞれの検出ピッチに対し、Ｓ（Ａ＋）を基準とすると、Ｓ（Ｂ＋）は約＋９０度、Ｓ（Ａ−）は約＋１８０度、Ｓ（Ｂ−）は約＋２７０度の関係にある。これらの出力は、図２中の信号処理回路４０１において、
Ｓ（Ａ）＝Ｓ（Ａ＋）−Ｓ（Ａ−）
Ｓ（Ｂ）＝Ｓ（Ｂ＋）−Ｓ（Ｂ−）
なる演算を行って、直流分が除去された２相正弦波状信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）を生成し、さらにこれらの逆正接演算を行うことで位相信号を得る。

（各周波数成分の発生メカニズムと不要成分の除去）
ここで、各周波数成分の発生メカニズムと不要成分の除去について説明する。スケールパターンからの回折角度分布は、反射率分布のフーリエ変換によって得られる。本実施形態の第１トラック２０１では平均反射率の測位方向（Ｘ方向）分布が、一定振幅の１００μｍ周期の反射率変調と、一定振幅の７００μｍ周期の反射率変調との和になっている。これにより、主要な回折成分は、０次光に加え、粗周期（７００μｍ周期）による±１次回折光と、細周期（１００μｍ周期）による±１次回折光の５成分となる。

これらの回折光に関して回折光同士の干渉による干渉縞の空間周波数は、干渉し合う回折光の回折角の差分によって決定される。粗周期が細周期の７倍であることから、細周期による回折角度は粗周期による回折角度の７倍となる。これより、粗周期の２倍拡大像の空間周波数を１ｆ（１ｆの空間周波数成分は、０次光と粗周期による±１次回折光の干渉によって発生する）とすると、０次光と細周期による±１次回折光の干渉によって７ｆの空間周波数成分が発生する。

検出されるべき１ｆの空間周波数成分と７ｆの空間周波数成分の他に、以下の不要
な空間周波数成分２ｆ、６ｆ、８ｆ、１４ｆが発生する。即ち、空間周波数成分２ｆは、粗周期による±１次回折光同士の干渉によって発生し、空間周波数成分６ｆは、細周期による＋１次（−１次）回折光と粗周期による＋１次（−１次）回折光の干渉によって発生する。また空間周波数成分８ｆは、細周期による＋１次（−１次）回折光と粗周期による−１次（＋１次）回折光の干渉によって発生し、空間周波数成分１４ｆは、細周期による±１次回折光同士の干渉によって発生する。スケールからの反射回折像に含まれる空間周波数成分を図７に示す。

ここで第１トラック２０１に関し、低分解能検出モード（反射回折像を７００μｍの検出ピッチで検出）時の、正弦波状信号Ｓ（Ａ）に含まれる高調波成分の計算結果を図８に示す。図８では、不要な周波数成分は低減され、空間周波数成分１ｆのみが存在し、ほぼ理想的な正弦波が得られていることが分かる。不要成分の除去に関しては、以下に示す通りである。

低分解能検出モードでは、隣接する４つのフォトダイオード（図６のＡ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−）の出力が加算される。即ち、スケールパターン１００μｍ周期の変調成分の反射像周期と一致する２００μｍの幅が加算されることになり、１００μｍ周期の変調成分が出力に与える影響を低減することができる。これにより、不要周波数成分１ｆが除去できる。

更に不要周波数成分２ｆ、６ｆ、８ｆ、１４ｆといった偶数次成分は、センサアレイに接続される信号処理回路で、Ｓ（Ａ）＝Ｓ（Ａ＋）−Ｓ（Ａ−）によって除去される。その結果、不要な周波数成分は低減され、１ｆに関してほぼ理想的な正弦波が得られる。なお、第２トラック２０２においても、周期がほぼ等しいので同様の効果となる。

高分解能検出モードでは、図５に示すＡ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−の夫々７つの離散するフォトダイオードの出力が加算される。即ち、スケールパターン７００μｍ周期の変調成分の反射像周期と一致する１４００μｍの範囲でＡ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−の夫々が加算されることで、７００μｍ周期の変調成分が出力に与える影響を低減することができる。これにより、不要周波数成分１ｆが除去できる。また、不要周波数成分２ｆ、６ｆ、８ｆも、１４００μｍの範囲でＡ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−の夫々が加算されることで平均化され、除去できる。

更に７ｆの２倍波にあたる不要周波数成分１４ｆの成分は、センサアレイに接続される信号処理回路で、Ｓ（Ａ）＝Ｓ（Ａ＋）−Ｓ（Ａ−）によって除去される。その結果、不要な周波数成分は低減され、７ｆに関してほぼ理想的な正弦波が得られる。なお、第２トラック２０２においても、周期がほぼ等しいので同様の効果となる。

（アブソリュート位置検出）
次に、アブソリュート位置検出を行う手順を説明する。既述したように、アブソリュート位置検出を行うために、スリットトラック２０１を検出するフォトダイオードアレイ３１１の他に、スリットトラック２０２を検出するフォトダイオードアレイ３１２を備える。第１トラック２０１に対し第２トラック２０２の周期は僅かに異なっており、またフォトダイオードアレイ３１１、３１２は夫々が細周期パターン検出の高分解能検出センサアレイと粗周期パターン検出の低分解能検出センサアレイとして兼用される。

そして、以下のように、夫々２組設けられる高分解能検出センサアレイおよび低分解能検出センサアレイからの位相情報を基に、より精度の高いアブソリュート位置信号となるように順次に高分解能化させるためにアブソリュート位置信号を合成する。

即ち、スイッチ回路への入力がハイ（検出ピッチ１００μｍ）の時の第１トラックにおける位相信号をφ１、第２トラックにおける位相信号をφ２とする。また、スイッチ回路への入力がロー（検出ピッチ７００μｍ）の時の第１トラックにおける位相信号をφ１´、第２トラックにおける位相信号をφ２´とする。スイッチ回路への入力の切り替え前後で、時間差をおかずに信号を取得することにより、同一位置でのφ１、φ２、φ１´、φ２´を得ることができる。

ここで、スケールが高速移動中は同期性が低下するが、その場合は以下に説明するように複数回の取り込みを行って、位相の平均を取るようにして同期性を確保しても良い。すなわち、まず、検出ピッチ１００μｍでＳ（Ａ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ｂ−）を取得し、スイッチ回路への入力をハイからローへ切り替える。続いて、検出ピッチ７００μｍでＳ（Ａ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ｂ−）を取得し、スイッチ回路への入力をローからハイへ切り替え、再度検出ピッチ１００μｍでＳ（Ａ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ｂ−）を取得する。

それぞれの取得タイミングのインターバルはほぼ一定とする。これらから演算した１回目のφ１、φ２と２回目φ１、φ２の平均を取ることによって、φ１、φ２とφ１´、φ２´の同期性を向上させることができる。このようにして得られた位相信号φ１、φ２、φ１´、φ２´より、異なる周期の位相信号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４を次の演算によって生成する。
Ｐ１＝φ１´−φ２´
Ｐ２＝φ１−φ２
Ｐ３＝φ１´
Ｐ４＝φ１
Ｐ１は周期Ｔ１＝３４．３ｍｍの周期信号で、これを最上位信号とする。Ｐ２は周期Ｔ２＝４．９ｍｍの周期信号で、これを中上位信号とする。Ｐ３は周期Ｔ３＝０．７ｍｍの周期信号で、これを中下位信号とする。Ｐ４は周期Ｔ４＝０．１ｍｍの周期信号で、これを最下位信号とする。

次に、図９を参照して、本実施形態において、アブソリュート位置信号を合成するに際して必要となる初期化動作の手順について説明する。まず、所定の方向にスケール２００を移動させる。そして、Ｐ１のゼロクロス通過後の、最初のＰ２のゼロクロスを検出し、さらにその直後のＰ３のゼロクロスを検出し、さらにその直後のＰ４のゼロクロスを検出する。その点を仮想原点に設定する。この仮想原点におけるＰ１、Ｐ２、Ｐ３の位相信号をそれぞれＰ１＿ｏｆｆｓｅｔ、Ｐ２＿ｏｆｆｓｅｔ、Ｐ３＿ｏｆｆｓｅｔとする。

この初期化動作時に、信号処理回路４０１はＰ１＿ｏｆｆｓｅｔ、Ｐ２＿ｏｆｆｓｅｔ、Ｐ３＿ｏｆｆｓｅｔを記憶装置４０２に書き込む。この初期化処理は、例えばエンコーダ出荷時に行う他、任意のタイミングで行って良い。

次に、各周期信号よりアブソリュート位置信号を合成する手順について説明する。
まず、中間信号Ｑ１、Ｑ２を、上述したＰ１〜Ｐ４、Ｔ１〜Ｔ４を使用し、以下の演算によって取得する。

Ｑ１＝Ｒｏｕｎｄ［（Ｐ１−Ｐ１＿ｏｆｆｓｅｔ）−（Ｐ２−Ｐ２＿ｏｆｆｓｅｔ）×Ｔ２／Ｔ１］＋ （Ｐ２−Ｐ２＿ｏｆｆｓｅｔ）×Ｔ２／Ｔ１
Ｑ２＝Ｒｏｕｎｄ［Ｑ１−（Ｐ３−Ｐ３＿ｏｆｆｓｅｔ）×Ｔ３／Ｔ１］＋ （Ｐ３−Ｐ３＿ｏｆｆｓｅｔ）×Ｔ３／Ｔ１
ここで、Ｒｏｕｎｄ［］は四捨五入の処理を行う関数である。続いて、アブソリュート位置信号Ｓ＿ａｂｓを以下のようにして取得する。

Ｓ＿ａｂｓ＝Ｒｏｕｎｄ［Ｑ２−Ｐ４×Ｔ４／Ｔ１］＋ Ｐ４×Ｔ４／Ｔ１
このようにして得られたアブソリュート位置信号Ｓ＿ａｂｓを信号処理回路４０１から出力する。

なお、本実施形態はリニアスケールの実施形態となっているが、ロータリースケールであっても同様な効果が得られる。また、本実施形態では積算される受光面の組み合わせを時系列で切り替えることで複数の検出ピッチに対応しているが、複数の検出ピッチに対応した演算回路を複数備えても良く、さらにそれぞれの検出ピッチに対応した受光面を別々に備えても良い。

以上のように、本発明によれば１トラック上に形成された複数の周期信号を検出する場合に、いずれの周期からも正弦波に近い波形が得られるため、高精度な位置検出が可能となる。

《第２の実施形態》
本実施形態では、第１の実施形態に対しスケール２００のパターンが異なっている。それ以外の構成、信号処理は第１の実施形態と同様なので説明を省略する。スケール２００の第１トラック２０１および第２トラック２０２の一部の拡大図を図１０に示す。
第１トラック２０１は、単位ブロックパターン２１１を測位方向（Ｘ軸方向）と測位方向に垂直な方向（Ｙ軸方向）にそれぞれ周期的に並べたパターンとなっている。第１トラック２０１の単位ブロックパターン２１１は、Ｘ方向幅Ｘ０が７００μｍ、Ｙ方向幅Ｙ０が５０μｍである。

単位ブロックパターン２１１は、Ｘ軸方向５０μｍの幅でピッチＰ１００μｍごとに等間隔に配置されたパターン列からなる領域（領域Ａ）と、７００μｍ周期の変調パターン列からなる領域（領域Ｂ）よりなる。領域Ａと領域ＢのＹ軸方向の幅は共に２５μｍである。領域Ｂには、Ｘ方向幅５０μｍの１１個の反射パターン列が並べられている。それぞれ反射パターンのＹ軸方向の幅は、Ｗ１＝５μｍ、Ｗ２＝９μｍ、Ｗ３＝１６μｍ、Ｗ４＝２０μｍ、Ｗ５＝２５μｍ、Ｗ６＝２５μｍ、Ｗ７＝２５μｍ、Ｗ８＝２０μｍ、Ｗ９＝１６μｍ、Ｗ１０＝９μｍ、Ｗ１１＝５μｍである。

同様に、第２トラック２０２の単位ブロックパターンは、Ｘ方向幅Ｘ０が７１４．５８３３３μｍ、Ｙ方向幅Ｙ０が５０μｍである。単位ブロックパターンは、Ｘ軸方向５１．０４１６６７μｍの幅でピッチＰ１０２．０８３３３μｍごとに等間隔に配置されたパターン列からなる領域（領域Ａ）と、７１４．５８３３３μｍ周期の変調パターン列からなる領域（領域Ｂ）よりなる。領域Ａと領域ＢのＹ軸方向の幅は共に２５μｍである。領域Ｂには、Ｘ方向幅５１．０４１６６７μｍの１１個の反射パターン列が並べられている。

それぞれ反射パターンのＹ軸方向の幅は、Ｗ１＝５μｍ、Ｗ２＝９μｍ、Ｗ３＝１６μｍ、Ｗ４＝２０μｍ、Ｗ５＝２５μｍ、Ｗ６＝２５μｍ、Ｗ７＝２５μｍ、Ｗ８＝２０μｍ、Ｗ９＝１６μｍ、Ｗ１０＝９μｍ、Ｗ１１＝５μｍである。

第１トラック２０１の反射率分布を読み取り領域２１３のＹ方向幅（４００μｍ）の範囲で積分した場合のＸ方向分布を図１１に示す。積分された結果は、第１の実施形態と同様、測位方向に変調振幅が一定である１００μｍ周期（細周期）の変調成分と、測位方向に変調振幅が一定である７００μｍ周期（粗周期）の変調成分との和になっている。第２のトラック２０２も第１のトラック同様に、測位方向に変調振幅が一定である１０２．０８３３３μｍ周期（細周期）の変調成分と、測位方向に変調振幅が一定である７１４．５８３３３μｍ周期（粗周期）の変調成分との和になっている。

本実施形態では、より簡素なスケールパターンで第１の実施形態と同様な効果が得られる。

《第３の実施形態》
本実施形態では、第１の実施形態に対しスケール２００のパターンが異なっている。また、センサの検出ピッチは１００μｍと６００μｍの切り替えとなっている。それ以外の構成、信号処理は実施形態１と同様なので説明を省略する。本実施形態における第１のトラック２０１および第２のトラック２０２のスケールパターンを図１２に示す。

第１のトラック２０１は、センサ走査領域に対し両側に、Ｘ軸方向５０μｍの幅でピッチＰ＝１００μｍごとに等間隔に配置されたパターン列からなる領域（領域Ｃ）を有する。さらに、センサ走査領域に対し中央の、反射部と非反射部の境界線がピッチＸ０＝６００μｍの正弦波状に形成された反射膜パターンよりなる領域（領域Ｄ）を有する。領域ＤのＹ方向幅は２００μｍである。センサユニット３０１の読み取り領域２１３が中央部のＹ幅を含む範囲を常に読み取るように、センサユニット３０１を位置決めする。ここで、センサユニット３０１の読み取領域２１３のＹ方向幅（４００μｍ）の範囲でのＹ方向への積分を考える。

その結果は、第１の実施形態と同様、測位方向に対して一定変調振幅の１００μｍ周期（細周期）の変調成分と、測位方向に対して一定変調振幅の６００μｍ周期（粗周期）の変調成分との和になっている。

同様に、第２のトラック２０２は、センサ走査領域に対し両側に、Ｘ軸方向５０μｍの幅でピッチＰ＝１０１．４０８５μｍごとに等間隔に配置されたパターン列からなる領域（領域Ｃ）を有する。さらに、センサ走査領域に対し中央の、反射部と非反射部の境界線がピッチＸ０＝６０８．４５０７μｍの正弦波状に形成された反射膜パターンよりなる領域（領域Ｄ）を有する。領域ＤのＹ方向幅は２００μｍである。センサユニット３０１の読み取領域２１３が中央部のＹ幅を含む範囲を常に読み取るように、センサユニット３０１を位置決めする。

ここで、センサユニット３０１の読み取り領域２１３のＹ方向幅（４００μｍ）の範囲でのＹ方向への積分を考える。その結果は、第１の実施形態と同様、測位方向に対して一定変調振幅の１０１．４０８５μｍ周期（細周期）の変調成分と、測位方向に対して一定変調振幅の６０８．４５０７μｍ周期（粗周期）の変調成分との和になっている。

本実施形態では、領域Ｃと領域Ｄを測位方向に垂直な方向で分離して形成することにより、粗周期（６００μｍ周期）による±１次回折光と、細周期（１００μｍ周期）による±１次回折光の相互干渉を低減することができる。これにより、第１の実施形態のように粗周期と細周期の比率を奇数倍としなくても、ほぼ理想的な正弦波が得られる。また、領域Ｄを第２の実施形態に示したような離散的な透過、反射のパターンとしても、同様な効果を得ることができる。

次に、フォトダイオードアレイ３１１の受光面配置を図１３、図１４に示し、エンコーダの出力信号に関して説明する。フォトダイオードアレイ３１２もフォトダイオードアレイ３１１と同様である。フォトダイオードアレイ３１１にはフォトダイオードがＸ軸方向に５０μｍピッチで２４個並んでおり、一つのフォトダイオードはＸ方向幅Ｘ＿ｐｄが５０μｍであり、Ｙ方向幅Ｙ＿ｐｄは８００μｍである。フォトダイオードアレイ３１１の全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは１２００μｍである。

それぞれのフォトダイオードからの出力は、スイッチ回路を介して後段の４つのＩＶ変換アンプに接続されている。４つのＩＶ変換アンプからの出力は、Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）の４相正弦波出力にそれぞれに対応する。スイッチ回路は外部からの入力によって接続を切り替えることができる。入力がハイレベルの場合は図１３に示すようにスケールパターン１００μｍ（反射像周期２００μｍ）の検出ピッチとなり、入力がローレベルの場合は図１４に示すようにスケールパターン６００μｍ（反射像周期１２００μｍ）の検出ピッチとなる。

６００μｍの検出ピッチにおいては、それぞれ４つの隣接するフォトダイオードが電気的に接続される。これにより、スケールパターン１００μｍ周期の変調成分の反射像周期と一致する２００μｍの幅が積算されることになり、１００μｍ周期の変調成分が出力に与える影響を低減することができる。第２トラック２０２の細周期は１０１．４０８５μｍであるが、変調成分の低減効果は十分得られる。

１００μｍの検出ピッチにおいては、信号に関わるフォトダイオードの全幅が１２００μｍとなり、スケールパターン６００μｍ周期の変調成分の反射像周期と一致するため、６００μｍ周期の変調成分によって出力振幅が変動する影響を低減することができる。第２トラック２０２の粗周期は６０８．４５０７μｍであるが、変調成分の低減効果は十分得られる。

４相正弦波の相対位相はそれぞれの検出ピッチに対し、Ｓ（Ａ＋）を基準とすると、Ｓ（Ｂ＋）は約＋９０度、Ｓ（Ａ−）は約＋１８０度、Ｓ（Ｂ−）は約＋２７０度の関係にある。これらの出力は、信号処理回路４０１において、
Ｓ（Ａ）＝Ｓ（Ａ＋）−Ｓ（Ａ−）
Ｓ（Ｂ）＝Ｓ（Ｂ＋）−Ｓ（Ｂ−）
なる演算を行って、直流分が除去された２相正弦波状信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）を生成し、さらにこれらの逆正接演算を行うことで位相信号を得る。

スイッチ回路への入力がハイ（検出ピッチ１００μｍ）の時の第１トラックにおける位相信号をφ１、第２トラックにおける位相信号をφ２とする。また、スイッチ回路への入力がロー（検出ピッチ６００μｍ）の時の第１トラックにおける位相信号をφ１´、第２トラックにおける位相信号をφ２´とする。スイッチ回路への入力の切り替え前後で、時間差をおかずに信号を取得することにより、同一位置でのφ１、φ２、φ１´、φ２´を得ることができる。

このようにして得られた位相信号φ１、φ２、φ１´、φ２´より、異なる周期の位相信号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４を次の演算によって生成する。
Ｐ１＝φ１´−φ２´
Ｐ２＝φ１−φ２
Ｐ３＝φ１´
Ｐ４＝φ１
Ｐ１は周期Ｔ１＝４３．２ｍｍの周期信号で、これを最上位信号とする。Ｐ２は周期Ｔ２＝７．２ｍｍの周期信号で、これを中上位信号とする。Ｐ３は周期Ｔ３＝０．６ｍｍの周期信号で、これを中下位信号とする。Ｐ４は周期Ｔ４＝０．１ｍｍの周期信号で、これを最下位信号とする。以下の処理は第１の実施形態と同様なので省略する。
本実施形態では、信号に寄与しない余計な回折光成分が発生しにくいだけでなく、信号に寄与する回折光成分同士の相互干渉を低減することができ、正弦波状信号の歪を低減することができる。

《第４の実施形態》
本実施形態は変位方向が回転方向である光学式ロータリーエンコーダであり、その構成を図１５に示す。このエンコーダは、回転可動部に取り付けられるロータリースケール２１０、固定部に取り付けられるセンサユニット３０２、信号処理回路４０１、記憶装置４０２とからなる。信号処理回路４０１は、センサユニット３０２で得られたエンコーダ信号の内挿処理や、記憶装置４０２への信号の書き込み、および、読み出し、位置信号の出力、等を行う。

本実施形態におけるロータリースケール２１０のトラック構成を図１６に示す。本実施形態では、９ビットのアブソリュート位置検出パターンであるＭ系列パターンからなるＭ系列トラック２０４と放射状トラック２０３より構成される。ここで、Ｍ系列とは、シフトレジスタ出力の排他的論理和を帰還させることで発生する符号である。
放射状トラック２０３の一部の拡大図を図１７に示す。放射状トラック２０３は、センサ走査領域に対し両側に、反射膜スリットが等角度間隔Ｐに配置されている領域（領域Ｃ）を有する。さらに、センサ走査領域に対し中央の、反射部と非反射部の境界線がピッチθ０＝Ｐ×６の正弦波状に形成された反射膜パターンよりなる領域（領域Ｄ）を有する。

領域Ｄの半径方向幅は２００μｍである。センサユニット３０１は、領域Ｄの半径幅を含む範囲を常に読み取るように位置決めされている。角度間隔Ｐは３６０／７６８度であり、θ０は３６０／１２８度である。

センサユニット３０２の構成を図１８に示し、説明する。図１８（ａ）が側面図、図１８（ｂ）が上面図である。センサユニット３０２は、ＬＥＤ３１０とフォトダイオードアレイ３１１、Ｍ系列用フォトダイオードアレイ３１３が同一パッケージ内に実装された受発光一体型のセンサユニットである。センサユニット３０２内のＬＥＤ３１０から出射した発散光束はロータリースケール２１０の放射状トラック２０３、およびＭ系列トラック２０４に照射される。

放射状トラック２０３、およびＭ系列トラック２０４から反射した光束は、センサユニット３０２内のフォトダイオードアレイ３１１、Ｍ系列用フォトダイオードアレイ３１３に向けてそれぞれ反射される。フォトダイオードアレイ３１１、Ｍ系列用フォトダイオードアレイ３１３上で、放射状トラック２０３、Ｍ系列トラック２０４の反射率分布が２倍拡大された像として受光される。Ｍ系列用フォトダイオードアレイ３１３はＭ系列を検出できるように、Ｍ系列の最小線幅の２倍拡大像に対応した幅のフォトダイオードが配列されている。

フォトダイオードアレイ３１１、Ｍ系列用フォトダイオードアレイ３１３によって受光された光束は電気信号に変換され、エンコーダ信号として図１８に示す信号処理回路４０１に送られる。

アブソリュート位置検出に関しては、先ずアブソリュート位置検出用パターンであるＭ系列トラック２０４からの反射光束より、Ｐ１を取得する（上位信号）。アブソリュート位置検出用パターンによるアブソリュート位置情報を基に、以下、アブソリュート位置信号を合成してアブソリュート位置信号を順次により高分解能化させる。

即ち、スイッチ回路への入力がロー（検出ピッチ６００μｍ）の時の放射状トラック２０３における位相信号φ１´を取得し、Ｐ２とする（中位信号）。また、スイッチ回路への入力がハイ（検出ピッチ１００μｍ）の時の放射状トラック２０３における位相信号φ１を取得し、Ｐ３とする（下位信号）。

上位信号Ｐ１はＭ系列パターンより生成したＴ１＝１周期／１回転のアブソリュート位置信号である。Ｐ２はＴ２＝１２８周期／１回転の周期信号である。Ｐ３はＴ３＝７６８周期／１回転の周期信号である。Ｐ１は位相信号でないので、９ビットの値を０〜２πに正規化する。

次に、各周期信号よりアブソリュート位置信号を合成する手順について説明する。
まず、中間信号Ｑ１、Ｑ２を以下の演算によって取得する。
Ｑ１＝Ｒｏｕｎｄ［（Ｐ１−Ｐ１＿ｏｆｆｓｅｔ）−（Ｐ２−Ｐ２＿ｏｆｆｓｅｔ）×Ｔ２／Ｔ１］＋ （Ｐ２−Ｐ２＿ｏｆｆｓｅｔ）×Ｔ２／Ｔ１
ここで、Ｒｏｕｎｄ［］は四捨五入の処理を行う関数である。

続いて、アブソリュート位置信号Ｓ＿ａｂｓを以下のようにして取得する。
Ｓ＿ａｂｓ＝Ｒｏｕｎｄ［Ｑ１−Ｐ３×Ｔ３／Ｔ１］＋ Ｐ３×Ｔ３／Ｔ１
このようにして得られたアブソリュート位置信号Ｓ＿ａｂｓを信号処理回路から出力する。

中位信号Ｐ２を生成することで、Ｍ系列トラック２０４によって得るアブソリュート位置検出精度の要求が緩和され、アブソリュート位置信号の合成がしやすくなる。本実施形態では、円周方向約６００μｍピッチの位置検出ができれば十分であるので、例えばスケールが回転中心に対し数十μｍ偏心して取り付いている場合でも、その影響は許容できる。

以上のように、ロータリーエンコーダにおいても、第１の実施形態と同様の効果により、内挿誤差の少ない中位、下位信号を生成でき、高精度な位置検出が可能となる。

（変形例）
以上、スケールの反射率分布を、細周期パターンに対応した変調成分と粗周期パターンに対応した変調成分との加算された値となるようにしたが、反射率分布の替わりにスケールの透過率分布を同様のものとしても良い。

また、本発明の技術思想の下で上述した各実施形態に記載した技術事項を適宜組み合わせて用いることも勿論可能である。

２００・・スケール、２０１・・スケールトラック、２０２・・スケールトラック、２０３・・放射状トラック、２０４・・Ｍ系列トラック、２１０・・ロータリースケール、２１１・・単位ブロックパターン、２１３・・読み取り領域、３０１・・センサユニット、３０２・・センサユニット、３１０・・ＬＥＤ、３１１・・フォトダイオードアレイ、３１２ ・・フォトダイオードアレイ、３１３・・Ｍ系列用フォトダイオードアレイ、４０１ ・・信号処理回路、４０２・・記憶装置

Claims (12)

1. 光源と、
   前記光源により照射され測位方向の細周期パターンおよび粗周期パターンを１つのトラック内に備えるスケールと、
   前記スケールからの光を受光して前記細周期パターンを検出する高分解能検出センサアレイと、
   前記スケールからの光を受光して前記粗周期パターンを検出する低分解能検出センサアレイと、
   を有する光学式エンコーダであって、
   前記スケールの透過率分布または反射率分布は、測位方向に垂直な方向の積分値が測位方向に均一な変調振幅となる前記細周期パターンに対応した変調成分と、測位方向に均一な変調振幅となる前記粗周期パターンに対応した変調成分と、の加算された値となる分布であることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記高分解能検出センサアレイの測位方向の幅が、前記粗周期パターンの周期の整数倍であ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。
3. 前記高分解能検出センサアレイの測位方向の幅が、前記粗周期パターンの周期と等しいことを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ。
4. 前記高分解能検出センサアレイと前記低分解能検出センサアレイの各センサは、夫々４相正弦波出力を得て前記４相正弦波出力を基に不要周波数成分を除去する信号処理回路に接続されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
5. 前記高分解能検出センサアレイと前記低分解能検出センサアレイは、分解能が切り替え可能な共通のセンサアレイで構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
6. 高分解能検出モードでは前記高分解能検出センサアレイを測位方向に第１の幅および第１の周期で構成し、低分解能検出モードでは前記低分解能検出センサアレイを測位方向に前記第１の幅の整数倍である第２の幅および前記第１の周期の整数倍である第２の周期で構成し、前記高分解能検出モードと前記低分解能検出モードを切り替えるスイッチを有することを特徴とする請求項５に記載の光学式エンコーダ。
7. 前記細周期パターンと前記粗周期パターンが測位方向に垂直な方向で分離されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
8. 前記スケールは更にアブソリュート位置検出用パターンを備え、
   前記アブソリュート位置検出用パターンによるアブソリュート位置情報を基に、
   前記高分解能検出センサアレイおよび前記低分解能検出センサアレイの出力を基にアブソリュート位置信号を合成してアブソリュート位置信号をより高分解能化させることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
9. 前記高分解能検出センサアレイと前記低分解能検出センサアレイは、アブソリュート位置検出のために夫々２組設けられ、２組の前記高分解能検出センサアレイおよび２組の前記低分解能検出センサアレイで夫々周期が異なり、前記高分解能検出センサアレイおよび前記低分解能検出センサアレイからの位相情報をアブソリュート位置信号をより高分解能化させるためにアブソリュート位置信号を合成することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
10. 前記低分解能検出センサアレイにおける位置検出に用いられない未使用のセンサがＧＮＤに接続されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
11. 測位方向が回転方向であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
12. 前記粗周期パターンの周期が前記細周期パターンの周期の奇数倍であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。