JP2012220460A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】高精度なスケールの位置検出をすること
【解決手段】エンコーダにおいて、パターン列は、移動方向であるＸ方向に垂直なＹ方向に周期的に配列されたＸ方向に第１の変調周期Ｐ１と第２の変調周期Ｐ２を有する。信号処理手段３０は、受光素子アレイの出力からピッチＰ１の位相を取得する第１の位相取得手段３２を有する。エンコーダは、領域２３を検出する複数の受光素子１７Ａの出力信号に対して受光素子アレイ上の位置に応じた重みを使用して重み付けをし、重みは、第１の位相取得手段の空間周波数応答のピッチＰ２に対応する空間周波数を含む所定の範囲において、重み付け有の値が重み付け無の値以下となるように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンコーダに関する。

特許文献１は、アブソリュートエンコーダの検出精度をインクリメンタルエンコーダのように上げるため、スケールの各トラックにインクリメンタルパターンを、そのパターンの形状又はピッチが測長方向に変調周期で周期的に変化するように形成している。これにより、インクリメンタルパターンは相対位置の情報のみではなく変調周期の繰り返しによる絶対位置の変調情報を持つことになる。この結果、高精度な相対位置の情報と精度がそれほど高くない絶対位置情報を利用してスケールの絶対位置を高精度に検出することができる。

特開２００９−１９８３１８号公報

しかし、特許文献１は、異なる周期の信号を各トラックに設けられたインクリメンタルパターンから得ているので光源と受光素子の実装高さずれや、スケールと受光素子の傾きによる像倍率の誤差により、インクリメント信号の位相取得精度が低下するおそれがある。この結果、高精度なスケールの位置検出ができなくなるおそれがある。

本発明は、高精度なスケールの位置検出が可能なエンコーダを提供することを例示的な目的とする。

本発明のエンコーダは、エネルギー分布を空間変調する複数のパターンを有するパターン列が形成されているスケールと、前記スケールに相対的に移動するように配置され、前記パターン列からの前記エネルギー分布を検出する複数の検出素子が移動方向に並べられた検出素子アレイと、前記検出素子アレイの出力信号を処理して位置情報に変換する信号処理手段と、を有する。前記パターン列は、前記移動方向に第１の変調周期と、前記第１の変調周期とは異なる第２の変調周期を有する。前記信号処理手段は、前記検出素子アレイの出力信号から前記第１の変調周期の第１の位相を取得する第１の位相取得手段を有し、前記エンコーダは、前記第１の変調周期を検出する複数の検出素子の出力信号に対して前記検出素子アレイの位置に応じた重みを使用して重み付けをする重み付け手段を更に有する。前記重みは、前記第１の位相取得手段の空間周波数応答の前記第２の変調周期に対応する空間周波数を含む所定の範囲において、前記重み付け手段が重み付けを行った場合の値が、重み付けが無い場合の値以下となるように設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、高精度なスケールの位置検出が可能なエンコーダを提供することができる。

エンコーダのブロック図である。（実施例１） トラックの部分拡大平面図である。（実施例１、２、３） 図２の部分拡大平面図である。（実施例１、２、３） 図２の部分拡大平面図である。（実施例１、２、３） 図１に示す受光素子アレイの受光面の平面図である。（実施例１） 重み付けが無い場合（重み付け無）と、図５（ａ）に示す重み付けを行った場合のＡ＋相の空間周波数応答を比較したグラフである。（実施例１） 図６の効果の理由を説明するための受光素子アレイの受光面の平面図である。（実施例１） 検出信号とスケール位置との関係を示す図である。（実施例１） エンコーダのブロック図である。（実施例２、３） 図９に示す受光素子アレイの受光面の平面図である。（実施例２） 重み付けが無い場合（重み付け無）と、図１０に示す重み付けを行った場合のＡ＋相の空間周波数応答を比較したグラフである。（実施例２） 図１１の効果の理由を説明するための受光素子アレイの受光面の平面図である。（実施例２） 図９に示す受光素子アレイの受光面の平面図である。（実施例２、３） ２トラック構成の検出素子の読み取り領域とパターン領域の位置関係を示す図である。（実施例２） 図９に示す受光素子アレイの受光面の平面図である。（実施例３） 図１５の効果の理由を説明するための受光素子アレイの受光面の平面図である。（実施例３） トラックの部分拡大平面図である。（実施例４） 図１７の部分拡大平面図である。（実施例４） 受光素子アレイの受光面の平面図である。（実施例４） 受光素子アレイの受光面の平面図である。（実施例４） 受光素子アレイの受光面の平面図である。（実施例４） 重み付けが無い場合（重み付け無）と、図１９Ａに示す重み付けを行った場合のＡ＋相の空間周波数応答を比較したグラフである。（実施例４） 光源の配光特性に起因する光量分布を示すグラフである（実施例４） 重み付けが無い場合（重み付け無）と、図１９Ｂに示す重み付けを行った場合のＡ＋相の空間周波数応答を比較したグラフである。（実施例４） 重み付けが無い場合（重み付け無）と、図１９Ｃに示す重み付けを行った場合のＡ＋相とＡ−相の差動演算後の空間周波数応答を比較したグラフである。（実施例４） 検出信号とスケール位置との関係を示す図である。（実施例４） 受光素子アレイの受光面の平面図である。（実施例５）

以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１の光学式エンコーダのブロック図である。エンコーダは、固定部に取り付けられるセンサユニット１０Ａ、不図示の可動部に取り付けられるスケール２０、信号処理回路（信号処理手段）３０、記憶装置４０を有する。なお、固定部と可動部の関係は逆でもよく、センサユニット１０Ａとスケール２０が相対的に移動可能な構成であれば足りる。

センサユニット１０Ａは、ＬＥＤからなる光源１２Ａと受光素子アレイ１６Ａを有する受光ＩＣ１４Ａ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。受光素子アレイ１６Ａは、スケール２０のパターンからのエネルギー分布を検出する複数の検出素子が、スケール２０（または可動部の）移動方向（測長方向）であるＸ方向に並べられた検出素子アレイとして機能する。本実施形態ではエネルギーは光であるが、後述するように、磁気、電気などその種類は光に限定されない。センサユニット１０Ａには後述する重み付け手段が設けられている。なお、重み付け手段は信号処理回路３０に設けられていてもよい。

スケール２０は、ガラス基板上にクロム反射膜のパターンを複数有するパターン列がトラック２１にパターニングされている。パターンはエネルギー分布を空間変調するためのパターンである。

各トラック２１は、Ｘ方向に垂直なＹ方向に周期的に配列され、Ｘ方向にそれぞれ異なるピッチ（変調周期）を有する複数の領域を有する。例えば、２種類の領域が設けられている場合には、Ｘ方向に第１のピッチ（第１の変調周期）を有する第１の領域とＸ方向に第２のピッチ（第２の変調周期）を有する第２の領域が設けられる。

なお、本実施形態では、受光素子アレイ１６Ａはスケール２０のパターンの反射光を受光しているが、スケール２０のパターンの透過光を受光する場合にも本実施形態は適用可能である。即ち、受光素子アレイ１６Ａは、スケール２０のパターンからの光を受光できれば足りる。

信号処理回路３０は、センサユニット１０の受光素子アレイ１６の出力信号を処理して位置情報に変換する。信号処理回路３０は、センサユニット１０で得られたエンコーダ信号の内挿処理や、記憶装置４０への信号の書き込み、および、読み出しも行う。

信号処理回路３０は、不図示のノイズフィルタ、増幅回路、Ａ／Ｄ変換回路の他に、信号分離手段３１、第１の位相取得手段３２、第２の位相取得手段３３、位置情報取得手段３４を有する。

信号分離手段３１は、受光素子アレイ１６Ａの出力をトラック２１Ａの各領域に対応する信号に分離する機能を有する。信号分離手段３１は、受光ＩＣ１４Ａにスイッチ回路が設けられる場合にはスイッチ回路による接続を切り替える信号を送信し、受光ＩＣ１４Ａにスイッチ回路が設けられない場合には高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことによって信号を分離することができる。あるいは、信号分離手段３１は、受光素子アレイ１６Ａにパターンピッチごとに別々の受光面を有する受光素子を設けることによって実現してもよい。

第１の位相取得手段３２は、（第１の領域に対応する）受光素子アレイ１６の出力信号（デジタル信号）に対して逆正接演算を行うことによって第１の領域のエネルギー分布の位相（第１の位相）を取得する。第１の位相取得手段３２は後述する相対位置信号取得手段として機能してもよい。

第２の位相取得手段３３は、（第２の領域に対応する）受光素子アレイ１６の出力信号（デジタル信号）に対して逆正接演算を行うことによって第２の領域のエネルギー分布の位相（第２の位相）を取得する。

なお、トラック２１に第３のピッチを有する領域などが設けられている場合にはそれに合わせて第３の位相取得手段等が設けられてもよいことは言うまでもない。

位置情報取得手段３４は、スケール２０の位置の情報を取得する。位置情報取得手段３４は、スケール２０の相対位置を表す相対位置信号を取得する相対位置信号取得手段とスケール２０の絶対位置を表す絶対位置信号を取得する絶対位置信号取得手段を有してもよい。

動作において、センサユニット１０Ａ内の光源１２Ａから出射した発散光束はスケール２０のトラック２１Ａに照射され、トラック２１Ａで反射した光束はセンサユニット１０Ａの受光素子アレイ１６Ａに受光される。受光素子アレイ１６Ａは、トラック２１Ａの反射率分布が２倍拡大された像として受光する。受光素子アレイ１６Ａ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信号処理回路３０に送られる。信号処理回路３０は、受光素子アレイ１６Ａからの出力を位置情報に変換し、スケール２０の位置の情報を高精度に取得および出力する。

図２は、トラック２１Ａの部分拡大平面図である。トラック２１Ａは、スケール２０の移動方向（Ｘ方向）に垂直な方向（Ｙ方向）に、２種類の領域（領域２３、領域２５）が交互に並べられており、図２の全幅を含む範囲（受光素子アレイ１６Ａの受光面で走査され得る領域）が１トラックである。領域２３は上述した第１の領域に相当し、領域２５は上述した第２の領域に相当する。図２において、白色部は光を透過または吸収する非反射部２２である。

図３は、領域２３のＸ方向の１周期分の拡大平面図である。領域２３は、Ｘ方向のピッチＰ１（第１のピッチ）（＝１５０μｍ）ごとに図３のパターンが配置されたパターン列からなり、各パターンは反射膜から構成されて光を反射する反射部２４と非反射部２２から構成されている。ピッチＰ１は上述した第１の変調周期として機能する。領域２３のＹ方向の幅はＷ１＝５０μｍである。

領域２３のＹ方向の位置によって反射部２４のＸ方向の幅が異なる。Ｙ方向の中心からの距離がＷ１／８以下の領域においては、反射部２４のＸ方向の幅はＰ１・２３／３０である。Ｙ方向の中心からの距離がＷ１／８からＷ１／４までの範囲では、反射部２４のＸ方向の幅はＰ１・１７／３０である。Ｙ方向の中心からの距離がＷ１／４からＷａ・３／８までの範囲では、反射部２４のＸ方向の幅はＰ１・１３／３０である。Ｙ方向の中心からの距離がＷ１・３／８からＷ１／２までの範囲では、反射部２４のＸ方向の幅はＰ１・７／３０である。

図４は、領域２５のＸ方向の１周期分の拡大平面図である。領域２５は、Ｘ方向のピッチＰ２（第２のピッチ）（＝３０３μｍ）ごとに図４のパターンが配置されたパターン列からなり、各パターンは反射膜から構成されて光を反射する反射部２６、２７と非反射部２２から構成されている。ピッチＰ２は上述した第２の変調周期として機能する。領域２５のＹ方向の幅はＷ２＝５０μｍである。

領域２５のＹ方向の位置によって反射部２６、２８のＸ方向の幅が異なる。Ｙ方向の中心からの距離がＷ２／６以下の領域においては、反射部２６のＸ方向の幅はＰ２・７０／９６である。この領域は、周期両端からそれぞれＰ２・３／９６の幅で反射部２７が形成される。Ｙ方向中心からの距離がＷ２／６からＷ２・１／３までの範囲では、反射部２６のＸ方向の幅はＰ２・５４／９６である。Ｙ方向の中心からの距離がＷ２・１／３からＷ２・１／２までの範囲では、反射部２６のＸ方向の幅はＰ２・２２／９６である。

図５は、受光素子アレイ１６Ａの受光面の平面図である。受光素子アレイ１６Ａにおいては、受光素子１７ＡがＸ方向に２５μｍピッチで４８個並んでおり、一つの受光素子１７ＡはＸ方向の幅Ｘ＿ｐｄが２５μｍであり、Ｙ方向の幅Ｙ＿ｐｄは８００μｍである。受光素子アレイ１６Ａの全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは１２００μｍである。

スケール上のパターンは２倍の拡大投影となるため、スケール上の検出範囲はＹ方向４００μｍ、Ｘ方向６００μｍの範囲となる。よって、スケール上の検出範囲には、位置検出方向に１５０μｍのピッチを有する領域２３と３０３μｍのピッチを有する領域２５がＹ方向にそれぞれ４ライン分ずつ含まれる。

各受光素子１７Ａからの出力は、スイッチ回路１８を介して切り替えられ、選択的に後段の４つの不図示の初段増幅器に接続されている。４つの初段増幅器は、出力端子Ａ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−（それぞれＡ＋相、Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相を表す）に対応する受光素子１７Ａがそれぞれ接続され、４相正弦波出力Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）を出力する。

スイッチ回路１８は信号処理回路３０の信号分離手段３１からの入力によって受光素子１７Ａと出力端子との接続を切り替えることができる。この結果、複数の受光素子１７Ａにおいて電気的に加算される間隔が切り替わる。

信号処理回路３０からの入力がハイレベルの場合は、図５（ａ）に示すように、電気的に接続されている受光素子１７Ａはピッチ１５０μｍのパターン（反射像周期３００μｍ）を検出可能となる。この結果、領域２３からの周期信号を分離することができる。

信号処理回路３０からの入力がローレベルの場合は、図５（ｂ）に示すように、電気的に接続されている受光素子１７Ａはピッチ３００μｍのパターン（反射像周期６００μｍ）を検出可能となる。この結果、領域２５からの周期信号を分離することができる。

４相正弦波状信号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。

信号処理回路３０は、４相正弦波出力Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）について次式の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）を生成する。

この時、入力がローレベルの場合のＳ（Ａ）はスケールピッチ１５０μｍの像に対してＳ（Ａ＋）とＳ（Ａ−）が同位相成分となるので数式１の差動演算の結果相殺される。Ｓ（Ｂ）についても同様である。

入力がハイレベルの場合、図５（ａ）に示すように、４８個の受光素子１７Ａのうち左右にそれぞれ１２個ずつある受光素子１７Ａは、信号を取り出す受光素子１７Ａが連続する３個のうちの１個となっている。このため、中央の２４個の受光素子１７Ａの出力信号に対して両側のそれぞれの１２個の受光素子１７Ａの出力信号の重み付けは１／３になる。

このように、本実施例ではセンサユニット１０Ａに重み付け手段が設けられている。重み付け手段は、第１の領域である領域２３を検出する複数の受光素子１７Ａの出力信号に対して、Ｐ２（第２の変調周期）の位相または受光素子アレイ上の位置に応じた重みを使用して重み付けする手段である。

重みは、後述するように、空間周波数応答のＰ２に対応する空間周波数を含む所定の範囲において、重み付け有の値が重み付け無の値以下となるように設定されている。

図６は、重み付けが無い（重み付け無）と、図５（ａ）の重み付けを行った場合（重み付け有）のＡ＋相の空間周波数応答を比較したグラフである。横軸は空間周波数［μｍ^−１］を表し、縦軸は（１／３００μｍ^−１を１とした）正規化周波数応答を表している。Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相も同様な空間周波数応答となる。

図６において、破線は、複数の受光素子１７Ａの出力信号に重み付けを行わなかった場合を示し、実線は、複数の受光素子１７Ａの出力信号に対してＰ２の位相に応じた重みを使用して（一様ではない重みを使用して）重み付けを行った場合を示している。

本実施例のような重み付けを行った場合は、領域２５のパターン周波数に対応する空間周波数１／６００［μｍ^−１］付近の周波数応答が広い範囲が低減されていることが分かる。これにより、領域２３のパターンから信号を読み出す場合の４相正弦波出力Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）が領域２５のパターンの影響を受けにくくなり、領域２３のパターンに対応する信号のみを高精度に検出することが可能となる。

このように、本実施例によれば、受光素子上の像の空間周波数に変動があった場合でも、第２のピッチＰ２の空間周波数成分が、第１のピッチＰ１の空間周波数成分の位相取得において誤差となり得る影響を低減することができる。

受光素子上の像の空間周波数の変動要因としては、例えば、光源１２Ａと受光ＩＣ１４Ａの実装高さずれや、スケール２０と受光素子１７Ａの相対傾きによる像倍率の誤差がある。また、本実施例のようにスケール上の２つの周期成分の空間周波数を整数倍からわずかに異ならせる場合でも、Ｐ２の空間周波数成分が、Ｐ１の空間周波数成分の位相取得において誤差となり得る影響を低減することができる。これにより、Ｐ１の空間周波数成分の位相から得られる相対位置信号の検出精度が高まり、スケール２０の絶対位置の検出精度が高まる。また、スケール上に複数の周期情報を形成する場合の設計自由度が向上する。

図７は、受光素子アレイ１６Ａの受光面の平面図である。以下、図７を参照して、受光領域内で不均一な重み付けを行うことによって、Ｐ２の周波数応答を広い範囲で低減することができる理由について説明する。

まず、Ａ＋相に対応する受光素子１７Ａに着目し、６００μｍ周期の像が受光素子アレイ１６Ａに入射した場合を想定する。Ａ＋相に対応する受光素子アレイ１６Ａの中心を基準線（位相０度）とし、４つの離散する受光素子ブロックＡ１〜Ａ４について６００μｍ周期成分の相対位相θ１〜θ４を考える。すると、θ１＝−２７０度、θ２＝−９０度、θ３＝＋９０度、θ４＝＋２７０度となる。ここで、検出像に６００μｍ周期からの倍率誤差Δ（％）である場合、各位相は次式で与えられる。

式の簡略化のため、次式のようにおくと、

Ａ１〜４の出力Ｓ１〜４は、検出効率の比率をそれぞれａ１〜４として次式のように表わすことができる。

ここで、Δ´＜＜３６０として、ＳＩＮΔ´≒Δ´、ＳＩＮ（３Δ´）≒３Δ´、ＣＯＳ（３Δ´）≒ＣＯＳΔ´≒１なる近似を用いると、合計出力は次式のようになる。

よって、倍率誤差Δが変動しても常にＳ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４≒０となる条件は、ａ１＋ａ３＝ａ２＋ａ４かつ３・（ａ１＋ａ４）＝ａ２＋ａ３となる。これを満たす解には、例えば、ａ１：ａ２：ａ３：ａ４＝１：４：５：２、等が考えられる。但し、ａ１：ａ２：ａ３：ａ４＝１：３：３：１のように、Ｘ方向に対称の重みにした方がよりシンプルで設計が容易である上、光量分布の非対称性等の影響を低減することができる。

なお、実際の設計でこの比率の通りに重み付けする必要はなく受光素子に入射する光量分布や必要十分な精度を考慮し、適切な重み付けを設定してやればよい。以上はＢ＋相、Ａ−相、Ｂ−相についても同様である。

図５に戻って、スイッチ回路１８への入力がローレベルである場合において、領域２５から得られる信号の補正について説明する。受光素子１７Ａの検出ピッチ（３００μｍ）と、スケール状のパターン周期（３０３μｍ）がわずかにずれているため、２相正弦波状信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）間の相対位相差補正処理を行うことが望ましい。以下に、位相差補正の方法について説明する。

まず、相対位相差誤差ｅを含む２相正弦波信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）は、位相をθとして、次式のように表すことができる。

数式１３、１４より、２相正弦波信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）の和と差を取ると次に示すように誤差成分ｅを分離することができる。

相対位相差誤差ｅは設計値よりｅ＝（１−３００／３０３）・πと表すことができる。数式１５、１６の振幅成分２・ｓｉｎ（ｅ（ｘ）／２−π／４）、２・ｃｏｓ（ｅ（ｘ）／２−π／４）について、それぞれ逆数を乗じることにより、以下のように位相差誤差を補正した２相正弦波信号Ｓ（Ａ）’、Ｓ（Ｂ）’を算出する。但し、φ＝θ−π／４である。

相対位相差誤差ｅを初期化動作によって記憶してもよい。例えば、所定のＸ方向範囲のＳ（Ａ）＋Ｓ（Ｂ）の（最大値−最小値）／２から振幅成分２・ｓｉｎ（ｅ（ｘ）／２−π／４）を取得し、−Ｓ（Ａ）＋Ｓ（Ｂ）の（最大値−最小値）／２から振幅成分２・ｃｏｓ（ｅ（ｘ）／２−π／４）を取得する。そして、それぞれの値を記憶装置４０に記憶してもよい。この場合、光源１２Ａと受光素子アレイ１６Ａの実装高さずれや、スケール２０とセンサの相対傾きによる像倍率の誤差の影響を含めて補正することが可能である。

以上のようにして得られたＳ（Ａ）´をＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）´をＳ（Ｂ）とおく。

スイッチ回路１８への入力がハイレベルのときのＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）より、信号処理回路３０の第１の位相取得手段３２は領域２３のエネルギー分布の位相（位相信号）Φ１を次式の演算によって取得する。ＡＴＡＮ２［Ｙ，Ｘ］は、象限を判別して０〜２π位相に変換する逆正接演算関数である。

同様に、スイッチ回路１８への入力がローレベルのときのＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）より、信号処理回路３０の第１の位相取得手段３３は領域２５のエネルギー分布の位相（位相信号）Φ２を次式の演算によって取得する。

本実施例の位置信号取得手段は、第１の位相取得手段３２の出力を相対位置信号として取得する。相対位置信号の変化を計数することによってスケール２０が測定開始位置から所定周期として何周期目に位置するかの情報を取得することができる。

また、本実施例の位置信号取得手段は、第１の位相取得手段３２と第２の位相取得手段３３の出力に基づいて後述するバーニア信号を生成することによってスケール２０の絶対位置の情報を出力する。

スイッチ回路１８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、ほぼ同一位置でのΦ１、Φ２を得ることができる。

本実施例では、図５に示すように、受光素子アレイ１６Ａの複数の受光素子１７Ａの少なくとも一部は、位相信号Φ１を取得する受光素子１７Ａと位相信号Φ２を取得する受光素子１７Ａに共通に使用されている。このため、従来のように両者を別々に設けるよりも受光素子アレイが小型になる。

スケール２０が高速移動中は同期性が低下するが、その場合は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すればよい。まず、検出ピッチ１５０μｍでＳ（Ａ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ｂ−）を取得し、スイッチ回路１８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３００μｍでＳ（Ａ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ｂ−）を取得し、スイッチ回路１８への入力をローからハイへ切り替え、再度検出ピッチ１５０μｍ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と２回目Φ１の平均を取ることによって、Φ１とΦ２の同期性を向上させることができる。

次に、信号処理回路３０の位置情報取得手段３４は、絶対位置信号として機能するバーニア信号Ｓｖを下記の演算によって取得する。

このとき、信号処理回路３０は、Ｓｖ＜０のときはＳｖ＝Ｓｖ＋２π、Ｓｖ＞２πのときはＳｖ＝Ｓｖ−２πの演算を繰り返し行って０〜２πの出力範囲に変換する。Ｐ１、Ｐ２の位相信号Φ１、Φ２とＸ方向の位置ｘとの関係は以下のように表すことができる。

なお、バーニア信号Ｓｖは数式２１に示す係数に限定されない。即ち、第１の変調周期Ｐ１と第２の変調周期Ｐ２について｜(ｍ・Ｐ１−ｎ・Ｐ２)｜＜｜(Ｐ１−Ｐ２)｜の条件を満たす整数ｍ、ｎに対し、Ａ／Ｂ＝ｎ／ｍの関係を満たす２つの係数Ａ、Ｂを用いて、Ｓｖ＝Ａ・Φ１−Ｂ・Φ２のように表すことができる。

バーニア信号Ｓｖの周期Ｔｖは、Φ１−２・Φ２が０から±２πに変化するＸ方向の位置変化量であるので次式のように表すことができる。

このようにして得られたバーニア信号Ｓｖとスケール位置との関係は図８（ａ）のようになる。本実施例では数式２５よりバーニア信号Ｓｖの周期Ｔｖ＝１５．１５ｍｍとなり、これが検出可能範囲となる。受光素子アレイ長におけるスケール上の検出範囲はＸ方向に６００μｍの範囲なので検出可能範囲は受光素子アレイ長の検出範囲よりもはるかに長くなる。従って、バーニア信号Ｓｖを絶対位置信号として使用することによって広い範囲でスケールの移動方向の絶対位置を検出することができる。

また、位相出力Φ１とスケール位置との関係は図８（ｂ）のようになる。位相Φ１をスケール２０の相対位置を表す相対位置信号（インクリメンタル信号）として用い、また、スケール２０の絶対位置を表す絶対位置信号としてバーニア信号Ｓｖを使用する。

また、本実施例では、光学式エンコーダの例となっているが、磁気式エンコーダ、静電容量式エンコーダ等でも同様な効果が得られる。磁気式エンコーダの場合、スケール２０に磁性体を用い、磁性の極性分布を本実施例のスケール２０の反射膜と同様の形状で形成する。このスケールに近接してアレイ状に並べた磁界検出素子を配して検出する。静電容量式の場合は、本実施例のスケール反射膜と同様の形状に導電性の電極パターンを形成し、別のアレイ状の電極パターンを近接対向させて検出するようにすればよい。

以上のようにして、センサを大型化せず、広い範囲の絶対位置信号を高精度に取得することが可能である。

図９は、実施例２の光学式エンコーダのブロック図である。エンコーダは、固定部に取り付けられるセンサユニット１０Ｂ、不図示の可動部に取り付けられるスケール２０、信号処理回路（信号処理手段）３０、記憶装置４０を有する。なお、固定部と可動部の関係は逆でもよく、センサユニット１０Ｂとスケール２０が相対的に移動可能な構成であれば足りる。

センサユニット１０Ｂは、一つのＬＥＤからなる光源１２Ｂと受光素子アレイ１６Ｂを有する受光ＩＣ１４Ｂと受光素子アレイ１６Ｃを有する受光ＩＣ１４Ｃ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。受光素子アレイ１６Ｂ、Ｃは、スケール２０のパターンからのエネルギー分布を検出する複数の検出素子が移動方向（測長方向）であるＸ方向に並べられた検出素子アレイとして機能する。

信号処理回路３０は、センサユニット１０Ｂの受光素子アレイ１６Ｂ、Ｃからの出力を位置情報に変換する以外は実施例１と同様である。

図１０は、受光素子アレイ１４Ｂの受光面の平面図である。受光素子アレイ１４Ｂにおいては、受光素子１７ＢがＸ方向に７５μｍの中心ピッチで２４個並んでおり、一つの受光素子１７ＢのＹ方向の幅Ｙ＿ｐｄは８００μｍである。受光素子アレイ１４Ｂの全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは１８００μｍである。

スケール上のパターンは２倍の拡大投影となるため、スケール上の検出範囲はＹ方向４００μｍ、Ｘ方向９００μｍの範囲となる。よって、スケール上の検出範囲には、位置検出方向に１５０μｍのピッチを有する領域２３と３０３μｍのピッチを有する領域２５がＹ方向にそれぞれ４ライン分ずつ含まれる。

受光素子１７ＢのＸ方向の幅は領域によって異なる。図１０の左端の１番目から４番目の受光素子１７ＢのＸ方向の幅Ｘ＿ｐｄ１は３０μｍ、５番目から２０番目の受光素子１７ＢのＸ方向の幅Ｘ＿ｐｄ２は７５μｍ、２１番目から２４番目の受光素子１７ＢのＸ方向の幅Ｘ＿ｐｄ１は３０μｍである。

このように、本実施例ではセンサユニット１０Ｂに重み付け手段が設けられている。重み付け手段は、領域２３を検出する複数の受光素子１７Ａの出力信号に対して、Ｐ２（第２の変調周期）の位相または受光素子アレイ上の位置に応じた重みを使用して重み付けする手段である。

図１１は、重み付けが無い場合（重み付け無）と、図１０の重み付けを行った場合（重み付け有）のＡ＋相の空間周波数応答を比較したグラフである。横軸は空間周波数［μｍ^−１］を表し、縦軸は（１／３００μｍ^−１を１とした）正規化周波数応答を表している。Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相についても同様な空間周波数応答となる。

図１１において、破線は、複数の受光素子１７Ｂの出力信号に重み付けを行わなかった場合を示し、実線は、複数の受光素子１７Ｂの出力信号に対してＰ２の位相に応じた重みを使用して重み付けを行った重み付け有の場合を示している。

本実施例のような重み付けを行った場合は、領域２５のパターン周波数に対応する空間周波数１／６００［μｍ^−１］付近の周波数応答が広い範囲で低減されていることが分かる。即ち、受光領域内で不均一な重み付けを行うことによって倍率誤差に対する不要成分（ここでは３０３μｍパターンの２倍拡大像成分）の漏れ込を広い周波数範囲で低減することができている。これにより、領域２３のパターンから信号を読み出す場合の４相正弦波出力Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）が領域２５のパターンの影響を受けにくくなり、領域２３のパターンに対応する信号のみを高精度に検出することが可能となる。

このように、本実施例においても、受光素子上の像の空間周波数に変動があった場合でも、Ｐ２の空間周波数成分が、Ｐ１の空間周波数成分の位相取得において誤差となり得る影響を低減することができる。

図１２は、受光素子アレイ１６Ｂの受光面の平面図である。以下、図１２を参照して、受光領域内で不均一な重み付けを行うことによって、Ｐ２の周波数応答を広い範囲で低減することができる理由について説明する。

まず、Ａ＋相に対応する受光素子１７Ｂに着目し、６つの離散する受光素子ブロックＡ１〜ａ６について、６００μｍ周期成分の相対位相θ１〜θ６を考える。検出像に６００μｍ周期からの倍率誤差Δ（％）があった場合、各位相は次式で与えられる。

実施例１と同様に、Δ´＝９０・Δ÷１００、および、ＳＩＮΔ´≒Δ´、ＳＩＮ（３Δ´）≒３Δ´、ＣＯＳ（３Δ´）≒ＣＯＳΔ´≒１なる近似から置き換えを行うと、合計出力は次式のようになる。

よって、倍率誤差Δが変動しても常にＳ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４＋Ｓ５＋Ｓ６≒０となる条件は、ａ１＋ａ３＋ａ５＝ａ２＋ａ４＋ａ６かつ、３・（ａ２＋ａ５）＝（ａ３＋ａ４）＋５・（ａ１＋ａ６）となる。本実施例では、ａ１：ａ２：ａ３：ａ４：ａ５：ａ６＝０．４：１：１：１：１：０．４としている。

図１３は、受光素子アレイ１６Ｃの受光面の平面図である。受光素子アレイ１４Ｃにおいては、受光素子１７ＣがＸ方向に１５０μｍの中心ピッチで１２個並んでいる。一つの受光素子１７ＣのＸ方向の幅Ｘ＿ｐｄは１５０μｍであり、Ｙ方向の幅Ｙ＿ｐｄは８００μｍである。受光素子アレイ１６Ｃの全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは１８００μｍである。

スケール上のパターンは２倍の拡大投影となるため、スケール上の検出範囲はＹ方向４００μｍ、Ｘ方向９００μｍの範囲となる。よって、スケール上の検出範囲には、位置検出方向に１５０μｍのピッチを有する領域２３と３０３μｍのピッチを有する領域２５がＹ方向にそれぞれ４ライン分ずつ含まれる。

受光素子アレイ１７Ｃの受光面の配置は、スケールパターン３００μｍ周期（反射像周期６００μｍ）の検出ピッチに対応する。このとき、領域２３の像（反射像周期３００μｍ）に対してはＳ（Ａ＋）とＳ（Ａ−）が同位相成分となるので、上述した差動演算の結果キャンセルされる。Ｓ（Ｂ）についても同様である。

ここで、それぞれの受光素子アレイに対し、異なる周期パターンからの像を同時に受光することの利点について説明する。受光素子Ａ（第１の検出素子）と受光素子（第２の検出素子）Ｂで別々の周期パターンを走査させる場合の各センサの読み取り領域と位置ずれ可能なＹ方向範囲を図１４に示す。

センサ読み取り領域が対応するパターンからはみ出ないようにするためには、読み取り領域の間隔Ｄによって、可能な位置ずれ量が±Ｄ／２に制限されるため、Ｙ方向の相対位置を精密に位置決めする必要がある。

一方、本発明のように、異なる周期パターンからの像をまとめて受光し、必要な信号のみを分離して検出するようにした場合は、上記制限を受けず、Ｙ方向の位置によらず安定的に高精度な信号を取得することが可能である。

以上のように、本実施例は、別々の受光素子で異なる周期を検出するようにしたので、切り替え処理が不要となる。よって、実施例１に対し周期信号間の時間的同期性を重視するシステムの場合には有効である。

本実施例は、実施例２に対して受光素子アレイ１４Ｂの受光面の配置を異ならせ受光素子アレイ１４Ｄを使用している点で実施例２と相違し、その他の点では実施例２と同様である。倍率誤差Δが変動しても常にＳ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４＋Ｓ５＋Ｓ６≒０となる条件、ａ１＋ａ３＋ａ５＝ａ２＋ａ４＋ａ６かつ、３・（ａ２＋ａ５）＝（ａ３＋ａ４）＋５・（ａ１＋ａ６）を満たす別の例である。本実施例では、ａ１：ａ２：ａ３：ａ４：ａ５：ａ６＝１：２：１：１：２：１としている。このように、本実施例では実施例２と同様に、センサユニット１０Ｂに重み付け手段が設けられている。

図１５は、受光素子アレイ１４Ｄの受光面の配置を示す平面図である。各受光素子のＸ方向の幅は領域によって異なる。図１５の左端から１番目から４番目、９番目から１６番目、２１番目から２４番目の受光素子１７ＤのＸ方向の幅Ｘ＿ｐｄ１は３２．５μｍ、５番目から８番目および１７番目から２０番目の受光素子１７ＤのＸ方向幅Ｘ＿ｐｄ２は７５μｍである。

図１６は、重み付けが無い場合（重み付け無）と、図１５の重み付けを行った場合（重み付け有）のＡ＋相の空間周波数応答を比較したグラフである。横軸は空間周波数［μｍ^−１］を表し、縦軸は（１／３００μｍ^−１を１とした）正規化周波数応答を表している。Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相についても同様な空間周波数応答となる。

図１６において、破線は、複数の受光素子１７Ｄの出力信号に重み付けを行わなかった場合を示し、実線は、複数の受光素子１７Ｄの出力信号に対してＰ２の位相に応じた重みを使用して重み付けを行った重み付け有の場合を示している。

本実施例のような重み付けを行った場合は、領域２５のパターン周波数に対応する空間周波数１／６００［μｍ^−１］付近の周波数応答が広い範囲で低減されていることが分かる。

実施例４は、図１に示すエンコーダの構成において、トラック２１Ａの代わりにトラック２１Ｂを使用し、受光ＩＣ１４Ａの代わりに受光ＩＣ１４Ｅを使用している点が実施例１と相違する。図１７は、トラック２１Ｂの部分拡大平面図である。

トラック２１Ｂは、スケール２０の移動方向（Ｘ方向）に垂直な方向（Ｙ方向）に、３種類の領域（領域２３、領域２５、領域２８）が順番に周期的に配列されている。図１７の全幅を含む範囲（受光素子アレイ１６Ｅの受光面で走査され得る領域）が１トラックである。

領域２３は図３に示すもので、Ｘ方向のピッチＰ１（＝１２７．２０４９６９μｍ）ごとに図３のパターンが配置されたパターン列からなる。領域２３のＹ方向の幅はＷ１＝５０μｍである。領域２３のＹ方向の位置によって反射部２４のＸ方向の幅が異なる点は実施例１と同様である。

領域２５は図４に示すもので、Ｘ方向のピッチＰ２（＝２５６μｍ）ごとに図４のパターンが配置されたパターン列からなる。領域２５のＹ方向の幅はＷ２＝５０μｍである。領域２５のＹ方向の位置によって反射部２６、２８のＸ方向の幅が異なる点は実施例１と同様である。

図１８は、領域２８のＸ方向の１周期分の拡大平面図である。領域２８は、Ｘ方向のピッチＰ３（＝５５３．５１３５１４μｍ）ごとに図１８のパターンが配置されたパターン列からなり、各パターンは反射膜から構成されて光を反射する反射部２９と非反射部２２から構成されている。領域２８のＹ方向の幅はＷ３＝５０μｍである。

領域２８のＹ方向の位置によって反射部２９のＸ方向の幅が異なる。Ｙ方向の中心からの距離がＷ３／８以下の領域においては、反射部２９のＸ方向の幅はＰ３・１８５／２４０である。Ｙ方向の中心からの距離がＷ３／８からＷ３／４までの範囲では、反射部２９のＸ方向の幅はＰ３・１４１／２４０である。Ｙ方向の中心からの距離がＷ３／４からＷａ・３／８までの範囲では、反射部２９のＸ方向の幅はＰ３・１０５／２４０である。Ｙ方向の中心からの距離がＷ３・３／８からＷ３／２までの範囲では、反射部２９のＸ方向の幅はＰ３・６１／２４０である。

図１９Ａ〜１９Ｃは、受光ＩＣ１４Ｅの受光素子アレイ１６Ｅの受光面の配置を示す平面図である。受光素子アレイ１６Ｅは、受光素子１７ＥがＸ方向に３２μｍピッチで６４個並んでおり、一つの受光素子１７ＥのＸ方向の幅Ｘ＿ｐｄは３２μｍであり、Ｙ方向の幅Ｙ＿ｐｄは９００μｍである。受光素子アレイ１６Ｅの全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは２０４８μｍである。

スケール上のパターンは２倍の拡大投影となるため、スケール上の検出範囲はＹ方向４５０μｍ、Ｘ方向１０２４μｍの範囲となる。よって、スケール上の検出範囲には、位置検出方向に１２７．２０４９６９μｍのピッチを有する領域２３と、２５６μｍのピッチを有する領域２５と５５３．５１３５１４μｍのピッチを有する領域２８がＹ方向にそれぞれ３ライン分ずつ含まれる。

各受光素子１７Ｅからの出力は、スイッチ回路１８を介して切り替えられ、選択的に後段の４つの不図示の初段増幅器に接続されている。４つの初段増幅器は、出力端子Ａ+、Ｂ+、Ａ−、Ｂ−（それぞれＡ＋相、Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相を表す）に対応する受光素子１７Ｅがそれぞれ接続され、４相正弦波出力Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）を出力する。

スイッチ回路１８Ｅは信号処理回路３０の信号分離手段３１からの入力によって受光素子１７Ｅと出力端子との接続を切り替えることができる。この結果、複数の受光素子１７Ｅにおいて電気的に加算される間隔が切り替わる。

信号処理回路３０からの入力がハイレベルの場合は、図１９Ａに示すように、スケールパターン１２８μｍ（反射像周期２５６μｍ）の検出ピッチとなり、領域２３からの周期信号のみが分離できる。

信号処理回路３０からの入力がローレベルの場合は、図１９Ｂに示すように、スケールパターン２５６μｍ（反射像周期５１２μｍ）の検出ピッチとなり、領域２５からの周期信号のみが分離できる。

信号処理回路３０からの入力がミドルレベルの場合は、図１９Ｃに示すように、スケールパターン５１２μｍ（反射像周期１０２４μｍ）の検出ピッチとなり、領域２８からの周期信号のみが分離できる。

４相正弦波状信号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。

信号処理回路３０は、４相正弦波出力Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）について数式１、２の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）を生成する。

入力がハイレベルの場合、図１９Ａに示すように、個々の周期に対応する各相の受光素子アレイ面積は、受光面の中央部が２個ずつになっているのに対し、周辺部は１個ずつとなっている。このように、本実施例では、実施例１と同様に、センサユニット１０Ａに重み付け手段が設けられている。

図２０は、重み付けが無い場合（重み付け無）と、図１９Ａの重み付けを行った場合（重み付け有）のＡ＋相の空間周波数応答を比較したグラフである。横軸は空間周波数［μｍ^−１］を表し、縦軸は（１／２５６μｍ^−１を１とした）正規化周波数応答を表している。Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相も同様な空間周波数応答となる。

図２０において、破線は、複数の受光素子１７Ｅの出力信号に重み付けを行わなかった場合を示し、一点鎖線は、複数の受光素子１７Ｅの出力信号に対してＰ３の位相または受光素子アレイ上の位置に応じた重みを使用して重み付けを行った場合を示している。図２０において、実線は、重み付け有で光量分布を考慮した場合を示している。

本実施例のような重み付けを行った場合は、領域２８のパターン周波数に対応する空間周波数１／１０２４［μｍ^−１］付近の周波数応答が広い範囲で低減されていることが分かる。更に、受光素子アレイ１６Ｅに入射する光量が一様でなく、図２１に示す光源１２の配光特性に起因する光量分布を持つ場合を想定する。本実施例では実際の光量分布に合わせ重み付けが設計されているため、図２０の実線（重み付け有り、光量分布考慮）が示すように、光量分布がある状態でより空間周波数１／１０２４［μｍ^−１］付近の減衰効果が高い。

入力がローレベルの場合、図１９Ｂに示すように、個々の周期に対応する各相の受光素子アレイ面積は、受光面の中央部が４個ずつになっているのに対し、周辺部は２個ずつとなっている。また、中央部の４個は連続する受光素子ではなく、両端の２個を隣の検出相と入れ替えている。これにより、連続する４個を積算する場合に比べ実効的な積算幅が増加し、領域２３からの周期成分の影響を低減させることができる。

図２２は、重み付けが無い場合（重み付け無）と、図１９Ｂの重み付けを行った場合（重み付け有）のＡ＋相の空間周波数応答を比較したグラフである。横軸は空間周波数［μｍ^−１］を表し、縦軸は（１／５１２μｍ^−１を１とした）正規化周波数応答を表している。Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相も同様な空間周波数応答となる。

図２２において、破線は、複数の受光素子１７Ｅの出力信号に重み付けを行わなかった場合を示し、一点鎖線は、複数の受光素子１７Eの出力信号に対してＰ３の位相または受光素子アレイ上の位置応じた重みを使用して重み付けを行った場合を示している。図２２において、実線は、重み付け有で光量分布を考慮した場合を示している。

本実施例のような重み付けを行った場合は、領域２８のパターン周波数に対応する空間周波数１／１０２４［μｍ^−１］付近の周波数応答が広い範囲で低減されていることが分かる。また、本実施例では実際の光量分布に合わせ重み付けが設計されているため、図２２のプロット（重み付け有り、光量分布考慮）が示すように、光量分布がある状態でより空間周波数１／１０２４［μｍ^−１］付近の減衰効果が高い。

入力がミドルレベルの場合、図１９Ｃに示すように、個々の周期に対応する各相の受光素子アレイ面積は、受光面の中央部が８個ずつになっているのに対し、周辺部は４個ずつとなっている。Ｐ１＝１２７．２０４９６９μｍおよびＰ１＝２５６μｍの像に対してＳ（Ａ＋）とＳ（Ａ−）がほぼ同位相成分となるので、上記差動演算の結果、領域２３および領域２５の周期成分がキャンセルされ減衰される。Ｓ（Ｂ）についても同様である。

図２３は、重み付けが無い場合（重み付け無）と、図１９Cの重み付けを行った場合（重み付け有）のＡ＋相とA−相の差動演算後の空間周波数応答を比較したグラフである。横軸は空間周波数［μｍ^−１］を表し、縦軸は（１／１０２４μｍ^−１を１とした）正規化周波数応答を表している。Ｂ＋相とＢ−相の差動演算後も同様な空間周波数応答となる。

図２３において、破線は、複数の受光素子１７Ｅの出力信号に重み付けを行わなかった場合を示し、一点鎖線は、複数の受光素子１７Ｅの出力信号に対して受光素子アレイ上の位置応じた重みを使用して重み付けを行った場合を示している。図２３において、実線は、重み付け有で光量分布を考慮した場合を示している。

本実施例のような重み付けを行った場合は、領域２３、２５のパターン周波数に対応する空間周波数１／５１２［μｍ^−１］および１／２５６［μｍ^−１］付近の周波数応答が広い範囲で低減されていることが分かる。また、本実施例では実際の光量分布に合わせ重み付けが設計されているため、図２３のプロット（重み付け有り、光量分布考慮）が示すように、光量分布がある状態でより空間周波数１／５１２［μｍ^−１］および１／２５６［μｍ^−１］付近の減衰効果が高い。

以下に絶対位置検出を行う処理の流れについて説明する。スイッチ回路１８Ｅへの入力がハイレベルのときのＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）より数式１９、２０に基づいてピッチＰ１の位相信号Φ１とピッチＰ２の位相信号Φ２を取得する。更に、スイッチ回路１８Ｅへの入力がミドルレベルの時のＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）より次式に基づいてピッチＰ３の位相信号Φ３を取得する。

即ち、領域２３（１２７．２０４９７μｍ周期）に対応する信号の位相がΦ１、領域２５（２５６μｍ周期）に対応する信号の位相がΦ２、領域２８（５５３．５１３５１μｍ周期）に対応する信号の位相がΦ３となる。移動範囲の片方の端（Ｘ＝０ｍｍ）において、Φ１＝Φ２＝Φ３＝０となるように、スケール２０上の３つの周期パターンの初期位相が設定されている。

次に、位相信号Φａ、Φｂを次式の演算によって取得する。

このとき、Φａ＜０のときはΦａ＝Φａ＋２π、Φａ＞２πのときはΦａ＝Φａ−２πの演算を繰り返し行って０〜２πの出力範囲に変換する。Φｂについても同様である。ΦａとΦｂのＸ方向に対する信号周期Ｔａ、ＴｂはそれぞれＴａ＝２０４８０［μｍ］、Ｔｂ＝３４１３．３３３［μｍ］となる。Φａとスケール位置との関係は図２４（ａ）のようになる。Φｂとスケール位置との関係は図２４（ｂ）のようになる。

次に、絶対位置の情報を取得するための処理について説明する。上述の信号Ｓｖに対応する信号Ｃは位相信号Φａとして取得し、検出可能な総ストロークはＴａ＝２０４８０［μｍ］となる。

次に、信号処理回路３０は、上位信号ＣとΦｂとの同期をとり、上位信号ＣからΦｂの周期の何番目にあるかを算出し、Φｂをつなぎ合わせてΦｂの位置精度を持つ絶対位置信号（次式の中位信号Ｍ）を取得する。

ここで、ＲＯＵＮＤ［ｘ］はｘに最も近い整数に変換する関数である。

続いて、信号処理回路３０は、中位信号ＭとΦ３との同期をとり、中位信号ＭからΦ３の周期の何番目にあるかを算出し、Φ３をつなぎ合わせてΦ３の位置精度を持つ絶対位置信号（次式の下位信号Ｆ）を取得する。

更に、信号処理回路３０は、下位信号ＦとΦ１との同期をとり、下位信号ＦからΦ１の周期の何番目にあるかを算出し、Φ１をつなぎ合わせてΦ１の位置精度を持つ絶対位置信号ＡＢＳを取得する。

上記のような合成処理を行うことで、高精度なインクリメントパターン信号の精度で、長ストロークの絶対位置を検出することができる。

以上、本実施例によれば、実施例１に比べ、高精度に絶対位置信号を取得することができる。

実施例５は、実施例４と同様であるが、受光ＩＣ１４Ｅの代わりに受光ＩＣ１４Ｆを使用している点が実施例４と相違する。

図２５は、受光ＩＣ１４Ｆの受光素子アレイ１６Ｆの受光面の配置を示す平面図である。受光素子アレイ１６Ｆは、クロックタイミングに同期して、各受光素子の受光量に対応した出力を順番に取りだすことができる、いわゆるリニアセンサアレイである。

受光素子アレイ１６Ｆは、受光素子１７ＦがＸ方向に１６μｍピッチで１２８個並んでおり、Ｙ方向の幅Ｙ＿ｐｄは９００μｍ、Ｘ方向の全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは２０４８μｍである。

スケール上のパターンは２倍の拡大投影となるため、スケール上の検出範囲はＹ方向４５０μｍ、Ｘ方向１０２４μｍの範囲となる。よって、スケール上の検出範囲には、領域２３、領域２５、および領域２８がＹ方向にそれぞれ２ライン分ずつ含まれる。

受光素子アレイ１６Ｆの出力部１９から出力されるリニアイメージ信号Ｖより領域２３、２５、２８の各周期信号成分を分離する方法として実施例４と同様に各周期に対応した４相正弦波に変換してもよい。その場合は、受光素子アレイ１６Ｆの隣接する２個の受光素子の出力を合計し、実施例４における受光素子の出力に置き換えて同様の演算処理を行うことが可能である。このときに、各受光素子の位置に応じ、適切な重みづけを信号処理回路３０にて行う。このように、本実施例では信号処理回路３０に重み付け手段が設けられている。

こうして得られた領域２３（１２７．２０４９７μｍ周期）に対応する信号の位相をΦ１、領域２５（２５６μｍ周期）に対応する信号の位相をΦ２、領域２８（５５３．５１３５１μｍ周期）に対応する信号の位相をΦ３とする。移動範囲の片方の端（Ｘ＝０ｍｍ）において、Φ１＝Φ２＝Φ３＝０となるように、スケール２０上の３つの周期パターンの初期位相が設定されている。

受光素子アレイ１６Ｆによって検出されたリニアイメージ信号より領域２３、２５、２８の各周期信号成分を分離する方法としてフーリエ変換を用いてもよい。フーリエ変換を行う場合の信号処理回路３０の処理について説明する。

まず、１２８個の受光素子１７Ｆの出力の平均を直流成分として各受光素子出力から減算を行う。更に、受光素子アレイ１６Ｆを、中央から６４個（中央部）と、両端から各３２個ずつの計６４個（周辺部）の２つの領域に分ける。中央部と周辺部の出力にはそれぞれ異なる係数を掛け、重みづけを行った後に１２８個のデータをフーリエ変換する。フーリエ変換によって得られた位相と対応する空間周波数からΦ１、Φ２、Φ３を算出する。

ここで、フーリエ変換の周波数分解能は受光面上の空間周波数としてΔｆ＝１／１０２４（μｍ^−１）となるため、完全には領域２３、２８のパターン反射像と一致しない。Φ１はΔｆ・８＝１／２５６（μｍ^−１）の成分の位相、Φ２はΔｆ・４＝１／５１２（μｍ^−１）の成分の位相、Φ３はΔｆ・２＝１／１０２４（μｍ^−１）の成分の位相として以降の演算に用いる。

ここでは信号処理回路３０での演算処理によって領域ごとの重み付けを行っているが、各受光素子出力が領域によって異なる電気的ゲインを持つようにしてもよい。

重み付けの比率は、例えば、中央部と周辺部の比率を理論値の３：１に固定する他、光量分布を考慮して周辺部の比率を増やしてもよい。また、特定領域のスキャンを行い、Φ１、Φ２に対する領域２８（５５３．５１３５１μｍ周期）からの信号漏れ込が最小になるように比率を決定してもよい。以上のようにして得られたΦ１、Φ２、Φ３から絶対位置検出を行うまでの演算方法は実施例３と同様なので省略する。

以上のように、本実施例ではリニアセンサアレイを使って各検出素子の出力を取り出せるようにしたので後段で行う重みづけ処理の設計自由度が高い。また、信号取り出しが一度で済むので、各信号位相間での時間的な同期性が向上する。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

エンコーダは位置（変位）を検出する用途に適用することができる。

１６Ａ〜１６Ｆ…受光素子アレイ（検出素子アレイ）、２０…スケール、２３…第１の領域、２５…第２の領域、３０…信号処理回路（信号処理手段）、３２…第１の位相取得手段

Claims (9)

1. エネルギー分布を空間変調する複数のパターンを有するパターン列が形成されているスケールと、
   前記スケールに相対的に移動するように配置され、前記パターン列からの前記エネルギー分布を検出する複数の検出素子が移動方向に並べられた検出素子アレイと、
   前記検出素子アレイの出力信号を処理して位置情報に変換する信号処理手段と、
   を有するエンコーダにおいて、
   前記パターン列は、前記移動方向に第１の変調周期と、前記第１の変調周期とは異なる第２の変調周期を有し、
   前記信号処理手段は、前記検出素子アレイの出力信号から前記第１の変調周期の第１の位相を取得する第１の位相取得手段を有し、
   前記エンコーダは、前記第１の変調周期を検出する複数の検出素子の出力信号に対して前記検出素子アレイの位置に応じた重みを使用して重み付けをする重み付け手段を更に有し、
   前記重みは、前記第１の位相取得手段の空間周波数応答の前記第２の変調周期に対応する空間周波数を含む所定の範囲において、前記重み付け手段が重み付けを行った場合の値が、重み付けが無い場合の値以下となるように設定されていることを特徴とするエンコーダ。
2. 前記重み付け手段は、前記第１の変調周期を検出する前記複数の検出素子の受光面の面積を前記検出素子アレイの位置に応じて異ならせることであることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記重み付け手段は、前記第１の変調周期を検出する前記複数の検出素子の電気的ゲインを前記検出素子アレイの位置に応じて異ならせることであることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
4. 前記パターン列は、前記移動方向に垂直な方向に周期的に配列され、前記移動方向に第１のピッチを有する第１の領域と、前記移動方向に前記第１のピッチとは異なる第２のピッチを第２の領域と、を有し、前記第１の変調周期は前記第１の領域のエネルギー分布に対応し、前記第２の変調周期は前記第２の領域のエネルギー分布に対応することを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載のエンコーダ。
5. 前記信号処理手段は、
   前記検出素子アレイの出力信号から前記第２の変調周期の第２の位相を取得する第２の位相取得手段と、
   前記第１の位相取得手段が取得した前記第１の位相と、前記第２の位相取得手段が取得した前記第２の位相と、
   ｜(ｍ・Ｐ１−ｎ・Ｐ２)｜＜｜(Ｐ１−Ｐ２)｜
   の条件を満たす整数ｍ、ｎに対し、
   Ａ／Ｂ＝ｎ／ｍ
   の関係を満たす２つの係数Ａ、Ｂを用いて次式を満たすＳｖを前記スケールの位置を表す位置信号として取得する位置情報取得手段と、
   を有することを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載のエンコーダ。
   Ｓｖ＝Ａ・Φ１−Ｂ・Φ２
   但し、Φ１は前記第１の位相、Φ２は前記第２の位相、Ｐ１は前記第１の変調周期、Ｐ２は前記第２の変調周期である。
6. 前記信号処理手段は、前記検出素子アレイの出力を前記パターンの各変調周期に対応する信号に分離する信号分離手段を更に有することを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項に記載のエンコーダ。
7. 前記信号分離手段は、前記複数の検出素子の電気的に加算される間隔を切り替えることを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ。
8. 前記信号分離手段は、前記検出素子アレイの出力信号に高速フーリエ変換を施すことを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ。
9. 前記複数の検出素子は、
   前記第１の位相取得手段に出力を与える複数の第１の検出素子と、
   前記第２の位相取得手段に出力を与える複数の第２の検出素子と、
   を有し、
   前記第１の位相取得手段と前記第２の位相取得手段は前記複数の検出素子から同時に出力を取得することを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項に記載のエンコーダ。