JP2013088191A - エンコーダおよびこれを備えた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の周期パターンに対する検出部による検出周期を切り替えるエンコーダにおいて、位置検出の遅れを回避する。
【解決手段】エンコーダは、第１の周期パターン１１および第２の周期パターン１２が設けられたスケール１０と、該スケールとの相対移動が可能な検出部２２とを有する。検出部２２は、第１の検出状態と第２の検出状態との切り替えが可能であり、第１の検出状態にて第１の周期パターンに応じた第１の信号を出力し、第２の検出状態にて第２の周期パターンに応じた第２の信号を出力する。処理部３０，４０は、検出部から取り込んだ第１および第２の信号の双方を用いて第１の絶対位置を算出する第１の処理を行った後、該検出部から取り込んだ一方の信号を用いて相対移動量を算出する。処理部は、第１の処理において最後に設定した検出状態と同じ検出状態の検出部から一方の信号を取り込む。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学機器等の各種装置に用いられ、該装置内の可動部材の移動に応じたスケールとセンサとの相対移動に伴って位置を示す信号を出力するエンコーダに関する。

可動部材の位置や速度を検出するために使用されるエンコーダは、周期パターンが設けられたスケールと、該スケールとの相対移動に伴い、周期パターンに応じて周期的に変化する周期信号を出力する検出部を備えたセンサとにより構成される。エンコーダには、例えば１つの周期パターンから互いに位相が異なる２つの周期信号（２相信号）を生成し、それら２相信号の周期数と位相とからスケールとセンサとの相対位置を検出するインクリメンタル型エンコーダがある。また、エンコーダには、例えば互いに周期が異なる２つの周期パターンから２組の２相信号を生成し、一方の組の２相信号の位相と他方の組の２相信号の位相との差（位相差）からスケール又はセンサの絶対位置を検出するアブソリュート型エンコーダもある。

アブソリュート型エンコーダには、インクリメンタル型エンコーダに必要な電源投入時等の位置検出開始前での位置検出用原点の検出動作が不要であるというメリットがある。特許文献１には、３つの周期パターン（スケール）を用いるアブソリュート型エンコーダの例が開示されている。

特開２０００−２８３７０１号公報

しかしながら、アブソリュート型エンコーダは、インクリメンタル型エンコーダに比べて、読み取るべき周期パターンの数が多く、該周期パターン数に対応する複数の検出部を設ける必要があるために、構成が複雑となる。

そこで、スケールに互いに周期が異なる複数の周期パターンを設ける一方で、センサの検出部の検出周期（つまりは読み取り対象となる周期パターン）を時系列で切り替えることにより、検出部の数の増加を抑えたアブソリュート型エンコーダも実現可能である。

ただし、このようなエンコーダにおいても、以下のような問題が生じ得る。すなわち、センサの検出部の検出周期を切り替えた直後には、該検出部を構成する素子（受光素子や磁気検出素子等）から出力される周期信号（アナログ信号）が安定するまである程度の時間が必要である。このため、検出周期の切り替えごとに位置検出の遅れが発生する。

本発明は、複数の周期パターンに対する検出部による検出周期を切り替えるタイプのエンコーダであって、位置検出の遅れを回避できるようにしたエンコーダを提供する。

本発明の一側面としてのエンコーダは、第１の周期パターンおよび該第１の周期パターンよりも粗い周期を有する第２の周期パターンが設けられたスケールと、該スケールとの相対移動が可能であるとともに、第１の周期パターンを読み取るための第１の検出状態と第２の周期パターンを読み取るための第２の検出状態との切り替えが可能であり、第１の検出状態において第１の周期パターンに応じた変化周期を有する第１の信号を出力し、第２の検出状態において第２の周期パターンに応じた変化周期を有する第２の信号を出力する検出部と、第１および第２の検出状態に設定した検出部からそれぞれ取り込んだ第１および第２の信号の双方を用いて第１の絶対位置を算出する第１の処理を行った後、第１および第２の検出状態のうち一方の検出状態に設定した検出部から取り込んだ、第１および第２の信号のうち一方の信号を用いて相対移動量を算出し、該相対移動量と前記第１の絶対位置とを用いて第２の絶対位置を算出する第２の処理を行う処理部とを有する。そして、処理部は、第１および第２の検出状態のうち、第１の処理において最後に設定した検出状態と同じ検出状態の検出部から一方の信号を取り込んで第２の処理を行うことを特徴とする。

なお、上記エンコーダと、該エンコーダを用いて位置が検出される可動部材とを有する装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、第１の処理から第２の処理への移行に際して検出部の検出状態を切り替えなる必要がないので、該検出状態を切り替える場合に比べて、第２の処理による位置検出までに要する時間を短縮することができる。

本発明の実施例１であるエンコーダの構成を示すブロック図。 実施例１のエンコーダに用いられるスケールを示す図。 実施例１のエンコーダにおける位置と変数との関係を示す図。 本発明の実施例２であるエンコーダの構成を示すブロック図。 実施例２のエンコーダに用いられるスケールを示す図。 実施例２のエンコーダにおける時刻と位相との関係を示す図。 本発明の実施例３である撮像装置の構成を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１であるエンコーダの構成を示している。エンコーダは、スケール１０と、センサ２０と、位置検出部３０と、制御部４０とにより構成されている。位置検出部３０と制御部４０とにより処理部が構成される。

本実施例のエンコーダは、スケール１０とセンサ２０との相対移動に応じて、これらのうち一方の他方に対する位置（絶対位置）を検出する光学反射型アブソリュートエンコーダである。本実施例では、このエンコーダが搭載された装置において絶対位置の検出対象である可動部材（図示せず）にスケール１０を取り付け、固定された（不動の）部材にセンサ２０を取り付ける場合について説明する。

ただし、可動部材にセンサ２０を取り付け、固定された部材にスケール１０を取り付けて、可動部材の絶対位置を検出するようにしてもよい。また、本実施例では、リニア型エンコーダについて説明するが、ロータリー型エンコーダも本実施例と同様に構成することができる。

エンコーダが搭載された装置のシステム（図示せず）から位置検出リクエスト信号が制御部４０に入力されると、制御部４０は、センサ２０からの信号を受けた位置検出部３０に位置検出処理を行わせる。そして、制御部４０は、位置検出部３０にて生成された、可動部材の絶対位置の情報を装置のシステムに出力する。

図２には、スケール１０を示している。以下の説明において、スケール１０のうち該スケール１０とセンサ２０との相対移動方向を長手方向といい、長手方向に直交する方向を幅方向という。スケール１０には、それぞれ長手方向に一定の周期（ピッチ）で交互に配置された反射部と非反射部とを含み、かつそのピッチＰ１，Ｐ２が互いに異なる２つの周期パターン（第１の周期パターン１１と第２の周期パターン１２）が、幅方向に交互に設けられている。以下の説明では、第１の周期パターン１１を単に第１のパターンといい、そのピッチＰ１を第１のピッチという。また。第２の周期パターン１２を単に第２のパターンといい、そのピッチＰ２を第２のピッチという。

第１のピッチＰ１は、第２のピッチＰ２の約１／４に設定されている（すなわち、第２のパターン１２は第１のパターン１１よりも粗い周期を有する）。そして、スケール１０の長手方向における第１および第２のパターン１１，１２が設けられた範囲の全長（以下、パターン全長という）において、第１のパターン１１は７９周期を有し、第２のパターン１２は２０周期を有する。

センサ２０は、図１に示すように、光源２１と受光部（検出部）２２とを有する。光源２１は、ＬＥＤ等の発光素子により構成され、受光部２２は、光源２１から射出されて第１および第２のパターン１１，１２の反射部で反射した光を光電変換する複数の光電変換素子（受光素子）により構成されている。

また、センサ２０は、位置検出部３０からの検出周期切り替え信号に応じて、受光部２２の検出周期を第１のピッチＰ１に一致する又は十分に近い第１の検出周期Ｐ０と、第２のピッチＰ２に一致する又は十分に近い第２の検出周期４・Ｐ０との間で切り替える。受光部２２は、第１の検出周期が設定されると（つまりは第１の検出状態に設定されると）、第１のパターン１１を読み取り可能となる。検出周期の切り替えは、受光部２２を構成する複数の受光素子において、２つ以上設定される受光領域のそれぞれを形成する受光素子の組み合わせを変化させて、スケール１０との相対移動方向での受光領域の幅とピッチを変更することで行われる。

そして、第１のパターン１１を読み取ることで、それぞれ第１のピッチＰ１に対応した変化周期を有し、かつ互いに９０度の位相差を持つ２相の正弦波信号（第１の信号：以下、第１の２相信号という）を出力する。また、受光部２２は、第２の検出周期が設定されると（つまりは第２の検出状態に設定されると）、第２のパターン１２を読み取り可能となる。そして、第２のパターン１２を読み取ることで、それぞれ第２のピッチＰ２に対応した変化周期を有し、かつ互いに９０度の位相差を持つ２相の正弦波信号（第２の信号：以下、第２の２相信号という）を出力する。

位置検出部３０は、センサ２０（受光部２２）から出力された２相信号を用いて、後述する位置検出処理を行う。制御部４０は、装置のシステムから位置検出リクエスト信号が入力されることに応じて、センサ２０の検出周期の切り替え（位置検出部３０からの検出周期切り替え信号の出力）と位置検出部３０の位置検出処理とを制御する。

以下、位置検出部３０で行われる位置検出処理について説明する。位置検出処理は、第１の処理とその後に行われる第２の処理とに分けられる。第１の処理は、第１および第２の検出周期に設定した受光部２２からそれぞれ取り込んだ第１および第２の２相信号の双方を用いてスケール１０（可動部材）の絶対位置である第１の絶対位置を検出（算出）する。第２の処理は、一方の検出周期に設定した受光部２２から取り込んだ、第１および第２の２相信号のうち一方の信号を用いてスケール１０（可動部材）とセンサ２０との相対移動量を検出（算出）する。さらに、第２の処理は、該相対移動量と第１の絶対位置とを用いてスケール１０の絶対位置である第２の絶対位置を検出（算出）する。本実施例では、第１の２相信号を用いて第２の処理を行う。

まず第１の処理では、位置検出部３０からの検出周期切り替え信号に応じて、センサ２０（受光部２２）の検出周期が第１の検出周期Ｐ０に設定される。これにより、センサ２０からは、第１のパターン１１に対応する第１の２相信号が出力される。位置検出部３０は、Ａ／Ｄコンバータ３１によって第１の２相信号をサンプリングする。

第１の２相信号のサンプリングが行われた後、位置検出部３０からの検出周期切り替え信号に応じて、センサ２０（受光部２２）の検出周期が第２の検出周期４・Ｐ０に切り替えられる。これにより、センサ２０からは、第２のパターン１２に対応する第２の２相信号が出力される。位置検出部３０は、Ａ／Ｄコンバータ３１によって第２の２相信号をサンプリングする。

さらに、第２の２相信号のサンプリングが行われた後、検出周期切り替え信号に応じてセンサ２０（受光部２２）の検出周期が第１の検出周期Ｐ０に切り替えられ、位置検出部３０は、Ａ／Ｄコンバータ３１によって第１の２相信号をサンプリングする。

このようにして、第１の２相信号、第２の２相信号および第１の２相信号の順で３回のサンプリングが行われる。そして、Ａ／Ｄコンバータ３１によりデジタル信号に変換された上記３組の２相信号は、位相検出部３２に入力される。２相信号のサンプリングが行われる時間間隔は一定であり、以下の説明では、最初の第１の２相信号のサンプリング時刻を０とし、次の第２の２相信号のサンプリング時刻をｔとし、最後の第１の２相信号のサンプリング時刻を２ｔとする。

位相検出部３２は、３組の２相信号に対してａｒｃｔａｎ演算を行うことで各組の２相信号の位相を求める。２相信号は、正弦波信号と余弦波信号とにより構成されているためａｒｃｔａｎ演算によって位相が求められる。以下の説明では、最初の第１の２相信号の位相をθ_Ｐ１＿１とし、次の第２の２相信号の位相をθ_Ｐ２とし、最後の第１の２相信号の位相をθ_Ｐ１＿２とする。なお、位相は０以上、２π未満の範囲で表され、１ピッチ（周期）内において一意に定まるため、位相は１ピッチ内での位置を示す。

位相検出部３２にて求められた３つの位相は、同期処理部３３に入力される。同期処理部３３は、該３つの位相から絶対位置を求める。３つの位相θ_Ｐ１＿１，θ_Ｐ２，θ_Ｐ１＿２のサンプリング時刻は互いに異なるため、スケール１０とセンサ２０とが相対移動していた場合は該３つの位相はそれぞれ異なる位置に対応する。そこで、本実施形態では、時刻２ｔにおける位置を絶対位置として求める。

θ_Ｐ１＿１とθ_Ｐ１＿２はともに第１のパターン１１に対応する２相信号の位相であり、サンプリング時刻はそれぞれ０と２ｔである。このため、位相θ_Ｐ１＿１とθ_Ｐ１＿２の変化量と時刻の変化量から、スケール１０とセンサ２０の相対移動速度を推定することができる。相対移動速度をｕとすると、ｕは以下の式（１）で求められる。

θ_Ｐ２のサンプリング時刻はｔであるため、時刻２ｔにおける第２のパターン１２に対応する第２の２相信号の位相をθ_Ｐ２＿２とすると、θ_Ｐ２に相対移動速度ｕでの時間ｔ分の変化量を加えることで、θ_Ｐ２＿２は以下の式（２）のように求められる。

こうして得られた時刻２ｔにおける２つの位相θＰ_１＿２，θＰ_２＿２を用いて、絶対位置を求める。

まず、パターン全長に２０周期含まれる第２のパターン１２に対応する２相信号の位相θ_Ｐ２＿２を４倍することで、８０周期の位相を生成する。そして、この８０周期の位相とパターン全長に７９周期含まれる第１のパターン１１に対応する２相信号の位相θ_Ｐ１＿２との差（位相差）を求めると、その位相差はパターン全長で１周期となる。パターン全長内での１周期は、それが絶対位置を表すことになる。そこで、この位相差をθ_Ｖ１とすると、以下の式（３）で表すことができる。ただし、ＭＯＤ（ｘ，ｙ）は、ｘを被除数とし、ｙを除数としたときの剰余を示す。

位相差θ_Ｖ１は絶対位置を表すが、１周期内の精度はθ_Ｖ１よりも、θ_Ｐ１＿２やθ_Ｐ２＿２を用いた方が高い。そこで、θ_Ｖ１とθ_Ｐ１＿２およびθ_Ｐ２＿２を用いて、θ_Ｖ１よりも高精度な絶対位置を求める。

第２のパターン１２はパターン全長において２０周期含まれるため、θ_Ｐ２＿２はパターン全長において２０回、０から２πまで変化する。一方、θ_Ｖ１はパターン全長で０から２πまで１回変化するため、単位変位量あたりの位相の変化量はθ_Ｐ２＿２の１／２０である。そこで、θ_Ｖ１とθ_Ｐ２＿２から、θ_Ｐ２＿２について所定の基準位置からの周期数を求め、θ_Ｐ２＿２の精度で絶対位置を求める。

θ_Ｐ２＿２の周期数をｍ_１とすると、θ_Ｖ１，θ_Ｐ２＿２およびｍ_１の関係は、パターン全長をＬとすると、図３（ａ），（ｂ），（ｃ）によって表される。

さらに、θ_Ｐ２＿２の精度で求められる絶対位置をθ_１とすると、θ_１はｍ_１とθ_Ｐ２＿２を用いて以下の式（４）および（５）によって表される。ただし、ＲＯＵＮＤ（ｘ）は、ｘを整数値に丸めることを表す。

次に、求めたθ_１とθ_Ｐ１＿２から、同様にしてθ_Ｐ１＿２の精度で絶対位置θ_２を求める。このとき、第１のパターン１１はパターン全長に７９周期含まれるため、θ_Ｐ１＿２の周期数をｍ_２とすると、θ_２は以下の式（６）および（７）で表される。

同期処理部３３は、こうして求めた絶対位置（第１の絶対位置）θ_２を位置更新部３４にセットする。位置更新部３４は、制御部４０に該絶対位置θ_２の情報を出力する。制御部４０は、装置のシステムに絶対位置θ_２の情報を出力する。こうして第１の処理が終了する。

次に第２の処理について説明する。第２の処理では、第１の２相信号および第２の２相信号のうち一方の信号として第１の２相信号を用いて、可動部材（スケール１０）とセンサ２０との相対移動量を算出する。そして、この相対移動量を、第１の処理で求めた基準位置としての絶対位置θ_１に加算することで、可動部材（スケール１０）の新たな絶対位置としての第２の絶対位置を算出する。

第２の処理では、第１の処理とは異なり、第１のパターン１１の読み込み（第１の２相信号の生成）は行うが、第２のパターン１２の読み込み（第２の２相信号の生成）は行わない。つまり、受光部２２に対して設定可能な第１および第２の検出周期のうち、第１の処理（第１の絶対位置の算出）において最後に設定された検出周期と同じ第１の検出周期で得られる第１の２相信号を用いて第２の処理を行う。

センサ２０（受光部２２）の検出周期を切り替えた後、受光部２２から安定した２相信号が得られるまでにはある程度長い時間が必要である。このため、第１の処理から第２の処理への移行時にセンサ２０の検出周期の切り替えを行わないことで、第２の処理を迅速に開始できるようにする。そして、これにより、第２の処理を行って可動部材の位置を検出する際の検出時間の短縮を図る。

第２の処理では、センサ２０の検出周期を第１の処理での最後の検出周期と同じ第１の検出周期Ｐ０としたまま、Ａ／Ｄコンバータ３１での第１の２相信号のサンプリングを行い、位相検出部３２にて第１の２相信号の位相θ_Ｐ１＿３を求める。位相θ_Ｐ１＿３は、第２の処理が開始された後のスケール１０とセンサ２０との相対移動量に相当する。

位相θ_Ｐ１＿３は、位置更新部３４に入力される。位置更新部３４は、位相θ_Ｐ１＿３と第１の処理で求めた絶対位置θ_２とから、以下の式（８）および（９）を用いて、絶対位置θ_３を求める。ただし、θＰ_１＿３は、ｍ_３周期目であるとする。

位置更新部３４は、こうして求めた絶対位置（第２の絶対位置）θ_３を制御部４０に出力する。制御部４０は、装置のシステムに該絶対位置θ_３の情報を出力する。こうして第２の処理が終了する。これ以降は、前回の第２の処理により求められた絶対位置を基準として次回の第２の処理を行うことで、可動部材の絶対位置を求め続けることができる。

以上説明したように、本実施例では、第１の処理での第１の絶対位置の算出において最後に受光部２２に対して設定された検出周期と同じ検出周期で得られる２相信号を用いて第２の処理での相対位置の算出（さらには第２の絶対位置の算出）を行う。したがって、第１の処理から第２の処理に移行する際に、受光部２２の検出周期を切り替える必要がない。このため、第１の処理から第２の処理に移行する際に検出周期を切り替える場合のように移行後の２相信号の安定を待つ必要がなく、移行後に迅速に第２の処理を開始することができ、位置検出に要する時間を短縮することができる。さらに、位置検出に要する時間が短縮されることで、スケール１０とセンサ２０とがスケール１０の長手方向とは異なる方向に変位したときの周期数のカウントエラーによる位置検出誤差の発生を抑制することができる。

また、本実施例では、相対移動速度を求め、該相対移動速度により位相を補正してから位置検出を行う場合について説明したが、速度が十分に小さい場合は必ずしも補正を行う必要はない。この場合、本実施例で説明した３回のサンプリングに対応する位相θ_Ｐ１＿１，θ_Ｐ２，θ_Ｐ１＿２から位置検出を行う例においては、θ_Ｐ１＿１のサンプリングを省略し、θ_Ｐ２とθ_Ｐ１＿２から位置を求めればよい。具体的には、式（２）において、θ_Ｐ２＿２＝θ_Ｐ２とすればよい。これにより、さらに位置検出に要する時間を削減することができる。

また、相対移動速度による補正を行う場合は、相対移動速度に対して上限値（閾値）を設け、求めた相対移動速度が上限値よりも速い場合は、エラー信号を発生させるようにしてもよい。

また、本実施例では、第１の処理では時刻２ｔにおける位置を絶対位置として検出（算出）したが、異なる時刻の位置を絶対位置として検出してもよい。例えば、時刻０における位置を絶対位置として検出すれば、位置検出リクエスト信号の入力タイミングに近いタイミングでの位置を求めることができる。これは、装置のシステムが、最新の位置ではなく、位置検出リクエストタイミングでの位置を必要とする場合に好ましい。また、時刻ｔでの位置を絶対位置として求めるようにすれば、時刻ｔにおける第１の２相信号の位相がθ_Ｐ１＿１とθ_Ｐ１＿２の平均として求められるため、計算量を削減でき、位置検出に要する時間を短縮することができる。

さらに、本実施例では、位置検出リクエスト信号に応じて位置検出を行う場合について説明したが、制御部４０にタイマを設け、一定時間毎に位置検出を行う構成としてもよい。この構成によれば、位置検出リクエスト信号の通信時間のジッタ等の影響を受けにくくなったり、装置のシステムと分離してエンコーダを設計することが容易となったりする等のメリットがある。

また、本実施例では、互いに周期（ピッチ）が異なる２つの周期パターンを用いたエンコーダについて説明したが、互いに周期が異なる３つ以上の周期パターンを用いてもよい。周期パターンを増やすことで、位置検出誤差を少なくしたり、位置検出の長さ範囲を伸ばしたりすることができる。３つ以上の周期パターン（それらの周期を粗、中および細とする）を用いる場合には、例えば、周期が細の周期パターンが第１の周期パターンに相当し、周期が中又は粗の周期パターンが第２の周期パターンに相当すると考えることができる。また、周期が細又は中の周期パターンが第１の周期パターンに相当し、周期が粗の周期パターンが第２の周期パターンに相当すると考えてもよい。

本発明の実施例２のエンコーダの構成を図４に示す。本実施例のエンコーダも、実施例１と同様に、スケール１０とセンサ２０との相対移動に応じて、これらのうち一方の他方に対する位置（絶対位置）を検出する光学反射型アブソリュートエンコーダである。ただし、本実施例では、スケール１０に、実施例１と同様な第１および第２のパターン１１，１２をそれぞれ含む２つのトラックＴ１，Ｔ２が設けられている。また、センサ２０には、実施例１の受光部２２と同様に構成された２つの受光部２２，２３が設けられている。他の構成は、実施例１と同じであるので、ここでは実施例１と異なる部分を中心に説明する。

図５に詳しく示すように、スケール１０の一方のトラックＴ１には、スケール１０の長手方向において互いに異なるピッチＰ１，Ｐ２を有する第１のパターン１１および第２のパターン１２が、スケール１０の幅方向に交互に設けられている。また、他方のトラックＴ２には、スケール１０の長手方向において互いに異なるピッチＱ１，Ｑ２を有する第１のパターン１１′および第２のパターン１２′が、スケール１０の幅方向に交互に設けられている。トラックＴ１，Ｔ２におけるパターン全長は互いに同じであり、第２のパターン１２，１２′はそれぞれ、第１のパターン１１，１１′よりも粗い周期を有する。トラックＴ１において、第１および第２のパターン１１，１２はそれぞれ、１６０周期および４０周期を有する。また、トラックＴ２において、第１および第２のパターン１１′，１２′はそれぞれ、１５２周期および３９周期を有する。

受光部２２は、光源２１から射出されてトラックＴ１の第１および第２のパターン１１，１２の反射部で反射した光を光電変換する複数の光電変換素子により構成されている。また、受光部２３は、光源２１から射出されてトラックＴ２の第１および第２のパターン１１′，１２′の反射部で反射した光を光電変換する複数の光電変換素子により構成されている。

センサ２０は、位置検出部３０からの検出周期切り替え信号に応じて、受光部２２，２３の検出周期を切り替える。具体的には、受光部２２，２３の検出周期をそれぞれ、第１のピッチＰ１，Ｑ１に一致する又は十分に近い第１の検出周期Ｐ０と、第２のピッチＰ２，Ｑ２に一致する又は十分に近い第２の検出周期４・Ｐ０との間で切り替える。受光部２２，２３はそれぞれ、第１の検出周期が設定されると（つまりは第１の検出状態に設定されると）、第１のパターン１１，１１′を読み取り可能となる。そして、第１のパターン１１，１１′を読み取ることで、それぞれ第１のピッチＰ１に対応した変化周期を有し、かつ互いに９０度の位相差を持つ２相の正弦波信号としての第１の２相信号（第１の信号）を出力する。また、受光部２２，２３はそれぞれ、第２の検出周期が設定されると（つまりは第２の検出状態に設定されると）、第２のパターン１２，１２′を読み取り可能となる。そして、第２のパターン１２を読み取ることで、それぞれ第２のピッチＰ２に対応した変化周期を有し、かつ互いに９０度の位相差を持つ２相の正弦波信号としての第２の２相信号（第２の信号）を出力する。

位置検出部３０は、センサ２０（受光部２２，２３）から出力された２組の２相信号を用いて、後述する位置検出処理を行う。センサ２０（受光部２２，２３）の検出周期の切り替え（位置検出部３０からの検出周期切り替え信号の出力）と位置検出処理の制御は、装置のシステムから位置検出リクエスト信号が入力された制御部４０により行われる。

以下、本実施例において位置検出部３０で行われる位置検出処理について説明する。本実施例でも、位置検出処理は、第１の処理とその後に行われる第２の処理とに分けられる。第１の処理は、第１および第２の検出周期に設定した受光部２２，２３からそれぞれ取り込んだ第１および第２の２相信号の双方を用いてスケール１０（可動部材）の絶対位置としての第１の絶対位置を検出（算出）する。第２の処理は、一方の検出周期に設定した受光部２２から取り込んだ、第１および第２の２相信号のうち一方の信号を用いてスケール１０（可動部材）とセンサ２０との相対移動量を検出（算出）する。さらに第２の処理は、該相対移動量を第１の絶対位置に加えることでスケール１０（可動部材）の絶対位置としての第２の絶対位置を検出（算出）する。本実施例でも、第１の２相信号を用いて第２の処理を行う。

まず第１の処理では、位置検出部３０からの検出周期切り替え信号に応じて、受光部２２，２３の検出周期がともに第２の検出周期４・Ｐ０に設定される。これにより、センサ２０（受光部２２，２３）からは、第２のパターン１２，１２′にそれぞれ対応する２組の第２の２相信号が出力される。以下の説明では、受光部２２から第２のパターン１２に対応して出力される第２の２相信号をＰ２信号といい、受光部２３から第２のパターン１２′に対応して出力される第２の２相信号をＱ２信号という。

位置検出部３０は、Ａ／Ｄコンバータ３１によって２組の第２の２相信号を、Ｐ２信号、Ｑ２信号およびＰ２信号の順で３回サンプリングする。Ａ／Ｄコンバータ３１によりデジタル信号に変換された上記３組の２相信号は、位相検出部３２に入力される。そして、位相検出部３２は、該３組の２相信号に対してａｒｃｔａｎ演算を行うことで各組の２相信号の位相θＰ_２＿１，θ_Ｑ２，θ_Ｐ２＿２を求める。先のＰ２信号のサンプリング時刻を０とし、次のＱ２信号のサンプリング時刻をΔｔとし、後のＰ２信号のサンプリング時刻を２Δｔとする。

第２の２相信号のサンプリングが行われた後、位置検出部３０からの検出周期切り替え信号に応じて、受光部２２，２３の検出周期がともに第１の検出周期Ｐ０に切り替えられる。これにより、センサ２０（受光部２２，２３）からは、第１のパターン１１，１１′にそれぞれ対応する２組の第１の２相信号が出力される。以下の説明では、受光部２２から第１のパターン１１に対応して出力される第１の２相信号をＰ１信号といい、受光部２３から第１のパターン１１′に対応して出力される第１の２相信号をＱ１信号という。

位置検出部３０は、Ａ／Ｄコンバータ３１によって２組の第１の２相信号を、Ｐ１信号、Ｑ１信号およびＰ１信号の順で３回サンプリングする。Ａ／Ｄコンバータ３１によりデジタル信号に変換された上記３組の２相信号は、位相検出部３２に入力される。そして、位相検出部３２は、該３組の２相信号に対してａｒｃｔａｎ演算を行うことで各組の２相信号の位相θＰ_１＿１，θ_Ｑ１，θ_Ｐ１＿２を求める。先のＰ１信号のサンプリング時刻をｔとし、次のＱ１信号のサンプリング時刻をｔ＋Δｔとし、後のＰ１信号のサンプリング時刻をｔ＋２Δｔとする。こうして求められた６つの位相θＰ_２＿１，θ_Ｑ２，θ_Ｐ２＿２，θＰ_１＿１，θ_Ｑ１，θ_Ｐ１＿２が同期処理部３３に入力される。

図６には、以下に説明する位相も含めて、時刻と位相の関係および位相間の相互関係を示す。図６の１番上の列（第１列）は時刻を示し、第２列以降は位相を示す。各行は、第１列に示した時刻に対応する位相を表し、位相の相互関係を矢印で表している。

例えば、θ_Ｐ２はθ_Ｐ２＿１とθ_Ｐ２＿２を用いて求められる。そして、後述する式（１０）〜（１８）により、θ_Ｐ２，θ_Ｖ１，θ_Ｐ１，θ_Ｖ８，θ_Ｐ２ｔ，θ_Ｖ１ｔが求められる。

トラックＴ１，Ｔ２における第２のパターン１２，１２′はそれぞれ、パターン全長において４０周期および３９周期含まれるため、Ｐ２信号とＱ２信号の位相差を求めると、その位相差は絶対位置を表す。しかし、θ_Ｐ２＿１，θ_Ｑ２，θ_Ｐ２＿２のサンプリング時刻がそれぞれ異なるため、時刻０，２・Δｔにサンプリングした位相θ_Ｐ２＿１，θ_Ｐ２＿２から時刻Δｔにおける位相θ_Ｐ２を求めて位相差を求める。時刻Δｔにおける位相θ_Ｐ２は以下の式（１０）により求められ、Ｐ２信号とＱ２信号の位相差θ_Ｖ１は式（１１）により求められる。

なお、本実施例では、θ_Ｑ２のサンプリング時刻Δｔにおけるθ_Ｐ２の算出処理については、実施例１の最後に補足した平均化処理を採用している。

また、トラックＴ１，Ｔ２における第１のパターン１１，１１′はそれぞれ、パターン全長に１６０周期および１５２周期含まれるため、Ｐ１信号とＱ１信号の位相差としてパターン全長で８周期の位相差を求めることができる。時刻ｔ＋ΔｔにおけるＰ１信号に対応する位相をθ_Ｐ１とし、Ｐ１信号とＱ１信号の位相差をθ_Ｖ８とすると、それぞれ以下の式（１２）と式（１３）で表される。

こうして求めたθ_Ｐ２，θ_Ｖ１，θ_Ｐ１，θ_Ｖ８から実施例１と同様に絶対位置を求めることもできる。しかし、θ_Ｐ２とθ_Ｖ１のサンプリング時刻はΔｔであり、θ_Ｐ１とθ_Ｖ８のサンプリング時刻はｔ＋Δｔであり、両時刻に差がある。そこで、本実施例では、この時刻差を補正することで位置検出の信頼性を高める。

まず、θ_Ｐ２＿１とθＰ_２＿２およびθ_Ｐ１＿１とθ_Ｐ１＿２からスケール１０とセンサ２０の相対移動速度を求め、その後、時刻ｔ＋Δｔにおけるθ_Ｐ２，θ_Ｖ１に対応する位相θ_Ｐ２ｔ，θ_Ｖ１ｔをそれぞれ求める。θ_Ｐ２＿１とθ_Ｐ２＿２から求められる相対移動速度をｕ２とし、θ_Ｐ１＿１とθ_Ｐ１＿２から求められる相対移動速度をｕ１とする。また、ｕ１とｕ２の平均速度をｕとし、パターン長さをＬとすると、これらは以下の式（１４）〜（１８）によって表される。

以上により求めたθ_Ｐ２，θ_Ｖ１，θ_Ｐ１，θ_Ｖ８から実施例１と同様にして絶対位置を求める。θ_Ｖ１，θ_Ｖ８，θ_Ｐ２およびθ_Ｐ１はパターン全長に対してそれぞれ、１周期、８周期、４０周期および１６０周期含まれる。このため、ｍ１，ｍ２，ｍ３を整数とし、θ１，θ２，θ３を絶対位置とすると、これらは以下の式（１９）〜（２４）により求められる。

同期処理部３３は、こうして求めた絶対位置（第１の絶対位置）θ_３を位置更新部３４にセットする。位置更新部３４は、制御部４０に該絶対位置θ_３の情報を出力する。制御部４０は、装置のシステムに絶対位置θ_３の情報を出力する。こうして第１の処理が終了する。

次に第２の処理について説明する。本実施例の第２の処理では、一方の受光部２２から出力されるＰ１信号（第１の２相信号）を用いて、可動部材（スケール１０）とセンサ２０との相対移動量を算出する。そして、この相対移動量を、第１の処理で求めた絶対位置θ_３に加算することで、可動部材（スケール１０）の新たな絶対位置としての第２の絶対位置を算出する。

すなわち、第２の処理では、センサ２０の検出周期を第１の処理での最後の検出周期と同じ第１の検出周期Ｐ０としたまま、Ａ／Ｄコンバータ３１でのＰ１信号のサンプリングを行い、位相検出部３２にてＰ１信号の位相θ_Ｐ１＿３を求める。第２の処理において、第１の処理での最後の検出周期と同じ第１の検出周期Ｐ０を用いる理由は、実施例１にて説明した理由と同じである。位相θ_Ｐ１＿３は、第２の処理が開始された後のスケール１０とセンサ２０との相対移動量に相当する。

そして、位相θ_Ｐ１＿３は位置更新部３４に入力される。位置更新部３４は、位相θ_Ｐ１＿３と第１の処理で求めた絶対位置θ_３とから、以下の式（２５）および（２６）を用いて、絶対位置θ_４を求める。ただし、θ_Ｐ１＿３は、ｍ_４周期目であるとする。

位置更新部３４は、こうして求めた絶対位置（第２の絶対位置）θ_４を制御部４０に出力する。制御部４０は、装置のシステムに該絶対位置θ_４の情報を出力する。こうして第２の処理が終了する。これ以降は、前回の第２の処理により求められた絶対位置を基準として次回の第２の処理を行うことで、可動部材の絶対位置を求め続けることができる。

本実施例では、θ_Ｐ２＿１とθ_Ｐ２＿２から求められる相対移動速度ｕ２、θ_Ｐ１＿１とθ_Ｐ１＿２から求められる相対移動速度ｕ１との平均速度を求めて絶対位置を補正する場合について説明した。しかし、ｕ１とｕ２のうちいずれか一方の相対移動速度のみを用いて補正を行ってもよい。これにより、サンプリング回数を削減し、位置検出に要する時間を短縮することができる。

また、粗いピッチは検出可能な速度の範囲が広く、細かいピッチは速度の検出精度が高いので、検出された速度に応じてｕ１とｕ２のうち一方の速度を選択したり、ｕ１とｕ２に重み付けをした結果を用いたりして補正を行ってもよい。

例えば、速度ｕ１，ｕ２、閾値Ｔｈおよび変数αを用いて、速度ｕを以下の式（２７）および式（２８）を用いて求めることができる。

また、速度ｕ１，ｕ２の差に上限値（閾値）を設け、差が大きすぎる場合にエラー信号を出力するようにしてもよい。特にノイズの大きな環境において、エンコーダの信頼性を高めるために有効である。

また、上記各実施例では、第１の処理の最後に第１の検出周期を設定し、第２の処理でそのまま第１の検出周期を用いる場合について説明したが、第１の処理の最後に第２の検出周期を設定し、第２の処理でそのまま第２の検出周期を用いるようにしてもよい。この場合も、第１の処理から第２の処理に移行する際に、受光部２２の検出周期を切り替える必要がなく、移行後に迅速に第２の処理を開始することができる。なお、上記各実施例にて説明した第１の処理での第１および第２の２相信号のサンプリング回数やサンプリング順は例に過ぎず、第１の処理の最後の検出周期と第２の処理の検出周期とが同じであれば、サンプリング回数やサンプリング順はどのようなものでもよい。

さらに、上記各実施例では、反射部と非反射部が交互に設けられた周期パターンからの反射光を用いる光学式エンコーダについて説明したが、本発明は、透過部と非透過部が交互に設けられた周期パターンからの透過光を用いる光学式エンコーダに適用できる。さらに、本発明は、磁気スケールと磁気センサとにより構成される磁気式エンコーダにも適用することができる。

図７には、上述した実施例１，２のいずれかで説明したエンコーダを搭載した装置の一例として、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置（光学機器）を示している。この撮像装置では、エンコーダをレンズ鏡筒内での可動レンズの絶対位置を検出するために用いている。

図７において、１０はスケール、２０はセンサ、３０は位置検出部、４０は制御部であり、これらによってエンコーダが構成される。スケール１０は、レンズ鏡筒内において光軸回りで回転する円筒形状のカム環５０の内周面に取り付けられている。カム環５０は、不図示のアクチュエータによって回転駆動される。

レンズ鏡筒内には、撮影光学系５１が収容されている。撮影光学系５１は、カム環５０が回転することで、該カム環５０に形成されたカムによって光軸方向に移動可能な可動レンズ（例えば、変倍レンズやフォーカスレンズ）５２を含む。

５５は撮像装置のシステム全体を制御するＣＰＵである。５６は撮影光学系５１により形成された被写体像を光電変換するイメージセンサ（撮像素子）であり、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子により構成されている。

可動レンズ５２を移動させるためにカム環５０が回転すると、エンコーダによりカム環５０の絶対回転位置（つまりは可動レンズ５２の光軸方向での絶対位置）が検出され、その情報（第１の絶対位置と第２の絶対位置）がＣＰＵ５５に出力される。

ＣＰＵ５５は、その絶対位置情報に基づいてカム環５０を回転させるアクチュエータを駆動し、可動レンズ５２を目標とする位置に移動させる。

本発明のエンコーダは、上述した撮像装置に限らず、プリンタ（光学機器）における印字ヘッドや給紙ローラの位置検出、複写機（光学機器）の感光ドラムの回転位置検出をはじめ、ロボットアームの位置検出等、様々な装置に適用することができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

高精度な絶対位置検出が可能なエンコーダを提供できる。

１０ スケール
１１，１１′ 第１の周期パターン
１２，１２′ 第２の周期パターン
２０ センサ
２１ 光源
２２，２３ 受光部
３０ 位置検出部

Claims (5)

1. 第１の周期パターンおよび該第１の周期パターンよりも粗い周期を有する第２の周期パターンが設けられたスケールと、
   該スケールとの相対移動が可能であるとともに、前記第１の周期パターンを読み取るための第１の検出状態と前記第２の周期パターンを読み取るための第２の検出状態との間での切り替えが可能であり、前記第１の検出状態において前記第１の周期パターンに応じた変化周期を有する第１の信号を出力し、前記第２の検出状態において前記第２の周期パターンに応じた変化周期を有する第２の信号を出力する検出部と、
   前記第１および第２の検出状態に設定した前記検出部からそれぞれ取り込んだ前記第１および第２の信号の双方を用いて第１の絶対位置を算出する第１の処理を行った後、前記第１および第２の検出状態のうち一方の検出状態に設定した前記検出部から取り込んだ、前記第１および第２の信号のうち一方の信号を用いて相対移動量を算出し、該相対移動量と前記第１の絶対位置とを用いて第２の絶対位置を算出する第２の処理を行う処理部とを有し、
   前記処理部は、前記第１および第２の検出状態のうち、前記第１の処理において最後に設定した検出状態と同じ検出状態の前記検出部から前記一方の信号を取り込んで前記第２の処理を行うことを特徴とするエンコーダ。
2. 前記処理部は、前記第１の処理において、前記第１の検出状態を最後に設定することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記処理部は、前記第１の処理において、前記第１の検出状態を最初と最後に設定することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
4. 前記処理部は、前記第１の処理において、
   前記第１および第２の信号を複数の時刻にてサンプリングして前記スケールと前記検出部との相対移動速度を求め、
   前記第１および第２の信号のそれぞれの位相を求め、
   該相対移動速度と前記時刻を用いて補正した前記位相から前記第１の絶対位置を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエンコーダ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のエンコーダと、
   該エンコーダを用いて位置が検出される可動部材とを有することを特徴とする装置。