JP2013231704A - 位置検出エンコーダおよびこれを用いた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スケールとセンサとの相対移動量（相対移動速度）にかかわらず、高い精度での位置検出が可能な位置検出エンコーダを提供する。
【解決手段】位置検出エンコーダは、周期が異なる第１および第２の周期パターン１１，１２を有するスケール１０と、第１の周期パターンを読み取って第１の周期信号を出力する第１の検出状態と第２の周期パターンを読み取って第１の周期信号より長い周期を有する第２の周期信号を出力する第２の検出状態とに切り替え可能なセンサ２０と、第１および第２の周期信号を用いてスケールとセンサとの相対移動方向での位置を算出する処理部３０とを有する。処理部は、異なる時刻において第２の周期信号、第１の周期信号および第２の周期信号をこの順で取り込み、該第２、第１および第２の周期信号の特定の時刻での位相を算出し、該算出した位相を用いて特定の時刻における上記位置を算出する。
【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て、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該可動部材の位置を示す信号を出力する位置検出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、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し、かつ検出素子の検出周期を時系列に切り替え、少ないスケールトラックから、より多くの情報を得るエンコーダがある。

特願２０１０‐１６３１８５号公報

特許文献１にて開示されたアブソリュート型エンコーダでは、位置検出のために異なる周期を有する周期パターンを時系列に読み取るため、センサの検出周期を読み取るべき周期パターンの周期に合わせて切り替える必要がある。

しかしながら、センサにおける検出周期の切り替えには、該センサやこれに関連する回路の特性に応じて異なるものの、一般には十分な時間が必要である。また、切り替え期間中においては周期パターンの読み取り、つまりは位置変化を検出することができないため、検出周期の切り替え前後におけるスケールとセンサとの相対位置の変化量（相対移動速度）が大きいと、切り替え後の検出位置に誤差を含むことになる。

本発明は、スケールとセンサとの相対移動量（相対移動速度）にかかわらず、高い精度での位置検出が可能な位置検出エンコーダを提供する。

本発明の一側面としての位置検出エンコーダは、第１の周期パターンおよび該第１の周期パターンとは異なる周期を有する第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の検出状態との間で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の周期信号を出力し、第２の検出状態において第２の周期パターンに応じた第１の周期信号より長い変化周期を有する第２の周期信号を出力するセンサと、該センサからそれぞれ取り込んだ第１および第２の周期信号の双方を用いてスケールとセンサとの相対移動方向での位置を算出する処理部とを有する。そして、処理部は、互いに異なる時刻において第２の周期信号、第１の周期信号および第２の周期信号をこの順で取り込み、該第２、第１および第２の周期信号のそれぞれの特定の時刻での位相を算出し、該算出した位相を用いて特定の時刻における上記位置を算出することを特徴とする。

なお、上記位置検出エンコーダと、該位置検出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、周期が長い第２の周期信号がより周期が短い第１の周期信号と比較してスケールとセンサとの相対移動量に対する信号の変化量が小さいことを利用して、該相対移動量（相対移動速度）が大きい場合でも位置検出誤差の発生を抑制できる。これにより、相対移動量（相対移動速度）にかかわらず、高い精度での位置検出が可能な位置検出エンコーダを実現することができる。

本発明の実施例１である位置検出エンコーダの構成を示すブロック図。 実施例１のエンコーダのスケールを示す図。 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である位置検出エンコーダの構成を示すブロック図。 実施例２のエンコーダのスケールを示す図。 実施例２のエンコーダにおける時刻と検出された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説明する。

図１には、本発明の実施例１である位置検出エンコーダ（以下、単にエンコーダという）の構成を示している。エンコーダ１は、スケール１０、センサ２０、位置検出部（処理部）３０および制御部４０により構成されており、スケール１０とセンサ２０との相対位置を検出する反射型の光学式アブソリュートエンコーダである。

スケール１０は、光学機器等の各種装置内に設けられた可動部材である位置検出対象部材に取り付けられている。また、センサ２０は、当該装置内の筐体等の不動の固定部材に取り付けられている。すなわち、本実施例のエンコーダは、スケール１０がセンサ２０に対して移動することでセンサ２０から該移動の量（つまりは位置）を示す信号が出力される。ただし、センサ２０を位置検出対象部材に取り付け、スケール１０を固定部材に取り付けて、センサ２０がスケール１０に対して移動することでセンサ２０から上記信号が出力されるようにしてもよい。このように、エンコーダでは、スケール１０とセンサ２０とが相対移動すればよい。また、本実施例は、リニア型エンコーダおよびロータリ型エンコータのいずれも含む。

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（図２の左右方向）を長手方向といい、長手方向に直交する方向（図２の上下方向）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Ｐ_１，Ｐ_２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Ｐ_１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Ｐ_２を第２のピッチという。

第１のピッチＰ_１は、第２のピッチＰ_２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よりも長い（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Ｐ_１に一致する又は十分に近い第１の検出周期Ｐ_０と、第２のピッチＰ_２に一致する又は十分に近い第２の検出周期４・Ｐ_０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、受光部２２は、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の周期信号：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の周期信号：以下、第２の２相信号という）を出力する。第２の２相信号は、第１の２相信号よりも長い周期（第１および第２の２相信号のうち最も長い周期）を有する。

位置検出部３０は、センサ２０（受光部２２）から出力された第１および第２の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。本実施例での位置検出処理では、第１および第２の検出周期に設定したセンサ２０（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とセンサ２０との相対移動方向での位置を算出する。この際、互いに異なる時刻において第２の２相信号、第１の２相信号および第２の２相信号をこの順で取り込み、該第２、第１および第２の２相信号のそれぞれの特定の時刻での位相を算出する。そして、該算出した位相を用いて特定の時刻における上記位置を算出する。

まず、位置検出部３０は、センサ２０の検出周期を第２の検出周期（４・Ｐ_０）に設定し、第２の２相信号をＡ／Ｄコンバータ３１を通じてサンプリングする。次に、位置検出部３０は、制御部４０からの検出周期切り替え信号に応じて、センサ２０の検出周期を第１の検出周期（Ｐ_０）に切り替え、第１の２相信号をＡ／Ｄコンバータ３１を通じてサンプリングする。さらに、位置検出部３０は、制御部４０からの検出周期切り替え信号に応じて、センサ２０の検出周期を第２の検出周期に切り替え、再度第２の２相信号をサンプリングする。このように、位置検出部３０は、第２の２相信号→第１の２相信号→第２の２相信号というように３回２相信号のサンプリングを行う。そして、３回サンプリングされてＡ／Ｄコンバータ３１によりデジタル信号に変換した３組の２相信号を位相検出部３２に入力する。この３回のサンプリングが行われる時刻間隔は一定であり、以下の説明では、最初の第２の２相信号のサンプリング時刻を０とし、次の第１の２相信号のサンプリング時刻をｔとし、最後の第２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２の２相信号の位相をθ_Ｐ２＿１とし、次の第１の２相信号の位相をθ_Ｐ１とし、最後の第２の２相信号の位相をθ_Ｐ２＿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表す。

位相検出部３２にて求められた３つの位相は、速度検出部３３に入力される。３つの位相θ_Ｐ２＿１，θ_Ｐ１，θ_Ｐ２＿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、本実施例では、速度検出部３３においてスケール１０とセンサ２０の相対移動速度を推定する。次に、位相補正部３４において、推定された相対移動速度を用いて位相検出部３２で求めた位相のうち特定の時刻とは異なる時刻の２相信号の位相を特定の時刻における位相に補正（換算）する。そして、同期処理部３５において、特定の時刻での位相からスケール１０とセンサ２０との相対移動方向での位置を算出する。本実施例では、特定の時刻としての時刻２ｔにおける位置を算出する。

速度検出部３３は、位相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。相対移動速度をｕとすると、位相θＰ_２＿１，θＰ_２＿２のサンプリング時刻の差が２ｔであるため、ｕは以下の式（１）で求められる。

位相補正部３４は、時刻２ｔにおける第１の２相信号の位相θ_Ｐ１＿２を求める。θ_Ｐ１のサンプリング時刻がｔであるから、位相θ_Ｐ１＿２は、式（２）に示すように、θ_Ｐ１に、相対移動速度ｕでの時間ｔ分の位相変化量を加えることで求められる。

以上により、時刻２ｔにおける第１および第２の２相信号の位相θ_Ｐ１＿２，θ_Ｐ２＿２が得られる。同期処理部３５は、これらを用いて時刻２ｔにおける位置を絶対位置として求める。

具体的には、同期処理部３５は、まず、パターン全長に２０周期含まれる第２のパターン１２に対応する第２の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に対応する第１の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、θ_Ｖ１は以下の式（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、同期処理部３５は、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、同期処理部３５は、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３５は、こうして求めた絶対位置θ_２の情報を制御部４０に出力する。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。
周期が長い第２のパターン１２に対応する第２の２相信号は、周期が短い第１のパターン１１に対応する第１の２相信号と比較して、スケール１０とセンサ２０の相対位置の変化に対する信号の変化量が小さい。このため、本実施例のエンコーダは、より速い相対移動速度でのより大きい相対位置変化に対応することができる。したがって、スケール１０とセンサ２０とが速い速度で相対移動する場合においても、絶対位置を求めたい時刻での位相補正範囲を広げることができ、この結果、検出位置誤差の発生を抑制し、高い精度での位置の検出が可能となる。
なお、本実施例では、特定の時刻を２ｔとし、該時刻２ｔにおける位置を絶対位置として検出（算出）したが、時刻２ｔとは異なる時刻を特定の時刻としてその時刻での絶対位置を検出してもよい。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、式（８）に示すように、時刻ｔにおける第２のパターンの位相が相対移動速度ｕにかかわらず、θ_Ｐ２＿１とθ_Ｐ２＿２の平均として求められる。このため、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。なお、式（８）において、θ_Ｐ２＿３は時刻ｔにおける第２のパターンに対応する第２の２相信号の位相とする。この場合、相対移動速度ｕを求める必要がなく、図１中の速度検出部３３が不要となる。

また、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。

さらに、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。この場合、３つ以上の周期パターンに対応する３つ以上の２相信号のうち最も周期が長い２相信号を第２の２相信号とし、他の２相信号はすべて第１の２相信号として扱えばよい。これにより、速い相対移動速度での大きい相対位置変化に対応することができるという作用効果をより効果的に得ることができる。このことは、後述する実施例２でも同じである。

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Ｐ_１，Ｐ_２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Ｑ_１，Ｑ_２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。

センサ２０の受光部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Ｐ_０と、第２のピッチＰ_２，Ｑ_２に一致する又は十分に近い第２の検出周期４・Ｐ_０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を読み取ることで、第１のピッチＰ_１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の周期信号）を出力する。また、第１のパターン１１′を読み取ることで、第１のピッチＱ_１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の周期信号）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、第２のピッチＰ_２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の周期信号）を出力する。また、第２のパターン１２′を読み取ることで、第２のピッチＱ_２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の周期信号）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、位置検出処理では、第１および第２の検出周期に設定したセンサ２０（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とセンサ２０との相対移動方向での位置を算出する。この際、互いに異なる時刻において第２の２相信号、第１の２相信号および第２の２相信号をこの順で取り込み、該第２、第１および第２の２相信号のそれぞれの特定の時刻での位相を算出する。そして、該算出した位相を用いて特定の時刻における上記位置を算出する。なお、本実施例では、２つのトラックＴ１，Ｔ２が設けられており、最初の第２の２相信号の取り込みおよび次の第１の２相信号の取り込みは、トラックＴ２とトラックＴ１とからこのトラック順で行う。また、最後の第２の２相信号の取り込みは、トラックＴ１のみから行う。

まず、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の受光部２２，２３の検出周期がともに第２の検出周期４・Ｐ_０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を通じて２組の第２の２相信号を、Ｑ２信号、Ｐ２信号の順でサンプリングする。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２組の第２の２相信号（Ｑ２信号、Ｐ２信号）は、位相検出部３２に入力される。位相検出部３２は、Ｑ２信号およびＰ２信号のそれぞれに対してａｒｃｔａｎ演算を行うことで、それらＱ２信号およびＰ２信号の位相θ_Ｑ２，θ_Ｐ２＿１を求める。Ｑ２信号のサンプリング時刻を０とし、次のＰ２信号のサンプリング時刻をΔｔ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を通じて２組の第１の２相信号を、Ｑ１信号、Ｐ１信号の順でサンプリングする。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２組の第１の２相信号（Ｑ１信号、Ｐ１信号）は、位相検出部３２に入力される。

位相検出部３２は、Ｑ１信号およびＰ１信号のそれぞれに対してａｒｃｔａｎ演算を行うことで、それらＱ１信号およびＰ１信号の位相θ_Ｑ１，θ_Ｐ１を求める。Ｑ１信号のサンプリング時刻をｔ＋Δｔとし、次のＰ１信号のサンプリング時刻をｔ＋２Δｔとする。

さらに、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、受光部２２の検出周期が再び第２の検出周期４・Ｐ_０に切り替えられる。これにより、センサ２０（受光部２２）からは、第２のパターン１２に対応する第２の２相信号（Ｐ２信号）が出力される。位相検出部３２は、該Ｐ２信号に対してａｒｃｔａｎ演算を行うことで、このＰ２信号の位相θ_Ｐ２＿２を求める。Ｐ２信号のサンプリング時刻を２ｔ＋２Δｔとする。

こうして求められた５つの位相θ_Ｑ２，θ_Ｐ２＿１，θ_Ｑ１，θ_Ｐ１，θ_Ｐ２＿２は、速度検出部３３に入力される。

５つの位相θ_Ｑ２，θ_Ｐ２＿１，θ_Ｑ１，θ_Ｐ１，θ_Ｐ２＿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５つの位相はそれぞれ異なる位置に対応する。そこで、本実施例では、速度検出部３３において、位相θ_Ｐ２＿１と位相θ_Ｐ２＿２からスケール１０とセンサ２０の相対移動速度を推定する。次に、位相補正部３４において、推定された相対移動速度を用いて位相検出部３２で求めた位相のうち特定の時刻とは異なる時刻の２相信号の位相を特定の時刻における位相に補正（換算）する。そして、同期処理部３５において、特定の時刻での位相から位置（絶対位置）を求める。本実施例では、特定の時刻としての時刻２ｔ＋２Δｔにおける位置を求める場合について説明する。

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_Ｐ１＿２を指す矢印は、θ_Ｐ１＿２がθ_Ｐ１を用いて求められることを意味する。

速度検出部３３は、スケール１０とセンサ２０の相対移動速度ｕを求める。位相θ_Ｐ２＿１，θ_Ｐ２＿２のサンプリング時刻の差は２ｔ＋Δｔであるため、それらの位相とサンプリング時刻の変化量から相対移動速度ｕは、式（９）で求められる。

位相補正部３４は、求められた相対移動速度ｕを用いて、時刻２ｔ＋２ΔｔにおけるＱ２信号、Ｑ１信号およびＰ１信号のそれぞれに対応する２相信号の位相θ_Ｑ２＿２，θ_Ｑ１＿２，θ_Ｐ１＿２を算出する。位相θ_Ｑ２，θ_Ｑ１，θ_Ｐ１のサンプリング時刻はそれぞれ、０，ｔ＋Δｔ，ｔ＋２Δｔであり、それらと時刻２ｔ＋２Δｔとの差はそれぞれ、２ｔ＋２Δｔ，ｔ＋Δｔ，ｔである。したがって、時刻２ｔ＋２Δｔにおける位相θ_Ｑ２＿２，θ_Ｑ１＿２，θ_Ｐ１＿２はそれぞれ、式（１０），（１１），（１２）で求められる。

同期処理部３５は、このようにして求められた時刻２ｔ＋２Δｔにおける位相θ_Ｑ２＿２，θ_Ｑ１＿２，θ_Ｐ１＿２を用いて、時刻２ｔ＋２Δｔにおけるスケール１０とセンサ２０との相対移動方向での位置を算出する。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θ_Ｖ１を求めると、その位相差は絶対位置を表す。位相差θ_Ｖ１は、式（１３）により求められる。

同様にして、同期処理部３５は、Ｐ１信号およびＱ１信号の位相差θ_Ｖ８を求める。トラックＴ１，Ｔ２における第１のパターン１１，１１′はそれぞれ、パターン全長において１６０周期および１５２周期含まれるため、位相差θ_Ｖ８はパターン全長で８周期となる。位相差θ_Ｖ８は、式（１４）で求められる。

同期処理部３５は、こうして求められたθ_Ｖ１，θ_Ｖ８，θ_Ｐ２＿２，θ_Ｐ１＿２から、実施例１と同様にスケール１０とセンサ２０との相対移動方向での絶対位置を求める。θ_Ｖ１，θ_Ｖ８，θ_Ｐ２＿２，θ_Ｐ１＿２はそれぞれ、パターン全長に対して、１周期、８周期、４０周期、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、これらは式（１５）〜（２０）で求められる。

同期処理部３５は、こうして求めた絶対位置θ_３の情報を制御部４０に出力する。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。

周期が長い第２のパターン１２，１２′に対応する第２の２相信号は、周期が短い第１のパターン１１，１１′に対応する第１の２相信号と比較して、スケール１０とセンサ２０の相対位置の変化に対する信号の変化量が小さい。このため、本実施例のエンコーダは、より速い相対移動速度でのより大きい相対位置変化に対応することができる。したがって、スケール１０とセンサ２０とが速い速度で相対移動する場合においても、絶対位置を求めたい時刻での位相補正範囲を広げることができ、この結果、検出位置誤差の発生を抑制し、高い精度での位置の検出が可能となる。

なお、本実施例では、特定の時刻を２ｔ＋２Δｔとし、該時刻２ｔ＋２Δｔにおける絶対位置を検出する場合について説明したが、時刻２ｔ＋２Δｔとは異なる時刻を特定の時刻として、その時刻での絶対位置を検出してもよい。本実施例のように、最後のサンプリングを行った時刻、またはそれ以降の時刻の位置を検出すると、装置のシステムが検出位置の情報を使用する時刻に近い時刻での位置を求めることになる。一方、最初のサンプリングを行った時刻での位置を求めると、装置のシステムから位置検出リクエストが出力された時刻に近い時刻での位置を求めることになる。

また、本実施例では相対移動速度ｕが一定であると仮定しており、位置検出中での相対移動速度の変化により検出位置誤差が発生するおそれがある。しかし、最終的な検出位置θ３を決定するＰ１信号のサンプリング時刻ｔ＋２Δｔにおける位置を求めることで、誤差を抑制できる。これは、時刻ｔ＋２Δｔにおける位置を求めると、θ_Ｐ１＿２＝θ_Ｐ１となり、相対移動速度ｕの値に誤差が含まれていたとしても、θＰ_１＿２の値には影響しないためである。

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、その情報がＣＰＵ５５に出力される。

ＣＰＵ５５は、その絶対回転位置の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。

高精度な位置検出が可能なエンコーダを提供できる。

１０ スケール
２０ センサ
３０ 位置検出部
４０ 制御部

Claims (3)

1. 第１の周期パターンおよび該第１の周期パターンとは異なる周期を有する第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の周期信号を出力し、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前記第１の周期信号より長い変化周期を有する第２の周期信号を出力するセンサと、
   前記センサからそれぞれ取り込んだ前記第１および第２の周期信号の双方を用いて前記スケールと前記センサとの相対移動方向での位置を算出する処理部とを有し、
   前記処理部は、互いに異なる時刻において前記第２の周期信号、前記第１の周期信号および前記第２の周期信号をこの順で取り込み、該第２、第１および第２の周期信号のそれぞれの特定の時刻での位相を算出し、該算出した位相を用いて前記特定の時刻における前記位置を算出することを特徴とする位置検出エンコーダ。
2. 前記処理部は、前記互いに異なる時刻において取り込んだ前記第２、第１および第２の周期信号のうち２つの前記第２の周期信号の位相から前記スケールと前記センサとの相対移動速度を算出し、
   該相対移動速度を用いて、前記第２、第１および第２の周期信号のうち、前記特定の時刻とは異なる時刻に取り込んだ周期信号の前記特定の時刻での前記位相を算出することを特徴とする請求項１に記載の位置検出エンコーダ。
3. 請求項１または２に記載の位置検出エンコーダと、
   該位置検出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。