JP2014178228A - 位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、工作装置、位置検出方法、および、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】絶対位置を広い範囲で高精度に検出可能な位置検出装置を提供する。
【解決手段】位置検出装置であって、信号処理手段は、第１の周期信号を生成する第１の周期信号生成手段と、第２の周期信号を生成する第２の周期信号生成手段と、第１の周期信号および第２の周期信号を用いて第３の周期信号を生成する第３の周期信号生成手段と、第４の周期信号を生成する第４の周期信号生成手段と、第４の周期信号の整数分の１の周期を有する第５の周期信号を生成する第５の周期信号生成手段と、第６の周期信号を生成する第６の周期信号生成手段と、第６の周期信号の整数分の１の周期を有する第７の周期信号を生成する第７の周期信号生成手段とを有し、第１、第２の周期信号生成手段は、第４の周期信号および第５の周期信号を合成して第１の周期信号を生成し、第６の周期信号および第７の周期信号を合成して第２の周期信号を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定物の絶対位置を検出する位置検出装置に関する。

従来から、インクリメンタル方式のエンコーダ（位置検出装置）およびアブソリュート方式のエンコーダが知られている。インクリメンタル方式のエンコーダは、簡易に構成可能であるが、電源が切れた場合に位置情報または角度情報が失われ、また、外来ノイズにより誤差が蓄積されるという欠点がある。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、電源が切れた場合でも基準位置（ホームポジション）への移動が不要という利点を有する。

特許文献１には、絶対位置を検出するアブソリュート方式のエンコーダが開示されている。特許文献１の構成では、互いに異なる周期を有する２つの目盛りから得られる位相の差分に基づいて、元の信号周期よりも粗い周期の上位位置信号を生成する。また、生成された上位位置信号に基づいて、それよりも細かい周期信号の上位位置信号の周期内における位置を特定し、高精度の位置信号に変換する。

特開昭６１−１０８９１４号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、２組の正弦波および余弦波から生成される２つの位相信号の差分を用いて上位位置信号を生成する。このため、上位位置信号に含まれる誤差は、元の位相信号に含まれる誤差よりも大きくなる。上位位置信号を用いて、それよりも細かい周期信号の上位位置信号の周期内における位置を特定する場合、上位位置信号の誤差により誤検出を生じ易くなる。このため、検出領域（検出ストローク）が制限される。

そこで本発明は、絶対位置を広い範囲で高精度に検出可能な位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、工作装置、位置検出方法、および、プログラムを提供する。

本発明の一側面としての位置検出装置は、被測定物の位置を検出する位置検出装置であって、周期的に形成されたパターンを有するスケールと、前記スケールに対して相対移動可能に構成された検出手段と、前記検出手段の出力信号を処理して前記被測定物の位置情報を取得する信号処理手段とを有し、前記信号処理手段は、第１の周期信号を生成する第１の周期信号生成手段と、前記第１の周期信号の周期と異なる第２の周期信号を生成する第２の周期信号生成手段と、前記第１の周期信号および前記第２の周期信号を用いて、該第１の周期信号および該第２の周期信号のそれぞれの周期よりも長い周期を有する第３の周期信号を生成する第３の周期信号生成手段と、前記第１の周期信号と同じ周期を有する第４の周期信号を生成する第４の周期信号生成手段と、前記第４の周期信号の整数分の１の周期を有する第５の周期信号を生成する第５の周期信号生成手段と、前記第２の周期信号と同じ周期を有する第６の周期信号を生成する第６の周期信号生成手段と、前記第６の周期信号の整数分の１の周期を有する第７の周期信号を生成する第７の周期信号生成手段とを有し、前記第１の周期信号生成手段は、前記第４の周期信号および前記第５の周期信号を合成して前記第１の周期信号を生成し、前記第２の周期信号生成手段は、前記第６の周期信号および前記第７の周期信号を合成して前記第２の周期信号を生成する。

本発明の他の側面としてのレンズ装置は、光軸方向に変位可能なレンズと、前記レンズの位置を検出するように構成された前記位置検出装置とを有する。

本発明の他の側面としての撮像システムは、前記レンズ装置と、前記レンズを介して光学像の光電変換を行う撮像素子を備えた撮像装置とを有する。

本発明の他の側面としての工作装置は、ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、前記工作機器の位置または姿勢を検出するように構成された前記位置検出装置とを有する。

本発明の他の側面としての位置検出方法は、周期的に形成されたパターンを有するスケールに対して相対移動可能に構成された検出手段からの出力信号に基づいて、該スケールまたは該検出手段と一体的に移動する被測定物の位置を検出する位置検出方法であって、第１の周期信号と同じ周期を有する第４の周期信号、該第４の周期信号の整数分の１の周期を有する第５の周期信号、該第１の周期信号の周期と異なる第２の周期信号と同じ周期を有する第６の周期信号、および、該第６の周期信号の整数分の１の周期を有する第７の周期信号を生成するステップと、前記第４の周期信号および前記第５の周期信号を合成して前記第１の周期信号を生成するステップと、前記第６の周期信号および前記第７の周期信号を合成して前記第２の周期信号を生成するステップと、前記第１の周期信号および前記第２の周期信号を用いて、該第１の周期信号および該第２の周期信号のそれぞれの周期よりも長い周期を有する第３の周期信号を生成するステップとを有する。

本発明の他の側面としてのプログラムは、前記位置検出方法を情報処理装置に実行させるように構成されている。

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。

本発明によれば、絶対位置を広い範囲で高精度に検出可能な位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、工作装置、位置検出方法、および、プログラムを提供することができる。

実施例１における位置検出装置（エンコーダ）の構成図である。 実施例１におけるスケールのトラックの平面図である。 実施例１における受光素子アレイの受光面の平面図である。 実施例１において、周期信号Φ１、Φ２、Φ３、Φ４と回転角度θとの関係を示す図である。 実施例１において、周期信号Φ（１、３）、Φ（２、４）、Φ５、絶対位置信号ΦＡＢＳと回転角度θとの関係を示す図である。 実施例２における位置検出装置の構成図である。 実施例２におけるトラックの部分拡大平面図である。 実施例２におけるトラックの部分拡大平面図である。 実施例２におけるトラックの部分拡大平面図である。 実施例２におけるトラックの部分拡大平面図である。 実施例２におけるトラックの部分拡大平面図である。 実施例２におけるトラックの部分拡大平面図である。 実施例２における受光素子アレイの受光面の平面図である。 実施例２における受光素子アレイの受光面の平面図である。 実施例２において、周期信号Φ１、Φ２、Φ３、Φ４と回転角度θとの関係を示す図である。 実施例２において、周期信号Φ５、Φ６、Φ（５、１）、Φ（６、２）、Φ（（５、１）、３）、Φ（（６、２）、４）と回転角度θとの関係を示す図である。 実施例２において、周期信号Φ７および絶対位置信号ΦＡＢＳと回転角度θとの関係を示す図である。 実施例３における撮像システムの断面模式図である。 実施例１における位置検出方法のフローチャートである。

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。

まず、図１を参照して、本発明の実施例１における位置検出装置について説明する。図１は、本実施例における位置検出装置（エンコーダ１００）の構成図である。エンコーダ１００は、被測定物の位置を検出する位置検出装置である。またエンコーダ１００は、光学式エンコーダであり、固定部に取り付けられるセンサユニット１０Ａ、可動部４（回転可動部）に取り付けられたロータリー型のスケール２０、信号処理回路３０（信号処理手段）、および、記憶装置６０を備えて構成される。本実施例において、センサユニット１０Ａとスケール２０とが相対的に移動可能であればよく、センサユニット１０Ａを可動部４に取り付けてスケール２０を固定部に取り付けるように構成することもできる。本実施例において、被測定物はスケール２０またはセンサユニット１０Ａと一体的に移動する。

センサユニット１０Ａ（検出手段）は、ＬＥＤを備えた光源１２Ａ、および、受光素子アレイ１６Ａ〜１６Ｄを備えた受光ＩＣ１４Ａを同一のパッケージ内に実装して構成された受発光一体型センサユニットである。センサユニット１０Ａは、スケール２０に対して相対移動可能に構成されている。受光素子アレイ１６Ａ〜１６Ｄ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４の）の回転接線方向（測長方向）であるＸ方向に配列された検出素子アレイとして機能する。本実施例において、エネルギーは光である。ただし本実施例は、これに限定されるものではなく、エネルギーとして磁気や電気などを利用する場合にも適用可能である。この点は、後述の各実施例についても同様である。

スケール２０には、トラック２１Ａ〜２１Ｄが設けられている。トラック２１Ａ〜２１Ｄには、ガラス基板上にクロム反射膜の複数のパターンを備えたパターン列（周期的なパターン）が形成（パターニング）されている。本実施例のパターンは、エネルギー分布を空間変調するためのパターンである。なお本実施例において、受光素子アレイ１６Ａ〜１６Ｄは、スケール２０のパターンの反射光を受光しているが、これに限定されるものではない。本実施例は、例えば、スケール２０のパターンの透過光を受光する場合にも適用可能である。すなわち、受光素子アレイ１６Ａ〜１６Ｄは、スケール２０のパターンからの光を受光可能に構成されていればよい。

信号処理回路３０（信号処理手段）は、センサユニット１０Ａの受光素子アレイ１６Ａ〜１６Ｄの出力信号を処理して位置情報（被測定物の位置情報）を取得する。また信号処理回路３０は、センサユニット１０Ａで得られたエンコーダ信号の内挿処理、および、記憶装置６０への信号の書き込みおよび読み出しを行う。

スケール２０の位置情報を検出する場合、センサユニット１０Ａ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〜２１Ｄに照射されて反射する。トラック２１Ａ〜２１Ｄ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〜１６Ｄにより受光される。受光素子アレイ１６Ａ〜１６Ｄは、トラック２１Ａ〜２１Ｄの反射率分布が２倍に拡大された像として光束を受光する。受光素子アレイ１６Ａ〜１６Ｄにより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〜１６Ｄの出力信号を位置情報に変換し、スケール２０（被測定物）の位置情報を高精度に取得および出力する。

信号処理回路３０は、ノイズフィルタ、増幅回路、および、Ａ／Ｄ変換回路（いずれも不図示）に加えて、位相演算手段３２、第１〜第７の周期信号生成手段３３〜３９、および、位置情報演算手段４５を有する。位相演算手段３２は、受光素子アレイ１６Ａ〜１６Ｄの出力信号（アナログ信号）をＡ／Ｄ変換回路により変換して得られたデジタル信号に対して逆正接演算を行う。これにより、位相演算手段３２は、スケール２０のパターンからのエネルギー分布の位相を取得する。位置情報演算手段４５は、スケール２０（被測定物）の位置情報を取得する。位置情報演算手段４５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演算手段、および、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演算手段を有してもよい。

続いて、図２を参照して、スケール２０のトラック２１Ａ〜２１Ｄの構成について説明する。図２は、スケール２０のトラック２１Ａ〜２１Ｄの平面図である。ロータリー型のスケール２０には、互いに半径の異なる位置において、４種のトラック２１Ａ〜２１Ｄがそれぞれスリット列として設けられている。トラック２１Ａ〜２１Ｄにおけるスリット列の周期の数は、それぞれ、一周あたり８周期、７周期、３２周期、２８周期である。

続いて、図３を参照して、受光ＩＣ１４Ａの受光素子アレイ１６Ａ〜１６Ｄの構成について説明する。図３は、受光ＩＣ１４Ａの受光素子アレイ１６Ａ〜１６Ｄの平面図である。本実施例では、４種のトラック２１Ａ〜２１Ｄのスリットの周期に対応した検出周期、および、反射像の位置に合わせて、４列の受光素子アレイ１６Ａ〜１６Ｄが設けられている。

位相演算手段３２は、各スリット列に対応した受光素子アレイ１６Ａ〜１６Ｄから取得した電気信号に基づいて、それぞれの位相信号を取得する。第４の周期信号生成手段３６は、受光素子アレイ１６Ａから取得した位相信号に基づいて、θを回転可動部の回転角度として、Φ１＝８θを満たす周期信号（第４の周期信号）を取得する。同様に、第６の周期信号生成手段３８は、受光素子アレイ１６Ｃから取得した位相信号に基づいて、Φ２＝７θを満たす周期信号（第６の周期信号）を取得する。第５の周期信号生成手段３７は、受光素子アレイ１６Ｂから取得した位相信号に基づいて、Φ３＝３２θを満たす周期信号（第５の周期信号）を取得する。第７の周期信号生成手段３９は、受光素子アレイ１６Ｄから取得した位相信号に基づいて、Φ４＝２８θを満たす周期信号（第７の周期信号）を取得する。周期信号Φ１〜Φ４のそれぞれは、所定の位置で位相が同時にゼロとなるようにオフセットが加算される。

続いて、図４を参照して、可動部４の回転角度θに対する周期信号Φ１、Φ２、Φ３、Φ４について説明する。図４（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、周期信号Φ１、Φ２、Φ３、Φ４（検出値）と回転角度θとの関係を示す図である。図４において、周期信号Φ１、Φ２、Φ３、Φ４には、それぞれ正規分布に従う無相関の誤差成分σ１〜σ４として、０．１［ｒａｄ ｒｍｓ］が重畳されている。

信号処理回路３０の第１の周期信号生成手段３３は、以下の式（１）で表される演算を行う。すなわち、第１の周期信号生成手段３３は、周期信号Φ１および周期信号Φ３を用いて、周期信号Φ１の周期中における周期信号Φ３の位置（周期信号Φ３の位相が何周期目にあるか）を算出し、周期信号Φ３をつなぎ合わせる。これにより、周期信号Φ３の位置検出精度と同等の精度で、周期信号Φ１と同様の周期を有する周期信号Φ（１、３）、すなわち第１の周期信号を取得する。本実施例において、第１の周期信号生成手段３３により行われるこの処理を第１の合成処理という。

Φ（１、３）＝ＭＯＤ［（２π・ＲＯＵＮＤ［（４・Φ１−Φ３）／（２π）］＋Φ３）・１／４、２π］ …（１）
式（１）において、ＲＯＵＮＤ［ｘ］はｘに最も近い整数に変換する関数である。また、ＭＯＤ［ｘ，ｙ］は、ｘを被除数、ｙを除数としたときの剰余を示す。ここで、２πを除数としたときの剰余を求めるのは、位相を０以上２π未満の値として表現するためである。可動部４の回転角度θに対して、第１の合成処理により得られる周期信号Φ（１、３）は、図５（ａ）に示される。

同様に、第２の周期信号生成手段３４は、以下の式（２）で表される演算により、周期信号Φ２および周期信号Φ４を用いて、周期信号Φ２の周期中における周期信号Φ４の位置（周期信号Φ４の位相が何周期目にあるか）を算出し、周期信号Φ４をつなぎ合わせる。これにより、周期信号Φ４の位置検出精度と同等の精度で、周期信号Φ２と同様の周期を有する周期信号Φ（２、４）、すなわち第２の周期信号を取得する。本実施例において、第２の周期信号生成手段３４により行われるこの処理を第２の合成処理という。

Φ（２、４）＝ＭＯＤ［（２π・ＲＯＵＮＤ［（４・Φ２−Φ４）／（２π）］＋Φ４）・１／４、２π］ …（２）
可動部４の回転角度θに対して、第２の合成処理により得られる周期信号Φ（２、４）は、図５（ｂ）に示される。

続いて、第３の周期信号生成手段３５は、以下の式（３）で表される演算を行うことにより、最も周期の長い上位の周期信号Φ５（第３の周期信号）を取得する。

Φ５＝ＭＯＤ［Φ（１、３）−Φ（２、４）、２π］＝１θ …（３）
周期信号Φ５と可動部４の回転角度θとの関係は、図５（ｃ）に示される。

次に、以上により生成された周期信号Φ５および周期信号Φ（１、３）に基づいて絶対位置信号（絶対値信号）を演算する手順について説明する。本実施例において、周期信号Φ５を最も周期の大きい第１の階層信号とし、周期信号Φ（１、３）を第２の階層信号とする。位置情報演算手段４５は、第１の階層信号と第２の階層信号を用いて、第２の階層信号の位置検出精度と同等の精度で、第１の階層信号（周期信号Φ５）と同様の周期を有する周期信号を絶対位置信号ΦＡＢＳ（絶対値信号）として生成する。本実施例において、位置情報演算手段４５により行われるこの処理を第３の合成処理をいう。

絶対位置信号ΦＡＢＳ（絶対値信号）は、以下の式（４）で表されるように算出される。

ΦＡＢＳ＝ＭＯＤ［（２π・ＲＯＵＮＤ［（８・Φ５−Φ（１、３））／（２π）］＋Φ（１、３））・１／８、２π］ …（４）
絶対位置信号ΦＡＢＳと可動部４の回転角度θとの関係は、図５（ｄ）に示される。このように、本実施例によれば、全周の絶対位置を検出することができる。

ただし、第１〜第３の合成処理１〜３により生成された信号が連続性を保ち正確な位置情報を示すには、各信号の位相誤差がある程度の範囲に抑えられている必要がある。例えば、第１の合成処理により生成された周期信号Φ（１、３）の連続性を保つには、（４・Φ１−Φ３）の演算結果の理想値に対する誤差が±πｒａｄ以内である必要がある。同様に、第２の合成処理により生成された周期信号Φ（２、４）の連続性を保つには、（４・Φ２−Φ４）の演算結果の理想値に対する誤差が±πｒａｄ以内である必要がある。また、第３の合成処理により生成された絶対位置信号ΦＡＢＳが連続性を保つには、（８・Φ５−Φ（１、３））の演算結果の理想値に対する誤差が±πｒａｄ以内である必要がある。

一例として、周期信号Φ１〜Φ４のそれぞれに、正規分布に従う無相関の誤差成分σ１〜σ４として、０．１［ｒａｄ ｒｍｓ］が重畳されている場合を想定する。第１の合成処理における（４・Φ１−Φ３）の演算結果の理想値に対する誤差は、４×σ１−σ３と表される。このとき振幅を見積もると、（０．４^２＋０．１^２）^０．５＝０．４１［ｒａｄ ｒｍｓ］となり、±６σを最大誤差振幅と想定した場合には±２．５ｒａｄとなる。また、第２の合成処理（４・Φ２−Φ４）の演算結果の理想値に対する誤差は、４×σ２−σ４と表される。このとき振幅を見積もると、（０．４^２＋０．１^２）^０．５＝０．４１［ｒａｄ ｒｍｓ］となり、±６σを最大誤差振幅と想定した場合には±２．５ｒａｄとなる。

続いて、第３の合成処理における（８・Φ５−Φ（１、３））の演算結果の理想値に対する誤差を考える。まず、周期信号Φ５（上位信号）の位相誤差σ５は、周期信号Φ（１、３）の位相誤差σ（１、３）および周期信号Φ（２、４）の位相誤差σ（２、４）を用いて、以下の式（５）のように表される。

σ５＝σ（１、３）−σ（２、４） …（５）
ここで、式（１）および式（２）より、以下の式（６）、（７）が成立する。

σ（１、３）＝σ３／４ …（６）
σ（２、４）＝σ４／４ …（７）
以上より、位相信号Φ５（上位信号）の位相誤差σ５の振幅を見積もると、（０．０２５^２＋０．０２５^２）^０．５＝０．０３５［ｒａｄ ｒｍｓ］となる。よって、第３の合成処理における（８・Φ５−Φ（１、３））の演算結果の理想値に対する誤差の振幅を見積もると、（（８×０．０３５）^２＋０．０２５^２）^０．５＝０．２８［ｒａｄ ｒｍｓ］となる。ここで、±６σを最大誤差振幅と想定した場合、誤差の振幅は±１．７ｒａｄとなる。

以上のように、第１〜第３の合成処理１〜３における位相誤差振幅は、それぞれ、±２．５ｒａｄ、±２．５ｒａｄ、±１．７ｒａｄとなり、いずれも±πｒａｄ以内であるため、絶対位置信号の連続性が保たれる。すなわち、周期信号Φ３の位置検出精度と同等の精度で、全周の絶対位置の検出が可能である。

このように、本実施例の信号処理回路３０は、第１〜第７の周期信号生成手段３３〜３９を有する。第１の周期信号生成手段３３は、第１の周期信号を生成する。第２の周期信号生成手段３４は、第１の周期信号の周期と異なる第２の周期信号を生成する。第３の周期信号生成手段３５は、第１の周期信号および第２の周期信号を用いて、第１の周期信号および第２の周期信号のそれぞれの周期よりも長い周期を有する第３の周期信号を生成する。第４の周期信号生成手段３６は、第１の周期信号と同じ周期を有する第４の周期信号を生成する。第５の周期信号生成手段３７は、第４の周期信号の整数分の１の周期を有する第５の周期信号を生成する。第６の周期信号生成手段３８は、第２の周期信号と同じ周期を有する第６の周期信号を生成する。第７の周期信号生成手段３９は、第６の周期信号の整数分の１の周期を有する第７の周期信号を生成する。そして、第１の周期信号生成手段３３は、第４の周期信号および第５の周期信号を合成して第１の周期信号を生成する。また、第２の周期信号生成手段３４は、第６の周期信号および第７の周期信号を合成して第２の周期信号を生成する。

本実施例において、第１の周期信号生成手段３３は、第４の周期信号および第５の周期信号を用いて、第４の周期信号の周期内の第５の周期信号の位置を特定することにより、第１の周期信号を生成する。また、第２の周期信号生成手段３４は、第６の周期信号および第７の周期信号を用いて、第６の周期信号の周期内の第７の周期信号の位置を特定することにより、第２の周期信号を生成する。

また本実施例において、信号処理回路３０は、第１の周期信号および第３の周期信号を用いて絶対位置信号を生成する位置情報演算手段４５を有する。なお本実施例において、第５の周期信号および第７の周期信号を、互いに共通の信号としてもよい。

図１９に、本実施例における位置検出方法のフローチャートを示す。まずステップＳ１において、第４の周期信号生成手段３６は、周期信号Φ１（第４の周期信号）を生成する。第６の周期信号生成手段３８は、周期信号Φ２（第６の周期信号）を生成する。第５の周期信号生成手段３７は、周期信号Φ３（第５の周期信号）を生成する。第７の周期信号生成手段３９は、周期信号Φ４（第７の周期信号）を生成する。

続いてステップＳ２において、第１の周期信号生成手段３３は、周期信号Φ１と周期信号Φ３を合成して、第１の周期信号である周期信号Φ１（１、３）を生成する。またステップＳ３において、第２の周期信号生成手段３４は、周期信号Φ２と周期信号Φ４を合成して、第２の周期信号である周期信号Φ（２、４）を生成する。続いてステップＳ４において、第３の周期信号生成手段３５は、周期信号Φ（１、３）と周期信号Φ（２、４）を用いて周期信号Φ５（第３の周期信号）を生成する。

また本実施例の位置検出方法では、必要に応じてステップＳ５に進む。ステップＳ５において、位置情報演算手段４５は、周期信号Φ（１、３）と周期信号Φ５を用いて絶対位置信号ΦＡＢＳを生成する。本実施例では、このような位置検出方法を情報処理装置（コンピュータ）に実行させるように構成されたプログラムとして提供することもできる。

本実施例では、長周期の上位信号を生成する際に、周期が整数倍の関係にある周期信号を用いて予め合成処理行うことにより、絶対位置信号を検出するための誤差許容量を拡大することができる。

なお本実施例では、位置検出装置として光学式エンコーダを用いているが、これに限定されるものではない。位置検出装置として、磁気式エンコーダや静電容量式エンコーダなどを用いても、同様な効果を得ることができる。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。そして、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用いて位置を検出する。また、静電容量式エンコーダの場合、本実施例のスケール２０の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位置を検出する。

また本実施例は、ロータリーエンコーダについて説明しているが、これに限定されるものではなく、リニアエンコーダにも適用可能である。これらの点は、後述の各実施例についても同様である。

また本実施例において、第１の周期信号または第２の周期信号として、周知のＭ系列のようなシリアルコードを用いてもよい。この場合、スケール２０の反射膜を移動方向に直列なシリアルコードパターンとし、反射光の明暗パターン分布をフォトダイオードアレイで検出することにより、位置に対応したコードを読み取る。

本実施例では、第４の周期信号と第５の周期信号、および、第６の周期信号と第７の周期信号を別々の受光素子アレイを用いて検出するようにしているが、共通の受光素子アレイを用いても構わない。例えば、実施例２で示すように、スイッチ回路によって複数の受光素子１７において電気的に加算される間隔を切り替えて、各周期信号を分離して検出するようにしても良い。また、受光素子アレイ１６をＣＣＤのようなリニアイメージセンサとしてそれぞれの受光素子１７の出力値を検出し、信号処理回路３０にて演算を行うことで、各周期信号を分離するようにしても良い。この場合、周期スリットパターンの検出と移動方向に直列なシリアルコードパターンの検出を、共通の受光素子アレイを用いて検出することもできる。

（比較例１）
次に、実施例１に対する比較例として、実施例１の構成を用いない場合について説明する。実施例１のスケール２０と同様のスケールを用いて、位相演算手段３２は、各スリット列に対応した受光素子アレイから取得した電気信号に基づいて、それぞれの位相信号を取得する。また、周期信号Φ６、Φ７を、周期信号Φ１と周期信号Φ２、および、周期信号Φ３と周期信号Φ４のそれぞれの位相信号の差分により取得する。

Φ６＝ＭＯＤ［Φ１−Φ２、２π］＝１θ …（８）
Φ７＝ＭＯＤ［Φ３−Φ４、２π］＝４θ …（９）
ここで、以下のように、周期の長い順に第１〜第４の階層信号とし、４の階層信号を用いて絶対位置を検出することを想定する。

第１の階層信号：Φ６＝１θ
第２の階層信号：Φ７＝４θ
第３の階層信号：Φ１＝８θ
第４の階層信号：Φ３＝３２θ
まず、第１の階層信号（周期信号Φ６）および第２の階層信号（周期信号Φ７）を用いて、第２の階層信号の位置検出精度と同等の精度で、第１の階層信号と同様の周期を有する周期信号Φ（６、７）を生成する。周期信号Φ（６、７）は、以下の式（１０）のように表される。

Φ（６、７）＝ＭＯＤ［（２π・ＲＯＵＮＤ［（４・Φ６−Φ７）／（２π）］＋Φ７）・１／４、２π］ …（１０）
この演算における（４・Φ６−Φ７）の誤差成分は、４×（σ１−σ２）−（σ３−σ４）と表される。その振幅を見積もると、以下の式（１１）のようになる。

（（４×（０．１^２＋０．１^２）^０．５）^２＋（（０．１^２＋０．１^２）^０．５）^２）^０．５＝０．５８［ｒａｄ ｒｍｓ］ …（１１）
±６σを最大誤差量と想定した場合には±３．５ｒａｄとなる。このように、位相誤差振幅は±π［ｒａｄ］を超えるため、絶対位置信号の連続性は保たれず、正確な位置を検出することはできない。

次に、図６を参照して、本発明の実施例２における位置検出装置について説明する。図６は、本実施例における位置検出装置（エンコーダ１００Ａ）の構成図である。エンコーダ１００Ａは、光学式エンコーダであり、固定部に取り付けられるセンサユニット１０Ｂ、可動部４（回転可動部）に取り付けられるロータリー型のスケール２０Ａ、信号処理回路３０Ａ（信号処理手段）、および、記憶装置６０を備えて構成される。本実施例において、センサユニット１０Ｂとスケール２０Ａとが相対的に移動可能であればよく、センサユニット１０Ｂを可動部４に取り付けてスケール２０を固定部に取り付けるように構成することもできる。

センサユニット１０Ｂは、一つのＬＥＤを備えた光源１２Ｂ、受光素子アレイ１６Ｅを備えた受光ＩＣ１４Ｅ、および、受光素子アレイ１６Ｆを備えた受光ＩＣ１４Ｆを同一のパッケージ内に実装して構成された受発光一体型センサユニットである。受光素子アレイ１６Ｅ、１６Ｆは、スケール２０Ａ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２０Ａ（または可動部４）の回転接線方向（測長方向）であるＸ方向に配列された検出素子アレイとして機能する。

スケール２０Ａの位置情報を検出する場合、センサユニット１０Ｂの光源１２Ｂから出射した発散光束の一部は、スケール２０Ａのトラック２１Ｅに照射されて反射する。トラック２１Ｅで反射した光束は、センサユニット１０Ｂの受光素子アレイ１６Ｅにより受光される。センサユニット１０Ｂの光源１２Ｂから出射した発散光束の他の一部は、スケール２０Ａのトラック２１Ｆに照射されて反射する。トラック２１Ｆで反射した光束は、センサユニット１０Ｂの受光素子アレイ１６Ｆにより受光される。受光素子アレイ１６Ｅ、１６Ｆは、トラック２１Ｅ、２１Ｆの反射率分布が２倍に拡大された像として光束を受光する。受光素子アレイ１６Ｅ、１６Ｆにより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３０Ａに送られる。信号処理回路３０Ａは、受光素子アレイ１６Ｅ、１６Ｆの出力信号を位置情報に変換し、スケール２０Ａ（被測定物）の位置情報を高精度に取得および出力する。また信号処理回路３０Ａは、センサユニット１０Ｂで得られたエンコーダ信号の内挿処理、および、記憶装置６０への信号の書き込みおよび読み出しを行う。

続いて、図７を参照して、本実施例におけるトラック２１Ｅの構成について説明する。図７は、トラック２１Ｅの部分拡大平面図である。トラック２１Ｅは、スケール２０Ａの回転方向（θ方向）に垂直な方向（Ｒ方向）に、２種類の領域（領域２３Ｅ、領域２９Ｅ）が順番に周期的に配列されている。領域２３Ｅは、ピッチＰ１ｅ（第１の変調周期（本実施例では２π／１５３０ｒａｄ）を有する。領域２９Ｅは、ピッチＰ３ｅ（第２の変調周期（本実施例では２π／３６０ｒａｄ）を有する。図７において、白色部は光を透過または吸収する非反射部２５、黒色部は光を反射する反射部２６である。

続いて、図８を参照して、本実施例における領域２３Ｅの構成について説明する。図８は、領域２３Ｅのθ方向の１周期分を示す拡大平面図である。領域２３Ｅは、θ方向のピッチＰ１ｅ（第１の変調周期）ごとに、図８に示されるパターンを有するパターン列からなる。読み取り領域のスケール半径は３１．２ｍｍであり、ピッチＰ１ｅを接線方向の長さに換算すると、１２８μｍである。各パターンは、反射膜からなり光を反射する反射部２６と非反射部２５とから構成されている。本実施例において、領域２３ＥのＲ方向の幅Ｗ１は７５μｍである。

反射部２６のθ方向の幅は、領域２３ＥのＲ方向の位置に応じて異なる。Ｒ方向の中心からの距離がＷ１／８以下の範囲においては、反射部２６のθ方向の幅はＰ１ｅ×２３／３０である。Ｒ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２６のθ方向の幅はＰ１ｅ×１７／３０である。Ｒ方向の中心からの距離がＷ１／４からＷ１×３／８までの範囲では、反射部２６のθ方向の幅はＰ１ｅ×１３／３０である。Ｒ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２６のθ方向の幅はＰ１ｅ×７／３０である。

続いて、図９を参照して、本実施例における領域２９Ｅ（第２の領域）の構成について説明する。図９は、領域２９Ｅのθ方向の１周期分を示す拡大平面図である。領域２９Ｅは、θ方向のピッチＰ３ｅ（第２の変調周期）ごとに図９のパターンが配置されたパターン列を有する。読み取り領域のスケール半径は３１．２ｍｍであり、ピッチＰ３ｅを接線方向の長さに換算すると５４４μｍである。領域２９Ｅにおける各パターンは、反射膜からなり光を反射する反射部２６と、非反射部２５とから構成されている。本実施例において、領域２９ＥのＲ方向の幅Ｗ３は、７５μｍである。

反射部２６のθ方向の幅は、領域２９ＥのＲ方向の位置に応じて異なる。Ｒ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２６のθ方向の幅はＰ３ｅ×１８５／２４０である。Ｒ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２６のθ方向の幅はＰ３ｅ×１４１／２４０である。Ｒ方向の中心からの距離がＷ３／４からＷ３×３／８までの範囲では、反射部２６のθ方向の幅はＰ３ｅ×１０５／２４０である。Ｒ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２６のθ方向の幅はＰ３×６１／２４０である。

続いて、図１０を参照して、本実施例におけるトラック２１Ｆの構成について説明する。図１０は、トラック２１Ｆの部分拡大平面図である。トラック２１Ｆは、スケール２０Ａの移動方向（θ方向）に垂直な方向（Ｒ方向）に、２種類の領域（領域２３Ｆ、領域２９Ｆ）が順番に周期的に配列されている。領域２３Ｆは、ピッチＰ１ｆ（第１の変調周期（本実施例では２π／１５１３ｒａｄ）を有する。領域２９Ｆは、ピッチＰ３ｆ（第２の変調周期（本実施例では２π／３５６ｒａｄ）を有する。図１０において、白色部は光を透過または吸収する非反射部２５、黒色部は光を反射する反射部２６である。

続いて、図１１を参照して、本実施例における領域２３Ｆ（第１の領域）の構成について説明する。図１１は、領域２３Ｆのθ方向の１周期分を示す拡大平面図である。領域２３Ｆは、θ方向のピッチＰ１ｆ（第１の変調周期）ごとに図１１に示されるパターンを有するパターン列からなる。読み取り領域のスケール半径は３０．２ｍｍであり、ピッチＰ１ｆを接線方向の長さに換算すると、１２５μｍである。各パターンは、反射膜からなり光を反射する反射部２６と、非反射部２５とから構成されている。ピッチＰ１ｆは、前述のように第１の変調周期として機能する。本実施例において、領域２３ＦのＲ方向の幅Ｗ１は、７５μｍである。

反射部２６のθ方向の幅は、領域２３ＦのＲ方向の位置に応じて異なる。Ｒ方向の中心からの距離がＷ１／８以下の範囲においては、反射部２６のθ方向の幅はＰ１ｆ×２３／３０である。Ｒ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２６のθ方向の幅はＰ１ｆ×１７／３０である。Ｒ方向の中心からの距離がＷ１／４からＷ１×３／８までの範囲では、反射部２６のθ方向の幅はＰ１ｆ×１３／３０である。Ｒ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２６のθ方向の幅はＰ１ｆ×７／３０である。

続いて、図１２を参照して、領域２９Ｆ（第２の領域）の構成について説明する。図１２は、領域２９Ｆのθ方向の１周期分を示す拡大平面図である。領域２９Ｆは、θ方向のピッチＰ３ｆ（第２の変調周期（本実施例では２π／３５６ｒａｄ）ごとに図１２のパターンが配置されたパターン列を有する。読み取り領域のスケール半径は３０．２ｍｍであり、ピッチＰ３ｆを接線方向の長さに換算すると、５３２μｍである。領域２９Ｆにおける各パターンは、反射膜からなり光を反射する反射部２６と、非反射部２５とから構成されている。本実施例において、領域２９ＦのＲ方向の幅Ｗ３は、７５μｍである。

反射部２６のθ方向の幅は、領域２９ＦのＲ方向の位置に応じて異なる。Ｒ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２６のθ方向の幅はＰ３ｆ×１８５／２４０である。Ｒ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２６のθ方向の幅はＰ３ｆ×１４１／２４０である。Ｒ方向の中心からの距離がＷ３／４からＷ３×３／８までの範囲では、反射部２６のθ方向の幅はＰ３ｆ×１０５／２４０である。Ｒ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２６のθ方向の幅はＰ３ｆ×６１／２４０である。

図６において、本実施例の信号処理回路３０Ａは、ノイズフィルタ、増幅回路、および、Ａ／Ｄ変換回路（いずれも不図示）に加えて、信号分離手段３１、位相演算手段３２、第１〜第９の周期信号生成手段３３〜４１、および、位置情報演算手段４５を有する。信号分離手段３１は、受光素子アレイ１６Ｅ、１６Ｆの出力をトラック２１Ｅ、２１Ｆの各領域に対応する信号に分離する。信号分離手段３１は、受光ＩＣ１４Ｅ、１４Ｆに空間分解能の切り替え機能およびスイッチ回路が設けられている場合、スイッチ回路による接続を切り替える信号を送信する。または、信号分離手段３１は、受光ＩＣ１４Ｅ、１４Ｆに空間分解能の切り替え機能およびスイッチ回路が設けられない場合、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことにより信号を分離する。また信号分離手段３１は、受光素子アレイ１６Ｅ、１６Ｆ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り実現してもよい。

続いて、図１３および図１４を参照して、受光素子アレイ１６Ｅ、１６Ｆの構成について説明する。図１３および図１４は、受光素子アレイ１６Ｅ、１６Ｆの受光面の平面図である。受光素子アレイ１６Ｅ、１６Ｆは、互いに共通の構成を有する。受光素子アレイ１６Ｅ、１６Ｆには、それぞれ、Ｘ方向に３２μｍピッチで６４個の受光素子１７が配列されている。一つの受光素子１７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、１６Ｆのそれぞれの全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは、２０４８μｍである。

スケール２０Ａ上のパターンは２倍の拡大投影となるため、スケール２０Ａ上の検出範囲は、Ｙ方向に４５０μｍ、Ｘ方向に１０２４μｍの範囲となる。このため、スケール２０Ａ上の検出範囲には、接線方向に約１２８μｍのピッチを有する領域２３Ｅ、２３Ｆと、約５１２μｍのピッチを有する領域２９Ｅ、２９ＦがＹ方向にそれぞれ３ライン分ずつ含まれる。

それぞれの受光素子１７からの出力は、スイッチ回路１８により切り替えられ、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１７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３０Ａの信号分離手段３１からの入力により、受光素子１７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１７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３０Ａからの入力がハイレベルの場合、図１３に示されるように、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２３Ｅ、２３Ｆからの周期信号のみが分離される。また、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、センサユニット１０Ｂに重み付け手段が設けられている。重みは、空間周波数応答のＰ３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。

一方、信号処理回路３０Ａからの入力がローレベルの場合、図１４に示されるように、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２９Ｅ、２９Ｆからの周期信号のみが分離される。

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３０Ａは、４相正弦波出力Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）について、以下の式（１２）、（１３）で表される演算を行うことにより、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。

Ｓ（Ａ）＝Ｓ（Ａ＋）−Ｓ（Ａ−） …（１２）
Ｓ（Ｂ）＝Ｓ（Ｂ＋）−Ｓ（Ｂ−） …（１３）
このとき、入力がローレベルの場合のＳ（Ａ）は、スケールピッチ１２８μｍの像に対してＳ（Ａ＋）とＳ（Ａ−）が同位相成分となるため、式（１２）の差動演算により相殺される。この点は、Ｓ（Ｂ）についても同様である。

スイッチ回路１８への入力がハイレベルの場合のＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）より、信号処理回路３０Ａの位相演算手段３２は、領域２３Ｅ、２３Ｆのエネルギー分布の位相ΦＨ（位相信号）を、以下の式（１４）で表される演算により取得する。

ΦＨ＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］ …（１４）
式（１４）において、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場合のＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）より、信号処理回路３０Ａの位相演算手段３２は、領域２９Ｅ、２９Ｆのエネルギー分布の位相ΦＬ（位相信号）を、以下の式（１５）で表される演算により取得する。

ΦＬ＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］ …（１５）
次に、受光ＩＣ１４Ｅ、１４Ｆからの信号を絶対位置信号に変換する手順について説明する。第５の周期信号生成手段３７は、受光ＩＣ１４Ｅから取得した位相信号ΦＬに基づいて、Φ１＝３６０θなる信号（第５の周期信号）を取得する。第７の周期信号生成手段３９は、受光ＩＣ１４Ｆから取得した位相信号ΦＬに基づいて、Φ２＝３５６θなる信号（第７の周期信号）を取得する。第８の周期信号生成手段４０は、受光ＩＣ１４Ｅから取得した位相信号ΦＨより、Φ３＝１５３０θなる信号（第８の周期信号）を取得する。第９の周期信号生成手段４１は、受光ＩＣ１４Ｆから取得した位相信号ΦＨより、Φ４＝１５１３θなる信号（第９の周期信号）を取得する。各位相信号には、所定の位置で位相が同時にゼロとなるように、それぞれオフセットが加算されている。図１５（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、周期信号Φ１、Φ２、Φ３、Φ４（検出値）と回転角度θとの関係を示している。

続いて、第４の周期信号生成手段３６は、周期信号Φ１、Φ３を用いて、以下の式（１６）で表される演算により、周期信号Φ５（第４の周期信号）を生成する。

Φ５＝ＭＯＤ［Φ３−４・Φ１、２π］＝９０θ …（１６）
このように、第４の周期信号生成手段３６は、第５の周期信号（周期信号Φ１）および第８の周期信号（周期信号Φ３）を用いて第４の周期信号（周期信号Φ５）を生成する。

第６の周期信号生成手段３８は、周期信号Φ２、Φ４を用いて、以下の式（１７）で表される演算により、周期信号Φ６（第６の周期信号）を生成する。

Φ６＝ＭＯＤ［Φ４−４・Φ２、２π］＝８９θ …（１７）
図１６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、周期信号Φ５、Φ６と可動部４の回転角度θとの関係を示している。

続いて、第１の周期信号生成手段３３は、周期信号Φ５、Φ１を用い、周期信号Φ５の周期中における周期信号Φ１の位置（周期信号Φ１の位相が何周期目にあるか）を算出し、周期信号Φ１をつなぎ合わせる。これにより、周期信号Φ１の位置検出精度と同等の精度で、周期信号Φ５と同様の周期を有する周期信号Φ（５、１）を取得する。本実施例において、この処理を第１の合成処理という。周期信号Φ（５、１）は、以下の式（１８）で表される演算により求められる。

Φ（５、１）＝ＭＯＤ［（２π・ＲＯＵＮＤ［（４・Φ５−Φ１）／（２π）］＋Φ１）・１／４、２π］ …（１８）
式（１８）において、ＲＯＵＮＤ［ｘ］は、ｘに最も近い整数に変換する関数である。また、ＭＯＤ［ｘ，ｙ］は、ｘを被除数、ｙを除数としたときの剰余を表す。なお、２πを除数としたときの剰余を求めるのは、位相を０以上２π未満の値として表現するためである。図１６（ｃ）は、第１の合成処理により得られる周期信号Φ（５、１）と可動部４の回転角度θとの関係を示している。

また、第１の周期信号生成手段３３は、周期信号Φ（５，１）および周期信号Φ３を用いて、周期信号Φ（５，１）の周期中における周期信号Φ３の位置（周期信号Φ３の位相が何周期目にあるか）を算出し、周期信号Φ３をつなぎ合わせる。これにより、周期信号Φ３の位置検出精度と同等の精度で、周期信号Φ（５，１）と同様の周期を有する周期信号Φ（（５，１）、３）、すなわち第１の周期信号を取得することができる。本実施例において、この処理を第２の合成処理という。周期信号Φ（（５、１）、３）は、以下の式（１９）で表される演算により求められる。

Φ（（５、１）、３）＝ＭＯＤ［（２π・ＲＯＵＮＤ［（１７・Φ（５、１）−Φ３）／（２π）］＋Φ３）・１／１７、２π］ …（１９）
図１６（ｅ）は、第２の合成処理により得られる周期信号Φ（（５、１）、３）と可動部の回転角度θとの関係を示している。

同様に、第２の周期信号生成手段３４は、周期信号Φ６、Φ２を用いて、周期信号Φ６の周期中における周期信号Φ２の位置（周期信号Φ２の位相が何周期目にあるか）を算出し、周期信号Φ２をつなぎ合わせる。これにより、周期信号Φ２の位置検出精度と同等の精度で、周期信号Φ６と同様の周期を有する周期信号Φ（６、２））を取得することができる。本実施例において、この処理を第３の合成処理という。周期信号Φ（６、２）は、以下の式（２０）で表される演算により求められる。

Φ（６、２）＝ＭＯＤ［（２π・ＲＯＵＮＤ［（４・Φ６−Φ１）／（２π）］＋Φ２）・１／４、２π］ …（２０）
図１６（ｄ）は、第３の合成処理により得られる周期信号Φ（６、２）と可動部の回転角度θとの関係を示している。

また、第２の周期信号生成手段３４は、周期信号Φ（６，２）および周期信号Φ３を用いて、周期信号Φ（６，２）の周期中における周期信号Φ４の位置（周期信号Φ４の位相が何周期目にあるか）を算出し、周期信号Φ４をつなぎ合わせる。これにより、周期信号Φ４の位置検出精度と同等の精度で、周期信号Φ（６，２）と同様の周期を有する周期信号Φ（（６，２）、４）、すなわち第２の周期信号を取得することができる。本実施例において、この処理を第４の合成処理という。周期信号Φ（（６、２）、４）は、以下の式（２１）で表される演算により求められる。

Φ（（６、２）、４）＝ＭＯＤ［（２π・ＲＯＵＮＤ［（１７・Φ（６、２）−Φ４）／（２π）］＋Φ４）・１／１７、２π］ …（２１）
図１６（ｆ）は、第４の合成処理により得られる周期信号Φ（（６、２）、４）と可動部の回転角度θとの関係を示している。

第３の周期信号生成手段３５は、最も周期の長い周期信号Φ７（第３の周期信号）を以下の式（２２）で表される演算により取得する。

Φ７＝ＭＯＤ［Φ（（５、１）、３）−Φ（（６、２）、４）、２π］＝１θ …（２２）
図１７（ａ）は、周期信号Φ７と可動部の回転角度θとの関係を示している。

続いて、以上により生成された周期信号Φ７およびΦ（（５、１）、３）に基づいて絶対位置信号を演算する手順について説明する。本実施例において、周期信号Φ７を最も周期の大きい第１の階層信号とする。また、周期信号Φ（（５、１）、３）を第２の階層信号とする。位置情報演算手段４５は、第１の階層信号および第２の階層信号を用いて、第２の階層信号の位置検出精度と同等の精度で第１の階層信号と同様の周期を有する周期信号を、絶対位置信号ΦＡＢＳとして生成する。本実施例において、この処理を第５の合成処理という。絶対位置信号ΦＡＢＳは、以下の式（２３）で表される演算により算出される。

ΦＡＢＳ＝ＭＯＤ［（２π・ＲＯＵＮＤ［（９０・Φ７−Φ（（５、１）、３））／（２π）］＋Φ（（５、１）、３））・１／９０、２π］ …（２３）
図１７（ｂ）は、第５の合成処理によって得られる絶対位置信号ΦＡＢＳと可動部の回転角度θとの関係を示している。このようにして、全周の絶対位置を検出することができる。

本実施例では、周期信号Φ５、Φ６（第４の周期信号、第６の周期信号）として、スケール２０Ａ上のパターン（周期変調パターン）とは異なる周期信号を演算により生成する。すなわち、第４の周期信号（および、第６の周期信号）の周期は、スケール２０Ａのパターンの周期と異なっている。これにより、上位信号を生成する際に用いる信号のリニアリティを更に向上させることができる。通常、周期信号Φ５、Φ６を生成する演算のように、元の周期信号に整数をかけて差分をとる場合、位相誤差も同時に整数倍されるため、リニアリティは大きく低下する。しかし、本実施例のように２つの周期信号により生成された元の２つの信号周期の整数倍の周期信号を、さらに元の２つの信号との合成処理を行うことで、高精度の長周期信号とすることができる。この高精度の長周期信号を用いて更に長周期の上位信号を生成することで、元の信号周期に対して大きな倍率で長周期化を行った場合でも、絶対位置信号を検出する際の誤差許容量を大きくすることができる。

また、本実施例では、スケール上の２つの変調パターンから得られる位相を、一部共通の受光面を用いて検出する。すなわち、第４の周期信号、第５の周期信号、第６の周期信号、第７の周期信号、および、第８の周期信号のうち、少なくとも２つの周期信号の生成に用いる検出素子アレイの 少なくとも一部は共通である。このような構成により、略同一の読み取り位置から２つの周期信号を取得することができ、信号間の同期性を向上させることが可能である。また、スケール上のパターン幅の削減、および、センササイズの低減の効果を有する。信号の分離特性が十分でない場合、別々の受光面を使う場合に対して誤差が増大するが、前述の合成処理を行うことにより、誤差許容量を拡大することで影響を低減することができる。

次に、図１８を参照して、本発明の実施例３について説明する。図１８は、本実施例における撮像システム２００の断面模式図である。撮像システム２００は、上記各実施例におけるエンコーダ（位置検出装置）をレンズ装置に搭載した撮像システムである。撮像システム２００は、撮像装置２００ａと、撮像装置２００ａに着脱可能なレンズ装置２００ｂ（エンコーダを備えたレンズ鏡筒）とで構成されている。ただし本実施例は、撮像装置とレンズ装置とが一体化して構成された撮像システムにも適用可能である。

図１８において、５３はセンサユニット、５４はＣＰＵである。センサユニット５３およびＣＰＵ５４（およびスケール２０）によりエンコーダが構成される。本実施例において、センサユニット５３は、実施例１、２におけるセンサユニット１０Ａ、１０Ｂに相当し、ＣＰＵ５４は信号処理回路３０、３０Ａに相当する。また、５１はレンズユニット、５２は駆動レンズ、５５は撮像素子、５０は円筒体であり、主にこれらにより撮像システムが構成される。レンズユニット５１を構成する駆動レンズ５２（レンズ）は、例えばオートフォーカス用のレンズであり、光軸方向であるＹ方向に変位可能である。駆動レンズ５２は、ズーム調整レンズなど、駆動されるレンズであればその他のレンズでもよい。本実施例における円筒体５０は、駆動レンズ５２を駆動するアクチュエータ（不図示）と連結されている。撮像素子５５は、撮像装置２００ａに設けられており、レンズユニット５１（レンズ）を介して光学像（被写体像）の光電変換を行う。

本実施例のレンズ装置２００ｂは、光軸方向（Ｙ方向）に変位可能な駆動レンズ５２と、駆動レンズ５２の変位を検出するように構成されたエンコーダ１００（または、エンコーダ１００Ａ）とを有する。スケール２０は、円筒体５０に取り付けられている。このような構成において、エンコーダ１００（エンコーダ１００Ａ）は円筒体５０の光軸方向の周りにおける回転量（変位）を取得することで、駆動レンズ５２の光軸方向の変位を検出する。

スケール２０は、ドーナツ状の円盤面上に形成された放射状パターンを形成して構成されたロータリー型スケールであり、円筒体５０に取り付けられている。スケール２０は、フィルム状基材上に格子パターンを形成して構成されたリニア型スケールであってもよい。この場合、スケール２０は、円筒体５０の回転方向に沿って円筒面に貼り付けられる。

アクチュエータまたは手動により、円筒体５０を、光軸を中心として回転させると、スケール２０はセンサユニット５３に対して相対的に変位する。スケール２０の変位に伴い、駆動レンズ５２は、光軸方向であるＹ方向（矢印方向）に駆動される。そして、エンコーダのセンサユニット５３から得られる駆動レンズ５２の変位に応じた信号は、ＣＰＵ５４に出力される。ＣＰＵ５４は、駆動レンズ５２を所望の位置へ移動するための駆動信号を生成する。駆動レンズ５２は、その駆動信号に基づいて駆動される。

また、各実施例における位置検出装置は、レンズ装置や撮像装置以外の種々の装置にも適用可能である。例えば、ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、この工作機器の位置または姿勢を検出する各実施例の位置検出装置とを有する工作装置を構成することにより、搬送体の位置を高精度に検出することができる。

なお、各実施例の位置検出装置（エンコーダ１００、１００Ａ）は、絶対位置の検出が可能なアブソリュート型の位置検出装置である。ここでいう絶対位置とは、パターン（およびそれが形成された被測定物）の検出手段（センサユニット）に対する相対的な位置、または、移動する被測定物の固定部に対する相対的な位置を意味している。アブソリュート型の位置検出装置は、検出手段における一度の測定によって、両者の相対的な位置（本実施例における「絶対位置」）を検出することが可能な装置である。

上記各実施例の位置検出装置によれば、絶対位置信号を検出するための元信号の誤差許容量を拡大することができ、長ストロークの絶対位置信号を安定して検出することが可能である。このため、各実施例によれば、絶対位置を広い範囲で高精度に検出可能な位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、工作装置、位置検出方法、および、プログラムを提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれら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及び変更が可能である。

１９…センサユニット、２０…スケール、３０…信号処理回路、３３…第１の周期信号生成手段、３４…第２の周期信号生成手段、３５…第３の周期信号生成手段、３６…第４の周期信号生成手段、３７…第５の周期信号生成手段、３８…第６の周期信号生成手段、３９…第７の周期信号生成手段、１００…エンコーダ

Claims (13)

1. 被測定物の位置を検出する位置検出装置であって、
   周期的に形成されたパターンを有するスケールと、
   前記スケールに対して相対移動可能に構成された検出手段と、
   前記検出手段の出力信号を処理して前記被測定物の位置情報を取得する信号処理手段と、を有し、
   前記信号処理手段は、
   第１の周期信号を生成する第１の周期信号生成手段と、
   前記第１の周期信号の周期と異なる第２の周期信号を生成する第２の周期信号生成手段と、
   前記第１の周期信号および前記第２の周期信号を用いて、該第１の周期信号および該第２の周期信号のそれぞれの周期よりも長い周期を有する第３の周期信号を生成する第３の周期信号生成手段と、
   前記第１の周期信号と同じ周期を有する第４の周期信号を生成する第４の周期信号生成手段と、
   前記第４の周期信号の整数分の１の周期を有する第５の周期信号を生成する第５の周期信号生成手段と、
   前記第２の周期信号と同じ周期を有する第６の周期信号を生成する第６の周期信号生成手段と、
   前記第６の周期信号の整数分の１の周期を有する第７の周期信号を生成する第７の周期信号生成手段と、を有し、
   前記第１の周期信号生成手段は、前記第４の周期信号および前記第５の周期信号を合成して前記第１の周期信号を生成し、
   前記第２の周期信号生成手段は、前記第６の周期信号および前記第７の周期信号を合成して前記第２の周期信号を生成する、ことを特徴とする位置検出装置。
2. 前記第１の周期信号生成手段は、前記第４の周期信号および前記第５の周期信号を用いて、該第４の周期信号の周期内の該第５の周期信号の位置を特定することにより、前記第１の周期信号を生成し、
   前記第２の周期信号生成手段は、前記第６の周期信号および前記第７の周期信号を用いて、該第６の周期信号の周期内の該第７の周期信号の位置を特定することにより、前記第２の周期信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記信号処理手段は、前記第１の周期信号および前記第３の周期信号を用いて絶対位置信号を生成する位置情報演算手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の位置検出装置。
4. 前記第５の周期信号および前記第７の周期信号は、互いに共通の信号であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位置検出装置。
5. 前記検出手段は、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を備え、
   前記第４の周期信号、前記第５の周期信号、前記第６の周期信号、および、前記第７の周期信号のうち、少なくとも２つの周期信号の生成に用いる検出素子アレイの 少なくとも一部は共通であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の位置検出装置。
6. 前記信号処理手段は、前記第４の周期信号の整数分の１の周期かつ前記第５の周期信号と異なる周期を有する第８の周期信号を生成する第８の周期信号生成手段を更に有し、
   前記第４の周期信号生成手段は、前記第５の周期信号および前記第８の周期信号を用いて前記第４の周期信号を生成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の位置検出装置。
7. 前記検出手段は、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を備え、
   前記第４の周期信号、前記第５の周期信号、前記第６の周期信号、前記第７の周期信号、および、前記第８の周期信号のうち、少なくとも２つの周期信号の生成に用いる検出素子アレイの 少なくとも一部は共通であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の位置検出装置。
8. 前記第４の周期信号の周期は、前記スケールの前記パターンの周期と異なっていることを特徴とする請求項６に記載の位置検出装置。
9. 光軸方向に変位可能なレンズと、
   前記レンズの位置を検出するように構成された、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の位置検出装置と、を有することを特徴とするレンズ装置。
10. 請求項９に記載のレンズ装置と、
    前記レンズを介して光学像の光電変換を行う撮像素子を備えた撮像装置と、を有することを特徴とする撮像システム。
11. ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、
    前記工作機器の位置または姿勢を検出するように構成された、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の位置検出装置と、を有することを特徴とする工作装置。
12. 周期的に形成されたパターンを有するスケールに対して相対移動可能に構成された検出手段からの出力信号に基づいて、該スケールまたは該検出手段と一体的に移動する被測定物の位置を検出する位置検出方法であって、
    第１の周期信号と同じ周期を有する第４の周期信号、該第４の周期信号の整数分の１の周期を有する第５の周期信号、該第１の周期信号の周期と異なる第２の周期信号と同じ周期を有する第６の周期信号、および、該第６の周期信号の整数分の１の周期を有する第７の周期信号を生成するステップと、
    前記第４の周期信号および前記第５の周期信号を合成して前記第１の周期信号を生成するステップと、
    前記第６の周期信号および前記第７の周期信号を合成して前記第２の周期信号を生成するステップと、
    前記第１の周期信号および前記第２の周期信号を用いて、該第１の周期信号および該第２の周期信号のそれぞれの周期よりも長い周期を有する第３の周期信号を生成するステップと、を有することを特徴とする位置検出方法。
13. 請求項１２に記載の位置検出方法を情報処理装置に実行させるように構成されていることを特徴とするプログラム。