JP2014219233A - 位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、工作装置、および、位置検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で高精度に位置検出可能な位置検出装置を提供する。
【解決手段】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第１のパターンおよび第２のパターンを有するスケールと、スケールに対して相対移動可能に構成され、第１のパターンから得られた第１および第２の信号と第２のパターンから得られた第３および第４の信号とを出力するセンサユニットと、センサユニットから出力された第１〜第４の信号のうち、第１および第３の信号、または、第２および第４の信号を選択的に出力する切り替え回路と、切り替え回路から出力された第１および第３の信号のＡ／Ｄ変換を同時に行い、切り替え回路から出力された第２および第４の信号のＡ／Ｄ変換を同時に行うＡ／Ｄコンバータと、Ａ／ＤコンバータによるＡ／Ｄ変換後の第１〜第４の信号に基づいて被測定物の絶対位置情報を取得する制御手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定物の位置を検出する位置検出装置に関する。

従来から、位置検出装置として、被測定物の相対位置を検出する相対位置検出装置（インクリメンタルエンコーダ）および絶対位置を検出する絶対位置検出装置（アブソリュートエンコーダ）が知られている。

特許文献１には、絶対位置情報を取得するためのＭ系列のアブソリュートトラック、第１のインクリメンタルトラック、および、第２のインクリメンタルトラックの合計３つのトラックで構成されたアブソリュートエンコーダが開示されている。第１のインクリメンタルトラックと第２のインクリメンタルトラックの周期は、互いに僅かに異なっている。これら２つの周期の位相差を演算することにより、バーニア信号が取得される。また、バーニア信号とＭ系列のアブソリュートトラックの信号とを合成することにより、絶対位置情報が取得される。

特開２００９−００２７０２号公報

しかしながら、特許文献１は、アナログデジタル変換回路（Ａ／Ｄコンバータ）による信号出力の検出時間のずれを考慮していないため、高精度な絶対位置情報を取得するのは困難である。一方、絶対位置情報を取得するために必要な複数の信号の全てを同時に取り込み可能なＡ／Ｄコンバータは、高価である。

そこで本発明は、安価で高精度に位置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、および、位置検出方法を提供する。

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第１のパターンおよび第２の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、前記第１のパターンから得られた第１の信号および第２の信号と前記第２のパターンから得られた第３の信号および第４の信号とを出力するセンサユニットと、前記センサユニットから出力された前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号、および、前記第４の信号のうち、該第１の信号および該第３の信号、または、該第２の信号および該第４の信号を選択的に出力する切り替え回路と、前記切り替え回路から出力された前記第１の信号および前記第３の信号のＡ／Ｄ変換を同時に行い、該切り替え回路から出力された前記第２の信号および前記第４の信号のＡ／Ｄ変換を同時に行うＡ／Ｄコンバータと、前記Ａ／ＤコンバータによるＡ／Ｄ変換後の前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号、および、前記第４の信号に基づいて、前記被測定物の絶対位置情報を取得する制御手段とを有する。

本発明の他の側面としてのレンズ装置は、光軸方向に移動可能なレンズと、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得られた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、被測定物の位置を検出する位置検出方法であって、周期的に形成された第１のパターンおよび第２の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センサユニットを用いて、該第１のパターンから第１の信号および第２の信号を取得し、該第２のパターンから第３の信号および第４の信号を取得するステップと、前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号、および、前記第４の信号のうち、該第１の信号および該第３の信号、または、該第２の信号および該第４の信号を選択的に出力するステップと、前記第１の信号および前記第３の信号のＡ／Ｄ変換を同時に行うステップと、前記第２の信号および前記第４の信号のＡ／Ｄ変換を同時に行うステップと、Ａ／Ｄ変換後の前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号、および、前記第４の信号に基づいて、前記被測定物の絶対位置情報を取得するステップとを有する。

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、安価で高精度に位置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、および、位置検出方法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のブロック図である。 実施例１における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構成図である。 実施例１におけるセンサの構成図である。 実施例１における切り替え回路の動作を示すフローチャートである。 実施例１におけるレンズＣＰＵのブロック図である。 実施例１における第１の補正部による信号補正方法の説明図である。 実施例１における相対位置検出方法の説明図である。 実施例１における第２の補正部による信号補正方法の説明図である。 実施例１における中位信号の演算方法の説明図である。 実施例１における上位信号の演算方法の説明図である。 実施例１における絶対位置検出方法の説明図である。 実施例１におけるＡ／Ｄコンバータの同時取り込み信号と中位信号の精度との関係図である。 実施例２における撮像システムの概略構成図である。

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の構成について説明する。図１は、本実施例における位置検出装置１００のブロック図である。位置検出装置１００はレンズ装置（レンズ鏡筒）に適用され、レンズ装置に含まれるレンズ１０１（被測定物）の位置を検出するように構成されているが、本実施例はこれに限定されるものではない。

位置検出装置１００は、検出されたレンズ１０１の位置情報の種類に応じて、Ａ／Ｄコンバータ１０６（２ｃｈＡ／Ｄ）に入力する信号（エンコーダ信号）を切り替えて使用するように構成される。被測定物であるレンズ１０１には、超音波モータやボイスコイルモータなどのアクチュエータ１０２、および、エンコーダ１０３が取り付けられている。

本実施例において、エンコーダ１０３は、Ａ１相、Ｂ１相、Ａ２相、Ｂ２相の４つの信号（エンコーダ信号）を出力する。エンコーダ１０３から出力された４つの信号は、切り替え回路１０４（切り替え部）に入力される。切り替え回路１０４は、レンズＣＰＵ１０５（制御手段）からの信号（指令）に基づいて、Ａ／Ｄコンバータ１０６に入力される信号（エンコーダ信号）を切り替える。例えば、切り替え回路１０４は、レンズＣＰＵ１０５からの指令に基づいて、被測定物の絶対位置情報を取得する動作と相対位置情報を取得する動作とを切り替える。本実施例において、切り替え回路１０４は、４つの信号から２つの信号の組み合わせ（Ａ１相とＢ１相、Ａ１相とＡ２相、または、Ｂ１相とＢ２相）を選択し、選択された２組の信号をＡ／Ｄコンバータ１０６に出力する。

レンズＣＰＵ１０５は、Ａ／Ｄコンバータ１０６から出力信号を用いて所定の演算を行い、被測定物であるレンズ１０１の位置検出を行う。レンズＣＰＵ１０５は、レンズ１０１の検出位置（位置検出結果）に基づいてドライバ１０７（駆動回路）を制御し、アクチュエータ１０２を駆動する。このような構成により、レンズＣＰＵ１０５は、レンズ１０１を現在位置から目標位置に移動させることができる。

次に、図２乃至図４を参照して、エンコーダ１０３の構成について説明する。図２は、エンコーダ１０３の構成図であり、エンコーダ１０３を検出軸方向（Ｘ方向）から見た断面を示している。エンコーダ１０３は、スケール２０１（反射スケール）およびセンサ２０２（センサユニット）を備えて構成されている。スケール２０１には、第１のトラック３０１および第２のトラック３０２が設けられている。センサ２０２は、スケール２０１に対向するように配置されており、スケール２０１に対して相対移動可能に構成されている。センサ２０２は、ＬＥＤチップを備えた光源２０３、および、２つの受光素子２０４、２０５を有する。受光素子２０４、２０５は、フォトダイオードアレイを備えた受光部２０６、２０７、および、後述の信号処理回路を内蔵したフォトＩＣチップ（半導体素子）である。なお本実施例において、受光素子２０４、２０５は、互いに同一または別々の構成のいずれでもよい。また本実施例において、スケール２０１は反射スケールであるが、透過スケールであってもよい。反射スケールを用いる場合にはセンサ２０２は光の反射光量を検出し、透過スケールを用いる場合にはセンサ２０２は光の透過光量を検出する。

図３は、スケール２０１の構成図であり、図３（ａ）はスケール２０１（スリットパターン）の全体平面図、図３（ｂ）はスケール２０１の一部の拡大平面図をそれぞれ示している。スケール２０１には、第１のトラック３０１および第２のトラック３０２が設けられている。第１のトラック３０１には第１のパターン３０３が周期的に形成され、第２のトラック３０２には第２のパターン３０４が周期的に形成されている。

第１のパターン３０３の第１の周期３０５、および、第２のパターン３０４の第２の周期３０６（移動方向における周期）は、互いに僅かに異なっている。すなわちスケール２０１は、等ピッチで形成された第１のパターン３０３および等ピッチで形成された第２のパターン３０４の全体のスリット数が互いに異なるように構成されている。

また第２のトラック３０２は、第２のパターン３０４（各々の反射パターン）の面積がスケール２０１の測長方向（Ｘ方向）に沿って変化するように構成されている。例えば図３（ｂ）に示されるように、第２のパターン３０４は、互いに面積の異なる複数のパターン３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃを備えて構成される。パターン３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃの順に、パターン面積は小さくなっていく。なお本実施例では、第２のパターン３０４の分割数（Ｙ方向における分割数）を変化させることにより、第２のパターン３０４の面積（パターン面積）を変化させているが、これに限定されるものではない。例えば、第２のパターン３０４の反射率（または透過率）をＸ方向（移動方向）において変更するように構成し、Ｘ方向において反射光量（または透過光量）を変化させてもよい。

図４は、センサ２０２の構成図（平面図）である。光源２０３の近傍には、（光源２０３を挟み込むように）受光素子２０４、２０５が配置されている。受光素子２０４は、光源２０３の近傍に配置された受光部２０６および信号処理回路４０１を備えている。受光素子２０５は、光源２０３の近傍に配置された受光部２０７および信号処理回路４０２を備えている。受光部２０６には、水平方向（Ｘ方向）に１６個のフォトダイオードＰＤが等間隔に配列されている。

受光素子２０４（受光部２０６）において、図４中の左端から１、５、９、１３番目のフォトダイオードＰＤは電気的に接続されており、この組をａ相のフォトダイオード群とする。また、左端から２、６、１０、１４番目の組をｂ相、以下同様にしてｃ相、ｄ相とする。ａ相、ｂ相、ｃ相、ｄ相の各フォトダイオード群は、受光した光量に応じた光電流を出力する。ａ相、ｂ相、ｃ相、ｄ相の各フォトダイオード群は、ａ相を基準として、ｂ相は９０度、ｃ相は１８０度、ｄ相は２７０度の位相関係を有して変化する電流が出力される。

受光素子２０４の信号処理回路４０１は、各フォトダイオード群から出力された電流を電流電圧変換器で電圧に変換する。そして、信号処理回路４０１（差動増幅回路）は、ａ相とｃ相との差動成分、および、ｂ相とｄ相の差動成分を求め、９０度位相のずれた変位信号であるＡ１相信号（第１の信号）およびＢ１相信号（第２の信号）を出力する。受光素子２０５も受光素子２０４と同じ構成であり、９０度位相のずれた変位信号であるＡ２相信号（第３の信号）およびＢ２相信号（第４の信号）を出力する。

ここで、Ａ１相信号およびＢ１相信号は、第１のパターン３０３からの反射光に基づいて生成される。また、Ａ２相信号およびＢ２相信号は、第２のパターン３０４からの反射光に基づいて生成される。このため、Ａ１相、Ｂ１相信号とＡ２相、Ｂ２相信号との信号周期（第１の周期３０５、第２の周期３０６）は、互いに僅かに異なっている。また、第２のパターン３０４は、パターン面積がスケール２０１の移動方向（Ｘ方向）に応じて変化するように構成されている。このため、Ａ２相、Ｂ２相信号の振幅は、スケール２０１のＸ方向の位置に応じて変化する。

このように本実施例において、センサ２０２は、第１のパターン３０３から得られた第１の信号（Ａ１相信号）および第２の信号（Ｂ１相信号）と、第２のパターン３０４から得られた第３の信号（Ａ２相信号）および第４の信号（Ｂ２相信号）とを出力する。

次に、図５を参照して、切り替え回路１０４（切り替え部）の動作について説明する。図５は、切り替え回路１０４の動作を示すフローチャートである。切り替え回路１０４は、レンズＣＰＵ１０５からの信号（指令）に基づいて、Ａ／Ｄコンバータ１０６に出力する信号（すなわちＡ／Ｄコンバータ１０６による変換の対象となる信号）を切り替える。このように図５の各ステップは、レンズＣＰＵ１０５の指令に基づいて、切り替え回路１０４により実行される。

まずステップＳ５０１において、切り替え回路１０４は、レンズＣＰＵ１０５からの信号（指令）を受け取り、その信号処理を行う。そしてステップＳ５０２において、切り替え回路１０４は、ステップＳ５０１にてレンズＣＰＵ１０５から受け取った信号が相対位置検出を示す信号であるか否かを判定する。レンズＣＰＵ１０５からの信号が相対位置検出を示す信号である場合、ステップＳ５０３に進む。一方、レンズＣＰＵ１０５からの信号が相対位置検出を示す信号でない場合、すなわち絶対位置検出を示す信号である場合、ステップＳ５０４に進む。

相対位置検出の場合（相対位置情報を取得する場合）、ステップＳ５０３において、切り替え回路１０４は、Ａ／Ｄコンバータ１０６がＡ１相、Ｂ１相信号の２つの信号を読み込むように設定する。すなわち切り替え回路１０４は、Ａ／Ｄコンバータ１０６に対してＡ１相、Ｂ１相信号を出力する。

一方、絶対位置検出の場合（絶対位置情報を取得する場合）、ステップＳ５０４において、切り替え回路１０４は、Ａ／Ｄコンバータ１０６がＡ１相、Ａ２相信号の２つの信号を読み込むように設定する。すなわち切り替え回路１０４は、Ａ／Ｄコンバータ１０６に対してＡ１相、Ａ２相信号を出力する。続いてステップＳ５０５において、切り替え回路１０４は、Ａ／Ｄコンバータ１０６が信号の読み込みを完了するまで待機する。続いてステップＳ５０６において、切り替え回路１０４は、Ａ／Ｄコンバータ１０６がＢ１相、Ｂ２相信号の２つの信号を読み込むように設定する。すなわち切り替え回路１０４は、Ａ／Ｄコンバータ１０６に対してＢ１相、Ｂ２相信号を出力する。

このように本実施例では、レンズＣＰＵ１０５から入力された信号（指令）が相対位置検出を示す信号である場合、切り替え回路１０４は、Ａ／Ｄコンバータ１０６に入力される信号がＡ１相、Ｂ１相信号になるように設定する（切り替える）。すなわち相対位置情報を取得する場合、切り替え回路１０４は、Ａ１相信号およびＢ１相信号を選択してＡ／Ｄコンバータ１０６に出力する。

一方、レンズＣＰＵ１０５から入力された信号（指令）が絶対位置検出を示す信号である場合、切り替え回路１０４は、まず、Ａ／Ｄコンバータ１０６に入力される信号がＡ１相、Ａ２-相信号になるように設定する。続いて、切り替え回路１０４は、Ａ／Ｄコンバータ１０６に入力される信号がＢ１相、Ｂ２相信号になるように設定する。すなわち切り替え回路１０４は、センサ２０２から出力されたＡ１相信号、Ｂ１相信号、Ａ２相信号、および、Ｂ２相信号のうち、Ａ１相信号およびＡ２相信号、または、Ｂ１相信号およびＢ２相信号を選択的に出力する。そしてＡ／Ｄコンバータ１０６は、切り替え回路１０４から出力されたＡ１相信号およびＡ２相信号のＡ／Ｄ変換を同時に行い、また、切り替え回路１０４から出力されたＢ１相信号およびＢ２相信号のＡ／Ｄ変換を同時に行う。このように切り替え回路１０４は、Ａ１相信号およびＡ２相信号の出力と、Ｂ１相信号およびＢ２相信号の出力とを交互に切り替える。

本実施例において、相対位置を検出する際に、Ａ１相、Ｂ１相信号のみをＡ／Ｄコンバータ１０６に出力してＡ／Ｄ変換を行うのは、Ａ１相、Ｂ１相信号に基づいて相対位置が求められるためである。すなわちレンズＣＰＵ１０５は、Ａ１相信号およびＢ１相信号に基づいて相対位置情報を取得する。一方、絶対位置を検出する際に、先にＡ１相、Ａ２相信号をＡ／Ｄ変換し、次にＢ１相、Ｂ２相信号をＡ／Ｄ変換するのは、後述する中位信号の精度を保つためである。この詳細については後述する。

次に、図６乃至図８を参照して、レンズＣＰＵ１０５による相対位置の検出方法について説明する。図６は、レンズＣＰＵ１０５により実行される信号処理のブロック図である。図７は、レンズＣＰＵ１０５の第１の補正部６０１により実行される信号補正方法の説明図である。図７（ａ）は補正前の振幅（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）と位置（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）との関係を示し、図７（ｂ）は補正後の振幅と位置との関係を示している。図８は、相対位置検出方法の説明図である。図８（ａ）は、Ａｒｃｔａｎ演算部６０２により得られた角度（Ｄｅｇｒｅｅ）と位置（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）との関係を示す。図８（ｂ）は、Ａｒｃｔａｎ演算部６０２により求められた信号の切り替わりをつなぎ合わせて生成された信号（角度と位置との関係）を示す。

図６において、Ａ／Ｄコンバータ１０６から出力されたＡ１相、Ｂ１相信号（第１のトラック３０１からの出力信号）は、レンズＣＰＵ１０５の第１の補正部６０１に出力される。第１のトラック３０１から得られたＡ１相、Ｂ１相信号には、図７（ａ）に示されるように、互いに異なるオフセット電圧（Ａ１相オフセット、Ｂ１相オフセット）または信号振幅（Ａ１相振幅、Ｂ１相振幅）が含まれる場合がある。このようなオフセット電圧や信号振幅のまま位置検出演算を行うと、位置検出の誤差要因となる。このため、Ａ１相、Ｂ１相信号のそれぞれに対して信号補正（オフセット補正、振幅補正）を行う必要がある。

そこでまず、各信号のオフセット電圧の補正方法（オフセット補正方法）について説明する。以下の説明では、受光素子２０４、２０５として同じ特性を有する素子を用い、受光素子２０４、２０５のフォトダイオードの間隔が第１の周期３０５の２倍に設定されれている場合について説明する。

Ａ１相信号およびＢ１相信号は、以下の式（１）、（２）でそれぞれ表わされる。

Ａ１相信号：ａ１×ＣＯＳθ＋ｓ１ …（１）
Ｂ１相信号：ａ２×ＳＩＮθ＋ｓ２ …（２）
式（１）において、ａ１、ｓ１は、それぞれ、Ａ１相信号の信号振幅およびオフセット電圧である。式（２）において、ａ２、ｓ２は、それぞれ、Ｂ１相信号の信号振幅およびオフセット電圧である。式（１）、（２）において、θは各信号の位相である。ここで、Ａ１相信号の最大値はａ１＋ｓ１、最小値はａ１−ｓ１、信号振幅はａ１、平均値はｓ１である。同様に、Ｂ１相信号において、最大値はａ２＋ｓ２、最小値はａ２−ｓ２、信号振幅はａ２、平均値はｓ２である。これらの値を用いて、第１の補正部６０１は、以下の式（３）、（４）で表されるように、Ａ１相信号およびＢ１相信号のオフセット電圧および信号振幅を補正し、補正Ａ１相信号および補正Ｂ１相信号を求める。

補正Ａ１相信号：｛（ａ１×ＣＯＳθ＋ｓ１）−ｓ１｝×ａ２
＝ａ１×ａ２×ＣＯＳθ …（３）
補正Ｂ１相信号：｛（ａ２×ＳＩＮθ＋ｓ２）−ｓ２｝×ａ１
＝ａ１×ａ２×ＳＩＮθ …（４）
式（３）、（４）で表される演算を行うことにより、図７（ｂ）に示されるように、Ａ１相、Ｂ１相信号のそれぞれからオフセット電圧が取り除かれ、同一の信号振幅を有する補正Ａ１相信号および補正Ｂ１相信号が得られる。

第１の補正部６０１で得られた補正Ａ１相信号および補正Ｂ１相信号は、Ａｒｃｔａｎ演算部６０２に出力される。Ａｒｃｔａｎ演算部６０２は、補正Ａ１相信号および補正Ｂ１相信号を用いて、図８（ａ）に示されるように被測定物（レンズ１０１）の角度を求める。なお、Ａｒｃｔａｎの演算は、公知のＣＯＲＤＩＣアルゴリズムなどで実現可能である。

Ａｒｃｔａｎ演算部６０２により求められた信号は、相対位置演算部６０３、中位信号演算部６０６、および、絶対位置演算部６０８に出力される。相対位置演算部６０３は、Ａｒｃｔａｎ演算部６０２により求められた信号の切り替わりをつなぎ合わせて、図８（ｂ）に示されるように仮想的にリニアな信号を生成する。この信号は、相対位置の検出に用いられる。

次に、図６および図９乃至図１２を参照して、レンズＣＰＵ１０５による絶対位置の検出方法について説明する。図９は、レンズＣＰＵ１０５の第２の補正部６０４による信号補正方法の説明図である。図９（ａ）は補正前の振幅（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）と位置（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）との関係を示し、図９（ｂ）は補正後の振幅と位置との関係を示している。図９（ｃ）は位相ずれ量の補正後の信号を示し、図９（ｄ）は図９（ｃ）の信号に対して振幅補正を行った後の信号を示している。図１０は、中位信号の演算方法の説明図である。図１０（ａ）は、Ａｒｃｔａｎ演算部６０５により得られた角度（Ｄｅｇｒｅｅ）と位置（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）との関係を示している。図１０（ｂ）は、バーニア処理により求められた中位信号を示している。図１１は、上位信号の演算方法の説明図である。図１２は、絶対位置検出方法の説明図である。

図６において、Ａ／Ｄコンバータ１０６から出力されたＡ２相、Ｂ２相信号（第２のトラック３０２からの出力信号）は、レンズＣＰＵ１０５の第２の補正部６０４に出力される。第２のトラック３０２から得られたＡ２相、Ｂ２相信号には、Ａ１相、Ｂ１相信号と同様に、図９（ａ）に示されるように互いに異なるオフセット電圧（Ａ２相オフセット、Ｂ２相オフセット）または信号振幅（Ａ２相振幅、Ｂ２相振幅）が含まれる場合がある。また、図３に示されるように、第１の周期３０５と第２の周期３０６は、後述するバーニア信号を取得するため、互いに僅かに異なるように構成されている。このため、受光素子２０５のフォトダイオード群の間隔は、第２の周期３０６の２倍とならず、第２のトラック３０２から得られるＡ２相、Ｂ２相信号は９０度からずれた位相関係となる。

このようなオフセット電圧や信号振幅、および、位相関係の状態で位置検出演算を行うと、位置検出の誤差要因となる。このため、Ａ２相、Ｂ２相信号のそれぞれに対して信号補正（オフセット補正、振幅補正、位相ずれ補正）を行う必要となる。第２のトラック３０２から得られるＡ２相、Ｂ２相信号は、以下の式（５）、（６）でそれぞれ表わされる。

Ａ２相信号：ｂ１×ＣＯＳθ＋ｔ１ …（５）
Ｂ２相信号：ｂ２×ＳＩＮ（θ＋α）＋ｔ２ …（６）
ここで、ｂ１、ｔ１は、それぞれ、Ａ２相信号の信号振幅およびオフセット電圧である。ｂ２、ｔ２は、それぞれ、Ｂ２相信号の信号振幅およびオフセット電圧である。θは各信号の位相、αは位相ずれ量である。

第２の補正部６０４は、まず、第１の補正部６０１と同様に、オフセット電圧および信号振幅の補正を行う。

Ａ２相信号（補正途中）：｛（ｂ１×ＣＯＳθ＋ｔ１）−ｔ１｝×ｂ２
＝ｂ１×ｂ２×ＣＯＳθ …（７）
Ｂ２相信号（補正途中）：｛（ｂ２×ＳＩＮ（θ＋α）＋ｔ２）−ｔ２｝×ｂ１
＝ｂ１×ｂ２×ＳＩＮ（θ＋α） …（８）
式（７）、（８）により、Ａ２相、Ｂ２相信号のそれぞれからオフセット電圧が取り除かれ、互いに同一の信号振幅を有する補正Ａ２相信号および補正Ｂ２相信号が得られる。図９（ｂ）は、補正Ａ２相、補正Ｂ２相信号を示している。ただし、このときの信号には、位相ずれ量αがまだ含まれている。

続いて、式（７）、（８）を用いて、補正Ａ２相、補正Ｂ２相信号に含まれる位相ずれ（位相差）を９０度に補正する処理について説明する。式（７）、（８）の差を取ると、以下の式（９）が得られる。

ｂ１×ｂ２×（ＳＩＮ（θ＋α）−ＣＯＳθ）
＝ｂ１×ｂ２×２×ＳＩＮ｛（α−９０）／２｝×ＣＯＳ｛θ＋（α＋９０）／２｝ …（９）
また、式（７）、（８）の和を取ると、以下の式（１０）が得られる。

ｂ１×ｂ２×（ＳＩＮ（θ＋α）＋ＣＯＳθ）
＝ｂ１×ｂ２×２×ＣＯＳ｛（α−９０）／２｝×ＳＩＮ｛θ＋（α＋９０）／２｝ …（１０）
このような演算により、位相ずれ量が補正され、式（９）、（１０）により求められた信号の位相差は９０度となる。この状態を図９（ｃ）に示す。ここで、式（９）、（１０）により求められた２つの信号の振幅は互いに異なるため、振幅の補正を行う。まず、式（９）に、式（１０）の振幅の一部であるＳＩＮ｛（α−９０）／２｝を乗じることにより、以下の式（１１）が得られる。また、式（１０）に式（９）の振幅の一部であるＣＯＳ｛（α−９０）／２｝を乗ずることにより、以下の式（１２）が得られる。

ｂ１×ｂ２×２×ＳＩＮ｛（α−９０）／２｝×ＣＯＳ｛（α−９０）／２｝×ＣＯＳ｛θ＋（α＋９０）／２｝ …（１１）
ｂ１×ｂ２×２×ＳＩＮ｛（α−９０）／２｝×ＣＯＳ｛（α−９０）／２｝×ＳＩＮ｛θ＋（α＋９０）／２｝ …（１２）
これにより、振幅の補正が行われ、補正Ａ２相信号および補正Ｂ２相信号が得られる。図９（ｄ）は、振幅補正後の信号（補正Ａ２相信号および補正Ｂ２相信号）を示している。

補正Ａ２相、補正Ｂ２相信号は、Ａｒｃｔａｎ演算部６０５および上位信号演算部６０７に出力される。Ａｒｃｔａｎ演算部６０５は、Ａｒｃｔａｎ演算部６０２と同様の演算が行われ、図１０（ａ）に示されるように、補正Ａ２相、補正Ｂ２相信号を用いて角度が求められる。Ａｒｃｔａｎ演算部６０５の出力信号は、Ａｒｃｔａｎ演算部６０２の出力信号とともに、中位信号演算部６０６に入力される。中位信号演算部６０６は、公知のバーニア処理により中位信号（図１０（ｂ））を求める。すなわち中位信号演算部６０６は、Ａｒｃｔａｎ演算部６０２の出力信号（図８（ａ））とＡｒｃｔａｎ演算部６０５の出力信号（図１０（ａ））とを用いて、中位信号を求める。

上位信号演算部６０７は、第２の補正部６０４の出力信号を二乗平均することにより、図１１に示される上位信号を求める。上位信号演算部６０７の出力信号（上位信号）は、前述の下位信号および中位信号とともに、絶対位置演算部６０８に入力される。絶対位置演算部６０８は、入力された上位信号、中位信号、および、下位信号の同期をとることにより、図１２に示されるように、スケール２０１（レンズ１０１）の絶対位置情報を算出する。

このように、レンズＣＰＵ１０５は、Ａ／Ｄコンバータ１０６によるＡ／Ｄ変換後のＡ１相信号、Ｂ１相信号、Ａ２相信号、および、Ｂ２相信号に基づいて、レンズ１０１（被測定物）の絶対位置情報を取得する。より具体的には、レンズＣＰＵ１０５（Ａｒｃｔａｎ演算部６０２）は、Ａ１相信号およびＢ１相信号に基づいて下位信号（第５の信号）を取得する。またレンズＣＰＵ１０５（中位信号演算部６０６）は、Ａ１相信号、Ｂ１相信号、Ａ２相信号、および、Ｂ２相信号に基づいてバーニア信号としての中位信号（第６の信号）を取得する。またレンズＣＰＵ１０５（上位信号演算部６０７）は、Ａ２相信号およびＢ２相信号に基づいて上位信号（第７の信号）を取得する。そしてレンズＣＰＵ１０５（絶対位置演算部６０８）は、下位信号（第５の信号）、中位信号（第６の信号）、および、上位信号（第７の信号）に基づいて絶対位置情報を取得する。

本実施例において、レンズＣＰＵ１０５（第１の補正部６０１、第２の補正部６０４）は、Ａ／Ｄ変換後のＡ１相信号、Ｂ１相信号、Ａ２相信号、および、Ｂ２相信号のそれぞれのオフセット電圧および振幅電圧を補正する補正手段である。また第２の補正部６０４（補正手段）は、Ａ／Ｄ変換後のＡ２相信号およびＢ２相信号の位相ずれ量を補正する。

続いて図１３を参照して、絶対位置の検出の際に、最初にＡ１相、Ａ２相信号に対してＡ／Ｄ変換を行う理由について説明する。図１３は、Ａ／Ｄコンバータ１０６による同時取り込み信号と中位信号の精度との関係図である。図１３において、Ａ１Ｂ１相と示されている信号は、Ａ１相、Ｂ１相信号を同時に取り込んだ後にＡ２相、Ｂ２相信号を同時に取り込んでＡ／Ｄ変換を行うことにより得られた中位信号である。また、Ａ１Ａ２相と示されている信号は、Ａ１相、Ａ２相信号を同時に取り込んだ後にＢ１相、Ｂ２相信号を同時に取り込んでＡ／Ｄ変換を行うことにより得られた中位信号である。

図１３（ａ）は、スケール２０１の全体から得られる中位信号を示し、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の中位信号の一部の拡大図である。図１３（ｂ）に示されるように、Ａ１Ａ２相と示されている信号（Ａ１相、Ａ２相信号を同時に取り込んだ後にＢ１相、Ｂ２相信号を同時に取り込んで算出された中位信号）は、本来の中位信号の間隔（周期）である０．６ｍｍと一致する間隔を有する。一方、Ａ１Ｂ１相と示されている信号（Ａ１相、Ｂ１相信号を同時に取り込んだ後にＡ２相、Ｂ２相信号を同時に取り込んで算出された中位信号）は、本来の中位信号の間隔（周期）である０．６ｍｍからずれている。これは、Ａ／Ｄコンバータ１０６の処理時間に起因するずれが生じているためである。このように中位信号の間隔（周期）が本来の値からずれると、絶対位置の検出精度が低下する。このため本実施例の位置検出装置は、Ａ相同士（Ａ１相、Ａ２相信号の同時読み込み）およびＢ相同士（Ｂ１相、Ｂ２相信号の同時読み込み）をＡ／Ｄ変換して絶対位置を検出するように構成される。

以上のとおり、本実施例の位置検出装置は、位置検出方法に応じて、すなわち相対位置検出または絶対位置検出のいずれかに応じて、Ａ／Ｄコンバータにより同時に取り込む信号を切り替える。これにより、高精度かつ安価な位置検出が可能な位置検出装置を提供することができる。

次に、図１４を参照して、本発明の実施例２について説明する。図１４は、本実施例における撮像システム２０の概略構成図である。撮像システム２０は、実施例１における位置検出装置１００（エンコーダ１０３）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２０は、撮像装置２０ａ（撮像装置本体）と、撮像装置２０ａに着脱可能なレンズ装置２０ｂ（エンコーダ１０３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１４において、センサ２０２およびスケール２０１によりエンコーダが構成される。５１はレンズユニットであり、レンズ１０１を備えている。５５は撮像素子、５０は円筒体である。レンズ１０１は、例えばオートフォーカス用のレンズであり、光軸ＯＡの方向（光軸方向）であるＹ方向に移動可能である。レンズ１０１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、レンズ１０１を駆動するアクチュエータ（図１中のアクチュエータ１０２）と連結されている。撮像素子５５は、撮像装置２０ａに設けられており、レンズユニット５１（レンズ１０１）を介して得られた光学像（被写体像）を光電変換する。

本実施例のレンズ装置２０ｂは、光軸方向に移動可能なレンズ１０１と、レンズ１０１の移動を検出するように構成されたエンコーダ１０３（位置検出装置１００）とを有する。スケール２０１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１０３（位置検出装置１００）は、円筒体５０の光軸方向（Ｙ方向）の周りにおける回転量（変位）を取得することで、レンズ１０１の光軸方向の移動（位置）を検出する。

スケール２０１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る。スケール２０１は、円筒体５０の回転方向に沿って円筒面に貼り付けられている。ただし本実施例はこれに限定されるものではなく、スケール２０１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ってもよい。この場合、スケール２０１とセンサ２０２とが光軸方向において互いに対向するように配置される。

アクチュエータまたは手動により、円筒体５０を、光軸ＯＡを中心として回転させると、スケール２０１はセンサ２０２に対して相対的に移動する。スケール２０１の移動に伴い、レンズ１０１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１０３のセンサ２０２から得られるレンズ１０１の移動（位置）に応じた信号は、レンズＣＰＵ１０５に出力される。レンズＣＰＵ１０５は、レンズ１０１を所望の位置へ移動するための駆動信号を生成する。レンズ１０１は、その駆動信号に基づいて駆動される。

また、実施例１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、工作機器の位置または姿勢を検出する位置検出装置とを有する工作装置を構成することができる。これにより、ロボットアームまたは搬送体の位置を高精度に検出して、高精度な加工が可能となる。

各実施例によれば、安価で高精度に位置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、および、位置検出方法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。

例えば、上記各実施例の位置検出装置は、相対位置情報および絶対位置情報を取得可能に構成されているが、これに限定されるものではない。各実施例は、絶対位置情報のみを取得可能に構成された位置検出装置にも適用可能である。このとき切り替え回路は、Ａ１相信号およびＡ２相信号、または、Ｂ１相信号およびＢ２相信号を選択的に切り替えてＡ／Ｄコンバータに出力するように構成されていればよい。

また各実施例では、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２０１（パターン）に磁性体を用い、磁性の極性分布を本実施例のスケール２０１の反射パターン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２０１の反射パターン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。

１００ 位置検出装置
１０１ レンズ
１０４ 切り替え回路
１０５ レンズＣＰＵ
１０６ Ａ／Ｄコンバータ
２０１ スケール
２０２ センサ
３０３ 第１のパターン
３０４ 第２のパターン

Claims (16)

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第１のパターンおよび第２の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、前記第１のパターンから得られた第１の信号および第２の信号と前記第２のパターンから得られた第３の信号および第４の信号とを出力するセンサユニットと、
   前記センサユニットから出力された前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号、および、前記第４の信号のうち、該第１の信号および該第３の信号、または、該第２の信号および該第４の信号を選択的に出力する切り替え回路と、
   前記切り替え回路から出力された前記第１の信号および前記第３の信号のＡ／Ｄ変換を同時に行い、該切り替え回路から出力された前記第２の信号および前記第４の信号のＡ／Ｄ変換を同時に行うＡ／Ｄコンバータと、
   前記Ａ／ＤコンバータによるＡ／Ｄ変換後の前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号、および、前記第４の信号に基づいて、前記被測定物の絶対位置情報を取得する制御手段と、を有することを特徴とする位置検出装置。
2. 前記切り替え回路は、前記第１の信号および前記第３の信号の出力と、前記第２の信号および前記第４の信号の出力とを交互に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記制御手段は、
   前記第１の信号および前記第２の信号に基づいて第５の信号を取得し、
   前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号、および、前記第４の信号に基づいて第６の信号を取得し、
   前記第３の信号および前記第４の信号に基づいて第７の信号を取得し、
   前記第５の信号、前記第６の信号、および、前記第７の信号に基づいて前記絶対位置情報を取得する、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１のパターンは、前記被測定物の移動方向において第１の周期を有し、
   前記第２のパターンは、前記移動方向において前記第１の周期と異なる第２の周期を有す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. 前記スケールは、前記センサユニットに含まれる光源からの光を反射する反射スケールまたは該光を透過する透過スケール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. 前記第２のパターンは、前記被測定物の移動方向において、前記光源からの光の反射光量または透過光量が異なるように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の位置検出装置。
7. 前記第２のパターンは、前記移動方向において、パターン面積が異なるように構成され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。
8. 前記制御手段は、前記Ａ／Ｄ変換後の前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号、および、前記第４の信号のそれぞれのオフセット電圧および振幅電圧を補正する補正手段を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の位置検出装置。
9. 前記補正手段は、更に、前記Ａ／Ｄ変換後の前記第３の信号および前記第４の信号の位相ずれ量を補正することを特徴とする請求項８に記載の位置検出装置。
10. 前記位置検出装置は、前記被測定物の前記絶対位置情報および相対位置情報を取得可能に構成されており、
    前記切り替え回路は、
    前記絶対位置情報を取得する場合、前記第１の信号および前記第３の信号、または、前記第２の信号および前記第４の信号を同時に選択して前記Ａ／Ｄコンバータに出力し、
    前記相対位置情報を取得する場合、前記第１の信号および前記第２の信号を選択して前記Ａ／Ｄコンバータに出力する、ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の位置検出装置。
11. 前記制御手段は、前記第１の信号および前記第２の信号に基づいて前記相対位置情報を取得することを特徴とする請求項１０に記載の位置検出装置。
12. 前記切り替え回路は、前記制御手段からの指令に基づいて、前記被測定物の前記絶対位置情報を取得する動作と前記相対位置情報を取得する動作とを切り替えることを特徴とする請求項１０または１１に記載の位置検出装置。
13. 光軸方向に移動可能なレンズと、
    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１２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。
14. 請求項１３に記載のレンズ装置と、
    前記レンズを介して得られた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。
15. 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１２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。
16. 被測定物の位置を検出する位置検出方法であって、
    周期的に形成された第１のパターンおよび第２の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センサユニットを用いて、該第１のパターンから第１の信号および第２の信号を取得し、該第２のパターンから第３の信号および第４の信号を取得するステップと、
    前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号、および、前記第４の信号のうち、該第１の信号および該第３の信号、または、該第２の信号および該第４の信号を選択的に出力するステップと、
    前記第１の信号および前記第３の信号のＡ／Ｄ変換を同時に行うステップと、
    前記第２の信号および前記第４の信号のＡ／Ｄ変換を同時に行うステップと、
    Ａ／Ｄ変換後の前記第１の信号、前記第２の信号、前記第３の信号、および、前記第４の信号に基づいて、前記被測定物の絶対位置情報を取得するステップと、を有することを特徴とする位置検出方法。