JP2015121405A - アブソリュートエンコーダおよび装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な位置検出精度を確保できるアブソリュートエンコーダを提供する。【解決手段】エンコーダは、スケール２との相対移動が可能であり、スケール２上の複数の周期パターンのそれぞれに応じた周期を有する複数の周期信号を生成するセンサ７を有する。信号生成手段５１は、複数の周期信号を用いて、絶対位置の検出に用いる信号として複数の周期信号の周期よりも長い周期を有する上位信号を生成する。信号処理手段は、周期パターン領域のうち１周期の上位信号を生成するための第１の領域とこれに隣接する第２の領域のそれぞれに対して生成される上位信号を第１および第２の領域の境界において折り返す処理を行う。信号処理手段は、相対移動範囲にて出力される上位信号が折り返し処理による折り返し部分を含む場合に、この上位信号を用いて検出される絶対位置を、折り返し部分を含まない上位信号を用いて得られる位置に補正する補正処理を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、対象物（可動部材）の位置や移動量を検出するためのエンコーダに関し、特に対象物の絶対位置を検出するアブソリュートエンコーダに関する。

エンコーダには光学式、磁気式および静電容量式があり、いずれの方式のエンコーダも、可動部材および固定部材（不動部材）のうち一方に取り付けられたセンサと、他方に取り付けられたスケールとにより構成されている。スケールには、光を周期的に透過または反射したり、磁界の強度や静電容量を周期的に変化させたりする周期パターンが設けられている。そして、可動部材が固定部材に対して移動または回転し、センサとスケールとが相対移動すると、センサがスケールの周期パターンを光学的または磁気的に読み取ったり静電容量の変化を検出したりして、該周期パターンに対応した電気信号（周期信号）を生成する。この周期信号を用いた演算を行うことで、可動部材の位置（移動量や回転量）を検出することができる。

また、エンコーダには、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エンコーダと、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エンコーダとがある。特許文献１，２には、スケールで反射した光量を検知することで、センサ（受光素子）とスケールとの絶対位置を検出する光学式アブソリュートエンコーダが開示されている。また、特許文献２には、バーニア方式と称される位置検出方式が開示されている。このバーニア方式では、互いに周期が異なる周期パターンが形成された複数のトラックを有するスケールが用いられる。そして、それぞれのトラックから検出される互いに周期が異なる複数の周期信号間の位相差を演算することで、元の各周期信号の周期とは異なる周期を有する周期信号（バーニア信号）を得る。特許文献２では、周期が最も長い周期信号である上位信号を、複数のトラックから検出される信号を用いたバーニア演算により算出している。

特開２００９−００２７０２号公報 特開２０１２−０１３６５０号公報

しかしながら、特許文献１，２にて開示されたアブソリュートエンコーダには、以下のような問題がある。図１０（ａ）には、互いに異なる周期の周期パターンとしての２つのトラック８，１１が設けられたスケール２を示し、図１０（ｂ）には、該２つのトラック８，１１の検出結果から得られる上位信号の１周期を示している。これらの図から分かるように、上位信号の１周期が生成される領域１００２は、スケール２においてトラック８，１０が設けられているパターン領域１００１よりも長くなる。つまり、スケール２の全長に対して上位信号の周期が１つ以内となるよう構成されている。このため、位置に対して高い感度の上位信号を実現することが困難となり、良好な位置検出精度が得られないという問題がある。

この問題について、さらに詳しく説明する。図１０（ａ）に示すように、アブソリュートエンコーダでは、その有効走査領域である駆動範囲（相対移動範囲）１００３が、トラック８，１０が形成されているパターン領域１００１よりも短い長さとなるように構成される。ただし、駆動範囲１００３は、スケール２とセンサ（図示せず）との相対位置誤差等、様々な誤差によって位置検出方向であるＸ方向に大きくずれる場合がある。このため、このような誤差を考慮して、絶対位置が一意に決定できるように上位信号を形成するためのパターンを各トラックに形成する必要があるが、この結果、位置に対して高い感度の上位信号を実現することが困難になる。

そこで、良好な位置検出精度を得る目的で、上位信号の位置に対する感度を高め、上位信号が１周期を超えるようにパターンを設けることが考えられる。この場合、パターン全体のうち１周期の上位信号を生成するための第１の領域とこれに隣接する第２の領域のそれぞれに対して生成される上位信号が所定範囲内の値を持つ必要がある。このため、第１および第２の領域の境界において上位信号の値を所定範囲の最大値および最小値のうち一方から他方に折り返す処理（以下、折り返し処理）を行う。しかしながら、このような折り返し処理を行った場合に、以下のような問題が生じる。

前述した様々な誤差が及ぼす影響として、特に上位信号をバーニア演算により算出する場合には、センサ内に複数のトラックに対応して設けられた複数の受光素子の実装位置のずれにより、上位信号の演算結果がとり得る範囲が位置検出方向に大きくずれることがある。このことについて、図１１（ａ）を用いて説明する。

図１１（ａ）において、スケール２における２つのトラックに形成されているパターン（図示せず）の周期をＰ［ｍｍ］とし、上位信号の周期をＬ［ｍｍ］とする。また、センサ７に上記２つのトラックに対応して設けられた２つの受光部３，１２の相対的な実装位置誤差をＤ［ｍｍ］とする。なお、図中の１はセンサ７に設けられた光源である。このとき、上位信号の演算結果がとり得る範囲は、Ｄ／（２×Ｐ）×Ｌだけずれる。例えば、Ｐ＝０．５［ｍｍ］、Ｄ＝０．２［ｍｍ］とすると、上位信号の演算結果がとり得る範囲は１０［ｍｍ］ずれることになる。

また、図１１（ｂ），（ｃ）に示すようにセンサ７とスケール２の組み付け誤差によるこれらの相対位置関係の位置検出方向および回転方向へのずれによっても、上位信号の演算結果のとり得る範囲がずれる。さらに、図１１（ｄ）に示すように温度や湿度といった環境の変化によるスケール２の伸縮によっても、上位信号の演算結果のとり得る範囲がずれる。

このような上位信号の演算結果のとり得る範囲のずれによって、図１０（ａ）に示した駆動範囲１００３に上記折り返し処理による上位信号の折り返し部分が含まれる状況になると、上位信号の値が同じとなる位置が駆動範囲１００３内に複数生じることとなる。この結果、絶対位置を確定することができなくなる。

このような問題を解決するためには、例えばエンコーダを構成する部品の精度を向上させたり、センサとスケールを可動部材や固定部材に組み付けた際に高精度に位置調整を行ったりすることが考えられるが、コスト等との関係からそれらにも限界がある。また、精度を保証する有効走査領域を短縮することを解決策として採用すると、エンコーダとしての有効ストロークが短くなり、使いにくいエンコーダを提供することになる。

本発明は、様々な誤差や環境変化にかかわらず、良好な位置検出精度を確保できるようにしたアブソリュートエンコーダおよびこれを用いた装置を提供する。

本発明の一側面としてのアブソリュートエンコーダは、互いに異なる周期を有する複数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り、複数の周期パターンのそれぞれに応じた周期を有する複数の周期信号を生成するセンサと、複数の周期信号を用いて、絶対位置の検出に用いる信号として複数の周期信号の周期よりも長い周期を有する上位信号を生成する信号処理手段とを有する。各周期パターンが周期を有する位置検出方向において、スケールにおける複数の周期パターンが設けられたパターン領域の全長をＳＰとし、該パターン領域のうち１周期の上位信号を生成するための部分領域である第１の領域の長さをＨＳとし、スケールとセンサとの相対移動範囲の長さをＥＳとするとき、ＥＳ≦ＨＳ＜ＳＰなる関係を有する。そして、信号処理手段は、パターン領域のうち第１の領域とこれに隣接する第２の領域のそれぞれに対して生成される上位信号が所定範囲内の値を持つように、第１および第２の領域の境界において上位信号の値を所定範囲の最大値および最小値のうち一方から他方に折り返す折り返し処理を行う。さらに、信号処理手段は、相対移動範囲において出力される上位信号が折り返し処理による折り返し部分を含む場合に、この上位信号を用いて検出される絶対位置を、相対移動範囲において折り返し部分を含まない上位信号を用いて得られる位置に補正する補正処理を行うことを特徴とする。

なお、上記アブソリュートエンコーダと、該エンコーダを用いて絶対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。

また、本発明の他の一側面としての制御プログラムは、互いに異なる周期を有する複数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り、複数の周期パターンのそれぞれに応じた周期を有する複数の周期信号を生成するセンサと、複数の周期信号を用いて、絶対位置の検出に用いる信号として複数の周期信号の周期よりも長い周期を有する上位信号を生成するコンピュータとを有し、各周期パターンが周期を有する位置検出方向において、スケールにおける複数の周期パターンが設けられたパターン領域の全長をＳＰとし、該パターン領域のうち１周期の上位信号を生成するための部分領域である第１の領域の長さをＨＳとし、スケールとセンサとの相対移動範囲の長さをＥＳとするとき、ＥＳ≦ＨＳ＜ＳＰなる関係を有するアブソリュートエンコーダのコンピュータに、パターン領域のうち第１の領域とこれに隣接する第２の領域のそれぞれに対して生成される上位信号が所定範囲内の値を持つように、第１および第２の領域の境界において上位信号の値を所定範囲の最大値および最小値のうち一方から他方に折り返す折り返し処理と、相対移動範囲において出力される上位信号が折り返し処理による折り返し部分を含む場合に、この上位信号を用いて検出される絶対位置を、相対移動範囲において折り返し部分を含まない上位信号を用いて得られる位置に補正する補正処理とを実行させることを特徴とする。

本発明によれば、様々な誤差や環境変化によって相対移動範囲内に上位信号の折り返し部分が含まれた状況でも、良好な位置検出精度を確保可能なアブソリュートエンコーダを実現することができる。そして、このエンコーダを可動部材を含む装置に組み付ける場合に、スケールとセンサの位置調整を高精度に行う必要をなくすることができる。

本発明の実施例であるアブソリュートエンコーダの構成を示す図。 実施例のエンコーダのスケールの構成を示す図。 実施例のエンコーダの検出ヘッドにおける受光素子アレイの配置を示す図。 上記検出ヘッドの信号処理回路部を説明する図。 実施例のエンコーダにおけるスケールトラックの構成と絶対位置検出について説明する図。 実施例のエンコーダのセンサ内の２つの受光素子の実装位置ずれ等による上位信号の演算結果のずれを示す図。 上記上位信号のずれを補正するためのデータを算出する処理を示すフローチャート。 上記上位信号のずれ補正処理を示すフローチャート。 実施例のエンコーダを備えた撮像装置の構成を示す図。 従来のエンコーダのスケールと上位信号との関係を示す図。 従来のエンコーダに生ずる誤差について説明する図。

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（ａ）および図１（ｂ）には、本発明の実施例１であるアブソリュートエンコーダの構成を示している。本実施例のエンコーダは、移動（回転を含む）が可能な可動部材１０に取り付けられたスケール２と、不図示の不動の固定部材に取り付けられるセンサとしての検出ヘッド７と、コンピュータである信号処理装置（信号処理装置）５１とを含む。また、記憶装置５２も含む。

本実施例では、スケール２を可動部材に取り付け、検出ヘッド７を固定部材に取り付ける場合について説明するが、スケール２を固定部材に取り付け、検出ヘッド７を可動部材に取り付けてもよい。すなわち、スケール２と検出ヘッド７は、相対移動（相対回転を含む）すればよい。

図中において、Ｘ方向はスケール２と検出ヘッド７とが相対移動することで位置検出が行われる方向に相当し、以下の説明では位置検出方向ともいう。また、Ｘ方向に直交するＹ方向は、スケール２に位置検出方向に延びるように設けられた後述するスケールトラックの幅方向に相当し、以下の説明ではスケール幅方向ともいう。さらに、Ｘ方向およびＹ方向に直交するＺ方向は、スケール２と検出ヘッド７がと対向する方向、すなわち検出ヘッド７がスケール２上のスケールトラックを読み取る（検出する）方向に相当し、以下の説明ではスケール読取り方向ともいう。図１（ａ）には、位置検出方向から見たエンコーダ全体の構成を、図１（ｂ）には、スケール読取り方向から見た検出ヘッド７の構成を示している。

スケール２には、それぞれ図中のＸ方向に延びる複数（ここでは２つ）の周期パターンとしての第１のスケールトラック８および第２のスケールトラック１１が設けられている。第１および第２のスケールトラック８，１１はそれぞれ、Ｘ方向にて交互に配置された反射部と非反射部とを含む。第１および第２のスケールトラック８，１１のＸ方向での反射部の周期、すなわち第１および第２のスケールトラック８，１１の周期は互いに異なる。

検出ヘッド７は、光源１と、第１の受光部３と、第２の受光部１２と、Ｉ−Ｖ変換等の信号処理部を含むフォトＩＣチップ（図示せず）と、これらを実装したプリント基板４が同一パッケージ内に設けられた受発光一体型の検出ヘッドである。光源１はＬＥＤにより構成されている。第１の受光部３および第２の受光部１２はそれぞれ、第１のスケールトラック８および第２のスケールトラック１１を光学的に読み取る（検出する）ための第１の受光素子アレイ９および第２の受光素子アレイ１３を有する。本実施例では、第１および第２の受光部３，１２が一体的に１つの検出ヘッド７に設けられた場合について説明するが、これら受光部に相当する別々の受光デバイスを用いてもよい。

検出ヘッド７は、光源１と第１および第２の受光部３，１２（第１および第２の受光素子アレイ９，１３）がスケール読取り方向にてスケール２と対向するように配置されている。検出ヘッド７の光源１から出射した発散光束は、スケール２の第１および第２のスケールトラック８，１１に照射される。第１のスケールトラック８で反射した光束は、検出ヘッド７の第１の受光素子アレイ９に向かい、第１の受光素子アレイ９上に、スケールトラック８の反射部と非反射部により形成される反射率分布を含む像を形成する。同様に、第２のスケールトラック１１で反射した光束は、検出ヘッド７の第２の受光素子アレイ１３に向かい、第２の受光素子アレイ１３上に、スケールトラック１１の反射部と非反射部により形成される反射率分布を含む周期パターン像を形成する。第１および第２の受光素子アレイ９，１３はそれぞれ、受光した周期パターン像を電気信号に変換する（つまりは各周期パターンを検出する）。これらの電気信号は、フォトＩＣチップの信号処理部にて処理された後、各周期パターンに対応する周期信号として、信号処理装置５１に送られる。

信号処理装置５１は、検出ヘッド７からの信号に対する演算処理や、記憶装置５２に対する信号の書き込みと読み出しや、スケール２（可動部材１０）の絶対位置を示す位置信号の出力等を行う。

本実施例では、上述したように構成される反射型光学式アブソリュートエンコーダについて説明するが、以下に説明する構成や位置検出のための方法を、透過型光学式アブソリュートエンコーダに適用することもできる。また、本実施例と同様の構成を、光学式に限らず、磁気式や静電容量式等の物理的作用を利用する他の方式のアブソリュートエンコーダに適用することもできる。

図２にはスケール読取り方向から見たスケール２を示すとともに、その一部を拡大して示している。スケール２は、例えば、ポリカーボネート等の樹脂やＳＵＳ等の金属により形成された基材を有する。該基材の表面に、アルミニウムやクロム等の金属による反射膜（反射部）が互いに異なる周期で形成された２つの周期パターンが、第１および第２のスケールトラック８，１１である。

位置検出方向において、第１のスケールトラック８は、第１の周期Ｐ１を有する周期パターンとして構成されており、第２のスケールトラック１１は、第１の周期Ｐ１と僅かに異なる第２の周期Ｐ２（Ｐ１＜Ｐ２）を有する周期パターンとして構成されている。このため、第１および第２のスケールトラック８，１１を検出ヘッド７により読み取ることで信号処理装置５１にて生成されるエンコーダ信号も、第１および第２の周期Ｐ１，Ｐ２に対応した互いに異なる周期（変調周期）を有する。これら２つのエンコーダ信号間の位相差を演算するバーニア演算を行うことにより、これら元のエンコーダ信号の周期とは異なる周期（バーニア周期）を有する信号（バーニア信号）を得る。例えば、第１および第２の周期Ｐ１，Ｐ２から得られるバーニア周期は、Ｐ１とＰ２の最小公倍数となる。このため、所望のバーニア周期が得られるように、第１および第２の周期Ｐ１，Ｐ２が決定される。

本実施例では、２つのスケールトラックから得られる情報（つまりは２つのエンコーダ信号）を用いて、絶対位置の検出（算出）に用いる信号のうち周期が最も長い上位信号を生成する場合について説明する。しかし、スケールに３つ以上の複数の周期パターンを設け、これら周期パターンの検出により生成された３つ以上の複数の周期信号を用いて、絶対位置の検出に用いる信号のうち周期が最も長い上位信号を生成してもよい。また、本実施例における上位信号は、絶対位置の検出に用いる信号のうち最も長い周期を有するが、上位信号は、複数の周期パターンの検出により生成される複数の周期信号の周期よりも長い周期を有すればよい。さらに、本実施例では上位信号を生成するためにバーニア演算を行うが、別の演算方式を用いて上位信号を生成してもよい。

図２および図５（ａ），（ｂ），（ｃ）を用いて、本実施例における第１および第２のスケールトラック８，１１の読み取りによる絶対位置検出の原理について説明する。

図２および図５に示すように、本実施例におけるスケール２は、位置検出方向において、第１および第２のスケールトラック８，１１が設けられた全領域１０１の長さが、１周期の上位信号を生成するのに必要な領域１０２の長さよりも長くなるように構成されている。つまり、スケール２には、１周期以上の上位信号が得られる第１および第２のスケールトラック８，１１が設けられている。以下、第１および第２のスケールトラック８，１１が設けられた全領域１０１をスケールトラック領域（パターン領域）といい、１周期の上位信号を生成するのに必要な領域１０２を第１の領域という。また、スケールトラック領域１０１のうち第１の領域１０２に隣接する領域を第２の領域１０４という。

また、本実施例のエンコーダの有効走査領域（スケール２と検出ヘッド７の相対移動範囲）である駆動範囲１０３は、スケールトラック領域１０１の長さ以下の長さを有する。ここで、第１の領域１０２の長さが駆動範囲１０３の長さに近いまたは同じである方が、位置に対して高い感度の上位信号を生成することができる。

上記領域１０１，１０２，１０３の長さの関係をまとめると以下のようになる。各スケールトラック（各周期パターン）が周期を有する位置検出方向において、スケール２におけるスケールトラック領域１０１の全長をＳＰとし、該スケールトラック領域のうちの部分領域である第１の領域１０２の長さをＨＳとする。また、駆動範囲１０３の長さをＥＳとする。このとき、上記領域１０１，１０２，１０３は、
ＥＳ≦ＨＳ＜ＳＰ
なる関係を有する。

ここでは、第１のスケールトラック８の周期（第１の周期）Ｐ１が１００μｍで、第２のスケールトラック１１の周期（第２の周期）Ｐ２が１００×（４００／３９９）μｍであり、両周期Ｐ１，Ｐ２の比が整数倍からわずかにずれている場合を例として説明する。また、上位信号の１周期を、例として、４００００μｍとする。周期Ｐ１，Ｐ２および上位信号の１周期は、他の値であってもよい。

まず、図３および図４を用いて、第１の受光部３（第１の受光素子アレイ９）による第１のスケールトラック８からの位相情報の取得について説明する。図３には、第１の受光素子アレイ９の受光面の配置を示している。また、図４は、ＩＣチップ内の信号処理部の構成を示している。

第１の受光素子アレイ９では、受光素子が位置検出方向（Ｘ方向）に５０μｍの周期で３２個並んでいる。１つの受光素子のＸ方向幅Ｘ＿ｐｄは５０μｍであり、第１の受光素子アレイ９の全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは１６００μｍである。各受光素子のＹ方向幅Ｙ＿ｐｄは６００μｍである。本実施例では、第１のスケールトラック８は２倍に拡大されて第１の受光素子アレイ９に投影される。このため、第１のスケールトラック８の周期Ｐ１は、受光素子のＸ方向幅Ｘ＿ｐｄの２倍に設定されている。また、第１のスケールトラック８上でＸ方向における第１の受光素子アレイ９による読み取り範囲（検出範囲）は長さ８００μｍの範囲となる。３２個の受光素子において、出力信号としてＡ＋，Ｂ＋，Ａ−，Ｂ−を出力する受光素子が図３の左側からこの順で循環的に配置されている。

図４において、第１の受光素子アレイ９の３２個の受光素子からの出力信号Ａ＋，Ｂ＋，Ａ−，Ｂ−はそれぞれ、Ｉ−Ｖ変換アンプにより構成される４つの初段増幅器３４，３５，３６，３７に入力される。これら４つの初段増幅器３４，３５，３６，３７は、４相の正弦波信号Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ａ−），Ｓ（Ｂ−）を生成する。４相の正弦波信号の相対位相は、第１の受光素子アレイ９の検出周期（５０μｍ×４＝２００μｍ）を３６０度とし、Ｓ（Ａ＋）を基準（０度）とすると、Ｓ（Ａ＋）に対して、Ｓ（Ｂ＋）は約＋９０度の関係にある。また、Ｓ（Ａ−）は約＋１８０度、Ｓ（Ｂ−）は約＋２７０度の関係にある。信号処理部は、これらの４相正弦波信号Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ａ−），Ｓ（Ｂ−）に対して、Ａ相用差動アンプ３９およびＢ相用差動アンプ４０を介して以下の差動演算を行う。
Ｓ（Ａ）＝Ｓ（Ａ＋）−Ｓ（Ａ−） ・・・（１）
Ｓ（Ｂ）＝Ｓ（Ｂ＋）−Ｓ（Ｂ−） ・・・（２）
この差動演算により、直流分が除去され、第１のスケールトラック８に応じた周期を有する周期信号としての２相の正弦波状の信号（以下、２相正弦波信号という）Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）が生成される。

ここで、各差動アンプのオフセットやゲインばらつき等に起因する２相正弦波信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）に含まれるオフセット誤差やゲイン比を補正しておくのが望ましい。例えば、第１のスケールトラック８の全域（または一部の領域）にて生成されたＳ（Ａ），Ｓ（Ｂ）それぞれの（最大値−最小値）／２から振幅比を検出し、振幅を等しくするように補正を行う。同様に、（最大値＋最小値）／２から、オフセット誤差の量を検出し、そのオフセット誤差の補正を行う。いずれも、補正値を記憶装置５２に記憶しておき、位置検出時にその補正値を読み出して補正を行う。

こうして生成された２相正弦波信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）は、信号処理装置５１に入力される。信号処理装置５１は、これらの２相正弦波信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）（複数の周期信号のうち少なくとも一部の周期信号）を用いて、以下の演算を行い、別の周期信号としてのエンコーダ信号Φ１を生成する
Φ１＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］ ・・・（３）
ただし、ＡＴＡＮ２［Ｙ，Ｘ］は、象限を判別して、０〜２πの位相に変換する逆正接演算関数である。以下、Φ１を下位信号という。

この下位信号は、上位信号よりも精度が良い相対的な位置を示す周期信号である。上位信号と下位信号の同期をとることによって、スケール２の位置情報を得ることができる。したがって、上位信号と下位信号との同期精度を確保することで、良好な位置検出精度が得られる。

次に、第２の受光素子アレイ１３による第２のスケールトラック１１からの位相情報の取得について説明する。第２の受光素子アレイ１３の構成は図３に示した第１の受光素子アレイ９の構成と同じである。また、信号処理装置５１における第２の受光素子アレイ１３からの出力信号を処理する部分の構成は、図４に示した第２の受光素子アレイ１３からの出力信号を処理する部分の構成と同じである。

第２のスケールトラック１１から得られる信号は、該第２のスケールトラック１１の周期（第２の周期）Ｐ２の２倍である１００μｍ×（４００／３９９）×２が、第２の受光素子アレイ１３の検出周期（２００μｍ）に対して僅かにずれている。このため、２相正弦波信号Ｓ（Ａ）′，Ｓ（Ｂ）′間の相対位相差誤差を以下の方法により補正することが望ましい。信号処理装置５１は、以下の相対位相差誤差の補正処理を行う。

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、式（４），（５）により表される。
Ｓ（Ａ）′＝ｃｏｓ（θ＋ｅ／２） ・・・（４）
Ｓ（Ｂ）′＝ｓｉｎ（θ−ｅ／２） ・・・（５）
そして、これら２相正弦波信号Ｓ（Ａ）’，Ｓ（Ｂ）’の和と差を計算すると、式（６），（７）に示すように、相対位相差誤差ｅを分離することができる。
Ｓ（Ａ）′＋Ｓ（Ｂ）′＝２×ｃｏｓ（θ−π／４）ｓｉｎ（ｅ／２−π／４）
・・・（６）
−Ｓ（Ａ）′＋Ｓ（Ｂ）′＝２×ｓｉｎ（θ−π／４）ｃｏｓ（ｅ／２−π／４）
・・・（７）
相対位相差誤差ｅは、設計値より、ｅ＝（１−３９９／４００）×πと表せる。そこで、式（６），（７）のそれぞれに、振幅成分２×ｓｉｎ（ｅ／２−π／４），２×ｃｏｓ（ｅ／２−π／４）の逆数を乗じる。これにより、式（８），（９）に示すように相対位相差誤差が補正され、第２のスケールトラック１１に応じた周期を有する周期信号としての２相正弦波信号（補正２相正弦波信号）Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）が得られる。
Ｓ（Ａ）＝（Ｓ（Ａ）′＋Ｓ（Ｂ）′）／（２×ｓｉｎ（ｅ／２−π／４））
＝ｃｏｓφ ・・・（８）
Ｓ（Ｂ）＝（−Ｓ（Ａ）′＋Ｓ（Ｂ）′）／（２×ｃｏｓ（ｅ／２−π／４））
＝ｓｉｎφ ・・・（９）
ただし、φ＝θ−π／４である。

なお、相対位相差誤差ｅについては、初期化動作によって記憶してもよい。例えば、所定のＸ方向範囲におけるＳ（Ａ）′＋Ｓ（Ｂ）′の（最大値−最小値）／２から、振幅成分２×ｓｉｎ（ｅ／２−π／４）を取得する。また、−Ｓ（Ａ）′＋Ｓ（Ｂ）′の（最大値−最小値）／２から、振幅成分２×ｃｏｓ（ｅ／２−π／４）を取得する。そして、これらの振幅成分を記憶装置５２に記憶する。この場合、光源１と第２の受光素子アレイ１３との実装高さずれやスケール２と検出ヘッド７と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。なお、第１の受光素子アレイ９を用いる場合と同様に、各差動アンプのオフセットやゲインばらつき等に起因してＳ（Ａ），Ｓ（Ｂ）に含まれるオフセット誤差やゲイン比を補正しておくことが望ましい。

信号処理装置５１は、以上のようにして得られた補正２相正弦波信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）を用いて、以下の演算により別の周期信号としてのエンコーダ信号Φ２を生成する。
Φ２＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］ ・・・（１０）
さらに、信号処理装置５１は、バーニア信号Ｓｖ１２を、式（３），（１０）により表されるエンコーダ信号Φ１，Φ２を用いて、
Ｓｖ１２＝Φ１−Φ２ ・・・（１１）
により演算する。このようにして求めたバーニア信号Ｓｖ１２が上位信号に相当し、この上位信号Ｓｖ１２を絶対的な位置を示す信号として扱う。

本実施例では、信号処理装置５１は、スケールトラック領域１０１内での読み取り位置（つまりは第１の領域１０２か第２の領域１０４か）にかかわらず上位信号Ｓｖ１２に０〜２πという所定範囲内の値を持たせるために、上位信号の折り返し処理を行う。折り返し処理は、第１および第２の領域１０１，１０２の境界において上位信号の値を所定範囲の最大値（２π）と最小値（０）のうち一方から他方に折り返す処理である。具体的には、Ｓｖ１２＜０のときはＳｖ１２＝Ｓｖ１２＋２πの演算を行い、Ｓｖ１２＞２πのときはＳｖ１２＝Ｓｖ１２−２πの演算を行って、０〜２πの範囲外のＳｖ１２を０〜２πの範囲内の値に変換する。

このようにして得られたバーニア信号Ｓｖ１２とスケール２の位置（以下、スケール位置ともいう）との関係は、図５（ｂ）に示すようになる。折り返し処理を行った結果、図５（ａ）に示したスケールトラック領域１０１に対して、１周期の上位信号Ｓｖ１２が出力されるとともに、その位置検出方向の両側においては１周期未満の上位信号Ｓｖ１２′が折り返し部分を経て出力される。

通常は、駆動範囲内では上位信号に折り返し部分が現れないように設計するので、設計上は図６（ａ）に示すように駆動範囲内で連続して一様に変化する上位信号が得られる。しかし、前述した検出ヘッド７内の第１および第２の受光部３，１２の実装位置ずれによって、図６（ｂ）に示すように、設計上とは異なり、駆動範囲内に上位信号の折り返し部分が現れることがある。組み付け誤差によるセンサ７とスケール２との相対位置のずれや環境（温度や湿度）の変化によるスケール２の伸縮によっても、同様のことが生じる。このように駆動範囲内での上位信号に折り返し部が含まれると、上位信号の値が同じとなる位置が駆動範囲内に複数生じるため、絶対位置を確定することができない。

このため、本実施例では、検出ヘッド７とスケール２を固定部材と可動部材１０に組み付ける際に、駆動範囲内の任意のスケール位置（例えば駆動範囲の端位置：以下、測定スケール位置という）を取得する。また、該測定スケール位置での上位信号の値（第１の値）である第１の上位信号値も取得する。特定スケール位置は、駆動範囲内で上位信号の折り返し部分に対応しないスケール位置である。次に、測定スケール位置を第１の上位信号値と対応付けて記憶装置５２に記憶させる。そして、記憶された位置情報としての測定スケール位置を用いて、信号処理装置５１により、駆動範囲内で折り返し部分を含む上位信号を用いて得られるスケール位置に対して補正処理を行うことで、折り返し部分の影響を受けずに正確なスケール位置を求める。本実施例では、先に補正用データを取得する処理を行い、その後に補正処理を行う。まず、補正用データを取得する処理について、図７のフローチャートを用いて説明する。コンピュータである信号処理装置５１は、この処理および後述する補正処理、さらには前述したエンコーダ信号およびバーニア信号を生成するための各演算処理を、コンピュータプログラムである信号処理プログラムに従って実行する。

ステップ７０では、信号処理装置５１は、記憶装置５２に格納された位置情報（測定スケール位置）を読み込み、ＭＥＡＳＵＲＥ＿ＰＯＳＩとして不図示のＲＡＭ領域に格納する。また、信号処理装置５１は、ＭＥＡＳＵＲＥ＿ＰＯＳＩに対応する第１の上位信号値も読み込んでＲＡＭ領域に格納する。

次に、ステップ７１では、信号処理装置５１は、駆動範囲内において上位信号の折り返し部分が存在する（折り返し部分に対応する）最大のスケール位置（図６（ｂ）参照）を読み込み、ＭＡＸ＿ＰＯＳＩとしてＲＡＭ領域に格納する。

次に、ステップ７２では、信号処理装置５１は、ＭＥＡＳＵＲＥ＿ＰＯＳＩの設計値、すなわち測定スケール位置に対応する第１の上位信号値が折り返し部分を含まない上位信号（図６（ｂ）中の一点鎖線）の値である場合に得られる真のスケール位置を読み込む。そして、この真のスケール位置をＴＹＰ＿ＰＯＳＩとしてＲＡＭ領域に格納する。

次に、ステップ７３では、信号処理装置５１は、最大スケール位置ＭＡＸ＿ＰＯＳＩと真のスケール位置ＴＹＰ＿ＰＯＳＩと測定スケール位置ＭＥＳＵＲＥ＿ＰＯＳＩとを用いて以下の演算を行う。

ＭＡＸ＿ＰＯＳＩ−ＴＹＰ＿ＰＯＳＩ＋ＭＥＳＵＲＥ＿ＰＯＳＩ
そして、その演算の結果を、ＡＤＪＵＳＴ＿ＰＯＳＩとしてＲＡＭ領域に格納し、次に説明する補正処理にて補正用データとして使用する。

次に、図８のフローチャートを用いて、補正処理について説明する。ステップ８０では、信号処理装置５１は、折り返し部分を含む上位信号の検出値（第２の値）である第２の上位信号値を取得し、該第２の上位信号値に対応するスケール位置（以下、検出スケール位置という）をＨＩＧＨ＿ＰＯＳＩとして不図示のＲＡＭ領域に格納する。

次に、ステップ８１では、信号処理装置５１は、事前に求めてＲＡＭ領域に記憶した補正用データＡＤＪＵＳＴ＿ＰＯＳＩを読み込む。

次に、ステップ８２では、信号処理装置５１は、検出スケール位置ＨＩＧＨ＿ＰＯＳＩに補正用データＡＤＪＵＳＴ＿ＰＯＳＩを加算し、加算した結果を、ＡＤＤ＿ＰＯＳＩとしてＲＡＭ領域に格納する。

次に、ステップ８３では、信号処理装置５１は、上位信号の折り返し部分が存在する最大のスケール位置であるＭＡＸ＿ＰＯＳＩを読み込む。

次に、ステップ８４では、信号処理装置５１は、ＡＤＤ＿ＰＯＳＩとＭＡＸ＿ＰＯＳＩの値を比較する。ＡＤＤ＿ＰＯＳＩがＭＡＸ＿ＰＯＳＩ以上であればステップ８５に進み、そうでなければステップ８６に進む。

ステップ８５では、信号処理装置５１は、ＡＤＤ＿ＰＯＳＩからＭＡＸ＿ＰＯＳＩの値を差し引き、その結果をＡＤＤ＿ＰＯＳＩとして格納し直す。

ステップ８６では、信号処理装置５１は、ＡＤＤ＿ＰＯＳＩをＰＯＳＩＴＩＯＮ＿ＤＡＴＡとしてＲＡＭ領域にコピーして、補正後のスケール位置として使用する。

このようにして、本実施例では、設計上得られるスケール位置ＴＹＰ＿ＰＯＳＩと実際に得られたスケール位置ＭＥＡＳＵＲＥ＿ＰＯＳＩとを用いて、駆動範囲内で折り返し部分を含む上位信号を用いて得られるスケール位置（絶対位置）に対する補正処理を行う。これにより、駆動範囲内で折り返し部分を含まない上位信号を用いて得られるスケール位置と同じ補正スケール位置を求めることができる。

以上説明したように、本実施例のアブソリュートエンコーダでは、検出ヘッド７とスケール２をそれぞれ固定部材と可動部材１０に組み付ける際に、測定スケール位置と第１の上位信号値とを対応付けて記憶装置５２に記憶させる。そして、記憶された測定スケール位置とその設計値（真のスケール位置）と折り返し部分に対応するスケール位置とを用いて求めた補正用データを用いて、第２の上位信号値に対して得られる検出スケール位置に対する補正処理を行う。

これにより、２つの受光部３，１２の実装位置ずれによって上位信号の演算結果のとり得る範囲が位置検出方向に大きくずれ、駆動範囲内で生成される上位信号が折り返し部分を含んでも、正確なスケール位置（絶対位置）を求めることができる。このことは、組み付け誤差によるセンサ７とスケール２との相対位置のずれや環境（温度や湿度）の変化によるスケール２の伸縮によって上位信号の演算結果のとり得る範囲が位置検出方向に大きくずれた場合も同様である。そして、このような補正処理を行うことで、上位信号の１周期を駆動範囲の長さ以上の任意の長さに設定することができるため、良好な位置検出精度を確保することができる。

このように各種誤差や環境変化に対して良好な位置検出精度を確保することができるので、高精度の部品を使用したり、組み立て時に高精度な位置調整を行ったりする必要がなくなる。したがって、低コストで高い位置検出精度を有するアブソリュートエンコーダを実現することができる。

なお、本実施例では、上位信号から求めたスケール位置に対する補正処理を行う場合について説明した。しかし、上位信号の値を用いて特定した下位信号が示すスケール位置に対して補正処理を行ってもよい。

また、本実施例では、補正用データの取得時における測定スケール位置を駆動範囲の端位置とする例を挙げたが、測定スケール位置は他のスケール位置であってもよい。

図９には、上述した実施例１のアブソリュート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９において、スケール２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（可動部材）３０の内周面に取り付けられている。カム環３０は、不図示のアクチュエータによって回転駆動される。また、検出ヘッド７は、不図示のレンズ鏡筒本体（固定筒）に取り付けられている。

レンズ鏡筒内には、撮影光学系２１が収容されている。撮影光学系２１は、カム環３０が回転することで、該カム環３０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）２２を含む。

２４はこの撮像装置のシステム全体を制御するＣＰＵである。２５は撮影光学系２１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２２を移動させるためにカム環３０が回転すると、エンコーダによりカム環３０の絶対回転位置（つまりは可動レンズ２２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、その絶対位置情報に基づいてカム環３０を回転させるアクチュエータの駆動を制御し、可動レンズ２２を目標とする位置に移動させる。

検出ヘッド７における２つの受光部の実装位置誤差、スケール２と検出ヘッド７をレンズ鏡筒（カム環３０および固定筒）に組み付ける際の組み付け誤差により、上位信号は、位置検出方向の最適な位置からずれることが多い。しかし、実施例１で説明したエンコーダを本実施例のように撮像装置のレンズ鏡筒に搭載することにより、良好な可動レンズ２２の位置検出精度を確保することができる。

本発明のアブソリュートエンコーダは、上述した撮像装置に限らず、他の光学機器等の装置にも用いることができる。例えば、プリンタ（光学機器）における可動部材としての印字ヘッドや給紙ローラの位置検出、複写機（光学機器）における可動部材としての感光ドラムの回転位置検出にも用いることができる。また、本発明のアブソリュートエンコーダは、ロボットアームと組み立て対象物を搬送する可動部材としての搬送体とにより構成される組立て装置における搬送体の位置を検出するために用いることもできる。その他、様々な装置における可動部材の絶対位置検出に用いることができる。

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。

良好な検出精度で絶対位置を検出可能なアブソリュートエンコーダを提供することができる。

２ スケール
７ 検出ヘッド
８，１１ スケールトラック
５１ 信号処理回路

Claims (6)

1. 互いに異なる周期を有する複数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り、前記複数の周期パターンのそれぞれに応じた周期を有する複数の周期信号を生成するセンサと、
   前記複数の周期信号を用いて、絶対位置の検出に用いる信号として前記複数の周期信号の周期よりも長い周期を有する上位信号を生成する信号処理手段とを有するアブソリュートエンコーダであって、
   前記各周期パターンが周期を有する位置検出方向において、前記スケールにおける前記複数の周期パターンが設けられたパターン領域の全長をＳＰとし、該パターン領域のうち１周期の前記上位信号を生成するための部分領域である第１の領域の長さをＨＳとし、前記スケールと前記センサとの相対移動範囲の長さをＥＳとするとき、
   ＥＳ≦ＨＳ＜ＳＰ
   なる関係を有し、
   前記信号処理手段は、
   前記パターン領域のうち前記第１の領域とこれに隣接する第２の領域のそれぞれに対して生成される前記上位信号が所定範囲内の値を持つように、前記第１および第２の領域の境界において前記上位信号の値を前記所定範囲の最大値および最小値のうち一方から他方に折り返す折り返し処理を行うとともに、
   前記相対移動範囲において出力される前記上位信号が前記折り返し処理による折り返し部分を含む場合に、この上位信号を用いて検出される絶対位置を、前記相対移動範囲において前記折り返し部分を含まない前記上位信号を用いて得られる位置に補正する補正処理を行うことを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
2. 前記信号処理手段は、
   前記相対移動範囲において、前記折り返し部分を含む前記上位信号の第１の値と対応付けて記憶手段に記憶した前記スケールの位置ＭＥＡＳＵＲＥ＿ＰＯＳＩと、前記折り返し部分を含まない前記上位信号における前記第１の値に対応する前記スケールの位置ＴＹＰ＿ＰＯＳＩと、前記上位信号の前記折り返し部分に対応する前記スケールの位置ＭＡＸ＿ＰＯＳＩとを用いて、
   ＭＡＸ＿ＰＯＳＩ−ＴＹＰ＿ＰＯＳＩ＋ＭＥＳＵＲＥ＿ＰＯＳＩ
   なる演算を行うことで補正用データを取得し、
   前記補正処理として、前記折り返し部分を含む前記上位信号の第２の値に対応する前記スケールの位置に前記補正用データを加算することを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
3. 前記信号処理手段は、
   前記複数の周期信号のうち少なくとも一部の周期信号を用いて、前記上位信号よりも短い周期を有する下位信号を生成し、
   前記上位信号の値を用いて特定した前記下位信号が示す前記絶対位置に対して前記補正処理を行うことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
4. 前記信号処理手段は、前記上位信号を、前記複数の周期信号を用いたバーニア演算により生成することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のアブソリュートエンコーダ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダと、
   該アブソリュートエンコーダを用いて絶対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。
6. 互いに異なる周期を有する複数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り、前記複数の周期パターンのそれぞれに応じた周期を有する複数の周期信号を生成するセンサと、前記複数の周期信号を用いて、絶対位置の検出に用いる信号として前記複数の周期信号の周期よりも長い周期を有する上位信号を生成するコンピュータとを有し、
   前記各周期パターンが周期を有する位置検出方向において、前記スケールにおける前記複数の周期パターンが設けられたパターン領域の全長をＳＰとし、該パターン領域のうち１周期の前記上位信号を生成するための部分領域である第１の領域の長さをＨＳとし、前記スケールと前記センサとの相対移動範囲の長さをＥＳとするとき、
   ＥＳ≦ＨＳ＜ＳＰ
   なる関係を有するアブソリュートエンコーダの前記コンピュータに、
   前記パターン領域のうち前記第１の領域とこれに隣接する第２の領域のそれぞれに対して生成される前記上位信号が所定範囲内の値を持つように、前記第１および第２の領域の境界において前記上位信号の値を前記所定範囲の最大値および最小値のうち一方から他方に折り返す折り返し処理と、
   前記相対移動範囲において出力される前記上位信号が前記折り返し処理による折り返し部分を含む場合に、この上位信号を用いて検出される絶対位置を、前記相対移動範囲において前記折り返し部分を含まない前記上位信号を用いて得られる位置に補正する補正処理とを実行させることを特徴とするアブソリュートエンコーダの信号処理プログラム。