JP5479255B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

この発明は、位置を検出する光学式エンコーダに関する。特に、スチルカメラ、ビデオカメラ、等のレンズ装置に搭載されたフォーカスレンズの位置情報やズームレンズの位置情報を検出する光学式エンコーダに関する。

従来、工作機やＦＡ装置などの位置検出に、エンコーダが用いられている。エンコーダの位置検出方式としては、相対移動距離を測定するインクリメンタル方式と絶対位置を検出するアブソリュート方式に大別される。インクリメンタル方式は、構成が単純で済む反面、電源が切れたときに位置情報が失われる点や、外来ノイズによって誤差が蓄積されてしまうという問題がある。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、電源が切れた時にもホームポジションへの移動が不要、といった利点を有している。

絶対位置を検出するアブソリュート方式のエンコーダは、例えば図１４に示されるような構成である（特許文献１）。この例によれば、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することにより、少ないスケールトラックからより多くの情報を得ることができる。

特開２００９−１９８３１８号公報

従来例を基に分析をしていくと、複数の変調周期を含むスケールを介してセンサ面上で受光される像には、回折光同士の干渉によって発生する不要な空間周波数成分や、スケール透過率或いは反射率分布に含まれる不要な空間周波数成分が存在することが分かった。この影響によって、理想的な正弦波からの誤差が生じ、その結果、逆正接演算によって位置信号に変換する際に、位置検出誤差となるという問題がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、一つのトラックから複数の情報を高精度に検出が可能なエンコーダを提供することを目的とする。

本発明に係る光学式エンコーダは、光源と、位置情報を含んだ透過率分布または反射率分布を有するスケールトラックを備えたスケールと、前記光源から出射され前記スケールにて透過又は反射された光束を受光する受光素子アレイと、有する光学式エンコーダであって、
前記スケールトラックに設けられた透過率分布または反射率分布は、スケール変位方向に対して第１の変調周期及び第２の変調周期を有しており、
前記受光素子アレイは、前記第１の変調周期内の相対位相が反転している２相信号を含む第１の信号群と、前記第２の変調周期内の相対位相が反転している２相信号を含む第２の信号群とを検出するように配列されており、
前記第１の信号群より前記第１の変調周期内の第１の位置情報が検出されるとともに前記第２の信号群より前記第２の変調周期内が第２の位置情報を検出されており、
前記第２の変調周期は、前記第１の変調周期の奇数倍であることを特徴とする。

上記構成によれば、受光素子アレイの受光面上で受光される像の、回折光同士の干渉によって発生する不要な空間周波数成分や、スケールの透過率分布或いは反射率分布に含まれる不要な空間周波数成分を低減し、検出波形の誤差成分を低減できるので、高精度な位置検出が可能である。

本発明の第１の実施形態における光学式エンコーダの構成を示す概略図である。 図１のセンサユニット３０１の構成を示す図である。 図２のスケール２００の第１トラック２０１の構成を説明する平面図である。 第１の実施形態における第１の信号群検出時のフォトダイオードアレイの受光面配置を示す平面図である。 第１の実施形態における第２の信号群検出時のフォトダイオードアレイの受光面配置を示す平面図である。 第１の実施形態におけるスケールからの反射回折像に含まれる空間周波数成分を示す図である。 第１の実施形態における正弦波状信号Ｓ（Ａ）に含まれる高調波成分を示す図である。 第１の実施形態に係る光学式エンコーダの初期化動作を説明する図である。 第２の実施形態におけるスケールのパターンを示す図である。 本発明の第３の実施形態における光学式ロータリーエンコーダの構成を示す概略図である。 本発明の第３の実施形態におけるロータリースケール２１０のトラック構成を示す図である。 放射状トラック２１１の一部の拡大図である。 図１０のセンサユニット３０２の構成を示す図である。 従来技術を示す図である。

（実施形態１）
第１の実施形態における光学式エンコーダの構成を図１に示す。このリニアエンコーダは、可動部に取り付けられる変位スケール２００、固定部に取り付けられるセンサユニット３０１、制御手段としての信号処理回路４０１、記憶装置４０２とからなる。制御手段としての信号処理回路４０１は、センサユニット３０１で得られたエンコーダ信号の内挿処理や、記憶装置４０２への信号の書き込み、および、読み出し、位置信号の出力、等を行う。

センサユニット３０１の構成を図２に示し、説明する。上が側面図、下が上面図である。センサユニット３０１は、光源としてのＬＥＤ３１０と受光素子アレイとしてのフォトダイオードアレイ３１１、フォトダイオードアレイ３１２が同一パッケージ内に実装された受発光一体型のセンサユニットである。変位スケール２００は、ガラス基板上にクロム反射膜が２本のスリットトラック２０１、２０２としてパターニングされている。スリットトラック２０１、２０２は、スケールトラックである。センサユニット３０１内のＬＥＤ３１０から出射された発散光束は変位スケール２００の第１トラック２０１、および第２トラック２０２に照射される。第１トラック２０１、および第２トラック２０２から反射された光束は、センサユニット３０１内のフォトダイオードアレイ３１１、３１２に向けてそれぞれ反射される。フォトダイオードアレイ３１１、３１２上で、スリットトラック２０１、２０２の反射率分布が２倍拡大された像として受光される。

つまり、フォトダイオードアレイ３１１、３１２の受光面上に明暗のパターン（明暗の縞模様）がスケール変位方向に形成される。

クロム反射膜が形成された領域１に照射された光束は、クロム反射膜にて反射されてフォトダイオードアレイ３１１、３１２に向う（明パターン）。クロム反射膜が形成されていない領域２に照射された光束は、反射されずフォトダイオードアレイ３１１、３１２に向わない（暗パターン）。

フォトダイオードアレイ３１１、フォトダイオードアレイ３１２によって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図１に示す信号処理回路４０１に送られる。

変位スケール２００の第１トラック２０１の一部の拡大図を図３に示す。第１トラック２０１は、単位ブロックパターン２１１を移動方向（Ｘ軸方向）と移動方向に垂直な方向（Ｙ軸方向）にそれぞれ周期的に並べたパターンとなっている。

単位ブロックパターン２１１の移動方向（Ｘ軸方向）をスケール変位方向又は測長方向と定義する。

第１トラック２０１の単位ブロックパターン２１１は、Ｘ方向幅Ｘ０が７００μｍ、Ｙ方向幅Ｙ０が５０μｍである。単位ブロックパターン２１１は、Ｘ軸方向５０μｍの幅でピッチＰ１００μｍごとに等間隔に配置された第１の変調パターン列からなる領域（領域Ａ）と、７００μｍ周期の第２の変調パターン列からなる領域（領域Ｂ）よりなる。第１の変調周期としての領域Ａと第２の変調周期としての領域ＢのＹ軸方向の幅は共に２５μｍである。

領域Ａは、さらにＹ方向１２．５μｍごとに分割されており、パターン列が単位ブロックパターンの中心基準線に対しＸ軸方向に±（１００／１２）μｍそれぞれシフトしている。このような構成にすることで、スケール反射像の強度分布が受光面領域で積分されることにより、１００μｍ周期の３倍周波数成分がキャンセルされ、理想的な正弦波からの相違が抑えられる。なお、本実施形態では、３倍周波数成分のみの対策を行っているが、本発明はこれに限るものではなく、他の周波数成分をキャンセルするために多段のシフトにしたり、連続的なシフトにしてももちろん構わない。

領域Ｂには、Ｘ方向幅５０μｍの１１個の反射パターン列が並べられている。それぞれ反射パターンのＹ軸方向の幅は、Ｗ１＝５μｍ、Ｗ２＝９μｍ、Ｗ３＝１６μｍ、Ｗ４＝２０μｍ、Ｗ５＝２５μｍ、Ｗ６＝２５μｍ、Ｗ７＝２５μｍ、Ｗ８＝２０μｍ、Ｗ９＝１６μｍ、Ｗ１０＝９μｍ、Ｗ１１＝５μｍである。

同様に、第２トラック２０２の変位スケールの位置情報を有する単位ブロックパターンは、Ｘ方向幅Ｘ０が７１４．５８３３３μｍ、Ｙ方向幅Ｙ０が５０μｍである。変位スケールの第１の位置情報を有する単位ブロックパターンは、Ｘ軸方向５１．０４１６６７μｍの幅でピッチＰ１０２．０８３３３μｍごとに等間隔に配置された第１の変調パターン列からなる領域（領域Ａ）と、７１４．５８３３３μｍ周期の第２の位置情報を有する第２の変調パターン列からなる領域（領域Ｂ）よりなる。第１の変調周期としての領域Ａと第２の変調周期としての領域ＢのＹ軸方向の幅は共に２５μｍである。

領域Ａは、さらにＹ方向１２．５μｍごとに分割されており、パターン列が基準線に対しＸ軸方向に±（１０２．０８３３３／１２）μｍそれぞれシフトしている。

領域Ｂには、Ｘ方向幅５１．０４１６６７μｍの１１個の反射パターン列が並べられている。それぞれの領域のＹ軸方向の幅は、Ｗ１＝５μｍ、Ｗ２＝９μｍ、Ｗ３＝１６μｍ、Ｗ４＝２０μｍ、Ｗ５＝２５μｍ、Ｗ６＝２５μｍ、Ｗ７＝２５μｍ、Ｗ８＝２０μｍ、Ｗ９＝１６μｍ、Ｗ１０＝９μｍ、Ｗ１１＝５μｍである。

次に、フォトダイオードアレイ３１１の受光面上の配置を図４、図５に示し、エンコーダの出力信号に関して説明する。フォトダイオードアレイ３１２もフォトダイオードアレイ３１１と同様である。フォトダイオードアレイ３１１にはフォトダイオードがＸ軸方向に５０μｍピッチで２８個並んでおり、一つのフォトダイオードはＸ方向幅Ｘ＿ｐｄが５０μｍであり、Ｙ方向幅Ｙ＿ｐｄは８００μｍである。フォトダイオードアレイ３１１の全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは１４００μｍ（５０×２８）である。それぞれのフォトダイオードからの出力は、スイッチ回路を介して後段の４つのＩＶ変換アンプに電気的接続されている。４つのＩＶ変換アンプからの出力は、Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）の４相正弦波出力にそれぞれに対応する。スイッチ回路は外部からの入力によって時系列的に電気的接続を切り替えることができる。入力がハイレベルの場合は図４に示すようにスケールパターン１００μｍ（反射像周期２００μｍ）の検出ピッチとなり、入力がローレベルの場合は図５に示すようにスケールパターン７００μｍ（反射像周期１４００μｍ）の検出ピッチとなる。

このように、第１の電気的接続の組み合わせと第２の電気的接続の組み合わせを時系列に切り替えられるようにすることで、受光面及び周辺回路の共通化による簡素化が可能となる。

本実施例では、第２の電気的接続の組み合わせにおける一つの連続する積算アレイ領域は、前記受光素子アレイの前記第１の変調周期に対応した受光面上の幅に等しくなっている。つまり、７００μｍの検出ピッチにおいては、それぞれ４つの隣接するフォトダイオードが電気的接続される。これにより、スケールパターン１００μｍ周期の変調成分の反射像周期と一致する２００μｍの幅が積算されることになり、１００μｍ周期の変調成分が出力に与える影響を低減することができる。

また、本実施例では、第１の電気的接続の組み合わせに含まれる受光素子アレイの全幅は、第２の変調周期を読み取る検出ピッチの整数倍となっている。

つまり、１００μｍの検出ピッチにおいては、信号に関わるフォトダイオードの全幅が１４００μｍとなり、スケールパターン７００μｍ周期の変調成分の反射像周期と一致するため、７００μｍ周期の変調成分によって出力振幅が変動する影響を低減することができる。

つまり、受光素子アレイ３１１、３１２は、第１の変調周期内の第１の位置情報を検出する第１の電気的接続の組み合わせ及び第２の変調周期内の第２の位置情報を検出する第２の電気的接続の組み合わせが切り替えられるように制御されている。第１の電気的接続の組み合わせより第１の信号群が検出され（図４）、第２の電気的接続の組み合わせより第２の信号群が検出される（図５）。

４相正弦波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。これらの出力は、信号処理回路４０１において、
Ｓ（Ａ）＝Ｓ（Ａ＋）−Ｓ（Ａ−）
Ｓ（Ｂ）＝Ｓ（Ｂ＋）−Ｓ（Ｂ−）
なる演算を行って、直流分が除去された２相正弦波状信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）を生成し、さらにこれらの逆正接演算を行うことで位相信号を得る。

受光素子アレイは、第１の変調周期内の相対位相が反転している２相信号Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ａ−）を含む第１の信号群と、第２の変調周期内の相対位相が反転している２相信号Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ｂ−）を含む第２の信号群とを検出するように配列されている。

逆正接演算とは、９０°相対位相がずれた２つの正弦波、つまり、ＳＩＮ波、ＣＯＳ波より位相を算出するアークタンジェント演算を意味する。

本実施例では、第１の電気的接続の組み合わせに含まれる受光素子アレイの全幅は、第２の変調周期を読み取る検出ピッチの整数倍となっている。

スケールからの反射回折像に含まれる空間周波数成分を図６に示す。７００μｍ周期の２倍拡大像の空間周波数を１ｆとし、１００μｍ周期の２倍拡大像の空間周波数を７ｆとすると、それらに加え、回折光同士の干渉によって２ｆ、６ｆ、８ｆという不要な空間周波数成分が発生しているのが分かる。

この反射回折像を７００μｍの検出ピッチで検出した場合の、正弦波状信号Ｓ（Ａ）に含まれる高調波成分の計算結果を図７に示す。隣接する４つのフォトダイオードが積算されていることにより７θの成分が抑制され、さらに２ｆ、６ｆ、８ｆの成分はＳ（Ａ＋）−Ｓ（Ａ−）の演算によってキャンセルされた結果、不要な周波数成分は低減され、ほぼ理想的な正弦波が得られていることが分かる。

ここで、各周波数成分の発生メカニズムについて説明する。回折光同士の干渉による干渉縞の空間周波数は、干渉しあう回折光の回折角の差分によって決定される。１ｆの空間周波数成分は、０次光と粗周期による±１次回折光の干渉によって発生する。７ｆの空間周波数成分は、０次光と細周期による±１次回折光の干渉によって発生する。２ｆの空間周波数成分は、粗周期による±１次回折光同士の干渉によって発生する。６ｆの空間周波数成分は、細周期による＋１次（−１次）回折光と粗周期による＋１次（−１次）回折光の干渉によって発生する。８ｆの空間周波数成分は、細周期による＋１次（−１次）回折光と粗周期による−１次（＋１次）回折光の干渉によって発生する。

このように、正弦波内挿処理の誤差要因となる不要な周波数成分は、細周期、粗周期の２倍拡大像による空間周波数の和および差の空間周波数成分として発生する。よって、本実施形態のように、細かい方の第１の変調周期（細周期）を粗い方の第２の変調周期（粗周期）の奇数倍とすることで、反射回折像に含まれる不要な空間周波数成分を、粗い方の空間周波数成分の偶数次高調波成分とすることができる。これにより、後段の差動演算によってまとめてキャンセルすることが可能となっている。なお、本実施形態では、細かい方の変調周期（細周期）を粗い方の変調周期（粗周期）の７倍としているが、２ｎ＋１（ｎ：自然数）の奇数倍であれば、５倍、９倍、等でも同様な効果が得られる。

続いて、アブソリュート位置検出を行う手順を説明する。
スイッチ回路への入力がハイ（検出ピッチ１００μｍ）の時の第１トラック２０１における位相信号をφ１、第２トラック２０２における位相信号をφ２とする。また、スイッチ回路への入力がロー（検出ピッチ７００μｍ）の時の第１トラック２０１における位相信号をφ１´、第２トラック２０２における位相信号をφ２´とする。スイッチ回路への入力の切り替え前後で、時間差をおかずに信号を取得することにより、同一位置でのφ１、φ２、φ１´、φ２´を得ることができる。変位スケール２００が高速移動中は同期性が低下するが、その場合は複数回の取り込みを行って、位相の平均を取るようにして同期性を確保しても良い。すなわち、まず、検出ピッチ１００μｍでＳ（Ａ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ｂ−）を取得し、スイッチ回路への入力をハイからローへ切り替える。続いて、検出ピッチ７００μｍでＳ（Ａ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ｂ−）を取得し、スイッチ回路への入力をローからハイへ切り替え、再度、検出ピッチ１００μｍでＳ（Ａ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ｂ−）を取得する。それぞれの取得タイミングのインターバルはほぼ一定とする。これらから演算した１回目のφ１、φ２と２回目φ１、φ２の平均を取ることによって、φ１、φ２とφ１´、φ２´の同期性を向上させることができる。

このようにして得られた位相信号φ１、φ２、φ１´、φ２´より、異なる周期の位相信号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４を次の演算によって生成する。
Ｐ１＝φ１´−φ２´
Ｐ２＝φ１−φ２
Ｐ３＝φ１´
Ｐ４＝φ１

次に、図８を参照して、本実施形態における初期化動作の手順について説明する。
まず、所定の方向に変位スケール２００を移動させる。そして、Ｐ１のゼロクロス通過後の、最初のＰ２のゼロクロスを検出し、さらに、その直後のＰ３のゼロクロスを検出し、さらに、その直後のＰ４のゼロクロスを検出する。その点を仮想原点に設定する。この仮想原点におけるＰ１、Ｐ２、Ｐ３の位相信号をそれぞれＰ１＿ｏｆｆｓｅｔ、Ｐ２＿ｏｆｆｓｅｔ、Ｐ３＿ｏｆｆｓｅｔとする。この初期化動作時に、制御手段としての信号処理回路４０１はＰ１＿ｏｆｆｓｅｔ、Ｐ２＿ｏｆｆｓｅｔ、Ｐ３＿ｏｆｆｓｅｔを記憶装置４０２に書き込む。この初期化処理は、例えば、エンコーダ出荷時に行う他、任意のタイミングで行って良い。

次に、各周期信号よりアブソリュート位置信号を合成する手順について説明する。
まず、中間信号Ｑ１、Ｑ２を以下の演算によって取得する。
Ｑ１＝Ｒｏｕｎｄ［（Ｐ１−Ｐ１＿ｏｆｆｓｅｔ）−（Ｐ２−Ｐ２＿ｏｆｆｓｅｔ）／７］＋（Ｐ２−Ｐ２＿ｏｆｆｓｅｔ）／７
Ｑ２＝Ｒｏｕｎｄ［Ｑ１−（Ｐ３−Ｐ３＿ｏｆｆｓｅｔ）／４９］＋ （Ｐ３−Ｐ３＿ｏｆｆｓｅｔ）／４９
ここで、Ｒｏｕｎｄ［ ］は四捨五入の処理を行う関数である。

続いて、アブソリュート位置信号Ｓ＿ａｂｓを以下のようにして取得する。
Ｓ＿ａｂｓ＝Ｒｏｕｎｄ［Ｑ２−Ｐ４／３４３］＋Ｐ４／３４３

このようにして得られたアブソリュート位置信号Ｓ＿ａｂｓを信号処理回路から出力する。

なお、本実施形態は、リニアスケールの実施形態となっているが、ロータリースケールであっても同様な効果が得られる。また、本実施形態では、積算される受光面の組み合わせを時系列で切り替えることで複数の検出ピッチに対応しているが、それぞれの検出ピッチに対応した受光面を別々に備えても良い。また、本実施形態では、ＳＩＮ波とＣＯＳ波からの逆正接演算を行い、位相信号を生成しているが、本発明はこれに限らず、例えば１２０°ごと位相のずれた３相正弦波をそれぞれ差動演算により生成し、位相検出を行うようにしてもよい。

もちろん、各正弦波信号をそれぞれ位相反転信号の差動演算により得るようにすれば、それ以外の組み合わせでも構わない。

以上のように、本発明の光学式エンコーダによれば、１トラック上に形成された複数の周期信号を検出する場合に、いずれの周期からも正弦波に近い波形が得られるため、高精度な位置検出が可能となる。

本実施例の位置情報を含んだ反射率分布を有する反射型スケールは、反射体上の反射率の差を利用しているが、本発明は、それに限定されない。

本実施例の反射型の変位スケール２００は、測定・観測対象となる所望の反射部位にクロム反射膜を形成しているが、本発明は、それに限定されない。

反射体の構成としては、測定・観測対象となる所望の反射部位にアルミ反射膜や金属反射部材を使用、または、反射部位の表面を鏡面とし、一方、非反射部位の表面を荒らして拡散面とするなどしても良い。

本実施例では、スケールトラック２０１、２０２は、位置情報を含んだ反射率分布を有する反射型であるが、本発明はそれに限定されない。

本発明のスケールトラックは、位置情報を含んだ透過率分布を有する透過型でも良い。

（実施形態２）
第２の実施形態では、第１の実施形態に対しリニア式の変位スケールのパターンが異なっている。それ以外の構成、信号処理は実施形態１と同様なので説明を省略する。

本実施形態の受光素子アレイ３１１、３１２も、第１の変調周期内の相対位相が反転している２相信号Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ａ−）を含む第１の信号群と、第２の変調周期内の相対位相が反転している２相信号Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ｂ−）を含む第２の信号群とを検出するように配列されている。

第２の実施形態におけるスケールパターンを図９に示す。第１のトラック２０１は、反射膜スリットが、Ｘ軸方向５０μｍの幅でピッチＰ１００μｍごとに等間隔に配置されている。トラックの中央部には反射膜の無い領域があり、その間隔Ｄは反射膜スリット７本ごとに変調されている（変調周期Ｘ０）。最大の間隔Ｄ＿ｍａｘは２００μｍであり、最小の間隔は０μｍである。第２のトラック２０２は、反射膜スリットがＸ軸方向５１．０４１６６７μｍの幅でピッチＰ１０２．０８３３３μｍごとに等間隔に配置されている。第１のトラック２０１と同様にトラックの中央部には反射膜の無い領域があり、その間隔は反射膜スリット７本ごとに変調されている。センサユニット３０１は、最大の間隔Ｄ＿ｍａｘを含む範囲を常に読み取るように位置決めされる。
残りの２本は、３９．６μｍ、１２８．６μｍである。

７００μｍの検出ピッチで検出した場合の４相正弦波状出力は、１ｆ（スケール７００μｍ周期）に加え、６ｆ、７ｆ、８ｆが含まれる。隣接する４つのフォトダイオードが積算されていることにより７θの成分が抑制され、さらに６ｆ、８ｆの成分はＳ（Ａ＋）−Ｓ（Ａ−）の演算によってキャンセルされた結果、第１の実施形態と同様に高調波が抑制された正弦波状出力を得ることができる。

ここで、各周波数成分の発生メカニズムについて説明する。スケールの反射パターンは、フォトダイオードの受光幅による読み取り範囲の積算効果を考慮すると、粗周期の変調周期で変調された細周期の振幅変調として信号に現れる。すなわち、７ｆ−１ｆと７ｆ＋１ｆの周波数成分が発生することになる。よって、本実施形態のように、細かい方の第１の変調周期（細周期）を粗い方の第２の変調周期（粗周期）の奇数倍とすることで、反射回折像に含まれる不要な空間周波数成分を、粗い方の空間周波数成分の偶数次高調波成分とすることができる。これにより、実施形態１と同様、後段の差動演算によってまとめてキャンセルすることが可能となっている。なお、本実施形態では、細かい方の第１の変調周期（細周期）を粗い方の第２の変調周期（粗周期）の７倍としているが、２ｎ＋１（ｎ：自然数）の奇数倍であれば、５倍、９倍、等でも同様な効果が得られる。

（実施形態３）
第３の実施形態におけるロータリー式の光学式エンコーダの構成を図１０に示す。このロータリーエンコーダは、回転可動部に取り付けられるロータリー式の変位スケール２１０、固定部に取り付けられるセンサユニット３０２、信号処理回路４０１、記憶装置４０２とからなる。信号処理回路４０１は、センサユニット３０２で得られたエンコーダ信号の内挿処理や、記憶装置４０２への信号の書き込み、および、読み出し、位置信号の出力、等を行う。

第３の実施形態におけるロータリー式の変位スケール２１０のトラック構成を図１１に示す。変位スケールの位置情報を有するＭ系列パターンからなるＭ系列トラック２０４と変位スケールの位置情報を有する放射状トラック２０３より構成される。放射状トラック２０３の一部の拡大図を図１２に示す。放射状トラック２０３は、反射膜スリットが等角度間隔Ｐに配置されている。トラックの中央部には反射膜の無い領域があり、その間隔Ｄは反射膜スリット７本ごとに変調されている（変調周期θ０）。最大の間隔Ｄ＿ｍａｘは２００μｍであり、最小の間隔は０μｍである。センサユニット３０２は、最大の間隔Ｄ＿ｍａｘを含む範囲を常に読み取るように位置決めされる。
残りの２本は、３９．６μｍ、１２８．６μｍである。

センサユニット３０２の構成を図１３に示し、説明する。上が側面図、下が上面図である。センサユニット３０２は、光源としてのＬＥＤ３１０とフォトダイオードアレイ３１１、Ｍ系列用フォトダイオードアレイ３１３が同一パッケージ内に実装された受発光一体型のセンサユニットである。センサユニット３０２内のＬＥＤ３１０から出射された発散光束は、変位スケールとしてのロータリースケール２１０の放射状トラック２０３、およびＭ系列トラック２０４に照射される。放射状トラック２０３、およびＭ系列トラック２０４から反射した光束は、センサユニット３０２内の受光素子アレイとしてのフォトダイオードアレイ３１１、受光素子アレイとしてのＭ系列用フォトダイオードアレイ３１３に向けてそれぞれ反射される。フォトダイオードアレイ３１１、Ｍ系列用フォトダイオードアレイ３１３上で、放射状トラック２０３、Ｍ系列トラック２０４の反射率分布が２倍拡大された像として受光される。Ｍ系列用フォトダイオードアレイ３１３はＭ系列を検出できるように、Ｍ系列の最小線幅の２倍拡大像に対応した幅のフォトダイオードが配列されている。フォトダイオードアレイ３１１、Ｍ系列用フォトダイオードアレイ３１３によって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図１に示す信号処理回路４０１に送られる。

Ｍ系列トラック２０４からの反射光束より、Ｐ１を取得する（上位信号）。スイッチ回路への入力がロー（検出ピッチ７００μｍ）の時の放射状トラック２０３における位相信号φ１´を取得し、Ｐ２とする（中位信号）。また、スイッチ回路への入力がハイ（検出ピッチ１００μｍ）の時の放射状トラック２０３における位相信号φ１を取得し、Ｐ３とする（下位信号）。Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３よりアブソリュート位置信号を取得する手順については、実施形態１と同様なので省略する。

中位信号Ｐ２を生成することで、Ｍ系列トラック２０４によって得る絶対位置検出精度の要求が緩和され、アブソリュート位置信号の合成がしやすくなる。この実施形態では、円周方向約７００μｍピッチの位置検出ができれば十分であるので、例えばスケールが回転中心に対し数十μｍ偏心して取り付いている場合でも、その影響は許容できる。

以上のように、ロータリー式の変位スケール２１０においても、実施形態１と同様の効果により、内挿誤差の少ない中位、下位信号を生成でき、高精度な位置検出が可能となる。

本実施例では、放射状トラック２０３、Ｍ系列トラック２０４は、位置情報を含んだ反射率分布を有する反射型であるが、本発明はそれに限定されない。

本発明の放射状トラック２０３、Ｍ系列トラック２０４は、位置情報を含んだ透過率分布を有する透過型でも良い。

本発明の光学式エンコーダは、スチルカメラ、ビデオカメラ、等のレンズ装置に搭載されたフォーカスレンズの位置情報やズームレンズの位置情報を検出するために用いられる。

また、本発明の光学式エンコーダは、電子写真プロセスを用いたレーザビームプリンタ、複写機に搭載されたリニア式の変位スケール、ロータリー式の変位スケールの位置情報を検出するために用いられる。

２００ 変位スケール
２０１ スケールトラック
２０２ スケールトラック
２０３ 放射状トラック
２０４ Ｍ系列トラック
２１０ ロータリースケール
２１１ 単位ブロックパターン
３０１ センサユニット
３０２ センサユニット
３１０ 光源（ＬＥＤ）
３１１ フォトダイオードアレイ
３１２ フォトダイオードアレイ
３１３ Ｍ系列用フォトダイオードアレイ
４０１ 信号処理回路
４０２ 記憶装置

Claims (4)

1. 光源と、位置情報を含んだ透過率分布または反射率分布を有するスケールトラックを備えた変位スケールと、前記光源から出射され前記変位スケールにて透過又は反射された光束を受光する受光素子アレイと、有する光学式エンコーダであって、
   前記スケールトラックに設けられた透過率分布または反射率分布は、スケール変位方向に対して第１の変調周期及び第２の変調周期を有しており、
   前記受光素子アレイは、前記第１の変調周期内の相対位相が反転している２相信号を含む第１の信号群と、前記第２の変調周期内の相対位相が反転している２相信号を含む第２の信号群とを検出するように配列されており、
   前記第１の信号群より前記第１の変調周期内の第１の位置情報が検出されるとともに前記第２の信号群より前記第２の変調周期内が第２の位置情報を検出されており、
   前記第２の変調周期は、前記第１の変調周期の奇数倍であることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記受光素子アレイは、前記第１の変調周期内の第１の位置情報を検出する第１の電気的接続の組み合わせ及び前記第２の変調周期内の第２の位置情報を検出する第２の電気的接続の組み合わせが切り替えられるように制御されており、
   前記第１の電気的接続の組み合わせより前記第１の信号群が検出され、
   前記第２の電気的接続の組み合わせより前記第２の信号群が検出されることを特徴とする請求項１の光学式エンコーダ。
3. 前記第２の電気的接続の組み合わせにおける一つの連続する積算アレイ領域は、前記受光素子アレイの前記第１の変調周期に対応した受光面上の幅に等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式エンコーダ。
4. 前記第１の電気的接続の組み合わせに含まれる受光素子アレイの全幅は、前記第２の変調周期を読み取る検出ピッチの整数倍であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学式エンコーダ。

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