JP5755009B2 - エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、エンコーダに関する。

特許文献１は、ストライプパターンと三角形パターンとを合成した光学パターンを有するスケールを有し、スケールの移動に対して単調増加もしくは単調減少の信号を出力するアブＦソリュートエンコーダを開示している。スケールの位置によって受光素子の受光量が連続的に変化するのでアナログ信号を絶対位置情報に変換することができる。

特開２００７−２４８３５９号公報

しかしながら、特許文献１は、光源の出射光量の変動や反射率または透過率の面内ムラによって受光素子の受光量が変動して検出誤差が生じ、また、光量補正用にモニター受光素子および参照パターンを設ければ装置が大型化するという問題が発生する。

そこで、本発明は、小型かつ高精度な位置検出が可能なエンコーダを提供することを例示的な目的とする。

本発明のエンコーダは、エネルギー分布を空間変調する複数のパターンを有する第１のパターン列と、エネルギー分布を空間変調する複数のパターンを有する第２のパターン列が形成されているスケールと、前記第１及び第２のパターン列からの前記エネルギー分布を検出する複数の検出素子を有する検出素子アレイと、前記検出素子アレイの出力信号を処理して位置情報に変換する信号処理手段と、を有し、前記スケールと前記検出素子アレイは互いに相対的に移動するように構成され、前記第１のパターン列において、前記複数のパターンは第１の変調周期で前記スケールと前記検出素子アレイの相対的な移動方向に沿って配置されており、前記第２のパターン列において、前記複数のパターンは前記第１の変調周期とは異なる第２の変調周期で前記移動方向に沿って配置されており、前記複数の検出素子は、前記移動方向に沿って並べられ、前記第１のパターン列は、前記検出素子アレイが前記第１のパターン列に基づいて検出する前記エネルギー分布の振幅が前記スケールの前記移動方向の位置に従って変化するように構成され、前記信号処理手段は、それぞれが前記検出素子アレイの出力信号から、前記第１および第２のパターン列に対応する前記エネルギー分布の振幅を取得する複数の振幅取得手段と、前記複数の振幅取得手段が取得した複数の振幅を正規化することによって得られた振幅信号を前記スケールの位置を表す位置信号として取得する位置情報取得手段と、を有し、前記第１および第２のパターン列は、それぞれ前記移動方向に垂直な方向に周期的に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、小型かつ高精度な位置検出が可能なエンコーダを提供することができる。

エンコーダのブロック図である。（実施例１、２） トラックの部分拡大平面図である。（実施例１） 受光素子アレイの受光面の平面図である。（実施例１） 受光素子アレイの信号処理回路の回路図である。（実施例１） 振幅信号と位相信号とスケール位置の関係を示す図である。（実施例１） トラックの部分拡大平面図である。（実施例２） トラックの部分拡大平面図である。（実施例３） 各種信号とスケール位置の関係を示す図である。（実施例３） トラックの部分拡大平面図である。（実施例４） 受光素子アレイの受光面の平面図である。（実施例４）

図１は、本実施形態の光学式エンコーダのブロック図である。エンコーダは、固定部に取り付けられるセンサユニット１０、不図示の可動部に取り付けられるスケール２０、信号処理回路（信号処理手段）３０、記憶装置４０を有する。なお、固定部と可動部の関係は逆でもよく、センサユニット１０とスケール２０が相対的に移動可能な構成であれば足りる。

センサユニット１０は、プリント基板１１、プリント基板１１に実装された光源１２、受光ＩＣ１４、プリント基板上で光源１２と受光ＩＣ１４を封止する樹脂１３、樹脂上に設けられた透明ガラス基板１５を有する受発光一体型のセンサユニットである。

光源１２は、例えば、ＬＥＤからなる。受光ＩＣ１４は複数の受光素子からなる受光素子アレイ１６を有する。受光素子アレイ１６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（または可動部の）移動方向（測長方向）であるＸ方向に並べられた検出素子アレイとして機能する。本実施形態ではエネルギーは光であるが、後述するように、磁気、電気などその種類は光に限定されない。

スケール２０は、ガラス基板上にクロム反射膜のパターンを複数有するパターン列がトラック２１にパターニングされている。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。

各トラック２１は、Ｘ方向に垂直なＹ方向に周期的に配列され、Ｘ方向にそれぞれ異なるピッチ（変調周期）を有する複数の領域を有する。例えば、２種類の領域が設けられている場合には、Ｘ方向に第１のピッチ（第１の変調周期）を有する第１の領域とＸ方向に第２のピッチ（第２の変調周期）を有する第２の領域が設けられる。そして、本実施形態では、複数の領域の少なくとも一つの領域のエネルギー分布の振幅（本実施形態ではパターンのＹ方向の幅）がＸ方向の位置に従って変化する。

なお、本実施形態では、受光素子アレイ１６はスケール２０のパターンの反射光を受光しているが、スケール２０のパターンの透過光を受光する場合にも本実施形態は適用可能である。即ち、受光素子アレイ１６は、スケール２０のパターンからの光を受光できれば足りる。

信号処理回路３０は、センサユニット１０の受光素子アレイ１６の出力信号を処理して位置情報に変換する。信号処理回路３０は、センサユニット１０で得られたエンコーダ信号の内挿処理や、記憶装置４０への信号の書き込み、および、読み出しも行う。

信号処理回路３０は、不図示のノイズフィルタ、増幅回路、Ａ／Ｄ変換回路の他に、信号分離手段３１、第１の位相取得手段３２、第２の位相取得手段３３、位置情報取得手段３４、第１の振幅取得手段３７、第２の振幅取得手段３８を有する。但し、実施例に応じて第２の位相取得手段３３などが設けられない場合もある。

信号分離手段３１は、受光素子アレイ１６の出力をトラック２１の各領域に対応する信号に分離する機能を有する。信号分離手段３１は、受光ＩＣ１４にスイッチ回路が設けられる場合にはスイッチ回路による接続を切り替える信号を送信し、受光ＩＣ１４にスイッチ回路が設けられない場合には高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことによって信号を分離することができる。あるいは、信号分離手段３１は、受光素子アレイ１６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って実現してもよい。

第１の位相取得手段３２は、（第１の領域に対応する）受光素子アレイ１６の出力信号（デジタル信号）に対して逆正接演算を行うことによって第１の領域のエネルギー分布の位相（第１の位相）を取得する。第１の位相取得手段３２は後述する相対位置信号取得手段として機能してもよい。

第２の位相取得手段３３は、（第２の領域に対応する）受光素子アレイ１６の出力信号（デジタル信号）に対して逆正接演算を行うことによって第２の領域のエネルギー分布の位相（第２の位相）を取得する。

複数の振幅取得手段（第１の振幅取得手段３７と第２の振幅取得手段３８）はそれぞれ対応する領域の振幅を取得する。

第１の振幅取得手段３７は、（第１の領域に対応する）受光素子アレイ１６の出力（デジタル信号）の二乗和に対して平方根演算を行うことによって第１の領域のエネルギー分布の振幅（第１の振幅）を取得する。

第２の振幅取得手段３８は、（第２の領域に対応する）受光素子アレイ１６の出力（デジタル信号）の二乗和に対して平方根演算を行うことによって第２の領域のエネルギー分布の振幅（第２の振幅）を取得する。

なお、トラック２１に第３のピッチを有する領域などが設けられている場合にはそれに合わせて第３の位相取得手段や第３の振幅取得手段等が設けられてもよいことは言うまでもない。

位置情報取得手段３４は、スケール２０の位置の情報を取得する。位置情報取得手段３４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取得手段とスケール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取得手段を有してもよい。

本実施形態では、位置情報取得手段３４は、複数の振幅取得手段が取得した複数の振幅を正規化（無次元量化）することによって得られる振幅信号をスケール２０の位置を表す位置信号として取得する。正規化によってこれらの複数の振幅の間で光源１２からの射出光量の変動や反射率ムラの影響をなくすことができる。

例えば、第１の振幅取得手段３７が取得した第１の振幅と第２の振幅取得手段３８が取得した第２の振幅という２つの振幅が存在する場合、正規化は、２つの振幅の比によって行うことができる。２つの振幅の比は、例えば、第２の振幅を第１の振幅で除したもの（またはその逆数）でもよいが、第１の振幅と第２の振幅の差を和で除したもの（またはその逆数）などでもよい。

また、３つの振幅（第１の振幅、第２の振幅、第３の振幅）が存在する場合、正規化は、第１の振幅と第２の振幅の差を第３の振幅で除したもの（またはその逆数）などでもよい。この場合も、振幅信号は無次元量化されて複数の振幅の間で光源１２からの射出光量の変動や反射率ムラの影響をなくすことができるからである。

動作において、センサユニット１０内の光源１２から出射した発散光束はスケール２０のトラック２１に照射され、トラック２１で反射した光束はセンサユニット１０の受光素子アレイ１６に受光される。受光素子アレイ１６は、トラック２１の反射率分布が２倍拡大された像として受光する。受光素子アレイ１６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１６からの出力を位置情報に変換し、スケール２０の位置の情報を高精度に取得および出力する。

図２は、図１に示すトラック２１に適用可能な実施例１のトラック２１Ａの部分拡大平面図である。トラック２１Ａは、スケール２０の移動方向（Ｘ方向）に垂直な方向（Ｙ方向）に、２種類の領域（領域２３Ａ、領域２５Ａ）が交互に並べられてり、その単位ブロックパターンＫのＹ方向の幅Ｙ０は５０μｍである。図２において、白色部は光を透過または吸収する非反射部２２である。図２の下に拡大した範囲が１トラックに対応する。

領域２３Ａは上述した第１の領域に相当し、複数の同一形状の矩形形状のパターンからなるパターン列から構成されている。各パターンは、Ｘ方向に５０μｍの幅を有し、Ｙ方向に２５μｍの長さを有する反射部２４Ａから構成されている。複数のパターンは、Ｘ方向にピッチＰ１（＝１００μｍ）で等間隔に配置され、ピッチＰ１は上述した第１の変調周期として機能する。また、領域２３ＡのＹ方向の幅もＷ１＝２５μｍとしている。

領域２５Ａは上述した第２の領域に相当し、複数の矩形形状のパターンからなるパターン列から構成されている。各パターンは、Ｘ方向に１００μｍの幅を有し、Ｙ方向の幅がＸ方向に漸次減少する反射部２６Ａから構成されている。反射部２６ＡのＹ方向の幅は、Ｘ方向の移動範囲の一方の端で２５μｍであり、他方の端で０μｍとなるようにＸ方向の位置に応じて線形に減少する。複数のパターンは、Ｘ方向にピッチＰ２（＝２００μｍ）で等間隔に配置され、ピッチＰ２は上述した第２の変調周期として機能する。また、領域２５ＡのＹ方向の幅もＷ２＝２５μｍとしている。

なお、本実施例におけるパターンのピッチＰ１、Ｐ２の値は単なる例示であり、これに限定されない。２つの領域のピッチの比が整数倍あるいは整数倍からわずかにずれた関係でもよい。

図３は、図１の受光素子アレイ１６に適用可能な実施例１の受光素子アレイ１６Ａの受光面の平面図である。受光素子アレイ１６Ａにおいては、受光素子１７ＡがＸ方向に５０μｍピッチで２４個並んでおり、一つの受光素子１７ＡはＸ方向の幅Ｘ＿ｐｄが５０μｍであり、Ｙ方向の幅Ｙ＿ｐｄは８００μｍである。受光素子アレイ１６Ａの全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは１２００μｍである。

スケール上のパターンは２倍の拡大投影となるため、スケール上の検出範囲はＹ方向４００μｍ、Ｘ方向６００μｍの範囲となる。よって、スケール上の検出範囲には、位置検出方向に１００μｍのピッチを有する領域２３Ａと２００μｍのピッチを有する領域２５ＡがＹ方向にそれぞれ８ライン分ずつ含まれる。

各受光素子１７Ａからの出力は、スイッチ回路１８を介して切り替えられ、選択的に後段の４つの初段増幅器に接続されている。スイッチ回路１８は信号処理回路３０の信号分離手段３１からの入力によって受光素子１７Ａ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１７Ａ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３０からの入力がハイレベルの場合は、図３（ａ）に示すように、電気的に受光素子１７Ａが３つおきに接続され、同一の初段増幅器に入力されている。よって、スケールパターンは１００μｍ（反射像周期２００μｍ）の検出ピッチとなっており、領域２３Ａ（Ｐ１＝１００μｍ）を分離して検出することができる。

信号処理回路３０からの入力がローレベルの場合は、図３（ｂ）に示すように、電気的に受光素子１７Ａが７つおきに接続され、同一の初段増幅器に入力されている。よって、スケールパターンは２００μｍ（反射像周期４００μｍ）の検出ピッチとなっており、領域２５Ａ（Ｐ２＝２０２μｍ）を分離して検出することができる。

図４は、受光素子アレイ１６Ａからの出力を処理する信号処理回路の回路図である。図４に示すように、信号処理回路は、４相正弦波出力Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）の生成に用いられる初段増幅器としての４つのＩＶ変換アンプ１９ａ〜ｄを有する。なお、初段増幅器は受光ＩＣ１４に設けられていてもよいし、信号処理回路３０に設けられていてもよい。

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３０は、Ａ相用差動アンプ３６ａ、Ｂ相用差動アンプ３６ｂを有し、４相正弦波出力Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）について次式の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）を生成する。

スイッチ回路１８への入力がハイレベルのときのＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）より、信号処理回路３０の第１の位相取得手段３２は領域２３Ａのエネルギー分布の位相（位相信号）Φ１を次式の演算によって取得する。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。また、信号処理回路３０の第１の振幅取得手段３７は第１の振幅ａｍｐ１を次式によって取得する。ＳＱＲＴ［Ｘ］は、平方根を演算する関数である。

同様に、スイッチ回路１８への入力がローレベルのときのＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）より、信号処理回路３０の第２の振幅取得手段３８は次式の演算によって第２の振幅ａｍｐ２を取得する。

更に、信号処理回路３０の位置情報取得手段の絶対位置信号取得手段は、振幅信号Ｓ＿ａｍｐを下記の演算によって取得する。

領域２３Ａの第１の振幅ａｍｐ１と領域２５Ａの第２の振幅ａｍｐ２の比をとることにより、光源１２からの出射光量の変動や、反射膜の不均一性による反射率ムラの影響をキャンセルすることができる。

図５（ａ）は、振幅信号Ｓ＿ａｍｐとスケール位置との関係を示す図である。振幅信号Ｓ＿ａｍｐはスケール位置に応じてほぼ線形に単調減少し、スケール端で０になる。振幅信号Ｓ＿ａｍｐとスケール２０のＸ方向の位置の関係は予め記憶装置４０に記憶されている。

記憶装置４０に記憶された設定値に基づいて、信号処理回路３０の位置情報取得手段３４は振幅信号Ｓ＿ａｍｐからスケール２０のＸ方向の位置への変換を行うことでスケール２０の絶対位置の情報を取得することができる。また、図５（ｂ）は、位相信号Φ１とスケール位置との関係を示している。

本実施例の位置信号取得手段は、第１の位相取得手段３２の出力を相対位置信号（インクリメンタル信号）として取得する。相対位置信号の変化を計数することによってスケール２０が測定開始位置から所定周期として何周期目に位置するかの情報を得ることができる。

記憶装置４０に記憶する振幅信号Ｓ＿ａｍｐとスケール２０のＸ方向の位置の関係は、設計値より決定してもよいし、初期化動作を行って決定してもよい。この際、各アンプのオフセット、ゲインバラつき等に起因するＳ（Ａ）およびＳ（Ｂ）に含まれるオフセット誤差、ゲイン比を補正するのが望ましい。

例えば、所定の領域のＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）それぞれの（最大値−最小値）／２から振幅比を取得し、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、オフセット誤差量を取得し、そのオフセットの補正を行う。いずれも、補正値を記憶装置４０に記憶しておき、位置取得時にその補正値を読みだして補正を行う。

このようにして、検出素子を大型化することなく高精度にスケール２０の絶対位置の情報を取得することができる。

実施例２は、実施例１と同様であるが、図１に示す光学式アブソリュートエンコーダの構成において、図２に示すトラック２１Ａの代わりに図６に示すトラック２１Ｂを使用している点で実施例１と相違している。

図６は、実施例２のトラック２１Ｂの部分拡大平面図である。トラック２１Ｂは、スケール２０の移動方向（Ｘ方向）に垂直な方向（Ｙ方向）に、２種類の領域（領域２３Ｂ、領域２５Ｂ）が交互に並べられており、その単位ブロックパターンＫのＹ方向の幅Ｙ０は５０μｍである。図６において、白色部は非反射部２２である。図６の下に拡大した範囲が１トラックに対応する。

領域２３Ｂは上述した第１の領域に相当し、複数の矩形形状のパターンからなるパターン列から構成されている。各パターンは、Ｘ方向に５０μｍの幅を有し、Ｙ方向の幅がＸ方向に漸次増加する反射部２４Ｂから構成されている。複数のパターンは、Ｘ方向にピッチＰ１（＝１００μｍ）で等間隔に配置されている。

領域２５Ｂは上述した第２の領域に相当し、複数の矩形形状のパターンからなるパターン列から構成されている。各パターンは、Ｘ方向に１００μｍの幅を有し、Ｙ方向の幅がＸ方向に漸次減少する反射部２６Ｂから構成されている。複数のパターンは、Ｘ方向にピッチＰ２（＝２００μｍ）で等間隔に配置されている。

領域２３Ｂと領域２５ＢのそれぞれのＹ方向の幅はＸ方向の位置によって異なる。領域２３ＢのＹ方向の幅は、Ｘ方向の移動範囲の一方の端（Ｘ＝０ｍｍ）で２０μｍであり、他方の端（Ｘ＝８０．８ｍｍ）で５０μｍとなるようにＸ方向の位置に応じて線形に増加する。一方、領域２５ＢのＹ方向の幅は、Ｘ方向の移動範囲の一方の端（Ｘ＝０ｍｍ）で３０μｍであり、他方の端（Ｘ＝８０．８ｍｍ）で０μｍとなるようにＸ方向の位置に応じて線形に減少する。反射部２４ＢのＹ方向の幅は領域２３ＢのＹ方向の幅に等しく、反射部２６ＢのＹ方向の幅は領域２５ＢのＹ方向の幅に等しい。

実施例１と同様に、信号処理回路３０は、数式３〜５に基づいて、第１の位相Φ１、第１の振幅ａｍｐ１、第２の振幅ａｍｐ２を取得し、絶対位置信号取得手段は数式１２の代わりに次式を使用して振幅信号Ｓ＿ａｍｐを取得する。

（ａｍｐ１−ａｍｐ２）と（ａｍｐ１＋ａｍｐ２）の比をとることにより、光源１２からの出射光量の変動や、反射膜の不均一性による反射率ムラの影響をキャンセルすることができる。また、第１の振幅と第２の振幅の変化の方向がＸ方向の位置によって逆向きに変化していることにより、振幅信号Ｓ＿ａｍｐの変化幅を大きく取ることができ、より高精度にＸ方向位置と対応させることが可能である。振幅信号Ｓ＿ａｍｐとスケール２０のＸ方向の位置の関係は予め記憶装置４０に記憶されている点は実施例１と同様である。

なお、検出回路のダイナミックレンジを有効に利用するため、和信号ＳＵＭを次式により取得し、和信号ＳＵＭが一定となるようにＬＥＤ出射光量を制御することが望ましい。

本実施例では反射部２４Ｂ、２６Ｂの面積と非反射部２２の面積の比率（検出領域からの平均のエネルギー分布）が、Ｘ方向の位置によらず一定になっているため、光源１２の出射光量をほぼ一定値で使用することができ、性能の確保が容易である。

以上、本実施例は、実施例１に比べ、より高精度に絶対位置信号を得ることができる。

実施例３は、実施例１と同様であるが、図１に示すエンコーダの構成において、図２に示すトラック２１Ａの代わりに図７に示すトラック２１Ｃを使用している点で実施例１と相違している。

図７は、実施例３のトラック２１Ｃの部分拡大平面図である。トラック２１Ｃは、スケール２０の移動方向（Ｘ方向）に垂直な方向（Ｙ方向）に、２種類の領域（領域２３Ｃ、領域２５Ｃ）が交互に並べられており、その単位ブロックパターンＫのＹ方向の幅Ｙ０は５０μｍである。図７において、白色部は非反射部２２である。図７の下に拡大した範囲が１トラックに対応する。

領域２３Ｃは上述した第１の領域に相当し、複数の同一形状の矩形形状のパターンからなるパターン列から構成されている。各パターンは、Ｘ方向に５０μｍの幅を有し、Ｙ方向に２５μｍの長さを有する反射部２４Ｃから構成されている。複数のパターンは、Ｘ方向にピッチＰ１（＝１００μｍ）で等間隔に配置されている。また、領域２３ＣのＹ方向の幅Ｗ１も２５μｍとしている。

領域２５Ｃは上述した第２の領域に相当し、複数の矩形形状のパターンからなるパターン列から構成されている。各パターンは、Ｘ方向に１０１μｍの幅を有し、Ｙ方向の幅がＸ方向に漸次減少する反射部２６Ｃから構成されている。反射部２６ＣのＹ方向の幅は、Ｘ方向の移動範囲の一方の端（Ｘ＝０ｍｍ）で２５μｍであり、他方の端（Ｘ＝８０．８ｍｍ）で１０μｍとなるようにＸ方向の位置に応じて線形に減少する。複数のパターンは、Ｘ方向にピッチＰ２（＝２０２μｍ）で等間隔に配置されている。また、領域２５ＣのＹ方向の幅もＷ２＝２５μｍとしている。このように、本実施例では、２つの領域２３Ｃ、２５Ｃのピッチの比が整数倍からわずかにずれている。

ここで、領域２５Ｃから得られる信号の補正について説明する。受光素子１７Ａの検出ピッチ（２００μｍ）と、スケール状のパターン周期（２０２μｍ）がわずかにずれているため、２相正弦波状信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）間の相対位相差補正処理を行うことが望ましい。以下に、位相差補正の方法について説明する。

まず、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、次式のように表すことができる。

数式９、１０より、２相正弦波信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）の和と差を取ると次に示すように誤差成分ｅを分離することができる。

相対位相差誤差ｅは設計値よりｅ＝（１−２００／２０２）・πと表すことができる。数式１１、１２の振幅成分２・ｓｉｎ（ｅ（ｘ）／２−π／４）、２・ｃｏｓ（ｅ（ｘ）／２−π／４）について、それぞれ逆数を乗じることにより、以下のように位相差誤差を補正した２相正弦波信号Ｓ（Ａ）’、Ｓ（Ｂ）’を算出する。但し、φ＝θ−π／４である。

相対位相差誤差ｅを初期化動作によって記憶してもよい。例えば、所定のＸ方向範囲のＳ（Ａ）＋Ｓ（Ｂ）の（最大値−最小値）／２から振幅成分２・ｓｉｎ（ｅ（ｘ）／２−π／４）を取得し、−Ｓ（Ａ）＋Ｓ（Ｂ）の（最大値−最小値）／２から振幅成分２・ｃｏｓ（ｅ（ｘ）／２−π／４）を取得する。そして、それぞれの値を記憶装置４０に記憶してもよい。この場合、光源１２と受光素子アレイ１６Ａの実装高さずれや、スケール２０とセンサ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。

以上のようにして得られたＳ（Ａ）´をＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）´をＳ（Ｂ）とおく。

まず、スイッチ回路１８への入力がハイレベルのときのＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）と数式３、４より、信号処理回路３０は第１の位相Φ１と第１の振幅ａｍｐ１を取得する。

同様に、スイッチ回路１８への入力がローレベルのときのＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）より、信号処理回路３０の第２の位相取得手段３３は領域２５のエネルギー分布の位相（位相信号）Φ２を次式の演算によって取得する。また、信号処理回路３０の第２の振幅取得手段３８は数式５から第２の振幅ａｍｐ２を取得する。

更に、信号処理回路３０の位置情報取得手段３４の絶対位置信号取得手段は、数式６から振幅信号Ｓ＿ａｍｐを取得する。

次に、信号処理回路３０の位置情報取得手段３４は、絶対位置信号として機能するバーニア信号Ｓｖを下記の演算によって取得する。

このとき、信号処理回路３０は、Ｓｖ＜０のときはＳｖ＝Ｓｖ＋２π、Ｓｖ＞２πのときはＳｖ＝Ｓｖ−２πの演算を繰り返し行って０〜２πの出力範囲に変換する。

なお、バーニア信号Ｓｖは数式１６に示す係数に限定されない。即ち、第１の変調周期Ｐ１と第２の変調周期Ｐ２について｜(ｍ・Ｐ１−ｎ・Ｐ２)｜＜｜(Ｐ１−Ｐ２)｜の条件を満たす整数ｍ、ｎに対し、Ａ／Ｂ＝ｎ／ｍの関係を満たす２つの係数Ａ、Ｂを用いて、Ｓｖ＝Ａ・Φ１−Ｂ・Φ２のように表すことができる。

図８（ａ）は、振幅信号Ｓ＿ａｍｐとスケール位置との関係を示す図である。振幅信号Ｓ＿ａｍｐはスケール位置に応じてほぼ線形に単調減少している。

図８（ｂ）は、バーニア信号Ｓｖとスケール位置との関係を示す図である。バーニア信号Ｓｖは、１０．１ｍｍの周期をもった周期信号となり、Ｘ方向への総ストローク８０．８ｍｍで８周期分の周期信号となる。

複数のトラック、受光素子からそれぞれ位相を取得し、それらの差分によってバーニア信号を取得する場合に比べ、同一受光面から取得される複数の位相信号の差分を取ることで、センサの回転ガタ等による相対位相ずれの発生を抑えることができる。

図８（ｃ）は、位相信号Φ１とスケール位置との関係を示している。

次に、信号処理回路３０の位置情報取得手段３４による絶対位置の情報を取得するための処理について説明する。まず、信号処理回路３０は、フルストロークをスキャンする初期化動作を行い、Ｘ方向の移動範囲の始点（Ｘ＝０ｍｍ）における振幅信号Ｓ＿ａｍｐの値Ｓ＿ｉｎｉｔと終点（Ｘ＝８０．８ｍｍ）における振幅信号Ｓ＿ａｍｐの値Ｓ＿ｅｎｄを記憶装置４０に記憶する。

次に、信号処理回路３０は、記憶装置４０に記憶された値Ｓ＿ｉｎｉｔ、Ｓ＿ｅｎｄと次式を用いて上位信号Ｃを取得する。

次に、信号処理回路３０は、上位信号Ｃとバーニア信号Ｓｖとの同期をとり、上位信号ＣからＳｖの周期の何番目にあるかを算出し、Φｂをつなぎ合わせてΦｂの位置精度を持つ絶対位置信号（次式の中位信号Ｍ）を取得する。

ここで、ＲＯＵＮＤ［ｘ］は、ｘに最も近い整数に変換する関数、ＦＳはＸ方向の総ストローク、Ｔｖはバーニア信号ＳｖのＸ方向の周期であり、本実施例では、ＦＳ＝８０．８ｍｍ、Ｔｖ＝１０．１ｍｍである。

続いて、信号処理回路３０は、中位信号ＭとΦ１との同期をとり、中位信号ＭからΦ１の周期の何番目にあるかを算出し、Φ１をつなぎ合わせてΦ１の位置精度を持つ絶対位置信号ＡＢＳを取得する。

本実施例は相対位置信号としてのΦ１の位置精度を有する絶対位置信号ＡＢＳを生成しているので相対位置信号を使用する必要がない。本実施例は、中位信号Ｍを生成するので各周期信号間の同期が容易となり、実施例１よりも長ストロークで高精度に絶対位置信号を取得することができる。

なお、実施例２と同様なスケールパターンにおいて、領域２５のピッチＰ２を２０２μｍとしても上述と同様の効果を得ることができる。

実施例４は、実施例１と同様であるが、図１に示すエンコーダの構成において図９に示すトラック２１Ｄを使用し、図１０に示す受光素子アレイ１６Ｄを使用している点で実施例１と相違している。

図９は、実施例４のトラック２１Ｄの部分拡大平面図である。トラック２１Ｄは、スケール２０の移動方向（Ｘ方向）に垂直な方向（Ｙ方向）に、３種類の領域（領域２３Ｄ、領域２５Ｄ、領域２８）が交互に並べられており、その単位ブロックパターンＫのＹ方向の幅Ｙ０は１００μｍである。図９において、白色部は非反射部２２である。図９の下に拡大した範囲が１トラックに対応する。

領域２３Ｄは上述した第１の領域に相当し、複数の矩形形状のパターンからなるパターン列から構成されている。各パターンは、Ｘ方向に５０μｍの幅を有し、Ｙ方向の幅がＸ方向に漸次増加する反射部２４Ｄから構成されている。複数のパターンは、Ｘ方向にピッチＰ１（＝１００μｍ）で等間隔に配置されている。

領域２５Ｄは上述した第２の領域に相当し、複数の矩形形状のパターンからなるパターン列から構成されている。各パターンは、Ｘ方向に１０１μｍの幅を有し、Ｙ方向の幅がＸ方向に漸次減少する反射部２６Ｄから構成されている。複数のパターンは、Ｘ方向にピッチＰ２（＝２０２μｍ）で等間隔に配置されている。

領域２８は、複数の同一形状の矩形形状のパターンからなるパターン列から構成されている。各パターンは、Ｘ方向に２００μｍの幅、Ｙ方向に５０μｍの幅を有する反射部２９から構成されている。複数のパターンは、Ｘ方向にピッチＰ３（＝４００μｍ）で等間隔に配置されている。

領域２３Ｄと領域２５Ｄを含む領域のＹ方向の幅は５０μｍである。領域２３Ｄと領域２５ＤのＹ方向のそれぞれの幅はＸ方向の位置によって異なる。領域２３ＤのＹ方向の幅は、Ｘ方向の移動範囲の一方の端（Ｘ＝０ｍｍ）で１５μｍであり、他方の端（Ｘ＝８０．８ｍｍ）で３５μｍとなるようにＸ方向の位置に応じて線形に増加する。一方、領域２５ＢのＹ方向の幅は、Ｘ方向の移動範囲の一方の端（Ｘ＝０ｍｍ）で３５μｍであり、他方の端（Ｘ＝８０．８ｍｍ）で１５μｍとなるようにＸ方向の位置に応じて線形に減少する。

反射部２４ＤのＹ方向の幅は領域２３ＤのＹ方向の幅に等しく、反射部２６ＤのＹ方向の幅は領域２５ＤのＹ方向の幅に等しく、反射部２９のＹ方向の幅は領域２８のＹ方向の幅に等しい。

図１０は、図１の受光素子アレイ１６に適用可能な実施例４の受光素子アレイ１６Ｄの受光面の平面図である。受光素子アレイ１６Ｄは、クロックタイミングに同期して、各受光素子１７Ｄの受光量に対応した出力を順番に取りだすことができる、いわゆるリニアセンサアレイである。

受光素子アレイ１６Ｄは受光素子１７ＢがＸ方向に１２．５μｍピッチで１２８個並んでおり、Ｙ方向の幅Ｙ＿ｐｄは８００μｍ、Ｘ方向の全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは１６００μｍである。

スケール上のパターンは２倍の拡大投影となるため、スケール上の検出範囲はＹ方向４００μｍ、Ｘ方向８００μｍの範囲となる。よって、スケール上の検出範囲には、領域２３Ｄ、領域２５Ｄ、および領域２８がＹ方向にそれぞれ４ライン分ずつ含まれる。

受光素子アレイ１６Ｄの出力部１９から出力されるリニアイメージ信号Ｖより領域２３、２５、２８の各周期信号成分を分離する方法としては、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行ってもよいし、実施例１と同様に各周期に対応した４相正弦波に変換してもよい。

こうして得られた領域２３Ｄ（Ｐ１＝１００μｍ周期）に対応する信号の第１の位相をΦ１、第１の振幅をａｍｐ１とする。同様に、領域２５（Ｐ２＝２０２μｍ周期）に対応する信号の第２の位相をΦ２、第２の振幅をａｍｐ２とする。領域２８（Ｐ３＝４００μｍ周期）に対応する信号の第３の位相をΦ３、第３の振幅をａｍｐ３とする。移動範囲の片方の端（Ｘ＝０ｍｍ）において、Φ１＝Φ２＝Φ３＝０となるように、スケール２０上の３つの周期パターンの初期位相が設定されている。

次に、信号処理回路３０は、振幅信号Ｓ＿ａｍｐを次式から取得する。

更に、信号処理回路３０は、バーニア信号Ｓｖを数式１６から取得し、Ｓｖ＜０のときはＳｖ＝Ｓｖ＋２π、Ｓｖ＞２πのときはＳｖ＝Ｓｖ−２πの演算を繰り返し行って、０〜２πの出力範囲に変換する。

バーニア信号Ｓｖは１０．１ｍｍの周期をもった周期信号となるため、Ｘ方向に総ストローク８０．８ｍｍで８周期分の周期信号となる。複数のトラックからそれぞれ位相を取得し、それらの差分によってバーニア信号を取得する場合に比べ、同一受光面から取得される複数の位相信号の差分を取ることで、センサの回転ガタ等による相対位相ずれの発生を抑えることができる。

次に、信号処理回路３０は、実施例３と同様に、数式１７を用いて上位信号Ｃを取得し、数式１８を用いて中位信号Ｍを取得する。

続いて、信号処理回路３０は、中位信号ＭとΦ３との同期をとり、中位信号ＭからΦ３の周期の何番目にあるかを算出し、Φ３をつなぎ合わせてΦ３の位置精度を持つ下位信号Ｆを取得する。

続いて、信号処理回路３０は、下位信号ＦとΦ１との同期をとり、下位信号ＦからΦ１の周期の何番目にあるかを算出し、Φ１をつなぎ合わせてΦ１の位置精度を持つ絶対位置信号ＡＢＳを取得する。

本実施例は、中位信号Ｍ、下位信号Ｆを生成するので各周期信号間の同期が容易となり、実施例１よりも長ストロークで高精度に絶対位置信号を取得することができる。

本実施例では、光学式エンコーダの例となっているが、磁気式エンコーダ、静電容量式エンコーダ等でも同様な効果が得られる。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。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配して検出する。静電容量式の場合は、本実施例のスケール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検出するようにすればよい。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

エンコーダは位置（変位）を検出する用途に適用することができる。

１６、１６Ａ、１６Ｄ…受光素子アレイ（検出素子アレイ）、２０…スケール、２３Ａ〜２３Ｄ…第１の領域、２５Ａ〜２５Ｄ…第２の領域、３０…信号処理回路（信号処理手段）、３４…位置情報取得手段、３７…第１の振幅取得手段、３８…第２の振幅取得手段、Ｓ＿ａｍｐ…振幅信号

Claims (10)

1. エネルギー分布を空間変調する複数のパターンを有する第１のパターン列と、エネルギー分布を空間変調する複数のパターンを有する第２のパターン列が形成されているスケールと、
   前記第１及び第２のパターン列からの前記エネルギー分布を検出する複数の検出素子を有する検出素子アレイと、
   前記検出素子アレイの出力信号を処理して位置情報に変換する信号処理手段と、
   を有し、
   前記スケールと前記検出素子アレイは互いに相対的に移動するように構成され、
   前記第１のパターン列において、前記複数のパターンは第１の変調周期で前記スケールと前記検出素子アレイの相対的な移動方向に沿って配置されており、
   前記第２のパターン列において、前記複数のパターンは前記第１の変調周期とは異なる第２の変調周期で前記移動方向に沿って配置されており、
   前記複数の検出素子は、前記移動方向に沿って並べられ、
   前記第１のパターン列は、前記検出素子アレイが前記第１のパターン列に基づいて検出する前記エネルギー分布の振幅が前記スケールの前記移動方向の位置に従って変化するように構成され、
   前記信号処理手段は、
   それぞれが前記検出素子アレイの出力信号から、前記第１および第２のパターン列に対応する前記エネルギー分布の振幅を取得する複数の振幅取得手段と、
   前記複数の振幅取得手段が取得した複数の振幅を正規化することによって得られた振幅信号を前記スケールの位置を表す位置信号として取得する位置情報取得手段と、
   を有し、
   前記第１および第２のパターン列は、それぞれ前記移動方向に垂直な方向に周期的に配置されていることを特徴とするエンコーダ。
2. 前記第１および第２のパターン列において、前記エネルギー分布の振幅が前記スケールの前記移動方向の位置に従って変化し、当該２つのパターン列の間で前記振幅が変化する方向は逆であることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記検出素子アレイの検出範囲に対応する前記スケールの検出領域からの平均のエネルギー分布は前記スケールの前記移動方向の位置によらず一定であることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
4. 前記信号処理手段は、前記検出素子アレイの出力信号から第１の変調周期の第１の位相を取得する第１の位相取得手段を更に有し、
   前記位置情報取得手段は、前記第１の位相取得手段が検出した前記第１の位相を前記スケールの相対位置を表す相対位置信号として使用することを特徴とする請求項１乃至３のうち１項に記載のエンコーダ。
5. 前記信号処理手段は、前記位置信号と前記第１の位相取得手段が検出した前記第１の位相との同期をとることによって前記スケールの絶対位置信号を取得することを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
6. 前記信号処理手段は、前記検出素子アレイの出力信号から第２の変調周期の第２の位相を取得する第２の位相取得手段を更に有し、
   前記位置情報取得手段は、前記第１の位相取得手段が取得した前記第１の位相と、前記第２の位相取得手段が取得した前記第２の位相と、
   ｜(ｍ・Ｐ１−ｎ・Ｐ２)｜＜｜(Ｐ１−Ｐ２)｜
   の条件を満たす整数ｍ、ｎに対し、
   Ａ／Ｂ＝ｎ／ｍ
   の関係を満たす２つの係数Ａ、Ｂを用いて次式を満たすバーニア信号Ｓｖを取得し、
   Ｓｖ＝Ａ・Φ１−Ｂ・Φ２
   前記信号処理手段は、前記位置信号と前記バーニア信号との同期をとることによって中位信号を取得し、当該中位信号と前記第１の位相との同期をとることによって前記絶対位置信号を取得することを特徴とする請求項５に記載のエンコーダ。
   但し、Φ１は前記第１の位相、Φ２は前記第２の位相、Ｐ１は前記第１の変調周期、Ｐ２は前記第２の変調周期である。
7. 前記信号処理手段は、前記複数の検出素子の電気的に加算される間隔を切り替えることによって前記検出素子アレイの出力信号を前記各パターン列に対応する信号に分離する信号分離手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至６のうち１項に記載のエンコーダ。
8. 複数の受光素子を含む受光素子アレイと、
   光源からの光を反射或いは透過して前記受光素子アレイに導く複数のパターンを含む第１のパターン列と、光源からの光を反射或いは透過して前記受光素子アレイに導く複数のパターンを含む第２のパターン列と、を有するスケールと、
   前記受光素子アレイからの出力信号を処理することにより、位置信号を取得する信号処理手段と、
   を有し、
   前記受光素子アレイと前記スケールは互いに相対的に移動するように構成され、
   前記複数の受光素子は、前記受光素子アレイと前記スケールの相対的な移動方向に沿って並べられ、
   前記第１のパターン列において、前記複数のパターンは前記移動方向に沿って第１の周期で配置され、
   前記第２のパターン列において、前記複数のパターンは前記移動方向に沿って前記第１の周期とは異なる第２の周期で配置され、
   前記第１のパターン列は、前記第１のパターン列によって前記受光素子アレイに導かれる光量の、前記移動方向における前記受光素子アレイと前記スケールとの相対的な位置に対する変化の振幅が、前記相対的な位置によって変化するように構成されており、
   前記信号処理手段は、前記第１のパターン列に対応する光量変化の振幅と、前記第２のパターン列に対応する光量変化の振幅と、を含む複数の振幅を正規化することによって得られた振幅信号を用いて、前記位置信号を取得する、ように構成されていることを特徴とするエンコーダ。
9. エネルギー強度を検出する複数の検出素子を含む検出素子アレイと、
   第１の周期を有する第１のパターン列と、前記第１の周期とは異なる第２の周期を有する第２のパターン列と、を有するスケールと、
   前記検出素子アレイからの出力信号を処理することにより、位置信号を取得する信号処理手段と、
   を有し、
   前記検出素子アレイと前記スケールは互いに相対的に移動するように構成され、
   前記複数の検出素子は、前記検出素子アレイと前記スケールの相対的な移動方向に沿って並べられ、
   前記第１のパターン列は、前記移動方向における、前記検出素子アレイに対する相対的な位置の変化に従って、前記検出素子アレイで検出するエネルギー強度を前記第１の周期で変化させるように構成され、
   前記第２のパターン列は、前記移動方向における、前記検出素子アレイに対する相対的な位置の変化に従って、前記検出素子アレイで検出するエネルギー強度を前記第２の周期で変化させるように構成され、
   前記第１のパターン列は、前記第１のパターン列に基づいて前記検出素子アレイが検出するエネルギーの、前記移動方向における前記検出素子アレイと前記スケールとの相対的な位置に対する変化の振幅が、前記相対的な位置によって変化するように構成されており、
   前記信号処理手段は、前記第１のパターン列に対応するエネルギー変化の振幅と、前記第２のパターン列に対応するエネルギー変化の振幅とを含む複数の振幅を正規化することによって得られた振幅信号を用いて、前記位置信号を取得する、ように構成されていることを特徴とするエンコーダ。
10. 請求項１乃至９のうち１項に記載のエンコーダを備えることを特徴とする装置。