JP5791340B2 - 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、アブソリュートエンコーダの検出精度をインクリメンタルエンコーダのように上げるため、スケールの各トラックにインクリメンタルパターンを、そのパターンの形状又はピッチが測長方向に変調周期で周期的に変化するように形成している。これにより、インクリメンタルパターンは相対位置の情報のみではなく変調周期の繰り返しによる絶対位置の変調情報を持つことになる。この結果、高精度な相対位置の情報と精度がそれほど高くない絶対位置情報を利用してスケールの絶対位置を高精度に検出することができる。

特許文献１は、スケールからの光を受光する受光素子アレイとして、インクリメンタル信号検出用フォトダイオードアレイ（ＩＮＣ用アレイ）と変調信号検出用フォトダイオードアレイ（変調用アレイ）を設けている。ＩＮＣ用アレイの測長方向の長さは変調周期の整数倍の長さに設定され、ＩＮＣ用アレイからの出力に基づいて相対位置を表す相対位置信号が生成される。変調用アレイからの出力に基づいて変調パターン位置信号が生成され、これを絶対位置信号として使用することができる。

特開２００９−１９８３１８号公報

しかしながら、特許文献１は、異なる周期の信号を各トラックに設けられたインクリメンタルパターンから得ているのでパターンを検出可能な範囲がＩＮＣ用アレイの測長方向の長さによって制限されてしまう。よって、パターンの広い範囲を小さなＩＮＣ用アレイで検出することができない。

本発明は、大型化を招かずに広範囲で絶対位置信号を高精度に取得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パターンを有するパターン列が形成されているスケールと、前記スケールに相対的に移動するように配置され、前記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が移動方向に並べられた検出素子アレイと、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、を有する。前記パターン列は、移動方向に第１の変調周期と、前記第１の変調周期とは異なる第２の変調周期を有し、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前記第１の変調周期の第１の位相を取得する第１の位相取得手段と、前記検出素子アレイの出力信号から前記第２の変調周期の第２の位相を取得する第２の位相取得手段と、前記第１の位相取得手段が取得した前記第１の位相をΦ１、前記第２の位相取得手段が取得した前記第２の位相をΦ２、前記第１の変調周期をＰ１、前記第２の変調周期をＰ２、としたとき、｜(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と、前記第１の位相Φ１と、前記第２の位相Φ２と、を用いて、Ｓｖ＝Ａ・Φ１−Ｂ・Φ２を満たすＳｖ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、前記複数の検出素子の少なくとも一部の検出素子は、前記第１の位相取得手段が前記第１の位相を取得する際に使用されると共に、前記第２の位相取得手段が前記第２の位相を取得する際にも使用されることを特徴とする。

本発明によれば、大型化を招かずに広範囲で絶対位置信号を高精度に取得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、３） トラックの部分拡大平面図である。（実施例１） 図２の部分拡大平面図である。（実施例１） 図２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） 検出信号とスケール位置と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） 図７の部分拡大平面図である。（実施例２） 受光素子アレイの受光面の平面図である。（実施例２） 検出信号とスケール位置との関係を示す図である。（実施例２） 受光素子アレイの受光面の平面図である。（実施例３） ２トラック構成の検出素子の読み取り領域とパターン領域の位置関係を示す図である。（実施例３）

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、ＬＥＤからなる光源１２と受光素子アレイ１６を有する受光ＩＣ１４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。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。

なお、第１の変調周期の領域と第２の変調周期の領域は必ずしも分かれている必要はなく、両者は重なっていてもよい。

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を有する。

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。

なお、トラック２１に第３のピッチを有するパターン列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。

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２３、領域２５）が交互に並べられており、図２の全幅を含む範囲（受光素子アレイ１６Ａの受光面で走査され得る領域）が１トラックである。領域２３は上述した第１の領域に相当し、領域２５は上述した第２の領域に相当する。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３は、領域２３のＸ方向の１周期分の拡大平面図である。領域２３は、Ｘ方向のピッチ（第１のピッチ）Ｐ１（＝１００μｍ）ごとに図３のパターンが配置されたパターン列からなり、各パターンは反射膜から構成されて光を反射する反射部２４と非反射部２２から構成されている。ピッチＰ１は上述した第１の変調周期として機能する。領域２３のＹ方向の幅はＷ１＝５０μｍである。

領域２３のＹ方向の位置によって反射部２４のＸ方向の幅が異なる。Ｙ方向の中心からの距離がＷ１／８以下の領域においては、反射部２４のＸ方向の幅はＰ１・２３／３０である。Ｙ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２４のＸ方向の幅はＰ１・１７／３０である。Ｙ方向の中心からの距離がＷ１／４からＷａ・３／８までの範囲では、反射部２４のＸ方向の幅はＰ１・１３／３０である。Ｙ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２４のＸ方向の幅はＰ１・７／３０である。

図４は、領域２５のＸ方向の１周期分の拡大平面図である。領域２５は、Ｘ方向のピッチ（第２のピッチ）Ｐ２（＝２０２μｍ）ごとに図４のパターンが配置されたパターン列からなり、各パターンは反射膜から構成されて光を反射する反射部２６、２７と非反射部２２から構成されている。ピッチＰ２は上述した第２の変調周期として機能する。領域２５のＹ方向の幅はＷ２＝５０μｍである。

領域２５のＹ方向の位置によって反射部２６、２８のＸ方向の幅が異なる。Ｙ方向の中心からの距離がＷ２／６以下の領域においては、反射部２６のＸ方向の幅はＰ２・７０／９６である。この領域は、周期両端からそれぞれＰ２・３／９６の幅で反射部２７が形成される。Ｙ方向中心からの距離がＷ２／６からＷ２・１／３までの範囲では、反射部２６のＸ方向の幅はＰ２・５４／９６である。Ｙ方向の中心からの距離がＷ２・１／３からＷ２・１／２までの範囲では、反射部２６のＸ方向の幅はＰ２・２２／９６である。

図５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２３と２０２μｍのピッチを有する領域２５がＹ方向にそれぞれ４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１７Ａ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５（ａ）に示すように、電気的に接続されている受光素子１７Ａの中心間隔は２００μｍとなっており、領域２３（Ｐ１＝１００μｍ）を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５（ｂ）に示すように、電気的に接続されている受光素子１７Ａの中心間隔は４００μｍとなっており、領域２５（Ｐ２＝２０２μｍ）を検出することができる。

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３０は、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。

ここで、領域２５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３、４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５、６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。

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２３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。

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。

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取得することができる。

また、本実施例の位置信号取得手段は、第１の位相取得手段３２と第２の位相取得手段３３の出力に基づいて後述するバーニア信号を生成することによってスケール２０の絶対位置の情報を出力する。

スイッチ回路１８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、ほぼ同一位置でのΦ１、Φ２を得ることができる。

本実施例では、図５に示すように、受光素子アレイ１６Ａの複数の受光素子１７Ａの少なくとも一部は、位相信号Φ１を取得する受光素子１７Ａと位相信号Φ２を取得する受光素子１７Ａに共通に使用されている。このため、従来のように両者を別々に設けるよりも受光素子アレイが小型になる。

スケール２０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すればよい。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１８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２００μｍでＳ（Ａ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ｂ−）を取得し、スイッチ回路１８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と２回目Φ１の平均を取ることによって、Φ１とΦ２の同期性を向上させることができる。

次に、信号処理回路３０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。位相信号Φ１、Φ２とＸ方向の位置ｘとの関係は以下のように表すことができる。

バーニア信号Ｓｖの周期Ｔｖは、Φ１−２・Φ２が０から±２πに変化するＸ方向の位置変化量であるので次式のように表すことができる。

このようにして得られたバーニア信号Ｓｖとスケール位置との関係は図６（ａ）のようになる。本実施例では数式１５よりバーニア信号Ｓｖの周期Ｔｖ＝１０．１ｍｍとなり、これが検出可能範囲となる。受光素子アレイ長におけるスケール上の検出範囲はＸ方向に６００μｍの範囲なので検出可能範囲は受光素子アレイ長の検出範囲よりもはるかに長くなる。従って、バーニア信号Ｓｖを絶対位置信号として使用することによって広い範囲でスケールの移動方向の絶対位置を検出することができる。

また、逆正接演算を施す前の位相出力Φ１とスケール位置との関係は図６（ｂ）のようになる。位相出力Φ１をスケール２０の相対位置を表す相対位置信号（インクリメンタル信号）として使用する。 本実施例の効果を更に詳しく説明するため、より一般化した原理を以下に示す。まず、位相Φ１、Φ２に係数を掛けずに差分演算を行い、バーニア信号Ｓｖを生成する場合、位相Φ１、Φ２はそれぞれ数式１２、１３のように表すことができ、バーニア信号Ｓｖは次式のように表すことができる。

バーニア信号Ｓｖの周期Ｔｖは、バーニア信号Ｓｖが０から±２πに変化するＸ方向の位置の変化量であるので次式が成立する。

よって、次式でバーニア信号Ｓｖによる検出移動範囲を表わすことができる。

次に、位相Φ１、Φ２を分離して取得できる条件について説明する。スケール上での検出幅Ｗｐｄによる空間周波数分解能Δｆは１／Ｗｐｄとなるため、スケール上の２つの周期成分Ｐ１とＰ２を分離する条件は以下のように表わすことができる。

よって、次式が成立する。

数式１８、２０を比較すると、次式が成立する。

つまり、Φ１、Φ２に係数を掛けずに差分演算を行った場合のバーニア信号で検出できる移動範囲はスケール上の検出幅Ｗｐｄを超えることはできない。これに対し、位相の差分演算をする際、Φ１、Φ２に対し、別々の係数を掛けることで、バーニア信号の検出可能範囲をＷｐｄ以上に伸ばすことが可能である。これを以下に説明する。

この場合、バーニア信号Ｓｖは以下のように表すことができる。

Φ１、Φ２は周期関数の位相成分であるため、２π→０となる出力の折り返しが発生する。バーニア信号ＳｖをＳｖ’＝Ｓｖ±２πｌ（ｌは整数）なる関係で表わされるＳｖ´（０≦Ｓｖ´＜２π）によって出力範囲を変換した場合、これらの折り返し点での連続性を保つためには、ｎ、ｍをいずれも整数に設定する必要がある。

ｎ・Φ１、ｍ・Φ２の折り返しはそれぞれ２π・ｎ、２π・ｍとなるので、ｎ、ｍが整数であれば、それらを差分した結果の折り返し点の前後の差は２πの整数倍となり、連続性が保たれる。

但し、Ｓｖの係数は整数ｍ、ｎに限定されるものではない。即ち、数式２２は、Ａ／Ｂ＝ｎ／ｍを満たす係数Ａ、Ｂを使用して次式として表されれば足りる。

バーニア信号Ｓｖを、Ｓｖ’＝Ｓｖ±ｃ・ｌ（ｌは整数）なる関係で表わされるＳｖ´（０≦Ｓｖ´＜ｃ）によって出力範囲を変換した場合に、２π・ｎ／ｃ、２π・ｍ／ｃがいずれも整数になるようにｃ、ｎ、ｍを設定すればよい。

バーニア信号Ｓｖの周期Ｔｖは、ｎ、ｍが整数の場合には以下のように表すことができる。

数式２０、２４より、検出幅Ｗｐｄよりもバーニア信号Ｓｖの周期Ｔｖが広くなる条件は次式のようになる。

よって、次式を満たせば検出幅Ｗｐｄよりも大きな検出可能範囲の周期Ｔｖを得ることができる。

以上より、ｍ、ｎ、Ｐ１、Ｐ２を適切に設定すれば（例えば、Ｐ１≒（ｎ／ｍ）・Ｐ２に設定すれば）、検出幅Ｗｐｄよりもはるかに広い検出可能範囲を得ることができる。

なお、ｎ、ｍはなるべく小さい整数とすることが望ましい。なぜなら、Φ１、Φ２に含まれる位相検出誤差は、それぞれｎ倍、ｍ倍されてバーニア信号Ｓｖに影響するためである。よって、最も望ましいのは、ｎ、ｍを１と２の組み合わせにすることである。

また、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。

以上のようにして、センサを大型化せず、広い範囲の絶対位置信号を高精度に検出することが可能である。

図１に示すエンコーダの基本構成は本実施例でも同じである。図７は、図１に示すトラック２１に適用可能な実施例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、３種類の領域（領域２３、領域２５、領域２８）が順番に周期的に配列されている。図７の全幅を含む範囲（受光素子アレイ１６Ｂの受光面で走査され得る領域）が１トラックである。

領域２３は図３に示すもので、Ｘ方向のピッチＰ１（＝９９．５０２４９μｍ）ごとに図３のパターンが配置されたパターン列からなる。領域２３のＹ方向の幅はＷ１＝５０μｍである。領域２３のＹ方向の位置によって反射部２４のＸ方向の幅が異なる点は実施例１と同様である。

領域２５は図４に示すもので、Ｘ方向のピッチＰ２（＝２００μｍ）ごとに図４のパターンが配置されたパターン列からなる。領域２５のＹ方向の幅はＷ２＝５０μｍである。領域２５のＹ方向の位置によって反射部２６、２８のＸ方向の幅が異なる点は実施例１と同様である。

図８は、領域２８のＸ方向の１周期分の拡大平面図である。領域２８は、Ｘ方向のピッチＰ３（＝７６９．２３０７７μｍ）ごとに図８のパターンが配置されたパターン列からなり、各パターンは反射膜から構成されて光を反射する反射部２９と非反射部２２から構成されている。領域２８のＹ方向の幅はＷ３＝５０μｍである。

領域２８のＹ方向の位置によって反射部２９のＸ方向の幅が異なる。Ｙ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２９のＸ方向の幅はＰ３・１８５／２４０である。Ｙ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２９のＸ方向の幅はＰ３・１４１／２４０である。Ｙ方向の中心からの距離がＷ３／４からＷａ・３／８までの範囲では、反射部２９のＸ方向の幅はＰ３・１０５／２４０である。Ｙ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２９のＸ方向の幅はＰ３・６１／２４０である。

図９は、図１の受光素子アレイ１６に適用可能な実施例２の受光素子アレイ１６Ｂの受光面の平面図である。受光素子アレイ１６Ｂは、クロックタイミングに同期して、各受光素子１７Ｂ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１６Ｂ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６００μｍ、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３００μｍ、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２３、領域２５、および領域２８がＹ方向にそれぞれ２ライン分ずつ含まれる。

受光素子アレイ１６Ｂ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２３（Ｐ１＝９９．５０２４９μｍ周期）に対応する信号の位相をΦ１、領域２５（Ｐ２＝２００μｍ周期）に対応する信号の位相をΦ２、領域２８（Ｐ３＝７６９．２３０７７μｍ周期）に対応する信号の位相をΦ３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、位相信号Φａ、Φｂを次式の演算によって取得する。ここでも数式２２においてＳｖをΦａとおいてｍ、ｎを２、１としている。

このとき、Φａ＜０のときはΦａ＝Φａ＋２π、Φａ＞２πのときはΦａ＝Φａ−２πの演算を繰り返し行って０〜２πの出力範囲に変換する。Φｂについても同様である。

数式２４より、ΦａとΦｂのＸ方向の周期Ｔａ、Ｔｂはそれぞれ、Ｔａ＝２００００［μｍ］、Ｔｂ＝５０００［μｍ］となる。Φａとスケール位置との関係は図１０（ａ）のようになる。Φｂとスケール位置との関係は図１０（ｂ）のようになる。

数式２８の係数は検出ストロークであるＴｂ＝５０００［μｍ］を得るために設定されている。係数は任意に設定可能であるが、長い検出ストロークを得るには、数式２４においてＴｂ＝｜Ｐ２・Ｐ３／（ｍ×Ｐ２−ｎ×Ｐ３）｜の分母（ｍ×Ｐ２−ｎ×Ｐ３）を小さくする必要がある。Ｐ２＝２００μｍ、Ｐ３＝７６９．２３０７７μｍからｍ＝４、ｎ＝１とすることで上記ストロークを検出することができる。

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、上述の信号Ｓｖに対応する上位信号Ｃは位相信号Φａとして取得し、検出可能な総ストロークはＴａ＝２００００［μｍ］となる。

次に、信号処理回路３０は、上位信号ＣとΦｂとの同期をとり、上位信号ＣからΦｂ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である。

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の位置精度を持つ位置信号（次式の下位信号Ｆ）を取得する。

更に、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。

以上、高精度なインクリメントパターン信号を使用して、長ストロークの絶対位置の情報を取得することができる。また、ΦａとΦｂには、数式２７、２８に示すように、ともにΦ２の成分が同符号で含まれている。これにより、ΦａとΦｂとの相対的な位相誤差を低減し、合成処理のエラーを回避することができる。

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。もちろん絶対位置信号ＡＢＳを実施例１においても生成してもよい。

以上、本実施例によれば、実施例１よりも高精度に絶対位置信号を取得することができる。

実施例３におけるエンコーダの構成およびスケール２０のパターンは実施例１と同様である。図１１は、図１に示す受光素子アレイ１６に適用可能な実施例３の受光素子アレイ１６Ｃの受光面を示す平面図である。

受光素子アレイ１６ＣはＹ方向に２列に分かれており、各列のピッチ、アレイ数が異なっている。

図１１の下側にある１列目は、第１の検出素子である受光素子１７Ｃ１がＸ方向に５０μｍピッチで２４個並んでおり、各受光素子１７Ｃ１はＸ方向の幅Ｘ＿ｐｄ１が５０μｍ、Ｙ方向の幅Ｙ＿ｐｄ１が８００μｍ、全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌが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２３と２０２μｍのピッチを有する領域２５がＹ方向にそれぞれ４ライン分ずつ含まれる。電気的に接続されている受光素子１７Ｃ１の中心間隔は２００μｍであり、領域２３（Ｐ１＝１００μｍ）を検出することができる。

図１１の上側にある２列目は、第２の検出素子である受光素子１７Ｃ２がＸ方向に１００μｍピッチで１２個並んでおり、各受光素子１７Ｃ２はＸ方向の幅Ｘ＿ｐｄ２が１００μｍ、Ｙ方向の幅Ｙ＿ｐｄ２が８００μｍ、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２３と２０２μｍのピッチを有する領域２５がＹ方向にそれぞれ４ライン分ずつ含まれる。電気的に接続されている受光素子１７Ｃ２の中心間隔は４００μｍであり、領域２５（Ｐ２＝２０２μｍ）を検出することができる。

それぞれの列の受光素子からの出力は、別々の４つの初段増幅器（不図示）に接続されている。信号処理回路３０は、１列目の受光素子１７Ｃ１より得られた４相正弦波状信号Ｓ（Ａ１＋）、Ｓ（Ｂ１＋）、Ｓ（Ａ１−）、Ｓ（Ｂ１−）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（Ａ１）、Ｓ（Ｂ１）を生成する。

同様に、信号処理回路３０は、２列目の受光素子１７Ｃ２より得られた４相正弦波状信号Ｓ（Ａ２＋）、Ｓ（Ｂ２＋）、Ｓ（Ａ２−）、Ｓ（Ｂ２−）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（Ａ２）、Ｓ（Ｂ２）を生成する。

更に、信号処理回路３０は、以下の演算によりＰ１に対応する位相信号Φ１および、Ｐ２に対応する位相信号Φ２を生成する。

以降の処理は実施例１と同様である。

ここで、それぞれの受光素子アレイ１６Ｃが異なる周期パターンからの像を同時に受光する利点について説明する。それぞれの受光素子アレイで別々の周期パターンを走査させる場合の各受光素子の読み取り領域と位置ずれ可能なＹ方向の範囲を図１２に示す。

受光素子の読み取り領域が対応するパターンからはみ出ないようにするためには、読み取り領域の間隔Ｄによって、可能な位置ずれ量が±Ｄ／２に制限されるため、Ｙ方向の相対位置を精密に位置決めする必要がある。

一方、本実施例は、異なる周期パターンからの像をまとめて受光し、必要な信号のみを分離して検出しており、上記制限を受けず、Ｙ方向の位置によらず安定的に高精度な信号を取得することが可能である。

以上のように、本実施例は、別々の受光素子で異なる周期を取得するようにしたので、切り替え処理が不要となる。よって、実施例１に対し周期信号間の時間的同期性を重視するシステムの場合には有効である。

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…受光素子アレイ（検出素子アレイ）、２０…スケール、２３…第１の領域、２５…第２の領域、３０…信号処理回路（信号処理手段）、３２…第１の位相取得手段、３３…第２の位相取得手段、３４…位置情報取得手段

Claims (8)

1. エネルギー分布を空間変調するパターンを有するパターン列が形成されているスケールと、
   前記スケールに相対的に移動するように配置され、前記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が移動方向に並べられた検出素子アレイと、
   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、
   前記パターン列は、移動方向に第１の変調周期と、前記第１の変調周期とは異なる第２の変調周期を有し、
   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前記第１の変調周期の第１の位相を取得する第１の位相取得手段と、
   前記検出素子アレイの出力信号から前記第２の変調周期の第２の位相を取得する第２の位相取得手段と、
   前記第１の位相取得手段が取得した前記第１の位相をΦ１、前記第２の位相取得手段が取得した前記第２の位相をΦ２、前記第１の変調周期をＰ１、前記第２の変調周期をＰ２、としたとき、
   ｜(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と、前記第１の位相Φ１と、前記第２の位相Φ２と、を用いて、
   Ｓｖ＝Ａ・Φ１−Ｂ・Φ２
   を満たすＳｖ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、
   前記複数の検出素子の少なくとも一部の検出素子は、前記第１の位相取得手段が前記第１の位相を取得する際に使用されると共に、前記第２の位相取得手段が前記第２の位相を取得する際にも使用されることを特徴とするエンコーダ。
2. 前記パターン列は、前記移動方向に垂直な方向に周期的に配列された、前記移動方向に前記第１の変調周期を有する第１の領域と、前記移動方向に前記第２の変調周期を有する第２の領域と、を有することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記信号処理手段は、前記検出素子アレイの出力信号を前記パターン列の各領域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または２に記載のエンコーダ。
4. 前記信号分離手段は、前記複数の検出素子の電気的に加算される間隔を第１の位相を検出可能な間隔と第２の位相を検出可能な間隔との間で切り替えることを特徴とする請求項３に記載のエンコーダ。
5. 前記信号分離手段は前記検出素子アレイの出力信号に高速フーリエ変換を施すことを特徴とする請求項３に記載のエンコーダ。
6. 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新しい位置信号を生成し、当該新しい位置信号に基づいて前記スケールの位置の情報を取得することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のエンコーダ。
7. 前記複数の検出素子は、
   前記第１の位相取得手段に出力を与える複数の第１の検出素子と、
   前記第２の位相取得手段に出力を与える複数の第２の検出素子と、
   を有し、
   前記第１の位相取得手段と前記第２の位相取得手段は前記複数の検出素子から同時に出力を取得することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のエンコーダ。
8. エネルギー分布を空間変調するパターンを有するパターン列が形成されているスケールと、
   前記スケールに相対的に移動するように配置され、前記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が移動方向に並べられた検出素子アレイと、
   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、
   前記パターン列は、移動方向に第１の変調周期と、前記第１の変調周期とは異なる第２の変調周期を有し、
   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前記第１の変調周期の第１の位相を取得する第１の位相取得手段と、
   前記検出素子アレイの出力信号から前記第２の変調周期の第２の位相を取得する第２の位相取得手段と、
   前記第１の位相取得手段が取得した前記第１の位相をΦ１、前記第２の位相取得手段が取得した前記第２の位相をΦ２、前記第１の変調周期をＰ１、前記第２の変調周期をＰ２、としたとき、
   ｜(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と、前記第１の位相Φ１と、前記第２の位相Φ２と、を用いて、
   Ｓｖ＝Ａ・Φ１−Ｂ・Φ２
   を満たすＳｖ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、
   前記検出素子アレイの出力信号を前記パターン列の各領域に対応する信号に分離する信号分離手段と、を有し、
   前記信号分離手段は、前記複数の検出素子の電気的に加算される間隔を第１の位相を検出可能な間隔と第２の位相を検出可能な間隔との間で切り替えることを特徴とするエンコーダ。