JP6000759B2 - スケール、エンコーダ、レンズ装置、および、撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、エンコーダ、および、エンコーダに用いられるスケールに関する。

特許文献１には、測定方向（移動方向）と直交するラテラル方向のずれを検出するためのずれ量検出センサを設けて、スケールと検出器のずれを表示できるようにしたエンコーダが開示されている。このような構成により、検出器とスケールを所定の位置関係に合わせて固定することが可能となり、良好な信号特性が得られる。

特開２０１１−２３７２３１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたエンコーダでは、ずれ量検出センサ、および、ずれ量検出センサから得られた出力信号をマイコン（信号処理回路）に接続するための周辺回路などが必要となる。このため、エンコーダの大型化およびコストアップの要因となる。また、測定方向（移動方向）と垂直な方向（ラテラル方向）の検出を行うスケール領域と、測定方向の検出を行うスケール領域とが互いに離れて配置されている。このため、ヨーイングなどの姿勢変動により、両者にずれが生じて位置検出精度が劣化する。

そこで本発明は、小型かつ低コストで、移動方向と垂直な方向におけるスケールと検出手段との間の相対位置を高精度に検出可能なスケールおよびエンコーダを提供する。また、このようなエンコーダを用いたレンズ装置および撮像システムを提供する。

本発明の一側面としてのスケールは、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スケールであって、移動方向に第１の変調周期を有する第１のパターンと、前記移動方向に前記第１の変調周期と異なる第２の変調周期を有する第２のパターンと、を有し、前記第１のパターンは、前記移動方向に垂直な方向に配置された複数の第１のパターン列を含み、前記第２のパターンは、前記移動方向に垂直な方向に配置された複数の第２のパターン列を含み、前記複数の第１のパターン列と前記複数の第２のパターン列とは、前記移動方向に垂直な方向に交互に配置され、前記複数の第１のパターン列のうち一つと前記複数の第２のパターン列のうち一つの間の前記移動方向における相対的な位置と、前記複数の第１のパターン列のうち他の一つと前記複数の第２のパターン列のうち他の一つの間の前記移動方向における相対的な位置とは、互いに異なる。

本発明の他の側面としてのエンコーダは、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配列された検出手段と、前記検出手段の出力信号を処理して位置情報を取得する信号処理手段とを有し、前記スケールは、前記移動方向に第１の変調周期を有する第１のパターン、および、前記移動方向に前記第１の変調周期と異なる第２の変調周期を有する第２のパターンを有し、前記第１のパターンと前記第２のパターンとの相対的な位相は、前記移動方向と垂直な方向に応じて変化しており、前記信号処理手段は、前記第１のパターンから第１の位相を取得する第１の位相取得手段、および、前記第２のパターンから第２の位相を取得する第２の位相取得手段を有し、該第１の位相および該第２の位相に基づいて前記位置情報を取得する。

本発明の他の側面としてのレンズ装置は、光軸方向に変位可能なレンズと、前記レンズの変位を検出するように構成された前記エンコーダとを有する。

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光学像の光電変換を行う撮像素子を有する撮像装置とを有する。

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、小型かつ低コストで、移動方向と垂直な方向におけるスケールと検出器との間の相対位置を高精度に検出可能なスケールおよびエンコーダを提供することができる。また、このようなエンコーダを用いたレンズ装置および撮像システムを提供することができる。

実施例１、２、４におけるエンコーダの概略構成図である。 実施例１におけるトラックの部分平面図である。 実施例１〜４におけるパターンの拡大平面図である。 実施例１〜４におけるパターンの拡大平面図である。 実施例１における受光素子アレイの受光面の平面図である。 実施例１における受光素子アレイの受光面の平面図である。 実施例１における別形態のトラックの部分平面図である。 実施例１における別形態のトラックの部分平面図である。 実施例２、４におけるトラックの部分平面図である。 実施例２〜４におけるパターンの拡大平面図である。 実施例２、３における受光素子アレイの受光面の平面図である。 実施例２、３における受光素子アレイの受光面の平面図である。 実施例２、３における受光素子アレイの受光面の平面図である。 実施例２における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３におけるエンコーダの概略構成図である。 実施例３におけるトラックの部分平面図である。 実施例３におけるトラックの部分平面図である。 実施例３における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４における受光素子アレイの受光面の平面図である。 実施例５における撮像システムの断面模式図である。

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におけるエンコーダの構成について説明する。本実施例のエンコーダは、可動部（被測定物）の位置（変位）を検出するために用いられる。図１は、本実施例におけるエンコーダ１００Ａの概略構成図である。エンコーダ１００Ａは、固定部（不図示）に取り付けられるセンサユニット１０Ａ（検出手段）、可動部（不図示）に取り付けられるスケール２０、信号処理回路３０（信号処理手段）、および、記憶装置４０を備えて構成される。なお、本実施例はこれに限定されるものではなく、センサユニット１０Ａとスケール２０とが相対的に移動可能に構成されていれば、逆に、センサユニット１０Ａを可動部に取り付け、スケール２０を固定部に取り付けてもよい。

センサユニット１０Ａは、ＬＥＤなどの光源１２Ａと、受光素子アレイ１６Ａを有する受光ＩＣ１４Ａとが同一パッケージ内に実装されて構成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１６Ａ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（複数の受光素子）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方向に配列された検出素子アレイとして機能する。本実施例において、エネルギー分布は光分布であるが、これに限定されるものではない。本実施例は、エネルギー分布として磁気分布または電気分布などを用いる場合にも適用可能である。従って、エネルギー分布の変調は、例えば光分布（光量分布、時間或いは空間的な光量分布）を反射率分布を持つスケール等に照射することにより変調することを意味している。磁気分布や電気分布においても同様である。このようにセンサユニット１０Ａは、スケール２０に対して相対移動可能に構成され、エネルギー分布を検出する複数の検出素子が移動方向（Ｘ方向）に配列されている。

スケール２０は、トラック２１Ａを有する。トラック２１Ａには、ガラス基板上にクロム反射膜で形成された複数のパターンを有するパターン列が形成されている。トラック２１Ａに形成された複数のパターンは、エネルギー分布（光分布、磁気分布、電気分布など）を空間変調するように構成されている。このようにスケール２０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。

トラック２１Ａには、Ｘ方向（移動方向）に垂直なＹ方向において、Ｘ方向に互いに異なるピッチ（変調周期）を有する複数の領域が設けられている。例えば複数の領域として２種類の領域が設けられている場合、トラック２１Ａには、Ｘ方向に第１のピッチ（第１の変調周期）の第１のパターンを有する第１の領域とＸ方向に第２のピッチ（第２の変調周期）の第２のパターンを有する第２の領域とが設けられる。第１の変調周期と第２の変調周期は互いに異なっている。また、後述のように、第１のパターンと第２のパターンとの相対的な位相は、移動方向と垂直な方向（Ｙ方向）に応じて変化している。

なお本実施例において、受光素子アレイ１６Ａはスケール２０のパターンの反射光を受光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。本実施例は、スケール２０のパターンの透過光を受光するように構成されている場合にも適用可能である。すなわち、受光素子アレイ１６Ａがスケール２０のパターンからの光を受光可能に構成されていれば、その光はパターンからの反射光または透過光のいずれでもよい。

信号処理回路３０は、センサユニット１０Ａの受光素子アレイ１６Ａの出力信号を処理して位置情報に変換する。すなわち信号処理回路３０は、センサユニット１０Ａの出力信号を処理して位置情報を取得する。また信号処理回路３０は、センサユニット１０Ａ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、読み出しを行う。信号処理回路３０は、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、および、Ｙ方向位置情報取得手段３５を有する。また信号処理回路３０は、ノイズフィルタ、増幅回路、および、Ａ／Ｄ変換回路（不図示）を有する。

信号分離手段３１は、受光素子アレイ１６Ａからの出力信号をトラック２１Ａの各領域（第１の領域、第２の領域）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、本実施例のように、受光ＩＣ１４Ａが空間分解能切り替え機能およびその機能を実現するためのスイッチ回路を有する場合、スイッチ回路に対して空間分解能（接続）を切り替えるための信号を送信する。一方、受光ＩＣ１４Ａが空間分解能切り替え機能およびその機能を実現するためのスイッチ回路を有しない場合、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことによって、受光素子アレイ１６Ａからの出力信号を分離することができる。このように信号分離手段３１は、第１のパターン（第１の領域）に対応する第１の信号および第２のパターン（第２の領域）に対応する第２の信号を分離する。また信号分離手段３１は、受光素子アレイ１６Ａに、パターンピッチごと（領域ごとに）に別々の受光面を有する受光素子を設けることにより実現してもよい。

第１の位相取得手段３２は、受光素子アレイ１６Ａの出力信号（第１の領域における第１のパターンからの出力信号）に対して逆正接演算を行うことにより、第１の領域におけるエネルギー分布の位相信号Φ１（第１の位相）を取得する。第１の位相取得手段３２は、後述の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、受光素子アレイ１６Ａの出力信号（第２の領域における第２のパターンからの出力信号）に対して逆正接演算を行うことにより、第２の領域におけるエネルギー分布の位相信号Φ２（第２の位相）を取得する。なお、トラック２１Ａに第１のピッチおよび第２のピッチと異なる第３のピッチ（第３の変調周期）を有する領域（第３の領域）が設けられている場合、それに応じて信号処理回路３０には第３の位相取得手段３６が設けられる。

位置情報取得手段３４は、第１の位相および第２の位相（および第３の位相）に基づいてスケール２０の位置情報を取得する。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とを備えてもよい。

スケール２０の位置情報を検出する際、センサユニット１０Ａに設けられた光源１２Ａから出射した発散光束は、スケール２０のトラック２１Ａに照射される。そして、トラック２１Ａで反射した光束は、センサユニット１０Ａの受光素子アレイ１６Ａによって受光される。受光素子アレイ１６Ａは、トラック２１Ａ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１６Ａで受光された光束は、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１６Ａからの出力信号を位置情報に変換し、スケール２０の位置情報を高精度に取得して出力する。

次に、図２を参照して、本実施例におけるトラック２１Ａの構成について説明する。図２は、トラック２１Ａの部分平面図である。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２４）が交互に（順番に）配列されている。領域２４（第２の領域）において、Ｙ方向のＮ番目の領域２４−Ｎの周期に対し、Ｎ＋１番目の領域２４−（Ｎ＋１）の周期は、−１０μｍだけＸ方向にシフトした配置になっている。このように、領域２４は領域２４−１、２４−２、２４−３、２４−４、２４−５、…を備えて構成される。領域２３は上述の第１の領域に相当し、領域２４は上述の第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２５である。また黒色部は、後述のように、光を反射する反射部２６、２７、２８である。

続いて、図３を参照して、領域２３（第１の領域）の構成について説明する。図３は、領域２３のＸ方向の１周期分を示す拡大平面図である。領域２３は、Ｘ方向のピッチＰ１（第１の変調周期（本実施例では１２８μｍ））ごとに図３に示されるパターンを有するパターン列からなる。各パターンは、反射膜からなり光を反射する反射部２６と非反射部２５と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。本実施例において、領域２３のＹ方向の幅Ｗ１は７５μｍである。

反射部２６のＸ方向の幅は、領域２３のＹ方向の位置に応じて異なる。Ｙ方向の中心からの距離がＷ１／８以下の範囲においては、反射部２６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２６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Ｗ１×３／８までの範囲では、反射部２６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２６のＸ方向の幅はＰ１×７／３０である。

続いて、図４を参照して、領域２４（第２の領域）の構成について説明する。図４は、領域２４のＸ方向の１周期分を示す拡大平面図である。領域２４は、Ｘ方向のピッチＰ２（第２の変調周期（本実施例では２５６μｍ））ごとに図４に示されるパターンを有するパターン列からなる。各パターンは、反射膜からなり光を反射する反射部２７、２８と非反射部２５と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。本実施例において、領域２４のＹ方向の幅Ｗ２は７５μｍである。

反射部２７、２８のＸ方向の幅は、領域２４のＹ方向の位置に応じて異なる。Ｙ方向の中心からの距離がＷ２／６以下の範囲においては、反射部２７のＸ方向の幅はＰ２×７０／９６である。また、この領域には、周期両端からそれぞれＰ２×３／９６の幅で反射部２８が形成されている。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２７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２７のＸ方向の幅はＰ２×２２／９６である。

このように、第１のパターン（第１の領域）および第２のパターン（第２の領域）は、それぞれ、光を反射する反射部および光を反射しない非反射部を備えて構成されている。そして、移動方向（Ｘ方向）における反射部の幅は、移動方向に垂直な方向（Ｙ方向）において異なっている。

続いて、図５および図６を参照して、本実施例における受光素子アレイ１６Ａの構成について説明する。図５および図６は、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は、６４個の受光素子１７ＡがＸ方向に３２μｍピッチで配列されている。一つの受光素子１７ＡのＸ方向の幅Ｘ＿ｐｄは３２μｍであり、Ｙ方向の幅Ｙ＿ｐｄは９００μｍである。また、受光素子アレイ１６Ａの全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは２０４８μｍである。スケール２０上のパターンは、２倍の拡大投影となるため、スケール２０上の検出範囲は、Ｙ方向に４５０μｍ、Ｘ方向に１０２４μｍの範囲となる。領域２４、２５のＹ方向の幅Ｗ１、Ｗ２はいずれも７５μｍであるため、スケール２０上の検出範囲には、位置検出方向に１２８μｍのピッチを有する領域２３と、２５６μｍのピッチを有する領域２４がＹ方向にそれぞれ３ライン分ずつ含まれる。

各受光素子１７Ａからの出力信号はスイッチ回路１８に入力される。スイッチ回路１８は、後段の４つの初段増幅器（不図示）に接続されている。スイッチ回路１８は、全ての受光素子１７Ａの出力信号から所定の出力信号のみを選択的に出力するように切り替える。スイッチ回路１８により選択された信号は、４つの初段増幅器に出力される。４つの初段増幅器には、出力端子Ａ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−（それぞれ、Ａ＋相、Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相を示す）に対応する受光素子１７Ａがそれぞれ接続される。このような構成により、４つの初段増幅器には、４相正弦波出力Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）が出力される。

また、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可能に構成されている。このため、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えられる。信号処理回路３０からの入力がハイレベルの場合、図５に示されるように、スケールパターンが１２８μｍ（反射像周期２５６μｍ）の検出ピッチとなり、領域２３からの周期信号のみを分離することができる。一方、信号処理回路３０からの入力がローレベルの場合、図６に示されるように、スケールパターン２５６μｍ（反射像周期５１２μｍ）の検出ピッチとなり、領域２４からの周期信号のみを分離することができる。

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−）に対して以下の式（１）、（２）で表される演算を行うことにより、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。

Ｓ（Ａ）＝Ｓ（Ａ＋）−Ｓ（Ａ−） … （１）
Ｓ（Ｂ）＝Ｓ（Ｂ＋）−Ｓ（Ｂ−） … （２）
ここで、スイッチ回路１８への入力がローレベルの場合、Ｓ（Ａ）は、スケールピッチ１２８μｍの像に対してＳ（Ａ＋）とＳ（Ａ−）が同位相成分となる。このため、式（１）の差動演算の結果、Ｓ（Ａ＋）とＳ（Ａ−）は相殺される。Ｓ（Ｂ）についても同様である。

信号処理回路３０の第１の位相取得手段３２は、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）に基づいて、領域２３のエネルギー分布の位相信号Φ１（第１の位相）を以下の式（３）で表される演算によって取得する。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。

Φ１＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］ … （３）
同様に、信号処理回路３０の第２の位相取得手段３３は、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）に基づいて、領域２４のエネルギー分布の位相信号Φ２（第２の位相）を以下の式（４）で表される演算によって取得する。

Φ２＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］ … （４）
信号処理回路３０の位置情報取得手段３４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。位置情報取得手段３４は、相対位置信号の変化を計数することにより、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。なお、位置情報取得手段３４は、受光ＩＣ１４Ａに空間分解能の切り替え機能およびスイッチ回路が設けられる場合、１つの位置情報取得手段のみで対応可能である。

次に、位置検出方向（図中Ｘ方向）と垂直な方向（図中Ｙ方向）における、センサユニット１０Ａとスケール２０との間の相対位置ずれを検出する方法について説明する。

信号処理回路３０のＹ方向位置情報取得手段３５は、以下の式（５）で表される演算に基づいて、信号Ｓｙ（位置信号）を取得する。

Ｓｙ＝Ａ・Φ１−Ｂ・Φ２ … （５）
ここで、Ａ、Ｂは前記第１の変調周期をＰ１、前記第２の変調周期をＰ２としたときにＡ／Ｂ＝Ｐ１／Ｐ２の関係を満たす任意の係数である。

また、Φ１およびΦ２は、第４象限から第１象限の間で値が２π飛ぶので、Ｘ方向の位置によらず値の連続性を保つために、以下のような処理を行うのが好ましい。

まず、Ａ×ｋ、Ｂ×ｋが共に整数となる係数ｋをＳｙにかけ、Ｓｙを置き換える。或いは、ＡおよびＢを整数で設定すればよい。以下の実施例では、Ａ、Ｂに対応する係数を整数で設定している。さらに、信号処理回路３０により、Ｓｙ＜−πの場合にはＳｙ＝Ｓｙ＋２π、Ｓｙ＞＋πの場合にはＳｙ＝Ｓｙ−２πの演算を繰り返し行い、信号Ｓｙを−π〜＋πの出力範囲に変換する。

続いて、信号Ｓｙが、センサユニット１０Ａとスケール２０との間のＹ方向相対位置ずれに対応していることについて説明する。領域２３のエネルギー分布の位相信号Φ１（第１の位相）は、Ｙ方向の位置ｙによらず、Ｘ方向の位置ｘに対して以下の式（６）で表されるように近似することができる。

Φ１≒２π×（ｘ／Ｐ１）+Ｃ１ … （６）
ここで、Ｃ１は所定の定数である。

一方、領域２４のＹ方向における１周期の幅は１５０μｍであり、１周期あたり１０μｍだけ位置がシフトしている。このため、領域２４のエネルギー分布の位相信号Φ２（第２の位相）は、位置ｘ、位置ｙに対して以下の式（７）で表されるように近似することができる。

Φ２≒２π×（ｘ／Ｐ２）+２π×（ｙ／Ｐ２）×（１０／１５０）+Ｃ２ … （７）
ここで、Ｃ２は所定の定数である。

このとき、Ｐ１／Ｐ２＝１／２の関係が成立するため、式（５）はＳｙ＝１・Φ１−２・Φ２と表される。そして式（５）の演算結果は、以下の式（８）のように表すことができる。

Ｓｙ≒ｙ×（−４π／（１５×Ｐ２））＋（Ｃ１−２×Ｃ２） … （８）
このように信号Ｓｙは、Ｘ方向の位置によらず、Ｙ方向の位置に対して線形（または略線形）に変化する。

取得した信号Ｓｙの値をモニタすることにより、センサ（センサユニット１０Ａ）の走査ラインのずれ量および方向を容易に検出することができる。また、信号Ｓｙの値に応じてＬＥＤランプを点灯させるなどすれば、より簡易に位置合わせを行うことが可能である。例えば、スケール２０上の読み取り位置がＹ方向の幅の中央（略中央）にてＳｙ＝０となるように、スケールパターンを設計する。Ｓｙ＜０の場合には赤で点灯、Ｓｙ＞０の場合には青で点灯、Ｓｙ≒０の場合には白で点灯、のようにすることで、ずれの方向が一目瞭然となり、作業者はセンサユニット１０Ａとスケール２０との間の相対位置決めを容易に行うことができる。また、スイッチ回路１８への入力の切り替え前後で、時間差なく（小さい時間差で）信号を取得することにより、同一位置（略同一位置）での位相信号Φ１、Φ２を得ることができる。

本実施例では、図５および図６に示されるように、受光素子アレイ１６Ａに含まれる複数の受光素子１７Ａの少なくとも一部は、位相信号Φ１を取得する受光素子、および、位相信号Φ２を取得する受光素子として、共用される。このため、従来のように両方の位相信号を取得する受光素子を別々に設ける場合と比較して、受光素子アレイが小型になる。

スケール２０が高速移動中である場合、同期性は低下する。この場合には、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ることが好ましい。まず、検出ピッチ１２８μｍでＳ（Ａ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ｂ−）を取得し、スイッチ回路１８への入力をハイレベルからローレベルへ切り替える。続いて、検出ピッチ２５６μｍでＳ（Ａ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ｂ−）を取得し、スイッチ回路１８への入力をローレベルからハイレベルへ切り替え、再度検出ピッチ１２８μｍ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、略一定とする。これらに基づいて演算した１回目の位相信号Φ１と２回目の位相信号Φ１の平均を取ることによって、位相信号Φ１と位相信号Φ２の同期性を向上させることができる。

なお、本実施例のトラック２１Ａは、スケール移動方向（Ｘ方向）に互いに異なるピッチ（変調周期）を有する２つの領域が、スケール移動方向に垂直な方向（Ｙ方向）に周期的に配列されているが、本実施例はこれに限定されるものではない。例えば、トラック２１Ａに代えて、図７に示されるようなトラック２１Ｄを用いることもできる。図７は、本実施例における別形態のトラック２１Ｄの部分平面図である。

図７に示されるように、トラック２１Ｄには、第１の変調周期（１２８μｍ）の第１のパターンを有する領域２３Ｄ（第１の領域）が形成されている。またトラック２１Ｄには、第２の変調周期（２５６μｍ）の第２のパターンを有する領域２４Ｄ−１、領域２４Ｄ−２（複数の第２の領域）が形成されている。そして、領域２３Ｄ（第１の領域）は、移動方向に垂直な方向（Ｙ方向）において、領域２４Ｄ−１、領域２４Ｄ−２（複数の第２の領域）のそれぞれに隣接して挟まれている。領域２４Ｄ−１は、領域２４Ｄ−２に対して、−４３μｍだけＸ方向にシフトしている。図７において、白色部は光を透過または吸収する非反射部２５である。

領域２３Ｄ、領域２４Ｄ−１、領域２４Ｄ−２のＹ方向の幅は、それぞれ２２５μｍである。このため、領域２３ＤのＹ方向の中心と、受光素子アレイ１６Ａによるスケール２０上の検出範囲が一致している場合、領域２３Ｄが検出範囲であるＹ幅の１／２、領域２４Ｄ−１と領域２４Ｄ−２がそれぞれ検出範囲であるＹ幅の１／４ずつ含まれる。領域２３ＤのＹ方向の中心と、受光素子アレイ１６Ａによるスケール２０上の検出範囲がずれた場合、領域２４Ｄ−１と領域２４Ｄ−２の比率が変動する。このため、式（５）と同様の演算により、Ｙ方向の位置を検出することが可能である。更に、領域２４Ｄ−１および領域２４Ｄ−２のＸ方向のずれ量は、第２の変調周期の１／６（略１／６）である。このため、Ｙ方向の検出範囲がスケール２０の中央にある場合、式（１）、（２）を用いて検出された波形（検出波形）から、第３高調波歪の成分が除去される。

また本実施例は、リニア型エンコーダに限定されるものではなく、ロータリー型エンコーダにも適用可能である。ロータリー型エンコーダを採用した場合、例えば図８に示されるように、スケールパターンを放射状に配置し、移動方向の周期を角度に置き換える。図８は、本実施例における別形態のトラック２１Ｅの部分平面図である。図８において、第１の変調周期Ｐθ１（０．１８°）を有する領域２３Ｅ（第１の領域）は、第２の変調周期Ｐθ２（０．３６°）を有する領域２４Ｅ−１および領域２４Ｅ−２（ともに第２の領域）で隣接して挟むように配置される。

また本実施例では、エンコーダ１００Ａとして光学式エンコーダが用いられているが、これに限定されるものではない。例えば、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の効果を得ることができる。エネルギー分布として磁気分布を利用す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。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配して検出する。また、エネルギー分布として電気分布を利用する静電容量式エンコーダの場合、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。

本実施例によれば、小型かつ低コストで、スケールと検出器の相対位置を、走査方向（移動方向）だけでなく走査方向と垂直な方向に対しても高精度に検出可能なエンコーダおよびスケールを提供することができる。

次に、本発明の実施例２におけるエンコーダについて説明する。本実施例のエンコーダには、実施例１のトラック２１Ａに代えて、トラック２１Ｂが用いられる。また、実施例１の受光ＩＣ１４Ａに代えて、図１１、図１２、図１３に示される受光素子アレイ１６Ｅを備えた受光ＩＣ１４Ｅが用いられる。他の構成は実施例１と同様であるため、これらの説明は省略する。

図９を参照して、本実施例のトラック２１Ｂの構成について説明する。図９は、トラック２１Ｂの部分平面図である。トラック２１Ｂには、スケール２０の移動方向（Ｘ方向）に垂直な方向（Ｙ方向）において、３種類の領域（領域２３、領域２４、領域２９）が順番に周期的に配列されている。また領域２９において、Ｙ方向におけるＮ番目の領域２９−Ｎの周期に対するＮ＋１番目の領域２９−（Ｎ＋１）の周期は、−１０μｍだけＸ方向にシフトした配置になっている。

領域２３（第１の領域）は、図３に示されるように構成されており、Ｘ方向のピッチＰ１（第１の変調周期（本実施例では１２８μｍ））ごとに図３のパターンが配置されたパターン列を有する。本実施例において、領域２３のＹ方向の幅Ｗ１は５０μｍである。反射部２６のＸ方向の幅が領域２３のＹ方向の位置に応じて異なる点は、実施例１と同様である。

領域２４（第３の領域）は、図４に示されるように構成されており、Ｘ方向のピッチＰ２（第３の変調周期（本実施例では２５７．５６０９７６μｍ）ごとに図４のパターンが配置されたパターン列を有する。本実施例において、領域２４のＹ方向の幅Ｗ２は５０μｍである。反射部２７、２８のＸ方向の幅が領域２４のＹ方向の位置に応じて異なる点は、実施例１と同様である。

続いて、図１０を参照して、領域２９（第２の領域）の構成について説明する。図１０は、領域２９のＸ方向の１周期分を示す拡大平面図である。領域２９は、Ｘ方向のピッチＰ３（第２の変調周期（本実施例では５１２μｍ）ごとに図１０のパターンが配置されたパターン列を有する。領域２９における各パターンは、反射膜からなり光を反射する反射部３９と、非反射部２５とから構成されている。本実施例において、領域２９のＹ方向の幅Ｗ３は５０μｍである。

反射部３９のＸ方向の幅は、領域２９のＹ方向の位置に応じて異なる。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３９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３９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Ｗ３×３／８までの範囲では、反射部３９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３９のＸ方向の幅はＰ３×６１／２４０である。

このようにトラック２１Ｂには、移動方向（Ｘ方向）に第１の変調周期および第２の変調周期と異なる第３の変調周期を有する第３のパターンが形成されている。第３のパターンと第２のパターンとの相対的な位相は、移動方向と垂直な方向（Ｙ方向）に応じて変化している。

続いて図１１乃至図１３を参照して、本実施例における受光素子アレイ１６Ｅの構成について説明する。図５および図６は、受光ＩＣ１４Ｅにおける受光素子アレイ１６Ｅの受光面の平面図である。受光素子アレイ１６Ｅは、６４個の受光素子１７ＥがＸ方向に３２μｍピッチで配列されている。一つの受光素子１７ＥのＸ方向の幅Ｘ＿ｐｄは３２μｍであり、Ｙ方向の幅Ｙ＿ｐｄは９００μｍである。また、受光素子アレイ１６Ｅの全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは２０４８μｍである。

スケール２０上のパターンは２倍の拡大投影となるため、スケール２０上の検出範囲は、Ｙ方向において４５０μｍ、Ｘ方向において１０２４μｍの範囲となる。このため、スケール２０上の検出範囲には、位置検出方向に１２８μｍのピッチを有する領域２３、２５７．５６０９７６μｍのピッチを有する領域２４、および、５１２μｍのピッチを有する領域２９が、Ｙ方向にそれぞれ３ライン分ずつ含まれる。

各受光素子１７Ｅからの出力信号はスイッチ回路１８に入力される。スイッチ回路１８は、後段の４つの初段増幅器（不図示）に接続されている。スイッチ回路１８は、全ての受光素子１７Ｅの出力信号から所定の出力信号のみを選択的に出力するように切り替える。スイッチ回路１８により選択された信号は、４つの初段増幅器に出力される。４つの初段増幅器には、出力端子Ａ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−（それぞれ、Ａ＋相、Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相を示す）に対応する受光素子１７Ｅがそれぞれ接続される。このような構成により、４つの初段増幅器には、４相正弦波出力Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）が出力される。

また、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１７Ｅと出力端子との接続を切り替え可能に構成されている。このため、複数の受光素子１７Ｅにおいて電気的に加算される間隔が切り替えられる。信号処理回路３０からの入力がハイレベルの場合、図１１に示されるように、スケールパターンが１２８μｍ（反射像周期２５６μｍ）の検出ピッチとなり、領域２３からの周期信号のみを分離することができる。一方、信号処理回路３０からの入力がローレベルの場合、図１２に示されるように、スケールパターン２５６μｍ（反射像周期５１２μｍ）の検出ピッチとなり、領域２４からの周期信号のみを分離することができる。また、信号処理回路３０からの入力がミドルレベルの場合、図１３に示されるように、スケールパターン５１２μｍ（反射像周期１０２４μｍ）の検出ピッチとなり、領域２９からの周期信号のみを分離することができる。

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−）に対して上記の式（１）、（２）で表される演算を行うことにより、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。

信号処理回路３０からの入力がハイレベルの場合、図１１に示されるように、個々の周期に対応する各相の受光素子アレイ面積は、受光面の中央部が２個ずつになっているのに対し、周辺部は１個ずつとなっている。このように本実施例では、センサユニット１０Ｅに、第１のパターン（第１の変調周期）を検出する複数の検出素子の出力信号に対して、複数の検出素子の位置に応じた重み付けを行う重み付け手段が設けられている。重み付け手段は、第１の位相取得手段３２の空間周波数応答のピッチＰ３（第２の変調周期）に対応する空間周波数を含む所定の範囲において、重み付け行って得られる値が重み付けを行わずに得られる値以下となるように設定する。

信号処理回路３０からの入力がローレベルの場合、図１２に示されるように、個々の周期に対応する各相の受光素子アレイ面積は、受光面の中央部が４個ずつになっているのに対し、周辺部は２個ずつとなっている。また、中央部の４個は連続する受光素子ではなく、両端の２個を隣の検出相と入れ替えている。これにより、連続する４個を積算する場合と比較し、実効的な積算幅が増加して領域２３からの周期成分の影響を低減させることができる。

信号処理回路３０からの入力がミドルレベルの場合、図１３に示されるように、個々の周期に対応する各相の受光素子アレイ面積は、受光面の中央部が８個ずつになっているのに対し、周辺部は２個ずつとなっている。Ｓ（Ａ）に関し、Ｐ１＝１２８μｍおよびＰ２＝２５７．５６０９７６μｍの像に対してＳ（Ａ＋）とＳ（Ａ−）が同位相成分（略同位相成分）となる。このため、上記差動演算の結果、領域２３および領域２４の周期成分がキャンセルされ減衰される。Ｓ（Ｂ）についても同様である。

次に、位置検出を行う処理の流れについて説明する。信号処理回路３０の第１の位相取得手段３２は、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）に基づいて、領域２３のエネルギー分布の位相（位相信号Φ１）を以下の式（９）で表される演算によって取得する。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。

Φ１＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］ … （９）
同様に、信号処理回路３０の第３の位相取得手段３６は、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）に基づいて、領域２４のエネルギー分布の位相（位相信号Φ２）を以下の式（１０）で表される演算によって取得する。

Φ２＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］ … （１０）
更に、信号処理回路３０の第２の位相取得手段３３は、スイッチ回路１８への入力がミドルレベルの時のＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）に基づいて、領域２９のエネルギー分布の位相（位相信号Φ３）を以下の式（１１）で表される演算によって取得する。

Φ３＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］ … （１１）
また、スイッチ回路１８への入力の切り替え前後で、時間差なく（小さい時間差で）信号を取得することにより、同一位置（略同一位置）での位相信号Φ１、Φ２、Φ３を得ることができる。

次に、位置検出方向（図中Ｘ方向）と垂直な方向（図中Ｙ方向）において、センサユニット１０Ｅとスケール２０との間の相対位置ずれを検出する方法について説明する。

まず、信号処理回路３０のＹ方向位置情報取得手段３５は、信号Ｓｙ（位置信号）を、以下の式（１２）で表される演算によって取得する。

Ｓｙ＝Φ１−４・Φ３ … （１２）
信号処理回路３０は、Ｓｙ＜−πの場合にはＳｙ＝Ｓｙ＋２π、Ｓｙ＞＋πの場合にはＳｙ＝Ｓｙ−２πの演算を繰り返し行い、−π〜＋πの出力範囲に変換する。このようにして取得した信号Ｓｙの値をモニタすることで、センサ（センサユニット１０Ｅ）の走査ラインのずれ量および方向を容易に検出することができる。

また、本実施例の位置情報取得手段３４は、第１の位相取得手段３２と第３の位相取得手段３６との出力信号に基づいて後述のバーニア信号を生成することにより、スケール２０の絶対位置情報を取得する。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、以下の式（１３）で表される演算によって取得する。

Ｓｖ＝Φ１−２・Φ２ … （１３）
信号処理回路３０は、Ｓｖ＜０の場合にはＳｖ＝Ｓｖ＋２π、Ｓｖ＞２πの場合にはＳｖ＝Ｓｖ−２πの演算を繰り返し行い、０〜２πの出力範囲に変換する。ピッチＰ１、Ｐ２の位相信号Φ１、Φ２とＸ方向の位置ｘとの関係は、それぞれ、以下の式（１４）、（１５）のように表すことができる。

Φ１≒２π×（ｘ／Ｐ１）＋Ｃ１ … （１４）
Φ２≒２π×（ｘ／Ｐ２）＋Ｃ２ … （１５）
なお本実施例において、バーニア信号Ｓｖは、式（１３）に示される位相信号Φ１、Φ２の係数に限定されるものではない。ピッチＰ１、Ｐ２（第１の変調周期、第２の変調周期）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のように一般化できる。

以下の式（１６）に示されるように、Φ１−２・Φ２の値は０から±２πに変化するＸ方向の位置変化量である。ここで、Ｔｖはバーニア信号の周期（総ストローク）である。

Φ１−２・Φ２＝２π・Ｔｖ／Ｐ１−２・２π・Ｔｖ／Ｐ２＝±２π … （１６）
このため、バーニア信号Ｓｖの周期Ｔｖは、以下の式（１７）のように表すことができる。

Ｔｖ＝｜Ｐ１・Ｐ２／（２・Ｐ１−Ｐ２）｜ … （１７）
図１４は、本実施例における検出信号とスケール位置との関係を示す図であり、図１４（ａ）はバーニア信号Ｓｖとスケール位置との関係、図１４（ｂ）は位相信号Φ１とスケール位置との関係をそれぞれ示している。本実施例では、式（１７）より、バーニア信号Ｓｖの周期Ｔｖは２１．１２ｍｍとなり、これが検出可能範囲となる。本実施例では、位相信号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）として用い、また、スケール２０の絶対位置を表す絶対位置信号としてバーニア信号Ｓｖを用いる。

本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、センサユニットを大型化することなく絶対位置信号を取得可能なエンコーダおよびスケールを提供することができる。

次に、本発明の実施例３におけるエンコーダについて説明する。図１５は、本実施例におけるエンコーダ１００Ｂの概略構成図である。エンコーダ１００Ｂは、固定部（不図示）に取り付けられるセンサユニット１０Ｂ、可動部（不図示）に取り付けられるスケール２０、信号処理回路３０（信号処理手段）、および、記憶装置４０を備えて構成される。なお、本実施例はこれに限定されるものではなく、センサユニット１０Ｂとスケール２０とが相対的に移動可能に構成されていれば、逆に、センサユニット１０Ｂを可動部に取り付け、スケール２０を固定部に取り付けてもよい。

センサユニット１０Ｂは、一つのＬＥＤからなる光源１２Ｂ、受光素子アレイ１６Ｂを有する受光ＩＣ１４Ｂ、および、受光素子アレイ１６Ｃを有する受光ＩＣ１４Ｃが同一パッケージ内に実装されて構成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１６Ｂ、１６Ｃ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（複数の受光素子）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方向に配列された検出素子アレイとして機能する。本実施例の信号処理回路３０は、センサユニット１０Ｂの受光素子アレイ１６Ｂ、１６Ｃからの出力信号を位置情報（絶対位置情報）に変換することを除いて、実施例１と同様である。受光ＩＣ１４Ｂおよび受光ＩＣ１４Ｃのそれぞれの構成は、実施例２における受光ＩＣ１４Ｅと同様である。

スケール２０の位置情報を検出する際、センサユニット１０Ｂに設けられた光源１２Ｂから出射した発散光束の一部は、スケール２０のトラック２１Ｂに照射される。そして、トラック２１Ｂで反射した光束は、センサユニット１０Ｂの受光素子アレイ１６Ｂによって受光される。また、光源１２Ｂから出射した発散光束の他の一部は、スケール２０のトラック２１Ｃに照射される。そして、トラック２１Ｃで反射した光束は、センサユニット１０Ｂの受光素子アレイ１６Ｃによって受光される。受光素子アレイ１６Ｂ、１６Ｃは、トラック２１Ｂ、２１Ｃそれぞれの反射率分布が２倍拡大された像として受光する。受光素子アレイ１６Ｂ、１６Ｃで受光された光束はそれぞれ、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１６Ｂ、１６Ｃからの出力信号を位置情報に変換し、スケール２０の位置情報を高精度に取得して出力する。

次に、図１６を参照して、本実施例におけるトラック２１Ｂの構成について説明する。図１６は、トラック２１Ｂの部分平面図である。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２９Ｂ）が交互に（順番に）配列されている。領域２９Ｂにおいて、Ｙ方向のＮ番目の領域２９Ｂ−Ｎの周期に対し、Ｎ＋１番目の領域２９Ｂ−（Ｎ＋１）の周期は、−１０μｍだけＸ方向にシフトした配置になっている。

領域２３Ｂは、図３に示される領域２３と同様の構成を有し、Ｘ方向のピッチＰ１ａ（第２の変調周期（本実施例では１２８μｍ）ごとに図３のパターンが配置されたパターン列を有する。本実施例において、領域２３ＢのＹ方向の幅Ｗ１は７５μｍである。領域２３ＢのＹ方向の位置に応じて反射部２６のＸ方向の幅が異なる点は、実施例２と同様である。領域２９Ｂは図１０に示される領域２９と同様の構成を有し、Ｘ方向のピッチＰ３ａ（第１の変調周期（本実施例では５１２μｍ）ごとに図１０のパターンが配置されたパターン列を有する。本実施例において、領域２９ＢのＹ方向の幅Ｗ１は７５μｍである。領域２９ＢのＹ方向の位置によって反射部２６のＸ方向の幅が異なる点は、実施例２と同様である。

次に、図１７を参照して、本実施例におけるトラック２１Ｃの構成について説明する。図１７は、トラック２１Ｃの部分平面図である。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２９Ｃ）が交互に（順番に）配列されている。領域２９Ｃにおいて、Ｙ方向のＮ番目の領域２９Ｃ−Ｎの周期に対し、Ｎ＋１番目の領域２９Ｃ−（Ｎ＋１）の周期は、−１０．１μｍだけＸ方向にシフトした配置になっている。

領域２３Ｃは、図３に示される領域２３と同様の構成を有し、Ｘ方向のピッチＰ１ｂ（第４の変調周期（本実施例では１３０．６１２２４５μｍ）ごとに図３のパターンが配置されたパターン列（第４のパターン）を有する。本実施例において、領域２３ＣのＹ方向の幅Ｗ１は７５μｍである。領域２３ＣのＹ方向の位置に応じて反射部２６のＸ方向の幅が異なる点は、実施例２と同様である。領域２９Ｃは図１０に示される領域２９と同様の構成を有し、Ｘ方向のピッチＰ３ｂ（第３の変調周期（本実施例では５１７．１７１７１７μｍ）ごとに図１０のパターンが配置されたパターン列（第３のパターン）を有する。本実施例において、領域２９ＣのＹ方向の幅Ｗ１は７５μｍである。領域２９ＣのＹ方向の位置によって反射部２６のＸ方向の幅が異なる点は、実施例２と同様である。

信号処理回路３０の第２の位相取得手段３３は、スイッチ回路１８への入力がハイレベルの場合、受光素子アレイ１６Ｂから得られるＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）に基づいて、トラック２１Ｂの領域２３Ｂのエネルギー分布の位相信号Φ１ａ（第２の位相）を取得する。位相信号Φ１ａは、以下の式（１８）で表される演算によって取得される。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。

Φ１ａ＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］ … （１８）
同様に、信号処理回路３０の第１の位相取得手段３２は、スイッチ回路１８への入力がローレベルの場合に受光素子アレイ１６Ｂから得られるＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）に基づいて、領域２９Ｂのエネルギー分布の位相信号Φ３ａ（第１の位相）を取得する。位相信号Φ３ａは、以下の式（１９）で表される演算によって取得される。

Φ３ａ＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］ … （１９）
また、信号処理回路３０の第４の位相取得手段３７は、スイッチ回路１８への入力がハイレベルの場合に受光素子アレイ１６Ｃから得られるＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）に基づいて、領域２３Ｃのエネルギー分布の位相信号Φ１ｂ（第４の位相）を取得する。位相信号Φ１ｂは、以下の式（２０）で表される演算によって取得される。

Φ１ｂ＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］ … （２０）
同様に、信号処理回路３０の第３の位相取得手段３６は、スイッチ回路１８への入力がローレベルの場合に受光素子アレイ１６Ｃから得られるＳ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）に基づいて、領域２９Ｃのエネルギー分布の位相信号Φ３ｂ（第３の位相）を取得する。位相信号Φ３ｂは、以下の式（２１）で表される演算によって取得される。

Φ３ｂ＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］ … （２１）
また、スイッチ回路１８への入力の切り替え前後で、時間差なく（小さい時間差で）信号を取得することにより、同一位置（略同一位置）での位相信号Φ１ａ、Φ３ａ、Φ１ｂ、Φ３ｂを得ることができる。

次に、位置検出方向（図中Ｘ方向）と垂直な方向（図中Ｙ方向）における、センサユニット１０Ｂとスケール２０との間の相対位置ずれを検出する方法について説明する。信号処理回路３０のＹ方向位置情報取得手段３５は、以下の式（２２）で表される演算により、信号Ｓｙ（位置信号）を取得する。

Ｓｙ＝Φ１ａ−４・Φ３ａ … （２２）
信号処理回路３０は、Ｓｙ＜−πの場合にはＳｙ＝Ｓｙ＋２π、Ｓｙ＞＋πの場合にはＳｙ＝Ｓｙ−２πの演算を繰り返し行い、−π〜＋πの出力範囲に変換する。このようにして取得した信号Ｓｙの値をモニタすることにより、センサ（センサユニット１０Ｂ）の走査ラインのずれ量および方向を容易に検出することができる。

また、本実施例の位置情報取得手段３４は、後述のバーニア信号を生成することにより、スケール２０の絶対位置情報を取得する。以下、絶対位置検出を行う処理の流れについて説明する。位相信号Φａ、Φｂを、それぞれ以下の式（２３）、（２４）で表される演算によって取得する。

Φａ＝Φ３ａ−Φ３ｂ … （２３）
Φｂ＝Φ１ａ−Φ１ｂ … （２４）
信号処理回路３０は、Φａ＜０の場合にはΦａ＝Φａ＋２π、Φａ＞２πの場合にはΦａ＝Φａ−２πの演算を繰り返し行い、０〜２πの出力範囲に変換する。Φｂについても同様である。

位相信号Φ３ａ、Φ３ｂは、位置ｘ、位置ｙに対して、それぞれ以下の式（２５）、（２６）で表されるように近似することができる。

Φ３ａ≒２π×（ｘ／Ｐ３ａ）＋２π×（ｙ／Ｐ３ａ）×（１０／１５０）＋Ｃ３ａ … （２５）
Φ３ｂ≒２π×（ｘ／Ｐ３ｂ）＋２π×（ｙ／Ｐ３ｂ）×（１０．１／１５０）＋Ｃ３ｂ … （２６）
ここで、Ｃ３ａ、Ｃ３ｂは所定の定数である。式（２５）、（２６）より、式（２４）の結果は以下の式（２７）のように表される。

Φｂ≒２π×（ｘ／Ｐ３ａ−ｘ／Ｐ３ｂ）＋（Ｃ３ａ−Ｃ３ｂ） … （２７）
すなわち、位相信号Φ３ａはＹ方向の位置に応じてシフトするが、位相信号Φ３ｂも同量（略同量）だけシフトするため、その差分である位相信号Φａは、Ｙ方向の位置によって変動しない（実質的に変動しない）。

位相信号Φａ、ΦｂのＸ方向に対する信号周期Ｔａ、Ｔｂは、それぞれ、Ｔａ＝５１２００［μｍ］、Ｔｂ＝６４００［μｍ］となる。

図１８は、本実施例における検出信号とスケール位置との関係を示す図であり、図１８（ａ）は位相信号Φａとスケール位置との関係、図１８（ｂ）は位相信号Φｂとスケール位置との関係をそれぞれ示している。

次に、絶対位置情報を取得するための処理について説明する。信号処理回路３０は、上位信号である位相信号Φａと位相信号Φｂとの同期をとり、位相信号Φａに基づいて位相信号Φｂの周期の何番目にあるかを算出する。そして信号処理回路３０は、位相信号Φｂをつなぎ合わせて、以下の式（２８）で表されるように、位相信号Φｂの位置精度を有する絶対位置信号ＡＢＳを取得する。

ＡＢＳ＝（２π・ＲＯＵＮＤ［（（Ｔａ／Ｔｂ・Φａ−Φｂ）／（２π）］＋Φｂ）・Ｔｂ／（２π）［μｍ］ … （２８）
ここで、ＲＯＵＮＤ［ｘ］はｘに最も近い整数に変換する関数である。このような合成処理を行うことで、より高精度な絶対位置を検出することが可能である。

本実施例において、信号処理回路３０は、第３のパターンから第３の位相を取得する第３の位相取得手段３６、および、第４のパターンから第４の位相を取得する第４の位相取得手段３７を有する。そして位置情報取得手段３４は、第１の位相、第２の位相、第３の位相、および、第４の位相に基づいて移動方向における絶対位置情報を取得する。本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、長ストロークの絶対位置信号を取得可能なエンコーダおよびスケールを提供することができる。

次に、本発明の実施例４におけるエンコーダについて説明する。本実施例は、受光素子アレイ１６Ｅを有する受光ＩＣ１４Ｅに代えて、受光素子アレイ１６Ｆを有する受光ＩＣ１４Ｆを用いている点で、実施例２と相違する。他の構成は実施例２と同様である。

図１９を参照して、本実施例における受光素子アレイ１６Ｆの構成について説明する。図１９は、受光素子アレイ１６Ｆの受光面の平面図である。受光素子アレイ１６Ｆは、クロックタイミングに同期して、各受光素子の受光量に応じた出力（複数の検出素子のれぞれの出力信号）を順に取得可能なリニアセンサアレイである。受光素子アレイ１６Ｆには、１２８個の受光素子１７ＦがＸ方向に１６μｍピッチで配列されている。また、Ｙ方向の幅Ｙ＿ｐｄは９００μｍ、Ｘ方向の全幅Ｘ＿ｔｏｔａｌは２０４８μｍである。スケール２０上のパターンは２倍の拡大投影となるため、スケール２０上の検出範囲は、Ｙ方向に４５０μｍ、Ｘ方向に１０２４μｍの範囲となる。このため、スケール２０上の検出範囲には、領域２３、領域２４、および、領域２９がＹ方向にそれぞれ３ライン分ずつ含まれる。

受光素子アレイ１６Ｆ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、２４、２９の各周期信号成分を分離する方法として、実施例２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。この場合、受光素子アレイ１６Ｆにおいて、隣接する２個の受光素子の出力を合計し、実施例２における受光素子の出力に置き換えて同様の演算処理を行うことが可能である。このとき、信号処理回路３０は、各受光素子の位置に応じて、適切な重み付けを行う。このように本実施例では、信号処理回路３０に重み付け手段が設けられている。

本実施例において、領域２３（１２８μｍ周期）に対応する位相信号をΦ１、領域２４（２５７．５６０９７６μｍ周期）に対応する位相信号をΦ２、領域２９（５１２μｍ周期）に対応する位相信号をΦ３とする。また、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。

受光素子アレイ１６Ｆによって検出されたリニアイメージ信号から領域２３、２４、２９の各周期信号成分を分離する方法として、フーリエ変換を用いてもよい。以下、フーリエ変換を行う場合の信号処理回路３０の処理について説明する。

まず、１２８個の受光素子１７Ｆの出力の平均を直流成分として各受光素子出力から減算を行う。更に、受光素子アレイ１６Ｆを、中央から６４個（中央部）と、両端から各３２個ずつの計６４個（周辺部）の２つの領域に分離する。中央部と周辺部の出力にはそれぞれ異なる係数を掛け、重み付けを行った後に１２８個のデータをフーリエ変換する。フーリエ変換によって得られた位相と対応する空間周波数に基づいて、位相信号Φ１、Φ２、Φ３を算出する。

ここで、フーリエ変換の周波数分解能は、受光面上の空間周波数としてΔｆ＝１／１０２４（μｍ−１）となるため、完全には領域２４のパターン反射像と一致しない。位相信号Φ１はΔｆ・８＝１／２５６（μｍ−１）の成分、位相信号Φ２はΔｆ・４＝１／５１２（μｍ−１）の成分、位相信号Φ３はΔｆ・２＝１／１０２４（μｍ−１）の成分として、以降の演算に用いられる。なお本実施例では、信号処理回路３０での演算処理によって領域ごとの重み付けを行っているが、各受光素子の出力が領域に応じて異なる電気的ゲインを持つようにしてもよい。以上のようにして得られた位相信号Φ１、Φ２、Φ３に基づいて測位方向およびその垂直方向の位置検出を行うまでの演算方法は実施例２と同様であるため、これらの説明は省略する。

本実施例によれば、リニアセンサアレイを用いて各検出素子の出力を取り出し可能であるため、信号の取り出しが一度で済み、各信号位相間での時間的な同期性が向上する。

次に、図２０を参照して、本発明の実施例５について説明する。図２０は、本実施例における撮像システム２００の断面模式図である。撮像システム２００は、上記各実施例におけるエンコーダ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２００は、撮像装置２００ａと、撮像装置２００ａに着脱可能なレンズ装置２００ｂ（エンコーダ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２０において、５３はセンサユニット、５４はＣＰＵである。センサユニット５３およびＣＰＵ５４（およびスケール２０）によりエンコーダが構成される。ここで、センサユニット５３は、例えば実施例１におけるセンサユニット１０Ａの機能を有し、ＣＰＵ５４は信号処理回路３０の機能を有する。また、５１はレンズユニット、５２は駆動レンズ、５５は撮像素子、５０は円筒体であり、主にこれらにより撮像システムが構成される。レンズユニット５１を構成する駆動レンズ５２（レンズ）は、例えばオートフォーカス用のレンズであり、光軸方向であるＹ方向に変位可能である。駆動レンズ５２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、駆動レンズ５２を駆動するアクチュエータ（不図示）と連結されている。撮像素子５５は、撮像装置２００ａに設けられており、レンズユニット５１（レンズ）を介して光学像（被写体像）の光電変換を行う。

本実施例のレンズ装置２００ｂは、光軸方向（Ｙ方向）に変位可能な駆動レンズ５２と、駆動レンズ５２の変位を検出するように構成されたエンコーダ１００とを有する。スケール２０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１００は円筒体５０の光軸方向の周りにおける回転量（変位）を取得することで、駆動レンズ５２の光軸方向の変位を検出する。

スケール２０は、第１のパターンおよび第２のパターン（および第３のパターン）として、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、このような構成において、スケール２０は円筒体５０に取り付けられている。または、スケール２０は、第１のパターンおよび第２のパターン（および第３のパターン）として、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ってもよい。この場合、スケール２０は、円筒体５０の回転方向に沿って円筒面に貼り付けられる。

アクチュエータまたは手動により、円筒体５０を、光軸を中心として回転させると、スケール２０はセンサユニット５３に対して相対的に変位する。スケール２０の変位に伴い、駆動レンズ５２は、光軸方向であるＹ方向（矢印方向）に駆動される。そして、エンコーダのセンサユニット５３から得られる駆動レンズ５２の変位に応じた信号は、ＣＰＵ５４に出力される。ＣＰＵ５４は、駆動レンズ５２を所望の位置へ移動するための駆動信号を生成する。駆動レンズ５２は、その駆動信号に基づいて駆動される。

上記各実施例によれば、小型かつ低コストで、移動方向と垂直な方向におけるスケールと検出器との間の相対位置を高精度に検出可能なスケールおよびエンコーダを提供することができる。また、このようなエンコーダを用いたレンズ装置および撮像システム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。

１０Ａ、１０Ｂ センサユニット
２０ スケール
３０ 信号処理回路
１００ エンコーダ

Claims (18)

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スケールであって、
   移動方向に第１の変調周期を有する第１のパターンと、
   前記移動方向に前記第１の変調周期と異なる第２の変調周期を有する第２のパターンと、を有し、
   前記第１のパターンは、前記移動方向に垂直な方向に配置された複数の第１のパターン列を含み、
   前記第２のパターンは、前記移動方向に垂直な方向に配置された複数の第２のパターン列を含み、
   前記複数の第１のパターン列と前記複数の第２のパターン列とは、前記移動方向に垂直な方向に交互に配置され、
   前記複数の第１のパターン列のうち一つと前記複数の第２のパターン列のうち一つの間の前記移動方向における相対的な位置と、前記複数の第１のパターン列のうち他の一つと前記複数の第２のパターン列のうち他の一つの間の前記移動方向における相対的な位置とは、互いに異なることを特徴とするスケール。
2. 前記第１のパターンおよび前記第２のパターンは、それぞれ、光を反射する反射部および該光を反射しない非反射部を備えて構成され、
   前記移動方向における前記反射部の幅は、該移動方向に垂直な方向において異なっていることを特徴とする請求項１に記載のスケール。
3. 前記第１のパターンは第１の領域に形成されており、
   前記第２のパターンは複数の第２の領域に形成されており、
   前記第１の領域は、前記移動方向に垂直な方向において、前記複数の第２の領域のそれぞれに隣接して挟まれていることを特徴とする請求項１に記載のスケール。
4. 前記スケールは、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンとして、ドーナツ状の円盤面上に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項に記載のスケール。
5. 前記スケールは、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンとして、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項に記載のスケール。
6. 前記移動方向に前記第１の変調周期および前記第２の変調周期と異なる第３の変調周期を有する第３のパターンを更に有し、
   前記第３のパターンと前記第２のパターンとの相対的な位相は、前記移動方向と垂直な方向に応じて変化していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスケール。
7. 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配列された検出手段と、
   前記検出手段の出力信号を処理して位置情報を取得する信号処理手段と、を有し、
   前記スケールは、前記移動方向に第１の変調周期を有する第１のパターン、および、前記移動方向に前記第１の変調周期と異なる第２の変調周期を有する第２のパターンを有し、
   前記第１のパターンと前記第２のパターンとの相対的な位相は、前記移動方向と垂直な方向に応じて変化しており、
   前記信号処理手段は、前記第１のパターンから第１の位相を取得する第１の位相取得手段、および、前記第２のパターンから第２の位相を取得する第２の位相取得手段を有し、該第１の位相および該第２の位相に基づいて前記移動方向と垂直な方向の位置信号を取得する、ことを特徴とするエンコーダ。
8. 前記信号処理手段は、前記位置信号を以下の式に基づいて算出することを特徴とする請求項７に記載のエンコーダ。
   Ｓｙ＝Ａ・Φ１−Ｂ・Φ２
   ただし、Ｓｙは前記位置信号、Φ１は前記第１の位相、Φ２は前記第２の位相、Ａ、Ｂは前記第１の変調周期をＰ１、前記第２の変調周期をＰ２としたときにＡ／Ｂ＝Ｐ１／Ｐ２の関係を満たす任意の係数である。
9. 前記第１のパターンを有する第１の領域と前記第２のパターンを有する第２の領域は、前記移動方向に垂直な方向に、交互に設けられていることを特徴とする請求項７または８に記載のエンコーダ。
10. 前記第１のパターンおよび前記第２のパターンは、それぞれ、光を反射する反射部および該光を反射しない非反射部を備えて構成され、
    前記移動方向における前記反射部の幅は、該移動方向に垂直な方向において異なっていることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のエンコーダ。
11. 前記第１のパターンは第１の領域に形成されており、
    前記第２のパターンは複数の第２の領域に形成されており、
    前記第１の領域は、前記移動方向に垂直な方向において、前記複数の第２の領域のそれぞれに隣接して挟まれていることを特徴とする請求項７または８に記載のエンコーダ。
12. 前記信号処理手段は、前記第１のパターンに対応する第１の信号および前記第２のパターンに対応する第２の信号を分離する信号分離手段を有することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のエンコーダ。
13. 前記第１のパターンを検出する前記複数の検出素子の出力信号に対して、該複数の検出素子の位置に応じた重みを使用して重み付けを行う重み付け手段を更に有し、
    前記重み付け手段による前記重みは、前記第２の変調周期に対応する空間周波数を含む所定の範囲において、前記重み付けを行って得られる前記第１の位相取得手段の空間周波数応答の値が該重み付けを行わずに得られた値以下となるように設定することを特徴とする請求項７乃至１２のいずれか１項に記載のエンコーダ。
14. 前記スケールは、前記移動方向に前記第１の変調周期および前記第２の変調周期と異なる第３の変調周期を有する第３のパターンを有し、
    前記第３のパターンと第２のパターンとの相対的な位相は、前記移動方向と垂直な方向に応じて変化しており、
    前記信号処理手段は、前記第３のパターンから第３の位相を取得する第３の位相取得手段を有し、前記第１の位相および該第３の位相に基づいて絶対位置情報を取得することを特徴とする請求項７乃至１３のいずれか１項に記載のエンコーダ。
15. 前記スケールは、前記移動方向に第３の変調周期を有する第３のパターン、および、前記移動方向に前記第３の変調周期と異なる第４の変調周期を有する第４のパターンを更に有し、
    前記第３のパターンと前記第４のパターンとの相対的な位相は、前記移動方向と垂直な方向に応じて変化しており、
    前記信号処理手段は、前記第３のパターンから第３の位相を取得する第３の位相取得手段、および、前記第４のパターンから第４の位相を取得する第４の位相取得手段を有し、前記第１の位相、前記第２の位相、前記第３の位相、および、前記第４の位相に基づいて前記移動方向における絶対位置情報を取得することを特徴とする請求項７乃至１３のいずれか１項に記載のエンコーダ。
16. 前記検出手段は、クロックタイミングに同期して、前記複数の検出素子のそれぞれの出力信号を順に取得可能なリニアセンサアレイを有することを特徴とする請求項７乃至１５のいずれか１項に記載のエンコーダ。
17. 光軸方向に変位可能なレンズと、
    前記レンズの変位を検出するように構成された、請求項７乃至１６のいずれか１項に記載のエンコーダと、を有することを特徴とするレンズ装置。
18. 請求項１７に記載のレンズ装置と、
    前記レンズを介して光学像の光電変換を行う撮像素子を有する撮像装置と、を有することを特徴とする撮像システム。