JP6108988B2 - エンコーダ - Google Patents

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Description

本発明は、変位検出を行うエンコーダであって、特に、原点検出機能を有するエンコーダに関する。
従来、測定機等の分野において、高精度に寸法等の測定ができる光学式エンコーダ（以下、単にエンコーダと称する）が使用されている。エンコーダとは、スケール表面に生成された等間隔のパターンをリーディングヘッド（光検出部）で読み取り、リーディングヘッド上を通過したパターンの数をカウントすることで長さや角度を測定するものである。
光を透過する部分と反射する部分とが交互に配置されるスケールを有するエンコーダでは、スケールとリーディングヘッドとの相対的な位置情報しか得られない。そのため、原点検出機能を有するエンコーダは、位置検出系とは別構造で原点検出系を持つことが多い。
また、中には位置検出系のみで原点検出もする構造を備えたエンコーダも開発されている。例えば、特許文献１に開示された光学式エンコーダは、変位検出される一方の部材に取り付けられたスケールと、前記一方の部材に対して相対移動する他方の部材に取り付けられ、前記スケールに対向配置された検出ヘッドとを備えた光学式エンコーダにおいて、前記検出ヘッドは、前記スケールに所定の光を照射する少なくとも１つの発光部と、前記発光部から前記スケールに照射されて前記光学パタンを経た光を受光する受光面を有し、前記受光面上に形成される光分布を検出する少なくとも１つの光検出部と、を備え、前記スケールは、前記相対移動する方向に反射率または透過率が異なる２つの部分が交互に配置されて成る光学パタンが、前記２つの部分１組を光学パタンの１周期として、所定のピッチで繰り返し形成され、前記１ピッチ内における前記２つの部分のデューティ比が変調された領域を有しており、前記少なくとも１つの光検出部は、前記相対移動の変位量に応じた位置信号を出力し、かつ前記所定の範囲内で原点信号を出力する、ことを特徴としている。
これにより、単純な構成で、しかも、相対位置検出系と原点検出系とで検出ヘッドとスケールとの間のギャップ合わせ無しに、相対位置検出と原点検出とを可能とする光学式エンコーダを提供することができるとしている。
特開２０１０−２２３６３１号公報
しかしながら、位置検出系と原点検出系とが分かれていた従来のエンコーダは、別構造で原点検出系を持っているので、位置検出系と原点検出系の両方で光学的な位置合わせが必要になる。また、温度などの環境変化の影響を原点検出系と位置検出系とで別々に受けてしまうので、それぞれのデータの整合性に誤差が生ずる場合がある。更に、そのため温度等の環境変化の影響を受けやすくなり、位置検出系と原点検出系とが同一軸上に配置できない場合は、アッベ誤差も発生することがあるという問題を有している。
また、特許文献１に開示されている光学式エンコーダは、デューティ比の違いによる光量の変化を検出して原点としているため、光量の変動を補正する回路を付けることができない。そのため、光源の光量変化や外乱光の影響を受けるので使いづらい物となるという問題があった。
ここで、光量変動を補正する機能とは、例えば、IC内部でPD出力のAとA-、BとB-の差動を取り、各信号のDC成分を無くしたものに一定のリファレンス電圧を付加してから、４相信号ともIC外部に出力するような回路のことである。
本発明は、かかる実情に鑑み、位置検出系と原点検出系の両方での光学的な位置合わせを不要とし、温度などの環境変化の影響を原点検出系と位置検出系とで別々に受けることによる、それぞれのデータの整合性に誤差が生ずる問題を解決し、温度等の環境変化の影響を受けにくくなり、アッベ誤差も発生しにくくなり、更に、光量の変動を補正する回路の付加も可能なエンコーダを提供しようとするものである。
本発明の課題は、下記の各発明によって解決することができる。
即ち、本発明のエンコーダは、光反射部と光透過部とが交互に連続して配置されたスケールと、前記スケールに対して相対的に移動可能な光検出部と、前記スケールの原点を検出する原点検出部と、を有するエンコーダであって、前記光検出部は、前記スケールに光を照射する発光手段と、前記発光手段から照射した光のうち、前記スケールで反射して戻った光、または、前記スケールを透過した光を受光し電気信号に変換して出力する受光手段と、を備え、前記スケールは、前記光反射部と前記光透過部の並びのピッチが変更された領域と、前記並びのピッチが変更される境界であるピッチ境界部と、を有し、前記原点検出部は、前記光検出部が前記ピッチ境界部からの反射光または透過光に由来して出力した電気信号に基づいて原点位置を検出することを主要な特徴にしている。
また、本発明のエンコーダは、光反射部と光透過部とが交互に連続して配置されたスケールと、前記スケールに対して相対的に移動可能な光検出部と、前記スケールの原点を検出する原点検出部と、を有するエンコーダであって、前記光検出部は、前記スケールに光を照射する発光手段と、前記発光手段から照射した光のうち、前記スケールで反射して戻った光、または、前記スケールを透過した光を受光し電気信号に変換して出力する受光手段と、を備え、前記スケールは、前記光反射部が形成されている面とは反対側の面の一部に光を反射する部分である裏面反射部を有し、前記原点検出部は、前記光検出部が前記裏面反射部からの反射光または前記裏面反射部での透過光に由来して出力した電気信号に基づいて原点位置を検出することを主要な特徴にしている。
更に、本発明のエンコーダは、光反射部と光透過部とが交互に連続して配置されたスケールと、前記スケールに対して相対的に移動可能な光検出部と、前記スケールの原点を検出する原点検出部と、を有するエンコーダであって、前記光検出部は、前記スケールに光を照射する発光手段と、前記発光手段から照射した光のうち、前記スケールで反射して戻った光、または、前記スケールを透過した光を受光し電気信号に変換して出力する受光手段と、を備え、前記スケールは、複数の前記光反射部のうちの一部に光の反射率の異なる光反射部を含み、前記原点検出部は、前記光検出部が前記光の反射率の異なる光反射部からの反射光または、前記光の反射率の異なる光反射部の透過光に由来して出力した電気信号に基づいて原点位置を検出することを主要な特徴にしている。
更にまた、本発明のエンコーダは、光反射部と光透過部とが交互に連続して配置されたスケールと、前記スケールに対して相対的に移動可能な光検出部と、前記スケールの原点を検出する原点検出部と、を有するエンコーダであって、前記光検出部は、前記スケールに光を照射する発光手段と、前記発光手段から照射した光のうち、前記スケールで反射して戻った光、または、前記スケールを透過した光を受光し電気信号に変換して出力する受光手段と、を備え、前記スケールは、前記光検出部との相対的な移動方向の端部に光反射部のみまたは光透過部のみが形成されたパターン無し領域を有し、前記原点検出部は、前記光検出部が前記パターン無し領域からの反射光または前記パターン無し領域の透過光に由来して出力した電気信号に基づいて原点位置を検出することを主要な特徴にしている。
また、本発明のエンコーダは、光反射部と光透過部とが交互に連続して配置されたスケールと、前記スケールに対して相対的に移動可能な光検出部と、前記スケールの原点を検出する原点検出部と、を有するエンコーダであって、前記光検出部は、前記スケールに光を照射する発光手段と、前記発光手段から照射した光のうち、前記スケールで反射して戻った光、または、前記スケールを透過した光を受光し電気信号に変換して出力する受光手段と、を備え、前記原点検出部は、前記光検出部が前記スケールの前記光検出部との相対的な移動方向の終端より先に位置したときに、前記光検出部が出力した電気信号に基づいて原点を検出することを主要な特徴にしている。
更にまた、本発明のエンコーダは、前記スケールが、前記光検出部に対して相対的に移動する方向の、前記光反射部と前記光透過部のペア１つの長さを１周期としたとき、前記原点検出部は、前記ペアからの光の反射または前記ペアでの光透過に基づいて前記光検出部が出力する９０度位相の異なる電気信号の振幅の２乗和に基づいて原点位置を検出することを主要な特徴にしている。
また、本発明のエンコーダは、前記スケールが、前記光検出部に対して相対的に移動する方向の、前記光反射部と前記光透過部のペア１つの長さを１周期としたとき、前記原点検出部は、前記ペアからの光の反射または前記ペアでの光透過に基づいて前記光検出部が出力する９０度位相の異なる２つの電気信号のうちの一方の電気信号の振幅が０のときの他方の電気信号の振幅に基づいて原点位置を検出することを主要な特徴にしている。
位置検出系と原点検出系の両方での光学的な位置合わせを不要とし、温度などの環境変化の影響を原点検出系と位置検出系とで別々に受けることによる、それぞれのデータの整合性に誤差が生ずる問題を解決し、温度等の環境変化の影響を受けにくくなり、アッベ誤差も発生しにくくなり、更に、光量の変動を補正する回路の付加も可能なエンコーダを提供することができる。
本発明の第１実施形態のエンコーダの概略構成図である。 スケール上の原点位置説明図である。 受光手段を説明する説明図である。 PD1〜PD4の出力電気信号と、電気信号Ａ、Ｂを表す説明図である。 ピッチ境界部前後での波形とPD素子の配置を表した説明図である。 ピッチ境界部前後での位相差が１８０度のときの光検出部からの電気信号出力を表す図である。 ピッチ境界部前後での位相差が１８０度ではないときの光検出部からの電気信号出力を表す図である。 実際の電気信号Ａ、電気信号Ｂの波形を示す図である。 電気信号Ｂが０のときの電気信号Ａの値を示す説明図である。 電気信号Ｂ＝０のときの電気信号Ａの電圧の２乗値を表すグラフである。 電気信号Ｂ＝０かつ電気信号Ａが正のときの電気信号Ａの電圧を表すグラフである。 電気信号Ｂ＝０かつ電気信号Ａが正のときの電気信号Ａの電圧の２乗値を表すグラフである。 図１１と図１２のグラフを一つにしたグラフである。 本発明の第２実施形態のエンコーダの概略構成図である。 第２実施形態の原点位置と原点検出原理の説明図である。 本発明の第３実施形態のエンコーダ１６０の概略構成図である 第３実施形態の原点位置と原点検出原理の説明図である。 本発明の第４実施形態のエンコーダ１８０の概略構成図である。 第４実施形態の原点位置と原点検出原理の説明図である。 PD素子アレイと原点検出の説明図である。 第４実施形態における原点領域の電気信号波形を表した図である。 本発明の第５実施形態のエンコーダ２２０の概略構成図である。 第５実施形態の原点位置と原点検出原理の説明図である。 PD素子アレイと原点検出の説明図である。 第５実施形態における原点領域の電気信号波形を表した図である。 電気信号Ｂ＝０のときの電気信号Ａの電圧の２乗値を表すグラフである。 第２実施形態における電気信号Ａと、電気信号Ａの逆位相の信号Ａ−と、電気信号ＡとＡ−との差の信号（Ａ−Ａ−）を示すグラフである。 電気信号Ａと電気信号Ｂとが描くリサージュ曲線を表した図である。
以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。ここで、図中、同一の記号で示される部分は、同様の機能を有する同様の要素である。また、本発明において、値の範囲を"〜"を用いて表した場合は、その両境界の値は、範囲内に含まれるものとする。
＜第１実施形態＞
（１）構成及び作動
本発明のエンコーダの第１実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態のエンコーダの概略構成図である。
図１に示すように、本発明のエンコーダ１０は、光反射部１１と光透過部１２とが交互に連続して配置されたスケール１３と、スケール１３に対して相対的に移動可能な光検出部１４と、前記スケールの原点を検出する原点検出部１５と、を主に備えて構成される。
図１において、原点検出部１５は、光検出部１４に含まれるように記載されているが、この図のように原点検出部１５は、光検出部１４に含まれていても良いし、光検出部１４とは別体であっても良い。
スケール１３は、例えば、ガラス製の板にCr、Au、Pt、Ag、Al等の光反射率の高い金属を成膜して光反射部１１を形成し、これらの金属膜が成膜されていない部分を光透過部１２にすることができる。
光検出部１４は、スケール１３に光を照射するための発光手段１６と、スケール１３から反射した光を受光し電気信号に変換して出力するための受光手段１７とを備えている。発光手段１６は、例えば、LEDアレイで構成することができるが、LD（Laser Diode）アレイを用いても良い。
受光手段１７は、例えば、PD（Photo Diode）アレイを含んで構成することができる。また、発光手段１６を駆動するための回路と、受光手段１７がスケール１３からの反射光を変換した電気信号を処理するための回路とが形成されたICを光検出部が備えていても良いし、このICは、光検出部１４とは別体として存在しても良い。
例えば、光検出部１４は、発光手段１６及びそれを駆動する回路と、受光手段１７及びそれからの電気信号を処理するための回路と、原点検出部１５を構成する回路とを備えて構成することができる。この場合は、これらの回路は、１個または複数のICで構成されて、発光手段１６と、受光手段１７とともにHIC（Hybrid IC）として構成することができる。これにより、エンコーダ１０を小型化することが可能になる。
次に、原点検出部にスケール１３上において原点位置として検出させる部分について図２を参照して説明する。図２は、スケール上の原点位置説明図である。図２は、スケール１３の長手方向が図示左右方向である概略断面を示している。
図２に示すように、スケール１３には、光反射部１１と光透過部１２とが交互に形成されている。ところが、ピッチ境界部２０においては、光反射部１１の図面視左右方向長さが他の光反射部１１と異なっているため、それ以降（図面視右側）は、光反射部１１と光透過部１のピッチが変わってくる。
図２においては、ピッチ境界部２０において光反射部１１が従来の２倍の長さになっているため、それ以降の光反射部１１と光透過部１２の並ぶ順序が逆になっている。
即ち、図２において、光反射部１１を「１」、光透過部１２を「０」として順番を表している。すると、１０１０・・・と順番に交互に並んでいるが、連続配置されている部分であるピッチ境界部２０において１が２倍の長さ即ち、１１と連続して並んでいるのと同じ状態になり、その後、０１０１・・・と順番が逆になって並んでいる。
これを、光検出部１４で得られる電気信号で表すと、図２に示すような実線の波形２２になる。ここで、ピッチ境界部２０が存在せず、１０１０・・・と交互に連続していた場合の波形を点線の波形２４で示す。このように、ピッチ境界部２０において光反射部１１の長さが２倍に変更されているため、それ以降の波形は位相が１８０度ずれたものになっている。
図２においては、ピッチ境界部２０において、光反射部１１を２倍の長さにした場合を例にとって説明したが、光反射部１１の長さは２倍以外にも様々な長さにすることが可能であり、光反射部１１の長さを変更することにより、ピッチ境界部２０の前後において光検出部１４で得られる電気信号の位相を０度から３６０度まで任意に変更することが可能になる。
また、ピッチ境界部２０において、光反射部１１ではなく、光透過部１２の長さを変更することでも同様に、ピッチ境界部２０の前後において光検出部１４で得られる電気信号の位相を０度から３６０度まで任意に変更することが可能になる。
次に、受光手段１７について説明する。受光手段１７は、光を受光するためのPDアレイを含んで構成される。ここで、PDアレイからの電気出力信号を処理するための回路を更に含んでいても良い。図３を参照して詳細に説明する。図３は、受光手段を説明する説明図である。
図３に示すように、発光手段１６から照射されスケール１３で反射した光は、受光手段１７表面において明部３０と暗部３１の縞模様を形成する。明部３０は、光反射部１１で反射された光に対応する部分であり、暗部３１は、光透過部１２に対応する部分であり、光が反射されないために暗くなっている。
受光手段１７を構成するPDアレイは、４つのPD素子PD1（記号３２）、PD2（記号３３）、PD3（記号３４）、PD4（記号３５）を一組とするPDのセットが、複数セット存在して構成される。一つの明部３０と一つの暗部３１の組を４つのPD素子PD1、PD2、PD3、PD4で受光する。よって、明部３０と暗部３１とを合わせたサイズが、４つのPD素子PD1〜PD4を合わせたサイズと同じであることが望ましい。
このとき、4つの各PD素子は、PD1〜PD4にかけてそれぞれ位相が1/4ずつずれた電気信号を出力し、複数のPD素子のセットの各PDは、PD1〜PD4それぞれ同じ電気信号を出力する。つまり、各PD素子のセットの各PD1同士は同じ信号を出力し、各PD2同士は同じ信号を出力する。これは、PD3もPD4も同様である。
PD1〜PD4にかけて位相が1/4ずつずれた電気信号を出力するので、PD1とPD3は、互いに1/2即ち180度位相がずれた電気信号を出力し、PD2とPD4も同様に互いに180度位相がずれた電気信号を出力する。
このため、各PD素子のセットのPD1同士、PD2同士、PD3同士、PD4同士が接続されて電気信号が出力される。更に、位相が180度異なるPD1とPD3の電気信号の差分をとってＡとし、PD2とPD4の電気信号の差分をとってＢとして出力することができる。これにより、電気信号ＡとＢとは、位相が1/4つまり９０度ずれた信号になる。
ここで、図４を参照して更に説明する。図４は、PD1〜PD4の出力電気信号と、電気信号Ａ、Ｂを表す説明図である。図４に示すように、PD1〜PD4の各出力電気信号の波形である波形４０〜波形４３は、1/4つまり９０度ずつ位相がずれている。つまり、PD1の波形４０とPD3の波形４２とは、１８０度位相がずれており、PD2の波形４１とPD4の波形４３も１８０度位相がずれている。
１８０度位相がずれているPD1とPD3の電気信号の差分を取ることにより、別の言い方をすると、PD3の信号を反転させて合成することにより電気信号Ａになる。同様に１８０度位相がずれているPD2とPD4の電気信号の差分を取ることにより電気信号Ｂになる。
この電気信号Ａまたは電気信号Ｂのパルス数をカウントすることにより、スケール１３の光透過部１２と光反射部１１の組がいくつ移動したかを知ることができる。よって、カウントしたパルス数にスケール１３の光透過部１２と光反射部１１の組の長さを乗ずることにより、スケール１３が光検出部１４に対して相対的に動いた距離を求めることができる。
（２）原点検出
次に、原点検出原理について図面を参照して説明する。図５は、ピッチ境界部前後での波形とPD素子の配置を表した説明図である。図５は、ピッチ境界部２０の光反射部の長さが通常の光反射部の長さの２倍になっている場合を示している。
図５に示すように、ピッチ境界部２０の長さが通常の光反射部の長さの２倍なので、ピッチ境界部前後でPD素子が出力する電気信号は位相が１８０度ずれることになる。よって、例えば、ピッチ境界部２０を挟んだ前後である、記号５０で示すPD素子群の中のPD1が出力する信号と、記号５１で示すPD素子群の中のPD１が出力する信号は位相が１８０度ずれている。これは、PD2、PD3、PD4も同様で、ピッチ境界部２０の前後で出力する位相が１８０度ずれている。
このため、各PD1の出力を加算すると互いに打ち消し合って、出力が小さくなる（PD1に対応する波形の斜線部参照）。これは、PD2〜PD4も同様である。すなわち、スケール１３が相対移動してピッチ境界部２０が光検出部１４の検出範囲に入ることにより、光検出部１４からの信号出力は小さくなりはじめる。それから、光検出部１４のPD素子アレイの中間にピッチ境界部２０が来たとき光検出部１４からの出力信号は最小になり、ピッチ境界部２０がPD素子アレイの中間から離れるに従って出力信号がまた大きくなる。
このときの光検出部１４の電気信号出力を示したのが図６である。図６において、実線は電気信号Ａの波形を示し、破線は電気信号Ｂの波形を示し、一点鎖線は、電気信号Ａ、電気信号Ｂの２乗和の波形を示す。また、横軸は、スケール１３の光検出部１４に対する相対移動量（μｍ）を示し、縦軸は、光検出部１４からの出力を示している。縦軸においては、振幅の最大と最小を規格化してそれぞれ１、−１とし、振幅の中間を０にしている。
図６に示すように、スケール１３の移動に従って電気信号Ａ、電気信号Ｂの振幅が小さくなって行き、スケール移動量１３０μｍのところで最小になり（図６においては０）、それからまた振幅が大きくなっている。ここで、図６に示すのは一例のグラフであり、スケールのピッチやPD数によって出力が最小になるスケール移動量は変わる。よって、スケール移動量が１３０μｍで最小になることに限定されるものではない。
よって、電気信号Ａまたは電気信号Ｂの出力の振幅が最小になったところをスケール１３の原点にすることができる。これにより、原点検出系を位置検出系と別構造で持つ必要がなくなり、別構造で原点検出系を持つことによる欠点を無くすことができる。別構造で原点検出系を持つことによる欠点とは、位置検出系と原点検出系の両方で光学的な位置合わせが必要になること、温度などの環境変化の影響を原点検出系と位置検出系とで別々に受けてしまうので、それぞれのデータの整合性に誤差が生ずる場合があること、そのため温度等の環境変化の影響を受けやすくなること、位置検出系と原点検出系とが同一軸上に配置できない場合は、アッベ誤差も発生すること等である。
ここで、原点位置を決定する方法として、９０度位相がずれている電気信号Ａと電気信号Ｂの２乗和（Ａ２＋Ｂ２）をとって、その２乗和（Ａ２＋Ｂ２）が最小になる所を原点とすることもできる。電気信号Ａ、電気信号Ｂは、それぞれ略正弦波になるので９０度位相がずれた信号の２乗和は、本来の振幅が変動しない限りは一定の値になるはずである。よって、この２乗和を算出することにより原点位置を再現性良く、正確に決定することができる。この２乗和を算出することによる原点位置の決定方法は、第１実施形態のみではなく、本発明全てに適用できるものであり、もちろん後述する他の実施形態においても適用できるものである。
原点位置の決定方法としては、２乗和が所定の値、または所定の範囲になった所を原点位置としても良いし、極小値になった所を原点位置としても良い。
次に、図５において、ピッチ境界部２０の長さを光透過部１２の長さの２倍にしなかった場合について説明する。この場合は、ピッチ境界部２０前後での光検出部１４が出力する電気信号の位相差は、１８０度ではなくなる。このため、例えば、記号５０のPD1の信号と記号５１のPD1の信号とを加算しても完全に打ち消されることは無いので、位相差が１８０度のときよりは、信号出力の低下が抑えられる。
このときの、光検出部１４の電気信号出力を示したのが図７である。図７において、縦軸、横軸等は全て図６と同様である。図７に示すように、ピッチ境界部２０前後でのPD素子からの電気信号出力の位相差が１８０度では無いので、PD1〜PD4の同一番号のPD素子からの出力同士を加算しても完全に打ち消されることは無く、振幅も図６のように小さくはならない。図７の電気信号Ａ、電気信号Ｂの２乗和（Ａ２＋Ｂ２）を見れば分かるように、極小値においても０にはならない。
しかしながら、極小値が明確に出ており、原点位置を検知するには十分である。このように、ピッチ境界部２０前後での光検出部１４が出力する位相差が１８０度でなくても、原点検出することが十分可能である。
原点の決定は、電気信号の振幅が所定の値または範囲になったときを原点としても良いし、２乗和（Ａ２＋Ｂ２）が所定の値または範囲または極小値になった時を原点としても良い。
ここで、原点の位置決定に電気信号Ａと電気信号Ｂとの２乗和（Ａ２＋Ｂ２）を用いる場合において発生しうるばらつきについて図２８を参照して説明する。図２８は、電気信号Ａと電気信号Ｂとが描くリサージュ曲線を表した図である。図２８の（Ａ）は、理想的な状態のときの電気信号Ａと電気信号Ｂのリサージュ曲線を示しており、（Ｂ）は電気信号Ａと電気信号Ｂの振幅方向の中心がずれていたとき（オフセットが掛かっていたとき）のリサージュ曲線を示しており、（Ｃ）は電気信号Ａと電気信号Ｂとの位相差が９０度からずれていたときのリサージュ曲線を示しており、（Ｄ）電気信号Ａと電気信号Ｂの振幅がずれていたときのリサージュ曲線を示している。また、図２８において、縦軸は信号Ｂの電圧を示し、横軸は信号Ａの電圧を示している。
電気信号を処理するデバイスの特性等の問題により、電気信号Ａと電気信号Ｂとは、図２８（Ａ）に示すように、リサージュ曲線が円にはならずに、図２８（Ｂ）〜（Ｃ）に示すように中心からずれたり，楕円になることがある。このような場合は、電気信号Ａと電気信号Ｂの２乗和を求めても一定の値にはならないことは、図２８（Ｂ）〜（Ｃ）に示される図形の半径（電気信号Ａと電気信号Ｂとの２乗和の平方根）が一定でないことから明らかである。よって、電気信号Ａと電気信号Ｂの振幅方向の中心がずれていること、電気信号Ａと電気信号Ｂとの振幅が異なること、電気信号Ａと電気信号Ｂの位相差が９０度よりもずれていることが原因で電気信号Ａと電気信号Ｂとの２乗和が必ずしも一定にならず増減することがあるので、２乗和を適用する場合は、それを考慮する必要がある。
そこで、本発明者は、鋭意研究の結果、原点の位置決定において、上述したようなずれによる誤差を低減できる方法を発明した。以下において詳細に説明する。
（３）９０度位相がずれた２つの電気信号を利用した原点決定方法
以下に述べる９０度位相がずれた２つの電気信号を利用した原点決定方法は、この第１実施形態のみではなく、本発明全てに適用できるものであり、もちろん後述する他の実施形態においても適用できるものである。
９０度位相がずれている電気信号Ａと電気信号Ｂとを利用して原点の位置を決定することができる。この方法について、図面を参照して詳細に説明する。
図９（電気信号Ｂが０のときの電気信号Ａの値を示す説明図）に示すように、電気信号Ｂが０のときの電気信号Ａの値を求め、それに基づいて原点位置を決めることができる。
更に言えば、電気信号Ｂの波形が立ち上がりつつ（傾きが正で）０になったときの電気信号Ａの値、または、電気信号Ｂの波形が立ち下がりつつ（傾きが負で）０になったときの電気信号Ａの値を求め、それに基づいて原点位置を決めることができる。
また、電気信号Ｂが０になったときの電気信号Ａの値の２乗に基づいて原点位置を決めることができる。更に、電気信号Ｂの波形が立ち上がりつつ（傾きが正で）０になったときの電気信号Ａの値の２乗、または、電気信号Ｂの波形が立ち下がりつつ（傾きが負で）０になったときの電気信号Ａの値の２乗を求め、それに基づいて原点位置を決めることができる。
上記の、９０度位相がずれている電気信号Ａと電気信号Ｂを利用して、一方の電気信号が０のときの他方の電気信号の値に基づいて原点位置を決める方法は、電気信号Ａと電気信号Ｂとの位相差が９０度ぴったりでなく、多少ずれていても問題なく原点を検出することができるという特徴を有する。
これにより、上記方法では、電気信号Ａと電気信号Ｂとの２乗和（Ａ２＋Ｂ２）を用いる方法における欠点であった、電気信号Ａと電気信号Ｂの振幅方向の中心がずれていること、または、電気信号Ａと電気信号Ｂとの振幅が異なること、または、電気信号Ａと電気信号Ｂの位相差が９０度よりもずれていることを原因とする電気信号Ａと電気信号Ｂとの２乗和のばらつきにより生じる原点ずれの発生を抑えることができる。
ここで、図８に示すように、実際の電気信号Ｂは、振幅が０かつ波形の立ち上がり部分（または立ち下がり部分）は周期２π（３６０度）の繰り返しになるが、振幅が０になるところ自体は、周期π（１８０度）の繰り返しではない。即ち、図８に示すように、例えば、電気信号Ｂの振幅が０かつ波形の立ち上がり部分（記号８４で示す）と、振幅が０かつ波形の立ち下がり部分（記号８５で示す）との間隔は、π（１８０度）より小さくなり、振幅が０かつ波形の立ち下がり部分（記号８５で示す）と、その次の振幅が０かつ波形の立ち上がり部分（記号８６で示す）との間隔は、π（１８０度）より大きくなる。しかしながら、記号８４で示す電気信号Ｂの振幅が０かつ波形の立ち上がり部分と、記号８６で示す電気信号Ｂの振幅が０かつ波形の立ち上がり部分との間隔は２π（３６０度）である。
よって、後述する（図１０の説明において示す）ように、電気信号Ａと電気信号Ｂとのうち、一方の信号の振幅０の部分の位相πごとに他方の信号を読む場合よりも、一方の信号の振幅０の部分の位相２πごとに他方の信号を読む場合の方が、ばらつき無く他方の信号を読むことができる。
上述した９０度位相がずれた２つの電気信号を利用した原点決定方法は、この第１実施形態のみではなく、本発明全てに適用できるものであり、もちろん後述する他の実施形態においても適用できるものである。
（４）評価
次に、上述したピッチ境界部２０を設けたスケールの原点位置決定評価について図２６を参照して説明する。図２６は、電気信号Ｂ＝０のときの電気信号Ａの電圧の２乗値を表すグラフである。
(1)使用したスケール
光反射部１１と光透過部１２の幅がそれぞれ１０μｍで、ピッチ境界部２０が１４μｍであるスケール。
(2)評価内容
上記スケールを使用し、光検出部１４が、ピッチ境界部２０の前からピッチ境界部を通過するまで光検出部１４とスケール１３とを相対的に移動させたときの電気信号Ａ、電気信号Ｂ、電気信号Ａと電気信号Ｂとの２乗和（Ａ２＋Ｂ２）のシミュレーションを行い、電気信号Ｂが０（立ち上がり時）のときの電気信号Ａの値を測定した。
(3)評価結果
電気信号Ａ、電気信号Ｂ、電気信号Ａと電気信号Ｂとの２乗和（Ａ２＋Ｂ２）のシミュレーション結果と、電気信号Ｂが０（立ち上がり時）のときの電気信号Ａの値を測定値とを示したグラフが図２６である。図２６の縦軸は電気信号の出力変動を示し、横軸はスケールの相対移動量（μｍ）を示す。
図２６に示すように、シミュレーション結果から得ることができる電気信号Ｂが０（立ち上がり時）のときの電気信号Ａの値と、実測値の電気信号Ｂが０（立ち上がり時）のときの電気信号Ａの値とは、ほぼ同じ値を示している。これより、シミュレーションでも十分な精度で評価できることが分かる。
また、ピッチ境界部２０の幅を、光反射部１１、光透過部１２の幅の１０μｍからわずか４μｍ増加させた１４μｍにするだけで、つまり、ピッチをわずか４μｍずらすだけで、ピッチ境界部２０において電気信号の振幅が減少することが分かった。
これにより、電気信号Ａのピッチ境界部２０前後の位相差が１８０度でなくても、あるいは電気信号Ｂのピッチ境界部２０前後の位相差が１８０度でなくても振幅において十分な極小値が表れるので、位相差が１８０度になるほどピッチをずらさなくてもこの方法を原点の決定に使用できることが分かる。
ここで、上記第１実施形態載説明において、光検出部１４がスケールで反射した光を受光する反射型エンコーダを例に挙げて説明したが、光検出部１４がスケールを透過した光を受光する透過型エンコーダにおいても同様であり、第１実施形態には透過型エンコーダも含まれるものである。即ち、透過型エンコーダにおいては、光検出部１４がスケールを間に挟んで光源と対向する位置に設置されること以外は、上記第１実施形態と同じ構成を取り、同じように作用するので説明を省略する。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態の説明においては、第１実施形態と異なる部分を説明し、第１実施形態と同じ内容については説明を省略する。
本発明の第２実施形態は、原点位置を決定、検出するための工夫においてスケール部分が第１実施形態と異なる。図面を参照して説明する。図１４は、本発明の第２実施形態のエンコーダ１４０の概略構成図である。
（１）構成
図１４に示すように、本発明の第２実施形態のエンコーダ１４０は、スケール１３の光透過部１２と光反射部１１とが形成されている面の反対側の面の一部に光を反射する部分である裏面反射部１４２を備えている。裏面反射部１４２は、発光手段１６から照射された光のうち光透過部１２を通って来た光を受光手段１７に向かって反射させる機能を有している。この裏面反射部１４２を備えていること以外は、第１の実施形態と同じ構成であるので、それ以外の構成については説明を省略する。
裏面反射部１４２は、Cr、Au、Pt、Ag、Al等の光反射率の高い金属をスケール１３に成膜することによって形成することができるが、コスト、成膜性等を考慮するとCrを用いることが好ましい。成膜方法としては、金属の成膜方法として広く行われているどんな方法でも採用することができ、例えば、蒸着、イオンプレーティング、スパッタ、メッキ、ＣＶＤ等を用いることができる。
（２）作動
次に、第２実施形態の作動について図面を参照して説明する。図１５は、第２実施形態の原点位置と原点検出原理の説明図である。図１５は、スケール１３の長手方向が図示左右方向である概略断面を示している。
図１５に示すように、スケール１３には、光反射部１１と光透過部１２とが交互に形成されている（光反射部１１と光透過部１２とが形成されている面をスケール１３の表面とする）。そして、原点部分には、スケール１３の裏面に裏面反射部１４２が形成されている。これにより、光検出部１４で得られるスケール１３からの反射光に基づくPD素子１つの電気信号を表すと波形１５０になる。
波形１５０が示すように、光反射部１１で反射された発光手段１６（光検出部１４内に含まれる）からの光が、光検出部１４で検出されて電気信号に変換されるので、光反射部１１では、波形１５０は立ち上がって極大になる。逆に光透過部１２では、発光手段１６からの光は透過してしまい反射しないので、光検出部１４は反射光を検出できず、波形１５０は、立ち下がって極小になる。
ここで、裏面反射部１４２が形成されている部分を見ると、発光手段１６からの光は、光透過部１２を透過するが、裏面反射部１４２で反射されて、また光透過部１２を通って光検出部１４に戻る。これにより、光透過部１２の波形１５０は、光検出部１４が裏面反射部１４２で反射された光を検出するので、裏面反射部１４２が無い部分よりもレベルが大きくなる。一方、裏面反射部１４２が形成されている部分の光反射部１１の波形１５０は、裏面反射部１４２が無い部分と同じである。
このように、裏面反射部１４２が形成された部分では、波形１５０が他の部分とは異なってくるので、これを利用して原点検出をすることができる。原点検出の方法について以下に説明する。
（３）原点検出
次に、第２実施形態での原点検出方法について図２７を参照して説明する。図２７は、第２実施形態における電気信号Ａと、電気信号Ａの逆位相の信号Ａ−と、電気信号ＡとＡ−との差（Ａ−Ａ−）を示すグラフである。
図１５における記号１５０のグラフが、図２７の電気信号Ａのグラフに相当する。図２７に示すように、裏面反射部１４２での電気信号Ａは、振幅方向において中心からずれていたが、電気信号ＡとＡ−との差（Ａ−Ａ−）を求めることにより振幅方向からのずれをキャンセルして、（Ａ−Ａ−）は、振幅方向において０(原点)を中心に変動する曲線になる。
また、裏面反射部１４２以外の部分の（Ａ−Ａ−）は、裏面反射部１４２での（Ａ−Ａ−）よりも振幅が大きくなる。その結果、全体として、裏面反射部１４２での（Ａ−Ａ−）の曲線は、それ以外よりも振幅の小さい部分となり識別が容易になる。これにより、第１実施形態と同様に、求められた信号（Ａ−Ａ−）と、同様にして信号Ｂから求めた信号（Ｂ−Ｂ−）との２乗和を算出するか、（Ｂ−Ｂ−）が０のときの（Ａ−Ａ−）を求める方法により原点を決定することができる。
ここで、上記第２実施形態載説明において、光検出部１４がスケールで反射した光を受光する反射型エンコーダを例に挙げて説明したが、光検出部１４がスケールを透過した光を受光する透過型エンコーダにおいても同様であり、第２実施形態には透過型エンコーダも含まれるものである。即ち、透過型エンコーダにおいては、光検出部１４がスケールを間に挟んで光源と対向する位置に設置されること以外は、上記第２実施形態と同じ構成を取り、同じように作用するので説明を省略する。
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態の説明においては、第１実施形態と異なる部分を説明し、第１実施形態と同じ内容については説明を省略する。
（１）構成
本発明の第３実施形態は、原点位置を決定、検出するための工夫においてスケール部分が第１実施形態と異なる。図面を参照して説明する。図１６は、本発明の第３実施形態のエンコーダ１６０の概略構成図である。
図１６に示すように、本発明の第３実施形態のエンコーダ１６０は、スケール１３に形成された複数の光反射部１１の一部に光の反射率が他の光反射部と異なる異光反射部１６２を備えている。この異光反射部１６２を備えていること以外は、第１の実施形態と同じ構成であるので、それ以外の構成については説明を省略する。
異光反射部１６２は、他の光反射部１１と比較して光反射率が異なれば、他の光反射部１１よりも光反射率が高くても良いし、低くても良い。このような異光反射部１６２は、例えば、他の光反射部１１とは光反射率の異なる金属を成膜することによっても形成することができるし、他の光反射部１１と同一の金属であっても成膜厚さを変えることにより反射率をコントロールして形成することもできる。
例を挙げれば、異光反射部１６２の方が他の光反射部１１よりも反射率を高くするためには、異光反射部１６２に金、銀、光源波長に合わせた誘電体多層膜等を用いて、他の光反射部１１にクロム、アルミ等を用いることができる。また、異光反射部１６２の方が他の光反射部１１よりも反射率を低くするためには、異光反射部１６２にクロム、アルミ等を用いて、他の光反射部１１に金、銀、光源波長に合わせた誘電体多層膜等を用いることができる。
また、異光反射部１６２と、他の光反射部１１との反射率を異ならせる方法としては、光反射率を低下させたい方の表面を粗くする方法がある。表面を粗くすることにより、表面で乱反射が起きるので、光検出部１４に向かって反射される光の量が少なくなり、光反射率が低下する。このように、本発明において光反射率が異なるとは、発光手段１６からの光を光検出部１４に反射させる率が異なるという意味である。
反射率を粗くする方法としては、金属の成膜条件を変える方法もあるし、成膜後の金属表面を化学的処理（エッチング等）によって粗くする方法もあるし、やすりやサンドブラスト等による物理的接触によって粗くする方法もある。
また、異光反射部１６２と、他の光反射部１１とのいずれかの表面がスケール１３の表面（光反射部１１、光透過部１２が形成されている面）と平行ではなく角度を持つことによって光反射率を変えることができる。これにより、異光反射部１６２と他の光反射部１１の使用材料、表面粗さが同じであっても、発光手段１６からの光を光検出部１４に向かって反射させる割合が異なってくる。この角度を調整することにより、反射率を高くすることもできるし、低くすることもできる。
（２）作動
次に、第３実施形態の作動について図面を参照して説明する。図１７は、第３実施形態の原点位置と原点検出原理の説明図である。図１７は、スケール１３の長手方向が図示左右方向である概略断面を示している。
図１７に示すように、第３実施形態に係るスケール１３の光反射部１１の一部は、光反射率が異なっている異光反射部１６２になっている。これにより、スケール１３と光検出部１４とが相対的に移動したとき、光反射部１１、異光反射部１６２からの反射光に基づくPD素子１つの電気信号は、記号１７０で示されるような波形になる。この波形１７０は、異光反射部１６２の光反射率が、光反射部１１の光反射率よりも低い場合の波形である。
波形１７０が示すように、光反射部１１で反射された発光手段１６からの光が、光検出部１４で検出されて電気信号に変換されるので、光反射部１１では、波形１７０は立ち上がって極大になる。逆に光透過部１２では、発光手段１６からの光は透過してしまい反射しないので、光検出部１４は反射光を検出できず、波形１７０は、立ち下がって極小になる。
ここで、異光反射部１６２が形成されている部分を見ると、発光手段１６（光検出部１４内に含まれる）からの光は、異光反射部１６２で反射されるが、反射率が光反射部１１よりも低いので、光検出部１４が受光する光量は光反射部１１のときよりも少なくなる。そのため、波形１７０は、極大値が光反射部１１のときの極大値よりも小さくなる。
このように、他の光反射部１１とは光反射率が異なっている光反射部である異光反射部１６２が形成された部分では、波形１７０が他の部分とは異なってくるので、これを利用して原点検出をすることができる。原点検出の方法について以下に説明する。
（３）原点検出
次に、第３実施形態での原点検出方法について説明する。第３実施形態での原点検出方法は、第２実施形態での原点検出方法と同じである。そのため再度、図２７を参照して説明する。図１７における記号１７０のグラフが、図２７の電気信号Ａのグラフに相当する。
ここで、図１７の記号１７０の例では、本来は、図２７において振幅が小さくなっている中央部分の信号ＡとＡ−とは、極大部分が原点（０）辺りに来るように下方にシフトしたグラフとなる。
図２７に示すように、異光反射部１６２での電気信号Ａは、振幅方向において中心からずれていたが、電気信号ＡとＡ−との差（Ａ−Ａ−）を求めることにより振幅方向からのずれをキャンセルして、（Ａ−Ａ−）は、振幅方向において０(原点)を中心に変動する曲線になる。
また、異光反射部１６２以外の部分の（Ａ−Ａ−）は、異光反射部１６２での（Ａ−Ａ−）よりも振幅が大きくなる。その結果、全体として、異光反射部１６２での（Ａ−Ａ−）の曲線は、それ以外よりも振幅の小さい部分となり識別が容易になる。これにより、第１実施形態と同様に、求められた信号（Ａ−Ａ−）と、同様にして信号Ｂから求めた信号（Ｂ−Ｂ−）との２乗和を算出するか、（Ｂ−Ｂ−）が０のときの（Ａ−Ａ−）を求める方法により原点を決定することができる。
ここで、上記第３実施形態載説明において、光検出部１４がスケールで反射した光を受光する反射型エンコーダを例に挙げて説明したが、光検出部１４がスケールを透過した光を受光する透過型エンコーダにおいても同様であり、第３実施形態には透過型エンコーダも含まれるものである。この場合、異光反射部１６２は、光の透過率が異なる性質を持つことになる。よって、透過型エンコーダにおいては、異光反射部１６２は光反射部１１と比較して光の透過率が異なる性質を持つこと、及び光検出部１４がスケールを間に挟んで光源と対向する位置に設置されること以外は、上記第３実施形態と同じ構成を取り、同じように作用するので説明を省略する。
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。第４実施形態の説明においては、第１実施形態と異なる部分を説明し、第１実施形態と同じ内容については説明を省略する。
（１）構成
本発明の第４実施形態は、原点位置を決定、検出するための工夫においてスケール部分が第１実施形態と異なる。図面を参照して説明する。図１８は、本発明の第４実施形態のエンコーダ１８０の概略構成図である。
図１８に示すように、本発明の第４実施形態のエンコーダ１８０は、スケール１３の端部に光反射部１１のみ、または光透過部１２のみが形成され、光反射部１１と光透過部１２とが交互に形成されたパターンが存在しない、パターン無し領域１８２を備えている。図１８においては、パターン無し領域１８２は、光透過部１２のみが形成されている。
スケール１３の端部に原点位置決定のためのパターン無し領域１８２を設け、スケール１３の端部以外の場所（スケール１３の中央部等）に原点位置決定のためのパターン無し領域１８２を設けない理由は、スケール１３の中央にパターン無し領域１８２を設けると、パターン無し領域１８２の前と後ろで連続した測定ができなくなるからである。パターン無し領域１８２の前側から測定を開始し、パターン無し領域１８２側に移動してパターン無し領域に入ったところを原点としても、そこから先の後ろ側は測定できない（正しくスケールパターンをカウントできない）領域になってしまうからである。
このパターン無し領域１８２は、スケール１３の両端部にあっても良いし、一方の端部のみにあっても良い。スケール１３の両端部にパターン無し領域１８２を設ける場合は、両端とも光反射部のみ、または、両端とも光透過部のみのパターン無し領域１８２であっても良いし、一方の端部が光反射部のみで、もう一方の端部が光透過部のパターン無し領域１８２であってもよい。
しかしながら、スケール１３の両端部にパターン無し領域１８２を設ける場合は、両端部のうち一方の端部が光反射部のみで、もう一方の端部が光透過部のパターン無し領域１８２を設ける方が好ましい。これにより、それぞれの端部で光検出部１４が受光する光量が異なってくるので、これを利用してスケール１３のどちらの端部に光検出部１４が位置しているかを識別できるからである。
（２）作動
次に、第４実施形態の作動について図面を参照して説明する。図１９は、第４実施形態の原点位置と原点検出原理の説明図である。図１９は、スケール１３の長手方向が図示左右方向である概略断面を示している。
図１９に示すように、第４実施形態に係るスケール１３は、その少なくとも一方の端部に光反射部１１と光透過部１２とが交互に設けられたパターンが形成されておらず、光反射部１１のみ、或いは光透過部１２のみが形成されている（図１９においては、光透過部１２のみが形成されている）。これにより、スケール１３と光検出部１４とが相対的に移動したとき、光反射部１１、光透過部１２に基づくPD素子一つの電気信号は、記号１９０で示されるような波形になる。
（３）原点検出
このパターン無し領域１８２を用いた原点検出について、図２０を参照して説明する。図２０は、PD素子アレイの説明図である。第１実施形態でも説明したように、受光手段１７を構成するPDアレイは、４つのPD素子PD1（記号３２）、PD2（記号３３）、PD3（記号３４）、PD4（記号３５）を一組とするPDのセットが、複数セット存在して構成される。一つの光反射部１１と一つの光透過部１２の組を４つのPD素子PD1、PD2、PD3、PD4で受光する。
このとき、4つの各PD素子は、PD1〜PD4にかけてそれぞれ位相が1/4ずつずれた電気信号を出力し、複数のPD素子のセットの各PDは、PD1〜PD4それぞれ同じ電気信号を出力する。つまり、各PD素子のセットの各PD1同士は同じ信号を出力し、各PD2同士は同じ信号を出力する。これは、PD3もPD4も同様である。
PD1〜PD4にかけて位相が1/4ずつずれた電気信号を出力するので、PD1とPD3は、互いに1/2即ち180度位相がずれた電気信号を出力し、PD2とPD4も同様に互いに180度位相がずれた電気信号を出力する。
このため、各PD素子のセットのPD1同士、PD2同士、PD3同士、PD4同士が接続されて電気信号が出力される。更に、位相が180度異なるPD1とPD3の電気信号の差分をとってＡとし、PD2とPD4の電気信号の差分をとってＢとして出力することができる。これにより、電気信号ＡとＢとは、位相が1/4つまり９０度ずれた信号になる。
ここで、各PD1を見ると、図面視左側から１番目、２番目（PD1のみの順番）のPD1は、光反射部１１に位置しているので、反射光を受光するが、図面視左から３番目のPD1は、パターン無し領域１８２に位置しているので反射光が受光できない。このため、スケール１３と光検出部１４の相対移動により、PDアレイの一部がパターン無し領域１８２に位置し始めると、光反射部１１に位置しているPD素子（図２０においてはPD1）の出力が小さくなる。そして、PDアレイ全体がパターン無し領域１８２に位置することにより、PD素子出力が最小になる。
よって、電気信号Ａ、電気信号Ｂは、スケール１３と光検出部１４との相対的移動により、PDアレイがパターン無し領域１８２に位置し始めることにより、振幅が小さくなり、PDアレイ全体がパターン無し領域１８２に位置することにより、振幅が最小になる。この様子を示したのが図２１である。図２１は、第４実施形態における原点領域の電気信号波形を表した図である。
図２１において、横軸はスケールと光検出部との相対的移動量（μｍ）を示し、縦軸は電気信号Ａ、電気信号Ｂ、電気信号Ａと電気信号Ｂの２乗和の出力変動を規格化して表している。このように、電気信号Ａ、電気信号Ｂは、PDアレイを含む光検出部がパターン無し領域１８２に位置し始めることにより、振幅が小さくなり、PDアレイ全体がパターン無し領域１８２に位置することにより、振幅が最小になっている。
よって、例えば、電気信号Ａと電気信号Ｂの２乗和の振幅が、所定値、或いは所定の範囲の値になることにより、その位置を原点と決めることができる。詳細な説明は、第１実施形態に説明しているので省略する。また、第１実施形態で説明したように、（図９を参照して）電気信号Ｂの振幅が０のときの電気信号Ａの値（または、電気信号Ａの振幅が０のときの電気信号Ｂの値）が、所定の値、或いは、所定の範囲の値になったときにそこを原点とすることができる。ここも詳細の説明は、第１実施形態ですでに記載されているので省略する。
（４）評価
次に、スケールの原点位置決定評価について図１０から図１３及び図８を参照して説明する。図１０は、電気信号Ｂ＝０のときの電気信号Ａの電圧の２乗値を表すグラフである。図１１は、電気信号Ｂ＝０かつ電気信号Ａが正のときの電気信号Ａの電圧を表すグラフである。図１２は、電気信号Ｂ＝０かつ電気信号Ａが正のときの電気信号Ａの電圧の２乗値を表すグラフである。図１３は、図１１と図１２のグラフを一つにしたグラフである。
(1)使用したスケール
第４実施形態のスケール
(2)評価内容
上記スケールを使用し、光検出部１４が、パターン無し領域１８２の前からパターン無し領域１８２に入るまで、光検出部１４とスケール１３とを相対的に移動させて、そのときの電気信号Ａを測定して以下のようにグラフにプロットした。
・電気信号Ｂ＝０のときの電気信号Ａの値（振幅＝電圧）の２乗値を求めた。（結果は図１０）
・電気信号Ｂ＝０、かつ、電気信号Ａが正のときに電気信号Ａの値（振幅＝電圧）を求めた。（結果は図１１）
・電気信号Ｂ＝０かつ電気信号Ａが正のときの電気信号Ａの電圧の２乗値を求めた。（結果は図１２）
(3)評価結果
電気信号Ｂ＝０のときの電気信号Ａの値（振幅＝電圧）の２乗値をプロットしたグラフを図１０に示す。図１０において、縦軸は、電気信号Ａの電圧の２乗値を表し、横軸は光検出部１４とスケール１３との相対的移動距離を表す。
また、電気信号Ｂ＝０、かつ、電気信号Ａが正のときの電気信号Ａの値（振幅＝電圧）をプロットしたグラフを図１１に示す。図１１において、縦軸は、電気信号Ａの電圧の値を表し、横軸は光検出部１４とスケール１３との相対的移動距離を表す。
また、電気信号Ｂ＝０かつ電気信号Ａが正のときの電気信号Ａの電圧の２乗値をプロットしたグラフを図１２に示す。図１２において、縦軸は、電気信号Ａの電圧の値の２乗値を表し、横軸は光検出部１４とスケール１３との相対的移動距離を表す。
また、図１３に図１１と図１２のグラフを一緒に記載したグラフを示す。
図１０〜図１３に示すように、光検出部１４がパターン無し領域１８２に達するまでは、ほぼ水平なグラフになり、光検出部１４がパターン無し領域１８２に達することにより、値が０に急激に近づいてゆき、最終的に０もしくは略０になる。
よって、例えば０もしくは０に近い値を決めて、この値になったときのスケール１３と光検出部１４との相対位置を原点とすることができる。また、このように、電気信号Ａの振幅が０の時の電気信号Ｂの値を用いて原点位置を決定することにより、図８に示すような、電気信号Ａ、電気信号Ｂの原点横軸のずれ（電気信号Ａの中心８７と電気信号Ｂの中心８８のずれ）が存在しても、電気信号Ａ、電気信号Ｂの振幅０の点の間隔が、π（１８０度）でなくても、明確に値が０に近づいてゆくので、高精度に原点位置決定をすることができる。これは、電気信号Ａと電気信号Ｂとを入れ替えて考えても同様である。
ここで、図１０と図１１、または、図１０と図１２とを比較すると図１０の方が、プロットの水平部分の変動が大きく、プロットが０に近づいてゆくときの変動も大きい。これは、図１０が電気信号Ｂ＝０のときの電気信号Ａの２乗値をプロットしているため、図８において説明したように、電気信号Ｂが０のときの間隔が必ずしもπ（１８０度）でないことの影響を受けているからだと考えられる。
これに対して、図１１、図１２とも電気信号Ｂ＝０のときで、かつ、電気信号Ａが正のときの値に基づいてプロットしているので、電気信号Ｂ＝０で電気信号Ａが正のときの間隔は２π（３６０度）となるため、変動が小さいものと考えられる。
また、図１３に示すように、電気信号Ｂ＝０、かつ、電気信号Ａが正のときの電気信号Ａの値と、その値の２乗のプロットを比較すると２乗したものの方が、立ち下がりが急峻であり、０により近づいていることが分かる。これより、電気信号Ａの値の２乗値を用いた方が原点検出には有利であると考えられる。
ここで、上記第４実施形態載説明において、光検出部１４がスケールで反射した光を受光する反射型エンコーダを例に挙げて説明したが、光検出部１４がスケールを透過した光を受光する透過型エンコーダにおいても同様であり、第４実施形態には透過型エンコーダも含まれるものである。即ち、透過型エンコーダにおいては、光検出部１４がスケールを間に挟んで光源と対向する位置に設置されること以外は、上記第４実施形態と同じ構成を取り、同じように作用するので説明を省略する。
＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態について説明する。第５実施形態の説明においては、第１実施形態と異なる部分を説明し、第１実施形態と同じ内容については説明を省略する。
（１）構成
本発明の第５実施形態は、原点位置を決定、検出するための工夫においてスケール部分が第１実施形態と異なる。図面を参照して説明する。図２２は、本発明の第５実施形態のエンコーダ２２０の概略構成図である。
図２２に示すように、本発明の第５実施形態のエンコーダ２２０は、スケール１３と光検出部１４とは、相対移動によりスケール１３の端部（つまりスケール終端２４０）を超えて移動することが可能になっている。更に詳しく説明すると、光検出部１４に含まれるPDアレイが、少なくともスケール１３の終端をまたいで位置するように、より好ましくは、スケール１３の終端を完全に超えて位置することができるように、光検出部１４とスケール１３とが構成されている。
原点検出部は、光検出部１４に含まれるPDアレイの少なくとも一部がスケール１３の終端を超えた所に位置したときに光検出部１４から出力される電気信号に基づいて原点を検出する。
（２）作動
次に、第５実施形態の作動について図面を参照して説明する。図２３は、第５実施形態の原点位置と原点検出原理の説明図である。図２３は、スケール１３の長手方向が図示左右方向である概略断面を示している。
図２３に示すように、スケール１３と光検出部１４とが相対的に移動したとき、光反射部１１、光透過部１２に基づくPD素子一つの電気信号は、記号２３０で示されるような波形になる。即ち、PD素子が光反射部１１に位置するときは、光反射部１１からの反射光を受光して波形が極大になり、光透過部１２に位置するときは反射光を受光できないので波形が極小になる。
光検出部１４の少なくとも一部が、スケール１３の終端を超えたとき、スケール１３のスケール終端２４０を超えた所に位置するPDは、反射光を受光できないので波形の振幅が最小になる。
（３）原点検出
このスケール１３の終端を用いた原点検出について、図２４を参照して説明する。図２４は、PD素子アレイと原点検出の説明図である。第１実施形態でも説明したように、受光手段１７を構成するPDアレイは、４つのPD素子PD1（記号３２）、PD2（記号３３）、PD3（記号３４）、PD4（記号３５）を一組とするPDのセットが、複数セット存在して構成される。一つの光反射部１１と一つの光透過部１２の組を４つのPD素子PD1、PD2、PD3、PD4で受光する。
このとき、4つの各PD素子は、PD1〜PD4にかけてそれぞれ位相が1/4ずつずれた電気信号を出力し、複数のPD素子のセットの各PDは、PD1〜PD4それぞれ同じ電気信号を出力する。つまり、各PD素子のセットの各PD1同士は同じ信号を出力し、各PD2同士は同じ信号を出力する。これは、PD3もPD4も同様である。
PD1〜PD4にかけて位相が1/4ずつずれた電気信号を出力するので、PD1とPD3は、互いに1/2即ち180度位相がずれた電気信号を出力し、PD2とPD4も同様に互いに180度位相がずれた電気信号を出力する。
このため、各PD素子のセットのPD1同士、PD2同士、PD3同士、PD4同士が接続されて電気信号が出力される。更に、位相が180度異なるPD1とPD3の電気信号の差分をとってＡとし、PD2とPD4の電気信号の差分をとってＢとして出力することができる。これにより、電気信号ＡとＢとは、位相が1/4つまり９０度ずれた信号になる。
ここで、各PD1を見ると、図面視左側から１番目、２番目（PD1のみの順番）のPD1は、光反射部１１に位置しているので、反射光を受光するが、図面視左から３番目のPD1は、スケール終端２４０を過ぎた位置、即ち、スケールが存在しない場所に位置しているので反射光が受光できない。このため、スケール１３と光検出部１４の相対移動により、PDアレイの一部がスケール終端２４０を過ぎた位置（スケールが存在しない位置）に位置し始めると、光反射部１１に位置しているPD素子（図２０においてはPD1）の出力が小さくなる。そして、PDアレイ全体がスケール終端２４０を過ぎた場所に位置することにより、PD素子出力が最小になる。
よって、電気信号Ａ、電気信号Ｂは、スケール１３と光検出部１４との相対的移動により、PDアレイがスケール終端２４０を過ぎた場所に位置し始めることにより、振幅が小さくなり、PDアレイ全体がスケール終端２４０を過ぎた場所に位置することにより、振幅が最小になる。この様子を示したのが図２５である。図２５は、第５実施形態における原点領域の電気信号波形を表した図である。
図２５において、横軸はスケールと光検出部との相対的移動量（μｍ）を示し、縦軸は電気信号Ａ、電気信号Ｂ、電気信号Ａと電気信号Ｂの２乗和の出力変動を規格化して表している。このように、電気信号Ａ、電気信号Ｂは、PDアレイを含む光検出部がスケール終端２４０を過ぎた場所に位置し始めることにより、振幅が小さくなり、PDアレイ全体がスケール終端２４０を過ぎた場所に位置することにより、振幅が最小になっている。
よって、例えば、電気信号Ａと電気信号Ｂの２乗和の振幅が、所定の値、或いは所定の範囲の値になることにより、その位置を原点と決めることができる。詳細の説明は、第１実施形態に説明しているので省略する。また、第１実施形態で説明したように、（図９を参照して）電気信号Ｂの振幅が０のときの電気信号Ａの値（または、電気信号Ａの振幅が０のときの電気信号Ｂの値）が、所定の値、或いは、所定の範囲の値になったときにそこを原点とすることができる。ここも詳細の説明は、第１実施形態ですでに記載されているので省略する。


ここで、上記第５実施形態載説明において、光検出部１４がスケールで反射した光を受光する反射型エンコーダを例に挙げて説明したが、光検出部１４がスケールを透過した光を受光する透過型エンコーダにおいても同様であり、第５実施形態には透過型エンコーダも含まれるものである。即ち、透過型エンコーダにおいては、光検出部１４がスケールを間に挟んで光源と対向する位置に設置されること以外は、上記第５実施形態と同じ構成を取り、同じように作用するので説明を省略する。
１０…エンコーダ、１１…光反射部、１２…光透過部、１３…スケール、１４…光検出部、１５…原点検出部、１６…発光手段、１７…受光手段、２０…ピッチ境界部、２２…波形、２４…波形、３０…明部、３１…暗部、３２…PD1、３３…PD2、３４…PD3、３５…PD4、４０…波形、４１…波形、４２…波形、４３…波形、５０…PD素子群、５１…PD素子群、８０…電気信号Ａ、８２…電気信号Ｂ、８４…波形の立ち上がり部分、８５…波形の立ち下がり部分、８６…波形の立ち上がり部分、８７…電気信号Ａの中心、８８…電気信号Ｂの中心、１４０…エンコーダ、１４２…裏面反射部、１５０…波形、１６０…エンコーダ、１６２…異光反射部、１７０…波形、１８０…エンコーダ、１８２…パターン無し領域、１９０…波形、２２０…エンコーダ、２３０…波形、２４０…スケール終端

Claims (5)

  1. 光反射部と光透過部とが交互に連続して配置されたスケールと、前記スケールに対して相対的に移動可能な光検出部と、前記スケールの原点を検出する原点検出部と、を有するエンコーダであって、
    前記光検出部は、
    前記スケールに光を照射する発光手段と、
    前記発光手段から照射した光のうち、前記スケールで反射して戻った光、または、前記スケールを透過した光を受光し電気信号に変換して出力する受光手段と、を備え、
    前記スケールは、前記光反射部と前記光透過部の並びのピッチが変更された領域と、前記並びのピッチが変更される境界であるピッチ境界部と、を有し、
    前記原点検出部は、前記光検出部が前記ピッチ境界部からの反射光または透過光に由来して出力した電気信号に基づいて原点位置を検出するエンコーダであり、
    前記スケールが、前記光検出部に対して相対的に移動する方向の、前記光反射部と前記光透過部のペア１つの長さを１周期としたとき、前記原点検出部は、前記ペアからの光の反射または前記ペアでの光透過に基づいて前記光検出部が出力する９０度位相の異なる２つの電気信号のうちの一方の電気信号の振幅が０のときの他方の電気信号の振幅に基づいて原点位置を検出するエンコーダ。
  2. 光反射部と光透過部とが交互に連続して配置されたスケールと、前記スケールに対して相対的に移動可能な光検出部と、前記スケールの原点を検出する原点検出部と、を有するエンコーダであって、
    前記光検出部は、
    前記スケールに光を照射する発光手段と、
    前記発光手段から照射した光のうち、前記スケールで反射して戻った光、または、前記スケールを透過した光を受光し電気信号に変換して出力する受光手段と、を備え、
    前記スケールは、前記光反射部が形成されている面とは反対側の面の一部に光を反射する部分である裏面反射部を有し、
    前記原点検出部は、前記光検出部が前記裏面反射部からの反射光または前記裏面反射部での透過光に由来して出力した電気信号に基づいて原点位置を検出するエンコーダであり、
    前記スケールが、前記光検出部に対して相対的に移動する方向の、前記光反射部と前記光透過部のペア１つの長さを１周期としたとき、前記原点検出部は、前記ペアからの光の反射または前記ペアでの光透過に基づいて前記光検出部が出力する９０度位相の異なる２つの電気信号のうちの一方の電気信号の振幅が０のときの他方の電気信号の振幅に基づいて原点位置を検出するエンコーダ。
  3. 光反射部と光透過部とが交互に連続して配置されたスケールと、前記スケールに対して相対的に移動可能な光検出部と、前記スケールの原点を検出する原点検出部と、を有するエンコーダであって、
    前記光検出部は、
    前記スケールに光を照射する発光手段と、
    前記発光手段から照射した光のうち、前記スケールで反射して戻った光、または、前記スケールを透過した光を受光し電気信号に変換して出力する受光手段と、を備え、
    前記スケールは、複数の前記光反射部のうちの一部に光の反射率の異なる光反射部を含み、
    前記原点検出部は、前記光検出部が前記光の反射率の異なる光反射部からの反射光または、前記光の反射率の異なる光反射部の透過光に由来して出力した電気信号に基づいて原点位置を検出するエンコーダであり、
    前記スケールが、前記光検出部に対して相対的に移動する方向の、前記光反射部と前記光透過部のペア１つの長さを１周期としたとき、前記原点検出部は、前記ペアからの光の反射または前記ペアでの光透過に基づいて前記光検出部が出力する９０度位相の異なる２つの電気信号のうちの一方の電気信号の振幅が０のときの他方の電気信号の振幅に基づいて原点位置を検出するエンコーダ。
  4. 光反射部と光透過部とが交互に連続して配置されたスケールと、前記スケールに対して相対的に移動可能な光検出部と、前記スケールの原点を検出する原点検出部と、を有するエンコーダであって、
    前記光検出部は、
    前記スケールに光を照射する発光手段と、
    前記発光手段から照射した光のうち、前記スケールで反射して戻った光、または、前記スケールを透過した光を受光し電気信号に変換して出力する受光手段と、を備え、
    前記スケールは、前記光検出部との相対的な移動方向の端部に光反射部のみまたは光透過部のみが形成されたパターン無し領域を有し、
    前記原点検出部は、前記光検出部が前記パターン無し領域からの反射光または前記パターン無し領域の透過光に由来して出力した電気信号に基づいて原点位置を検出するエンコーダであり、
    前記スケールが、前記光検出部に対して相対的に移動する方向の、前記光反射部と前記光透過部のペア１つの長さを１周期としたとき、前記原点検出部は、前記ペアからの光の反射または前記ペアでの光透過に基づいて前記光検出部が出力する９０度位相の異なる２つの電気信号のうちの一方の電気信号の振幅が０のときの他方の電気信号の振幅に基づいて原点位置を検出するエンコーダ。
  5. 光反射部と光透過部とが交互に連続して配置されたスケールと、前記スケールに対して相対的に移動可能な光検出部と、前記スケールの原点を検出する原点検出部と、を有するエンコーダであって、
    前記光検出部は、
    前記スケールに光を照射する発光手段と、
    前記発光手段から照射した光のうち、前記スケールで反射して戻った光、または、前記スケールを透過した光を受光し電気信号に変換して出力する受光手段と、を備え、
    前記原点検出部は、前記光検出部が前記スケールの前記光検出部との相対的な移動方向の終端より先に位置したときに、前記光検出部が出力した電気信号に基づいて原点を検出するエンコーダであり、
    前記スケールが、前記光検出部に対して相対的に移動する方向の、前記光反射部と前記光透過部のペア１つの長さを１周期としたとき、前記原点検出部は、前記ペアからの光の反射または前記ペアでの光透過に基づいて前記光検出部が出力する９０度位相の異なる２つの電気信号のうちの一方の電気信号の振幅が０のときの他方の電気信号の振幅に基づいて原点位置を検出するエンコーダ。
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