(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ周期パターンを含む第１のトラックおよび第２のトラックが設けられたスケールと、
該スケールとの相対移動が可能であり、前記各周期パターンを読み取って該周期パターンに応じた周期を有する周期信号を出力するセンサと、
前記周期信号を用いて前記スケールと前記センサとの相対移動方向での位置を算出する処理部とを有し、
前記第１のトラックは、互いに周期が異なる第１の周期パターンおよび第２の周期パターンを含み、前記第２のトラックは、前記第２の周期パターンの周期とは異なり、かつ前記第１の周期パターンの周期の整数倍または整数分の一倍の周期を有する第３の周期パターンを含んでおり、
前記処理部は、前記第１の周期パターン、前記第２の周期パターンおよび前記第３の周期パターンのそれぞれに対応する周期信号をすべて用いて、前記センサからの前記第１の周期パターンに対応する周期信号の位相と前記第３の周期パターンに対応する周期信号の位相との差に基づいて、前記第１および第２のトラックと前記センサとの相対変位による前記センサの読み取り誤差を補正した前記位置を算出することを特徴とする位置検出エンコーダ。
【請求項２】
前記処理部が算出する前記相対移動方向での位置は、前記センサからの前記第１の周期パターンに対応する周期信号の位相と前記第３の周期パターンに対応する周期信号の位相との差を用いて、前記第１および第２のトラックに対応して前記センサが出力する前記周期信号を補正した修正周期信号に基づいて算出された位置であることを特徴とする請求項１に記載の位置検出エンコーダ。
【請求項３】
前記相対変位は、前記スケールと前記センサとの前記相対移動方向とは異なる方向での相対的な位置ずれ又は前記スケールの変形により生ずることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出エンコーダ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の位置検出エンコーダと、
該位置検出エンコーダを用いて位置が検出される可動部材とを有することを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学機器等の各種装置に用いられて、該装置内の可動部材の移動に応じたスケールとセンサとの相対移動に伴って該可動部材の位置を示す信号を出力する位置検出エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
可動部材の位置や速度を検出するために使用されるエンコーダは、周期パターンが設けられたスケールと、該スケールとの相対移動に伴い、周期パターンに応じて周期的に変化する周期信号を出力するセンサとにより構成される。エンコーダには、例えば１つの周期パターンから互いに位相が異なる２つの周期信号（２相信号）を生成し、それら２相信号の周期数と位相とからスケールとセンサとの相対位置を検出するインクリメンタル型エンコーダがある。また、エンコーダには、例えば互いに周期が異なる２つの周期パターンから２組の２相信号を生成し、一方の組の２相信号の位相と他方の組の２相信号の位相との差（位相差）からスケール又はセンサの絶対位置を検出するアブソリュート型エンコーダもある。
【０００３】
アブソリュート型エンコーダには、インクリメンタル型エンコーダに必要な電源投入時等の位置検出開始前での位置検出用原点の検出動作が不要であるというメリットがある。
【０００４】
また、エンコーダには、特許文献１に開示されているように、バーニア方式と称される角度検出方式が採用されているものがある。バーニア方式のエンコーダでは、互いに周期が異なる周期パターンが形成された複数のトラックを有するスケールが用いられる。そして、それぞれのトラックから検出される互いに周期が異なる複数の周期信号間の位相差を演算することで、元の各周期信号の周期とは異なる周期を有する周期信号（バーニア信号）を得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１３３２８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようにスケール上の複数の位置に設けられた周期パターンを読み取って位相差演算を行うバーニア方式エンコーダでは、スケールの変形やこれを保持する部材に対する取付け誤差によって、複数の周期信号の相対位相が変化し、該周期信号間の位相差に誤差が発生する。この結果、バーニア信号の精度が低下して、高精度な位置検出を行えなくなる。
【０００７】
本発明は、スケールの変形や取り付け誤差等の誤差要因があっても高精度な位置検出を行えるようにした位置検出エンコーダを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての位置検出エンコーダは、それぞれ周期パターンを含む第１のトラックおよび第２のトラックが設けられたスケールと、該スケールとの相対移動が可能であり、各周期パターンを読み取って該周期パターンに応じた周期を有する周期信号を出力するセンサと、周期信号を用いてスケールとセンサとの相対移動方向での位置を算出する処理部とを有する。第１のトラックは、互いに周期が異なる第１の周期パターンおよび第２の周期パターンを含み、第２のトラックは、第２の周期パターンの周期とは異なり、かつ第１の周期パターンの周期の整数倍または整数分の一倍の周期を有する第３の周期パターンを含む。そして、処理部は、第１の周期パターン、第２の周期パターンおよび第３の周期パターンのそれぞれに対応する周期信号をすべて用いて、センサからの第１の周期パターンに対応する周期信号の位相と第３の周期パターンに対応する周期信号の位相との差に基づいて、第１および第２のトラックとセンサとの相対変位によるセンサの読み取り誤差を補正した位置を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、例えばスケールとセンサとの相対移動方向とは異なる方向での相対的な位置ずれやスケールの変形によって生ずる、第１および第２のトラックに対するセンサの変位誤差を良好に補正した位置を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１である位置検出エンコーダの構成を示すブロック図。
【図２】実施例１のエンコーダにおけるスケールを示す図。
【図３】実施例１のエンコーダにおける受光素子と出力との組み合わせを示す図。
【図４】実施例１のエンコーダにおけるスケールとセンサとの位置関係を示す図。
【図５】実施例１のエンコーダにおける位置と位相との関係を示す図。
【図６】実施例１のエンコーダにおける位置と変数との関係を示す図。
【図７】本発明の実施例２である撮像装置の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１には、本発明の実施例１である位置検出エンコーダ（以下、単にエンコーダという）の構成を示している。エンコーダ１は、スケール１０、センサ２０および信号処理部３０により構成されており、スケール１０とセンサ２０との相対位置を検出する反射型の光学式アブソリュートエンコーダである。
【００１３】
スケール１０は、光学機器等の各種装置（以下、上位装置という）内に設けられた可動部材である位置検出対象部材に取り付けられている。また、センサ２０は、当該装置内の筐体等の不動の固定部材に取り付けられている。すなわち、本実施例のエンコーダは、スケール１０がセンサ２０に対して移動することでセンサ２０から該移動の量（つまりは位置）を示す信号が出力される。ただし、センサ２０を位置検出対象部材に取り付け、スケール１０を固定部材に取り付けて、センサ２０がスケール１０に対して移動することでセンサ２０から上記信号が出力されるようにしてもよい。このように、エンコーダでは、スケール１０とセンサ２０とが相対移動すればよい。また、本実施例では、リニア型エンコーダについて説明するが、本実施例にて説明する構成をロータリ型エンコータに適用することも可能である。
【００１４】
該エンコーダが搭載された上記装置のシステム（図示せず）から位置検出要求としての位置検出リクエスト信号が信号処理部３０に入力されると、信号処理部３０は、センサ２０からの信号を受けて位置検出処理を行う。そして、信号処理部３０は、位置検出処理により得られた可動部材の絶対位置の情報を装置のシステムに出力する。
【００１５】
図２には、スケール１０を示している。以下の説明において、スケール１０のうち該スケール１０とセンサ２０との相対移動方向（図２中のＸ方向でありスケール１０の長手方向）を位置検出方向といい、該位置検出方向に直交する方向（図２中のＹ方向）をスケール幅方向という。前述の相対移動方向（位置検出方向）とは、センサに対してスケールを移動させる方向（相対移動させる方向）であり、意図して駆動力を働かせる方向である。
【００１６】
スケール１０には、それぞれ複数の周期パターンを含む第１のトラック１１と第２のトラック１２とがスケール幅方向に並んで設けられている。各周期パターンは、位置検出方向に一定の周期（ピッチ）で交互に配置された反射部（図２中の黒色部分）と非反射部（図２中の白抜き部分）とを有する。
【００１７】
各トラックには、互いに周期が異なる３種類の周期パターンがスケール幅方向に循環的に配置されている。具体的には、第１のトラック１１には、周期Ｐ１１，Ｐ２１，Ｐ４１（Ｐ１１＜Ｐ２１＜Ｐ４１）の周期パターンが、スケール幅方向における第１および第２のトラック１２の境界側から外側に向かってこの順で循環的に設けられている。また、第２のトラック１２には、周期Ｐ１２，Ｐ２２，Ｐ４２（Ｐ１２＜Ｐ２２＜Ｐ４２）の周期パターンが、スケール幅方向における上記境界側から外側に向かってこの順で循環的に設けられている。以下の説明において、周期Ｐ１１，Ｐ２１，Ｐ４１，Ｐ１２，Ｐ２２，Ｐ４２の周期パターンをそれぞれ、Ｐ１１パターン、Ｐ２１パターン、Ｐ４１パターン、Ｐ１２パターン、Ｐ２２パターンおよびＰ４２パターンという。また、周期Ｐ１１〜Ｐ４２を、パターン周期ともいう。
【００１８】
本実施例において、第１のトラック１１の位置検出方向での全長（以下、トラック全長という）におけるＰ１１、Ｐ２１およびＰ４１パターンの周期数（反射部の数）はそれぞれ、４００１，２０００，９９８である。また、第２のトラック１２のトラック全長において、Ｐ１２、Ｐ２２およびＰ４２パターンの周期数はそれぞれ、３９８３，２０００，９０８である。このように、Ｐ２１パターンとＰ２２パターンの周期数は互いに等しく、周期Ｐ２１と周期Ｐ２２も互いに等しい。すなわち、Ｐ２２パターンの周期は、Ｐ２１パターンの周期の整数倍としての１倍に設定されている。
【００１９】
また、Ｐ１１パターンの周期数とＰ１２パターンの周期数は、Ｐ２１パターンの周期数の約２倍（周期は約１／２倍）に設定されている。さらに、Ｐ４１パターンの周期数とＰ４２パターンの周期数は、Ｐ２１パターンの周期数の約１／２倍（周期は約２倍）に設定されている。
【００２０】
本実施例では、第１のトラック１１におけるＰ２１パターンが第１の周期パターンに相当し、Ｐ１１およびＰ４１パターンが第２の周期パターンに相当する。また、第２のトラック１２におけるＰ２２パターンが第３の周期パターンに相当する。なお、上述した各周期パターンの周期数や周期は例に過ぎず、他の周期数や周期を用いてもよい。
【００２１】
第１のトラック１１中のＰ２１パターンと第２のトラック１２中のＰ２２パターンは、位置検出方向における任意の位置で同一のパターンとなっている。
【００２２】
センサ２０において、ＬＥＤ等により構成された光源２３と、それぞれ複数の受光素子（光電変換素子）を含む受光部２１，２２とが同一平面上に配置されている。光源２３から第１のトラック１１に向けて照射された光は、Ｐ１１、Ｐ２１およびＰ４１パターンの反射部で反射されて受光部２１で受光される。また、光源２３から第２のトラック１２に向けて照射された光は、Ｐ１２、Ｐ２２およびＰ４２パターンの反射部で反射されて受光部２２で受光される。
【００２３】
各受光部において、複数の受光素子は位置検出方向に一定のピッチで配置されている。スケール１０とセンサ２０が相対移動すると、該相対移動に応じて各受光素子で受光する各パターンからの反射光の強度が変化する。これにより、反射光を光電変換した各受光部からは、読み取り周期信号としての２相の擬似正弦波信号（以下、単に２相信号という）が出力される。
【００２４】
センサ２０は、上位装置のシステムからの検出周期切り替え信号に応じて、各受光部における複数の受光素子のうちその出力を２相信号の生成に用いる受光素子のピッチ（以下、検出周期という）を、Ｐ１０，Ｐ２０，Ｐ４０の間で切り替えることができる。:検出周期Ｐ１０，Ｐ２０，Ｐ４０の比は、１：２：４となっており、検出周期Ｐ１０はパターン周期Ｐ１１，Ｐ１２とほぼ等しく、検出周期Ｐ２０はパターン周期Ｐ２１，Ｐ２２とほぼ等しい。また、検出周期Ｐ４０は、パターン周期Ｐ４１，Ｐ４２とほぼ等しい。さらに、各受光部に設けられた個々の受光素子の位置検出方向での幅は、Ｐ１０／２である。
【００２５】
本実施例では、センサ２０において光源２３と受光部２１，２２とが同一平面上に配置された反射光学系であるため、光源２３から各トラックに照射されて該トラックにて反射して各受光部に投影される周期パターンの像は、該周期パターンの２倍に拡大される。したがって、受光部での位置検出方向でのＰ１０／２の幅は、各トラック上ではＰ１０／４に相当する。
【００２６】
本実施例では、受光素子の出力を、Ａ（＋），Ｂ（＋），Ａ（−），Ｂ（−）の４種類に分け、
Ａ＝Ａ（＋）−Ａ（−）
Ｂ＝Ｂ（＋）−Ｂ（−）
を用いることで２つの２相信号（Ａ相信号およびＢ相信号）を出力する。
【００２７】
ここで、各受光部において検出周期Ｐ１０で周期パターンを読み取る際における複数の受光素子の関係を図３（Ａ）に示す。検出周期Ｐ１０で周期パターンを読み取る場合に互いに直交する２相信号を生成するには、位置検出方向にＰ１０／２だけずれた位置の受光量を光電変換して出力すればよい。このため、図３（Ａ）に示すように、１つの受光素子ごとにその出力をＡ（＋），Ｂ（＋），Ａ（−），Ｂ（−）に設定する。同様に、検出周期Ｐ２０，Ｐ４０で周期パターンを読み取る場合にはそれぞれ、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）に示すように、２つの受光素子ごとおよび４つの受光素子ごとにその出力をＡ（＋），Ｂ（＋），Ａ（−），Ｂ（−）とする。このように受光素子の出力を設定することで、各検出周期において２相信号を生成することができる。
【００２８】
また、センサ２０は、受光部上における受光強度に対応する２相信号を出力するため、センサ２０の検出周期とスケール１０に設けられた周期パターンの周期とが多少ずれていても、センサ２０からは、スケール１０に設けられた周期パターンに対応する周期の周期信号が出力される。したがって、センサ２０の検出周期がＰ１０のとき、受光部２１からは周期Ｐ１１の２相信号が出力され、受光部２２からは周期Ｐ１２の２相信号が出力される。
【００２９】
センサ２０の検出周期がＰ２０またはＰ４０である場合にも、同様にそれぞれの検出周期に対応する２相信号が各受光部から出力される。
【００３０】
また、図２には、点線によって、受光部２１，２２がそれぞれ第１および第２のトラック１１，１２にて周期パターンを読み取る読み取り領域１３，１４を示す。読み取り領域１３，１４はそれぞれ、第１および第２のトラック１１，１２における光源２３からの光が照射された範囲のうちそこで反射した光が受光部２１，２２にて受光される領域である。第１のトラック１１上の読み取り領域１３は、スケール幅方向に配置された互いに周期が異なる３種類の周期パターン（Ｐ１１パターン、Ｐ２１パターンおよびＰ４１パターン）を含む。また、第２のトラック１２上の読み取り領域１４は、スケール幅方向に配置された互いに周期が異なる３種類の周期パターン（Ｐ１２パターン、Ｐ２２パターンおよびＰ４２パターン）を含む。したがって、各受光部にて読み取る（光電変換する）ことができる３種類の周期パターンの位相は互いに同期して変化する。
【００３１】
なお、第１および第２のトラック１１，１２上の読み取り領域１３，１４のスケール幅方向での中心間距離を、図２に示すように、Ｄと定義する。
【００３２】
信号処理部３０は、ＡＤコンバータ３１、位相検出処理部３２および位置検出処理部３３により構成されており、センサ２０から出力された２相信号を用いて位置検出処理を行う。
【００３３】
信号処理部３０にて行われる位置検出処理について説明する。まず、信号処理部３０は、上位装置から入力された検出周期切り替え信号に応じて、センサ２０の検出周期をＰ４０に設定する。これにより、センサ２０から、第１および第２のトラック１１，１２のＰ４１パターンおよびＰ４２パターンに対応する２組の２相信号が出力される。位相検出処理部３２は、ＡＤコンバータ３１によってデジタル信号に変換された該２組の２相信号（以下、Ｐ４１信号およびＰ４２信号という）を同時にサンプリングする。
【００３４】
次に、信号処理部３０は、上位装置から入力された検出周期切り替え信号に応じて、センサ２０の検出周期をＰ２０に設定する。これにより、センサ２０から、第１および第２のトラック１１，１２のＰ２１パターンおよびＰ２２パターンに対応する２組の２相信号が出力される。位相検出処理部３２は、ＡＤコンバータ３１によってデジタル信号に変換された該２組の２相信号（以下、Ｐ２１信号およびＰ２２信号という）を同時にサンプリングする。
【００３５】
さらに、信号処理部３０は、上位装置から入力された検出周期切り替え信号に応じて、センサ２０の検出周期をＰ１０に設定する。これにより、センサ２０から、第１および第２のトラック１１，１２のＰ１１パターンおよびＰ１２パターンに対応する２組の２相信号が出力される。位相検出処理部３２は、ＡＤコンバータ３１によってデジタル信号に変換された該２組の２相信号（以下、Ｐ１１信号およびＰ１２信号という）を同時にサンプリングする。
【００３６】
こうして２つのトラック１１，１２の読み取りによって６組の２相信号を得ることができる。各２相信号は、位相をθとすると、ｓｉｎθおよびｃｏｓθとして表される信号であるため、これらに対してａｒｃｔａｎ演算を行うことにより、位相θ（０≦θ＜２π）を求めることができる。そこで、位相検出処理部３２は、上記６組の２相信号のそれぞれに対してａｒｃｔａｎ演算を行い、該６組の２相信号の位相（６つの位相）を求める。以下の説明において、Ｐ１１信号およびＰ１２信号の位相をそれぞれ、θＰ１１およびθＰ１２と表し、Ｐ２１信号およびＰ２２信号の位相をそれぞれ、θＰ２１およびθＰ２２と表す。また、Ｐ４１信号およびＰ４２信号の位相をそれぞれ、θＰ４１およびθＰ４２と表す。
【００３７】
位置検出処理部３３は、上記６つの位相から、スケール１０とセンサ２０との相対移動方向（位置検出方向）での位置を求める。
【００３８】
第１のトラック１１におけるＰ２１パターンと第２のトラック１２におけるＰ２２パターンとは、位置検出方向における任意の位置で同一のパターンである。したがって、図４（Ａ）に示すように、スケール１０とセンサ２０が理想的な位置関係にあるときは、スケール１０上における２つの受光部２１，２２の読み取り範囲１３，１４の位置検出方向での位置（位置検出方向での読み取り位置）が同じとなる。このため、θＰ２１とθＰ２２は同じ値となる。
【００３９】
しかし、図４（Ｂ）に示すように、センサ２０がスケール１０に対して位置検出方向およびスケール幅方向に直交する軸（Ｚ軸）回りで回転している（傾いている）と、スケール１０上での２つの受光部２１，２２の位置検出方向での読み取り位置が互いに異なる。このため、θＰ２１とθＰ２２の値が同じにならない。つまり、θＰ２１とθＰ２２が互いに差を持つ。
【００４０】
さらに、図４（Ｃ）に示すように、スケール１０に変形が生じた場合に、スケール１０上の第１および第２のトラック１１，１２と２つの受光部２１，２２との位置関係が互いに異なってしまうため、θＰ２１とθＰ２２が互いに差を持つ。
【００４１】
このようなスケール１０とセンサ２０との位置検出方向（相対移動方向）とは異なる方向での相対的な位置ずれ（特に、傾き）又はスケール１０の変形により、スケール１０とセンサ２０との相対変位が生じ、これに伴うセンサ２０の読み取り誤差（読み取り位置誤差）が生ずる。
【００４２】
ここにいう相対変位のうち相対的な位置ずれ（特に傾き）とは、センサが、センサ面（センサの受光面）内にてスケールに対して回転方向にずれて（傾いて）いたり、スケールがスケール面内にてセンサに対して回転方向にずれて（傾いて）いたりすることを指す。また、ここにいう読み取り誤差とは、例えば、センサの画素が一次元的に配列されている場合においては、その画素の配列方向とスケールのパターンの配列方向（周期方向）とが傾いていること（相対変位していること）に起因する誤差のことである。さらに、読み取り誤差は、センサがスケール上の読み取るべき位置とは異なる位置を読み取っていたり、読み取るべきパターンとは異なるパターンを読み取っていたりするという誤差である。
【００４３】
そこで、位置検出処理部３３は、θＰ２１とθＰ２２との間の差に基づいて、スケール１０上での２つの受光部２１，２２の読み取り位置の差を求め、該読み取り位置の差に応じて上記６つの位相のうち誤差を含む位相を補正（補償）する。このことは、第１および第２のトラック１１，１２とセンサ２０（受光部２１，２２）との相対変位によるセンサ２０の読み取り誤差を補正した最終的な検出位置を算出することになる。言い換えれば、位置検出処理部３３が算出する相対移動方向での位置は、センサ２０からの第１の周期パターンに対応する周期信号の位相と第３の周期パターンに対応する周期信号の位相との差を用いて算出される。具体的には、第１および第２のトラックに対応してセンサ２０が出力する周期信号を、上記差を用いて補正した修正周期信号に基づいて算出される。
【００４４】
なお、図４（Ｃ）に示す場合では、スケール幅方向におけるスケール１０とセンサ２０との相対的な位置ずれによってもθＰ２１とθＰ２２に差が生じるが、本実施例ではこの差によって生ずる誤差についても補正できる。さらに、図４（Ｄ）には、スケール１０が位置検出方向に対してＺ軸回りでθsだけ回転している（傾いている）場合を示している。この場合は、図４（Ｂ）に示す場合と同様に、スケール１０上での２つの受光部２１，２２の位置検出方向での読み取り位置が互いに異なるため、θＰ２１とθＰ２２が互いに差を持つ。しかも、スケール１０の傾きによって位置検出方向に誤差が発生するが、この誤差も補正可能である。この補正処理に関しては、本実施例の最後に説明する。
【００４５】
スケール１０上での受光部２１，２２の読み取り位置の差を求めるために、まず、位置検出処理部３３は、θＰ２１とθＰ２２との差に相当する位相誤差を求める。本実施例において検出可能なθＰ２１とθＰ２２との位相関係は４種類存在する。特にスケール１０とセンサ２０の相対位置関係が図４（Ｂ）に示すようにセンサ２０がスケール１０に対して回転して傾きを有する場合、θＰ２１とθＰ２２の位相関係は、位置関係も含めて図５（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示す４種類存在する。図５（ａ）〜（ｄ）において、ｔ１とｔ２はそれぞれ、Ｐ２１パターンおよびＰ２２パターン（以下、これらをまとめてＰ２１／Ｐ２２パターンという）上での受光部２１，２２の位置検出方向での読み取り位置を示す。ｔ１とｔ２との差は、周期Ｐ２１の半分を超えないものとする。
【００４６】
図５（ａ）はθＰ２１＞θＰ２２かつｔ１＜ｔ２の場合を示しており、図５（ｂ）はθＰ２１＞θＰ２２かつｔ１＞ｔ２の場合を示している。図５（ｃ）はθＰ２１＜θＰ２２かつｔ１＜ｔ２の場合を示しており、図５（ｄ）はθＰ２１＜θＰ２２かつｔ１＞ｔ２の場合を示している。
【００４７】
位相は２相信号に対してａｒｃｔａｎ演算を行って得られるため、スケール１０とセンサ２０とがＰ２１／Ｐ２２パターンの１周期分相対移動すると、位相は０から２πまで連続的に変化する。そして、スケール１０とセンサ２０とがさらに相対移動してＰ２１／２２パターンにおける次の１周期に入ると、位相は０に戻る。
【００４８】
図５（ａ）に示す場合は、Ｐ２１／Ｐ２２パターンにおける読み取り位置ｔ１と読み取り位置ｔ２に対応する周期が異なり、ｔ１とｔ２との差はＰ２１／Ｐ２２パターンの半周期よりも小さく、またＰ２１／Ｐ２２パターンの境界で位相が２πだけ変化する。このため、θＰ２１−θＰ２２＞πである。
【００４９】
同様に考えると、図５（ｂ）に示す場合は、読み取り位置ｔ１と読み取り位置ｔ２とがＰ２１／Ｐ２２パターンにおける同じ周期にある。このため、θＰ２１−θＰ２２＜πである。
【００５０】
図５（ｃ），（ｄ）についても同様に考えると、式（１）にて示すように、４種類の位相関係のそれぞれについて場合分けをして位相誤差ｅが求められる。ただし、位相誤差ｅは、位置検出方向において読み取り位置ｔ１を基準とした位相誤差、つまりはθＰ２１を基準としたときのθＰ２２のθＰ２１に対する差である。
【００５１】
本実施例では、読み取り位置ｔ１を基準とし、最終的な検出位置を第１のトラック１１から検出される位相θＰ１１を用いて決定する。このような構成にすると、第２のトラック１２から検出される３つの位相に含まれる内挿誤差の影響が、最終的な検出位置に及びにくくなる。特に、第１のトラック１１から検出される位相に含まれる内挿誤差に対して第２のトラック１２から検出される位相に含まれる内挿誤差が大きい場合には、有効である。
【００５２】
ただし、読み取り位置ｔ１を基準とするのは例に過ぎず、任意の位置を基準とすることができる。例えば、第１のトラック１１から検出される位相に含まれる内挿誤差と、第２のトラック１２から検出される位相に含まれる内挿誤差とが同程度であれば、基準をｔ１とｔ２の中点としてもよい。この場合は、２点の読み取り位置の平均をとることになるため、最終的な検出位置の誤差を抑制することができる。このように基準となる読み取り位置は、エンコーダの構成やエンコーダを取り付ける可動部材の構成に応じて決定すればよい。
ｅ＝（θＰ２２−θＰ２１＋２π）                        ・・・（１）
（θＰ２１＞θＰ２２，θＰ２１−θＰ２２≧πのとき）
（θＰ２２−θＰ２１）
（θＰ２１≧θＰ２２，θＰ２１−θＰ２２＜πのとき）
（θＰ２２−θＰ２１）
（θＰ２１＜θＰ２２，θＰ２２−θＰ２１≦πのとき）
（θＰ２２−θＰ２１−２π）
（θＰ２１＜θＰ２２，θＰ２２−θＰ２１＞πのとき）
以上により求めた位相誤差ｅはＰ２１パターンを基準とした位相誤差である。このため、ｅを受光部２２の読み取り位置の誤差に換算するためにはｅをＰ２１／（２π）倍すればよく、周期λを基準とした位相誤差に換算するためにはｅをλ／Ｐ２１倍すればよい。
【００５３】
位相θＰ１２，θＰ２２，θＰ４２は読み取り位置ｔ２で得られる位相であるから、位置検出処理部３３は、位相誤差ｅを用いて、基準読み取り位置ｔ１に対応する位相を式（２）〜（４）に示すようにそれぞれ求める。つまり、θＰ１２，θＰ２２，θＰ４２を補正する。式（２）〜（４）において、θＰ１２ｚ，θＰ２２ｚ，θＰ４２ｚは基準読み取り位置に対応する位相であり、ＭＯＤ（ｘ，ｙ）は、ｘを被除数とし、ｙを除数としたときの剰余を示す。なお、２πを除数としたときの剰余を求めるのは、位相を０以上２π未満の値として表現するためである。
θＰ１２ｚ＝ＭＯＤ（θＰ１２−ｅ×Ｐ１２／Ｐ２１，２π）       ・・・（２）
θＰ２２ｚ＝ＭＯＤ（θＰ２２−ｅ×Ｐ２２／Ｐ２１，２π）       ・・・（３）
θＰ４２ｚ＝ＭＯＤ（θＰ４２−ｅ×Ｐ４２／Ｐ２１，２π）       ・・・（４）
そして、位置検出処理部３３は、以上のようにして求めた６つの位相θＰ１１，θＰ２１，θＰ４１，θＰ１２ｚ，θＰ２２ｚ，θＰ４２ｚから最終的な検出位置を算出する。Ｐ１１，Ｐ２１，Ｐ４１，Ｐ１２，Ｐ２２およびＰ４２パターンの周期数はそれぞれ、前述したように、４００１，２０００，９９８，３９８３，２０００，９０８である。このため、位置検出処理部３３は、６つの位相を用いてバーニア演算を行うことにより、７つの異なる周期の位相θ１〜θ７を式（５）〜（１１）に示すように生成する。バーニア演算は、２つの読み取り信号（例えば、Ｐ１１信号とＰ２１信号）間の位相差を演算し、これら元の読み取り信号の周期とは異なる周期を有するバーニア周期信号（つまりは位相θ１〜θ７）を得る演算である。
θ１＝ＭＯＤ（θＰ１１−２×θＰ２１，２π）       ・・・（５）
θ２＝ＭＯＤ（θＰ２１−２×θＰ４１，２π）       ・・・（６）
θ３＝ＭＯＤ（θＰ１１−４×θＰ４１，２π）       ・・・（７）
θ４＝ＭＯＤ（θＰ１１−θＰ１２ｚ，２π）         ・・・（８）
θ５＝ＭＯＤ（θＰ４１−θＰ４２ｚ，２π）        ・・・（９）
θ６＝ＭＯＤ（θＰ２２ｚ−２×θＰ４２ｚ，２π）  ・・・（１０）
θ７＝ＭＯＤ（θＰ１２ｚ−４×θＰ４２ｚ，２π）  ・・・（１１）
θ１の求め方を例として説明する。θ１はトラック全長で１周期を有するバーニア周期信号の位相であり、トラック全長で４００１周期を有するＰ１１パターンにおける位相θＰ１１と、２０００周期を有するＰ２１パターンにおける位相θＰ２１とから求められる。トラック全長をＬとしたときに、θＰ２１ｚは、スケール１０とセンサ２０とがＬ／２０００だけ変位する毎に、０から２πまで変化する。そこで、０≦θＰ２１＜πのときにθＰ２１を２倍し、π≦θＰ２１＜２πのときにθＰ２１ｚを２倍してから２πを減じると、Ｌ／４０００の変位毎に０から２πまで変化する位相となる。そして、Ｌ／４０００の変位毎に０から２πまで変化する位相とＬ／４００１の変位毎に０から２πまで変化する位相θＰ１１との位相差を算出することにより、トラック全長で１周期を有するバーニア周期信号の位相θ１を求めることができる。同様にして、θ２〜θ７も求めることができる。
【００５４】
θ１〜θ７はそれぞれ、トラック全長に対して１，４，９，１８，９０，１８４，３５１周期を有するバーニア周期信号での位相となり、θ１はトラック全長における位置を表す。一方、トラック全長での数が多い周期における位相の方が精度が高い。そこで、位置検出処理部３３は、θ１〜θ７に加え、θＰ１１およびθＰ４１を用いて、θＰ１１の精度で絶対位置を算出する。
【００５５】
まず、位置検出処理部３３は、θ１とθ２から、θ２の精度で絶対位置を求める。θ２はトラック全長で４周期を有するバーニア周期信号の位相であるから、θ１とθ２の位相関係からトラック全長を４分割した領域のいずれをセンサ２０が読み取っているかを判断することにより、θ２の精度で絶対位置を求めることができる。センサ２０が読み取っている読み取り領域をａ１とすると、ａ１は式（１２）で求められる。式（１２）において、ａ１は整数０，１，２，３のうちいずれかであり、ＲＯＵＮＤ（ｘ）はｉ−１／２≦ｘ＜ｉ＋１／２を満たす整数ｉを返す関数である。
ａ１＝ＲＯＵＮＤ（（４×θ１−θ２）／（２π）） ・・・（１２）
θ１，θ２，ａ１の関係を図６（Ａ）〜（Ｃ）に示す。θ１はトラック全長で０から２πまで変化し、θ２はトラック全長で４回０から２πまで変化する。このため、θ１を４倍してθ２を減じると、０，２π，４π，６πと２π刻みの値となり、これを２πで除することによりａ１が求められる。しかし、ノイズ、内挿誤差、量子化誤差等の影響により、２πで除しただけでは必ずしも整数値とはならないことがある。そこで、２πで除した後に整数値に丸める。ここで、読み取り領域ａ１が分かるということは、インクリメンタル型エンコーダで言えば原点からの相対移動量が分かるということに等しい。このため、式（１３）に示すように、ａ１とθ２から位置ｘ２を求めることができる。Ｌはトラック全長である。
ｘ２＝ａ１×Ｌ／４＋θ２      ・・・（１３）
次に、位置検出処理部３３は、ｘ２とθ３から同様にしてθ３の精度で位置を求める。センサ２０の読み取り領域をａ２とし、θ３の精度での位置をｘ３とすると、θ３はトラック全長に９周期含まれるため、ａ２とｘ３は式（１４），（１５）で求められる。
ａ２＝ＲＯＵＮＤ（（９×ｘ２−θ３）／（２π））   ・・・（１４）
ｘ３＝ａ２×Ｌ／９＋θ３                              ・・・（１５）
これ以降も、位置検出処理部３３は、同様に式（１６），（１７）による計算を繰り返すことで、θＰ１１の精度を持つ位置ｘ９を求める。式（１６），（１７）において、θ１＝ｘ１、θ８＝θＰ４１、θ９＝θＰ１１であり、ｉは１≦ｉ≦８を満たす整数である。また、ｎｉはθｉのトラック全長あたりの周期数である。
ａｉ＝ＲＯＵＮＤ（（ｎｉ×ｘｉ−θｉ＋１）／（２π））    ・・・（１６）
ｘｉ＋１＝ａｉ×Ｌ／ｎｉ＋θｉ＋１                                      ・・・（１７）
以上により、位置検出処理部３３は、最終的な検出位置として、θＰ１１の精度を持つ位置ｘ９を求められる。
【００５６】
本実施例では、第１のトラック１１に設けられたＰ２１パターンと第２のトラック１２に設けられたＰ２２パターンとが同一周期かつ同一位相の関係にある場合について説明したが、必ずしもこれらは同一である必要はない。つまり、第１および第２のトラック１１，１２から演算によって同一周期かつ同一位相の信号が得られればよい。
【００５７】
例えば、Ｐ２１パターンに対してＰ２２パターンが位相πだけずれていてもよい。この場合は、それぞれの周期パターンから求められる位相θＰ２１，θＰ２２がπだけずれるため、その差分を加算または減算することで同一周期かつ同一位相の信号が求められる。また、例えば周期Ｐ２２が周期Ｐ２１の二分の一倍（整数分の一倍）であってもよい。この場合にも、θＰ２２を２倍して、０以上２π未満に正規化することにより、Ｐ２１信号と同一周期かつ同一位相のＰ２２信号が求められる。同様に、周期Ｐ２２が周期Ｐ２１の１倍以上の整数倍であってもよい。
【００５８】
そして、複数のトラックから同一周期かつ同一位相の信号を得た後に、それらの信号の差を本実施例と同様に位置誤差または位相誤差として換算して扱えばよい。
【００５９】
本実施例では、１つの最終的な絶対位置の検出（一度の位置検出）に対するシーケンスについて説明したが、エンコーダが使用される環境によっては、複数回の位置検出が要求されることがある。この場合の位置誤差や位相誤差は、エンコーダが位置検出の要求を受けるたびに毎回求めてもよいし、出荷時や電源投入時に一度だけ求め、二回目以降は同じ値を使用するようにしてもよい。
【００６０】
例えば、図４（Ｃ）に示すようにスケール１０の変形による影響が大きい場合には毎回求めることが望ましい。しかし、図４（Ｂ），（Ｄ）に示すようにスケール１０とセンサ２０とのずれが一定である場合には、一度求めた値を繰り返し使用することで位置検出処理を簡略化することが可能である。
【００６１】
本実施例では、スケールに２つのトラックが設けられ、各トラックに互いに周期が異なる３種類の周期パターンが設けられている構成について説明したが、この構成は例にすぎず、他の構成であってもよい。すなわち、スケールに３つ以上のトラックが設けられていたり、各トラックに４種類以上の周期パターンが設けられていたりしてもよい。また、２つのトラックのうち一方のトラックには２種類の周期パターンが設けられ、他方のトラックには単一の周期パターンのみが設けられていてもよい。１つのトラック内で互いに異なる周期を有する周期パターンの数を増やすことで情報量は増加するが、多くの数の信号を分離する必要があるため計算が複雑になる。このため、必要な情報量と計算の容易さとのバランスから１つのトラックに設ける周期パターンの種類数を選択すればよい。
【００６２】
以上、互いに周期が異なる複数の読み取り信号からバーニア信号処理を行う場合の位相誤差を補償し、バーニア周期信号の精度を向上させる実施例について説明した。本実施例によれば、図４（Ｂ），（Ｃ）に示した相対変位に加えて、図４（Ｄ）に示すような、Ｚ軸回りでのスケールの取付け傾きが発生している場合の位置検出方向での相対変位による読み取り誤差の補償に適用することも可能である。この場合、検出した位相誤差ｅから求めた位置検出方向（Ｘ方向）での位置誤差ｅ／２π×Ｐ２１と、２つのトラック上での読み取り領域のスケール幅方向（Ｙ方向）での中心間距離Ｄとの関係から、スケールの傾きθsをａｒｃｓｉｎ（ｅ／２π×Ｐ２１／Ｄ）により算出する。そして、位置検出方向にて検出した位置ｘの位置誤差Δｐ（ｘ）＝ｘ×（ｃｏｓ（θs）−１）を算出し、これを用いて最終的な検出位置の補償にも適用して、より高精度な位置の検出が可能となる。
【００６３】
また、スケールの傾きθsを相対移動に伴って所定周期毎に検出し、誤差を累積した累積誤差を算出すれば、より高精度な補正も可能となる。また、これら誤差の補償には、第２のトラックに設けられた第３の周期パターンが絶対位置の算出演算に関与するか否かは不問となる。
【実施例２】
【００６４】
図７には、上述した実施例１で説明したエンコーダを搭載した装置の一例として、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置（光学機器）を示している。この撮像装置では、エンコーダをレンズ鏡筒内での可動レンズの絶対位置を検出するために用いている。
【００６５】
図７において、１０はスケール、２０はセンサ、３０は信号処理部であり、これらによってエンコーダが構成される。スケール１０は、レンズ鏡筒内において光軸回りで回転する円筒形状のカム環５０の内周面に取り付けられている。カム環５０は、不図示のアクチュエータによって回転駆動される。
【００６６】
レンズ鏡筒内には、撮影光学系５１が収容されている。撮影光学系５１は、カム環５０が回転することで、該カム環５０に形成されたカムによって光軸方向に移動可能な可動レンズ（例えば、変倍レンズやフォーカスレンズ）５２を含む。
【００６７】
５５は撮像装置のシステム全体を制御するＣＰＵである。５６は撮影光学系５１により形成された被写体像を光電変換するイメージセンサ（撮像素子）であり、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子により構成されている。
【００６８】
可動レンズ５２を移動させるためにカム環５０が回転すると、エンコーダによりカム環５０の絶対回転位置（つまりは可動レンズ５２の光軸方向での絶対位置）が検出され、その情報がＣＰＵ５５に出力される。
【００６９】
ＣＰＵ５５は、その絶対回転位置の情報に基づいてカム環５０を回転させるアクチュエータを駆動し、可動レンズ５２を目標とする位置に移動させる。
【００７０】
本発明のエンコーダは、上述した撮像装置に限らず、プリンタ（光学機器）における印字ヘッドや給紙ローラの位置検出、複写機（光学機器）の感光ドラムの回転位置検出をはじめ、ロボットアームや搬送装置の位置検出等、様々な装置に適用することができる。
【００７１】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
高精度な位置検出が可能な位置検出エンコーダを提供できる。
【符号の説明】
【００７３】
１０  スケール
１１  第１のトラック
１２  第２のトラック
２０  センサ
３０  信号処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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