(57)【要約】      （修正有）【課題】スケールとセンサのアライメント誤差があっても高い位置検出精度が得られるエンコーダを提供する。【解決手段】エンコーダは、第１の方向に相対移動可能なスケール１０とセンサ１を含み、センサ１は、第１のパターン１１を読み取る第１の読取り手段２および第２の読取り手段３を有する。エンコーダは、第１の読取り手段２からの出力信号を用いて第１の方向での第１の位置を取得するとともに、第２の読取り手段３からの出力信号を用いて第１の方向での第２の位置を取得し、第１および第２の位置を用いて第１のパターン１１の周期を取得し、スケールと第１の読取り手段２および第２の読取り手段３のそれぞれとの第１の方向に直交する第２の方向での相対位置ずれ量である第１のずれ量および第２のずれ量を取得し、第１および第２の位置、周期ならびに第１および第２のずれ量を用いて位置情報を生成する。【選択図】図１
2015215241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に相対移動が可能なスケールとセンサを含み、前記センサによって前記スケールに設けられた周期パターンとしての第１のパターンを読み取ることで前記第１の方向での位置情報を生成するエンコーダであって、
前記センサは、前記第１の方向に間隔をあけて配置され、前記第１のパターンをそれぞれ読み取る第１の読取り手段および第２の読取り手段を有し、
該エンコーダは、
前記第１のパターンを読み取った前記第１の読取り手段からの出力信号を用いて前記第１の方向での第１の位置を取得するとともに、前記第１のパターンを読み取った前記第２の読取り手段からの出力信号を用いて前記第１の方向での第２の位置を取得する第１の位置取得手段と、
前記第１および第２の位置を用いて前記第１のパターンの周期を取得する周期取得手段と、
前記スケールと前記第１の読取り手段および前記第２の読取り手段のそれぞれとの前記第１の方向に直交する第２の方向での相対位置ずれ量である第１のずれ量および第２のずれ量を取得する第２の位置取得手段と、
前記第１および第２の位置、前記周期ならびに前記第１および第２のずれ量を用いて前記位置情報を生成する位置情報生成手段とを有することを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
前記位置情報生成手段は、
前記第１および第２のずれ量を用いて、前記第１および第２の読取り手段のそれぞれが前記第１のパターンを読み取る位置を結ぶ方向が前記第１の方向に対してなす第１の傾き角度を取得するとともに、前記第１のパターンの周期方向が前記第１の方向に対してなす第２の傾き角度を取得し、
前記第１および第２の位置、前記周期ならびに前記第１および第２の傾き角度を用いて前記位置情報を生成することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記第１および第２のずれ量を用いて、前記第１の方向に対して前記第１および第２の読取り手段のそれぞれが前記第１のパターンを読み取る位置を結ぶ方向がなす第１の傾き角度を取得する角度取得手段を有し、
前記位置情報生成手段は、前記第１および第２の位置、前記周期、前記第１の傾き角度ならびに前記第１または第２のずれ量を用いて前記位置情報を生成することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記スケールに、前記第１のパターンとは異なる第２のパターンが設けられており、
前記第２の位置取得手段は、前記第２のパターンを読み取った前記第１および第２の読取り手段からの出力信号を用いて前記第１および第２のずれ量を取得することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記第２の位置取得手段は、前記第１の方向における互いに異なる位置において前記センサの基準面の前記第２の方向での位置を計測する計測手段により構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のエンコーダ。
【請求項６】
移動可能な被検出部と、
該被検出部の位置情報を生成する請求項１から５のいずれか一項に記載のエンコーダと、前記位置情報を用いて前記被検出部の移動を制御する制御手段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、互いに相対移動するスケールとセンサを用いて位置情報を生成するエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のようなエンコーダにおいては、スケール上に該スケールとセンサとの相対移動方向に所定のピッチで設けられた周期パターン（以下、スケールパターンという）を、光学、磁気または静電容量センサによって読み取って周期信号を生成する。そして、該周期信号を用いた演算によりスケールとセンサとの相対位置や絶対位置等の位置情報を生成する。このため、周期パターンの周期（ピッチ）に上記相対移動方向での累積誤差（以下、累積ピッチ誤差という）があると、エンコーダの位置検出精度が低下する。
【０００３】
特許文献１には、センサ上にスケールパターンを読み取る複数の検出ヘッドをスケールとの相対移動方向に互いに間隔をあけて配置し、これら検出ヘッドを通じて得られた測定値を用いてスケールパターンの累積ピッチ誤差を求めるエンコーダが開示されている。求めた累積ピッチ誤差を用いてエンコーダの校正を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−３１７４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、スケールとセンサの配置に関する誤差であるアライメント誤差があると、複数の検出ヘッドによるスケールパターンの読み取り位置を結ぶラインがスケールに対して傾く。これにより、スケールパターンの累積ピッチ誤差自体を正確に求めることができなくなり、この結果、累積ピッチ誤差を用いた校正を行ってもエンコーダの位置検出精度を向上せることができない。
【０００６】
本発明は、スケールとセンサのアライメント誤差があっても、高い位置検出精度が得られるようにしたエンコーダおよびこれを用いた装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としてのエンコーダは、第１の方向に相対移動が可能なスケールとセンサを含み、センサによってスケールに設けられた周期パターンとしての第１のパターンを読み取ることで第１の方向での位置情報を生成する。センサは、第１の方向に間隔をあけて配置され、第１のパターンをそれぞれ読み取る第１の読取り手段および第２の読取り手段を有する。そして、エンコーダは、第１のパターンを読み取った第１の読取り手段からの出力信号を用いて第１の方向での第１の位置を取得するとともに、第１のパターンを読み取った第２の読取り手段からの出力信号を用いて第１の方向での第２の位置を取得する第１の位置取得手段と、第１および第２の位置を用いて第１のパターンの周期を取得する周期取得手段と、スケールと第１の読取り手段および第２の読取り手段のそれぞれとの第１の方向に直交する第２の方向での相対位置ずれ量である第１のずれ量および第２のずれ量を取得する第２の位置取得手段と、第１および第２の位置、周期ならびに第１および第２のずれ量を用いて位置情報を生成する位置情報生成手段とを有することを特徴とする。
【０００８】
なお、移動可能な被検出部と、該被検出部の位置情報を生成する上記エンコーダと、該位置情報を用いて被検出部の移動を制御する制御手段とを有する装置も、本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、スケールとセンサにアライメント誤差があっても、高い位置検出精度が得られるエンコーダを実現することができる。そして、このエンコーダを用いることで、被検出部の移動を高精度に制御可能な各種装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１であるエンコーダの構成を示す図。
【図２】実施例１のエンコーダにおけるセンサヘッドの構成を示す図。
【図３】実施例１のエンコーダにおける２つのセンサヘッドとスケールパターンとのアラインメント誤差（角度誤差θｄ）を示す図。
【図４】実施例１のエンコーダにおける樹脂製スケールの非直線性誤差を示す図。
【図５】実施例１のエンコーダにおける移動量ｘと検出値Ｙ（ｉ）との関係を示す図。
【図６】本発明の実施例２であるエンコーダにおける角度誤差θｄの検出方法を示す図。
【図７】本発明の実施例３であるエンコーダの構成を示す図。
【図８】実施例３のエンコーダにおけるスケールパターンの部分拡大図。
【図９】実施例３のスケールパターンを構成する第１のパターン要素の拡大図。
【図１０】実施例３のスケールパターンを構成する第２のパターン要素の拡大図。
【図１１】実施例３のエンコーダにおける受光素子アレイを示す図。
【図１２】本発明の実施例４であるロータリーエンコーダの構成を示す図。
【図１３】実施例４のロータリーエンコーダの非直線性誤差を示す図。
【図１４】本発明の実施例５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て説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１には、本発明の実施例１であるエンコーダの構成を示している。エンコーダは、不図示の装置の固定部とこれに対して移動が可能な可動部のうち一方に取り付けられるリニア型のスケール１０と、固定部および可動部のうち他方に取り付けられるセンサユニット１とにより構成される。以下の説明において、スケール１０とセンサユニット１とが相対移動する方向（第１の方向）を、Ｘ方向または相対移動方向という。また、スケール１０およびセンサユニット１の取り付け誤差に起因する相対的な位置ずれや傾きをアラインメント誤差という。
【００１３】
センサユニット１は、第１のセンサヘッド（第１の読取り手段）２と、第２のセンサヘッド（第２の読取り手段）３とを備えている。第１および第２のセンサヘッド２，３はそれぞれ光学式反射型センサであり、センサユニット１上にＸ方向（ただし、アラインメント誤差がある場合はＸ方向に対して傾いた方向）に直列に所定の間隔をあけて配置されている。
【００１４】
スケール１０上には、第１のパターンとしてのＸスケールパターン１１が設けられている。Ｘスケールパターン１１は、Ｘ方向（ただし、アラインメント誤差がある場合はＸ方向に対して傾いた方向）に周期的に交互に配置されたパターン部としての反射部と非反射部とにより構成された周期パターンである。Ｘスケールパターン１１は、センサユニット１がＸ方向での位置（以下、Ｘ位置という）を検出するための目盛りとなる。
【００１５】
また、スケール１０上には、Ｘスケールパターン１１に並行するように第２のパターンとしてのＹスケールパターン１２が設けられている。Ｙスケールパターン１２は、Ｘ方向に対して直交する第２の方向であるＹ方向（ただし、アラインメント誤差がある場合はＹ方向に対して傾いた方向）に周期的に交互に並べられたパターン部としての反射部と非反射部とにより構成された周期パターンである。Ｙスケールパターン１２は、センサユニット１がＹ方向での位置（以下、Ｙ位置という）を検出するための目盛りとなる。
【００１６】
第１および第２のセンサヘッド２，３はいずれも、これらＸスケールパターン１１とＹスケールパターン１２を光学的に読み取って周期信号を出力する。該周期信号は、センサユニット１内の信号処理部２０に送られる。
【００１７】
信号処理部２０は、第１のＸ位置演算部２１、第２のＸ位置演算部２２、第１のＹ位置演算部２３、第２のＹ位置演算部２４、センサ角度演算部２５、パターンピッチ検出部２６および位置信号演算部２７を含む。
【００１８】
図２には、図１に示した第１および第２のセンサヘッド２，３に共通する構成を示している。各センサヘッドのセンサ面には、ＬＥＤにより構成される光源４と、光源４から出射してＸスケールパターン１１の反射部にて反射した光を受光するＸ受光素子アレイ５とが設けられている。さらに、センサ面には、光源４から出射してＹスケールパターン１２の反射部にて反射した光を受光するＹ受光素子アレイ６も設けられている。Ｘ受光素子アレイ５とＹ受光素子アレイ６は同一の半導体チップ７上に設けられており、互いの相対位置関係が精度良く決定されている。
【００１９】
第１および第２のセンサヘッド２，３はそれぞれ、Ｘ受光素子アレイ５の出力を用いて生成したＸ位置検出用の周期信号（出力信号）として、互いに９０度位相が異なる２相の正弦波信号（以下、Ｘ２相信号という）を信号処理部２０に出力する。また、Ｙ受光素子アレイ６の出力を用いて生成したＹ位置検出用の周期信号（出力信号）として、互いに９０度位相が異なる２相の正弦波信号（以下、Ｙ２相信号という）を信号処理部２０に出力する。
【００２０】
なお、各センサヘッドのセンサ面において、光源４の発光点の中心とＸ受光素子アレイ５の受光面の中心との中点に相当する点、言い換えれば光源４からスケール１０への光の照射領域である読取り領域の中心をセンサ面に投影した位置を、以下、検出点Ｃという。検出点Ｃは、スケール１０上において各センサヘッドがＸスケールパターン１１を読み取る読取り位置ということもできる。
【００２１】
また、本実施例では、各センサヘッドとして光学式反射型センサを用いる場合について説明するが、光学式透過型センサを用いてもよいし、磁気式や静電容量式等、光学式以外のセンサを用いてもよい。
【００２２】
信号処理回路２０の第１および第２のＸ位置演算部２１，２２はそれぞれ、第１および第２のセンサヘッド２，３から入力されたＸ２相信号に対して逆正接演算を行い、これらＸ２相信号のその時点での位相（以下、Ｘ位相という）を求める。そして、Ｘ位相の変化量を累積することで、スケールと各センサヘッドとのＸ方向での相対移動量、つまりはＸ検出位置を算出する。具体的には、第１および第２のＸ位置演算部２１，２２はそれぞれ、Ｘスケールパターン１１の反射部の周期であるピッチ（以下、Ｘパターンピッチという）ＰｘとＸ位相の変化量の累積値である累積位相変化量ΔΦとを用いて、Ｘ検出位置を、
Ｐｘ×ΔΦ／２π
により演算する。ただし、実際にはＸパターンピッチＰｘには誤差（周期誤差：以下、ピッチ誤差という）があるため、算出されたＸ検出位置にも誤差が含まれる。第１および第２のＸ位置演算部２１，２２は第１の位置取得手段に相当する。
【００２３】
また、信号処理回路２０の第１および第２のＹ位置演算部２３，２４はそれぞれ、第１および第２のセンサヘッド２，３から入力されたＹ２相信号に対して逆正接演算を行い、これらＹ２相信号のその時点での位相（以下、Ｙ位相という）を求める。そして、Ｙ位相の変化量を累積することで、スケールと各センサヘッドとのＹ方向での相対移動量、つまりはＹ検出位置を算出する。具体的には、第１および第２のＹ位置演算部２３，２４はそれぞれ、Ｙスケールパターン１２の反射部のピッチ（以下、Ｙパターンピッチという）ＰｙとＹ位相の変化量の累積値である累積位相変化量ΔΦとを用いて、Ｙ検出位置を、
Ｐｙ×ΔΦ／２π
により演算する。第１および第２のＹ位置演算部２３，２４は第２の位置取得手段に相当する。
【００２４】
次に、センサ角度演算部２５、パターンピッチ検出部２６および位置信号演算部２７が行う演算について説明する。パターンピッチ検出部２６は周期取得手段に相当する。また、センサ角度演算部（角度取得手段）２５および位置信号演算部２７は位置情報生成手段に相当する。
【００２５】
図３には、スケール１０とセンサユニット１とがアラインメント誤差を有する場合のＸスケールパターン１１と第１および第２のセンサヘッド２，３の検出点ＣとＸ方向（相対移動方向）との関係を示す。第１および第２のセンサヘッド２，３の検出点Ｃ間のＸ方向での距離、すなわちＸスケールパターン１１に対する読取り位置の間隔としての実効検出位置間距離Ｌは幾何学的に以下のように表すことができる。
【００２６】
【数１】
2015215241.tif 000003
【００２７】
ただし、Ｌ０は第１および第２のセンサヘッド２，３の検出点Ｃを結ぶ直線（以下、検出点間ラインＣ−Ｃという）の長さ、すなわち該検出点間ラインＣ−Ｃに沿う方向での第１および第２のセンサヘッド２，３の検出点Ｃ間の距離である。また、θｄ（第１の傾き角度）はＸ方向に対する検出点間ラインＣ−Ｃの傾き角度であり、θｍ（第２の傾き角度）はＸ方向に対するＸスケールパターン１１のピッチ方向（周期方向）の傾き角度である。
【００２８】
センサ角度演算部２５は、θｄとθｍを以下のように演算する。以下の説明では、スケール１０とセンサユニット１を所定量ずつｎ回相対移動させる間においてｉ回目（ｎ≧ｉ）に相対移動させたときに検出または算出される値Ａを、「ｉ番目のＡ」と称し、Ａ（ｉ）と記す。また、ｉ番目のＡおよびｉ＋１番目のＡから算出される値Ｂを、「ｉ〜ｉ＋１番目のＢ」と称し、Ｂ（ｉ）と記す。
【００２９】
センサ角度演算部２５は、θｍ（ｉ）およびθｄ（ｉ）を、θ≒ｔａｎθの近似を用いて演算する。
【００３０】
【数２】
2015215241.tif 000004
【００３１】
【数３】
2015215241.tif 000005
【００３２】
【数４】
2015215241.tif 000006
【００３３】
ただし、Ｘａ（ｉ）は第１のセンサヘッド２により検出されるｉ番目のＸ検出位置（第１の位置）であり、Ｘｂ（ｉ）は第２のセンサヘッド３により検出されるｉ番目のＸ検出位置（第２の位置）である。また、Ｙａ（ｉ）は第１のセンサヘッド２より検出されるｉ番目のＹ検出位置（第１のずれ量）であり、Ｙｂ（ｉ）は第２のセンサヘッド３より検出されるｉ番目のＹ検出位置（第２のずれ量）である。
【００３４】
パターンピッチ検出部２６は、ｉ〜ｉ＋１番目の実効検出位置間距離Ｌ（ｉ）を、
【００３５】
【数５】
2015215241.tif 000007
【００３６】
により演算する。
【００３７】
なお、θｍ（ｉ）については、Ｘａ（ｉ）等の各検出値の揺らぎを考慮して、複数のｉ番目のθｍ（サンプル）の平均化等の処理を行ってもよい。また、θｄ（ｉ）については、通常は位置による変動が微小であるので、特定位置（または領域）で測定した値を固定値として、全領域に適用することも可能である。また、所定のＸ位置範囲におけるθｄ（ｉ）−θｍ（ｉ）の平均値を、固定値としてθｄ（ｉ）に置き換えてもよい。この場合、後述するようにθｍ（ｉ）を算出する演算が不要となる。
また、パターンピッチ検出部２６は、ｉ番目からｉ＋１番目に第１および第２のセンサヘッド２，３により検出されるＸ検出位置の差Ｇ（ｉ）を、
【００３８】
【数６】
2015215241.tif 000008
【００３９】
により演算する。なお、Ｇ（ｉ）を、ｉ〜ｉ＋１番目の２つのＸ検出位置（サンプル点）間の平均として、
【００４０】
【数７】
2015215241.tif 000009
【００４１】
を用いて演算してもよい。
ｉ〜ｉ＋１番目の実効検出位置間距離Ｌ（ｉ）を考慮したＸスケールパターン１１の平均パターンピッチ（平均Ｘパターンピッチ）Ｐ（ｉ）は、
【００４２】
【数８】
2015215241.tif 000010
【００４３】
と表すことができる。
【００４４】
したがって、パターンピッチ検出部２６は、Ｘパターンピッチおよび実効検出位置間距離の誤差が補正されたｉ〜ｉ＋１番目のサンプル点間の変位量ΔＸ（ｉ）を、
【００４５】
【数９】
2015215241.tif 000011
【００４６】
【数１０】
2015215241.tif 000012
【００４７】
により演算する。
【００４８】
位置信号演算部２７は、変位量ΔＸ（ｉ）の累積値である累積変位量Ｄ（ｉ）を、
【００４９】
【数１１】
2015215241.tif 000013
【００５０】
より演算する。
【００５１】
θｄ（ｉ）を固定値θｄとして扱う場合には、ｉ番目の累積変位量Ｄ（ｉ）を以下のように近似できる。
【００５２】
【数１２】
2015215241.tif 000014
【００５３】
【数１３】
2015215241.tif 000015
【００５４】
【数１４】
2015215241.tif 000016
【００５５】
信号処理回路２０は、以上の累積変位量Ｄ（ｉ）を算出する動作をエンコーダの初期化動作やリセット動作において行う。そして、位置信号演算部２７は、Ｘ（ｉ＋１）とＤ（ｉ）の差を補正値として補正テーブルまたは補正関数のかたちで記憶し、実際のＸ位置の検出時にＸ（ｉ）に対して該補正値を加えるピッチ補正を行う。これにより、補正されたＸ（ｉ）としての位置情報が生成される。
【００５６】
また、処理を簡単にするため、Ｄ（ｉ）に対して、さまざまな近似を適用することも有効である。例えば、非直線性を補正するだけであれば、ｃｏｓθｄ≒１として、
【００５７】
【数１５】
2015215241.tif 000017
【００５８】
として式（１２）に代えて用いてもよく、これでも実用的な補正精度が得られる。さらに、上述した検出点間ラインＣ−Ｃに沿う方向での第１および第２のセンサヘッド２，３の検出点Ｃ間の距離Ｌ０は、概算値（例えば設計中心値）でも構わない。
【００５９】
図４には、Ｌ０＝２０ｍｍ、θｄ＝２ｄｅｇとした場合における樹脂製のスケール１０とセンサユニット１との実際の相対移動量ｘに対するＸ検出位置の誤差の非直線性を示す。図５には、このときの相対移動量ｘに対するＹ（ｉ）を示す。図４において、一点鎖線のグラフは、ピッチ補正を行わない場合、すなわち、
【００６０】
【数１６】
2015215241.tif 000018
【００６１】
とした場合のＸ検出位置の誤差の非直線性を示す。スケール１０におけるピッチ誤差により、非直線性が大きい誤差が生じていることが分かる。
【００６２】
また、図４における破線のグラフは、実効検出位置間距離Ｌ（ｉ）を考慮せずに、Ｌを固定値とした場合、すなわち、
【００６３】
【数１７】
2015215241.tif 000019
【００６４】
とした場合のＸ検出位置の誤差の非直線性を示す。図５のグラフとの比較から分かるように、スケール１０のＹ方向での変位、つまり蛇行に伴って補正誤差が発生している。
【００６５】
そして、図４における実線のグラフは、本実施例のように実効検出位置間距離Ｌ（ｉ）を考慮した場合、すなわち、
【００６６】
【数１８】
2015215241.tif 000020
【００６７】
とした場合のＸ検出位置の誤差を示している。この場合、スケール１０のピッチ誤差および蛇行に対する補正がなされた結果、Ｘ検出位置の誤差が高い直線性を有するだけでなく、誤差そのものが小さくなっている。
【００６８】
なお、第１および第２のセンサヘッド２，３をインバー材等の低熱膨張材により連結して保持することで、検出点Ｃ間の距離Ｌ０の温度による変動を抑えることができる。環境温度の変化によって、スケール１０が膨張または収縮した場合でも、上述した補正処理により正確なＸ検出位置を得ることが可能である。
【００６９】
さらに、実効検出位置間距離Ｌを厳密に計測することで、変位量に対する位置検出値の感度まで含めた絶対値を補正することも可能である。これにより、スケール１０の取り付け傾き、第１および第２のセンサヘッド２，３の取り付け傾き、スケール１０の加工誤差や取り付けによる伸長等の影響を低減することができる。
【００７０】
本実施例では、スケール１０とセンサユニット１の相対移動方向に対する第１および第２のセンサヘッド２，３の検出点間ラインＣ−Ｃの傾きおよびスケール１０のスケール幅方向での変位を検出し、これらを用いてＸ検出位置の誤差を補正する。これにより、高精度なＸ位置の検出（位置情報の生成）が可能となる。
【００７１】
なお、本実施例では、インクリメント型のエンコーダについて説明したが、アブソリュート型のエンコーダにも本実施例で説明した誤差補正方法を適用することができる。
【実施例２】
【００７２】
図６には、本発明の実施例２であるエンコーダにおけるθｄ（Ｘ方向に対する検出点間ラインＣ−Ｃの傾き角度）の検出方法を示す。本実施例において、実施例１と共通する構成要素には実施例１と同符号を付す。
【００７３】
本実施例では、θｄを検出するために、スケール１０と一体的に固定された接触式の変位計（計測手段）２８を用いる。変位計２８は、センサユニット１のうち第１および第２のセンサヘッド２，３の検出点Ｃに対して位置決めされた基準面のＹ方向での位置を測定することでθｄを検出する。基準面としては、第１および第２のセンサヘッド２，３の検出点Ｃとの相対位置関係が既知である面を用いればよい。
【００７４】
具体的には、変位計２８は、基準面におけるＸ方向にて互いに異なる２位置でのＹ方向位置(第１のずれ量および第２のずれ量)の差であるＹ方向変位を測定する。そして、センサ角度演算部２５は、上記２位置のＸ方向での距離（Ｘ方向変位）に対するＹ方向変位の大きさからθｄを算出する。
【００７５】
パターンピッチ検出部２６は、このようにして算出されたθｄを固定値として式（５）中のθｄ（ｉ）に代入する。以降の処理は、実施例１と同様である。
【００７６】
本実施例では、実施例１で用いた第１および第２のＹ位置演算部２３，２４のうち一方のみを設ければ足りる。
【実施例３】
【００７７】
図７には、本発明の実施例３であるエンコーダの構成を示している。本実施例のエンコーダは、Ｘ位置の絶対値（絶対位置）を検出するアブソリュート型エンコーダであり、スケール１０′として、Ｘ位置の絶対値の検出が可能であるとともに、Ｙ方向の位置も検出可能なスケールパターン１３を用いている。
【００７８】
図８には、スケールパターン１３の一部を拡大して示している。スケールパターン１３は、それぞれＸ方向に周期を有する２種類のパターン領域（Ｘパターン領域およびＹパターン領域）１４，１５がＹ方向に交互に配置されて構成されている。
【００７９】
図９には、第１のパターンが設けられたＸパターン領域１４のＸ方向における１周期分を拡大して示している。Ｘパターン領域１４は、Ｘ方向ピッチ（第１のピッチ）Ｐ１ごとに図９に示すパターン部が配置されて構成されており、各パターン部は反射膜により形成された反射部１６と非反射部１７から構成されている。Ｘパターン領域１４のＹ方向での幅はＷａ（ｍ）である。ただし、ｍはＹ方向での位置を示し、ｍ＝ｎ〜ｎ＋４である。
【００８０】
図１０には、第２のパターンが設けられたＹパターン領域１５のＸ方向における１周期分を拡大して示している。Ｙパターン領域１５は、Ｘ方向ピッチ（第２のピッチ）Ｐ２ごとに図１０に示すパターン部が配置されて構成されており、各パターン部は反射膜により形成された反射部１８と非反射部１９から構成されている。Ｙパターン領域１５のＹ方向での幅はＷｂ（ｍ）である。
【００８１】
そして、図８に示すように、ＸおよびＹパターン領域１４，１５は、それらのＹ方向幅Ｗａ（ｍ），Ｗｂ（ｍ）の比率が、Ｙ方向での位置（ｎ〜ｎ＋４）によって単調増加（または単調減少）するように形成されている。ただし、Ｗａ（ｍ）と  Ｗｂ（ｍ）のＹ方向での合計幅Ｐｙ＝Ｗａ（ｍ）＋  Ｗｂ（ｍ）は、Ｙ方向位置によらず一定である。
【００８２】
図１１には、本実施例において、センサユニット１′の第１および第２のセンサヘッド２′，３′に設けられたＸ受光素子アレイ５′の受光面を示している。Ｘ受光素子アレイ５′は、複数（本実施例では２４個）の受光素子５ａがＸ方向に配列されて構成されている。各受光素子５ａはＸ方向での幅Ｘ＿ｐｄを有し、Ｘ受光素子アレイ５′（２４個の受光素子５ａ）はＸ方向全長Ｘ＿ｔｏｔａｌを有する。また、Ｘ受光素子アレイ５′（各受光素子５ａ）はＹ方向幅Ｙ＿ｐｄを有する。
【００８３】
各受光素子５ａからの出力は、スイッチ回路２１の切替え動作によって、図１１（Ａ），（Ｂ）に示すように、不図示の４つの初段増幅器に繋がる出力端子Ａ＋，Ｂ＋，Ａ−，Ｂ−に選択的に接続される。スイッチ回路２１は信号処理回路２０′からの切替え信号によって切替え動作を行う。この結果、２４個の受光素子５ａのうち、出力が同一の出力端子（初段増幅器）に入力されて加算される受光素子（以下、加算受光素子という）間のＸ方向での間隔が切り替わる。
【００８４】
具体的には、信号処理回路２０′からの切替え信号がハイレベルである場合は、図１１（Ａ）に示すように、加算受光素子間のＸ方向間隔が第１のピッチＰ１にほぼ等しくなる。この状態では、Ｘ受光素子アレイ５′によりＸパターン領域１４を検出することができる。一方、切替え信号がローレベルである場合は、図１１（Ｂ）に示すように、加算受光素子間のＸ方向間隔が第２のピッチＰ２にほぼ等しくなる。この状態では、Ｘ受光素子アレイ５′によりＹパターン領域１５を検出することができる。
【００８５】
４つの初段増幅器からはそれぞれ、Ａ＋相，Ｂ＋相，Ａ−相およびＢ−相の４相の正弦波出力Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ａ−），Ｓ（Ｂ−）が出力される。４相の正弦波信号の相対位相は、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。
【００８６】
信号処理回路２０′は、４相の正弦波出力Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ａ−），Ｓ（Ｂ−）に対して次式による演算を行う。これにより、直流成分が除去された２相の正弦波信号Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）を生成する。
【００８７】
Ｓ（Ａ）＝Ｓ（Ａ＋）−Ｓ（Ａ−）  ・・・（１９）
Ｓ（Ｂ）＝Ｓ（Ｂ＋）−Ｓ（Ｂ−）    ・・・（２０）
そして、信号処理回路２０′内の第１および第２のＸ位置演算部２１′，２２′はそれぞれ、スイッチ回路２１への切替え信号がハイレベルであるときのＳ（Ａ），Ｓ（Ｂ）より、Ｘパターン領域１４の位相（位相信号）Φ１を次式の演算によって取得する。これにより、第１および第２のセンサヘッド２′，３′のそれぞれにおいてΦ１が算出される。
Φ１＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］  ・・・（２１）
ただし、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。
【００８８】
同様に、信号処理回路２０′内の第１および第２のＹ位置演算部２３′，２４′はそれぞれ、スイッチ回路２１への切替え信号がローレベルのときのＳ（Ａ），Ｓ（Ｂ）より、Ｙパターン領域１５の位相（位相信号）Φ２を次式の演算によって取得する。これにより、第１および第２のセンサヘッド２′，３′のそれぞれにおいてΦ２が算出される。
Φ２＝ＡＴＡＮ２［Ｓ（Ａ），Ｓ（Ｂ）］  ・・・（２２）
さらに、第１および第２のＸ位置演算部２１′，２２′はそれぞれ、スイッチ回路２１への切替え信号がハイレベルのときのＳ（Ａ），Ｓ（Ｂ）より、振幅信号amp1を次式の演算によって取得する。
【００８９】
【数１９】
2015215241.tif 000021
【００９０】
同様に、第１および第２のＹ位置演算部２３′，２４′はそれぞれ、スイッチ回路２１への切替え信号がローレベルのときのＳ（Ａ），Ｓ（Ｂ）より、振幅信号amp2を次式の演算によって取得する。
【００９１】
【数２０】
2015215241.tif 000022
【００９２】
スイッチ回路２１への切替え信号をハイレベルとローレベルとに切り替えることで、つまりは時間差をほとんどおかずに振幅信号amp１，amp2を取得することにより、ほぼ同一のＸ位置でのΦ１，Φ２，amp１，amp2を得ることができる。
【００９３】
第１および第２のＸ位置演算部２１′，２２′はそれぞれが算出したΦ１およびamp１を用いて、第１および第２のセンサヘッド２′，３′のそれぞれで得られるＸ検出位置（絶対位置）Ｘａ（ｉ），Ｘｂ（ｉ）を算出する。また、第１および第２のＹ位置演算部２３′，２４′はそれぞれが算出したΦ２およびamp2と上記Φ１およびamp１を用いて、第１および第２のセンサヘッド２′，３′のそれぞれで得られるＹ検出位置（絶対位置）Ｙａ（ｉ），Ｙｂ（ｉ）を算出する。
【００９４】
第１および第２のＸ位置演算部２１′，２２′における位相信号Φ１と振幅信号amp1を用いてＸ検出位置を演算する方法については、特開２０１２−２２０４５８号公報等の文献に記載されているので、ここでの説明は省略する。
【００９５】
一方、第１および第２のＹ位置演算部２３′，２４′は、Ｙａ（ｉ），Ｙｂ（ｉ）を以下のように算出する。まず、第１のＹ位置演算部２３′は、Ｙａ（ｉ）を、第１のセンサヘッド２′により得られた振幅信号amp1としてのamp1a（ｉ）と振幅信号amp2としてのamp2a（ｉ）との比率（振幅比）を用いて算出する。
【００９６】
【数２１】
2015215241.tif 000023
【００９７】
ただし、ｆ（ｒ）は振幅比ｒをＹ方向での位置に変換する関数であり、スケールパターン１３の設計によって決まる。
【００９８】
同様に、第２のＹ位置演算部２４′は、Ｙｂ（ｉ）を、第２のセンサヘッド３′により得られた振幅信号amp2としてのamp1b（ｉ）と振幅信号amp2としてのamp2b（ｉ）との比率（振幅比）を用いて算出する。
【００９９】
【数２２】
2015215241.tif 000024
【０１００】
これ以降の演算は、Ｘａ（ｉ），Ｘｂ（ｉ），Ｙａ（ｉ），Ｙｂ（ｉ）を式（２）〜（４）に適用することで、実施例１と同様に行うことができる。
【０１０１】
本実施例では、各センサヘッドにおいてＸ位置の検出とＹ位置の検出とを共通の受光素子アレイ５′により行うので、Ｘ方向に対する第１および第２のセンサヘッド２′，３′の検出点間ラインＣ−Ｃの傾きの検出をより高精度に行うことができる。
【実施例４】
【０１０２】
図１３には、本発明の実施例４であるロータリーエンコーダの構成を示す。ロータリーエンコーダは、円環状のスケール４０と、センサユニット３０とにより構成されている。スケール４０とセンサユニット３０は、軸１９回りで相対回転（相対移動）が可能である。センサユニット３０は、第１のセンサヘッド３２と、第２のセンサヘッド３３とを有する。第１および第２のセンサヘッド３２，３３はそれぞれ光学式反射型センサであり、スケール４０の周方向（以下、θ方向という）に直列に所定の角度間隔をあけて配置されている。
【０１０３】
スケール３０上には、第１のパターンとして、θ方向にリング状に延びるθスケールパターン１１が設けられている。θスケールパターン１１は、θ方向に周期的に交互に配置されたパターン部としての反射部と非反射部により構成され、θ方向での位置（以下、θ位置という）を検出するための目盛りとなる。また、スケール３０上には、第１のスケールパターン４１に並行して、第２のパターンとしてθ方向にリング状に延びるＲスケールパターン４２が設けられている。Ｒスケールパターン４２は、θ方向に直交する径方向（以下、Ｒ方向という）に周期的に交互に配置されたパターン部としての反射部と非反射部とにより構成され、Ｒ方向での位置（以下、Ｒ位置という）を検出するための目盛りとなる。
【０１０４】
図示はしないが、第１および第２のセンサヘッド３２，３３はいずれも、実施例１における各センサヘッドのＸ受光素子アレイおよびＹ受光素子アレイと同様に構成されたθ受光素子アレイおよびＲ受光素子アレイを有する。θ受光素子アレイおよびＲ受光素子アレイはそれぞれ、θおよびＲスケールパターン４１，４２を光学的に読み取って周期信号（θ２相信号およびＲ２相信号）を出力する。該周期信号は、センサユニット３０内の信号処理部２０″に送られる。
【０１０５】
信号処理部２０″は、第１のθ位置演算部２１″、第２のθ位置演算部２２″、第１のＲ位置演算部２３″、第２のＲ位置演算部２４″、センサ角度演算部２５″、パターンピッチ検出部２６″および位置信号演算部２７″を含む。
【０１０６】
第１および第２のθ位置演算部２１″，２２″はそれぞれ、θスケールパターン４１を読み取った第１および第２のセンサヘッド３２，３３からのθ２相信号に対して逆正接演算を行い、θ２相信号のその時点での位相（以下、θ位相という）を求める。そして、θ位相の変化量を累積することで、スケール４０と各センサヘッドとのθ方向での相対回転量（角度）、つまりはθ検出位置を算出する。具体的には、第１および第２のθ位置演算部２１″，２２″はそれぞれ、θスケールパターン４１の反射部のピッチ（以下、θパターンピッチという）Ｐθとθ位相の変化量の累積値である累積位相変化量ΔΦとを用いて、θ検出位置を、
Ｐθ×ΔΦ／２π
により演算する。ただし、実際にはθパターンピッチＰθには誤差（ピッチ誤差）があるため、算出されたθ検出位置にも誤差が含まれる。第１および第２のθ位置演算部２１″，２２″は第１の位置取得手段に相当する。
【０１０７】
第１および第２のＲ位置演算部２３″，２４″はそれぞれ、Ｒスケールパターン４２を読み取った第１および第２のセンサヘッド３２，３３からのＲ２相信号に対して逆正接演算を行い、Ｒ２相信号のその時点での位相（以下、Ｒ位相という）を求める。そして、Ｒ位相の変化量を累積することで、スケール４０と各センサヘッドとのＲ方向での相対移動量、つまりはＲ検出位置を算出する。具体的には、第１および第２のＲ位置演算部２３″，２４″はそれぞれ、Ｒスケールパターン４２の反射部のピッチ（以下、Ｒパターンピッチという）ＰＲとＲ位相の変化量の累積値である累積位相変化量ΔΦとを用いて、Ｒ検出位置を、
ＰＲ×ΔΦ／２π
により演算する。第１および第２のＲ位置演算部２３″，２４″は第２の位置取得手段に相当する。
【０１０８】
次に、センサ角度演算部２５″、パターンピッチ検出部２６″および位置信号演算部２７″が行う演算について説明する。パターンピッチ検出部２６″は周期取得手段に相当する。また、センサ角度演算部（角度取得手段）２５″および位置信号演算部２７″は位置情報生成手段に相当する。
【０１０９】
センサ角度演算部２５″は、第１および第２のセンサヘッド３２，３３により検出されるｉ〜ｉ＋１番目のθ検出位置の差Ｈ（ｉ）を以下のように算出する。
【０１１０】
【数２３】
2015215241.tif 000025
【０１１１】
ただし、θａ（ｉ）は第１のセンサヘッド３２により検出されるｉ番目のθ検出位置であり、θｂ（ｉ）は第２のセンサヘッド３３により検出されるｉ番目のθ検出位置である。
なお、Ｈ（ｉ）を、ｉ〜ｉ＋１番目の２つのθ検出位置（サンプル点）間の平均として、
【０１１２】
【数２４】
2015215241.tif 000026
【０１１３】
としてもよい。
【０１１４】
さらに、θ方向に対する接線が延びる方向を接線方向とするとき、該接線方向に対する第１および第２のセンサヘッド３２，３３の検出点Ｃ間を結ぶ検出点間ラインＣ−Ｃの傾き角度をθｄとする。このとき、センサ角度演算部２５″は、ｉ〜ｉ＋１番目のθｄ（ｉ）を以下のように演算する。
【０１１５】
【数２５】
2015215241.tif 000027
【０１１６】
ただし、Ｒａ（ｉ）は第１のセンサヘッド３２により検出されるｉ番目のＲ検出位置であり、Ｒｂ（ｉ）は第２のセンサヘッド３３により検出されるｉ番目のＲ検出位置である。また、Ｒ０は（Ｒａ（ｉ）＋Ｒｂ（ｉ））／２の１周の平均値である。さらに、φ０［ｒａｄ］は、第１および第２のセンサヘッド３２，３３の検出点Ｃ間の角度間隔としての実効検出位置間角度であり、１周内でのＨ（ｉ）の平均値である。
なお、式２９の第１項を省略して、
【０１１７】
【数２６】
2015215241.tif 000028
【０１１８】
としてもよい。
【０１１９】
通常はθ位置によるθｄ（ｉ）の変動は微小であるので、特定のθ位置（または特定のθ領域）で測定した値をθｄ（ｉ）の固定値θｄとして、これを全θ領域に適用することも可能である。
【０１２０】
パターンピッチ検出部２６″は、θパターンピッチおよび実効検出位置間角度の誤差が補正されたｉ〜ｉ＋１番目のサンプル点間の変位量Δθ（ｉ）を、
【０１２１】
【数２７】
2015215241.tif 000029
【０１２２】
【数２８】
2015215241.tif 000030
【０１２３】
により演算する。
【０１２４】
位置信号演算部２７″は、変位量Δθ（ｉ）の累積値である累積変位量Ｄ（ｉ）を、
【０１２５】
【数２９】
2015215241.tif 000031
【０１２６】
より演算する。
【０１２７】
θｄ（ｉ）を固定値θｄとして扱う場合には、ｉ番目の累積変位量Ｄ（ｉ）を以下のように近似できる。
【０１２８】
【数３０】
2015215241.tif 000032
【０１２９】
【数３１】
2015215241.tif 000033
【０１３０】
【数３２】
2015215241.tif 000034
【０１３１】
信号処理回路２０″は、以上の累積変位量Ｄ（ｉ）を算出する動作をエンコーダの初期化動作やリセット動作において行う。そして、位置信号演算部２７″は、θ（ｉ＋１）とＤ（ｉ）の差を補正値として補正テーブルまたは補正関数のかたちで記憶し、実際のＸ位置の検出時にθ（ｉ）に対して該補正値を加えるピッチ補正を行う。これにより、補正されたθ（ｉ）としての位置情報が生成される。
【０１３２】
図１４には、φ０＝５ｄｅｇ、θｄ＝−０．４７ｄｅｇ、スケール４０のピッチ誤差０．０４ｄｅｇ（変動周期１８０度）の場合でのスケール４０とセンサユニット３０との実際の相対回転量［ｄｅｇ］に対するθ検出位置の誤差の非直線性を示す。スケール４０とセンサユニット３０のＲ方向での変位量（第１または第２のずれ量）である偏芯量Ｅｃｃは２０μｍとする。
【０１３３】
図１４において、一点鎖線のグラフは、ピッチ補正を行わない場合、すなわち、
【０１３４】
【数３３】
2015215241.tif 000035
【０１３５】
とした場合のθ検出位置の誤差の非直線性を示す。Ｒ方向の変位量（偏芯量Ｅｃｃ）によって、スケール４０の実際のピッチ誤差よりも見かけ上大きなピッチ誤差が生じており、これにより非直線性が大きい誤差が生じていることが分かる。
【０１３６】
また、図１４における破線のグラフは、実効検出位置間角度を考慮せずに、φ０を固定値とした場合、すなわち、
【０１３７】
【数３４】
2015215241.tif 000036
【０１３８】
とした場合のθ検出位置の誤差の非直線性を示す。Ｒ方向の変位量（偏芯量Ｅｃｃ）に伴って補正誤差が発生していることが分かる。
【０１３９】
そして、図１４における実線のグラフは、本実施例のように実効検出位置間角度を考慮した場合、すなわち、
【０１４０】
【数３５】
2015215241.tif 000037
【０１４１】
とした場合のＸ検出位置の誤差を示している。この場合、スケール４０のピッチ誤差、偏芯量、Ｒ方向変位の補正がなされた結果、θ検出位置の誤差が高い直線性を有するだけでなく、誤差そのものが小さくなっている。
【０１４２】
本実施例によれば、スケール４０とセンサユニット３０の相対移動方向（θ方向）の接線方向に対する第１および第２のセンサヘッド３２，３３の検出点間ラインＣ−Ｃの傾きおよびスケール１０のＲ方向での変位を検出する。そして、これらを用いてθ検出位置の誤差を補正する。これにより、高精度なθ位置の検出が可能となる。
【０１４３】
なお、本実施例では、インクリメント型のエンコーダについて説明したが、アブソリュート型のエンコーダにも本実施例で説明した誤差補正方法を適用することができる。
【実施例５】
【０１４４】
次に、図１４を用いて、本発明の実施例５である光学装置としての撮像装置６０の構成を示す。撮像装置６０は、上述した実施例４のエンコーダを撮影レンズ部５１に搭載している。撮影レンズ部５１は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子５５を含む撮像装置本体に対して一体に設けられているものであってもよいし、着脱可能な交換タイプのものであってもよい。
【０１４５】
エンコーダは、実施例４で説明したセンサユニット３０と、リング状のスケール４０と、信号処理回路２０″を含むＣＰＵ５４とにより構成される。ＣＰＵ５４は、撮像装置６０の全体の制御を司る制御手段としても機能する。
【０１４６】
撮影レンズ部５１において、５２は光軸方向に移動可能な可動レンズであり、５０は撮影レンズ部５１の鏡筒本体（固定部）５３に対して光軸回りで回転可能な円筒体（可動部）である。円筒体５０の内周部にはスケール４０が取り付けられており、鏡筒本体５３に固定されたセンサユニット３０に対して回転する。可動レンズ５２は、例えばオートフォーカスにおいて光軸方向での位置（移動）が制御される被検出部としてのフォーカスレンズである。なお、可動レンズ５２は、変倍用のレンズ等、光軸方向での位置（移動）が制御されるレンズであればよい。
【０１４７】
円筒体５０は、可動レンズ５２を光軸方向に移動させるための不図示のアクチュエータに連結されている。エンコーダは、円筒体５０（つまりはスケール４０）の光軸回りでの回転量（移動量）を検出する。これにより、ＣＰＵ５４は、可動レンズ５２の光軸方向での位置を検出することができる。ＣＰＵ５４は、検出された可動レンズ５２の位置を、例えば合焦位置として演算した位置に移動させるようアクチュエータの駆動を制御する。
【０１４８】
なお、リング状のスケール４０に代えて、フィルム基材を用いて形成された実施例１，３のリニア型スケール１０，１０′を円弧状に曲げて円筒体５０の内周面に固定してもよい。
【０１４９】
また、上記各実施例のエンコーダは、本実施例で説明したような光学装置に限らず、種々の装置に適用することが可能である。例えば、ロボットアームやワークを搬送する搬送部等の被検出部を備えた工作装置において、該被検出部の位置を各実施例のエンコーダを用いて検出し、その移動を制御するようにしてもよい。これにより、ワークに対する高精度な工作を行える工作装置を実現することができる。
【０１５０】
さらに、上記各実施例のエンコーダは、スケールとセンサユニットのアラインメント誤差に大きく影響されることなく高精度な位置検出を行うことができる。したがって、各種装置において被検出部の位置検出および移動制御を高精度に行うことができる。
【０１５１】
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。
【符号の説明】
【０１５２】
１，１′，３０  センサユニット
１０，１０′，４０  スケール
２０，２０′，２０″  信号処理部
【図１】
2015215241.tif 000038
【図２】
2015215241.tif 000039
【図３】
2015215241.tif 000040
【図４】
2015215241.tif 000041
【図５】
2015215241.tif 000042
【図６】
2015215241.tif 000043
【図７】
2015215241.tif 000044
【図８】
2015215241.tif 000045
【図９】
2015215241.tif 000046
【図１０】
2015215241.tif 000047
【図１１】
2015215241.tif 000048
【図１２】
2015215241.tif 000049
【図１３】
2015215241.tif 000050
【図１４】
2015215241.tif 000051