(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の周期で等間隔に形成された第１明暗パターンからなる第１インクリメンタルパターンを有する第１インクリメンタルトラックと、絶対位置を表現したアブソリュートパターンを有するアブソリュートトラックと、前記第１周期よりも大きい第２の周期で等間隔に形成された第２明暗パターンからなる第２インクリメンタルパターンを有する第２インクリメンタルトラックとを形成されたスケールと、
このスケールに測定光を照射する光源と、
前記スケールで反射又は透過した前記測定光を受光する受光器と、
前記受光器の受光信号を処理して前記スケールの絶対位置を検出する信号処理回路と
を備え、
前記信号処理回路は、位置基準信号を生成し、前記位置基準信号が、前記第１インクリメンタルパターンのピッチと前記第２インクリメンタルパターンのピッチとの最小公倍数から成る周期を有し、かつ、前記信号処理回路は、前記アブソリュートパターンから得られた信号に基づいて、前記スケールが、前記位置基準信号の周期の何番目にあるかを判定し、この判定結果、前記第２インクリメンタルパターンから得られた信号、及び前記第１インクリメンタルパターンから得られた信号に基づいて、前記スケールの絶対位置を検出するものである
ことを特徴とする絶対位置測長型エンコーダ。
【請求項２】
前記アブソリュートパターンと、前記第２インクリメンタルパターンとは、同一のトラック上に形成されており、前記第２インクリメンタルパターンと前記アブソリュートパターンとが統合されていることを特徴とする請求項１に記載の絶対位置測長型エンコーダ。
【請求項３】
前記第２インクリメンタルパターンと前記アブソリュートパターンとの統合は、前記アブソリュートパターンと前記第２インクリメンタルパターンとが共存する箇所にのみパターンが形成されることにより行われることを特徴とする請求項２に記載の絶対位置測長型エンコーダ。
【請求項４】
第１の周期で等間隔に形成された第１明暗パターンからなる第１インクリメンタルパターンを有する第１インクリメンタルトラックと、絶対位置を表現したアブソリュートパターンを有するアブソリュートトラックと、前記第１インクリメンタルトラックの上下に挟むように配置され、前記第１周期よりも大きい第２の周期で等間隔に形成された第２明暗パターンからなる第２インクリメンタルパターンを有する第２インクリメンタルトラックとを形成されたスケールと、
このスケールに測定光を照射する光源と、
前記スケールで反射又は透過した前記測定光を受光する受光器と、
前記受光器の受光信号を処理して前記スケールの絶対位置を検出する信号処理回路と
を備え、
前記信号処理回路は、位置基準信号を生成し、前記位置基準信号が前記第１インクリメンタルパターンのピッチと前記第２インクリメンタルパターンのピッチとの最小公倍数から成る周期を有し、かつ、前記信号処理回路は、前記アブソリュートパターンから得られた信号に基づいて、前記スケールが、前記位置基準信号の周期の何番目にあるかを判定し、この判定結果、前記第２インクリメンタルパターンから得られた信号の平均値、及び前記第１インクリメンタルパターンから得られた信号に基づいて、前記スケールの絶対位置を検出する
ことを特徴とする絶対位置測長型エンコーダ。
【請求項５】
前記アブソリュートパターンと、前記第２インクリメンタルパターンとは、同一のトラック上に形成されており、前記第２インクリメンタルパターンと前記アブソリュートパターンとが統合されていることを特徴とする請求項４に記載の絶対位置測長型エンコーダ。
【請求項６】
前記第２インクリメンタルパターンと前記アブソリュートパターンとの統合は、前記アブソリュートパターンと前記第２インクリメンタルパターンとが共存する箇所にのみパターンが形成されることにより行われることを特徴とする請求項５に記載の絶対位置測長型エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶対位置測長型エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の移動距離を測定するための装置として、相対移動距離を測定するインクリメンタルエンコーダの他、絶対位置の測長を可能にしたアブソリュートエンコーダが知られている。
【０００３】
インクリメンタルエンコーダは、光電式エンコーダの場合、明暗の等間隔のインクリメンタルパターンから成るインクリメンタルトラックを有し、このパターンに基づく明暗信号をカウントすることにより、相対的な移動距離を検出する。また、明暗の等間隔のインクリメンタルパターンとは別に設けられた原点検出パターンを検出し、この原点からの相対的な移動距離を検出することにより、絶対的な移動距離を検出することができる。ただし、原点検出パターンを読むため、測定に先立ちスケールを左右に移動させなければならない。
【０００４】
一方、アブソリュートエンコーダは、例えばＭ系列符号等の擬似ランダム符号を表現したアブソリュートパターンから成るアブソリュートトラックを有し、このパターンを読むことで得られた物体の絶対位置を検出するものである。アブソリュートエンコーダは、インクリメンタルエンコーダと異なり、原点検出パターンによる原点検出を行う必要は無く、電源投入後のその位置から測定を開始することができる。しかし、検出精度の面では、インクリメンタルエンコーダよりも劣る。
【０００５】
そのため、等間隔の明暗パターンからなるインクリメンタルパターンを有するインクリメンタルトラックと、擬似ランダム符号を表現したアブソリュートパターンを有するアブソリュートトラックとを１つのスケール上に平行に配置した絶対位置測長型エンコーダが、例えば特許文献１により知られている。
【０００６】
この種のエンコーダにおいて、インクリメンタルパターンのピッチが４０μｍである場合、アブソリュートパターンの位置精度は±２０μｍ以内にしなければならない。この構成では、インクリメンタルパターンとアブソリュートパターン、それぞれのパターン線幅及びパターンの疎密の程度が異なるため、高精度なパターンを形成することが困難である。
【特許文献１】特開平７−２８６８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、アブソリュートパターンのインクリメンタルパターンに対する位置ずれの許容度を大きくし、もってインクリメンタルパターンの微細化を可能とした、より高精度な絶対測長型エンコーダを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る絶対位置測長型エンコーダは、第１の周期で等間隔に形成された第１明暗パターンからなる第１インクリメンタルパターンを有する第１インクリメンタルトラックと、絶対位置を表現したアブソリュートパターンを有するアブソリュートトラックと、第１周期よりも大きい第２の周期で等間隔に形成された第２明暗パターンからなる第２インクリメンタルパターンを有する第２インクリメンタルトラックとを形成されたスケールと、このスケールに測定光を照射する光源と、スケールで反射又は透過した測定光を受光する受光器と、受光器の受光信号を処理してスケールの絶対位置を検出する信号処理回路とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
ひとつの態様において、上記信号処理回路は、位置基準信号を生成し、該位置基準信号が第１インクリメンタルパターンのピッチと第２インクリメンタルパターンのピッチとの最小公倍数となる周期を有し、かつ、上記信号処理回路は、アブソリュートパターンから得られた信号に基づいて、スケールが、上記位置基準信号の周期の何番目にあるかを判定し、この判定結果、第２インクリメンタルパターンから得られた信号、及び第１インクリメンタルパターンから得られた信号に基づいて、スケールの絶対位置を検出するように構成することができる。
【００１０】
また、他の態様において、本発明に係る絶対位置測長型エンコーダは、第１の周期で等間隔に形成された第１明暗パターンからなる第１インクリメンタルパターンを有する第１インクリメンタルトラックと、絶対位置を表現したアブソリュートパターンを有するアブソリュートトラックと、第１インクリメンタルトラックの上下に挟むように配置され、第１周期よりも大きい第２の周期で等間隔に形成された第２明暗パターンからなる第２インクリメンタルパターンを有する第２インクリメンタルトラックとを形成されたスケールと、このスケールに測定光を照射する光源と、スケールで反射又は透過した測定光を受光する受光器と、受光器の受光信号を処理してスケールの絶対位置を検出する信号処理回路とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
ひとつの態様において、上記信号処理回路は、位置基準信号を生し、該位置基準信号が第１インクリメンタルパターンのピッチと第２インクリメンタルパターンのピッチとの最小公倍数となる周期を有し、かつ、上記信号処理回路は、アブソリュートパターンから得られた信号に基づいて、スケールが、上記位置基準信号の周期の何番目にあるかを判定し、この判定結果、第２インクリメンタルパターンから得られた信号の平均値、及び第１インクリメンタルパターンから得られた信号に基づいて、スケールの絶対位置を検出することができる。
【００１２】
このエンコーダによれば、アブソリュートパターンは、第１の周期で明暗パターンが形成されたインクリメンタルパターンとの関係で正確に形成される必要はなく、第１の周期よりも大きい周期で変化する位置基準信号に対して、所定の精度で形成されていればよい。従って、アブソリュートパターンのインクリメンタルパターンに対する位置誤差の許容度を大きくすることができ、結果として、インクリメンタルパターンの微細化、及びエンコーダの高精度化に寄与することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、アブソリュートパターンのインクリメンタルパターンに対する位置ずれの許容度を大きくし、もってインクリメンタルパターンの微細化を可能とした、より高精度な絶対測長型エンコーダを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。この実施の形態の絶対位置測長型光電式エンコーダは、発光素子１１と、スケール１２と、レンズ１３と、フォトダイオードアレイ１４と、信号処理回路２０とを備えて構成されている。
【００１６】
発光素子１１は、コヒーレント光を出射する光源、例えばレーザダイオードである。スケール１２は、図２（Ａ）に示すように、透明ガラス基板上に、明暗の等間隔の配列ピッチＰ１（たとえば４０μｍ）で形成された第１インクリメンタルパターン３１から成る第１インクリメンタルトラック３０１と、擬似ランダムパターン（ここではＭ系列符号）により絶対位置を表現した一般的なアブソリュートパターン３２から成るアブソリュートトラック３０２と、上記第１インクリメンタルパターンの配列ピッチよりわずかに大きいピッチＰ２（例えば、５０μｍ）で形成された第２インクリメンタルパターン３３から成る第２インクリメンタルトラック３０３とを形成して構成される。
【００１７】
次に、第１インクリメンタルパターン３１と第２インクリメンタルパターン３３との関係を詳細に説明する。図２（Ｂ）は、スケール１２の一部（Ａ部）を拡大したものである。第２インクリメンタルパターン３３のピッチＰ２は、第１インクリメンタルパターン３１のピッチＰ１よりわずかに大きく、第１インクリメンタルパターン３１と第２インクリメンタルパターン３３との位相差が位置基準信号を構成する。位置基準信号は、掃引方向に沿って、一定周期で位相が変化する信号である。ここで、位置基準信号の周期を、第１インクリメンタルパターンのピッチＰ１と第２インクリメンタルパターンのピッチＰ２との最小公倍数となるように構成する。例えば、第１インクリメンタルパターンのピッチＰ１が４０μｍで、第２インクリメンタルパターンのピッチＰ２が５０μｍであるとすると、位置基準信号の周期は２００μｍとなる。
【００１８】
このように構成することで、第１インクリメンタルパターン３１と第２インクリメンタルパターン３３とで、その線幅及び粗密の程度をほぼ同程度にすることができ、また、第１インクリメンタルパターン３１と第２インクリメンタルパターン３３のそれぞれは、リソグラフィー技術におけるステップ・アンド・リピートの転写方法でパターン形成できるため、高精度なスケールパターンをより簡便に形成することが可能となる。これに対し、アブソリュートパターン３２は、全長に亘って同一の部分が一箇所も無いため、全長に亘って正確に形成することが困難である。
【００１９】
ここで、従来技術のように、位置基準信号が無く、第１インクリメンタルパターン３１とアブソリュートパターン３２のみが存在するエンコーダを想定する。このようなエンコーダでは、例えば、第１インクリメンタルパターン３１の配列ピッチを４０μｍとした場合、アブソリュートパターン３２の精度は、スケール１２の全長に亘り、その半分未満の±２０μｍ未満にしなければならない。
【００２０】
本実施の形態のように、第１インクリメンタルパターン３１の配列ピッチＰ１より大なる周期で変化する位置基準信号を生成すれば、アブソリュートパターン３３の位置精度は、この位置基準信号の周期に合わせれば十分である。従って、アブソリュートパターン３２の位置誤差の許容度を大きくすることができる。例えば、位置基準信号の周期がＰ１の５倍の２００μｍであれば、アブソリュートパターン３２の位置誤差は、スケール１２の全長に亘り、±１００μｍまで許容することが可能になる。このことは、インクリメンタルパターン３１の配列ピッチＰ１を、アブソリュートパターン３２の精度を考慮せずに決定することができることを意味する。従って、本実施の形態によれば、インクリメンタルパターン３１のピッチを微細化することができ、もってエンコーダの高精度化を図ることができる。
【００２１】
発光素子１１は、このスケール１２を照射し、スケール１２を透過した照射光は、レンズ１３を介してフォトダイオードアレイ１４上に投影される。
【００２２】
図３に示すように、フォトダイオードアレイ１４は、第１インクリメンタルトラック３０１、アブソリュートトラック３０２、及び第２インクリメンタルトラック３０３のそれぞれに対応して、第１ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１、ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２、及び第２ＩＮＣフォトダイオードアレイ４３を備えている。各フォトダイオードアレイ４１〜４３は、対応するパターン３１〜３３のピッチに対応した配列ピッチでフォトダイオードを配列して構成される。
【００２３】
第１ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１は、９０°ずつ位相の異なる４組のフォトダイオードアレイを有し、第１インクリメンタルパターン３１に基づく明暗信号を検出して９０度位相差の４相正弦波信号４１０を出力する。第２ＩＮＣフォトダイオードアレイ４３は第２インクリメンタルパターン３３に基づく明暗信号を検出して９０度位相差の４相正弦波信号４３０を出力する。ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２は、アブソリュートパターン３２に基づく明暗信号を測長方向に掃引し得られた信号４２０を出力する。
【００２４】
図１に戻って説明を続ける。信号処理装置２０は、一例として、ノイズフィルタ・増幅回路２１、Ａ／Ｄ変換器２２、相対位置検出回路２３、２３’、ノイズフィルタ・増幅回路２４、Ａ／Ｄ変換器２５、絶対位置検出回路２６、ノイズフィルタ・増幅回路２７、Ａ／Ｄ変換器２８、絶対位置合成回路２９及び位置基準生成回路４５を備えて構成される。
【００２５】
ノイズフィルタ・増幅回路２１は、ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１からのアナログ出力信号４１０（９０°位相差４相信号）のノイズを除去した後この信号を増幅して出力する。Ａ／Ｄ変換器２２は、ノイズフィルタ・増幅回路２１が出力するアナログ出力信号をデジタル信号に変換する。相対位置検出回路２３は、得られたデジタル信号（デジタル化された９０°位相差２相信号）の振幅のａｒｃｔａｎ演算を行うことにより、スケール１０の相対的な移動量・移動方向を示す相対位置信号Ｄ２を出力する。
【００２６】
ノイズフィルタ・増幅回路２７は、第２ＩＮＣフォトダイオードアレイ４３からのアナログ出力信号４３０のノイズを除去した後この信号を増幅して出力する。Ａ／Ｄ変換器２８は、ノイズフィルタ・増幅回路２７が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換する。相対位置検出回路２３’は、得られたデジタル信号（デジタル化された９０°位相差２相信号）の振幅のａｒｃｔａｎ演算を行うことにより、スケール１０の相対的な移動量・移動方向を示す相対位置信号Ｄ２’を出力する。こうして得られた相対位置信号Ｄ２と相対位置信号Ｄ２’とを位置基準生成回路４５にて位相比較することにより前述の位置基準信号Ｄ３を得ることができる。
【００２７】
ノイズフィルタ・増幅回路２４は、ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２からのアナログ出力信号４２０（絶対位置信号）のノイズを除去した後この信号を増幅して出力する。Ａ／Ｄ変換器２５は、ノイズフィルタ・増幅回路２４が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換する。変換後のデジタル信号は、この場合アブソリュートパターン３２に表現されたＭ系列符号のデータを含んでいる。
【００２８】
絶対位置検出回路２６は、このＭ系列符号と、Ｍ系列により表現される絶対位置との関係を示すテーブル（図示せず）を有しており、このテーブルを参照して、スケール１２の絶対位置を示す絶対位置信号Ｄ１を出力する。あるいは、アブソリュートパターンの設計値と検出信号との相関演算により、絶対位置信号Ｄ１を出力する。
【００２９】
絶対位置合成回路２９は、絶対位置信号Ｄ１、相対位置信号Ｄ２、位置基準信号Ｄ３に基づいて、スケール１２の微細な絶対位置を算出する。
【００３０】
次に、この絶対位置合成回路２９の動作を、図４を参照して説明する。絶対位置信号Ｄ１は、スケール１２の絶対位置についての情報を有している。アブソリュートパターン３２は、位置基準信号Ｄ３に対し所定の精度をもって形成される。このため、絶対位置信号Ｄ１から絶対位置が得られることで、位置基準信号Ｄ３の周期の何周期目にスケール１２が位置しているのかを特定することができる（図４（ａ）の（１））。
【００３１】
位置基準信号Ｄ３の周期の何周期目かが特定されると、その後、位置基準信号Ｄ３の信号量が検出されることにより、第１インクリメンタルパターン３１の何周期目にスケール１２が位置しているのかを特定することができる（図４（ｂ）の（２））。その後は、第１インクリメンタルパターン３１から得られた相対位置信号Ｄ２の明暗を計数することにより、スケール１２の絶対位置を算出し出力することが可能である。
【００３２】
以上説明したように、この実施の形態によれば、アブソリュートパターン３２により得られた絶対位置信号Ｄ１に基づき、スケール１２の絶対位置が、位置基準信号Ｄ３との関係において検出され、その後、位置基準信号Ｄ３及び第１インクリメンタルパターン３１に基づく相対位置信号Ｄ２により、精緻なスケール１２の絶対位置情報を得ることができる。従って、本実施の形態によれば、インクリメンタルパターンのピッチを微細化することができ、もって、高精度な絶対測長型エンコーダを提供することが可能である。
【００３３】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダを、図５〜図８を参照して説明する。第１の実施の形態と同一の構成要素については、図５〜図８において同一の符号を付し、以下ではその詳細な説明は省略する。
【００３４】
図５は、この第２の実施の形態の全体構成を示す概略図であり、図６はスケール１２の平面構成を示している。図６（Ｂ）に示すように、本実施の形態では、第１の実施の形態のアブソリュートトラック３０２と第２インクリメンタルトラック３０３に代え、この２種類のアブソリュートパターン３２、インクリメンタルパターン３３を１トラックに統合したＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４から成るＡＢＳ／インクリメンタル統合トラック３０４を備えている点で第１の実施の形態と異なっている。ＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４は、図６（Ａ）に示すように、擬似ランダムパターンを表現したアブソリュートパターン３２を、第１インクリメンタルパターン３１の配列ピッチＰ1より大きな配列ピッチＰ２で配列された第２インクリメンタルパターン３３と統合して１トラックに配列して形成されたものである。具体的には、ＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４は、アブソリュートパターン３２と第２インクリメンタルパターン３３とが共存する箇所にのみパターンを形成するように構成されており、アブソリュートパターン３２に対応したアブソリュートパターン部３２’と第２インクリメンタルパターン３３に対応した第２インクリメンタルパターン部３３’とから成る。
【００３５】
本実施の形態では、上記のようにスケール１２が２トラックを備えるのみであるので、３トラックからなる第１の実施の形態に比べ小型化が可能である。
【００３６】
スケール１２が上記のように構成されているのに対応して、フォトダイオードアレイ１４は、図７に示すように、第１インクリメンタルパターン３１、及びＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４のそれぞれに対応して、ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１、ＡＢＳ／インクリメンタルフォトダイオードアレイ４４を備えている。
【００３７】
図５に示すように、本実施の形態の信号処理回路２０において、インクリメンタルパターン３１に基づく信号の処理のための構成（２１〜２３）は第１の実施の形態と同様である。一方、上述のＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４に基づく信号４４０は、ノイズフィルタ増幅回路２４、Ａ／Ｄ変換器２５を介して分離回路２０１に入力される点で、第１の実施の形態と異なっている。分離回路２０１は、ＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４のうち、前述の第２インクリメンタルパターン部３３’からの信号と、前述のアブソリュートパターン部３２’からの信号とを分離する機能を有し、具体的には、図示しないローパスフィルタ、減算回路等を有している。例えば、まず、ＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４の明暗信号からローパスフィルタにより、第２インクリメンタルパターン部３３’の信号を除去することにより、アブソリュート明暗信号を得る。次に、得られたアブソリュート明暗信号をＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４の明暗信号から減ずることにより、第２インクリメンタル明暗信号を得ることができる。
【００３８】
ここで、図８を参照して、ＡＢＳ／インクリメント統合パターン３４の信号処理の方法を詳細に説明する。図８（Ａ）は、ＡＢＳ／インクリメンタルフォトダイオードアレイ４４と、ＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４との関係について示したものである。図８（Ｂ）は、測定軸方向に掃引することによりＡＢＳ／インクリメンタルフォトダイオードアレイ４４で得られる、ＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４の明暗信号４４０を示したものである。縦軸が信号強度、横軸が掃引方向を示している。この信号Ａには、アブソリュート明暗信号とインクリメンタル明暗信号とが混在しているのがわかる。図８（Ｃ）は、ローパスフィルタ処理後の明暗信号を示している。ローパスフィルタ処理により、インクリメンタル明暗信号部分が除去され、アブソリュート明暗信号Ｂのみが残り、その結果、アブソリュート明暗信号Ｂを分離して得ることができる。このアブソリュート明暗信号Ｂが絶対位置信号検出回路２６へ送られる。図８（Ｄ）は、図８（Ｂ）のＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４の明暗信号Ａから、図８（Ｃ）のアブソリュート明暗信号Ｂを減算処理により減じた信号Ｃを示している。この信号Ｃにおいて、アブソリュートパターン部３２’の存在しない箇所は信号強度がゼロとなり、インクリメンタル位置検出に寄与しない。したがって、インクリメンタル明暗信号Ｃのみを分離することができる。この分離して得られたインクリメンタル明暗信号である信号Ｃは相対位置検出回路２０２に送られる。
【００３９】
分離された第２インクリメンタルパターン３３’からの信号Ｃは、相対位置検出回路２０２に入力され、相対位置検出回路２０２は相対位置信号Ｄ２’を出力する。得られた相対位置信号Ｄ２と相対位置信号Ｄ２’を位置基準信号生成回路２０３で位相比較することにより、位置基準信号Ｄ３を得ることができる。絶対位置合成回路２９の動作は第１の実施の形態と同一である。
【００４０】
このような構成によれば、トラック幅を低減することができるだけでなく、パターンの種類の数より少ない種類の数のフォトダイオードアレイを使って絶対位置検出を行うことができる。その結果、測定精度の向上と装置の小型化、及び低コスト化を実現することが可能である。
【００４１】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダを、図９〜図１２を参照して説明する。第１の実施の形態と同一の構成要素については、図９〜図１２において同一の符号を付し、以下ではその詳細な説明は省略する。
【００４２】
図９は、この第３の実施の形態の全体構成を示す概略図であり、図１０はスケール１２の平面構成を示している。スケール１２は、図１０に示すように、透明ガラス基板上に、明暗の等間隔の配列ピッチＰ１（たとえば４０μｍ）で形成された第１インクリメンタルパターン３１から成る第１インクリメンタルトラック３０１と、擬似ランダムパターン（ここではＭ系列符号）により絶対位置を表現した一般的なアブソリュートパターン３２から成るアブソリュートトラック３０２と、上記第１インクリメンタルパターン３１の上下に配置され、その配列ピッチよりＰ１よりわずかに大きいピッチＰ２（例えば、５０μｍ）で形成された第２インクリメンタルパターン３３Ａから成る第２インクリメンタルトラック３０３Ａ、第２インクリメンタルパターン３３Ｂから成る第２インクリメンタルトラック３０３Ｂとを形成して構成される。
【００４３】
この実施の形態の絶対位置測長型光電式エンコーダは、発光素子１１と、スケール１２と、レンズ１３と、フォトダイオードアレイ１４と、信号処理回路２０とを備えて構成されている。
【００４４】
図１１に示すように、フォトダイオードアレイ１４は、第１インクリメンタルパターン３１、アブソリュートパターン３２、及び第２インクリメンタルパターン３３Ａ、３３Ｂのそれぞれに対応して、第１ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１、ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２、及び第２ＩＮＣフォトダイオードアレイ４３Ａ、４３Ｂを備えている。各フォトダイオードアレイ４１〜４３は、対応するパターン３１〜３３のピッチに対応した配列ピッチでフォトダイオードを配列して構成される。
【００４５】
第１ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１は、９０°ずつ位相の異なる４組のフォトダイオードアレイを有し、インクリメンタルパターン３１に基づく明暗信号を検出して９０度位相差の４相正弦波信号４１０を出力する。各第２ＩＮＣフォトダイオードアレイ４３Ａ、４３Ｂは９０°ずつ位相の異なる４組のフォトダイオードアレイを有し、インクリメンタルパターン３３Ａ、３３Ｂに基づく明暗信号を検出して９０度位相差の４相正弦波信号４３０Ａ、４３０Ｂを出力する。ＡＢＳフォトダイオードアレイ４２は、アブソリュートパターンに基づく明暗信号を測長方向に掃引し得られた信号４２０を出力する。
【００４６】
図９に示すように、本実施の形態の信号処理回路２０において、第１インクリメンタルパターン３１に基づく信号の処理のための構成、及びアブソリュートパターン３２に基づく信号処理のための構成は第１の実施の形態と同様である。本実施の形態において、第２インクリメンタルパターン３３Ａ、３３Ｂ各々に基づく信号処理の構成が２系統存在する点で、第１の実施の形態と異なっている。
【００４７】
具体的には、ノイズフィルタ・増幅回路２７’は、第２ＩＮＣフォトダイオードアレイ４３Ｂからのアナログ出力信号４３０Ｂのノイズを除去した後この信号を増幅して出力する。Ａ／Ｄ変換器２８’は、ノイズフィルタ・増幅回路２７’が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換する。相対位置検出回路２３’’は、得られたデジタル信号（デジタル化された９０°位相差信号）の振幅のａｒｃｔａｎ演算を行うことにより、スケール１０の相対的な移動量・移動方向を示す相対位置信号Ｄ２’’を出力する。こうして得られた相対位置信号Ｄ２及び相対位置信号Ｄ２’’を位置基準生成回路４５’にて位相比較することにより位置基準信号Ｄ３Ｂを得ることができる。こうして得られた２つの位置基準信号Ｄ３Ａ及びＤ３Ｂは、平均化回路３０で平均される。結果として、誤差が相殺された平均位置基準信号Ｄ３aveを得ることができる。
【００４８】
絶対位置合成回路２９は、絶対位置信号Ｄ１、相対位置信号Ｄ２、平均位置基準信号Ｄ３aveに基づいて、スケール１２の微細な絶対位置を算出する。
【００４９】
この絶対位置合成回路２９の動作を、図１２を参照して説明する。絶対位置信号Ｄ１は、スケール１２の絶対位置についての情報を有している。アブソリュートパターン３２は、平均位置基準信号Ｄ３aveに対し所定の精度をもって形成される。このため、絶対位置信号Ｄ１から絶対位置が得られることで、平均位置基準信号Ｄ３aveの周期Ｐｒの何周期目にスケール１２が位置しているのかを特定することができる（図１２の（１））。
【００５０】
平均位置基準信号Ｄ３aveの周期Ｐｒの何周期目かが特定されると、その後、平均位置基準信号値Ｄ３aveが検出されることにより、第１インクリメンタルパターン３１の何周期目にスケール１２が位置しているのかを特定することができる（図１２の（２））。その後は、第１インクリメンタルパターン３１から得られた相対位置信号Ｄ２の明暗を計数することにより、スケール１２の絶対位置を算出し出力することが可能である。
【００５１】
以上説明したように、この実施の形態によれば、アブソリュートパターン３２により得られた絶対位置信号Ｄ１に基づき、スケール１２の絶対位置が、位置基準信号Ｄ３aveとの関係において検出され、第２インクリメンタルパターン３３Ａに基づく位置基準信号Ｄ３Ａ及び第２インクリメンタルパターン３３Ｂに基づく位置基準信号Ｄ３Ｂを平均することにより位置読み取り誤差が補正され、第１インクリメンタルパターン３１に基づく相対位置信号Ｄ２により、スケール１２の絶対位置情報を得ることができる。インクリメンタルパターンのピッチを微細化できることに加え、位置基準信号を平均することにより、誤差が相殺されるため、より高精度な絶対測長型エンコーダを提供することができる。
【００５２】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダを、図１３〜図１５を参照して説明する。上記実施の形態と同一の構成要素については、図１３〜図１５において同一の符号を付し、以下ではその詳細な説明は省略する。
【００５３】
図１３は、この第４の実施の形態の全体構成を示す概略図であり、図１４はスケール１２の平面構成を示している。図１４に示すように、本実施の形態では、アブソリュートトラック３０２と第２インクリメンタルトラック３０３Ａ、３０３Ｂに代え、この２種類のアブソリュートパターン３２及び第２インクリメンタルパターン３３を１トラックに統合したＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４Ａから成るＡＢＳ／インクリメンタル統合トラック３０４Ａ、ＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４Ｂから成るＡＢＳ／インクリメンタル統合トラック３０４Ｂを備えている点で第３の実施の形態と異なっている。ＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４Ａ、３４Ｂは、図１４に示すように、擬似ランダムパターンを表現したアブソリュートパターン３２を、第１インクリメンタルパターン３１の配列ピッチＰ１より大きな配列ピッチＰ２で配列された第２インクリメンタルパターン３３Ａ、３３Ｂと統合して１トラックに配列して形成されたものである。具体的には、ＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４Ａ、３４Ｂは、アブソリュートパターン３２と第２インクリメンタルパターン３３とが共存する箇所にのみパターンを形成するように構成されており、アブソリュートパターン３２に対応したアブソリュートパターン部３２’と第２インクリメンタルパターン３３に対応した第２インクリメンタルパターン部３３’とから成る。
【００５４】
スケール１２は、全体として、第１インクリメンタルトラック３０１の上下にＡＢＳ／インクリメンタル統合トラック３０４Ａ、３０４Ｂを形成した３トラックを形成して構成される。本実施の形態では、上記のようにスケール１２が３トラックを備えるのみであるので、４トラックからなる第３の実施の形態に比べ小型化が可能である。
【００５５】
また、スケール１２が上記のように構成されているのに対応して、フォトダイオードアレイ１４は、図１５に示すように、第１インクリメンタルパターン３１、及びＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４Ａ、３４Ｂのそれぞれに対応して、ＩＮＣフォトダイオードアレイ４１、ＡＢＳ／インクリメンタルフォトダイオードアレイ４４Ａ、４４Ｂを備えている。
【００５６】
図１３に示すように、本実施の形態の信号処理回路２０において、インクリメンタルパターン３１に基づく信号の処理のための構成、及びＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４Ａ、３４Ｂからインクリメンタル明暗信号とアブソリュート明暗信号を分離する構成は同じであるので説明を省略する。本実施の形態では、ＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４Ａ、３４Ｂからインクリメンタル明暗信号とアブソリュート明暗信号を分離する系統を２系統具備する点で第２の実施の形態と異なる。
【００５７】
分離回路２０１でＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４Ａから分離された第２インクリメンタルパターンからの信号は、相対位置検出回路２０２に入力され、相対位置検出回路２０２は相対位置信号Ｄ２’を出力する。得られた相対位置信号Ｄ２と相対位置信号Ｄ２’を位置基準信号生成回路２０３で位相比較することにより、位置基準信号Ｄ３Ａを得ることができる。同様に、分離回路２０１’でＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン３４Ｂから分離された第２インクリメンタルパターンからの信号は、相対位置検出回路２０２’に入力され、相対位置検出回路２０２’は相対位置信号Ｄ２’’を出力する。得られた相対位置信号Ｄ２と相対位置信号Ｄ２’’を位置基準信号生成回路２０３’で位相比較することにより、位置基準信号Ｄ３Ｂを得ることができる。こうして得られた位置基準信号Ｄ３Ａ及びＤ３Ｂは、平均化回路２０４において平均され、誤差が相殺されて、平均位置基準信号Ｄ３aveが得られる。誤差が補正された平均位置基準信号Ｄ３aveは絶対位置合成回路２９へ出力される。
【００５８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、アブソリュートパターン３２により得られた絶対位置信号Ｄ１に基づき、スケール１２の絶対位置が、第２インクリメンタルパターン３４Ａ、３４Ｂとの関係において検出され、第２インクリメンタルパターン３４Ａに基づく位置基準信号Ｄ３Ａ及び第２インクリメンタルパターン３４Ｂに基づく位置基準信号Ｄ４Ｂを平均することにより位置読み取り誤差が補正されて、第１インクリメンタルパターン３１に基づく相対位置信号Ｄ２により、スケール１２の絶対位置情報を得ることができる。インクリメンタルパターンのピッチを微細化できることに加え、位置基準信号を平均することにより、誤差が相殺されるため、より高精度な絶対測長型エンコーダを提供することができる。また本実施の形態によれば、受光素子アレイの種類の数を減じることが可能である。
【００５９】
［その他］
以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。例えば、上記実施の形態では、透過型の光電式エンコーダを例にとって説明したが、図１６に示すように、スケール１２からの反射型の光学系として、発光素子１１をレンズ１３や受光素子アレイ１４と同じ側に配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。
【図２】図１のスケール１２の構成を説明する平面図である。
【図３】図１のフォトダイオードアレイ１４の構成を説明する平面図である。
【図４】第１の実施の形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダの動作を説明する概念図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。
【図６】図５のスケール１２の構成を説明する平面図である。
【図７】図５のフォトダイオードアレイ１４の構成を説明する平面図である。
【図８】図５の信号分離回路の動作を説明したものである。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。
【図１０】図９のスケール１２の構成を説明する平面図である。
【図１１】図９のフォトダイオードアレイ１４の構成を説明する平面図である。
【図１２】第３の実施の形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダの動作を説明する概念図である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態に係る絶対位置測長型光電式エンコーダの全体構成を示す概略図である。
【図１４】図１３のスケール１２の構成を説明する平面図である。
【図１５】図１３のフォトダイオードアレイ１４の構成を説明する平面図である。
【図１６】本実施の形態の変形例を示す。
【符号の説明】
【００６１】
１１・・・発光素子、  １２・・・スケール、  １３・・・レンズ、  １４・・・フォトダイオードアレイ、  ２０・・・信号処理回路、  ２１、２４、２７・・・ノイズフィルタ増幅回路、  ２２、２５、２８・・・Ａ／Ｄ変換器、  ２３・・・絶対位置検出回路、  ２６・・・相対位置検出回路、  ２９・・・絶対位置合成回路、  ３１・・・インクリメンタルパターン、  ３２・・・アブソリュートパターン、  ３３Ａ、３３Ｂ・・・第２インクリメンタルパターン、  ３４Ａ、３４Ｂ・・・ＡＢＳ／インクリメンタル統合パターン。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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