(57)【要約】【課題】誤差の影響を低減して高精度なエンコーダを提供する。【解決手段】エンコーダ（１００）は、エネルギー分布を空間変調するパターン列からなる第１の格子（２１）を有するスケール（２０）と、第１の方向に周期的に設けられた第２の格子（１２）を有し、パターン列からのエネルギー分布を検出する検出器（１０）とを有し、スケールと検出器とは、第１の方向において相対的に移動可能であり、第２の格子は、第１の方向と垂直な第２の方向に沿って、第１の格子領域と第２の格子領域とを有し、第１の格子領域は、エネルギー分布の第２の格子上の周期よりも小さい第１の周期を有し、第２の格子領域は、エネルギー分布の第２の格子上の周期よりも大きい第２の周期を有し、第１の周期および第２の周期はそれぞれ、第１の方向において一定である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー分布を空間変調するパターン列からなる第１の格子を有するスケールと、
第１の方向に周期的に設けられた第２の格子を有し、前記パターン列からの前記エネルギー分布を検出する検出器と、を有し、
前記スケールと前記検出器とは、前記第１の方向において相対的に移動可能であり、
前記第２の格子は、前記第１の方向と垂直な第２の方向に沿って、第１の格子領域と第２の格子領域とを有し、
前記第１の格子領域は、前記エネルギー分布の第２の格子上の周期よりも小さい第１の周期を有し、
前記第２の格子領域は、前記エネルギー分布の前記第２の格子上の前記周期よりも大きい第２の周期を有し、
前記第１の周期および前記第２の周期はそれぞれ、前記第１の方向において一定であることを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
前記エネルギー分布の前記第２の格子上の前記周期は、前記第１の格子の該第２の格子上の投影像の周期であ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】
前記投影像の前記周期は、像倍率と前記第１の格子の周期との積により決定されることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記像倍率をＭ、光源から前記第１の格子までの距離をＬ０、前記第１の格子から前記第２の格子までの距離をＬ１とするとき、
Ｍ＝（Ｌ０＋Ｌ１）／Ｌ０
を満たすことを特徴とする請求項３に記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記第１の方向は、前記投影像の周期方向であり、
前記第２の方向は、前記周期方向と垂直な方向であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項６】
第２の格子は、前記第１の方向に沿ってＱ個の受光素子を含む受光素子アレイであり、
前記受光素子アレイは、該Ｑ個の受光素子のうちＲ個の受光素子ごとの信号を足し合わせて出力し、
前記受光素子アレイの組数ＧをＧ＝Ｑ／Ｒ、前記投影像の前記周期をＰ、前記第１の格子領域の前記第１の周期をＰａ、前記第２の格子領域の前記第２の周期をＰｂとするとき、
Ｐ＞Ｐａ≧Ｐ・（Ｇ−１．５）／Ｇ
Ｐ＜Ｐｂ≦Ｐ・（Ｇ＋１．５）／Ｇ
を満たすことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項７】
前記エンコーダは、
Ｐ＞Ｐａ≧Ｐ・（Ｇ−１）／Ｇ
Ｐ＜Ｐｂ≦Ｐ・（Ｇ＋１）／Ｇ
を満たすことを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ。
【請求項８】
前記エンコーダは、
Ｐ・（Ｇ−０．１）／Ｇ≧Ｐａ≧Ｐ・（Ｇ−０．９）／Ｇ
Ｐ・（Ｇ＋０．１）／Ｇ≦Ｐｂ≦Ｐ・（Ｇ＋０．９）／Ｇ
を満たすことを特徴とする請求項７に記載のエンコーダ。
【請求項９】
前記第２の格子は、前記第１の格子領域と前記第２の格子領域との間に設けられた第３の格子領域を更に有し、
前記第３の格子領域は、前記第１の周期と前記第２の周期との間の第３の周期を有することを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ。
【請求項１０】
前記第３の格子領域の前記第３の周期をＰｃとするとき、
Ｐ・（Ｇ−０．６）／Ｇ≧Ｐａ≧Ｐ・（Ｇ−１．４）／Ｇ
Ｐ・（Ｇ＋０．６）／Ｇ≦Ｐｂ≦Ｐ・（Ｇ＋１．４）／Ｇ
Ｐ・（Ｇ−０．６）／Ｇ＜Ｐｃ＜Ｐ・（Ｇ＋０．６）／Ｇ
を満たすことを特徴とする請求項９に記載のエンコーダ。
【請求項１１】
前記第２の格子は、前記第２の方向に沿って線形に変化する周期を有し、
前記第１の格子領域の前記第１の周期の最小値をＰａｍｉｎ、前記第２の格子領域の前記第２の周期の最大値をＰｂｍａｘとするとき、
Ｐ＞Ｐａｍｉｎ≧Ｐ・（Ｇ−１．５）／Ｇ
Ｐ＜Ｐｂｍａｘ≦Ｐ・（Ｇ＋１．５）／Ｇ
を満たすことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項１２】
前記スケールは、リニアスケールであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項１３】
前記スケールは、ロータリースケールであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項１４】
光軸方向に変位可能なレンズと、
前記レンズの位置を検出するように構成された、請求項１乃至１３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。
【請求項１５】
請求項１４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備えた撮像装置と、を有することを特徴とする撮像システム。
【請求項１６】
ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、
前記工作機器の位置または姿勢を検出するように構成された、請求項１乃至１３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工作装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、リニアスケールを、円弧上に等角度ピッチで形成された受光器側の光学格子により検出するエンコーダが開示されている。これにより、アライメント変動による正弦波信号の変動を低減することができる。また、信号処理回路を用いて位相の異なる複数の正弦波信号を位置情報に変換することにより、位置検出を行うことが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１１６５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されているエンコーダでは、受光器側に構成された光学格子の曲率半径が大きい領域と、曲率半径が小さい領域とで、空間周波数応答が非対称となる。このため、投影倍率に誤差が生じた場合、複数の正弦波信号の相対位相関係が変動する。その結果、正弦波信号の内挿誤差が増大し、位置検出精度が低下する可能性がある。
【０００５】
そこで本発明は、誤差の影響を低減して高精度なエンコーダ、レンズ装置、撮像システム、および、工作装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一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パターン列からなる第１の格子を有するスケールと、第１の方向に周期的に設けられた第２の格子を有し、前記パターン列からの前記エネルギー分布を検出する検出器とを有し、前記スケールと前記検出器とは、前記第１の方向において相対的に移動可能であり、前記第２の格子は、前記第１の方向と垂直な第２の方向に沿って、第１の格子領域と第２の格子領域とを有し、前記第１の格子領域は、前記エネルギー分布の第２の格子上の周期よりも小さい第１の周期を有し、前記第２の格子領域は、前記エネルギー分布の前記第２の格子上の前記周期よりも大きい第２の周期を有し、前記第１の周期および前記第２の周期はそれぞれ、前記第１の方向において一定である。
【０００７】
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、前記レンズの位置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。
【０００８】
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備えた撮像装置とを有する。
【０００９】
本発明の他の側面としての工作装置は、ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、前記工作機器の位置または姿勢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。
【００１０】
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。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、誤差の影響を低減して高精度なエンコーダ、レンズ装置、撮像システム、および、工作装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１〜３におけるエンコーダの構成図である。
【図２】実施例１〜３における変形例としてのエンコーダの構成図である。
【図３】実施例１〜３における変形例としてのエンコーダの構成図である。
【図４】実施例１における受光素子アレイの平面図である。
【図５】実施例１〜４におけるエンコーダの光路展開図である。
【図６】実施例１において、像倍率Ｍ、投影像周期Ｐ、および、格子周期Ｐａ、Ｐｂの関係を示す図である。
【図７】実施例１において、空間周波数ｆに対するＡ（＋）相の信号の振幅および位相の変化を示すグラフである。
【図８】比較例において、空間周波数ｆに対するＡ（＋）相の信号の振幅および位相の変化を示すグラフである。
【図９】実施例２における受光素子アレイの平面図である。
【図１０】実施例２において、像倍率Ｍ、投影像周期Ｐ、および、格子周期Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃの関係を示す図である。
【図１１】実施例２において、空間周波数ｆに対するＡ（＋）相の信号の振幅および位相の変化を示すグラフである。
【図１２】実施例３における受光素子アレイの平面図である。
【図１３】実施例３において、空間周波数ｆに対するＡ（＋）相の信号の振幅および位相の変化を示すグラフである。
【図１４】実施例４におけるエンコーダの構成図である。
【図１５】実施例４における受光素子アレイの平面図である。
【図１６】実施例５における撮像システムの断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【実施例１】
【００１４】
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（位置検出装置）について説明する。図１は、本実施例におけるエンコーダ１００の構成図である。エンコーダ１００は、固定部に取り付けられるセンサユニット１０（検出器）、および、不図示の可動部（被測定物）に取り付けられるスケール２０を有する。なお本実施例において、固定部と可動部の関係は逆でもよく、センサユニット１０を可動部に取り付け、スケール２０を固定部に取り付けることができる。すなわち、センサユニット１０とスケール２０とが相対的に移動可能であればよい。
【００１５】
センサユニット１０は、電流狭窄型ＬＥＤからなる光源１１と、受光素子アレイ１２を有する受光ＩＣ１３とが同一パッケージ内に実装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１２は、スケール２０のパターンからの反射光の強度分布を検出する複数の検出素子を、スケール２０（または可動部）の移動方向（測長方向）であるＸ方向に配列して構成されている。スケール２０上の反射面には、反射部と非反射部とが測長方向（Ｘ方向）において交互に形成されたスケール格子２１が形成されている。なおスケール格子２１は、周期的に光路長が異なるように段差が形成された位相格子であってもよい。例えば、波長の４分の１の段差を形成し、一様に反射膜を形成することにより、信号に寄与する±１次回折光の回折効率を増大させることができる。カバーガラス１６は、光源１１および受光ＩＣ１３を封止する透明樹脂１７の上に貼り合わされおり、透明樹脂１７と光学的に一体化している。
【００１６】
図２および図３は、それぞれ、本実施例における変形例としてのエンコーダ１００ａ、１００ｂの構成図である。図２に示されるように、本実施例では、光源１１と受光ＩＣ１３との間に遮光部材１８を設けたエンコーダ１００ａを用いてもよい。遮光部材１８により、スケール格子２１を経由しない内面反射成分が受光素子アレイ１２に入射するのを抑制することができ、信号のコントラストを向上させることが可能である。また図３に示されるように、本実施例では、カバーガラス１６と空気との界面に反射防止膜１９を設けたエンコーダ１００ｂを用いてもよい。
【００１７】
次に、図４を参照して、受光ＩＣ１３における受光素子アレイ１２の配列について説明する。図４は、受光素子アレイ１２の平面図であり、受光素子アレイ１２の受光面の配列を示している。受光素子アレイ１２は、領域Ａ（第１の格子領域）および領域Ｂ（第２の格子領域）の２列に、それぞれ３２個の受光素子を、反射投影されるスケール像の縞の周期方向（Ｘ方向）に配列して構成されている。受光素子アレイ１２は、順に配列された４つの受光素子、Ａ（＋）相、Ｂ（＋）相、Ａ（−）相、Ｂ（−）相を一組として、各列８組ごとのアレイにより構成されている。位置検出方向（Ｘ方向）に４つおきの受光素子は電気的に接続されており、後段の４つのＩＶ変換アンプにより加算出力として電圧に変換される。４つのＩＶアンプの出力は、信号位相の０度、９０度、１８０度、２７０度に対応し、演算処理により位置情報に変換される。本実施例では、４相の受光素子を直列に配列し、直接４相信号を検出しているが、本発明はこれに限定されるものではない。９０度または２７０度ごとに位相をずらして配置した透過型回折格子を受光素子面の前に置き、透過した光量を受光素子で検出するようにしてもよい。この場合、各検出位相に対応した回折格子は、回折格子上に投影されるスケール像の縞周期方向に垂直な方向に配列することにより、信号の相対位相関係を安定させることができる。
【００１８】
領域Ａにおいて、互いに隣接する受光素子の中心間距離は、６０μｍである。このため、足し合わされる受光素子の間隔（４つおきの受光素子の間隔）、すなわち領域Ａ（第１の格子領域）の格子周期Ｐａは、２４０μｍである。また領域Ａにおいて、各受光素子の位置検出方向に垂直な方向（Ｙ方向）の長さＹａは、２２５μｍである。領域Ｂにおいて、互いに隣接する受光素子の中心間距離は、６８μｍである。このため、足し合わされる受光素子の間隔（４つおきの受光素子の間隔）、すなわち領域Ｂ（第２の格子領域）の格子周期Ｐｂは、２７２μｍである。また領域Ｂにおいて、各受光素子の位置検出方向に垂直な方向（Ｙ方向）の長さＹｂは、２２５μｍである。各列において、受光素子上に反射投影されるスケール像の縞の周期方向（Ｘ方向）における格子周期Ｐａ、Ｐｂは、それぞれ一定である（本実施例では、Ｐａ＝２４０μｍ、Ｐｂ＝２７２μｍでそれぞれ一定）。
【００１９】
次に、図５を参照して、エンコーダ１００における光路について説明する。図５は、エンコーダ１００の光路展開図である。電流狭窄型ＬＥＤからなる光源１１から出射した発散光束は、スケール２０上に形成されたスケール格子２１に入射する。なお本実施例では、光源１１として電流狭窄型ＬＥＤを用いているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、半導体レーザを用いることができ、またＬＥＤ、光学格子、および、ピンホールなどの組み合わせで２次的な点光源アレイとして作用させてもよい。光源１１からスケール格子２１までの距離をＬ０とする。スケール格子２１から受光素子アレイ１２までの距離Ｌ１は、光源１１と受光素子アレイ１２とを同一面内に実装することにより、距離Ｌ０と略等しい。スケール格子２１により反射した光束は、回折および干渉により、受光素子アレイ１２上に光強度分布が干渉縞として形成される。
【００２０】
スケール格子２１の格子像は、像倍率Ｍで、受光素子アレイ面上に投影される。このときの像倍率Ｍは、Ｍ＝（Ｌ０+Ｌ１）／Ｌ０のように表される。設計中心ではＬ０＝Ｌ１となるため、Ｍ＝２である。ただし、光源１１と受光素子アレイ１２との実装高さずれや、スケール格子２１とセンサユニット１０との相対角度ずれなどにより、距離Ｌ１と距離Ｌ０との間には光路差が生じ、スケール格子２１の受光面への投影倍率Ｍは、厳密には誤差を含む。受光素子面上に形成されるスケール格子２１の投影像周期Ｐは、スケール格子２１の格子周期をＰｓとして、Ｐ＝Ｍ×Ｐｓと表すことができる。本実施例では、Ｐｓ＝１２８μｍである。なお、±１次光の干渉を利用する場合、スケール格子２１の格子周期Ｐｓに対し、半分の格子周期像が形成される。この場合、実効的にＰ＝Ｍ×Ｐｓ／２と置き換えられる。格子像の空間周波数ｆは、ｆ＝１／Ｐと表される。
【００２１】
次に、図６を参照して、像倍率Ｍ、スケール格子２１の投影像周期Ｐ、受光素子アレイ１２の領域Ａにおける格子周期Ｐａ、および、受光素子アレイ１２の領域Ｂにおける格子周期Ｐｂの関係について説明する。図６は、像倍率Ｍ、投影像周期Ｐ、および、格子周期Ｐａ、Ｐｂの関係図である。図６において、横軸は像倍率Ｍを示し、縦軸は周期（μｍ）を示している。本実施例では、スケール格子２１の格子周期Ｐｓ＝１２８μｍ、受光素子アレイ１２の領域Ａにおける格子周期Ｐａ＝２４０μｍ、領域Ｂにおける格子周期Ｐａ＝２７２μｍの関係がある。よって本実施例の受光素子アレイ１２は、像倍率Ｍの変動が±６．２５％の範囲では、投影像周期Ｐ（＝Ｍ×Ｐｓ）よりも大きい格子周期Ｐｂを有する格子領域（領域Ｂ）と、投影像周期Ｐよりも小さい格子周期Ｐａを有する格子領域（領域Ａ）とを有する。
【００２２】
次に、図７を参照して、空間周波数ｆに対するＡ（＋）相の信号の振幅および位相の変化について説明する。図７（ａ）、（ｂ）は、受光素子面上でのスケール格子像の空間周波数ｆ（格子像空間周波数）に対するＡ（＋）相の信号の振幅および位相の変化に関するグラフをそれぞれ示す。図７（ａ）、（ｂ）において、横軸は空間周波数ｆ×２Ｐｓ、縦軸は振幅または位相をそれぞれ示している。受光素子アレイ１２上に形成される空間周波数ｆに対する正弦波信号出力の応答特性は、足し合される受光素子の間隔Ｐｐｄに対し、ｆ＝１／Ｐｐｄをピークとした特性を有する。
【００２３】
受光素子アレイ１２の領域Ａ（第１の格子領域）と領域Ｂ（第２の格子領域）のそれぞれの検出信号の振幅は、空間周波数ｆの変動に対し、上記関係を満たすことにより異なる空間周波数ｆにピークを有する。その結果、足し合わされた後の振幅変動が抑えられる。また、領域Ａ（第１の格子領域）と領域Ｂ（第２の格子領域）のそれぞれの検出信号の位相は、空間周波数ｆの変動に伴い変化するが、上記関係を満たすことにより位相変動をキャンセルするように２つの領域間で重みづけが変化する。それにより、足し合わされた後の位相変動が抑えられる。他のＢ（＋）相、Ａ（−）相、Ｂ（−）相についても同様である。領域Ａおよび領域Ｂの各領域において、受光素子上に反射投影されるスケール像の縞の周期方向（Ｘ方向）に対し、足し合わされる受光素子の配列周期（格子周期Ｐａ、Ｐｂ）が一定となっているため、空間周波数ｆの変動に対する応答特性は略対称になる。それにより、より広い空間周波数範囲で、高い精度の位相変動キャンセル効果を得ることができる。
【００２４】
受光素子アレイ１２は、Ｘ方向（第１の方向）に沿ってＱ個（本実施例では３２個）の受光素子を含む。受光素子アレイ１２は、Ｑ個の受光素子のうちＲ個（本実施例では４個）の受光素子ごとの信号を足し合わせて出力する。受光素子アレイ１２の組数Ｇ（足し合わされる受光素子の組数）をＧ＝Ｑ／Ｒ（本実施例ではＧ＝３２／４＝８）とする。このとき、領域Ａ（第１の格子領域）の格子周期Ｐａ（第１の周期）、領域Ｂ（第２の格子領域）の格子周期Ｐｂ（第２の周期）は、以下の式（１ａ）、（１ｂ）を満たすことが好ましい。
【００２５】
Ｐ＞Ｐａ≧Ｐ・（Ｇ−１．５）／Ｇ  …  （１ａ）
Ｐ＜Ｐｂ≦Ｐ・（Ｇ＋１．５）／Ｇ  …  （１ｂ）
図６に示されるように、格子周期Ｐａ、Ｐｂは、Ｐ・（Ｇ−１）／Ｇ、Ｐ・（Ｇ＋１）／Ｇを基準として、以下の式（２ａ）、（２ｂ）を満たすことがより好ましい。
【００２６】
Ｐ＞Ｐａ≧Ｐ・（Ｇ−１）／Ｇ  …  （２ａ）
Ｐ＜Ｐｂ≦Ｐ・（Ｇ＋１）／Ｇ  …  （２ｂ）
更に好ましくは、格子周期Ｐａ、Ｐｂは、以下の式（３ａ）、（３ｂ）を満たす。
【００２７】
Ｐ・（Ｇ−０．１）／Ｇ≧Ｐａ≧Ｐ・（Ｇ−０．９）／Ｇ  …  （３ａ）
Ｐ・（Ｇ＋０．１）／Ｇ≦Ｐｂ≦Ｐ・（Ｇ＋０．９）／Ｇ  …  （３ｂ）
本実施例において、例えば前記各式を満たすことにより、エンコーダ１００（受光素子アレイ１２）は、像倍率Ｍの変動に対する領域Ａおよび領域Ｂのそれぞれの振幅の変動が、一方に関して単調増加、他方に関して単調減少となるように構成される。このような構成により、足し合わされた後の振幅の変動をより効果的に抑制することができる。
【００２８】
本実施例では、スケール２０としてリニアスケールを用いたリニアエンコーダを例として説明したが、これに限定されるものではない。本実施例は、例えばスケール２０としてロータリースケールを用いたロータリーエンコーダにも適用可能である。また本実施例では、反射型スケールを例として説明したが、これに限定されるものはなく、本実施例は例えば透過型スケールにも適用可能であり、投影倍率誤差の影響を抑えられるという点でより効果が大きい。
【００２９】
また本実施例では、センサユニット１０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。
【００３０】
（比較例１）
次に、実施例１の比較例として、実施例１の構成を適用しない場合について説明する。比較例では、受光素子アレイを、曲率半径Ｒ＝１．６９８ｍｍの円弧上の配列軸に沿って角度ピッチＰ＝２．１６ｄｅｇで配置し、受光素子アレイの半径方向の幅４５０μｍとして説明する。
【００３１】
図８を参照して、比較例において、空間周波数ｆに対するＡ（＋）相の信号の振幅および位相の変化について説明する。図８は、円弧の配列軸よりも径の小さい領域を領域Ａ、径の大きい領域を領域Ｂとして、各領域および２領域を合算した信号の、受光面上の空間周波数ｆに対する応答特性である。図８（ａ）、（ｂ）は、受光素子面上でのスケール格子像の空間周波数ｆ（格子像空間周波数）に対するＡ（＋）相の信号の振幅および位相の変化に関するグラフをそれぞれ示す。図８（ａ）、（ｂ）において、横軸は空間周波数ｆ×２Ｐｓ、縦軸は振幅または位相をそれぞれ示している。
【００３２】
空間周波数が大きい側にずれた場合と、小さい側にずれた場合とで、領域Ａと領域Ｂとの間で応答特性が非対称となっている。これにより、領域Ａと領域Ｂとで位相変動をキャンセルする効果が低下し、広い範囲で位相を安定化することができない。
【実施例２】
【００３３】
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は、受光素子アレイ１２を有する受光ＩＣ１３に代えて、受光素子アレイ１２ａを有する受光ＩＣ１３ａを有する点で、実施例１のエンコーダ１００とは異なる。他の構成は実施例１と同様であるため、その説明は省略する。
【００３４】
図９を参照して、受光ＩＣ１３ａにおける受光素子アレイ１２ａの配列について説明する。図９は、受光素子アレイ１２ａの平面図であり、受光素子アレイ１２ａの受光面の配列を示している。受光素子アレイ１２ａは、領域Ａ（第１の格子領域）、領域Ｂ（第２の格子領域）、および、領域Ｃ（第３の格子領域）の３列に、それぞれ３２個の受光素子を、反射投影されるスケール像の縞の周期方向（Ｘ方向）に配列して構成されている。
【００３５】
領域Ａにおいて、互いに隣接する受光素子の中心間距離は、５６μｍである。このため、足し合わされる受光素子の間隔（４つおきの受光素子の間隔）、すなわち領域Ａ（第１の格子領域）の格子周期Ｐａは、２２４μｍである。また領域Ａにおいて、各受光素子の位置検出方向に垂直な方向（Ｙ方向）の長さＹａは、１１２．５μｍである。
【００３６】
領域Ｂにおいて、互いに隣接する受光素子の中心間距離は、７２μｍである。このため、足し合わされる受光素子の間隔（４つおきの受光素子の間隔）、すなわち領域Ｂ（第２の格子領域）の格子周期Ｐｂは、２８８μｍである。また領域Ｂにおいて、各受光素子の位置検出方向に垂直な方向（Ｙ方向）の長さＹｂは、１１２．５μｍである。
【００３７】
領域Ｃにおいて、互いに隣接する受光素子の中心間距離は、６４μｍである。このため、足し合わされる受光素子の間隔（４つおきの受光素子の間隔）、すなわち領域Ｃ（第３の格子領域）の格子周期Ｐｃは、２５６μｍである。また領域Ｃにおいて、各受光素子の位置検出方向に垂直な方向（Ｙ方向）の長さＹｃは、２２５μｍである。
【００３８】
次に、図１０を参照して、像倍率Ｍ、スケール格子２１の投影像周期Ｐ、および、受光素子アレイ１２ａの領域Ａ、Ｂ、Ｃにおける格子周期Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃの関係について説明する。図１０は、像倍率Ｍ、投影像周期Ｐ、および、格子周期Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃの関係図である。図１０において、横軸は像倍率Ｍを示し、縦軸は周期（μｍ）を示している。
【００３９】
図１０に示されるように、Ｌ０＞Ｌ１すなわちＭ＜２の場合、格子周期Ｐａの領域Ａが第１の格子領域、格子周期Ｐｃの領域Ｃが第２の格子領域として作用する。一方、Ｌ０＜Ｌ１すなわちＭ＞２の場合、格子周期Ｐｃの領域Ｃが実施例１で説明したような第１の格子領域、格子周期Ｐｂの領域Ｂが第２の格子領域として作用する。
【００４０】
次に、図１１を参照して、空間周波数ｆに対するＡ（＋）相の信号の振幅および位相の変化について説明する。図１１（ａ）、（ｂ）は、受光素子面上でのスケール格子像の空間周波数ｆ（格子像空間周波数）に対するＡ（＋）相の信号の振幅および位相の変化に関するグラフをそれぞれ示す。図１１（ａ）、（ｂ）において、横軸は空間周波数ｆ×２Ｐｓ、縦軸は振幅または位相をそれぞれ示している。
【００４１】
このように本実施例において、受光素子アレイ１２ａ（第２の格子）は、領域Ａ（第１の格子領域）と領域Ｃ（第２の格子領域）との間に設けられた領域Ｂ（第３の格子領域）を有する。領域Ｂは、格子周期Ｐａ（第１の周期）と格子周期Ｐｃ（第２の周期）との間の格子周期Ｐｂ（第３の周期）を有する。好ましくは、格子周期Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃは、以下の式（４ａ）〜（４ｃ）を満たす。
【００４２】
Ｐ・（Ｇ−０．６）／Ｇ≧Ｐａ≧Ｐ・（Ｇ−１．４）／Ｇ  …  （４ａ）
Ｐ・（Ｇ＋０．６）／Ｇ≦Ｐｂ≦Ｐ・（Ｇ＋１．４）／Ｇ  …  （４ｂ）
Ｐ・（Ｇ−０．６）／Ｇ＜Ｐｃ＜Ｐ・（Ｇ＋０．６）／Ｇ  …  （４ｃ）
図１０に示されるように、格子周期Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃは、Ｐ・（Ｇ−１）／Ｇ、Ｐ・（Ｇ＋１）／Ｇを基準として、以下の式（５ａ）、（５ｂ）を満たことがより好ましい。
【００４３】
Ｐｃ＞Ｐａ≧Ｐ・（Ｇ−１）／Ｇ
（Ｍ＜２の場合）          …  （５ａ）
Ｐｃ＜Ｐｂ≦Ｐ・（Ｇ＋１）／Ｇ
（Ｍ＞２の場合）          …  （５ｂ）
本実施例の受光素子アレイは、３つの領域Ａ、Ｂ、Ｃを組み合わせることにより、２つの領域Ａ、Ｂを組み合わせた実施例１と比較して、広い空間周波数ｆの変動に対して安定な特性を得ることが可能である。なお本実施例では、３つの領域を有する受光素子アレイについて説明したが、これに限定されるものではなく、本実施例は４つ以上の領域を有する受光素子アレイにも適用可能である。
【実施例３】
【００４４】
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。本実施例のエンコーダは、受光素子アレイ１２を有する受光ＩＣ１３に代えて、受光素子アレイ１２ｂを有する受光ＩＣ１３ｂを有する点で、実施例１のエンコーダ１００とは異なる。他の構成は実施例１と同様であるため、その説明は省略する。
【００４５】
図１２を参照して、受光ＩＣ１３ｂにおける受光素子アレイ１２ｂの配列について説明する。図１２は、受光素子アレイ１２ｂの平面図であり、受光素子アレイ１２ｂの受光面の配列を示している。本実施例において、受光素子アレイ１２ｂの格子周期Ｐａは、測長方向（位置検出方向：Ｘ方向）に垂直な方向（Ｙ方向）の位置に応じて、連続的に変化している。また、各受光素子の位置検出方向に垂直な方向の長さＹａは、４５０μｍである。受光素子アレイ１２ｂの中心（Ｙ方向における中心）をＹ＝０とし、光源１１に近づく方向の位置（光源１１側の位置）をＹ＞０、光源１１から遠ざかる方向の位置をＹ＜０とする。このとき、受光素子アレイ１２ｂの格子周期Ｐａ（Ｙ）は、以下の式（６）で表される関数に従う。
【００４６】
Ｐａ（Ｙ）＝−Ｙ・３２／２２５＋２５６  （μｍ）  …  （６）
Ｙ＞０の端部の位置（Ｙ＝＋２２５μｍ）において、受光素子アレイ１２ｂの格子周期Ｐａは最小となり、格子周期Ｐａｍｉｎ（最小値）は２２４μｍである。一方、Ｙ＜０の端部の位置（Ｙ＝−２２５μｍ）において、受光素子アレイ１２ｂの格子周期Ｐａ（Ｐｂ）は最大となり、格子周期Ｐｂｍａｘ（最大値）は２８８μｍである。
【００４７】
続いて、受光素子アレイ１２ｂの作用について説明する。Ｐａ（Ｙ０）＝Ｐとなる位置Ｙ０を通り、測長方向（Ｘ方向）に平行な直線を境界線Ｄとする。たとえば、Ｌ０＝Ｌ１の場合、Ｐａ（０）＝Ｐとなるため、境界線Ｄの位置はＹ＝０となる。像倍率Ｍ＝（Ｌ０＋Ｌ１）／Ｌ０が変化した場合、境界線Ｂの位置はシフトする。このとき、Ｙ＞Ｄを満たす領域が第１の格子領域（格子周期Ｐａを有する領域Ａ）として作用し、Ｙ＜Ｄを満たす領域が第２の格子領域（格子周期Ｐｂを有する領域Ｂ）として作用する。
【００４８】
図１３を参照して、Ｙ＞０の領域を領域Ａ、Ｙ＜０の領域を領域Ｂとして、各領域、および、２領域を合算した信号の、受光面上の空間周波数に対する応答特性について説明する。図１３（ａ）、（ｂ）は、受光素子面上でのスケール格子像の空間周波数ｆ（格子像空間周波数）に対するＡ（＋）相の信号の振幅および位相の変化に関するグラフをそれぞれ示す。図１３（ａ）、（ｂ）において、横軸は空間周波数ｆ×２Ｐｓ、縦軸は振幅または位相をそれぞれ示している。
【００４９】
このように本実施例において、受光素子アレイ１２ｂ（第２の格子）は、第２の方向（Ｙ方向）に沿って線形に変化する周期を有する。また、第２の方向における所定の位置（境界線Ｄ）を基準として光源１１に近づく方向の領域を第１の格子領域（領域Ａ）、所定の位置を基準として光源１１から離れる方向の領域を第２の格子領域（領域Ｂ）とする。第１の格子領域の第１の周期（格子周期Ｐａ）の最小値をＰａｍｉｎ、第２の格子領域の第２の周期（格子周期Ｐｂ）の最大値をＰｂｍａｘとするとき、以下の式（７ａ）、（７ｂ）を満たすことが好ましい。
【００５０】
Ｐ＞Ｐａｍｉｎ≧Ｐ・（Ｇ−１．５）／Ｇ  …  （７ａ）
Ｐ＜Ｐｂｍａｘ≦Ｐ・（Ｇ＋１．５）／Ｇ  …  （７ｂ）
各位置（Ｙ方向における各位置）において、受光素子上に反射投影されるスケール像の縞の周期方向（Ｘ方向）に対し、足し合わされる受光素子の格子周期Ｐａ（Ｙ）（配列周期）が一定となっている。このため、空間周波数ｆの変動に対する応答特性が略対称になる。その結果、より広い空間周波数範囲で、高精度の位相変動キャンセル効果を得ることができる。
【実施例４】
【００５１】
次に、図１４を参照して、本発明の実施例４におけるエンコーダ（位置検出装置）について説明する。図１４は、本実施例におけるエンコーダ１００ｃの構成図である。エンコーダ１００ｃは、ロータリーエンコーダであり、固定部に取り付けられるセンサユニット１０（検出器）と、回転軸２２（可動部）に取り付けられ、回転軸２２の周りに回転可能なスケール２０とを有する。なお本実施例において、固定部と可動部の関係は逆でもよく、センサユニット１０を回転軸２２に取り付け、スケール２０を固定部に取り付けることができる。すなわち、センサユニット１０とスケール２０とが相対的に移動可能（回転可能）であればよい。
【００５２】
スケール２０上の反射面には、測長方向（位置検出方向：θ方向）に一定の角度周期で反射部と非反射部とが交互に設けられたスケール格子２１が形成されている。反射部および非反射部は、測長方向に垂直な方向（ｒ方向）に伸びるように、放射状に形成されている。スケール格子２１は、一周で２５６周期の格子が形成されており、格子角度周期は１．４０６２５ｄｅｇである。読み取り半径は、５．２１５ｍｍに設定されており、センサユニット１０の光源１１と受光素子アレイ１２との中心間の半径上の中点が、読み取り中心と一致するように配置されている。
【００５３】
次に、図１５を参照して、本実施例における受光ＩＣ１３ｃの受光素子アレイ１２ｃの配列について説明する。図１５は、受光素子アレイ１２ｃの平面図であり、受光素子アレイ１２ｃの受光面の配列を示している。受光素子上に反射投影されるスケール像は、曲率半径が２倍になった放射状の縞として形成される。受光素子上に反射投影されるスケール像の縞の周期方向（第１の方向、θ方向）に対し、受光素子の配列周期が異なる３領域（領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃ）が、縞の周期方向に垂直な方向（第２の方向、ｒ方向）に配列されている。
【００５４】
領域Ａは、ｒ方向の中心位置での曲率が１０．５９９１３ｍｍであり、互いに隣接する受光素子の中心間角度間隔は０．３０７６１７ｄｅｇである。足し合わされる受光素子の間隔（４つおきの受光素子の間隔）、すなわち領域Ａ（第１の格子領域）の格子周期Ｐθａは、１．２３０４６９ｄｅｇである。また、各受光素子の位置検出方向（θ方向）に垂直な方向（ｒ方向）の長さＲａは、１１２．５μｍである。
【００５５】
領域Ｂは、ｒ方向の中心位置での曲率が１０．２６１６３ｍｍであり、互いに隣接する受光素子の中心間角度間隔は０．３９５５０８ｄｅｇである。足し合わされる受光素子の間隔（４つおきの受光素子の間隔）、すなわち領域Ｂ（第２の格子領域）の格子周期Ｐθｃは、１．５８２０３１ｄｅｇである。また、各受光素子の位置検出方向（θ方向）に垂直な方向（ｒ方向）の長さＲｂは、１１２．５μｍである。
【００５６】
領域Ｃは、ｒ方向の中心位置での曲率が１０．４３０３８ｍｍであり、互いに隣接する受光素子の中心間角度間隔は０．３５１５６３ｄｅｇである。足し合わされる受光素子の間隔（４つおきの受光素子の間隔）、すなわち領域Ｃ（第３の格子領域）の格子周期Ｐθｃは、１．４０６２５ｄｅｇである。また、各受光素子の位置検出方向（θ方向）に垂直な方向（ｒ方向）の長さＲｃは、２２５μｍである。
【００５７】
領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃの各領域において、受光素子上に反射投影されるスケール像の縞の周期方向（第１の方向：θ方向）において、足し合わされる受光素子の格子周期Ｐθａ、Ｐθｂ、Ｐθｃ（配列周期）はそれぞれ一定となっている。そのため、空間周波数ｆの変動に対する応答特性は略対称になる。その結果、より広い空間周波数範囲で、高精度の位相変動キャンセル効果を得ることができる。なお本実施例において、受光素子アレイ１２ｃは３つの領域を有するが、これに限定されるものではない。本実施例は、４つ以上の領域を有する受光素子アレイや、角度周期が連続的に変化するように構成された受光素子アレイにも適用可能である。
【実施例５】
【００５８】
次に、図１６を参照して、本発明の実施例５について説明する。図１６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（位置検出装置）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。
【００５９】
図１６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およびスケール２０により、前述の各実施例のエンコーダ（位置検出装置）が構成される。本実施例において、センサユニット５３は、実施例１〜４におけるセンサユニット１０に相当する。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。
【００６０】
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。
【００６１】
スケール２０は、ドーナツ状の円盤面上に反射パターンを形成して構成されたロータリースケールであり、円筒体５０に取り付けられている。スケール２０は、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。
【００６２】
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。
【００６３】
また、各実施例におけるエンコーダは、レンズ装置や撮像装置以外の種々の装置にも適用可能である。例えば、ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、この工作機器の位置または姿勢を検出する各実施例のエンコーダとを有する工作装置を構成することにより、搬送体の位置を高精度に検出することができる。
【００６４】
このように各実施例のエンコーダは、スケール２０と、検出器（センサユニット１０）とを有する。スケール２０は、エネルギー分布を空間変調するパターン列からなる第１の格子（スケール格子２１）を有する。検出器は、第１の方向（測長方向または位置検出方向）に周期的に設けられた第２の格子（受光素子アレイ１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）を有し、パターン列からのエネルギー分布を検出する。スケールと検出器とは、第１の方向において相対的に移動可能である。第２の格子は、第１の方向と垂直な第２の方向に沿って、第１の格子領域（領域Ａ）と第２の格子領域（領域Ｂ）とを有する。第１の格子領域は、エネルギー分布の第２の格子上の周期よりも小さい第１の周期（格子周期Ｐａ）を有する。第２の格子領域は、エネルギー分布の第２の格子上の周期よりも大きい第２の周期（格子周期Ｐｂ）を有する。第１の周期および第２の周期はそれぞれ、第１の方向において一定である。
【００６５】
好ましくは、エネルギー分布の第２の格子上の周期は、第１の格子の第２の格子上の投影像の周期（投影像周期Ｐ）である。より好ましくは、投影像の周期は、像倍率Ｍと第１の格子の周期（格子周期Ｐｓ）との積（Ｐ＝Ｍ×Ｐｓ）により決定される。また好ましくは、第１の方向は、投影像の周期方向であり、第２の方向は、周期方向と垂直な方向である。
【００６６】
上記各実施例によれば、誤差の影響を低減して高精度なエンコーダ、レンズ装置、撮像システム、および、工作装置を提供することができる。また上記各実施例のエンコーダによれば、センサの取り付け精度に大きく依存せず、高精度に位置を検出することが可能である。このため、低コストで取り付けやすいエンコーダを提供することができる。
【００６７】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１０  センサユニット（検出器）
１２  受光素子アレイ（第２の格子）
２０  スケール
２１  スケール格子（第１の格子）
１００  エンコーダ
【図１】
2017166851.tif 000003
【図２】
2017166851.tif 000004
【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】
2017166851.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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