特許 6373457 エンコーダおよびこれを用いた撮像装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6373457

(24)【登録日】2018年7月27日

(45)【発行日】2018年8月15日

(54)【発明の名称】エンコーダおよびこれを用いた撮像装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/347 20060101AFI20180806BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/347 110L

【請求項の数】5

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-120301(P2017-120301)

(22)【出願日】2017年6月20日

【審査請求日】2017年6月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000104630

【氏名又は名称】キヤノンプレシジョン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110412

【弁理士】

【氏名又は名称】藤元 亮輔

(74)【代理人】

【識別番号】100104628

【弁理士】

【氏名又は名称】水本 敦也

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 遼

【審査官】 深田 高義

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１７−０９６８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１５２４０８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ５／３４７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

物理的特性が周期的に変化する複数のパターンを有するパターン列が形成されているスケールと、
前記スケールに対して相対移動可能に配置され、前記パターン列からの光を検出する複数の検出素子が移動方向に並べられた検出素子アレイと、
前記検出素子アレイからの出力信号を位置情報に変換する信号処理手段と、を有し、
前記検出素子アレイは、第１の検出素子群、第２の検出素子群、第３の検出素子群および第４の検出素子群を有し、
前記第１から第４の検出素子群は、前記検出素子アレイの端部から、前記第１の検出素子群、前記第２の検出素子群、前記第１の検出素子群、前記第２の検出素子群、前記第３の検出素子群、前記第４の検出素子群、前記第３の検出素子群、前記第４の検出素子群の順に配置され、
前記信号処理手段は、前記第１および前記第３の検出素子群からの出力信号に基づいて第１の信号を生成し、前記第２および第４の検出素子群からの出力信号に基づいて第２の信号を生成することを特徴とするエンコーダ。

【請求項2】

前記第１から第４の検出素子群はそれぞれ、複数の検出素子が電気的に接続されることで構成されてい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から第４の検出素子群は、前記検出素子からの出力信号を前記信号処理手段によってＡ／Ｄ変換した後、ディジタル信号処理による加算により実現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】

前記信号処理手段は、前記第１の信号と前記第２の信号との位相差を補正する補正手段を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエンコーダ。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１項に記載のエンコーダを有することを特徴とする撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンコーダおよびこれを用いた撮像装置に関する。

【背景技術】

【0002】

位置を検出するエンコーダにおいては、位置検出精度を高めるために信号に含まれる誤差を低減することが重要である。特許文献１では、検出素子アレイの端部に配置される検出素子のサイズを、中央部に配置される検出素子のサイズに比べて小さくすることで、信号強度分布の変化の大きい端部における平均化効果を高め、誤差を低減可能なエンコーダを開示している。また、特許文献２では、検出素子アレイに位置に応じた重みづけを施すことで、基本波成分以外の空間周波数成分をフィルタリングする効果を高め、誤差を低減可能なエンコーダを開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４４７６６８２号公報

【特許文献2】特許第５７５５０１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

スケールパターンの変調周期の位相を取得するための検出素子アレイの空間周波数応答が最大値を取る空間周波数と、検出素子アレイ全幅の空間周波数とが略一致している場合、検出素子アレイ全幅に対し出力信号を生成するための検出素子群の組み合わせが１組しか存在しない。この場合、検出素子アレイに対して、検出素子のサイズの変化づけや、位置に応じた重みづけを適用できないため、特許文献１および特許文献２の構成を使用することができない。

【0005】

本発明は、信号強度分布の影響および基本波以外の空間周波数成分の影響による誤差を低減可能なエンコーダおよび撮像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、物理的特性が周期的に変化する複数のパターンを有するパターン列が形成されているスケールと、前記スケールに対して相対移動可能に配置され、前記パターン列からの光を検出する複数の検出素子が移動方向に並べられた検出素子アレイと、前記検出素子アレイからの出力信号を位置情報に変換する信号処理手段と、を有し、前記検出素子アレイは、第１の検出素子群、第２の検出素子群、第３の検出素子群および第４の検出素子群を有し、前記第１から第４の検出素子群は、前記検出素子アレイの端部から、前記第１の検出素子群、前記第２の検出素子群、前記第１の検出素子群、前記第２の検出素子群、前記第３の検出素子群、前記第４の検出素子群、前記第３の検出素子群、前記第４の検出素子群の順に配置され、前記信号処理手段は、前記第１および前記第３の検出素子群からの出力信号に基づいて第１の信号を生成し、前記第２および第４の検出素子群からの出力信号に基づいて第２の信号を生成することを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、信号強度分布の影響および基本波以外の空間周波数成分の影響による誤差を低減可能なエンコーダおよび撮像装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施例１のエンコーダの構成図である。

【図2】反射膜を示す図である。

【図3】パターンの拡大図である。

【図4】実施例１の検出素子アレイの構成図である。

【図5】センサの上面図である。

【図6】検出素子アレイに到達する光信号の強度分布図である。

【図7】検出素子群の配列図である。

【図8】正弦波信号を表す図である。

【図9】Ａ相信号およびＢ相信号を表す図である。

【図10】検出素子群の重心の差を表す図である。

【図11】スケールからの反射光の周波数特性図である。

【図12】検出素子アレイの空間周波数応答特性図である。

【図13】倍率誤差による信号誤差特性図である。

【図14】実施例２のエンコーダの構成図である。

【図15】実施例２の検出素子アレイの構成図である。

【図16】実施例３の本発明のエンコーダを有する撮像装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

【実施例1】

【0010】

図１は、本実施例のエンコーダ１ａの構成図である。エンコーダ１ａは、スケール１０、センサ２０および信号処理手段３０を有する。スケール１０は、センサ２０に対して相対移動可能に、不図示の固定部材に取り付けられている。なお、センサ２０が、スケール１０に対して相対移動可能に、不図示の固定部材に取り付けられていてもよい。すなわち、エンコーダ１ａは、スケール１０とセンサ２０が互いに相対移動可能な構成を有していればよい。

【0011】

スケール１０は、ガラスで構成される基材１０１、および基材１０１上にパターニングされたクロム膜である反射膜１０２を有する。スケール１０はセンサ２０から射出された光を反射し、反射された光は再びセンサ２０に入射する。なお、基材１０１は、ガラスの代わりにポリカーボネートなどで構成されてもよい。また、反射膜１０２は、クロム膜に限定されず、アルミ膜およびアルミ膜を保護するための保護膜の組み合わせであってもよい。また、反射膜１０２は、基材１０１の表面にパターニングされているが、基材１０１が光を透過できるだけ十分に透明な材料であれば、裏面にパターニングされてもよい。本発明は、センサ２０から射出される光が再びセンサ２０に入射する構成を有していれば、本実施例の構成に限定されない。

【0012】

センサ２０は、スケール１０に光を射出する光源２０１、スケール１０により反射される光を受光する検出素子アレイ（受光部）２０２、および検出素子アレイ２０２が受光する光を電気信号に変換する受光素子２０３を備える。すなわち、センサ２０は、光源２０１から射出され、スケール１０により反射される光を受光し、受光した光を電気信号に変換する。本実施例では、光源２０１としてＬＥＤが使用されている。また、本実施例では、スケール１０とセンサ２０の構成として、スケール１０と光源２０１との間に光束を平行に束ねる平行光束レンズを配置しない発散光束構成が用いられている。発散光束構成とは、光源から発せられた光が、平行、または１点に集光されることなく、一様に広がりを持って進行する構成である。また、本実施例では、光源２０１および検出素子アレイ２０２は、スケール１０までの距離が等しくなるように配置されているため、スケール１０により形成される反射像は、検出素子アレイ２０２のＸ方向およびＹ方向において２倍に拡大された像になる。なお、本実施例では、スケール１０からの反射光をセンサ２０で受光する反射型の構成を使用しているが、スケール１０が透過する光をセンサ２０で受光する構成を使用してもよい。また、本実施例では、光を検出対象としているが、磁気や電気などを検出対象としてもよい。

【0013】

信号処理手段３０は、信号補正手段３０１、位相取得手段３０２および位置演算手段３０３を有する。また、信号処理手段３０は、不図示の増幅回路、Ａ／Ｄ変換器および内挿処理部を有する。

【0014】

信号処理手段３０は、センサ２０から出力される信号を処理して位置情報に変換する。信号補正手段３０１は、センサ２０から出力される信号に含まれるオフセット誤差、振幅比誤差および位相差誤差を補正する。位相取得手段３０２は、信号補正手段３０１により補正された信号に逆正接演算を行うことによりセンサ２０が取得した信号の位相を算出する。位置演算手段３０３は、位相取得手段３０２により算出された位相を累積し、位置情報に変換する。

【0015】

図２は、スケール１０にパターニングされた反射膜１０２を示す図である。黒色の部分は反射膜１０２がパターニングされている部分を表し、白色の部分は反射膜１０２がパターニングされていない部分を表している。反射膜１０２は、複数のパターン１０３を有するパターン列として構成されている。本実施例では、パターン１０３は、Ｘ方向において１０２４μｍごと、Ｙ方向において２５μｍごとに２０００μｍの長さとなるように形成されている。図３は、パターン１０３の拡大図である。パターン１０３は、スケール１０の移動方向（Ｘ方向）において、物理的特性が周期的に変化するように形成されている。光源２０１から射出され、反射膜１０２により反射された光は合成され、正弦波状の反射像が検出素子アレイ２０２に投影される。

【0016】

図４は、検出素子アレイ２０２の構成図である。本実施例では、検出素子アレイ２０２のＸ方向の寸法は２０４８μｍ、Ｙ方向の寸法は４５０μｍである。検出素子アレイ２０２は、Ｘ方向の寸法が３２μｍであり、スケール１０の移動方向に並べられた、複数（本実施例では、６４個）の検出素子を有する。本実施例のエンコーダ１ａは発散光束構成を有するため、Ｘ方向の寸法が１０２４μｍのパターン１０３からの反射像は検出素子アレイ２０２上で２０４８μｍとなる。したがって、本実施例では、検出素子アレイ２０２は、約１周期分の正弦波信号を検出することができる。検出素子は、４つの電気的接続の属性Ａ＋，Ｂ＋，Ａ−，Ｂ−のいずれかを有する。検出素子群２０２１，２０２２，２０２３，２０２４はそれぞれ、属性Ａ＋，Ｂ＋，Ａ−，Ｂ−を有する検出素子の集まりである。本実施例では、検出素子群２０２１，２０２２，２０２３，２０２４はそれぞれ、検出素子群２０２４，２０２３，２０２２，２０２１を挟むように配置されている。検出素子群２０２１，２０２２，２０２３，２０２４はそれぞれ、増幅回路の異なる接続部に接続されている。本実施例では、増幅回路は、Ａ＋相、Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相信の４相の正弦波信号Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ａ−），Ｓ（Ｂ−）を出力する。正弦波信号Ｓ（Ａ＋）を基準とすると、正弦波信号Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ａ−），Ｓ（Ｂ−）の相対位相はそれぞれ、約＋９０度、約＋１８０度、約２７０度である。信号処理手段３０は、以下の式（１），（２）を用いて、正弦波信号である、Ａ相信号Ｓ（Ａ）およびＢ相信号Ｓ（Ｂ）を生成する。

【0017】

【数1】

【0018】

図５は、センサ２０の上面図である。光源２０１は、Ｘ方向において、検出素子アレイ２０２の中央に配置されている。したがって、光源２０１から射出され、検出素子アレイ２０２に入射する光の信号の強度は、距離に比例するため、図６に示されるように、検出素子アレイ２０２の中央部において最も高く、端部にいくほど低くなる。式（１）より、Ａ相信号Ｓ（Ａ）は、検出素子群２０２１に到達した光信号の強度が高い場合、プラス側にオフセットし、検出素子群２０２３に到達した光信号の強度が高い場合、マイナス側にオフセットする。同様に、式（２）より、Ｂ相信号Ｓ（Ｂ）は、検出素子群２０２２に到達した光信号の強度が高い場合、プラス側にオフセットし、検出素子群２０２４に到達した光信号の強度が高い場合、マイナス側にオフセットする。

【0019】

図７は、検出素子群の配列図である。図７（ａ）は比較例の配列、図７（ｂ）は本実施例の配列を表している。比較例では、各検出素子群の偏在率が高い。すなわち、検出素子群２０２１，２０２２は検出素子アレイ２０２の端部にのみ存在し、検出素子群２０２３，２０２４は検出素子アレイ２０２の中央部にのみ存在する。本実施例では、比較例において検出素子群２０２２のみが存在する領域（座標１〜１６）に検出素子群２０２２，２０２３が存在する。比較例において検出素子群２０２３のみが存在する領域（座標１７〜３２）に検出素子群２０２２，２０２３が存在する。比較例において検出素子群２０２４のみが存在する領域（座標３３〜４８）に検出素子群２０２１，２０２４が存在する。比較例において検出素子群２０２１のみが存在する領域（座標４９〜６４）に検出素子群２０２１，２０２４が存在する。比較例の検出素子アレイでは、信号強度の高い光信号が到達する中央部には検出素子群２０２３，２０２４が配置されているため、Ａ相信号Ｓ（Ａ）およびＢ相信号Ｓ（Ｂ）はともにマイナス側にオフセットする。一方、本実施例の検出素子アレイ２０２は、比較例の検出素子アレイに比べて図６に示される信号強度分布の影響を受けにくい。特に、本実施例の構成により、信号処理により補正することができないプラス側またはマイナス側へのサチレーションの影響を抑制することが可能である。ここで、サチレーションとは、信号値がプラス側またはマイナス側の限界値より大きくなり、限界値に貼りつくことを意味する。なお、本実施例では、検出素子群は図７（ｂ）に示されるように配列されているが、異なる属性を有する検出素子群を挟むように配置されていれば、本発明はこれに限定されない。

【0020】

図８は、正弦波信号Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ａ−）を表す図である。図９は、Ａ相信号Ｓ（Ａ）およびＢ相信号Ｓ（Ｂ）を表す図である。図８（ａ）は、図７（ａ）に示される比較例の検出素子アレイに対してスケール１０を２０４８μｍだけ移動させた場合の正弦波信号Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ａ−）を表している。図９（ａ）は、図８（ａ）の場合におけるＡ相信号Ｓ（Ａ）およびＢ相信号Ｓ（Ｂ）を表している。図８（ｂ）は、図７（ｂ）に示される本実施例の検出素子アレイ２０２に対してスケール１０を２０４８μｍだけ移動させた場合の正弦波信号Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ａ−）を表している。図９（ｂ）は、図８（ｂ）の場合におけるＡ相信号Ｓ（Ａ）およびＢ相信号Ｓ（Ｂ）を表している。なお、いずれの場合も図６に示される信号強度分布を考慮している。図８に示されるように、本実施例では、正弦波信号Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ａ−）の強度差が比較例に比べて改善されている。図示していないが、正弦波信号Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ｂ−）についても同様である。したがって、図９に示されるように、本実施例では、Ａ相信号Ｓ（Ａ）およびＢ相信号Ｓ（Ｂ）の信号値は比較例に比べて中心（０）に近づく。

【0021】

以下、図１０を参照して、本実施例のＡ相およびＢ相の位相差の変化について説明する。図１０は、検出素子群の重心の差を表す図である。図１０（ａ）は比較例の検出素子アレイにおける検出素子群２０２２，２０２３の位相の関係、図１０（ｂ）は本実施例の検出素子アレイ２０２における検出素子群２０２２，２０２３の位相の関係を表している。

【0022】

比較例および本実施例のいずれの場合も、検出素子群２０２３，２０２４の位相境界は、検出素子アレイの中央に存在する。図１０（ａ）では、検出素子群２０２３，２０２４の位相重心は、各検出素子群の中央である。図１０（ｂ）では、検出素子群２０２３，２０２４はそれぞれ、検出素子群２０２２，２０２１を挟むように離散的に配置されている。そのため、図１０（ｂ）では、検出素子群２０２３，２０２４の位相重心はそれぞれ、検出素子群２０２２，２０２１の中央である。すなわち、本実施例では、検出素子群２０２３，２０２４の位相重心は、比較例に比べて位相境界から端部側にシフトしている。図１０（ａ）では、位相境界と検出素子群２０２３，２０２４のそれぞれの位相重心との間には、８個の検出素子が配置されている。したがって、検出素子群２０２３，２０２４の位相重心の間には、１６個の検出素子が存在する。一方、図１０（ｂ）では、位相境界と検出素子群２０２３，２０２４のそれぞれの位相重心との間には、１２個の検出素子が配置されている。したがって、検出素子群２０２３，２０２４の位相重心の間には、２４個の検出素子が存在する。

【0023】

Ａ相信号Ｓ（Ａ）およびＢ相信号Ｓ（Ｂ）の位相差は、Ｎｓｅｇを検出素子アレイが有する検出素子の数、Ｄｉｆｆｓｅｇを各相の位相重心間に存在する検出素子の数とすると、以下の式（３）で表される。

【0024】

【数2】

【0025】

図１０（ａ）では、Ｎｓｅｇは６４、Ｄｉｆｆｓｅｇは１６であるため、Ａ相信号Ｓ（Ａ）およびＢ相信号Ｓ（Ｂ）の位相差は式（３）より９０度と算出される。図１０（ｂ）では、Ｎｓｅｇは６４、Ｄｉｆｆｓｅｇは２４であるため、Ａ相信号Ｓ（Ａ）およびＢ相信号Ｓ（Ｂ）の位相差は式（３）より１３５度と算出される。位相差が１３５度のままでも位置検出を行うことはできるが、より高精度に位置検出を行う場合、位相差を９０度に補正することが望ましい。

【0026】

ここで、位相差が補正されたＡ相信号Ｓ（Ａ）およびＢ相信号Ｓ（Ｂ）から位置情報を生成する方法について説明する。信号補正手段３０１は、まず、Ａ相信号Ｓ（Ａ）とＢ相信号Ｓ（Ｂ）との位相差誤差を補正する。ｅを位相差誤差とすると、互いに位相差が９０度からずれているＡ相信号Ｓ（Ａ）およびＢ相信号Ｓ（Ｂ）はそれぞれ、以下の式（４），（５）を用いて表すことができる。

【0027】

【数3】

【0028】

Ａ相信号Ｓ（Ａ）およびＢ相信号Ｓ（Ｂ）についてそれぞれ和と差を取ると、以下の式（６），（７）に示されるように、位相差誤差ｅを分離することができる。

【0029】

【数4】

【0030】

式（６）のｓｉｎ（ｅ／２−π／４）および式（７）のｃｏｓ（ｅ／２−π／４）は定数であるため、位相θ−π／４を位相φとした場合に、以下の式（８），（９）より位相差誤差のない補正信号Ｓ（Ａ）’，Ｓ（Ｂ）’を算出することができる。

【0031】

【数5】

【0032】

本実施例では、位相差誤差ｅは、検出素子アレイ２０２の設計値より２２．５度と決まっている。そのため、信号補正手段３０１は、位相差誤差ｅを２２．５度として位相差を補正する。本実施例では、補正の際の除算値として定数を用いているが、リアルタイムで補正することが求められる場合、式（６）の左辺Ｓ（Ａ）＋Ｓ（Ｂ）および式（７）の左辺−Ｓ（Ａ）＋Ｓ（Ｂ）のピーク・ボトムを動作中に求めることで、除算値を決定してもよい。

【0033】

位相取得手段３０２は、信号補正手段３０１から出力された補正信号Ｓ（Ａ）’，Ｓ（Ｂ）’を用いて、以下の式（１０）で表される逆正接演算を行う。

【0034】

【数6】

【0035】

位置演算手段３０３は、位相φの変化を積分することにより相対変位を検出する。位相φは２πまで進むと０に折り返すため、位相の変化を計算する場合、以下の式（１１）で表される判定処理が必要である。

【0036】

【数7】

【0037】

ここで、φｎは最新の位相、φｎ−１は最新の位相の１つ前の位相、ｄｉｆｆはそれらの差である。位置演算手段３０３は、差ｄｉｆｆを累積することで高精度に位置情報を取得する。

【0038】

次に、基本波の空間周波数の約２倍の空間周波数成分の誤差のフィルタリング効果について説明する。図１１は、スケール１０からの反射光の空間周波数特性を次数ごとに表している。なお、基本波は１θとし、それ以外の整数倍の空間周波数成分は順に２θ，３θ，４θ，５θとしている。また、図１１では、基本波１θが１００％であるとし、それ以外の周波数成分は基本波１θに対する比である。基本波１θの空間周波数の約２倍の空間周波数成分２θは、他の空間周波数成分に比べて大きい。基本波１θの空間周波数の偶数倍の空間周波数成分は、基本波の空間周波数がスケール１０のピッチである１０２４μｍの逆数と完全に一致していれば、式（１）および式（２）により除去可能である。これは、正弦波信号Ｓ（Ａ＋）と正弦波信号Ｓ（Ａ−）、および正弦波信号Ｓ（Ｂ＋）と正弦波信号Ｓ（Ｂ−）が空間的に１８０度の位相ずれを有しているからである。すなわち、基本波１θをｓｉｎθとした場合、基本波１θの空間周波数の偶数倍の空間周波数成分を有する信号において、Ｓ（Ａ＋）＝ｓｉｎ（２ｎθ）＝ｓｉｎ（２ｎθ＋１８０°）＝Ｓ（Ａ−）となる。そのため、式（１）より正弦波信号Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ａ−）はキャンセルされる。同様に、正弦波信号Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ｂ−）はキャンセルされる。

【0039】

しかしながら、実際には、光源２０１と検出素子アレイ２０２との実装高さずれや、センサ２０とスケール１０とのＸ軸の傾きにより倍率誤差が発生し、検出素子アレイ２０２に到達する信号の空間周波数がずれてしまう。そのため、基本波１θの空間周波数がスケール１０のパターン１０３のピッチの逆数と完全に一致することは少ない。Ａ相信号Ｓ（Ａ）およびＢ相信号Ｓ（Ｂ）に基本波１θ以外の空間周波数成分の信号が混ざると、式（１０）により算出される位相φのリニアリティが低下、すなわち精度が低下してしまう。したがって、基本波１θ以外の空間周波数成分のうち、特に大きい空間周波数成分２θの影響は考慮する必要がある。

【0040】

図１２は、本実施例（本発明を実施）および比較例（本発明を未実施）の検出素子アレイ２０２の空間周波数応答特性を表している。本実施例では、基本波１θの空間周波数（１／１０２４μｍ）の２倍の空間周波数（１／５１２μｍ）を含む範囲における空間周波数応答が、比較例に比べて低減されている。

【0041】

以下、図７を参照して、基本波１θの空間周波数の約２倍の空間周波数成分２θを低減できる理由について説明する。図７（ａ）において、空間周波数１／５１２μｍを有する信号をｓｉｎθとする場合の位相に注目する。図７（ａ）において、倍率誤差のない場合、検出素子群２０２２，２０２４上の空間周波数１／５１２μｍを有する信号の位相はそれぞれ、−２７０°，９０°である。ｓｉｎ（−２７０°）はｓｉｎ（９０°）と等しいため、式（２）より正弦波信号Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（−Ｂ）をキャンセルすることができる。一方、図７（ａ）において、倍率誤差がある場合、倍率誤差による角度ずれをΔとすると、検出素子群２０２２，２０２４上の空間周波数１／５１２μｍを有する信号の位相はそれぞれ、−２７０°＋３Δ，９０°＋Δである。簡略化のため、角度ずれΔを１°とすると、検出素子群２０２２，２０２４上の空間周波数１／５１２μｍを有する信号の位相はそれぞれ、−２７３°，９１°ある。ｓｉｎ（−２７３°）はｓｉｎ（８７°）と等しくｓｉｎ（９１°）と一致しないため、式（２）より差動残差が発生する。

【0042】

図７（ｂ）において、倍率誤差がある場合、正弦波信号Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ｂ−）はそれぞれ、ｓｉｎ（−２７３°）＋ｓｉｎ（−９１°），ｓｉｎ（９１°）＋ｓｉｎ（２７３°）である。ｓｉｎ（−２７３°）＋ｓｉｎ（−９１°）は、ｓｉｎ（８７°）＋ｓｉｎ（２６９°）と書き換えることができる。このように、図７（ａ）では、正弦波信号Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ｂ−）はそれぞれ、角度ずれ±３°，±１°のみを有する。一方、図７（ｂ）では、正弦波信号Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ｂ−）はともに、角度ずれ±３°，±１°を有するので、式（２）の差動演算時の位相偏りによる差動残差を軽減することができる。

【0043】

図１３は、式（１），（２）の差動演算時の空間周波数１／５１２μｍを有する信号の差動残差特性を表している。図１３に示されるように、本発明を実施することで、本発明を実施しない場合に比べて、差動誤差を軽減することができる。

【0044】

以上により、信号強度分布の影響を受けにくく、倍率誤差発生時の基本波の空間周波数の約２倍の空間周波数の信号による誤差の影響が少ない高精度なエンコーダを実現できる。

【0045】

本実施例では、反射型の光学式エンコーダを例として説明しているが、本発明はこれに限定されない。本発明は、透過型の光学式エンコーダや、磁気式エンコーダにも適用可能である。

【実施例2】

【0046】

図１４は、本実施例のエンコーダ１ｂの構成図である。スケール１０および信号処理手段３０の構成は実施例１と同様であるため、説明を省略する。また、センサ２０の光源２０１および受光素子２０３の構成は実施例１と同様であるため、説明を省略する。本実施例のセンサ２０は、実施例１の検出素子アレイ２０２の代わりに、検出素子アレイ（受光部）２０４を有する。

【0047】

図１５は、検出素子アレイ２０４の構成図である。本実施例では、検出素子アレイ２０４のＸ方向の寸法は２０４８μｍ、Ｙ方向の寸法は４５０μｍである。検出素子アレイ２０４は、Ｘ方向の寸法が３２μｍである、複数（本実施例では、６４個）の検出素子を有する。各検出素子は、制御部２０４１に接続されている。制御部２０４１は、信号線２０４２およびクロック線２０４３を有する。

【0048】

クロック線２０４３は、アクティブローの信号であり、通常ハイレベルに固定されている。スケール１０からの反射光を検出する場合、クロック線２０４３はハイレベルからローレベルに立ち下がる信号を制御部２０４１に送る。制御部２０４１はクロック線２０４３からこの信号を受けると、各検出素子の電荷を蓄える動作を行う。制御部２０４１は、クロック線２０４３からの信号が立ち上がるごとに、信号線２０４２を介して各検出素子の電荷を信号処理手段３０に送る。制御部２０４１は、最初の立ち上がりで図１５における左端（座標１）の検出素子の電荷を送り、次の立ち上がりでは隣（座標２）の電荷を送る。制御部２０４１は、これを繰り返し、６４回目の立ち上がりで右端（座標６４）の検出素子の電荷を送る。信号処理手段３０は、クロック信号を制御部２０４１に送るとともに、制御部２０４１から送られてくる検出素子の信号値を不図示のＡ／Ｄ変換器により逐次取り込む。信号処理手段３０に取り込まれた、検出素子ごとの信号値をＳｉｇ１〜Ｓｉｇ６４とする。ただし、Ｓｉｇ１は図１５における座標１の信号、Ｓｉｇ６４は座標６４の信号である。

【0049】

信号処理手段３０は、信号Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ６４の合成処理（ディジタル信号処理による加算）を行う。信号処理手段３０は、以下の式（１２）〜（１５）により合成処理を行うことで、実施例１と同様の信号Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ａ−），Ｓ（Ｂ−）を取得することができる。

【0050】

【数8】

【0051】

信号処理手段３０は、式（１２）〜（１５）を用いることなく、信号Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ａ−），Ｓ（Ｂ−）を生成してもよい。中央部の信号強度がより強く、周辺部の信号強度がより弱い系においては、より中央に存在する検出素子の電荷の合計数を少なくし、より周辺部に存在する検出素子の電荷の合計数を多くする。ただし、合成処理に用いられる検出素子の電荷は、信号Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ａ−），Ｓ（Ｂ−）について独立であることに留意しなければならない。また、信号Ｓ（Ａ＋），Ｓ（Ｂ＋），Ｓ（Ａ−），Ｓ（Ｂ−）はそれぞれ、同じ数の検出素子の電荷の合計になるよう留意しなければならない。また、信号補正手段３０１による位相差補正時の除算値や、基本波の空間周波数の約２倍の空間周波数の信号成分の除去率も式（１２）〜（１５）の第１項と第２項の重みにより変化することに留意しなければならない。実施例１では、Ａ＋相、Ｂ＋相、Ａ−相およびＢ−相の分布が検出素子アレイ２０２上で決まっていたため、信号強度の影響による信号オフセットの低減率、および基本波の空間周波数の約２倍の空間周波数の信号成分の除去率が固定の値である。本実施例では、それらを状況に応じて最適な値となるよう可変の値を取ることができる。以降の処理に関しては、実施例１と同様であるため、説明は省略する。なお、本実施例の構成は、実施例１と同様、透過型の光学式エンコーダや、磁気式エンコーダにも適用可能である。

【実施例3】

【0052】

図１６は、本発明のエンコーダ１ｃを有する撮像装置４０の断面図である。撮像装置４０は、フォーカスレンズ４０１および制御ＣＰＵ４０２を有する。エンコーダ１ｃは、フォーカスレンズ４０１に取り付けられ、フォーカスレンズ４０１の矢印で示される前後動作を制御するための検出機として用いられる。制御ＣＰＵ４０２は、エンコーダ１ｃに対し、位置要求信号を送る。エンコーダ１ｃは、位置要求信号を受け取ると、位置情報を制御ＣＰＵ４０２に送る。制御ＣＰＵ４０２は、エンコーダ１ｃからの位置情報、および異常検出情報に基づいて、フォーカスレンズ４０１を制御する。制御ＣＰＵ４０２は、エンコーダ１ｃからの位置情報を受け、フォーカスレンズ４０１を目標とする合焦位置に向けて動作させる。制御ＣＰＵ４０２は、フォーカスレンズ４０１が目標とする合焦位置に到達するまで上記動作を繰り返す。

【0053】

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、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】

【0054】

１ａ エンコーダ
１ｂ エンコーダ
１ｃ エンコーダ
１０ スケール
２０２ 検出素子アレイ
２０４ 検出素子アレイ
２０２１ 第１の検出素子群
２０２２ 第２の検出素子群
２０２３ 第３の検出素子群
２０２４ 第４の検出素子群
３０ 信号処理手段

【要約】

【課題】信号強度分布の影響および基本波以外の空間周波数成分の影響による誤差を低減可能なエンコーダを提供すること。
【解決手段】物理的特性が周期的に変化する複数のパターンを有するパターン列が形成されているスケールと、スケールに対して相対移動可能に配置され、パターン列からの光を検出する複数の検出素子が移動方向に並べられた検出素子アレイと、検出素子アレイからの出力信号を位置情報に変換する信号処理手段と、を有し、検出素子アレイが有する第１から第４の検出素子群は、検出素子アレイの端部から、第１の検出素子群、第２の検出素子群、第１の検出素子群、第２の検出素子群、第３の検出素子群、第４の検出素子群、第３の検出素子群、第４の検出素子群の順に配置され、信号処理手段は、第１および第３の検出素子群からの出力信号に基づいて第１の信号を生成し、第２および第４の検出素子群からの出力信号に基づいて第２の信号を生成する。
【選択図】図４

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】