JP2012013654A - アブソリュートエンコーダ及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、計測位置に応じて異なる検出精度を有する小型で安価なアブソリュートエンコーダを提供する。
【解決手段】被計測物の絶対位置を検出するアブソリュートエンコーダであって、前記被計測物とともに移動可能に構成され、第１スリットを有する第１トラック及び第２スリットを有する第２トラックを備えたスケール部と、前記第１スリットから得られた第１信号を検出する第１検出手段と、前記第２スリットから得られた第２信号を検出する第２検出手段と、前記第１信号及び前記第２信号を用いてバーニア演算を行う演算手段とを有し、前記第２スリットの間隔は、前記スケール部の移動方向における位置に応じて異なる。
【選択図】図８

Description

本発明は、被計測物の絶対位置を検出するアブソリュートエンコーダに関する。

従来、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。例えば特許文献１には、アブソリュートエンコーダに用いられるスケール部の構成が開示されている。スケール部には、互いに異なる配列周期の反射パターンが形成された２つのトラックが設けられている。このアブソリュートエンコーダでは、このスケール部とセンサユニット部とを相対的に駆動させ、２つの周期の異なる複数の周期信号間の位相差を演算することによって所定の周期信号を得るバーニアと呼ばれる位置検出方式が用いられる。そして、この周期信号を用いて絶対位置情報が得られる。

特公平１−４７０５２号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたアブソリュートエンコーダにおいて、バーニア位相の変位量がスケール部の位置に依存せずに一定である。一方、位置に応じて異なる検出制度を要求するシステムが存在する。しかし、所定の計測位置で絶対位置の検出精度を高めようとする場合、アブソリュートエンコーダの精度を全体的に向上させる必要があり、アブソリュートエンコーダの大型化やコストアップの要因となっていた。

また、絶対位置の検出精度を向上させるには、スケール全長におけるバーニア演算手段によって得られる信号の周期数を増やすことにより、位置変化に対するバーニア位相の変位量を変えることが考えられる。しかしこの場合、バーニア演算手段によって得られる信号と同期を取るための信号（上位信号）の精度を向上させる必要があった。

そこで本発明は、計測位置に応じて異なる検出精度を有する小型で安価なアブソリュートエンコーダを提供する。

本発明の一側面としてのアブソリュートエンコーダは、被計測物の絶対位置を検出するアブソリュートエンコーダであって、前記被計測物とともに移動可能に構成され、第１スリットを有する第１トラック及び第２スリットを有する第２トラックを備えたスケール部と、前記第１スリットから得られた第１信号を検出する第１検出手段と、前記第２スリットから得られた第２信号を検出する第２検出手段と、前記第１信号及び前記第２信号を用いてバーニア演算を行う演算手段とを有し、前記第２スリットの間隔は、前記スケール部の移動方向における位置に応じて異なる。

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。

本発明によれば、計測位置に応じて異なる検出精度を有する小型で安価なアブソリュートエンコーダを提供することができる。

第１実施形態におけるアブソリュートエンコーダの構成を示す斜視図である。 第１実施形態におけるアブソリュートエンコーダの断面図である。 第１実施形態におけるスケール部の平面図である。 第１実施形態における検出ヘッドの主要部品の平面図である。 第１実施形態における信号処理回路部の構成図である。 第１実施形態における信号処理の処理ブロックと処理フローを示す図である。 第１実施形態における信号の補正方法についての説明図である。 第１実施形態における絶対位置情報検出の同期保証についての説明図である。 第２実施形態におけるスケール部の平面図である。 第２実施形態における検出ヘッドの主要部品の平面図である。 第２実施形態における信号処理の処理ブロックと処理フローを示す図である。 第２実施形態における絶対位置情報検出の同期保証についての説明図である。 第３実施形態におけるスケール部の平面図である。 第３実施形態における信号処理の処理ブロックと処理フローを示す図である。 第３実施形態における絶対位置情報検出の同期保証についての説明図である。 第４実施形態における撮像装置の断面図である。

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。
（第１実施形態）
図１乃至図８を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。
図１は本実施形態におけるアブソリュートエンコーダ１００の構成を示す斜視図であり、図２はＸ軸方向から見たアブソリュートエンコーダ１００の断面図である。アブソリュートエンコーダ１００は、被計測物の絶対位置を検出する。全長でスリット数が異なる２トラックパターンを有するスケール部２は、移動する被計測物に固定され、格子配列方向であるＸ軸方向に被計測物とともに移動可能に構成されている。センサユニット部７は、スケール部２に対向して配置されている。センサユニット部７は、ＬＥＤチップからなる光源１、フォトダイオードアレイを有する２つの受光部９、１０と信号処理回路部とを内蔵したフォトＩＣチップからなる半導体素子３、８、及び、それらを実装したプリント基板４等を備えて構成される。光源１及び半導体素子３、８は樹脂５で封止され、樹脂５は透明ガラス基板６で覆われている。なお本実施形態では、部品の共通化、及び、コストダウンを図るため、２つの半導体素子３、８として同一の半導体素子を用いることが好ましい。このため、本実施形態では半導体素子３、８が同一の半導体素子を用いて構成されるものとして説明するが、これに限定されるものではなく、互いに異なる半導体素子を用いても構わない。

次に、本実施形態における、絶対位置検出アルゴリズムについて説明する。図３は本実施形態におけるスケール部の平面図であり、図３（ａ）はスケール部の全体構成図、図３（ｂ）はその一部の拡大図である。図３では、反射型のスリットパターンを一例として示している。スケール部４１はガラス基板により構成され、ガラス基板上には、２つのトラックがクロム反射膜をパターニングすることにより形成されている。スケール部４１を構成する基板としては、ガラス以外にシリコンのような他の材料を用いることができる。また、薄いフィルムのような平板状の材料以外のものを用いてもよい。また反射膜は、クロム以外の材料を用いて形成してもよい。

スケール部４１は、第１トラック４２と第２トラック４３の２つのトラックを備えて構成される。またスケール部４１は、スケール部４１の移動方向における位置（Ｘ軸方向の位置）に応じて少なくとも２つの領域（領域１、領域２）に分かれている。第１トラック４２では、領域１及び領域２のいずれにおいても、反射パターンであるスリット４４（第１スリット）が間隔Ｐ１で形成されている。第２トラック４３では、領域１においてスリット４５（第２スリット）が間隔Ｐ２で形成され、領域２においてスリット４６（第２スリット）が間隔Ｐ３で形成されている。本実施形態では、上述のようにスケール部４１の領域が２つに分かれており（領域１、領域２）、それぞれの間隔の関係は、Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ１である場合について説明する。また本実施形態において、スケール部４１は、第１トラック４２と第２トラック４３のスリットの本数の差が８本である。このように、スリット４５、４６（第２スリット）の間隔は、スケール部２の移動方向における位置（Ｘ軸方向の位置）に応じて異なっている。より具体的には、第２スリットは、第１領域（領域１）にて第１間隔（間隔Ｐ２）で配列されたスリット、及び、第２領域（領域２）にて第２間隔（間隔Ｐ３）で配列されたスリットを含む。一方、スリット４４（第１スリット）の間隔は、スケール部２の移動方向において等しい。

光源１から出射された光は、２トラックの反射パターン（スリット）が形成されたスケール部４１に照射される。スリット４４が形成された第１トラック４２とスリット４５、４６が形成された第２トラック４３に照射された光はそれぞれ反射され、受光部９（第１センサ）と受光部１０（第２センサ）に入射する。受光部９は、スリット４４（第１トラック４２）から得られた信号（第１信号）を検出する第１検出手段である。受光部１０は、スリット４５、４６（第２トラック４３）から得られた信号（第２信号）を検出する第２検出手段である。受光部９に入射した第１トラック４２からの反射光を受光部９で受光する受光量、又は、受光部９から得られる信号の振幅をもとにＡＰＣ（オートパワーコントロール）をかけて、受光部９に入射する光量又は受光部９の信号振幅を一定に保つ。このような構成により、光源光量変動などの経時変化の影響を受けにくくすることができる。

図４は、本実施形態における検出ヘッドの主要部品の平面図である。図４に示されるように、光源１の近傍には半導体素子３、８が配置されている。半導体素子３は、光源１に近い側に配設された受光領域２４と信号処理回路部２５から構成されている。半導体素子８は、光源１に近い側に配設された受光領域２６と信号処理回路部２７から構成されている。信号処理回路部２５、２７は、第１信号及び第２信号を用いてバーニア演算を行う演算手段である。なお、信号処理回路部２５、２７の上位制御装置（不図示）を、バーニア演算を行う演算手段として構成してもよい。

受光領域２４には、水平方向に１６個のフォトダイオード２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、…、２４ｍ、２４ｎ、２４ｏ、２４ｐが等間隔に配列されている。同様に、受光領域２６には、水平方向に１６個のフォトダイオード２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、…、２６ｍ、２６ｎ、２６ｏ、２６ｐが等間隔に配列されている。フォトダイオード２４ａ、２４ｅ、２４ｉ、２４ｍ（フォトダイオード２６ａ、２６ｅ、２６ｉ、２６ｍ）は電気的に接続されており、この組をａ相とする。また、フォトダイオード２４ｂ、２４ｆ、２４ｊ、２４ｎ（フォトダイオード２６ｂ、２６ｆ、２６ｊ、２６ｎ）の組をｂ相とする。以下同様に、ｃ相、ｄ相とする。ａ相、ｂ相、ｃ相、ｄ相の各フォトダイオード群は、光を受けると、その光量に応じた光電流を出力する。スケール部２のＸ方向への移動と共に、ａ相〜ｄ相のフォトダイオード群はａ相を基準に、ｂ相は９０度、ｃ相は１８０度、ｄ相は２７０度の位相関係で変動する電流が出力される。信号処理回路部２５、２７では、それぞれ、この出力電流を電流電圧変換器で電圧値に変換した後に、差動増幅器によりそれぞれａ相とｃ相の差動成分、及び、ｂ相とｄ相の差動成分を求め、９０°位相のずれたＡ、Ｂ相変位出力信号を出力する。

図５は、信号処理回路部２５の構成図である。光源１（発光素子）の発光回路３１、アナログ信号処理部３２により構成されている。アナログ信号処理部３２からのＡ、Ｂ相のアナログ信号を基に、スケール部２の移動量を算出して測定対象物（被計測物）の位置を求める位置演算部３３が設けられている。初段増幅器３４、３５、３６、３７は、ａ相、ｂ相、ｃ相、ｄ相の各フォトダイオード群で発生したフォト電流を電流電圧変換するためのＩ／Ｖ増幅器であり、Ｖｆ１の電位を基準として、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４の電位を発生する。ａ相とｃ相のフォトダイオード群から、出力Ｖ１とＶ３の差動を求める差動出力増幅器３８により、Ｖｆ２をバイアス電位としたＡ相信号（ＶＡ）を得る。同様に、ｂ相とｄ相のフォトダイオード群から出力Ｖ２とＶ４を差動出力増幅器３９により差動増幅してＢ相信号（ＶＢ）を得ている。なお、信号処理回路部２７も同様の構成を有する。

図６は、本実施形態における信号処理の処理ブロックと処理フローを示す図である。図７は、本実施形態における信号の補正方法についての説明図である。図８は、本実施形態における絶対位置情報検出の同期保証についての説明図である。以下、図３、図６乃至図８を参照して、本実施形態における絶対位置情報検出の信号処理方法と処理フローについて説明する。

第１トラック４２、第２トラック４３から得られるＡ、Ｂ相の信号はそれぞれ、図７（ａ）に示されるように、信号オフセットや信号振幅が異なっている場合がある。このような信号をそのまま絶対位置情報検出アルゴリズムに用いると検出位置の誤差要因となるため、信号の補正６１が必要である。そこでまず、第１トラック４２と第２トラック４３のＡ、Ｂ相それぞれの信号オフセット補正と信号振幅補正（補正６１）について説明する。

以下、受光部９と受光部１０として同様の構成の受光部を用い、受光部内の４個のフォトダイオードのピッチ（例えば２４ａ〜２４ｄの間隔）が第１トラック４２のピッチＰ１の２倍であるとして説明する。第１トラック４２から得られるＡ相、Ｂ相の信号は、それぞれ、以下の式（１）、（２）のように表される。

Ａ相の信号：ａ１×ＣＯＳθ＋ｓ１ … （１）
Ｂ相の信号：ａ２×ＳＩＮθ＋ｓ２ … （２）
ここで、ａ１、ｓ１はそれぞれＡ相信号の振幅とオフセット、ａ２、ｓ２はそれぞれＢ相信号の振幅とオフセット、θは信号の位相である。Ａ相信号の最大値はａ１＋ｓ１、最小値はａ１−ｓ１、信号振幅はａ１、平均値はｓ１である。同様に、Ｂ相信号の最大値はａ２＋ｓ２、最小値はａ２−ｓ２、信号振幅はａ２、平均値はｓ２である。これらの値を用いて、式（１）、（２）で表されるＡ相、Ｂ相の信号を補正すると、それぞれ、以下の式（３）、（４）のように表される。

Ａ相の信号：｛（ａ１×ＣＯＳθ＋ｓ１）−ｓ１｝×ａ２
＝ａ１×ａ２×ＣＯＳθ … （３）
Ｂ相の信号：｛（ａ２×ＳＩＮθ＋ｓ２）−ｓ２｝×ａ１
＝ａ１×ａ２×ＳＩＮθ … （４）
この結果、Ａ相、Ｂ相信号のオフセットが除去され、信号振幅が同一となった信号６２、６３が得られる（図７（ｂ））。このようにして得られたＡ相とＢ相の出力信号に基づいて、アークタンジェント（ａｒｃｔａｎ）の値６４を計算する。

次に、第２トラック４３の信号補正について説明する。図３に示されるように、第１トラック４２の間隔Ｐ１（周期）と領域１における第２トラック４３の間隔Ｐ２はわずかに異なるように構成されており、間隔Ｐ１と間隔Ｐ２の位相差から、バーニア演算手段により求めた信号を取得することができる。例えば、間隔Ｐ１が１００μｍ、間隔Ｐ２が１２０μｍであるとすると、領域１におけるバーニア演算手段により求めた信号の周期は、それらの最小公倍数である６００μｍとなる。また、第１トラック４２の間隔Ｐ１と領域２における第２トラック４３の間隔Ｐ３もわずかに異なるように構成されており、間隔Ｐ１と間隔Ｐ３の位相差から、バーニア演算手段により求めた信号を取得することができる。例えば、間隔Ｐ１が１００μｍ、間隔Ｐ３が１１０μｍとすると、領域２におけるバーニア演算手段により求めた信号の周期は１１００μｍとなる。

第２トラック４３の間隔Ｐ２、Ｐ３は、第１トラック４２の間隔Ｐ１とは異なるため、受光部１０内の４個のフォトダイオードの間隔（例えば２６ａ〜２６ｄの間隔）は、第２トラック４３の間隔Ｐ２、Ｐ３の２倍とはならない。このため、第２トラック４３から得られるＡ相、Ｂ相の信号は、領域１、領域２ともに、９０度からずれた位相関係となる。
以下ではまず、領域１における第２トラック４３の信号補正について説明する。

第２トラック４３から得られるＡ相、Ｂ相の信号は、それぞれ、以下の式（５）、（６）のように表される。

Ａ相の信号：ｂ１×ＣＯＳθ＋ｔ１ … （５）
Ｂ相の信号：ｂ２×ＳＩＮ（θ＋α）＋ｔ２ … （６）
ここで、ｂ１、ｔ１はそれぞれＡ相信号の振幅とオフセット、ｂ２、ｔ２はそれぞれＢ相信号の振幅とオフセット、θは信号の位相、αは位相のずれ量である。まず、第１トラック４２の場合と同様に、信号のオフセットと振幅の補正処理を行うと、Ａ相、Ｂ相の信号は、それぞれ、以下の式（７）、（８）のように表される。

Ａ相の信号：｛（ｂ１×ＣＯＳθ＋ｔ１）−ｔ１｝×ｂ２
＝ｂ１×ｂ２×ＣＯＳθ … （７）
Ｂ相の信号：｛（ｂ２×ＳＩＮ（θ＋α）＋ｔ２）−ｔ２｝×ｂ１
＝ｂ１×ｂ２×ＳＩＮ（θ＋α） … （８）
このとき、Ａ相、Ｂ相信号のオフセットが除去され、信号振幅が同一となった信号が得られる（図７（ｂ））。

次に、式（７）、（８）を用いて、Ａ相、Ｂ相の位相差を９０度とする処理について説明する。式（７）、（８）の差は、以下の式（９）のように表される。

ｂ１×ｂ２×（ＳＩＮ（θ＋α）−ＣＯＳθ）
＝ｂ１×ｂ２×２×ＳＩＮ｛（α−９０）／２｝×ＣＯＳ｛θ＋（α＋９０）／２｝ … （９）
また、式（７）、（８）の和は、以下の式（１０）のように表される。

ｂ１×ｂ２×（ＳＩＮ（θ＋α）＋ＣＯＳθ）
＝ｂ１×ｂ２×２×ＣＯＳ｛（α−９０）／２｝×ＳＩＮ｛θ＋（α＋９０）／２｝ … （１０）
このように、式（９）、（１０）の位相差は９０度となる（図７（ｃ））。

ここで、式（９）、（１０）の振幅は異なっているため、次に、振幅の補正を行う。式（９）に式（１０）の振幅の一部であるＣＯＳ｛（α−９０）／２｝を乗じ、式（１０）に式（９）の振幅の一部であるＳＩＮ｛（α−９０）／２｝を乗ずると、以下の式（１１）、（１２）が得られる。

ｂ１×ｂ２×２×ＳＩＮ｛（α−９０）／２｝×ＣＯＳ｛（α−９０）／２｝×ＣＯＳ｛θ＋（α＋９０）／２｝ … （１１）
ｂ１×ｂ２×２×ＳＩＮ｛（α−９０）／２｝×ＣＯＳ｛（α−９０）／２｝×ＳＩＮ｛θ＋（α＋９０）／２｝ … （１２）
この結果、振幅の補正が行われることになる（図７（ｄ））。このようにして、Ａ相、Ｂ相信号のオフセットが除去され、信号振幅が同一となり、９０度位相差の補正の後、信号振幅の補正まで行われた信号７２、７３を得ることができる。ここまで、領域１における第２トラック４３の信号の補正７１について説明したが、領域２における第２トラック４３の信号の補正についても同様にして行う。

以上の補正を行って得られたＡ相とＢ相の出力信号から、第１トラックの場合と同様に、アークタンジェント（ａｒｃｔａｎ）の値７４を計算する。そして、第１トラック４２のＡ相とＢ相の出力信号から得られるａｒｃｔａｎの値６４と、第２トラック４３のＡ相とＢ相の出力信号から得られるａｒｃｔａｎの値７４の差分を計算することにより、バーニア演算手段により求めた信号７５（中位信号）が得られる。

図８は、第１トラック４２と第２トラック４３の本数差が、スケール部の全長において８本である場合について示している。横軸はスケール部の位置、縦軸は第１トラック４２と第２トラック４３から得られるバーニア演算手段により求めた信号のａｒｃｔａｎを計算した位相差であり、±πｒａｄで折り返して表示している。

図３（ｂ）に示されるように、第２トラック４３のパターンは領域１と領域２とで間隔が異なる。このため、バーニア演算手段により求めた信号については、それぞれの領域において、センサユニット部７とスケール部２との間の相対位置変化に対するバーニア位相の変位量が異なる。図３（ｂ）に示される構成の場合、領域１の方が領域２よりも位置変化に対するバーニア位相の変位量が大きい。このため、両領域において同じ位相差分解能で内挿処理した場合、すなわち同じ位相差精度で位置検出精度を見た場合、領域１のほうが領域２よりも高精度な位置検出が可能となる。

図３（ｂ）に示されるように、第２トラック４３における領域１でのスリット４５の間隔Ｐ２、及び、領域２でのスリット４６の間隔Ｐ３は、領域１、領域２の切り替わりのスリット４７（第３スリット）の前後で切り替わっている。図８に示されるように、領域１、領域２の切り替わりのスリット４７の位置において、バーニア演算手段（演算手段）により得られる信号も＋πｒａｄから−πｒａｄへと切り替わる。すなわち、領域１と領域２の境界においてスリット４７が配置されており、スリット４７の位置において、演算手段により演算されたバーニア位相の変位量が異なるように構成されている。第２トラック４３における領域１でのスリット４５の幅は、例えばスリット４５の間隔Ｐ２の１／２であるＰ２／２とし、領域２でのスリット４６の幅はＰ３／２とする。ここで、領域１と領域２の切り替わりのスリット４７の幅は、高精度な位置検出を可能とする領域１に合わせて、Ｐ２／２とすることが好ましい。このようにして、計測位置の違いによる必要精度に応じた精度で、スケール部の全長において８つの周期のバーニア演算手段により求めた信号７５（中位信号）を得ることができる。

本実施形態では、領域が２つに分かれており、それぞれのスリットの間隔の関係がＰ２＞Ｐ３＞Ｐ１であり、第１トラック４２と第２トラック４３のスリットの本数の差が８本であるスケールを用いた場合について説明した。ただし本実施形態はこれに限定されるものではなく、領域の数は３以上でも構わない。また、領域数が３以上の場合、領域の切り替わり毎に、切り替わりのパターンが存在する。また、それぞれのスリットの間隔の関係がＰ２＜Ｐ３＜Ｐ１を満たす構成でもよい。また、第１トラック４２と第２トラック４３のスリットの本数の差は８本に限定されるものではなく、２以上の本数差であれば適用可能である。

次に、本実施形態における上位信号について説明する。本実施形態における上位信号は、上位信号取得用センサを用いて、図８に示されるような、スケール位置に基づいた出力値を得る（上位信号取得８１）。ここで、上位信号取得用センサの種類としては、例えば、位置検出を行う対象物（被計測物）に一体的に取り付けられたブラシを、抵抗パターンが印刷された基板上を摺動するように構成されたボリュームエンコーダがある。上位信号取得用センサは、ポテンショメータなどの位置検出が可能な別のセンサを用いてもよい。上位信号は、スケール位置に基づいた出力値が得られるものであれば構わない。ただし、バーニア演算手段により求めた信号との同期精度を一様にするという観点から、図８に示されるように、バーニア演算手段により得られる、位置変化に対するバーニア位相の変位量と比例する関係となるような信号とすることが好ましい。また、この関係の比例定数は、スケール部の位置に依存せずに一定であることが好ましい。このようにして得られた上位信号８２とバーニア演算手段により求めた信号との同期を取ることにより、絶対位置検出（絶対位置合成、及び、絶対位置情報の取得８３）を行う。

なお本実施形態において、反射型のアブソリュートエンコーダが用いられるが、透過型のアブソリュートエンコーダを用いることもできる。

以上のとおり、本実施形態によれば、計測位置に応じて異なる検出精度を有する小型で安価なアブソリュートエンコーダを提供することができる。また、第１センサで受光する受光量又は信号の振幅をもとにオートパワーコントロールを実行することにより、光源光量変動などの経時変化による影響を抑制した高精度なアブソリュートエンコーダを提供することができる。
（第２実施形態）
図９乃至図１２を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。図９は、本実施形態におけるアブソリュートエンコーダに用いられるスケール部の平面図であり、図９（ａ）はスケール部の全体構成図、図９（ｂ）はその一部の拡大図である。図１０は、本実施形態における検出ヘッドの主要部品の平面図である。図１１は、本実施形態における信号処理の処理ブロックと処理フローを示す図である。図１２は、本実施形態における絶対位置情報検出の同期保証についての説明図である。

本実施形態では、スケール部４１ａは３トラックで構成されており、センサユニット部もそれに対応した３トラックスケールからの反射光を受光する受光領域２８と、その信号処理回路部２９とで構成されている半導体素子１１がさらに設けられている。本実施形態では、第１トラック４２、第２トラック４３から得られる信号７５（中位信号）は、第１実施形態と同様の方法で得られる。また、上位信号は、第１トラック４２と第３トラック４８を用いて取得される。第１トラック４２と第３トラック４８は、スリットの本数差が１本であるように構成されている。第１実施形態と同様に、スケール部４１ａは、スケール部４１ａの移動方向における位置に応じて、少なくとも２つの領域に分かれている。第１トラック４２では、スリット４４（反射パターン）が間隔Ｐ１で形成されている。第３トラック４８では、領域１におけるスリット４９は間隔Ｐ４で形成され、領域２におけるスリット５０は間隔Ｐ５で形成されている。

以下、第１実施形態とは異なる部分である上位信号の取得方法について説明する。本実施形態では、スケール部の領域が２つに分かれており、それぞれのスリットの間隔の関係がＰ４＞Ｐ５＞Ｐ１であり、第１トラック４２と第３トラック４８のスリットの本数の差が１本である。図９（ｂ）に示されるように、本実施形態のスケール部は、領域１と領域２の切り替わりのパターン５１の前後で、スリット（パターン）の間隔が切り替わるように構成されている。第１トラック４２の間隔Ｐ１（周期）と領域１における第３トラック４８の間隔Ｐ４はわずかに異なるように構成され、間隔Ｐ１と間隔Ｐ４の位相差から、バーニア演算手段により求めた信号を取得することができる。また、第１トラック４２の間隔Ｐ１と領域２における第３トラック４８の間隔Ｐ５もわずかに異なるように構成され、間隔Ｐ１と間隔Ｐ５の位相差から、バーニア演算手段により求めた信号を取得することができる。

第３トラック４８におけるスリット４９の間隔Ｐ４とスリット５０の間隔Ｐ５は、第１トラック４２におけるスリット４４の間隔Ｐ１とは異なる。このため、半導体素子１１の受光領域２８に存在する４個のフォトダイオードの間隔（例えば２８ａ〜２８ｄ、２８ｍ〜２８ｐの間隔）は、第３トラックにおける間隔Ｐ４、Ｐ５の２倍とはならない。このため、第３トラック４８から得られるＡ相、Ｂ相の信号は、領域１、領域２ともに、９０度からずれた位相関係となる。

そこで本実施形態では、第３トラック４８から得られる信号に対しても、第１実施形態の第２トラック４３の信号の補正と同様の方法で補正を行う。信号のオフセットと振幅、９０度位相差の補正処理９１を行うことにより、Ａ相、Ｂ相信号のオフセットが除去され、信号振幅が同一となり、位相差が９０度となった信号９２と信号９３が得られる。以上の補正を行って得られたＡ相とＢ相の出力信号に基づいて、第１実施形態における第２トラックの場合と同様に、ａｒｃｔａｎの値９４を計算する。そして、第１トラックのＡ相とＢ相の出力信号から得られるａｒｃｔａｎの値６４と、第３トラックのＡ相とＢ相の出力信号から得られるａｒｃｔａｎの値９４の差分を計算することにより、バーニア演算手段により求めた信号９５（上位信号）が得られる。

なお、第１実施形態と同様の考え方により、上位信号は、図１２に示されるように、位置変化に対するバーニア位相の変位量（中位信号）と比例関係となるような信号であることが好ましい。このようにして得られたバーニア演算手段により求めた信号９５と、第１実施形態と同様の方法で得られた信号７５に基づいて、それぞれの信号の同期を取ることにより（絶対位置合成）、スケール部の絶対位置情報９６を算出する。

以上のとおり、本実施形態のアブソリュートエンコーダによれば、上位信号取得のための専用センサを用いることなく、中位信号取得に用いるセンサと同一の半導体素子を用いて上位信号を取得することができる。
（第３実施形態）
図１３乃至図１５を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。図１３は、本実施形態におけるアブソリュートエンコーダに用いられるスケール部の平面図であり、図１３（ａ）はスケール部の全体構成図、図１３（ｂ）はその一部の拡大図である。図１４は、本実施形態における信号処理の処理ブロックと処理フローを示す図である。なお、検出ヘッドの構成は、第１実施形態と同様である。図１５は、本実施形態における絶対位置情報検出の同期保証についての説明図である。

第１トラック、第２トラックから得られる信号７５（中位信号）は、第１実施形態と同様の方法で得る。本実施形態において、上位信号は第２トラック１４３を用いて取得する。スケール部１４１の第２トラック１４３は、スケール部１４１の幅方向に等間隔で欠落したパターンを備えて構成される。反射部の反射面積は、スケール部１４１の移動方向の位置により変調した構成となっている。なお、欠落の周期は等間隔でなくても構わないが、フォトダイオードへ到達する光の均一性等を考慮すると等間隔であることがより好ましい。また、光源からスケール部までの距離とスケール部からフォトダイオードまでの距離が等しい場合には、欠落の周期はフォトダイオードの幅の１／２ｎとするのが好ましい。ここで、ｎは整数である。

スケール部１４１は、スケール部１４１の移動方向の位置により少なくとも２つの領域に分かれている。第１トラック１４２では、スリット１４４（反射パターン）が間隔Ｐ１で形成されている。第２トラック１４３における領域１でのスリット１４５は間隔Ｐ２で形成されており、領域２でのスリット１４６は間隔Ｐ３で形成されている。以下、第１実施形態とは異なる部分である上位信号１０２の取得方法について説明する。本実施形態では、スケール部１４１の領域は２つに分かれており、それぞれのスリットの間隔の関係はＰ２＞Ｐ３＞Ｐ１であり、第１トラック１４２と第２トラック１４３のスリットの本数の差は８本である。図１３（ｂ）に示されるように、スケール部１４１は、領域１、領域２の切り替わりのパターン１４７の前後でパターンの間隔が切り替わるように構成されている。
上位信号１０２は、図１４に示されるように、スケール部１４１の第２トラック１４３から得られるＡ相信号とＢ相信号の信号振幅として、それぞれの値の２乗平均平方根の計算１０１を行うことで、式（１３）のように得られる。

ここで、Ａ相、Ｂ相信号のオフセットが除去され、信号振幅が同一となり、９０度位相差の補正の後、信号振幅の補正まで行われた信号７２、７３は、第１実施形態と同様の方法で得られる。式（１３）の値は、スケール部の位置によって異なる値を取るため、式（１３）で求められた値に基づいて位置情報を得ることができる。上位信号１０２は、センサ位置とトラック位置との信号取得位置関係の如何に関わらず、式（１３）を使用して振幅値を計算することにより求められる。すなわち、Ａ相信号及びＢ相信号それぞれの位相状態の如何に関わらず、第２トラック１４３における信号振幅の算出が可能である。

第１実施形態と同様、上位信号は、図１５に示されるように、位置変化に対するバーニア位相の変位量（中位信号）と比例関係となるような信号であることが好ましい。このようにして得られた上位信号１０２と、第１実施形態と同様の方法で得られた信号７５（中位信号）に基づいて、それぞれの信号の同期を取ることにより（絶対位置合成）、スケール部１４１の絶対位置情報１０３を算出することができる。本実施形態において、スケール部１４１における第２トラック１４３の反射パターンは、位置によって反射面積が変化した構成となっている。ただし本実施形態はこれに限定されるものではなく、位置に応じて反射率が変化する膜を用いても、同様の効果が得られる。このとき、反射膜の密度を変えることや、反射膜の材質を変化させるなどして、反射率を変化させることが可能である。

以上のとおり、本実施形態によれば、アブソリュート情報取得用のセンサを設けずに絶対位置情報を取得するように構成されているため、小型でローコストなアブソリュートエンコーダを提供することができる。また、スケール部の反射パターンは、スケール部の幅（Ｙ）方向に等間隔で欠落したパターンや、スケール部の幅（Ｙ）方向に均一なパターンで構成されている。このため、センサユニット部７とスケール部２との相対位置がＹ方向に変動しても受光部へ入射する光量が概ね均一となり、ＬＥＤなどの安価な光源をレンズを必要せずに用いることができる。
（実施形態４）
次に、図１６を参照して、本発明の実施形態４について説明する。本実施形態は、上記各実施形態のアブソリュートエンコーダをレンズ鏡筒に搭載した撮像装置に関する。図１６は本実施形態における撮像装置２００の断面図である。２０１はレンズ群、２０２は駆動レンズ、２０３は駆動レンズ２０２の変位を検出するためのアブソリュートエンコーダの検出ヘッド、２０４はＣＰＵ、２０５は撮像素子である。レンズ群２０１、駆動レンズ２０２、ＣＰＵ２０４、及び、撮像素子２０５により、撮像手段が構成される。

レンズ群２０１を構成する駆動レンズ２０２は、例えばオートフォーカス用のレンズであり、光軸方向に移動可能である。駆動レンズ２０２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ものでも構わない。本実施形態において、アブソリュートエンコーダのスケール部は、駆動レンズ２０２を駆動するアクチュエータに保持されており（不図示）、アブソリュートエンコーダの検出ヘッド２０３に対して相対的に移動可能である。アブソリュートエンコーダの検出ヘッド２０３から得られる駆動レンズ２０２の変位に応じた信号は、ＣＰＵ２０４に出力される。ＣＰＵ２０４からは、駆動レンズ２０２が所望の位置へと移動されるための駆動信号が生成され、駆動レンズ２０２はその信号に基づいて駆動される。

一般的に駆動レンズは、その位置に応じて、変位に対する光学敏感度が異なる。そのため、アブソリュートエンコーダは、駆動レンズの変位に対する光学敏感度に応じて、この変位に対するバーニア位相の変位量が大きくなるように第２スリットの間隔（間隔Ｐ２、Ｐ３）を異ならせるように設定することが好ましい。

また、例えば駆動レンズがズーム調整レンズの場合、一般的に、至近側よりも望遠側にズーム調整レンズが配置されている方が、レンズの位置変化に対する光学敏感度が高いように設計されていることが多い。このとき、アブソリュートエンコーダは、ズーム調整レンズの望遠側にレンズの変位に対するバーニア位相の変位量が大きくなり、至近側にレンズの変位に対するバーニア位相の変位量が小さくなるように、第２スリットの間隔を異ならせることが好ましい。

図１６と図８を参照して、アブソリュートエンコーダを撮像装置２００に組み込む方法の一例について説明する。アブソリュートエンコーダとそれを搭載する撮像装置２００には、製造誤差による個体差や、組み込み誤差等、アブソリュートエンコーダを撮像装置に搭載する際に、設計値からの誤差が存在している場合が多い。設計値からの誤差があるとバーニア演算手段によって得られる信号の誤差、つまり位相誤差となり、図８のような信号の初期位相がずれた状態になるため、この位相ずれを認識しておく必要がある。

そこで本実施形態では、アブソリュートエンコーダを撮像装置２００へ組み込む際には、検出ヘッド２０３とスケールとを相対的に駆動させて、原器エンコーダなどの基準位相が検出できる装置を用いて、組み込み後の位相ずれ量を算出する。すなわち、アブソリュートエンコーダは、撮像装置へ組み込まれる際に検出された位相ずれ量を用いて実測値の補正を行うように構成することが好ましい。以上より求めた位相ずれ量を用いて設計値から求められるアブソリュート情報の補正を行うことにより、製造誤差などによる個体差やアブソリュートエンコーダの組み込み誤差等の影響が低減された絶対位置検出が可能な撮像装置が提供される。なお、各実施形態のアブソリュートエンコーダは、撮像装置以外にも様々な装置に適用することができる。例えば、露光装置のステージ、ロボットアームなどの変位を検出するためにも適用可能である。

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。

２ スケール部
３ 半導体素子
９ 受光部
２４ 受光領域
２５ 信号処理回路部
１００ アブソリュートエンコーダ

Claims (8)

1. 被計測物の絶対位置を検出するアブソリュートエンコーダであって、
   前記被計測物とともに移動可能に構成され、第１スリットを有する第１トラック及び第２スリットを有する第２トラックを備えたスケール部と、
   前記第１スリットから得られた第１信号を検出する第１検出手段と、
   前記第２スリットから得られた第２信号を検出する第２検出手段と、
   前記第１信号及び前記第２信号を用いてバーニア演算を行う演算手段と、を有し、
   前記第２スリットの間隔は、前記スケール部の移動方向における位置に応じて異なることを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
2. 前記第１スリットの間隔は、前記スケール部の前記移動方向において等しいことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
3. 前記第２スリットは、第１領域にて第１間隔で配列されたスリット、及び、第２領域にて第２間隔で配列されたスリットを含み、
   前記第１領域と前記第２領域との境界において、第３スリットが配置されており、
   前記第３スリットの位置において、前記演算手段により演算されたバーニア位相の変位量が異なるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアブソリュートエンコーダ。
4. 前記バーニア位相の変位量と前記スケール部の変位に対する上位信号の変位量とが比例する関係を有し、
   前記関係の比例定数は前記スケール部の位置に依存せずに一定であることを特徴とする請求項３に記載のアブソリュートエンコーダ。
5. 光軸方向に移動可能なレンズを有する撮像手段と、
   前記レンズの変位を検出するための請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアブソリュートエンコーダと、を有することを特徴とする撮像装置。
6. 前記アブソリュートエンコーダは、前記レンズの変位に対する光学敏感度に応じて、該変位に対するバーニア位相の変位量が大きくなるように前記第２スリットの間隔を異ならせていることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 前記アブソリュートエンコーダは、前記レンズの望遠側に該レンズの変位に対するバーニア位相の変位量が大きくなり、該レンズの至近側に該レンズの変位に対する該バーニア位相の変位量が小さくなるように、前記第２スリットの間隔を異ならせていることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
8. 前記アブソリュートエンコーダは、前記撮像装置へ組み込まれる際に検出された位相ずれ量を用いて実測値の補正を行うことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。