エンコーダおよびこれを備えた装置
【課題】エンコーダにおいて、三角関数演算の回数を削減する。
【解決手段】エンコーダは、周期パターン１１が設けられたスケール１０と、スケールとの相対移動が可能であり、周期パターンを読み取って、それぞれ周期パターンに応じた変化周期を有し、かつ互いに位相が異なる複数のアナログ信号を出力するセンサ２０と、該センサから出力された複数のアナログ信号を時分割でアナログ−デジタル変換して複数のデジタル信号を生成するＡ／Ｄ変換部３０と、複数のデジタル信号から位相を検出する位相検出部６０と、スケールとセンサとの相対移動速度と位相検出部により検出された位相とを用いて補正値を算出し、該補正値と位相検出部により検出された位相とから補正位相を算出する補正部７０と、該補正位相を用いて、スケールとセンサとの相対移動方向での位置を求める位置検出部８０とを有する。
【解決手段】エンコーダは、周期パターン１１が設けられたスケール１０と、スケールとの相対移動が可能であり、周期パターンを読み取って、それぞれ周期パターンに応じた変化周期を有し、かつ互いに位相が異なる複数のアナログ信号を出力するセンサ２０と、該センサから出力された複数のアナログ信号を時分割でアナログ−デジタル変換して複数のデジタル信号を生成するＡ／Ｄ変換部３０と、複数のデジタル信号から位相を検出する位相検出部６０と、スケールとセンサとの相対移動速度と位相検出部により検出された位相とを用いて補正値を算出し、該補正値と位相検出部により検出された位相とから補正位相を算出する補正部７０と、該補正位相を用いて、スケールとセンサとの相対移動方向での位置を求める位置検出部８０とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学機器等の各種装置に用いられ、該装置内の可動部材の移動に応じたスケールとセンサとの相対移動に伴って位置を示す信号を出力するエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
可動部材の位置や速度を検出するためにエンコーダが使用される。エンコーダは、例えば可動部材に周期パターンを設けたスケールを取り付ける一方、固定された部材にセンサを取り付け、センサによって周期パターンを読み取ることで可動部材の位置に応じた信号を出力する。このようなエンコーダでは、スケールとセンサとの相対移動量に応じてセンサから出力される２相又は３相以上の複数の周期信号から位相を求めることにより内挿処理を行う。
【０００３】
複数の周期信号を読み取る際に、これらを同時に読み取るのではなく、順次読み取る場合、複数の周期信号の読み取り時刻に差が生じる。スケールとセンサとが相対移動しているときには、複数の周期信号のそれぞれの読み取り時刻においてスケールとセンサの相対位置が異なる。この場合、読み取った複数の周期信号の位相が互いに異なってしまい、そのまま内挿処理を行っても、本来求めるべき正しい位相を求めることができない。
【０００４】
特許文献１には、スケールとセンサの相対位置が異なる状態で読み取った２相の周期信号のうち一方の位相を、他方を読み取った位置の位相に補正してから内挿処理を行うエンコーダが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開２０００／２８２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１にて開示されたエンコーダでは、補正のために三角関数演算を多数回行う必要があり、信号処理の負荷が大きく、信号処理回路も高価になり易い。たた、位相の検出処理中に補正のための処理を挿入する必要があるため、既存の信号処理回路をそのまま使用することが難しい。
【０００７】
本発明は、三角関数演算の回数を削減でき、既存の信号処理回路を利用し易いエンコーダを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としてのエンコーダは、周期パターンが設けられたスケールと、該スケールとの相対移動が可能であり、周期パターンを読み取って、それぞれ周期パターンに応じた変化周期を有し、かつ互いに位相が異なる複数のアナログ信号を出力するセンサと、該センサから出力された複数のアナログ信号を時分割でアナログ−デジタル変換して複数のデジタル信号を生成するＡ／Ｄ変換部と、複数のデジタル信号から位相を検出する位相検出部と、スケールとセンサとの相対移動速度と位相検出部により検出された位相とを用いて補正値を算出し、該補正値と位相検出部により検出された位相とから補正位相を算出する補正部と、該補正位相を用いて、スケールとセンサとの相対移動方向での位置を求める位置検出部とを有することを特徴とする。
【０００９】
なお、上記エンコーダと、該エンコーダを用いて位置が検出される可動部材とを有する装置も、本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、三角関数演算の回数を削減できるので、信号処理の負荷を低減することができるとともに、位相の検出処理を行った後にその補正を行うことにより既存の信号処理回路に補正機能を追加するだけの簡単な構成で高精度な位置検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１であるエンコーダの構成を示すブロック図。
【図２】実施例１のエンコーダにおける位相と誤差との関係を示す図。
【図３】本発明の実施例２であるエンコーダの構成を示すブロック図。
【図４】本発明の実施例３であるエンコーダの構成を示すブロック図。
【図５】本発明の実施例４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】
【００１２】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１３】
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す。本実施例のエンコーダは、周期パターンが形成されたスケール１０と、スケール１０との相対移動が可能であり、周期パターンを読み取る検出部としてのセンサ２０とを有する。また、エンコーダは、Ａ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ変換部）３０と、カウンタ４０と、記憶部５０と、位相検出部６０と、位相補正部７０と、位置検出部８０とを有する。
【００１４】
本実施例のエンコーダは、スケール１０とセンサ２０との相対位置を検出する反射型光学式インクリメンタルエンコーダである。また、本実施例では、エンコーダが搭載される装置の可動部材にスケール１０を取り付け、該装置において固定された（不動の）部材にセンサ２０を取り付けて、可動部材の位置を検出する場合について説明する。このことは、後述する他の実施例でも同じである。ただし、可動部材にセンサ２０を取り付け、固定された部材にスケール１０を取り付けてもよい。また、本実施例では、リニア型エンコーダについて説明するが、ロータリー型エンコーダも本実施例と同様に構成することができる。
【００１５】
さらに、以下に説明する本実施例を応用して、後述する実施例３にて説明するように、スケール１０とセンサ２０のうち一方の絶対位置を検出するアブソリュートエンコーダを構成することも可能である。インクリメンタルエンコーダにより検出する相対位置も、アブソリュートエンコーダにより検出する絶対位置のいずれも、スケール１０とセンサ２０の相対移動方向での位置である。
【００１６】
スケール１０には、所定の周期（ピッチ）で反射部と非反射部とが交互に配置された周期パターン１１が設けられている。スケール１０（周期パターン１１）がセンサ２０に対して周期パターン１１の１周期（１ピッチ）だけ移動するごとに、センサ２０から互いに９０度の位相差を持つ２相の正弦波信号（以下、単に２相信号という）Ａ１，Ｂ１が１周期だけ出力される。２相信号Ａ１，Ｂ１はそれぞれ、周期パターン１１に応じた変化周期を有し、かつ互いに位相が異なる余弦波信号と正弦波信号としてのアナログ信号である。
【００１７】
センサ２０には、光源２１と受光部２２とが設けられており、光源２１からスケール１０に照射された光のうち周期パターン１１の反射部で反射した検出光を受光部２２で光電変換する。光源２１は、ＬＥＤ等の発光素子により構成され、受光部２２は、複数の光電変換素子（受光素子）により構成されている。
【００１８】
センサ２０から出力された２相信号は、Ａ／Ｄコンバータ３０およびカウンタ４０に入力される。Ａ／Ｄコンバータ３０に入力された２相信号は該Ａ／Ｄコンバータ３０によってデジタル信号に変換された後、位相検出部６０に入力され、周期パターン１１の１周期内での位相（位置）が求められる。ここで、Ａ／Ｄコンバータ３０は、時分割でアナログ−デジタル変換を行う。つまり、２相信号は互いに同時にデジタル信号に変換されるのではなく、時刻差を持って交互にデジタル信号に変換される。
【００１９】
一方、カウンタ４０は、入力された正弦波信号の周期数をカウントして、２相信号の位相の関係（すなわち、スケール１０とセンサ２０の相対移動方向）に応じてカウンタをアップ又はダウンする構成を有する。これにより、任意の基準位置からの相対移動量を周期パターン１１の１周期単位で検出することができる。以下の説明では、周期パターン１１の一端に対応する位置を基準位置と設定したものとする。このような構成により、周期パターン１１の１周期内における位置とカウンタ値とを用いて、スケール１０（つまりは可動部材）の位置を算出することができる。
【００２０】
Ａ／Ｄコンバータ３０にてデジタル信号に変換された２相信号は、位相検出部６０に入力される。前述したように２相信号は正弦波信号と余弦波信号であるから、ａｒｃｔａｎ演算により位相（以下、検出位相という）θが求められる。
【００２１】
ここで、前述したようにＡ／Ｄコンバータ３０は、時分割でアナログ−デジタル変換を行う。センサ２０から出力される２相信号は、センサ２０とスケール１０との相対位置関係に依存しており、相対位置関係が同じであれば異なる時刻であっても同じ信号が出力される。したがって、スケール１０とセンサ２０が相対的に静止している場合は２相信号が変化しないため、アナログ‐デジタル変換される時刻にずれがある場合にも、検出位相θは誤差を持たない。
【００２２】
しかし、スケール１０とセンサ２０が相対移動している場合には、時刻が異なるとスケール１０とセンサ２０との相対位置関係も異なる。その結果、２相信号が異なる位置でアナログ−デジタル変換され、ａｒｃｔａｎ演算による検出位相θが誤差を持つ。
【００２３】
本実施例では、Ａ／Ｄコンバータ３０は、それぞれ余弦波信号および正弦波信号である２相信号Ａ１，Ｂ１を、Ａ１→Ｂ１の順でデジタル変換を行う。したがって、２相信号Ａ１，Ｂ１から変換されたデジタル信号をａ，ｂとすると、ａ，ｂは以下の式（１），（２）で表される。ただし、余弦波信号がデジタル変換された時刻の２相信号の位相をΘとし、周期パターン１１における反射部の周期（以下、単に周期パターン１１のピッチという）をＰとする。また、スケール１０とセンサ２０の相対移動速度をＶとし、２相信号Ａ１，Ｂ１のデジタル変換の時刻差をΔＴとする。さらに、検出位相θは、以下の式（３）で表される。ただし、ＭＯＤ（ｘ，ｙ）はｘを被除数とし、ｙを除数としたときの剰余を表す。
【００２４】
【数１】
【００２５】
【数２】
【００２６】
【数３】
【００２７】
次に、位相検出部６０にて得られた検出位相θとカウンタ４０の値ｍとを用いて位置検出部７１において、スケール１０とセンサ２０との相対位置ｘが求められる。位置ｘは、周期パターン１１のピッチＰと、検出位相θと、カウンタ４０の値ｍとから、以下の式（４）で求められる。
【００２８】
【数４】
【００２９】
初回の位置検出時を除き、記憶部５０には、過去のある時刻ｔ０における位置ｘ０が記憶されている。そこで、速度検出部７２において、余弦波信号Ａ１をデジタル変換した時刻ｔと位置ｘとを用いて以下の式（５）で表される、スケール１０とセンサ２０との相対移動速度ｕを算出（検出）する。なお、初回の位置検出時の相対移動速度ｕは０とする。
【００３０】
【数５】
【００３１】
ここで、算出（検出）された相対移動速度（以下、検出速度という）ｕは過去のある時刻ｔ０から余弦波信号Ａ１をデジタル変換した時刻ｔまでの平均速度であるため、可動部材が加速または減速していると、該検出速度ｕは実際の相対移動速度Ｖとは異なる値となる。このため、検出速度ｕが誤差を持つ。しかし、可動部材の加速度に対して十分に小さな時刻間隔で検出速度ｕを求めることで、誤差を低減することが可能である。
【００３２】
また、一般的に本実施例のようなエンコーダは、Ａ／Ｄコンバータ３０の変換時間がセンサ２０から検出される２相信号の位相の変化速度に対して十分に小さい環境で使用される。そして、デジタル変換の時刻差ΔＴは、Ａ／Ｄコンバータ３０の変換時間とほぼ同じであり、位相の変化速度はスケール１０とセンサ２０の相対移動速度Ｖに比例する。さらに、周期パターン１１のピッチＰは、設計上の定数である。したがって、ＶΔＴ／Ｐは十分に小さく、このとき検出位相θに含まれる誤差をＥとすると、誤差Ｅは以下の式（６）で近似され、グラフに表すと図２のようになる。
【００３３】
【数６】
【００３４】
そこで、補正値生成部７３では、速度検出部７２で得られた検出速度ｕを使用して、以下の式（７）で表される補正値ｓを生成する。式（６）および式（７）を比較すると分かるように、補正値ｓは誤差Ｅの近似値である。
【００３５】
【数７】
【００３６】
そして、補正処理部７４において、検出位相θと補正値ｓとから補正位相θｃを求める。補正位相θｃは、以下の式（８）で表される。なお、補正値ｓは検出速度ｕに比例するため、ｕ＝０となる初回の位置検出時の初期補正値はｓ＝０であり、補正を行わないことと同義である。
【００３７】
【数８】
【００３８】
以上により、位相検出部６０で求めた検出位相θよりも誤差の少ない補正位相θｃが求められる。そして、位置検出部８０は、位置検出部７１と同様に、補正位相θｃとカウンタ４０の値ｍから、以下の式（９）に示すようにスケール１０とセンサ２０との相対位置ｘｃを算出する。
【００３９】
【数９】
【００４０】
最後に、位置検出部８０で求めた位置ｘｃを出力するとともに、記憶部５０に位置ｘｃと余弦波信号Ａがデジタル変換された時刻ｔを記憶する。
以上説明したように、本実施例によれば、三角関数演算の回数を少なくとすることができるので、信号処理の負荷を低減することができる。また、位相の検出処理を行った後にその補正を行うので、既存の信号処理回路に位相の補正機能を追加するだけの簡単な構成で高精度な位置検出を行うことができる。
【００４１】
ところで、式（９）によって求めた位置ｘｃは、式（４）で求めた位置ｘよりも精度が高いが、式（５）において位置ｘを用いて検出速度ｕを求めているため、位置ｘｃには検出速度ｕの検出誤差の影響が残存している。そこで、より高精度な位置を求めたい場合には、位置ｘｃを用いてより高精度な速度を求め、再度位置を求めるとよい。一連の算出式の反復処理回数をｉとして、以下の式（１０）に示すようにｕｉ，ｓｉ，θｉ，ｘｉを求めると、ｉが大きくなるにしたがって、速度、補正値、位相および位置に含まれる誤差が小さくなる。ただし、ｕ１＝ｕ，ｓ１＝ｓ，θ０＝θ，θ１＝θｃ，ｘ１＝ｘ，ｘ２＝ｘｃである。
【００４２】
【数１０】
【００４３】
本実施例では速度ｕを２回の検出位相から求めているが、３回以上の検出位相から求めてもよい。この場合は線形近似でなく、高次の近似を用いることもできる。速度を求めるために使用する位相の検出回数を増やすとより高精度に求められる。
また、本実施例では、エンコーダ内において検出位相から速度を算出する場合について説明したが、エンコーダを搭載した装置のシステムから、スケール１０とセンサ２０との相対移動速度に相当する速度の情報を入力し、これを検出速度ｕと同様に用いてもよい。この場合、記憶部５０、位置検出部７１および速度検出部７２が不要となる。
【００４４】
また、式（６）に示す誤差Ｅ（つまりは式（７）に示す補正値ｓ）が同じ値となる複数の位相と時刻から速度を求めれば、位置ｘ，ｘ０に含まれる誤差Ｅがｘ−ｘ０の演算により相殺されて小さくなる。このため、より誤差の少ない検出速度ｕが得られ、位相補正後の位置検出精度をより向上させることができる。
また、相対移動速度Ｖが一定である場合等の特定の場合に異なる時刻に検出した複数（２つ）の位相について、ΔＴ（ｃｏｓ２θ−１）の値が同じ（又は同じとみなせるほど十分に近い）であれば、その位相を用いて検出速度ｕを算出することが望ましい。これにより、検出速度ｕに含まれる誤差を十分低減することができ、位相補正後の位置検出精度をより向上させることができる。もちろん、デジタル変換の時刻差ΔＴが固定値のＡ／Ｄコンバータを使用する場合は、ｃｏｓ２θの値が同じである（又は十分に近い）だけで検出速度ｕの誤差を低減することができる。
【００４５】
また、式（７）と図２に示すように、θ≒０，πのときにＥ≒０となる。したがって、θ≒０，πとなるときの時刻から検出速度ｕを求めることで、検出速度ｕに含まれる誤差はより少なくなる。さらに言えば、θ≒０，πにおいて位置検出を行えば、速度状態にかかわらず位相誤差成分が小さくなり、検出位置精度の向上を図ることも可能である。
【００４６】
また、本実施例では、記憶部５０に、位置ｘｃとデジタル変換時刻ｔとを記憶する場合について説明したが、デジタル変換される時刻の間隔が一定であれば、設計値として速度を求めることが可能となるため、位置ｘｃのみを記憶するだけでもよい。
【実施例２】
【００４７】
本発明の実施例２のエンコーダについて説明する。なお、実施例１と重複する説明は省略する。図３には、本実施例のエンコーダの構成を示している。実施例１とは、センサ２０が、互いに１２０度の位相差を有する３相の正弦波信号（以下、３相信号という）Ａ，Ｂ，Ｃを出力する点が異なる。
【００４８】
３相信号は、Ａ／Ｄコンバータ３０により時分割でデジタル信号に変換される。デジタル信号をそれぞれａ，ｂ，ｃとすると、これらは以下の式（１１），（１２），（１３）でそれぞれ表される。ただし、デジタル信号ｂがデジタル変換された時刻における３相信号の位相をΘとし、周期パターン１１のピッチをＰとし、スケール１０とセンサ２０の相対移動速度をＶとし、デジタル変換の時刻差をΔＴとする。デジタル信号ａ，ｂ，ｃへのＡ／Ｄ変換は、同一の時刻差で行われるものとする。
【００４９】
【数１１】
【００５０】
【数１２】
【００５１】
【数１３】
【００５２】
ここで、以下の式（１４）に示すように、デジタル信号ａ，ｃの差から、デジタル信号ｂに対して９０度の位相差を持つ信号を求めることができる。
【００５３】
【数１４】
【００５４】
そこで、実施例１と同様に、以下の式（１５）に示すようにａｒｃｔａｎ演算により検出位相θを求める。そして、検出位相θに含まれる誤差をＥとすると、誤差Ｅは、ＶΔＴ／Ｐが十分に小さいとき、以下の式（１６）により近似される。
【００５５】
【数１５】
【００５６】
【数１６】
【００５７】
誤差Ｅは、Ｖ，ΔＴ，Ｐ，θの関数となるため、実施例１と同様に、以下の式（１７）に示す補正値ｓを生成し、検出位相θの補正を行って補正位相を算出することができる。
【００５８】
【数１７】
【００５９】
また、本実施例の場合も実施例１と同様に、θ≒０，πのときにＥ≒０となる。したがって、θ≒０，πとなるときの時刻から速度を求めることで、速度に含まれる誤差はより少なくなる。また、θ≒０，πに限られず、Ｅがほぼ同じ値をとる位相と時刻から速度を求めても同様の効果が得られる。
【実施例３】
【００６０】
本発明の実施例３のエンコーダについて説明する。なお、実施例１と重複する説明は省略する。図４には、本実施例のエンコーダの構成を示している。実施例１とは、スケール１０に２つの周期パターン１１，１２を設けている点と、センサ２０に２つの受光部２２，２３が設けられている点が異なる。また、本実施例のエンコーダは、アブソリュートエンコーダであり、２つの周期パターン１１，１２に対応する位相から絶対位置検出部９０において、スケール１０の絶対位置（前述したようにスケール１０とセンサ２０との相対移動方向での位置）を検出する。
【００６１】
周期パターン１１，１２は、互いに異なるピッチＰ１，Ｐ２で形成されており、スケール１０とともにセンサ２０と相対移動する。センサ２０の受光部２２，２３は、共通の光源２１から射出されて周期パターン１１，１２の反射部にて反射した検出光をそれぞれ光電変換する。そして、各受光部は、スケール１０とセンサ２０との相対移動量に応じて、互いに９０度の位相差を有する２相信号を出力する。このため、２つの受光部２２，２３からは２組の２相信号が出力される。周期パターン１１，１２は全長が同じであり、反射部の数がそれぞれ、Ｎ個とＮ−１個となっている。したがって、周期パターン１１に対応して受光部２２から出力される２相信号の位相と、周期パターン１２に対応して受光部２３から出力される２相信号の位相との差（位相差）が、スケール１０（が取り付けられた可動部材）の絶対位置を示す。
【００６２】
Ａ／Ｄコンバータ３０は、２組の２相信号（合計４つのアナログ信号である周期信号）を、受光部２２からの余弦波信号Ａ１→受光部２２からの正弦波信号Ｂ１→受光部２３からの余弦波信号Ａ２→受光部２３からの正弦波信号Ｂ２の順でデジタル信号に変換する。これら周期信号Ａ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２から変換されたデジタル信号をａ１，ｂ１，ａ２，ｂ２すると、以下の式（１８），（１９），（２０），（２１）で表される。ただし、信号ａ１がデジタル変換された時刻ｔにおける周期パターン１１，１２に対応する位相をそれぞれ、ΘおよびΦとし、スケール１０とセンサ２０の相対移動速度をＶとし、デジタル変換の時刻差をΔＴとする。デジタル信号ａ１，ｂ１，ａ２，ｂ２へのＡ／Ｄ変換は、同一の時刻差で行われるものとする。
【００６３】
【数１８】
【００６４】
【数１９】
【００６５】
【数２０】
【００６６】
【数２１】
【００６７】
デジタル信号ａ１，ｂ１の位相は、実施例１と同様に、位相検出部６０において検出位相θとして求められ、位置検出部７１において該検出位相θから位置ｘが求められた後、速度検出部７２において検出速度ｕが求められる。ただし、本実施例はアブソリュートエンコーダであるため、初回はカウンタの値が不定であり、位置検出部７１において位置検出は行われない。また、初回の検出速度ｕは、実施例１と同様に０とする。
【００６８】
これ以降、補正値生成部７３および補正処理部７４でも実施例１と同様の処理が行われて補正位相θｃが算出される。一方、デジタル信号ａ２，ｂ２についても同様に位相検出部６０において、以下の式（２２）で示されるａｒｃｔａｎ演算により検出位相φが求められる。
【００６９】
【数２２】
【００７０】
そして、補正値生成部７３において、検出位相θから求められた検出速度ｕを用いて検出位相φの補正値を生成する。ここで、周期パターン１１に対応する２相信号がデジタル変換された時刻ｔと周期パターン１２に対応する２相信号がデジタル変換された時刻とには２ΔＴのずれがある。このため、検出位相φを補正するための補正値には、時間２ΔＴに対応する位相の変化量も加える。したがって、検出位相φの補正値をｓ２とすると、ｓ２は以下の式（２３）で表される。そして、補正処理部７４において、以下の式（２４）に示すように、検出位相φを補正した補正位相φｃを求める。
【００７１】
【数２３】
【００７２】
【数２４】
【００７３】
さらに、絶対位置検出部９０は、こうして算出された補正位相θｃ，φｃから絶対位置を算出する。前述したように、周期パターン１１，１２の反射部の個数はそれぞれ、Ｎ個とＮ−１個であり、補正位相θｃ，φｃの位相差は位置を表す。位相差をｙとすると、ｙは以下の式（２５）で求められる。
【００７４】
【数２５】
【００７５】
位相差ｙは補正位相θｃ、φｃに含まれる誤差の影響を受けるため、反射部１個分の範囲で見ると、位相差ｙよりも補正位相θｃの方が高精度である。そこで、位相差ｙと補正位相θｃから、補正位相θｃの精度を持った位置ｘを求める。位相差ｙは、周期パターン１１の全長を０から２πまでの値で表しているため、以下の式（２６）により、インクリメンタルエンコーダのカウンタに相当する値ｍを求めることができる。したがって、実施例１と同様に以下の式（２７）で位置ｘを求めることができる。ただし、ＲＯＵＮＤ（ｘ）は小数点以下を四捨五入してｘを整数に丸めることを表す。
【００７６】
【数２６】
【００７７】
【数２７】
【００７８】
そして、絶対位置検出後にカウンタ４０にｍの値をセットし、記憶部５０に位置ｘと余弦波信号Ａがデジタル変換された時刻ｔとが記憶される。
【００７９】
本実施例では、位置の変化量を用いて検出速度ｕを求めているが、記憶部５０に過去の位相を記憶しておき、過去の位相と現在の位相とから位相の変化量を求めて検出速度ｕを求めてもよい。この場合はカウンタ４０および位置検出部７１が不要となる。
【００８０】
また、本実施例では、周期パターン１１のみから検出速度ｕを求めているが、２つの周期パターン１１，１２の両方から検出速度を求めてもよい。この場合は、２つの検出速度を平均してより高精度な速度を得ることが可能であり、また２つの検出速度の差が上限値（閾値）を超えた場合に速度検出エラーを検知したりすることも可能となる。
【００８１】
また、本実施例では、２組の２相信号から絶対位置を求める場合について説明したが、３相以上の信号から絶対位置を求めてもよい。この場合は、アブソリュートエンコーダの信頼性を高め、アライメントの許容範囲やエンコーダの位置検出範囲を拡大することが可能となる。
【００８２】
さらに、本実施例では、周期パターンが設けられたスケールを可動部材（又は固定された部材）に取り付ける場合について説明したが、可動部材とは別部材としてのスケールを用いずに、可動部材に周期パターンが直接形成されていてもよい。この場合、可動部材自体がスケールに相当する。
【００８３】
さらに、上記各実施例では、反射部と非反射部が交互に設けられた周期パターンからの反射光を用いる光学式エンコーダについて説明したが、本発明は、透過部と非透過部が交互に設けられた周期パターンからの透過光を用いる光学式エンコーダに適用できる。さらに、本発明は、磁気スケールと磁気センサとにより構成される磁気式エンコーダにも適用することができる。
【実施例４】
【００８４】
図５には、上述した実施例１で説明したエンコーダを搭載した装置の一例として、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置（光学機器）を示している。この撮像装置では、エンコーダをレンズ鏡筒内での可動レンズの位置を検出するために用いている。なお、実施例１のエンコーダに代えて、実施例２，３のエンコーダを用いることもできる。
【００８５】
図５において、１０はスケール、２０はセンサであり、Ａ／Ｄコンバータ３０、カウンタ４０、記憶部５０、位相検出部６０、位相補正部７０および位置検出部８０はセンサ２０と一体化して図示している。
【００８６】
スケール１０は、レンズ鏡筒内において光軸回りで回転する円筒形状の可動部材としてのカム環５００の内周面に取り付けられている。カム環５００は、不図示のアクチュエータによって回転駆動される。
【００８７】
レンズ鏡筒内には、撮影光学系５１０が収容されている。撮影光学系５１０は、カム環５００が回転することで、該カム環５００に形成されたカムによって光軸方向に移動可能な可動レンズ（例えば、変倍レンズやフォーカスレンズ）５２０を含む。
【００８８】
５５０は撮像装置のシステム全体を制御するＣＰＵである。５６０は撮影光学系５１０により形成された被写体像を光電変換するイメージセンサ（撮像素子）であり、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子により構成されている。
【００８９】
可動レンズ５２０を移動させるためにカム環５００が回転すると、エンコーダによりカム環５００の回転位置（つまりは可動レンズ５２０の光軸方向での位置）が検出され、その情報がＣＰＵ５５０に出力される。
【００９０】
ＣＰＵ５５０は、その位置情報に基づいてカム環５００を回転させるアクチュエータを駆動し、可動レンズ５２０を目標とする位置に移動させる。
【００９１】
本発明のエンコーダは、上述した撮像装置に限らず、プリンタ（光学機器）における印字ヘッドや給紙ローラの位置検出、複写機（光学機器）の感光ドラムの回転位置検出をはじめ、ロボットアームの位置検出等、様々な装置に適用することができる。
【００９２】
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。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
信号処理の負荷を低減しつつ、高精度な位置検出が可能なエンコーダを提供できる。
【符号の説明】
【００９４】
１０ スケール
１１，１２ 周期パターン
２０ センサ
３０ Ａ／Ｄコンバータ
６０ 位相検出部
７０ 位相補正部
８０ 位置検出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学機器等の各種装置に用いられ、該装置内の可動部材の移動に応じたスケールとセンサとの相対移動に伴って位置を示す信号を出力するエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
可動部材の位置や速度を検出するためにエンコーダが使用される。エンコーダは、例えば可動部材に周期パターンを設けたスケールを取り付ける一方、固定された部材にセンサを取り付け、センサによって周期パターンを読み取ることで可動部材の位置に応じた信号を出力する。このようなエンコーダでは、スケールとセンサとの相対移動量に応じてセンサから出力される２相又は３相以上の複数の周期信号から位相を求めることにより内挿処理を行う。
【０００３】
複数の周期信号を読み取る際に、これらを同時に読み取るのではなく、順次読み取る場合、複数の周期信号の読み取り時刻に差が生じる。スケールとセンサとが相対移動しているときには、複数の周期信号のそれぞれの読み取り時刻においてスケールとセンサの相対位置が異なる。この場合、読み取った複数の周期信号の位相が互いに異なってしまい、そのまま内挿処理を行っても、本来求めるべき正しい位相を求めることができない。
【０００４】
特許文献１には、スケールとセンサの相対位置が異なる状態で読み取った２相の周期信号のうち一方の位相を、他方を読み取った位置の位相に補正してから内挿処理を行うエンコーダが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開２０００／２８２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１にて開示されたエンコーダでは、補正のために三角関数演算を多数回行う必要があり、信号処理の負荷が大きく、信号処理回路も高価になり易い。たた、位相の検出処理中に補正のための処理を挿入する必要があるため、既存の信号処理回路をそのまま使用することが難しい。
【０００７】
本発明は、三角関数演算の回数を削減でき、既存の信号処理回路を利用し易いエンコーダを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としてのエンコーダは、周期パターンが設けられたスケールと、該スケールとの相対移動が可能であり、周期パターンを読み取って、それぞれ周期パターンに応じた変化周期を有し、かつ互いに位相が異なる複数のアナログ信号を出力するセンサと、該センサから出力された複数のアナログ信号を時分割でアナログ−デジタル変換して複数のデジタル信号を生成するＡ／Ｄ変換部と、複数のデジタル信号から位相を検出する位相検出部と、スケールとセンサとの相対移動速度と位相検出部により検出された位相とを用いて補正値を算出し、該補正値と位相検出部により検出された位相とから補正位相を算出する補正部と、該補正位相を用いて、スケールとセンサとの相対移動方向での位置を求める位置検出部とを有することを特徴とする。
【０００９】
なお、上記エンコーダと、該エンコーダを用いて位置が検出される可動部材とを有する装置も、本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、三角関数演算の回数を削減できるので、信号処理の負荷を低減することができるとともに、位相の検出処理を行った後にその補正を行うことにより既存の信号処理回路に補正機能を追加するだけの簡単な構成で高精度な位置検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１であるエンコーダの構成を示すブロック図。
【図２】実施例１のエンコーダにおける位相と誤差との関係を示す図。
【図３】本発明の実施例２であるエンコーダの構成を示すブロック図。
【図４】本発明の実施例３であるエンコーダの構成を示すブロック図。
【図５】本発明の実施例４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】
【００１２】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１３】
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す。本実施例のエンコーダは、周期パターンが形成されたスケール１０と、スケール１０との相対移動が可能であり、周期パターンを読み取る検出部としてのセンサ２０とを有する。また、エンコーダは、Ａ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ変換部）３０と、カウンタ４０と、記憶部５０と、位相検出部６０と、位相補正部７０と、位置検出部８０とを有する。
【００１４】
本実施例のエンコーダは、スケール１０とセンサ２０との相対位置を検出する反射型光学式インクリメンタルエンコーダである。また、本実施例では、エンコーダが搭載される装置の可動部材にスケール１０を取り付け、該装置において固定された（不動の）部材にセンサ２０を取り付けて、可動部材の位置を検出する場合について説明する。このことは、後述する他の実施例でも同じである。ただし、可動部材にセンサ２０を取り付け、固定された部材にスケール１０を取り付けてもよい。また、本実施例では、リニア型エンコーダについて説明するが、ロータリー型エンコーダも本実施例と同様に構成することができる。
【００１５】
さらに、以下に説明する本実施例を応用して、後述する実施例３にて説明するように、スケール１０とセンサ２０のうち一方の絶対位置を検出するアブソリュートエンコーダを構成することも可能である。インクリメンタルエンコーダにより検出する相対位置も、アブソリュートエンコーダにより検出する絶対位置のいずれも、スケール１０とセンサ２０の相対移動方向での位置である。
【００１６】
スケール１０には、所定の周期（ピッチ）で反射部と非反射部とが交互に配置された周期パターン１１が設けられている。スケール１０（周期パターン１１）がセンサ２０に対して周期パターン１１の１周期（１ピッチ）だけ移動するごとに、センサ２０から互いに９０度の位相差を持つ２相の正弦波信号（以下、単に２相信号という）Ａ１，Ｂ１が１周期だけ出力される。２相信号Ａ１，Ｂ１はそれぞれ、周期パターン１１に応じた変化周期を有し、かつ互いに位相が異なる余弦波信号と正弦波信号としてのアナログ信号である。
【００１７】
センサ２０には、光源２１と受光部２２とが設けられており、光源２１からスケール１０に照射された光のうち周期パターン１１の反射部で反射した検出光を受光部２２で光電変換する。光源２１は、ＬＥＤ等の発光素子により構成され、受光部２２は、複数の光電変換素子（受光素子）により構成されている。
【００１８】
センサ２０から出力された２相信号は、Ａ／Ｄコンバータ３０およびカウンタ４０に入力される。Ａ／Ｄコンバータ３０に入力された２相信号は該Ａ／Ｄコンバータ３０によってデジタル信号に変換された後、位相検出部６０に入力され、周期パターン１１の１周期内での位相（位置）が求められる。ここで、Ａ／Ｄコンバータ３０は、時分割でアナログ−デジタル変換を行う。つまり、２相信号は互いに同時にデジタル信号に変換されるのではなく、時刻差を持って交互にデジタル信号に変換される。
【００１９】
一方、カウンタ４０は、入力された正弦波信号の周期数をカウントして、２相信号の位相の関係（すなわち、スケール１０とセンサ２０の相対移動方向）に応じてカウンタをアップ又はダウンする構成を有する。これにより、任意の基準位置からの相対移動量を周期パターン１１の１周期単位で検出することができる。以下の説明では、周期パターン１１の一端に対応する位置を基準位置と設定したものとする。このような構成により、周期パターン１１の１周期内における位置とカウンタ値とを用いて、スケール１０（つまりは可動部材）の位置を算出することができる。
【００２０】
Ａ／Ｄコンバータ３０にてデジタル信号に変換された２相信号は、位相検出部６０に入力される。前述したように２相信号は正弦波信号と余弦波信号であるから、ａｒｃｔａｎ演算により位相（以下、検出位相という）θが求められる。
【００２１】
ここで、前述したようにＡ／Ｄコンバータ３０は、時分割でアナログ−デジタル変換を行う。センサ２０から出力される２相信号は、センサ２０とスケール１０との相対位置関係に依存しており、相対位置関係が同じであれば異なる時刻であっても同じ信号が出力される。したがって、スケール１０とセンサ２０が相対的に静止している場合は２相信号が変化しないため、アナログ‐デジタル変換される時刻にずれがある場合にも、検出位相θは誤差を持たない。
【００２２】
しかし、スケール１０とセンサ２０が相対移動している場合には、時刻が異なるとスケール１０とセンサ２０との相対位置関係も異なる。その結果、２相信号が異なる位置でアナログ−デジタル変換され、ａｒｃｔａｎ演算による検出位相θが誤差を持つ。
【００２３】
本実施例では、Ａ／Ｄコンバータ３０は、それぞれ余弦波信号および正弦波信号である２相信号Ａ１，Ｂ１を、Ａ１→Ｂ１の順でデジタル変換を行う。したがって、２相信号Ａ１，Ｂ１から変換されたデジタル信号をａ，ｂとすると、ａ，ｂは以下の式（１），（２）で表される。ただし、余弦波信号がデジタル変換された時刻の２相信号の位相をΘとし、周期パターン１１における反射部の周期（以下、単に周期パターン１１のピッチという）をＰとする。また、スケール１０とセンサ２０の相対移動速度をＶとし、２相信号Ａ１，Ｂ１のデジタル変換の時刻差をΔＴとする。さらに、検出位相θは、以下の式（３）で表される。ただし、ＭＯＤ（ｘ，ｙ）はｘを被除数とし、ｙを除数としたときの剰余を表す。
【００２４】
【数１】
【００２５】
【数２】
【００２６】
【数３】
【００２７】
次に、位相検出部６０にて得られた検出位相θとカウンタ４０の値ｍとを用いて位置検出部７１において、スケール１０とセンサ２０との相対位置ｘが求められる。位置ｘは、周期パターン１１のピッチＰと、検出位相θと、カウンタ４０の値ｍとから、以下の式（４）で求められる。
【００２８】
【数４】
【００２９】
初回の位置検出時を除き、記憶部５０には、過去のある時刻ｔ０における位置ｘ０が記憶されている。そこで、速度検出部７２において、余弦波信号Ａ１をデジタル変換した時刻ｔと位置ｘとを用いて以下の式（５）で表される、スケール１０とセンサ２０との相対移動速度ｕを算出（検出）する。なお、初回の位置検出時の相対移動速度ｕは０とする。
【００３０】
【数５】
【００３１】
ここで、算出（検出）された相対移動速度（以下、検出速度という）ｕは過去のある時刻ｔ０から余弦波信号Ａ１をデジタル変換した時刻ｔまでの平均速度であるため、可動部材が加速または減速していると、該検出速度ｕは実際の相対移動速度Ｖとは異なる値となる。このため、検出速度ｕが誤差を持つ。しかし、可動部材の加速度に対して十分に小さな時刻間隔で検出速度ｕを求めることで、誤差を低減することが可能である。
【００３２】
また、一般的に本実施例のようなエンコーダは、Ａ／Ｄコンバータ３０の変換時間がセンサ２０から検出される２相信号の位相の変化速度に対して十分に小さい環境で使用される。そして、デジタル変換の時刻差ΔＴは、Ａ／Ｄコンバータ３０の変換時間とほぼ同じであり、位相の変化速度はスケール１０とセンサ２０の相対移動速度Ｖに比例する。さらに、周期パターン１１のピッチＰは、設計上の定数である。したがって、ＶΔＴ／Ｐは十分に小さく、このとき検出位相θに含まれる誤差をＥとすると、誤差Ｅは以下の式（６）で近似され、グラフに表すと図２のようになる。
【００３３】
【数６】
【００３４】
そこで、補正値生成部７３では、速度検出部７２で得られた検出速度ｕを使用して、以下の式（７）で表される補正値ｓを生成する。式（６）および式（７）を比較すると分かるように、補正値ｓは誤差Ｅの近似値である。
【００３５】
【数７】
【００３６】
そして、補正処理部７４において、検出位相θと補正値ｓとから補正位相θｃを求める。補正位相θｃは、以下の式（８）で表される。なお、補正値ｓは検出速度ｕに比例するため、ｕ＝０となる初回の位置検出時の初期補正値はｓ＝０であり、補正を行わないことと同義である。
【００３７】
【数８】
【００３８】
以上により、位相検出部６０で求めた検出位相θよりも誤差の少ない補正位相θｃが求められる。そして、位置検出部８０は、位置検出部７１と同様に、補正位相θｃとカウンタ４０の値ｍから、以下の式（９）に示すようにスケール１０とセンサ２０との相対位置ｘｃを算出する。
【００３９】
【数９】
【００４０】
最後に、位置検出部８０で求めた位置ｘｃを出力するとともに、記憶部５０に位置ｘｃと余弦波信号Ａがデジタル変換された時刻ｔを記憶する。
以上説明したように、本実施例によれば、三角関数演算の回数を少なくとすることができるので、信号処理の負荷を低減することができる。また、位相の検出処理を行った後にその補正を行うので、既存の信号処理回路に位相の補正機能を追加するだけの簡単な構成で高精度な位置検出を行うことができる。
【００４１】
ところで、式（９）によって求めた位置ｘｃは、式（４）で求めた位置ｘよりも精度が高いが、式（５）において位置ｘを用いて検出速度ｕを求めているため、位置ｘｃには検出速度ｕの検出誤差の影響が残存している。そこで、より高精度な位置を求めたい場合には、位置ｘｃを用いてより高精度な速度を求め、再度位置を求めるとよい。一連の算出式の反復処理回数をｉとして、以下の式（１０）に示すようにｕｉ，ｓｉ，θｉ，ｘｉを求めると、ｉが大きくなるにしたがって、速度、補正値、位相および位置に含まれる誤差が小さくなる。ただし、ｕ１＝ｕ，ｓ１＝ｓ，θ０＝θ，θ１＝θｃ，ｘ１＝ｘ，ｘ２＝ｘｃである。
【００４２】
【数１０】
【００４３】
本実施例では速度ｕを２回の検出位相から求めているが、３回以上の検出位相から求めてもよい。この場合は線形近似でなく、高次の近似を用いることもできる。速度を求めるために使用する位相の検出回数を増やすとより高精度に求められる。
また、本実施例では、エンコーダ内において検出位相から速度を算出する場合について説明したが、エンコーダを搭載した装置のシステムから、スケール１０とセンサ２０との相対移動速度に相当する速度の情報を入力し、これを検出速度ｕと同様に用いてもよい。この場合、記憶部５０、位置検出部７１および速度検出部７２が不要となる。
【００４４】
また、式（６）に示す誤差Ｅ（つまりは式（７）に示す補正値ｓ）が同じ値となる複数の位相と時刻から速度を求めれば、位置ｘ，ｘ０に含まれる誤差Ｅがｘ−ｘ０の演算により相殺されて小さくなる。このため、より誤差の少ない検出速度ｕが得られ、位相補正後の位置検出精度をより向上させることができる。
また、相対移動速度Ｖが一定である場合等の特定の場合に異なる時刻に検出した複数（２つ）の位相について、ΔＴ（ｃｏｓ２θ−１）の値が同じ（又は同じとみなせるほど十分に近い）であれば、その位相を用いて検出速度ｕを算出することが望ましい。これにより、検出速度ｕに含まれる誤差を十分低減することができ、位相補正後の位置検出精度をより向上させることができる。もちろん、デジタル変換の時刻差ΔＴが固定値のＡ／Ｄコンバータを使用する場合は、ｃｏｓ２θの値が同じである（又は十分に近い）だけで検出速度ｕの誤差を低減することができる。
【００４５】
また、式（７）と図２に示すように、θ≒０，πのときにＥ≒０となる。したがって、θ≒０，πとなるときの時刻から検出速度ｕを求めることで、検出速度ｕに含まれる誤差はより少なくなる。さらに言えば、θ≒０，πにおいて位置検出を行えば、速度状態にかかわらず位相誤差成分が小さくなり、検出位置精度の向上を図ることも可能である。
【００４６】
また、本実施例では、記憶部５０に、位置ｘｃとデジタル変換時刻ｔとを記憶する場合について説明したが、デジタル変換される時刻の間隔が一定であれば、設計値として速度を求めることが可能となるため、位置ｘｃのみを記憶するだけでもよい。
【実施例２】
【００４７】
本発明の実施例２のエンコーダについて説明する。なお、実施例１と重複する説明は省略する。図３には、本実施例のエンコーダの構成を示している。実施例１とは、センサ２０が、互いに１２０度の位相差を有する３相の正弦波信号（以下、３相信号という）Ａ，Ｂ，Ｃを出力する点が異なる。
【００４８】
３相信号は、Ａ／Ｄコンバータ３０により時分割でデジタル信号に変換される。デジタル信号をそれぞれａ，ｂ，ｃとすると、これらは以下の式（１１），（１２），（１３）でそれぞれ表される。ただし、デジタル信号ｂがデジタル変換された時刻における３相信号の位相をΘとし、周期パターン１１のピッチをＰとし、スケール１０とセンサ２０の相対移動速度をＶとし、デジタル変換の時刻差をΔＴとする。デジタル信号ａ，ｂ，ｃへのＡ／Ｄ変換は、同一の時刻差で行われるものとする。
【００４９】
【数１１】
【００５０】
【数１２】
【００５１】
【数１３】
【００５２】
ここで、以下の式（１４）に示すように、デジタル信号ａ，ｃの差から、デジタル信号ｂに対して９０度の位相差を持つ信号を求めることができる。
【００５３】
【数１４】
【００５４】
そこで、実施例１と同様に、以下の式（１５）に示すようにａｒｃｔａｎ演算により検出位相θを求める。そして、検出位相θに含まれる誤差をＥとすると、誤差Ｅは、ＶΔＴ／Ｐが十分に小さいとき、以下の式（１６）により近似される。
【００５５】
【数１５】
【００５６】
【数１６】
【００５７】
誤差Ｅは、Ｖ，ΔＴ，Ｐ，θの関数となるため、実施例１と同様に、以下の式（１７）に示す補正値ｓを生成し、検出位相θの補正を行って補正位相を算出することができる。
【００５８】
【数１７】
【００５９】
また、本実施例の場合も実施例１と同様に、θ≒０，πのときにＥ≒０となる。したがって、θ≒０，πとなるときの時刻から速度を求めることで、速度に含まれる誤差はより少なくなる。また、θ≒０，πに限られず、Ｅがほぼ同じ値をとる位相と時刻から速度を求めても同様の効果が得られる。
【実施例３】
【００６０】
本発明の実施例３のエンコーダについて説明する。なお、実施例１と重複する説明は省略する。図４には、本実施例のエンコーダの構成を示している。実施例１とは、スケール１０に２つの周期パターン１１，１２を設けている点と、センサ２０に２つの受光部２２，２３が設けられている点が異なる。また、本実施例のエンコーダは、アブソリュートエンコーダであり、２つの周期パターン１１，１２に対応する位相から絶対位置検出部９０において、スケール１０の絶対位置（前述したようにスケール１０とセンサ２０との相対移動方向での位置）を検出する。
【００６１】
周期パターン１１，１２は、互いに異なるピッチＰ１，Ｐ２で形成されており、スケール１０とともにセンサ２０と相対移動する。センサ２０の受光部２２，２３は、共通の光源２１から射出されて周期パターン１１，１２の反射部にて反射した検出光をそれぞれ光電変換する。そして、各受光部は、スケール１０とセンサ２０との相対移動量に応じて、互いに９０度の位相差を有する２相信号を出力する。このため、２つの受光部２２，２３からは２組の２相信号が出力される。周期パターン１１，１２は全長が同じであり、反射部の数がそれぞれ、Ｎ個とＮ−１個となっている。したがって、周期パターン１１に対応して受光部２２から出力される２相信号の位相と、周期パターン１２に対応して受光部２３から出力される２相信号の位相との差（位相差）が、スケール１０（が取り付けられた可動部材）の絶対位置を示す。
【００６２】
Ａ／Ｄコンバータ３０は、２組の２相信号（合計４つのアナログ信号である周期信号）を、受光部２２からの余弦波信号Ａ１→受光部２２からの正弦波信号Ｂ１→受光部２３からの余弦波信号Ａ２→受光部２３からの正弦波信号Ｂ２の順でデジタル信号に変換する。これら周期信号Ａ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２から変換されたデジタル信号をａ１，ｂ１，ａ２，ｂ２すると、以下の式（１８），（１９），（２０），（２１）で表される。ただし、信号ａ１がデジタル変換された時刻ｔにおける周期パターン１１，１２に対応する位相をそれぞれ、ΘおよびΦとし、スケール１０とセンサ２０の相対移動速度をＶとし、デジタル変換の時刻差をΔＴとする。デジタル信号ａ１，ｂ１，ａ２，ｂ２へのＡ／Ｄ変換は、同一の時刻差で行われるものとする。
【００６３】
【数１８】
【００６４】
【数１９】
【００６５】
【数２０】
【００６６】
【数２１】
【００６７】
デジタル信号ａ１，ｂ１の位相は、実施例１と同様に、位相検出部６０において検出位相θとして求められ、位置検出部７１において該検出位相θから位置ｘが求められた後、速度検出部７２において検出速度ｕが求められる。ただし、本実施例はアブソリュートエンコーダであるため、初回はカウンタの値が不定であり、位置検出部７１において位置検出は行われない。また、初回の検出速度ｕは、実施例１と同様に０とする。
【００６８】
これ以降、補正値生成部７３および補正処理部７４でも実施例１と同様の処理が行われて補正位相θｃが算出される。一方、デジタル信号ａ２，ｂ２についても同様に位相検出部６０において、以下の式（２２）で示されるａｒｃｔａｎ演算により検出位相φが求められる。
【００６９】
【数２２】
【００７０】
そして、補正値生成部７３において、検出位相θから求められた検出速度ｕを用いて検出位相φの補正値を生成する。ここで、周期パターン１１に対応する２相信号がデジタル変換された時刻ｔと周期パターン１２に対応する２相信号がデジタル変換された時刻とには２ΔＴのずれがある。このため、検出位相φを補正するための補正値には、時間２ΔＴに対応する位相の変化量も加える。したがって、検出位相φの補正値をｓ２とすると、ｓ２は以下の式（２３）で表される。そして、補正処理部７４において、以下の式（２４）に示すように、検出位相φを補正した補正位相φｃを求める。
【００７１】
【数２３】
【００７２】
【数２４】
【００７３】
さらに、絶対位置検出部９０は、こうして算出された補正位相θｃ，φｃから絶対位置を算出する。前述したように、周期パターン１１，１２の反射部の個数はそれぞれ、Ｎ個とＮ−１個であり、補正位相θｃ，φｃの位相差は位置を表す。位相差をｙとすると、ｙは以下の式（２５）で求められる。
【００７４】
【数２５】
【００７５】
位相差ｙは補正位相θｃ、φｃに含まれる誤差の影響を受けるため、反射部１個分の範囲で見ると、位相差ｙよりも補正位相θｃの方が高精度である。そこで、位相差ｙと補正位相θｃから、補正位相θｃの精度を持った位置ｘを求める。位相差ｙは、周期パターン１１の全長を０から２πまでの値で表しているため、以下の式（２６）により、インクリメンタルエンコーダのカウンタに相当する値ｍを求めることができる。したがって、実施例１と同様に以下の式（２７）で位置ｘを求めることができる。ただし、ＲＯＵＮＤ（ｘ）は小数点以下を四捨五入してｘを整数に丸めることを表す。
【００７６】
【数２６】
【００７７】
【数２７】
【００７８】
そして、絶対位置検出後にカウンタ４０にｍの値をセットし、記憶部５０に位置ｘと余弦波信号Ａがデジタル変換された時刻ｔとが記憶される。
【００７９】
本実施例では、位置の変化量を用いて検出速度ｕを求めているが、記憶部５０に過去の位相を記憶しておき、過去の位相と現在の位相とから位相の変化量を求めて検出速度ｕを求めてもよい。この場合はカウンタ４０および位置検出部７１が不要となる。
【００８０】
また、本実施例では、周期パターン１１のみから検出速度ｕを求めているが、２つの周期パターン１１，１２の両方から検出速度を求めてもよい。この場合は、２つの検出速度を平均してより高精度な速度を得ることが可能であり、また２つの検出速度の差が上限値（閾値）を超えた場合に速度検出エラーを検知したりすることも可能となる。
【００８１】
また、本実施例では、２組の２相信号から絶対位置を求める場合について説明したが、３相以上の信号から絶対位置を求めてもよい。この場合は、アブソリュートエンコーダの信頼性を高め、アライメントの許容範囲やエンコーダの位置検出範囲を拡大することが可能となる。
【００８２】
さらに、本実施例では、周期パターンが設けられたスケールを可動部材（又は固定された部材）に取り付ける場合について説明したが、可動部材とは別部材としてのスケールを用いずに、可動部材に周期パターンが直接形成されていてもよい。この場合、可動部材自体がスケールに相当する。
【００８３】
さらに、上記各実施例では、反射部と非反射部が交互に設けられた周期パターンからの反射光を用いる光学式エンコーダについて説明したが、本発明は、透過部と非透過部が交互に設けられた周期パターンからの透過光を用いる光学式エンコーダに適用できる。さらに、本発明は、磁気スケールと磁気センサとにより構成される磁気式エンコーダにも適用することができる。
【実施例４】
【００８４】
図５には、上述した実施例１で説明したエンコーダを搭載した装置の一例として、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置（光学機器）を示している。この撮像装置では、エンコーダをレンズ鏡筒内での可動レンズの位置を検出するために用いている。なお、実施例１のエンコーダに代えて、実施例２，３のエンコーダを用いることもできる。
【００８５】
図５において、１０はスケール、２０はセンサであり、Ａ／Ｄコンバータ３０、カウンタ４０、記憶部５０、位相検出部６０、位相補正部７０および位置検出部８０はセンサ２０と一体化して図示している。
【００８６】
スケール１０は、レンズ鏡筒内において光軸回りで回転する円筒形状の可動部材としてのカム環５００の内周面に取り付けられている。カム環５００は、不図示のアクチュエータによって回転駆動される。
【００８７】
レンズ鏡筒内には、撮影光学系５１０が収容されている。撮影光学系５１０は、カム環５００が回転することで、該カム環５００に形成されたカムによって光軸方向に移動可能な可動レンズ（例えば、変倍レンズやフォーカスレンズ）５２０を含む。
【００８８】
５５０は撮像装置のシステム全体を制御するＣＰＵである。５６０は撮影光学系５１０により形成された被写体像を光電変換するイメージセンサ（撮像素子）であり、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子により構成されている。
【００８９】
可動レンズ５２０を移動させるためにカム環５００が回転すると、エンコーダによりカム環５００の回転位置（つまりは可動レンズ５２０の光軸方向での位置）が検出され、その情報がＣＰＵ５５０に出力される。
【００９０】
ＣＰＵ５５０は、その位置情報に基づいてカム環５００を回転させるアクチュエータを駆動し、可動レンズ５２０を目標とする位置に移動させる。
【００９１】
本発明のエンコーダは、上述した撮像装置に限らず、プリンタ（光学機器）における印字ヘッドや給紙ローラの位置検出、複写機（光学機器）の感光ドラムの回転位置検出をはじめ、ロボットアームの位置検出等、様々な装置に適用することができる。
【００９２】
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。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
信号処理の負荷を低減しつつ、高精度な位置検出が可能なエンコーダを提供できる。
【符号の説明】
【００９４】
１０ スケール
１１，１２ 周期パターン
２０ センサ
３０ Ａ／Ｄコンバータ
６０ 位相検出部
７０ 位相補正部
８０ 位置検出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期パターンが設けられたスケールと、
該スケールとの相対移動が可能であり、前記周期パターンを読み取って、それぞれ前記周期パターンに応じた変化周期を有し、かつ互いに位相が異なる複数のアナログ信号を出力するセンサと、
該センサから出力された複数のアナログ信号を時分割でアナログ−デジタル変換して複数のデジタル信号を生成するＡ／Ｄ変換部と、
前記複数のデジタル信号から前記位相を検出する位相検出部と、
前記スケールと前記センサとの相対移動速度と前記位相検出部により検出された前記位相とを用いて補正値を算出し、該補正値と前記位相検出部により検出された前記位相とから補正位相を算出する補正部と、
該補正位相を用いて、前記スケールと前記センサとの相対移動方向での位置を求める位置検出部とを有することを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
前記補正部は、前記相対移動速度を０として初期の前記補正値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】
前記位相検出部により互いに異なる時刻に検出された前記位相を用いて前記相対移動速度を求める速度検出部を有することを特徴とする請求項１または２に記載のエンコーダ
【請求項４】
前記速度検出部は、前記補正値が同じとなる複数の前記位相を用いて前記相対移動速度を求める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】
前記速度検出部は、前記検出部から出力された前記複数のアナログ信号がアナログ‐デジタル変換されるときの時刻差をΔＴとし、前記位相検出部により検出される前記位相をθとするとき、
ΔＴ（ｃｏｓ２θ−１）
が同じ値となる前記複数の位相を用いて前記相対移動速度を求めることを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記検出部から出力される前記複数のアナログ信号の周期をＰとし、該複数のアナログ信号がアナログ‐デジタル変換されるときの時刻差をΔＴとし、前記位相検出部により検出された前記位相をθとし、前記相対移動速度をｕとし、前記補正値をｓとするとき、
前記補正値ｓを、
ｓ＝（πｕΔＴ／Ｐ）・（ｃｏｓ２θ−１）
として算出することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載のエンコーダと、
該エンコーダを用いて位置が検出される可動部材とを有することを特徴とする装置。
【請求項１】
周期パターンが設けられたスケールと、
該スケールとの相対移動が可能であり、前記周期パターンを読み取って、それぞれ前記周期パターンに応じた変化周期を有し、かつ互いに位相が異なる複数のアナログ信号を出力するセンサと、
該センサから出力された複数のアナログ信号を時分割でアナログ−デジタル変換して複数のデジタル信号を生成するＡ／Ｄ変換部と、
前記複数のデジタル信号から前記位相を検出する位相検出部と、
前記スケールと前記センサとの相対移動速度と前記位相検出部により検出された前記位相とを用いて補正値を算出し、該補正値と前記位相検出部により検出された前記位相とから補正位相を算出する補正部と、
該補正位相を用いて、前記スケールと前記センサとの相対移動方向での位置を求める位置検出部とを有することを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
前記補正部は、前記相対移動速度を０として初期の前記補正値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】
前記位相検出部により互いに異なる時刻に検出された前記位相を用いて前記相対移動速度を求める速度検出部を有することを特徴とする請求項１または２に記載のエンコーダ
【請求項４】
前記速度検出部は、前記補正値が同じとなる複数の前記位相を用いて前記相対移動速度を求める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】
前記速度検出部は、前記検出部から出力された前記複数のアナログ信号がアナログ‐デジタル変換されるときの時刻差をΔＴとし、前記位相検出部により検出される前記位相をθとするとき、
ΔＴ（ｃｏｓ２θ−１）
が同じ値となる前記複数の位相を用いて前記相対移動速度を求めることを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記検出部から出力される前記複数のアナログ信号の周期をＰとし、該複数のアナログ信号がアナログ‐デジタル変換されるときの時刻差をΔＴとし、前記位相検出部により検出された前記位相をθとし、前記相対移動速度をｕとし、前記補正値をｓとするとき、
前記補正値ｓを、
ｓ＝（πｕΔＴ／Ｐ）・（ｃｏｓ２θ−１）
として算出することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のエンコーダ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載のエンコーダと、
該エンコーダを用いて位置が検出される可動部材とを有することを特徴とする装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−８８１５２（Ｐ２０１３−８８１５２Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２６４１７（Ｐ２０１１−２２６４１７）
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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