光学式エンコーダおよびこれを備えた装置
【課題】光学式エンコーダにおいて、スケールと受光部とが周期パターンの周期方向に直交する方向に相対変位しても、良好な精度で位置検出を行えるようにする。
【解決手段】エンコーダは、光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケール２と、該スケールとの第１の方向での相対移動が可能であり、光源１から射出されて光学部を介した検出光を光電変換して第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部３とを有する。光学部は、第２の方向にて隣り合う複数の部分ｅ〜ｈが互いに第１の方向にシフトしたパターン形状を、第２の方向に第２の周期ｔで有する。光源の第２の方向での幅ｗが、ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔなる条件を満足する。ｎは自然数であり、光源から周期パターンまでの距離と周期パターンから受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【解決手段】エンコーダは、光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケール２と、該スケールとの第１の方向での相対移動が可能であり、光源１から射出されて光学部を介した検出光を光電変換して第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部３とを有する。光学部は、第２の方向にて隣り合う複数の部分ｅ〜ｈが互いに第１の方向にシフトしたパターン形状を、第２の方向に第２の周期ｔで有する。光源の第２の方向での幅ｗが、ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔなる条件を満足する。ｎは自然数であり、光源から周期パターンまでの距離と周期パターンから受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スケールに形成された周期パターンを光学的に読み取って、該周期パターンに応じた信号を出力する光学式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
光学式エンコーダは、周期パターンが形成されたスケールと、該スケールとの相対移動が可能なセンサとを有する。センサ（受光部）は、光源から射出されて周期パターンの光学部（光を反射または透過する部分）を介した検出光を光電変換して、周期パターンに応じた変化周期を有する信号（以下、周期信号という）を出力する。この周期信号を用いてスケールおよびセンサの相対移動量（相対位置）を検出したり、スケールおよびセンサのうち一方の絶対位置を検出したりすることができる。さらに、周期信号を内挿することにより、周期パターンの周期よりも細かい分解能で位置検出を行うことができる。
【０００３】
ただし、周期信号には、周期パターンの周期の整数倍の周期成分である高次成分も含まれており、内挿数を増やした場合に高次成分による誤差が無視できなくなる。特許文献１には、周期信号に含まれる高次成分を抑制する光学式エンコーダが開示されている。このエンコーダでは、基準パターンと該基準パターンに対して位相が１／６ずれたパターンとが周期パターンの周期に沿った方向（以下、周期方向という）に直交する方向に隣接して設けられている。そして、該２つのパターンからの透過光を受光部で合わせて受光することで３次の高次成分を除去する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−０４８１２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、スケールとセンサはそれぞれ、エンコーダが搭載される装置を構成する別々の部材に取り付けられるのが通常であり、これらの部材の機械的なガタによって、スケールとセンサとが周期パターンの周期方向に直交する方向に相対変位する場合がある。特許文献１にて開示されたエンコーダでは、スケールと受光部とが周期方向に直交する方向に相対変位すると、スケール上での受光部による検出範囲内での２つのパターンの割合が変化する。その結果、周期信号の基本波の位相が変化したり、高次成分の除去効果が低下したりし、良好な精度で位置検出を行うことができなくなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、スケールとセンサ（受光部）とが周期パターンの周期方向に直交する方向に相対変位しても、良好な精度で位置検出を行えるようにした光学式エンコーダを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての光学式エンコーダは、光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケールと、該スケールとの第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて光学部を介した検出光を光電変換して第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有する。周期パターンにおける第１の方向に直交する方向を第２の方向とするとき、光学部は、第２の方向にて隣り合う複数の部分が互いに第１の方向にシフトしたパターン形状を、第２の方向に第２の周期ｔで有している。そして、光源の前記第２の方向での幅ｗが以下の条件を満足することを特徴とする光学式エンコーダ。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、光源から周期パターンまでの距離と周期パターンから受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【０００８】
また、本発明の他の一側面としての光学式エンコーダは、光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケールと、該スケールとの第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて光学部を介した検出光を光電変換して第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有する。周期パターンにおける第１の方向に直交する方向を第２の方向とするとき、周期パターンにおける第２の方向での光学部と該光学部ではない部分との割合が第１の方向において変化し、かつ周期パターンは、光学部および光学部ではない部分からなるパターンを第２の方向に第２の周期ｔで有している。そして、光源の第２の方向での幅ｗが以下の条件を満足することを特徴とする。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、光源から周期パターンまでの距離と周期パターンから受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【０００９】
本発明の他の一側面としての光学式エンコーダは、光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケールと、該スケールとの第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて光学部を介した検出光を光電変換して第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有する。周期パターンにおける第１の方向に直交する方向を第２の方向とするとき、第１の方向における光学部と非光学部との割合（デューティ比）が第２の方向において変化し、かつ周期パターンは、光学部と光学部ではない部分からなるパターンを第２の方向に第２の周期ｔで有している。そして、光源の第２の方向での幅ｗが以下の条件を満足することを特徴とする。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、光源から周期パターンまでの距離と周期パターンから受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【００１０】
本発明の他の一側面としての光学式エンコーダは、光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケールと、該スケールとの第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて光学部を介した検出光を光電変換して第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有する。周期パターンにおける第１の方向に直交する方向を第２の方向とするとき、光学部と該光学部ではない部分からなるパターンを第２の方向に第２の周期ｔで有する。そして、光源の第２の方向での幅ｗが以下の条件を満足することを特徴とする。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、光源から周期パターンまでの距離と周期パターンから受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【００１１】
本発明の他の一側面としての光学式エンコーダは、光を反射または透過する光学部が第１の方向に互いに異なる周期で形成された複数のパターンが、第１の方向に直交する第２の方向に多重に設けられた多重周期パターンを有するスケールと、該スケールとの第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて光学部を介した検出光を光電変換して、複数のパターンのうち特定のパターンの周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有する。多重周期パターンは、光学部と該光学部ではない部分からなるパターンを第２の方向に第２の周期ｔで有する。そして、光源の第２の方向での幅ｗが以下の条件を満足することを特徴とする。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、光源から周期パターンまでの距離と周期パターンから受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【００１２】
なお、上記光学式エンコーダと、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】
【００１３】
本発明によれば、スケールと受光部とが第２の方向に相対変位しても、受光部から出力される信号の基本波の位相が変化したり高次成分の除去効果が低下したりすること等を抑制でき、精度良く位置検出を行うことが可能な光学式エンコーダを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１である光学式エンコーダの斜視図。
【図２】実施例１における光源の光量分布特性を示す図。
【図３】実施例１においてスケールに設けられた周期パターンを示す図。
【図４】実施例１における受光部の構造を説明する図。
【図５】実施例１における光源、スケールおよび受光部の相対位置関係を示す図。
【図６】実施例１における光源、スケールおよび受光部の相対位置関係を示す図。
【図７】本発明の実施例２である光学式エンコーダのスケールに設けられた周期パターンを示す図。
【図８】本発明の実施例３である光学式エンコーダの斜視図。
【図９】本発明の実施例４である光学式エンコーダのスケールに設けられた周期パターンを示す図。
【図１０】本発明の実施例４である光学式エンコーダのスケールに設けられた周期パターンを示す図。
【図１１】本発明の実施例５である光学式エンコーダのスケールに設けられた周期パターンを示す図。
【図１２】本発明の実施例５である光学式エンコーダのスケールに設けられた周期パターンを示す図。
【図１３】本発明の実施例６である光学式エンコーダのスケールに設けられた周期パターンを示す図。
【図１４】本発明の実施例７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】
【００１５】
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】
【００１６】
図１には、本発明の実施例１である光学式エンコーダの構成を示す。本実施例のエンコーダは、光源１と、スケール２と、受光部３と、信号処理部４とにより構成され、スケール２と受光部３との相対移動量（相対位置）またはスケール２と受光部３のうち一方の絶対位置を検出する反射型光学式リニアエンコーダである。本実施例において、光源１と受光部３は、センサ５に一体的に設けられている。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。
【００１７】
スケール２には、詳しくは後述するが、光を反射する光学部（反射部）と該光学部ではない部分である非光学部（非反射部）とを図中の位置検出方向（第１の方向）に交互に有する周期パターンが設けられている。位置検出方向は、周期パターンの周期方向ということもできる。周期パターンに沿った方向のうち位置検出方向に対して直交する方向を、以下の説明ではＹ方向（第２の方向）という。
【００１８】
受光部３は、スケール２との位置検出方向での相対移動が可能である。該受光部３は、光源１から射出されて光学部を介した検出光を光電変換するフォトダイオード等の光電変換素子（受光素子）を有し、周期パターンに応じた変化周期を有する信号（以下、周期信号という）を出力する。
【００１９】
光源１は、電流狭窄型ＬＥＤ等の発光素子により構成されており、長方形の発光面を有する。光源１（発光面）は、Ｙ方向に長辺が延びるように配置されており、Ｙ方向の幅はｗである。光源１は、位置検出方向での任意の位置におけるＹ方向での光量分布が、図２に示すようにほぼ矩形となる発光特性を有する。図２に示すような発光特性を有するものであれば、電流狭窄型ＬＥＤ以外の発光素子を光源１として用いることができる。
【００２０】
図３には、スケール２に設けられた周期パターンの詳しい形状を示している。図中に黒色で示した部分が光学部であり、ここでは反射部として説明する。また、図中に白色で示した部分が非光学部であり、ここでは非反射部として説明する。
【００２１】
周期パターンは、位置検出方向において周期（第１の周期）λで反射部を有する。各反射部は、Ｙ方向にて隣り合う複数（ここでは４つ）の部分ｅ〜ｈが互いに位置検出方向にシフトしたパターン形状を、Ｙ方向に周期（第２の周期）ｔで有している。具体的には、周期ｔ内に、位置検出方向での基準部分ｅと、該基準部分ｅに対してそれぞれ位置検出方向に反射部の周期λの１／６、４／１５および１／１０だけずれたシフト部分ｆ，ｇ，ｈとを含む。そして、各反射部において、この周期ｔのパターン形状が、Ｙ方向に複数周期分、繰り返し形成されている。言い換えれば、ある周期ｔのシフト部分ｈに対して隣の周期ｔの基準部分ｅが隣接するように、部分ｅ〜ｈが循環的に設けられている。
【００２２】
このようなＹ方向でのパターンは、主として、受光部３から出力される周期信号における高次成分の抑制を目的として設けられている。図３に示したパターンでは、基準部分ｅとシフト部分ｆとのずれ量（シフト量）は周期λの１／６であり、またシフト部分ｇとシフト部分ｈとのずれ量も周期λの１／６であるため、３次の高次成分を抑制することができる。また、基準部分ｅとシフト部分ｈとのずれ量は周期λの１／１０であり、シフト部分ｆとシフト部分ｇとのずれ量も周期λの１／１０であるため、５次の高次成分も抑制することができる。
【００２３】
受光部３は、図４に示すように、Ｙ方向に幅ｖを、位置検出方向に幅λ／２をそれぞれ有する長方形のフォトダイオード（ＰＤ）が位置検出方向に４つ並んだ構成を持つ。各ＰＤは、該ＰＤ上に照射された検出光の光量の総和を電気信号に変換する。本実施例において、光源１からスケール２上の周期パターンまでの距離と周期パターンから受光部３までの距離との比は、
ａ：ｂ＝１：１
である。このため、受光部３上に投影される周期パターンの像は、スケール２上の周期パターンの２倍の大きさを持つことになる。したがって、スケール２と受光部３とが位置検出方向に相対移動したときに４つのＰＤから得られる４つの電気信号は、基準位相の擬似正弦波信号と、この基準位相信号に対してそれぞれ、π／２、πおよび３π／２の位相ずれを有する３つの擬似正弦波信号となる。そして、基準信号とこれに対してπだけ位相がずれた信号の差をとるとともに、基準信号に対して位相がπ／２と３π／２だけずれた２つの信号の差をとることで、互いにπ／２だけ位相がずれた２相の擬似正弦波信号を生成することができる。
【００２４】
受光部３は、このようにして生成される２相の擬似正弦波信号（以下、２相信号）を周期信号として出力する。なお、スケール２と受光部３が変位検出方向にλの距離、相対変位すると１周期の信号が検出される。
【００２５】
信号処理部４は、受光部３から出力された２相信号の周期をカウントし、さらに２相信号の値を逆正接演算することにより、２相信号の１周期内での位相を０〜２πの中で求める。そして、カウントした周期数と１周期内での位相とから相対移動量を求める。
【００２６】
相対移動量ｄは、カウントした周期数をｃとし、１周期内での位相をｐとすると、周期パターンの光学部の周期λを用いて、以下の式（１）で表される。
【００２７】
ｄ＝（ｃ＋ｐ／（２π））・λ …（１）
本実施例では、光源１から受光部３上の任意の１点に到達する検出光の光路が、周期パターン上でＹ方向にｎｔ（ただし、ｎは自然数）の幅を持つように構成する。この構成を採用することで、光源１（および受光部３）とスケール２がＹ方向に相対変位したとしても、積分される成分が一定に保たれ、２相信号の基本波の位相が変化したり、高次成分の除去効果が低下したりすることを抑制できる。このとき、光源１のＹ方向の幅ｗは、以下の式（２）で示す条件を満足する。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ …（２）
（ａ：ｂ＝１：１のとき、ｗ＝２ｎｔ）
式（２）の条件について、図５を用いて説明する。図５には、光源１とスケール２上の周期パターンと受光部３との相対位置関係を示している。図５の上下方向がＹ方向に相当する。図５に示す三角形は、光源１のＹ方向全体（幅ｗ）から受光部３上の任意の１点に到達する検出光の光路を示している。光源１と周期パターンとの間の距離と、周期パターンと受光部３との間の距離の比は、前述したようにａ：ｂ（例えば、１：１）である。そして、光源１のＹ方向の幅ｗを底辺とする三角形と、周期パターン上のｎｔの幅を底辺とする三角形とは相似の関係にあるため、式（２）が導出される。
【００２８】
さらに、本実施例において、光源１上の任意の１点から受光部３上に到達する検出光の光路が、スケール２の周期パターン上でｍｔ（ただし、ｍは自然数）の幅を持つように構成することが望ましい。この構成を採用することで、受光部３のＹ方向に、ちょうどｍ周期の周期パターン像が投影される。このため、スケール２と受光部３がＹ方向に相対変位したとしても、積分される成分が一定に保たれ、基本波の位相が変化したり高次成分の除去効果が低下したりすることをより効果的に抑制することができる。このとき、受光部３のＹ方向の幅ｖは、ｍを自然数として、式（３）により表される。
ｖ＝（ａ＋ｂ）／ａ・ｍｔ …（３）
（ａ：ｂ＝１：１のとき、ｖ＝２ｍｔ）
式（３）の条件について、図６を用いて説明する。図６には、光源１とスケール２上の周期パターンと受光部３との相対位置関係を示している。図６の上下方向がＹ方向に相当する。図６中の三角形は、光源１の任意の１点から受光部３のＹ方向全体（幅ｖ）に到達する検出光の光路を示している。光源１と周期パターンとの間の距離と、周期パターンと受光部３との間の距離との比は、前述したようにａ：ｂ（例えば、１：１）である。そして、受光部３のＹ方向幅ｖを底辺とする三角形と、周期パターン上のｍｔの幅を底辺とする三角形とは相似の関係にあるため、式（３）が導出される。
【００２９】
本実施例の構成において、光源１のＹ方向での光量分布が不均一である場合には、ｔを小さくしたり、ｎを大きくしたりすることで、誤差を抑制することが可能である。
【００３０】
本実施例では、周期パターンのＹ方向での１周期ｔ内に互いに位置検出方向にシフトした４つの部分ｅ〜ｈが含まれる場合について説明したが、１周期ｔ内に設ける互いにシフトした部分の数は４つに限られない。
【００３１】
また、本実施例では、受光部３が４つのＰＤにより構成される場合について説明したが、ＰＤの数は４つに限定されない。例えば、基準信号とこれに対してπ／２だけ位相がずれた信号のみを出力できるように２つのＰＤにより構成したり、基準信号とこれに対して２π／３および４π／３だけそれぞれ位相がずれた信号を出力できるように３つのＰＤにより構成してもよい。さらに、２つから４つのＰＤの組を複数組並べた構成としてもよい。このようにＰＤの組を複数使用すると、ＰＤを１組のみ使用する場合に比べて、ノイズの影響を抑制することができる。また、周期パターンの周期誤差、スケールの傷や汚れ等による誤差も抑制することが可能である。
【実施例２】
【００３２】
図７には、本発明の実施例２である光学式エンコーダのスケール上に設けられた周期パターンを示している。実施例１では、特に高次成分の抑制を目的とした周期パターンの形状について説明したが、本実施例では、実施例１とは異なる目的を有する周期パターンの形状について説明する。本実施例のエンコーダの構成は、以下に説明する周期パターンを除いて、図１に示した実施例１のエンコーダと同じである。
【００３３】
本実施例の周期パターンも、光を反射または透過する光学部（反射部）と非光学部（非反射部）とを図中の位置検出方向（第１の方向）に交互に有する。光学部は、Ｙ方向（第２の方向）に延びる棒状（細い長方形状）に形成されている。そして、本実施例では、周期パターンにおけるＹ方向での光学部と非光学部との割合が、位置検出方向において変化している。言い換えれば、光学部および非光学部のＹ方向での長さが、位置検出方向において変化している。さらに、位置検出方向における任意の位置において、光学部および非光学部からなるパターンのＹ方向の周期がｔとなっている。 この周期パターンに光源１から検出光を照射し、光学部での反射光を受光部３で受光すると、受光部３から出力される信号の振幅が変化するため、該振幅によりスケール２と受光部３との相対移動量を検出することができる。
【００３４】
本実施例では、位置検出方向での任意の位置において総受光量を一定に保つことができるため、スケール２および受光部３（光源１）間でＹ方向の相対変位が発生しても、受光部３から出力される信号の振幅の変化を抑制することができる。このように、目的にかかわらず、Ｙ方向に周期的なパターン形状を有する周期パターンを使用することができる。
【実施例３】
【００３５】
図８には、本発明の実施例３である光学式エンコーダの構成を示している。本実施例のエンコーダは、光源１と、スケール２と、受光部３と、信号処理部４とにより構成され、スケール２と受光部３との相対移動量（相対位置）またはスケール２と受光部３のうち一方の絶対位置を検出する透過型光学式リニアエンコーダである。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。
【００３６】
本実施例において、スケール２には、光を透過する光学部（透過部）と非光学部（非透過部）とを図中の位置検出方向（第１の方向）に交互に有する周期パターンが設けられている。周期パターンに沿った方向のうち位置検出方向に対して直交する方向は、実施例１と同様にＹ方向（第２の方向）という。周期パターンの形状は、実施例１において図３に示したものと同じである。
【００３７】
受光部３は、スケール２との位置検出方向での相対移動が可能である。該受光部３は、スケール２を挟んで受光部３とは反対側に配置された光源１から射出されて光学部を介した検出光を光電変換し、周期パターンに応じた変化周期を有する周期信号を出力する。
【００３８】
本実施例でも、実施例１で説明した式（２）の条件を満足する。また、本実施例でも、実施例１で説明した式（３）の条件を満足することが望ましい。
【００３９】
そして、本実施例でも、実施例１と同様に、光源１、スケール２および受光部３間でＹ方向の相対変位が発生しても、図５および図６に示す相対位置関係が維持されるため、実施例１と同様の効果が得られる。
【実施例４】
【００４０】
図９は、本発明の実施例４である光学式エンコーダのスケール上に設けられた周期パターンを示している。本実施例の周期パターンも、実施例１と同じく、高次成分の抑制を目的とした形状を有する。本実施例のエンコーダの構成は、以下に説明する周期パターンを除いて、図１に示した実施例１のエンコーダと同じである。
【００４１】
本実施例の周期パターンも、光を反射または透過する光学部（反射部）と非光学部（非反射部）とを図中の位置検出方向（第１の方向）に交互に有する。そして、Ｙ方向（第２の方向）において、位置検出方向における光学部と非光学部との割合（デューティ比）が変化している。この割合は、抑制したい高調波次数成分に併せて任意に決定することができる。例えば、実施例１と同様に、３次と５次の高次成分を抑制する場合には、図１０に示すように、７λ／３０，１３λ／３０，１７λ／３０，２３λ／３０とすればよい。
【００４２】
図１０に示すパターンは、光学部と非光学部の割合が１：１であるが、この割合を変化させることにより、本実施例におけるデューティ比を任意に変化させることができる。
【００４３】
本実施例においても、実施例１から３と同じく、Ｙ方向（第２の方向）において、光学部と非光学部とからなるパターンが周期ｔで形成されており、光源１、スケール２および受光部３間でＹ方向の相対変位が発生しても、実施例１と同様の効果が得られる。
【実施例５】
【００４４】
図１１は、本発明の実施例５である光学式エンコーダのスケール上に設けられた周期パターンを示している。本実施例の周期パターンも、実施例１，４と同じく、高次成分の抑制を目的とした形状を有する。本実施例のエンコーダの構成は、以下に説明する周期パターンを除いて、図１に示した実施例１のエンコーダと同じである。
【００４５】
本実施例の周期パターンも、光を反射または透過する光学部（反射部）と非光学部（非反射部）とを図中の位置検出方向（第１の方向）に有する。そして、Ｙ方向（第２の方向）においても、光学部と非光学部とからなるパターンが周期的に変化している。ところで、受光部３において光電変換された信号に含まれる高次成分は、光源１の光量分布、スケール２のパターン形状、受光部３の形状、受光部３を構成する受光素子の配列・特性、光源・スケール・受光部の距離関係などの組み合わせで変化する。そこで、本実施例においては、図１２に示すパターンを周期的に構成し、光源とスケールおよびスケールと受光部が約１ｍｍの間隔のときに、２次、３次、５次および７次の高次成分を抑制する構成としている。
【００４６】
本実施例においても、実施例１から４と同じく、Ｙ方向（第２の方向）において、光学部と非光学部とからなるパターンが周期ｔで形成されており、光源１、スケール２および受光部３間でＹ方向の相対変位が発生しても、実施例１と同様の効果が得られる。
【実施例６】
【００４７】
図１３は、本発明の実施例５である光学式エンコーダのスケール上に設けられた周期パターンを示している。本実施例の周期パターンは、位置検出方向における周期が互いに異なり、それぞれ高次成分の抑制を目的とした形状を有する複数のパターンをＹ方向にて多重化して形成した多重周期パターンとなっている。本実施例のエンコーダの構成は、周期パターンを除いて、図１に示した実施例１のエンコーダと同じである。
【００４８】
本実施例の多重周期パターンを構成する各パターンも、光を反射または透過する光学部（反射部）と非光学部（非反射部）とを図中の位置検出方向（第１の方向）に交互に有する。そして、本実施例では、信号処理部４において、多重周期パターンを構成する複数のパターンのうち特定の（任意に選択された）パターンの周期に対応する周期変化を有する信号を検出することができる構成となっている。
【００４９】
本実施例においても、実施例１から５と同じく、Ｙ方向（第２の方向）において、光学部と非光学部とからなるパターンが周期ｔで形成されており、光源１、スケール２および受光部３間でＹ方向の相対変位が発生しても、実施例１と同様の効果が得られる。
【実施例７】
【００５０】
図１４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から６のエンコーダを用いることもできる。
【００５１】
図１４において、２はスケール、５はセンサ（光源１および受光部３）、４は信号処理部である。これらによってエンコーダが構成される。スケール２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５０の内周面に取り付けられている。カム環５０は、不図示のアクチュエータによって回転駆動される。
【００５２】
レンズ鏡筒内には、撮影光学系５１が収容されている。撮影光学系５１は、カム環５０が回転することで、該カム環５０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）５２を含む。
【００５３】
５５は撮像装置のシステム全体を制御するＣＰＵである。５６は撮影光学系５１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。
【００５４】
可動レンズ５２を移動させるためにカム環５０が回転すると、エンコーダによりカム環５０の回転位置（つまりは可動レンズ５２の光軸方向での位置）が検出され、その情報がＣＰＵ２４に出力される。
【００５５】
ＣＰＵ２４は、その位置情報に基づいてカム環５０を回転させるアクチュエータを駆動し、可動レンズ５２を目標とする位置に移動させる。
【００５６】
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。
【００５７】
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】
【００５８】
スケールと受光部とが周期パターンの周期方向とは異なる方向に相対変位しても良好な精度で位置検出を行える光学式エンコーダを提供できる。
【符号の説明】
【００５９】
１ 光源
２ スケール
３ 受光部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スケールに形成された周期パターンを光学的に読み取って、該周期パターンに応じた信号を出力する光学式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
光学式エンコーダは、周期パターンが形成されたスケールと、該スケールとの相対移動が可能なセンサとを有する。センサ（受光部）は、光源から射出されて周期パターンの光学部（光を反射または透過する部分）を介した検出光を光電変換して、周期パターンに応じた変化周期を有する信号（以下、周期信号という）を出力する。この周期信号を用いてスケールおよびセンサの相対移動量（相対位置）を検出したり、スケールおよびセンサのうち一方の絶対位置を検出したりすることができる。さらに、周期信号を内挿することにより、周期パターンの周期よりも細かい分解能で位置検出を行うことができる。
【０００３】
ただし、周期信号には、周期パターンの周期の整数倍の周期成分である高次成分も含まれており、内挿数を増やした場合に高次成分による誤差が無視できなくなる。特許文献１には、周期信号に含まれる高次成分を抑制する光学式エンコーダが開示されている。このエンコーダでは、基準パターンと該基準パターンに対して位相が１／６ずれたパターンとが周期パターンの周期に沿った方向（以下、周期方向という）に直交する方向に隣接して設けられている。そして、該２つのパターンからの透過光を受光部で合わせて受光することで３次の高次成分を除去する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−０４８１２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、スケールとセンサはそれぞれ、エンコーダが搭載される装置を構成する別々の部材に取り付けられるのが通常であり、これらの部材の機械的なガタによって、スケールとセンサとが周期パターンの周期方向に直交する方向に相対変位する場合がある。特許文献１にて開示されたエンコーダでは、スケールと受光部とが周期方向に直交する方向に相対変位すると、スケール上での受光部による検出範囲内での２つのパターンの割合が変化する。その結果、周期信号の基本波の位相が変化したり、高次成分の除去効果が低下したりし、良好な精度で位置検出を行うことができなくなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、スケールとセンサ（受光部）とが周期パターンの周期方向に直交する方向に相対変位しても、良好な精度で位置検出を行えるようにした光学式エンコーダを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての光学式エンコーダは、光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケールと、該スケールとの第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて光学部を介した検出光を光電変換して第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有する。周期パターンにおける第１の方向に直交する方向を第２の方向とするとき、光学部は、第２の方向にて隣り合う複数の部分が互いに第１の方向にシフトしたパターン形状を、第２の方向に第２の周期ｔで有している。そして、光源の前記第２の方向での幅ｗが以下の条件を満足することを特徴とする光学式エンコーダ。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、光源から周期パターンまでの距離と周期パターンから受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【０００８】
また、本発明の他の一側面としての光学式エンコーダは、光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケールと、該スケールとの第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて光学部を介した検出光を光電変換して第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有する。周期パターンにおける第１の方向に直交する方向を第２の方向とするとき、周期パターンにおける第２の方向での光学部と該光学部ではない部分との割合が第１の方向において変化し、かつ周期パターンは、光学部および光学部ではない部分からなるパターンを第２の方向に第２の周期ｔで有している。そして、光源の第２の方向での幅ｗが以下の条件を満足することを特徴とする。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、光源から周期パターンまでの距離と周期パターンから受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【０００９】
本発明の他の一側面としての光学式エンコーダは、光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケールと、該スケールとの第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて光学部を介した検出光を光電変換して第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有する。周期パターンにおける第１の方向に直交する方向を第２の方向とするとき、第１の方向における光学部と非光学部との割合（デューティ比）が第２の方向において変化し、かつ周期パターンは、光学部と光学部ではない部分からなるパターンを第２の方向に第２の周期ｔで有している。そして、光源の第２の方向での幅ｗが以下の条件を満足することを特徴とする。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、光源から周期パターンまでの距離と周期パターンから受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【００１０】
本発明の他の一側面としての光学式エンコーダは、光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケールと、該スケールとの第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて光学部を介した検出光を光電変換して第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有する。周期パターンにおける第１の方向に直交する方向を第２の方向とするとき、光学部と該光学部ではない部分からなるパターンを第２の方向に第２の周期ｔで有する。そして、光源の第２の方向での幅ｗが以下の条件を満足することを特徴とする。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、光源から周期パターンまでの距離と周期パターンから受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【００１１】
本発明の他の一側面としての光学式エンコーダは、光を反射または透過する光学部が第１の方向に互いに異なる周期で形成された複数のパターンが、第１の方向に直交する第２の方向に多重に設けられた多重周期パターンを有するスケールと、該スケールとの第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて光学部を介した検出光を光電変換して、複数のパターンのうち特定のパターンの周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有する。多重周期パターンは、光学部と該光学部ではない部分からなるパターンを第２の方向に第２の周期ｔで有する。そして、光源の第２の方向での幅ｗが以下の条件を満足することを特徴とする。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、光源から周期パターンまでの距離と周期パターンから受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【００１２】
なお、上記光学式エンコーダと、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】
【００１３】
本発明によれば、スケールと受光部とが第２の方向に相対変位しても、受光部から出力される信号の基本波の位相が変化したり高次成分の除去効果が低下したりすること等を抑制でき、精度良く位置検出を行うことが可能な光学式エンコーダを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１である光学式エンコーダの斜視図。
【図２】実施例１における光源の光量分布特性を示す図。
【図３】実施例１においてスケールに設けられた周期パターンを示す図。
【図４】実施例１における受光部の構造を説明する図。
【図５】実施例１における光源、スケールおよび受光部の相対位置関係を示す図。
【図６】実施例１における光源、スケールおよび受光部の相対位置関係を示す図。
【図７】本発明の実施例２である光学式エンコーダのスケールに設けられた周期パターンを示す図。
【図８】本発明の実施例３である光学式エンコーダの斜視図。
【図９】本発明の実施例４である光学式エンコーダのスケールに設けられた周期パターンを示す図。
【図１０】本発明の実施例４である光学式エンコーダのスケールに設けられた周期パターンを示す図。
【図１１】本発明の実施例５である光学式エンコーダのスケールに設けられた周期パターンを示す図。
【図１２】本発明の実施例５である光学式エンコーダのスケールに設けられた周期パターンを示す図。
【図１３】本発明の実施例６である光学式エンコーダのスケールに設けられた周期パターンを示す図。
【図１４】本発明の実施例７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】
【００１５】
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】
【００１６】
図１には、本発明の実施例１である光学式エンコーダの構成を示す。本実施例のエンコーダは、光源１と、スケール２と、受光部３と、信号処理部４とにより構成され、スケール２と受光部３との相対移動量（相対位置）またはスケール２と受光部３のうち一方の絶対位置を検出する反射型光学式リニアエンコーダである。本実施例において、光源１と受光部３は、センサ５に一体的に設けられている。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。
【００１７】
スケール２には、詳しくは後述するが、光を反射する光学部（反射部）と該光学部ではない部分である非光学部（非反射部）とを図中の位置検出方向（第１の方向）に交互に有する周期パターンが設けられている。位置検出方向は、周期パターンの周期方向ということもできる。周期パターンに沿った方向のうち位置検出方向に対して直交する方向を、以下の説明ではＹ方向（第２の方向）という。
【００１８】
受光部３は、スケール２との位置検出方向での相対移動が可能である。該受光部３は、光源１から射出されて光学部を介した検出光を光電変換するフォトダイオード等の光電変換素子（受光素子）を有し、周期パターンに応じた変化周期を有する信号（以下、周期信号という）を出力する。
【００１９】
光源１は、電流狭窄型ＬＥＤ等の発光素子により構成されており、長方形の発光面を有する。光源１（発光面）は、Ｙ方向に長辺が延びるように配置されており、Ｙ方向の幅はｗである。光源１は、位置検出方向での任意の位置におけるＹ方向での光量分布が、図２に示すようにほぼ矩形となる発光特性を有する。図２に示すような発光特性を有するものであれば、電流狭窄型ＬＥＤ以外の発光素子を光源１として用いることができる。
【００２０】
図３には、スケール２に設けられた周期パターンの詳しい形状を示している。図中に黒色で示した部分が光学部であり、ここでは反射部として説明する。また、図中に白色で示した部分が非光学部であり、ここでは非反射部として説明する。
【００２１】
周期パターンは、位置検出方向において周期（第１の周期）λで反射部を有する。各反射部は、Ｙ方向にて隣り合う複数（ここでは４つ）の部分ｅ〜ｈが互いに位置検出方向にシフトしたパターン形状を、Ｙ方向に周期（第２の周期）ｔで有している。具体的には、周期ｔ内に、位置検出方向での基準部分ｅと、該基準部分ｅに対してそれぞれ位置検出方向に反射部の周期λの１／６、４／１５および１／１０だけずれたシフト部分ｆ，ｇ，ｈとを含む。そして、各反射部において、この周期ｔのパターン形状が、Ｙ方向に複数周期分、繰り返し形成されている。言い換えれば、ある周期ｔのシフト部分ｈに対して隣の周期ｔの基準部分ｅが隣接するように、部分ｅ〜ｈが循環的に設けられている。
【００２２】
このようなＹ方向でのパターンは、主として、受光部３から出力される周期信号における高次成分の抑制を目的として設けられている。図３に示したパターンでは、基準部分ｅとシフト部分ｆとのずれ量（シフト量）は周期λの１／６であり、またシフト部分ｇとシフト部分ｈとのずれ量も周期λの１／６であるため、３次の高次成分を抑制することができる。また、基準部分ｅとシフト部分ｈとのずれ量は周期λの１／１０であり、シフト部分ｆとシフト部分ｇとのずれ量も周期λの１／１０であるため、５次の高次成分も抑制することができる。
【００２３】
受光部３は、図４に示すように、Ｙ方向に幅ｖを、位置検出方向に幅λ／２をそれぞれ有する長方形のフォトダイオード（ＰＤ）が位置検出方向に４つ並んだ構成を持つ。各ＰＤは、該ＰＤ上に照射された検出光の光量の総和を電気信号に変換する。本実施例において、光源１からスケール２上の周期パターンまでの距離と周期パターンから受光部３までの距離との比は、
ａ：ｂ＝１：１
である。このため、受光部３上に投影される周期パターンの像は、スケール２上の周期パターンの２倍の大きさを持つことになる。したがって、スケール２と受光部３とが位置検出方向に相対移動したときに４つのＰＤから得られる４つの電気信号は、基準位相の擬似正弦波信号と、この基準位相信号に対してそれぞれ、π／２、πおよび３π／２の位相ずれを有する３つの擬似正弦波信号となる。そして、基準信号とこれに対してπだけ位相がずれた信号の差をとるとともに、基準信号に対して位相がπ／２と３π／２だけずれた２つの信号の差をとることで、互いにπ／２だけ位相がずれた２相の擬似正弦波信号を生成することができる。
【００２４】
受光部３は、このようにして生成される２相の擬似正弦波信号（以下、２相信号）を周期信号として出力する。なお、スケール２と受光部３が変位検出方向にλの距離、相対変位すると１周期の信号が検出される。
【００２５】
信号処理部４は、受光部３から出力された２相信号の周期をカウントし、さらに２相信号の値を逆正接演算することにより、２相信号の１周期内での位相を０〜２πの中で求める。そして、カウントした周期数と１周期内での位相とから相対移動量を求める。
【００２６】
相対移動量ｄは、カウントした周期数をｃとし、１周期内での位相をｐとすると、周期パターンの光学部の周期λを用いて、以下の式（１）で表される。
【００２７】
ｄ＝（ｃ＋ｐ／（２π））・λ …（１）
本実施例では、光源１から受光部３上の任意の１点に到達する検出光の光路が、周期パターン上でＹ方向にｎｔ（ただし、ｎは自然数）の幅を持つように構成する。この構成を採用することで、光源１（および受光部３）とスケール２がＹ方向に相対変位したとしても、積分される成分が一定に保たれ、２相信号の基本波の位相が変化したり、高次成分の除去効果が低下したりすることを抑制できる。このとき、光源１のＹ方向の幅ｗは、以下の式（２）で示す条件を満足する。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ …（２）
（ａ：ｂ＝１：１のとき、ｗ＝２ｎｔ）
式（２）の条件について、図５を用いて説明する。図５には、光源１とスケール２上の周期パターンと受光部３との相対位置関係を示している。図５の上下方向がＹ方向に相当する。図５に示す三角形は、光源１のＹ方向全体（幅ｗ）から受光部３上の任意の１点に到達する検出光の光路を示している。光源１と周期パターンとの間の距離と、周期パターンと受光部３との間の距離の比は、前述したようにａ：ｂ（例えば、１：１）である。そして、光源１のＹ方向の幅ｗを底辺とする三角形と、周期パターン上のｎｔの幅を底辺とする三角形とは相似の関係にあるため、式（２）が導出される。
【００２８】
さらに、本実施例において、光源１上の任意の１点から受光部３上に到達する検出光の光路が、スケール２の周期パターン上でｍｔ（ただし、ｍは自然数）の幅を持つように構成することが望ましい。この構成を採用することで、受光部３のＹ方向に、ちょうどｍ周期の周期パターン像が投影される。このため、スケール２と受光部３がＹ方向に相対変位したとしても、積分される成分が一定に保たれ、基本波の位相が変化したり高次成分の除去効果が低下したりすることをより効果的に抑制することができる。このとき、受光部３のＹ方向の幅ｖは、ｍを自然数として、式（３）により表される。
ｖ＝（ａ＋ｂ）／ａ・ｍｔ …（３）
（ａ：ｂ＝１：１のとき、ｖ＝２ｍｔ）
式（３）の条件について、図６を用いて説明する。図６には、光源１とスケール２上の周期パターンと受光部３との相対位置関係を示している。図６の上下方向がＹ方向に相当する。図６中の三角形は、光源１の任意の１点から受光部３のＹ方向全体（幅ｖ）に到達する検出光の光路を示している。光源１と周期パターンとの間の距離と、周期パターンと受光部３との間の距離との比は、前述したようにａ：ｂ（例えば、１：１）である。そして、受光部３のＹ方向幅ｖを底辺とする三角形と、周期パターン上のｍｔの幅を底辺とする三角形とは相似の関係にあるため、式（３）が導出される。
【００２９】
本実施例の構成において、光源１のＹ方向での光量分布が不均一である場合には、ｔを小さくしたり、ｎを大きくしたりすることで、誤差を抑制することが可能である。
【００３０】
本実施例では、周期パターンのＹ方向での１周期ｔ内に互いに位置検出方向にシフトした４つの部分ｅ〜ｈが含まれる場合について説明したが、１周期ｔ内に設ける互いにシフトした部分の数は４つに限られない。
【００３１】
また、本実施例では、受光部３が４つのＰＤにより構成される場合について説明したが、ＰＤの数は４つに限定されない。例えば、基準信号とこれに対してπ／２だけ位相がずれた信号のみを出力できるように２つのＰＤにより構成したり、基準信号とこれに対して２π／３および４π／３だけそれぞれ位相がずれた信号を出力できるように３つのＰＤにより構成してもよい。さらに、２つから４つのＰＤの組を複数組並べた構成としてもよい。このようにＰＤの組を複数使用すると、ＰＤを１組のみ使用する場合に比べて、ノイズの影響を抑制することができる。また、周期パターンの周期誤差、スケールの傷や汚れ等による誤差も抑制することが可能である。
【実施例２】
【００３２】
図７には、本発明の実施例２である光学式エンコーダのスケール上に設けられた周期パターンを示している。実施例１では、特に高次成分の抑制を目的とした周期パターンの形状について説明したが、本実施例では、実施例１とは異なる目的を有する周期パターンの形状について説明する。本実施例のエンコーダの構成は、以下に説明する周期パターンを除いて、図１に示した実施例１のエンコーダと同じである。
【００３３】
本実施例の周期パターンも、光を反射または透過する光学部（反射部）と非光学部（非反射部）とを図中の位置検出方向（第１の方向）に交互に有する。光学部は、Ｙ方向（第２の方向）に延びる棒状（細い長方形状）に形成されている。そして、本実施例では、周期パターンにおけるＹ方向での光学部と非光学部との割合が、位置検出方向において変化している。言い換えれば、光学部および非光学部のＹ方向での長さが、位置検出方向において変化している。さらに、位置検出方向における任意の位置において、光学部および非光学部からなるパターンのＹ方向の周期がｔとなっている。 この周期パターンに光源１から検出光を照射し、光学部での反射光を受光部３で受光すると、受光部３から出力される信号の振幅が変化するため、該振幅によりスケール２と受光部３との相対移動量を検出することができる。
【００３４】
本実施例では、位置検出方向での任意の位置において総受光量を一定に保つことができるため、スケール２および受光部３（光源１）間でＹ方向の相対変位が発生しても、受光部３から出力される信号の振幅の変化を抑制することができる。このように、目的にかかわらず、Ｙ方向に周期的なパターン形状を有する周期パターンを使用することができる。
【実施例３】
【００３５】
図８には、本発明の実施例３である光学式エンコーダの構成を示している。本実施例のエンコーダは、光源１と、スケール２と、受光部３と、信号処理部４とにより構成され、スケール２と受光部３との相対移動量（相対位置）またはスケール２と受光部３のうち一方の絶対位置を検出する透過型光学式リニアエンコーダである。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。
【００３６】
本実施例において、スケール２には、光を透過する光学部（透過部）と非光学部（非透過部）とを図中の位置検出方向（第１の方向）に交互に有する周期パターンが設けられている。周期パターンに沿った方向のうち位置検出方向に対して直交する方向は、実施例１と同様にＹ方向（第２の方向）という。周期パターンの形状は、実施例１において図３に示したものと同じである。
【００３７】
受光部３は、スケール２との位置検出方向での相対移動が可能である。該受光部３は、スケール２を挟んで受光部３とは反対側に配置された光源１から射出されて光学部を介した検出光を光電変換し、周期パターンに応じた変化周期を有する周期信号を出力する。
【００３８】
本実施例でも、実施例１で説明した式（２）の条件を満足する。また、本実施例でも、実施例１で説明した式（３）の条件を満足することが望ましい。
【００３９】
そして、本実施例でも、実施例１と同様に、光源１、スケール２および受光部３間でＹ方向の相対変位が発生しても、図５および図６に示す相対位置関係が維持されるため、実施例１と同様の効果が得られる。
【実施例４】
【００４０】
図９は、本発明の実施例４である光学式エンコーダのスケール上に設けられた周期パターンを示している。本実施例の周期パターンも、実施例１と同じく、高次成分の抑制を目的とした形状を有する。本実施例のエンコーダの構成は、以下に説明する周期パターンを除いて、図１に示した実施例１のエンコーダと同じである。
【００４１】
本実施例の周期パターンも、光を反射または透過する光学部（反射部）と非光学部（非反射部）とを図中の位置検出方向（第１の方向）に交互に有する。そして、Ｙ方向（第２の方向）において、位置検出方向における光学部と非光学部との割合（デューティ比）が変化している。この割合は、抑制したい高調波次数成分に併せて任意に決定することができる。例えば、実施例１と同様に、３次と５次の高次成分を抑制する場合には、図１０に示すように、７λ／３０，１３λ／３０，１７λ／３０，２３λ／３０とすればよい。
【００４２】
図１０に示すパターンは、光学部と非光学部の割合が１：１であるが、この割合を変化させることにより、本実施例におけるデューティ比を任意に変化させることができる。
【００４３】
本実施例においても、実施例１から３と同じく、Ｙ方向（第２の方向）において、光学部と非光学部とからなるパターンが周期ｔで形成されており、光源１、スケール２および受光部３間でＹ方向の相対変位が発生しても、実施例１と同様の効果が得られる。
【実施例５】
【００４４】
図１１は、本発明の実施例５である光学式エンコーダのスケール上に設けられた周期パターンを示している。本実施例の周期パターンも、実施例１，４と同じく、高次成分の抑制を目的とした形状を有する。本実施例のエンコーダの構成は、以下に説明する周期パターンを除いて、図１に示した実施例１のエンコーダと同じである。
【００４５】
本実施例の周期パターンも、光を反射または透過する光学部（反射部）と非光学部（非反射部）とを図中の位置検出方向（第１の方向）に有する。そして、Ｙ方向（第２の方向）においても、光学部と非光学部とからなるパターンが周期的に変化している。ところで、受光部３において光電変換された信号に含まれる高次成分は、光源１の光量分布、スケール２のパターン形状、受光部３の形状、受光部３を構成する受光素子の配列・特性、光源・スケール・受光部の距離関係などの組み合わせで変化する。そこで、本実施例においては、図１２に示すパターンを周期的に構成し、光源とスケールおよびスケールと受光部が約１ｍｍの間隔のときに、２次、３次、５次および７次の高次成分を抑制する構成としている。
【００４６】
本実施例においても、実施例１から４と同じく、Ｙ方向（第２の方向）において、光学部と非光学部とからなるパターンが周期ｔで形成されており、光源１、スケール２および受光部３間でＹ方向の相対変位が発生しても、実施例１と同様の効果が得られる。
【実施例６】
【００４７】
図１３は、本発明の実施例５である光学式エンコーダのスケール上に設けられた周期パターンを示している。本実施例の周期パターンは、位置検出方向における周期が互いに異なり、それぞれ高次成分の抑制を目的とした形状を有する複数のパターンをＹ方向にて多重化して形成した多重周期パターンとなっている。本実施例のエンコーダの構成は、周期パターンを除いて、図１に示した実施例１のエンコーダと同じである。
【００４８】
本実施例の多重周期パターンを構成する各パターンも、光を反射または透過する光学部（反射部）と非光学部（非反射部）とを図中の位置検出方向（第１の方向）に交互に有する。そして、本実施例では、信号処理部４において、多重周期パターンを構成する複数のパターンのうち特定の（任意に選択された）パターンの周期に対応する周期変化を有する信号を検出することができる構成となっている。
【００４９】
本実施例においても、実施例１から５と同じく、Ｙ方向（第２の方向）において、光学部と非光学部とからなるパターンが周期ｔで形成されており、光源１、スケール２および受光部３間でＹ方向の相対変位が発生しても、実施例１と同様の効果が得られる。
【実施例７】
【００５０】
図１４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から６のエンコーダを用いることもできる。
【００５１】
図１４において、２はスケール、５はセンサ（光源１および受光部３）、４は信号処理部である。これらによってエンコーダが構成される。スケール２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５０の内周面に取り付けられている。カム環５０は、不図示のアクチュエータによって回転駆動される。
【００５２】
レンズ鏡筒内には、撮影光学系５１が収容されている。撮影光学系５１は、カム環５０が回転することで、該カム環５０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）５２を含む。
【００５３】
５５は撮像装置のシステム全体を制御するＣＰＵである。５６は撮影光学系５１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。
【００５４】
可動レンズ５２を移動させるためにカム環５０が回転すると、エンコーダによりカム環５０の回転位置（つまりは可動レンズ５２の光軸方向での位置）が検出され、その情報がＣＰＵ２４に出力される。
【００５５】
ＣＰＵ２４は、その位置情報に基づいてカム環５０を回転させるアクチュエータを駆動し、可動レンズ５２を目標とする位置に移動させる。
【００５６】
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。
【００５７】
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】
【００５８】
スケールと受光部とが周期パターンの周期方向とは異なる方向に相対変位しても良好な精度で位置検出を行える光学式エンコーダを提供できる。
【符号の説明】
【００５９】
１ 光源
２ スケール
３ 受光部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケールと、
該スケールとの前記第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて前記光学部を介した検出光を光電変換して前記第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有し、
前記周期パターンにおける前記第１の方向に直交する方向を第２の方向とするとき、
前記光学部は、前記第２の方向にて隣り合う複数の部分が互いに前記第１の方向にシフトしたパターン形状を、前記第２の方向に第２の周期ｔで有しており、
前記光源の前記第２の方向での幅ｗが、以下の条件を満足することを特徴とする光学式エンコーダ。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、前記光源から前記周期パターンまでの距離と前記周期パターンから前記受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【請求項２】
光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケールと、
該スケールとの前記第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて前記光学部を介した検出光を光電変換して前記第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有し、
前記周期パターンにおける前記第１の方向に直交する方向を第２の方向とするとき、
前記周期パターンにおける前記第２の方向での前記光学部と該光学部ではない部分との割合が前記第１の方向において変化し、かつ前記周期パターンは、前記光学部と前記光学部ではない部分からなるパターンを前記第２の方向に第２の周期ｔで有しており、
前記光源の前記第２の方向での幅ｗが、以下の条件を満足することを特徴とする光学式エンコーダ。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、前記光源から前記周期パターンまでの距離と前記周期パターンから前記受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【請求項３】
光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケールと、
該スケールとの前記第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて前記光学部を介した検出光を光電変換して前記第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有し、
前記周期パターンにおける前記第１の方向に直交する方向を第２の方向とするとき、
前記周期パターンにおける前記第１の方向での前記光学部と該光学部でない部分との割合が前記第２の方向において変化し、かつ前記周期パターンは、前記光学部と前記光学部ではない部分からなるパターンを前記第２の方向に第２の周期ｔで有しており、
前記光源の前記第２の方向での幅ｗが、以下の条件を満足することを特徴とする光学式エンコーダ。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、前記光源から前記周期パターンまでの距離と前記周期パターンから前記受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【請求項４】
光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケールと、
該スケールとの前記第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて前記光学部を介した検出光を光電変換して前記第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有し、
前記周期パターンにおける前記第１の方向に直交する方向を第２の方向とするとき、
前記光学部と該光学部ではない部分からなるパターンを前記第２の方向に第２の周期ｔで有しており、
前記光源の前記第２の方向での幅ｗが、以下の条件を満足することを特徴とする光学式エンコーダ。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、前記光源から前記周期パターンまでの距離と前記周期パターンから前記受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【請求項５】
光を反射または透過する光学部が第１の方向に互いに異なる周期で形成された複数のパターンが、前記第１の方向に直交する第２の方向に多重に設けられた多重周期パターンを有するスケールと、
該スケールとの前記第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて前記光学部を介した検出光を光電変換して、前記複数のパターンのうち特定のパターンの周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有し、
前記多重周期パターンは、前記光学部と該光学部ではない部分からなるパターンを前記第２の方向に第２の周期ｔで有しており、
前記光源の前記第２の方向での幅ｗが、以下の条件を満足することを特徴とする光学式エンコーダ。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、前記光源から前記周期パターンまでの距離と前記周期パターンから前記受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【請求項６】
前記受光部の前記第２の方向での幅ｖが、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
ｖ＝（ａ＋ｂ）／ａ・ｍｔ
ただし、ｍは自然数である。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の光学式エンコーダと、
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光学装置。
【請求項１】
光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケールと、
該スケールとの前記第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて前記光学部を介した検出光を光電変換して前記第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有し、
前記周期パターンにおける前記第１の方向に直交する方向を第２の方向とするとき、
前記光学部は、前記第２の方向にて隣り合う複数の部分が互いに前記第１の方向にシフトしたパターン形状を、前記第２の方向に第２の周期ｔで有しており、
前記光源の前記第２の方向での幅ｗが、以下の条件を満足することを特徴とする光学式エンコーダ。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、前記光源から前記周期パターンまでの距離と前記周期パターンから前記受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【請求項２】
光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケールと、
該スケールとの前記第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて前記光学部を介した検出光を光電変換して前記第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有し、
前記周期パターンにおける前記第１の方向に直交する方向を第２の方向とするとき、
前記周期パターンにおける前記第２の方向での前記光学部と該光学部ではない部分との割合が前記第１の方向において変化し、かつ前記周期パターンは、前記光学部と前記光学部ではない部分からなるパターンを前記第２の方向に第２の周期ｔで有しており、
前記光源の前記第２の方向での幅ｗが、以下の条件を満足することを特徴とする光学式エンコーダ。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、前記光源から前記周期パターンまでの距離と前記周期パターンから前記受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【請求項３】
光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケールと、
該スケールとの前記第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて前記光学部を介した検出光を光電変換して前記第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有し、
前記周期パターンにおける前記第１の方向に直交する方向を第２の方向とするとき、
前記周期パターンにおける前記第１の方向での前記光学部と該光学部でない部分との割合が前記第２の方向において変化し、かつ前記周期パターンは、前記光学部と前記光学部ではない部分からなるパターンを前記第２の方向に第２の周期ｔで有しており、
前記光源の前記第２の方向での幅ｗが、以下の条件を満足することを特徴とする光学式エンコーダ。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、前記光源から前記周期パターンまでの距離と前記周期パターンから前記受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【請求項４】
光を反射または透過する光学部が第１の方向に第１の周期で形成された周期パターンを有するスケールと、
該スケールとの前記第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて前記光学部を介した検出光を光電変換して前記第１の周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有し、
前記周期パターンにおける前記第１の方向に直交する方向を第２の方向とするとき、
前記光学部と該光学部ではない部分からなるパターンを前記第２の方向に第２の周期ｔで有しており、
前記光源の前記第２の方向での幅ｗが、以下の条件を満足することを特徴とする光学式エンコーダ。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、前記光源から前記周期パターンまでの距離と前記周期パターンから前記受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【請求項５】
光を反射または透過する光学部が第１の方向に互いに異なる周期で形成された複数のパターンが、前記第１の方向に直交する第２の方向に多重に設けられた多重周期パターンを有するスケールと、
該スケールとの前記第１の方向での相対移動が可能であり、光源から射出されて前記光学部を介した検出光を光電変換して、前記複数のパターンのうち特定のパターンの周期に応じた変化周期を有する信号を出力する受光部とを有し、
前記多重周期パターンは、前記光学部と該光学部ではない部分からなるパターンを前記第２の方向に第２の周期ｔで有しており、
前記光源の前記第２の方向での幅ｗが、以下の条件を満足することを特徴とする光学式エンコーダ。
ｗ＝（ａ＋ｂ）／ｂ・ｎｔ
ただし、ｎは自然数であり、前記光源から前記周期パターンまでの距離と前記周期パターンから前記受光部までの距離との比をａ：ｂとする。
【請求項６】
前記受光部の前記第２の方向での幅ｖが、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
ｖ＝（ａ＋ｂ）／ａ・ｍｔ
ただし、ｍは自然数である。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の光学式エンコーダと、
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光学装置。
【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】
【公開番号】特開２０１３−１０８９１１（Ｐ２０１３−１０８９１１Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５５５９７（Ｐ２０１１−２５５５９７）
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【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６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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