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JP2018036090A - エンコーダおよびこれを備えた装置 - Google Patents

エンコーダおよびこれを備えた装置 Download PDF

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Abstract

【課題】算出時間に関係なく、高精度に相対位置を算出可能なエンコーダを提供すること。【解決手段】第１および第２の周期パターンが設けられたスケールと、第１の周期パターンに応じた変化周期を有する第１の信号を出力する第１の検出状態と、第２の周期パターンに応じた変化周期を有する第２の信号を出力する第２の検出状態と、の間での切り替えが可能な検出部と、第１および第２の信号のうち一方の信号を用いてスケールと検出部との相対変位量を算出する第１の処理と、第１および第２の信号の双方を用いてスケールと検出部のうち一方の部材の他方の部材に対する相対位置を算出する第２の処理と、を実行する処理部と、を有し、処理部は、第１の処理を実行している間に第２の処理を実行することで、相対位置の算出開始時の第１の相対位置の算出後、相対変位量および第１の相対位置に基づいて第２の相対位置を算出する。【選択図】図１

Description

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。
可動部材の位置や速度を検出するために使用されるエンコーダは、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に伴い、周期パターンに応じて周期的に変化する周期信号を出力する検出部を備えたセンサとにより構成される。エンコーダには、例えば、１つの周期パターンから互いに位相が異なる２つの周期信号（２相信号）を生成し、それら２相信号の周期数と位相とからスケールとセンサとの相対変位を検出するインクリメンタル型エンコーダがある。また、エンコーダには、例えば、互いに周期が異なる２つの周期パターンから２組の２相信号を生成し、一方の組の２相信号の位相と他方の組の２相信号の位相との差（位相差）からスケールまたはセンサの絶対位置を検出するアブソリュート型エンコーダもある。
アブソリュート型エンコーダは、インクリメンタル型エンコーダに比べて、読み取るべき周期パターンの数が多く、該周期パターン数に対応する複数の検出部を設ける必要があるため、構成が複雑となる。そこで、スケールに互いに周期が異なる複数の周期パターンを設ける一方で、センサの検出部の検出周期（すなわち、読み取り対象となる周期パターン）を時系列で切り替えることにより、検出部の数の増加を抑えたアブソリュート型エンコーダも実現可能である。
ただし、このようなエンコーダにおいても、以下のような問題が生じ得る。すなわち、センサの検出部の検出周期を切り替えた直後には、該検出部を構成する素子（受光素子や磁気検出素子等）から出力される周期信号（アナログ信号）が安定するまである程度の時間が必要である。このため、検出周期の切り替えごとに位置検出の遅れが発生する。
特許文献１には、第１の処理から第２の処理への移行に際して検出部の検出状態を切り替える必要がないため、位置検出の遅れを回避することができるエンコーダが開示されている。
特開２０１３−８８１９１号公報
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、所定の時間より長い時間で周期パターンに応じた変化周期を有する複数の信号を用いて相対位置を算出する場合、相対位置がずれてしまうおそれがある。
このような課題に鑑みて、本発明は、算出時間に関係なく、高精度に相対位置を算出可能なエンコーダを提供することを目的とする。
本発明の一側面としてのエンコーダは、第１の周期パターンおよび前記第１の周期パターンよりも粗い周期を有する第２の周期パターンが設けられたスケールと、前記スケールとの相対移動が可能であるとともに、複数の読み取り用の素子における組み合わせを変化させることで前記第１の周期パターンを読み取って前記第１の周期パターンに応じた変化周期を有する第１の信号を出力する第１の検出状態と、前記第２の周期パターンを読み取って前記第２の周期パターンに応じた変化周期を有する第２の信号を出力する第２の検出状態と、の間での切り替えが可能な検出部と、前記第１および第２の検出状態のうち一方の検出状態に設定した前記検出部から取り込んだ前記第１および第２の信号のうち一方の信号を用いて前記スケールと前記検出部との相対変位量を算出する第１の処理と、前記第１および第２の検出状態に設定した前記検出部からそれぞれ取り込んだ前記第１および第２の信号の双方を用いて前記スケールと前記検出部のうち一方の部材の他方の部材に対する相対位置を算出する第２の処理と、を実行する処理部と、を有し、前記処理部は、前記第１の処理を実行している間に前記第２の処理を実行することで、前記相対位置の算出開始時の前記一方の部材の前記他方の部材に対する第１の相対位置を算出した後、前記相対変位量および前記第１の相対位置に基づいて前記一方の部材の前記他方の部材に対する第２の相対位置を算出することを特徴とする。
本発明によれば、算出時間に関係なく、高精度に相対位置を算出可能なエンコーダを提供することができる。
実施例１のエンコーダの構成を示すブロック図である。 スケールに設けられた周期パターンを示す図である。 受光部の構成を示す図である。 第１の処理を示すフローチャートである。 相対位置の算出時間が所定の時間より長い場合に相対位置がずれることを説明する図である。 実施例１の第２の処理を示すフローチャートである。 実施例１の全体制御部の動作シーケンスを示す図である。 実施例１のエンコーダにおける位置と変数との関係図である。 実施例２の第２の処理を示すフローチャートである。 実施例２の全体制御部の動作シーケンスを示す図である。 実施例３の撮像装置の構成を示すブロック図である。
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。
図１（ａ）は、本実施例のエンコーダ１００の構成を示すブロック図である。エンコーダ１００は、スケール１０、センサ（検出部）２０、位置検出部（処理部）３０および全体制御部４０を備える。エンコーダ１００は、スケール１０とセンサ２０とのうち一方の他方に対する位置（相対位置）を検出する光学反射型アブソリュートエンコーダである。
本実施例では、このエンコーダが搭載された装置において相対位置の検出対象である可動部材（不図示）にスケール１０を取り付け、固定された（不動の）部材にセンサ２０を取り付ける場合について説明する。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、可動部材の固定された部材に対する相対位置を検出するようにしてもよい。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。
図２（ａ）は、スケール１０に設けられた周期パターンを示す図である。以下の説明では、三次元空間で見た場合、スケール１０とセンサ２０との相対移動方向を長手方向（位置検出方向）、スケール１０の周期パターンが設けられた面内で長手方向に直交する方向を幅方向という。スケール１０には、長手方向に沿って、一定の周期（ピッチ）で交互に配置された反射部と非反射部が形成されている。本実施例では、スケール１０には、ピッチＰ１、Ｐ２が互いに異なる２つの周期パターン（第１の周期パターン１１と第２の周期パターン１２）が、幅方向に交互に設けられている。以下の説明では、第１の周期パターン１１を単に第１のパターンといい、そのピッチＰ１を第１のピッチという。また。第２の周期パターン１２を単に第２のパターンといい、そのピッチＰ２を第２のピッチという。
第１のピッチＰ１は、第２のピッチＰ２の約１／４に設定されている（すなわち、第２のパターン１２は第１のパターン１１よりも粗い周期を有する）。そして、スケール１０の長手方向における第１および第２のパターン１１、１２が設けられた範囲の全長（以下、パターン全長という）において、第１のパターン１１は７９周期を有し、第２のパターン１２は２０周期を有する。
センサ２０は、光源２１および受光部２２を有する。光源２１は、ＬＥＤ等の発光素子により構成され、受光部２２は、光源２１から射出されて第１および第２のパターン１１、１２の反射部で反射した光を光電変換する複数の光電変換素子（受光素子）により構成される。センサ２０は、位置検出部３０からの検出周期切り替え信号に応じて、第１および第２のパターン１１、１２を読み取ることが可能である。
次に、検出周期の切り替えについて説明する。センサ２０は、位置検出部３０からの検出周期切り替え信号に応じて受光部２２の検出周期を、第１のピッチＰ１に一致する第１の検出周期Ｐ０と、第２のピッチＰ２に一致する第２の検出周期４・Ｐ０と、に切り替えることができる。なお、第１および第２の検出周期Ｐ０、４・Ｐ０はそれぞれ、第１および第２のピッチＰ１、Ｐ２に実質的に同一とみなされる値であればよい。
図３は、受光部２２の構成を示す図である。受光部２２は、長手方向に沿って、受光素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを循環的に備える。受光部２２の検出周期が第１の検出周期Ｐ０である場合、図３（Ａ）に示されるように、受光素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄはそれぞれ、信号Ａ（＋）、Ｂ（＋）、Ａ（−）、Ｂ（−）を出力する。また、受光部２２の検出周期が第２の検出周期４・Ｐ０である場合、図３（Ｂ）に示されるように、受光素子２２ａ〜２２ｄを一組とする各受光素子群が信号Ａ（＋）、Ｂ（＋）、Ａ（−）、Ｂ（−）を出力する。センサ２０は、信号Ａ（＋）、Ｂ（＋）、Ａ（−）、Ｂ（−）を用いて、互いに異なる２相の疑似信号Ａ（＝Ａ（＋）−Ａ（−））、Ｂ（＝Ｂ（＋）−Ｂ（−））を生成する。
図２（Ｂ）に示されるように、受光部２２によるトラック上での読み取り領域(光源から照射された光が受光部２２に受光されるように反射する範囲)１３は、トラックにおいて幅方向に交互に配置された２つの周期パターンの組を複数含むように設定されている。受光部２２は、検出周期が第１の検出周期Ｐ０に設定されると（すなわち、第１の検出状態に設定されると）、第１のパターンを読み取り可能となる。第１のパターン１１を読み取ることで、それぞれ第１のピッチＰ１に対応した変化周期を有し、かつ互いに約９０度の位相差を持つ２相の疑似正弦波信号（第１の信号：以下、第１の２相信号という）を出力する。また、受光部２２は、検出周期が第２の検出周期が設定されると（すなわち、第２の検出状態に設定されると）、第２のパターン１２を読み取り可能となる。第２のパターン１２を読み取ることで、それぞれ第２のピッチＰ２に対応した変化周期を有し、かつ互いに約９０度の位相差を持つ２相の疑似正弦波信号（第２の信号：以下、第２の２相信号という）を出力する。
位置検出部３０は、ＡＤコンバータ３１、位相検出部（位相算出部）３２および変位量検出部３３を有する。ＡＤコンバータ３１は、センサ２０から出力されたアナログ信号である第１および第２の２相信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する。位相検出部３２は、第１および第２の２相信号の位相を時間方向に離散的に検出する。変位量検出部３３は、位相検出部３２で検出した２つの連続した位相の差を累積して変位量を検出する。
全体制御部４０は、装置のシステムから位置検出リクエスト信号が入力されることに応じて、センサ２０の検出周期の切り替え（位置検出部３０からの検出周期切り替え信号の出力）と、位置検出部３０の位置検出処理とを制御する。全体制御部４０は、位置検出部３０にて生成された可動部材の固定された部材に対する相対位置の情報を装置に出力する。また、全体制御部４０は、センサ２０から出力される第１および第２の２相信号を取得するための同期信号を位置検出部３０に出力する。
以下、位置検出部３０で行われる位置検出処理について説明する。位置検出処理は、第１の処理と第２の処理とに分けられる。第１および第２の処理は、並列して実行される。第１の処理では、検出周期が一方の検出周期に設定された受光部２２から取り込んだ、第１および第２の２相信号のうち一方の信号を用いてスケール１０とセンサ２０との相対変位量を検出（算出）する処理が行われる。第２の処理では、検出周期が第１および第２の検出周期に設定された受光部２２からそれぞれ取り込んだ、第１および第２の２相信号の双方を用いてスケール１０とセンサ２０とのうち一方の他方に対する第１の相対位置を検出（算出）する処理が行われる。さらに、第２の処理では、第１の相対位置と相対変位量とを用いてスケール１０とセンサ２０とのうち一方の他方に対する第２の相対位置を検出(算出)する処理が行われる。なお、本実施例の第２の処理では、スケール１０のセンサ２０に対する相対位置を算出する。
まず、図４を参照して、第１の処理について説明する。図４は、第１の処理を示すフローチャートである。本実施例では、第１の処理では、第１および第２の２相信号のうち一方の信号として第１の２相信号を用いて、スケール１０とセンサ２０との相対変位量を算出する。
ステップＳ１０１では、受光部２２の検出周期が第２の処理において最後に設定された検出周期に設定される。本実施例では、受光部２２の検出周期は、第１の検出周期Ｐ０に設定される。すなわち、第１の処理では、第１のパターン１１の読み込み（第１の２相信号の生成）は実行されるが、第２のパターン１２の読み込み（第２の２相信号の生成）は実行されない。また、センサ２０の検出周期を切り替えた後、受光部２２から安定した２相信号が得られるまでにはある程度長い時間が必要である。第２の処理後に受光部２２の検出周期を切り替えないことで、第１の処理を滞りなく実行することが可能である。
ステップＳ１０２では、ＡＤコンバータ３１は、センサ２０から取得した第１の２相信号を時間方向に離散的にサンプリングし、得られたデジタル信号を位相検出部３２に出力する。
ステップＳ１０３では、位相検出部３２は、ＡＤコンバータ３１のサンプリングに応じて、ＡＤコンバータ３１から取得したデジタル信号に対してａｒｃｔａｎ演算を行うことで位相を算出する。２相信号は、正弦波信号と余弦波信号とにより構成されているため、ａｒｃｔａｎ演算によって位相が算出される。算出された位相は、変位量検出部３３に出力される。以下の説明では、ｉ番目に検出した位相をθ_ｉ（０≦θ_ｉ＜２π［ｒａｄ］）と表す。
ステップＳ１０４では、変位量検出部３３は、位相検出部３２から取得した位相を用いてスケール１０とセンサ２０との相対変位量を算出する。受光部２２の検出周期が第１の検出周期Ｐ０である場合、長手方向へ相対変位が発生すると位相が相対変位量Ｐ０に対して２πの割合で変化する。そのため、位相の変化量を累積することで、相対変位量を算出することができる。
ただし、位相が０から減少する方向へ変化した場合や２πを超えて増加する方向へ変位した場合において位相は連続的に変化せず２π増加または減少する。そこで、これを考慮して、相対変位量ｘ_ｉは以下の式（１）を用いて算出される。ただしｘ＿０＝０、θ＿０＝０とする。
次に、第２の処理について説明を行う。図５は、相対位置の算出時間が所定の時間より長い場合に相対位置がずれることを説明する図である。上位信号（Ｓｉｇ１）は受光部２２の検出周期が第２の検出周期４・Ｐ０である場合のセンサ２０が生成する信号、下位信号（Ｓｉｇ２）は検出周期が第１の検出周期Ｐ０である場合のセンサ２０が生成する信号である。相対位置の算出時間が所定の時間より長い場合、図５に示されるように、本来４である相対位置が３となってしまう。すなわち、本来の相対位置に対してずれが発生してしまう。
そこで、本実施例では、第１の処理が実行されている間に第２の処理が実行される。図６は、本実施例の第２の処理を示すフローチャートである。図７は、本実施例の全体制御部４０の動作シーケンスを示す図である。
ステップＳ２０１では、全体制御部４０は、まず、装置のシステムから位置検出リクエスト信号が入力されると、位置検出リクエスト信号を取得する直前の同期信号発生時の基準位相が確定するまで待機する。基準位相の確定後、全体制御部４０は、位置検出部３０にセンサ２０に対して検出状態切り替え信号を出力させる。検出状態切り替え信号に応じて、受光部２２の検出周期は第１の検出周期Ｐ０に切り替えられる。これにより、センサ２０は、第１のパターン１１に対応する第１の２相信号を出力する。
ステップＳ２０２では、ＡＤコンバータ３１は、第１の２相信号をサンプリングする。第１の２相信号のサンプリングが行われた後、受光部２２の検出周期は、第２の検出周期４・Ｐ０に切り替えられる。これにより、センサ２０は、第２のパターン１２に対応する第２の２相信号を出力する。ＡＤコンバータ３１は、第２の２相信号をサンプリングする。第２の２相信号のサンプリングが行われた後、受光部２２の検出周期は、第１の検出周期Ｐ０に切り替えられる。これにより、センサ２０は、第１のパターン１１に対応する第１の２相信号を出力する。ＡＤコンバータ３１は、第１の２相信号をサンプリングする。
このようにして、本実施例では、第１の２相信号、第２の２相信号、および第１の２相信号の順で３回のサンプリングが行われる。ＡＤコンバータ３１は、デジタル信号に変換した３組の２相信号を位相検出部３２に出力する。２相信号のサンプリングが行われる時間間隔は一定であり、以下の説明では、最初の第１の２相信号のサンプリング時刻を０、次の第２の２相信号のサンプリング時刻をｔ、最後の第１の２相信号のサンプリング時刻を２ｔとする。
ステップＳ２０３では、位相検出部３２は、３組の２相信号に対してａｒｃｔａｎ演算を行うことで各組の２相信号の位相を算出する。２相信号は正弦波信号と余弦波信号とにより構成されているため、ａｒｃｔａｎ演算によって位相が算出される。以下の説明では、最初の第１の２相信号の位相をθＰ１＿１、次の第２の２相信号の位相をθＰ２、最後の第１の２相信号の位相をθＰ１＿２とする。なお、位相は０以上、２π未満の範囲で表され、１ピッチ（周期）内において一意に定まるため、位相は１ピッチ内での位置を示す。
ステップＳ２０４では、図７に示されるように、変位量検出部３３(図中では相対カウンタ)は、初期化される。
ステップＳ２０５では、変位量検出部３３は、第１の相対位置を算出する。変位量検出部３３は、第１の相対位置の算出と並行して第１の処理の相対変位量も算出する。
ステップＳ２０６では、変位量検出部３３は、ステップＳ２０５で算出された第１の相対位置に第１の相対位置の確定時の相対変位量を加算することで、第２の相対位置を算出する。
本実施例では、第１の処理が実行されている間に第２の処理を実行することで、高精度に相対位置を算出することができる。
以下、相対位置の具体的な算出方法について説明する。３つの位相θＰ１＿１、θＰ２、θＰ１＿２のサンプリング時刻は互いに異なるため、スケール１０とセンサ２０とが相対移動していた場合は３つの位相はそれぞれ異なる位置に対応する。そこで、本実施例では、時刻２ｔにおける位置を相対位置として算出する。
位相θＰ１＿１、θＰ１＿２はともに第１のパターン１１に対応する第１の２相信号の位相であり、サンプリング時刻はそれぞれ０と２ｔである。このため、位相θＰ１＿１、θＰ１＿２の変化量と時刻の変化量から、スケール１０とセンサ２０の相対移動速度を推定することができる。相対移動速度をｕとすると、ｕは以下の式（２）で求められる。
位相θＰ２のサンプリング時刻はｔであるため、時刻２ｔの第２のパターン１２に対応する第２の２相信号の位相をθＰ２＿２とすると、位相θＰ２＿２は以下の式（３）のように位相θＰ２に相対移動速度ｕでの時間ｔ分の変化量を加えることで求められる。
こうして得られた時刻２ｔにおける２つの位相θＰ１＿２、θＰ２＿２を用いて、相対位置を求める。
まず、パターン全長に２０周期含まれる第２のパターン１２に対応する第２の２相信号の位相θＰ２＿２を４倍することで、８０周期の位相を生成する。そして、この８０周期の位相とパターン全長に７９周期含まれる第１のパターン１１に対応する２相信号の位相θＰ１＿２との差（位相差）を求めると、その位相差はパターン全長で１周期となる。パターン全長内での１周期は、それが相対位置を表すことになる。そこで、この位相差をθＶ１とすると、以下の式（４）で表すことができる。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示す。
位相差θＶ１は相対位置を表すが、１周期内の精度は位相差θＶ１よりも、位相θＰ１＿２、θＰ２＿２を用いた方が高い。そこで、位相差θＶ１および位相θＰ１＿２、θＰ２＿２を用いて、位相差θＶ１よりも高精度な相対位置を求める。
第２のパターン１２はパターン全長において２０周期含まれるため、位相θＰ２＿２はパターン全長において２０回、０から２πまで変化する。一方、位相差θＶ１はパターン全長で０から２πまで１回変化するため、単位変位量あたりの位相の変化量は位相θＰ２＿２の１／２０である。そこで、位相差θＶ１と位相θＰ２＿２から、位相θＰ２＿２について所定の基準位置からの周期数を求め、位相θＰ２＿２の精度で相対位置を求める。
位相θＰ２＿２の周期数をｍ１とすると、位相差θＶ１、位相θＰ２＿２および周期数ｍ１の関係は、パターン全長をＬとすると、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）によって表される。
さらに、位相θＰ２＿２の精度で求められる相対位置をθ１とすると、相対位置θ１は周期数ｍ１と位相θＰ２＿２を用いて以下の式（５）および（６）によって表される。ただし、ＲＯＵＮＤ（ｘ）は、ｘを整数値に丸めることを表す。
次に、求めた相対位置θ１と位相θＰ１＿２から、同様にして位相θＰ１＿２の精度で第１の相対位置θ２を求める。このとき、第１のパターン１１はパターン全長に７９周期含まれるため、位相θＰ１＿２の周期数をｍ２とすると、位相θ２は以下の式（７）および（８）で表される。
変位量検出部３３は、第１の処理で求めた位相θＰ１＿３と第１の相対位置θ２とから、以下の式(９)および（１０）を用いて、第２の相対位置θ３を求める。位相θＰ１＿３は、ｍ３周期目であるとする。
変位量検出部３３は、こうして求めた第２の相対位置θ３を全体制御部４０に出力する。全体制御部４０は、装置のシステムに第２の相対位置θ３の情報を出力する。こうして第２の処理が終了する。これ以降は、第２の処理により求められた第２の相対位置θ３を基準として第１の処理の相対変位量を累積することで、可動部材の相対位置を求め続けることができる。
以上説明したように、本実施例では、第１の処理の相対変位量の算出と第２の処理の相対位置の算出とを並行して行うことで、所定の時間より長い時間で相対位置を算出する場合であっても、高精度に相対位置を算出することが可能である。
また、本実施例では、可動部材の相対位置の情報を装置のシステムに出力する場合について説明したが、一定時間ごとに位置を出力するエンコーダの場合は不要である。
また、本実施例では、反射部と非反射部と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、透過部と非透過部と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も適用できる。
また、本実施例では、互いに周期（ピッチ）が異なる２つの周期パターンを用いたエンコーダについて説明したが、図２（ｃ）に示されるように、互いに周期が異なる３つ以上の周期パターンを用いてもよい。Ｐ１、Ｐ２およびＰ３はそれぞれ周期が異なる３つの周期パターンを示している。周期パターンを増やすことで、位置検出誤差を軽減したり、位置検出の長さ範囲を伸ばしたりすることができる。この場合、３つの周期パターンに対応する３つの２相信号のうち最も周期が短い２相信号を第１の２相信号、他の２相信号はすべて第２の２相信号として扱えばよい。また、３つ以上の周期パターンに対応する３つ以上の２相信号のうち最も周期が長い２相信号を第２の２相信号、他の２相信号はすべて第１の２相信号として扱ってもよい。
また、本実施例では、位置検出部３０がＡＤコンバータ３１を有しているが、センサ２０などの他の部材がＡＤコンバータを有する場合、位置検出部３０はＡＤコンバータ３１を有していなくてもよい。
また、本実施例では、第２の処理の最後に受光部２２の検出周期を第１の検出周期Ｐ０に設定しているが、第２の検出周期４・Ｐ０を設定してもよい。この場合、第１の処理では、受光部２２の検出周期を第２の検出周期４・Ｐ０に設定される。第２の処理後に受光部２２の検出周期を切り替えないことで、第１の処理を滞りなく実行することが可能である。
また、位置検出部３０は、図１（ｂ）に示されるように、速度検出部（速度算出部）３４および位相記憶部（記憶部）３５のうち少なくとも一方を有していてもよい。速度検出部３４は、スケール１０とセンサ２０の相対移動速度を算出する。具体的には、第１の２相信号、第２の２相信号および第１の２相信号の順で３回のサンプリングが行われるため、２つの第１の２相信号の変化量と時刻の変化量から、スケール１０とセンサ２０の相対移動速度を推定することができる。そのため、位相を補正してから相対位置検出を行うことが可能となる。位相記憶部３５は、位相検出部３２が算出した位相を記憶する。位相記憶部３５が位相を記憶することで、任意のタイミングで位相を読み取ることが可能となるため、より信頼性を上げることができる。
本実施例は、実施例１と異なる第２の処理を行う場合について説明する。実施例１では、相対位置を算出する前に、変位量検出部３３を初期化したが、本実施例では、変位量検出部３３が相対位置の算出開始時の相対変位量を記憶しておく。本実施例では、第１の処理は実施例１と同じため説明を省略し、第２の処理についてのみ説明する。
図９は、本実施例の第２の処理を示すフローチャートである。図１０は、本実施例の全体制御部４０の動作シーケンスを示す図である。
ステップＳ２００１〜ステップＳ２００３は、図６のステップＳ２０１〜ステップＳ２０３と同一であるため、説明を省略する。
ステップＳ２００４では、変位量検出部３３は、第１の相対位置の算出開始時の相対変位量を記憶する。
ステップＳ２００５では、変位量検出部３３は、第１の相対位置を算出する。変位量検出部３３は、第１の相対位置の算出と並行して第１の処理の相対変位量も算出する。
ステップＳ２００６では、変位量検出部３３は、ステップＳ２００４で記憶した相対変位量と第１の相対位置の確定時の相対変位量との差分を算出する。
ステップＳ２００７では、変位量検出部３３は、ステップＳ２００５で算出された第１の相対位置にステップＳ２００６で算出された差分値を加算することで第２の相対位置を算出する。
本実施例では、第１の処理が実行されている間に第２の処理を実行することで、高精度に相対位置を算出することができる。
図１１は、上述した実施例１、２のいずれか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）の構成を示すブロック図である。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絶対位置を検出するために用いている。
図１１において、エンコーダは、スケール１０、センサ２０、位置検出部３０および全体制御部４０を有する。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カム環５０の内周面に取り付けられている。カム環５０は、アクチュエータ（不図示）によって回転駆動される。
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、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を備える。
ＣＰＵ５５は、撮像装置のシステム全体を制御する。イメージセンサ（撮像素子）５６は、、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子により構成され、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。
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の絶対回転位置（つまりは可動レンズ５２の光軸方向での絶対位置）が検出され、その情報がＣＰＵ５５に出力される。
ＣＰＵ５５は、その絶対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。
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。
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。
１０ スケール
１１ 第１の周期パターン
１２ 第２の周期パターン
２０ センサ（検出部）
３０ 位置検出部（処理部）

Claims (10)

  1. 第１の周期パターンおよび前記第１の周期パターンよりも粗い周期を有する第２の周期パターンが設けられたスケールと、
    前記スケールとの相対移動が可能であるとともに、複数の読み取り用の素子における組み合わせを変化させることで前記第１の周期パターンを読み取って前記第１の周期パターンに応じた変化周期を有する第１の信号を出力する第１の検出状態と、前記第２の周期パターンを読み取って前記第２の周期パターンに応じた変化周期を有する第２の信号を出力する第２の検出状態と、の間での切り替えが可能な検出部と、
    前記第１および第２の検出状態のうち一方の検出状態に設定した前記検出部から取り込んだ前記第１および第２の信号のうち一方の信号を用いて前記スケールと前記検出部との相対変位量を算出する第１の処理と、前記第１および第２の検出状態に設定した前記検出部からそれぞれ取り込んだ前記第１および第２の信号の双方を用いて前記スケールと前記検出部のうち一方の部材の他方の部材に対する相対位置を算出する第２の処理と、を実行する処理部と、を有し、
    前記処理部は、前記第１の処理を実行している間に前記第２の処理を実行することで、前記相対位置の算出開始時の前記一方の部材の前記他方の部材に対する第１の相対位置を算出した後、前記相対変位量および前記第１の相対位置に基づいて前記一方の部材の前記他方の部材に対する第２の相対位置を算出することを特徴とするエンコーダ。
  2. 前記処理部は、前記相対位置の算出開始時の前記スケールと前記検出部との相対変位量と前記第１の相対位置を算出した後の前記スケールと前記検出部との相対変位量との差分値を前記第１の相対位置に加算することで前記第２の相対位置を算出することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
  3. 前記第１および第２の信号のそれぞれの位相を算出する位相算出部と、を更に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。
  4. 前記位相算出部が算出した位相を記憶する記憶部と、を更に有することを特徴とする請求項３に記載のエンコーダ。
  5. 前記位相算出部が算出した位相に基づいて、前記スケールと前記検出部との相対移動速度を算出する速度算出部と、を更に有すること特徴とする請求項３または４に記載のエンコーダ。
  6. 前記第１および第２の検出状態のうち、前記第２の処理において最後に設定される検出状態は、前記第１の処理において設定される検出状態と同一であ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。
  7. 前記処理部は、前記第２の処理において、前記第１の検出状態を最後に設定することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のエンコーダ。
  8. 前記処理部は、前記第２の処理において、前記第１の検出状態を最初と最後に設定することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のエンコーダ。
  9. 前記処理部は、前記第２の処理において、
    前記第１および第２の信号を複数の時刻にてサンプリングして前記スケールと前記検出部との相対移動速度を求め、
    前記第１および第２の信号のそれぞれの位相を求め、
    前記相対移動速度と前記時刻を用いて補正した前記位相から前記第１の相対位置を算出することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のエンコーダ。
  10. 請求項１から９のいずれか１項に記載のエンコーダと、
    前記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。
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