JP6147038B2 - 位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、および、工作装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置を検出する位置検出装置（エンコーダ）に関する。

従来から、所定のパターンを有するスケールを被検物の回転軸に取り付け、被検物の回転と連動して回転するスケールのパターンを読み取ることにより被検物の位置（回転変位）を検出するロータリエンコーダ（位置検出装置）が知られている。このようなロータリエンコーダにおいて、スケールの回転中心とパターン中心とが互いにずれていると、１回転で１周期の正弦波状の特性を有する周期的な誤差（偏心誤差）が生じる。

特許文献１には、回転軸に対して互いに１８０度異なる位置に２つのセンサを配置し、２つのセンサから得られる信号を平均化することにより偏心誤差を補正する位置検出器が開示されている。

特開平６−５８７７１号公報

特許文献１の位置検出器によれば、偏心誤差を補正して検出精度を向上させることができる。しかしながら、回転軸を中心として互いに１８０度ずれた位置にセンサを配置する必要がある。このため、センサの保持部材が大きくなり、位置検出装置の小型化が妨げられる。

そこで本発明は、小型かつ高精度な位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、および、工作装置を提供する。

本発明の一側面としての位置検出装置は、被検物の位置を検出する位置検出装置であって、所定の点を中心とする円周上に周期的に形成されたパターンを含み、前記被検物の変位に伴って回転するスケールと、前記スケールに対して相対移動可能なセンサユニットと、前記センサユニットの出力信号を処理して前記被検物の位置情報を取得する信号処理部とを有し、前記センサユニットは、前記スケールの前記所定の点を始点とする半直線上の径方向に該所定の点から第１距離の領域に配置されて前記パターンを検出する第１検出部、および、該所定の点から該第１距離と異なる第２距離の領域に配置されて該パターンを検出する第２検出部を備え、前記信号処理部は、前記第１検出部による第１検出信号に基づいて前記位置情報を取得する位置検出処理部と、前記第１検出信号、前記第２検出部による第２検出信号、前記第１距離、および前記第２距離に基づいて、前記位置情報に含まれる前記スケールの回転中心と前記スケールの所定の点との差による誤差成分を前記位置情報から減算することによって補正位置情報を取得する位置補正部と、を有する。

本発明の他の側面としてのレンズ装置は、光軸方向に変位可能なレンズと、前記レンズの位置を検出するように構成された前記位置検出装置とを有する。

本発明の他の側面としての撮像システムは、前記レンズ装置と、前記レンズを介して光学像の光電変換を行う撮像素子を備えた撮像装置とを有する。

本発明の他の側面としての工作装置は、ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、前記工作機器の位置または姿勢を検出するように構成された前記位置検出装置とを有する。

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、小型かつ高精度な位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、および、工作装置を提供することができる。

実施例１におけるエンコーダ（位置検出装置）の概略構成図である。 実施例１におけるエンコーダの断面（センサとスケールとの位置関係）を示す図である。 実施例１、３における受光部の構成図である。 実施例１における信号処理部のブロック図である。 実施例１において、スケールの回転角度と誤差との関係図である。 実施例１におけるセンサとスケールとの位置関係を示す図である。 実施例１において、スケールの回転角度と誤差との関係図である。 実施例２における信号処理部のブロック図である。 実施例３におけるエンコーダ（位置検出装置）の概略構成図である。 実施例３における信号処理部のブロック図である。 実施例３において、スケールの回転角度と位相との関係図である。 実施例４における撮像装置（撮像システム）の概略構成図である。

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。

まず、図１および図２を参照して、本発明の実施例１におけるエンコーダ（位置検出装置）について説明する。図１は、本実施例におけるエンコーダ１００の概略構成図である。図２は、エンコーダ１００の断面（センサとスケールとの位置関係）を示す図である。エンコーダ１００は、被検物の位置（変位）を検出する位置検出装置であり、特に、反射型の光学式インクリメンタルエンコーダである。

図１に示されるように、エンコーダ１００は、スケール１０、センサ２０、および、信号処理部４０を備えて構成される。スケール１０は、所定の点（パターン中心、または、スケール１０の回転中心）を中心とする円周上に周期的に形成されたパターンを含み、前記被検物の変位に伴って回転する。スケール１０は、回転軸３０（被計測物の回転軸）に取り付けられている。センサ２０（センサユニット）は、固定部材（不図示）に取り付けられており、スケール１０に対して相対移動可能に構成されている。このような構成により、センサ２０は、回転軸３０の回転角度（スケール１０とセンサ２０との相対角度）を検出することができる。

スケール１０には、反射部（図１の黒色部）と非反射部（図１の白抜き部）とを備えたトラック１１（パターン）が形成されている。図２に示されるように、センサ２０は、二つの受光部２１、２２と一つの光源２３とを備えて構成されている。図２は、回転軸３０と垂直な方向からスケール１０とセンサ２０との位置関係を示している。光源２３から照射された光は、トラック１１の反射部で反射し、受光部２１（第１検出部）および受光部２２（第２検出部）へ到達する。

光源２３から受光部２１、２２までの経路のうち、トラック１１に到達した光の位置がトラック１１の読み取り位置である。以下、トラック１１のパターン中心Ｏからトラック１１の読み取り位置までの長さを検出半径という。図２に示されるように、光源２３から受光部２１、２２に到達する経路の検出半径、すなわち、スケール１０の所定の点（パターン中心Ｏ）を始点とする半直線上の径方向の半径（距離）をそれぞれｒ１、ｒ２とする。このように、本実施例のセンサ２０（センサユニット）は、トラック１１の所定の点（パターン中心Ｏ）を始点とする半直線上の径方向にパターン中心Ｏから第１距離（半径ｒ１）の領域に配置されてパターンを検出する受光部２１（第１検出部）を有する。更にセンサ２０は、パターン中心Ｏから第１距離（半径ｒ１）と異なる第２距離（半径ｒ２）の領域に配置されてパターンを検出する受光部２２（第２検出部）を有する。

受光部２１、２２は、それぞれ、複数の受光素子が測長方向（図２の紙面直交方向）に配列して構成されている。スケール１０とセンサ２０との相対位置が変位すると、その変位量に応じて各受光素子における反射光の強度が変化する。センサ２０は、受光部２１、２２のそれぞれについて、反射光強度を２相擬似正弦波信号として出力する。

図３（ｂ）は、受光部２１、２２の概略構成図である。本実施例において、図３（ｂ）に示されるように、受光素子の出力を４つおきにＡ（＋）、Ｂ（＋）、Ａ（−）、Ｂ（−）の４種類に分ける。そして、Ａ＝Ａ（＋）−Ａ（−）、Ｂ＝Ｂ（＋）−Ｂ（−）により、２相擬似正弦波信号Ａ、Ｂを出力する。なお、トラック１１のパターン周期をλ、１つの受光素子の角度検出方向（測長方向）の幅をｄとすると、トラック１１のパターンの像は、受光素子上で２倍に拡大されるため、２λ≒４ｄという関係が成立する。

続いて、図４を参照して、本実施例における信号処理部４０について説明する。図４は、信号処理部４０のブロック図である。信号処理部４０は、センサ２０の出力信号を処理して被検物の位置情報を取得する。また信号処理部４０は、後述のように、受光部２１（第１検出部）による第１検出信号および受光部２２（第２検出部）による第２検出信号に基づいて、被検物の位置情報に含まれるスケール１０の偏心誤差を低減させる。ここで、偏心誤差とは、スケール１０の所定の点（パターン中心）と回転中心との差、すなわち、スケール１０の所定の点と回転中心との間にずれ（偏心）を含む場合に生じる誤差である。また、ここでは仮想的に偏心誤差を低減させる、と述べているが、実際に偏心誤差を低減しているのではなく、位置情報に含まれる偏心誤差によって発生する誤差成分を低減している。その結果、偏心誤差が低減された（或いは無くなった）状態で位置検出を行ったのと同様の位置情報を得ることができる、という効果が得られる。

図４に示されるように、信号処理部４０は、ＡＤコンバータ４１、位相検出処理部４２、角度検出処理部４３、偏心検出処理部４４、および、角度補正処理部４５を備えて構成される。このような構成により、信号処理部４０は、センサ２０の出力信号に基づいて偏心誤差を補正した角度（変位量）を検出する。

続いて、信号処理部４０の角度検出動作について説明する。まず、受光部２１、２２に対応する２組の２相正弦波信号（アナログ信号）をＡＤコンバータ４１によりサンプリングし、デジタル信号に変換する。そして、位相検出処理部４２において、サンプリングした２組の２相正弦波信号（デジタル信号）に対して逆正接演算（ａｒｃｔａｎ演算）を行い、位相を求める。２相正弦波信号は正弦信号ｓｉｎと余弦信号ｃｏｓに相当するため、逆正接演算を行うことで位相が求められる。以降、受光部２１、２２に対応する位相（第１検出信号、第２検出信号）をそれぞれθ１、θ２として説明する。

角度検出処理部４３（位置検出処理部）は、位相検出処理部４２により求められた位相θ１に基づいて、角度を検出する。位相θ１は、トラック１１の反射部および非反射部の１組ごとに０から２πまで連続的に変化し、次の１組を読み取り始める直前に２πから０へ遷移する。角度検出処理部４３は、この遷移を検出して位相の変化量を算出し、位相の変化量に基づいて角度を求める。

例えば、トラック１１が３６０度で９０周期、すなわち位相２πの変化が４度に相当する場合を考える。このとき、初期位相がπ／２であり、その状態から角度が増加する方向に位相が２周期遷移した後、位相が３π／２を示すとすると、合計で５πの位相変化が生じるため、この位相変化を角度に換算して２０度である求められる。より一般的に、位相の変化量を求めるには、定期的に位相を検出し、直前に検出した位相と最新の位相との差分を累積すればよく、ｉ回目の位相θｉ検出時におけるｉ回目までの位相変化量ｓ（ｉ）は、以下の式（１）のように表される。ただし、ｓ（０）＝０、θ（０）＝０、ｉは自然数とする。

ｓ（ｉ）＝ｓ（ｉ−１）＋（θ（ｉ）−θ（ｉ−１）） …（１）
そして、トラック１１の周期に合わせて、角度検出処理部４３は、位相変化量ｓ（ｉ）を角度（位置）に換算する。トラック１１の周期と角度の比をｋとすると、角度はｋ・ｓ（ｉ）として表される。このように、角度検出処理部４３（位置検出処理部）は、受光部２１による第１検出信号に基づいて被検物の位置情報を取得する。

偏心検出処理部４４（偏心誤差算出部）は、検出半径ｒ１、ｒ２および位相θ１、θ２を用いて、位相θ１に含まれる誤差ｅ１を算出する。ここで、図５を参照して、偏心量がεである場合において、受光部２１、２２に対応する検出角度に含まれる誤差について説明する。図５は、スケール１０の回転角度と誤差との関係図である。図５において、点線（Ａ）は受光部２１、実線（Ｂ）は受光部２２により得られた検出角度に含まれる誤差をそれぞれ示している。また、破線（Ｃ）は、点線（Ａ）と実線（Ｂ）との差分である。

本実施例において、受光部２１、２２に対応する半径（検出半径）はそれぞれｒ１、ｒ２である。また、受光部２１、２２のそれぞれについて、トラック１１の読み取り位置の角度は回転軸３０を基準として互いに等しい。このため、受光部２１、２２による検出誤差の最大値は、それぞれε／ｒ１、ε／ｒ２となる。また、回転角度と誤差との関係は、スケール１０の１回転に対して１周期の同位相の誤差プロファイルを有する。このため、検出半径がｒ、偏心がεの場合に検出角度に含まれる誤差をｅとすると、誤差ｅは以下の式（２）で表される。式（２）において、αは定数である。

ｅ＝（ε／ｒ）・ｓｉｎ（θ＋α） …（２）
そこで、２つの誤差の差分、すなわち受光部２１、２２に対応する位相θ１、θ２の差分θ１−θ２を求めると、図５中の破線（Ｃ）に示される差分を求めることができる。このとき、式（２）を利用して、差分θ１−θ２は、以下の式（３）のように表される。

θ１−θ２＝（ε／ｒ１−ε／ｒ２）・ｓｉｎ（θ＋α） …（３）
破線（Ｃ）で示される差分も、点線（Ａ）および実線（Ｂ）と同位相で振幅が異なる誤差プロファイルとなる。点線（Ａ）および実線（Ｂ）で示される振幅の比は、検出半径ｒ１、ｒ２のみに依存する。このため、以下の式（４）で表されるように誤差ｅ１（偏心誤差）を算出することができる。

ｅ１＝（ε／ｒ１）・ｓｉｎ（θ＋α）＝（θ１−θ２）・（ｒ２／（ｒ２−ｒ１）） …（４）
このように、偏心検出処理部４４（偏心誤差算出部）は、受光部２１による第１検出信号、受光部２２による第２検出信号、半径ｒ１（第１距離）、および、半径ｒ２（第２距離）に基づいて偏心誤差を算出する。

角度補正処理部４５（位置補正部）は、角度検出処理部４３で求めた角度ｋ・ｓ（ｉ）から偏心検出処理部４４で求めた誤差ｅ１を減じて、補正角度（偏心誤差を低減した角度）を求める。すなわち角度補正処理部４５（位置補正部）は、角度検出処理部４３で取得された位置情報から偏心検出処理部４４で算出された偏心誤差を減算して補正位置情報を取得する。このように、本実施例の信号処理部４０によれば、誤差（偏心誤差）を低減してより高精度な角度を検出することができる。

本実施例において、受光部２１、２２によるトラック１１の読み取り位置は、回転軸３０を基準として互いに角度が等しいものとしているが、本実施例はこれに限定されるものではない。受光部２１、２２によるトラック１１の読み取り位置が互いに異なる場合（互いに同一角度でない場合）にも、偏心に対する検出角度の相対的な変位量から生じる受光部２１、２２における検出回転角度の相対オフセット量を特定することができる。このため、このような場合においても、偏心誤差補正を行うことは可能である。

例えば、スケール１０とセンサ２０との位置関係が、図６に示されるように、回転軸３０と平行に光源２３を通る軸を中心に回転傾きを含む場合（角度差φだけ傾いている場合）を考える。このとき、受光部２１、２２に対応するそれぞれの読み取り位置は、回転傾きを含まない場合の位置からずれる。

図７は、図６に示されるような回転傾きを含む場合における、スケール１０の回転角度と誤差との関係図である。図７において、点線（Ａ）は受光部２１、実線（Ｂ）は受光部２２により得られた検出角度に含まれる誤差をそれぞれ示している。図７に示されるように、位相θ１、θ２の誤差プロファイルは、読み取り位置の周方向（測長方向）へのずれ量に対応して、オフセット量ｃ１、ｃ２を含む。受光部２１、２２に対応する読み取り位置の角度差をφとすると、φ＝ｃ１−ｃ２となる。そして、位相θ１、θ２の誤差プロファイルは、式（２）と同様に、以下の式（５）、（６）で表される。

（ε／ｒ１）・ｓｉｎ（θ＋α１）＋ｃ１ …（５）
（ε／ｒ２）・ｓｉｎ（θ＋α２）＋ｃ２ …（６）
ここで、センサ２０の傾きによる周方向の検出位置のずれ量は、検出回転角度に対して十分小さいため、α１≒α２が成立する。このため、位相θ１、θ２の差分θ１−θ２は、以下の式（７）のように近似される。そして、受光部２１に対応する位相の誤差は、以下の式（８）で求められる。

θ１−θ２≒（ε／ｒ１−ε／ｒ２）・ｓｉｎ（θ＋α１）＋φ …（７）
（ε／ｒ１）・ｓｉｎ（θ＋α）＝（θ１−θ２−φ）・（ｒ２／（ｒ２−ｒ１）） …（８）
スケール１０とセンサ２０とのアライメントに誤差が生じると、式（７）の最大値と最小値との平均値となる項（角度差φ）がゼロでなくなる。本実施例では、この量（角度差φ）を特定することにより、読み取り位置のずれ量、すなわちアライメントずれを検出して補正（低減）することができる。このように信号処理部４０は、更に、スケール１０の周方向（スケール１０の径方向と垂直な方向である測長方向）における、半径ｒ１（第１距離）の領域と半径ｒ２（第２距離）の領域との差を低減することもできる。ここで、この差は、周方向における半径ｒ１、ｒ２の領域の位置ずれにより生じる誤差である。このとき、式（７）中の、α１≒α２を満たすものとして導かれた項（ε／ｒ１−ε／ｒ２）・ｓｉｎ（θ＋α１）により、偏心量を検出して偏心誤差を補正（低減）することが可能である。

次に、図８を参照して、本発明の実施例２におけるエンコーダ（位置検出装置）について説明する。図８は、本実施例におけるエンコーダの信号処理部４０ａの概略構成図である。本実施例の信号処理部４０ａは、補正テーブルを用いて検出位置を補正、すなわち偏心誤差を低減する点で、実施例１の信号処理部４０と異なる。このため、図８に示されるように、信号処理部４０は補正テーブル４６（補正値記憶部）を有する。

補正テーブル４６には、複数の位置（位置情報）すなわち複数の検出角度と、各々の位置（位置情報）に対応する補正値（偏心誤差を低減するための値）とが予め記憶されている。角度補正処理部４５は、角度検出処理部４３で紙疎くされた位置情報すなわち角度（検出角度）および補正テーブル４６に記憶された補正値に基づいて、誤差（偏心誤差）を補正（低減）した角度、すなわち補正位置情報を求める。

角度検出処理部４３で求められた角度をｊ、補正テーブル４６に記憶されている角度ｊに対応する補正値をｃ（ｊ）、角度補正処理部４５で求められる補正角度をｘ（ｊ）とすると、補正角度ｘ（ｊ）は以下の式（９）のように求められる。

ｘ（ｊ）＝ｊ−ｃ（ｊ） …（９）
本実施例において、補正テーブル４６に補正値を記憶するには、角度検出処理部で検出された角度ｊと偏心検出処理部４４で求められた誤差ｅ（補正値ｃ（ｊ））との組み合わせを記憶すればよい。また、角度ｊとその角度に対応する補正値との組み合わせの全てを補正テーブル４６に記憶する代わりに、一部の値を記憶することなく間引くことも可能である。このとき、補正テーブル４６に角度ｊに対応する補正値ｃ（ｊ）が存在しない場合がある。そこで、例えば、補正テーブル４６に記憶されている角度ｋ、ｌ（ｋ＜ｊ＜ｌ）に対応する補正値ｃ（ｋ）、ｃ（ｌ）を利用して、以下の式（１０）で表されるように、角度ｊに対応する補正値ｃ（ｊ）を線形補間により求めて補正を行う。

ｃ（ｊ）＝（ｃ（ｋ）・（ｌ−ｊ）＋ｃ（ｌ）・（ｊ−ｋ））／（ｌ−ｋ） …（１０）
また、補正テーブル４６に記憶するデータ量を減らすため、関数へのフィッティングを行ってもよい。誤差ｅ（偏心誤差）は、スケール１０の１回転あたり１周期を有し、検出半径ｒは一定である。このため、以下の式（１１）で表されるように誤差ｅを近似的に求めることができる。

ｅ＝ε／ｒ・ｓｉｎ（ｊ＋α） …（１１）
このとき、補正テーブル４６には、偏心量ε、定数αの値を記憶すればよい。

次に、図９を参照して、本発明の実施例３におけるエンコーダ（位置検出装置）について説明する。図９は、本実施例におけるエンコーダ１００ａの概略構成図である。本実施例のエンコーダ１００ａは、スケール１０ａとセンサ２０との相対変位（相対位置）を検出するアブソリュートエンコーダ（アブソリュート型の位置検出装置）である。

図９に示されるように、本実施例のスケール１０ａには、トラック１２（第１トラック）およびトラック１３（第２トラック）が設けられている。トラック１２、１３は、センサ２０に対して連動して変位する。トラック１２は、互いに異なるピッチＰ１（第１周期）およびピッチＰ２（第２周期）の格子パターン（第１パターン、第２パターン）を備えて構成される（ピッチＰ１、Ｐ２の格子パターンが多重されている）。またトラック１３は、互いに異なるピッチＱ１（第３周期）およびピッチＱ２（第４周期）の格子パターン（第３パターン、第４パターン）を備えて構成される（ピッチＱ１、Ｑ２の格子パターンが多重されている）。

トラック１２の格子パターンは、ピッチＰ１、Ｐ２がそれぞれ５４４周期／回転、１２８周期／回転で形成されている。またトラック１３の格子パターンは、ピッチＱ１、Ｑ２がそれぞれ４９５周期／回転、１３２周期／回転で形成されている。本実施例において、受光部２１、２２はスケール１０ａとセンサ２０との相対変位を検出し、受光素子の出力をＡ（＋）、Ｂ（＋）、Ａ（−）、Ｂ（−）の４種類に分ける。そして、Ａ＝Ａ（＋）−Ａ（−）、Ｂ＝Ｂ（＋）−Ｂ（−）を用いて、２相擬似正弦波信号Ａ、Ｂを出力する。また本実施例において、センサ２０は、受光素子の配列選択機能を有する。このため、センサ２０は、ピッチＰ１、Ｐ２およびピッチＱ１、Ｑ２をそれぞれ選択的に検出することができる。

続いて、図３を参照して、各ピッチの格子パターンの読み出し方法について説明する。図３は、受光部の構成図である。図３（ａ）は、ピッチＰ１の格子パターンを読み出す際における、受光素子と対応する出力との関係を示している。ピッチＰ１の格子パターンを読み出す際に、互いに直交する２相擬似正弦波信号を生成するには、Ｐ１／２ずれた位置の受光量を出力すればよい。このため、図３（ａ）に示されるように、受光素子の１つおきの出力を順にＡ（＋）、Ｂ（＋）、Ａ（−）、Ｂ（−）とする。同様に、ピッチＰ２の格子パターンを読み出す際には、図３（ｂ）に示されるように、受光素子の４つおきの出力を順にＡ（＋）、Ｂ（＋）、Ａ（−）、Ｂ（−）とする。このように構成することにより、各ピッチにおいて、２相擬似正弦波信号をそれぞれ出力することができる。

センサ２０は、受光部２１、２２上での特定位置における反射光強度を信号として出力する。このため、センサ２０の検出周期とスケール１０ａに形成されたパターンの周期（ピッチ）とが多少ずれていても、センサ２０からスケール１０ａに形成されたパターンピッチに対応する周期の信号が出力される。したがって、センサ２０の検出周期がＰ１の場合、受光部２１からピッチＰ１の２相擬似正弦波信号が出力され、受光部２２からピッチＱ１の２相擬似正弦波信号が出力される。同様に、センサ２０の検出周期が４×Ｐ１の場合、受光部２１からピッチＰ２の２相擬似正弦波信号が出力され、受光部２２からピッチＱ２の２相擬似正弦波信号が出力される。このように、受光部２１（第１検出部）はトラック１２（のパターン）を検出し、受光部２２（第２検出部）はトラック１３（のパターン）を検出する。

続いて、図１０を参照して、本実施例における信号処理部４０ｂの動作について説明する。図１０は、信号処理部４０ｂのブロック図である。本実施例では、トラック１２、１３の４種類のピッチに応じた信号が検出されるため、信号処理部４０ｂの動作は実施例１、２の信号処理部４０、４０ａと異なる。

まず、センサ２０の検出周期をＰ１とし、センサ２０からトラック１２、１３に含まれるピッチＰ１、Ｑ１のパターン（格子パターン）に対応する２組の２相正弦波信号が出力される状態とする。そして、ＡＤコンバータ４１により、４つの信号をサンプリングする。続いて、センサ２０の検出周期を４×Ｐ１とし、ＡＤコンバータ４１によりトラック１２、１３に形成されているピッチＰ２、Ｑ２のパターンに対応する２組の２相正弦波信号をサンプリングする。

位相検出処理部４２は、ＡＤコンバータ４１でサンプリングした４組の２相信号に基づいて、４つの位相θＰ１、θＱ１、θＰ２、θＱ２を求める。４つの位相θＰ１、θＱ１、θＰ２、θＱ２は、実施例１、２と同様に、逆正接演算（ａｒｃｔａｎ演算）により求められる。アブソリュート検出処理部４７は、４つの位相θＰ１、θＱ１、θＰ２、θＱ２に対してバーニア演算を行い、角度を求める。

続いて、図１１を参照して、スケール１０ａの角度（回転角度）と位相との関係について説明する。図１１は、スケール１０ａの回転角度と位相との関係図である。図１１において、横軸は角度、縦軸は角度に対応する位相を示している。

図１１（ａ）、（ｂ）は、位相θＰ１、θＰ２に関して示している。位相θＰ１、θＰ２は、ピッチＰ１、Ｐ２に対応する位相であり、トラック１２上に５４４、１２８周期／回転でそれぞれ形成されている。このため、位相θＰ１、θＰ２においても、周期が約４倍の関係となっている。そこで、以下の式（１２）で表されるように、位相θＰ２を４倍して２πで正規化した位相信号θＰ３を求める。また、以下の式（１３）で表されるように、位相θＰ１と位相θＰ３との位相差信号θＰ４を求める。

θＰ３＝ＭＯＤ（θＰ２×４，２π） …（１２）
θＰ４＝ＭＯＤ（θＰ１−θＰ３，２π） …（１３）
ただし、ＭＯＤ（ｘ，ｙ）は、ｘをｙで割ったときの剰余を表す。このとき、位相信号θＰ３および位相差信号θＰ４は、それぞれ、図１１（ｃ）、（ｄ）に示されるように求められる。位相信号θＰ３は、１２８周期／回転の位相θＰ２を４倍しているため、５１２周期／回転の信号となる。位相差信号θＰ４は、５４４周期／回転の信号と５１２周期／回転の信号の周期差を有する３２周期／回転の信号となる。

位相θＰ２および位相差信号θＰ４は、それぞれ、１２８、３２周期であるが、位相差信号θＰ４は、式（１２）で表されるように、位相θＰ２を４倍して算出された値である。このため、誤差も４倍になり、位相θＰ２に対して誤差が大きい。そこで、以下の式（１４）で表されるように、位相θＰ２の精度を有する３２周期の信号θＰ５を求める。

θＰ５＝ＲＯＵＮＤ（（４×θＰ４−θＰ２）／（２π））×２π／４＋θＰ２／４ …（１４）
ただし、ＲＯＵＮＤ（ｘ）はｘの小数点以下第一位を四捨五入して整数に丸めることを表す。

５４４、３２周期を有する位相θＰ１および信号θＰ５についても、同様に、以下の式（１５）で表されるように、位相θＰ１の精度を有する３２周期の信号θＰ６を求める。

θＰ６＝ＲＯＵＮＤ（（１７×θＰ５−θＰ１）／（２π））×２π／１７＋θＰ１／１７ …（１５）
また、位相θＱ１、θＱ２は、それぞれ、４９５、１３２周期／回転である。このため、以下の式（１６）で表されるように、位相θＱ２を４倍して２πで正規化した位相信号θＱ３を求める。また、以下の式（１７）で表されるように、位相θＱ１と位相信号θＱ３との位相差信号θＱ４を求める。また、以下の式（１８）で表されるように、位相θＱ２と同じ精度を有する信号θＱ５を求める。また、以下の式（１９）で表されるように、位相θＱ１と同じ精度を有する信号θＱ６を求める。

θＱ３＝ＭＯＤ（θＱ２×４，２π） …（１６）
θＱ４＝ＭＯＤ（θＱ３−θＱ１，２π） …（１７）
θＱ５＝ＲＯＵＮＤ（（４×θＱ４−θＱ２）／（２π））×２π／４＋θＱ２／４ …（１８）
θＱ６＝ＲＯＵＮＤ（（１５×θＱ５−θＱ１）／（２π））×２π／１５＋θＱ１／１５ …（１９）
ここで、信号θＰ６、θＱ６は、それぞれ、３２周期／回転、３３周期／回転であるから、以下の式（２０）で表されるように、信号θＰ６と信号θＱ６との位相差θ７を求める。

θ７＝ＭＯＤ（θＱ６−θＰ６，２π） …（２０）
位相差θ７は、３２周期／回転と３３周期／回転の周期差である１周期／回転の信号となるため、角度を表す。しかし、位相差θ７は、信号θＰ６、θＱ６に対して誤差が大きい。このため、以下の式（２１）、（２２）で表されるように、信号θＰ６、θＱ６の精度を有する信号θＰ８、θＱ８をそれぞれ求める。信号θＰ８、θＱ８はともに、１周期／回転の信号であり、角度を表す。

θＰ８＝ＲＯＵＮＤ（（３２×θ７−θＰ６）／（２π））×２π／３２＋θＰ６／３２ …（２１）
θＱ８＝ＲＯＵＮＤ（（３３×θ７−θＱ６）／（２π））×２π／３３＋θＱ６／３３ …（２２）
偏心検出処理部４４は、信号θＰ８、θＱ８に基づいて偏心誤差を求める。信号θＰ８、θＱ８は角度を表しているため、偏心がない場合にはθＰ８＝θＱ８となるが、偏心がある場合にはその偏心に応じた誤差が含まれる。ここで、信号θＰ８と信号θＱ８との差分θＰ８−θＱ８は、式（３）と同様に、以下の式（２３）のように表される。

θＰ８−θＱ８＝（ε／ｒ１−ε／ｒ２）ｓｉｎ（θ＋α） …（２３）
このとき、受光部２１に対応する信号θＰ８には、以下の式（２４）で表される誤差が含まれていると考えられる。偏心検出処理部４４は、この誤差を算出する。

ε／ｒ１・ｓｉｎ（θ＋α）＝（θＰ８−θＱ８）（ｒ２／（ｒ２−ｒ１）） …（２４）
角度補正処理部４５は、偏心検出処理部４４で求められた誤差（偏心誤差）を信号θＰ８から減じた角度を求める。以上により、誤差を補正した位置（誤差を低減した位置）を求めることができる。

本実施例のエンコーダ１００ａは、絶対位置の検出が可能なアブソリュート型の位置検出装置である。ここでいう絶対位置とは、パターン（およびそれが形成された被測定物）の検出手段（センサユニット）に対する相対的な位置、または、移動する被測定物の固定部に対する相対的な位置を意味している。アブソリュート型の位置検出装置は、検出手段における一度の測定によって、両者の相対的な位置（本実施例における「絶対位置」）を検出することが可能な装置である。一方、実施例１、２のエンコーダは、本実施例のようなアブソリュート型の位置検出装置とは異なり、検出手段による測定では位置変化しか分からないインクリメント型の位置検出装置である。インクリメント型の位置検出装置は、別途設けられた原点検出装置（相対的な位置が一義的に決められる装置）の結果と合わせて絶対位置を決定することができる。

本実施例においても、実施例１と同様に、受光部２１、２２がトラック１１の読み取り位置にずれが生じた場合には、式（２３）にオフセット量が発生する。このため、このオフセット量を検出して補正するように構成してもよい。また、実施例２と同様に、補正テーブルを用いて誤差を補正してもよい。

次に、図１２を参照して、本発明の実施例４について説明する。本実施例は、上記各実施例におけるエンコーダ（位置検出装置）を搭載したレンズ装置（レンズ鏡筒）に関する。図１２は、本実施例における撮像装置（撮像システム）の概略構成図である。

図１２において、５１はレンズ群、５２は駆動レンズ（レンズ）、５３はセンサユニット、５４はＣＰＵ、５５は撮像素子である。センサユニット５３は、上記各実施例のセンサ２０に相当する。またＣＰＵ５４は、各実施例の信号処理部４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）に相当する。位置検出装置（エンコーダ）は、駆動レンズ５２の位置（変位）を検出するように構成されている。撮像素子５５は、レンズ群５１（駆動レンズ５２）を介して被写体像（光学像）の光電変換を行う。レンズ群５１、センサユニット５３、および、ＣＰＵ５４はレンズ装置（レンズ鏡筒）に設けられており、撮像素子５５は撮像装置本体に設けられている。このように本実施例のレンズ装置は、撮像装置本体に対して交換可能に構成されている。ただし、本実施形態はこれに限定されるものではなく、レンズ装置と撮像装置本体とが一体的に構成された撮像装置（撮像システム）にも適用可能である。

レンズ群５１を構成する駆動レンズ５２は、例えばオートフォーカス用のフォーカスレンズであり、光軸ＯＡの方向（光軸方向）であるＹ方向に変位可能である。駆動レンズ５２は、ズームレンズなどの他の駆動レンズでもよい。上記各実施形態における位置検出装置の円筒体５０（可動部）は、駆動レンズ５２を駆動するアクチュエータ（不図示）と連結されている。アクチュエータまたは手動により、円筒体５０を光軸ＯＡの周りに回転させると、スケール１０はセンサユニット５３に対して相対的に変位する。また、これに伴い、駆動レンズ５２が光軸方向であるＹ方向（矢印方向）に駆動される。位置検出装置（エンコーダ）のセンサユニット５３から得られる駆動レンズ５２の位置（変位）に応じた信号（エンコーダ信号）は、ＣＰＵ５４に出力される。ＣＰＵ５４からは、駆動レンズ５２が所望の位置へ移動するための駆動信号が生成され、駆動レンズ５２はその駆動信号に基づいて駆動される。

また、各実施例における位置検出装置は、レンズ装置や撮像装置以外の種々の装置にも適用可能である。例えば、ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、工作機器の位置または姿勢を検出する各実施形態の位置検出装置とを有する工作装置を構成することができる。これにより、ロボットアームまたは搬送体の位置を高精度に検出して、高精度な加工が可能となる。

上記各実施例によれば、偏心誤差を補正するために、複数のセンサを径方向に隣接させて配置することができるため、センサの保持部材を小型化することが可能となる。また、必要に応じて、センサの傾き（パターン中心を始点とする半直線の方向に対するセンサの取り付け傾き）も検出して補正することができる。このように各実施例によれば、小型かつ高精度な位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、および、工作装置を提供することができる。

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
２０ センサ
４０ 信号処理部
１００ エンコーダ

Claims (11)

1. 被検物の位置を検出する位置検出装置であって、
   所定の点を中心とする円周上に周期的に形成されたパターンを含み、前記被検物の変位に伴って回転するスケールと、
   前記スケールに対して相対移動可能なセンサユニットと、
   前記センサユニットの出力信号を処理して前記被検物の位置情報を取得する信号処理部と、を有し、
   前記センサユニットは、前記スケールの前記所定の点を始点とする半直線上の径方向に該所定の点から第１距離の領域に配置されて前記パターンを検出する第１検出部、および、該所定の点から該第１距離と異なる第２距離の領域に配置されて該パターンを検出する第２検出部を備え、
   前記信号処理部は、前記第１検出部による第１検出信号に基づいて前記位置情報を取得する位置検出処理部と、
   前記第１検出信号、前記第２検出部による第２検出信号、前記第１距離、および前記第２距離に基づいて、前記位置情報に含まれる前記スケールの回転中心と前記スケールの所定の点との差による誤差成分を前記位置情報から減算することによって補正位置情報を取得する位置補正部と、を有することを特徴とする位置検出装置。
2. 前記信号処理部は、更に、前記スケールの周方向における前記第１距離の領域と前記第２距離の領域との差を低減することを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記偏心誤差算出部は、前記偏心誤差をｅ１、前記第１検出信号をθ１、前記第２検出信号をθ２、前記第１距離をｒ１、前記第２距離をｒ２とするとき、
   ｅ１＝（θ１−θ２）・（ｒ２／（ｒ２−ｒ１））
   で表される式を用いて前記偏心誤差を算出することを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
4. 前記信号処理部は、
   前記位置情報と該位置情報に対応する補正値を記憶する補正値記憶部を有し、
   前記位置補正部は、前記位置検出処理部で取得された前記位置情報および前記補正値記憶部に記憶された前記補正値に基づいて補正位置情報を取得することを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
5. 前記位置検出装置は、アブソリュート型の位置検出装置であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の位置検出装置。
6. 前記パターンは、第１周期の第１パターンおよび該第１周期と異なる第２周期の第２パターンを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の位置検出装置。
7. 前記スケールには第１トラックおよび第２トラックが設けられており、
   前記第１検出部は前記第１トラックを検出し、
   前記第２検出部は前記第２トラックを検出することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の位置検出装置。
8. 前記偏心誤差算出部は、前記偏心誤差をｅ１、前記第１検出信号をθ１、前記第２検出信号をθ２、前記第１距離をｒ１、前記第２距離をｒ２とし、前記第１検出部による前記パターンの読取り位置と前記第２検出部による前記パターンの読取り位置が前記スケールの回転中心を基準として互いに角度φだけ異なるとき、
   ｅ１＝（θ１−θ２−φ）・（ｒ２／（ｒ２−ｒ１））
   で表される式を用いて前記偏心誤差を算出することを特徴とする請求項２に記載の位置検出装置。
9. 光軸方向に変位可能なレンズと、
   前記レンズの位置を検出するように構成された、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の位置検出装置と、を有することを特徴とするレンズ装置。
10. 請求項９に記載のレンズ装置と、
    前記レンズを介して光学像の光電変換を行う撮像素子を備えた撮像装置と、を有することを特徴とする撮像システム。
11. ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、
    前記工作機器の位置または姿勢を検出するように構成された、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の位置検出装置と、を有することを特徴とする工作装置。