JP2011220864A - Optical reference position detection type encoder - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学式基準位置検出型エンコーダに係り、特に、電源を投入しただけで、スケールと検出器を相対移動させることなく、静止した状態で原点等の基準位置を検出することが可能な光学式基準位置検出型エンコーダに関する。 The present invention relates to an optical reference position detection type encoder, and in particular, it is possible to detect a reference position such as an origin in a stationary state without turning the scale and detector relative to each other simply by turning on the power. The present invention relates to an optical reference position detection type encoder.
従来、光学式エンコーダは、原点検出のため、特許文献1に例示されるように、検出器側には原点検出用の発光素子、光学系及び受光素子を配置し、一方、スケール側には所定の原点パターンを配置する構成となっている。この構成によれば、スケールと検出器を相対移動させると、スケール上の原点パターンが検出部を横切る際に、例えば特許文献1の図5や図13に例示されるような、デルタ関数的なピーク信号が生成され、予め適切な閾値を設定しておくことにより、原点の検出が可能である。
Conventionally, an optical encoder is provided with a light emitting element, an optical system, and a light receiving element for detecting an origin on the detector side, and a predetermined value on the scale side, as illustrated in
又、特許文献2や3に記載されているように、参照マークをスケール上に複数配置し、その配置ピッチを不等として特徴的にずらすことにより、擬似的に絶対位置(ABS)検出を行なう光学式エンコーダも実用化されている。
Further, as described in
又、出願人は特許文献4や5で、明暗の等間隔の配列ピッチPiで形成されたインクリメンタル(INC)パターンと、擬似ランダムパターンにより絶対位置を表現したアブソリュート(ABS)パターンとに加え、アブソリュートパターンに対し所定の位相関係を有し、且つ明暗の等間隔の配列ピッチPr(>Pi)で形成された位置基準パターンを備えた、3トラックによる光学式絶対位置測長型エンコーダを提案している。 In addition to the incremental (INC) pattern formed by the arrangement pitch Pi of light and dark equal intervals and the absolute (ABS) pattern in which the absolute position is expressed by a pseudo-random pattern in Patent Documents 4 and 5, the applicant has disclosed an absolute. Proposing a three-track optical absolute position measurement encoder with a position reference pattern that has a predetermined phase relationship with the pattern and is formed with a light and dark equidistant arrangement pitch Pr (> Pi) Yes.
しかしながら、いずれにしても、原点等の基準位置や配置ピッチを検出するためには、スケールと検出器を相対移動させる必要があり、電源を投入しただけでは、原点等の基準位置や配置ピッチを検出することはできなかった。 However, in any case, in order to detect the reference position such as the origin and the arrangement pitch, it is necessary to move the scale and the detector relative to each other. It could not be detected.
又、特許文献4や5で提案した3トラック(ABS、位置基準、INC)による光学式絶対位置測長型エンコーダにおいては、撮像された位置基準パターンから位置情報を取り出す際に、パターンの一致の検出に画像相関を用いる手法が用いられる。この手法は、自己に記憶されている参照パターンと、撮像から得られた検出パターンとの「差」、または「積」を計算することにより得られる相関関数上で、1本の相関ピークを発生させるという方法である。 In addition, in the optical absolute position length measurement type encoder based on the three tracks (ABS, position reference, INC) proposed in Patent Documents 4 and 5, when position information is extracted from the imaged position reference pattern, pattern matching A technique using image correlation is used for detection. This method generates a single correlation peak on the correlation function obtained by calculating the "difference" or "product" between the reference pattern stored in itself and the detection pattern obtained from imaging. It is a method of letting.
理論上、この画像相関を行なう際に1本の線を位置基準パターンとして用いることで必要十分条件を満たせるため、従来は1本パターンを位置基準パターンとして用いてきた。しかし、1本パターンでは、エッジが2つしかないため、精度向上が困難であるだけでなく、ノイズの影響により、相関ピークの崩れ、埋もれにより精度の劣化する可能性が高くなるという問題点があった。 Theoretically, since a necessary and sufficient condition can be satisfied by using a single line as a position reference pattern when performing this image correlation, conventionally, a single pattern has been used as the position reference pattern. However, since there are only two edges in one pattern, it is not only difficult to improve the accuracy, but there is a problem that the accuracy of the correlation peak is degraded due to the influence of noise and the accuracy is deteriorated due to the embedding. there were.
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、電源を投入するだけで、スケールと検出器を相対移動させることなく、静止した状態で原点等の基準位置を検出可能とすることを第1の課題とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and it is possible to detect a reference position such as an origin in a stationary state by simply turning on the power without moving the scale and the detector relative to each other. This is the first problem.
本発明は、又、検出精度の向上を図るとともに、スケール上のゴミ等によるノイズの影響を受け難くすることを第2の課題とする。 The second object of the present invention is to improve detection accuracy and make it less susceptible to noise caused by dust on the scale.
本発明は、相対移動可能な検出器とスケールを備え、検出器側には基準位置検出用の発光素子、光学系及び受光素子を配置し、スケール側には所定の位置基準パターンを配置した光学式基準位置検出型エンコーダにおいて、前記受光素子を測長方向に伸びるアレイ状とし、該アレイ状受光素子の出力を電気的に掃引して設計値との相関をとることで、スケールと検出器を相対移動させることなく、静止した状態で基準位置を検出可能として、前記第1の課題を解決したものである。 The present invention includes a detector and a scale that can move relative to each other, a light emitting element for detecting a reference position, an optical system, and a light receiving element are arranged on the detector side, and a predetermined position reference pattern is arranged on the scale side. In the reference position detection type encoder, the light receiving element is formed in an array extending in the length measuring direction, and the output of the arrayed light receiving element is electrically swept to correlate with the design value. The first problem can be solved by making it possible to detect the reference position in a stationary state without relative movement.
ここで、前記位置基準パターンを、所定の関係に従って測長方向に配置された複数の線で構成することにより、前記第2の課題を解決することができる。 Here, the second problem can be solved by configuring the position reference pattern with a plurality of lines arranged in the length measuring direction according to a predetermined relationship.
前記位置基準パターンを構成する線を、バーカー系列符号、M系列符号、ゴールド系列符号、あるいはランダム符号系列に従って配置することができる。 The lines constituting the position reference pattern can be arranged according to a Barker sequence code, an M sequence code, a Gold sequence code, or a random code sequence.
又、前記ランダム符号系列に従って配置された位置基準パターンをランダムあるいは等間隔に分割することができる。 Further, the position reference pattern arranged according to the random code sequence can be divided randomly or at equal intervals.
又、前記ランダム符号系列に従って配置された位置基準パターンのエッジの位置を、パターン線幅の±1/2の範囲で測長方向にずらすことができる。 Further, the position of the edge of the position reference pattern arranged according to the random code sequence can be shifted in the length measuring direction within a range of ± 1/2 of the pattern line width.
又、前記位置基準パターンを、測長方向に異なる間隔で複数配置し、前記アレイ状受光素子により少なくとも2つの位置基準パターンを同時に検出可能とすることができる。 Further, a plurality of the position reference patterns can be arranged at different intervals in the length measurement direction, and at least two position reference patterns can be detected simultaneously by the arrayed light receiving element.
あるいは、前記位置基準パターンを、測長方向に同じ間隔で複数配置することができる。 Alternatively, a plurality of the position reference patterns can be arranged at the same interval in the length measurement direction.
又、前記相関を、設計値との乗算による相関とすることができる。 Further, the correlation can be a correlation by multiplication with a design value.
あるいは、前記相関を、設計値との減算による相関とすることができる。 Alternatively, the correlation can be a correlation by subtraction with a design value.
本発明によれば、電源を投入するだけで、スケールと検出器を相対移動させることなく、静止した状態で原点等の基準位置を検出することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to detect a reference position such as an origin in a stationary state without turning the scale and the detector relative to each other by simply turning on the power.
又、前記位置基準パターンを、所定の関係に従って測長方向に配置された複数の線で構成することにより、画像相関によるパターンの一致の検出にあたり、鋭い相関ピークを発生させて、位置基準パターンの検出精度の向上を図るとともに、スケール上のゴミ等によるノイズの影響を受け難くすることができる。 In addition, the position reference pattern is composed of a plurality of lines arranged in the length measurement direction according to a predetermined relationship, so that a sharp correlation peak is generated in detecting a pattern match by image correlation. It is possible to improve the detection accuracy and make it less susceptible to noise caused by dust on the scale.
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る光学式エンコーダの全体構成を示す概略図である。本実施形態の光学式エンコーダは、発光素子11と、スケール12と、レンズ13と、フォトダイオードアレイ14と、信号処理回路20とを備えて構成されている。
[First embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of the optical encoder according to the first embodiment of the present invention. The optical encoder of this embodiment includes a
発光素子11は、コヒーレント光を出射する光源、例えばレーザダイオードである。
The
スケール12は、図2に示すように、透明ガラス基板上に、明暗の等間隔な配列ピッチPi(例えば40μm)で形成されたインクリメンタルパターン31からなるインクリメンタルトラック301と、測長方向に異なる間隔で位置基準パターン33が複数配置された位置基準トラック303とを形成して構成される。
As shown in FIG. 2, the
位置基準パターン33は、図3に例示する如く、(A)1本線パターン、(B)所定パターン、(C)M系列符号パターンとすることができる。
As illustrated in FIG. 3, the
発光素子11は、このスケール12を照射し、スケール12を透過した照射光は、レンズ13を介してフォトダイオードアレイ14上に投影される。
The
図4に示すように、例えばCMOSで構成されるフォトダイオードアレイ14は、インクリメンタルトラック301及び位置基準トラック303に対応して、INCフォトダイオードアレイ41及び位置基準フォトダイオードアレイ43を備えている。位置基準フォトダイオードアレイ43の測長方向長さWPDrは、少なくとも2つの位置基準パターン33を同時に検出可能な長さとされている。
As shown in FIG. 4, the
INCフォトダイオードアレイ41は、例えば90度ずつ位相の異なる4組のフォトダイオードアレイを有し、インクリメンタルパターン31に基づく明暗信号を検出して90度位相差の4相正弦波信号を出力する。又、位置基準フォトダイオードアレイ43は、位置基準パターン33を少なくとも2つ以上検出できるように、測長方向の寸法が設定されており、図5に示す如く、スイッチング素子45で位置基準フォトダイオードアレイ43の各受光要素1〜Nを掃引することにより、得られた信号を出力する。
The INC
図1に示す信号処理装置20は、一例として、ノイズフィルタ・増幅回路21、A/D変換器22、相対位置検出回路23、プリアンプ27、相関演算回路28、基準位置検出回路29及び位置補正回路30を備えて構成される。
As an example, the
ノイズフィルタ・増幅回路21は、INCフォトダイオードアレイ41からのアナログ出力信号(90度位相差4相信号)のノイズを除去した後、この信号を増幅して出力する。
The noise filter /
A/D変換器22は、ノイズフィルタ・増幅回路21が出力するアナログ出力信号をデジタル信号に変換する。相対位置検出回路23は、得られたデジタル信号(90度位相差信号)の振幅のarctan演算を行なうことにより、スケール12の相対的な移動量・移動方向を示す相対位置信号D1を出力する。
The A /
プリアンプ27は、スイッチング素子45の出力を増幅して出力する。相関演算回路28は、設計値との相関演算を行ない、基準位置検出回路29は、相関演算回路28の演算結果に基づいて位置基準パターン位置を検出する。
The
相関演算回路28においては、例えば図6(A)に示す如く、設計値との乗算相関演算を行ない、更に図6(B)に測長方向に拡大して示すような、そのピーク位置に対して、例えば2次曲線をあてはめ、ピーク3点からピーク位置を内挿して、基準位置を求める。この乗算相関によれば、桁数が大きくなり演算時間はかかるものの、ピークのコントラストが高く、例えば1μm程度の高精度での原点位置検出が可能である。
In the
あるいは図7(A)に示す如く、設計値との減算相関を取り、更に図7(B)に測長方向に拡大して示すような、そのピーク位置に対して、例えば2次曲線をあてはめ、ピーク3点からピーク位置を内挿して、基準位置を求める。この減算相関によれば、桁数が少なく計算が容易であり、且つ外乱光との区別も可能である。 Alternatively, as shown in FIG. 7 (A), a subtractive correlation with the design value is obtained, and a quadratic curve, for example, is applied to the peak position as shown in FIG. The peak position is interpolated from the three peaks to obtain the reference position. According to this subtraction correlation, the number of digits is small and calculation is easy, and distinction from ambient light is also possible.
なお、内挿方法は、図6(B)あるいは図7(B)に示した方法に限定されない。 Note that the interpolation method is not limited to the method shown in FIG. 6B or 7B.
位置補正回路30は、相対位置検出回路23で得られる相対位置D1を基準位置検出回路29で検出した基準位置で補正して出力する。
The
本実施形態においては、位置基準パターン33が、測定方向に異なる間隔で複数配置され、アレイ状受光素子(43)により少なくとも2つの位置基準パターンを同時に検出可能としたので、位置基準パターンの間隔に基づいて、各パターンを識別することが可能である。
In the present embodiment, a plurality of
[第2実施形態]
次に、出願人が特許文献3で提案した絶対位置測長型エンコーダに適用した本発明の第2実施形態を詳細に説明する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention applied to the absolute position measurement encoder proposed by the applicant in
図8は、本発明の第2実施形態に係る光学式絶対位置測長型エンコーダの全体構成を示す概略図である。第1実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付し、以下ではその詳細の説明は省略する。 FIG. 8 is a schematic diagram showing the overall configuration of an optical absolute position measurement encoder according to the second embodiment of the present invention. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted below.
図8は、この第2実施形態の全体構成を示す概略図であり、図9は、スケール12の平面構成を示している。本実施形態では、スケール12が、図9に示すように、第1実施形態と同様のインクリメンタルトラック301と、擬似ランダムパターン(ここではM系列符号)により絶対位置を表現した一般的なアブソリュートパターン32からなるアブソリュートトラック302と、このアブソリュートパターン32に対し所定の位相関係を有し、且つ明暗の等間隔な配列ピッチPr(<Pi)で形成された測長方向の幅がWrの位置基準パターン33´からなる位置基準トラック303´とを備える。即ち、アブソリュートパターン32は、位置基準パターン33の等間隔パターンの絶対位置を表現している。インクリメンタルパターン31の配列ピッチPiは、例えば位置基準パターン33の配列ピッチPrの整数分の1に設定される。本実施形態では、一例としてPi=4Prであると想定する。一例として、Pi=40μmの場合、Pr=160μmに設定される。
FIG. 8 is a schematic diagram showing the overall configuration of the second embodiment, and FIG. 9 shows the planar configuration of the
インクリメンタルパターン31と位置基準パターン33´とは、いずれもエンコーダの全長にわたって等間隔の配列ピッチ(Pi、Pr)で形成されるため、エンコーダの全長にわたって正確に形成することが比較的容易である。ここで、従来技術のように、位置基準パターン33´が無く、インクリメンタルパターン31とアブソリュートパターン32のみが存在するエンコーダを想定する。このようなエンコーダでは、例えばインクリメンタルパターン31の配列ピッチを40μmとした場合、アブソリュートパターン32の精度は、スケール12の全長にわたり、その半分未満の±20μm未満にしなければならない。
Since both the
これに対して、本実施形態のように、インクリメンタルパターン31の配列ピッチPiより大きな配列ピッチPrを有する位置基準パターン33´を形成すれば、アブソリュートパターン32の位置精度は、この位置基準パターン33´の配列ピッチPrに合わせれば十分である。従って、アブソリュートパターン32の位置誤差の許容度を大きくすることができる。例えば、位置基準パターン33´の配列ピッチPrがPiの4倍の160μmであれば、アブソリュートパターン32の位置誤差は、スケール12の全長にわたり、±80μmまで許容することが可能になる。従って、インクリメンタルパターン31の配列ピッチPiを、アブソリュートパターン32の精度を考慮せずに決定することが可能となり、インクリメンタルパターン31のピッチを微細化して、エンコーダを高精度化することができる。
On the other hand, if the
図10に示すように、フォトダイオードアレイ14は、インクリメンタルトラック301、アブソリュートトラック302及び位置基準トラック303´のそれぞれに対応して、INCフォトダイオードアレイ41、ABSフォトダイオードアレイ42及び位置基準フォトダイオードアレイ43を備えている。各フォトダイオードアレイ41〜43は、対応するパターン31〜33のピッチに対応した配列ピッチでフォトダイオードを配列して構成される。
As shown in FIG. 10, the
INCフォトダイオードアレイ41は、第1実施形態と同様に、90度ずつ位相の異なる4組のフォトダイオードアレイを有し、インクリメンタルパターン31に基づく明暗信号を検出して90度位相差の4相正弦波信号を出力する。ABSフォトダイオードアレイ42は、アブソリュートパターン32に基づく明暗信号を測長方向に掃引して得られた信号を出力する。又、位置基準フォトダイオードアレイ43は、位置基準パターン33´を少なくとも1つ以上検出できるよう、測長方向の寸法WPDrが設定されており(WPDr>Pr+Wr)、位置基準パターン33´に基づく明暗信号を測長方向に掃引して得られた信号を出力する。
Similar to the first embodiment, the
信号処理回路20は、一例として、ノイズフィルタ・増幅回路21、A/D変換器22、相対位置検出回路23、ノイズフィルタ・増幅回路24、A/D変換器25、絶対位置検出回路26、プリアンプ27、相関演算回路28、基準位置検出回路29及び絶対位置合成回路30´を備えて構成される。
For example, the
ノイズフィルタ・増幅回路24は、ABSフォトダイオードアレイ42からアナログ出力信号(絶対位置信号)のノイズを除去した後、この信号を増幅して出力する。A/D変換器25は、ノイズフィルタ・増幅回路24が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換する。変換後のデジタル信号は、この場合アブソリュートパターン32に表現されたM系列符号のデータを含んでいる。
The noise filter /
絶対位置検出回路26は、このM系列符号と、M系列により表現される絶対位置との関係を示すテーブル(図示せず)を有しており、このテーブルを参照して、スケール12の絶対位置を示す絶対位置信号D2を出力する。
The absolute
プリアンプ27、相関演算回路28、基準位置検出回路29は、第1実施形態と同様にして、位置基準パターン33´の基準位置を示す位置基準信号D3を出力する。
The
絶対位置合成回路30´は、絶対位置信号D2、相対位置信号D1、位置基準信号D3に基づいて、スケール12の微細な絶対位置を算出する。この絶対位置合成回路30´の動作を、図11を参照して説明する。絶対位置信号D2は、スケール12の絶対位置についての情報を有している。アブソリュートパターン32は、位置基準パターン33´に対し所定の情報をもって形成されるので、絶対位置信号D2から絶対位置が得られることで、位置基準パターン33´の周期Prの何周期目にスケール12が位置しているのかを特定することができる(図11の(1))。
The absolute
位置基準パターン33´の周期Prの何周期目かが特定されると、その後、位置基準信号D3の信号量が検出されることにより、インクリメンタルパターン31の何周期目にスケール12が位置しているのかを特定することができる(図11の(2))。インクリメンタルパターン31、位置基準パターン33´は、いずれも等間隔の明暗パターンにより形成されるため、配列ピッチPrとPiの比が大きい場合でも、両者間の位置精度を高く保つことが容易である。このため、位置基準パターン33´の何周期目かが判明し、更に位置基準信号D3の信号量が検出されることにより、インクリメンタルパターン31の何周期目にスケール12が位置するのかを特定することができる。その後は、インクリメンタルパターン31から得られる相対位置信号D1の明暗を計算することにより、スケール12の絶対位置を算出し出力することが可能である。
When the cycle Pr of the
以上説明したように、本実施形態によれば、アブソリュートパターン32により得られた絶対位置検出信号D2に基づき、スケール12の絶対位置が、位置基準パターン33´との関係において検出され、その後、位置基準パターン33´に基づく位置基準信号D3、及びインクリメンタルパターン31に基づく相対位置信号D1により、精緻なスケール12の絶対位置信号を得ることができる。アブソリュートパターン32は微細に形成されたインクリメンタルパターン31に対する位置精度を要求されず、より配列ピッチの大きい位置基準パターン33´に対し所定の位置精度で形成されていれば十分である。従って、本実施形態によれば、インクリメンタルパターン31のピッチを微細化することができ、よって、エンコーダの高精度化を図ることができる。
As described above, according to the present embodiment, the absolute position of the
[第3実施形態]
次に、本発明の第3実施形態に係る光学式絶対位置測長型エンコーダを説明する。第2実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付し、以下ではその詳細な説明は省略する。
[Third embodiment]
Next, an optical absolute position measurement encoder according to a third embodiment of the present invention will be described. The same components as those of the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted below.
図12は、第3実施形態の全体構成を示す概略図であり、図13は、スケール12の平面構成を示している。図13に示すように、本実施形態では、アブソリュートパターン32と位置基準パターン33´に代え、この2種類のパターンを1トラックに統合したABS/位置基準統合パターン34からなるABS/位置基準統合トラック304を備えている点で、第2実施形態と異なっている。ABS/位置基準統合トラック304は、図13に示すように、擬似ランダムパターンを表現したアブソリュートパターン32´と、このアブソリュートパターン32´の隙間において、インクリメンタルパターン31の配列ピッチPiより大きな配列ピッチPrで配列された位置基準パターン33"とを1トラックに配列して形成されたものである。なお、図13において、位置基準パターン33"にハッチングが施されているが、図面の説明上、アブソリュートパターン32´と位置基準パターン33"とを区別して理解し易くするために付記したものである。実際のスケールでは、図14に示すように、アブソリュートパターン32´と位置基準パターン33"はスケール12上に同じ材料により形成されており、パターンの形状のみが異なっている。本実施形態では、上記のようにスケール12が2トラックを備えるのみであるので、3トラックからなる第2実施形態に比べ小型化が可能である。
FIG. 12 is a schematic diagram showing the overall configuration of the third embodiment, and FIG. 13 shows the planar configuration of the
又、スケール12が上記のように構成されているのに対応して、フォトダイオードアレイ14は、図15に示すように、インクリメンタルトラック301、及びABS/位置基準統合トラック304のそれぞれに対応して、INCフォトダイオードアレイ41、及び、第1、第2実施形態の位置基準フォトダイオードアレイ43と同様の構成のABS/位置基準フォトダイオードアレイ44を備えている。
In addition, the
又、図12に示すように、本実施形態の信号処理回路20において、インクリメンタルパターン31に基づく信号処理のための構成(21〜23)は、第2実施形態と同様である。一方、上述のABS/位置基準統合パターン34に基づく信号は、プリアンプ27を介して分離回路201に入力される点で、第2実施形態と異なっている。分離回路201は、ABS/位置基準統合パターン34のうち、前述の位置基準パターン33"からの信号と、前述のアブソリュートパターン32´からの信号とを分離する機能を有する。両信号の分離は、ABS/位置基準統合パターン34に基づく信号と位置基準パターン33"の設計値との相関演算を行なうことにより実行することができる。即ち、相関演算の結果として位置基準パターン33"に基づく信号を得ることができる。相関演算には、乗算型、減算型いずれのタイプのものも採用が可能である。分離された位置基準パターン33"からの信号は、基準位置検出回路29に入力され、基準位置検出回路29は位置基準信号D3を出力する。
As shown in FIG. 12, in the
なお、上記とは逆に、ABS/位置基準統合パターン34に基づく信号と、アブソリュートパターン32´の設計値との相関を演算し、その演算の結果としてアブソリュートパターン32´に基づく信号を得ることも可能である。この場合には、図12中に破線で示す如く、分離回路201と基準位置検出回路29の間に、第1、第2実施形態と同様の相関演算回路28を挿入する。
Contrary to the above, the correlation between the signal based on the ABS / position reference integrated
本実施形態のABS/位置基準統合パターン34の構成例を、図16及び図17を参照して説明する。図16は、第1の構成例を示している。この第1の構成例では、同図(a)に示すようなアブソリュートパターン32´と、位置基準パターン33″とが1トラックに統合されて、同図(b)に示す構成とされている。この統合を行なう場合、一部においてアブソリュートパターン32´と位置基準パターン33″とが重なり合う(矢印Aで示す位置)。この第1の構成例では、この重なり部分においてはアブソリュートパターン32´を省略し、代わりにその位置(矢印A)に位置基準パターン33″を形成している。このように矢印Aの部分でアブソリュートパターン32´を省略(消去)しても、絶対位置検出回路26において位置基準パターン33″の設計値(矢印Aの位置の上方を含む)が把握されていれば、省略がされていない場合と同様にして絶対位置を検出することが可能である。
A configuration example of the ABS / position
図17は第2の構成例を示している。この例では、同図(a)に示すように、アブソリュートパターン32´と位置基準パターン33″とが重なり合う部分が生じた場合、同図(b)に示すように、重なり部分を省略する代わりに、重なり部分が生じないようアブソリュートパターン32´を縮小して形成し、重なり部分を無くすようにしている。
FIG. 17 shows a second configuration example. In this example, when a portion where the
[第4実施形態]
図18は、本発明の第4実施形態に係る絶対位置検出用型エンコーダの構成を示している。全体構成は第2実施形態(図8)と略同一であるので、図示は省略する。
[Fourth Embodiment]
FIG. 18 shows the configuration of an absolute position detecting encoder according to the fourth embodiment of the present invention. Since the overall configuration is substantially the same as that of the second embodiment (FIG. 8), illustration is omitted.
本実施形態では、位置基準トラック303A、303Bの2種類がインクリメンタルトラック301を挟む両側に設けられている点で、第2実施形態と異なっている(図示は省略するが、フォトダイオードアレイ14の位置基準フォトダイオードアレイ43も、これに対応して2系統設けられる)。このような構成によれば、スケール12に傾き(ヨーイング)が生じた場合においても、2系統の位置基準パターン33A、33Bそれぞれに基づく信号の平均を取ることにより、これに基づく誤差を相殺することが可能になる。
This embodiment is different from the second embodiment in that two types of position reference tracks 303A and 303B are provided on both sides of the incremental track 301 (not shown, but the position of the
[第5実施形態]
図19は、本発明の第5実施形態に係る絶対位置検出型エンコーダの構成を示している。全体構成は第2実施形態(図8)と略同一であるので、説明は省略する。
[Fifth Embodiment]
FIG. 19 shows the configuration of an absolute position detection type encoder according to the fifth embodiment of the present invention. Since the overall configuration is substantially the same as that of the second embodiment (FIG. 8), description thereof is omitted.
本実施形態では、第4実施形態と同様のABS/位置基準統合トラック304A、304Bがインクリメンタルトラック301を挟むようにして形成されている点で、第2実施形態と異なっている。このような構成によれば、スケール12に傾き(ヨーイング)が生じた場合においても、2系統のABS/位置基準統合パターン34A、34Bそれぞれに基づく信号の平均を取ることにより、これに基づく誤差を相殺することが可能となる。
This embodiment is different from the second embodiment in that ABS / position reference integrated
次に、位置基準パターンについて詳細に検討する。 Next, the position reference pattern will be examined in detail.
位置基準パターンに図3(A)に示した1本線パターンを配置ピッチPで配置した位置基準トラック303の例を図20に示す。図20のような例は、位置基準トラック303の形成が容易であるが、エッジの数が少ないため、精度向上が困難であり、ノイズにも弱い。
FIG. 20 shows an example of the
これに対して、図3(B)、(C)に例示したように、位置基準パターンを複数線の所定パターンで構成した場合には、エッジの数が増えるため、位置基準パターンの検出精度が向上すると共に、スケール上のゴミ等によるノイズの影響を低減することができる。 On the other hand, as illustrated in FIGS. 3B and 3C, when the position reference pattern is configured by a predetermined pattern of a plurality of lines, the number of edges increases, so that the detection accuracy of the position reference pattern is improved. As well as improving, it is possible to reduce the influence of noise caused by dust on the scale.
即ち、画像相関による位置基準パターンの一致の検出にあたり、図21及び図22に例示するように、位置基準パターンを分割してエッジの位置を増やすと共に、必要に応じてエッジの位置をずらすことにより、鋭い相関ピークを発生させて、位置基準パターンの検出精度の向上を図るとともに、図22(e)に示す如く、スケール上のゴミ等によるノイズの影響を受け難くすることができる。 That is, when detecting the coincidence of the position reference pattern by image correlation, as shown in FIG. 21 and FIG. 22, the position reference pattern is divided to increase the edge position, and the edge position is shifted as necessary. In addition to generating a sharp correlation peak, it is possible to improve the detection accuracy of the position reference pattern, and as shown in FIG.
位置基準トラックに11ビットバーカー系列符号を採用し、表1の符号長11で示されているパターン符号列の“1”を黒、“0”を白として置き換え、位置基準パターンとしてピッチPで配置した例を図23に示す。この場合、位置基準パターンのピッチPと等しいか、または短いパターン長になるように、“1”、“0”に相当するパターン幅を決定する。
An 11-bit Barker sequence code is used for the position reference track, and “1” in the pattern code string indicated by the
ここで、符号長が長い方が、エッジの数が増え、ゴミ等の影響を受け難くなるが、線幅が狭くなって作り難くなるため、符号長4(1本線パターンとなる下段を除く)〜13が好適であり、特に符号長11、13が好ましい。なお、符号長4の上段や、符号長5のパターンでは、隣のパターンと区別するため、パターン長LBを配置ピッチPより短くする必要がある。
Here, when the code length is longer, the number of edges increases and it becomes difficult to be affected by dust or the like. However, since the line width becomes narrower and difficult to make, the code length is 4 (except for the lower stage that forms a single line pattern). ˜13 are preferable, and
位置基準トラックに、11ビットバーカー系列符号
11100010010
を用いた時のスケール12の例を図24に示す。
11-bit Barker sequence code 11100010010 on the position reference track
An example of the
又、位置基準トラックに、特性多項式:f(x)=x4+x+1で生成したM系列符号
100010011010111
を用いた時のスケール12の例を図25に示す。
In addition, an M-sequence code generated with a characteristic polynomial: f (x) = x 4 + x + 1 on the position reference track 100010011010111
An example of the
更に、位置基準トラックに、
特性多項式:f(x)=x6+x5+x2+1で生成したM系列符号と、
特性多項式:f(x)=x6+x3+x+1で生成したM系列符号を用いて生成したゴールド系列符号
10000010001100101011111000010001
を用いた時のスケール12の例を図26に示す。
In addition, the position reference track
Characteristic polynomial: M sequence code generated by f (x) = x 6 + x 5 + x 2 +1,
Characteristic polynomial: Gold sequence code generated using an M sequence code generated by f (x) = x 6 + x 3 + x + 1 10000010001100101011111000010001
An example of the
所定パターンとしては、上記の他、通信の分野で利用されている擬似ランダム符号により生成したパターンを用いることもできる。 As the predetermined pattern, in addition to the above, a pattern generated by a pseudo-random code used in the communication field can be used.
又、図27(a)に示す如く、スケール上にパターンをランダム符号系列に従って配置するとき、ランダム符号系列の1符合に対応したパターンの線幅をWbitとすると、スケール上に配置されたランダム符号系列のパターンエッジは、Wbit×n(nは正の整数)の位置にのみ現れる。 Further, as shown in FIG. 27A, when a pattern is arranged on a scale according to a random code sequence, if the line width of the pattern corresponding to one code of the random code sequence is W bits , the random pattern arranged on the scale The pattern edge of the code sequence appears only at the position of W bit × n (n is a positive integer).
この特徴により、相関演算を行うとき、Wbit毎にエッジの位置が一致してしまうことから、汚れにより誤りピークが発生しやすく、誤検出をしてしまう可能性が高い。 Due to this feature, when performing the correlation calculation, the edge positions coincide with each W bit , so that an error peak is likely to occur due to contamination, and there is a high possibility of erroneous detection.
そこで、図27(b)に例示する如く、スケールパターンエッジの位置を−Wbit/2からWbit/2の範囲でずらすことにより、相関演算を行なうとき、誤った位置以外でエッジが一致することを抑制し、結果的に誤りピークの発生を抑えることが可能となる。 Therefore, as illustrated in FIG. 27B, when the correlation calculation is performed by shifting the position of the scale pattern edge in the range of −W bit / 2 to W bit / 2, the edges match at positions other than the incorrect position. As a result, it is possible to suppress the occurrence of error peaks.
エッジのずらし方は、図28に示す如く、パターンエッジのずれをΔpi(i=1,2,3・・・N)とし、Δpiの値域を−Wbit/2<Δpi<Wbit/2とすると、図13(a)に示す如く、ランダムにずらしたり、図29(b)に示す如く、正規分布に従ってずらしたり、図29(c)に示す如く、三角波に従ってずらしたり、図29(d)に示す如く、正弦波に従ってずらすことができる。 As shown in FIG. 28, the edge shift method is such that the pattern edge shift is Δp i (i = 1, 2, 3... N), and the range of Δp i is −W bit / 2 <Δp i <W bit. As shown in FIG. 29 (a), it is randomly shifted, as shown in FIG. 29 (b), according to a normal distribution, as shown in FIG. 29 (c), according to a triangular wave, As shown in (d), it can be shifted according to a sine wave.
なお、前記実施形態においては、いずれも透過型の光学式エンコーダを例にとって説明したが、図30に示す変形例のように、発光素子11からの反射型の光学系として、発光素子11をレンズ13や受光素子アレイ14と同じ側に配置しても良い。
In the above-described embodiments, the transmission type optical encoder has been described as an example. However, as in the modification shown in FIG. 30, the
11…発光素子
12…スケール
13…レンズ
14…フォトダイオードアレイ
20…信号処理回路
21、24…ノイズフィルタ・増幅回路
22、25…A/D変換器
23…相対位置検出回路
26…絶対位置検出回路
27…プリアンプ
28…相関演算回路
29…基準位置検出回路
30…位置補正回路
30´…絶対位置合成回路
31…インクリメンタルパターン
32、32´…アブソリュートパターン
33、33´、33″、33A、33B…位置基準パターン
34、34A、34B…ABS/位置基準統合パターン
41…INCフォトダイオードアレイ
42…ABSフォトダイオードアレイ
43…位置基準フォトダイオードアレイ
44…ABS/位置基準フォトダイオードアレイ
45…スイッチング素子
301…インクリメンタル(INC)トラック
302…アブソリュート(ABS)トラック
303、303´…位置基準トラック
304、304A、304B…ABS/位置基準統合トラック
DESCRIPTION OF
Claims (9)
検出器側には基準位置検出用の発光素子、光学系及び受光素子を配置し、
スケール側には所定の位置基準パターンを配置した光学式基準位置検出型エンコーダにおいて、
前記受光素子を測長方向に伸びるアレイ状とし、
該アレイ状受光素子の出力を電気的に掃引して設計値との相関をとることで、
スケールと検出器を相対移動させることなく、静止した状態で基準位置を検出可能としたことを特徴とする光学式基準位置検出型エンコーダ。 With a relatively movable detector and scale,
On the detector side, a light emitting element for detecting the reference position, an optical system and a light receiving element are arranged,
In the optical reference position detection type encoder in which a predetermined position reference pattern is arranged on the scale side,
The light receiving element is in an array extending in the length measuring direction,
By electrically sweeping the output of the arrayed light receiving element and taking a correlation with the design value,
An optical reference position detection type encoder capable of detecting a reference position in a stationary state without causing relative movement between a scale and a detector.
前記アレイ状受光素子により少なくとも2つの位置基準パターンを同時に検出可能としたことを特徴とする請求項1に記載の光学式基準位置検出型エンコーダ。 A plurality of the position reference patterns are arranged at different intervals in the length measurement direction,
2. The optical reference position detection type encoder according to claim 1, wherein at least two position reference patterns can be simultaneously detected by the arrayed light receiving element.
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