JP2006227005A - インピーダンス比較による位置エンコード - Google Patents

Abstract

【課題】インクや塵の混入による故障を回避する位置エンコーダを提供すること。
【解決手段】複数のエンコーダ目標部分が複数のエンコーダ・ウィンドウ部分と交互に配置されたエンコーディング媒体を有するエンコーダシステム。センサはエンコーディング媒体に対して相対的に移動可能である。信号源は電気駆動信号をセンサに供給し、センサに接続されたセンサ電子回路が、コード・ストリップの電気特性を検出し、センサがエンコーダ目標部分の近くにあるか、それともエンコーダ・ウィンドウ部分の近くにあるかを判定する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は位置エンコーダに関し、特にインクや塵の混入による故障を回避する位置エンコーダに関する。

光学エンコード技術は、インクジェットプリンタのインクジェット・プリントヘッド、熱転写プリントヘッド、回転軸、用紙フィーダといった対象物の位置や、その他の特性を表示するのに使用される。特性の例には、対象物の直線位置、対象物の回転位置、対象物の速度などがある。従来のプリンタは、光学エンコーダ媒体とともに光学エンコーダシステムを使用することが多い。

一般的な光学エンコーダシステムは、光を検出部へ向けて放射する発光部を有する。検出部は１以上のフォトダイオード、信号処理回路、及びその他の回路を有する。場合によっては、発光部のフォトダイオードから放射された光をレンズによって並行化し、並行ビームを形成することがある。光コード・ホイールや光コード・ストリップといった従来の光学エンコーダ媒体は、透明部分と不透明部分からなるパターンを有し、それらの透明部分及び不透明部分は、スペース及びバーとも呼ばれる。発光部又は検出部が光学エンコーダシステムに対して相対的に移動するのに従って、光ビームは、コード・ストリップ又はコード・ホイールによって遮断される。検出部は、遮断された光を発光部／検出部の位置を示す電気信号に変換する。

不都合なことに、光学エンコーダシステムは、霧状のインクや、用紙又は環境から混入する埃によって汚れると、故障することがある。こうした混入は、レンズ及び／又は光学エンコーダ媒体（例えば光コード・ストリップ）に引っかき傷を付け、光学エンコーダシステムにおいて重大な故障を引き起こすことがある。光学エンコーダにおけるこうした故障を回避するために、数々の解決策が提案されている。例えば、光検出器の感度を上げること、光出力を強くすること、異なる光波長をしようすること、混入シールドやフィルタを追加することなどである。しかしながら、光学エンコーダシステムは依然として、混入や混入による被害を受けやすい。従って、上述の問題を回避する光学エンコーダシステムが必要とされている。

エンコーダシステムは、複数のエンコーダ・ウィンドウ部分が複数のエンコーダ目標部分と交互に配置されたエンコーディング媒体を有する。センサは、エンコーダ媒体に対して相対的に移動させることができる。信号源によって生成された電気駆動信号がセンサに供給され、センサに接続されたセンサ電子回路は、コード・ストリップの電気特性を検出し、センサがエンコーダ目標部分の近くにあるか否か、又はセンサがエンコーダ・ウィンドウ部分の近くにあるか否かを判定する。

図１Ａは、本発明の一実施形態によるエンコーダシステム１００を示す等角図である。センサ１０２は、コーディング・ホイール部分やコード・ストリップ部分のような、エンコーダ媒体のエンコーダ目標部分（「エンコーダ目標」１０４に電磁界を発生させる。エンコーダ目標部分１０４は、基板１０６上に形成された一層の材料であり、センサ１０２がエンコーダ目標部分１０４の近くにきたときに、センサ１０２の見かけ上のインピーダンスに変化を生じさせる。換言すれば、センサは、コード・ストリップ１０９の電気特性を検出し、センサがエンコーダ目標部分の近くにあるか否かを判定する。一実施形態において、エンコーダ目標は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、又は真鍮のような実質的に非磁性体の材料から構成される。あるいは、エンコーダ目標は、ニッケル、鉄、又はコバルトのような磁性体材料、又は、非導電性の磁性体材料から構成される。基板には、目標と同じ材料の金属ストリップを使用してもよいし、目標とは違う材料の金属ストリップを使用してもよく、また、ポリマーフィルム（例えばＭＡＹＬＡＲ(R)）やポリイミドフィルム（例えばＫＡＰＴＯＮ(R)）のようなプラスチックストリップを使用してもよい。一実施形態において、コード・ストリップの一連のエンコーダ目標部分１０４、１０８は、エンコーダ・ウィンドウ部分と規則的かつ周期的に交互に配置される。

センサ１０２はコイルを有し、コイルに正弦波、のこぎり波、又は三角波のような交流電気駆動信号を印加すると、エンコーダ目標部分１０４に電磁界が発生する。エンコーダ目標が導電性の非磁性体である場合、この電磁界は渦電流によって生じる。エンコーダ目標が非導電性の磁性体である場合、この電磁界は磁区配向によって生じる。エンコーダ目標が導電性の磁性体である場合、この電磁界は渦電流と磁区配向の両方によって生じる。

実施形態によっては、１本のコイルを使用して、電磁界の発生（誘導）とエンコーダ目標の検出の両方を行う場合もある。あるいは、差動コイル技術により、２以上のコイルを使用する場合もある。差動コイル技術が特に有効なのは、非常に近接したエンコーダ目標を検出する場合や、センサの移動方向を知りたい場合である。実施形態によっては、電磁界の発生方向がエンコーダ目標部分１０４の表面に対して垂直なコイル（複数の場合もあり）を使用する場合もある。

エンコーダ目標部分１０４における電磁界応答に影響を与える要因は多数存在する。要因には、例えば目標の導電率、目標の透磁率、テスト周波数（即ち、駆動周波数）、コイルの巻数、コイルを流れる電流、（場合によっては）目標の厚さ、コイルからエンコーダ目標部分１０４までの距離、などがある。例えば、導電性目標の場合、渦電流が発生する。エンコーダ目標において渦電流が発生する深さは一般に、周波数の増大、導電率の増大、及び、透磁率の増大に伴なって減少する。エンコーダシステムは、それらの要因を簡単に検出し、較正によって簡単にシステムから除外することができ、その後は、エンコーダ目標部分１０４、１０８と、エンコーダ・ウィンドウ部分１１０、１１１との間の変化を普通に探すことができる。

目標に発生させることが可能な他のタイプの電磁界応答として、磁気モーメントがある。磁気モーメントは、磁気ベクトルを中心とした円電流としてモデル化されることが多い。導電性の磁性体（例えば、鉄、ニッケル、又はコバルトのような透磁率μ（「みゅー」）が比較的高い材料）から構成されたコード・ストリップは、磁化電流と渦電流の両方を生成することができ、エンコーダ目標部分とエンコーダ・ウィンドウ部分との間に大きな違いを作り出すことができる。本明細書で使用される場合、「高い透磁率」とは自由空間の透磁率の２００倍以上の初透磁率を意味する。多くの合金も高い透磁率を有し、エンコーダ目標に適している。

センサ電子回路１１２は、交流電気駆動信号をセンサ１１２に供給する。また、センサ電子回路１１２は、センサ１０２のインダクタンスやインピーダンスなどの電気特性の測定も行う。一実施形態において、センサ電子回路１１２は特定周波数の交流電気駆動信号をセンサに供給し、センサのインピーダンスを測定する。インピーダンス項は、インダクタンス、抵抗値、及びキャパシタンスを含む。インピーダンス項は、較正によって除去することができ、また、実施形態によっては単純に無視する場合もある。一実施形態では、センサがエンコーダ・ウィンドウ部分の上にあるときに、初期インピーダンスを検出し、それを、センサがエンコーダ目標部分の上にあるときのインピーダンス検出値と比較する。インピーダンス測定器、インダクタンス測定器、及び関連技術は当該技術分野で既知のものであるから、センサ電子回路の詳しい説明は省略する。

センサ処理装置１１４は、インピーダンス変化の回数をカウントし、センサ電子回路１１２から送られたデータをデジタル出力１１６に変換する。このインピーダンス変化の回数は、センサ１０２が通過したエンコーダ目標及びエンコーダ・ウィンドウの数に対応する。デジタル出力１１６は、コード・ストリップ１０９に対するセンサ１０２の移動及び／又は位置を判定するのに使用される。一実施形態において、センサはコード・ストリップを指標としてコード・ストリップに沿ってステップ移動され、各ステップにおいてセンサがエンコーダ目標部分又はエンコーダ・ウィンドウ部分にくるようにステップ移動される。そのため、センサがエンコーダ媒体に対して移動されるのに従って、センサは、エンコーダ目標部分のインピーダンスとエンコーダ・ウィンドウ部分のインピーダンスとを交互に検出する。実施形態によっては、インダクタンスの変化は、検出されたインピーダンス主成分となる場合もある。

一実施形態において、エンコーダ目標は全て同じ幅を有し、エンコーダ・ウィンドウは全てエンコーダ目標と同じ幅を有する。センサは、エンコーダ目標／エンコーダ・ウィンドウの幅をステップとして、コード・ストリップに対してステップ移動する。代替実施形態において、センサは、エンコーダ目標とエンコーダ・ウィンドウとで変化するインピーダンス値を測定する。

図１Ｂは、導電性エンコーダ目標１２０の上に配置された図１Ａのエンコーダシステムのセンサを示す図である。信号源１２１は交流電流をコイル１２４に供給する。図示のコイル１２４は円筒形又は「鉛筆形」のコイル（円筒コイル）であるが、コイル１２４は、一般に「パンケーキ・コイル」と呼ばれる平面状に巻かれたコイル（平面コイル）であってもよい。コイル１２４を流れる電流は、破線１２６で示す一次磁界を発生する。この磁界の強さは、コイル１２４を流れる電流が増大するのにつれて増大する。磁界の強さを変化させると、導電性エンコーダ目標１２０に渦電流が発生する。そして、それらの渦電流により、二次磁界が発生する。二次磁界の磁力線は、当業者には馴染みの深いものであるから、説明を簡単にするために図示していない。導電性エンコーダ目標１２０に発生する渦電流は、コイル１２４を流れる電流の変化の影響を受けない。従って、コイルの見かけ上のインダクタンスを増加させる効果がある。

図１Ｃは、非導電性で非磁性体のエンコーダ・ウィンドウ１３０の上に配置された図１Ａのエンコーダシステムのセンサを示す図である。信号源１２１は交流電流をコイル１２４に供給する。コイル１２４を流れる電流は、破線１２６で示す一次磁界を発生する。この磁界の強さは、コイル１２４を流れる電流が増大するのにつれて増大する。ただし、エンコーダ・ウィンドウ１３０は非磁性体かつ非導電性であるから、コイル１２４の見かけ上のインダクタンスは、自由空間のインダクタンスと実質的に同じである。エンコーダ・ウィンドウのいずれかの側にある近くの導電性及び／又は磁性体のエンコーダ目標が原因で、この自由空間のインダクタンスは多少変化する場合がある。

代替として、エンコーダ・ウィンドウに導電性及び／又は磁性体のものを使用しても、センサのインピーダンスに十分な変化を生じさせ、コード・ストリップやコード・ホイールのエンコーダ・目標部分とエンコーダ・ウィンドウ部分を区別できる場合がある。例えば、コード・ストリップを金属で形成し、エンコーダ部分の厚さを増やし、エンコーダ部分をエンコーダ・ウィンドウ部分に比べてセンサに近づける場合がある。あるいは、コード・ストリップ基板を第１の金属から形成し、コード・ストリップのエンコーダ目標部分に第１の金属よりも導電率及び／又は透磁率が高い第２の金属の層を設ける場合がある。更に他の実施形態では、第２の層の厚みにより、エンコーダ目標をセンサに近づけ、エンコーダ目標部分とエンコーダ・ウィンドウ部分の区別を更に容易にする場合がある。

図１Ｄは、本発明の一実施形態によるコイル・デバイス１５０を示す等角図である。コイル・デバイス１５０は、基板１５６の表面に画定されたコイル１５２を有する。基板１５６はプリント回路基板（ＰＣＢ）であり、コイル１５０はプリント回路基板技術を使用して形成される。あるいは基板は、シリコンチップ、薄膜基板、厚膜基板、可撓性基板（"flexstrate"）などででもよく、他の基板であってもよい。代替実施形態では、基板として、セラミック基板やサファイア基板などの薄膜基板を使用し、薄膜技術を使用してコイルを画定する場合がある。更に他の実施形態では、一般に「シリコン・チップ」と呼ばれるシリコン・ウェーハの一部を基板として使用し、半導体製造技術を使用してコイルを画定する場合がある。更に他の実施形態では、コイルとして、ループコイルや面外コイルを使用する場合もある。

コイル１５２は銅箔層のような金属箔層から形成され、任意選択で、錫その他のメッキが施される場合がある。コイル１５２は、導電性バイア１５８によって基板１５６背面１６０の端子１６４に接続される。コイル１５２の端子１６２、１６４に電気信号を供給すると、コイル１５２に電流が流れる。あるいは、端子１６４を省略し、基板の背面を導電性支持部材（図示せず）に取り付け、導電性バイア１５８に対する電流経路を形成し、コイル１５２を通じて端子１６２まで電流経路を形成する場合もある。

一実施形態において、エンコーダ目標部分はエンコーダ・ウィンドウ部分と規則的かつ周期的に交互に配置される。エンコーダ目標部分とエンコーダ・ウィンドウ部分を区別する能力は、１つには、センサ電子回路の感度によって決まるが、その他に、コイルのＱ（「Ｑ値」）、駆動周波数、コイルの物理的サイズ、コイルからエンコーダ目標までの距離などに依存する部分が多い。

エンコーダ媒体のエンコーダ目標部分のインピーダンスとエンコーダ・ウィンドウ部分のインピーダンスの差を最大限大きくするためには、一般に、コイルは出来る限りエンコーダ目標の近くに配置することが望ましい。インダクタ（誘導性リアクタンスとも呼ばれる）のインピーダンスは、２π×周波数（例えば８０ｋＨｚ）×インダクタンスＬに等しく、一般にωＬと短縮表記される。図１Ｂ〜図１Ｃにおいて、エンコーダ目標は、コイルの見かけ上のインダクタンスＬ_Ａを増加させる。コイルをエンコーダ・ウィンドウに近づけると、コイルの見かけ上のインダクタンスは自由空間のインダクタンス、すなわち公称インダクタンスＬ_０に近づく。従って、センサがコード・ストリップやコード・ホイールに対して相対的に移動するのに従って、コイルの見かけ上のインダクタンスは第１の値から第２の値へ変化する。

図２は、本発明の一実施形態によるエンコーダシステム２００を示す等角図である。センサ２０２及びインクカートリッジ２０４が、基板２０６上に取り付けられている。インクカートリッジ２０４はプリントヘッド２０８を有する。エンコーダシステム２００は、インクジェットプリンタや熱転写プリンタのようなプリンタ（図示せず）に使用される。エンコーダ・ストリップ２１０はプリンタに固定され、プリンタにおいてプリントヘッド２０８が用紙（図示せず）又は他の媒体上を移動するのに従って、センサ２０２はそのプリントヘッド２０８の移動とともにエンコーダ・ストリップ２１０に沿って移動する。エンコーダ・ストリップ２１０がセンサを横切って通過するのに従ってセンサのインピーダンスは変化し、センサとコード・ストリップの組み合わせは、プリンタにおいてプリントヘッドを用紙に対して正確に位置決めするインクリメンタル・エンコーダ（相対値エンコーダ）として機能する。あるいは、プリントヘッドとセンサは固定しておき、用紙又は他の印刷媒体をエンコーダ・ストリップと連動して動かしてもよい。

図３は、センサが図２のコード・ストリップに対して相対的に移動したときの、センサの電気出力を示すグラフである。信号源（図１Ｂ符号１２１を参照）は、正弦波信号をセンサに供給する。第１のプロット３０２は、センサがエンコーダ・ウィンドウの近くに配置され、正弦波信号によって駆動されたときの、電圧出力を示している。第２のプロット３０４は、センサがエンコーダ目標の近くに配置され、正弦波信号によって駆動されたときの、電圧出力を示している。センサの見かけ上のインピーダンスは、センサがエンコーダ目標の近くに配置されたときの方が大きく、従って、このときの方が高い電圧が出力される。ピーク電圧間の差ΔＶ_Ｐは一般に、コード・ストリップやコード・ホイールのエンコーダ目標とエンコーダ・ウィンドウを確実に区別できるくらい大きいことが望ましい。

図４Ａは、本発明の一実施形態によるコード・ストリップ４００を示す側面図である。コード・ストリップ４００は、真鍮や銅のような導電性材料から形成され、エンコーダ目標部分４０２、４０４を有する。エンコーダ目標部分４０２、４０４の厚さは、交互に配置されるエンコーダ・ウィンドウ部分４０６、６０８よりも厚い。一実施形態において、センサは、コード・ストリップの第１の面４１０の近くに配置される。エンコーダ目標部分がエンコーダシステムのセンサに対して相対的に動かし、エンコーダ目標部分をセンサに対して近づけると、エンコーダ目標部分の抵抗値は減少し、渦電流が形成される。従って、渦電流の影響は、エンコーダ・ウィンドウ部分における影響よりも、エンコーダ目標部分における影響の方が大きい。あるいは、センサはコード・ストリップの第２の面４１２の近くに配置される場合がある。センサからエンコーダ・ウィンドウ部分までの距離は、センサからエンコーダ目標部分までの距離と同じである。ただし、エンコーダ目標部分の厚さを増やせば、エンコーダ・ウィンドウ部分の厚さを薄くするのに比べて簡単に渦電流を形成することができ、センサは両者を区別できるようになる。

図４Ｂは、本発明の一実施形態によるコード・ストリップ４２０を示す側面図である。コード・ストリップ４２０は、第１の材料からなる基板４２１と、第２の材料からなるエンコーダ目標部分４２２、４２４を有する。第２の材料は通常、導電性材料、導電性の磁性体材料、又は、非導電性の磁性体材料である。一実施形態において、基板は金属である。代替実施形態において、基板は、ポリマーフィルムやポリイミドフィルムのような可撓性ポリマーフィルムである。ポリマーや金属基板は、プリンタにおいて張力をかけた状態に維持することができ、コード・ストリップを真っ直ぐにする働きをする。更に他の実施形態において、基板には、ＰＣＢ基板のような剛性基板を使用する場合がある。コード・ストリップ４２０のエンコーダ目標部分４２２、４２４はエンコーダ・ウィンドウ部分４２６、４２８と交互に配置される。

図４Ａ〜図４Ｃの例のいずれかに示すように、コード・ストリップ上のエンコーダ目標又はエンコーダ・ウィンドウに位置あわせされたセンサは、センサがエンコーダ目標の近くにあるか、それともエンコーダ・ウィンドウの近くにあるかを示す電気信号を出力する。一実施形態において、センサは、周期的に変化する信号源によって駆動され、エンコーダ目標に渦電流及び／又は二次磁界を誘導する。更に他の実施形態では、センサの出力を処理することにより、コード・ストリップ上のセンサの位置を判定する場合がある。

本発明の好ましい実施形態は詳細に記載されているが、当業者であれば、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲から外れることなく、それらの実施形態に対する種々の変形又は変更を思いつくであろうことは明らかである。

本発明の一実施形態によるエンコーダシステムを示す等角図である。 エンコーダ目標の上に配置された図１Ａのエンコーダシステムのセンサを示す図である。 エンコーダ・ウィンドウの上に配置された図１Ａのエンコーダシステムのセンサを示す図である。 本発明の一実施形態によるコイル・デバイスを示す等角図である。 本発明の一実施形態によるエンコーダシステムの応用形態を示す等角図である。 センサが図２のコード・ストリップに対して相対的に移動したときの、センサの電気出力を示すグラフである。 本発明の一実施形態によるコード・ストリップを示す側面図である。 本発明の他の実施形態によるコード・ストリップを示す側面図である。 本発明の更に他の実施形態によるコード・ストリップを示す平面図である。

Claims (16)

1. 複数のエンコーダ目標部分が複数のエンコーダ・ウィンドウ部分と交互に配置されたエンコーディング媒体と、
   前記エンコーディング媒体に対して相対的に移動可能なセンサと、
   前記センサに電気駆動信号を供給する信号源と、
   前記センサに接続され、コード・ストリップの電気特性を検出し、前記センサがエンコーダ目標部分の近くにあるか、それともエンコーダ・ウィンドウ部分の近くにあるかを判定する、センサ電子回路と
   からなるエンコーダシステム。
2. 前記センサはコイルを含む、請求項１に記載のエンコーダシステム。
3. 前記センサは平面コイルからなる、請求項２に記載のエンコーダシステム。
4. 前記センサは円筒コイルからなる、請求項２に記載のエンコーダシステム。
5. 前記エンコーダ媒体はコード・ストリップである、請求項１に記載のエンコーダシステム。
6. 前記エンコーダ媒体はコード・ホイールである、請求項１に記載のエンコーダシステム。
7. 前記複数のエンコーダ目標部分と前記複数のエンコーダ部分は、規則的かつ周期的に交互に配置される、請求項１に記載のエンコーダシステム。
8. 前記センサは、前記センサが前記エンコーダ目標部分の近くにあるときに第１のインピーダンスを測定し、前記センサが前記エンコーダ・ウィンドウ部分の近くにあるときに第２のインピーダンスを測定する、請求項１に記載のエンコーダシステム。
9. 前記センサは、前記コード・ストリップを指標として前記コード・ストリップに対して相対的にステップ移動される、請求項１に記載のエンコーダシステム。
10. 前記複数のエンコーダ目標部分は、導電性の非磁性体材料からなる、請求項１に記載のエンコーダシステム。
11. 前記複数のエンコーダ目標部分は、導電性の磁性体材料からなる、請求項１に記載のエンコーダシステム。
12. 前記複数のエンコーダ・ウィンドウ部分は、導電性材料からなる、請求項１に記載のエンコーダシステム。
13. 前記複数のエンコーダ・ウィンドウ部分は、非導電性である、請求項１に記載のエンコーダシステム。
14. 前記電気駆動信号は周期性の交流信号である、請求項１に記載のエンコーダシステム。
15. 前記電気駆動信号は正弦波信号である、請求項１に記載のエンコーダシステム。
16. プリントヘッド及び基板を更に含み、
    前記センサ及び前記プリントヘッドは前記基板に取り付けられ、前記プリントヘッドは前記センサとともに前記コード・ストリップに対して移動する、請求項１に記載のエンコーダシステム。
    

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