JP2008076199A - Encoder - Google Patents
Encoder Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008076199A JP2008076199A JP2006255182A JP2006255182A JP2008076199A JP 2008076199 A JP2008076199 A JP 2008076199A JP 2006255182 A JP2006255182 A JP 2006255182A JP 2006255182 A JP2006255182 A JP 2006255182A JP 2008076199 A JP2008076199 A JP 2008076199A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- slit
- bright
- cos
- waveform
- partial
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、エンコーダ、特にモータの回転位置決め及びステージ等の直線位置決めに利用され歪の極めて小さい正弦波電気信号を得ることが出来るエンコーダに関する。 The present invention relates to an encoder, and more particularly to an encoder that can be used for rotational positioning of a motor and linear positioning of a stage and the like to obtain a sine wave electric signal with extremely small distortion.
従来のエンコーダでは、2値型矩形スリットを持つメインスケールと同2値型矩形スリットとを持つインデックススケールを相対移動した時、受光素子は各スリットを透過した光量に比例した透過口を積分して得られる三角波を出力する。この出力波形を、擬似正弦波として内挿分割し、エンコーダの出力としていた。しかし擬似正弦波は歪波を含むため、精度を高く内挿分割することが出来ない。
他の精度を上げる手段として、スリットを矩形状では無く、正弦波に変化させる方法がある。このスリットを透過した光を受光素子が受光した時、受光素子の出力も正弦波となり、内挿誤差も少なくなる。しかし、スリットを正弦波に精度良く製作することが困難なため、精度を高くすることが難しい。
上記以外の改善策として、複数列の矩形スリットを使用し、各スリットの位相をずらし、各スリットで生じる高調波歪を他のスリットで生じる高調波歪によって相殺し、歪の小さい正弦波出力を得る方法が提案されている(例えば、特許文献1を参照。)。この方法は複数列のスリットを要し、その結果、エンコーダの小型化に対し構成上の寸法制約が生じる。また、得られる基本正弦波は各スリットから得られる高調波の合成となるため、スリットパターンから位相がずれ、絶対値エンコーダ等の他のスリットパターンと位相を合わせる必要がある時、障害となる。
In a conventional encoder, when the index scale having a binary rectangular slit and a main scale having a binary rectangular slit is relatively moved, the light receiving element integrates a transmission port proportional to the amount of light transmitted through each slit. The obtained triangular wave is output. This output waveform was interpolated as a pseudo sine wave and used as an encoder output. However, since the pseudo sine wave includes a distorted wave, it cannot be interpolated with high accuracy.
As another means for improving the accuracy, there is a method of changing the slit to a sine wave instead of a rectangular shape. When the light receiving element receives light transmitted through the slit, the output of the light receiving element is also a sine wave, and the interpolation error is reduced. However, since it is difficult to manufacture the slit with a sine wave with high accuracy, it is difficult to increase the accuracy.
As an improvement measure other than the above, use multiple rows of rectangular slits, shift the phase of each slit, cancel out the harmonic distortion generated in each slit by harmonic distortion generated in other slits, and produce a sine wave output with low distortion A method of obtaining is proposed (see, for example, Patent Document 1). This method requires a plurality of rows of slits, and as a result, the size of the encoder is limited in terms of size. Further, since the obtained fundamental sine wave is a combination of harmonics obtained from each slit, the phase shifts from the slit pattern, which becomes an obstacle when it is necessary to match the phase with another slit pattern such as an absolute encoder.
上述した通り、位相をずらした複数列のスリットを使用することにより歪の小さい正弦波出力を得る方法では、エンコーダの小型化の障害になるだけでなく、絶対値エンコーダ等の他のスリットパターンと位相を合わせる必要がある時、障害となる問題点を有している。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、メインスケール及びインデックススケール共、製作容易な2値型矩形スリットを使用し歪の含まない正弦波を得る。また、正弦波出力を複数スリットで得る場合小型化に障害が出るため単スリットでも出力が得られるようにする。さらに、製作スリットパターンと波形出力の位相がずれることを解決する。
As described above, the method of obtaining a sine wave output with a small distortion by using a plurality of rows of slits whose phases are shifted not only obstructs downsizing of the encoder but also other slit patterns such as an absolute encoder. There is a problem that becomes an obstacle when it is necessary to match the phases.
Therefore, the problem to be solved by the present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and both the main scale and the index scale use a binary rectangular slit that is easy to manufacture and does not contain distortion. Get the waves. In addition, when a sine wave output is obtained with a plurality of slits, it is difficult to reduce the size, so that an output can be obtained even with a single slit. Furthermore, it solves that the phase of the production slit pattern and the waveform output is shifted.
前記目的を達成するための請求項1に記載のエンコーダは、相対移動しながら光源から発した光を透過又は遮蔽するメインスケールおよびインデックススケールを具備し双方のスケールを透過した光の受光量に対応した電気信号を出力するエンコーダであって、前記メインスケールの光が透過する明部スリットのピッチをPとし且つ該明部スリットの幅をP/2とし且つ該ピッチPに角度2πをリニア対応させるとき、前記インデックススケールの光が透過する明部スリットは、複数Nの部分矩形スリットで構成され、且つ前記部分矩形スリットの幅を各々[An,π−An](n=1,2,3,・・・,N)とするとき、該An(n=1,2,3,・・・,N)は、Σk=1 Ncos(3Ak),Σk=1 Ncos(5Ak),・・・,Σk=1 Ncos[(2M+1)*Ak]の各Σ値がゼロ又は限りなく小さくなる(但し、N、Mは自然数とする。)ように選定されて成り、且つ、前記各部分矩形スリットは双方のスケールの最大重複時において前記メインスケールの明部スリットにカバーされるように構成され、歪の極めて小さい正弦波電気信号を出力することを特徴とする。
上記エンコーダでは、出力される信号の波形は受光素子での受光量に比例し、その受光量はメインスケールの明部スリットとインデックススケールの明部スリットとの重複透過口(共通透過口)の波形を1周期(ピッチP)にわたって積分した積分波形に比例し、その積分波形は三角波または台形波となる。その積分波形を一つではなく複数の三角波等の和となるように構成し、なお且つ各波形をフーリエ分解したときの高調波のフーリエ級数の和がゼロ又は限りなく小さくなるように構成することにより、出力される信号の波形は高調波成分が除去された歪みの極めて小さい正弦波の出力波形となる。つまり、メインスケールとインデックススケールとによって形成される重複透過口の形状(スリットパターン)を複数の矩形スリットで構成し、なお且つ各矩形スリットの矩形幅を、その矩形スリットの1周期にわたって積分した積分波形をフーリエ分解したときの高調波のフーリエ級数の和がゼロ又は限りなく小さくなるように適切に選定することにより、出力される信号の波形は高調波成分が除去された歪みの極めて小さい正弦波の出力波形となる。
本願発明者が、エンコーダの受光素子の出力波形を鋭意研究した結果、インデックススケールの明部スリットを複数Nの部分矩形スリット(スリット幅が[An,π−An](n=1,2,3,・・・,N))で階段状または凹凸状のスリットパターンで構成すると、出力波形の高調波成分が、−4/(9π)×(Σk=1 Ncos(3Ak))cos(3x)−4/(25π)×(Σk=1 Ncos(5Ak))cos(5x)・・・−4/(2M+1)2/π×(Σk=1 Ncos[(2M+1)*Ak])cos((2M+1)x)とフーリエ級数展開できることを見出した。なお、重複透過口を積分した波形は偶関数よりsinに関するフーリエ係数はゼロになる。
そこで、Σk=1 Ncos(3Ak),Σk=1 Ncos(5Ak),・・・,Σk=1 Ncos[(2M+1)*Ak]の各値がゼロ又は限りなく小さくなる(但し、N、Mは自然数とする。)ように、各An(n=1,2,3,・・・,N)を選定することにより、各項の高調波成分が好適に相殺され又は低減され、その結果、受光素子において歪の極めて小さい正弦波信号が出力されるようになる。
The encoder according to
In the above encoder, the waveform of the output signal is proportional to the amount of light received by the light receiving element, and the amount of received light is the waveform of the overlapping transmission port (common transmission port) between the bright part slit of the main scale and the bright part slit of the index scale. Is proportional to the integrated waveform integrated over one period (pitch P), and the integrated waveform is a triangular wave or a trapezoidal wave. Configure the integrated waveform to be the sum of multiple triangular waves, etc. instead of one, and configure the sum of the Fourier series of harmonics when each waveform is Fourier decomposed to be zero or as small as possible. Thus, the waveform of the output signal becomes a sine wave output waveform with extremely small distortion from which harmonic components are removed. In other words, the integral transmission port shape (slit pattern) formed by the main scale and the index scale is composed of a plurality of rectangular slits, and the rectangular width of each rectangular slit is integrated over one period of the rectangular slit. By appropriately selecting the sum of the Fourier series of harmonics when the waveform is Fourier decomposed to be zero or as small as possible, the waveform of the output signal is a sine wave with extremely low distortion from which harmonic components have been removed. Output waveform.
As a result of intensive studies on the output waveform of the light receiving element of the encoder, the inventor of the present application has determined that the bright slit of the index scale is a plurality of N partial rectangular slits (slit width is [A n , π−A n ] (n = 1, 2 , 3,..., N)) with a stepped or uneven slit pattern, the harmonic component of the output waveform is −4 / (9π) × (Σ k = 1 N cos (3A k )) cos (3x) -4 / (25π) × (Σk = 1 N cos (5A k )) cos (5x)... -4 / (2M + 1) 2 / π × (Σk = 1 N cos [(2M + 1 ) * A k ]) cos ((2M + 1) x) and Fourier series expansion. Note that the waveform obtained by integrating the overlapping transmission ports has a Fourier coefficient of sin of zero from the even function.
Therefore, each value of Σ k = 1 N cos (3A k ), Σ k = 1 N cos (5A k ),..., Σ k = 1 N cos [(2M + 1) * A k ] is zero or infinite. By selecting each An (n = 1, 2, 3,..., N) so that it becomes smaller (however, N and M are natural numbers), the harmonic component of each term is suitably selected. As a result, a sinusoidal signal with extremely small distortion is output from the light receiving element.
請求項2に記載のエンコーダでは、前記インデックススケールの光が透過する明部スリットは、スリット幅がP/6(=π/3=[π/3,π−π/3]),3P/10(=3π/5=[π/5,π−π/5]),11P/30(=11π/15=[2π/15,π−2π/15])およびP/2(=π=[0,π−0])の部分矩形スリットに分解されて成ることとした。
上記エンコーダでは、インデックススケールの明部スリットを4個(請求項1においてN=4の場合である。)の部分矩形スリットで構成した。すなわち、A1=0、A2=2π/15、A3=π/5、A4=π/3に選定すると、Σk=1 4cos(3Ak)=Σk=1 4cos(5Ak)=0となって、第5次までの高調波成分がゼロになる。
このように、メインスケールの明部スリットの形状を矩形とし、なお且つその矩形スリットの幅の範囲内で、インデックススケールの明部スリットの形状を複数の部分矩形スリットで構成することにより、各部分矩形スリットによって生成される高調波同士が相殺され又は低減され、結果的に、受光素子から出力波形には基本波と直流成分のみが残るようにすることが可能となる。従って、残った基本波と直流成分は、差動増幅器を通過することにより、基本波のみを残した歪の極めて小さい正弦波形を得ることが可能となる。つまり、光がメインスケールの2値型矩形スリットを透過する時、生じる歪高調波の任意歪次数を除去できる要素スリットを持つインデックススケールにより、歪を相殺し基本波のみを残した歪の極めて小さい正弦波形とすることが可能となる。
In the encoder according to
In the encoder, the bright part slits of the index scale are constituted by four partial rectangular slits (N = 4 in claim 1). That is, when A 1 = 0, A 2 = 2π / 15, A 3 = π / 5, and A 4 = π / 3, Σ k = 1 4 cos (3A k ) = Σ k = 1 4 cos (5A k ) = 0, and the harmonic components up to the fifth order become zero.
As described above, the shape of the bright part slit of the main scale is rectangular, and the shape of the bright part slit of the index scale is constituted by a plurality of partial rectangular slits within the range of the width of the rectangular slit. The harmonics generated by the rectangular slits are canceled or reduced, and as a result, only the fundamental wave and the direct current component can remain in the output waveform from the light receiving element. Therefore, the remaining fundamental wave and the direct current component pass through the differential amplifier, thereby making it possible to obtain a sinusoidal waveform with extremely small distortion leaving only the fundamental wave. In other words, when light passes through the binary rectangular slit of the main scale, the index scale has an element slit that can remove the arbitrary distortion order of the generated distortion harmonics. A sinusoidal waveform can be obtained.
本発明のエンコーダによれば、2値型矩形スリットで歪の無い正弦波を得ることが可能となるため、精度良く内挿分割が可能となり高分解能のエンコーダが安価に製作できるようになる。また、単スリットで歪を除去できる為、エンコーダの小型化が可能となる。さらに、同スリットを複数配置したとき、製作上のばらつき等の不均一さが平均化されさらに精度が向上するようになる。 According to the encoder of the present invention, it is possible to obtain a distortion-free sine wave with a binary rectangular slit, so that interpolation division can be performed with high accuracy, and a high-resolution encoder can be manufactured at low cost. Further, since distortion can be removed with a single slit, the encoder can be miniaturized. Further, when a plurality of the slits are arranged, non-uniformities such as manufacturing variations are averaged and the accuracy is further improved.
以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments shown in the drawings.
図1は、本発明に係るエンコーダ100を示す要部説明図である。
このエンコーダ100は、平行光線を発する光源0と、平行光線を透過させる明部スリットと同遮蔽する暗部スリットとから成りインデックススケールに対し相対移動するメインスケール1と、光を透過させる明部スリットが階段状に形成されたインデックススケール2と、メインスケール1及びインデックススケール2の双方の明部スリットを通過した光を受光してその受光量に対応した電気信号を出力する受光素子3とを具備して構成されている。
FIG. 1 is an explanatory view showing a main part of an encoder 100 according to the present invention.
The encoder 100 includes a
このエンコーダ100の動作を簡単に説明とすると、先ず光源0から発した平行光線がメインスケール1に入射され、メインスケール1の明部スリットを透過した光がインデックススケール2へ入射する、さらにインデックススケール2の明部スリットを透過した光は受光素子3へ入射する。他方、受光素子3は、メインスケール1の明部スリットとインデックススケール2の明部スリットとの重複透過口で定まる光量に比例した電圧を出力する。
The operation of the encoder 100 will be briefly described. First, parallel rays emitted from the
図2は、メインスケール1及びインデックススケール2のスリットパターンを示す説明図である。なお、図2の(a)はメインスケール1のスリットパターンを示し、同(b)はインデックススケール2のスリットパターンを示す説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing slit patterns of the
図2の(a)に示すように、メインスケールのスリットパターン4は、光を透過させる明部スリット4aと、光を遮蔽する暗部スリット4bのスリット幅が等しくP/2で、且つ明部スリット4aのピッチがPの2値形矩形パターンとなっている。
As shown in FIG. 2 (a), the
対するインデックススケールのスリットパターン5は、詳細については図3を参照しながら後述するが、明部スリット5aがメインスケール1のピッチPの1/2の幅内で階段状にパターン化されている。
The index
図3は、インデックススケールの明部スリット5aの詳細を示す説明図である。
この明部スリット5aは、幅P/2の範囲に複数の矩形スリットが階段状に配置され、例えば、第1明部分スリット6から第4明部分スリット9の4個の矩形スリットから成るステップパターンとなっている。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing details of the
The
ここで、後述のフーリエ級数展開を考慮して、このスリットのピッチ0→Pを角度0→2πにリニア対応させる(従って、P/2はπとなる。同様に11P/30、3P/10、P/6はそれぞれ11π/15、3π/5、π/3に対応する。以後の説明においても同様である。)と、第1明部分スリット6は高さが1、幅がπ(=[0,π])の矩形スリット、第2明部分スリット7は高さ1、幅が11π/15(=[2π/15,13π/15])の矩形スリット、第3明部分スリット8は高さ1、幅が3π/5(=[π/5,4π/5])の矩形スリット、第4明部分スリット9は高さ1、幅がπ/3(=[π/3,2π/3])の矩形スリットとなっている。詳細については、図5を参照しながら後述するが、インデックススケール2の明部スリット5aをこのように階段状の矩形スリットで構成し、なお且つメインスケール1の明部スリット4aを幅P/2および高さ4以上の矩形スリットに形成することにより、受光素子3において高調波成分が除去された歪の極めて小さい正弦波信号が出力されることになる。
Here, in consideration of the Fourier series expansion described later, the
図4は、メインスケールの明部スリット4aとインデックススケールの第1明部分スリット6との重複透過口の変化を示す説明図である。なお、インデックススケール2は静止し、メインスケール1が移動しているものとする。
図4の(a)は相対変位ΔS=0のとき、同(b)は相対変位ΔS=P/4のとき、同(c)は相対変位ΔS=P/2のとき、同(d)は相対変位ΔS=3P/4のとき、同(e)は相対変位ΔS=Pのときである。また、同(f)は、ΔS=0からPの相対変位に対する受光素子3における入射光量を示している。これらの図から、受光素子3に対する入射光量はメインスケール1の明部スリット4aとインデックススケール2の第1明部分スリット6との重複透過口面積Soに比例することが判る。特に、ΔS=P/2からPにおいては、重複透過口面積Soは相対変位に対して反比例している。また減少する速度は、ΔS=0からP/2における増加する速度と大きさが等しく向きが逆であるから、結果的に重複透過口面積Soは第1明部分スリット6とそれと逆相の矩形スリットを相対変位(ΔS:0→P)にわたり積分した積分値に比例することが判る。従って、入射光量の波形は、図4の(f)に示すように、三角波となる。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a change in the overlapping transmission port between the
4A shows the relative displacement ΔS = 0, FIG. 4B shows the relative displacement ΔS = P / 4, FIG. 4C shows the relative displacement ΔS = P / 2, and FIG. When the relative displacement ΔS = 3P / 4, (e) is when the relative displacement ΔS = P. Further, (f) shows the amount of incident light in the
上記のことは、第2明部分スリット7から第4明部分スリット9に対しても同様に当てはまる。なお、後述するように、第2明部分スリット7から第4明部分スリット9に対する入射光量の波形は台形波となる。
The same applies to the second bright
図5は、各部分スリット及びそれに対応する入射光量を示すグラフである。なお、図3のインデックススケールの階段状スリットパターンを第1明部分スリット6から第4明部分スリット9の個別矩形形状に分解し、その各部分スリットを通過して受光素子3において受光される入射光量と相対位置(相対変位)を表している。受光素子3の出力は各部分スリット(矩形スリット)の通過光量の合計となる。また、横軸の相対位置は対応する角度(ラジアン単位)で示されている。
FIG. 5 is a graph showing each partial slit and the amount of incident light corresponding thereto. 3 is decomposed into individual rectangular shapes of the first bright
上述した通り、インデックススケール2の階段状スリットパターンは波高が1で、幅π(=[0,π])の第1明部分スリット6、幅11π/15(=[2π/15,13π/15])の第2明部分スリット7、幅3π/5(=[π/5,4π/5])の第3明部分スリット8、幅π/3(=[π/3,2π/3])の第4明部分スリット9の個別矩形波に分解される。受光素子への入射光量はメインスケールの明部スリットと前記個別矩形スリット(第1明部分スリット6〜第4明部分スリット9)の共通開口部面積(重複透過口面積)に比例する為、メインスケールの明部スリット4a(明部幅π)がインデックススケール2を通過する時、受光素子への入射光量は各個別矩形波形(第1明部分スリット6〜第4明部分スリット9)の積分値となる。従って、相対位置に対し比例(増加)する。
As described above, the stepped slit pattern of the
また、メインスケールの暗部スリット4bが遮蔽する光量に対応する波形は、波高が−1で、幅π(=[π,2π])の第1暗部分スリット10、幅11π/15(=[17π/15,28π/15])の第2暗部分スリット11、幅3π/5(=[6π/5,9π/5])の第3暗部分スリット12、幅π(=[4π/3,5π/3])の第4暗部分スリット13に分解された個別矩形波の積分値となり相対位置に対し反比例(減少)する。
The waveform corresponding to the amount of light shielded by the
一般に、インデックススケール2の明部スリットを構成する明部分スリットは、波高を1とするとき、[An,π−An](n=1,2,3,・・・,N)と書くことが出来る。本実施例では、N=4のとき、即ち4個の部分スリットでインデックススケール2の明部スリットを階段状スリットパターンに構成した例である。また、Anについては、第1明部分スリット6ではA1=0、第2明部分スリット7ではA2=2π/15、第3明部分スリット8ではA3=π/5、第4明部分スリット9ではA4=π/5となる。
In general, the bright part slit constituting the bright part slit of the
図5に示されるように、第1明部分スリット6および第1暗部分スリット10の1周期にわたり積分した波形ya14は三角波となり、他方、第2明部分スリット7および第2暗部分スリット11、第3明部分スリット8および第3暗部分スリット12、並びに第4明部分スリット9および第4暗部分スリット13の各波形を1周期にわたり積分した波形yd15、波形yc16、波形yb17は何れも台形波となる。各式は[数1]に表される。
[数1]
波形14:ya=x(0≦x<π)
=2π−x(π≦x<2π)
波形17:yb=0(0≦x<π/3)
=x−π/3(π/3≦x<2π/3)
=π/3(2π/3≦x<4π/3)
=5π/3−x(4π/3≦x<5π/3)
=0(5π/3≦x<2π)
波形16:yc=0(0≦x<π/5)
=x−π/5(π/5≦x<4π/5)
=3π/5(4π/5≦x<6π/5)
=9π/5−x(6π/5≦x<9π/5)
=0(9π/5≦x<2π)
波形15:yd=0(0≦x<2π/15)
=x−2π/15(2π/15≦x<13π/15)
=11π/15(13π/15≦x<17π/15)
=28π/15−x(17π/15≦x<28π/15)
=0(28π/15≦x<2π)
ya、yb、yc、ydは各矩形波(第1明部分スリット6及び第1暗部分スリット10、第2明部分スリット7及び第2暗部分スリット11、第3明部分スリット8及び第3暗部分スリット12並びに第4明部分スリット9及び第4暗部分スリット13)を積分した各光量(受光素子出力)に比例した値を表し、xは角度を対応させた相対移動距離を表す(0→2π)。
従って、受光素子の全出力Yはその各矩形波積分値の合計、つまり、各波形ya,yd,yc,yb14〜17の合計波形(Y=ya+yb+yc+yd)となる。
As shown in FIG. 5, the waveform ya14 integrated over one period of the first bright
[Equation 1]
Waveform 14: ya = x (0 ≦ x <π)
= 2π-x (π ≦ x <2π)
Waveform 17: yb = 0 (0 ≦ x <π / 3)
= X-π / 3 (π / 3 ≦ x <2π / 3)
= Π / 3 (2π / 3 ≦ x <4π / 3)
= 5π / 3-x (4π / 3 ≦ x <5π / 3)
= 0 (5π / 3 ≦ x <2π)
Waveform 16: yc = 0 (0 ≦ x <π / 5)
= X-π / 5 (π / 5 ≦ x <4π / 5)
= 3π / 5 (4π / 5 ≦ x <6π / 5)
= 9π / 5-x (6π / 5 ≦ x <9π / 5)
= 0 (9π / 5 ≦ x <2π)
Waveform 15: yd = 0 (0 ≦ x <2π / 15)
= X-2π / 15 (2π / 15 ≦ x <13π / 15)
= 11π / 15 (13π / 15 ≦ x <17π / 15)
= 28π / 15-x (17π / 15 ≦ x <28π / 15)
= 0 (28π / 15 ≦ x <2π)
ya, yb, yc, and yd are rectangular waves (first bright
Therefore, the total output Y of the light receiving element is the sum of the square wave integral values, that is, the total waveform (Y = ya + yb + yc + yd) of the waveforms ya, yd, yc, yb14-17.
ところで、その合計波形は[数2]のフーリエ級数展開(フーリエ分解)による正弦波および余弦波の高調波次数成分と、基本波成分と直流成分とで表すことが出来る。また、合計波形は各矩形波積分値の合計となっているため、各矩形波積分値のフーリエ分解された波形成分を合計することによって得られる。
[数2]
U=a0/2+Σ{an*cos(n*x)+bn*sin(n*x)}
n:高調波次数(1,2,3,4,5 5次迄表記)
a0:直流成分
an、bn:フーリエ係数
an=1/π*∫(y*cos(n*x))dx)0→2π間積分
bn=1/π*∫(y*sin(n*x))dx)0→2π間積分
y:各積分値 ya、yb、yc、yd
各積分値yのan、bnを上式により求め、フーリエ分解を行うと各値は下記となる。
By the way, the total waveform can be expressed by a harmonic order component of a sine wave and a cosine wave by Fourier series expansion (Fourier decomposition) of [Equation 2], a fundamental wave component, and a direct current component. Further, since the total waveform is the sum of the square wave integral values, it can be obtained by summing the waveform components obtained by Fourier decomposition of the square wave integral values.
[Equation 2]
U = a 0/2 + Σ {a n * cos (n * x) + b n * sin (n * x)}
n: Harmonic order (indicated up to 1, 2, 3, 4, 5 5th order)
a 0 : DC component a n , b n : Fourier coefficient
a n = 1 / π * ∫ (y * cos (n * x)) dx) 0 → 2π integration
b n = 1 / π * ∫ (y * sin (n * x)) dx) 0 → 2π integration
y: each integral value ya, yb, yc, yd
When a n and b n of each integral value y are obtained by the above formula and Fourier decomposition is performed, each value is as follows.
先ず、波形ya14に対するフーリエ係数から求める。波形ya14は偶関数であるから、bn=0。つまり、波形ya14に対するフーリエ係数:b1=b2=b3=b4=b5=0,
a0=π,
a1=−4/π,
a2=0,
a3=−4/(9π),
a4=0,
a5=−4/(25π)
従って、波形ya14のフーリエ分解:
Ua=π/2−4/π*cos(x)−4/(9π)*cos(3x)−4/(25π)*cos(5x)
First, it is obtained from the Fourier coefficient for the waveform ya14. Since the waveform ya14 is an even function, b n = 0. That is, Fourier coefficients for the waveform ya14: b 1 = b 2 = b 3 = b 4 = b 5 = 0,
a 0 = π,
a 1 = −4 / π,
a 2 = 0,
a 3 = −4 / (9π),
a 4 = 0,
a 5 = −4 / (25π)
Therefore, Fourier decomposition of waveform ya14:
Ua = π / 2-4 / π * cos (x) -4 / (9π) * cos (3x) -4 / (25π) * cos (5x)
次に、波形yb17に対するフーリエ係数を求める。波形yb17も偶関数であるから、bn=0。つまり、波形yb17に対するフーリエ係数:b1=b2=b3=b4=b5=0,
a0=π/3,
a1=−2/π,
a2=0,
a3=4/(9π),
a4=0,
a5=−2/(25π)
従って、波形yd15のフーリエ分解:
Ub=π/6−2/π*cos(x)+4/(9π)*cos(3x)−2/(25π)*cos(5x)
Next, a Fourier coefficient for the waveform yb17 is obtained. Since the waveform yb17 is also an even function, b n = 0. That is, Fourier coefficients for the waveform yb17: b 1 = b 2 = b 3 = b 4 = b 5 = 0,
a 0 = π / 3,
a 1 = −2 / π,
a 2 = 0,
a 3 = 4 / (9π),
a 4 = 0,
a 5 = −2 / (25π)
Therefore, Fourier decomposition of waveform yd15:
Ub = π / 6-2 / π * cos (x) + 4 / (9π) * cos (3x) −2 / (25π) * cos (5x)
次に、波形yc16に対するフーリエ係数を求める。波形yc16も偶関数であるから、bn=0。つまり、波形yc16に対するフーリエ係数:b1=b2=b3=b4,b5=0,
a0=3π/5,
a1=−4*cos(π/5)/π=−1.03,
a2=0,
a3=−4/9*cos(3π/5)/π=0.0437,
a4=0,
a5=−4/25*cos(5π/5)/π=4/(25π),
ycのフーリエ分解:
Uc=3π/10−1.03*cos(x)+0.0437*cos(3x)+4/(25π)*cos(5x)
Next, a Fourier coefficient for the waveform yc16 is obtained. Since the waveform yc16 is also an even function, b n = 0. That is, Fourier coefficients for the waveform yc16: b 1 = b 2 = b 3 = b 4 , b 5 = 0,
a 0 = 3π / 5,
a 1 = −4 * cos (π / 5) /π=−1.03,
a 2 = 0,
a 3 = −4 / 9 * cos (3π / 5) /π=0.437,
a 4 = 0,
a 5 = −4 / 25 * cos (5π / 5) / π = 4 / (25π),
Fourier decomposition of yc:
Uc = 3π / 10−1.03 * cos (x) + 0.0437 * cos (3x) + 4 / (25π) * cos (5x)
次に、波形yd15に対するフーリエ係数を求める。波形yd15も偶関数であるから、bn=0。つまり、波形yd15に対するフーリエ係数:b1=b2=b3=b4=b5=0,
a0=11π/15,
a1=−4*cos(2π/15)/π=−1.163,
a2=0,
a3=−4/9*cos(3*2π/15)/π=−4/9*cos(2π/5)/π=−0.0437,
a4=(−11/30*cos(π/30)+11/30*sin(7π/15))/π=0,
a5=−4/25*cos(5*2π/15)/π=−4/25*cos(2π/3)/π=2/(25π),
ydのフーリエ分解:
Ud=11π/30−1.1631*cos(x)−0.0437*cos(3x)+2/(25π)*cos(5x)
Next, a Fourier coefficient for the waveform yd15 is obtained. Since the waveform yd15 is also an even function, b n = 0. That is, the Fourier coefficient for waveform yd15: b 1 = b 2 = b 3 = b 4 = b 5 = 0,
a 0 = 11π / 15,
a 1 = −4 * cos (2π / 15) /π=−1.163
a 2 = 0,
a 3 = −4 / 9 * cos (3 * 2π / 15) / π = −4 / 9 * cos (2π / 5) /π=−0.0437,
a 4 = (− 11/30 * cos (π / 30) + 11/30 * sin (7π / 15)) / π = 0,
a 5 = −4 / 25 * cos (5 * 2π / 15) / π = −4 / 25 * cos (2π / 3) / π = 2 / (25π),
Fourier decomposition of yd:
Ud = 11π / 30−1.1631 * cos (x) −0.0437 * cos (3x) + 2 / (25π) * cos (5x)
下記[数3]に示すように、各明部分スリット及び暗部分スリットを積分することにより得られる各波形ya,yb,yc,ydをフーリエ分解した波形の合計Uが受光素子の出力に比例した値となる。
[数3]
U=Ua+Ub+Uc+Ud
=π/2+π/6+3π/10+11π/30
−(4/π+2/π+1.03+1.1631)*cos(x)
+(−4/9π+4/9π+0.0437−0.0437)*cos(3x)
+(−4/25π−2/25π+4/25π+2/25π)*cos(5x)
[数3]より、第1部分スリット6による出力波形に含まれる3次高調波は第2部分スリット7による出力波形に含まれる逆相の3次高調波により打ち消される。また、第1部分スリット6に含まれる5次高調波は第3部分スリット8による出力波形に含まれる逆相の5次高調波により打ち消され、第1部分スリット6による出力波形には基本波のみ現れる。
As shown in [Equation 3] below, the total U of the waveforms obtained by Fourier-decomposing each waveform ya, yb, yc, yd obtained by integrating each bright part slit and dark part slit is proportional to the output of the light receiving element. Value.
[Equation 3]
U = Ua + Ub + Uc + Ud
= Π / 2 + π / 6 + 3π / 10 + 11π / 30
− (4 / π + 2 / π + 1.03 + 1.1631) * cos (x)
+ (− 4 / 9π + 4 / 9π + 0.0437−0.0437) * cos (3x)
+ (-4 / 25π-2 / 25π + 4 / 25π + 2 / 25π) * cos (5x)
From [Equation 3], the third harmonic contained in the output waveform by the first
同様に、第2部分スリット7による出力波形に含まれる5次高調波は第4部分スリット9による出力波形に含まれる5次高調波により打ち消される。また、第3部分スリット8による出力波形に含まれる3次高調波は第4部分スリット9による出力波形に含まれる3次高調波により打ち消され、第1部分スリット6以外のスリット波形による出力波形に於いても基本波のみ現れる。
Similarly, the fifth harmonic contained in the output waveform from the second
以上から受光素子3には直流成分と高調波歪成分を持たない、スリットピッチ周期Pを持つ正弦波を取り出すことができる。差動増幅器により正弦波のみ取り出し内挿分割すれば高分解能のエンコーダを構成できる。
From the above, the
受光素子3の出力は上記の各分解された矩形波を合成した図3のインデックススリットが同形状となるため、同一の値が得られる。実施例は、図3の合成したスリット形状及び図5の分解したスリット形状においても行われる。
The output of the
以上の実施例は5次高調波歪成分を打ち消す構成を示したが、4つのスリットパターンを追加することにより、7次高調波歪を打ち消すことが可能となり、より歪の小さい正弦波を取り出すことができる。 Although the above embodiment has shown a configuration that cancels the fifth-order harmonic distortion component, it is possible to cancel the seventh-order harmonic distortion by adding four slit patterns, and to extract a sine wave with smaller distortion. Can do.
一般に、波高が1且つ幅が[A,π−A]および波高が−1且つ幅が[π+A,2π−A]の矩形波を相対変位の1周期にわたって積分した波形は、偶関数となり、フーリエ級数展開した時の、cosに関するフーリエ係数anは、導出過程については省略するが、an=0(n:偶数)又はan=−4/(n2π)*cos(nA)(n:奇数)となる。なお、Aは、明部分スリットのスリット幅[A,π−A]を決める定数であり、波形ya14ではA=0、波形yd15ではA=2π/15、波形yc16ではA=π/5、波形yb17ではA=π/3となる。
従って、インデックススケール2の明部スリットをN個の矩形状の明部分スリットで構成したときの、各波形の合計Uは、
U=(直流成分)
−4/π*(cosA1+cosA2+・・・+cosAN)cos(x)−4/9/π*(cos(3A1)+cos(3A2)+・・・+cos(3AN))cos(3x)−4/25/π*(cos(5A1)+cos(5A2)+・・・+cos(5AN))cos(5x)・・・となる。従って、Σk=1 Ncos(3Ak),Σk=1 Ncos(5Ak),・・・となり,従ってΣk=1 Ncos[(2M+1)*Ak]の各値がゼロ又は限りなくゼロに近づくように、各An(n=1,2,・・・,N)を選定することにより、受光素子において歪の極めて正弦波出力を得ることが可能となる。An(n=1,2,・・・,N)が決定されると、インデックススケールの明部スリットを構成する矩形状部分スリットが決定され、その結果、階段状スリットパターンが好適に決定される。上記実施例では、N=4且つ7次以上の高調波成分を無視した例である。
In general, a waveform obtained by integrating a rectangular wave having a wave height of 1 and a width of [A, π-A], a wave height of −1 and a width of [π + A, 2π-A] over one period of relative displacement becomes an even function, and Fourier when the series expansion, Fourier coefficients a n relates cos, is omitted for the derivation process, a n = 0 (n: even number) or a n = -4 / (n 2 π) * cos (nA) (n : Odd). A is a constant that determines the slit width [A, π-A] of the bright partial slit. A = 0 in the waveform ya14, A = 2π / 15 in the waveform yd15, A = π / 5 in the waveform yc16, and the waveform. In yb17, A = π / 3.
Therefore, when the bright part slit of the
U = (DC component)
−4 / π * (cosA 1 + cosA 2 +... + CosA N ) cos (x) −4 / 9 / π * (cos (3A 1 ) + cos (3A 2 ) +... + Cos (3A N )) cos (3x) −4 / 25 / π * (cos (5A 1 ) + cos (5A 2 ) +... + Cos (5A N )) cos (5x). Therefore, Σ k = 1 N cos (3A k ), Σ k = 1 N cos (5A k ),..., And therefore each value of Σ k = 1 N cos [(2M + 1) * A k ] is zero or By selecting each A n (n = 1, 2,..., N) so as to approach zero as much as possible, it is possible to obtain an extremely sine wave output with distortion in the light receiving element. When A n (n = 1, 2,..., N) is determined, the rectangular partial slits constituting the bright slits of the index scale are determined, and as a result, the stepped slit pattern is suitably determined. The In the above embodiment, N = 4 and higher harmonic components of 7th order and higher are ignored.
図6は、実施例2に係るインデックススケールの明部スリットの詳細を示す説明図である。
このインデックススケールの明部スリットは、図3の明部スリットにおいて、第1明部分スリット6と第3明部分スリット8の順番を入れ換えた構成となっている。つまり、このように各明部分スリットの順番を入れ換えても各明部分スリットとメインスケールの明部スリット4aとの重複透過口(共通透過口)の形状は変わらないため、上記実施例1と同様に、メインスケール1及びこのインデックススケールの明部スリットを透過した光が受光素子3へ入射して、受光素子3が出力する出力波形は、高調波成分が除去された歪の極めて小さい正弦波となる。
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating details of the bright slits of the index scale according to the second embodiment.
The bright part slit of the index scale has a configuration in which the order of the first
従って、本発明に係るインデックススケール2のスリットパターンとしては、明部スリットがN個の明部分スリットで構成されている場合は、N!個存在することになる。
Therefore, as the slit pattern of the
歪の極めて小さい正弦波を安価に作ることが可能になるため、回転型モータ、リニアモータの高分解能位置検出器に対し利用することが出来る。また、基本波成分のスリットパターンに対して出力の位相ずれが無く一致するため、絶対値エンコーダを作る場合に製作が容易となる。 Since a sine wave with extremely small distortion can be produced at low cost, it can be used for a high-resolution position detector of a rotary motor or linear motor. In addition, since the output wave pattern coincides with the slit pattern of the fundamental wave component, it is easy to manufacture when making an absolute encoder.
0 光源
1 メインスケール
2 インデックススケール
3 受光素子
4 メインスケールのスリットパターン
5 インデックススケールのスリットパターン
P メインスケールのスリット周期
6 第1明部分スリット
7 第2明部分スリット
8 第3明部分スリット
9 第4明部分スリット
10 第1暗部分スリット
11 第2暗部分スリット
12 第3暗部分スリット
13 第4暗部分スリット
14 波形ya
15 波形yb
16 波形yc
17 波形yd
0
15 Waveform yb
16 Waveform yc
17 Waveform yd
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006255182A JP4865470B2 (en) | 2006-09-21 | 2006-09-21 | Encoder |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006255182A JP4865470B2 (en) | 2006-09-21 | 2006-09-21 | Encoder |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008076199A true JP2008076199A (en) | 2008-04-03 |
JP4865470B2 JP4865470B2 (en) | 2012-02-01 |
Family
ID=39348431
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006255182A Active JP4865470B2 (en) | 2006-09-21 | 2006-09-21 | Encoder |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4865470B2 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102062614A (en) * | 2009-11-14 | 2011-05-18 | 安华高科技Ecbuip(新加坡)私人有限公司 | High resolution optical encoder systems, devices and methods |
JP2012230103A (en) * | 2011-04-13 | 2012-11-22 | Canon Inc | Encoder |
JP2013083465A (en) * | 2011-10-06 | 2013-05-09 | Panasonic Corp | Optical encoder device |
JP2015099124A (en) * | 2013-11-20 | 2015-05-28 | 株式会社小野測器 | Optical encoder |
US9354089B2 (en) | 2011-04-14 | 2016-05-31 | Canon Kabushiki Kaisha | Encoder |
JP2020046183A (en) * | 2018-09-14 | 2020-03-26 | 日本精工株式会社 | Angle detection device |
JP2020118576A (en) * | 2019-01-25 | 2020-08-06 | 大銀微系統股▲分▼有限公司Hiwin Mikrosystem Corp. | Optical encoder and control method thereof |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0348122A (en) * | 1989-07-17 | 1991-03-01 | Okuma Mach Works Ltd | Optical encoder |
JP2004219422A (en) * | 2003-01-15 | 2004-08-05 | Xerox Corp | Method and system for finding high quality of sine curve from analog orthogonal phase encoder |
-
2006
- 2006-09-21 JP JP2006255182A patent/JP4865470B2/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0348122A (en) * | 1989-07-17 | 1991-03-01 | Okuma Mach Works Ltd | Optical encoder |
JP2004219422A (en) * | 2003-01-15 | 2004-08-05 | Xerox Corp | Method and system for finding high quality of sine curve from analog orthogonal phase encoder |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102062614A (en) * | 2009-11-14 | 2011-05-18 | 安华高科技Ecbuip(新加坡)私人有限公司 | High resolution optical encoder systems, devices and methods |
JP2011141268A (en) * | 2009-11-14 | 2011-07-21 | Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte Ltd | High resolution optical encoder system, device and method |
JP2012230103A (en) * | 2011-04-13 | 2012-11-22 | Canon Inc | Encoder |
US9354089B2 (en) | 2011-04-14 | 2016-05-31 | Canon Kabushiki Kaisha | Encoder |
JP2013083465A (en) * | 2011-10-06 | 2013-05-09 | Panasonic Corp | Optical encoder device |
JP2015099124A (en) * | 2013-11-20 | 2015-05-28 | 株式会社小野測器 | Optical encoder |
JP2020046183A (en) * | 2018-09-14 | 2020-03-26 | 日本精工株式会社 | Angle detection device |
JP7095514B2 (en) | 2018-09-14 | 2022-07-05 | 日本精工株式会社 | Angle detector |
JP2020118576A (en) * | 2019-01-25 | 2020-08-06 | 大銀微系統股▲分▼有限公司Hiwin Mikrosystem Corp. | Optical encoder and control method thereof |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4865470B2 (en) | 2012-02-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4865470B2 (en) | Encoder | |
JP4453758B2 (en) | Encoder signal phase correction circuit | |
JP5755010B2 (en) | Encoder | |
US8415610B2 (en) | Optical encoder having a single signal track and an optical detecting part with sine and cosine signals | |
JP4724495B2 (en) | Optical encoder | |
JP5259680B2 (en) | High resolution optical encoder system, apparatus and method | |
EP2511669B1 (en) | Encoder | |
JP5479255B2 (en) | Optical encoder | |
US8742322B2 (en) | Encoder and interferometer that generate M-phase signals by multiplying N-phase signals by M coefficient sets, where N is not less than 6 and M is not smaller than 2 | |
JP2011033464A (en) | Optical displacement detecting device | |
JP4682968B2 (en) | Encoder position information interpolation circuit | |
US11073410B2 (en) | Position measuring device | |
US5644514A (en) | Interpolation circuit for measuring device | |
JP2005283165A (en) | Variable reluctance resolver and rotation angle sensor using it | |
JP5761181B2 (en) | Position detection device | |
JP2011047926A (en) | Optical encoder device | |
JP5560873B2 (en) | Encoder and encoder position detection method | |
JP2007218603A (en) | Optical encoder system | |
JP2018105845A (en) | Encoder | |
JP5927482B2 (en) | Optical encoder device | |
JP2011075581A (en) | Optical encoder | |
JP6440609B2 (en) | Position detection device, lens device, imaging system, machine tool, exposure device, position detection method, program, storage medium | |
JP2008261786A (en) | Absolute angle detector | |
JP6159236B2 (en) | Optical absolute encoder | |
JPH08184466A (en) | Optical lattice and encoder |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090731 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110629 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110706 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110831 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20111102 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20111110 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141118 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4865470 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |