JP2012013654A - Absolute encoder and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被計測物の絶対位置を検出するアブソリュートエンコーダに関する。 The present invention relates to an absolute encoder that detects an absolute position of an object to be measured.
従来、物体の移動距離を測定するための装置として、相対移動距離を測定するインクリメンタルエンコーダの他、絶対位置の測長を可能にしたアブソリュートエンコーダが知られている。例えば特許文献1には、アブソリュートエンコーダに用いられるスケール部の構成が開示されている。スケール部には、互いに異なる配列周期の反射パターンが形成された2つのトラックが設けられている。このアブソリュートエンコーダでは、このスケール部とセンサユニット部とを相対的に駆動させ、2つの周期の異なる複数の周期信号間の位相差を演算することによって所定の周期信号を得るバーニアと呼ばれる位置検出方式が用いられる。そして、この周期信号を用いて絶対位置情報が得られる。 Conventionally, as an apparatus for measuring the movement distance of an object, an absolute encoder capable of measuring an absolute position is known in addition to an incremental encoder that measures a relative movement distance. For example, Patent Document 1 discloses a configuration of a scale unit used in an absolute encoder. The scale portion is provided with two tracks on which reflection patterns having different arrangement periods are formed. In this absolute encoder, a position detection method called a vernier that obtains a predetermined periodic signal by relatively driving the scale unit and the sensor unit unit and calculating a phase difference between a plurality of periodic signals having two different periods. Is used. Then, absolute position information is obtained using this periodic signal.
しかしながら、特許文献1に開示されたアブソリュートエンコーダにおいて、バーニア位相の変位量がスケール部の位置に依存せずに一定である。一方、位置に応じて異なる検出制度を要求するシステムが存在する。しかし、所定の計測位置で絶対位置の検出精度を高めようとする場合、アブソリュートエンコーダの精度を全体的に向上させる必要があり、アブソリュートエンコーダの大型化やコストアップの要因となっていた。 However, in the absolute encoder disclosed in Patent Document 1, the displacement amount of the vernier phase is constant without depending on the position of the scale portion. On the other hand, there are systems that require different detection schemes depending on the location. However, when trying to increase the absolute position detection accuracy at a predetermined measurement position, it is necessary to improve the accuracy of the absolute encoder as a whole, which has been a factor in increasing the size and cost of the absolute encoder.
また、絶対位置の検出精度を向上させるには、スケール全長におけるバーニア演算手段によって得られる信号の周期数を増やすことにより、位置変化に対するバーニア位相の変位量を変えることが考えられる。しかしこの場合、バーニア演算手段によって得られる信号と同期を取るための信号(上位信号)の精度を向上させる必要があった。 In order to improve the detection accuracy of the absolute position, it is conceivable to change the displacement amount of the vernier phase with respect to the position change by increasing the number of periods of the signal obtained by the vernier calculation means in the entire scale length. However, in this case, it is necessary to improve the accuracy of the signal (upper signal) for synchronizing with the signal obtained by the vernier calculation means.
そこで本発明は、計測位置に応じて異なる検出精度を有する小型で安価なアブソリュートエンコーダを提供する。 Therefore, the present invention provides a small and inexpensive absolute encoder having different detection accuracy depending on the measurement position.
本発明の一側面としてのアブソリュートエンコーダは、被計測物の絶対位置を検出するアブソリュートエンコーダであって、前記被計測物とともに移動可能に構成され、第1スリットを有する第1トラック及び第2スリットを有する第2トラックを備えたスケール部と、前記第1スリットから得られた第1信号を検出する第1検出手段と、前記第2スリットから得られた第2信号を検出する第2検出手段と、前記第1信号及び前記第2信号を用いてバーニア演算を行う演算手段とを有し、前記第2スリットの間隔は、前記スケール部の移動方向における位置に応じて異なる。 An absolute encoder as one aspect of the present invention is an absolute encoder that detects an absolute position of an object to be measured, and is configured to be movable together with the object to be measured, and includes a first track and a second slit having a first slit. A scale section having a second track, first detection means for detecting a first signal obtained from the first slit, and second detection means for detecting a second signal obtained from the second slit. Calculating means for performing vernier calculation using the first signal and the second signal, and the interval between the second slits differs according to the position of the scale portion in the moving direction.
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。 Other objects and features of the present invention are illustrated in the following examples.
本発明によれば、計測位置に応じて異なる検出精度を有する小型で安価なアブソリュートエンコーダを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a small and inexpensive absolute encoder having different detection accuracy depending on the measurement position.
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。
(第1実施形態)
図1乃至図8を参照して、本発明の第1実施形態について説明する。
図1は本実施形態におけるアブソリュートエンコーダ100の構成を示す斜視図であり、図2はX軸方向から見たアブソリュートエンコーダ100の断面図である。アブソリュートエンコーダ100は、被計測物の絶対位置を検出する。全長でスリット数が異なる2トラックパターンを有するスケール部2は、移動する被計測物に固定され、格子配列方向であるX軸方向に被計測物とともに移動可能に構成されている。センサユニット部7は、スケール部2に対向して配置されている。センサユニット部7は、LEDチップからなる光源1、フォトダイオードアレイを有する2つの受光部9、10と信号処理回路部とを内蔵したフォトICチップからなる半導体素子3、8、及び、それらを実装したプリント基板4等を備えて構成される。光源1及び半導体素子3、8は樹脂5で封止され、樹脂5は透明ガラス基板6で覆われている。なお本実施形態では、部品の共通化、及び、コストダウンを図るため、2つの半導体素子3、8として同一の半導体素子を用いることが好ましい。このため、本実施形態では半導体素子3、8が同一の半導体素子を用いて構成されるものとして説明するが、これに限定されるものではなく、互いに異なる半導体素子を用いても構わない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an absolute encoder 100 according to this embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the absolute encoder 100 as viewed from the X-axis direction. The absolute encoder 100 detects the absolute position of the object to be measured. The scale unit 2 having a two-track pattern having a different length and a different number of slits is fixed to a moving object to be measured, and is configured to be movable together with the object to be measured in the X-axis direction that is the lattice arrangement direction. The sensor unit unit 7 is disposed to face the scale unit 2. The sensor unit section 7 includes a light source 1 composed of an LED chip, semiconductor elements 3, 8 composed of a photo IC chip incorporating two light receiving sections 9, 10 having a photodiode array, and a signal processing circuit section, and mounting them. And the printed circuit board 4 and the like. The light source 1 and the semiconductor elements 3 and 8 are sealed with a resin 5, and the resin 5 is covered with a transparent glass substrate 6. In the present embodiment, it is preferable to use the same semiconductor element as the two semiconductor elements 3 and 8 in order to share parts and reduce costs. Therefore, in the present embodiment, the semiconductor elements 3 and 8 are described as being configured using the same semiconductor element, but the present invention is not limited to this, and different semiconductor elements may be used.
次に、本実施形態における、絶対位置検出アルゴリズムについて説明する。図3は本実施形態におけるスケール部の平面図であり、図3(a)はスケール部の全体構成図、図3(b)はその一部の拡大図である。図3では、反射型のスリットパターンを一例として示している。スケール部41はガラス基板により構成され、ガラス基板上には、2つのトラックがクロム反射膜をパターニングすることにより形成されている。スケール部41を構成する基板としては、ガラス以外にシリコンのような他の材料を用いることができる。また、薄いフィルムのような平板状の材料以外のものを用いてもよい。また反射膜は、クロム以外の材料を用いて形成してもよい。 Next, an absolute position detection algorithm in this embodiment will be described. FIG. 3 is a plan view of the scale portion in the present embodiment, FIG. 3A is an overall configuration diagram of the scale portion, and FIG. 3B is an enlarged view of a part thereof. In FIG. 3, a reflective slit pattern is shown as an example. The scale part 41 is constituted by a glass substrate, and two tracks are formed on the glass substrate by patterning the chromium reflecting film. As a substrate constituting the scale portion 41, other materials such as silicon can be used besides glass. Moreover, you may use things other than a flat material like a thin film. The reflective film may be formed using a material other than chromium.
スケール部41は、第1トラック42と第2トラック43の2つのトラックを備えて構成される。またスケール部41は、スケール部41の移動方向における位置(X軸方向の位置)に応じて少なくとも2つの領域(領域1、領域2)に分かれている。第1トラック42では、領域1及び領域2のいずれにおいても、反射パターンであるスリット44(第1スリット)が間隔P1で形成されている。第2トラック43では、領域1においてスリット45(第2スリット)が間隔P2で形成され、領域2においてスリット46(第2スリット)が間隔P3で形成されている。本実施形態では、上述のようにスケール部41の領域が2つに分かれており(領域1、領域2)、それぞれの間隔の関係は、P2>P3>P1である場合について説明する。また本実施形態において、スケール部41は、第1トラック42と第2トラック43のスリットの本数の差が8本である。このように、スリット45、46(第2スリット)の間隔は、スケール部2の移動方向における位置(X軸方向の位置)に応じて異なっている。より具体的には、第2スリットは、第1領域(領域1)にて第1間隔(間隔P2)で配列されたスリット、及び、第2領域(領域2)にて第2間隔(間隔P3)で配列されたスリットを含む。一方、スリット44(第1スリット)の間隔は、スケール部2の移動方向において等しい。 The scale unit 41 includes two tracks, a first track 42 and a second track 43. The scale unit 41 is divided into at least two regions (region 1 and region 2) according to the position in the movement direction of the scale unit 41 (position in the X-axis direction). In the first track 42, slits 44 (first slits) that are reflection patterns are formed at intervals P1 in both the region 1 and the region 2. In the second track 43, slits 45 (second slits) are formed at the interval P2 in the region 1, and slits 46 (second slits) are formed at the interval P3 in the region 2. In this embodiment, as described above, the area of the scale unit 41 is divided into two areas (area 1 and area 2), and the relationship between the intervals is P2> P3> P1. In the present embodiment, the scale portion 41 has eight differences in the number of slits between the first track 42 and the second track 43. As described above, the interval between the slits 45 and 46 (second slits) differs depending on the position of the scale unit 2 in the moving direction (position in the X-axis direction). More specifically, the second slits are slits arranged at the first interval (interval P2) in the first region (region 1), and the second interval (interval P3) in the second region (region 2). ). On the other hand, the interval between the slits 44 (first slits) is equal in the moving direction of the scale unit 2.
光源1から出射された光は、2トラックの反射パターン(スリット)が形成されたスケール部41に照射される。スリット44が形成された第1トラック42とスリット45、46が形成された第2トラック43に照射された光はそれぞれ反射され、受光部9(第1センサ)と受光部10(第2センサ)に入射する。受光部9は、スリット44(第1トラック42)から得られた信号(第1信号)を検出する第1検出手段である。受光部10は、スリット45、46(第2トラック43)から得られた信号(第2信号)を検出する第2検出手段である。受光部9に入射した第1トラック42からの反射光を受光部9で受光する受光量、又は、受光部9から得られる信号の振幅をもとにAPC(オートパワーコントロール)をかけて、受光部9に入射する光量又は受光部9の信号振幅を一定に保つ。このような構成により、光源光量変動などの経時変化の影響を受けにくくすることができる。 The light emitted from the light source 1 is applied to the scale portion 41 on which a two-track reflection pattern (slit) is formed. The light irradiated to the first track 42 in which the slit 44 is formed and the second track 43 in which the slits 45 and 46 are formed are reflected, respectively, and the light receiving unit 9 (first sensor) and the light receiving unit 10 (second sensor). Is incident on. The light receiving unit 9 is a first detection unit that detects a signal (first signal) obtained from the slit 44 (first track 42). The light receiving unit 10 is a second detection unit that detects a signal (second signal) obtained from the slits 45 and 46 (second track 43). Based on the amount of light received by the light receiving unit 9 or the amplitude of the signal obtained from the light receiving unit 9, the reflected light from the first track 42 incident on the light receiving unit 9 is subjected to APC (auto power control) to receive light. The amount of light incident on the unit 9 or the signal amplitude of the light receiving unit 9 is kept constant. With such a configuration, it is possible to make it less susceptible to changes over time such as fluctuations in the amount of light from the light source.
図4は、本実施形態における検出ヘッドの主要部品の平面図である。図4に示されるように、光源1の近傍には半導体素子3、8が配置されている。半導体素子3は、光源1に近い側に配設された受光領域24と信号処理回路部25から構成されている。半導体素子8は、光源1に近い側に配設された受光領域26と信号処理回路部27から構成されている。信号処理回路部25、27は、第1信号及び第2信号を用いてバーニア演算を行う演算手段である。なお、信号処理回路部25、27の上位制御装置(不図示)を、バーニア演算を行う演算手段として構成してもよい。 FIG. 4 is a plan view of the main components of the detection head in the present embodiment. As shown in FIG. 4, semiconductor elements 3 and 8 are arranged in the vicinity of the light source 1. The semiconductor element 3 includes a light receiving region 24 and a signal processing circuit unit 25 disposed on the side close to the light source 1. The semiconductor element 8 includes a light receiving region 26 and a signal processing circuit unit 27 disposed on the side close to the light source 1. The signal processing circuit units 25 and 27 are calculation means for performing vernier calculation using the first signal and the second signal. In addition, you may comprise the high-order control apparatus (not shown) of the signal processing circuit parts 25 and 27 as a calculating means which performs a vernier calculation.
受光領域24には、水平方向に16個のフォトダイオード24a、24b、24c、24d、…、24m、24n、24o、24pが等間隔に配列されている。同様に、受光領域26には、水平方向に16個のフォトダイオード26a、26b、26c、26d、…、26m、26n、26o、26pが等間隔に配列されている。フォトダイオード24a、24e、24i、24m(フォトダイオード26a、26e、26i、26m)は電気的に接続されており、この組をa相とする。また、フォトダイオード24b、24f、24j、24n(フォトダイオード26b、26f、26j、26n)の組をb相とする。以下同様に、c相、d相とする。a相、b相、c相、d相の各フォトダイオード群は、光を受けると、その光量に応じた光電流を出力する。スケール部2のX方向への移動と共に、a相〜d相のフォトダイオード群はa相を基準に、b相は90度、c相は180度、d相は270度の位相関係で変動する電流が出力される。信号処理回路部25、27では、それぞれ、この出力電流を電流電圧変換器で電圧値に変換した後に、差動増幅器によりそれぞれa相とc相の差動成分、及び、b相とd相の差動成分を求め、90°位相のずれたA、B相変位出力信号を出力する。 In the light receiving region 24, 16 photodiodes 24a, 24b, 24c, 24d,..., 24m, 24n, 24o, 24p are arranged at equal intervals in the horizontal direction. Similarly, 16 photodiodes 26a, 26b, 26c, 26d,..., 26m, 26n, 26o, and 26p are arranged at equal intervals in the light receiving region 26 in the horizontal direction. The photodiodes 24a, 24e, 24i, and 24m (photodiodes 26a, 26e, 26i, and 26m) are electrically connected, and this set is referred to as a phase. Further, a set of photodiodes 24b, 24f, 24j, and 24n (photodiodes 26b, 26f, 26j, and 26n) is defined as a b-phase. Hereinafter, similarly, it is set as c phase and d phase. When receiving light, each of the a-phase, b-phase, c-phase, and d-phase photodiode groups outputs a photocurrent corresponding to the amount of light. As the scale portion 2 moves in the X direction, the a-phase to d-phase photodiode group varies with a phase relationship of 90 degrees for the b-phase, 180 degrees for the c-phase, and 270 degrees for the d-phase. Current is output. In each of the signal processing circuit units 25 and 27, the output current is converted into a voltage value by the current-voltage converter, and then the differential components of the a phase and the c phase and the b phase and the d phase are respectively converted by the differential amplifier. A differential component is obtained, and A and B phase displacement output signals having a 90 ° phase shift are output.
図5は、信号処理回路部25の構成図である。光源1(発光素子)の発光回路31、アナログ信号処理部32により構成されている。アナログ信号処理部32からのA、B相のアナログ信号を基に、スケール部2の移動量を算出して測定対象物(被計測物)の位置を求める位置演算部33が設けられている。初段増幅器34、35、36、37は、a相、b相、c相、d相の各フォトダイオード群で発生したフォト電流を電流電圧変換するためのI/V増幅器であり、Vf1の電位を基準として、V1、V2、V3、V4の電位を発生する。a相とc相のフォトダイオード群から、出力V1とV3の差動を求める差動出力増幅器38により、Vf2をバイアス電位としたA相信号(VA)を得る。同様に、b相とd相のフォトダイオード群から出力V2とV4を差動出力増幅器39により差動増幅してB相信号(VB)を得ている。なお、信号処理回路部27も同様の構成を有する。 FIG. 5 is a configuration diagram of the signal processing circuit unit 25. A light emitting circuit 31 of the light source 1 (light emitting element) and an analog signal processing unit 32 are included. Based on the A and B phase analog signals from the analog signal processing unit 32, a position calculation unit 33 is provided that calculates the amount of movement of the scale unit 2 to obtain the position of the measurement object (measurement object). The first stage amplifiers 34, 35, 36, and 37 are I / V amplifiers for current-voltage conversion of the photocurrent generated in each of the a-phase, b-phase, c-phase, and d-phase photodiode groups, and the potential of Vf1 is changed. As a reference, potentials V1, V2, V3, and V4 are generated. From the a-phase and c-phase photodiode groups, an A-phase signal (VA) having Vf2 as a bias potential is obtained by a differential output amplifier 38 that obtains the difference between the outputs V1 and V3. Similarly, the outputs V2 and V4 are differentially amplified by the differential output amplifier 39 from the b-phase and d-phase photodiode groups to obtain a B-phase signal (VB). The signal processing circuit unit 27 has a similar configuration.
図6は、本実施形態における信号処理の処理ブロックと処理フローを示す図である。図7は、本実施形態における信号の補正方法についての説明図である。図8は、本実施形態における絶対位置情報検出の同期保証についての説明図である。以下、図3、図6乃至図8を参照して、本実施形態における絶対位置情報検出の信号処理方法と処理フローについて説明する。 FIG. 6 is a diagram showing a processing block and a processing flow of signal processing in the present embodiment. FIG. 7 is an explanatory diagram of a signal correction method according to this embodiment. FIG. 8 is an explanatory diagram for guaranteeing the synchronization of absolute position information detection in the present embodiment. Hereinafter, a signal processing method and a processing flow of absolute position information detection in the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 6 to 8.
第1トラック42、第2トラック43から得られるA、B相の信号はそれぞれ、図7(a)に示されるように、信号オフセットや信号振幅が異なっている場合がある。このような信号をそのまま絶対位置情報検出アルゴリズムに用いると検出位置の誤差要因となるため、信号の補正61が必要である。そこでまず、第1トラック42と第2トラック43のA、B相それぞれの信号オフセット補正と信号振幅補正(補正61)について説明する。 The A and B phase signals obtained from the first track 42 and the second track 43 may have different signal offsets and signal amplitudes as shown in FIG. If such a signal is used in an absolute position information detection algorithm as it is, it causes an error in the detected position, and thus signal correction 61 is required. Therefore, first, signal offset correction and signal amplitude correction (correction 61) for the A and B phases of the first track 42 and the second track 43 will be described.
以下、受光部9と受光部10として同様の構成の受光部を用い、受光部内の4個のフォトダイオードのピッチ(例えば24a〜24dの間隔)が第1トラック42のピッチP1の2倍であるとして説明する。第1トラック42から得られるA相、B相の信号は、それぞれ、以下の式(1)、(2)のように表される。 Hereinafter, a light receiving unit having the same configuration is used as the light receiving unit 9 and the light receiving unit 10, and the pitch of the four photodiodes in the light receiving unit (for example, the interval between 24a to 24d) is twice the pitch P1 of the first track 42. Will be described. The A-phase and B-phase signals obtained from the first track 42 are expressed by the following equations (1) and (2), respectively.
A相の信号:a1×COSθ+s1 … (1)
B相の信号:a2×SINθ+s2 … (2)
ここで、a1、s1はそれぞれA相信号の振幅とオフセット、a2、s2はそれぞれB相信号の振幅とオフセット、θは信号の位相である。A相信号の最大値はa1+s1、最小値はa1−s1、信号振幅はa1、平均値はs1である。同様に、B相信号の最大値はa2+s2、最小値はa2−s2、信号振幅はa2、平均値はs2である。これらの値を用いて、式(1)、(2)で表されるA相、B相の信号を補正すると、それぞれ、以下の式(3)、(4)のように表される。
A phase signal: a1 × COSθ + s1 (1)
B phase signal: a2 × SINθ + s2 (2)
Here, a1 and s1 are the amplitude and offset of the A phase signal, a2 and s2 are the amplitude and offset of the B phase signal, respectively, and θ is the phase of the signal. The maximum value of the A-phase signal is a1 + s1, the minimum value is a1-s1, the signal amplitude is a1, and the average value is s1. Similarly, the maximum value of the B phase signal is a2 + s2, the minimum value is a2-s2, the signal amplitude is a2, and the average value is s2. When these values are used to correct the A-phase and B-phase signals represented by the equations (1) and (2), they are represented by the following equations (3) and (4), respectively.
A相の信号:{(a1×COSθ+s1)−s1}×a2
=a1×a2×COSθ … (3)
B相の信号:{(a2×SINθ+s2)−s2}×a1
=a1×a2×SINθ … (4)
この結果、A相、B相信号のオフセットが除去され、信号振幅が同一となった信号62、63が得られる(図7(b))。このようにして得られたA相とB相の出力信号に基づいて、アークタンジェント(arctan)の値64を計算する。
A phase signal: {(a1 × COSθ + s1) −s1} × a2
= A1 × a2 × COSθ (3)
B phase signal: {(a2 × SINθ + s2) −s2} × a1
= A1 × a2 × SINθ (4)
As a result, the offsets of the A phase and B phase signals are removed, and signals 62 and 63 having the same signal amplitude are obtained (FIG. 7B). Based on the A-phase and B-phase output signals thus obtained, an arctangent value 64 is calculated.
次に、第2トラック43の信号補正について説明する。図3に示されるように、第1トラック42の間隔P1(周期)と領域1における第2トラック43の間隔P2はわずかに異なるように構成されており、間隔P1と間隔P2の位相差から、バーニア演算手段により求めた信号を取得することができる。例えば、間隔P1が100μm、間隔P2が120μmであるとすると、領域1におけるバーニア演算手段により求めた信号の周期は、それらの最小公倍数である600μmとなる。また、第1トラック42の間隔P1と領域2における第2トラック43の間隔P3もわずかに異なるように構成されており、間隔P1と間隔P3の位相差から、バーニア演算手段により求めた信号を取得することができる。例えば、間隔P1が100μm、間隔P3が110μmとすると、領域2におけるバーニア演算手段により求めた信号の周期は1100μmとなる。 Next, signal correction of the second track 43 will be described. As shown in FIG. 3, the interval P1 (period) of the first track 42 and the interval P2 of the second track 43 in the region 1 are configured to be slightly different from each other, and from the phase difference between the interval P1 and the interval P2, The signal obtained by the vernier calculation means can be acquired. For example, if the interval P1 is 100 μm and the interval P2 is 120 μm, the period of the signal obtained by the vernier calculation means in the region 1 is 600 μm which is the least common multiple thereof. Further, the interval P1 between the first tracks 42 and the interval P3 between the second tracks 43 in the region 2 are also slightly different, and the signal obtained by the vernier calculating means is obtained from the phase difference between the intervals P1 and P3. can do. For example, if the interval P1 is 100 μm and the interval P3 is 110 μm, the period of the signal obtained by the vernier calculation means in the region 2 is 1100 μm.
第2トラック43の間隔P2、P3は、第1トラック42の間隔P1とは異なるため、受光部10内の4個のフォトダイオードの間隔(例えば26a〜26dの間隔)は、第2トラック43の間隔P2、P3の2倍とはならない。このため、第2トラック43から得られるA相、B相の信号は、領域1、領域2ともに、90度からずれた位相関係となる。
以下ではまず、領域1における第2トラック43の信号補正について説明する。
Since the intervals P2 and P3 of the second track 43 are different from the interval P1 of the first track 42, the interval between the four photodiodes in the light receiving unit 10 (for example, the interval of 26a to 26d) is the same as that of the second track 43. It is not twice the intervals P2 and P3. For this reason, the A phase and B phase signals obtained from the second track 43 have a phase relationship shifted from 90 degrees in both the region 1 and the region 2.
Hereinafter, first, signal correction of the second track 43 in the region 1 will be described.
第2トラック43から得られるA相、B相の信号は、それぞれ、以下の式(5)、(6)のように表される。 The A-phase and B-phase signals obtained from the second track 43 are expressed by the following equations (5) and (6), respectively.
A相の信号:b1×COSθ+t1 … (5)
B相の信号:b2×SIN(θ+α)+t2 … (6)
ここで、b1、t1はそれぞれA相信号の振幅とオフセット、b2、t2はそれぞれB相信号の振幅とオフセット、θは信号の位相、αは位相のずれ量である。まず、第1トラック42の場合と同様に、信号のオフセットと振幅の補正処理を行うと、A相、B相の信号は、それぞれ、以下の式(7)、(8)のように表される。
A phase signal: b1 × COSθ + t1 (5)
B phase signal: b2 × SIN (θ + α) + t2 (6)
Here, b1 and t1 are the amplitude and offset of the A phase signal, b2 and t2 are respectively the amplitude and offset of the B phase signal, θ is the phase of the signal, and α is the amount of phase shift. First, as in the case of the first track 42, when signal offset and amplitude correction processing is performed, the A-phase and B-phase signals are represented by the following equations (7) and (8), respectively. The
A相の信号:{(b1×COSθ+t1)−t1}×b2
=b1×b2×COSθ … (7)
B相の信号:{(b2×SIN(θ+α)+t2)−t2}×b1
=b1×b2×SIN(θ+α) … (8)
このとき、A相、B相信号のオフセットが除去され、信号振幅が同一となった信号が得られる(図7(b))。
A phase signal: {(b1 × COSθ + t1) −t1} × b2
= B1 × b2 × COSθ (7)
B phase signal: {(b2 × SIN (θ + α) + t2) −t2} × b1
= B1 × b2 × SIN (θ + α) (8)
At this time, the offset of the A phase and B phase signals is removed, and a signal having the same signal amplitude is obtained (FIG. 7B).
次に、式(7)、(8)を用いて、A相、B相の位相差を90度とする処理について説明する。式(7)、(8)の差は、以下の式(9)のように表される。 Next, processing for setting the phase difference between the A phase and the B phase to 90 degrees will be described using equations (7) and (8). The difference between the expressions (7) and (8) is expressed as the following expression (9).
b1×b2×(SIN(θ+α)−COSθ)
=b1×b2×2×SIN{(α−90)/2}×COS{θ+(α+90)/2} … (9)
また、式(7)、(8)の和は、以下の式(10)のように表される。
b1 × b2 × (SIN (θ + α) −COSθ)
= B1 × b2 × 2 × SIN {(α−90) / 2} × COS {θ + (α + 90) / 2} (9)
Further, the sum of the expressions (7) and (8) is expressed as the following expression (10).
b1×b2×(SIN(θ+α)+COSθ)
=b1×b2×2×COS{(α−90)/2}×SIN{θ+(α+90)/2} … (10)
このように、式(9)、(10)の位相差は90度となる(図7(c))。
b1 × b2 × (SIN (θ + α) + COSθ)
= B1 × b2 × 2 × COS {(α−90) / 2} × SIN {θ + (α + 90) / 2} (10)
Thus, the phase difference between the equations (9) and (10) is 90 degrees (FIG. 7C).
ここで、式(9)、(10)の振幅は異なっているため、次に、振幅の補正を行う。式(9)に式(10)の振幅の一部であるCOS{(α−90)/2}を乗じ、式(10)に式(9)の振幅の一部であるSIN{(α−90)/2}を乗ずると、以下の式(11)、(12)が得られる。 Here, since the amplitudes of the equations (9) and (10) are different, the amplitude is corrected next. Multiplying equation (9) by COS {(α−90) / 2}, which is a part of the amplitude of equation (10), and SIN {(α−90), which is a part of the amplitude of equation (9), by equation (10). 90) / 2}, the following equations (11) and (12) are obtained.
b1×b2×2×SIN{(α−90)/2}×COS{(α−90)/2}×COS{θ+(α+90)/2} … (11)
b1×b2×2×SIN{(α−90)/2}×COS{(α−90)/2}×SIN{θ+(α+90)/2} … (12)
この結果、振幅の補正が行われることになる(図7(d))。このようにして、A相、B相信号のオフセットが除去され、信号振幅が同一となり、90度位相差の補正の後、信号振幅の補正まで行われた信号72、73を得ることができる。ここまで、領域1における第2トラック43の信号の補正71について説明したが、領域2における第2トラック43の信号の補正についても同様にして行う。
b1 × b2 × 2 × SIN {(α−90) / 2} × COS {(α−90) / 2} × COS {θ + (α + 90) / 2} (11)
b1 × b2 × 2 × SIN {(α−90) / 2} × COS {(α−90) / 2} × SIN {θ + (α + 90) / 2} (12)
As a result, the amplitude is corrected (FIG. 7 (d)). In this way, the offsets of the A-phase and B-phase signals are removed, the signal amplitudes are the same, and signals 72 and 73 that have been subjected to the signal amplitude correction after the 90-degree phase difference correction can be obtained. Up to this point, the correction 71 of the signal of the second track 43 in the region 1 has been described, but the correction of the signal of the second track 43 in the region 2 is performed in the same manner.
以上の補正を行って得られたA相とB相の出力信号から、第1トラックの場合と同様に、アークタンジェント(arctan)の値74を計算する。そして、第1トラック42のA相とB相の出力信号から得られるarctanの値64と、第2トラック43のA相とB相の出力信号から得られるarctanの値74の差分を計算することにより、バーニア演算手段により求めた信号75(中位信号)が得られる。 The arctangent value 74 is calculated from the A-phase and B-phase output signals obtained by performing the above correction, as in the case of the first track. The difference between the arctan value 64 obtained from the A-phase and B-phase output signals of the first track 42 and the arctan value 74 obtained from the A-phase and B-phase output signals of the second track 43 is calculated. Thus, a signal 75 (middle signal) obtained by the vernier calculation means is obtained.
図8は、第1トラック42と第2トラック43の本数差が、スケール部の全長において8本である場合について示している。横軸はスケール部の位置、縦軸は第1トラック42と第2トラック43から得られるバーニア演算手段により求めた信号のarctanを計算した位相差であり、±πradで折り返して表示している。 FIG. 8 shows a case where the number difference between the first track 42 and the second track 43 is eight in the entire length of the scale portion. The horizontal axis represents the position of the scale portion, and the vertical axis represents the phase difference obtained by calculating the arctan of the signal obtained by the vernier calculation means obtained from the first track 42 and the second track 43, and is displayed folded by ± π rad.
図3(b)に示されるように、第2トラック43のパターンは領域1と領域2とで間隔が異なる。このため、バーニア演算手段により求めた信号については、それぞれの領域において、センサユニット部7とスケール部2との間の相対位置変化に対するバーニア位相の変位量が異なる。図3(b)に示される構成の場合、領域1の方が領域2よりも位置変化に対するバーニア位相の変位量が大きい。このため、両領域において同じ位相差分解能で内挿処理した場合、すなわち同じ位相差精度で位置検出精度を見た場合、領域1のほうが領域2よりも高精度な位置検出が可能となる。 As shown in FIG. 3B, the pattern of the second track 43 is different in the area 1 and the area 2. For this reason, regarding the signal obtained by the vernier calculation means, the displacement amount of the vernier phase with respect to the relative position change between the sensor unit section 7 and the scale section 2 is different in each region. In the configuration shown in FIG. 3B, the displacement amount of the vernier phase with respect to the position change is larger in the region 1 than in the region 2. For this reason, when interpolation processing is performed with the same phase difference resolution in both regions, that is, when the position detection accuracy is viewed with the same phase difference accuracy, the region 1 can be detected with higher accuracy than the region 2.
図3(b)に示されるように、第2トラック43における領域1でのスリット45の間隔P2、及び、領域2でのスリット46の間隔P3は、領域1、領域2の切り替わりのスリット47(第3スリット)の前後で切り替わっている。図8に示されるように、領域1、領域2の切り替わりのスリット47の位置において、バーニア演算手段(演算手段)により得られる信号も+πradから−πradへと切り替わる。すなわち、領域1と領域2の境界においてスリット47が配置されており、スリット47の位置において、演算手段により演算されたバーニア位相の変位量が異なるように構成されている。第2トラック43における領域1でのスリット45の幅は、例えばスリット45の間隔P2の1/2であるP2/2とし、領域2でのスリット46の幅はP3/2とする。ここで、領域1と領域2の切り替わりのスリット47の幅は、高精度な位置検出を可能とする領域1に合わせて、P2/2とすることが好ましい。このようにして、計測位置の違いによる必要精度に応じた精度で、スケール部の全長において8つの周期のバーニア演算手段により求めた信号75(中位信号)を得ることができる。 As shown in FIG. 3B, the interval P2 between the slits 45 in the region 1 in the second track 43 and the interval P3 between the slits 46 in the region 2 are the slits 47 ( It is switched before and after the third slit). As shown in FIG. 8, the signal obtained by the vernier calculation means (calculation means) also switches from + πrad to −πrad at the position of the slit 47 for switching between the areas 1 and 2. In other words, the slit 47 is arranged at the boundary between the region 1 and the region 2, and the displacement amount of the vernier phase calculated by the calculating means is different at the position of the slit 47. The width of the slit 45 in the region 1 in the second track 43 is, for example, P2 / 2 which is 1/2 of the interval P2 between the slits 45, and the width of the slit 46 in the region 2 is P3 / 2. Here, it is preferable that the width of the slit 47 for switching between the region 1 and the region 2 is set to P2 / 2 in accordance with the region 1 that enables highly accurate position detection. In this way, the signal 75 (intermediate signal) obtained by the vernier computing means having eight cycles over the entire length of the scale portion can be obtained with an accuracy according to the required accuracy due to the difference in measurement position.
本実施形態では、領域が2つに分かれており、それぞれのスリットの間隔の関係がP2>P3>P1であり、第1トラック42と第2トラック43のスリットの本数の差が8本であるスケールを用いた場合について説明した。ただし本実施形態はこれに限定されるものではなく、領域の数は3以上でも構わない。また、領域数が3以上の場合、領域の切り替わり毎に、切り替わりのパターンが存在する。また、それぞれのスリットの間隔の関係がP2<P3<P1を満たす構成でもよい。また、第1トラック42と第2トラック43のスリットの本数の差は8本に限定されるものではなく、2以上の本数差であれば適用可能である。 In the present embodiment, the area is divided into two, the relationship between the slits is P2> P3> P1, and the difference in the number of slits between the first track 42 and the second track 43 is eight. The case where a scale is used has been described. However, the present embodiment is not limited to this, and the number of regions may be three or more. When the number of areas is 3 or more, there is a switching pattern for each area switching. Moreover, the structure which satisfy | fills P2 <P3 <P1 may be sufficient as the relationship of the space | interval of each slit. Further, the difference in the number of slits between the first track 42 and the second track 43 is not limited to eight, and any difference between two or more can be applied.
次に、本実施形態における上位信号について説明する。本実施形態における上位信号は、上位信号取得用センサを用いて、図8に示されるような、スケール位置に基づいた出力値を得る(上位信号取得81)。ここで、上位信号取得用センサの種類としては、例えば、位置検出を行う対象物(被計測物)に一体的に取り付けられたブラシを、抵抗パターンが印刷された基板上を摺動するように構成されたボリュームエンコーダがある。上位信号取得用センサは、ポテンショメータなどの位置検出が可能な別のセンサを用いてもよい。上位信号は、スケール位置に基づいた出力値が得られるものであれば構わない。ただし、バーニア演算手段により求めた信号との同期精度を一様にするという観点から、図8に示されるように、バーニア演算手段により得られる、位置変化に対するバーニア位相の変位量と比例する関係となるような信号とすることが好ましい。また、この関係の比例定数は、スケール部の位置に依存せずに一定であることが好ましい。このようにして得られた上位信号82とバーニア演算手段により求めた信号との同期を取ることにより、絶対位置検出(絶対位置合成、及び、絶対位置情報の取得83)を行う。 Next, the upper signal in the present embodiment will be described. The upper signal in the present embodiment obtains an output value based on the scale position as shown in FIG. 8 using the upper signal acquisition sensor (upper signal acquisition 81). Here, as a kind of sensor for higher order signal acquisition, for example, a brush integrally attached to an object (object to be measured) for position detection is slid on a substrate on which a resistance pattern is printed. There is a configured volume encoder. As the upper signal acquisition sensor, another sensor capable of detecting the position, such as a potentiometer, may be used. The upper signal may be any signal as long as an output value based on the scale position can be obtained. However, from the viewpoint of making the synchronization accuracy with the signal obtained by the vernier calculation means uniform, as shown in FIG. 8, the relationship obtained by the vernier calculation means is proportional to the displacement amount of the vernier phase with respect to the position change. It is preferable to make such a signal. The proportionality constant of this relationship is preferably constant without depending on the position of the scale portion. Absolute position detection (absolute position synthesis and acquisition 83 of absolute position information) is performed by synchronizing the upper signal 82 obtained in this way with the signal obtained by the vernier calculation means.
なお本実施形態において、反射型のアブソリュートエンコーダが用いられるが、透過型のアブソリュートエンコーダを用いることもできる。 In this embodiment, a reflection type absolute encoder is used, but a transmission type absolute encoder can also be used.
以上のとおり、本実施形態によれば、計測位置に応じて異なる検出精度を有する小型で安価なアブソリュートエンコーダを提供することができる。また、第1センサで受光する受光量又は信号の振幅をもとにオートパワーコントロールを実行することにより、光源光量変動などの経時変化による影響を抑制した高精度なアブソリュートエンコーダを提供することができる。
(第2実施形態)
図9乃至図12を参照して、本発明の第2実施形態について説明する。図9は、本実施形態におけるアブソリュートエンコーダに用いられるスケール部の平面図であり、図9(a)はスケール部の全体構成図、図9(b)はその一部の拡大図である。図10は、本実施形態における検出ヘッドの主要部品の平面図である。図11は、本実施形態における信号処理の処理ブロックと処理フローを示す図である。図12は、本実施形態における絶対位置情報検出の同期保証についての説明図である。
As described above, according to this embodiment, it is possible to provide a small and inexpensive absolute encoder having different detection accuracy depending on the measurement position. In addition, by performing auto power control based on the amount of light received by the first sensor or the amplitude of the signal, it is possible to provide a high-accuracy absolute encoder that suppresses the influence of changes over time such as fluctuations in the amount of light from the light source. .
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a plan view of a scale portion used in the absolute encoder in this embodiment, FIG. 9A is an overall configuration diagram of the scale portion, and FIG. 9B is an enlarged view of a part thereof. FIG. 10 is a plan view of the main components of the detection head in this embodiment. FIG. 11 is a diagram showing a processing block and a processing flow of signal processing in the present embodiment. FIG. 12 is a diagram for explaining synchronization guarantee for absolute position information detection in the present embodiment.
本実施形態では、スケール部41aは3トラックで構成されており、センサユニット部もそれに対応した3トラックスケールからの反射光を受光する受光領域28と、その信号処理回路部29とで構成されている半導体素子11がさらに設けられている。本実施形態では、第1トラック42、第2トラック43から得られる信号75(中位信号)は、第1実施形態と同様の方法で得られる。また、上位信号は、第1トラック42と第3トラック48を用いて取得される。第1トラック42と第3トラック48は、スリットの本数差が1本であるように構成されている。第1実施形態と同様に、スケール部41aは、スケール部41aの移動方向における位置に応じて、少なくとも2つの領域に分かれている。第1トラック42では、スリット44(反射パターン)が間隔P1で形成されている。第3トラック48では、領域1におけるスリット49は間隔P4で形成され、領域2におけるスリット50は間隔P5で形成されている。 In the present embodiment, the scale unit 41a is configured by three tracks, and the sensor unit unit is also configured by a light receiving region 28 that receives reflected light from the corresponding three track scale and a signal processing circuit unit 29 thereof. A semiconductor element 11 is further provided. In the present embodiment, the signal 75 (intermediate signal) obtained from the first track 42 and the second track 43 is obtained by the same method as in the first embodiment. Further, the upper signal is acquired using the first track 42 and the third track 48. The first track 42 and the third track 48 are configured so that the difference in the number of slits is one. Similar to the first embodiment, the scale portion 41a is divided into at least two regions according to the position of the scale portion 41a in the moving direction. In the first track 42, slits 44 (reflection patterns) are formed at the interval P1. In the third track 48, the slits 49 in the region 1 are formed at the interval P4, and the slits 50 in the region 2 are formed at the interval P5.
以下、第1実施形態とは異なる部分である上位信号の取得方法について説明する。本実施形態では、スケール部の領域が2つに分かれており、それぞれのスリットの間隔の関係がP4>P5>P1であり、第1トラック42と第3トラック48のスリットの本数の差が1本である。図9(b)に示されるように、本実施形態のスケール部は、領域1と領域2の切り替わりのパターン51の前後で、スリット(パターン)の間隔が切り替わるように構成されている。第1トラック42の間隔P1(周期)と領域1における第3トラック48の間隔P4はわずかに異なるように構成され、間隔P1と間隔P4の位相差から、バーニア演算手段により求めた信号を取得することができる。また、第1トラック42の間隔P1と領域2における第3トラック48の間隔P5もわずかに異なるように構成され、間隔P1と間隔P5の位相差から、バーニア演算手段により求めた信号を取得することができる。 Hereinafter, a method for acquiring a higher order signal, which is a part different from the first embodiment, will be described. In the present embodiment, the area of the scale portion is divided into two, the relationship between the intervals of the respective slits is P4> P5> P1, and the difference in the number of slits of the first track 42 and the third track 48 is 1. It is a book. As shown in FIG. 9B, the scale unit of the present embodiment is configured such that the slit (pattern) interval is switched before and after the pattern 51 for switching between the region 1 and the region 2. The interval P1 (period) of the first track 42 and the interval P4 of the third track 48 in the region 1 are configured to be slightly different, and a signal obtained by the vernier calculating means is acquired from the phase difference between the interval P1 and the interval P4. be able to. The interval P1 between the first tracks 42 and the interval P5 between the third tracks 48 in the region 2 are also slightly different, and the signal obtained by the vernier computing means is obtained from the phase difference between the intervals P1 and P5. Can do.
第3トラック48におけるスリット49の間隔P4とスリット50の間隔P5は、第1トラック42におけるスリット44の間隔P1とは異なる。このため、半導体素子11の受光領域28に存在する4個のフォトダイオードの間隔(例えば28a〜28d、28m〜28pの間隔)は、第3トラックにおける間隔P4、P5の2倍とはならない。このため、第3トラック48から得られるA相、B相の信号は、領域1、領域2ともに、90度からずれた位相関係となる。 The interval P4 between the slits 49 in the third track 48 and the interval P5 between the slits 50 are different from the interval P1 between the slits 44 in the first track 42. For this reason, the interval between the four photodiodes existing in the light receiving region 28 of the semiconductor element 11 (for example, the interval between 28a to 28d and 28m to 28p) is not twice the interval P4 and P5 in the third track. For this reason, the A-phase and B-phase signals obtained from the third track 48 have a phase relationship shifted from 90 degrees in both the regions 1 and 2.
そこで本実施形態では、第3トラック48から得られる信号に対しても、第1実施形態の第2トラック43の信号の補正と同様の方法で補正を行う。信号のオフセットと振幅、90度位相差の補正処理91を行うことにより、A相、B相信号のオフセットが除去され、信号振幅が同一となり、位相差が90度となった信号92と信号93が得られる。以上の補正を行って得られたA相とB相の出力信号に基づいて、第1実施形態における第2トラックの場合と同様に、arctanの値94を計算する。そして、第1トラックのA相とB相の出力信号から得られるarctanの値64と、第3トラックのA相とB相の出力信号から得られるarctanの値94の差分を計算することにより、バーニア演算手段により求めた信号95(上位信号)が得られる。 Therefore, in the present embodiment, the signal obtained from the third track 48 is also corrected by the same method as the signal correction of the second track 43 in the first embodiment. By performing the correction process 91 for the offset and amplitude of the signal and the 90-degree phase difference, the offsets of the A-phase and B-phase signals are removed, the signal amplitude becomes the same, and the signal 92 and the signal 93 have the phase difference of 90 degrees. Is obtained. Based on the A-phase and B-phase output signals obtained by performing the above correction, the arctan value 94 is calculated as in the case of the second track in the first embodiment. Then, by calculating the difference between the arctan value 64 obtained from the A-phase and B-phase output signals of the first track and the arctan value 94 obtained from the A-phase and B-phase output signals of the third track, A signal 95 (upper signal) obtained by the vernier calculation means is obtained.
なお、第1実施形態と同様の考え方により、上位信号は、図12に示されるように、位置変化に対するバーニア位相の変位量(中位信号)と比例関係となるような信号であることが好ましい。このようにして得られたバーニア演算手段により求めた信号95と、第1実施形態と同様の方法で得られた信号75に基づいて、それぞれの信号の同期を取ることにより(絶対位置合成)、スケール部の絶対位置情報96を算出する。 Note that, based on the same concept as in the first embodiment, the upper signal is preferably a signal that is proportional to the amount of displacement of the vernier phase (middle signal) with respect to the position change, as shown in FIG. . By synchronizing the respective signals based on the signal 95 obtained by the vernier calculation means obtained in this way and the signal 75 obtained by the same method as in the first embodiment (absolute position synthesis), The absolute position information 96 of the scale part is calculated.
以上のとおり、本実施形態のアブソリュートエンコーダによれば、上位信号取得のための専用センサを用いることなく、中位信号取得に用いるセンサと同一の半導体素子を用いて上位信号を取得することができる。
(第3実施形態)
図13乃至図15を参照して、本発明の第3実施形態について説明する。図13は、本実施形態におけるアブソリュートエンコーダに用いられるスケール部の平面図であり、図13(a)はスケール部の全体構成図、図13(b)はその一部の拡大図である。図14は、本実施形態における信号処理の処理ブロックと処理フローを示す図である。なお、検出ヘッドの構成は、第1実施形態と同様である。図15は、本実施形態における絶対位置情報検出の同期保証についての説明図である。
As described above, according to the absolute encoder of the present embodiment, it is possible to acquire the upper signal using the same semiconductor element as that used for acquiring the intermediate signal without using a dedicated sensor for acquiring the upper signal. .
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a plan view of a scale portion used in the absolute encoder in the present embodiment, FIG. 13 (a) is an overall configuration diagram of the scale portion, and FIG. 13 (b) is a partially enlarged view thereof. FIG. 14 is a diagram showing a processing block and a processing flow of signal processing in the present embodiment. The configuration of the detection head is the same as that in the first embodiment. FIG. 15 is an explanatory diagram for guaranteeing the synchronization of absolute position information detection in the present embodiment.
第1トラック、第2トラックから得られる信号75(中位信号)は、第1実施形態と同様の方法で得る。本実施形態において、上位信号は第2トラック143を用いて取得する。スケール部141の第2トラック143は、スケール部141の幅方向に等間隔で欠落したパターンを備えて構成される。反射部の反射面積は、スケール部141の移動方向の位置により変調した構成となっている。なお、欠落の周期は等間隔でなくても構わないが、フォトダイオードへ到達する光の均一性等を考慮すると等間隔であることがより好ましい。また、光源からスケール部までの距離とスケール部からフォトダイオードまでの距離が等しい場合には、欠落の周期はフォトダイオードの幅の1/2nとするのが好ましい。ここで、nは整数である。 The signal 75 (intermediate signal) obtained from the first track and the second track is obtained by the same method as in the first embodiment. In the present embodiment, the upper signal is acquired using the second track 143. The second track 143 of the scale unit 141 includes a pattern that is missing at equal intervals in the width direction of the scale unit 141. The reflection area of the reflection part is configured to be modulated by the position of the scale part 141 in the moving direction. Note that the period of the omission does not have to be equal intervals, but is more preferably equal intervals in consideration of the uniformity of light reaching the photodiode. Further, when the distance from the light source to the scale portion is equal to the distance from the scale portion to the photodiode, it is preferable that the missing period is 1 / 2n of the width of the photodiode. Here, n is an integer.
スケール部141は、スケール部141の移動方向の位置により少なくとも2つの領域に分かれている。第1トラック142では、スリット144(反射パターン)が間隔P1で形成されている。第2トラック143における領域1でのスリット145は間隔P2で形成されており、領域2でのスリット146は間隔P3で形成されている。以下、第1実施形態とは異なる部分である上位信号102の取得方法について説明する。本実施形態では、スケール部141の領域は2つに分かれており、それぞれのスリットの間隔の関係はP2>P3>P1であり、第1トラック142と第2トラック143のスリットの本数の差は8本である。図13(b)に示されるように、スケール部141は、領域1、領域2の切り替わりのパターン147の前後でパターンの間隔が切り替わるように構成されている。
上位信号102は、図14に示されるように、スケール部141の第2トラック143から得られるA相信号とB相信号の信号振幅として、それぞれの値の2乗平均平方根の計算101を行うことで、式(13)のように得られる。
The scale unit 141 is divided into at least two regions depending on the position of the scale unit 141 in the moving direction. In the first track 142, slits 144 (reflection patterns) are formed at the interval P1. The slits 145 in the region 1 in the second track 143 are formed at the interval P2, and the slits 146 in the region 2 are formed at the interval P3. Hereinafter, a method for acquiring the upper signal 102, which is a different part from the first embodiment, will be described. In this embodiment, the area of the scale portion 141 is divided into two, and the relationship between the slits is P2>P3> P1, and the difference in the number of slits between the first track 142 and the second track 143 is Eight. As shown in FIG. 13B, the scale unit 141 is configured so that the pattern interval is switched before and after the pattern 147 for switching between the region 1 and the region 2.
As shown in FIG. 14, the upper signal 102 performs calculation 101 of the root mean square of each value as the signal amplitude of the A phase signal and the B phase signal obtained from the second track 143 of the scale unit 141. Thus, the following equation (13) is obtained.
ここで、A相、B相信号のオフセットが除去され、信号振幅が同一となり、90度位相差の補正の後、信号振幅の補正まで行われた信号72、73は、第1実施形態と同様の方法で得られる。式(13)の値は、スケール部の位置によって異なる値を取るため、式(13)で求められた値に基づいて位置情報を得ることができる。上位信号102は、センサ位置とトラック位置との信号取得位置関係の如何に関わらず、式(13)を使用して振幅値を計算することにより求められる。すなわち、A相信号及びB相信号それぞれの位相状態の如何に関わらず、第2トラック143における信号振幅の算出が可能である。 Here, the offsets of the A-phase and B-phase signals are removed, the signal amplitudes are the same, and the signals 72 and 73 that have been subjected to the signal amplitude correction after the 90-degree phase difference correction are the same as in the first embodiment. It is obtained by the method. Since the value of Expression (13) varies depending on the position of the scale portion, position information can be obtained based on the value obtained by Expression (13). The upper signal 102 is obtained by calculating the amplitude value using the equation (13) regardless of the signal acquisition position relationship between the sensor position and the track position. That is, the signal amplitude in the second track 143 can be calculated regardless of the phase states of the A-phase signal and the B-phase signal.
第1実施形態と同様、上位信号は、図15に示されるように、位置変化に対するバーニア位相の変位量(中位信号)と比例関係となるような信号であることが好ましい。このようにして得られた上位信号102と、第1実施形態と同様の方法で得られた信号75(中位信号)に基づいて、それぞれの信号の同期を取ることにより(絶対位置合成)、スケール部141の絶対位置情報103を算出することができる。本実施形態において、スケール部141における第2トラック143の反射パターンは、位置によって反射面積が変化した構成となっている。ただし本実施形態はこれに限定されるものではなく、位置に応じて反射率が変化する膜を用いても、同様の効果が得られる。このとき、反射膜の密度を変えることや、反射膜の材質を変化させるなどして、反射率を変化させることが可能である。 As in the first embodiment, as shown in FIG. 15, the upper signal is preferably a signal that has a proportional relationship with the displacement amount of the vernier phase (middle signal) with respect to the position change. By synchronizing the respective signals based on the upper signal 102 obtained in this way and the signal 75 (middle signal) obtained by the same method as in the first embodiment (absolute position synthesis), The absolute position information 103 of the scale unit 141 can be calculated. In the present embodiment, the reflection pattern of the second track 143 in the scale portion 141 has a configuration in which the reflection area changes depending on the position. However, the present embodiment is not limited to this, and the same effect can be obtained even when a film whose reflectance changes according to the position is used. At this time, it is possible to change the reflectance by changing the density of the reflection film or changing the material of the reflection film.
以上のとおり、本実施形態によれば、アブソリュート情報取得用のセンサを設けずに絶対位置情報を取得するように構成されているため、小型でローコストなアブソリュートエンコーダを提供することができる。また、スケール部の反射パターンは、スケール部の幅(Y)方向に等間隔で欠落したパターンや、スケール部の幅(Y)方向に均一なパターンで構成されている。このため、センサユニット部7とスケール部2との相対位置がY方向に変動しても受光部へ入射する光量が概ね均一となり、LEDなどの安価な光源をレンズを必要せずに用いることができる。
(実施形態4)
次に、図16を参照して、本発明の実施形態4について説明する。本実施形態は、上記各実施形態のアブソリュートエンコーダをレンズ鏡筒に搭載した撮像装置に関する。図16は本実施形態における撮像装置200の断面図である。201はレンズ群、202は駆動レンズ、203は駆動レンズ202の変位を検出するためのアブソリュートエンコーダの検出ヘッド、204はCPU、205は撮像素子である。レンズ群201、駆動レンズ202、CPU204、及び、撮像素子205により、撮像手段が構成される。
As described above, according to the present embodiment, the absolute position information is acquired without providing the absolute information acquisition sensor, and therefore a small and low-cost absolute encoder can be provided. Further, the reflection pattern of the scale portion is configured by a pattern missing at equal intervals in the width (Y) direction of the scale portion or a uniform pattern in the width (Y) direction of the scale portion. For this reason, even if the relative position between the sensor unit 7 and the scale unit 2 fluctuates in the Y direction, the amount of light incident on the light receiving unit becomes substantially uniform, and an inexpensive light source such as an LED can be used without a lens. it can.
(Embodiment 4)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The present embodiment relates to an imaging apparatus in which the absolute encoder of each of the above embodiments is mounted on a lens barrel. FIG. 16 is a cross-sectional view of the imaging apparatus 200 in the present embodiment. Reference numeral 201 denotes a lens group, 202 denotes a driving lens, 203 denotes a detection head of an absolute encoder for detecting displacement of the driving lens 202, 204 denotes a CPU, and 205 denotes an image sensor. The lens group 201, the driving lens 202, the CPU 204, and the imaging element 205 constitute an imaging unit.
レンズ群201を構成する駆動レンズ202は、例えばオートフォーカス用のレンズであり、光軸方向に移動可能である。駆動レンズ202は、ズーム調整レンズなど、駆動されるレンズであればその他のものでも構わない。本実施形態において、アブソリュートエンコーダのスケール部は、駆動レンズ202を駆動するアクチュエータに保持されており(不図示)、アブソリュートエンコーダの検出ヘッド203に対して相対的に移動可能である。アブソリュートエンコーダの検出ヘッド203から得られる駆動レンズ202の変位に応じた信号は、CPU204に出力される。CPU204からは、駆動レンズ202が所望の位置へと移動されるための駆動信号が生成され、駆動レンズ202はその信号に基づいて駆動される。 The drive lens 202 constituting the lens group 201 is, for example, an autofocus lens, and is movable in the optical axis direction. The drive lens 202 may be any other lens as long as it is driven, such as a zoom adjustment lens. In the present embodiment, the scale portion of the absolute encoder is held by an actuator that drives the drive lens 202 (not shown) and is movable relative to the detection head 203 of the absolute encoder. A signal corresponding to the displacement of the drive lens 202 obtained from the detection head 203 of the absolute encoder is output to the CPU 204. The CPU 204 generates a driving signal for moving the driving lens 202 to a desired position, and the driving lens 202 is driven based on the signal.
一般的に駆動レンズは、その位置に応じて、変位に対する光学敏感度が異なる。そのため、アブソリュートエンコーダは、駆動レンズの変位に対する光学敏感度に応じて、この変位に対するバーニア位相の変位量が大きくなるように第2スリットの間隔(間隔P2、P3)を異ならせるように設定することが好ましい。 In general, the driving lens has different optical sensitivity to displacement depending on its position. For this reason, the absolute encoder is set so that the second slit intervals (intervals P2, P3) differ according to the optical sensitivity to the displacement of the driving lens so that the displacement amount of the vernier phase with respect to this displacement increases. Is preferred.
また、例えば駆動レンズがズーム調整レンズの場合、一般的に、至近側よりも望遠側にズーム調整レンズが配置されている方が、レンズの位置変化に対する光学敏感度が高いように設計されていることが多い。このとき、アブソリュートエンコーダは、ズーム調整レンズの望遠側にレンズの変位に対するバーニア位相の変位量が大きくなり、至近側にレンズの変位に対するバーニア位相の変位量が小さくなるように、第2スリットの間隔を異ならせることが好ましい。 For example, when the drive lens is a zoom adjustment lens, it is generally designed such that the optical sensitivity to the lens position change is higher when the zoom adjustment lens is disposed on the telephoto side than on the close side. There are many cases. At this time, the absolute encoder has an interval between the second slits so that the displacement amount of the vernier phase with respect to the lens displacement increases on the telephoto side of the zoom adjustment lens and the displacement amount of the vernier phase with respect to the lens displacement decreases on the closest side. Is preferably different.
図16と図8を参照して、アブソリュートエンコーダを撮像装置200に組み込む方法の一例について説明する。アブソリュートエンコーダとそれを搭載する撮像装置200には、製造誤差による個体差や、組み込み誤差等、アブソリュートエンコーダを撮像装置に搭載する際に、設計値からの誤差が存在している場合が多い。設計値からの誤差があるとバーニア演算手段によって得られる信号の誤差、つまり位相誤差となり、図8のような信号の初期位相がずれた状態になるため、この位相ずれを認識しておく必要がある。 With reference to FIG. 16 and FIG. 8, an example of a method for incorporating the absolute encoder into the imaging apparatus 200 will be described. In the absolute encoder and the imaging apparatus 200 on which the absolute encoder is mounted, there are often errors from design values when the absolute encoder is mounted on the imaging apparatus, such as individual differences due to manufacturing errors or assembling errors. If there is an error from the design value, it becomes an error of the signal obtained by the vernier calculation means, that is, a phase error, and the initial phase of the signal is shifted as shown in FIG. 8, so it is necessary to recognize this phase shift. is there.
そこで本実施形態では、アブソリュートエンコーダを撮像装置200へ組み込む際には、検出ヘッド203とスケールとを相対的に駆動させて、原器エンコーダなどの基準位相が検出できる装置を用いて、組み込み後の位相ずれ量を算出する。すなわち、アブソリュートエンコーダは、撮像装置へ組み込まれる際に検出された位相ずれ量を用いて実測値の補正を行うように構成することが好ましい。以上より求めた位相ずれ量を用いて設計値から求められるアブソリュート情報の補正を行うことにより、製造誤差などによる個体差やアブソリュートエンコーダの組み込み誤差等の影響が低減された絶対位置検出が可能な撮像装置が提供される。なお、各実施形態のアブソリュートエンコーダは、撮像装置以外にも様々な装置に適用することができる。例えば、露光装置のステージ、ロボットアームなどの変位を検出するためにも適用可能である。 Therefore, in the present embodiment, when the absolute encoder is incorporated into the imaging apparatus 200, an apparatus that can detect the reference phase, such as a master encoder, by relatively driving the detection head 203 and the scale is used. A phase shift amount is calculated. That is, the absolute encoder is preferably configured to correct the actual measurement value using the phase shift amount detected when the absolute encoder is incorporated in the imaging apparatus. By correcting the absolute information obtained from the design value using the phase shift amount obtained from the above, imaging capable of absolute position detection with reduced effects of individual differences due to manufacturing errors and the incorporation error of absolute encoders, etc. An apparatus is provided. In addition, the absolute encoder of each embodiment can be applied to various apparatuses other than the imaging apparatus. For example, the present invention can be applied to detect the displacement of a stage of an exposure apparatus, a robot arm, or the like.
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。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.
2 スケール部
3 半導体素子
9 受光部
24 受光領域
25 信号処理回路部
100 アブソリュートエンコーダ
2 Scale unit 3 Semiconductor element 9 Light receiving unit 24 Light receiving region 25 Signal processing circuit unit 100 Absolute encoder
Claims (8)
前記被計測物とともに移動可能に構成され、第1スリットを有する第1トラック及び第2スリットを有する第2トラックを備えたスケール部と、
前記第1スリットから得られた第1信号を検出する第1検出手段と、
前記第2スリットから得られた第2信号を検出する第2検出手段と、
前記第1信号及び前記第2信号を用いてバーニア演算を行う演算手段と、を有し、
前記第2スリットの間隔は、前記スケール部の移動方向における位置に応じて異なることを特徴とするアブソリュートエンコーダ。 An absolute encoder that detects the absolute position of the object to be measured,
A scale unit comprising a first track having a first slit and a second track having a second slit configured to be movable together with the object to be measured;
First detection means for detecting a first signal obtained from the first slit;
Second detection means for detecting a second signal obtained from the second slit;
Computing means for performing vernier computation using the first signal and the second signal;
The absolute encoder is characterized in that the interval between the second slits differs according to the position of the scale portion in the moving direction.
前記第1領域と前記第2領域との境界において、第3スリットが配置されており、
前記第3スリットの位置において、前記演算手段により演算されたバーニア位相の変位量が異なるように構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のアブソリュートエンコーダ。 The second slit includes a slit arranged at a first interval in a first region, and a slit arranged at a second interval in a second region,
A third slit is disposed at the boundary between the first region and the second region,
3. The absolute encoder according to claim 1, wherein the displacement amount of the vernier phase calculated by the calculating means is different at the position of the third slit. 4.
前記関係の比例定数は前記スケール部の位置に依存せずに一定であることを特徴とする請求項3に記載のアブソリュートエンコーダ。 The displacement amount of the vernier phase is proportional to the displacement amount of the upper signal relative to the displacement of the scale portion,
4. The absolute encoder according to claim 3, wherein the proportional constant of the relationship is constant without depending on the position of the scale portion.
前記レンズの変位を検出するための請求項1乃至4のいずれか1項に記載のアブソリュートエンコーダと、を有することを特徴とする撮像装置。 An imaging means having a lens movable in the optical axis direction;
An imaging apparatus comprising: the absolute encoder according to claim 1 for detecting displacement of the lens.
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