JP2012501453A - インデックス光学エンコーダ、光学エンコーダをインデックスする方法、および光学エンコーダの利得とオフセットを動的に調整する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
非対称誤差には2つの原因がある。第1の原因は、読取りヘッド位置の変化によるものであり、第2の原因は、直交位相状態とインデックス・パルス遷移を同時に変化させる曖昧性(ノイズと遅延によって生じる)によるものである。
インデックス期間が拡大または収縮するとき、追加の誤差は導入されない。移動中、前述のように単一カウント非対称誤差しか生じることがない。偶数カウント間隔を補正するとき、CCW/CW両方の動きに1つの状態を選択するターゲット選択方式が使用される。
前述のように、K/2または(K+1)/2から確立された状態と後の評価との間には、多くても1つのカウント/状態誤差しか見つからない。較正中に到達したターゲット・オフセット方向(選択状態)を知ることにより、オフセット(インデックス・ターゲットでの実際のカウントと所望のカウントとの差)を作成するためにターゲット・カウントに加えられる補正率を作成することができる。現在のカウントからオフセットが減算されて、絶対インデックス位置が提供される。
P_Counti=位置iにおける位置カウンタ値。
P_Count^indexは、インデックス・パルスの立ち上がり端における位置カウントである。
K=インデックス・パルスの始めから終わりまでの直交位相カウント。これは、常に正である(すなわち、方向と関係なく)。
Dir=0(この方向のP_Count増分)または1(この方向のP_Count減分)。これは、インデックス・シーケンスによる回転運動方向を示すフラグである。Dirの例は、CCWでは0、CWでは1である。
kest=インデックス立ち上がり端からターゲット状態までの直交位相状態の数の推定値。
これは、インデックス・パルスの立ち上がり端からインデックス期間の中間までの状態カウントである。
ktarget=インデックス・パルスの立ち上がり端からターゲット状態までの実際の状態カウント。
Qi=位置iにおける直交位相状態(グレイコード)。
Qtarget=インデックス参照用のターゲット状態におけるグレイコード。
1.インデックスの始まり(インデックス・パルスの立ち上がり端)での位置カウンタ値。
2.回転方向。(位置カウンタがインデックス期間により増大するかまたは減少するか)。
3.インデックスの始まりにおける直交位相状態のグレイコード。
4.インデックス期間での直交位相状態の総数。
Qtargetは、インデクサ・アルゴリズムを両方向に実行することによって確立される。各方向からのアルゴリズム出力(Qkest+とQkest−)が比較される。等しい場合に、そのアルゴリズム出力がターゲット状態になる。アルゴリズム出力が1状態だけ異なる場合は、常にQkest+=Qkest−となる(逆も許容可能である)。一貫した手法が最良である。Qkest+とQkest−が2状態以上異なる場合は、ハードウェア障害が存在する。
アルゴリズムは、ktarget(インデックス開始からターゲット状態(Qtarget)までの状態の数)を計算する。Qtargetが最良状態(インデックス期間の中心に最も近い)であることに注意されたい。
正方向の場合
P_Countnew=P_Countcurrent−[P_Count^index+(ktarget−1)] 式1
ktarget(−1 term)への調整は、インデックス開始イベントでkカウンタが1から始まるからであることに注意されたい。
負方向の場合
P_Countnew=P_Countcurrent−[P_Count^index−(ktarget−1)] 式2
ktarget(−1 term)への調整は、インデックス開始イベントでkカウンタが1から始まるからであることに注意されたい。これは、正回転の場合と同じである。
位相:
Cal_Phase − CCWとCWの両方の方向を使用してターゲット・インデックス状態を決定する。
工場設定。インデクシング・アルゴリズムが使用される。
Index_Phasedir−基準点を見つける。インデクシング・アルゴリズムが使用される。
Zero_Phase−P_Counttarget=0(ターゲット位置)となるように補正を計算し適用する
絶対エンコーダ・モードに入る。
インデクシング・アルゴリズム:
目的は、正(CCW)または負(CW)のエンコーダ回転のインデックス基準点を見つけることである。
入力:QtargetとTV
出力:ktarget
変数:P_Count^index、Q^index、K、およびDir。
ステップ1
kestの決定
kest=K/2(Kが偶数の場合)または(K+1)/2(Kが奇数の場合) 式3
Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6,Q7,Q8,Q9,Q10,Q11,Q12
Q1,Q2,Q3,Q0,Q1,Q2,Q3,Q0,Q1,Q2,Q3,Q0,……(合同)
ここで、Q^index=Q1
ステップ2
Qkestの決定
次の式からkestにおける直交位相状態(Qkest)を求めることができる。
Qkest=Q{kest mod 4} 式4
注:モジュロ演算。
0 mod 4=0
1 mod 4=1
2 mod 4=2
3 mod 4=3
4 mod 4=0
5 mod 4=1
6 mod 4=2
Qkestの決定(続き)
kest mod 4=1の場合(例えば、kest=5または9または13…)は、Qkest=Q1である。(図12A、図12B、図13A、図13Bおよび図13Cも参照)。
例1:図13Aを使用する。
負方向Q1=LHの場合 表1(オフセット表の例)
Q3=HL[Q0に最も近いHL]
Q0=LL
Q1=「残り部分=1」状態で常にLH(インデックス始まり)。
Q2=HH
Q3=HL
Q0=LL[Q3に最も近いLL]
K=10または11(赤期間で終わるか青期間で終わるかによる)
それぞれを検討する。
K=10の場合は、kest=10/2=5である。5 mod 4=1
したがって、Q5=LH=Q1
K=11の場合は、kest=(11+1)/2=6である。6 mod 4=2
したがって、Q6=HH=Q2または順方向にQ1から次の状態。
Dirは、表を選択する(実際の順序)。動きが正か負かに関係なく、選択された表内で常に同じように前または後ろに動く。
注:基準のP_Countがないので、そのP_Countを使用してグレイコードを直接推定することができない。
オフセット表の説明
太字は、x mod 4の結果を示す。結果が境界(Q0またはQ3)なる場合、表は、1状態だけ拡張されなければならない(イタリック体。後方(@Q0の場合)/前方(@Q3の場合)−ここで、両方の可能性が示される)。探索は、常に、最も近い隣接値に行なわれる。
インデックスが任意状態(Q1=QC)で生じると仮定する。kest mod 4 −> Q0(QB)でかつターゲット状態がQAの場合は、
表2 拡張付きオフセット表
Q3=QA[最も近いQAからQ0][必要な場合]
Q0=QB−−−−−−−−−^
Q1=QC(インデックス開始)常に「残り=1」状態で。
Q2=QD
Q3=QA
Q0=QB[Q3に最も近いQB][必要な場合]
オフセット=−1
ステップ3
オフセット補正の決定
TV=0の場合、両方向からのQkestが必要とされる。検査するQtargetの等価物がない。生データを使用してターゲット決定を行なう。
各パスからのKを確認しなければならない。|K+−K−|<=2
TV=1の場合、Qtargetが定義される。
Qtarget=Qkestのとき、ktarget=kest
他の状況では、1つの状態カウントを修正するだけでよい(上または下へ)。複数の状態差がある場合、フォルトが生じた。
ktarget=kest+オフセット。ここで、オフセット=+1または−1 式5
オフセット補正の決定(続き)
例2:図13Aを使用する。
Qtarget=LH=オフセット表(表1)内のQ1
表1(繰り返し)
Q0=LL
Q1=LH(インデックス開始)「残り部分=1」状態で常に。
Q2=HH −−−−−−−−−−−−−−−−−^
Q3=HL
K=11、kest=6、およびQkest=HH=Q2の場合
EQ5を使用する。
オフセット=ktarget=−kest−1(オフセット表を推定値からターゲットまで上昇させる)
したがって、ktarget=6−1=5
正弦波(位相)DCオフセット=1.4+/−0.8VDC
正弦波(位相)AC信号=0.4Vp−p〜2.2Vp−p
ポスト・カートリッジ電子回路の出力仕様は、以下の通りである。
正弦波(位相)DCオフセット(DSPで)=1.67+/−0.3VDC
正弦波(位相)AC信号(DSPで)=0.45〜2.70p−p(標準1.1Vp−p)
シングルモード(TEM00と呼ぶ)レーザは、図23と図24に示されたようなガウス・プロファイル200を有する単一円形スポットを作成する。
マルチモードVCSELは、通常、ラゲール−ガウス形(LG)プロファイルに基づくパターンを生成する。マルチモードVCSELは、低出力ではガウス・プロファイルを提供し、高い方の出力レベルでは、図30〜図32に見られるようにLG[1,0]が一般的である。例えば、図32は、マルチモード・レーザのビーム・プロファイル360の様々な図を示す。
因果的(M+1 ポイント)移動平均値フィルタ(MAVF)の場合
CFCA=(GFA*FCA)+ΔOFFA
ここで、FCAは細カウント1012であり、CFCAは、細カウント1012の補正細カウントである。可能な代替の実施形態では、オフセットを最初に加算した後で利得補正係数を乗算してもよい(すなわち、CFCA=GFA*(FCA+ΔOFFA)。
Q(x)=0 (x<0の場合)
Q(x)=1 (x≧1の場合)
Q(CFCA−ΔOFFA)=0 (CFCA<ΔOFFAの場合)
Q(CFCA−ΔOFFA)=1 (CFCA≧ΔOFFAの場合)
{A’,B’}={Q(CFCA−ΔOFFA);Q(CFCB−ΔOFFB)}。
Claims (36)
- 光学エンコーダにおいて、
エンコーダ・ディスクと、
前記エンコーダ・ディスクに光を導くように構成された照明システムと、
前記エンコーダ・ディスクから回折された光を検出するように構成された検出器と、
を有し、前記エンコーダ・ディスクは、
前記エンコーダ・ディスク上にリングとして形成された回折格子を有する信号トラックと、
反射インデックス・マークを有し、前記インデックス・マークの幅が前記回折格子のピッチより大きいインデックス・トラックと、
を備える光学エンコーダ。 - 前記インデックス・トラックが、
前記エンコーダ・ディスク上にリングとして形成された第1のインデックス・トラックと、
前記エンコーダ・ディスク上にリングとして形成された第2のインデックス・トラックとを有する、請求項1に記載の光学エンコーダ。 - 前記第1のインデックス・トラックが、インデックス角度座標に提供された第1のインデックス・マークを有し、
前記第2のインデックス・トラックが、前記インデックス角度座標に提供された第2のインデックス・マークを有し、
前記第1のインデックス・トラックが、反射性の前記第1のインデックス・マークを除き非反射性であり、前記第2のインデックス・トラックが、非反射性の第2のインデックス・マークを除き反射性であるかまたは、
前記第2のインデックス・トラックが、反射性の前記第2のインデックス・マークを除き非反射性であり、前記第1のインデックス・トラックが、非反射性の前記第1のインデックス・マークを除き反射性である、請求項2に記載の光学エンコーダ。 - 前記エンコーダ・ディスクが、さらに、
ガラス基板と、
前記基板上に提供された低反射層と、
前記低反射クロム層上に提供された高反射層とを有し、
前記低反射層の一部分が目に見えるようなパターンで前記高反射クロムが形成された、請求項1に記載の光学エンコーダ。 - 前記低反射層が、低反射クロム層を含む、請求項4に記載の光学エンコーダ。
- 前記高反射層が、高反射クロム層を含む、請求項4に記載の光学エンコーダ。
- 前記低反射層が、前記ガラス基板の反対側で約5%の反射率を有する、請求項4に記載の光学エンコーダ。
- 前記高反射層が、前記ガラス基板に向いた側で約59%の反射率を有し、前記ガラス基板と反対側で約65%の反射率を有する、請求項4に記載の光学エンコーダ。
- 前記ガラス基板が、前記ガラス基板の面に付着された光吸収材料を有する、請求項4に記載の光学エンコーダ。
- 前記照明システムが、発光ダイオードを含む、請求項1に記載の光学エンコーダ。
- 前記照明システムが、
レーザー光線を放射するように構成されたマルチモードVCSELレーザを含む、請求項1に記載の光学エンコーダ。 - 前記検出器が、さらに、前記信号トラックから回折された光を検出しかつ直交位相信号を出力するように構成された2つのオフセット検出器を含む、請求項1に記載の光学エンコーダ。
- 前記検出器が、さらに、
前記外側インデックス・トラックから反射された光を検出しかつ外側インデックス信号を出力するように構成された第1のインデックス検出器と、
前記内側インデックス・トラックから反射された光を検出しかつ内側インデックス信号を出力するように構成された第2のインデックス検出器と、
前記外側インデックス信号と前記内側インデックス信号に基づいてインデックス・パルスを出力するように構成された比較器とを含む、請求項2に記載の光学エンコーダ。 - 光学エンコーダで使用されるエンコーダ・ディスクであって、
前記エンコーダ・ディスク上のリングとして形成された回折格子を有する信号トラックと、
反射インデックス・マークを有し、前記インデックス・マークの幅が前記回折格子のピッチより大きいインデックス・トラックとを備えたエンコーダ・ディスク。 - 前記インデックス領域が、
前記エンコーダ・ディスク上にリングとして形成された第1のインデックス・トラックと、
前記エンコーダ・ディスク上にリングとして形成された第2のインデックス・トラックとを備えた、請求項14に記載のエンコーダ・ディスク。 - 前記第1のインデックス・トラックが、インデックス角度座標に提供された第1のインデックス・マークを有し、
前記第2のインデックス・トラックが、前記インデックス角度座標で提供された第2のインデックス・マークを有し、
前記第1のインデックス・トラックが、反射性の前記第1のインデックス・マークを除き非反射性であり、前記第2のインデックス・トラックが、非反射性の前記第2のインデックス・マークを除き反射性であるかまたは、
前記第2のインデックス・トラックが、反射性である前記第2のインデックス・マークを除き非反射性であり、前記第1のインデックス・トラックが、非反射性の前記第1のインデックス・マークを除き反射性である、請求項15に記載のエンコーダ・ディスク。 - ガラス基板と、
前記基板上に提供された低反射層と、
前記低反射層上に提供された高反射層とをさらに有し、
前記低反射層の一部分が目に見えるようなパターンで前記高反射層が形成された、請求項14に記載のエンコーダ・ディスク。 - 前記低反射層が、低反射クロム層を含む、請求項17に記載のエンコーダ・ディスク。
- 前記高反射層が、高反射クロム層を含む、請求項17に記載のエンコーダ・ディスク。
- 前記低反射層が、前記ガラス基板の反対側で約5%の反射率を有する、請求項17に記載のエンコーダ・ディスク。
- 前記高反射層が、前記ガラス基板に向いた側で約59%の反射率を有し、前記ガラス基板と反対側で約65%の反射率を有する、請求項17に記載のエンコーダ・ディスク。
- 前記ガラス基板が、前記ガラス基板の面に付着された光吸収材料を含む、請求項17に記載のエンコーダ・ディスク。
- 光学エンコーダと共に使用するためのインデクシング方法において、
エンコーダ・ディスクであって、
前記エンコーダ・ディスク上にリングとして形成された回折格子を有する信号トラックと、
前記エンコーダ・ディスク上にリングとして形成され、インデックス角度座標に提供されたインデックス・マークを有するインデックス・トラックとを備えたエンコーダ・ディスクを提供する段階と、
前記エンコーダ・ディスクに光を導くように構成された照明システムを提供する段階と、
前記エンコーダ・ディスクから回折された光を検出するように構成された検出器であって、
前記信号トラックから回折された光を検出しかつ直交位相信号を出力するように構成された2つのオフセット検出器と、
前記インデックス・トラックから反射された光を検出しかつインデックス・パルスを出力するように構成されたインデックス検出器とを有する検出器を提供する段階と、
前記インデックス・パルスの立ち上がり端から前記インデックス期間の中央まで直交位相状態の推定状態カウントkestを計算する段階と、
kestにおける直交位相状態でありかつ前記インデックス・パルスの中心近くにおける直交位相状態に対応するQkestを計算する段階と、
オフセット補正を決定する段階とを含む、インデクシング方法。 - 推定状態カウントkestを計算する前記段階が、
Kが偶数の場合にkestをK/2として計算する段階と、
Kが奇数の場合にkestを((K+1)/2)として計算する段階とを含み、
Kが、前記インデックス・パルスの始めから終わりまでの前記直交位相カウントである、請求項23に記載のインデクシング方法。 - Qkestが、Q(kest mod 4)と等しく、Qkestが、kestにおける前記直交位相状態であり、Q(kest mod 4)が、(kest mod 4)における前記直交位相状態である、請求項24に記載のインデクシング方法。
- 光学エンコーダにおける利得とオフセットを動的に調整する方法であって、
回折格子を含むエンコーダ・ディスクを提供する段階と、
前記エンコーダ・ディスクに光を照射する段階と、
前記回折格子から回折された光を検出しかつ第1の細カウント・チャネルを出力するように構成された検出器を提供する段階と、
前記第1の細カウント・チャネルの第1のターゲット利得と第1のターゲット・オフセットを計算する段階と、
前記第1のターゲット利得と第1のターゲット・オフセットに基づいて、前記第1の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータに補正を適用する段階とを含む方法。 - ターゲット利得およびオフセットを計算する段階が、
前記第1の細カウント・チャネルからの1組のデータの最小値と最大値を決定する段階と、
前記第1の細カウント・チャネルからの複数の前の組のデータからの前記最小値に基づいて移動平均最小値を計算する段階と、
前記第1の細カウント・チャネルからの前記複数の前の組のデータからの前記最大値に基づいて移動平均最大値を計算する段階と、
Gcalが前記第1のターゲット利得であり、ave_maxAが移動平均最大値であり、ave_minAが移動平均最小値である場合に、前記第1のターゲット利得を式Gcal=(ave_maxA−ave_minA)/2にしたがって計算する段階と、
OFFSETcalが前記第1のターゲット・オフセットである場合に、前記第1のターゲット・オフセットを式OFFSETcal=(ave_maxA+ave_minA)/2にしたがって計算する段階とを含む、請求項26に記載の方法。 - 前記第1の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータに補正を適用する段階が、
maxAが前記データ・サンプルの最大値であり、minAが前記データ・サンプルの最小値である場合に、データ・サンプルの利得GAを式GA=(maxA−minA)/2にしたがって計算する段階と、
式OFFSETA=(maxA+minA)/2にしたがって、前記データ・サンプルのオフセットOFFSETAを計算する段階と、
Gcalが第1のターゲット利得である場合に、利得補正係数GFAを式GFA=Gcal/GAにしたがって計算する段階と、
OFFSETcalが第1のターゲット・オフセットである場合に、オフセット補正係数ΔOFFAを式ΔOFFA=OFFSETcal−OFFSETAにしたがって計算する段階と、
FCAが前記第1の細カウント・チャネルからの生細カウント・データであり、CFCAが前記補正細カウント・データである場合に、細カウントを、式CFCA=(GFA*FCA)+ΔOFFAにしたがって補正する段階とを含む、請求項26に記載の方法。 - 前記検出器が、第2の細カウント・チャネルを出力するように構成され、
前記第2の細カウント・チャネルの第2のターゲット利得と第2のターゲット・オフセットを計算する段階と、
前記第2のターゲット利得と第2のターゲット・オフセットに基づいて前記第2の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータに補正を適用する段階とを含む、請求項26に記載の方法。 - 前記検出器が、粗カウントを出力するように構成され、前記第1の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータと、前記第2の細カウント・チャネルからサンプリングされたデータに対する補正に基づいて、前記粗カウントに補正を適用する段階をさらに含む、請求項29に記載の方法。
- 前記粗カウントに補正を適用する段階が、
量子化演算子Q(x)を次のように定義する段階と、
Q(x)=0 (x<0の場合)
Q(x)=1 (x≧0の場合)
補正状態対{A’,B’}を次の式にしたがって計算する段階とを含み、
{A’,B’}={Q(CFCA−ΔOFFA),Q(CFCB−OFFB)}
ここで、CFCAは、前記第1の細カウント・チャネルからサンプリングされた補正データであり、CFCBは、前記第2の細カウント・チャネルからサンプリングされた補正データであり、ΔOFFAは、前記第1の細カウント・チャネルのオフセット補正値であり、ΔOFFBは、前記第2の細カウント・チャネルのオフセット補正値であり、
前記粗カウントを前記補正状態対と比較する段階と、
前記補正状態対と一致するように前記粗カウントを調整する段階とを含む、請求項30に記載の方法。 - 複数の検出器が提供され、前記複数の検出器がそれぞれ、前記回折格子から回折された光を検出しかつ第1の細カウント・チャネルを出力するように構成された、請求項26に記載の方法。
- 前記第1の細カウント・チャネルからの1組のデータの最小値と最大値を決定する段階が、
前記1組のデータの前記3つの最高値と前記3つの最低値を決定する段階と、
前記3つの最高値のどれかが、前記3つの最高値のうちの中央値と所定量より大きく異なる場合、または前記3つの最低値のどれかが、前記3つの最低値のうちの中央値と所定量より大きく異なる場合に、前記最小値と最大値を拒否する段階とを含む、請求項27に記載の方法。 - 前記第1の細カウント・チャネルからの1組のデータの最小値と最大値を決定する前記段階が、
前記最小値が、前記移動平均最小値と所定量より大きく異なる場合、または前記最大値が、前記移動平均最大値と所定量より大きく異なる場合に、前記最小値と最大値を拒否する段階とを含む、請求項27に記載の方法。 - 前記第1のインデックス・トラックが、前記信号トラックの半径方向外側に提供され、前記第2のインデックス・トラックが、前記信号トラックの半径方向内側に提供された、請求項2に記載の光学エンコーダ。
- 前記第1のインデックス・トラックが、前記信号トラックの半径方向外側に提供され、前記第2のインデックス・トラックが、前記信号トラックの半径方向内側に提供された、請求項15に記載のエンコーダ・ディスク。
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