JP2017166851A - Encoder, lens device, imaging system, and machine tool - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an encoder that reduces the effect of an error and exhibits high accuracy.SOLUTION: An encoder (100) comprises a scale (20) having a first grating (21) consisting of a pattern string that modulates energy distribution by space, and a detector (10) having a second grating (12) cyclically provided in a first direction and detecting energy distribution from the pattern string, the scale and the detector being relatively movable in the first direction. The second grating includes a first grating area and a second grating area along a second direction perpendicular to the first direction, the first grating area having a first period smaller than the period of energy distribution on the second grating, the second grating area having a second period larger than the period of energy distribution on the second grating, each of the first period and the second period being constant in the first direction.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、エンコーダに関する。   The present invention relates to an encoder.

特許文献1には、リニアスケールを、円弧上に等角度ピッチで形成された受光器側の光学格子により検出するエンコーダが開示されている。これにより、アライメント変動による正弦波信号の変動を低減することができる。また、信号処理回路を用いて位相の異なる複数の正弦波信号を位置情報に変換することにより、位置検出を行うことが可能である。   Patent Document 1 discloses an encoder that detects a linear scale with an optical grating on the light receiver side formed at an equiangular pitch on an arc. Thereby, the fluctuation | variation of the sine wave signal by an alignment fluctuation | variation can be reduced. Further, position detection can be performed by converting a plurality of sine wave signals having different phases into position information using a signal processing circuit.

特開2001−116592号公報JP 2001-116592 A

しかしながら、特許文献1に開示されているエンコーダでは、受光器側に構成された光学格子の曲率半径が大きい領域と、曲率半径が小さい領域とで、空間周波数応答が非対称となる。このため、投影倍率に誤差が生じた場合、複数の正弦波信号の相対位相関係が変動する。その結果、正弦波信号の内挿誤差が増大し、位置検出精度が低下する可能性がある。   However, in the encoder disclosed in Patent Document 1, the spatial frequency response is asymmetric between a region having a large curvature radius and a region having a small curvature radius of the optical grating formed on the light receiver side. For this reason, when an error occurs in the projection magnification, the relative phase relationship of the plurality of sine wave signals varies. As a result, the interpolation error of the sine wave signal increases, and the position detection accuracy may decrease.

そこで本発明は、誤差の影響を低減して高精度なエンコーダ、レンズ装置、撮像システム、および、工作装置を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly accurate encoder, lens device, imaging system, and machine tool by reducing the influence of errors.

本発明の一側面としてのエンコーダは、エネルギー分布を空間変調するパターン列からなる第1の格子を有するスケールと、第1の方向に周期的に設けられた第2の格子を有し、前記パターン列からの前記エネルギー分布を検出する検出器とを有し、前記スケールと前記検出器とは、前記第1の方向において相対的に移動可能であり、前記第2の格子は、前記第1の方向と垂直な第2の方向に沿って、第1の格子領域と第2の格子領域とを有し、前記第1の格子領域は、前記エネルギー分布の第2の格子上の周期よりも小さい第1の周期を有し、前記第2の格子領域は、前記エネルギー分布の前記第2の格子上の前記周期よりも大きい第2の周期を有し、前記第1の周期および前記第2の周期はそれぞれ、前記第1の方向において一定である。   An encoder according to one aspect of the present invention includes a scale having a first grating composed of a pattern sequence for spatially modulating an energy distribution, and a second grating periodically provided in a first direction, and the pattern A detector for detecting the energy distribution from a column, wherein the scale and the detector are relatively movable in the first direction, and the second grating is the first grid A first lattice region and a second lattice region are provided along a second direction perpendicular to the direction, and the first lattice region is smaller than a period of the energy distribution on the second lattice. The second grating region has a second period that is greater than the period on the second grating of the energy distribution, the first period and the second period; Each period is constant in the first direction

本発明の他の側面としてのレンズ装置は、光軸方向に変位可能なレンズと、前記レンズの位置を検出するように構成された前記エンコーダとを有する。   A lens device according to another aspect of the present invention includes a lens that is displaceable in an optical axis direction, and the encoder that is configured to detect the position of the lens.

本発明の他の側面としての撮像システムは、前記レンズ装置と、前記レンズを介して光学像の光電変換を行う撮像素子を備えた撮像装置とを有する。   An imaging system as another aspect of the present invention includes the lens apparatus and an imaging apparatus including an imaging element that performs photoelectric conversion of an optical image via the lens.

本発明の他の側面としての工作装置は、ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、前記工作機器の位置または姿勢を検出するように構成された前記エンコーダとを有する。   A machine tool according to another aspect of the present invention includes a machine tool including a robot arm or a transport body that transports an assembly target, and the encoder configured to detect a position or a posture of the machine tool. .

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、誤差の影響を低減して高精度なエンコーダ、レンズ装置、撮像システム、および、工作装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a highly accurate encoder, lens device, imaging system, and machine tool by reducing the influence of errors.

実施例1〜3におけるエンコーダの構成図である。It is a block diagram of the encoder in Examples 1-3. 実施例1〜3における変形例としてのエンコーダの構成図である。It is a block diagram of the encoder as a modification in Examples 1-3. 実施例1〜3における変形例としてのエンコーダの構成図である。It is a block diagram of the encoder as a modification in Examples 1-3. 実施例1における受光素子アレイの平面図である。2 is a plan view of a light receiving element array in Embodiment 1. FIG. 実施例1〜4におけるエンコーダの光路展開図である。It is an optical path expansion view of the encoder in Examples 1-4. 実施例1において、像倍率M、投影像周期P、および、格子周期Pa、Pbの関係を示す図である。In Example 1, it is a figure which shows the relationship between the image magnification M, the projection image period P, and the grating | lattice periods Pa and Pb. 実施例1において、空間周波数fに対するA(+)相の信号の振幅および位相の変化を示すグラフである。In Example 1, it is a graph which shows the change of the amplitude of an A (+) phase signal with respect to the spatial frequency f, and a phase. 比較例において、空間周波数fに対するA(+)相の信号の振幅および位相の変化を示すグラフである。In a comparative example, it is a graph which shows the change of the amplitude of an A (+) phase signal with respect to spatial frequency f, and a phase. 実施例2における受光素子アレイの平面図である。6 is a plan view of a light receiving element array in Example 2. FIG. 実施例2において、像倍率M、投影像周期P、および、格子周期Pa、Pb、Pcの関係を示す図である。In Example 2, it is a figure which shows the relationship between the image magnification M, the projection image period P, and the grating | lattice periods Pa, Pb, and Pc. 実施例2において、空間周波数fに対するA(+)相の信号の振幅および位相の変化を示すグラフである。In Example 2, it is a graph which shows the change of the amplitude of an A (+) phase signal with respect to the spatial frequency f, and a phase. 実施例3における受光素子アレイの平面図である。6 is a plan view of a light receiving element array in Embodiment 3. FIG. 実施例3において、空間周波数fに対するA(+)相の信号の振幅および位相の変化を示すグラフである。In Example 3, it is a graph which shows the change of the amplitude of an A (+) phase signal with respect to the spatial frequency f, and a phase. 実施例4におけるエンコーダの構成図である。FIG. 10 is a configuration diagram of an encoder in Embodiment 4. 実施例4における受光素子アレイの平面図である。6 is a plan view of a light receiving element array in Example 4. FIG. 実施例5における撮像システムの断面模式図である。10 is a schematic cross-sectional view of an imaging system in Embodiment 5. FIG.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

まず、図1を参照して、本発明の実施例1におけるエンコーダ(位置検出装置)について説明する。図1は、本実施例におけるエンコーダ100の構成図である。エンコーダ100は、固定部に取り付けられるセンサユニット10(検出器)、および、不図示の可動部(被測定物)に取り付けられるスケール20を有する。なお本実施例において、固定部と可動部の関係は逆でもよく、センサユニット10を可動部に取り付け、スケール20を固定部に取り付けることができる。すなわち、センサユニット10とスケール20とが相対的に移動可能であればよい。   First, an encoder (position detection device) in Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a configuration diagram of an encoder 100 in the present embodiment. The encoder 100 includes a sensor unit 10 (detector) attached to a fixed part, and a scale 20 attached to a movable part (not shown). In this embodiment, the relationship between the fixed portion and the movable portion may be reversed, and the sensor unit 10 can be attached to the movable portion and the scale 20 can be attached to the fixed portion. That is, it is only necessary that the sensor unit 10 and the scale 20 are relatively movable.

センサユニット10は、電流狭窄型LEDからなる光源11と、受光素子アレイ12を有する受光IC13とが同一パッケージ内に実装された受発光一体型のセンサユニットである。受光素子アレイ12は、スケール20のパターンからの反射光の強度分布を検出する複数の検出素子を、スケール20(または可動部)の移動方向(測長方向)であるX方向に配列して構成されている。スケール20上の反射面には、反射部と非反射部とが測長方向(X方向)において交互に形成されたスケール格子21が形成されている。なおスケール格子21は、周期的に光路長が異なるように段差が形成された位相格子であってもよい。例えば、波長の4分の1の段差を形成し、一様に反射膜を形成することにより、信号に寄与する±1次回折光の回折効率を増大させることができる。カバーガラス16は、光源11および受光IC13を封止する透明樹脂17の上に貼り合わされおり、透明樹脂17と光学的に一体化している。   The sensor unit 10 is a light receiving / emitting integrated sensor unit in which a light source 11 composed of a current confining type LED and a light receiving IC 13 having a light receiving element array 12 are mounted in the same package. The light receiving element array 12 is configured by arranging a plurality of detection elements that detect the intensity distribution of reflected light from the pattern of the scale 20 in the X direction that is the moving direction (length measuring direction) of the scale 20 (or the movable portion). Has been. On the reflective surface on the scale 20, a scale grating 21 in which reflective portions and non-reflective portions are alternately formed in the length measuring direction (X direction) is formed. The scale grating 21 may be a phase grating in which steps are formed so that the optical path lengths are periodically different. For example, the diffraction efficiency of ± 1st order diffracted light that contributes to the signal can be increased by forming a step of a quarter of the wavelength and uniformly forming the reflective film. The cover glass 16 is bonded onto a transparent resin 17 that seals the light source 11 and the light receiving IC 13, and is optically integrated with the transparent resin 17.

図2および図3は、それぞれ、本実施例における変形例としてのエンコーダ100a、100bの構成図である。図2に示されるように、本実施例では、光源11と受光IC13との間に遮光部材18を設けたエンコーダ100aを用いてもよい。遮光部材18により、スケール格子21を経由しない内面反射成分が受光素子アレイ12に入射するのを抑制することができ、信号のコントラストを向上させることが可能である。また図3に示されるように、本実施例では、カバーガラス16と空気との界面に反射防止膜19を設けたエンコーダ100bを用いてもよい。   FIGS. 2 and 3 are configuration diagrams of encoders 100a and 100b as modifications of the present embodiment, respectively. As shown in FIG. 2, in this embodiment, an encoder 100 a in which a light shielding member 18 is provided between the light source 11 and the light receiving IC 13 may be used. The light shielding member 18 can suppress the internal reflection component that does not pass through the scale grating 21 from entering the light receiving element array 12, and can improve the signal contrast. Further, as shown in FIG. 3, in this embodiment, an encoder 100b in which an antireflection film 19 is provided at the interface between the cover glass 16 and air may be used.

次に、図4を参照して、受光IC13における受光素子アレイ12の配列について説明する。図4は、受光素子アレイ12の平面図であり、受光素子アレイ12の受光面の配列を示している。受光素子アレイ12は、領域A(第1の格子領域)および領域B(第2の格子領域)の2列に、それぞれ32個の受光素子を、反射投影されるスケール像の縞の周期方向(X方向)に配列して構成されている。受光素子アレイ12は、順に配列された4つの受光素子、A(+)相、B(+)相、A(−)相、B(−)相を一組として、各列8組ごとのアレイにより構成されている。位置検出方向(X方向)に4つおきの受光素子は電気的に接続されており、後段の4つのIV変換アンプにより加算出力として電圧に変換される。4つのIVアンプの出力は、信号位相の0度、90度、180度、270度に対応し、演算処理により位置情報に変換される。本実施例では、4相の受光素子を直列に配列し、直接4相信号を検出しているが、本発明はこれに限定されるものではない。90度または270度ごとに位相をずらして配置した透過型回折格子を受光素子面の前に置き、透過した光量を受光素子で検出するようにしてもよい。この場合、各検出位相に対応した回折格子は、回折格子上に投影されるスケール像の縞周期方向に垂直な方向に配列することにより、信号の相対位相関係を安定させることができる。   Next, the arrangement of the light receiving element array 12 in the light receiving IC 13 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a plan view of the light receiving element array 12 and shows the arrangement of the light receiving surfaces of the light receiving element array 12. The light-receiving element array 12 includes 32 light-receiving elements in two rows of a region A (first lattice region) and a region B (second lattice region). Arranged in the X direction). The light receiving element array 12 includes four light receiving elements arranged in order, an A (+) phase, a B (+) phase, an A (−) phase, and a B (−) phase. It is comprised by. Every fourth light receiving element in the position detection direction (X direction) is electrically connected, and is converted into a voltage as an addition output by the four IV conversion amplifiers in the subsequent stage. The outputs of the four IV amplifiers correspond to signal phases of 0 degree, 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees, and are converted into position information by arithmetic processing. In this embodiment, four-phase light receiving elements are arranged in series to directly detect a four-phase signal, but the present invention is not limited to this. It is also possible to place a transmissive diffraction grating arranged with a phase shift every 90 degrees or 270 degrees in front of the light receiving element surface and detect the amount of transmitted light with the light receiving element. In this case, the relative phase relationship of signals can be stabilized by arranging the diffraction gratings corresponding to the respective detection phases in a direction perpendicular to the fringe period direction of the scale image projected on the diffraction grating.

領域Aにおいて、互いに隣接する受光素子の中心間距離は、60μmである。このため、足し合わされる受光素子の間隔(4つおきの受光素子の間隔)、すなわち領域A(第1の格子領域)の格子周期Paは、240μmである。また領域Aにおいて、各受光素子の位置検出方向に垂直な方向(Y方向)の長さYaは、225μmである。領域Bにおいて、互いに隣接する受光素子の中心間距離は、68μmである。このため、足し合わされる受光素子の間隔(4つおきの受光素子の間隔)、すなわち領域B(第2の格子領域)の格子周期Pbは、272μmである。また領域Bにおいて、各受光素子の位置検出方向に垂直な方向(Y方向)の長さYbは、225μmである。各列において、受光素子上に反射投影されるスケール像の縞の周期方向(X方向)における格子周期Pa、Pbは、それぞれ一定である(本実施例では、Pa=240μm、Pb=272μmでそれぞれ一定)。   In the region A, the distance between the centers of the light receiving elements adjacent to each other is 60 μm. Therefore, the interval between the light receiving elements to be added (the interval between every four light receiving elements), that is, the lattice period Pa of the region A (first lattice region) is 240 μm. In the region A, the length Ya in the direction (Y direction) perpendicular to the position detection direction of each light receiving element is 225 μm. In the region B, the distance between the centers of the light receiving elements adjacent to each other is 68 μm. Therefore, the interval between the light receiving elements to be added (the interval between every four light receiving elements), that is, the lattice period Pb of the region B (second lattice region) is 272 μm. In the region B, the length Yb in the direction (Y direction) perpendicular to the position detection direction of each light receiving element is 225 μm. In each row, the grating periods Pa and Pb in the periodic direction (X direction) of the stripes of the scale image reflected and projected on the light receiving elements are constant (in this embodiment, Pa = 240 μm and Pb = 272 μm, respectively). Constant).

次に、図5を参照して、エンコーダ100における光路について説明する。図5は、エンコーダ100の光路展開図である。電流狭窄型LEDからなる光源11から出射した発散光束は、スケール20上に形成されたスケール格子21に入射する。なお本実施例では、光源11として電流狭窄型LEDを用いているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、半導体レーザを用いることができ、またLED、光学格子、および、ピンホールなどの組み合わせで2次的な点光源アレイとして作用させてもよい。光源11からスケール格子21までの距離をL0とする。スケール格子21から受光素子アレイ12までの距離L1は、光源11と受光素子アレイ12とを同一面内に実装することにより、距離L0と略等しい。スケール格子21により反射した光束は、回折および干渉により、受光素子アレイ12上に光強度分布が干渉縞として形成される。   Next, the optical path in the encoder 100 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is an optical path development view of the encoder 100. The divergent light beam emitted from the light source 11 composed of the current confining type LED is incident on the scale grating 21 formed on the scale 20. In the present embodiment, a current confined LED is used as the light source 11, but the present invention is not limited to this. For example, a semiconductor laser can be used, and a combination of an LED, an optical grating, and a pinhole may be used as a secondary point light source array. The distance from the light source 11 to the scale grating 21 is L0. The distance L1 from the scale grating 21 to the light receiving element array 12 is substantially equal to the distance L0 by mounting the light source 11 and the light receiving element array 12 in the same plane. The light beam reflected by the scale grating 21 forms a light intensity distribution as interference fringes on the light receiving element array 12 by diffraction and interference.

スケール格子21の格子像は、像倍率Mで、受光素子アレイ面上に投影される。このときの像倍率Mは、M=(L0+L1)/L0のように表される。設計中心ではL0=L1となるため、M=2である。ただし、光源11と受光素子アレイ12との実装高さずれや、スケール格子21とセンサユニット10との相対角度ずれなどにより、距離L1と距離L0との間には光路差が生じ、スケール格子21の受光面への投影倍率Mは、厳密には誤差を含む。受光素子面上に形成されるスケール格子21の投影像周期Pは、スケール格子21の格子周期をPsとして、P=M×Psと表すことができる。本実施例では、Ps=128μmである。なお、±1次光の干渉を利用する場合、スケール格子21の格子周期Psに対し、半分の格子周期像が形成される。この場合、実効的にP=M×Ps/2と置き換えられる。格子像の空間周波数fは、f=1/Pと表される。   The lattice image of the scale lattice 21 is projected onto the light receiving element array surface at an image magnification M. The image magnification M at this time is expressed as M = (L0 + L1) / L0. Since L0 = L1 at the design center, M = 2. However, an optical path difference is generated between the distance L1 and the distance L0 due to a mounting height difference between the light source 11 and the light receiving element array 12, a relative angular deviation between the scale grating 21 and the sensor unit 10, and the like. Strictly, the projection magnification M onto the light receiving surface includes an error. The projected image period P of the scale grating 21 formed on the light receiving element surface can be expressed as P = M × Ps, where Ps is the grating period of the scale grating 21. In this embodiment, Ps = 128 μm. Note that when using interference of ± primary light, a grating period image that is half of the grating period Ps of the scale grating 21 is formed. In this case, it is effectively replaced with P = M × Ps / 2. The spatial frequency f of the lattice image is expressed as f = 1 / P.

次に、図6を参照して、像倍率M、スケール格子21の投影像周期P、受光素子アレイ12の領域Aにおける格子周期Pa、および、受光素子アレイ12の領域Bにおける格子周期Pbの関係について説明する。図6は、像倍率M、投影像周期P、および、格子周期Pa、Pbの関係図である。図6において、横軸は像倍率Mを示し、縦軸は周期(μm)を示している。本実施例では、スケール格子21の格子周期Ps=128μm、受光素子アレイ12の領域Aにおける格子周期Pa=240μm、領域Bにおける格子周期Pa=272μmの関係がある。よって本実施例の受光素子アレイ12は、像倍率Mの変動が±6.25%の範囲では、投影像周期P(=M×Ps)よりも大きい格子周期Pbを有する格子領域(領域B)と、投影像周期Pよりも小さい格子周期Paを有する格子領域(領域A)とを有する。   Next, referring to FIG. 6, the relationship between the image magnification M, the projected image period P of the scale grating 21, the grating period Pa in the area A of the light receiving element array 12, and the grating period Pb in the area B of the light receiving element array 12. Will be described. FIG. 6 is a relationship diagram of the image magnification M, the projection image period P, and the grating periods Pa and Pb. In FIG. 6, the horizontal axis represents the image magnification M, and the vertical axis represents the period (μm). In this embodiment, there is a relationship of the grating period Ps = 128 μm of the scale grating 21, the grating period Pa = 240 μm in the region A of the light receiving element array 12, and the grating period Pa = 272 μm in the region B. Therefore, the light receiving element array 12 of the present embodiment has a grating region (region B) having a grating period Pb larger than the projected image period P (= M × Ps) in the range where the variation of the image magnification M is ± 6.25%. And a grating region (region A) having a grating period Pa smaller than the projected image period P.

次に、図7を参照して、空間周波数fに対するA(+)相の信号の振幅および位相の変化について説明する。図7(a)、(b)は、受光素子面上でのスケール格子像の空間周波数f(格子像空間周波数)に対するA(+)相の信号の振幅および位相の変化に関するグラフをそれぞれ示す。図7(a)、(b)において、横軸は空間周波数f×2Ps、縦軸は振幅または位相をそれぞれ示している。受光素子アレイ12上に形成される空間周波数fに対する正弦波信号出力の応答特性は、足し合される受光素子の間隔Ppdに対し、f=1/Ppdをピークとした特性を有する。   Next, changes in the amplitude and phase of the A (+) phase signal with respect to the spatial frequency f will be described with reference to FIG. FIGS. 7A and 7B show graphs relating to changes in the amplitude and phase of the A (+) phase signal with respect to the spatial frequency f (lattice image spatial frequency) of the scale lattice image on the light receiving element surface. 7A and 7B, the horizontal axis represents the spatial frequency f × 2Ps, and the vertical axis represents the amplitude or phase. The response characteristic of the sine wave signal output with respect to the spatial frequency f formed on the light receiving element array 12 has a characteristic in which f = 1 / Ppd is a peak with respect to the interval Ppd of the added light receiving elements.

受光素子アレイ12の領域A(第1の格子領域)と領域B(第2の格子領域)のそれぞれの検出信号の振幅は、空間周波数fの変動に対し、上記関係を満たすことにより異なる空間周波数fにピークを有する。その結果、足し合わされた後の振幅変動が抑えられる。また、領域A(第1の格子領域)と領域B(第2の格子領域)のそれぞれの検出信号の位相は、空間周波数fの変動に伴い変化するが、上記関係を満たすことにより位相変動をキャンセルするように2つの領域間で重みづけが変化する。それにより、足し合わされた後の位相変動が抑えられる。他のB(+)相、A(−)相、B(−)相についても同様である。領域Aおよび領域Bの各領域において、受光素子上に反射投影されるスケール像の縞の周期方向(X方向)に対し、足し合わされる受光素子の配列周期(格子周期Pa、Pb)が一定となっているため、空間周波数fの変動に対する応答特性は略対称になる。それにより、より広い空間周波数範囲で、高い精度の位相変動キャンセル効果を得ることができる。   The amplitudes of the detection signals in the region A (first lattice region) and the region B (second lattice region) of the light receiving element array 12 differ depending on the variation of the spatial frequency f by satisfying the above relationship. It has a peak at f. As a result, the amplitude fluctuation after the addition is suppressed. In addition, the phase of each detection signal in region A (first lattice region) and region B (second lattice region) changes as the spatial frequency f varies, but the phase variation occurs by satisfying the above relationship. The weighting changes between the two areas to cancel. Thereby, the phase fluctuation after being added is suppressed. The same applies to the other B (+) phase, A (−) phase, and B (−) phase. In each of the areas A and B, the arrangement period (grating period Pa, Pb) of the light receiving elements to be added is constant with respect to the period direction (X direction) of the stripes of the scale image reflected and projected onto the light receiving elements. Therefore, the response characteristics with respect to fluctuations in the spatial frequency f are substantially symmetric. Thereby, a highly accurate phase fluctuation canceling effect can be obtained in a wider spatial frequency range.

受光素子アレイ12は、X方向(第1の方向)に沿ってQ個(本実施例では32個)の受光素子を含む。受光素子アレイ12は、Q個の受光素子のうちR個(本実施例では4個)の受光素子ごとの信号を足し合わせて出力する。受光素子アレイ12の組数G(足し合わされる受光素子の組数)をG=Q/R(本実施例ではG=32/4=8)とする。このとき、領域A(第1の格子領域)の格子周期Pa(第1の周期)、領域B(第2の格子領域)の格子周期Pb(第2の周期)は、以下の式(1a)、(1b)を満たすことが好ましい。   The light receiving element array 12 includes Q (32 in this embodiment) light receiving elements along the X direction (first direction). The light receiving element array 12 adds up and outputs signals for each of R (four in this embodiment) light receiving elements among the Q light receiving elements. Assume that the number G of sets of light receiving element arrays 12 (the number of sets of light receiving elements to be added) is G = Q / R (G = 32/4 = 8 in this embodiment). At this time, the lattice period Pa (first period) of the region A (first lattice region) and the lattice period Pb (second period) of the region B (second lattice region) are expressed by the following equation (1a): , (1b) is preferably satisfied.

P>Pa≧P・(G−1.5)/G … (1a)
P<Pb≦P・(G+1.5)/G … (1b)
図6に示されるように、格子周期Pa、Pbは、P・(G−1)/G、P・(G+1)/Gを基準として、以下の式(2a)、(2b)を満たすことがより好ましい。
P> Pa ≧ P · (G−1.5) / G (1a)
P <Pb ≦ P · (G + 1.5) / G (1b)
As shown in FIG. 6, the grating periods Pa and Pb satisfy the following formulas (2a) and (2b) with P · (G−1) / G and P · (G + 1) / G as references. More preferred.

P>Pa≧P・(G−1)/G … (2a)
P<Pb≦P・(G+1)/G … (2b)
更に好ましくは、格子周期Pa、Pbは、以下の式(3a)、(3b)を満たす。
P> Pa ≧ P · (G-1) / G (2a)
P <Pb ≦ P · (G + 1) / G (2b)
More preferably, the lattice periods Pa and Pb satisfy the following expressions (3a) and (3b).

P・(G−0.1)/G≧Pa≧P・(G−0.9)/G … (3a)
P・(G+0.1)/G≦Pb≦P・(G+0.9)/G … (3b)
本実施例において、例えば前記各式を満たすことにより、エンコーダ100(受光素子アレイ12)は、像倍率Mの変動に対する領域Aおよび領域Bのそれぞれの振幅の変動が、一方に関して単調増加、他方に関して単調減少となるように構成される。このような構成により、足し合わされた後の振幅の変動をより効果的に抑制することができる。
P · (G−0.1) / G ≧ Pa ≧ P · (G−0.9) / G (3a)
P · (G + 0.1) / G ≦ Pb ≦ P · (G + 0.9) / G (3b)
In the present embodiment, for example, by satisfying the above-described equations, the encoder 100 (light receiving element array 12) causes the amplitude variation of each of the regions A and B with respect to the variation of the image magnification M to increase monotonously on one side and It is configured to be monotonously decreasing. With such a configuration, fluctuations in amplitude after being added can be more effectively suppressed.

本実施例では、スケール20としてリニアスケールを用いたリニアエンコーダを例として説明したが、これに限定されるものではない。本実施例は、例えばスケール20としてロータリースケールを用いたロータリーエンコーダにも適用可能である。また本実施例では、反射型スケールを例として説明したが、これに限定されるものはなく、本実施例は例えば透過型スケールにも適用可能であり、投影倍率誤差の影響を抑えられるという点でより効果が大きい。   In this embodiment, a linear encoder using a linear scale as the scale 20 has been described as an example, but the present invention is not limited to this. The present embodiment can also be applied to a rotary encoder using a rotary scale as the scale 20, for example. In this embodiment, the reflective scale has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the present embodiment can be applied to, for example, a transmissive scale, and can suppress the influence of a projection magnification error. Is more effective.

また本実施例では、センサユニット10として光学式エンコーダが用いられているが、これに限定されるものではない。例えば、磁気式エンコーダや静電容量式エンコーダなどを用いても同様の効果を得ることができる。エネルギー分布として磁気分布を利用する磁気式エンコーダの場合、スケール20に磁性体を用い、磁性の極性分布を本実施例のスケール20の反射膜と同様の形状で形成する。そして、このスケールに近接してアレイ状に並べた磁界検出素子を配して検出する。また、エネルギー分布として電気分布を利用する静電容量式エンコーダの場合、本実施例のスケール反射膜と同様の形状に導電性の電極パターンを形成し、別のアレイ状の電極パターンを近接対向させて検出するようにすればよい。   In this embodiment, an optical encoder is used as the sensor unit 10, but the present invention is not limited to this. For example, the same effect can be obtained by using a magnetic encoder, a capacitance encoder, or the like. In the case of a magnetic encoder that uses a magnetic distribution as an energy distribution, a magnetic material is used for the scale 20 and the magnetic polarity distribution is formed in the same shape as the reflective film of the scale 20 of this embodiment. Then, magnetic field detection elements arranged in an array are arranged in proximity to the scale for detection. In the case of a capacitive encoder that uses electrical distribution as energy distribution, a conductive electrode pattern is formed in the same shape as the scale reflective film of this embodiment, and another array of electrode patterns is placed close to each other. May be detected.

(比較例1)
次に、実施例1の比較例として、実施例1の構成を適用しない場合について説明する。比較例では、受光素子アレイを、曲率半径R=1.698mmの円弧上の配列軸に沿って角度ピッチP=2.16degで配置し、受光素子アレイの半径方向の幅450μmとして説明する。
(Comparative Example 1)
Next, a case where the configuration of the first embodiment is not applied will be described as a comparative example of the first embodiment. In the comparative example, the light receiving element array is described as being arranged at an angular pitch P = 2.16 deg along the arrangement axis on the arc having the curvature radius R = 1.698 mm, and the light receiving element array has a radial width of 450 μm.

図8を参照して、比較例において、空間周波数fに対するA(+)相の信号の振幅および位相の変化について説明する。図8は、円弧の配列軸よりも径の小さい領域を領域A、径の大きい領域を領域Bとして、各領域および2領域を合算した信号の、受光面上の空間周波数fに対する応答特性である。図8(a)、(b)は、受光素子面上でのスケール格子像の空間周波数f(格子像空間周波数)に対するA(+)相の信号の振幅および位相の変化に関するグラフをそれぞれ示す。図8(a)、(b)において、横軸は空間周波数f×2Ps、縦軸は振幅または位相をそれぞれ示している。   With reference to FIG. 8, changes in amplitude and phase of the A (+) phase signal with respect to the spatial frequency f will be described in the comparative example. FIG. 8 shows the response characteristics of the signal obtained by adding up each region and two regions to the spatial frequency f on the light receiving surface, where region A is smaller than the arc arrangement axis and region B is larger. . FIGS. 8A and 8B show graphs relating to changes in the amplitude and phase of the A (+) phase signal with respect to the spatial frequency f (lattice image spatial frequency) of the scale lattice image on the light receiving element surface. 8A and 8B, the horizontal axis represents the spatial frequency f × 2Ps, and the vertical axis represents the amplitude or phase.

空間周波数が大きい側にずれた場合と、小さい側にずれた場合とで、領域Aと領域Bとの間で応答特性が非対称となっている。これにより、領域Aと領域Bとで位相変動をキャンセルする効果が低下し、広い範囲で位相を安定化することができない。   The response characteristics are asymmetric between the region A and the region B when the spatial frequency is shifted to the larger side and when the spatial frequency is shifted to the smaller side. As a result, the effect of canceling the phase fluctuation in the region A and the region B is reduced, and the phase cannot be stabilized in a wide range.

次に、本発明の実施例2におけるエンコーダについて説明する。本実施例のエンコーダは、受光素子アレイ12を有する受光IC13に代えて、受光素子アレイ12aを有する受光IC13aを有する点で、実施例1のエンコーダ100とは異なる。他の構成は実施例1と同様であるため、その説明は省略する。   Next, an encoder according to the second embodiment of the present invention will be described. The encoder of the present embodiment is different from the encoder 100 of the first embodiment in that a light receiving IC 13a having a light receiving element array 12a is provided instead of the light receiving IC 13 having the light receiving element array 12. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.

図9を参照して、受光IC13aにおける受光素子アレイ12aの配列について説明する。図9は、受光素子アレイ12aの平面図であり、受光素子アレイ12aの受光面の配列を示している。受光素子アレイ12aは、領域A(第1の格子領域)、領域B(第2の格子領域)、および、領域C(第3の格子領域)の3列に、それぞれ32個の受光素子を、反射投影されるスケール像の縞の周期方向(X方向)に配列して構成されている。   The arrangement of the light receiving element array 12a in the light receiving IC 13a will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a plan view of the light receiving element array 12a, and shows the arrangement of the light receiving surfaces of the light receiving element array 12a. The light receiving element array 12a includes 32 light receiving elements in three columns of a region A (first lattice region), a region B (second lattice region), and a region C (third lattice region). They are arranged in the periodic direction (X direction) of the stripes of the scale image to be reflected and projected.

領域Aにおいて、互いに隣接する受光素子の中心間距離は、56μmである。このため、足し合わされる受光素子の間隔(4つおきの受光素子の間隔)、すなわち領域A(第1の格子領域)の格子周期Paは、224μmである。また領域Aにおいて、各受光素子の位置検出方向に垂直な方向(Y方向)の長さYaは、112.5μmである。   In the region A, the distance between the centers of the light receiving elements adjacent to each other is 56 μm. For this reason, the interval between the light receiving elements to be added (the interval between every four light receiving elements), that is, the lattice period Pa of the region A (first lattice region) is 224 μm. In the region A, the length Ya in the direction (Y direction) perpendicular to the position detection direction of each light receiving element is 112.5 μm.

領域Bにおいて、互いに隣接する受光素子の中心間距離は、72μmである。このため、足し合わされる受光素子の間隔(4つおきの受光素子の間隔)、すなわち領域B(第2の格子領域)の格子周期Pbは、288μmである。また領域Bにおいて、各受光素子の位置検出方向に垂直な方向(Y方向)の長さYbは、112.5μmである。   In the region B, the distance between the centers of the light receiving elements adjacent to each other is 72 μm. For this reason, the interval between the light receiving elements to be added (the interval between every four light receiving elements), that is, the lattice period Pb of the region B (second lattice region) is 288 μm. In the region B, the length Yb in the direction (Y direction) perpendicular to the position detection direction of each light receiving element is 112.5 μm.

領域Cにおいて、互いに隣接する受光素子の中心間距離は、64μmである。このため、足し合わされる受光素子の間隔(4つおきの受光素子の間隔)、すなわち領域C(第3の格子領域)の格子周期Pcは、256μmである。また領域Cにおいて、各受光素子の位置検出方向に垂直な方向(Y方向)の長さYcは、225μmである。   In the region C, the distance between the centers of the light receiving elements adjacent to each other is 64 μm. For this reason, the interval between the light receiving elements to be added (the interval between every four light receiving elements), that is, the lattice period Pc of the region C (third lattice region) is 256 μm. In the region C, the length Yc in the direction (Y direction) perpendicular to the position detection direction of each light receiving element is 225 μm.

次に、図10を参照して、像倍率M、スケール格子21の投影像周期P、および、受光素子アレイ12aの領域A、B、Cにおける格子周期Pa、Pb、Pcの関係について説明する。図10は、像倍率M、投影像周期P、および、格子周期Pa、Pb、Pcの関係図である。図10において、横軸は像倍率Mを示し、縦軸は周期(μm)を示している。   Next, the relationship between the image magnification M, the projected image period P of the scale grating 21, and the grating periods Pa, Pb, and Pc in the regions A, B, and C of the light receiving element array 12a will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a relationship diagram of the image magnification M, the projection image period P, and the grating periods Pa, Pb, and Pc. In FIG. 10, the horizontal axis represents the image magnification M, and the vertical axis represents the period (μm).

図10に示されるように、L0>L1すなわちM<2の場合、格子周期Paの領域Aが第1の格子領域、格子周期Pcの領域Cが第2の格子領域として作用する。一方、L0<L1すなわちM>2の場合、格子周期Pcの領域Cが実施例1で説明したような第1の格子領域、格子周期Pbの領域Bが第2の格子領域として作用する。   As shown in FIG. 10, when L0> L1, that is, M <2, the region A having the lattice period Pa acts as the first lattice region, and the region C having the lattice period Pc acts as the second lattice region. On the other hand, when L0 <L1, that is, M> 2, the region C having the lattice period Pc functions as the first lattice region as described in the first embodiment, and the region B having the lattice period Pb functions as the second lattice region.

次に、図11を参照して、空間周波数fに対するA(+)相の信号の振幅および位相の変化について説明する。図11(a)、(b)は、受光素子面上でのスケール格子像の空間周波数f(格子像空間周波数)に対するA(+)相の信号の振幅および位相の変化に関するグラフをそれぞれ示す。図11(a)、(b)において、横軸は空間周波数f×2Ps、縦軸は振幅または位相をそれぞれ示している。   Next, changes in the amplitude and phase of the A (+) phase signal with respect to the spatial frequency f will be described with reference to FIG. FIGS. 11A and 11B show graphs relating to changes in the amplitude and phase of the A (+) phase signal with respect to the spatial frequency f (lattice image spatial frequency) of the scale lattice image on the light receiving element surface. 11A and 11B, the horizontal axis indicates the spatial frequency f × 2Ps, and the vertical axis indicates the amplitude or phase.

このように本実施例において、受光素子アレイ12a(第2の格子)は、領域A(第1の格子領域)と領域C(第2の格子領域)との間に設けられた領域B(第3の格子領域)を有する。領域Bは、格子周期Pa(第1の周期)と格子周期Pc(第2の周期)との間の格子周期Pb(第3の周期)を有する。好ましくは、格子周期Pa、Pb、Pcは、以下の式(4a)〜(4c)を満たす。   As described above, in the present embodiment, the light receiving element array 12a (second grating) includes the region B (first grating region) provided between the region A (first grating region) and the region C (second grating region). 3 lattice regions). The region B has a grating period Pb (third period) between the grating period Pa (first period) and the grating period Pc (second period). Preferably, the lattice periods Pa, Pb, and Pc satisfy the following expressions (4a) to (4c).

P・(G−0.6)/G≧Pa≧P・(G−1.4)/G … (4a)
P・(G+0.6)/G≦Pb≦P・(G+1.4)/G … (4b)
P・(G−0.6)/G<Pc<P・(G+0.6)/G … (4c)
図10に示されるように、格子周期Pa、Pb、Pcは、P・(G−1)/G、P・(G+1)/Gを基準として、以下の式(5a)、(5b)を満たことがより好ましい。
P · (G−0.6) / G ≧ Pa ≧ P · (G−1.4) / G (4a)
P · (G + 0.6) / G ≦ Pb ≦ P · (G + 1.4) / G (4b)
P · (G−0.6) / G <Pc <P · (G + 0.6) / G (4c)
As shown in FIG. 10, the grating periods Pa, Pb, and Pc satisfy the following formulas (5a) and (5b) with P · (G−1) / G and P · (G + 1) / G as references. It is more preferable.

Pc>Pa≧P・(G−1)/G
(M<2の場合) … (5a)
Pc<Pb≦P・(G+1)/G
(M>2の場合) … (5b)
本実施例の受光素子アレイは、3つの領域A、B、Cを組み合わせることにより、2つの領域A、Bを組み合わせた実施例1と比較して、広い空間周波数fの変動に対して安定な特性を得ることが可能である。なお本実施例では、3つの領域を有する受光素子アレイについて説明したが、これに限定されるものではなく、本実施例は4つ以上の領域を有する受光素子アレイにも適用可能である。
Pc> Pa ≧ P · (G-1) / G
(When M <2) (5a)
Pc <Pb ≦ P · (G + 1) / G
(When M> 2) (5b)
The light receiving element array of the present embodiment is stable against fluctuations in a wide spatial frequency f by combining the three regions A, B, and C as compared with the first embodiment in which the two regions A and B are combined. It is possible to obtain characteristics. In the present embodiment, the light receiving element array having three regions has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present embodiment is applicable to a light receiving element array having four or more regions.

次に、本発明の実施例3におけるエンコーダについて説明する。本実施例のエンコーダは、受光素子アレイ12を有する受光IC13に代えて、受光素子アレイ12bを有する受光IC13bを有する点で、実施例1のエンコーダ100とは異なる。他の構成は実施例1と同様であるため、その説明は省略する。   Next, an encoder according to Embodiment 3 of the present invention will be described. The encoder of the present embodiment is different from the encoder 100 of the first embodiment in that it includes a light receiving IC 13b having a light receiving element array 12b instead of the light receiving IC 13 having the light receiving element array 12. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.

図12を参照して、受光IC13bにおける受光素子アレイ12bの配列について説明する。図12は、受光素子アレイ12bの平面図であり、受光素子アレイ12bの受光面の配列を示している。本実施例において、受光素子アレイ12bの格子周期Paは、測長方向(位置検出方向:X方向)に垂直な方向(Y方向)の位置に応じて、連続的に変化している。また、各受光素子の位置検出方向に垂直な方向の長さYaは、450μmである。受光素子アレイ12bの中心(Y方向における中心)をY=0とし、光源11に近づく方向の位置(光源11側の位置)をY>0、光源11から遠ざかる方向の位置をY<0とする。このとき、受光素子アレイ12bの格子周期Pa(Y)は、以下の式(6)で表される関数に従う。   The arrangement of the light receiving element array 12b in the light receiving IC 13b will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a plan view of the light receiving element array 12b, and shows the arrangement of the light receiving surfaces of the light receiving element array 12b. In the present embodiment, the grating period Pa of the light receiving element array 12b continuously changes according to the position in the direction (Y direction) perpendicular to the length measurement direction (position detection direction: X direction). The length Ya of each light receiving element in the direction perpendicular to the position detection direction is 450 μm. The center of the light receiving element array 12b (center in the Y direction) is Y = 0, the position in the direction approaching the light source 11 (position on the light source 11 side) is Y> 0, and the position in the direction away from the light source 11 is Y <0. . At this time, the grating period Pa (Y) of the light receiving element array 12b follows a function represented by the following expression (6).

Pa(Y)=−Y・32/225+256 (μm) … (6)
Y>0の端部の位置(Y=+225μm)において、受光素子アレイ12bの格子周期Paは最小となり、格子周期Pamin(最小値)は224μmである。一方、Y<0の端部の位置(Y=−225μm)において、受光素子アレイ12bの格子周期Pa(Pb)は最大となり、格子周期Pbmax(最大値)は288μmである。
Pa (Y) = − Y · 32/225 + 256 (μm) (6)
At the end position where Y> 0 (Y = + 225 μm), the grating period Pa of the light receiving element array 12b is minimum, and the grating period Pamin (minimum value) is 224 μm. On the other hand, at the position of the end portion where Y <0 (Y = −225 μm), the grating period Pa (Pb) of the light receiving element array 12b is maximized, and the grating period Pbmax (maximum value) is 288 μm.

続いて、受光素子アレイ12bの作用について説明する。Pa(Y0)=Pとなる位置Y0を通り、測長方向(X方向)に平行な直線を境界線Dとする。たとえば、L0=L1の場合、Pa(0)=Pとなるため、境界線Dの位置はY=0となる。像倍率M=(L0+L1)/L0が変化した場合、境界線Bの位置はシフトする。このとき、Y>Dを満たす領域が第1の格子領域(格子周期Paを有する領域A)として作用し、Y<Dを満たす領域が第2の格子領域(格子周期Pbを有する領域B)として作用する。   Next, the operation of the light receiving element array 12b will be described. A straight line that passes through the position Y0 where Pa (Y0) = P and is parallel to the length measuring direction (X direction) is defined as a boundary line D. For example, when L0 = L1, since Pa (0) = P, the position of the boundary line D is Y = 0. When the image magnification M = (L0 + L1) / L0 changes, the position of the boundary line B shifts. At this time, a region satisfying Y> D acts as a first lattice region (region A having a lattice period Pa), and a region satisfying Y <D is defined as a second lattice region (region B having a lattice period Pb). Works.

図13を参照して、Y>0の領域を領域A、Y<0の領域を領域Bとして、各領域、および、2領域を合算した信号の、受光面上の空間周波数に対する応答特性について説明する。図13(a)、(b)は、受光素子面上でのスケール格子像の空間周波数f(格子像空間周波数)に対するA(+)相の信号の振幅および位相の変化に関するグラフをそれぞれ示す。図13(a)、(b)において、横軸は空間周波数f×2Ps、縦軸は振幅または位相をそれぞれ示している。   Referring to FIG. 13, the response characteristics of the signal obtained by adding up each region and the two regions with respect to the spatial frequency on the light receiving surface will be described with region A as Y> 0 and region B as Y <0. To do. FIGS. 13A and 13B show graphs relating to changes in the amplitude and phase of the A (+) phase signal with respect to the spatial frequency f (lattice image spatial frequency) of the scale lattice image on the light receiving element surface. 13A and 13B, the horizontal axis represents the spatial frequency f × 2Ps, and the vertical axis represents the amplitude or phase.

このように本実施例において、受光素子アレイ12b(第2の格子)は、第2の方向(Y方向)に沿って線形に変化する周期を有する。また、第2の方向における所定の位置(境界線D)を基準として光源11に近づく方向の領域を第1の格子領域(領域A)、所定の位置を基準として光源11から離れる方向の領域を第2の格子領域(領域B)とする。第1の格子領域の第1の周期(格子周期Pa)の最小値をPamin、第2の格子領域の第2の周期(格子周期Pb)の最大値をPbmaxとするとき、以下の式(7a)、(7b)を満たすことが好ましい。   Thus, in the present embodiment, the light receiving element array 12b (second grating) has a period that linearly changes along the second direction (Y direction). In addition, an area in the direction approaching the light source 11 with the predetermined position (boundary line D) in the second direction as a reference is a first lattice area (area A), and an area in a direction away from the light source 11 with the predetermined position as a reference. The second lattice region (region B) is assumed. When the minimum value of the first period (lattice period Pa) of the first grating region is Pamin and the maximum value of the second period (lattice period Pb) of the second grating region is Pbmax, the following equation (7a ) And (7b) are preferably satisfied.

P>Pamin≧P・(G−1.5)/G … (7a)
P<Pbmax≦P・(G+1.5)/G … (7b)
各位置(Y方向における各位置)において、受光素子上に反射投影されるスケール像の縞の周期方向(X方向)に対し、足し合わされる受光素子の格子周期Pa(Y)(配列周期)が一定となっている。このため、空間周波数fの変動に対する応答特性が略対称になる。その結果、より広い空間周波数範囲で、高精度の位相変動キャンセル効果を得ることができる。
P> Pamin ≧ P · (G−1.5) / G (7a)
P <Pbmax ≦ P · (G + 1.5) / G (7b)
At each position (each position in the Y direction), the grating period Pa (Y) (array period) of the light receiving elements added to the periodic direction (X direction) of the stripes of the scale image reflected and projected onto the light receiving elements is It is constant. For this reason, the response characteristic with respect to the fluctuation of the spatial frequency f becomes substantially symmetrical. As a result, a highly accurate phase fluctuation canceling effect can be obtained in a wider spatial frequency range.

次に、図14を参照して、本発明の実施例4におけるエンコーダ(位置検出装置)について説明する。図14は、本実施例におけるエンコーダ100cの構成図である。エンコーダ100cは、ロータリーエンコーダであり、固定部に取り付けられるセンサユニット10(検出器)と、回転軸22(可動部)に取り付けられ、回転軸22の周りに回転可能なスケール20とを有する。なお本実施例において、固定部と可動部の関係は逆でもよく、センサユニット10を回転軸22に取り付け、スケール20を固定部に取り付けることができる。すなわち、センサユニット10とスケール20とが相対的に移動可能(回転可能)であればよい。   Next, with reference to FIG. 14, an encoder (position detection device) in Embodiment 4 of the present invention will be described. FIG. 14 is a configuration diagram of the encoder 100c in the present embodiment. The encoder 100 c is a rotary encoder, and includes a sensor unit 10 (detector) attached to a fixed portion, and a scale 20 attached to the rotating shaft 22 (movable portion) and rotatable around the rotating shaft 22. In this embodiment, the relationship between the fixed portion and the movable portion may be reversed, and the sensor unit 10 can be attached to the rotating shaft 22 and the scale 20 can be attached to the fixed portion. That is, it is only necessary that the sensor unit 10 and the scale 20 are relatively movable (rotatable).

スケール20上の反射面には、測長方向(位置検出方向:θ方向)に一定の角度周期で反射部と非反射部とが交互に設けられたスケール格子21が形成されている。反射部および非反射部は、測長方向に垂直な方向(r方向)に伸びるように、放射状に形成されている。スケール格子21は、一周で256周期の格子が形成されており、格子角度周期は1.40625degである。読み取り半径は、5.215mmに設定されており、センサユニット10の光源11と受光素子アレイ12との中心間の半径上の中点が、読み取り中心と一致するように配置されている。   On the reflective surface on the scale 20, a scale grating 21 is formed in which reflective portions and non-reflective portions are alternately provided at a constant angular period in the length measurement direction (position detection direction: θ direction). The reflective part and the non-reflective part are formed radially so as to extend in a direction perpendicular to the length measuring direction (r direction). The scale grating 21 is formed with a grating of 256 periods per round, and the grating angle period is 1.40625 deg. The reading radius is set to 5.215 mm, and the center point on the radius between the centers of the light source 11 and the light receiving element array 12 of the sensor unit 10 is arranged to coincide with the reading center.

次に、図15を参照して、本実施例における受光IC13cの受光素子アレイ12cの配列について説明する。図15は、受光素子アレイ12cの平面図であり、受光素子アレイ12cの受光面の配列を示している。受光素子上に反射投影されるスケール像は、曲率半径が2倍になった放射状の縞として形成される。受光素子上に反射投影されるスケール像の縞の周期方向(第1の方向、θ方向)に対し、受光素子の配列周期が異なる3領域(領域A、領域B、領域C)が、縞の周期方向に垂直な方向(第2の方向、r方向)に配列されている。   Next, the arrangement of the light receiving element array 12c of the light receiving IC 13c in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a plan view of the light receiving element array 12c, and shows the arrangement of the light receiving surfaces of the light receiving element array 12c. The scale image reflected and projected on the light receiving element is formed as a radial stripe having a radius of curvature twice. Three regions (region A, region B, region C) having different arrangement periods of the light receiving elements with respect to the periodic direction (first direction, θ direction) of the stripes of the scale image reflected and projected on the light receiving elements are They are arranged in a direction (second direction, r direction) perpendicular to the periodic direction.

領域Aは、r方向の中心位置での曲率が10.59913mmであり、互いに隣接する受光素子の中心間角度間隔は0.307617degである。足し合わされる受光素子の間隔(4つおきの受光素子の間隔)、すなわち領域A(第1の格子領域)の格子周期Pθaは、1.230469degである。また、各受光素子の位置検出方向(θ方向)に垂直な方向(r方向)の長さRaは、112.5μmである。   In the region A, the curvature at the center position in the r direction is 10.59913 mm, and the angular interval between the centers of the light receiving elements adjacent to each other is 0.307617 deg. The interval between the light receiving elements to be added (the interval between every four light receiving elements), that is, the lattice period Pθa of the region A (first lattice region) is 1.230469 deg. The length Ra of each light receiving element in the direction (r direction) perpendicular to the position detection direction (θ direction) is 112.5 μm.

領域Bは、r方向の中心位置での曲率が10.26163mmであり、互いに隣接する受光素子の中心間角度間隔は0.395508degである。足し合わされる受光素子の間隔(4つおきの受光素子の間隔)、すなわち領域B(第2の格子領域)の格子周期Pθcは、1.582031degである。また、各受光素子の位置検出方向(θ方向)に垂直な方向(r方向)の長さRbは、112.5μmである。   In the region B, the curvature at the center position in the r direction is 10.26163 mm, and the angular interval between the centers of the light receiving elements adjacent to each other is 0.395508 deg. The interval between the light receiving elements to be added (the interval between every four light receiving elements), that is, the lattice period Pθc of the region B (second lattice region) is 1.582031 deg. The length Rb of each light receiving element in the direction (r direction) perpendicular to the position detection direction (θ direction) is 112.5 μm.

領域Cは、r方向の中心位置での曲率が10.43038mmであり、互いに隣接する受光素子の中心間角度間隔は0.351563degである。足し合わされる受光素子の間隔(4つおきの受光素子の間隔)、すなわち領域C(第3の格子領域)の格子周期Pθcは、1.40625degである。また、各受光素子の位置検出方向(θ方向)に垂直な方向(r方向)の長さRcは、225μmである。   In the region C, the curvature at the center position in the r direction is 10.43038 mm, and the angular interval between the centers of the light receiving elements adjacent to each other is 0.351563 deg. The interval between the light receiving elements to be added (the interval between every four light receiving elements), that is, the lattice period Pθc of the region C (third lattice region) is 1.40625 deg. The length Rc of each light receiving element in the direction (r direction) perpendicular to the position detection direction (θ direction) is 225 μm.

領域A、領域B、領域Cの各領域において、受光素子上に反射投影されるスケール像の縞の周期方向(第1の方向:θ方向)において、足し合わされる受光素子の格子周期Pθa、Pθb、Pθc(配列周期)はそれぞれ一定となっている。そのため、空間周波数fの変動に対する応答特性は略対称になる。その結果、より広い空間周波数範囲で、高精度の位相変動キャンセル効果を得ることができる。なお本実施例において、受光素子アレイ12cは3つの領域を有するが、これに限定されるものではない。本実施例は、4つ以上の領域を有する受光素子アレイや、角度周期が連続的に変化するように構成された受光素子アレイにも適用可能である。   In each of the areas A, B, and C, the grating periods Pθa and Pθb of the light receiving elements added together in the period direction (first direction: θ direction) of the stripes of the scale image reflected and projected onto the light receiving elements , Pθc (arrangement period) is constant. Therefore, the response characteristics with respect to the variation of the spatial frequency f are substantially symmetric. As a result, a highly accurate phase fluctuation canceling effect can be obtained in a wider spatial frequency range. In the present embodiment, the light receiving element array 12c has three regions, but is not limited to this. The present embodiment can also be applied to a light receiving element array having four or more regions and a light receiving element array configured such that the angular period continuously changes.

次に、図16を参照して、本発明の実施例5について説明する。図16は、本実施例における撮像システム200の断面模式図である。撮像システム200は、上記各実施例におけるエンコーダ(位置検出装置)をレンズ装置に搭載した撮像システムである。撮像システム200は、撮像装置200aと、撮像装置200aに着脱可能なレンズ装置200b(エンコーダを備えたレンズ鏡筒)とで構成されている。ただし本実施例は、撮像装置とレンズ装置とが一体化して構成された撮像システムにも適用可能である。   Next, Embodiment 5 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 16 is a schematic cross-sectional view of the imaging system 200 in the present embodiment. The imaging system 200 is an imaging system in which the encoder (position detection device) in each of the above embodiments is mounted on a lens device. The imaging system 200 includes an imaging device 200a and a lens device 200b (a lens barrel provided with an encoder) that can be attached to and detached from the imaging device 200a. However, this embodiment can also be applied to an imaging system in which an imaging device and a lens device are integrated.

図16において、53はセンサユニット、54はCPUである。センサユニット53およびスケール20により、前述の各実施例のエンコーダ(位置検出装置)が構成される。本実施例において、センサユニット53は、実施例1〜4におけるセンサユニット10に相当する。また、51はレンズユニット、52は駆動レンズ、55は撮像素子、50は円筒体であり、主にこれらにより撮像システムが構成される。レンズユニット51を構成する駆動レンズ52(レンズ)は、例えばオートフォーカス用のレンズであり、光軸方向であるY方向に変位可能である。駆動レンズ52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レンズでもよい。本実施例における円筒体50は、駆動レンズ52を駆動するアクチュエータ(不図示)と連結されている。撮像素子55は、撮像装置200aに設けられており、レンズユニット51(レンズ)を介して光学像(被写体像)の光電変換を行う。   In FIG. 16, 53 is a sensor unit and 54 is a CPU. The sensor unit 53 and the scale 20 constitute the encoder (position detection device) of each of the above-described embodiments. In the present embodiment, the sensor unit 53 corresponds to the sensor unit 10 in the first to fourth embodiments. Reference numeral 51 denotes a lens unit, 52 denotes a driving lens, 55 denotes an imaging element, and 50 denotes a cylindrical body. The imaging system is mainly configured by these. The drive lens 52 (lens) constituting the lens unit 51 is, for example, an autofocus lens, and can be displaced in the Y direction that is the optical axis direction. The driving lens 52 may be another lens as long as it is driven, such as a zoom adjustment lens. The cylindrical body 50 in this embodiment is connected to an actuator (not shown) that drives the drive lens 52. The imaging element 55 is provided in the imaging apparatus 200a and performs photoelectric conversion of an optical image (subject image) via the lens unit 51 (lens).

本実施例のレンズ装置200bは、光軸方向(Y方向)に変位可能な駆動レンズ52と、駆動レンズ52の変位を検出するように構成されたエンコーダとを有する。スケール20は、円筒体50に取り付けられている。このような構成において、エンコーダは円筒体50の光軸方向の周りにおける回転量(変位)を取得することで、駆動レンズ52の光軸方向の変位を検出する。   The lens device 200b of the present embodiment includes a drive lens 52 that can be displaced in the optical axis direction (Y direction), and an encoder that is configured to detect displacement of the drive lens 52. The scale 20 is attached to the cylindrical body 50. In such a configuration, the encoder detects the displacement of the drive lens 52 in the optical axis direction by acquiring the rotation amount (displacement) of the cylindrical body 50 around the optical axis direction.

スケール20は、ドーナツ状の円盤面上に反射パターンを形成して構成されたロータリースケールであり、円筒体50に取り付けられている。スケール20は、フィルム状基材上に格子パターンを形成して構成されたリニア型スケールであってもよい。この場合、スケール20は、円筒体50の回転方向に沿って円筒面に貼り付けられる。   The scale 20 is a rotary scale configured by forming a reflection pattern on a donut-shaped disk surface, and is attached to the cylindrical body 50. The scale 20 may be a linear scale configured by forming a lattice pattern on a film-like substrate. In this case, the scale 20 is attached to the cylindrical surface along the rotation direction of the cylindrical body 50.

アクチュエータまたは手動により、円筒体50を、光軸を中心として回転させると、スケール20はセンサユニット53に対して相対的に変位する。スケール20の変位に伴い、駆動レンズ52は、光軸方向であるY方向(矢印方向)に駆動される。そして、エンコーダのセンサユニット53から得られる駆動レンズ52の変位に応じた信号は、CPU54に出力される。CPU54は、駆動レンズ52を所望の位置へ移動するための駆動信号を生成する。駆動レンズ52は、その駆動信号に基づいて駆動される。   When the cylindrical body 50 is rotated around the optical axis by an actuator or manually, the scale 20 is displaced relative to the sensor unit 53. As the scale 20 is displaced, the drive lens 52 is driven in the Y direction (arrow direction) that is the optical axis direction. Then, a signal corresponding to the displacement of the drive lens 52 obtained from the sensor unit 53 of the encoder is output to the CPU 54. The CPU 54 generates a drive signal for moving the drive lens 52 to a desired position. The drive lens 52 is driven based on the drive signal.

また、各実施例におけるエンコーダは、レンズ装置や撮像装置以外の種々の装置にも適用可能である。例えば、ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、この工作機器の位置または姿勢を検出する各実施例のエンコーダとを有する工作装置を構成することにより、搬送体の位置を高精度に検出することができる。   The encoder in each embodiment can be applied to various devices other than the lens device and the imaging device. For example, by constructing a machine tool having a robot arm or a machine tool having a carrier for conveying an assembly object and an encoder of each embodiment for detecting the position or posture of the machine tool, the position of the carrier Can be detected with high accuracy.

このように各実施例のエンコーダは、スケール20と、検出器(センサユニット10)とを有する。スケール20は、エネルギー分布を空間変調するパターン列からなる第1の格子(スケール格子21)を有する。検出器は、第1の方向(測長方向または位置検出方向)に周期的に設けられた第2の格子(受光素子アレイ12、12a、12b、12c)を有し、パターン列からのエネルギー分布を検出する。スケールと検出器とは、第1の方向において相対的に移動可能である。第2の格子は、第1の方向と垂直な第2の方向に沿って、第1の格子領域(領域A)と第2の格子領域(領域B)とを有する。第1の格子領域は、エネルギー分布の第2の格子上の周期よりも小さい第1の周期(格子周期Pa)を有する。第2の格子領域は、エネルギー分布の第2の格子上の周期よりも大きい第2の周期(格子周期Pb)を有する。第1の周期および第2の周期はそれぞれ、第1の方向において一定である。   Thus, the encoder of each embodiment has the scale 20 and the detector (sensor unit 10). The scale 20 has a first lattice (scale lattice 21) formed of a pattern sequence for spatially modulating the energy distribution. The detector has a second grating (light receiving element arrays 12, 12 a, 12 b, 12 c) periodically provided in the first direction (length measurement direction or position detection direction), and energy distribution from the pattern row Is detected. The scale and the detector are relatively movable in the first direction. The second lattice has a first lattice region (region A) and a second lattice region (region B) along a second direction perpendicular to the first direction. The first lattice region has a first period (lattice period Pa) that is smaller than the period on the second lattice of the energy distribution. The second lattice region has a second period (lattice period Pb) that is larger than the period on the second lattice of the energy distribution. Each of the first period and the second period is constant in the first direction.

好ましくは、エネルギー分布の第2の格子上の周期は、第1の格子の第2の格子上の投影像の周期(投影像周期P)である。より好ましくは、投影像の周期は、像倍率Mと第1の格子の周期(格子周期Ps)との積(P=M×Ps)により決定される。また好ましくは、第1の方向は、投影像の周期方向であり、第2の方向は、周期方向と垂直な方向である。   Preferably, the period on the second grating of the energy distribution is a period of the projected image (projected image period P) on the second grating of the first grating. More preferably, the period of the projected image is determined by the product (P = M × Ps) of the image magnification M and the period of the first grating (grating period Ps). Preferably, the first direction is a periodic direction of the projected image, and the second direction is a direction perpendicular to the periodic direction.

上記各実施例によれば、誤差の影響を低減して高精度なエンコーダ、レンズ装置、撮像システム、および、工作装置を提供することができる。また上記各実施例のエンコーダによれば、センサの取り付け精度に大きく依存せず、高精度に位置を検出することが可能である。このため、低コストで取り付けやすいエンコーダを提供することができる。   According to each of the above embodiments, it is possible to provide a highly accurate encoder, lens device, imaging system, and machine tool by reducing the influence of errors. Further, according to the encoders of the above embodiments, it is possible to detect the position with high accuracy without largely depending on the mounting accuracy of the sensor. Therefore, it is possible to provide an encoder that is easy to install at low cost.

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、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 the preferable Example of this invention was described, this invention is not limited to these Examples, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.

10 センサユニット(検出器)
12 受光素子アレイ(第2の格子)
20 スケール
21 スケール格子(第1の格子)
100 エンコーダ
10 Sensor unit (detector)
12 Light receiving element array (second grating)
20 scale 21 scale grid (first grid)
100 encoder

Claims (16)

エネルギー分布を空間変調するパターン列からなる第1の格子を有するスケールと、
第1の方向に周期的に設けられた第2の格子を有し、前記パターン列からの前記エネルギー分布を検出する検出器と、を有し、
前記スケールと前記検出器とは、前記第1の方向において相対的に移動可能であり、
前記第2の格子は、前記第1の方向と垂直な第2の方向に沿って、第1の格子領域と第2の格子領域とを有し、
前記第1の格子領域は、前記エネルギー分布の第2の格子上の周期よりも小さい第1の周期を有し、
前記第2の格子領域は、前記エネルギー分布の前記第2の格子上の前記周期よりも大きい第2の周期を有し、
前記第1の周期および前記第2の周期はそれぞれ、前記第1の方向において一定であることを特徴とするエンコーダ。
A scale having a first grid of pattern rows that spatially modulate the energy distribution;
A second grating periodically provided in a first direction, and a detector for detecting the energy distribution from the pattern row,
The scale and the detector are relatively movable in the first direction;
The second lattice has a first lattice region and a second lattice region along a second direction perpendicular to the first direction,
The first lattice region has a first period smaller than a period on a second lattice of the energy distribution;
The second lattice region has a second period greater than the period on the second lattice of the energy distribution;
The encoder characterized in that each of the first period and the second period is constant in the first direction.
前記エネルギー分布の前記第2の格子上の前記周期は、前記第1の格子の該第2の格子上の投影像の周期であることを特徴とする請求項1に記載のエンコーダ。   The encoder according to claim 1, wherein the period of the energy distribution on the second grating is a period of a projected image of the first grating on the second grating. 前記投影像の前記周期は、像倍率と前記第1の格子の周期との積により決定されることを特徴とする請求項2に記載のエンコーダ。   The encoder according to claim 2, wherein the period of the projected image is determined by a product of an image magnification and a period of the first grating. 前記像倍率をM、光源から前記第1の格子までの距離をL0、前記第1の格子から前記第2の格子までの距離をL1とするとき、
M=(L0+L1)/L0
を満たすことを特徴とする請求項3に記載のエンコーダ。
When the image magnification is M, the distance from the light source to the first grating is L0, and the distance from the first grating to the second grating is L1,
M = (L0 + L1) / L0
The encoder according to claim 3, wherein:
前記第1の方向は、前記投影像の周期方向であり、
前記第2の方向は、前記周期方向と垂直な方向であることを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項に記載のエンコーダ。
The first direction is a periodic direction of the projected image,
The encoder according to any one of claims 2 to 5, wherein the second direction is a direction perpendicular to the periodic direction.
第2の格子は、前記第1の方向に沿ってQ個の受光素子を含む受光素子アレイであり、
前記受光素子アレイは、該Q個の受光素子のうちR個の受光素子ごとの信号を足し合わせて出力し、
前記受光素子アレイの組数GをG=Q/R、前記投影像の前記周期をP、前記第1の格子領域の前記第1の周期をPa、前記第2の格子領域の前記第2の周期をPbとするとき、
P>Pa≧P・(G−1.5)/G
P<Pb≦P・(G+1.5)/G
を満たすことを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項に記載のエンコーダ。
The second grating is a light receiving element array including Q light receiving elements along the first direction,
The light receiving element array adds and outputs a signal for each of the R light receiving elements among the Q light receiving elements,
The number G of sets of the light receiving element arrays is G = Q / R, the period of the projected image is P, the first period of the first grating area is Pa, and the second period of the second grating area is When the period is Pb,
P> Pa ≧ P · (G-1.5) / G
P <Pb ≦ P · (G + 1.5) / G
The encoder according to any one of claims 2 to 5, wherein:
前記エンコーダは、
P>Pa≧P・(G−1)/G
P<Pb≦P・(G+1)/G
を満たすことを特徴とする請求項6に記載のエンコーダ。
The encoder is
P> Pa ≧ P · (G-1) / G
P <Pb ≦ P · (G + 1) / G
The encoder according to claim 6, wherein:
前記エンコーダは、
P・(G−0.1)/G≧Pa≧P・(G−0.9)/G
P・(G+0.1)/G≦Pb≦P・(G+0.9)/G
を満たすことを特徴とする請求項7に記載のエンコーダ。
The encoder is
P · (G−0.1) / G ≧ Pa ≧ P · (G−0.9) / G
P · (G + 0.1) / G ≦ Pb ≦ P · (G + 0.9) / G
The encoder according to claim 7, wherein:
前記第2の格子は、前記第1の格子領域と前記第2の格子領域との間に設けられた第3の格子領域を更に有し、
前記第3の格子領域は、前記第1の周期と前記第2の周期との間の第3の周期を有することを特徴とする請求項6に記載のエンコーダ。
The second lattice further includes a third lattice region provided between the first lattice region and the second lattice region,
The encoder according to claim 6, wherein the third grating region has a third period between the first period and the second period.
前記第3の格子領域の前記第3の周期をPcとするとき、
P・(G−0.6)/G≧Pa≧P・(G−1.4)/G
P・(G+0.6)/G≦Pb≦P・(G+1.4)/G
P・(G−0.6)/G<Pc<P・(G+0.6)/G
を満たすことを特徴とする請求項9に記載のエンコーダ。
When the third period of the third lattice region is Pc,
P · (G−0.6) / G ≧ Pa ≧ P · (G−1.4) / G
P · (G + 0.6) / G ≦ Pb ≦ P · (G + 1.4) / G
P · (G−0.6) / G <Pc <P · (G + 0.6) / G
The encoder according to claim 9, wherein:
前記第2の格子は、前記第2の方向に沿って線形に変化する周期を有し、
前記第1の格子領域の前記第1の周期の最小値をPamin、前記第2の格子領域の前記第2の周期の最大値をPbmaxとするとき、
P>Pamin≧P・(G−1.5)/G
P<Pbmax≦P・(G+1.5)/G
を満たすことを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項に記載のエンコーダ。
The second grating has a period that varies linearly along the second direction;
When the minimum value of the first period of the first lattice region is Pamin and the maximum value of the second period of the second lattice region is Pbmax,
P> Pamin ≧ P · (G−1.5) / G
P <Pbmax ≦ P · (G + 1.5) / G
The encoder according to any one of claims 2 to 5, wherein:
前記スケールは、リニアスケールであることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載のエンコーダ。   The encoder according to any one of claims 1 to 11, wherein the scale is a linear scale. 前記スケールは、ロータリースケールであることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載のエンコーダ。   The encoder according to any one of claims 1 to 11, wherein the scale is a rotary scale. 光軸方向に変位可能なレンズと、
前記レンズの位置を検出するように構成された、請求項1乃至13のいずれか1項に記載のエンコーダと、を有することを特徴とするレンズ装置。
A lens displaceable in the optical axis direction;
A lens apparatus comprising: the encoder according to claim 1 configured to detect a position of the lens.
請求項14に記載のレンズ装置と、
前記レンズを介して光学像の光電変換を行う撮像素子を備えた撮像装置と、を有することを特徴とする撮像システム。
A lens device according to claim 14;
An imaging apparatus comprising: an imaging device including an imaging element that performs photoelectric conversion of an optical image through the lens.
ロボットアームまたは組み立て対象物を搬送する搬送体を備えた工作機器と、
前記工作機器の位置または姿勢を検出するように構成された、請求項1乃至13のいずれか1項に記載のエンコーダと、を有することを特徴とする工作装置。
A machine tool including a robot arm or a transport body for transporting an assembly object;
14. A machine tool comprising: the encoder according to claim 1 configured to detect a position or a posture of the machine tool.
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