JP6261380B2 - Optical encoder - Google Patents

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本発明は、光学式エンコーダに関し、特に原点検出を可能にした光学式エンコーダに関する。   The present invention relates to an optical encoder, and more particularly to an optical encoder that enables origin detection.

被測定物の長さ、厚さ、内外径などの形状や、回転角度または移動量などの変位量を測定するのに、光学式エンコーダが広く使用され、その構成も広く知られている。光学式エンコーダには、光学式スケールを透過した光を検出する透過式と、光学式スケールで反射した光を検出する反射式と、があり、小型化のため反射式が多く使用される。以下、反射式のリニア光学式エンコーダを例として説明を行うが、本発明はこれに限定されるものではなく、光学式エンコーダであれば適用可能である。   Optical encoders are widely used for measuring shapes such as the length, thickness, inner and outer diameters of objects to be measured, and displacements such as rotation angles or movement amounts, and their configurations are also widely known. Optical encoders include a transmission type that detects light transmitted through the optical scale and a reflection type that detects light reflected by the optical scale, and the reflection type is often used for miniaturization. Hereinafter, a reflective linear optical encoder will be described as an example. However, the present invention is not limited to this, and any optical encoder can be applied.

特許文献1および2に記載されるように、近年の反射式のリニア光学式エンコーダは、高精度化、小型化・薄型化および組立の容易化のために、半導体製造技術を適用して光源と受光センサを一体に形成したセンサ基板を使用する。センサ基板は、反射式の光学スケールに対して、光源からの照明光が光学スケールで反射し、光学スケールのパターンに応じた光パターンが受光センサ上に形成されるように配置される。反射式のリニア光学式エンコーダは、光学スケールとセンサ基板の相対的な移動量を測定する。   As described in Patent Documents 1 and 2, reflective linear optical encoders in recent years have applied a semiconductor manufacturing technique to improve the accuracy, miniaturization / thinning, and ease of assembly. A sensor substrate on which a light receiving sensor is integrally formed is used. The sensor substrate is arranged so that the illumination light from the light source is reflected by the optical scale with respect to the reflective optical scale, and a light pattern corresponding to the pattern of the optical scale is formed on the light receiving sensor. The reflective linear optical encoder measures the relative movement amount of the optical scale and the sensor substrate.

各部の製造バラつきの影響を低減するため、受光センサは、第1から第4のセンサ部を有する。第1から第4のセンサ部は、同じ幅で、光学スケールの濃淡パターンの配列方向と同じ方向(以下、主軸方向)に順にセンサピッチで配列され、第1から第4のセンサ部を1セットとするセンサ組を、主軸方向に所定組(セット)数繰り返し配列される。したがって、第1のセンサ部は、4センサピッチで配列されることになり、他の第2から第4のセンサ部も、4センサピッチでそれぞれ配列される。セット数は、例えば13である。複数(例えば13)の第1のセンサ部の検出信号は加算されて+A信号とされる。同様に、複数の第2から第4のセンサ部の検出信号もそれぞれ加算されて+B、−A、−B信号とされる。複数のセンサ部の信号を加算することにより、センサ部の感度のバラツキ、照明光のムラ、組立誤差などの影響を低減できる。   In order to reduce the influence of manufacturing variation of each part, the light receiving sensor has first to fourth sensor parts. The first to fourth sensor units are arranged at the same width and in the same direction as the arrangement direction of the light and shade pattern of the optical scale (hereinafter referred to as the main axis direction) at the sensor pitch, and one set of the first to fourth sensor units is set. Are repeatedly arranged in the main axis direction by a predetermined number of sets. Therefore, the first sensor units are arranged at a 4-sensor pitch, and the other second to fourth sensor units are also arranged at a 4-sensor pitch. The number of sets is 13, for example. The detection signals of a plurality of (for example, 13) first sensor units are added to form a + A signal. Similarly, the detection signals of the plurality of second to fourth sensor units are also added to form + B, −A, and −B signals, respectively. By adding signals from a plurality of sensor units, it is possible to reduce the influence of variations in sensitivity of sensor units, uneven illumination light, assembly errors, and the like.

光学式エンコーダは、光学スケール上に周期的に形成した濃淡(反射強度が異なる)パターンを読み取ることで、光学スケールとセンサ基板の相対的な移動量を測定する。しかし、測定できるのは相対的な移動量のみであり、絶対位置を測定することはできない。   The optical encoder measures a relative movement amount of the optical scale and the sensor substrate by reading a light and shade pattern (having different reflection intensities) periodically formed on the optical scale. However, only the relative movement amount can be measured, and the absolute position cannot be measured.

光学式エンコーダで絶対位置を測定可能であると、相対位置のみの測定と比較して以下の点で有利である。
まず、何らかの外因によりミスカウントが発生した場合を考える。この場合、原点が存在しない、すなわち測定の基準点が存在しないため、ミスカウントを検出することが、機構上行えないことになる。そのため、ミスカウントが発生した以降の測定値すべてが誤った値となる危険性がある。
これに対して、原点を有する場合、原点を基準にすることでミスカウントを検出できるため、誤った値をその都度訂正することが可能になる。
If the absolute position can be measured by the optical encoder, it is advantageous in the following points as compared with the measurement of only the relative position.
First, consider a case where a miscount occurs due to some external cause. In this case, since the origin does not exist, that is, the measurement reference point does not exist, it is impossible for the mechanism to detect the miscount. For this reason, there is a risk that all measured values after the occurrence of miscounting will be incorrect values.
On the other hand, in the case of having an origin, a miscount can be detected by using the origin as a reference, so that an incorrect value can be corrected each time.

また、電源喪失などの外因により、測定途中でカウント値を失った場合を考える。原点が存在しない場合、光学式エンコーダのみで元の状態に復帰することは不可能である。これに対して、原点が存在する場合、原点位置の値をあらかじめ定めておき、原点まで退避することで、元の状態に復帰することができる。
以上のことは、実際の機械加工時の測定に光学式エンコーダを使用する場合に、非常に重要である。
Also, consider a case where the count value is lost during measurement due to external factors such as power loss. When the origin does not exist, it is impossible to return to the original state using only the optical encoder. On the other hand, when the origin exists, the value of the origin position is determined in advance, and the original state can be restored by retracting to the origin.
The above is very important when an optical encoder is used for measurement during actual machining.

そこで、光学式エンコーダでは、相対位置検出のための光学スケールとは別に、原点検出機構を設けるのが一般的である。   Therefore, an optical encoder generally includes an origin detection mechanism separately from an optical scale for detecting a relative position.

特開2010−223631号公報JP 2010-223631 A 特開2012−103230号公報JP2012-103230A

特許文献1は、同一のスケール基板上に平行に形成した2つの光学スケールを有する原点検出機構を提案しているが、記載されている原点検出機構は、以下の点で十分とは言えない。
原点検出に用いる信号の振幅変化の勾配が小さいため、閾値との比較による原点検出を高精度で行うことが難しかった。また、光源の光量変動の影響を受け、原点位置をずれて検出する可能性があった。
Patent Document 1 proposes an origin detection mechanism having two optical scales formed in parallel on the same scale substrate. However, the described origin detection mechanism is not sufficient in the following points.
Since the gradient of the amplitude change of the signal used for the origin detection is small, it is difficult to detect the origin by comparison with the threshold with high accuracy. In addition, there is a possibility that detection is performed by shifting the origin position due to the influence of the light amount fluctuation of the light source.

そのため、高精度で原点検出を行うには、相対位置検出のための光学スケールの信号処理部に加えて、原点検出機構の補正用の回路を設ける必要があり、サイズ・コストを増加させる。
さらに、4つのセンサ部の出力を合計したZ相信号を生成し、A相信号との組み合わせで原点信号を生成しており、往復の相対移動に伴ってずれが発生する。
Therefore, in order to detect the origin with high accuracy, it is necessary to provide a circuit for correcting the origin detection mechanism in addition to the signal processing unit of the optical scale for detecting the relative position, which increases the size and cost.
Further, a Z-phase signal obtained by summing up the outputs of the four sensor units is generated, and an origin signal is generated in combination with the A-phase signal, and a deviation occurs with a reciprocal relative movement.

本発明は、2つの光学スケールを利用し、簡単な演算回路で高精度の原点検出が可能な光学式エンコーダの実現を目的とする。   An object of the present invention is to realize an optical encoder that uses two optical scales and can detect an origin with high accuracy with a simple arithmetic circuit.

本発明の光学式エンコーダは、平行に形成した2つの光学スケールの一方は、濃い部分と淡い部分の幅が同じで、スケールピッチで濃淡を繰り返した通常の濃淡パターンであるが、他方の光学スケールは、同様にスケールピッチで濃淡を繰り返すが、所定位置において、濃い部分または淡い部分の幅がスケールピッチの1/2を超えない範囲で広くなっている。言い換えれば、所定位置で、位相がシフトすることを特徴とする。   In the optical encoder of the present invention, one of two optical scales formed in parallel is a normal light / dark pattern in which the dark portion and the light portion have the same width, and the light / dark is repeated at the scale pitch. In the same manner, the gradation is repeated at the scale pitch, but at a predetermined position, the width of the dark portion or the light portion is wide in a range not exceeding 1/2 of the scale pitch. In other words, the phase is shifted at a predetermined position.

すなわち、本発明の光学式エンコーダは、第1光学系と、第2光学系と、信号処理部と、を有する。第1光学系は、主軸方向に変化する第1濃淡パターンを有する第1光学式スケールと、第1光学式スケールの第1照明光を出力する第1光源と、第1照明光で第1光学式スケールを照明することにより生成された第1濃淡パターンの像を検出するように配置された第1受光センサと、を有し、第1受光センサは、主軸方向に順にセンサピッチで配列された第1から第4の主センサ部からなる第1センサ組を、主軸方向に所定組数繰り返し配列した第1センサ配列を有する。第2光学系は、主軸方向に変化する第2濃淡パターンを有する第2光学式スケールと、第2光学式スケールの第2照明光を出力する第2光源と、第2照明光で第2光学式スケールを照明することにより生成された第2濃淡パターンの像を検出するように配置された第2受光センサと、を有し、第2受光センサは、主軸方向に順にセンサピッチで配列された第1から第4の副センサ部からなる第2センサ組を、主軸方向に所定組数繰り返し配列した第2センサ配列を有する。信号処理部は、第1光学系の第1受光センサの検出信号および第2光学系の第2受光センサの検出信号を演算処理する。第1光学式スケールおよび第2光学式スケールは、第1光源、第1受光センサ、第2光源および第2受光センサに対して相対移動する。第1光学式スケールの第1濃淡パターンは、濃い部分と淡い部分の幅が同じで、スケールピッチで濃淡を繰り返す。第2光学式スケールの第2濃淡パターンは、濃い部分と淡い部分の幅が同じで、スケールピッチで濃淡を繰り返し、所定位置において、濃い部分または淡い部分の幅がスケールピッチの1/2を超えない範囲で広くなっている。信号処理部は、第1から第4の主センサ部の出力の少なくとも1つをデジタル信号に変換し、主位置データを出力する主位置データ生成部と、第1から第4の副センサ部の出力の少なくとも1つをデジタル信号に変換し、副位置データを出力する副位置データ生成部と、主位置データと副位置データの差データを演算する差演算部と、差データの絶対値が所定値以上であるか判定し、判定値の変化から原点を検出する原点判定部と、を有する。   That is, the optical encoder of the present invention includes a first optical system, a second optical system, and a signal processing unit. The first optical system includes a first optical scale having a first light and shade pattern that changes in a principal axis direction, a first light source that outputs the first illumination light of the first optical scale, and the first optical light by the first illumination light. A first light receiving sensor arranged to detect an image of a first gray pattern generated by illuminating the equation scale, and the first light receiving sensors are arranged in order in the main axis direction at a sensor pitch. It has a first sensor array in which a first sensor group composed of first to fourth main sensor units is repeatedly arranged a predetermined number of times in the main axis direction. The second optical system includes a second optical scale having a second light and shade pattern that changes in the principal axis direction, a second light source that outputs the second illumination light of the second optical scale, and a second optical light using the second illumination light. And a second light receiving sensor arranged to detect an image of the second gray pattern generated by illuminating the equation scale, and the second light receiving sensors are arranged in order in the main axis direction at a sensor pitch. A second sensor array in which a second sensor set including the first to fourth sub sensor units is repeatedly arranged a predetermined number of times in the main axis direction is provided. The signal processing unit performs arithmetic processing on the detection signal of the first light receiving sensor of the first optical system and the detection signal of the second light receiving sensor of the second optical system. The first optical scale and the second optical scale move relative to the first light source, the first light receiving sensor, the second light source, and the second light receiving sensor. In the first light and shade pattern of the first optical scale, the dark portion and the light portion have the same width, and the light and shade are repeated at the scale pitch. The second light and shade pattern of the second optical scale has the same width of the dark portion and the light portion, and repeats the light and shade at the scale pitch. At a predetermined position, the width of the dark portion or the light portion exceeds 1/2 of the scale pitch. It is wide in no range. The signal processing unit converts at least one of the outputs of the first to fourth main sensor units into a digital signal and outputs main position data, and the first to fourth sub sensor units. A sub-position data generation unit that converts at least one of the outputs into a digital signal and outputs sub-position data, a difference calculation unit that calculates difference data between main position data and sub-position data, and an absolute value of the difference data is predetermined An origin determination unit that determines whether the value is equal to or greater than the value and detects the origin from a change in the determination value.

本発明の光学式エンコーダでは、第2光学式スケールの第2濃淡パターンが、所定位置において、濃い部分または淡い部分の幅がスケールピッチの1/2を超えない範囲で広くなっており、位相がシフトする。そのため、第2受光センサが所定位置の一方の側の第2濃淡パターンを検出している場合、主位置データと副位置データは同相の信号であるが、所定位置の他方の側の第2濃淡パターンを検出している場合、位相シフトした信号である。そのため、第1受光センサの検出信号から演算した移動位置と第2受光センサの検出信号から演算した位相差(移動位置差)は、所定位置の一方の側では同じであり、他方の側では位相シフトした信号であり、移動に伴い第1から第4の副センサ部が所定位置の部分を検出しはじめてから検出しなくなるまで位相差が徐々に変化する。したがって、位相差が所定値を超えているか否かを判定することにより、一方の側であるか他方の側であるかが判定でき、位相差が所定値を超えた時に、所定位置、すなわち原点を検出できる。第1から第4の主センサ部の検出信号により、位置は正確に検出できるので、原点検出は、いずれのスケールピッチであるかを判定できればよい。   In the optical encoder of the present invention, the second gray scale pattern of the second optical scale is wide in a range where the width of the dark portion or the light portion does not exceed 1/2 of the scale pitch at a predetermined position. shift. Therefore, when the second light receiving sensor detects the second gray pattern on one side of the predetermined position, the main position data and the sub position data are in-phase signals, but the second gray level on the other side of the predetermined position. When a pattern is detected, it is a phase-shifted signal. Therefore, the movement position calculated from the detection signal of the first light receiving sensor and the phase difference (movement position difference) calculated from the detection signal of the second light receiving sensor are the same on one side of the predetermined position, and the phase difference on the other side. This is a shifted signal, and the phase difference gradually changes with the movement until the first to fourth sub-sensor units start detecting the portion at the predetermined position and stop detecting it. Therefore, by determining whether or not the phase difference exceeds a predetermined value, it can be determined whether the phase difference is on one side or the other side. When the phase difference exceeds the predetermined value, the predetermined position, that is, the origin Can be detected. Since the position can be accurately detected by the detection signals of the first to fourth main sensor units, it is only necessary to determine which scale pitch the origin detection is.

第1光学式スケールおよび第2光学式スケールは、共通のスケール基板上に隣接して、第1濃淡パターンおよび第2濃淡パターンが平行に、所定位置の一方の側では濃い部分と淡い部分の位置が一致するように形成されることが望ましい。また、第1光源、第1受光センサ、第2光源および第2受光センサは、共通のセンサ基板上に形成され、第1光源および第2光源は共通光源として形成され、第1受光センサおよび第2受光センサは、共通光源の両側に、第1センサ配列および第2センサ配列が平行に、第1から第4の主センサ部および第1から第4の副センサ部の位置が一致するように形成されることが望ましい。さらに、センサ基板は、スケール基板に対して、第1濃淡パターンで反射された共通光源からの照明光が第1受光センサに投影され、第2濃淡パターンで反射された共通光源からの照明光が第2受光センサに投影されるように配置されることが望ましい。   The first optical scale and the second optical scale are adjacent to each other on a common scale substrate, and the first gray pattern and the second gray pattern are parallel to each other. Are preferably formed so as to match. The first light source, the first light receiving sensor, the second light source, and the second light receiving sensor are formed on a common sensor substrate, and the first light source and the second light source are formed as a common light source. In the two light receiving sensors, the first sensor array and the second sensor array are arranged in parallel on both sides of the common light source so that the positions of the first to fourth main sensor units and the first to fourth sub sensor units coincide with each other. It is desirable to be formed. Furthermore, the sensor substrate projects illumination light from the common light source reflected by the first light and shade pattern onto the first light receiving sensor and the illumination light from the common light source reflected by the second light and shade pattern on the scale substrate. It is desirable to arrange so as to be projected onto the second light receiving sensor.

これにより、センサ基板とスケール基板の位置調整が容易になり、小型化および薄型化が可能である。   Thereby, the position adjustment of the sensor substrate and the scale substrate is facilitated, and the size and thickness can be reduced.

スケールピッチは、センサピッチの2倍であり、センサ基板は、スケール基板に対して、第1濃淡パターンおよび第2濃淡パターンが、センサピッチの4倍の濃淡パターンとして投影されるように配置される。
これにより、簡単な構成で、検出信号の振幅の増加および分解能の向上が図れる。
The scale pitch is twice the sensor pitch, and the sensor substrate is arranged such that the first density pattern and the second density pattern are projected on the scale board as a density pattern that is four times the sensor pitch. .
Thereby, it is possible to increase the amplitude of the detection signal and improve the resolution with a simple configuration.

一般的な光学式エンコーダと同様に、信号処理部は、第1主差演算回路および第2主差演算回路の出力から、センサピッチの4倍の長さを1周期とする周期長内の位相を算出する。したがって、原点検出は、いずれの周期長に原点があるか判定できればよい。そこで、信号処理部は、原点判定回路の比較回路の出力変化がいずれの周期長内で発生したかを検出し、移動方向を考慮して原点がいずれの周期長内にあるか判定する。   Similar to a general optical encoder, the signal processing unit outputs a phase within a cycle length of four times the sensor pitch as one cycle from the outputs of the first main difference calculation circuit and the second main difference calculation circuit. Is calculated. Therefore, origin detection only needs to be able to determine which period length the origin is in. Therefore, the signal processing unit detects in which period length the output change of the comparison circuit of the origin determination circuit has occurred, and determines in which period length the origin is in consideration of the moving direction.

本発明の光学式エンコーダは、2つの光学スケールの一方を移動量検出に、他方を原点検出に利用し、移動量検出に使用される一般的な回路に、簡単な演算回路を付加するだけで、高精度に原点検出を行うことができるという効果を奏する。   The optical encoder of the present invention uses only one of the two optical scales for movement detection and the other for origin detection, and simply adds a simple arithmetic circuit to a general circuit used for movement detection. There is an effect that the origin can be detected with high accuracy.

図1は、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダの主要部を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a main part of a reflective linear optical encoder according to an embodiment. 図2は、受光部のパターンを示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a pattern of the light receiving unit. 図3は、スケール基板とセンサ基板の配置関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating the positional relationship between the scale substrate and the sensor substrate. 図4は、光源からの光が反射パターンで反射され受光部に投影される経路を模式的に示す図である。FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a path in which light from the light source is reflected by the reflection pattern and projected onto the light receiving unit. 図5は、受光部に投影される反射パターンを示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a reflection pattern projected onto the light receiving unit. 図6は、スケール基板とセンサ基板の相対的な位置関係(長さ)の変化に伴う検出信号の変化を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating changes in detection signals accompanying changes in the relative positional relationship (length) between the scale substrate and the sensor substrate. 図7は、光学式エンコーダで使用される検出信号の演算回路を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a detection signal calculation circuit used in the optical encoder. 図8は、スケール基板とセンサ基板の相対的な位置関係(長さ)の変化に伴うA相信号とB相信号の変化を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating changes in the A-phase signal and the B-phase signal accompanying changes in the relative positional relationship (length) between the scale substrate and the sensor substrate. 図9は、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダにおけるスケールのパターンを示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a scale pattern in the reflective linear optical encoder according to the embodiment. 図10は、図9に示す反射パターンを有するスケール基板に対して、センサ基板を、主軸方向が一致するように図3に示すように配置した場合の、受光部に投影される反射パターンを示す図である。FIG. 10 shows a reflection pattern projected on the light receiving unit when the sensor substrate is arranged as shown in FIG. 3 with respect to the scale substrate having the reflection pattern shown in FIG. FIG. 図11は、ピッチ一定の反射パターンが投影される受光部と、ピッチがシフトする反射パターン投影される受光部の13セットのセルの信号を合わせた信号の、所定位置を超えて移動した場合の変化を示す図である。FIG. 11 shows a case in which a signal obtained by combining the signals of 13 sets of cells of a light receiving unit on which a reflection pattern having a constant pitch is projected and a light receiving unit on which a reflection pattern is shifted is moved beyond a predetermined position. It is a figure which shows a change. 図12は、実施形態において、移動位置の応じた、受光部の信号の位相差を示す図である。FIG. 12 is a diagram illustrating a phase difference between signals of the light receiving unit according to the movement position in the embodiment. 図13は、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダにおける信号処理部の構成を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of a signal processing unit in the reflective linear optical encoder of the embodiment. 図14は、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダにおける信号処理部の処理の流れを示すフローチャートである。FIG. 14 is a flowchart illustrating a processing flow of the signal processing unit in the reflective linear optical encoder of the embodiment. 図15は、受光部の信号を演算する演算回路により算出された相対位置信号と、これまで説明した原点の検出により発生される原点信号と、の関係を説明する図である。FIG. 15 is a diagram illustrating the relationship between the relative position signal calculated by the arithmetic circuit that calculates the signal of the light receiving unit and the origin signal generated by the origin detection described so far.

図1は、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダの主要部を示す図である。
実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダは、2つの反射パターン2−1および2−2が形成されたスケール基板1と、光源11、格子12が形成された光透過部材13、および2個の受光素子14−1および14−2が形成され、透明な樹脂材16で被覆されたセンサ基板10と、を有する。一軸方向に相対的に移動する2つの部材の一方にスケール基板1を、他方にセンサ基板10を固定し、2つの部材の相対的な移動距離を測定する。ここでは、移動方向を主軸方向と称する。
FIG. 1 is a diagram illustrating a main part of a reflective linear optical encoder according to an embodiment.
The reflective linear optical encoder of the embodiment includes a scale substrate 1 on which two reflection patterns 2-1 and 2-2 are formed, a light source 11, a light transmitting member 13 on which a grating 12 is formed, and two pieces The light receiving elements 14-1 and 14-2 are formed, and the sensor substrate 10 is covered with a transparent resin material 16. The scale substrate 1 is fixed to one of the two members relatively moving in the uniaxial direction, and the sensor substrate 10 is fixed to the other, and the relative movement distance of the two members is measured. Here, the moving direction is referred to as the main axis direction.

反射パターン2−1および2−2は、透明なガラス基板で形成され、センサ基板10に対向する面に形成されている。反射パターン2−1は、主軸方向にスケールピッチp2で形成された反射パターンであり、反射部分にはクロムが蒸着され、反射部分の間は光を透過するため、ピッチp2の反射パターンが形成される。反射パターン2−2については後述する。反射パターン2−1が主光学式スケールとして、反射パターン2−2が副光学式スケールとして機能する。   The reflection patterns 2-1 and 2-2 are formed of a transparent glass substrate and are formed on the surface facing the sensor substrate 10. The reflection pattern 2-1 is a reflection pattern formed with a scale pitch p2 in the principal axis direction, and chromium is vapor-deposited in the reflection portion, and light is transmitted between the reflection portions, so that a reflection pattern with the pitch p2 is formed. The The reflection pattern 2-2 will be described later. The reflection pattern 2-1 functions as a main optical scale, and the reflection pattern 2-2 functions as a sub optical scale.

光源11はLEDであり、格子12は格子ピッチp1を有する光学パターンである。受光素子14−1および14−2の表面には、図2に示すようなパターンの受光部15−1および15−2がそれぞれ形成される。
光源11、反射パターン2−1および受光素子14−1が第1光学系を、光源11、反射パターン2−2および受光素子14−2が第2光学系を、それぞれ形成する。
The light source 11 is an LED, and the grating 12 is an optical pattern having a grating pitch p1. Light receiving portions 15-1 and 15-2 having patterns as shown in FIG. 2 are formed on the surfaces of the light receiving elements 14-1 and 14-2, respectively.
The light source 11, the reflection pattern 2-1 and the light receiving element 14-1 form a first optical system, and the light source 11, the reflection pattern 2-2 and the light receiving element 14-2 form a second optical system, respectively.

図2は、受光部15−1および15−2のパターンを示す図である。図示のように、同じ幅のセンサ部PS1〜PS4が、センサピッチspで主軸方向に順に形成され、繰り返し形成される。言い換えれば、センサ部PS1〜PS4を1組(セット)として、このセットが繰り返しピッチp3=4spで複数セット形成される。実施形態では、例えば13セット形成されるので、センサ部は合計52個である。センサ部PS1〜PS4は、例えばフォトダイオードで形成され、独立した受光素子として動作する。複数(ここでは13個)のセンサ部PS1の出力は共通に接続されて検出信号+Aとなる。以下同様に、複数のセンサ部PS2〜PS4の出力はそれぞれ共通に接続されて検出信号+B、−A、−Bとなる。   FIG. 2 is a diagram illustrating patterns of the light receiving units 15-1 and 15-2. As shown in the figure, sensor portions PS1 to PS4 having the same width are formed in order in the main axis direction at the sensor pitch sp, and are repeatedly formed. In other words, the sensor units PS1 to PS4 are set as one set, and a plurality of sets are formed at a repetition pitch p3 = 4sp. In the embodiment, for example, 13 sets are formed, so the total number of sensor units is 52. The sensor units PS1 to PS4 are formed of, for example, photodiodes and operate as independent light receiving elements. The outputs of a plurality (here, 13) of sensor units PS1 are connected in common and become a detection signal + A. Similarly, the outputs of the plurality of sensor units PS2 to PS4 are connected in common and become detection signals + B, -A, and -B.

パターンの受光部15−1および15−2は、光源11の中心を通る主軸方向の面に対して対称に形成される。   The pattern light receiving portions 15-1 and 15-2 are formed symmetrically with respect to the plane in the principal axis direction passing through the center of the light source 11.

図3は、スケール基板1とセンサ基板10の配置関係を示す図である。
図3に示すように、光源11からの光は、格子12を通過し、図において左側方向の光は、反射パターン2−1で反射され、受光部15−1に投影され、右側方向の光は、反射パターン2−2で反射され、受光部15−2に投影される。
FIG. 3 is a diagram showing an arrangement relationship between the scale substrate 1 and the sensor substrate 10.
As shown in FIG. 3, the light from the light source 11 passes through the grating 12, and in the figure, the light in the left direction is reflected by the reflection pattern 2-1, projected onto the light receiving unit 15-1, and light in the right direction. Is reflected by the reflection pattern 2-2 and projected onto the light receiving unit 15-2.

図1から図3の構成、配置および投影されるパターンの詳細については、特許文献1に記載されているので、これ以上の説明は省略する。   Since details of the configuration, arrangement, and projected pattern in FIGS. 1 to 3 are described in Patent Document 1, further description thereof is omitted.

図4は、光源11からの光が反射パターン2で反射され受光部15に投影される経路を模式的に示す図である。
図4に示すように、反射パターン2は、スケールピッチp2(=20μm)の反射パターンであり、デューティは50%であるため、反射部分2Rの幅はp2/2(=10μm)である。実施形態では、反射部分2Rが幅p2(=20μm)のパターンとして受光部15に投影される。したがって、受光部15に投影されるパターンのピッチは2p2(=40μm)である。
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a path in which light from the light source 11 is reflected by the reflection pattern 2 and projected onto the light receiving unit 15.
As shown in FIG. 4, the reflection pattern 2 is a reflection pattern having a scale pitch p2 (= 20 μm), and the duty is 50%. Therefore, the width of the reflection portion 2R is p2 / 2 (= 10 μm). In the embodiment, the reflective portion 2R is projected onto the light receiving unit 15 as a pattern having a width p2 (= 20 μm). Therefore, the pitch of the pattern projected on the light receiving unit 15 is 2p2 (= 40 μm).

図5は、受光部15に投影される反射パターンを示す図である。
図5に示すように、受光部15では、4つのセンサ部PS1〜PS4がピッチp2/2(=10μm)で配列されている。この上に、投影される濃淡パターンは、ピッチ2p2(=40μm)の濃淡パターンであり、デューティは50%であるため、濃い部分4Aおよび淡い部分4Bの幅はp2(=20μm)である。
FIG. 5 is a diagram illustrating a reflection pattern projected onto the light receiving unit 15.
As shown in FIG. 5, in the light receiving unit 15, four sensor units PS1 to PS4 are arranged at a pitch p2 / 2 (= 10 μm). On top of this, the projected shading pattern is a shading pattern with a pitch of 2p2 (= 40 μm), and the duty is 50%. Therefore, the width of the dark portion 4A and the light portion 4B is p2 (= 20 μm).

図2に示したように、複数のセンサ部PS1〜PS4の出力はそれぞれ共通に接続されて、検出信号+A、+B、−A、−Bとなる。   As shown in FIG. 2, the outputs of the plurality of sensor units PS1 to PS4 are connected in common and become detection signals + A, + B, −A, and −B.

図6は、スケール基板1とセンサ基板10の相対的な位置関係(長さ)の変化に伴う検出信号+A、+B、−A、−Bの変化を示す図である。図6に示すように、検出信号+A、+B、−A、−Bは、20μmを周期とする正弦波状の信号で、1/4位相(90°)ずつずれた信号である。言い換えれば、検出信号+Aと−Aは、1/2位相(180°)ずれた信号であり、検出信号+Bと−Bは、1/2位相(180°)ずれた信号である。   FIG. 6 is a diagram illustrating changes in detection signals + A, + B, −A, and −B accompanying changes in the relative positional relationship (length) between the scale substrate 1 and the sensor substrate 10. As shown in FIG. 6, the detection signals + A, + B, −A, and −B are sinusoidal signals having a period of 20 μm and are shifted by ¼ phase (90 °). In other words, the detection signals + A and -A are signals that are shifted by 1/2 phase (180 °), and the detection signals + B and -B are signals that are shifted by 1/2 phase (180 °).

図7は、光学式エンコーダで使用される検出信号の演算回路を示す図である。
演算回路は、検出信号+A、−A、+B、−Bをそれぞれ増幅する増幅回路31〜34と、増幅回路31と32の出力の差を演算してA相信号PHASEAを出力する第1差演算回路35と、増幅回路33と34の出力の差を演算してB相信号PHASEBを出力する第2差演算回路36と、を有する。
FIG. 7 is a diagram illustrating a detection signal calculation circuit used in the optical encoder.
The arithmetic circuit calculates the difference between the outputs of the amplifier circuits 31 to 34 that amplify the detection signals + A, -A, + B, and -B, and the amplifier circuits 31 and 32, and outputs the A-phase signal PHASEA. A circuit 35 and a second difference calculation circuit 36 that calculates a difference between outputs of the amplification circuits 33 and 34 and outputs a B-phase signal PHASEB.

図8は、スケール基板1とセンサ基板10の相対的な位置関係(長さ)の変化に伴うA相信号PHASEAとB相信号PHASEBの変化を示す図である。上記のように、検出信号+Aと−Aは、1/2位相(180°)ずれた信号であり、検出信号+Bと−Bは、1/2位相(180°)ずれた信号であるため、増幅率が1であっても、A相信号PHASEAおよびB相信号PHASEBは、検出信号+A、−A、+B、−Bの2倍の振幅の信号となる。また。A相信号PHASEAおよびB相信号PHASEBは、1/4位相(90°)ずれた信号である。   FIG. 8 is a diagram illustrating changes in the A-phase signal PHASEA and the B-phase signal PHASEB accompanying changes in the relative positional relationship (length) between the scale substrate 1 and the sensor substrate 10. As described above, the detection signals + A and −A are signals that are shifted by 1/2 phase (180 °), and the detection signals + B and −B are signals that are shifted by 1/2 phase (180 °). Even if the amplification factor is 1, the A-phase signal PHASEA and the B-phase signal PHASEB are signals having amplitudes twice that of the detection signals + A, -A, + B, and -B. Also. The A-phase signal PHASEA and the B-phase signal PHASEB are signals that are shifted by ¼ phase (90 °).

したがって、A相信号PHASEAおよびB相信号PHASEBの値の比率を検出することにより、90°未満の位相も検出することができ、実際に使用されている光学式エンコーダでも、スケールピッチまたはセンサピッチの数十分の1の分解能で位置(長さ)を検出している。これは、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダでも同じである。   Therefore, by detecting the ratio of the values of the A-phase signal PHASEA and the B-phase signal PHASEB, a phase of less than 90 ° can be detected. Even in an optical encoder that is actually used, the scale pitch or sensor pitch can be detected. The position (length) is detected with a resolution of several tenths. The same applies to the reflective linear optical encoder of the embodiment.

以上説明した実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダの構成は、特許文献1に記載されており、広く知られている。
以下に説明する実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダは、反射パターン2−2および演算回路が、これまでと異なる。
The configuration of the reflective linear optical encoder of the embodiment described above is described in Patent Document 1 and is widely known.
The reflective linear optical encoder of the embodiment described below is different in the reflective pattern 2-2 and the arithmetic circuit.

図9は、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダにおける反射パターン2−1および2−2を示す図である。
前述のように、反射パターン2−1は、主軸方向にスケールピッチp2=20μmで形成された反射パターンであり、反射部分Rと透過部分Tは同じ10μmの幅である。
FIG. 9 is a diagram illustrating the reflection patterns 2-1 and 2-2 in the reflective linear optical encoder of the embodiment.
As described above, the reflection pattern 2-1 is a reflection pattern formed with a scale pitch p2 = 20 μm in the principal axis direction, and the reflection portion R and the transmission portion T have the same width of 10 μm.

反射パターン2−2は、所定位置5の透過部分Tの幅が14μmに広がっており、所定位置5の左側の部分においては、反射パターン2−1と同じパターンを有し、右側の部分においては、反射パターン2−1の反射部分Rと透過部分Tを4μmシフトした反射パターンを有する。ここでは、所定位置5を原点とする。なお、ここでは所定位置5の透過部分Tの幅が14μmとしたが、20μmより小さければよく、反射部分Rの幅を変えてもよい。   In the reflection pattern 2-2, the width of the transmission portion T at the predetermined position 5 extends to 14 μm, and the left portion of the predetermined position 5 has the same pattern as the reflection pattern 2-1, and the right portion thereof. The reflection pattern R has a reflection pattern in which the reflection portion R and the transmission portion T of the reflection pattern 2-1 are shifted by 4 μm. Here, the predetermined position 5 is the origin. Here, the width of the transmissive portion T at the predetermined position 5 is 14 μm, but may be smaller than 20 μm, and the width of the reflective portion R may be changed.

図10は、図9に示す反射パターン2−1および2−2を有するスケール基板1に対して、センサ基板10を、主軸方向が一致するように図3に示すように配置した場合の、受光部15−2に投影される反射パターンを示す図である。   FIG. 10 shows light reception when the sensor substrate 10 is arranged as shown in FIG. 3 so that the principal axis directions coincide with the scale substrate 1 having the reflection patterns 2-1 and 2-2 shown in FIG. It is a figure which shows the reflection pattern projected on the part 15-2.

図10に示すように、受光部15−2では、4つのセンサ部PS1〜PS4がピッチp2/2(=10μm)で配列されている。この上に、投影される濃淡パターンは、所定位置以外では、ピッチ2p2(=40μm)の濃淡パターンであり、デューティは50%であるため、濃い部分(透過部分が投影された部分)4Aおよび淡い部分(反射部分が投影された部分)4Bの幅はp2(=20μm)である。所定位置の濃い部分(透過部分が投影された部分)4A’の幅は28μmである。   As shown in FIG. 10, in the light receiving unit 15-2, four sensor units PS1 to PS4 are arranged at a pitch p2 / 2 (= 10 μm). On top of this, the projected shading pattern is a shading pattern with a pitch of 2p2 (= 40 μm) except for a predetermined position, and the duty is 50%. Therefore, the dark portion (portion on which the transmissive portion is projected) 4A and light The width of the portion (the portion on which the reflection portion is projected) 4B is p2 (= 20 μm). The width of the dark portion (portion on which the transmission portion is projected) 4A ′ at the predetermined position is 28 μm.

前述のように、主および副センサ部は、10μmピッチで配列された+A、+B、−A、−Bを1セットとし、13セットが連続して配列されており、投影されるパターンは20μmピッチであり、センサの配列ピッチの2倍である。したがって、移動量をxμmとすると、n番目の1個の+Aセルの出力信号の強度は、+An=sin(2π(x/40))となる。13個の+Aのセルの出力信号を合わせて、+A信号としているが、13個のセルに投影される濃淡パターンは同じであり、13個の+Aのセルの出力信号を合わせた信号の強度は、図6に示すように、+A=13sin(2π(x/40))となる。これは、他のセル+B、−A、−Bについても同様である。前述のように、これらの信号のすべてまたは一部から移動位置を演算する。 As described above, the main and sub sensor units are arranged in a set of + A, + B, -A, and -B arranged at a pitch of 10 μm, 13 sets are continuously arranged, and a projected pattern is a pitch of 20 μm. It is twice the arrangement pitch of the sensors. Therefore, if the movement amount is x μm, the intensity of the output signal of the nth one + A cell is + A n = sin (2π (x / 40)). The output signals of the 13 + A cells are combined to form a + A signal, but the shade pattern projected on the 13 cells is the same, and the intensity of the signal combined with the output signals of the 13 + A cells is As shown in FIG. 6, + A = 13 sin (2π (x / 40)). The same applies to the other cells + B, -A, and -B. As described above, the movement position is calculated from all or a part of these signals.

図10に示す投影状況では、受光部15−2の左側の+A1、+B1、−A1、−B1から+A7、+B7、−A7、−B7には、主受光部15−1と同じパターンが投影されるが、右側の+A8、+B8、−A8には28μm幅の広い濃い部分が投影され、−B8、+A9、+B9、−A9、−B9から+A13、+B13、−A13、−B13には、8μmシフトしたパターンが投影されることになる。 In the projection situation shown in FIG. 10, + A 1 , + B 1 , −A 1 , −B 1 to + A 7 , + B 7 , −A 7 , −B 7 on the left side of the light receiving unit 15-2 are included in the main light receiving unit 15. The same pattern as -1 is projected, but a wide dark portion having a width of 28 μm is projected on + A 8 , + B 8 , and −A 8 on the right side, and −B 8 , + A 9 , + B 9 , −A 9 , and −B are projected. A pattern shifted by 8 μm is projected from 9 to + A 13 , + B 13 , −A 13 , and −B 13 .

したがって、所定位置の左側の1個の+Aセルの出力信号の強度は、+An=sin(2π(x/40))に対して、右側の1個の+Aセルの出力信号の強度は、+An=sin(2π(x/40)−2π×8/40)=sin(2π(x/40−1/5))になる。受光部15−2の13セット分の信号は、これらの信号を合わせた信号である。例えば、8セット目に4μm幅だけの広い透過部が存在する場合には、+A=8sin(2π(x/40))+5sin(2π(x/40−1/5))になる。これを、13セット中のn番目に幅広パターン(シフトパターン)があるとして一般化すると、+A=nsin(2π(x/40))+(13−n)sin(2π(x/40−1/5))になる。 Therefore, the intensity of the output signal of one + A cell on the left side of the predetermined position is + A n = sin (2π (x / 40)), whereas the intensity of the output signal of one right + A cell is + A n = sin (2π (x / 40) −2π × 8/40) = sin (2π (x / 40−1 / 5)). The signals for 13 sets of the light receiving unit 15-2 are a combination of these signals. For example, in the case where a wide transmission portion having a width of 4 μm exists in the eighth set, + A = 8 sin (2π (x / 40)) + 5 sin (2π (x / 40−1 / 5)). If this is generalized as the nth wide pattern (shift pattern) in 13 sets, + A = nsin (2π (x / 40)) + (13−n) sin (2π (x / 40−1 / 5)).

図11は、ピッチ一定の反射パターン2−1が投影される受光部15−1と、ピッチがシフトする反射パターン2−2が投影される受光部15−2の13セットのセルの信号を合わせた信号+Aの、所定位置を超えて移動した場合の変化を示す図である。実線が受光部15−1の+Aを、破線が受光部15−2の+Aを、それぞれ示す。   FIG. 11 shows the signals of 13 sets of cells of the light receiving unit 15-1 on which the reflection pattern 2-1 having a constant pitch is projected and the light receiving unit 15-2 on which the reflection pattern 2-2 having a pitch shift is projected. It is a figure which shows the change when the signal + A moves beyond a predetermined position. A solid line indicates + A of the light receiving unit 15-1, and a broken line indicates + A of the light receiving unit 15-2.

図11に示すように、左側では、受光部15−1および15−2の信号+Aは同じであるが、13セットの端のセルが所定位置に移動すると、受光部15−2の信号+Aの振幅が低下すると共に、位相がずれ始める。7セット目のセルが所定位置に移動すると、受光部15−2の信号+Aの振幅はもっとも低下し、その後元の振幅に徐々に戻るが、位相差はさらに増加し、13セットの反対側の端のセルが所定位置を通過すると、振幅は受光部15−1の信号+Aと同じで、位相が8μmシフトした信号となる。   As shown in FIG. 11, on the left side, the signal + A of the light receiving units 15-1 and 15-2 is the same, but when the end cell of 13 sets moves to a predetermined position, the signal + A of the light receiving unit 15-2 As the amplitude decreases, the phase starts to shift. When the cell of the seventh set moves to a predetermined position, the amplitude of the signal + A of the light receiving unit 15-2 decreases most, and then gradually returns to the original amplitude, but the phase difference further increases, and the opposite side of the 13th set When the end cell passes through a predetermined position, the amplitude is the same as the signal + A of the light receiving unit 15-1, and the phase is shifted by 8 μm.

図12は、実施形態において、移動位置の応じた、受光部15−1および15−2の信号+Aの位相差を示す図である。図12に示すように、左側では位相座はゼロであり、右側では位相差が8μmであり、所定位置(幅の異なるシフトパターンを有する部分)を含む前後520μmの幅で、位相差ゼロと位相差8μmの間で変化する。この部分の変化は直線状に変化するとみなせる。   FIG. 12 is a diagram illustrating the phase difference between the signals + A of the light receiving units 15-1 and 15-2 according to the movement position in the embodiment. As shown in FIG. 12, the phase position is zero on the left side, the phase difference is 8 μm on the right side, and the width of 520 μm before and after the predetermined position (the portion having the shift pattern with different width) includes the phase difference of zero. The phase difference varies between 8 μm. It can be considered that the change of this part changes linearly.

なお、図12に示した位相差の変化は、受光部15−1および15−2の信号−A、+Bおよび−Bの間でも同様であり、+Aと−Aの差を演算した位相信号PHASEAおよび+Bと−Bの差を演算した位相信号PHASEBについても同様である。したがって、受光部15−1から演算される主移動位置と、受光部15−2から演算される副移動位置との差、図12に示すように変化する。   The change in the phase difference shown in FIG. 12 is the same between the signals -A, + B and -B of the light receiving units 15-1 and 15-2, and the phase signal PHASEA obtained by calculating the difference between + A and -A. The same applies to the phase signal PHASEB obtained by calculating the difference between + B and -B. Therefore, the difference between the main movement position calculated from the light receiving unit 15-1 and the sub movement position calculated from the light receiving unit 15-2 changes as shown in FIG.

図13は、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダにおける信号処理部の構成を示す図である。
なお、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダでは、一般的な反射式のリニア光学式エンコーダと同様に、反射パターン2−1の反射パターンを受光する受光部15−1の信号を演算する演算回路が、反射パターン2−1のスケールピッチの周期より高分解能で移動位置を演算するが、これについては広く知られているので説明を省略する。実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダは、上記の位置演算機能に、これまでと異なる原点検出機能を付加したものであり、原点検出に関係する演算処理についてのみ説明する。
FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of a signal processing unit in the reflective linear optical encoder of the embodiment.
Note that, in the reflective linear optical encoder of the embodiment, similarly to a general reflective linear optical encoder, the calculation for calculating the signal of the light receiving unit 15-1 that receives the reflected pattern of the reflective pattern 2-1. The circuit calculates the movement position with a resolution higher than the period of the scale pitch of the reflection pattern 2-1, but since this is widely known, a description thereof will be omitted. The reflective linear optical encoder of the embodiment is obtained by adding a different origin detection function to the position calculation function described above, and only the calculation processing related to the origin detection will be described.

信号処理部は、第1リーディングヘッド41と、第2リーディングヘッド42と、第1インターポレータ43と、第2インターポレータ44と、第1カウンタ45と、第2カウンタ46と、共通クロック源47と、差演算回路48と、絶対値化回路49と、和演算回路50と、定数倍化回路51と、コンパレータ52と、遅延回路53と、排他的論理和(XOR)ゲート54と、を有する。   The signal processing unit includes a first reading head 41, a second reading head 42, a first interpolator 43, a second interpolator 44, a first counter 45, a second counter 46, and a common clock source. 47, a difference calculation circuit 48, an absolute value conversion circuit 49, a sum calculation circuit 50, a constant multiplication circuit 51, a comparator 52, a delay circuit 53, and an exclusive OR (XOR) gate 54. Have.

第1リーディングヘッド41および第2リーディングヘッド42は、受光部15−1および15−2に対応し、アナログ信号+A、+B、−A、−Bを出力する。第1インターポレータ43および第2インターポレータ44は、アナログ信号+A、+B、−A、−Bをデジタルデータに変換して出力する。ここで、原点検出処理のみであれば、受光部15−1および15−2の出力する+A(または+B、−A、−Bのいずれか)をデジタル信号として出力すればよいが、反射パターン2−1のスケールピッチの周期より高分解能で移動位置を演算するので、+Aと−Aの差および+Bと−Bの差をデジタル演算して出力しても、図7に示すアナログ回路で導出した+Aと−Aの差および+Bと−Bの差をデジタルデータに変換してもよい。さらに、これらのデータから演算した移動位置の変化を出力してもよい。   The first reading head 41 and the second reading head 42 correspond to the light receiving units 15-1 and 15-2, and output analog signals + A, + B, -A, and -B. The first interpolator 43 and the second interpolator 44 convert the analog signals + A, + B, -A, -B into digital data and output them. Here, if only the origin detection process is performed, + A (or any of + B, -A, and -B) output from the light receiving units 15-1 and 15-2 may be output as a digital signal. Since the moving position is calculated with a resolution higher than the cycle of the scale pitch of −1, the difference between + A and −A and the difference between + B and −B are calculated and output by the analog circuit shown in FIG. The difference between + A and -A and the difference between + B and -B may be converted into digital data. Further, a change in the movement position calculated from these data may be output.

したがって、第1インターポレータ43および第2インターポレータ44以降の処理は、すべてデジタル信号処理により行われるが、図13では、処理内容を分かり易くするために、アナログ回路の形で表している。以下の説明では、第1インターポレータ43および第2インターポレータ44は、移動位置の変化データを出力するものとし、40μmを2m分割(例えば、m=6なら64等分、m=8なら256等分)したデータを出力する。また、第1インターポレータ43および第2インターポレータ44は、正方向の移動の場合には正の値を、負方向の移動の場合には負の値を出力する。 Therefore, the processes after the first interpolator 43 and the second interpolator 44 are all performed by digital signal processing, but in FIG. 13, in order to make the processing contents easy to understand, they are represented in the form of analog circuits. . In the following description, the first interpolator 43 and the second interpolator 44 output movement position change data, and 40 μm is divided into 2 m (for example, if m = 6, 64 equal parts, m = 8 If it is equal to 256, the divided data is output. The first interpolator 43 and the second interpolator 44 output a positive value when moving in the positive direction and a negative value when moving in the negative direction.

第1カウンタ45は、共通クロック源47からの共通クロックに同期して、第1インターポレータ43の出力する主位置データをカウントする。第2カウンタ46は、共通クロック源47からの共通クロックに同期して、第2インターポレータ44の出力する副位置データをカウントする。第1カウンタ45および第2カウンタ46は、共通クロックに同期してカウント動作を行うため、両者に時間的なずれは生じない。第1カウンタ45および第2カウンタ46は、移動位置の変化データをカウントするので、第1カウンタ45および第2カウンタ46のカウント値が移動位置を示す。   The first counter 45 counts the main position data output from the first interpolator 43 in synchronization with the common clock from the common clock source 47. The second counter 46 counts the sub position data output from the second interpolator 44 in synchronization with the common clock from the common clock source 47. Since the first counter 45 and the second counter 46 perform the counting operation in synchronization with the common clock, there is no time lag between them. Since the first counter 45 and the second counter 46 count the movement position change data, the count values of the first counter 45 and the second counter 46 indicate the movement position.

差演算回路48は、第1カウンタ45と第2カウンタ46のカウント値の差、すなわち移動位置の差を演算する。絶対値回路49は、カウント値の差絶対値を演算する。
和演算回路50および定数倍化回路51は、頻繁な判定値変動を防止するため、絶対値回路49の出力する差絶対値にヒステリシス特性を持たせる処理を行う。具体的には、定数倍化回路51は、コンパレータ52の出力する2値データ(ゼロまたは1)に係数(分解能の10倍程度)を乗じて出力し、和演算回路50は、絶対値回路49の出力する差絶対値に定数倍化回路51の出力を加算し、判定結果を正帰還する。ヒステリシスの範囲は、定数倍化回路51の係数により決定される。スケールの移動方向によりヒステリシス分異なる位置で原点信号が発生するが、前述のように、受光部15−1の信号を演算する演算回路により、反射パターン2−1のスケールピッチの周期より高分解能で移動位置を演算しており、位置差が1スケールピッチ内であれば問題はない。
The difference calculation circuit 48 calculates the difference between the count values of the first counter 45 and the second counter 46, that is, the difference in movement position. The absolute value circuit 49 calculates the difference absolute value of the count values.
The sum calculation circuit 50 and the constant multiplication circuit 51 perform a process of giving hysteresis characteristics to the difference absolute value output from the absolute value circuit 49 in order to prevent frequent determination value fluctuations. Specifically, the constant multiplication circuit 51 multiplies the binary data (zero or 1) output from the comparator 52 by a coefficient (about 10 times the resolution), and the sum calculation circuit 50 outputs the absolute value circuit 49. The output of the constant multiplication circuit 51 is added to the absolute value of the difference output, and the determination result is positively fed back. The range of the hysteresis is determined by the coefficient of the constant multiplication circuit 51. The origin signal is generated at a position that differs by the amount of hysteresis depending on the moving direction of the scale. As described above, the arithmetic circuit that calculates the signal of the light receiving unit 15-1 has a higher resolution than the cycle of the scale pitch of the reflection pattern 2-1. If the movement position is calculated and the position difference is within one scale pitch, there is no problem.

コンパレータ52は、和演算回路50の出力を閾値Vthと比較し、和演算回路50の出力が閾値Vthを超えて変化した時に、出力を変化させる。具体的には、コンパレータ52の出力は、和演算回路50の出力が閾値Vthより小さい状態から大きい状態に変化すると、「1(H:High)」から「0(L:Low)」に変化し、和演算回路50の出力が閾値Vthより大きい状態から小さい状態に変化すると、LからHに変化する。例えば、図12に示すように8μmの差が生じる場合には、和演算回路50の出力が4μmに対応する値の時に、コンパレータ52の出力が変化するようにVthを設定する。   The comparator 52 compares the output of the sum calculation circuit 50 with the threshold value Vth, and changes the output when the output of the sum calculation circuit 50 changes beyond the threshold value Vth. Specifically, the output of the comparator 52 changes from “1 (H: High)” to “0 (L: Low)” when the output of the sum calculation circuit 50 changes from a state smaller than the threshold value Vth to a larger state. When the output of the sum operation circuit 50 changes from a state larger than the threshold value Vth to a smaller state, the output changes from L to H. For example, when a difference of 8 μm occurs as shown in FIG. 12, Vth is set so that the output of the comparator 52 changes when the output of the sum calculation circuit 50 is a value corresponding to 4 μm.

遅延回路53は、コンパレータ52の出力を短い時間遅延させる。排他的論理和(XOR)ゲート54は、コンパレータ52の出力と遅延回路53の出力の排他的論理和を演算する。これにより、コンパレータ52の出力が変化すると、XORゲート54は、短いパルスを発生する。これが原点検出信号である。   The delay circuit 53 delays the output of the comparator 52 for a short time. An exclusive OR (XOR) gate 54 calculates an exclusive OR of the output of the comparator 52 and the output of the delay circuit 53. As a result, when the output of the comparator 52 changes, the XOR gate 54 generates a short pulse. This is the origin detection signal.

以上のようにして発生された原点検出信号に基づいて、第1インターポレータ43の出力する主位置データにおいて、第1所定位置である原点が含まれるスケールピッチを判定し、主位置データから原点を判定する。   Based on the origin detection signal generated as described above, in the main position data output from the first interpolator 43, the scale pitch including the origin which is the first predetermined position is determined, and the origin is determined from the main position data. Determine.

図14は、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダにおける信号処理部の処理の流れを示すフローチャートである。
ステップS11では、ループ数パラメータNおよび原点信号(原点に対して一方の場合がゼロ、他方の場合が1になる)Sをゼロに初期化する。
FIG. 14 is a flowchart illustrating a processing flow of the signal processing unit in the reflective linear optical encoder of the embodiment.
In step S11, the loop number parameter N and the origin signal (one is zero for the origin and 1 for the other) S are initialized to zero.

ステップS12では、第1カウンタ45および第2カウンタ46用のレジスタに記憶されたカウント値count1およびcount2を読み出す。
ステップS13では、count1とcount2の差Δを演算する。
ステップS14では、差Δを絶対値化する。
In step S12, the count values count1 and count2 stored in the registers for the first counter 45 and the second counter 46 are read.
In step S13, a difference Δ between count1 and count2 is calculated.
In step S14, the difference Δ is converted into an absolute value.

ステップS15では、パラメータSに定数倍化回路51の係数を乗じてXを算出する。
ステップS16では、絶対値化したΔにXを加算し、新たなΔを演算する。
ステップS17では、新たなΔが閾値より大きいかを判定し、大きくなければステップS18に進み、大きければステップS19に進む。
In step S15, X is calculated by multiplying the parameter S by the coefficient of the constant multiplication circuit 51.
In step S16, X is added to the absolute value of Δ to calculate a new Δ.
In step S17, it is determined whether or not the new Δ is larger than the threshold value. If it is not larger, the process proceeds to step S18.

ステップS18では、S=0とする。
ステップS19では、S=1とする。したがって、ヒステリシス分があるが、Δが大きければS=1になり、小さければS=0になる。
ステップS20では、パラメータNがゼロでないか判定し、ゼロであればステップS21に進み、ゼロでなければ(1であれば)ステップS23に進む。
In step S18, S = 0.
In step S19, S = 1. Therefore, although there is a hysteresis component, if Δ is large, S = 1, and if Δ is small, S = 0.
In step S20, it is determined whether the parameter N is not zero. If it is zero, the process proceeds to step S21, and if it is not zero (if it is 1, the process proceeds to step S23.

ステップS21では、N=N+1にする。すなわち、Nを1増加する。
ステップS22では、変数Y=Sにする。
ステップS23では、N=0にする。
In step S21, N = N + 1. That is, N is increased by 1.
In step S22, the variable Y = S is set.
In step S23, N = 0 is set.

以上のルーチンで、1回目にS20に到達した時にはN=0であるからS21およびS22に進み、S12に戻った後、次に2回目にS20に到達した時にはN=1であるからS23に進むことになる。
ステップS24では、SとYの排他的論理和を演算し、演算結果を新たなSとする。
In the above routine, when S20 is reached for the first time, N = 0, so the process proceeds to S21 and S22. After returning to S12, when S20 is reached for the second time, N = 1, the process proceeds to S23. It will be.
In step S24, an exclusive OR of S and Y is calculated, and the calculation result is set as a new S.

以上のルーチンで、Δが2回連続で閾値より小さいか、または閾値より大きければ、新たなSはゼロとなり、原点信号は発生しない。これに対して、2回のループでΔが異なると、新たなSはゼロとなり、原点信号は発生する。言い換えれば、方向にかかわらず、Δが閾値を超えて変化すると、原点信号が発生する。   In the above routine, if Δ is twice consecutively smaller than the threshold value or larger than the threshold value, the new S becomes zero and no origin signal is generated. On the other hand, if Δ differs between the two loops, the new S becomes zero and an origin signal is generated. In other words, regardless of the direction, when Δ changes beyond the threshold value, an origin signal is generated.

前述のように、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダでは、一般的な反射式のリニア光学式エンコーダと同様に、反射パターン2−1の反射パターンを受光する受光部15−1の信号を演算する演算回路が、反射パターン2−1のスケールピッチの周期より高分解能で移動位置を演算する。   As described above, in the reflective linear optical encoder of the embodiment, the signal of the light receiving unit 15-1 that receives the reflected pattern of the reflective pattern 2-1 is received as in the general reflective linear optical encoder. The calculation circuit for calculating calculates the movement position with a resolution higher than the cycle of the scale pitch of the reflection pattern 2-1.

図15は、受光部15−1の信号を演算する演算回路により算出された相対位置信号と、これまで説明した原点の検出により発生される原点信号と、の関係を説明する図である。   FIG. 15 is a diagram illustrating the relationship between the relative position signal calculated by the arithmetic circuit that calculates the signal of the light receiving unit 15-1 and the origin signal generated by the origin detection described so far.

受光部15−1の信号を演算する演算回路は、主A相信号がsin成分を、主B相信号が−cos成分を示すことを利用して、センサピッチを1周期とした場合の1周期内の位相を算出する。図15では、1周期の位相ゼロは、主A相信号がゼロで、主B相信号が負のピーク値の時である。差信号が、移動方向にかかわらず原点である所定位置を含む1周期の中央付近(180度)付近で発生するようにすれば、原点に対応するスケールのピッチ(サイクル)を判定でき、原点位置を特定できる。   The arithmetic circuit that calculates the signal of the light receiving unit 15-1 uses one cycle when the sensor pitch is one cycle by utilizing the fact that the main A-phase signal indicates the sin component and the main B-phase signal indicates the -cos component. The phase within is calculated. In FIG. 15, phase zero in one cycle is when the main A-phase signal is zero and the main B-phase signal has a negative peak value. If the difference signal is generated near the center (180 degrees) of one cycle including the predetermined position that is the origin regardless of the moving direction, the pitch (cycle) of the scale corresponding to the origin can be determined, and the origin position Can be identified.

以上説明した実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダは、デジタル処理後のカウント値を用いるため、回路上に実装せず、ソフトウエアのみで実現できる。カウント値をリアルタイムで検出することで原点信号を発生するため、処理はソフトウエア上で完結させるようにすることが望ましい。ソフトウエア処理は、専用チップを設けて実行するようにしても、例えば、外部の演算ユニットのようなデバイス上で実行するようにしてもよい。   Since the reflective linear optical encoder of the embodiment described above uses a count value after digital processing, it can be realized only by software without being mounted on a circuit. Since the origin signal is generated by detecting the count value in real time, it is desirable to complete the processing on software. Software processing may be executed by providing a dedicated chip, or may be executed on a device such as an external arithmetic unit, for example.

例えば、アナログ回路で、コンパレータで信号電圧を比較する場合、信号電圧自体の絶対値の変動が判定結果に影響する。特に、光源光量が変動すると、信号電圧の最大値が変動するため、正規化を行うなどの余分な回路が必要となる。これに対して、実施形態の反射式のリニア光学式エンコーダは、第1および第2リーディングヘッドが投影されるパターンの信号を正しく出力すれば、後の処理はデジタル処理で行うため、光量変動等の影響を受けない。   For example, when an analog circuit compares signal voltages with a comparator, a change in the absolute value of the signal voltage itself affects the determination result. In particular, when the amount of light source varies, the maximum value of the signal voltage varies, so that an extra circuit such as normalization is required. On the other hand, if the reflective linear optical encoder of the embodiment correctly outputs the signal of the pattern projected by the first and second reading heads, the subsequent processing is performed by digital processing. Not affected.

また、異常説明した実施形態では、反射型のスケールを使用したが、透過型のスケールを使用することも可能である。
さらに、演算処理手順は一例であり、位置ずれの変化を検出できれば、どのような処理手順を用いてもよい。
In the embodiment described abnormally, a reflective scale is used, but a transmissive scale can also be used.
Furthermore, the calculation processing procedure is an example, and any processing procedure may be used as long as a change in misalignment can be detected.

本発明は、各種の光学式エンコーダに適用可能である。   The present invention can be applied to various optical encoders.

1 スケール基板
2−1、2−2 反射パターン
5 所定位置
10 センサ基板
11 光源
14−1、14−2 受光素子
15−1、15−2 受光部
35 第1差演算回路
36 第2差演算回路
41 第1リーディングヘッド
42 第2リーディングヘッド
43 第1インターポレータ
44 第2インターポレータ
45 第1カウンタ
46 第2カウンタ
48 差演算回路
50 和演算回路
52 コンパレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Scale board | substrate 2-1, 2-2 Reflection pattern 5 Predetermined position 10 Sensor board | substrate 11 Light source 14-1, 14-2 Light receiving element 15-1, 15-2 Light receiving part 35 1st difference calculation circuit 36 2nd difference calculation circuit 41 First Reading Head 42 Second Reading Head 43 First Interpolator 44 Second Interpolator 45 First Counter 46 Second Counter 48 Difference Operation Circuit 50 Sum Operation Circuit 52 Comparator

Claims (3)

主軸方向に変化する第1濃淡パターンを有する第1光学式スケールと、前記第1光学式スケールの第1照明光を出力する第1光源と、前記第1照明光で前記第1光学式スケールを照明することにより生成された前記第1濃淡パターンの像を検出するように配置された第1受光センサと、を備え、前記第1受光センサは、前記主軸方向に順にセンサピッチで配列された第1から第4の主センサ部からなる第1センサ組を、前記主軸方向に所定組数繰り返し配列した第1センサ配列を有する第1光学系と、
前記主軸方向に変化する第2濃淡パターンを有する第2光学式スケールと、前記第2光学式スケールの第2照明光を出力する第2光源と、前記第2照明光で前記第2光学式スケールを照明することにより生成された前記第2濃淡パターンの像を検出するように配置された第2受光センサと、を備え、前記第2受光センサは、前記主軸方向に順に前記センサピッチで配列された第1から第4の副センサ部からなる第2センサ組を、前記主軸方向に所定組数繰り返し配列した第2センサ配列を有する第2光学系と、
前記第1光学系の前記第1受光センサの検出信号および前記第2光学系の前記第2受光センサの検出信号を演算処理する信号処理部と、を備え、
前記第1光学式スケールおよび前記第2光学式スケールは、前記第1光源、前記第1受光センサ、前記第2光源および前記第2受光センサに対して相対移動し、
前記第1光学式スケールの前記第1濃淡パターンは、濃い部分と淡い部分の幅が同じで、スケールピッチで濃淡を繰り返し、
前記第2光学式スケールの前記第2濃淡パターンは、濃い部分と淡い部分の幅が同じで、前記スケールピッチで濃淡を繰り返し、所定位置において、濃い部分または淡い部分の幅が前記スケールピッチの1/2を超えない範囲で広くなっており、
前記信号処理部は、
前記第1から第4の主センサ部の出力の少なくとも1つをデジタル信号に変換し、主位置データを出力する主位置データ生成部と、
前記第1から第4の副センサ部の出力の少なくとも1つをデジタル信号に変換し、副位置データを出力する副位置データ生成部と、
前記主位置データと前記副位置データの差データを演算する差演算部と、
前記差データの絶対値が所定値以上であるか判定し、判定値の変化から原点を検出する原点判定部と、を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
A first optical scale having a first light and shade pattern that changes in the main axis direction, a first light source that outputs the first illumination light of the first optical scale, and the first optical scale with the first illumination light. A first light receiving sensor arranged to detect an image of the first gray pattern generated by illuminating, wherein the first light receiving sensor is arranged in order at a sensor pitch in the main axis direction. A first optical system having a first sensor array in which a first sensor group including first to fourth main sensor units is repeatedly arranged in a predetermined number of sets in the main axis direction;
A second optical scale having a second shading pattern that changes in the principal axis direction; a second light source that outputs a second illumination light of the second optical scale; and the second optical scale using the second illumination light. And a second light receiving sensor arranged so as to detect an image of the second gray pattern generated by illuminating the light, and the second light receiving sensors are sequentially arranged at the sensor pitch in the main axis direction. A second optical system having a second sensor array in which a second sensor set including the first to fourth sub sensor units is repeatedly arranged a predetermined number of times in the main axis direction;
A signal processing unit that computes and processes a detection signal of the first light receiving sensor of the first optical system and a detection signal of the second light receiving sensor of the second optical system;
The first optical scale and the second optical scale move relative to the first light source, the first light receiving sensor, the second light source, and the second light receiving sensor;
The first light and shade pattern of the first optical scale has the same width as the dark portion and the light portion, and repeats light and shade at a scale pitch.
The second light and shade pattern of the second optical scale has the same width of the dark portion and the light portion, and repeats the light and shade at the scale pitch. / 2 is wide within a range not exceeding 2.
The signal processing unit
A main position data generation unit that converts at least one of the outputs of the first to fourth main sensor units into a digital signal and outputs main position data;
A sub position data generation unit that converts at least one of the outputs of the first to fourth sub sensor units into a digital signal and outputs sub position data;
A difference calculation unit for calculating difference data between the main position data and the sub position data;
An optical encoder comprising: an origin determination unit that determines whether an absolute value of the difference data is equal to or greater than a predetermined value and detects an origin from a change in the determination value.
前記第1光学式スケールおよび前記第2光学式スケールは、共通のスケール基板上に隣接して、前記第1濃淡パターンおよび前記第2濃淡パターンが平行に、前記所定位置の一方の側では濃い部分と淡い部分の位置が一致し、他方の側では濃い部分と淡い部分がずれているように形成され、
前記第1光源、前記第1受光センサ、前記第2光源および前記第2受光センサは、共通のセンサ基板上に形成され、前記第1光源および前記第2光源は共通光源として形成され、前記第1受光センサおよび前記第2受光センサは、共通光源の両側に、前記第1センサ配列および前記第2センサ配列が平行に、前記第1から第4の主センサ部および前記第1から第4の副主センサ部の位置が一致するように形成され、
前記センサ基板は、前記スケール基板に対して、前記第1濃淡パターンで反射された前記共通光源からの照明光が前記第1受光センサに投影され、前記第2濃淡パターンで反射された前記共通光源からの照明光が前記第2受光センサに投影されるように配置される請求項1に記載の光学式エンコーダ。
The first optical scale and the second optical scale are adjacent to each other on a common scale substrate, and the first gray pattern and the second gray pattern are parallel to each other, and are dark on one side of the predetermined position. And the position of the light part matches, and the other part is formed so that the dark part and the light part are shifted,
The first light source, the first light receiving sensor, the second light source, and the second light receiving sensor are formed on a common sensor substrate, and the first light source and the second light source are formed as a common light source, The first light receiving sensor and the second light receiving sensor have the first sensor array and the second sensor array in parallel on both sides of the common light source, the first to fourth main sensor units, and the first to fourth sensors. It is formed so that the position of the sub main sensor part matches,
The sensor substrate is configured such that illumination light from the common light source reflected by the first light and shade pattern is projected onto the first light receiving sensor and reflected by the second light and shade pattern with respect to the scale substrate. The optical encoder according to claim 1, wherein the optical encoder is disposed so that illumination light from the first light receiving sensor is projected onto the second light receiving sensor.
前記スケールピッチは、前記センサピッチの2倍であり、
前記センサ基板は、前記スケール基板に対して、前記第1濃淡パターンおよび前記第2濃淡パターンが、前記センサピッチの4倍の濃淡パターンとして投影されるように配置される請求項2に記載の光学式エンコーダ。
The scale pitch is twice the sensor pitch,
The optical sensor according to claim 2, wherein the sensor substrate is arranged such that the first gray pattern and the second gray pattern are projected as a light / dark pattern four times the sensor pitch with respect to the scale substrate. Type encoder.
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