JP6400643B2 - マルチトラックアブソリュートエンコーダ - Google Patents

Description

一般的に、インクリメンタルエンコーダは、等間隔に連続した線分など周期的に繰り返すスケールパターンを持つスケールと、読取ヘッドとスケールとの間の相対運動を測定する光検出器を有する読取ヘッドとを利用している。エンコーダは、相対運動中に遭遇するスケールパターンの周期をカウントして位置を追跡する。通常、このカウントは、同じく読取ヘッドにより検出される何らかのタイプの位置基準マークを参照して行なわれる。位置情報は、普通、スケールパターンの各インクリメント期間におけるより細かいインクリメントに挿入される。インクリメント期間内の位置は、位置参照を確立するための相対運動を必要とすることなく、読取ヘッドに電源が投入されると一周期中のフェーズを検出することができるという意味では絶対位置と考えてもよい。

アブソリュートエンコーダは、スケールの各セクションがユニークなものであり、位置は、通常、位置基準マークからの周期のカウントではなく、各ポイントにおいて直接的に検出される。スケールのどの部分も動かすことなく、電源投入時に位置を決定してもよい。すなわち、読取ヘッドを動かしてその後のマークに対する運動から位置情報を引き出すために位置基準マークを遭遇させる必要がない。

アブソリュートエンコーダにおいて、絶対位置を識別するための１以上のアブソリュートトラックとともに、所望の解像度と精度とを得るための精密なインクリメントトラックを含むことは、一般的である。この場合、絶対位置は一周期中のインクリメント位置にリンクされている。一般的に、アブソリュートエンコーダには２つのタイプがある。
１．多数の異なる周期のバイナリトラックを用いるアブソリュートパターン。連続するトラック１つにつき、１ビットの絶対情報が追加される。グレイコード方式を利用してもよい。
２．１以上のトラックを使用するよりも複雑なアブソリュートパターン。通常、このパターンは、別のインクリメントトラックにリンクされている離散したバイナリコードまたは疑似ランダムコードからなる。この場合、各アブソリュートトラックパターンは、複数ビットの絶対位置情報を含む。

もっと最近では、第３のタイプのアブソリュートエンコーダが開発されている。
３．インクリメント情報と絶対位置情報の両方を持つシングルトラック。これは、インクリメントパターンを形成する複数のマークの選択的変動により絶対位置情報が「埋め込まれた」インクリメントトラックと呼ぶこともできる。例えば、マークを追加、除去、またはその大きさもしくは形状を変更することができる。一般に、絶対位置情報は、離散したバイナリコードまたは疑似ランダムコードの形をとる。

一般的なエンコーダ設計言語においては、情報が一つのトラックに「埋め込まれた」ということは、インクリメントトラックの進行方向の機構が変化するということを意味する。上記のタイプ１またはタイプ２のエンコーダは、このような「埋め込まれた」絶対位置情報を利用しない。むしろ、インクリメントトラックはインクリメント位置情報のみを与えるものであり、絶対位置情報は、進行方向に直交する方向のインクリメントトラックとは別の１以上の増設トラックにエンコードされる。

米国特許第７，４９９，８２７号には、上記のタイプ３のエンコーダの一例が示されている。その重要な利点の一つとして、独立したアブソリュートトラックを利用するタイプ１またはタイプ２のエンコーダに比べて、「ヨー」（読取ヘッドとスケールとの間の回転方向のオフセット）に対する感度がかなり低く、これにより、アライメント公差がより大きく、カスタム較正の必要性が低く、一般的には絶対位置情報とインクリメント位置情報とのリンクがより堅牢なものとなるということがある。しかしながら、タイプ３のエンコーダは根本的には非周期的なスケールパターンを必要とするため、高精度のエンコーダシステムの多くで行われているように、また米国特許第４，９５９，５４２号に記載されるように、周期的な回折光学素子を用いてインクリメントスケール位置情報を光学的にフィルタすることは、実現困難である。米国特許第７，４９９，８２７号の例では、そのかわりに撮像システムが用いられているが、光学的には不都合な点がいくつかある。
１．任意の開口数における視野と焦点深度は焦点距離に比例し、これにより読取ヘッド、スタンドオフ、およびセンサの機械的エンベロープの要求サイズが大きくなる。開口数が大きくなると、球面収差が大きくなる、または非球面の場合には焦点深度が減少する。
２．読取ヘッドからスケールまでのスタンドオフの変化は、物体（スケール）平面をシフトさせることになり、これにより信号コントラストが急速に低減することがある。
３．上記の不都合を改善するために複雑なレンズシステムを採用してもよいが、システムの複雑性およびコストが著しく上昇することになる。

本開示は、独立した複数の狭トラックからなるマルチトラックスケールを有するエンコーダシステムに関するものである。スケールの多数のトラックの一部はインクリメント情報のみを与えるインクリメントトラックであり、その他は絶対位置情報を与えるアブソリュートトラックである。適切な検出器配列および／または光学フィルタがあれば、各検出器は単体で進行方向に直交する方向におけるスケールの全幅を視野に収めることができ、電子機器の処理によってインクリメント情報および絶対位置情報の両方を検出器の出力信号から抽出することができる。代替的に、個々のトラックまたはトラックのサブセットに、別々の検出器チャネルを用いてもよい。

このようなスケールの検出器への撮像に撮像システムを用いてもよいが、インクリメントトラックとアブソリュートトラックとを分離することにより、米国特許第４，９５９，５４２号に示すように、周期的な回折光学素子を利用してインクリメントスケール位置情報を光学的にフィルタすることができるようになる。スケールと検出器との間の周期的な回折光学素子は、信号からスケールの不具合または汚染の影響を光学的にフィルタし、検出器に正確な光学フリンジを形成するという大きな利点をもたらす。また、上記の各タイプなど旧来のマルチトラックアブソリュートエンコーダに比較すると、低いヨー感度に加え、柔軟性も実現される。これは、部分的には、スケールの幅方向にトラックを配置する構成によるインクリメント情報と絶対位置情報の反復によるものである。

上記ならびにその他の目的、特徴、および利点は、添付の図面に示すように、本発明の個別の実施形態に関する以下の説明より明らかである。全ての図面を通して、類似の参照符号は類似の要素を示す。

図１は、光学位置エンコーダの模式図である。 図２は、光学位置エンコーダのスケール、フィルタ光学素子、および検出器の模式図である。 図３は、光学位置エンコーダの代替的なスケールパターンを示す図である。

図１に、光源（ＳＲＣ）１０と、スケール１２と、検出器（ＤＥＴ）１４と、フィルタ光学素子または「光学素子」１６とを含む光学位置エンコーダを示す。一実施形態において、光源１０、検出器１４、および光学素子１６は、読取ヘッド１８と呼ばれる一体的な機械的サブアセンブリの一部である。一般的に、光学位置エンコーダは、２つの物体の相対位置の追跡に用いられ、通常、スケール１２が一方の物体に取り付けられ、読取ヘッド１８が他方の物体に取り付けられる。多くの場合、読取ヘッド１８とスケール１２の一方は、電気機械要素のフレームや筐体など機械的な基準となる何らかの構造の一部であり、他方は、当該電気機械要素の可動部材、すなわち、係るフレームや筐体に対して運動する部材に取り付けられ、またはその一部となっている。

本明細書においては、相対直線運動または位置が関心の対象であり、また光学位置エンコーダは直線位置エンコーダであるとする。この場合、Ｘ方向が相対運動の方向であり、Ｚ方向２０が読取ヘッド１８とスケール１２との間の分離方向であり、Ｙ方向２２がＸおよびＺ方向双方に直交する第３の方向である三軸座標系を用いると都合がよい。Ｘ方向は、図１の紙面の奥方向となる。図２に示すように、Ｙ方向２２はスケール１２の幅方向である。リニアエンコーダにおいて、スケール１２は、通常、読取ヘッド１８のＸ方向の幅よりもずっと長い。本開示の原理は、２個の物体間の相対角度位置を追跡する回転エンコーダにも等しく適用可能である。回転エンコーダにおいては、スケールが、通常、円形またはリング形状のスケールパターンであるリング状またはディスク状をなし、また相対角度θおよび半径寸法ｒを用いた座標系を有する。

動作の際、光源１０からの第１の光線２４がスケール１２の一区間を照射する。第１の光線２４とスケール１２との相互作用により、光学素子１６を介して検出器１４へ向かう第２の光線２６が生じる。図１は内省的実施形態を示すが、本開示の原理は、透過型スケールを利用する実施形態にも等しく適用可能である。第２の光線２６は、スケール１２のパターンおよび光学素子１６の作用により生じる空間変調パターン（通常は、振幅、位相、またはその両方）を持つ。以下で例をさらに説明する。空間変調パターンは、スケール１２および読取ヘッド１８の間に相対運動が起こると変化する。分布様式のばらつきが検出器１４により検出され、検出器１４は、独立した電子回路（不図示）に与えられる電気信号をそれぞれ生成し、この電子回路は、未加工の検出器信号を解釈して、位置情報を抽出し、別の回路または要素によって位置ベースの処理または演算に利用可能な適切な位置表示を出力し、この位置情報を例えばマルチビットのデジタル値として生成する。

図２は、スケール１２、光学素子１６、および検出器１４の光学的機構の疑似模式図である。それぞれ、各機構のＸ−Ｙ配列、すなわち、対応する要素のＺ軸に沿った図を示している。

図に示すように、スケール１２は、平行でＹ方向に離間した１組の狭「トラック３２」有するスケールパターン３０を含む。これらトラックは、インクリメントトラック３２−Ｉとアブソリュートトラック３２−Ａに分かれており、図のように散在している。光学素子１６は、光学的機構３４、具体的にはＸ方向に離間した回折格子（ＤＩＦＦ）３６とレンズ（ＬＥＮＳ）３８とを含んでいる。検出器１４は、それぞれ、同じくＸ方向に離間した、インクリメント位置および絶対位置を検知する検出器の組またはアレーを含んでおり、これらをインクリメント（ＩＮＣ）検出器４０およびアブソリュート（ＡＢＳ）検出器４２として図に示している。図に示す実施形態では、任意の光学的機構（３６または３８）を通過するスケール１２からの光は、Ｘ方向に配列された対応するインクリメント（ＩＮＣ）検出器４０またはアブソリュート（ＡＢＳ）検出器４２によって受光される。よって、最も左側の回折格子３６を通過する光は最も左側のインクリメント（ＩＮＣ）検出器４０によって受光されるなどの動作となる。

図に示す実施形態では、３つのインクリメント（ＩＮＣ）検出器４０があり、それぞれの出力が合わさって複合したインクリメント出力信号ＩＮＣＲを生成する。２つのアブソリュート（ＡＢＳ）検出器４２があり、それぞれが絶対位置出力信号ＡＢＳ１および絶対位置出力信号ＡＢＳ２を生成する。一般的な配置では、検出器１４は、入射光の強度と関連して電流を生成するフォトダイオードを用いて実現される。よって、図２のような構成では、出力を合計は、個々のフォトダイオードの電流の合計となる。このような加算により、信号振幅全体が増幅され、望ましい平均化の効果が得られる。

図に示すように、スケールパターン３０のトラック３２は、周期的なインクリメントトラック３２−Ｉと非周期的なアブソリュートトラック３２−ＡとがＹ方向２２に交互に設けられている。よってスケール１２からの第２の光線２６は、それぞれ対応する個々のトラック３２により生成された複数の光学パターンまたは成分を持つものとみなされる。

検出器１４は、Ｙ方向２２の複数のトラック３２に対応する。一実施形態において、検出器１４はＹ方向２２のすべてのトラック３２に対応する、すなわち、Ｙ方向のレンズ効果がないとした場合には、検出器１４のＹ方向寸法がトラック３２全体のＹ方向寸法に等しくなる。一般的に、任意のタイプの各検出器１４が、対応するタイプのすべてのトラック３２からの光を受光することが望ましい。すなわち、それぞれのインクリメント（ＩＮＣ）検出器４０は全てのインクリメントトラック３２−Ｉからの光を受光し、それぞれのアブソリュート（ＡＢＳ）検出器４２は全てのアブソリュートトラック３２−Ａからの光を受光する。図に示す実施形態において、各検出器１４は、実際に全てのトラック３２からの光を受光する。しかしながら、以下で説明するように、光学的機構３４および検出器１４の構成は、それぞれのインクリメント（ＩＮＣ）検出器４０、アブソリュート（ＡＢＳ）検出器４２が対応する成分またはパターンに対して他のものよりも強い反応を示すようにさせるフィルタ効果を有する。すなわち、インクリメント（ＩＮＣ）検出器４０はインクリメントトラック３２−Ｉからの光により強い反応を示し、アブソリュート（ＡＢＳ）検出器４２はアブソリュートトラック３２−Ａからの光により強い反応を示す。

スケールパターン３０は空間的に分離したインクリメントトラックおよびアブソリュートトラック３２−Ｉおよび３２−Ａを備えるが、Ｙ方向における各タイプのトラックの繰り返しは、読取ヘッド１８とスケール１２との間のある種の不整合またはレジストレーションの間違いに対する感度の低減の役に立つ。これらは、Ｙ方向におけるリニアな不整合、および、いわゆる「ヨー」、すなわち中心Ｚ軸に対する回転方向の不整合の双方を含む。よって、エンコーダのヨーアライメント公差が比較的緩くなるよう実現してもよい。

一般に、回折格子３６は、対応するインクリメント（ＩＮＣ）検出器４０にインクリメントな光学的「フリンジパターン」または「フリンジ」を形成するファインピッチで周期的なパターン（例えば、不透明と透明が交互にあるラインまたはストライプ）である。インクリメント（ＩＮＣ）検出器４０は、光検出器材料の離間したストライプの組として実現されてもよく、その間隔はフリンジパターンの空間周期に関連している。広く用いられている一構成においては、互いに９０度の空間角度でオフセットした４組のストライプがある。この構成では、周期内の（挿入された）位置を、直交分離したストライプの出力の逆正接として計算することができる。

レンズ３８は、アブソリュート（ＡＢＳ）検出器４２のアブソリュートトラックの照射された区間の画像形成に用いられ、これらのアブソリュート（ＡＢＳ）検出器４２は絶対位置情報を捉えるよう画像に反応する構成となっている。レンズ３８は、フレネルゾーンプレートとして離散して実現されてもよい。代替的に、メガネのレンズに似た大型曲面光学素子を用いて実現してもよい。アブソリュート（ＡＢＳ）検出器４２は、アブソリュートトラックからの位置情報を正確にデコードするパターンを有している。簡単な説明の例として、アブソリュートトラックのパターンは４ビットの位置情報を持ってもよく、これにより、Ｘ方向において１６のユニーク位置を識別することができる。この場合、アブソリュート（ＡＢＳ）検出器４２は、１６のユニークなＸ方向パターンの光を区別できなければならない。例えばそれぞれアブソリュートトラックの照射区間からの画像に対応する４分の１の部分を受信する、４個のバイナリ素子を含む可能性がある。

第２の光線２６（すなわち、アブソリュートトラック３２−Ａからの光）のアブソリュート成分も、回折格子３６を通過してインクリメント（ＩＮＣ）検出器４０に到達するが、インクリメント（ＩＮＣ）検出器４０のこれらの光の成分に対する反応は、インクリメントな成分に対する反応に比べるとずっと低い。図に示すような複数のＸ方向に離間した回折格子３６を用いることにより、インクリメント信号ＩＮＣＲに対するアブソリュートトラックの作用をさらに低減することが可能な空間的な平均化を行うことができる。アナログおよび／またはデジタル回路において、追加的なフィルタリングを行うこともできる。また、アブソリュート（ＡＢＳ）検出器４２のインクリメントトラック３２−Ｉからの光に対する反応を制限するために、別のフィルタリング効果が用いられる。典型的な手法の一つが、光検出器素子のＸ方向幅をインクリメントフリンジ周期の整数倍とし、インクリメントパターンに対する反応を大きく減衰させる空間的積分を実現するものである。その他の手法を用いてもよい。

図３に、別のスケールパターン６０を示す。このスケールパターンは、Ｙ方向に分離したインクリメントトラックおよびアブソリュートトラック６２−Ｉ、６２−Ａに関しては図２のスケールパターン３０と同様であるが、アブソリュートトラック６２−Ａの空間パターンニングとして、アナログまたは位相差出力エンコーダの位置基準マークとして用いることができる１か所のみをユニークに識別する方法を用いている。特に、各アブソリュートトラック６２−Ａは、図のように構成される領域６４を除くとどの部分も不透明である。アブソリュートエンコーダは、一般に、デジタルシリアル信号を出力する。多くの制御装置は、アナログまたは位相差出力エンコーダからの、絶対位置をみつけるために用いられる別個の基準位置表示のある出力のみを受け付ける。いくつかの実施形態では、単一のユニークなアブソリュートパターンまたはコード語を進行方向における距離スケール軸上の既定の位置で繰り返し、一つの基準マークによるよりも頻繁に絶対位置情報を得られるようにしてもよい。

図に示す各例において、任意のスケールパターンの全インクリメントトラック（例えば、スケールパターン３０の３２−Ｉ、スケールパターン５０の５２−Ｉ）は同一であり、とりわけ同一の周期を有するものであるが、代替的な実施形態においては、インクリメントトラックはそれぞれ異なる周期を有している。異なるインクリメント頻度を用い、粗アブソリュートトラックにリンクするより長周期の分数調波を生成してもよく、また組み合わせて、同様に粗アブソリュートトラックを可能にするうなり周波数（長周期）を形成してもよい。

加えて、任意の視野における情報量を増やすため、任意のスケールパターンのアブソリュートトラック（例えば、スケールパターン３０の３２−Ａ、スケールパターン５０の５２−Ａ）を互いに異ならせてもよい。これにより、必要な検出器サイズが小型化され、および／または進行の絶対長を延ばすことができる。スケール１２と検出器１４との間に光学素子１６を用いて特定の信号をフィルタする、または検出器１４の別の部分へと通過させることにより、インクリメントおよびアブソリュートトラックスケールの機構の様々な組み合わせを用いて、所望のエンコーダ性能を実現することができる。

以上、本発明の各種の実施形態を具体的に示し説明したが、添付の請求項に規定する本発明の範囲から逸脱することなくこれらの形状および細部について各種の変更を行ってよいことは当業者には言うまでもない。

Claims (10)

1. 光学位置エンコーダであって、
   進行方向及びスケールと読取りヘッドの間の分離方向に直交するＹ方向に離間したインクリメントトラックとアブソリュートトラックとを含む複数のトラックを有し、入射する第１の光線との相互作用により、前記インクリメントトラックおよび前記アブソリュートトラックによりそれぞれ形成された第１及び第２光学パターンを持つ各第１及び第２成分を有する第２の光線を生成するスケールと、
   前記インクリメントトラックおよび前記アブソリュートトラックによりそれぞれ形成された前記第１及び第２光学パターンを検出する異なる性能の第１の検出器アレーおよび第２の検出器アレーを少なくとも含む読取りヘッド上の１組の光検出器であって、前記第１の検出器アレーおよび前記第２の検出器アレーが、それぞれ、前記スケールの前記複数のトラックに及び、前記第１の検出器は、前記第２の光線の前記第２の成分に対するよりも前記第２の光線の前記第１の成分に強く反応するよう構成され、前記第２の検出器は、前記第２の光線の前記第１の成分に対するよりも前記第２の光線の前記第２の成分に強く反応するように構成された１組の光検出器と、を備える、光学位置エンコーダ。
2. 請求項１の光学位置エンコーダであって、さらに
   前記スケールおよび前記１組の光検出器の間に設けられ、前記第２の光線をフィルタして（ｉ）主として前記第２の光線の第１の成分を前記第１の検出器アレーへ通過させ、（ｉｉ）主として前記第２の光線の第２の成分を前記第２の検出器アレーへ通過させるよう構成された光学素子を備える、光学位置エンコーダ。
3. 請求項２の光学位置エンコーダであって、
   前記光学素子は、前記第２の光線の前記第１の成分をフィルタして前記第１の検出器アレーへ通過させる回折素子を含む、光学位置エンコーダ。
4. 請求項２の光学位置エンコーダであって、
   前記光学素子は、前記第２の光線の前記第２の成分をフィルタして前記第２の検出器アレーへ通過させる撮像レンズを含む、光学位置エンコーダ。
5. 請求項１の光学位置エンコーダであって、
   前記第１の検出器アレーおよび前記第２の検出器アレーは、それぞれ、前記第２の光線の対応する第１及び第２成分に対するより強い反応を生じさせる区別可能な配列を有している、光学位置エンコーダ。
6. 請求項１の光学位置エンコーダであって、
   前記第２の光線の対応する第１及び第２成分に対する前記第１および第２の検出器アレーそれぞれのより強い反応は、（１）前記スケールおよび前記１組の光検出器の間に設けられた前記光学素子と（２）前記第１の検出器アレーおよび前記第２の検出器アレーの区別可能なそれぞれの前記配列との組み合わせにより生じさせられ、前記光学素子は、前記第２の光線をフィルタして（ｉ）主として前記第２の光線の前記第１の成分を前記第１の検出器アレーへ通過させ、（ｉｉ）主として前記第２の光線の前記第２の成分を前記第２の検出器アレーへ通過させるよう構成されており、前記それぞれの前記配列は前記第１および第２の検出器アレーそれぞれの前記対応する第１及び第２成分に対する反応をさらに強める、光学位置エンコーダ。
7. 請求項６の光学位置エンコーダであって、
   前記光学素子は、前記第２の光線の前記第１の成分をフィルタして前記第１の検出器アレーへ通過させる回折素子を含む、光学位置エンコーダ。
8. 請求項６の光学位置エンコーダであって、
   前記光学素子は、前記第２の光線の前記第２の成分をフィルタして前記第２の検出器アレーへ通過させる撮像レンズを含む、光学位置エンコーダ。
9. 請求項１の光学位置エンコーダであって、
   前記アブソリュートトラックは、前記スケールの進行方向距離にわたって延在し前記進行方向距離にわたる各位置の絶対位置情報を与えるアブソリュートパターンを含む、光学位置エンコーダ。
10. 請求項１の光学位置エンコーダであって、
    前記アブソリュートトラックは、アナログまたは位相差出力エンコーダの基準出力信号の生成に用いられる基準マークをそれぞれ識別する短いアブソリュートパターンを、１またはそれ以上含む、光学位置エンコーダ。