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JP-2026077294-A - エンコーダ装置

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Abstract

【課題】エンコーダ装置において、位置または角度の検出精度を高めることが求められている。 【解決手段】周期パターンが設けられたスケールと、スケールへ光を照射する発光部と、スケールによって反射された光を複数の画素によって受光する受光部と、少なくともスケールの一部に関する受光部からの出力を基準として記憶する記憶部と、基準、及び受光部からの出力を比較することで、スケールの移動量を検出する検出部と、を備える。 【選択図】図５

Inventors

  • 綱井 史郎

Assignees

  • 株式会社ニコン

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20241025

Claims (12)

  1. 周期パターンが設けられたスケールと、 前記スケールへ光を照射する発光部と、 前記スケールによって反射された光を複数の画素によって受光する受光部と、 少なくとも前記スケールの一部に関する前記受光部からの出力を基準として記憶する記憶部と、 前記基準、及び前記受光部からの出力を比較することで、 前記スケールの移動量を検出する検出部と、 を備える エンコーダ装置。
  2. 前記記憶部に記憶された基準と、前記スケールと前記受光部の相対位置が変化することにより得られる前記受光部の出力と、を比較することで、前記スケールの移動量を算出する 請求項１に記載のエンコーダ装置。
  3. 前記受光部において前記複数の画素は一列、または、間隔を隔てて複数列配置されている 請求項１または請求項２に記載のエンコーダ装置。
  4. 前記スケールに設けられた前記周期パターンは、反射部と非反射部とが前記受光部の大きさの２倍以上の周期に配置されたパターンである 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
  5. 前記複数の画素同士の間には画素が配置されていない領域である不感帯が設けられ、 前記周期パターンを構成する反射部及び非反射部、並びに前記複数の画素は、前記スケールと前記受光部との相対位置が変化する過程において、前記反射部と前記非反射部との境界の反射像が前記不感帯と重なる部分を有する場合、当該境界は前記複数の画素のうち少なくとも１つの画素と重なる部分を有するように配置される 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
  6. 第１周期パターンと、前記第１周期パターンの周期とは異なる周期を有し前記第１周期パターンと並列に配置された第２周期パターンとが設けられたスケールと、 前記スケールへ光を照射する発光部と、 移動部の移動によって前記スケールとの相対位置が変化し、前記発光部から前記スケールに照射されて前記第１周期パターンによって反射された光を受光する第１受光部と、前記発光部から前記スケールに照射されて前記第２周期パターンによって反射された光とを受光する第２受光部と、 前記第１周期パターンによって反射された光を受光した前記第１受光部からの出力を第１デジタル出力に変換する第１Ａ／Ｄ変換器と、 前記第２周期パターンによって反射された光を受光した前記第２受光部からの出力を第２デジタル出力に変換する第２Ａ／Ｄ変換器と、 前記第１周期パターンによって反射された光を受光した前記第１受光部からの出力が変換された第１デジタル出力と、前記第２周期パターンによって反射された光を受光した前記第２受光部からの出力が変換された第２デジタル出力との位相差に基づいて、前記移動部の絶対位置を検出する絶対位置検出部と、 を備えるエンコーダ装置。
  7. 前記スケールを用い、前記第１周期パターンから算出された前記移動部の第１移動量と、前記第２周期パターンから算出された前記移動部の第２移動量と、を平均することで前記移動部の移動量を算出することを特徴とする 請求項６記載のエンコーダ装置。
  8. 周期パターンが設けられたスケールと、 前記スケールへ光を照射する発光部と、 移動部の移動によって前記スケールとの相対位置が変化し、前記発光部から前記スケールに照射されて前記スケールによって反射された光を複数の画素によって受光する受光部と、 を備え、 前記複数の画素同士の間には画素が配置されていない領域である不感帯が設けられ、 前記周期パターンを構成する反射部及び非反射部、並びに前記複数の画素は、前記スケールと前記受光部との相対位置が変化する過程において、前記反射部と前記非反射部との境界の反射像が前記不感帯と重なる部分を有する場合、当該境界は前記複数の画素のうち少なくとも１つの画素と重なる部分を有するように配置される エンコーダ装置。
  9. 前記複数の画素の形状は、隣り合った角が互いに等しくない平行四辺形である 請求項８に記載のエンコーダ装置。
  10. 前記反射部、及び前記非反射部それぞれの形状は、隣り合った角が互いに等しくない平行四辺形である 請求項９に記載のエンコーダ装置。
  11. 前記複数の画素の形状は、長方形であって、 前記複数の画素は、前記スケールと前記複数の画素との相対位置が変化する方向に対して傾いて配置されている 請求項１０に記載のエンコーダ装置。
  12. 前記複数の画素は、隣り合った複数の列を成して配置され、 前記周期パターンを構成する前記反射部及び前記非反射部、並びに前記複数の画素は、前記スケールと前記受光部との相対位置が変化する過程において、前記反射部と前記非反射部との境界が前記複数の列のうち一方の列に含まれる前記不感帯と重なる部分を有する場合、当該境界の反射像は前記複数の列のうち他方の列に含まれる前記複数の画素のうち少なくとも１つの画素と重なる部分を有するように配置される 請求項１０に記載のエンコーダ装置。

Description

本発明は、エンコーダ装置に関する。 可動部材の位置または角度を検出するためにエンコーダ装置が用いられる（例えば、特許文献１－４）。エンコーダ装置には相対的な位置又は角度を検出するインクリメンタル型のエンコーダと、絶対的な位置又は角度を検出するアブソュート型のエンコーダがある。 エンコーダ装置において、位置または角度の検出精度を高めることが求められている。 特開２０１３－８８１５２号公報国際公開第２０１７／０５１５５９号特開２０１８－１７９５３２号公報特開２０２０－５１９４０号公報 本発明の一態様は、周期パターンが設けられたスケールと、前記スケールへ光を照射する発光部と、前記スケールによって反射された光を複数の画素によって受光する受光部と、少なくとも前記スケールの一部に関する前記受光部からの出力を基準として記憶する記憶部と、前記基準、及び前記受光部からの出力を比較することで、前記スケールの移動量を検出する検出部と、を備えるエンコーダ装置である。 本発明の一態様は、第１周期パターンと、前記第１周期パターンの周期とは異なる周期を有し前記第１周期パターンと並列に配置された第２周期パターンとが設けられたスケールと、前記スケールへ光を照射する発光部と、移動部の移動によって前記スケールとの相対位置が変化し、前記発光部から前記スケールに照射されて前記第１周期パターンによって反射された光を受光する第１の受光部と、前記発光部から前記スケールに照射されて前記第２周期パターンによって反射された光とを受光する第２の受光部と、前記第１周期パターンによって反射された光を受光した前記第１の受光部からの出力を第１デジタル出力に変換する第１Ａ／Ｄ変換器と、前記第２周期パターンによって反射された光を受光した前記第２の受光部からの出力を第２デジタル出力に変換する第２Ａ／Ｄ変換器と、前記第１周期パターンによって反射された光を受光した前記第１の受光部からの出力が変換された第１デジタル出力と、前記第２周期パターンによって反射された光を受光した前記第２の受光部からの出力が変換された第２デジタル出力との位相差に基づいて、前記移動部の絶対位置を検出する絶対位置検出部と、を備えるエンコーダ装置である。 本発明の一態様は、周期パターンが設けられたスケールと前記スケールへ光を照射する発光部と、移動部の移動によって前記スケールとの相対位置が変化し、前記発光部から前記スケールに照射されて前記スケールによって反射された光を複数の画素によって受光する受光部と、を備え、前記複数の画素同士の間には画素が配置されていない領域である不感帯が設けられ、前記周期パターンを構成する反射部及び非反射部、並びに前記複数の画素は、前記スケールと前記受光部との相対位置が変化する過程において、前記反射部と前記非反射部との境界の反射像が前記不感帯と重なる部分を有する場合、当該境界は前記複数の画素のうち少なくとも１つの画素と重なる部分を有するように配置されるエンコーダ装置である。 第１の実施形態に係るエンコーダ装置１の構成の一例を示す図である。第１の実施形態に係るスケール２０の一例を示す図である。第１の実施形態に係るエンコーダ装置１を構成するチップの構成の一例を示す図である。第１の実施形態に係る信号処理部６の機能構成の一例を示す図である。第１の実施形態に係るエンコーダ装置１の動作の流れの一例を示す図である。第１の実施形態に係る複数の画素による周期パターンの撮像の一例を示す図である。第１の実施形態に係る基準波形、及び検出位相波形の一例を示す図である。第１の実施形態に係るインクリメンタルスケール２１において第１リニアセンサ１００によって検出される周期パターンの範囲の一例を示す図である。第２の実施形態に係るスケール２０ａの一例を示す図である。第２の実施形態に係る第１インクリメンタルスケール２１ａ、及び第２インクリメンタルスケール２３ａそれぞれを読み取った場合に出力されるパルスの一例を示す図である。第２の実施形態に係るエンコーダ装置１ａを構成するチップの構成の一例を示す図である。第２の実施形態に係る本実施形態に係る信号処理部６ａの機能構成の一例を示す図である。第２の実施形態に係るエンコーダ装置１またはエンコーダ装置１ａに備えられる第１リニアセンサ１００を用いて従来のエンコーダ装置に用いられるようなスケールを読み取る場合の一例を示す図である。従来技術に係る周期パターンの移動に応じて各画素からの出力が変化する様子を示すグラフの一例を示す図である。従来技術に係る複数の画素同士の間に不感帯が設けられていない場合に、周期パターンの移動に応じて各画素からの出力が変化する様子を示す。第３の実施形態に係る複数の画素の形状及び配置の一例を示す図である。第３の実施形態の変形例に係る反射領域７５ｃの形状の一例を示す図である。第３の実施形態の変形例に係る複数の画素の形状及び配置の一例を示す図である。第３の実施形態の変形例に係る複数の画素の形状及び配置の一例を示す図である。 （第１の実施形態） 以下、図面を参照しながら第１の実施形態について詳しく説明する。図１は、本実施形態に係るエンコーダ装置１の構成の一例を示す図である。エンコーダ装置１は、円板２と、発光部３と、受光部４と、信号処理チップ５とを備える。エンコーダ装置１は、一例として、ロータリーエンコーダである。図１では、エンコーダ装置１の円板２の周方向に垂直な方向についての断面が示されている。 円板２には、回転軸（不図示）が設けられている。円板２は、当該回転軸が回転することによって回転する。円板２には、スケール２０が設けられる。スケール２０は、光を反射する反射部と、光を吸収する非反射部とから構成されるパターンである。スケール２０には、図２に示すように、インクリメンタルスケール２１と、アブソリュートスケール２２とが含まれる。一例として、インクリメンタルスケール２１は、アブソリュートスケール２２よりも円板２の外周側に設けられる。 インクリメンタルスケール２１には、円板２の回転の相対角度を検出するためのパターンが設けられている。インクリメンタルスケール２１には、円板２の周方向に沿って反射部と非反射部とが交互に等間隔で配置される。反射部と非反射部とが交互に等間隔で配置されたパターンをストライプパターンとも記載する。インクリメンタルスケール２１は、反射部と非反射部とからなるパターンを単位とする周期パターンである。したがって、スケール２０には、周期パターンが設けられている。 アブソリュートスケール２２は、円板２の回転の絶対角度を検出するための角度固有のパターンである。当該パターンは、リニアグレーコードである。 発光部３は、円板２に設けられたスケール２０へ光を照射する。発光部３は、光源として、一例として、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）を備える。図１に示す例では、発光部３からスケール２０へ照射された照射光のうち一部は、反射部２１０、及び反射部２１２によって反射され、残りの一部は非反射部２１１によって吸収されている。 受光部４は、複数の画素を備える。受光部４は、発光部３からスケール２０に照射されてスケール２０によって反射された光を当該複数の画素によって受光する。ここで受光部４とスケール２０との相対位置は、円板２に設けられた回転軸の回転によって変化する。受光部４は、一例として、ラインセンサカメラである。つまり受光部４では、複数の画素は一列に配置されている。また、受光部４では、複数の画素はそれぞれ、一例として、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）によって構成される。つまり、受光部４は、一例として、ＣＭＯＳイメージセンサを備える。 エンコーダ装置１は、反射型の光学式エンコーダである。エンコーダ装置１では、発光部３に備えられるＬＥＤの底面と、受光部４の面とは同一面である。そのため、エンコーダ装置１では、透過型の光学式エンコーダと比較して薄型である。エンコーダ装置１では、例えば、スケール２０と受光部４との間隔は４ｍｍから８ｍｍ程度である。そのため、エンコーダ装置１では、スケール２０によって反射された光は大きく発散する前に受光部４によって受光される。そのため、エンコーダ装置１では、レンズを備えることなく、常に像の倍率変化のないスケール２０の画像が取得される。 信号処理チップ５は、信号処理を行うＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）のチップである。 ここで図３を参照し、エンコーダ装置１を構成するチップの構成について説明する。図３は、本実施形態に係るエンコーダ装置１を構成するチップの構成の一例を示す図である。エンコーダ装置１は、信号処理チップ５と、第１センサチップ１０と、第２センサチップ１１とを備える。第１センサチップ１０には、第１リニアセンサ１００と、第１Ａ／Ｄ変換器１０１とが設けられる。第２センサチップ１１には、第２リニアセンサ１１０と、第２Ａ／Ｄ変換器１１１とが設けられる。 第１リニアセンサ１００は、インクリメンタルスケール２１を読み取るためのラインセンサカメラである。第１リニアセンサ１００は、ＬＥＤ１２からインクリメンタルスケール２１に照射されてインクリメンタルスケール２１によって反射された光を受光する。 第１Ａ／Ｄ変換器１０１は、第１リニアセンサ１００からの出力をデジタル出力に変換する。 第２リニアセンサ１１０は、アブソリュートスケール２２を読み取るためのラインセンサカメラである。第２リニアセンサ１１０は、ＬＥＤ１２からアブソリュートスケール２２に照射されてアブソリュートスケール２２によって反射された光を受光する。 第２Ａ／Ｄ変換器１１１は、第２リニアセンサ１１０からの出力をデジタル出力に変換する。 第１リニアセンサ１００と第２リニアセンサ１１０とは、一例として、同じ種類のリニアセンサである。当該リニアセンサには、インクリメンタルスケール２１を読み取るためのモードと、アブソリュートスケール２２を読み取るためのモードとを有する。第１リニアセンサ１００は、インクリメンタルスケール２１を読み取るためのモードに切り替えられた当該リニアセンサである。第２リニアセンサ１１０は、アブソリュートスケール２２を読み取るためのモードに切り替えられた当該リニアセンサである。 なお、第２リニアセンサ１１０として、第１リニアセンサ１００とは異なる種類のリニアセンサがグレーコードを読み取るために用いられてもよい。 上述したように、信号処理チップ５は、ＡＳＩＣのチップである。信号処理チップ５は、第１Ａ／Ｄ変換器１０１によってデジタル出力に変換された第１リニアセンサ１００からの出力に基づいて、円板２の回転の相対角度を検出する。また、信号処理チップ５は、第２Ａ／Ｄ変換器１１１によってデジタル出力に変換された第２リニアセンサ１１０からの出力に基づいて、円板２の回転の絶対角度を検出する。 なお、第１リニアセンサ１００、及び第２リニアセンサ１１０は、受光部４（図１）に含まれる。ＬＥＤ１２は、発光部３（図１）に含まれる。 ここで図４を参照し、信号処理チップ５によって実現される機能としての信号処理部６について説明する。図４は、本実施形態に係る信号処理部６の機能構成の一例を示す図である。信号処理部６は、位相検出部６０と、カウント部６１と、相対位置検出部６２と、絶対位置検出部６３と、基準波形作成部６４と、動作切替部６５と、記憶部６６とを備える。これらの機能部は、ＡＳＩＣとして実現される。 位相検出部６０は、インクリメンタルスケール２１の位相を検出する。当該位相は、インクリメンタルスケール２１の１周期における位相である。位相検出部６０は、記憶部６６に予め記憶された基準の位相波形