JP2017106922A

JP2017106922A - 電子式アブソリュート型エンコーダ

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Publication number: JP2017106922A
Application number: JP2016240712A
Authority: JP
Inventors: ジョンカプナーダニエル; John Kapner Daniel
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2017-06-15
Anticipated expiration: 2036-12-12
Also published as: CN107036637B; JP6791741B2; DE102016224524A1; US20170167893A1; DE102016224524B4; CN107036637A; US9683869B1

Abstract

【課題】位置合わせ誤差に対してロバストであるアブソリュートエンコーダを提供する。【解決手段】電子式アブソリュート型エンコーダ１００はスケール１１０と検出器１２０を含む。スケール１１０は、空間波長λ１を有する第１の周期的パターン部１１１と、空間波長λ２を有する第２の周期的パターン部１１２とを含む。検出器１２０は、第１の波長検知要素のセット１２１と第２の波長検知要素のセット１２２を含む。第１の波長検知要素のセット１２１は空間波長λ２について１８０度の整数倍で離間される検知要素の相補的対を含む第１のフィルタリングサブセット１２３と第２のフィルタリングサブセット１２３’とを含む。第２の波長検知要素のセット１２２は、空間波長λ１について１８０度の整数倍で離間される検知要素の相補的対を含む第１のフィルタリングサブセット１２４と第２の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット１２４’とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、概して、精密測定器に関し、特に、アブソリュート型エンコーダに関する。

光学式、静電容量式又は電磁誘導式トランスデューサといった様々な位置トランスデューサが利用可能である。これらのトランスデューサは、読取ヘッド内の送信器及び受信器を使用して、スケールに対するその動きを測定する。幾つかのタイプのトランスデューサは、汚れに敏感であるため、それらを製造又は店舗環境において使用することは非現実的である。これに対し、電磁誘導式センサは、粒子、油、水及び他の流体による汚れの影響を受けない。特許文献１は、高精度応用に使用可能である誘導電流式位置トランスデューサについて説明している。特許文献２及び特許文献３は、信号発生及び処理回路を含む電磁誘導式インクリメンタル型ノギス及びリニアスケールについて説明している。特許文献４、特許文献５及び特許文献６は、誘導電流式トランスデューサを使用する電磁誘導式アブソリュート型ノギス及び電子式巻き尺について説明している。これらの特許に説明されるように、誘導電流式トランスデューサは、既知のプリント回路基板技術を使用して容易に製造可能である。

誘導電流式トランスデューサ（及び他のタイプのトランスデューサ）の様々な実施態様が、インクリメンタル型又はアブソリュート型エンコーダとして実施されうる。一般に、インクリメンタル型エンコーダは、スケールを使用し、当該スケールに対する読取ヘッドの変位量を、スケールに沿った初期点から開始して、変位量のインクリメンタル単位を蓄積することによって、求めることを可能にする。しかし、エンコーダが低電力消費デバイスにおいて使用されるような用途では、アブソリュート型エンコーダを使用することがより望ましい。アブソリュート型エンコーダは、スケールに沿った（読取ヘッドの）各位置において、一意の出力信号又は信号の組み合わせを提供する。アブソリュート型エンコーダは、位置を特定するために、インクリメンタル変位量の継続的な蓄積を必要としない。したがって、アブソリュート型エンコーダは、幾つかある利点の中で、様々な電力節約スキームを可能にする。

米国特許第６０１１３８９号明細書米国特許第５９７３４９４号明細書米国特許第６００２２５０号明細書米国特許第５８８６５１９号明細書米国特許第５８４１２７４号明細書米国特許第５８９４６７８号明細書

米国特許第６，０３４，６２４号は、アブソリュート型エンコーダに適している２つの異なる波長を有する２つの周期的パターン部を有するスケールについて開示している。しかし、この参照文献に開示される検出器は、その受信コイルがスケール全体の周囲に延在しないため、回転位置ずれに対する許容値が低い。更に、受信コイルが、トラック全体の周囲に延在したとしても、受信コイルは、２つの波長のそれぞれに対応する信号成分を分離することができない。位置合わせ誤差に対してロバストであるアブソリュートエンコーダの改良された構造が望ましい。

この概要は、詳細な説明において、以下に更に説明される簡略化された形式の概念のセレクションを紹介するために提供される。この概要は、請求項に係る主題の重要な特徴を特定することも、請求項に係る主題の範囲を決定する助けとして使用されることも意図していない。

例えば高精度電子式デジタルインジケータ、ノギス、マイクロメータ又はリニアスケールにおいて具体化できる電子式アブソリュート型エンコーダが提供される。エンコーダは、測定軸方向に沿って延在するスケールと、検出器と、検出器によって提供される検出器信号に基づいて、スケールに沿った検出器の絶対位置を決定する信号処理部とを含む。スケールは、スケールに沿った位置の関数として、空間波長λ_１を有する第１の周期的パターン部と、スケールに沿った位置の関数として、空間波長λ_２を有する第２の周期的パターン部とを含む信号変調スケールパターンを含む。検出器は、測定軸方向に沿って配置される検知要素を含む。検知要素は、信号変調スケールパターンに対応する検出器信号の第１のセットを提供するように構成される第１の波長検知要素のセットと、信号変調スケールパターンに対応する検出器信号の第２のセットを提供するように構成される第２の波長検知要素のセットとを含む。第１の波長検知要素のセットは、それぞれ第１及び第２のパターン部を跨ぐ第１の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセットと、それぞれ第１及び第２のパターン部を跨ぐ第１の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセットとを含む。第１の波長検知要素のセットの第１及び第２のフィルタリングサブセットは、第１のフィルタリングサブセットの各検知要素が、空間波長λ_２について１８０度の整数倍の空間位相差で、測定軸方向に沿って、上記各検知要素から離間されている第２のフィルタリングサブセットにおける検知要素と相補的対を形成するように配置される。第２の波長検知要素のセットは、それぞれ第１及び第２のパターン部を跨ぐ第２の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセットと、それぞれ第１及び第２のパターン部を跨ぐ第２の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセットとを含む。第２の波長検知要素のセットの第１及び第２のフィルタリングサブセットは、第１のフィルタリングサブセットの各検知要素が、空間波長λ_１について１８０度の整数倍の空間位相差で、測定軸方向に沿って、上記各検知要素から離間されている第２のフィルタリングサブセットにおける検知要素と相補的対を形成するように配置される。

図１は、電子式アブソリュート型エンコーダの第１の実施形態の模式図である。図２Ａは、図１の電子式アブソリュート型エンコーダに使用されうる検出器の第１の波長検知要素のセットの模式図である。図２Ｂは、図１の電子式アブソリュート型エンコーダに使用されうる検出器の第２の波長検知要素のセットの模式図である。図３Ａは、電子式アブソリュート型エンコーダに使用されうる検出器の模式図である。図３Ｂは、電子式アブソリュート型エンコーダに使用されうる検出器の模式図である。図４は、電子式アブソリュート型エンコーダ内のスケールに沿って空間波長に対する検出器のフィルタ係数を示すチャートである。図５は、電子式アブソリュート型エンコーダ内のスケールの第１の信号変調スケールパターン及び第２の信号変調スケールパターンの波長の様々な組み合わせに対するフィルタ係数及び合成空間波長を示すチャートである。図６Ａは、電子式アブソリュート型エンコーダに使用されうる検出器の第１の波長検知要素のセットの模式図である。図６Ｂは、図６Ａに示される検出器の第２の波長検知要素のセットの模式図である。図７は、電子式アブソリュート型エンコーダの第２の実施形態に使用されうるスケールの構造を示す模式図である。図８は、電子式アブソリュート型エンコーダの第３の実施形態に使用されうるスケール及び検出器を示す図である。

図１は、電子式アブソリュート型エンコーダ１００の第１の実施形態の模式図である。電子式アブソリュート型エンコーダ１００は、測定軸方向ＭＡに沿って延在するスケール１１０と、検出器１２０と、検出器１２０によって提供される検出器信号に基づき、スケール１１０に沿った検出器１２０の絶対位置を決定する信号処理部１３０とを含む。スケール１１０は、スケール１１０に沿った位置の関数として、空間波長λ_１を有する第１の周期的パターン部１１１と、スケール１１０に沿った位置の関数として、空間波長λ_２を有する第２の周期的パターン部１１２とを含む信号変調スケールパターンを含む。スケール１１０は、測定軸方向と平行に位置合わせされる円柱軸を有する円筒形を有し、第１の周期的パターン部１１１が、片側に配置されるノッチ又は溝として形成され、第２の周期的パターン部１１２が、もう片側に配置されるノッチ又は溝として形成されている。スケール１１０は、アルミニウム又はスチールといった材料から形成されてよい。検出器１２０は、測定軸方向ＭＡに沿って配置される検知要素を含む。検知要素は、スケールを取り囲むループを含む。検知要素は、信号変調スケールパターンに対応する検出器信号の第１のセットを提供するように構成される第１の波長検知要素のセット１２１と、信号変調スケールパターンに対する第２の波長検知要素のセット１２２とを含む。第１の波長検知要素のセット１２１は、それぞれ第１及び第２のパターン部１１１及び１１２を跨ぐ第１の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット１２３と、それぞれ第１及び第２のパターン部１１１及び１１２を跨ぐ第１の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット１２３’とを含む。第１の波長検知要素のセット１２１の第１及び第２のフィルタリングサブセット１２３及び１２３’は、第１のフィルタリングサブセット１２３の各検知要素が、空間波長λ_２について１８０度の整数倍の空間位相差で、測定軸方向ＭＡに沿って、当該各検知要素から離間されている第２のフィルタリングサブセット１２３’における検知要素と相補的対を形成するように配置される。各波長検知要素は、簡単にするために、破線としてマークされる。第２の波長検知要素のセット１２２は、それぞれ第１及び第２のパターン部１１１及び１１２を跨ぐ第２の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット１２４と、それぞれ第１及び第２のパターン部１１１及び１１２を跨ぐ第２の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット１２４’とを含む。第２の波長検知要素のセットの第１及び第２のフィルタリングサブセット１２４及び１２４’は、第１のフィルタリングサブセット１２４の各検知要素が、空間波長λ_１について１８０°の整数倍の空間位相差で、測定軸方向ＭＡに沿って、当該各検知要素から離間されている第２のフィルタリングサブセット１２４’における検知要素と相補的対を形成するように配置される。様々な実施形態において、検出器の検知要素は、電磁巻線を含む。電磁巻線は、信号変調スケールパターンに沿った位置の関数として、当該電磁巻線によって検知されるインダクタンス（インピーダンスとして測定される）の変化に対応する検出器信号を提供するように構成される。

検出器１２０及びスケール１１０は、一実施態様では、変化する磁場を発生させることによって動作する渦電流トランスデューサとして構成される。幾つかの実施形態では、各波長検知要素に変化する電流を提供することによって提供される変化する磁場は、スケール１１０において、渦電流として知られている循環する電流をもたらし、これは、第１の周期的パターン部１１１及び第２の周期的パターン部１１２に沿ったスケール１１０の材料の厚さに応じて変化する。検出器１２０の波長検知要素の実効インダクタンスは、各渦電流によって影響され、これに対応して、スケール１１０のアブソリュート信号範囲に沿って検出器１２０の各位置を一意に示すように、アブソリュート信号範囲に沿って変化する信号特性を有する絶対位置検出器信号を提供する。或いは、本明細書に開示される原理に従って構成される電子式アブソリュート型エンコーダは、検出器１２０の検知要素と同様に配置される送信及び受信巻線を含む特許文献１に開示される構造と同様のトランスタイプの構造を使用してもよい。

測定軸方向ＭＡに沿った位置ｘの関数として、単一の波長検知素子によって提供される信号は、基本信号、第２高調波及び一定オフセットの和としてモデリングできる：

Ｌ_１及びＬ_２項は、それぞれ、各自の位相オフセットθ_１及びθ_２を有する第１の波長λ_１及び第２の波長λ_２の基本信号である。Ｌ_３及びＬ_４項は、それぞれ、各自の位相オフセットθ_３及びθ_４を有する第１の波長λ_１及び第２の波長λ_２の第２高調波である。β項は、一定オフセットである。

当然ながら、スケール１１０は、電子式インジケータゲージのシャフト上に組み立てられるのに適した円筒形である。しかし、例えば図７に示されるように、同様の構造体を平面配置で使用してもよい。

本明細書に開示される原理に従って構成される幾つかの実施形態では、信号処理部１３０は、第２の周期的パターン部１１２による信号成分（例えば式１のＬ_２及びＬ_４項）を抑制して、第１の波長空間位相測定信号を提供するように、検出器信号の第１のセットを処理し、また、第１の周期的パターン部１１１による信号成分（例えば式１のＬ_１及びＬ_３項）を抑制して、第２の波長空間位相測定信号を提供するように、検出器信号の第２のセットを処理するように構成される。幾つかの実施形態では、信号処理部１３０は、第１の波長空間位相測定信号を処理し、空間波長λ_１に対する第１の波長検知要素のセット１２１の空間位相測定値を決定し、また、第２の波長空間位相測定信号を処理し、空間波長λ_２に対する第２の波長検知要素のセット１２２の空間位相測定値を決定するように構成されてよい。

図２Ａは、電子式アブソリュート型エンコーダ１００に使用されうる検出器２２０の第１の波長検知要素のセット２２１の摸式図であり、さらなる詳細を示す。第１の波長検知要素のセット２２１は、第１の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット２２３と、第１の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット２２３’とを含む。図２Ａに示されるように、第１の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット２２３は、測定軸方向ＭＡに沿って位相位置Ａ１、Ｂ１、Ｃ１及びＤ１をサンプリングするように構成される検知要素を含む。より具体的には、位相信号Ａ１、Ｂ１、Ｃ１及びＤ１は、第１の波長λ_１の０、９０、１８０及び２７０度の相対位相位置に対応する。第１の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット２２３’は、測定軸方向ＭＡに沿って位相Ａ１’、Ｂ１’、Ｃ１’及びＤ１’をサンプリングするように構成される検知要素を含む。より具体的には、位相信号Ａ１’、Ｂ１’、Ｃ１’及びＤ１’は、第１の波長λ_１の０、９０、１８０及び２７０度の相対位相位置に対応する。第１の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット２２３は、当該第１のフィルタリングサブセット２２３の各検知要素が、第２の空間波長λ_２について１８０度の整数倍の空間位相差で、測定軸方向ＭＡに沿って、当該各検知要素から離間されている第２のフィルタリングサブセット２２３’における検知要素と相補的対を形成するように配置される。より具体的には、Ａ１とＡ１’とは、測定軸方向ＭＡに沿って距離Ｋ_Ａ１ ^＊（０．５^＊λ_２）で離間されている相補的対であり、Ｂ１とＢ１’とは、測定軸方向ＭＡに沿って距離Ｋ_Ｂ１ ^＊（０．５^＊λ_２）で離間されている相補的対であり、Ｃ１とＣ１’とは、測定軸方向ＭＡに沿って距離Ｋ_Ｃ１ ^＊（０．５^＊λ_２）で離間されている相補的対であり、Ｄ１とＤ１’とは、測定軸方向ＭＡに沿って距離Ｋ_Ｄ１ ^＊（０．５^＊λ_２）で離間されている相補的対である。値Ｋ_Ａ１、Ｋ_Ｂ１、Ｋ_Ｃ１及びＫ_Ｄ１は、整数である。図２Ａに示される実施形態では、値Ｋ_Ａ１、Ｋ_Ｂ１、Ｋ_Ｃ１及びＫ_Ｄ１はすべて２であるが、当然ながら、この値は例示であり、限定ではない。更に、値Ｋ_Ａ１、Ｋ_Ｂ１、Ｋ_Ｃ１及びＫ_Ｄ１は同じ値である必要はない。

第１の波長位相φ_１に対応する信号を提供するために、各相補的対の信号は、信号処理部１３０において、電子的又は数学的に加算されうる。これは、次式：

によって与えられる直交信号

、

及び

を提供する。

式２乃至式５中、Ｋ_Ａ１、Ｋ_Ｂ１、Ｋ_Ｃ１及びＫ_Ｄ１が偶数値の場合、差が使用され、奇数値の場合、和が使用されてよい。直交信号

、

及び

は、次に、次式：

によって、第１の波長位相φ_１を決定するように使用されうる。

第２の空間波長λ_２について１８０度の整数倍の空間位相差で、相補的対を離間することで、各直交信号

、

及び

を決定することは、空間波長λ_２に対応するコモンモード値を取り去ることを理解すべきである。より具体的には、Ｋ_Ａ１、Ｋ_Ｂ１、Ｋ_Ｃ１及びＫ_Ｄ１が偶数値の場合、各相補的対によって提供される信号は、それぞれ、第２の波長λ_２に関し同位相を有し、Ｋ_Ａ１、Ｋ_Ｂ１、Ｋ_Ｃ１及びＫ_Ｄ１が奇数値の場合、各相補的対によって提供される信号は、それぞれ、第２の波長λ_２に関し逆位相を有する。

図２Ｂは、電子式アブソリュート型エンコーダ１００に使用されうる検出器２２０の第２の波長検知要素のセット２２２の摸式図であり、さらなる詳細を示す。第２の波長検知要素のセット２２２は、第２の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット２２４と、第２の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット２２４’とを含む。図２Ｂに示されるように、第２の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット２２４は、測定軸方向ＭＡに沿って位相位置Ａ２、Ｂ２、Ｃ２及びＤ２をサンプリングするように構成される検知要素を含む。より具体的には、位相信号Ａ２、Ｂ２、Ｃ２及びＤ２は、第２の波長λ_２の０、９０、１８０及び２７０度の相対位相位置に対応する。第２の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット２２４’は、測定軸方向に沿って位相Ａ２’、Ｂ２’、Ｃ２’及びＤ２’をサンプリングするように構成される検知要素を含む。より具体的には、位相信号Ａ２’、Ｂ２’、Ｃ２’及びＤ２’は、第２の波長λ_２の０、９０、１８０及び２７０度の相対位相位置に対応する。第２の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット２２４は、当該第１のフィルタリングサブセット２２４の各検知要素が、第１の空間波長λ_１について１８０度の整数倍の位相差で、測定軸方向に沿って、当該各検知要素から離間されている第２のフィルタリングサブセット２２４’における検知要素と相補的対を形成するように配置される。より具体的には、Ａ２とＡ２’とは、測定軸方向ＭＡに沿って距離Ｋ_Ａ２ ^＊（０．５^＊λ_１）で離間されている相補的対であり、Ｂ２とＢ２’とは、測定軸方向ＭＡに沿って距離Ｋ_Ｂ２ ^＊（０．５^＊λ_１）で離間されている相補的対であり、Ｃ２とＣ２’とは、測定軸方向ＭＡに沿って距離Ｋ_Ｃ２ ^＊（０．５^＊λ_１）で離間されている相補的対であり、Ｄ２とＤ２’とは、測定軸方向ＭＡに沿って距離Ｋ_Ｄ２ ^＊（０．５^＊λ_１）で離間されている相補的対である。値Ｋ_Ａ２、Ｋ_Ｂ２、Ｋ_Ｃ２及びＫ_Ｄ２は、整数である。図２Ｂに示される実施形態では、値Ｋ_Ａ２、Ｋ_Ｂ２、Ｋ_Ｃ２及びＫ_Ｄ２はすべて２であるが、当然ながら、この値は例示であり、限定ではない。更に、値Ｋ_Ａ２、Ｋ_Ｂ２、Ｋ_Ｃ２及びＫ_Ｄ２は同じ値である必要はない。

第２の波長位相φ_２に対応する信号を提供するために、各相補的対の信号は、信号処理部１３０において、電子的又は数学的に加算されうる。これは、次式：

によって与えられる直交信号

、

及び

を提供する。

式７乃至式１０中、Ｋ_Ａ２、Ｋ_Ｂ２、Ｋ_Ｃ２及びＫ_Ｄ２が偶数値の場合、差が使用され、奇数値の場合、和が使用されてよい。直交信号直交信号

、

及び

は、次に、次式：

によって、第２の波長位相φ_２を決定するように使用されうる。

空間波長λ_２について１８０度の整数倍の位相差で、相補的対を離間することで、各直交信号直交信号

、

及び

を決定することは、第１の空間波長λ_１に対応するコモンモード値を取り去ることを認識すべきである。より具体的には、Ｋ_Ａ２、Ｋ_Ｂ２、Ｋ_Ｃ２及びＫ_Ｄ２が偶数値の場合、各相補的対によって提供される信号は、それぞれ、第１の波長λ_１に関し同位相を有し、Ｋ_Ａ２、Ｋ_Ｂ２、Ｋ_Ｃ２及びＫ_Ｄ２が奇数値の場合、各相補的対によって提供される信号は、それぞれ、第１の波長λ_１に関し逆位相を有する。

第１の周期的パターン部１１１及び第２の周期的パターン部１１２の波長検知要素によって提供されるアナログ信号間の空間位相差は、波長λ_１及びλ_２の積に比例し、また、それらの差の絶対値に反比例する距離に亘り、３６０度で変化する。この距離は、電子式アブソリュート型エンコーダ１００のほぼ絶対測定範囲である合成波長λ_ｓｙｎと呼ばれる場合もある。より具体的には、合成波長λ_ｓｙｎの値は、次式：

によって与えられうる。

第１の周期的パターン部１１１及び第２の周期的パターン部１１２からの各信号間の位相差は、既知の合成波長λ_ｓｙｎと共に使用されて、絶対位置を決定することができる。

幾つかの実施形態では、典型的な第１の波長λ_１は、２ｍｍであってよく、典型的な第２の波長λ_２は、２．３０８ｍｍであってよく、これは、１５ｍｍである合成波長λ_ｓｙｎを提供する。

本明細書に開示される原理に従って構成される幾つかの実施形態では、第１の波長検知要素のセットは、空間波長λ_１について３６０／Ｎ度の空間位相差で離間されるＮ個の空間位相に対応する検出器信号を提供するように構成されてよい。第２の波長検知要素のセットは、空間波長λ_２について３６０／Ｎ度の空間位相差で離間されるＮ個の一意の空間位相に対応するＮ個の検出器信号からなる第２のセットを含む検出器信号を提供するように構成されてよい。例えば図２Ａ及び図２Ｂに示される実施形態では、第１の波長検知要素のセット２２１は、空間波長λ_１について９０度の空間位相差で離間される４つの空間位相に対応する４つの検出器信号からなる第１のセットを含む検出器信号を提供するように構成され、第２の波長検知要素のセット２２２は、空間波長λ_２について９０度の空間位相差で離間される４つの一意の空間位相に対応する４つの検出器信号からなる第２のセットを含む検出器信号を提供するように構成される。ここでは、Ｎ＝４である。図６Ａ及び図６Ｂには、変形例である「３位相」システムが示され、ここでは、Ｎ＝３である。

幾つかの実施形態では、第１の波長検知要素の第１のサブセットの検知要素は、距離λ_１／Ｎで離間され、第２の波長検知要素の第１のサブセットの検知要素は、距離λ_２／Ｎで離間されていてよい。例えば図２Ａ及び図Ｂに示される実施形態では、第１の波長検知要素の第１のサブセットは、λ_１／４で離間される検知要素を含み、第２の波長検知要素の第１のサブセットは、λ_２／４で離間される検知要素を含む。３位相エンコーダを使用する他の実施形態では、第１の波長検知要素の第１のサブセットは、λ_１／３で離間される検知要素を含み、第２の波長検知要素の第１のサブセットは、λ_２／３で離間される検知要素を含む。当然ながら、当該他の実施形態では、検知要素が、λ_１／４又はλ_２／４よりも広い巻線を含んでいてもよい。この場合、より広い間隔が必要でありうる。例えば本願の出願人による米国特許出願第１４／８７１，３８６号（２０１５年９月３０日出願）は、スケールと、スケールの空間波長の４分の３で離される空間位相検知要素を含む検出器とを含む４位相エンコーダについて開示している。

図３Ａは、電子式アブソリュート型エンコーダ１００と同様である電子式アブソリュート型エンコーダ３００Ａに使用されうる検出器３２０Ａの摸式図である。より具体的には、検出器３２０Ａは、第１の波長検知要素のセット３２１Ａと、第２の波長検知要素のセット３２２Ａとの直列配置である。第１の波長検知要素のセット３２１Ａは、第１の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット３２３Ａと、第１の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット３２３Ａ’とを含む。第２の波長検知要素のセット３２２Ａは、第２の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット３２４Ａと、第２の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット３２４Ａ’とを含む。

図３Ｂは、電子式アブソリュート型エンコーダ１００と同様である電子式アブソリュート型エンコーダ３００Ｂに使用されうる検出器３２０Ｂの摸式図である。より具体的には、検出器３２０Ｂは、第１の波長検知要素のセット３２１Ｂと、第２の波長検知要素のセット３２２Ｂとの交互配置である。第１の波長検知要素のセット３２１Ｂは、第１の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット３２３Ｂと、第１の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット３２３Ｂ’とを含む。第２の波長検知要素のセット３２２Ｂは、第２の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット３２４Ｂと、第２の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット３２４Ｂ’とを含む。第２の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット３２４Ｂは、測定軸方向ＭＡに沿って、第１の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット３２３Ｂと第１の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット３２３Ｂ’との間に配置される。

検出器３２０Ｂは、Ｋ_Ａ１、Ｋ_Ｂ１、Ｋ_Ｃ１、Ｋ_Ｄ１、Ｋ_Ａ２、Ｋ_Ｂ２、Ｋ_Ｃ２及びＫ_Ｄ２の値が大きい実施形態においてより好ましい。より具体的には、このような状況は、第１の波長検知要素のセット３２１Ｂが、第１の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット３２３Ｂと第１の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット３２３Ｂ’との間に広い間隔を有し、第２の波長検知要素のセット３２２Ｂが、第２の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット３２４Ｂと第２の波長検知要素のセットの第２のフィルタリングサブセット３２４Ｂ’との間に広い間隔を有する実施形態において生じる。このような場合、交互配置によって、よりコンパクトな検出器３２０Ｂを提供することができる。

図４は、電子式アブソリュート型エンコーダ１００といった４位相電子式アブソリュート型エンコーダ内のスケールに沿って空間波長に対する第１の波長λ_１を検出するように構成される検出器のフィルタ係数を示すチャート４００である。より具体的には、フィルタ係数は、第１の波長検知要素のセット２２１といった第１の波長検知要素のセットにおける相補的対の検知要素間のスケールの様々な空間波長の空間フィルタリングを表す伝達関数として理解されてよい。図４に示されるように、第２の空間波長λ_２ついて、フィルタ係数はゼロである。即ち、より具体的には、空間波長λ_２は、式６によって表される直交関係にある第１の波長位相φ_１の決定に寄与しないように、完全に減衰される。第１の空間波長λ_１において、フィルタ係数は、約１．２５である。第１の空間波長λ_１及び第２の空間波長λ_２の両方の第２高調波（即ち、λ_１／２及びλ_２／２）ついて、フィルタ係数はゼロである。即ち、より具体的には、第１の周期的パターン部１１１及び第２の周期的パターン部１１２の両方の第２高調波は、完全に減衰される。

図５は、４位相電子式アブソリュート型エンコーダ内のスケールの第１の周期的パターン部及び第２の周期的パターン部の波長の様々な組み合わせ、および、偶数整数値ｋによって表される検知要素の相補的対の間の分離の様々な度合いについてのフィルタ係数及び合成空間波長λ_ｓｙｎを示すチャート５００である。フィルタ係数は、第１の波長検知要素のセット２２１といった第１の波長検知要素のセットに関連する。値ｋは、Ｋ_Ａ１、Ｋ_Ｂ１、Ｋ_Ｃ１及びＫ_Ｄ１と同様であると理解されてよい。当然ながら、λ_１におけるフィルタ係数は、ｋの値と、λ_２／λ_１の比とに依存する。これらの値の様々な組み合わせが、λ_１について、より優れたフィルタ係数を与える一方で、依然として、波長λ_２、λ_２／２及びλ_１／２を完全に減衰させる。比λ_２／λ_１の所与の値について、より高い値のｋが、より高いフィルタ係数を与える。例えば比λ_２／λ_１＝１．１を有するスケールについて、ｋ＝２の値が、１．２４のフィルタ係数を与える。同じ比λ_２／λ_１について、ｋ＝２の値をｋ＝４に増加すると、２．３５のフィルタ係数が与えられる。

所与のｋ値について、比λ_２／λ_１の値が高いほど、フィルタ係数はより高くなる。しかし、λ_２／λ_１の値が低いほど、比λ_ｓｙｎ／λ_１によって表現されるように、絶対範囲はより大きくなる。例えば、比λ_２／λ_１の値が１．１であり、ｋ値が２である場合、フィルタ係数は、１．２４であり、比λ_ｓｙｎ／λ_１は、１０である。比λ_２／λ_１の値が１．０５であり、ｋ値が２である場合、フィルタ係数は、０．６３であり、比λ_ｓｙｎ／λ_１は、２１である。

図６Ａは、電子式アブソリュート型エンコーダ６００に使用されうる検出器６２０の第１の波長検知要素のセット６２１の摸式図である。電子式アブソリュート型エンコーダ６００は、３位相エンコーダである。第１の波長検知要素のセット６２１は、それぞれ第１及び第２の周期的パターン部１１１及び１１２を跨ぐ第１の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット６２３と、それぞれ第１及び第２の周期的パターン部１１１及び１１２を跨ぐ第１の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット６２３’とを含む。図６Ａに示されるように、第１の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット６２３は、測定軸方向に沿って位相信号Ａ_１、Ｂ_１及びＣ_１をサンプリングするように構成される検知要素を含む。より具体的には、位相信号Ａ_１、Ｂ_１及びＣ_１は、第１の波長λ_１の０、１２０及び２４０度に対応する。第１の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット６２３’は、測定軸方向に沿って位相信号Ａ_１’、Ｂ_１’及びＣ_１’をサンプリングするように構成される検知要素を含む。より具体的には、位相信号Ａ_１’、Ｂ_１’及びＣ_１’は、第１の波長λ_１の０、１２０及び２４０度に対応する。第１の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット６２３と第１の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット６２３’とは、距離λ_１／３で離間される検知要素を含む。位相信号Ａ_１、Ｂ_１、Ｃ_１、Ａ_１’、Ｂ_１’及びＣ_１’は、次の関係：

に従って、３つの組み合わせ位相信号α_１、β_１及びγ_１を提供するように組み合わされてよい。

これらの３つの組み合わせ位相信号は、次の関係：

に従って、３つのスター結線での信号Ｓ_αβ１、Ｓ_βγ１及びＳ_γα１を提供するように使用されてよい。

位相φ_１は、例えば米国特許第６，００５，３８７号に開示されているスター結線法に従って決定されてよい。位相φ_１は、次の関係：

によって与えられる。

図６Ｂは、電子式アブソリュート型エンコーダ６００に使用されうる検出器６２０の第２の波長検知要素のセット６２２の摸式図である。第２の波長検知要素のセット６２２は、それぞれ第１及び第２の周期的パターン部１１１及び１１２を跨ぐ第２の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット６２４と、それぞれ第１及び第２の周期的パターン部１１１及び１１２を跨ぐ第２の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット６２４’とを含む。図６Ｂに示されるように、第２の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット６２４は、測定軸方向に沿って位相信号Ａ_２、Ｂ_２及びＣ_２をサンプリングするように構成される検知要素を含む。より具体的には、位相信号Ａ_２、Ｂ_２及びＣ_２は、第２の波長λ_２の０、１２０及び２４０度に対応する。第２の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット６２４’は、測定軸方向に沿って位相信号Ａ_２’、Ｂ_２’及びＣ_２’を、この特定の順序でサンプリングするように構成される検知要素を含む。より具体的には、位相信号Ａ_２’、Ｂ_２’及びＣ_２’は、第２の波長λ_２の０、１２０及び２４０度に対応する。第２の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット６２４と第２の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット６２４’とは、距離λ_２／３で離間される検知要素を含む。位相信号Ａ_２、Ｂ_２、Ｃ_２、Ａ_２’、Ｂ_２’及びＣ_２’は、次の関係：

に従って、３つの組み合わせ位相信号α_２、β_２及びγ_２を提供するように組み合わされてよい。

これらの３つの組み合わせ位相信号は、次の関係：

に従って、３つのスター結線での信号Ｓ_αβ２、Ｓ_βγ２及びＳ_γα２を提供するように使用されてよい。

位相φ_２は、式１１と同じ方法に従って決定されてよい。位相φ_２は、次の関係：

によって与えられる。

図７は、電子式アブソリュート型エンコーダ７００の第２の実施形態に使用されうるスケール７１０の構造を示す摸式図である。スケール７１０は、スケールに沿った位置の関数として、空間波長λ_１を有する第１の周期的パターン部７１１と、スケールに沿った位置の関数として、空間波長λ_２を有する第２の周期的パターン部７１２とを含む信号変調スケールパターンを含む。第１の周期的パターン部７１１及び第２の周期的パターン部７１２は共に、それらの基本パターンを示すために、別々に示されている。スケール７１０は、第１の周期的パターン部７１１及び第２の周期的パターン部７１２が同じ領域にあり、両方のパターンと共に示される。スケール７１０は、測定軸方向に沿って延在する第１の平坦基板を含み、第１の周期的パターン部７１１及び第２の周期的パターン部７１２は、スケール７１０の測定軸方向ＭＡに沿って形成される。各検知要素は、第１の平坦基板との間に間隙を有して当該第１の平坦基板の付近に配置される第２の平坦基板上に形成されるほぼ平面状のループ巻線を含む。各検知要素は、測定軸方向ＭＡに沿って比較的短く、また、測定軸方向ＭＡを横断する方向に沿って比較的長い。すなわち、各検知要素は、測定軸方向ＭＡよりも測定軸方向ＭＡを横断する方向に沿って長く構成される。各検知要素は、測定軸方向ＭＡを横断する方向に沿って第１及び第２の周期的パターン部７１１及び７１２を跨ぐ。第１の周期的パターン部７１１及び第２の周期的パターン部７１２は、第１の材料からなる基板上に組み付けられる又は基板内に埋め込まれる第２の材料から形成される。第２の材料は、第１の材料とは異なる磁性を有する。幾つかの実施形態では、第１の周期的パターン部７１１及び第２の周期的パターン部７１２は、基板上の異なる層に形成されてもよい。幾つかの実施形態では、スケール７１０は、第１の周期的パターン部７１１及び第２の周期的パターン部７１２が銅線として提供されるＰＣＢ基板を含んでもよい。第１の周期的パターン部７１１及び第２の周期的パターン部７１２は、測定軸方向に沿って単一のトラックに重ね合わされて形成される。当然ながら、代替実施形態では、第１の周期的パターン部及び第２の周期的パターン部は、測定軸方向ＭＡに沿って別々のトラックとして形成されてもよい。この場合、検出器の検知要素は、別々のトラックの両方を跨ぐ。

図８は、電子式アブソリュート型エンコーダ８００の第３の実施形態に使用されうるスケール８１０及び検出器８２０を示す摸式図である。スケール８１０は、スケールに沿った位置の関数として、空間波長λ_１を有する第１の周期的パターン部８１１と、スケールに沿った位置の関数として、空間波長λ_２を有する第２の周期的パターン部８１２とを含む信号変調スケールパターンを含む。より具体的には、信号変調スケールパターンの幅は、空間波長λ_１及びλ_２の２つの正弦曲線の重ね合わせに応じて変化する。

検出器８２０は、検出器６２０と同様である３位相システムを含み、第１の波長検知要素のセット８２１と、第２の波長検知要素のセット８２２とが交互に配置されている。第１の波長検知要素のセット８２１は、第１の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット８２３と、第１の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット８２３’とを含む。第２の波長検知要素のセット８２２は、第２の波長検知要素の第１のフィルタリングサブセット８２４と、第２の波長検知要素の第２のフィルタリングサブセット８２４’とを含む。検出器８２０の交互配置は、検出器３２０Ｂの交互配置と同様であり、潜在的な空間制約問題を解決するコンパクトな検出器構造を提供する。

測定軸方向ＭＡに沿って単一のトラックに重ね合わされる第１の周期的パターン部８１１及び第２の周期的パターン部８１２によって形成されるパターンは、測定軸方向ＭＡに沿って延在するパターンの中央線に対し左右対称であるパターンである。

上記された様々な実施形態は、更なる実施形態を提供するように、組み合わされてもよい。本明細書において参照されたすべての米国特許及び米国特許出願は、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。様々な特許及び出願の概念を使用して更に別の実施態様を提供するように、必要に応じて、実施態様の態様が変更されてもよい。

上記詳細な説明に照らせば、これらの及び他の変更を実施形態に行うことができる。一般に、次の請求項において使用される用語は、請求項を、本明細書及び請求項に開示される特定の実施形態に限定すると解釈されるべきではなく、むしろ、当該請求項の等価物の全範囲内のあらゆる可能な実施形態を含むと解釈されるべきである。

Claims

測定軸方向に沿って延在するスケールであって、前記スケールに沿った位置の関数として、空間波長λ_１を有する第１の周期的パターン部と、前記スケールに沿った位置の関数として、空間波長λ_２を有する第２の周期的パターン部とを含む信号変調スケールパターンを含む、前記スケールと、
前記測定軸方向に沿って配置される検知要素を含む検出器と、
前記検出器によって提供される検出器信号に基づいて、前記スケールに沿った前記検出器の絶対位置を決定する信号処理部と、
を含み、
前記検知要素は、
前記信号変調スケールパターンに対応する検出器信号の第１のセットを提供するように構成される第１の波長検知要素のセットと、
前記信号変調スケールパターンに対応する検出器信号の第２のセットを提供するように構成される第２の波長検知要素のセットと、
を含み、
前記第１の波長検知要素のセットは、
それぞれ前記第１及び第２の周期的パターン部を跨ぐ前記第１の波長検知要素のセットの第１のフィルタリングサブセットと、
それぞれ前記第１及び第２の周期的パターン部を跨ぐ前記第１の波長検知要素のセットの第２のフィルタリングサブセットと、
を含み、
前記第１の波長検知要素のセットの前記第１及び第２のフィルタリングサブセットは、前記第１のフィルタリングサブセットの各検知要素が、前記空間波長λ_２について１８０度の整数倍の空間位相差で、前記測定軸方向に沿って、前記各検知要素から離間されている前記第２のフィルタリングサブセットにおける検知要素と相補的対を形成するように配置され、
前記第２の波長検知要素のセットは、
それぞれ前記第１及び第２の周期的パターン部を跨ぐ前記第２の波長検知要素のセットの第１のフィルタリングサブセットと、
それぞれ前記第１及び第２の周期的パターン部を跨ぐ前記第２の波長検知要素のセットの第２のフィルタリングサブセットと、
を含み、
前記第２の波長検知要素のセットの前記第１及び第２のフィルタリングサブセットは、前記第１のフィルタリングサブセットの各検知要素が、前記空間波長λ_１について１８０度の整数倍の空間位相差で、前記測定軸方向に沿って、前記各検知要素から離間されている前記第２のフィルタリングサブセットにおける検知要素と相補的対を形成するように配置される、電子式アブソリュート型エンコーダ。
前記信号処理部は、第１の波長空間位相測定信号を提供するように、前記検出器信号の第１のセットを処理するように構成され、前記第２の周期的パターン部による信号成分は抑制され、また、第２の波長空間位相測定信号を提供するように、前記検出器信号の第２のセットを処理するように構成され、前記第１の周期的パターン部による信号成分は抑制される、請求項１に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
前記信号処理部は、前記第１の波長空間位相測定信号を処理し、前記空間波長λ_１に対する前記第１の波長検知要素のセットの空間位相測定値を決定し、また、前記第２の波長空間位相測定信号を処理し、前記空間波長λ_２に対する前記第２の波長検知要素のセットの空間位相測定値を決定するように構成される、請求項２に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
前記第１の波長検知要素のセットの各相補的対における前記検知要素は、前記空間波長λ_２についてＫ１＊１８０度の空間位相差で離間され、ここで、Ｋ１は整数であり、
前記第２の波長検知要素のセットの各相補的対における前記検知要素は、前記空間波長λ_１についてＫ２＊１８０度の空間位相差で離間され、ここで、Ｋ２は整数であり、
Ｋ１及びＫ２は、偶数の整数である、請求項１から３の何れか１項に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
前記信号処理部は、各相補的対の前記検知要素に生じる信号間に差信号を提供するように構成され、
前記第１の波長検知要素のセットの前記差信号は、第１の波長空間位相測定信号を提供し、前記第２の周期的パターン部による信号成分は抑制され、
前記第２の波長検知要素のセットの前記差信号は、第２の波長空間位相測定信号を提供し、前記第１の周期的パターン部による信号成分は抑制され、
前記信号処理部は、前記第１の波長空間位相測定信号を処理し、前記空間波長λ_１に対する前記第１の波長検知要素のセットの空間位相測定値を決定し、また、前記第２の波長空間位相測定信号を処理し、前記空間波長λ_２に対する前記第２の波長検知要素のセットの空間位相測定値を決定するように構成される、請求項４に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
前記第１の波長検知要素のセットは、前記空間波長λ_１について３６０／Ｎ度の空間位相差で離間されるＮ個の空間位相に対応するＮ個の検出器信号の第１のセットを含む検出器信号を提供するように構成され、
前記第２の波長検知要素のセットは、前記空間波長λ_２について３６０／Ｎ度の空間位相差で離間されるＮ個の一意の空間位相に対応するＮ個の検出器信号の第２のセットを含む検出器信号を提供するように構成される、請求項１から５のいずれか１項に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
Ｎ＝３である、請求項６に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
Ｎ＝４である、請求項６に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
前記第１の波長検知要素のセットの前記第１のフィルタリングサブセットは、距離λ_１／Ｎで離間されるＮ個の検知要素を含み、
前記第２の波長検知要素のセットの前記第１のフィルタリングサブセットは、距離λ_２／Ｎで離間されるＮ個の検知要素を含む、請求項６から８のいずれか１項に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
前記スケールは、前記測定軸方向と平行に位置合わせされる円柱軸を有する円筒形であり、前記第１の周期的パターン部は、前記スケールに沿って配置されるノッチ又は溝として形成され、前記第２の周期的パターン部は、前記スケールに沿って配置されるノッチ又は溝として形成され、
前記検知要素は、前記スケールを取り囲むループを含む、請求項１に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
前記第１及び第２の周期的パターン部は、前記スケールに沿った第１及び第２のトラックにそれぞれ形成されるノッチを含む、請求項１から１０のいずれか１項に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
前記スケールは、第１の材料を含む平坦基板を含み、
前記第１の周期的パターン部及び前記第２の周期的パターン部は、前記平坦基板上に組み付けられる又は前記平坦基板内に埋め込まれる第２の材料から形成され、前記第２の材料は、前記第１の材料とは異なる磁性を有する、請求項１から９のいずれか１項に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
前記スケールは、前記測定軸方向に沿って延在する第１の平坦基板を含み、前記第１の周期的パターン部及び前記第２の周期的パターン部は、前記スケールの前記測定軸方向に沿って形成され、
前記検知要素は、それぞれ、前記第１の平坦基板との間に間隙を有して、前記第１の平坦基板の付近に配置される第２の平坦基板上に形成されるほぼ平面状のループ巻線を含み、各検知要素は、前記測定軸方向よりも前記測定軸方向を横断する方向に沿って長く、各検知要素は、前記測定軸方向を横断する前記方向に沿って前記第１及び第２の周期的パターン部を跨ぐ、請求項１から９のいずれか１項に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
前記第１の周期的パターン部及び前記第２の周期的パターン部は、前記測定軸方向に沿って、別々のトラックに形成される、請求項１３に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
前記第１の周期的パターン部及び前記第２の周期的パターン部は、前記測定軸方向に沿って、単一のトラックに重ね合わされて形成される、請求項１３に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
前記第１の周期的パターン部及び前記第２の周期的パターン部の、前記測定軸方向に沿って、単一のトラックに重ね合わされる場合に形成されるパターンは、前記測定軸方向に沿って延在するパターンの中央線に対し左右対称であるパターンである、請求項１５に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
前記検出器の前記検知要素は、電磁巻線を含み、前記電磁巻線は、前記信号変調スケールパターンに沿った位置の関数として、前記電磁巻線によって検知されるインダクタンスの変化に対応する検出器信号を提供するように構成される、請求項１から１６のいずれか１項に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
前記検出器及び前記スケールは、変化する磁場を発生させることによって動作する渦電流トランスデューサとして構成される、請求項１７に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。
前記第２の波長検知要素のセットの前記第１のフィルタリングサブセットは、前記測定軸方向に沿って、前記第１の波長検知要素のセットの前記第１のフィルタリングサブセットと、前記第１の波長検知要素のセットの前記第２のフィルタリングサブセットとの間に配置される、請求項１から１８のいずれか１項に記載の電子式アブソリュート型エンコーダ。