JP2000018971A - エンコーダ - Google Patents

エンコーダ

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JP2000018971A
JP2000018971A JP10183714A JP18371498A JP2000018971A JP 2000018971 A JP2000018971 A JP 2000018971A JP 10183714 A JP10183714 A JP 10183714A JP 18371498 A JP18371498 A JP 18371498A JP 2000018971 A JP2000018971 A JP 2000018971A
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light
displacement
reflector
reflection
signal
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JP10183714A
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Toyomi Miyagawa
川 豊 美 宮
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Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転体の回転情報を検出するエンコーダにお
いて、単一の検出光学系と複数の反射部を円周方向に交
互に形成して構成したスケールを用いて、回転体の回転
位置と回転方向情報あるいは基準位置情報を検出できる
エンコーダを提供する。 【解決手段】 エンコーダ20は、光の反射量が異なる
第1および第2の反射部24(24a,24b),25
が円周方向に交互に形成され回転自在なスケールと、ス
ケールに対向配置された光ファイバ23と、反射部を検
出するための検出光学部31と得られた信号波形の信号
レベルによって比較し波形整形処理を行う比較部33,
34と比較部からのパルス信号から回転方向を示す信号
を検出処理する検出処理部35とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、エンコーダに関す
る。
【0002】
【従来の技術】回転運動あるいは直線運動する移動体の
変位を測定する装置としては、エンコーダが広く知られ
ている。
【0003】このようなエンコーダとしての、例えば、
回転変位を測定する光学式ロータリーエンコーダにおい
ては、光学的スリットを備えた回転体の変位を光センサ
により検出する構成になっている。
【0004】その一例を図9に示す。このエンコーダ1
は、回転支持された軸2に円板状の回転スケール3を固
定状態に取り付け、この回転スケール3に対向させて固
定状態に固定スケール5を設置したものである。
【0005】回転スケール3と固定スケール5を挟んで
一側には発光素子6を設け、その他側には受光素子7
a,7b,7cを対向して配置している。発光素子6か
ら発光された光を、回転スケール3の回転位置用スリッ
ト4aや基準位置用スリット4bを通過させる。この通
過した光をさらに固定スケール5の各スリット8a,8
b,8cを通過させて、受光素子7a,7b,7cでそ
れぞれ検出し、各受光素子で7a,7b,7cから図1
0に示す三つのパルス信号A,B,Cを出力する。
【0006】このようにして得られた信号A、あるいは
信号Bのパルス数をカウントすることで、回転位置
(量)が検出できる。
【0007】また、信号A,Bは90度の位相差がある
ように構成されており、パルス信号の立ち上がりを検出
することで回転方向の弁別が可能となる。
【0008】さらに、信号Cは1回転に1パルスの信号
が得られ、1回転中の基準位置を検出できる。
【0009】以上の3信号が得られることで、絶対位置
の検出も可能にしている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】このようなエンコーダ
の出力信号を100m以上の長距離伝送させる場合にお
いて、電線を用いるとノイズの影響等で信号劣化が生じ
るのが避けられない。
【0011】このようなノイズを避けるため、光ファイ
バを用いた装置が使用されている。つまり、上記に説明
したエンコーダにおいて、発光素子および受光素子に光
ファイバをつないで、これらの光学素子を本体側に搭載
させず、遠隔地に設置する構造の光ファイバエンコーダ
としたものもある。
【0012】しかし、図9のエンコーダに光ファイバを
適用しようとすると、検出対象としての信号を得るため
の検出部が、信号の数だけ必要となり、光ファイバも同
じ数だけ用いる必要がある。機器と機器とを接続させる
ケーブル類は本数が多くなると、外径が太くなり、重量
が増し、収納時のスペースも大きくなるという問題点が
あった。
【0013】そこで、本発明はこのような点を考慮して
なされたものであり、光ファイバの本数を少なくしつつ
も、回転体の回転に関する情報(回転位置と回転方向、
基準位置)を検出できるエンコーダを提供することを目
的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明のエンコーダは、
変位を測定する測定対象と一体的に変位可能な反射体
と、この反射体に照射された光からの反射光を受けて電
気信号に変換する受光装置と、この受光装置からの前記
電気信号を受け、所定の処理をすることにより、前記反
射体の変位量及び変位の方向を検出する信号処理回路と
を備え、前記反射体は、その表面に前記光を反射する複
数の反射ユニットが前記変位の方向に沿って繰り返して
形成されており、この各反射ユニットは、前記変位の一
方向に対しては前記光についての反射量を順次増大し、
他方向に対しては順次減少する反射面を有するものとし
て構成されている。
【0015】さらに、本発明の他のエンコーダは、回転
変位を測定する測定対象と一体的に回転可能な反射体
と、この反射体に照射された光からの反射光を受けて電
気信号に変換する受光装置と、この受光装置からの前記
電気信号を受け、所定の処理をすることにより、前記反
射体の回転変位量及び回転の方向を検出する信号処理回
路とを備え、前記反射体は、回転中心のまわりのある円
周の所定間隔毎の基準位置に、前記照射される光を前記
基準位置を示す基準反射光として反射する基準反射面が
形成されており、これらの基準反射面のうちの2つの隣
り合うものによって挟まれた隙間部分に回転方向表示反
射面が形成されており、ある隙間部分に形成された回転
方向表示反射面からの反射光は、これを一方向あるいは
他方向に隣り合う隙間部分に形成された回転方向表示反
射面からの反射光よりも、反射光の反射量が増大あるい
は減少するように、反射面の面積が増大あるいは減少す
るものとして構成されている。
【0016】
【発明の実施の形態】以下に図1から図8を参照して、
本発明によるエンコーダの一実施の形態について説明す
る。
【0017】図1〜図5はある実施例を示し、図6〜図
8はそれと異なる実施例を示す。
【0018】図1は、ある実施例としてのエンコーダ2
0における全体の概略構成を示す図である。
【0019】この図1において、円板(反射体)21は
回転軸22と一体化され、図示しない軸受等で回転可能
に支持されている。
【0020】図1、図2に示すように、円板21には、
第1の反射部24と第2の反射部25が交互に繰り返し
て形成された信号発生面26を有している。第2の反射
部25は、第1の反射部24の反射光量に比べて、反射
量が少なくなるように構成されている。
【0021】第2の反射部25は、いわゆる地の部分で
あり、ガラスからなる円板21の材料特性をそのまま利
用したもので、第1の反射部24に比して反射光量に大
きな差がでるように構成している。さらに、第1の反射
部24は、2つの部分、つまりそれぞれ反射率が異なる
材料で形成された高反射量部24aと低反射量部24b
を有している。
【0022】この第1の反射部24は、ガラス等の板素
材上に特定の材料を蒸着してなるもので、そのうち高反
射量部24aがアルミや金などの材料を、低反射量部2
4bは高反射量部24aに使用した材料より低反射量の
材料としてのクロムなどを蒸着して構成される。
【0023】特に図1に示すように、第1の反射部24
においては、高反射量部24aと低反射量部24bが円
周方向に並んだ状態に形成されている。これにより、信
号発生面26には、CW方向に高反射量部24a、低反
射量部24b、第2の反射部25が円周方向に順次並
び、反射ユニットをなし、これが繰り返したものとなっ
ている。
【0024】図1において、光ファイバ23は、円板2
1の信号発生面26に対向するように配置され、信号発
生面26に形成されている第1、第2の反射部24,2
5の反射光量が検出できる位置に設置されている。光フ
ァイバ23は、その受光端面が信号発生面26とある間
隔をもって対向設置される。ここで、光ファイバ23は
1本の光ファイバを有するものとして構成されており、
光ファイバ23は投光用光ファイバと受光用光ファイバ
とを兼用している。なお、投光用と受光用として別々の
光ファイバを用いてもよい。
【0025】光ファイバ23は発光受光装置31に接続
されている。発光受光装置31は、図示は省略している
が、周知のように光照射部と光分離部と光受光部とから
構成されている。
【0026】発光受光装置31内の光受光部は増幅器3
2に接続されており、発光受光装置31で検出された光
信号は発光受光装置31内の光受光部で光電気変換さ
れ、増幅器32で増幅される。
【0027】増幅された電気信号S0は図3に示すよう
な波形の信号となる。電気信号S0は、しきい値レベル
L2によって波形整形する比較部33と、しきい値レベ
ルL1によって波形整形する比較部34に入る。比較部
33からは回転位置情報を示すパルス信号Paが出力さ
れ、比較部34からは回転方向判別情報の元となるパル
ス信号Phが出力される。出力されたこれら2つの信号
Pa,Phは図3(c)に示すパルス信号となる。
【0028】円板21の回転方向、即ち、時計方向回転
(CW方向)と反時計方向回転(CCW方向)のパルス
信号Phに注目する。パルス信号Paのパルス幅時間t
1に対する、信号Phの立ち上り遅れ時間t2が、回転
方向により大きく異なっているのがわかる。この違いに
基づく処理を検出処理部35で行って、回転方向判別情
報を示すパルス信号Pbをここから出力させる。即ち、
検出処理部35は、時間t1と時間t2を検出して、回
転方向を判定し、図3(d)に示すような回転方向判別
信号Pbを出力させる。これによって、全体としてのエ
ンコーダ20から、回転位置情報と回転方向判別情報の
2つの信号が出力できるようになっている。
【0029】次に図1の構成の本実施の形態の作用につ
いて説明する。
【0030】図1において、軸22を回転すると円板2
1も回転し、光ファイバ23の端部から出射される光ビ
ームは信号発生面26へ投光される。
【0031】信号発生面26には第1の反射部24a,
24bと第2の反射部25とが形成されている。このた
め、信号発生面26での反射光には、円板21の回転角
に応じて、高反射量部24aと低反射量部24bと反射
部25からの反射光が順次得られる。
【0032】このような反射光に基づいて、発光受光装
置31及び増幅器32を通じて、検出信号S0が得られ
る。
【0033】検出信号S0は、第1の反射部24と第2
の反射部25とが交互に配列されたことに起因する回転
位置検出信号と回転方向検出信号とが合成されて構成さ
れたものである。この検出信号S0を、二つのしきい値
レベルL1,L2で比較し、波形整形処理を行うことに
より、回転位置検出信号Paと回転方向検出する元信号
Phを出力する。そして、これらの信号Pa,Phを用
いて回転方向検出信号Pbを出力する。このような方法
によって、円板21の回転位置と回転方向の情報が得ら
れ、回転体の回転状態を的確に把握することができる。
【0034】このような構成によれば、検出に用いる光
ファイバとしては一本ですみ、光ファイバの本数を増や
す必要がない。
【0035】また、上述した実施例においては、回転体
の回転情報としては回転位置と回転方向判別の二つの情
報が得られる構造になっている。これに加えて、例え
ば、図2における円板21の信号発生面26における基
準位置部分に、高反射量部24aよりも反射光量が大き
くなるように超高反射量部を形成することができる。こ
のようにすれば、その時の得られる信号波形S1が、図
5(a)に示すように、基準位置部分の出力レベルが他
の部分よりもさらに高いレベルになった信号が得られ
る。
【0036】信号波形S1に対して、図5(b)に示す
ように、3つのしきい値レベルL1,L2,L3を有す
る比較器で波形整形処理を行う。これにより、それぞれ
の比較器から図5(d)に示す三つのパルス信号Pa,
Pb,Pcが得られる。つまり、新たにパルス信号Pc
が得られる。このパルス信号Pcは、回転体の基準位置
を示すパルス信号である。この信号Pcを、前述したパ
ルス信号Pa,Pbと組み合わせることにより、回転体
の回転情報として、回転位置、回転方向、基準位置の信
号が得られ、回転体の絶対位置検出も可能なエンコーダ
を構築することも可能になる。
【0037】上述した信号発生面26を有する円板21
は、図2に示す構成に限定されるものではない。例え
ば、図4(a)に示すように、第1の反射部38を円周
方向に対して反射量が異なるような形状にしてもよい。
このように第1の反射部38を形成した円板37を回転
させた場合にも、図3(a)に示すような形状の波形が
得られる。
【0038】また、円板は、図4(b)に示すような断
面形状も有した円板41としても良い。円板41は段差
44を有し、第1の反射部42は、段差44aと段差4
4bの2つの面に形成している。第2の反射部43は段
差44bの面上に形成している。円板41は、ガラス製
の板材を段差形状に加工し、その後、第1の反射部を加
工形成したものである。この場合は、第1の反射部の材
料は同一のものでもよい。段差44に起因して、この場
合も、図3(a)に示すような形状の波形が得られる。
【0039】次に、図6〜図8を参照しつつ、異なる実
施の形態について説明する。
【0040】図6は、エンコーダ120のみが図1のも
のと異なり、信号が入力され、処理される回路は図1の
ものと同等である。よって、ここではエンコーダ120
について主に説明する。
【0041】図6は異なる実施の形態としてのエンコー
ダ120の概略構成を示す図である。図6において、ス
ケール121は回転軸122と一体化され、図示しない
軸受等で回転可能に支持されている。図6、図7に示す
ようにスケール121は、第1の反射部124と第2の
反射部125が円周方向に交互に繰り返して形成される
信号発生面126を有している。
【0042】第2の反射部125は、第1の反射部12
4に比べて反射光量が低くなるように構成されている。
第2の反射部125は、ガラスからなるスケール121
の材料特性をそのまま利用して、反射光量の大きな差が
生じるように構成したものである。
【0043】さらに、第1の反射部124は、それぞれ
反射率が異なる材料で形成された高反射量部124aと
低反射量部124bの2つの部分を有している。スケー
ル121の第1の反射部124は、ガラス等の板素材上
に特定の材料を蒸着してなるもので、高反射量部124
aがアルミや金などの材料を蒸着して構成され、低反射
量部124bは、クロムなどの、高反射量部に使用した
材料よりも低反射な材料を蒸着して構成される。
【0044】図7に示す第1及び第2の反射部124,
125のパターンは以下の規則に沿って構成されてい
る。即ち、第2の反射部125を地の部分とし、そこに
第1の反射部124が形成されている。この第1の反射
部124は高反射量部124aと低反射量部124bを
有している。これらのうち、高反射量部124aが所定
の回転角度で形成されている。2つの高反射量部124
a,124aの間に、低反射量部124bを、1つ又は
2つ又は3つを選択的に形成する。CW方向にみれば、
1つ、2つ、3つの順序に並び、これがCW方向に複数
回繰り返されるように配置されている。
【0045】すなわち、信号発生面126におけるある
円周上における所定間隔毎の基準位置に、基準反射面と
しての高反射量部124aが形成されている。2つの高
反射量部124a,124aの隙間部分に、回転方向表
示反射面としての低反射量部124bが形成されてい
る。この低反射量部124bは、単位反射面と見ること
もでき、その数は、一方向についてみれば、1つ、2
つ、3つと数が増え、これを繰り返している。他方向に
ついてみれば、3つ、2つ、1つと数が減り、これを繰
り返している。これにより、回転方向がわかる。また、
高反射的量部124aからの反射光によって、前記基準
位置が把握される。
【0046】増幅器32で増幅された電気信号S0は、
図8に示すような信号となる。この実施の態様の特徴
は、簡単には、図8(a)の信号S0において、高い山
Hの間に低い山Lが挟まれているが、挟まれている低い
山Lの数が増えることを繰り返すのか、減ることを繰り
返すのかによって回転方向を知得し、高い山Hの周期数
によって回転角度を知得しようとするものである。
【0047】このための信号処理が図6の回路で行われ
るのである。即ち、電気信号S0は、図8(b)に示す
しきい値レベルL2によって波形整形される比較部33
と、図8(b)に示すしきい値レベルL1によって波形
整形される比較部34に入る。比較部33からは回転位
置情報を示すパルス信号Paが出力され、比較部34か
らは回転方向判別情報の元となるパルス信号Pnが出力
される。出力されたこれら2つの信号Pa,Pnは図8
(c)のようなパルス信号である。
【0048】時計方向回転(CW方向)と反時計方向回
転(CCW方向)の2つの方向について、パルス信号P
nに注目すると、パルス信号Paのパルス幅時間内に含
まれるパルス信号Psの数が、回転方向により、規則性
をもって変化するようになっている。
【0049】この例では、CW方向では数が1、2、
3、1、2と増加を繰り返すように変化し、CCW方向
ではこの数が1、3、2、1、3、2と減少を繰り返す
ように変化する。
【0050】この変化することを検出処理部35で検出
処理して、回転方向判別情報を示すパルス信号Pbとし
て出力させる。
【0051】検出処理部35は、図8(d)に示すよう
な、回転位置信号Paと回転方向を判定する回転方向判
別信号Pbを出力させる。よって、一つの検出光学系で
構成されているエンコーダから回転位置情報と回転方向
判別情報の2つの信号が出力できるようになっている。
【0052】次にこのような構成の本実施の形態の作用
について説明する。
【0053】図6において、軸を回転するとスケール1
21はそれと共に回転し、光ファイバ23の端部から射
出される光ビームは信号発生面126へ投光される。
【0054】信号発生面には第1の反射部124a,1
24bと第2の反射部125とが形成されている。
【0055】信号発生面126で反射された光信号から
は、スケール121の回転角に応じて、高反射量部12
4aと、低反射量部124bと反射部125とからの信
号が合成された検出信号が得られる。
【0056】検出信号S0は、第1の反射部124と第
2の反射部125とが交互に配列されたことに起因する
回転位置検出信号と回転方向に準じた検出信号が合成さ
れて構成されたものである。
【0057】この検出信号S0を、二つのしきい値レベ
ルL1,L2で比較し、波形整形処理を行い、回転位置
検出信号Paと回転方向検出する元信号Pnを出力す
る。そして、信号Pa,Pnを用いて回転方向検出信号
Pbを出力する。
【0058】このような方法によって、スケール121
の回転位置と回転方向の情報が得られ、回転体の回転状
態を的確に把握することができる。この構成によれば、
検出する光ファイバの数が一本ですみ、光ファイバの本
数を増やす必要がない。
【0059】また、上述した実施例においては、回転体
の回転情報としては、回転位置と回転方向判別の二つの
情報が得られる構造になっている。さらに、図5の基準
位置を示すPcと同様の信号を得るに当り、図8の信号
Psの数を0や4のように、一般的でない数とし、この
数を検出したときに回転体の基準位置を示す信号Pcを
出力するようにすることができる。よって、前述したパ
ルス信号Pa,Pbに新たなパルス信号Pcを加えた三
つのパルス信号で、回転体の回転情報としての回転位
置、回転方向、基準位置の信号が得られ、回転体の絶対
位置検出も可能なエンコーダを構築することも可能にな
る。
【0060】上記実施形態の説明では、測定を回転角度
又は回転変位としたが、直線的な変位であっても本発明
を適用可能である。直線的な変位は、半径が無限大に大
きくなったときの回転変位とみることができる。
【0061】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によ
れば、光ファイバを用いた単一の検出光学系で、回転体
の回転位置情報、回転方向情報、基準位置情報を独立に
出力できるので、部品点数の削減が図られ、接続される
光ファイバも細径化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるエンコーダの実施形態を示す全体
構成図。
【図2】本発明による図1のエンコーダの円板の端面の
概略構成を示す図。
【図3】本発明による動作を説明するための、図1のエ
ンコーダの各部における信号(出力信号(a)、しきい
値レベル(b)、波形整形されたパルス信号Pa,Pb
(c)、回転位置と回転方向を示す出力信号(d))を
示す図。
【図4】本発明の他の実施例としての円板の平面的概略
構成を示す図(a)及び円板のさらに他の実施例として
の断面形状を示す概略断面図。
【図5】本発明の他の実施例による動作を説明するため
の図3に対応する図。
【図6】本発明による他の実施例としてのエンコーダを
示す全体構成図。
【図7】本発明による図6のエンコーダにおけるスケー
ルの概略構成を示す図。
【図8】本発明による図6のエンコーダの動作を説明す
るためのそれの各部における信号(出力信号(a)、し
きい値レベル(b)、波形整形されたパルス信号Pa,
Pn(c)、回転位置と回転方向を示す出力信号
(d))を示す図。
【図9】従来例としてのエンコーダの概略構成図。
【図10】図9のエンコーダの出力波形図。
【符号の説明】
21,36,41 円板 22,122 軸 23 光ファイバ 24a,124a 高反射量部(第1の反射部) 24b,124b 低反射量部(第1の反射部) 25,39,43,125 第2の反射部 26,126 信号発生面 31 発光受光装置 32 増幅器 33,34 比較部 35,37,46 信号処理部 38,42 第1の反射部 44a 第1の表面 44b 第2の表面 121 スケール

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】変位を測定する測定対象と一体的に変位可
    能な反射体と、 この反射体に照射された光からの反射光を受けて電気信
    号に変換する受光装置と、 この受光装置からの前記電気信号を受け、所定の処理を
    することにより、前記反射体の変位量及び変位の方向を
    検出する信号処理回路とを備え、 前記反射体は、その表面に前記光を反射する複数の反射
    ユニットが前記変位の方向に沿って繰り返して形成され
    ており、この各反射ユニットは、前記変位の一方向に対
    しては前記光についての反射量を順次増大し、他方向に
    対しては順次減少する反射面を有するものとして構成さ
    れている、ことを特徴とするエンコーダ。
  2. 【請求項2】前記変位は回転変位であり、前記反射体は
    前記対象物と共に回転可能に構成されていることを特徴
    とする請求項1に記載のエンコーダ。
  3. 【請求項3】前記変位は直線変位であり、前記反射体は
    前記対象物と共に直線移動可能に構成されていることを
    特徴とする請求項1に記載のエンコーダ。
  4. 【請求項4】前記信号処理回路は、前記反射体から得ら
    れる反射光に基づく前記電気信号の周期数と1周期にお
    いて反射光の強度が時間と共に増大しているか、減少し
    ているかに基づいて、変位量と変位方向を検出するもの
    として構成されていることを特徴とする請求項1〜3の
    いずれかに記載のエンコーダ。
  5. 【請求項5】回転変位を測定する測定対象と一体的に回
    転可能な反射体と、 この反射体に照射された光からの反射光を受けて電気信
    号に変換する受光装置と、 この受光装置からの前記電気信号を受け、所定の処理を
    することにより、前記反射体の回転変位量及び回転の方
    向を検出する信号処理回路とを備え、 前記反射体は、回転中心のまわりのある円周の所定間隔
    毎の基準位置に、前記照射される光を前記基準位置を示
    す基準反射光として反射する基準反射面が形成されてお
    り、これらの基準反射面のうちの2つの隣り合うものに
    よって挟まれた隙間部分に回転方向表示反射面が形成さ
    れており、ある隙間部分に形成された回転方向表示反射
    面からの反射光は、これを一方向あるいは他方向に隣り
    合う隙間部分に形成された回転方向表示反射面からの反
    射光よりも、反射光の反射量が増大あるいは減少するよ
    うに、反射面の面積が増大あるいは減少するものとして
    構成されている、ことを特徴とするエンコーダ。
  6. 【請求項6】前記回転方向表示反射面は、1乃至複数の
    うちのある数の単位反射面から構成されており、一方向
    あるいは他方向に隣り合うある所定数の回転方向表示反
    射面についてみれば、単位反射面の数が順次増大あるい
    は減少し、前記ある所定数ごとに前記増大あるいは減少
    を繰り返すものとして構成されていることを特徴とする
    請求項5に記載のエンコーダ。
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