JP2007064949A - ロータリエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】 ディスクの回転中心とコードパターンが形成された円周の中心とがずれていても、ディスクの回転時に、偏心回転の影響を受けずに正確な測定が可能であるロータリエンコーダを提供する。
【解決手段】 角度情報を持つコードパターンが形成された円周と同心であって、コードパターン検出手段にコードパターンからの角度を読み取る位置情報を与える少なくとも１個のトラックパターンをディスクに形成する。そして、コードパターン検出手段を、ディスクの半径方向に直交して延在させて、１個のトラックパターンにつき２点を検出するように構成する。コードパターンから角度を読み取る位置は、トラックパターンの両検出位置を結ぶ線分上の中点と一致するように決定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、測角装置や回転角度検出器等に使用されるロータリエンコーダに関する。

この種のロータリエンコーダでは、回転軸に取り付けたディスクをＬＥＤ等の光源で照明し、ディスクからの透過光をＣＣＤリニアイメージセンサなどの受光素子で検出する構造になっている。ディスクには目盛角度の情報を保持するようにスリット列等のパターンが同一円周上に印刷されている。
このディスクを回転軸へ組み立てる際に、回転軸の回転中心と、同一円周上に印刷されているコードパターンが形成された円周の中心とが正確に−致しない場合がある。
このような組み立て状態では、前記ディスクの回転時に、コードパターンが形成された円周は偏心回転することになる。
この場合、測定された角度に誤差を生じるという問題があった。

このディスクの偏心回転に基づく誤差を消去するために、特開平７−１９８４２０号公報に示すロータリエンコーダでは、ディスクの１８０度対向した位置に第１検出手段と第２検出手段とを配置し、各検出手段で角度情報を読み取り、これらの読み取った角度を演算処理し、ディスクの偏心誤差を補正するように構成している（特許文献１参照）。

また、他の解決策として特開平１−２７６０１９号公報には、ディスクのコード部の内周と外周とに、ディスクの偏心を検出する互いに同相のトラックパターンを設け、このトラックパターンの読取出力を差動誘導する差動増幅回路と、回路からの出力が所定のレベル以上の場合に、ディスクの偏心を示す信号を出力する偏心報知出力回路が備えられている（特許文献２参照）。

特開平７−１９８４２０号公報 特開平１−２７６０１９号公報

しかしながら、特開平７−１９８４２０号公報記載のロータリエンコーダでは、検出手段を２個使用するために部品点数が増えるとともに、ロータリエンコーダ自体の構造が複雑になる。

また、特開平１−２７６０１９号公報記載のロータリエンコーダは、ディスクが偏心回転した時、単にその偏心回転を報知するように構成したものであるから、ディスクの偏心に基づく誤差を生じさせずに測定を行うことができない。そのため、偏心回転しないように、ディスクの回転中心とディスクのコードパターンが形成された円周の中心とを正確に−致させる調整を行う必要がある。

そこで、本発明の課題は、ディスクの回転中心とディスクのコードパターンが形成された円周の中心とがずれていて、前記ディスクの回転時に、コードパターンが形成された円周が偏心回転したとしても、偏心回転の影響を受けずに正確に測定が可能であって、部品点数を少なくして製造コストが低減できるとともに、それ自体の調整が容易であるロータリエンコーダを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明のロータリエンコーダのうち請求項１記載の発明は、同一円周上に所定の間隔を置いて形成された複数個のコードパターンを備えたディスクと、コードパターンを検出する検出手段とを備えたロータリエンコーダにおいて、コードパターンが形成された円周と同心であって、検出手段に角度の読取位置情報を与える少なくとも１個のトラックパターンがディスクに形成され、検出手段は、ディスクの半径方向に直交して延在し、１個のトラックパターンにつき２点を検出するように構成され、角度の検出位置がトラックパターンの両検出位置を結ぶ線分上の中点と一致するように制御されることを特徴とするものである。

また請求項２載の発明は、前記構成に加え、コードパターンの配列がアブソリュートコードを構成しているパターンであることを特徴とするものである。

本発明により、ディスクの回転中心と、コードパターンが形成された円周の中心とが正確に一致せず、ディスクの回転時に、コードパターンが形成された円周が偏心回転したとしても、偏心回転の影響を受けずに正確な測定が可能であり、また、部品点数を少なくして製造コストが低減できるとともに、それ自体の調整も容易となる。

以下に、本発明を光学式アブソリュートエンコーダに適用した場合の実施形態について説明するが、これに限定されるものではなく、磁気式エンコーダとして構成することも可能である。

図１は、本発明の光学式アブソリュートエンコーダの構成を概略的に示すものであり、図２はディスクの上面図である。
アブソリュートエンコーダは、ディスク上に形成された角度の情報を保持するアブソリュートコードを構成しているパターンを、検出器によって検出し、検出したコードに対応したディスクの絶対位置を求めるものである。アブソリュートコードはディスク全周にわたって重複するコードを含まないため、検出したコードからディスクの円周位置を一意に特定することができる。
したがって、本実施形態に係るアブソリュートエンコーダは、測定時、検出したコードを演算ユニットに設けられたＲＯＭ等の記憶素子に予め記憶させておいたコードを取り出し、一致する位置を特定することにより、ディスクの位置を求めるものである。

図１及び図２を参照して、本実施形態に係るアブソリュートエンコーダについて説明する。
アブソリュートエンコーダ１は、基本的には、回転軸４と、この回転軸４に固着されたディスクとがあり、さらに、ディスクを読み取るための検出手段と、検出した信号から角度を算出する演算ユニットとを備えている。
ディスクには半径方向に配置されたスリットが同一円周上に並んでおり、複数個のスリットが示す符号アルファベットの並びが角度情報を保持するアブソリュートコードを構成している。

ここで、符号アルファベットとは、スリットに対応づけられている情報である。
例えば、幅狭のスリットと幅広のスリットの２種類がある場合、幅狭のスリットにビット情報の”０”を、幅広のスリットにビット情報の”１”を対応づけることが考えられ、この場合の”０”及び”１”が符号アルファベットとなる。

角度を読み取るときは、アブソリュートコードを構成するアブソリュートパターン３１を備えたディスク３をＬＥＤで照明し、ディスクからの透過光をＣＣＤリニアイメージセンサで検出する。演算ユニットでは検出されたパターンの符号アルファベットの並びと、予め記憶されているコードとを比較して、一致する場所を探しディスクの絶対位置を求める。

ここで、アブソリュートコードとは、ある決まった個数の符号アルファベットの並びであり、この並び方によってディスク上の位置をディスク全周で一意に決定できるように構成されている。ディスクの位置とディスクの角度とを対応させることによりディスクの角度が特定できるようになっている。
コードとしては、例えばＭ系列などが使用可能である。

図２に示すように、アブソリュートパターン３１は、光を透過する複数個のスリット３２から構成されている。これらのスリット３２は、ディスク３のパターン中心を中心とする同一円周上に所定の間隔を置いて形成されている。

スリット３２には、２進数の”０”を示す幅狭のスリットと、２進数の”１”を示す幅広のスリットとの２種類がある。２進数の値の並びによって表されるアブソリュートコードは、例えば１２ｂｉｔのシリアルＭ系列符号が利用できる。
また、ディスク３には、検出手段２にアブソリュートパターン３１の検出位置情報を与えるため、トラックパターン３３が形成されている。

トラックパターン３３は、スリット３２が形成された円周と同心であってアブソリュートパターン３１の外側に配置されている。
また、トラックパターン３３は、例えば、トラックパターン上にごみ等が付着して、読取誤差を生じる可能性を考慮して、複数本とすることが好ましい。

図１においてアブソリュートパターン３１を検出する検出手段２は、ディスク３に対し光を照射する発光素子２１と、この発光素子２１からの光を平行光にするコリメータレンズ２２と、アブソリュートパターン３１を撮像する受光素子２３とから構成されている。
但し、検出手段２はコリメータレンズを除いても実現可能である。
発光素子２１には、例えば赤色可視光の発光ダイオード２１が使用される。

また、発光ダイオード２１は、ディスク３の３個所の領域を投影するために、３個の発光ダイオード２１が受光素子と対向して受光素子の長手方向と平行な直線上に配置されている。
コリメータレンズ２２を用いずに１個の発光ダイオード２１のみを使用して、発光ダイオードをトラックパターン３３とアブソリュートパターン３１との全体を照明できる位置に配置することもできる。

受光素子は例えばＣＣＤリニアイメージセンサ２３で構成されており、このＣＣＤリニアイメージセンサ２３は電荷を蓄積する複数個のピクセルが長手方向に一列に並べられたものであり、１ピクセル毎に出力データを読み取ることができ、その読み取られたデータはデジタル変換して取り扱かわれる。

また、ＣＣＤリニアイメージセンサ２３は、ディスク３の半径方向に直交するように配置され、両端の発光ダイオード２１により投影された各トラックパターン３３を撮像すると共に、ＣＣＤリニアイメージセンサ２３の中央部付近において、真中の発光ダイオード２１により投影されたアブソリュートバ夕一ン３１を撮像するようになっている。

アブソリュートパターン３１から角度を検出するＣＣＤリニアイメージセンサ２３上の位置は、ディスク３の両側のトラックパターン３３の各検出位置を結ぶ線分上の中点と一致するように決定される。

次に、本発明のロータリエンコーダについて、ディスクのアブソリュートパターンから角度を検出する位置を決定するトラックパターン３３が一本である場合について説明する。
先ず、３個の発光ダイオード２１からの光をコリメートレンズ２２で平行光にしてディスク３に照射し、ディスク３のアブソリュートパターン３１及びトラックパターン３３の像をＣＣＤリニアイメージセンサ２３に投影する。

この場合、アブソリュートパターン３１から角度を検出する位置は、図３（ａ）及び（ｂ）を参照して次のように決定される。
先ず、ディスク３への照射光Ｓｌ、Ｓ２によってＣＣＤリニアイメージセンサ２３にトラックパターン３３の像が撮像された時、トラックパターンの像の検出位置Ａ、Ｂ（図３（ｂ））を特定する。

ここで、トラックパターン３３の像の位置の特定方法について、図４を参照して説明する。
図４は、トラックパターン３３を撮像した領域のＣＣＤリニアイメージセンサ２３の各ピクセル番号（Ｘ座標）と、その各ピクセルにおける光量の大きさを示すＣＣＤ信号出力レベル（Ｙ座標）との関係を示す図である。
なお、ＣＣＤリニアイメージセンサからの出力信号は電圧であるが、これをＡ／Ｄ変換してデジタルデータに直し、ＣＰＵで扱えるデータに変換している。

先ず、図３のトラックパターン３３を撮像した領域のＣＣＤリニアイメージセンサ２３の各ピクセルにおける出力レベルの値から極大値及び極小値を求め、それらを図４に示す極大値レベル４１と極小値レベル４２に定める。

次いで、この極大値レベル４１と極小値レベル４２との差をその像の振幅とする。その振幅をｎ等分、ここでは８等分し、そのうち、極小値レベル４２から振幅の４／８及び５／８となるレベルをそれぞれスライスレベルＳｌ、Ｓ２と定める。
ここで、スライスレベルＳｌを上下に挟む隣り合うＣＣＤのピクセル番号をａとｂとする。
ａの座標を（Ｘａ、Ｙａ）、ｂの座標を（Ｘｂ、Ｙｂ）とすると、ａとｂを結ぶ直線は、以下の（１）式のように表わされる。

Ｙ−Ｙａ＝（Ｙｂ−Ｙａ）／（Ｘｂ−Ｘａ）・（Ｘ−Ｘａ）・・（１）式

そして、ａとｂとを結ぶ直線とスライスレベルＳｌとの交点におけるＸ座標成分をＣ１とする。Ｃｌは、以下の（２）式から定まる。

Ｃ１＝（Ｓ１−Ｙａ）・｛（Ｘｂ−Ｘａ）／（Ｙｂ−Ｙａ）｝＋Ｘａ・・（２）式

次いで、同様な計算処理によって、スライスレベルを上下から挟む隣り合うＣＣＤピクセル番号の各組み合わせについて、それらのＣＣＤピクセルの各出力レベル相互間を結ぶ線と、各スライスレベルＳｌ、Ｓ２との交点から、各交点の横軸成分（Ｘ座標成分）Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を特定する。
そして、トラックパターン３３の位置Ａ（またはＢ）は、（３）式に示すように４個の横軸成分（Ｘ座標成分）Ｃｌ、Ｃ２、Ｃ３及びＣ４の平均値を取ることで求められる。

Ａ＝（Ｃｌ＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）／４・・（３）式

最後に、図３（ｂ）に示すように、特定されたトラックパターン３３の検出位置Ａ、Ｂを結ぶ直線Ｄ上の線分ＡＢの中点Ｒが、アブソリュートパターン３１から角度を検出する位置として決定され、その位置に対応するアブソリュートパターン３１の示す角度がＣＣＤリニアイメージセンサ２３により読み取られた角度として求められる。

尚、トラックパターン３３を複数本配置した場合には、各トラックパターン３３について、上述の方法で検出位置Ａ、Ｂを特定し、その中点の平均値を中点Ｒと特定するため、より精度よく中点Ｒを決定できる。

次に、アブソリュートパターンから角度を求める方法について説明する。
ＣＣＤリニアイメージセンサ２３のピクセルとアブソリュートパターン３１を構成する各スリットにそれぞれ対応づけられている目盛盤の目盛角度の関係は図５のように定めらる。スリット像の検出ピクセル位置と、スリットが示す目盛盤の目盛角度との関係は、ある関数Ｐ＝ｆ（Ｚ）に回帰分析できる。
図５に示す各プロットはそれぞれスリットを示し、ＣＣＤリニアイメージセンサ上に投影されたそのスリットの像の検出ピクセル位置を横軸にとり、また、そのスリットに対応づけられている目盛角度を縦軸にとっている。

ここで、Ｚは目盛盤の目盛角度を、ＰはＣＣＤリニアイメージセンサ２３のピクセル位置を意味する。
このようにして求められた回帰曲線に対し、トラックパターンの検出位置Ａ、Ｂから求めた中点Ｒを、Ｐ＝Ｒと代入した時の値が検出された角度Ｚ_Rとなる。

次に、上述の方法により角度誤差が打ち消され、偏心回転をしても検出した角度に誤差が生じない理由について説明する。
図６に示すように、ディスク３の回転中心Ｏを原点とし、ＣＣＤリニアイメージセンサ２３のピクセルの配列方向Ｄと平行な方向をＶ軸、これと直交する方向をＵ軸とする座標系を定め、ディスク３の回転中心Ｏがアブソリュートパターン３１のパターン中心Ｅと一致していないと仮定する。

図６は回転中心Ｏに対して、パターン中心がＥ１からＥ２にφ回転した図である。
なお、図６中、ディスクを回転させたときのパターン中心の軌跡を小さい円Ｅで示した。

破線で示した位置にパターン中心Ｅ（Ｅ１）がある配置から点Ｏを中心としてディスク３を角度φだけ回転させる。そうすると破線で示したアブソリュートパターン３１のパターン中心Ｅの位置Ｅ１はＥ２に移動し、破線で示したアブソリュートパターン３１は、Ｅ２を中心とする実線で示すアブソリュートパターン３１’の位置に移動することになる。

従来技術では、検出手段Ｄにおけるアブソリュートパターン３１からの角度の検出位置は偏心状態によらず、常にＣＣＤリニアイメージセンサのピクセル上に固定されており、この固定された位置Ｃで角度を読み取っている。
この場合、本来φなる角度だけ回転したアブソリュートパターン３１を検出すべきであるのに、中心のずれに伴う偏心回転によって、Ｅ２と検出手段Ｄの検出位置Ｃとがなす角度Δだけ角度誤差が生じる。

したがって、アブソリュートパターン３１からの角度の検出位置を、コードパターン中心Ｅ２を通り、かつ、Ｄと直交する直線とＤの交点であるＣ’とすれば角度誤差は生じない。
図６に示すように、幾何学的にはコードパターン中心Ｅ２から直線Ｄに垂線を下ろしたときの足がＣ’となる。

アブソリュートパターン中心と同心である同心円と、ディスク半径方向に直交して延在するＣＣＤリニアイメージセンサの直線状のピクセル配列との交点を求め、それらの２個の交点の中心位置を求めると、円と２点で交わる直線の２個の交点間の中点を求めることになる。この点は円の中心から直線へ下ろした垂線の足となり、幾何学的条件を満足する。
そこで、本実施形態では、アブソリュートパターン３１が形成された円周と同心に、アブソリュートパターン３１から角度を読み取る位置情報を与える１個のトラックパターン３３をディスク３に形成する。

そして、ディスク３の半径方向に直交して延在し、１個のトラックパターン３３につき２点を検出するように構成されたＣＣＤリニアイメージセンサ２３におけるアブソリュートパターン３１からの角度を検出する位置を、ディスク３のトラックパターン３３の検出位置に追従して、トラックパターン３３の各検出位置を結ぶ線分上の中点、即ち、Ｃ’となるように決定する。

即ち、本実施形態では、アブソリュートパターン３１からの角度を検出する位置をトラックパターン３３の回転中心の変動に追従させていることになる。
したがって、ディスク３が偏心回転したとしても、角度誤差が発生せず、正確な測定が可能になる。

本発明のロータリエンコーダでは、偏心回転の影響を受けずに正確な回転角度を検出可能なので測角装置などの回転角度検出器に有用である。

本発明の光学式アブソリュートエンコーダの構成を示す概略図。 本発明に係るディスクの上面図。 （ａ）及び（ｂ）は、ディスク角度の読取位置の決定を説明する図。 トラックパターンを撮像した時のＣＣＤリニアイメージセンサの各ピクセルと、その各ピクセルにおけるデジタルデータとの関係を示す図。 目盛盤の目盛角度とＣＣＤリニアイメージセンサのピクセル位置との関係を示す図。 ディスクのアブソリュートパターン中心と回転中心がずれている場合の、アブソリュートパターンから角度を検出する位置のずれを概略的に説明する図。

符号の説明

１ 光学式アブソリュートエンコーダ
２ 検出手段
３ ディスク
４ 回転軸
５ 演算ユニット

Claims (2)

1. 同一円周上に所定の間隔を置いて形成された複数個のコードパターンを備えたディスクと、前記コードパターンを検出する検出手段とを備えたロータリエンコーダにおいて、
   前記コードパターンが形成された円周と同心であって、前記検出手段に角度の読取位置情報を与える少なくとも１個のトラックパターンがディスクに形成され、
   前記検出手段は、ディスクの半径方向に直交して延在し、１個のトラックパターンにつき２点を検出するように構成され、前記角度の検出位置が該トラックパターンの両検出位置を結ぶ線分上の中点と一致するように制御されることを特徴とするロータリエンコーダ。
2. 前記コードパターンの配列がアブソリュートコードを構成しているパターンであることを特徴とする請求項１に記載のロータリエンコーダ。
   

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