JP2549280B2 - ロ−タリ−エンコ−ダ - Google Patents

ロ−タリ−エンコ−ダ

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JP2549280B2
JP2549280B2 JP61086658A JP8665886A JP2549280B2 JP 2549280 B2 JP2549280 B2 JP 2549280B2 JP 61086658 A JP61086658 A JP 61086658A JP 8665886 A JP8665886 A JP 8665886A JP 2549280 B2 JP2549280 B2 JP 2549280B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は光学式のロータリーエンコーダに関する。特
に光学式ロータリーエンコーダのコード円板に設けられ
るパターンをアナログ式にしたロータリーエンコーダに
関する。
従来の技術 光学式のロータリーエンコーダは、回転するガラス等
でできた円板にデジタルコードパターンを設け、LED等
の発光部からの該デジタルコードパターンを透過または
反射した光を受光窓に介してフォトトランジスタ等の受
光部で受信し、電気信号に変換して出力パルスを得て、
上記円板の回転速度や回転位置を検出するというもので
ある。
発明が解決しようとする問題点 上述したようなデジタルコードパターンによる光学式
ロータリーエンコーダでは、コードパターンがデジタル
であるが故に、自ずから分解能に限界がある。即ちコー
ドパターンの最小単位時間をさらに分割して、高分解能
にすることがてきなく、又、コードパターンを細密化し
高分解能にすることも、コードパターンを円板上に作成
する困難性や、光のもれ、回折等により高分解能に検出
することが困難である。
そこで、本発明の目的は、ロータリーエンコーダの円
板に設けるコードパターンをアナログ式にし、従来技術
のデジタル式コードパターンで達成できなかった高分解
能でかつS/N比の高いロータリーエンコーダを提供する
ことにある。
問題点を解決するための手段 本発明は、円板にコードパターンを設け、発光部から
の光を該コードパターン及び受光窓を介して受光部で受
光して上記円板の回転速度又は回転位置を検出するロー
タリーエンコーダにおいて、上記円板に設けられるコー
ドパターンは異なる半径上に同一位相で配設された複数
のサプコードパターンで構成し、該各サブコードパター
ンはそれぞれ一定半径上の円を対称軸として外側方向と
内側方向に対称に幅がサイン曲線状に変化し、該外側方
向と内側方向の幅の合計の最大値を発光部の光強度分布
が直線状に近似できる幅内とし、かつ円板１回転内で複
数のサイクルを有する形状に形成し、上記受光部は上記
複数のサブコードパターンを介して得られた受光量の総
和に比例した信号を出力するように構成し、該受光部か
らの信号をアナログ／デジタル変換器でデジタル信号に
変換することによって上記問題点を解決した。
作 用 上記コードパターンを構成するサブコードパターンを
透過又は反射した光は受光部で検出されるが、この受光
部で検出される受光量の総和は、受光窓の中の各サブコ
ードパターンの光透過面積又は、反射面積の総和に比例
し、円板が回転し受光窓の中のサブコードパターンの光
透過面積又は反射面積が連続的に変化すると、受光部で
受光される光量もこのコードパターンの変化に比例す
る。しかも、サブコードパターンはサイン曲線で同一半
径円の内外に対して対称に構成されているから、これら
サブコードパターンを透過もしくは反射した光の光量は
略線形に変化するので、正確に回転に比例した光量変化
が得られ、この受光部から出力される信号をA/D変換器
でデジタル信号に変えることによって、円板の回転速度
又は位置等を高精度に検出することができる。
実施例 第１図は本発明の一実施例のロータリーエンコーダの
構成図で、ロータリーエンコーダの構成としては従来の
光学式ロータリーエンコーダとほとんど同一であり、相
違する点はコード円板１に設けられたコードパターンが
異なるだけである。即ち、１は回転を検出しようとする
モータや軸、ロボット等の駆動軸に固着されるシャフト
２に固着されたガラス等でできたコード円板で、該コー
ド円板１上には後述するコードパターンが設けられてい
る。３はLED等の発光部で、４は発光部３から放射され
た上記コード円板１の上のコードパターンを透過した平
行光線を透過させる一定の受光窓を有する固定板で、５
はホトトランジスタ等の受光素子である。これら発光部
3,固定板4,受光素子５は固定部６に固定されており、発
光部３から出力された光はコード円板１上のコードパタ
ーンを透過し、さらに固定板４の受光窓を透過した受光
素子５で受光されるようになっている。
まず、本願発明の作動原理について説明する。
第２図の展開図で示されるコードパターンを上記コー
ド円板１上に設けたとする。すなわち、このコードパタ
ーンは上記コード円板１の中心から半径ｒの円の内側方
向と外側方向が対称となり、かつ該円周にそって直線的
にパターンの幅が増加するようなコードパターンCPであ
る。そして、該コードパターンの中心線である半径ｒの
位置に上記発光部３の光軸の中心Ｑ及び固定板４の受光
窓4aの中心が来るように配置されているとする。その結
果、発光部３からの光は該コードパターンCP及び受光窓
4aを透過し、受光部５で受光される面積はある原点Ｏか
ら直線的に増加し、コード円板１が一回転すると、再び
該面積がほとんど零となるようなコードパターンCPであ
る。受光部５で受光される面積が直線的に増加すること
により、受光部５から出力される信号も直線的に増加
し、この信号をA/D変換器でデジタル信号に変換すれ
ば、コード円板１の回転位置、即ちシャフト２に固着さ
れた被検出体の回転位置を検出することができる。この
場合、A/D変換器の分解能をあげれば高精度の回転位置
を検出することができる。
また、第３図に示すコードパターンCPの展開図で示さ
れるコードパターンをコード円板１に設けることも考え
られる。すなわち、コード円板１の中心から半径ｒの円
の内側方向と外側方向に対称にかつ同位相でサイン曲線
からなるコードパターンCPを設けるものである。この場
合も、コード円板１が回転し、該コードパターンCP及び
受光窓4aを介して受光部５で受光される面積は該コード
パターンCPに比例したサイン曲線となり、受光部５から
出力される信号の大きさもサイン曲線となるから、これ
によりコード円板の回転位置を検出することができる。
以上のようにロータリーエンコーダのコードパターン
CPを連続的に変化するものにすれば、受光部５から出力
される信号の大きさも連続的に変化するものとなり、こ
の受光部５からの信号をA/D変換して出力すれば高精度
に位置を検出することができる。
しかし、このような連続的なコードパターンCPである
と、該コードパターンCPの最大幅ｗをあまり大きくする
ことができない。それは、発光部からの光強度は光軸Ｑ
を中心に均等な光強度ではないからである。第４図は直
径4mmのLEDの光強度分布の測定例を示す図で、縦軸が光
強度f,横軸が光軸Ｑからの距離を示すもので光軸から遠
くなるにつれて光強度ｆは増大し、周辺部で減少してい
る。そのため、コードパターンCPの最大幅ｗを大きくと
ると、例えば、最大幅ｗを1.5mm程度にすると、中心部
と比較して、周辺部の光強度が増大するために第２図に
示す直線的なコードパターンCPにおいては、第５図に示
すように、受光部５からの出力ｅが非線形となり理想的
な線形の出力ｅ′と異なってしまう。又、第３図に示す
ようなサイン曲線のコードパターンCPにおいては第６図
に示すように、理想的な出力ｅ′に比べ変形した出力ｅ
が得られることとなる。
そのため、コードパターンCPの最大幅ｗはあまり大き
くすることができない。又発光部３からの光強度分布も
できるだけ均一な領域が大きいものを選ばなければなら
ない。
しかし、コードパターンCPの最大幅ｗを小さくする
と、受光部５から出力される信号の大きさも小さくな
り、S/N比が悪くなって、またコードパターンCP上のゴ
ミや汚れの影響も大きく受けるようになる。そこで、こ
れらの欠点を改善したものが第７図，第８図に示すよう
なコードパターンCPで、複数のサブコードパターンSCP
を設け１つのサブコードパターンSCPの最大幅を小さく
し、発光部３からの光強度分布の不均一性を補正し、か
つ、S/N比を良くし、かつコードパターンCPのゴミや汚
れの影響を少なくしたものである。
このようなサブコードパターンSCPを複数設け、各サ
ブコードパターンSCPの最大幅ｗを小さくすることによ
って、発光部３からの不均一性を修正し、コードパター
ンCPに比例した出力信号を得られる理由について以下に
述べる。
LEDの発光部３の光強度分布はコード円板１の中心０
からの距離ｒに対し微小区間内に限定してみると、第９
図に示すように直線ｆ＝Ar＋Ｂ（A,Bは定数）に近似す
ることができる。即ち、コード円板１の中心からの距
離、即ち半径r1の点の前後の微小区間を考えると直線で
近似でき、この微小区間の半径の大きい側、即ち半径
（r1＋Δｒ）の位置では光強度ｆは増大しているが、半
径の小さい側、即ち半径（r1−Δｒ）の位置では光強度
ｆは減少しており、この微小区間２Δｒの間の光量は半
径r1の光強度ｆに微小区間２Δｒ間を乗じたもの（光量
＝ｆ・２Δｒ）とほぼ等しい値なる。このことは微小区
間２Δｒ内においては光量は微小区間２Δｒの幅と比例
することを意味する。そこで、各サブコードパターンSC
Pの最大幅ｗをこの直線で近似できる幅にすれば、受光
部５で受光されるサブコードパターンSCPを透過した光
量はサブコードパターンSCPと比例し、かつ受光部５で
受光される各サブコードパターンSCPを透過した光量の
総量をコードパターンCPと比例したものとなる。
この点を数式的に説明すると第９図において、半径r1
を中心とする微小区間２Δｒでの受光部５で受光される
光量は近似直線ｆ＝Ar＋Ｂを（r1−Δｒ）から（r1＋Δ
ｒ）まで積分した値であり、受光部５からの出力Ｖはこ
の積分値に比例するから、受光部５の出力Ｖは次のよう
になる。
なお、Ｋは比例定数である。
第７図に示す例では、第２図に示すような直線状のコ
ードパターンの最大幅ｗを小さくしてサブコードパター
ンSCPとして複数同位相に配置したものである。この例
では４つのサブコードパターンSCPによってコードパタ
ーンを形成している。
このような第７図に示す直線状のサブコードパターン
SCPについて検討すると、第10図に示すようにサブコー
ドパターンSCPの中心の円半径をr1とし、最大幅をｗ、
受光窓4aの中心線に対しコード円板１のコードパターン
の原点０からの回転角をθとするとサブコードパターン
SCPの円の外側のコードパターンの境界線は ｒ＝（w/4π）・θ＋r1 …（２） と表わされる。又は、サブコードパターンSCPの円の内
側のコードパターンの境界線は ｒ＝−（w/4π）θ＋r1 …（３） と表わされる。
この場合、半径r1の微小区間±Δｒは第２式，第３式
よりΔｒ＝（w/4π）・θであるから、受光部５の出力
Ｖは第１式より Ｖ＝（Kw/2π）（Ar1＋Ｂ）θ …（４） となる。この第４式において、Ｋは比例定数、ｗはサブ
コードパターンの最大幅で定数、A,Bも定数、r1はサブ
コードパターンSCPの中心をなす円が設けらられた半径
であり定数である。そのため受光部５の出力Ｖはコード
円板１の回転角θに比例することが第４式より証明され
ている。そして、１本のサブコードパターンSCPを透過
した光量を受光される受光部５の出力がコード円板１の
回転角θと比例するならば、同様な複数のサブコードパ
ターンSCPを透過した光量を受光する受光部５の出力も
回転角θに比例しその出力は大きなものとなり、第５図
に示す理想の出力ｅ′にほとんど等しい出力となる。
しかし、この７図に示すようなコードパターンである
と、受光部５で検出される光量の変化は、コード円板１
の１回転で１パターンの変化であり、受光部からの出力
信号をアナログ／デジタル変換器（A/D変換器）でデジ
タル信号に変換する場合、該ロータリーエンコーダの分
解能を上げるとするとA/D変換器の容量を大きなものに
する必要がある。
そこで本発明は、第８図に示すように、第３図に示す
ようなサイン曲線のコードパターンの最大幅ｗ即ち振幅
を小さくしてサブコードパターンSCPとし、このサブコ
ードパターンSCPを複数（この実施例では４つ）配設し
てコードパターンCPとしている。そしてこれら複数のサ
ブコードパターンSCPを透過した光を受光窓4aを介して
受光部５で受光するようにしている。
そこで、この第８図に示すようなサイン曲線のサブコ
ードパターンSCPについて検討すると、第11図に示すよ
うに、サブコードパターンSCPの中心をなす円の半径をr
1、受光窓4aの中心線に対しコードパターンの原点から
コード円板１の回転角をθ、サブコードパターンSCPの
最大幅をｗとすると、サブコードパターンSCPの円の外
側の境界線は ｒ＝（w/4）（１＋sinＮθ）＋r1 …（５） 同様に内側の境界線は ｒ＝−（w/4）（１＋sinＮθ）＋r1 …（６） となる。なお、ここでＮはコード円板１の１回転におけ
る波長数である。
この場合において半径r1に対する微小区間Δｒは第5,
6式より Δｒ＝（w/4）（１＋sinＮθ） …（７） である。そこで受光部５からの出力Ｖは第１式に第７式
を代入し、 Ｖ＝2K（Ar1＋Ｂ） ・（w/4）（１＋sinＮθ） ＝（Kw/2）（Ar1＋Ｂ） ＋（Kw/2）（Ar1＋Ｂ）sinＮθ …（８） となる。この第８式において、第１項を構成する各値は
すべて定数であり回転角θに関係せず第１項は一定値と
なり、オフセットの一種として補償回路により除去する
ことができる。又、第２項は回転角θのサイン関数に比
例しておりサブコードパターンSCPに忠実な出力とな
り、第６図の理想の出力ｅ′とほとんど等しいものとな
る。そして、複数のサブコードパターンSCPで構成され
るコードパターンＣによって受光部５から出力される出
力はサイン関数の大きな値となる。
以上のように、LED等の発光部の光強度分布の不均一
性による影響を最大幅ｗの小さいサブコードパターンSC
Pによってなくし、サブコードパターンSCP 1本による受
光部５からの出力変化値の減少を複数のサブコードパタ
ーンSCPを用いてコードパターンとすることによって、
コード円板１の回転にともなう受光部５からの出力変化
値を増大させ、S/N比を良くすると共に、コードパター
ンCP上のゴミや汚れの影響を少なくしている。
そして、こうしたコードパターンCPで得られた受光部
５からの出力はコード円板１の回転に応じて連続的に変
化するアナログ信号をA/D変換器により、高分解能にコ
ード円板１の回転位置、及び回転速度等を検出できる。
発明の効果 以上述べたように、本発明は、コード円板に設けたコ
ードパターンを複数の連続的に変化するサブコードパタ
ーンで構成し、かつ、該各サブコードパターンは同一半
径円を対称軸として対称にそれぞれサイン曲線状に変化
し、かつ、コード円板１周内を複数サイクル変化するよ
うに構成したから、光源の光分布が不均一の場合でも、
各サブコードパターンの最大幅を発光部から出力される
光の強度分布の不均一性の影響を受けない小さい幅とす
ることができる。その結果、受光部は各サブコードパタ
ーンから線形に変化する忠実な出力の総和を得ることが
でき、受光部から出力される信号はコードパターンに線
形に比例したアナログ信号となる。
しかも、このようにサブコードパターンの幅が小さく
ても、複数のサブコードパターンからの透過光もしくは
反射光を集めて出力信号として出力するものであるか
ら、この出力信号の値は大きなものになり、S/N比を良
くすることができる。
さらに、サブコードパターンはサイン曲線で変化しコ
ード円板１周内で複数サイクル変化するものであるか
ら、受光部から出力される信号もコード円板１回転で複
数サイクルで最小から最大まで変化し回転量に対して出
力信号の変化量を大きくすることができるので、受光部
からの信号をデジタル信号にA/D変換器で変換するとき
に該A/D変換器の容量を大きなものにしなくても高精度
で高分解能が得られる。しかも、各サブコードパターン
は同相に構成されているから、回転円板のわずかな回転
でも受光部で受光する光量の変化は大きく変化し、その
結果、受光部からの出力も大きく変化することになるか
ら、A/D変換器から出力されるデータは精度の高いもの
となる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例のロータリーエンコーダの構
成図、第２図は本発明の原理を説明するための説明図、
第３図は同本発明の原理を説明するための説明図、第４
図はLEDの光強度分布を示す一例の図、第５図は第２図
のコードパターンの最大幅を大きくしたときの受光部か
らの出力と理想の出力との比較図、第６図は第３図のコ
ードパターンの最大幅を大きくしたときの受光部からの
出力と理想の出力との比較図、第７図は第３図のコード
パターンをサプコードパターンとして複数設ける場合の
説明図、第８図は本発明の実施例のコードパターンの構
成図、第９図は微小区間における光量を求めるときの説
明図、第10図は第２図のコードパターンによる受光部の
出力を求めるときの説明図、第11図は本発明の実施例に
おける受光部の出力を求めるときの説明図。 １……コード円板、２……シャフト、３……発光部、４
……固定板、4a……受光窓、５……受光部、６……固定
部、CP……コードパターン、SCP……サブコードパター
ン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−119350（ＪＰ，Ａ) 特開 昭47−45950（ＪＰ，Ａ) 実公 昭41−2614（ＪＰ，Ｙ１) 実公 昭42−6609（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】円板にコードパターンを設け、発光部から
    の光を該コードパターン及び受光窓を介して受光部で受
    光して上記円板の回転速度又は回転位置を検出するロー
    タリーエンコーダにおいて、上記円板に設けられたコー
    ドパターンは異なる半径上に同一位相で配設された複数
    のサプコードパターンで構成され、該各サブコードパタ
    ーンはそれぞれ一定半径上の円を対称軸として外側方向
    と内側方向に対称に幅がサイン曲線状に変化し、該外側
    方向と内側方向の幅の合計の最大値を発光部の光強度分
    布が直線状に近似できる幅内とし、かつ円板１回転内で
    複数のサイクルを有する形状に形成され、上記受光部は
    上記複数のサブコードパターンを介して得られた受光量
    の総和に比例した信号を出力するように構成し、該受光
    部からの信号をアナログ／デジタル変換器でデジタル信
    号に変換することを特徴とするロータリーエンコーダ。
JP61086658A 1986-04-15 1986-04-15 ロ−タリ−エンコ−ダ Expired - Lifetime JP2549280B2 (ja)

Priority Applications (6)

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JP61086658A JP2549280B2 (ja) 1986-04-15 1986-04-15 ロ−タリ−エンコ−ダ
PCT/JP1987/000240 WO1987006338A1 (en) 1986-04-15 1987-04-15 Optical rotary encoder
US07/141,306 US4859845A (en) 1986-04-15 1987-04-15 Optical rotary encoder with sub-code patterns
DE19873786318 DE3786318A1 (ja) 1986-04-15 1987-04-15
DE87902730T DE3786318T2 (de) 1986-04-15 1987-04-15 Rotierender optischer kodierer.
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