JP2580714B2

JP2580714B2 - 複合型ロータリエンコーダ

Info

Publication number: JP2580714B2
Application number: JP63137890A
Authority: JP
Inventors: 康己川端; 英詞大矢
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1988-06-03
Filing date: 1988-06-03
Publication date: 1997-02-12
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: JPH01305317A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、回転角度および回転回数の検出に使用され
るロータリエンコーダに関し、特に信号検出部と信号処
理部とを分離したロータリエンコーダに関する。

［従来の技術］従来より、軸の回転角度をインクリメンタル型，アブ
ソリュート型あるいは特開昭60−100015等に記載される
インクリメンタル型とアブソリュート型とを組み合わせ
たロータリエンコーダを用いて検出し、軸の回転回数を
軸の回転をギア等によって減速し回転角度として検出し
ている。

この検出された回転角度，回転回数は、ロータリエン
コーダ内で一旦パラレル→シリアル変換され、モータコ
ントローラ等の機器に送られ、機器内で再度シリアル→
パラレル変換され、制御に使用される。

［発明が解決しようとする課題］このように各信号をシリアルの形で伝送することによ
って、伝送線の本数を非常に少なくできる。

しかし、回転角度の分解能が高くなると、ロータリエ
ンコーダで回転角度の最小単位の検出時間は非常に短く
なり、このシリアル信号の伝送・変換に要する時間が無
視できなくなったり、伝送・変換による信号の遅れが無
視できなくなる。また、伝送速度を高くする必要がある
ので信号伝送中にビット欠けが生じ易くなり、信頼性が
低下する場合もある。

一方、検出された回転角度，回転回数をパラレルのま
ま機器に送ると前述のように、伝送線の本数が非常に増
えてしまう。

本発明は、上記変換・伝送による信号の遅れ等を最小
限に押えるとともに、伝送線の本数が少なくてすむロー
タリエンコーダの提供を課題とする。

［課題を解決するための手段］このような課題を解決する本発明の要旨は、軸M1の回転角度をｎビットのディジタル信号として検
出すると共に、軸M1の回転回数を検出する複合型ロータ
リエンコーダであって、軸M1と連結する回転円板M2に設けられたアブソリュー
ト符号パターンM3から回転角度信号の上位ｍビット（た
だし、１＜ｍ＜ｎ）を検出するアブソリュート信号検出
部M4と、上記回転円板M2に設けられたインクリメンタル符号パ
ターンM5から上記回転角度信号の下位ｌビット（ただ
し、ｌ＝ｎ−ｍ）を検出するために用いるインクリメン
タル信号を検出するインクリメンタル信号検出部M6と、上記回転円板に設けられた基準位置パターンM7から検
出されたパルス信号を用いて回転回数を算出する回転回
数算出部M8と、上記ｍビットのアブソリュート信号および算出された
回転回数をともにシリアル形式で出力するとともに、イ
ンクリメンタル信号を検出された形で出力する信号出力
部M9と、を備えた信号検出機構M10と、該信号検出機構M10の信号出力部M9からシリアル形式
のアブソリュート信号及び回転回数とインクリメンタル
信号とを入力する信号入力部M11と、上記入力されたシリアル形式のアブソリュート信号を
ｍビットのパラレル形式に変換するとともに、回転回数
をパラレル形式に変換し出力する形式変換部M12と、アブソリュート信号の最下位ビットの立上がりを検出
すると上記インクリメンタル信号の積算結果をクリアす
ると共に、上記インクリメンタル信号の積算を開始する
信号積算部M13と、を備えた信号処理機構M14とを有することを特徴とする複合型ロータリエンコーダに
ある。

［作用］本発明の複合型ロータリエンコーダは、分解能が低
く、シリアル形式で伝送しても時間の遅れ、ビット欠け
等の問題が生じないアブソリュート信号及び回転回数は
シリアル形式で信号検出機構M10から信号処理機構M11に
伝送し、分解能が高くシリアル形式とすると変換・伝送
における時間の遅れ、ビット欠け等の問題が生じる恐れ
のあるインクリメンタル信号は検出された形で信号検出
機構M10から信号処理機構M11に伝送する。

そのため、伝送線の本数を少なくすることができる。

また、分解能が高い回転角度の下位ｌビットは信号処
理部M14にて、インクリメンタル信号を積算することに
より算出される。

そのため、従来のようにシリアル−パラレル間の変換
をする必要がなく、変換による時間遅れが生じない。

さらに、信号処理機構M11の信号積算部M13で、この回
転角度の下位ｌビットを算出する際に、アブソリュート
信号の最下位ビットを用いてインクリメンタル信号の積
算の開始・リセットを行っている。

そのため、インクリメンタル信号の積算値より求めら
れた回転角度と、アブソリュート信号より求められた回
転角度とのずれは非常に小さく、高分解能でありかつ高
精度の回転角度を得ることができる。

［実施例］以下、図面を用いて本発明の実施例である複合型ロー
タリエンコーダについて説明する。

本ロータリエンコーダは、回転角度を光学式で検出
し、回転回数を磁気式で検出するものであり、回転円板
等からなる信号検出部と信号検出部からの信号を処理し
て回転角度，回転回数を出力する信号処理機構とを伝送
線で結んだ構成となっている。信号検出部は、回転角
度，回転回数を検出すべき軸に設けられ、信号処理部は
検出された回転角度，回転回数を使用するモータコント
ローラ等の機器内に設けることができる。

そして、回転角度は15ビットのディジタル信号（2¹⁵
＝32768分割）として検出するものであり、回転角度の
上位８ビットをアブソリュート符号パターンにより検出
し、下位７ビットをインクリメンタル符号パターンによ
って検出する。回転回数は８ビットのディジタル信号
（2⁸＝256,0〜255回転）として、検出するものである。

第２図は本実施例の複合型ロータリエンコーダの信号
検出機構２の断面を示す図である。

本信号検出機構２は、基体４、カバー６からなる筐体
８内に収納されている。

基体４からはロータ軸10が突出しており、このロータ
軸10は基体４に取り付けられたベアリング12によって支
軸されている。

このロータ軸10には回転円板14が取り付けられ、この
回転円板14はロータ軸10と共に回転するようになってい
る。

回転円板14には、後述するように、アブソリュート符
号パターン，インクリメンタル符号パターン，基準位置
パターンが形成されている。

回転円板14の背面（図中上側）には発光素子16が配置
され、この発光素子16は波形整形回路基板18に搭載され
ている。なお、波形整形回路基板18は筐体８に支持さ
れ、回転円板14に対して固定されて配置されたものであ
る。

また、波形整形回路基板18は回転円板14の外周部を股
がって回転円板14の表面にまで延在されて形成され、固
定スリット板20が固定されている。

この固定スリット板20は回転円板14の表面（図中下
側）において回転円板14と対向して配置され、後述する
ように、その面には複数のスリットが形成されている。

さらに固定スリット板20の回転円板14と対向する側と
反対側の面には各スリット毎に受光素子22が配置されて
いる。

そして、固定スリット板20の各スリットとそれに対応
する受光素子22とが組み合わされた検出部により、アブ
ソリュート信号，インクリメンタル信号が検出される。

受光素子22の出力は波形整形回路基板18に入力される
ようになっており、さらに波形整形回路基板18の出力は
リード線24を介して筐体８外へ取り出されるようになっ
ている。

また、回転円板14の背面には基準位置パターンを記録
した円環状の磁石26が設けられている。

そして、磁石26に対向する波形整形回路基板18には２
つの磁気検出素子28A,28Bが設けられている。

この磁気検出素子28A,28Bの出力も波形整形回路基板1
8に入力されるようになっており、この出力は上記の回
転角度信号と共に、リード線24を介して筐体８外へ取り
出される。

回転円板14は、第３図に示すように、外周部に等間隔
のスリットからなるインクリメンタル符号パターン30、
内周部に同心状に配列された８本の円環パターン32A〜3
2Hからなるアブソリュート符号パターン32、インクリメ
ンタル符号パターン30とアブソリュート符号パターン32
との間にタイミング符号パターン34、基準位置パターン
を記録した磁石26を有する。

基準位置パターンを除く、これらのパターンはいずれ
も予め定められた規則にしたがって形成されたスリット
列であり、これらスリット列は、例えば、回転円板14と
なる透明円板面に遮光性の蒸着膜を形成し、前記スリッ
ト形成領域に相当する前記蒸着膜を写真蝕刻技術によっ
て選択エッチングすること等によって形成される。

また、基準位置パターンは、ＮとＳとの２つの磁気パ
ターンとして回転円板14の裏面に設けられた円環状の磁
石26に記録されており、磁気検出素子28A,28Bは回転円
板14が１回転する間に２回あるＮとＳとの変化を基準位
置信号として検出する。なお、第３図中に一点鎖線で示
される磁気検出素子28A,28Bは波形整形回路基板18に設
けられている。

さらに、アブソリュート符号パターン32の円環パター
ン32Dと32Eとの間と、円環パターン32Hとタイミング符
号パターン34との間には、光量補正トラック36A,36Bが
設けられている。

アブソリュート符号パターン32は、前述のように同心
状に配列された８本の円環パターン32A〜32Hからなり、
これらは基準となる所定径から円周同方向へ例えばグレ
ー・コードからなる論理レベルを示す領域で構成されて
いる。

ここで、例として４ビットのグレー・コードを以下に
示す。

各円環パターン32A〜32Hは前述のように、論理レベル
はスリット列における明暗パターンで形成している。

一方、固定スリット板20は、第４図に示すように、イ
ンクリメンタル信号検出用スリット40A,40B、タイミン
グ信号検出用スリット42、アブソリュート信号検出用ス
リット44A〜44H、光量補正用スリット46A,46Bを有す
る。

インクリメンタル信号検出用スリット40A,40Bは、回
転円板14のインクリメンタル符号パターン30と協働して
出力の位相が90度づれたインクリメンタル信号Ａ相,B相
を発生する。

また、タイミング信号検出用スリット42は、回転円板
14のタイミング符号パターン34と協働してタイミング信
号を発生する。このタイミング信号は、急峻な立上が
り、立下がりを必要とするので、スリット42の円周方向
の幅は30μｍと非常に細く形成されている。そして、光
量を確保するために、５本のスリットから構成される。

一方、アブソリュート信号検出用スリット44A〜44H
は、回転円板14のアブソリュート符号パターン32A〜32H
と協働してアブソリュート信号Ａ〜Ｈを発生する。この
アブソリュート信号Ａ〜Ｈは後述のようにタイミングパ
ルスによるので、スリット44A〜44Hの幅は、240μｍと
広くでき、充分な光量を確保できる。なお、上記タイミ
ング信号はアブソリュート信号のＨの1/2の間隔で変化
するので、アブソリュート信号の最下位ビットとなる。

回転円板14と固定スリット板20とは、各信号用の円環
パターンとスリットとが対応するように、また磁石26と
磁気検出素子28A,28Bとが対向するように筐体８に取り
付けられる。

そして、回転円板14のスリットと固定スリット板20の
スリットとが、一致すると、発光素子16からの透過光が
受光素子22に検出される。

また、磁石26の磁気パターン変化が、磁気検出素子28
A,28Bに検出される。

第５図は本複合型ロータリエンコーダの構成図であ
り、本図を用いて本ロータリエンコーダにおける信号の
流れ、処理を説明する。

また、第６図は回転円板14の回転にともなう受光素子
22の各出力信号である。

さらに、第７図は２つの基準位置信号ZA,ZB,この基準
位置信号ZA,ZBをカウントすることにより得られた９ビ
ットのディジタル信号，上記回転角度信号の最上位ビッ
ト（MSB）b15,検出された回転回数の関係を示す図であ
る。

信号検出機構２では、以下のようにして回転角度の上
位８ビットと回転回数を算出する。

回転角度の上位８ビットの算出を説明する。

まず、タイミング信号とゲートによって遅延された該
タイミング信号とを反一致回路（EX−OR）50に入力し
て、タイミングパルスを得る。

そして、アブソリュート信号Ａ〜Ｈが入力されたＤ−
フリップフロップ回路52のクロック端子CKにこのタイミ
ングパルスが入力されると、回転角度信号の上位８ビッ
トb8〜b15が出力される。

回転回数の算出を説明する。

２つの磁気検出素子28A,28Bに検出された２つの基準
位置信号ZA,ZBは、アップダウン判別回路60で、回転円
板14の回転方向が正であるか、逆であるかを判別し、ア
ップダウン信号を出力する。このアップダウン信号は、
正回転であれば“0"に、逆回転であれば“1"となる。

また、２つの基準位置信号ZA,ZBはパルス整形回路62
に入力され、パルス信号を出力する。

そして、上記アップダウン信号は、９ビットのアップ
ダウンカウンタ64のアップダウン端子D/に入力され、
パルス信号はアップダウンカウンタ64のクロック端子CK
に入力される。

続いて、上記アップダウンカウンタ64で得られた９ビ
ットのカウント値の上位８ビットは加算器66に入力され
る。

一方、カウント値の最下位ビット（LSB）と、上記回
転角度の最上位ビット（MSB）b15の反転信号とを、アン
ドゲート68に入力し、結果を加算器66のCo端子に入力
し、カウント値の上位８ビットに加算して、８ビットの
回転回数r8〜r1を得る。

すなわち、第７図に示すように、回転角度の最上位ビ
ット（MSB）b15が“1"であれば上記カウント値の上位８
ビットが回転回数となる。

回転角度の最上位ビットb15が“0"であり、かつ上記
カウント値の最下位ビットが“0"であれば上記カウント
値の上位８ビットが回転回数となる。

回転角度の最上位ビットb15が“0"であり、かつ上記
カウント値の最下位ビットが“1"であれば上記カウント
値の上位８ビットに１を加えたものが回転回数となる。

続いて、以上のようにして求められた回転角度の上位
８ビットおよびタイミングパルスは、９ビットのデータ
にされた後、パラレル→シリアル変換器70にてシリアル
形式の信号とされ、ドライバ72からリード線24Cに出力
され、また、回転回数は、パラレル→シリアル変換器74
にてシリアル形式の信号とされ、ドライバ72からリード
線24Dに出力される。

また、検出されたインクリメンタル信号のＡ相,B相
は、そのままの形で、ドライバ72からリード線24A,24B
に出力される。

信号処理機構80では、以下のようにして各信号のシリ
アル→パラレル変換、回転角度の下位７ビットの算出を
行う。

まず、各信号はリード線24A〜24Dからレシーバ82に入
力される。

リード線24C,24Dから入力されたシリアル形式の信号
は、シリアル→パラレル変換器84,86で各々タイミング
パルスと回転角度の上位８ビットb15〜b8及び８ビット
の回転回数r8〜r1に変換され、外部に出力される。

一方、リード線24A,Bより入力された90度位相のずれ
たインクリメンタル信号のＡ相,B相はアップダウン判別
回路90で、回転円板14の回転方向が正であるか、逆であ
るかを判別し、アップダウン信号を出力する。このアッ
プダウン信号は、正回転であれば“0"に、逆回転であれ
ば“1"となる。

また、インクリメンタル信号のＡ相,B相はパルス４逓
倍回路92に入力され、４逓倍されたパルス信号を出力す
る。

そして、アップダウン信号は、４ビットのアップダウ
ンカウンタ94,96のアップダウン端子D/およびプリセ
ット端子A1〜A4に入力され、パルス信号はアップダウン
カウンタ94のクロック端子CKに入力される。

したがって、前述のタイミングパルスがアップダウカ
ウンタ94,96のロード端子Ｌに入力されると、回転円板1
4が正回転のときはカウンタ94,96の各ビットに“0"がセ
ットされ、逆回転のときは各ビットに“1"がセットされ
る。そして、パルス信号が１つ入力される毎に１ずつイ
ンクリメントまたはデクリメントされていく。

その結果、カウンタ94の出力端子B1〜B4およびカウン
タ96の出力端子B1〜B3から、回転角信号の下位７ビット
b1〜b7が出力される。

そして、アブソリュート信号から得られたb8〜b15と
インクリメンタル信号から得られたb1〜b7を加えること
によって、15ビットのディジタル信号b1〜b15が得られ
る。なお、本実施例では、カウンタ96の出力端子B4の出
力は使用していない。

以上のような信号処理機構80の出力である15ビットの
回転角度及び８ビットの回転回数は、モータコントロー
ラ等の機器に入力され、制御に使用される。

以上のように構成された、本実施例の複合型ロータリ
エンコーダは、信号検出機構２と信号処理部80とを僅か
４本のリード線で接続するにも拘らず、高分解能，高精
度で回転角度，回転回数の検出が行える。

すなわち、本実施例では、タイミングパルスが発生し
たときに、アブソリュート信号が取り込まれると共に、
インクリメンタル信号のカウントの初期化が行われるの
で、アブソリュート信号に基づく回転角度とインクリメ
ンタル信号に基づく回転角度とは同期し、ずれが生じる
ことはない。

そのため、インクリメンタル信号を用いた回転角度の
検出も、高分解能であり、かつ高精度で行える。

また、高分解能であるインクリメンタル信号による回
転角度の下位７ビットはシリアル、パラレル間の変換を
行っていないので、変換による時間遅れはない。

さらに、本実施例では、回転回数を検出する際に、ま
ず基準位置信号ZA,ZBを９ビットのディジタル信号と
し、次いでこのディジタル信号の最下位ビットと上記回
転角度信号の最上位ビットとによって、このディジタル
信号の上位８ビットを補正して回転回数としている。

そのため、基準位置信号ZA,ZBによって得られるパル
スが回転角度信号の最上位ビットb15の変化しない位置
にあれば、正しい回転回数を検出できる。

したがって、磁気検出素子28A,28Bの取付精度、出力
変動の許容値を大きく採ることができ、組立調整時間を
短縮すると共に、信頼性を向上することができる。

さらに、回転角度だけでなく、回転回数も一つのロー
タリエンコーダで検出できるので、使用部品数を減らす
ことができる。

また、従来のアブソリュート型ロータリエンコーダで
は、回転角度を15ビットのディジタル信号として出力す
るために、少なくとも15本の円環パターンを必要とし
た。

しかし、本実施例では、アブソリュート符号パターン
とインクリメンタル符号パターンとを組み合わせること
によって、非常に少ない円環パターンで回転角度を高精
度の15ビットのディジタル信号として出力できる。

このように円環パターンの本数が少なくなったため
に、本実施例のロータリエンコーダは小型とすることが
できる。

また、円環パターンの本数が少ないために各円環パタ
ーンの直径方向の幅を広く採ることができ、各信号を安
定して検出できる。

なお、本実施例では、回転角度の検出を光学式で行っ
ているが、磁気式で行ってもよい。また、一部の符号パ
ターンを光学式とし、他を磁気式としてもよい。逆に、
回転回数信号の検出を光学式で行ってもよい。

さらに、本実施例のアブソリュート符号パターンは、
グレーコードに基づいたものであるが、必ずしもこれに
限定されることはなく他のコードに基づくものであって
もよい。

［発明の効果］本発明の複合型ロータリエンコーダは、上記のような
構成を採ることにより、少ない伝送線で、高分解能でか
つ高精度に、回転角度，回転回数を検出、伝送できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成の一例の説明図、第２図は本発明
の一実施例である複合型ロータリエンコーダの信号検出
機構の構成を示す断面図、第３図はその回転円板に形成
される各符号パターンを説明する平面図、第４図はその
固定スリット板に形成されるスリットの配列を説明する
平面図、第５図は一実施例の構成を示す説明図、第６図
はその受光素子の出力信号の説明図、第７図はその回転
回数検出の説明図である。 M1,10……軸,M2,14……回転円板,M3,32A〜32H……アブ
ソリュート符号パターン,M4……アブソリュート信号検
出部,M5,30……インクリメンタル符号パターン,M6……
インクリメンタル信号検出部,M7……基準位置パターン,
M8……回転回数算出部,M9……信号出力部,M10,2……信
号検出機構,M11……信号入力部,M12……形式変換部,M13
……信号積算部,M14,80……信号処理機構 16……発光素子、20……固定スリット板、22……受光素
子、26……磁石（基準位置パターン）、28A,28B……磁
気検出素子、40A,40B……インクリメンタル信号検出用
スリット、44A〜44H……アブソリュート信号検出用スリ
ット。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】軸の回転角度をｎビットのディジタル信号
として検出すると共に、軸の回転回数を検出する複合型
ロータリエンコーダであって、軸と連結する回転円板に設けられたアブソリュート符号
パターンから回転角度信号の上位ｍビット（ただし、１
＜ｍ＜ｎ）を検出するアブソリュート信号検出部と、上記回転円板に設けられたインクリメンタル符号パター
ンから上記回転角度信号の下位ｌビット（ただし、ｌ＝
ｎ−ｍ）を検出するために用いるインクリメンタル信号
を検出するインクリメンタル信号検出部と、上記回転円板に設けられた基準位置パターンから検出さ
れたパルス信号を用いて回転回数を算出する回転回数算
出部と、上記ｍビットのアブソリュート信号および算出された回
転回数をともにシリアル形式で出力するとともに、イン
クリメンタル信号を検出された形で出力する信号出力部
と、を備えた信号検出機構と、該信号検出機構の信号出力部からシリアル形式のアブソ
リュート信号及び回転回数とインクリメンタル信号とを
入力する信号入力部と、上記入力されたシリアル形式のアブソリュート信号をｍ
ビットのパラレル形式に変換するとともに、回転回数を
パラレル形式に変換し出力する形式変換部と、アブソリュート信号の最下位ビットの立上がりを検出す
ると上記インクリメンタル信号の積算結果をクリアする
と共に、上記インクリメンタル信号の積算を開始する信
号積算部と、を備えた信号処理機構とを有することを特徴とする複合型ロータリエンコーダ。