JP3168451B2 - ロータリーエンコーダ - Google Patents
ロータリーエンコーダInfo
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- JP3168451B2 JP3168451B2 JP26916295A JP26916295A JP3168451B2 JP 3168451 B2 JP3168451 B2 JP 3168451B2 JP 26916295 A JP26916295 A JP 26916295A JP 26916295 A JP26916295 A JP 26916295A JP 3168451 B2 JP3168451 B2 JP 3168451B2
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- Japan
- Prior art keywords
- pattern
- rotor
- signal
- scale
- encoder
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
- H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
- H03M1/12—Analogue/digital converters
- H03M1/22—Analogue/digital converters pattern-reading type
- H03M1/24—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip
- H03M1/28—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip with non-weighted coding
- H03M1/287—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip with non-weighted coding using gradually changing slit width or pitch within one track; using plural tracks having slightly different pitches, e.g. of the Vernier or nonius type
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Optical Transform (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
Description
めのロータリーエンコーダに係わり、特に、ローターに
は、周期の異なる複数のパターンを有するスケールが形
成されており、このスケールを読み取ることにより、ロ
ーターの角度を高精度に測定することのできるロータリ
ーエンコーダに関するものである。
して、エンコーダが広く知られている。エンコーダに
は、光学式、磁気式等があり基本的構造は類似してい
る。
ータリーエンコーダが広く採用されてきた。特に、光学
式エンコーダは、高度の光学技術を応用して製造されて
おり、高精度、高分解のエンコーダを実現することがで
き、磁気等の外部ノイズに強く、非接触な構成なので、
寿命が長いという特徴を有する。
ダは、例えば角度検出のための測量機に利用されてい
る。
コーダは、アブソリュート方式とインクリメンタル方式
とが用いられている。
の位置とが、1対1に対応している方式であり、円周上
の位置が絶対番地として登録されているので、どの位置
においても位置情報が得られるという利点がある。例え
ば図7に示す様に、ロータには、同心円状にエンコーダ
パターンが形成されており、角度読み取り用のコードパ
ターンが形成されている。この角度読み取り用のコード
パターンは、第1のトラック5000と第2のトラック
6000の2つのトラックからなり、粗、精又は粗、
中、精のコードパタンが形成されている。
000を照明するための第1トラック照明部7100
と、第2のトラック6000を照明するための第2トラ
ック照明部7200、7200と、エンコーダパターン
を検出するためのCCD7300とが備えられており、
第1トラック照明部7100と第2トラック照明部72
00、7200とからなる照明部と、CCD7300と
が、ロータを挟む様に配置されている。そして、任意の
位置の角度をコードパターンから読み取る様に構成され
ている。
9に示す様に、メインスケール8511とゼロ信号検出
用インデックス8512とが形成されたローター851
0と、インデックス用サブスケール8522とサブスケ
ール8523、8523とが形成されたステーター85
20と、ローター8510とステーター8520とを挟
む様に配置された検出手段8530とから構成されてい
る。
ール8511は、円周上に等間隔の格子目盛が設けられ
ている。ローター8510に形成されたゼロ信号検出用
インデックス8512は、メインスケール8511のカ
ウントの基準点となっている。
2は、所定の位置からカウントする場合に必要であり、
任意の位置からカウントを行う場合には不要である。
のサブスケール8523、8523と、インデックス用
サブスケール8522とが配置されており、サブスケー
ル8523、8523は、メインスケール8511と同
様な間隔の格子目盛であるが短く構成されている。
とメインスケール検出部とからなっている。インデック
ス検出部は、第1の発光素子8531と、第1のコリメ
ータレンズ8532と、第1の受光素子8533とから
構成されており、ロータ8510に形成されたゼロ検出
用のインデックス8512を検知することができる。
8535と、第2のコリメータレンズ8536と、第2
の受光素子8537とから構成されており、ロータ85
10に形成されたメインスケール8511の明暗パター
ンを光の断続として検出し、この光の断続を第2の受光
素子8537により電気信号に変換し、この電気信号を
カウントすることにより、ゼロ検出点からの角度を測定
することができる。
ンスケール8511が1ピッチ移動する毎に光の断続が
生じ、第2の受光素子8537は、光の明暗を受光する
ことにより正弦波の信号を得ることができる。
3から検出される正弦波の位相は1/4ピッチずれてお
り、この位相のずれから、ローター8510の回転方向
を検知することができる。
れた正弦波の信号には、バイアスが掛けられ、メインス
ケール8511の格子目盛の間隔以上に微細な角度で検
出が可能な様に構成されている。更に、算術的に位相を
ずらした正弦波を増加させることにより、メインスケー
ル8511の格子目盛の間隔以上に微細な角度で検出す
ることもできる。
リュート方式は構造が複雑であり、測量機に内蔵させる
ために小型軽量化を行うことが極めて困難であるという
問題点があった。
は、ローター8510に形成されたメインスケール85
11を読み取る方式であるため、例えば、メインスケー
ル8511の直径が80mm程度の大きさで、格子の間
隔を60秒とすれば、全周で21600本にも達する。
このためメインスケール8511の1ピッチは、10数
μmと非常に細かいスケールを刻まなければならない。
ジストに縮小投影され、エッチングを施すことにより作
成されるが、この格子目盛の平行度と太さの均一性や、
間隔の精度等が、エンコーダ信号の安定性に対して大き
な要因となる。
子間隔が不均一となる等の欠陥が格子目盛の1つに生じ
れば、カウントが不可能となったり、カウントがされに
くくなるという問題点があった。
は、ローター8510に形成されたメインスケール85
11を1つ1つ読み取る構成を有するので、ローター8
510を急回転させたり、振動を与えるとカウントでき
なくなるという深刻な問題点があった。
案出されたもので、ローターと、ステーターとから構成
されたエンコーダにおいて、前記ローターに形成され、
第1周期で変調された第1パターンと、該第1周期と異
なる第2周期で変調された第2パターンとを有し、前記
第1パターンと前記第2パターンとを前記ローターの回
転方向に等ピッチで順次配列させたスケールと、このス
ケールのパターンを読み取るためのスケール検出手段と
から構成されている。
第2パターンの変調は線幅を変化させる空間変調により
行う構成にすることもできる。
2パターンの他に、一様な第3パターンを備えており、
前記第1パターン、第2パターン及び第3パターンを前
記ローターの回転方向に等ピッチで順次配列する様に構
成することもできる。
から構成されたエンコーダにおいて、前記ローターに形
成され、第1周期で変調された第1パターンと、該第1
周期と異なる第2周期で変調された第2パターンとを有
し、前記第1パターンと前記第2パターンとを前記ロー
ターの回転方向に等ピッチで順次配列させたスケール
と、このスケールのパターンを読み取るためのスケール
検出手段と、該スケール検出手段の検出信号に基づき、
ローターの角度を演算するための演算処理手段とからな
っており、該演算処理手段は、前記スケール検出手段で
検出された検出信号の間隔から基準信号を形成するため
の基準信号形成部と、この基準信号形成部で形成された
基準信号と前記スケール検出手段で検出された検出信号
とから、前記第1のパターン信号と前記第2のパターン
信号を形成するためのパターン信号形成部と、前記第1
のパターン信号の位相と前記第2のパターン信号の位相
からローターの角度を算出するための算出部とから構成
することもできる。
パターンとは、周期的に一致する一致点を少なくとも1
箇所備えることもできる。
ローターとステーターとからなり、ローターに形成され
たスケールは、第1周期で変調された第1パターンと、
第1周期と異なる第2周期で変調された第2パターンと
を有しており、第1パターンと第2パターンとをロータ
ーの回転方向に等ピッチで順次配列させ、スケール検出
手段がスケールのパターンを読み取る様になっている。
ーンの変調を、線幅を変化させる空間変調により行う様
にすることもできる。
ンの他に、一様な第3パターンを備えており、第1パタ
ーン、第2パターン及び第3パターンをローターの回転
方向に等ピッチで順次配列する様にすることもできる。
ールが、第1周期で変調された第1パターンと、第1周
期と異なる第2周期で変調された第2パターンとを有し
ており、第1パターンと第2パターンとをローターの回
転方向に等ピッチで順次配列させ、スケール検出手段が
スケールのパターンを読み取り、演算処理手段が、スケ
ール検出手段の検出信号に基づき、ローターの角度を演
算する様になっており、演算処理手段の基準信号形成部
が、スケール検出手段で検出された検出信号の間隔から
基準信号を形成し、パターン信号形成部が、基準信号形
成部で形成された基準信号とスケール検出手段で検出さ
れた検出信号とから、第1のパターン信号と第2のパタ
ーン信号を形成し、算出部が、第1のパターン信号の位
相と第2のパターン信号の位相からローターの角度を算
出することができる。
とは、周期的に一致する一致点を少なくとも1箇所備え
る様にすることもできる。
る。
は、ローター100と、このローター100に形成され
たスケール200と、ステーター300と、スケール検
出手段400とから構成されている。
0は、空間変調されたパターンから構成されており、こ
のパターンは少なくとも、第1周期で変調された第1パ
ターンと、この第1周期と異なる第2周期で変調された
第2パターンとを有し、第1パターンと第2パターンと
を回転方向に等ピッチで順次配列することにより構成さ
れている。
調は線幅を変化させる空間変調が採用されている。
0とステーター300とを挟む様に構成されており、発
光素子410とコリメータ420とリニアセンサ430
とから構成されている。
形成されたスケール200のパターンを電気信号に変換
するためのものである。リニアセンサ430はステータ
ー300に形成されており、本実施例ではCCDリニア
センサが採用されている。なおリニアセンサ430は、
CCDリニアセンサに限ることなく、ホトダイオード等
を少なくとも1次元的に配置したリニアイメージセンサ
であれば、何れのセンサを採用することができる。
ンプ161と、サンプルホールド162と、A/D変換
器163と、RAM164と、クロックドライバ165
と、マイクロコンピュータ166と、表示器167とか
ら構成されている。
ール200と、その測定原理について説明する。
00に同心円状に形成されたスケール200を、展開し
て図2(a)に示す様に直線に置き換えて説明する。
ケール200は、図2(a)に示す様に、第1のパター
ンAと第2のパターンBと第3のパターンRが等間隔
(p)で繰り返し配置されている。即ち、3種のパター
ンを1組として各ブロックが連続して形成されており、
最も左側に配置されたブロックを、0ブロックと定義
し、R(0)、A(0)、B(0)と記載すれば、R
(1)、A(1)、B(1)、R(2)、A(2)、B
(2)、・・・・・・・・と繰り返し配置されている。
なお、全てのパターンが等間隔pで繰り返されているの
で、この間隔に対応した信号を基準信号とする。
3.8秒で設定されているが、(角度に換算した時、1
83.8秒毎)何れの間隔距離(間隔角度)を採用する
ことができる。また第3のパターンRは固定幅となって
おり、第1のパターンAは、360度/50で1周期と
なる様に黒部分の幅を変調しており、第2のパターンB
は、360度/47で1周期となる様に黒部分の幅を変
調している。なお、第1のパターンAと第2のパターン
Bとは、周期が僅かに異なれば、何れの周期を採用する
ことができる。なお、第1のパターンA、第2のパター
ンBの変調の様子は、図2(b)の様になる。
検出する原理を説明する。
ケール200の第1のパターンAは、360度/50で
1周期となる様に黒部分の幅を変調しているので、変調
幅を0〜183.8秒とすれば、第1のパターンの幅DA
は、以下の式で与えられる。
5.3秒、1286.8秒・・・・・・である)。
されたスケール200の第2のパターンBは、2757
4.5秒で1周期となる様に黒部分の幅を変調している
ので、第2のパターンの幅DBは、以下の式で与 えられ
る。
9.1秒、1470.6秒・・・・・・である)。
第2のパターンの最大変調の80%である147.1秒
となっている。
Bとは、周期が僅かに異なっているため、両者の最小公
倍数となる1回転で同様のパターンが現れる(一致
点)。従って第1のパターンAによる信号と、第2のパ
ターンBによる信号との位相差は、ローター100の1
回転の範囲で、周期が0〜2πまで変化することにな
る。
パターンAによる信号の位相をφAとし、第2のパター
ンBによる信号の位相をφBとすれば、
を具体的に説明する。
(等間隔ピッチpに相当する信号)の前後半ピッチ分で
積分する。更にこの積分値を3つ毎に間引けば(プロダ
クト検波)、図4に示す様に、第1のパターンAに相当
する信号1と、第2のパターンBに相当する信号2と、
第3のパターンRに相当する信号3とが得られる。しか
しながら第3のパターンRは、幅が変調されていない
上、第1のパターンAと第2のパターンBの最大変調幅
が183.8秒に対して、第3のパターンRは147.1
秒しかないので、第3のパターンRに相当する信号3
は、積分値が略一定であり、信号1や信号2に比較して
約80%の値となる。
ーンAと、第2のパターンBとは、定められた順番に繰
り返して配置されているので、間引かれた信号が、第3
のパターンR、第1のパターンA、第2のパターンBの
何れであるか、決定することができる。更に光量ムラの
外乱光の影響を取り除くため、第3のパターンRに相当
する信号を基準として、図5に示す様に、(A−R)、
(B−R)の信号を得る。
角度読み取り位置に対応するリニアセンサ15のアドレ
ス位置(第mビット目)を含む、基準信号が含まれる
R、(A−R)、(B−R)の1組の信号を選択し、
(A−R)と(B−R)の位相を求めれば、ローター1
00に同心円状に形成されたスケール200の何れの位
置の、第1のパターンA、第2のパターンB、第3のパ
ターンRの組合せであるかを求めることができる。
−R)信号をBmとし、(A−R)信号の最大振幅の1
/2をWa、(B−R)信号の最大振幅の1/2をWb
とすれば、(A−R)と(B−R)の位相は、それぞ
れ、
ーンBに相当する信号の位置が、第1のパターンAに相
当する信号より183.8秒ずれているからである。
れば、第1のパターンAに対応する信号のスケール20
0の位置を検出することができ、ローター100の角度
θを求めることができる。なお、基準信号の所属が第3
のパターンRであれば、183.8秒を減じ、基準信号
の所属が第2のパターンBであれば、183.8秒を加
えればよい。この結果、ローター100に同心円状に形
成されたスケール200の位置を検出して、ローター1
00の角度θを求めることができる。
された演算処理手段16を詳細に説明する。
の電気信号を増幅するものであり、サンプルホールド1
62は、増幅された電気信号をクロックドライバ165
からのタイミング信号でサンプルホールドするものであ
る。A/D変換器163は、サンプルホールドされた電
気信号をA/D変換するためのものである。そしてRA
M164は、A/D変換されたデジタル信号を記憶する
ためのものである。またマイクロコンピュータ166
は、各種演算処理を行うものである。
す機能を図6に基づいて説明すると、演算処理手段16
は、基準信号形成部1661と、パターン信号形成部1
662と、算出部1664とからなり、基準信号形成部
1661は、リニアセンサ430から得られた電気信号
から、高速フーリエ変換により等間隔ピッチpに相当す
る基準信号を形成するものである。
の前後半ピッチ分で積分し、この積分値を3つ毎に間引
く(プロダクト検波)ことにより、第1のパターン信号
と第2のパターン信号を形成するものである。
第2のパターン信号の位相から、第3式を演算し、ロー
ター100の角度θを求めるものである。
算出されたローター100の角度θを表示するもので、
液晶表示等の表示手段を採用してもよく、更に、外部記
憶手段等に出力させる構成としてもよい。
具体的に説明する。
ケール200は、第1のパターンAと第2のパターンB
と第3のパターンRとから構成されている。
周期となる様になっており、第2のパターンBは、36
0度/47で1周期となる様になっている。従って、A
=50周期、B=47周期とすれば、最小公倍数となる
点で、同様なパターンが現れることになる。即ち、この
点がゼロ信号用のインデックスに相当する。
程度とすれば、この格子から得られる信号により最大で
0.2秒程度までの角度検出が可能となる。
コードの間隔の1/1000まで可能であるから、
μmとなり、
80ピッチとなる。
2のパターンB(B=47周期)とから、AとBの最小
公倍数は2350ブロックとなり、これに第3のパター
ンRを加え、3ピッチとすれば、
成され、第1周期で変調された第1パターンと、該第1
周期と異なる第2周期で変調された第2パターンとを有
し、前記第1パターンと前記第2パターンとを前記ロー
ターの回転方向に等ピッチで順次配列させたスケール
と、このスケールのパターンを読み取るためのスケール
検出手段と、該スケール検出手段の検出信号に基づき、
ローターの角度を演算するための演算処理手段とからな
っており、該演算処理手段は、前記スケール検出手段で
検出された検出信号の間隔から基準信号を形成するため
の基準信号形成部と、この基準信号形成部で形成された
基準信号と前記スケール検出手段で検出された検出信号
とから、前記第1のパターン信号と前記第2のパターン
信号を形成するためのパターン信号形成部と、前記第1
のパターン信号の位相と前記第2のパターン信号の位相
からローターの角度を算出するための算出部とから構成
されているので、従来のインクリメンタル方式のエンコ
ーダの様に、格子を細かくする必要がなく、格子のエッ
ジの部分を捕らえる必要がないため、製作が容易でコス
トも安いという効果がある。
の測定が可能であり、ステーターのリニアスケールを検
出するのみで角度の検出を行うことができるという卓越
した効果がある。
は、インクリメンタル方式とアブソリュート方式の利点
を併せ持っており、付加価値が高く、商品性の高いエン
コーダを提供することができるという効果がある。
示す図である。
説明する図である。
説明する図である。
ある。
Claims (5)
- 【請求項1】 ローターと、ステーターとから構成され
たエンコーダにおいて、前記ローターに形成され、第1
周期で変調された第1パターンと、該第1周期と異なる
第2周期で変調された第2パターンとを有し、前記第1
パターンと前記第2パターンとを前記ローターの回転方
向に等ピッチで順次配列させたスケールと、このスケー
ルのパターンを読み取るためのスケール検出手段とから
構成されたロータリーエンコーダ。 - 【請求項2】 前記第1パターン及び前記第2パターン
の変調は線幅を変化させる空間変調により行われること
を特徴とするロータリーエンコーダ。 - 【請求項3】 前記第1パターンと前記第2パターンの
他に、一様な第3パターンを備えており、前記第1パタ
ーン、第2パターン及び第3パターンを前記ローターの
回転方向に等ピッチで順次配列することにより構成され
た請求項1又は2記載のロータリーエンコーダ。 - 【請求項4】 ローターと、ステーターとから構成され
たエンコーダにおいて、前記ローターに形成され、第1
周期で変調された第1パターンと、該第1周期と異なる
第2周期で変調された第2パターンとを有し、前記第1
パターンと前記第2パターンとを前記ローターの回転方
向に等ピッチで順次配列させたスケールと、このスケー
ルのパターンを読み取るためのスケール検出手段と、該
スケール検出手段の検出信号に基づき、ローターの角度
を演算するための演算処理手段とからなっており、該演
算処理手段は、前記スケール検出手段で検出された検出
信号の間隔から基準信号を形成するための基準信号形成
部と、この基準信号形成部で形成された基準信号と前記
スケール検出手段で検出された検出信号とから、前記第
1のパターン信号と前記第2のパターン信号を形成する
ためのパターン信号形成部と、前記第1のパターン信号
の位相と前記第2のパターン信号の位相からローターの
角度を算出するための算出部とから構成されていること
を特徴とするロータリーエンコーダ。 - 【請求項5】 前記第1パターンと前記第2パターンと
は、周期的に一致する一致点を少なくとも1箇所備えて
いる請求項1〜4記載のロータリーエンコーダ。
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