JP3551380B2 - ロータリーエンコーダ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、角度を検出するた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。
【0002】
【従来の技術】
従来から角度を電気的に測定するものとして、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。
【0003】
角度を電気的に測定するものとしては、ロ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。
【0004】
この様な優れた特徴から、光学式エンコーダは、例えば角度検出のための測量機に利用されている。
【0005】
現在の測量機に使用されている光学式エンコーダは、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。
【0006】
アブソリュート方式は、角度の値と円周上の位置とが、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。
【0007】
そして図8に示す様に、第1のトラック5000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7200、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。
【0008】
これに対してインクリメンタル方式は、図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8510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8520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。
【0009】
ローター8510に形成されたメインスケール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。
【0010】
なお、ゼロ信号検出用インデックス8512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。
【0011】
固定されたステーター8520には、2個のサブスケール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。
【0012】
検出手段8530は、インデックス検出部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。
【0013】
メインスケール検出部は、第2の発光素子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8510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。
【0014】
即ちローター8510が回転すると、メインスケール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。
【0015】
また2個のサブスケール8523、8523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。
【0016】
そして、第2の受光素子8537から得ら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。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アブソ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。
【0018】
またインクリメンタル方式のエンコーダは、ローター8510に形成されたメインスケール8511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。
【0019】
この細かいスケールは、原板からフォトレ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。
【0020】
例えば格子の形状が崩れている場合や、格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。
【0021】
更にインクリメンタル方式のエンコーダは、ローター8510に形成されたメインスケール8511を1つ1つ読み取る構成を有するので、ローター8510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。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、スケールが形成されたローターと、そのスケールを読み取るためのスケール検出手段とからなるエンコーダにおいて、
前記ローターに形成され、線幅を空間的に変化させ、等ピッチで配置されたパターンを前記ローターの回転方向に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を有し、回転角の粗精度は、前記パターンの位置から検出し、回転角の精精度は、前記パターンから得られる周期的なデータをフーリエ変換して得ることを特徴としている。
【0023】
また本発明のパターンは、第1パターンと第2パターンとからなり、この第1パターンと該第2パターンとは、周期を異ならせて配置する構成にすることもできる。
【0024】
更に本発明は、前記第1パターンと前記第2パターンの他に、線幅が一定な第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パターンが、前記ローターの回転方向に等ピッチで順次配列する構成にすることもできる。
【0025】
そして本発明の前記第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箇所備える構成にすることもできる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以上の様に構成された本発明は、ローターに形成されたスケールは、線幅を空間的に変化させ、等ピッチで配置されたパターンをローターの回転方向に順次配列しており、スケール検出手段がスケールのパターンを読み取り、回転角の粗精度をパターンの位置から検出し、回転角の精精度をパターンから得られる周期的なデータをフーリエ変換して得る様になっている。
【0027】
また本発明のパターンを第1パターンと第2パターンとから構成し、第1パターンと第2パターンとは、周期を異ならせて配置することもできる。
【0028】
更に本発明は、第1パターンと第2パターンの他に、線幅が一定な第3パターンを備え、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させることもできる。
【0029】
そして本発明の第1パターンと第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箇所備えることもできる。
【0030】
【実施例】
【0031】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【0032】
図1は、本実施例のエンコーダ1000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、受光板300と、スケール検出手段400とから構成されている。
【0033】
ローター100に形成されたスケール200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。
【0034】
即ち、第1パターン及び第2パターンの変調は線幅を変化させる空間変調が採用されている。
【0035】
スケール検出手段400は、ローター100と受光板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。
【0036】
リニアセンサ430は、ローター100に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は受光板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。
【0037】
演算処理手段16は、図3に示す様に、アンプ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。
【0038】
「原理」
【0039】
ここで、ローター100に形成されたスケール200と、その測定原理について説明する。
【0040】
まず説明を簡便化するために、ローター100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。
【0041】
ローター100に同心円状に形成されたスケール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。
【0042】
本実施例では等間隔(p)は、例えば183.8秒で設定されているが、(角 度に換算した時、183.8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。
【0043】
ここで、スケール200から所定の角度を検出する原理を説明する。
【0044】
ローター100に同心円状に形成されたスケール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。
【0045】
DA=91.9秒*(1+SIN(2*π*X/(1296000秒/50)))
【0046】
・・・第1式
【0047】
となる。但し、X=(183.8秒、735.3秒、1286.8秒・・・・・ ・である)。
【0048】
同様に、ローター100に同心円状に形成されたスケール200の第2のパターンBは、27574.5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。
【0049】
DB=5*(1+SIN(2*π*X/(1296000秒/47)))
【0050】
・・・第2式
【0051】
となる。但し、X=(367.7秒、919.1秒、1470.6秒・・・・・・ である)。
【0052】
第3のパターン幅は固定幅であり、第1、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。
【0053】
そして第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。
【0054】
即ち、ローター100の角度θは、第1のパターン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、
【0055】
θ=(φB−φA)/(50−47) ・・・・第3式
【0056】
となる。
【0057】
次に、ローター100の角度θの演算方法を具体的に説明する。
【0058】
リニアセンサ15の出力信号を、基準信号(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1 47.1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。
【0059】
そして、第3のパターンRと、第1のパターン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。
【0060】
次に(A−R)、(B−R)の信号から、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100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。
【0061】
ここで、(A−R)信号をAmとし、(B−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、
【0062】
φa=SIN−1(Am/Wa) ・・・・第6式
【0063】
φb=SIN−1(Bm/Wb)−2*π(183.8/(360*60*60/47))
=SIN−1(Bm/Wb)−2*π(183.8/27574.5)
【0064】
・・・・第7式
【0065】
となる。第7式の端数部分は、第2のパターン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。
【0066】
そして第6式と第7式を、第3式に代入すれば、第1のパターンAに対応する信号のスケール200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100の角度θを求めることができる。
【0067】
次に本実施例のエンコーダ1000に搭載された演算処理手段16を詳細に説明する。
【0068】
アンプ161は、リニアセンサ430からの電気信号を増幅するものであり、サンプルホールド162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RAM164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。
【0069】
ここでマイクロコンピュータ166が果たす機能を図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1662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。
【0070】
パターン信号形成部1662は、基準信号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。
【0071】
算出部1664は、第1のパターン信号と第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。
【0072】
そして表示器167は、算出部1664で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。
【0073】
ここで、本実施例のエンコーダ1000を具体的に説明する。
【0074】
ローター100に同心円状に形成されたスケール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。
【0075】
第1のパターンAは、360度/50で1周期となる様になっており、第2のパターンBは、360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。
【0076】
従来のエンコーダでは、格子間隔を60秒程度とすれば、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。
【0077】
本実施例のエンコーダ1000では、バーコードの間隔の1/1000まで可能であるから、
【0078】
0.2秒*1000であるから、38.78μmとなり、
【0079】
これからピッチを求めると、1回転で6480ピッチとなる。
【0080】
第1のパターンA(A=50周期)及び第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、
【0081】
2350*3=7050
【0082】
となる。
【0083】
1ピッチは、
【0084】
(360*60*60)/7050=183.3秒
【0085】
となり、分解能は、
【0086】
183.3秒*1000=0.18秒
【0087】
となる。
【0088】
以上の様に、ローター100と、受光板300とから構成されたエンコーダ1000は、ローター100に形成され、線幅を空間的に変化させ、等ピッチで配置されたパターンをローターの回転方向に順次配列させたスケール200と、このスケール200のパターンを読み取るためのスケール検出手段400とを有し、回転角の粗精度は、パターンの位置から検出し、回転角の精精度は、パターンから得られる周期的なデータをフーリエ変換して得る様に構成されている。そして、粗精度と精精度とを組み合わせることにより、回転角度を検出している。
【0089】
【効果】
以上の様に構成された本発明は、前記ローターに形成され、線幅を空間的に変化させ、等ピッチで配置されたパターンを前記ローターの回転方向に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を有し、回転角の粗精度は、前記パターンの位置から検出し、回転角の精精度は、前記パターンから得られる周期的なデータをフーリエ変換して得る構成を有しているので、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。
【0090】
またローターがどの位置にあっても位相差の測定が可能であり、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。
【0091】
従って、本発明のロータリーエンコーダは、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。
【0092】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例のエンコーダ1000の構成を示す図である。
【図2(a)】本実施例のエンコーダ1000の原理を説明する図である。
【図2(b)】本実施例のエンコーダ1000の原理を説明する図である。
【図3】本実施例の電気的構成を示す図である。
【図4】本実施例の測定の原理を説明する図である。
【図5】本実施例の測定の原理を説明する図である。
【図6】本実施例の演算処理手段16の構成を示す図である。
【図7】従来技術を説明する図である。
【図8】従来技術を説明する図である。
【図9】従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
1000 エンコーダ
100 ローター
200 スケール
300 受光板
400 スケール検出手段
410 発光素子
420 コリメータ
430 リニアセンサ
16 演算処理手段
161 アンプ
162 サンプルホールド
163 A/D変換器
164 RAM
165 クロックドライバ
166 マイクロコンピュータ
167 表示器
1661 基準信号形成部
1662 パターン信号形成部
1664 算出部
Claims (5)
- スケールが形成されたローターと、そのスケールを読み取るためのスケール検出手段とからなる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。
- 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請求項1記載のロータリーエンコーダ。
- 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。
- スケールが形成されたローターと、そのスケールを読み取るためのスケール検出手段とからなる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。
- 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記載の何れか1項記載のロータリーエンコーダ。
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