JPH01189518A - インクリメンタル型ロータリーエンコーダ - Google Patents

インクリメンタル型ロータリーエンコーダ

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JPH01189518A
JPH01189518A JP1357688A JP1357688A JPH01189518A JP H01189518 A JPH01189518 A JP H01189518A JP 1357688 A JP1357688 A JP 1357688A JP 1357688 A JP1357688 A JP 1357688A JP H01189518 A JPH01189518 A JP H01189518A
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JP1357688A
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Tetsuro Sakano
哲朗 坂野
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Fanuc Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、インクリメンタル型ロータリーエンコーダに
関し、特に、回転コード円板にアナログコードパターン
を有し、被検体の高速回転検出を高分解能の下に遂行可
能なインクリメンタル型ロータリーエンコーダに関する
〔従来の技術〕
インクリメンタル型ロータリーエンコーダにおいて、従
来よりコード円板に光の透過性を増加させたアナログコ
ードパターンを形成し、そのコード円板の回転時に該ア
ナログコードパターンから光電的にアナログコード信号
を発生させ、このアナログコード信号を一定の時間間隔
で周期的に読み取り、周期毎のアナログコード信号差か
ら回転量を検出するようにしたものが用いられていた。
このインクリメンタル型ロータリーエンコーダは正逆再
回転の検出が可能となるように、一定の移相角(位相ず
れ)を有した2つのアナログコードパターンを用い、両
コードパターンからのコード信号の進み、遅れを判別す
ることにより、正回転と逆回転の判別を行うようにして
いる。
〔発明が解決すべき課題〕
然しながら、従来のアナログコードパターンを存したイ
ンクリメンタル型ロータリーエンコーダでは、該アナロ
グコードパターンを有する利点を偵える反面で、回転が
高速化し、上記一定時間間隔から成る各周期の回転量が
アナログコードパターンの半波長以上になると、回転量
の正確な検出が困難になる不具合を有し、回転速度域に
応じてアナログコード信号の読取り周期を加減し、高速
回転域では、読取り周期を短縮するようにして対処した
が、この読取り周期の短縮は、回路の構成を複雑化する
ために、高速回転時の高精度回転検出が不可能になる問
題があった。
依って、このような不具合を解消し、高速回転の高精度
回転検出も可能なロータリーエンコーダの開発が課題と
されていた。
従って、本発明の目的は、上記課題を解決すべく、新規
なアナログコードパターンの構成と信号処理とを行い、
高速回転域における回転検出を高分解の下で遂行可能な
インクリメンタル型ロータリーエンコーダを提供するこ
とである。
また、本発明の他の目的は、上記信号処理の具体的構成
として、位相変化データの演算を行う手段を備えたイン
クリメンタル型ロータリーエンコーダを提供せんとする
ものである。
〔解決手段と作用〕
本発明は、回転コード円板に波長が整数比で長短具なる
複数!(チャンネル)の波形アナログコードパターンを
形成し、夫々のチャンネルのアナログコードパターンか
ら光電的に検出したアナログコード信号を取り出し、こ
れらの複数チャンネルのアナログコード信号における長
波長チャンネル側のコード信号に基づいて順次に次の長
波長チャンネルに就いての位相変化データを演算し、究
極的に最も短い波長チャンネルにおける定周期間の回転
による波長数と位相変化データとを算出し、これを回転
量データに変換、出力することにより、高速回転域にお
ける回転量検出も高分解能の下に遂行できるようにした
ものである。
即ち、本発明によれば、回転コード円板に形成した一定
の移相角を有する2つ1&Ilの波形のアナログコード
パターンを読み取ることにより、正逆回転検出をおこな
うインクリメント型ロータリーエンコーダにおいて、前
記回転コード円板に同心に形成され、波長が所定の整数
比により順次に長短異なる複数組(以下、チャンネル)
の波形のアナログコードパターンと、前記回転コード円
板の回転時に前記各チャンネルのアナログコードパター
ンから光電的にアナログコード信号を検出すると共に該
各チャンネルのアナログコード信号の各一波長範囲内に
おける位相データを所定の同周期により演算して検出す
る位相検出手段と、前記位相検出手段により所定の同周
期毎に検出した長い波長チャンネルの位相データに基づ
いて次に長い波長チャンネルの前記定周期における位相
変化データを演算するようにして最も短い波長チャンネ
ルに関する前記定周期における位相変化データを演算出
力する位相変化演算手段と、前記位相変化演算手段によ
り算出した最も短い波長チャンネルに関する前記定周期
における位相変化データを前記回転コード円板のインク
リメンタル量による回転データに変換、出力する回転出
力手段とを具備して構成されたインクリメンタル型ロー
タリーエンコーダを提供するものである。以下、本発明
を添付図面に示す実施例に基づいて、詳細に説明する。
〔実施例〕
第1図は、本発明による、インクリメンタル型ロータリ
ーエンコーダの実施例として、コード円板に波長が相互
に整数比1対10対100の割合で異なる3チヤンネル
のアナログコードパターンを形成した場合の構成を示し
たブロック図であり、第2図(A)は、各チャンネルの
波形アナログコードパターンを直線状に展開させて図示
した展開図、第2図(B)は、各チャンネルのアナログ
コードパターンにおける光透過を等量化するための受光
窓の配置を示した平面図、第3図は各チャンネルから光
電的に得るコード信号の波形図、第4図は位相変化デー
タの演算方法を解説する説明図、第5図は、位相変化デ
ータの演算手段の具体的な一例の回゛路構成図である。
先ず、第1図を参照すると、本発明の実施例に係るイン
クリメンタル型ロータリーエンコーダは、回転検出の対
象となる被検体と共に、または一定の連動関係で回転す
る回転コード円板12を有している。このコード円板1
2は中心軸14を介して適当な軸受手段により回転自在
に保持され、その一方の面から適正距離離れた位置に設
けた例えば、発光ダイオード等の発光手段16から光が
核部に投射されるように成っている。そして、この回転
コード円板12の板面に第2図(A)に示した複数の(
この例では3つ)チャンネルによる波形のアナログコー
ドパターン18が光透過性のパターンとして形成され、
上記発光手段16から投射された光が、第2図(B)に
示された適宜の受光窓22を介して、これらの波形のア
ナログコードパターン18を透過することにより、コー
ド円板12の反対側に設けられた受光素子20により、
各チャンネル毎のコード信号として検出される。
なお、受光素子20側にも第2図(B)に示した受光窓
22を配置して検出光の等量化を図るようにしてもよい
ここで、第2図(A)を参照すると、3つのチャンネル
のアナログコードパターン18が示されており、チャン
ネルIは波長が最も短い波形のアナログコードパターン
A、Bを有し、チャンネル■は、次に長い波長の波形を
有したアナログコードパターンA、Bを有し、又1.チ
ヤンネル■は、最も長い波長の波形を有したアナログコ
ードパターンASBを有している。そして、この場合に
、最長波長のチャンネル3のアナログコードパターンか
らチャンネル1の最も短い波長のアナログコードパター
ンまでの3種のコードパターン間では、1対lO対10
0の整数比を成すように形成されている。勿論、本発明
はこの比率値に限定されるものではないことは言うまで
もない。上述した3つのチャンネルのアナログコードパ
ターンは、回転コード円板12の中心に対して同心状に
配置形成され、各チャンネルのアナログコードパターン
A、Bは正逆の再回転を検出し得るように、従来のロー
タリーエンコーダと同様に、相互に移相されており、−
船釣には、90″の移相角を有するように形成されてい
る。
ここで、再び、第1図を参照すると、3つの各チャンネ
ルにおける2つのコードパターンA、 B夫々毎に、受
光素子20によりコード円板12の回転に伴って検出さ
れるコード信号は、例えば、電圧信号として検出され、
対応の入力回路24a、24b〜28a、28bに印加
され、これらの入力回路24a、24 b 〜28 a
、 28 bにおいて、増幅作用と波形調整(基準信号
レベル、例えば、0ボルト値に対して±Vボルトの信号
に補正、調整するオフセット調整と、その全振幅値の調
整)とを受ける。これらの入力回路24a、24b〜2
8a、28bにより増幅と波形調整作用とを受けた各チ
ャンネルI〜■のアナログコード信号は、第3図に示さ
れているようにVia、Vlb〜V3a、V3bの正弦
波形状の出力波形を有し、回転コード円板12の任意の
一定位置からの回転角θに対して、夫々以下の式で示さ
れる。
V1a=Vxcos  (100Xθ)、Vlb=Vx
sin (100Xθ)、■2a=■×cos (10
×θ)、 V2b=VXs  in  (I Qxθ)、V3a=
VXcosθ、 V3b=VXsinθ、 上記の入力回路24 a、 24 b〜28 a、28
bの出力は、次いで、位相検出部30.32.34の各
手段へ図示の回路を経て送出される。すなわち、位相検
出部30は、入力回路24a、24bに接続され、これ
らのアナログコード出力信号Via、Vlbを、タイマ
ー等の限時手段36より発っせられる一定周期の限時タ
イミングに周期的に取り出し、取り出したアナログコー
ド信号から上記一定周期間における位相の差分である位
相データX1を次式により算出する。
X1=jan −’  (Vl b/Vl a)、ただ
し、5jnXIXV1b≧0.C03XIXVia≧0
.かつ、0≦Xi<360°、同様に、位相検出部32
と34とはチャンネル■とチャンネル前とに就いて、位
相データX2゜X3を次式に従って算出する。
X2=tan  −’  (V2b/V2a)  、た
だし、s 1nX2xV2b≧Q、cosX2XV2a
≧O2かつ、0≦X2<360”、X3=jan  −
’  (V3b/V3a)  、ただし、5inX3x
V3b≧O,cosX3XV3a≧O2かつ、0≦X3
<360°、なお、上記限時手段36による一定周期の
限時タイミングとしては、例えば、100μsecに選
定され、各チャンネル1〜■は、共に同−周期毎に上記
の位相データX1〜X3を算出する。
上述のようにして位相データX1〜X3(単位は度)が
算出されると、これらの算出値に基づいて、波長が最も
短いチャンネルIに関する一定周期間、つまりアナログ
コード信号Vla、Vlbの成る取り出し時間と、その
−周期前の取り出し時間との間の位相データの変化量、
即ち、位相変化データの算出が行われる。この、チャン
ネルIにおける一定周期間の位相変化データを算出すれ
ば、その算出値を回転量のデータに換算することにより
、回転量の検出が可能となるのである。
本発明の特徴として、最も短い波長のアナログコードパ
ターンを有したチャンネル■における位相変化データD
1の検出に、該チャンネルIの位相データX1と共に他
のチャンネル■、■の位相データX■、XI[[と位相
変化データD2、D3とを利用する方法が採られており
、このチャンネルIの位相変化データD1の演算は、第
1図の位置変化量算出部38によって、次に示す演算プ
ロセスで遂行される。
先ず、各チャンネル■〜■の一周期前の時間における位
相データをXl。、X2゜、X3゜(単位は度)とし、
今回の位相データをXl、、、X2.、、X3fi (
同じく、単位は度)とする。また、−周期間、つまり、
100μ秒間の回転コード円板12の回転量は、2分の
1回転以下、即ち、チャンネル■のアナログコードパタ
ーンAまたはBの半波長以下とする。この100μ秒間
の回転量が180°は、300.、OOOrpmの回転
速度に相当する高速回転であり、通常の産業用途では充
分な高速回転であるが、勿論、更に高速回転のときは、
アナログコード信号の取り出し周期を更に短縮してもよ
い。
上述のようにすると、波長が最も長いチャンネル■の位
相変化データD3は、次の式で表される演算の結果とし
て算出される。
(イ)X3I、−X3゜く180°のときは、D3=X
3fi−X3゜、 (ロ)X3.−X3゜≧1806のときは、D3=X3
11−X3゜−3606、 (ハ)X3.  X3o ≦−180°のときは、D3
”X3n X3o+360”、 上記(ロ)の1例としては、回転コード円板12が逆回
転しており、例えば、X3,1=350°、X3゜=1
0’のときに上記の条件となる。又、(ハ)の1例とし
ては、回転コード円板12が正回転しており、X3.、
=175″、X3゜=358゜のときに上記の条件にな
る。
上述の演算プロセスにより、先ず、チャンネル■の位相
変化データD3が算出されると、それに基づいて、次に
チャンネル■の位相変化データD2が以下の演算プロセ
スで算出される。
N2= INT ((10xD3−X2,1+x2o 
)/360°〕 ・・・・ (1) D2=360°XN2+X2n−X2゜・・・・ (2
) ここで、INT()は、〔〕内の値を四捨5人して整数
値化することを意味するものとする。このようにして得
た値N2は、第4図の説明図に示したチャンネル■にお
ける一周期間の通過波長数であり、チャンネル■の半波
長内における回転の間には当然に波長がチャンネル■よ
り短いチャンネル■では数波長が通過していることにな
る。この例では、チャンネル■の波長数は、チャンネル
■の波長数との間に10対1の関係にあるから、第4図
より理解できるように、10XD3は、理論的にはD2
に等しいが、チャンネル■の位相変化データD3は、波
形が緩慢であることから、分解能が当然にチャンネル■
の位相変化データD2より粗く、また、アナログコード
信号■3a、V3bの歪み誤差、オフセット誤差、これ
らV3a、Vab間の移相角(90”)の誤差等に起因
して、通常は10XD3はD2に等しく成らない。故に
、位相変化データD3を直接、回転検出データとして使
うことなく、より細かい波形のアナログコードパターン
を有したチャンネル■の位相変化データの上式に従う算
出にのみ利用するのである。つまり、チャンネル■の位
相変化データが持つ誤差を無視して、単にチャンネル■
の位相変化データD2の算出にうまく利用し、チャンネ
ル■の位相変化データD2を正確に求めるのである。
上述したチャンネル■の位相変化データからチャンネル
Hの位相変化データを算出する演算プロセスは、また、
求めたチャンネル■の位相変化データからチャンネル■
の位相変化データを算出するのに同様に適用することが
できる。従って、次式(3)、(4)により、チャンネ
ルIの位相変化データD1が算出される。
N1=INT ((10xD2−Xi、l+XL )/
360 ’)  ・・・・ (3) D1=360  °xN1+X1.−Xi。
・ ・ ・ ・ (4) この場合も、前記と同様にして、チャンネル■の位相変
化データD2が持つ誤差を無視して、チャンネルIの位
相変化データD1を正確に算出することにのみ利用して
いるのである。こうして、最も細かい(波長の短い)コ
ードパターンを目盛りとしたチャンネル■のアナログコ
ードパターンを基準にした、一定周期間におけるコード
円板12の回転に伴う位相変化データを、粗いコードパ
ターンを目盛りとする他のチャンネル■、■の位相変化
データを利用して検出することが可能となり、故に、回
転量の検出分解能を著しく向上させることになるのであ
る。
かくして得られたチャンネルIの位相変化データDiが
、位相変化量検出部38から送出されると、第1図の回
転量変化部40は、該チャンネルIの位相変化データD
Iを次のようにして回転量Pに変換する。つまり、回転
コード円板12の一回転の検出パルス数を例えば、10
0,000バルスと予め設定しておくと、チャンネルI
は円板12の周囲に100波長数を有しているから、そ
の1波長分の変位に対しては、100分の1の1000
パルスを送出すれば、1波長のインクリメンタル変位が
あったことを表示できる。従って、上記に演算したチャ
ンネルIの位相変化データDIに対する送出パルス数P
は、次式で換算することができ、上記回転量変化部4o
は、この換算を行う単純な変換演算手段、または変換演
算回路手段として形成すればよい。
P=INT [1,0OOXDI/360°〕このよう
にして得られた回転量を示すパルス数Pをパルス出力回
路42からディジタル回転量検出値として送出すれば、
インクリメンタル型ロータリーエンコーダの出力が得ら
れるのである。
ここで、前述した位相変化量算出部38を、簡単な回路
構成で構成する場合の1例が第5図に示しである。
同第5図の上段には、チャンネル■における位相データ
X3から位相変化データD3を算出する場合の回路構成
を示し、レジスタ50、コンパレータ52、演算器54
を有して構成され、上記レジスタ50にはチャンネル■
の位相データX3が逐次、登録される。このようにレジ
スタ50に位相データX3を登録すれば、コンパレーク
52において、前述した(イ)、(ロ)、(ハ)のX3
.%−X3゜〈180°、X3.−X3゜≧180°、
X3,1−X3. ≦−180’(7)3つ(7)条件
の比較演算を遂行することができる。そして、演算器5
4は、位相データX3と、コンパレータ52からの比較
データにより、D3=X3,1−x3o 、D3=X3
,1−X30−360°、D3=X3,1−X3゜+3
60°の各演算を実施するのである。
他方、第5図の下段には、上述したチャンネル■の位相
変化データD3からチャンネル■の位相変化データD2
を算出する回路構成がしめされており、レジスタ56、
演算器(1)58、演算器(2)60とを具備して構成
されている。このレジスタ56はチャンネル■の位相デ
ータX2を逐次、登録する回路手段であり、この結果、
−周期前の位相データX2゜を取り出すことができるの
である。演算器(1)58は、前述したN2=INT 
((10XD3−X2.+X2゜)/360°〕 ・・
・・ (1) の演算を遂行する回路手段として設けられ、又、他の演
算器(2)60は、前述した D2=360’xN2+X2.−X2゜・・・・ (2
) の演算を遂行する回路手段として設けられる。また、こ
うして求めたチャンネル■の位相変化データD2からチ
ャンネルIの位相変化データDIを算出する回路手段は
上述の位相変化データD2を算出する構成と同じものを
他に−組み設ければよいことは、容易に理解できよう。
また、上述のような回路手段を用いた構成に代えて、通
常の市販マイクロプロセッサを利用して同様の演算処理
を遂行することも可能であることも当業者なら容易に理
解することができるであろう。その場合には、第1図の
回転量変換部40も同マイクロプロセッサで構成すれば
よい。
〔発明の効果〕
以上の実施例に基づく説明から明らかなように本発明に
よれば、インクリメンタル型ロータリーエンコーダにお
いて、回転体、その他の回転検出対象における高速回転
を極めて簡単な演算処理原理に基づき、高分解能の下に
検出することが可能となるのである。故に、例えば、工
作機械や産業用ロボットの関節部の回転検出を高精度で
遂行可能とし、故に、それら回転検出対象の性能向上に
も寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明による、インクリメンタル型ロータリ
ーエンコーダの実施例として、コード円板に波長が相互
に整数比1対10対100の割合で異なる3チヤンネル
のアナログコードパターンを形成した場合の構成を示し
たブロック図であり、第2図(A)は、各チャンネルの
波形アナログコードパターンを直線状に展開させて図示
した展開図、第2図(B)は、各チャンネルのアナログ
コードパターンにおける光透過を等量化するための受光
窓の配置を示した平面図、第3図は各チャンネルから光
電的に得るコード信号の波形図、第4図は位相変化デー
タの演算方法を解説する説明図、第5図は、位相変化デ
ータの演算手段の具体的な一例の回路構成図。 12・・・回転コード円板、 18・・・アナログコードパターン、 24a、24b〜28a、28b・・・入力回路、30
.32.34・・・位相検出部、 36・・・限時手段、 38・・・位相変化量算出部、 40・・・回転量変換部、42・・・出力回路、50・
・・レジスタ、 52・・・コンパレータ、54・・・演算器、56・・
・レジスタ、 58・・・演算器(1)、 60・・・演算器(2)。 周方向 チャネルl  A                 
  −−−チャネルl B             
       −−−チャネルIIIA       
            −−−チャネル[]  B 
                 −−−第2図(A
) 第2図(B) す  V3a  ○□−−− τ ネ ル 第4図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、回転コード円板に形成した一定の移相角を有する2
    つ1組の波形のアナログコードパターンを読み取ること
    により、正逆回転検出をおこなうインクリメンタル型ロ
    ータリーエンコーダにおいて、前記回転コード円板に同
    心に形成され、波長が所定の整数比により順次に長短異
    なる複数組(以下、チャンネル)の波形のアナログコー
    ドパターンと、前記回転コード円板の回転時に前記各チ
    ャンネルのアナログコードパターンから光電的にアナロ
    グコード信号を検出すると共に該各チャンネルのアナロ
    グコード信号の各一波長範囲内における位相データを所
    定の同周期により演算して検出する位相検出手段と、前
    記位相検出手段により所定の同周期毎に検出した長い波
    長チャンネルの位相データに基づいて次に長い波長チャ
    ンネルの前記定周期における位相変化データを演算する
    ようにして最も短い波長チャンネルに関する前記定周期
    における位相変化データを演算出力する位相変化演算手
    段と、前記位相変化演算手段により算出した最も短い波
    長チャンネルに関する前記定周期における位相変化デー
    タを前記回転コード円板のインクリメンタル量による回
    転データに変換、出力する回転出力手段とを具備して構
    成されたことを特徴とするインクリメンタル型ロータリ
    ーエンコーダ。 2、前記位相変化演算手段は、少なくとも最長波長チャ
    ンネルの位相変化データを前記定周期を隔てた新旧2つ
    の位相データの差分として算出する第1の算出手段と、
    該第1の算出手段から得た位相変化データと次に長い波
    長チャンネルの位相データから該次に長い波長チャンネ
    ルの波長数を算出する第2の算出手段と、前記第2の算
    出手段によって算出した波長数と位相データとから該次
    に長い波長チャンネルに関する位相変化データを算出す
    る第3の算出手段とを具備して成る特許請求の範囲1、
    に記載のインクリメンタル型ロータリーエンコーダ。 3、波長チャンネル数Nが3以上のときは、前記第2及
    び第3の算出手段が(N−1)組具備されることを特徴
    とする特許請求の範囲2、に記載のインクリメンタル型
    ロータリーエンコーダ。 4、前記位相検出手段は、前記各チャンネル毎に前記2
    つ1組の波形アナログコードを夫々前記移相角だけずれ
    たアナログコード信号として光電検出系を介して検出す
    る入力回路と、該入力回路からのアナログコード信号か
    ら位相データを一定式に従って算出する位相検出回路と
    を具備して構成される特許請求の範囲1、に記載のイン
    クリメンタル型ロータリーエンコーダ。
JP1357688A 1988-01-26 1988-01-26 インクリメンタル型ロータリーエンコーダ Pending JPH01189518A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7952065B2 (en) * 2004-03-22 2011-05-31 Tamagawa Seiki Co., Ltd. Position detector and a detected element having a pattern for generating a position signal formed thereon

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