JPH01305317A - 複合型ロータリエンコーダ - Google Patents

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、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
を相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１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信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９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ずむロータ
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、ｔｌｌｌＭ
ｌ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ｉＮＭ２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Ｑビット（た
だし、Ｑ＝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ＨＭ６
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−１・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ＭＩＯと、 該信号検出機構ＭＩＯ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晶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。

［作用コ 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、ビット欠は等の
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Ｍｌｌ
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、ビット欠は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ＭＩＯから信号処理機構Ｍｌｌ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、分解化が高い回転角度の下位Ｑ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。

ざらに、信号処理機構Ｍｌｌの信号積算部Ｍ１３で、こ
の回転角度の下位Ｑ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。

零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９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９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９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ビツトのディジタル信号（２＋
５＝３２７６８分ｇｌＪ）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ビツ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ビツ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からなる筺体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１Ｇが配
置され、この発光素子１６は波形整形回路基板１日に搭
載されている。なお、波形整形回路基板１日は筐体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・ント板２０が固定されている。

乙の固定スリット扱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
。

ざらに固定スリット仮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ａ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とが絽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１日の出
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１日には
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日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Ｉ・からなるインクリメンタル符号パターン３
０、内周部に同心状に配列された８本の円環パターン３
２Ａ〜３２Ｈ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
て選択エツ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ど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１日に設けられている。

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３２　Ｈ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ビツトのグレー・コードを以下に示
す。

各円環パターン３２Ａ〜３２　Ｈ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ｌルント板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、４０ｆ３
、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４４　Ａ〜４４Ｈ５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ツｌ−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３０　ｕ　ｍ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〜４４
Ｈは、回転円板１４のアブソリュート符号パターン３２
Ａ〜３２Ｈと協働してアブフリュー１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［・板２０とは、各信号用の
円環パターンとスリ・ンＩ・とが対応するように、また
磁石２Ｇと磁気検出素子２８Ａ、９８Ｌ（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２Ｇの磁気パターン変化が、磁気検出素子２
８Ａ、２８１３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、
本図を用いて零ロータリエンコーダにおける信号の治れ
、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ビツ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）　ｂ　１５
、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
百ビットと回転回数を算出する。

回転角度の上位８ビツ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（Ｅ　Ｘ　−。

Ｒ）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・ンブ回路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
ビツト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、正回転であれは０“２に、逆回転であれは
°“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ビツトのアップダ
ウンカウンタ６４のアップダウン端子り続いて、上記ア
・ンブダウンカウンタ６４で得られた９ビットのカウン
ト値の上位８ビツトは加算器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
転角度の最上位ピッ）・（ＭＳＢ）ｂ　１５の反転信号
とを、アントゲ−１・６８に入力し、結果を加算器６６
のＣｏ瑞端子入力し、カウントｆｌｕの上位８ビツトに
加算して、８ビツトの回転回数「８〜ｒ１を得る。

すなわち、第７図に示すように、回転角度の最上位ピッ
［・（ＭＳＦ３）ｂ１５が′１′”であれは上記カウン
ト（直の」二位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′′であれは上記カウン
ト値の上澄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パであり、かつ上
記カラン）　（１７４の最下位ビットが１゛であれは上
記カウント値の上位８ビツトに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
ビツトおよびタイミングパルスは、９ビツトのデータに
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５．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（目。

Ｂ相は、そのままの形で、ドライバ７２からリード線２
４Ａ、、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ビツトの算出を
行う。

まず、各１言号はリード線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ピツ）ｂ１５〜ｂ８
及び８ビツトの回転回数「８〜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・ンブダウン信号を出力す
る。このアップダウン信号は、正回転であれは“′０“
に、逆回転であれは“′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遜
倍回路９２に入力され、４遜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Ｄ１０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ｃ　Ｋに入力され
る。

したがって、前述のタイミングパルスがア・ンブダウン
カウンタ９４．９６のロード端子りに入力されると、回
転円板１４が正回転のときはカウンタ９４．９６の各ビ
ットに１°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８１〜Ｂ４およびカ
ウンタ９６の出力端子８１〜Ｂ３から、回転角信号の下
位７ビツ）ｂｌ〜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ビツトのディジタル信号ｂ１〜ｂ
１５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ピツＩ・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９回転回数の＋の出が行える。

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−１・信号が取り込よ−れると共に
、インクリメンタル信号のカウントの期間化が行われる
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ビツトはシリアル、バラしル間の変換を行
っていないので、変換による時間遅れはない。

ざらに、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ビツ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ピッ［・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ビツ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Ｉ・符号パターン
とインクリメンタル符号パターンとをキ■み合わせるこ
とによって、非密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（チー８〕でもよい。

さらに、本実施例のアブソリュ−１・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トに基づくものであって
もよい。

［発明の効果コ 本発明のンｔ＠型ロータリエンコーダは、−１−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１
１ヒでかつ高精度に、回転角度９回転回数を検出、１云
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ｊ［構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。 Ｍｌ、１０・・・軸、Ｍ２．１４・・一回転円板、ＩＶ
１３゜３２Ａ〜３２Ｈ・・・アブソリュート符号パター
ン。 〜■４・・・アブソリュート信号検出部、Ｍ５．’；３
０・・・インクリメンタル符号パターン、Ｍ６・・・イ
シ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、Ｍ
ｌｏ、２・・・信号検出機構９Ｍ１１・・・信号入力部
、Ｍｌ２・・・形式変換部、ｒｖｉｉ３・・・信号積算
部、Ｍｌ、’Ｌ。 ８０・・・信号処理機構 １６−・・発光素子、２０・・・固定スリツｌ−仮、２
２・・・受光素子、２６・・・磁石（基準位置パターン
）、２８Ａ、２８Ｂ・・・磁気検出素子、４ＯＡ、４０
Ｂ・・・インクリメンタル信号検出用スリツＩ・、４４
　Ａ〜４４Ｈ・・・アブソリュート信号検出用スリツ［
・。 代理人　弁理士　定立　勉（外２名） 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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
   コーダであつて、 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。