JPH09163104A

JPH09163104A - ロータリエンコーダ

Info

Publication number: JPH09163104A
Application number: JP8216499A
Authority: JP
Inventors: Koichi Noguchi; 浩一野口; Shinichiro Wada; 真一郎和田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1995-10-06
Filing date: 1996-08-16
Publication date: 1997-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】微細かつ高精度のスリットを作ったり、受光
素子の受光部のサイズを小さくしたり、インデックスス
ケールなどの補助手段を使用することなく、安価で高分
解能のロータリエンコーダを提供する。【解決手段】ラインセンサ４５ａの長手方向が円盤４
２の半径に沿う形で配置され、ラインセンサ４５ａが固
定され、円盤４２が回転することによりラインセンサ４
５ａが見る曲線ｃの位置が半径方向に移動することにな
る。曲線の繰り返しによるパターン４１は、ラインセン
サ４５ａの長さ方向で見たときに重なりを持つようにし
て所定のサイズのウインドウを曲線間でジャンプさせて
連続した角度または角速度を測定できるようにしてい
る。曲線ｃの幅はラインセンサ４５ａの画素の一辺のサ
イズの数倍から数十倍程度が望ましく、比較的大きなパ
ターンを読み込むことで、微細な位置の変化を読み取る
ので、レンズの分解能を余り高くする必要もない。原点
を基準に角度信号を出力する機能の場合には原点マーク
４０も併せて形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、読取装置で読み
取ったビットマップ形式の画像データの位置誤差を測定
する装置に好適なロータリエンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】光学的リニアスケールとして、例えばオ
ーム社から出版された「サーボセンサの基礎と応用」
（大島康次郎、秋山勇治共著）〔昭和６３年２月２０日
発行〕が知られている。この刊行物に記載された技術を
図１３ないし図１５を参照して説明する。

【０００３】こではリニアスケールの一例としてポジシ
ョンスケールを例に挙げている。例に挙げられたリニア
スケールは、図１３に示すように全く等しいピッチの明
暗の格子をもった２枚１組のメインスケール８１とイン
デックススケール８２とからなるガラススケール８３
と、そのスケール８３を照明するＬＥＤからなる光源８
４と、スケール８３を透過した光を検知するフォトダイ
オード８５から構成される。通常はインデックスケール
８２が固定され、メインスケール８１が移動するが、そ
の移動に連れてフォトダイオード８５の出力が変化す
る。

【０００４】図１４（ａ）に示すように２枚のガラスの
透過部が一致したとき、出力は最大となり、透過部とク
ロム蒸着された不透明部８６が重なったときには、出力
は理想状態では０となる。したがって、その出力波形は
理想的には図１４（ｂ）に示したような光量変化となる
が、実際には明暗の格子ピッチが８μｍと小さいため、
光の回折の影響やクロム烝着面での反射の影響があり、
図１４（ｃ）に示すような出力波形のように近似正弦波
の形で出力される。この出力波形の山の間隔がスケール
のピッチに相当するので、山の数を数えることにより移
動量を知ることができる。これがポジションスケールの
基本原理であるが、実際には図１３のフォトダイオード
Ａ，Ｂ，／Ａ，／Ｂ（なお、「／」は反転を示す。）の
４個を用いて各種の処理が行われている。

【０００５】Ａ，Ｂ，／Ａ，／Ｂのおのおのに対応する
インデックススケール８２の格子は、０°、９０°、１
８０°、２７０°の位相関係になっている。これをＡと
／Ａ、Ｂと／Ｂを組み合わせて差動方式で検出し、スケ
ール８２の汚れや光量変化に対して強くなるように設定
し、信頼性を高めている。このようにして得られた信号
をおのおの改めてＡ、Ｂとし、さらに電気的に反転され
た信号をそれぞれ／Ａ、／Ｂとする。そして、これらの
信号を用いてさらに細かい寸法まで読み取るための処理
が実行されている。

【０００６】スケール８３の移動方向は図１５に示すよ
うにＡ信号とＢ信号のどちらの信号の位相が進んでいる
かを知ることで判定できる。スケール８３のピッチより
も細かく読む手法としては、Ａ信号だけ用いると基準レ
ベルを下からよぎるときと上からよぎるときの両方をと
らえて４μｍ単位で読める。さらにＢ信号を用いると２
μｍまで読める。これ以上細かく読むためには、ＡとＢ
の信号を用いて４５°位相差の信号、Ｂと／Ａの信号か
ら１３５°位相差の信号を作る必要がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記リニア
スケールにおいては、光源（ＬＥＤ）８４の発する光を
コリメートレンズ８７で平行光線にしてメインスケール
８１とインデックススケール８２の重なりを通過してく
る光を受光素子で検出するようにしているので、微細か
つ高精度のメインスケール、インデックススケール、お
よび精密なコリメートが必要になる。その結果、当然コ
ストも高くなってしまう。

【０００８】本発明は、このような従来技術の実情に鑑
みてなされたもので、その目的は、微細かつ高精度のス
リットを作ったり、受光素子の受光部のサイズを小さく
したり、インデックススケールなどの補助手段を使用す
ることなく、安価で高分解能のロータリエンコーダを提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、第１の手段は、半径方向と常にあらかじめ設定され
た角度で交差し、その交点と中心との距離が半径の回転
に対して連続して変化する所定長さの曲線が円盤の周辺
部に複数個回転対称に形成されたパターンを有する円盤
と、前記円盤の前記曲線を形成した部分と対向し、かつ
前記円盤の半径方向に伸びたラインセンサと、前記パタ
ーンを照明する光源と、前記パターンの画像を前記ライ
ンセンサの受光部に結像する光学手段と、前記ラインセ
ンサを制御して前記パターンの画像をあらかじめ設定し
た一定の時間間隔で読み取る手段と、当該読み取る手段
によって読み取った画像データの前記曲線とその周辺の
地肌部に対応する連続した領域を設定する手段と、前記
領域を画素の整数個分ずつ順次移動させて設定し直す手
段と、前記曲線の位置があらかじめ設定した場所に来た
とき前記連続した領域を所定画素分ラインセンサの長さ
方向に移動させて隣接して配置されている前記曲線の画
像を含む領域に再設定する手段と、領域が設定されるご
とにその領域における前記曲線の位置を演算する手段
と、領域の移動前後における前記曲線の移動量を演算す
る手段と、前記移動量を前記円盤の回転角度または角速
度に変換する手段とを備えていることを特徴としてい
る。

【００１０】第２の手段は、第１の手段における移動量
を前記円盤の回転角度または角速度に変換する手段に代
えて、前記曲線の位置の移動方向から前記円盤の回転方
向を決定する手段と、前記移動量を回転方向から前記円
盤の相対的な回転角度または各速度データを得る手段と
を設けたことを特徴としている。

【００１１】第３の手段は、第１の手段における移動量
を前記円盤の回転角度または角速度に変換する手段に代
えて、前記円盤上に付される原点マークと、当該原点マ
ークの画像データから原点位置を決定する手段と、前記
曲線の位置の移動方向から前記円盤の回転方向を決定す
る手段と、前記移動量と回転方向と原点位置とから前記
円盤の原点位置を基準とする回転角度または角速度を得
る手段とを設けたことを特徴としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照し、本発明の実
施の形態について説明する。

【００１３】１．測定原理図１は、本出願の測定原理を典型的な場合を前提にして
説明するための図である。図の主走査と書いた矢印１０
１は線順次で画像を読み取る装置が同時に読み取る１ラ
インの画像の画素の並びと、この並列のデータを直線の
データに変換したときの時間軸上の順序を示す。図の副
走査と書いた矢印１０２は主走査の１列が読み取る範囲
を順次移動させながら読み取って行く方向を示してい
る。移動する手段としては、原稿の画像を光電変換素子
に投影するミラー、照明ランプなどを機械的に移動させ
るもの、原稿を移動させるもの、光電変換素子とその結
像光学系を一体にして移動させるものなどがある。ここ
ではこの主走査方向と副走査方向に平行な線で囲まれた
それぞれの４角形を画素ということにする。画素によっ
て構成される平面は、原稿の画像を電気信号に変換され
たデータが原稿の画像の写像がそのまま並んでいるとい
うイメージでとらえることができ、ビットマップという
こともある。読み取り装置からリアルタイムで出力され
るときには、主走査、副走査の方向が時間的な順序を示
すが、出力されたデータをメモリに取り込んだ状態で
は、それぞれの画素を任意にアクセスすることも可能で
あり、主走査、副走査、時間の順序にとらわれない扱い
も可能になる。

【００１４】図１は主走査と副走査の画素サイズが等し
い場合で、副走査方向の走査速度が変動するときと、一
定速度で４５°の斜線を読み取るときに光電変換装置に
投影されるが、像を全く劣化のないかたちでビットマッ
プに対応させて示したものである。すなわち、ａは副走
査方向の読み取りのタイミングを制御するクロックに対
応する所定の一定速度で走査したときで、ビットマップ
にも４５°の像ができる。ｂは速度が変動するときの像
で、速度に応じて傾きが異なってくる。

【００１５】つまり、Ａ−Ｂは副走査方向の走査速度が
０のときで、副走査方向の読み取りのタイミングを制御
するクロックにより副走査方向のビットマップのアドレ
スが進んでも原稿を読み取っている位置が変わらないた
め、副走査方向に平行な線になってしまう。

【００１６】Ｂ−Ｃは副走査方向の走査速度が所定の速
度の１／２のときで、ビットマップのアドレスが進んで
も、その半分しか進まない位置の画像を読んでいること
になり、画像の副走査方向の線との角度はｔａｎθ＝
０．５から、約２６．５７°である。

【００１７】Ｃ−Ｄは所定の速度で走査しているとき
で、傾きは４５°である。同様にＤ−以降は走査速度が
１．５倍の場合で、その角度は約５６．３１°である。
つまり、走査速度によって像の傾きが異なること、言い
換えれば斜線の主走査方向への移動量が、副走査方向の
移動速度に対応することを測定原理として副走査方向の
移動速度のムラ、ミラー、レンズ、光電変換装置の振動
などに起因するビットマップ画像の画素の位置誤差を計
測する。

【００１８】以上、正方形の画素を持ち、４５°の線を
使用した場合で説明したが、画素が正方形でなく、例え
ば、主走査の分解能４００ｄｐｉ、副走査の分解能６０
０ｄｐｉといった読み取り装置の画像データに適用する
こともでき、４５°以外の斜線を用いても同様に、斜線
の画像の主走査方向への移動量が副走査方向の読み取り
方向の速度に依存するという関係は成立するので、画素
の位置誤差を計測することができる。

【００１９】２．システム構成図２は信号処理部のシステム構成を示すブロック図であ
る。同図においてＰＤ１はフォトダイオードで、一列に
並んでラインセンサ４５ａを形成している。各ＰＤ１の
出力はそれぞれのフォトアンプ２に入力され、所定の信
号レベルまで増幅される。増幅された信号はサンプル・
ホールド（Ｓ／Ｈ）回路３に入力される、サンプル・ホ
ールド回路３の出力はセレクト回路４に入力される。セ
レクト回路４は入力された多数の信号の中から１つを選
択してアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換回路５に入力
する。デジタル信号に変換された信号はメモリ６に書き
込まれる。位置誤差演算回路７は重心を計算するウイン
ドウを設定し、ウインドウに対応するメモリ６に書き込
まれた斜線のデータを使って誤差、速度、位置等を求め
て出力する。

【００２０】制御部８はシステム全体を統合して動作さ
せるのに必要なデータやタイミング信号などをそれぞれ
のブロックに与えたり取得したりする。シェーディング
補正を行うためのデータを取得するモードでは、斜線Ｌ
（曲線ｃ）または原点Ｏを読んでいない位置に読み取り
ユニットがあることを確認し、フォトアンプ２のゲイン
を全て一定にし、サンプル・ホールド回路３、セレクト
回路４およびアナログ・デジタル変換回路５を制御して
ラインセンサ４５ａ全体のデータをメモリ６を介して取
得し、シェーディング補正を行うためのそれぞれのフォ
トアンプ２のゲインの設定値を求めて不揮発性メモリ６
に保持させる。測定を行うモード時には、シェーディン
グ補正を行うためのゲインを、ゲインをセットするモー
ドを指定してそれぞれのフォトアンプ２にセットする。
必要な補正量をアンプ２のゲインとして与えることによ
り、それ以降はシェーディング補正された読み取りデー
タが得られる。

【００２１】ラインセンサ４５ａの各画素のデータを同
じタイミングで、かつ同じ間隔で得るため、制御部８は
内部の水晶振動子の発振周波数から作ってサンプル・ホ
ールド回路３を制御する信号を出力する。この時間間隔
はウインドウの重心がこの時間間隔の前後でいくら移動
するかを求めることによって測定を行うので、非常に重
要な役割を果たすものである。通常、水晶発振子を用い
れば十分な精度が得られる。

【００２２】セレクト回路（セレクタ）４で信号を選択
して順次アナログ・デジタル変換を行うのは、アナログ
・デジタル変換器（回路）５の数を少なくしてコストを
下げるためである。フォトダイオード１は高速で読み取
りが可能であり、ＣＣＤと比べれば通常Ｓ／Ｎは高いの
で高精度かつ高速な測定が可能であるが、この例ではセ
レクタ４で順次に読み取るので、次に説明する例に比較
すれば速度の点では劣ることが不利な点ではある。

【００２３】図３はこの実施形態における他の例を示す
システム構成を示すブロック図である。この形態では、
セレクタ４を使用することなくＡ／Ｄ変換器９をライン
センサ４５ａの画素の分だけ備えたもので、これによっ
て前述の形態よりも高速対応性に優れている。なお、前
記の例と本例では、Ａ／Ｄ変換器５，９が１個であるも
のと画素の分の個数を有するものと両極端になっている
が、所定数のＡ／Ｄ変換器９とセレクタ４によって複数
の群に分けて処理することにより、これらの形態の中間
の速度のシステムを構成することもできる。

【００２４】図４はこの実施形態におけるさらに他の例
を示すもので図でＣＣＤを使用した例である。光電変換
装置はラインＣＣＤ１１で、ＣＣＤ１１の受光部に結像
された原稿の画像と、測定用パターンの画像が電気信号
に変換される。電気信号に変換された画像はＡ／Ｄ変換
器１２で、デジタルの多値の画像データに変換される。
変換されたデータは、シェーディング補正部１３で照明
の不均一さ、レンズ周辺光量の低下、光電変換装置の画
素間の感度の違いなどを補正するシェーディング補正を
行う。シェーディング補正には、光電変換装置が読み取
った基準濃度板２９のデータが使用される。シェーディ
ング補正された画像データは図２および図３に示した例
と同様にして処理される。

【００２５】なお、ＣＣＤ１１を使用することのメリッ
トは価格が安いことである。高速性やＳ／Ｎの点ではフ
ォトダイオードアレイの方が好ましい。したがって、こ
の例では、性能よりもコストを重視した構成となる。す
なわち、この実施形態では、ラインセンサを使用し、複
数のラインのデータを使い、重心の演算なども行うの
で、受光素子の数を含め、メモリ、演算素子などの電子
部品は多くなる。しかし、どれも集積回路の技術により
素子が多くなっても小型かつ安価に提供することができ
る。

【００２６】３．位置誤差測定処理図５は図１と同様のビットマップに斜線の画像データａ
があるときの位置誤差の測定を行うときの処理を説明す
るためのものである。Ｗ₁は画像データの位置を求める
ための演算を行う１１×３のウインドウである。ウイン
ドウ内のデータの位置を求めるため、主走査方向におけ
る重心を演算する。この演算では、順次ウインドウの位
置をＷ₂,Ｗ₃・・・と移動させながら重心を求める。重
心の主走査方向の位置は４５°の線の場合、画素の位置
がなんらかの誤差要因で移動することがなければ、ウイ
ンドウを図のように移動させた場合、主走査方向に１画
素分ずつ移動するはずである。画素の移動量が１画素分
と異なる場合は、何らかの原因で画素の位置が変動した
ことになり、位置誤差を求めることができる。位置誤差
の主要な要因が副走査方向の走査速度のムラによること
が分かっている場合には、位置誤差のデータか速度ムラ
にデータを変換することは容易である。

【００２７】重心を求めるのに周辺の画素のデータを含
む多数の画素データを使っているので、ＣＣＤ固有のノ
イズを始めとしてさまざまなノイズが画像データに含ま
れるが、重心を求める過程でノイズの影響が軽減され、
Ｓ／Ｎの高い測定が可能になっている。通常、ウインド
ウの画素の数が多いほどＳ／Ｎは高くなる。

【００２８】ウインドウの形状は主走査方向の重心を求
めることから、主走査側に大きいことが望ましい。副走
査方向は１としても測定可能である。

【００２９】図６は斜線の数が複数あって複数の斜線ａ
₁，ａ₂，ａ₃を使用して位置誤差を測定する場合のウ
インドウの移動とそれに伴う処理を説明するものであ
る。図５の例と同様にウインドウを順次移動させ、あら
かじめ設定したおいたＷ_nに達したとき、その次のウイ
ンドウとしてＷ_n+1に移動させる。移動する前後の斜線
のパターンａ₁とａ₂の間隔は測定用チャートを作成す
る段階で決めておき、その間隔の値を主走査方向の重心
の移動を計算するときに補正する。Ｗ_n+1、Ｗ_n+ ₂、Ｗ
_n+3・・・と移動させる。パターン間の間隔を画素サイ
ズの整数倍に設定しておくと、ウインドウをジャンプさ
せたときの補正が簡単であり、測定に先立って測定装置
にこの補正量を入力するときにも便利である。

【００３０】この例ではウインドウを１画素ずつ移動さ
せているが、画素の位置誤差を起こす原因となる振動な
どの周波数帯域が低い場合は、ウインドウを２画素以上
ずつ移動させても良い。こうすることによって測定に要
する時間短くすることができる。

【００３１】また、複数の斜線を使って位置誤差を測定
するようにすれば、読み取り装置の読み取り範囲が縦長
であっても副走査方向の全域にわたっての測定が可能に
なる。さらに、主走査方向の狭い幅のなかだけで測定す
るようにすれば、主走査方向における中央部とか、手前
とか、奥側とかに分けて位置誤差を測定することも可能
になる。

【００３２】これらの図からも明らかなように、本願で
は高い分解能で位置誤差を測定する場合でも、それに応
じて斜線のパターンを細くする必要は全くなく、システ
ムのＭＴＦの制約の影響を受けない幅の広いパターンを
使うことができるという特徴がある。幅の広いパターン
を使えば、それに応じてウインドウも大きくなり、結果
として測定の精度を上げることができる。なお、処理速
度、リアルタイム処理を行う場合は、バッファのサイ
ズ、回路規模の経済性などとのバランスでパターンの幅
を設定すればよい。

【００３３】なお、他の例として、幅の広い線のパター
ンを用い、どちらか片側のエッジのデータによっても同
様に位置誤差を測定することが可能である。

【００３４】また、副走査の読み取りタイミングと斜線
との関係は常に同じであるから、前述の公知例のように
副走査方向に並べられた等間隔の白黒のパターンでは避
けることのできないモアレの問題を回避することがで
き、高精度な位置誤差の測定を可能にしている。

【００３５】４．ウインドウのデータと重心の計算図７はウインドウのデータと、斜線のパターンの関係を
示すものである。ウインドウの各画素には斜線のパター
ンを読み取って得られる画像データの値が記入されてい
る。画像データの値は８ビットのデジタルデータで、１
０進法で表すと０〜２５５の値を取ることができる。図
の値は画像のデータを１０進法で表記した値である。

【００３６】主走査方向の重心を計算するには、各列ご
とにデータの和を求める。これを右側からｈ₀,ｈ₁,・・
・ｈ₁₀とすると、それぞれ１４、３７、１５０、３４
５、５６２、５９０、４２７、２０２、５０、１８、１
３である。各画素の主走査方向の中心の座標を右から順
に０〜１０とし、重心の主走査方向の位置をｍとする
と、ｍの周りのモーメントは０となるので、ｈ₀（ｍ−０）＋ｈ₁（ｍ−１）＋・・・ｈ₁₀（ｍ−１
０）＝０が成り立ち、数値を入れて計算すると、ｍ＝４．６６７が得られる。

【００３７】重心を求めるのは、補間などの前処理を必
要とせず、演算の簡素化、高速化に有用である。画像の
位置を求めるのは、各列ごとのデータの和の並びから、
補間により所定の分解能のデータ列を得て、そのデータ
からピーク値の存在する位置を求める方法を使うことも
できる。

【００３８】５．斜線の幅重心を計算するに当たり、斜線の幅はデータをきちんと
読み取れるものであれば問題ないが、画素が正方形で、
斜線の角度が４５°であり、画像の走査速度を所定の目
標速度からのわずかなズレをより高精度で測定する場
合、斜線の主走査方向の幅を画素の整数倍にしておく
と、ウインドウを斜め方向に移動しても、斜線と画素の
関係は斜線の両側で同じになり、画像データの誤差要因
もバランスし、画像の位置を計算する精度を高めること
ができる。

【００３９】６．主走査方向の斜線の画像の移動量と副
走査方向の画素の位置誤差の関係この実施形態では、副走査方向の画素の位置誤差を測定
するために、斜線を読み取った画像の主走査方向へ画像
の位置の移動を見ている。正方形の画素で４５°の斜線
を使って測定する場合には、これまでの説明で明らかな
ように、主走査方向の移動量のウインドウ間における偏
差がそのまま、副走査方向の位置誤差になる。画素が正
方形でない場合、斜線の角度が４５°でない場合には、
換算をして副走査方向の位置誤差を得る必要がある。

【００４０】７．測定の処理手順図８は、測定の処理手順を示すフローチャートである。
この処理手順では、まず、計算するウインドウの位置を
示すＷ．Ｐ．（ウインドウポインタ）をセットし（ステ
ップＳ１）、次に、Ｗ．Ｐ．で指示されるウインドウの
データを取り込み（ステップＳ２）、取り込んだデータ
の総和Ｖを計算する（ステップＳ３）。そして、データ
の総和Ｖがあらかじめ設定したａとｂとの間の値を持っ
ているかどうかをチェックする（ステップＳ４）。この
チェックでａとｂとの間に入っていれば、重心の計算を
行い（ステップＳ５）、さらに、重心のずれを計算した
（ステップＳ６）後、次のＷ．Ｐ．をセットする（ステ
ップＳ７）。その後、ステップＳ２に戻ってデータフェ
ッチ以降の処理を繰り返す。

【００４１】一方、ステップＳ４で、データの総和Ｖが
ａとｂとの間に入っていなければ、ループから抜け出
し、処理を終了する。

【００４２】なお、ステップＳ４で処理の総和をチェッ
クするのは、スタートのときにＷ．Ｐ．を誤ってセット
したため、ウインドウ内に斜線のデータがないような場
合に、正しい測定がされていないのに測定結果が出力さ
れるのを防止するという理由からである。また、測定に
使う斜線の長さを短くしておけば、斜線が途切れた位置
で打ち切ることができ、必要以上の測定を無駄を省くこ
とができる。

【００４３】８．ロータリエンコーダの構造前記図１、図５および図６で述べたような斜線パターン
の繰り返しが形成されたリニアスケールでは、所定の傾
きを持った直線を読み取った画像データを使用して速度
あるいは位置を求めていたが、これをそのまま円盤にパ
ターンを形成する形式のロータリエンコーダに適用しよ
うとすると、半径方向に配置されたラインセンサと斜線
のなす角度が回転角度により変化するので、ラインセン
サの画素の区切りと直線の位置関係が変わり、読み取っ
たデータの重心に回転角度以外のノイズが生じる。さら
に、直線を読み取った画像の重心の移動量が角度に依存
してしまい、角度や角速度の計算が面倒になるばかりで
なく、別途に斜線の特定の位置を検出する手段を設け
て、その位置での角度に対する重心の変化量を求め、そ
こを基準に角度または角速度を求めなけばならなくな
る。そこで、このような面倒な手順を踏むことなく、斜
線を使用したリニアスケールとほぼ同一の処理によって
角度または角速度を求めるようにした。

【００４４】図９は、この実施形態に係るロータリエン
コーダのパターンを示す平面図、図１０は図９のパター
ンを拡大して示す説明図である。この図では、円盤の周
辺部に曲線状のパターンを設けてある。図１０におい
て、３本の横に伸びた鎖線の中央がＸ軸、図の左側に図
示しない原点Ｏ、この原点Ｏを通りＸ軸と直交するＹ軸
からなるＸ，Ｙ座標系であると同時に、原点Ｏを共有
し、Ｘ軸を角度０とする極座標系でもある。この原点Ｏ
は、エンコーダの円盤の中心と対応している。

【００４５】曲線ｃは原点Ｏを中心とし、半径ｒ₀の円
とＸ軸との交点Ａ（ｒ₀, ０）を通り、この点での傾き
をπ／４ｒａｄ（４５°）という条件を与えている。Ｉ
₃は同じく点Ａを通る傾き４５°の直線である。これは
曲線ｃと斜線との違いを視覚的に明確にするために描い
たものである。

【００４６】曲線ｃは、さらに原点Ｏを通り、Ｘ軸との
角度がθまたは−θの直線Ｉ₁，Ｉ₂（これは円盤の半
径を表す線に相当する。）との交点においてなす角度が
π／４であり、かつ連続であるという条件で求めた軌跡
をプロットしたものである。曲線ｃの軌跡の式をＸ，Ｙ
座標であらわすと、Ｘ²−ｒ₀（Ｘ＋Ｙ）＋Ｙ²＝０であり、極座標では、ｒ＝ｒ₀（ｃｏｓθ＋ｓｉｎθ）である。

【００４７】ラインセンサと曲線ａとの交点を回転角を
変数として求め、エンコーダでは通常θは小さいので、ｔａｎ²θ→０ｔａｎθ→０として近似すると、ｒ＝（１＋θ）ｒ₀ となり、円盤がθｒａｄ回転したとき曲線の半径方向の
移動量はθに比例することがわかる。このような関係に
よって重心の移動量から容易に角度または角速度を得る
ことができる。

【００４８】２θの整数倍が円の１周の角度２πになる
ようにθを選び、曲線c は２θずつ原点の周りを回転さ
せてコピーした形で円盤状に形成される。曲線c は直線
Ｉ₁,Ｉ₂で挟まれる範囲よりも図に示すように幾分長く
してあるので、Ｉ₁,Ｉ₂などの直線は、隣接する曲線の
両方に交差するようにしている。この両方の曲線に交差
する部分で重心を計算するために設けたウインドウのジ
ャンプを行う。

【００４９】図１０において、鎖線で囲まれた長方形部
分はラインセンサ４５ａで、曲線ｃおよび円盤４２とラ
インセンサ４５ａの関係を示し、ラインセンサ４５ａの
長手方向が円盤４２の半径に沿う形で配置される。ライ
ンセンサ４５ａが固定され、円盤４２が回転することに
よりラインセンサ４５ａが見る曲線ｃの位置が半径方向
に移動することになる。

【００５０】図９における曲線の繰り返しによるパター
ン４１は、前述の『１．測定原理』の斜線Ｌの場合で説
明したようにラインセンサ４５ａの長さ方向で見たとき
に重なりを持つようにして所定のサイズのウインドウを
曲線間でジャンプさせて連続した角度または角速度を測
定できるようにしている。曲線ｃの半径方向との傾きは
任意で、測定可能であるが、測定上の計算を簡略化する
ためには４５°あるいは１３５°が都合が良い。曲線ｃ
の幅はラインセンサ４５ａが読み取ったビットマップデ
ータに所定のウインドウを設定してウインドウ内の曲線
の重心を求めるので、ラインセンサ４５ａの画素の一辺
のサイズの数倍から数十倍程度が望ましい。このように
比較的大きなパターンを読み込むことで、微細な位置の
変化を読み取るので、装置を構成するレンズの分解能を
余り高くする必要もなく、パターンのエッジのスムーズ
さに対する要求も重心を計算する過程で影響が小さくな
るのでコストが高くなることもない。

【００５１】また、原点を基準に角度信号を出力する機
能の場合には原点マーク４０も併せて形成する。この場
合、曲線ｃと同様に読み取った原点マーク４０のデータ
の重心の位置を原点とするので、原点の精度を上げるた
めに微細なマークを設けてその微細なマークを読み取る
ために高分解能のレンズや受光素子などの光学系を設け
る必要はない。原点マーク４０は図９に示すように、ラ
インセンサ４５ａが曲線ｃを読み取る範囲外に設けてあ
り、このマーク４０を読み取れる位置でラインセンサ４
５ａを長くしてある。このため原点用の別のセンサを設
ける必要もなく、曲線ｃを読み取るためのラインセンサ
４５ａをそのまま原点Ｏの位置を求めるためのセンサと
して使用できるようにしている。なお、符号４２ａは円
盤４２の外周を示す。

【００５２】図１１は、本実施形態に係るロータリエン
コーダの概略構成を示す図である。図１１の円盤は図９
の円盤４２の断面に相当し、この円盤４２を挟んで光源
４３、レンズ４４、およびラインセンサ４５ａと制御基
板が一体となったユニット４５が配置され、円盤４２は
軸４６を中心に回転するようになっている。本実施形態
では、円盤４２に形成された曲線ｃの画像をラインセン
サ４５ａで読み取るので、円盤４２と光源４３との間に
拡散板４７を設け、光の均一化を図っている。なお、拡
散板４７を設ける変わりに、拡散板４７に曲線ｃのパタ
ーン４１を形成してもよいし、拡散板４７が固定される
ユニット４５側に曲線ｃのパターン４１を形成してもよ
い。ラインセンサ４５ａは図１２において上下方向、円
盤４２に対しては半径方向に伸びており、レンズ４４に
よってセンサ上に結像する曲線ｃのパターン４１の画像
を読み取る。

【００５３】本実施形態では、円盤４２を透過形とし
て、光源４３とラインセンサ４５ａは円盤４２を挟んで
対向するように配置されているが、曲線ｃを画像として
読み取るので、光源４３とラインセンサ４５ａを円盤４
２の片側に配置し、光源４３で曲線ｃを照明してその反
射光を読み取るように構成することもできる。

【００５４】前述の従来例では、光源の発する光をコリ
メートレンズ８７で平行光線にしてメインスケール８１
とインデックススケール８２の重なりを通過してくる光
を受光素子８５で検出するようになっているので、微細
かつ高精度のメインスケール８１、インデックススケー
ル８２および精密なコリメートレンズ８７が必要になる
が、本実施形態ではこれらのものは不要となり、その結
果、コストを安くすることができる。

【００５５】なお、上述の本実施形態のように構成する
と、レンズのコサイン４乗則によるレンズ周辺光量の低
下、センサの位置による照明光量のばらつき、ラインセ
ンサの受光素子間の感度のばらつきなどを補正するため
にシェーディング補正を行う必要がある（図４参照）。
このシェーディング補正は、ラインセンサ４５ａが円盤
４２の曲線ｃのない部分を読んでいるときのデータをメ
モリ５６に保持し、そのときのデータが一様になるよう
に各画素の感度を補正するもので、このデータは所定の
モードで読み取って不揮発生のメモリ５６に保持し、補
正を行う際には常に使用される。

【００５６】図１２は、図１１の読取装置に、光源の安
定化機能を付加した例で、シェーディング補正のデータ
をあまり煩雑に取得することが困難な用途に使用する場
合、あるいは、より高精度が要求されるような用途に使
用したときに効果的である。この例では、光源４３の出
力を光量センサ４８でモニタして電気量に変換し、変換
した電気量と光量制御部４９にあらかじめ設定されてい
る目標値とを比較してネガティーブフィードバックによ
り光量の安定化を図っている。

【００５７】９．移動方向の判定この実施形態では、曲線ｃを使っているので円盤４２の
回転方向によって曲線パターン４１の画像の重心の移動
方向が異なってくる。例えば図９の円盤４２がラインセ
ンサ４５ａがある方向からみて軸を４６中心に時計方向
に回転すれば、曲線ｃの重心は円盤４２の周辺部の方向
に動く。反時計方向に回転すれば、重心は円盤４２の中
心の方向に移動する。これは前後のウインドウの重心の
移動量を計算するときに符号を見ることで容易に判別す
ることができる。この判別は、斜線の傾きが９０°を越
えるか否かで違うが、設計上どちらか決めれば、符号と
移動方向の関係は一義的に決定される。したがって、方
向を判別するための特別の受光素子などは不要である。

【００５８】

【発明の効果】これまでの説明で明らかなように、請求
項１記載の発明によれば、、曲線とラインセンサを組み
合わせることで、多数のセンサで複数回読み取った画像
データを使うことができ、検出に使用するデータの情報
量を従来のロータリエンコーダの方式より飛躍的に多く
することが可能になる。

【００５９】また、多くの情報を使ってパターンの位置
情報を得ているので、ここの情報に含まれるノイズが測
定結果に及ぼす影響を緩和することができる。したがっ
て、円盤を構成する部品の精度に対する要求も比較的低
くすることができ、低コスト化にも寄与する。

【００６０】また、斜線の繰り返しピッチに関係なく高
分解能を達成できるとともに、読取の画素のサイズより
もはるかに高分解能を達成することができる。さらに、
曲線の繰り返しに対して、画像の位置を測定する領域を
ジャンプさせて、連続した測定を可能にしており、これ
によってパターンの幅を小さくすることができる。

【００６１】請求項２記載の発明によれば、上記効果に
加えて、パターンを読み取ったデータの曲線の重心のラ
インセンサの長手方向での移動の方向を判断することに
よって円盤の回転方向を検出することができる。

【００６２】請求項３記載の発明によれば、曲線とは離
して原点マークを付加し、共通のラインセンサで読み取
って読み取った曲線の重心位置を演算して求めることに
よって、原点位置を起点とする回転角度を他の受光素子
を設けることなく求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態における測定原理を示す説明
図である。

【図２】本実施形態におけるシステム構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】本実施形態におけるシステム構成の他の例を示
すブロック図である。

【図４】本実施形態におけるシステム構成のさらに他の
例を示すブロック図である。

【図５】ビットマップに斜線の画像データがあるときの
位置誤差測定を行うときの処理を示す説明図である。

【図６】ビットマップで複数の斜線を使って位置誤差を
測定する場合のウインドウの移動とそれに伴う処理を示
す説明図である。

【図７】ウインドウのデータと斜線のパターンの関係を
示す図である。

【図８】本実施形態における重心測定の処理手順を示す
フローチャートである。

【図９】本実施形態におけるロータリエンコーダのパタ
ーンが形成された円盤の正面図である。

【図１０】本実施形態における円盤の周辺部に設けられ
た曲線（パターン）の形状を示す説明図である。

【図１１】本実施形態におけるロータリエンコーダの概
略構成を示す断面図である。

【図１２】図１１のロータリエンコーダの変形例の概略
構成を示す断面図である。

【図１３】従来例に係るリニアスケールの概略構成を示
す斜視図である。

【図１４】従来例に係るリニアスケールの検出原理を示
す説明図である。

【図１５】従来例に係るリニアスケールの移動方向の判
別方法を示す図である。

【符号の説明】

１フォトダイオード２フォトアンプ３サンプル・ホールド回路４セレクト回路（セレクタ）５，９，１２アナログ／デジタル変換回路（Ａ／Ｄ変
換器）６メモリ７位置誤差演算回路８制御部１１ＣＣＤ１３シェーディング補正回路４０原点マーク４１曲線４２円盤４３光源４４レンズ４５ユニット４５ａラインセンサ４６軸４７拡散板４８光量センサ４９光量制御部ｃ曲線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半径方向と常にあらかじめ設定された角
度で交差し、その交点と中心との距離が半径の回転に対
して連続して変化する所定長さの曲線が円盤の周辺部に
複数個回転対称に形成されたパターンを有する円盤と、前記円盤の前記曲線と形成した部分と対向し、かつ前記
円盤の半径方向に伸びたラインセンサと、前記パターンの画像を前記ラインセンサの受光部に結像
する光学手段と、前記ラインセンサを制御して前記パターンの画像をあら
かじめ設定した一定の時間間隔で読み取る手段と、当該読み取る手段によって読み取った画像データの前記
曲線とその周辺の地肌部に対応する連続した領域を設定
する手段と、前記領域を画素の整数個分ずつ順次移動させて設定し直
す手段と、前記曲線の位置があらかじめ設定した場所に来たとき前
記連続した領域を所定画素分ラインセンサの長さ方向に
移動させ、隣接して配置されている前記曲線の画像を含
む領域に再設定する手段と、領域が設定されるごとにその領域における前記曲線の位
置を演算する手段と、領域の移動前後における前記曲線の移動量を演算する手
段と、前記移動量を前記円盤の回転角度または角速度に変換す
る手段と、を備えていることを特徴とするロータリエン
コーダ。
【請求項２】前記移動量を前記円盤の回転角度または
角速度に変換する手段に代えて、前記曲線の位置の移動
方向から前記円盤の回転方向を決定する手段と、前記移
動量を回転方向から前記円盤の相対的な回転角度または
各速度データを得る手段とを設けたことを特徴とする請
求項１記載のロータリエンコーダ
【請求項３】前記移動量を前記円盤の回転角度または
角速度に変換する手段に代えて、前記円盤上に付される
原点マークと、当該原点マークの画像データから原点位
置を決定する手段と、前記曲線の位置の移動方向から前
記円盤の回転方向を決定する手段と、前記移動量と回転
方向と原点位置とから前記円盤の原点位置を基準とする
回転角度または角速度を得る手段とを設けたことを特徴
とする請求項１記載のロータリエンコーダ。