JPH10281811A - ロータリエンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 円盤の回転中心の変動による測定精度の低下
を防止することができる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。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する。また、ライン
センサ４５ａが曲線ｃとともに読み込める位置に円５０
のパターンが設けられ、この円５０のパターンの位置ず
れを検出して円盤４２の回転中心からの偏心量を検出し
て偏心による曲線ｃの重心の変化を補正し、補正された
重心の移動から円盤４２の回転角度や角速度を演算す
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。

【０００４】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８
２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８４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。

【０００５】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。

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】

【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。

【０００９】そこで、本出願人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
するために特願平８−２１６４９９号を提案した。この
発明に係るロータリエンコーダは、円盤の周辺部に配置
した曲線を読み取った画像データの半径方向の重心の位
置を計算して円盤の回転位置、速度などを検出するよう
にしたものである。

【００１０】ところが、このように円盤の周辺部に配置
した曲線を読み取るようにすると、円盤の中心がずれる
と、そのずれに応じて曲線の位置が線状に配列された画
像の読み取り素子から見ると円盤の半径方向にずれるこ
とになる。この発明では、曲線を読み取った画像データ
の半径方向の重心を計算することによって回転位置や速
度を求めているので、このようにもし円盤にずれが生じ
ると、回転の位置や速度の変化と同様の影響を重心の測
定結果にもたらすことになる。すなわち、円盤の中心の
ずれは、円盤の回転位置および速度に対するノイズとし
て測定精度を低下させることになる。

【００１１】一般に、円盤に軸と取り付ける際、厳密に
軸の偏心がないようにするのは非常に難しく、あるい
は、偏心のないようにするには厳密な調整を行う必要が
あり、このような要求に応えるには、どうしても製造コ
ストが高くなってしまう。また、たとえ軸を正確に中心
に取り付けることができたとしても、軸と軸受けとの間
に隙間があるので、軸に加わる荷重によって軸は特定の
方向から力を受け、どうしても偏心が生じることにな
る。

【００１２】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その第１の目的は、円盤の回転中心の変動によ
る測定精度の低下を防止することができるロータリエン
コーダを提供することにある。また、第２の目的は、円
盤の回転中心が偏心しても測定精度が劣化しないロータ
リエンコーダを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るため、第１の手段は、回転板に所定の模様を形成し、
その模様を読み取り装置によって読み取って制御演算装
置によって回転板の回転角度または角速度に変換するロ
ータリエンコーダにおいて、前記回転板の回転の偏心量
を検出する手段と、前記偏心量を検出する手段によって
検出された偏心量に基づいて前記読み取り手段によって
読み取ったデータを補正する手段と、この補正する手段
によって補正されたデータに基づいて回転板の回転角度
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。

【００１４】第２の手段は、上記第１の目的を達成する
ため、第１の手段において、前記模様を、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
パターンから形成し、前記読み取り装置を、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から構成し、
さらに、前記制御演算装置を、前期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
から構成したことを特徴としている。

【００１５】第３の手段は、上記第２の目的を達成する
ため、第１の手段におけるする偏心量を検出する手段
を、円盤に設けられた曲線のパターンの回転中心を中心
とする円のパターンと、この円のパターンを読み取る曲
線の画像を読み取るラインセンサと一体となったセンサ
と、このセンサによって読み取った円のパターンの位置
を得る手段とから構成したことを特徴としている。

【００１６】なお、第２の手段は、具体的には、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、前記円盤の回転の偏心量を検出する手段と、前記
移動量を演算する手段によって演算された移動量を前記
偏心量を検出する手段によって検出された偏心量に基づ
いて補正する手段と、この補正する手段によって補正さ
れた移動量を前記円盤の回転角度または角速度に変換す
る手段とを備えて構成される。

【００１７】

【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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。同図において信号処理部は、ＰＤ１、フォトアンプ
２、サンプル・ホールド回路３、セレクト回路４、Ａ／
Ｄ変換回路５、メモリ６、偏心量演算回路７、位置誤差
演算回路８および制御部９から基本的に構成されてい
る。

【００２５】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８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。さらに詳しくは、このメモリ６には、曲線ｃ
と後述の円５０を読み取った画像データが書き込まれ
る。曲線（斜線）ｃの部分の重心は、後述の「４．ウィ
ンドウのデータと重心の計算」の項で説明するようにし
て計算される。並行して円５０の一部を読み取った画像
データのラインが１つ進むごとに行われる。そして、円
５０の画像データから得られた曲線（斜線）ｃ間の重心
の変化を求め、これを偏心による曲線ｃの画像を移動量
と考え、偏心量演算回路７で同じ１ライン進むときの曲
線ｃの重心の変化量から偏心によって移動する量を減算
して偏心による曲線ｃの重心の変化を補正する。そし
て、位置誤差演算回路８で補正された曲線の重心の移動
から円盤の回転位置および速度を演算して出力する。

【００２６】制御部９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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。この実施形態で
は、セレクタ４を使用することなくＡ／Ｄ変換器１０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５，１０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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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Ｗn に達したとき、その次のウイ
ンドウとしてＷn+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。Ｗn+1 、Ｗn+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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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）。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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
ンを拡大して示すとともに、ラインセンサと曲線と円、
および円盤とラインセンサとの関係を示す説明図であ
る。この図では、円盤の周辺部に曲線状のパターンｃを
設けるとともに、図１０に示すようにラインセンサ４５
ａが画像として読み込むことができる円５０とを設けて
ある。ラインセンサ４５ａは長手方向が円盤４２の半径
に重なるように配置され、円盤が回転することによって
ラインセンサ４５ａによって検出される曲線の位置が半
径方向に移動するとともに、円盤４２の中心にずれがあ
るときには、円４３の一部を読み取って得られる画像デ
ータの重心の位置が半径方向に移動する。円の一部を読
み取った画像データの半径の方向の重心の移動量は、そ
のまま中心の位置の変動量に対応する。なお、円５０の
一部を読み取って重心を計算するためのウィンドウは、
曲線ｃの重心を計算する場合のように位置を移動させる
必要はなく、円５０のパターンのパターンの幅が常にウ
ィンドウ内に入っておればよい。

【００５２】さらに、図１０を参照して説明すると、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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】ラインセンサ４５ａ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、 ｔａｎ2 θ→０ ｔａｎθ→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。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】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。

【００６２】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。

【００６３】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。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】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。

【００６７】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。

【００６８】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。

【００６９】なお、この発明は、円盤回転中心のずれを
検出して曲線ｃの重心を計算することによって得られる
回転位置および速度を補正するものなので、この実施形
態のように円５０を設けて円盤の回転中心のずれを検出
するようにしているが、この他に例えば、円盤の軸の位
置を別の光学的手段などで直接測定してずれを検出して
もよい。また、円盤に軸を取り付けた後、円盤の外周を
加工して円盤の中心に対して精密な円になるように加工
すれば、円盤の外周の位置を検出することによって軸の
振れを検出することもできる。

【００７０】さらに、この実施形態では、一体化したラ
インセンサ４５ａで曲線ｃと円５０のパターンの一部を
読み取っているが、それぞれ別のセンサで読み取るよう
にしてもよい。また、円５０のパターンの一部を読み取
った画像のデータの重心を求める以外に、パターンの片
側のエッジの位置を求めることで代替したり、両側エッ
ジを求めてその中央値から、ずれを検出することも可能
である。

【００７１】

【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、回転板の回転の偏心量を検出
する手段と、偏心量を検出する手段によって検出された
偏心量に基づいて読み取り装置によって読み取ったデー
タを補正する手段と、この補正する手段によって補正さ
れたデータに基づいて回転板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ので、偏心量を検出して測
定の都度、この偏心量に基づいて補正するので、円盤の
回転中心の変動による測定精度の低下を防止することが
できる。その際、基本的に回路によって補正が可能とな
るので、低コストでこの補正が実現できる。

【００７２】請求項２記載の発明によれば、読み取り装
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適用することができ、この形式の画
像読み取り装置の位置誤差測定機能を低コストで提供す
ることが可能となる。

【００７３】請求項３記載の発明によれば、円盤の回転
が偏心していたとしても曲線と円のパターンを１つのラ
インセンサで読み取るので、両者の位置関係を調整する
必要もなく、曲線と円のパターンを読み取るタイミング
も一致するので、機械的構成も読み取った画像データの
処理も簡単な精度のよいロータリエンコーダを提供する
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） ５，１０，１２ アナログ／デジタル変換回路（Ａ／Ｄ
変換器） ６ メモリ ７ 偏心量演算回路 ８ 位置誤差演算回路 ９ 制御部 １１ ＣＣＤ １３ 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 ５０ 円 ｃ 曲線

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転板に所定の模様を形成し、その模様
   を読み取り装置によって読み取って制御演算装置によっ
   て回転板の回転角度または角速度に変換するロータリエ
   ンコーダにおいて、 前記回転板の回転の偏心量を検出する手段と、 前記偏心量を検出する手段によって検出された偏心量に
   基づいて前記読み取り手段によって読み取ったデータを
   補正する手段と、 この補正する手段によって補正されたデータに基づいて
   回転板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。
2. 【請求項２】 前記模様が、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から
   なり、 前記読み取り装置が、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からなり、 前記制御演算装置が、前期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からな
   ることを特徴とする請求項１記載のロータリエンコー
   ダ。
3. 【請求項３】 前記偏心量を検出する手段は、円盤に設
   けられた曲線のパターンの回転中心を中心とする円のパ
   ターンと、この円のパターンを読み取る曲線の画像を読
   み取るラインセンサと一体となったセンサと、このセン
   サによって読み取った円のパターンの位置を得る手段と
   からなることを特徴とする請求項１記載のロータリエン
   コーダ。