JPH0526688A - ロータリエンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】絶対回転角度の分解能を高めたロータリエンコ
ーダを提供する。 【構成】コード板１に絶対角度範囲を表すコードパター
ンおよびその絶対角度範囲内を等分割する相対角度読取
パターンを形成しておき、第１のＣＣＤラインセンサ５
は比較的遠方のＬＥＤ４から照射されたパターンの透過
光から主としてコードパターンを読み取る。第２のＣＣ
Ｄラインセンサ９にはＬＥＤ６によるパターンの透過光
がレンズ８ａ，８ｂにより拡大投影される。これにより
第２のＣＣＤラインセンサ９は相対角度読取パターンを
高分解能で読み取る。 【効果】絶対角度範囲内を等分割する相対角度読取パタ
ーンを拡大率相当分だけ精度を上げて読み取ることがで
きるため、回転体の絶対角度を高分解能で検出すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は回転角を検出するロー
タリエンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の一般的なロータリエンコーダは、
光学的パターンを形成した回転円板を用い、この回転円
板の近傍に光学的パターンを読み取る光学センサを配置
している。そして、被測定物である回転子の回転角を絶
対量として検出する場合には、回転円板の光学的パター
ンとして、その絶対角度を表す、または絶対角度に対応
するディジタルコードをパターン化している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
回転円板の絶対角度を検出する従来のロータリエンコー
ダの場合、検出すべき回転角度の分解能を向上させるた
めにはディジタルコードパターンのピッチを細かくする
とともに、そのビット数を増加させる必要がある。この
ため大型のコード板を用いなければならず、装置全体が
大型化する。また、コード板の直径を同一とすれば、デ
ィジタルコードパターンをコード板の半径方向に細かく
形成しなければならず、コード板の高い加工精度および
光源やセンサの高い位置精度が要求される。

【０００４】この発明の目的は、ディジタルコードによ
って中程度の分解能を確保するとともに、相対角度読取
パターンによってそれ以上の分解能を得るようにし、検
出すべき回転角度の分解能を容易に高められるようにし
たロータリエンコーダを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明のロータリエン
コーダは、回転体に絶対角度範囲を表すコードパターン
および前記絶対角度範囲内を等分割する相対角度読取パ
ターンを形成したパターン形成体と、このパターン形成
体のコードパターンを第１のラインセンサへ投影する第
１光学系と、前記パターン形成体の相対角度読取パター
ンを第２のラインセンサへ拡大投影する第２光学系と、
第１ラインセンサの出力信号から上位角度データを生成
する上位角度データ生成手段と、第２ラインセンサの出
力信号から下位角度データを生成する下位角度データ生
成手段とを備えてなる。

【０００６】

【作用】この発明のロータリエンコーダでは、パターン
形成体に、絶対角度範囲を表すコードパターンと、その
絶対角度範囲内を等分割する相対角度読取パターンが形
成されている。パターン形成体のコードパターンは第１
光学系によって第１ラインセンサへ投影され、パターン
形成体の相対角度読取パターンは第２光学系によって第
２ラインセンサへ拡大投影される。そして、第１ライン
センサの出力信号から上位角度データが生成され、第２
ラインセンサの出力信号から下位角度データが生成され
る。パターン形成体に形成されているコードパターンは
中程度の分解能を確保するものであり、コードパターン
が読み取れる程度の分解能が得られればよい。一方、パ
ターン形成体に形成されている相対角度読取パターンは
絶対角度範囲内を等分割するものであるため、一般にそ
の分割数が多いほど下位角度データの分解能が高まる。
しかしこの発明によれば、相対角度読取パターンが第２
光学系によって第２のラインセンサへ拡大投影されるた
め、相対角度読取パターンのピッチを極端に細かくする
ことなく、第２のラインセンサの画素ピッチと第２の光
学系による拡大率に応じた高い分解能で、絶対角度範囲
内の相対角度（下位角度）を読み取ることができる。

【０００７】

【実施例】この発明の実施例であるロータリエンコーダ
の構造を一部破断図として図１に示す。図１において１
２はロータリエンコーダの円筒状ケース、３はケースか
ら突出する回転軸であり、このロータリエンコーダは回
転軸３の回転角度を検出する。また、同図において１は
パターン形成体であるコード板、２はコード板１を保持
するとともに回転軸３に固定する保持部材である。回転
軸３はベアリングによって軸支されていて、コード板１
は回転軸３とともに回転する。また４はコード板１に形
成しているコードパターンおよび相対角度読取パターン
の形成位置を照明するＬＥＤ、５はこのＬＥＤによる照
明光のうちコード板１を透過したパターンを読み取る第
１のＣＣＤラインセンサである。６はミラー７を介して
コード板１を背面から照明するＬＥＤ、９はコード板１
に形成されているパターンのうち、特に相対角度読取パ
ターンを読み取るための第２のＣＣＤラインセンサであ
る。コード板１を透過したＬＥＤ６の光はレンズ８ａ，
８ｂにより第２のＣＣＤラインセンサ９の撮像面に拡大
投影される。これにより第２のＣＣＤラインセンサ９
は、特に相対角度読取パターンを高分解能で読み取る。
なお、第１のＣＣＤラインセンサ５、ＬＥＤ６およびミ
ラー７などはプリント基板１０に固定されていて、プリ
ント基板１０はスペーサー１１などを介してロータリエ
ンコーダのフランジ部に固定されている。

【０００８】次に、ロータリエンコーダの制御部の構成
をブロック図として図２に示す。図２においてＣＰＵ４
０はＲＯＭ４１に予め書き込まれているプログラムを実
行してロータリエンコーダとしての制御を統括する。Ｒ
ＡＭ４２は各種パターンの抽出および角度データの生成
などを行う際のワーキングエリアとして用いられる。

【０００９】第１のＣＣＤラインセンサ５および第２の
ＣＣＤラインセンサ９はいずれも１０２４画素の受光部
を備えている。読取コントローラ４３はＣＣＤラインセ
ンサ５および９の受光蓄積時間制御および読出シフト制
御を行う。波形整形回路４５，４７はＣＣＤラインセン
サ５，９の出力信号をそれぞれ波形整形して論理レベル
の信号に変換する。データ処理回路４４，４６は波形整
形された１ライン分のデータをそれぞれ一時記憶し、読
取コントローラ４３から与えられるタイミング信号に応
じて、ＣＰＵ４０に対し１ライン分のデータの読取要求
を出力する。ＣＰＵはこの読取要求を受けてデータ処理
回路４４および４６内に記憶されている１ライン分のデ
ータをＲＡＭ４２の所定エリアに格納し、その後角度デ
ータを求める。さらにＣＰＵ４０は求めた角度データを
Ｉ／Ｏポート４８を介して外部へ出力する。

【００１０】次に、前記コード板の構成を図３〜図６に
示す。

【００１１】図３はコード板の平面図である。同図にお
いて０，１，２，３・・・・３５は全周３６０°をそれ
ぞれ１０°単位に区分した領域であり、同図においては
３４，３５，０，１，２および１７，１８，１９につい
てのみパターンを表し、その他の領域のパターンは省略
している。また図中Ｓ１は第１のＣＣＤラインセンサの
読取領域を示している。後述するように第１のＣＣＤラ
インセンサの読取信号から１０°単位の上記角度データ
と２°単位の下位角度データの一部が生成される。大ま
かに表現すればパターン０は０°、１は１０°、２は２
０°、同様にして３５は３５０°の範囲に相当してい
る。

【００１２】図４および図５は図３に示したコード板に
形成されているパターンを１０°単位に区分して表した
図である。両図においてＡ，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４で
示すパターンがそれぞれ相対角度読取パターンであり、
パターンＡは幅０．３°を一単位としてコードで表せば
“１０１０”、同様にパターンＢ１〜Ｂ４をコードで表
せばそれぞれ“１０”と表現することができる。０．３
°幅の“１０１０”のパターンＡは他の領域には存在せ
ず、パターンＡ〜Ｂ１の幅が１０°単位の先頭位置すな
わち０°以上２°未満の範囲を表している。また、パタ
ーンＢ１〜Ｂ２の幅が２°以上４°未満の範囲を表して
いる。同様に、パターンＢ２〜Ｂ３の幅が４°以上６°
未満の範囲を表し、パターンＢ３〜Ｂ４の幅が６°以上
８°未満の範囲を表し、さらにパターンＢ４〜Ａ（隣接
するパターンＡ）の幅が８°以上１０°未満の範囲を表
す。同図においてＣ１，Ｃ２，Ｃ３は“００”〜“３
５”のＢＣＤコードであり、Ｃ１は１０の位（角度では
１００°の位）に相当する２ビット、Ｃ２＋Ｃ３は１の
位（角度では１０°の位）に相当する４ビットであり、
このＢＣＤコードの１ビットは０．６°幅のパターンで
表している。

【００１３】図６は図４および図５に示したコード板に
形成されているパターンの一部を直角座標に展開した図
である。図６において下半部は第１のＣＣＤラインセン
サが読み取るパターン、上半部は第２のＣＣＤラインセ
ンサが読み取るパターンである。Ｓ１は第１のＣＣＤラ
インセンサの読取領域、Ｓ２は第２のＣＣＤラインセン
サの読取領域である。尚、同図は展開図であるためＣＣ
Ｄラインセンサの読取領域は直線状とならないが、ここ
では説明上直線状であるものとする。このようにして第
１のラインセンサの出力信号から、読取領域Ｓ１内に含
まれるパターンＡで始まるＢＣＤコードを抽出すること
によって上位角度データを求める。この例ではＢＣＤコ
ードは“０”であるため、上位角度データは０（０〜１
０°）として求める。また、第１のラインセンサの基準
位置（この例ではＳ１の中央部）がＡ〜Ｂ４の相対角度
読取パターンのどの位置に存在するかによって２°単位
の下位角度データを求める。すなわち、第１ラインセン
サの基準位置がＡ〜Ｂ１の範囲にあれば０°〜２°、Ｂ
１〜Ｂ２の範囲にあれば２°〜４°、Ｂ２〜Ｂ３の範囲
にあれば４°〜６°、Ｂ３〜Ｂ４の範囲にあれば６°〜
８°、Ｂ４〜Ａ（隣のパターンＡ）の範囲にあれば８°
〜１０°（０°）として２°単位の角度を求める。図に
示す例では第１のラインセンサの基準位置がＢ２〜Ｂ４
の範囲にあるため、４°〜６°として求める。

【００１４】一方、第２のラインセンサは第１のライン
センサの読取領域とは１８０°離れた位置のしかも拡大
投影像を撮像する。したがって、第２のラインセンサ
は、第１のラインセンサが撮像する位置に形成されてい
る相対角度読取パターンとは離れた、異なる相対角度読
取パターンを読み取ることになるが、両者は正確に１８
０°位相が異なるだけであり、等価的には同一の相対角
度読取パターンを読み取る。図５においてｍＴは、第２
のラインセンサの基準位置（この例ではＳ２の中央部）
から最も近い相対角度読取パターン（Ｂ３）までの間隔
Ｔをｍ（拡大率）倍したものである。このｍＴの幅を検
出することによって、Ｔに相当する角度を求める。ここ
で第２のラインセンサに拡大投影される相対角度読取パ
ターンの間隔に含まれる画素数をＮ、幅ｍＴに相当する
画素数をｍＴとすれば、相対角度読取パターンの幅が２
°であることから、幅ｍＴに相当する角度は２×ｍＴ／
Ｎとして求められる。

【００１５】図６の例では、ＢＣＤコードパターンが
“０”であることから上位角度データは００°、第１ラ
インセンサの基準位置が相対角度読取パターンＢ２〜Ｂ
３の範囲内にあることから、２°単位の下位角度データ
は４°〜６°であり、この２°未満の角度は、第２のラ
インセンサの出力信号から求めた２×ｍＴ／Ｎから求め
られ、結局下位角度データは（４°＋２×ｍＴ／Ｎ）と
して求められる。したがってロータリエンコーダの角度
検出結果として、００°＋４＋２×ｍＴ／Ｎの値が出力
される。たとえば、第２のＣＣＤラインセンサとして、
１画素が１４μｍで１０２４ビットのものを用い、第２
のＣＣＤラインセンサが読み取るパターンが半径３０ｍ
ｍに形成されていれば、そのパターンの周長は１８８．
４ｍｍである。したがって拡大投影しない場合の最高分
解能は、３６０／（１８８．４／０．０１４）＝０．０
２６７°≒１．６’となる。しかしこの実施例のよう
に、２°ごとに設けられている相対角度読取パターンを
第２のＣＣＤラインセンサに拡大投影すれば、最大２°
／１０２４＝０．００１９５°≒０．１１７’≒７”の
分解能で角度を読み取ることができる。

【００１６】次に、図２に示したＣＰＵ４０の処理手順
をフローチャートとして図７に示す。まず一旦１ライン
分１０２４ビットのデータをＲＡＭ４２の所定領域に入
力する（ｎ１）。続いて読み込んだデータから０．３°
幅のパターンを抽出する（ｎ２）。これは図４〜図６に
おいてＡ，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４として示した相対角
度読取パターンである。また、これとともに１０°単位
に区分した先頭位置にある相対角度読取パターンＡの位
置を検出し（ｎ３）、図６に示したように、基準位置が
相対角度読取パターンのどの範囲に存在かを判定する
（ｎ４）。続いて、相対角度読取パターンで区分された
位置にあるコードパターンＣ１，Ｃ２，Ｃ３で表される
ＢＣＤコードを抽出する（ｎ５）。また、第２のＣＣＤ
ラインセンサの基準位置から相対角度読取パターンまで
の間隔（画素数ｍＴ）を求める（ｎ６）。そしてＣ１，
Ｃ２，Ｃ３で示される上位角度データと、相対角度読取
パターンの範囲判定による２°単位の角度データと、画
素数ｍＴによる２°未満の下位角度データとから角度デ
ータを生成し、これを出力する（ｎ７）。以上の処理を
繰り返すことによって、コード板の絶対角度を一定時間
間隔で常に求める。

【００１７】次に、他の実施例に係るロータリエンコー
ダに用いられるコード板の構成を図８に示す。図８にお
いてＳ１およびＳ２はそれぞれ第１および第２のライン
センサの読取領域であり、コード板にはコードパターン
と相対角度読取パターンが分離形成していて、第１のラ
インセンサはコードパターンを等倍で読み取り、第２の
ラインセンサは相対角度読取パターンの拡大投影像を読
み取る。二つのラインセンサの出力信号から角度データ
を求める方法は先に示した実施例とほぼ同様である。第
１のラインセンサは、二つのパターンＡ間に形成されて
いるＢＣＤコードを抽出して上位角度データを求めると
ともに、その基準位置からパターンＡまでの距離Ｌから
２°単位の分解能で角度を求める。そして第２のライン
センサは、その基準位置から相対角度読取パターンまで
の距離ｍＴから２°未満の下位角度データを求める。

【００１８】

【発明の効果】この発明によれば、回転体に形成されて
いるコードパターンの読み取りによって上位角度データ
が求められ、相対角度読取パターンの読み取りによって
下位角度データが求められるが、相対角度読取パターン
は絶対角度範囲を表すコードパターンとは異なり、相対
角度読取パターンの基準位置からの距離によって下位角
度データが求められる。相対角度読取パターンは拡大投
影されてラインセンサにより読み取られるため、極めて
高い分解能で相対角度を検出することができ、コードパ
ターンとの組合せで、高分解能で絶対角度を検出するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例であるロータリエンコーダの
一部破断正面図である。

【図２】ロータリエンコーダの制御部のブロック図であ
る。

【図３】第１の実施例に係るロータリエンコーダに用い
られるコード板の平面図である。

【図４】図３に示すコード板の展開図である。

【図５】図３に示すコード板の展開図である。

【図６】第１の実施例に係るコード板のパターンおよび
第１・第２のＣＣＤラインセンサの読取領域を示す図で
ある。

【図７】図２に示すＣＰＵの処理手順を表すフローチャ
ートである。

【図８】第２の実施例に係るロータリエンコーダに用い
られるコード板のパターンおよび第１・第２のＣＣＤラ
インセンサの読取領域を示す図である。

【符号の説明】

１−コード板 ３−回転軸 ４，６−ＬＥＤ ５−第１のＣＣＤラインセンサ ７−ミラー ８ａ，８ｂ−レンズ ９−第２のＣＣＤラインセンサ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】回転体に、絶対角度範囲を表すコードパタ
   ーンおよび前記絶対角度範囲内を等分割する相対角度読
   取パターンを形成したパターン形成体と、 このパターン形成体のコードパターンを第１のラインセ
   ンサへ投影する第１光学系と、 前記パターン形成体の相対角度読取パターンを第２のラ
   インセンサへ拡大投影する第２光学系と、 第１ラインセンサの出力信号から上位角度データを生成
   する上位角度データ生成手段と、 第２ラインセンサの出力信号から下位角度データを生成
   する下位角度データ生成手段とを備えたロータリエンコ
   ーダ。