(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スケールが形成されたローターと、そのスケールを読み取るためのスケール検出手段とからなるエンコーダにおいて、前記ローターに形成され、第１周期で変調された第１パターンと、該第１周期と異なる第２周期で変調された第２パターンとを有し、前記第１パターンと前記第２パターンとを前記ローターの回転方向に等ピッチで順次配列させたスケールと、このスケールのパターンを読み取るためのスケール検出手段とから構成されたロータリーエンコーダ。
【請求項２】
前記第１パターン及び前記第２パターンの変調は線幅を変化させる空間変調により行われることを特徴とする請求項１記載のロータリーエンコーダ。
【請求項３】
前記第１パターンと前記第２パターンの他に、一様な第３パターンを備えており、前記第１パターン、第２パターン及び第３パターンを前記ローターの回転方向に等ピッチで順次配列することにより構成された請求項１又は２記載のロータリーエンコーダ。
【請求項４】
スケールが形成されたローターと、そのスケールを読み取るためのスケール検出手段とからなるエンコーダにおいて、前記ローターに形成され、第１周期で変調された第１パターンと、該第１周期と異なる第２周期で変調された第２パターンとを有し、前記第１パターンと前記第２パターンとを前記ローターの回転方向に等ピッチで順次配列させたスケールと、このスケールのパターンを読み取るためのスケール検出手段と、該スケール検出手段の検出信号に基づき、ローターの角度を演算するための演算処理手段とからなっており、該演算処理手段は、前記スケール検出手段で検出された検出信号の間隔から基準信号を形成するための基準信号形成部と、この基準信号形成部で形成された基準信号と前記スケール検出手段で検出された検出信号とから、前記第１のパターン信号と前記第２のパターン信号を形成するためのパターン信号形成部と、前記第１のパターン信号の位相と前記第２のパターン信号の位相からローターの角度を算出するための算出部とから構成されていることを特徴とするロータリーエンコーダ。
【請求項５】
前記第１パターンと前記第２パターンとは、周期的に一致する一致点を少なくとも１箇所備えている請求項１〜４記載の何れか１項記載のロータリーエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、角度を検出するためのロータリーエンコーダに係わり、特に、ローターには、周期の異なる複数のパターンを有するスケールが形成されており、このスケールを読み取ることにより、ローターの角度を高精度に測定することのできるロータリーエンコーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から角度を電気的に測定するものとして、エンコーダが広く知られている。エンコーダには、光学式、磁気式等があり基本的構造は類似している。
【０００３】
角度を電気的に測定するものとしては、ロータリーエンコーダが広く採用されてきた。特に、光学式エンコーダは、高度の光学技術を応用して製造されており、高精度、高分解のエンコーダを実現することができ、磁気等の外部ノイズに強く、非接触な構成なので、寿命が長いという特徴を有する。
【０００４】
この様な優れた特徴から、光学式エンコーダは、例えば角度検出のための測量機に利用されている。
【０００５】
現在の測量機に使用されている光学式エンコーダは、アブソリュート方式とインクリメンタル方式とが用いられている。
【０００６】
アブソリュート方式は、角度の値と円周上の位置とが、１対１に対応している方式であり、円周上の位置が絶対番地として登録されているので、どの位置においても位置情報が得られるという利点がある。例えば図７に示す様に、ロータには、同心円状にエンコーダパターンが形成されており、角度読み取り用のコードパターンが形成されている。この角度読み取り用のコードパターンは、第１のトラック５０００と第２のトラック６０００の２つのトラックからなり、粗、精又は粗、中、精のコードパタンが形成されている。
【０００７】
そして図８に示す様に、第１のトラック５０００を照明するための第１トラック照明部７１００と、第２のトラック６０００を照明するための第２トラック照明部７２００、７２００と、エンコーダパターンを検出するためのＣＣＤ７３００とが備えられており、第１トラック照明部７１００と第２トラック照明部７２００、７２００とからなる照明部と、ＣＣＤ７３００とが、ロータを挟む様に配置されている。そして、任意の位置の角度をコードパターンから読み取る様に構成されている。
【０００８】
これに対してインクリメンタル方式は、図９に示す様に、メインスケール８５１１とゼロ信号検出用インデックス８５１２とが形成されたローター８５１０と、インデックス用サブスケール８５２２とサブスケール８５２３、８５２３とが形成されたステーター８５２０と、ローター８５１０とステーター８５２０とを挟む様に配置された検出手段８５３０とから構成されている。
【０００９】
ローター８５１０に形成されたメインスケール８５１１は、円周上に等間隔の格子目盛が設けられている。ローター８５１０に形成されたゼロ信号検出用インデックス８５１２は、メインスケール８５１１のカウントの基準点となっている。
【００１０】
なお、ゼロ信号検出用インデックス８５１２は、所定の位置からカウントする場合に必要であり、任意の位置からカウントを行う場合には不要である。
【００１１】
固定されたステーター８５２０には、２個のサブスケール８５２３、８５２３と、インデックス用サブスケール８５２２とが配置されており、サブスケール８５２３、８５２３は、メインスケール８５１１と同様な間隔の格子目盛であるが短く構成されている。
【００１２】
検出手段８５３０は、インデックス検出部とメインスケール検出部とからなっている。インデックス検出部は、第１の発光素子８５３１と、第１のコリメータレンズ８５３２と、第１の受光素子８５３３とから構成されており、ロータ８５１０に形成されたゼロ検出用のインデックス８５１２を検知することができる。
【００１３】
メインスケール検出部は、第２の発光素子８５３５と、第２のコリメータレンズ８５３６と、第２の受光素子８５３７とから構成されており、ロータ８５１０に形成されたメインスケール８５１１の明暗パターンを光の断続として検出し、この光の断続を第２の受光素子８５３７により電気信号に変換し、この電気信号をカウントすることにより、ゼロ検出点からの角度を測定することができる。
【００１４】
即ちローター８５１０が回転すると、メインスケール８５１１が１ピッチ移動する毎に光の断続が生じ、第２の受光素子８５３７は、光の明暗を受光することにより正弦波の信号を得ることができる。
【００１５】
また２個のサブスケール８５２３、８５２３から検出される正弦波の位相は１／４ピッチずれており、この位相のずれから、ローター８５１０の回転方向を検知することができる。
【００１６】
そして、第２の受光素子８５３７から得られた正弦波の信号には、バイアスが掛けられ、メインスケール８５１１の格子目盛の間隔以上に微細な角度で検出が可能な様に構成されている。更に、算術的に位相をずらした正弦波を増加させることにより、メインスケール８５１１の格子目盛の間隔以上に微細な角度で検出することもできる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アブソリュート方式は構造が複雑であり、測量機に内蔵させるために小型軽量化を行うことが極めて困難であるという問題点があった。
【００１８】
またインクリメンタル方式のエンコーダは、ローター８５１０に形成されたメインスケール８５１１を読み取る方式であるため、例えば、メインスケール８５１１の直径が８０ｍｍ程度の大きさで、格子の間隔を６０秒とすれば、全周で２１６００本にも達する。このためメインスケール８５１１の１ピッチは、１０数μｍと非常に細かいスケールを刻まなければならない。
【００１９】
この細かいスケールは、原板からフォトレジストに縮小投影され、エッチングを施すことにより作成されるが、この格子目盛の平行度と太さの均一性や、間隔の精度等が、エンコーダ信号の安定性に対して大きな要因となる。
【００２０】
例えば格子の形状が崩れている場合や、格子間隔が不均一となる等の欠陥が格子目盛の１つに生じれば、カウントが不可能となったり、カウントがされにくくなるという問題点があった。
【００２１】
更にインクリメンタル方式のエンコーダは、ローター８５１０に形成されたメインスケール８５１１を１つ１つ読み取る構成を有するので、ローター８５１０を急回転させたり、振動を与えるとカウントできなくなるという深刻な問題点があった。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、スケールが形成されたローターと、そのスケールを読み取るためのスケール検出手段とからなるエンコーダにおいて、
前記ローターに形成され、線幅を空間的に変化させ、等ピッチで配置されたパターンを前記ローターの回転方向に順次配列させたスケールと、このスケールのパターンを読み取るためのスケール検出手段とを有し、回転角の粗精度は、前記パターンの位置から検出し、回転角の精精度は、前記パターンから得られる周期的なデータをフーリエ変換して得ることを特徴としている。
【００２３】
また本発明のパターンは、第１パターンと第２パターンとからなり、この第１パターンと該第２パターンとは、周期を異ならせて配置する構成にすることもできる。
【００２４】
更に本発明は、前記第１パターンと前記第２パターンの他に、線幅が一定な第３パターンを備えており、前記第１パターン、第２パターン及び第３パターンが、前記ローターの回転方向に等ピッチで順次配列する構成にすることもできる。
【００２５】
そして本発明の前記第１パターンと前記第２パターンとは、周期的に一致する一致点を少なくとも１箇所備える構成にすることもできる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以上の様に構成された本発明は、ローターに形成されたスケールは、線幅を空間的に変化させ、等ピッチで配置されたパターンをローターの回転方向に順次配列しており、スケール検出手段がスケールのパターンを読み取り、回転角の粗精度をパターンの位置から検出し、回転角の精精度をパターンから得られる周期的なデータをフーリエ変換して得る様になっている。
【００２７】
また本発明のパターンを第１パターンと第２パターンとから構成し、第１パターンと第２パターンとは、周期を異ならせて配置することもできる。
【００２８】
更に本発明は、第１パターンと第２パターンの他に、線幅が一定な第３パターンを備え、第１パターン、第２パターン及び第３パターンを、ローターの回転方向に等ピッチで順次配列させることもできる。
【００２９】
そして本発明の第１パターンと第２パターンとは、周期的に一致する一致点を少なくとも１箇所備えることもできる。
【００３０】
【実施例】
【００３１】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００３２】
図１は、本実施例のエンコーダ１０００は、ローター１００と、このローター１００に形成されたスケール２００と、受光板３００と、スケール検出手段４００とから構成されている。
【００３３】
ローター１００に形成されたスケール２００は、空間変調されたパターンから構成されており、このパターンは少なくとも、第１周期で変調された第１パターンと、この第１周期と異なる第２周期で変調された第２パターンとを有し、第１パターンと第２パターンとを回転方向に等ピッチで順次配列することにより構成されている。
【００３４】
即ち、第１パターン及び第２パターンの変調は線幅を変化させる空間変調が採用されている。
【００３５】
スケール検出手段４００は、ローター１００と受光板３００とを挟む様に構成されており、発光素子４１０とコリメータ４２０とリニアセンサ４３０とから構成されている。
【００３６】
リニアセンサ４３０は、ローター１００に形成されたスケール２００のパターンを電気信号に変換するためのものである。リニアセンサ４３０は受光板３００に形成されており、本実施例ではＣＣＤリニアセンサが採用されている。なおリニアセンサ４３０は、ＣＣＤリニアセンサに限ることなく、ホトダイオード等を少なくとも１次元的に配置したリニアイメージセンサであれば、何れのセンサを採用することができる。
【００３７】
演算処理手段１６は、図３に示す様に、アンプ１６１と、サンプルホールド１６２と、Ａ／Ｄ変換器１６３と、ＲＡＭ１６４と、クロックドライバ１６５と、マイクロコンピュータ１６６と、表示器１６７とから構成されている。
【００３８】
「原理」
【００３９】
ここで、ローター１００に形成されたスケール２００と、その測定原理について説明する。
【００４０】
まず説明を簡便化するために、ローター１００に同心円状に形成されたスケール２００を、展開して図２（ａ）に示す様に直線に置き換えて説明する。
【００４１】
ローター１００に同心円状に形成されたスケール２００は、図２（ａ）に示す様に、第１のパターンＡと第２のパターンＢと第３のパターンＲが等間隔（ｐ）で繰り返し配置されている。即ち、３種のパターンを１組として各ブロックが連続して形成されており、最も左側に配置されたブロックを、０ブロックと定義し、Ｒ（０）、Ａ（０）、Ｂ（０）と記載すれば、Ｒ（１）、Ａ（１）、Ｂ（１）、Ｒ（２）、Ａ（２）、Ｂ（２）、・・・・・・・・と繰り返し配置されている。なお、全てのパターンが等間隔ｐで繰り返されているので、この間隔に対応した信号を基準信号とする。
【００４２】
本実施例では等間隔（ｐ）は、例えば１８３．８秒で設定されているが、（角  度に換算した時、１８３．８秒毎）何れの間隔距離（間隔角度）を採用すること  ができる。また第３のパターンＲは固定幅となっており、第１のパターンＡは、３６０度／５０で１周期となる様に黒部分の幅を変調しており、第２のパターンＢは、３６０度／４７で１周期となる様に黒部分の幅を変調している。なお、第１のパターンＡと第２のパターンＢとは、周期が僅かに異なれば、何れの周期を採用することができる。なお、第１のパターンＡ、第２のパターンＢの変調の様子は、図２（ｂ）の様になる。
【００４３】
ここで、スケール２００から所定の角度を検出する原理を説明する。
【００４４】
ローター１００に同心円状に形成されたスケール２００の第１のパターンＡは、３６０度／５０で１周期となる様に黒部分の幅を変調しているので、変調幅を０〜１８３．８秒とすれば、第１のパターンの幅ＤＡは、以下の式で与えられる。
【００４５】
ＤＡ＝９１．９秒＊（１＋ＳＩＮ（２＊π＊Ｘ／（１２９６０００秒／５０）））
【００４６】
・・・第１式
【００４７】
となる。但し、Ｘ＝（１８３．８秒、７３５．３秒、１２８６．８秒・・・・・  ・である）。
【００４８】
同様に、ローター１００に同心円状に形成されたスケール２００の第２のパターンＢは、２７５７４．５秒で１周期となる様に黒部分の幅を変調しているので  、第２のパターンの幅ＤＢは、以下の式で与  えられる。
【００４９】
ＤＢ＝５＊（１＋ＳＩＮ（２＊π＊Ｘ／（１２９６０００秒／４７）））
【００５０】
・・・第２式
【００５１】
となる。但し、Ｘ＝（３６７．７秒、９１９．１秒、１４７０．６秒・・・・・・  である）。
【００５２】
第３のパターン幅は固定幅であり、第１、第２のパターンの最大変調の８０％である１４７．１秒となっている。
【００５３】
そして第１のパターンＡと第２のパターンＢとは、周期が僅かに異なっているため、両者の最小公倍数となる１回転で同様のパターンが現れる（一致点）。従って第１のパターンＡによる信号と、第２のパターンＢによる信号との位相差は、ローター１００の１回転の範囲で、周期が０〜２πまで変化することになる。
【００５４】
即ち、ローター１００の角度θは、第１のパターンＡによる信号の位相をφＡとし、第２のパターンＢによる信号の位相をφＢとすれば、
【００５５】
θ＝（φＢ−φＡ）／（５０−４７）                ・・・・第３式
【００５６】
となる。
【００５７】
次に、ローター１００の角度θの演算方法を具体的に説明する。
【００５８】
リニアセンサ１５の出力信号を、基準信号（等間隔ピッチｐに相当する信号）の前後半ピッチ分で積分する。更にこの積分値を３つ毎に間引けば（プロダクト検波）、図４に示す様に、第１のパターンＡに相当する信号１と、第２のパターンＢに相当する信号２と、第３のパターンＲに相当する信号３とが得られる。しかしながら第３のパターンＲは、幅が変調されていない上、第１のパターンＡと第２のパターンＢの最大変調幅が１８３．８秒に対して、第３のパターンＲは１  ４７．１秒しかないので、第３のパターンＲに相当する信号３は、積分値が略一  定であり、信号１や信号２に比較して約８０％の値となる。
【００５９】
そして、第３のパターンＲと、第１のパターンＡと、第２のパターンＢとは、定められた順番に繰り返して配置されているので、間引かれた信号が、第３のパターンＲ、第１のパターンＡ、第２のパターンＢの何れであるか、決定することができる。更に光量ムラの外乱光の影響を取り除くため、第３のパターンＲに相当する信号を基準として、図５に示す様に、（Ａ−Ｒ）、（Ｂ−Ｒ）の信号を得る。
【００６０】
次に（Ａ−Ｒ）、（Ｂ−Ｒ）の信号から、角度読み取り位置に対応するリニアセンサ１５のアドレス位置（第ｍビット目）を含む、基準信号が含まれるＲ、（Ａ−Ｒ）、（Ｂ−Ｒ）の１組の信号を選択し、（Ａ−Ｒ）と（Ｂ−Ｒ）の位相を求めれば、ローター１００に同心円状に形成されたスケール２００の何れの位置の、第１のパターンＡ、第２のパターンＢ、第３のパターンＲの組合せであるかを求めることができる。
【００６１】
ここで、（Ａ−Ｒ）信号をＡｍとし、（Ｂ−Ｒ）信号をＢｍとし、（Ａ−Ｒ）信号の最大振幅の１／２をＷａ、（Ｂ−Ｒ）信号の最大振幅の１／２をＷｂとすれば、（Ａ−Ｒ）と（Ｂ−Ｒ）の位相は、それぞれ、
【００６２】
φａ＝ＳＩＮ−１（Ａｍ／Ｗａ）                            ・・・・第６式
【００６３】
φｂ＝ＳＩＮ−１（Ｂｍ／Ｗｂ）−２＊π（１８３．８／（３６０＊６０＊６０／４７））
＝ＳＩＮ−１（Ｂｍ／Ｗｂ）−２＊π（１８３．８／２７５７４．５）
【００６４】
・・・・第７式
【００６５】
となる。第７式の端数部分は、第２のパターンＢに相当する信号の位置が、第１のパターンＡに相当する信号より１８３．８秒ずれているからである。
【００６６】
そして第６式と第７式を、第３式に代入すれば、第１のパターンＡに対応する信号のスケール２００の位置を検出することができ、ローター１００の角度θを求めることができる。なお、基準信号の所属が第３のパターンＲであれば、１８３．８秒を減じ、基準信号の所属が第２のパターンＢであれば、１８３．８秒を加えればよい。この結果、ローター１００に同心円状に形成されたスケール２００の位置を検出して、ローター１００の角度θを求めることができる。
【００６７】
次に本実施例のエンコーダ１０００に搭載された演算処理手段１６を詳細に説明する。
【００６８】
アンプ１６１は、リニアセンサ４３０からの電気信号を増幅するものであり、サンプルホールド１６２は、増幅された電気信号をクロックドライバ１６５からのタイミング信号でサンプルホールドするものである。Ａ／Ｄ変換器１６３は、サンプルホールドされた電気信号をＡ／Ｄ変換するためのものである。そしてＲＡＭ１６４は、Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号を記憶するためのものである。またマイクロコンピュータ１６６は、各種演算処理を行うものである。
【００６９】
ここでマイクロコンピュータ１６６が果たす機能を図６に基づいて説明すると、演算処理手段１６は、基準信号形成部１６６１と、パターン信号形成部１６６２と、算出部１６６４とからなり、基準信号形成部１６６１は、リニアセンサ４３０から得られた電気信号から、高速フーリエ変換により等間隔ピッチｐに相当する基準信号を形成するものである。
【００７０】
パターン信号形成部１６６２は、基準信号の前後半ピッチ分で積分し、この積分値を３つ毎に間引く（プロダクト検波）ことにより、第１のパターン信号と第２のパターン信号を形成するものである。
【００７１】
算出部１６６４は、第１のパターン信号と第２のパターン信号の位相から、第３式を演算し、ローター１００の角度θを求めるものである。
【００７２】
そして表示器１６７は、算出部１６６４で算出されたローター１００の角度θを表示するもので、液晶表示等の表示手段を採用してもよく、更に、外部記憶手段等に出力させる構成としてもよい。
【００７３】
ここで、本実施例のエンコーダ１０００を具体的に説明する。
【００７４】
ローター１００に同心円状に形成されたスケール２００は、第１のパターンＡと第２のパターンＢと第３のパターンＲとから構成されている。
【００７５】
第１のパターンＡは、３６０度／５０で１周期となる様になっており、第２のパターンＢは、３６０度／４７で１周期となる様になっている。従って、Ａ＝５０周期、Ｂ＝４７周期とすれば、最小公倍数となる点で、同様なパターンが現れることになる。即ち、この点がゼロ信号用のインデックスに相当する。
【００７６】
従来のエンコーダでは、格子間隔を６０秒程度とすれば、この格子から得られる信号により最大で０．２秒程度までの角度検出が可能となる。
【００７７】
本実施例のエンコーダ１０００では、バーコードの間隔の１／１０００まで可能であるから、
【００７８】
０．２秒＊１０００であるから、３８．７８μｍとなり、
【００７９】
これからピッチを求めると、１回転で６４８０ピッチとなる。
【００８０】
第１のパターンＡ（Ａ＝５０周期）及び第２のパターンＢ（Ｂ＝４７周期）とから、ＡとＢの最小公倍数は２３５０ブロックとなり、これに第３のパターンＲを加え、３ピッチとすれば、
【００８１】
２３５０＊３＝７０５０
【００８２】
となる。
【００８３】
１ピッチは、
【００８４】
（３６０＊６０＊６０）／７０５０＝１８３．３秒
【００８５】
となり、分解能は、
【００８６】
１８３．３秒＊１０００＝０．１８秒
【００８７】
となる。
【００８８】
以上の様に、ローター１００と、受光板３００とから構成されたエンコーダ１０００は、ローター１００に形成され、線幅を空間的に変化させ、等ピッチで配置されたパターンをローターの回転方向に順次配列させたスケール２００と、このスケール２００のパターンを読み取るためのスケール検出手段４００とを有し、回転角の粗精度は、パターンの位置から検出し、回転角の精精度は、パターンから得られる周期的なデータをフーリエ変換して得る様に構成されている。そして、粗精度と精精度とを組み合わせることにより、回転角度を検出している。
【００８９】
【効果】
以上の様に構成された本発明は、前記ローターに形成され、線幅を空間的に変化させ、等ピッチで配置されたパターンを前記ローターの回転方向に順次配列させたスケールと、このスケールのパターンを読み取るためのスケール検出手段とを有し、回転角の粗精度は、前記パターンの位置から検出し、回転角の精精度は、前記パターンから得られる周期的なデータをフーリエ変換して得る構成を有しているので、従来のインクリメンタル方式のエンコーダの様に、格子を細かくする必要がなく、格子のエッジの部分を捕らえる必要がないため、製作が容易でコストも安いという効果がある。
【００９０】
またローターがどの位置にあっても位相差の測定が可能であり、リニアスケールを検出するのみで角度の検出を行うことができるという卓越した効果がある。
【００９１】
従って、本発明のロータリーエンコーダは、インクリメンタル方式とアブソリュート方式の利点を併せ持っており、付加価値が高く、商品性の高いエンコーダを提供することができるという効果がある。
【００９２】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のエンコーダ１０００の構成を示す図である。
【図２（ａ）】本実施例のエンコーダ１０００の原理を説明する図である。
【図２（ｂ）】本実施例のエンコーダ１０００の原理を説明する図である。
【図３】本実施例の電気的構成を示す図である。
【図４】本実施例の測定の原理を説明する図である。
【図５】本実施例の測定の原理を説明する図である。
【図６】本実施例の演算処理手段１６の構成を示す図である。
【図７】従来技術を説明する図である。
【図８】従来技術を説明する図である。
【図９】従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
１０００  エンコーダ
１００  ローター
２００  スケール
３００  受光板
４００  スケール検出手段
４１０  発光素子
４２０  コリメータ
４３０  リニアセンサ
１６  演算処理手段
１６１  アンプ
１６２  サンプルホールド
１６３  Ａ／Ｄ変換器
１６４  ＲＡＭ
１６５  クロックドライバ
１６６  マイクロコンピュータ
１６７  表示器
１６６１  基準信号形成部
１６６２  パターン信号形成部
１６６４  算出部
【図１】
0003551380.tif 000002
【図２（ａ）】
0003551380.tif 000003
【図２（ｂ）】
0003551380.tif 000004
【図３】
0003551380.tif 000005
【図４】
0003551380.tif 000006
【図５】
0003551380.tif 000007
【図６】
0003551380.tif 000008
【図７】
0003551380.tif 000009
【図８】
0003551380.tif 000010
【図９】
0003551380.tif 000011