JP5479236B2 - ロータリーエンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、回転角度を検出するロータリーエンコーダに関する。

従来、工作機やＦＡ装置などの角度測定に、ロータリーエンコーダが用いられている。ロータリーエンコーダの角度検出方式としては、インクリメンタル方式とアブソリュート方式に大別される。特許文献１に示されるようなインクリメンタル方式は、構成が単純であるが、電源が切れたときに角度情報が失われる点や、外来ノイズによって誤差が蓄積されるという欠点がある。一方、アブソリュート方式のロータリーエンコーダは、一般に、誤差が蓄積せず高精度であり、電源が切れた時にもホームポジションへの移動が不要という利点を有する。

絶対位置を検出するアブソリュート方式のロータリーエンコーダは、例えば特許文献２に開示されている。特許文献２のロータリーエンコーダによれば、上位検出（アブソリュート）パターンと、下位検出（インクリメント）パターンの位相同期を行うことにより、高精度のアブソリュート信号を検出することができる。

またロータリーエンコーダは、通常、ロータリースケールのパターン中心と回転中心を正確に一致させることは困難であり、機械誤差によって発生した偏芯により検出角度に誤差が生じる。この偏芯による誤差を抑えるため、特許文献３には、偏芯誤差検出用の検出器で得られた偏芯誤差を用いて変位検出用の検出器で検出された変位信号を補正するロータリーエンコーダが開示されている。また特許文献４には、１つのパターンに対して１８０度の位置に配置した２つの検出器により偏芯を補正するロータリーエンコーダが開示されている。

特開２００６−２１４９２９号公報 特開平２−１６８１１５号公報 特公平７−０６９１９０号公報 特開平１１−１０８６９８号公報

ところが、上位検出と下位検出で絶対位置を検出するロータリーエンコーダにおいて、偏芯誤差検出用の検出器とパターンをさらに設けると、スケール及びエンコーダ全体が大型化し、コストアップとなる。また、上位検出と下位検出でそれぞれ２つ検出器を用いた場合でも、エンコーダ全体が大型化し、コストアップとなる。

そこで本発明は、高精度で、小型かつローコストなロータリーエンコーダを提供する。

本発明の一側面としてのロータリーエンコーダは、第１パターン及び該第１パターンとは異なる第２パターンを有し、回転軸を中心に回転可能なスケールと、前記スケールに光束を照射する光源と、前記第１パターンを透過または反射した光束を検出して第１検出信号を出力する第１検出手段と、前記第２パターンを透過または反射した光束を検出して第２検出信号を出力する第２検出手段と、前記第１検出信号に基づいて偏芯補正信号を生成し、前記偏芯補正信号に基づいて前記第２検出信号を補正する制御手段とを有し、前記第１パターン及び第２パターンの一方は、前記回転軸を中心に螺旋状に形成され、所定値より大きい回転角変位を検出する螺旋状パターンであり、前記第１パターン及び前記第２パターンの他方は、前記回転軸を中心に放射状に形成され、前記螺旋状パターンで検出される前記回転角変位よりも小さい回転角変位を検出する放射状パターンである。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、高精度で、小型かつローコストなロータリーエンコーダを提供することができる。

実施例１におけるロータリーエンコーダの構成図である。 実施例１におけるスケールのパターン及びセンサユニットの配置を示す図である。 実施例１におけるセンサユニットを示す図である。 実施例１において、インクリメントスリットのカウント値と螺旋出力との関係を示すグラフである。 実施例１において、インクリメントスリットのカウント値とインクリメント出力の偏芯による誤差量との関係を示すグラフである。 実施例２におけるロータリーエンコーダの構成図である。 実施例２におけるスケールのパターン及びセンサユニットの配置を示す図である。 実施例２において、回転角度と螺旋出力θｓｐｉｒａｌ＿１、θｓｐｉｒａｌ＿３の関係とを示すグラフである。 実施例２において、回転角度とインクリメント出力θｉｎｃの偏芯による誤差量との関係を示すグラフである。 実施例３におけるロータリーエンコーダの構成図である。 実施例３におけるスケールのパターン及びセンサユニットの配置を示す図である。 実施例３において、回転角度とインクリメント出力θｉｎｃ＿２、θｉｎｃ＿４との関係を示すグラフである。 実施例３において、回転角度と螺旋出力θｓｐｉｒａｌとの関係を示すグラフである。 実施例４におけるロータリーエンコーダの構成図である。 実施例４におけるスケールのパターン及びセンサユニットの配置を示す図である。 実施例４、５において、回転角度と螺旋出力θｓｐｉｒａｌ＿１、逆螺旋出力θｓｐｉｒａｌ＿２との関係を示すグラフである。 実施例４、５において、回転角度とインクリメント出力θｉｎｃの偏芯による誤差量との関係を示すグラフである。 実施例５におけるロータリーエンコーダの構成図である。 実施例５におけるスケールのパターン及びセンサユニットの配置を示す図である。 実施例５におけるセンサユニットを示す図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、実施例１におけるロータリーエンコーダ１００の構成図である。ロータリーエンコーダ１００は、回転軸に取り付けられるロータリースケール２０１、第１センサユニット３０１、第２センサユニット３０２、信号処理回路４０１、記憶装置４０２、コンパレータ回路４０３、及び、カウンタ４０４を備える。信号処理回路４０１は、第１センサユニット３０１、第２センサユニット３０２のそれぞれで得られたエンコーダ信号の内挿処理や、メモリへの信号の書き込み、及び、読み出しを行う。

ロータリースケール２０１は、第１パターン及び第１パターンとは異なる第２パターンを有し、回転軸を中心に回転可能なスケールである。また、ロータリーエンコーダ１００にはロータリースケール２０１に光束を照射する光源(不図示)が設けられている。第１センサユニット３０１は、第１パターン（一方のパターン）を透過（または反射）した光束を検出して第１検出信号を出力する第１検出手段である。第２センサユニット３０２は、第２パターン（他方のパターン）を透過（または反射）した光束を検出して第２検出信号を出力する第２検出手段である。信号処理回路４０１は、第１検出信号に基づいて偏芯補正信号を生成し、偏芯補正信号に基づいて第２検出信号を補正する制御手段である。記憶装置４０２は、第１検出信号、第２検出信号、及び、偏芯補正信号の関係を記憶する記憶手段である。信号処理回路４０１は、後述のように、第１検出信号と記憶装置４０２に記憶された関係にもとづいて第２検出信号を補正する。

図２は、本実施例におけるロータリースケール２０１のパターン及びセンサユニットの配置を示す図である。ロータリースケール２０１は、ガラス基板上にクロム反射膜を螺旋状及び放射状にパターニングして構成されている。すなわち、ロータリースケール２０１は、第１パターンとしての螺旋状パターン５０１と第２パターンとしての放射状パターン５０２を有する。螺旋状パターン５０１は、回転軸を中心に螺旋状に形成され、所定値より大きい回転角変位を検出する。一方、放射状パターン５０２は、回転軸を中心に放射状に形成され、螺旋状パターン５０１で検出される回転角変位よりも小さい回転角変位を検出する。

螺旋状パターン５０１は、回転軸を基準として、放射状パターン５０２の内側に形成されている。また、パターン中心からの半径をｒ、パターン中心を軸とした方位角度をθ、反射スリットの半径方向のピッチをＴＰ１として、ｒ＝ａ×θ、ａ＝ＴＰ１／３６０の式で示される中心線に沿って形成される。また、その反射スリット幅ｄは、ｄ＝ａ×１８０＝ＴＰ１／２である。なお本実施例では、ＴＰ１＝１００μｍ、ａ＝０．２７８μｍ／°である。また、外周側の放射状パターン５０２は、一周５１２本の反射スリットにより形成されており、円周方向のピッチＴＰ２は、ＴＰ２＝ＴＰ１の関係を有する。スリット幅はＴＰ２／２である。ここで、放射状パターン５０２を螺旋状パターン５０１の外側に配置することによって、最小分解能を向上させることができる。

第１センサユニット３０１は、螺旋状パターン５０１からの信号を読み出すように配置されている。第２センサユニット３０２は、放射状パターン５０２からの信号を読み出すように配置されている。第１センサユニット３０１と第２センサユニット３０２は、回転中心軸（回転軸）を中心として互いに９０度回転した位置に配置されている。

図３は、本実施例におけるセンサユニットを示す図である。図３には、断面図及び平面図が示されている。第１センサユニット３０１及び第２センサユニット３０２は、ＬＥＤ３１０とフォトダイオードアレイ３２０が同一パッケージ内に実装された受発光一体型のセンサユニットである。このセンサのように、光学式エンコーダにおけるインデックススケールを兼ねて受光素子アレイを用いる方式は、既に例えば特許文献１に詳述されているため、エンコーダ信号の検出原理についての説明は省略する。

第１センサユニット３０１の内部のＬＥＤ３１０（光源）から出射した発散光束は、ロータリースケール２０１の螺旋状パターン５０１に照射され、第１センサユニット３０１の内部のフォトダイオードアレイ３２０に向けて反射される。フォトダイオードアレイ３２０によって受光された光束は電気信号に変換され、螺旋エンコーダ信号（第１検出信号）として信号処理回路４０１に送られる。第１センサユニット３０１から得られた螺旋エンコーダ信号は、信号処理回路４０１でアークタンジェント演算による内挿処理がなされ、螺旋出力θｓｐｉｒａｌを得る。

第２センサユニット３０２の内部のＬＥＤ３１０から出射した発散光束は、ロータリースケール２０１の放射状パターン５０２に照射され、第２センサユニット３０２の内部のフォトダイオードアレイ３２０に向けて反射される。フォトダイオードアレイ３２０によって受光された光束は電気信号に変換され、インクリメントエンコーダ信号（第２検出信号）として信号処理回路４０１に送られる。第２センサユニット３０２から得られたインクリメンタルエンコーダ信号は、信号処理回路４０１でアークタンジェント演算による内挿処理がなされ、インクリメント出力θｉｎｃを得る。同時に、コンパレータ回路４０３に送られたインクリメンタルエンコーダ信号は所定の閾値で２値化され、カウンタによりパルスカウントが行われる。これにより、インクリメントスリットの数（インクリメントカウント値Ｃ）が得られる。

まず、初期動作シーケンスについて説明する。ロータリースケール２０１を回転させ、インクリメント信号の２値化信号のエッジタイミングで螺旋出力θｓｐｉｒａｌとインクリメントカウント値Ｃを１周分以上取得する。このとき、以下の式（１）で表される偏芯補正信号Ｅｒｒを演算して求める。

Ｅｒｒ＝θｓｐｉｒａｌ−Ｃ×２π／５１２ … （１）
そして、偏芯補正信号Ｅｒｒと螺旋出力θｓｐｉｒａｌ、及び、インクリメントスリットカウント値Ｃｏｕｎｔの関係を、テーブルとして記憶装置４０２に蓄える。なお、上記関係を関数式として記憶しても構わない。

横軸をインクリメントスリットのカウント値とし、縦軸を螺旋スリットのからの出力とすると、図４のグラフに示される関係が得られる。また、横軸をインクリメントスリットのカウント値とし、縦軸をインクリメント出力θｉｎｃの偏芯による誤差量とすると、図５のグラフに示される関係が得られる。第１センサユニット３０１と第２センサユニット３０２がロータリースケール２０１の回転軸に対して９０°の位置関係にある場合、この誤差の位相は偏芯補正信号Ｅｒｒの位相と等しくなる。なお、各センサユニットの位置関係が９０°以外の場合でも、記憶した偏芯補正信号Ｅｒｒの位相を補正すればよい。第１センサユニット３０１と第２センサユニット３０２の検出ピッチが等しい場合、その誤差振幅も等しくなる。なお、検出ピッチが異なる場合でも、偏芯補正信号Ｅｒｒに感度比分の係数を掛けることで適用可能である。

次に、実際の角度検出動作について説明する。上記理論に基づき、インクリメント出力θｉｎｃの補正を行う。まず、得られた螺旋出力θｓｐｉｒａｌより、テーブルを参照し比較演算を行うことによって、５１２本のうち該当するインクリメントスリットを同定するとともに、偏芯補正信号Ｅｒｒを読み出す。そして、インクリメント出力θｉｎｃから偏芯補正信号Ｅｒｒを引くことにより、偏芯による誤差を補正する。

このようにして同定されたインクメントスリットと、インクリメント出力θｉｎｃの補正結果から、偏芯誤差を抑えられた絶対角度位置信号を周内全域にわたって得ることができる。その後、一定時間経過後や一定温度変化時等において、初期化動作をやりなおしてもよい。なお、本実施例において、反射型のエンコーダを用いているが、透過型のエンコーダを用いてもよい。また、受光素子と発光素子とが別体に構成されていてもよい。

以上のとおり本実施例によれば、螺旋状パターンと放射状パターンを備え、上位（螺旋）パターンの信号に基づき下位（放射状）パターンの信号を補正するように構成されているため、高精度の絶対値検出を実現しつつ、小型化及びローコスト化が達成可能である。

図６は、実施例２におけるロータリーエンコーダ１０１の構成図である。ロータリーエンコーダ１０１は、回転軸に取り付けられるロータリースケール２０１、第１センサユニット３０１、第２センサユニット３０２、第３センサユニット３０３、及び、信号処理回路４０１を備えて構成される。

図７は、本実施例におけるスケールのパターン及びセンサユニットの配置を示す図である。スケールのパターンは、実施例１と同様である。第１センサユニット３０１及び第３センサユニット３０３（２つの検出部）は、第１パターンとしての螺旋状パターン５０１を透過（または反射）した光束を検出する第１検出手段である。第１センサユニット３０１及び第３センサユニット３０３は、螺旋状パターン５０１からの信号を読み出すように、回転軸を中心として互いに１８０度回転した位置に配置されている。また、第２検出手段としての第２センサユニット３０２は、放射状パターン５０２からの信号を読み出すように、２つの検出部に対して回転軸を中心に９０度回転した位置に配置されている。信号処理回路４０１は、後述のように、２つの検出部で検出された第１検出信号に基づいて偏芯補正信号を生成し、第２検出信号を補正する。

第１センサユニット３０１、第３センサユニット３０３の内部のＬＥＤ３１０から出射した発散光束は、螺旋状パターン５０１に照射され、第１センサユニット３０１、第３センサユニット３０３の内部のフォトダイオードアレイ３２０に向けて反射される。フォトダイオードアレイ３２０によって受光された光束は電気信号に変換され、螺旋エンコーダ信号として信号処理回路４０１に送られる。第１センサユニット３０１、第３センサユニット３０３から得られた螺旋エンコーダ信号は、信号処理回路４０１でアークタンジェント演算による内挿処理をされ、螺旋出力θｓｐｉｒａｌ＿１、θｓｐｉｒａｌ＿３がそれぞれ得られる。

第２センサユニット３０２の内部のＬＥＤ３１０から出射した発散光束はロータリースケール２０１の放射状パターン５０２に照射され、第２センサユニット３０２の内部のフォトダイオードアレイ３２０に向けて反射される。フォトダイオードアレイ３２０によって受光された光束は電気信号に変換され、インクリメントエンコーダ信号として信号処理回路４０１に送られる。第２センサユニット３０２から得られたインクリメンタルエンコーダ信号は、信号処理回路４０１でアークタンジェント演算による内挿処理がなされ、インクリメント出力θｉｎｃが得られる。

上位アブソリュート信号θｓｐｉｒａｌは、以下の式（２）で表される演算により求められる。

θｓｐｉｒａｌ＝（θｓｐｉｒａｌ＿１＋θｓｐｉｒａｌ＿３）／２ … （２）
このとき、位相の折り返しの影響により、１周で２周期の信号となり、１８０°対称の位置を判別できないが、メモリを使うか、又は、ゾーン検出を追加することによって判別することができる。例えば、θｓｐｉｒａｌ＿１とθｓｐｉｒａｌの関係を記憶しておくことにより判別可能である。

また、偏芯補正信号Ｅｒｒは、以下の式（３）で表される演算により求められる。

Ｅｒｒ＝（θｓｐｉｒａｌ＿１−θｓｐｉｒａｌ＿３）／２ … （３）
横軸を回転角度、縦軸を螺旋出力θｓｐｉｒａｌ＿１、θｓｐｉｒａｌ＿３とすると、図８のグラフに示される関係となる。また、縦軸をインクリメント出力θｉｎｃの偏芯による誤差量とすると、図９のグラフに示される関係となる。第１センサユニット３０１と第２センサユニット３０２がロータリースケール２０１の回転軸に対し９０°の関係にある場合、この誤差の位相は偏芯補正信号Ｅｒｒの位相と等しくなる。第１センサユニット３０１、第２センサユニット３０２、及び、第３センサユニット３０３の検出ピッチが等しい場合、その誤差振幅も等しくなる。なお、検出ピッチが異なる場合でも、偏芯補正信号Ｅｒｒに感度比分の係数を掛けることで、適用可能である。

次に、実際の角度検出動作について説明する。上記理論に基づき、インクリメント出力θｉｎｃから偏芯補正信号Ｅｒｒを引くことによって、偏芯による誤差を補正する。このようにして得られた上位アブソリュート信号θｓｐｉｒａｌと、インクリメント出力θｉｎｃの補正結果から、偏芯誤差を抑えられた絶対角度位置信号を周内全域にわたって得ることができる。なお、本実施例では反射型のエンコーダを用いているが、透過型のエンコーダを用いてもよい。また、受光素子と発光素子とが別体に構成されていてもよい。

以上のとおり、本実施例では、螺旋状パターンと放射状パターンを備え、上位（螺旋）パターンの信号からリアルタイムで偏芯誤差を検出し、下位（放射状）パターンの信号を補正するように構成されている。このため、初期化が不要となり、軸受けガタ等の再現性のない誤差も補正することが可能となる。

図１０は、実施例３におけるロータリーエンコーダ１０２の構成図である。ロータリーエンコーダ１０２は、回転軸に取り付けられるロータリースケール２０１、第１センサユニット３０１、第２センサユニット３０２、第４センサユニット３０４、及び、信号処理回路４０１を備えて構成される。

図１１は、本実施例におけるスケールのパターン及びセンサユニットの配置を示す図である。スケールのパターンは実施例１と同様である。第１センサユニット３０１は、第２パターンとしての螺旋状パターン５０１からの信号を読み出すように配置される。第２センサユニット３０２と第４センサユニット３０４は、第１パターンとしての放射状パターン５０２からの信号を読み出すように配置される。第２センサユニット３０２と第４センサユニット３０４は、回転中心軸に対して互いに１８０度回転した位置に取り付けられている。また、第１センサユニット３０１と第２センサユニット３０２は、回転中心軸に対して互いに９０度回転した位置に取り付けられている。

第１センサユニット３０１の内部のＬＥＤ３１０から出射した発散光束はロータリースケール２０１の螺旋状パターンに照射され、第１センサユニット３０１の内部のフォトダイオードアレイ３２０に向けて反射される。フォトダイオードアレイ３２０によって受光された光束は電気信号に変換され、螺旋エンコーダ信号として信号処理回路４０１に送られる。第１センサユニット３０１から得られた螺旋エンコーダ信号は、信号処理回路４０１でアークタンジェント演算による内挿処理がなされ、螺旋出力θｓｐｉｒａｌが得られる。

第２センサユニット３０２、第４センサユニット３０４の内部のＬＥＤ３１０から出射した発散光束は、ロータリースケール２０１の放射状パターン５０２に照射される。そして、第２センサユニット３０２、第４センサユニット３０４の内部のフォトダイオードアレイ３２０に向けて反射される。フォトダイオードアレイ３２０によって受光された光束は電気信号に変換され、インクリメントエンコーダ信号として信号処理回路４０１に送られる。第２センサユニット３０２、第４センサユニット３０４から得られたインクリメンタルエンコーダ信号は、信号処理回路４０１でアークタンジェント演算による内挿処理がなされ、インクリメント出力θｉｎｃ＿２、θｉｎｃ＿４がそれぞれ得られる。偏芯補正されたインクメント出力θｉｎｃは、以下の式（４）により得られる。

θｉｎｃ＝（θｉｎｃ＿２＋θｉｎｃ＿４）／２ … （４）
また、偏芯補正信号Ｅｒｒは、以下の式（５）により得られる。

Ｅｒｒ＝（θｉｎｃ＿２＋θｉｎｃ＿４）／２ … （５）
横軸を回転角度、縦軸をインクリメント出力θｉｎｃ＿２、θｉｎｃ＿４とすると、図１２のグラフに示される関係となる。また、縦軸を螺旋出力θｓｐｉｒａｌとすると、図１３のグラフに示される関係となる。第１センサユニット３０１と第２センサユニット３０２がロータリースケール２０１の回転軸に対して９０°の関係にある場合、この誤差の位相は偏芯補正信号Ｅｒｒの位相と等しくなる。第１センサユニット３０１、第２センサユニット３０２、及び、第４センサユニット３０４の検出ピッチが互いに等しい場合、その誤差振幅も等しくなる。なお、検出ピッチが異なる場合でも、偏芯補正信号Ｅｒｒに感度比分の係数を掛けることで適用可能である。

次に、実際の角度検出動作について説明する。上記理論に基づき、螺旋出力θｓｐｉｒａｌから偏芯補正信号Ｅｒｒを引くことによって、偏芯による誤差を補正する。このようにして得られた螺旋出力θｓｐｉｒａｌの補正結果と、インクリメント出力θｉｎｃにより、偏芯誤差が抑えられた絶対角度位置信号を周内全域にわたって得ることができる。

以上のとおり、本実施例では、螺旋状パターンと放射状パターンを備え、下位（放射状）パターンの信号からリアルタイムで偏芯誤差を検出し、上位（螺旋）パターンの信号を補正するように構成されている。このため、実施例２と同様に、初期化が不要となり、軸受けガタ等の再現性のない誤差も補正することが可能となる。

図１４は、実施例４におけるロータリーエンコーダ１０３の構成図である。ロータリーエンコーダ１０３は、回転軸に取り付けられるロータリースケール２０１、第１センサユニット３０１、第２センサユニット３０２、第５センサユニット３０５、及び、信号処理回路４０１を備えて構成される。

図１５は、本実施例におけるスケールのパターン及びセンサユニットの配置を示す図である。ロータリースケール２０１は、ガラス基板上にクロム反射膜が、螺旋状、逆螺旋状、及び、放射状にパターニングされることにより構成される。このように本実施例では、螺旋状パターンは、第１方向の螺旋状パターン５０１（第１螺旋状パターン）と第１方向とは逆方向の逆螺旋状パターン５０３（第２螺旋状パターン）から構成されている。

内周側の螺旋状パターン５０１は、パターン中心からの半径をｒ、パターン中心を軸とした方位角度をθ、反射スリットの半径方向のピッチをＴＰ１として、ｒ＝ａ×θ、ａ＝ＴＰ１／３６０で表される中心線に沿って形成される。また、反射スリット幅ｄは、ｄ＝ａ×１８０＝ＴＰ１／２のように表される。なお本実施例では、ＴＰ１＝１００μｍ、ａ＝０．２７８μｍ／°である。中周側の逆螺旋状パターン５０３は、パターン中心からの半径をｒ、パターン中心を軸とした方位角度をθ、反射スリットの半径方向のピッチをＴＰ１として、ｒ＝−ａ×θ、ａ＝ＴＰ１／３６０、で表される中心線に沿って形成される。また、反射スリット幅ｄは、ｄ＝ａ×１８０＝ＴＰ１／２のように表される。なお本実施例では、ＴＰ１＝１００μｍ、ａ＝０．２７８ μｍ／°である。

また、外周側の放射状パターン５０２は、一周５１２本の反射スリットにより形成されており、円周方向のピッチＴＰ２は、ＴＰ２＝ＴＰ１の関係を有する。また、スリット幅はＴＰ２／２である。第１センサユニット３０１は、螺旋状パターン５０１からの信号を読み出すように配置されている。第５センサユニット３０５は、逆螺旋状パターン５０３からの信号を読み出すように配置されている。第２センサユニット３０２は、放射状パターン５０２からの信号を読み出すように配置されている。第１センサユニット３０１と第２センサユニット３０２は、回転中心軸に対して相対的に９０°の位置に取り付けられている。第１センサユニット３０１と第５センサユニット３０５は、回転中心軸に対して同じ向きに取り付けられている。

第１センサユニット３０１の内部のＬＥＤ３１０から出射した発散光束はロータリースケールの螺旋状パターンに照射され、第１センサユニット３０１の内部のフォトダイオードアレイ３２０に向けて反射される。フォトダイオードアレイ３２０によって受光された光束は電気信号に変換され、螺旋エンコーダ信号として信号処理回路４０１に送られる。第１センサユニット３０１から得られた螺旋エンコーダ信号は、信号処理回路４０１でアークタンジェント演算による内挿処理がなされ、螺旋出力θｓｐｉｒａｌ＿１が得られる。

第５センサユニット３０５の内部のＬＥＤ３１０から出射した発散光束はロータリースケールの逆螺旋状パターンに照射され、第５センサユニット３０５の内部のフォトダイオードアレイ３２０に向けて反射される。フォトダイオードアレイ３２０によって受光された光束は電気信号に変換され、逆螺旋エンコーダ信号として信号処理回路４０１に送られる。第５センサユニット３０５から得られた逆螺旋エンコーダ信号は、信号処理回路４０１でアークタンジェント演算による内挿処理がなされ、逆螺旋出力θｓｐｉｒａｌ＿２が得られる。

第２センサユニット３０２の内部のＬＥＤ３１０から出射した発散光束はロータリースケールの放射状パターン５０２に照射され、第２センサユニット３０２の内部のフォトダイオードアレイ３２０に向けて反射される。フォトダイオードアレイ３２０によって受光された光束は電気信号に変換され、インクリメントエンコーダ信号として信号処理回路４０１に送られる。第２センサユニット３０２から得られたインクリメンタルエンコーダ信号は、信号処理回路４０１でアークタンジェント演算による内挿処理がなされ、インクリメント出力θｉｎｃが得られる。

上位アブソリュート信号θｓｐｉｒａｌは、以下の式（６）で表される演算により得られる。

θｓｐｉｒａｌ＝（θｓｐｉｒａｌ＿１−θｓｐｉｒａｌ＿３）／２ … （６）
このとき、位相の折り返しの影響により１周で２周期の信号となり、１８０°対称の位置を判別することができない。ただし、メモリを用いるか、又は、ゾーン検出を追加することによって判別することができる。例えば、θｓｐｉｒａｌ＿１とθｓｐｉｒａｌの関係を記憶しておくことにより判別可能となる。また、偏芯補正信号Ｅｒｒは、以下の式（７）で表される演算により得られる。

Ｅｒｒ＝（θｓｐｉｒａｌ＿１＋θｓｐｉｒａｌ＿３）／２ … （７）
横軸を回転角度、縦軸を螺旋出力θｓｐｉｒａｌ＿１、逆螺旋出力θｓｐｉｒａｌ＿２とすると、図１６のグラフに示される関係となる。また、縦軸をインクリメント出力θｉｎｃの偏芯による誤差量とすると、図１７のグラフに示される関係となる。第１センサユニット３０１と第２センサユニット３０２がロータリースケール２０１の回転軸に対して９０°の関係にある場合、この誤差の位相は偏芯補正信号Ｅｒｒの位相と等しくなる。第１センサユニット３０１、第２センサユニット３０２、及び、第３センサユニット３０３の検出ピッチが互いに等しい場合、その誤差振幅も等しくなる。なお、検出ピッチが異なる場合でも、偏芯補正信号Ｅｒｒに感度比分の係数を掛けることで適用可能である。

次に、実際の角度検出動作について説明する。上記理論に基づき、インクリメント出力θｉｎｃから偏芯補正信号Ｅｒｒを引くことによって、偏芯による誤差を補正する。このようにして得られた上位アブソリュート信号θｓｐｉｒａｌと、インクリメント出力θｉｎｃの補正結果から、偏芯誤差を抑えられた絶対角度位置信号を周内全域にわたって得ることができる。

なお、本実施例では反射型のエンコーダを用いているが、透過型のエンコーダを用いてもよい。また、受光素子と発光素子とが別体に構成されていてもよい。また、螺旋と逆螺旋のいずれかを同心円のパターンとしてもよい。

以上のとおり、本実施例は、螺旋、逆螺旋状パターンと放射状パターンを備え、上位（螺旋）パターンの信号よりリアルタイムで偏芯誤差を検出し、下位（放射状）パターンの信号を補正するように構成されている。このため、センサ位置を片側に集約することができ、容易な配置が可能となる。

図１８は、実施例５におけるロータリーエンコーダ１０４の構成図である。ロータリーエンコーダ１０４は、回転軸に取り付けられるロータリースケール２０１、第２センサユニット３０２、第６センサユニット３０６、及び、信号処理回路４０１を備えて構成される。

図１９は、本実施例におけるスケールのパターン及びセンサユニットの配置を示す図である。スケールのパターンは実施例４と同様である。第６センサユニット３０６は、螺旋状パターン５０１及び逆螺旋状パターン５０３からの信号を読み出すように配置されている。第２センサユニット３０２は、放射状パターン５０２からの信号を読み出すように配置されている。第６センサユニット３０６と第２センサユニット３０２は、回転中心軸に対して相対的に９０°の位置に取り付けられている。

図２０は、本実施例におけるセンサユニットを示す図である。第６センサユニット３０６の内部のＬＥＤ３１０から出射した発散光束は、ロータリースケール２０１の螺旋状パターン及び逆螺旋状パターンに照射される。そして、第６センサユニット３０６の内部の第１フォトダイオードアレイ３２１、第２フォトダイオードアレイ３２２に向けてそれぞれ反射される。各フォトダイオードアレイによって受光された光束は電気信号に変換され、螺旋、逆螺旋エンコーダ信号として信号処理回路４０１に送られる。第１センサユニット３０１から得られた螺旋、逆螺旋エンコーダ信号は、信号処理回路４０１でアークタンジェント演算による内挿処理がなされ、螺旋出力θｓｐｉｒａｌ＿１、逆螺旋出力θｓｐｉｒａｌ＿２が得られる。

第２センサユニット３０２の内部のＬＥＤ３１０から出射した発散光束はロータリースケール２０１の放射状パターン５０２に照射され、第２センサユニット３０２の内部のフォトダイオードアレイに向けて反射される。フォトダイオードアレイによって受光された光束は電気信号に変換され、インクリメントエンコーダ信号として信号処理回路４０１に送られる。第２センサユニット３０２から得られたインクリメンタルエンコーダ信号は、信号処理回路４０１でアークタンジェント演算による内挿処理がなされ、インクリメント出力θｉｎｃが得られる。

上位アブソリュート信号θｓｐｉｒａｌは、以下の式（８）で表される演算により得られる。

θｓｐｉｒａｌ＝（θｓｐｉｒａｌ＿１−θｓｐｉｒａｌ＿３）／２ … （８）
このとき、位相の折り返しの影響により１周で２周期の信号となり、１８０°対称の位置を判別することはできない。ただし、メモリを用いるか、又は、ゾーン検出を追加することによって判別することができる。例えば、θｓｐｉｒａｌ＿１とθｓｐｉｒａｌの関係を記憶しておくことによって、判別可能となる。また、偏芯補正信号Ｅｒｒは、以下の式（９）で表される演算により得られる。

Ｅｒｒ＝（θｓｐｉｒａｌ＿１＋θｓｐｉｒａｌ＿３）／２ … （９）
横軸を回転角度、縦軸を螺旋出力θｓｐｉｒａｌ＿１、逆螺旋出力θｓｐｉｒａｌ＿２とすると、図１６のグラフに示される関係となる。また、縦軸をインクリメント出力θｉｎｃの偏芯による誤差量とすると、図１７のグラフに示される関係となる。第１センサユニット３０１と第２センサユニット３０２がロータリースケール２０１の回転軸に対して９０°の関係にある場合、この誤差の位相は偏芯補正信号Ｅｒｒの位相と等しくなる。第１センサユニット３０１、第２センサユニット３０２、及び、第３センサユニット３０３の検出ピッチが互いに等しい場合、その誤差振幅も等しくなる。なお、検出ピッチが異なる場合でも、偏芯補正信号Ｅｒｒに感度比分の係数を掛けることで適用可能である。

次に、実際の角度検出動作について説明する。上記理論に基づき、インクリメント出力θｉｎｃから偏芯補正信号Ｅｒｒを引くことによって、偏芯による誤差を補正する。このようにして得られた上位アブソリュート信号θｓｐｉｒａｌと、インクリメント出力θｉｎｃの補正結果から、偏芯誤差を抑えられた絶対角度位置信号を周内全域にわたって得ることができる。

なお、本実施例では反射型のエンコーダを用いているが、透過型のエンコーダを用いてもよい。また、受光素子と発光素子を別体として構成してもよい。また、螺旋と逆螺旋のいずれかを同心円のパターンとしてもよい。

本実施例によれば、螺旋、逆螺旋状パターンの読み出しセンサが一体化されているため、取り付け容易性が向上する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１００ ロータリーエンコーダ
２０１ ロータリースケール
３０１ 第１センサユニット
３０２ 第２センサユニット
３１０ ＬＥＤ
３２０ フォトダイオードアレイ
４０１ 信号処理回路
４０２ 記憶装置
４０３ コンパレータ回路
５０１ 螺旋状パターン
５０２ 放射状パターン
５０３ 逆螺旋状パターン

Claims (10)

1. 第１パターン及び該第１パターンとは異なる第２パターンを有し、回転軸を中心に回転可能なスケールと、
   前記スケールに光束を照射する光源と、
   前記第１パターンを透過または反射した光束を検出して第１検出信号を出力する第１検出手段と、
   前記第２パターンを透過または反射した光束を検出して第２検出信号を出力する第２検出手段と、
   前記第１検出信号に基づいて偏芯補正信号を生成し、該偏芯補正信号に基づいて前記第２検出信号を補正する制御手段と、を有し、
   前記第１パターン及び第２パターンの一方は、前記回転軸を中心に螺旋状に形成され、所定値より大きい回転角変位を検出する螺旋状パターンであり、
   前記第１パターン及び前記第２パターンの他方は、前記回転軸を中心に放射状に形成され、前記螺旋状パターンで検出される前記回転角変位よりも小さい回転角変位を検出する放射状パターンである、
   ことを特徴とするロータリーエンコーダ。
2. 前記螺旋状パターンは、前記回転軸を基準として、前記放射状パターンの内側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のロータリーエンコーダ。
3. 前記第１検出信号、前記第２検出信号、及び、前記偏芯補正信号の関係を記憶する記憶手段をさらに有し、
   前記第１パターンは前記螺旋状パターンであり、
   前記第２パターンは前記放射状パターンであり、
   前記制御手段は、前記第１検出信号と、前記記憶手段に記憶された前記関係に基づいて、前記第２検出信号を補正することを特徴とする請求項１に記載のロータリーエンコーダ。
4. 前記第１検出手段は、前記第２検出手段に対して前記回転軸を中心として９０度回転した位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のロータリーエンコーダ。
5. 前記第１検出手段は、前記第１パターンを透過または反射した前記光束を検出する２つの検出部を備え、
   前記制御手段は、前記２つの検出部で検出された前記第１検出信号に基づいて前記偏芯補正信号を生成し、前記第２検出信号を補正することを特徴とする請求項１に記載のロータリーエンコーダ。
6. 前記２つの検出部は、前記回転軸を中心として互いに１８０度回転した位置に配置されていることを特徴とする請求項５に記載のロータリーエンコーダ。
7. 前記第２検出手段は、前記２つの検出部に対して前記回転軸を中心に９０度回転した位置に配置されていることを特徴とする請求項６に記載のロータリーエンコーダ。
8. 前記第１パターンは前記螺旋状パターンであり、
   前記第２パターンは前記放射状パターンであることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載のロータリーエンコーダ。
9. 前記第１パターンは前記放射状パターンであり、
   前記第２パターンは前記螺旋状パターンであることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載のロータリーエンコーダ。
10. 前記螺旋状パターンは、第１方向の第１螺旋状パターンと該第１方向とは逆方向の第２螺旋状パターンから構成されていることを特徴とする請求項１に記載のロータリーエンコーダ。