JP3252918B2

JP3252918B2 - 誘導式回転運動エンコーダ

Info

Publication number: JP3252918B2
Application number: JP32054891A
Authority: JP
Inventors: エヌエムデジョンジョアニーズ; エイチリーンメン; ウォルフバリー; ジェイリチャードリジョン; エイシュウェイドスチュワート; エムロフタスロバート
Original assignee: ゼロックス・コーポレーション
Priority date: 1990-12-13
Filing date: 1991-12-04
Publication date: 2002-02-04
Anticipated expiration: 2017-02-04
Also published as: EP0490685B1; DE69122058T2; US5150115A; EP0490685A3; DE69122058D1; EP0490685A2; JPH04276517A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、角位置トランスジュー
サおよび回転運動エンコーダ（レゾルバ）、より詳細に
は、固定子巻線および回転子巻線の改良された幾何図形
的配列、コンパクトな実装、および（または）通常のエ
ンコーダ出力パルス列と装置の他の事象をトリガーする
ためワンスパーレボリューション（１回転につき一度
の）指標パルスを有する誘導式増分角位置トランスジュ
ーサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】回転運動エンコーダは、測定する部材
（たとえば、軸）の角速度に比例する周波数をもつ電気
信号を発生する装置である。従来の回転運動エンコーダ
は、たとえば非常に精密な光学円板を使用している。円
板の周辺には、一連の溝孔または交互に配置された透明
セグメントと不透明セグメントが設けられており、それ
らが光束を横切って通過するとき光束を遮るので、光学
円板が回転するとき光パルスが生じる。光パルスの周波
数は円板の回転速度の変化によって変わる。上記の代わ
りに、光パルスの各出力が円板の１回転（３６０°）を
指示するように、円板に１本の溝孔を設けることもでき
る。しかし、光学円板は精密に製造すると高価になる。
さらに、所望の精度を達成するため要求されるアライメ
ント仕様は、大幅なコスト上昇をもたらすので、多くの
ケースにおいて利用を妨げている。

【０００３】誘導式回転運動エンコーダは、誘導原理を
用いて、回転子が回転するとパルスを発生する。単一光
検出器を使用する光学式エンコーダと異なり、誘導式回
転運動エンコーダは回転円板の周囲に沿って角位置を均
分する。これにより、アライメントパラメータに対する
敏感さが、光学式エンコーダより一桁だけ低下する。し
たがって、誘導式回転運動エンコーダの基本的な利点
は、機械的アライメントに対する許容度である。回転子
はその周囲に配置された個々の固定子巻線による寄与分
を加算するので、中心のずれおよび傾斜の影響が大幅に
減る。

【０００４】光学式エンコーダは１個の検出器しかもた
ないので、回転子の周囲に沿って平均化する（すなわ
ち、加算する）ことができない。これは光学式エンコー
ダの大きな落し穴である。光学式エンコーダの精度仕様
を 0.25 分の円弧角にしてもよいが、アライメントに大
きな注意を払った場合にのみ、この精度を実際に達成す
ることができる。光学式エンコーダで達成可能な最良予
想精度は約１〜２分の円弧角である。この精度は、誘導
式回転運動エンコーダを用いて達成可能な精度とほぼ同
じである。したがって、誘導式回転エンコーダの利点で
あるミスアライメントに対する高い許容度は、低い製造
公差と大幅なコスト低減をもたらす。

【０００５】誘導式回転運動エンコーダのもう１つの利
点は、回転子が１直線対だけ回転すると、回転子の出力
信号の位相が０から２πまでほぼ直線的に変化すること
である。これは、１回転当たりの基本出力カウント（以
下に説明する）を６０倍にも増加させる。これにより、
１回転当たり 14,000 カウントを出力するエンコーダを
得ることができる。

【０００６】誘導式回転運動エンコーダの使用はよく知
られている。たとえば、米国特許第3,247,504 号、同第
3,812,481 号、および同第4,358,723 号を参照された
い。

【０００７】上記米国特許第4,358,723 号は、標準パル
ス列を出力するほか、ワンスパーレボリューション光学
式インジケータを備えたリゾルバを使用して、回転を測
定する方法および装置を開示している。詳細は、上記米
国特許第4,358,723 号明細書の第２欄４７〜５１行、第
４欄３６〜４６行、および第７欄８〜２８行を参照され
たい。図２（参照番号１４′，１４″）に、基本的な回
転子／固定子の配置が記載されている。ワンスパーレボ
リューション光学式インジケータの出力は、リゾルバの
製造の不正確さを補償するために使用される。

【０００８】上記米国特許第3,812,481 号は、誘導結合
を使用した非接触電気回転位置／回転トランスジューサ
を開示している。回転子は、短絡された少なくとも１個
の波形の巻線すなわち銃眼模様の巻線を有する。この回
転子巻線は、誘導結合により、固定子上に配置された励
磁用巻線によって励磁される。固定子には、回転子巻線
の外形および形態にぴったり一致する少なくとも１個の
特別の巻線（検出用巻線）が設けられている。短絡され
た回転子巻線によって、固定子の１個またはそれ以上の
検出用巻線に電流が誘導される。したがって、回転子に
設けられた巻線に接触させる必要はない。図３および図
４に、回転子の巻線と固定子の検出用巻線が一致したと
き、ワンスパーレボリューション指標パルスを誘導する
巻線構造が開示されている。

【０００９】上記米国特許第3,247,504 号は、固定子／
回転子パターンを使用したディジタルリゾルバ装置を開
示している。ディジタルリゾルバ装置を用いて、軸の位
置が決められる。

【００１０】Farrand Industry の一事業部である Far
rand Controls は、“Inductosyn”の商品名で、精密な
直線／回転位置トランスジューサを販売している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の第１の目的
は、コンパクトな構造で、部品数が少なく、小形の誘導
式回転エンコーダを提供することである。

【００１２】本発明の第２の目的は、第１高調波誤差を
最小にする、誘導式回転エンコーダの固定子および回転
子の改良した幾何図形的配置を提供することである。

【００１３】本発明の第３の目的は、固定子に対する回
転子の相対的角位置（と回転子の回転速度）を表す連続
パルス信号のほかに、誘導式構造を用いてワンスパーレ
ボリューション指標パルスを出力する回転エンコーダを
提供することである。

【００１４】本発明の第４の目的は、実現可能な信号雑
音比を高める、誘導式回転エンコーダの回転子および固
定子の改良した導体パターンを提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記および他の目的を達
成し、かつ上に述べた短所を克服するため、本発明は、
固定子に対する回転子の相対的角位置を表す出力信号を
発生することができる、以下の特徴を備えた誘導式回転
エンコーダを提供する。本発明の回転エンコーダは、一
方の表面に少なくとも１つの導体パターンを有する固定
子、前記固定子の少なくとも１つの導体パターンに面
し、一方の表面に別の導体パターンを有する回転子と、
固定子に対する回転子の角位置を表す信号を発生させる
ため前記２つの導体パターンを互いに誘導結合する手段
を有する。全体サイズを小さくし、かつ必要な部品数を
減らすため、固定子導体パターンに電圧を加え、回転子
に誘導された信号から出力信号を生成する回路網を、プ
リント回路基板に設けることができる。前記少なくとも
１つの固定子導体パターンは前記基板の反対面に設けら
れる。第１高調波誤差を小さくし、かつ雑音を減らすた
め、固定子導体パターンおよび回転子導体パターンを制
御回路網に接続するリード線は、それぞれ、回転子導体
パターンおよび固定子導体パターンから半径方向逆向き
に伸びている。また、回転子導体パターンおよび（また
は）固定子導体パターンからのリード線の１つを、回転
子導体パターンまたは固定子導体パターンのほぼ全長に
沿って内側周辺または外側周辺のまわりに伸びている戻
り線に接続することができる。これらの戻り線は、雑音
および第１高調波誤差を減らす作用をする。さらに、回
転子導体パターンおよび固定子導体パターンの波形を形
成するスポークの長さは、回転エンコーダの性能を高め
るように調節することができる。さらに、本発明は、固
定子に対する回転子の相対的角位置（または、回転速
度）を表す連続パルス信号を発生する、誘導結合された
回転子導体パターンと固定子導体パターンのほかに、ワ
ンスパーレボリューション指標パルスを発生する、誘導
結合された固定子指標パターンと回転子指標パターンを
備えた回転エンコーダを提供する。また、本発明は、指
標パルス信号の信号雑音比を最大にする固定子および回
転子の指標パルスパターンを提供する。

【００１６】

【実施例】次に添付図面を参照して発明を詳細に説明す
るが、諸図面を通じて同種の構成要素は同じ参照番号で
表示してある。

【００１７】図１は、本発明に係る回転運動エンコーダ
２の部分横断面図である。回転運動エンコーダ２の基本
部品は、回転子すなわち回転子板４と、固定子すなわち
固定子板６と、電気信号処理回路基板（固定子板６の裏
面１４に配置することが好ましい）である。互いに向か
い合った回転子板４および固定子板６のそれぞれの表面
に、回転子巻線および固定子巻線を形成する導体パター
ンが設けられている。このように、本発明においては、
固定子巻線と回転エンコーダを制御する電子回路が、１
個のプリント回路基板（すなわち、固定子板６）の両面
に設けられるので好ましい。回転子巻線および固定子巻
線を形成する好ましい導体パターンについては後で説明
する。回転子板４と固定子板６は、この分野で周知のよ
うに、フェロックスコア１７で構成された回転変圧器１
６をよって電気的に結合されている。回転子板４は、回
転を監視すべき軸１０に連結されたハブ８に取り付けら
れる。固定子板６は、ボルト２０によって取付け用リン
グ１８と共に支持面１に固定される。また、組立体全体
をおおうカバー２２を、取付け用リング１８に取り付け
ることができる。

【００１８】回転エンコーダ２を制御し、かつ軸１０の
回転を監視する電子回路は、固定子板６の裏面１４に設
けることが好ましい。この構造は、部品数を減らし、空
間を節減する。したがって、よりコンパクトな回転エン
コーダを作ることができる。回転子板４および固定子板
６の表面に、通常の周知技術により、それぞれの導体パ
ターンが蒸着またはエッチングされ、回転子巻線と固定
子巻線のほかに、制御電子回路（すなわち、固定子に対
する回転子の角位置を表す出力信号を発生する処理回
路）が形成される。両面プリント回路基板技術は周知で
あるから、この分野の専門家に、これ以上の説明は不要
であろう。

【００１９】図２および図３は、固定子板６および回転
子板４に設けられた導体パターン（すわち、巻線）３
０，４０の平面図である。固定子に対する回転子の相対
的角位置（０°〜３６０°）を表す出力信号を発生させ
たいとき、図２および図３に示した導体パターンが使用
される。この出力信号は、さらに、固定子巻線３０に対
する回転子巻線４０の回転速度を表すこともできる。

【００２０】次に、図２および図３に示した回転エンコ
ーダの動作原理について説明する。固定子板６上の固定
子巻線３０は２つの導体パターン３０ａ，３０ｂから成
り、各導体パターン３０ａ，３０ｂは全体として環状で
あり、等間隔に配置された同じ数の波形グループで構成
される。各波形は、たとえば、半径方向の一端が互いに
接続され、反対端が隣の波形に接続された、２本の半径
方向に伸びたスポーク（車輪の輻）を有し、それぞれの
スポークグループの各スポークは等間隔で配置されてい
る。第１導体パターン３０ａの各スポークグループは、
第２導体パターン３０ｂの各スポークグループと接して
いる。

【００２１】回転子板４上の回転子巻線は１個の導体パ
ターン４０から成り、導体パターン４０は全体として環
状であり、等間隔で配置されたほぼ３６０°にわたって
広がる一連の連続する波形で構成される。回転子板４上
の各波形は、同様に、半径方向の一端が互いに接続さ
れ、反対端が隣の波形に接続された、２本の半径方向に
伸びたスポークを有し、各スポークは等間隔で配置され
ている。

【００２２】固定子の導体パターン３０ａと３０ｂは、
固定子板６の上に、互いに空間的に直角位相で間隔をお
いて配置されている。すなわち、固定子の導体パターン
３０ａと３０ｂは、直線対の長さの１／４（直線対の長
さ＝波形のスポーク間の距離）だけ互いにずれている。
固定子の各導体パターン３０ａ，３０ｂは高周波数の方
形波で駆動される。２つの方形波は同じ周波数を有し、
時間的に直角位相である（すなわち、一方の波は正弦波
であり、他方の波は余弦波である）。これらの方形波
は、２つの導体パターンのまわりに時間変化磁界を生み
出す。生成された磁界は、２つの固定子の導体パターン
３０ａ，３０ｂに誘導結合された回転子の導体パターン
４０によって感知される。回転子導体パターン４０に対
する固定子導体パターン３０ａの誘導結合と、回転子導
体パターン４０に対する固定子導体パターン３０ｂの誘
導結合の度合いは、固定子導体パターンと回転子導体パ
ターンの相対的な各位置に関係する。導体パターン３０
ａと導体パターン４０間の誘導結合が最大のとき、導体
パターン３０ｂと導体パターン４０間の誘導結合は零で
あり、その逆も同様である。したがって、導体パターン
３０ａ，３０ｂと導体パターン４０間の誘導結合の和は
ほぼ一定である。回転子導体パターン４０に誘導された
信号は、一方の固定子導体パターン３０ａ，３０ｂに対
し、ある位相を有する。回転子導体パターン４０に誘導
された信号の位相は、固定子板６に対する回転子板４の
各位置と共に直線的に増大する。回転子に誘導された信
号は、回転変圧器１６を介して固定子板６の裏面１４に
取り付けられた電子処理回路基板へ送られる。

【００２３】次に、電子信号処理回路網５０について説
明する。図４に、電子信号処理回路網５０のブロック図
を示す。この電子信号処理回路網５０は固定子導体パタ
ーン３０ａ，３０ｂへ信号を供給し、回転子導体パター
ン４０から誘導された信号を受け取って固定子板６に対
する回転板４の角位置を表す出力信号を発生する。従っ
て、回路網５０は固定子導体パターンと回転子導体パタ
ーンを誘導結合して、固定子板６に対する回転子板４の
角位置を表す出力信号を発生する一手段である。誘導結
合手段は、少なくとも回転子導体パターン４０から誘導
信号を受け取って出力信号を発生する処理手段を含んで
いる。

【００２４】電子信号処理回路網５０は、アプリケーシ
ョン指定集積回路（ＡＳＩＣ）を使用することにより、
導体パターン３０ａ，３０ｂを含む面とは反対側の固定
子板６の面１４に配置することができる。２４ＭＨｚク
リスタルクロック５２を、たとえば除数３０または６０
で割ることによって２つの直角位相励振信号が作られ
る。この除数３０または６０はマルチプレクサ６０ｂに
作用する２つの励振周波数選択入力５６の値によって決
められる。マルチプレクサ６０ｂの出力は、そのあと、
直角位相発生器６０ｃによって処理され、２つの信号が
作られる。これら２つの信号は、時間的に直角位相で、
直角位相発生器６０ｃに対する入力の周波数の１／４に
等しい周波数を有し、方形波電流ドライバ６４によって
固定子導体パターン３０ａ，３０ｂへ供給される。この
特定アプリケーションの場合、励振周波数の選択は１０
０ＫＨｚまたは２００ＫＨｚに制限されるが、普遍性を
失わずに、これらの値を変更することは可能である。固
定子導体パターン３０ａ，３０ｂによって生じた磁界
は、回転子巻線の端子４２および４４間の誘導電圧を介
し、回転子板４の導体パターン４０によって検出され
る。検出された信号は、回転変圧器１６を通して帯域フ
ィルタ増幅器６８へ送られる。

【００２５】帯域フィルタ増幅器６８の出力は完全に正
弦曲線状のアナログ電圧信号であり、その周波数は励振
周波数と同じである。しかし、帯域フィルタ増幅器の出
力信号は、固定子と回転子の相対的角変位に比例する量
だけ励振周波数から位相シフトしているであろう。この
比例定数は、回転子板および固定子板の１回転当たりの
直線対の数に関係する。帯域フィルタ増幅器６８の出力
は、比較器７０へ送られ、信号処理回路網５０に適合す
るディジタル方形波が作られる。そのディジタル信号
は、そのあと、入力として位相比較器７２ａ，７２ｂへ
送られる。

【００２６】２つの位相比較器７２，７２ｂに対する他
の入力は、時間的に直角位相の２つ信号を発生する直角
位相発生器７３から送られてくる。直角位相発生器７３
の２つの出力の一方は、位相比較器７２ａへの入力とな
り、他方は位相比較器７２ｂへの入力となる。直角位相
発生器７３の出力周波数は、マルチプレクサ６２からの
入力周波数の１／４である。マルチプレクサ６２の入力
は、１／Ｎ除算器回路網６０ａの中で２４ＭＨｚクリス
タルクロック５２の出力を除算することによって作られ
る１２個の信号から成る。除算器回路網６０ａの１２の
除数は、１２個の６０の除数（１，２，３，４，５，
６，１０，１２，１５，３０，６０）である。したがっ
て、それらの信号の周波数値は固定子の励振周波数の整
数倍である。この特定アプリケーションの場合、最大の
クロック除数として６０の値を選定したが、この値は装
置の動作にとって必須のものではなく、容易に変更でき
ることを理解されたい。また、除数３０と６０によって
作られた２つの信号（２４ＭＨｚ／３０、２４ＭＨｚ／
６０）は、マルチプレクサ６０ｂへ送られ、最終的に固
定子導体パターン３０ａ，３０ｂの方形電流ドライバ６
４へ送られる直角位相ドライバ信号が作られることに注
意されたい。

【００２７】２つの位相比較器７２ａ，７２ｂは、固定
子に対する回転子の角回転の各直線対単位ごとに整数
（Ｎ）個のパルスを発生する。Ｎの値は、マルチプレク
サ６２への４ビット乗算選択入力５４の入力によって決
められ、この例では、数６０の除数に制限される。位相
比較器７２ａ，７２ｂの出力（以下、チャンネルＡおよ
びチャンネルＢと呼ぶ）は、直角位相発生器７３から位
相比較器７２ａ，７２ｂへ送られた一定周波数入力が時
間的に直角位相であるため、時間的に直角位相になって
いる。この比較はよく知られており、たとえば XeroxDi
sclosure Journal Vol. 10, No.6, pp335,337 (Nov./De
c. 1985) の論文「インダクトシントランスジューサ回
路網」に詳しく説明されている。この出力チャンネルＡ
とチャンネルＢは信号処理回路網５０の出力であり、市
販の増分運動エンコーダが発生する出力に似ていること
が求められる。さらに、データフォーム変換器７４はチ
ャンネルＡとチャンネルＢを入力として受け取り、方向
線（direction line) と、チャンネルＡの分解能の２倍
および４倍の分解能を有する２つの単チャンネル出力(s
ingle channel output) ７５，７６を生成する。

【００２８】たとえば、６０まで乗算が可能である。し
たがって、１回転当たり２００個の直線対を有する回転
子／固定子パターンから、１回転当たり 12,000 個のエ
ンコーダパルスを得ることができる。回転エンコーダ２
の個々のアプリケーションに応じて、回転エンコーダ２
の１回転当たりのパルス出力数を制御するとよい。たと
えば、比較的遅い回転運動を測定するときは、回転子の
１回転当たりのパルスの数を増さなければならないが、
より高い回転速度のときは、一般に、１回転当たりのパ
ルスの数は少なくすることができる。チャンネルＡとチ
ャンネルＢについて実現可能な周波数の上限があり、こ
の値は励振周波数の１／４に等しい。ここで、励振周波
数は直角位相発生器６０ｃの出力の周波数である。たと
えば、もし１／６０除算オプションが活動するように、
励振周波数選択入力５６を選べば、励振周波数は２４Ｍ
Ｈｚ／（６０×４）＝１００ＫＨｚである。したがっ
て、チャンネルＡとチャンネルＢの最大出力周波数は２
５ＫＨｚに制限される。

【００２９】ここに述べた特別のゲート論理はプロダク
トエンハンスメントを与えるが、これはエンコーダの基
本動作にとって不可欠なものではない。それらのゲート
論理は、パワーアップのとき幾つかの自己診断試験を実
行する、すなわち回転エンコーダの正しい動作を試験す
るのに使用できる故障回路検出装置７７を含んでいる。
回転エンコーダのもう１つの特徴は、ドライバ／オープ
ンドレイン選択入力５８が、２つの出力（被駆動高出力
またはオープンドレイン出力のいずれか）により、回転
エンコーダに動作の融通性を与えることである。

【００３０】発明者は、誘導式回転運動エンコーダの精
度、したがってその有用性を向上させる多くの特徴を発
見した。たとえば、回転子導体パターン４０のスポーク
が固定子導体パターン３０ａ，３０ｂの長さの１／２以
下の長さになるようにすれば、第１高調波誤差は最小に
なる。第１高調波誤差はレゾルバ誤差（完全なリゾルバ
と比べた場合）であり、その空間周波数は１回転当たり
のパルス数に等しい。磁界の幾何図形的配列から生じる
幾つかの理論的第１高調波誤差が存在するが、第１高調
波誤差のほとんどは寄生誘導結合が存在するとき現れ
る。寄生誘導結合は、出力信号と入力信号間の直接誘導
結合と定義され、環状導体パターンから生じるものでは
ない。本発明の回転子の配列は寄生誘導結合を減らし、
したがって第１高調波誤差を減らす。

【００３１】また、回転子導体パターン４０を制御電子
回路網へ接続するリード線４２，４４に対する、固定子
導体パターン３０，３０ｂを制御電子回路網へ接続する
リード線３２ａ，３２ｂ，３４ａ，３４ｂの独特な配置
は、固定子導体パターン３０ａ，３０ｂと回転子導体パ
ターン４０間の干渉すなわち漏話を減らす。詳しく述べ
ると、固定子のリード線３２ａ，３２ｂ，３４ａ，３４
ｂはすべて、対応する導体パターン３０ａ，３０ｂから
半径方向外向きまたは内向きに伸びているのに対し、回
転子のリード線４２，４４は固定子のリード線の反対の
方向に伸びている。回転変圧器１６のフェロックスコア
１７に対する接続が容易になるので、回転子のリード線
４２，４４は半径方向内向きに伸びていることが好まし
い。したがって、固定子のリード線３２ａ，３２ｂ，３
４ａ，３４ｂは固定子導体パターン３０ａ，３０ｂから
半径方向外向きに伸びている。

【００３２】各固定子導体パターン３０ａ，３０ｂ間の
干渉をさらに減らすため、導体パターン３０ａ，３０ｂ
に、それぞれ戻り線３３ａ，３３ｂが設けられている。
各導体パターンの一方のリード線（たとえば、リード線
３２ａ，３２ｂ）は対応する導体パターンの波形に直接
接続され、他方のリード線（たとえば、リード線３４
ａ，３４ｂ）は戻り線（３３ａ，３３ｂ）に接続されて
いる。戻り線（３３ａ，３３ｂ）は、一方のリード線
（３２，３２ｂ）が接続された導体パターン（３０ａ，
３０ｂ）の端から他方のリード線（３４ａ，３４ｂ）が
接続された反対側の端まで、それぞれの導体パターンの
周囲に沿って伸びている。さらに、各導体導体パターン
３０ａ，３０ｂの戻り線は、各環状固定子パターンの内
側周辺または外側周辺に面して配置されている。たとえ
ば、戻り線３３ａは、固定子導体パターン３０ａの外側
周辺に沿って伸びているのに対し、戻り線３３ｂは固定
子導体パターン３０ｂの内側周辺に沿って伸びている。
この戻り線を含む構造により、導体パターンすなわち巻
線３０ａ，３０ｂの無効領域が最小になる。

【００３３】ある種のアプリケーションにおいては、装
置の他の事象をトリガーするため、ワンスパーレボリュ
ーション指標パルス（以下、指標パルスと略す）を使用
できることが望ましい。図２および図３について述べた
ように誘導式増分角位置回転エンコーダを使用すると
き、誘導結合により、上記の指標パルスを同時に発生さ
せると都合がよい。次に、回転子の指標パルスを出力す
るため使用できる相関型パターンについて説明する。こ
の相関型パターンは、単独で、または上に述べた誘導式
増分角位置回転運動エンコーダと組み合わせて使用する
ことができる。誘導式増分角位置回転運動エンコーダと
組み合わせて使用する場合には、指標パルスパターン
と、誘導式増分角位置回転運動エンコーダ用の導体パタ
ーンを、１個の基板上に容易に統合することができる
（すなわち、固定子板上に、連続パルス列を出力する回
転子導体パターンに誘導結合される導体パターンのほか
に、指標パルスを出力する回転子指標パルスパターンに
誘導結合される固定子指標パルスパターンを設けること
ができる）。同様に、回転子板上は、固定子導体パター
ンに誘導結合される導体パターンと、固定子指標パルス
パターンに誘導結合される指標パルスパターンを設ける
ことができる。指標パルスパターンを制御するための制
御電子回路網は、固定子板６の裏面１４に配置すること
ができる。

【００３４】図５および図６に、回転子および固定子の
典型的な指標パルスパターンを示す。図５および図６か
らわかるように、回転子および固定子は、ほぼ同じ指標
パルスパターンを有する。２つのパターンが１回転につ
き一度だけ一致し、そのとき回転子指標パルスパターン
が鮮明な出力信号が発生するように、各パターンは中心
点を通る直線のまわりに非対称であることが好ましい。

【００３５】固定子の指標パルスパターン９０へ送られ
る信号のタイプは、非常に高い周波数（たとえば、１０
ＭＨｚ）の正弦波または方形波信号である。回転子の指
標パルスパターン８０に誘導された信号の周波数は、固
定子の指標パルスパターン９０へ送られた信号の周波数
と同じである。しかし、誘導された信号の振幅は角位置
で変化し、１回転に一度、２つのパターン８０，９０が
一致したとき、最大振幅になる。

【００３６】背景雑音を最小にするため、指標パルスパ
ターン巻線の配置には特に注意を払った。回転子リード
線８２，８４は固定子リード線９２，９４とは逆に、半
径方向内向きに伸びている。また、回転子戻り線８３は
回転子指標パルスパターン８０の半径方向内側周辺に沿
って配置され、固定子戻り線９３は固定子指標パルスパ
ターン９０の半径方向外側周辺に沿って配置されてい
る。これらの線の間の寄生結合を最小にするため、リー
ド線と戻り線の位置として、回転子指標パルスパターン
と固定子指標パルスパターンの活動オーバーラップ領域
の外側が選ばれている。したがって、回転子指標パルス
パターン８０と固定子指標パルスパターン９０間の作用
オーバーラップ領域は、歯形の区間（すなわち、波形）
の上だけに作られ、両側の戻り線（環状囲いとも呼ばれ
る）とリード線は除かれる。回転子リード線８２，８４
と回転子戻り線８３は、回転変圧器１６へ容易に接続で
きるように指標パルスパターン８０の内側周辺に、そし
て固定子リード線９２，９４と戻り線９３は固定子指標
パルスパターン９０の外側周辺に配置することが好まし
いが、逆の配置法を用いることもできる。

【００３７】回転子指標パルスパターン８０と固定子指
標パルスパターン９０に独自の波形配列を設けるとき、
回転子の各回転について２つのパターンが一致したとき
得られる出力信号が鮮明な指標パルスであるように、２
つのパターンが一致しないときの出力信号をできるだけ
小さくすることが望ましい。以下、望ましくない信号
（すなわち、回転子および固定子パターンが一致しない
ときの出力信号）を「雑音」と呼ぶことにする。

【００３８】解析のために、パターン（回転子および固
定子のパターンの波形配列は同じであるから、固定子ま
たは回転子のパターン）はＮ個の等しい円周区間に分割
されている。これは回転子のＮ個の増分位置に対応す
る。内向きおよび外向きの線（導体すなわちスポーク）
が、指標パルスパターンの１つまたはそれ以上の区間を
分割している。その目的は、信号雑音比を最小にするよ
うに、これらの線（すなわち、スポーク）を配置するこ
とである。

【００３９】Ｎ個の各増分位置の所で、半径方向外向き
の線（スポーク）に“ｐ（ｉ）＝＋１”を割当て、半径
方向の線（スポーク）の存在しない場合に“ｐ（ｉ）＝
０”を割当て、そして半径方向内向きの線（スポーク）
に“ｐ（ｉ）＝−１”を割当てることができる。（注
記：用語「外向き」および「内向き」は電流の流れる
方向を言う。）前に、各位置ｉにおける信号は、同じ方
向を指している固定子／回転子の線の数に比例すると仮
定した。すなわち、数式１で表される。

【００４０】

【数１】

【００４１】数式（１）において、ｐ（ｊ）＝ｐ（ｊ＋
Ｎ）であり、変数ｋは電圧へ変換するための比例定数で
ある。ｉ＝１は、パターンが一致しているときの位置
（指標パルスの出力）を示し、ｉ＝Ｊは最大「雑音」の
位置を示すものとする。すなわち、最大雑音位置におけ
る信号Ｓ（Ｊ）は、次式で表される。Ｓ（Ｊ）＝Ｍａｘ｛Ｓ（２），Ｓ（３），．．．Ｓ（Ｎ）｝

【００４２】信号雑音比（ＳＮＲ）は、次式のように定
義することができる。ＳＮＲ＝Ｓ（１）／Ｓ（Ｊ）（注記：背景雑音が存在しない場合は、小さいＮでも
大きな信号雑音比を得ることができる。しかし、信号Ｓ
（１）が小さい場合は、どんな小さい値の背景雑音で
も、ＳＮＲを劇的に減らすので、これは実際的ではな
い。）妥当なＮの値（たとえば、５０）の場合、信号雑
音比ＳＮＲ≒６を得ることができた。

【００４３】本発明に従って、上に述べた解析を再検討
した。今度の解析では、別の、より似ていない信号測度
を使用した。信号および雑音は、線の一致でなく、領域
に基づいて計算した。すなわち、スポーク（内向きおよ
び（または）外向き）の数の代わりに、スポーク間の面
積を使用して、「雑音」の大きさを求めた。この新しい
解析では、誘導される信号がオーバーラップ面積（回転
子指標パターンと固定子指標パターンの間の面積）の関
数であるように、各隣接する導体（スポーク）間の法線
磁界は本質的に一様であると仮定する。上の仮定（磁界
の一様性）は、隣接する導体（スポーク）間の最大距離
が減少すると、精度が増す。したがって、要求された精
度の度合い基づいて、最大導体間隔を選定することがで
きる。固定子の場合は、各ｉについて、電流が時計方向
である（磁界が紙面に入る）領域に“ｐ（ｉ）＝＋１”
を割当て、電流が反時計方向である（磁界が紙面から出
る）領域に、“ｐ（ｉ）＝−１”を割当てることができ
る。これに対し、回転子の場合は、“ｐ（ｉ）＝＋１”
（時計方向）と“ｐ（ｉ）＝０”（反時計方向）を割り
当てなければならない。これは、回転子巻線の内側では
単位誘導ピックアップを、そして回転子巻線の外側では
ノーピックアップを意味する。この再定義により、数式
１と、最大雑音位置における信号Ｓ（Ｊ）の式と、信号
雑音ＳＮＲの定義式を使用して、信号雑音比を計算する
ことができる。各位置ｉ（ｉ＝１−Ｎ）に“１”または
“−１”をランダムに割り当てるため置換型モンテカル
ロシミュレーションプログラムをフォルトランで書い
た。すなわち、このプログラムは、波形の場所を選択す
るためランダム法を使用している。各ランダムパターン
について信号雑音比を計算し、最も高い信号雑音比を有
するパターンを保存した。任意の数のプログラムを使用
して波形の位置をランダムに選ぶことができ、そのプロ
グラムはだれでも決めることができる。信号雑音比を求
める上記の方法（すなわち、線の代わりに面積を使用す
る方法）を使用することにより、最も高い信号雑音比を
有するランダムパターンを選定することができる。

【００４４】信号雑音比ＳＮＲを最大にするため、ｐ
（ｉ）の各値について、数式１と、最大雑音位置におけ
る信号Ｓ（Ｊ）の式と、信号雑音ＳＮＲの定義式のほ
か、隣接スポーク間の面積を使用することにより、図５
および図６にそれぞれ示した形状の指標パルスパターン
を得た。回転子および固定子の指標パルスパターン８
０，９０は、前に述べたように、リード線８２，８４，
９２，９４と戻り線８３，９３の位置を除き、本質的に
同じ形状を有する。回転子の指標パルスパターンから出
力される信号は鮮明な指標パルスになるであろう。背景
雑音が存在しない場合は、図５および図６の指標パルス
パターンについて、それぞれ、Ｎ＝３１，６３，１０
７，１３９，および２１９を用いて、３１／１，６３／
２，１０７／４，１３９／６，および２１９／１０の信
号雑音比を得ることができる。

【００４５】固定子板６に対する回転子板４の角位置を
示す連続パルス列のほかに、ワンスパーレボリューショ
ン指標パルス信号を出力する形式の回転運動エンコーダ
を得るため、図７および図８に示すように、固定子板６
と回転子板４のそれぞれの導体パターン３０ａ，３０ｂ
と４０の内側に半径方向に間隔をおいて、指標パルスパ
ターン９０，８０を配置することができる。装置の他の
事象をトリガーさせるため部材の１回転につき一度の位
置を監視するほか、部材の回転速度を監視して制御する
ことが要求されるとき、この形式の回転運動エンコーダ
が役に立つ。たとえば、イメージを多色で記録するイメ
ージ記録装置においては、最終出力イメージを有するシ
ート上に、１つの多色イメージを作るため用いられる各
カラーイメージを互いに正しく整合させるため、感光ド
ラムの１回転につき一度の位置を監視することが必要で
ある。

【００４６】以上、記載した特定の実施例について本発
明を説明したが、この実施例は発明を明らかにするため
のもので、発明を限定するものではない。特許請求の範
囲に記載した発明の範囲の中で、記載した実施例に対し
さまざまな修正を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る誘導式回転エンコーダ
の部分断面側面図である。

【図２】本発明の一実施例に係る固定子板に配置された
第１および第２導体パターンの平面図である。

【図３】図２の固定子導体パターンと共に使用する回転
子板に配置された第３導体パターンの平面図である。

【図４】本発明に使用可能な信号処理電子回路網を示す
ブロック図である。

【図５】回転子板に配置することができる指標パルスパ
ターンの平面図である。

【図６】固定子板に配置することができ、図５の指標パ
ルスパターンと共に使用することができる指標パルスパ
ターンの平面図である。

【図７】第１および第２パルス列発生導体パターンと第
１指標パルスパターンが配置された固定子板の平面図で
ある。

【図８】図７の固定子板と共に使用でき、第３パルス列
発生導体パターンと第２指標パルスパターンが配置され
た回転子板の平面図である。

【符号の説明】

１支持面２回転運動エンコーダ４回転子板６固定子板８ハブ１０軸１４固定子板の裏面１６回転変圧器１７フェロックスコア１８取付けリング２０ボルト２２カバー３０固定子の巻線（導体パターン）３０ａ，３０ｂ第１および第２導体パターン３２ａ，３２ｂリード線３３ａ，３３ｂ戻り線３４ａ，３４ｂリード線４０回転子の巻線（導体パターン）４２，４４リード線５０信号処理電子回路網５２２４ＭＨｚクリスタルクロック５４４ビット乗算選択入力５６励振周波数選択入力５８ドライバ／オープンドレイン選択入力６０ａ１／Ｎ除算器回路網６０ｂマルチプレクサ６０ｃ直角位相発生器６２マルチプレクサ６４固定子パターンの方形波ドライバ６８帯域フィルタ増幅器７０比較器７２ａ，７２ｂ位相比較器７３直角位相発生器７４データフォーム変換器７５，７６シングルチャンネル出力７７故障回路網検出器８０回転子の指標パルスパターン８２，８４リード線８３戻り線９０固定子の指標パルスパターン９２，９４リード線９３戻り線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者バリーウォルフアメリカ合衆国ニューヨーク州 10598 ヨークタウンハイツピッケンズコート 1273 (72)発明者ジョンジェイリチャードリアメリカ合衆国ニューヨーク州 12603 ポウケプシーフォアウィンズドライヴ７ (72)発明者スチュワートエイシュウェイドアメリカ合衆国ニューヨーク州 14467 ヘンリエッタブラックウェルレーン 82 (72)発明者ロバートエムロフタスアメリカ合衆国ニューヨーク州 14472 ホンコイフォールズモンローストリート 74 (56)参考文献特開昭51−53846（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−83250（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−32355（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−2109（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4358723（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 5/00 - 5/64 G01B 7/00 - 7/32 G01P 1/00 - 3/80

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回転式エンコーダにおいて、一方の面に少なくとも１つの導体パターンを有する固定
子と、一方の面に、前記固定子の導体パターンに対向する別の
導体パターンを有する回転子と、前記固定子に対する前記回転子の相対的角度位置を示す
出力信号を生成するように、前記回転子の前記別の導体
パターンを前記固定子の前記少なくとも１つの導体パタ
ーンに誘導結合する手段とを備え、前記誘導結合する手段は、前記回転子上の前記別の導体
パターンから少なくとも１つの誘導信号を受取って前記
出力信号を生成する処理手段を包含し、少なくとも前記
処理手段は、前記少なくとも１つの導体パターンと反対
側の前記固定子面に配置されていることを特徴とする回
転式エンコーダ。
【請求項２】回転式エンコーダにおいて、一方の面に少なくとも１つの導体パターンを有する固定
子と、一方の面に、前記固定子の導体パターンに対向する別の
導体パターンを有する回転子と、前記固定子に対する前記回転子の相対的角度位置を示す
出力信号を生成するように、前記回転子の前記別の導体
パターンを前記固定子の前記少なくとも１つの導体パタ
ーンに誘導結合する手段とを備え、前記少なくとも１つの導体パターンと前記別の導体パタ
ーンとは形状において環状であり、各々が、前記誘導結
合する手段の回路に接続するための２つのリード線を有
し、前記固定子上の前記リード線の全ては、前記少なく
とも１つの導体パターンの半径方向内方又は半径方向外
方の一方に延びており、前記回転子上の前記リード線の
全ては、前記固定子上のリード線と反対の方向に延びて
いることを特徴とする回転式エンコーダ。
【請求項３】回転式エンコーダにおいて、一方の面に少なくとも１つの導体パターンを有する固定
子と、一方の面に、前記固定子の導体パターンに対向する別の
導体パターンを有する回転子と、前記固定子に対する前記回転子の相対的角度位置を示す
出力信号を生成するように、前記回転子の前記別の導体
パターンを前記固定子の前記少なくとも１つの導体パタ
ーンに誘導結合する手段とを備え、前記少なくとも１つの導体パターン及び前記別の導体パ
ターンは、 i)それぞれ、前記固定子及び前記回転子の回りに、３６
０度より短い環状の形状に形成されて、２つの端部と両
端部の間の周方向長さとを有し、 ii)前記端部の一方に接続された第１のリードと、他方
の端部に接続されて前記周方向長さの実質的に全体に沿
って延び、第２のリードで終わっている戻り線とを包含
し、前記回転子の戻り線は、前記別の導体パターンの内
周側又は外周側の一方の回りに延びており、前記固定子
の戻り線は、前記少なくとも１つの導体パターンの内周
側又は外周側の他方の回りに延びていることを特徴とす
る回転式エンコーダ。
【請求項４】誘導式回転運動エンコーダにおいて、一方の面に、第１導体パターンと第２導体パターンとを
有し、前記第１および第２導体パターンから半径方向に
間隔をおいて配置された第１指標パルスパターンを有す
る固定子と、前記固定子に対し回転可能な回転子であって、前記第１
および第２導体パターンに面している第３導体パターン
と、前記第１指標パルスパターンに面し、前記第３導体
パターンから半径方向に間隔をおいて配置された第２指
標パルスパターンとを有する回転子と、前記固定子に対する前記回転子の相対的角度位置を決定
するため、前記第３導体パターンと前記第１および第２
導体パターンを誘導結合する手段と、前記第１および第２指標パルスパターン間の誘導結合が
最大のとき、固定子に対する回転子の１回転につき１つ
の指標パルスを発生するため、前記第１指標パルスパタ
ーンと前記第２指標パルスパターンを誘導結合する手段
とから成ることを特徴とする誘導式回転運動エンコー
ダ。
【請求項５】回転式エンコーダにおいて、一方の面に第１導体パターン及び第２導体パターンを有
する固定子と、一方の面に、前記固定子の導体パターンに対向する別の
導体パターンを有する回転子と、前記固定子に対する前記回転子の相対的角度位置を示す
出力信号を生成するように、前記回転子の前記別の導体
パターンを前記固定子の前記第１及び第２導体パターン
に誘導結合する手段とを備え、前記第１及び第２導体パターンは、それぞれ、 i)前記固定子の回りに、３６０度より短い環状の形状に
形成されて、２つの端部と両端部の間の周方向長さとを
有し、 ii)前記端部の一方に接続された第１のリードと、他方
の端部に接続されて前記周方向長さの実質的に全体に沿
って延び、第２のリードで終わっている戻り線とを包含
し、前記第１及び第２導体パターンの一方の戻り線は、前記
第１及び第２導体パターンの外周側の回りに延びてお
り、前記第１及び第２導体パターンの他方の戻り線は、
前記第１及び第２導体パターンの内周側の回りに延びて
いることを特徴とする回転式エンコーダ。