JP3693095B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転方向や直線方向の変移量を計測するための光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、従来技術の一例として光学式ロータリエンコーダについて概略説明する。図４は、光学式ロータリエンコーダの構成図であり、図４（ａ）はその断面構成図、図４（ｂ）は、スリット円板の平面図である。この光学式ロータリエンコーダは、エンコーダケース１、ベアリング２，３、中空軸４、スリット円板５、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)６、受光素子７、プリント基板８を備えている。
【０００３】
エンコーダケース１には、ベアリング２，３を介して中空軸４が回動自在となるように取り付けられている。この中空軸４には、スリット円板５が取り付けられている。このスリット円板５には、複数スリットの列をトラック状に配置した検出用トラック５ａが設けられており、スリットの有無により光を透過・遮光する。
なお、本明細書中でスリットとは、図４（ａ）で示す貫通孔や、また、図示しないものの透明なスリット円板に明暗格子状に印刷したパターンの透過部分などを指すものとする。
【０００４】
このスリット円板５の検出用トラック５ａを挟んで対向する位置にＬＥＤ６と受光素子７が配置される。ＬＥＤ６は、エンコーダケース１の内部に配置され、図示しない電源線を介してプリント基板８から給電されて照射光を常時発光する。
また、受光素子７は、エンコーダケース１に取り付けられたプリント基板８上に配置・固定されている。
【０００５】
図５に従来の受光素子７の構成図を示す。位置関係を明確にするため図４と図５とで共通の矢印２０１，２０２，２０３，２０４を用いて説明する。図４，図５の下方向はロータリエンコーダの中心方向２０１であり、上方向は外周方向２０２である。また、左右方向は円周方向２０３，２０４となる。
【０００６】
次に、受光素子７の構成について説明する。図５中の斜線で示した領域は、光を感じる受光セルを示し、その他の領域は光を検出しない不感帯を示している。受光素子７は、図５の左側６個の受光セル１１〜１６から構成される受光セルアレイＡ群１８、および、図５の右側６個の受光セル２１〜２６から構成される受光セルアレイＢ群２８を備えている。これらＡ群１８の各受光セル１１〜１６およびＢ群２８の各受光セル２１〜２６は、それぞれ電気的に並列に接続されている。
【０００７】
受光セルは周期的に配置されている。隣接する２つの受光セル間の距離である周期ピッチ５１（以下、Ｐとする場合は周期ピッチを指すものとする。）は、スリット円板５のスリット数により決定される値である。例えば、スリット数を２8(＝２５６)個とすると機械角で(３６０／２５６)゜となり、そのピッチ５１の長さは、おおよそ２πＲ・（２５６／３６０）となる。ここにＲは円である検出用トラックの半径である。
また、２つの受光セルの１周期ピッチ５１を電気角で３６０度とすると、Ａ群１８の受光セル１６とＢ群２８の受光セル２１の距離５２を０．２５Ｐとすることにより、Ａ群１８とＢ群２８との位相差は、９０゜もしくは２７０゜の電気角の位相差に設定される。
【０００８】
図６に、従来の受光セルアレイのＡ群１８，Ｂ群２８およびその周辺部品の回路構成図を示す。図６において、Ａ群１８，Ｂ群２８のカソード側に電源(Ｖcc)が接続されており、逆バイアス接続となっている。一方、Ａ群１８のアノード側は電流電圧変換用抵抗１９およびＣＰＵ（Central Processing Unit)１００が内蔵する図示しないＡ／Ｄ変換器（Analog/Digital変換器）に接続されており、電流電圧変換用抵抗１９の他端は、グランドに接地されている。なお、Ｂ群２８についても電流電圧変換用抵抗２９に接続され、以下、Ａ群１８と同様な回路構成になっている。
【０００９】
続いて、光学式ロータリエンコーダの動作について説明する。図４（ａ），（ｂ）に示すようにＬＥＤ６から発光された照射光がスリット円板５の検出用トラック５ａのスリットを透過して受光素子７に到達したとする。
受光素子７は、到達した照射光の光量に比例して光電流信号を出力する。受光素子７からの光電流信号は、図６で示すように電流電圧変換用抵抗１９，２９で電圧信号に変換され、ＣＰＵ１００が内蔵する図示しないＡ／Ｄ変換器によりアナログ信号からディジタル信号に変換された上でＣＰＵ１００に取り込まれる。
【００１０】
図７にＣＰＵ１００に取り込まれる前のアナログ電圧信号を示す。縦軸は、受光素子７からの光電流信号を電流電圧変換用抵抗１９，２９で変換した電圧信号を示し、横軸は光学式ロータリエンコーダの回転方向を示す。
また、Ａ相信号１８１は受光セルアレイのＡ群１８からの光電流信号を電圧信号に変換したものであり、同様に、Ｂ相信号２８１は受光セルアレイのＢ群２８からの光電流信号を電圧信号に変換したものである。
【００１１】
これらＡ相信号１８１およびＢ相信号２８１は周期信号であり、その１周期は検出用トラック５ａのスリットが１周期ピッチ移動した場合に相当する。Ａ相信号１８１とＢ相信号２８１とは９０゜もしくは２７０゜の位相差を有しており、次式のように表すことができる。
【００１２】
【数３】
【００１３】
ＩAはＡ相信号、ＩBはＢ相信号、ＸはＡ相信号およびＢ相信号のオフセット電圧、ＹはＡ相信号およびＢ相信号の信号振幅をそれぞれ示している。
また、θはあるタイミングにおける光学式ロータリエンコーダの回転角θを電気角として示したものであり、電気角θが３６０゜変化した場合、スリット円板５がスリットの１周期ピッチ分移動した場合に相当する。
【００１４】
続いて、光学式ロータリエンコーダのスリット円板５が１周（機械角で３６０゜）回転する場合の角度検出原理について説明する。
この光学式ロータリエンコーダは、図７に示されるＡ相信号ＩA、または、Ｂ相信号ＩBを図示しないＡ／Ｄ変換器を介してＣＰＵ１００に入力してディジタル信号処理により方形波に波形整形することでパルス信号を上位信号として生成する。
このパルス信号は、スリットの有無に応じてＨレベルとＬレベルが交互に現れる信号である。
【００１５】
また、先の上位信号より更に高分解能な下位信号をＡ相信号ＩAおよびＢ相信号ＩBを演算処理して生成する。
具体的には、図７で示すようにＡ相信号ＩAおよびＢ相信号ＩBからオフセット電圧量Ｘ９４を除去した信号Ｉ'A，Ｉ'Bを作り、この信号比の逆正接を計算する。すなわち下位信号は次式のように表される。
【００１６】
【数４】
【００１７】
このようにして上位信号と下位信号とを求めることができる。これら上位信号と下位信号とを組み合わせることにより高分解能な光学式ロータリエンコーダを実現することが可能となる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際の光学式ロータリエンコーダから得られるＡ相信号ＩAおよびＢ相信号ＩBは、光学式ロータリエンコーダの組立誤差、受光素子の感度のばらつき、ＬＥＤの照明むらなどに影響される。この影響のためオフセット電圧にはオフセット電圧誤差ΔＸA，ΔＸBが、信号振幅には信号振幅誤差ΔＹA，ΔＹBが、および位相には位相誤差ΔθA，ΔθBが発生し、これら誤差の影響によりＡ相信号ＩAおよびＢ相信号ＩBの波形が次式のように歪む。
【００１９】
【数５】
【００２０】
これらのＩAreal，ＩBrealのように波形が歪む場合、下位信号である回転角には次式に示すように角度誤差Δθが発生する。
【００２１】
【数６】
【００２２】
この角度誤差Δθが大きくなると、光学式ロータリエンコーダの角度検出精度が悪化し、所定の精度を得ることが困難になるという問題点がある。
【００２３】
上述のような問題点を解決するため、本発明は、組立誤差、受光素子の感度ばらつき、ＬＥＤの照明むらなどに影響されて下位信号の電気角に角度誤差が発生する事態を回避し、高精度・高分解能の検出を実現する光学式エンコーダを提供することを目的とする。
【００２４】
【解決を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の光学式エンコーダによれば、
発光素子と、
前記発光素子からの照射光を透過および遮光するためのスリット列からなる検出用トラックを有するスリット板と、
前記発光素子と対向する位置に配置されて前記発光素子からの照射光を受光する複数の受光セルが周期的に配置され、その周期ピッチは前記スリット板の検出用トラックのスリット列の周期ピッチと同一長である一群の受光セルアレイが、２次元平面上で略直交する不感帯によりＡ群，Ｂ群，Ｃ群およびＤ群の４群形成され、これらＡ〜Ｄ群の受光セルアレイからそれぞれ出力される光電流信号は、検出用トラックのスリット列の１周期ピッチが電気角３６０゜に対応する周期信号であり、かつ、前記４群の受光セルアレイのＡ群とＢ群、Ｂ群とＣ群、Ｃ群とＤ群、および、Ｄ群とＡ群の位相差がそれぞれ電気角９０゜となるように前記４群の受光セルアレイを配置する受光素子と、
前記４群の受光セルアレイから出力された周期信号Ｉ A ，Ｉ B ，Ｉ C ，Ｉ D を用いて検出用トラックのスリット列の１周期ピッチ内の電気角θを算出する中央処理演算部と、
を備え、
前記中央処理演算部は、周期信号Ｉ A ，Ｉ B ，Ｉ C ，Ｉ D を、前記数式１（但し、ｍ、ｎ、ｐは定数であり、定数が（ｍ−ｎ）／２ ＝ Ｐ の条件を満たす）に代入して電気角θを算出する手段を備えることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項２記載の光学式エンコーダによれば、
請求項１に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記定数は、好ましくはｍ＝３，ｎ＝１，ｐ＝１であることを特徴とする。
【００２６】
また、請求項３記載の光学式エンコーダによれば、
請求項１または請求項２に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記スリット板は、検出用トラックが略直線状に配置される略長方形状のスリット板であって、
固定されたスリット板に沿って発光素子および受光素子が対向しながらともに直線方向に移動して直線方向の変移量を検出するリニアエンコーダとしたことを特徴とする。
【００２７】
また、請求項４記載の光学式エンコーダによれば、
請求項１または請求項２に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記スリット板は、検出用トラックが略円状に配置される円板状のスリット板であって、
スリット板を挟んで対向して配置される前記発光素子および受光素子により、回動するスリット板の回転方向の変移量を検出するロータリエンコーダとしたことを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光学式エンコーダのうち特に光学式ロータリエンコーダの実施形態について説明する。なお、本実施形態の光学式ロータリエンコーダの構成は、従来の受光素子７に代えて受光素子７００がプリント基板８に取り付けられている点を除いては従来の光学式ロータリエンコーダと同じである。以下、従来技術と同一の構成要件の説明を省略し、相違点のみ説明する。
【００３３】
本実施形態の受光素子７００の構成について説明する。図１に本実施形態の受光素子７００の構成図を示す。図１中の斜線で示した領域は受光セルを示し、その他の領域は光を検出しない不感帯を示している。この不感帯は少なくとも略十字状の不感帯があって、受光セルアレイ群をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４領域に分割している。詳しくは、図１の左下側６個の受光セル１１〜１６から構成される受光セルアレイＡ群１８、および、図１の右下側６個の受光セル２１〜２６から構成される受光セルアレイＢ群２８、 図１の左上側６個の受光セル３１〜３６から構成される受光セルアレイＣ群３８、および、図１の右上側６個の受光セル４１〜４６から構成される受光セルアレイＤ群４８とに分割される。これらＡ群１８，Ｂ群２８，Ｃ群３８およびＤ群４８の各受光セルは、それぞれ電気的に並列に接続されている。
【００３４】
隣接する２つの受光セルの１周期ピッチ５１（＝Ｐ）は、スリット円板５の検出用トラック５ａに設けられたスリット数により決定される値である。 また、隣接する２つの受光セル間を１周期ピッチＰとすると、５１はＰ、５２は０．２５Ｐ、５３は０．５Ｐ、５４は１．２５Ｐの距離となる。
【００３５】
このように配置することで、検出用トラックのスリット列の１周期ピッチが電気角３６０゜に対応する周期信号であり、
Ａ群とＢ群との位相差は、（９０＋α×３６０）゜に、
Ａ群とＣ群との位相差は、（１８０＋β×３６０）゜に、
Ａ群とＤ群との位相差は、（２７０＋γ×３６０）゜にそれぞれなる。
ここに、α，β，γは適当な任意の整数である。
本実施形態ではＡ群とＢ群との位相差は９０゜であり、Ａ群とＣ群との位相差は１８０゜であり、Ａ群とＤ群との位相差は２７０゜である。
【００３６】
図２に、本実施形態の受光セルアレイのＡ群１８，Ｂ群２８，Ｃ群３８，Ｄ群４８およびその周辺部品の回路構成図を示す。図２において、Ａ群１８，Ｂ群２８，Ｃ群３８，Ｄ群４８のカソード側に電源(Ｖcc)が接続されており、逆バイアス接続となっている。
一方、Ａ群１８のアノード側は電流電圧変換用抵抗１９およびＣＰＵ)１００内のＡ／Ｄ変換器(図示せず)に接続され、電流電圧変換用抵抗１９の他端は、グランドに接地されている。以下同様に、Ｂ群２８が電流電圧変換用抵抗２９に接続され、Ｃ群３８が電流電圧変換用抵抗３９に接続され、Ｄ群４８が電流電圧変換用抵抗４９に接続されている。これらはＡ群１８と同様な回路構成になっている。
【００３７】
続いて、光学式ロータリエンコーダの動作について説明する。図４（ａ），（ｂ）に示すようにＬＥＤ６から発光された照射光がスリット円板５の検出用トラック５ａのスリットを透過して受光素子７００に到達したとする。
受光素子７００は、到達した照射光の光量に比例して光電流信号を出力する。受光素子７からの光電流信号は、図２で示すように電流電圧変換用抵抗１９，２９，３９，４９で電圧信号に変換され、ＣＰＵ１００が内蔵する図示しないＡ／Ｄ変換器によりアナログ信号からディジタル信号に変換された上でＣＰＵ１００に取り込まれる。
【００３８】
図３にＣＰＵ１００に取り込まれる前のアナログ電圧信号を示す。縦軸は、受光素子７からの光電流信号を電流電圧変換用抵抗１９，２９，３９，４９で変換した電圧信号を示し、横軸は光学式ロータリエンコーダの回転方向を示す。
また、Ａ相信号１８１は受光セルアレイのＡ群１８からの光電流信号を電圧信号に変換したものであり、以下同様に、Ｂ相信号２８１はＢ群２８の光電流信号に対応する電圧信号に、Ｃ相信号３８１はＣ群３８の光電流信号に対応する電圧信号に、Ｄ相信号４８１はＤ群４８の光電流信号に対応する電圧信号に、それぞれ変換したものである。
【００３９】
これらＡ相信号１８１，Ｂ相信号２８１，Ｃ相信号３８１，Ｄ相信号４８１の１周期（電気角＝３６０゜）は、スリット円板の検出用トラックにおける隣接する２つのスリットの１周期ピッチの移動量に相当する。また、Ａ相信号１８１，Ｂ相信号２８１，Ｃ相信号３８１，Ｄ相信号４８１は先に説明したよう位相差を有しており、次式のように表すことができる。
【００４０】
【数７】
【００４１】
ここにＩAはＡ相信号、ＩBはＢ相信号、ＩCはＣ相信号、ＩDはＤ相信号、ＸはＡ相信号，Ｂ相信号，Ｃ相信号，Ｄ相信号のオフセット電圧量、ＹはＡ相信号，Ｂ相信号，Ｃ相信号，Ｄ相信号の信号振幅、ΔＸA，ΔＸB，ΔＸC，ΔＸDはオフセット電圧量誤差、ΔＹA，ΔＹB，ΔＹC，ΔＹDは信号振幅誤差、ΔθA，ΔθB，ΔθC，ΔθDは位相誤差である。
θはあるタイミングにおける光学式ロータリエンコーダの回転角θを電気角により示したものであり、θが３６０゜変化した場合、スリット円板がスリットの１周期ピッチ分移動した場合に相当する。このθは１周期ピッチよりさらに小さい分割単位の下位信号となる。
【００４２】
続いて、光学式ロータリエンコーダのスリット円板が１周（機械角で３６０゜）回転する場合の角度検出原理について説明する。
この光学式ロータリエンコーダは、先のＣＰＵ１００の信号処理により上位信号を生成する。
具体的には、図３に示されるＡ相信号ＩA、Ｂ相信号ＩB、Ｃ相信号ＩC、または、Ｄ相信号ＩDを図示しないＡ／Ｄ変換器を介してＣＰＵ１００に入力してディジタル信号処理により方形波に波形整形することでパルス信号とする。
このパルス信号は、スリットの有無に応じてＨレベルとＬレベルが交互に現れる信号である。
【００４３】
また、Ａ相信号ＩA、Ｂ相信号ＩB、Ｃ相信号ＩC、または、Ｄ相信号ＩDをＣＰＵ１００が演算処理し、先の上位信号より更に高分解能とした下位信号を生成する。
具体的には数式１に代入することとなるが、まず、この数式１の導出原理について説明する。
まず、Ａ相信号ＩAおよびＢ相信号ＩB信号からオフセット電圧量Ｘ９４を除去した信号Ｉ'A，Ｉ'Bを作り、この信号比の逆正接を計算する。下位信号は次式のように表される。
【００４４】
【数８】
【００４５】
数式８は次式のように変形できる。
【００４６】
【数９】
【００４７】
また、信号Ｉ'A，Ｉ'Bは次式のように表される。
【００４８】
【数１０】
【００４９】
数式１０の信号Ｉ'A，Ｉ'Bを数式９に代入すると次式のように表される。
【００５０】
【数１１】
【００５１】
続いて数式１１を次式のように操作する。
【００５２】
【数１２】
【００５３】
ここに三角関数の公式を示す。
【００５４】
【数１３】
【００５５】
数式１３を用いて数式１２を操作すると、次式のように変換される。
【００５６】
【数１４】
【００５７】
ここで分母と分子を次式に示すような変数Ｍ，Ｎに変換する。
【００５８】
【数１５】
【００５９】
すると数式１４は、次式のように表される。
【００６０】
【数１６】
【００６１】
一方、Ａ群，Ｂ群，Ｃ群およびＤ群の各受光セルアレイから得られる光電流信号は数式７を各々変形した次式で表される。
【００６２】
【数１７】
【００６３】
続いて、Ａ群，Ｂ群，Ｃ群及びＤ群の各受光セルアレイから出力される光電流信号に含まれる誤差成分を平均化する。数式１７を用いて次式のように変形する。
【００６４】
【数１８】
【００６５】
このようにして求めたＭ１およびＭ２を用いて次式のように和を求める。
【００６６】
【数１９】
【００６７】
ここでΔＸA，ΔＸB，ΔＸC，ΔＸDの誤差は、お互いに相殺することによりオフセット電圧誤差を低減する。また、ΔＸとＸ、ΔＹとＹ、Δθとθは、誤差が充分に小さいため、次式に示すような関係にある。
【００６８】
【数２０】
【００６９】
このためＭ１≒Ｍ２と表すことができ、次式のように表せる。
【００７０】
【数２１】
【００７１】
続いて、数式１８，１９と同様に、数式１７を用いて次式のように変形する。
【００７２】
【数２２】
【００７３】
このようにして求めたＮ１およびＮ２を用いて次式のように和を求める。
【００７４】
【数２３】
【００７５】
ここでΔＸA，ΔＸB，ΔＸC，ΔＸDの誤差は、お互いに相殺することによりオフセット電圧誤差を低減する。また、ΔＸとＸ、ΔＹとＹ、Δθとθは、誤差が充分に小さいため、Ｎ１≒−（−Ｎ２）となるので次式のように表せる。
【００７６】
【数２４】
【００７７】
数式２１および数式２４を数式１６に代入すると、次式のように展開できる。
【００７８】
【数２５】
【００７９】
よって、下位信号となる電気角θは次式のように表される。
【００８０】
【数２６】
【００８１】
ＣＰＵ１００は、図示しないＡ／Ｄ変換器を介して入力されたＡ相信号ＩA、Ｂ相信号ＩB、Ｃ相信号ＩC、または、Ｄ相信号ＩDを数式２６に代入し、先の上位信号より更に高分解能な下位信号である電気角θを生成する。
本実施形態ではこのようにして上位信号と下位信号とを求めることができる。これら上位信号と下位信号とを組み合わせることにより高分解能な変位量を検出できる光学式ロータリエンコーダを実現することが可能となる。
【００８２】
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では演算処理内容を変えて誤差成分の平均化を行うものである。まず、第１実施形態で説明した数式１６を次式のように変形する。
【００８３】
【数２７】
【００８４】
さらに、数式２７の分子の右側と左側をそれぞれ次式のように変形する。
【００８５】
【数２８】
【００８６】
数式２８から数式２７は次式のように変形される。
【００８７】
【数２９】
【００８８】
数式１８で求めたＭ１，Ｍ２を、また、数式２４で求めたＮを数式２９に代入すると次式のように変形される。
【００８９】
【数３０】
【００９０】
よって、電気角θは次式のように表される。
【００９１】
【数３１】
【００９２】
数式２７，２８におけるこのような分割方法を一般式に変更すると次式のようになる。
【００９３】
【数３２】
【００９４】
ここにｍ，ｎ，ｐは次式のような関係を満たす。
【００９５】
【数３３】
【００９６】
ここに第２実施形態では、ｍ＝３，ｎ＝１，ｐ＝１として計算している。これらｍ，ｎ，ｐは設計者が光学式ロータリエンコーダの要求精度とＣＰＵ１００の処理能力等を勘案して任意に設定することが可能である。
このようにＣＰＵ１００は、図示しないＡ／Ｄ変換器を介して入力されたＡ相信号ＩA、Ｂ相信号ＩB、Ｃ相信号ＩC、または、Ｄ相信号ＩDを数式３２に代入して先の上位信号より更に高分解能な下位信号である電気角θを生成するものである。
本実施形態ではこれら上位信号と下位信号とを組み合わせることにより高分解能な変位量を検出できる光学式ロータリエンコーダを実現することが可能となる。
【００９７】
以上、第１，第２実施形態の光学式ロータリエンコーダはＣＰＵ１００が上位信号と下位信号を算出し、これらを用いることで高分解能に位置を割り出してそれに対応する信号出力することができる。
また、ＣＰＵ１００は、上位信号または下位信号を単独に出力するようにしても良い。これら出力は、要求に応じて適宜選択が可能である。
【００９８】
また、図示しないものの、ＣＰＵ１００がＡ／Ｄ変換器を内蔵しないような形式であっても、ＣＰＵ１００の前段にコンパレータをＡ群，Ｂ群，Ｃ群，Ｄ群用にそれぞれ配置して対応することもできる。コンパレータの有無はＣＰＵ１００に応じて適宜設計される。
【００９９】
なお、第１、第２実施形態では光学式ロータリエンコーダについて説明した。しかしながら、本発明は光学式ロータリエンコーダに限定するものではなく、電気角を検出するようにした光学式リニアエンコーダにも適用できる。光学式ロータリエンコーダがスリット円板を回転させるのに対し、光学式リニアエンコーダは発光素子と受光素子を一体に取り付けた検出部を移動させる点で相違するものの下位信号は電気角θを用いるなどその原理は同じである。本発明を適用した光学式リニアエンコーダでも高分解能化を実現できる。
【０１００】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、組立誤差、受光素子の感度ばらつき、ＬＥＤの照明むらなどに影響されて下位信号の電気角に角度誤差が発生する事態を回避し、高精度・高分解能の検出を実現する光学式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】本発明の実施形態の光学式ロータリエンコーダの受光素子の構成図である。
【図２】本発明の実施形態の光学式ロータリエンコーダの受光セルアレイのＡ群，Ｂ群，Ｃ群，Ｄ群およびその周辺部品の回路構成図である。
【図３】本発明の実施形態の光学式ロータリエンコーダのＣＰＵに取り込まれる前のアナログ電圧信号である。
【図４】光学式ロータリエンコーダの構成図である。
【図５】従来の光学式ロータリエンコーダの受光素子の構成図である。
【図６】従来の光学式ロータリエンコーダの受光セルアレイのＡ群，Ｂ群およびその周辺部品の回路構成図である。
【図７】従来の光学式ロータリエンコーダのＣＰＵに取り込まれる前のアナログ電圧信号である。
【符号の説明】
１ エンコーダケース
２ ベアリング
３ ベアリング
４ 中空軸
５ スリット円板
５ａ 検出用トラック
６ ＬＥＤ
７００ 受光素子
８ プリント基板
１８ 受光セルアレイＡ
２８ 受光セルアレイＢ
３８ 受光セルアレイＣ
４８ 受光セルアレイＤ
１１〜１６ 受光セル
２１〜２６ 受光セル
３１〜３６ 受光セル
４１〜４６ 受光セル
５１ セル間のピッチＰ
５２ ０．２５Ｐ
５３ ０．５Ｐ
５４ １．２５Ｐ
１９，２９，３９，４９ 電流電圧変換用抵抗
９０ Ａ相とＢ相の位相差
９１ Ａ相の振幅
９２ Ｂ相の振幅
９３ オフセット電圧誤差量
９４ オフセット電圧量
９５ Ｂ相の１周期長
１８１ Ａ相信号
２８１ Ｂ相信号
３８１ Ｃ相信号
４８１ Ｄ相信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転方向や直線方向の変移量を計測するための光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、従来技術の一例として光学式ロータリエンコーダについて概略説明する。図４は、光学式ロータリエンコーダの構成図であり、図４（ａ）はその断面構成図、図４（ｂ）は、スリット円板の平面図である。この光学式ロータリエンコーダは、エンコーダケース１、ベアリング２，３、中空軸４、スリット円板５、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)６、受光素子７、プリント基板８を備えている。
【０００３】
エンコーダケース１には、ベアリング２，３を介して中空軸４が回動自在となるように取り付けられている。この中空軸４には、スリット円板５が取り付けられている。このスリット円板５には、複数スリットの列をトラック状に配置した検出用トラック５ａが設けられており、スリットの有無により光を透過・遮光する。
なお、本明細書中でスリットとは、図４（ａ）で示す貫通孔や、また、図示しないものの透明なスリット円板に明暗格子状に印刷したパターンの透過部分などを指すものとする。
【０００４】
このスリット円板５の検出用トラック５ａを挟んで対向する位置にＬＥＤ６と受光素子７が配置される。ＬＥＤ６は、エンコーダケース１の内部に配置され、図示しない電源線を介してプリント基板８から給電されて照射光を常時発光する。
また、受光素子７は、エンコーダケース１に取り付けられたプリント基板８上に配置・固定されている。
【０００５】
図５に従来の受光素子７の構成図を示す。位置関係を明確にするため図４と図５とで共通の矢印２０１，２０２，２０３，２０４を用いて説明する。図４，図５の下方向はロータリエンコーダの中心方向２０１であり、上方向は外周方向２０２である。また、左右方向は円周方向２０３，２０４となる。
【０００６】
次に、受光素子７の構成について説明する。図５中の斜線で示した領域は、光を感じる受光セルを示し、その他の領域は光を検出しない不感帯を示している。受光素子７は、図５の左側６個の受光セル１１〜１６から構成される受光セルアレイＡ群１８、および、図５の右側６個の受光セル２１〜２６から構成される受光セルアレイＢ群２８を備えている。これらＡ群１８の各受光セル１１〜１６およびＢ群２８の各受光セル２１〜２６は、それぞれ電気的に並列に接続されている。
【０００７】
受光セルは周期的に配置されている。隣接する２つの受光セル間の距離である周期ピッチ５１（以下、Ｐとする場合は周期ピッチを指すものとする。）は、スリット円板５のスリット数により決定される値である。例えば、スリット数を２8(＝２５６)個とすると機械角で(３６０／２５６)゜となり、そのピッチ５１の長さは、おおよそ２πＲ・（２５６／３６０）となる。ここにＲは円である検出用トラックの半径である。
また、２つの受光セルの１周期ピッチ５１を電気角で３６０度とすると、Ａ群１８の受光セル１６とＢ群２８の受光セル２１の距離５２を０．２５Ｐとすることにより、Ａ群１８とＢ群２８との位相差は、９０゜もしくは２７０゜の電気角の位相差に設定される。
【０００８】
図６に、従来の受光セルアレイのＡ群１８，Ｂ群２８およびその周辺部品の回路構成図を示す。図６において、Ａ群１８，Ｂ群２８のカソード側に電源(Ｖcc)が接続されており、逆バイアス接続となっている。一方、Ａ群１８のアノード側は電流電圧変換用抵抗１９およびＣＰＵ（Central Processing Unit)１００が内蔵する図示しないＡ／Ｄ変換器（Analog/Digital変換器）に接続されており、電流電圧変換用抵抗１９の他端は、グランドに接地されている。なお、Ｂ群２８についても電流電圧変換用抵抗２９に接続され、以下、Ａ群１８と同様な回路構成になっている。
【０００９】
続いて、光学式ロータリエンコーダの動作について説明する。図４（ａ），（ｂ）に示すようにＬＥＤ６から発光された照射光がスリット円板５の検出用トラック５ａのスリットを透過して受光素子７に到達したとする。
受光素子７は、到達した照射光の光量に比例して光電流信号を出力する。受光素子７からの光電流信号は、図６で示すように電流電圧変換用抵抗１９，２９で電圧信号に変換され、ＣＰＵ１００が内蔵する図示しないＡ／Ｄ変換器によりアナログ信号からディジタル信号に変換された上でＣＰＵ１００に取り込まれる。
【００１０】
図７にＣＰＵ１００に取り込まれる前のアナログ電圧信号を示す。縦軸は、受光素子７からの光電流信号を電流電圧変換用抵抗１９，２９で変換した電圧信号を示し、横軸は光学式ロータリエンコーダの回転方向を示す。
また、Ａ相信号１８１は受光セルアレイのＡ群１８からの光電流信号を電圧信号に変換したものであり、同様に、Ｂ相信号２８１は受光セルアレイのＢ群２８からの光電流信号を電圧信号に変換したものである。
【００１１】
これらＡ相信号１８１およびＢ相信号２８１は周期信号であり、その１周期は検出用トラック５ａのスリットが１周期ピッチ移動した場合に相当する。Ａ相信号１８１とＢ相信号２８１とは９０゜もしくは２７０゜の位相差を有しており、次式のように表すことができる。
【００１２】
【数３】
ＩAはＡ相信号、ＩBはＢ相信号、ＸはＡ相信号およびＢ相信号のオフセット電圧、ＹはＡ相信号およびＢ相信号の信号振幅をそれぞれ示している。
また、θはあるタイミングにおける光学式ロータリエンコーダの回転角θを電気角として示したものであり、電気角θが３６０゜変化した場合、スリット円板５がスリットの１周期ピッチ分移動した場合に相当する。
【００１４】
続いて、光学式ロータリエンコーダのスリット円板５が１周（機械角で３６０゜）回転する場合の角度検出原理について説明する。
この光学式ロータリエンコーダは、図７に示されるＡ相信号ＩA、または、Ｂ相信号ＩBを図示しないＡ／Ｄ変換器を介してＣＰＵ１００に入力してディジタル信号処理により方形波に波形整形することでパルス信号を上位信号として生成する。
このパルス信号は、スリットの有無に応じてＨレベルとＬレベルが交互に現れる信号である。
【００１５】
また、先の上位信号より更に高分解能な下位信号をＡ相信号ＩAおよびＢ相信号ＩBを演算処理して生成する。
具体的には、図７で示すようにＡ相信号ＩAおよびＢ相信号ＩBからオフセット電圧量Ｘ９４を除去した信号Ｉ'A，Ｉ'Bを作り、この信号比の逆正接を計算する。すなわち下位信号は次式のように表される。
【００１６】
【数４】
このようにして上位信号と下位信号とを求めることができる。これら上位信号と下位信号とを組み合わせることにより高分解能な光学式ロータリエンコーダを実現することが可能となる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際の光学式ロータリエンコーダから得られるＡ相信号ＩAおよびＢ相信号ＩBは、光学式ロータリエンコーダの組立誤差、受光素子の感度のばらつき、ＬＥＤの照明むらなどに影響される。この影響のためオフセット電圧にはオフセット電圧誤差ΔＸA，ΔＸBが、信号振幅には信号振幅誤差ΔＹA，ΔＹBが、および位相には位相誤差ΔθA，ΔθBが発生し、これら誤差の影響によりＡ相信号ＩAおよびＢ相信号ＩBの波形が次式のように歪む。
【００１９】
【数５】
これらのＩAreal，ＩBrealのように波形が歪む場合、下位信号である回転角には次式に示すように角度誤差Δθが発生する。
【００２１】
【数６】
この角度誤差Δθが大きくなると、光学式ロータリエンコーダの角度検出精度が悪化し、所定の精度を得ることが困難になるという問題点がある。
【００２３】
上述のような問題点を解決するため、本発明は、組立誤差、受光素子の感度ばらつき、ＬＥＤの照明むらなどに影響されて下位信号の電気角に角度誤差が発生する事態を回避し、高精度・高分解能の検出を実現する光学式エンコーダを提供することを目的とする。
【００２４】
【解決を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の光学式エンコーダによれば、
発光素子と、
前記発光素子からの照射光を透過および遮光するためのスリット列からなる検出用トラックを有するスリット板と、
前記発光素子と対向する位置に配置されて前記発光素子からの照射光を受光する複数の受光セルが周期的に配置され、その周期ピッチは前記スリット板の検出用トラックのスリット列の周期ピッチと同一長である一群の受光セルアレイが、２次元平面上で略直交する不感帯によりＡ群，Ｂ群，Ｃ群およびＤ群の４群形成され、これらＡ〜Ｄ群の受光セルアレイからそれぞれ出力される光電流信号は、検出用トラックのスリット列の１周期ピッチが電気角３６０゜に対応する周期信号であり、かつ、前記４群の受光セルアレイのＡ群とＢ群、Ｂ群とＣ群、Ｃ群とＤ群、および、Ｄ群とＡ群の位相差がそれぞれ電気角９０゜となるように前記４群の受光セルアレイを配置する受光素子と、
前記４群の受光セルアレイから出力された周期信号Ｉ A ，Ｉ B ，Ｉ C ，Ｉ D を用いて検出用トラックのスリット列の１周期ピッチ内の電気角θを算出する中央処理演算部と、
を備え、
前記中央処理演算部は、周期信号Ｉ A ，Ｉ B ，Ｉ C ，Ｉ D を、前記数式１（但し、ｍ、ｎ、ｐは定数であり、定数が（ｍ−ｎ）／２ ＝ Ｐ の条件を満たす）に代入して電気角θを算出する手段を備えることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項２記載の光学式エンコーダによれば、
請求項１に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記定数は、好ましくはｍ＝３，ｎ＝１，ｐ＝１であることを特徴とする。
【００２６】
また、請求項３記載の光学式エンコーダによれば、
請求項１または請求項２に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記スリット板は、検出用トラックが略直線状に配置される略長方形状のスリット板であって、
固定されたスリット板に沿って発光素子および受光素子が対向しながらともに直線方向に移動して直線方向の変移量を検出するリニアエンコーダとしたことを特徴とする。
【００２７】
また、請求項４記載の光学式エンコーダによれば、
請求項１または請求項２に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記スリット板は、検出用トラックが略円状に配置される円板状のスリット板であって、
スリット板を挟んで対向して配置される前記発光素子および受光素子により、回動するスリット板の回転方向の変移量を検出するロータリエンコーダとしたことを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光学式エンコーダのうち特に光学式ロータリエンコーダの実施形態について説明する。なお、本実施形態の光学式ロータリエンコーダの構成は、従来の受光素子７に代えて受光素子７００がプリント基板８に取り付けられている点を除いては従来の光学式ロータリエンコーダと同じである。以下、従来技術と同一の構成要件の説明を省略し、相違点のみ説明する。
【００３３】
本実施形態の受光素子７００の構成について説明する。図１に本実施形態の受光素子７００の構成図を示す。図１中の斜線で示した領域は受光セルを示し、その他の領域は光を検出しない不感帯を示している。この不感帯は少なくとも略十字状の不感帯があって、受光セルアレイ群をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４領域に分割している。詳しくは、図１の左下側６個の受光セル１１〜１６から構成される受光セルアレイＡ群１８、および、図１の右下側６個の受光セル２１〜２６から構成される受光セルアレイＢ群２８、 図１の左上側６個の受光セル３１〜３６から構成される受光セルアレイＣ群３８、および、図１の右上側６個の受光セル４１〜４６から構成される受光セルアレイＤ群４８とに分割される。これらＡ群１８，Ｂ群２８，Ｃ群３８およびＤ群４８の各受光セルは、それぞれ電気的に並列に接続されている。
【００３４】
隣接する２つの受光セルの１周期ピッチ５１（＝Ｐ）は、スリット円板５の検出用トラック５ａに設けられたスリット数により決定される値である。 また、隣接する２つの受光セル間を１周期ピッチＰとすると、５１はＰ、５２は０．２５Ｐ、５３は０．５Ｐ、５４は１．２５Ｐの距離となる。
【００３５】
このように配置することで、検出用トラックのスリット列の１周期ピッチが電気角３６０゜に対応する周期信号であり、
Ａ群とＢ群との位相差は、（９０＋α×３６０）゜に、
Ａ群とＣ群との位相差は、（１８０＋β×３６０）゜に、
Ａ群とＤ群との位相差は、（２７０＋γ×３６０）゜にそれぞれなる。
ここに、α，β，γは適当な任意の整数である。
本実施形態ではＡ群とＢ群との位相差は９０゜であり、Ａ群とＣ群との位相差は１８０゜であり、Ａ群とＤ群との位相差は２７０゜である。
【００３６】
図２に、本実施形態の受光セルアレイのＡ群１８，Ｂ群２８，Ｃ群３８，Ｄ群４８およびその周辺部品の回路構成図を示す。図２において、Ａ群１８，Ｂ群２８，Ｃ群３８，Ｄ群４８のカソード側に電源(Ｖcc)が接続されており、逆バイアス接続となっている。
一方、Ａ群１８のアノード側は電流電圧変換用抵抗１９およびＣＰＵ)１００内のＡ／Ｄ変換器(図示せず)に接続され、電流電圧変換用抵抗１９の他端は、グランドに接地されている。以下同様に、Ｂ群２８が電流電圧変換用抵抗２９に接続され、Ｃ群３８が電流電圧変換用抵抗３９に接続され、Ｄ群４８が電流電圧変換用抵抗４９に接続されている。これらはＡ群１８と同様な回路構成になっている。
【００３７】
続いて、光学式ロータリエンコーダの動作について説明する。図４（ａ），（ｂ）に示すようにＬＥＤ６から発光された照射光がスリット円板５の検出用トラック５ａのスリットを透過して受光素子７００に到達したとする。
受光素子７００は、到達した照射光の光量に比例して光電流信号を出力する。受光素子７からの光電流信号は、図２で示すように電流電圧変換用抵抗１９，２９，３９，４９で電圧信号に変換され、ＣＰＵ１００が内蔵する図示しないＡ／Ｄ変換器によりアナログ信号からディジタル信号に変換された上でＣＰＵ１００に取り込まれる。
【００３８】
図３にＣＰＵ１００に取り込まれる前のアナログ電圧信号を示す。縦軸は、受光素子７からの光電流信号を電流電圧変換用抵抗１９，２９，３９，４９で変換した電圧信号を示し、横軸は光学式ロータリエンコーダの回転方向を示す。
また、Ａ相信号１８１は受光セルアレイのＡ群１８からの光電流信号を電圧信号に変換したものであり、以下同様に、Ｂ相信号２８１はＢ群２８の光電流信号に対応する電圧信号に、Ｃ相信号３８１はＣ群３８の光電流信号に対応する電圧信号に、Ｄ相信号４８１はＤ群４８の光電流信号に対応する電圧信号に、それぞれ変換したものである。
【００３９】
これらＡ相信号１８１，Ｂ相信号２８１，Ｃ相信号３８１，Ｄ相信号４８１の１周期（電気角＝３６０゜）は、スリット円板の検出用トラックにおける隣接する２つのスリットの１周期ピッチの移動量に相当する。また、Ａ相信号１８１，Ｂ相信号２８１，Ｃ相信号３８１，Ｄ相信号４８１は先に説明したよう位相差を有しており、次式のように表すことができる。
【００４０】
【数７】
ここにＩAはＡ相信号、ＩBはＢ相信号、ＩCはＣ相信号、ＩDはＤ相信号、ＸはＡ相信号，Ｂ相信号，Ｃ相信号，Ｄ相信号のオフセット電圧量、ＹはＡ相信号，Ｂ相信号，Ｃ相信号，Ｄ相信号の信号振幅、ΔＸA，ΔＸB，ΔＸC，ΔＸDはオフセット電圧量誤差、ΔＹA，ΔＹB，ΔＹC，ΔＹDは信号振幅誤差、ΔθA，ΔθB，ΔθC，ΔθDは位相誤差である。
θはあるタイミングにおける光学式ロータリエンコーダの回転角θを電気角により示したものであり、θが３６０゜変化した場合、スリット円板がスリットの１周期ピッチ分移動した場合に相当する。このθは１周期ピッチよりさらに小さい分割単位の下位信号となる。
【００４２】
続いて、光学式ロータリエンコーダのスリット円板が１周（機械角で３６０゜）回転する場合の角度検出原理について説明する。
この光学式ロータリエンコーダは、先のＣＰＵ１００の信号処理により上位信号を生成する。
具体的には、図３に示されるＡ相信号ＩA、Ｂ相信号ＩB、Ｃ相信号ＩC、または、Ｄ相信号ＩDを図示しないＡ／Ｄ変換器を介してＣＰＵ１００に入力してディジタル信号処理により方形波に波形整形することでパルス信号とする。
このパルス信号は、スリットの有無に応じてＨレベルとＬレベルが交互に現れる信号である。
【００４３】
また、Ａ相信号ＩA、Ｂ相信号ＩB、Ｃ相信号ＩC、または、Ｄ相信号ＩDをＣＰＵ１００が演算処理し、先の上位信号より更に高分解能とした下位信号を生成する。
具体的には数式１に代入することとなるが、まず、この数式１の導出原理について説明する。
まず、Ａ相信号ＩAおよびＢ相信号ＩB信号からオフセット電圧量Ｘ９４を除去した信号Ｉ'A，Ｉ'Bを作り、この信号比の逆正接を計算する。下位信号は次式のように表される。
【００４４】
【数８】
数式８は次式のように変形できる。
【００４６】
【数９】
また、信号Ｉ'A，Ｉ'Bは次式のように表される。
【００４８】
【数１０】
数式１０の信号Ｉ'A，Ｉ'Bを数式９に代入すると次式のように表される。
【００５０】
【数１１】
続いて数式１１を次式のように操作する。
【００５２】
【数１２】
ここに三角関数の公式を示す。
【００５４】
【数１３】
数式１３を用いて数式１２を操作すると、次式のように変換される。
【００５６】
【数１４】
ここで分母と分子を次式に示すような変数Ｍ，Ｎに変換する。
【００５８】
【数１５】
すると数式１４は、次式のように表される。
【００６０】
【数１６】
一方、Ａ群，Ｂ群，Ｃ群およびＤ群の各受光セルアレイから得られる光電流信号は数式７を各々変形した次式で表される。
【００６２】
【数１７】
続いて、Ａ群，Ｂ群，Ｃ群及びＤ群の各受光セルアレイから出力される光電流信号に含まれる誤差成分を平均化する。数式１７を用いて次式のように変形する。
【００６４】
【数１８】
このようにして求めたＭ１およびＭ２を用いて次式のように和を求める。
【００６６】
【数１９】
ここでΔＸA，ΔＸB，ΔＸC，ΔＸDの誤差は、お互いに相殺することによりオフセット電圧誤差を低減する。また、ΔＸとＸ、ΔＹとＹ、Δθとθは、誤差が充分に小さいため、次式に示すような関係にある。
【００６８】
【数２０】
このためＭ１≒Ｍ２と表すことができ、次式のように表せる。
【００７０】
【数２１】
続いて、数式１８，１９と同様に、数式１７を用いて次式のように変形する。
【００７２】
【数２２】
このようにして求めたＮ１およびＮ２を用いて次式のように和を求める。
【００７４】
【数２３】
ここでΔＸA，ΔＸB，ΔＸC，ΔＸDの誤差は、お互いに相殺することによりオフセット電圧誤差を低減する。また、ΔＸとＸ、ΔＹとＹ、Δθとθは、誤差が充分に小さいため、Ｎ１≒−（−Ｎ２）となるので次式のように表せる。
【００７６】
【数２４】
数式２１および数式２４を数式１６に代入すると、次式のように展開できる。
【００７８】
【数２５】
よって、下位信号となる電気角θは次式のように表される。
【００８０】
【数２６】
ＣＰＵ１００は、図示しないＡ／Ｄ変換器を介して入力されたＡ相信号ＩA、Ｂ相信号ＩB、Ｃ相信号ＩC、または、Ｄ相信号ＩDを数式２６に代入し、先の上位信号より更に高分解能な下位信号である電気角θを生成する。
本実施形態ではこのようにして上位信号と下位信号とを求めることができる。これら上位信号と下位信号とを組み合わせることにより高分解能な変位量を検出できる光学式ロータリエンコーダを実現することが可能となる。
【００８２】
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では演算処理内容を変えて誤差成分の平均化を行うものである。まず、第１実施形態で説明した数式１６を次式のように変形する。
【００８３】
【数２７】
さらに、数式２７の分子の右側と左側をそれぞれ次式のように変形する。
【００８５】
【数２８】
数式２８から数式２７は次式のように変形される。
【００８７】
【数２９】
数式１８で求めたＭ１，Ｍ２を、また、数式２４で求めたＮを数式２９に代入すると次式のように変形される。
【００８９】
【数３０】
よって、電気角θは次式のように表される。
【００９１】
【数３１】
数式２７，２８におけるこのような分割方法を一般式に変更すると次式のようになる。
【００９３】
【数３２】
ここにｍ，ｎ，ｐは次式のような関係を満たす。
【００９５】
【数３３】
ここに第２実施形態では、ｍ＝３，ｎ＝１，ｐ＝１として計算している。これらｍ，ｎ，ｐは設計者が光学式ロータリエンコーダの要求精度とＣＰＵ１００の処理能力等を勘案して任意に設定することが可能である。
このようにＣＰＵ１００は、図示しないＡ／Ｄ変換器を介して入力されたＡ相信号ＩA、Ｂ相信号ＩB、Ｃ相信号ＩC、または、Ｄ相信号ＩDを数式３２に代入して先の上位信号より更に高分解能な下位信号である電気角θを生成するものである。
本実施形態ではこれら上位信号と下位信号とを組み合わせることにより高分解能な変位量を検出できる光学式ロータリエンコーダを実現することが可能となる。
【００９７】
以上、第１，第２実施形態の光学式ロータリエンコーダはＣＰＵ１００が上位信号と下位信号を算出し、これらを用いることで高分解能に位置を割り出してそれに対応する信号出力することができる。
また、ＣＰＵ１００は、上位信号または下位信号を単独に出力するようにしても良い。これら出力は、要求に応じて適宜選択が可能である。
【００９８】
また、図示しないものの、ＣＰＵ１００がＡ／Ｄ変換器を内蔵しないような形式であっても、ＣＰＵ１００の前段にコンパレータをＡ群，Ｂ群，Ｃ群，Ｄ群用にそれぞれ配置して対応することもできる。コンパレータの有無はＣＰＵ１００に応じて適宜設計される。
【００９９】
なお、第１、第２実施形態では光学式ロータリエンコーダについて説明した。しかしながら、本発明は光学式ロータリエンコーダに限定するものではなく、電気角を検出するようにした光学式リニアエンコーダにも適用できる。光学式ロータリエンコーダがスリット円板を回転させるのに対し、光学式リニアエンコーダは発光素子と受光素子を一体に取り付けた検出部を移動させる点で相違するものの下位信号は電気角θを用いるなどその原理は同じである。本発明を適用した光学式リニアエンコーダでも高分解能化を実現できる。
【０１００】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、組立誤差、受光素子の感度ばらつき、ＬＥＤの照明むらなどに影響されて下位信号の電気角に角度誤差が発生する事態を回避し、高精度・高分解能の検出を実現する光学式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】本発明の実施形態の光学式ロータリエンコーダの受光素子の構成図である。
【図２】本発明の実施形態の光学式ロータリエンコーダの受光セルアレイのＡ群，Ｂ群，Ｃ群，Ｄ群およびその周辺部品の回路構成図である。
【図３】本発明の実施形態の光学式ロータリエンコーダのＣＰＵに取り込まれる前のアナログ電圧信号である。
【図４】光学式ロータリエンコーダの構成図である。
【図５】従来の光学式ロータリエンコーダの受光素子の構成図である。
【図６】従来の光学式ロータリエンコーダの受光セルアレイのＡ群，Ｂ群およびその周辺部品の回路構成図である。
【図７】従来の光学式ロータリエンコーダのＣＰＵに取り込まれる前のアナログ電圧信号である。
【符号の説明】
１ エンコーダケース
２ ベアリング
３ ベアリング
４ 中空軸
５ スリット円板
５ａ 検出用トラック
６ ＬＥＤ
７００ 受光素子
８ プリント基板
１８ 受光セルアレイＡ
２８ 受光セルアレイＢ
３８ 受光セルアレイＣ
４８ 受光セルアレイＤ
１１〜１６ 受光セル
２１〜２６ 受光セル
３１〜３６ 受光セル
４１〜４６ 受光セル
５１ セル間のピッチＰ
５２ ０．２５Ｐ
５３ ０．５Ｐ
５４ １．２５Ｐ
１９，２９，３９，４９ 電流電圧変換用抵抗
９０ Ａ相とＢ相の位相差
９１ Ａ相の振幅
９２ Ｂ相の振幅
９３ オフセット電圧誤差量
９４ オフセット電圧量
９５ Ｂ相の１周期長
１８１ Ａ相信号
２８１ Ｂ相信号
３８１ Ｃ相信号
４８１ Ｄ相信号
Claims (4)
- 発光素子と、
前記発光素子からの照射光を透過および遮光するためのスリット列からなる検出用トラックを有するスリット板と、
前記発光素子と対向する位置に配置されて前記発光素子からの照射光を受光する複数の受光セルが周期的に配置され、その周期ピッチは前記スリット板の検出用トラックのスリット列の周期ピッチと同一長である一群の受光セルアレイが、２次元平面上で略直交する不感帯によりＡ群，Ｂ群，Ｃ群およびＤ群の４群形成され、これらＡ〜Ｄ群の受光セルアレイからそれぞれ出力される光電流信号は、検出用トラックのスリット列の１周期ピッチが電気角３６０゜に対応する周期信号であり、かつ、前記４群の受光セルアレイのＡ群とＢ群、Ｂ群とＣ群、Ｃ群とＤ群、および、Ｄ群とＡ群の位相差がそれぞれ電気角９０゜となるように前記４群の受光セルアレイを配置する受光素子と、
前記４群の受光セルアレイから出力された周期信号Ｉ A ，Ｉ B ，Ｉ C ，Ｉ D を用いて検出用トラックのスリット列の１周期ピッチ内の電気角θを算出する中央処理演算部と、
を備え、
前記中央処理演算部は、周期信号Ｉ A ，Ｉ B ，Ｉ C ，Ｉ D を、
- 請求項１に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記定数は、好ましくはｍ＝３，ｎ＝１，ｐ＝１であることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項１または請求項２に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記スリット板は、検出用トラックが略直線状に配置される略長方形状のスリット板であって、
固定されたスリット板に沿って発光素子および受光素子が対向しながらともに直線方向に移動して直線方向の変移量を検出するリニアエンコーダとしたことを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項１または請求項２に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記スリット板は、検出用トラックが略円状に配置される円板状のスリット板であって、
スリット板を挟んで対向して配置される前記発光素子および受光素子により、回動するスリット板の回転方向の変移量を検出するロータリエンコーダとしたことを特徴とする光学式エンコーダ。
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