JP3718787B2 - ロータリエンコーダ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投光部と受光部との間に回転スリット板及び固定スリット板を介在させたロータリエンコーダに関し、特にそのフェイルセーフ出力に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ロータリエンコーダは、投光部（ＬＥＤ）と受光部（フォトダイオード、フォトトランジスタ）との間に回転スリット板及び固定スリット板を構成し、回転スリット板が回転することにより、回転スリット板及び固定スリット板にそれぞれ形成されているスリットに同期した明暗の光が発生し、それを受光部が受光して光電変換し、更に増幅することによりエンコーダパルスを外部へ送出している。この回転スリット板及び固定スリット板の各スリットは、図６に示されるように、スリット４１，４２から構成されており、明（開口部）が５０％、暗が５０％の割合になっており、このため、回転スリット板の回転に従って、完全明及び完全暗を繰り返して、受光部の出力は完全明と完全暗との間で変化する擬似正弦波形又は擬似三角波形となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ロータリエンコーダの投光部（ＬＥＤ）は、経年変化で光量が落ちると、必要な光量を各スリット板を介して受光部へ送出することが出来なくなる。光量が下がると、受光部からの電気信号がＳ／Ｎ比の低い信号となり、温度変化、応答度等に追従出来なくなる、更には、正規の信号が得られなくなるなどの不具合が出てくる。特に、光学式のロータリエンコーダの場合には、その構成する部品の中では、投光部の劣化が一番早いので、上記の光量変化（減光）を検出することが望まれていた。
【０００４】
そこで、投光部の光量変化を検出する方法が提案されているが、その代表的なものを挙げると次のとおりである。
（ａ）ＬＥＤの光量変化を間接的に検出する方法：
ロータリエンコーダの出力信号：Ａ，Ｂ，Ｚ相信号を受端側（ロータリエンコーダの出力を利用する機器側）で常に検出することにより監視することができる。例えば、Ａ相信号（又はＢ相信号）がＯＮ／ＯＦＦ信号として変化しているがＢ信号（又はＡ信号）がＯＮ／ＯＦＦしない場合には回路に故障が発生していると判断する。更に、その判断にＺ相信号のＯＮ／ＯＦＦもそのファクターに加える等によって判断する。しかし、この検出方法においては、その故障検出のための回路が複雑になり、このため、故障検出のための回路それ自体の信頼性も高めなければならない、という問題点があった。
【０００５】
（ｂ）ＬＥＤの光量変化を直接検出する方法：
例えばパルスを生成するスリットの他に全明部となる幅広のスリットを固定スリット板に設け、受光部が発光ダイオードＬＥＤの光を直接受けるようにして、その光量変化を監視する。この検出方法においては、発光ダイオードＬＥＤの光を全明部となるスリットを介して受光してその光量変化を検出してフェイルセーフ出力を得ているが、このとき、パルスを生成するための受光部が正常に機能しているかどうかは判断されておらず、このため、パルスを生成するための受光部に異常があっても、正常であるというフェイルセーフ出力が送り出されてしまう、という問題点があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、光量の変化のみならずパルスを生成する受光部を含めて装置の正常・異常を判断することができ、且つそのための回路が簡単に構成できるようにしたロータリエンコーダを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明に係るロータリエンコーダは、投光部と受光部との間に回転スリット板及び固定スリット板を介在させたロータリエンコーダにおいて、固定スリット板は、回転スリットの幅よりも広くして明暗の光信号を発生させるための第１のスリットと、完全明の光信号を発生させるための第２のスリットとを備えており、そして、第１のスリットを介して受光しそれを光電変換して出力する第１の受光部と、第２のスリットを介して受光しそれを光電変換して出力する第２の受光部と、第２の受光部の出力に基づいて第１の基準値及び第２の基準値（第１の基準値＞第２の基準値）を生成する手段と、第１の受光部の出力と前記第１の基準値とを比較して、その比較結果に基づいてエンコーダパルスを出力する手段と、第１の受光部の出力と第２の基準値とを比較して、その比較結果に基づいてフェイルセーフ出力を出力する手段とを備えたものである。
（２）本発明に係るロータリエンコーダは、投光部と受光部との間に回転スリット板及び固定スリット板を介在させたロータリエンコーダにおいて、固定スリット板は、回転スリットの幅よりも広くして明暗の光信号を発生させるための第１のスリットと、完全明の光信号を発生させるための第２のスリットとを備えており、そして、高周波パルス信号を生成してそのパルス信号により投光部を駆動する手段と、第１のスリットを介して受光してそれを光電変換して出力する第１の受光部と、第２のスリットを介して受光してそれを光電変換して出力する第２の受光部と、第２の受光部の出力を平滑化して第１の基準値及び第２の基準値（第１の基準値＞第２の基準値）を生成する手段と、第１の受光部の出力と前記第１の基準値とを比較して、その比較結果に基づいたパルスを生成し、そして、そのパルスを第１のスリットに対応したパルスに成形してエンコーダパルスとして出力する手段と、第１の受光部の出力と第２の基準値とを比較して、その比較結果に基づいてフェイルセーフ出力を出力する手段とを備えたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（実施形態１．）
図１は本発明の第１の実施形態に係るロータリエンコーダの回路図である。図において、発光ダイオードＬＥＤには抵抗Ｒ１が直列に接続されており、一定の駆動電流が供給される。この発光ダイオードＬＥＤには、後述する回転スリット板及び固定スリット板を介して、受光ダイオードＰＤ１及びＰＤ２が対向して配置されている。受光ダイオードＰＤ１には抵抗Ｒ２が直列に接続されており、その接続点はコンパレータ１０の反転入力端子及びコンパレータ１４の反転入力端子にそれぞれ接続される。受光ダイオードＰＤ２にも抵抗Ｒ３が直列に接続されており、そして、その抵抗Ｒ３にはコンデンサＣ１が並列に接続されている。受光ダイオードＰＤ２と抵抗Ｒ３との接続点はオペアンプ１２の非反転入力端子に接続されており、その接続点が増幅される。オペアンプ１２の出力端には可変抵抗器ＶＲ１及びＶＲ２が接続されている。可変抵抗器ＶＲ１による分圧電位はコンパレータ１０の非反転入力端子に基準電位ｅ１として供給され、可変抵抗器ＶＲ２による分圧電位はコンパレータ１４の非反転入力端子に基準電位ｅ２（ｅ２＜ｅ１）として供給される。コンパレータ１０の出力は出力回路１６を介してエンコーダパルス出力として送り出される。また、コンパレータ１４の出力も出力回路１８を介してフェイルセーフ出力として送り出される。
【０００９】
図２は図１の発光ダイオードＬＥＤと受光ダイオードＰＤ１，ＰＤ２との間に介在する回転スリット板及び固定スリット板の説明図である。回転スリット板２０には円周方向に沿ってスリット（開口部）２１が設けられており、そのスリット２１の幅はその周期に対して５０％に設定されている。固定スリット板２２には、回転スリット板２０のスリット２１に対向して２種類のスリット（開口部）２３，２４が設けられている。スリット２３は受光ダイオードＰＤ１に対応して設けられており、その幅は周期に対して７０％に設定されている。このため、完全に遮光することができなく、遮光時にも２０％の光が漏れることになる。スリット２４は受光ダイオードＰＤ２に対応しており、図示のように１個の幅広の開口部からなっており、発光ダイオードＬＥＤの光を受光ダイオードＰＤ２が常時受光できるように構成されている。なお、図２は拡大されて図示されているが、例えば回転スリット板２０のスリット２１の幅は０．５゜、固定スリット板２２のスリット２３の幅は０．７゜、スリット２４の幅は３．５゜程度の大きさであり、受光ダイオードＰＤ１とＰＤ２とは近接配置されており（同一ペレットに作成されたフォトダイオード）、温度ドリフト等による受光感度を互いにキャンセルできるようになっている。
【００１０】
ところで、上記においてはスリット２３の幅を７０％に設定しているが、この幅は周期に対して６０％〜９０％の範囲に設定することが望ましく、そして、遮光時の光の漏れ量を１０％〜３０％の範囲の一定量にすることで、受光ダイオードＰＤ１の遮光時の最低出力が、完全に遮光されたときの出力（図３のｅａ１参照）よりも大きくなるようにする。
【００１１】
図３（ａ）（ｂ）は図１のロータリエンコーダの動作波形を示したタイミングチャートである。発光ダイオードＬＥＤが発光し、回転スリット板２０が回転すると、受光ダイオードＰＤ１は、回転スリット板２０のスリット２１及び固定スリット板２２のスリット２３を介して明暗の光信号を入力してそれに対応した信号ｅを出力する。また、受光ダイオードＰＤ２は、回転スリット板２０のスリット２１及び固定スリット板２２のスリット２４を介して全明の光信号を入力してそれに対応した信号を出力し、それはオペアンプ１２で増幅されて可変抵抗器ＶＲ１及びＶＲ２にて分圧されて基準電位ｅ１及びｅ２を得る。このときの信号ｅ、基準電圧ｅ１及びｅ２の電位の関係は図３（ａ）に示されるとおりである。なお、同図におけるｅａ１は、受光ダイオードＰＤ１が完全に遮光されている状態における信号レベルを示したものである。このように、受光ダイオードＰＤ１の信号ｅは、スリット２３が完全な遮光状態を作らないことから、常にｅａ１よりも高い電位となっており、そして、基準電位ｅ２を、ｅ１＜ｅ２＜ｅａ１となるように設定することにより、後述するように発光ダイオードＬＥＤの光量変化を検出することができるようになっている。
【００１２】
コンパレータ１０は信号ｅと基準電圧ｅ１とを比較してその大小に対応したパルスを生成して出力回路１６を介してエンコーダパルス出力として送出する。また、コンパレータ１４は信号ｅと基準電圧ｅ２とを比較し、この場合はｅ＞ｅ２であるから、コンパレータ１４の出力は低レベル信号となり、出力回路１８からの出力は低レベルのままとなっており、パルス出力は現れない。なお、コンパレータ１４においては、受光ダイオードＰＤ１とＰＤ２との相対的な差異を検出していることから、温度ドリフト等による受光感度が互いにキャンセルされている。
【００１３】
次に、発光ダイオードＬＥＤが光量が落ちた場合について検討する。発光ダイオードＬＥＤが光量が落ちると、受光ダイオードＰＤ１及び受光ダイオードＰＤ２もその受光量が同じ割合で落ちるので、受光ダイオードＰＤ１及びＰＤ２の出力も同じ割合で低下する。このため、基準電位ｅ１及びｅ２も同じ割合で低下することになる。このときの信号ｅ、基準電位ｅ１及びｅ２、ｅａ１の電位の関係は図３（ｂ）に示されるとおりである。
【００１４】
コンパレータ１０は、信号ｅと基準電位ｅ１とを比較してその大小に対応したパルスを生成して出力回路１６を介してエンコーダパルス出力として送出するが、このパルスの幅は図３（ａ）の場合に比べて幅が狭いものになる。また、コンパレータ１４は信号ｅと基準電位ｅ２とを比較し、この場合はｅ＜ｅ２の部分が出てくることから、コンパレータ１４の出力はｅ＜ｅ２の部分において高レベル信号となり、出力回路１８からパルス信号がフェイルセーフ出力として送り出される。受端側においてはこのパルス信号により発光ダイオードＬＥＤを含めて何らかの異常が発生したことを把握する。なお、本実施形態においては、受光ダイオードＰＤ１の信号ｅを基準電圧ｅ２と比較していることから、発光ダイオードＬＥＤの異常だけでなく、受光ダイオードＰＤ１に異常があるとそれを検出することができる。更に、電源電圧の降下を受光ダイオードＰＤ１の信号ｅの低下として捕らえることができるので、電源遮断時を含めてその異常を検出することができるので、そのフェイルセーフ機能を高めることができる。
【００１５】
（実施形態２．）
図４は本発明の第２の実施形態に係るロータリエンコーダの回路図である。図において、シュミット回路３０は高周波パルス信号を発生させ、その高周波パルス信号は増幅器３１で増幅されて発光ダイオードＬＥＤに供給され、発光ダイオードＬＥＤはその高周波パルス信号に対応した周期で発光する。なお、この高周波パルス信号の周波数はエンコーダの最高応答周波数よりも高い周波数に設定されるものとする。発光ダイオードＬＥＤには、図１の実施形態の場合と同様にして、回転スリット板２０及び固定スリット板２２（図２参照）を介して受光ダイオードＰＤ１，ＰＤ２が対向して配置されている。この受光ダイオードＰＤ１のアノードは、電流増幅器を構成しているオペアンプ３２の反転入力端子に接続されており、受光ダイオードＰＤ１の電流はオペアンプ３２により反転増幅されて受光ダイオードＰＤ１の受光量に対応した信号が得られるようになっており、このように構成することにより、発光ダイオードＬＥＤの高速発光に追随できるように考慮されている（この点は次にオペアンプ３４においても同様である）。そして、オペアンプ３２の出力はコンパレータ３３の反転入力端子に入力する。
【００１６】
受光ダイオードＰＤ２のアノードは、電流・積分増幅器を構成しているオペアンプ３４の反転入力端子に接続され、オペアンプ３４において受光ダイオードＰＤ２の電流（受光量に対応した信号）を増幅するととも平滑化する。このオペアンプ３４の非反転入力端子には基準電位Ｅ４が入力されており、この基準電位Ｅ４は、分圧抵抗Ｒ２３及びＲ２４とコンデンサＣ４によって作り出されている。オペアンプ３４の出力端には可変抵抗器ＶＲ１及びＶＲ２が接続されており、その可変抵抗器ＶＲ１による基準電位ｅ１はコンパレータ３３の非反転入力端子に入力する。そして、コンパレータ３３はオペアンプ３２の出力と基準電位ｅ１とを比較して、その比較結果をフリップフロップ回路３５の入力端子Ｑに入力する。なお、このフリップフロップ回路３５のクロック端子Ｃにはシュミット回路３０からの高周波パルス信号が供給されており、フリップフロップ回路３５はその高周波パルス信号のタイミングで動作して、固定スリット板２２のスリット２３に対応した「１」「０」の信号を再生する。そして、フリップフロップ回路３５の出力は出力回路１６を介してエンコーダパルス出力として送り出される。
【００１７】
また、可変抵抗器ＶＲ２による基準電位ｅ２はコンパレータ３６の非反転入力端子に入力し、オペアンプ３２の出力がコンパレータ３６の反転入力端子に入力し、コンパレータ３６はその両者を比較し、その比較結果は出力回路１８を介してフェイルセーフ出力として送り出される。
【００１８】
図５（ａ）（ｂ）は図４のロータリエンコーダの動作波形を示したタイミングチャートである。発光ダイオードＬＥＤがシュミット回路３０の高周波信号に基づいて発光し、回転スリット板２０が回転すると、受光ダイオードＰＤ１は、回転スリット板のスリット２１及び固定スリット板２２のスリット２３を介して入力した光信号を光電変換して、高周波パルス信号がスリット２１及びスリット２３に対応した包絡線で変調された信号を出力し、それをオペアンプ３２が増幅して信号ｅを出力する。受光ダイオードＰＤ２は、スリット２１及びスリット２４を介して入力した光信号（全明信号）を光電変換して高周波パルス信号に対応した信号を出力し、それはオペアンプ３４で積分されて平滑化されるとともに差動増幅される。オペアンプ３４の出力は可変抵抗器ＶＲ１及びＶＲ２にてそれぞれ分圧されて基準電位ｅ１及びｅ２を得ている。このオペアンプ３４の非反転入力端子には基準電位Ｅ４が基準値として入力されていることから、信号ｅ、基準電位Ｅ４、基準電圧ｅ１，ｅ２の電位の関係は図５（ａ）に示されるとおりである。なお、同図におけるｅａ１は、受光ダイオードＰＤ１が完全に遮光されている状態における信号レベルを示したものであり、図５（ａ）の電位の関係は、Ｅ４＞ｅａ１＞ｅ２＞ｅ１という関係になる。また、オペアンプ３４は反転増幅していることから、光量が下がるとｅ１，ｅ２はＥ４に近づくことになる。
【００１９】
コンパレータ３３はオペアンプ３２の出力と基準電位ｅ１とを比較して、その比較結果をフリップフロップ回路３５の入力端子Ｄに出力し、フリップフロップ回路３５はシュミット回路３０からの高周波パルス信号のタイミングで入力信号を出力することになるので、スリット２３に対応した「１」「０」のパルス信号が生成され、そして、出力回路１６を介して図５（ａ）に示されるようなエンコーダパルス出力を送り出す。また、コンパレータ３６は基準電圧値ｅ２とオペアンプ３２の出力とを比較してその比較結果を出力回路１８を介して図５（ａ）に示されるようなフェイルセーフ出力を送出する。この図５（ａ）のフェイルセーフ出力は、高周波パルス信号が連続して途切れていないことから、受端側においては発光ダイオードＬＥＤの発光量は正常であると判断される。
【００２０】
次に、発光ダイオードＬＥＤが光量が落ちた場合について検討する。発光ダイオードＬＥＤが光量が落ちると、受光ダイオードＰＤ１及びＰＤ２もその受光量が同じ割合で落ちるので、受光ダイオードＰＤ１の出力及び受光ダイオードＰＤ２の出力も同じ割合で低下する。そして、オペアンプ３４では反転増幅していることから、基準電位ｅ１及びｅ２も同じ割合で上昇することになる。このときの信号ｅ、基準電位ｅ１及びｅ２の電位の関係は図５（ｂ）に示されるとおりである。
【００２１】
コンパレータ３３は信号ｅと基準電圧ｅ１とを比較してその大小に対応したパルスを生成して出力回路１６を介してエンコーダのパルス出力として送出するが、このパルスの幅は図５（ａ）の場合に比べて幅が狭いものになる。また、コンパレータ３６は信号ｅと基準電圧ｅ２とを比較し、この場合はｅ＜ｅ２の部分が出てくることから、コンパレータ３６の出力はｅ＞ｅ２の部分において低レベル信号となり、出力回路１８はパルス信号が図５（ｂ）に示されるようなフェイルセーフ出力を送出する。この図５（ｂ）のフェイルセーフ出力は、高周波パルス信号が途切れていることから、受端側においては発光ダイオードＬＥＤが劣化して発光量が低下したと判断される。なお、出力回路１８の出力側にトランス、コンデンサ等から構成される回路を付加することにより、パルス信号を生成してそれをフェイルセーフ出力として送り出すようにしてもよい。
【００２２】
本実施形態においては、発光ダイオードＬＥＤの異常だけでなく、受光ダイオードＰＤ１に異常（その短絡を含む）があるとそれを検出することができる。更に、電源電圧の降下を受光ダイオードＰＤ１の信号ｅの低下として捕らえることができるので、電源遮断時を含めてその異常を検出することができるので、そのフェイルセーフ機能を高めることができる。
【００２３】
なお、上述の実施形態はいずれも発光ダイオードＬＥＤの光量の減少を検出するものであるが、光量が多くなった場合（例えばスリット板２０，２２が割れた場合）の異常についても検出することもできる。その場合には、図１及び図３の回路に基準電圧値ｅ１，ｅ２の他に、基準電位ｅ３（ｅ３＞ｅ１）を生成するための可変抵抗器を設けて、その基準電圧値ｅ３を信号ｅと比較することにより検出する。
【００２４】
なお、上述の実施形態はいずれも受光ダイオードＰＤ１の他に受光ダイオードＰＤ２を設けて基準電位ｅ１，ｅ２を生成しているが、基準電位ｅ１，ｅ２に受光ダイオードＰＤ１の受光感度に対応した補償を施したり、或いは、受光ダイオードＰＤ１自体の受光感度を補償したりすることにより、受光ダイオードＰＤ２を省略することもできる。
【００２５】
また、上述の実施形態においては、完全明の光信号を発生させるためのスリットとして、図２に示されるような構成のものを示したが、他の構成であっても良い。例えば、回転スリット板に、全周に亘って所定の間隔で設けられたスリットの他に全周に亘って明部となるスリット（トラック）を設け、そして、固定スリット板には、明暗の光信号を発生させるためのスリット（図２のスリット２３に相当）と、前記の全周に亘って明部となるスリットに対向して設けられ、完全明の光信号を発生させるための第２のスリット（図２のスリット２４よりも幅狭）とを設けることにより、明暗の光信号と完全明の光信号とを得るようにしても良い。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、固定スリット板のスリットの幅を回転スリットの幅よりも広くして、回転スリット板が回転しても完全暗とせずに投光部からの光が漏れるようにし、そして、そのスリット板を介して投光部からの光を受光する受光部の出力を所定の基準値と比較して、その比較結果に基づいてフェイルセーフ出力を送り出すようにしたので、光量の変化のみならずパルスを生成する受光部を含めて装置の正常・異常を判断することができ、また、その構成が簡単なことから、そのロータリエンコーダを実現するための回路も簡単なものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るロータリエンコーダの回路図である。
【図２】図１の発光ダイオードＬＥＤと受光ダイオードＰＤ１，ＰＤ２との間に介在する回転スリット板及び固定スリット板の説明図である。
【図３】図１のロータリエンコーダの動作波形を示したタイミングチャートであり、（ａ）は正常時、（ｂ）は光量の減少時である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るロータリエンコーダの回路図である。
【図５】図４のエンコーダの動作波形を示したタイミングチャートであり、（ａ）は正常時、（ｂ）は光量の減少時である。
【図６】従来の回転スリット板及び固定スリット板の説明図である。

Claims (2)

1. 投光部と受光部との間に回転スリット板及び固定スリット板を介在させたロータリエンコーダにおいて、
   前記固定スリット板は、前記回転スリットの幅よりも広くして明暗の光信号を発生させるための第１のスリットと、完全明の光信号を発生させるための第２のスリットとを備えており、そして、
   前記第１のスリットを介して受光しそれを光電変換して出力する第１の受光部と、
   前記第２のスリットを介して受光しそれを光電変換して出力する第２の受光部と、
   前記第２の受光部の出力に基づいて第１の基準値及び第２の基準値（第１の基準値＞第２の基準値）を生成する手段と、
   前記第１の受光部の出力と前記第１の基準値とを比較して、その比較結果に基づいてエンコーダパルスを出力する手段と、
   前記第１の受光部の出力と前記第２の基準値とを比較して、その比較結果に基づいてフェイルセーフ出力を出力する手段と
   を備えたことを特徴とするロータリエンコーダ。
2. 投光部と受光部との間に回転スリット板及び固定スリット板を介在させたロータリエンコーダにおいて、
   前記固定スリット板は、前記回転スリットの幅よりも広くして明暗の光信号を発生させるための第１のスリットと、完全明の光信号を発生させるための第２のスリットとを備えており、そして、
   高周波パルス信号を生成してそのパルス信号により前記投光部を駆動する手段と、
   前記第１のスリットを介して受光してそれを光電変換して出力する第１の受光部と、
   前記第２のスリットを介して受光してそれを光電変換して出力する第２の受光部と、
   前記第２の受光部の出力を平滑化して第１の基準値及び第２の基準値（第１の基準値＞第２の基準値）を生成する手段と、
   前記第１の受光部の出力と前記第１の基準値とを比較して、その比較結果に基づいたパルスを生成し、そして、そのパルスを前記第１のスリットに対応したパルスに成形してエンコーダパルスとして出力する手段と、
   前記第１の受光部の出力と前記第２の基準値とを比較して、その比較結果に基づいてフェイルセーフ出力を出力する手段と
   を備えたことを特徴とするロータリエンコーダ。

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