JP4559557B2

JP4559557B2 - 光学式ロータリエンコーダ

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Publication number: JP4559557B2
Application number: JP08156199A
Authority: JP
Inventors: 克彦金
Original assignee: Koyo Electronics Industries Co Ltd
Current assignee: Koyo Electronics Industries Co Ltd
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2019-03-25
Also published as: JP2000275067A

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を介在させた光学式ロータリエンコーダに関し、特に１８０度の位相差を持つ信号から矩形波を生成する光学式ロータエンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光学式ロータリエンコーダの原理的な構成を図８および図９に示す。発光素子１０１，１０２と受光素子１０３，１０４，１０５，１０６との間に回転スリット板１０７と固定スリット板１０８とを設ける。回転スリット板１０７は、等しい幅と間隔で交互に配置される遮蔽部１０７ａとスリット１０７ｂとを有する。また、固定スリット板１０８は、受光素子１０３へ光が入力する状態のときは受光素子１０４への入光を阻止するように遮蔽部１０８ａとスリット１０８ｂとが設けられ、受光素子１０５へ入光を許すときには受光素子１０６への入光を阻止するように遮蔽部１０８ｃとスリット１０８ｄとが設けられている。
【０００３】
発光素子１０１，１０２には、電気信号を光信号に変換する赤外発光ダイオードのような電気−光変換素子が用いられ、受光素子１０３，１０４，１０５，１０６には光信号を電気信号に変換するフォトダイオードやフォトトランジスタのような光−電気変換素子が用いられる。
【０００４】
受光素子１０３，１０４は、後述するＡ相用の信号を生成するために用いられ、受光素子１０５，１０６はＡ相と９０度の位相差を持つＢ相用の信号を生成するために用いられる。このため、受光素子１０３と受光素子１０４および受光素子１０５と受光素子１０６に入る光を、それぞれ固定スリット板１０８で１８０度の位相差を持つようにすると共に受光素子１０３，１０４と受光素子１０５，１０６に入る光を９０度の位相差を持つように固定スリット板１０８等を配置している。
【０００５】
受光素子１０３に流れる電流は、図１０に示すように、増幅回路１１１で電圧に変換されかつ増幅され、図１１（Ａ）に示す出力電圧Ｖ１となる。受光素子１０４に流れる電流は、増幅回路１１２で同様に変換され、図１１（Ｂ）に示す出力電圧Ｖ２となる。同様に受光素子１０５，１０６に流れる電流は、増幅回路１１３，１１４でそれぞれ変換され、図１１（Ｃ）（Ｄ）に示す出力電圧Ｖ３，Ｖ４となる。
【０００６】
出力電圧Ｖ１，Ｖ２は、比較器からなる波形整形回路１１５に入力し、図１１（E）に示す矩形波のＡ相信号Ｖ５となり、出力電圧Ｖ３，Ｖ４は、同様の波形整形回路１１６によって図（Ｆ）に示す矩形波のＢ相信号Ｖ６となる。図１１に示すように、出力電圧Ｖ１，Ｖ２は、１８０度の位相差を有し、出力電圧Ｖ３，Ｖ４も１８０度の位相差を有する。出力電圧Ｖ３は、出力電圧Ｖ１に対して９０度進行方向にずれたものとなり、出力電圧Ｖ４は出力電圧Ｖ２に対して同様に９０度ずれたものであり、このため、波形整形回路１１５，１１６によって得られるＡ相信号Ｖ５とＢ相信号Ｖ６は、９０度の位相差αを有するものとなる。
【０００７】
ＡＢの各相の信号Ｖ５，Ｖ６は、排他的論理和回路１１７に入力し、図１１（Ｇ）に示すクロック信号Ｖ７が得られる。このクロック信号Ｖ７によって回転スリット板１０７の回転距離を計測でき、原点信号（図示省略）とで回転位置を知ることができる。また、回転スリット板１０７がモータの出力軸に固定されているときは、モータの相切り替えを、このクロック信号Ｖ７を利用して行う。また、出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を図示しない回路に入力して回転スリット板１０７の回転方向を検出することもできる。
【０００８】
なお、出力電圧Ｖ２を利用せず、出力電圧Ｖ１から直接Ａ相信号Ｖ５を取得し、同様に出力電圧Ｖ３からＢ相信号Ｖ６を取得するようにしたものも存在する。
しかし、この構造のものは、外乱光やノイズに弱く、特に発光素子の発光量が落ちてくるとそれらの影響が大きくなり、９０度毎の周期を有する矩形波を長期に渡って得られにくいという問題がある。このため、製品寿命を長期に確保したい場合、すなわち、長期に渡って安定したＡ、Ｂ相の各信号Ｖ５，Ｖ６を得たい場合にはそれぞれ１８０度位相のずれた出力電圧Ｖ１，Ｖ２と出力電圧Ｖ３，Ｖ４を使用している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
最近では、製品の小型化および高分解能化が市場から要請され、格子の大きさ、すなわち、遮蔽部１０７ａ、スリット１０７ｂの各大きさが１０〜２０μｍと小さくなっている。このため、製品の組み立て精度や光の平行化能力の限界により、図１１（Ａ）〜（Ｄ）のような理想の出力電圧Ｖ１〜Ｖ４が得られにくくなっている。
【００１０】
すなわち、格子のスリット１０７ｂの開口面積が狭くなり、わずかな組み立て誤差によって１８０度位相差の出力信号Ｖ１，Ｖ２や出力信号Ｖ３，Ｖ４を得にくくなっている。また、スリット１０７ｂが狭くなると、図９に示す光Ｌ１，Ｌ２のように、本来なら受光素子１０４に入光しない時でも、漏れ光が入るようになり、その影響が出力信号Ｖ１，Ｖ２のずれや出力信号Ｖ３，Ｖ４のずれをもたらす。
【００１１】
仮に、１８０度位相差を有すべき信号がずれた場合、従来はそのずれが所定範囲内であれば、製品として機能していた。しかし、格子が狭くなり、漏れ光の量が多くなると、検出電圧中の正しい検出電圧の割合が相対的に低くなる。このため、より高分解能を得るためには見かけ上の分解能を回路内部で電気的に２倍、４倍とする必要が生ずるが、このような逓倍回路を採用した場合、１８０度位相差にずれが生ずると、正常な回路として成立しなくなる。
【００１２】
具体的に示すと、図１２（Ａ）のように、出力電圧Ｖ２が本来の状態からβ分ずれた出力電圧Ｖ２１となると、Ａ相信号Ｖ５は、本来の状態からα１分ずれたＡ相信号Ｖ５１となってしまう。このため、本来なら９０度（＝α）の位相差があったＡ相信号Ｖ５とＢ相信号Ｖ６は、図１２（Ｄ）のようにα２（＝９０度−α１度）の位相差を有するＡ信号Ｖ５１とＢ相信号Ｖ６となる。この結果、クロック信号Ｖ７は、図１２（Ｅ）のように、ハイとローのデューティが５０対５０ではなく、他の値を有するクロック信号Ｖ７１となる。このようなクロック信号Ｖ７１となると、回転スリット板１０７の位置が理論値に対して誤差が生ずると共に、モータの相切り替えが正しく行われなくなる。
【００１３】
なお、出力電圧Ｖ４が、出力電圧Ｖ２と同様にβ分ずれた出力電圧となった場合は、Ａ相信号Ｖ５１に対してＢ相信号Ｖ６も９０度位相ずれた信号となることから、クロック信号Ｖ７は本来の正しい信号となる。しかし、この場合でも、４逓倍化した信号を得ようとすると、各出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を利用する際に、１８０度位相からずれていると、デューティが５０対５０の正しい信号を得られなくなる。
【００１４】
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、１８０度の位相差を有する出力信号を常に得ることができるようにして小型化および高分解能化を可能にした光学式ロータリエンコーダを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明は、発光素子と受光素子との間に可動板を設け、この可動板のスリットを通過または可動板の反射縞で反射した発光素子からの光をスリットまたは反射縞に対して１８０度の位相差を持つように配置した２個の受光素子で受光し、一方の受光素子を流れる第１の検出電流を第１の増幅回路により電流／電圧変換して増幅し、第１の出力電圧とし、他方の受光素子を流れる第２の検出電流を第２の増幅回路により電流／電圧変換して増幅し、第２の出力電圧とし、第１および第２の出力電圧を比較器へ入力し、矩形波の信号を得る光学式ロータリエンコーダにおいて、第１の増幅回路と第２の増幅回路の各基準側電圧を、２つの受光素子からの信号を合成した合成信号に基づく合成電圧から得た電圧としている。
【００１６】
このように、第１および第２の増幅回路の基準側電圧を、２つの受光素子による合成電圧から得た電圧としたので、２つの受光素子の検出電流の位相差が１８０度からずれても信号補正がなされ、１８０度位相を有する出力電圧を得ることができる。
【００１７】
また、他の発明は、上述の発明の光学式ロータリエンコーダに加え、合成電圧から得る電圧を合成信号に基づく電圧の中間値の電圧としている。このため、中間値の電圧をそのまま基準側電圧として利用するという簡単な構成で、１８０度位相差を有する出力電圧が得られる。
【００１８】
また、他の発明は、発光素子と受光素子との間に可動板を設け、この可動板のスリットを通過または可動板の反射縞で反射した発光素子からの光をスリットまたは反射縞に対して１８０度の位相差を持つように配置した２個の受光素子で受光し、一方の受光素子を流れる第１の検出電流を一方の増幅回路により電流／電圧変換して増幅し、第１の出力電圧とし、他方の受光素子を流れる第２の検出電流を他方の増幅回路により電流／電圧変換して増幅し、第２の出力電圧とし、第１および第２の出力電圧を利用して、矩形波の信号を得る光学式ロータリエンコーダにおいて、一方の増幅回路は、一方の受光素子の電流を電圧変換する第１の増幅回路の出力を第３の増幅回路に入力する構成とし、他方の増幅回路は、他方の受光素子の電流を電圧変換する第２の増幅回路の出力を第４の増幅回路に入力する構成とすると共に、第１および第２の増幅回路の各出力部を抵抗を介して接続し、抵抗値が同じ値となる抵抗部分からそれぞれ第１および第２の増幅回路の入力に帰還させ、さらに第３および第４の増幅回路の各基準側電圧を、第１および第２の増幅回路からの合成信号の中間の合成電圧とし、第３および第４の増幅回路からの出力電圧を第１および第２の出力電圧とし、両電圧を比較器へ入力し、矩形波の信号を得るようにしている。
【００１９】
このように、第３および第４の増幅回路の基準側電圧を、１８０度位相差を有する出力電圧の合成信号の中間値としたので、第１および第２の増幅回路からの出力電圧の位相差が１８０度からずれても信号補正がなされ、１８０度位相を有する出力電圧を得ることができる。さらに、第１および第２の増幅回路の各出力部を抵抗を介して接続し、抵抗値が同じ値となる抵抗部分からそれぞれ第１および第２の増幅回路の入力に帰還させているので、この回路が差動入力差動出力型電流−電圧変換回路となり、光の漏れによる電圧を小さくして、正しい検出電圧を十分大きなものとして増幅できることとなる。
【００２０】
さらに、他の発明は、発光素子と受光素子との間に可動板を設け、この可動板のスリットを通過または可動板の反射縞で反射した発光素子からの光をスリットまたは反射縞に対して１８０度の位相差を持つように配置した２個の受光素子で受光し、一方の受光素子を流れる第１の検出電流を第１の増幅回路により電流／電圧変換して増幅し、第１の出力電圧とし、他方の受光素子を流れる第２の検出電流を第２の増幅回路により電流／電圧変換して増幅し、第２の出力電圧とし、第１および第２の出力電圧を利用して、矩形波の信号を得る光学式ロータリエンコーダにおいて、第１および第２の増幅回路の各基準側電圧を２つの受光素子からの信号を合成した合成信号から得られる合成電圧の中間値の電圧とし、第１および第２の増幅回路の各出力部を抵抗を介して接続し、抵抗値が同じ値となる抵抗部分からそれぞれの各出力を第１および第２の増幅回路の入力に帰還させている。
【００２１】
このように、第１および第２の増幅回路の基準側電圧を、２つの受光素子から得られる合成電圧の中間値としたので、受光素子の検知電流の位相差が１８０度からずれても信号補正がなされ、１８０度位相を有する出力電圧を得ることができる。さらに、第１および第２の増幅回路の各出力部を抵抗を介して接続し、抵抗値が同じ値となる抵抗部分からそれぞれの各出力を第１および第２の増幅回路の入力に帰還させているので、この回路が差動入力差動出力型電流−電圧変換回路となり、光の漏れによる電圧を小さくして正しい検出電圧を十分大きなものとして増幅できる。
【００２２】
また、他の発明は、上述の各発明の光学式ロータリエンコーダに加えて、合成するための各信号の出力部を接続用抵抗を介して接続すると共に、その中間部を接地用抵抗を介して接地し、接続用抵抗と接地用抵抗との合計抵抗の中間部分から基準側電圧を取り出している。このように、抵抗を介しての接続によって合成電圧を得ると共に、その合成電圧が抵抗分圧という簡単な構成によって基準側電圧を得ているので、低コスト化も可能となる。
【００２３】
さらに、他の発明は、上述の各発明に加え、請求項１から５のいずれか１項記載の回路構成を２つ並列に設け、９０度位相差を有する２つの矩形波を得、その２つの矩形波を排他的論理和回路に入力させ、２逓倍化した矩形波信号を得ている。このため、いわゆるＡ相信号もＢ相信号も１８０度位相差の出力電圧から得ることができ、２逓倍化が正しく行われる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態の光学式ロータリエンコーダを図１から図７に基づき説明する。なお、この光学式ロータリエンコーダは図８から図１２に示す従来の光学式ロータリエンコーダと同様に、固定スリット板と、可動板となる回転スリット板とを２個の発光素子と４個の受光素子との間に配置する構成となっている。ただし、発光素子は１個または４個等他の個数としても良く、また、必要に応じて固定スリット板を設けないようにしても良い。
【００２５】
光学式ロータリエンコーダ１は、ハウジング本体２を有し、被検回転体が取り付けられる回転シャフト３が軸受４を介してハウジング本体２に対し回転可能に取り付けられている。ハウジング本体２には、プリント基板５が取り付けられ、プリント基板５には前面にレンズを設けた２つの発光素子６，６が取り付けられている。この発光素子６，６は、先に示した発光素子１０１，１０２に相当し、所定の発散角度を持つ赤外線発光ダイオードとされているが、他の種類の電気−光変換素子としても良い。
【００２６】
回転シャフト３には、可動板となる回転スリット板７が取り付けられ、一方、ハウジング本体２には、固定スリット板８が固定されている。回転スリット板７と固定スリット板８を挟んで、発光素子６と対向する位置に４つの受光素子２２，２３，２４，２５を有する受光板９が円形の回路基板１０に取り付けられている。なお、この回路基板１０は、ハウジング本体２に固定されたスタッド１１に保持されている。
【００２７】
回転スリット板７は、先に示した回転スリット板１０７と同様に、等しい幅と間隔で交互に配置される遮蔽部とスリット（共に図示省略）を有している。固定スリット板８は、先に示した固定スリット板１０８と同様に、一方の発光素子６に対して２つの受光素子２２，２３からの検出信号が１８０度位相差を持つように遮蔽部とスリット（共に図示省略）が形成され、他方の発光素子６に対しても残り２つの受光素子２４，２５からの検出信号が１８０度位相差を持つと共に先の検出信号に対して９０度位相差を持つように遮蔽部とスリット（共に図示省略）が形成されている。これらの関係は、図９に示した従来のものと同様となっている。
【００２８】
回路基板１０の受光板９の取り付け面と反対側の面には、ＩＣや抵抗やソケット等の電子部品１２が実装され、これらの電子部品１２、発光素子６、回転スリット板７、固定スリット板８、受光板９、回路基板１０等を覆うようにカバー１３がハウジング本体２に固定されている。この固定の際、密閉性を上げるためにハウジング本体２の外周面に円形状に設けた溝１４内にＯリング１５が嵌合されている。
【００２９】
なお、軸受４からのオイルミストの外部への飛散と、外部の汚れが光学式ロータリエンコーダ１内へ侵入してくるのを防ぐため、オイルシール１６が回転シャフト３を囲むように、該回転シャフト３とハウジング本体２との間に配置されている。また、検出された信号を外部機器に供給すると共に内部の回路を動作させるための電力供給用のリード線等を有するシールドケーブル１７が、カバー１３を通過するように取り付けられている。
【００３０】
以上のような構成を有する光学式ロータリエンコーダ１において、矩形波を得る回路２１を図２に示す。この図２の回路２１は、図１１に示したクロック信号Ｖ７を得るためのクロック信号取得用の回路であり、光学式ロータリエンコーダ１が保有する回路の一部となっている。なお、以後において、各信号に付与する符号は、従来と同一部分からの信号については同一の符号を利用して説明することとする。また、回路２１中の丸付き数字は、後述する出力電圧等の検知ポイントを示す。
【００３１】
このクロック信号取得のための回路２１は、それぞれがフォトダイオードからなる４つの受光素子２２，２３，２４，２５を有し、排他的論理和回路（ＸＯＲ回路）２６によってクロック信号Ｖ７を得るものとなっている。受光素子２２，２３は、Ａ相信号Ｖ５を生成するためのもので、受光素子２４，２５は、Ｂ相信号Ｖ６を生成するためのものとなっている。受光素子２２，２３からの各出力部には、検出電流を合成するため両者間を接続する２つの同一値の抵抗２７，２８が設けられ、受光素子２４，２５の各出力部間には、同様の抵抗２９，３０が用いられている。この実施の形態では、抵抗２７，２８，２９，３０の値を各１ＫΩとしている。
【００３２】
抵抗２７，２８の接続点は、直列の同一値を有する抵抗３１，３２を介して接地され、抵抗２９，３０の接続点は、直列の同一値を有する抵抗３３，３４を介して接地されている。なお、抵抗３１，３２，３３，３４は、この実施の形態では１００ＫΩとされている。
【００３３】
受光素子２２の出力端は、上述のように抵抗２７に接続されると共に第１の増幅回路となる反転増幅回路３５の反転入力端子に接続されている。このため、受光素子２２からの第１の検出電流となる電流は、その反転入力端子に向かって流れていく。受光素子２３の出力端は、抵抗２８に接続されると共に第２の増幅回路となる反転増幅回路３６の反転入力端子に接続されている。この結果、受光素子２３からの第２の検出電流となる電流は、その反転入力端子に向かって流れていく。
【００３４】
反転増幅回路３５，３６の各非反転入力端子は、抵抗３１，３２の間の接続点に接続されている。このため、受光素子２２，２３からの出力電流は合成された後、得られる合成電圧のほぼ中間の大きさとなる電圧として反転増幅回路３５，３６に入力する。この入力信号は、従来の回路における基準側電圧と同様の作用をする。
【００３５】
受光素子２４の出力端は、上述のように抵抗２９に接続されると共に反転増幅回路３７の反転入力端子に接続されている。受光素子２５の出力端は、上述のように抵抗３０に接続されると共に反転増幅回路３８の反転入力端子に接続されている。
【００３６】
反転増幅回路３７，３８の各非反転入力端子は、抵抗３３，３４の接続点に接続されている。このため、受光素子２４，２５からの出力電流は、合成された後、得られる合成電圧のほぼ中間の大きさとなる電圧として反転増幅回路３７，３８に入力する。この入力信号も従来の回路における基準側電圧と同様の作用となる。なお、反転増幅回路３５，３６は同一の特性を有し、反転増幅回路３７，３８も同一の特性を有している。この実施の形態では、４つの反転増幅回路３５，３６，３７，３８をすべて演算増幅器とすると共に特性を同一としている。
【００３７】
各反転増幅回路３５，３６，３７，３８の出力端と反転入力端子との間にそれぞれ帰還抵抗３９，４０，４１，４２が設けられており、この抵抗によって電流を電圧に変換すると共に増幅している。この帰還抵抗３９，４０，４１，４２は、その値を大きくすると電圧増幅率が大きくなり、値を小さくすると増幅率は小さくなる。この実施の形態ではそれぞれ１ＫΩとしている。なお、反転増幅回路３５，３６，３７，３８には、電源電圧ＶＣＣが印加されている。この電源電圧ＶＣＣは、各受光素子２２，２３，２４，２５にも印加されている。この実施の形態では、電源電圧ＶＣＣを５Ｖとしている。
【００３８】
反転増幅回路３５の出力端は、比較器となるコンパレータ４３の反転入力端子に接続され、反転増幅回路３６の出力端は、抵抗４４を介して非反転入力端子に接続される。コンパレータ４３の出力端と電源電圧ＶＣＣのプラス電源との間には、出力抵抗４５が配置されている。また、出力端と非反転入力端子との間に正帰還抵抗４６が接続され、抵抗４４と共に差分値のチャタリングを防止している。
【００３９】
反転増幅回路３７の出力端は、比較器となるコンパレータ４７の反転入力端子に接続され、反転増幅回路３８の出力端は、抵抗４８を介して非反転入力端子に接続される。コンパレータ４７の出力端と電源電圧ＶＣＣのプラス電源との間には出力抵抗４９が配置されている。また、出力端と非反転入力端子との間に正帰還抵抗５０が接続され、抵抗４８と共に差分値のチャタリングを防止している。
ここで、抵抗４４，４８、抵抗４５，４９、抵抗４６，５０は、それぞれ同一の抵抗値を持つものとしている。
【００４０】
両コンパレータ４３，４７の各出力は、ＸＯＲ回路２６に入り、２逓倍のクロック信号Ｖ７を得ている。
【００４１】
回路２１の各点における信号は、図３および図４等に示すとおりとなる。受光素子２２からの出力電流Ｉａ１（回路２１中の▲１▼で示す部分の信号）と受光素子２３からの出力電流Ｉａ２（回路２１中の▲２▼で示す部分の信号）を図３に示す。
この図３では、両出力電流Ｉａ１，Ｉａ２が完全な１８０度位相差を持たず、わずかにずれている。これは、先に説明したように、組み立て誤差や発光素子６，６からの光の非平行化等によるものである。なお、受光素子２４，２５からの出力電流も出力電流Ｉａ１，Ｉａ２と同様に９０度位相差を持つと共に図３に示すように位相がずれているとする。
【００４２】
このような位相ずれが生じていると、従来の回路では出力電圧Ｖ１，Ｖ２や出力電圧Ｖ３，Ｖ４は、図１２（Ａ）に示すようにずれたものとなってしまう。しかし、この回路２１では、従来と異なり、この位相ずれを補正することができる。
【００４３】
すなわち、抵抗３１，３２の接続点の信号Ｖａ１（回路２１中の▲５▼で示す部分の信号）は、図４に示すように、両受光素子２２，２３による電流と、抵抗２７，２８，３１，３２とで生ずる電圧の中間信号となる。この中間信号は、電流Ｉａ１，Ｉａ２が１８０度位相であると一定となるが、図３のようにずれていると、図４（Ａ）のようにサイン波形状の信号となる。同様に、回路２１中の▲６▼で示す部分の信号、すなわち抵抗３３，３４の接続点の信号（信号Ｖａ１に対して９０度の位相差を持つ信号となる）は、受光素子２４，２５からの検出電流が１８０度位相差に対してずれていると、それらの出力電流と各抵抗２９，３０，３３，３４によって、サイン波形的信号となる。
【００４４】
この中間値となる信号Ｖａ１を反転増幅回路３５，３６の基準側電圧として入力させることによって、反転増幅回路３５と反転増幅回路３６からは完全に１８０度位相差の出力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２が出力される。すなわち、両出力電圧Ｖ１，Ｖ２は、図４（Ａ）に示すように、完全に１８０度の位相差を有する波形となる。反転増幅回路３７，３８の出力も、図４（Ａ）と同様に１８０度位相差を有する波形となると共に出力電圧Ｖ１，Ｖ２に対して９０度位相差を有する信号となる。なお、図４（Ａ）中、信号Ｖａ１と出力電圧Ｖ１，Ｖ２の電圧を同じ単位で表示しているが、実際は、信号Ｖａ１はほんのわずかな変動を持つものとなる。
【００４５】
この結果、コンパレータ４３によって、両出力電圧、Ｖ１，Ｖ２のクロス点Ｐ１を半周期とした、図４（Ｂ）に示すようなＡ相信号Ｖ５が出力される。同様にして、コンパレータ４７によって、両出力電圧Ｖ３，Ｖ４のクロス点（以下クロス点Ｐ２というが図示は省略する）の各位置を半周期としたＢ相信号Ｖ６が出力される。このとき、クロス点Ｐ１とクロス点Ｐ２は、常に９０度位相ずれた位置となる。この結果、Ａ相信号Ｖ５とＢ相信号Ｖ６は、９０度位相ずれた信号となり、ＸＯＲ回路２６によってデューティが５０対５０の２逓倍化されたクロック信号Ｖ７を得ることができる。
【００４６】
また、出力電圧Ｖ１，Ｖ２が１８０度位相ずれたものとなり、同様に出力電圧Ｖ３，Ｖ４が１８０度位相ずれたものとなるため、各出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を利用して４逓倍するための信号を生成する場合も、回路的に十分動作するものとなり、４逓倍化が正しく実行される。
【００４７】
次に、以上のような位相ずれを補正できる上に、さらに受光素子２２，２３，２４，２５で発生するノイズに対し強くなる回路を図５に基づいて説明する。なお、先に示した図１等で使用した部品と同様の部品には同一の符号を付すと共に説明を省略または簡略化することとする。また、コンパレータ４３に相当するコンパレータ５２でＡ相信号Ｖ５を生成する部分のみを説明し、他の回路部分は同等であるため、説明および図示を省略する。
【００４８】
この図５に示す第２の実施の形態の回路５１は、反転増幅回路３５，３６の非反転入力端子に一定の基準電圧を入力している。この基準電圧は、電源電圧ＶＣＣ、ここでは５Ｖの電圧を抵抗５３，５４で分圧して得ている。反転増幅回路３５，３６の出力端は、抵抗５５、可変抵抗５６、抵抗５７で接続されている。そして、抵抗５５と抵抗５８を介して反転増幅回路３５の出力を負帰還している。
同様に、抵抗５７と可変抵抗５９と抵抗６０を介して反転増幅回路３６の出力を負帰還している。なお、抵抗５５と抵抗５７とは同一の抵抗値としている。
【００４９】
抵抗５８と並列にコンデンサ６１と抵抗６２が直列接続され、ローパスフィルタを形成している。また、抵抗５９，６０と並列にコンデンサ６３と抵抗６４が直列接続され、同様にローパスフィルタを形成している。なお、これらのローパスフィルタは、必要により配置されるもので、必ずしも必要としない。また、可変抵抗５９は、反転増幅回路３６を反転増幅回路３５の特性に合わせるために微調整されるためのものとなっている。
【００５０】
反転増幅回路３５，３６と、各抵抗５５，５６，５７，５８，５９，６０とで、差動入力差動出力型電流−電圧変換回路を構成している。この差動入力差動出力型電流−電圧変換回路は、受光素子２２，２３へ入力してくる漏れ光による電圧を小さくして真の検出電圧を十分な大きさに増幅させる機能を有している。なお、抵抗５８を、抵抗５５，５６，５７より十分大きな値としている。同様に抵抗５９，６０の合計抵抗を、抵抗５５，５６，５７より十分大きな値としている。
【００５１】
すなわち、一般的に光学式ロータリエンコーダの分解能を上げようとすると、回転スリット板のスリットの数を増加させなければならない。そうすると、わずかな組立誤差によって先に示したような位相ずれが発生すると共に、光の漏れ光も多くなる。すなわち、スリットの数が少ないと、受光素子２２，２３，２４，２５に入光する光は、開口している部分からの本来の光のみとなるが、スリット数が多くなると隣接している本来の入光でない光である回析光も受光するようになる。この漏れ光は、スリットの数が多くなればなるほど多くなる。このため、検出電圧全体に対する漏れ光による電圧値の割合が多くなる。この漏れ光は、遮蔽部が受光素子に対向している場合も発生するので、一種のオフセット値となるものである。
【００５２】
従来の単なる演算増幅器の構成であると、真の電圧値と共に漏れ光の電圧値も増幅されてしまう。しかし、この差動入力差動出力型電流−電圧変換回路を採用すると、光の漏れ光の電圧値が相対的に小さくなり、真の検出電圧を十分大きな値に増幅することができる。
【００５３】
回路５１は、このような差動入力差動出力型電流−電圧変換回路に加え、先に説明した位相ずれ補正回路を付加しているものである。具体的には、抵抗５５と可変抵抗５６の接続点と、抵抗５７と可変抵抗５６の接続点の間に可変抵抗５６と並列に抵抗６５，６６を直列接続し、その中間に抵抗６７を接続し、抵抗６７の他方を接地している。抵抗６５，６６，６７は、同一値でかつ抵抗５５，５７に比べ十分大きな抵抗値を有するものとしている。
【００５４】
抵抗６５，６６の接続点の電圧は、反転増幅回路７１，７２の非反転入力端子に入力され基準電圧として利用される。この基準電圧は、反転増幅回路３５，３６の各出力電圧が１８０度位相差を有するときは所定の一定値の電圧となるが、位相がずれているときは、図４（Ａ）に示す信号Ｖａ１と同様にサイン波形状となる。このため、反転増幅回路７１，７２の各反転入力端子に入力する各電圧が１８０度位相差からずれていても、反転増幅回路７１，７２から増幅して出力される電圧は、図４（Ａ）に示す出力電圧Ｖ１，Ｖ２と同様に１８０度位相差を有する各出力電圧となる。
【００５５】
次に、ずれの補正回路を受光素子のすぐ後にもってきて、その後に差動入力差動出力型電流−電圧変換回路を設けた第３の実施の形態を図６に基づいて説明する。なお、先の２つの実施の形態中で示した部材と同種の部材には同一の符号を使用し、その説明を省略または簡略化する。また、Ａ相信号用の回路部分のみを示し、Ｂ相信号部分については省略する。
【００５６】
この第３の実施の形態の回路８１は、ずれ補正回路部分は、第１の実施の形態のクロック信号取得用の回路２１の構成を使用している。一方、差動入力差動出力型電流−電圧変換回路部分は、第２の実施の形態と同様の構成を使用し、可変抵抗５６の代わりに固定抵抗８２を使用している。また、可変抵抗５９と抵抗６０の部分に固定の抵抗８３を用いている。固定抵抗８２は他の固定抵抗５５，５７と同様に負帰還抵抗５８，８３に比べ、非常に小さな値のものとしている。
【００５７】
このため、１８０度位相差を有するように補正されかつ漏れ光の電圧を小さくされた各出力電圧Ｖ１，Ｖ２は、コンパレータ４３に入力し、Ａ相信号Ｖ５が生成される。このとき、コンパレータ４３の各入力端子間に、コンデンサ８４が配置され、高周波ノイズが除去されるようになっている。なお、コンパレータ４３の反転入力端子に出力電圧Ｖ２が入り、非反転入力端子に出力電圧Ｖ１が入力するように構成されているので、Ａ相信号Ｖ５は、図４（Ｂ）に示すＡ相信号Ｖ５に対し反転したものとなる。
【００５８】
次に、第１の実施の形態に対し、反転増幅回路部分やコンパレータ部分を第２の実施の形態の回路５１や第３の実施の形態の回路８１の構成を利用して並立した第４の実施の形態の回路９１を図７に基づいて説明する。お、先の３つの実施の形態中で示した部材と同種の部材には同一の符号を使用し、その説明を省略または簡略化する。また、Ａ相信号用の回路部分のみを示し、Ｂ相信号部分については省略する。
【００５９】
この第４の実施の形態の回路９１は、第１の実施の形態のクロック信号取得用の回路２１と同様に受光素子２２，２３からの電流波形が１８０度位相差を有しない場合にも、出力電圧Ｖ１，Ｖ２が１８０度位相差を有するようにしたものである。
【００６０】
なお、上述した各実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の例であるが、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更実施が可能である。たとえば、上述の各実施の形態では、受光素子２２，２３，２４，２５を逆バイアス電圧をかけたフォトダイオードとしたが、逆バイアスをかけない単なるフォトダイオードとしたり、フォトトランジスタとしたり、その他の光電材料としても良い。
【００６１】
また、受光する光がスリットを通過した光となる透過型光学式ロータリエンコーダに適用した例を説明したが、可動板から反射する光を受光する反射方式の光学式ロータリエンコーダに本発明を適用しても良い。また、固定スリット板８を回転スリット板７と受光板９との間に設けるようにしても良い。さらには、固定スリット板８を有さない光学式ロータリエンコーダにも本発明を適用することができる。
【００６２】
さらに、各実施の形態では、１８０度位相差の出力電圧を生成し、比較器によって、矩形波のＡ相信号とＢ相信号を得るようにした例を示したが、Ｂ相信号を生成しないものに適用したり、矩形波を得る前の回路部分に他の回路を付加したものに適用しても良い。また、Ａ相信号とＢ相信号から２逓倍のクロック信号を得るものや４つの出力電圧からＡ相信号やＢ相信号以外に他の信号を生成するものや４逓倍化する回路等にも本発明を適用することができる。
【００６３】
また、上述の実施の形態では、合成した信号から得られる電圧を基準側電圧として利用するに際し、抵抗分圧によってその中間値を得ている。しかし、従来の固定された基準電圧ではなく、ずれた位相の補正用に、従来の電圧をゼロとしたときに、合成電圧に対応するサイン波形的に動く電圧を得れば良く、必ずしも抵抗の中間から基準側電圧をとる必要はない。
【００６４】
さらに、本発明におけるずれ補正回路は、磁気抵抗素子等を利用する磁気式エンコーダにおいて、１８０度位相差のサイン波形を得る場合、両サイン波形から矩形波を得る場合にも使用することができる。また、増幅回路として、演算増幅器の一種である反転増幅回路３５，３６，３７，３８，７１，７２を使用したが、正相増幅回路の演算増幅器を使用したり、トランジスタやＦＥＴを１個のみ使用するトランジスタ基本増幅回路、ＦＥＴ基本増幅回路や、それらを組み合わせた組合せ増幅回路等を使用しても良い。
【００６５】
【発明の効果】
本発明の光学式ロータリエンコーダは、１８０度の位相差を有する出力信号を常に得ることができる。このため、スリット幅等を狭くしても正しい信号を得ることができ高分解能化と小型化が可能となる。また、受光素子からの電流が１８０度位相差からずれても１８０度位相差の出力電圧を得ることができ、２逓倍化や４逓倍化したクロック信号を、受光素子からの電流波形がずれても常に得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学式ロータリエンコーダの構成を示す断面図である。
【図２】図１の光学式ロータリエンコーダに使用されるクロック信号取得用の回路を示す図である。
【図３】図１および図２の光学式ロータリエンコーダに使用される１対の受光素子から得られる電流波形を示す図である。
【図４】図１および図２の光学式ロータリエンコーダから得られる出力信号を示す図で、（Ａ）は、図３の電流を合成して得られる電圧の中間値の電圧波形と、図３に示す電流が入力される増幅回路にその中間値の電圧が基準電圧として入力され、図３の電流波形が補正されて得られる１８０度位相差の出力電圧波形とを示す図で、（Ｂ）は、（Ａ）に示す１８０度位相差を有する出力電圧から得られるＡ相信号と、（Ａ）の１対の出力電圧に対して９０度位相がずれた１対の出力電圧から得られるＢ相信号を示す図である。
【図５】図１の光学式ロータリエンコーダに使用されるクロック信号取得用の回路の第２の実施の形態を示す図である。
【図６】図１の光学式ロータリエンコーダに使用されるクロック信号取得用の回路の第３の実施の形態を示す図である。
【図７】図１の光学式ロータリエンコーダに使用されるクロック信号取得用の回路の第４の実施の形態を示す図である。
【図８】本発明および従来の光学式ロータリエンコーダの原理を説明するための図で、発光素子、固定スリット板、回転スリット板、受光素子の配置関係を示す図である。
【図９】本発明および従来の光学式ロータリエンコーダの回転スリット板と固定スリット板の各スリットと遮蔽部の配置関係を説明するための原理図である。
【図１０】従来の光学式ロータリエンコーダの回路を示す図である。
【図１１】本発明および従来の光学式ロータリエンコーダで得られる理想の各出力波形を示す図で（Ａ）〜（Ｄ）は、４つの受光素子から得られる電流を電圧変換し増幅して得られる各出力電圧を示し、（Ｅ）は（Ａ）（Ｂ）の出力電圧から得られる矩形波形のＡ相信号で、（Ｆ）は（Ｃ）（Ｄ）の出力電圧から得られる矩形波形のＢ相信号で、（Ｇ）は（Ｅ）（Ｆ）から得られる２逓倍化されたクロック信号である。
【図１２】従来の光学式ロータリエンコーダを使用したとき、ずれた電流によって得られる各出力波形を示す図で、（Ａ）は１対の受光素子からの電流を電圧変換した後の出力電圧が１８０度位相差からずれた状態を示し、（Ｂ）は（Ａ）の各波形から得られる矩形波のＡ相信号で、（Ｃ）は他の１対の受光素子からの電流を電圧変換した後の１８０度位相差を有する出力電圧の状態を示し、（Ｄ）は（Ｃ）の各波形から得られる矩形波のＢ相信号で、（Ｅ）は（Ｂ）（Ｄ）から得られた２逓倍化されたクロック信号でデューティが５０対５０からずれた信号を示す図である。
【符号の説明】
１光学式ロータリエンコーダ
６発光素子
７回転スリット板（可動板）
８固定スリット板
９受光板
２１クロック信号取得用の回路
２２，２３，２４，２５受光素子
２６排他的論理和回路（ＸＯＲ回路）
３５反転増幅回路（第１の増幅回路）
３６反転増幅回路（第２の増幅回路）
４３コンパレータ（比較器）
Ｖ１第１の出力電圧
Ｖ２第２の出力電圧
Ｖ５Ａ相信号（矩形波の信号）
Ｖ６Ｂ相信号（矩形波の信号）
Ｖａ１中間信号（合成電圧の中間値の電圧）

Claims

発光素子と受光素子との間に可動板を設け、この可動板のスリットを通過または可動板の反射縞で反射した上記発光素子からの光を上記スリットまたは反射縞に対して１８０度の位相差を持つように配置した２個の上記受光素子で受光し、一方の受光素子を流れる第１の検出電流を第１の増幅回路により電流／電圧変換して増幅し、第１の出力電圧とし、他方の受光素子を流れる第２の検出電流を第２の増幅回路により電流／電圧変換して増幅し、第２の出力電圧とし、上記第１および第２の出力電圧を比較器へ入力し、矩形波の信号を得る光学式ロータリエンコーダにおいて、上記第１の増幅回路と上記第２の増幅回路の各基準側電圧を、上記２つの受光素子からの信号を合成した合成信号に基づく合成電圧から得た電圧としたことを特徴とする光学式ロータリエンコーダ。
前記合成電圧から得る電圧を、前記合成信号に基づく電圧の中間値の電圧としたことを特徴とする請求項１記載の光学式ロータリエンコーダ。
発光素子と受光素子との間に可動板を設け、この可動板のスリットを通過または可動板の反射縞で反射した上記発光素子からの光を上記スリットまたは反射縞に対して１８０度の位相差を持つように配置した２個の上記受光素子で受光し、一方の受光素子を流れる第１の検出電流を一方の増幅回路により電流／電圧変換して増幅し、第１の出力電圧とし、他方の受光素子を流れる第２の検出電流を他方の増幅回路により電流／電圧変換して増幅し、第２の出力電圧とし、上記第１および第２の出力電圧を利用して、矩形波の信号を得る光学式ロータリエンコーダにおいて、上記一方の増幅回路は、一方の受光素子の電流を電圧変換する第１の増幅回路の出力を第３の増幅回路に入力する構成とし、上記他方の増幅回路は、他方の受光素子の電流を電圧変換する第２の増幅回路の出力を第４の増幅回路に入力する構成とすると共に、上記第１および第２の増幅回路の各出力部を抵抗を介して接続し、抵抗値が同じ値となる抵抗部分からそれぞれ上記第１および第２の増幅回路の入力に帰還させ、さらに上記第３および第４の増幅回路の各基準側電圧を、上記第１および第２の増幅回路からの合成信号の中間の合成電圧とし、上記第３および第４の増幅回路からの出力電圧を上記第１および第２の出力電圧とし、両電圧を、比較器へ入力し、上記矩形波の信号を得るようにしたことを特徴とする光学式ロータリエンコーダ。
発光素子と受光素子との間に可動板を設け、この可動板のスリットを通過または可動板の反射縞で反射した上記発光素子からの光を上記スリットまたは反射縞に対して１８０度の位相差を持つように配置した２個の上記受光素子で受光し、一方の受光素子を流れる第１の検出電流を第１の増幅回路により電流／電圧変換して増幅し、第１の出力電圧とし、他方の受光素子を流れる第２の検出電流を第２の増幅回路により電流／電圧変換して増幅し、第２の出力電圧とし、上記第１および第２の出力電圧を利用して、矩形波の信号を得る光学式ロータリエンコーダにおいて、上記第１および第２の増幅回路の各基準側電圧を、上記２つの受光素子からの信号を合成した合成信号から得られる電圧の中間値の合成電圧とし、上記第１および第２の増幅回路の各出力部を抵抗を介して接続し、抵抗値が同じ値となる抵抗部分からそれぞれの各出力を上記第１および第２の増幅回路の入力に帰還させたことを特徴とする光学式ロータリエンコーダ。
前記合成するための各信号の出力部を接続用抵抗を介して接続すると共に、その中間部を接地用抵抗を介して接地し、接続用抵抗と接地用抵抗との合計抵抗の中間部分から前記基準側電圧を取り出していることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の光学式ロータリエンコーダ。
請求項１から５のいずれか１項記載の回路構成を２つ並列に設け、９０度位相差を有する２つの矩形波を得、その２つの矩形波を排他的論理和回路に入力させ、２逓倍化した矩形波信号を得ることを特徴とする光学式ロータリエンコーダ。