JP4715978B2 - 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位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６は、光学式ロータリエンコーダの構成図であり、図６（ａ）はその断面構成図、図６（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６（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している。
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７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６と図７とで共通の矢印６０１，６０２，６０３，６０４，６０５を用いて説明する。図６，図７の下方向はロータリエンコーダの中心方向６０１であり、上方向は外周方向６０２である。また、左右方向は円周方向６０３，６０４となる。
【０００６】
次に、受光素子７の構成について説明する。図７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７の左上側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１０１、および、図７の右上側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２０１、図７の左下側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３０１、および、図７の右下側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４０１を備えている。
【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６１（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、その周期ピッチ６１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。
【０００８】
また、α，β，γは適当な任意の整数とし、
Ａ群とＢ群の位相差（0.25Ｐ(距離62)）は（９０＋α×３６０）゜に、
Ａ群とＣ群の位相差（0.5Ｐ(距離63)）は（１８０＋β×３６０）゜に、
Ａ群とＤ群の位相差（0.75Ｐ(距離62＋距離63)）は（２７０＋γ×３６０）゜に、それぞれなるように配置する。
【０００９】
図７ではα＝β＝γ＝０の場合について図示されている。
検出用トラック５ａのスリット列の１周期ピッチＰが電気角３６０゜に対応する周期信号とし、２つの受光セルの１周期ピッチ６１（＝Ｐ）を電気角で３６０度とすると、Ａ群１０１の受光セル１６とＢ群２０１の受光セル２１の距離６２を０．２５Ｐとすることにより、Ａ群１０１とＢ群２０１との位相差は、９０゜の電気角の位相差に設定されている。
また、Ａ群１０１の受光セル１１とＣ群３０１の受光セル３１の距離６３を０．５Ｐとすることにより、Ａ群１０１とＣ群３０１との位相差は、１８０゜の電気角の位相差に設定されている。
また、Ｃ群３０１の受光セル３６とＤ群４０１の受光セル４１の距離６２を０．２５Ｐとすることにより、Ｃ群３０１とＤ群４０１との位相差は、９０゜の電気角の位相差に設定されている。
これからＡ群１０１とＤ群４０１との位相差は、２７０゜の電気角の位相差に設定される。
【００１０】
図８に、従来の受光セルアレイＡ群１０１，Ｂ群２０１，Ｃ群３０１，Ｄ群４０１およびその周辺部品の回路構成図を示す。図８において、Ａ群１０１，Ｂ群２０１，Ｃ群３０１，Ｄ群４０１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１０１のアノード側は電流電圧変換用抵抗１０３およびＣＰＵ（Central Processing Unit)１０００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１０３の他端は、グランドに接地されている。なお、受光セルアレイＢ群２０１，Ｃ群３０１，Ｄ群４０１についても電流電圧変換用抵抗２０３，３０３，４０３に接続され、受光セルアレイＡ群１０１と同様な回路構成になっている。
これら受光セルアレイＡ群１０１の各受光セル１１〜１６，Ｂ群２０１の各受光セル２１〜２６，Ｃ群３０１の各受光セル３１〜３６，Ｄ群４０１の各受光セル４１〜４６は、それぞれ電気的に並列に接続されている。
【００１１】
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６（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８で示すように電流電圧変換用抵抗１０３，２０３，３０３，４０３で電圧信号に変換され、ＣＰＵ１０００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ＣＰＵ１０００に取り込まれる。
【００１２】
図９にＣＰＵ１０００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１０３，２０３，３０３，４０３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角度を示す。
なお、Ａ相信号１１１は受光セルアレイＡ群１０１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２１１は受光セルアレイＢ群２０１からの光電流信号を、Ｃ相信号３１１は受光セルアレイＣ群３０１からの光電流信号を、Ｄ相信号４１１は受光セルアレイＤ群４０１からの光電流信号を、それぞれ電圧信号に変換したものである。
【００１３】
これら受光セルアレイＡ相信号１１１、Ｂ相信号２１１、Ｃ相信号３１１およびＤ相信号４１１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１１１を基準とし、Ａ相信号１１１とＢ相信号２１１とは９０゜の位相差、Ａ相信号１１１とＣ相信号３１１とは１８０゜の位相差、Ａ相信号１１１とＤ相信号４１１とは２７０゜の位相差を有しており、誤差等の影響を無視すると原理的には次の数式１のように表すことができる。
【００１４】
【数１】
【００１５】
IA はＡ相信号１１１、IBはＢ相信号２１１、IC はＣ相信号３１１、IDはＤ相信号４１１、XはＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ相信号の基準オフセット電圧、YはＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ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。
【００１６】
続いて、光学式ロータリエンコーダのスリット円板５が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９に示されるような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ＣＰＵ１０００に入力し、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上位信号となるパルス信号を生成する。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。
【００１７】
また、先の上位信号Ａ相信号IA、Ｂ相信号IB、Ｃ相信号IC 、および、Ｄ相信号IDを演算処理し、更に高分解能な下位信号を生成する。生成時にはＡ相信号IA、Ｂ相信号IB、Ｃ相信号IC 、および、Ｄ相信号IDからオフセット電圧量Xを除去するため、Ａ相信号IAとＣ相信号ICとの差、および、Ｂ相信号IBとＤ相信号IDとの差を求め、これら差信号の逆正接を計算する。すなわち下位信号は次の数式２のように表される。
【００１８】
【数２】
【００１９】
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。
【００２０】
【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 １１１、Ｂ相信号IB ２１１、Ｃ相信号IC ３１１、および、Ｄ相信号ID ４１１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。
【００２１】
例えば、図７において、Ａ群１０１，Ｂ群２０１，Ｃ群３０１，Ｄ群４０１の中央にＬＥＤがあるべきところ、Ａ群１０１に近づきＤ群４０１から離れるように（図７の矢印６０５方向）ずれて配置されていた場合、受光セルアレイＡ群１０１からの大きい光電流が、受光セルアレイＤ群４０１から小さい光電流が出力される。この場合、図９に示すように、Ａ相信号IA １１１は、基準オフセット５００からオフセットエラー量１３１だけずれ（総オフセット量１３０となる。）、また、信号振幅１２０は大きくなる。
逆に、Ｄ群のＤ相信号ID ４１１は、基準オフセット５００からオフセットエラー量４３１だけずれ（総オフセット量４３０となる）、信号振幅４２０は小さくなる。このような状態は次の数式３のように表される。
【００２２】
【数３】
【００２３】
ここで、ＩA，ＩB，ＩC，ＩDは各Ａ相信号１１１，Ｂ相信号２１１，Ｃ相信号３１１，Ｄ相信号４１１を示し、ＸはそれぞれＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ相信号の基準オフセット５００，Ｙは基準信号振幅成分を示す。また、ΔＸA１３１、ΔＸD４３１は、Ａ，Ｄ相信号の各オフセットエラーであり、ΔＹA、ΔＹDは、Ａ，Ｄ相信号の信号振幅エラー量である。
【００２４】
ここにΔＹA、ΔＹDは、図９に示すように、Ｂ相信号IB ２１１およびＣ相信号IC ３１１にオフセットエラー及び信号振幅エラーが発生しない（すなわち、基準オフセット及び基準信号振幅に変化がない。）場合では、Ａ相の信号振幅エラー量△ＹAはＡ相の信号振幅１２０とＣ相の信号振幅３２０との差となり、Ｄ相の信号振幅エラー量△ＹDは、Ｄ相の信号振幅４２０とＢ相信号振幅２２０との差になる。
【００２５】
さて、以上説明したように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の照明むらなどの影響により、オフセット電圧にはオフセット電圧誤差ΔXA ，ΔXD が、信号振幅には信号振幅誤差ΔYA ，ΔYD が発生し、これら誤差の影響によりＡ相信号IA およびＤ相信号IBが歪む。このため先の数式２で示した下位信号も歪みを生じてしまう。全体として上位信号および下位信号ともに精度が低いものになり、高精度な光学式ロータリエンコーダが得られなかった。
【００２６】
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。
【００２７】
【課題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は、発光素子と、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受光素子と、前記発光素子からの照射光を透過する複数のスリットを配置して透過と遮光とを行うようにしたスリット列を備える検出用トラックを有するスリット板と、を備える光学式エンコーダであって、
前記受光素子は、前記スリット列と対向する位置に配置され、前記スリット列と同じ周期ピッチで配置された複数個の受光セルを並列に接続したＡ群，Ｂ群，Ｃ群，Ｄ群，Ａ’群，Ｂ’群，Ｃ’群，Ｄ’群の受光セルアレイを備え、前記Ａ群，Ｂ群，Ｃ群，Ｄ群，Ａ’群，Ｂ’群，Ｃ’群，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、前記８群の受光セルアレイのうち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゜＋ｎ・３６０゜（ｎ＝０，１，２，・・・）となり、かつ、Ａ群とＡ’群、Ｂ群とＢ’群、Ｃ群とＣ’群、および、Ｄ群とＤ’群の位相差がそれぞれ電気角ｍ・３６０゜（ｍ＝０，１，２，・・・）となるように前記８群の受光セルアレイが配置され、前記Ａ群とＡ’群、Ｂ群とＢ’群、Ｃ群とＣ’群、およびＤ群とＤ’群の各受光セルアレイの出力をそれぞれ加算してオフセット電圧誤差および信号振幅誤差を相殺したＡ相信号，Ｂ相信号，Ｃ相信号，Ｄ相信号を出力することを特徴とする。
【００２８】
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に記載の光学式絶対値エンコーダにおいて、
前記１群の受光セルアレイは周期的に配置された複数の受光セルを有し、これら複数の受光セル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とすることを特徴とする。
【００２９】
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Ａ群とＡ’群、Ｂ群とＢ’群、Ｃ群とＣ’群、およびＤ群とＤ’群は、前記受光素子内部でそれぞれ電気的に並列に接続されていることを特徴とする。
【００３０】
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、
前記受光素子が固定される基板を備え、
前記Ａ群とＡ’群、Ｂ群とＢ’群、Ｃ群とＣ’群、およびＤ群とＤ’群は、前記受光素子外部の前記基板上でそれぞれ電気的に並列に接続されていることを特徴とする。
【００３１】
また、請求項５記載の光学式エンコーダによれば、
請求項１〜請求項４の何れか１項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位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。
【００３２】
また、請求項６記載の光学式エンコーダによれば、
請求項１〜請求項４の何れか１項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位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。
【００３３】
【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。
【００３４】
本実施形態の受光素子７００の構成について説明する。図２に本実施形態の受光素子７００の構成図を示す。図２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。詳しくは、図２の左側最上段の５個の受光セル１１〜１５から構成される受光セルアレイＡ群１０１、左側２段目の５個の受光セル２１〜２５から構成される受光セルアレイＢ群２０１、左側３段目の５個の受光セル３１〜３５から構成される受光セルアレイＣ群３０１、左側最低段の５個の受光セル４１〜４５から構成される受光セルアレイＤ群４０１、右側３段目の５個の受光セル１６〜２０から構成される受光セルアレイＡ’群１０２、右側最低段の５個の受光セル２６〜３０から構成される受光セルアレイＢ’群２０２、右側最上段の５個の受光セル３６〜４０から構成される受光セルアレイＣ’群３０２、右側２段目の５個の受光セル４６〜５０から構成される受光セルアレイＤ’群４０２を備えている。
これらの受光セルアレイＡ群１０１，Ｂ群２０１，Ｃ群３０１，Ｄ群４０１，Ａ’群１０２，Ｂ’群２０２，Ｃ’群３０２，Ｄ’群４０２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。
【００３５】
隣接する２つの受光セルの１周期ピッチ６１（＝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、距離６１はＰ、距離６２は０．２５Ｐ、距離６３は０．５Ｐの距離となる。
【００３６】
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α＝β＝γ＝０としたため、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。
【００３７】
同様に、
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α’＝β’＝γ’＝０としたため、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。
【００３８】
図２の左側最上段のＡ群１０１と、右側最上段のＣ’群３０２の位相差が１８０゜であるので、Ａ群１０１とＡ’群１０２との位相差は電気角で３６０゜になり、受光素子から得られるＡ群１０１及びＡ’群１０２の出力信号は、同位相の出力信号を得る。
同様に、Ｂ群２０１及びＢ’群２０２、Ｃ群３０１及びＣ’群３０２、Ｄ群４０１及びＤ’群４０２もそれぞれ同位相の出力信号を得る。
【００３９】
図３に、本実施形態の受光セルアレイＡ群１０１，Ｂ群２０１，Ｃ群３０１，Ｄ群４０１，Ａ’群１０２，Ｂ’群２０２，Ｃ’群３０２，Ｄ’群４０２およびその周辺部品の回路構成図を示す。図３において、Ａ群１０１，Ｂ群２０１，Ｃ群３０１，Ｄ群４０１，Ａ’群１０２，Ｂ’群２０２，Ｃ’群３０２，Ｄ’群４０２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。
【００４０】
Ａ群１０１およびＡ’群１０２のアノード側は電流電圧変換用抵抗１０３およびＣＰＵ１０００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１０３の他端は、グランドに接地されている。以下同様に、Ｂ群２０１およびＢ’群２０２が電流電圧変換用抵抗２０３に接続され、Ｃ群３０１およびＣ’群３０２が電流電圧変換用抵抗３０３に接続され、Ｄ群４０１およびＤ’群４０２が電流電圧変換用抵抗４０３に接続されている。これらはＡ群１０１およびＡ’群１０２と同様な回路構成になっている。
【００４１】
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１（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。
【００４２】
例えば、図２においてＢ群２０１，Ｄ’群４０２，Ｃ群３０１，Ａ’群１０２のほぼ中央にＬＥＤがあるべきところ、Ａ群１０１およびＢ群２０１に近づきＡ’群１０２およびＢ’群２０２から離れる（図２の矢印６０５の方向）ようにずれて配置されていた場合、受光セルＡ群１０１およびＢ群２０１から大きい光電流が、受光セルＡ’群１０２およびＢ’群２０２から小さい光電流が出力される。
【００４３】
この場合、先行技術のように受光セルアレイＡ群１０１，Ｂ群２０１，Ｃ群３０１，Ｄ群４０１，Ａ’群１０２，Ｂ’群２０２，Ｃ’群３０２，Ｄ’群４０２からは単独では図４に示すような信号を出力する。図４に示すように、Ａ相信号IA １１１およびＢ相信号IB ２１１は、基準オフセット５００からさらにオフセットエラー量のずれを生じ（総オフセット量１３１となる。）、かつＡ相の信号振幅１２１およびＢ相の信号振幅２２１は大きくなる。
逆に、Ａ’相信号IA' １２２およびＢ’相信号IB' ２２２は、基準オフセット５００からオフセットエラー量のずれを生じ（総オフセット量１３２となる）、かつＡ’相の信号振幅１２２およびＢ’相の信号振幅２２２は小さくなる。これは次の数式４で表される。
【００４４】
【数４】
【００４５】
この数式４からも明らかなように、受光セルアレイＡ群１０１の出力Ａ相信号１１１とＡ’群１０２の出力Ａ’相信号１１２を平均化するとＡ相のオフセット電圧誤差ΔXA およびＡ’相のオフセット電圧誤差ΔXA’が相殺してオフセット電圧誤差を低減する。
同様に、Ａ相の信号振幅誤差ΔYA およびＡ’相の信号振幅誤差ΔYA’が相殺して信号振幅誤差を低減する。
これらは受光セルアレイＢ群２０１の出力Ａ相信号２１１とＢ’群２０２の出力Ｂ’相信号２１２でも同様である。
【００４６】
このようなオフセット電圧誤差および信号振幅誤差の相殺を実現するため、図３で示すようにＡ群１０１の出力とＡ’群１０２の出力とが加算された後に、ＣＰＵ１０００へ出力される。同様にＢ群２０１の出力とＢ’群２０２の出力とが、Ｃ群３０１の出力とＣ’群３０２の出力とが、および、Ｄ群４０１の出力とＤ’群４０２の出力とが加算されたのちにＣＰＵ１０００へ出力される。
【００４７】
このような平均化処理により、図５に示すようなオフセット電圧誤差及び信号振幅誤差が平均化されて歪みの少ない４個の９０゜位相差の出力信号を得ることが出来る。これら平均化処理されたＡ相信号１１３，Ｂ相信号２１３，Ｃ相信号３１３，およびＤ相信号４１３は、それぞれ振幅およびオフセット量が一致したものとなる。
【００４８】
なお、本明細書では、Ｂ群２０１，Ｄ’群４０２，Ｃ群３０１，Ａ’群１０２の中央にＬＥＤがあるべきところ、Ａ群１０１およびＢ群２０１に近づきＡ’群１０２およびＢ’群２０２から離れるようにずれた場合を想定して説明した。しかしながら、これ以外の方向へずれたとしても、先に説明したのと同様な平均化作用が働いて、オフセット誤差及び振幅誤差が平均化された歪みの少ない４個の９０゜位相差の出力信号を得ることが出来る。
【００４９】
このようにＣＰＵ１０００には平均化処理されたＡ相信号IA 、Ｂ相信号IB、Ｃ相信号IC、または、Ｄ相信号IDが、図示しないＡ／Ｄ変換器を介して入力される。そして、上述の数式２に代入して先の上位信号より高分解能な下位信号である電気角θが生成される。
平均化処理により精度の高い上位信号と、この精度の高い上位信号から生成される同じく精度の高い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。
【００５０】
なお、本実施形態では、受光セルアレイＡ群１０１とＡ’群１０２とが、Ｂ群２０１とＢ’群２０２とが、Ｃ群３０１とＣ’群３０２とが、Ｄ群４０１とＤ’群４０２とが、図３で示すように、受光素子７００の外部で接続されているものであるが、受光素子７００の内部でこれらが予め接続されているような受光素子とすれば、プリント基板８上の配線を省くことができ、プリント基板８の小型化・低コスト化、ひいては光学式ロータリエンコーダ全体の小型化を実現することが可能となる。
【００５１】
以上、本実施形態の光学式ロータリエンコーダはＣＰＵ１０００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を出力することができる。
また、ＣＰＵ１０００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。
【００５２】
また、図示しないものの、ＣＰＵ１０００がＡ／Ｄ変換器を内蔵しないような形式であっても、ＣＰＵ１０００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実際のＣＰＵ１０００の実状に応じて適宜設計される。
【００５３】
なお、本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。
【００５４】
【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素子の構成図である。
【図３】本発明の実施形態の光学式ロータリエンコーダの受光セルアレイのＡ群，Ｂ群，Ｃ群，Ｄ群，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４】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各群から単独で出力された場合のアナログ電圧信号である。
【図５】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各群の出力を用いれ平均化の後に出力された場合のアナログ電圧信号である。
【図６】従来の光学式ロータリエンコーダの構成図である。
【図７】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８】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９】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
１０１ 受光セルアレイＡ群
２０１ 受光セルアレイＢ群
３０１ 受光セルアレイＣ群
４０１ 受光セルアレイＤ群
１０２ 受光セルアレイＡ’群
２０２ 受光セルアレイＢ’群
３０２ 受光セルアレイＣ’群
４０２ 受光セルアレイＤ’群
１１〜１５ 受光セル（Ａ群）
２１〜２５ 受光セル（Ｂ群）
３１〜３５ 受光セル（Ｃ群）
４１〜４５ 受光セル（Ｄ群）
１６〜２０ 受光セル（Ａ’群）
２６〜３０ 受光セル（Ｂ’群）
３６〜４０ 受光セル（Ｃ’群）
４６〜５０ 受光セル（Ｄ’群）
６１ セル間の周期ピッチＰ
６２ 距離（＝０．２５）
６３ 距離（＝０．５Ｐ）
１０３，２０３，３０３，４０３ 電流電圧変換用抵抗
１０００ ＣＰＵ
１１１ Ａ相信号
２１１ Ｂ相信号
３１１ Ｃ相信号
４１１ Ｄ相信号
１１２ Ａ’相信号
２１２ Ｂ’相信号
３１２ Ｃ’相信号
４１２ Ｄ’相信号
１２１ Ａ相の信号振幅
２２１ Ｂ相の信号振幅
１２２ Ａ’相の信号振幅
２２２ Ｂ’相の信号振幅
１３１ オフセットエラー量
１３２ オフセットエラー量
５００ 基準オフセット量
１１３ 平均化処理されたＡ相信号
２１３ 平均化処理されたＢ相信号
３１３ 平均化処理されたＣ相信号
４１３ 平均化処理された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位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６は、光学式ロータリエンコーダの構成図であり、図６（ａ）はその断面構成図、図６（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６（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している。
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７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６と図７とで共通の矢印６０１，６０２，６０３，６０４，６０５を用いて説明する。図６，図７の下方向はロータリエンコーダの中心方向６０１であり、上方向は外周方向６０２である。また、左右方向は円周方向６０３，６０４となる。
【０００６】
次に、受光素子７の構成について説明する。図７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７の左上側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１０１、および、図７の右上側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２０１、図７の左下側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３０１、および、図７の右下側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４０１を備えている。
【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６１（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、その周期ピッチ６１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。
【０００８】
また、α，β，γは適当な任意の整数とし、
Ａ群とＢ群の位相差（0.25Ｐ(距離62)）は（９０＋α×３６０）゜に、
Ａ群とＣ群の位相差（0.5Ｐ(距離63)）は（１８０＋β×３６０）゜に、
Ａ群とＤ群の位相差（0.75Ｐ(距離62＋距離63)）は（２７０＋γ×３６０）゜に、それぞれなるように配置する。
【０００９】
図７ではα＝β＝γ＝０の場合について図示されている。
検出用トラック５ａのスリット列の１周期ピッチＰが電気角３６０゜に対応する周期信号とし、２つの受光セルの１周期ピッチ６１（＝Ｐ）を電気角で３６０度とすると、Ａ群１０１の受光セル１６とＢ群２０１の受光セル２１の距離６２を０．２５Ｐとすることにより、Ａ群１０１とＢ群２０１との位相差は、９０゜の電気角の位相差に設定されている。
また、Ａ群１０１の受光セル１１とＣ群３０１の受光セル３１の距離６３を０．５Ｐとすることにより、Ａ群１０１とＣ群３０１との位相差は、１８０゜の電気角の位相差に設定されている。
また、Ｃ群３０１の受光セル３６とＤ群４０１の受光セル４１の距離６２を０．２５Ｐとすることにより、Ｃ群３０１とＤ群４０１との位相差は、９０゜の電気角の位相差に設定されている。
これからＡ群１０１とＤ群４０１との位相差は、２７０゜の電気角の位相差に設定される。
【００１０】
図８に、従来の受光セルアレイＡ群１０１，Ｂ群２０１，Ｃ群３０１，Ｄ群４０１およびその周辺部品の回路構成図を示す。図８において、Ａ群１０１，Ｂ群２０１，Ｃ群３０１，Ｄ群４０１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１０１のアノード側は電流電圧変換用抵抗１０３およびＣＰＵ（Central Processing Unit)１０００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１０３の他端は、グランドに接地されている。なお、受光セルアレイＢ群２０１，Ｃ群３０１，Ｄ群４０１についても電流電圧変換用抵抗２０３，３０３，４０３に接続され、受光セルアレイＡ群１０１と同様な回路構成になっている。
これら受光セルアレイＡ群１０１の各受光セル１１〜１６，Ｂ群２０１の各受光セル２１〜２６，Ｃ群３０１の各受光セル３１〜３６，Ｄ群４０１の各受光セル４１〜４６は、それぞれ電気的に並列に接続されている。
【００１１】
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６（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８で示すように電流電圧変換用抵抗１０３，２０３，３０３，４０３で電圧信号に変換され、ＣＰＵ１０００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ＣＰＵ１０００に取り込まれる。
【００１２】
図９にＣＰＵ１０００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１０３，２０３，３０３，４０３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角度を示す。
なお、Ａ相信号１１１は受光セルアレイＡ群１０１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２１１は受光セルアレイＢ群２０１からの光電流信号を、Ｃ相信号３１１は受光セルアレイＣ群３０１からの光電流信号を、Ｄ相信号４１１は受光セルアレイＤ群４０１からの光電流信号を、それぞれ電圧信号に変換したものである。
【００１３】
これら受光セルアレイＡ相信号１１１、Ｂ相信号２１１、Ｃ相信号３１１およびＤ相信号４１１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１１１を基準とし、Ａ相信号１１１とＢ相信号２１１とは９０゜の位相差、Ａ相信号１１１とＣ相信号３１１とは１８０゜の位相差、Ａ相信号１１１とＤ相信号４１１とは２７０゜の位相差を有しており、誤差等の影響を無視すると原理的には次の数式１のように表すことができる。
【００１４】
【数１】
IA はＡ相信号１１１、IBはＢ相信号２１１、IC はＣ相信号３１１、IDはＤ相信号４１１、XはＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ相信号の基準オフセット電圧、YはＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ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。
【００１６】
続いて、光学式ロータリエンコーダのスリット円板５が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９に示されるような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ＣＰＵ１０００に入力し、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上位信号となるパルス信号を生成する。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。
【００１７】
また、先の上位信号Ａ相信号IA、Ｂ相信号IB、Ｃ相信号IC 、および、Ｄ相信号IDを演算処理し、更に高分解能な下位信号を生成する。生成時にはＡ相信号IA、Ｂ相信号IB、Ｃ相信号IC 、および、Ｄ相信号IDからオフセット電圧量Xを除去するため、Ａ相信号IAとＣ相信号ICとの差、および、Ｂ相信号IBとＤ相信号IDとの差を求め、これら差信号の逆正接を計算する。すなわち下位信号は次の数式２のように表される。
【００１８】
【数２】
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。
【００２０】
【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 １１１、Ｂ相信号IB ２１１、Ｃ相信号IC ３１１、および、Ｄ相信号ID ４１１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。
【００２１】
例えば、図７において、Ａ群１０１，Ｂ群２０１，Ｃ群３０１，Ｄ群４０１の中央にＬＥＤがあるべきところ、Ａ群１０１に近づきＤ群４０１から離れるように（図７の矢印６０５方向）ずれて配置されていた場合、受光セルアレイＡ群１０１からの大きい光電流が、受光セルアレイＤ群４０１から小さい光電流が出力される。この場合、図９に示すように、Ａ相信号IA １１１は、基準オフセット５００からオフセットエラー量１３１だけずれ（総オフセット量１３０となる。）、また、信号振幅１２０は大きくなる。
逆に、Ｄ群のＤ相信号ID ４１１は、基準オフセット５００からオフセットエラー量４３１だけずれ（総オフセット量４３０となる）、信号振幅４２０は小さくなる。このような状態は次の数式３のように表される。
【００２２】
【数３】
ここで、ＩA，ＩB，ＩC，ＩDは各Ａ相信号１１１，Ｂ相信号２１１，Ｃ相信号３１１，Ｄ相信号４１１を示し、ＸはそれぞれＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ相信号の基準オフセット５００，Ｙは基準信号振幅成分を示す。また、ΔＸA１３１、ΔＸD４３１は、Ａ，Ｄ相信号の各オフセットエラーであり、ΔＹA、ΔＹDは、Ａ，Ｄ相信号の信号振幅エラー量である。
【００２４】
ここにΔＹA、ΔＹDは、図９に示すように、Ｂ相信号IB ２１１およびＣ相信号IC ３１１にオフセットエラー及び信号振幅エラーが発生しない（すなわち、基準オフセット及び基準信号振幅に変化がない。）場合では、Ａ相の信号振幅エラー量△ＹAはＡ相の信号振幅１２０とＣ相の信号振幅３２０との差となり、Ｄ相の信号振幅エラー量△ＹDは、Ｄ相の信号振幅４２０とＢ相信号振幅２２０との差になる。
【００２５】
さて、以上説明したように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の照明むらなどの影響により、オフセット電圧にはオフセット電圧誤差ΔXA ，ΔXD が、信号振幅には信号振幅誤差ΔYA ，ΔYD が発生し、これら誤差の影響によりＡ相信号IA およびＤ相信号IBが歪む。このため先の数式２で示した下位信号も歪みを生じてしまう。全体として上位信号および下位信号ともに精度が低いものになり、高精度な光学式ロータリエンコーダが得られなかった。
【００２６】
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。
【００２７】
【課題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は、発光素子と、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受光素子と、前記発光素子からの照射光を透過する複数のスリットを配置して透過と遮光とを行うようにしたスリット列を備える検出用トラックを有するスリット板と、を備える光学式エンコーダであって、
前記受光素子は、前記スリット列と対向する位置に配置され、前記スリット列と同じ周期ピッチで配置された複数個の受光セルを並列に接続したＡ群，Ｂ群，Ｃ群，Ｄ群，Ａ’群，Ｂ’群，Ｃ’群，Ｄ’群の受光セルアレイを備え、前記Ａ群，Ｂ群，Ｃ群，Ｄ群，Ａ’群，Ｂ’群，Ｃ’群，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、前記８群の受光セルアレイのうち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゜＋ｎ・３６０゜（ｎ＝０，１，２，・・・）となり、かつ、Ａ群とＡ’群、Ｂ群とＢ’群、Ｃ群とＣ’群、および、Ｄ群とＤ’群の位相差がそれぞれ電気角ｍ・３６０゜（ｍ＝０，１，２，・・・）となるように前記８群の受光セルアレイが配置され、前記Ａ群とＡ’群、Ｂ群とＢ’群、Ｃ群とＣ’群、およびＤ群とＤ’群の各受光セルアレイの出力をそれぞれ加算してオフセット電圧誤差および信号振幅誤差を相殺したＡ相信号，Ｂ相信号，Ｃ相信号，Ｄ相信号を出力することを特徴とする。
【００２８】
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に記載の光学式絶対値エンコーダにおいて、
前記１群の受光セルアレイは周期的に配置された複数の受光セルを有し、これら複数の受光セル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とすることを特徴とする。
【００２９】
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Ａ群とＡ’群、Ｂ群とＢ’群、Ｃ群とＣ’群、およびＤ群とＤ’群は、前記受光素子内部でそれぞれ電気的に並列に接続されていることを特徴とする。
【００３０】
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、
前記受光素子が固定される基板を備え、
前記Ａ群とＡ’群、Ｂ群とＢ’群、Ｃ群とＣ’群、およびＤ群とＤ’群は、前記受光素子外部の前記基板上でそれぞれ電気的に並列に接続されていることを特徴とする。
【００３１】
また、請求項５記載の光学式エンコーダによれば、
請求項１〜請求項４の何れか１項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位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。
【００３２】
また、請求項６記載の光学式エンコーダによれば、
請求項１〜請求項４の何れか１項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位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。
【００３３】
【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。
【００３４】
本実施形態の受光素子７００の構成について説明する。図２に本実施形態の受光素子７００の構成図を示す。図２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。詳しくは、図２の左側最上段の５個の受光セル１１〜１５から構成される受光セルアレイＡ群１０１、左側２段目の５個の受光セル２１〜２５から構成される受光セルアレイＢ群２０１、左側３段目の５個の受光セル３１〜３５から構成される受光セルアレイＣ群３０１、左側最低段の５個の受光セル４１〜４５から構成される受光セルアレイＤ群４０１、右側３段目の５個の受光セル１６〜２０から構成される受光セルアレイＡ’群１０２、右側最低段の５個の受光セル２６〜３０から構成される受光セルアレイＢ’群２０２、右側最上段の５個の受光セル３６〜４０から構成される受光セルアレイＣ’群３０２、右側２段目の５個の受光セル４６〜５０から構成される受光セルアレイＤ’群４０２を備えている。
これらの受光セルアレイＡ群１０１，Ｂ群２０１，Ｃ群３０１，Ｄ群４０１，Ａ’群１０２，Ｂ’群２０２，Ｃ’群３０２，Ｄ’群４０２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。
【００３５】
隣接する２つの受光セルの１周期ピッチ６１（＝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、距離６１はＰ、距離６２は０．２５Ｐ、距離６３は０．５Ｐの距離となる。
【００３６】
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α＝β＝γ＝０としたため、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。
【００３７】
同様に、
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α’＝β’＝γ’＝０としたため、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。
【００３８】
図２の左側最上段のＡ群１０１と、右側最上段のＣ’群３０２の位相差が１８０゜であるので、Ａ群１０１とＡ’群１０２との位相差は電気角で３６０゜になり、受光素子から得られるＡ群１０１及びＡ’群１０２の出力信号は、同位相の出力信号を得る。
同様に、Ｂ群２０１及びＢ’群２０２、Ｃ群３０１及びＣ’群３０２、Ｄ群４０１及びＤ’群４０２もそれぞれ同位相の出力信号を得る。
【００３９】
図３に、本実施形態の受光セルアレイＡ群１０１，Ｂ群２０１，Ｃ群３０１，Ｄ群４０１，Ａ’群１０２，Ｂ’群２０２，Ｃ’群３０２，Ｄ’群４０２およびその周辺部品の回路構成図を示す。図３において、Ａ群１０１，Ｂ群２０１，Ｃ群３０１，Ｄ群４０１，Ａ’群１０２，Ｂ’群２０２，Ｃ’群３０２，Ｄ’群４０２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。
【００４０】
Ａ群１０１およびＡ’群１０２のアノード側は電流電圧変換用抵抗１０３およびＣＰＵ１０００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１０３の他端は、グランドに接地されている。以下同様に、Ｂ群２０１およびＢ’群２０２が電流電圧変換用抵抗２０３に接続され、Ｃ群３０１およびＣ’群３０２が電流電圧変換用抵抗３０３に接続され、Ｄ群４０１およびＤ’群４０２が電流電圧変換用抵抗４０３に接続されている。これらはＡ群１０１およびＡ’群１０２と同様な回路構成になっている。
【００４１】
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１（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。
【００４２】
例えば、図２においてＢ群２０１，Ｄ’群４０２，Ｃ群３０１，Ａ’群１０２のほぼ中央にＬＥＤがあるべきところ、Ａ群１０１およびＢ群２０１に近づきＡ’群１０２およびＢ’群２０２から離れる（図２の矢印６０５の方向）ようにずれて配置されていた場合、受光セルＡ群１０１およびＢ群２０１から大きい光電流が、受光セルＡ’群１０２およびＢ’群２０２から小さい光電流が出力される。
【００４３】
この場合、先行技術のように受光セルアレイＡ群１０１，Ｂ群２０１，Ｃ群３０１，Ｄ群４０１，Ａ’群１０２，Ｂ’群２０２，Ｃ’群３０２，Ｄ’群４０２からは単独では図４に示すような信号を出力する。図４に示すように、Ａ相信号IA １１１およびＢ相信号IB ２１１は、基準オフセット５００からさらにオフセットエラー量のずれを生じ（総オフセット量１３１となる。）、かつＡ相の信号振幅１２１およびＢ相の信号振幅２２１は大きくなる。
逆に、Ａ’相信号IA' １２２およびＢ’相信号IB' ２２２は、基準オフセット５００からオフセットエラー量のずれを生じ（総オフセット量１３２となる）、かつＡ’相の信号振幅１２２およびＢ’相の信号振幅２２２は小さくなる。これは次の数式４で表される。
【００４４】
【数４】
この数式４からも明らかなように、受光セルアレイＡ群１０１の出力Ａ相信号１１１とＡ’群１０２の出力Ａ’相信号１１２を平均化するとＡ相のオフセット電圧誤差ΔXA およびＡ’相のオフセット電圧誤差ΔXA’が相殺してオフセット電圧誤差を低減する。
同様に、Ａ相の信号振幅誤差ΔYA およびＡ’相の信号振幅誤差ΔYA’が相殺して信号振幅誤差を低減する。
これらは受光セルアレイＢ群２０１の出力Ａ相信号２１１とＢ’群２０２の出力Ｂ’相信号２１２でも同様である。
【００４６】
このようなオフセット電圧誤差および信号振幅誤差の相殺を実現するため、図３で示すようにＡ群１０１の出力とＡ’群１０２の出力とが加算された後に、ＣＰＵ１０００へ出力される。同様にＢ群２０１の出力とＢ’群２０２の出力とが、Ｃ群３０１の出力とＣ’群３０２の出力とが、および、Ｄ群４０１の出力とＤ’群４０２の出力とが加算されたのちにＣＰＵ１０００へ出力される。
【００４７】
このような平均化処理により、図５に示すようなオフセット電圧誤差及び信号振幅誤差が平均化されて歪みの少ない４個の９０゜位相差の出力信号を得ることが出来る。これら平均化処理されたＡ相信号１１３，Ｂ相信号２１３，Ｃ相信号３１３，およびＤ相信号４１３は、それぞれ振幅およびオフセット量が一致したものとなる。
【００４８】
なお、本明細書では、Ｂ群２０１，Ｄ’群４０２，Ｃ群３０１，Ａ’群１０２の中央にＬＥＤがあるべきところ、Ａ群１０１およびＢ群２０１に近づきＡ’群１０２およびＢ’群２０２から離れるようにずれた場合を想定して説明した。しかしながら、これ以外の方向へずれたとしても、先に説明したのと同様な平均化作用が働いて、オフセット誤差及び振幅誤差が平均化された歪みの少ない４個の９０゜位相差の出力信号を得ることが出来る。
【００４９】
このようにＣＰＵ１０００には平均化処理されたＡ相信号IA 、Ｂ相信号IB、Ｃ相信号IC、または、Ｄ相信号IDが、図示しないＡ／Ｄ変換器を介して入力される。そして、上述の数式２に代入して先の上位信号より高分解能な下位信号である電気角θが生成される。
平均化処理により精度の高い上位信号と、この精度の高い上位信号から生成される同じく精度の高い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。
【００５０】
なお、本実施形態では、受光セルアレイＡ群１０１とＡ’群１０２とが、Ｂ群２０１とＢ’群２０２とが、Ｃ群３０１とＣ’群３０２とが、Ｄ群４０１とＤ’群４０２とが、図３で示すように、受光素子７００の外部で接続されているものであるが、受光素子７００の内部でこれらが予め接続されているような受光素子とすれば、プリント基板８上の配線を省くことができ、プリント基板８の小型化・低コスト化、ひいては光学式ロータリエンコーダ全体の小型化を実現することが可能となる。
【００５１】
以上、本実施形態の光学式ロータリエンコーダはＣＰＵ１０００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を出力することができる。
また、ＣＰＵ１０００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。
【００５２】
また、図示しないものの、ＣＰＵ１０００がＡ／Ｄ変換器を内蔵しないような形式であっても、ＣＰＵ１０００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実際のＣＰＵ１０００の実状に応じて適宜設計される。
【００５３】
なお、本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。
【００５４】
【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素子の構成図である。
【図３】本発明の実施形態の光学式ロータリエンコーダの受光セルアレイのＡ群，Ｂ群，Ｃ群，Ｄ群，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４】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各群から単独で出力された場合のアナログ電圧信号である。
【図５】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各群の出力を用いれ平均化の後に出力された場合のアナログ電圧信号である。
【図６】従来の光学式ロータリエンコーダの構成図である。
【図７】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８】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９】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
１０１ 受光セルアレイＡ群
２０１ 受光セルアレイＢ群
３０１ 受光セルアレイＣ群
４０１ 受光セルアレイＤ群
１０２ 受光セルアレイＡ’群
２０２ 受光セルアレイＢ’群
３０２ 受光セルアレイＣ’群
４０２ 受光セルアレイＤ’群
１１〜１５ 受光セル（Ａ群）
２１〜２５ 受光セル（Ｂ群）
３１〜３５ 受光セル（Ｃ群）
４１〜４５ 受光セル（Ｄ群）
１６〜２０ 受光セル（Ａ’群）
２６〜３０ 受光セル（Ｂ’群）
３６〜４０ 受光セル（Ｃ’群）
４６〜５０ 受光セル（Ｄ’群）
６１ セル間の周期ピッチＰ
６２ 距離（＝０．２５）
６３ 距離（＝０．５Ｐ）
１０３，２０３，３０３，４０３ 電流電圧変換用抵抗
１０００ ＣＰＵ
１１１ Ａ相信号
２１１ Ｂ相信号
３１１ Ｃ相信号
４１１ Ｄ相信号
１１２ Ａ’相信号
２１２ Ｂ’相信号
３１２ Ｃ’相信号
４１２ Ｄ’相信号
１２１ Ａ相の信号振幅
２２１ Ｂ相の信号振幅
１２２ Ａ’相の信号振幅
２２２ Ｂ’相の信号振幅
１３１ オフセットエラー量
１３２ オフセットエラー量
５００ 基準オフセット量
１１３ 平均化処理されたＡ相信号
２１３ 平均化処理されたＢ相信号
３１３ 平均化処理されたＣ相信号
４１３ 平均化処理されたＤ相信号
Claims (6)
- 発光素子と、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受光素子と、前記発光素子からの照射光を透過する複数のスリットを配置して透過と遮光とを行うようにしたスリット列を備える検出用トラックを有するスリット板と、を備える光学式エンコーダであって、
前記受光素子は、前記スリット列と対向する位置に配置され、前記スリット列と同じ周期ピッチで配置された複数個の受光セルを並列に接続したＡ群，Ｂ群，Ｃ群，Ｄ群，Ａ’群，Ｂ’群，Ｃ’群，Ｄ’群の受光セルアレイを備え、
前記Ａ群，Ｂ群，Ｃ群，Ｄ群，Ａ’群，Ｂ’群，Ｃ’群，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、
前記８群の受光セルアレイのうち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゜＋ｎ・３６０゜（ｎ＝０，１，２，・・・）となり、かつ、Ａ群とＡ’群、Ｂ群とＢ’群、Ｃ群とＣ’群、および、Ｄ群とＤ’群の位相差がそれぞれ電気角ｍ・３６０゜（ｍ＝０，１，２，・・・）となるように前記８群の受光セルアレイが配置され、
前記Ａ群とＡ’群、Ｂ群とＢ’群、Ｃ群とＣ’群、およびＤ群とＤ’群の各受光セルアレイの出力をそれぞれ加算してオフセット電圧誤差および信号振幅誤差を相殺したＡ相信号，Ｂ相信号，Ｃ相信号，Ｄ相信号を出力することを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項１に記載の光学式絶対値エンコーダにおいて、
前記１群の受光セルアレイは周期的に配置された複数の受光セルを有し、これら複数の受光セル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とす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Ａ群とＡ’群、Ｂ群とＢ’群、Ｃ群とＣ’群、およびＤ群とＤ’群は、前記受光素子内部でそれぞれ電気的に並列に接続されてい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、
前記受光素子が固定される基板を備え、前記Ａ群とＡ’群、Ｂ群とＢ’群、Ｃ群とＣ’群、およびＤ群とＤ’群は、前記受光素子外部の前記基板上でそれぞれ電気的に並列に接続されていることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項１〜請求項４の何れか１項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位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〜請求項４の何れか１項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位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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