JP4951884B2

JP4951884B2 - エンコーダ装置

Info

Publication number: JP4951884B2
Application number: JP2005190136A
Authority: JP
Inventors: 秀亮三野宮; 直純脇; 潤一郎田中
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2025-06-29
Also published as: CN1892185A; TW200702635A; JP2007010425A; US7227125B2; US20070001108A1; CN100510648C

Description

本発明はエンコーダ装置に関し、被測定物の動きを検出し、動きに応じたパルスを発生するエンコーダ装置に関する。

被測定物の直線運動や回転運動等の動きを検出してコンピュータ等のデジタル機器に入力するための装置として、被測定物の動きに応じたパルスを発生するエンコード装置が従来から利用されている。

図７（Ａ），（Ｂ）は、従来のエンコード装置の一例の平面構成図、側面構成図を示す。同図中、エンコード装置は、光源１０とスリット部材１１と集積回路１２から構成されている。

光源１０と集積回路１２は、離間対向した状態で固定されている。スリット部材１１は、光源１０と集積回路１２の間に挿入された状態で、光源１０と集積回路１２に対し、Ｘ方向（右向き及び左向き）に移動自在とされている。スリット部材１１は被測定物に固定されており、被測定物が動くことによりＸ方向に移動する。

集積回路１２には、図８の平面図に示すように、フォトダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄがＸ方向に隣接して設けられている。フォトダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄそれぞれは、Ｘ方向長さがＸ１で、Ｙ方向幅がＹ１に設定されており、各フォトダイオードの受光面積は同一とされている。

スリット部材１１は、図９の平面図に示すように、Ｘ方向に光透過部１１ａと遮光部１１ｂが隣接して繰り返し設けられている。光透過部１１ａと遮光部１１ｂそれぞれはＸ方向長さが２×Ｘ１で、Ｙ方向幅がＹ１＋α（＞Ｙ１）に設定されている。

図７において、フォトダイオード１２ａ，１２ｃの出力信号はコンパレータ１３で比較され、比較結果が検出信号として端子１４より出力される。また、フォトダイオード１２ｂ，１２ｄの出力信号はコンパレータ１５で比較され、比較結果が検出信号として端子１６より出力される。

ここで、スリット部材１１が集積回路１２に対しＸ方向右向きに移動するとき、フォトダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄそれぞれの入射光量は、図１０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）に示すように変化する。

これにより、コンパレータ１３の出力信号は図１０（Ｅ）に示すようになり、コンパレータ１５の出力信号は図１０（Ｆ）に示すように、コンパレータ１３の出力信号より１／４周期だけ遅れた波形となる。一方、スリット部材１１が集積回路１２に対しＸ方向左向きに移動するときは、コンパレータ１５の出力信号はコンパレータ１３の出力信号より１／４周期だけ進んだ波形となる。

なお、特許文献１には、開孔が並んだ方向の移動をする部材と、前記開孔を通過した光を検出する受光素子と、受光素子の各受光部の検出出力から出力パルスを発生する信号処理部を持つエンコーダ装置が記載されている。
特開平６−１８２９０号公報

図７に示す従来のエンコード装置における分解能は、Ｘ方向の単位距離当たりのスリットの本数であり、スリット部材１１の光透過部１１ａと遮光部１１ｂのＸ方向長さ２×Ｘ１と、フォトダイオード１２ａ〜１２ｄのＸ方向長さＸ１とで決定される。

このため、特に、光透過部１１ａと遮光部１１ｂのＸ方向長さ２×Ｘ１を製作上の限界まで小さくすると、それ以上、エンコード装置の分解能を向上できないという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、分解能を向上させることができるエンコーダ装置を提供することを目的とする。

本発明のエンコーダ装置は、
Ｘ方向に隣接するＸ方向長さＸ１の第１〜第４フォトダイオードと、
前記第１〜第４フォトダイオードに対してＸ方向にＸ１／２だけ変位した状態で前記Ｘ方向と直交するＹ方向に隣接させて、Ｘ方向に隣接するＸ方向長さＸ１の第５〜第８フォトダイオードと、
Ｘ方向長さ２×Ｘ１の光透過部と遮光部が繰り返し設けられＸ方向に移動するスリット部材と、
前記光透過部を透過した光を受光した前記第１〜第４フォトダイオードの出力信号から第１検出信号を生成すると共に、前記光透過部を透過した光を受光した前記第５〜第８フォトダイオードの出力信号から、前記第１検出信号に対し位相が前記第１検出信号の１／４周期だけずれた第２検出信号を生成する論理回路を有し、
前記論理回路は、
前記光透過部を透過した光を受光した前記第１フォトダイオードの出力信号と前記第３フォトダイオードの出力信号の比較結果の信号と、前記第２フォトダイオードの出力信号と前記第４フォトダイオードの出力信号の比較結果の信号との排他的論理和演算を行って前記第１検出信号を得る第１回路と、
前記光透過部を透過した光を受光した前記第５フォトダイオードの出力信号と前記第７フォトダイオードの出力信号の比較結果の信号と、前記第６フォトダイオードの出力信号と前記第８フォトダイオードの出力信号の比較結果の信号との排他的論理和演算を行って前記第２検出信号を得る第２回路を有することにより、分解能を向上させることができる。

また、前記エンコーダ装置の前記第１〜第８フォトダイオードは、Ｙ方向幅がＹ１であり、
前記光透過部と遮光部は、Ｙ方向幅が２×Ｙ１を超える。

また、前記エンコーダ装置は、
複数組の前記第１〜第８フォトダイオードをＸ方向に隣接して設ける。

また、本発明のエンコーダ装置は、
Ｘ方向に隣接するＸ方向長さＸ１の第１〜第４フォトダイオードからなるフォトダイオード列を、Ｘ方向にＸ１／ｎ（ｎは３以上の整数）ずつ変位させてＹ方向にｎ列隣接させたフォトダイオード群と、
Ｘ方向長さ２×Ｘ１の光透過部と遮光部が繰り返し設けられＸ方向に移動するスリット部材と、
前記光透過部を透過した光を受光した前記ｎ列のフォトダイオード列の出力信号から位相が１／（２×ｎ）周期ずつずれた第１〜第ｎ検出信号を生成する論理回路を有し、
前記論理回路は、
前記各フォトダイオード列の第１、第３フォトダイオード出力を比較する第１コンパレータと、
第２、第４フォトダイオード出力を比較する第２コンパレータと、
前記第１、第２コンパレータ出力の排他的論理和演算を行うイクスクルーシブオア回路とをフォトダイオード列毎に有することにより、更に分解能を向上させることができる。

本発明によれば、分解能を向上させることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明のエンコード装置の一実施形態の平面構成図を示す。同図中、エンコード装置は、図示しない光源とスリット部材２１と集積回路２２から構成されている。

光源と集積回路２２は、離間対向した状態で固定されている。スリット部材２１は、光源と集積回路２２の間に挿入された状態で、光源と集積回路２２に対し、Ｘ方向（右向き及び左向き）に移動自在とされている。スリット部材２１は被測定物に固定されており、被測定物の直線運動や回転運動等の動きによりＸ方向に移動する。この構成は、図７（Ｂ）に示す従来のエンコード装置と同様である。

集積回路２２には、図２の平面図に示すように、長方形のフォトダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄがＸ方向に隣接して設けられ、また、長方形のフォトダイオード２２ｅ，２２ｆ，２２ｇ，２２ｈがＸ方向（Ｘ方向とＹ方向は直交）に隣接して設けられている。フォトダイオード２２ｅ，２２ｆ，２２ｇ，２２ｈはフォトダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄに対してＸ方向右側（もしくは左側）にＸ１／２だけ変位した状態でＹ方向に隣接させている。

フォトダイオード２２ａ〜２２ｈそれぞれは、Ｘ方向長さがＸ１で、Ｙ方向幅がＹ１に設定されており、各フォトダイオードの受光面積は同一とされている。なお、フォトダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ全体のＸ方向長さ４×Ｘ１を１周期とすると変位Ｘ１／２は１／８周期となる。

スリット部材２１は、図３の平面図に示すように、Ｘ方向に長方形の光透過部２１ａと遮光部２１ｂが隣接して繰り返し設けられている。光透過部２１ａと遮光部２１ｂそれぞれはＸ方向長さが２×Ｘ１で、Ｙ方向幅が２×Ｙ１＋α（＞２×Ｙ１）に設定されている。

図１において、フォトダイオード２２ａ，２２ｃの出力信号はコンパレータ２３で比較され、比較結果はイクスクルーシブオア回路（ＥＯＲ）２５に供給される。また、フォトダイオード２２ｂ，２２ｄの出力信号はコンパレータ２４で比較され、比較結果はイクスクルーシブオア回路２５に供給される。イクスクルーシブオア回路２５はコンパレータ２３，２４の出力信号の排他的論理和演算を行い、演算結果を検出信号として端子２６から出力する。

フォトダイオード２２ｅ，２２ｇの出力信号はコンパレータ２７で比較され、比較結果はイクスクルーシブオア回路２９に供給される。また、フォトダイオード２２ｆ，２２ｈの出力信号はコンパレータ２８で比較され、比較結果はイクスクルーシブオア回路２９に供給される。イクスクルーシブオア回路２９はコンパレータ２７，２８の出力信号の排他的論理和演算を行い、演算結果を検出信号として端子３０から出力する。

ここで、スリット部材２１が集積回路２２に対しＸ方向右向きに移動するとき、フォトダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄそれぞれの入射光量は、図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）に示すように変化する。また、フォトダイオード２２ｅ，２２ｆ，２２ｇ，２２ｈそれぞれの入射光量は、図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）に示すように変化する。例えば図５（Ａ）に示すフォトダイオード２２ｅの入射光量の変化は、図４（Ａ）に示すフォトダイオード２２ｅの入射光量の変化に対し１／８周期遅れている。同様に、図５（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の波形は、図４（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の波形に対し１／８周期遅れている。これは、フォトダイオード２２ｅ，２２ｆ，２２ｇ，２２ｈをフォトダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄに対してＸ方向右側（もしくは左側）にＸ１／２だけ変位させているためである。

これにより、コンパレータ２３の出力信号は図４（Ｅ）に示すようになり、コンパレータ２４の出力信号は図４（Ｆ）に示すようになり、コンパレータ２４の出力信号はコンパレータ２３の出力信号より１／４周期だけ遅れた波形となる。そして、イクスクルーシブオア回路２５の出力信号は図４（Ｇ）に示すようにコンパレータ２３出力の半分の周期となる。

また、コンパレータ２７の出力信号は図５（Ｅ）に示すようになり、コンパレータ２８の出力信号は図５（Ｆ）に示すようになり、コンパレータ２８の出力信号はコンパレータ２７の出力信号より１／４周期だけ遅れた波形となる。そして、イクスクルーシブオア回路２９の出力信号は図５（Ｇ）に示すようにコンパレータ２７出力の半分の周期となる。そして、イクスクルーシブオア回路２９の出力信号はイクスクルーシブオア回路２５の出力信号の１／４周期（コンパレータ出力の１／８周期）だけ遅れた波形となる。

一方、スリット部材２１が集積回路２２に対しＸ方向左向きに移動するときは、イクスクルーシブオア回路２９の出力信号はイクスクルーシブオア回路２５の出力信号の１／４周期（コンパレータ出力の１／８周期）だけ進んだ波形となる。

このように、端子２６、３０から出力される検出信号の周期は、従来の検出信号の半分の周期となる。つまり、スリット部材２１の光透過部２１ａと遮光部２１ｂのＸ方向長さ２×Ｘ１と、フォトダイオード１２ａ〜１２ｈのＸ方向長さＸ１は従来と同一で、分解能は従来の２倍となる。

ところで、集積回路２２に、図６の平面図に示すように、フォトダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ａ’，２２ｂ’，２２ｃ’，２２ｄ’をＸ方向に隣接して設け、また、フォトダイオード２２ｅ，２２ｆ，２２ｇ，２２ｈ，２２ｅ’，２２ｆ’，２２ｇ’，２２ｈ’をＸ方向に隣接して設ける。フォトダイオード２２ｅ，２２ｆ，２２ｇ，２２ｈ，２２ｅ’，２２ｆ’，２２ｇ’，２２ｈ’をダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ａ’，２２ｂ’，２２ｃ’，２２ｄ’に対してＸ方向右側にＸ１／２だけ変位した状態でＹ方向に隣接させる。

フォトダイオード２２ａ〜２２ｈ，２２ａ’〜２２ｈ’それぞれは、Ｘ方向長さがＸ１で、Ｙ方向幅がＹ１に設定されており、各フォトダイオードの受光面積は同一とする。そして、フォトダイオード２２ａ〜２２ｈそれぞれの出力に対応するフォトダイオード２２ａ’〜２２ｈ’それぞれの出力を加算して、コンパレータ２３，２４，２７，２８に供給する構成としても良い。この構成とすることにより、各フォトダイオードの位置の違いによる入射光量のばらつきを抑制することができる。

なお、上記実施形態では、Ｘ方向に隣接する４個のフォトダイオードからなるフォトダイオード列をＸ方向右側（もしくは左側）にＸ１／２変位させてＹ方向に２列隣接させているが、Ｘ方向に隣接する４個のフォトダイオードをＸ方向右側（もしくは左側）にＸ１／ｎずつ（ｎは３以上の整数）変位させてＹ方向にｎ列隣接させフォトダイオード群を構成しても良い。

この場合には、各列の第１、第３フォトダイオード出力を比較する第１コンパレータと、第２、第４フォトダイオード出力を比較する第２コンパレータと、第１、第２コンパレータ出力の排他的論理和演算を行うイクスクルーシブオア回路とをフォトダイオード列毎に設ける。各フォトダイオード列の例えば第１フォトダイオード出力は位相が１／（４×ｎ）周期ずつずれ、各フォトダイオード列のイクスクルーシブオア回路が出力する検出信号は位相が１／（２×ｎ）周期ずつずれる。これにより、各フォトダイオードをＸ方向長さはＸ１のままで、分解能をｎ倍にすることができる。

なお、フォトダイオード２２ａ〜２２ｄが請求項記載の第１〜第４フォトダイオードに相当し、フォトダイオード２２ｅ〜２２ｈが第５〜第８フォトダイオードに相当し、コンパレータ２３，２４，２７，２８，イクスクルーシブオア回路２５，２９が論理回路に相当し、コンパレータ２３，２４，イクスクルーシブオア回路２５が第１回路に相当し、コンパレータ２７，２８，イクスクルーシブオア回路２９が第２回路に相当する。

本発明のエンコード装置の一実施形態の平面構成図である。本発明の集積回路の平面図である。本発明のスリット部材の平面図である。図１の各部の信号波形図である。図１の各部の信号波形図である。集積回路の平面図である。従来のエンコード装置の一例の平面構成図、側面構成図である。従来の集積回路の平面図である。従来のスリット部材の平面図である。図７の各部の信号波形図である。

符号の説明

２１スリット部材
２１ａ光透過部
２１ｂ遮光部
２２集積回路
２２ａ〜２２ｈ，２２ａ’〜２２ｈ’ フォトダイオード
２３，２４，２７，２８コンパレータ
２５，２９イクスクルーシブオア回路

Claims

Ｘ方向に隣接するＸ方向長さＸ１の第１〜第４フォトダイオードと、
前記第１〜第４フォトダイオードに対してＸ方向にＸ１／２だけ変位した状態で前記Ｘ方向と直交するＹ方向に隣接させて、Ｘ方向に隣接するＸ方向長さＸ１の第５〜第８フォトダイオードと、
Ｘ方向長さ２×Ｘ１の光透過部と遮光部が繰り返し設けられＸ方向に移動するスリット部材と、
前記光透過部を透過した光を受光した前記第１〜第４フォトダイオードの出力信号から第１検出信号を生成すると共に、前記光透過部を透過した光を受光した前記第５〜第８フォトダイオードの出力信号から、前記第１検出信号に対し位相が前記第１検出信号の１／４周期だけずれた第２検出信号を生成する論理回路を有し、
前記論理回路は、
前記光透過部を透過した光を受光した前記第１フォトダイオードの出力信号と前記第３フォトダイオードの出力信号の比較結果の信号と、前記第２フォトダイオードの出力信号と前記第４フォトダイオードの出力信号の比較結果の信号との排他的論理和演算を行って前記第１検出信号を得る第１回路と、
前記光透過部を透過した光を受光した前記第５フォトダイオードの出力信号と前記第７フォトダイオードの出力信号の比較結果の信号と、前記第６フォトダイオードの出力信号と前記第８フォトダイオードの出力信号の比較結果の信号との排他的論理和演算を行って前記第２検出信号を得る第２回路を
有することを特徴とするエンコーダ装置。
請求項１記載のエンコーダ装置において、
前記第１〜第８フォトダイオードは、Ｙ方向幅がＹ１であり、
前記光透過部と遮光部は、Ｙ方向幅が２×Ｙ１を超えることを特徴とするエンコーダ装置。
請求項２記載のエンコーダ装置において、
複数組の前記第１〜第８フォトダイオードをＸ方向に隣接して設けたことを特徴とするエンコーダ装置。
Ｘ方向に隣接するＸ方向長さＸ１の第１〜第４フォトダイオードからなるフォトダイオード列を、Ｘ方向にＸ１／ｎ（ｎは３以上の整数）ずつ変位させてＹ方向にｎ列隣接させたフォトダイオード群と、
Ｘ方向長さ２×Ｘ１の光透過部と遮光部が繰り返し設けられＸ方向に移動するスリット部材と、
前記光透過部を透過した光を受光した前記ｎ列のフォトダイオード列の出力信号から位相が１／４周期ずつずれた第１〜第ｎ検出信号を生成する論理回路を有し、
前記論理回路は、
前記各フォトダイオード列の第１、第３フォトダイオード出力を比較する第１コンパレータと、
第２、第４フォトダイオード出力を比較する第２コンパレータと、
前記第１、第２コンパレータ出力の排他的論理和演算を行うイクスクルーシブオア回路とをフォトダイオード列毎に有することを特徴とするエンコーダ装置。