JPH02253165A - エンコーダの角速度検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、エンコーダの角速度検出方法に関し、更に詳
しくは、内挿誤差の影響を受けることなく高精度に角速
度情報を検出する方法に関する。

〈従来の技術〉 エンコーダの高分解能化に伴って、コード板の１つのス
リット内を電気的に内挿することが行われている。

第１図はこのようなエンコーダの一例を示す回路図であ
る。図において、１０．１１は受光アレイであり、それ
ぞれ４個の光電変換素子Ａ、〜Ａ４．Ｂ、〜Ｂ４で構成
されている。１３〜１６は加算器であり、加算器１３は
光電変換素子Ａ１とＢ４の出力を加算し、加算器１４は
光電変換素子Ａ３とＢ２の出力を加算し、加算器１５は
光電変換素子Ａ２とＢ３の出力を加算し、加算器１６は
光電変換素子Ａ４とＢ１の出力を加算する。これら加算
器１３〜１６は、例えば増幅器Ｕ１〜Ｕ４と抵抗ｒ１〜
ｒ４で容易に構成できる。１８゜１９は減算器であり、
減算器１８は加算器１３と１４の出力を減算し、減算器
１９は加算器１５と１６の出力を減算する。これら減算
器１８．１９は例えば増幅器Ｕ、、Ｕ６と抵抗ｒ５〜ｒ
１２で容易に構成できる。２０．２１はバイパスフィル
タであり、それぞれ減算器１８．１９の出力の高周波成
分のみを取り出してコンパレータ２Ｂ、２４に入力する
。該コンパレータ２３，２４は、例えばＯＶ電位と比較
してバイパスフィルタは２０゜２１の出力を矩形波信号
に変換してカウンタ２６゜２７に入力する。該カウンタ
２６，２７には光源ドライバ３６からスタートパルスが
入力されていて、スタートパルス発生時点からコンパレ
ータ２３．２４の出力の立ち下がりエツジまでの時間を
計測する。これらカウンタ２６，２７の出力はラッチ回
路２９．３０でラッチされてプロセッサ３１に人力され
る。該プロセッサ３１はカウンタ２６．２７の出力に演
算を施して第２図に示すようなコード板１−の回転位置
（角度）に応じた信号を出力する。３３．３４は光源で
あり、例えば発光ダイオードを用いる。これら光源３３
．３４は、第２図に示すように、光源３３はコード板１
を介して受光アレイ１０と対向し、光源３４はコード板
］を介して受光アレイ１１と対向するように配置される
。光源ドライバ３６は、光源３３には（ｓｉｎω１　＋
　１−　）の信号を加えて光源３４には（ｃｏｓ　（Ｉ
Ｊ　ｔ＋１−）の信号を加え、光源３３．　３４の光強
度をｓｊｎωを及びＣＯＳωｔで振幅変調する。

また、該光源ドライバ３６は、前述のように、上記光源
３３．３４に加える信号のωｔ＝０，２π。

・・・　２ｎπにおいて生じるスタートパルスをカウン
タ２６２７に加える。３７は発振器であり、光源ドライ
バ３６にｓｉｎωｔまたはＣＯ８ωｔのとちらか一方ま
たは両方の信号を加える。

第３図は、このようなエンコーダの動作説明図である。

コード板１には、スリッ！・１ｂと遮光部］ａが交互に
一定間隔ｄで繰り返し配列されている。該コード板には
、第２図に示した２つの光源３３．３４から散乱光でか
つ光強度が変調された光α、βが照射されている。これ
により、コード板１の裏側、すなわち受光アレイ１０，
１１側にはＫで示すような正弦波状の光強度分布が生じ
る。

該正弦波状の光強度分布は、コード板１の回転角度に応
じてその位相θか変化する。従って、該位相θを測定す
ることによりコード板１の回転角度を知ることができる
。

ここで、受光アレイ１０．コ。１は、４個の光電変換素
子Ａ、〜Ａ４．Ｂ、〜Ｂ４がコード板］の裏側に生じる
光強度分布の１周期を４等分するように配置されている
。これについて、第４図により説明する。第４図に示す
ように、コード板１のスリット１ｂを通過した正弦波状
の光強度分布の周期Ｔ、、Ｔ２は、コード板１と受光ア
レイ３］。

４］との距離により変化する。すなわち、コード板］か
ら距離ｇ１に光電変換素子Ｐ１□〜Ｐ１４を配置した時
には光強度分布の周期はＴ１てあり、距離ρ２に光電変
換素子Ｐ２１〜Ｐ２４を配置した時には光強度分布の周
期はＴ２である。従って、コド板１から距離ｉ１１に光
電変換素子ｐＨ〜Ｐ１４を配置する場合には周期Ｔ１を
４等分するように配置し、コード板１−から距離ｇ２に
光電変換素子Ｐ２１’＝Ｐ２４を配置する場合には周期
Ｔ２を４等分するように配置する。このように１周期の
光強度分布に等間隔で４個の光電変換素子が配置されて
いることから、隣り合う光電変換素子の出力信号の位相
は互いに９０°異なることになる。

また、２つの受光アレイ１．０，１．１は、照射される
光の強度分布の位相差が９０°の整数倍になるように配
置される。すなわち、２つの受光アレイ］０．１１は、
第３図に示すように、受光アレイ１０の中間点０．と受
光アレイ１１の中間点０２との距離かｎ・（ｄ／４）に
なるように配置される。

ここで、ｎは正の整数であり、ｄは前述のスリット周期
である。

このような配置にすることにより、２つの受光アレイ１
０１１に照射される光の強度分布の位相差が９０’の整
数倍になる理由を説明する。なお、ここでは、分り易く
するために、コード板１と受光アレイ１０，１１の距離
を近接させ、コド板１のスリット１ｂの配列周期ｄと正
弦波状の光強度分布にの位相が同一である場合について
説明する。この場合、スリット周期ｄの間に４個の光電
変換素子（Ａｌ−Ａ４とＢ１〜Ｂ４）を等間隔に配置し
ているので、隣り合わせた光電変換素子の間の電気信号
の位相差は９０°になる。すなわち、スリット１ｂの配
列周期ｄの（Ｌ／４）の距離は、光強度の正弦波状の位
相で見ると９０°に相当する。そして、光電変換素子の
電気信号はこの光強度と同期しているので（ｄ／４）離
れた光電変換素子の電気信号の位相差は９０°になる。

しだがって、２つの受光アレイ１０．１１からは第５図
に示すような位相関係の電気信号が得られる。第５図は
第３図から受光アレイ１０．１１を抜き出して、対応す
るコード板１のスリット配列の位相と各光電変換素子の
電気信号出力の関係を示したものである。第５図（ａ）
に示す受光アレイ１０から得られる電気信号の位相と第
５図（ｂ）に示す受光アレイ１１から得られる電気信号
の位相とは９０°の整数倍（第５図では１８０°）異っ
ている。

そして、これら２つの受光アレイ１０．１１を構成する
各光電変換素子の中から電気信号の位相が互いに９０°
異るもの同士（ＡＩとＢ４．Ａ２とＢ３．Ａ３とＢ２．
Ａ４とＢ＋）を取り出して前述第１図の回路に加え、コ
ード板１の位置に応じた信号を得る。

すなわち、再び第１図において、受光アレイ１０に照射
される光源３３からの光αはｓｊｎωｔで変調されてい
るので、光αの光強度をａとすると、ａ＝ｓｊｎωｔ＋
１　　　　　　　　　　　・・・（１）で表され、同様
に、受光アレイ１１に照射される光源３４からの光βは
、ＣＯＳωｔで変調されているので、光βの光強度をｂ
とすると、 ｂ　−ｅｏｓ　ωｔ＋１　　　　　　　　　　−　（２
）で表される。なお、ｔは時間、ωは変調角速度である
。ここで、光αの（ｓｉｎωｔ＋１）における「＋１」
は光源３３の光を発生しない期間がほんの一瞬だけにな
るように直流分を加えたことを表している。光βの「＋
１」も同様である。

各光電変換素子の電気信号出力を各素子番号で表すもの
とすると、 Ａ□−（ｓｉｎＯ十ｌ）ａ　　　　　　　＝（３）Ａ　
２　＝　　［ｓｉｎ　　　（θ十　（π／２）＋１１　
　コ　ａ−（ｃｏｓ　Ｏ＋ｌ）ａ　　　　　　　　　−
（４）Ａ３−　（ｓｉｎ　　（θ＋π）＋１１ａ＝（−
ｓｉｎθ＋１）ａ　　　　　　　　・・・（５）Ａ４＝
　［ｓｉｎ　　（θ＋（３π／２）＋１１１　　ａ−（
−ｃｏｓ　Ｂ＋１）ａ　　　　　　　　・・・（６）Ｂ
＋＝（−ｓｉｎθ＋１）ｂ　　　　　　　・　（７）Ｂ
２＝（−ｃｏｓθ＋１）ｂ　　　　　　　−（８）Ｂ３
　　＝　　（ｓｉｎ　　θ＋ｌ）ｂ　　　　　　　　　
　　−（９）Ｂ４　＝　　（ｃｏｓ　　Ｂ＋１）　　ｂ
　　　　　　　　　　−（１０）になる。これら電気信
号の位相が互いに９０°異るもの同士（ＡＩとＢ４．Ａ
２とＢ３．Ａ３とＢ２、Ａ４とＢ１）の各加算器１３〜
１６の加算結果Ｃ１〜Ｃ４は、ａ、　　ｂに（１）　、
　（２）式を代入すると、 Ｃ，−Ａ、＋Ｂ、＝ｃｏｓ　　（ωｔ−θ）＋　（ｓｉ
ｎ　θ十ＣＯ８θ＋Ｓｉｎ　（１）　ｔ　＋ｅｏｓ　（
ｃ）　ｔ　＋２）・・・（１１） Ｃ２−Ａ２　＋Ｂ、−５ｉｎ　　（ωを十〇）＋　（ｓ
ｉｎ　θ＋ｅｏｓ　θ十Ｓｉｎ　ωｔ　＋ｃｏｓωｔ＋
２）・・・　（１２） Ｃ３＝Ａ３　　＋Ｂ２　　＝　　ｃｏｓ　　（ωを一θ
）＋（−ｓｉｎ　　θ−ｅＯ８θ＋ｓｉｎ　　ωｔ　＋
ｃｏｓ　　（ＩＪ　ｔ　＋２）・・・　（１３） Ｃ４−Ａ４　十Ｂ、＝−ｓｉｎ　　（ωを十〇）＋（−
ｓｉｎ　　θ−ｅＯ８θ＋ｓｉｎ　　ωｔ　＋ｃｏｓ　
　（ＩＪ　ｔ　＋２）・・・　（１４） となる。そして、これらＣ１〜Ｃ４について減算器１８
．１９で次式の減算を行うことにより、Ｇ、、Ｇ２を得
る。

Ｇ、＝Ｃ，−Ｃ３ ＝２ｃｏｓ（ωｔ−θ） ＋２ｆＴ−ｓｉｎ（θ＋　（π／４）１Ｇ２　＝Ｃ２−
Ｃ４ ＝２ｓｉｎ　　（ωを十〇） ＋２１ワーｓｉｎ　　　（θ＋　（π／４）１・・・　
（１５） ここで、光源３３．３４に加える角速度ωをコード板１
の移動速度と比較して極めて速くしてバイパスフィルタ
２０．２１で高周波成分のみを取り出すと、（１４）式
の０１は、 Ｍ、　＝２ｃｏｓ　　（ωを一θ）　　　　　　・・・
（１６）になり、（１５）式の０２は、 Ｍ２＝２ｓｉｎ　　（ωを十〇’）　　　　　　　・　
（１７）になる。これらバイパスフィルタ２０．２１の
出力波形を第６図（ａ）に実線で示す。すなわち、バイ
パスフィルタ２０，２］の出力Ｍ、、Ｍ２は時間ｔの経
過と共に推移する。なお、第６図では説明を分り易くす
るために（１Ｂ）　、　（１７）式の右辺の係数を１に
して描いている。第６図（ａ）の破線は光源３３．３４
から照射される光強度の変調波形ｓｉｎωｔとＣＯＳω
ｔであり、θ＝０の信号である。この信号も時間ｔの経
過と共に推移するものであり、光源ドライバ３６から光
源３３．３４に加える変調信号と考えることもてきる。

このようなバイパスフィルタ２０．２１の出力信号に含
まれるθは、コード板１の回転角度に応じた値になる。

前述のように、光源ドライバ３６は例えばωｔ＝ｏ、２
π、・・、ｎπにおいて生じるスタートパルス（第６図
（ｂ）参照）をカウンタ２６，２７に加える。また、コ
ンパレータ２３２４はバイパスフィルタ２０．２１の出
力ＭＭ２をＯＶ電位と比較しているので、その用内波形
は第６図（ｃ）、　　（ｄ）のようになる。カウンタ２
６はスタートパルスの立ち上がりエツジで組数を開始し
てコンパレータ２３の出力の立ち下がりエツジで計数を
終了し、第６図（ｆ）に示すように期間Ｔ１に応じた計
数値を得る。カウンタ２７はスタートパルスの立ち上が
りエツジでＪＩ数を開始してコンパレータ２４の出力の
立ち下がりエツジで計数を終了し、第６図（ｅ）に示す
ように期間Ｔ２に応じた計数値を得る。これらの期間Ｔ
、、Ｔ２は、次式で表される。

Ｔ、＝（π／２）＋θ　　　　　　　・・・（１８）Ｔ
２−π−θ　　　　　　　　　　　・・・（１９）プロ
セッサ３１はこれらカウンタ２６，２７の出力Ｔ、、Ｔ
２をラッチ回路２９．３０を介して読み込み、次式の演
算を行ってコード板１の回転位置（角度）に応じた信号
θを求める。

Ｔ　Ｉ　　Ｔ　２　＝　２０−（π／２）　　　　・・
・（２０）なお、ここで、０≦θ≦２πの範囲であり、
０〜πの範囲におけるθを求めることができる。

ところで、このようなエンコーダにおける出力φ［ｒａ
ｄｌと角度θ［ｒａｄｌの関係は、誤差をε［ｒａｄコ
、スリット数をＮ、１スリット内の誤差次数を］−１ ｍ、内挿誤差をδ（−εＮ）　［ｒａｄｌとすると、φ
−θ＋（ε／２）ｓｉｎ　　Ｎ　ｍθ＝ωｔ＋（ε／２
）Ｓｉｎ　Ｎｍθ　［ｒａｄｌ　　−（２］、）となり
、時間微分を行うと、 ａφ 、３ｔ −ｃ＋、＋＋（ε／２）　Ｎｍθｃｏｓ　Ｎｍωｔ　　
［ｒａｄ／ｓｅｅ］・・・　（２２） となって角速度信号が得られる。

このようにして求められる角速度のり・ソプルは、にな
るが、速度リップルはピーク・ツー・ピークで表すので
、 （Δωｐｐ／ω）＝εＮｍ＝δｍ ・・・　（２４） となる。そして、ε、δを２πに対する比で表すと、 ε　＝（ε／２π）→ε＝２πε ε−一（ε／２π）→δ−２πδ′ から、（２４）式は、 （ΔωＰＦ／　ω）　−２ｙｒ　ε−Ｎ　ｍ　＝　２　
ｙｒδ−ｍ・・・　（２５） になる。

これらから、速度リップルはスリット数に関係なくスリ
ット内誤差（内挿誤差）により決定されることがわかる
。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかし、このようにエンコーダの角度出力信号をただ単
に時間微分することによって得られる角速度情報は速度
リップルが大きくなり、好ましくない。

本発明はこのような点に着目してなされたものであり、
その目的は、内挿誤差の影響を受けることなく高精度で
角速度を検出できる方法を提供することにある。

く課題を解決するための手段〉 上記課題を解決する本発明は、 コード板の１スリット内を電気的に内挿するエンコーダ
の角度出力信号を時間微分することにより角速度信号を
得るのにあたって、 前記角度出力信号として、１スリット内の内押角がたと
えば０’　　（３６０”　）のものを用いることを特徴
とするものである。

く作用〉 本発明によれば、スリット内誤差（内挿誤差）の影響は
除去されることになり、精度の高い角速度信号が得られ
る。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

本発明では、エンコーダの角速度信号を得るための角度
出力信号として、前述（２１）式、φ−θ＋（ε／２）
ｓｉｎ　　Ｎ　ｍθ＝ωｔ＋（ε／２）ｓｉｎ　　Ｎｍ
θ［ｒａｄ］におけるＮｍθ＝０９　（３６０°）のも
のを用いる。

これにより、（２１）式の右辺第２項は除去されて角度
出力信号は、 φ＝θ　　　　　　　　　　　　　　・・・（２６）に
なり、時間微分を行うことにより、 で表される角速度信号が得られ、従来のような誤差成分
εの影響は除去されることになる。

具体的には、コード板１のスリット位置精度のレベルま
で角速度信号の精度を高めることができる。

ここでは内挿角０°の値を使用する場合について示した
が、原理から明らかなように、任意の特定の内挿角の値
を採用しても同じである。

〈発明の効果〉 以上詳細に説明したように、本発明によれば、エンコー
ダの内挿誤差の影響を受けることなく高精度で角速度が
検出できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は光学式エンコーダの電気回路側図、第２図はロ
ータリーエンコーダの位置関係図、第３図及び第５図は
第１図のエンコーダの各部の位置関係説明図、第４図は
第１図のエンコーダにおける光電変換素子の配列説明図
、第６図は第１図の各部のタイミングチャートである。 １・・・コード板　　　　　１０．１１・・・受光アレ
イＡ１〜Ａ４　：　　Ｂ　１〜Ｂ４・・・光電変換素子
１３〜１６・・・加算器　　１８．１９・・・減算器２
０．２１・・・バイパスフィルタ ２３．２４・・・コンパレータ ２６．２７・・・カウンタ ３］・・・プロセッサ　　　３３．３４・・・光源６・
・・光源ドライバ 特許出願人　　　　　　横河電機株式会社○ 幀本蝦学

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 コード板の１スリット内を電気的に内挿するエンコーダ
   の角度出力信号を時間微分することにより角速度信号を
   得るのにあたって、 前記角度出力信号として、１スリット内の内挿角が０°
   （３６０°）のものを用いることを特徴とするエンコー
   ダの角速度検出方法。