JPH0287015A - エンコーダ - 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、コード板の回転角に応じて位相が変化する位
相信号を発生するとともに、この位相信号における位相
変化量を測定して、前記コード板の回転角を算出するよ
うにしたエンコーダに関するものである。

〈従来の技術〉 このようなエンコーダの例としては、第７図に示すごと
き装置が知られている。

第７図は従来のエンコーダの一例を示す構成図である。

図において、１は一定のピッチでスリットが形成された
コード板、Ｄ１〜Ｄ４は受光素子、４．５はコード板１
を介してこれらの受光素子Ｄ１〜Ｄ４と対向配置された
光源、６は光源４．５を駆動する光源ドライバである。

また、図中に示した波形は、コード板１を通過した光の
強度分布を正弦波に近似して示したものである。

受光素子Ｄｉ〜Ｄ４は、それぞれこの光強度分布を４等
分した幅を有しており、第８図に示すように、光強度の
分布を基準として、０°、９０゜１８０°、２７０６の
位置に配置されている。また、光源４．５が出射する光
の強度は、光源ドライバ６により（ｓｉｎωｔ＋１）お
よび（ｃｏｓωを十１）で振幅変調されている。

第９図はコード板１と受光素子Ｄ１〜Ｄ４および光源４
，５との配置関係を示す構成図である。

このように、受光素子Ｄｉ、Ｄ３は、その位相関係を保
ったまま、光源４からの光を受光する位置に配置され、
同様に、受光索子Ｄ２．Ｄ４は光源５からの光を受光す
る位置に配置されている。

７ａ、９ａは加算器、Ｉｌａは減算器であり、これらは
受光素子Ｄ１〜Ｄ４の各出力から所定の位相関係にある
出力同志を加減算する加減算回路ＡＳ１ａを構成してい
る。１．３　ａはこの加減算回路ＡＳ１ａによる演算出
力Ｇｌａから変調周波数（ω）に応じた周波数成分の信
号を抽出するバイパスフィルタ、１５ａはコンパレータ
である。

このように構成されたエンコータの回転検出部では、受
光素子Ｄ１〜Ｄ４の出力１１〜ｉ４は、コード板１の回
転角をθとすれば、 ｉ１＝　（ｓｉｎθ＋１）（Ｓｉｒｌωｔ　＋１）ｉ２
＝（−ｃｏｓθ＋１）（ｃｏｓωｔ＋１）３＝（−ｓｉ
ｎθ＋１）（Ｓｉｎωｔ　＋１）ｉ４＝　（ｃｏｓｏ＋
１）（ｃｏδωｔ＋１）のようになっており、加減算回
路ＡＳ１ａ（減算器１１ａ）から得られる出力Ｇｌａは
、Ｇ１ａ＝２ｃｏｓ（ωｔ　　−θ） 十２Ｆ丁５ｉｎ（θ＋π／４） のようになる、ここで、光源４．５の変調角周波数ωは
、コード板１の回転速度ｄθ／ｄｔに比べて高い値（ｄ
θ／　ｄ　＋−（ω）となるように選ばれているので、
バイパスフィルタ１．３　ａの出力からは、 Ｍ　１ａ＝　２ＣＱＳ（ωｔ−θ） なる信号（位相信号）が得られる。

この式に示されるように、出力信号Ｍ　１　ａには、コ
ード板１の回転角θに応じた位相情報か含まれており、
この位相変化分を測定すれは、コード板１の回転角θを
算出することができる。

１７ａは光源ドライバ６から発生されるスタトパルスＳ
Ｇを基準にして、コンパレータ出力ＰＩａ（以下これを
位相信号という）の位相遅れ量を測定（計数）するカウ
ンタである。

すなわち、スタートパルスＳＧを ＳＧ二２ｃｏｓ（ωｔ） として、スタートパルスＳＧの立上りでカウントを開始
し、位相信号Ｐｌａの立下がりでカウントを終了させる
と、カウンタ１７ａの出力Ｔ　１　ａは、Ｔ１ａ＝（π
／２）＋θ となり、コード板１の回転角θを０≦θく２πの範囲で
求めることができる。このとき、２πはスリットの１ピ
ツチに相当するものである二なお、同様な測定原理を有
する装置としては、特開昭５６−９４２１６号に示され
る装置があるにれは、コード板の直線変位を測定する変
位計に関するものである。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、上記のような構成のエンコーダでは、コ
ード板１が回転している最中に位相変化量（回転角）の
計数（測定）を行なうと、その計数値には計数時間の長
さに応じて偏差を生じてしまう。この偏差はドプラシフ
トと呼ばれるものである。

例えば、コード板１が回転している状態における位相信
号Ｐｌａの様子を第１０図に示す。図において、計数開
始時（１＝０）における位相信号Ｐｌａの位相（初期位
相）をφａ１、コード板１の回転速度とスリット数との
積をωｄａ、このときの計数時間をｔａとすると、計数
される位相量φａは、 φａ＝φａｌ＋ωｄａ−ｔａ となり、ドプラシフトの影響を受けたものとなる。

したがって、このような計数結果φａ（Ｔｌａ）を使用
してコード板１の回転角θを算出すると、測定時におけ
る瞬時の回転角を正確に求めることができない。ここで
、瞬時の回転角を測定すると言うことは、上式における
初期位相φａ１の値を求めることである。

特に、スリット数の異なる複数のスリット列を用いてバ
ーニヤを構成し、コード板１の回転角θをアブソリュー
トに測定するようにしたエンコダにおいては、このよう
なドプラシフトの影響を大きく受けてしまう。

本発明は、上記のような従来装置の欠点をなくし、コー
ド板の回転中においても、瞬時の回転角を高精度に測定
することのできるエンコーダを簡単な構成により実現す
ることを目的としたものである。

く課題を解決するための手段〉 本発明のエンコーダは、コード板の回転角に応じて位相
か変化する位相信号を発生ずるとともにこの位相信号に
おける位相変化量を測定して前記コード板の回転角を算
出するようにしたエンコタにおいて、前記位相信号の周
期を測定する手段と、この周期からコード板の回転速度
を求める手段と、この回転速度を基にして位相測定結果
を補正する補正手段とを具備するようにしたものである
。

く作　用〉 このように、位相信号の周期を測定すると、そのスリッ
ト数との関係からコード板の回転速度を知ることができ
、この回転速度が決まれば、ドプラシフトか位相測定結
果に及ぼす影響は一定であるので、コード板の回転中に
おいても、ドプラシフトの影響を除去して、その瞬時の
回転角を高精度に測定することができる。

〈実施例〉 第１図は本発明のエンコーダの一実施例を示す構成図で
ある。図において、前記第７図と同様のものは、同一符
号を付して示す。１９ａはカウンタ１７ａの出力Ｔ　１
　ａをラッチするラッチ回路、２２は位相信号Ｐｌａの
周期を測定する周期カウンタ、２３は周期カウンタ２２
の出力Ｔ３をラッチするラッチ回路、２４は周期カウン
タ２２の出力Ｔ３から補ＪＥ信号Ｓｌａを発生するコン
バータ、２５ａは例えば、乗算器よりなり、補正信号Ｓ
１ａにより位相測定出力Ｔ　１　ａを補正する補正回路
、２１は補正された位相測定出力Ｕｌａからコード板１
の回転角θを算出するシグナルプロセッサである。

前記したように、カウンタ１７ａにより計数される位相
量φａは、 φａ−φａｌ＋ωｄａ−ｔａ であり、また、 φａ−ω・ｔａ であるので、初期位相φａ１は、 φａ１−　（ω−ωｄａ）／ω・　φａ−（２π／ω）
・　（１／　Ｔ　ａ　）　　・　φａここで、Ｔ　ａ　
＝　２π／（ω−ωｄａ）のように求められる。なお、
式中のω、２π／ωは定数であるので、本質的な意味は
持たない。

Ｔａは位相信号Ｐｌａの周期に相当するもので、周期カ
ウンタ２２によって求められる。

したがって、このＴａを利用すれば、位相量φａに対応
した位相測定結果Ｔｌａを、初期位相φａ１を表わす位
相測定出力Ｕｌａに補正することができる。

コンバータ２４は周期カウンタ２２の出力Ｔ３（Ｔａ）
からω−ωｄａに対応した補正信号Ｓ１ａを算出するも
のであり、この補正信号Ｓｌａを補正回路２５ａに供給
する。なお、このような補正信号Ｓｌａの算出には、マ
イクロプロセッサによる演算や定数テーブルなどが利用
される。

シグナルプロセッサ２１では、このようにして補正され
た位相測定出力ＩＪ１ａ（初期位相φａｌ）を使用して
回転角θを算出することにより、ドプラシフトの影響を
除去し、瞬時の回転角を高精度に算出することができる
。

第２図は本発明のエンコータの他の実施例を示す構成図
である。図に示す装置は、２つの受光アレイ２ａ、３ａ
および加減算回路ＡＳ１ａ、ＡＳ２ａを使用することに
より、コード板１の回転に対して差動的に変化する２つ
の位相信号を発生するようにしたものである。図におい
て、前記第１図と同様のものは、同一符号を付して示す
。２ａ。

３ａはそれぞれ４つの受光素子Ａ１〜Ａ４．Ｂｌ〜Ｂ４
を有する受光アレイである。受光素子Ａ１〜Ａ４．Ｂｌ
〜Ｂ４は、それぞれ光強度分布を４等分した幅を有して
おり、受光アレイ２ａ、３ａは、第３図に示すように、
光強度の分布を基準として、９０’の整数倍にあたる位
相差を持つように配置されている。すなわち、光強度分
布の１周期をｄとすれば、空間的にｎ−ｄ／４の間隔を
おいて配置されている。ｎは整数である。また、第４図
に示すように、光源４．５はコード板１に対してほぼ軸
対称の位置に配置されており、これに合わせて、受光ア
レイ２ａは光源４からの光を受光するように配置され、
受光アレイ３ａは光源５からの光を受光するように配置
されている。なお、受光アレイ２ａ、３ａ間の位相関係
は上記のように保たれている。

８ａ、１０ａは加算器、１２ａは減算器であり、受光素
子Ａ２．Ａ４．Ｂｌ、Ｂ３の各出力から所定の位相関係
にある出力同志を加減算する加減算回路ＡＳ２ａを構成
している。加減算回路ＡＳ２ａは加減算回路ＡＳ１ａと
同様の構成を有している。なお、受光素子Ａｌ、Ａ３．
Ｂ２．Ｂ４の各出力は加減算回路ＡＳ１ａに印加されて
いる。１４ａはバイパスフィルタ、１６ａはコンパレー
タ、１８ａはカウンタ、２０ａはラッチ回路、２６ａは
補正回路であり、これらはカウンタ１３ａ〜補正回路２
５ａよりなる信号処理回路と同様の構成を有している。

したがって、受光素子Ａ１〜Ａ４．Ｂｌ〜Ｂ４の出力ｉ
ｌｌ〜ｉ１４．ｉ２１〜ｉ２４は、１１　＝（ｓｉｎθ
＋１）（Ｓｉｎωｔ　＋１）１２＝（ｃｏｓθ＋１）（
ｓｉｎωｔ　＋１）１３−（−ｓｉｎθ＋１）（Ｓｉｎ
ωｔ　＋１）１４　　＝（−ＣＯ３θ＋１）（Ｓｉｎω
ｔ　　＋１）２１　　＝（−５ｉｎ　　θ＋１）（ＣＯ
８（Ｊ）ｔ　　＋　１）２２　＝（−ｃｏｓθ＋１）（
ｃｏｓωｔ＋１）２３＝（Ｓｉｎθ＋１）（ｃｏｓωｔ
　＋１）ｉ２４　　＝　　ｃｏｓＯ＋１）（ｃｏｓω１
　＋１）となり、バイパスフィルタ１３ａ、１４ａから
得られる位相信号Ｍ１．ａ、Ｍ２ａは、 Ｍ　１　ａ＝２ｃＯ３（ωｔ−θ） Ｍ２ａ＝２３ｉｎｆωｉ十〇） となる。また、カウンタ１７ａ、１．８ａの出力Ｔ１、
ａ、Ｔ２ａはそれぞれ、 Ｔ”ｌａ−（π／２）十〇 Ｔ２ａ−π−θ となる。このため、これをシグナルプロセッサ２１によ
り減算すると、 Ｔｌａ−７２ａ＝２θ−ｈｒ／２） が得られ、コード板１の回転角θを０≦θく２πの範囲
で求めることかできる。ここで、位相測定出力Ｔｌａ、
Ｔ２ａに対する補正は、前記と同様に行なわれており、
シグナルプロセッサ２１からは、ドプラシフトの影響を
除去した出力か得られる。

なお、位相測定出力Ｔ２ａは回転角θによる位相変化の
方向が位相測定出力Ｔｌａとは逆（逆相）であるので、
その補正信号Ｓ２ａは次のようにして形成される。

まず、前記と同様に、カウンタ１８ａにより計数される
位相量をφａ−とすると、 φａ　＝φａ２−ωｄａ−ｔａ であり、また、 φａ　−ω・ｔａ であるので、初期位相φａ２は、 φａ２−（ω十ωｄａ）／ω・φａ −（２π／ω）・（１／　Ｔ　ａ　−）・φａここで、
Ｔａ　−＝２π／（ω＋ωｄａ）Ｔａ／（Ｔａω−π） のように求められる。

すなわち、Ｔａ−はＴａから求めることができ、コンバ
ータ２４は、周期カウンタ２２の出力′「３から補正信
号Ｓｌａを算出するとともに、ω十ωｄａに対応した補
正信号Ｓ２ａを算出し、補正回路２６ａに供給する。補
正回路２６ａは位相量φａ−に対応した位相測定結果Ｔ
　２　ａを、初期位相φａ２を表わす位相測定出力Ｕ２
ａに補正する。

このように、コード板１の回転角θに応じて位相が差動
的に変化する２つの位相信号Ｍｌａ、Ｍ２ａを得るとと
もに、この位相信号Ｍｌａ、Ｍ２ａを減算してコード板
１の回転角θを求めるようにすると、Ｓ／Ｎ比の良い信
号を得ることができる。また、光源４，５および受光ア
レイ２ａ、３ａをコード板１に対してほぼ軸対称の位置
に配置しているので、コード板１の偏心の影響を打ち消
すことができる。

第５図は本発明のエンコータの他の実施例を示す構成図
である。図に示す装置は、本発明のエンコーダを利用し
て、コード板１の回転角をＯ〜２π（０〜３６０°）の
範囲でアブソリュートに測定することのできるアブソリ
ュートエンコーダを構成したものである６図において、
前記第２図と同様なものは同一符号を付して示す。コー
ド板１−にはピッチ（スリット数）の異なる２つのスリ
ット列ＳＴＩ、ＳＴ２　（例えば、スリット数がＮおよ
びＮ−１）か設けられている。また、第１のスリット列
ＳＴＩに対しては、その変位量を検出するように、受光
アレイ２ａ、３ａが配置されており、第２のスリット列
ＳＴ２に対しては、受光アレイ２ｂ、３ｂが配置されて
いる。なお、各受光アレイ２ａ、３ａ、２ｂ、３ｂにお
ける受光素子のピッチなどは、対応するスリット列に応
じて決定されている。

コード板１と受光アレイ２ａ、３ａ、２ｂ、３ｂおよび
光源４，５の配置状態を第６図に示す。

図に示すように、スリット列ＳＴＩ、ＳＴ２は隣接して
設けられているので、２つの測定系において光源４．５
および光源ドライバ６を共用することかできる。

受光アレイ２ａ、３ａまたは２ｂ、３ｂの出力を受け、
スリット列ＳＴＩ、ＳＴ２の各変位量に応じた位相信号
Ｐｌａ、Ｐ２ａまたはＰｌｂ、Ｐ２ｂを発生する回路構
成は、共に前記第２図のものと同様である。各位相信号
Ｐｌａ、Ｐ２ａ、Ｐｌｂ、Ｐ２ｂを計数した位相測定出
力Ｔｌａ、Ｔ２ａ、Ｔｌｂ、Ｔ２ｂは補正口Ｒ２５ａ、
２６ａ。

２５ｂ、２６ｂを介してシグナルプロセッサ２１に印加
されている。

すなわち、コード板１の回転角を２つのスリット列ＳＴ
１．、Ｓｒ１を用いて同時に測定すると、得られる位相
信号の間にはバーニアの関係か成り立っているので、シ
グナルプロセッサ２１の演算処理により、これらの位相
信号からコード板１のアブソリュートな回転角を得るこ
とができる。

しかしながら、このようなエンコーダにおいて、コード
板１の回転により、各位相測定出力Ｔｌａ。

Ｔ２ａ、’Ｔ”ｌ　ｂ、Ｔ２ｂがドプラシフトの影響を
受けると、バーニヤの関係を正確に求めることができず
、アブソリュートな測定ができなくなってしまう。

ここで、コンバータ２４は、ω−ωｄａ、ω十ωｄａ、
ω−ωｄｂ、ω十ωｄｂに対応した補正信号Ｓｌａ、Ｓ
２ａ、Ｓｌｂ、Ｓ２ｂを発生し、補正回路２５ａ、２６
ａ、２５ｂ、２６ｂに供給する。いま、スリット列ＳＴ
２におけるドプラ周波数をωｄｂとすると、ωｄａとの
関係は、ωｄｂ＝ωｄａ　・（Ｎ−１）／Ｎ となる。したがって、位相信号Ｐｌａの周期を測定すれ
ば、演算により補正信号Ｓｌａ、Ｓ２ａ。

Ｓｌｂ、Ｓ２ｂを形成することができ、コード板１の回
転中においても、ドプラシフトの影響を除去して、その
瞬時の回転角をアブソリュートに測定することができる
。

なお、上記の説明においては、本発明の実施例として、
コード板１の回転角を測定するエンコーダを例示したが
、本発明はリニアエンコーダに対しても適用可能である
。また、補正口８％　２５　ａ　。

２６ａ、２５ｂ、２６ｂを乗算器により実現した場合を
例示したが、補正信号Ｓｌａ、Ｓ２ａ、Ｓｌｂ、Ｓ２ｂ
の形態によっては、割算器によって構成することもでき
る。さらに、第５図の例において、バーニアを構成する
位相信号は２つのスリット列によるものに限らず、３つ
以上の複数のスリット列によるものとしても同様のもの
が得られる。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明のエンコータでは、コード
板の回転角に応じて位相が変化する位相信号を発生する
とともにこの位相信号における位相変化量を測定して前
記コード板の回転角を算出するようにしたエンコーダに
おいて、前記位相信号の周期を測定する手段と、この周
期からコード板の回転速度を求める手段と、この回転速
度を基にして位相測定結果を補正する補正手段とを具備
するようにしているので、位相信号の周期からコト板の
回転速度を知ることができ、ドプラシフトの影響を除去
して、コード板の回転中においても、瞬時の回転角を高
精度に測定することのできるエンコーダを簡単な構成に
より実現することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は本発明のエンコータの一実施例を示す
構成図、第７図〜第１０図は従来のエンコータの一例を
示す構成図である。 １・・・コード板、２ａ、３ａ・・・受光アレイ、４５
・・・光源、６・・・光源ドライバ、７ａ〜１０ａ・・
・加算器、１　］、　ａ　＋　１２　ａ・・・減算器、
１３ａ、１．４ａ・・・バイパスフィルタ、１．５ａ、
１６ａ・・・コンパレタ、１７ａ、１８ａ・・・カウン
タ、１９ａ、２０ａ、２３・・・ラッチ回路、２１・・
・シグナルプロセッサ、２２・・・周期カウンタ、２４
・・・コンバータ、２５ａ、２６ａ−−−補正回路、Ａ
Ｓｌａ、ＡＳ２ａ−加減算回路、Ａ１〜Ａ４．Ｂｌ〜Ｂ
４．ＤＩ〜Ｄ４・・・受光素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. コード板の回転角に応じて位相が変化する位相信号を発
   生するとともにこの位相信号における位相変化量を測定
   して前記コード板の回転角を算出するようにしたエンコ
   ーダにおいて、前記位相信号の周期を測定する手段と、
   この周期からコード板の回転速度を求める手段と、この
   回転速度を基にして位相測定結果を補正する補正手段と
   を具備してなるエンコーダ。