JPH0331720A

JPH0331720A - エンコーダ内挿回路のオフセット補正方法

Info

Publication number: JPH0331720A
Application number: JP16752789A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyuki Taniguchi; 満幸谷口
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1989-06-29
Publication date: 1991-02-12

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、工作機械等を駆動するモータ等の回転軸の回
転位置を検出する光学式エンコーダに関し、特に、回転
位置を高精度に算出するエンコーダ内挿回路のオフセッ
ト補正方法に関する。

従来の技術光学式エンコーダは、発光素子から発せられた光出力を
、発光素子に対向して配置された受光素子により検出し
、その光出力レベルに応じて回転軸の回転角度等を検出
するものである。発光素子と受光素子の間には、固定ス
リット板と回転スリット板が設けられており、回転スリ
ット板を回転した場合受光素子に入射される光は、該回
転スリットと固定スリットの重なり具合によりその人ｑ
ｔ光量を制限され、受光素子の出力は、回転板上に隣接
して設けられたスリット間を１周期とする正弦波信号と
して検出される。

そして、エンコーダは通常、上記正弦波信号Ｋｓｉｎθ
のＡ相と該信号から９０度位相の遅れたＢ相の余弦波信
号Ｋｃｏｓθを作り、次の第（１）式によって、スリッ
ト間の１周期内における回転角θを求め、内挿信号を（
）でいる。

例えば、特開昭６３−３１１１１９号公報または本願出
願人による特願昭６３−１５６３０２号に示されるよう
に、上記Ａ相の正弦波信号Ｋｓｉｎθ、Ｂ＃１の余弦波
信号Ｋ　ｃ　ｏ　ｓθを、Ａ／Ｄ変換器でデジタルデー
タに変換し、得られたデジタルデータをＲＯＭのアドレ
ス入力しく例えばＲＯＭのロウ及びコラムアドレス入力
とする）、ＲＯＭには指定されたアドレス（Ｋｓｉｎθ
、Ｋｃ。

Ｓθの値に対応するもの）に上記第（１）式で算出され
る値、及び、振幅にの値が記憶されており、これらのデ
ータをＲＯＭから読出し、内挿信号θとしている。

Ａ相の正弦波信号Ｋｓｉｎθを縦軸にとり、Ｂ相の余弦
波信号Ｋｃｏｓθを横軸にとると、半径が振幅Ｋに等し
い円のりサジュー図形が得られる。

ＲＯＭにはこのリサジュー図形で得られる回転角θと振
幅（半径）Ｋを縦軸（正弦波信号）、横軸（余弦波信号
）の値毎に記憶しておき、エンコーダの受光素子から得
られた正弦波信号Ｋｓｉｎθと余弦波信号Ｋｃｏｓθを
デジタルデータに変換した値をＲＯＭのデジタルデータ
に入力すれば、回転角θと振幅Ｋが得られるものである
。

ところが、温度変化或いは経年変化等により、本来光出
力を検出するはずのない発光素子消灯時にも電流（暗電
流という）が受光素子を流れてしまい、見掛は上光出力
が検出されてしまったり、また、検出された微弱な光出
力を増幅する目的で設けられたフォトアンプ自身のオフ
セット電圧が、上記と同様に温度変化或いは経年変化等
により変化し、発光素子消灯時にもかかわらず、消灯信
号がゼロとはならなかった。

このため、角度データは消灯信号に応じて誤差を生じ、
不正確な角度データのまま算出されるという問題があっ
た。即ち、上記リサジュー図形の原点位置がオフセット
され、誤った角度データがＲＯＭから出力されるという
問題があった。

そこで、本願出願人は、エンコーダの発光素子を所定の
タイミングで点灯、消灯させ、消灯時の受光素子の人相
、Ｂ相の出力を増幅するフォトアンプの出力をサンプル
ホールドしておき、点灯時の受光素子のＡ相、Ｂ相の出
力からサンプルホールドされた値（オフセット分の値）
をそれぞれアナログ減算器で減じて、得られた値をデジ
タル信号に変換してＡ相、Ｂ相のデジタルデータを得て
、このデータによってオフセット補正された内挿信号の
角度データθを得る方法。さらに、発光素子の点灯時、
消灯時の受光素子のフォトアンプからのＡ相、Ｂ相の信
号をＡ／Ｄ変換した後、それぞれラッチ回路にラッチし
、ラッチ回路にラッチされた点灯時のＡ相、Ｂ相のデー
タから消灯時のＡ相、Ｂ相のデータをそれぞれデジタル
減算器で減じて補正されたＡ相、Ｂ相の信号を得て、こ
の信号によってＲＯＭから補正された角度データθを得
る方法を提案した（特願昭６３−１１１８３９号参照）
。

発明が解決しようとする課題しかし、上述した暗電流やフォトアンプのオフセット電
圧を補正して内挿信号の角度データθを得る方法におい
て、フォトアンプの出力をサンプルホールドしておき、
アナログ減算器で減算した後、Ａ／Ｄ変換し、変換され
たデジタルデータによってＲＯＭのアドレスを指定して
補正された角度データを得るようにしたとしても、アナ
ログ減算器のもつオフセット温度ドリフトが影響し、Ｒ
ＯＭのアドレスが変わって、正確に補正された内挿信号
の角度データθを得られないことになる。

即ち、アナログ減算器の影響が出てくる。

また、後者のフォトアンプの出力を直ちにＡ／Ｄ変換し
、ラッチする方法は、前者のようにアナログ減算器を有
しないから、正確な角度データθを得ることができる。

しかし、この場合は、Ａ相。

Ｂ相の点灯時用、消灯時用のラッチ回路、さらには、デ
ジタル減算器を必要とし、ハードウェアの増加及び接続
ピン数（端子数）の大幅な増加となり、経済的ではない
。

そこで本発明の目的は、簡単な構成により、暗電流やフ
ォトアンプのオフセット電圧等の影響を除去し、高精度
の内挿信号を得るエンコーダ内挿回路のオフセット補正
方法を提供することにある。

課題を解決するための手段エンコーダの受光素子から得られる９０度位相のずれた
Ａ相、Ｂ相のアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変
換し、該Ａ相、Ｂ相のデジタル信号に基いてＲＯＭより
角度及び振幅のデータを得るエンコーダ内挿回路におい
て、本発明は、上記発光素子を消灯させたとき上記ＲＯ
Ｍから発光される角度及び振幅データと、上記発光素子
の点灯状態で順次上記ＲＯＭから読出される角度及び振
幅データよりオフセット分による誤差を補正し、補正さ
れた角度データを得ることによって上記課題を解決した
。

作用発光素子を消灯させたとき、受光素子に流れる暗電流、
及び、フォトアンプの有するオフセット電圧の影響によ
る電圧がフォトアンプから出力されることとなるから、
この電圧がＡ／Ｄ変換されてＲＯＭからは、振幅が「０
」、角度が「０」のデータが出力されるべきものか、あ
る振幅、角度をもったデータが出力されることとなる。

即ち、第２図に示すように、Ａ相（Ｋｓｉｎθ）の検出
データ値を縦軸に、Ｂ相（Ｋｃｏｓθ）の検出データ値
を横軸にとると、発光素子を消灯させたとき、Ａ相、Ｂ
相のフォトアンプからの出力が「０」であれ、第２図実
線１０で示すようなりサジュー図形となるはずである。

しかし、上述したように暗電流、オフセット電圧の影響
により電圧が出力され、このリサジュー図形の原点０が
移動することとなり、例えば、第２図「０′」で示すよ
うに原点が移動する。その結果、リサジュー図形は第２
図破線１１で示すように、原点移動分だけシフトするこ
ととなり、本来、角度θ、振幅にのデータを得るべきと
ころが、角度θ１．振幅に１のデータがＲＯＭから読出
されることになる。

そこで、原点Ｏが０′に移動した分だけ、発光素子が点
灯したとき読出された角度θ１．振幅に１に対して補正
すれば、真の角度θ、振幅Ｋを得ることができる。第３
図はこの真の角度θ、振幅Ｋを求めるための説明図で、
点灯時に読出された各度θ１．振幅に１のベクトルから
消灯時に読出された角度θ２．振幅に２のベクトル（０
０−）を減じれば、真の各度θ、振幅にのベクトルが得
られる。即ち、次の第（２）式の演算を行えば、真の各
席θのデータが得られる。

・・・・・（２）よって、本発明は発光素子点灯時と消灯時にＲＯＭから
読出される角度θ１．θ２．振幅Ｋｌ。

Ｋ２のデータより、上記第（２）式の演算を行って、補
正された真の角度データを得る。または、上記第（２）
式の演算を行う代りに、上記第（２）式の演算を行った
結果の角度θのデータをメモリにテーブルとして記憶し
ておき、発光素子点灯時と消灯時にＲＯＭから読出され
る角度θ１．θ２．振幅Ｋ１．に２のデータに応じて、
該テーブルにより角度θを読出すようにしてもよく、ま
た、パラメータ数を少（するために（θ１−０２）、Ｋ
ｌ。

Ｋ２の値に応じて角度θのデータをメモリにテーブルと
して記憶しておき、これらの値に応じて真の角度θのデ
ータをテーブルにより読出すようにしてもよい。

さらに、発光素子を消灯させる代りに受光素子をショー
トさせてこのききの角度θ２．振幅に１を読出すように
してもよいが、この場合には、暗電流の影響を補正する
ことができない。

実施例第１図は本発明の一実施例の要部ブロック図である。

第１図中、１は発光素子となる発光ダイオード、２ａ、
２ｂは受光素子であり、受光素子２ａはＡ相の正弦波信
号Ｋｓｉｎθを出力し、受光素子２ｂはＢ相の余弦波信
号Ｋｃｏｓθを出力する。

３ａ、３ｂはそれぞれＡ相、Ｂ相のフォトアンプである
。４ａ、４ｂは、フォトアンプ３ａ、３ｂから出力され
たアナログ信号Ｖａ、Ｖｂをデジタル信号に変換するＡ
／Ｄ変換器である。５は角度及び振幅データが記憶され
ているＲＯＭであり、Ａ／Ｄ変換器４ａ、４ｂから出力
されるＡ相（Ｋｓｉｎθ）、Ｂ相（Ｋｃｏｓθ）のデジ
タルデータをアドレス（例えばロウ及びコラムアドレス
）として入力し、該当するアドレスには第（１）式で計
算される６度θのデータ及び振幅にのデータが格納され
ており、指定されたアドレスから角度θ。

振幅にのデータを出力する。

上記構成（要素１〜５までの構成）は従来から公知の光
学式エンコーダの構成と同一であり、従来はＲＯＭ５か
ら読出される角度θ、振幅にのデータがエンコーダの出
力として利用されていたが、本実施例においては、第１
図に示すように、デジタル処理の回路６２発光制御部７
が付加されており、この点が従来と相違する。

デジタル処理回路６は、本実施例においてはプロセッサ
で構成されており、後述する処理によって、オフセット
分を補正した角度θのデータを出力するようになってい
る。

発光制御部７は、本実施例においては、回転スリット板
が最高速で回転していても回転スリット板のスリットと
スリット間の１周期間を細かく分割するような周期で発
光素子１の点灯信号Ｓ１を出力し、発光素子１を点灯、
消灯させている。また、この点灯信号Ｓ１はデジタル処
理回路６にも入力されている。

第４図は上記第１図に示す実施例のタイミングチャート
であり、発光制御＄７からは第４図（イ）に示すように
発光信号Ｓ１としてＨレベル、Ｌレベルを交互に出力し
ており、本実施例においては、発光信号Ｓ１がＨレベル
で発光素子１は点灯し、Ｌレベルで消灯するように構成
している。

フォトアンプ３ａ、３ｂからは第４図（ロ）に示すよう
に、発光素子１が消灯中には暗電流及びフォトアンプ３
ａ、３ｂのオフセット電圧に応じた電圧が出力され、発
光素子１が点灯中には上記暗電流、オフセット電圧が重
畳された受光素子２ａ、２ｂが受けた光量に応じた電圧
Ｖａ、、Ｖｂが出力される。即ち、消灯時１点灯時の正
弦波信号。

余弦波信号に２ｓｉｎθ２．に２ｃｏｓθ２またはＫＬ
ｓｉｎθ］−、Ｋｌｃｏｓθ２が交互に出力される。そ
して、Ａ　／’　Ｄ変換器４ａ、４ｂは発光信号Ｓ１と
同期をとってＡ／Ｄ変換を行っており（なお、Δ／Ｄ変
換器４ａ、４ｂに対するＡ　／’　Ｄ変換指令を発光制
御部７から出力するようにしてもよい）、フォトアンプ
３ａ、３ｂの出力が安定した時点でＡ／Ｄ変換が行われ
、第４図（ハ）に示すようにＡ／Ｄ変換器４ａ、４ｂか
らはＡ／Ｄ変換された消灯時１点灯時の正弦波、余弦波
信号データＤａ、Ｄｂが出力される。

そして、デジタル処理回路６のプロセッサは第４図（ニ
）に示すように本実施例においては、点灯信号Ｓ１が切
り換わる毎にＲＯＭ５の出力を読出している。

すなわち、プロセッサは点灯信号Ｓ１の周期において、
半周期遅れてＲＯＭ５から点灯時、消灯時のデータＫｌ
、　　θ１．　Ｒ２，θ２を読出している。

第５図は、デジタル処理回路６のプロセッサが実行する
処理のフローチャートであり、プロセッサは発光制御部
７からの点灯信号Ｓ１がＨレベルか否か判断し、Ｈレベ
ル（点灯信号あり）になると（ステップ１００）　、Ｒ
ＯＭ５から出力されているデータに、θを読む。この場
合、第４図（ニ）に示すように発光素子１の消灯時にお
ける角度θ２、振幅に２が読出される（ステップ１０１
）。

次に、プロセッサは点灯信号Ｓ１が消えたか、即ち、信
号Ｓ１がＬレベルになったか否か判断しくステップ１０
２）、Ｌレベルになると、ＲＯＭ５からの出力データθ
、Ｋを読む。この場合は、点灯時の各度θ１．振幅に１
が読出されることになる（ステップ１０３）。そして、
ステップ１０１．１０３で読出された消灯時のデータθ
２゜Ｒ２、点灯時のデータθ１．に１より第（２）式の
演算を行って（ステップ１０４）、補正された角度θの
データを出力しくステップ１０５）、再びステップ１０
０へ戻る。以下、これを繰り返し行うことにより、補正
された角度θの内挿データを順次出力する。

なお、上記実施例では、回転スリット板のスリットとス
リット間の１周期内を分割し、発光素子１を点灯、消灯
を繰り返して、補正された角度θの内挿データを得たが
、暗電流やフォトアンプ３ａ、３ｂのオフセット電圧は
経年変化及び温度によって変化するものであり、発光素
子１を消灯させたときのデータθ２．に２を常に求める
必要はなく、例えば、１０秒毎、１分毎に求めてもよい
。

この場合、発光制御部７から、１０秒毎、１分毎等の所
定間隔毎、消灯信号を出力させ、消灯時にＲＯＭ５から
の出力データに２．　　θ２を読取り、Ｋ２ｓｉｎθ２
．に２ＣＯ８θ２を計算し、レジスタに格納し、このレ
ジスタに格納した値と発光素子１が点灯されているとき
に順次読出されるデータＫｌ、　　θ１より第（２）式
の演算を行って補正された角度θの内挿データを出力す
るようにしてもよい。このときのデジタル処理回路６の
プロセッサが行う処理のフローチャートを第６図、第７
図に示す。この場合、発光制御部７は消灯信号（第４図
（イ）に示す信号Ｓ１のＬレベルを所定周期（１０秒ま
たは１分等の間隔）で出力し、発光素子１をこの消灯信
号期間のみ消灯させる。

デジタル処理回路６のプロセッサは第６図に示す処理を
所定周期毎行っており、ＲＯＭ５から読出される角度θ
１．振幅に１のデータを読み、このデータとレジスタＲ
１，Ｒ２に記憶されたデータ（Ｒ１＝に２ｃｏｓθ２．
Ｒ２＝に２ｓｉｎθ２）により第（２）式の演算を行っ
て得られた角度θのデータを出力する（ステップ２００
〜２０２）一方、発光制御部７から消灯信号が出力され
、消灯信号が復帰するとき（例えば第４図（イ）におい
て、信号Ｓ１がＬレベルで消灯させ、該信号Ｓ１が立上
がるとき）、プロセッサに割込みがかかり、ＲＯＭ５よ
り消灯時の角度θ２．振幅に２のデータを読出し、Ｋ２
ｃＯ５θ２の演算を行ってレジスタＲ１にこの値を書込
む。また、Ｋ２ｓｉｎθ２の演算を行ってレジスタＲ２
にこの値を書込み（ステップ３００〜３００２）、割込
み処理を終了する。その結果、レジスタＲ１，Ｒ２には
消灯時の角度θ２のデータ、振幅に２のデータより算出
されるに２Ｃｏｓ０２．に２ｓｉｎθ２が記憶され、所
定円期毎更新される。そして、消灯時の角度θ２．振幅
に２の値は経年変化、温度変化によって変わるものであ
るから、発光素子１を消灯させる周期を長くとっても問
題はない。

また、上記各実施例では、第（２）式の演算を行って角
度θのデータを得るようにしたが、メモリ中に角度θ１
．振幅に１及び角度θ２．振幅に２をアドレスとしたテ
ーブルを設け、各アドレスのテーブルの記憶部に角度θ
１．振幅に１及び角度θ２．振幅に２に応じた第（２）
式の演算を行って得られる角度θの値を記憶させておき
、このテーブルより角度θを読出し出力するようにして
もよい。即ち、第１の実施例におけるステップ１０４の
処理を上記テーブルからの続出処理に換えればよい。ま
た、上記第２の実施例においては、第７図の割込み処理
において、レジスタＲ１，Ｒ２に角度θ２．振幅に２を
格納しておき、第６図に示す処理においては、ステップ
２００で読出した角度θ１．振幅に１とレジスタＲ１，
Ｒ２に記憶する角度θ２．振幅に２によって、上記テー
ブルより角度θを読み出すようステップ２０１の処理を
代えればよい。また、θ１．Ｋｌ、　　θ２．に２をア
ドレスとするテーブルの構成を簡単にするために、（θ
２−θ１）、Ｋｌ、に２をアドレスとし、そのアドレス
部にθ′　（第３図参照）のデータを記憶するテーブル
を設け、プロセッサの処理としてまず、（θ２−θ１）
とＫｌ、に２のデータにより上記テーブルからθ′を読
出しくθ１−θ′）の減算処理を行って補正された角度
θの内挿データを得るようにしてもよい。

さらに、上記各実施例では、デジタル処理回路６にプロ
セッサを備えた回路としたが、プロセッサを使用せず専
用の回路を設けてもよい。第８図はデジタル処理回路６
を専用回路で構成した第３の実施例の要部を示すブロッ
ク図で、切換回路６１と、角度θ１及び振幅Ｋｌ、角度
θ２．振幅に２をアドレスとし、各アドレスの記憶部に
第（２）式の演算で得られた角度θのデータを格納した
テーブル６２と消灯時の角度θ２．振幅に２を記憶する
ラッチ回路６３を有している。切換回路６１は発光制御
部７からの信号によって切換わり、発光素子１の点灯時
におけるＲＯＭ５から読出されるデータθ１．に１は直
接テーブル６２のアドレスに入力されるように切換わり
、消灯時におけるＲＯＭ５から読出されるデータθ２．
に２はラッチ６３に入力されるように切換わる。その結
果、テーブル６２のアドレスには点灯時、消灯時におけ
るデータθ１．　　Ｋｌ、　　θ２．に２が入力され、
テーブル６２から補正された内挿データθが読出される
こととなる。なお、この実施例においても発光制御部７
から出力する点灯信号または消灯信号は、第１の実施例
のようにスリットからスリット間において、多数に分割
する周期でもよく、上記第２の実施例のように、１０秒
または１分等の長い周期で消灯信号を出力し、ラッチ６
３に消灯時のデータを記憶するようにしてもよい。

また、上記第３の実施例では、アドレスをθ１゜Ｋｌ、
　　θ２．に２としたテーブル６２を作成することにな
るが、このテーブル６２の構成を簡単にするために、（
θ２−θ１）のデータを減算器で演算し、このデータと
Ｋｌ、に２のデータをアドレスとしたテーブルにθ′の
データ（第３図参照）を記憶させておき、該テーブルよ
り読出されたθ゛のデータと発光時の角度θ１のデータ
より（θ１−θ′）の演算を行って補正された角度θの
内挿データを得るようにしてもよい。

なお、上記各実施例においては、発光制御部７によって
発光素子を消灯させたが、発光素子の消灯の代りに受光
素子２ａ、２ｂの各両端をショートさせてもよい。ただ
し、この場合は、受光素子の暗電流の影響を補正するこ
とができない。

発明の効果本発明においては、簡単な構成によりフォトアンプのオ
フセット電圧、さらには発光素子の暗電流、影響を除去
し、経年変化や温度変化に関係なく、常に高精度な角度
内挿データを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の要部ブロック図、第２図
は、フォトアンプのオフセット電圧等により検出される
内挿データに誤差が生じる理由を説明する説明図、第３図は、オフセット電圧等により生じる誤差を補正す
るための原理説明図、第４図は、本発明の第１の実施例のタイミングチャート
、第５図は、同第１の実施例におけるデジタル処理回路６
のプロセッサが実行する処理のフローチャート、第６図、第７図は、同第２の実施例におけるデジタル処
理回路６のプロセッサが実行する処理のフローチャート
、第８図は、同第３の実施例の要部ブロック図である。１・・・発光素子、２ａ、２ｂ・・・受光素子、３ａ、
３ｂ・・・フォトアンプ、４ａ、４ｂ・＝Ａ／Ｄ変換器、５・ＲＯＭ。６・・・デジタル処理回路、７・・・発光制御部、Ｓｌ
・・・発光信号、６１・・・切換え回路、６２・・・テ
ーブル、６３・・・ラッチ回路。第６図第第

Claims

【特許請求の範囲】

（１）エンコーダの受光素子から得られる９０度位相の
ずれたＡ相、Ｂ相のアナログ信号をそれぞれデジタル信
号に変換し、該Ａ相、Ｂ相のデジタル信号に基いてＲＯ
Ｍより角度及び振幅のデータを得るエンコーダ内挿回路
において、発光素子を消灯させたとき上記ＲＯＭから読
出される角度及び振幅データと、上記発光素子の点灯状
態で順次上記ＲＯＭから読出される角度及び振幅データ
よりオフセット分による誤差を補正し、補正された角度
データを得ることを特徴とするエンコーダ内挿回路のオ
フセット補正方法。
（２）上記発光素子の点灯時に上記ＲＯＭより読出され
る各度データθ１及び振幅データＫ１と、消灯時に上記
ＲＯＭより読出される角度データθ２及び振幅データＫ
２より次の演算を行って、 θ＝ｔａｎ＾１（Ｋ１ｓｉｎθ１−Ｋ２ｓｉｎθ２）／
（Ｋ１ｃｏｓθ１−Ｋ２ｃｏｓθ２）補正された角度デ
ータθを得る請求項１記載のエンコーダ内挿回路のオフ
セット補正方法。
（３）上記発光素子の点灯時に上記ＲＯＭより読出され
る各度データθ１、振幅データＫ１及び消灯時に上記Ｒ
ＯＭより読出される角度データθ２、振幅データＫ２を
アドレスとして、これに応じて補正された角度データθ
を出力するテーブルをメモリに記憶しておき、点灯時、
消灯時に上記ＲＯＭより読出される各データより上記メ
モリから補正された角度データを読出すようにした請求
項１記載のエンコーダ内挿回路のオフセット補正方法。
（４）上記発光素子の点灯時と消灯時に上記ＲＯＭより
読出される各度データθ１、θ２の差及び点灯時、消灯
時に上記ＲＯＭより読出される振幅データＫ１、Ｋ２に
応じて角度の補正量をメモリに記憶しておき、点灯時、
消灯時に上記ＲＯＭより読出される各データに基いて、
上記メモリより角度補正量を読出し、上記発光素子点灯
時にＲＯＭより読出された角度データθ１に上記角度補
正量を補正して補正された角度データを得るようにした
請求項１記載のエンコーダ内挿回路のオフセット補正方
法。
（５）上記発光素子の消灯の代りに各受光素子の両端を
ショートさせるようにした請求項１、請求項２、請求項
３または請求項４記載のエンコーダ内挿回路のオフセッ
ト補正方法。