JPH0473527B2

JPH0473527B2 -

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Publication number: JPH0473527B2
Application number: JP59229629A
Authority: JP
Priority date: 1984-10-31
Filing date: 1984-10-31
Publication date: 1992-11-24
Also published as: JPS61108914A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は変位位置あるいは回転角度などの絶対
位置にかかわる信号を出力するアブソリユート方
式エンコーダに関する。プロツタ、レコーダある
いはロボツトなどに使用されて機械的位置を出力
させるサーボ装置などに利用される。

〔従来の技術〕

従来例器具では、「１」と「０」との情報が周
期的に配列された格子パターンとこの格子パター
ンと配列ピツチが僅かに異なる格子パターンとの
二種類の格子パターンを有するコード板をセンサ
に対し相対的に移動することにより、センサから
見える格子パターン変化に対応する信号を生成
し、この信号の位相に基づいて「１」と「０」の
配列ピツチ内の位置が内挿された絶対位置が算出
されていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような従来例器具では、「１」と「０」の
配列ピツチ内の位置が内挿される前の絶対位置を
算出する際の誤差に対する制限（以下、これをバ
ーニア格子条件という。）が厳密になる欠点があ
つた。

本発明はこの欠点を緩和して、高精度、高分解
能のエンコーダを実現することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、「１」および「０」の情報が周期的
に配列された複数「Ｎ」個の格子パターンを有す
るコード板と、このコード板と相対的に繰返し移
動し上記「Ｎ」個の格子パターンをそれぞれ検出
するセンサアレイと、このセンサアレイからそれ
ぞれ交番信号を得る駆動回路と、上記センサアレ
イから得られた交番信号の位相角を測定する位相
測定回路と、この測定した位相角に基づいて上記
格子パターンの繰返し数を同定して上記コード板
との相対移動量を演算する演算手段とを含むエン
コーダにおいて、Ｎ≧３であり、上記演算手段は、上記位相測定
回路により測定されたそれぞれの上記格子パター
ンの位相角に基づいて、上記交番信号の位相角の
差を演算して出力する位相角差信号生成手段と、
この位相角差信号生成手段の出力する少なくとも
２個の位相角差信号に基づいて、最も繰返し数の
多い上記格子パターンの繰返し数を同定する同定
手段とを含むことを特徴とする。

〔作用〕

以下、ロータリエンコーダの場合の作用を説明
する。ｎ個のスリツトを有するコード板から得ら
れる信号の位相V₁は V₁＝sin（ωt＋nθ）ただし、ω：スキヤン周波数、 θ：入力角、ｎ：スリツト数、すなわち、「2π／ｎ」回転につき位相は「０」
から「2π」まで変化し、この位相変化が「ｎ」
回繰返されるとコード板は１回転したことにな
る。したがつて、位相角信号の周期が格子パター
ンの基準点から計数して「ｉ」番目に位置しその
位相角が「α」ラジアンであるとすれば、この位
相角信号に対応格子パターンの移動量ｄはｄ＝Ｄ・2π（ｉ−１）＋α／2πn で表される。

この「０」から「2π」の区間でアブソリユー
ト角が検出可能であるが、分解能を上げるために
は、複数Ｎ列の格子パターンを用いて、第「ｉ」
番目の周期を同定する。このｎ個の格子を同定す
るために、例えば、ｎ個のスリツトの格子と、こ
のｎ個に対して「０」から「2π」の位相角が得
られる格子パターンを用いる。その位相角をφ_o、
φ_fとすると、φ_fによりφ_oのｎ回の繰り返しのうち
の「ｉ」番目であることを同定すればよい。この
φ_fについては同定を間違えないために１／ｎの精
度が要求される（これがバーニア格子条件であ
る）。実際には、φ_fを直接求めることはせずに、
ｎ−１（あるいはｎ＋１）格子の格子パターンか
らφ_o-1（あるいはφ_o+1）の位相を得て、φ_oとの位
相差から、φ_fを求める。

高分解能にするためには、格子数を増していけ
ば良いが格子を同定する条件が厳しくなるので、
格子パターン数Ｎを増加させ、中間段位相から格
子同定を行うようにする。Ｎ＝３の場合、ｎ＝ｍ
×となるφ_nを作り、φ_fからφ_n、φ_nからφ_oの格
子同定を行うことで、格子同定に対するバーニア
格子条件を１／ｍ、１／まで緩めることができ
る。

この場合の格子数パターンとしては、例えば
ｎ，ｎ−１，ｎ−ｍとか、ｎ，ｎ−ｍ，ｎ−ｍ−
１、あるいはｎ，ｎ−ｍ，ｎ−2m＋１等の組み
合わせがある。

Ｎ≧４の場合も、Ｎ＝３を類推することでで
き、ｎ＝ｍ××ｋ×…となるように格子数を設
定し、φ_fからφ_nを、φ_nからφ_n*l，φ_n*lからφ_n*lk
，
…からφ_oの格子同定を行うようにする。格子数
は、例えば、ｎ、ｎ−１、ｎ−ｍ、ｎ−（ｍ×
ｌ）、…、ｎ−（ｍ×ｌ×…）と定めることができ
る。

このように、「１／2ⁿ」の分解能を有するアブ
ソリユートエンコーダを作成するためには「ｎ＋
１」または「ｎ−１」のトラツクを有するコード
板が必要であるが、本発明に必要なトラツク数Ｎ
は３≦Ｎ＜ｎ＋１であればよい。

〔実施例〕

以下、本発明実施例装置を図面に基づいて説明
する。

第１図はこの実施例装置に用いられたコード
板、センサアレイおよび光源の外観を模式的に示
した正面図および側面図である。第２図はこの実
施例装置の電気回路の構成を示すブロツク構成図
である。第３図はこの実施例装置の動作を示す波
形図である。この図の横軸はコード板の移動角度
を示し縦軸は信号φ₁、φ₂、φ₃、φ₁₂、φ₂₃および
φ₁₂₃の一つの周期の位相角を示す。

まず、この実施例装置のコード板およびフオト
ダイオードの機械的構成を第１図に基づいて説明
する。この実施例装置は格子パターンを光学式と
したロータリエンコーダであり、コード板１には
光を通過させるスリツト部と、光の透過を遮断す
る不透明部とが交互に配置された帯状の格子パタ
ーンがこのコード板１の中心に対しての三つの同
心円の円周に沿つて配置される。その半径の最も
長い同心円の円周上の第一の格子パターン１１の
スリツト数は「ｎ」（ただし、ｎは自然数）であ
り、その半径が第二番目に長い同心円の円周上の
第二の格子パターン１２のスリツト数は「ｎ−
ｍ」（ただし、ｍは自然数）であり、その半径が
最も短い同心円の円周上の第三の格子パターン１
３のスリツト数は「ｎ−ｍ−ｌ」（ただし、ｌは
自然数）であり、自然数が「ｎ」、「ｍ」および
「ｌ」との間には次の関係が成立している。

ｎ＝km、ｍ＝ｌ＋１第一の格子パターン１１に近傍して第一のセン
サアレイ２１が配置され、第二の格子パターン１
２に近接して第二のセンサアレイ２２が配置さ
れ、第三の格子パターン１３に近接して第三のセ
ンサアレイ２３が配置される。第一のセンサアレ
イ２１は光源４から照射され第一の格子パターン
１１のスリツト部と通過する光線を受光し、第二
のセンサアレイ２２は光源４から照射され第二の
格子パターン１２のスリツト部を通過する光線を
受光し、第三のセンサアレイ２３は光源４から照
射され第三の格子パターン１３のスリツト部を通
過する光線を受光する。

ここで、コード板１は矢印ａの方向に回転移動
するもので、この移動に伴つて、第一ないし第三
のセンサアレイ２１〜２３上に照射される光パタ
ーンが変化する。

次に、この実施例装置の電気的構成を第２図に
基づいて説明する。この実施例装置の電気的要素
として、第一のセンサアレイ２１と、第二のセン
サアレイ２２と、第三のセンサアレイ２３と、第
一のスイツチ回路３１と、第二のスイツチ回路３
２と、第三のスイツチ回路３３と、タイミング回
路４０と、第一のスイツチ駆動回路４１と、第二
のスイツチ駆動回路４２と、第三のスイツチ駆動
回路４３と、第一の信号処理回路５１と、第二の
信号処理回路５２と、第三の信号処理回路５３
と、位相測定回路６と、演算回路７と、表示器８
とを備える。

第一のセンサアレイ２１の出力は第一のスイツ
チ回路３１の第一の入力に接続され、第一のスイ
ツチ駆動回路４１の出力は第一のスイツチ回路３
１の第二の入力に接続され、第一のスイツチ回路
３１の出力は第一の信号処理回路５１の入力に接
続される。第二のセンサアレイ２２の出力は第二
のスイツチ回路３２の第一の入力に接続され、第
二のスイツチ駆動回路４２の出力は第二のスイツ
チ回路３２の第二の入力に接続され、第二のスイ
ツチ回路３２の出力は第二の信号処理回路５２の
入力に接続される。第三のセンサアレイ２３の出
力は第三のスイツチ回路３３の第一の入力に接続
され、第三のスイツチ駆動回路４３の出力は第三
のスイツチ回路３３の第二の入力に接続され、第
三のスイツチ回路３３の出力は第三の信号処理回
路５３の入力に接続される。

第一の信号処理回路５１の出力は位相測定回路
６の第一の入力に接続され、第二の信号処理回路
５２の出力は位相測定回路６の第二の入力に接続
され、第三の信号処理回路５３の出力は位相測定
回路６の第三の入力に接続される。タイミング回
路４０の第一の出力は第一のスイツチ駆動回路４
１の入力に接続され、タイミング回路４０の第二
の出力は第二のスイツチ駆動回路４２の入力に接
続され、タイミング回路４０の第三の出力は第三
のスイツチ駆動回路４３の入力に接続され、タイ
ミング回路４０の第四の出力は位相測定回路６の
第四の入力に接続される。位相測定回路６の出力
は演算回路７の入力に接続され、演算回路７の出
力は表示器８の入力に接続される。

次に、この実施例装置の動作を第１図ないし第
３図に基づいて説明する。

第一ないし第三のセンサアレイ２１〜２３に
は、いずれも複数個のフオトダイオードが配列さ
れていて、移動するコード板１のスリツトにより
生成される光パターンに対応する電気信号が複数
個のフオトダイオードから出力される。第一ない
し第三のスイツチ駆動回路４１〜４３はタイミン
グ回路４０から供給される一定周期のタイミング
信号に従い順次開閉するスイツチ群を備え、複数
個のフイトダイオードからの出力はこの第一ない
し第三のスイツチ駆動回路を経由して順次に第一
ないし第三の信号処理回路５１〜５３のそれぞれ
に入力される。第一ないし第三の信号処理回路５
１〜５３で、入力信号は増幅・濾過されて方形波
波形に整形され、第一ないし第三のスイツチ回路
３１〜３３での走査周期に対応した繰返しを有す
る交番信号が生成される。タイミング回路４０か
ら出力される基準交番信号に対するこれら信号処
理回路５１〜５３から出力される。交番信号の位
相差は位相測定回路６で測定される。この位相測
定回路６からの信号入力に基づいて、演算回路７
で絶対変位位置に関連した信号が生成されて表示
器８に出力され、ここで演算結果が表示される。

ここで、演算回路７の演算内容を説明すると、
第一のセンサアレイ２１からの出力に対応する第
一の信号処理回路５１から出力される交番信号の
基準交番信号の位相に対する位相を「φ₁」とし、
第二のセンサアレイ２２からの出力に対応する第
二の信号処理回路５２から出力される交番信号の
基準交番信号の位相に対する位相を「φ₂」とし、
第三のセンサアレイ２３からの出力に対応する第
三の信号処理回路５３から出力される交番信号の
基準交番信号の位相に対する位相を「φ₃」とす
ると、演算回路７では、次の位相が算出される。

φ₁₂＝φ₁−φ₂、 φ₂₃＝φ₂−φ₃、 φ₁₂₃＝φ₁₂−φ₂₃、第３図に示すように、コード板１の一回転に対
して位相角「０」から位相角「2π」までの変化
すなわち周期が、位相φ₁では「ｎ」回にわたり
繰返えされ、位相φ₁₂では「ｍ」回にわたり繰返
えされ、また、位相φ₁₂₃は１回行われる。すなわ
ち、コード板１の回転角は位相φ₁₂₃の位相角に相
当する。

まず、位相φ₁₂の「ｍ」個の繰返しのうちから、
コード板１の回転角に等価な位相φ₁₂₃にかかわる
位相角を含む繰返しの一個が選択される。すなわ
ちφ₁₂₃の位相角がφ_cであつたとき、φ₁₂の「ｍ」
個の繰返しのうち位相角φ_cで与えられる第３図の
位相φ₁₂のｈ番目の波形が同定される。さらにこ
のφ₁₂のｈ番目の波形内にはｋ個の位相φ₁がある
ため、ｋ個の位相φ₁の波形のうち第ｊ番目のφ₁
が同定される。この結果、最もスリツト数の多い
格子パターン１１についてｎ個のうちの第ｉ番目
がｉ＝ｋ×ｈ＋ｊにより求めることができ、格子
パターンの移動量ｄに当たるコード板１の回転角
θを求めることができる。

この実施例装置で、ｌ＝１として、位相φ₁₂₃に
代り位相φ₂₃を用いて位相φ₁₂を同定しても本発明
を実施することができる。

また、この実施例装置で、ｍ＋ｌ＝１とし、か
つ位相φ₁₂₃に代り位相φ₁₃＝φ₁−φ₃を用いて位相
φ₁₂を同定しても本発明を実施することができる。

また、この実施例装置でｍ＝２のときは、第三
の格子パターンのスリツト数を一個として位相
φ₁₂を同定しても本発明を実施することができる。

また、この実施例装置でｍ≧２のときは、セン
サアレイのフオトダイオードをコード板の半径方
向に配列しこのダイオードに光パターンが照射さ
れる位置に第三の格子パターンのスリツト数を配
置し、この形状は「ｍ」個の同心円の「ｍ」分円
としてこの「ｍ」分円が同一中心角内に位置しな
いように配列しても本発明を実施することができ
る。

さらに、この実施例装置の格子パターンの列数
を増加しても本発明を実施することができる。

また、この実施例装置で、格子パターンを導電
性の平板にスリツトを形成し、センサアレイとし
て平板に対向する電極アレイとし、電極アレイの
静電容量変化を検出することによつても本発明を
実施することができる。

また、この実施例装置で、格子パターンを導電
性電極の有無で形成し、センサアレイにこの導電
性電極に接触する接点アレイを用いても本発明を
実施することができる。

また、この実施例装置で、第一ないし第三のス
イツチ回路を異なる周波数信号で走査させても本
発明を実施することができる。

さらに、この実施例装置で、格子パターンが直
線状に配列されたリニアエンコーダであつても本
発明を実施することができる。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように、複数個の段階
を経てコード板の移動位置に対応する位相角が同
定されてバーニア格子条件が緩和されるので、最
小測定限度が拡張され、高精度で高分解能のアブ
ソリユート方式エンコーダを実現できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例装置に用いられたコード
板、センサアレイおよび光源の外観を示す模式
図。第２図は実施例装置の電気回路の構成を示す
ブロツク構成図。第３図は実施例装置の動作を示
す波形図。１…コード板、４…光源、６…位相測定回路、
７…演算回路、８…表示器、１１，１２，１３…
格子パターン、２１，２２，２３…センサアレ
イ、３１，３２，３３…スイツチ回路、４０…タ
イミング回路、４１，４２，４３…スイツチ駆動
回路、５１，５２，５３…信号処理回路。

Claims

【特許請求の範囲】１「１」および「０」の情報が周期的に配列さ
れた複数「Ｎ」個の格子パターンを有するコード
板と、このコード板と相対的に繰返し移動し上記
「Ｎ」個の格子パターンをそれぞれ検出するセン
サアレイと、このセンサアレイからそれぞれ交番信号を得る
駆動回路と、上記センサアレイから得られた交番信号の位相
角を測定する位相測定回路と、この測定した位相角に基づいて上記格子パター
ンの繰返し数を同定して上記コード板との相対移
動量を演算する演算手段とを含むエンコーダにおいて、Ｎ≧３であり、上記演算手段は、上記位相測定回路により測定されたそれぞれの
上記格子パターンの位相角に基づいて、上記交番
信号の位相角の差を演算して出力する位相角差信
号生成手段と、この位相角差信号生成手段の出力する少なくと
も２個の位相角差信号に基づいて、最も繰返し数
の多い上記格子パターンの繰返し数を同定する同
定手段とを含むことを特徴とするエンコーダ。２コード板が回転円板である特許請求の範囲第
１項に記載のエンコーダ。３「Ｎ」が「３」である特許請求の範囲第１項
に記載のエンコーダ。