JPH05240631A

JPH05240631A - 光学式エンコーダ

Info

Publication number: JPH05240631A
Application number: JP4152092A
Authority: JP
Inventors: Motoshi Momoi; 元士桃井; Fusao Kosaka; 扶佐夫幸坂
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1992-02-27
Filing date: 1992-02-27
Publication date: 1993-09-17

Abstract

(57)【要約】【目的】外部同期，内部同期のいずれのタイミングに
ついても角度データ出力を可能にし、かつ、その角度デ
ータは受信までの時間遅れが補正されたものである光学
式エンコーダを提供する。【構成】受光アレイ上の光量分布をＡＤ変換してコー
ド板の回転角度を求めるように構成された光学式エンコ
ーダにおいて、各部の動作シーケンスを制御するシーケ
ンスコントローラ及び角度データを演算する演算器とし
て機能し、演算された角度データを記憶するマイクロプ
ロセッサを設け、該マイクロプロセッサは、外部から角
度データ要求信号が入力されたときには記憶している角
度データに所定の補正演算を施して角度データ要求信号
受信終了時における角度データを出力し、外部からの角
度データ要求信号が一定時間入力されないときには記憶
している角度データに所定の補正演算を施して内部タイ
ミング信号に従って内部タイミング信号受信終了時にお
ける角度データを一定時間間隔で出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学式エンコーダに関
し、更に詳しくは、マイクロプロセッサを内蔵したエン
コーダの角度データ出力の精度改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３〜図５を用いて、従来の光学式エン
コーダを説明する。図３は光学式エンコーダの位相情報
θを検出する要部を示した図、図４はフォトダイオード
が４素子の場合の出力信号を示した図、図５はコード板
の構成例図である。

【０００３】図３において、光源１から光をコード板２
へ照射する。該コード板２は光を通過させるスリット２
ｂと光を遮断する遮光部２ａとが交互に配列された板で
ある。光源１から照射する光が散乱光であるとすれば、
例えば光電変換素子のアレイ３（以下、受光アレイ３と
記す…なお光電変換素子として例えばフォトダイオード
を用いることができる）には、図３中に示すような正弦
波状に照度が分布する光が加えられる。該受光アレイ３
に照射された正弦波状照度分布波形の位相θはコード板
２の位置（又は角度）に応じて定まり、コード板２が移
動するとθの値も変化する。そこで、図３では、受光ア
レイ３に照射された正弦波状照度分布の位相θを検出
し、該位相θをもってコード板２の位置（又は角度）の
測定に代えている。

【０００４】受光アレイ３を構成する各フォトダイオー
ドＨ１〜Ｈ４の出力電流Ｉ１〜Ｉ４は、正弦波状照度分
布光の強度に応じた値となる。該出力電流Ｉ１〜Ｉ４を
アンプＵ１〜Ｕ４を用いて電圧に変換し、該変換電圧を
スイッチ手段ＳＷ１〜ＳＷ４を用いて角速度ωでスキャ
ンするとサンプル値の時系列になり、図４の破線で示す
正弦波状の出力Ｖ_ＯがアンプＵ_Ｏの出力として得られ
る。ただし、図４の破線で示すように滑らかな正弦波の
出力を得るにはフォトダイオードの数をもっと増やす必
要がある。該図４の波形は図３の波形に相当するもので
あり、コード板２の移動に伴ってその位相θがシフトす
るので、アンプＵ_Ｏの出力Ｖ_Ｏからコード板２の位置ま
たは角度が求められる。

【０００５】ところがこのような従来の光学式エンコー
ダは、図４の波形から分かるように各フォトダイオード
の出力信号がＤＣ的（直流成分を持った信号）であるた
め、例えば光電変換素子Ｈ１〜Ｈ４におけるオフセット
（暗電流）や、光電変換素子の出力を受ける回路系のオ
フセット（例えば図３の増幅器Ｕ１〜Ｕ４のオフセッ
ト）が存在し、このため位相測定の精度が左右されてし
まう。

【０００６】また、光源（発光ダイオード）と光電変換
素子には温度特性があるので、光源の光パワーと光電変
換素子の出力電流は温度により変動する。従って、更に
位相測定の精度を低下させることになる。

【０００７】そこで、これらの問題を解決するために、
出願人はシーケンスコントローラ及び演算器として機能
するマイクロプロセッサを内蔵した光学式エンコーダを
出願している。

【０００８】図６及び図７はシーケンスコントローラ及
び演算器として機能するマイクロプロセッサを内蔵した
光学式エンコーダの構成例図、図８は図６に示す装置の
各部の信号のタイミングチャート、図９は８つのエリア
での演算説明図、図１０は８つのエリアの説明図、図１
１は光電変換素子の出力波形図、図１２はテーブルの内
容説明図である。

【０００９】図６において、光源１は発光ダイオードま
たは白熱電球で構成され、散乱光を図１０に示すコード
板２に照射する。コード板２は図１０のようにスリット
２ｂと遮光部２ａが交互に設けられた板であり、その中
心部は回転シャフト４０に取り付けられる。

【００１０】受光アレイ３は、図３に示すような形状の
４個の光電変換素子Ｈ１〜Ｈ４で構成される。光電変換
素子Ｈ１〜Ｈ４は例えばフォトダイオードで構成され、
照射された光の強さを電流に変換して出力する。

【００１１】これら光源１とコード板２と受光アレイ３
の位置関係は従来例と同様であり、図３のように受光ア
レイ３の受光面に正弦波状照度分布が生じるようにそれ
ぞれが配置される。そして、各受光素子Ｈ１〜Ｈ４は、
図１１のように正弦波状照度分布の１周期を４等分する
位置に配列されるので、各光電変換出力は９０°ずつ位
相が異なる。

【００１２】図１１は、各光電変換素子Ｈ１〜Ｈ４と、
その出力電流を電圧に変換変換するアンプＵ１〜Ｕ４の
接続を示している。図６，図７では、光電変換素子とア
ンプのペアをまとめて光電変換器Ａ１〜Ａ４として描い
ている。

【００１３】各減算器４，５は例えば差動アンプで構成
され、光電変換出力のうち、互いに１８０°位相が異な
るものを減算する。すなわち、減算器４は光電変換器Ａ
１とＡ３の差演算を行い、減算器５は光電変換器Ａ２と
Ａ４の差演算を行う。

【００１４】サンプルホールド回路（以下単にＳ／Ｈ回
路と記す）６，７は、シーケンスコントローラ１１から
信号ｂが加えられるたびに同時刻に減算器４，５の出力
データをサンプリングしてホールドするものである。マ
ルチプレクサ８は、シーケンスコントローラ１１から加
えられる信号ｃにより、Ｓ／Ｈ回路６，７でホールドし
た結果を順次切り替えて取り出し、Ａ／Ｄ変換器（以下
ＡＤＣという）９へ加える。ＡＤＣ９は、導入されたア
ナログ信号をディジタル信号に変換する。つまり、これ
らＳ／Ｈ回路６，７とマルチプレクサ８とＡＤＣ９は、
２つの減算器４，５の同一時刻の出力をディジタル値に
変換するＡＤ変換手段を構成している。

【００１５】ドライバ１２は、シーケンスコントローラ
１１からの制御信号ａにより光源１に加える電流をオ
ン，オフし、これを点灯したり、消灯したりする。演算
器１０は、点灯時と消灯時における減算器４の出力の差
分を演算するとともに、点灯時と消灯時における減算器
５の出力の差分を演算する。そして、この２つの差分か
ら正弦波状照度分布波形の位相θを演算する。

【００１６】シーケンスコントローラ１１はマイクロプ
ロセッサで構成されていて、Ｓ／Ｈ回路６，７とマルチ
プレクサ８とＡＤＣ９と演算器１０とドライバ１２を制
御する。

【００１７】以上のように構成された図６の動作を説明
する。光源１の光はコード板２のスリット２ｂを通過し
て、受光アレイ３上に図１１のような正弦波状照度分布
を生じさせる。該照度分布はコード板２の動きに応じて
受光アレイ３上を移動する。光電変換器Ａ１〜Ａ４の光
電変換素子Ｈ１〜Ｈ４は上述のように９０°ずつ位相が
ずれているため、各光電変換器Ａ１〜Ａ４の出力は次式
のようになる。

【００１８】Ａ１＝ａ（ｓｉｎθ）＋ｂ＋ε１…(1) Ａ２＝ａ（ｃｏｓθ）＋ｂ＋ε２…(2) Ａ３＝ａ（−ｓｉｎθ）＋ｂ＋ε３…(3) Ａ４＝ａ（−ｃｏｓθ）＋ｂ＋ε４…(4) θ：正弦波状照度分布波形の位相、すなわちコード板２
の位置に応じた変数ａ：受光アレイ３上での光パワーの振幅ｂ：光バイアス分 ε１〜ε４：オフセットなお、光バイアス分ｂは、光源１から受光アレイ３に照
射する光パワーの平均値である。オフセットε１〜ε４
は、光電変換素子Ｈ１〜Ｈ４のオフセット（暗電流）と
図１１に示すアンプＵ１〜Ｕ４のオフセットなどを含む
ものである。

【００１９】減算器４は、１８０°位相が異なる光電変
換器Ａ１とＡ３の出力の差分を演算するので、Ａ１−Ａ３＝２ａ・ｓｉｎθ＋（ε１−ε３）…(5) を出力し、減算器５は、１８０°位相が異なる光電変換
器Ａ２とＡ４の出力の差分を演算するので、Ａ２−Ａ４＝２ａ・ｃｏｓθ＋（ε２−ε４）…(6) を出力する。

【００２０】Ｓ／Ｈ回路６，７は、シーケンスコントロ
ーラ１１から同一のＳ／Ｈ信号ｂが加えられるたびに同
期して、(5) 式，(6) 式で示す減算器４，５の出力をサ
ンプリングする。

【００２１】Ｓ／Ｈ回路６，７の内容はマルチプレクサ
８によりそれぞれ選択されてＡＤＣ９に加えられ、それ
ぞれディジタル値に変換される。該ディジタル値は演算
器１０に加えられて位相θを求めるための演算が施され
る。

【００２２】ところが、(5) 式，(6) 式にはオフセット
ε１〜ε４が含まれているので、何等の対策を施すこと
なくこれら(5) 式，(6) 式の出力に基づいて位相θを算
出しても高精度な位相測定は行えない。

【００２３】そこで、次のようにしてオフセットの影響
を除去する。演算器１０は、上述した点灯時の測定デー
タ、すなわち(5) 式，(6) 式に基づく（Ａ１−Ａ３）と
（Ａ２−Ａ４）のディジタルデータを内蔵するメモリに
格納しておく。

【００２４】次に、ドライバ１２から光源１に加える電
流をオフにして光源１を消灯させる。この時、(1) 式〜
(4) 式における光成分は全てなくなるので、各光電変換
器Ａ１〜Ａ４から出力される信号Ａ１´〜Ａ４´は(7)
式〜(10)式に示すようにオフセット成分のみになる。

【００２５】Ａ１´＝ε１…(7) Ａ２´＝ε２…(8) Ａ３´＝ε３…(9) Ａ４´＝ε４…(10) 従って、消灯時における減算器４の出力は、Ａ１´−Ａ３´＝（ε１−ε３）…(11) になり、減算器５の出力は、Ａ２´−Ａ４´＝（ε２−ε４）…(12) になる。これら(11)式，(12)式の測定データも上述と同
様にＳ／Ｈ回路６，７で同時サンプルされ、マルチプレ
クサ８とＡＤＣ９を経てそれぞれディジタル値に変換さ
れた後、演算器１０に加えられる。

【００２６】演算器１０は、内蔵メモリに格納していた
(5) 式，(6) 式で表される測定データを読み出して、点
灯時と消灯時における減算器４の差分を求める(13)式お
よび減算器５の差分を求める(14)式の演算を行う。

【００２７】（Ａ１−Ａ３）−（Ａ１´−Ａ３´）＝２ａ・ｓｉｎθ…(13) （Ａ２−Ａ４）−（Ａ２´−Ａ４´）＝２ａ・ｃｏｓθ…(14) これら(13)式，(14)式の演算を行うことにより、オフセ
ットε１〜ε４が除去された位相θのみのデータを得る
ことができる。

【００２８】しかし、振幅“ａ”は、光源１の温度特性
や経時変化、光電変換素子の温度特性等で変動するた
め、(13)式，(14)式から“ａ”を除去することが望まし
い。そこで、演算器１０で比演算を行うことによりａを
除去した（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）を用いて位相θを算出
する。

【００２９】すなわち、演算器１０は、(15)式により、
オフセットの影響がなく、かつ光源１と光電変換素子の
温度特性の影響もない状態で、正弦波状照度分布波形の
位相θを演算できる。

【００３０】 θ＝ｔａｎ^−１（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）…(15) また、ＡＤ変換手段で２つの減算器の同一時刻の出力を
ディジタル値に変換しているので、高速回転しているコ
ード板の位相θも正確に測定できる。以下にその理由を
説明する。

【００３１】もし、２つの減算器の出力である(5) 式，
(6) 式の値のサンプリングに時間のズレがあると、誤差
が生じる。例えば、コード板２のスリット数が１０００
で回転数が３０００ｒｐｍとすると、(5) 式，(6) 式の
ｓｉｎθ，ｃｏｓθは５０ＫＨｚになる。これは、周期
が２０μｓであり、１／１００の位相測定を行うことを
考えると、この同時性は２０μｓ／１００＝０．２μｓ
が必要になる。

【００３２】図８はコード板２が回転（正弦波状照度分
布が時間的に変化）している時の図６の各部の信号のタ
イミングチャートであり、この図を参照して各部動作の
タイミングを説明する。なお、上述では、初めに(5)
式，(6) 式で示される点灯時の測定データを取り込み、
次に(11)式，(12)式で示される消灯時の測定データを取
り込むとして説明したが、この順序が逆になってもよ
い。

【００３３】図８では、シーケンスコントローラ１１か
ら加える制御信号ａにより光源１をまず消灯（ＬＯＷ）
して消灯時の測定データ（オフセットデータ）を取り込
み、次に点灯（ＨＩＧＨ）して点灯時の測定データを得
ている（図８(1) 参照）。従って、消灯時と点灯時にお
ける減算器４，５の出力は、図８(2),(3) のようにな
る。すなわち、消灯時には減算器４から(11)式のオフセ
ットを意味する電圧Ｖ_ｏ _ｆ１（＝ε１−ε３）が出力さ
れ、減算器５から(12)式のオフセットを意味する電圧Ｖ
_ｏｆ２（＝ε２−ε４）が出力される。また、点灯時に
は、コード板２の回転とともに(5) 式，(6) 式で示され
る波形が出力される。

【００３４】Ｓ／Ｈ回路６，７には消灯時に図８(4) に
示すタイミングでＳ／Ｈ信号ｂがシーケンスコントロー
ラ１１から加えられるので、Ｓ／Ｈ回路６は図８(2) に
示すデータＤ１を、Ｓ／Ｈ回路７は図８(3) に示すデー
タＤ３を、同一時刻にサンプリングする。

【００３５】これらサンプリングデータＤ１，Ｄ３はマ
ルチプレクサ８により順次取り出され、ＡＤＣ９へ入力
される。すなわち、図８(5) に示すシーケンスコントロ
ーラ１１の信号ｃがＨＩＧＨのときＳ／Ｈ回路６が選択
され、ＬＯＷのときＳ／Ｈ回路７が選択される。ＡＤＣ
９は、マルチプレクサ８がＨＩＧＨの期間にシーケンス
コントローラ１１からＡＤ変換コマンド信号ｄが加えら
れることによりＳ／Ｈ回路６がサンプリングしているオ
フセットデータＤ１をディジタル値に変換し、マルチプ
レクサ８がＬＯＷの期間にシーケンスコントローラ１１
からＡＤ変換コマンド信号ｄが加えられることによりＳ
／Ｈ回路７がサンプリングしているオフセットデータＤ
３をディジタル値に変換する（図８(6) 参照）。

【００３６】演算器１０は、図８(7) に示すシーケンス
コントローラ１１からのデータ取得コマンド信号ｅのタ
イミングによりディジタルデータＤ１，Ｄ３を取り込
み、図示しないメモリに格納する。

【００３７】点灯時には上述と同様な動作により位相デ
ータＤ２とＤ４が演算器１０のメモリに取り込まれる。
その後、演算器１０にはシーケンスコントローラ１１か
ら図８(8) に示す演算コマンドｆが加えられ、演算器１
０はこれを起点にして上述した演算を行い、オフセット
と温度特性に影響されない位相θを算出する。

【００３８】なお、ＡＤＣ９には必ず量子化誤差が存在
する。すなわち、図８で説明したデータＤ１，Ｄ２，Ｄ
３，Ｄ４の最小ビットＬＳＢは不安定な値である。その
結果、これらデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の値に基づ
いて算出された位相θの分解能は、このＡＤＣ９の量子
化誤差により制限される。

【００３９】つまり、ＡＤＣ９の最小ビットであるＬＳ
Ｂは、入力アナログ信号のレベルが一定であっても、一
般に“０”となったり“１”になったりして不安定であ
る。図８の例でいえば、データＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４
の最小ビットＬＳＢは不安定な値である。従って、該
“ＬＳＢ”を角度θに換算した値で、測定対象の位相θ
の分解能が決定される。

【００４０】このようなＡＤＣ９の量子化誤差による影
響は、演算器１０の演算機能により低減できる。前記し
たＡＤＣ９で得られるディジタルデータの最小ビットＬ
ＳＢのバラツキは確率的なものである。すなわち、ＡＤ
Ｃ９に加えられるアナログ信号の値が安定な場合には、
ＡＤ変換されたディジタル値の平均をとることでＬＳＢ
のバラツキをなくして前記アナログ信号の真値により近
い値を測定できる。

【００４１】オフセットデータ（消灯時のデータ）は、
短時間的にはその値は一定と見ることができる。そこ
で、オフセットデータの複数個を演算器１０のメモリに
格納し、その平均値をオフセットデータとして用いるよ
うにする。上述の数式を参照して説明すると、(11)式で
示される（Ａ１´−Ａ３´）のデータ（図８で言えばＤ
１のデータに相当）と(12)式で示される（Ａ２´−Ａ４
´）のデータ（図８で言えばＤ３のデータに相当）は、
ＬＳＢのバラツキが含まれないより真値に近いデータが
得られる。その結果、消灯時に測定するオフセットの値
は真値に近いので、位相θの分解能は向上する。

【００４２】なお、点灯時にはコード板２が回転し、Ａ
ＤＣ９に加えられるアナログ信号そのものが時々刻々と
変化するので、(5) 式で示される（Ａ１−Ａ３）のデー
タ（図８で言えばＤ２のデータに相当）と(6) 式で示さ
れる（Ａ２−Ａ４）のデータ（図８で言えばＤ４のデー
タに相当）については、上述のような平均化手段を用い
てＬＳＢのバラツキを除去できないのはやむを得ない。

【００４３】しかし、消灯時のデータのみでも、ＬＳＢ
のバラツキによる影響を除くことができるので、位相θ
の分解能を向上させることができる効果が得られる。図
１３を参照して補足説明する。図１３の左端には、当該
波形の信号名称を付してある。図６において、光源１
は、制御信号ａにより、図１３(1) の如く消灯と点灯を
繰り返している。データ取得コマンドｄは例えば図１３
(2) の丸印のようなタイミングで発生しており、消灯時
の期間からは、オフセットデータのみを示す…，ｄａ
_ｎ−１，ｄａ_ｎ，ｄａ_ｎ＋１，…（このデータは図８の
データＤ１に相当）と、…，ｄｂ_ｎ−１，ｄｂ_ｎ，ｄｂ
_ｎ＋１，…（このデータは図８のデータＤ３に相当）が
ＡＤＣ９から出力される。

【００４４】また、点灯時の期間からは、正弦波状照度
分布波形の位相θとオフセットデータとを含む…，Ｄａ
_ｎ−１，Ｄａ_ｎ，Ｄａ_ｎ＋１，…（このデータは図８の
データＤ２に相当）と、…，Ｄｂ_ｎ−１，Ｄｂ_ｎ，Ｄｂ
_ｎ＋１，…（このデータは図８のデータＤ４に相当）が
ＡＤＣ９から出力される。

【００４５】今、演算器１０がＡＤＣ９から正弦波状照
度分布波形の位相θ（点灯時のデータ）を示すｎ回目の
測定データＤａ_ｎとＤｂ_ｎを導入し（図１３(3) 参
照）、(13)式と(14)式の演算を行う場合を考える。測定
データＤａ_ｎは、(13)式の（Ａ１−Ａ３）に相当する。
また、測定データＤｂ_ｎは、(14)式の（Ａ２−Ａ４）に
相当する。なお、(13)式の（Ａ１´−Ａ３´）としては
消灯時のｎ回目のデータｄａ_ｎを使用せず、下式で示す
ようにｎ回目のサンプリングから（ｎ−ｋ）回目までの
ｋ個のデータの平均データｄａ_ｎｏｆｆを用いる。ｋは
設計により定める整数である。

【００４６】ｄａ_ｎｏｆｆ＝（ｄａ_ｎ−ｋ＋…＋ｄａ_ｎ−１＋ｄａ_ｎ）／ｋ同様に、(14)式の（Ａ２´−Ａ４´）としては消灯時の
ｎ回目のデータｄｂ_ｎを使用せず、下式で示すようにｎ
回目のサンプリングから（ｎ−ｋ）回目までのｋ個のデ
ータの平均データｄｂ_ｎｏｆｆを用いる。

【００４７】ｄｂ_ｎｏｆｆ＝（ｄｂ_ｎ−ｋ＋…＋ｄｂ_ｎ−１＋ｄｂ_ｎ）／ｋこれらの平均化演算は演算器１０で行う。このようにし
て得られたオフセットを表すｄａ_ｎｏｆｆとｄｂ
_ｎｏｆｆは、ＡＤＣ９のＬＳＢのバラツキが除去され、
統計的に真値に近いものである。

【００４８】なお、上述では、(13)式と(14)式に用いる
消灯時のデータを最新のｋ回のサンプリングの平均値を
採用した例で説明したが、既述したようにオフセットは
短時間には変化しない。従って、消灯時のデータを最新
のｋ回のサンプリングの平均値に限定せず、消灯時のデ
ータ更新をＭ回に１回にしてもよい。例えば、消灯時の
ｎ回目のデータをｄａ_ｎｏｆｆ，ｄｂ_ｎｏｆｆとして、ｄａ_ｎｏｆｆ＝ｄａ_Ｎｄｂ_ｎｏｆｆ＝ｄｂ_Ｎを用いるようにしてもよい。ここで、Ｎ＝ｎ−ｊであ
る。

【００４９】なお、図６では１個のＡＤＣ９を共用して
いるが、図７のように減算器４，５にそれぞれ専用のＡ
ＤＣ１５，１６を設けてもよい。この場合、同一時間当
たりのＡＤ処理負担量は図６の半分に減少するので、Ａ
Ｄ変換速度は図６のＡＤＣ９と比べて遅くてよい。ま
た、Ｓ／Ｈ回路６，７とマルチプレクサ８は不要にな
る。

【００５０】また、上述において、演算器１０は、(13)
式，(14)式で示される２つの差分から(15)式の演算を行
い、正弦波状照度分布波形の位相θを演算するものとし
て説明した。

【００５１】しかし、ｔａｎ^−１の演算は時間を要する
ので、高速処理を行いたい場合には(15)式の演算を行わ
ないで演算器１０が内蔵するテーブルを参照して位相θ
を求めるようにしてもよい。テーブルは外に独立して設
けられたものでもよい。

【００５２】この場合、演算器１０を以下に説明する構
成にすることにより、テーブルに書き込むデータ量を０
°〜３６０°の１／８にできる。すなわち、図１２のよ
うに、０°〜４５°の角度θと、（ｓｉｎθ／ｃｏｓ
θ）の関係をテーブルに書き込めばよい。

【００５３】これを説明する。図１０は、ｓｉｎθとｃ
ｏｓθとｔａｎθの関係説明図である。(15)式で得られ
るθと（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）の関係は、図１０の実線
で描いた曲線上に存在する。ここで、図１０のように、
４５°毎に８つのエリアに区切ると、各エリア部の実線
波形は次式で表される。(1),(8) は、 θ＝ｔａｎ^−１（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）…(16) (2),(3) は、 θ＝ｔａｎ^−１（−ｃｏｓθ／ｓｉｎθ）＋π／２…(17) (4),(5) は、 θ＝ｔａｎ^−１（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）＋π…(18) (6),(7) は、 θ＝ｔａｎ^−１（−ｃｏｓθ／ｓｉｎθ）＋３π／２…(19) ここで、０°〜４５°の角度θと（ｓｉｎθ／ｃｏｓ
θ）の関係を図１２のテーブルに書き込むことにより、
このデータθを読み出して各エリア毎に図９に示す演算
で位相θを算出できる。図９は、図１０の８つのエリ
ア，ｓｉｎθの正負の状態，ｃｏｓθの正負の状態，こ
の絶対値同士の減算結果の正負の状態，比の値（図１２
のテーブルのアドレス），起点位相，各エリア毎の演算
式を示している。なお、図９の演算式における“θ”
は、図１２のテーブルから読み出した値を意味する。図
９中の演算式は図１０から容易に導き出されるので説明
を省略する。

【００５４】従って、現在の位相θがこの８つのエリア
のどれに属するかを知ることができれば、上記図９に示
す演算を行うことにより位相θを求めることができる。
すなわち、演算器１０は、点灯時と消灯時における減算
器４の出力の差分（ｓｉｎθ）の正負状態と、点灯時と
消灯時における減算器５の出力の差分（ｃｏｓθ）の正
負状態と、この２つの差分の絶対値同士の減算結果｛｜
ｓｉｎθ｜−｜ｃｏｓθ｜｝の正負状態とからなる８つ
の組み合わせを認識して現在の位相θがこの８つのどれ
に属するかを判断する判断手段と、０°〜４５°の角度
θと（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）の関係が書き込まれたテー
ブルと、減算器４の出力の差分（ｓｉｎθ）と減算器５
の出力の差分（ｃｏｓθ）とから、（ｓｉｎθ／ｃｏｓ
θ）または（ｃｏｓθ／ｓｉｎθ）の演算を行う比演算
器と、この比演算器の演算結果に対応する角度θを前記
テーブルから読み出し、判断手段で判断した現在の位相
θが属する組み合わせに応じて角度θに演算を加えて位
相θを算出する位相演算器、とを備えている。

【００５５】なお、上述では、テーブルに角度θと（ｓ
ｉｎθ／ｃｏｓθ）の関係を書き込み、比演算器で（ｓ
ｉｎθ／ｃｏｓθ）の演算を行うとして説明したが、こ
の分子と分母を逆の関係にしても同様の結果が得られる
ことは明らかである。すなわち、テーブルに角度θと
（ｃｏｓθ／ｓｉｎθ）の関係を書き込み、比演算器で
（ｃｏｓθ／ｓｉｎθ）の演算を行うようにしてもよ
い。

【００５６】上述のようにマイクロプロセッサを内蔵す
ることによって、以下のような効果が得られる。１８０°位相の異なる信号の差をとる構成のため、光
バイアス分ｂ（(1) 式〜(4) 式）が除去できる。すなわ
ち、光源の光パワー変動に伴う光バイアスｂの変化を自
動的に除去できる。

【００５７】光源をオン，オフし、オフセットを計測
できる構成のため、光電変換素子のオフセットと回路系
のオフセットを除去でき、高精度な位相計測が行える。２つの減算器の出力を同時サンプリングし、１個のＡ
ＤＣ９を共用してディジタル変換するため、ＡＤＣ９の
ゲイン特性に基づく位相演算誤差がない。

【００５８】これを説明する。例えば、減算器４からＡ
ＤＣ９に２ａ・ｓｉｎθが加えられ、ディジタル値とし
てｋ・２ａ・ｓｉｎθに変換したとする。ここで、ｋは
ＡＤ変換の係数である。これと同じＡＤＣ９へ今度は減
算器５から２ａ・ｃｏｓθが加えられるとディジタル値
としてｋ・２ａ・ｃｏｓθを出力する。演算器１０で
は、ｔａｎ^−１（ｋ・２ａ・ｓｉｎθ）／（ｋ・２ａ・ｃｏｓθ）を演算するので、分子と分母の係数ｋがキャンセルさ
れ、ＡＤＣ９のゲインエラー（ｋの変動）は演算の精度
に影響しないことになる。

【００５９】ｔａｎ^−１を演算する際、（ｓｉｎθ／
ｃｏｓθ）または（ｃｏｓθ／ｓｉｎθ）の演算を行っ
ているため、位相信号の振幅（(1) 式〜(4) 式のａ）の
変動が規格化される。従って、テーブル演算を行う場合
テーブルを小さくできる。また、位相θを演算する際、
象限を８分割することによりテーブルサイズを１／８に
縮小できる。

【００６０】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、受光ア
レイ上の光量分布からコード板の回転角度を求めるのに
あたっては、減算器出力のホールド，ＡＤ変換，演算器
による角度演算が必要である。

【００６１】そこでシーケンスコントローラ及び演算器
として機能するマイクロプロセッサを内蔵した光学式エ
ンコーダでは、内部に一定間隔のパルス源を設けておい
て、シーケンスコントローラは該パルスを割り込み信号
として受けて一定間隔で所定の演算を繰り返すことによ
り外部に角度データを出力する内部同期方式として構成
したり、外部から外部出力要求パルスを受けて該パルス
に同期して角度データを出力する外部同期方式として構
成されている。

【００６２】しかし、外部同期方式の場合、外部出力要
求パルスが入力されると、ＡＤ変換，角度演算の順に動
作して、求めた角度データを出力するので、外部出力要
求パルスが入力されてから必要な角度データを得るまで
にかなりの時間がかかってしまう。

【００６３】また、両方式ともに、シーケンスコントロ
ーラが指令パルスを出してから角度データを受け取るま
での時間的なずれにより、受信時の角度には誤差が生じ
てしまうという問題もある。

【００６４】本発明の目的は、外部同期，内部同期のい
ずれのタイミングについても角度データ出力を可能に
し、かつ、その角度データは受信までの時間遅れが補正
されたものである光学式エンコーダを提供することにあ
る。

【００６５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、受光アレイ上の光量データに基づいてコ
ード板の回転角度を求めるように構成された光学式エン
コーダにおいて、各部の動作シーケンスを制御するシー
ケンスコントローラ及び角度データを演算する演算器と
して機能し、演算された角度データを記憶するマイクロ
プロセッサを設け、該マイクロプロセッサは、外部から
角度データ要求信号が入力されたときには記憶している
角度データに下式(1) による補正演算を施して角度デー
タ要求信号受信終了時における角度データを出力し、外
部からの角度データ要求信号が一定時間入力されないと
きには記憶している角度データに下式(2) による補正演
算を施して内部タイミング信号に従って内部タイミング
信号受信終了時における角度データを一定時間間隔で出
力することを特徴とする。

【００６６】 θ_ＲＥＳ＝θ_ＣＡＬ＋Ｖ＊（ｔ／Ｔ_ＥＸＴ）…(1) θ_ＲＥＳ：受信時刻の角度（補正後の角度） θ_ＣＡＬ：ＡＤデータから演算された角度（補正前の角
度）Ｖ：速度（外部出力要求信号間の補正前角度変化
量）ｔ：ＡＤデータサンプルから受信完了までの時間Ｔ_ＥＸＴ：外部出力要求信号周期 θ_ＲＥＳ＝θ_ＣＡＬ＋Ｖ＊（ｔ／Ｔ_ＩＮ）…(2) θ_ＲＥＳ：受信時刻の角度（補正後の角度） θ_ＣＡＬ：ＡＤデータから演算された角度（補正前の角
度）Ｖ：速度（内部タイミング周期の補正前角度変化
量）ｔ：ＡＤデータサンプルから受信完了までの時間Ｔ_ＩＮ：内部タイミング周期

【００６７】

【作用】マイクロプロセッサは、外部同期，内部同期の
いずれのタイミングについても受信までの時間遅れが補
正演算された角度データを出力する。

【００６８】これにより、外部同期，内部同期のいずれ
のタイミングについても高精度の角度データ出力が得ら
れる。

【００６９】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。図１は本発明に係る光学式エンコーダの
構成図で、図６と共通する部分には同じ符号を付けてい
る。図１において、１３は演算器１０の演算結果を外部
に送出するデータ送信器である。シーケンスコントロー
ラ１１には外部出力要求信号が入力されるとともに、デ
ータ送信器１３には該シーケンスコントローラ１１から
出力制御信号ｇが加えられている。また、演算器１０
は、従来の機能の他に遅れ時間の補正機能も備えてい
る。

【００７０】図２のタイミングチャートを参照して図１
の動作を説明する。はじめに、外部出力要求信号がな
く、内部タイミング信号に従って出力を行う場合を説明
する。図２（Ａ）は内部タイミング信号に同期した動作
のタイミングチャートである。内部タイミング信号はそ
の周期が一定であることから、前回のタイミング信号発
生時刻がわかっていれば次回の発生時刻が予想できる。
従って、その周期内にＡＤデータサンプリングから角度
演算及び外部への出力に至る全ての処理を終了すること
により、内部タイミング信号毎に角度データを出力し続
けることができる。周期が一定であることから受信時刻
における角度に対する補正は次の式で行う。

【００７１】θ_ＲＥＳ＝θ_ＣＡＬ＋Ｖ＊（ｔ／Ｔ_ＩＮ） θ_ＲＥＳ：受信時刻の角度（補正後の角度） θ_ＣＡＬ：ＡＤデータから演算された角度（補正前の角
度）Ｖ：速度（内部タイミング周期の補正前角度変化
量）ｔ：ＡＤデータサンプルから受信完了までの時間Ｔ_ＩＮ：内部タイミング周期次に、外部出力要求信号に対する動作について説明す
る。図２（Ｂ）は外部出力要求信号に同期した動作のタ
イミングチャートである。外部出力要求信号は、エンコ
ーダ内部の演算及びシーケンスコントロールのサイクル
においてどの時点で入ってくるか分からないという点が
内部タイミング信号の場合と大きく異なっている。外部
出力要求信号の周期が一定であれば、受信時刻における
角度に対する補正を次の式で行うことができる。

【００７２】 θ_ＲＥＳ＝θ_ＣＡＬ＋Ｖ＊（ｔ／Ｔ_ＥＸＴ） θ_ＲＥＳ：受信時刻の角度（補正後の角度） θ_ＣＡＬ：ＡＤデータから演算された角度（補正前の角
度）Ｖ：速度（外部出力要求信号間の補正前角度変化
量）ｔ：ＡＤデータサンプルから受信完了までの時間Ｔ_ＥＸＴ：外部出力要求信号周期なお、外部出力要求信号周期は予め決定しておいてもよ
いし、実際の周期をエンコーダ側で測定してもよい。
又、実施例では受光アレイ上の光量分布をＡＤ変換して
コード板の回転角度を求めているが、例えば受光素子上
の光量変化のカウントデータであってもよい。

【００７３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、外
部同期，内部同期のいずれのタイミングについても受信
までの時間遅れが補正演算された精度の高い角度データ
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光学式エンコーダの構成図であ
る。

【図２】図１の動作を説明するタイミングチャートであ
る。

【図３】従来例の要部の構成図である。

【図４】フォトダイオードが４個の出力信号説明図であ
る。

【図５】コード板の構成例図である。

【図６】マイクロプロセッサを用いる基本回路図であ
る。

【図７】マイクロプロセッサを用いる他の基本回路図で
ある。

【図８】図６の各部の信号のタイミングチャートであ
る。

【図９】８つのエリアでの演算説明図である。

【図１０】８つのエリアの説明図である。

【図１１】光電変換素子の出力波形図である。

【図１２】テーブルの内容説明図である。

【図１３】ＡＤＣの量子化誤差による影響を低減する方
法の説明図である。

【符号の説明】

１光源２コード板３受光アレイ４，５減算器６，７サンプルホールド回路８マルチプレクサ９Ａ／Ｄ変換器１０演算器（マイクロプロセッサ）１１シーケンスコントローラ１２ドライバ１３データ送信器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受光アレイ上の光量データに基づいてコ
ード板の回転角度を求めるように構成された光学式エン
コーダにおいて、各部の動作シーケンスを制御するシーケンスコントロー
ラ及び角度データを演算する演算器として機能し、演算
された角度データを記憶するマイクロプロセッサを設
け、該マイクロプロセッサは、外部から角度データ要求信号が入力されたときには記憶
している角度データに下式(1) による補正演算を施して
角度データ要求信号受信終了時における角度データを出
力し、外部からの角度データ要求信号が一定時間入力されない
ときには記憶している角度データに下式(2) による補正
演算を施して内部タイミング信号に従って内部タイミン
グ信号受信終了時における角度データを一定時間間隔で
出力することを特徴とする光学式エンコーダ。 θ_ＲＥＳ＝θ_ＣＡＬ＋Ｖ＊（ｔ／Ｔ_ＥＸＴ）…(1) θ_ＲＥＳ：受信時刻の角度（補正後の角度） θ_ＣＡＬ：ＡＤデータから演算された角度（補正前の角
度）Ｖ：速度（外部出力要求信号間の補正前角度変化
量）ｔ：ＡＤデータサンプルから受信完了までの時間Ｔ_ＥＸＴ：外部出力要求信号周期 θ_ＲＥＳ＝θ_ＣＡＬ＋Ｖ＊（ｔ／Ｔ_ＩＮ）…(2) θ_ＲＥＳ：受信時刻の角度（補正後の角度） θ_ＣＡＬ：ＡＤデータから演算された角度（補正前の角
度）Ｖ：速度（内部タイミング周期の補正前角度変化
量）ｔ：ＡＤデータサンプルから受信完了までの時間Ｔ_ＩＮ：内部タイミング周期