JPH0526686A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は光学式エンコーダに関し、その目的
は、高速回転時における動的な精度の高い光学式エンコ
ーダを提供することにある。 【構成】 サンプリング的に角度信号を出力する光学式
エンコーダにおいて、１サンプリング前または２サンプ
リング前の位相データの少なくとも一方を格納してお
き、コード板の回転に伴う誤差を推定演算するように構
成する。

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、サンプリング出力形のエンコーダの
回転時における位置検出誤差の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】図９〜図１１を用いて、従来の光学式エ
ンコーダを説明する。図９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１０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１１はコ
ード板の構成例図である。

【０００３】図９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９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９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１０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１０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１０の波形は図９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】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のエンコーダには、本来、計測系と処理系の間
に時間的な遅れがあるため、回転時の計測により得られ
た値と、値を得た時の位置には差があり、この差は速度
によって変化する。

【０００６】その結果、このようなエンコーダをサーボ
系のフィードバック要素として用いると、系の応答が速
度によって異なることから、高速制御時に誤差が大きく
なってしまう。

【０００７】図１２はΔｔのサンプリング周期で角度θ
を出力するエンコーダの時系列変化の説明図である。実
際の角度θ_１，θ_２，…は時間ｔ_ｄ遅れて出力され、出
力時点の角度はθ_１´，θ_２´，…になっている。ここ
で、θ_ｉ´−θ_ｉ（ｉ＝１，２，…）で表される時間遅
れｔ_ｄは角速度に比例するため、高速回転時は遅れ時間
ｔ_ｄが大きいと例えば転流のタイミングがずれる等の影
響が生じるという課題がある。

【０００８】本発明の目的は、高速回転時における動的
な精度の高い光学式エンコーダを提供することにある。

【０００９】

【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、スリットと遮光部が交互に設けられたコ
ード板と、該コード板に光を照射する光源と、前記コー
ド板の裏側に生じる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た４個の光電変換素子と、前記光電
変換素子の出力のうち、互いに１８０°位相が異なる出
力同士を減算する第１，第２の減算手段と、これら２つ
の減算手段の同一時刻の出力をディジタル値に変換する
ＡＤ変換手段と、前記光源を点灯，消灯に駆動する手段
と、点灯時と消灯時における第１減算手段のディジタル
値の差分（ｓｉｎθ）を演算し、点灯時と消灯時におけ
る第２減算手段のディジタル値の差分（ｃｏｓθ）を演
算し、これら２つの差分から前記正弦波状照度分布波形
の位相θを演算する手段と、１サンプリング前または２
サンプリング前の位相データの少なくとも一方を格納す
るメモリと、該メモリに格納された１サンプリング前の
位相データと現時点の位相データから角速度を演算し、
２サンプリング前の位相データから角加速度を演算する
手段と、これら角速度データまたは角加速度データとサ
ンプリングによる遅れ時間から現位相データの遅れ量を
補正する手段、を備えたものである。

【００１０】

【作用】点灯時における第１減算手段と第２減算手段の
出力｛例えば、２ａ・ｓｉｎθ＋（ε１−ε３）…(5)
式参照｝には、コード板の位相θを表す信号の他に、光
電変換素子のオフセット（暗電流）と回路系のオフセッ
ト（ε１−ε３）が重畳されている。

【００１１】一方、消灯時における第１減算手段と第２
減算手段の出力は、光電変換素子のオフセットと回路系
のオフセットとを加算したものである。演算器は、点灯
時と消灯時における第１減算手段の出力の差分と第２減
算手段の出力の差分｛例えば、２ａ・ｓｉｎθ、２ａ・
ｃｏｓθ…(13)、(14)式参照｝を演算するので、該差分
には上記光電変換素子と回路系のオフセットは含まれな
い。

【００１２】従って、これら２つの差分から求められた
正弦波状照度分布波形の位相θは、オフセットに影響さ
れず正確である。そして、メモリには１サンプリング前
または２サンプリング前の位相データの少なくとも一方
が格納されているので、１サンプリング前の位相データ
と現時点の位相データから角速度が演算できて２サンプ
リング前の位相データから角加速度を演算でき、これら
角速度データまたは角加速度データとサンプリングによ
る遅れ時間から現位相データの遅れ量を補正できる。

【００１３】

【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及び図２は本発明に係る光学式エン
コーダの構成例図、図３は図１装置の各部の信号のタイ
ミングチャート、図４は８つのエリアでの演算説明図、
図５は８つのエリアの説明図、図６は光電変換素子の出
力波形図、図７はテーブルの内容説明図、図８はコード
板２の角度θが時間ｔで変化するときの実際の角度と観
測値の推移説明図である。

【００１４】図１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１１に示すコード
板２に照射する。コード板２は図１１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。

【００１５】受光アレイ３は、図６に示すように４個の
光電変換素子Ｈ１〜Ｈ４で構成される。光電変換素子Ｈ
１〜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。

【００１６】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９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６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。

【００１７】図６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１，図２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。

【００１８】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。

【００１９】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ジタル値に変換
するＡＤ変換手段を構成している。

【００２０】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。

【００２１】シーケンスコントローラ１１は、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。以上のように構成された図１
の動作を説明する。

【００２２】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６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。

【００２３】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６に示すアンプＵ１〜Ｕ４のオフセットなどを含むも
のである。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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
ぞれデジタル値に変換される。該デジタル値は演算器１
０にに加えられて位相θを求めるための演算が施され
る。

【００２７】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。

【００２８】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）のデジタルデータを内蔵するメモリに格
納しておく。

【００２９】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。

【００３０】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を経てそれぞれデジタル値に変換され
た後、演算器１０に加えられる。

【００３１】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。

【００３２】 （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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】 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。

【００３６】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。

【００３７】図３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１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。

【００３８】図３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３(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３(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。

【００３９】Ｓ／Ｈ回路６，７には消灯時に図３(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３(2) に
示すデータＤ１を、Ｓ／Ｈ回路７は図３(3) に示すデー
タＤ３を、同一時刻にサンプリングする。

【００４０】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３(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Ｄ３
をデジタル値に変換する（図３(6) 参照）。

【００４１】演算器１０は、図３(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。

【００４２】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３(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。

【００４３】なお、図１では１個のＡＤＣ９を共用して
いるが、図２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１の半分に減少するので、Ａ
Ｄ変換速度は図１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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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７のよう
に、０°〜４５°の角度θと、（ｓｉｎθ／ｃｏｓθ）
の関係をテーブルに書き込めばよい。

【００４７】これを説明する。図５は、ｓｉｎθとｃｏ
ｓθ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５の実線で描
いた曲線上に存在する。ここで、図５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７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４に示す演算で
位相θを算出できる。図４は、図５の８つのエリア，ｓ
ｉｎθ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７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４の演算式における“θ”は、図７の
テーブルから読み出した値を意味する。図４中の演算式
は図５から容易に導き出されるので説明を省略する。

【００４８】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４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。

【００４９】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。

【００５０】また、角度θの補正は、次のようにして行
われる。すなわち、演算器１０に内蔵されている図示し
ないメモリには、１サンプリング前の位相（角度）デー
タまたは２サンプリング前の位相（角度）データの少な
くともいずれかが格納されている。

【００５１】図８において、τ_ｓはサンプリング間隔、
τ_ｄは回路系の遅延と演算時間を合わせた観測値が得ら
れるまでの時間である。添字ｉは任意の整数である。コ
ード板２が定速回転しているときは、図８から明らかな
ように、実際の角度θ_ｉ´は、次式で得られる。

【００５２】 θ_ｉ´＝θ_ｉ＋｛（θ_ｉ−θ_ｉ−１）／τ_ｓ｝τ_ｄ…(20) また、定加速度の場合の実際の角度θ_ｉ´は、次式で得
られる。 θ_ｉ´＝θ_ｉ＋｛（θ_ｉ−θ_ｉ−１）／τ_ｓ｝τ_ｄ ＋｛（θ_ｉ−２θ_ｉ−１＋θ_ｉ−２）／２τ_ｓ ^２｝τ_ｄ ^２…(21) 同様に、加速度が変化している場合についても、変分を
とることで補正を行える。

【００５３】以上のように、回転に伴う誤差は、過去の
データからの推定演算で少なくできる。一方、回路系の
遅延は、一般にｄθ／ｄｔの関数になっているので、 τ_ｄ＝τ_０＋ｋ_１（θ_ｉ−θ_ｉ−１）＋ｋ_２（θ_ｉ−θ_ｉ−１）^２＋… …(22) ｋ_１，ｋ_２，…：定数 のように補正することで誤差を少なくできる。

【００５４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、次
の効果が得られる。 (1) 各基本回路は、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。 (2) 各基本回路は、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。 (3) 各基本回路は、２つの減算器の出力を同時サンプリ
ングし、１個のＡＤＣ９を共用してデジタル変換するた
め、ＡＤＣ９のゲイン特性に基づく位相演算誤差がな
い。

【００５５】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、デジタル値として
ｋ・２ａ・ｓｉｎθに変換したとする。ここで、ｋはＡ
Ｄ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が加えられるとデジタル値とし
てｋ・２ａ・ｃｏｓθを出力する。演算器１０では、ｔ
ａｎ^−１（ｋ・２ａ・ｓｉｎθ）／（ｋ・２ａ・ｃｏｓ
θ）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。 (4) 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。 (5) 過去の離散データから計測系と処理系の時間的な遅
れに起因した位相（角度）遅れの補正演算を行うため、
コード板移動に伴う計測誤差を打ち消すことができ、サ
ーボ系の高速，高精度な制御が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いる基本回路図である。

【図２】本発明で用いる他の基本回路図である。

【図３】図１の各部の信号のタイミングチャートであ
る。

【図４】８つのエリアでの演算説明図である。

【図５】８つのエリアの説明図である。

【図６】光電変換素子の出力波形図である。

【図７】テーブルの内容説明図である。

【図８】コード板の角度θが時間ｔで変化するときの実
際の角度と観測値の推移説明図である。

【図９】従来例の要部の構成図である。

【図１０】フォトダイオードが４個の出力信号説明図で
ある。

【図１１】コード板の構成例図である。

【図１２】Δｔのサンプリング周期で角度θを出力する
エンコーダの時系列変化の説明図である。

【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 ９ Ａ／Ｄ変換器 １０ 演算器 １１ シーケンスコントローラ １２ ドライバ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 スリットと遮光部が交互に設けられたコ
   ード板と、 該コード板に光を照射する光源と、 前記コード板の裏側に生じる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た４個の光電変換素子と、 前記光電変換素子の出力のうち、互いに１８０°位相が
   異なる出力同士を減算する第１，第２の減算手段と、 これら２つの減算手段の同一時刻の出力をディジタル値
   に変換するＡＤ変換手段と、 前記光源を点灯，消灯に駆動する手段と、 点灯時と消灯時における第１減算手段のディジタル値の
   差分（ｓｉｎθ）を演算し、点灯時と消灯時における第
   ２減算手段のディジタル値の差分（ｃｏｓθ）を演算
   し、これら２つの差分から前記正弦波状照度分布波形の
   位相θを演算する手段と、 １サンプリング前または２サンプリング前の位相データ
   の少なくとも一方を格納するメモリと、 該メモリに格納された１サンプリング前の位相データと
   現時点の位相データから角速度を演算し、２サンプリン
   グ前の位相データから角加速度を演算する手段と、 これら角速度データまたは角加速度データとサンプリン
   グによる遅れ時間から現位相データの遅れ量を補正する
   手段、 を備えたことを特徴とする光学式エンコーダ。