JPH0599691A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学式エンコーダの位相検出回路を集積回路
化できるようにする。 【構成】 従来装置で行っていた光源の強度変調に代わ
り、受光アレイから出力される90°位相の異なる２つの
光電変換出力をsin ωt 、cos ωt の90°位相の異なる
２つの信号でそれぞれ変調して、位相出力φ（θ）を取
り出す。 【効果】 従来装置で用いられていた大容量コンデンサ
を必要するハイパスフィルタをディジタル回路に置き換
えることができ、集積回路化ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンコーダの位相検出
方式に関する。本発明は特に光学式エンコーダでのコー
ド板スリットの位置検出を行う位相検出回路を集積回路
化するのに適する。

【０００２】

【従来の技術】スリットと光の遮蔽部が交互に配列され
たコード板に、光源から散乱光を照射すると、コード板
の裏側に、スリットの周期ごとにこれに対応した周期の
正弦波の光強度分布が生じる。この正弦波の位相φは、
コード板が移動するとこれにつれて変化する。この原理
を利用して、コード板の裏側に受光アレイを固定して、
この正弦波状の信号の位相φを検出することでコード板
の角度（または位置）を測定する光学的エンコーダが知
られている。

【０００３】出願人は、このような光学式エンコーダに
おいて、光源からの光強度をsin ωt とcos ωt で変調
し、受光アレイの出力をスイッチングすることなく、ハ
イパスフィルタを用いることにより、高精度で高速変化
する位置情報を測定できる発明を行い、これを特願昭62
−70078 号として、また３トラックの光学式エンコーダ
として平成１年７月６日に実願平１− 79739号として出
願した。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらの先行発明のエ
ンコーダでは、光源となるＬＥＤを変調し、コード板の
スリットの位相φをsin(ωt ＋θ) の形で得ることによ
り、角度情報を演算するものであった。すなわち、ＬＥ
Ｄ変調方式での位相出力φは φ＝sin(ωt ＋θ) ＋sin θ の式で与えられて、 sinωt 、sin θなどで表される非
位相変調項が光電変換出力として同時に出力されるた
め、これらの項、上式ではsin θの項を除去する目的で
差動アンプ、広域通過フィルタが必要であった。このた
め、回路を集積回路化しようとすると、フィルタに大容
量のコンデンサが必要となり高集積回路化が難しい問題
があった。

【０００５】本発明は、エンコーダの位相検出器にフィ
ルタを用いる必要がなく集積回路化が可能なエンコーダ
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、光源と、スリ
ットと遮光部とが交互に設けられたコード板と、このコ
ード板の裏側に生ずる光強度分布の一周期を４等分する
ように配列された４個の光電変換素子を備えた受光アレ
イと、この受光アレイのそれぞれの光電変換素子の出力
する信号を入力して上記コード板の位置に応じて生ずる
位相を検出する位相検出回路とを備えたエンコーダにお
いて、上記位相検出回路は、位相が90°異なる第一の信
号と第二の信号を出力する発振器と、上記受光アレイの
出力する第一の信号を上記発振器の第一の信号で変調す
る第一変調手段と、上記受光アレイの出力する第一の信
号と90°位相の異なる第二の信号を上記発振器の第二の
信号で変調する第二変調手段と、この第一変調手段と第
二変調手段の出力を加算または減算する加減算手段とを
含むことを特徴とする。

【０００７】なお、コード板が回転軸に結合され、この
回転軸に対して軸対称の位置に二つの受光アレイが設け
られ、この回転軸に対して軸対称の位置に設けられた二
つの受光アレイの出力信号を加算または減算する加減算
手段を備えることが好ましい。

【０００８】

【作用】コード板のスリットを透過した光を受光した４
つの光電変換素子の光電変換出力は、理想的な正弦波照
度分布を生じるものとすると、 Ａ₁ ＝(sinθ＋１） Ａ₂ ＝(cosθ＋１） Ａ₃ ＝(-sin θ＋１） Ａ₄ ＝(-cos θ＋１） …（１） となる。Ａ₁ の出力からＡ₃ を引き、Ａ₂ の出力からＡ
₄ を引くと、 Ａ₁ −Ａ₃ ＝２sin θ Ａ₂ −Ａ₄ ＝２cos θ …（２） が得られる。この出力を２相発振器の出力によって変調
すると （Ａ₁ −Ａ₃ ）cos ωt ＝２sin θcos ωt （Ａ₂ −Ａ₄ ）sin ωt ＝２cos θsin ωt …（３） となり、さらに α（θ) ＝２sin(ωt ＋θ) β（θ) ＝２sin(ωt ＋θ) …（４） が得られる。 出力φ（θ）＝α（θ）＋β（θ）＝２sin(ωt ＋θ) …（５） が得られるので、sin ωt と位相比較することにより、
位相角θを求めることができる。

【０００９】なお、ロータリエンコーダで、偏心誤差を
δとすると、この偏心誤差δは対角位置で逆相で出るた
め、誤差を含めて（４）式を書き換えると、 α（θ) ＝２sin(ωt ＋θ＋δ) β（θ) ＝２sin(ωt ＋θ−δ）) …（６） となり、位相出力φは φ（θ）＝２sin(ωt ＋θ)cosδ＋２cos(ωt ＋θ)sinδ ＋２sin(ωt ＋θ)cosδ−２cos(ωt ＋θ)sinδ ＝４ cosδsin(ωt ＋θ) …（７） となり、偏心誤差を相殺することができる。

【００１０】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。

【００１１】図１は本発明第一実施例の光学式エンコー
ダの構成を示す図である。この光学式エンコーダは、ロ
ータリエンコーダの例であり、偏心誤差を打ち消す構成
となっている。

【００１２】まず、図１に基づいて説明する。光源１お
よび光源２は図示されない光源ドライバによって制御さ
れてコード板３の裏側に設けられた４つの光電変換素子
Ａ₁ 〜Ａ₄ を備えた受光アレイ４または光電変換素子Ｂ
₁ 〜Ｂ₄ を備えた受光アレイ５に光を照射する。コード
板３は、スリットと遮光部とが交互に一定間隔で繰り返
し配列されたものであり、このコード板のスリットと遮
光部の裏側にはほぼ正弦波状の光強度分布が得られる。
光源１と受光アレイ４とはコード板３と対向した位置に
配置されており、また光源２と受光アレイ５ともコード
板３と対向した位置に配置されている。また、光源１、
受光アレイ４の配置位置と、光源２と受光アレイ５の配
置位置とは、コード板３が結合する回転軸の軸対称の位
置になっている。受光アレイ４は４個の光電変換素子Ａ
₁ 〜Ａ₄ 、受光アレイ５は４個の光電変換素子Ｂ₁ 〜Ｂ
₄ を備えており、この光電変換素子Ａ₁ 〜Ａ₄ 、Ｂ₁ 〜
Ｂ₄ は正弦波の１周期を４等分するように配置されてい
る。コード板３の形状は、ロータリエンコーダの場合は
円盤状であり、リニアエンコーダの場合は直線状であ
る。円盤状の場合には得られる位置情報は、コード板３
の回転角度θである。なお、本実施例の説明ではロータ
リエンコーダの例で説明するが、リニアエンコーダの場
合も同様に実施できる。

【００１３】受光アレイ４の出力は二つの減算器６、７
に入力されており、減算器６は、光電変換素子Ａ₁ の出
力から光電変換素子Ａ₃ の出力を減算する。減算器７
は、光電変換素子Ａ₂ の出力から光電変換素子Ａ₄ の出
力を減算する。減算器６の出力は乗算器11に入力され、
減算器７の出力は乗算器12に入力される。また、受光ア
レイ４と回転軸対称にある受光アレイ５の出力は二つの
減算器８、９に入力されており、減算器８は、光電変換
素子Ｂ₁ の出力から光電変換素子Ｂ₃ の出力を減算す
る。減算器９は光電変換素子Ｂ₂ の出力から光電変換素
子Ｂ₄ の出力を減算する。減算器８の出力は乗算器13に
入力され、減算器９の出力は乗算器14に入力される。

【００１４】本実施例エンコーダでは、sin ωt とcos
ωt の90°位相の異なる２相の正弦波信号を発生する２
相発振器10を備えており、この２相発振器10のcos ωt
の出力は乗算器11と乗算器13に変調入力として入力さ
れ、sin ωt の出力は乗算器12と乗算器14に変調入力と
して入力される。乗算器11と乗算器12との出力は減算器
15に入力され、乗算器11の出力から乗算器12の出力を減
算する。また乗算器13の出力と乗算器14の出力は減算器
16に入力され、乗算器13の出力から乗算器14の出力を減
算する。そして、減算器15の出力と減算器16の出力とは
加算器17に入力されて加算される。この加算器17の出力
が位相出力φ（θ）となる。また２相発振器10からはsi
nωt の出力が位相角演算用に接続される演算回路に与
えられる。

【００１５】本実施例の特徴とする点は、従来は光源１
および２の光強度をsin ωｔ, cosωt で変調し、非位
相変調項を除去するために広帯域のハイパスフィルタを
用いていたのに対して、２相発振器10と乗算器11〜14と
を設け、この２相発振器10の出力するsin ωt ，cos ω
t の出力で光電変換素子の出力を乗算器11〜14で変調す
ることにより、コンデンサを用いるフィルタを不要とし
て集積回路化を可能としたところに特徴がある。

【００１６】次に本第一実施例の動作を説明する。

【００１７】光源１、２の拡散光源を発した光はコード
板３のスリットを透過して、光電変換素子Ａ₁ 〜Ａ₄ 、
Ｂ₁ 〜Ｂ₄で理想的な正弦波照度分布が生じるものとす
る。このときの光電変換素子Ａ₁ 〜Ａ₄ 、Ｂ₁ 〜Ｂ₄ の
光電出力は、 Ａ₁ ＝Ｂ₁ ＝(sinθ＋１） Ａ₂ ＝Ｂ₂ ＝(cosθ＋１） Ａ₃ ＝Ｂ₃ ＝(-sin θ＋１） Ａ₄ ＝Ｂ₄ ＝(-cos θ＋１） …（１）´ となる。ここで受光アレイ４の出力について、Ａ₁ の出
力からＡ₃ を引き、Ａ₂ の出力からＡ₄ を引くと、 Ａ₁ −Ａ₃ ＝２sin θ Ａ₂ −Ａ₄ ＝２cos θ …（２） が得られる。この出力を２相発振器10の出力によって乗
算器11、12で変調すると （Ａ₁ −Ａ₃ ）cos ωt ＝２sin θcos ωt （Ａ₂ −Ａ₄ ）sin ωt ＝２cos θsin ωt …（３） となる。減算器15、減算器16の出力をα、βとすると、 α（θ) ＝２sin(ωt ＋θ) β（θ) ＝２sin(ωt ＋θ) …（４） が得られる。従って 出力φ（θ）＝α（θ）＋β（θ）＝２sin(ωt ＋θ) …（５） が得られるので、２相発振器10の出力するsin ωt と位
相比較することにより、位相角θを求めることができ
る。

【００１８】なお、ロータリエンコーダで、回転軸によ
る偏心誤差をδとすると、このδは対角位置で逆相で出
るため、光電変換素子Ｂ₁ 〜Ｂ₄ の出力についても考慮
し誤差を含めて（４）式を書き換えると、 α（θ) ＝２sin(ωt ＋θ＋δ) β（θ) ＝２sin(ωt ＋θ−δ）) …（６） となり、回転軸対称の位置にある受光アレイ５の出力を
加算器17で加算した結果の位相出力φは φ（θ）＝２sin(ωt ＋θ)cosδ＋２cos(ωt ＋θ)sinδ ＋２sin(ωt ＋θ)cosδ−２cos(ωt ＋θ)sinδ ＝４ cosδsin(ωt ＋θ) …（７） となり、偏心誤差δを相殺することができる。

【００１９】この偏心誤差δの補正は、原理式（６）
式、（７）式において、α（θ）、β（θ）の振幅が同
一であるときに有効である。ところが、一般には絶対値
で表される｜α（θ）｜≠｜β（θ）｜であるため、両
信号の振幅補正が必要である。このため、図２に示すよ
うに、減算器16の出力にその振幅制御を行う自動振幅制
御回路18を挿入し、対角位置にある受光アレイ４、５の
出力を処理した信号の振幅を等しくするように調整する
ことにより、さらに偏心誤差δの補正をさらに高精度に
行うことが可能である。

【００２０】なお、上記第一実施例では、ロータリエン
コーダでの偏心誤差を補正する構成を含むものである
が、高精度を要求しない位相検出のエンコーダの場合に
は、受光アレイ５側の構成を省略することができる。ま
た、リニアエンコーダの場合には偏心誤差に相当する誤
差が発生しないので、一つの受光アレイの構成とすれば
よい。

【００２１】次に本発明の別の実施例を説明する。

【００２２】図３は、偏心誤差補正を行うための第二実
施例の構成を示すものである。この図においては光源
１、２、コード板３の構成は省略している。この第二実
施例の構成では、光電変換素子Ａ₁ の出力から光電変換
素子Ｂ₃ の出力を減算器19で減算し、光電変換素子Ａ₂
の出力から光電変換素子Ｂ₄ の出力を減算器20で減算
し、減算器19の出力を乗算器21でcos ωt で変調し、減
算器20の出力を乗算器22でsin ωt で変調し、この乗算
器21、22の出力を加算器17で加算する構成としている。
この第二実施例では、第一実施例に比べて減算器および
乗算器の数を少なくしている。

【００２３】その動作について説明する。減算器19、20
では、 Ａ₁ −Ｂ₃ ＝２sin θ Ａ₂ −Ｂ₄ ＝２cos θ の出力を得る。この出力を乗算器21、22で変調すること
により、乗算器21の出力として２sin θcos ωt 、乗算
器22の出力として２cos θsin ωt を得る。この両出力
を加算器17で加算することにより位相出力φ（θ）とし
て２sin(ωt ＋θ) を得ることができる。本第二実施例
では減算器19、20での減算処理の際に偏心誤差δが相殺
される構成となっている。

【００２４】次に図４に偏心誤差補正を行うための第三
実施例の構成を示す。この第三実施例は、原理的には第
二実施例と同じであるが、光電変換素子Ａ₁、Ａ₂ 、Ｂ
₃ 、Ｂ₄ のそれぞれの光電変換出力を乗算器11、12、1
3、14で２相発振器10の出力によって変調する。そし
て、減算器23で乗算器11の出力から乗算器13の出力を減
算し、減算器24で乗算器12の出力から乗算器14の出力を
減算し、この減算器23と減算器24の両出力を加算器17で
加算する構成である。加算器17で得られる位相出力φ
（θ）は４sin(ωt ＋θ) で表される。

【００２５】さらに図５に偏心誤差補正を行うための第
四実施例の構成を示す。この実施例では偏心誤差補正を
行うための対角位置にある受光アレイ４、５の出力の加
算をそれぞれ光電変換素子Ａ₁ 〜Ａ₄ 、Ｂ₁ 〜Ｂ₄ の後
に接続される加算器25、26、27、28で行った後、減算器
６、７による減算処理、乗算器11、12による変調、加算
器17による加算処理を行っている。この第三実施例では
加算器17で得られる位相出力φ（θ）は２sin(ωt ＋
θ) で表される。

【００２６】なお、ピッチの異なる複数スリット列のコ
ード板を用いる場合には、それぞれのスリット列の位相
出力φ₁ 、φ₂ 、φ₃ に基づいてφ₁ −φ₂ 、φ₂ −φ
₃ を演算し、このトラック間の位相出力差に基づいて、 回転角度＝β（ｉ−１）＋α（ｊ−１）＋φ₁ ／Ｎ₁ の式に基づいて回転角度演算を行うことができる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、光学式
エンコーダの位相検出器で光源の光強度をsin ωt 、co
s ωt で変調する代わりに、乗算器を用いて変調を行う
ため、光源変調方式に現れるような非位相変調項がなく
なり、フィルタを必要としなくなった。このため、位相
検出器を集積回路することが可能となった。

【００２８】また、偏心誤差補正用の回路を分離するこ
とができるため、配線の引回しが少なくなり、Ｓ／Ｎ比
を向上させることができ、位相計測時にドプラシフト補
正を行う必要もなくなった。さらに、乗算器による高速
変調が容易であるため、多スリットのコード板を高速回
転させる高速応答検出が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明第一実施例の構成を示すブロック図。

【図２】 コード板の偏心誤差補正を高精度化するため
の振幅調整機構を示す図。

【図３】 本発明第二実施例の構成を示す図。

【図４】 本発明第三実施例の構成を示す図。

【図５】 本発明第四実施例の構成を示す図。

【符号の説明】

１、２ 光源 ３ コード板 ４、５ 受光アレイ ６、７、８、９、15、16、19、20、23、24 減算器 10 ２相発振器 11、12、13、14、21、22 乗算器 17、25、26、27、28 加算器 18 自動振幅制御回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源（１）と、 スリットと遮光部とが交互に設けられたコード板（３）
   と、 このコード板の裏側に生ずる光強度分布の一周期を４等
   分するように配列された４個の光電変換素子を備えた受
   光アレイ（４）と、 この受光アレイのそれぞれの光電変換素子の出力する信
   号を入力して上記コード板の位置に応じて生ずる位相を
   検出する位相検出回路とを備えたエンコーダにおいて、 上記位相検出回路は、 位相が90°異なる第一の信号と第二の信号を出力する発
   振器（10）と、 上記受光アレイの出力する第一の信号を上記発振器の第
   一の信号で変調する第一変調手段（11）と、 上記受光アレイの出力する第一の信号とは90°位相の異
   なる第二の信号を上記発振器の第二の信号で変調する第
   二変調手段（12）と、 この第一変調手段と第二変調手段の出力を加算または減
   算する加減算手段（15）とを含むことを特徴とするエン
   コーダ。
2. 【請求項２】 コード板が回転軸に結合され、 この回転軸に対して軸対称の位置に二つの受光アレイ
   （４、５）が設けられ、 この回転軸に対して軸対称の位置に設けられた二つの受
   光アレイの出力信号を加算または減算する加減算手段
   （17）を備える請求項１記載のエンコーダ。