JPH06105174B2

JPH06105174B2 - エンコ−ダ

Info

Publication number: JPH06105174B2
Application number: JP59073872A
Authority: JP
Inventors: 宏石田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 1984-04-14
Filing date: 1984-04-14
Publication date: 1994-12-21
Anticipated expiration: 2009-12-21
Also published as: JPS60218029A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明はエンコーダに関するものであり、より特定的に
は光学式インクリメンタル形エンコーダを用いてエンコ
ーダに接続された回転軸の回転方向、回転回数及び回転
位置をアブソリュート形式で算出し得るエンコーダに関
する。

従来技術エンコーダはNC等の移動する作業機械の精密な位置検出
等に広く用いられている。

エンコーダには一般にインクリメンタル形のものとアブ
ソリュート形のものがある。前者は作業機械の移動を検
出するための回転軸に固定された回転板に、回転板の円
周に沿って等間隔でしゃ光部及び透光部（スリット）を
設け、回転板の一方の側から発光素子により回転板を照
射させ、また回転板の他方の側に受光素子を設け、回転
軸の回転と共に回転する回転板の透光部を通した発光素
子の光を受光するようにしたもので、回転板が正回転で
ある場合にはインクリメンタルな信号、逆回転である場
合はデクリメンタルな信号を出力し、回転軸の位置を検
出するようにしたものである。一方後者は、回転板の半
径方向にそれぞれ所定のパターンの透光チャネルを複数
列、円周に沿って設け、該チャネルを通した光を複数の
受光素子で検出し、これらの受光素子の信号の組合せに
より、回転軸の位置を一義的（アブソリュート）に検出
できるようにしたものである。インクリメンタル形エン
コーダは回転板が簡単かつ検出回路も簡単ですむという
利点を有する一方、検出回路用の電源が通常作業機械側
の電源から供給されており、その電源が一旦オフになる
と電源再投入時に回転軸の位置がすぐに判らず、再度基
準位置からの信号（インクリメンタル／デクリメンタ
ル）を計数しなければならないという問題がある。一
方、アブソリュート形エンコーダは電源が一旦オフにな
っても電源再投入時に回転軸の位置が即座に判るが、回
転板の構造及び検出回路が複雑になるといつ問題があ
る。

さらに上述のインクリメンタル形エンコーダ及びアブソ
リュート形エンコーダのいずれも一般に、回転軸の１回
転内の回転位置のみを検出するようになっており、エン
コーダ自体において、回転軸の回転回数そのものが検出
できない。従って、エンコーダの外部回路において１回
転内の回転位置信号を用いて回転軸の回転数及び回転位
置を統合化する、すなわち作業機械のトータルの移動距
離を算出する、ことを行なわなければならない。

上述の問題を解決するものとして、本発明の発明者によ
り発明された「回転体の回転検出用パルスエンコーダ
（特願昭59-017103号及び特願昭59-017104号）」、及
び、「パルスエンコーダ（昭和59年３月10日出願）」が
ある。これらの出願はいずれも回転体の回転回数及び回
転の向きが検出できるようになっているが、いずれもア
ブソリュート形エンコーダを用いていて回転コード板が
やや複雑である。また「回転体の回転検出用パルスエン
コーダ」の両出願は、回転体の回転回数及び回転方向を
検出するため回転コード板に付加的発信素子と固定部に
検出素子を設けねばならず、また後者の「パルスエンコ
ーダ」においても付加的な検出素子を設けており、構造
的に若干複雑となっている。さらに上述のいずれも回路
の動力の消費を低減するためにサンプリング的に電源を
印加するという手法を用いているが、電力消費な低減が
必ずしも充分でないということが見出された。

発明の目的本発明の目的は、簡単な構造且つ比較的簡単な回路によ
り、エンコーダで検出すべき回転軸の回転回数及び回転
方向、並びに１回転内の回転位置をアブソリュート形式
で検出でき、且つ、電力消費の少ないエンコーダを提供
することにある。

発明の構成本発明の上記目的を達成するため、下記に挙げるような
技術的思想に基づいて本発明のエンコーダが実現され
た。すなわち、エンコーダの本体部分としては構造の簡
単なインクリメンタル形のものを用い、付加的な発信素
子、検出素子は用いない。一方、回転回数及び回転方向
を検出するため、在来のインクリメンタル形の検出素子
の作動条件を本発明に基づく信号処理技法により変え、
これによって得られる検出信号を信号処理する。さらに
インクリメンタル形エンコーダの１回転位置信号が電源
断により喪失されることを防止するため、回路用電源は
外的条件により電源断とならない電池を用いる。但し、
電池の寿命がエンコーダ供用期間、又は保守期間充分で
あるように、電力消費が最小となるような回路設計をす
る、等である。

従って本発明においては基本的形態として、回転軸に固
定され円周に沿って所定の間隔で複数の透光域及び遮光
域が連続して設けられた回転板、該回転板の一方の側か
ら前記透光域及び遮光域を照光するように設けられた発
光素子、及び、前記回転板の他方の側に設けられ前記回
転板の透光域を通過した前記発光素子の射出光を所定の
スリットを介して受ける第１及び第２の受光素子であっ
て第２の受光素子が第１の受光素子に対し所定の位相差
をもって回転位置を検出するようにに配置されているも
の、を具備するエンコーダにおいて、前記回転板の透光
域の１つ及び前記所定のスリットを通した前記発光素子
からの射出光が前記いずれかの発光素子を照射する時間
より短かい周期のパルスを発生する発振回路、及び、第
１及び第２の受光素子の信号を受け入れ、該信号に応答
して前記回転板の回転位置、及び前記受信信号の立上り
及び立下りの少なくとも一方を検出して前記回転板の回
転方向及び回転回数を算出する信号処理回路を設け、前
記発光素子、第１及び第２の受光素子及び信号処理回路
を前記発振回路からのパルスに応答して作動させるよう
にしたことを特徴とする、エンコーダが提供される。

実施例本発明の一実施例について添付図面を参照して下記に述
べる。

第１図は本発明のエンコーダ１の概略的な断面を示す図
である。第１図において当該エンコーダ１は、NC等の作
業機械の位置を検出するため作業機械の移動に応じて回
転する回転軸２、該回転軸に固定され回転軸２の回転と
共に回転する回転板７、該回転板の一方の側に設けられ
た基板８に装着され、回転板７のスリット部（第２図）
に光を照射する発光素子９、この実施例においては発光
ダイオードを備えている。基板８には後述する回路部10
及び電池11が設けられている。一方、回転板７をはさん
で基板８と対向して回転軸２が貫通している穴が設けら
れている基台３が設けられ、該基台には、発光ダイオー
ド９に対向する位置に受光素子4,5、この実施例におい
ては、フォトダイオードが設けられている。回転板７と
フォトダイオード4,5との間に固定スリット６が設けら
れてい。

回転板７は第２図にその平面図を示すように円周に沿っ
て、しゃ光部71と透光部72とが一定の間隔で交互に連続
して設けられている。本実施例においては、しゃ光部71
の幅と透光部72の幅とは同じであり、１周当り、それぞ
れ2500個設けられている。また第３図に固定スリット６
の正面図を示す。固定スリット６は、フォトダイオード
4,5と回転板７のしゃ光部及び透光部との間に設けられ
ており、回転板７の透光部を通過した光をさらにスリッ
トを介してフォトダイオード4,5に導びく。ここで固定
スリット６は、フォトダイオード５がフォトダイオード
４に対して90゜位相おくれの透過光を検出するようにス
リットが設けられている。

第４図に第１図に図示の電気回路部10の回路図を示す。
電気回路部10は、クロックパルスCLK₀（第５図（ａ））
を発生させる発振回路100、該クロックパルスCLK₀の立
下りに対応して回路駆動用クロックパルスCLK₁（第５図
（ｂ）を発生させる単安定マルチバイブレータ101、フ
ォトダイオード４及び５の信号を増幅するそれぞれトラ
ンジスタ及び抵抗器から成る増幅回路102及び103、該増
幅回路からの２つの信号の立上り及び立下りを検出する
立上り／立下り検出回路104、該立上り又は立下り検出
信号を出力する際オアをとるオアゲート105及び106、該
オアゲート105又は106の出力信号により“増”又は
“減”の計数を行なうアップ／ダウン（可逆）カウンタ
107を備えている。

立上り／立下り検出回路104は、フォトダイオード４側
の信号SA（Ａ相信号）により作動するＤ形フリップフロ
ップFF1及びFF2、フォトダイオード５側の信号SB（Ｂ相
信号）により作動するＤ形フリップフロップFF3及びFF
4、及び、これらのＤ形フリップフロップFF1〜FF4の信
号を受け入れ、解読して立上り又は立下り信号を出力す
る４ライン‐16ラインデコーダDECDRから成る。すなわ
ち、デコーダDECDRは、フリップフロップFF1〜FF4の出
力SA1,SA2,SB1,SB2をそれぞれ「１」，「２」，
「４」，「８」の信号として受け入れ、０〜15の10進信
号として出力するものである。

上述の回路には電源として、電池11が接続されている。
電池11は発光ダイオード９、及びフォトダイオード４及
び５の電源としても用いられる。

第５図のタイミングチャートを参照して、第１図〜第４
図に図示の本発明のエンコーダの動作を説明する。

回転軸２は位置を測定すべき作業機械の移動速度に応じ
て回転速度が変化するが、ここでは、最大1200rpmで回
転するものとする。前述の如く、回転板７の透光部が１
周で2500個あるから、最大速度で正回転（例えば右回
転）した場合、その周波数50kHzとなる。従って、常時
発光ダイオード９を点灯し続けたとした場合、固定スリ
ット６を通してフォトダイオード４又は５で受ける光は
第５図（ａ）に図示の如く、１周期τ＝20μsecの点滅
光が得られることになる。しかしながら、本発明におい
ては電池11の電力消費を最小にするという観点から、下
記に述べるように、発光ダイオード９を常時点灯させる
ことはせず、最小時間だけ点灯させるようにする。

発光ダイオード９を最小時間だけ点灯させるための励起
パルスCLK₀を発振回路100により発生させる。パルスCLK
₀の周期ｔは（第５図（ｂ））、第５図（ａ）図示の周
期τより短くなければならない。第５図（ａ）に図示の
透過光を検出するには、少なくともｔ＝τでなければな
らないが、さらに立上り立下りを検出するためである。
一方、周期ｔ内のパルスをオン時間t₁とオフ時間t₂とに
分けると、オン時間t₁は発光ダイオード９、フォトダイ
オード４及び５、回路10が安定に作動可能な時間であっ
て、電力消費を最小にするという観点からはできるだけ
短かい方がよい。以上の条件に鍮み、この実施例におい
ては、ｔ＝５μsec,t₁＝２μsec,t₃＝３μsec、すなわ
ちパルスCLK₀の周波数を200kHzとしている。従って、マ
ルチバイブレータ101の出力クロックパルスCLK₁も（第
５図（ｃ））も200kHzである。

回転軸２が最高速度で回転した場合、クロックCLK₀のオ
ンにより点灯した発光ダイオード９の射出光を回転板７
及び固定スリット６を介して受光したフォトダイオード
４は、クロックCLK₀のオン時間に応じた透光域１ピッチ
（１サイクル）当り４個のパルスを出力し、このパルス
増幅回路102により増幅されてＡ相出力SAを得る（第５
図（ｄ））。フォトダイオード５も同様に４個のパルス
を出力するが、このパルスはフォトダイオード４の出力
パルスより位相が90゜おくれており、増幅回路103で増
幅されてＢ相出力SBを得る（第５図（ｅ））。

Ａ相信号SAがフリップフロップFF1のセット入力に印加
されることによりFF1はセットされ出力SA1がオンとなる
（第５図（ｆ））。出力SA1はデコーダDECDRの端子A0に
印加されていると共に次段のフリップフロップFF2のセ
ット入力に印加されており、次のクロックCLK₁がFF2に
印加されることによりFF2がセットされ出力SA2もオンと
なる（第５図（ｇ））。該出力SA2もデコーダDECDRのA1
端子に印加されている。フリップフロップFF1は信号SA
が切れた次のクロックCLK₁でリセットされ、FF2にその
次のクロックCLK₁でリセットされる。

Ｂ相信号SBについても上記同様、フリップフロップFF3
及びFF4を介して第５図（ｈ）及び（ｉ）に図示の信号S
B1及びSB2が得られ、これらの信号がデコーダDECDRのA
2,A3端子に印加される。

デコーダDECDRに印加された上記信号SA1,SA2,SB1,SB2に
よりデコーダは第５図（ｊ）に図示の如きアップダウン
信号SUDに変換して出力するが、その出力は第４図に図
示の如く、適宜、回転板が正回転する場合はインクリメ
ント（加算）するように、逆回転する場合はデクリメン
ト（減算）するようにアップダウンカウンタ107に接続
されている。この実施例では正回転しておりＡ相信号SA
がＢ相信号SBより90゜位相が進んでいるから、アップダ
ウン信号SUDは全てアップパルス信号SUとなる。デコー
ダDECDRは第８図に図示の如くゲートG1〜G14で構成され
ており、SA1＋SA2＋SB1＋SB2が1,7,8,14となる場合にゲ
ートG1,G7,G8,G14からアップパルスが出力される。若し
Ｂ相信号SBがＡ相信号SAより位相が進んだ場合、すなわ
ちエンコーダが逆回転した場合は上記とは反対にSA1＋S
A2＋SB1＋SB2が2,4,11,13となる場合ゲートG2,G4,G11,G
13からダウンパルスのみが出力される。

これらのアップ又はダウンパルス信号がアップダウンカ
ウンタ107で計数されていく。

上記回路には電池11により電圧が常時印加されているも
のとする。従って電源断、に伴う位置不明という状態は
発生せず、常に回転軸の回転位置が維持され、アップダ
ウンカウンタ107から、正転又は逆転を処理した回転位
置信号がいわゆるアブソリュート信号として出力でき
る。又は上記アップダウンカウンタ107において、回転
板の透光部の数に合せて、例えば、正転パルスが2500パ
ルス毎に正回転回数パルスを発生させる。逆転の場合は
逆回転回数パルスを発生させる。これにより、回転回数
と回転方向も判る。

尚電池11は、例えばリチウム電池等比較的寿命が長く安
定したものを用いるが、回路に常時電圧を印加可能とす
るためには、上述したように、発光ダイオード９、フォ
トダイオード4,5及び増幅回路102,103には、これらの作
動及び位置検出に必要な最小時間幅（第５図（ｂ））、
t₁）のパルスを印加して電力消費の最小化を図ると共
に、回路素子として電力消費の少ない、例えば、CMOSデ
バイスを用いている。

以上の動作説明は、回転軸２が最高速度で回転する場合
について述べたが、回転軸は作業機械の移動速度により
変化し、回転しない場合もある。例えば回転軸600rpmで
回転するとすると１ピッチ周期τ′は上記例の倍、すな
わち40μsecとなる（第７図（ａ）。一方、発振回路100
が前述と同じ周波数50kHzのまゝであるとしたら１ピツ
チ内で発光ダイオードは２倍点滅することになるが、立
上り又は立下りを検出するには上記同様４パルスで充分
である。そこで、第６図に図示の如く、回転板の回転速
度をも意味するデコーダDECDRの出力信号をオアゲート1
09を介して入力し、該入力パルスの間のクロックパルス
CLK₁′を計数し、回転軸の回転数に応じて発振回路の発
振周期を算出する回路108を設け、さらに発振回路100′
は回路108の指令に応じて発振周期を変化できるように
しておく。この例では、発振周期ｔ′を２倍にする（第
７図（ｂ））。但し、発光ダイオード等をオンする時間
t₁を前の通りである。このようにすることにより、発光
ダイオード等を作動させる回数が減少するから、電池の
電力消費を著しく低減することができる。このようにす
ることにより、電池の寿命をほぼエンコーダの供用期間
と同じ程度に延ばすことが可能となる。

上述の例示においては、立上り及び立下りの両者を検出
する場合について述べたが、一方のみにすることも可能
である。また立上り・立下り回路104は上記同様の機能
を有するものならば、他の形式のものにすることができ
る。またアップダウンカウンタは、上記同様の可逆計数
を行なうものであれば、１個のアップダウンカウンタで
ある必要はなく、安価な２つのカウンタを組合せても良
い。

以上の説明においては、Ａ相、Ｂ相信号について述べた
が、在来同様、反転Ａ相、反転Ｂ相を併せて用いること
もできる。

発明の効果以上に述べたように、本発明によればインクリメンタル
形式の機構を用いて、実質的にアブソリュート形式の回
転位置信号、及び、回転回数及び回転方向を検出するこ
とができ、トータルの位置検出を行なうことの可能なエ
ンコーダが実現できる。

また本発明によれば、本発明のエンコーダの電力消費を
著しく低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としてのエンコーダの断面
図、第２図は第１図の回転板の正面図、第３図は第１図
の固定スリットの正面図、第４図は第１図の回路の一実
施例を示す回路図、第５図（ａ）〜（ｊ）は第４図回路
のタイミング図、第６図は第１図の回路の他の実施例を
示す図、第７図（ａ）（ｂ）は第６図回路のタイミング
図第８図は第４図及び第６図に図示のデコーダの回路
図、である。（符号の説明）１……エンコーダ、２……回転軸、３……基台、4,5…
…フォトダイオード、６……固定スリット、７……回転
板、８……基板、９……発光ダイオード、10……電子回
路、11……電池。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸に固定され円周に沿って所定の間隔
で複数の透光域及び遮光域が連続して設けられた回転
板、該回転板の一方の側から前記透光域及び遮光域を照
光するように設けられた発光素子、及び、前記回転板の
他方の側に設けられ前記回転板の透光域を通過した前記
発光素子の射出光を所定のスリットを介して受ける第１
及び第２の受光素子であって第２の受光素子が第１の受
光素子に対し所定の位相差をもって回転位置を検出する
ように配置されているもの、を具備するエンコーダにお
いて、前記回転板の透光域の１つ及び前記所定のスリットを通
した前記発光素子からの射出光が前記いずれかの発光素
子を照射する時間より短い周期のパルスを発生する発振
回路、及び、第１及び第２の受光素子の信号を受け入れ、該、信号に
応答して前記回転板の回転位置、及び前記受信信号の立
上り及び立下りの少なくとも一方を検出して前記回転板
の回転方向及び回転回数を算出する信号処理回路を設
け、前記発光素子、第１及び第２の受光素子及び信号処
理回路を前記発振回路からのパルスに応答して作動させ
るようにすると共に、前記発振回路において発生させるパルスの周期を前記回
転板の回転速度に応答して変化させるようにしたことを
特徴とする、エンコーダ。
【請求項２】前記発振回路において発生させるパルスの
オン時間が前記発光素子等の作動時間により規定される
最小の一定時間である、特許請求の範囲第１項に記載の
エンコーダ。
【請求項３】前記信号処理回路が、第１及び第２の受光
素子の信号の立上り及び立下りの少なくとも一方を検出
する回路、及び該検出回路からの信号に応答して前記回
転板の回転方向及び回転回数を算出するようにアップ・
ダウン計数機能を有する計数器、を包含する、特許請求
の範囲第２項に記載のエンコーダ。
【請求項４】前記発振回路及び前記信号処理回路がCMOS
デバイスで形成された、特許請求の範囲第３項に記載の
エンコーダ。
【請求項５】前記エンコーダの電源が電池であることを
特徴とする、特許請求の範囲第４項に記載のエンコー
ダ。