JPH06137898A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小さいスペースに収容でき、かつ調整も容易
な、高分解能光学式エンコーダを提供する。 【構成】 被検出体に結合され、軸２を中心として回転
する遮光板１には、２列のスリット列３，４が設けら
れ、該スリット列３，４に対向して、光センサ５ａ，５
ｂ（５）および６ａ，６ｂ（６）がそれぞれ設けられ
る。スリット列３は連続する平行四辺形のスリット３ａ
からなり、スリット列４は矩形のスリット４ａからな
る。スリット３ａによって光センサ５はアナログ信号を
出力し、スリット４ａによって光センサ６はパルス信号
を発生する。パルス信号の計数値とアナログ信号レベル
に基づいて遮光板１の回転量を検出できる。また、アナ
ログ信号の増減とパルス信号の高低の組合わせによって
遮光板１の回転方向も識別できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学式エンコーダに関す
るものであり、特に、高分解能を達成するのに好適な光
学式エンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】回転体の回転角度および回転方向、なら
びに往復動体の移動量および移動方向を検出するために
光学式エンコーダ（以下、単にエンコーダという）が使
用できることはよく知られている。

【０００３】この光学式エンコーダは、スリット列を設
けた遮光板と、該スリット列に対向するようにして該遮
光板の両側もしくは一方側に配置された光センサとを具
備する。通常、前記光センサはベース等に固定されるの
に対し、前記遮光板は被検出体である移動体に固定され
て該移動体と共に移動するように構成される。その結
果、移動体の動きに従い、光センサは前記遮光板のスリ
ット列によってその光軸の遮断・非遮断が交互に繰返さ
れ、それに応じたパルス列信号が発生される。このパル
スの数によって移動体の移動量が検出できるほか、光セ
ンサを複数設け、各光センサの出力信号から前記パルス
列の位相の差を検知することにより、移動体の移動方向
を識別することもできる。

【０００４】ところで、この種のエンコーダの分解能を
向上させるための提案もなされている。例えば、回転体
の回転角度を検出するためのエンコーダにおいて、回転
体と遮光板を直接結合するのではなく、その中間に歯車
装置を介在させ、回転体の回転を増速させて遮光板に伝
達するようにしたものがある。このエンコーダは、回転
体の単位回転量あたりに検出されるパルス数を増大させ
て分解能を向上させようとするものである。

【０００５】また、光センサの受光側を、多数の受光素
子をアレイ状に配列した構成にすることにより、各受光
素子の出力に基づいて遮光板のスリットの移動量をより
細かく検出するようにしたものもある。多数の受光素子
を配列し、かつ回転体の回転を増速させたエンコーダの
例として、特開昭５２−１０１６５号公報に記載された
ものがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記、従来のエンコー
ダには次のような問題点があった。まず、回転体の回転
を増速させた場合は、回転体の負荷が増大するので、歯
車装置のギヤ比をあまり大きくすることができない。ま
た、加工技術の点から遮光板に加工できるスリットの数
にもある程度の制限がある。さらに、歯車装置を配設す
るスペースを必ずしも確保できるとは限らないという問
題点もある。

【０００７】一方、多数の受光素子を配列した場合は、
受光素子の配列ピッチと遮光板のスリットのピッチとを
予定の相互関係に調節する必要があるため、取付け精度
が厳しく制限されるという問題点があった。

【０００８】本発明の目的は、上記の問題点を解消し、
大きい設置スペースをとらず、また、スリットの加工精
度も問題とならず、かつ各構成要素の組み付けも容易で
高分解能が得られる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】上記の課題を解決し、目
的を達成するための本発明は、被検出体および遮光板の
相対的な変位方向においてその幅が予定の割合で直線的
に変化するパタ―ン要素が前記変位方向に連続するパタ
ーンが形成された遮光板と、該パターンに対向して配置
された光センサとを具備した点、ならびに前記パターン
要素との相対位置に対応して前記光センサから出力され
る信号のレベル、および該光センサの出力信号に基づい
て得られる前記パターン要素の検出信号によって、遮光
板の変位量を検出する検出装置をさらに具備した点に第
１の特徴がある。

【００１０】また、本発明は、被検出体および遮光板の
相対的な変位方向においてその幅が予定の割合で直線的
に変化する第１パタ―ン要素を前記変位方向連続的に配
置した第１パターン、および前記第１パターン要素と予
定の位置関係で矩形の第２パタ―ン要素が配列された第
２パターンが形成された遮光板と、前記各パターンに対
向して配置された光センサとを具備した点、ならびに前
記第１パターン要素との相対位置に対応して前記光セン
サから出力される信号のレベル、および前記光センサの
出力信号に基づいて得られる前記前記第２パターン要素
の検出信号とによって遮光板の変位量および変位方向を
検出する検出装置を具備した点に第２の特徴がある。

【００１１】

【作用】上記の第１の特徴を有する本発明によれば、パ
ターン要素との相対位置に応じて得られる光センサの出
力信号レベルと、パターン要素の検出信号とによって該
パターン要素からなるパターンが形成された遮光板の変
位量を検出できる。すなわち、パターン要素検出信号と
各要素間の間隔に基づいて遮光板のおおよその変位量を
検出できる。さらに光センサの出力信号レベルはパター
ン要素との相対位置によって変化するので、この信号レ
ベルに基づいてパターン要素に対する光センサの位置す
なわち遮光板の詳細な位置を検出できる。

【００１２】一方、第２の特徴を有する本発明によれ
ば、第１パターン要素との相対位置に応じて得られる光
センサの出力信号レベルと、第２パターン要素の検出信
号とによって前記遮光板の変位量を検出できる。さら
に、第１パターン要素との相対位置に応じて得られる光
センサの出力信号レベルの変化状態、および第２パター
ン要素の検出信号との組合わせに基づいて遮光板の変位
方向を検出できる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。図１は本発明の一実施例に係る透過型光センサを組
込んだエンコーダを示す図であり、図１（ａ）は該エン
コーダの要部を示す部分断面側面図、図（ｂ）は該エン
コーダの要部を示す正面図である。

【００１４】図１において、回転軸２を介して図示しな
い被検出体に結合された遮光板１には２つのスリット列
３，４が設けられている。スリット列３は後述するアナ
ログ信号発生用であり、スリット列４はデジタル信号発
生用である。なお、このスリット列３，４は図示の配置
に限定されず、互いの配置を入れ替えて、アナログ信号
発生用スリット列３を遮光板１の内周側に配置し、デジ
タル信号発生用スリット列を外周側に配置してもよい。
各スリット列３，４は、それぞれスリットの構成要素３
ａ，３ｂからなる。

【００１５】各スリット列３，４には、それぞれに別個
に対応させた光センサが設けられる。すなわち、スリッ
ト列３には光センサ５ａ，５ｂが、スリット列４には光
センサ６ａ，６ｂがそれぞれ対向して配置されている。
なお、対をなす光センサ５ａ，５ｂ，および６ａ，６ｂ
は、それぞれ一方が発光素子、他方が受光素子であって
もよいし、一方が受発光素子、他方が光反射手段であっ
てもよい。また、スリット列３，４は遮光板１を貫通す
る孔つまりスリットに限らず、蒸着等によって形成され
た反射膜の模様（パターン列）で構成してもよい。この
場合、光センサは受発光素子で構成し、該受発光素子か
ら出た光の、前記遮光板１からの反射光の有無を検出す
るように構成する。以下の説明では、前記スリット列お
よびパターン列を、ともにパターンと呼ぶ。

【００１６】次に、図２を参照して前記パターンによっ
て光センサから出力される信号について説明する。図２
は前記パターンの拡大図、および該パターンに対応して
設けられた光センサの出力信号を示す図である。

【００１７】図２において、パターン３の各構成要素
（以下、単に要素という）３ａは、遮光板１の変位方向
すなわち矢印Ａの方向において幅を変化させた形状（本
実施例では平行四辺形）となっている。すなわち、この
平行四辺形の要素３ａの幅Ｂの変化に着眼すると、前記
変位方向Ａにおいて漸増し、再び漸減している。したが
って、該要素３ａからなるパターン３に対応して配設さ
れた光センサ５（５ａ，５ｂ）からは図示のように、漸
減・漸増を繰返す鋸刃上の出力信号ｓ１が得られる。該
出力信号ｓ１のピーク値は、前記要素３ａの幅Ｂが最大
である位置に対応する。

【００１８】一方、パターン４の要素４ａは長方形であ
り、該長方形の端部に対応するタイミングで出力信号が
立ち下がりまたは立ち上がりのいずれかに変化する（信
号ｓ２参照）。変位方向Ａでの前記要素３ａ，４ａの相
対位置関係は、前記信号ｓ２の立ち上がりおよび立ち下
がりのタイミングが、それぞれ信号ｓ１の増減の変化点
と合致するように決定される。

【００１９】なお、遮光板１の変位方向Ａが逆転すれ
ば、前記信号ｓ２の立ち上がり立ち下がりの方向は反転
する。この信号の反転により、後述の手順に従って遮光
板１の変位方向を判定することができる。

【００２０】次に、上記構成のエンコーダを、自動車の
操舵角検出および操舵方向検出装置（以下、検出装置と
いう）に適用した例を説明する。すなわち、エンコーダ
の回転軸を自動車の操舵輪（ハンドル）の軸に連結して
その軸の回転量および回転方向を判定する。

【００２１】まず、図３を参照して、前記検出装置の要
部機能を説明する。この検出装置はマイクロコンピュー
タで構成することができ、図３のブロック図は、このマ
イクロコンピュータの要部処理機能を示したものであ
る。

【００２２】図３において、光センサ５（５ａ，５ｂ）
で検出された信号ｓ１はＡ／Ｄ変換器７でデジタル信号
に変換された後、アナログ信号増減判定部８、アナログ
信号最大・最小判定部９、および回転量演算部１３に入
力される。ここで、アナログ信号増減判定部８およびア
ナログ信号最大・最小判定部９での処理対象となる信号
ｓ３はＡ／Ｄ変換された信号であるが、光センサ５の出
力信号ｓ１の性質に鑑み、光センサ６の出力信号との対
比上、便宜的に「アナログ」という用語を用いる。

【００２３】一方、光センサ６（６ａ，６ｂ）で検出さ
れた信号ｓ２は、デジタル信号反転検出部１０に供給さ
れる。

【００２４】前記アナログ信号増減判定部８では、信号
ｓ３のレベルが、前回判定時と比較して増大しているか
減少しているかを判定し、いずれかの信号を出力する。
アナログ信号最大・最小判定部９では、信号ｓ３が最大
もしくは最小値かどうかを判定し、最大か最小を示す信
号を出力する。なお、アナログ信号最大・最小判定部９
の判定は、デジタル信号反転検出部１０の出力信号に応
答して行われる。

【００２５】デジタル信号反転検出部１０は、信号ｓ２
の論理が反転したかどうかを判定し、反転を検出したな
らば検出信号を出力する。

【００２６】前記アナログ信号増減判定部８、アナログ
信号最大・最小判定部９、およびデジタル信号反転検出
部１０の出力信号は、方向判定部１１に供給される。さ
らにデジタル信号反転検出部１０の出力信号は、前述の
ように前記アナログ信号最大・最小判定部９に、そのト
リガとして供給される。

【００２７】方向判定部１１では、供給された信号に基
づいて遮光板の回転方向すなわち自動車のハンドルの回
転方向を判定する。

【００２８】さらに、前記デジタル信号反転検出部１０
で検出される反転信号は、パルス計数部１２に入力され
る。パルス計数部１２のカウント値は回転量演算部１３
に供給され、このカウント値と前記信号ｓ３とに基づい
て回転量が演算される。この演算手順は後述する。

【００２９】方向反転判定部１４は、前記方向判定部１
１の出力信号に基づいてハンドルの回転方向（転舵方
向）が反転したことを検出する。転舵方向が反転する
と、その時点からの回転量を検出する必要があるので、
方向反転判定部１４の検出信号によって回転量演算部１
３のデータをリセットするようにする。

【００３０】続いて、図４，図５を参照して本実施例の
動作を説明する。まず図４において、ステップＳ１で
は、光センサ５の信号ｓ３を読み込む。ステップＳ２で
は、光センサ６の信号ｓ２がハイ（Ｈ）かロー（Ｌ）か
を判断する。信号ｓ２が（Ｌ）のときは、ステップＳ３
に進み、信号ｓ３が前回判定時から変動しているかどう
かを判断する。信号ｓ３に変動があれば、ステップＳ４
に進み、前記変動が増大か減少かを判断する。減少であ
れば、ステップＳ５に進んで右転舵検出信号を出力す
る。一方、前記変動が増大であれば、ステップＳ６に進
んで左転舵検出信号を出力する。

【００３１】また、ステップＳ３で信号ｓ３に変動がな
いと判断されれば、ステップＳ７に進んで信号ｓ２の論
理反転があったか否かを判断する。論理反転があったな
らばステップＳ８に進み、信号ｓ３は最大値もしくは最
小値のいずれかが判断される。信号ｓ３が最大値ならば
ステップＳ６に進み、左転舵検出信号を出力し、最小値
ならばステップＳ５に進んで右転舵検出信号を出力す
る。

【００３２】信号ｓ３の変動もなく、信号ｓ２の論理反
転もなければステップＳ９でハンドル保持検出信号を出
力する。

【００３３】信号ｓ２が（Ｈ）の場合は、ステップＳ１
０に進む。なお、ステップＳ１０〜Ｓ１３は、前記ステ
ップＳ３，Ｓ４，Ｓ７，Ｓ８と同様であるので、説明は
省略する。

【００３４】ステップＳ１〜Ｓ１３で転舵方向の判定処
理が終了すると、図５のステップＳ１４に進み、信号ｓ
２の論理反転回数つまり前記パルス数計数部１２のカウ
ント値を読込む。ステップＳ１５では信号ｓ３を読込
む。ステップＳ１６では、前記カウント値および信号ｓ
３の値に基づいてハンドルの回転量を演算する。この演
算式は後述する。

【００３５】ステップＳ１７では、転舵方向に変化があ
ったかどうかを判断する。変化があればステップＳ１８
に進み、新たに回転量を算出するため、信号ｓ２，ｓ３
をリセットする。

【００３６】次に、ハンドルの回転量を算出の詳細につ
いて説明する。図６は、回転量算出式の説明図であり、
信号ｓ１（＝ｓ３）および信号ｓ２のタイミングチャー
トである。同図において、信号ｓ３の最大値を符号ａ、
最小値を符号ｂで示し、初期の信号ｓ３のレベルを符号
ａ１、算出時の信号ｓ３のレベルを符号ａ２で示す。

【００３７】右転舵において、タイミングｔ１からｔ３
までの回転量Ｄ１、時間ｔ１からｔ４までの回転量Ｄ
２、時間ｔ２からｔ３までの回転量Ｄ３、時間ｔ２から
ｔ４までの回転量Ｄ４を算出するときの式を（１）〜
（４）に示す。なお、回転量Ｄ１〜Ｄ４は角度で表し、
算出式において、符号ｎは前記パルス数計数部１２のカ
ウント値、符号ｘは信号ｓ２の最小分解角度つまりパル
ス周期の１／２の角度（°）、符号ｙは信号ｓ３の最小
分解角度つまり前記Ａ／Ｄ変換器７の分解能によって決
まる角度（°）である。

【００３８】 Ｄ１＝｛（ａ−ａ１）＋（ａ２−ｂ）｝×ｙ＋（ｎ−１）×ｘ…（１） Ｄ２＝｛（ａ−ａ１）＋（ａ−ａ２）｝×ｙ＋（ｎ−１）×ｘ…（２） Ｄ３＝｛（ａ１−ｂ）＋（ａ２−ｂ）｝×ｙ＋（ｎ−１）×ｘ…（３） Ｄ４＝｛（ａ１−ｂ）＋（ａ−ａ２）｝×ｙ＋（ｎ−１）×ｘ…（４） ところで、本実施例は次のように変形することもでき
る。すなわち、被検出体の移動量だけを検出し、移動方
向は別の手段で検出するように構成してもよい。その場
合は、信号ｓ２を得るための光センサ６（６ａ，６ｂ）
およびパターン４は省略できる。

【００３９】具体的には、図４のフローチャートに示し
たステップＳ１〜１３は実行せず、かつ図５のステップ
Ｓ１４では、パルス数計数部１２のカウント値を読込む
代わりに、信号ｓ３の最大値および最小値検出回数すな
わち信号ｓ３の大きさが反転する点の検出回数を読込む
ようにすればよい。

【００４０】以上の説明のように、本実施例では、信号
ｓ２の（Ｈ），（Ｌ）の反転回数のみでは信号が反転し
ない固定領域での角度変化を検出できないので、その固
定領域では信号ｓ３の変化量を検出して検出精度を補う
ようにした。

【００４１】本実施例は以上説明した実施例に限定され
るものではない。例えば本実施例ではパターン３の要素
３ａの形状は平行四辺形にしたが、この形状に限定され
ず、菱形や三角形など、遮光板１と光センサの相対的な
変位方向において、直線的に幅が変化している形状であ
ればよい。

【００４２】また、パターン３の各要素３ａは隣接する
物同士が変位方向にとぎれることなく連続していて、信
号ｓ１が連続して出力されるのが望ましいが、各要素３
ａ間が多少離れていたとしても、光センサの光束の大き
さや、受光・発光素子の特性等によって問題なく実施で
きる。

【００４３】さらに、被検出体は回転体に限らず直線運
動する物体であっても、本実施例と同様に実施できる。

【００４４】なお、信号ｓ３の変化量と遮光板１の変位
量との関係がより直線的なものとなるように、パターン
２に組合わせる光センサ５の受発光源の形状を要素３ａ
の幅方向すなわち、変位方向Ａに直角な方向に長くした
構造にすることもできる。

【００４５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、従来のパターンによって得られるデジタル信
号（２値信号）では検出できなかった該信号の固定領域
での被検出体の移動情報を、多値の信号として検出でき
る。その結果、前記２値信号と多値信号との組合わせに
よって高い分解能を有するエンコーダを実現できる。

【００４６】パターンを構成する要素の数自体を多くす
ることなく検出精度を向上できるので、限られたスペー
スに収められる小さい遮光板に対してもパターンを形成
するのが容易である。

【００４７】光センサの数が少なくてよいので、エンコ
ーダの設置スペースを大きくとることがなくなり、エン
コーダの使用範囲が拡大される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を示すエンコーダの要部断
面図および正面図である。

【図２】 パターンと出力信号との関連を示すタイミン
グチャートである。

【図３】 検出装置の要部機能ブロック図である。

【図４】 検出装置の動作を示すフローチャート（その
１）である。

【図５】 検出装置の動作を示すフローチャート（その
２）である。

【図６】 回転量の演算方法説明のためのタイミングチ
ャートである。

【符号の説明】

１…遮光板、 ２…回転軸、 ３，４…パターン、 ５
ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ…光センサ、 ８…アナログ信号
増減判定部、 ９…アナログ信号最大・最小判定部、
１０…デジタル信号反転検出部、 １１…方向判定部、
１２…パルス数計数部、 １３…回転量演算部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検出体および遮光板の相対的な変位方
   向においてその幅が予定の割合で直線的に変化するパタ
   ―ン要素を前記変位方向に連続的に配置したパターンが
   形成された遮光板と、 前記パターンに対向して配置された光センサとを具備し
   たことを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 【請求項２】 前記パターン要素との相対位置に対応し
   て前記光センサから出力される信号の大きさを検出する
   レベル検出手段と、 前記レベル検出手段の出力信号に基づき、該信号が予定
   レベルとなった回数を検出するパターン要素検出手段
   と、 前記レベル検出手段から出力される信号のレベルおよび
   前記パターン要素検出手段によって検出された回数に基
   づいて前記遮光板の変位量を算出する演算手段とを具備
   したことを特徴とする請求項１記載の光学式エンコー
   ダ。
3. 【請求項３】 被検出体および遮光板の相対的な変位方
   向においてその幅が予定の割合で直線的に変化する第１
   パタ―ン要素を前記変位方向に連続的に配置した第１パ
   ターン、および前記第１パターン要素と予定の位置関係
   で矩系の第２パタ―ン要素が配列された第２パターンが
   形成された遮光板と、 前記各パターンに対向して配置された光センサとを具備
   したことを特徴とする光学式エンコーダ。
4. 【請求項４】 前記第１パターン要素との相対位置に対
   応して前記光センサから出力される信号の大きさを検出
   するレベル検出手段と、 前記第２パターン要素に対応して設けられた光センサか
   ら出力されるパルス信号を計数するパルス計数手段と、 前記パルス信号のレベルを検出するパルス信号レベル検
   出手段と、 前記レベル検出手段から出力される信号のレベルおよび
   前記パルス計数手段で検出されたパルス数に基づいて前
   記遮光板の変位量を算出する演算手段と、 前記レベル検出手段から出力される信号のレベルおよび
   パルス信号レベル検出手段から出力される前記パルス信
   号のレベルに基づいて遮光板の変位方向を判定する方向
   判定手段とを具備したことを特徴とする請求項３記載の
   光学式エンコーダ。
5. 【請求項５】 前記各パターン要素が、遮光板１に穿設
   されたスリットであることを特徴とする請求項１〜４記
   載の光学式エンコーダ。