JPH0618290A

JPH0618290A - エンコーダ装置

Info

Publication number: JPH0618290A
Application number: JP17832692A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Inoue; 仁井上
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1992-07-06
Filing date: 1992-07-06
Publication date: 1994-01-25

Abstract

(57)【要約】【目的】誤差の小さい位置検出を可能にする。【構成】スリット板１１０は、測定対象と一次元的に
連動し、等しい間隔Ｐでスリット１１２ａ，ｂ，ｃ…が
設けられている。光検出器１４０は、フォトダイオード
１４０ａ〜ｈはスリットを通過した光を検出する。ＬＥ
Ｄ１２０は、点光源と近似できる程度の小型発光源であ
り、フォトダイオード１４０ａ〜ｈの中心近傍の鉛直線
上に設けられている。信号処理回路１５０は、フォトダ
イオード１４０ａ〜ｃ，ｄの検出出力Ｉ_A〜Ｉ_Dから出
力パルスＶ_A，Ｖ_Bを生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、測定対象の動きに応じ
てパルスを発生するエンコーダ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の動きを検出するための装置は種々
考案されているが、コンピュータなど、ディジタル技術
を用いた装置へのインターフェイスとしては、その動き
をパルス信号に変換するものが望ましい。エンコーダ装
置は、物体の動きをパルス信号に変換する装置のひとつ
であり、種々のものが考案されていて、例えば「特開平
２−２６０１２」、「特開昭６０−３５３８２」などが
ある。この装置は、測定すべき対象と連動する部材に開
孔を光源と受光素子の間に設け、部材が動くことで生ず
る光のＯＮ−ＯＦＦを電気信号に変換して出力するもの
である。上記「特開平２−２６０１２」、「特開昭６０
−３５３８２」では、光源と受光素子の間にスリットを
さらに設け、等価的に三角波を発生させている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年の位置制御を行う
際には、簡素な構成にしうること、マイコン制御との相
性の良さなどの観点から、ステップモータが用いられる
ことが多くなっている。ステップモータによる位置制御
をより良好にするために、エンコーダ装置においても多
相出力をしうるものが望まれている。

【０００４】しかし、上述したように、エンコーダ装置
においては光ＯＮ−ＯＦＦを検出するものであるので、
光学系を精密に制作することが要求される。開孔の設け
られた部材に面づれがあると、受光素子へ照射される領
域の面積が変化し、「ＯＮ」になる部材の位置と、「Ｏ
ＦＦ」になる部材の位置が異なったものになる。

【０００５】これは、多相出力の場合でも同様に生じ、
部材の面ズレがそのまま検出誤差となって現れる。すな
わちデューティ比とともに位相差を生じることになる。

【０００６】機械的な位置誤差は、装置のアセンブリ時
にかならず生じ、量産する際には、制作しやすくするよ
うに、許容誤差が大きいものがより望ましい。しかし、
上述したように、エンコーダ装置では、これが、部材の
位置に対する検出出力のデューティ比の変化、位相差を
生じ、検出誤差としてあらわれることになる。そのた
め、正しい位置検出ができなくなるという問題がある。

【０００７】上記「特開平２−２６０１２」、「特開昭
６０−３５３８２」においても、機械的な手法で三角波
を発生させていることから、機械的誤差が必然的に検出
誤差に現れていることになる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のエンコーダ装置は、略等しい間隔で並んだ
開孔を有し、測定対象の動きに応じて開孔が並んだ方向
の移動をする部材と、移動の方向にそって列をなして少
なくとも４つの受光部が配置され、開孔を通過した光を
検出する受光素子と、受光素子の各受光部の検出出力か
ら第１の相及び第２の相の出力パルスを発生する信号処
理手段とを有し、第１の列及び第２の列の受光素子の受
光部の間隔は、各受光部の置かれた面上に光が照射され
る領域の間隔の１／８から１／４であることを特徴とす
る。

【０００９】受光素子は、移動の方向にそって第１の列
及び第２の列をなしてそれぞれ４つの受光部が配置され
ていることを特徴としても良い。

【００１０】信号処理手段は、第１の列に並んだ交互の
受光部の検出信号を加算しその加算の結果を比較して第
１の相の出力パルスを発生し、第２の列に並んだ内側２
つの加算信号の結果と、外側２つの加算信号の結果とを
比較して第２の相の出力パルスを発生することを特徴と
しても良い。

【００１１】第１の列及び第２の列は並べられて、各受
光部は２×４の配置となっていることを特徴としても良
い。

【００１２】第１の列及び第２の列の受光素子の受光部
は、略等しい形状で形成されていることを特徴としても
良い。

【００１３】信号処理手段は、並んだ交互の受光部の検
出信号を加算しその加算の結果を比較して第１の相の出
力パルスを発生し、受光部のうち中央２つの検出信号を
加算し、中央２つの両隣の受光部の検出信号を加算し、
これらの加算の結果を比較して第２の相の出力パルスを
発生することを特徴としても良い。

【００１４】

【作用】本発明のエンコーダ装置では、測定対象の動き
に応じて、部材とともに開孔も一次元的に移動する。開
孔を通過した光が照射される領域は、開孔に対応して略
等しい間隔で並んでおり、これらの領域も、受光素子が
置かれた面上を移動する。受光素子では、上記各領域と
その受光面の重なりに応じて受光部から検出信号が出力
される。信号処理手段では、各受光部の検出出力によ
り、順次位相の異なるパルス信号が出力される。

【００１５】ここで、とりつけ誤差により、部材の位置
にずれが生じた場合、開孔の位置が変わって、上記領域
の大きさが変化することになる。このような変化があっ
ても、受光部の間隔が開孔の間隔の１／４〜１／８であ
るので、両端にある受光部は上記各領域とその受光面の
重なりが等しい。また、上記領域の端部が受光素子の中
央付近を横切る位置に変化がない。両端にある受光部の
変化から第１又は第２の相の一方の出力パルスを、中央
にあるもの２つから他方の出力パルスを生成することで
部材の位置にずれが生じても波形に変化のない第１の相
及び第２の相の出力パルスが得られる。

【００１６】上記開孔の幅が、開孔の配置された間隔の
略１／２である場合、第１および第２のパルス出力のデ
ューティ比は５０％となる。

【００１７】第１の列と第２の列とが開孔の間隔の略１
／４ずれた位置に形成されている場合、第１及び第２の
相の出力パルスの位相差は略９０度になる。

【００１８】これらの場合では、第１、第２のパルス出
力のデューティ比を容易に略５０％にしうる。また、位
相差を略９０度一定にしうる。

【００１９】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は本発明のエンコーダ装置の構成例を示したもので
ある。この装置は、ＬＥＤ１２０と、フォトダイオード
１４０ａ，ｂ，ｃ，ｄを有する光検出器１４０と、これ
らの間にスリット板１１０とを備え、フォトダイオード
１４０ａ〜ｈの検出出力Ｉ_A〜Ｉ_Hから２相の出力パル
スＶ₁，Ｖ₂を生成する信号処理回路１５０を備える。

【００２０】スリット板１１０は、図示せぬ測定対象
（例えば、フロッピーディスクドライブの磁気ヘッドな
ど）と連動して、一次元的に移動し、その移動方向にそ
ってほぼ等しい間隔Ｐでスリット１１２ａ，ｂ，ｃ…が
設けられている。これらの各スリットは等しい幅を持
ち、その幅は各スリットの間隔Ｐのおよそ１／２で形成
されている（図２）。

【００２１】光検出器１４０は、このスリット板１１０
のすぐ下に設けられ、列をなしたフォトダイオード１４
０ａ，ｂ，ｃ，ｄ及びフォトダイオード１４０ｅ，ｆ，
ｇ，ｈを有する。これらのフォトダイオードは等間隔で
並べられ、スリット１１２ａ，ｂ，ｃ…を通過した光を
検出する。図３は光検出器１４０の受光面上のフォトダ
イオード１４０ａ〜ｈの配置を示したものである。これ
らのフォトダイオード１４０はスリット板１１０の移動
方向にそって順に配置され、これらは同じ幅で同等の形
状で形成されている。

【００２２】ＬＥＤ１２０は、点光源と近似できる程度
の小型発光源であり、フォトダイオード１４０ａ〜ｈの
中心近傍の鉛直線上に設けられている。ＬＥＤ１２０か
らの光のうちスリットを通過したものによって、検出器
１４０の受光面上にその光が照射される領域（以下、単
に領域１４４とする）が形成される。図３の斜線部はこ
の領域を示している。これらの領域１４４の間隔Ｐ’
は、スリット１１２ａ，ｂ，ｃ…の間隔Ｐよりも若干大
きなものになる。本実施例では、フォトダイオード１４
０ａ，ｂ，ｃ，ｄ及びフォトダイオード１４０ｅ，ｆ，
ｇ，ｈの間隔Ｐ_PDは、間隔Ｐ’の１／４〜１／８として
いる。

【００２３】信号処理回路１５０は、フォトダイオード
１４０ａ〜ｈの検出出力Ｉ_A〜Ｉ_Hから出力パルス
Ｖ₁，Ｖ₂を生成する。図４は、信号処理回路１５０の
回路例を示したものであり、Ｉ−Ｖ変換回路１５２ａ〜
ｄ及びコンパレータ１５４Ａ，Ｂで構成したものであ
る。検出出力Ｉ_Bと検出出力Ｉ_D、検出出力Ｉ_Aと検出
出力Ｉ_C、検出出力Ｉ_Eと検出出力Ｉ_H、検出出力Ｉ_F
と検出出力Ｉ_Gはそれぞれ結線されており、加算されて
Ｉ−Ｖ変換回路１５２ａ〜ｄへ入力される。フォトダイ
オードの電流出力（Ｉ_A〜Ｉ_H）は入射する光のパワー
に比例して現れ、フォトダイオードは、等価的に入射パ
ワーによって制御される電流源で示される。そのため、
電流出力即ち検出出力Ｉ_A〜Ｉ_Hの加算は、単にフォト
ダイオードの出力ラインを接続することでなされてい
る。

【００２４】Ｉ−Ｖ変換回路１５２ａ〜ｄはＯＰアンプ
を用いて実現することができ、その帰還抵抗Ｒ_A〜Ｒ_D
でゲインが決まる。また、コンパレータ１５４Ａ，Ｂ
は、出力のチャタリングを抑え得る程度のヒステリシス
幅ΔＶ_h1，ΔＶ_h2（ΔＶ_h1＝２ΔＶ_h2）をもつヒシテリ
シスコンパレータが用いられている。

【００２５】次にこの装置の動作について説明する。

【００２６】ＬＥＤ１２０から放射された光束は、スリ
ット板１１０のスリット１１２ａ，ｂ，ｃ…を通過し、
領域１４４が形成される（図５，６）。スリット板１１
０が図１の左方向に移動すると、光検出器１４０の受光
面と領域１４４との位置関係は、図６（ｈ）→図５
（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→図６（ｅ）→（ｆ）
→（ｇ）→（ｈ）→図５（ａ）…のように遷移する。右
方向に移動すると、位置関係は、図５（ａ）→図６
（ｈ）→（ｇ）→（ｆ）→（ｅ）→図５（ｄ）→（ｃ）
→（ｂ）→（ａ）→図６（ｈ）…のように遷移する。光
検出器１４０の各フォトダイオード１４０ａ〜ｈの検出
出力Ｉ_A〜Ｉ_Hは、受ける光のパワーに比例し、各Ｉ−
Ｖ変換回路１５２ａ〜ｄへの入力（Ｉ_B＋Ｉ_D，Ｉ_A＋
Ｉ_C，Ｉ_E＋Ｉ_H，Ｉ_F＋Ｉ_G）の大小関係、これに対
する出力パルスＶ₁，Ｖ₂は、図５，６の位置関係に対
して表１のようになる。出力パルスＶ₁は「Ｉ_B＋Ｉ_D
＜Ｉ_A＋Ｉ_C」のときハイになり、逆のときローにな
る。また、出力パルスＶ₂は、「Ｉ_E＋Ｉ_H＜Ｉ_F＋Ｉ
_G」のときハイになり、逆のときローになる。

【００２７】

【表１】

【００２８】この表において、「Ｈ」，「Ｌ」で示した
部分は、出力パルスＶ₁，Ｖ₂の状態が確定していると
ころであるが、「Δ」で示した部分では、コンパレータ
１５４Ａ，Ｂへの入力が等しくなる状態になっている。
この状態は、出力パルスＶ₂の１周期につき２回（図５
（ｂ），図６（ｇ）の状態）現れる。また、出力パルス
Ｖ₁の１周期につき４回（図５（ａ），（ｃ），図６
（ｅ），（ｆ）の状態）現れ、うち２回は出力パルスＶ
₂に対して１／４周期ずれて現れる。コンパレータ１５
４Ａ，Ｂのヒステリシス特性によりチャタリングの発生
が抑えられている。

【００２９】図７は、信号処理回路１５０各部の波形を
示したものである。（ｉ），（ｊ）の点線はスリット板
１１０が右に移動したときの波形を示し、実線は左に移
動したときのものを示している。これはコンパレータ１
５４Ａ，Ｂのヒステリシス特性により生じるものであ
り、図では分かり易くするため大きく描いているが、実
際は無視できる程度に小さい。このようにして信号処理
回路１５０からは、位相が異なり、スリット板１１０の
位置に応じた出力パルスＶ₁，Ｖ₂が出力される。これ
らの出力パルスＶ₁，Ｖ₂により、スリット板１１０の
位置はスリットの間隔Ｐの１／４の分解能で得られる。

【００３０】ここで、ＬＥＤ１２０に光量の変動があっ
たとしても、図５（ａ）〜図６（ｈ）の波形は相対的に
は変わらないため、出力パルスＶ₁，Ｖ₂に変化はな
い。また、スリット板１１０ｂに面ブレがある場合、領
域１４４の大きさが変化する。図８は、図５（ａ）の状
態において面ブレによってスリット板１１０が動いてス
リット板１１０’になったときの様子を示したものであ
る。フォトダイオード１４０ａと領域１４４と重なった
部分、及び、フォトダイオード１４０ｄと領域１４４の
重なった部分はともに減少するが、これらの面積は等し
いものになっている。図９は、図５（ｃ）の状態につい
て同様に示したものである。図７の波形は若干変化する
が、図５（ａ）の状態になる位置は変わらない。そのた
め、出力パルスＶ₁は面ブレがあっても変化はない。表
１の「Δ」で示した部分においても同様に、それらの状
態になるスリット板１１０の位置に変化はなく、出力パ
ルスＶ₁，Ｖ₂の位相差は一定である。

【００３１】このように面ブレがあっても変化がないの
は、図８（ａ）から明らかなように、フォトダイオード
１４０ａ，ｄに光があたっている状態であれば良い。領
域１４４の間隔Ｐ’とフォトダイオードの間隔Ｐ_PDとの
関係は、「４Ｐ_PD＜Ｐ’＜８Ｐ_PD」であれば良く、非常
に許容範囲の広いものになって誤差の非常に小さな測定
を可能にしている。なお、ＬＥＤ１２０を平行光の光源
にすると、スリットの間隔Ｐを間隔Ｐ_PDの６倍程度にす
ると最もマージンが大きなものになる。完全調整ポイン
トで平行光を得ているような光源であって、若干の調整
不足で光束が拡大・縮小するような場合でも、出力パル
スＶ₁，Ｖ₂の位相差は一定に保たれ、正確な位置測定
が可能になる。

【００３２】フォトダイオード１４０ａ，ｂ，ｃ，ｄに
対しフォトダイオード１４０ｅ，ｆ，ｇ，ｈの検出出力
がそれぞれ等価であることを利用し、図１の装置と等価
な動作をする装置を構成することが可能である。図１の
装置において、図１０に示すような光検出器及び信号処
理回路１５０を用いてなし得る。この装置では、光検出
器１４０に４つ並んだ同一形状のフォトダイオード１４
０ａ〜ｄが用いられ、また、信号処理回路１５０での演
算を電流加算に代えて電圧加算増幅器１５６ａ〜ｄで電
圧加算している。図１の装置と比較して電圧加算が異な
るだけで、他は同等の動作をし、各部の波形も図７と同
様のものになる。

【００３３】図１１は本件の発明者が図１の装置と比較
のために前述の従来例をもとに考察した装置を示したも
のである。この装置は、光検出器１４０に４つ並んだ同
一形状のフォトダイオード１４０ａ〜ｄを用いている点
を除いては、図１のものと同一のものを用いている。す
なわち、モニタ用のフォトダイオード１４０ｄにかえ
て、スリットを通過するの光を検出する４番目のフォト
ダイオード１４０ｄとしたものである。この装置でも、
ＬＥＤ１２０に光量の変動があったとしても、出力パル
スＶ_A，Ｖ_Bに変化はない。図１２は各部の波形の変化
を示したものである。

【００３４】この装置においても、スリット板１１０の
移動とともにパルスを発生し、出力パルスＶ_Aの立上が
り、立ち下がりは、フォトダイオード１４０ａ〜ｄと領
域１４４との重なりできまり、フォトダイオード１４０
ａと領域１４４とが重なった部分と、フォトダイオード
１４０ｃと領域１４４とが重なった部分が等しいとき
に、立ち上がりまたは立ち下がる。出力パルスＶ_Aの立
上がりは、領域１４４の中心がフォトダイオード１４０
ｂの中心近傍の時であり、出力パルスＶ_Aの立下がりは
立ち上がる位置の中点である。

【００３５】一方、出力パルスＶ_Bも、フォトダイオー
ド１４０ｂと領域１４４とが重なった部分と、フォトダ
イオード１４０ｄと領域１４４とが重なった部分が等し
いときに、立ち上がりまたは立ち下がる。出力パルスＶ
_Bの立上がりは、領域１４４の中心がフォトダイオード
１４０ｃの中心近傍の時であり、出力パルスＶ_Bの立下
がりは立ち上がる位置の中点である。

【００３６】図１１の装置において、光源１２０からの
光が平行光線であると、スリット板１１０の面ブレがあ
っても、出力パルスＶ_A，Ｖ_Bの波形に変化は生じな
い。しかし、点光源からの光であると波形に変化が生じ
ることになる。図１３は、スリット板１１０の面ブレに
よって領域１４４が１．２５倍なった場合について、検
出出力Ｉ_A〜Ｉ_C，Ｉ_D、出力パルスＶ_A，Ｖ_Bの変化
を示したものである。これはスリット板１１０の位置に
よって領域１４４の大きさが変化し、そのため、出力パ
ルスＶ_A，Ｖ_Bの立上がり、立ち下がりの位置に変化が
生じている。

【００３７】前述の実施例においては、前述の図８，９
に示したように領域１４４の大きさは変化するが、出力
パルスＶ_A，Ｖ_Bの波形に変化はなく、分解能にも変化
はない。また、図１のｙ方向のずれがあったとしても、
フォトダイオード１４０ａ〜ｃへの光量が減少するが、
これは等価的にＬＥＤ１２０の光量が減少することを意
味し、出力パルスＶ_A，Ｖ_Bの波形，分解能にも変化は
ない。そのため、より小さな検出誤差でスリット板１１
０の移動を検出することができ、光源１２０からの光が
平行光線でなくても、より正確な測定対象の測定を可能
にしている。

【００３８】本発明は前述の実施例に限らず様々な変形
が可能である。

【００３９】例えば、フォトダイオード１４０ａ〜ｃ，
ｄは四角形状のものを図に示したが、中心の位置関係が
保てれば、円形など他の形でも良い。そして、検出出力
の位相差を９０度にするため、フォトダイオード１４０
ｂをフォトダイオード１４０ａ，ｃの中点に設けたが、
この位置をずらすことで位相差を変えることができる。
また、フォトダイオード１４０ａ〜ｄに対しフォトダイ
オード１４０ｅ〜ｈの検出出力がそれぞれ等価であるこ
とから、図１４に示すような配線にしても良い。さら
に、信号処理回路ではヒステリシスを持つコンパレータ
で比較演算を行ったが、このほかのもの（例えば、Ａ／
Ｄコンバータとマイクロプロセッサなど）を用いて構成
しても良い。

【００４０】

【発明の効果】以上の通り本発明のエンコーダ装置によ
れば、とりつけ誤差により、部材の位置にずれが生じた
場合でも、両端にある受光部は上記各領域とその受光面
の重なりが等しく、また、上記領域の端部が受光素子の
中央付近を横切る位置に変化がない。そのため、部材の
位置にずれが生じても波形に変化のない第１の相及び第
２の相の出力パルスを得ることができ、部材の位置のよ
り正確な位置測定ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の構成図。

【図２】スリット板を示す図。

【図３】光検出器の構成図。

【図４】信号処理回路の構成図。

【図５】光のあたる領域とフォトダイオード１４０ａ〜
ｈの位置を示す図。

【図６】光のあたる領域とフォトダイオード１４０ａ〜
ｈの位置を示す図。

【図７】信号処理回路の各部の波形図。

【図８】ＬＥＤ１２０、スリット板１１０、フォトダイ
オード１４０の位置関係をしめす図。

【図９】ＬＥＤ１２０、スリット板１１０、フォトダイ
オード１４０の位置関係をしめす図。

【図１０】光検出器及び信号処理回路の構成図。

【図１１】比較例の構成図。

【図１２】比較例の検出出力Ｉ_A〜Ｉ_C，Ｉ_D、出力パ
ルスＶ_A，Ｖ_Bの変化を示す図。

【図１３】比較例の検出出力Ｉ_A〜Ｉ_C，Ｉ_D、出力パ
ルスＶ_A，Ｖ_Bの変化を示す図。

【図１４】変形例の構成図。

【符号の説明】

１１０…スリット板、１４０ａ〜ｈ…フォトダイオー
ド、１５０…信号処理回路、１２０…ＬＥＤ、１１２
ａ，ｂ，ｃ…スリット、Ｐ…間隔，Ｉ_A〜Ｉ_H…検出出
力、Ｖ_A，Ｖ_B…出力パルス、１５０…信号処理回路、
１５２ａ〜ｄ…Ｉ−Ｖ変換回路、１５４Ａ，１５４Ｂ…
コンパレータ、１４４…領域。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】略等しい間隔で並んだ開孔を有し、測定
対象の動きに応じて前記開孔が並んだ方向の移動をする
部材と、前記移動の方向にそって列をなして少なくとも４つの受
光部が配置され、前記開孔を通過した光を検出する受光
素子と、前記受光素子の各受光部の検出出力から第１の相及び第
２の相の出力パルスを発生する信号処理手段とを有し、前記第１の列及び前記第２の列の受光素子の受光部の間
隔は、前記各受光部の置かれた面上に前記光が照射され
る領域の間隔の１／８から１／４であることを特徴とす
るエンコーダ装置。
【請求項２】前記受光素子は、移動の方向にそって第
１の列及び第２の列をなしてそれぞれ４つの受光部が配
置されていることを特徴とする請求項１記載のエンコー
ダ装置。
【請求項３】前記信号処理手段は、前記第１の列に並
んだ交互の受光部の検出信号を加算しその加算の結果を
比較して第１の相の出力パルスを発生し、前記第２の列
に並んだ内側２つの加算信号の結果と、外側２つの加算
信号の結果を比較して第２の相の出力パルスを発生する
ことを特徴とする請求項２記載のエンコーダ装置。
【請求項４】前記第１の列及び前記第２の列は並べら
れて、各受光部は２×４の配置となっていることを特徴
とする請求項２記載のエンコーダ装置。
【請求項５】前記第１の列及び前記第２の列の受光素
子の受光部は、略等しい形状で形成されていることを特
徴とする請求項１記載のエンコーダ装置。
【請求項６】前記信号処理手段は、並んだ交互の受光部の検出信号を加算しその加算の結果
を比較して第１の相の出力パルスを発生し、前記受光部のうち中央２つの検出信号を加算し、前記中
央２つの両隣の受光部の検出信号を加算し、これらの加
算の結果を比較して第２の相の出力パルスを発生するこ
とを特徴とする請求項１記載のエンコーダ装置。