JPS61137012A - 回転情報出力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はサインエンコーダを用いて回転軸の回転に関す
る情報、例えば回転角情報や回転速度情報等を出力する
装置に関するものである。

〔発明の背景〕

エンコーダは回転機の回転軸等に取り付けられ、回転位
置の割出し管理や、速度検出などに使用される。エンコ
ーダの出力波形として、従来からパルス出力のパルスエ
ンコーダがあるが、この他に出力波形がニス波状のサイ
ン波エンコーダがある。

このサイン波エンコーダは、出力がアナログ量で変化ス
るために１パルスエンコーダに比べ、ｌパルスの間の量
が連続量として判別できるほかに、速度検出としても連
続量として得られる特徴がある。

速度検出する一つの方法は次のようにする。

つまり出力信号を？：　ａ　ｓｉｎωｔとすると、この
信号を微分することにより荘＝　ａωｃｏもω龜なる。

ａωを速度検出量として取り出せば、検出量はωの変化
に対し連続量として得られる。

このため、サイン波エンコーダは、サーボモータ制御の
ための位置検出及び速度検出のアナログ検出器として使
用される。これは％開昭５９−８８０６１％特開昭５９
−８３０６２、実開昭５６−８８１４３、実開昭５９−
５８３６５、特公昭５９−２２９６８轡で公知である。

ところでこの検出器として、フォトセンサ（発光ダイオ
ードとフォトダイオード、あるいは発光ダイオードとフ
ォトトランジスタ等の組み合わせ）を用いたものでは１
発光ダイオー　ドの温度による光量変化や経年変化によ
る光量変化のため、５０％前後出力電圧が変化し７てし
まい実用に耐えない。

このため発光ダイオードの光量補正を行ない安定化する
ことが考えられる。これに対しては特公昭５９−２２９
６８にみられる方法によ久ある椙度改善されている。こ
の方法は信号検出部と光量補正部の受光素子が別の素子
で行なわれていた。この理由は、信号が交流で圧伏波状
に変わり、更に周波数も変わるため信号検出用受光素子
を使って光量を検出することが困難なためであった。こ
のため光量補正用として別の受光素子を設けて光量を検
出し補正をかける方法をとっていた。このことは受光素
子の温度特性や経年変化の特性が同じであるという仮定
にもとすいている。しかし実際には　　　゛各素子忙よ
りバラツキがおる。また総合温度特性は０．２％／　Ｏ
ｃ程度にものほっているから５０°Ｃの温度変化に対し
ては１０％もの変化があり、また経年変化に対しても約
１０％の変化がみこまれる。

このように％ある程度改良されたとはいえ、まだ不十分
な結果となっている。

ところでサーボモータが数千ｒｐｍで、エンコーダの分
解能が１０００〜８０００ｐｐｒ罠もなると、Ｑ 使用周波数範囲は１００〜１５０Ｋｉ１ｇ程度にもなｚ る。直線性をよくしようとすればＩＭ〜程度の周波数特
性が必要となる。しかし従来のサイン波Ｅ エンコーダの周波数特性は１１００ＫＲで一８ｄＢす （２９，８％の減衰）程度ある♂；現状である。

このように従来のサイン波エンコーダは温度特性により
出力電圧が大きく変わり、また周波数特性により直線性
が悪くなって、サーボモータの検出器として十分な性能
を発揮できないという欠点がめった。

なお、実験によれば、フォトダイオードやフォトトラン
ジスタも経年変化するが、その度合は発光ダイオードの
それに比べてはるかに小さいので、発光ダイオードに対
して対策をとれば、多くの場合は実用上問題ないことが
分った。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、信号検出用受光素子そのものの信号で
光量補正を加えることにより、安定した特性をもった回
転情報出力装置を提供するにおる。

〔発明の［要〕

本発明は、発光手段の経年変化による特性変化の影響を
なくするため、信号検出用受光素子そのものの検出信号
を使い光量を検出するようにした。

このため第１受光手段が出力する信号Ａと、これ゛に対
してπの位相差を有する第２受光手段の信号λを使用し
、Ａとλにより交流会を打消し、光量に比例した直流分
を取り出し、この直流分くより信号Ａ１λの大きさが一
定になるようにフィードバック制御をかける。

〔発明の実施例〕

７オトセ／すを用いたサイン波エンニーダｔｔｇ１図に
示すように光量制御に応じ走光量を放つ発光手段として
の発光ダイオードｌと受光量に応じた電気的信号を出力
する第１、第２受光手段としてのフォトダイオード２と
８とを有しており、更に発光ダイオード１とフォトダイ
オード２と８との間に固定スリット板４と回転スリット
円板５とを有している。回転スリット円板５は回転機の
回転軸６に機械的に結合してろね、回転中心の回りに等
間隔に多数のスリット７を有している。また固定スリッ
ト板４は発光ダイオード１やフォトダイオード２．８と
一定の位置関係を保っており、発光ダイオードｌからフ
ォトダイオード２に光が入っているときにはフォトダイ
オード８には光が入らないように、そして逆に発光ダイ
オード１からフォトダイオード８に光が入っているとき
にはフォトダイオード２には光が入らないように７オト
ダイオー１°２に対向する部分とフォトダイオード８に
対向する部分とでは回転スリット円板５に設けたスリッ
ト間隔をＩとするとｎ　ｌ　＋　ｌ／２だけピッチをづ
らしてスリット８．９を設ける。

（但しｎはｌ、　２．８．４・・・・・・・・・）。

第２図は第１％第２受光手段２．３から得られた出力を
描いた奄のである。第４受光手段２の出力である人相出
力電圧に対し藁２受元手段３の出力である入相出力電圧
は、交流出力信号の変化が、πだけづれている。

＠２図においてａ、、ａ’は出力の最大値、ｂ％ｂ′は
最小値、Ｃ％Ｃ′は交流信号の中心値を示している。

このように第１１第２受光手段２．３から得られる信号
は交流信号に直流バイアス電圧が加わったものとなる。

第３図は発光ダイオード１を流れる電流Ｉっ罠対する人
相（入相も同様）の出力電圧の関係を示したもので、Ｉ
Ｄに対し、出力電圧は直線性を示し、ａ％ｂ、　ｃはそ
れぞれ比例関係にある。

したがって交流信号の振幅値ａ　−ｂもＣに比例してい
る。

第４図は周囲温度Ｔ’Ｃに対する出力電圧ａ　−ｂ。

直流バイアス分Ｃの関係で、温度が上がると、出力が小
さくなる傾向を示す。これは発光ダイオードｌの電流Ｉ
Ｄが一定のとき、温度が上昇すると光量が小さくなって
しまうことに起因している。

しかし第８図から明らかなように、電ｆｆ１Ｉｐを調整
してやれは、出力電圧を一定に保つことができる。この
ため光量を検出し、光量が一定になるようにしてやれば
よい。

そこで本発明は第１、第２受光素子２．３の出力を使い
、フィードバック制御するところに特徴がある。

第５図は本発明装置の実施例を示すブロック図、である
。

１０％ｌｌは第１、第２受光素子２．３の出力を電圧に
変換する電流／電圧変換器、１２は１０，１１の出力Ａ
、λの差をとる差動増幅器で、１２の出力がエンコーダ
出力ｖＡとなる。１３はＡ、λの和をとることＫより第
１、第２受光素子２．３の１４は増幅回路である。竜の
出力によ・す、ＩＪＤ電流が流され、フィードバック制
御がかかる。

つｌ）この実施例では突き合せ回路１８の一部で直流成
分分離手段を構成してお９、更に突き合せ回路１３の二
部と増幅回路１４とで光量制御手段を構成している。増
幅回路１１の出力！Ｄが光量制御入力である。

発光手段１の光量が温にや経年変化によシ減ると、受光
素子２．３に達する光量かヘク、Ａ、λの振幅が小さく
なる。したがって突き合わせ回路外 １３の出力は小さくなシ、増幅回路１亀の出力電流ＩＤ
が小さくなる。すなわち、この回路はＡ＋λがｖ８と等
しくなるように制御がかかる。つま！ｌＡ＝α　ｉｗｔ
＋β、λ＝−ａ　ｉｗｔ＋ｒ　　とすると、Ａ＋λ＝β
＋ｒがｖ８と等しくなるように制御がかかる。β十γは
直流であり、しかも出力に比例した値なので出力ｖＡを
一定くすることができる。

第６図は本発明の具体的回路の一つで・おる。

この図に於いて１０ａ〜１４ａはオペアンプ、１４ｂは
ダイオード、１４ｃｄ）ランジスタ、ｌｉｄ。

デンサ、ｖ８１　ｓ　ｖａｔは基準電圧である。

第６図に於−て第５図に示した各部分を構成する回路素
子は同一数字をつけて表示しである。つまり例えば電流
／電圧変換器１０ＦｉｌＯ，と１０ｉとで構成しである
。

なお直流成分分離手段は１３ｄと１８ｅとで構成され光
量制御手段Ｆｉ１８ｍ、１３ｆ〜１８ｉ％　ｌｌｂ。

１４ａ＝１４ｇで構成しである。

発光手段１から固定及び回転スリット板４．５のスリッ
ト７．８．９を通った光により第１．第２受光手段２．
３には光量に比例した電流ｒ１、■、が流れる。このｌ
１ｓｆｔがオペアンプ１０ａ％Ｉｌａのフィードバック
抵抗１０４　とｌｌｄを通るととにより信号電圧Ａ、λ
となる。ここでＡ、λの大きさは、Ａ＋λにより交流会
がなくなるように大きさを等しくするように可変抵抗１
０ｉにより調整する。信号Ａ１λは抵抗器ｌｉｄ、１８
ｅを通ってオペアンプ１８ａの一端子に入力される。一
方抵抗器１８ｆを通って基準電圧が入力される。Ａとλ
は負電圧なので、基準電圧ｖｓ１は正電圧である。

可変抵抗Ｎｌｉ　Ｋよシオベアンプ１８ａの出力がと動
作範囲が広く確保される。コンデンサ１３書ヒＡ、λの
アンバランスやノイズを吸収するフィルターのためにつ
いている。オペアンプ１８ａの出力はオペアンプ１４ａ
とトランジスタ１４ｃ　Ｋより電流増幅されＬＥＤに流
れる電流となる。基準電圧ｖ８．はオペアンプｌｌａの
動作点を適切処するためのものである。ここでトランジ
スタ１４ｃは電流増幅のため罠追加されたもので、オペ
アンプ１４ａで十分電流を流すことができる場合は特に
必要ではない。

光量がへった場合、Ａ＋λの値、つｔｂ直流分が小さく
なり、オペアンプｌａａの出力は負電圧方向へシフトす
る。オペアンプ１４ａにより反転増幅されるので、ＬＥ
Ｄ電流は増加しＡ十λが常に一定値になるように制御が
かかる。

一方Ａ％Ａはオペアンプ１２ａで差動をとられ、エンコ
ーダ出力Ｖｏとなる。Ａ１λは大きさを等しく調整され
ているので Ｓｌへ Ａ＝α徊ωｔ＋β −籐 Ａ＝−α例ωｔ＋β Ｓ；阪 Ａ−Ａ＝２α綺ωｔ となり、直流分を除かれた信号となる。

第７図は本発明の他の具体的実施例を示す図である。第
７図と、第６図の違いは第７図では反転オペアンプ１４
ａに相当するものを除いたことである。反転オペアンプ
を１ケ除いたために、動作極性を合わせる公費があるが
、これはオペアンプ１８ａの十入力ＫＡ＋Ａを入れ、極
性を反転している。その他の動作は第６図に示したもの
と同じである。

第８図はフォトダイオード２．３の出力電流を電圧に変
換するのにオペアンプを使わず、抵抗器５０によって変
換したものである。また第９図は受光素子をフォトトラ
ンジスタ２′、ａ’にしたものである。５２は抵抗器、
Ｖｃｃは電源電圧を示す。

第８図、！９図の回路によっても第６図、！７図の制御
回路と同様忙制御回路を構成することができる。

第１θ図、第１１図はエンコーダ出力の周波数特性を描
いたものである。第１θ図は受光素子を第８．第９図の
ようＫしたものの特性である。

第１０図においてｄはエンコーダの周波数特性である。

ここで周波数特性を改善するためにはｅのように周波数
補正をしてやればよい。このように補正するとｆのよう
に周波数特性が改善される。

第１１図は第６図、第７図に示したフォトダイオードと
オペアンプによりＡ、λ信号を検出する回路の周波数特
性を示している。第６、第７図に示す回路はオペアンプ
のイマジナリ−ショートの効果により、フォトダイオー
ドの接合容量にょるす。この特性を補正するにはｈのよ
うな位相補正をしてやればよい。

第１２図は第１０％第１！図の位相を補正するための回
路である。ｇ１２図の回路に第６、第７図の出力Ｖｏを
入力すれば、周波数特性の改善された出力が得られる。

第１２図において、６０〜６４は抵抗器、６５．６６は
可変抵抗器、６７はコンデンサ、６８はオペアンプであ
る。可変抵抗器６６は出力信号の直流バイアス調整用で
ある。

第１２図の伝達関数Ｇ　（ｓ）を計算すると＝Ｒ・暑＋
Ｒａ５ （ここでＲの添え字は第１２図の部品苦号を示す。）し
たがって ここでに＝ふ１」色 Ｔ＋　＝　（Ｒａｏ　十Ｒａｔ　）Ｃ Ｔｌ　＝　Ｒ＠Ｉｃ この伝達関数を、よく知られたボード線図により現わす
とＭ２Ｓ図のようになる。

第１θ図、第１１図に示すように出力Ｖｏの周波数特性
のカットオフ周波数ωＣと１／Ｔ、を合わせるようにす
ると、ボード線図上で特性を加えた特性ｆになＬ第１０
図の場合には１／Ｔ、までの範囲がフラットな周波数特
性になるように改善できる。またＭｌ１図の場合にはω
Ｃ以上のゲインのおちこみをなくすことができる。

第１４図は位相補正回路を差動増暢器とかねた構成にし
たものである。

１０ｍ、１２ｍ、１２ｍ、１２ｐ、１２ｇ％ｔ２ｒ、１
４ｍは抵抗器、１２ｍ％１２ｔ、１４ｓｔｉ可変抵抗器
、１２ａ′はオペアンプ、１２ｕ、１２％’はコンデン
サである。

第１５図、第１６図は周波数特性の温度特性を示したも
のである。フォトダイオードやフォトトランジスタの周
波数特性は、温度上昇によプ特性東 曲線ｄより１、ｇより一へ移動することを実験により確
認した。このため、第１２、第１４図の位相補正回路で
周波数特性は改善されるものの、温度による変化分は補
正できない。

サーゲモータとそのコントσ−２は取付場所が同じでな
いのが一般的であるので、エンコーダとコントローラの
周囲温度は異なるのが一般的である。したがって工／コ
ーベフオトセンサの温度特性をコントローラ内の回路で
補正することは困難である。したがって位相補正回路を
温度によってさらに補正する回路を入れる場合、エンコ
ーダ内部に入れた方が良い。

周波数特性が温度特性を持つため、位相補正回路もそれ
と同様に温度変化するようにすれはよい。

これを実現するためＥｌｆ第１２、＠１３図に示した抵
抗器６１．１２ｐ、１２ｍを温度に対し正の温度係数を
持つものを使用し、第１５図、第１６図の特性」、ｊの
ようにする。

すなわち前述した（１）式のＲ，Ｉが温度により大きく
なるとＴ、、Ｔ、が大きくな夛、ボード線図上で左へシ
フトする。したがって１／Ｔ、の動きをもとのカットオ
フ周波数ωＣの動きと等しくなるようにする。

またＲ、に温度係数が正のものを使用し、　ｌ／ＴＩの
みを左側ヘシフトすることもでき、同様に補正すること
ができる。このようにすれば、温度が変わっても戸好な
周波数特性が得られる。

なおここではＡ％Ａ相について説明したが、ＡＫ対し９
０°位相のずれたＢ、ｉ相についても同様である。

〔発明の効果〕

本発明によれば以上の説明から明らかなように回転情報
を取り出す受光素子の出力を用いて安定した回転情報を
取り出すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の要部の概要図であり回転スリット
と固定スリットとは回転軸を中心とする円に沿って切断
して示す図である。第２図、第３図、第４図はフォトセ
ンサ検出電圧を示した特性図である。第５図は本発明の
原理ブロック図である。第６図は本発明の具体的一実施
例を示す図。 第７図〜Ｍ９図は本発明の他の具体的実施例を示す図。 第１０図、第１１図、第１８図は周波数特性を示す特性
図である。第１２図、第１４図は本発明の他の具体的実
施例を示す図。第１５図、第１６図は周波数特性の温度
特性を示す特性図である。 ｌは発光手段、２．８は第１１Ｉｉ２受光手段、４は固
定スリット板、５は回転スリット板、ｌａｄ。 １８ａは直流成分分離手段を構成する素子、１８ａ１１
Ｊ１ｆ〜１８ｆ１１８ｈ、　１４ａ〜１４ｇは光量制御
手段を構成する素子である。 第　１　目 第　　２　　図 第４　図 第　５！！Ｉ 第　８　圀 ｒｃｃ ＄ＩＯ圀 ＃）１１　　図 畢　Ｉ２　　図 亮 茅！３　　日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、光量制御入力に応じた光量を放つ発光手段と、受光
   量に応じた電気的信号を出力する第１、第２受光手段と
   、これ等第１、第２受光手段と前記発光手段との間に位
   置しており、回転軸の回転に応じて前記第２受光手段が
   前記第１受光手段に対してπの位相差を有する信号を出
   力するように前記発光手段から前記第１第２受光手段に
   入る光を断続する固定スリット板と回転スリット円板と
   、前記第１第２受光素子の出力を入力し、前記第１第２
   受光素子の出力が含んでいる直流成分を取り出す直流成
   分分離手段と、該直流成分分離手段の出力が一定になる
   ように前記光量制御入力を制御する光量制御手段とから
   成る回転情報出力装置。