JPS6122211A - 光学式エンコ−ダ - 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】 発明の分野 本発明は分解能をスリット幅以上に向」ニさせるように
した光学式エンコーダに関するものである。

従来技術とその問題点 ロータリーエンコーダは回転ディスクにラジアル状に多
数のスリットが設けられたインクリメント型ロータリー
エンコーダや、所定のパターンが形成されたアブソリュ
ート型ロータリーエンコーダがある。これらのロータリ
ーエンコーダはいずれもスケール板である回転ディスク
のスリットやパターン幅によって分解能が制限されてい
る。又リニアエンコーダについてもスリソトピソヂによ
り分解能が制限され、スリ、７トピツチ及びそこから得
られる信号以上に回転角度の分解能を向上させることが
できなかった。しかるにロボットの腕の関節用センサ等
にロータリーエンコーダやリニアエンコーダを用いる場
合には物体を把握する寸前において高い分解能が求めら
れるが、従来の光学式エンコーダでは分解能が不十分で
あり、物体把握の精度が充分得られないという問題点が
あった。又一般的な位置決めの場合にも粗い位置制御を
速度制御モードで行い最終位置の設定を残差を照合して
行うため、ロボットアームと同しく停止位置付近におい
て高い分解能が求められ、エンコーダによって高い分解
能を得ようとすれば回転ディスク径の大きい高価なエン
コーダを用いる必要があるという欠点があった。

発明の目的 本発明はこのような従来の光学式エンコーダの問題点に
鑑みてなされたものであって、スケール板のスリソＩ−
幅やパターン等によって制限される分解能Ｊｕ−１＝分
解能を有する光学式エンコーダを提供することを目的と
する。

発明の構成と効果 本発明ばスリット又はパターンを有するスケール板と、
スケール板を隔てて対向する投光素子及び受光素子を有
し、それらの相対位置の変位に対向して受光素子に得ら
れる受光信号に基づいて移動量を電気信号に変換する光
学式エンコーダであって、スケール板の円周上で所定角
度の範囲投受光部の光軸を変位させる投受光部駆動部と
、投受光部駆動部の駆動信号及び受光素子より得られる
受光ｌｈ号に基づいてスケール板のスリット間の補間信
号を得る信号処理手段と、を具備することを特徴とする
ものである。

本発明による光学式エンコーダは、以上のようにスケー
ル板を挟んで対向して配置された一対の投受光器の光軸
を等価的にスケール板の移動方向に移動させ、信号が得
られる時点に対応する移動量によりスケール板のスリッ
ト間の補間を行い、それに基づいて各スリット間の補間
信号を得るようにして分解能を向」−させたものである
。

このような特徴を有する本発明によれば、比較的小径の
回転板を使用したロータリーエンコーダにおいても実用
上スリット幅やパターンによって定まる分解能以上の分
解能を得ることが可能となる。又通常のロータリーエン
コーダやリニアエンコーダと同じくスリットやパターン
に対応する出力がデジタル信号として得られその間の補
間信号をアナログ的な信号処理により得ることができる
。

このように信頼性の低い補間部分の影響を下位桁に限定
することができるので、ポテンショメータ等の純アナロ
グ方式に比較して安定性、信頼性を向上させることがで
き、全体として比較的簡単な構成で高い分解能を実現す
ることが可能となる。

又速度変化の早い高速動作時には分解能の要求が低く停
止位置付近で位置を定めるために高い分解能が要求され
るロボットハンドや位置制御装置等、エンコーダが応用
される種々の機器の要求に適した光学式エンコーダを提
供することが可能となる。

実施例の説明 〔ａ　第１実施例の構成〕 第２図（ａ）、　（ｂ）は本発明による光学式ロータリ
ーエンコーダの投受光部を示す一実施例の正面図及び側
面図である。これらの図において円周上に一連のスリッ
ト１が刻まれた回転円板２が軸３に固定される。このロ
ータリーエンコーダは例えば図示しないロボットアーム
の機器に組込まれており、アームの移動等に応じて軸３
が回転し軸３の回転に伴って回転円板２が回転する。そ
してこの回転円板２のスリット１を有する円周に対向し
て可動遮光板４が設けられる。可動遮光板４は図示のよ
うにその中央にスリット４ａを有しており、一端が例え
ばバイモルフ等の電歪素子５によってストッパ６ａ、６
ｂ間を回動自在に保持された遮光板であり、バイモルフ
電歪素子５の両端には共振用バネ７ａ、７ｂが設けられ
ている。そしてこの可動遮光板４及び回転円板２のスト
ッパ部に対向する位置に投受光素子８．９が設けられる
。投光素子は例えば発光ダイオードや半導体レーザ等の
発光素子であり、受光素子９にはフォトダイオード等が
用いられる。

第１図は本実施例によるロータリーエンコーダの電気的
構成を示すブロック図である。本図において１０は前述
した投受光素子８，９が一体に形成された投受光ユニソ
ｌ−であり、この投受光ユニット１０の光軸が駆動ユニ
ソ１−１１によって駆動される。前述したようにバイモ
ルフ電歪素子５の駆動により可動遮光板４が回動するが
、それによって等価的に投受光素子８．９の光軸を回動
させることとなるので本ブロック図においては投受光ユ
ニット１０を駆動するようにして示している。

さて受光素子９より得られる出力はレベル変換器１２に
よって波形整形されて方形波出力に変換され、出力端子
０−１より通常のロータリーエンコーダ出力として外部
に出力される。受光素子９の出力は更にアナログスイッ
チ１４にも与えられている。さてこのレベル変換器１２
の出力はゲート回路１３及びパルス長検出器１５にも与
えられる。

パルス長検出器１５はレベル変換器１２より得られる方
形波出力を微分する微分回路と、得られる敞分信勺のパ
ルス幅を所定の時間と比較する比較回路を有しており、
受光パルスの時間を比較することによって回転円板２の
回転速度が所定値以上の高速回転であるかイ１（速回転
であるかを判別するものであって、高速回転時には端子
Ｈより出力がデー１−回！＋’３１３に与えられ、低速
回転時には端子りからの出力がアナログスイッチ１４と
変位制御ユニット１６に与えられる。ゲート回路１３は
パルス長検出器］５よりＩＴ信司が与えられている間に
、レベル変換器１２の方形波信号を平衡検出回路１７に
与える。平衡検出回路１７はゲート回路１３より得られ
る方形波信号のオン時間とオフ時間との時間幅を夫々積
算し、両者の時間幅に差があるときにレベル変換器１２
の闇値レベルを」二下することによってレベル変換器１
２の方形波信号をデユーティ５０％となるように制御す
るものである。さて変位制御ユニット１６はパルス幅検
出器１５の端子■７より低速出力が与えられるときに、
例えば三角波信号等の変位信号を駆動ユニソ１−１１に
り、えるものであり、駆動ユニット１１はこの変位信号
に基づき前述したようにバイモルフ電歪素子５等を駆動
することによって等価的に投受光素子８，９の光軸を微
小角度回転円板２のスリット円周上で回動させる。そし
てこの変位制御ユニット１６の変位信号は同時に位相比
較回路１８にも与えられる。アナログスイッチ１４はパ
ルス長検出器１５の端子りより低速出力が与えられると
きにスイッチが閉じられて、受光素子９の出力を位相比
較回路１８に与える。

位相比較回路１８は第３図に詳細なブロック図を示すよ
うに、アナログスイッチ１４の出力端に微分回路２０が
接続されている。微分回路２０は受光素子９の出力を微
分するものであって、その出力をシュミットトリガ回路
２１に与える。シュミットトリガ回路２１は微分出力を
所定のスレッシヱホールドレベルで方形波信号に変換し
、その出力をサンプリング回路２２に与える。又変位制
御ユニット１６より与えられる投受光ユニット１０の駆
動信号はまず分割回路２３によってその周期が１／８に
分割された後、サンプリング回路２２に与えられる。サ
ンプリング回路２２ば分割出力をサンプリング周期とし
て方形波に変換された出力をサンプリングし、そのデー
タを照合回路２４に与える。照合回路２４はサンプリン
グデータが与えられたときに出力端子０−２より位相比
較回路１８が働き補間出力が与えられることを示すＲＥ
ＡＤＹ信号を与える。そしてあらかじめ保持されている
可動遮光板４の偏移のデータとサンプリングデータとを
比較することによって、その位相差に対応した補間出力
を出力端子０−３より出力するものである。

〔ｂ　第１実施例の動作〕 次に本実施例の動作について説明する。ロボットアーム
の駆動等によりロータリーエンコーダの軸３が回転し回
転円板２が所定速度以上で回転している場合には、投受
光素子８，９の光軸は回転円板２のスリット１によって
断続され波形整形されるためレベル変換器１２より方形
波信号が得られる。そしてこの方形波信号はパルス長検
出器１５によってそのパルス幅が検知され、高速回転の
ときはパルス幅が狭いためゲート回路１３を介してレベ
ル変換器１２の方形波信号が平衡検出回路１７に与えら
れ、その信号が常にデユーティ５０％となるように閾値
レヘルが制御されて出力端子〇−１より通常のロータリ
ーエンコー・ダと同じくスリット幅に対応した分解能を
有する出力が得られる。

そして例えばロボットアーム等が物体近傍までアクセス
しロータリーエンコーダの軸３が低速回転となったとす
ると、パルス長検出器１５は出力端子りより出力を出し
、アナログスイッチ１４を閉じると共に変位制御ユニッ
ト１６に信号を与える。そうすれば変位制御ユニット１
６より駆動ユニット１１を介してバイモルフ電歪素子５
が駆動され、等価的に投受光素子８．９の光軸を回転円
板２のスリット１の円周に沿って所定角度振動させる。

そうすれば受光素子９よりこの変位幅によって定まる所
定の位相の出力が得られることと２１″る。

第４図ｉａｌ〜（ｈｌは回転円板２の位ｉ６“に対する
可動遮光板４の相対的な位置関係を示す概略図であり、
第５図（ａｌ〜ｆｈｌはその夫々の位置に対して得られ
る電気信号を示すグラフである。まず第４図（ａｌに示
すように回転円板２の可動遮光板４に対する偏差ｄが一
３ｐ／８である場合には、可動遮光板４のスリットが基
準位置から右側限界位置４ｒと左側限界位置４ｅを通っ
て往復する際に受光素子９より第５図ｆａ）の曲線Ｒに
示す波形が得られる。そしてこの受光信り−を微分回路
２０によって微分しシュミソｌ−Ｌリガ２１によって方
形波に変換すれば、第５図（ａｌに曲線Ｓとして同時に
示す方形波信号が得られる。又同様にして第４図（ｂｌ
から第４図（ｈｌに示す位置にまで回転円板２が移動す
れば、夫々の位置に対応して可動遮光板４が１サイクル
振動する際に得られる受光素子９の受光信号とその際の
シー　ｉ　ソＩ・ｔ・リガ回路２１からの方形波信号は
、第５図０１）から第５図（ｈｌに夫々曲線Ｒ及びＳで
示すものとなる。そしてこの方形波信号を図示のように
１サイクルを８分割したサンプリング時間毎に一す′ン
ブリング回路２２によってザンブリングし、照合回１／
Ｒ２４に与える。回転円板２の夫々の位置に対して得ら
れるデータは第５図（ａｌがら（ｈｌに同時に示すビッ
ト列となっている。そしてこのデータを照合回路２４に
おいて３ビツトのデジタルデータにデコードする。即ら
照合回路２４は例えば以下の表に示すように第５図の（
ａｌから（１１）の各ビン１−列を３ピツＩ・の補間信
号に変換するものとする。

こうすれば位相比較回ｒ／８１８の出力端？−０−３か
ら補間信号が得られることになる。

〔Ｃ第２実施例の説明〕 次に第６図は本発明による第２の実施例を示すブロック
図である。本実施例において前述した第１実施例と同一
部分については同一符号で示しておりその説明を省略す
る。本実施例は図示のようにパルス長検出Ｎ１５の出力
端子Ｉ、からの出力をＲＥ　Ａ　Ｄ　Ｙ信号とすると共
に、その出力を追尾制御回路３０に与えている。追尾制
御回路３０はこの信号が与えられたときにレベル変換器
１２からの出力が得られるまで駆動ユニット１１を駆動
し、その時間幅に対応した出力を与えるものであって、
第１実施例のように投受光ユニット１０を振動させず、
レベル変換器１２より出力が得られるまで一方向に追尾
するようにしたものである。このように駆動ユニット１
１を動作させ光軸が一致する位置にまで変位さ・Ｕ追尾
量補間信号とすることによって、前述した実施例と同じ
くスリットの間隙までの微小角度を検知することができ
より高い分解能を得ることが可能となる。

〔ｄ　第３実施例〕 次に第７図は本発明による第３の実施例を示すブロック
図である。本実施例においても第１実施例と同一部分に
ついては同一符号で示しその詳細な説明を省略している
。さて本実施例はパルス長検出器１５の代わりに位置決
め制御装置３１を設け、その制御によって変位制御ユニ
ット１６を動作させるようにしたものである。即ちロボ
ットアーム等の現在位置と設定位置までの距離が長い場
合には高速でアーム等を移動させる必要があるが、位置
精度はそれ程要求されない。第８図ｆａｔに示す高速の
速度制御領域Ｔ１には位置決め制御装置３１はアナログ
スイッチ１４には信号をＪｊえず受光素子９の受光信号
は位相比較回路１８に伝えられない。従ってレベル変換
器１２より出力端子ｏ−ｉを介して通常のロータリーエ
ンコーダと同様の出力が位置決め制御装置３１に与えら
れる。そして第８図（ａｔに示すように設定位置とアー
ムの位置が近づいてきた場合には徐々にアームの角速度
を低下させ、残差制御領域Ｔ２に入れば第８図ｆｂｌに
示すように位置決め制御装置３１よりアナログスイッチ
１４に残差制御信号を送る。そうすればこのアナログス
イッチ１４が閉成し受光素子９の受光信号が位相比較回
路１８に伝わると共に、変位制御ユニット１６に伝えら
れる。従って変位制御ユニット１゛６は前述の第１実施
例と同様に駆動ユニット１１に三角波形等の変位信号を
与え、駆動ユニッ１−１１を介して投受光ユニット１０
を振動さ−１−る。この変位信号が同時に位相比較回路
１８に伝えられるので前述した第１実施例と同様に位相
比較回路１８より位置決め制御装置３１に補間信号が与
えられることとなる。

〔Ｃ実施例の変形例〕

尚以−にに説明した各実施例は円周−Ｌに一様なスリッ
トを有するインクリメンＩ・型のロータリーエンコーダ
について説明したが、回転板に所定のパターンを有する
アブソリュート型ロータリーエンコーダの最小のスリン
］・幅を有するパターンの補間信号を得るために本発明
を適用することができる。史にリニアエンコーダについ
ても分解能を向−１ニさせるために本発明を適用するこ
とが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光学式エンコーダの一実施例の電
気的構成を示すブロック図、第２図（ａ）。 第２図中）はその投受光ユニットと回転ディスクの光学
部分を示す正面図及び側面図、第３図は位相比較回路１
８の一実施例を示すブロック図、第４図は回転円板２と
可動遮光板４の相対的な位置関係を示す概略図、第５図
（ａｌ〜（ｈｌは回転円板２の夫々の位置に対して得ら
れる電気信号を示す波形図であり、第６図は本発明によ
る光学式エンコーダの第２の実施例を示すブロック図、
第７図は本発明のエンコーダの第３の実施例を示すブロ
ック図であり、第８図はその第３実施例の動作を示す波
形図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）スリット又はパターンを有するスケール板と、前
   記スケール板を隔てて対向する投光素子及び受光素子を
   有し、それらの相対位置の変位に対向して受光素子に得
   られる受光信号に基づいて移動量を電気信号に変換する
   光学式エンコーダにおいて、 前記スケール板の円周上で所定角度の範囲投受光部の光
   軸を変位させる投受光部駆動部と、前記投受光部駆動部
   の駆動信号及び前記受光素子より得られる受光信号に基
   づいて前記スケール板のスリット間の補間信号を得る信
   号処理手段と、を具備することを特徴とする光学式エン
   コーダ。
2. （２）前記投受光部駆動部は前記投受光器の光軸を振動
   させる振動駆動部であり、前記信号処理手段は該駆動信
   号及び前記受光素子より得られる受光信号の位相角に基
   づいて前記スケール板のスリット補間信号を得る信号処
   理手段であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の光学式エンコーダ。
3. （３）前記投受光部駆動部は所定以下の移動速度のとき
   に前記受光素子より得られる出力変位点を検出するまで
   前記投受光部を追尾駆動する追尾駆動手段であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学式エンコー
   ダ。