JPS63205518A - 光学式ロ−タリ・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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は高分解能で高速応答性に優れた光学式ロータリ
・エンコーダに関する。

（従来の技術） 各種の工作機械やロボット等においては、回転機構の位
置や角度を符号化するため光学式ロータリ・エンコーダ
が使用されている。

高分解能の光学式ロータリ・エンコーダとしては論文「
ダイレクト・ドライブロボット用高分解能ロータリエン
コーダ」　（第２コ 学会学術講演会予稿集第５５７頁〜第５５８頁、Ｎｏ．
３５１０　（１９８４年）参照）が知られている。

この光学式ロータリ・エンコーダは第１０図に示すよう
にＬＥＤからなる光源１、この光源からの光を透過させ
るメインスリット（スリット数１２００）を透設した符
号板２、この符号板のメインスリットに対し、スリット
位置をズラせたスリットを透設した位相板３、この位相
板の通過光を検出する４分割フォトダイオード４、この
４分割フォトダイオードからの信号を走査し、符号板２
と位相板３の位相差を測定する低域フィルタ５から成る
。また、符号板２に透設した零点検出用スリット６の上
下には光源７と差動フォトダイオード８が対向して配設
されており、差動フォトダイオード８の出力は差動増幅
器９に導かれて零点信号を出力する。

上記において、位相板３に透設された位相検出用スリッ
トは、符号板２のメインスリットのピッチをＰとすると
、Ｏ，Ｐ／４，Ｐ／２，３Ｐ／４の４群に分割されてお
り、従って４分割フォトダイオード４の出力は第１１図
に示すようにＰ／４ずつずれた三角波となる。これらの
信号を電気的に９０″ずつ位相のづれた４相クロツクｆ
ｓ（−５、５６ＫＨ２）に基づいてスイッチｓｗ，〜Ｓ
Ｗ４により第１２図に示すようにオン・オフ走査すると
、アンプ１０の出力は第１３図に示すようになる。第１
３図中、ａは符号板２と位相板３の位相差が第１１図中
の０１のときであり、第１０図すは同様に０２のときで
ある。

従って、アンプ１０の出力を低域フィルター１に通して
高調波成分を除去すれば、符号板２の回転角θで位相変
調された次式に示す正弦波信号ｆ　（ｔ） ｆ　（ｔ）＝Ａｓｌｎ　　（２πｆ　　ｔ＋１２００θ
）但し、　Ａ：定数 ｆ　：走査周波数［Ｆ２） ０８回転角［ｒａｄ］ を得ることができる。それ故、正弦波信号ｆ　（ｔ）を
測定することにより、符号板２の回転角θを検出するこ
とができる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上述のように構成した従来の装置では第
１０図に示す正弦波信号ｆ　（ｔ）を得るための時間お
よび位相測定のために時間がかかり、高速応答性を要求
される台ボットアームの位置検出等には満足して使用す
ることはできない。また、符号板２のメインスリットの
幅を狭め、その数を増して分解能を向」ニさせようとす
ると、回折を生じるため第１１図に示す三角波をＳ／Ｎ
比の良い状態で測定することが困難となり、正確な回転
角θの測定が不可能となる。

（発明の目的） 本発明は背景技術における上述のごとき欠点を除去すべ
くなされたもので、高速応答性を持ち、しかも回転位置
精度を上げるためにスリット幅を小さくした場合にも、
高分解能で回転位置を検出できる光学式ロータリ・エン
コーダを提供することを目的とするものである。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 」二連の目的を達成するため本発明の光学式ロータリ・
エンコーダは、メインスリットを備えた主尺用スリット
板と、前記メインスリットに対してバーニヤスリットを
形成する副尺用スリット板と、前記主尺用スリット板と
副尺用スリット板との間に介挿した平行光学系と、前記
副尺用スリット板のバーニヤスリットに対応して配列さ
れ、前記メインスリットとバーニヤスリットを通過した
光を検出する光電変換素子と、これらの光電変換素子の
出力に基づいて前記メインスリットおよびバーニヤスリ
ットの目盛を自動的に解読する信号処理回路とからなる
ことを特徴とする。

（作　用） 」二連のように構成した本発明装置においては、主尺用
スリット板のメインスリットと副尺用スリット板のスリ
ットはノギスの主尺と副尺と同様の関係に配置されてい
るので、副尺の目盛をマルチプレクサで読取ることによ
り高速にて副尺用スリット板の回転角θを検出すること
ができる。

また、高次の回折光は一対のレンズと、それらの間に配
置したピンホールにより平行光すなわち零次回折光とし
て副尺用スリット板のスリットに導かれるので回折の影
響を除去することができる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図および第２図において、光源２０から出た光はレ
ンズ２１により平行光に変換され、主尺用スリット板２
２にピッチＰ刻みに配置されたメインスリット２３を通
り、レンズ２４．２５およびこれらのレンズの間に配置
したピンホール板２６からなる平行光学系２７を経て高
次の回折光が除去され、零次回折光として副尺用スリッ
ト板２８に照射される。

副尺用スリット板２８の下面には、そこに透設した副尺
用スリット（目盛０．１，２．・・・９）に対応する位
置に副尺用スリット板２８が配置されており、また、そ
の下面には副尺用スリット板２８のバーニヤスリット２
８ａを通過した光を検出するフォトダイオード等から成
る光電変換素子２９が配列されており、これらの光電変
換索子２９の出力は増幅器３０で増幅および必要に応じ
てレベル調整をされる。各増幅器３０は照射光の強度の
不均一やフォトダイオード２９の感度のばらつきを補正
するため利得を制御できるよう構成されている。

゛　　　副尺用スリット板２８に照射される光のパター
ン２３ａと副尺用スリット板２８のバーニヤスリット２
８ａの関係は第３図に例示するように光のパターンのピ
ッチを２Ｔ、それらのスリット幅をＴとすると、副尺用
スリット板２８のバーニヤスリット２８ａはピッチを１
．８Ｔ、スリット幅をＴとされている。これは光のパタ
ーンを主尺、バーニヤスリットを副尺とするノギスにお
いて副尺により主尺の１目盛を１／１０ずつ補間する場
合と同様の例を示すもので、主尺の１目盛を例えば１／
１００ずつ補間する場合にはバーニヤスリット２８ａの
スリット幅をＴ１それらのピッチを１．９８Ｔとしてお
けばよい。

再び第１図において、増幅器３０には主尺および副尺を
解読してホールディングするための電気回路が付設され
ている。また、主尺用スリット板２２には第２図に示す
ように零点検出用スリット３１が透設されており、この
零点検出用スリットの下方には零点検出用のフォトダイ
オード３２が配設されている。

主尺の解読は次のようにして行なわれる。すなわち、主
尺の０６位置を示す零点検出用スリット３１がフォトダ
イオード３２の真上を通過した時の光をフォトダイオー
ド３２で検出し、増幅器３３で増幅した後、パルス成形
回路３４に入力してパルスを成形し、このパルスにより
カウンタ３５をリセットする。

一方、増幅器３０の出力は横軸に主尺（光のパターン）
と副尺の目盛０との位相差をとると第４図に示すような
三角波が得られる。そこで、例えば副尺の目盛２と３に
注目し、これらの目盛２と３に対応する出力（第５図（
ａ）、　　（ｂ））を、スレッショルドψレベルＬｔｈ
（この例では、第４図に示す三角波の最大値をＬ　　と
すると、”Ｌｂ１１１Ｘ −０，０６Ｌ　　　’）と共に比較器３６．３７に入ａ
ｘ 力すると、第５図（ｃ）、（ｄ）の信号が得られる。こ
れらの信号は主尺用スリット板２２が正の回転（第２図
において反時計方向）をしているときは第６図（ａ）、
（ｂ）の位相関係となる。従って、これらのパルスの立
ち上がり、立ち下がりで小幅のパルスを発生する単安定
マルチバイブレータ３８．３９の出力は第６図（ｃ）、
（ｄ）となる。

主尺と副尺の目盛が一致した時点は第６図（ａ）のパル
スが立ち上がる時点、すなわち第６図（Ｃ）中のハツチ
ングを施したパルスの発生時点であり、このパルスをＵ
Ｐ−ＤＯＷＮカウンタ３５に入力しＵＰカウントすれば
よい。

一方、主尺用スリット板２２が負の回転をしている場合
は、比較器３６．３７の出力は第７図の（ａ）、　　（
ｂ）に示す位置関係となり、単安定マルチバイブレーク
３８．３９の出力は同図（Ｃ）。

（ｄ）となるので、同図（Ｃ）中のハツチングを施した
パルスをＵＰ−ＤＯＷＮカウンタ３５でＤＯＷＮカウン
トすればよい。

なお、単安定マルチバイブレーク３８の出力のうち、カ
ウントしないパルスは比較器３７がオンの間、ＵＰ−Ｄ
ＯＷＮカウンタ３５をマスクすることにより計数しない
ようにする。

次に、Ｕ　Ｐ　−Ｄ　ＯＷＮカウンタ３５のＵＰ−ＤＯ
ＷＮ制御の一例を説明する。状態変化フリップフロップ
回路４０は単安定マルチバイブレータ３８．３９の出力
パルスが入力される度にオン・オフを繰返す。主尺用ス
リット板２２が正の回転をしているときは第８図（Ｃ）
のようにオン・オフを繰返すので、この出力がオンのと
きＤ　ＯＷＮカウント、オフのときＵＰカウントするよ
うにＵＰ−ＤＯＷＮカウンタ３５を制御すれば、同図（
ａ）のハツチングを施したパルスが来たときにＤＯＷＮ
カウントする。

ここで、第８図（ａ）の時点１１で主尺用スリット板２
２の回転方向が逆転したとすると、ＵＰ−ＤＯＷＮカウ
ンタ３５がＤＯＷＮ状態の時にハツチングを施したパル
スが入力されることになる。

時点ｔ２ではＵＰ−ＤＯＷＮカウンタ３５はＵＰ状態で
あるが、第８図（ｂ）のパルス■によりＤＯＷＮ状態に
なるので、ハツチングを施したパルスが入力される時は
ＤＯＷＮ状態である。時点ｔａ、ｔ４で回転方向が逆に
なってもＤＯＷＮカウントする。

次に、副尺の目盛を読む場合には、主尺と副尺の一致し
た目盛に対応するフォトダイオード２９の出力が最大に
なるので、このフォトダイオードのアドレスを探せばよ
い。従って、第１図に示すように増幅器３０の出力をマ
ルチプレクサ４１１；よりバーニヤスリット２８ａの目
盛０〜９に対応して順次走査し、これをＡ／Ｄ変換器４
２によりディジタル信号に変換する。レジスタ４３はマ
ルチプレクサ４１が目盛Ｏをアクセスしたときに零にリ
セットし、比較器４４でＡ／Ｄ変換器４２の内容とレジ
スタ４３の内容を比較し、Ａ／Ｄ変換器４２の方が大き
ければその内容をレジスタ４６に移し、また、マルチプ
レクサ４１のアドレスカウンタ４５の内容をレジスタ４
６に移す。この動作をバーニヤスリット２８ａの目盛０
〜９まで行なうと、レジスタ４６には最大値を示す目盛
が表示されることになる。

上述のように構成した本発明の光学式ロータリ・エンコ
ーダにおいては、マルチプレクサ４１により副尺用スリ
ット板２８のバーニヤスリット２８ａに対応するフォト
ダイオード２９の出力を走査するのに要する時間だけ遅
れるだけであるので、従来装置に比して高速応答性を向
上させることができる。また、メインスリットの数を増
加させても・１４行光学系により回折に伴う悪影響を除
去できるので、高分解能の光学式ロータリ・エンコーダ
を容易に構成することができる。

なお、以上の説明では光源２０からの光をレンズ２１を
通して直接主尺用スリット板２２に透過させる例につき
述べたが、主尺用スリット板２２におけるメインスリッ
ト２３のスリット数が多（なり、ＩＣ製造技術を利用し
て製作する場合等には透過方式の採用が困難になるので
、第９図に示すようにハーフミラ−５０を利用した反射
方式を採用することが望ましい。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明によれば高速応答性に優れ、しかも
高分解能の光学式ロータリ・エンコーダを容易に構成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

ｊ４１図は本発明の光学式ロータリ・エンコーダの実施
例を示す光学系の概略構成と信号処理回路の説明図、第
２図は第１図における主尺用スリット板の平面図、第３
図は第１図の装置におけるメインスリットによる光のパ
ターンとバーニヤスリットとの関係を示す説明図、第４
図は第１図の装置におけるメインスリットによる光のパ
ターンとバーニヤスリットのアドレス０との位相差を示
すグラフ、第５図〜第８図は本発明装置の作動を説明す
るグラフ、第９図は本発明の他の実施例を示す光学系の
説明図、第１０図は従来の光学式ロータリ・エンコーダ
を例示する説明図、第１１図〜第１３図は第１０図の光
学式ロータリ・エンコーダの作動を説明するグラフであ
る。 １．７・・・光源、２・・・符号板、３・・・位相板、
４・・・４分割フォトダイオード、５・・・低域フィル
タ、６゜３１・・・零点検出用スリット、８・・・差動
フォトダイオード、９・・・差動増幅器、１０・・・ア
ンプ、１１・・・低域フィルタ、２２・・・主尺用スリ
ット板、２３・・・メインスリット、２４．２５・・・
レンズ、２６・・・ピンホール板、２７・・・平行光学
系、２８・・・副尺用スリット板、２９．３２・・・フ
ォトダイオード、３ｏ。 ３３・・・増幅器、３４・・・パルス成形回路、３５・
・・ＵＰ−ＤＯＷＮカウンタ、３６．３７・・・比較器
、３８．３９・・・単安定マルチバイブレータ、４０・
・・状態変化フリップフロップ回路、４１・・・マルチ
プレクサ、４２・・・Ａ／Ｄ変換器、４３．４６・・・
レジスタ、４４・・・比較器、４５・・・アドレスカウ
ンタ、５０・・・ハーフミラ−０ 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 第２図 第３図 ＯＴ　　　　　　　　　　　２Ｔ 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、メインスリットを備えた主尺用スリット板と、前記
   メインスリットに対してバーニヤスリットを形成する副
   尺用スリット板と、前記主尺用スリット板と副尺用スリ
   ット板との間に介挿した平行光学系と、前記副尺用スリ
   ット板のバーニヤスリットに対応して配列され、前記メ
   インスリットとバーニヤスリットを通過した光を検出す
   る光電変換素子と、これらの光電変換素子の出力に基づ
   いて前記メインスリットおよびバーニヤスリットの目盛
   を自動的に解読する信号処理回路とからなることを特徴
   とする光学式ロータリ・エンコーダ。 ２、平行光学系が一対のレンズと、それらの間に介挿し
   たピンホール板からなることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の光学式ロータリ・エンコーダ。 ３、信号処理回路が、各光電変換素子からの信号を増幅
   する増幅器と、これらの増幅器の内の２個の出力とシュ
   レッショルド値とをそれぞれ比較する２個の比較器と、
   これらの比較器の出力パルスの立ち上がりおよび立ち下
   がりに対応して小幅のパルスを発生する一対の単安定マ
   ルチバイブレータと、これらの単安定マルチバイブレー
   タからの出力に応じて作動する状態変化フリップフロッ
   プ回路と、零点検出用光電変換素子の出力によりリセッ
   トされ、前記状態変化フリップフロップ回路によりカウ
   ント状態を切替えられるＵＰ−ＤＯＷＮカウンタと、前
   記増幅器の出力を時系列信号に変換するマルチプレクサ
   と、このマルチプレクサの出力をディジタル信号に変換
   するＡ／Ｄ変換器と、前記マルチプレクサ中の最大値を
   更新して記憶するレジスタと、このレジスタおよび前記
   Ａ／Ｄ変換器の出力を比較する比較器とを具備すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学式ロータ
   リ・エンコーダ。