JPH071177B2

JPH071177B2 - エンコーダ

Info

Publication number: JPH071177B2
Application number: JP62141441A
Authority: JP
Inventors: 宏石田
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1987-06-08
Filing date: 1987-06-08
Publication date: 1995-01-11
Anticipated expiration: 2010-01-11
Also published as: JPS6379011A

Description

【発明の詳細な説明】〔技術分野〕本発明はエンコーダに関するものであり、より特定的に
は光学式インクリメンタル形エンコーダを用いてエンコ
ーダに接続された工作機械等の移動方向、移動量及び位
置をアブソリュート形式で算出し得るエンコーダに関す
る。エンコーダとしてはロータリ形、リニヤ形がある
が、本願では特に後者を対象とする。

〔従来技術〕

エンコーダはNC等の移動する作業機械の精密な位置検出
等に広く用いられている。

エンコーダには一般にインクリメンタル形のものとアブ
ソリュート形のものがある。前者は、例えばロータリィ
エンコーダを例にとると、作業機械の移動を検出するた
めの回転軸に固定された回転板に、回転板の円周に沿っ
て等間隔でしゃ光部及び透光部（スリット）を設け、回
転板の一方の側から発光素子により回転板を照射させ、
また回転板の他方の側に受光素子を設け、回転軸の回転
と共に回転する回転板の透光部を通した発光素子の光を
受光するようにしたもので、回転板が正回転である場合
にはインクリメンタルな信号、逆回転である場合はデク
リメンタルな信号を出力し、回転軸の位置を検出するよ
うにしたものである。一方後者は、回転板の半径方向に
それぞれ所定のパターン透光チャネルを複数列、円周に
沿って設け、該チャネルを通した光を複数の受光素子で
検出し、これらの受光素子の信号の組合せにより、回転
軸の位置を一義的（アブソリュート）に検出できるよう
にしたものである。インクリメンタル形エンコーダは回
転板が簡単かつ検出回路も簡単ですむという利点を有す
る一方、検出回路用の電源が通常作業機械側の電源から
供給されており、その電源が一旦オフになると電源再投
入時に回転軸の位置がすぐに判らず、再度基準位置から
の信号（インクリメンタル／デクリメンタル）を計数し
なければならないという問題がある。一方、アブソリュ
ート形エンコーダは電源が一旦オフになっても電源再投
入時に回転軸の位置が即座に判るが、回転板の構造及び
検出回路が複雑になるという問題がある。

さらに上述のインクリメンタル形エンコーダ及びアブソ
リュート形エンコーダのいずれも一般に、回転軸の１回
転内の回転位置のみを検出するようになっており、エン
コーダ自体において、回転軸の回転回数そのものが検出
できない。従って、エンコーダの外部回路において１回
転内の回転位置信号を用いて回転軸の回転回数及び回転
位置を統合化する、すなわち作業機械のトータルの移動
距離を算出する、ことを行なわなければならない。

上述の問題を解決するものとして、本発明の発明者によ
り発明された「回転体の回転検出用パルスエンコーダ
（特願昭59−017103号及び特願昭59−017104号）」、及
び、「パルスエンコーダ（昭和59年３月10日出願）」が
ある。これらの出願はいずれも回転体の回転回数及び回
転の向きが検出できるようになっているが、いずれもア
ブソリュート形エンコーダを用いていて回転コード板が
やや複雑である。また「回転体の回転検出用パルスエン
コーダ」の両出願は、回転体の回転回数及び回転方向を
検出するため回転コード板に付加的発信素子と固定部に
検出素子を設けねばならず、また後者の「パルスエンコ
ーダ」においても付加的な検出素子を設けており、構造
的に若干複雑となっている。さらに上述のいずれも回路
の電力の消費を低減するためにサンプリング的に電源を
印加するという手法を用いているが、電力消費の低減が
必ずしも充分でないということが見出された。

以上の問題は、従来のリニヤエンコーダについても同様
である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、簡単な構造且つ比較手簡単な回路によ
り、エンコーダで検出すべき工作機械等の移動量及び移
動方向、並びに位置をアブソリュート形式で検出でき、
且つ、電力消費の少ないエンコーダを提供することにあ
る。

〔発明の構成〕

本発明の上記目的を達成するため、下記に挙げるような
技術的思想に基づいて本発明のエンコーダが実現され
た。すなわち、エンコーダの本体部分としては構造の簡
単なインクリメンタル形のものを用い、付加的な発光素
子、検出素子は用いない。一方、移動量及び移動方向を
検出するため、従来のインクリメンタル形の検出素子の
作動条件を本発明に基づく信号処理技法により変え、こ
れによって得られる検出信号を信号処理する。さらに、
例えば、インクリメンタル形ロータリィエンコーダの１
回転位置信号が電源断により喪失されることを防止する
ため、回路用電源は外的条件により電源断とならない電
池を用いる。但し、電池の寿命がエンコーダ供用期間、
又は保守期間充分であるように、電力消費が最小となる
ような回路設計をする、等である。

従って本発明においては基本的形態として、所定の間隔
で複数の透光域及び遮光域が連続して設けられた符号
板、該符号板の一方の側から前記透光域及び遮光域を照
光するように設けられた発光素子、及び、前記符号板の
他方の側に設けられ前記符号板の透光域を通過した前記
発光素子の射出光を所定のスリットを介して受ける少く
とも第１及び第２の受光素子であって第２の受光素子が
第１の受光素子に対し所定の位相差をもって前記符号板
の運動位置を検出するように配置されているもの、を具
備するエンコーダにおいて、前記符号板の透光域及び前
記所定のスリットを通した前記発光素子からの射出光が
前記いずれかの発光素子を照射する時間より短かい周期
のパルスを発生する発振回路、及び、第１及び第２の受
光素子の信号を受け入れ、該信号に応答して前記符号板
の運動位置、及び前記受光信号の立上り及び立下りの少
なくとも一方を検出して前記符号板の運動方向及び運動
量を算出する信号処理回路を設け、前記発光素子、第１
及び第２の受光素子及び信号処理回路を前記発振回路か
らのパルスに応答して作動させるようにしたことを特徴
とする、エンコーダが提供される。

〔実施例〕

本発明の一実施例について添付図面を参照して下記に述
べる。

第１図は本発明のエンコーダを理解するための参考とし
て、本発明の基本概念が採用された光学式ロータリーエ
ンコーダ１の概略的な断面を示す図である。第１図にお
いて当該エンコーダ１は、NC等の作業機械の位置を検出
するため作業機械の移動に応じて回転する回転軸２、該
回転軸に固定され回転軸２の回転と共に回転する回転板
７、該回転板の一方の側に設けられた基板８に装着さ
れ、回転板７のスリット部（第２図）に光を照射する発
光素子９、この実施例においては発光ダイオードを備え
ている。基板８には後述する回路部10及び電池11が設け
られている。一方、回転板７をはさんで基板８と対向し
て回転軸２が貫通している穴が設けられている基台３が
設けられ、該基台には、発光ダイオード９に対向する位
置に受光素子4,5、この実施例においては、フォトダイ
オードが設けられている。回転板７とフォトダイオード
4,5との間に固定スリット６が設けられている。

回転板７は第２図にその平面図を示すように円周に沿っ
て、しゃ光部71と透光部72とが一定の間隔で交互に連続
して設けられている。本実施例においては、しゃ光部71
の幅と透光部72の幅とは同じであり、１周当り、それぞ
れ2500個設けられている。また第３図に固定スリット６
の正面図を示す。固定スリット６は、フォトダイオード
4,5と回転板７のしゃ光部及び透光部との間に設けられ
ており、回転板７の透光部を通過したしゃ光をさらにス
リットを介してフォトダイオード4,5に導びく。ここで
固定スリット６は、フォトダイオード５がフォトダイオ
ード４に対して90゜位相おくれの透過光を検出するよう
に、スリットとが配置されている。

第４図に第１図に図示の電気回路部10の回路図を示す。
電気回路部10は、クロックパルスCLK₀（第５図（ａ））
を発生させる発生回路100、該クロックパルスCLK₀の立
下りに対応して回路駆動用クロックパルスCLK₁（第５図
（ｂ））を発生させる単安定マルチバイブレータ101、
フォトダイオード４及び５の信号を増幅するそれぞれト
ランジスタ及び抵抗器から成る増幅回路102及び103、該
増幅回路からの２つの信号SA,SBの立上り及び立下りを
検出する立上り／立下り検出回路104、該立上り又は立
下り検出信号を出力する際オアをとるオアゲート105及
び106、該オアゲート105又は106の出力信号により
“増”又は“減”の計数を行なうアップ／ダウン（可
逆）カウンタ107を備えている。

立上り／立下り検出回路104は、フォトダイオード４側
の信号SA（Ａ相信号）により作動するＤ形フリップフロ
ップFF1及びFF2、フォトダイオード５側の信号SB（Ｂ相
信号）により作動するＤ型フリップフロップFF3及びFF
4、及び、これらのフリップフロップFF1〜FF4の信号を
受け入れ、解読して立上り又は立下り信号を出力する４
ライン−16ラインデコーダDECDRから成る。すなわち、
デコーダDECDRは、フリップフロップFF1〜FF4の出力SA
1,SA2,SB1,SB2をそれぞれ「１」，「２」，「４」，
「８」の信号として受け入れ、０〜15の10進信号として
出力するものである。

上述の回路には電源として、電池11が接続されている。
電池11は発光ダイオード９、及びフォトダイオード４及
び５の電源としても用いられる。

第５図のタイミングチャートを参照して、第１図〜第４
図に図示の本発明のエンコーダの動作を説明する。

回転軸２は位置を測定すべき作業機械の移動速度に応じ
て回転速度が変化するが、ここでは、最大1200rpmで回
転するものとする。前述の如く、回転板７の透光部が１
周で2500個あるから、最大速度で正回転（例えば右回
転）した場合、その周波数は50kHzとなる。従って、常
時発光ダイオード９を点灯し続けたとした場合、固定ス
リット６を通してフォトダイオード４又は５で受ける光
は第５図（ａ）に図示の如く、１周期τ＝20μsecの点
滅光が得られることになる。しかしながら、本発明にお
いては電池11の電力消費を最小にするという観点から、
下記に述べるように、発光ダイオード９を常時点灯させ
ることはせず、最小時間だけ点灯させるようにする。

発光ダイオード９を最小時間だけ点灯させるための励起
パルスCLK₀を発振回路100により発生させる。パルスCLK
₀の周期ｔは（第５図（ｂ））、第５図（ａ）に図示の
周期τより短かくなければならない。第５図（ａ）に図
示の透過光を検出するには、少なくともｔ＝τでなけれ
ばいけないが、さらに立上り及び立下りを検出するため
である。一方、周期ｔ内のパルスをオン時間t₁とオフ時
間t₂とに分けると、オン時間t₁は発光ダイドーオ９、フ
ォトダイオード４及び５、回路10が安定に作動可能な時
間であって、電力消費を最小にするという観点からはで
きるだけ短かい方がよい。以上の条件に鍮み、この実施
例においては、ｔ＝５μsec,t₁＝２μsec,t₃＝３μse
c、すなわちパルスCLK₀の周波数を200kHzとしている。
従って、マルチバイブレータ101の出力クロックパルスC
LK₁も（第５図（ｃ））も200kHzである。

回転軸２が最高速度で回転した場合、クロックCLK₀のオ
ンにより点灯した発光ダイオード９の射出光を回転板７
及び固定スリット６を介して受光したフォトダイオード
４は、クロックCLK₀のオン時間に応じた透光域１ピッチ
（１サイクル）当り４個のパルスを出力し、このパルス
が増幅回路102により増幅されてＡ相出力SAを得る（第
５図（ｄ））。フォドダイオード５も同様に４個のパル
スを出力するが、このパルスはフォトダイオード４の出
力パルスより位相が90゜おくれており、増幅回路103で
増幅されてＢ相出力SBを得る（第５図（ｅ））。

Ａ相信号SAがフリップフロップFF1のセット入力に印加
されることによりFF1はセットされ出力SA1がオンとなる
（第５図（ｆ））。出力SA1はデコーダDECDRの端子A0に
印加されていると共に次段のフリップフロップFF2のセ
ット入力に印加されており、次のクロックCLK₁がFF2に
印加されることによりFF2がセットされ出力SA2もオンと
なる（第５図（ｇ））。該出力SA2もデコーダDECDRのA1
端子に印加されている。フリップフロップFF1は信号SA
が切れた次のクロックCLK₁でリセットされ、FF2はその
次のクロックCLK₁でリセットされる。

Ｂ相信号SBについても上記同様、フリップフロップFF3
及びFF4を介して第５図（ｈ）及び（ｉ）に図示の信号S
B1及びSB2が得られ、これらの信号がデコーダDECDRのA
2,A3端子に印加される。

デコーダDECDRに印加された上記信号SA1,SA2,SB1,SB2に
よりデコーダは第５図（ｊ）に図示の如きアップダウン
信号SUDに変換して出力するが、その出力は第４図に図
示の如く、適宜、回転板が正回転する場合はインクリメ
ント（加算）するように、逆回転する場合はデクリメン
ト（減算）するようにアップダウンカウンタ107に接続
されている。この実施例では正回転しておりＡ相信号SA
がＢ相信号SBより90゜位相が進んでいるから、アップダ
ウン信号SUDは全てアップパルス信号SUとなる。デコー
ダDECDRは第８図に図示の如くゲートG1〜G14で構成され
ており、SA1＋SA2＋SB1＋SB2が1,7,8,14となる場合にゲ
ートG1,G7,G8,G14からアップパルスが出力される。若し
Ｂ相信号SBがＡ相信号SAより位相が進んだ場合、すなわ
ちエンコーダが逆回転した場合は上記とは反対にSA1＋S
A2＋SB1＋SB2が2,4,11,13となる場合ゲートG2,G4,G11,G
13からダウンパルスのみが出力される。

これらのアップ又はダウンパルス信号がアップダウンカ
ウンタ107で計数されていく。

上記回路には電池11により電圧が常時印加されているも
のとする。従って電源断、に伴う位置不明という状態は
発生せず、常に回転軸の回転位置が維持され、アップダ
ウンカウンタ107から、正転又は逆転を処理した回転位
置信号がいわゆるアブソリュート信号として出力でき
る。又は上記アップダウンカウンタ107において、回転
板の透光部の数に合せて、例えば、正転パルスが2500パ
ルス毎に正回転回数パルスを発生させる。逆転の場合は
逆回転回数パルスを発生させる。これにより、回転回数
と回転方向も判る。

尚電池11は、例えばリチウム電池等比較的寿命が長く安
定したものを用いるが、回路に常時電圧を印加可能とす
るためには、上述したように、発光ダイオード９、フォ
トダイオード4,5及び増幅回路102,103には、これらの作
動及び位置検出に必要な最小時間幅（第５図（ｂ））、
t₁）のパルスを印加して電力消費の最小化を図ると共
に、回路素子として電力消費の少ない、例えば、CMOSデ
バイスを用いている。

以上の動作説明は、回転軸２が最高速度で回転する場合
について述べたが、回転軸は作業機械の移動速度により
変化し、回転しない場合もある。例えば回転軸が600rpm
で回転すると１ピッチの周期τ′は上記例の倍、すなわ
ち40μsecとなる。（第７図（ａ））。一方、発振回路1
00が前述と同じ周波数50kHzのまゝであるとしたら１ピ
ッチ内で発光ダイオードは２倍点滅することになるが、
立上り又は立下りを検出するには上記同様４パルスで充
分である。そこで、第６図に図示の如く、回転板の回転
速度をも意味するデコーダDECDRの出力信号をオアゲー
ト109を介して入力し、該入力パルスの間のクロックパ
ルスCLK₁′を計数し、回転軸の回転数に応じて発振回路
の発振周期を算出する回路108を設け、さらに発振回路1
00′は回路108の指令に応じて発振周期を変化できるよ
うにしておく。この例では、発振周期ｔ′を２倍にする
（第７図（ｂ））。但し、発光ダイオード等をオンする
時間t₁は前の通りである。このようにすることにより、
発光ダイオード等を作動させる回数が減少するから、電
池の電力消費を著しく低減することができる。このよう
にすることにより、電池の寿命をほぼエンコーダの供用
期間と同じ程度に延ばすことが可能となる。

上述の例示においては、立上り及び立下りの両者を検出
する場合について述べたが、一方のみにすることも可能
である。また立上り・立下り回路104は上記同様の機能
を有するものならば、他の形式のものにすることができ
る。またアップダウンカウンタは、上記同様の可逆計数
を行なうものであれば、１個のアップダウンカウンタで
ある必要はなく、安価な２つのカウンタを組合せても良
い。

以上の説明においては、Ａ相、Ｂ相信号について述べた
が、在来同様、反転Ａ相、反転Ｂ相を併せて用いること
もできる。

これまでに説明した本発明の基本概念をロータリ形では
なくリニア形のエンコーダに適用することによって、本
発明のリニアエンコーダが実現される。リニヤエンコー
ダそれ自体は良く知られており、第９図および第10図に
図示の如く、発光素子としてのLED90と４個のフォトト
ランジスタ41〜44から成る受光素子40が固定スリット板
50を介して対向して設けられ、固定スリット板50とLED9
0の間を工作機械のテーブル70に機械的に接続された直
線状（リニヤ）符号板60が設けられている。すなわち、
ロータリエンコーダの回転符号板７がリニヤ符号板60に
対応する。ロータリエンコーダの場合、工作機械のテー
ブルに接続された回転軸の回転に伴って回転符号板７が
回転させられ、その回転方向および回転量を、固定スリ
ット６および受光素子4,5を介して上述の如く検出す
る。リニヤエンコーダの場合、リニヤ符号板60が直線運
動をし、正方向又は逆方向に移動することを除けば、上
述のインクリメンタル形ロータリーエンコーダと全く同
様、インクリメンタル形エンコーダであり、上述の構成
がリニヤエンコーダにそのまゝ適用可能である。

尚、第10図においては、４個のフォトトランジスタ41〜
44を用いて、Ａ相およびＢ相のみならず、これら逆相信
号，も検出し得るようにしている。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明によればインクリメンタル
形式の機構を用いて、実質的アブソリュート形式の運動
位置信号、及び、運動量及び運動方向を検出することが
でき、トータルの位置検出を行なうことの可能なエンコ
ーダが実現できる。

また本発明によれば、本発明のエンコーダの電力消費を
著しく低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を理解するための参考としての本発明の
基本概念が採用された光学式ロータリーエンコーダの断
面図、第２図は第１図の回転板の正面図、第３図は第１
図の固定スリットの正面図、第４図は第１図の回路の一
実施例を示す回路図、第５図（ａ）〜（ｊ）は第４図回
路のタイミング図、第６図は第１図の回路の他の実施例
を示す図、第７図（ａ）（ｂ）は第６図回路のタイミン
グ図、第８図は第４図および第６図に図示のデコーダの
回路図、第９図および第10図は本発明の一実施例として
の光学式リニヤエンコーダの概略構成図、である。（符号の説明）１……ロータリーエンコーダ、２……回転軸、３……基台、4,5……フォトダイオード、６……固定スリット、７……回転板、８……基板、９……発光ダイオード、 10……電子回路、11……電池、 40……受光素子、50……固定スリット板、 60……リニヤ符号板、90……LED。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】長尺状板に所定の間隔で長手方向に複数の
透光域及び遮光域が連続して設けられ長手方向に運動さ
せられる直線状の符号板、該符号板の一方の側から前記
透光域及び遮光域を照光するように設けられた発光素
子、及び、前記符号板の他方の側に設けられた前記符号
板の透光域を通過した前記発光素子の射出光を所定のス
リットを介して受ける少くとも第１及び第２の受光素子
であって第２の受光素子が第１の受光素子に対し所定の
位相差をもって前記符号板の運動位置を検出するように
配置されているもの、を具備するエンコーダにおいて、前記符号板の透光域及び前記所定のスリットを通した前
記発光素子からの射出光が前記いずれかの受光素子を照
射する時間より短かい周期のパルスを発生する発振回
路、及び、第１及び第２の受光素子の信号を受け入れ、該信号に応
答して前記符号板の運動位置、及び前記受信信号の立上
り及び立下りの少なくとも一方を検出して前記符号板の
運動方向及び運動量を算出する信号処理回路を設け、前
記発光素子、第１及び第２の受光素子及び信号処理回路
を前記発振回路からのパルスに応答して作動させるよう
にすると共に、前記発振回路において発生させるパルスの周期を前記符
号板の運動速度に応答して変化させるようにしたことを
特徴とするエンコーダ。
【請求項２】前記発振回路において発生させるパルスの
オン時間が前記発光素子等の作動時間により規定される
最小の一定時間である、特許請求の範囲第１項に記載の
エンコーダ。
【請求項３】前記信号処理回路が、第１及び第２の受光
素子の信号の立上り及び立下りの少なくとも一方を検出
する回路、及び該検出回路からの信号に応答して前記符
号板の運動方向及び運動量を算出するようにアップ・ダ
ウン計数機能を有する計数器、を包含する、特許請求の
範囲第２項に記載のエンコーダ。
【請求項４】前記発振回路及び前記信号処理回路がCMOS
デバイスで形成された、特許請求の範囲第３項に記載の
エンコーダ。
【請求項５】前記エンコーダの電源が電池であることを
特徴とする、特許請求の範囲第４項に記載のエンコー
ダ。