JPH07190810A - ロータリエンコーダおよびこれを用いた入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】位相差がほぼ９０゜の検出パルスを無調整回路
で発生することができ、ＩＣ化に適したロータリエンコ
ーダおよびこれを用いた入力装置を提供することを目的
とする。 【構成】発光素子からの光を回転円板に形成されたスリ
ットを介して受けて相互にほぼ９０゜位相が相違するほ
ぼ正弦波の検出信号を発生する第１および第２の受光素
子を有する受光器と、第１及び第２の受光素子の出力を
受けてこれら信号のアナログ加算した信号から所定の基
準値を減算して出力するか、これに近似する出力を発生
する増幅回路と、この増幅回路の出力を一方の入力に受
け前記第１の受光素子の出力を他方の入力に受けてそれ
らを比較する第１のコンパレータと、増幅回路の出力を
一方の入力に受け前記第２の受光素子の出力を他方の入
力に受けてそれらを比較する第２のコンパレータと、第
１の受光素子からの信号を受けてそのピーク値をホール
ドするピークホールド回路と、このピークホールド回路
のホールド値から前記基準値を発生する基準値発生回路
とを備えるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ロータリエンコーダ
に関し、詳しくは、パーソナルコンピューターやワーク
ステーションなどに用いられるマウスやトラックボール
に内蔵され、その移動量あるいは操作量（以下移動量で
代表する）を回転量で検出するセンサとして使用される
ロータリエンコーダに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】マウスやトラックボールは、通常、ボー
ルとこのボールに摩擦係合してＸ軸方向の移動量を検出
するローラと、このローラの回転をロータリエンコーダ
等の回転量の検出器で検出するＸ軸センス機構と、同様
な検出器でＹ軸方向のローラの回転によりＹ軸方向の移
動量を検出するＹ軸センス機構とが内蔵されている。図
５は、Ｘ軸あるいはＹ軸のセンス機構にロータリエンコ
ーダを使用した検出器部分の説明図である。１０は検出
器であり、１２は、マウスやトラックボールに内蔵され
たボールに摩擦係合するローラの回転軸１１に固定され
た円板であって、放射状にスリットが多数設けられ、ボ
ールの回転に連動して回転する。

【０００３】１３は、発光ダイオードであり、円板１２
のスリット１２a を通して反対側に設けられた受光素子
（ホトトランジスタ）１４，１５にその発光を照射す
る。受光素子１４，１５は、１つの受光器の内部に配置
され、その配置が発光ダイオード１３の光をスリット１
２a を介して受光したときにその受光位置により相互に
ほぼ９０゜の位相になる信号を発生するようになってい
る。各受光素子は、ホトトランジスタで構成され、その
コレクタ側が電源ラインＶccに接続され、そのエミッタ
側が可変抵抗器Ｒ1 ，Ｒ2 を介して接地されている。そ
れぞれの受光素子１４，１５から得られる位相が９０度
相違する検出信号をそれぞれＡ相，Ｂ相の電圧信号とし
て可変抵抗器Ｒ1 ，Ｒ2 から取出してそれをエンコーダ
１８のコンパレータ１６，１７に入力する。

【０００４】１つの受光器に２つのホトトランジスタが
内蔵されている場合には、ここで光電変換される信号
は、２つのホトトランジスタが順次光を受け関係から各
ホトトランジスタに照射される光は、円板１２の回転に
応じて徐々に増加して最大になり減少する。そこで、検
出信号は、矩形波形とはならずに、ほぼ正弦波に近い電
圧信号波形になる。そこで、各電圧信号は、エンコーダ
１８のコンパレータ１６，１７でＡ相，Ｂ相の２つの検
出パルスに波形整形される。これらのＡ相，Ｂ相の検出
パルスは、次にコンパレータ１６，１７からロジック回
路にそれぞれ入力されてＸ方向あるいはＹ方向のパルス
信号にコード化され、あるいは所定のパルスに変換処理
されてコンピュータ等本体側に送出される。なお、この
とき、２つのホトトランジスタの特性の相違を吸収する
ために、可変抵抗器Ｒ1 ，Ｒ2 が用いられるが、これら
は、複数の抵抗を配置してその中から最適な抵抗を選択
するものでもよく、複数の抵抗の配線をカットして最適
な抵抗値を選択することもある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】さて、前記の検出パル
スは、Ａ相，Ｂ相信号の立ち上がり、立ち下がりのタイ
ミング関係でカウントされ、パルス変換されることが多
いので、これらパルスは、位相差が９０度でデューティ
が５０％のパルスであることが好ましい。しかし、この
種の従来のロータリエンコーダの検出器では、発光ダイ
オードの発光素子の特性やホトトランジスタの感度のば
らつきにより検出信号の振幅が変動する。その結果とし
て検出パルスの波形が変化し、位相関係が正確でなくな
ることから、可変抵抗器Ｒ1 ，Ｒ2 により各受光素子の
出力信号のレベル調整が行われている。したがって、こ
の種のロータリエンコーダでは無調整化が難しい。

【０００６】図６は、この種の回路を無調整化した回路
である。受光素子とコンパレータとの間にさらに受光素
子の出力信号の平均値を基準レベルとして信号を波形整
形するコンパレータ１９，２０を設けている。平均値を
発生する回路としてコンパレータ１９，２０の基準レベ
ル側には抵抗とコンデンサからなる積分回路１９a ，２
０a が設けられている。これによりほぼデューティ５０
％のパルスが得られるが、位相差については、各受光素
子の出力信号のレベルに影響され、正確さに欠ける欠点
がある。また、この種の回路は、コンデンサを必要とす
るのでＩＣ化が難しく、回路規模が大きくなる欠点があ
る。この発明の目的は、このような従来技術の問題点を
解決するものであって、位相差がほぼ９０゜の検出パル
スを無調整回路で発生することができ、ＩＣ化に適した
ロータリエンコーダおよびこれを用いた入力装置を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るためのこの発明のロータリエンコーダおよびこれを用
いた入力装置の特徴は、発光素子からの光を回転円板に
形成されたスリットを介して受けて相互にほぼ９０゜位
相が相違するほぼ正弦波の検出信号を発生する第１およ
び第２の受光素子を有する受光器と、第１及び第２の受
光素子の出力を受けてこれら信号のアナログ加算した信
号から所定の基準値を減算して出力するか、これに近似
する出力を発生する増幅回路と、この増幅回路の出力を
一方の入力に受け前記第１の受光素子の出力を他方の入
力に受けてそれらを比較する第１のコンパレータと、増
幅回路の出力を一方の入力に受け前記第２の受光素子の
出力を他方の入力に受けてそれらを比較する第２のコン
パレータと、第１の受光素子からの信号を受けてそのピ
ーク値をホールドするピークホールド回路と、このピー
クホールド回路のホールド値から前記基準値を発生する
基準値発生回路とを備えるものである。

【０００８】

【作用】ロータリエンコーダのそれぞれの受光素子から
得られる信号は、ほぼ正弦波に近いアナログ波形で９０
度の位相差があることから、Ａ相，Ｂ相の信号を加算し
たＡ＋Ｂ相信号は、正側及び負側のＡ相，Ｂ相それぞれ
の信号のピークの間ではこれらを越えた（負側ではそれ
らのピークより小さい値）を採り、正から負へあるいは
その逆に負から正へと移行するＡ相のピークからＢ相の
ピークまでの間あるいはＢ相のピークからＡ相のピーク
までの間では、それぞれの信号値の間の値を採る。

【０００９】そこで、前記のように、Ａ相，Ｂ相の信号
を加算したＡ＋Ｂ相信号とそれぞれの相の信号とを比較
することによりＡ相の信号との比較では、Ａ相の正側の
ピークを越えた時点からＡ相の負側のピークまでの間で
Ａ相の信号レベルを越えているので確実にＡ相検出パル
スが発生し、同様にＢ相の信号との比較では、Ｂ相の正
側のピークより低下した時点からＢ相の負側のピークま
での間ではＢ相の信号のレベル以下となるので確実にＢ
相検出パルスを発生させることができる。ここで、Ａ＋
Ｂ相信号を加算処理により発生させると、Ａ相，Ｂ相信
号の闇電流によるオフセットにより加算合成した信号に
もオフセットが発生してＡ＋Ｂ相信号の振幅基準の電位
がずれる。これを補正するために、一方の信号のピーク
値（極大値）をホールドしてそのピーク値からＡ＋Ｂ相
信号の振幅基準を元のＡ相あるいはＢ相の信号の振幅基
準に戻すために減算量を発生させる。これを行うのがピ
ークホールド回路と基準値発生回路である。したがっ
て、合成信号の振幅は、第１の受光素子をＡ相とすれ
ば、このＡ相信号の振幅基準に一致している。ところ
で、発光ダイオードの発光素子の特性やホトトランジス
タの感度のばらつきにより受光素子の検出信号の振幅が
変動しても、この場合の検出信号は、正弦波に近いもの
であり、この正弦波の上下の振幅の基準レベルは、同一
のチップに形成される受光素子（ホトトランジスタ等）
にあっては、闇電流でオフセットが多少相違していて上
下に変動することがあったとしても、他方の受光素子の
基準レベルについて一方の受光素子の検出信号から得ら
れる基準レベルを用いても大きな差を生じない場合がほ
とんどであるので、他方の受光素子の検出信号に対する
基準レベルとして用いても実際上の検出パルスの位相変
動はほとんど問題にならない程度である。したがって、
これらの比較の結果発生する各検出パルスは、９０度の
位相差が保持されている。ここで、Ａ祖、Ｂ相の各信号
は、ピークの前後で単純増加、減少する正弦波に近い波
形であることから、たとえ多少のレベル変動があっても
前記の増減の位相関係が維持されるので、Ａ相，Ｂ相の
検出パルスにはほとんど影響しない。しかも、前記のロ
ータリエンコーダの検出回路の構成には、可変抵抗もコ
ンデンサも含まれていない。そこで、ＩＣ化に適し、か
つ、無調整回路になる。

【００１０】

【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照して説明する。図１は、この発明のロータリエンコー
ダを適用した一実施例の検出回路を中心とするブロック
図、図２は、そのＡ相がＢ相より９０度進んでいる場合
のコンパレータの比較動作の説明図、図３は、Ｂ相のレ
ベルが変動した場合のコンパレータの比較動作の説明
図、図４は、Ａ＋Ｂ相信号をＡ相の振幅基準に戻すため
の減算電圧値発生回路の説明図である。なお、図５と同
一の構成は同一の符号で示す。したがって、それらの説
明は割愛する。

【００１１】図１において、Ｒa は、Ａ相側の受光素子
１４の負荷抵抗であり、可変抵抗器Ｒ1 に換えて設けら
れてた固定の抵抗である。Ｒb は、Ｂ相側の受光素子１
５の負荷抵抗であり、可変抵抗器Ｒ2 に換えて設けられ
てた固定の抵抗である。これら負荷抵抗Ｒa ，Ｒb から
の出力は、加減算回路１に送出され、ここで、Ａ＋Ｂ相
信号として出力されてコンパレータ１６，１７に送出さ
れる。

【００１２】加減算回路１は、信号合成回路２とオペア
ンプ３と減算電圧値発生回路４とで構成される。信号合
成回路２は、Ａ相信号を受けてオペアンプ３の(+) 入力
端子に加える抵抗２a とＢ相信号を受けて同様にオペア
ンプ３の(+) 入力端子に加える抵抗２b とからなる。オ
ペアンプ３は、正転増幅器であって、信号合成回路２で
合成されたＡ＋Ｂ相信号と減算電圧値発生回路４から減
算する電圧値を受けてこれら各信号レベルを加減算処理
をして振幅基準レベルがＡ相にほぼ等しいＡ＋Ｂ相信号
を発生する。なお、抵抗Ｒf は、オペアンプ３の増幅率
を決定し、Ａ＋Ｂ相信号信号の出力レベルを調整するフ
ィードバック抵抗である。

【００１３】コンパレータ１６は、その基準信号端子側
（(-) 側）に負荷抵抗Ｒa からのＡ相信号出力を受け、
その入力信号端子側（(+) 側）にオペアンプ３からのＡ
＋Ｂ相信号を受けてＡ相信号のレベルを越えた時点のＡ
＋Ｂ相信号に対応してパルスを発生し、それをＡ相の検
出出力とする。コンパレータ１７は、その入力信号端子
側（(+) 側）に負荷抵抗Ｒb からのＡ相信号出力を受
け、その基準信号端子側（(-) 側）にオペアンプ３から
のＡ＋Ｂ相信号を受けてＡ＋Ｂ相信号のレベルを越えた
時点のＢ相信号に対応してパルスを発生し、それをＢ相
の検出出力とする。

【００１４】そこで、Ａ相がＢ相より９０度進んでいる
場合には、図２の(a) ，(b) に示すようにコンパレータ
１６では、Ａ＋Ｂ相信号の位相を基準としてＡ＋Ｂ相信
号がＡ相信号のレベルを越える９０度から２７０度の位
相範囲で検出パルスＰA を発生する。コンパレータ１７
では、Ａ＋Ｂ相信号の位相を基準としてＡ＋Ｂ相信号が
Ｂ相のレベル以下となる１８０度から３６０度の位相範
囲で検出パルスＰB を発生する。

【００１５】ここで、Ｂ相のレベルが変動して低下した
場合であっても、図３の(a) に示すようにＢ相の信号が
Ａ相より９０度遅れているので、Ｂ相の信号は、Ａ＋Ｂ
相信号の９０度の位相の点から正方向の増加が始まり、
２７０度の位相の点から負方向の減少が始まる関係はく
ずれない。したがって、図３の(b) に示すようにコンパ
レータ１６では、Ａ＋Ｂ相信号がＡ相のレベルを越える
９０度から２７０度の位相範囲で検出パルスＰA を発生
し、このパルスの立ち上がり、立ち下がり位置はほとん
ど変動しない。コンパレータ１７についてもこのことは
同様であり、Ａ相の信号は、Ｂ相より９０度進んでいる
ので、Ａ＋Ｂ相信号の１８０度の位相の点から負方向の
減少が始まり、３６０度の位相の点から正方向の増加が
始まるので、Ａ＋Ｂ相信号がＢ相のレベル以下となる１
８０度から３６０度の位相範囲で検出パルスＰB を発生
し、このパルスの立ち上がり、立ち下がり位置がほとん
ど変動しない。

【００１６】減算電圧値発生回路４の構成は、図４に示
すように、ピークホールド回路５と基準値発生回路６と
からなる。ピークホールド回路５は、Ａ相側の電圧信号
の極大値を検出してそれを基準値発生回路６に送出す
る。基準値発生回路６は、極大値の電圧値から抵抗分割
等により所定の比較基準値を発生してこれをオペアンプ
３の基準信号端子側（(-) 側）に加える。ピークホール
ド回路５は、コンパレータ５１とゲート回路５２、アッ
プカウンタ５３、Ｄ／Ａ変換回路（Ｄ／Ａ）５４とで構
成され、ゲート回路５２が外部のクロック発生回路５５
からクロック信号を受けてコンパレータ５１がＨＩＧＨ
レベルのときにゲートを開いてアップカウンタ５３に外
部からのクロックを送出する。アップカウンタ５３は、
ゲート回路５２から受けたクロックをカウントしてその
カウント値をＤ／Ａ変換回路５４に送出する。Ｄ／Ａ変
換回路５４は、それをアナログ値に変換してコンパレー
タ５１の基準信号端子側（(-) 側）に加えるとともに、
基準値発生回路６に送出する。

【００１７】コンパレータ５１は、入力信号端子側
（(+) 側）にＡ相信号を受けてＤ／Ａ変換回路５４の値
と比較し、Ａ相信号がＤ／Ａ変換回路５４の値を越えて
いる限りＨＩＧＨレベルの信号をゲート回路５２に送出
し続ける。その結果、Ａ相信号が極大となり、その値が
Ａ／Ｄ変換されて基準信号端子側（(-) 側）に加えら
れ、次にＡ相信号が極大から減少しはじめるときに、コ
ンパレータ５１がＬＯＷレベルの信号をゲート回路５２
に送出する。ここで、ゲート回路５２のゲートが閉じて
アップカウンタ５３は、カウントを停止する。その結
果、カウント値が極大値で保持される。

【００１８】このとき、基準値発生回路６は、Ｄ／Ａ変
換回路５４から極大値の電圧信号を受け、以後その状態
は、保持され続ける。なお、ピークホールド回路５は、
電源投入時等に発生するリセット信号Ｒを外部から受け
てアップカウンタ５３等の値がゼロクリアされ、他の回
路も初期状態にリセットされる。

【００１９】基準値発生回路６は、バッファアンプ６１
と抵抗分圧回路６２とからなる。バッファアンプ６１
は、いわゆるボルテージフォロア回路であり、抵抗分圧
回路は、抵抗Ｒc とＲd とからなっていて、極大値の電
圧値からＡ＋Ｂ相信号の振幅の基準電圧値を決める減算
値を求める。この場合の分圧率は、極大値の電圧の０．
５０〜０．６５の範囲であって、受光素子１４の闇電流
の大きさに応じてあらかじめ選択される。通常は、闇電
流による最低電流のオフセット分を考慮すると、Ａ＋Ｂ
相信号の振幅の基準電圧を算出するための減算値は、極
大値の０．６程度になる。

【００２０】ところで、受光素子１４，１５が１つの受
光器７に内蔵されて形成されているときには、通常は、
同一チップ上に受光素子１４，１５のホトトランジスタ
が形成される。そこで、ホトトランジスタの特性に応じ
て闇電流で検出信号の極小電圧のレベルに多少の相違が
発生し、さらに発光素子１３からの受光感度でその検出
信号の振幅に相違が生じるが、それぞれの振幅の基準と
なる電位には、あまり差が発生しない。したがって、基
準値発生回路６の基準電圧をＡ＋Ｂ相信号の振幅基準に
一致する減算値を自動設定するようにすれば、他方の信
号の極大値を求めてその信号の振幅基準を求めてなくて
も製造歩留まりは悪くならない。もちろん、精度の高い
ロータリエンコーダを製造する場合には、Ａ相，Ｂ相の
各相について極大値あるいは極大値と極小値とを求めて
それぞれの信号の振幅基準となる電圧を求めるに越した
ことはない。なお、極小値を求める場合には、カウンタ
５３をダウンカウンタとし、これにプリセット値を設定
してクロックに応じてデクリメントして最小値でゲート
回路５２のゲートを閉じるようにすればよい。

【００２１】以上説明してきたが、Ａ相とＢ相と関係
は、Ａ相とＢ相とが入れ替わっても同様であり、Ａ相の
信号に多少のレベル変動があっても検出パルスの立ち上
がり、立ち下がりのタイミング関係は保持される。ま
た、Ａ相がＢ相より遅れていても前記の動作と同様なこ
とが言える。また、実施例では、Ａ＋Ｂ相信号を発生す
る加減算回路を抵抗とオペアンプと減算電圧値発生回路
とで構成しているが、Ａ＋Ｂ相信号のレベルの信号を発
生する回路であればどのような回路であってもい。この
回路は、近似的にＡ＋Ｂ相信号のレベルの信号を発生す
ればよい。また、実施例では、１つの発光素子からの発
光を２つの受光素子が受けるものであるが、これは、受
光素子対応にそれぞれ発光素子が設けられていてもよ
い。

【００２２】

【発明の効果】この発明にあっては、Ａ相，Ｂ相の信号
を加算したＡ＋Ｂ相信号とそれぞれの相の信号とを比較
することによりＡ相の信号との比較では、Ａ相の正側の
ピークを越えた時点からＡ相の負側のピークまでの間で
Ａ相の信号レベルを越えているので確実に検出パルスが
発生し、同様にＢ相の信号との比較では、Ｂ相の正側の
ピークより低下した時点からＢ相の負側のピークまでの
間ではＢ相の信号のレベル以下となるので確実に検出パ
ルスを発生させることができるので、これらの比較の結
果発生する各検出パルスを９０度の位相差に保持するこ
とができる。その結果、ロータリエンコーダの検出回路
として、可変抵抗もコンデンサも使用しないで済むの
で、ＩＣ化に適し、かつ、無調整回路にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明のロータリエンコーダを適用
した一実施例の検出回路を中心とするブロック図であ
る。

【図２】図２は、そのＡ相がＢ相より９０度進んでいる
場合のコンパレータの比較動作の説明図である。

【図３】図３は、Ｂ相のレベルが変動した場合のコンパ
レータの比較動作の説明図である。

【図４】図４は、Ａ＋Ｂ相信号をＡ相の振幅基準に戻す
ための減算電圧値発生回路の説明図である。

【図５】図５は、従来のロータリエンコーダの検出回路
の主要部のブロック図である。

【図６】図６は、従来のロータリエンコーダの他の検出
回路の主要部のブロック図である。

【符号の説明】

１…加減算回路、２…信号合成回路、３…オペアンプ、
４…減算電圧値発生回路、５…ピークホールド回路、６
…基準値発生回路、１０…検出器、１１…回転軸、１２
…円板、１２a …スリット（スリット部）、１３…発光
ダイオード、１４，１５…受光素子（ホトトランジス
タ）、１６，１７…コンパレータ、５１…コンパレー
タ、５２…ゲート回路、５３…アップカウンタ、５４…
Ｄ／Ａ変換回路（Ｄ／Ａ） ５５…クロック発生回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発光素子からの光を回転円板に形成された
   スリットを介して受けて相互にほぼ９０゜位相が相違す
   るほぼ正弦波の検出信号を発生する第１および第２の受
   光素子を有する受光器と、前記第１及び第２の受光素子
   の出力を受けてこれら信号のアナログ加算した信号から
   所定の基準値を減算して出力するか、これに近似する出
   力を発生する増幅回路と、この増幅回路の出力を一方の
   入力に受け前記第１の受光素子の出力を他方の入力に受
   けてそれらを比較する第１のコンパレータと、前記増幅
   回路の出力を一方の入力に受け前記第２の受光素子の出
   力を他方の入力に受けてそれらを比較する第２のコンパ
   レータと、前記第１の受光素子からの信号を受けてその
   ピーク値をホールドするピークホールド回路と、このピ
   ークホールド回路のホールド値から前記基準値を発生す
   る基準値発生回路とを備えるロータリエンコーダ。
2. 【請求項２】前記ピークホールド回路は、第１の受光素
   子の現在の検出信号を直前の検出信号の値と比較するコ
   ンパレータと、このコンパレータの比較結果に応じて前
   記現在の検出信号が前記直前の検出信号より大きいとき
   にはクロック信号のカウントを続け、前記現在の検出信
   号が前記直前の検出信号と等しいかそれより小さくなっ
   たときに前記クロックのカウントを停止するカウンタ
   と、このカウンタの値をアナログ値に変換して前記直前
   の検出信号の値として前記コンパレータに出力するＤ／
   Ａ変換回路とを備え、前記Ｄ／Ａ変換回路の出力を前記
   ホールド値として検出する請求項１記載のロータリエン
   コーダ。
3. 【請求項３】発光素子からの光を回転円板に形成された
   スリットを介して受けて相互にほぼ９０゜位相が相違す
   るほぼ正弦波の検出信号を発生する第１および第２の受
   光素子を有する受光器と、前記第１及び第２の受光素子
   の出力を受けてこれら信号のアナログ加算した信号から
   所定の基準値を減算して出力するか、これに近似する出
   力を発生する増幅回路と、この増幅回路の出力を一方の
   入力に受け前記第１の受光素子の出力を他方の入力に受
   けてそれらを比較する第１のコンパレータと、前記増幅
   回路の出力を一方の入力に受け前記第２の受光素子の出
   力を他方の入力に受けてそれらを比較する第２のコンパ
   レータと、前記第１の受光素子からの信号を受けてその
   ピーク値をホールドするピークホールド回路と、このピ
   ークホールド回路のホールド値から前記基準値を発生す
   る基準値発生回路とを備える第１および第２のロータリ
   エンコーダと、 第１のロータリエンコーダが結合されＸ方向に対応して
   配置された第１のロータリエンコーダ回転機構と、 第２のロータリエンコーダが結合されＹ方向に対応して
   配置された第２のロータリエンコーダ回転機構と、 前記第１および第２のロータリエンコーダ回転機構に係
   合して前記第１および第２のロータリエンコーダを回転
   させるボールとを備える入力装置。