JPS5892819A - Photoelectric encoder device - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To reduce the number of gratings of an index scale to make a detecting head small-sized, by arranging three optical gratings different in phase and providing a synthesizing circuit which processes outputs of photoelectric converters provided to respective gratings. CONSTITUTION:An index scale 200 consists of three optical gratings X, Y, and Z arranged with phases 0 deg., 90 deg., and 180 deg., respectively, and photocells 201-203 which receive luminous fluxes passing through these gratings are so arranged that the direction of the photocell 202 is opposite to directions of photocells 201 and 203. Outputs of photocells 201-203 are inputted to operational amplifiers 204-206, and outputs (a)-(c) are converted to signals a+b and b+c by adders 207 and 208, and synthesized signals (e) and (d) where the offset signal is canceled are obtained. Thus, the number of gratings is reduced to make the device small-sized.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光電式エンコーダ装置に関する。[Detailed description of the invention] The present invention relates to a photoelectric encoder device.

メインスケールとインデックススケールのそれぞれに同
一の一定ピッチの光学格子を有する光電式エンコーダに
おいては、メインスケールとインデックススケールが相
対的に移動すると格子を介して受光素子に達する光量は
断続的に大小変化する。In a photoelectric encoder that has an optical grating with the same constant pitch on each of the main scale and index scale, when the main scale and index scale move relative to each other, the amount of light that reaches the light receiving element via the grating changes intermittently. .

従来高分解能のエンコーダにおいては、第１図、第２図
に示すように、一定ピツチの格子を有するメインスケー
ル１００に対してメインスケールと同一ピッチの格子か
ら成り００、　９０°、１８０；’２７０°、の位相の
４つの格子Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄを有するインデックススケー
ル１０１が相対的に移動する構造を採用している。この
相対的な移動が極めて低速の場合には、受光素子の出力
信号は三角波に近くなるが、格子のピッチがμｍ　オー
ダの極めて小さいものであるため、実際には光の干渉等
により波形がなまって、正弦波に近くなる。In a conventional high-resolution encoder, as shown in FIGS. 1 and 2, a main scale 100 has a grating of a constant pitch, and a grating of the same pitch as the main scale has a grating of 00, 90°, 180; A structure is adopted in which an index scale 101 having four gratings A, B, C, and D with a phase of .degree. is relatively movable. If this relative movement is extremely slow, the output signal of the photodetector will be close to a triangular wave, but since the pitch of the grating is extremely small on the μm order, the waveform is actually distorted due to light interference, etc. It becomes close to a sine wave.

そこでこのような信号を発生する受光素子の合成回路（
ついて第２図により説明する。Therefore, a synthesis circuit of light receiving elements that generates such a signal (
This will be explained with reference to FIG.

インデックススケール１０１の各格子Ａ。Each grid A of the index scale 101.

Ｃ，Ｂ、Ｄを通過した不図示の光源からの光束を受光す
るフォトダイオード、フォトトランジスタのような受光
素子ＡＩ＋ＣＩｔＢＩ＋Ｄ、は、互に逆向きに並列接続
して各々オペアンプ１０２，１０３の反転、非反転入力
に接続する。さらに各オペアンプ１０２，１０３には、
所定のゲインを得るための帰慮砥抗１０４．１０５を設
けると共に各出力に比較器１０６，１０７を接続する、
このように受光素子Ａ、とＣ３の差動、受光素子Ｂ１と
り。Light-receiving elements AI+CItBI+D, such as photodiodes and phototransistors, which receive the light flux from a light source (not shown) that has passed through C, B, and D are connected in parallel with each other in opposite directions, and are connected to the inverting and non-inverting operational amplifiers 102 and 103, respectively. Connect to inverting input. Furthermore, each operational amplifier 102, 103 has
In order to obtain a predetermined gain, consideration resistors 104 and 105 are provided, and comparators 106 and 107 are connected to each output.
In this way, the differential between light receiving elements A and C3, and the difference between light receiving element B1.

の差動を取ることによりオペアンプ１０２゜１０３は、
アース電位（以下０レベルとする。）を振動中心とする
正弦波状の信号を出力する。By taking the differential of the operational amplifier 102゜103,
It outputs a sinusoidal signal whose vibration center is at the ground potential (hereinafter referred to as 0 level).

また、比較器１０６，１０７は、アース電位を２値化の
スライスレベルとして、オペアンプ１０２，１０３の各
出力信号を矩形波に変換する。一般に正弦波状の信号を
、その振動中心のスライスレベルで２値化する場合、ス
ライスレベルの電圧を固定しておくと、正弦波状の信号
の振動中心が変動したとき、２値化された矩形波の信号
のデユーティ比はその変動に応じて変化してしまう。こ
のことは。Furthermore, the comparators 106 and 107 convert the output signals of the operational amplifiers 102 and 103 into rectangular waves using the ground potential as a binarized slice level. Generally, when a sinusoidal signal is binarized at the slice level of its vibration center, if the slice level voltage is fixed, when the vibration center of the sinusoidal signal changes, the binarized rectangular wave The duty ratio of the signal changes in accordance with the fluctuation. About this.

光電式エンコーダの光量変化、すなわち、光源の輝度が
変化した場合に生じる。しかしながら、上述のようにイ
ンデックススケール１０１の各格子に対向する受光素子
ＡＩ＋Ｃ３の差動、受光素子Ｂ、とり、の差動を、取る
ことＫより１例えば格子ＡとＣｉｋ照射する光量が共に
同じ童だけ変岬しても、オペアンプ１０２は、常にＯレ
ベルを振動中心とした正弦波状の信号を出力する。This occurs when the amount of light from the photoelectric encoder changes, that is, when the brightness of the light source changes. However, as mentioned above, by taking the differential of the light receiving elements AI+C3 facing each grating of the index scale 101 and the differential of the light receiving elements B, TRI, 1. Even if the voltage changes, the operational amplifier 102 always outputs a sinusoidal signal whose vibration center is at the O level.

しかしながら、第２図の合成回路では、インデックスス
ケール内に４つの、格子を設けねばならず、さらに格子
ＡとＣの位相差が１８０’ＢとＤの位相差が１８０°、
ＡとＢの位相差が９０°、ＣとＤの位相差が９０°とい
う具合に正確に位相差を決めなければならない。このた
め各格子Ａ、Ｒ，Ｃ，Ｄの位置を微妙に調整するといつ
簀翅さが生じていた、 本発明は上記諸欠点を解決するために、インデックスス
ケールを互いに位相の異なる３つの光学格子から構成し
、この３つの光学格子のうち、第１の光学格子を基準位
相としたとき、他の２つの光学格子はこの基準位相に対
してそれぞれ正と負方向に１Ｗｊ−の位相差を有する如
く設けられ、３つの光学格子の夫々力信号の夫々とを、
直流夜分が相殺される如く合成して２つの異なる位相の
信号を発生する　　　　　　　　　　　−＝ 希合成回路を有する構造の光を式ヱンコーダ装置を提供
することを目的とする。However, in the synthesis circuit shown in FIG. 2, four gratings must be provided within the index scale, and the phase difference between gratings A and C is 180', and the phase difference between B and D is 180°.
The phase difference must be determined accurately such that the phase difference between A and B is 90°, and the phase difference between C and D is 90°. For this reason, when the positions of each grating A, R, C, and D are delicately adjusted, shading occurs.In order to solve the above-mentioned drawbacks, the present invention has developed an index scale using three optical gratings having different phases. When the first optical grating among these three optical gratings is set as a reference phase, the other two optical gratings have a phase difference of 1 Wj- in the positive and negative directions with respect to this reference phase, respectively. The power signals of each of the three optical gratings are
It is an object of the present invention to provide a light encoder device having a structure having a dilute synthesis circuit which generates two signals of different phases by combining the DC components so that they cancel each other out.

次（本発明の詳細な説明する。第４Ｖは本発明のインデ
ックススケール２００の一例であり、０°、９０°、１
８０°の位相、すなわち、格子縞のピッチを０．１／４
．１／２ピツチずらした３つの格子ｘ、ｙ、ｚがたてに
並んでいる。Next (Detailed explanation of the present invention. 4th V is an example of the index scale 200 of the present invention, 0°, 90°, 1
80° phase, that is, the pitch of the lattice stripes is 0.1/4
．． Three grids x, y, and z, shifted by 1/2 pitch, are arranged vertically.

それぞれの格子を通る不図示の光源からの光束を受ける
受光素”子として光電池２０１゜２０２．２０３が設け
られている。＠５図に示すように、光電池２０１と２０
３は同方向に配置され、オペアンプ２０４，２０６に接
続され、オペアンプ２０４．２０６は負帰還抵抗を介し
て、光電池２０１．２０３の光電流を電圧に変換する。Photocells 201, 202, and 203 are provided as light-receiving elements that receive light flux from a light source (not shown) passing through each grid.As shown in Figure 5, photocells 201 and 20
3 are arranged in the same direction and connected to operational amplifiers 204 and 206, and the operational amplifiers 204 and 206 convert the photocurrent of the photovoltaic cells 201 and 203 into voltage via a negative feedback resistor.

光電池２０２は他の２つの光電池とは逆向きに配置され
オペアンプ２０５に接続され、オペアンプ２０５は負帰
還抵抗を介して光電池２０２の光電流を電圧に変換する
。そして、光電池２０１，２０２の出力信号を加筆する
ようにアナログ加算器２０７がオペアンプ２０４，２０
５の各出力に接続しである。また光電池２０２．２０３
の出力信号を加算するようにアナログ加算器２０８がオ
ペアンプ２０５，２０６の各出力に接続しである。アナ
ログ加算器２０Ｔ。The photovoltaic cell 202 is arranged opposite to the other two photovoltaic cells and is connected to an operational amplifier 205, which converts the photocurrent of the photovoltaic cell 202 into a voltage via a negative feedback resistor. Then, the analog adder 207 adds the output signals of the photovoltaic cells 201 and 202 to the operational amplifiers 204 and 202.
It is connected to each output of 5. Also photocell 202.203
An analog adder 208 is connected to each output of the operational amplifiers 205 and 206 so as to add the output signals of the amplifiers 205 and 206. Analog adder 20T.

２０Ｂの各出力は第３図同様に比較器（不図示）に接続
しである。上記アナログ加算器２０７．２０８によって
合成回路を構成する。Each output of 20B is connected to a comparator (not shown) as in FIG. The analog adders 207 and 208 constitute a synthesis circuit.

以下に第５図の合成回路の動作を説明する。The operation of the synthesis circuit shown in FIG. 5 will be explained below.

今、インデックススケールの基準とする格子なＹとすれ
ば、格子Ｙに対して格子Ｘ、ｚはそれぞれ一９０°、＋
９０°の位相差を有する。これに対応する如く光電池２
０１，２０２゜２０３を合成回路に配置し、基準格子に
対する光電池２０２を他の２つの光電池と逆向きに配置
する。Now, if Y is a grid that is used as a reference for the index scale, then the grids X and z are respectively -90° and +90° with respect to the grid Y.
It has a phase difference of 90°. In response to this, photocell 2
01, 202° 203 are placed in the composite circuit, and the photovoltaic cell 202 with respect to the reference grid is placed in the opposite direction to the other two photovoltaic cells.

光電池の電流電圧変換回路であるオペアンプ２０４によ
って光電池２０１の光電池は波形が第６図ａＫ示すよう
な電圧信号に変換される。これを数式で表わすとａ＝ｓ
ｉｅθ＋Ｖ（Ｖは出力信号の直流成分を表し、以下、オ
フセット電圧とする。５１ｄ１様に９０°、１８０゜の
位相をもつ格子に対する光電池２０２゜２０．３の各光
電流はそれぞれオペアンプ２０５゜電圧信号に変換され
る。これらを数式で表わすとｂ　＝　−ｓｉｎ　（θ＋
９０’　　）　−Ｖ、　　ｃ　＝ｓｉｎ（θ＋１８０°
　）＋ｖとなる。ここで注意するのは、光電池２０２は
他の２個の電池とは逆向きに接続されているため電圧信
号すは０レベルに対して負側に円方される。従って。The photovoltaic cell of the photovoltaic cell 201 is converted into a voltage signal whose waveform is shown in FIG. 6aK by the operational amplifier 204, which is a current-voltage conversion circuit of the photovoltaic cell. Expressing this mathematically, a=s
ieθ+V (V represents the DC component of the output signal, hereinafter referred to as offset voltage. Each photocurrent of the photocell 202°20.3 for the grating with phases of 90° and 180° as in 51d1 is the voltage signal of the operational amplifier 205°. Expressing these mathematically, b = −sin (θ+
90') -V, c = sin(θ+180°
)+v. It should be noted here that since the photovoltaic cell 202 is connected in the opposite direction to the other two cells, the voltage signal is oriented on the negative side with respect to the 0 level. Therefore.

信号＆、ｅは、オフセット電圧＋■を振動中心とする正
弦波状の信号となり、信号すは。The signal &, e becomes a sinusoidal signal whose vibration center is the offset voltage +■, and the signal S is.

オフセット電圧−■を振動中心とする正弦波状の信号と
なる。これらの電圧信号ａ、ｂｌＣをアナログ加算器２
０７，２０８によってａ＋ｂ、ｂ＋ｅとなる信号に合成
するとオフセット電圧■が互に相殺されてその電圧波形
は第６図ｄ、・に示すようにＯレベルを振動中心として
９０°の位相差を有する２つの正弦波形が得られる。と
”□の合成信号ｄ、ｅを数式％式％ ｖ／２　ｓｉｎ　（θ−１３５°）となる。この合成信
号ｄ、・は各オペアンプの回路特性がすべて等しいもの
とし、インデックススケールの３つの格子窓を照明する
光の強度にバラツキさえなければ振動中心がＯレベルか
ら変動することはない、すなわち、３つの格子ｘ、ｙ、
ｚを照明する光量が共に同じ量だけ変動したとすると、
信号ａ、ｂ、ｃの振幅、及び各オフセット電圧が変化す
る。ところが各オフセット電圧は、夫々の絶対値が共に
等しく・まま変動する一つまり信ｑａ、ｃのオフセット
電圧＋■が、正方向に大きくなるように変化すると、信
号ｂＱオフセット電圧−Ｖは、負方向に同じ大きさだけ
変化する。そのため１合成信号ｄ、　　ｅｔｃはオフセ
ット電圧がキャンセルされて、常に０レベル（アース電
位）を振動中心とする交流成分のみが現われる。It becomes a sinusoidal signal with the offset voltage -■ as the center of vibration. These voltage signals a and blc are sent to an analog adder 2
07 and 208 into signals a+b and b+e, the offset voltages 2 cancel each other out and the resulting voltage waveform has a phase difference of 90° with the O level as the center of vibration, as shown in Figure 6d and 2. Two sine waveforms are obtained. The composite signals d, e of "□" are expressed by the formula %v/2 sin (θ-135°).This composite signal d, ・ is calculated using the three index scales, assuming that the circuit characteristics of each operational amplifier are all the same. As long as there is no variation in the intensity of the light illuminating the grating window, the vibration center will not vary from the O level, that is, the three gratings x, y,
If the amount of light illuminating z changes by the same amount,
The amplitudes of signals a, b, c and their respective offset voltages change. However, when the offset voltages +■ of the signals qa and c, which fluctuate with their absolute values being equal to each other, increase in the positive direction, the signal bQ offset voltage -V changes in the negative direction. changes by the same amount. Therefore, in one composite signal d, etc., the offset voltage is canceled, and only an alternating current component with the oscillation center at the 0 level (earth potential) always appears.

本実施例の合成回路では、光電池２０２の７ノード・カ
ソードの接続方向を他の光電池２０１．２０３と逆方向
に接続しであるが。In the composite circuit of this embodiment, the seven-node cathode of the photovoltaic cell 202 is connected in the opposite direction to that of the other photovoltaic cells 201 and 203.

この光電池２０２を他の光電池２０１，２０３と同じ向
まに接続して、オペアンプ２０５の出力に反転アンプを
付加する構造でも上述の実施例と同様の効果が得られる
。A structure in which this photovoltaic cell 202 is connected in the same direction as the other photovoltaic cells 201 and 203 and an inverting amplifier is added to the output of the operational amplifier 205 can also provide the same effect as in the above embodiment.

すなわち、このときオペアンプ２０５のオフセット電圧
は正側に生じ、その出力信号はｓｉ自（θ＋９０°）＋
Ｖで表わされる。この出力信号を増幅率１の反転アンプ
に入力すると。That is, at this time, the offset voltage of the operational amplifier 205 is generated on the positive side, and its output signal is si(θ+90°)+
It is represented by V. When this output signal is input to an inverting amplifier with an amplification factor of 1.

反転アンプの出力には、−［５ｉｎ（θ＋９００）＋Ｖ
］で表わされる信号が得られる、この信号は言うまでも
なく、上記信号すと同一のものであるっまた。３つの光
電池２０１〜２０３を同じ向きに接続して、それぞれオ
ペアンプ２０４〜２０６からの電圧信号ａ、ｂ、ｃを減
算する（　ｄ＝ａ−ｂ、ｅ＝ｅ−ｂ）アナログ減算器を
加算器２０７，２０８のかわりに接続しても、同様の効
果が得られることは言うまでもなく、このように光電池
を全部同じ向きに接続できれば、さらに３個の光電池を
ＩＣ化するとき同一チップ上に形成できるという利点が
ある。The output of the inverting amplifier has -[5in(θ+900)+V
] This signal is, needless to say, the same as the above signal. Three photovoltaic cells 201 to 203 are connected in the same direction to subtract voltage signals a, b, and c from operational amplifiers 204 to 206, respectively (d=a-b, e=e-b), and an analog subtracter is used as an adder. It goes without saying that the same effect can be obtained even if connected instead of 207 and 208, and if all the photovoltaic cells can be connected in the same direction like this, three more photovoltaic cells can be formed on the same chip when integrated into an IC. There is an advantage.

また本実施例においてはインデックススケ−ルにＯ；９
０°、１８’０°の位相をもった格子を設けて、０″位
相に対して一４５°。In addition, in this embodiment, the index scale is O;9.
A grating with a phase of 0°, 18'0° is provided, and -45° relative to the 0'' phase.

−１３５°の２信号、すなわち９０°位相のずれた２つ
の信号を作ったが１本発明は、インデックススケールの
格子の位相関係を上記のように限るものではなく１例え
ば３つの格子を０，１／８．１／４　　ピッチの位相関
係にしても同様の効果が得られることは明らかである。Although two signals of -135°, that is, two signals with a 90° phase shift were created, the present invention does not limit the phase relationship of the index scale gratings as described above. It is clear that a similar effect can be obtained even if the phase relationship is 1/8.1/4 pitch.

この場合、上述の信号ａ、ｂ、ｅは夫々ｓｉａθ＋Ｖ、
−ｓｉ＠（θ＋４５°）−Ｖ、ｓ＋＋＋（θ＋９０’）
＋Ｖで表わされる。In this case, the above-mentioned signals a, b, and e are siaθ+V, respectively.
-si@(θ+45°)-V,s+++(θ+90')
It is represented by +V.

以上の如く本発明ではインデックススケールを各位相の
異なる光学格子を３つ配置して構成し、この３つの光学
格子の夫々に対して３つの光電変換器を設け、１つの格
子を基準位相としこの光学格子に対して設けられた光電
変換器の出力信号のうち基準位相に応じた出力信号と、
他の２つの出力信号の夫々とを直流成分が相殺される如
く合成して２つの異なる位相の信号を発生する合成回路
を設けること罠よって、インデックススケールの格子の
数を減らし、インデックススケールと光源を含む検出ヘ
ッドを小型化できるという効果がある。As described above, in the present invention, the index scale is constructed by arranging three optical gratings with different phases, three photoelectric converters are provided for each of the three optical gratings, and one grating is used as the reference phase. An output signal corresponding to a reference phase among the output signals of a photoelectric converter provided for the optical grating;
By providing a combining circuit that generates signals with two different phases by combining each of the other two output signals so that the DC components are canceled out, the number of gratings of the index scale can be reduced, and the index scale and light source This has the effect that the detection head including the detection head can be miniaturized.

尚１本発明においては、３つの光学格子は全て同一ピッ
チのものでよいから、インデックススケールの製作は極
めて容易になるという利点もある。Furthermore, in the present invention, since all three optical gratings may have the same pitch, there is also an advantage that manufacturing of the index scale becomes extremely easy.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図は従来のエンコーダのメインスケールとインデッ
クススケールの斜視図、第２図は従来のエンコーダのイ
ンデックススケールのパターン、第３図は従来のエンコ
ーダの合成回路、第４図は本発明に係るエンコーダ装置
のインデックススケールのパターン、第５図は本発明の
エンコーダ装置の合成回路、第６図は第５図のオ（オン
ゾから得られた電圧波形と合成波形である。 〔主要部分の符号の説明〕 ｘ、ｙ、ｚ　：光学格子 ２０１．２０２．２０３：光電池 ２０４．２０５．２０６：オペアンプ ２０７．２０８：アナログ加算器Fig. 1 is a perspective view of the main scale and index scale of a conventional encoder, Fig. 2 is a pattern of the index scale of a conventional encoder, Fig. 3 is a synthesis circuit of a conventional encoder, and Fig. 4 is an encoder according to the present invention. The pattern of the index scale of the device, FIG. 5 is the synthesis circuit of the encoder device of the present invention, and FIG. ] x, y, z: Optical grating 201.202.203: Photocell 204.205.206: Operational amplifier 207.208: Analog adder

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １、　メインスケールとインデックススケールのそれぞ
れに一定ピッチの光学格子を有するエンコーダにおいて
。 前記インデックススケールに設けられた第１．第２．第
３の光学格子；該３つの光学格子は前記第１の光学格子
を基準位相としたとき、前記第２．第３の光学格子が夫
夫基準位相に対して正と負方向に同一の位相差を有する
如く設けられ、前記３つの光学格子の夫々に対して設け
られた３つの光電変換器と； 該各光電変換器の出力信号のうち、前記基準位相に応じ
た出力信号と、他の２つの出力信号の夫々とを、直流成
分が相殺される如く合成して２つの異なる位相の信号を
発生する合成回路とを備えたことを特徴とする光電式エ
ンコーダ装置。[Claims] 1. In an encoder having an optical grating with a constant pitch on each of the main scale and the index scale. The first index scale provided on the index scale. Second. third optical grating; when the three optical gratings are set to the first optical grating as a reference phase, the third optical grating is set to the second optical grating; a third optical grating is provided so as to have the same phase difference in the positive and negative directions with respect to the husband reference phase, and three photoelectric converters are provided for each of the three optical gratings; Among the output signals of the photoelectric converter, the output signal corresponding to the reference phase and each of the other two output signals are combined so that the DC components are canceled out to generate two signals with different phases. A photoelectric encoder device comprising a circuit.