JPS5951307A - 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】 本発明はロータリエンコーダの改良に関する。

角度と角速度の雨検出機能を併せもつロークリエンコー
ダは、各種操作機構の位置決め制御系におけるセンサと
して広く利用されているが。

特に、近年のロボット等においては、精密な位置決めが
要求されており、それに伴いセンサにも高分解能化が要
求されると共に２寸法的にも小型化が要請されている。

さて、このような高分解能化と小型化の両立は、従来か
ら利用されるスリット円板と光電変換系を組合せた方式
では実現困難である。これに対し１位相変調検出方式の
ロークリエンコーダは、小型でありながら高分解能化も
可能であり、この方式を利用した代表的なものとして回
転形マグネスケールが公知である。このマグネスケール
は、入力軸と一体に回動させられるロータの周面に、磁
極Ｎ、　Ｓ、　Ｓ、　Ｎを形成してサイン波状に磁束密
度の変わる磁気目盛とし、磁束応答形のヘッド２個を９
０度隔ててロータ周面と対向させると共に、その各ヘッ
ドを角速度Ｗで励磁させる励磁サイン波の位相も９０度
ずらし。

各ヘッドの出力を加算するようにしたものである。こう
すると、各ヘッドからはロータの回動角θのサインとコ
サインにそれぞれ対応したＡｓ１ｎθ、　Ａｃｏｓθの
振幅を有するｓｉｎｗｔとｃｏｓ　ｗｔ（Ｗは角速度）
の搬送波ｅＩ＋６２＋すなわち。

が取り出され、これを加算すると、その出力ｅは。

ｅ　＝　ｅｌ　＋ｅ２　＝Ａｃｏｓ　（ｗｔ−θ）（２
）となり、結局２回動角θは搬送波と同じ角速度をもつ
コサイン波信号ｅの位相の変化に変換される。

しかして２位相の変化は、励磁サイン波と加算サイン波
の位相差を例えばクロックパルスによりディジタル的に
位相差計により測定すれば。

十分に高い分解能をもって求めることができる。

しかしながら、このような回転形マグネスケールは、磁
気的に検出を行うために周囲の磁気的、あるいは電磁的
なノイズの影響を受は易い欠点があり、結局、その使用
環境に対して制約を受ける。

これを改善するには、光電的な検出法の採用が考えられ
、磁気目盛の代りに２回動角に応じてサイン波状に変化
する光学目盛を用い、磁束応答形ヘッドの代りに、サイ
ン波、コサイン波で点灯制御させられる発光体と、その
光を光学目盛を介して受光して電気信号に変換する受光
体により構成させることが考えられる。しかし光学目盛
に対して、磁気目盛のＮ極（！：Ｓ極のような正負の極
性を持たせることは不可能であり。

目盛は光の遮断時を０として、光を透過あるいは反射し
た場合にそれに応じた正の目盛を有することになる。ま
た８発光体の発光する光量も負の光量はありえないので
最小の光量が０である。すなわち、これらの関係を式に
よって説明すると、二つの発光体により最小瞳をＯとし
。

最大値を２Ｂとしてサイン波状、コサイン波状に点灯制
御させれば、その発光量Ｆ１＋　Ｆ２はであって、一定
の光量Ｂを中心値としてサイン波、コサイン波の変化が
生じるわけである。そして、この光量Ｆ、、Ｆ２を回動
角θに応じたサイン、コサイン関数に応じて透過、ある
いは反射させるようにした光学目盛についても最小の制
御光量を０とし、それと最大の制御光量２Ｂとの間を、
サイン波状、コサイン波状に制御させるのであり、目盛
を介して受光体に達する光量Ｆｌｌ　＊　Ｆ２１は。

となる。したがって、この光量を加算した結果は。

ＦＩＩ＋Ｆ２１　＝（Ｂ／２）（ｓｉｎ（ｗｔ十〇）＋
（ｓｉｎｗｔ−１−ｃｏｓｗｔ）＋（ｓｉｎθ＋ｃｏｓ
θ）＋２）　　　　　　（５）となり、磁気的な検出法
のように回動角を位相変化として取り出すことはできな
い。

さて、この解決には、（９式に関していうと。

（ｓｉｎｗｔ＋ｃｏｓｗｔ　）を無くすることが必要で
あり。

（ｓｉｎθ＋ｃｏｓθ）と２は、角速度Ｗに対して直流
成分、あるいははるかに低い角速度成分きなるのでフィ
ルタにより消去し得ることになる。

そこで、最初に戻って２発光体の発光量を検討するのに
、　ｓｉｎｗｔに対して位相が９０度ずれたｃｏｓ　ｗ
ｔの他に、１８０度、２７０度ずれたサイン波による点
灯制御を行えば、その発光量Ｆ３．Ｆ４は。

それぞれ前記（３）式と同様にして となり、前記Ｆ１とＦ３．Ｆ２とＦ４は、それぞれ光量
Ｂを中心として角速度Ｗで周期的に変化しながら、互に
反対（１８０度位相差をもつ）の光量変化を生じる。そ
こで、さらに光学目盛も前記の回動角θのサイン関数、
コサイン関数で前記Ｆ、、Ｆ２の光量の透過を各別に制
御させると同時に、サイン関数と１８０度、２７０度の
位相差をもつマイナスサイン関数、マイナスコサイン関
数に応じて前記Ｆ３．Ｆ４の透過を各別に制御させれば
、そのＦａ、　Ｆａの中で受光体に導入される光量Ｆ３
＋　ｒ　Ｆ４１は、前記（４）式と同様にして。

となる。

したがって・これらＦｎ・Ｆ２＋・Ｉ”３１　＋　Ｆ４
１のすべてを加算すれば、その合成光量Ｆは。

Ｆ＝Ｂ（ｃｏｓ（ｗｔ−〇）＋２）　　　　　　　（８
）となって、直流成分２Ｂと回動角θに対応した位相変
化をもつ角速度Ｗの光量変化が得られることになる。

以上は、説明を簡単にするために２発光体の発光量Ｆ１
〜Ｆ４を９０度づつの位相ずれをもたせ。

光学目盛も、９０度づつの位相ずれをもたせて透過光量
の制御を行わせる場合を検討したものであるが９発光量
Ｆ、−Ｆ４の位相ずれとその透過を制御する光学目盛で
の制御サイン関数の位相ずれとを合致させれば、上記検
討と同様のことがいえる。

本発明は、上記の検討結果に基づき、光電的手段による
位相変調検出方式のロータリエンコーダを最小の部品で
実現したものであり、入力軸さ同心の円周上の各象現内
ごとに適宜に選定した機械角α１．α２．α３．α４の
位置に略矩形状の投光部と受光部を一体的に組合せた第
１〜第４の投受光体を配置し、その各投受光体の投光部
は点灯制御部により導入される前記機械角と対応する位
相を有するサイン波により点灯制御させ、その発光体と
入力軸に対して偏心させて設けた反射体円板を対向させ
、入力軸は、投受光体、または反射体円板のいずれか一
方と一体的に結合させたものである。

その結果、各投受光体の発光部から所定の位相ずれをも
つ発光量が生じ、その各発光部と偏心した反射体円板と
の対向面積は回動角に対応して所定の各位相ずれをもつ
サイン波状に変化させられるようにしたものであり、結
局、偏心した反射体円板自体を前記した光学目盛の役割
も兼ねるようにしたものである。

以下、実施例につき詳細に説明する。なお。

この実施例は、各投受光体の配置機械角α１〜α４をα
１−０．α２＝９０度、α３＝１８０度、α４＝　２７
０度とした直交配置の例である。

第１図およびそのＡ−Ａ断面図である第２図において、
固定の筐体２０の基板２１には、そこを貫通して入力軸
１０がベアリング２２により回動自在に支承され、筐体
２０内に突入した軸１０の端部には保持円板１１が固着
され、その保持円板１１の前面（第１図では右側）には
１反射体円板５が固着され、その中心Ｏ′は軸１０の回
動中心と偏心した状態であり、筐体２０の前壁内面には
、軸１０と同心の円周に沿って放射状に矩形の第１〜第
４の投受光体が互に９０度の角度を隔てて固定され１反
射体円板５と対向している。

したがって、入力軸１０が回動すると、その回動角θに
応じて各投受光体１〜４（！：反射体円板５との対向面
積が変化させられることになる。

いま、第２図めように反射体円板５の中心Ｏ′が回動中
心０の上方に位置した状態を基準にとり。

軸ＩＯが矢印の時計方向に回動する場合を検討すると、
基準状態では、投受光体１と３は略半分が反射体円板５
と対向し、投受光体４は無対向状態となり、投受光体２
は完全対向状態となっている。そして、この位置から反
射体円板５が時計方向に回動し始めると９反射体円板５
と対向する投受光体ｌの面積は半分からさらに増加し始
め、投受光体４は無対向状態から増加し始め、投受光体
３は半分から減少し始め、投受光体２は全対向状態から
減少し始める。そして反射体円板５の回動角θが９０度
に達すると、投受光体１は、全対向状態に、投受光体２
と４は半分が対向状態に、投受光体３は無対向状態とな
って、結局、各投受光体１．２．３．４の対向面積は、
前記基準状態の各投受光体２．３．４．１の各対向面積
と対応する。以下、同様に１反射体円板５が９０度〜１
８０度の間で回動すると、投受光体ｌ、２の対向面積は
減少し、投受光体３゜４の対向面積は増加し、　　１８
０度の位置では、各投受光体１．２．３．４の対向面積
は、基準状態の各投受光体３．４．１．２の各対向面積
と対応し、同様に、２７０度の位置では、基準状態の各
投受光体４．　Ｉ、　２．３の各対向面積と対応する。

すなわち、各投受光体１〜４の反射体円板５との対向面
積は、互に９０度づつの位相ずれをもって変化し、かつ
、その各々の変化は、無対向状態から全対向状態の間で
サイン波状に変化したものとなる。

したがって、各投受光体１〜４の対向面積を全対向状態
を１とし、それと回動角θの関係を回動角θの関数とし
てｆ１〜ｆ４で表せば９次のようになり。

反射体円板５は各投受光体１〜４の投光部からの投光量
を受光部に導入する際の反射光量の制御を行わせる光学
目盛となる。

次に、各投受光体１〜４の投光部の発光量を制御させる
点灯制御部の実施例につき、第３図により説明する。こ
れは、投受光体１〜４の投光部に対し、各発光量をサイ
ン波状に変化させ。

その位相を９０度づつずらすためのものである。

すなわち２時間経過に従い投受光体１の投光量が最小値
をＯとしたサイン波状に変化する間に。

投受光体２では位相が９０度ずれて光量が同様に変化し
、投受光体３，４はさらに位相が１８０度。

２７０度づつずれて同様に変化させられるようにしたも
のである。

図において２発振器３１のサイン波Ａｓｉｎｗｔ（Ａ：
振幅、Ｗ：角速度）の出力端子は第１の９０度移相器３
２の入力端子と結線され、その移相されたＡｃｏｓｗｔ
の出力端子は第２の９０度移相器の入力端子と結線され
、その移相された一Ａｓｉｎｗｔの出力端子は第３の９
０度移相器の入力端子と結線され、それら発振器３１．
第１〜第３の移相器３２〜３４の出力端子は、前記投受
光体１〜４の投光部駆動回路３５〜３８の入力端子と結
線されている。

そして、駆動回路３５〜３８において、各対応する投受
光体１〜４の投光部をそれぞれ正の光量範囲２例えばＯ
〜２Ｂの間でそれぞれ前記（３）、　（６）式に示すよ
うなＦ、−Ｆ４の光量で点灯を行わせる。したがって、
この各発光量Ｆ１〜Ｆ４は、各投受光体１〜４と反射体
円板５との対向面積に応じて投受光体１〜４の受光部に
導入されることになり、前記（９）式に示すように、全
対向状態の投受光体では、全ての発光量が反射して受光
部にもどり、無対向状態の投受光体では到達光量が０と
なる。例えば、第２図の状態、すなわち回動角０の状態
を例にとると、投受光体１，３の半分が反射体円板５と
対向し、投受光体４は無対向、投受光体２は完全対向状
態である。そうすると、投受光体１から発光量Ｂ　（ｓ
ｉｎｗｔ＋１）が発光されても、そのうち反射されて投
受光体１に達する光量は、半分であり、結局（Ｂ／２）
（ｓｉｎｗｔ＋　１　）がもどる。同様に投受光体３の
発光量Ｂ　（−ｓｉｎｗｔ＋　１　）のうちの半分、（
Ｂ／２）（−ｓｉｎｗｔ＋１）ももどる。また、このと
きの投受光体４の体４の発光量は無対向状態のため全く
反射体円板５には達せず、逆に、投受光体２の発光量Ｂ
　（−ｃｏｓｗｔ＋　１　）はすべて反射して投受光体
２にもどる。したがって、投受光体１と３にもどった光
量の和はＢとなり、それと投受光体２にもどった光量の
合計は、　Ｂ（ｃｏｓｗｔ＋２）となり。

結局２回動角θがＯであるから位相ずれは生じていない
。同様にして２反射体円板５の回動角θが４５度の場合
をみると、投受光体１〜４の全対向状態を１とした反射
体円板５との対向面積の比率は（９）式に示すようにそ
れぞれ（１／２）Ｘ（１＋１／ρ）、（１／２）Ｘ（１
＋１／’ρ）、（１／２）Ｘ（１−Ｌ孕）、　＜　１／
２）Ｘ（１−１／β）となり、各投受光体１〜４の発光
量Ｂ（ｓｉｎｗｔ＋１）、　Ｂ（ｃｏｓｗｔ＋　１　）
＋　Ｂ（−ｓｉｎｗｔ＋　１　）、　Ｂ（−ｃｏｓｗｔ
＋　１　）のうち。

上記比率倍だけ反射されてそれぞれ投受光体１〜４に入
る。したがって、その合計は。

１ −ｃｏｓｗｔ−ｃｏｓｗｔ＋（１−１／’β）β １．１ ＝　Ｂ　　−ｓ＋ｎｗｔ＋−ｃｏｓｗｔ＋２θ　　　　
　℃ ＝　Ｂ　（ｃｏｓ　（ｗｔ−４５°）＋２）きなり９回
動角θに相当する位相ずれ４５度をもつ０ 以下、全く同様にして各投受光体１〜４の受光部にもど
った光量の合成光量をみると、それは２回動角θに応じ
た位相ずれをもつことになる。すなわち、このＦ１〜Ｆ
４のうち反射体円板５より反射して再び投受光部に達す
る光量（Ｆｌ〜Ｆ４とｆ１〜ｆ４の積）は、軸１０の回
動角θに応じた前記（４）、（η式で表されるＦ’ｔｓ
　ｙ　１”２１　＊　Ｆ３１　＋　ｉ”４１であり、投
受光体１〜４に達するそれら光量の和は、前記（８）式
のように回動角θに対応する位相ずれを有し、投受光体
１〜４の投光部の点灯角速度Ｗと同じ角速度でサイン波
状に変化するものとなる。

したがって、各投受光体１〜４の受光部によりこの導入
光量に対応した出力を発生させた後。

その出力を合成し、その合成出力の位相ずれθを前記点
灯制御部３０の駆動信号を基準にして位相差計により求
めることにより、入力軸１０の回動角θが得られる。

なお、上記実施例においては、第１〜４の投受光体の配
置機械角をα１−０．α２−９０度、α３−１８０度、
α４＝　２７０度とした場合につき例示したが、これに
限られるものではなく、座標上の第１〜４象限内のそれ
ぞれに適宜の配置機械角で第１〜第４の投受光体を配置
してもよく、配置機械角に対応させてその発光部の１駆
動信号の位相も変化させることにより同様の結果が得ら
れる。

また、上記実施例において１発振器３１．移相器３２〜
３４の位相をずらしたサイン波出力により駆動回路３５
〜３９の駆動を制御させる場合を例示したが、そのサイ
ン波をパルス幅変調した上で制御させても同様である。

また、各投受光体１〜４は、全面における発光量と受光
の均一化をはかるために、一端を発光素子に結合した微
小なグラスファイバーと一端を受光素子に結合したグラ
スファイバーの他端を配列して形成してもよい。

以上のさおりであり１本発明は１位相変調検出方式の原
理を応用し、小型、高分解能な光電式ロータリ゛エンコ
ーダを実現させたものであり。

高い性能と同時に磁気的ノイズに強い特性を備え、ロボ
ット等のセンサとして好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の機構部分の実施例を示す正面断面図
、第２図は第１図のＡ−Ａ方向断面図、第３図は本発明
の点灯制御部の実施例を示すブロック線図である。 １〜４：投受光体、５：反射体円板、３１：発振器、３
２〜３４：移相器、３５〜３９：駆動回路７ ｆｓ因　　　　　　　　矛２図 １Ｐ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、先端を筐体外方に突出し、筐体に回動自在に支承さ
   れた軸の端部と、その端部と対向する筐体の内面のいず
   れか一方に、軸の回動中心に対して偏心させた反射体円
   板を固定し。 他方に、４個の略矩形状の投受光体を軸と同心の円周上
   の異なる象限に対し適宜に選定した機械角αｌ、α２．
   α３．α４の位置に固定し、前記各投受光体の投光部は
   ２点灯制御部と結線し、その各々を機械角に対応した位
   相角αｌ。 α２．α３．α４のサイン波状駆動信号で点灯制御させ
   るところのロータリエンコーダ。