(57)【要約】【課題】可動物体の変位に応じて出力される矩形波信号の外部からのノイズによるノイズ信号を除去することを目的とする。【解決手段】２相矩形波信号の電位を計測する電位計測回路と、一定の電位を保っている時間を判定する時間判定回路と、電位の変位の異常を判定する変位判定回路でノイズ信号除去装置を構成する。電位計測回路は、２値化信号である矩形波信号が、２つの電位のどちらにあるのかを検出する。時間判定回路は、２つの矩形波の電位が変化した後に変化後の電位を所定時間以上維持した場合に前記２つの矩形波を出力し、前記所定時間以内に前記変化後の電位が変動した場合には、前記電位の変化を除去した前記２つの矩形波を出力する。変位判定回路は、２つの矩形波の電位が同時に変化したときに、前記電位の変化を除去して前記２つの矩形波を出力する。【選択図】  図１
2005017000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動物体の変位に応じて出力される所定の位相差を有する２つの擬似正弦波信号を２つの矩形波に変換して出力するエンコーダにおいて、
前記２つの矩形波の電位を計測する電位計測手段と、前記２つの矩形波の電位が同時に変化したときに、前記電位の変化を除去して前記２つの矩形波を出力する電位判定手段とを有するノイズ除去手段を備えていることを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
前記ノイズ除去手段は、
前記矩形波の電位が変化した後に変化後の電位を所定時間以上持続したときに、前記２つの矩形波を出力し、前記変化後の電位を前記所定時間以上維持しないときには、前記電位の変化を除去して前記矩形波を出力する時間判定手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエンコーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ロータリエンコーダは、モータ等のアクチュエータの回転軸に固定され変位量を検出する装置であり、最近では産業用ロボットなどで使用されている。光学式のロータリエンコーダは、微小なスリットが形成された回転ディスクを使用し、回転ディスクが回転することによって、光がスリットを透過する状態と、遮光する状態を繰り返し、この光の変化を受光素子により検出することによって変位を検知するものである。受光素子からは９０度の位相差を持つ２つの擬似正弦波が出力され、増幅回路により増幅された後、２つの擬似正弦波は後段のコンパレータによって高電圧状態（ハイレベル）と低電圧状態（ローレベル）の２つの状態をとる矩形波に変換されエンコーダから出力される。エンコーダの出力は、計測機器などの計数回路に入力され、モータなどの位置情報が算出される。
【０００３】
エンコーダから出力される矩形波の信号は、外部からのノイズ等の外乱によって、矩形波の途中で他の状態（電圧）に変位してしまうことがある。例えばハイレベルの状態の途中で、一時的にローレベルに変位したり、逆にローレベルの途中で一時的にハイレベルに変位してしまうことがある。この場合、計数回路はこのノイズによる変位が生じた信号を基に位置情報を算出するため、誤った位置情報が算出されてしまう。このような外乱による誤動作を防ぐために、アナログ、もしくはデジタルのローパスフィルター等が使用されている。このフィルターは一定時間以上、同一の電位を維持した場合に信号を出力するものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００３−１４８９９７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、モータ等に使用する電流が増加すると、それによるノイズによって、２つの矩形波が同時に変位してしまうことがある。このようなノイズによる信号は上記した従来のローパスフィルターで除去することはできず、９０度の位相差を持った２相矩形波信号を出力することはできなくなってしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、外部からのノイズによる矩形波のノイズ信号を除去することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために請求項１に記載の発明は、可動物体の変位に応じて出力される所定の位相差を有する２つの擬似正弦波信号を２つの矩形波に変換して出力するエンコーダにおいて、前記２つの矩形波の電位を計測する電位計測手段と、前記２つの矩形波の電位が同時に変化したときに、前記電位の変化を除去して前記２つの矩形波を出力する電位判定手段とを有するノイズ除去手段を備えていることを特徴とするエンコーダを提供する。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のエンコーダにおいて前記ノイズ除去手段は、前記矩形波の電位が変化した後に変化後の電位を所定時間以上持続したときに、前記２つの矩形波を出力し、前記変化後の電位を前記所定時間以上維持しないときには、前記電位の変化を除去して前記矩形波を出力する時間判定手段をさらに有することを特徴とするエンコーダを提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るエンコーダの実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１０】
本発明の実施の形態に係るエンコーダと計測機器の計数回路のブロック構成図を図１に示す。
【００１１】
エンコーダ１０からは９０度の位相差を持った２つの矩形波が出力され、エンコーダからの出力を受け取ったモータの変位を計測する計測機器２０は、この信号を基にモーターの変位（回転量）を算出する。
【００１２】
まずエンコーダ１０の構成について説明する。エンコーダ１０は、発光素子１１、回転ディスク１２、受光素子１３、増幅回路１４、二値化回路（コンパレータ）１５を有している。ＬＥＤなどの発光素子１１から射出した光は、不図示の照明光学系によって回転ディスク１２に照明される。回転ディスク１２の周辺部には外周に沿って複数のスリット１２−ａが形成されており、回転ディスク１２の中心は、変位を計測する不図示のモータの回転軸に固定されている。回転ディスク１２のスリット１２−ａを透過した発光素子１１からの光は、シリコンフォトダイオードなどの受光素子１３で検出される。
【００１３】
回転ディスク１２が回転すると、発光素子１１から射出した光は、スリットを透過する状態と、スリットがない部分で遮られる状態を繰り返し、スリットを透過した光が、受光素子１３で検出される。光を受光する状態と受光しない状態を繰り返すことによって受光素子１３からは、この光の強度の変動に応じた信号が出力され、この信号は擬似正弦波信号と呼ばれている。
【００１４】
受光素子１３は、所定の形状の複数のスリットが形成された固定板と複数のフォトダイオードとから構成されており、受光素子１３からは第１の擬似正弦波信号（Ａ相信号）とＡ相信号と９０度の位相差を持った第２の擬似正弦波信号（Ｂ相信号）と原点信号（Ｚ信号）が出力される。
【００１５】
受光素子１３から出力されたＡ相信号、Ｂ相信号は、増幅回路１４で増幅される。増幅されたＡ相信号ＳＡとＢ相信号ＳＢは、２値化回路（コンパレータ）１５に入力され、ハイレベル（Ｈ）とローレベル（Ｌ）の２つの電圧の状態を変位する矩形波、Ａ相矩形波信号ＣＡとＢ相矩形波信号ＣＢとにそれぞれ変換される。この２つの矩形波は後述するノイズ信号除去装置１６に入力され、ノイズ信号が除去された後エンコーダ１０から出力される。エンコーダ１０から出力された２つの矩形波は、計数機器２０の計数回路２１に入力され、モータの位置の変位（回転量）が算出される。
【００１６】
図２（ａ）に増幅回路１４から出力される２つの擬似正弦波信号であるＡ相信号ＳＡとＢ相信号ＳＢの波形を示し、図２（ｂ）に２つの擬似正弦波信号が２値化回路１５で変換された矩形波であるＡ相矩形波信号ＣＡ，Ｂ相矩形波信号ＣＢの波形を示す。縦軸は電圧値であり、横軸は時間である。図２（ａ）に示すように、Ａ相信号ＳＡであるＡ相擬似正弦波信号は時間とともｓｉｎ関数で変動する。Ｂ相信号ＳＢであるＢ相擬似正弦波信号は、Ａ相信号ＳＡから１／４周期ずれて、すなわち９０度位相が遅れて同様にｓｉｎ関数で変動する。この様にＡ相信号ＳＡに対してＢ相信号ＳＢが９０度位相が遅れる場合のモータの回転方向を正の方向とする。モータがこの方向と逆の方向に回転する場合、負の方向に回転する場合には、Ｂ相信号ＳＢの位相がＡ相信号ＳＡよりも９０度位相が早くなる。すなわちＡ相信号ＳＡとＢ相信号ＳＢの位相差を検出することによって、モータの回転方向を検出することができる。
【００１７】
この擬似正弦波信号は２値化回路１５で図２（ｂ）に示す矩形波に変換される。図２（ａ）の擬似正弦波信号が０Ｖよりも大きな電圧で変動しているときは、２値化回路１５でハイレベルＨの一定の電圧値に変換され、０Ｖ以下の電圧で変動しているときはローレベルＬの一定の電圧値に変換される。図２（ａ）に示すＡ相信号ＳＡは時間０から１／２周期経過するまでは正の電圧範囲で変動し、１／２周期から１周期経過するまでは負の電圧範囲で変動している。このＡ相信号ＳＡを２値化回路１５で変換すると、時間０から１／２周期まではハイレベルＨの一定の電圧で、１／２周期の時に電圧がハイレベルＨからローレベルＬに変位し、１／２周期から１周期まではローレベルＬの一定の電圧値を示す。Ｂ相信号ＳＢの擬似正弦波信号も同様に、Ｂ相２値化信号ＣＢに変換される。すなわち１／４周期から３／４周期まではハイレベルＨを保ち、３／４周期から５／４周期まではローレベルＬを保つ。
【００１８】
次にノイズ信号除去装置１６について説明する。ノイズ信号除去装置１６は論理回路から構成されている。図３はノイズ信号除去回路１６の回路構成を示すブロック構成図である。２値化回路１５から出力された２相矩形波信号であるＡ相矩形波信号ＣＡとＢ相矩形波信号ＣＢは、まずノイズ信号除去装置１６の電位計測回路３１に入力する。電位計測回路３１では２相矩形波信号の電位がハイレベルＨにあるのかローレベルＬにあるのかを判別する。電位計測回路３１で電位が判別された後、時間判定回路３２で、Ａ相矩形波信号ＣＡまたはＢ相矩形波信号ＣＢが所定時間以上同一の電位にとどまっているかどうかを判定する。所定時間はモータの回転数などを考慮して予め設定してある。時間判定回路３２はＡ相矩形波信号ＣＡまたはＢ相矩形波信号ＣＢが所定時間以上同一の電位にとどまっている場合には、その電位を変位判定回路３３に出力する。変位後所定時間同一の電位にとどまらずに変位した場合には、その変位はなかったものとして矩形波信号が変位判定回路３３に出力される。
【００１９】
変位判定回路３３では、Ａ相矩形波信号ＣＡとＢ相矩形波信号ＣＢの外乱による異常な変位を判定し、変位が異常な場合には、その変位を除去して矩形波信号を出力する。変位判定回路３３から出力された信号は、計測機器２０に入力され、計数回路２１で変位（回転量）が算出される。
【００２０】
ノイズ信号除去装置１６で行われるノイズ信号を除去する処理の流れを、図４に示すフローチャートを参照して説明する。図４のステップＳ１１において、モータが回転を始め、２つの矩形波信号（２相矩形波信号）の入力が開始される（Ｓ１２）。ステップＳ１３において、電位計測回路３１で２相矩形波信号のそれぞれの信号が、ハイレベルＨもしくはローレベルＬのいずれの電圧の状態にあるかを判定し、時間判定回路３２でハイレベルＨもしくはローレベルＬのいずれかの電圧の状態が、予め定めた所定の時間以上連続しているか否かを判定する。時間判定回路３２が、一定の電圧の状態が所定の時間以上連続して続いていると判定した場合には、ステップＳ１３へ進む。一方、一定の電圧の状態が所定時間以上連続していない場合には、次のステップＳ１５に進まず、ステップＳ１４で所定時間以上連続しなかったノイズ信号を除去する。
【００２１】
ステップＳ１４でノイズ信号を除去した後に、再度２相矩形波信号の状態を判定するステップＳ１３を行う。つまりステップＳ１３においては、入力された２相矩形波信号のうち、ハイレベルＨもしくはローレベルＬのいずれかの電位が所定の時間以上続いている信号のみが、次のステップＳ１３に進み、所定時間一定の電位を保つことのない信号は、ステップＳ１３で遮断され、ステップＳ１４で除去され、ステップＳ１３に進まない。
【００２２】
例えばＡ相矩形波信号ＣＡが、ローレベルＬからハイレベルＨに変位し、ハイレベルＨに所定時間とどまる前に、外乱によって一時的にローレベルＬに変位し、すぐにまたハイレベルＨに変位した場合、ステップＳ１３で判定を行うと、Ａ相２値化信号ＣＡがハイレベルＨの電圧を所定時間維持していないため、この信号はステップＳ１３に進むことなく、ノイズ信号としてステップＳ１４で除去される。この場合Ａ相矩形波信号ＣＢはローレベルＬからハイレベルＨへ変位せず、ローレベルＬを保った信号としてステップＳ１５に進む。
【００２３】
ステップＳ１３の判定を行わなかった場合には、この外乱によるノイズ信号がエンコーダ１０から出力され、計数回路２１で矩形波信号の電位がハイレベルＨからローレベルＬに変位し、さらにハイレベルＨに変位したと認識され、移動量（回転量）がされる。従って外乱によるノイズ信号によって、誤った移動量（回転量）が算出されてしまう。ステップＳ１３では、この誤った移動量（回転量）の算出を防ぐことができる。
【００２４】
ステップＳ１５では変位判定回路３３で、２相矩形波信号のそれぞれの電位の変位が、正常か否かを判断する。ここで２相矩形波信号の電位の変位について図５の状態遷移図を参照しながら説明する。図２（ｂ）に示したように２相矩形波信号のＢ相矩形波信号ＣＢはＡ相矩形波信号ＣＡに対して、モータが正方向に回転している場合、９０度位相が遅れる。ここでＡ相矩形波信号ＣＡとＢ相矩形波信号ＣＢの電位を（Ｂ相矩形波信号のレベル  Ａ相矩形波信号のレベル）としてあらわす。なおハイレベルＨを１、ローレベルＬを０としてあらわす。
【００２５】
モータが回転をはじめる前の状態５１では、Ａ相矩形波信号ＣＡとＢ相矩形波信号ＣＢはローレベルＬにある（状態５１の状態は（０  ０）であらわされる。以下同じ）。モータが回転をはじめると、擬似正弦波信号が発生し、まずＡ相矩形波信号ＣＡがローレベルＬからハイレベルＨへ変位して、状態５２（０  １）になる。続いて１／４周期遅れて、Ｂ相矩形波信号ＣＢがローレベルＬからハイレベルＨに変位して、状態５３（１  １）になる。さらに１／４周期経過すると、Ａ相矩形波信号ＣＡがハイレベルＨからローレベルＬに変位し状態５４（１  ０）になる、さらに１／４周期経過するとＢ相矩形波信号ＣＢはハイレベルＨからローレベルＬに変位し、状態５１（０  ０）に戻る。
【００２６】
このように正常に動作している場合には、特定の時間にＡ相矩形波信号ＣＡ，Ｂ相矩形波信号ＣＢがそれぞれ単独で変位し、両方が同時に変位することはない。すなわち状態５１（０  ０）から状態５３（１  １）への変位、状態５３（１１）から状態５１（０  ０）への変位、状態５２（０  １）から状態５４（１０）への変位、状態５４（１  ０）から状態５２（０  １）への変位は正常な状態では起こらない異常な変位である。このようなＡ相矩形波信号ＣＡとＢ相矩形波信号ＣＢの同時変位は、外乱によって引き起こされるノイズ信号である。ステップＳ１５においては変位判定回路３３で、このようなＡ相矩形波信号ＣＡとＢ相矩形波信号ＣＢが同時に変位する異常な変位を異常と判定し、それ以外の変位を正常であると判定する。
【００２７】
ステップＳ１５において、ステップＳ１２を通過した信号に対して、状態５１（０  ０）から状態５３（１  １）への変位、状態５３（１  １）から状態５１（０  ０）への変位、状態５２（０  １）から状態５４（１  ０）への変位、状態５４（１  ０）から状態５２（０  １）への変位の場合には、異常であると判断し、この変位を遮断する。すなわちステップＳ１５で異常な変位であると判断された場合には、ステップＳ１６でその変位（同時変位）が除去された後、再びステップＳ１５の判定を行う。
【００２８】
図５（ａ）に同時変化が起こった場合のＡ相矩形波信号ＣＡ、Ｂ相矩形波信号ＣＢの波形の例を示す。状態５１（０  ０）から状態５３（１  １）への変位が起こり、この電位を所定時間保った後、状態５３（１  １）から状態５１（０  ０）に変位した場合を示している。この場合ステップＳ１３では、電位が所定時間以上同一の電位を維持しているので、正常であると判断され、ステップＳ１５に進みステップＳ１５では、この同時変位は異常であると判断される。
【００２９】
異常であると判断されると、ステップＳ１６でこの変位（ノイズ信号）が除去される。すなわち状態５１（０  ０）の状態が続いている信号に変換される。図５（ｂ）にノイズ信号が除去された後のＡ相矩形波信号ＣＡ，Ｂ相矩形波信号ＣＢを示す。外乱によって状態５１（０  ０）から状態５３（１  １）に変位し、その後状態５３（１  １）から状態５１（０  ０）に変位した信号が除去され、状態５１（０  ０）の状態が続く信号に変換されている。
【００３０】
ノイズ信号除去装置１６での処理をまとめると、ノイズ信号除去装置１６に入力された２相矩形波信号は、ステップＳ１３で所定時間以上経過する前に起こった変位が除去される。すなわち外乱によって電位が変位し、またすぐに元の電位に変位するようなノイズ信号が除去される。次にステップＳ１３において２つ矩形波信号の電位が外乱によって同時に変位してしまう異常を検出し除去することができる。このようなノイズ信号は従来のローパスフィルターを使用したノイズ除去回路などでは除くことができなかったものである。
【００３１】
このような外乱によるノイズ信号が除去されたノイズ除去装置１６からの出力信号は、計測機器２０の計数回路２１に入力され、モータの変位（回転量）が算出される。
【００３２】
本実施形態のエンコーダ１０を使用すれば、電気的なノイズなどの外乱による２相矩形波信号のノイズ信号を除去することができ、計数回路２１に誤った信号が伝わらないので、計数回路２１が誤った移動量（回転量）を算出するのを防ぐことができるため、エンコーダの精度を向上させることができる。
【００３３】
なお本実施形態ではノイズ信号除去装置１６として論理回路を使用したが、コンピュータを使用してソフトウエアで図４に示したフローチャートの処理を実行しても構わない。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、外部からのノイズによる矩形波のノイズ信号を除去することのできるエンコーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のエンコーダと計測機器のブロック構成図である。
【図２】（ａ）擬似正弦波信号の時間変化を示す図。
（ｂ）矩形波信号の時間変化を示す図。
【図３】ノイズ除去装置の回路のブロック構成図。
【図４】ノイズ除去装置の処理の流れを示すフローチャート。
【図５】２相矩形波の状態遷移図
【図６】（ａ）２相矩形波が同時変化したときの波形を示す図。
（ｂ）２相矩形波が同時変化したノイズ信号を除去した後の波形を示す図。
【符号の説明】
１０  エンコーダ
１１  発光素子
１２  回転ディスク
１３  受光素子
１４  増幅回路
１５  二値化回路
１６  ノイズ信号除去装置
２０  計数機器
２１  計数回路
３１  電位計測回路
３２  時間判定回路
３３  変位判定回路
【図１】
2005017000.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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