ロータリエンコーダ
【目的】角度検出出力がフェールセーフなロータリエンコーダとする。
【構成】光の透過部と遮蔽部が所定のパターンで形成された回転円板の回転に伴う前記透過部と遮蔽部の通過により受光時に論理値１、非受光時に論理値０の交流出力を生成し、回転円板の回転に伴って各ビットがそれぞれ論理値１と０が双対な２線系２値信号で構成される所定ビット数のバイナリーコード信号を生成して回転体の回転角度位置信号を発生する回転角度信号発生手段１と、所望の検出角度位置に対応するバイナリーコード信号の出力論理値を加算演算する加算演算手段２と、加算演算手段２の加算演算値が予め設定した閾値以上の時に論理値１の出力を発生し故障時には論理値０の出力となる閾値演算手段３とを備え、２線系信号で光無しを確認し、これらの加算出力を閾値演算することでコード信号の全てを確認しつつ所望の検出角度信号を発生させる。
【構成】光の透過部と遮蔽部が所定のパターンで形成された回転円板の回転に伴う前記透過部と遮蔽部の通過により受光時に論理値１、非受光時に論理値０の交流出力を生成し、回転円板の回転に伴って各ビットがそれぞれ論理値１と０が双対な２線系２値信号で構成される所定ビット数のバイナリーコード信号を生成して回転体の回転角度位置信号を発生する回転角度信号発生手段１と、所望の検出角度位置に対応するバイナリーコード信号の出力論理値を加算演算する加算演算手段２と、加算演算手段２の加算演算値が予め設定した閾値以上の時に論理値１の出力を発生し故障時には論理値０の出力となる閾値演算手段３とを備え、２線系信号で光無しを確認し、これらの加算出力を閾値演算することでコード信号の全てを確認しつつ所望の検出角度信号を発生させる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、回転体の回転位置を検出するロータリエンコーダに関し、特に、フェールセーフ性に優れたロータリエンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、モータによってクランクを回転させてスライドを往復動させる機械プレスでは、作業の安全対策として、スライドが上死点で一旦停止したことを確認するための信号、スライドの停止の機能（ブレーキ性能）を確認するための信号及びスライドが上昇過程にあることを示す信号等を発生させるようになっている。これらスライドの位置情報はクランクの角度信号で与えられる。また、工業用ロボットのアームの可動範囲を規制する場合にも角度信号が用いられる。
【０００３】従って、このような機械プレスやロボットの制御においては、前記角度信号の発生に高いフェールセーフ性（誤りの角度信号を生じない特性）が要望されている。かかる角度信号の発生装置としてはロータリエンコーダがある。ロータリエンコーダは、回転体の位置情報として任意の角度信号を符号化して出力し、この角度信号を論理処理して検出したい所望の角度信号を生成するようにしたものであり、例えば、光を透過する透過部と光を遮蔽する遮蔽部とを所定のパターンで形成した回転円板を、回転位置を検出する回転体と同期して回転させ、この回転円板の両側に符号のビット数に対応する数の発光素子と受光素子を配置する。
【０００４】回転円板の回転に伴い、前記透過部と遮蔽部のパターンに応じて、透過部を介して光が受光された受光素子からは論理値１の出力を、遮蔽部で光が遮蔽された受光素子からは論理値０の出力を発生させることで、回転体の任意の角度信号を、各ビットが１と０の２値からなる所定ビット数のバイナリーコード信号に対応させて出力する。そして、このように角度信号発生部から出力された２値のバイナリーコード信号を構成する各信号を、論理値１と０が双対な２線系の２値信号（１，０）、（０，１）にそれぞれ変換し、これら各ビットの双対信号を論理処理して所望の角度信号を生成する。
【０００５】ここで、バイナリーコード信号を２線系信号に変換するのは、正常な状態と誤りの状態を区別する必要があるためである。即ち、光有りを示す論理値１の出力を論理値１と０が双対な２値信号（１，０）に、光無しを示す論理値０の出力を論理値１と０が双対な２値信号（０，１）にそれぞれ変換し、光無しの時にも論理値１の出力を発生させることで、正常な状態であることが確認できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、論理値０の出力から２線系信号（０，１）を生成する２線化処理では、論理値０の出力を否定して論理値１を生成せざるを得ず、変換処理に否定演算が含まれることになる。このように、信号の処理過程で否定演算が含まれる場合は、例えば、否定演算回路の入力側に断線故障が生じるとその出力信号は論理値１となり、故障時に出力が論理値１となる誤りが生じることになり、フェールセーフな構成とならない。
【０００７】そこで、フェールセーフな２線系信号とするため、例えば特開平５−１３３７２８号公報等に示される信号発生装置が提案されている。このものは、透過光の受光で論理値１となる透過型センサと反射光の受光で論理値１となる反射型センサを併用して直接２線系信号を得るようにしている。即ち、回転体の回転に伴って透過部が通過した時は、透過型センサの論理出力は０→１に変化し、反射型センサの論理出力は１→０に変化し、また、遮蔽部が通過した時は、透過型センサではその論理出力が０→１に変化し、反射型センサではその論理出力が０→１へと変化する。従って、各センサの出力は、双対な２値の出力となり、この場合、否定演算は含まれずフェールセーフな角度信号を発生させることができる。
【０００８】そして、フェールセーフなロータリエンコーダを構成する場合には、このようなフェールセーフな２線系信号を発生させると共に、検出したい所望の角度信号を示すバイナリーコード信号を構成する各信号の全てが正常に出力されているかを確認する必要がある。そこで、本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、フェールセーフな２線系信号を用い、これらが正常に出力されているか否かを確認しながら、検出したい所望の角度信号を出力するようにしたロータリエンコーダを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】このため本発明は、回転体の回転位置を検出するロータリエンコーダであって信号透過部と信号遮蔽部とが所定のパターンで形成され前記回転体と同期して回転する回転円板と、該回転円板の回転に伴う前記信号透過部と信号遮蔽部の通過により信号受信時に論理値１、信号非受信時に論理値０の交流出力を生成する信号生成手段とを備え、前記回転円板の回転に伴って前記信号生成手段から各ビットがそれぞれ論理値１と０が双対な２線系２値信号で構成される所定ビット数のバイナリーコード信号を生成して前記回転体の回転角度位置信号とする回転角度信号発生手段と、所望の検出角度位置に対応する前記回転角度信号発生手段のバイナリーコード信号の出力論理値を加算演算する加算演算手段と、該加算演算手段の加算演算値が予め設定した閾値以上の時に論理値１の出力を発生し故障時には論理値０の出力となる閾値演算手段とを備えて構成した。
【００１０】また、前記回転角度信号発生手段の信号生成手段を、２線系信号のそれぞれの信号について逆相信号を発生させる４線系構成とした。
【００１１】
【作用】かかる構成において、回転体の回転に伴い回転円板が回転すると、信号透過部と信号遮蔽部の形成パターンに応じて回転角度信号発生手段から、回転位置を示す所定ビット数のバイナリーコード信号が発生する。このバイナリーコード信号の各ビットは論理値１と０が双対な２線系２値信号で構成されている。この出力されるバイナリーコード信号のうち、検出したい所望の検出角度位置に対応するコード信号の各ビットの出力論理値を加算演算手段で加算する。閾値演算手段は、この加算値を予め設定した閾値と比較して閾値以上の時には、正常な回転体の位置情報として論理値１の出力を発生する。ここで、閾値演算手段は、故障時には出力が論理値０となる構成なので、フェールセーフ性を確保できる。
【００１２】また、前記回転角度信号発生手段の信号生成手段を、２線系信号のそれぞれの信号について逆相信号を発生させる４線系構成とすることで、加算演算手段の回路構成を簡素化できるようになる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るロータリエンコーダの第１実施例の概略構成を示す。図１において、本実施例のロータリエンコーダは、回転体の回転に同期して回転する回転円板の回転に伴って、回転体の角度位置を表す２線系２値信号からなるバイナリーコード信号を発生する回転角度信号発生手段としての回転角度信号発生回路１と、この回転角度信号発生回路１の出力のうち、検出したい所望の角度位置を表す信号の出力端が接続され、これら出力端の出力論理値を加算演算する加算演算手段としての加算回路２と、加算回路２の加算値を予め設定した閾値と比較して閾値以上の時に回転角度信号発生回路１から出力されたバイナリーコード信号が正常であるとして論理値１の角度検出出力を発生する閾値演算手段としての閾値演算回路３と構成されている。
【００１４】次に、前記回転角度信号発生回路１の構成について図２〜図４に基づいて詳述する。図２において、回転位置の被検出体である回転体としての回転軸１０に、図３に示すような光の透過部１１Ａ（図中白色部分）と遮蔽部１１Ｂ（図中黒色部分）が所定のパターンで形成された回転円板１１を固定する。本実施例では、回転円板１１の透過部１１Ａと遮蔽部１１Ｂが回転円板１１の半径方向において対を成しており、内側の透過部と外側の遮蔽部とで１ビットを構成するようにしている。この回転円板１１を挟んで、一側に８個の発光素子１２ａ〜１２ｈが半径方向に等間隔で配置され、他側に同じく８個の受光素子１３ａ〜１３ｈが、前記発光素子１２ａ〜１２ｈと対面して配置されている。前記発光素子１２ａ〜１２ｈは、図４に示すように、交流信号発生回路１４に並列接続されており、受光素子１３ａ〜１３ｈは、増幅器１５ａ〜１５ｈを介して回転角度信号発生回路１の各出力端ａ〜ｈに接続されている。そして、受光素子１３ａ，１３ｂと１３ｃ，１３ｄと１３ｅ，１３ｆと１３ｇ，１３ｈはそれぞれ対をなし、一方が遮蔽部１１Ｂで遮蔽されて非受光状態のときは他方は透過部１１Ａを介して受光状態となるよう構成され、これら各組がバイナリーコード信号の各ビットを表す構成とし、各ビットが論理値１と０が双対な２線系の２値信号で構成される。
【００１５】従って、本実施例の回転角度信号発生回路１では、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の４ビットのバイナリーコード信号で角度位置が表され、各ビットＰ１〜Ｐ４は、論理値１と０が双対な２線系の２値信号として、それぞれＰ１＝（Ｐ１１，Ｐ１０）、Ｐ２＝（Ｐ２１，Ｐ２０）、Ｐ３＝（Ｐ３１，Ｐ３０）、Ｐ４＝（Ｐ４１，Ｐ４０）として出力され、Ｐｉ１とＰｉ0 （ｉ＝１〜４）は、一方が回転円板１１で遮蔽されて論理値０のとき他方は遮蔽されず論理値１となる関係にある。ここで、Ｐ１１とＰ１０は受光素子１３ａと１３ｂの出力、Ｐ２１とＰ２０は受光素子１３ｃ，１３ｄの出力、Ｐ３１とＰ３０は受光素子１３ｅ，１３ｆの出力、Ｐ４１とＰ４０は受光素子１３ｇと１３ｈの出力であり、従って、回転角度信号発生回路の出力端ａからＰ１１の出力、出力端ｂからＰ１０の出力、出力端ｃからＰ２１の出力、出力端ｄからＰ２０の出力、出力端ｅからＰ３１の出力、出力端ｆからＰ３０の出力、出力端ｇからＰ４１の出力、出力端ｈからＰ４０の出力がそれぞれ発生する。
【００１６】例えば、図３のθ１の角度は、Ｐ１＝１，Ｐ２＝１，Ｐ３＝１，Ｐ４＝１のバイナリーコード信号で表され、この時、Ｐ１＝（１，０）、Ｐ２＝（１，０）、Ｐ３＝（１，０）、Ｐ４＝（１，０）となる。また、θ２の角度は、Ｐ１＝１，Ｐ２＝１，Ｐ３＝０，Ｐ４＝１で表され、この時、Ｐ１＝（１，０）、Ｐ２＝（１，０）、Ｐ３＝（０，１）、Ｐ４＝（１，０）となる。
【００１７】次に、本実施例の加算回路２を図５に示し説明する。図において、加算回路２は、コンデンサＣA1〜ＣA4，ＣB1〜ＣB4とダイオードＤA1〜ＤA4，ＤB1〜ＤB4とを用いた倍電圧整流回路で構成されている。この加算回路２では、入力信号は、それぞれ直列に挿入されたコンデンサＣA1〜ＣA4を介してダイオードＤA1〜ＤA4で電源電圧Ｖccにクランプされ、更に、それぞれコンデンサＣB1〜ＣB4にその入力レベルが蓄積される。従って、交流の信号入力によって各コンデンサＣB1〜ＣB4に蓄積された入力信号レベルが順次蓄積され加算されその加算値が電源電圧ＶCCに重畳されて次段の閾値演算回路３に出力される。
【００１８】図１に示す閾値演算回路３は、複数のトランジスタと抵抗等で構成される従来公知のフェールセーフなウインドコンパレータで構成され、入力端子に所定レベルの入力信号が入力した時のみ交流の出力信号を発生（論理値１に相当する）し、回路故障時には交流の出力信号が停止する（論理値０に相当する）構成である。
【００１９】次に本実施例の動作について説明する。例えば、回転軸１０における検出したい所望の回転角度が図３のθ２である場合について説明する。この場合、バイナリーコード信号はＰ１＝１，Ｐ２＝１，Ｐ３＝０，Ｐ４＝１で表され、この時Ｐ３，Ｐ４に関しては、光無しを論理値１として表す必要がある。従って、加算回路２の各入力端子には、回転角度信号発生回路１の出力端ａ，ｃ，ｆ，ｇを接続してその出力Ｐ１１，Ｐ２１，Ｐ３０，Ｐ４１が入力するようにする。
【００２０】回転軸１０の回転に同期して回転円板１１が回転すると、その透過部１１Ａと遮蔽部１１Ｂの通過に伴って、各発光素子１２ａ〜１２ｈからの光が透過又は遮断され、光が透過された位置に配置された受光素子１３ａ〜１３ｈから出力が発生する。従って、回転円板１１の図３におけるθ２に対応する部分が、発光素子１２ａ〜１２ｈと受光素子１３ａ〜１３ｈに位置すると、発光素子１２ａ，１２ｃ，１２ｆ，１２ｇからの光が透過部１１Ａを介して受光素子１３ａ，１３ｃ，１３ｆ，１３ｇで受光されて出力が発生し、それ以外の発光素子１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｈからの光は遮蔽部１１Ｂで遮断されて受光素子１３ｂ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｈには到達せず出力は発生しない。これにより、加算回路２の各入力端には、対応する受光素子１３ａ，１３ｃ，１３ｆ，１３ｇからの交流出力が印加し、加算回路２の入力がＰ１１＝１（光有り），Ｐ２１＝１（光有り），Ｐ３０＝１（光無し），Ｐ４１＝１（光有り）となり全て論理値１となる。
【００２１】このように、加算回路２の入力が全て論理値１となると、その加算出力は、閾値演算回路３の閾値以上となり、閾値演算回路３から交流出力が発生（論理値１に相当）し、所望の検出角度信号が発生する。そして、回転角度信号発生回路１の出力を交流とし（入力側故障時この入力信号は発生しないので加算値は必ず閾値より小さく（本実施例では３以下）なる）、更に、閾値演算回路３を故障時に出力が論理値１とならない回路構成とすることで、回路故障時には交流出力が発生せず閾値演算回路３の出力が、論理値１から論理値０には誤るが論理値１には誤らない構成とすることができ、危険側に誤らないフェールセーフな構成となる。
【００２２】以上のように、否定演算することなく直接２線系の２値信号を生成して光無しを論理値１として表し、加算回路２と閾値演算回路３とによって全ての信号が発生していることを確認しつつ、所望の角度信号を発生させることで、ロータリエンコーダのフェールセーフ性をより一層高めることが可能となる。次に、本発明のロータリエンコーダの第２実施例を図６及び図７に基づき説明する。尚、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００２３】本実施例は、回転角度信号発生回路の出力を、２線系２値信号の各々について互いに逆相の０相とπ相の信号を発生する４線系とするよう構成したものである。図６において、１６ａ，１６ａ′〜１６ｈ，１６ｈ′は、それぞれ対応する各受光素子１３ａ〜１３ｈの出力に基づいて発光する発光素子、１７ａ，１７ａ′〜１７ｈ〜１７ｈ′は、対応する前記各発光素子１６ａ，１６ａ′〜１６ｈ，１６ｈ′からの光を受光して出力を発生する受光素子、Ｔｒａ，Ｔｒａ′〜Ｔｒｈ，Ｔｒｈ′はトランジスタ、Ｒａ，Ｒａ′〜Ｒｈ，Ｒｈ′は抵抗で、出力端ａ，ａ′〜ｈ，ｈ′からは、互いに逆相のπ相と０相の交流信号が発生する。
【００２４】例えば、発光素子１２ａからの光が透過部１１Ａを介して受光素子１２ａで受光されると、出力端ａからは、発光素子１２ａの出力に対して１８０°位相が異なる交流信号が発生し、出力端ａ′からは発光素子１２ａの出力と同相の交流信号が発生する。ここで、Ｐｉ１，Ｐｉ０（ｉ＝１〜４）の同相信号をＰｉ１０，Ｐｉ００（ｉ＝１〜４）で示し、逆相信号をＰｉ１π，Ｐｉ０π（ｉ＝１〜４）で示す。
【００２５】このように４線化した回転角度信号発生回路１′を使用する場合、本実施例の加算回路２′は、図７R>７のようにコンデンサＣC1〜ＣC4，ＣとダイオードＤC1〜ＤC4，Ｄとを用いた倍電圧整流回路で構成でき、構成を簡素化できる。そして、この場合には、互いに隣合う入力端には、逆相の信号を印加するようにする。かかる図７に示す加算回路２′では、各入力端に論理値１の入力信号が印加されると、互いに隣合う入力信号が互いに逆相であり、各入力端の入力レベルの反転に伴いその出力端には、各入力レベルの加算値が電源電圧ＶCCに重畳された出力が発生する。
【００２６】かかる実施例では、例えば第１実施例と同様に回転軸１０における検出したい所望の回転角度が図３R>３のθ２である場合、回転角度信号発生回路１′の出力端と加算回路２′の入力端の接続は以下のようにする。加算回路２′の各入力端子には、回転角度信号発生回路１′の出力端ａ，ｃ′，ｆ，ｇ′を接続してその出力Ｐ１１π，Ｐ２１０，Ｐ３０π，Ｐ４１０が入力するようにし、加算回路２′の互いに隣合う入力端の入力信号が互いに逆相となるようにする。尚、加算回路への入力を、Ｐ１１０，Ｐ２１π，Ｐ３００，Ｐ４１πとなるよう接続してもよい。
【００２７】このようにすることで、回転軸１０の回転に同期して回転円板１１が回転し、その透過部１１Ａと遮蔽部１１Ｂの通過に伴って、各発光素子１２ａ，１２ｃ，１２ｆ，１２ｇからの光が透過部１１Ａを介して受光素子１３ａ，１３ｃ，１３ｆ，１３ｇで受光されて出力が発生すると、加算回路２′の各入力端には、対応する受光素子１３ａ，１３ｃ，１３ｆ，１３ｇからの互いに逆相の交流出力が印加し、加算回路２′において入力値が加算されて加算出力は、閾値演算回路３の閾値以上となり、閾値演算回路３から交流出力が発生（論理値１に相当）し、所望の検出角度信号が発生する。
【００２８】かかる第２実施例の場合も、第１実施例と同様に、否定演算することなく直接２線系の２値信号を生成し、加算回路２′と閾値演算回路３とによって全ての信号が発生していることを確認して、所望の角度信号を発生させることになり、ロータリエンコーダのフェールセーフ性をより一層高めることが可能となる。図８及び図９には、回転角度信号発生回路のそれぞれ別の例を示す。
【００２９】図８のものは、第１実施例における発光素子１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ，１２ｈと受光素子１３ｂ，１３ｄ，１３ｆ，１３ｈとの関係を、透過型ではなく反射型に構成した。即ち、受光素子１３ｂ，１３ｄ，１３ｆ，１３ｈを、発光素子１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ，１２ｈと同じく側に配置し、回転円板１１′の遮蔽部１１Ｂが位置した時に光の反射によって受光素子１３ｂ，１３ｄ，１３ｆ，１３ｈから論理値１の出力が発生するよう構成したものである。尚、図８では、発光素子１２ａ，１２ｂと受光素子１３ａ，１３ｂのみ示し、その他の発光素子と受光素子は図示を省略してある。この場合、回転円板１１′は、半径方向において透過部１１Ａと対をなす遮蔽部１１Ｂは不要となる。例えばθ１の角度では、全てが透過部１１Ａとなり、発光素子１２ａ，１２ｃ，１２ｅ，１２ｇからの光は、透過部１１Ａを介して受光素子１３ａ，１３ｃ，１３ｅ，１３ｇで受光されるが、発光素子１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ，１２ｈの光は、透過部１１Ａを介して回転円板１１′を透過してしまい受光素子１３ｂ，１３ｄ，１３ｆ，１３ｈで受光されない。このように、透過型と反射型の光検出装置を用いても、フェールセーフな２線系の２値信号を得ることができる。
【００３０】図９のものは、図８における反射型の光検出装置の発光素子を透過型検出装置の発光素子と兼用させるようにして構成を簡素化した例である。このようにすれば、図８における発光素子１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ，１２ｈを省略でき、発光素子を半分に節約できる。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、回転角度信号発生手段の出力信号を、否定演算を行わずに直接に論理値１と０が互いに双対な２線系信号として光無しを論理値１の出力とし、所望の検出角度に対応するバイナリーコード信号の必要とする各信号を加算し且つ閾値演算することで、全ての信号が発生していることを確認しつつ所望の角度検出出力を発生させる構成としたので、ロータリエンコーダのフェールセーフ性をより一層高めることができる。従って、ロータリエンコーダを用いる角度信号を必要とする制御システムにおける安全性を格段に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の全体構成図
【図２】同上第１実施例の回転角度信号発生回路の概略構成図
【図３】図２の回転円板の詳細図
【図４】同上第１実施例の回転角度信号発生回路の回路図
【図５】同上第１実施例の加算回路の回路図
【図６】本発明の第２実施例の回転角度信号発生回路の回路図
【図７】同上第２実施例に好適な加算回路の回路図
【図８】本発明の第３実施例の回転角度信号発生回路の概略構成図
【図９】本発明の第４実施例の回転角度信号発生回路の概略構成図
【符号の説明】
１、１′ 回転角度信号発生回路
２、２′ 加算回路
３ 閾値演算回路
１０ 回転軸
１１，１１′ 回転円板
１２ａ〜１２ｈ、１６ａ，１６ａ′〜１６ｈ，１６ｈ′ 発光素子
１３ａ〜１３ｈ、１７ａ，１７ａ′〜１７ｈ，１７ｈ′ 受光素子
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、回転体の回転位置を検出するロータリエンコーダに関し、特に、フェールセーフ性に優れたロータリエンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、モータによってクランクを回転させてスライドを往復動させる機械プレスでは、作業の安全対策として、スライドが上死点で一旦停止したことを確認するための信号、スライドの停止の機能（ブレーキ性能）を確認するための信号及びスライドが上昇過程にあることを示す信号等を発生させるようになっている。これらスライドの位置情報はクランクの角度信号で与えられる。また、工業用ロボットのアームの可動範囲を規制する場合にも角度信号が用いられる。
【０００３】従って、このような機械プレスやロボットの制御においては、前記角度信号の発生に高いフェールセーフ性（誤りの角度信号を生じない特性）が要望されている。かかる角度信号の発生装置としてはロータリエンコーダがある。ロータリエンコーダは、回転体の位置情報として任意の角度信号を符号化して出力し、この角度信号を論理処理して検出したい所望の角度信号を生成するようにしたものであり、例えば、光を透過する透過部と光を遮蔽する遮蔽部とを所定のパターンで形成した回転円板を、回転位置を検出する回転体と同期して回転させ、この回転円板の両側に符号のビット数に対応する数の発光素子と受光素子を配置する。
【０００４】回転円板の回転に伴い、前記透過部と遮蔽部のパターンに応じて、透過部を介して光が受光された受光素子からは論理値１の出力を、遮蔽部で光が遮蔽された受光素子からは論理値０の出力を発生させることで、回転体の任意の角度信号を、各ビットが１と０の２値からなる所定ビット数のバイナリーコード信号に対応させて出力する。そして、このように角度信号発生部から出力された２値のバイナリーコード信号を構成する各信号を、論理値１と０が双対な２線系の２値信号（１，０）、（０，１）にそれぞれ変換し、これら各ビットの双対信号を論理処理して所望の角度信号を生成する。
【０００５】ここで、バイナリーコード信号を２線系信号に変換するのは、正常な状態と誤りの状態を区別する必要があるためである。即ち、光有りを示す論理値１の出力を論理値１と０が双対な２値信号（１，０）に、光無しを示す論理値０の出力を論理値１と０が双対な２値信号（０，１）にそれぞれ変換し、光無しの時にも論理値１の出力を発生させることで、正常な状態であることが確認できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、論理値０の出力から２線系信号（０，１）を生成する２線化処理では、論理値０の出力を否定して論理値１を生成せざるを得ず、変換処理に否定演算が含まれることになる。このように、信号の処理過程で否定演算が含まれる場合は、例えば、否定演算回路の入力側に断線故障が生じるとその出力信号は論理値１となり、故障時に出力が論理値１となる誤りが生じることになり、フェールセーフな構成とならない。
【０００７】そこで、フェールセーフな２線系信号とするため、例えば特開平５−１３３７２８号公報等に示される信号発生装置が提案されている。このものは、透過光の受光で論理値１となる透過型センサと反射光の受光で論理値１となる反射型センサを併用して直接２線系信号を得るようにしている。即ち、回転体の回転に伴って透過部が通過した時は、透過型センサの論理出力は０→１に変化し、反射型センサの論理出力は１→０に変化し、また、遮蔽部が通過した時は、透過型センサではその論理出力が０→１に変化し、反射型センサではその論理出力が０→１へと変化する。従って、各センサの出力は、双対な２値の出力となり、この場合、否定演算は含まれずフェールセーフな角度信号を発生させることができる。
【０００８】そして、フェールセーフなロータリエンコーダを構成する場合には、このようなフェールセーフな２線系信号を発生させると共に、検出したい所望の角度信号を示すバイナリーコード信号を構成する各信号の全てが正常に出力されているかを確認する必要がある。そこで、本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、フェールセーフな２線系信号を用い、これらが正常に出力されているか否かを確認しながら、検出したい所望の角度信号を出力するようにしたロータリエンコーダを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】このため本発明は、回転体の回転位置を検出するロータリエンコーダであって信号透過部と信号遮蔽部とが所定のパターンで形成され前記回転体と同期して回転する回転円板と、該回転円板の回転に伴う前記信号透過部と信号遮蔽部の通過により信号受信時に論理値１、信号非受信時に論理値０の交流出力を生成する信号生成手段とを備え、前記回転円板の回転に伴って前記信号生成手段から各ビットがそれぞれ論理値１と０が双対な２線系２値信号で構成される所定ビット数のバイナリーコード信号を生成して前記回転体の回転角度位置信号とする回転角度信号発生手段と、所望の検出角度位置に対応する前記回転角度信号発生手段のバイナリーコード信号の出力論理値を加算演算する加算演算手段と、該加算演算手段の加算演算値が予め設定した閾値以上の時に論理値１の出力を発生し故障時には論理値０の出力となる閾値演算手段とを備えて構成した。
【００１０】また、前記回転角度信号発生手段の信号生成手段を、２線系信号のそれぞれの信号について逆相信号を発生させる４線系構成とした。
【００１１】
【作用】かかる構成において、回転体の回転に伴い回転円板が回転すると、信号透過部と信号遮蔽部の形成パターンに応じて回転角度信号発生手段から、回転位置を示す所定ビット数のバイナリーコード信号が発生する。このバイナリーコード信号の各ビットは論理値１と０が双対な２線系２値信号で構成されている。この出力されるバイナリーコード信号のうち、検出したい所望の検出角度位置に対応するコード信号の各ビットの出力論理値を加算演算手段で加算する。閾値演算手段は、この加算値を予め設定した閾値と比較して閾値以上の時には、正常な回転体の位置情報として論理値１の出力を発生する。ここで、閾値演算手段は、故障時には出力が論理値０となる構成なので、フェールセーフ性を確保できる。
【００１２】また、前記回転角度信号発生手段の信号生成手段を、２線系信号のそれぞれの信号について逆相信号を発生させる４線系構成とすることで、加算演算手段の回路構成を簡素化できるようになる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るロータリエンコーダの第１実施例の概略構成を示す。図１において、本実施例のロータリエンコーダは、回転体の回転に同期して回転する回転円板の回転に伴って、回転体の角度位置を表す２線系２値信号からなるバイナリーコード信号を発生する回転角度信号発生手段としての回転角度信号発生回路１と、この回転角度信号発生回路１の出力のうち、検出したい所望の角度位置を表す信号の出力端が接続され、これら出力端の出力論理値を加算演算する加算演算手段としての加算回路２と、加算回路２の加算値を予め設定した閾値と比較して閾値以上の時に回転角度信号発生回路１から出力されたバイナリーコード信号が正常であるとして論理値１の角度検出出力を発生する閾値演算手段としての閾値演算回路３と構成されている。
【００１４】次に、前記回転角度信号発生回路１の構成について図２〜図４に基づいて詳述する。図２において、回転位置の被検出体である回転体としての回転軸１０に、図３に示すような光の透過部１１Ａ（図中白色部分）と遮蔽部１１Ｂ（図中黒色部分）が所定のパターンで形成された回転円板１１を固定する。本実施例では、回転円板１１の透過部１１Ａと遮蔽部１１Ｂが回転円板１１の半径方向において対を成しており、内側の透過部と外側の遮蔽部とで１ビットを構成するようにしている。この回転円板１１を挟んで、一側に８個の発光素子１２ａ〜１２ｈが半径方向に等間隔で配置され、他側に同じく８個の受光素子１３ａ〜１３ｈが、前記発光素子１２ａ〜１２ｈと対面して配置されている。前記発光素子１２ａ〜１２ｈは、図４に示すように、交流信号発生回路１４に並列接続されており、受光素子１３ａ〜１３ｈは、増幅器１５ａ〜１５ｈを介して回転角度信号発生回路１の各出力端ａ〜ｈに接続されている。そして、受光素子１３ａ，１３ｂと１３ｃ，１３ｄと１３ｅ，１３ｆと１３ｇ，１３ｈはそれぞれ対をなし、一方が遮蔽部１１Ｂで遮蔽されて非受光状態のときは他方は透過部１１Ａを介して受光状態となるよう構成され、これら各組がバイナリーコード信号の各ビットを表す構成とし、各ビットが論理値１と０が双対な２線系の２値信号で構成される。
【００１５】従って、本実施例の回転角度信号発生回路１では、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の４ビットのバイナリーコード信号で角度位置が表され、各ビットＰ１〜Ｐ４は、論理値１と０が双対な２線系の２値信号として、それぞれＰ１＝（Ｐ１１，Ｐ１０）、Ｐ２＝（Ｐ２１，Ｐ２０）、Ｐ３＝（Ｐ３１，Ｐ３０）、Ｐ４＝（Ｐ４１，Ｐ４０）として出力され、Ｐｉ１とＰｉ0 （ｉ＝１〜４）は、一方が回転円板１１で遮蔽されて論理値０のとき他方は遮蔽されず論理値１となる関係にある。ここで、Ｐ１１とＰ１０は受光素子１３ａと１３ｂの出力、Ｐ２１とＰ２０は受光素子１３ｃ，１３ｄの出力、Ｐ３１とＰ３０は受光素子１３ｅ，１３ｆの出力、Ｐ４１とＰ４０は受光素子１３ｇと１３ｈの出力であり、従って、回転角度信号発生回路の出力端ａからＰ１１の出力、出力端ｂからＰ１０の出力、出力端ｃからＰ２１の出力、出力端ｄからＰ２０の出力、出力端ｅからＰ３１の出力、出力端ｆからＰ３０の出力、出力端ｇからＰ４１の出力、出力端ｈからＰ４０の出力がそれぞれ発生する。
【００１６】例えば、図３のθ１の角度は、Ｐ１＝１，Ｐ２＝１，Ｐ３＝１，Ｐ４＝１のバイナリーコード信号で表され、この時、Ｐ１＝（１，０）、Ｐ２＝（１，０）、Ｐ３＝（１，０）、Ｐ４＝（１，０）となる。また、θ２の角度は、Ｐ１＝１，Ｐ２＝１，Ｐ３＝０，Ｐ４＝１で表され、この時、Ｐ１＝（１，０）、Ｐ２＝（１，０）、Ｐ３＝（０，１）、Ｐ４＝（１，０）となる。
【００１７】次に、本実施例の加算回路２を図５に示し説明する。図において、加算回路２は、コンデンサＣA1〜ＣA4，ＣB1〜ＣB4とダイオードＤA1〜ＤA4，ＤB1〜ＤB4とを用いた倍電圧整流回路で構成されている。この加算回路２では、入力信号は、それぞれ直列に挿入されたコンデンサＣA1〜ＣA4を介してダイオードＤA1〜ＤA4で電源電圧Ｖccにクランプされ、更に、それぞれコンデンサＣB1〜ＣB4にその入力レベルが蓄積される。従って、交流の信号入力によって各コンデンサＣB1〜ＣB4に蓄積された入力信号レベルが順次蓄積され加算されその加算値が電源電圧ＶCCに重畳されて次段の閾値演算回路３に出力される。
【００１８】図１に示す閾値演算回路３は、複数のトランジスタと抵抗等で構成される従来公知のフェールセーフなウインドコンパレータで構成され、入力端子に所定レベルの入力信号が入力した時のみ交流の出力信号を発生（論理値１に相当する）し、回路故障時には交流の出力信号が停止する（論理値０に相当する）構成である。
【００１９】次に本実施例の動作について説明する。例えば、回転軸１０における検出したい所望の回転角度が図３のθ２である場合について説明する。この場合、バイナリーコード信号はＰ１＝１，Ｐ２＝１，Ｐ３＝０，Ｐ４＝１で表され、この時Ｐ３，Ｐ４に関しては、光無しを論理値１として表す必要がある。従って、加算回路２の各入力端子には、回転角度信号発生回路１の出力端ａ，ｃ，ｆ，ｇを接続してその出力Ｐ１１，Ｐ２１，Ｐ３０，Ｐ４１が入力するようにする。
【００２０】回転軸１０の回転に同期して回転円板１１が回転すると、その透過部１１Ａと遮蔽部１１Ｂの通過に伴って、各発光素子１２ａ〜１２ｈからの光が透過又は遮断され、光が透過された位置に配置された受光素子１３ａ〜１３ｈから出力が発生する。従って、回転円板１１の図３におけるθ２に対応する部分が、発光素子１２ａ〜１２ｈと受光素子１３ａ〜１３ｈに位置すると、発光素子１２ａ，１２ｃ，１２ｆ，１２ｇからの光が透過部１１Ａを介して受光素子１３ａ，１３ｃ，１３ｆ，１３ｇで受光されて出力が発生し、それ以外の発光素子１２ｂ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｈからの光は遮蔽部１１Ｂで遮断されて受光素子１３ｂ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｈには到達せず出力は発生しない。これにより、加算回路２の各入力端には、対応する受光素子１３ａ，１３ｃ，１３ｆ，１３ｇからの交流出力が印加し、加算回路２の入力がＰ１１＝１（光有り），Ｐ２１＝１（光有り），Ｐ３０＝１（光無し），Ｐ４１＝１（光有り）となり全て論理値１となる。
【００２１】このように、加算回路２の入力が全て論理値１となると、その加算出力は、閾値演算回路３の閾値以上となり、閾値演算回路３から交流出力が発生（論理値１に相当）し、所望の検出角度信号が発生する。そして、回転角度信号発生回路１の出力を交流とし（入力側故障時この入力信号は発生しないので加算値は必ず閾値より小さく（本実施例では３以下）なる）、更に、閾値演算回路３を故障時に出力が論理値１とならない回路構成とすることで、回路故障時には交流出力が発生せず閾値演算回路３の出力が、論理値１から論理値０には誤るが論理値１には誤らない構成とすることができ、危険側に誤らないフェールセーフな構成となる。
【００２２】以上のように、否定演算することなく直接２線系の２値信号を生成して光無しを論理値１として表し、加算回路２と閾値演算回路３とによって全ての信号が発生していることを確認しつつ、所望の角度信号を発生させることで、ロータリエンコーダのフェールセーフ性をより一層高めることが可能となる。次に、本発明のロータリエンコーダの第２実施例を図６及び図７に基づき説明する。尚、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００２３】本実施例は、回転角度信号発生回路の出力を、２線系２値信号の各々について互いに逆相の０相とπ相の信号を発生する４線系とするよう構成したものである。図６において、１６ａ，１６ａ′〜１６ｈ，１６ｈ′は、それぞれ対応する各受光素子１３ａ〜１３ｈの出力に基づいて発光する発光素子、１７ａ，１７ａ′〜１７ｈ〜１７ｈ′は、対応する前記各発光素子１６ａ，１６ａ′〜１６ｈ，１６ｈ′からの光を受光して出力を発生する受光素子、Ｔｒａ，Ｔｒａ′〜Ｔｒｈ，Ｔｒｈ′はトランジスタ、Ｒａ，Ｒａ′〜Ｒｈ，Ｒｈ′は抵抗で、出力端ａ，ａ′〜ｈ，ｈ′からは、互いに逆相のπ相と０相の交流信号が発生する。
【００２４】例えば、発光素子１２ａからの光が透過部１１Ａを介して受光素子１２ａで受光されると、出力端ａからは、発光素子１２ａの出力に対して１８０°位相が異なる交流信号が発生し、出力端ａ′からは発光素子１２ａの出力と同相の交流信号が発生する。ここで、Ｐｉ１，Ｐｉ０（ｉ＝１〜４）の同相信号をＰｉ１０，Ｐｉ００（ｉ＝１〜４）で示し、逆相信号をＰｉ１π，Ｐｉ０π（ｉ＝１〜４）で示す。
【００２５】このように４線化した回転角度信号発生回路１′を使用する場合、本実施例の加算回路２′は、図７R>７のようにコンデンサＣC1〜ＣC4，ＣとダイオードＤC1〜ＤC4，Ｄとを用いた倍電圧整流回路で構成でき、構成を簡素化できる。そして、この場合には、互いに隣合う入力端には、逆相の信号を印加するようにする。かかる図７に示す加算回路２′では、各入力端に論理値１の入力信号が印加されると、互いに隣合う入力信号が互いに逆相であり、各入力端の入力レベルの反転に伴いその出力端には、各入力レベルの加算値が電源電圧ＶCCに重畳された出力が発生する。
【００２６】かかる実施例では、例えば第１実施例と同様に回転軸１０における検出したい所望の回転角度が図３R>３のθ２である場合、回転角度信号発生回路１′の出力端と加算回路２′の入力端の接続は以下のようにする。加算回路２′の各入力端子には、回転角度信号発生回路１′の出力端ａ，ｃ′，ｆ，ｇ′を接続してその出力Ｐ１１π，Ｐ２１０，Ｐ３０π，Ｐ４１０が入力するようにし、加算回路２′の互いに隣合う入力端の入力信号が互いに逆相となるようにする。尚、加算回路への入力を、Ｐ１１０，Ｐ２１π，Ｐ３００，Ｐ４１πとなるよう接続してもよい。
【００２７】このようにすることで、回転軸１０の回転に同期して回転円板１１が回転し、その透過部１１Ａと遮蔽部１１Ｂの通過に伴って、各発光素子１２ａ，１２ｃ，１２ｆ，１２ｇからの光が透過部１１Ａを介して受光素子１３ａ，１３ｃ，１３ｆ，１３ｇで受光されて出力が発生すると、加算回路２′の各入力端には、対応する受光素子１３ａ，１３ｃ，１３ｆ，１３ｇからの互いに逆相の交流出力が印加し、加算回路２′において入力値が加算されて加算出力は、閾値演算回路３の閾値以上となり、閾値演算回路３から交流出力が発生（論理値１に相当）し、所望の検出角度信号が発生する。
【００２８】かかる第２実施例の場合も、第１実施例と同様に、否定演算することなく直接２線系の２値信号を生成し、加算回路２′と閾値演算回路３とによって全ての信号が発生していることを確認して、所望の角度信号を発生させることになり、ロータリエンコーダのフェールセーフ性をより一層高めることが可能となる。図８及び図９には、回転角度信号発生回路のそれぞれ別の例を示す。
【００２９】図８のものは、第１実施例における発光素子１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ，１２ｈと受光素子１３ｂ，１３ｄ，１３ｆ，１３ｈとの関係を、透過型ではなく反射型に構成した。即ち、受光素子１３ｂ，１３ｄ，１３ｆ，１３ｈを、発光素子１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ，１２ｈと同じく側に配置し、回転円板１１′の遮蔽部１１Ｂが位置した時に光の反射によって受光素子１３ｂ，１３ｄ，１３ｆ，１３ｈから論理値１の出力が発生するよう構成したものである。尚、図８では、発光素子１２ａ，１２ｂと受光素子１３ａ，１３ｂのみ示し、その他の発光素子と受光素子は図示を省略してある。この場合、回転円板１１′は、半径方向において透過部１１Ａと対をなす遮蔽部１１Ｂは不要となる。例えばθ１の角度では、全てが透過部１１Ａとなり、発光素子１２ａ，１２ｃ，１２ｅ，１２ｇからの光は、透過部１１Ａを介して受光素子１３ａ，１３ｃ，１３ｅ，１３ｇで受光されるが、発光素子１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ，１２ｈの光は、透過部１１Ａを介して回転円板１１′を透過してしまい受光素子１３ｂ，１３ｄ，１３ｆ，１３ｈで受光されない。このように、透過型と反射型の光検出装置を用いても、フェールセーフな２線系の２値信号を得ることができる。
【００３０】図９のものは、図８における反射型の光検出装置の発光素子を透過型検出装置の発光素子と兼用させるようにして構成を簡素化した例である。このようにすれば、図８における発光素子１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ，１２ｈを省略でき、発光素子を半分に節約できる。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、回転角度信号発生手段の出力信号を、否定演算を行わずに直接に論理値１と０が互いに双対な２線系信号として光無しを論理値１の出力とし、所望の検出角度に対応するバイナリーコード信号の必要とする各信号を加算し且つ閾値演算することで、全ての信号が発生していることを確認しつつ所望の角度検出出力を発生させる構成としたので、ロータリエンコーダのフェールセーフ性をより一層高めることができる。従って、ロータリエンコーダを用いる角度信号を必要とする制御システムにおける安全性を格段に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の全体構成図
【図２】同上第１実施例の回転角度信号発生回路の概略構成図
【図３】図２の回転円板の詳細図
【図４】同上第１実施例の回転角度信号発生回路の回路図
【図５】同上第１実施例の加算回路の回路図
【図６】本発明の第２実施例の回転角度信号発生回路の回路図
【図７】同上第２実施例に好適な加算回路の回路図
【図８】本発明の第３実施例の回転角度信号発生回路の概略構成図
【図９】本発明の第４実施例の回転角度信号発生回路の概略構成図
【符号の説明】
１、１′ 回転角度信号発生回路
２、２′ 加算回路
３ 閾値演算回路
１０ 回転軸
１１，１１′ 回転円板
１２ａ〜１２ｈ、１６ａ，１６ａ′〜１６ｈ，１６ｈ′ 発光素子
１３ａ〜１３ｈ、１７ａ，１７ａ′〜１７ｈ，１７ｈ′ 受光素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】回転体の回転位置を検出するロータリエンコーダであって、信号透過部と信号遮蔽部とが所定のパターンで形成され前記回転体と同期して回転する回転円板と、該回転円板の回転に伴う前記信号透過部と信号遮蔽部の通過により信号受信時に論理値１、信号非受信時に論理値０の交流出力を生成する信号生成手段とを備え、前記回転円板の回転に伴って前記信号生成手段から各ビットがそれぞれ論理値１と０が双対な２線系２値信号で構成される所定ビット数のバイナリーコード信号を生成して前記回転体の回転角度位置信号とする回転角度信号発生手段と、所望の検出角度位置に対応する前記回転角度信号発生手段のバイナリーコード信号の出力論理値を加算演算する加算演算手段と、該加算演算手段の加算演算値が予め設定した閾値以上の時に論理値１の出力を発生し故障時には論理値０の出力となる閾値演算手段と、を備えて構成したことを特徴とするロータリエンコーダ。
【請求項２】前記回転角度信号発生手段の信号生成手段を、２線系信号のそれぞれの信号について逆相信号を発生させる４線系構成としたことを特徴とする請求項１記載のロータリエンコーダ。
【請求項１】回転体の回転位置を検出するロータリエンコーダであって、信号透過部と信号遮蔽部とが所定のパターンで形成され前記回転体と同期して回転する回転円板と、該回転円板の回転に伴う前記信号透過部と信号遮蔽部の通過により信号受信時に論理値１、信号非受信時に論理値０の交流出力を生成する信号生成手段とを備え、前記回転円板の回転に伴って前記信号生成手段から各ビットがそれぞれ論理値１と０が双対な２線系２値信号で構成される所定ビット数のバイナリーコード信号を生成して前記回転体の回転角度位置信号とする回転角度信号発生手段と、所望の検出角度位置に対応する前記回転角度信号発生手段のバイナリーコード信号の出力論理値を加算演算する加算演算手段と、該加算演算手段の加算演算値が予め設定した閾値以上の時に論理値１の出力を発生し故障時には論理値０の出力となる閾値演算手段と、を備えて構成したことを特徴とするロータリエンコーダ。
【請求項２】前記回転角度信号発生手段の信号生成手段を、２線系信号のそれぞれの信号について逆相信号を発生させる４線系構成としたことを特徴とする請求項１記載のロータリエンコーダ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開平７−８３７０１
【公開日】平成７年（１９９５）３月３１日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−２３１６３１
【出願日】平成５年（１９９３）９月１７日
【出願人】（０００００４６５１）日本信号株式会社 (720)
【公開日】平成７年（１９９５）３月３１日
【国際特許分類】
【出願日】平成５年（１９９３）９月１７日
【出願人】（０００００４６５１）日本信号株式会社 (720)
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