共通技術調査

ロータリエンコーダーの調査報告書

総括 大原先生

第１章 はじめに

1.1 目的

ロータリーエンコーダの基本的な動作を理解しＭＩＲＳにどのようにして使うかを、検討する。

1.2 ロータリエンコーダとは

　 製品にコネクタを接続し、タイヤの回転数（アナログ量）をパルス数（デジタル量）に変換する機能がある。その変換方式には光電式、ブラシ式、磁気式などがあるが、ＭＩＲＳでは最も一般的な光電式を使用する。ロータリーエンコーダは、回転軸の回転速度に比例した、互いに９０°位相の異なる２相の近似正弦波を出力しているもので、２相の位相関係から回転方向が判別できる。他に、２相の信号をカウントして回転数を求めることができる。

第２章 光電式ロータリエンコーダの概要

2.1 回転量の検出

　発光ダイオード（ＬＥＤ）と受光素子（フォトトランジスタ）が、回転軸に取り付けられた回転スリット（Ａ）と固定スリット（Ｂ）をはさみ相対して取り付けられている。回転スリット（Ａ）が回転すると、ダイオードの光がスリットによって通過、遮断を繰り返す。この光を受光素子により検出することで、信号（パルス）に変換する。出力信号を２相にするため、固定スリット（Ｂ）はスリットが２つに分かれていて、それぞれ９０°位相がずれている。

fig1.光電式ロータリエンコーダの概要

ロータリーエンコーダからの出力信号は近似正弦波形であるので、これを波形整形回路でパルス波形にする。

fig2.パルス

2.2 回転方向（正転/逆転）の判別

　パルス整形回路からの出力信号Ａ，Ｂの組み合わせには、回転方向により２つのパターンがある。

fig3.パルスパターン

　上記のように出力信号Ａ，Ｂの位相差は常に９０°であるが、回転方向により、ずれ方が異なってくる。
�@の場合、Ｂ信号の立ち上がり時にＡ信号は必ず”Ｈ”になっているため回転方向検出信号は”Ｈ”になる。
�Aの場合、Ｂ信号の立ち上がり時にＡ信号は”Ｌ”になっているため、回転方向検出信号は”Ｌ”になる。このようにして回転方向の判別を行う事ができる。

2.3 回転速度の検出

Ａ、Ｂの周波数は回転数に比例するからＢのパルスを一定時間毎にカウントし回転数をデータ化する。データの読み込みはタイマー割り込みを使い、そのたびにカウンタはリセットされる

第３章 パルス弁別回路

3.1 パルス弁別回路

　２相パルス出力型のエンコーダ正転/逆転を検出するために必要な回路。通常、このＡ，Ｂ相の動きよりｕｐ/ｄｏｗｎパルスを作り出し、必要桁数のｕｐ/ｄｏｗｎカウンタに入力し、カウンタの内容を読み取る事で回転量を知る事ができる。パルス弁別回路は、このｕｐ/ｄｏｗｎパルスを作り出す回路である。

fig4.パルス弁別回路

第４章 信号処理のブロック

4.1 信号処理のブロック

fig5.信号処理のブロック

4.2 カウンタ回路

  カウンタ回路はロータリエンコーダの信号をカウントし、２相の信号の位相差から回転方向を判断する。これまでは、フリップフロップを使ってカウンタと方向判別回路を設計してきたが、ここではマウス制御用カウンタＩＣ（μＰＤ４７０１Ａ）を利用する。μＰＤ４７０１Ａを利用することのメリットを、次に挙げる。

  １つめに、μＰＤ４７０１Ａがカウンタと方向判別回路の両方の回路を兼ね備えているということ。これにより、カウンタ、方向判別回路の信頼性は高上する。

  ２つめに、２相式のロータリエンコーダを２つまで取付可能であるということ。μＰＤ４７０１Ａを利用すればＩＣ１チップで２つのロータリエンコーダの信号処理が行え、回路の小型化が容易にできる。回路の小型化については、ボードをＩｎｄｕｓｔｒｙＰａｃｋの形態にするためにも重要になる。

  ３つめに、μＰＤ４７０１Ａのカウンタのカウント動作の点が挙げられる。これまでは、ロータリエンコーダの２相の信号のうち、片方の相のパルスの立上がりに対してカウンタをアップカウントさせ、方向はカウントとは別に２相の位相差から判別していた。それに対してμＰＤ４７０１Ａのカウンタは、２相のパルスの立上がり、立下がり全てに対してカウンタを動作させる。そのため、ボードの分解能はこれまでの４倍にまで高めることができる。ちなみにカウンタは２の歩数表示で２相の位相差から常に方向を判断し逆転の時にはダウンカウントする。

  ４つめに、μＰＤ４７０１Ａの持つマウスのボタン入力ピンをタッチセンサに応用できることも挙げられる。簡単に言うと、パルス信号Ａをカウンタとした時にＩ／Ｏポートは８ビットあるが、１ビットを回転方向を示すのに使うので残る７ビットを使いカウンタを作る。なお、リセット信号によりリセットされる。ということである。

fig6.カウンタリードサイクル

4.3 カウンタリセット回路

  カウンタリセット回路は、カウンタのリセット信号を発生させる回路である。
μＰＤ４７０１Ａの２つのカウンタは独立にリセット機能を持つため、回路も２つのカウンタを別々にリセットできるようにした。

fig7.カウンタリセットサイクル

4.4 ロータリエンコーダ接続回路

  ロータリエンコーダ接続回路はロータリエンコーダの出力波形が論理回路の”Ｈ”、”Ｌ”レベルを満足するように振幅を設定するためのものである。この回路は、使用するロータリエンコーダに合わせて設計する必要がある。本研究ではこれまでのＭＩＲＳ開発に用いられてきたロータリエンコーダと同じものを使用したため、ロータリエンコーダ接続回路は新しくは設計せずこれまでのものをそのまま用いた。図２にロータリエンコーダ接続回路を示す。

fig8.ロータリエンコーダ接続回路

第５章 マイクロエンコーダ

5.1 マイクロエンコーダ

MIRSで使用するマイクロエンコーダは、maxonのモータと一体化したものです。以下にその主な仕様を紹介します。

Last up date is 98/03/01