JP2000283793A

JP2000283793A - ロータリエンコーダ

Info

Publication number: JP2000283793A
Application number: JP11092240A
Authority: JP
Inventors: Toshiki Kumeno; 俊貴粂野
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-10-13

Abstract

(57)【要約】【課題】小型化および高分解能化を両立できるロータリ
エンコーダを提供する。【解決手段】このロータリエンコーダは、２次元ＰＳＤ
１と、この２次元ＰＳＤ１の上方に設けられた円形のプ
レート２と、プレート２のさらに上方に設けられた光源
３とを備えている。光源３からの光がプレート２に形成
された透過孔２３を透過して、２次元ＰＳＤ１の受光面
１１に入射すると、その入射位置Ｐに光エネルギーに比
例した電荷が発生し、各電極Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２か
ら光電流ＩX1，ＩX2，ＩY1，ＩY2が出力される。この出
力された光電流ＩX1，ＩX2，ＩY1，ＩY2は、それぞれＡ
／Ｄ変換器４で電流データＤX1，ＤX2，ＤY1，ＤY2に変
換されて回転角算出部５に与えられる。回転角算出部５
は、Ａ／Ｄ変換器４から与えられる電流データＤX1，Ｄ
X2，ＤY1，ＤY2に基づいて、プレート２の回転角を算出
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、たとえばモータ
の回転子などの回転体の回転角を検出するためのロータ
リエンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、たとえばモータの回転子など
に関連して設けられ、この回転子などの回転角を検出す
るためのロータリエンコーダが知られている。図７は、
従来のロータリエンコーダの構成例を示す斜視図であ
る。このロータリエンコーダは、インクリメンタル形の
ロータリエンコーダであり、回転軸９１Ａを中心として
回転可能な回転円板９１と、この回転円板９１を挟んで
互いに対向して設けられた投光素子９２および受光素子
９３とを備えている。回転円板９１には、多数本のスリ
ット９４が、回転円板９１の周方向に所定の等間隔ごと
に、放射状に延びて形成されている。

【０００３】この構成により、回転円板９１の回転軸９
１Ａをたとえばモータの回転子に連結し、この回転子の
回転に同期させて回転円板９１を回転させると、スリッ
ト９４の回転位置が変化することによって、投光素子９
２から受光素子９３に向かう光のスリット９４の通過お
よび回転円板９１による遮断が繰り返され、その結果、
受光素子９３から回転円板９１の回転角（回転量）に応
じた個数のパルス信号が出力される。ゆえに、受光素子
９３から出力されるパルス信号数をカウントすることに
よって、モータの回転子の回転角を検出することができ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、モータなど
の小型化に伴って、ロータリエンコーダの小型化が要望
されてきている。その一方で、ロータリエンコーダの分
解能の向上も要望されている。しかしながら、上記した
従来のロータリエンコーダの分解能は、回転円板９１に
形成されたスリット９４の本数によって決定され、この
スリット９４の幅を縮小することには限界があるため、
ロータリエンコーダの小型化および高分解能化の両方を
同時に成り立たせることはできなかった。

【０００５】そこで、この発明の目的は、上述の技術的
課題を解決し、小型化および高分解能化を両立できるロ
ータリエンコーダを提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段および発明の効果】上記の
目的を達成するための請求項１記載の発明は、回転体の
回転角を検出するためのロータリエンコーダであって、
受光面に入射した光を光電変換し、上記受光面における
光の入射位置を表す電気信号を出力する位置検出手段
と、この位置検出手段の受光面にスポット光を入射する
光入射手段と、この光入射手段によって上記位置検出手
段の受光面に入射されるスポット光の入射位置を、上記
回転体の回転に同期させて回転させる回転手段とを含む
ことを特徴とするロータリエンコーダである。

【０００７】また、請求項２記載の発明は、上記位置検
出手段から出力される電気信号に基づいて、上記回転体
の回転角を算出するための回転角算出手段をさらに含む
ことを特徴とする請求項１記載のロータリエンコーダで
ある。なお、上記位置検出手段は、受光面における光の
入射位置を２次元の座標位置で表す信号を出力する２次
元ＰＳＤ（Position Sensing Device ：位置検出素子）
であってもよいし、受光面における光の入射位置を１次
元の座標位置で表す信号を出力する１次元ＰＳＤであっ
てもよい。

【０００８】上記の発明によれば、位置検出手段の受光
面に入射するスポット光の入射位置は、受光面において
回転体の回転と同期して回転する。したがって、請求項
２のように、回転角算出手段を備えていれば、受光面に
おける光の入射位置の変化（位置検出手段から出力され
る電気信号の変化）に基づいて、回転体の回転角を検出
することができる。

【０００９】また、本発明のロータリエンコーダの分解
能は位置検出手段の分解能により決定され、光入射手段
や回転手段の構成とロータリエンコーダの分解能とは無
関係であるから、位置検出手段の高分解能化を図るとと
もに、光入射手段や回転手段の小型化を図ることによ
り、ロータリエンコーダの高分解能化と小型化とを両立
させることができる。

【００１０】たとえば、位置検出手段として現在市販さ
れている２次元ＰＳＤを用いた場合、このロータリエン
コーダの分解能は１／５０００以上となり、従来のイン
クリメンタル形ロータリエンコーダと比較して（分解能
１／２０００程度）、分解能を大幅に向上することがで
きる。請求項３記載の発明は、上記回転手段は、上記回
転体の回転に同期して上記位置検出手段の受光面を貫く
方向に沿う回転軸線まわりに回転するプレートを含み、
上記光入射手段は、上記プレートに関して上記位置検出
手段の受光面と反対側に配置された光源と、上記プレー
トに形成され、上記光源からの光を上記位置検出手段の
受光面側に透過させて当該受光面にスポット光を入射さ
せるための透過部とを含むことを特徴とする請求項１ま
たは２記載のロータリエンコーダである。

【００１１】この発明によれば、回転体と同期して回転
されるプレートには、光源からの光を通過させるための
透過部が形成されており、この透過部を通過した光が位
置検出手段の受光面に入射するようになっている。ゆえ
に、この受光面における光の入射位置の変化に基づい
て、回転体と同期して回転するプレートの回転角を検出
することができ、これにより、回転体の回転角を検出す
ることができる。

【００１２】請求項４記載の発明は、上記回転手段は、
上記回転体の回転に同期して上記位置検出手段の受光面
を貫く方向に沿う回転軸線まわりに回転するプレートを
含み、上記光入射手段は、上記プレートに取り付けられ
て、上記位置検出手段の受光面に向けて光を出射する光
源を含むことを特徴とする請求項１または２記載のロー
タリエンコーダである。

【００１３】この発明によっても、請求項３の発明と同
様に、回転体と同期して回転するプレートの回転角を検
出することができ、これにより、回転体の回転角を検出
することができる。また、プレートに光源が取り付けら
れているから、請求項３の構成よりも、ロータリエンコ
ーダのサイズをさらに小さくすることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下では、この発明の実施の形態
を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、この
発明の一実施形態に係るロータリエンコーダの構成を図
解的に示す斜視図である。このロータリエンコーダは、
たとえば、自動車に搭載された電動パワーステアリング
装置に備えられて、操舵補助力を発生するモータの回転
角を検出するための回転角センサとして適用できるもの
であり、位置検出手段としての２次元ＰＳＤ（Position
Sensing Device ：位置検出素子）１と、この２次元Ｐ
ＳＤ１の上方に設けられた円形のプレート２と、プレー
ト２のさらに上方に設けられた光源３とを備えている。
なお、光源３としては、たとえばＬＥＤを用いることが
できる。

【００１５】２次元ＰＳＤ１は、受光面１１に入射した
光の位置に応じた電気信号（光電流）を出力するもので
あり、平板状シリコンの表面にＰ層１２、裏面にＮ層１
３、Ｐ層１２とＮ層１３との間にＩ層１４が形成された
半導体デバイスからなっている。Ｐ層１２の表面には、
所定間隔Ｌをおいて対向した一対の電極Ｘ１，Ｘ２と、
この電極Ｘ１，Ｘ２が対向する方向（ｘ座標方向）と直
交する方向（ｙ座標方向）に所定間隔Ｌをおいて対向し
た一対の電極Ｙ１，Ｙ２とが設けられており、この電極
Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２で囲まれたＰ層１２上の略正方
形状の領域が受光面１１となっている。また、Ｎ層１３
の裏面中央には、所定のバイアス電圧を印加するための
電極（図示せず）が形成されている。

【００１６】プレート２は、たとえばモータの回転子の
回転に同期して、回転軸２１を中心に回転されるように
なっている。このプレート２の回転軸２１は、２次元Ｐ
ＳＤ１の受光面１１の中心（電極Ｘ１，Ｘ２から等しい
距離Ｌ／２だけ離れ、かつ、電極Ｙ１，Ｙ２から等しい
距離Ｌ／２だけ離れた位置）Ｏを通り、かつ、受光面１
１に直交する直線Ｓに沿った状態に設けられており、プ
レート２は、２次元ＰＳＤ１の受光面１１とほぼ平行に
配置されている。

【００１７】光源３は、回転軸２１の上方に設けられて
おり、光源３からの光は、プレート２の上面にほぼ一様
に照射されるようになっている。プレート２は、遮光性
を有する材料で構成されており、その周縁部付近には、
たとえばマイクロレンズ２２がはめ込まれた円形の透過
孔２３が形成されている。したがって、光源３から出射
された光のうち透過孔２３に入射した光だけが、マイク
ロレンズ２２を透過してプレート２の下方へ導かれ、２
次元ＰＳＤ１の受光面１１に入射するスポット光を形成
する。

【００１８】２次元ＰＳＤ１の受光面１１に光源３から
の光が入射すると、その入射位置Ｐには光エネルギーに
比例した電荷が発生することにより、各電極Ｘ１，Ｘ
２，Ｙ１，Ｙ２から光電流ＩX1，ＩX2，ＩY1，ＩY2が出
力される。電極Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２から出力される
光電流ＩX1，ＩX2，ＩY1，ＩY2は、それぞれ図示しない
増幅器で適当なレベルに増幅された後、Ａ／Ｄ変換器４
で電流データＤX1，ＤX2，ＤY1，ＤY2に変換されて、た
とえばマイクロコンピュータからなる回転角算出部５に
与えられる。回転角算出部５は、Ａ／Ｄ変換器４から与
えられる電流データＤX1，ＤX2，ＤY1，ＤY2に基づい
て、プレート２の回転角を算出する。

【００１９】図２は、プレート２の回転角を算出するた
めの処理について説明するための図である。以下では、
光源３からの光が２次元ＰＳＤ１の受光面１１上の位置
Ｐ１に入射している状態から、プレート２が図中反時計
回りに角度θだけ回転して、受光面１１上における光の
入射位置が位置Ｐ２に変化した場合を想定して、回転角
算出部５が回転角θを算出するために行う処理について
説明する。

【００２０】なお、以下の説明では、受光面１１の中心
Ｏをｘ座標およびｙ座標の原点とし、その受光面１１に
おける光の入射位置を座標（ｘ，ｙ）で表すこととす
る。光源３からの光が２次元ＰＳＤ１の受光面１１上の
位置Ｐ１に入射している状態では、上記したように、そ
の光入射位置Ｐ１には入射光のエネルギーに比例した電
荷が発生し、この発生した電荷が光電流となってＰ層１
２内を通って各電極Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２から出力さ
れている。ここで、２次元ＰＳＤ１のＰ層１２はほぼ一
様に形成されているので、電極Ｘ１から出力される光電
流ＩX1と電極Ｘ２から出力される光電流ＩX2の比は、位
置Ｐ１から電極Ｘ１までの距離ＬX1と位置Ｐ１から電極
Ｘ２までの距離ＬX2の比の逆比となる。また、電極Ｙ１
から出力される光電流ＩY1と電極Ｙ２から出力される光
電流ＩY2の比は、位置Ｐ１から電極Ｙ１までの距離ＬY1
と位置Ｐ１から電極Ｙ２までの距離ＬY2の比の逆比とな
る。つまり、下記式(1),(2) の関係が満たされる。

【００２１】ＩX1：ＩX2＝ＬX2：ＬX1 ・・・・・・(1) ＩY1：ＩY2＝ＬY2：ＬY1 ・・・・・・(2) したがって、光入射位置Ｐ１の座標（ｘ１，ｙ１）は、
光電流ＩX1，ＩX2，ＩY1，ＩY2をＡ／Ｄ変換して得られ
る電流データＤX1，ＤX2，ＤY1，ＤY2に基づいて、下記
式(3),(4) に従って求めることができる。

【００２２】ｘ１＝Ｌ（ＤX2−ＤX1）／２（ＤX2＋ＤX1）・・・・・・(3) ｙ１＝Ｌ（ＤY2−ＤY1）／２（ＤY2＋ＤY1）・・・・・・(4) 回転角算出部５は、上記式(3),(4) に従って、プレート
２の回転前における光入射位置Ｐ１の座標（ｘ１，ｙ
１）を求めると、次に、プレート２の回転後における光
入射位置Ｐ２の座標（ｘ２，ｙ２）を、光入射位置Ｐ１
の場合と同様にして求める。そして、光入射位置Ｐ２の
座標（ｘ２，ｙ２）が求まると、光入射位置Ｐ１の座標
（ｘ１，ｙ１）および光入射位置Ｐ２の座標（ｘ２，ｙ
２）を下記式(5) に代入して、プレート２の回転角θを
算出する。

【００２３】

【数１】

【００２４】以上のようにこの実施形態では、たとえば
モータの回転子と同期して回転されるプレート２には、
光源３からの光を通過させるための透過孔２３が形成さ
れており、この透過孔２３を通過した光が２次元ＰＳＤ
１の受光面１１に入射するようになっている。そして、
この２次元ＰＳＤ１の受光面１１上における光の入射位
置の変化に基づいて、たとえばモータの回転子と同期し
て回転するプレート２の回転角が算出される。

【００２５】２次元ＰＳＤは、現在市販されているもの
でｘ方向およびｙ方向に１／５０００程度の分解能を有
している。また、近年開発されたＲＨ−２次元ＰＳＤ
は、ｘ方向およびｙ方向に１／１００００以上の分解能
を有している。したがって、この２次元ＰＳＤを備えた
ロータリエンコーダでは、従来のインクリメンタル形ロ
ータリエンコーダと比較して（分解能１／２０００程
度）、分解能を大幅に向上することができる。

【００２６】また、２次元ＰＳＤ１は、受光面１１に入
射した光の中心位置を光入射位置として検出するもので
あるから、プレート２に形成された透過孔２３の径の大
小と分解能とは無関係である。したがって、プレート２
のサイズを小さくすることにより、一定以上の分解能を
保持しつつ小型化を図ることができ、ロータリエンコー
ダの高分解能化と小型化とを両立させることができる。

【００２７】なお、この実施形態では、プレート２の回
転軸２１の上方に光源３が設けられ、プレート２に形成
された透過孔２３に、光源３からの光を２次元ＰＳＤ１
の受光面１１に導くためのマイクロレンズ２２がはめ込
まれているとしたが、このマイクロレンズ２２に代え
て、たとえば振幅型フレネルレンズが適用されてもよ
い。

【００２８】また、プレート２に光源３が取り付けられ
て、この光源３からの光が直接に２次元ＰＳＤ１の受光
面１１に入射するようにされることにより、マイクロレ
ンズ２２やフレネルレンズなどのレンズおよび透過孔２
３が省略されてもよい。こうすることにより、このロー
タリエンコーダのサイズをさらに小さくすることができ
る。

【００２９】図３は、この発明の他の実施形態におい
て、プレート２の回転角を検出するための処理について
説明するための図である。上述の実施形態に係るロータ
リエンコーダでは、受光面１１における光の入射位置を
２次元座標（ｘ，ｙ）で検出する２次元ＰＳＤが適用さ
れているのに対し、この実施形態に係るロータリエンコ
ーダでは、受光面６１における光の入射位置を１次元座
標ｘで検出する１次元ＰＳＤ６が適用されている。

【００３０】１次元ＰＳＤ６は、受光面６１の中心Ｏが
円形プレート２の回転中心を通る直線上に位置するよう
に配置されており、受光面６１の両端縁には、一対の電
極Ｘ１，Ｘ２が所定間隔Ｌをおいて対向した状態に設け
られている。１次元ＰＳＤ６の受光面６１上の位置Ｐ１
に光が入射している状態では、その光入射位置Ｐ１には
入射光のエネルギーに比例した電荷が発生し、この発生
した電荷が光電流となって各電極Ｘ１，Ｘ２から出力さ
れている。この電極Ｘ１から出力される光電流ＩX1と電
極Ｘ２から出力される光電流ＩX2の比は、位置Ｐ１から
電極Ｘ１までの距離ＬX1と位置Ｐ１から電極Ｘ２までの
距離ＬX2の比の逆比となっており、光入射位置Ｐ１を表
す座標ｘ１は、光電流ＩX1，ＩX2をＡ／Ｄ変換して得ら
れる電流データＤX1，ＤX2に基づいて、下記式(6) に従
って求めることができる。

【００３１】ｘ１＝Ｌ（ＤX2−ＤX1）／２（ＤX2＋ＤX1）・・・・・・(6) 上記式(6) に従って、プレート２の回転前における光入
射位置Ｐ１の座標ｘ１が求まると、次に、プレート２の
回転後における光入射位置Ｐ２を表す座標ｘ２を同様に
して求める。そして、光入射位置Ｐ２の座標ｘ２が求ま
ると、光入射位置Ｐ１の座標ｘ１および光入射位置Ｐ２
の座標ｘ２を下記式(7) に代入して、プレート２の回転
角θを算出する。

【００３２】

【数２】

【００３３】ここで、Ｒは、原点Ｏから光入射位置Ｐ
１，Ｐ２までの距離であり、たとえば、ｘ座標軸上に光
を入射させて、その光入射位置のｘ座標を上記式(6) に
従って求めることにより予め取得された定数である。以
上のように、１次元ＰＳＤ６を適用した構成であって
も、プレート２の回転角を求めることができる。この実
施形態のように、位置検出手段として１次元ＰＳＤ６を
適用した場合、２次元ＰＳＤを適用した場合と比較し
て、ロータリエンコーダのコストを低減することができ
る。

【００３４】以上、この発明の２つの実施形態について
説明したが、この発明は、上述の各実施形態に限定され
るものではない。たとえば、上述の各実施形態では、プ
レート２には、円形の透過孔２３が周縁部付近に形成さ
れているとしたが、透過孔２３の形状は円形に限らず、
正方形や長方形などの矩形であってもよい。また、透過
孔２３の形状が長方形である場合、この長方形の透過孔
２３は、図４に示すように、プレート２の半径方向に直
交する方向に長く形成されていてもよいし、図５に示す
ように、プレート２の半径方向に長く形成されていても
よい。このような長方形の透過孔２３を形成することに
より、２次元ＰＳＤ１の受光面１１または１次元ＰＳＤ
６の受光面６１に入射する光のエネルギー量を多くする
ことができ、２次元ＰＳＤ１または１次元ＰＳＤ６によ
る光入射位置の検出を良好に行うことができる。

【００３５】また、透過孔２３に代えて、図６に示すよ
うに、プレート２の周縁部が半円状に切り欠かれた切欠
部７１が形成されていてもよい。さらに、上述の各実施
形態では、プレート２が円形に形成されているとした
が、プレート２の形状は円形に限定されず、たとえば多
角形状であってもよい。また、上述の実施形態では、こ
の発明に係るロータリエンコーダは、たとえば、自動車
に搭載された電動パワーステアリング装置に備えられた
モータの回転角を検出するための回転角センサとして適
用できるとしたが、もちろん、電動パワーステアリング
装置以外に備えられたモータの回転角を検出するために
用いることもできる。また、モータ以外にも、たとえば
ボールねじの回転角など、回転軸線まわりに回転する回
転体の回転角を検出するために用いることができる。

【００３６】その他、特許請求の範囲に記載された技術
的事項の範囲内で、種々の設計変更を施すことが可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態に係るロータリエンコー
ダの構成を図解的に示す斜視図である。

【図２】プレートの回転角を算出するための処理につい
て説明するための図である。

【図３】この発明の他の実施形態において、プレートの
回転角を検出するための処理について説明するための図
である。

【図４】プレートの変形例を示す図解的な平面図であ
る。

【図５】プレートの他の変形例を示す図解的な平面図で
ある。

【図６】プレートのさらに他の変形例を示す図解的な平
面図である。

【図７】従来のロータリエンコーダの構成例を示す斜視
図である。

【符号の説明】

１２次元ＰＳＤ１１受光面２プレート２１回転軸２３透過孔（透過部）３光源５回転角算出部６１次元ＰＳＤ６１受光面７１切欠部（透過部）ＩX1，ＩX2，ＩY1，ＩY2 光電流（光の入射位置を表す
電気信号）Ｏ中心（受光面の中心）Ｐ，Ｐ１，Ｐ２光入射位置Ｓ直線（プレートの回転軸線） θ 回転角

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転体の回転角を検出するためのロータリ
エンコーダであって、受光面に入射した光を光電変換し、上記受光面における
光の入射位置を表す電気信号を出力する位置検出手段
と、この位置検出手段の受光面にスポット光を入射する光入
射手段と、この光入射手段によって上記位置検出手段の受光面に入
射されるスポット光の入射位置を、上記回転体の回転に
同期させて回転させる回転手段とを含むことを特徴とす
るロータリエンコーダ。
【請求項２】上記位置検出手段から出力される電気信号
に基づいて、上記回転体の回転角を算出するための回転
角算出手段をさらに含む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３】上記回転手段は、上記回転体の回転に同期
して上記位置検出手段の受光面を貫く方向に沿う回転軸
線まわりに回転するプレートを含み、上記光入射手段は、上記プレートに関して上記位置検出
手段の受光面と反対側に配置された光源と、上記プレー
トに形成され、上記光源からの光を上記位置検出手段の
受光面側に透過させて当該受光面にスポット光を入射さ
せるための透過部とを含むことを特徴とする請求項１ま
たは２記載のロータリエンコーダ。
【請求項４】上記回転手段は、上記回転体の回転に同期
して上記位置検出手段の受光面を貫く方向に沿う回転軸
線まわりに回転するプレートを含み、上記光入射手段は、上記プレートに取り付けられて、上
記位置検出手段の受光面に向けて光を出射する光源を含
むことを特徴とする請求項１または２記載のロータリエ
ンコーダ。