JP2006023220A

JP2006023220A - ロータリーエンコーダ

Info

Publication number: JP2006023220A
Application number: JP2004202836A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Shimoyamada; 好孝下山田; Teruyuki Tonmiya; 輝行頓宮
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Copal Corp
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2006-01-26

Abstract

【課題】薄型化が可能で且つ検出誤差の少ない非接触アブソリュート型のロータリーエンコーダを提供する。
【解決手段】ロータリーエンコーダは、被測定体の回転変位に伴なって回動するスリット板１と、スリット板１に光束を入射する光源４と、スリット板１を介して出射する光束の移動軌跡に沿って配置され該光束の受光位置に応じた検出信号を出力する位置検出素子６と、該検出信号を処理して被測定体の回転変位情報を得る処理回路とからなる。光源４は、光束を放射する発光素子４１と、発光素子４１に対向する端面部及びスリット板１に対向する平面部を有する導光板４０とからなる。導光板４０は該端面部から受け入れた光束を該平面部に導き、更に該平面部からスリット板１に出射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で絶対角度を検出するアブソリュート型のロータリーエンコーダに関する。より詳しくは、光源と受光素子とスリット板とを備え、光学的に非接触で絶対角度を検出するロータリーエンコーダに関し、特に光源部の改良技術に関する。

アブソリュート型のロータリーエンコーダは、例えば以下の特許文献１〜特許文献３に開示されている。
特開２００３−０９０７４１公報特開昭６０−２２５０２４号公報特開平０７−０４３１７６号公報

特許文献１は接触式の抵抗型ロータリーエンコーダを開示している。又、光学式のロータリーエンコーダも紹介されており、スリット板の円周に沿って必要分解能分だけスリットを配置する方式である。

特許文献２や特許文献３には、螺旋状スリットが形成されたスリット板を用いて受光素子上の光の入射位置を検出する方式が紹介されている。特許文献１に示される様な接触式のエンコーダの場合、常時回転板上に形成された抵抗と電極端子が接触している為、ニュートラル位置近辺の磨耗劣化が進むという不都合がある。又、特許文献１内で紹介されている必要分解能分だけスリットを配置する方式では、高分解能化に対応することが難しいという不都合がある。その点、特許文献２や特許文献３に開示された螺旋状スリットを用いた方式は、磨耗劣化が生じる恐れのない非接触方式であり、また高分解能を実現できる。

図７は、特許文献３に開示された非接触アブソリュート型ロータリーエンコーダを示す模式的な斜視図である。図示する様に、金属薄板などの遮光性材料からなるスリット板１は回転軸２に固着されており回転変位可能である。この回転軸２は図示しない被測定体に接続されている。スリット板１の表面には中心からの距離が周方向に沿って徐々に拡大する螺旋状のスリット３がエッチングにより形成されている。スリット板１の上方には例えばＬＥＤなどからなる光源４が固定配置されている。この光源４はその表面に固着された投光レンズ５を介してほぼ平行な光束をスリット板１の表面に照射する。一方スリット板１の下方には光源４と整合して位置検出素子６が固定配置されている。その表面に設けられた受光面７はスリット板１の半径方向に沿った長手形状を有する。スリット板１の回転移動に伴って螺旋状スリット３を透過した光束８は半径方向に移動し受光面７により受光される。位置検出素子６は例えばＰＳＤなどからなり、一対の出力端子に検出信号ＩＡ，ＩＢを出力する。検出信号ＩＡ，ＩＢは光束８の受光位置９に応じて差動的に変化する。これら一対の検出信号ＩＡ，ＩＢは処理回路１０により差分処理を施され、スリット板１の回転変位情報を表わす信号Ｖｏｕｔを出力する。

螺旋状スリットを用いたロータリーエンコーダの構成部品としては、発光素子、投光レンズ、スリット板、受光素子などの光学素子部品と、その他の信号処理回路などが挙げられる。信号処理回路の配置については比較的自由度があるが、光学素子部品は光軸に沿って一直線上に配置する必要があり、比較的自由度が少ない。特に、発光素子、投光レンズ、スリット板、受光素子などを一直線上に配置する構成は、薄型化に対して対応が難しく解決すべき課題となっている。

発光素子としてはＬＥＤが典型的に用いられるが、発光強度に空間的な片寄りがあり、必ずしもスリット板を均一に照明することができない。この様な発光素子の配光特性を緩和して可能な限り均一な光強度分布を得る為、投光レンズを用いている。しかしながら、投光レンズはある程度発光素子の配光特性の影響を和らげる効果があるが、完全には発光強度分布を均一にすることはできない。この配光特性の影響がある為、受光位置に誤差が生じ、結果的に絶対角度の検出誤差となって現われ、解決すべき課題となっている。

上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は薄型化が可能で且つ検出誤差の少ない非接触アブソリュート型のロータリーエンコーダを提供することを目的とする。係る目的を達成する為に以下の手段を講じた。即ち、被測定体の回転変位に伴なって回動するスリット板と、該スリット板に光束を入射する光源と、該スリット板を介して出射する光束の移動軌跡に沿って配置され該光束の受光位置に応じた検出信号を出力する位置検出素子と、該検出信号を処理して被測定体の回転変位情報を得る処理手段とからなるロータリーエンコーダにおいて、前記光源は、光束を放射する発光素子と、該発光素子に対向する端面部及び該スリット板に対向する平面部を有する導光板とからなり、前記導光板は該端面部から受け入れた光束を該平面部に導き、更に該平面部から該スリット板に出射することを特徴とする。

好ましくは、前記スリット板に重ねて追加のスリット板が配されており、前記スリット板はその回動中心の周りに螺旋状のスリットが形成されている一方、前記追加のスリット板は該位置検出素子の受光位置に沿って配された直線状のスリットを有する。

本発明によれば、光源として、発光素子と導光板を組み合わせたいわゆる面光源を採用している。従来の点光源と異なり、面光源は発光素子の配置に自由度がある為、薄型化に適している。発光素子から放射した光束は導光板を介してスリット板に照射される為、発光素子自体は従来の様に光軸に沿って一直線上に配置する必要がない。又、導光板は発光素子から入射した光束を拡散して、均一な光をスリット板に照射することができる。導光板による拡散効果により、発光素子の配光特性は完全に緩和され、非常に均一性の高い照明光をスリット板に入射できる。この結果、従来のムラのある照明構造と異なり、位置検出素子の受光位置の誤差が限りなく０に近づき、絶対角度の検出精度が高くなる。本発明によれば、拡散光をスリット板の照明に利用することで、従来必要とされていた投光レンズを省略することができ、一層薄型化に寄与できる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明に係るロータリーエンコーダの実施形態を示す模式図であり、（Ａ）は主要部分の平面図で、（Ｂ）は同じく主要部分の側面図である。図示する様に、本ロータリーエンコーダは、基本的にスリット板１と、光源４と、位置検出素子６と、処理手段とからなる。スリット板１は、被測定体の回転変位に伴って回転軸２を中心に回動する。このスリット板１はほぼ円板形状を有しており、回転中心の周りに螺旋状のスリット３が形成されている。光源４はスリット板１に光束を入射する。（Ｂ）の断面図に示す様に、本実施形態では光源４がスリット板１の下方に配され、上方に向かって光束をスリット板１に入射している。位置検出素子６はスリット板１の上方に配され、受光面７を備えている。この受光面７は、スリット板１を介して出射する光束の移動軌跡に沿って配置されており、光束の受光位置に応じた検出信号を出力する。（Ａ）に示す様に、螺旋状のスリット３を通過した光束の移動軌跡は円板状のスリット板１の半径方向となっており、これに沿って位置検出素子６の受光面７が配されている。図示しないが、この位置検出素子６には処理手段が接続されており、検出信号を処理して被測定体の回転変位情報を得る。

本発明の特徴事項として、光源４は、発光素子４１と導光板４０とで構成されており、いわゆる面光源となっている。発光素子４１は例えばＬＥＤからなり光束を放射する。導光板４０はアクリル板などからなり、発光素子４１に対向する端面部及びスリット板１に対向する平面部を有する。導光板４０は端面部から受け入れた光束を拡散導光して平面部に導き、更に平面部からスリット板１に拡散光を出射する。（Ｂ）に示す様に、発光素子４１は光軸に沿って位置検出素子６と一直線上に配する必要はなく、導光板４０の側方に配されている。この結果、ロータリーエンコーダの薄型化が可能になる。又導光板４０は発光素子４１の配光特性を緩和し、均一に拡散された照明光をスリット板１に照射する。これにより、位置検出素子６の受光面７に入射する光スポットのムラがなくなり、検出精度が高くなる。

本実施形態では、螺旋状のスリット３が形成された円板状のスリット板１に重ねて、追加のスリット板２１が配されている。この追加スリット板２１は位置検出素子６の受光面７に沿って配された直線状のスリット２２を備えている。係る構成によれば、螺旋状のスリット３を通過した光は更に直線状のスリット２２を通過することにより、受光面７からはみ出す余分な光をカットできる。

図２は、図１に示したロータリーエンコーダの全体構成を示す模式的なブロック図である。図では、左から右に向かって、面光源４、スリット板１、位置検出素子（ＰＳＤ）６が順に配されている。面光源４は導光板４０とＬＥＤからなる発光素子４１とで構成されている。発光素子４１は導光板４０の端面部４０ａに対向している。発光素子４１から放射した光は端面部４０ａから導光板４０の内部に入り、拡散的に導光される。拡散効果により強度分布が均一化された光は、導光板４０の平面部４０ｂを介して、スリット板１に照射される。スリット板１に形成された螺旋状のスリット３を通過した光は、位置検出素子（ＰＳＤ）６の受光面７に入射する。尚、図示を簡略化する為、追加スリット板は省略されている。位置検出素子６は受光面７における光束の受光位置に応じて、差動検出信号ＩＡ，ＩＢを出力する。位置検出素子６には処理回路１０が接続されており、一対の検出信号ＩＡ，ＩＢを処理して、被測定体の絶対角度を表わす出力信号を生成する。処理回路１０にはＡＰＣ１５が内蔵されており、発光素子４１の発光強度を常に一定に保つ様フィードバック制御している。

図３は、図１及び図２に示した面光源の具体的な構成例を示す模式図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。（Ａ）に示す様に、導光板４０はほぼ矩形であり、端面部４０ａと平面部４０ｂを備えている。端面部４０ａにはＬＥＤなどからなる発光素子４１が対向している。本実施形態では複数個のＬＥＤランプが支持体４２に支持された形で導光板４０の端面部４０ａに取り付けられている。導光板４０は発光素子４１から放射した光を拡散して平面部４０ｂから出射する。平面部４０ｂは不均一発光部と均一発光部とに分かれている。不均一発光部は発光素子４１に近い部分であり、拡散が不十分である為まだ明暗のムラがある。均一発光部に至ると拡散が十分に行なわれる為、強度的に均一な照明光が得られる。この部分がスリット板に対面することになる。

（Ｂ）に示す様に、導光板４０は基本的に透明なアクリル板などからなる。平面部４０ｂと対向する裏面部には拡散層４３及び反射層４５が形成されている。ＬＥＤなどからなる発光素子４１が導光板４０の端面部４０ａに配されて、その導光板４０の背面（更には内部）にはＬＥＤからの発光を導光板４０全体に拡散する光拡散層４３が設けられている。更にその導光板４０背面にはＬＥＤの光を平面部４０ｂ側に反射拡散する反射シート４５が備えられている。光拡散層４３はＬＥＤの発光を周囲に拡散させる作用を有する。この拡散層４３は、例えば導光板４０の背面に酸化チタン、チタン酸バリウムなどの白色物質を直接印刷したり、前記白色物質が印刷されたシートを導光板４０の背面に貼り合わせたりして形成する。あるいは、導光板背面にパタン化された微細な凹凸を施し、この凹凸で光源からの発光を平面部４０ｂに拡散させる方法や、あるいは導光板４０内部に拡散物質を混入させてＬＥＤからの発光を拡散させる方法もある。反射シート４５は、例えば酸化アルミニウム、チタン酸バリウム、酸化チタンなどの光散乱物質をアルミニウム箔に塗布したり、その他表面が鏡面とされた金属箔を用いることができるが、拡散物質及び金属箔は光の反射率が高いものであればよく、特に限定するものではない。

図４は、図３に示した処理回路１０の具体的な構成例を示す回路図である。位置検出素子６から出力される一方の検出信号ＩＡはアンプ１１により対応する電圧信号ＶＡに変換された後、差分器１２の正入力端子に印加される。同様に、他方の検出信号ＩＢはアンプ１３により対応する電圧信号ＶＢに変換された後、差分器１２の負入力端子に印加される。一対の電圧信号ＶＡ，ＶＢは差分器１２により互いに差分処理され、スリット３を透過した光束の受光位置に対応した信号Ｖｏｕｔを出力する。更に、一対の電圧信号ＶＡ，ＶＢは加算器１４により互いに加算処理される。加算器１４の出力端子には自動光量制御器（ＡＰＣ）１５が接続されており、該加算結果が一定となる様に光源４の駆動電流を制御する。

図５は、光源の配光特性を示す模式的なグラフである。（Ａ）は従来例を表わしており、ＬＥＤなどからなる発光素子と投光レンズを組み合わせた光源の配光特性を示している。横軸に光源中心からの距離を取り、縦軸に光強度を取ってある。図示する様に、レンズを用いた場合、ある程度光強度のムラは緩和されているものの、若干強度分布に片寄りがあり、必ずしも均一な配光特性とはなっていない。これに対し（Ｂ）は発光素子と拡散性の導光板を組み合わせた面光源の配光特性を表わしている。図から明らかな様に、光源からの距離に依存することなく、拡散効果により極めて均一な光強度分布が得られている。（Ａ）及び（Ｂ）のグラフに重ねて、スリット位置Ｌ，スリット位置Ｍ，スリット位置Ｒを表わしてある。これらのスリット位置Ｌ，Ｍ，Ｒは光源中心からの距離がそれぞれ異なっている。導光板を用いた場合、スリット位置Ｌ，Ｍ，Ｒのいずれにおいても、ほぼ均一で等しい光強度が得られる。これに対し、（Ａ）のレンズを用いた場合、各スリット位置Ｌ，Ｍ，Ｒでは通過する光の強度分布が片寄っている。これにより、受光位置の誤差が生じ、結果的に絶対角度検出誤差の原因となる。

（Ｃ）は、被測定体の実際の角度θ１とこの被測定体に取り付けられたロータリーエンコーダによって検出された角度θ２との関係を示すグラフである。横軸にθ１を取り、縦軸にθ２／θ１を取ってある。エンコーダの誤差がなくθ１とθ２が完全に一致すれば、θ２／θ１はθ１に関わらず常に一定値（１）となる。光源として導光板を用いた場合、グラフから明らかな様にθ２／θ１の値はほぼ１である。これに対してレンズを用いた場合、θ２／θ１の値は変動しており、誤差が生じていることが分かる。この誤差の原因は、図５の（Ａ）に示す様に、照明光の光強度のムラである。本発明では光拡散性の導光板を用いることでこのムラを取り除いている。

図６は、測定誤差の生じる原因を模式的に表わした表図である。スリット位置がＬ，Ｍ，Ｒで場合を分けて説明してある。各スリット位置Ｌ，Ｍ，Ｒに対して、レンズを用いた場合と導光板を用いた場合とに分けて説明してある。スリット位置Ｌの時、レンズを用いた場合では図５の（Ａ）に示した様に、光強度のピークがスリット位置の中央から右側に片寄っている。ＰＳＤは基本的に重心位置検知となる為、受光位置は右寄りの点となる。この分誤差が生じることになる。一方導光板を用いた場合、配光特性が均一な為、検出位置によるずれが小さい。スリット位置Ｍの時、レンズを用いた場合はたまたまピークが中央に来る為、ＰＳＤによる位置検知でも中央寄りの点となる。導光板を用いた場合は配光特性が均一な為検出位置によるずれはほとんどなくなっている。更にスリット位置Ｒの時、レンズを用いた場合はピークがスリットの左側に片寄っている為、ＰＳＤによる位置検知も左寄りの点となる。この分誤差が生じる。一方導光板を用いた場合には配光特性がほぼ均一の為検出位置によるずれが小さい。

本発明に係るロータリーエンコーダの主要部を示す模式的な平面図及び側面図である。図１に示したロータリーエンコーダの全体的な構成を示す模式的なブロック図である。図１及び図２に組み込んだ面光源の具体的な構成例を示す平面図及び断面図である。図３に示した処理回路の具体的な回路構成を示す回路図である。光源の配光特性を示すグラフである。ロータリーエンコーダの誤差原因を示す表図である。従来のロータリーエンコーダの一例を示す模式的な斜視図である。

符号の説明

１・・・スリット板、２・・・回転軸、３・・・スリット、４・・・光源、６・・・位置検出素子、７・・・受光面、２１・・・追加スリット板、２２・・・スリット、４０・・・導光板、４１・・・発光素子

Claims

被測定体の回転変位に伴なって回動するスリット板と、該スリット板に光束を入射する光源と、該スリット板を介して出射する光束の移動軌跡に沿って配置され該光束の受光位置に応じた検出信号を出力する位置検出素子と、該検出信号を処理して被測定体の回転変位情報を得る処理手段とからなるロータリーエンコーダにおいて、
前記光源は、光束を放射する発光素子と、該発光素子に対向する端面部及び該スリット板に対向する平面部を有する導光板とからなり、前記導光板は該端面部から受け入れた光束を該平面部に導き、更に該平面部から該スリット板に出射することを特徴とするロータリーエンコーダ。
前記スリット板に重ねて追加のスリット板が配されており、前記スリット板はその回動中心の周りに螺旋状のスリットが形成されている一方、前記追加のスリット板は該位置検出素子の受光位置に沿って配された直線状のスリットを有することを特徴とする請求項１記載のロータリーエンコーダ。