JP2006170788A

JP2006170788A - 光学式エンコーダ

Info

Publication number: JP2006170788A
Application number: JP2004363412A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Hashizume; 博和橋爪
Original assignee: Canon Inc; Canon Precision Inc
Current assignee: Canon Inc; Canon Precision Inc
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2024-12-15
Also published as: JP4750407B2

Abstract

【課題】回転方向と回転速さに応じたインクリメンタル信号と、基準位置となるアブソリュート信号とを検出する。
【解決手段】固定部２１に回転軸２２が設けられ、その近傍に発光素子２３、受光素子２４、処理回路２５を同一平面上に配置されている。回転軸２２にはパルスコードホイール２７が固定されており、ホイール２７の下面には光学変調トラック２９が形成されている。光学変調トラック２９には所定幅の反射領域部３０と非反射領域部３１とが交互に円周方向に配置されており、反射領域部３０の放射状方向である径方向の長さは、基準位置Ｐから時計方向に進むにつれ漸減されている。ホイール２７が回転すると、受光素子２４は反射領域部３０からの２つのインクリメンタル信号が得られ、同時に反射領域部３０の径方向長さによって受光素子２４に入射する反射光量が徐々に変化し、急激な変化点によりアブソリュート信号が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、インクリメンタル信号と共にアブソリュート信号を検出し得る光学式エンコーダに関するものである。

図８は従来のインデックス相付きのインクリメンタルエンコーダの要部斜視図であり、本体１に回転軸２が設けられ、この回転軸２に薄い金属板や合成樹脂板で造られたパルスコードホイール３が取り付けられ、このパルスコードホイール３の下面には、図９に示すように反射領域部５と非反射領域部６とを交互に配置したインクリメンタル信号用の光学変調トラック７と、１回転に１パルスのインデックス相を得るためのアブソリュート信号用の光学変調トラック８が形成されている。

回転軸２の近傍の本体１上には、図１０に示すように、インクリメンタル信号用の発光素子９と受光素子１０を備えたインクリメンタル信号用センサモジュール１１と、アブソリュート信号用の発光素子１２と受光素子１３とを備えたアブソリュート信号用センサモジュール１４とが配置されている。

回転軸２に固定されたパルスコードホイール３の回転に伴い、位相差を有する２相のインクリメンタル信号と１回転について１個のアブソリュート信号とを得て、回転軸２の回転方向と回転速度、そして基準位置となる原点信号を得るようにされている。

特開２００２−３２３３４７号公報

しかしながら上述の従来例のように、位相差のある２相のインクリメンタル信号と、１回転１パルスのアブソリュート信号とを得るには、インクリメンタル信号とアブソリュート信号のそれぞれに、専用の発光素子９、１２と受光素子１０、１３を備えたセンサモジュール１１、１４が必要であり、それに対応するインクリメンタル信号用の光学変調トラック７が、アブソリュート信号用の光学変調トラック８に重ならないように、パルスコードホイール３に形成する必要がある。

従って、パルスコードホイール３においては、インクリメンタル信号とアブソリュート信号が、互いに光学的な影響を与えない程度に離れた位置関係になければならないため、光学変調トラック８をパルスコードホイール３の面上の径方向に離れた外周側或いは内周側の位置に配置する必要があり、結果的にパルスコードホイール３の径は大きくなる。

更に、センサモジュール１１とセンサモジュール１４をパルスコードホイール３のそれぞれのトラック７、８に対向して配置する必要があるので、エンコーダの外径が大型化することになる。

このように、アブソリュート信号とインクリメンタル信号の出力を備えたエンコーダにおいて、アブソリュート信号からの絶対位置を知るには、アブソリュート信号を得て原点を定めた後にインクリメンタル信号を計数しなければならず、常に原点出し動作を強いることになり、動作の煩雑化や周辺回路の複雑化も招くことになる。

上述の課題は反射式光学エンコーダに限らず、発光素子と受光素子とを対向して構成したセンサモジュールの間隙に、回転軸に固定されたパルスコードホイールを配置した透光式エンコーダにおいても同じである。

一方、絶対位置を求める際に、原点からインクリメンタル信号の計数をする必要のないアブソリュート式エンコーダは、原理的な構造上、複雑なものになり、大型化し高価格なものになる。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、移動量に応じたアブソリュート信号と、移動方向と移動速度に応じたインクリメンタル信号を得るように構成し、簡素で小型化できる光学式エンコーダを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る光学式エンコーダの技術的特徴は、発光素子と受光素子を有するセンサモジュールと、反射領域部と非反射領域部を交互に移動方向に沿って配置して成る光学変調トラックを有し、前記センサモジュールと相対移動可能なスケールとを備え、前記スケールと前記センサモジュールとの相対移動に伴う信号を得る光学式エンコーダにおいて、前記反射領域部又は（及び）前記非反射領域部の反射光量は前記パルスコードスケールの移動方向に沿って基準位置から徐々に変化するように構成し、前記反射領域部と前記非反射領域部の光量変化に基づいて前記移動方向と移動速度に応じた位相の変化した２相のインクリメンタル信号と、前記基準位置からの移動量に応じたアブソリュート信号とを得ることにある。

本発明に係る光学式エンコーダによれば、移動により反射光量が変化し移動量に応じた光量の変化により、移動方向と移動速度に応じた位相のずれた２相のインクリメンタル信号と、基準位置からの移動量に応じたアブソリュート信号との２つの信号を得ることができる。

本発明を図１〜図７に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は光学式エンコーダの要部斜視図を示し、固定部２１に回転軸２２が設けられ、その近傍に発光素子２３、受光素子２４、処理回路２５を同一平面上に配置して構成したセンサモジュール２６が設けられている。回転軸２２にはパルスコードホイール２７がねじ２８により固定されており、パルスコードホイール２７の下面には、センサモジュール２６と対向して光学変調トラック２９が形成されている。

図２はパルスコードホイール２７の底面図を示し、光学変調トラック２９には所定幅の反射領域部３０と非反射領域部３１とが交互に円周方向に配置されており、反射領域部３０の放射状方向である径方向の長さは、基準位置Ｐから時計方向に進むにつれ漸減されている。

このパルスコードホイール２７をセンサモジュール２６に平行に対向させると、反射領域部３０の径方向長さによって、図３、図４に示すようにセンサモジュール２６の受光素子２４に入射する反射光量が変化する。つまり、図３に示すような反射領域部３０の径方向長さが比較的長い場合には受光素子２４に入射する反射光量が大きくなり、図４に示すような径方向長さが短い場合に反射光量が小さくなり、受光素子２４の出力は入射する光量に比例するようになっているので、受光素子２４の出力にも差が生ずる。

図５に示すように、パルスコードホイール２７の反射領域部３０、非反射領域部３１のピッチに対応して、センサモジュール２６の受光素子２４は円周方向に配列されており、４個１組の受光素子２４の組合わせにより１サイクル分に相当する信号を取り出すことができる。更に、この４個１組で構成された複数組の受光素子２４を並列的に接続することにより、発光素子２３から投射されパルスコードホイール２７によって反射された変調光を、各受光素子２４でパルスコードホイール２７からの反射光の増減に応じて、９０度位相のずれた４つの信号Ｓ１〜Ｓ４が得られる。

図６は処理回路２５の回路図を示し、受光素子２４から得られた信号Ｓ１〜Ｓ４の４つの信号から逆相の信号Ｓ１と信号Ｓ３、Ｓ２とＳ４を減算処理して、９０度位相のずれた２つの信号を得て、これらの信号をコンパレータ回路で処理すれば、一般的な矩形波による移動方向と移動速度を示すインクリメンタル信号が端子Ａ、Ｂから得られる。

また、上記の４つの信号Ｓ１〜Ｓ４を加算処理すると、受光素子２４に入射する光量の総和平均値となるので、パルスコードホイール２７の反射領域部３０と非反射領域部３１からの反射光量に応じた信号が端子Ｃで得られる。

図７はパルスコードホイール２７の反射領域部３０と非反射領域部３１の組み合わせによる受光素子２４の出力の相異を示しており、図７（ａ）は反射領域部３０の径方向長さが変化しない通常のホイールである場合の１つの受光素子２４に入射する光量である。この場合には、電流の変化或いは電圧の変化として得られ、４つの位相のずれた信号を合成すると、円周方向の変化がない信号を得ることができる。

図７（ｂ）は反射領域部３０の径方向長さがパルスコードホイール２７の回転に従って減少してゆく場合を示し、反射光量が減少するので得られる信号も回転と共に徐々に低下し、基準位置Ｐにおける急激な変化によりアブソリュート信号が得られる。同様に、図７（ｃ）は非反射領域部３１の反射率が変化してゆく場合を示し、図７（ｄ）は反射領域部３０と非反射領域部３１のコントラスト比が変化した場合を示している。これらの変化する信号を処理すれば、パルスコードホイール２７の回転に伴って、アナログ信号の変化として得ることができる。

従って、パルスコードホイール２７の円周方向に沿った反射領域部３０の反射光量を回転軸２２の回転量に応じて変化させ、端子Ｃの出力と回転軸２２の回転量の関係を予め明らかにしておくことにより、端子Ｃの出力から基準位置Ｐを基準とする回転軸２２の回転位置を知ることができる。更に、回転軸２２の回転量に対応して、得られるアナログ信号の特定の電圧をコンパレータ電圧Ｌｃとしてコンパレータ回路で処理をすることにより、端子Ｄからパルス信号が得られる。このパルス信号位置を原点位置としても利用することができる。

反射光量をパルスコードホイール２７の円周方向に沿って連続的に変化させるには、上述したように反射領域部３０の径方向長さを変化させることによっても、或いは反射領域部３０の反射率を変えたり、或いは非反射領域部３１の非反射率を変えることでも達成可能である。また、反射領域部３０と非反射領域部３１のコントラスト比を変えることでも可能であり、回転軸２２の回転量に応じて反射光量に変化があるように構成することで、他の手段によっても実現できる。

このように、回転軸２２の回転量に応じて反射光や透過光が変化するように、パルスコードホイール２７に機能を盛り込むことにより、簡単な構造でインクリメンタル信号とアブソリュート信号、そして原点位置を得るための原点信号を得ることができるようになるので、小型で安価なエンコーダが得られる。

以上述べたことは、反射型エンコーダについての要件であるが、本発明は上述した反射式光学エンコーダのみならず、発光素子と受光素子を対面的に配置したセンサモジュールの隙間に、パルスコードホイールを配置する透過式光学エンコーダにも応用が可能であり、各部要素に若干の変更を加えれば実施可能である。また、回転式に限らず反射式、透過式のリニアエンコーダも構成できることは勿論である。

光学式エンコーダの要部斜視図である。パルスコードホイールの底面図である。反射領域部の径方向長さが長い場合の測定原理の説明図である。反射領域部の径方向長さが短い場合の測定原理の説明図である。受光素子の出力信号の説明図である。処理回路図である。回転に伴う出力信号変化の説明図である。従来の反射式光学エンコーダの要部斜視図である。従来のパルスコードホイールの底面図である。従来のエンコーダの回路構成図である。

符号の説明

２２回転軸
２３発光素子
２４受光素子
２５処理回路
２６センサモジュール
２７パルスコードホイール
２９光学変調トラック
３０反射領域部
３１非反射領域部
Ｐ基準位置

Claims

発光素子と受光素子を有するセンサモジュールと、反射領域部と非反射領域部を交互に移動方向に沿って配置して成る光学変調トラックを有し、前記センサモジュールと相対移動可能なスケールとを備え、前記スケールと前記センサモジュールとの相対移動に伴う信号を得る光学式エンコーダにおいて、前記反射領域部又は（及び）前記非反射領域部の反射光量は前記パルスコードスケールの移動方向に沿って基準位置から徐々に変化するように構成し、前記反射領域部と前記非反射領域部の光量変化に基づいて前記移動方向と移動速度に応じた位相の変化した２相のインクリメンタル信号と、前記基準位置からの移動量に応じたアブソリュート信号とを得ることを特徴とする光学式エンコーダ。
前記パルスコードスケールは円板状とし、前記反射領域部と非反射領域部を円周方向に沿って配置したことを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
前記アブソリュート信号は前記反射領域部の径方向長さを前記円周方向に沿って変化することにより検出する請求項２に記載の光学式エンコーダ。
前記アブソリュート信号は前記反射領域部の反射率を前記移動方向に沿って変化させることによって検出することを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
前記アブソリュート信号は前記非反射領域部の非反射率を前記移動方向に変化することにより検出することを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
前記アブソリュート信号は前記反射領域部と非反射領域部のコントラスト比を前記移動方向に沿って変化することにより検出することを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。