JP2006329783A - インクリメンタルエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】二つのゼロインデックスのうちどちらを検出したかを確実に認識でき、かつ、測定点の角度を正確に測定できるインクリメンタルエンコーダの提供。
【解決手段】メインスケール２１がスリットとして形成された回転可能なディスク２と、このディスクに対応して光を遮光かつ透過可能な第１のマスク３及び第２のマスク４と、発光部５１、６１及び受光部５２、６２を有する第１の検出手段５及び第２の検出手段６とを備え、ディスク２は、メインスケール２１と異なるトラックの二箇所に形成されたスリット状のゼロインデックス２２、２３と、このゼロインデックスに対応し、かつ、ゼロインデックスと異なるトラックに形成された一以上の排他的パターン２４、２５とを有し、マスク３、４は、メインスケール２１、二箇所のゼロインデックス２２、２３及び排他的パターン２４、２５に対応したスリットを有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、測量機の角度測定等に用いられるインクリメンタルエンコーダに関する。

従来、回転検出や位置検出にエンコーダが広く用いられている。エンコーダには原理上アブソリュート形とインクリメンタル形とがある。
アブソリュート形はエンコーダがいったん機械に組み込まれると、入力回転軸のゼロ位置が定まり、常にゼロ位置を座標原点にした回転角度がデジタルで出力される。これに対してインクリメンタル形では基準とする位置でカウンタの計数値をリセットし、その位置からのパルス数をカウンタで累積加算するため、基準位置を任意に選ぶことができるようになっており、一回転につき一回だけ発生するＺ相信号を原点用の信号としている。

このようなインクリメンタルエンコーダとして、メインスケールが形成されたディスクと、サブスケールが形成されたマスクと、これらディスク及びマスクを挟むように配置され、発光部及び受光部を有する検出手段とを備えたインクリメンタルエンコーダであって、ディスク及びマスクに、メインスケール及びサブスケールとは異なるトラックに基準位置検出のためのゼロインデックスがそれぞれ形成されているものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このゼロインデックスは、ディスク及びマスクに１つ設けられている場合と、二つ１８０°対向した位置に設けられている場合がある。
測定点の角度は、ゼロインデックスが１つ設けられているものの場合、ゼロインデックスから測定点までの角度と、ゼロインデックスから１８０°対向した位置にある仮のゼロインデックスから測定点までの角度とを足して２で割ることにより求めている。

また、ゼロインデックスが二つ１８０°対向した位置に設けられているものの場合、その二つのゼロインデックスを同時に検出する２カ所の検出手段が設けられており、第１のゼロインデックスから測定点までの角度と、第２のゼロインデックスから測定点までの角度とを足して２で割ることにより測定点の角度を求めている。

特開平０８−１７８７００号公報

しかしながら、上記ディスク及びマスクに１つのゼロインデックスが設けられているインクリメンタルエンコーダでは、周囲の温度上昇によってディスク及びマスクに膨張や歪み等の変形が生じ、ゼロインデックスから１８０°対向した位置にある仮のゼロインデックスの位置がずれるため、正確に測定点の角度を測定することができないといった問題がある。

また、上記ディスク及びマスクにゼロインデックスが二つ１８０°対向した位置に設けられているインクリメンタルエンコーダでは、温度上昇によるディスク及びマスクの変形の影響は小さいものの、検出手段によって二つのゼロインデックスのうちどちらのゼロインデックスを検出したのかが判断できない場合や、誤って認識してしまう場合があり、これらの場合、測定点の角度が正反逆になってしまうことがあるという問題がある。

そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、検出手段によって二つのゼロインデックスのうちどちらのゼロインデックスを検出したかを確実に認識でき、測定点の角度を正確に測定することができるインクリメンタルエンコーダを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のインクリメンタルエンコーダのうち請求項１記載の発明は、メインスケールがスリットとして形成された回転可能なディスクと、スリットに対応して光を遮光かつ透過可能なマスクと、ディスク及びマスクを挟むように配置され、発光部及び受光部を有する検出手段と、を備えたインクリメンタルエンコーダにおいて、ディスクは、メインスケールと異なるトラックの二箇所に形成されたスリット状のゼロインデックスと、ゼロインデックスに対応し、かつ、ゼロインデックスと異なるトラックに形成された一以上の排他的パターンとを有し、マスクは、メインスケール、二箇所のゼロインデックス及び排他的パターンに対応したスリットを有しており、検出手段は、メインスケールを検出する第１検出部と、ゼロインデックスを検出する第２検出部と、排他的パターンを検出する第３検出部とを有していることを特徴とするものである。

また請求項２記載の発明は、メインスケールがスリットとして形成された回転可能なディスクと、スリットに対応して光を遮光かつ透過可能なマスクと、ディスク及びマスクを挟むように配置され、発光部及び受光部を有する検出手段と、を備えたインクリメンタルエンコーダにおいて、ディスクは、メインスケールと異なるトラックの二箇所に形成された排他的パターンであるスリット状のゼロインデックスを有し、マスクは、メインスケール及び二箇所のゼロインデックスに対応したスリットを有しており、検出手段は、メインスケールを検出する第１検出部と、ゼロインデックスを検出する第２検出部とを有していることを特徴とするものである。

また請求項３記載の発明は、上記構成に加え、ゼロインデックスの一方がディスクの円周上の外側に位置し、他方が円周上の内側に位置することにより反転パターンとしたことを特徴とする。
さらに請求項４記載の発明は、ゼロインデックスがランダム系列であることを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、排他的パターンは検出手段による出力が中心部に光量のピークを形成するパターンであることを特徴とする。

本発明によれば、ディスク及びマスクが、基準位置検出のためのゼロインデックスと排他的パターンに対応したスリットとを有しているため、温度上昇等によりディスク及びマスクが変形しても、ゼロインデックス及び排他的パターンのスリットにより基準位置を確実に認識でき、正確に測定点の角度を測定することができる。
また、ゼロインデックスの他に排他的パターンのスリットを有しているため、二つのゼロインデックスが同形状の場合であっても、第３検出部によるスリット検出の結果によって、二つのゼロインデックスのうちどちらのゼロインデックスを検出したかを確実に認識でき、測定点の角度を正確に測定することができる。

また、二つのゼロインデックスを異なる形状にすれば、さらに精度良くゼロインデックスを認識でき、測定点の測定角度が正反逆となることがない。
なお、前記ゼロインデックスが前記排他的パターンのスリットを兼ねると共に、前記第２検出部が前記第３検出部を兼ねるようにしても良い。

本発明のインクリメンタルエンコーダは、メインスケールがスリットとして形成された回転可能なディスクと、このディスクに対応して光を遮光かつ透過可能な第１のマスク及び第２のマスクと、発光部及び受光部を有する第１の検出手段及び第２の検出手段とを備え、ディスクは、メインスケールと異なるトラックの二箇所に形成されたスリット状のゼロインデックスと、このゼロインデックスに対応し、かつ、ゼロインデックスと異なるトラックに形成された一以上の排他的パターンとを有し、第１のマスク及び第２マスクは、メインスケール、二箇所のゼロインデックス及び排他的パターンに対応したスリットを有しており、検出手段は、メインスケールを検出する第１検出部と、ゼロインデックスを検出する第２検出部と、排他的パターンを検出する第３検出部とを有している。
さらに本発明のインクリメンタルエンコーダでは、ゼロインデックスが排他的パターンを兼ねるとともに、第２検出部が第３検出部を兼ねるようにしてもよい。

以下、図１〜図６に基づき、実質的に同一又は対応する部材には同一符号を用いて本発明によるインクリメンタルエンコーダの好適な実施の形態を説明する。
図１を参照して、本実施形態のインクリメンタルエンコーダ１は、光学式インクリメンタルエンコーダであり、ディスク２と、第１のマスク３と、第２のマスク４と、このディスク２及び第１のマスク３又は第２のマスク４を挟むように配置された第１の光学式検出手段５と第２の光学式検出手段６とを備えている。
一般に、第１のマスク３及び第２マスク４を固定した状態でディスク２を回転させるが、装置の構成によっては逆であっても良い。

図１及び図２を参照して、ディスク２には、メインスケール２１と、二つのゼロインデックス２２、２３と、二つの光学的に排他的な排他的パターン２４、２５とが形成されている。
メインスケール２１は、最も外側の円周上にくまなく形成された矩形状のスリットであって等間隔の格子目盛で構成されている。

二つのゼロインデックス２２、２３は、原点用の基準位置検出のために設けられた矩形状のスリットであり、メインスケール２１よりも内側のトラックの１８０°対向した位置に設けられている。
本実施形態ではゼロインデックス２２とゼロインデックス２３とは同一円周上に形成されているが、同一円周上でなくてもよく、異なる半径の円周上であってもよい。
このとき、一のゼロインデックスに対応したマスク及び光量を検出する手段と、他のゼロインデックスに対応したマスク及び光量を検出する手段とを用意する必要がある。

ゼロインデックス２２、２３は、それぞれ異なるランダム系列Ｍ１、Ｍ２で構成されており、互いに異なるパターン配列となっている。
したがって、ゼロインデックス２２とゼロインデックス２３とは異なるランダム系列であるため、検出手段５、６の光学的パターンが異なり互いが誤認されることはない。

二つの光学的に排他的パターン２４、２５は矩形状のスリットであり、ゼロインデックス２２、２３よりも内側の２トラックにそれぞれ形成されており、二つのゼロインデックス２２、２３と出力信号が同じ位相になるようにそれぞれ形成されている。
図２に示すように二つの排他的パターン２４、２５は円周上の外側と円周上の内側とに、動径方向に位置をずらした矩形状スリットとして形成されており、光学的に反転パターンを作っている。
光の断続により生じるパターンは中心部分に光量のピークを持たせるように形成するのがよく、例えばスリットを矩形状にすればよい。

第１のマスク３と第２のマスク４とは、ディスク２に対向して円周上の１８０°をなす位置に設けられており、第１のマスク３及び第２マスク４には、ディスク２のメインスケール２１のトラックに対向する矩形状のスリットであるサブスケール３１、４１と、ゼロインデックス２２、２３のトラックに対向する矩形状のスリットであるサブゼロインデックス３２、４２と、排他的パターン２４、２５の２トラックに対向する矩形状のスリットであるサブパターン３３、４３とがそれぞれ形成されている。

第１のマスク３のサブスケール３１とサブゼロインデックス３２とサブパターン３３とは出力信号が同じ位相のパターンとして形成されており、同様に、第２のマスク４のサブスケール４１とサブゼロインデックス４２とサブパターン４３とは出力信号が同じ位相のパターンとして形成されている。
第１の検出手段５（第２の検出手段６）は、ディスク２及び第１のマスク３（第２のマスク４）を挟むように、第１のマスク３（第２のマスク４）に対向する位置に固設され、発光部５１（発光部６１）と、受光部５２（受光部６２）とをそれぞれ有している。
発光部５１、６１は受光部５２、６２の各検出部に対応した複数の発光素子を有している。
なお、（）内の構成はそれぞれ第２の検出手段６に対応した構成を示す。

第１の検出手段５の受光部５２は、図３（ａ）に示すように、メインスケール２１を検出する第１検出部５ａと、ゼロインデックス２２を検出する第２検出部５ｂと、排他的パターン２４を検出する第３検出部５ｃとを有している。
同様に、第２の検出手段６の受光部６２は、図３（ｂ）に示すように、メインスケール２１を検出する第１検出部６ａと、ゼロインデックス２３を検出する第２検出部６ｂと、排他的パターン２５を検出する第３検出部６ｃとを有している。

第１の検出手段における第１検出部５ａは、ディスク２に形成されたメインスケール２１の格子目盛りパターンを、発光部５１から照射されてメインスケール２１とサブスケール３１とが重なることにより通過する光の断続として検出し、この光の断続を受光する第１検出部５ａにより光電変換してパルスとして出力し、このパルスをカウントすることによりメインスケール２１が回転した角度を計測する。
なお、後述する第１のゼロ点を検出したとき第１のカウンタ（図示せず）をリセットし、カウントを開始するようになっている。

また、第２の検出手段における第１検出部６ａは、ディスク２に形成されたメインスケール２１の格子目盛りパターンを、発光部６１から照射されてメインスケール２１とサブスケール４１とが重なることにより通過する光の断続として検出し、この光の断続を受光する第１検出部６ａにより光電変換してパルスとして出力し、このパルスをカウントすることによりメインスケール２１が回転した角度を計測する。
なお、後述する第２のゼロ点を検出したとき第２のカウンタ（図示せず）をリセットし、カウントを開始するようになっている。

第１の検出手段における第２検出部５ｂは、ディスク２に形成されたゼロインデックス２２を、発光部５１から照射されてゼロインデックス２２とサブゼロインデックス３２とが重なることにより通過する光の断続として検出し、この光の断続を受光する第２検出部５ｂにより光電変換して電気信号として出力し、この電気信号を検出することにより第１のゼロ点を検出するようになっている。

また、第２の検出手段における第２検出部６ｂは、ディスク２に形成されたゼロインデックス２３を、発光部６１から照射されてゼロインデックス２３とサブゼロインデックス４２とが重なることにより通過する光の断続として検出し、この光の断続を受光する第２検出部６ｂにより光電変換して電気信号として出力し、この電気信号を検出することにより第２のゼロ点を検出するようになっている。この電気信号をパルスに整形して第２のゼロ点リセット用信号として第２のカウンタをリセットする。

第１の検出手段における第３検出部５ｃは、ディスク２に形成された排他的パターン２４を、発光部５１から照射されて排他的パターン２４とサブパターン３３とが重なることにより通過する光の有無として検出し、この光の有無を受光する第３検出部５ｃにより光電変換してパルスとして出力し、このパルスを検知することにより第１のゼロ点を検出するようになっている。

また、第２の検出手段における第３検出部６ｃは、ディスク２に形成された排他的パターン２５を、発光部６１から照射されて排他的パターン２５とサブパターン４３とが重なることにより通過する光の有無として検出し、この光の有無を受光する第３検出部６ｃにより光電変換してパルスとして出力し、このパルスを検知することにより第２のゼロ点を検出するようになっている。

このような構成の本実施形態では、第１の検出手段における第２検出部５ｂが第１のゼロ点を検出し、かつ、第１の検出手段における第３検出部５ｃが第１のゼロ点を検出したとき、第２検出部５ｂの電気信号をパルスに整形して第１のゼロ点リセット用信号として第１のカウンタをリセットする。
さらに、第２の検出手段における第２検出部６ｂが第２のゼロ点を検出し、かつ、第２の検出手段における第３検出部６ｃが第２のゼロ点を検出したとき、第２検出部６ｂの電気信号をパルスに整形して第２のゼロ点リセット用信号として第２のカウンタをリセットする。

このように本実施形態ではそれぞれのゼロ点信号で独立してインクリメンタル目盛のカウンタをリセットし、それぞれのカウント値から角度値を計算して両者の平均を取る処理をＣＰＵで行っている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
本実施形態に係るインクリメンタルエンコーダ１を用いて測角する場合、まず、ディスク２１を回転させて基準位置検出を行う。
具体的には、ディスク２１を回転させると、第１の検出手段５の第２検出部５ｂがディスク２のゼロインデックス２２を検出し、第３検出部５ｃがディスク２の排他的パターン２４を検出する。
このとき、同時に第２の検出手段６の第２検出部６ｂがディスク２のゼロインデックス２３を検出し、第３検出部６ｃがディスク２の排他的パターン２５を検出する。

上述したように、ディスク２上のゼロインデックスと排他的パターンとは異なるトラックに形成されているので、第１の検出手段の第３検出部５ｃ及び第２の検出手段の第３検出部６ｃがどちらの排他的パターン２４、２５を検出したかを確実に認識できる。
したがって、基準位置検出後の測角において、測角値が正反逆になるおそれがない。

さらに第１の検出手段においてディスク２のゼロインデックス２２と第１のマスクのサブゼロインデックス３２とが重なり第１のゼロ点を検出し、かつ、ディスク２の排他的パターン２４と第１のマスクのサブパターン３３とが重なり第１のゼロ点を検出したときにのみゼロ点として判断するようにすれば、ゼロ点の判断が正確になり、正反逆に判断することがなくなる。
なお、第２の検出手段において第２のゼロ点を検出したときも同様である。

さらに、本実施形態では、排他的パターン２４、２５のスリットを矩形状としたが、これに限定されるものではなく、対応する二つのゼロインデックス２２、２３を区別して認識できればどのような形状であっても良い。例えば、図４に示すように、楔形のスリット２６、２７としても良い。

また、上記実施形態では、排他的パターン２４、２５を２箇所に設けたが、これに限定されるものではなく、対応する二つのゼロインデックス２２、２３を区別して認識できれば何カ所に設けても良い。
例えば、図５に示すようにゼロインデックス２３側にのみ１箇所に排他的形状のスリット２８を設け、スリット２８の検出の有無によって対応する二つのゼロインデックス２２、２３を区別して認識しても良い。

さらに、三つ以上のトラックにそれぞれ排他的パターンのスリットを設けると共に、それら排他的パターンのスリットを検出可能な検出手段を設け、それら排他的パターンのスリットの検出の有無によって二つのゼロインデックス２２、２３を区別して認識しても良い。

また、上記実施形態では、ゼロインデックス２２、２３と排他的パターン２４、２５とを別個に設けたが、これらを統合し、図６に示すように、二つのゼロインデックス２２、２３を互いに異なるトラック上に形成し、上記実施形態における排他的パターン２４、２５の機能を持たせるようにしても良い。
このときディスク２上のゼロインデックス２２、２３がそれぞれ排他的パターン２４、２５を兼ねるとともに、第２検出部が第３検出部を兼ねるようにする。

本発明のインクリメンタルエンコーダでは二つのゼロインデックスのうちどちらのゼロインデックスを検出したか確実に認識できるので、カウンタの計数値をリセットする基準とする位置を決定するのに極めて有用である。

本発明の実施の形態に係るインクリメンタルエンコーダを示す斜視図 メインスケールを示す平面図 インクリメンタルエンコーダを示す断面図 他の実施の形態におけるメインスケールを示す平面図 他の実施の形態におけるメインスケールを示す平面図 他の実施の形態におけるメインスケールを示す平面図

符号の説明

２…ディスク、３…第１のマスク、４…第２のマスク、５…第１の検出手段、
６…第２の検出手段、２１…メインスケール、２２、２３…ゼロインデックス、
２４、２５…排他的パターン、３１、４１…サブスケール、
３２、４２…サブゼロインデックス、３３、４３…サブパターン

Claims (5)

1. メインスケールがスリットとして形成された回転可能なディスクと、このスリットに対応して光を遮光かつ透過可能なマスクと、これらディスク及びマスクを挟むように配置され、発光部及び受光部を有する検出手段と、を備えたインクリメンタルエンコーダにおいて、
   上記ディスクは、上記メインスケールと異なるトラックの二箇所に形成されたスリット状のゼロインデックスと、このゼロインデックスに対応し、かつ、ゼロインデックスと異なるトラックに形成された一以上の排他的パターンとを有し、
   上記マスクは、上記メインスケール、上記二箇所のゼロインデックス及び上記排他的パターンに対応したスリットを有しており、
   上記検出手段は、上記メインスケールを検出する第１検出部と、上記ゼロインデックスを検出する第２検出部と、上記排他的パターンを検出する第３検出部とを有していること、を特徴とするインクリメンタルエンコーダ。
2. メインスケールがスリットとして形成された回転可能なディスクと、このスリットに対応して光を遮光かつ透過可能なマスクと、これらディスク及びマスクを挟むように配置され、発光部及び受光部を有する検出手段と、を備えたインクリメンタルエンコーダにおいて、
   上記ディスクは、上記メインスケールと異なるトラックの二箇所に形成された排他的パターンであるスリット状のゼロインデックスを有し、
   上記マスクは、上記メインスケール及び上記二箇所のゼロインデックスに対応したスリットを有しており、
   上記検出手段は、上記メインスケールを検出する第１検出部と、上記ゼロインデックスを検出する第２検出部とを有していること、を特徴とするインクリメンタルエンコーダ。
3. 前記ゼロインデックスの一方が前記ディスクの円周上の外側に位置し、他方が円周上の内側に位置することにより反転パターンとしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のインクリメンタルエンコーダ。
4. 前記ゼロインデックスがランダム系列であることを特徴とする請求項１〜３に記載のインクリメンタルエンコーダ。
5. 前記排他的パターンは前記検出手段による出力が中心部に光量のピークを形成するパターンであることを特徴とする請求項１〜４に記載のインクリメンタルエンコーダ。
   

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