JP2007024793A - Rotary encoder - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はロータリエンコーダに関するものであり、特に、モータなどの被回転測定物の回転速度(角速度)や回転角変位を高精度に測定できるロータリエンコーダに関するものである。 The present invention relates to a rotary encoder, and more particularly to a rotary encoder that can measure the rotational speed (angular speed) and rotational angular displacement of a measurement object such as a motor with high accuracy.
従来、モータなどの回転体の速度測定を行う場合、光学式ロータリエンコーダやタコジェネレータを用いるのが一般的である。例えば、図5に示すように、光学式ロータリエンコーダ1は、円周方向に複数のスリット2aが等間隔で形成された回転スリット板2を備え、この回転スリット板2の回転軸3は、カップリング4を介して、モータ5側の軸6に一体回転可能に連結されている。更に、回転スリット板2を挟む両側には、発光素子(LED)7と2個一対の光検出器8が配置され、該光検出器8と回転スリット板2の間には、2個のスリット9aを有する固定スリット板9が設けられている。
Conventionally, when measuring the speed of a rotating body such as a motor, an optical rotary encoder or a tachometer is generally used. For example, as shown in FIG. 5, the optical rotary encoder 1 includes a rotating slit plate 2 in which a plurality of
そして、エンコーダ側回転軸3がモータ側軸6と一体に回転する時、発光素子7からの光Lは、回転スリット板2のスリット2a及び固定スリット板9のスリット9aを通った後、光検出器8によって受光される。これにより、回転軸3の回転状態に応じたパルス列が、光検出器8の検出部から電気的に出力され、モータ側軸6の回転角変位が測定される。さらに、この回転角変位を時間で微分処理することにより、モータ側軸6の回転速度(角速度)が求められる(例えば、特許文献1参照)。尚、光検出器8で検出されるパルス信号波形10の一例を、図6に示す。
しかしながら、従来の光学式ロータリエンコーダによれば、被回転測定物であるモータ5の軸6の回転速度が一定値以下に低下すると、転速度の測定精度が著しく低下する。つまり、光学式ロータリエンコーダで回転速度を測定する際は、回転角変位を検出した後に、微分(差分)処理を行う必要があるが、特に、モータ側軸6の回転速度が非常に低速になった場合、回転軸3が回転していても、光Lが回転スリット板2のスリット2aを通過しない時期があるために、回転角変位及び回転速度の測定誤差が大きくなるという欠点が避けがたい。
However, according to the conventional optical rotary encoder, when the rotational speed of the shaft 6 of the motor 5 that is the object to be rotated is lowered to a certain value or less, the measurement accuracy of the rotational speed is remarkably lowered. That is, when measuring the rotational speed with the optical rotary encoder, it is necessary to perform differential (difference) processing after detecting the rotational angular displacement. In particular, the rotational speed of the motor side shaft 6 becomes very low. In this case, there is a time when the light L does not pass through the
ここで、測定誤差を小さくするには、例えば、回転スリット板2に刻設するスリット2aの数を多くすることが考えられるが、この場合、スリット2aの数が多くなると、かなり精度の高い加工技術を必要とし、コスト高を招く。
Here, in order to reduce the measurement error, for example, it is conceivable to increase the number of
一方、タコジェネレータは、非常に正確な速度検出器であるが、原理的には電磁誘導を利用しているため、回転低速領域でのノイズが大きく、S/N比の改善が難しい。従って、タコジェネレータにおいても、光学式ロータリエンコーダと同様に、低速回転領域での測定精度・分解能が低下するという問題があった。 On the other hand, the tacho generator is a very accurate speed detector. However, since it uses electromagnetic induction in principle, the noise in the low speed rotation region is large and it is difficult to improve the S / N ratio. Therefore, the tachometer generator has a problem that the measurement accuracy and resolution in the low-speed rotation region are lowered, as in the optical rotary encoder.
そこで、被回転測定物が低速の場合でも、高い測定精度・分解能で測定できるようにするために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明は該課題を解決することを目的とする。 Therefore, even when the object to be rotated is at a low speed, a technical problem to be solved in order to enable measurement with high measurement accuracy and resolution arises, and the present invention aims to solve the problem. To do.
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項1記載の発明は、被回転測定物に一体回転可能に取り付けられる回転体と、該回転体の一側面にレーザ光を照射するレーザ発光素子と、該レーザ発光素子からの出射光と前記回転体からの反射散乱光とを受光するレーザ受光素子とを備え、該レーザ受光素子によって出力されるビート信号に基づいて前記被回転測定物の回転速度を測定するように構成したロータリエンコーダを提供する。 The present invention has been proposed in order to achieve the above object, and the invention according to claim 1 is a rotating body attached to a rotating measurement object so as to be integrally rotatable, and a laser beam is applied to one side surface of the rotating body. A laser light emitting element for irradiating; and a laser light receiving element for receiving the emitted light from the laser light emitting element and the reflected scattered light from the rotating body. The laser light receiving element is based on a beat signal output by the laser light receiving element. A rotary encoder configured to measure the rotational speed of a rotational measurement object is provided.
この構成によれば、上記レーザ発光素子から回転体、レ−ザ受光素子にレーザの光が照射され、回転体に照射された光は、回転体の表面で散乱して、その散乱光の一部がレーザ発光素子側に戻る。このレーザ発光素子側に戻った散乱光は、レーザ発光素子の自己混合効果が生じレーザ出射光が変調される。他方、該レ−ザ受光素子には、レーザ発光素子からの照射光が直接入射される。このため、レ−ザ受光素子の検出部には、レーザの自己混合効果により、回転体の速度に応じたビート周波数を有するビート信号波形が出力される。このビート周波数に基づいて、被回転測定物の回転速度が測定される。 According to this configuration, the laser light is irradiated from the laser light emitting element to the rotating body and the laser light receiving element, and the light irradiated to the rotating body is scattered on the surface of the rotating body, and one of the scattered lights. The part returns to the laser light emitting element side. The scattered light returning to the laser light emitting element side causes a self-mixing effect of the laser light emitting element, and the laser emission light is modulated. On the other hand, irradiation light from the laser light emitting element is directly incident on the laser light receiving element. For this reason, a beat signal waveform having a beat frequency corresponding to the speed of the rotating body is output to the detector of the laser light receiving element due to the self-mixing effect of the laser. Based on this beat frequency, the rotation speed of the object to be rotated is measured.
請求項2記載の発明では、上記回転体は、被回転測定物にカップリングを介して接続される回転軸に取り付けられている請求項1記載のロータリエンコーダを提供する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the rotary encoder according to the first aspect, wherein the rotating body is attached to a rotating shaft connected to the object to be rotated via a coupling.
この構成によれば、回転体は回転軸に取り付けられ、この回転軸はカップリングを介して、モータ軸などの被回転測定物に接続される。つまり、被回転測定物へのロータリエンコーダの脱着は、カップリングを介して自在に行われ、多種類の被回転測定物に柔軟に対応しうる。 According to this configuration, the rotating body is attached to the rotating shaft, and the rotating shaft is connected to the measurement object such as the motor shaft via the coupling. That is, the rotary encoder can be attached to and detached from the measurement object to be rotated freely through the coupling, and can be flexibly adapted to various types of measurement objects to be rotated.
請求項3記載の発明では、上記回転体は、被回転測定物に直接取り付けられる請求項1記載のロータリエンコーダを提供する。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the rotary encoder according to the first aspect, wherein the rotating body is directly attached to the object to be rotated.
この構成によれば、回転体は、被回転測定物に直接取り付けられるので、回転体と被回転測定物の間に連結部材を設ける必要がない。 According to this configuration, since the rotating body is directly attached to the measured object to be rotated, there is no need to provide a connecting member between the rotating object and the measured object to be rotated.
請求項4記載の発明では、上記レ−ザ受光素子は、上記レーザ発光素子の背面側に内蔵されている請求項1,2又は3記載のロータリエンコーダを提供する。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the rotary encoder according to the first, second or third aspect, wherein the laser light receiving element is built in the back side of the laser light emitting element.
この構成によれば、レ−ザ受光素子PDを背面側に配置してなるレーザ発光素子LDが使用される。従って、回転体の表面で散乱反射した光の一部は、レーザ発光素子LDで帰還混合され、周波数(光波長)が変化する。即ち、散乱光は、光のドップラ効果により周波数偏移して、出射光と散乱光の周波数差が生じ、その差がレーザ発光素子LD内部でビート周波数を生ずる。 According to this configuration, the laser light emitting element LD in which the laser light receiving element PD is disposed on the back side is used. Accordingly, part of the light scattered and reflected on the surface of the rotating body is feedback-mixed by the laser light emitting element LD, and the frequency (light wavelength) changes. That is, the scattered light is frequency-shifted by the Doppler effect of light, and a frequency difference between the emitted light and the scattered light is generated, and the difference generates a beat frequency inside the laser light emitting element LD.
請求項1記載の発明は、従来に比べて高精度・高分解能での速度検出と変位検出が行えるという優れた効果がある。即ち、従来の回転スリット板又は電磁誘導を利用したものとは異なり、レーザのドップラ効果を利用するので、被回転測定物が非常に低速で回転しているときでも、被回転測定物の回転速度及び回転角変位を正確かつ安定して測定することができる。また、回転体には多数のスリットを刻設する必要がないので、高精度なスリット加工技術を要せず生産コストが低減する。特に、自己混合効果を利用して測定するので、光学系が非常に簡単になる。 The invention described in claim 1 has an excellent effect of being able to detect speed and displacement with higher accuracy and higher resolution than in the prior art. That is, unlike the conventional rotating slit plate or the one using electromagnetic induction, the Doppler effect of the laser is used, so that the rotational speed of the rotational measurement object is rotated even when the rotational measurement object is rotating at a very low speed. In addition, the rotational angular displacement can be measured accurately and stably. In addition, since it is not necessary to engrave a large number of slits in the rotating body, high-precision slit machining technology is not required and production cost is reduced. In particular, since the measurement is performed using the self-mixing effect, the optical system becomes very simple.
請求項2記載の発明は、被回転測定物へのロータリエンコーダの脱着はカップリングを介して行われるので、請求項1記載の発明の効果に加えて、被回転測定物を変更する場合でも、ロータリエンコーダの脱着作業を容易迅速に行うことができる。 In the invention described in claim 2, since the rotary encoder is attached to and detached from the measurement object to be rotated through the coupling, in addition to the effect of the invention described in claim 1, even when the measurement object to be rotated is changed, The rotary encoder can be attached and detached easily and quickly.
請求項3記載の発明は、回転体と被回転測定物の間には、特別な連結部材を別途取り付ける必要がないので、請求項1記載の発明の効果に加えて、部品点数が削減して、構成の簡易・小型化及び低コストか可能になる。 According to the invention described in claim 3, since it is not necessary to separately attach a special connecting member between the rotating body and the object to be rotated, in addition to the effect of the invention described in claim 1, the number of parts is reduced. Therefore, it is possible to simplify the configuration, reduce the size, and reduce the cost.
請求項4記載の発明は、散乱反射光がレーザ発光素子で帰還混合されるので、請求項1,2又は3記載の発明の効果に加えて、光学系のシンプル化が可能になるという特有のメリットを有する。 In the invention described in claim 4, since the scattered reflected light is feedback mixed by the laser light emitting element, in addition to the effect of the invention described in claim 1, 2 or 3, the optical system can be simplified. Has merit.
本発明による最良の形態は、被回転測定物の回転速度が低くなっても、高い測定精度・分解能を確保するという目的を達成するために、被回転測定物に一体回転可能に取り付けられる回転体と、この回転体の一側面にレーザ光を照射するレーザ発光素子と、該レーザ発光素子からの出射光と前記回転体からの反射散乱光とを受光するレーザ受光素子とを備え、このレーザ受光素子によって出力されるビート信号に基づいて、被回転測定物の回転速度を測定するように構成したことを特徴とする。 The best mode according to the present invention is a rotating body attached to a rotating measurement object so as to be integrally rotatable in order to achieve the object of ensuring high measurement accuracy and resolution even when the rotation speed of the rotating measurement object is low. A laser light emitting element that irradiates one side surface of the rotating body with laser light, and a laser light receiving element that receives light emitted from the laser light emitting element and reflected / scattered light from the rotating body. The rotational speed of the object to be rotated is measured based on the beat signal output by the element.
ロータリエンコーダの回転体は、これを被回転測定物に直接結合する直接連結方式と、被回転測定物にカップリング連結される回転軸に回転体を結合する間接連結方式とがある。前者では、回転体と被回転測定物との間に連結用部材を設ける必要がないため、シンプルなコンパクト構造が可能になる。また、後者では、被回転測定物へのロータリエンコーダの取付け取外しはカップリングで行うため、例えばサイズの異なる被回転測定物にロータリエンコーダを取り替える際、カップリングのみで容易に対応でき、仕様の異なる回転体を多種類用意する必要はない。 The rotary body of the rotary encoder includes a direct connection system in which the rotary body is directly coupled to the measurement object to be rotated and an indirect connection system in which the rotation body is coupled to a rotation shaft coupled to the measurement object to be rotated. In the former, since it is not necessary to provide a connecting member between the rotating body and the object to be rotated, a simple compact structure is possible. In the latter case, since the rotary encoder is attached to and detached from the rotating measurement object using a coupling, for example, when the rotary encoder is replaced with a rotating measurement object of a different size, it can be easily handled only by the coupling, and the specifications are different. There is no need to prepare many types of rotating bodies.
以下、本発明の一実施例を図1乃至図3に従って説明する。本実施例では、フォトセンサPD内蔵型レーザダイオードLDを用いて、光のドップラ効果に基づく半導体レーザの自己混合効果により、被回転測定物の回転速度及び回転角変位を測定する。この場合、被回転測定物の速度が低いときでも高精度な測定を行うべく、レーザの回転体に対する照射角度と、回転体の回転中心からレーザスポットまでの距離を、設計値として一定に固定する。なお、被回転測定物は一例として、モータの回転軸を挙げるが、回転体を一体回転可能に連結できるものであれば、これに限定されず全て適用しうる。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. In this embodiment, the rotational speed and rotational angular displacement of the object to be rotated are measured by the self-mixing effect of the semiconductor laser based on the Doppler effect of light using the laser diode LD with a built-in photosensor PD. In this case, the irradiation angle of the laser to the rotating body and the distance from the rotation center of the rotating body to the laser spot are fixed as design values in order to perform highly accurate measurement even when the speed of the object to be rotated is low. . In addition, although the rotating shaft of a motor is mentioned as an example as a to-be-rotated measurement object, if a rotary body can be connected so that integral rotation is possible, it will not be limited to this but all are applicable.
図1及び図2は、本実施例に係るロータリエンコーダの構成を示す説明図、図2は図1のロータリエンコーダの取り付け状態を示す正面図である。図2において、11は被回転測定物であるモータ12の回転シャフト(以下、モータ軸という。)であり、このモータ軸11の一端部側にはカップリング13を介して、回転軸14が一体回転可能に取り付けられている。
1 and 2 are explanatory views showing the configuration of the rotary encoder according to the present embodiment, and FIG. 2 is a front view showing an attached state of the rotary encoder of FIG. In FIG. 2,
15はレーザドップラ速度計(またはレーザドップラ流速計)LDVであり、回転軸14、モータ軸11の回転角変位、回転速度を測定するものである。ロータリエンコーダ15は、回転体である回転円板16を備え、この回転円板16は、回転軸14の中間部に同芯上に取り付けられている。回転円板16の一側表面は、所要の光反射率を有する材料、例えばポリカーボネート樹脂等のプラスチック材料、又はアルミニウム等の金属材料から形成され、回転円板16にはスリットは1つも形成されていない。
A laser Doppler velocimeter (or laser Doppler velocimeter)
図1に示すように、回転円板16の一面側(図2では左側)の所定位置には、フォトセンサ(光検出器)PDを背面側に内蔵してなるレーザダイオード(レーザ発光素子LD)17が設けられ、レーザダイオード17は、回転軸14の側方に配置した光学素子用取付け部材18に固定されている。又、レーザダイオード17は、回転円板16表面の鉛直線19に対して、所定の相対角(照射角度θ≠0)をなすように取り付けられ、レーザダイオード17から発せられるレーザ光Lが、回転円板16の外周辺縁部側の所定位置に照射されるよう構成されている。
As shown in FIG. 1, a laser diode (laser light emitting element LD) in which a photosensor (photodetector) PD is built in the back side at a predetermined position on one side (left side in FIG. 2) of the
回転円板16の回転中心、即ち、回転軸14の軸心Cとレーザ照射点Pとの間の距離rは、予め定めた一定値に設定されている。レーザダイオード17の回転円板16と他面側(図2では左側)には、前述のフォトセンサPDが内蔵されている。フォトセンサPDはレーザダイオード17の後端面側からの出射光を受光する。後端面側からの出射光は、レーザダイオード17の前端面側から発せられて回転円板16表面で散乱された反射光とレーザダイオード17からの出射光とがレーザダイオード17の自己混合効果によって変調された光である。なお、前記照射角度θは、ここでは10°〜15°に設定されているが、回転円板16表面から反射される散乱光をフォトセンサPDで効率よく受光できれば、特に限定されない。
The rotational center of the
次に、実施例の測定原理について説明するが、ここでは、フォトセンサPD内蔵型レーザダイオード17の両端面から、波長λのレーザ光Lが発せられるものとして説明する。いま、モータ軸11が回転すると、カップリング13を介して、回転軸14及び回転円板16が一体に回転する。すると、レーザダイオード17からのレーザ光Lが、回転中の回転円板16の一側表面における所定の領域、すなわち、回転中心Cから距離rだけ離れた位置Pに照射角度θで照射される。
Next, the measurement principle of the embodiment will be described. Here, it is assumed that the laser light L having the wavelength λ is emitted from both end faces of the
そして、回転円板16の所定位置Pに照射された光は、その一部がレーザダイオード17側に戻り、自己混合効果によってレーザ光が変調される。その変調された光がレーザダイオード17の後端面側に内蔵されたフォトセンサPDによって受光される。この場合、フォトセンサPDには、レーザダイオード17の後端面から発せられた光も直接入射する。
A part of the light irradiated to the predetermined position P of the
その結果、フォトセンサPDの検出部のAC出力には、半導体レーザの自己混合効果により、図3に示すような微小なビート信号20が現れる。このビート信号波形20のビート周波数fd 、回転円板16の角速度ω及び所定位置P上の速度Vは、(式1)、(式2)及び(式3)で表される。図3中、符号Tは周期を示す。
As a result, a
(式1):fd =(2V・sinθ)/λ
(式2):ω=fd ・λ/(2r・sinθ)
(式3):V=r・ω
依って、このビート周波数fd を検出することにより、回転軸14、すなわち、モータ軸11の回転速度(角速度)が測定される。また、このビート信号の単位時間あたりの数をカウントすることにより、モータ軸11の回転角変位(相対変位)も高精度に測定される。
(Formula 1): f d = (2 V · sin θ) / λ
(Formula 2): ω = f d · λ / (2r · sin θ)
(Formula 3): V = r · ω
Therefore, by detecting the beat frequency f d , the rotational speed (angular speed) of the
ここに、半導体レーザの自己混合効果とは、半導体レーザを移動物体(回転体)に照射した際、その移動物体で散乱した光の一部が半導体レーザに戻り、レーザ出力にビート(うねり)信号が現れる。このビート信号の周波数は、移動物体によるドップラシフト周波数に等しくなる。これにより、複雑な光学系を構成しなくとも、ドップラシフトしたビート信号の測定が可能になる。 Here, the self-mixing effect of a semiconductor laser means that when a moving object (rotating body) is irradiated with a semiconductor laser, part of the light scattered by the moving object returns to the semiconductor laser and a beat (swell) signal is output to the laser output. Appears. The frequency of the beat signal is equal to the Doppler shift frequency due to the moving object. This makes it possible to measure a Doppler-shifted beat signal without configuring a complicated optical system.
このように、本実施例は、レーザダイオード17からのレーザ光を回転円板16に照射し、その際、回転円板16表面で散乱した光の一部がレーザダイオード17に戻り、フォトセンサPDに現れるビート信号を検出することにより、回転軸14及びモータ軸11の速度測定を高精度・光分解能で行うことができる。また、ビート信号の単位時間あたりの数をカウントすることにより、高精度な回転角変位測定が可能になる。さらに、半導体レーザの自己混合効果の利用により、光学系構成要素が非常に簡易になり、ロータリエンコーダの小型化、低コスト化が可能になる。
As described above, in this embodiment, the
前記実施例では、モータ軸11にカップリング13を介して回転軸14を連結し、この回転軸14にロータリエンコーダ15を取り付けて、モータなどの被回転測定物の回転速度等を測定する、所謂外付け型測定方式のものを一例に挙げたが、本発明は、ロータリエンコーダ15を被回転測定物に内蔵して使用することも可能である。
In the above-described embodiment, the
図4は、例えば、DCサーボモータ21に本発明のロータリエンコーダ15を内蔵した他の実施例を示すものである。同図において、22は固定子側マグネット23の内側に設けられたロータであり、ロータ22の回転シャフト(被回転測定物)24の一端側部分には、本発明のロータリエンコーダ15が取り付けられている。ロータリエンコーダ15の構成は、前記実施例と同様であるので、図2と同じ構成要素にはそれと同じ符号を付して、その説明を省略する。
FIG. 4 shows another embodiment in which, for example, the
本実施例は、ロータリエンコーダ15の回転円板16が、ロータ22の回転シャフト24に直接取り付けられているので、カップリングが不要になり、もって、より一層の構造の簡易化ないし小型・コンパクト化が図れる。
In this embodiment, since the
本発明は、現在の光学式ロータリエンコーダ又はタコジェネレータが使用されている分野、例えば、産業用ロボットを設置したファクトリーオートメーション分野などにも幅広く適用でき、従来型光学式ロータリエンコーダ又はタコジェネレータに置き換えて、本発明のロータリエンコーダ15を使用することができる。
The present invention can be widely applied to fields where current optical rotary encoders or tachometers are used, for example, factory automation fields where industrial robots are installed. The
尚、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。 It should be noted that the present invention can be variously modified without departing from the spirit of the present invention, and the present invention naturally extends to the modified ones.
1 光学式ロータリエンコーダ
2 回転スリット板
2a スリット
3 回転軸
4 カップリング
5 モータ
6 軸
7 発光素子(LED)
8 光検出器
9 固定スリット板
9a スリット
10 パルス信号波形
11 モータ軸(被回転測定物)
12 モータ
13 カップリング
14 回転軸
15 ロータリエンコーダ
16 回転円板(回転体)
17 レーザダイオード(PD内蔵型レーザ発光素子LD)
18 光学素子用取付け部材
19 鉛直線
20 ビート信号
21 DCサーボモータ
22 ロータ
23 マグネット
24 回転シャフト(被回転測定物)
θ 照射角度
L 光(レーザ)
V 回転速度(角速度)
C 軸芯
P 照射位置(レーザスポット)
r 距離(半径)
PD フォトセンサ(レーザ受光素子)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical rotary encoder 2
8
12
17 Laser diode (PD built-in type laser light emitting element LD)
18 Optical
θ Irradiation angle L Light (laser)
V Rotational speed (angular speed)
C Axis core P Irradiation position (laser spot)
r Distance (radius)
PD photo sensor (laser photo detector)
Claims (4)
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