JP2007064818A - 光学式エンコーダ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】拡散光源3と、相対回転する2つの部材の一方に固定された回転ディスク1と、他方に固定され、光源3と回転ディスク1との間に間隙を介して配置された固定スケール2A、2Bと、回転ディスク上に形成された回転スリット11と、固定スケール2A、2B上に形成された光源スリット22A、22Bとインデックススリット23Bと、受光素子4A、4Bとを備えた光学式エンコーダにおいて、光源3を回転ディスク1の回転中心線上に配置し、光源スリット22A、22Bとインデックススリット3A、23Bと受光素子4A、4Bが、回転ディスク1の回転中心に対して点対称な位置に配置されている光源3を回転中心の延長線上に配置した。
【選択図】 図1
Description
図6において、1は回転ディスク、2A、2Bは固定スケール、3A、3Bは光源、4A、4Bは受光素子で構成されており、前記回転ディスク1上には回転スリット11が設けられており、前記固定スケール2A、2B上にはそれぞれ固定スリット21A、21Bが設けられている。前記固定スケール2Aと前記固定スリット21A、前記光源3A、前記受光素子4Aの組み合わせと、前記固定スケール2Bと前記固定スリット21B、前記光源3B、前記受光素子4Bの組み合わせは、回転ディスク1の回転中心を挟む対称位置に設けられており、前記受光素子4Aからの検出信号VAと前記受光素子4Bからの検出信号VBは同位相で検知するように設定されている。
モータ等の回転体と連結した回転軸5の回転により前記回転ディスク1が回転すると、前記固定スケール2A、2B上の前記固定スリット21A、21Bを透過する光量が変化し、前記受光素子4Aの検出信号VAと前記受光素子4Bの検出信号VBの信号も変化する。この検出信号VAと検出信号VBを図示しない回路により加算合成して検出出力Vを出力するようになっている。
上記構成では、機械的な誤差等によって回転中心と前記回転ディスク1の中心がずれ偏心していると、前記回転ディスク1が回転した際に前記受光素子4Aからの検出信号VAと前記受光素子4Bからの検出信号VBには差が生ずる。機械的な誤差が生じる方向として、前記固定スリット21A、21Bの配置に対して直交する方向に偏心する場合と、前記固定スリット21A、21Bの配置に対して平行な方向に偏心する場合が考えられるが、エンコーダの誤差の要因として大きいのは図7に示すように前記固定スリット21A、21Bの配置に対して直交する方向に偏心する場合である。
したがって、前記受光素子4Aからの検出信号VAと前記受光素子4Bからの検出信号VBを加算合成することにより、図8に示すように前記検出信号VAと前記検出信号VB の位相変位を平均化した検出出力Vを得ることができる。
このようにして従来の光学式エンコーダは、回転中心に対する回転ディスクの偏心に起因する出力信号の誤差を補正していた。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、回転中心に対する回転ディスクの偏心に起因する出力信号の誤差を補正できるとともに、装置構成が簡単でかつ小型化が可能な光学式のエンコーダを提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、拡散光を射出する光源と、相対的に回転する2つの部材の一方の部材に固定された回転ディスクと、他方の部材に固定され、前記光源と前記回転ディスクとの間に間隙を介して配置された固定スケールと、前記回転ディスク上に形成された回転スリットと、前記固定スケール上に形成された光源スリットとインデックススリットと、受光素子とを備え、前記受光素子の出力である検出信号の変動から前記2つの部材の相対的角度変位を検出する光学式エンコーダにおいて、
前記光源が、前記回転ディスクの回転中心線上に配置され、前記光源スリットと前記インデックススリットと前記受光素子が、前記回転ディスクの回転中心に対して点対称な位置に1組以上配置されていることを特徴とするものである。
また請求項2に記載の発明は、拡散光を射出する光源と、相対的に回転する2つの部材の一方の部材に固定された回転ディスクと、他方の部材に固定され、前記光源と前記回転ディスクとの間に間隙を介して配置された固定スケールと、前記回転ディスク上に形成された回転スリットと、前記固定スケール上に形成された光源スリットとインデックススリットと、受光素子とを備え、前記受光素子の出力である検出信号の変動から前記2つの部材の相対的角度変位を検出する光学式エンコーダにおいて、前記光源が、前記回転ディスクの回転中心線上に配置され、前記光源スリットと前記インデックススリットと前記受光素子が、前記回転ディスクの回転中心に対して環状に配置されていることを特徴とするものである。
また、請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3記載の光学式エンコーダにおいて、前記回転スリット、前記光源スリット、前記インデックススリットがそれぞれ形成された面を回転スリット面、光源スリット面、インデックススリット面とし、前記光源から光源スリット面、回転スリット面、インデックススリット面の順序で互いに平行に仮想的に配置したとき、
前記光源と前記光源スリット面間の距離をL1、
前記光源スリット面と前記回転スリット面間の距離をL2、
前記回転スリット面と前記インデックススリット面間の距離をL3、
前記光源からの任意の光線が前記回転スリットに入射する点と前記回転ディスクの回転中心との距離をrR、
前記光源からの前記任意の光線が前記光源スリットに入射する点と前記回転ディスクの回転中心との距離をrL、
前記光源からの前記任意の光線が前記インデックススリットに入射する点と前記回転ディスクの回転中心との距離をrI、
回転スリットの1回転当たりのスリット数をNR、
光源スリットの1回転当たりのスリット数をNL、
インデックススリットの1回転当たりのスリット数をNI
とすると、
NL=(rL/rR)NR
NI=(rI/rR)NR
の関係が成立することを特徴とするものである。
また、請求項5記載の発明は、請求項1乃至3記載の光学式エンコーダにおいて、前記回転スリット、前記光源スリット、前記インデックススリットがそれぞれ形成された面を回転スリット面、光源スリット面、インデックススリット面とし、前記光源から光源スリット面、回転スリット面、インデックススリット面の順序で互いに平行に仮想的に配置したとき、
前記光源と前記光源スリット面間の距離をL1、
前記光源スリット面と前記回転スリット面間の距離をL2、
前記回転スリット面と前記インデックススリット面間の距離をL3、
前記光源からの任意の光線が前記回転スリットに入射する点と前記回転ディスクの回転中心との距離をrR、
前記光源からの前記任意の光線が前記光源スリットに入射する点と前記回転ディスクの回転中心との距離をrL、
前記光源からの前記任意の光線が前記インデックススリットに入射する点と前記回転ディスクの回転中心との距離をrI、
回転スリットの1回転当たりのスリット数をNR、
光源スリットの1回転当たりのスリット数をNL、
インデックススリットの1回転当たりのスリット数をNI
とすると、
NL=(rL/2rR)NR
NI=(rI/2rR)NR
の関係が成立することを特徴とするものである。
また、請求項2に記載の発明によると、全周計測することができるので、回転中心に対する回転ディスクの偏心に起因する出力信号の誤差をより正確に補正できる。
また、請求項3に記載の発明によると、3格子光学システムが適用できるように、3つのスリットのスリットピッチを選択できるので、高S/N比の信号を得ることができ、より正確に回転中心に対する回転ディスクの偏心に起因する出力信号の誤差を補正できる。
また、請求項4に記載の発明によると、3格子光学システムの回折効果システムの光学系になるので、高S/N比の信号を得ることができ、より正確に回転中心に対する回転ディスクの偏心に起因する出力信号の誤差を補正できる。
また、請求項5に記載の発明によると、3格子光学システムの幾何光学システムの光学系になるので、高S/N比の信号を得ることができ、より正確に回転中心に対する回転ディスクの偏心に起因する出力信号の誤差を補正できる。
前記固定スケール2Aとその上に形成された前記光源スリット22Aとインデックススリット23Aおよび前記受光素子4Aの組み合わせと、前記固定スケール2Bとその上に形成された前記光源スリット22Bとインデックススリット23Bおよび前記受光素子4Bの組み合わせは、回転ディスク1の回転中心を挟む対称位置に設けられており、前記受光素子4Aからの検出信号VAと前記受光素子4Bからの検出信号VBは同位相で検知するように設定されている。
本発明が特許文献1と異なる部分は、基本光学系として3格子光学系(詳細は、
SPIC Vol.136 1st European Congress On Optics Applied to Metrology (1977),pp.325-332参照)を用いており、その光源である前記拡散光源3を、回転ディスクの回転中心線上に配置している点である。
前記拡散光源3から射出された拡散光は、前記光源スリット22Aを透過し前記回転ディスク1の上部を、前記光源スリット22Bを透過し前記回転ディスク1の下部を照射する。前記回転ディスク1の上部の前記回転スリット11で反射した光は、前記インデックススリット23Aをその一部が透過し、前記受光素子4Aに入射する。前記回転ディスク1の下部の前記回転スリット11で反射した光は、前記インデックススリット23Bをその一部が透過し、前記受光素子4Bに入射する。前記受光素子4Aの検出信号VAと前記受光素子4Bの検出信号VBを、図示しない回路により加算合成して、回転軸5の回転変位量に応じた検出出力Vを出力するようになっている。
また、本発明のエンコーダは、従来のエンコーダと同様に回転ディスク1の回転中心を挟む対称位置に設けられた前記受光素子4Aと前記受光素子4Bから、それぞれ検出信号VAとVBが得られるので、回転中心に対する回転ディスクの偏心に起因する出力信号の誤差を補正することができる。
上記のように、本発明のエンコーダは3格子光学系を用いて構成しているので、その光源として拡散光源を用いることが可能である。したがって、回転ディスク1の回転中心を挟む対称位置に設けた2箇所の検出部に対して、回転ディスクの回転中心線上に配置した1つの光源から光を照射することができる。そのため、本実施例の光学式エンコーダは、光源が1つしかなく装置構成が簡単でかつ小型化が可能な構成で、回転中心に対する回転ディスクの偏心に起因する出力信号の誤差を補正することができる。
また、反射型エンコーダとして構成できるので、光源から受光素子まで全ての部材を回転ディスクに対して一方方向に集約して配置できることも、装置構成の簡略化や小型化に適している。
図1では、受光素子を4A、4Bの2つのみ記述しているが、回転方向検出あるいは差動検出のために、位相が所定量だけ異なる位置に、受光素子を追加できる。必要に応じて位相をずらしたインデックススリットを設けてもよい。
また、インデックススリット23A、23Bと受光素子4A、4Bとは、それぞれ別々に設けずに、受光素子4A、4B自体に、インデックススリット23A、23B相当のスリットパターンを施してもよい。
また、図1では前記受光素子4Aからの検出信号VAと前記受光素子4Bからの検出信号VBは同位相で検知するように設定されているが、これらの位相を所定量だけずらして、偏心補正に使用せずに回転方向の検出や差動検出のみに用いてもよい。回転ディスクの回転中心線上に光源を配置し、その周辺にインデックススリットや受光素子を集約できるので、装置構成が小型化できるという本発明の効果を活かすことができる。
また、図3の受光素子4A、4B、4C、4Dのように、回転ディスク1の回転中心に対して等間隔にできるだけ多くの受光素子を設けた方が、偏心補正に対する効果は大きい。
本発明は、このように受光素子の数を増やす場合でも、光源の数を増やす必要がないという効果がある。
本発明が特許文献1と異なる部分は、回転スリット2とインデックススリット23と受光素子4Oが、前記回転ディスクの回転中心に対して環状に配置されている点である。
受光素子4Oは、フォトダイオードやフォトトランジスタなど直接光電変換できるデバイスを配置してもかまわないし、光ファイバ、プリズムなどの各種導光路を環状に配置して光電変換するデバイスは別の場所に設けてもよい。
上記構成により、完全全集計測が可能となり、回転ディスクの偏心に起因する出力信号の誤差をさらに正確に補正できる。
拡散光源3から照射された光は、図のように広がるので、三角比の関係から、
rL={L1/(L1+L2)}rR ・・・(1)
rI={(L1+2L2)/(L1+L2)}rR ・・・(2)
なる関係が成立する。
そのため、回転スリット面8R上に回転中心から放射状に形成した回転スリット11の幾何学的な像は、(1)式の関係で光源スリット面8L上に、(2)式の関係でインデックススリット面8I上に、それぞれ回転中心から放射状に現れる。
したがって、前記回転スリット、前記光源スリット、前記インデックススリットは回転中心から放射状に形成している。
一方、3格子光学系による像は、回折干渉現象により生じるので、拡散光源3から照射された任意の光路上の、前記回転スリット、前記光源スリット、前記インデックススリットのピッチが等しいことが望まれる。拡散光源を用いているので、(1)、(2)式より、
rL<rR<rI
なる関係なので、前記回転スリット、前記光源スリット、前記インデックススリットのピッチを等しくするように、本実施例では1周あたりの本数を各スリット毎に変えて形成している。
したがって、3格子光学システムが適用できるように、3つのスリットのスリットピッチを選択できるので、高S/N比の信号を得ることができ、より正確に回転中心に対する回転ディスクの偏心に起因する出力信号の誤差を補正できる。
NL=(rL/rR)NR ・・・(3)
NI=(rI/rR)NR ・・・(4)
なる関係で、各スリットを形成したものである。
したがって、3格子光学システムの理想状態の1つである回折効果システムの光学系を構成でき、回転スリットの1ピッチ分の角度変位に対して2周期の検出信号が、高S/N比で得ることができる。信号のS/N比が改善できるので、回転ディスクの偏心に起因する出力信号の誤差の補正精度も向上できる。
NL=(rL/rR)NR ・・・(5)
NI=(rI/rR)NR ・・・(6)
なる関係で、各スリットを形成したものである。
したがって、3格子光学システムの理想状態の1つである幾何光学システムの光学系を構成でき、回転スリットの1ピッチ分の角度変位に対して1周期の検出信号が、高S/N比で得ることができる。信号のS/N比が改善できるので、回転ディスクの偏心に起因する出力信号の誤差の補正精度も向上できる。
また、回転ディスクの回転中心線上に光源を配置し、その周辺にインデックススリットや受光素子を集約できるので、偏心補正をおこなわない通常のエンコーダの小型化にも適用できる。
11 回転スリット
2 固定スケール
21A、21B 固定スリット
22、22A、21B 光源スリット
23、23A、21B インデックススリット
3 光源
4 受光素子
5 回転軸
Claims (5)
- 拡散光を射出する光源と、相対的に回転する2つの部材の一方の部材に固定された回転ディスクと、他方の部材に固定され、前記光源と前記回転ディスクとの間に間隙を介して配置された固定スケールと、前記回転ディスク上に形成された回転スリットと、前記固定スケール上に形成された光源スリットとインデックススリットと、受光素子とを備え、前記受光素子の出力である検出信号の変動から前記2つの部材の相対的角度変位を検出する光学式エンコーダにおいて、
前記光源が、前記回転ディスクの回転中心線上に配置され、前記光源スリットと前記インデックススリットと前記受光素子が、前記回転ディスクの回転中心に対して点対称な位置に1組以上配置されていることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 拡散光を射出する光源と、相対的に回転する2つの部材の一方の部材に固定された回転ディスクと、他方の部材に固定され、前記光源と前記回転ディスクとの間に間隙を介して配置された固定スケールと、前記回転ディスク上に形成された回転スリットと、前記固定スケール上に形成された光源スリットとインデックススリットと、受光素子とを備え、前記受光素子の出力である検出信号の変動から前記2つの部材の相対的角度変位を検出する光学式エンコーダにおいて、
前記光源が、前記回転ディスクの回転中心線上に配置され、前記光源スリットと前記インデックススリットと前記受光素子が、前記回転ディスクの回転中心に対して環状に配置されていることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 前記回転スリット、前記光源スリット、前記インデックススリットのスリット形状が、それぞれ前記回転ディスクの回転中心から放射状に形成されるとともに、1周あたりの本数が異なることを特徴とする請求項1または2記載の光学式エンコーダ。
- 前記回転スリット、前記光源スリット、前記インデックススリットがそれぞれ形成された面を回転スリット面、光源スリット面、インデックススリット面とし、前記光源から光源スリット面、回転スリット面、インデックススリット面の順序で互いに平行に仮想的に配置したとき、
前記光源と前記光源スリット面間の距離をL1、
前記光源スリット面と前記回転スリット面間の距離をL2、
前記回転スリット面と前記インデックススリット面間の距離をL3、
前記光源からの任意の光線が前記回転スリットに入射する点と前記回転ディスクの回転中心との距離をrR、
前記光源からの前記任意の光線が前記光源スリットに入射する点と前記回転ディスクの回転中心との距離をrL、
前記光源からの前記任意の光線が前記インデックススリットに入射する点と前記回転ディスクの回転中心との距離をrI、
回転スリットの1回転当たりのスリット数をNR、
光源スリットの1回転当たりのスリット数をNL、
インデックススリットの1回転当たりのスリット数をNI
とすると、
NL=(rL/rR)NR
NI=(rI/rR)NR
の関係が成立することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の光学式エンコーダ。 - 前記回転スリット、前記光源スリット、前記インデックススリットがそれぞれ形成された面を回転スリット面、光源スリット面、インデックススリット面とし、前記光源から光源スリット面、回転スリット面、インデックススリット面の順序で互いに平行に仮想的に配置したとき、
前記光源と前記光源スリット面間の距離をL1、
前記光源スリット面と前記回転スリット面間の距離をL2、
前記回転スリット面と前記インデックススリット面間の距離をL3、
前記光源からの任意の光線が前記回転スリットに入射する点と前記回転ディスクの回転中心との距離をrR、
前記光源からの前記任意の光線が前記光源スリットに入射する点と前記回転ディスクの回転中心との距離をrL、
前記光源からの前記任意の光線が前記インデックススリットに入射する点と前記回転ディスクの回転中心との距離をrI、
回転スリットの1回転当たりのスリット数をNR、
光源スリットの1回転当たりのスリット数をNL、
インデックススリットの1回転当たりのスリット数をNI
とすると、
NL=(rL/2rR)NR
NI=(rI/2rR)NR
の関係が成立することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の光学式エンコーダ。
Priority Applications (1)
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JP2005251899A JP2007064818A (ja) | 2005-08-31 | 2005-08-31 | 光学式エンコーダ |
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