JP2007155635A - ロータリエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】抵抗分割回路を用いることなく角度検出スリットから受光素子で位相の異なる２種類以上の出力値を得ることが可能なロータリエンコーダの提供。
【解決手段】被検出軸に連結された回転ディスク板と、この回転ディスク板の周方向に所定角度間隔で複数配置された角度検出スリットと、上記回転ディスク板に少なくとも１つ配置された原点検出スリットと、上記角度検出スリット及び上記原点検出スリットを挟んで互いに対向するように配置した光源及びこの光源からの光を光電変換する複数の受光素子と、上記各受光素子からの出力信号を矩形波信号として外部に出力する出力波形整形回路とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、産業機器、民生機器その他各種被検出軸の回転角度を検出するロータリエンコーダに係わり、詳細には被検出軸に連結した回転ディスク板を挟んでＬＥＤなどの光源とホトダイオードなどの受光素子を対向配置し、回転ディスク板に形成した透光スリットを受光素子で検出して電気的に出力する際に出力信号を細密化することの可能なロータリエンコーダに関する。

一般に、この種のロータリエンコーダは、被検出軸に回転ディスク板を連結し、この回転ディスク板に所定角度間隔で複数の透光スリットを形成し、この透光スリットを挟んで光源と受光素子を対向配置している。そして、光源から透光スリットを通過した光を受光素子で光電変換して矩形波に変換し、パルス信号として外部装置に出力し、外部装置では連続するパルス信号を累積加算或いは減算して被検出軸の角度位置を検出する光学式インクリメンタルロータリエンコーダが広く知られている。

このようなロータリエンコーダでは被検出軸の角度位置を検出する単位（分解能）は回転ディスク板のトラック上に形成される透光スリット数によって定められ、この分解能を向上させる為には透光スリットの数を増やす機械的方法と、受光素子で検出した信号を電気的に逓倍する電気的方法が知られている。機械的方法は透光スリットの幅と間隔を小さくしてスリットの数を増加する方法が採られているが、金属板を用いた場合、スリット間隔或いは幅を小さくすると回転ディスク板が歪み易く機械的強度に問題が生じ、また、ガラス板を用いた場合においても、クロム蒸着等の精度から問題が生じることが知られている。

また、回転ディスク板のトラック上に多数の透光スリット（以下角度検出スリットと云う）を配列する為に回転ディスク板の外径を大きくすると装置の大型化を招くことも知られている。そこで、電気的に受光素子の検出値を２倍或いは４倍に逓倍する方法が例えば特許文献１（特開２００３−２４０６０７号公報）などで提案されている。同文献には受光素子から出力された出力値を抵抗で分割する抵抗分割回路が提案されている。

つまり角度検出スリットからの通過光を互いに位相の異なる第１、第２の受光素子で検出し、その検出値を増幅器で増大した後、比較器で参照値と比較して矩形波出力をＡ相、Ｂ相出力として出力する。このときＡ相、Ｂ相の出力値を例えば可変抵抗で調整して矩形波を５０％Ｄｕｔｙで整形するようにしているが、特許文献１に示される電気抵抗分割回路では例えば９０度の位相差のＡ相、Ｂ相から４５度位相のズレたＣ相、Ｄ相を電気的信号として４種類の位相差の矩形波を出力するようにしている。
特開２００３−２４０６０７号公報

上述のように角度検出スリットを通過した光を受光素子で検出し、前掲特許文献１で知られている抵抗分割回路で２逓倍或いは４逓倍に分割すると次の問題が生じる。まず、抵抗分割回路の各抵抗値の誤差により抵抗分割後の出力値が期待通りに位相をシフトすることができない。また、受光素子からのアナログ信号をコンパレータで矩形波形に変換する際、コンパレータにチャタリング現象が生ずるのを防止するため帰還抵抗を設けるとヒステリシス電圧の影響でデューティ５０％の矩形波を生成することが出来ず、その結果逓倍後の出力波形に誤差が生ずる。

そこで本発明は上記の問題を解決し、抵抗分割回路を用いることなく角度検出スリットから受光素子で位相の異なる所定数の出力値を得ることが可能であり、これと同時に矩形波出力をコンパレータで波形整形する際に例えばデューティ５０％の正しい波形を得ることが可能なロータリエンコーダの提供をその課題としている。

本発明は上記課題を解決するため、次の構成を特徴として備える。被検出軸に連結された回転ディスク板と、この回転ディスク板の周方向に所定角度間隔で複数配置された角度検出スリットと、上記回転ディスク板に少なくとも１つ配置された原点検出スリットと、上記角度検出スリット及び上記原点検出スリットを挟んで互いに対向するように配置した光源及びこの光源からの光を光電変換する複数の受光素子と、上記光源から受光素子に至る光路中に配置された固定ディスク板と、上記各受光素子からの出力信号を矩形波信号として外部に出力する出力波形整形回路とを備える。

そして上記複数の受光素子を第１乃至第５の受光素子で構成し、その第１の受光素子は、上記複数の角度検出スリットから所定周期の角度検出信号をＡ相信号として出力し、第２の受光素子は、上記Ａ相信号と異なる位相のＢ相信号を出力し、第３及び第４の受光素子は、上記角度検出スリットから上記Ａ相信号及びＢ相信号と異なる位相のＣ相信号及びＤ相信号を出力し、上記第５の受光素子は、上記原点検出スリットから原点位置信号をＺ相信号として出力するように配列する。

また、出力波形整形回路は、上記第１乃至第４の受光素子からの出力値をそれぞれ個別に増幅する増幅器とこの増幅器からの信号を矩形波形に変換するコンパレータとから構成し、この各増幅器と並列に可変抵抗を配置して上記各コンパレータに至る電流を増減調整して上記Ａ相信号乃至Ｄ相信号のデューティを調節可能にする。これによって少なくとも４つの異なる位相の出力信号として出力することが出来、分解能を２逓倍或いは４逓倍に高精細化することができ、矩形波に整形する際も各出力値を可変抵抗で調整することによって正確なデューティのパルス信号を得ることが出来る。

なお、各出力値は例えば電気角をＡ相信号の立上がり位置を０度とするとき、Ｂ相信号はＡ相信号に対して９０度、Ｃ相信号は４５度、Ｄ相信号は１３５度の位相差で出力するように第１乃至第４の受光素子を配列することが好ましい。更に、前記出力波形整形回路は、前記Ａ相信号とＢ相信号の論理和回路及び／又は前記Ｃ相信号とＤ相信号の論理和回路を含む出力回路によって逓倍周波数の出力信号を得ることが出来る。

本発明は、回転ディスク板に形成した角度検出スリットから位相が異なる少なくとも４つの受光素子でそれぞれ検出し、これらの受光素子の出力値を論理和回路で逓倍周波数の出力を得たものであるから例えば従来受光素子からの出力値を抵抗分割回路で逓倍していたのに比べ、抵抗値の誤差の影響を受けることがなく高精度に位相差を確保した波形を出力することができる。また、波形逓倍に必要な少なくとも４つの受光素子の信号をすべて可変抵抗で個々に調整することによってコンパレータで矩形波出力を得る際に、比較回路に生ずるヒステリシス電圧による直流バイアス電圧の影響を加味したＤｕｔｙ調整が可能となり、逓倍後の出力波形の精度を向上させることが可能であるなど、高精度で高分解能なロータリエンコーダを提供することができる。

以下図示の好適な実施の形態に基づいて本発明を詳述する。図１及び図２はロータリエンコーダの基本的な構成を示し、図１はその概念図、図２は各構成要素の詳細を示す断面図である。一般にロータリエンコーダは図１に示すように被検出軸（図示せず）に連結する回転ディスク板１３を設け、この回転ディスク板１３に周方向に所定間隔で複数の角度検出スリット１３１を設ける。そしてこの角度検出スリット１３１を挟んで、その一方に発光素子１７を他方に受光素子１４を対向配置する。

そして、発光素子１７から角度検出スリット１３１を通過した光を受光素子１４で検出し、この受光素子１４の出力信号を波形処理回路で矩形波に変換して外部装置に出力する。このように回転ディスク板１３の周方向のトラックに等間隔に形成した角度検出スリット１３１を受光素子１４で検出し、その出力値を累積加算して被検出軸（図示せず）の回転角度位置を検知するようにしてインクリメンタル式ロータリエンコーダを構成する。そこで回転ディスク板１３には回転の起点を検出する原点検出用の透光スリット（以下原点検出スリットと云う）１３２を設け、回転ディスク板１３の起点を検出し、外部装置で例えば累積カウンタ値をリセットする等の処理を施す。

上記角度検出スリット１３１と原点検出スリット１３２とは回転ディスク板１３に配置され、この両スリットを挟んで発光素子１７と受光素子１４とが対向する位置に配置される。回転ディスク板１３は金属薄板にホトエッチング加工などでスリットを形成して角度検出スリット１３１及び原点検出スリット１３２を構成するか、或いはガラス板に蒸着加工でスリットを被膜形成するか、何れかの方法を用いる。前者はトラック上に形成するスリットの数に限界があり、低分解能であるが耐衝撃性に富み、後者は高分解能が得られる特徴がある。

このように回転ディスク板１３には角度検出スリット１３１と原点検出スリット１３２が形成され、この回転ディスク板１３と発光素子１７との間には固定スリット板１６が設けられている。この固定スリット板１６には角度検出スリット１３１の透過光を所定周期で受光素子に投射するスリット１６１ａと、これと異なる位相（図示のものは電気角９０度異なる位置）で受光素子に投射するスリット１６１ｂが形成されている。

次に発光素子１７及び受光素子１４について説明すると、発光素子１７はＬＥＤなどの発光ダイオードから構成されている。発光素子１７としては角度検出スリット１３１及び原点検出スリット１３２に均一な光量の平行光を照射することが好ましい。このように発光素子１７から受光素子１４に至る光路を平行光にすると回転ディスク板１３と固定スリット板１６との位置関係を正確に検出することが可能となる。

次に受光素子１４について図８に基づいて説明する。受光素子１４はホトダイオードなどの半導体受光素子で構成される。通常、この受光素子１４はＮ形のベース部材上にＰ形の受光領域と遮光マスキング領域を形成する薄膜で形成される。図８に受光領域を示し、図示１４ａ−及び１４ａ＋（第１の受光素子）は角度検出信号（パルス信号）を発するＡ相信号を、図示１４ｂ−及び１４ｂ＋（第２の受光素子）は同じくＢ相信号を出力するようにそれぞれ異なる角度位置、図示のものは電気角９０度の位相差を形成する位置に配置されている。また、Ａ相信号及びＢ相信号は差動比較するため、それぞれ電気角で１８０度隔てたプラス検出域とマイナス検出域を備えている。

特に図示のものはＡ相及びＢ相に加えて１４ｃ−及び１４ｃ＋（第３の受光素子）と、１４ｄ−及び１４ｄ＋（第４の受光素子）の検出域を備えＣ相、Ｄ相の信号を出力するようになっている。これは、発光素子の光を平行光とすることで有効照射範囲を広くすることが出来、且つ位置関係を正確に検出できることが可能となったことによるものであり、その結果、従来Ａ相及びＢ相とＺ相の６個の光検出素子が限界であったのに対し、Ｃ相とＤ相を追加し合計１０個の受光素子をアレイ状に構成することが可能となった為である。従って、波形整形後出力される検出値はそれぞれの電気角がＡ相信号の立上がり位置をゼロ度とすると、Ｂ相信号はＡ相信号に対しては９０度、Ｃ相信号は４５度、Ｄ相信号は１３５度（マイナス４５度）位相が異なることとなる。

以上説明したロータリエンコーダの各構成相互の関係について図２に基づいてこれを説明する。図示のエンコーダは、装置フレームを構成するスピンドル基盤１１０ａ、１１０ｂと、回転軸１２と、回転ディスク板１３と、回路基板１４０と、ケーシング１５０で構成されている。スピンドル基盤１１０ａは円柱状或いは多角形筒状など適宜形状にアルミ合金その他の金属で堅牢に構成し、この基盤１１０ａの中心には回転軸１２を嵌合支持する軸孔１１２を設け、ベアリング１１１ａ、１１１ｂで回転軸１２を回転自在に支持する。回転軸１２は基端部に被検出軸（図示せず）とカップリング継手で連結され、その軸端にはハブ１２１が設けられ、このハブ１２１は回転軸１２と直交する平坦面を備え、この面に回転ディスク板１３を接合するようになっている。

また回転軸１２にはベアリング１１１ａのインナーレーサと係合する段差が設けられ、軸端には被検出軸（図示せず）と連結する継手を嵌合するＤカットが設けられている。このＤカットを基準に被検出軸の検出開始位置（角度位置）と回転軸１２に取付ける回転ディスク板１３の原点位置を位置合わせする。そこで前述の回転ディスク板１３は回転軸１２のハブ１２１に固定され、後述する方法で回転軸中心と透光スリット１３１の回転中心が一致するように調整され接着剤などで取付けられる。この回転ディスク板１３を介して受光素子１４と発光素子１７とが次のようにスピンドル基盤１１０に取付けられる。

まず受光素子１４はホトダイオードなどの光電変換素子で構成され、サブ基板１４２に組込まれ、このサブ基板１４２がメイン基板である回路基板１４０に半田付けなどで取付けられている。回路基板１４０には受光素子１４の検出値を増幅する増幅回路と、出力波形に変換する波形整形回路が組込まれている。この回路基板１４０がスピンドル基盤１１０ａに設けたステム１１３にビスで固定されている。図示のステム１１３は回転軸１２の周囲３ヶ所程度に設けられ、回路基板１４０を後述する方法で位置調節可能に固定している。

一方、発光素子１７はＬＥＤなどの光源ランプをスピンドル基盤１１０に次のように取付けてある。まずスピンドル基盤１１０は回転軸１２の軸方向上下に上部基盤１１０ａと下部基盤１１０ｂに２分割され、上部基盤１１０ａはアルミ合金など堅牢な材料で構成され、下部基盤１１０ｂは合成樹脂など加工性に富んだ材料で構成されている。そして上部基盤１１０ａには前述の軸孔１１２が穿設され、この軸孔１１２に前述の回転軸１２が軸受支持されている。またこの上部基盤１１０ａに軸方向の貫通孔１１４が穿設され、発光素子１７はこの貫通孔１１４に取付けてある。さらに上部基盤１１０ａには貫通孔１１４を覆うように固定スリット板１６が取付けてある。

下部基盤１１０ｂは中心に回転軸１２を嵌合する軸孔１１５と外周にシール取付溝１１８が設けてある。この下部基盤１１０ｂは合成樹脂のモールド成形で形成され、軸孔１１５にはシーリング部材１１６がインサート成形によって一体成形されている。つまり下部基盤１１０ｂは上部基盤１１０ａの貫通孔１１４を閉蓋するのと同時にシーリング部材１１６で回転軸１２との間隙を封止する。このように下部基盤１１０ｂとシーリング部材１１６とを一体に形成すると両者を個別に形成した場合と比べ組立性が向上するのと同時に密閉性も向上し外部から塵埃が侵入することがない。

次に波形整形回路について図３及び図４に基づいて説明する。ホトダイオードなどの受光素子１４には透光スリットを通過した光量に比例してアナログ電流が生起する。波形整形回路は各受光素子１４の出力電流を増幅する増幅回路ＥＯ１〜ＥＯ８と、この増幅回路ＥＯ１〜ＥＯ８からの出力値をそれぞれ差動比較して矩形波に整形する比較回路ＥＣ１〜ＥＣ４と、この矩形波を外部に出力する出力回路とから構成される。そこで前記第１の受光素子は１４ａ＋と１４ａ−で構成され、この１４ａ＋と１４ａ−は電気角で１８０°位相を異ならせてある。そしてそれぞれに出力値を増幅器ＥＯ１、ＥＯ２で増幅した後、１４ａ＋側の出力値がコンパレータＥＣ１のマイナス入力側に、１４ａ−側がコンパレータＥＣ１のプラス入力側に接続されている。そして１４ａ−側の増幅器ＥＯ２には可変抵抗Ｒ０１が設けてあり、増幅率を調整できるように成っている。

このように受光素子１４からの信号を増幅し、その増幅率は抵抗Ｒ０２で決定し、１４ａ−側の抵抗Ｒ０１を可変抵抗にすることによって結果的に直流バイアスを変化させることができる。このようにコンパレータで処理できるアナログ信号にしてからコンパレータＥＣ１に入力するが、そのままでは信号の大小関係が変わるときチャタリング（ノイズなどのために大小関係が不規則となる現象）を起こすので、コンパレータＥＣ１の出力から入力に抵抗Ｒ０３を設けてフィードバックをかけてヒステリシス特性を持たせている。

この場合ヒステリシスの影響で矩形波に変換するデューティが変化する。そこでコンパレータＥＣ１からの出力を可変抵抗Ｒ０１で調整してデューティ５０％の矩形波が得られるように抵抗値で調整する。なお、コンパレータＥＣ１の出力は抵抗Ｒ０４を介して電源に結線してあるが、これはコンパレータがＯＮのときＧＮＤレベル、ＯＦＦのとき電源レベルの電圧とするためである。そしてコンパレータＥＣ１でＡ相の出力が矩形波として出力され、９０度位相の異なるＢ相がコンパレータＥＣ２で、またＡ相と４５度位相の異なるＣ相がコンパレータＥＣ３で、１３５度位相の異なるＤ相がコンパレータＥＣ４でそれぞれ矩形波として出力される。このＡ相信号とＢ相信号の排他的論理和（ＡＢ＿ＸＯＲ）の逓陪信号Ａ’ｏｕｔが外部に出力される。同様にＣ相信号とＤ相信号の排他的論理和（ＣＤ＿ＸＯＲ）がＢ’ｏｕｔとして外部に出力される。このＡ’ｏｕｔ及びＢ’ｏｕｔの信号は、角度検出スリット幅の１／２幅の周期で分解能が２倍となる。

次に図５に基づいて、４逓倍時の出力波形を説明する。図５に於いて前述の２逓倍の時と同様に、Ａ相信号（０度）、Ｂ相信号（９０度）、Ｃ相信号（４５度）、Ｄ相信号（１３５度）の信号を取得し、それぞれ増幅器とコンパレータを経て矩形波に波形整形する。そしてＡＣ＿ＸＯＲ信号とＢＤ＿ＸＯＲ信号を構成する。つまりＡ相信号とＣ相信号の排他的論理和から求めた信号と、Ｂ相信号とＤ相信号の排他的論理和から求めた信号の論理和を求めて図示４逓倍後のＡ相信号として出力信号を合成する。同様に、これらの信号と４５度の１／２度位相の異なる信号を合成し、図示４逓倍後のＢ相信号を得る。

光学式エンコーダの基本的な原理の説明図。 本発明に係わるエンコーダ装置の各構成要素相互の関係を示す断面図。 本発明の実施回路図。（２逓倍） 本発明の出力波形図であり、２逓倍の場合を示す。 ４逓倍時の出力波形整形回路における出力波形図。 本発明に係わる受光素子、回転ディスク板、固定スリット板の位置関係を示す説明図。

符号の説明

１３ 回転ディスク板
１４ 受光素子
１４ａ＋、１４ａ− 第１の受光素子
１４ｂ＋、１４ｂ− 第２の受光素子
１４ｃ＋、１４ｃ− 第３の受光素子
１４ｄ＋、１４ｄ− 第４の受光素子
１４ｚ＋、１４ｚ− 第５の受光素子
１６ 固定スリット板
１７ 発光素子
１３１ 角度検出スリット
１３２ 原点検出スリット
ＥＯ１〜ＥＯ８ 増幅回路
ＥＣ１〜ＥＣ４ 比較回路（コンパレータ）

Claims (3)

1. 被検出軸に連結された回転ディスク板と、
   この回転ディスク板の周方向に所定角度間隔で複数配置された角度検出スリットと、
   上記回転ディスク板に少なくとも１つ配置された原点検出スリットと、
   上記角度検出スリット及び上記原点検出スリットを挟んで互いに対向するように配置した光源及びこの光源からの光を光電変換する複数の受光素子と、
   上記光源から受光素子に至る光路中に配置された固定ディスク板と、
   上記各受光素子からの出力信号を矩形波信号として外部に出力する出力波形整形回路とを備えたロータリエンコーダであって、
   上記複数の受光素子は、第１乃至第５の受光素子で構成され、
   上記第１の受光素子は、上記複数の角度検出スリットから所定周期の角度検出信号をＡ相信号として出力し、
   上記第２の受光素子は、上記Ａ相信号と異なる位相のＢ相信号を出力し、
   上記第３及び第４の受光素子は、上記角度検出スリットから上記Ａ相信号及びＢ相信号と異なる位相のＣ相信号及びＤ相信号を出力し、
   上記第５の受光素子は、上記原点検出スリットから原点位置信号をＺ相信号として出力し、
   上記出力波形整形回路は、上記第１乃至第４の受光素子からの出力値をそれぞれ個別に増幅する増幅器とこの増幅器からの信号を矩形波形に変換するコンパレータとから構成され、
   この各増幅器と並列に可変抵抗を配置して上記各コンパレータに至る電流を増減調整して上記Ａ相信号乃至Ｄ相信号のデューティを調節可能にしたことを特徴とするロータリエンコーダ。
2. 前記Ａ相信号の立上がり位置を０度とするとき、前記Ｂ相信号はＡ相信号に対して９０度、前記Ｃ相信号は４５度、前記Ｄ相信号は１３５度の位相差で出力するように前記第１乃至第４の受光素子が配列されていることを特徴とする請求項１に記載のロータリエンコーダ。
3. 前記出力波形整形回路は、前記Ａ相信号とＢ相信号の論理和回路及び／又は前記Ｃ相信号とＤ相信号の論理和回路を含む出力回路を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のロータリエンコーダ。

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