JP2007248117A

JP2007248117A - エレクトロ・ルミネッセンスを用いた光学的エンコーダ

Info

Publication number: JP2007248117A
Application number: JP2006069101A
Authority: JP
Inventors: Isao Yamaguchi; 功山口; Hirotaka Igawa; 寛隆井川; Takashi Takahashi; 孝高橋; Teruomi Nakatani; 輝臣中谷; Keisuke Ishihara; 啓介石原
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】本発明の課題は、関節等部材の原点位置とエンコーダの原点位置の位置合わせを容易にでき、エンコーダの取り付け位置がずれた場合に芯出し調整を容易に行える機能を備えた新規なエンコーダを、また、コンパクトな構造のエンコーダを提供することにある。
【解決手段】本発明のＥＬを用いた光学式エンコーダは、回転部材に固定される環状円盤の周縁部若しくは該円盤の周縁部と対向する面のいずれかにエレクトロルミネセンス（ＥＬ）の光放射部が微細な間隔を隔てて放射状に配列され、他方の面に光センサが配置されるようにした。また、本発明のＥＬを用いた光学式エンコーダは、微細な間隔を隔てて放射状に配列されたＥＬの光放射部に並列して微細な間隔を隔てて円弧状に原点位置決め用のＥＬの光放射部が配列されるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明はエレクトロ・ルミネッセンス（以下、ＥＬと略称する。）をセンサ部に用いた光学式エンコーダに関する。

本発明者らはこれまでに、複数のオフセット多関節ロボットの試作開発を行ってきた。また、その成果としてオフセット多関節ロボットに関する特許を複数取得(特許文献１など)、または特許出願中(特許文献２など)である。これまでの、オフセット多関節ロボットの試作開発においては問題になったことが多くあり、特に、当該ロボットに適した構成部品がほとんど市場に無いことであった。多関節ロボットはオフセット角を持った関節部の回転量に応じて折り曲げ角が決まる機構となっており、駆動はアームの回転駆動である。従って、多数の関節部における回転角度と回転速度を精度良く測定することがロボット制御において極めて重要となる。ところが、多関節ロボットの関節変化を把握する最適な内界センサ(関節角変位を測るエンコーダ、速度を測るタコジェネ等)が無く、ほとんどが特注品としなければならず製造コストを高くしている。内界センサとは、ロボットの内部の状態を知るためのセンサを意味している。オフセット多関節ロボット用の最適な内界センサであるエンコーダ(回転型や直動型がある)が市場に存在しないことに鑑み、自らオフセット多関節ロボットに適したエンコーダの開発に取り組むこととしたものである。

現在、エンコーダ市場は、あらゆる動く製品の変化量、位置決め、制御用の情報源として使われており、特にメカトロニックス分野のシーケンス回路の重要なセンサとして位置づけとなっている。近年は特に産業用ロボット(自動車組立分野、部品組立分野、家電組立分野等)やアミューズメントロボット(人間型ロボット、警備ロボット、動物型ロボット等)における関節に多数のエンコーダが使用され、市場も拡大してきている状況にある。
現在市場に出回り、汎用されているエンコーダの回転角検出方式には大きく分けて２通りあり、回転角を直接検出できるアブソリュート(絶対位置検出)方式と、間接的に回転角を把握するインクルメンタル(相対位置検出)方式がある。また、前記、エンコーダの取り付け形態には、関節の内部に設ける内接型と外部に設ける外接型がある。そして、エンコーダの信号検出技術としては、大きく分けて、光センサ方式のものと磁気センサ方式のものがある。
光センサ方式の概要は、金属、ガラス等の素材からなる円盤の周縁部に放射状の細目スリットや印刷目盛りを施し、回転量に応じた光センサによって検出した透過光、反射光のＯＮ−ＯＦＦパルス信号を演算処理する方式がある。また同様に、円盤の周縁部に放射状の凹凸を設けて、その凹凸形状に光を照射し、回転量に応じた光センサによって検出した焦点反射光のＯＮ−ＯＦＦパルス信号を演算処理する方式がある。
また、磁気センサ方式の概要は、円盤の周縁部に磁性材を塗布して、放射状の目盛を磁気的に書き込みし、Ｎ−Ｓ磁力を磁気センサで検出し、そのＮ−Ｓ信号をＯＮ−ＯＦＦパルス信号として演算処理する方式がある。また、鉄材等の磁性体円盤の周縁部に放射状のスリットや凹凸形状を施して、磁気センサでそのスリットや凹凸形状による磁力変化を検出し、その検出信号をパルス信号として演算処理する方式がある。

ロボット関節の問題点を考察すると、一般に、ロボット関節の運動を制御するときの大きな問題点の一つに、各関節の回転量を検出するエンコーダの取り付けにおいて、関節の原点(基準点)とエンコーダの原点(基準点)の位置設定(合わせ)の難しさがある。各関節の変位量はそれぞれに配置されたエンコーダによって計測されるが、その変位量は当該関節の座標として把握されなければならない。さらに多関節ロボットにおいては多関節化(連接化)における先端の作業手(エンドエフェクター)の位置を精度良く計測するには、ロボットの原点から先端までの各関節の位置を順次精度良く関係づけることが重要であり、キャリブレーション(calibration)技術が必要不可欠である。ここでいうキャリブレーションとは、ロボット・アームの先端の位置が目標としている位置からずれるのを修正することである。そのずれの要因としてロボット関節の各センサ(位置・速度・加速度等)の温度や湿度などの動作環境の変化による測定誤差や、ドリフト誤差として経年変化によるアームや各駆動機構ユニット(軸受け・減速機・モータ等)の磨耗誤差や、エンコーダ取付けの軸スリップなどがあげられ、しかもこれらの誤差は複合していることが多く、ずれの原因を特定・把握した上でロボットを自由に制御することは、科学技術の発達した今日でも非常に難しい。
特開２００１−１３８２７９号公報「多関節ロボットとその制御方法」平成１３年５月２２日公開特開２００３−２５２６９号公報「回転修正機構付きオフセット回転関節ユニット」平成１５年１月２９日公開

本発明の課題は、前述した既存のエンコーダをロボット等動く機器に設置したときの問題点を解決すること、すなわち、関節等部材の原点位置とエンコーダの原点位置の位置合わせを容易にでき、エンコーダの取り付け位置がずれた場合に芯出し調整を容易に行える機能を備えた新規なエンコーダを、また、コンパクトな構造のエンコーダを提供することにある。更にはそのようなエンコーダをロボット等動く機器に取り付けることにより、その変位検出、位置決め、制御精度を高めることにある。

本発明のＥＬを用いた光学式エンコーダは、回転部材に固定される環状円盤の周縁部若しくは該円盤の周縁部と対向する面のいずれかにエレクトロルミネセンス（ＥＬ）の光放射部が微細な間隔を隔てて放射状に配列され、他方の面に光センサが配置されるようにした。
また、本発明のＥＬを用いた光学式エンコーダは、微細な間隔を隔てて放射状に配列されたＥＬの光放射部に並列して微細な間隔を隔てて円弧状に原点位置決め用のＥＬの光放射部が配列されるようにした。
そして、前記微細な間隔を隔てて放射状に配列されたＥＬの光放射部は、個々に同じ発光色のＥＬ発光セルが配置された構成、多種の発光色のＥＬ発光セルが個々に配置されたものであって、光センサにはカラーセンサが採用された構成、或いは広い領域のＥＬ発光セル上に微細な間隔を隔てて放射状のパターンが形成されたシャドウマスクを重ねた構成で実現されるようにした。

また、本発明のＥＬを用いた光学式エンコーダは、微細な間隔を隔てて放射状に配列されたＥＬの光放射部は楔形にされたものであって、光センサによって検出されるパルス幅から軸受の異常を検出する機能を備えるようにした。
また、本発明のＥＬを用いた光学式エンコーダの異なる形態では、微細な間隔を隔てて放射状に配列されたＥＬの光放射部は楔状にされると共に、異なる発光色の楔形光放射部が前記楔形光放射部と互いに噛合う形態で配置されたものであって、色毎のパルス幅から軸受の異常を検出する機能を備えるようにした。
そして、本発明で用いるＥＬには最適実施形態として有機ＥＬを採用するようにした。
また、本発明のＥＬを用いた光学式エンコーダは、環状円盤に一方の配列の目盛ｎ個と他方の配列の目盛ｎ＋１個が等間隔という関係にある２つの配列の発光部を並列配置し、バーニアの原理で回転角分解能を高めるようにした。

本発明のＥＬを用いた光学式二方向エンコーダは、回転と共に軸方向に変位する部材に固定される円筒部材の円筒面にＥＬの光発光部が市松模様に配列され、該円筒状のＥＬ発光部と間隙を介して光センサ群が設置された環状の光センサ部を固定配置し、前記光センサ群は少なくとも５つのセンサからなり、中央にセンサを配置し、軸方向に１桝半離して両側に２つのセンサを、回転方向に１桝半離して両側に２つのセンサを配置するようにした。
また、本発明のＥＬを用いた異なる光学式二方向エンコーダは、回転と共に軸方向に変位する部材に固定される円筒体の筒面にＥＬの光発光部がＴ字状に配列され、回転方向エンコーダは円筒体の筒面一方の端部に円周方向に角度読取り用と原点表示用のＥＬ発光部を配置し、読取りセンサは円筒体の軸方向変位には追従するが回転方向には固定される関係で設置し、軸方向エンコーダは円筒体の筒面の所定角度位置の軸方向に軸方向変位読取り用と原点表示用のＥＬ発光部を配置し、読取りセンサは円筒体の回転方向変位には追従するが軸方向には固定される関係で設置するようにした。

本発明のＥＬを用いた光学式エンコーダは、回転部材に固定される環状円盤の周縁部若しくは該円盤の周縁部と対向する面のいずれかにエレクトロルミネセンス（ＥＬ）の光放射部が微細な間隔を隔てて放射状に配列され、他方の面に光センサが配置されるようにしたものであるから、従来の光学式エンコーダのように金属、ガラス等の素材からなる円盤の周縁部に放射状の細目スリットや印刷目盛りを施し、光源からの光を照射することなく、スリットや目盛に相当する構成と光源の構成をＥＬが自己発光することで兼用し、しかも薄型構造で実現できるので、ロボットの関節等アクチュエータへの装填がコンパクトになされ、装置の小型化に貢献できる。
また、本発明のＥＬを用いた光学式エンコーダは、微細な間隔を隔てて放射状に配列されたＥＬの光放射部に並列して微細な間隔を隔てて円弧状に原点位置決め用のＥＬの光放射部が配列されるようにしたので、機器への取り付けに際し、厳密な取り付け位置精度を要求されることなく、原点位置がずれた場合であっても簡単に原点標示位置の変更を行うことができる。これにより、オフセット多関節ロボットのように、個々の関節位置を順次決定して先端位置を算出する場合、エンコーダの検出値を座標変換して補正を施す必要が無くなり、演算制御を容易に行うことができる。
そして、前記微細な間隔を隔てて放射状に配列されたＥＬの光放射部は、個々に同じ発光色のＥＬ発光セルが配置された構成を採用した場合、同一部品を多数用いるため、コスト上有利となる。また、広い領域のＥＬ発光セル上に微細な間隔を隔てて放射状のパターンが形成されたシャドウマスクを重ねた構成で実現する構成を採用したものは、１つのＥＬセルを準備すればよく、構造的にシンプルであるので更にコスト上有利となる。

また、微細な間隔を隔てて放射状に配列されたＥＬの光放射部は楔形にされた本発明のＥＬを用いた光学式エンコーダは、光センサによって検出されるパルス幅から軸受の摩耗等に起因する偏心などの異常を検出することができる。更に、センサを複数個位置を違えて配置するようにすれば更に異常検出機能は高くなる。
また、微細な間隔を隔てて放射状に配列されたＥＬの光放射部は楔状にされると共に、異なる発光色の楔形光放射部が前記楔形光放射部と互いに噛合う形態で配置された本発明のＥＬを用いた光学式エンコーダの異なる形態では、異なる色毎のパルス幅と双方のＯＦＦ状態位置を検出することができ、回転角分解能を高くすることができる。また、光センサによって検出されるパルス幅から軸受の摩耗等に起因する偏心などの異常を検出することができる。更に、センサを複数個位置を違えて配置するようにすれば更に異常検出機能は高くなる。
また、本発明のＥＬを用いた光学式エンコーダで用いるＥＬに有機ＥＬを採用したものは、紙より薄く、発光面積約０.０３ｍｍ^２の点光源を実現できるので、分解能の高度化、装置の小型化により貢献できる。
また、本発明のＥＬを用いた光学式エンコーダは、環状円盤に一方の配列の目盛ｎ個と他方の配列の目盛ｎ＋１個が等間隔という関係にある２つの配列の発光部を並列配置したものは、バーニアの原理で回転角分解能を格段に高めることができる。

回転と共に軸方向に変位する部材に固定される円筒部材の円筒面にＥＬの光発光部が市松模様に配列され、該円筒状のＥＬ発光部と間隙を介して光センサ群が設置された環状の光センサ部を固定配置し、前記光センサ群は少なくとも５つのセンサからなり、中央にセンサを配置し、軸方向に１桝半離して両側に２つのセンサを、回転方向に１桝半離して両側に２つのセンサを配置するようにした本発明のＥＬを用いた光学式二方向エンコーダは、ＥＬエンコーダの上記したメリットに加え、回転変位だけでなく軸方向変位についても検出ができ、ロボットのアームやレンジ光学系など双方向の変位を行う機構に広く採用することができる。
また、回転と共に軸方向に変位する部材に固定される円筒体の筒面にＥＬの光発光部がＴ字状に配列され、回転方向エンコーダは円筒体の筒面一方の端部に円周方向に角度読取り用と原点表示用のＥＬ発光部を配置し、読取りセンサは円筒体の軸方向変位には追従するが回転方向には固定される関係で設置し、軸方向エンコーダは円筒体の筒面の所定角度位置の軸方向に軸方向変位読取り用と原点表示用のＥＬ発光部を配置し、読取りセンサは円筒体の回転方向変位には追従するが軸方向には固定される関係で設置するようにした本発明のＥＬを用いた異なる光学式二方向エンコーダは、上記した効果に加え、回転方向と、軸方向を別のセンサにより、互いの干渉なしに独立して検出することができる。この方式は、センサ支持機構がやや複雑となるが、一方向検出であるので、目盛間隔を密に構成し分解能を上げることができると共に、全面配置ではなくＴ字状に配置するだけであるから、ＥＬ発光セルの数が少なくてすむというメリットがある。

本発明の第１の実施形態を図１と図２を参照しながら説明する。本発明のＥＬを用いた光学式エンコーダは、図１に示されるように回転部材に固定される環状円盤１の周縁部に楔形状のＥＬの発光部２が微細な間隔を隔てた放射状のものが環状に配列され、その外側に矩形のＥＬの発光部３が同じく環状に配列されている。楔形のＥＬの発光部２の列は回転角読取り用であり、矩形のＥＬの発光部３の列は原点位置標示用である。図１のＡは全体平面図であり、図１のＢは一点鎖線で囲った領域の拡大図である。図２は図１のＦ−Ｆ’断面図で、この図から分かるように楔形のＥＬの発光部２と矩形のＥＬの発光部３は構造的に同一で、ＥＬ発光層２ａ，３ａはＩＴＯ透明電極５とカソード６に挟まれ、ＥＬ発光層２ａ，３ａとＩＴＯ透明電極５間には正孔輸送層７が形成され、ＥＬ発光層２ａ，３ａとカソード６間には電子輸送層８が形成される。回転角読取り用ＥＬ発光層２ａと原点位置標示用ＥＬ発光層３ａの間は遮蔽層９で仕切られ、カソード６と遮蔽層９の外側は保護層１０で被覆されている。また、ＩＴＯ透明電極５の外側はガラス基板１１であり、その上に発光部２用の楔形の窓と発光部３用の矩形の窓とを穿孔したマスク１２が重ねられている。ＥＬ制御回路からＩＴＯ透明電極５とカソード６に稼働電圧が印加されるとＥＬ発光層２ａ，３ａは発光し、その光はマスク１２の窓を通して出射されることによって、その光束は指向性がよく、所定距離離れた光センサで検出する際に隣接する発光部からの光との干渉は起こらない。また、より好ましい対応としてはＥＬ発光層２ａの発光色とＥＬ発光層３ａの発光色を赤と青といったように異なる発光色のものを用い、カラー光センサを用いるようにすると両信号の干渉の問題はない。この実施形態では図１から分かるように楔形状のＥＬの発光部２と矩形のＥＬの発光部３は同じ回転角に一義的に対応して配置されていて、楔形のＥＬの発光部２は回転角読取り用であるから稼働時には環状に配列されたすべての発光部２が点灯され、矩形のＥＬの発光部３は原点位置標示用であるから、稼働時には環状に配列された発光部３のうち原点位置にあるものだけが点灯される。

前記環状円盤１と対向する面（固定若しくは相対移動する面）所定位置に発光部２の光検出用の光センサ１３ａと発光部３の光検出用の光センサ１３ｂ（図示していない）とがそれぞれ配置されるようにした。回転半径方向のセンサ位置として回転角検出用のセンサ１３ａは発光部２と、原点位置検出用のセンサ１３ｂは発光部３の位置に合わせる必要があるが、回転角方向位置としては２つの光センサ１３ａ，１３ｂは必ずしも揃える必要はない。回転部材が回転を始めると発光部２の光検出用の光センサ１３ａは回転に応じて環状に配列された発光部２からの光をパルス状のＯＮ−ＯＦＦ信号の形で受信する。このパルス信号は回転角に対応したクロックであるので、このセンサ１３ａは３６０度どの位置に配置されても良い。２つのセンサ１３ａ，１３ｂを並べて設置するのは構造組立て上は簡便であるが、２つの光の干渉を排除するには離れた配置の方が有利である。回転体の相対変位だけを検出するのであれば、このクロック信号だけで足りるが絶対位置を把握するには発光部３の原点位置を検出する必要がある。センサ１３ｂが原点位置を示す光を検出したとき、その位置が原点であることを検知する。そして、その後いくつのクロックを検出したか順次カウントすることで、現在位置を割り出すことができる。

本発明の第２の実施形態を図３を参照しながら説明する。この実施形態は楔形のＥＬの発光部２が微細な間隔を隔てた放射状のものが環状に配列され、その外側に矩形のＥＬの発光部３が同じく環状に配列されている点で変わりはないため、平面図においては図１と変わるところはないが、個々の発光部２毎にＥＬ発光セル２ａを配置するのではなく、１つの環状のＥＬ発光セル２ａを装着し、マスク１２の楔形状の窓によって回転角検出用としての楔形光束の環状配列の環状配列を形成させる点で相違するものである。図３は環状円盤１のＥＬの発光部２を光センサ１３ａの位置の回転半径で切った光センサ１３ａの近傍部分断面（図１のＥ−Ｅ’断面）図である。ＥＬ発光層２ａがＩＴＯ透明電極５とカソード６に挟まれ、ＥＬ発光層２ａとＩＴＯ透明電極５間には正孔輸送層７が形成され、ＥＬ発光層２ａとカソード６間には電子輸送層８が形成される点、また、回転角読取り用ＥＬ発光層２ａと原点位置標示用ＥＬ発光層３ａの間は遮蔽層９で仕切られ、カソード６と遮蔽層９の外側は保護層１０で被覆されている点、そして、ＩＴＯ透明電極５の外側にガラス基板１１、その上に発光部２用の楔形の窓と発光部３用の矩形の窓とを穿孔したマスク１２が重ねられている点は先のものと同様である。ＥＬ制御回路からＩＴＯ透明電極５とカソード６に稼働電圧が印加されるとＥＬ発光層２ａは３６０度リング状に発光するが、その光はマスク１２の窓を通してのみ出射されるので、光センサ１３ａは図に示されるように楔形の窓部分では光を検出し、それ以外の部分では光が遮蔽され、回転部材が回転を始めると発光部２の光検出用の光センサ１３ａは回転に応じて環状に配列された発光部２からの光を先の実施形態と同様にパルス状のＯＮ−ＯＦＦ信号の形で受信する。
原点位置標示用の発光部３は環状配列の中の１つだけが原点を示すものとして点灯するものであるから、この実施形態ではＥＬ発光セルを１つの環状のものではなく、先の実施形態と同様に個々の分離したＥＬ発光層３ａで構成するようにした。

本発明の第１の実施形態および第２の実施形態のエンコーダで、回転軸受部の異常を検知する手法について説明する。この手法を用いる場合は光センサ１３ａは図１のＡ０の位置に配置されているとして１８０度離れたＢ０の位置にもう１つの光センサ１３ａを設置しておく。回転部材が回転を始めると発光部２の光検出用の光センサ１３ａは回転に応じて環状に配列された発光部２からの光をパルス状のＯＮ−ＯＦＦ信号の形で受信するが、光センサ１３ａはマスク１２の楔形窓部と遮蔽部の幅が等しい回転半径位置に設置されているので、軸受部が正常なときの回転では図４の左側に示すようにＡ０の位置の光センサ１３ａもＢ０の位置の光センサ１３ａも共に光を受光する時間と遮蔽される時間、すなわち、ＯＮ−ＯＦＦパルス信号の幅は等しくなる。これは勿論回転が等速運動とみなせる場合であるが、オフセット関節ロボットの回転駆動の場合モータ駆動は等速と見なせるし、そうでない一般の回転運動の場合であっても、ＥＬ発光部２の配列間隔は極めて狭いので、楔形窓部を通過する時間とその隣の遮蔽部を通過する時間は等しいとみなせる。したがって、光を受光する時間と遮蔽される時間は等しいとしてほとんど問題はない。ところが、軸受部に異常があって、回転運動が偏心している場合は、図４の右側に示すように光を受光する時間と遮蔽される時間がアンバランスとなる。そして、その場合Ａ０の位置の光センサ１３ａとＢ０の位置の光センサ１３ａでは反対の値を示すことになる。その分回転面内で中心が偏心していることを示す。ただし、偏心がＡ０とＢ０を結ぶ線と直交する方向で生じた場合は検出ができないことになる。従って、この光センサ１３ａの配置を３つ以上とすることによりこの問題を解決することができる。

本発明の第３の実施形態を図５および図６を参照しながら説明する。この実施形態は微細な間隔を隔てて放射状に配列されたＥＬの光放射部は楔状にされると共に、異なる発光色の楔状光放射部が前記楔状光放射部と互いに噛合う形態で配置されたものであって、色毎のパルス幅から回転位置や軸受の異常を検出する機能を備えたものである。図５から分かるように先の２つの実施態様では遮蔽領域であったところに色の異なるＥＬを配置した構成である。
図５のＡは全体平面図であり、図５のＢは一点鎖線で囲った領域の拡大図である。図６は図５のＥ−Ｅ’断面図で２つの楔形のＥＬの発光部は先のＥＬ発光部と基本的構造は同一で、ＥＬ発光層２ａ，２ｂはＩＴＯ透明電極５とカソード６に挟まれ、ＥＬ発光層２ａ，２ｂとＩＴＯ透明電極５間には正孔輸送層７が形成され、ＥＬ発光層２ａ，２ｂとカソード６間には電子輸送層８が形成され、前記カソード６と遮蔽層９の外側は保護層１０で被覆されている。また、ＩＴＯ透明電極５の外側はガラス基板１１であり、その上にＥＬ発光層２ａ，２ｂ用の楔形の窓を穿孔したマスク１２が重ねられている。この図から分かるように楔形のＥＬの発光部と楔形のＥＬの発光部との間は遮蔽層９で仕切られ、円弧状に交互に配列される。環状円盤１の半径方向外側になるほど楔形のＥＬの発光部２ａの幅は広くなり、楔形のＥＬの発光部２ｂの幅は狭くなっている。そして、原点表示用の発光部３の構成は先のものと変わりはない。ＥＬ制御回路からＩＴＯ透明電極５とカソード６に稼働電圧が印加されるとＥＬ発光層２ａ，２ｂは発光し、その光はマスク１２のそれぞれの窓を通して出射される。また、より好ましい対応としてはＥＬ発光層２ａ，２ｂの発光色とＥＬ発光層３ａの発光色を赤、青、黄といったように識別容易な異なる発光色のものを用い、カラー光センサを用いるようにすると３つの光信号の分離は容易である。この実施形態では図５から分かるように楔形状のＥＬ発光層２ａと矩形のＥＬの発光層３ａは同じ回転角に一義的に対応して配置されていて、楔形のＥＬの発光部は回転角読取り用であるから稼働時には環状に配列されたすべての発光層２ａ，２ｂが点灯され、矩形のＥＬの発光部３は原点位置標示用であるから、稼働時には環状に配列された発光部３のうち原点位置にある発光層３ａだけが点灯される。

前記環状円盤１と対向する面（固定若しくは相対移動する面）所定位置に発光部の楔形状のＥＬ発光層２ａと楔形状のＥＬ発光層２ｂからの光検出用のカラー光センサ１３ｃ（図示していない）そして矩形のＥＬの発光層３ａからの原点検出用の光センサ１３ｂとがそれぞれ配置されるようにした。回転半径方向のセンサ位置として回転角検出用のセンサ１３ｃは発光層２ａと２ｂの幅が同じになる位置に、原点位置検出用のセンサ１３ｂは発光層３ａと対峙する位置にそれぞれ合わせる必要があるが、回転角方向位置としては２つの光センサ１３ｂ，１３ｃは必ずしも近傍位置に揃える必要はない。近傍位置に揃えて配置すれば構造組立て上は簡便であるが、回転角検出用と限定位置検出用の光の干渉を排除するには離して配置した方が有利であることは先の場合と同様である。
回転部材が回転を始めると発光層２ａからの光と発光層２ｂからの光を検出する光センサ１３ｃは回転に応じて環状に配列された発光層２ａからの光と発光層２ｂからの光をマスク１２の窓を通してパルス状のＯＮ−ＯＦＦ信号の形で受信する。光センサ１３ｃによって検出された信号は処理回路で色別に信号分離されるので、発光層２ａからの光と発光層２ｂからの光についてＯＮ−ＯＦＦ信号となる。このパルス信号は回転角に対応したクロックであるので、このカラー光センサ１３ｃは３６０度どの位置に配置されても良い。回転体の相対変位だけを検出するのであれば、このセンサ１３ｃが検出するクロック信号だけで足りるが絶対位置を把握するには発光部３の原点位置を検出する必要がある。センサ１３ｂが原点位置を示す光を検出したとき、その位置が原点であることを検知する。そして、その後いくつのクロックを検出したか順次カウントすることで、現在位置を割り出すことができる。本発明のこの第３の実施形態はカラー光センサ１３ｃが発光層２ａからの光を検出するタイミングと、発光層２ａからの光も発光層２ｂからの光もＯＦＦ動作のタイミングがあり、次に発光層２ｂからの光を検出するタイミングがあり、続いてまた、発光層２ａからの光も発光層２ｂからの光もＯＦＦ動作のタイミングがあり、最初の発光層２ａからの光を検出するタイミングに戻るサイクルとなる。１系統の発光層からの光をＯＮ−ＯＦＦ検出するのではなく、もう１つの系統の発光層からの光をＯＮ−ＯＦＦ検出すると共に、両者間に双方がＯＦＦという期間を検出できるものであるから、先の第１，第２の実施形態と比較すると、回転角分解能がより高くなるというメリットがある。

図７にこの本発明の第３の実施形態のエンコーダで、回転軸受部の異常を検知する手法について説明する。この手法を用いる場合は図５のＣ０の位置にカラー光センサ１３ｃを配置すると共に１８０度離れたＤ０の位置にもカラー光センサ１３ｃを設置しておく。回転部材が回転を始めると環状に配列された発光層２ａからの光と発光層２ｂからの光を検出するカラー光センサ１３ｃは回転に応じて発光部からの光をパルス信号の形で受信するが、信号処理回路で色別に分離され、環状に配列された発光層２ａからの光と発光層２ｂからの光をそれぞれパルス状のＯＮ−ＯＦＦ信号として得ることができる。カラー光センサ１３ｃはマスク１２の２種類の楔形窓部の幅が等しい回転半径位置に設置されているので、軸受部が正常なときの回転では図７の左側に示すようにＣ０の位置のカラー光センサ１３ｃもＤ０の位置のカラー光センサ１３ｃも共に、発光層２ａからの光のパルスＯＮ信号Ｐａ１と発光層２ｂからの光のパルスＯＮ信号Ｐｂ１の幅は等しいものとして検出する。ところが、軸受部に異常があって、回転運動が偏心している場合は、図７の右側に示すようにカラー光センサ１３ｃが検出する発光層２ａからの光のパルスＯＮ信号Ｐａ１と発光層２ｂからの光のパルスＯＮ信号Ｐｂ１の幅はアンバランスとなる。そして、その場合Ｃ０の位置のカラー光センサ１３ｃとＤ０の位置のカラー光センサ１３ｃとでは反対の値を示すことになる。その分回転面内で中心が偏心していることを示す。ただし、偏心がＣ０とＤ０を結ぶ線と直交する方向で生じた場合は検出ができないことになる。従って、このカラー光センサ１３ｃの配置を３つ以上とすればこの問題を解決することができる。
なお、以上の説明では発光層２ａからの光と発光層２ｂからの光を共通のカラー光センサ１３ｃで検出し、信号処理回路で色分離するものとしてきたが、フィルター機能を持った別の光センサによって発光層２ａからの光と発光層２ｂからの光を分別検出する構成を採るようにしてもよい。

次に図８を参照しながら、原点シフト校正動作について説明する。オフセット関節ロボットの本発明に係るＥＬを用いたエンコーダを取り付け孔４にネジを入れて関節ユニットに穿られたネジ孔に螺合させ取り付ける場合、設計上図８のＡに示すようにエンコーダのＡ０点に原点位置がくるはずであるところ、位置校正によりと若干の位置ズレを起していることがままある。従来はこの位置ズレを登録し、エンコーダの検出値を座標変換して扱わなくてはならず、オフセットロボットのように基部から先端位置まで多数のオフセット関節が連接されているメカニズムでは順次座標変換して位置計算を実行しなければならず、厄介な問題となっていた。しかし、本発明のＥＬを用いたエンコーダでは原点位置標示用矩形のＥＬの発光部３は環状に多数配列されているから、図８のＢに示すように環状に配列された発光部３のうち位置校正によって測定された正しい原点位置を点灯するようにするば簡単に位置ズレ修正を行うことができる。エンコーダに検出値を座標変換することなくそのまま使用することができる。
また、この環状に配列された多数の発光部３は原点位置標示用としてだけでなく、図８のＣに示すように左右の回転リミットとして機能させることができることは容易に理解できるであろう。この例はエンコーダの原点が取り付けたロボット関節において設計上の正しい位置に設置できた場合のリミット位置を点灯表示したものであり、図８のＤに示した図は図８のＢに示したように原点位置がずれていたとき、そのシフト分だけリミット位置も簡単に修正することができることを説明するものである。
なお、原点標示とリミット標示については別チャンネルとして３系統として構成することもできるが、実用上は原点がずれる可能性がある範囲をカバーできれば十分であることから、リング状にではなくその範囲だけの配列を配置すればよい。そしてセンサにカラー光センサを用いれば、発光色を原点標示とリミット標示で異なるようにすれば同じセンサで両方の位置を弁別して検出することができる。

図９は回転角読取用の発光部を異なる間隔の２つの配列２１と２２で構成した実施形態である。図９のＣに示すように環状円盤１に２つの配列２１と２２の発光部を配置し、その外側に原点表示用の発光部３を配置する。そして配列２１の目盛ｎ個と配列２２目盛ｎ＋１個が等間隔という関係にする。従って、この目盛は図９のＡ，Ｂに示すように配列２１の目盛ｎ個と配列２２目盛ｎ＋１個毎に位置が位置する。このような目盛を採用することにより、バーニアの原理を利用して回転角の分解能を高めることができる。すなわち、１つの配列２１の目盛をカウントするだけでなく、現在のカウントパルスは直前に配列２１の検出パルス値と配列２２検出パルスが一致したときからいくつ目のカウントになるかによって細かい角度を割り出すことができる。図９のＢにはエンコーダの原点位置がオフセットロボットの関節のような回転機械に取り付けられた際、位置ズレを生じてしまったもので、この場合は先に説明したように点灯する原点表示位置を修正すればよく、このような場合でも回転角度を計測するバーニア機能には何らの支障も生じない。

次に、本発明に係るＥＬを用いたエンコーダをオフセット関節ロボットのオフセット回転機構部に取り付ける形態について説明する。図１０において、４０は基部であり、５０が円筒形状の出力回転軸である。基部４０に取り付けられたモータの回転が図示していない歯車機構を介して当該出力回転軸５０を駆動し、この当該出力回転軸５０のフランジ部５１に取り付けられるアームを基部４０に対して回転させる機構となっている。ＥＬエンコーダの取り付けは基部４０側に環状円盤１を、出力回転軸５０の前記フランジ部５１側に光センサ部１３を装着する。一方の環状円盤１はＥＬ電子制御部と電池が配置されたベースの上にＥＬ発光部２，３が形成されていて、環状の前記ベースの周縁部には取り付け穴４が穿孔されていてネジによって基部４０に固定される。他方の光センサ部１３はセンサ電子制御回路や電池が配置されたベース上に回転角読取り用の光センサと原点位置読取り用のセンサをそれぞれの発光部に対峙させて配置し、これを出力回転軸５０の前記フランジ部５１の面上に固定して装着する。
なお、上記の取り付け方式は環状円盤１をネジ穴を介して基部４０に固定的に取り付けるものであるが、図１０の下段右に示すように基部４０の環状溝部にＯリングのような部材を介在させて弾性嵌合させる形態であっても良い。この場合は回転方向の取り付け位置は所望に応じて自由に変更することができる。

図１１及び図１２を参照しつつ本発明が提示する回転方向だけでなく、軸方向の変位と速度をも検出できる二方向エンコーダについて説明する。図１１において６０は駆動部材６１回転方向並びに軸方向に駆動するアクチュエータである。カップリング部材６２を介して本発明の二方向エンコーダ７０を取り付ける。この二方向エンコーダ７０は円筒状のＥＬ発光部７１と該円筒状のＥＬ発光部７１と間隙を介して配置された環状の光センサ部７２からなる。この環状の光センサ部７２は前記円筒状のＥＬ発光部７１の回転方向、軸方向の変位とは独立して基部に固定保持されている。図１２に示すものは前記円筒状のＥＬ発光部７１を平面状に広げて表示したものである。図１２の上部右に示されるようにＥＬ発光部がマトリックス状に配置され、その中で中央部十字状に原点標示用の発光部が、上下左右の周囲にリミット標示が配置されている。マトリックスは市松模様形態であって、二色若しくは発光領域と非発光領域として構成する。これらの変位検出用の目盛発光部と原点標示用の発光部とリミット標示用の発光部は識別可能なように発光色を異ならせておく。この円筒状のＥＬ発光部７１は円筒構造基体７３の表面にＥＬ発光セル群７４が取り付けられている。このＥＬ発光セル群７４の細かい構造は図２に示すＥＬセル構造と基本的に同じものがマトリックス状に配列され、外側表面は透明保護膜１４で覆われている。また、前記環状の光センサ部７２にはカラー光センサ群Ｓが取り付けられている。このカラー光センサ群Ｓは少なくとも５つのセンサＳ０,Ｓ１,Ｓ２,Ｓ３,Ｓ４からなり、図１２の下段に示すように中央にセンサＳ０を配置し、軸方向に１桝半離してセンサＳ１とセンサＳ２を、回転方向に１桝半離してセンサＳ３とセンサＳ４を配置する。このカラー光センサ群Ｓによってマトリックス状に配列されたＥＬ発光部７１との変位を検出する。両側のセンサ位置を１桝半離して配置した意味は、マトリックスが市松模様形態であって、二色若しくは発光領域と非発光領域として構成されているので、一方のセンサの検出光量が増加するときは他方のセンサが検出する光量は減少するというように差動的な関係にあるようにするためである。この増加・減少の現象を解析することにより変位方向の判別が可能となる。また、軸方向に配列されたセンサＳ１,Ｓ０,Ｓ２の組の検出信号は９０度づつ位相がずれているが周期は同じであり、この周期を抽出して軸方向変位速度を解析する。同様に、回転方向に配列されたセンサＳ３,Ｓ０,Ｓ４の組の検出信号は９０度づつ位相がずれているが周期は同じであり、この周期を抽出して回転方向変位速度を解析する。また、原点表示用とリミット表示用の発光色は異なる色にしてあるので、特殊な色を検出したときはそれを判別することができる。

上記の二方向エンコーダは市松模様の発光部を用いた例であるが、環状に配列した回転した回転方向エンコーダと、軸方向エンコーダを別構造として組み合わせるシステムとすることもできる。この場合の回転方向エンコーダは円筒状の二方向エンコーダの円筒構造基体７３筒面の一方の端部に円周方向に角度読取り用と原点表示用のＥＬ発光部を２列に等間隔で密に配置し、読取りセンサは円筒構造基体７３の軸方向変位には追従するが回転方向には固定される関係で設置する。また、軸方向エンコーダは円筒構造基体７３の筒面の所定角度位置の軸方向に軸方向変位読取り用と原点表示用のＥＬ発光部を２列に等間隔で密に配置し、読取りセンサは円筒構造基体７３の回転方向変位には追従するが軸方向には固定される関係で設置する。この機構により、回転方向と、軸方向を別のセンサにより、互いの干渉なしに独立して検出することができる。この方式は、センサ支持機構がやや複雑となるが、一方向検出であるので、目盛間隔を密に構成し分解能を上げることができると共に、全面配置ではなくＴ字状に配置するだけであるから、ＥＬ発光セルの数が少なくてすむというメリットがある。
これらの二方向エンコーダはオフセット多関節ロボットに限らず、レンズ系や他の回転変位と直線変位が並行するアクチュエータに広く適用でき、その応用範囲は広いものとなる。

本発明の第１実施形態を説明する図で、Ａは全体平面図Ｂは部分拡大図である。本発明の第１実施形態を説明する図で、図１のＦ−Ｆ’断面図である。本発明の第２の実施形態を回転方向の断面図で説明する図である。本発明の第１の実施形態および第２の実施形態のＥＬエンコーダで、回転軸受部の異常を検知する手法を説明する図である。本発明の第３実施形態を説明する図で、Ａは全体平面図Ｂは部分拡大図である。本発明の第３実施形態を説明する図で、図５のＦ−Ｆ’断面図である。本発明の第３の実施形態のＥＬエンコーダで、回転軸受部の異常を検知する手法を説明する図である。本発明のＥＬエンコーダで、原点修正とリミット位置指定を実施する説明図である。バーニア機能を備えた本発明の第４実施形態を説明する図である。本発明のＥＬエンコーダをオフセットロボットの関節部に装着する形態を説明する図である。本発明に係る二方向ＥＬエンコーダの１実施形態を説明する図である。本発明に係る二方向ＥＬエンコーダの異なる実施形態を説明する図である。

符号の説明

１環状円盤２,２１,２２ＥＬ発光部（回転角読取り用）
３ＥＬ発光部（原点標示用）２ａ,２ｂ,３ａＥＬ発光層
４取付孔５ＩＴＯ透明電極
６カソード７正孔輸送層
８電子輸送層９遮蔽層
１０保護層１１ガラス基板
１２マスク１３光センサ
１４透明保護板４０基部
５０出力回転軸６０アクチュエータ
６１駆動部材６２カップリング部材
７０二方向ＥＬエンコーダ７１円筒状ＥＬ発光部
７２光センサ部７３円筒状構造基体
７４ＥＬ発光セル群Ｓセンサ群
Ｓ０,Ｓ１,Ｓ２,Ｓ３,Ｓ４光センサ

Claims

回転部材に固定される環状円盤の周縁部若しくは該円盤の周縁部と対向する面のいずれかにエレクトロルミネセンス（ＥＬ）の光放射部が微細な間隔を隔てて放射状に配列され、他方の面に光センサが配置されたものであって、前記光センサが検出したパルス数から変位を検出するＥＬを用いた光学式エンコーダ。
微細な間隔を隔てて放射状に配列されたＥＬの光放射部に並列して微細な間隔を隔てて円弧状に原点位置決め用のＥＬの光放射部が配列されたことを特徴とする請求項１に記載のＥＬを用いた光学式エンコーダ。
微細な間隔を隔てて放射状に配列されたＥＬの光放射部は系列毎に同じ発光色のＥＬ発光セルが配置されたものである請求項１又は２に記載のＥＬを用いた光学式エンコーダ。
微細な間隔を隔てて放射状に配列されたＥＬの光放射部は、広い領域のＥＬ発光セル上に微細な間隔を隔てて放射状のパターンが形成されたマスクを重ねたものである請求項１又は２に記載のＥＬを用いた光学式エンコーダ。
微細な間隔を隔てて放射状に配列されたＥＬの光放射部は楔状にされたものであって、光センサによって検出されるパルス幅から軸受の異常を検出する機能を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＥＬを用いた光学式エンコーダ。
微細な間隔を隔てて放射状に配列されたＥＬの光放射部は楔状にされると共に、異なる発光色の楔状光放射部が前記楔状光放射部と互いに噛合う形態で配置されたものであって、色毎のパルス幅から軸受の異常を検出する機能を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のＥＬを用いた光学式エンコーダ。
ＥＬには有機ＥＬを採用したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のＥＬを用いた光学式エンコーダ。
環状円盤に一方の配列の目盛ｎ個と他方の配列の目盛ｎ＋１個が等間隔という関係にある２つの配列の発光部を並列配置し、バーニアの原理で回転角分解能を高めたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかまたは請求項７に記載のＥＬを用いた光学式エンコーダ。
回転と共に軸方向に変位する部材に固定される円筒部材の円筒面にＥＬの光発光部が市松模様に配列され、該円筒状のＥＬ発光部と間隙を介して光センサ群が設置された環状の光センサ部を固定配置し、前記光センサ群は少なくとも５つのセンサからなり、中央にセンサを配置し、軸方向に１桝半離して両側に２つのセンサを、回転方向に１桝半離して両側に２つのセンサを配置したＥＬを用いた光学式二方向エンコーダ。
回転と共に軸方向に変位する部材に固定される円筒体の筒面にＥＬの光発光部がＴ字状に配列され、回転方向エンコーダは円筒体の筒面一方の端部に円周方向に角度読取り用と原点表示用のＥＬ発光部を配置し、読取りセンサは円筒体の軸方向変位には追従するが回転方向には固定される関係で設置し、軸方向エンコーダは円筒体の筒面の所定角度位置の軸方向に軸方向変位読取り用と原点表示用のＥＬ発光部を配置し、読取りセンサは円筒体の回転方向変位には追従するが軸方向には固定される関係で設置したＥＬを用いた光学式二方向エンコーダ。