JP2009186229A - アブソリュートエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】産業用ロボットなどに組み込まれるアブソリュートエンコーダにおいて、小型化と製造コスト削減を容易に実現する。
【解決手段】アブソリュートエンコーダ１には、インクリメンタルパターン８およびアブソリュートパターン９が設けられた回転符号板３と、インクリメンタルパターン８からの光を検出してインクリメンタルパターン信号を出力する第１の受光素子アレイ２３とが設けられている。また、アブソリュートパターン９からの光を検出してアブソリュートパターン信号を出力する第２の受光素子アレイ２４と、アブソリュートパターン信号と基準信号との差分を差動増幅する処理回路１０とが設けられている。処理回路１０は、インクリメンタルパターン信号を利用して基準信号を生成する。回転符号板３はインクリメンタルパターン８とアブソリュートパターン９のみで足り、検出ユニット２は第１、第２の受光素子アレイ２３、２４のみで足る。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業用ロボットなどに組み込まれるアブソリュートエンコーダに関するものである。

従来から、この種のアブソリュートエンコーダとしては、例えば、図４乃至図６に示すようなものがある。このアブソリュートエンコーダ１は、図４に示すように、モータ軸６の先端部に装着される回転符号板３と、この回転符号板３に対向するプリント配線基板５とを備えており、プリント配線基板５には検出ユニット２および処理回路１０が設けられている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、回転符号板３には、図４に示すように、円環状のインクリメンタルパターン８およびアブソリュートパターン９の他に、円環状の第１参照パターン１６および第２参照パターン１７が形成されている。また、検出ユニット２には、図４および図５に示すように、発光素子２２、円弧状の第１および第２の受光素子アレイ２３、２４の他に、円弧状の第１参照パターン用受光素子１８および第２参照パターン用受光素子１９が配設されている。

そして、モータ軸６の回転量を検出するため、図４に示すように、発光素子２２から光を出射させる。

すると、図６に示すように、第１の受光素子アレイ２３からインクリメンタルパターン信号Ｓ１が処理回路１０に出力され、０°のインクリメンタルパターン信号Ｓ１と１８０°のインクリメンタルパターン信号Ｓ１との差分がオペアンプ１４で差動増幅された後、演算部１２でインクリメンタルパターンＡ相信号が生成されるとともに、９０°のインクリメンタルパターン信号Ｓ１と２７０°のインクリメンタルパターン信号Ｓ１との差分がオペアンプ１５で差動増幅された後、演算部１２でインクリメンタルパターンＢ相信号が生成される。

また、図６に示すように、第２の受光素子アレイ２４からアブソリュートパターン信号Ｓ２が処理回路１０に出力されるとともに、第１参照パターン用受光素子１８および第２参照パターン用受光素子１９からそれぞれ参照パターン信号Ｓ４が処理回路１０に出力されて加算回路１１で互いに加算されて基準信号Ｓ３となった後、この基準信号Ｓ３とアブソリュートパターン信号Ｓ２との差分がオペアンプ１３で差動増幅される。その後、演算部１２で位置（角度）データとして算出される。
特開２００５−１２１５９３号公報（段落〔０００８〕〔０００９〕〔００１６〕の欄、図１、２）

しかしながら、これでは次のような課題があった。

第１に、第１参照パターン１６および第２参照パターン１７を設けるスペースを回転符号板３に余計に確保しなければならないので、回転符号板３の小型化が困難となる。また、第１参照パターン用受光素子１８および第２参照パターン用受光素子１９を設けるスペースを検出ユニット２に余計に確保しなければならないので、検出ユニット２の小型化が困難となる。これらの結果、近年のアブソリュートエンコーダ１の小型化の要請に迅速に応えることができない。

第２に、検出ユニット２は一般にシリコンウエハから製造されるため、上述したとおり、検出ユニット２の小型化が困難になると、検出ユニット２、ひいてはアブソリュートエンコーダ１の製造コスト削減にも困難を伴う結果となる。

本発明は、このような事情に鑑み、小型化および製造コスト削減を容易に実現することが可能なアブソリュートエンコーダを提供することを目的とする。

本発明に係る第１のアブソリュートエンコーダ（１）は、インクリメンタルパターンおよびアブソリュートパターンが設けられた回転符号板（３）と、前記インクリメンタルパターンからの光を検出してインクリメンタルパターン信号（Ｓ１）を出力する第１の受光素子アレイ（２３）と、前記アブソリュートパターンからの光を検出してアブソリュートパターン信号（Ｓ２）を出力する第２の受光素子アレイ（２４）と、前記アブソリュートパターン信号と基準信号（Ｓ３）との差分を差動増幅する処理回路（１０）とが設けられたアブソリュートエンコーダであって、前記処理回路は、前記インクリメンタルパターン信号を利用して前記基準信号を生成するアブソリュートエンコーダとしたことを特徴とする。

なお、ここでは、本発明をわかりやすく説明するため、実施の形態を表す図面の符号に対応づけて説明したが、本発明が実施の形態に限定されるものでないことは言及するまでもない。

本発明によれば、インクリメンタルパターン信号を利用して、アブソリュートパターン信号を差動増幅する際の基準信号を生成することができる。そのため、参照パターンおよび参照パターン用受光素子を省くことができ、アブソリュートエンコーダの小型化および製造コスト削減を容易に実現することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
［発明の実施の形態１］

図１乃至図３は、本発明の実施の形態１に係る図である。

まず、構成を説明する。

反射型のアブソリュートエンコーダ１は、図１に示すように、モータ軸６と連動して回転するようにモータ軸６の先端部に装着される回転符号板３を有しており、回転符号板３の上面には、円環状のインクリメンタルパターン８が、そのパターン中心をモータ軸６の軸心ＣＴ１に一致させた形で形成されているとともに、インクリメンタルパターン８の内側に円環状のアブソリュートパターン９が、そのパターン中心をモータ軸６の軸心ＣＴ１に一致させた形でインクリメンタルパターン８と同心円状に形成されている。

また、回転符号板３の上方には、図１に示すように、プリント配線基板５が配設されており、プリント配線基板５の下面（つまり、回転符号板３側の面）には検出ユニット２が、インクリメンタルパターン８およびアブソリュートパターン９に対向する位置に貼設されている。

そして、この検出ユニット２は、図２に示すように、長方形板状のシリコン基板２１を有している。シリコン基板２１上には、その中央部にＬＥＤ（発光ダイオード）などの発光素子２２が設けられているとともに、円弧状の第１および第２の受光素子アレイ２３、２４が発光素子２２を挟んで互いに対向する形で配設されている。

ここで、第１の受光素子アレイ２３は、図２に示すように、インクリメンタルパターン８からの光を検出してインクリメンタルパターン信号Ｓ１を出力するものであり、複数個のフォトダイオード、フォトトランジスタなどの受光素子２５が、インクリメンタルパターン８に対応する円弧状に並んで互いに隣接する形で第１の受光素子アレイ２３を構成している。各受光素子２５は、入射光の照度に対応した電荷をインクリメンタルパターン信号Ｓ１として出力する光電変換機能を備えている。

他方、第２の受光素子アレイ２４は、図２に示すように、アブソリュートパターン９からの光を検出してアブソリュートパターン信号Ｓ２を出力するものであり、複数個のフォトダイオード、フォトトランジスタなどの受光素子２６が、アブソリュートパターン９に対応する円弧状に並んで互いに隣接する形で第２の受光素子アレイ２４を構成している。各受光素子２６は、入射光の照度に対応した電荷をアブソリュートパターン信号Ｓ２として出力する光電変換機能を備えている。

また、プリント配線基板５には、図１に示すように、処理回路１０が検出ユニット２に接続された形で搭載されており、処理回路１０には、図３に示すように、加算回路１１、演算部１２および３個のオペアンプ（演算増幅器）１３、１４、１５が含まれている。なお、演算部１２は、アナログ信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号に変換し、２値（“Ｈ”または“Ｌ”）を出力する演算機能を備えている。

次に、作用について説明する。

以上のような構成を有するアブソリュートエンコーダ１を用いて、モータ軸６の回転量（相対回転角度、絶対角度位置など）を検出する際には、図１に示すように、モータ軸６の先端部に回転符号板３が装着された状態で、発光素子２２から光を出射させる。

すると、この発光素子２２からの光は、図１に示すように、回転符号板３のインクリメンタルパターン８で反射された後、検出ユニット２の第１の受光素子アレイ２３に入射する。その結果、第１の受光素子アレイ２３では、図３に示すように、入射光の照度に比例した電荷がインクリメンタルパターン信号Ｓ１として処理回路１０に時系列的に出力される。これを受けて処理回路１０では、オペアンプ１４により、０°のインクリメンタルパターン信号Ｓ１と１８０°のインクリメンタルパターン信号Ｓ１との差分が差動増幅された後、演算部１２により、インクリメンタルパターンＡ相信号が生成される。また、オペアンプ１５により、９０°のインクリメンタルパターン信号Ｓ１と２７０°のインクリメンタルパターン信号Ｓ１との差分が差動増幅された後、演算部１２により、インクリメンタルパターンＢ相信号が生成される。その結果、回転符号板３、ひいてはモータ軸６の相対回転角度および回転方向が算出される。

また、発光素子２２からの光は、図１に示すように、回転符号板３のアブソリュートパターン９で反射された後、検出ユニット２の第２の受光素子アレイ２４に入射する。その結果、第２の受光素子アレイ２４では、図３に示すように、入射光の照度に比例した電荷がアブソリュートパターン信号Ｓ２として処理回路１０に時系列的に出力される。これを受けて処理回路１０では、まず、加算回路１１により、０°、９０°、１８０°および２７０°の４位相のインクリメンタルパターン信号Ｓ１（つまり、互いに逆位相関係にある二対のインクリメンタルパターン信号Ｓ１）が足し合わされて、これら４位相のインクリメンタルパターン信号Ｓ１の和が算出される。ここで、「逆位相」とは、位相が互いに１８０°異なることを意味する。次に、これら４位相のインクリメンタルパターン信号Ｓ１の和を基準信号Ｓ３として用いるべく、オペアンプ１３により、この基準信号Ｓ３（４位相のインクリメンタルパターン信号Ｓ１の和）とアブソリュートパターン信号Ｓ２との差分が差動増幅される。最後に、演算部１２により、アブソリュートパターン信号Ｓ２が位置（角度）データとして算出される。その結果、回転符号板３、ひいてはモータ軸６の絶対角度位置が算出される。

このように、互いに逆位相関係にある二対（０°と１８０°、９０°と２７０°）のインクリメンタルパターン信号Ｓ１を足し合わせると、ＡＣ成分が相殺されると同時に、ＤＣ成分が積算されることから、この和をアブソリュートパターン信号Ｓ２の差動増幅時の基準信号Ｓ３として用いることが可能となるのである。

したがって、回転符号板３においては、図１に示すように、インクリメンタルパターン８およびアブソリュートパターン９のみ設ければ十分であり、従来必要とされた第１参照パターン１６および第２参照パターン１７（図４参照）を省くことができる。そのため、回転符号板３を容易に小型化することができる。また、検出ユニット２においては、図１および図２に示すように、発光素子２２の他に第１および第２の受光素子アレイ２３、２４のみ設ければ十分であり、従来必要とされた第１参照パターン用受光素子１８および第２参照パターン用受光素子１９（図５参照）を省くことができる。そのため、検出ユニット２を容易に小型化することができる。これらの結果、アブソリュートエンコーダ１を小型化するとともに、その製造コストを削減することが可能となる。
［発明のその他の実施の形態］

なお、上述した実施の形態１では、アブソリュートパターン信号Ｓ２と基準信号Ｓ３との差分を差動増幅する際に、互いに逆位相関係にある二対（０°と１８０°、９０°と２７０°）のインクリメンタルパターン信号Ｓ１を足し合わせて基準信号Ｓ３とする場合について説明した。しかし、インクリメンタルパターン信号Ｓ１を利用して基準信号Ｓ３を生成するものである限り、これ以外の手法を用いても構わない。例えば、互いに逆位相関係にある一対（０°と１８０°との一対または９０°と２７０°との一対）のインクリメンタルパターン信号Ｓ１を足し合わせることも可能である。この場合も、ＡＣ成分が相殺されると同時に、ＤＣ成分が積算されるため、この和をアブソリュートパターン信号Ｓ２の差動増幅時の基準信号Ｓ３として用いることが可能となる。

また、上述した実施の形態１では、反射型のアブソリュートエンコーダ１について説明したが、透過型のアブソリュートエンコーダに本発明を同様に適用することも勿論できる。

さらに、上述した実施の形態１では、モータ軸６の回転量を検出するアブソリュートエンコーダ１、つまりロータリーエンコーダについて説明したが、リニアエンコーダに本発明を同様に適用することも可能である。

本発明は、特に小型化の要請が強い産業用ロボットに幅広く適用することができる。

本発明の実施の形態１に係る反射型のアブソリュートエンコーダを示す断面図である。 同実施の形態１に係る検出ユニットの平面図である。 同実施の形態１に係る信号処理方法を示すブロック図である。 従来の反射型のアブソリュートエンコーダを示す断面図である。 従来の検出ユニットを示す平面図である。 従来の信号処理方法を示すブロック図である。

符号の説明

１……アブソリュートエンコーダ
２……検出ユニット
３……回転符号板
５……プリント配線基板
６……モータ軸
８……インクリメンタルパターン
９……アブソリュートパターン
１０……処理回路
１１……加算回路
１２……演算部
１３、１４、１５……オペアンプ
１６……第１参照パターン
１７……第２参照パターン
１８……第１参照パターン用受光素子
１９……第２参照パターン用受光素子
２１……シリコン基板
２２……発光素子
２３……第１の受光素子アレイ
２４……第２の受光素子アレイ
２５……受光素子
２６……受光素子
Ｓ１……インクリメンタルパターン信号
Ｓ２……アブソリュートパターン信号
Ｓ３……基準信号
Ｓ４……参照パターン信号

Claims (4)

1. インクリメンタルパターンおよびアブソリュートパターンが設けられた回転符号板と、
   前記インクリメンタルパターンからの光を検出してインクリメンタルパターン信号を出力する第１の受光素子アレイと、
   前記アブソリュートパターンからの光を検出してアブソリュートパターン信号を出力する第２の受光素子アレイと、
   前記アブソリュートパターン信号と基準信号との差分を差動増幅する処理回路と
   が設けられたアブソリュートエンコーダであって、
   前記処理回路は、前記インクリメンタルパターン信号を利用して前記基準信号を生成することを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
2. 前記処理回路は、前記インクリメンタルパターン信号のうち互いに逆位相関係にある一対以上のインクリメンタルパターン信号を足し合わせて前記基準信号とすることを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
3. 前記処理回路は、前記インクリメンタルパターン信号のうち、０°、９０°、１８０°、２７０°の４位相のインクリメンタルパターン信号を足し合わせて前記基準信号とすることを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダ。
4. 前記処理回路は、
   前記インクリメンタルパターン信号のうち互いに逆位相関係にある一対以上のインクリメンタルパターン信号の和を算出する加算回路と、
   この加算回路によって算出されたインクリメンタルパターン信号の和と前記アブソリュートパターン信号との差分を差動増幅するオペアンプと
   を含むことを特徴とする請求項２または３に記載のアブソリュートエンコーダ。

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