JP2010145333A - ロータリエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】機械的な芯出し調整を行わずに、正確な回転角度を検出できるようにする。
【解決手段】芯ずれ検出センサ１４は、円形スリット１１に刻まれたスリットＳを透過する光量によりＸ方向の芯ずれを検出する。信号補正回路１７は、芯ずれ検出センサ１４により検出されたＸ方向の芯ずれ検出信号に基づいて、回転検出センサ１３から出力されるパルス信号に応じたカウント値を補正することで、機械的な芯出し調整を行うことなく、正確な回転角度を検出できる。本発明は、回転運動を行う物体の位置や速度を検出するロータリエンコーダに適用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータリエンコーダに関する。

近年、ロータリエンコーダは、回転運動を行なう物体の位置や速度を検出するために広く用いられている。この種のロータリエンコーダでは、回転軸の芯ずれが生じることがあるので、精度を維持するためには芯出し調整を行う必要がある。

このような芯出し調整の技術としては、たとえば、特許文献１が知られている。

特許文献１には、回転テーブルの回転中心軸と、ロータリエンコーダの回転中心軸との間の芯ずれ量を検出し、位置調整機構によって、基台を、検出された芯ずれ量を打ち消すように、Ｘ軸及びＺ軸に沿って移動させることにより、回転テーブルの回転中心軸とロータリエンコーダの回転中心軸との芯合わせを行う芯出し装置が開示されている。
特開２００４−１２５７２７号公報

しかしながら、上記の特許文献１に開示されているような、機械的に行う芯出し調整においては、芯出し調整用の機器が必要になるとともに、その調整のための工数を確保する必要があるという問題があった。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、機械的な芯出し調整を行うことなく、正確な回転角度を検出できるようにするものである。

本発明のロータリエンコーダは、周方向に沿って所定の角度間隔で刻まれたスリットを有するスリット円板と、前記スリット円板に光を出射して前記スリットを透過した透過光を検出する回転検出センサとを備え、前記回転検出センサによる透過光によって、前記スリットの列に対応したパルス信号を出力するロータリエンコーダにおいて、前記スリットに対して光を出射し、前記スリットを透過した透過光の光量を検出する芯ずれ検出センサと、前記芯ずれ検出センサからの出力に基づいて、前記回転検出センサからの出力を補正する補正手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、機械的な芯出し調整を行わずに、正確な回転角度を検出できる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明を適用した光学式のロータリエンコーダの一実施の形態の構成を示す図である。

図１に示すように、ロータリエンコーダ１は、回転軸１２に同軸状態で固定されたスリット円板１１を備えている。このスリット円板１１には、図２（図１の矢印Ａの方向からスリット円板１１を見た場合の矢視図）に示すように、周方向に沿って一定の間隔で複数のスリットＳが刻まれている。このスリットＳが多く刻まれているほど、高精度な検出が可能となる。

また、ロータリエンコーダ１には、図１に示すように、スリット円板１１に刻まれたスリットＳを挟み込むようにして、回転検出センサ１３及び芯ずれ検出センサ１４が設けられる。

回転検出センサ１３は、スリット円板１１の回転量（回転角度）を検出するためのセンサであり、スリットＳを挟んで、その一方に発光素子２１Ａ及び発光素子２１Ｂを、他方に受光素子２２Ａ及び受光素子２２Ｂを対向配置する。

発光素子２１Ａ，２１Ｂは、たとえばLED（Light Emitting Diode）等の発光素子により構成される。発光素子２１Ａ，２１Ｂとしては、スリットＳに対して均一な光量の平行光を出射できるものが好ましく、必要に応じて光を平行化するためのレンズ等が組み込まれる。発光素子２１Ａ，２１Ｂのそれぞれから出射された光のうちの一部の光がスリット円板１１の周方向に一定のピッチで形成されたスリットＳを透過して受光素子２２Ａ，２２Ｂのそれぞれにより受光され、残りの光はスリット円板１１のスリットＳ以外の部分である遮光部により阻止される。

受光素子２２Ａ，２２Ｂは、たとえばフォトダイオード等の半導体受光素子により構成され、発光素子２１Ａ，２１Ｂから出射された光のうちのスリットＳを透過した光（透過光）を受光する。すなわち、受光素子２２Ａ，２２Ｂにおいては、回転軸１２に固定されたスリット円板１１が回転すると、その回転速度とスリット円板１１のスリットＳの角度ピッチとで決まる周期で変化する、透過光量に対応する信号がそれぞれ得られ、信号処理回路１６に出力される。

信号処理回路１６は、増幅回路や波形整形回路等から構成される。信号処理回路１６は、受光素子２２Ａ，２２Ｂから出力される信号に対し、増幅や波形整形等の所定の信号処理を施すことで得られるパルス信号を、スリット円板１１の回転量に応じた２相のパルス信号として、信号補正回路１７に出力する。

なお、回転検出センサ１３において、発光素子と受光素子を２系統設けて２相のパルス信号を出力しているのは、信号処理回路１６側で、位相のずれたパルス信号を取得させるためである。すなわち、発光素子２１Ａ及び受光素子２２Ａと、発光素子２１Ｂ及び受光素子２２Ｂとは、たとえば、互いに90度位相のずれたＡ相信号とＢ相信号が得られるように、１つのスリットＳの円周方向の幅に応じて円周方向にオフセットさせた配置関係となっている。従って、受光素子２２Ａと受光素子２２Ｂからは、回転軸１２による回転に合わせて、同一周期で90度位相のずれたＡ相信号とＢ相信号が出力されるので、時計回りと反時計回りとではその出力のタイミングが逆の関係となる。つまり、回転方向によって、先に出力される信号が異なるので、信号処理回路１６においては、２相のパルス信号により、スリット円板１１の現在の回転方向に関する情報が得られる。

また、本実施の形態では、図１に示すように、回転検出センサ１３の他に、芯ずれを検出するためのセンサとして、芯ずれ検出センサ１４が、回転検出センサ１３と同様にスリット円板１１を挟み込むようにして対向配置されている。

具体的には、図２の矢視図に示すように、芯ずれ検出センサ１４は、回転検出センサ１３及び芯ずれ検出センサ１４のそれぞれと、スリット円板１１の回転中心Ｃとを結んだ線分が略直交する位置にそれぞれ配置される。

このような関係で配置されることにより、ロータリエンコーダ１において芯ずれが発生した場合、回転検出センサ１３におけるＸ方向の偏芯量は、芯ずれ検出センサ１４により検出されることになる。すなわち、回転検出センサ１３は、スリット円板１１の接線方向（図中のＸ方向）の透過光を検出しており、回転検出センサ１３が配置された位置でのスリット円板１１の回転方向における接線方向に芯ずれが発生した場合には、その方向の芯ずれ量が誤差量として影響を受けるので、このＸ方向の芯ずれを検出するために、芯ずれ検出センサ１４が配置されている。

図１に戻り、芯ずれ検出センサ１４は、スリットＳを挟んで、その一方に発光素子３１を、他方に受光素子３２を対向配置している。発光素子３１は、上記の発光素子２１Ａ，２１Ｂと同様にスリットＳに対して光を出射する。たとえば、発光素子３１は、スリットＳの（スリット円板１１の）半径方向の幅と同じか、あるいはその幅よりも大きいスポット径が得られるレーザ光のような直線光を出射できる発光素子であると好ましく、必要に応じて光を平行化するためのレンズ等が組み込まれる。発光素子３１から出射された光のうちの一部の光がスリットＳを透過して受光素子３２により受光され、残りの光はスリット円板１１のスリットＳ以外の部分である遮光部により阻止される。

受光素子３２は、上記の受光素子２２Ａ，２２Ｂと同様に、発光素子３１から出射された光のうちのスリットＳを透過した透過光を受光する。すなわち、受光素子３２においては、スリット円板１１が回転すると、その回転角度とスリットＳの角度ピッチとで決まる周期で変化する、透過光量に対応する信号が得られ、信号処理回路１６に出力される。そして、ロータリエンコーダ１に芯ずれが発生した場合には、スリット円板１１が回転したときのスリットＳを透過する光量が変化することになるので、芯ずれ検出センサ１４においては、受光素子３２によって受光されるＸ方向の透過光量の変化により、Ｘ方向の芯ずれを検出する。

図３は、芯ずれ検出センサ１４において、受光素子３２により受光されるＸ方向の透過光量の変化の様子を模式的に表した図である。

図３では、発光素子３１から出射された光のうち、回転しているスリット円板１１上のスリットＳを透過した後、受光素子３２の受光面によって受光された透過光を斜線により表している。つまり、芯ずれ検出センサ１４に対する斜線の領域の割合が大きいほど、受光素子３２により受光される透過光量が大きくなり、逆に、斜線の領域の割合が小さいほど、受光素子３２により受光される透過光量が小さくなることを意味する。

図３ａは、芯ずれが発生していない正常時において、受光素子３２で受光される透過光を表しており、この基準となる透過光量は、スリットＳの略半分の領域を透過してきた透過光の光量となる。なお、このように基準をとることで、幅広い範囲で透過光量の変化を検出可能となる。

そして、仮に、このまま芯ずれが発生しなければ、スリット円板１１が継続して回転し続ける限り、受光素子３２の受光面によって受光される透過光量は、図３ａで示す斜線の領域のまま変化しないことになる。この場合、信号処理回路１６においては、回転検出センサ１３により検出された正しいパルス信号が得られる。

一方、芯ずれが発生すると、受光素子３２の受光面によって受光される透過光量が、基準の透過光量から変化し、たとえば、その透過光量は、図３ａの正常時と比べて透過光量が減った状態を表している図３ｂの状態となるか、あるいは、図３ａの正常時と比べて透過光量が増えた状態を表している図３ｃの状態となる。つまり、図３ａの透過光量を基準にして、その基準の透過光量の増減を検出することにより、その変化に応じた量の芯ずれ（Ｘ方向の偏芯量）を検出することが可能となる。受光素子３２は、Ｘ方向の芯ずれに応じて変化する透過光量を検出し、検出した透過光量に対応する信号を信号処理回路１６に出力する。

図１に戻り、信号処理回路１６は、受光素子３２から出力される信号に対し、増幅等の所定の信号処理を施すことで得られる信号を、芯ずれ検出信号として、信号補正回路１７に出力する。

信号補正回路１７には、信号処理回路１６からの出力、すなわち、回転検出センサ１３よって検出されたスリット円板１１の回転量に応じた２相のパルス信号と、芯ずれ検出センサ１４によって検出された透過光量に応じて変化する信号である芯ずれ検出信号とが供給される。

信号補正回路１７は、芯ずれ検出センサ１４によって検出された芯ずれ検出信号に基づいて、回転検出センサ１３によって検出されたパルス信号を補正する処理（以下、芯ずれ補正処理という）を行い、この芯ずれ補正処理により得られた補正後のパルス信号を、後段の回路（不図示）に出力する。

ここで、信号補正回路１７によって行われる芯ずれ補正処理の詳細について、図４ないし図６を参照しながら説明する。また、ここでは、ロータリエンコーダ１として、芯ずれがなく正常に動作した場合において、スリット円板１１を360度回転させたとき、回転検出センサ１３からのパルス信号に応じて8カウントするものを具体例に挙げて説明する。なお、図４では、360度の回転により8カウントすることを明示するために、スリット円板１１の外周部に8カウントに対応する1から8までの数字を記述している。

図４は、正常時におけるスリット円板１１の回転の様子を模式的に表した図である。

図４に示すように、図４ａの初期位置にあるスリット円板１１を、図中の矢印の方向に所定の角度だけ回転させて、図４ｂの状態にした場合、回転中心Ｃとスリット円板１１の中心とのずれは生じていないので、回転検出センサ１３によって検出されるスリット円板１１の回転量（回転角度）に対応するパルス信号は、芯ずれの影響を受けていない正しい値となる。つまり、図４の正常時においては、回転角度に応じて2カウントされ、90（＝360度／8×2）度の回転が検出される。

一方、図４の正常時と同様の条件で、芯ずれが発生した場合について考えると、図５に示すようになる。すなわち、図５は、芯ずれ発生時におけるスリット円板１１の回転の様子を模式的に表した図である。

図４と同様に、図５ａの初期位置にあるスリット円板１１を、図中の矢印の方向に所定の角度だけ回転させて、図５ｂの状態にした場合、回転中心Ｃはスリット円板１１の中心からずれた場所に位置しているため、芯ずれが発生している。この場合、回転検出センサ１３によって検出されるパルス信号は、芯ずれの影響による誤差（以下、偏芯誤差εという）を含んだものとなる。

つまり、図５の芯ずれ発生時においては、図４の正常時と同様に回転させた場合、回転検出センサ１３によって、検出されたパルス信号に応じた2＋εカウントされるが、このままでは偏芯誤差εを含んでいるため、正確な回転角度にならない。従って、この偏芯誤差εを取り除くことができれば、図５の芯ずれ発生時においても、正確な回転量（回転角度）を求めることが可能となる。

そこで、上記の通り、本実施の形態においては、芯ずれ検出センサ１４によって検出される芯ずれ検出信号に基づいて、回転検出センサ１３により検出されたパルス信号を補正することにより、カウント値から偏芯誤差εの影響を取り除くようにする。

この偏芯誤差εは、芯ずれ検出センサ１４において、受光素子３２により受光される透過光の変化量に相当するものである。すなわち、芯ずれ検出センサ１４により検出される芯ずれ検出信号を用いて、回転検出センサ１３により検出されるパルス信号に応じたカウント値に含まれる偏芯誤差εを取り除くことができる。

ここで、芯ずれ検出センサ１４によって検出される芯ずれ検出信号から得られる偏芯誤差εをグラフ化すると、たとえば、図６に示すようになる。芯ずれ検出センサ１４からの受光光量が最も多いときには、偏芯誤差εはマイナス方向に最大の絶対値を取り、逆に最も少ないときには、偏芯誤差εはプラス方向に最大の絶対値を取る。

図６のグラフの縦軸は、偏芯誤差εの値を示し、縦軸の値が0から離れるほど、芯ずれによるＸ方向の誤差が大きくなることを示す。また、横軸はスリット円板１１の回転量（回転角度）の値を示し、図中左から右に向かうほど、回転角度が大きくなることを示す。

図６には、スリット円板１１を一周、360度回転させた場合に得られる、0度から360度までの範囲となる回転角度における偏芯誤差εを示す正弦波が表されている。この正弦波によれば、回転角度が0,180,360度となる場合には偏芯誤差εがなく、回転角度が90,270度となる場合に偏芯誤差εの絶対値が最大となることが示されている。

従って、信号補正回路１７は、図６に示すように、回転角度に応じて変化する値である偏芯誤差εをオフセットとすることで、正確なカウント値を求めることが可能となる。

たとえば、図５の芯ずれ発生時において、図５ａの初期位置から図５ｂの状態に回転した場合、信号補正回路１７においては、回転検出センサ１３から出力されるパルス信号によって2＋ε（又は2−ε）カウントされるが、このとき、芯ずれ検出センサ１４から出力される芯ずれ検出信号から得られる偏芯誤差εは、図６の正弦波の矢印Ａで指し示す値となる。従って、信号補正回路１７は、回転検出センサ１３からのパルス信号に対応する2＋εカウントから、芯ずれ検出センサ１４からの芯ずれ検出信号から得られる偏芯誤差ε（図６の正弦波の矢印Ａの値）分補正をすることにより、正確なカウント値である2カウントを求めることが可能となる。

これにより、ロータリエンコーダ１においては、図５の芯ずれ発生時においても、図４の通常時と同じカウント値であって、正確な値である2カウントがされ、回転角度として90度が求められる。

なお、この芯ずれ補正処理は、回転検出センサ１３によるパルス信号の検出処理と並行して実行されるので、機械的な芯出し調整を行うことなく、検出されたカウント値から芯ずれによる影響を取り除くことが可能となる。

以上のように、本発明によれば、芯ずれ検出センサ１４により検出された芯ずれ検出信号を用いて、回転検出センサ１３により検出されたパルス信号を補正することで、機械的な芯出し調整をせずに、正確な回転角度を検出することが可能となる。

これにより、芯ずれがある状態でも常に正確な回転角度の検出することができるので、たとえば部位を移動させるなどの機械的な芯出し調整をする必要がなく、その調整のための工数を削減することができる。また、芯出し調整用の機器を設ける必要もない。

また、ロータリエンコーダ１においては、回転検出センサ１３による回転検出に用いられるスリット円板１１を、芯ずれ検出センサ１４による芯ずれ検出においても兼用しているので、芯ずれ検出のために必要となる機器の構成を最小限に止めることが可能となる。これにより、新たな機器を設けることにより必要となる配置スペースを削減することもできる。特に、スリット円板１１がドーナツ状の中空円板の場合、回転中心とスリット円板１１の中心を目視で合わせることができないため、偏芯ずれが発生し易くなる。一方、本発明を適用することで、中空のスリット円板１１を用いた中空型のロータリエンコーダであっても正確な回転角が検出できる。

なお、ロータリエンコーダ１は、たとえば、プロトラクタ測定機能付の測定顕微鏡装置に用いられる。

なお、本明細書において、記録媒体に格納されるプログラムを記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。

また、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

本発明を適用した光学式のロータリエンコーダの一実施の形態の構成を示す図である。 図１の矢印Ａの方向からスリット円板１１を見た場合の矢視図である。 受光素子により受光されるＸ方向の透過光量の変化の様子を模式的に表した図である。 正常時におけるスリット円板の回転の様子を模式的に表した図である。 芯ずれ発生時おけるスリット円板の回転の様子を模式的に表した図である。 芯ずれ検出センサにより検出される芯ずれ検出信号から得られる偏芯誤差をグラフ化したもの示す図である。

符号の説明

１ ロータリエンコーダ， １１ スリット円板， １２ 回転軸， １３ 回転検出センサ， １４ 芯ずれ検出センサ， １６ 信号処理回路， １７ 信号補正回路， ２１Ａ，２１Ｂ，３１ 発光素子， ２２Ａ，２２Ｂ，３２ 受光素子， Ｓ スリット

Claims (4)

1. 周方向に沿って所定の角度間隔で刻まれたスリットを有するスリット円板と、前記スリット円板に光を出射して前記スリットを透過した透過光を検出する回転検出センサとを備え、前記回転検出センサによる透過光によって、前記スリットの列に対応したパルス信号を出力するロータリエンコーダにおいて、
   前記スリットに対して光を出射し、前記スリットを透過した透過光の光量を検出する芯ずれ検出センサと、
   前記芯ずれ検出センサからの出力に基づいて、前記回転検出センサからの出力を補正する補正手段と
   を備えることを特徴とするロータリエンコーダ。
2. 前記回転検出センサ及び前記芯ずれ検出センサのそれぞれと、前記スリット円板の回転中心とを結ぶ線分は、略直交している
   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. 前記芯ずれ検出センサは、前記スリットの開口している領域のうちの半分の領域に対応する透過光の光量を基準にして、その光量の変化を検出する
   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。
4. 前記補正手段は、前記回転検出センサにより検出される透過光から得られる前記スリットの列に対応したパルス信号に含まれる誤差を、前記芯ずれ検出センサにより検出される透過光の光量の変化から得られる値により補正する
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のロータリエンコーダ。

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