JP2010203901A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】全周にわたり回転軸の絶対角を高精度に検出することができる光学式エンコーダを提供する。
【解決手段】環状スリット２５の同心円の中心１０１は回転軸１１の回転中心１００から偏心している。回転軸１１が回転すると、回転中心１００から環状スリット２５の第１の検出部１２Ａに対応する位置１０２Ａおよび第２の検出部１２Ｂに対応する位置１０２Ｂまでの距離Ｌ１およびＬ２は回転角度θに応じて変化する。第１の検出部１２Ａおよび第２の検出部１２Ｂの検出信号から距離L１およびＬ２を求め、回転軸１１の絶対回転角度θを得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ等回転体の位置決め用センサとして使用される光学式エンコーダに関する。

従来、回転体の回転軸の絶対角度を高分解能で検出するために、回転軸の回転中心に対して偏心した複数の同心円スリットからなる環状スリットの偏心量を検出して、回転軸の絶対角度を検出する光学式エンコーダがあった（例えば、特許文献１参照）。

図１０は従来のエンコーダの平面図、図１１は側面図である。
図１０おいて１１は回転軸、１３は回転ディスク、２５は回転ディスク１３上に形成された複数の同心円スリットからなる環状スリットである。また、１２は環状スリット１３からの透過光または反射光から回転体の回転位置を検出する絶対用検出部で図示しない固定部材に固定されている。図１１において２１は絶対値用固定スリット、２２は絶対値用受光素子で、絶対値用固定スリット２１と絶対値用受光素子で絶対用検出部１２を構成している。また、１６は環状スリットを照射する絶対値用投光素子で絶対用検出部と同様に固定部材（図示せず）に固定されている。

環状スリット２５は半径方向に同一ピッチで径の異なる同心円パターンであり、同心円中心１０１は回転軸の回転中心１００とは異なり偏心している。絶対値用受光素子２２はフォトダイオードやフォトトランジスタ等の光量検出素子である。絶対値用固定スリット２１は、図１２のように環状スリット２５のスリットピッチと同一ピッチの平行パターンで構成され互いに９０度位相の異なるスリット群Ａおよびスリット群Ｂを備えている。

回転軸１１が回転すると、環状スリット２５は回転軸１１に対して偏心して形成されているため、回転軸の回転中心１００から絶対値用検出部２１に対する環状スリット２５の位置１０２までの距離Lは回転角度に応じて変化する。従来、この距離Lを絶対値用検出部２１の検出信号を用いて演算し回転軸１１の回転角度を検出していた。

特願２００７−２２３４９９号公報

図１３は、従来の光学式エンコーダの回転軸の回転角度と環状スリットの状態を示す模式図で、この図を用いて従来技術の課題を説明する。

図１３において、２５ａ、２５ｂ、２５ｃは回転中心１００を原点とし紙面の左右方向をＸ軸、上下方向をＹ軸として回転角と環状スリットの位置の関係を示すもので、２５ａは環状スリットの中心がＸ時軸上にある場合、２５ｂは左周りに回転軸がθ度回転した場合、２５ｃは右回りにθ度回転した場合を示している。
図から分かるように右回りにθ度回転した場合と左周りにθ度回転した場合で回転中心１００から絶対値用検出部２１で検出される環状スリット２５の位置１０２までの距離は同じであることが分かる。

すなわち、特許文献1の光学式エンコーダでは、回転ディスクの０度から１８０度または、１８０度から３６０度（０度）の半回転内でのみ回転角度が算出でき、それ以上回転した場合、０度から１８０度の範囲にあるか、１８０度から３６０度（０度）の範囲にあるかがわからないという問題があった。

本発明は上記課題を解決し、全周にわたり回転軸の絶対角を検出することができる光学式エンコーダを提供することにある。

上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、回転軸に取り付けられ前記回転軸の回転中心に対して偏心した複数の等ピッチで形成された同心円スリットパターンからなる環状スリットを備えた回転ディスクと、固定部材に設けられ、前記環状スリットを照射する投光素子および前記環状スリットからの透過光または反射光を検出する絶対値用検出部とからなり、前記絶対値用検出部からの検出信号から前記回転軸の絶対回転角度を検出する光学式エンコーダにおいて、前記絶対値用検出部は、互いに異なる回転角度位置に設けられた第１の検出部および第２の検出部を備えたことを特徴としている。
請求項２に記載の発明は、前記環状スリットのスリットピッチは、前記回転軸の回転中心に対するに前記環状スリットの偏心量以上であることを特徴としている。
請求項３に記載の発明は、前記第１の検出部は、第１の固定スリットおよび前記第１の固定スリットからの透過光を受光する第１の受光素子から構成され、前記第２の検出部は、第２の固定スリットおよび前記第２の固定スリットからの透過光を受光する第２の受光素子から構成されていることを特徴としている。
請求項４に記載の発明は、前記第１の検出部および前記第２の検出部は、環状スリットと同一ピッチのスリットパターン状の受光素子から構成されていることを特徴としている。
請求項５に記載の発明は、前記回転ディスク上に前記回転軸１１の回転中心に対して放射状のインクリメンタルスリットを形成し、前記固定部材に前記放射状のインクリメンタルスリットを照射するインクリメンタル用投光素子および前記インクリメンタルスリットからの透過光または反射光を検出するインクリメンタル用検出部を備えたことを特徴としている。
請求項６に記載の発明は、前記インクリメンタル用検出部は、インクリメンタル用固定スリットおよび前記インクリメンタル用固定スリットからの透過光を受光するインクリメンタル用受光素子から構成されていることを特徴としている。
請求項７に記載の発明は、前記インクリメンタル用固定スリットは互いに位相の異なる２相のスリット群から構成され、前記インクリメンタル用受光素子は前記２相のスリット群のそれぞれの相に対応するインクリメンタル用受光素子から構成されていることを特徴としている。
請求項８に記載の発明は、前記インクリメンタル用検出部は、前記インクリメンタルスリットと同一ピッチのスリットパターン状の受光素子から構成されていることを特徴としている。
請求項９に記載の発明は、前記インクリメンタル用検出部から得られる信号を内挿分割し、前記環状スリットから得られる絶対角度信号を用いて前記内挿信号をつなぎ合わせることを特徴としている。
請求項１０に記載の発明は、前記環状スリットを照射する投光素子とインクリメンタル用投光素子を共通の投光素子で構成したことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、絶対値用検出部が互いに異なる回転角度位置に設けられた第１の検出部および第２の検出部を備えているので、全周にわたり回転軸の絶対角を検出することができる光学式エンコーダを提供することができる。
請求項２記載の発明によると、スリットピッチを前記偏心量以上にすればＡ相、Ｂ相信号で回転角の絶対値が一義的に決定でき、カウンター等を用いた信号処理が不要になり信号処理が簡素化できる。
請求項５記載の発明によると、前記第１の受光素子からの信号を処理し得られる絶対値信号の下位に、インクリメンタルスリットから得られた信号を加えることにより高分解能の絶対角度信号が得られる。
請求項９記載の発明によると、インクリメンタルスリットから得られた信号をさらに内挿分割した信号を加えることにより、高分解能な絶対角度信号が得られる。
請求項１０記載の発明によると、環状スリット２５を照射する投光素子とインクリメンタル用投光素子を１つの投光素子で構成すれば、小型化することができる。

本発明の第１実施例を示す光学式エンコーダの構成を示す平面図である。 第１実施例における光学式エンコーダの構成を示す側面図である。 第１実施例における光学式エンコーダの第１の固定スリットの平面図である。 第１実施例における回転中心から環状スリットの第１の固定スリットに対応する位置までの距離Ｌ１を示す模式図である。 第１実施例における回転角度θと、第１の検出部１２Ａに対応する環状スリット２５までの距離L１の関係を示すグラフある。 第１実施例における回転中心から環状スリットの第２の固定スリットに対応する位置までの距離Ｌ２を示す模式図である。 第１実施例における回転角度θと第２の検出部１２Ｂに対応する環状スリット２５までの距離L２の関係を示すグラフで、図６で示したL1とともに図示している。 本発明の第２実施例を示す光学式エンコーダの構成を示す平面図である。 第２実施例における光学式エンコーダの構成を示す側面図である。 従来の光学式エンコーダの構成を示す平面図である。 従来の光学式エンコーダの構成を示す側面図である。 従来の光学式エンコーダの絶対値用固定スリットの構成を示す平面図である。 従来の光学式エンコーダの回転軸の回転角度と環状スリットの状態を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す光学式エンコーダの平面図、図２は側面図である。なお、図１の平面図は図２を紙面下側から見た図である。

図１において１１は回転軸、１３は回転ディスク、２５は複数の同心円スリットからなる環状スリットである。環状スリット２５は半径方向に同一ピッチで径の異なる同心円スリットパターンで構成され、同心円の中心１０１は回転軸の回転中心１００から偏心している。また、１２Ａは第１の検出部、１２Ｂは第２の検出部で、本発明の絶対値用検出部１２は、第１の検出部１２Ａおよび第２の検出部１２Ｂで構成され、環状スリット２５に対して互いに異なる回転角度位置に配置されている。

図２において、２１A、２２Aはそれぞれ第１の固定スリットおよび第１の受光素子で、第１の固定スリット２１Ａと第１の受光素子２２Ａで第１の検出部１２Ａを構成している。また、２１Ｂ、２２Ｂはそれぞれ第２の固定スリットおよび第２の受光素子で、第２の固定スリット２１Ｂと第１の受光素子２２Ｂで第２の検出部１２Ｂを構成している。
１６Aは第１の投光素子、１６Ｂ第２の投光素子で、第１の検出部１２Ａに対して第１の投光素子１６Ａが設けられ、第２の検出部１２Ｂに対して第２の投光素子１６Ｂが設けられている。

図３は絶対値用固定スリットの平面図で、互いに９０度位相の異なるスリット群Ａおよびスリット群Ｂを備えている。

なお、本実施例では検出部に固定スリットと受光素子を用いたが、固定スリットを省略し、環状スリット２５と同一ピッチのスリットパターン状の受光素子で構成しても良い。

本発明が従来技術と異なる部分は、第１の検出部および第２の検出部の２つの検出部を互いに異なる回転角度位置に設けた点である。

次に本実施例の動作について説明する。
図４は、回転ディスクがθだけ回転したときの回転中心１００から環状スリット２５の第１の検出部に対する位置１０２Ａまでの距離Ｌ１を示す模式図である。

回転軸が回転すると、環状スリット２５の同心円の中心１０１は回転軸の回転中心１００に対して偏心して形成されているため、距離L１は回転角度θに応じて変化する。

この関係を数式的に表すために半径ｒの環状スリット２５が、回転中心１００に対して距離ｄだけ偏心している場合を考える。環状スリット２５の中心１０１がＸ軸上にあるときを０度として、θだけ回転したときの距離L１は、
Ｌ１＝ｄcosθ＋（ｒ^２＋ｄ^２・sin^２θ）^１／２ ・・・・・（１）
と表される。

ｄがrに比べて、十分小さいときは、
Ｌ１≒ｄcosθ・・・・・・・（２）
と近似される。

図５は、回転角度θと距離L１の関係を示すグラフで、環状スリットの半径が２０mm、環状スリットの偏心量が４０μｍの場合における回転角度θと距離L１の関係を示している。距離L１は、環状スリット２５と第１の固定スリット２１Ａの重なり具合による第１の受光素子２２Ａに入射する光の量をから検出することができる。

図６は、回転ディスクがθだけ回転したときの回転中心１００から環状スリット２５の第２の第２の検出部１２Ｂに対する位置１０２Ｂまでの距離Ｌ２を示す模式図である。

第１の検出部１２Ａに対して９０度位置をずらして設けた第２の検出部１２Ｂについて同様に考えると、回転中心１００から、第２の検出部１２Ｂに対応する環状スリット２５までの距離L２は、
Ｌ２＝ｄsinθ＋（ｒ^２＋ｄ^２・cos^２θ）^１／２ ・・・・・（２）
と表される。

ｄがrに比べて、十分小さいときは、
Ｌ２≒ｄsinθ・・・・・・・・（４）
と近似される。

図７は、回転角度θと距離L２の関係を示すグラフで、環状スリットの半径が２０mm、環状スリットの偏心量が４０μｍの場合における回転角度θと距離L２の関係を図６で示したL１とともに図示している。

距離L２は、環状スリット２５と第２の固定スリット２１Ｂの重なり具合による第２の受光素子２２Ｂに入射する光の量から検出することができる。

図７のように、L１とL２の値は、０から３６０度の回転角度に対して、位相の異なる正弦波状の変化を示す。したがって、このL１とL２の値を用いることで、０から３６０度の全周にわたり任意の回転角度、すなわち絶対回転角度を検出することができる。

特に環状スリット２５のスリットピッチを偏心量より大きく設定することにより、回転ディスク１３の０度から３６０度の回転で、環状スリット２５の変位量はスリットピッチ以下になるため、環状スリット２５と固定スリットの開口部の重なりの位置関係は、一意的な関係となり、環状スリット２５の変位から回転角度の絶対値が算出できる。

例えば、環状スリット２５の前記回転軸に対する偏心量を４０μｍとすると、環状スリット２５のスリットピッチを５０μｍにすればよい。

図８は本発明の第２実施例を示す光学式エンコーダの平面図、図９は側面図である。第１実施例の光学式エンコーダと同一の構成部品は同一番号を付し説明を省略する。

図８において、３５はインクリメンタルスリットで、回転中心に対して放射状にスリットが形成されている。また、１４はインクリメンタルスリット３５からの透過光または反射光を検出するインクリメンタル用検出部で本実施例では透過光を検出している。

図９において、３６はインクリメンタル用投光素子、３１はインクリメンタル用固定スリット、３２はインクリメンタル用受光素子で、インクリメンタル用固定スリット３１とインクリメンタル用受光素子３２でインクリメンタル用検出部１４を構成している。

回転角度の絶対値および回転方向の検出のために、インクリメンタル用固定スリット３１は、互いに位相の異なる２相のスリット群から構成され、それぞれのスリット群に対してインクリメンタル用受光素子３２が設けられている。
なお、インクリメンタル用投光素子３６を第１および第２の投光素子とは別に設けたが小型化するために１つの投光素子で兼用することもできる。

次に本実施例の動作について説明する。
回転軸１１が回転すると、各インクリメンタル用受光素子３２は回転角度に応じた正弦波状の信号を出力する。この正弦波状のインクリメンタル信号の１ピッチ内を図示しない演算装置で内挿分割処理し、実施例１で示した環状スリット２５から得られる絶対角度信号を用いて角ピッチからの内挿信号をつなぎ合わせることにより高分解能の絶対角度信号を得ている。

環状スリット２５から得られる絶対角度信号は、インクリメンタル信号の１周期を特定できるだけの分解能があればよく、エンコーダ全体の分解能は、インクリメンタル信号の内挿分割による分解能に依存するため、非常に高い分解能を得ることができる。

実施例については透過形の光学式エンコーダで説明したが、本発明は、反射型の光学式エンコーダに用いても同様に従来のエンコーダよりも高分解能な角度信号を得ることができる。

１１ 回転軸
１２ 絶対値用検出部
１２Ａ 第１の検出部
１２Ｂ 第２の検出部
１３ 回転ディスク
１４ インクリメンタル用検出部
１６ 絶対値用投光素子
１６Ａ 第１の投光素子
１６Ｂ 第２の投光素子
２１ 絶対値用固定スリット
２１Ａ 第１の固定スリット
２１Ｂ 第２の固定スリット
２２ 第１の受光素子
２２Ａ 第１の受光素子
２２Ｂ 第２の受光素子
２５ 環状スリット
３１ インクリメンタル用固定スリット
３２ インクリメンタル用受光素子
３５ インクリメンタルスリット
３６ インクリメンタル用投光素子
１００ 回転中心
１０１ 環状スリットの同心円中心

Claims (10)

1. 回転軸に取り付けられ前記回転軸の回転中心に対して偏心した複数の等ピッチで形成された同心円スリットパターンからなる環状スリットを備えた回転ディスクと、固定部材に設けられ、前記環状スリットを照射する投光素子および前記環状スリットからの透過光または反射光を検出する絶対値用検出部とからなり、前記絶対値用検出部からの検出信号から前記回転軸の絶対回転角度を検出する光学式エンコーダにおいて、
   前記絶対値用検出部は、互いに異なる回転角度位置に設けられた第１の検出部および第２の検出部を備えたことを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記環状スリットのスリットピッチは、前記回転軸の回転中心に対するに前記環状スリットの偏心量以上であることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
3. 前記第１の検出部は、第１の固定スリットおよび前記第１の固定スリットからの透過光を受光する第１の受光素子から構成され、前記第２の検出部は、第２の固定スリットおよび前記第２の固定スリットからの透過光を受光する第２の受光素子から構成されていることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
4. 前記第１の検出部および前記第２の検出部は、環状スリットと同一ピッチのスリットパターン状の受光素子から構成されていることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
5. 前記回転ディスク上に前記回転軸１１の回転中心に対して放射状のインクリメンタルスリットを形成し、前記固定部材に前記放射状のインクリメンタルスリットを照射するインクリメンタル用投光素子および前記インクリメンタルスリットからの透過光または反射光を検出するインクリメンタル用検出部を備えたことを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
6. 前記インクリメンタル用検出部は、インクリメンタル用固定スリットおよび前記インクリメンタル用固定スリットからの透過光を受光するインクリメンタル用受光素子から構成されていることを特徴とする請求項５記載の光学式エンコーダ。
7. 前記インクリメンタル用固定スリットは互いに位相の異なる２相のスリット群から構成され、前記インクリメンタル用受光素子は前記２相のスリット群のそれぞれの相に対応するインクリメンタル用受光素子から構成されていることを特徴とする請求項６記載の光学式エンコーダ。
8. 前記インクリメンタル用検出部は、前記インクリメンタルスリットと同一ピッチのスリットパターン状の受光素子から構成されていることを特徴とする請求項５記載の光学式エンコーダ。
9. 前記インクリメンタル用検出部から得られる信号を内挿分割し、前記環状スリットから得られる絶対角度信号を用いて前記内挿信号をつなぎ合わせることを特徴とする請求項５記載の光学式エンコーダ。
10. 前記環状スリットを照射する投光素子とインクリメンタル用投光素子を共通の投光素子で構成したことを特徴とする請求項５記載の光学式エンコーダ。

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