JP2014010137A - エンコーダ、符号板、駆動装置、及びロボット装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エンコーダは、照射光を射出する光源部3と、被駆動体の位置情報を示し、第1の光量と第1の光量を反転させた第2の光量とを照射光に生じさせるパターンを有する符号板と、パターンを介して照射光に生じた第1の光量に応じて、第1の検出信号を出力する第1の受光センサ部と、パターンを介して照射光に生じた第2の光量に応じて、第2の検出信号を出力する第2の受光センサ部と、第1の検出信号及び第2の検出信号を差動信号として、位置情報に対応した二値化信号を生成する二値化部と、二値化信号に基づいて、位置情報を検出する位置検出部とを備える。
【選択図】図2
Description
このように、上述のようなエンコーダは、被駆動体の位置情報を誤検出する場合がある。
[第1の実施形態]
本実施形態では、一例として、光学式のロータリエンコーダについて説明する。
図1は、第1の実施形態によるエンコーダ1の構成の一例を示す概略構成図である。
図1において、エンコーダ1は、基板(5,7)と、符号板2(円盤)に結合された回転子6とを備えている。エンコーダ1は、回転子6(被駆動体)の位置情報(例えば、角度位置情報)を検出する。
ここで、図1(a)は、回転子6の回転軸方向(Z軸方向)から見たエンコーダ1の構成を示し、図1(b)及び図1(c)は、Y軸方向から見た符号板2及び基板(5,7)の配置を示している。
また、受光素子411は、図1(b)に示すように、光源部3によって射出された照射光がパターン20の透過部20Tを透過した照射光L1を受光する位置に配置されている。例えば、受光素子411は、光源部3から射出された照射光L1が、パターン20(透過部20T)を介して入射される位置に配置されている。受光素子411には、例えば、符号板2の垂直面(ZY平面)に対してX軸方向(短手方向)に角度θにより照射光L1が入射される。ここで、受光素子411によって受光される、照射光L1を含む光量が第1の光量に対応する。第1の光量は、所定の領域における光量を含み、例えば、受光素子411の受光領域における少なくとも測定方向の光量を含む。
ここで、図1(b)の状態では、上述した第1の光量が増大し、第2の光量が低減する。また、図1(c)の状態では、上述した第1の光量が低減し、第2の光量が増大する。このように、第1の光量と第2の光量とは、互いに反転させた関係(逆位相の関係)にある。なお、光量の反転には、例えば、光量の変化の反転、光の強度分布の反転なども含まれる。すなわち、第1の光量の変化と、第2の光量の変化とは、互いに反転させた関係にある。また、光量の反転は、互いに完全に反転させた関係でもよいし、互いにほぼ反転させた関係でもよい。
図2において、エンコーダ1は、光源部3、位置検出部40、受光センサ部41、受光センサ部42、及び二値化部60を備えている。
なお、上述したように、受光センサ部41(受光素子411)は、光源部3から射出された照射光が、パターン20を介して入射される位置に配置されている。
抵抗413は、例えば、予め定められた所定の抵抗値を有する抵抗素子であり、一端が接地され(グランド線に接続され)、他端がノードN1に接続されている。抵抗413は、第1の光量の変化に応じた、受光素子411による電流の変化を電圧の変化に変換する。
なお、上述したように、受光センサ部42(受光素子421)は、光源部3から射出された照射光が、パターン20を介して入射される位置に配置されている。
抵抗423は、例えば、予め定められた所定の抵抗値を有する抵抗素子であり、一端が接地され(グランド線に接続され)、他端がノードN2に接続されている。抵抗423は、第2の光量の変化に応じた、受光素子411による電流の変化を電圧の変化に変換する。
図3は、本実施形態におけるエンコーダ1の動作を示す図である。
図3において、各グラフは、回転方向(検出方向)の位置に対応する、差動信号(検出信号ABS,検出信号/ABS)、及び二値化信号DABSを示している。ここで、波形W1は、受光センサ部41が出力する差動信号(検出信号ABS)の信号波形を示し、波形W2は、受光センサ部42が出力する差動信号(検出信号/ABS)の信号波形を示している。また、波形W3は、二値化部60が出力する二値化信号DABSを示している。
また、図3において、パターン20は、透過部20Tと反射部20Rとの組み合わせにより形成されている。
例えば、従来のエンコーダでは、二値化信号を生成する際のマージン(例えば、ノイズマージン)は、電圧範囲MG1となる。これに対して、本実施形態におけるエンコーダ1では、二値化信号DABSを生成する際のマージン(例えば、ノイズマージン)は、電圧範囲MG1より広い範囲である電圧範囲MG2となる。すなわち、本実施形態におけるエンコーダ1は、二値化信号DABSを生成する際のマージン(例えば、ノイズマージン)を従来の固定の閾値電圧を用いる場合に比べて広くすることができる。
なお、本実施形態におけるエンコーダ1は、差動信号に基づいて、二値化信号DABSを生成するようにしたので、従来のように、基準電位Vrefを抵抗分圧により生成する必要がない。そのため、本実施形態におけるエンコーダ1は、可変抵抗等により基準電位Vrefを調整する必要がないので、製造工程を簡略化することができる。
これにより、本実施形態におけるエンコーダ1は、透過部20Tと反射部20Rとに基づいて、簡易は手段により、1つのパターン20により、差動信号(検出信号ABS及び検出信号/ABS)を生成することができる。
これにより、本実施形態におけるエンコーダ1は、1つのトラックにより差動信号(検出信号ABS及び検出信号/ABS)を生成することができる。そのため、本実施形態におけるエンコーダ1は、符号板2を小型化することができる。
これにより、光源部3が位置情報の検出方向とは異なるパターン20の短手方向からパターン20に照射光を照射するので、受光センサ部41及び受光センサ部42は、光源部3が位置情報の検出方向から照射する場合よりも効率よく照射光の光量を受光することができる。そのため、受光センサ部41及び受光センサ部42は、検出信号ABS及び検出信号/ABSの信号レベル(信号振幅)を大きくすることができるので、本実施形態におけるエンコーダ1は、二値化信号を生成する際のマージンを広くすることができる。
これにより、本実施形態におけるエンコーダ1は、検出系(例えば、光源部3と受光センサ部(41,42)とを備えた検出ヘッダ)を小型化することができる。また、光源部3の配置と受光素子421の配置との両方の調整を同時に行うことができるため、本実施形態におけるエンコーダ1bは、光源部3及び受光素子421の配置を調整する製造工程を簡略化することができる。
これにより、エンコーダ1に対して差動信号(検出信号ABS、検出信号/ABS)に基づいて位置情報を検出させるようにできるので、位置情報の誤検出を低減することができる。したがって、本実施形態における符号板2は、エンコーダ1と同様に、信頼性を向上せることができる。また、本実施形態における符号板2は、上述したエンコーダ1と同様の効果を得ることができる。
[第2の実施形態]
本実施形態では、第1の実施形態と同様に、一例として、ロータリエンコーダについて説明する。
図4は、第2の実施形態によるエンコーダ1aの構成の一例を示す概略構成図である。
図4において、エンコーダ1aは、基板7aと、符号板2a(円盤)に結合された回転子6とを備えている。エンコーダ1aは、回転子6(被駆動体)の位置情報(例えば、角度位置情報)を検出する。
本実施形態では、反射式のパターン20a(2トラックの反射パターン(21,22))を用いて、差動信号(検出信号ABS及び検出信号/ABS)を生成する場合の一例について説明する。
また、受光素子411は、図4(b)に示すように、光源部3によって射出された照射光が反射パターン21の反射部21Rを反射した照射光L1aを受光する位置に配置されている。例えば、受光素子411は、光源部3から射出された照射光L1aが、反射パターン21(反射部21R)を介して入射される位置に配置されている。ここで、受光素子411によって受光される、照射光L1aを含む光量が第1の光量に対応する。
なお、図4(b)及び図4(c)に示すように、反射パターン21と反射パターン22とは、互いに反転したパターンに形成されている。
また、図4(c)は、回転子6の回転位置が反射パターン21の非反射部21NRの位置、且つ反射パターン22の反射部22Rの位置にある場合の一例を示している。この場合、上述した第1の光量が低減し、第2の光量が増大する。このように、第1の光量と第2の光量とは、互いに反転させた関係にある。なお、光量の反転には、例えば、光量の変化の反転、光の強度分布の反転なども含まれる。すなわち、第1の光量の変化と、第2の光量の変化とは、互いに反転させた関係にある。
図5は、本実施形態におけるエンコーダ1aの動作を示す図である。
図5において、各グラフは、回転方向(検出方向)の位置に対応する、差動信号(検出信号ABS,検出信号/ABS)、及び二値化信号DABSを示している。ここで、波形W4は、受光センサ部41が出力する差動信号(検出信号ABS)の信号波形を示し、波形W5は、受光センサ部42が出力する差動信号(検出信号/ABS)の信号波形を示している。また、波形W6は、二値化部60が出力する二値化信号DABSを示している。
また、図5に示すように、反射パターン21は、反射部21Rと非反射部21NRとの組み合わせにより形成されており、反射パターン22は、反射部22Rと非反射部22NRとの組み合わせにより形成されている。
続く、二値化部60のコンパレータ61の動作は、第1の実施形態の動作と同様であり、コンパレータ61は、波形W6に示すような二値化信号DABSを出力する。
[第3の実施形態]
本実施形態では、第1の実施形態と同様に、一例として、ロータリエンコーダについて説明する。
図6は、第3の実施形態によるエンコーダ1bの構成の一例を示す概略構成図である。
図6において、エンコーダ1bは、基板(7b,5a)と、符号板2b(円盤)に結合された回転子6とを備えている。エンコーダ1bは、回転子6(被駆動体)の位置情報(例えば、角度位置情報)を検出する。
本実施形態では、反射式のパターン20b(2トラックの透過パターン(21a,22a))を用いて、差動信号(検出信号ABS及び検出信号/ABS)を生成する場合の一例について説明する。
なお、パターン20aは、例えば、符号板2bにエッチングによりM系列を示す透過部20Tを形成してもよい。
また、受光素子411は、図6(b)に示すように、光源部3によって射出された照射光が透過パターン21aの透過部21Tを透過した照射光L1bを受光する位置に配置されている。例えば、受光素子411は、光源部3から射出された照射光L1bが、透過パターン21a(透過部21T)を介して入射される位置に配置されている。ここで、受光素子411によって受光される、照射光L1bを含む光量が第1の光量に対応する。
なお、図6(b)及び図6(c)に示すように、透過パターン21aと透過パターン22aとは、互いに反転したパターンに形成されている。
また、図6(c)は、回転子6の回転位置が透過パターン21aの非透過部21NTの位置、且つ透過パターン22aの透過部22Tの位置にある場合の一例を示している。この場合、上述した第1の光量が低減し、第2の光量が増大する。このように、第1の光量と第2の光量とは、互いに反転させた関係にある。なお、光量の反転には、例えば、光量の変化の反転、光の強度分布の反転なども含まれる。すなわち、第1の光量の変化と、第2の光量の変化とは、互いに反転させた関係にある。
図7は、本実施形態におけるエンコーダ1bの動作を示す図である。
図7において、各グラフは、回転方向(検出方向)の位置に対応する、差動信号(検出信号ABS,検出信号/ABS)、及び二値化信号DABSを示している。ここで、波形W7は、受光センサ部41が出力する差動信号(検出信号ABS)の信号波形を示し、波形W8は、受光センサ部42が出力する差動信号(検出信号/ABS)の信号波形を示している。また、波形W9は、二値化部60が出力する二値化信号DABSを示している。
また、図7に示すように、透過パターン21aは、透過部21Tと非透過部21NTとの組み合わせにより形成されており、透過パターン22aは、透過部22Tと非透過部22NTとの組み合わせにより形成されている。
続く、二値化部60のコンパレータ61の動作は、第1の実施形態の動作と同様であり、コンパレータ61は、波形W9に示すような二値化信号DABSを出力する。
[第4の実施形態]
本実施形態では、第1の実施形態と同様に、一例として、ロータリエンコーダについて説明する。
図8は、第4の実施形態によるエンコーダ1cの構成の一例を示す概略構成図である。
図8において、エンコーダ1cは、基板(7c,5b)と、符号板2c(円盤)に結合された回転子6とを備えている。エンコーダ1cは、回転子6(被駆動体)の位置情報(例えば、角度位置情報)を検出する。
本実施形態では、パターン20c(透過パターン21b,反射パターン22bの2トラック)を用いて、差動信号(検出信号ABS及び検出信号/ABS)を生成する場合の一例について説明する。
なお、パターン20cは、例えば、符号板2cにエッチングによりM系列を示す透過部21Tを形成することにより透過パターン21bが形成されている。また、例えば、アルミニウムなどの蒸着又は切削による鏡面加工(鏡面に磨く加工)によりM系列の反転パターンを示す反射部22Rを形成することにより反射パターン22bが形成されている。
また、受光素子411は、図8(b)に示すように、光源部3によって射出された照射光が透過パターン21bの透過部21Tを透過した照射光L1cを受光する位置に配置されている。例えば、受光素子411は、光源部3から射出された照射光L1cが、透過パターン21b(透過部21T)を介して入射される位置に配置されている。ここで、受光素子411によって受光される、照射光L1cを含む光量が第1の光量に対応する。
また、図8(c)は、回転子6の回転位置が透過パターン21bの非透過部21NTの位置、且つ反射パターン22bの反射部22Rの位置にある場合の一例を示している。この場合、上述した第1の光量が低減し、第2の光量が増大する。このように、第1の光量と第2の光量とは、互いに反転させた関係にある。なお、光量の反転には、例えば、光量の変化の反転、光の強度分布の反転なども含まれる。すなわち、第1の光量の変化と、第2の光量の変化とは、互いに反転させた関係にある。
図9は、本実施形態におけるエンコーダ1cの動作を示す図である。
図9において、各グラフは、回転方向(検出方向)の位置に対応する、差動信号(検出信号ABS,検出信号/ABS)、及び二値化信号DABSを示している。ここで、波形W10は、受光センサ部41が出力する差動信号(検出信号ABS)の信号波形を示し、波形W11は、受光センサ部42が出力する差動信号(検出信号/ABS)の信号波形を示している。また、波形W12は、二値化部60が出力する二値化信号DABSを示している。
また、図9に示すように、透過パターン21bは、透過部21Tと非透過部21NTとの組み合わせにより形成されており、反射パターン22bは、反射部22Rと非反射部22NR(非透過部22NT)との組み合わせにより形成されている。
続く、二値化部60のコンパレータ61の動作は、第1の実施形態の動作と同様であり、コンパレータ61は、波形W12に示すような二値化信号DABSを出力する。
[第5の実施形態]
本実施形態では、第1の実施形態と同様に、一例として、ロータリエンコーダについて説明する。
図10は、第5の実施形態によるエンコーダ1dの構成の一例を示す概略構成図である。
図10において、エンコーダ1dは、基板(7d,5c)と、符号板2d(円盤)に結合された回転子6とを備えている。エンコーダ1dは、回転子6(被駆動体)の位置情報(例えば、角度位置情報)を検出する。
図10に示すように、符号板2dは、回転子6に結合された円盤であり、例えば、複数つのトラックによりグレイコード(例、Xビットのグレイコード)が形成されたパターン20dを備えている。この複数のトラックのそれぞれは、第1の実施形態におけるパターン20と同様に、1トラックに透過部20Tと反射部20Rとを有する透過反射パターンである。ここで、例えば、符号板2dは、複数(例、X個)の透過反射パターン20d−1〜20d−Xを有している。
図11において、エンコーダ1dは、光源部3、位置検出部40a、受光センサ部41−1〜41−X、受光センサ部42−1〜42−X、及び二値化部60−Xを備えている。
また、二値化部60−1〜60−Xのそれぞれは、例えば、第1の実施形態におけるコンパレータ61と同様のコンパレータ回路(コンパレータ61−1〜60−X)を備えている。ここで、コンパレータ61−1〜60−Xは、第1の実施形態におけるコンパレータ61と同様の構成でありここでは説明を省略する。
図12は、本実施形態におけるエンコーダ1dの動作を示す図である。
図12において、各グラフは、回転方向(検出方向)の位置に対応する、差動信号(検出信号ABS1,検出信号/ABS1)、二値化信号DABS1、差動信号(検出信号ABSX,検出信号/ABSX)、及び二値化信号DABSXを示している。ここで、波形W13は、受光センサ部41−1が出力する差動信号(検出信号ABS1)の信号波形を示し、波形W14は、受光センサ部42−1が出力する差動信号(検出信号/ABS1)の信号波形を示している。また、波形W15は、二値化部60−1が出力する二値化信号DABS1を示している。
また、図12において、透過反射パターン20d−1及び透過反射パターン20d−Xは、透過部20Tと反射部20Rとの組み合わせにより形成されている。
例えば、受光センサ部41−1は、透過反射パターン20d−1を検出し、波形W13に示すような検出信号ABS1を二値化部60−1に出力する。なお、ここで、電位Vrefは、検出信号ABS1の変化の中間電位を示す。
例えば、受光センサ部42−1は、透過反射パターン20d−1を検出し、波形W14に示すような検出信号/ABS1を二値化部60−1に出力する。
そして、例えば、二値化部60−1のコンパレータ61−1は、受光センサ部41−1が出力する検出信号ABS1、及び受光センサ部42−1が出力する検出信号/ABS1を差動信号として、波形W15に示すような透過反射パターン20d−1に対応した二値化信号DABS1を生成する。
例えば、受光センサ部42−Xは、透過反射パターン20d−Xを検出し、波形W17に示すような検出信号/ABSXを二値化部60−Xに出力する。
そして、例えば、二値化部60−Xのコンパレータ61−Xは、受光センサ部41−Xが出力する検出信号ABSX、及び受光センサ部42−Xが出力する検出信号/ABSXを差動信号として、波形W18に示すような透過反射パターン20d−Xに対応した二値化信号DABSXを生成する。
次に、上述の実施形態におけるエンコーダ1(1a〜1d)を備える駆動装置(モータ装置、アクチュエータ)について説明する。
図13は、本実施形態における駆動装置DRの概略図である。本実施形態における駆動装置DRは、入力軸IAXを回転させるモータMTRと、入力軸IAX(回転子)に設けられたエンコーダ1(1a〜1d)と、を備える。すなわち、駆動装置DRは、エンコーダ1(1a〜1d)と、入力軸IAX(被駆動体)を駆動する(移動させる)モータMTR(駆動部)と、を備えている。
次に、上述の実施形態における駆動装置DRを備えるロボット装置を説明する。
図14は、一例として第6の実施形態に記載の駆動装置DR(モータ装置)を備えるロボット装置RBTの一部(ハンドロボットの指部分の先端)の構成を示す図である。なお、上記実施形態に記載の駆動装置DRは、ロボット装置RBTのアーム部を駆動する駆動部として用いてもよい。
例えば、上記の第1、第2、第4、及び第5の実施形態において、基板7(7a,7c,7d)は、光源部3と受光素子421(411)と実装する形態を説明したが、光源部3と受光素子421(411)とを異なる基板に実装する形態でもよい。
また、例えば、図16は、第5の実施形態において、基板7fに受光素子421−1〜421−3を実装し、光源部3を基板7fに実装しない場合の変形例を示す図である。このように、第5の実施形態におけるエンコーダ1dは、光源部3と受光素子421−1〜421−3とを異なる基板に実装する形態でもよい。
この場合、例えば、基板7e(7f)が半導体基板(半導体チップ)であり、光源部3のチップをチップオンチップ接合することが可能な実装装置がない場合であっても、簡易な実装手段によりエンコーダ1(1d)を製造することができる。
また、上記の各実施形態において、エンコーダ1(1a〜1d)は、ロータリエンコーダである場合について説明したが、上記の各実施形態は、符号板がセンサ部に対して相対的に移動するリニアエンコーダに対して適用してもよい。
Claims (14)
- 照射光を射出する光源部3と、
被駆動体の位置情報を示し、第1の光量と前記第1の光量を反転させた第2の光量とを前記照射光に生じさせるパターンを有する符号板と、
前記パターンを介して前記照射光に生じた前記第1の光量に応じて、第1の検出信号を出力する第1の受光センサ部と、
前記パターンを介して前記照射光に生じた前記第2の光量に応じて、第2の検出信号を出力する第2の受光センサ部と、
前記第1の検出信号及び前記第2の検出信号を差動信号として、前記位置情報に対応した二値化信号を生成する二値化部と、
前記二値化信号に基づいて、前記位置情報を検出する位置検出部と
を備えることを特徴とするエンコーダ。 - 前記パターンは、
前記照射光を透過する透過部と、前記照射光を反射する反射部とを含んで形成され、
前記第1の受光センサ部は、前記パターンを透過した光に生じる前記第1の光量に応じて、前記第1の検出信号を出力し、
前記第2の受光センサ部は、前記パターンを反射した光に生じる前記第2の光量に応じて、前記第2の検出信号を出力する
ことを特徴とする請求項1に記載のエンコーダ。 - 前記パターンは、
前記透過部と前記反射部との組み合わせにより前記位置情報を示すように形成されている
ことを特徴とする請求項2に記載のエンコーダ。 - 前記パターンは、
前記透過部と、前記透過部より透過率の低い非透過部との組み合わせにより形成されている第1パターンと、
前記反射部と、前記反射部より反射率の低い非反射部との組み合わせにより形成されている第2パターンと
を有する、
ことを特徴とする請求項2に記載のエンコーダ。 - 前記パターンは、
前記第1の光量を生じさせる第1パターンと、
前記第1パターンの反転パターンにより形成され、前記第2の光量を生じさせる第2パターンと
を有し、
前記第1の受光センサ部は、前記第1パターンに基づく前記第1の光量に応じて、前記第1の検出信号を出力し、
前記第2の受光センサ部は、前記第2パターンに基づく前記第2の光量に応じて、前記第2の検出信号を出力する
ことを特徴とする請求項1に記載のエンコーダ。 - 前記光源部3は、前記パターンに対して、前記位置情報の検出方向である前記パターンの長手方向とは異なる前記パターンの短手方向に離れた位置に配置され、
前記第1の受光センサ部及び前記第2の受光センサ部のそれぞれは、
前記光源部3から射出された前記照射光が、前記パターンを介して入射される位置に配置されている
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のエンコーダ。 - 前記光源部3と前記第2の受光センサ部とが同一の基板に実装されている
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のエンコーダ。 - 被駆動体の位置情報を示し、第1の光量と前記第1の光量を反転させた第2の光量とを光源部3から射出される照射光に生じさせるパターン
を備えることを特徴とする符号板。 - 前記パターンは、
前記照射光を透過する透過部と、前記照射光を反射する反射部とを含んで形成され、前記パターンを透過した光に前記第1の光量を生じさせるとともに、前記パターンを反射した光に前記第2の光量を生じさせる
ことを特徴とする請求項8に記載の符号板。 - 前記パターンは、
前記透過部と前記反射部との組み合わせにより前記位置情報を示すように形成されている
ことを特徴とする請求項9に記載の符号板。 - 前記パターンは、
前記透過部と、前記透過部より透過率の低い非透過部との組み合わせにより形成され、前記第1の光量を生じさせる第1パターンと、
前記反射部と、前記反射部より反射率の低い非反射部との組み合わせにより形成され、前記第2の光量を生じさせる第2パターンと
を備えることを特徴とする請求項9に記載の符号板。 - 前記パターンは、
前記第1の光量を生じさせる第1パターンと、
前記第1パターンの反転パターンにより形成され、前記第2の光量を生じさせる第2パターンと
を備えることを特徴とする請求項8に記載の符号板。 - 被駆動体と、
前記被駆動体を移動させる駆動部と、
前記被駆動体に固定され、前記被駆動体の位置情報を検出する請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のエンコーダと
を備えることを駆動装置。 - 請求項13に記載の駆動装置を備えることを特徴とするロボット装置。
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JP2012149325A JP5998682B2 (ja) | 2012-07-03 | 2012-07-03 | エンコーダ、符号板、駆動装置、及びロボット装置 |
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