JP2014160018A - ロータリーエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】分解能を向上させたロータリーエンコーダを提供する。
【解決手段】ロータリーエンコーダ１は、光源部２、ダブプリズム３、二次元ＰＳＤ４、及び演算部５を備え、回転軸を中心に回転する回転体６の回転角を測定する。光源部２は、回転軸に対して偏心するとともに、回転軸に対して平行な光軸を有する光を出射する。ダブプリズム３は、光源部２の出射光が入射面に入射されるよう光源部２と二次元ＰＳＤ４との間に配置される。ダブプリズム３は、中心軸が、回転体６の回転軸と一致するよう回転体６に固定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータリーエンコーダに関する。

従来から、たとえばモータの回転子などに関連して設けられ、この回転子などの回転角を検出するためのロータリーエンコーダが知られている。従来のロータリーエンコーダの方式として、一定の角度のピッチでスリットをつけた格子円盤（エンコーダディスク）に同じピッチの格子スケールを重ね、スリットに光源からの光を通して光電素子に導き、格子円盤のみを回転体とともに回転させ、１ピッチの回転ごとに１つの高低の波形を光電素子で検出して、回転の変位を測定する方式がある（例えば、特許文献１参照）。この方式では、回転の変位を回転方向に応じてカウンタで加減算して相対的な回転角を測定する。ロータリーエンコーダの分解能を高めるには、スリットの幅を縮小する方法と格子円盤を大径化する方法があるが、スリットの幅を縮小することには限界があるため、分解能を高めるには格子円盤を大径化せざるを得ず、高分解能化と小型化を両立することは困難であった。

上記の問題点に対し、受光面における光の入射位置を表す電気信号を出力する位置検出素子を備え、回転体の回転に同期して位置検出手段に入射されるスポット光の入射位置を回転させる手法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この手法では、位置検出素子（二次元ＰＳＤ（Position Sensitive Detector））が入射されるスポット光のｘ座標方向の位置を表わす信号とｙ座標方向の位置を表わす信号を出力し、回転角算出部において回転角を算出する。

特開２０１０−１２２１０９号公報 特開２０００−２８３７９３号公報

しかし特許文献２に記載された手法での角度分解能は、位置検出手段の分解能とスポット光が描く円の径によって制約される。角度分解能を高めるべくスポット光の描く円の径を大径化すると、位置検出手段のサイズを大型化せざるを得ないが、位置検出手段のサイズと応答速度はトレードオフの関係にあり、応答速度を低下させずにロータリーエンコーダの分解能を向上させることは困難であった。

そこで、本発明は上記の課題を解決することのできるロータリーエンコーダを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るロータリーエンコーダは、回転軸を中心に回転する回転体の回転角を測定するロータリーエンコーダであって、回転軸に対して偏心するとともに、回転軸に対して平行な光軸を有する光を出射する光源と、光源から出射された光を受光する受光面を有し、受光面上の光の入射位置を検出する検出手段と、光源から出射された光の光軸を回転体の回転に伴って回転軸の周りに回転させることによって、受光面上の光の入射位置を回転させる回転光学系とを備え、回転光学系は、回転体の回転角に対する受光面上の光の回転角を複数倍する。このような構成により、回転体の回転角の複数倍だけ受光面上のスポット光が変位するので、単にスポット光が回転体の回転角と同じだけ変位する場合と比較して、ロータリーエンコーダの分解能を複数倍に向上させることができる。

本発明では、回転光学系は、中心軸を回転軸と一致させるように回転体に設けられることによって回転体の回転に伴って回転するダブプリズムを備えるとよい。ダブプリズムにより回転体の回転角の２倍だけ受光面上のスポット光が変位するので、単にスポット光が回転体の回転角と同じだけ変位する場合と比較して、ロータリーエンコーダの分解能を２倍に向上させることができる。なお、ダブプリズムの中心軸とは、入射面の中心と出射面の中心を結ぶ直線を意味する。

本発明では、回転光学系は、中心軸を回転軸と一致させるように回転体に設けられることによって回転体の回転に伴って回転する２つの第１のダブプリズムと、中心軸を回転軸と一致させるように設けられるとともに、２つの第１のダブプリズムの間に設けられた第２のダブプリズムとを備え、第２のダブプリズムは、回転体の回転に伴って回転することなく静止している構成としてもよい。このような構成により、回転体の回転角の４倍だけ受光面上のスポット光が変位するので、単にスポット光が回転体の回転角と同じだけ変位する場合と比較して、ロータリーエンコーダの分解能を４倍に向上させることができる。

本発明では、検出手段は、二次元位置検出素子であるとよい。特に二次元位置検出素子（２次元ＰＳＤ）を用いると、連続的なアナログ信号として検出位置が出力される点で好ましい。

本発明の第１実施形態に係るロータリーエンコーダ１の構成を示す。 ロータリーエンコーダ１における回転軸と光軸の関係を示す。 回転体６を回転させない状態でのダブプリズム３への入射光及びダブプリズム３からの透過光の光軸位置を示す。 回転体６を回転角θだけ回転させた状態でのダブプリズム３への入射光及びダブプリズム３からの透過光の光軸位置を示す。 二次元ＰＳＤ４の受光面におけるスポット光の軌跡を示す。 回転体６の回転角に対する二次元ＰＳＤ４の出力電圧を示す。 本発明の第２実施形態に係るロータリーエンコーダ１ａの構成を示す。 回転体６を回転角θだけ回転させた状態での第２ダブプリズム３２への入射光及び第２ダブプリズム３２からの透過光の光軸位置を示す。 回転体６を回転角θだけ回転させた状態での第３ダブプリズム３３への入射光及び第３ダブプリズム３３からの透過光の光軸位置を示す。 回転体６の回転角に対する二次元ＰＳＤ４の出力電圧を示す。 本発明の変形実施例における回転体６の回転角に対する二次元ＰＳＤ４の出力電圧を示す。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るロータリーエンコーダ１の構成を示す。ロータリーエンコーダ１は、光源部２、ダブプリズム３、二次元ＰＳＤ４、及び演算部５を備え、回転軸を中心に回転する回転体６の回転角を測定する。

本実施形態の回転体６は中空に形成され、中空の空間内にダブプリズム３が配置される。光源部２は、回転体６の回転軸に対して偏心するとともに回転軸に対して平行な光軸を有する所定のビーム径の光を出射する。光源部２は、二次元ＰＳＤ４との相対位置関係が回転体６の回転に伴って変化しないよう配置される。光源部２からの出射光の強度及びビーム径は、二次元ＰＳＤ４の空間分解能や検出感度が最適になるよう設定されるとよい。光源部２は、例えば、発光ダイオード、レーザダイオード等の光源２１と、コリメートレンズ２２とにより構成される。光源としてレーザダイオードを用いる場合、レーザダイオードの出射ビーム径が所望のサイズであれば、レーザダイオードの出射光をそのまま用いることができるのでコリメートレンズ２２が不要となる。

ダブプリズム３は、両側面が等脚台形をなし、上面が当該等脚台形の底辺（短辺）と接し、底面が等脚台形の底辺（長辺）と接する。当該等脚台形の脚に接する面（傾斜した面）は、一方が入射面、他方が出射面となる。

図２は、ロータリーエンコーダ１における回転軸と光軸の関係を示す。図２中の一点鎖線は、回転体６の回転軸を示す。回転体６の回転軸は、ダブプリズム３の中心軸（すなわち、入射面の中心と出射面の中心を結ぶ直線）を通り、さらに二次元ＰＳＤ４の受光面の中心を通る。ダブプリズム３は、光源部２の出射光が入射面に入射されるよう光源部２と二次元ＰＳＤ４との間に配置される。ダブプリズム３は、中心軸が回転体６の回転軸と一致するよう回転体６に固定され、回転体６とともに回転する。

回転体６を回転角θだけ回転させると、ダブプリズム３を透過した光の光軸は、回転軸を中心として２θ回転する。すなわち、ダブプリズム３は、回転光学系として機能する。以下、図３及び図４を参照して、ダブプリズム３を透過した光の光軸が回転する原理を説明する。ダブプリズム３の底面から上面に向かう方向をＹ軸方向として紙面上下方向に表し、入射面において左から右に向かう方向をＸ軸方向として紙面左右方向に表す。また、Ｘ軸及びＹ軸の原点は回転体６の回転軸が通る位置と規定して説明する。一般にダブプリズムは、入射面に入射した像をＹ軸方向について反転させた像を透過させる光学特性を有する。図３は、回転体６を回転させない状態でのダブプリズム３への入射光及びダブプリズム３からの透過光の光軸位置の一例を示す。光源からの入射光の光軸がＹ軸上の正の位置にあると、透過光の光軸はＹ軸上で正負が反転した位置となる。

ここで入射光の位置を保ちながら原点すなわち回転軸を中心として回転体６を回転角θだけ回転させると、ダブプリズム３への入射光及びダブプリズム３からの透過光の光軸は図４に示された位置となる。回転体６とともに回転したダブプリズム３の回転後の座標系における入射光の位置座標は、Ｘ軸座標成分とＹ軸座標成分とを含み、透過光ではＸ軸座標は維持されＹ軸座標は正負が反転される。このようにして得られた透過光の光軸の位置は、回転体６とともに回転しない静止系から見ると、回転軸の周りを２θだけ回転した位置となる。

図５は、二次元ＰＳＤ４の受光面におけるスポット光の軌跡を示す。上述のダブプリズムの原理により、光源部２の出射光をダブプリズム３に入射しながら回転体６を回転させると、ダブプリズム３を透過した光は、二次元ＰＳＤ４の受光面において、回転体６の回転軸を中心とする円を描き、当該円上の回転体の回転角に応じた位置に入射される。具体的には、回転角がθである場合には、初期位置から角度２θ回転した位置にスポット光が入射される。このようにダブプリズムを利用することにより、回転体の回転角の２倍だけ受光面上のスポット光が変位するので、単にスポット光が回転体の回転角と同じだけ変位する場合と比較して、分解能を２倍に高めることができる。受光面のサイズを小さくすることで二次元ＰＳＤ４の応答速度が向上し、ロータリーエンコーダ１を高速化することができる。反対に受光面のサイズを大きくすれば、回転角の測定分解能を高めることができる。ある受光面のサイズにおいて回転角の測定分解能を最大化するには、受光面においてスポット光が描く円が最大となるように光源部２の出射光の光軸を調整するとよい。

二次元ＰＳＤ４は、本発明における検出手段の一例である。検出手段として、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の撮像素子を用いることもできるが、これらと比較して二次元ＰＳＤは応答速度が高速である点、及び受光面が画素に分割されておらず連続的なアナログ信号が出力される点で好適である。二次元ＰＳＤ４は、受光面が回転体６の回転軸と垂直になるよう、且つ、回転軸が受光面の中心を通るよう配置される。

二次元ＰＳＤ４は、入射するスポット光の入射位置の二次元位置座標を検出して出力する。具体的には、二次元ＰＳＤ４は、二次元位置座標として、Ｘ軸方向におけるスポット光の重心位置に対応するＸ軸電圧及びＸ軸に垂直なＹ軸方向におけるスポット光の重心位置に対応するＹ軸電圧を出力する。図６は、回転体６の回転角に対する二次元ＰＳＤ４の出力電圧の変化を示す。ダブプリズム３の作用により回転体６を３６０°回転させる間にスポット光は７２０°回転するから、回転角を０°から３６０°まで変化させる間のＸ軸電圧及びＹ軸電圧の変化は２周期分の正弦波となる。Ｘ軸電圧とＹ軸電圧は１／４周期だけ位相がずれた二相正弦波信号となる。このような二相正弦波信号であるから回転方向を容易に判別することができる。

演算部５は、二次元ＰＳＤ４が出力するＸ軸電圧及びＹ軸電圧を受け取り、受け取ったＸ軸電圧及びＹ軸電圧から回転体６の回転角を算出して出力する。例えば、演算部５は、粗回転角と補間回転角とそれぞれ求め、両者を合計して真の回転角を算出するとよい。粗回転角は、二次元ＰＳＤ４の受光面上で、スポット光が円周上を回転した回数、すなわち、二相正弦波信号であるＸ軸電圧及びＹ軸電圧の正弦波の周期の数をカウントすることにより求められる。本実施形態の場合、回転体が１８０°回転する毎に１周期分の変化を生じるので、１カウントにつき１８０°として粗回転角を求めることができる。粗回転角の１単位（本実施形態では１８０°）の間を補完する補間回転角は、正弦波を内挿処理することにより求めることができる。内挿処理の具体例として、演算部５は、Ｘ軸電圧及びＹ軸電圧から補間回転角を生成するためのルックアップテーブルを備え、二次元ＰＳＤ４から受け取ったＸ軸電圧及びＹ軸電圧から０°以上１８０°未満の補間回転角を求めるとよい。

上記第１実施形態のロータリーエンコーダ１によれば、回転体６の回転角の２倍だけ二次元ＰＳＤ４の受光面上でスポット光が変位するので、回転体６の回転角と同じだけ変位するスポット光を検出する場合と比較して２倍の高分解能で回転角を測定することができる。

［第２実施形態］
図７は、本発明の第２実施形態に係るロータリーエンコーダ１ａの構成を示す。本実施形態の特徴は、第１実施形態におけるダブプリズム３に代えて回転光学系３ａを備えている点にある。なお、それ以外については、上述した第１の実施形態と同様なので、ここでの説明を省略する。

回転光学系３ａは、ダブプリズム３１、ダブプリズム３２、及びダブプリズム３３により構成される。ダブプリズム３１及びダブプリズム３３は、それぞれの中心軸が回転体６の回転軸と一致するよう回転体６の中空の空間内に配置され、回転体６の回転に伴って回転する（２つの第１のダブプリズム）。ダブプリズム３２は、中心軸が回転体６の回転軸と一致するよう、ダブプリズム３１とダブプリズム３３の間に配置される。ダブプリズム３２は、回転体６の回転に伴って回転することなく静止している（第２のダブプリズム）。光源部２の出射光は、ダブプリズム３１、ダブプリズム３２、及びダブプリズム３３を順次通過して、二次元ＰＳＤ４の受光面に入射する。

図８及び図９に示すように、回転体６を回転角θだけ回転させると、以下で説明するように、回転光学系３ａを透過した光の光軸は、回転体６の回転軸を中心として、４θ回転する。すなわち、回転体６を回転角θだけ回転させたときのダブプリズム３１の透過光の光軸は、図４における透過光と同様、回転軸の周りを２θだけ回転する。ダブプリズム３１の透過光は、回転体の回転に伴って回転することなく静止しているダブプリズム３２の入射光となり、ダブプリズム３２の透過光は図８の右側に示した通り、入射光のＹ軸座標を反転したものとなる。このダブプリズム３２の透過光は、回転体６とともにθだけ回転するダブプリズム３３の入射光となり、ダブプリズム３３におけるＹ軸座標がさらに反転されて透過光となる。このようにして得られたダブプリズム３３の透過光の光軸の位置は、回転体６とともに回転しない静止系から見ると、回転軸の周りを４θだけ回転した位置となる。したがって、回転体６を回転角θだけ回転すると、二次元ＰＳＤ４の受光面に入射するスポット光の入射位置は４θ回転する。

図１０は、回転体６の回転角に対する二次元ＰＳＤ４の出力電圧の変化を示す。回転体６を３６０°回転させる間にスポット光は１４４０°回転するから、回転角を０°から３６０°まで変化させる間のＸ軸電圧及びＹ軸電圧の変化は４周期分の二相正弦波信号となる。Ｘ軸電圧とＹ軸電圧は１／４周期だけ位相がずれた二相正弦波信号となる。

上記第２実施形態のロータリーエンコーダ１ａによれば、回転体６の回転角の４倍だけ二次元ＰＳＤ４の受光面上でスポット光が変位するので、回転体６の回転角と同じだけ変位するスポット光を検出する場合と比較して４倍の高分解能で回転角を測定することができる。

上述の第１実施形態及び第２実施形態の変形例として、ダブプリズムに代えて、回転体を回転角θだけ回転させたときに透過光の光軸をθの複数倍回転させる他の回転光学系を用いてもよい。例えば、ミラーとプリズムを利用して、ダブプリズムと同様に光軸を２θ回転させる光学系を構成してもよい。回転体の回転角の複数倍だけ受光面上のスポット光が変位するので、単にスポット光が回転体の回転角と同じだけ変位する場合と比較して、ロータリーエンコーダの分解能を複数倍に向上させることができる。

回転角の倍率は２以上の整数倍とすることが好ましい。Ｎを２以上の整数として、透過光の光軸をＮ×θ回転させる回転光学系を用いる場合、回転体を３６０°回転させる間に二次元ＰＳＤ４の受光面においてスポット光はＮ×３６０°回転するから、図１１に示すように、Ｘ軸電圧とＹ軸電圧は回転角を０°から３６０°まで変化させる間にＮ周期分の正弦波が含まれる二相正弦波信号となる。このような３６０°の回転の間に多数の周期を含む二相正弦波信号を、エンコーダディスクを用いない単純な構成によって得ることができる。更に、正弦波を内挿処理して、より高い分解能で回転角を測定することができる。

本発明は、ロータリーエンコーダ及び軸回転機構を備える機器に利用できる。

１、１ａ・・・ロータリーエンコーダ
２・・・光源部
３、３１、３２、３３・・・ダブプリズム
４・・・二次元ＰＳＤ
５・・・演算部
６・・・回転体
２１・・・光源
２２・・・コリメートレンズ
３ａ・・・回転光学系

Claims (4)

1. 回転軸を中心に回転する回転体の回転角を測定するロータリーエンコーダであって、
   前記回転軸に対して偏心するとともに、前記回転軸に対して平行な光軸を有する光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光を受光する受光面を有し、前記受光面上の光の入射位置を検出する検出手段と、
   前記光源から出射された光の光軸を前記回転体の回転に伴って前記回転軸の周りに回転させることによって、前記受光面上の光の入射位置を回転させる回転光学系とを備え、
   前記回転光学系は、前記回転体の回転角に対する前記受光面上の光の回転角を複数倍することを特徴とするロータリーエンコーダ。
2. 前記回転光学系は、中心軸を前記回転軸と一致させるように前記回転体に設けられることによって前記回転体の回転に伴って回転するダブプリズムを備えることを特徴とする請求項１に記載のロータリーエンコーダ。
3. 前記回転光学系は、
   中心軸を前記回転軸と一致させるように前記回転体に設けられることによって前記回転体の回転に伴って回転する２つの第１のダブプリズムと、
   中心軸を前記回転軸と一致させるように設けられるとともに、２つの前記第１のダブプリズムの間に設けられた第２のダブプリズムとを備え、
   前記第２のダブプリズムは、前記回転体の回転に伴って回転することなく静止していることを特徴とする請求項１に記載のロータリーエンコーダ。
4. 前記検出手段は、二次元位置検出素子であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のロータリーエンコーダ。