JP2019158850A - 反射型エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い反射型エンコーダを提供する。【解決手段】反射型エンコーダは、第１面に設けられる複数のパターンを有するスケール板と、前記スケール板に対して照射光を照射する発光部と、前記スケール板のパターンで反射される反射光を受光する複数の受光素子と、前記複数の受光素子に接続され、前記反射光を受光した複数の受光素子から出力される複数の信号のレベルをそれぞれ判定する複数のレベル判定部であって、前記複数の受光素子が受光する反射光の光量が多いほど高い判定閾値を有する複数のレベル判定部とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、反射型エンコーダに関する。

従来より、ディスクに形成された反射スリットに光を照射する点光源、及び、前記点光源から照射され前記反射スリットで反射された光を受光する受光素子を備えた第１基板と、前記第１基板が搭載された第２基板と、前記第１基板と前記第２基板とを電気的に接続する、光沢を備えた接続部と、前記点光源及び前記受光素子を露出させるように前記接続部を被覆する被覆材と、を有する、エンコーダがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１３０３９４号公報

ところで、複数の受光素子が点光源から受光する光量には分布があり、例えば、点光源から離れるに従って光量が低下する場合には、点光源からの距離が長い受光素子ほど、受光する光量が少なくなる。

このように、受光素子によって受光する光の光量に分布がある場合には、誤検出や誤動作が生じるおそれがあり、エンコーダの信頼性の低下に繋がるという課題がある。

そこで、信頼性の高い反射型エンコーダを提供することを目的とする。

本発明の実施の形態の反射型エンコーダは、第１面に設けられる複数のパターンを有するスケール板と、前記スケール板に対して照射光を照射する発光部と、前記スケール板のパターンで反射される反射光を受光する複数の受光素子と、前記複数の受光素子に接続され、前記反射光を受光した複数の受光素子から出力される複数の信号のレベルをそれぞれ判定する複数のレベル判定部であって、前記複数の受光素子が受光する反射光の光量が多いほど高い判定閾値を有する複数のレベル判定部とを含む。

信頼性の高い反射型エンコーダを提供することができる。

実施の形態の反射型エンコーダ１００がモータ５０に取り付けられた状態を示す図である。 実施の形態の反射型エンコーダ１００を示す図である。 基板１０１と光学モジュール１２０を示す図である。 回路部品１３０の構成を示す図である。 コンパレータ１３２−５Ａと１３２−９Ａの非反転入力端子の入力信号と、判定閾値の信号レベルの一例を示す図である。

以下、本発明の反射型エンコーダを適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態＞
図１は、実施の形態の反射型エンコーダ１００がモータ５０に取り付けられた状態を示す図である。以下では、ＸＹＺ座標系を用いて説明し、ＸＹ面視することを平面視と称す。

反射型エンコーダ１００は、基板１０１、スケール板１１０、光学モジュール１２０、回路部品１３０、コネクタ１３５、及びエンコーダカバー１４０を含む。以下では、図１に加えて図２乃至図４も用いて説明する。

図２は、実施の形態の反射型エンコーダ１００を示す図である。図２（Ａ）には、反射型エンコーダ１００の一部分を平面視で透過的に示す。図２（Ｂ）には、反射型エンコーダ１００をＸＺ面視した側面の構成を示す。図２（Ｃ）には、反射型エンコーダ１００をＹＺ面視した側面の構成を示す。図３は、基板１０１と光学モジュール１２０を示す図である。

ここでは、まず、エンコーダカバー１４０について説明する。エンコーダカバー１４０は、樹脂製であり、図１に示すように円筒状の壁部１４０Ａを有する部材である。エンコーダカバー１４０は、円筒状の壁部１４０Ａの両端が開口された構成を有する。エンコーダカバー１４０は、カバーの一例である。

エンコーダカバー１４０のＺ軸負方向側の端部には、円板状の基板１０１が接続される。エンコーダカバー１４０と基板１０１の外径は等しい。また、エンコーダカバー１４０のＺ軸正方向側の端部には、モータ５０の円柱状の筐体５０Ａが接続される。ここでは、一例として、エンコーダカバー１４０の外径と、モータ５０の筐体５０Ａの外径は等しい。モータ５０は、例えば、サーボモータである。筐体５０ＡのＺ軸負方向側には、基板１０１と平行な壁部が設けられており、壁部の平面視での中心をモータ５０の回転軸が貫通している。

エンコーダカバー１４０は、基板１０１とモータ５０の筐体５０Ａの壁部とによって囲まれる空間内に、スケール板１１０、光学モジュール１２０、及びその他の電子部品等を収容している。

次に、基板１０１、スケール板１１０、光学モジュール１２０、回路部品１３０、コネクタ１３５について説明する。

基板１０１は、平面視で円形の配線基板である。基板１０１としては、例えば、ＦＲ−４(Flame Retardant type 4)規格の配線基板を用いることができる。基板１０１のＺ軸正方向側の面には、光学モジュール１２０が実装され、基板１０１のＺ軸負方向側の面には、回路部品１３０、コネクタ１３５が実装される。基板１０１には、回路部品１３０及びコネクタ１３５以外にも光学モジュール１２０に接続される回路を構成する電子部品等が実装されるが、ここでは図示を省略する。

スケール板１１０は、一例として、金属製の円板部１１０Ａと、円板部１１０Ａの中心のＺ軸正方向側に取り付けられる回転軸１１０Ｂとを有する。回転軸１１０Ｂは、モータ５０の回転軸に固定されている。スケール板１１０は、モータ５０の回転軸の回転に合わせてＸＹ面内で回転軸１１０Ｂを中心に回転する。このため、平面視で円形のスケール板１１０の回転方向と周方向は等しい。

スケール板１１０の円板部１１０Ａは、基板１０１に平行である。スケール板１１０のＺ軸負方向側の面には、図２に示すように、外周に沿って反射部１１１、１１２が設けられている。反射部１１１は、インクリメンタル・パターン用の反射部であり、反射部１１２は、アブソリュート・パターン用の反射部である。スケール板１１０は、反射部材の一例であり、反射部１１１、１１２は、反射パターンの一例である。スケール板１１０のＺ軸負方向側の面は、第１面の一例である。ここでアブソリュート・パターンは、９ビットのＭ系列のコードを用いて絶対位置を特定する。この例では反射部１１２は、スケール板１１０の周方向に５１２個配列されている。

反射部１１１は、一例として、反射部１１１同士の間に光を反射しない（あるいは反射部１１２より反射率の低い）非反射部１１１Ａを設けることによって作製されている。非反射部１１１Ａは、例えば、光を吸収する吸光材を塗布することによって作製される。これは、反射部１１２も同様であり、反射部１１２同士の間に吸光材を塗布した非反射部１１２Ａを設けることによって作製されている。

スケール板１１０は、光学モジュール１２０のＬＥＤ１２１から出射される光を光学モジュール１２０の受光素子１２３、１２４に反射する。ＬＥＤ１２１から出射され、反射部１１１で反射された反射光は、受光素子１２３に到達し、ＬＥＤ１２１から出射され、反射部１１２で反射された反射光は、受光素子１２４に到達する。

また、スケール板１１０がガラス製の場合は、非反射部１１１Ａ、１１２Ａは、例えば、光を透過する領域であり、反射部１１１、１１２としての金属層が設けられていない領域である。

すべての反射部１１１の周方向における幅は等しく、スケール板１１０の周方向における反射部１１１と非反射部１１１Ａとの幅は等しい。反射部１１１は、周方向に等間隔（等ピッチ）で設けられている。Ｍ系列コード用の反射部１１２は、２進数による所定の値を表し、Ｎ個の連続した符号の組み合わせが全て異なる符号列として構成されている。なお、Ｍ系列コード用の反射部１１２を正確に図示するのは困難であるため、ここでは説明の便宜上、Ｍ系列コード用の反射部１１２を反射部１１１と同様の形状で示す。

光学モジュール１２０は、ベース部１２０Ａ、ＬＥＤ１２１、受光素子１２３、１２４を有する。光学モジュール１２０は、基板１０１のＺ軸正方向側の表面に実装され、スケール板１１０に対向している。ベース部１２０Ａは、平面視で矩形状で平板状の基板である。ベース部１２０ＡのＺ軸正方向側の面には、ＬＥＤ１２１と受光素子１２３、１２４が配置されている。

ＬＥＤ１２１は、平面視の中心にレーザを出射する発光部１２１Ａを有し、発光部１２１Ａは、発光面がＺ軸正方向側を向いている。すなわち、ＬＥＤ１２１は、スケール板１１０のＺ軸負方向側の面と対向している。ＬＥＤ１２１は、ランバート型であり、発光部１２１Ａの光径は、一例として、３０μｍ〜１００μｍである。

ここで、図２（Ａ）には、スケール板１１０の中心を通り、スケール板１１０の径方向に伸びる直線Ｃを示す。発光部１２１Ａは、直線Ｃ上に位置し、スケール板１１０の中心は、直線Ｃ上で透過部１２２ＢよりもＹ軸負方向側に位置する。

受光素子１２３は、インクリメンタル・パターン用の受光素子であり、例えば、フォトダイオード（Photo Diode: PD）を用いることができる。Ａ相及びＢ相の正弦波を生成する受光素子１２３は、スケール板１１０の回転方向に沿って等ピッチで扇形に配列されている。受光素子１２３のピッチとは、隣り合う受光素子１２３同士のスケール板１１０の回転方向における中心同士の間隔である。

図２（Ａ）では、説明の便宜上、直線Ｃよりも左側に位置する７個の反射部１１１に反時計回りに順番に１〜７の番号を割り振る。また、直線Ｃよりも左側に位置する７個の受光素子１２３に反時計回りに順番に１〜７の番号を割り振る。１番の反射部１１１の周方向における端辺は、図２（Ａ）に示すように直線Ｃと重なっている。

この状態では、ランバート型のＬＥＤ１２１から出射され、１番〜７番の反射部１１１で反射される反射光は、１番〜７番の受光素子１２３でそれぞれ受光される。ランバート型のＬＥＤ１２１から出射される光は、直線Ｃを通るＹＺ平面に対して対称に、７個の受光素子１２３によっても同様に受光される。

受光素子１２４は、Ｍ系列コード用の受光素子であり、例えば、フォトダイオード（PD）を用いることができる。受光素子１２４は、Ｍ系列コードによるスケール板１１０の角度検出のビット数に応じて９個あり、スケール板１１０の回転方向に沿って、扇形に配置されている。図２（Ａ）において最も左側の受光素子１２４から時計回りに１番〜９番の番号を割り振り、１ビット目から９ビット目であることを表す。５番目の受光素子１２４は、スケール板１１０の回転方向における幅の中心が直線Ｃ上に位置するように配置されている。

ランバート型のＬＥＤ１２１から出射され、反射部１１２で反射される反射光は、１番〜９番の受光素子１２４で受光される。９個の受光素子１２４により、９ビットのＭ系列コード用の値が得られる。

回路部品１３０は、基板１０１が有する配線によって受光素子１２４に接続されている。受光素子１２４は、Ｍ系列コード用の反射部１１２による反射光を受光して光電変換を行うため、Ｍ系列コードの値に応じた光電流を出力する。

回路部品１３０は、受光素子１２４が出力する光電流を電圧値に変換する電流電圧変換部と、電流電圧変換部によって変換された電圧値を所定の判定閾値と比較し、比較結果を表す信号を出力するコンパレータとを有する。回路部品１３０の電流電圧変換部とコンパレータは、受光素子１２４の数に応じて９個ずつ設けられており、回路部品１３０は、スケール板１１０の回転角度を表す９ビットのデータを出力する。このような回路部品１３０のコンパレータの出力端子は、コネクタ１３５に接続されている。

なお、インクリメンタル・パターンの反射部１１１による反射光を受光し、Ａ相及びＢ相の正弦波を生成する受光素子１２３に接続される回路については説明を省略する。

コネクタ１３５は、反射型エンコーダ１００の出力信号を外部のマイクロコンピュータに取り出すための端子である。コネクタ１３５に接続されるマイクロコンピュータは、コンパレータの出力信号を読み取り、スケール板１１０の回転角度を検出する。なお、回転角度を検出するマイクロコンピュータは、反射型エンコーダ１００の内部に設けられていてもよく、この場合は、回転角度を表すデータをコネクタ１３５から外部装置に出力すればよい。

図４は、回路部品１３０の構成を示す図である。図４には、９ビット分の９個の受光素子１２４を示し、１ビット目の受光素子を１２４−１とし、９ビット目の受光素子を１２４−９とする。

ここでは、図面のスペースの関係で、３ビット目から７ビット目の回路の図示を省略するが、説明においては、符号を用いる場合がある。例えば、５ビット目であれば、受光素子１２４−５があることになる。

回路部品１３０は、抵抗器１３１−１〜１３１−９と、コンパレータ１３２−１〜１３２−９と、分圧回路１３３−１〜１３３−９と、出力端子１３４−１〜１３４−９とを有する。

以下では、受光素子１２４−１〜１２４−９を特に区別しない場合には、単に受光素子１２４と記す。同様に、区別しない場合には、抵抗器１３１、コンパレータ１３２、分圧回路１３３、出力端子１３４と記す。

ここでは、受光素子１２４−１、抵抗器１３１−１、コンパレータ１３２−１、分圧回路１３３−１、及び出力端子１３４−１Ａの接続関係について説明する。

受光素子１２４−１は、アノードとカソードの間に逆バイアスが印加されるように電源に接続されている。受光素子１２４−１のアノードには、コンパレータ１３２−１の非反転入力端子が接続され、受光素子１２４−１のアノードと、コンパレータ１３２−１の非反転入力端子との間から分岐して、抵抗器１３１−１が接地点との間に直列に挿入されている。抵抗器１３１−１は、受光素子１２４−１のアノードから出力される光電流を電圧値に変換する電流電圧変換部の一例である。

また、コンパレータ１３２−１の反転入力端子には、分圧回路１３３−１が接続され、コンパレータ１３２−１の出力端子には、出力端子１３４−１が接続されている。分圧回路１３３−１は、電源と接地点との間に直列に接続された２つの抵抗器を有し、電源電圧を分圧して２つの抵抗器の中点から閾値電圧としてコンパレータ１３２−１の反転入力端子に出力する。分圧回路１３３−１は、閾値出力部の一例である。抵抗器１３１−１、コンパレータ１３２−１、及び分圧回路１３３−１は、レベル判定部の一例である。

出力端子１３４−１は、図示しないマイクロコンピュータに接続され、マイクロコンピュータは、出力端子１３４−１から入力される値をＭ系列のコードと照合し、スケール板１１０の回転角度を求める。

ここで、受光素子１２４−１〜１２４−９は、３つのグループにグループ分けされている。具体的には、１ビット目から３ビット目（すなわち、受光素子１２４−１〜１２４−３）、４ビット目から６ビット目（すなわち、受光素子１２４−４〜１２４−６）、７ビット目から９ビット目（すなわち、受光素子１２４−７〜１２４−９）の３つのグループに分けられている。

このグループ分けは、ＬＥＤ１２１の発光部１２１Ａから各受光素子１２４までの光路の長さに応じて分けられている。受光素子１２４−１〜１２４−９は、図２（Ａ）及び図３に示すように、５ビット目が直線Ｃ上に位置してＬＥＤ１２１の発光部１２１Ａに最も近く、１ビット目と９ビット目が発光部１２１Ａから最も離れている。ＬＥＤ１２１は、ランバート型であるため、受光素子１２４−１〜１２４−９が受光する光量は、発光部１２１Ａに近いほど多く、発光部１２１Ａから遠いほど少ない。

このため、４ビット目から６ビット目の受光素子１２４−４〜１２４−６は、１ビット目から３ビット目の受光素子１２４−１〜１２４−３と、７ビット目から９ビット目の受光素子１２４−７〜１２４−９とに比べると光路が短い。

また、１ビット目から３ビット目の受光素子１２４−１〜１２４−３と、７ビット目から９ビット目の受光素子１２４−７〜１２４−９とは、光路が比較的長く、直線Ｃを通るＹＺ平面に対する対称性から光路が互いに等しい。

このため、４ビット目から６ビット目の受光素子１２４−４〜１２４−６に比べると、１ビット目から３ビット目の受光素子１２４−１〜１２４−３と、７ビット目から９ビット目の受光素子１２４−７〜１２４−９との受光量は少ない。

このような受光量の差に応じて、４ビット目から６ビット目の分圧回路１３３−４〜１３３−６が出力する判定閾値は、一例として０．２Ｖに設定される。また、１ビット目から３ビット目の分圧回路１３３−１〜１３３−３と、７ビット目から９ビット目の分圧回路１３３−７〜１３３−９とが出力する判定閾値は、一例として０．１５Ｖに設定される。

このように、発光部１２１Ａに近い４ビット目から６ビット目の受光素子１２４−４〜１２４−６に接続されるコンパレータ１３２−４〜１３２−６の判定閾値を高くし、発光部１２１Ａから遠い１ビット目から３ビット目の受光素子１２４−１〜１２４−３に接続されるコンパレータ１３２−１〜１３２−３と、７ビット目から９ビット目の受光素子１２４−７〜１２４−９に接続されるコンパレータ１３２−７〜１３２−９との判定閾値を低くすることにより、受光量の違いによるコンパレータ１３２−１〜１３２−９の出力のばらつきを抑制している。

図５は、コンパレータ１３２−５と１３２−９の非反転入力端子の入力信号と、判定閾値の信号レベルの一例を示す図である。図５（Ａ）、（Ｂ）において、横軸は時間、縦軸は電圧（信号レベル）を表す。

図５（Ａ）には、コンパレータ１３２−５の非反転入力端子の入力信号の信号レベルを太線で示し、判定閾値の信号レベル（Ｖ）を破線で示す。非反転入力端子の入力信号は、受光素子１２４−５の出力信号である。

５ビット目の受光素子１２４−５の受光量は多いため、０．２Ｖの判定閾値を用いて、コンパレータ１３２−５の出力は、０、１、０、１と正しい値が得られる。

図５（Ｂ）には、コンパレータ１３２−９の非反転入力端子の入力信号の信号レベルを太線で示し、判定閾値の信号レベル（Ｖ）を破線で示す。９ビット目の受光素子１２４−９の受光量は、５ビット目よりも少ないため、太線で示す非反転入力端子の入力信号の信号レベルは、図５（Ａ）に示す５ビットの信号レベルよりも低い。

０．２Ｖの判定閾値では、正しい検出はできないおそれがあるが、０．１５Ｖの判定閾値を用いれば、コンパレータ１３２−９の出力は、０、１、０、１と正しい値が得られる。

以上のように、発光部１２１Ａに近い受光素子１２４に接続されるコンパレータ１３２の判定閾値を高くし、発光部１２１Ａから遠い受光素子１２４に接続されるコンパレータ１３２の判定閾値を低くすることにより、受光量の違いによるコンパレータ１３２の出力のばらつきを抑制することができ、すべてのビットで正しい検出値を得ることができる。

従って、９ビット分の反射部１１２のＭ系列コードの値を正しく検出することができ、誤検出を抑制し、信頼性を向上させることができる。

従って、実施の形態によれば、信頼性の高い反射型エンコーダ１００を提供することができる。

反射型エンコーダ１００をモータ５０の制御に用いる際に、誤検出や誤動作があると、モータ５０の回転位置を正しく制御できなくなるおそれがあるが、このように信頼性の高い反射型エンコーダ１００を用いれば、モータ５０の回転位置を正しく制御することができる。これは、モータ５０以外であっても同様である。

なお、以上では、９ビット分の受光素子１２４を１ビット目から３ビット目のグループと、４ビット目から６ビット目のグループと、７ビット目から９ビット目のグループとの３個のグループに分ける形態について説明したが、グループの数は３個に限られない。グループの数は複数あればよく、受光量に応じて、コンパレータ１３２の判定閾値を分圧回路１３３でグループ毎に異なるようにすればよい。

また、１個のグループに含まれる受光素子１２４の数は３個に限られず、１個以上の任意の数であってよい。

また、以上では、ＬＥＤ１２１がランバート型であり、発光部１２１Ａからの距離が長い受光素子１２４ほど受光量が少なくなる形態について説明したが、例えば、ＬＥＤ１２１としてランバート型以外のＬＥＤを用いた場合に、ＬＥＤに近い受光素子１２４よりも遠い受光素子の方が受光量が多い場合には、ＬＥＤ１２１から遠い受光素子１２４に接続されるコンパレータ１３２の判定閾値を高くし、ＬＥＤ１２１に近い受光素子１２４に接続されるコンパレータ１３２の判定閾値を低くすればよい。このように、コンパレータ１３２の判定閾値は、受光素子１２４の受光量に応じて設定すればよい。

また、以上では、受光素子１２４が９ビット分設けられている形態について説明したが、９ビットに限らず、８ビット以下、又は、１０ビット以上であってもよい。

また、以上では、エンコーダカバー１４０のＺ軸正方向側にモータ５０の筐体５０Ａが取り付けられる形態について説明したが、筐体５０Ａの代わりに、基板が取り付けられ、基板のＺ軸正方向側にモータ５０が取り付けられる構成であってもよい。

また、以上では、エンコーダカバー１４０が円筒型である形態について説明したが、円筒型に限らず、角筒型等の他の形状であってもよい。

また、以上では、スケール板１１０のＺ軸負方向側の面に反射部１１１、１１２が設けられる形態について説明したが、スケール板１１０のＺ軸正方向側の面に反射部１１１、１１２が設けられていてもよく、この場合には、スケール板１１０のＺ軸正方向側に基板等を設け、この基板のＺ軸負方向側に光学モジュール１２０を設けて反射部１１１、１１２と対向するようにすればよい。

また、以上では、反射型エンコーダ１００がロータリ型の反射型エンコーダである形態について説明したが、反射型エンコーダ１００は、リニア型の反射型エンコーダであってもよい。

以上、本発明の例示的な実施の形態の反射型エンコーダについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

５０ モータ
５０Ａ 筐体
１００ 反射型エンコーダ
１１０ スケール板
１１１、１１２ 反射部
１２０ 光学モジュール
１２０Ａ ベース部
１２１ ＬＥＤ
１２３、１２４ 受光素子
１３０ 回路部品
１３１ 抵抗器
１３２ コンパレータ
１３３ 分圧回路
１３４ 出力端子
１４０ エンコーダカバー

Claims (4)

1. 第１面に設けられる複数のパターンを有するスケール板と、
   前記スケール板に対して照射光を照射する発光部と、
   前記スケール板のパターンで反射される反射光を受光する複数の受光素子と、
   前記複数の受光素子に接続され、前記反射光を受光した複数の受光素子から出力される複数の信号のレベルをそれぞれ判定する複数のレベル判定部であって、前記複数の受光素子が受光する反射光の光量が多いほど高い判定閾値を有する複数のレベル判定部と
   を含む、反射型エンコーダ。
2. 前記複数の受光素子と、前記複数のレベル判定部とは、前記反射光の光量に応じて複数のグループに分けられており、
   前記複数のレベル判定部の判定閾値は、前記反射光の光量が多いグループほど高い、請求項１記載の反射型エンコーダ。
3. 前記複数のレベル判定部は、それぞれ、
   前記反射光を受光した複数の受光素子から出力される複数の信号の電流値を電圧値に変換する電流電圧変換部と、
   前記電流電圧変換部によって変換された電圧を前記判定閾値と比較するコンパレータと、
   前記判定閾値を出力する閾値出力部と
   を有し、
   複数の前記閾値出力部は、前記反射光の光量が多いグループほど高い判定閾値を出力する、請求項１又は２記載の反射型エンコーダ。
4. 前記発光部は、ランバート型の発光ダイオードであり、
   前記判定閾値は、前記発光ダイオードからの距離が短いほど高い、請求項１乃至３のいずれか一項記載の反射型エンコーダ。