JP2019211361A - エンコーダ - Google Patents

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Abstract

【課題】分解能を向上することができるエンコーダを提供する。【解決手段】エンコーダ１０は、一方向に沿ってスリット２０が並べられたパターン１８が形成されたディスク１２と、ディスク１２のパターン１８に向かって光を照射する発光素子１４と、発光素子１４から照射されてスリット２０を経由して届いた光を受光し、受光した光の光量に応じた信号を出力する複数の第１受光素子２４Ａと、発光素子１４から照射されてスリット２０を経由して届いた光を、第１受光素子が光を受光する位相と異なる位相で受光し、受光した光の光量に応じた信号を、出力する複数の第２受光素子２４Ｂと、を有し、複数の第１受光素子２４Ａが配置される第１領域２６ａと、複数の第２受光素子２４Ｂが配置される第２領域２８ａとが分離して設けられる。【選択図】図４

Description

本発明は、光学式のエンコーダに関する。
下記特許文献１には、ディスクに所定のピッチで設けられたスリットの反射光を受光する受光素子を複数有する光学式のエンコーダが開示されている。
特開２０１５−０９０３０６号公報
上記特許文献１の技術のエンコーダでは、スリットのピッチが狭く形成され、また、スリットのピッチに対応して受光素子のピッチが狭く形成されるほど、分解能を高めることができる。しかし、受光素子の製造上、受光素子のピッチは一定距離以上確保する必要があり、分解能の向上を阻む要因となっていた。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、分解能を向上することができるエンコーダを提供することを目的とする。
本発明の態様は、エンコーダは、一方向に沿ってスリットが並べられたパターンが形成されたディスクと、前記ディスクの前記パターンに向かって光を照射する発光素子と、前記発光素子から照射されて前記スリットを経由して届いた前記光を受光し、受光した前記光の光量に応じた信号を出力する複数の第１受光素子と、前記発光素子から照射されて前記スリットを経由して届いた前記光を、前記第１受光素子が前記光を受光する位相と異なる位相で受光し、受光した前記光の光量に応じた信号を、出力する複数の第２受光素子と、を有し、複数の前記第１受光素子が配置される第１領域と、複数の前記第２受光素子が配置される第２領域とが分離して設けられる。
本発明によれば、エンコーダの分解能を向上させることができる。
エンコーダの模式図である。 ディスクを回転軸方向から見た模式図である。 ディスクのパターンの拡大模式図である。 光学ユニットの模式図である。 受光素子の模式図である。 光学ユニットの模式図である。 光学ユニットの模式図である。 光学ユニットの模式図である。 光学ユニットの模式図である。 光学ユニットの模式図である。 光学ユニットの模式図である。 エンコーダの模式図である。
〔第１の実施の形態〕
［エンコーダの概要］
本実施の形態のエンコーダ１０は、絶対角度を検出可能なアブソリュート型のロータリエンコーダである。図１は、エンコーダ１０の模式図である。エンコーダ１０は、モータ等の回転体と一体に回転するディスク１２、ディスク１２に向けて光を照射し、また、ディスク１２の反射光を受光する光学ユニット１５を有している。
［ディスクの構成］
図２は、ディスク１２を回転軸Ｏ方向から見た模式図である。ディスク１２は、円盤状であって、その一方の面にインクリメントパターン１８ａおよびアブソリュートパターン１８ｂが設けられている。インクリメントパターン１８ａおよびアブソリュートパターン１８ｂは、それぞれディスク１２の全周にわたって同心円状に設けられている。
図３は、ディスク１２のインクリメントパターン１８ａおよびアブソリュートパターン１８ｂの拡大模式図である。インクリメントパターン１８ａおよびアブソリュートパターン１８ｂは、実際には円状に形成されているが、図３では直線状となるように模式的に示されている。以下、インクリメントパターン１８ａとアブソリュートパターン１８ｂを区別しないときには、パターン１８と記載することがある。
インクリメントパターン１８ａは、複数のスリット２０ａから構成されている。アブソリュートパターン１８ｂは、複数のスリット２０ｂから構成されている。以下、インクリメントパターン１８ａのスリット２０ａと、アブソリュートパターン１８ｂのスリット２０ｂとを区別しないときには、スリット２０と記載することがある。
スリット２０は反射スリットであり、ディスク１２の表面のうちスリット２０に照射された光は、スリット２０により反射されるが、スリット２０以外の場所に照射された光は吸収される。ディスク１２は、例えば、金属等の光を反射する材料により形成され、スリット２０の箇所を除くディスク１２の表面に反射率の低い材料が塗布されている。
インクリメントパターン１８ａの複数のスリット２０ａは、ディスク１２の周方向に沿って所定のピッチＰ１で並べられている。アブソリュートパターン１８ｂの複数のスリット２０ｂは、所定のピッチＰ２を単位幅として、それぞれ異なる幅に形成され、ディスク１２の周方向に沿って並べられている。アブソリュートパターン１８ｂの各スリット２０ｂは、スリット２０ｂの反射光を受光した後述する９個の受光素子２４０〜２４８の出力信号のパターンが、ディスク１２の１回転内の回転位置において一義的に定まるように、スリット２０ｂの幅、および、位置が設定されている。
［光学ユニットの構成］
図４は、光学ユニット１５の模式図である。光学ユニット１５は、ディスク１２に向かって光を照射する発光素子１４、インクリメントパターン１８ａのスリット２０ａの反射光を受光するインクリメント受光部１６ａ、および、アブソリュートパターン１８ｂのスリット２０ｂの反射光を受光するアブソリュート受光部１６ｂを有している。インクリメント受光部１６ａおよびアブソリュート受光部１６ｂは、円弧状に設けられるが、図４では模式的に直線状に記載されている。
発光素子１４は、例えば、ＬＥＤ等から構成されており、ディスク１２のインクリメントパターン１８ａおよびアブソリュートパターン１８ｂの両方に光を照射する。発光素子１４は、基板２２に実装されている。インクリメント受光部１６ａは、発光素子１４に対して径方向外側に設けられ、アブソリュート受光部１６ｂは、発光素子１４に対して径方向内側に設けられている。
インクリメント受光部１６ａは、基板２２に実装された受光素子２４Ａ、２４Ｂ、２４ＸＡ、２４ＸＢから構成されている。インクリメント受光部１６ａは、４つの受光素子２４Ａ、２４Ｂ、２４ＸＡ、２４ＸＢを１組として、複数組（本実施の形態では８組）から構成されている。アブソリュート受光部１６ｂは、基板２２に実装された複数個（本実施の形態では９個）の受光素子２４０〜２４８から構成されている。受光素子２４Ａ、２４Ｂ、２４ＸＡ、２４ＸＢ、および、受光素子２４０〜２４８は、フォトダイオードであって、受光した光の光量に応じた信号を出力する。以下、受光素子２４Ａ、２４Ｂ、２４ＸＡ、２４ＸＢと、受光素子２４０〜２４８とを特に区別しないときには、受光素子２４と記載することがある。
受光素子２４Ａ、２４Ｂ、２４ＸＡ、２４ＸＢは、インクリメントパターン１８ａのスリット２０ａが並べられる方向に沿って並べられている。受光素子２４Ａ、２４Ｂ、２４ＸＡ、２４ＸＢは所定のピッチＰ３で基板２２に設けられている。
受光素子２４Ａ、２４Ｂ、２４ＸＡ、２４ＸＢは、ディスク１２の回転角度の変化に対して正弦波の信号を出力する。受光素子２４Ｂは、受光素子２４Ａから出力される信号に対して位相が電気角でπ／２［ｒａｄ］遅れた信号を出力する。受光素子２４ＸＡは、受光素子２４Ａから出力される信号に対して位相が電気角でπ［ｒａｄ］遅れた信号を出力する。受光素子２４ＸＢは、受光素子２４Ｂから出力される信号に対して位相が電気角でπ［ｒａｄ］遅れた信号を出力する。
受光素子２４Ａ、２４ＸＡは基板２２上の第１領域２６ａ、２６ｂに配置され、受光素子２４Ｂ、２４ＸＢは基板２２上の第２領域２８ａ、２８ｂに配置されている。受光素子２４Ａ、２４ＸＡは本発明の第１受光素子を構成し、受光素子２４Ｂ、２４ＸＢは本発明の第２受光素子を構成する。
図４に示されるように、第１領域２６ａ、２６ｂと第２領域２８ａ、２８ｂは、基板２２の同一平面上に径方向に分離して設けられている。第１領域２６ａと第２領域２８ａとは周方向においてオーバラップする位置であって、第１領域２６ａは径方向外側に位置し、第２領域２８ａは径方向内側に位置する。また、第１領域２６ｂと第２領域２８ｂとは周方向においてオーバラップする位置であって、第１領域２６ｂは径方向内側に位置し、第２領域２８ｂは径方向外側に位置する。発光素子１４は、周方向において、第１領域２６ａと第２領域２８ｂとの間、および、第１領域２６ｂと第２領域２８ａとの間に配置されている。
これにより、発光素子１４に対する距離が、第１領域２６ａは第２領域２８ａよりも遠く、第１領域２６ｂは第２領域２８ｂよりも近くなるように、発光素子１４を配置することができる。発光素子１４と、第１領域２６ａ、２６ｂおよび第２領域２８ａ、２８ｂとの位置関係は、発光素子１４からインクリメントパターン１８ａのスリット２０ａを経由して第１領域２６ａ、２６ｂに到達するまでの光路の平均距離と、発光素子１４からインクリメントパターン１８ａのスリット２０ａを経由して第２領域２８ａ、２８ｂに到達するまでの光路の平均距離の両者の差は所定距離以内となるように設定されている。
受光素子２４０〜２４８は、アブソリュートパターン１８ｂのスリット２０ｂが並べられる方向に沿って並べられている。受光素子２４０〜２４８は、所定のピッチＰ４で基板２２に設けられている。
受光素子２４０〜２４８は、ディスク１２の回転角度の変化に対して矩形波の信号を出力する。受光素子２４０〜２４８のそれぞれから出力される信号の組み合わせにより、ディスク１２の１回転内の回転位置を求めることができる。
［作用効果］
エンコーダ１０の分解能を高めるためには、インクリメントパターン１８ａのスリット２０ａのピッチＰ１は狭く形成され、スリット２０ａのピッチＰ１に応じてインクリメント受光部１６ａの受光素子２４Ａ、２４Ｂ、２４ＸＡ、２４ＸＢのピッチＰ３も狭く形成される必要がある。
図５は受光素子２４の模式図である。前述のように、受光素子２４はフォトダイオードであり、フォトダイオードはＰ層とＮ層とからなる。受光素子２４が受光すると、Ｐ層に正孔が移動し、Ｎ層に自由電子が移動する。受光素子２４間のピッチが狭すぎると、隣接する受光素子２４のＮ層に自由電子が移動し、受光していない隣接する受光素子２４において信号が出力されるクロストークが生じるおそれがある。クロストークを抑制するためには、受光素子２４のピッチを確保する必要がある。
そこで、本実施の形態では、受光素子２４Ａ、２４ＸＡが配置される第１領域２６ａ、２６ｂと、受光素子２４Ｂ、２４ＸＢが配置される第２領域２８ａ、２８ｂとを分離するようにした。これにより、図４に示されるように、受光素子２４Ａと、周方向に隣接する受光素子２４ＸＡとのピッチはＰ３の２倍とすることができ、受光素子２４Ｂと、周方向に隣接する受光素子２４ＸＢとのピッチもＰ３の２倍とすることができる。これにより、エンコーダ１０の分解能を高めるとともに、周方向に隣接する受光素子２４のピッチを確保することができ、クロストークの発生を抑制することができる。
また、本実施の形態では、発光素子１４からインクリメントパターン１８ａのスリット２０ａを経由して第１領域２６ａ、２６ｂに到達するまでの光路の平均距離と、発光素子１４からスリット２０ａを経由して第２領域２８ａ、２８ｂに到達するまでの光路の平均距離との差が所定距離以内となるように第１領域２６ａ、２６ｂおよび第２領域２８ａ、２８ｂの位置を設定した。これにより、第１領域２６ａ、２６ｂの受光素子２４Ａ、２４ＸＡが受光する光の強度と、第２領域２８ａ、２８ｂの受光素子２４Ｂ、２４ＸＢが受光する光の強度とを略等しくすることができる。
〔変形例１〕
第１の実施の形態では、受光素子２４Ａ、２４ＸＡは、第１領域２６ａと第１領域２６ｂの２つの領域に配置され、受光素子２４Ｂ、２４ＸＢは、第２領域２８ａと第２領域２８ｂの２つの領域に配置されていた。これに代えて、受光素子２４Ａ、２４ＸＡは、１つの第１領域２６に配置され、受光素子２４Ｂ、２４ＸＢは、１つの第２領域２８に配置されるようにしてもよい。
図６は、光学ユニット１５の模式図である。図６に示されるように、第１領域２６と第２領域２８は、基板２２の同一平面上に径方向に分離して設けられている。第１領域２６は径方向外側に位置し、第２領域２８は径方向内側に位置する。なお、第２領域２８が径方向外側に位置し、第１領域２６が径方向内側に位置するようにしてもよい。
〔変形例２〕
第１の実施の形態では、発光素子１４は、第１領域２６ａ、２６ｂおよび第２領域２８ａ、２８ｂに対して径方向内側に設けられていたが、他の位置に設けられるようにしてもよい。
図７は、光学ユニット１５の模式図である。図７に示されるように、発光素子１４は、径方向において、第１領域２６ａと第２領域２８ａとの間、第１領域２６ｂと第２領域２８ｂとの間に設けられている。
〔変形例３〕
変形例１では、発光素子１４は、第１領域２６および第２領域２８に対して径方向内側に設けられていたが、他の位置に設けられるようにしてもよい。
図８は、光学ユニット１５の模式図である。図８に示されるように、発光素子１４は、径方向において、第１領域２６と第２領域２８との間に設けられている。
〔変形例４〕
第１の実施の形態では、第１領域２６ａと第２領域２８ａとは、同一平面上であって径方向に分離して設けられ、第１領域２６ｂと第２領域２８ｂとは、同一平面上であって径方向に分離して設けられている。第１領域２６ａと第２領域２８ａ、第１領域２６ｂと第２領域２８ｂは、径方向に限らず周方向に交差する方向に分離して設けられていてもよい。
図９は、光学ユニット１５の模式図である。図９に示されるように、第１領域２６ａと第２領域２８ａとは、同一平面上であって周方向に対して斜め方向に分離して設けられ、第１領域２６ｂと第２領域２８ｂとは、同一平面上であって周方向に対して斜め方向に分離して設けられている。また、発光素子１４は、第１領域２６ａ、２６ｂおよび第２領域２８ａ、２８ｂに囲まれた中心部分に設置されている。
〔変形例５〕
変形例１では、第１領域２６と第２領域２８とは、径方向に分離して設けられていたが、第１領域２６と第２領域２８とが、周方向に分離して設けられてもよい。
図１０は、光学ユニット１５の模式図である。図１０に示されるように、第１領域２６と第２領域２８は、基板２２の同一平面上に周方向に分離して設けられている。
〔変形例６〕
第１の実施の形態では、受光素子２４Ａ、２４ＸＡは基板２２上の第１領域２６ａ、２６ｂに配置され、受光素子２４Ｂ、２４ＸＢは基板２２上の第２領域２８ａ、２８ｂに配置されている。これに加え、受光素子２４０、２４２、２４４、２４６、２４８が基板２２上の第３領域３０に配置され、受光素子２４１、２４３、２４５、２４７が基板２２上の第４領域３２に配置されるようにしてもよい。
図１１は、光学ユニット１５の模式図である。図１１に示されるように、第３領域３０と第４領域３２とは、基板２２の同一平面上であって径方向に分離して設けられている。これにより、受光素子２４０〜２４８と、周方向に隣接する受光素子２４０〜２４８とのピッチはＰ４の２倍とすることができる。受光素子２４０、２４２、２４４、２４６、２４８は本発明の第１受光素子を構成し、受光素子２４１、２４３、２４５、２４７は本発明の第２受光素子を構成する。
〔変形例７〕
第１の実施の形態では、スリット２０を反射スリットとしたが、反射スリットに代えて、光を透過する透過スリットを用いるようにしてもよい。
図１２は、エンコーダ１０の模式図である。図１２に示されるように、スリット２０に透過スリットが用いられた場合には、発光素子１４は、インクリメント受光部１６ａおよびアブソリュート受光部１６ｂに対してディスク１２を挟んで反対側に設けられる。
〔変形例８〕
第１の実施の形態のエンコーダ１０は、アブソリュート型のロータリエンコーダであるが、エンコーダ１０はインクリメント型のロータリエンコーダであってもよい。エンコーダ１０がインクリメント型のロータリエンコーダである場合には、ディスク１２にアブソリュートパターン１８ｂが設けられる必要はなく、また、アブソリュート受光部１６ｂも設けられる必要はない。
〔変形例９〕
第１の実施の形態のエンコーダ１０は、ロータリエンコーダであるが、リニアエンコーダであってもよい。
〔実施の形態から得られる技術的思想〕
上記実施の形態から把握しうる技術的思想について、以下に記載する。
エンコーダ（１０）は、一方向に沿ってスリット（２０）が並べられたパターン（１８）が形成されたディスク（１２）と、前記ディスクの前記パターンに向かって光を照射する発光素子（１４）と、前記発光素子から照射されて前記スリットを経由して届いた前記光を受光し、受光した前記光の光量に応じた信号を出力する複数の第１受光素子（２４Ａ）と、前記発光素子から照射されて前記スリットを経由して届いた前記光を、前記第１受光素子が前記光を受光する位相と異なる位相で受光し、受光した前記光の光量に応じた信号を、出力する複数の第２受光素子（２４Ｂ）と、を有し、複数の前記第１受光素子が配置される第１領域（２６ａ）と、複数の前記第２受光素子が配置される第２領域（２６ｂ）とが分離して設けられる。これにより、エンコーダの分解能を高めるとともに、周方向に隣接する受光素子のピッチを確保することができ、クロストークの発生を抑制することができる。
上記のエンコーダであって、前記第１受光素子および前記第２受光素子は同一平面上に設けられ、前記第１領域と前記第２領域とは、前記スリットが並べられる方向に対して交差する方向に分離して設けられてもよい。これにより、エンコーダの分解能を高めるとともに、周方向に隣接する受光素子のピッチを確保することができ、クロストークの発生を抑制することができる。
上記のエンコーダであって、前記第１受光素子および前記第２受光素子は同一平面上に設けられ、前記第１領域と前記第２領域とは、前記スリットが並べられる方向に分離して設けられてもよい。これにより、エンコーダの分解能を高めるとともに、周方向に隣接する受光素子のピッチを確保することができ、クロストークの発生を抑制することができる。
上記のエンコーダであって、前記光が前記発光素子から前記スリットを経由して前記第１領域に到達するまでの光路の平均距離と、前記光が前記発光素子から前記スリットを経由して前記第２領域に到達するまでの光路の平均距離との差が所定距離以内となるように、前記第１領域と前記第２領域とを配置してもよい。これにより、第１領域の受光素子が受光する光の強度と、第２領域の受光素子が受光する光の強度とを略等しくすることができる。
上記のエンコーダであって、前記第１領域は複数設けられ、前記第２領域は前記第１領域と同数設けられてもよい。これにより、第１領域の受光素子が受光する光の強度と、第２領域の受光素子が受光する光の強度とを略等しくすることができる。
上記のエンコーダであって、前記パターンは、少なくともインクリメントパターン（１８ａ）を含んでもよい。これにより、エンコーダの分解能を高めるとともに、周方向に隣接する受光素子のピッチを確保することができ、クロストークの発生を抑制することができる。
上記のエンコーダであって、前記パターンは、少なくともアブソリュートパターン（１８ｂ）を含んでもよい。これにより、エンコーダの分解能を高めるとともに、周方向に隣接する受光素子のピッチを確保することができ、クロストークの発生を抑制することができる。
上記のエンコーダであって、前記スリットは、前記発光素子から照射された前記光を反射する反射スリットであってもよい。これにより、反射スリットのピッチを狭くして、エンコーダの分解能を高めることができる。
上記のエンコーダであって、前記スリットは、前記発光素子から照射された前記光を透過させる透過スリットであってもよい。これにより、透過スリットのピッチを狭くして、エンコーダの分解能を高めることができる。
１０…エンコーダ １２…ディスク
１４…発光素子 １８…パターン
１８ａ…インクリメントパターン １８ｂ…アブソリュートパターン
２０…スリット ２４Ａ…第１受光素子
２４Ｂ…第２受光素子 ２６ａ、２６ｂ…第１領域
２８ａ、２８ｂ…第２領域

Claims (9)

  1. 一方向に沿ってスリットが並べられたパターンが形成されたディスクと、
    前記ディスクの前記パターンに向かって光を照射する発光素子と、
    前記発光素子から照射されて前記スリットを経由して届いた前記光を受光し、受光した前記光の光量に応じた信号を出力する複数の第１受光素子と、
    前記発光素子から照射されて前記スリットを経由して届いた前記光を、前記第１受光素子が前記光を受光する位相と異なる位相で受光し、受光した前記光の光量に応じた信号を、出力する複数の第２受光素子と、
    を有し、
    複数の前記第１受光素子が配置される第１領域と、複数の前記第２受光素子が配置される第２領域とが分離して設けられる、エンコーダ。
  2. 請求項１に記載のエンコーダであって、
    前記第１受光素子および前記第２受光素子は同一平面上に設けられ、
    前記第１領域と前記第２領域とは、前記スリットが並べられる方向に対して交差する方向に分離して設けられる、エンコーダ。
  3. 請求項１に記載のエンコーダであって、
    前記第１受光素子および前記第２受光素子は同一平面上に設けられ、
    前記第１領域と前記第２領域とは、前記スリットが並べられる方向に分離して設けられる、エンコーダ。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンコーダであって、
    前記光が前記発光素子から前記スリットを経由して前記第１領域に到達するまでの光路の平均距離と、前記光が前記発光素子から前記スリットを経由して前記第２領域に到達するまでの光路の平均距離との差が所定距離以内となるように、前記第１領域と前記第２領域とを配置する、エンコーダ。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンコーダであって、
    前記第１領域は複数設けられ、前記第２領域は前記第１領域と同数設けられる、エンコーダ。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンコーダであって、
    前記パターンは、少なくともインクリメントパターンを含む、エンコーダ。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のエンコーダであって、
    前記パターンは、少なくともアブソリュートパターンを含む、エンコーダ。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のエンコーダであって、
    前記スリットは、前記発光素子から照射された前記光を反射する反射スリットである、エンコーダ。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のエンコーダであって、
    前記スリットは、前記発光素子から照射された前記光を透過させる透過スリットである、エンコーダ。
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