JP2022026795A

JP2022026795A - 光学式エンコーダのインデックス格子

Info

Publication number: JP2022026795A
Application number: JP2020130416A
Authority: JP
Inventors: 黄庭緯; ting wei Huang; 劉金松; Chin-Sung Liu; 陳燦林; Tsan-Lin Chen
Original assignee: Hiwin Mikrosystem Corp
Current assignee: Hiwin Mikrosystem Corp
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2022-02-10

Abstract

【課題】本発明は光学式エンコーダのインデックス格子を提供する。【解決手段】その主な技術的特徴は、光学格子の単位面積内における光透過面積の割合を高めることにより、光源の利用効率及び信号強度を増加させることができ、且つ粉じんなどの異物によって遮られる光の割合を低下させて、光強度に対する影響度合いを減少させることができ、これにより光学式エンコーダの検出精度を高めるというものである。【選択図】図４

Description

本発明は位置検出技術に関し、特に光学式エンコーダのインデックス格子に関するものである。

正弦波信号により位置を解析するエンコーダは、光検出器を用いてコードホイールの回転下における様々な光強度変化を受光し、解析を経て目下の位置を得るが、理想的な正弦波を生み出すために、解析に要する演算量を低減し、応用素子による精確な位置決めを得ており、従来技術では、受光面積の形状、フォトマスクの形状又は光学格子の形状などを変えることにより、コードホイールの回転時に理想的な光強度変化の結果を得ている。

図１に示す従来のインデックス格子構造を参照して、格子板（１）上に８字形状を呈する複数の透光部（２）が互いに順次並列させて設けられており、メイン光学格子を透過するか又は反射され、インデックス格子を通り抜けた後、光検出素子に検出され得る光源の光強度変化を変化させることにより、理想に近い正弦波信号が得られ、これによって解析精度を高めて正確な位置を得ている。

しかし、精密機械の位置解析精度に対する要求が日増しに増加する一方で、図１に示す従来技術は、透光部（２）の技術内容が未だ完成に至っておらず、提供可能な解析精度、正確性、さらには干渉防止性能などの面でいずれも限界性があったため、精密機械が要求する精度を完全に満たすことは難しかった。

これに鑑み、本発明は、光学式エンコーダの光源の利用効率を高め、信号強度を強化し、且つ異物による干渉の度合いを低減することが可能な、光学式エンコーダのインデックス格子を提供することを主な目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明が提供する光学式エンコーダのインデックス格子の主な技術的特徴は、光学格子の単位面積内における光透過面積の割合を高めることにより、光源の利用効率及び信号強度を増加させることができ、且つ粉じんなどの異物によって遮られる光の割合を低下させて、光強度に対する影響度合いを減少させることができ、これにより光学式エンコーダの検出精度を高めるというものである。

単位面積内における光透過面積の割合を高めるために、本発明が提供する技術は、光学式エンコーダのインデックス格子が同じ形状の複数の第１透光部と複数の第２透光部を備え、格子板上に互い違いに順次配列されており、第１透光部は格子板の第１側部に寄っており、且つ第１側部と背中合わせの第２側部から離れており、同時に第２透光部は第２側部に寄っており、且つ第１側部から離れており、第１透光部及び第２透光部は、第１端部と第２端部の間の形状における長さが互いに同じであり、且つ形状における幅が第１端部から第２端部の方向に向かって徐々に増加しており、同時に第１透光部の第２端部は自身の第１端部と第１側部との間に位置しており、第２透光部の第２端部は自身の第１端部と第２側部との間に位置しており、そのうち、互いに隣接する第１透光部の第２端部と第２透光部の第２端部の間の距離（Ｄ）と、第１透光部又は第２透光部の形状における長さ（Ｌ）は、Ｌ≦Ｄ＜２Ｌという式を満たす。これにより、単位面積中で第１透光部及び第２透光部により提供される透光領域面積の割合を増加させて、上述の目的及び効果を達成することができる。

ここで、長さ（Ｌ）と距離（Ｄ）との間の比は、Ｄ＝１．２７４Ｌ又はＤ＝１．１９６Ｌであるのが好ましい。

さらに、検出信号を理想の正弦波信号に近似させるため、各第１端部と各第２端部の形状をそれぞれ円形、楕円状、放物状又は双曲状の形状にすると同時に、長軸方向に従って変化させた幅が第１端部と第２端部との間で台形を形成するようにさせることができる。

従来のインデックス格子の平面図である。本発明の好ましい実施例の概念図であり、透過型のメイン光学格子を示している。本発明の好ましい実施例の概念図であり、反射型のメイン光学格子を示している。本発明の好ましい実施例におけるインデックス格子の平面図である。本発明の好ましい実施例である図３中の局部拡大図である。

［実施例］
最初に、図２Ａ、図２Ｂ及び図３を参照して、本発明の好ましい実施例中で提供する光学式エンコーダ（１０）は、主に光源（２０）、メイン光学格子（３０）、インデックス格子（４０）及び光学検出部（５０）を含む。

光学式エンコーダ（１０）の動作原理や構成要素同士の相対的な空間・位置関係は従来技術で開示されているものと似通っており、光源（２０）が発した光がメイン光学格子（３０）を通過すると、コードホイールが光を反射（図２Ｂに示す通り）するか、又は光の通過（図２Ａに示す通り）を許容し、さらにインデックス格子（４０）を通過して光学検出部（５０）に検出され、光学検出部（５０）が検出した光強度変化により得られた信号を直ちに演算の基礎として、メイン光学格子（３０）に接続された回転素子の回転角度位置を解析することで制御に役立てており、そのうち、光学検出部（５０）は複数の感光素子を含むことができるが、これは従来技術で既に開示されており、本発明が改良しようとする技術目標ではないため、ここでさらに詳述する必要性はない。

またそのうち、インデックス格子（４０）は、構造に格子板（４１）、複数の第１透光部（４２）及び複数の第２透光部（４３）を含む。

格子板（４１）の形状及びサイズは、光学検出部（５０）への取り付けに適合し得るものであり、本実施例では矩形の板状体を例としている。

各第１透光部（４２）と各第２透光部（４３）の双方は、それぞれ格子板（４１）上で光線の通過に供し得る三次元構造を形成しており、且つ各自が格子板（４１）の一側板面上で同じ二次元形状を形成しており、格子板（４１）の矩形長軸方向に沿って互い違いに順次配列されることにより、格子板（４１）上に光の通過を許容し得る透光領域を共に形成している。

図４を参照して、各第１透光部（４２）及び各第２透光部（４３）が格子板（４１）の一側板面上に形成している二次元形状については、各第１透光部（４２）及び各第２透光部（４３）の各自の形状における長さ（Ｌ）は、第１端部（４２１）（４３１）と第２端部（４２２）（４３２）の間であり、且つその形状における幅は第１端部（４２１）（４３１）から第２端部（４２２）（４３２）の方向に向かって徐々に増加しており、これにより第１端部に隣接する部分の幅（Ｗ１）はやや狭く、第２端部に隣接する幅の部分はやや大きな幅（Ｗ２）を有するように構成され、全体的な形状が略水滴形状を呈するようにさせている。またさらに、各第１端部（４２１）（４３１）及び各第２端部（４２２）（４３２）の形状はそれぞれ弧状を呈し、且つその弧状の曲率はいずれも円形、楕円状、放物状又は双曲状などの曲率と一致し得る。本実施例では、各第１端部（４２１）（４３１）及び各第２端部（４２２）（４３２）はそれぞれ円弧形を呈しており、且つ各第１端部（４２１）（４３１）の半径は各第２端部（４２２）（４３２）の半径よりも小さく、これによりそれ自身の幅の変化に対応させている。また、各第１透光部（４２）及び各第２透光部（４３）の形状における幅の変化については、それぞれ各自の形状において、対応する第１端部と第２端部の間で台形領域（４２３）（４３３）が形成されている。ここで、理解しやすいように、本発明の図４中、各第１端部（４２１）（４３１）と対応する台形領域（４２３）（４３３）との間、及び各第２端部（４２２）（４３２）と対応する台形領域（４２３）（４３３）との間の仮想境界線を点線で描いているが、仮想境界線は実際には存在しない。

格子板（４１）との間の相対的関係から：

各第１透光部（４２）は格子板（４１）の矩形長軸の片側の第１側部（４１１）に寄っており、且つ第１側部（４１１）と背中合わせの第２側部（４１２）から離れており、自身の第２端部（４２２）は自身の第１端部（４２１）と第１側部（４１１）との間に位置している。

各第２透光部（４３）は第２側部（４１２）に寄っており、且つ第１側部（４１１）から離れており、自身の第２端部（４３２）は自身の第１端部（４３１）と第２側部（４１２）との間に位置している。

各第１透光部（４２）と各第２透光部（４３）の互い違いに向かい合った状態によって、２つの隣接する第１透光部（４２）と第２透光部（４３）における個々の第２端部（４２２）（４３２）同士の間の距離（Ｄ）を、それら各自の形状における長さ（Ｌ）の２倍よりも小さくさせており、これにより各第１透光部（４２）及び各第２透光部（４３）が格子板（４１）における単位面積範囲内で提供する透光領域面積を達成することができる。

さらに、各第１透光部（４２）と各第２透光部（４３）の互い違いにする深さを変えることで、光学検出部（５０）が検出する光強度変化を正弦波信号により近似させることができ、また単位面積内の透光領域の割合がさらに増加して、より良好な光源利用を達成することができ、これにより、より高い透光領域の割合の下で光学検出部（５０）が有する感光素子（図示しない）の数量を増やすことができ、光強度のバラつきによって生じる誤差が改善されると同時に、異物の影響下で光が進むことにより生じた異常信号がある場合には、高い密度で設置された感光素子が異常信号の影響度を低減することができ、これによって光学式エンコーダ（１０）に精度がより良好な検出結果を提供させることができる。

可能な実施条件下において、各第１透光部（４２）と各第２透光部（４３）の互い違いにする深さがＬ≦Ｄ＜２Ｌという式を満たすなら、本発明の目的及び効果を達成することができるが、より好ましい実施例では、Ｄ＝１．２７４Ｌ又はＤ＝１．１９６Ｌとすることができ、この条件下で何らかの装置に使用した場合、光学式エンコーダ（１０）は比較的により優れた検出精度を得ることができる。

１格子板
２透光部
１０光学式エンコーダ
２０光源
３０メイン光学格子
４０インデックス格子
４１格子板
４１１第１側部
４１２第２側部
４２第１透光部
４２１、４３１第１端部
４２２、４３２第２端部
４２３、４３３台形領域
４３第２透光部
５０光学検出部
Ｗ１、Ｗ２幅
Ｄ距離
Ｌ長さ

Claims

格子板（４１）を含み、
複数の第１透光部（４２）が前記格子板（４１）上に順次配列されており、
複数の第２透光部（４３）が前記格子板（４１）上に順次配列されており、且つそれぞれ各前記第１透光部（４２）の隣接する同士の間に位置しており、
そのうち、前記第１透光部（４２）は前記格子板（４１）の第１側部（４１１）に寄っており、且つ前記第１側部（４１１）と背中合わせの第２側部（４１２）から離れており、前記第２透光部（４３）は前記第２側部（４１２）に寄っており、且つ前記第１側部（４１１）から離れており、
各前記第１透光部（４２）及び各前記第２透光部（４３）は同じ形状を有しており、且つ各自の形状における長さ（Ｌ）は、第１端部（４２１）（４３１）と第２端部（４２２）（４３２）の間であり、形状における幅は前記第１端部（４２１）（４３１）から前記第２端部（４２２）（４３２）の方向に向かって徐々に増加しており、同時に前記第１透光部（４２）の個々の形状における第２端部（４２２）は自身の第１端部（４２１）と前記第１側部（４１１）との間に位置しており、前記第２透光部（４３）の個々の形状における第２端部（４３２）は自身の第１端部（４３１）と前記第２側部（４１２）との間に位置しており、
互いに隣接する前記第１透光部の第２端部（４２２）と前記第２透光部の第２端部（４３２）の間の距離（Ｄ）と、前記第１透光部又は前記第２透光部の形状における長さ（Ｌ）は、Ｌ≦Ｄ＜２Ｌという式を満たす、光学式エンコーダ（１０）のインデックス格子（４０）。
Ｄ＝１．２７４Ｌである、請求項１に記載の光学式エンコーダのインデックス格子。
Ｄ＝１．１９６Ｌである、請求項１に記載の光学式エンコーダのインデックス格子。
各前記第１端部（４２１）（４３１）の形状は、それぞれ円形、楕円状、放物状又は双曲状の形状の一部分である、請求項１に記載の光学式エンコーダのインデックス格子。
各前記第２端部（４２２）（４３２）の形状は、それぞれ円形、楕円状、放物状又は双曲状の形状の一部分である、請求項４に記載の光学式エンコーダのインデックス格子。
各前記第１端部（４２１）（４３１）の直径は、各前記第２端部（４２２）（４３２）の直径よりも小さい、請求項５に記載の光学式エンコーダのインデックス格子。
各前記第１透光部（４２）及び各前記第２透光部（４３）の各自の形状における各前記第１端部（４２１）（４３１）と各前記第２端部（４２２）（４３２）の間の部分は、それぞれ台形（４２３）（４３３）を呈する、請求項１又は請求項６に記載の光学式エンコーダのインデックス格子。