JP3659029B2 - アブソリュートエンコーダ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体の回転角度を絶対量として検出するための光学式アブソリュートエンコーダに関し、特に受光部の構成に特徴を有するアブソリュートエンコーダに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図7は、従来のnビットM系列アブソリュートエンコーダの概略的な構成を示している。ここで、nビットのM系列とは、1回転あたり2n個の1,0情報(コード)の組み合わせからなる簡単な規則によって作られる確定的系列である。このM系列は、外観上、不規則な系列にも見えるが、この系列の特定位置から連続するn個の1,0コードは、この系列内で1つしか存在しないため、この系列は2n個の重複しない情報を持っている。
本明細書におけるエンコーダのM系列トラック(回転角度検出用トラック)とは、このM系列の「1」を光線の透過部、「0」を遮光部とする2n個の明暗格子を回転スリット板の外周部に設けたものである。
【0003】
図7において、中空軸5の一端には、nビットのM系列トラックと光線を透過・遮光させる透過領域・遮光領域を一定ピッチで交互に配置したトラック(後述するM系列信号選択トラック)とを有する回転スリット板6が取り付けられている。回転スリット板6の上記両トラックを照明できる位置には、発光部としてのLED2がエンコーダケース1内に配置されており、回転スリット板6を介した反対側には受光部56が配置されている。また、この受光部56はプリント板8に実装されている。
なお、3,4は、詳述しないが回転体の回転数を検出するためのコイル、500は後述する固定スリット板である。
【0004】
図8は、上記受光部56の構成を示しており、受光部56を回転スリット板6側から見た状態の図である。この図の下方向(矢印200)はエンコーダの内周側(回転スリット板6の回転軸側)、上方向(矢印201)はエンコーダの外周側(回転スリット板6の外周縁側)、左右方向(矢印202)はエンコーダの円周方向(回転スリット板6の回転方向)である。
また、斜線を付した部分は受光素子としてのフォトダイオード21〜34であり、それ以外の領域は図7に示した固定スリット板500によって遮光される。
【0005】
受光部56の全体構成を述べると、受光部56は、それぞれが電気的に独立している、例えば4ビットの8個のM系列検出用フォトダイオード21〜28と、6個のM系列信号選択用フォトダイオード29〜34とを有している。
【0006】
M系列検出用フォトダイオード21〜28は、上下各4個のフォトダイオード群から構成されており、ここでは、便宜上、図8の上側(外周側)のフォトダイオード21〜24をA群110、下側(内周側)のフォトダイオード25〜28をB群111ということにする。
フォトダイオード21〜24及び25〜28のそれぞれのピッチ120は、機械角で360/x〔Deg〕であり、nビットのアブソリュートエンコーダの場合、x=2nである。また、1ピッチ120を電気角で360〔Deg〕とすると、A群110とB群111との位相差121は電気角で180〔Deg〕である。
【0007】
M系列信号選択用フォトダイオード29〜34は、M系列検出用フォトダイオード21〜28の内側に配置されており、図8の左側3個のフォトダイオード29〜31からなるA’群112と、右側3個のフォトダイオード32〜34からなるB’群113とから構成される。
フォトダイオード29〜31及び32〜34のそれぞれのピッチ122は、機械角で360/x〔Deg〕であり、上記1ピッチ122を電気角で360〔Deg〕とすると、A’群112とB’群113との位相差123は電気角で90〔Deg〕である。
また、M系列検出用フォトダイオード21〜24からなるA群110とM系列信号選択用フォトダイオード29〜31からなるA’群112とは、適当な位相差にて配置されている。
【0008】
図9は、上記受光部56及びその周辺部品の回路構成図である。
まず、すべてのフォトダイオード21〜34のカソードは電源端子Vccに接続されている。M系列検出用フォトダイオード21〜28のアノードは電流電圧信号変換用抵抗71〜78を介してそれぞれグランドに接続されている。また、抵抗71〜78のフォトダイオード21〜28側の各一端はコンパレータ79を介してCPU100に接続されており、コンパレータ79の出力である1または0の信号がCPU100に取り込まれるように構成されている。
【0009】
M系列信号選択用フォトダイオード29〜31のアノードは一括して接続され、電流電圧信号変換用抵抗81を介してグランドに接続されていると共に、抵抗81のフォトダイオード29〜31側の一端はCPU100内のA/D変換器(図示せず)に接続されている。
同様に、M系列信号選択用フォトダイオード32〜34のアノードは一括して接続され、電流電圧信号変換用抵抗82を介してグランドに接続されていると共に、フォトダイオード32〜34側の抵抗82の一端はCPU100内のA/D変換器(図示せず)に接続されている。
【0010】
次に、この従来技術の動作原理を説明する。
図7に示したように、LED2から照射された光線は、回転スリット板6のM系列トラック及びM系列信号選択トラックを透過した後、固定スリット板500を介して受光部56に到達する。
受光部56内で図9のM系列検出用フォトダイオード21〜28に到達した光線は、それぞれ受光光量に対応する大きさの光電流に変換され、各フォトダイオード21〜28のアノード側の電流電圧信号変換用抵抗71〜78により電流/電圧変換され、コンパレータ79を介しA群110、B群111のM系列信号としてCPU100に取り込まれる。
【0011】
他方、M系列信号選択用フォトダイオード29〜34に到達した光線は、同様に光電流に変換された後、電流電圧信号変換用抵抗81,82により電流/電圧変換され、CPU100内のA/D変換器を介しA’群112、B’群113の選択用信号としてCPU100に取り込まれる。
【0012】
図10に、回転スリット板6のM系列トラック300及びM系列信号選択用トラック301と受光部56との関係を示す。この図は、図7における矢印C方向から回転スリット板6及び受光部56を見た図に相当する。
図10において、M系列トラック300内の網掛けされた領域は遮光領域302であり、それ以外は透過領域303である。前記遮光領域302に覆われたフォトダイオードはLED2からの照射光を受光することができない。
同様にして、M系列信号選択用トラック301内の網掛けされた領域は遮光領域304であり、それ以外は透過領域305である。
【0013】
例えば、図10に示すように、B群111のM系列検出用フォトダイオード25〜28をM系列トラック300の遮光領域302がほぼ半分遮光している場合、これらのフォトダイオード25〜28は光線が透過しているのか遮光されているのか判定ミスを起こす恐れがある。
これに対しA群110では、M系列検出用フォトダイオード21は完全に遮光、フォトダイオード22は完全に透過、フォトダイオード23は完全に遮光、フォトダイオード24は完全に透過状態であり、すべてのフォトダイオード21〜24において完全に遮光か透過かの何れかである。
このため、図10の例では、A群110のM系列検出用フォトダイオード21〜24の出力信号を正しいM系列信号として処理すれば、回転角度を誤検出することはない。
【0014】
ここで、A群110のM系列検出用フォトダイオード21〜24の出力信号を正しいM系列信号として検出するためには、例えば、図10に示すごとく、B’群113のM系列信号選択用フォトダイオード32〜34が完全に遮光されているタイミングにて、A群110のM系列検出用フォトダイオード21〜24の出力信号を正しいM系列信号であるとCPU100が認識すればよい。
すなわち、B’群113のM系列信号選択用フォトダイオード32〜34の出力信号がA’群112のM系列信号選択用フォトダイオード29〜31の出力信号よりも小さいとき、CPU100はA群110のM系列検出用フォトダイオード21〜24の出力信号を正しいM系列信号として選択すればよい。
【0015】
次に、図11は、図10の状態から回転スリット板6が右方向に若干移動した状態を示している。
このとき、図10とは逆に、B群111のM系列検出用フォトダイオード25〜28は完全に遮光か透過かの何れかの状態になる。その際、B’群113のM系列信号選択用フォトダイオード32〜34は完全に透過の状態になる。
このことから、例えばB’群113のM系列信号選択用フォトダイオード32〜34の出力信号がA’群112のM系列信号選択用フォトダイオード29〜31の出力信号よりも大きいとき、CPU100はB群111のM系列検出用フォトダイオード25〜28の出力信号を正しいM系列信号として選択すればよい。
【0016】
そしてCPU100は、正しいと認識したM系列信号を、メモリに予め格納された変換テーブルにより角度情報に変換して出力する。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、アブソリュートエンコーダの小形化、高分解能化には、フォトダイオードの面積を小さくする必要があるが、面積を小さくすると得られる光電流が小さくなる。このため、M系列信号をCPUに取り込むことができるように、数MΩ以上の電流電圧信号変換用抵抗を使用しなければならなくなり、回路の信頼性、応答性、S/N比が著しく低下するという問題があった。
【0018】
そこで本発明は、電流電圧信号変換用抵抗を大きくすることなく、十分に大きな光電流を得ることができるアブソリュートエンコーダを提供しようとするものである。
【0020】
【解決を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、発光部と、
この発光部から照射された光線をM系列情報に従って透過・遮光させる回転角度検出用のM系列トラックと、このM系列トラックを透過した光線による出力信号から正規の出力信号を選択するために使用されるトラックであって光線の透過部及び遮光部が交互に配置されたM系列信号選択用トラックとを有し、かつ、回転角度の検出対象である回転体の軸を中心として回転する回転スリット板と、
前記発光部から照射されて前記M系列トラック及びM系列信号選択用トラックを透過した光線を受光する受光部と、
を備えたアブソリュートエンコーダにおいて、
前記受光部は、
前記M系列トラックと対向する位置に配置され、かつ、それぞれが複数個の受光素子からなる2つのM系列検出用受光素子群と、
前記M系列信号選択用トラックと対向する位置に配置され、かつ、それぞれが複数個の受光素子からなる2つのM系列信号選択用受光素子群と、
前記M系列検出用受光素子群を構成する各受光素子を流れる光電流をそれぞれ増幅する複数の増幅素子と、
を備え、2つのM系列検出用受光素子群を構成する各受光素子どうし、及びこれらの受光素子に接続された各増幅素子どうしをそれぞれ千鳥状に配置したものである。
【0021】
なお、請求項2に記載するように、前記回転体の軸から外周部に向かう方向に沿って、前記M系列信号選択用受光素子群、M系列検出用受光素子群、及び複数の増幅素子を順次配置したものである。さらに、これら増幅素子は、請求項3に記載するように、前記増幅素子を前記受光部内にモノリシックにて形成したものである。
【0022】
また、請求項4に記載するように、前記2つのM系列検出用受光素子群を円周方向に沿って二列並べて配置し、また、2つのM系列信号選択用受光素子群を円周方向に沿って一列に並べて配置すると良い。
【0023】
更に、請求項5に記載するように、前記回転スリット板を透過した光が複数の増幅素子に当たらないようにこれらの増幅素子を遮光することが望ましい。
その具体的方法としては、請求項6に記載するごとく、前記回転スリット板に一連の遮光トラックを形成したり、請求項7に記載するごとく、前記増幅素子が形成されている領域を含む前記受光素子の光不感帯領域を、アルミニウム等の蒸着膜により遮光すると良い。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の第1実施形態を説明する。なお、この実施形態も4ビットのM系列アブソリュートエンコーダに関するものであり、従来技術と同一の構成要素には同一の参照符号を付すこととする。
【0025】
図1は前述の図8に相当する受光部56Aの構成図であり、図の下方向(矢印200)はエンコーダの内周側、上方向(矢印201)はエンコーダの外周側、左右方向(矢印202)はエンコーダの円周方向である。
また、斜線を付した部分は前記同様に受光素子としてのフォトダイオード21〜34であり、それ以外の領域は固定スリット板500(後述する図3を参照)によって遮光されている。
【0026】
前述のごとく、受光部56Aは、それぞれが電気的に独立した、例えば4ビットの8個のM系列検出用フォトダイオード21〜28と、6個のM系列信号選択用フォトダイオード29〜34とを有している。
M系列検出用フォトダイオード21〜28は、図1の上側(外周側)のフォトダイオード21〜24からなるA群110と、下側(内周側)のフォトダイオード25〜28からなるB群111とに分けられる。なお、フォトダイオード21〜28はいわゆる千鳥状に配置されている。
【0027】
フォトダイオード21〜24及び25〜28のそれぞれのピッチ120は、機械角で360/x〔Deg〕であり、nビットのアブソリュートエンコーダの場合、x=2nである。また、1ピッチ120を電気角で360〔Deg〕とすると、A群110とB群111との位相差121は電気角で180〔Deg〕である。
【0028】
M系列信号選択用フォトダイオード29〜34は、M系列検出用フォトダイオード21〜28の内側に配置されており、図1の左側3個のフォトダイオード29〜31からなるA’群112と、右側3個のフォトダイオード32〜34からなるB’群113とに分けられる。
フォトダイオード29〜31及び32〜34のそれぞれのピッチ122は、機械角で360/x〔Deg〕であり、上記1ピッチ122を電気角で360〔Deg〕とすると、A’群112とB’群113との位相差123は電気角で90〔Deg〕である。
また、上記A群110とA’群112とは、適当な位相差にて配置されている。
【0029】
さて、この実施形態では、受光部56A内の前記A群110の外側に位置するほぼ扇形の領域55に、モノリシックにてトランジスタ61〜68が互いに千鳥状に配置、形成されており、これらのトランジスタ61〜68はM系列検出用フォトダイオード21〜28のアノード(図1には示されていない)にそれぞれ接続されている。図示されていない回転スリット板には、トランジスタ61〜68に光が当たらないように遮光用塗料を塗布してなる一連の遮光トラック(後述する図4、図5参照)が形成されている。
【0030】
図2は、図1の受光部56A及びその周辺回路の説明図である。図9と異なるのは、前述したトランジスタ61〜68がM系列検出用フォトダイオード21〜28に接続されている点であり、その他は図9と同一である。トランジスタ61〜68の接続状態を具体的に述べると、各トランジスタ61〜68のベースがフォトダイオード21〜28のアノードに接続され、コレクタが電源端子Vccに接続されているとともに、エミッタが電流電圧信号変換用抵抗71〜78の各一端に接続されている。
【0031】
なお、電流電圧信号変換用抵抗71〜78には図9と同一の参照符号を用いているが、トランジスタ61〜68の電流増幅作用によりフォトダイオード21〜28を流れる光電流を増幅して抵抗71〜78に流すことができ、言い替えれば抵抗値を同じとした時にコンパレータ79に入力される電圧を大きくできるため、抵抗71〜78の値は図9に比べて遥かに小さくて良い。
【0032】
図3は本実施形態のアブソリュートエンコーダの全体構成を概略的に示したもので、トランジスタ61〜68を備えた受光部56A及び遮光トラックを備えた回転スリット板6A以外は、実質的に図7と同一の構成である。
【0033】
次に、この実施形態の動作原理を略述すると、図2のM系列検出用フォトダイオード21〜28に到達した光線は、それぞれ受光光量に対応する大きさの光電流に変換され、ベース電流として各トランジスタ61〜68に流れる。この光電流はトランジスタ61〜68により増幅されて電流電圧信号変換用抵抗71〜78を流れることにより電流/電圧変換され、コンパレータ79を介しA群110、B群111のM系列信号としてCPU100に取り込まれる。
【0034】
他方、M系列信号選択用フォトダイオード29〜34に到達した光線は、光電流に変換された後、そのまま電流電圧信号変換用抵抗81,82により電流/電圧変換されてA’群112、B’群113のM系列選択用信号としてCPU100のA/D変換器に取り込まれる。
【0035】
図4、図5は、従来技術として述べた図10、図11に対応するもので、回転スリット板6AのM系列トラック300及びM系列信号選択用トラック301と受光部56Aとの関係を示している。
なお、図4、図5における600はトランジスタ61〜68を遮光するための一連の遮光トラックである。
ここで、トランジスタ61〜68を遮光するのは、光線の照射により各トランジスタ61〜68内部の接合部に電子正孔対が形成されて電流が流れるのを防止するためである。
【0036】
この実施形態における回転角度検出原理は図10、図11と同様であり、重複を避けるために詳述はしないが、例えば図4の状態では、B’群113のM系列信号選択用フォトダイオード32〜34の出力信号がA’群112のM系列信号選択用フォトダイオード29〜31の出力信号よりも小さいとき、CPU100はA群110のM系列検出用フォトダイオード21〜24の出力信号を正しいM系列信号として選択する。
【0037】
また、回転スリット板6Aが図4の場合よりも右方向に移動した図5の状態では、B’群113のM系列信号選択用フォトダイオード32〜34の出力信号がA’群112のM系列信号選択用フォトダイオード29〜31の出力信号よりも大きいとき、CPU100はB群111のM系列検出用フォトダイオード25〜28の出力信号を正しいM系列信号として選択する。
【0038】
そしてCPU100は、正しいと認識したM系列信号を、メモリに予め格納された変換テーブルにより角度情報に変換して出力する。
【0039】
次いで、図6は本発明の第2実施形態を示すものである。
この実施形態では、受光部56Aの表面(回転スリット板6A側)に形成したアルミニウム等の蒸着膜501により、第1実施形態における固定スリット板500及び回転スリット板6A上の遮光トラック600の作用を果たさせたものである。
【0040】
すなわち、この蒸着膜501により、受光部56Aの表面におけるフォトダイオード21〜34以外の光不感帯領域(トランジスタ61〜68が形成されている領域も含む)を覆うことにより、固定スリット板500及び遮光トラック600の両方の機能を果たすことができる。なお、その他の構造並びに回転角度の検出原理は第1実施形態と同様である。
【0041】
上記各実施形態において、M系列信号選択用フォトダイオード29〜34の代わりに、A群110,B群111のM系列検出用フォトダイオード21〜28の出力信号を加工して電気角で90〔Deg〕の位相差を持つ信号を得ても良い。
また、M系列のビット数は、上記実施形態における4に限定されないことは言うまでもない。
【0042】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、電流電圧信号変換用の抵抗を大きくしなくても十分に大きな光電流を得ることができ、回転角度の検出に当たって信頼性、応答性、S/N比の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態を示す受光部の構成図である。
【図2】図1の受光部及びその周辺回路の説明図である。
【図3】本発明の第1実施形態を備えたアブソリュートエンコーダの概略構成図である。
【図4】本発明の第1実施形態における回転スリット板と受光部との位置関係の説明図である。
【図5】本発明の第1実施形態における回転スリット板と受光部との位置関係の説明図である。
【図6】本発明の第2実施形態を備えたアブソリュートエンコーダの概略構成図である。
【図7】従来技術の受光部を備えたアブソリュートエンコーダの概略構成図である。
【図8】従来技術を示す受光部の構成図である。
【図9】図7の受光部及びその周辺回路の説明図である。
【図10】従来技術における回転スリット板と受光部との位置関係の説明図である。
【図11】従来技術における回転スリット板と受光部との位置関係の説明図である。
【符号の説明】
1 エンコーダケース
2 LED
3,4 コイル
5 中空軸
6A 回転スリット板
8 プリント板
21〜28 M系列検出用フォトダイオード
29〜34 M系列信号選択用フォトダイオード
55 領域
56A 受光部
61〜68 トランジスタ
71〜78,81,82 電流電圧信号変換用抵抗
79 コンパレータ
100 CPU
110 A群
111 B群
112 A’群
113 B’群
120,122 ピッチ
121,123 位相差
300 M系列トラック
301 M系列信号選択用トラック
302,304 遮光領域
303,305 透過領域
500 固定スリット板
600 遮光トラック
Claims (7)
- 発光部と、
この発光部から照射された光線をM系列情報に従って透過・遮光させる回転角度検出用のM系列トラックと、このM系列トラックを透過した光線による出力信号から正規の出力信号を選択するために使用されるトラックであって光線の透過部及び遮光部が交互に配置されたM系列信号選択用トラックとを有し、かつ、回転角度の検出対象である回転体の軸を中心として回転する回転スリット板と、
前記発光部から照射されて前記M系列トラック及びM系列信号選択用トラックを透過した光線を受光する受光部と、
を備えたアブソリュートエンコーダにおいて、
前記受光部は、
前記M系列トラックと対向する位置に配置され、かつ、それぞれが複数個の受光素子からなる2つのM系列検出用受光素子群と、
前記M系列信号選択用トラックと対向する位置に配置され、かつ、それぞれが複数個の受光素子からなる2つのM系列信号選択用受光素子群と、
前記M系列検出用受光素子群を構成する各受光素子を流れる光電流をそれぞれ増幅する複数の増幅素子と、
を備え、2つのM系列検出用受光素子群を構成する各受光素子どうし、及びこれらの受光素子に接続された各増幅素子どうしをそれぞれ千鳥状に配置したことを特徴とするアブソリュートエンコーダ。 - 請求項1記載のアブソリュートエンコーダにおいて、
前記回転体の軸から外周部に向かう方向に沿って、前記M系列信号選択用受光素子群、M系列検出用受光素子群、及び複数の増幅素子を順次配置したことを特徴とするアブソリュートエンコーダ。 - 請求項1または2記載のアブソリュートエンコーダにおいて、
前記増幅素子を前記受光部内にモノリシックにて形成したことを特徴とするアブソリュートエンコーダ。 - 請求項1,2または3記載のアブソリュートエンコーダにおいて、
前記2つのM系列検出用受光素子群を円周方向に沿って二列並べて配置し、また、2つのM系列信号選択用受光素子群を円周方向に沿って一列に並べて配置することを特徴とするアブソリュートエンコーダ。 - 請求項1,2,3または4記載のアブソリュートエンコーダにおいて、
前記回転スリット板を透過した光が複数の増幅素子に当たらないようにこれらの増幅素子を遮光することを特徴とするアブソリュートエンコーダ。 - 請求項5記載のアブソリュートエンコーダにおいて、
前記回転スリット板に一連の遮光トラックを形成することを特徴とするアブソリュートエンコーダ。 - 請求項5記載のアブソリュートエンコーダにおいて、
前記増幅素子が形成されている領域を含む前記受光素子の光不感帯領域を、蒸着膜により遮光したことを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
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