JP4409269B2 - 光式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、光式エンコーダに関する。

従来、モータの駆動軸に固定された円板に半径方向の透光部（スリット）と遮光部を交互に形成し、発光部から出射された光を透光部と遮光部で透光・遮光しながらその透過光を受光部で受光する光式エンコーダの一例として、所定角度ごとに分割された領域内で透光部と非透光部の幅を変化させることで受光部の受光量を正弦波状に変化させるエンコーダが提案されている（例えば、特許文献１、２を参照）。

図１１にて、従来の技術による光式エンコーダの主要部分の概略斜視図を示す。モータの回転軸周りの円板上のある同心円周にて、光透過率が周期（角度ピッチＰ）毎に正弦関数状に変化するものとして、その透過率を外からの光で検出することでエンコード（位相の検出）を行なっている。

上記のような従来の技術で、例えば、正弦波を検出するため、角度ピッチ１周期を８分割するスケールパターンを考える。スケールパターンは、図８に示すような一段構成が想定される。ここでの透過光を幅Ｐ／２（P：ピッチ）の受光素子（図１参照）で光電変換すると、出力波形は図９に示すようにほぼ正弦波状となる。このときの理想正弦波に対するピーク幅を基準とした歪み量は、最大で約３％である。

図８のスリット幅は、次の式の数５により与えられている。

上式にて、Ｔｍａｘは最大透過率、Ｔｍｉｎは最小透過率、ｎは角度ピッチ１周期内の上記８分割の序数（順番）である。

例えば、半径１０ｍｍの位置でのスケールパターンから周期１０００分割の正弦波変調信号を得たいという場合には、角度ピッチＰは０．３６°（＝６２．８３μｍ）である。Ｔｍａｘ＝１、Ｔｍｉｎ＝０とすると、最も狭い透光部の（スリット）幅は「ｎ＝３、５」のときに現れ、
（Ｐ／８）×（１／２−√２／２）＝（Ｐ／８）×０．１４６
となり、結局０．００６６°、即ち１．１５μｍとなる。
特開昭６４−８８３１３号公報 特開２００３−１７７０３６公報

従来技術にてエンコーダの分解能を高めるためには、一部の透光部の幅や間隔を狭くしなければならないことから、高い分解能を得ることには限度がある。また、受光部から出力される信号波形の歪みを減らして滑らかな変調を行なうために分割数を多くすると一部の透光部の幅が極端に細くなり、円板の製造に困難が生じる。

そこで、本発明は、高い分解能を有するエンコーダ及びエンコーダ付モータを提供すること、また受光部から出力される信号波形の歪みを最小化するエンコーダ及びエンコーダ付モータを提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するためになされたものである。本発明の好適な実施の形態に係る光式エンコーダは、
光軸上に対向して配置された発光部と受光部と、
上記発光部と受光部との間で上記光軸と直交する第１の方向に移動するとともに上記移動方向に透光部と非透光部を交互に配置した透光パターンを有するスケールを備え、
上記発光部からの光を上記透光部を透過して上記受光部で受光する光式エンコーダである。その光式エンコーダにおいて、
上記スケールには、上記第１の方向に透過率が変化し、互いに異なる透光パターンが、上記第１の方向に直交する第２の方向に複数段配置されて構成され、
上記スケールの透光パターンは、数６で表される式に基づいて形成され、
各段の透光パターンの透光スリットの幅Ｗｎは、数６におけるｎ＝０のときから順番に１段目からｍ段目に割り当てられ、ｍ段目以降は再度１段目から順に割り当てられることを特徴とする。

Ｐ：スケールのピッチ
Ｎ：ピッチの分割数
ｎ：分割位置（「０」〜「Ｎ−１」の整数）
ｍ：スケール部の段数
Ｎ／ｍ：ピッチに含まれる透光スリットの数（Ｎ／ｍ≧２）
Ｔmax：合成透過率の最大値
Ｔmin：合成透過率の最小値
Ｗｎ：分割位置における透光スリットの幅

本発明を利用することにより、以下のような効果を得ることができる。

モータの位相検出のためのエンコーダにおいて、スケールでの最小限のスリット幅を確保しつつピッチを狭化して、高分解能化を実現できる。また、検出される位相信号の波形の歪み量を低減できる。

また、光源からの放射光に強度分布ばらつきが多少あったとしても、信号出力の変動（ブレ）を押さえることができる。

更に、モータ付属円板の全周に渡って変調スケールパターンを作成する必要が無い、という構成を採用することも可能であるから、その場合にはより製造が簡易化される。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

実施の形態１．
まず、図１は、本発明に係るエンコーダ１及びこのエンコーダ１を備えたエンコーダ付モータ３の概略構成を示している。該モータ３は、例えば、ＮＣサーボモータなどが想定される。

モータ３の駆動軸５には円板（遮光板）６が固定されている。円板６は、例えば、透明樹脂又は透明ガラスからなる円形の板からなり、一方の表面（図１に表れている面）の一部が遮光性の遮光膜７によって覆われている。遮光膜７は、例えば、円板６の表面に黒色系の材料（例えば、クロム）を塗装又は蒸着して又は黒色系の材料からなるテープを貼り付けて形成するのが好ましい。円板６の一方の表面上にあって遮光膜７に覆われていない表面部分に、駆動軸５の中心軸（回転軸）１６を中心とする所定半径の円９に沿って、半径方向に延びる多数のスリット１１を形成しており、これら多数のスリット状透光部１１によって構成された環状のロータリスケール８が形成されている。

円板６を挟む両側の領域には、回転軸１６と平行に延びるとともに円９と交差する光軸２上に、発光部４と受光部１０が対向して配置されている。発光部４は、例えば発光ダイオードからなり、円板６のスケール８が形成されている領域に向けて概略平行光を発するものが利用されている。受光部１０は、スケール８を透過した光を受光するために、複数の受光素子アレイ１２が配置されている。これら複数の受光素子アレイ１２は、回転軸１６を中心とし、円９と同一の大きさを有する円９’に沿って、下記に説明するように所定の間隔をあけて配置されている。

ロータリスケール８について詳細に説明すると、本実施の形態において、スケール８は２段スケールとして構成されており、円９に沿ってその外側に形成された外側スケール部１３と、円９に沿ってその内側に並列に形成された内側スケール部１４を有する。これら外側スケール部（第１のスケール部）１３と内側スケール部（第２のスケール部）１４は、回転軸１６を中心として所定角度（例えば、３６０度／１０００）のピッチＰに分割された領域ごとに、透光部１７と非透光部１８を交互に配置した独自の第１の透光パターンと第２の透光パターンをそれぞれ備えている。

上記の所定角度のピッチＰに対応して受光部１０において、ロータリスケール８からの透過光を受光して光電変換する幅Ｐ／２の受光素子アレイ１２が、周期（角度ピッチＰ）に従い複数個配置されている。

第１の透光パターンと第２の透光パターンは、数７で表される式に基づいて設計されている。

式中、各値は以下のように定義される。
Ｐ：スケールのピッチ
Ｎ：ピッチの分割数
ｎ：分割位置（「０」〜「Ｎ−１」の整数）
ｍ：スケール部の段数
Ｎ／ｍ：ピッチに含まれる透光スリットの数（Ｎ／ｍ≧２）
Ｔmax：合成透過率の最大値
Ｔmin：合成透過率の最小値
Ｗｎ：分割位置における透光スリットの幅

具体的に、実施の形態１では、図３に示すように、ピッチの分割数Ｎが「８」、スケール部の段数ｍが「２」に設定されている。したがって、分割位置ｎは０〜７までの値であり、第１と第２の透光パターンに含まれる透光スリットの数は共に「４」である。

なお図３では、最大透過率Ｔｍａｘを１、最小透過率Ｔｍｉｎを０としている。また、説明の便宜のため図３のスケールパターンは、円弧上ではなく直線上に展開している。

図３では、ハッチング部が透光部を示す。その他の領域は非透光部である。図の上方向が円板６の外径方向を示し、横方向は角度（位相）を示す。上段はｎが０または偶数のときのスリットパターン（第１の透光パターン）で、下段はｎが奇数のときのスリットパターン（第２の透光パターン）を示す。

具体的に示すと、上段パターンでは、
・ｎ＝０即ち位相が０の位置に、幅Ｐ／４の透光部を、
・ｎ＝２即ち位相が２π／４の位置に、幅０．５×Ｐ／４の透光部を、
・ｎ＝６即ち位相が６π／４の位置に、幅０．５×Ｐ／４の透光部を、順に並べ、
・ｎ＝４即ち位相が４π／４の位置には、透光部を形成しない。
また下段パターンでは、
・ｎ＝１即ち位相がπ／４の位置に、幅０．８５４×Ｐ／４の透光部を、
・ｎ＝３即ち位相が３π／４の位置に、幅０．１４６×Ｐ／４の透光部を、
・ｎ＝５即ち位相が５π／４の位置に、幅０．１４６×Ｐ／４の透光部を、
・ｎ＝７即ち位相が７π／４の位置に、幅０．８５４×Ｐ／４の透光部を、順に並べている。
上段パターンと下段パターンのラジアル幅は等しい。

これら２段からなるスケールパターンを経由する透過光を、幅がＰ／２であって、ラジアル幅が上段パターンのラジアル幅と下段パターンのラジアル幅を合わせた寸法より大きい受光素子で受光することにより、図４に示すような正弦波に近似する信号を検出することができる。このときの理想正弦波に対する歪み量は、ピーク幅を基準として図９と同様に最大で約３％となる。

図４において、実線が「理想正弦波」のグラフであり、破線が本発明の受光素子アレイ１２から得られる信号のグラフである。更に、図１０は、その一部の拡大図である。

例えば、半径１０ｍｍの位置でのロータリスケール８から周期１０００分割の正弦波変調信号を得たいという場合には、角度ピッチＰは０．３６°（＝６２．８３μｍ）であるから、最も狭い透光部の（スリット）幅は０．１４６×Ｐ／４で０．０１３°（＝２．２９μｍ）となる。当然ながら従来技術の２倍の幅にできる。

このような実施の形態１の構成によれば、信号波形の歪み量を従来の技術による構成と同等としつつ、最小のスリット幅を２倍にすることができる。よって、スケールパターンの製造が容易となる。

上記のスケールパターン（透光パターン）は、Ｎ＝８、ｍ＝２の場合の設計例であるが、例えば図５に示すように、Ｎ＝１６、ｍ＝４としてもよく、Ｎとｍとの様々な組み合わせが可能である。このとき、Ｎの値を十分に大きくすれば、波形の歪み量を相当に低減させることもできる。

また、上記ではスケールパターンが２段である場合に、上段パターンにｎが０および偶数のときのスリットパターンを、下段パターンにｎが奇数のときのスリットパターンを構成しているが、上段パターンと下段パターンをラジアル方向で入れ替えてもよい。

また、上記では受光素子アレイのラジアル幅をスケールパターンのものより大きくしている。スケールパターンと受光領域とが光軸方向で幾何学的に重なる領域が、上段パターンと下段パターンとで等面積となるのであれば、受光素子アレイのラジアル幅をスケールパターンのものより小さくしてもよい。

また、上記ではスケールパターンの透過率を正弦波状に変化させようとしている。三角波状やノコギリ波状に変化させ（ようとす）るのでもよい。

また、受光素子アレイ幅をＰ／２としているが、信号強度や変調度などを変えるために幅を狭めたり広げたりしてもよい。また、受光素子アレイの数を増やして上段パターンと下段パターンで別々に光電変換し、各々の出力を合成するような構成としてもよい。

遮光部では、クロム蒸着を利用することの他に、例えば円板の受光素子側（光が出射される側）にＶ（字型）突起またはＶ（字型）溝を並べて光を全反射させる作用を利用してもよい。更に、実施の形態１は、ロータリスケールのみでなく、リニアスケールへの適用も可能である。

また、円板上のスケールパターンと、受光素子アレイの受光素子の配列パターンとを入れ替えても、実施の形態１と同様の機能を実現できる。即ち、受光素子の配列パターンを図３若しくは図５のようなパターンとし、円板６のスケールパターン８を角度ピッチＰでデューティ比５０％のものとすれば、同様の機能・効果が得られる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る光式エンコーダは、実施の形態１に係る光式エンコーダと略同様のものである。よって、その差異を中心に以下説明する。

実施の形態１では、スケールパターン（透光パターン）が複数段から形成されるとして説明した。実施の形態２では、その複数段のスケールパターン（透光パターン）を、更に複数積み重ねる。

図６に示すスケールパターンを、例とすることができる。具体的には、
一段目では、
・ｎ＝０即ち位相が０の位置に、幅Ｐ／４の透光部を、
・ｎ＝２即ち位相が２π／４の位置に、幅０．５×Ｐ／４の透光部を、
・ｎ＝６即ち位相が６π／４の位置に、幅０．５×Ｐ／４の透光部を、順に並べ、
・ｎ＝４即ち位相が４π／４の位置には、透光部を形成しない。
二段目では、
・ｎ＝１即ち位相がπ／４の位置に、幅０．８５４×Ｐ／４の透光部を、
・ｎ＝３即ち位相が３π／４の位置に、幅０．１４６×Ｐ／４の透光部を、
・ｎ＝５即ち位相が５π／４の位置に、幅０．１４６×Ｐ／４の透光部を、
・ｎ＝７即ち位相が７π／４の位置に、幅０．８５４×Ｐ／４の透光部を、順に並べている。
更に、三段目では、一段目と同じ配置の透光部を、四段目には二段目と同じ配置の透光部を並べ、以降同様に交互に複数段配置している。

このような構成によれば、光源から放射される照射光の強度分布にばらつきがあったとしても、その影響を相殺し合うことができ、拠ってより安定した信号検出を行なうことができる。

なお、実施の形態２においても、円板上のスケールパターンと、受光素子アレイの受光素子の配列パターンとを入れ替えても、（入れ替え前と）同様の機能を実現できる。即ち、受光素子アレイの配列パターンを図６のようなパターンとし、円板６のスケールパターン（透光パターン）を角度ピッチＰでデューティ比５０％のものとすれば、同様の機能・効果が得られる。

実施の形態３．
実施の形態３に係る光式エンコーダも、実施の形態１若しくは実施の形態２に係る光式エンコーダと略同様のものであるので、その差異を中心に以下説明する。

図７は、実施の形態３に係る光式エンコーダ１の主要部分の概略斜視図である。まず、実施の形態３に係る光式エンコーダ１では、インデックススリット２２が、発光部４と円板６との間に設定される。インデックススリット２２は、円板６及び受光部１０に平行であり、インデックススリット２２の中心軸（光軸）は、ロータリスケール２８への照射領域の中心軸２及び受光素子アレイの中心軸と一致する。

インデックススリット２２には、実施の形態１若しくは実施の形態２の説明で示したスケールパターン（透光パターン）（図３、図５、及び図６参照）が形成される。

更に、円板６上には、回転軸１６を中心として角度ピッチＰにて透光部と非透光部とをデューティ比５０％にて繰り返すロータリスケール２８が設定される。つまり、実施の形態１を示す図１の受光素子アレイの配列パターンと同等のものが、ロータリスケール２８として実現される。

インデックススリット２２は、回転軸１６を中心とした角度ピッチＰのインデックススケール２４を含み、該インデックススケール２４が図３、図５、又は図６等のスケールパターンを含む。発光部４の放射光は、インデックススケール２４とロータリースケール２８を経由して、受光部１０を照射する。受光部１０上の受光素子アレイ３０は、インデックススケール２４とロータリースケール２８を経由する透過光を受光して光電変換する。

受光素子アレイ３０は、上記光電変換から円板６の角度位置を検出する。

このような実施の形態３に係る構成によれば、上記の実施の形態１若しくは実施の形態２に係る光式エンコーダの備える機能と同等のものが得られる。それに加えて、図３、図５、若しくは図６に係るスケールパターンは、インデックスススリット２２のみに形成されればよい。しかも、ロータリスケール２８は、透光部と非透光部とをデューティ比５０％で繰り返すという、簡素な構成でよい。従って、上記の実施の形態１若しくは実施の形態２と比べて、製造が簡易化されるという利点が得られる。

なお、図７においては、光源４と円板６との間にインデックススリット２２が配置されているが、該インデックススリット２２は、円板６と受光部１０との間に配置されてもよい。

実施の形態１に係る光式エンコーダの主要部分の概略斜視図である。 数１の式のグラフである。 スケールパターンの最大透過率Ｔｍａｘを１、最小透過率Ｔｍｉｎを０、１周期内の設計分割数Ｎを８、１周期内のスリット本数を決める係数ｍを２とした場合のロータリースケールの拡大図である。 本発明の光式エンコーダから検出され得る正弦波に近似する信号のグラフである。 スケールパターンの最大透過率Ｔｍａｘを１、最小透過率Ｔｍｉｎを０、１周期内の設計分割数Ｎを１６、１周期内のスリット本数を決める係数ｍを４とした場合のロータリースケールの拡大図である。 実施の形態２におけるスケールパターンの例である。 実施の形態３に係る光式エンコーダの主要部分の概略斜視図である。 従来技術におけるスケールパターンの例である。 従来技術の光式エンコーダから検出され得る正弦波に近似する信号のグラフである。 図４のグラフの拡大図である。 従来の技術による光式エンコーダの主要部分の概略斜視図である。

符号の説明

１ （光式）エンコーダ、 ２ 光軸、 ３ エンコーダ付モータ、 ４ 光源、 ５ 駆動軸、 ６ 円板、 ７ 遮光膜、 ８ ロータリスケール、 １０ 受光部、 １１ スリット、 １２ 受光素子アレイ、 １３ 第１のスケール部、 １４ 第２のスケール部、 １６ 回転軸、 １７ 遮光部、 １８ 非遮光部、 ２２ インデックススリット、 ２４ インデックススケール、 ３０ 受光素子アレイ。

Claims (6)

1. 光軸上に対向して配置された発光部と受光部と、
   上記発光部と受光部との間で上記光軸と直交する第１の方向に移動するとともに上記移動方向に透光部と非透光部を交互に配置した透光パターンを有するスケールを備え、
   上記発光部からの光を上記透光部を透過して上記受光部で受光する光式エンコーダにおいて、
   上記スケールには、上記第１の方向に透過率が変化し、互いに異なる透光パターンが、上記第１の方向に直交する第２の方向に複数段配置されて構成され、
   上記スケールの透光パターンは、数２で表される式に基づいて形成され、
   各段の透光パターンの透光スリットの幅Ｗｎは、数２におけるｎ＝０のときから順番に１段目からｍ段目に割り当てられ、ｍ段目以降は再度１段目から順に割り当てられることを特徴とする光式エンコーダ。
   

   

   Ｐ：スケールのピッチ
   Ｎ：ピッチの分割数
   ｎ：分割位置（「０」〜「Ｎ−１」の整数）
   ｍ：スケール部の段数
   Ｎ／ｍ：ピッチに含まれる透光スリットの数（Ｎ／ｍ≧２）
   Ｔmax：合成透過率の最大値
   Ｔmin：合成透過率の最小値
   Ｗｎ：分割位置における透光スリットの幅
2. 複数段の上記透光パターンの夫々が、上記第１の方向に繰り返して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光式エンコーダ。
3. 上記スケールは、複数段の上記透光パターンを１組として、上記第１の方向に直交する第２の方向に複数組配置して構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光式エンコーダ。
4. 光軸上に対向して配置された発光部と受光部と、
   上記発光部と受光部との間で上記光軸と直交する第１の方向に移動するとともに上記移動方向に透光部と非透光部を交互に配置した透光パターンを有するスケールを備え、
   上記発光部からの光を上記透光部を透過して上記受光部で受光する光式エンコーダにおいて、
   上記発光部とスケールとの間にはインデックスプレートが配置されており、
   上記インデックスプレートには、上記第１の方向に透光パターンを有する第２のスケールを備え、
   上記第２のスケールには、上記第１の方向に透過率が変化し、互いに異なる透光パターンが、上記第１の方向に直交する第２の方向に複数段配置されて構成され、
   上記第２のスケールの透光パターンは、数４で表される式に基づいて形成され、
   各段の透光パターンの透光スリットの幅Ｗｎは、数４におけるｎ＝０のときから順番に１段目からｍ段目に割り当てられ、ｍ段目以降は再度１段目から順に割り当てられることを特徴とする光式エンコーダ。
   

   

   Ｐ：スケールのピッチ
   Ｎ：ピッチの分割数
   ｎ：分割位置（「０」〜「Ｎ−１」の整数）
   ｍ：スケール部の段数
   Ｎ／ｍ：ピッチに含まれる透光スリットの数（Ｎ／ｍ≧２）
   Ｔmax：合成透過率の最大値
   Ｔmin：合成透過率の最小値
   Ｗｎ：分割位置における透光スリットの幅
5. 上記第２のスケールにける複数段の上記透光パターンの夫々が、上記第１の方向に繰り返して形成されていることを特徴とする請求項４に記載の光式エンコーダ。
6. 上記第２のスケールは、複数段の上記透光パターンを１組として、上記第１の方向に直交する第２の方向に複数組配置して構成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の光式エンコーダ。

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