JP4697359B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、工作機のテーブルあるいはロボット等を駆動するためのサーボモータに取り付けられると共に、回転ディスクに設けたスリットを透過させた光によって回転角度や回転速度を検出する光学式エンコーダに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、工作機のテーブルあるいはロボット等を駆動するためのサーボモータに取付られた光学式エンコーダは、図1のようになっている。図1は、本発明と従来の光学式エンコーダに共通な基本的な構成を示した全体斜視図である。図6は従来の光学式エンコーダによる固定スリットと回転ディスクを重ね合せて正面から見た概略図である。
1はエンコーダ、2は回転シャフト、3は回転ディスク、4は回転ディスク3に形成されたコードパターンとなる回転スリット、42は回転スリットの透明部、42Aは遮光部、42Bは回転ディスク3の遮光部と透明部の境界、5は固定スリット板、6、62は固定スリット板5に回転スリット4に対応して形成された受光窓を有する固定スリット、7はLED等の発光素子、8は受光素子、O−Oは回転シャフト2の軸心、P−Pは発光素子7から受光素子8に通じる光路で構成された光学系である。
このような構成のエンコーダ1において、モータの回転シャフト2が回転すると、ガラス等で構成された回転ディスク3が回転シャフト2と一体に回転する。この回転ディスク3に形成された回転スリット4にLED等の発光素子7からの光を入射すると、回転スリット4を透過または反射した光を、直接もしくは固定スリット6を介してフォトダイオード等の受光素子8で認識する。そして、受光素子8のアナログ信号を図示しない回路基板により増幅、調整された電気信号に変換したのち、逓倍、内挿またはパルス化して上述した回転ディスク3の回転速度または回転位置を検出するものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術においては、分解能を高めるために固定スリット6あるいは回転スリット4、受光素子4のスリットの間隔(ピッチ)を狭くすると、光の回折現象によって検出される正弦波状の信号に含まれる高次の周波数成分が大きくなり、波形に歪みを生じる。このため、このアナログ信号を抵抗ブリッジを使った逓倍回路によって逓倍しようとした時に、その出力パルスの分割精度が低下したり、また、前記アナログ信号をA/Dで取込みデジタル領域で逓倍する場合でもその出力データの分割精度が低下するという問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、受光素子のアナログ信号を電気信号に変換する際に、基本波以外の高調波成分を除去することができ、逓倍後の分割精度を向上させることが可能な光学式エンコーダを提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項1の本発明は、発光素子と、前記発光素子の全発光面に対向する受光面を有する受光素子と、前記受光素子の前記発光素子側に固定され、かつ、受光窓となる複数の固定スリットを形成した固定スリット板と、前記発光素子と前記固定スリット板の間に配置され、かつ、コードパターンとなる複数の回転スリットを形成した回転ディスクとを備え、前記回転スリットを透過、または反射した前記発光素子からの光を前記受光素子で受光することにより、前記回転ディスクの速度、回転位置を検出する光学式エンコーダにおいて、前記固定スリット板に形成された各々の固定スリットの形状が、透明部と遮光部の境界を定義する4辺のうち、一方の径方向の2辺となる固定スリットの径方向外周側境界と径方向内周側境界は、前記回転ディスクの回転中心を基準にした円弧により形成され、他方の周方向の2辺となる固定スリットの周方向境界は、前記回転ディスクの回転中心を通る直線に対して傾斜した直線からなる境界線を有するスリット形状で構成したものである。請求項2の本発明は、請求項1記載の光学式エンコーダにおいて、前記回転ディスクに設けられた回転スリットの透明部と遮光部の境界を定義する4辺のうち、周方向の2辺となる回転スリットの周方向境界を、前記固定スリットの周方向境界の傾斜角度に対して相対的にずらしたものである。請求項3の本発明は、発光素子と、前記発光素子の全発光面に対向する受光面を有する受光素子と、前記受光素子の前記発光素子側に固定され、かつ、受光窓となる複数の固定スリットを形成した固定スリット板と、前記発光素子と前記固定スリット板の間に配置され、かつ、コードパターンとなる複数の回転スリットを形成した回転ディスクとを備え、前記回転スリットを透過、または反射した前記発光素子からの光を前記受光素子で受光することにより、前記回転ディスクの速度、回転位置を検出する光学式エンコーダにおいて、前記受光素子に設けられた受光部の形状が、受光部と非受光部の境界を定義する4辺のうち、一方の径方向の2辺となる受光部の径方向外周側境界と径方向内周側境界は、前記回転ディスクの回転中心を基準にした円弧により形成され、他方の周方向の2辺となる受光部の周方向境界は、前記回転ディスクの回転中心を通る直線に対して傾斜した直線からなる境界線を有する受光素子形状で構成したものである。請求項4の本発明は、請求項3に記載の光学式エンコーダにおいて、前記回転ディスクに設けられた回転スリットの透明部と遮光部の境界を定義する4辺のうち、周方向の2辺となる回転スリットの周方向境界を、前記受光部の周方向境界の傾斜角度に対して相対的にずらしたものである。請求項5の本発明は、発光素子と、前記発光素子の全発光面に対向する受光面を有する受光素子と、前記受光素子の前記発光素子側に固定され、かつ、受光窓となる複数の固定スリットを形成した固定スリット板と、前記発光素子と前記固定スリット板の間に配置され、かつ、コードパターンとなる複数の回転スリットを形成した回転ディスクとを備え、前記回転スリットを透過、または反射した前記発光素子からの光を前記受光素子で受光することにより、前記回転ディスクの速度、回転位置を検出する光学式エンコーダにおいて、前記回転ディスクに設けられた回転スリットの形状が、透明部と遮光部の境界を定義する4辺のうち、一方の径方向の2辺となる回転スリットの径方向外周側境界と径方向内周側境界は、前記回転ディスクの回転中心を基準にした円弧により形成され、他方の周方向の2辺となる回転スリットの周方向境界は、前記回転ディスクの回転中心を通る直線に対して傾斜した直線からなる境界線を有するスリット形状で構成したものである。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
[第1の実施例]
図2は本発明の第1の実施例による光学式エンコーダの固定スリットを正面から見た概略図である。なお、本発明が従来と同じ構成要素については、同じ符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。
図において、61A、61B、61C、61Dは固定スリット61の遮光部と透明部の境界であって、61Aは固定スリットの外周側径方向境界線、61Cは同じく固定スリットの内周側径方向境界線、61Bおよび61Dは固定スリットの周方向境界線、61Eおよび61Fは回転ディスク3の回転中心を通る直線、LPは固定スリットの傾斜を定義する円弧、SPは光学式エンコーダのスリットピッチ、θsは固定スリットの周方向境界線の傾きを示している。
本発明が従来と異なる構成は、以下のとおりである。
すなわち、固定スリット板5に形成された各々の固定スリット61の形状が、透明部と遮光部の境界を定義する4辺のうち、一方の径方向の2辺となる固定スリット61の径方向外周側境界61Aと径方向内周側境界61Cは、回転ディスク3の回転中心を基準にした円弧により形成してあり、また、他方の周方向の2辺となる固定スリット61の周方向境界61B、61Dは、回転ディスク3の回転中心を通る直線とのなす角度をθsとすると、0<θs<90°の角度の範囲で傾斜している。
次に、光学式エンコーダの動作を図3乃至図5を用いて説明する。
図3は図2で示された固定スリットと回転ディスクを重ね合わせて正面から見た概略図、図4は本発明の動作を説明するのに必要な固定スリットの配置図、図5は受光素子のアナログ信号を電気信号に変換する際の波形を示したものであって、(a)は基本波、(b)は3次高調波(c)合成波である。
図3において、41は回転ディスクに設けた回転スリットの透明部、41Aは回転ディスクに設けた回転スリットの遮光部、41Bは透明部41と遮光部41Aの境界を示している。ここでは、便宜上、スリットピッチSPを電気角360°として、図2に示される円弧LPとの角度比を用いて前記傾きθSの大きさを表わすことにする。つまり円弧LPがスリットピッチSPの1/6の長さであれば、電気角は360÷6=60°となり、固定スリットの周方向境界線61Bと61Dは、回転ディスクの回転中心を通る直線61Eと61F、言い換えれば従来の固定スリットの周方向境界線と60°の傾きをなすものと定義する。このような条件の下で、回転ディスクが回転することにより、固定スリットを通過する光に3次の高調波が含まれるとして、基本波、3次高調波をそれぞれ、
【0006】
【数1】
【0007】
と表わせば、固定スリットを通過した光による出力Pは、
【0008】
【数2】
【0009】
となる。
次に、図4において、円弧LPとスリットピッチSPの角度比が1:6で固定スリットの周方向境界線の傾きθsが60°で定義される固定スリット61があり、固定スリット61のパターンを上下2等分したユニット(61U,61L)を考える。
2つの固定スリット61U,61Lは60°位相差があるため、固定スリット61全体の出力は、前記出力Pの半分が60°の位相差を伴って加えられているのと同じものとなる。スリット61Uの出力をP2、スリット61Lの出力をP3とすると、図5より、
【0010】
【数3】
【0011】
となって、3次の高調波を打ち消すことができる。
他の次数(5,7...次)についても同様であり、傾きθsをそれぞれ、180/5=36°、180/7=25.7°に設定すればそれぞれの高調波を打ち消すことができる。
また、9次高調波は3次高調波の奇数倍なのでわざわざ、20°に設定しなくても、前記傾きθSを60°に設定すれば3次、9次、15次...の高調波を打ち消すことができる。
加えて、傾きθSを変化させて取出せる波形をシミュレートすると、前記傾きを1rad(=57.3°)に設定すれば、基本波以外の高調波を効果的に取り除けることがわかる。
したがって、光学式エンコーダの固定スリット板に形成された各々の固定スリットにおける透明部と遮光部の境界を定義する4辺のうち、周方向の2辺となる固定スリットの周方向境界と前記回転ディスクの回転中心を通る直線とのなす角度をθsとした場合に、0<θs<90°の角度の範囲で固定スリットの周方向境界を傾斜させる構成にしたので、受光素子のアナログ信号を電気信号に変換する際に、基本波以外の高調波成分を含まない良好な波形を取出すことができ、逓倍後の分割精度を向上させる光学式エンコーダを提供することができる。
[第2の実施例]
第2の実施例が第1の実施例と異なる点は、図2、3で示される固定スリット61を回転ディスクの回転中心を通る直線61E、61Fに対して傾斜させる構成に加えて、直接図示しないが、回転ディスクにおける回転スリット4の透明部41と遮光部41Aの境界を定義する4辺のうち、周方向の2辺となる回転スリットの周方向境界(41B)を、固定スリット61の周方向境界61B、61Dの傾斜角度に対して相対的にずらすようにした点である。なお、動作については、第1の実施例と基本的に同じなので省説明を省略する。
これにより、受光素子のアナログ信号を電気信号に変換する際に、基本波以外の高調波成分を含まない正弦波に近づけることができ、逓倍後の分割精度を向上できる。
[第3の実施例]
第3の実施例が第1の実施例と異なる点は、図2で示される固定スリット61を回転ディスクの回転中心を通る直線61E、61Fに対して傾斜させる構成に替えて、直接図示しないが、受光素子8に設けられた受光部と非受光部の境界を定義する4辺のうち、一方の径方向の2辺となる受光部の径方向外周側境界と径方向内周側境界は、回転ディスク3の回転中心を基準にした円弧により形成し、他方の周方向の2辺となる受光部の周方向境界は、回転ディスクの回転中心を通る直線61E、61Fとのなす角度をθsとした場合に、0<θs<90°の角度の範囲で受光部の周方向境界を傾斜させるようにした点である。また、このような構成において、同じく図示しないが、回転ディスクに設けられた回転スリットの透明部と遮光部の境界を定義する4辺のうち、周方向の2辺となる回転スリットの周方向境界を、受光部の周方向境界の傾斜角度に対して相対的にずらしても良い。なお、動作については、第1の実施例と基本的に同じなので省説明を省略する。
同様に、受光素子のアナログ信号を正弦波に近づけることができ、逓倍後の分割精度を向上できる。
[第4の実施例]
第4の実施例が第1の実施例と異なる点は、図3で示される固定スリット61を回転ディスク3の回転中心を通る直線に対して傾斜させる構成に替えて、直接図示しないが、回転ディスク3に設けられた回転スリットの透明部41と遮光部41Aの境界を定義する4辺のうち、一方の径方向の2辺となる回転スリットの径方向外周側境界と径方向内周側境界は、回転ディスク3の回転中心を基準にした円弧により形成し、他方の周方向の2辺となる回転スリット41の周方向境界は、回転ディスク3の回転中心を通る直線とのなす角度をθsとした場合に、0<θs<90°の角度の範囲で回転スリット3の周方向境界を傾斜させるようにした点である。なお、動作については、第1の実施例と基本的に同じなので省説明を省略する。
同様に、受光素子のアナログ信号を正弦波に近づけることができ、逓倍後の分割精度を向上できる。
なお、本発明の光学式エンコーダは、回転型のもので説明したが、リニアの光学式エンコーダに適用しても差し支えず、上記エンコーダの径を無限大にしたものと考えることができるので説明は省略する。
【0012】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、光学式エンコーダの固定スリット板に形成された各々の固定スリットにおける透明部と遮光部の境界を定義する4辺のうち、周方向の2辺となる固定スリットの周方向境界と前記回転ディスクの回転中心を通る直線とのなす角度をθsとした場合に、0<θs<90°の角度の範囲で固定スリットの周方向境界を傾斜させる構成にしたので、受光素子のアナログ信号を電気信号に変換する際に、基本波以外の高調波成分を含まない良好な波形を取出すことができ、逓倍後の分割精度を向上させる光学式エンコーダを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明と従来の光学式エンコーダに共通な基本的な構成を示した全体斜視図である。
【図2】本発明の第1の実施例を示す固定スリットを正面から見た概略図である。
【図3】図2で示された固定スリットと回転ディスクを重ね合せて正面から見た概略図である。
【図4】本発明の動作を説明するのに必要な固定スリットの配置図である。
【図5】受光素子のアナログ信号を電気信号に変換する際の波形を示したものであって、(a)は基本波、(b)は3次高調波(c)は合成波である。
【図6】従来の光学式エンコーダによる固定スリットと回転ディスクを重ね合せて正面から見た概略図である。
【符号の説明】
1 エンコーダ
2 回転シャフト
3 回転ディスク
4 回転スリット
41 回転スリットの透明部
41A 回転スリットの遮光部
41B 回転ディスクの遮光部と透明部の境界
5 固定スリット板
6 固定スリット
61 固定スリット
61A スリットの外周側径方向境界線
61B 固定スリットの周方向境界線
61C 固定スリットの内周側径方向境界線
61D 固定スリットの周方向境界線
61E 回転ディスクの回転中心を通る直線
61F 回転ディスクの回転中心を通る直線
61U 2分割された透明部の外周側
61L 2分割された透明部の内周側
7 発光素子
8 受光素子
LP スリットの傾きを定義する円弧
SP エンコーダのスリットピッチ
θs 固定スリットの周方向境界線の傾き
Claims (5)
- 発光素子と、前記発光素子の全発光面に対向する受光面を有する受光素子と、前記受光素子の前記発光素子側に固定され、かつ、受光窓となる複数の固定スリットを形成した固定スリット板と、前記発光素子と前記固定スリット板の間に配置され、かつ、コードパターンとなる複数の回転スリットを形成した回転ディスクとを備え、前記回転スリットを透過、または反射した前記発光素子からの光を前記受光素子で受光することにより、前記回転ディスクの速度、回転位置を検出する光学式エンコーダにおいて、
前記固定スリット板に形成された各々の固定スリットの形状が、透明部と遮光部の境界を定義する4辺のうち、一方の径方向の2辺となる固定スリットの径方向外周側境界と径方向内周側境界は、前記回転ディスクの回転中心を基準にした円弧により形成され、
他方の周方向の2辺となる固定スリットの周方向境界は、前記回転ディスクの回転中心を通る直線に対して傾斜した直線からなる境界線を有するスリット形状で構成したことを特徴とする光学式エンコーダ。 - 前記回転ディスクに設けられた回転スリットの透明部と遮光部の境界を定義する4辺のうち、周方向の2辺となる回転スリットの周方向境界を、前記固定スリットの周方向境界の傾斜角度に対して相対的にずらしてあることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。
- 発光素子と、前記発光素子の全発光面に対向する受光面を有する受光素子と、前記受光素子の前記発光素子側に固定され、かつ、受光窓となる複数の固定スリットを形成した固定スリット板と、前記発光素子と前記固定スリット板の間に配置され、かつ、コードパターンとなる複数の回転スリットを形成した回転ディスクとを備え、前記回転スリットを透過、または反射した前記発光素子からの光を前記受光素子で受光することにより、前記回転ディスクの速度、回転位置を検出する光学式エンコーダにおいて、
前記受光素子に設けられた受光部の形状が、受光部と非受光部の境界を定義する4辺のうち、一方の径方向の2辺となる受光部の径方向外周側境界と径方向内周側境界は、前記回転ディスクの回転中心を基準にした円弧により形成され、
他方の周方向の2辺となる受光部の周方向境界は、前記回転ディスクの回転中心を通る直線に対して傾斜した直線からなる境界線を有する受光素子形状で構成したことを特徴とするエンコーダ。 - 前記回転ディスクに設けられた回転スリットの透明部と遮光部の境界を定義する4辺のうち、周方向の2辺となる回転スリットの周方向境界を、前記受光部の周方向境界の傾斜角度に対して相対的にずらして(どちらの方向に)あることを特徴とする請求項3に記載の光学式エンコーダ。
- 発光素子と、前記発光素子の全発光面に対向する受光面を有する受光素子と、前記受光素子の前記発光素子側に固定され、かつ、受光窓となる複数の固定スリットを形成した固定スリット板と、前記発光素子と前記固定スリット板の間に配置され、かつ、コードパターンとなる複数の回転スリットを形成した回転ディスクとを備え、前記回転スリットを透過、または反射した前記発光素子からの光を前記受光素子で受光することにより、前記回転ディスクの速度、回転位置を検出する光学式エンコーダにおいて、
前記回転ディスクに設けられた回転スリットの形状が、透明部と遮光部の境界を定義する4辺のうち、一方の径方向の2辺となる回転スリットの径方向外周側境界と径方向内周側境界は、前記回転ディスクの回転中心を基準にした円弧により形成され、
他方の周方向の2辺となる回転スリットの周方向境界は、前記回転ディスクの回転中心を通る直線に対して傾斜した直線からなる境界線を有するスリット形状で構成したことを特徴とする光学式エンコーダ。
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