JP5200550B2 - 検出ユニット及びエンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、モータ軸の回転量を検出する際に適用するのに好適な検出ユニット及びエンコーダに関するものである。

従来、モータ軸の回転量を検出するためのエンコーダは、インクリメンタルパターンおよびアブソリュートパターンが形成された回転符号板と、この回転符号板に対向するように設けられた検出ユニットとを備えている。図５は、この種の検出ユニットを示す平面図である。この検出ユニット２では、図５に示すように、シリコン基板２１上に点光源２２および２個の受光素子アレイ２３、２４が設けられている。ここで、一方の受光素子アレイ２３は、同じサイズに形成された例えば１２個の受光素子２５から構成されており、他方の受光素子アレイ２４は、同じサイズに形成された例えば６個の受光素子２６から構成されている。さらに、これらの受光素子２５、２６には信号処理回路７が接続されている。

そして、このエンコーダでモータ軸の回転量を検出する際には、点光源２２からの出射光が回転符号板のインクリメンタルパターンおよびアブソリュートパターンで反射してそれぞれ受光素子アレイ２３、２４に入射し、光電変換により、これらの入射光の光量に比例した出力信号Ｓ１、Ｓ２が各受光素子２５、２６から出力される。そして、これらの出力信号Ｓ１、Ｓ２が信号処理回路７によって信号処理され、モータ軸の回転量が算出される（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１２１５９３号公報（段落〔０００９〕〔００１０〕の欄、図２、３）

しかしながら、点光源２２からの出射光は発散光であるとともに、点光源２２からインクリメンタルパターンを経て受光素子２５、２６に至る光路の距離は受光素子２５、２６ごとに異なるため、受光素子２５、２６への入射光は照度（受光素子２５、２６の単位面積あたりの光量）が不均一となる。ここで、受光素子２５、２６は、それぞれ同じサイズに形成されているので、入射光の光量に違いが生じる。そうすると、受光素子２５、２６からの出力信号の出力値が受光素子２５、２６ごとに異なるため、何らかの原因により、点光源２２からの出射光量が変動した場合には、エンコーダの機能（回転角度の正確な検出機能など）に支障を来して、エンコーダとしての信頼性が低下する事態が発生する恐れがある。したがって、こうした事態を回避すべく、受光素子２５、２６からの出力信号の出力値の差を調整する処理を信号処理回路７に追加しなければならない面倒があった。

本発明は、このような事情に鑑み、エンコーダとしての信頼性を簡便に高めることが可能な検出ユニット、エンコーダおよび出力信号補正方法を提供することを目的とする。

本発明は、受光素子からの出力信号が、入射光の光量のみならず受光素子そのものの出力特性（受光面の実効面積、素子感度など）にも依存することに着目し、この受光素子の出力特性を入射光の光量に応じて適宜変更することにより、上述した目的を達成しようとするものである。

すなわち、本発明に係る第１の検出ユニット（２）は、入射光の光量に対応した出力信号（Ｓ１、Ｓ２）を信号処理回路（７）に出力する受光素子（２５、２６）が複数設けられ、これら複数の受光素子に入射する入射光の光量に違いがある検出ユニットであって、前記複数の受光素子は、入射光の光量が低い受光素子からの出力信号の出力値と入射光の光量が高い受光素子からの出力信号の出力値とをほぼ等しくするように出力特性が設定されている検出ユニットとしたことを特徴とする。

本発明に係るエンコーダ（１）は、上記検出ユニット（２）を備えているエンコーダとしたことを特徴とする。

本発明に係る出力信号補正方法は、入射光の光量に対応した出力信号（Ｓ１、Ｓ２）を信号処理回路（７）に出力する受光素子（２５、２６）が複数設けられた検出ユニット（２）に適用される出力信号補正方法であって、前記受光素子に入射する入射光の光量に違いがある場合に、入射光の光量が低い受光素子からの出力信号の出力値と入射光の光量が高い受光素子からの出力信号の出力値とをほぼ等しくする出力信号補正方法としたことを特徴とする。

なお、ここでは、本発明をわかりやすく説明するため、実施の形態を表す図面の符号に対応づけて説明したが、本発明が実施の形態に限定されるものでないことは言及するまでもない。

本発明によれば、各受光素子への入射光の光量に違いがある場合に、受光素子側で出力信号の出力値が補正されて出力信号の均一度が向上することから、信号処理回路側で面倒な処理を行う必要がなくなり、エンコーダとしての信頼性を簡便に高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
［発明の実施の形態１］

図１乃至図３は、本発明の実施の形態１に係る図である。

まず、構成を説明する。

反射型のアブソリュートエンコーダ１は、図１に示すように、モータ軸６と同期的に回転するようにモータ軸６の先端部に装着される回転符号板３を有している。この回転符号板３は、図２に示すように、円板状の回転基板４を有しており、回転基板４の中心部には、モータ軸６の先端部に嵌着されるボス部４ａが形成されている。回転基板４の上面には、円周状のインクリメンタルパターン８が、その中心をモータ軸６の軸心ＣＴ１に一致させた形で形成されており、このインクリメンタルパターン８は、反射パターン領域８ａと非反射パターン領域（パターンニングが施されていない領域）８ｂとが交互に配列されたものである。また、回転基板４の上面には、インクリメンタルパターン８の内側に円周状のアブソリュートパターン９が、その中心をモータ軸６の軸心ＣＴ１に一致させた形でインクリメンタルパターン８と同心円状に形成されており、このアブソリュートパターン９は、例えばＮ次のＭ系列パターンにより、反射パターン領域９ａと非反射パターン領域（パターンニングが施されていない領域）９ｂとが配列されたものである。

また、回転符号板３の上方には、図１に示すように、プリント配線基板５が配設されており、プリント配線基板５の下面（つまり、回転符号板３側の面）には検出ユニット２が、インクリメンタルパターン８およびアブソリュートパターン９に対向する位置に貼設されている。

そして、この検出ユニット２は、図３に示すように、長方形板状のシリコン基板２１を有している。シリコン基板２１上には、その中央部にＬＥＤ（発光ダイオード）などの点光源２２が発光素子として設けられているとともに、２個の受光素子アレイ２３、２４が点光源２２を挟んで互いに対向する形で配設されている。

ここで、一方の受光素子アレイ２３は、インクリメンタルパターン８を検出するためのものであり、図３に示すように、同じサイズ（形状・大きさ）の長方形状に形成された１２個のフォトダイオード、フォトトランジスタなどの受光素子２５が、インクリメンタルパターン８に対応する円弧状に並んで互いに隣接する形で受光素子アレイ２３を構成している。なお、図３では、便宜上これらの受光素子２５を一直線状に並べて図示している。

そして、これらの受光素子２５は、図３に示すように、種々の大きさの遮光膜２７により、入射光の光量分布に対応して（具体的には、点光源２２からインクリメンタルパターン８を経て受光素子２５に至る光路の距離の２乗に比例して）実効面積が変化している。すなわち、１２個の受光素子２５のうち、両端に位置する２個の受光素子２５（点光源２２から最も離れている受光素子２５）については、遮光膜２７が設けられていないため、受光面の全面が実効領域となって実効面積が受光面の面積に一致しているとともに、残余の１０個の受光素子２５については、受光面の一部（左右両端部）が遮光膜２７でマスキング（被覆）されているため、実効領域の周方向の幅が狭くなる形で実効面積が小さくなっている。しかも、これらの遮光膜２７の大きさ（周方向の幅）は、点光源２２からインクリメンタルパターン８を経て受光素子２５に至る光路の距離の２乗に比例して受光素子２５の実効面積が変化するように、点光源２２に近い受光素子２５ほど大きくなっている。

また、他方の受光素子アレイ２４は、アブソリュートパターン９を検出するためのものであり、図３に示すように、同じサイズ（形状・大きさ）の長方形状に形成された６個のフォトダイオード、フォトトランジスタなどの受光素子２６が、アブソリュートパターン９に対応する円弧状に並んで互いに隣接する形で受光素子アレイ２４を構成している。なお、図３では、便宜上これらの受光素子２６を一直線状に並べて図示している。

そして、これらの受光素子２６は、図３に示すように、種々の大きさの遮光膜２８により、入射光の光量分布に対応して（具体的には、点光源２２からアブソリュートパターン９を経て受光素子２６に至る光路の距離の２乗に比例して）実効面積が変化している。すなわち、６個の受光素子２６のうち、両端に位置する２個の受光素子２６（点光源２２から最も離れている受光素子２６）については、遮光膜２８が設けられていないため、受光面の全面が実効領域となって実効面積が受光面の面積に一致しているとともに、残余の４個の受光素子２６については、受光面の一部（左右両端部）が遮光膜２８でマスキング（被覆）されているため、実効領域の周方向の幅が狭くなる形で実効面積が小さくなっている。しかも、これらの遮光膜２８の大きさ（周方向の幅）は、点光源２２からアブソリュートパターン９を経て受光素子２６に至る光路の距離の２乗に比例して受光素子２６の実効面積が変化するように、点光源２２に近い受光素子２６ほど大きくなっている。

さらに、これらの受光素子２５、２６は、図３に示すように、プリント配線基板５上の信号処理回路７に接続されている。

次に、作用について説明する。

以上のような構成を有するアブソリュートエンコーダ１を用いて、モータ軸６の回転量（相対回転角度、絶対角度位置など）を検出する際には、モータ軸６の先端部に回転符号板３が装着された状態で、点光源２２から発散光を出射させる。

すると、この点光源２２からの発散光は、図１に示すように、回転符号板３のインクリメンタルパターン８で反射された後、検出ユニット２の受光素子アレイ２３に入射する。その結果、受光素子アレイ２３の各受光素子２５ではそれぞれ、光電変換により、図３に示すように、入射光の光量に比例した出力信号（電荷など）Ｓ１が信号処理回路７に時系列的に出力される。これを受けて信号処理回路７では、この出力信号Ｓ１の出力値が順次読み込まれて信号処理され、モータ軸６の相対回転角度が算出される。

このとき、点光源２２からの出射光が発散光であるとともに、点光源２２からインクリメンタルパターン８を経て受光素子２５に至る光路の距離が受光素子２５ごとに異なるが、これらの受光素子２５は、上述したとおり、入射光の光量分布に対応して実効面積が変化しているので、各受光素子２５から信号処理回路７へ出力される出力信号Ｓ１は均一となる。これは、入射光の光量が低い受光素子２５からの出力信号Ｓ１の出力値と入射光の光量が高い受光素子２５からの出力信号Ｓ１の出力値とが等しくなるからである。その結果、モータ軸６の相対回転角度を正確に算出することができる。

なお、インクリメンタルパターン８を検出するための受光素子アレイ２３は、モータ軸６の回転方向（正逆方向）が判別できるように、０°、９０°、１８０°および２７０°の４位相の信号を出力する。すると、信号処理回路７では、０°信号と１８０°信号との差動および９０°信号と２７０°信号との差動をそれぞれ演算することにより、回転符号板３、ひいてはモータ軸６の回転方向を判別する。

また、点光源２２からの発散光は、図１に示すように、回転符号板３のアブソリュートパターン９で反射された後、検出ユニット２の受光素子アレイ２４に入射する。その結果、受光素子アレイ２４の各受光素子２６ではそれぞれ、光電変換により、図３に示すように、入射光の光量に比例した出力信号（電荷など）Ｓ２が信号処理回路７に時系列的に出力される。これを受けて信号処理回路７では、この出力信号Ｓ２の出力値が順次読み込まれて信号処理され、モータ軸６の絶対角度位置が算出される。

このとき、点光源２２からの出射光が発散光であるとともに、点光源２２からアブソリュートパターン９を経て受光素子２６に至る光路の距離が受光素子２６ごとに異なるが、これらの受光素子２６は、上述したとおり、入射光の光量分布に対応して実効面積が変化しているので、各受光素子２６から信号処理回路７へ出力される出力信号Ｓ２は均一となる。これは、入射光の光量が低い受光素子２６からの出力信号Ｓ２の出力値と入射光の光量が高い受光素子２６からの出力信号Ｓ２の出力値とが等しくなるからである。その結果、モータ軸６の絶対角度位置を正確に算出することができる。

このように、受光素子２５、２６では、信号処理回路７に出力する出力信号Ｓ１、Ｓ２が均一となる。したがって、これらの出力信号Ｓ１、Ｓ２の出力値の差を調整する処理を信号処理回路７に追加することなく、アブソリュートエンコーダ１としての信頼性を簡便に高めることができる。

また、受光素子アレイ２３、２４においては、遮光膜２７、２８の幅を変えるだけで受光素子２５、２６の実効面積を増減させることができるため、検出ユニット２を容易に製造することができる。
［発明の実施の形態２］

図４は、本発明の実施の形態２に係る図である。

この実施の形態２では、図４に示すように、複数の受光素子２５、２６から信号処理回路７へ出力される出力信号Ｓ１、Ｓ２を均一化するため、これら受光素子２５、２６の径方向の幅を入射光の光量分布に対応して変更した点を除き、上述した実施の形態１と同じ構成を有している。

すなわち、１２個の受光素子２５については、図４に示すように、周方向の幅はすべて同じで、径方向の幅は、点光源２２からインクリメンタルパターン８を経て受光素子２５に至る光路の距離の２乗に比例して受光素子２５の受光面の面積（実効面積）が変化するように、点光源２２から離れた受光素子２５ほど大きくなっている。また、６個の受光素子２６については、周方向の幅はすべて同じで、径方向の幅は、点光源２２からアブソリュートパターン９を経て受光素子２６に至る光路の距離の２乗に比例して受光素子２６の受光面の面積（実効面積）が変化するように、点光源２２から離れた受光素子２５ほど大きくなっている。

なお、実施の形態１と同じ構成部分については、同じ符号を付してその説明を省略する。

したがって、この実施の形態２によれば、上述した実施の形態１と同じ作用効果を奏する。
［発明のその他の実施の形態］

なお、上述した実施の形態１では、受光素子２５、２６において、受光面を遮光膜２７、２８でマスキングして実効面積を小さくする場合について説明した。しかし、遮光膜２７、２８を使用せず、受光素子２５、２６そのもののサイズを小さくすることにより、受光面の実効面積を小さくすることも可能である。

また、上述した実施の形態２では、受光素子２５、２６において、受光素子２５、２６そのもののサイズを小さくする場合について説明した。しかし、受光面を遮光膜でマスキングして実効面積を小さくすることも可能である。

さらに、上述した実施の形態１では、受光素子２５、２６において、実効領域の周方向の幅を変更することにより、実効面積を変える場合について説明し、上述した実施の形態２では、受光素子２５、２６において、実効領域の径方向の幅を変更することにより、実効面積を変える場合について説明した。しかし、実効領域の周方向の幅と径方向の幅の両方を変更するようにしても構わない。

さらにまた、上述した実施の形態１、２では、複数の受光素子２５、２６からの出力信号Ｓ１、Ｓ２を均一化すべく、受光素子２５、２６の実効面積を入射光の光量分布に対応して設定する場合について説明した。しかし、受光素子２５、２６からの出力信号Ｓ１、Ｓ２は、受光素子２５、２６の実効面積のみならず受光素子２５、２６の素子感度（つまり、一定の強さの光を受光したときの受光素子２５、２６の出力信号Ｓ１、Ｓ２の出力値）にも依存するとの考えに立脚し、受光素子２５、２６の素子感度を入射光の光量分布に対応して設定することも可能である。或いはまた、受光素子２５、２６の実効面積と素子感度の両方を設定するようにしても構わない。

また、上述した実施の形態１、２では、反射型のアブソリュートエンコーダ１について説明したが、受光素子２５、２６の入射光の光量分布が明らかである限り、反射型以外のアブソリュートエンコーダ１に本発明を適用することもできる。例えば、透過型のアブソリュートエンコーダ１であっても、点光源２２からの拡散光をコリメートレンズ（凸レンズ）で視準して平行光線にすることなく拡散光のまま利用する場合には、本発明の有用性が顕著となる。また、点光源２２から出射される光が発散光でなくても、受光素子２５、２６の入射光の光量に違いが生じる場合があり、このような場合にも本発明の有用性が顕著となる。

また、上述した実施の形態１、２では、モジュラー型のアブソリュートエンコーダ１について説明したが、ホローシャフト型のアブソリュートエンコーダ１に本発明を適用することも可能である。

さらに、上述した実施の形態１、２では、アブソリュートエンコーダ１について説明したが、複数の受光素子２５、２６に入射する入射光の光量に違いがある検出ユニット２を備えている限り、アブソリュートエンコーダ１以外のエンコーダ（例えば、インクリメンタルエンコーダ）に本発明を適用することもできる。

また、上述した実施の形態１、２では、発光素子として点光源２２を用いる場合について説明したが、線光源や面光源を代用することも可能である。

また、上述した実施の形態１、２では、モータ軸６の回転量を検出するアブソリュートエンコーダ１、つまりロータリーエンコーダについて説明したが、リニアエンコーダ（リニアセンサ）に本発明を適用することも無論できる。

また、上述した実施の形態１、２では、複数の受光素子２５、２６から信号処理回路７へ出力される出力信号Ｓ１、Ｓ２を均一化する場合について説明したが、これらの出力信号Ｓ１、Ｓ２の均一度を必ずしも１００％まで達成させる必要はなく、これらの出力信号Ｓ１、Ｓ２の均一度が少しでも向上すればよい。

また、上述した実施の形態１、２では、１２個の受光素子２５からなる受光素子アレイ２３と６個の受光素子２６からなる受光素子アレイ２４を備えた検出ユニット２について説明したが、受光素子２５、２６の個数は、複数（２個以上）であれば何個でも構わない。

本発明は、ロータリーエンコーダ、リニアエンコーダなど各種のエンコーダに幅広く適用することができる。

本発明の実施の形態１に係る反射型のアブソリュートエンコーダを示す断面図である。 同実施の形態１に係る回転符号板の平面図である。 同実施の形態１に係る検出ユニットの平面図である。 本発明の実施の形態２に係る検出ユニットを示す平面図である。 従来の検出ユニットを示す平面図である。

符号の説明

１……アブソリュートエンコーダ（エンコーダ）
２……検出ユニット
３……回転符号板
４……回転基板
４ａ……ボス部
５……プリント配線基板
６……モータ軸
７……信号処理回路
８……インクリメンタルパターン
８ａ……反射パターン領域
８ｂ……非反射パターン領域
９……アブソリュートパターン
９ａ……反射パターン領域
９ｂ……非反射パターン領域
２１……シリコン基板
２２……点光源（発光素子）
２３、２４……受光素子アレイ
２５、２６……受光素子
２７、２８……遮光膜
Ｓ１、Ｓ２……出力信号

Claims (21)

1. 入射光の光量に対応した出力信号を出力する複数の受光素子が設けられた受光素子アレイと、
   所定方向にパターンが配列された符号板の少なくとも一部に光を出射する光源と、を備え、
   前記複数の受光素子は、前記所定方向に沿って配置され、前記光の光量分布に応じて該所定方向における実効領域の幅が変更されてそれぞれ設けられている
   ことを特徴とする検出ユニット。
2. 前記複数の受光素子は、前記所定方向で前記光源に近い受光素子ほど前記所定方向における実効領域が狭くなるようにそれぞれ設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の検出ユニット。
3. 前記複数の受光素子は、前記光源から前記受光素子に至る光路の距離に応じて設定された前記実効領域をそれぞれ有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の検出ユニット。
4. 前記所定方向は、周方向である
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の検出ユニット。
5. 入射光の光量に対応した出力信号を出力する複数の受光素子が設けられた受光素子アレイと、
   所定方向にパターンが配列された符号板の少なくとも一部に光を出射する光源と、を備え、
   前記複数の受光素子は、前記所定方向に沿って配置され、前記光の光量分布に応じて該所定方向と垂直な幅方向の長さが変更された形状をそれぞれ有する
   ことを特徴とする検出ユニット。
6. 前記複数の受光素子は、前記所定方向で前記光源に近い受光素子ほど前記幅方向の長さが短い形状をそれぞれ有する
   ことを特徴とする請求項５に記載の検出ユニット。
7. 前記複数の受光素子は、前記光源から前記受光素子に至る光路の距離が短い前記受光素子ほど前記幅方向の長さが短い形状をそれぞれ有する
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の検出ユニット。
8. 前記受光素子アレイは、前記幅方向において前記光源に対して離れた位置に設けられる
   ことを特徴とする請求項５から７の何れか一項に記載の検出ユニット。
9. 前記複数の受光素子は、前記幅方向の両端のうち前記光源と反対側の端が前記所定方向に沿った位置になるようにそれぞれ設けられている
   ことを特徴とする請求項５から８の何れか一項に記載の検出ユニット。
10. 前記複数の受光素子は、前記光の光量分布に応じて前記所定方向における実効領域の幅が変更されてそれぞれ設けられている
    ことを特徴とする請求項５から９の何れか一項に記載の検出ユニット。
11. 前記パターンとは異なる第２パターンを介した前記光が入射し、前記受光素子アレイと前記光源を挟んで対向した位置に設けられた第２の受光素子アレイを備える
    ことを特徴とする請求項５から１０の何れか一項に記載の検出ユニット。
12. 前記光源は、点光源であることを特徴とする請求項１から１１の何れか一項に記載の検出ユニット。
13. 前記パターンは、絶対位置を表すアブソリュートパターンである
    ことを特徴とする請求項１から１２の何れか一項に記載の検出ユニット。
14. 周方向に絶対位置を表すアブソリュートパターンを有する符号板からの反射光を受け、入射光の光量に対応した出力信号を信号処理回路に出力する複数の受光素子が設けられた検出ユニットであって、
    前記検出ユニット上に設けられ、前記複数の受光素子を有する受光素子アレイと、
    前記検出ユニット上に前記受光素子アレイに対して前記周方向と垂直な径方向に離れた位置に設けられ、前記アブソリュートパターンに光を出射する光源と、を備え、
    前記複数の受光素子は、前記周方向に沿って配置され、前記入射光の光量が低い受光素子からの出力信号の出力値と前記入射光の光量が高い受光素子からの出力信号の出力値とをほぼ等しくするように出力特性が設定されている
    ことを特徴とする検出ユニット。
15. 請求項１から１４の何れか一項に記載の検出ユニットを備えている
    ことを特徴とするエンコーダ。
16. 所定方向にパターンが配列された符号板と、
    前記パターンに光を出射する光源と、
    前記符号板に対して前記所定方向に相対移動可能であって、前記パターンを介した入射光の光量に対応した出力信号を出力する複数の受光素子が前記所定方向に沿って設けられた受光素子アレイと、を備え、
    前記複数の受光素子は、前記所定方向で前記光源に近い受光素子ほど前記所定方向における実効領域の幅が狭くなるようにそれぞれ設けられている
    ことを特徴とするエンコーダ。
17. 前記所定方向に沿って設けられた複数の受光素子を有し、前記パターンとは異なる第２パターンを介した前記光が入射し、前記受光素子アレイと前記光源を挟んで対向した位置に設けられた第２の受光素子アレイを備える
    ことを特徴とする請求項１６に記載のエンコーダ。
18. 所定方向にパターンが配列された符号板と、
    前記パターンに光を出射する光源と、
    前記符号板に対して前記所定方向に相対移動可能であって、前記パターンを介した入射光の光量に対応した出力信号を出力する複数の受光素子が前記所定方向に沿って設けられた受光素子アレイと、を備え、
    前記複数の受光素子は、前記所定方向で前記光源に近い受光素子ほど前記所定方向と垂直な幅方向の長さが変更された形状をそれぞれ有する
    ことを特徴とするエンコーダ。
19. 前記所定方向は周方向であり、
    前記幅方向は径方向である
    ことを特徴とする請求項１８に記載のエンコーダ。
20. 前記複数の受光素子は、前記幅方向における両端のうち前記光源に近い側の端の長さを変更された形状をそれぞれ有する
    ことを特徴とする請求項１８又は１９に記載のエンコーダ。
21. 周方向に配列され、絶対位置を表すアブソリュートパターンを有する符号板と、
    前記アブソリュートパターンに光を出射する光源と、
    前記アブソリュートパターンを介した入射光の光量に対応した出力信号を出力する受光素子が前記周方向に沿って複数設けられた受光素子アレイと、
    前記複数の受光素子は、前記光源から前記受光素子に至る光路の距離に応じて実効面積がそれぞれ変更されている
    ことを特徴とするエンコーダ。

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