JP6035849B2 - Optical encoder - Google Patents
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Description
本発明は、光学スケールを用いて絶対角度を検出する光学式エンコーダに関する。 The present invention relates to an optical encoder that detects an absolute angle using an optical scale.
エンコーダは、各種機械装置において、可動要素の位置や角度を検出するために用いられている。一般に、エンコーダは、相対的な位置又は角度を検出するエンコーダと、絶対的な位置又は角度を検出するエンコーダがある。エンコーダは、光学式と磁気式とがあるが、光学式エンコーダは異物等の影響を受け、検出光量の変動の影響を受けやすい。 The encoder is used in various mechanical devices to detect the position and angle of the movable element. In general, there are encoders that detect relative positions or angles and encoders that detect absolute positions or angles. There are optical and magnetic encoders, but the optical encoder is easily affected by foreign matter and the like, and is easily affected by fluctuations in the amount of detected light.
特許文献1には、スケール円板の全体に一様の偏光方向となる偏光子を設け、該偏光子を通過して偏光子の回転方向に直線偏光となった透過光を、固定した2つの偏光子で検波する技術が記載されている。
In
また、特許文献2には、異物等による検出光量の変動の影響を受けず、かつ1回転内の絶対角度を検出し得る光学式エンコーダの技術が記載されている。この技術は、回動自在に支持されてその回転角度が検出される光学式スケール円板であって、円環状の信号トラックを有し、該信号トラックは、当該光学式スケール円板の周方向において分割されたそれぞれの領域に形成された偏光子を有し、隣接する互いの上記偏光子は、当該光学式スケール円板の回転方向において順次異なる偏光方位を有し、該偏光方位は、当該光学式スケール円板が1回転するときにm/2回(mは0以上の整数)回転する。 Patent Document 2 describes a technique of an optical encoder that can detect an absolute angle within one rotation without being affected by fluctuations in the amount of detected light due to foreign matter or the like. This technique is an optical scale disc that is rotatably supported and whose rotation angle is detected, and has an annular signal track, and the signal track is a circumferential direction of the optical scale disc. The polarizers formed in the respective regions divided in FIG. 3 and the adjacent polarizers have sequentially different polarization orientations in the rotation direction of the optical scale disk, and the polarization orientations are When the optical scale disk rotates once, it rotates m / 2 times (m is an integer of 0 or more).
特許文献1に記載の技術は、回転するスケール円板における偏光子の偏光方向が一様になっていることから、検波光の出力は、スケール円板の1回転に対して2回の増減を繰り返すことになる。このため、180°を超えた絶対角の判別をすることが難しい。また特許文献2に開示される技術では、信号トラックは、光学式スケール円板の周方向において円周をN等分してなる微小の扇状領域で構成する必要がある。このため、特許文献2に開示される技術では、隣り合う境界において誤検出またはノイズを生じさせる可能性がある。
In the technique described in
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、面内における偏光子の偏光方向が一方向を向いている光学スケールを用いて絶対角度を検出する光学式エンコーダを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide an optical encoder that detects an absolute angle using an optical scale in which the polarization direction of a polarizer in a plane faces one direction. To do.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、光学式エンコーダは、光源と、面内における偏光子の偏光方向が一方向を向いている光学スケールと、伝達された回転力により前記光学スケールを回転させ、かつ前記回転に連動する前記光学スケールの直線運動を伝達する回転直動変換機構と、前記光源の光源光が前記光学スケールに透過又は反射して入射する入射光を第1の偏光方向に分離する第1偏光層と、前記第1偏光層で分離した第1分離光を受光する偏光層付第1受光部と、前記入射光を第2の偏光方向に分離する第2偏光層と、前記第2偏光層で分離した第2分離光を受光する偏光層付第2受光部と、を含む角度センサと、前記光源の光源光が前記光学スケールに反射して入射する入射光を受光する3つ以上の光強度受光部を含む位置センサと、前記位置センサの光強度受光部が検出する光強度から、前記光学スケールにおける前記光源の光源光が照射される最短位置を演算し、かつ前記第1分離光の光強度と、前記第2分離光の光強度と、から前記光学スケールと前記角度センサとの相対的な移動量を演算して、前記最短位置及び前記相対的な移動量に基づいて前記光学スケールの絶対角度を演算する演算手段と、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, an optical encoder includes a light source, an optical scale in which the polarization direction of a polarizer in a plane faces one direction, and the optical scale by a transmitted rotational force. A rotation / linear motion conversion mechanism that transmits a linear motion of the optical scale that is linked to the rotation, and incident light that is incident upon the light source light of the light source being transmitted or reflected on the optical scale is a first polarization. A first polarizing layer that separates in the direction, a first light-receiving unit with a polarizing layer that receives the first separated light separated by the first polarizing layer, and a second polarizing layer that separates the incident light in the second polarization direction And an angle sensor including a second light receiving unit with a polarizing layer that receives the second separated light separated by the second polarizing layer, and incident light that is incident upon the light source light of the light source being reflected on the optical scale. Includes three or more light intensity detectors to receive light From the position sensor and the light intensity detected by the light intensity receiver of the position sensor, the shortest position of the light source irradiated with the light source light of the light source is calculated, and the light intensity of the first separated light, The relative movement amount of the optical scale and the angle sensor is calculated from the light intensity of the second separated light, and the absolute angle of the optical scale is calculated based on the shortest position and the relative movement amount. And an arithmetic means for performing the processing.
上述の構成により、角度センサに入射する入射光は、第1分離光と第2分離光とに偏光分離される。その結果、演算手段は、第1の偏光方向と第2の偏光方向とに分離された各偏光成分の光強度(信号強度)から、透過光又は反射光の偏光角度の変化による、光学スケールと角度センサとの相対的な移動量を光学スケールの直線運動に影響されずに演算することができる。そして、偏光軸の変化は、光学スケールの1回転に対して2回の増減を繰り返すことになるが、光学スケールにおける光源光が照射される最短位置に基づいて、光学スケールの180°を超えて回転した絶対角を特定することができる。また、上記光学スケールは、偏光方向の異なるセグメントを細かくする必要がない。そして、光学スケールは、一様な偏光軸を有しているため、偏光軸の異なる領域の境界がなく、この境界による反射光または透過光の偏光状態の乱れを抑制できる。このため、光学式エンコーダは、誤検出またはノイズを生じさせる可能性を低減することができる。 With the configuration described above, incident light incident on the angle sensor is polarized and separated into first separated light and second separated light. As a result, the computing means can calculate the optical scale by changing the polarization angle of the transmitted light or reflected light from the light intensity (signal intensity) of each polarization component separated into the first polarization direction and the second polarization direction. The amount of movement relative to the angle sensor can be calculated without being affected by the linear movement of the optical scale. The change in the polarization axis repeats the increase / decrease twice with respect to one rotation of the optical scale, but exceeds the 180 ° of the optical scale based on the shortest position where the light source light is irradiated on the optical scale. The rotated absolute angle can be specified. Further, the optical scale does not need to be finely divided into segments having different polarization directions. Since the optical scale has a uniform polarization axis, there is no boundary between regions having different polarization axes, and disturbance of the polarization state of reflected light or transmitted light due to this boundary can be suppressed. For this reason, the optical encoder can reduce the possibility of causing false detection or noise.
本発明の望ましい態様として、前記回転直動変換機構は、ねじ軸と、前記ねじ軸の外周面に内周面が螺合するナットと、前記ねじ軸の軸方向の移動を案内する直動案内機構と、を備え、前記光学スケールが前記ねじ軸の回転及び直線運動に応じて、回転及び直線運動することが好ましい。 As a preferred aspect of the present invention, the rotation / linear motion conversion mechanism includes a screw shaft, a nut whose inner peripheral surface is screwed to the outer peripheral surface of the screw shaft, and a linear guide that guides the axial movement of the screw shaft. It is preferable that the optical scale is rotated and linearly moved according to the rotation and linear motion of the screw shaft.
この構成により、光学式エンコーダは、光学スケールをねじ軸の回転及び直線運動に連動することができる。 With this configuration, the optical encoder can interlock the optical scale with the rotation and linear motion of the screw shaft.
本発明の望ましい態様として、前記演算手段は、前記光源から前記光学スケールの回転軸と平行な方向に延ばした仮想線が前記光学スケールに到達する位置までの距離を演算することで前記光学スケールの位置を演算することが好ましい。 As a desirable mode of the present invention, the calculation means calculates the distance from the light source to a position where a virtual line extending in a direction parallel to the rotation axis of the optical scale reaches the optical scale, thereby calculating the optical scale. It is preferable to calculate the position.
この構成により、光学式エンコーダは、偏光軸の変化は、光学スケールの1回転に対して2回の増減を繰り返すことになるが、光学スケールの回転領域に基づいて基準位置から光学スケールが回転した絶対角を特定することができる。そして、光学式エンコーダは、光学スケールの位置の検出精度を高めることができる。また、光学式エンコーダは、360°以上の光学スケールの回転を含む多回転角度の演算を行うことができる。 With this configuration, in the optical encoder, the change of the polarization axis repeats the increase / decrease twice per rotation of the optical scale, but the optical scale is rotated from the reference position based on the rotation area of the optical scale. The absolute angle can be specified. The optical encoder can increase the detection accuracy of the position of the optical scale. Further, the optical encoder can calculate a multi-rotation angle including rotation of the optical scale of 360 ° or more.
本発明の望ましい態様として、前記光強度受光部は、前記光源の周囲であり、かつ前記光源からの距離が等しい距離にそれぞれ配置されていることが好ましい。 As a desirable mode of the present invention, it is preferable that the light intensity light receiving portions are arranged around the light source and at equal distances from the light source.
この構成により、演算装置は、光学スケールの位置の演算を容易とすることができる。 With this configuration, the arithmetic device can easily calculate the position of the optical scale.
本発明の望ましい態様として、前記角度センサは、前記偏光層付第1受光部と前記偏光層付第2受光部とが互いに一定距離を隔てて噛み合う櫛歯状であることが好ましい。 As a desirable mode of the present invention, it is preferable that the angle sensor has a comb-tooth shape in which the first light receiving part with a polarizing layer and the second light receiving part with a polarizing layer are engaged with each other with a certain distance therebetween.
この構成により、偏光層付第1受光部と偏光層付第2受光部とは、異物により同程度に遮蔽されてどちらか一方が極端に信号強度を下げてしまう可能性を低減することができる。このため、異物により入射光の光強度が減じられても、角度センサは、異物に対して影響を低減した状態で、透過光又は反射光の偏光方向の変化を検出することができる。また、光源に分布が存在する場合でも偏光層付第1受光部と偏光層付第2受光部とが櫛歯状であれば、光源の分布に対して影響を低減した状態で、偏光方向の変化を検出することができる。 With this configuration, it is possible to reduce the possibility that the first light receiving unit with a polarizing layer and the second light receiving unit with a polarizing layer are shielded to the same extent by a foreign substance, and one of them significantly lowers the signal intensity. . For this reason, even if the light intensity of the incident light is reduced by the foreign matter, the angle sensor can detect a change in the polarization direction of the transmitted light or the reflected light in a state where the influence on the foreign matter is reduced. In addition, even when a distribution exists in the light source, if the first light receiving unit with a polarizing layer and the second light receiving unit with a polarizing layer are comb-like, the influence of the polarization direction is reduced in a state where the influence on the distribution of the light source is reduced. Changes can be detected.
本発明によれば、面内における偏光子の偏光方向が一方向を向いている光学スケールを用いて絶対角度を検出する光学式エンコーダを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the optical encoder which detects an absolute angle using the optical scale in which the polarization direction of the polarizer in a surface has faced one direction can be provided.
本発明を実施するための形態(実施形態)につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments (embodiments) for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited by the contents described in the following embodiments. The constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art and those that are substantially the same. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined.
(実施形態1)
図1は、実施形態1に係るエンコーダユニットの構成図である。図2は、光学スケール及び光学センサユニットの配置の一例を説明する説明図である。図3は、実施形態1に係るエンコーダのブロック図である。図4は、実施形態1に係る光学スケールのパターンの一例を示す説明図である。エンコーダユニット1は、モータ等の回転機械に連結されたシャフト29と、ステータであるハウジング20Aと、ロータ10と、信号パターンを読み取り可能な光学センサユニット31とを有している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of an encoder unit according to the first embodiment. FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating an example of the arrangement of the optical scale and the optical sensor unit. FIG. 3 is a block diagram of the encoder according to the first embodiment. FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating an example of an optical scale pattern according to the first embodiment. The
また、ロータ10は、円板形状の部材である光学スケール11と、ねじ軸25と、シャフト29と共に回転する回転部22と、回転部22に設けられた直動案内機構24と、直動案内機構24に案内された移動部23とを含む。光学スケール11は、例えば、シリコン、ガラス、高分子材料などで形成されている。光学スケール11は、信号トラックT1を一方の板面に有している。シャフト29、回転部22、ねじ軸25の回転中心は、同軸となっており回転中心Zrである。光学スケール11は、光学スケール11Aのように、傾斜していても傾斜角度が小さい場合には偏光分離の機能に影響がない。すなわち、光学スケール11は光学スケール11Aのように、ねじ軸25の振れ回りにより回転中心Zrと直交する平面に対して傾斜していても、偏光分離素子として機能する。
The
ねじ軸25は、回転部22の回転中心Zrに配置された棒状の部材である。ねじ軸25は、外周表面にねじ溝が形成されているボールねじ軸である。ねじ軸25の一端には、光学スケール11が固定され、他端には移動部23が固定されている。
The
ハウジング20Aは、軸受部21及びナット26を固定している。また、ナット26の内周面は、ねじ軸25の外周面に螺合する。例えば、ナット26は、内周面のねじ溝に内在する転動体を介して、ボールねじ軸であるねじ軸25のねじ溝と螺合している。この構造により、ナット26は、内周面に挿入されたねじ軸25を支持している。そして、ねじ軸25は、ナット26に挿入されているため、端部がナット26の端部から露出している。ナット26は、ねじ軸25とナット26との間で、ボールが転がり運動をするため、摩擦が小さく、回転運動を直線運動とする効率を高めることができる。また、ねじ軸25のねじ溝はナット26の回転中心Zrに平行な方向の長さよりも長く形成されている。
The
ねじ軸25は、他の種類のねじ軸として、例えば台形ねじ軸、三角ねじ軸としてもよい。ねじ軸25は、ボールねじ軸の代わりに、台形ねじ軸、三角ねじ軸等の他のねじ軸が適用される場合、台形ねじ軸、三角ねじ軸のねじ溝がナット26と螺合する摩擦力を利用して、ねじ軸の逆作動を抑制することができる。
The
直動案内機構24は、例えばボールスプライン機構である。直動案内機構24は、回転部22の回転力を移動部23に伝達すると共に、回転中心Zrに平行な方向である、ねじ軸25の軸方向の移動部23の移動を案内することができる。
The linear
ハウジング20Aは、軸受部21を介してシャフト29を回転可能に支持する。シャフト29がモータからの回転力が伝達され回転すると、シャフト29に連動してロータ10の回転部22が回転中心Zrを軸中心として回転する。回転部22の回転により、直動案内機構24及び移動部23を介して、ねじ軸25が回転する。ねじ軸25の回転により、ねじ軸25がナット26に対して回転すると、螺合するねじ溝のピッチに応じてねじ軸25が回転すると共にねじ軸25の軸方向に直線運動する。移動部23は、ねじ軸25の軸方向の直線運動の移動に追随して、回転中心Zrに平行な方向に移動する。そして、ねじ軸25の回転に連動して、光学スケール11は、回転すると同時に回転中心Zrと平行な方向に変位する。光学センサユニット31が回転中心Zrと平行な方向の変位を検出することで、エンコーダユニット1は、多回転エンコーダに適用することができる。
The
図1に示すように、光学センサユニット31は、ハウジング20Aに固定され、光学スケール11に対向する位置に配置されている。上述したロータ10が回転すると、光学スケール11の信号トラックT1が、例えばR方向に光学センサユニット31に対して相対的に移動する。図2に示すように、光学センサユニット31は、光源41を含む。光源41の光源光71が光学スケール11の信号トラックT1に反射し、この反射した反射光72を入射光として光学センサユニット31が検知する。実施形態1に係るエンコーダユニット1は、上述した反射型の光学スケール及び光学センサユニットの配置に限られず、後述する実施形態のように透過型の光学スケール及び光学センサの配置であってもよい。光源41は、例えば発光ダイオード、半導体レーザ光源である。
As shown in FIG. 1, the
光学式エンコーダ2は、上述したエンコーダユニット1と、演算装置3と、を備えており、図3に示すように、エンコーダユニット1の光学センサユニット31と、演算装置3とが接続されている。演算装置3は、モータ等の回転機械の制御部5と接続されている。
The optical encoder 2 includes the
光学式エンコーダ2は、光学スケール11に光源光71が透過又は反射して入射する反射光72を光学センサユニット31で検出する。演算装置3は、光学センサユニット31の検出信号からエンコーダユニット1のロータ10と光学センサユニット31との相対位置を演算し、相対位置の情報を制御信号として、モータ等の回転機械の制御部5へ出力する。
In the optical encoder 2, the
演算装置3は、パーソナルコンピュータ(PC)等のコンピュータであり、入力インターフェース4aと、出力インターフェース4bと、CPU(Central Processing Unit)4cと、ROM(Read Only Memory)4dと、RAM(Random Access Memory)4eと、内部記憶装置4fと、を含んでいる。入力インターフェース4a、出力インターフェース4b、CPU4c、ROM4d、RAM4e及び内部記憶装置4fは、内部バスで接続されている。なお、演算装置3は、専用の処理回路で構成してもよい。
The arithmetic device 3 is a computer such as a personal computer (PC), and includes an input interface 4a, an
入力インターフェース4aは、エンコーダユニット1の光学センサユニット31からの入力信号を受け取り、CPU4cに出力する。出力インターフェース4bは、CPU4cから制御信号を受け取り、制御部5に出力する。
The input interface 4a receives an input signal from the
ROM4dには、BIOS(Basic Input Output System)等のプログラムが記憶されている。内部記憶装置4fは、例えばHDD(Hard Disk Drive)やフラッシュメモリ等であり、オペレーティングシステムプログラムやアプリケーションプログラムを記憶している。CPU4cは、RAM4eをワークエリアとして使用しながらROM4dや内部記憶装置4fに記憶されているプログラムを実行することにより、種々の機能を実現する。
A program such as BIOS (Basic Input Output System) is stored in the ROM 4d. The
記憶手段である内部記憶装置4fには、光学スケール11における後述する偏光軸と光学センサユニット31のセンサの出力とを対応付けたデータベースが記憶されている。また、内部記憶装置4fには、後述する距離Dの値と、光学スケール11の位置情報とを対応付けたデータベースが記憶されている。または、内部記憶装置4fには、後述するパラメータ方位角φ及び傾斜角度(天頂角)θの値と、光学スケール11の位置情報とを対応付けたデータベースも記憶されていてもよい。
The
図4に示す信号トラックT1は、ワイヤーグリッドパターンとよばれる金属細線(ワイヤー)gの配列が図1に示す光学スケール11に形成されている。光学スケール11は、信号トラックT1として、隣り合う金属細線gを平行に直線的に配置している。このため、光学スケール11は、光源光71が照射される位置によらず同じ偏光軸となり、面内における偏光子の偏光方向が一方向を向いている。
In the signal track T1 shown in FIG. 4, an array of fine metal wires (wires) g called a wire grid pattern is formed on the
また、ワイヤーグリッドパターンとよばれる金属細線gを有する光学スケール11は、光誘起の偏光板に比較して、光学スケール11は耐熱性を高めることができる。また、光学スケール11は、局所的にも、交差するような部分のないラインパターンとなっているため、精度を高く誤差の少ない光学スケールとすることができる。また、光学スケール11は、一括した露光またはナノインプリント技術により安定して製造することもできるため、精度を高く誤差の少ない光学スケールとすることができる。なお、光学スケール11は、光誘起の偏光板としてもよい。
Further, the
複数の金属細線gは、交差せず配置されている。隣り合う金属細線gの間は、光源光71の全部又は一部が透過可能な透過領域wである。金属細線gの幅及び隣り合う金属細線gの間隔、つまり金属細線gの幅及び透過領域wの幅は、光源41の光源光71の波長より十分小さくする場合、光学スケール11は、光源光71の反射光72を偏光分離することができる。このため、光学スケール11は、面内における偏光軸が一様な偏光子を有している。光学スケール11は、回転する周方向において、光学センサユニット31へ入射する入射光の偏光軸が光学スケール11の回転に応じて変化する。実施形態1において、偏光軸の変化は、光学スケール11の1回転に対して2回の増減を繰り返すことになる。
The plurality of fine metal wires g are arranged without intersecting. Between adjacent metal thin wires g is a transmission region w through which all or part of the light source light 71 can be transmitted. When the width of the fine metal wire g and the interval between the adjacent fine metal wires g, that is, the width of the fine metal wire g and the width of the transmission region w are sufficiently smaller than the wavelength of the light source light 71 of the
光学スケール11は、偏光方向の異なるセグメントを細かくする必要がない。そして、光学スケール11は、一様な偏光軸を有しているため、偏光軸の異なる領域の境界がなく、この境界による反射光72の偏光状態の乱れを抑制できる。実施形態1の光学式エンコーダ2は、誤検出またはノイズを生じさせる可能性を低減することができる。
The
図5は、実施形態1に係る光学センサユニットの一例を説明するための説明図である。図6−1は、実施形態1に係る角度センサの偏光層付第1受光部の一例を説明するための説明図である。図6−2は、実施形態1に係る角度センサの偏光層付第2受光部の一例を説明するための説明図である。図2及び図5に示すように、光学センサユニット31は、ユニット基板30の表面上に、光源41と、偏光層付第1受光部PP(−)と、偏光層付第2受光部PP(+)と、光強度受光部PDx(+)と、光強度受光部PDx(−)と、光強度受光部PDy(+)と、光強度受光部PDy(−)と、を含む。
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining an example of the optical sensor unit according to the first embodiment. FIG. 6A is an explanatory diagram for explaining an example of the first light receiving unit with a polarizing layer of the angle sensor according to the first embodiment. FIG. 6B is an explanatory diagram for explaining an example of the second light receiving unit with a polarizing layer of the angle sensor according to the first embodiment. As shown in FIGS. 2 and 5, the
図2に示すように、光源41から照射される光源光71は、上述した光学スケール11で反射され、反射光72として、偏光層付第1受光部PP(−)、偏光層付第2受光部PP(+)、光強度受光部PDx(+)、光強度受光部PDx(−)、光強度受光部PDy(+)、光強度受光部PDy(−)に入射する。
As shown in FIG. 2, the light source light 71 emitted from the
また、図5に示すように、光学センサユニット31は、光強度受光部PDx(+)、光強度受光部PDx(−)、光強度受光部PDy(+)及び光強度受光部PDy(−)のそれぞれが光源41の周囲に配置されている。光源41の発光中心をOとした場合、光強度受光部PDx(+)、光強度受光部PDx(−)、光強度受光部PDy(+)及び光強度受光部PDy(−)のそれぞれから発光中心Oまでの距離を等しくすることが好ましい。この構造により、演算手段であるCPU4cの演算負荷を軽減することができる。
As shown in FIG. 5, the
また、光強度受光部PDx(+)が発光中心Oを介して光強度受光部PDx(−)と点対称の位置に配置され、光強度受光部PDy(+)が発光中心Oを介して光強度受光部PDy(−)と点対称の位置に配置されている。実施形態1では、光強度受光部PDx(+)、発光中心O及び光強度受光部PDx(−)を通過するユニット基板30の表面上の仮想軸をX軸とし、光強度受光部PDy(+)、発光中心O及び光強度受光部PDy(−)を通過するユニット基板30の表面上の仮想軸をY軸とする。図5において、X軸はY軸とユニット基板30の表面上で直交している。
Further, the light intensity light receiving part PDx (+) is arranged at a point-symmetrical position with respect to the light intensity light receiving part PDx (−) via the light emission center O, and the light intensity light receiving part PDy (+) is light transmitted via the light emission center O. It is disposed at a point-symmetrical position with respect to the intensity light receiving part PDy (−). In the first embodiment, the virtual axis on the surface of the
図5に示すように、光学センサユニット31は、偏光層付第1受光部PP(−)と、偏光層付第2受光部PP(+)とのそれぞれが光源41の周囲に配置されている。光源41の発光中心をOとした場合、偏光層付第1受光部PP(−)と、偏光層付第2受光部PP(+)とのそれぞれから発光中心Oまでの距離を等しくすることが好ましい。この構造により、演算手段であるCPU4cの演算負荷を軽減することができる。
As shown in FIG. 5, in the
図6−1に示すように、偏光層付第1受光部PP(−)は、シリコン基板34と、受光部37と、第1偏光層39aとを含む。また、図6−2に示すように、偏光層付第2受光部PP(+)は、シリコン基板34と、受光部37と、第2偏光層39bとを含む。例えば、シリコン基板34はn型半導体であり、受光部37はp型半導体であり、シリコン基板34と受光部37とによりPN接合で形成されたフォトダイオードを構成することができる。第1偏光層39a及び第2偏光層39bは、光誘起の偏光層、または金属細線を平行に配列したワイヤーグリットパターン等で形成することができる。第1偏光層39aは、図2に示す光学スケール11に光源光71が反射して入射する入射光を第1の偏光方向に分離し、第2偏光層39bは、上記入射光を第2の偏光方向に分離する。これら第1の分離光の偏光軸と、第2の分離光の偏光軸とは、相対的に90°異なることが好ましい。この構成により、演算装置3のCPU4cは、偏光角度の演算が容易とすることができる。
As illustrated in FIG. 6A, the first light receiving unit PP (−) with a polarizing layer includes a
図7−1、図7−2及び図7−3は、実施形態1に係る角度センサの偏光成分の分離を説明するための説明図である。図7−1のように、光学スケール11の信号トラックT1により偏光方向Pmに偏光された入射光が入射する。図7−1において、センシング範囲には、異物D1及び異物D2がある。入射光の偏光方向Pmは、上述した第1の偏光方向の成分の光強度PI(−)と、第2の偏光方向の成分の光強度PI(+)と、で表現することができる。上述したように、第1の偏光方向と、第2の偏光方向とは、90°異なる方向であることが好ましく、基準方向に対して例えば+45°成分と−45°成分のようになっている。図7−1、図7−2及び図7−3において、ワイヤーグリッドの軸方向は、紙面に対して平行に示されているが、紙面に対して同一の角度で傾斜していても傾斜角度が小さい場合には偏光分離の機能に影響がない。すなわち、光学スケール11は、回転軸に対して傾斜していても、偏光分離素子として機能する。
7A, 7B, and 7C are explanatory diagrams for explaining the separation of the polarization components of the angle sensor according to the first embodiment. As shown in FIG. 7A, incident light polarized in the polarization direction Pm is incident by the signal track T <b> 1 of the
偏光層付第1受光部PP(−)は、図7−2に示すように、入射光を第1の偏光方向に分離する第1偏光層39aを介して検知するため、第1の偏光方向の成分の光強度PI(−)を検知する。偏光層付第2受光部PP(+)は、図7−3に示すように、入射光を第2の偏光方向に分離する第2偏光層39bを介して検知するため、第2の偏光方向の成分の光強度PI(+)を検知する。
As shown in FIG. 7B, the first light receiving unit PP (−) with a polarizing layer detects incident light through the first
図8は、実施形態1に係る光学スケールの回転角度と角度センサの偏光成分の変化を説明するための説明図である。上述した図3に示す演算装置3のCPU4cは、光学センサユニット31の検出信号である、第1の偏光方向の成分の光強度PI(−)と、第2の偏光方向の成分の光強度PI(+)とを取得する。光学スケール11の回転角度と光学スケール11の偏光軸の回転角度は、光学スケール11が傾斜していても傾斜角が小さい場合、値は等しく、この値を本実施形態ではβで表す。すなわち、βは、光学スケール11の回転角度を示すとともに、光学スケールの偏光軸の回転角度を示す。そして、演算装置3は、下記式(1)に従って、第1の偏光方向の成分の光強度PI(−)及び第2の偏光方向の成分の光強度PI(+)から、光学スケール11の回転に依存した差動信号Vを演算する。
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining changes in the rotation angle of the optical scale and the polarization component of the angle sensor according to the first embodiment. The CPU 4c of the arithmetic device 3 shown in FIG. 3 described above is a light intensity PI (−) of a component in the first polarization direction and a light intensity PI of a component in the second polarization direction, which are detection signals of the
式(1)により演算した差動信号Vには、光源光71の光強度の影響を受けるパラメータが含まれておらず、光学式エンコーダ2は、光学センサユニット31と光学スケール11との距離、光源41の光強度のばらつき等の影響を低減することができる。そして、式(1)に示すように、差動信号Vは、光学スケール11の回転角度となる光学スケール11の偏光軸の回転角度(以下、偏光角という)βの関数となる。
The differential signal V calculated by the equation (1) does not include a parameter that is affected by the light intensity of the light source light 71, and the optical encoder 2 determines the distance between the
また、光学式エンコーダ2は、光学スケール11が傾斜しているため、光学センサユニット31と光学スケール11との距離が光学スケール11の回転に伴って変化するが、光学センサユニット31と光学スケール11との距離が差動信号Vに及ぼす影響はない。
In the optical encoder 2, since the
また、光学式エンコーダ2は、図7−1に示すように、異物D1及び異物D2により、入射光の光強度が減じられても、光学式エンコーダ2は、異物D1及び異物D2に対して影響を低減した状態で、上述した偏光方向Pmの変化を差動信号Vで検出することができる。 Further, as shown in FIG. 7A, the optical encoder 2 has an influence on the foreign matter D1 and the foreign matter D2 even if the light intensity of the incident light is reduced by the foreign matter D1 and the foreign matter D2. In the state in which the above-mentioned is reduced, the above-described change in the polarization direction Pm can be detected by the differential signal V.
演算手段であるCPU4cは、第1分離光の光強度PI(−)と、第2分離光の光強度(+)と、から光学スケール11と角度センサとの相対的な移動量を示す差動信号Vを演算できるが、差動信号Vが偏光軸の回転角度に応じて、光学スケール11の1回転に対して2回の増減を繰り返す。このため、演算手段であるCPU4cは、光学スケール11の回転角度が、0°以上180°未満の領域、または180°以上360°未満の領域のうち、いずれかの領域であるかを特定した上で、絶対角度を演算する必要がある。また、CPU4cは、光学スケール11が360°以上回転する(多回転の)場合、光学スケール11の回転角度が、360°以上であって、180°毎の領域のいずれかの位置にあるかを特定した上で、絶対角度を演算する必要がある。
The CPU 4c, which is an arithmetic means, performs a differential indicating the relative movement amount between the
図9は、実施形態1に係る光学式エンコーダの演算装置が演算するフローチャートである。上述したように、演算装置3のCPU4cは、偏光角の演算を行う(ステップS1)。次に、CPU4cは、光源41から光学スケールの回転軸と平行な方向(回転中心Zrと平行な方向)に延ばした仮想線が光学スケール11に到達する位置までの距離(光学スケール11の移動距離)Dの演算を行う(ステップS2)。
FIG. 9 is a flowchart calculated by the optical encoder according to the first embodiment. As described above, the CPU 4c of the calculation device 3 calculates the polarization angle (step S1). Next, the CPU 4c determines the distance (the moving distance of the optical scale 11) from the
図10−1、図10−2及び図10−3は、実施形態1に係る光学スケールの面法線を説明するための説明図である。図10−1には、上述したX軸と、Y軸と、光源41の発光中心Oを通過し、X軸及びY軸に直交し、回転中心Zrと平行なZ軸が示されている。光学スケール11は、面内における偏光子の偏光方向が一様であって、かつ面法線が回転により変化するように傾斜していても、演算装置3のCPU4cは、前述した位置センサの光強度受光部PDx(+)、光強度受光部PDx(−)、光強度受光部PDy(+)、光強度受光部PDy(−)が検出する光強度Ix +、Ix −、Iy +、Iy −から、光学スケール11における光学スケール11の回転角度を演算することができる。
10A, 10 </ b> B, and 10 </ b> C are explanatory diagrams for explaining surface normals of the optical scale according to the first embodiment. FIG. 10A illustrates the X axis, the Y axis, and the Z axis that passes through the light emission center O of the
光源41の発光中心Oを(0,0,0)、光強度受光部PDx(+)の座標を(a,0,0)、光強度受光部PDx(−)の座標を(−a,0,0)、光強度受光部PDy(+)の座標を(0,a,0)、光強度受光部PDy(−)の座標を(0,−a,0)、Z軸と光学スケール11の平面Σが交差する座標をO’(0,0,D)とした場合、CPU4cは、光源41と光学スケールとの最短位置Pの面法線ベクトル(面法線方向)ηを演算する。なお、実施形態1に係る光学スケール11は、傾斜していないとき、最短位置PがO’(0,0,D)と一致することになる。しかし、ねじ軸25の振れまわりにより傾斜する可能性または光学スケール11の固定が傾斜誤差を含み、傾斜する可能性がある。このような場合、光学スケール11は、傾斜していて、光学スケール11の傾斜角度(天頂角)θが微小、かつa<<Dの場合、面法線ベクトルηは、下記式(2)で求めることができる。傾斜角度(天頂角)θは、光源41の光源光が光学スケール11に到達する最短位置Pと光源41とを結ぶ仮想線と、上述した光強度受光部PDx(+)、光強度受光部PDx(−)、光強度受光部PDy(+)、光強度受光部PDy(−)を含む基準面(X−Y平面)に垂直な軸のうち光源41の発光中心Oを含む垂直軸(Z軸)とのなす角である。パラメータ方位角(方位角)は、上述した基準面内の光源41の発光中心Oを含み、任意に基準線として定めた方位角基準線(例えば、X軸)と、基準面へ射影した最短位置Pと光源41の発光中心Oとを結ぶ射影仮想線とのなす角である。距離Dは、垂直軸(Z軸)と光学スケール11との交点を座標O’の基準交点として、基準面(X−Y平面)から座標O’の基準交点までの距離である。ここで、式(2)では、パラメータ方位角をφ、傾斜角度(天頂角)θ、光源41から光学スケールの回転軸と平行な方向(回転中心Zrと平行な方向)に延ばした仮想線(Z軸)が光学スケール11に到達する位置までの距離をDとする。ここで、パラメータ方位角φは、上述した偏光角度βと等しい。
The light emission center O of the
図10−2は、Z軸をX軸回りに回転させた座標軸をξx軸として前述した最短位置PとX軸を含むX−ξx平面の断面を示している。図10−2では、X軸と光学スケール11との交点O’’xから発光中心Oまでの距離がη3D/η1である。また、図10−2では、前述した最短位置Pから発光中心Oまでの距離がη3Dである。そして、図10−2では、ξx軸と光学スケール11との交点から発光中心Oまでの距離がdxである。
FIG. 10-2 shows a cross section of the X-ξx plane including the shortest position P and the X axis described above with the coordinate axis obtained by rotating the Z axis around the X axis as the ξx axis. In FIG. 10-2, the distance from the intersection O ″ x between the X axis and the
図10−3は、Z軸をY軸回りに回転させた座標軸をξy軸として、前述した最短位置PとX軸を含むY−ξy平面の断面を示している。図10−3では、Y軸と光学スケール11との交点O’’yから発光中心Oまでの距離がη3D/η2である。また、図10−3では、前述した最短位置Pから発光中心Oまでの距離がη3Dである。そして、図10−3では、ξy軸と光学スケール11との交点から発光中心Oまでの距離がdyである。
FIG. 10C illustrates a cross section of the Y-ξy plane including the shortest position P and the X axis described above, with the coordinate axis obtained by rotating the Z axis around the Y axis as the ξy axis. In FIG. 10-3, the distance from the intersection O ″ y between the Y axis and the
図10−2及び図10−3から分かるように、距離Dは、下記式(3)で求めることができる。CPU4cは、光源41から光学スケールの回転軸と平行な方向(回転中心Zrと平行な方向)に延ばした仮想線が光学スケール11に到達する位置までの距離(光学スケール11の移動距離)Dの演算を行うことができる。
As can be seen from FIGS. 10-2 and 10-3, the distance D can be obtained by the following equation (3). The CPU 4c has a distance (moving distance of the optical scale 11) D from the
以上説明した前提条件の下で、CPU4cは、図10−2及び図10−3に示す、光学スケール11の傾斜角αx、光学スケール11の傾斜角αyを演算することで、面法線ベクトルηを演算することができる。
Under the preconditions described above, the CPU 4c calculates the tilt angle αx of the
図11は、ステップS2の詳細なフローチャートである。図11に示すように、光強度受光部PDx(+)、光強度受光部PDx(−)、光強度受光部PDy(+)、光強度受光部PDy(−)は、それぞれ光強度Ix +、Ix −、Iy +、Iy −を検出する(ステップS21)。 FIG. 11 is a detailed flowchart of step S2. As shown in FIG. 11, the light intensity light receiving part PDx (+), the light intensity light receiving part PDx (−), the light intensity light receiving part PDy (+), and the light intensity light receiving part PDy (−) are respectively light intensity I x +. , I x − , I y + , I y − are detected (step S21).
次に、ステップS22において、CPU4cは、光強度Ix +、Ix −、Iy +、Iy −から光強度の平均値Iavを下記式(4)により演算する。 Next, in step S <b> 22, the CPU 4 c calculates an average value I av of light intensity from the light intensities I x + , I x − , I y + , I y − by the following formula (4).
次に、ステップS22において、CPU4cは、光強度Ix +、Ix −から光強度受光部PDx(+)、光強度受光部PDx(−)の差動電圧Vxを下記式(5)により演算する。 Next, in step S22, CPU4c, the light intensity I x +, I x - by the following equation differential voltage V x of (5) - from the light intensity light receiving unit PDx (+), the light intensity received portion PDx () Calculate.
次に、ステップS22において、CPU4cは、光強度Iy +、Iy −から光強度受光部PDy(+)、光強度受光部PDy(−)の差動電圧Vyを下記式(6)により演算する。 Next, in step S22, the CPU 4c calculates the differential voltage V y of the light intensity light receiving unit PDy (+) and the light intensity light receiving unit PDy (−) from the light intensities I y + and I y − by the following equation (6). Calculate.
CPU4cは、得られた差動電圧Vx及び差動電圧Vyを使って、式(7)のQ値を演算する。 CPU4c uses the resulting differential voltage V x and the differential voltage V y, calculates a Q value of formula (7).
CPU4cは、光強度の平均値Iav、差動電圧Vx、差動電圧Vy及びQ値を演算した後、図11に示すステップS23に処理を進める。 After calculating the average value I av , the differential voltage V x , the differential voltage V y, and the Q value of the light intensity, the CPU 4c advances the process to step S23 illustrated in FIG.
次に、ステップS23において、CPU4cは、光強度の平均値Iav、差動電圧Vx、差動電圧Vy及びQ値からパラメータ方位角φを下記式(8)により演算する。 Next, in step S23, the CPU 4c calculates the parameter azimuth angle φ from the average value I av , the differential voltage V x , the differential voltage V y and the Q value according to the following formula (8).
次に、ステップS23において、CPU4cは、光強度の平均値Iav、差動電圧Vx、差動電圧Vy及びQ値から傾斜角度(天頂角)θを下記式(9)により演算する。 Next, in step S <b> 23, the CPU 4 c calculates the tilt angle (zenith angle) θ from the average value I av , the differential voltage V x , the differential voltage V y and the Q value of the light intensity according to the following equation (9).
次に、ステップS23において、CPU4cは、光強度の平均値Iav、差動電圧Vx、差動電圧Vy及びQ値から距離Dを下記式(10)により演算する。 Next, in step S <b> 23, the CPU 4 c calculates the distance D from the average value I av , the differential voltage V x , the differential voltage V y and the Q value of the light intensity according to the following formula (10).
CPU4cは、距離Dを演算した後(ステップS24)、図9に示すステップS2の処理を終了し、ステップS3に処理を進める。なお、CPU4cは、上述したパラメータ方位角φ、傾斜角度(天頂角)θの演算を省略することもできる。ステップ3の処理として、CPU4cは、距離Dに基づいて、360°以上の光学スケール11の回転を含む多回転角度の演算を行う(ステップS3)。例えば、CPU4cは、距離Dの値を記憶手段である内部記憶装置4fのデータベースに照会する。なお、以上説明した、パラメータ方位角φ、傾斜角度(天頂角)θは演算を省略することができる。
After calculating the distance D (step S24), the CPU 4c ends the process of step S2 shown in FIG. 9, and advances the process to step S3. Note that the CPU 4c can omit the calculation of the parameter azimuth angle φ and the tilt angle (zenith angle) θ described above. As a process of step 3, the CPU 4c calculates a multi-rotation angle including the rotation of the
図12及び図13は、実施形態1に係る光学センサユニットの動作例を説明するための説明図である。図14は、光源から光学スケールにおける光源の光源光が照射される最短位置の距離と回転角度とを対応付けたデータベース情報の一例を示す説明図である。シャフト29がモータからの回転力が伝達され回転すると、シャフト29に連動してロータ10の回転部22が回転中心Zrを軸中心として回転する。回転部22の回転により、直動案内機構24及び移動部23を介して、ねじ軸25が回転する。ねじ軸25の回転により、ねじ軸25がナット26に対して回転すると、螺合するねじ溝のピッチに応じてねじ軸25が回転すると共にねじ軸25の軸方向に直線運動する。例えば、図13の距離Dの値は、図12の距離Dの値よりも大きくなる。この距離Dの値は、光学スケール11の回転角度に関連づけることができる。
12 and 13 are explanatory diagrams for explaining an operation example of the optical sensor unit according to the first embodiment. FIG. 14 is an explanatory diagram illustrating an example of database information in which the distance between the shortest position where the light source light of the light source on the optical scale is irradiated from the light source and the rotation angle are associated with each other. When the rotational force from the motor is transmitted to the
例えば、図14に示すように、距離Dの値がD0以上D1未満の場合、光学スケール11の回転領域は、基準位置からの光学スケール11の回転角度が0°以上180°未満となる。距離Dの値がD1以上D2未満の場合、光学スケール11の回転領域は、基準位置からの光学スケール11の回転角度が180°以上360°未満となる。距離Dの値がD2以上D3未満の場合、光学スケール11の回転領域は、基準位置からの光学スケール11の回転角度が360°以上540°未満となる。距離Dの値がD3以上D4未満の場合、光学スケール11の回転領域は、基準位置からの光学スケール11の回転角度が540°以上720°未満となる。距離Dの値がD4以上D5未満の場合、光学スケール11の回転領域は、基準位置からの光学スケール11の回転角度が720°以上900°未満となる。以上説明したように、CPU4cは、距離Dの値を記憶手段である内部記憶装置4fのデータベースに照会し、光学スケール11の回転角度を導くことができる。
For example, as shown in FIG. 14, when the value of the distance D is D0 or more and less than D1, the rotation range of the
距離Dの値に基づいて演算した光学スケール11の回転角度は、ねじ溝の多少の誤差の可能性がある。このため、CPU4cは、光学スケール11の回転角度が0°以上180°未満の場合、偏光角度βを精度の高い光学スケール11の回転角度として出力する。CPU4cは、光学スケール11の回転角度が180°以上360°未満の場合、偏光角度β+180°を精度の高い光学スケール11の回転角度として出力する。CPU4cは、光学スケール11の回転角度が360°以上540°未満の場合、偏光角度β+360°を精度の高い光学スケール11の回転角度として出力する。CPU4cは、光学スケール11の回転角度が540°以上720°未満の場合、偏光角度β+540°を精度の高い光学スケール11の回転角度として出力する。CPU4cは、光学スケール11の回転角度が720°以上900°未満の場合、偏光角度β+720°を精度の高い光学スケール11の回転角度として出力する。
The rotation angle of the
以上説明したように、CPU4cは、距離Dを演算し、距離Dの値を記憶手段である内部記憶装置4fのデータベースに照会し、光学スケール11の回転角度を180°で除算した整数nを演算する。そして、CPU4cは、上述した偏光角度β+180°×nを絶対角度として演算する。このように、光学式エンコーダ2は、180°を超える光学スケール11の回転の絶対角度を演算することができる。また、光学式エンコーダ2は、360°を超える多回転する光学スケール11の絶対角度を演算することができる。
As described above, the CPU 4c calculates the distance D, inquires the value of the distance D in the database of the
以上説明したように、実施形態1に係る光学式エンコーダ2は、光源41と、光学スケール11と、偏光層付第1受光部PP(−)と偏光層付第2受光部PP(+)とを含む角度センサと、光強度受光部PDx(+)、光強度受光部PDx(−)、光強度受光部PDy(+)、光強度受光部PDy(−)を含む位置センサと、演算手段である演算装置3のCPU4cと、回転直動変換機構とを含む。回転直動変換機構は、ねじ軸25と、ねじ軸25の外周面に内周面が螺合するナット26と、ねじ軸25の軸方向の移動を案内する直動案内機構24と、を備える。そして、光学スケール11は、ねじ軸25の回転及び直線運動に応じて、回転及び直線運動する。
As described above, the optical encoder 2 according to the first embodiment includes the
光学スケール11は、面内における偏光子の偏光方向が一方向を向いている。演算装置3のCPU4cは、前述した位置センサの光強度受光部PDx(+)、光強度受光部PDx(−)、光強度受光部PDy(+)、光強度受光部PDy(−)が検出する光強度Ix +、Ix −、Iy +、Iy −から、光学スケール11における前述した距離Dを演算する。そして、演算装置3のCPU4cは、距離Dに基づいて、前述した角度センサで検出する第1分離光の光強度PI(−)と、第2分離光の光強度PI(+)と、から光学スケール11と光学センサユニット31の角度センサとの相対的な移動量を演算して、光学スケール11の絶対角度を演算することができる。
In the
この構成により、角度センサは、ロータ10の回転角度を、反射光72を偏光分離した偏光状態で検出する。このため、入射光の光強度を直接検出する場合に比較して、光学式エンコーダ2は、異物D1、D2等による検出光量の変動の影響を低減することができる。これにより、異物の許容範囲が広くなるため使用環境を広げることができる。
With this configuration, the angle sensor detects the rotation angle of the
なお、光学スケール11は、図1に示す光学スケール11Aのように最短位置Pの面法線が回転により変化するように傾斜していてもよい。この場合、CPU4cは、上述したパラメータ方位角φ、傾斜角度(天頂角)θの値に基づいて、O’(0,0,D)が0°以上180°未満の領域にあると演算する場合、CPU4cは、上述した偏光角度βを絶対角度として演算することができる。例えば、パラメータ方位角φ及び傾斜角度(天頂角)θの値を記憶手段である内部記憶装置4fのデータベースに照会し、O’(0,0,D)が0°以上180°未満の領域にあることを導くことができる。
The
また、CPU4cは、パラメータ方位角φ、傾斜角度(天頂角)θの値に基づいてO’(0,0,D)が演算180°以上360°未満の領域にある)と演算する場合、CPU4cは、上述した偏光角度β+180°を絶対角度として演算することができる。例えば、CPU4cは、パラメータ方位角φ及び傾斜角度(天頂角)θの値を記憶手段である内部記憶装置4fのデータベースに照会し、O’(0,0,D)が180°以上360°未満の領域にあることを導くことができる。
Further, when the CPU 4c calculates O ′ (0, 0, D) in a region where the calculation is 180 ° or more and less than 360 ° based on the values of the parameter azimuth angle φ and the inclination angle (zenith angle) θ, the CPU 4c Can be calculated with the above-mentioned polarization angle β + 180 ° as an absolute angle. For example, the CPU 4c inquires the value of the parameter azimuth angle φ and the inclination angle (zenith angle) θ in the database of the
(変形例)
図15は、実施形態1に係る直動案内機構の第1変形例を説明するための説明図である。上述したように、回転部22は、シャフト29と共に回転する。そして、図15に示すように、ロータ10Aの直動案内機構24Aは、複数の棒状部材(例えば3つの棒状部材)であって、ねじ軸25と平行な方向にあけられた、回転部22の挿入穴に挿入可能である。直動案内機構24Aは、回転部22の回転力を移動部23に伝達すると共に、回転中心Zrに平行な方向である、ねじ軸25の軸方向の移動部23の移動を案内することができる。複数の棒状部材は、3以上であることが好ましい。3以上の棒状部材は、その数を増やすほど均等に回転部22の回転力を移動部23に伝達することができる。
(Modification)
FIG. 15 is an explanatory diagram for explaining a first modification of the linear motion guide mechanism according to the first embodiment. As described above, the rotating
図16は、実施形態1に係る直動案内機構の第2変形例を説明するための説明図である。図16に示すように、ロータ10Bの直動案内機構24Bは、ねじ軸25と平行な方向にあけられた、回転部22の挿入穴に挿入可能であり、外周に角のある多角形(例えば、四角形)の角棒部材である。直動案内機構24Bは、回転部22の回転力を移動部23に伝達すると共に、回転中心Zrに平行な方向である、ねじ軸25の軸方向の移動部23の移動を案内することができる。
FIG. 16 is an explanatory diagram for describing a second modification of the linear motion guide mechanism according to the first embodiment. As shown in FIG. 16, the linear
図17は、実施形態1に係る直動案内機構の第3変形例を説明するための説明図である。図17に示すように、ロータ10Cの直動案内機構24Cは、ねじ軸25と平行な方向にあけられた、回転部22のスリット22aに挿入可能であり、スリット22a内部で回転方向に当接するように回転部22の直径よりも大きな長さを有する棒状部材24Caを備えている。直動案内機構24Cは、回転部22の回転力を移動部23に伝達すると共に、回転中心Zrに平行な方向である、ねじ軸25の軸方向の移動部23の移動を案内することができる。
FIG. 17 is an explanatory diagram for describing a third modification of the linear motion guide mechanism according to the first embodiment. As shown in FIG. 17, the linear
(実施形態2)
図18及び図19は、実施形態2に係る光学センサユニットの一例を説明するための説明図である。なお、上述した実施形態1と同じ部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。実施形態2に係る光学センサユニット31は、図18に示す位置センサ31Aと、図19に示す角度センサ31Bとを含む。
(Embodiment 2)
18 and 19 are explanatory diagrams for explaining an example of the optical sensor unit according to the second embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same member as
位置センサ31Aは、上述した光学センサユニット31の角度センサに相当する偏光層付第1受光部PP(−)と、偏光層付第2受光部PP(+)とがユニット基板30の表面上になく、ユニット基板30とは別のユニット基板30aの表面上に配置される。また、角度センサ31Bは、ユニット基板30とは別のユニット基板30bの表面上に配置される。この構造により、角度センサ31Bを位置センサ31Aと異なる位置に配置することができる。
In the
位置センサ31Aは、上述した光学センサユニット31と同様に、ユニット基板30aの表面上に、光源41と、光強度受光部PDx(+)と、光強度受光部PDx(−)と、光強度受光部PDy(+)と、光強度受光部PDy(−)と、を含む。位置センサ31Aは、光強度受光部PDx(+)、光強度受光部PDx(−)、光強度受光部PDy(+)及び光強度受光部PDy(−)のそれぞれが光源41の周囲に配置されている。光源41の発光中心をOとした場合、光強度受光部PDx(+)、光強度受光部PDx(−)、光強度受光部PDy(+)及び光強度受光部PDy(−)のそれぞれから発光中心Oまでの距離が等しく配置されている。角度センサ31Bは、上述した光学センサユニット31と同様に、ユニット基板30bの表面上に、偏光層付第1受光部PP(−)と、偏光層付第2受光部PP(+)と、を含む。
Similar to the
図20は、実施形態2に係る光学スケール及び光学センサユニットの配置の一例を説明する説明図である。図20に示すように、光源41から照射される光源光71は、上述した光学スケール11で反射され、反射光72として、光強度受光部PDx(+)、光強度受光部PDx(−)、光強度受光部PDy(+)、光強度受光部PDy(−)に入射する。そして、図20に示すように、角度センサ31Bは、光学スケール11を介して、光源41と対向する位置に配置されている。この構成により、光源41から照射される光源光71は、上述した光学スケール11を透過し、透過光73として、偏光層付第1受光部PP(−)、偏光層付第2受光部PP(+)に入射する。
FIG. 20 is an explanatory diagram illustrating an example of the arrangement of the optical scale and the optical sensor unit according to the second embodiment. As shown in FIG. 20, the light source light 71 emitted from the
偏光層付第1受光部PP(−)及び偏光層付第2受光部PP(+)は、実施形態1と同様に、第1偏光層39a及び第2偏光層39bを含む。そして、第1偏光層39aは、図20に示す光学スケール11に光源光71が透過して入射する入射光を第1の偏光方向に分離する第1偏光層であり、第2偏光層39bは、上記入射光を第2の偏光方向に分離する。これら第1の分離光の偏光軸と、第2の分離光の偏光軸とは、相対的に90°異なることが好ましい。この構成により、演算装置3のCPU4cは、偏光角度βの演算を容易とすることができる。
The first light receiving part PP (−) with a polarizing layer and the second light receiving part PP (+) with a polarizing layer include a first
上述した角度センサ31Bは、ロータ10の回転角度を、透過光73を偏光分離した偏光状態で検出する。このため、入射光の光強度を直接検出する場合と比較して、光学式エンコーダ2は、異物等による検出光量の変動の影響を低減することができる。これにより、異物の許容範囲が広くなるため使用環境を広げることができる。以上説明したように、光学式エンコーダ2は、入射光が第1分離光と第2分離光とに偏光分離される。その結果、CPU4cは、第1の偏光方向と第2の偏光方向とに分離された各偏光成分の光強度から、透過光73の偏光角度の変化による、光学スケール11と角度センサ31Bとの相対的な移動量を演算することができる。
The
(実施形態3)
図21は、実施形態3に係る光学センサユニットの一例を説明するための説明図である。図22は、実施形態3に係る光学センサユニットの光強度受光部の配置例を説明するための説明図である。図23は、実施形態3に係る光学スケールの面法線を説明するための説明図である。実施形態3に係る光学センサユニット31Cは、実施形態1に係る光学センサユニット31よりも1つ光強度受光部が少ない。なお、上述した実施形態1と同じ部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
(Embodiment 3)
FIG. 21 is an explanatory diagram for explaining an example of the optical sensor unit according to the third embodiment. FIG. 22 is an explanatory diagram for explaining an arrangement example of the light intensity light receiving units of the optical sensor unit according to the third embodiment. FIG. 23 is an explanatory diagram for explaining the surface normal of the optical scale according to the third embodiment. The
図21に示すように、光学センサユニット31Cは、光強度受光部PD1、光強度受光部PD2及び光強度受光部PD3のそれぞれが光源41の周囲に配置されている。光源41の発光中心をOとした場合、光強度受光部PD1、光強度受光部PD2及び光強度受光部PD3のそれぞれから発光中心Oまでの距離を等しくすることが好ましい。この構造により、演算手段であるCPU4cの演算負荷を軽減することができる。実施形態3において、光強度受光部PD1、光強度受光部PD2及び光強度受光部PD3のいずれか1つの位置をakとし、akに平行な軸をk軸とする。
As shown in FIG. 21, in the
図23は、Z軸をK軸回りに回転させた座標軸をξk軸として前述した最短位置Pとk軸を含むk−ξk平面の断面を示している。図23では、k軸と光学スケール11との交点O’’kから発光中心Oまでの距離がη3D/ηkである。また、図23では、前述した最短位置Pから発光中心Oまでの距離がη3Dである。そして、図23では、ξk軸と光学スケール11との交点から発光中心Oまでの距離がdkである。
FIG. 23 shows a cross section of the k-ξk plane including the shortest position P and the k axis described above with the coordinate axis obtained by rotating the Z axis around the K axis as the ξk axis. In FIG. 23, the distance from the intersection O ″ k between the k axis and the
以上説明した前提条件の下で、CPU4cは、図22に示す発光中心Oから光強度受光部PD1、光強度受光部PD2及び光強度受光部PD3の各方向において、傾斜角度αk(kは3以上)を求めることができれば、最短位置Pの面法線ベクトル(面法線方向)ηを演算することができる。なお、実施形態1に係る光学スケール11は、傾斜していないときは、最短位置PがO’(0,0,D)と一致することになる。
Under the preconditions described above, the CPU 4c determines the inclination angle αk (k is 3 or more) in each direction from the light emission center O shown in FIG. 22 to the light intensity receiving unit PD1, the light intensity receiving unit PD2, and the light intensity receiving unit PD3. ) Can be calculated, the surface normal vector (surface normal direction) η at the shortest position P can be calculated. When the
図24は、実施形態3に係るステップS2の詳細なフローチャートである。CPU4cは、先ず図9に示すステップS1の処理を行った後、ステップS2の処理を開始する。そして、図24に示すように、光強度受光部PD1、光強度受光部PD2及び光強度受光部PD3は、それぞれ光強度I1、I2、I3を検出する(ステップS201)。 FIG. 24 is a detailed flowchart of step S2 according to the third embodiment. The CPU 4c first performs the process of step S1 shown in FIG. 9, and then starts the process of step S2. Then, as shown in FIG. 24, the light intensity light receiving unit PD1, the light intensity light receiving unit PD2, and the light intensity light receiving unit PD3 detect the light intensities I 1 , I 2 , and I 3 , respectively (step S201).
次に、ステップS202において、CPU4cは、光強度I1、I2、I3から光強度の平均値Iavを下記式(11)により演算する。 Next, in step S202, the CPU 4c calculates an average value I av of light intensity from the light intensities I 1 , I 2 , and I 3 by the following formula (11).
次に、ステップS202において、CPU4cは、光強度I1、I2、I3から光強度受光部PD1、光強度受光部PD2及び光強度受光部PD3におけるX軸成分の差動電圧Vxを下記式(12)により演算する。 Then, following the step S202, CPU4c, the light intensity I 1, I 2, I 3 from the light intensity light receiving unit PD1, a differential voltage V x of the X-axis component in the light intensity light-receiving unit PD2, and the light intensity received portion PD3 Calculation is performed according to equation (12).
次に、ステップS202において、CPU4cは、光強度I1、I2、I3から光強度受光部PD1、光強度受光部PD2及び光強度受光部PD3におけるY軸成分の差動電圧Vyを下記式(13)により演算する。 Next, in step S202, the CPU 4c calculates the differential voltage V y of the Y-axis component in the light intensity light receiving part PD1, the light intensity light receiving part PD2, and the light intensity light receiving part PD3 from the light intensity I 1 , I 2 , I 3 as follows. Calculation is performed according to equation (13).
CPU4cは、得られた差動電圧Vx及び差動電圧Vyを使って、式(14)のQ値を演算する。 CPU4c uses the resulting differential voltage V x and the differential voltage V y, calculates a Q value of formula (14).
CPU4cは、光強度の平均値Iav、差動電圧Vx、差動電圧Vy及びQ値を演算した後(ステップS202)、図24に示すステップS203に処理を進める。 The CPU 4c calculates the average value I av , the differential voltage V x , the differential voltage V y, and the Q value of the light intensity (step S202), and then proceeds to step S203 shown in FIG.
次に、ステップS203において、CPU4cは、光強度の平均値Iav、差動電圧Vx、差動電圧Vy及びQ値からパラメータ方位角φを下記式(15)により演算する。 Next, in step S203, the CPU 4c calculates the parameter azimuth angle φ from the average value I av , the differential voltage V x , the differential voltage V y, and the Q value according to the following formula (15).
次に、ステップS203において、CPU4cは、光強度の平均値Iav、差動電圧Vx、差動電圧Vy及びQ値から傾斜角度(天頂角)θを下記式(16)により演算する。 Next, in step S203, the CPU 4c calculates the tilt angle (zenith angle) θ from the average value I av , the differential voltage V x , the differential voltage V y and the Q value of the light intensity according to the following equation (16).
次に、ステップS203において、CPU4cは、光強度の平均値Iav、差動電圧Vx、差動電圧Vy及びQ値から距離Dを下記式(17)により演算する。 Next, in step S203, CPU4c calculates the average value of the light intensity I av, differential voltage V x, the following equation the distance D from the differential voltage V y and Q value (17).
CPU4cは、距離Dを演算した後(ステップS204)、図9に示すステップS2の処理を終了し、ステップS3に処理を進める。なお、CPU4cは、上述したパラメータ方位角φ、傾斜角度(天頂角)θの演算を省略することもできる。ステップ3の処理として、CPU4cは、距離Dに基づいて、360°以上の光学スケール11の回転を含む多回転角度の演算を行う(ステップS3)。例えば、CPU4cは、距離Dの値を記憶手段である内部記憶装置4fのデータベースに照会する。なお、以上説明した、パラメータ方位角φ、傾斜角度(天頂角)θは演算を省略することができる。
After calculating the distance D (step S204), the CPU 4c ends the process of step S2 shown in FIG. 9 and advances the process to step S3. Note that the CPU 4c can omit the calculation of the parameter azimuth angle φ and the tilt angle (zenith angle) θ described above. As a process of step 3, the CPU 4c calculates a multi-rotation angle including the rotation of the
例えば、上述した図14に示すように、距離Dの値がD0以上D1未満の場合、光学スケール11の回転角度が0°以上180°未満となる。距離Dの値がD1以上D2未満の場合、光学スケール11の回転角度が180°以上360°未満となる。距離Dの値がD2以上D3未満の場合、光学スケール11の回転角度が360°以上540°未満となる。距離Dの値がD3以上D4未満の場合、光学スケール11の回転角度が540°以上720°未満となる。距離Dの値がD4以上D5未満の場合、光学スケール11の回転角度が720°以上900°未満となる。以上説明したように、CPU4cは、距離Dの値を記憶手段である内部記憶装置4fのデータベースに照会し、光学スケール11の回転角度を導くことができる。
For example, as shown in FIG. 14 described above, when the value of the distance D is D0 or more and less than D1, the rotation angle of the
距離Dの値に基づいて演算した光学スケール11の回転角度は、ねじ溝の多少の誤差が
ある。このため、CPU4cは、光学スケール11の回転角度が0°以上180°未満の場合、偏光角度βを精度の高い光学スケール11の回転角度として出力する。CPU4cは、光学スケール11の回転角度が180°以上360°未満の場合、偏光角度β+180°を精度の高い光学スケール11の回転角度として出力する。CPU4cは、光学スケール11の回転角度が360°以上540°未満の場合、偏光角度β+360°を精度の高い光学スケール11の回転角度として出力する。CPU4cは、光学スケール11の回転角度が540°以上720°未満の場合、偏光角度β+540°を精度の高い光学スケール11の回転角度として出力する。CPU4cは、光学スケール11の回転角度が720°以上900°未満の場合、偏光角度β+720°を精度の高い光学スケール11の回転角度として出力する。
The rotation angle of the
CPU4cは、距離Dを演算し、距離Dの値を記憶手段である内部記憶装置4fのデータベースに照会し、光学スケール11の回転角度を180°で除算した整数nを演算する。そして、CPU4cは、上述した偏光角度β+180°×nを絶対角度として演算する。このように、光学式エンコーダ2は、180°を超える光学スケール11の回転の絶対角度を演算することができる。また、光学式エンコーダ2は、360°を超える多回転する光学スケール11の絶対角度を演算することができる。次に、CPU4cは、モータ等の回転機械の制御部5が回転を停止しない場合(ステップS4、No)、処理をステップS1に戻し、偏光角の演算を行う。CPU4cは、モータ等の回転機械の制御部5が回転を停止する場合(ステップS4、Yes)、処理を終了する。
The CPU 4c calculates the distance D, inquires the value of the distance D in the database of the
以上説明したように、実施形態3に係る光学式エンコーダ2は、光源41と、光学スケール11と、偏光層付第1受光部PP(−)と偏光層付第2受光部PP(+)とを含む角度センサと、光強度受光部PD1、光強度受光部PD2、光強度受光部PD3を含む位置センサと、演算手段である演算装置3のCPU4c、回転直動変換機構とを含む。回転直動変換機構は、ねじ軸25と、ねじ軸25の外周面に内周面が螺合するナット26と、ねじ軸25の軸方向の移動を案内する直動案内機構24と、を備える。そして、光学スケール11は、ねじ軸25の回転及び直線運動に応じて、回転及び直線運動する。
As described above, the optical encoder 2 according to the third embodiment includes the
光学スケール11は、面内における偏光子の偏光方向が一方向を向いている。演算装置3のCPU4cは、前述した位置センサの光強度受光部PD1、光強度受光部PD2、光強度受光部PD3が検出する光強度I1、I2、I3から、光学スケール11における前述した距離Dを演算する。そして、演算装置3のCPU4cは、距離Dに基づいて、前述した角度センサで検出する第1分離光の光強度PI(−)と、第2分離光の光強度PI(+)と、から光学スケール11と光学センサユニット31Cの角度センサとの相対的な移動量を演算して、光学スケール11の絶対角度を演算することができる。
In the
なお、光学スケール11は、図1に示す光学スケール11Aのように面法線が回転により変化するように傾斜していてもよい。この場合、CPU4cは、上述したパラメータ方位角φ、傾斜角度(天頂角)θの値に基づいて、O’(0,0,D)が0°以上180°未満の領域にあると演算する場合、CPU4cは、上述した偏光角度βを絶対角度として演算することができる。例えば、パラメータ方位角φ及び傾斜角度(天頂角)θの値を記憶手段である内部記憶装置4fのデータベースに照会し、O’(0,0,D)が0°以上180°未満の領域にあることを導くことができる。
In addition, the
また、CPU4cは、パラメータ方位角φ、傾斜角度(天頂角)θの値に基づいて、O’(0,0,D)が0°以上180°未満の領域にない(O’(0,0,D)が演算180°以上360°未満の領域にある)と演算する場合、CPU4cは、上述した偏光角度β+180°を絶対角度として演算することができる。例えば、CPU4cは、パラメータ方位角φ及び傾斜角度(天頂角)θの値を記憶手段である内部記憶装置4fのデータベースに照会し、O’(0,0,D)が180°以上360°未満の領域にあることを導くことができる。
Further, the CPU 4c is not in a region where O ′ (0, 0, D) is 0 ° or more and less than 180 ° based on the values of the parameter azimuth angle φ and the inclination angle (zenith angle) θ (O ′ (0, 0). , D) is in a region where the calculation is 180 ° or more and less than 360 °), the CPU 4c can calculate the above-described polarization angle β + 180 ° as an absolute angle. For example, the CPU 4c inquires the value of the parameter azimuth angle φ and the inclination angle (zenith angle) θ in the database of the
(実施形態4)
図25は、実施形態4に係る角度センサを説明するための説明図である。図26−1は、実施形態4に係る偏光層付第1受光部及び偏光層付第2受光部を説明するための説明図である。なお、上述した実施形態1と同じ部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
(Embodiment 4)
FIG. 25 is an explanatory diagram for explaining an angle sensor according to the fourth embodiment. FIG. 26A is an explanatory diagram for explaining the first light receiving unit with a polarizing layer and the second light receiving unit with a polarizing layer according to the fourth embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same member as
図25に示す角度センサユニット31BBは、角度センサ35がそれぞれ、図26−1に示す偏光層付第1受光部36Aと、偏光層付第2受光部36Bとを含む。偏光層付第1受光部36Aは、電極基部36KAと、第1受光部36aと、を含み、第1の偏光方向の光強度を検出することができる。第1受光部36aは、上述した入射光を第1の偏光方向に分離する第1偏光層39aを備えており、この第1偏光層39aで分離した第1分離光を受光する。
In the angle sensor unit 31BB shown in FIG. 25, each of the
偏光層付第2受光部36Bは、電極基部36KBと、第2受光部36bと、を含み、第2の偏光方向の光強度を検出することができる。第2受光部36bは、上述した入射光を第2の偏光方向に分離する第2偏光層39bを備えており、この第2偏光層39bで分離した第2分離光を受光する。そして、図26−1に示すように、第1受光部36aと第2受光部36bとは、互いに一定距離を隔てて噛み合う櫛歯状に形成されている。なお、電極基部36KA、電極基部36KBは、Au等の導電体で構成され、第1受光部36a及び第2受光部36bにそれぞれ通電可能としている。電極基部36KA及び電極基部36KBが遮光体である場合、ノイズをより抑制することができる。
The second light receiving part with
(変形例)
図26−2は、実施形態4に係る偏光層付第1受光部及び偏光層付第2受光部の変形例を説明するための説明図である。角度センサ35は、偏光層付第1受光部36Aと、偏光層付第2受光部36Bとを含む。偏光層付第1受光部36Aは、電極基部36KAと、電極基部36KAと接続するセンサ基部36Kaと、第1受光部36aと、を含み、第1の偏光方向の光強度を検出することができる。第1受光部36aは、上述した入射光を第1の偏光方向に分離する第1偏光層39aを備えており、この第1偏光層39aで分離した第1分離光を受光する。
(Modification)
FIG. 26B is an explanatory diagram for explaining a modification of the first light receiving unit with a polarizing layer and the second light receiving unit with a polarizing layer according to the fourth embodiment. The
偏光層付第2受光部36Bは、電極基部36KBと、電極基部36KBと接続するセンサ基部36Kbと、第2受光部36bと、を含み、第2の偏光方向の光強度を検出することができる。第2受光部36bは、上述した入射光を第2の偏光方向に分離する第2偏光層39bを備えており、この第2偏光層39bで分離した第2分離光を受光する。そして、図26−2に示すように、第1受光部36aと第2受光部36bとは、互いに一定距離を隔てて噛み合う櫛歯状に形成されている。なお、電極基部36KA、電極基部36KBは、Au等の導電体で構成され、第1受光部36a及び第2受光部36bにそれぞれ通電可能としている。
The second light receiving part with
図27−1、図27−2及び図27−3は、実施形態4に係る角度センサの偏光成分の分離を説明するための説明図である。図27−1のように、角度センサ35のセンシング範囲の信号トラックT1では、光源光71を光学スケール11により偏光方向Pmに偏光された入射光が入射する。図27−1において、センシング範囲には、異物D1及び異物D2がある。入射光の偏光方向Pmは、上述した第1の偏光方向の成分の光強度PI(−)と、第2の偏光方向の成分の光強度PI(+)と、で表現することができる。第1の偏光方向と、第2の偏光方向とは、90°異なる方向であることが好ましく、基準方向に対して例えば+45°成分と−45°成分のようになっている。
FIGS. 27-1, 27-2, and 27-3 are explanatory diagrams for explaining the separation of polarization components of the angle sensor according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 27A, incident light obtained by polarizing the light source light 71 in the polarization direction Pm by the
図27−2に示すように、偏光層付第1受光部36Aは、入射光を第1の偏光方向に分離する第1偏光層を介して検知するため、第1の偏光方向の成分の光強度PI(−)を検知する。図27−3に示すように、偏光層付第2受光部36Bは、入射光を第2の偏光方向に分離する第2偏光層を介して検知するため、第2の偏光方向の成分の光強度PI(+)を検知する。
As shown in FIG. 27-2, the first
上述した演算装置3は、角度センサ35の検出信号である、第1の偏光方向の成分の光強度PI(−)と、第2の偏光方向の成分の光強度PI(+)とを取得する。そして、演算装置3は、上述した式(1)に従って、第1の偏光方向の成分の光強度PI(−)及び第2の偏光方向の成分の光強度PI(+)から差動信号Vを演算する。
The arithmetic device 3 described above acquires the light intensity PI (−) of the first polarization direction component and the light intensity PI (+) of the second polarization direction component, which are detection signals of the
図27−4は、実施形態4に係る角度センサの検出光量の変動低減を説明するための説明図である。図27−4に示すように、異物D3が、センシング範囲の一部を遮蔽したとしても、第1受光部36aと第2受光部36bとは、同程度に遮蔽される確率が高まり、どちらか一方が極端に信号強度を下げてしまう可能性を低減することができる。このため、異物D3により入射光の光強度が減じられても、光学式エンコーダ2は、異物D3に対して影響を低減した状態で、偏光方向Pmの変化を差動信号Vで検出することができる。
FIG. 27-4 is an explanatory diagram for explaining a reduction in variation in the detected light amount of the angle sensor according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 27-4, even if the foreign matter D3 shields a part of the sensing range, the probability that the first
(光学センサの製造方法)
図28は、実施形態4に係る光学センサの製造工程を説明するためのフローチャートである。図29−1から図29−6は、実施形態4に係る光学センサの製造工程を説明するための説明図である。なお、図29−1から図29−6は、図26−1のG−G断面の製造過程を説明するための部分断面図である。図26−1、図28、図29−1から図29−6を参照して、光学センサの製造工程を説明する。
(Optical sensor manufacturing method)
FIG. 28 is a flowchart for explaining a manufacturing process of the optical sensor according to the fourth embodiment. FIGS. 29-1 to 29-6 are explanatory diagrams for explaining a manufacturing process of the optical sensor according to the fourth embodiment. FIGS. 29-1 to 29-6 are partial cross-sectional views for explaining the manufacturing process of the GG cross section of FIG. 26-1. The optical sensor manufacturing process will be described with reference to FIGS. 26-1, 28, and 29-1 to 29-6.
図28に示すように、まず、製造装置は、図29−1に示すn型のシリコン基板34を準備する(ステップS11)。次に、製造装置は、シリコン基板34に対して、B又はIn等の元素をドープするドープ工程を行う(ステップS12)。図29−2に示すように、シリコン基板34には、P型半導体の受光部37が形成される。
As shown in FIG. 28, first, the manufacturing apparatus prepares an n-
次に、図28に示すように、製造装置は、図26−1に示すような櫛歯状のパターニングとなるように、シリコン基板34に対してフォトレジストでマスクし、エッチングを行うエッチング工程を行う(ステップS13)。エッチングは、物理的エッチングであっても、化学的エッチングであってもよい。または、ステップS13の製造装置は、図26−1に示すような櫛歯状のパターニングとなるように、シリコン基板34に対してナノインプリントで形成したレジストパターンでマスクし、エッチングを行うエッチング工程を行ってもよい。図29−3に示すように、シリコン基板34の表面には、エッチングにより凹部38aが形成される。これにより、図26−1に示す偏光層付第1受光部36Aと、偏光層付第2受光部36Bとは分離される。
Next, as shown in FIG. 28, the manufacturing apparatus performs an etching process in which etching is performed by masking the
次に、図28に示すように、製造装置は、スパッタリング処理により、凹部38aをアルミナ等の絶縁体で覆う絶縁工程を行う(ステップS14)。これにより、図29−4に示すように、図29−3に示すシリコン基板34の凹部38aが絶縁体38bで埋められる。絶縁工程において、受光部37が露出するように、表面を平坦化することがより好ましい。
Next, as shown in FIG. 28, the manufacturing apparatus performs an insulating process of covering the
次に、図28に示すように、製造装置は、図26−1に示す第1受光部36aとなる位置に第1偏光層39aを形成する第1の偏光層形成工程を行う(ステップS15)。第1偏光層39aは、光誘起の偏光層、または金属細線を平行に配列したワイヤーグリットパターン等で形成することができる。これにより、図29−5に示すように、一つおきの受光部37上に第1偏光層39aが形成される。
Next, as illustrated in FIG. 28, the manufacturing apparatus performs a first polarizing layer forming step of forming the first
次に、図28に示すように、製造装置は、図26−1に示す第2受光部36bとなる位置に第2偏光層39bを形成する第2の偏光層形成工程を行う(ステップS16)。第2偏光層39bは、光誘起の偏光層、または金属細線を平行に配列したワイヤーグリットパターン等で形成することができる。これにより、図29−6に示すように、一つおきの受光部37上に第2偏光層39bが形成される。そして、図26−1に示す電極基部36KA、電極基部36KBが、Au等の導電体で形成され、第1受光部36a及び第2受光部36bにそれぞれ通電可能となるようにする。
Next, as illustrated in FIG. 28, the manufacturing apparatus performs a second polarizing layer forming step of forming the second
図29−6に示す、角度センサ35は、第1受光部36aと第2受光部36bとは、互いに一定距離を隔てて噛み合う櫛歯状に形成されている。そして、第1受光部36aは、入射光を第1の偏光方向に分離する第1偏光層39aを備えており、この第1偏光層39aで分離した第1分離光をPN接合で形成されたフォトダイオードで受光することができる。また、第2受光部36bは、上述した入射光を第2の偏光方向に分離する第2偏光層39bを備えており、この第2偏光層39bで分離した第2分離光をPN接合で形成されたフォトダイオードで受光することができる。なお、受光は、PN接合で形成されたフォトダイオードに限られず、フォトトランジスタ等を用いてもよい。
In the
以上説明した角度センサ35は、入射光を第1分離光と第2分離光とに偏光分離する。その結果、演算装置3は、第1の偏光方向と第2の偏光方向とに分離された各偏光成分の信号強度から、反射光72又は透過光73の偏光角度を演算することができる。角度センサユニット31BBは、角度センサ35を複数備えて冗長化し、CPU4cがそれぞれの角度センサ35に基づく偏光角度を演算し、平均値をとることで、異物D1、D2の影響を低減することができる。また、偏光層付第1受光部36Aと偏光層付第2受光部36Bとは、異物D3により同程度に遮蔽されてどちらか一方が極端に信号強度を下げてしまう可能性を低減することができる。このため、異物D3により入射光の光強度が減じられても、角度センサ35は、異物D3に対して影響を低減した状態で、透過光73又は反射光72の偏光方向の変化を検出することができる。また、光源41に分布が存在する場合でも偏光層付第1受光部36Aと偏光層付第2受光部36Bとが櫛歯状であれば、光源41の分布に対して影響を低減した状態で、偏光方向の変化を検出することができる。また、第1の偏光方向と第2の偏光方向とは、相対的に90°異なる方向であることがより好ましい。これにより、演算装置3は、偏光角度βの演算を容易とすることができる。
The
(実施形態5)
図30は、実施形態5に係る電動パワーステアリング装置の構成図である。なお、上述したものと同じ部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。本実施形態では、上述した光学式エンコーダ2をトルクセンサ91aの回転検出手段として用いられている。
(Embodiment 5)
FIG. 30 is a configuration diagram of an electric power steering apparatus according to the fifth embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same member as what was mentioned above, and the overlapping description is abbreviate | omitted. In the present embodiment, the above-described optical encoder 2 is used as the rotation detection means of the
電動パワーステアリング装置80は、操舵者から与えられる力が伝達する順に、ステアリングホイール81と、ステアリングシャフト82と、操舵力アシスト機構83と、ユニバーサルジョイント84と、ロアシャフト85と、ユニバーサルジョイント86と、ピニオンシャフト87と、ステアリングギヤ88と、タイロッド89とを備える。また、電動パワーステアリング装置80は、ECU(Electronic Control Unit)90と、トルクセンサ91aと、車速センサ91vとを備える。なお、上述した演算装置3は、ECU90として機能してもよく、またECU90とは別に設けられていてもよい。
The electric
ステアリングシャフト82は、入力軸82aと、出力軸82bとを含む。入力軸82aは、一方の端部がステアリングホイール81に連結され、他方の端部がトルクセンサ91aを介して操舵力アシスト機構83に連結される。出力軸82bは、一方の端部が操舵力アシスト機構83に連結され、他方の端部がユニバーサルジョイント84に連結される。本実施形態では、入力軸82a及び出力軸82bは、鉄等の磁性材料から形成される。
The steering
ロアシャフト85は、一方の端部がユニバーサルジョイント84に連結され、他方の端部がユニバーサルジョイント86に連結される。ピニオンシャフト87は、一方の端部がユニバーサルジョイント86に連結され、他方の端部がステアリングギヤ88に連結される。
The
ステアリングギヤ88は、ピニオン88aと、ラック88bとを含む。ピニオン88aは、ピニオンシャフト87に連結される。ラック88bは、ピニオン88aに噛み合う。ステアリングギヤ88は、ラックアンドピニオン形式として構成される。ステアリングギヤ88は、ピニオン88aに伝達された回転運動をラック88bで直進運動に変換する。タイロッド89は、ラック88bに連結される。
操舵力アシスト機構83は、減速装置92と、ブラシレスモータ101とを含む。減速装置92は、出力軸82bに連結される。ブラシレスモータ101は、減速装置92に連結され、かつ、補助操舵トルクを発生させる電動機である。なお、電動パワーステアリング装置80は、ステアリングシャフト82と、トルクセンサ91aと、減速装置92とによりステアリングコラムが構成されている。ブラシレスモータ101は、ステアリングコラムの出力軸82bに補助操舵トルクを与える。すなわち、本実施形態の電動パワーステアリング装置80は、コラムアシスト方式である。
Steering force assist
トルクセンサ91aの回転角度検出には、上述した実施形態で説明した光学式エンコーダ2を用いることができる。トルクセンサ91aは、ステアリングホイール81を介して入力軸82aに伝達された運転者の操舵力を操舵トルクとして検出する。車速センサ91vは、電動パワーステアリング装置80が搭載される車両の走行速度を検出する。ECU90は、ブラシレスモータ101と、トルクセンサ91aと、車速センサ91vと電気的に接続される。ブラシレスモータ101は、ブラシ付きモータでもよく、回転電動機であればよい。
The optical encoder 2 described in the above-described embodiment can be used to detect the rotation angle of the
ECU90は、ブラシレスモータ101の動作を制御する。また、ECU90は、トルクセンサ91a及び車速センサ91vのそれぞれから信号を取得する。すなわち、ECU90は、トルクセンサ91aから操舵トルクTを取得し、かつ、車速センサ91vから車両の走行速度Vbを取得する。ECU90は、イグニッションスイッチ98がオンの状態で、電源装置(例えば車載のバッテリ)99から電力が供給される。ECU90は、操舵トルクTと走行速度Vbとに基づいてアシスト指令の補助操舵指令値を演算する。そして、ECU90は、その演算された補助操舵指令値に基づいてブラシレスモータ101へ供給する電力値Xを調節する。ECU90は、ブラシレスモータ101から誘起電圧の情報を動作情報Yとして取得する。
The
ステアリングホイール81に入力された操舵者(運転者)の操舵力は、入力軸82aを介して操舵力アシスト機構83の減速装置92に伝わる。この時に、ECU90は、入力軸82aに入力された操舵トルクTをトルクセンサ91aから取得し、かつ、走行速度Vbを車速センサ91vから取得する。そして、ECU90は、ブラシレスモータ101の動作を制御する。ブラシレスモータ101が作り出した補助操舵トルクは、減速装置92に伝えられる。
The steering force of the driver (driver) input to the
出力軸82bを介して出力された操舵トルク(補助操舵トルクを含む)は、ユニバーサルジョイント84を介してロアシャフト85に伝達され、さらにユニバーサルジョイント86を介してピニオンシャフト87に伝達される。ピニオンシャフト87に伝達された操舵力は、ステアリングギヤ88を介してタイロッド89に伝達され、操舵輪を転舵させる。
The steering torque (including auxiliary steering torque) output via the
上述したように、電動パワーステアリング装置80は、上述したトルクセンサ91aの第1回転軸と第2回転軸とをステアリングシャフト82に取り付けて、操舵トルクを検出することができる。
As described above, the electric
この構成により、上述した光学センサユニット31は、異物に対して影響を低減した状態で、透過光又は反射光の偏光方向の変化を検出することができる。これにより、電動パワーステアリング装置の信頼性を高めることができる。
With this configuration, the
1 エンコーダユニット
2 光学式エンコーダ
3 演算装置
4c CPU
5 制御部
10、10A、10B、10C ロータ
11 光学スケール
20A ハウジング
21 軸受部
22 回転部
22a スリット
23 移動部
24、24A、24B、24C 直動案内機構
24Ca 棒状部材
25 ねじ軸
26 ナット
29 シャフト
30、30a、30b ユニット基板
31、31C 光学センサユニット
31A 位置センサ
31B 角度センサ
31BB 角度センサユニット
34 シリコン基板
35 角度センサ
71 光源光
72 反射光
73 透過光
80 電動パワーステアリング装置
g 金属細線
PD1、PD2、PD3、PDx(+)、PDx(−)、PDy(+)、PDy(−) 光強度受光部
DESCRIPTION OF
5
Claims (5)
面内における偏光子の偏光方向が一方向を向いている光学スケールと、
伝達された回転力により前記光学スケールを回転させ、かつ前記回転に連動する前記光学スケールの直線運動を伝達する回転直動変換機構と、
前記光源の光源光が前記光学スケールに透過又は反射して入射する入射光を第1の偏光方向に分離する第1偏光層と、前記第1偏光層で分離した第1分離光を受光する偏光層付第1受光部と、前記入射光を第2の偏光方向に分離する第2偏光層と、前記第2偏光層で分離した第2分離光を受光する偏光層付第2受光部と、を含む角度センサと、
前記光源の光源光が前記光学スケールに反射して入射する入射光を受光する3つ以上の光強度受光部を含む位置センサと、
前記位置センサの光強度受光部が検出する光強度から、前記光学スケールにおける前記光源の光源光が照射される最短位置を演算し、かつ前記第1分離光の光強度と、前記第2分離光の光強度と、から前記光学スケールと前記角度センサとの相対的な移動量を演算して、前記最短位置及び前記相対的な移動量に基づいて前記光学スケールの絶対角度を演算する演算手段と、
を含むことを特徴とする光学式エンコーダ。 A light source;
An optical scale in which the polarization direction of the polarizer in the plane faces one direction;
A rotation / linear motion conversion mechanism for rotating the optical scale by the transmitted rotational force and transmitting a linear motion of the optical scale interlocking with the rotation;
Light source light of the light source is transmitted through or reflected by the optical scale, and incident light incident thereon is separated in a first polarization direction, and polarized light is received by the first separated light separated by the first polarization layer. A first light receiving unit with a layer, a second polarizing layer that separates the incident light in a second polarization direction, a second light receiving unit with a polarizing layer that receives the second separated light separated by the second polarizing layer, An angle sensor including:
A position sensor including three or more light intensity light receiving parts that receive incident light reflected from the light source and reflected by the optical scale;
From the light intensity detected by the light intensity receiving unit of the position sensor, the shortest position of the light source irradiated with the light source light of the light source is calculated, and the light intensity of the first separated light and the second separated light are calculated. A calculating means for calculating a relative movement amount between the optical scale and the angle sensor from the light intensity of the light, and calculating an absolute angle of the optical scale based on the shortest position and the relative movement amount; ,
An optical encoder comprising:
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