JP6579698B2 - ロータリーエンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、例えばモータの回転角や回転速度を検出するために用いられるロータリーエンコーダに関するものである。

例えば光学式のロータリーエンコーダは、回転軸に嵌合されるスケールの外周部に形成された所定のパターンを有するトラック部に対して光を照射し、そのトラック部を通過する光又はトラック部で反射される光を検出して回転角度等を検出するものである。

ところで、アブソリュート形のロータリーエンコーダには、Ｕ相トラック、Ｖ相トラック、Ｗ相トラックの３つのトラックがスケール上において半径方向にずらして形成されているトラック部を備えたものがある（特許文献１参照）。

図１０に示されるように各トラックに対してそれぞれに対応させてＵ相光検出器、Ｖ相光検出器、Ｗ相光検出器が半径方向にずらして一列に配置される。各光検出器の半径方向の設置間隔は例えば０．３ｍｍ以下に設定されることがある。この場合、各光検出器が対応しない隣接するトラックを通過した光の影響を受けないようにして回転角の検出精度を担保しようとすると、各光検出器に対する対応する各トラックの半径方向の位置決め精度は±０．１ｍｍ程度の高い精度が必要となる。このため、スケールに対して複数の光検出器からなる光検出機構を取り付けるのは非常に困難となり、このような構成のアブソリュート形のロータリーエンコーダは大量生産には向いてない。

特開２０００−１８０２１３号公報

各光検出器の半径方向の設置間隔を大きくすることにより、各トラックに対する各光検出器の位置ずれの許容度を大きくすることはできる。しかしながら、このようにすると各光検出器全体の半径方向の設置幅も大きくなってしまうので、例えば１つのＬＥＤ光源で３つの光検出器に対応するエリアに対して光を照射しようとすると必要となるレンズ径も大きくなってしまう等といったコストアップを招く別の問題が生じてしまう。

このように従来の３つのトラックを有したアブソリュート形のロータリーエンコーダでは製造容易性とコストを両立させることが難しい。

本発明は上述したような問題を一挙に解決するためになされたものであり、複数の光検出器について半径方向の設置間隔を大きくしてトラック部に対する位置ずれの許容度を高めつつ、各光検出器の半径方向の設置幅は従来と同等にすることができ、製造コストを抑えることができるロータリーエンコーダを提供することを目的とする。

すなわち、本発明のロータリーエンコーダは、回転軸と同軸となるように設けられるスケールと、前記スケール上において前記回転軸を中心として円周方向に所定のパターンが形成されたトラック部と、前記トラック部が円周方向に通過する所定のエリアへ光を射出する光源と、前記トラック部を通過した光、又は、前記トラック部で反射された光を検出する光検出機構と、を備え、前記トラック部が、前記回転軸を中心として所定半径上に形成された第１トラックと、前記第１トラックとは異なる半径で当該第１トラックと同心円状に形成された第２トラックと、を少なくとも具備し、前記第１トラックが、前記エリアを通過する間、前記光検出機構によって光が継続して検出される第１領域と、前記エリアを通過する間、前記光検出機構によって前記第１領域よりも少ない量の光が継続して検出される、又は、前記光検出機構によって光が継続して検出されない第２領域と、前記エリアを通過する間、前記光検出機構によって光が不連続に検出される第３領域と、を備え、前記第３領域がスリットにより形成されていることを特徴とする。

ここで、「前記トラック部を通過した光」とは、例えばスケールに形成されたスリットや開口を通った光だけでなく、透明な樹脂やガラスで形成されたスケールの内部を透過した光を含む概念である。

このようなものであれば、前記第１トラックを構成する３つの領域によって３つの異なる状態を前記光検出機構が検出することができ、前記第２トラックによって２つの異なる状態を検出することができるので、組み合わせで６状態を検出することができる。

したがって、２つのトラックによって所定回転角度範囲に対して６つの固有の状態を割り当ててＵＶＷ信号を生成することが可能となる。

さらに、ＵＶＷ信号を生成するために２つのトラックしか必要ないので、前記光検出機構の半径方向の設置幅が予め制限されていたとしても、従来のように３つのトラックが必要だった場合と比較して各トラックに対応する光検出器の半径方向の設置間隔を大きくとることができる。

このため、前記光検出機構に対する前記スケールの位置ずれの許容度を大きくすることができ、製造性をよくすることができ、大量生産しやすい。また、各トラックに対応する各光検出器の設置範囲は従来と比較してほとんど同じにすることができ、光源で必要となるレンズ等の部材の大型化も招かず、生産コストの上昇も抑えることができる。

このように本発明のロータリーエンコーダであれば、製造性と生産コストを両立させることが可能となる。

また、前記第３領域がスリットにより形成されているので当該第３領域が前記エリアを通過する際にのみ前記光検出機構からはパルス状又はHigh Lowが繰り返される信号が出力されることになる。一方、前記第１領域及び前記第２領域が前記エリアを通過する際には前記光検出機構からの出力はそれぞれ異なる値で一定となる。したがって、各領域が前記エリアを通過する際に前記光検出機構から出力される波形は全く異なるものになるので、振幅や周波数等を加味しなくてもデジタル的に検知しやすい。このため、３状態について誤検出が発生しにくく、正確に回転角を検出することも可能となる。

第１トラックのみで前記光検出機構により３状態を明確に検出できるようにするには、前記第１トラックを円周方向に沿って視た場合において、前記第１領域、前記第３領域、前記第２領域、前記第３領域、前記第１領域の順番で形成されていればよい。

前記第１トラックに形成されている前記第３領域の検出において前記第２トラックによる干渉が生じにくくでき、所定の検出精度を有するＵＶＷ信号を生成できるようにするには、前記第２トラックが、前記エリアを通過する間、前記光検出機構によって光が継続して検出される第４領域と、前記エリアを通過する間、前記光検出機構によって前記第４領域よりも少ない量の光が継続して検出される、又は、前記光検出機構によって光が継続して検出されない第５領域と、を備えたものであればよい。

簡単な論理演算のみで前記第３領域が前記エリアを通過しているかどうかを明確に判別できるようにするには、前記光検出機構が、前記第１トラックを通過した光、又は、前記第１トラックで反射された光を検出する第１光検出部と、前記第２トラックを通過した光、又は、前記第２トラックで反射された光を検出する第２光検出部と、を具備し、前記第１光検出部が、円周方向に並べて設けられたＡ相光検出器、Ｂ相光検出器、及び、Ｃ相光検出器を少なくとも具備し、前記第２光検出部が、Ｚ相光検出器を具備するものであればよい。例えば、前記Ａ相光検出器、前記Ｂ相光検出器、前記Ｃ相光検出器の円周方向の幅寸法が前記スリットの円周方向の幅とほぼ同じ大きさであれば、前記第３領域が前記エリアを通過している間はいずれかの光検出器では出力がほとんどなくなる。一方、第１領域又は第２領域が前記エリアを通過している間は全ての光検出器の出力は同じになる。したがって、論理和や否定論理和を取るだけで、前記第３領域が前記エリアを現在通過しているかどうかを判別する事が可能となる。

前記第３領域が前記エリアを通過していることを検出する際に、誤判定が生じにくくなり、出力信号にノイズが発生しにくくするには、前記第１光検出部が、前記Ａ相光検出器、前記Ｂ相光検出器、及び、前記Ｃ相光検出器がこの順で円周方向に隣接して設けられた主光検出部と、前記主光検出部に対して半径方向にずらして設けられ、前記主光検出器の円周方向の両端まで延びるＸ相光検出器と、をさらに備え、前記Ａ相光検出器の出力信号と、前記Ｘ相光検出器の出力信号を比較し、その大小関係に基づいてＡ相信号を生成するＡ相信号出力回路と、前記Ｂ相光検出器の出力信号と、前記Ｘ相光検出器の出力信号を比較し、その大小関係に基づいてＢ相信号を生成するＢ相信号出力回路と、前記Ｃ相光検出器の出力信号と、前記Ｘ相光検出器の出力信号を比較し、その大小関係に基づいてＣ相信号を生成するＣ相信号出力回路と、をさらに備えたものであればよい。

前記第２トラックから信号を得る場合についても前記第１トラックからの干渉が生じにくく、外乱光の影響も受けにくくするには、前記第２光検出部が、前記Ｚ相光検出器の円周方向の両側にそれぞれ設けられたｚ相光検出器をさらに備え、前記Ｚ相光検出器の出力信号と、前記ｚ相光検出器の出力信号をと比較し、その大小関係に基づいてＺ相信号を生成するＺ相信号出力回路と、をさらに備えたものであればよい。

前記光検出機構から出力される各種信号から回転角度に対応したＵＶＷ信号を簡単な構成で出力できるようにするには、前記Ａ相信号、前記Ｂ相信号、前記Ｃ相信号、前記Ｚ相信号からＵＶＷ信号へ変換して出力するＵＶＷ信号出力回路をさらに備え、前記ＵＶＷ信号出力回路が、前記Ａ相信号、前記Ｂ相信号、前記Ｃ相信号を入力とするＯＲゲート又はＮＯＲゲートを有するものであればよい。

このように本発明のロータリーエンコーダであれば、前記第１トラックが、スリットで形成された第３領域を含む３つの領域を有しているので、前記第１トラックだけで回転角度に応じて３つの状態を検出する事が可能である。さらに前記第２トラックでも少なくとも２状態を検出できるので、回転角度に対して６状態を割り当てることができ、ＵＶＷ信号を精度よく生成する事が可能となる。さらに６状態を検出するために２つのトラックしか設ける必要がないので、各トラックに対応する光検出器の半径方向の設置間隔を十分に大きく取ることが容易であり、前記スケールと前記光検出機構の半径方向に対する位置ずれの許容度も大きくすることができる。これらのことから製造容易性と製造コストを両立させたロータリーエンコーダとすることが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るロータリーエンコーダを示す模式的斜視図。 第１実施形態におけるスケールに形成されたトラック部を示す模式図。 第１実施形態における光検出機構の構成を示す模式図。 第１実施形態における半入光領域での各光検出器からのアナログ出力を示す模式図。 第１実施形態における信号処理回路の構成を示す模式的回路図。 第１実施形態における光検出機構のアナログ出力、及び、各信号処理回路からが出力されるデジタル信号を示す模式的グラフ。 第１実施形態における出力されるＵＶＷ信号と回転角度との関係示す模式的グラフ。 本発明の第２実施形態に係るロータリーエンコーダの光検出機構の構成及び出力される各種信号について示した模式図。 第２実施形態における信号処理回路の構成を示す模式的回路図。 従来のアブソリュート形のロータリーエンコーダにおける光検出機構の構成を示す模式図。

本発明の第１実施形態に係るロータリーエンコーダ１００について各図を参照しながら説明する。

図１に示すロータリーエンコーダ１００は、ＵＶＷ信号を出力可能に構成したアブソリュート形のものである。このロータリーエンコーダ１００は、例えば小型電気機器等に用いられるモータにおいてモータの回転角や回転速度を検出し、それらの制御のためのフィードバックループを構成するために用いられる。

前記ロータリーエンコーダ１００は、透過型のものであり、モータの回転軸ＡＸに取り付けられるスケール１と、前記スケール１の外周部に設けられる光源２及び光検出機構３と、前記光検出機構３から出力される信号を処理する信号処理回路ＳＣと、を備えたものである。

各部について詳述する。

前記スケール１は、前記モータの回転軸ＡＸと同軸となるように設けらるものであり、前記回転軸ＡＸが嵌合される嵌合穴が中央に形成された薄型円板である。図２（ａ）に示すように前記スケール１の外周部には前記回転軸ＡＸ及び前記嵌合穴を中心として円周方向に所定のパターンを形成したトラック部Ｔが設けてある。前記トラック部Ｔは、扇状の開口部分、扇状の閉口部分、複数のスリットＳＬにより格子状に形成された部分を有する。例えば開口部分及びスリットＳＬは円板に打ち抜き加工を施して形成してもよいし、金型を用いた樹脂射出成型により形成してもよい。

図２（ａ）に示されるように前記トラック部Ｔは、前記スケール１において内周側に配置された第１トラックＴ１と、外周側に配置された第２トラックＴ２とから構成してある。図２（ａ）及び図２（ｂ）から分かるように前記トラック部Ｔに形成してあるパターンは回転角９０度を１周期として４回繰り返して形成してある。

前記第１トラックＴ１は、３つの形状の異なる領域である全入光領域Ｒ１、全遮光領域Ｒ２、半入光領域Ｒ３から構成してある。

前記全入光領域Ｒ１は、請求項における第１領域に相当するものであり、中心角が３０度の扇状をなす開口領域である。前記光源２が光を照射しているエリアを当該全入光領域Ｒ１が通過する間は、前記光源２から射出された光が前記全入光領域Ｒ１を滞りなく通過し、前記光検出機構３によって光が継続して検出されるように構成してある。

前記全遮光領域Ｒ２は、請求項における第２領域に相当するものであり、前記全入光領域Ｒ１と同じく中心角が３０度の扇形板状をなす閉口領域である。当該全遮光領域Ｒ２が前記エリアを通過している間は前記光源２から前記光検出機構３へは光がほとんど到達しないように構成してある。すなわち、前記全遮光領域Ｒ２が前記エリアを通過している間は前記光検出機構３からの出力は全く無い状態が継続される。

前記半入光領域Ｒ３は、請求項における第３領域に相当するものであり、中心角が１５度の扇形の領域に複数のスリットＳＬを等間隔で円周方向に継続して形成したものである。第１実施形態では前記半入光領域Ｒ３を構成するスリットＳＬの格子部分と開口部分の円周方向の幅は略同じ幅にしてある。したがって、前記全入光領域Ｒ１と比較して通過できる光の量は概略半分程度となる。また、前記半入光領域Ｒ３が前記エリアを通過している間には、前記光検出機構３では明状態と暗状態が交互に検出される。言い換えると、前記半入光領域Ｒ３が前記エリアを通過している間においては前記光検出機構３からの出力はHighとLowが交互に繰り返される不連続な状態が継続することになる。

前記第２トラックＴ２は、２つの形状の異なる領域である明領域Ｒ４と、暗領域Ｒ５とから構成してある。すなわち、前記第２トラックＴ２からは２状態が検出できるように構成してある。

前記明領域Ｒ４は、請求項における第４領域に相当するものであり、中心角が４５度の扇状をなす開口領域である。また、前記案領域は、請求項における第５領域に相当するものであり、中心角が４５度の扇状をなす閉口領域である。

そして、図２（ｂ）に示すように前記スケール１の回転角度で９０度に相当する領域が６つに分割されたＩ〜ＶＩの角度領域がそれぞれ固有の状態として検出されるように前記第１トラックＴ１及び前記第２トラックＴ２の各領域は配置してある。すなわち、Ｉ〜ＶＩの角度領域は図２（ｂ）の表に示すように前記光検出機構３に対する光の入射状態の組み合わせが重複しないように設定してある。

そして、前記第１トラックＴ１全体を円周方向に沿って見た場合、前記全入光領域Ｒ１又は前記全遮光領域Ｒ２の両隣は必ず前記半入光領域Ｒ３を配置してある。言い換えると、円周方向に沿って前記第１トラックＴ１を見た場合、前記全入光領域Ｒ１、前記半入光領域Ｒ３、前記全遮光領域Ｒ２、前記半入光領域Ｒ３、前記全入光領域Ｒ１の順番で周期的に各領域が配置してある。

前記光源２及び光検出機構３は、前記スケール１のトラック部Ｔの表裏を挟むように対向させて設けてある。すなわち、前記光源２は前記トラック部Ｔが通過する所定の領域である前記エリアに光を照射するように設けてある。

前記光検出機構３は、前記光源２から射出され前記トラック部Ｔを通過した光を検出するように前記光源２に対して前記スケール１を挟んで対向させて配置してある。この光検出機構３は、複数の光検出器からなり、各光検出器は図３に示すように配置してある。

すなわち前記光検出機構３は、前記第１トラックＴ１と対向するように設けてある第１光検出部３１と、前記第２トラックＴ２と対向するように設けてある第２光検出部３２とを備えたものである。前記第１光検出部３１は前記第１トラックＴ１を通過した光によって信号を出力するものであり、前記第２光検出部３２は前記第２トラックＴ２を通過した光によって信号を出力するものである。

前記第１光検出部３１は、Ａ相光検出器ＤＡ、Ｂ相光検出器ＤＢ、及び、Ｃ相光検出器ＤＣがこの順で円周方向に隣接して設けられた主光検出部と、前記主光検出部に対して半径方向外側に隣接して設けられたＸ相光検出器ＤＸとから構成してある。各光検出器は例えばフォトダイオード（ＰＤ）である。これらは１つのフォトダイオードの受光領域を分割してそれぞれ別々の信号として取り出すものであってもよいし、別々のフォトダイオードをそれぞれ設けてもよい。

図４に示すように前記Ａ相光検出器ＤＡ、前記Ｂ相光検出器ＤＢ、前記Ｃ相光検出器ＤＣはそれぞれ、円周方向の幅をそれぞれ同じにしてあるとともに、各光検出器の円周方向の幅の和が前記半入光領域Ｒ３に形成されているスリットＳＬの円周方向の幅に対してほぼ２倍程度となるように設定してある。また、前記Ａ相光検出器ＤＡ、前記Ｂ相光検出器ＤＢ、前記Ｃ相光検出器ＤＣの半径方向の幅はそれぞれ同じ長さにしてあり、受光面積が等しくなるようにしてある。このように各光検出器が設けられているので、前記半入光領域Ｒ３が前記エリアを通過している間には図４のグラフのように所定の位相差を保ちながら各アナログ出力が表れることになる。

前記Ｘ相光検出器ＤＸは、図３及び図４に示すように前記主光検出部の円周方向の両端まで円周方向に沿って帯状に設けてある。言い換えると、前記Ｘ相光検出器ＤＸの円周方向の幅は、前記Ａ相光検出器ＤＡ、前記Ｂ相光検出器ＤＢ、前記Ｃ相光検出器ＤＣの円周方向の幅の和と等しくしてある。このように前記Ｘ相光検出器ＤＸは構成してあるので、前記半入光領域Ｒ３が前記エリアを通過している間でも常に一部で前記トラック部Ｔを通過した光を受光できる。また、Ｘ相光検出器ＤＸの受光面積は、前記Ａ相光検出器ＤＡ、前記Ｂ相光検出器ＤＢ、前記Ｃ相光検出器ＤＣのいずれよりも小さくしてある。

前記第２光検出部３２は、図３に示すように前記第１光検出部３１に対して半径方向に所定離間させて設けてあり、中央部のＺ相光検出器ＤＺと、前記Ｚ相光検出器ＤＺの円周方向の両端にそれぞれＺ相光検出器ＤＺを設けてある。前記Ｚ相光検出器ＤＺの形状及び受光面積は前記Ａ相光検出器ＤＡ、前記Ｂ相光検出器ＤＢ、前記Ｃ相光検出器ＤＣとほぼ同じにしてある。前記Ｚ相光検出器ＤＺはそれぞれ前記Ｚ相光検出器ＤＺの円周方向の幅の半分程度の大きさを備えたものである。

図５に示される前記信号処理回路ＳＣは、前記光検出機構３から出力される各アナログ信号に基づきディスクの回転角度と一対一に対応するＵＶＷ信号を生成して出力するものである。

より具体的には前記信号処理回路ＳＣは、図５に示すようにＡ相信号出力回路４Ａ、Ｂ相信号出力回路４Ｂ、Ｃ相信号出力回路４Ｃ、Ｚ相信号出力回路４Ｚ、ＵＶＷ信号出力回路５からなる。

前記Ａ相信号出力回路４Ａ、前記Ｂ相信号出力回路４Ｂ、前記Ｃ相信号出力回路４Ｃは、それぞれ前記Ａ相光検出器ＤＡ、前記Ｂ相光検出器ＤＢ、前記Ｃ相光検出器ＤＣの出力信号と、前記Ｘ相光検出器ＤＸの出力信号を比較し、その大小関係に基づいてデジタルのＡ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号を生成する。第１実施形態では前記Ａ相信号出力回路４Ａ、前記Ｂ相信号出力回路４Ｂ、前記Ｃ相信号出力回路４Ｃは、前記Ｘ相光検出の出力電圧をスレッショルド電圧として前記Ａ相光検出器ＤＡ、前記Ｂ相光検出器ＤＢ、前記Ｃ相光検出器ＤＣのアナログ出力信号をHigh又はLowいずれかを示すデジタル信号に変換して出力するように構成してある。

ここで、前記第１光検出部３１に対して前記第１トラックＴ１の各領域が通過していく際にどのようなＡ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号が各信号出力回路から出力されているかについて図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）を参照しながら説明する。

図６（ａ）に示すように前記第１光検出部３１に対して前記全遮光領域Ｒ２、前記半入光領域Ｒ３、前記全入光領域Ｒ１がこの順番で通過している場合を考える。図６（ｂ）に各光検出器から出力されるアナログ信号の変化を示す。

前記全遮光領域Ｒ２が前記第１光検出部３１を通過している間は、各光検出器には光が到達しないので各光検出器からはゼロ値が継続して出力され続ける。

前記半入光領域Ｒ３が前記第１光検出部３１を通過している間は前記Ａ相光検出器ＤＡ、前記Ｂ相光検出器ＤＢ、前記Ｃ相光検出器ＤＣからは所定の電圧値とゼロ値が交互に出力される。したがって、前記半入光領域Ｒ３では前記Ａ相光検出器ＤＡ、前記Ｂ相光検出器ＤＢ、前記Ｃ相光検出器ＤＣからは不連続な出力が周期的に繰り返される。一方、前記Ｘ相光検出器ＤＸは前記半入光領域Ｒ３が直上を通過している間は必ず一部分で光を受光するので他の光検出器の最大出力に対して半分程度の一定出力を継続する。

前記全入光領域Ｒ１が前記第１光検出部３１を通過している間は、各光検出器に光が到達するので各光検出器からは最大電圧値の出力が継続して継続される。ここで、前記Ｘ相光検出器ＤＸは他の光検出器と比較して受光面積が小さいので出力される最大電圧値は他の光検出器の最大電圧値よりも小さい。

前記Ａ相光検出器ＤＡ、前記Ｂ相光検出器ＤＢ、前記Ｃ相光検出器ＤＣから図６（ｂ）に示されるようなアナログ出力がされるので、前記Ａ相信号出力回路４Ａ、前記Ｂ相信号出力回路４Ｂ、前記Ｃ相信号出力回路４Ｃから出力されるデジタル信号であるＡ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号は図６（ｃ）のようになる。図６（ｃ）から分かるように前記全遮光領域Ｒ２では、Ａ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号が全てLowを示し、前記全入光領域Ｒ１ではＡ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号が全てHighを示す。また、前記半入光領域Ｒ３ではＡ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号はLowとHighを交互に出力する。ここで、前記半入光領域Ｒ３ではＡ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号のある時点において全てがLow又はHighのいずれか一方で揃うことがないように構成してある。

なお、前記Ｚ相信号出力回路４Ｚは、前記各ｚ相光検出器Ｄｚの出力電圧の和をスレッショルド電圧として前記Ｚ相光検出器ＤＺのアナログ出力信号をHigh又はLowいずれかを示すデジタル信号に変換して出力するように構成してある。

前記ＵＶＷ信号出力回路５は、前記Ａ相信号、前記Ｂ相信号、前記Ｃ相信号、前記Ｚ相信号からＵＶＷ信号へ変換して出力するものである。より具体的には前記ＵＶＷ信号出力回路５は、前記Ａ相信号、前記Ｂ相信号、前記Ｃ相信号について論理演算により前記第１トラックＴ１を構成する前記全入光領域Ｒ１、前記全遮光領域Ｒ２、前記半入光領域Ｒ３のいずれが前記第１光検出部３１によって検出されているかを判定する。この判定は、前記Ａ相信号、前記Ｂ相信号、前記Ｃ相信号の３つを入力とするＮＯＲゲートにより行われる。第１実施形態では各信号をそのまま第１ＮＯＲゲート５１に入力した結果と、各信号をインバータに通した後、第２ＮＯＲゲート５２に入力した結果を用いている。例えば前記第１光検出部３１において前記全入光領域Ｒ１が検出されている場合は、第１ＮＯＲゲート５１と第２ＮＯＲゲート５２の出力はそれぞれLowとHighになる。また前記第１光検出部３１において前記全遮光領域Ｒ２が検出されている場合には、第１ＮＯＲゲート５１と第２ＮＯＲゲート５２の出力はそれぞれHighとLowになる。一方、前記第１光検出部３１が前記半入光領域Ｒ３を検出している場合には、Ａ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号のいずれかは出力が異なっているので、第１ＮＯＲゲート５１と第２ＮＯＲゲート５２の出力はそれぞれLowとLowになる。したがって、各信号の論理和と、各信号を否定した上で演算した論理和の組み合わせにより前記第１トラックＴ１の３つの領域を区別して検出でき、３状態を明確に検出することができる。この際、各光検出器から出力されるアナログ信号の振幅等を考慮する必要がないので判定精度を高くしやすい。

さらに前記ＵＶＷ信号出力回路５は、２つのＮＯＲゲートの出力と、前記Ｚ相信号との論理演算を行うことでＵＶＷ信号を生成する。より具体的には、Ｕ相信号はＺ相信号をそのまま使用している。Ｖ相信号、Ｗ相信号については２つのＮＯＲゲート５１、５２の出力とＺ相信号との論理演算により生成している。この結果、図６（ｃ）に示されるようなＡ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号、Ｚ相信号から図７に示されるようなＵＶＷ信号を回転角度に対応させて生成することができる。

このように構成されたロータリーエンコーダ１００であれば、前記第１トラックＴ１が前記全入光領域Ｒ１、前記半入光領域Ｒ３、前記全遮光領域Ｒ２の３つの領域で構成されているので、１つのトラックで３つの状態を検出する事が可能となる。また、前記第２トラックＴ２は前記明領域Ｒ４と前記暗領域Ｒ５の２つの領域で構成されているので１つのトラックで２つの状態を検出できる。したがって、前記トラック部Ｔの１周期分の回転角度範囲について６つの状態を割り当て判別する事が可能となる。そして、各回転角度に対して固有の検出状態を６つ割り当てることができるので、前記信号処理回路ＳＣにより前記光検出機構３から出力されるアナログ信号からＵＶＷ信号を生成できる。

このように第１実施形態のロータリーエンコーダ１００はＵＶＷ信号を得るために２つのトラックしか必要としてないので、３つのトラックが必要であった従来技術と比較して前記第１トラックＴ１の検出を行う前記第１光検出部３１と前記第２トラックＴ２の検出を行う前記第２光検出部３２は半径方向の設置間隔を大きく設定できる。

したがって、所望の角度検出精度を保ちながら前記スケール１に対する前記光検出機構３の半径方向の位置ずれに対する許容度を大きくすることが可能となる。このため、要求される組立精度を低減でき、角度の検出精度を高く保ちながら、製造性を良くすることが可能となる。さらに、前記ロータリーエンコーダ１００自体の精度を保ちながら小型に構成する事も容易であるので、材料費等の生産コストの上昇も抑えやすい。

また、前記Ｘ相光検出器ＤＸ、又は、ｚ相光検出器Ｄｚの出力信号をスレッショルド電圧としてＡ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号、及び、Ｚ相信号を検出しているので、対象としないトラックを通過した光の干渉や、その他の外乱光の影響が判定に表れにくくできる。

加えて、前記半入光領域Ｒ３は周期的な複数のスリットＳＬにより形成されているので、不連続なパルスとして前記半入光領域Ｒ３を検出することができる。したがって、振幅や周波数等を加味しなくても前記全入光領域Ｒ１と前記全遮光領域Ｒ２とは区別して前記半入光領域Ｒ３をデジタル的に検知することができる。このため、トラック数が少なくても正確に回転角度を検出することができる。また、前記全入光領域Ｒ１と前記全遮光領域Ｒ２の間には必ず前記半入光Ｒ３が設けてあるので、図６に示されるように前記光検出機構３の出力は段階的に変化する。このため、仮に前記全入光領域Ｒ１と前記全遮光領域Ｒ２を直接隣接させた場合には、領域の切り替わり時に光検出機構３からの出力に大きなノイズが発生しやすいところを、第１実施形態の各領域の順列であればこのような問題が発生するのを防ぐことができる。

本発明の第２実施形態に係るロータリーエンコーダ１００について図８及び図９を参照しながら説明する。なお、第１実施形態と対応する部材には同じ符号を付すこととする。

第２実施形態のロータリーエンコーダ１００は第１実施形態と比較して第１光検出部３１の構成と、信号処理回路ＳＣの構成が異なっている。第１実施形態では図６（ｂ）に示されるように前記半入光領域Ｒ３にＡ相光検出器ＤＡが入った時点でのＡ相信号のデューティと、前記半入光領域Ｒ３からＣ相光検出器ＤＣが出る時点でのＣ相信号のデューティが他の中央部でのデューティと異なってしまう。これは第１実施形態の第１光検出部３１の構成では前記半入光領域Ｒ３の検出時にスレッショルド電圧が一定の値にならないことに起因している。第２実施形態のロータリーエンコーダ１００では参照用の光検出器から出力される信号をスレッショルド電圧として用いつつ、前記半入光領域Ｒ３を検出する際に常に信号交差電位がほぼ一定の値に保たれるようにしている。このようにすることで、誤検出や各種デジタル信号にノイズが乗りにくくすることを意図している。

より具体的には、第２実施形態の第１光検出部３１は、図８（ａ）に示すようにそれぞれが所定の間隔を空けて円周方向に並べて設けられたＡ相光検出器ＤＡ、Ｂ相光検出器ＤＢ、Ｃ相光検出器ＤＣからなる主光検出部と、参照用のａ相光検出器Ｄａ、ａｂ相光検出器Ｄａｂ、ｂｃ相光検出器Ｄｂｃ、ｃ相光検出器Ｄｃと、を備えている。前記Ａ相光検出器ＤＡ、前記Ｂ相光検出器ＤＢ、前記Ｃ相光検出器ＤＣの半径方向の幅は前記半入光領域Ｒ３のスリットＳＬの半径方向の幅とほぼ同じにしてある。前記Ａ相光検出器ＤＡ、前記Ｂ相光検出器ＤＢ、前記Ｃ相光検出器ＤＣの円周方向の幅は、スリットＳＬの開口部分の円周方向の幅に対して１／３程度にしてある。

前記ａ相検出器Ｄａは、円周方向に対して前記Ａ相光検出器ＤＡよりも外側に設けてある。また、前記ａｂ相光検出器Ｄａｂは、前記Ａ相光検出器ＤＡ及び前記Ｂ相光検出器ＤＢの間に設けてある。さらに、前記ｂｃ相光検出器Ｄｂｃは前記Ｂ相光検出器ＤＢ及び前記Ｃ相光検出器ＤＣの間に設けてある。加えて、前記ｃ相光検出器Ｄｃは円周方向に対して前記Ｃ相光検出器ＤＣよりも外側に設けてある。これらの参照用の光検出器は前記主光検出部を構成する各光検出器と比較して半径方向の幅が概略半分程度にしてあり、円周方向の幅については前記スリットＳＬにおける開口部分の円周方向の幅に対して１／３程度にしてある。すなわち、主光検出部を構成する光検出器とその両脇にある参照用の光検出器が固まった状態で前記スリットＳＬの開口部分に収まるように設定してある。

第２実施形態の信号処理回路ＳＣは図９に示すようにカレントミラー回路を備えており、前記ａｂ相光検出器Ｄａｂの出力はコピーされて前記Ａ相光検出器ＤＡの出力との和としてＡ相信号出力回路４Ａに入力され、前記Ａ相光検出器ＤＡの出力と比較されるようにしてある。

また、前記ａｂ相光検出器Ｄａｂの出力及び前記ｂｃ相光検出器Ｄｂｃの出力の和はＢ相信号出力回路４Ｂに入力され、前記Ｂ相光検出器ＤＢの出力と比較されるようにしてある。

前記ｂｃ相光検出器Ｄｂｃの出力もカレントミラー回路によりがコピーされて前記ｃ相光検出器Ｄｃの出力とともにＣ相信号出力回路４Ｃに入力されて、前記Ｃ相光検出器ＤＣの出力比較されるようにしてある。

このようにすることで、前記Ａ相信号出力回路４Ａ、前記Ｂ相信号出力回路４Ｂ、前記Ｃ相信号出力回路４Ｃは、図８（ｂ）に示されるように前記半入光了領域が検出される場合にはほぼ一定の信号交差電位を実現することができ、生成されるＡ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号のデューティをほぼ一定に保ち、より外乱に強く前記半入光領域Ｒ３について誤検出を発生させないようにできる。

その他実施形態について説明する。

前記各実施形態では、透過型のロータリーエンコーダについて説明したが、本発明を反射型のロータリーエンコーダとして構成しても構わない。例えば第１領域は高反射率の領域であり、第２領域はインクがベタ塗されて低反射率の領域となっており、第３領域が高反射率の部分と低反射率の部分が交互に周期的に表れてスリット状をなすものであってもよい。もちろん、前記各実施形態と同様に第３領域については開口を形成することにより複数のスリットを周期的に形成するものであってもよい。

また第３領域については複数のスリットにより異なる状態として検出されるものではなく、例えば開口部分に半透明膜を添付して第１領域、第２領域とは異なるアナログ信号が得られるようにしてもよい。この場合はアナログ信号の振幅等まで加味して第１トラックについて３つの状態を検出するようにすればよい。

前記各実施形態では、第２トラックについて２つの状態を検出できるように開口部分と閉口部分を形成していたが、例えば第３領域と同様に複数の周期的なスリットを形成し、開口部分又は閉口部分と区別できるようにしてもよい。

前記各実施形態では主検出部の近傍に参照用の光検出器をスレッショルド電圧が逐次変化するように構成して外乱の対策を行っていたが、仕様によっては参照用の検出器を設けずに予め定められた一定のスレッショルド電圧を上回っているか、下回っているかに基づいてデジタルのＡ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号を生成するようにしても構わない。加えて、前記ＵＶＷ信号出力回路においてはＮＯＲゲートではなく、ＯＲゲートを用いて前記半入光領域が前記第１光検出部を通過していることを検出するようにしてもよい。

また、前記各実施形態では前記第１トラックに対してＡ相光検出器、Ｂ相光検出器、Ｃ相光検出器の３つの光検出器を設けていたが、１つのトラックから４相以上の信号を得られるように１つのトラックに対して４つ以上の光検出器を設けてもよい。このようなものであれば、さらに検出精度を向上させることができる。

また、スケールは円板のものに限られず、例えば円筒型のものであって円筒側面に前記トラック部が形成してあってもよい。このような場合は例えば透明の樹脂で円筒体を形成しておき、前記スケールの側面に第２領域の全遮光部分、又は、第３領域のスリットを印刷等によって形成してもよい。加えて、円盤状に形成された透明樹脂製又はガラス製のスケールに対してスリットや遮光領域を印刷により形成してロータリーエンコーダを構成してもよい。

さらに、前記第１トラックにおける各領域の配列順は各実施形態に示したものに限られない。第１領域、第２領域、第３領域がこの順で循環して第１トラックが構成してあってもよい。また、トラックについては２つの物に限られず３つ以上あってもよい。３つ以上のトラックを設けるとともに、本発明のように少なくとも１トラックについて３つの状態を検出可能とすることで回転角度に対する分割数をより多くすることができる。したがって、各実施形態に記載したものや従来のものよりも分解能がさらに高いロータリーエンコーダを構成する事が可能となる。

加えて、前記第１光検出部は３つの光検出器を用いるのではなく、１つ又は２つの光検出器により第１領域、第２領域、第３領域を区別して検出するように構成してもよい。例えば、１つ又は２つの光検出器を用いている場合には、光検出器の平均出力を監視しておき、第１閾値を超える出力がある場合には第１領域内であると判別し、光検出器の出力が第１閾値より小さく、第２閾値より大きい場合には第３領域内であると判別し、光検出器の出力が第２閾値よりも小さい場合には第２領域内であると判別するようにしてもよい。

前記スケールは、モータ等の回転軸に対して直接嵌合させるものであってもよいし、回転軸に対して間接的に設けるものであってもよい。すなわち、スケールは回転軸に対して同軸となるように設けてあればよい。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の組み合わせや変形を行っても構わない。

１００・・・ロータリーエンコーダ
１ ・・・スケール
Ｔ ・・・トラック部
Ｔ１ ・・・第１トラック
Ｔ２ ・・・第２トラック
２ ・・・光源
３ ・・・光検出機構
ＤＡ ・・・Ａ相光検出器
ＤＢ ・・・Ｂ相光検出器
ＤＣ ・・・Ｃ相光検出器
ＤＸ ・・・Ｘ相光検出器
ＤＺ ・・・Ｚ相光検出器
Ｄｚ ・・・ｚ相光検出器
Ｄａ ・・・ａ相光検出器
Ｄａｂ・・・ａｂ相光検出器
Ｄｂｃ・・・ｂｃ相光検出器
Ｄｃ ・・・ｃ相光検出器
４Ａ ・・・Ａ相信号出力回路
４Ｂ ・・・Ｂ相信号出力回路
４Ｃ ・・・Ｃ相信号出力回路
４Ｚ ・・・Ｚ相信号出力回路
５ ・・・ＵＶＷ信号出力回路
５１ ・・・第１ＮＯＲゲート
５２ ・・・第２ＮＯＲゲート

Claims (6)

1. 回転軸と同軸となるように設けられるスケールと、
   前記スケール上において前記回転軸を中心として円周方向に所定のパターンが形成されたトラック部と、
   前記トラック部が円周方向に通過する所定のエリアへ光を射出する光源と、
   前記トラック部を通過した光、又は、前記トラック部で反射された光を検出する光検出機構と、を備え、
   前記トラック部が、前記回転軸を中心として所定半径上に形成された第１トラックと、前記第１トラックとは異なる半径で当該第１トラックと同心円状に形成された第２トラックと、を少なくとも具備し、
   前記第１トラックが、
   前記エリアを通過する間、前記光検出機構によって光が継続して検出される第１領域と、
   前記エリアを通過する間、前記光検出機構によって前記第１領域よりも少ない量の光が継続して検出される、又は、前記光検出機構によって光が継続して検出されない第２領域と、
   前記エリアを通過する間、前記光検出機構によって光が不連続に検出される、スリットにより形成された第３領域と、を備え、
   前記光検出機構が、
   前記第１トラックを通過した光、又は、前記第１トラックで反射された光を検出する第１光検出部と、
   前記第２トラックを通過した光、又は、前記第２トラックで反射された光を検出する第２光検出部と、を備え、
   前記第１光検出部が、
   Ａ相光検出器、Ｂ相光検出器、及びＣ相光検出器がこの順で円周方向に隣接して並べて設けられた主光検出部と、
   前記主光検出部に対して半径方向にずらして設けられ、前記主光検出部の円周方向の両端まで延びるＸ相光検出器とを備え、
   前記第２光検出部が、Ｚ相光検出器を備え、
   前記Ａ相光検出器の出力信号と、前記Ｘ相光検出器の出力信号を比較し、その大小関係に基づいてＡ相信号を生成するＡ相信号出力回路と、
   前記Ｂ相光検出器の出力信号と、前記Ｘ相光検出器の出力信号を比較し、その大小関係に基づいてＢ相信号を生成するＢ相信号出力回路と、
   前記Ｃ相光検出器の出力信号と、前記Ｘ相光検出器の出力信号を比較し、その大小関係に基づいてＣ相信号を生成するＣ相信号出力回路と、
   を備えていることを特徴とするロータリーエンコーダ。
2. 前記第１トラックを円周方向に沿って視た場合において、前記第１領域、前記第３領域、前記第２領域、前記第３領域、前記第１領域の順番で形成されている請求項１記載のロータリーエンコーダ。
3. 前記第２トラックが、
   前記エリアを通過する間、前記光検出機構によって光が継続して検出される第４領域と、
   前記エリアを通過する間、前記光検出機構によって前記第４領域よりも少ない量の光が継続して検出される、又は、前記光検出機構によって光が継続して検出されない第５領域と、を備えた請求項１又は２記載のロータリーエンコーダ。
4. 前記第２光検出部が、
   前記Ｚ相光検出器の円周方向の両側にそれぞれ設けられたｚ相光検出器をさらに備え、
   前記Ｚ相光検出器の出力信号と、前記ｚ相光検出器の出力信号とを比較し、その大小関係に基づいてＺ相信号を生成するＺ相信号出力回路と、をさらに備えた請求項１乃至３いずれかに記載のロータリーエンコーダ。
5. 前記Ａ相信号、前記Ｂ相信号、前記Ｃ相信号、前記Ｚ相信号からＵＶＷ信号へ変換して出力するＵＶＷ信号出力回路をさらに備え、
   前記ＵＶＷ信号出力回路が、前記Ａ相信号、前記Ｂ相信号、前記Ｃ相信号を入力とするＯＲゲート又はＮＯＲゲートを有する請求項４記載のロータリーエンコーダ。
6. 回転軸と同軸となるように設けられるスケールと、
   前記スケール上において前記回転軸を中心として円周方向に所定のパターンが形成されたトラック部と、
   前記トラック部が円周方向に通過する所定のエリアへ光を射出する光源と、
   前記トラック部を通過した光、又は、前記トラック部で反射された光を検出する光検出機構と、を備え、
   前記トラック部が、前記回転軸を中心として所定半径上に形成された第１トラックと、前記第１トラックとは異なる半径で当該第１トラックと同心円状に形成された第２トラックと、を少なくとも具備し、
   前記第１トラックが、
   前記エリアを通過する間、前記光検出機構によって光が継続して検出される第１領域と、
   前記エリアを通過する間、前記光検出機構によって前記第１領域よりも少ない量の光が継続して検出される、又は、前記光検出機構によって光が継続して検出されない第２領域と、
   前記エリアを通過する間、前記光検出機構によって光が不連続に検出される、スリットにより形成された第３領域と、を備え、
   前記光検出機構が、
   前記第１トラックを通過した光、又は、前記第１トラックで反射された光を検出する第１光検出部と、
   前記第２トラックを通過した光、又は、前記第２トラックで反射された光を検出する第２光検出部と、を備え、
   前記第１光検出部が、
   Ａ相光検出器、Ｂ相光検出器及びＣ相光検出器がこの順でそれぞれ円周方向に間隔をあけて並べて設けられた主光検出部と、
   円周方向に対して前記Ａ相光検出器よりも外側に設けられたａ相光検出器と、
   前記Ａ相光検出器及び前記Ｂ相光検出器の間に設けられたａｂ相光検出器と、
   前記Ｂ相光検出器及び前記Ｃ相光検出器の間に設けられたｂｃ相光検出器と、
   円周方向に対して前記Ｃ相光検出器よりも外側に設けられたｃ相光検出器とを備え、
   前記第２光検出部がＺ相光検出器を備え、
   前記Ａ相光検出器の出力信号と、前記ａ相光検出器及び前記ａｂ相光検出器の出力信号の和を比較し、その大小関係に基づいてＡ相信号を生成するＡ相信号出力回路と、
   前記Ｂ相光検出器の出力信号と、前記ａｂ相光検出器及び前記ｂｃ相光検出器の出力信号の和を比較し、その大小関係に基づいてＢ相信号を生成するＢ相信号出力回路と、
   前記Ｃ相光検出器の出力信号と、前記ｂｃ相光検出器及び前記ｃ相光検出器の出力信号の和を比較し、その大小関係に基づいてＣ相信号を生成するＣ相信号出力回路と、
   を備えていることを特徴とするロータリーエンコーダ。