JPH05215571A

JPH05215571A - ロータリエンコーダ

Info

Publication number: JPH05215571A
Application number: JP6548392A
Authority: JP
Inventors: Masato Hara; 正人原
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1992-02-05
Filing date: 1992-02-05
Publication date: 1993-08-24

Abstract

(57)【要約】【目的】ロータリエンコーダを薄型化するとともに、
応答周波数を低下させることなく、検出誤差を小さくす
る。【構成】主スリット円板１２は、回転軸１１を中心と
する円周上に全周にわたっけ形成された主スリット格子
１３を有する。副スリット円板１４は、主スリット円板
１２に平行に設けられ、主スリット格子１３に対向する
位置に副スリット格子１９を有する。副スリット格子１
９は第１および第２のスリット１５、１６から成る。主
スリット円板１２の上に、環状の照明機構２１を設け、
副スリット円板１４の下に第１および第２の蛍光性光フ
ァイバ３１、３２を設ける。蛍光性光ファイバ３１、３
２はその側面に、それぞれ受光部３３、３４を有する。
受光部３３、３４は回転軸１１を中心とする円周上に全
周にわたって延びる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は回転体の回転角度位置等
を検出するロータリエンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来ロータリエンコーダとして、例えば
特開昭５４−３６７５５号公報、特開昭５５−５２９１
１号公報、実開昭５８−７４１１６号公報、および実開
昭５８−１７７８２５号公報に記載されたものが知られ
ている。これらのロータリエンコーダは、回転軸を中心
とする円周上に全周にわたり等ピッチで複数のスリット
部が形成され、回転自在なスリット円板を有しており、
スリット部を通過した光を、光ファイバを介して検出す
るように構成されている。光ファイバは、スリット円板
に対してその端部を対向させて配置され、光ファイバの
他端部には受光素子が設けられる。また従来、ロータリ
エンコーダとして、スリット円板が回転軸に対し偏心し
て取り付けられた場合に発生する検出誤差を除去するた
め、発光素子と受光素子から成る一対の光検出機構を設
け、これらの光検出機構を回転軸に関して対称に配置し
た構成が知られている。

【０００３】一方、スリット円板に形成された複数のス
リット部には、スリットのピッチ、幅および傾斜角度
等、種々の位置誤差があり、このためロータリエンコー
ダの検出信号に誤差が発生することが知られている。そ
こで従来、このようなスリット部の製作誤差による影響
を減少させるため、スリット円板に平行かつ同軸的に副
スリット円板を設け、この副スリット円板の一部に複数
のスリット部を並べて形成したものが提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前者のロータリエンコ
ーダでは、光ファイバは、その端面から光を入射させる
必要があるため、スリット板の面に対して垂直に設けら
れている。このためスリット板の近傍には、光ファイバ
を設けるために所定のスペースが必要であり、したがっ
て、ロータリエンコーダを充分に薄型化できないという
問題点があった。また後者のロータリエンコーダにあっ
ては、受光素子の大きさに限界があるため、スリット部
の数を充分に大きくすることができず、このためロータ
リエンコーダの検出誤差の減少には限界がある。一方、
受光素子は面積が大きくなると接合容量が増大し、応答
周波数が極めて低くなってしまうので、スリット円板の
全周を覆うような大きな受光素子を設けることは実際的
ではない。本発明は、これらの問題を一挙に解決するこ
とを目的としてなされたものであり、すなわち、ロータ
エンコーダを薄型化するとともに、応答周波数を低下さ
せることなく、検出誤差をさらに小さくすることを目的
としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係るロータリエ
ンコーダは、回転自在に設けられ、回転軸を中心とする
円周上に全周にわたって主スリット格子が形成された主
スリット板と、上記主スリット格子に対向させて、上記
回転軸を中心とする円周上に全周にわたって副スリット
格子が形成された副スリット板と、上記回転軸を中心と
する円周上に全周にわたって、上記主スリット格子およ
び副スリット格子を通過するように光を照射する手段
と、上記回転軸を中心とする円周上に全周にわたって延
び、上記主スリット格子および副スリット格子を通過し
た光を受光する受光部が側面に形成され、上記光が入射
された時蛍光を発して伝達させる光ファイバ手段と、こ
の光ファイバ手段により伝達された蛍光を検出する手段
とを備えたことを特徴としている。

【０００６】

【実施例】以下図示実施例により本発明を説明する。図
１〜図３は本発明の第１実施例を示すものである。

【０００７】図１において、本ロータリエンコーダは図
示しない回転体の回転角度位置等を検出するように構成
されており、回転軸１１はこの回転体に一体的に連結さ
れている。主スリット円板１２は回転軸１１の端部に固
着され、回転軸１１とともに回転する。主スリット円板
１２には、回転軸１１を中心とする円周上に全周にわた
って主スリット格子１３が形成される。主スリット格子
１３は、等ピッチで形成された複数のスリット部１３ａ
から成る。

【０００８】副スリット円板１４は、主スリット円板１
２と平行かつ同軸的に設けられる。副スリット円板１４
は、図示しないエンコーダハウジングに一体的に固定さ
れ、回転はしない。副スリット円板１４には、主スリッ
ト円板１２の主スリット格子１３に対向させて、回転軸
１１の軸線を中心とする円周上に全周にわたって、第１
および第２のスリット１５、１６から成る副スリット格
子１９が形成される。第１のスリット１５は、第２のス
リット１６の外周側に設けられる。

【０００９】図２は、主スリット円板１２の主スリット
格子１３と副スリット円板１４の第１および第２のスリ
ット１５、１６を示すものである。主スリット格子１３
は、全周にわたって等間隔に設けられた複数のスリット
部１３ａから成る。第１のスリット１５は、全周にわた
って等間隔に設けられた複数のスリット部１５ａから成
り、第２のスリット１６も同様に、全周にわたって等間
隔に設けられた複数のスリット部１６ａから成る。主ス
リット格子１３、第１および第２のスリット１５、１６
の各ピッチＰは相互に等しいが、第１および第２のスリ
ット１５、１６のピッチＰの位相は相互に１／４ピッチ
だけずれている。また、主スリット格子１３のスリット
部１３ａは、主スリット円板１２の径方向に関し、第１
のスリット１５の外周端部から第２のスリット１６の内
周端部まで延びる。すなわち主スリット格子１３の径方
向長さは、第１および第２のスリット１５、１６を合わ
せた径方向長さに略等しい。

【００１０】図１において、主スリット円板１２の上方
には、照明機構２１が設けられる。照明機構２１は、回
転軸１１を中心とする環状のハウジング２２を有し、こ
のハウジング２２の中には、多数の発光素子２３が設け
られる。各発光素子２３は隣接するものに対して接触し
ており、ハウジング２２の全周にわたって実質的に連続
して設けられている。また発光素子２３は、主スリット
円板１２の主スリット格子１３に対向しており、主スリ
ット円板１２に対して光を照射する。

【００１１】副スリット円板１４の下方には、この円板
１４に平行に、第１および第２の蛍光性光ファイバ３
１、３２が配設される。第１および第２の蛍光性光ファ
イバ３１、３２は、副スリット円板１４の円周縁部に沿
って延びる受光部３３、３４をそれぞれ有し、受光部３
３、３４は蛍光性光ファイバ３１、３２の側面に形成さ
れる。受光部３３は第１のスリット１５に対向し、受光
部３４は第２のスリット１６に対向する。すなわち受光
部３３、３４は同心円状に設けられ、受光部３３は受光
部３４の外周側に位置する。第１および第２の蛍光性光
ファイバ３１、３２の受光部３３、３４が設けられない
部分は、遮光膜３５、３６によって被覆されている。

【００１２】したがって、照明機構２１の各発光素子２
３から照射された光は、主スリット格子１３と第１およ
び第２のスリット１５、１６を通過し、第１および第２
の蛍光性光ファイバ３１、３２の受光部３３、３４に入
射する。第１および第２の蛍光性光ファイバ３１、３２
は、光が入射された時、蛍光を発してこれを伝達させ
る。第１および第２の蛍光性光ファイバ３１、３２の一
方の端部には、その内部を伝達してきた蛍光を検出する
受光素子３７、３８がそれぞれ設けられる。

【００１３】図３は、第１の蛍光性光ファイバ３１の先
端部の縦断面を示す。蛍光性光ファイバ３１は、上述し
たように、受光部３３を除いて遮光膜により被覆されて
おり、先端面には反射板４２が装着される。反射板４２
は、反射率の高い金属等から成形された円板状部材であ
り、蛍光性光ファイバ３１に密着する面は鏡面である。

【００１４】蛍光性光ファイバ３１は、例えばガラスま
たは樹脂等により構成される円筒状のクラッド４３と、
このクラッド４３の内部に設けられ、例えばガラスまた
は樹脂等により構成される円柱状のコア４４とを有す
る。コア４４には、蛍光物質４５が均一に混入されてお
り、蛍光物質４５は、クラッド４３を透過して入射され
る光を吸収して蛍光を発する。コア４４の屈折率はクラ
ッド４３の屈折率よりも大きく定められている。したが
って蛍光は、クラッド４３の内面および反射板４２の内
面において反射して、蛍光性光ファイバ３１内を伝達さ
れ、受光素子３７によって検出される。第２の蛍光性光
ファイバ３２についても、内部構造および作用は第１の
蛍光性光ファイバ３１と同様である。

【００１５】次に、本実施例装置の作用を説明する。発
光素子２３から照射された光は、主スリット円板１２の
主スリット格子１３を通過し、副スリット円板１４の第
１および第２のスリット格子１５、１６を通る。第１の
スリット１５を通過した光は、第１の蛍光性光ファイバ
３１の受光部３３に照射され、第２のスリット１６を通
過した光は、第２の蛍光性光ファイバ３２の受光部３４
に照射される。受光部３３、３４に照射された光は、ク
ラッド４３を透過してコア４４に入射される。この光
は、コア４４内において蛍光物質４５に吸収され、これ
により蛍光物質４５は蛍光を発生する。この蛍光は、ク
ラッド４３の内面で反射され、蛍光性光ファイバ３１、
３２の両端面の方向に伝達される。

【００１６】受光素子３７、３８は、第１および第２の
蛍光性光ファイバ３１、３２の一方の端面において、こ
れらの蛍光性光ファイバ３１、３２内を伝達されてきた
蛍光を検出する。受光素子３７、３８により検出される
信号の強度は、蛍光物質４５が均一に混入されているた
め、蛍光性光ファイバ３１、３２の受光部３３、３４に
入射する入射光の強度に比例する。

【００１７】なお、第１および第２の蛍光性光ファイバ
３１、３２の他方の端面には、反射板４２の反射面、す
なわち鏡面が設けられているので、この端面に伝達され
た蛍光も反射されて、受光素子３７、３８側に伝達され
る。したがって受光素子３７、３８では、一端面が鏡面
でない場合の略２倍の強度の信号が検出される。

【００１８】第１の蛍光性光ファイバ３１に形成された
受光部３３は、円に沿って連続的に延びており、第１の
蛍光性光ファイバ３１に接続された受光素子３７は、こ
の受光部３３に入射した光量の和に比例した蛍光を検出
する。同様に、第２の蛍光性光ファイバ３２に接続され
た受光素子３８は、受光部３４に入射した光量の和に比
例した蛍光を検出する。すなわち第１のスリット１５を
通遇した光は、加算回路を用いることなく受光素子３７
によって検出され、また第２のスリット１６を通過した
光も、加算回路を用いることなく受光素子３８によって
検出される。

【００１９】回転軸１１と主スリット円板１２が相互に
偏心していると、この偏心によって、副スリット格子１
９の回転中心を挟んで反対側に位置する２つの部分を通
過した光信号に誤差が生じ、これらの誤差は図４に実線
Ｓと破線Ｂで示すように、相互に１８０度ずれた位相を
有する。しかしこれらの光に対応した信号は、上述した
ように第１および第２の蛍光性光ファイバ３１、３２の
内部において積算されるので、受光素子３７、３８によ
り得られる信号の誤差は、実線Ｃで示すように完全に除
去される。

【００２０】第１および第２の蛍光性光ファイバ３１、
３２への入射光の強度は、主スリット円板１２の回転に
伴って主スリット格子１３と第１および第２のスリット
１５、１６との一致度が変化するので、周期的に変化す
る。この変化状態は、略正弦波状であるため、発生する
蛍光も略正弦波状に変化する。したがって、受光素子３
７、３８は回転軸１１および主スリット円板１２の回転
に対応して略正弦波状の信号を出力する。また、第１の
スリット１５と第２のスリット１６は相互に１／４ピッ
チだけ異なる位相を有するため、受光素子３７、３８か
ら出力される信号は９０度の位相差を持っている。この
ような受光素子３７、３８からの出力信号を検出するこ
とにより、従来公知のように、回転体すなわち回転軸１
１の回転角度位置等の情報が得られる。

【００２１】以上のように本実施例において、第１およ
び第２の蛍光性光ファイバ３１、３２は、副スリット円
板１４に平行に設けられている。すなわち、蛍光性光フ
ァイバ３１、３２は副スリット円板１４に対して垂直方
向に延びるものではない。したがって副スリット板１４
の近傍において、蛍光性光ファイバ３１、３２を設ける
ためのスペースが従来よりも大幅に小さくなり、これに
より、ロータリエンコーダの厚さが削減される。

【００２２】また本実施例において、副スリット格子１
９の第１のスリット１５と第１の蛍光性光ファイバ３１
の受光部３３とは、回転軸１１の軸線を中心とする円の
全周にわたって設けられている。また第２のスリット１
６と第２の蛍光性光ファイバ３２の受光部３４も同様
に、回転軸１１の軸線を中心とする円の全周にわたって
設けられている。したがって、第１のスリット１５の全
周を通過した光信号は、第１の蛍光性光ファイバ３１内
において蛍光に変換されるとともに積算され、受光素子
３７によって検出される。また第２のスリット１６の全
周を通過した光信号は、第２の蛍光性光ファイバ３２内
において蛍光に変換されるとともに積算され、受光素子
３８によって検出される。このため、主スリット円板１
２の主スリット格子１３等が製作誤差を有していても、
スリットの位置誤差は全周を平均するとゼロになるた
め、受光素子３７、３８により検出される信号は、この
位置誤差による影響が完全に除去されたものとなる。

【００２３】このように光信号を全周にわたって積分す
ることは、主スリット円板１２の主スリット格子の偏心
による影響を除去するために１８０度対向した位置にそ
れぞれ光信号検出部を配設した構成と、同様な効果も奏
し、さらに加えて、１周期における光信号の振幅変動の
影響をも除去することができる。次に、これを詳細に説
明する。

【００２４】スリット円板の回転中心に対して点対称な
１８０度離れた位置に２つの検出部を設けると、これら
の検出部の出力は、それぞれｙ_１＝ｅ・ｓｉｎ（ωｔ＋φ）＋Ｅ・・・（１）ｙ_２＝ｅ・ｓｉｎ（ωｔ−φ）＋Ｅ・・・（２）で示される。なお、ｅは光信号の振幅、ωは角周波数、
ｔは時間、φは位相差（すなわち円形に配列されたスリ
ットの円中心と回転軸１１の中心との間の偏心量に対応
した回転角度誤差、図５を参照）、Ｅはバイアスであ
る。

【００２５】これらの２つの信号の和を取ると、ｙ_１＋ｙ_２＝２ｅ・ｃｏｓφ・ｓｉｎωｔ＋２Ｅ・・・（３）となる。すなわちｓｉｎωｔの項には位相差が含まれて
おらず、この式から、２つの検出部の出力信号の和を取
ることにより、偏心による位相差の影響が除去されるこ
とが理解される。しかし一方、ｓｉｎωｔの正弦波の振
幅すなわち２ｅ・ｃｏｓφは、スリット円板の回転によ
ってφが変化するため、変動する。この振幅は、図５に
示すように、円形に配列されたスリットの円中心Ｃ１と
回転軸１１の中心Ｃ２との間の偏心量をε、スリットピ
ッチをＰ、偏心角をθとすると、２ｅ・ｃｏｓφ＝２ｅ・ｃｏｓ（２πεｃｏｓθ／Ｐ）・・・（４）となり、偏心角θと同じ周期で変化する。

【００２６】本実施例では、受光部３３、３４が全周に
わたって設けられているため、検出部の出力、すなわち
受光素子３７、３８の検出信号は、（１）式において、
偏心角θに関して０から２πまで積分したものである。
すなわち、受光素子３７、３８の検出信号は、Ｙ＝ｅ’・ｓｉｎωｔ＋Ｅ’ ・・・（５）の形で表され、偏心の影響、および偏心による振動振幅
の影響がそれぞれ除去された出力が得られる。

【００２７】また本実施例では、上述したように、各受
光素子３７、３８は、演算回路を設けることなく検出信
号を得ることができる。したがって、回路の種々の調整
が不要となり、回路構成が簡単になるとともに、配線が
短くなってノイズの影響が減少する。

【００２８】なお本実施例では、副スリット格子１９は
副スリット円板１４に形成されているが、円板以外の形
状を有する板部材に形成してもよい。

【００２９】さらに、本実施例では第１および第２のス
リット１５、１６は相互に１／４ピッチだけ異なる位相
を有して円周方向に配置されているが、第１のスリット
１５に対して２／４ピッチだけ異なる位相を有する第３
のスリットと、第１のスリット１５に対して３／４ピッ
チだけ異なる位相を有する第４のスリットとをさらに設
けてもよい。これにより、相互に９０度ずつ位相差を持
つ４つの正弦波出力を得ることが可能であり、出力信号
の取扱いが容易になる。

【００３０】また本実施例では、蛍光性光ファイバ３
１、３２の外周面は、受光部３３、３４を除いて、遮光
膜３５、３６により被覆されているため、この被覆され
た部分および受光素子３７、３８をロータリエンコーダ
のハウジングの外部に設置することも可能である。な
お、受光素子３７、３８、および蛍光性光ファイバ３
１、３２がロータリエンコーダ内に設置される場合に
は、遮光膜を設けなくてもよいことはもちろんである。

【００３１】図６は蛍光性光ファイバの他の例を示すも
のである。第１および第２の蛍光性光ファイバ５１、５
２はそれぞれ、第１および第２のスリット１５、１６
（図１）の径方向長さよりも細く、これらの光ファイバ
５１、５２に形成された受光部５３、５４はそれぞれ、
コイル状に複数巻きにされて第１および第２のスリット
１５、１６に対向している。

【００３２】したがって、受光部５３、５４のスリット
１５、１６との対向する部分の面積が、図１の構成より
も大きくなり、この結果、蛍光性光ファイバ５３、５４
への光信号の入射効率が向上する。また、１つのスリッ
トについて複数（図６では３つ）の光信号が検出される
ため、これらの検出信号の平均をとることにより、スリ
ットの製作誤差に基づく検出信号の精度の低下が防止さ
れる。

【００３３】以上のように上記各実施例では、受光素子
３７、３８として検出部の面積が小さいものを用いるこ
とができるので、高い応答周波数を有するロータリエン
コーダが得られる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ロータエ
ンコーダを薄型化するとともに、応答周波数を低下させ
ることなく、検出誤差をさらに小さくすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す斜視図である。

【図２】図１の実施例における主スリット格子と副スリ
ット格子を示す部分的な斜視図である。

【図３】蛍光性光ファイバの縦断面図である。

【図４】回転軸と主スリット円板が相互に偏心している
ために生じる検出信号の誤差変動を示す図である。

【図５】位相差φ、偏心量εおよび偏心角θの関係を示
す図である。

【図６】蛍光性光ファイバの他の例を示す平面図であ
る。

【符号の説明】

１１回転軸１２主スリット円板１３主スリット格子１４副スリット円板１９副スリット格子２３発光素子３１、３２、５１、５２蛍光性光ファイバ３３、３４、５３、５４受光部３７、３８受光素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転自在に設けられ、回転軸を中心とす
る円周上に全周にわたって主スリット格子が形成された
主スリット板と、上記主スリット格子に対向させて、上
記回転軸を中心とする円周上に全周にわたって副スリッ
ト格子が形成された副スリット板と、上記回転軸を中心
とする円周上に全周にわたって、上記主スリット格子お
よび副スリット格子を通過するように光を照射する手段
と、上記回転軸を中心とする円周上に全周にわたって延
び、上記主スリット格子および副スリット格子を通過し
た光を受光する受光部が側面に形成され、上記光が入射
された時蛍光を発して伝達させる光ファイバ手段と、こ
の光ファイバ手段により伝達された蛍光を検出する手段
とを備えたことを特徴とするロータリエンコーダ。
【請求項２】上記副スリット格子が、異なる円周上に
位置し相互に異なる位相を有する第１および第２のスリ
ットを有し、上記光ファイバ手段が、上記第１のスリッ
トに対向する受光部を有する第１の蛍光性光ファイバ
と、上記第２のスリットに対向する受光部を有する第２
の蛍光性光ファイバとを有することを特徴とする請求項
１のロータリエンコーダ。
【請求項３】上記受光部が、コイル状に複数巻きにさ
れて上記副スリット格子に対向する蛍光性光ファイバの
側面に形成されることを特徴とする請求項１のロータリ
エンコーダ。