JPS5941124B2 - 回転式エンコ−ダ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 、本発明はエンコーダ、さらに特定していえば閉鎖ルー
プ・ステップモータ制御システムにおいて有力な回転式
エンコーダに関するものである。

近年、エスケープおよび文字選択装置の両方にステップ
モータを使用した高速印刷機などの技術分野で、高速ス
テップモータに対する需要が増大している。ステップモ
ータを開放ループ式に制御するのは、モータが入力パル
ス列を充分正確にフオローできず、モータが作動できる
最大速度が限定されるという点で不利である。開放ルー
プ式制御では、最大効率を達成できない。これらの欠点
を克服するため、モータの位相切換えの起こる正しいロ
ータ位置を決定するために、ステップモータに対する位
置フィードパックを使用した、閉鎖ループ式ステップモ
ータ・システムが目指されている。このように、閉鎖ル
ープ式に制御されるステップモータ・システムはステッ
プモータの作動におけるより大きな速度、安定性および
効率の達成を目指して現在開始されている斗いの解決の
糸口となるものと思われる。従来のやり方では、閉鎖ル
ープ式ステップモータ制御システムに使用されるフィー
ドバック感知装置は、ステップモータの回転に比例した
パルスを与える光学装置または磁気装置である。必要な
ステップモータ・システムのフィードバックをもたらす
ために使用されている従来のエンコーダは、ステップモ
ータの軸にモータと同調回転するように取付けられたス
ロツト付きデイスクであることがある。

スロツト付きデイスクには、デイスクの片面上の光源と
他の片面上の透過光の感知によつてスロツトの有無を検
出するための光感知器からなる感知手段が付随している
。もちろん、この種のステツプモータ・システムでは光
感知器の位置が、また従つて、ステツプ位置に対する感
知パルスの調時が、ステツプモータのフイードバツク制
御の非常に重大な点である。エンコーダ・デイスクのス
ロツトは従来のものでは等間隔で配置され、モータ回転
毎のステツプ数と同じ数になつている。従つてスロツト
が光源から光感知器に向う光線中を通過する毎に、光感
知器からパルスが発せられ、ステツプモータの制御シス
テムにフイードバツクされる。この種のエンコーダを操
作する際には、感知手段は、モータのもどり止めないし
平衡位置に対して「リード・アングル」または「スイツ
チ切換えアングル」と呼ぶことのできる固定角に合わせ
て調節できる。

リード・アングルは、実際上そこで対応する位相が感知
されてスイツチが切換えられる所与のもどり止め位置よ
りどれだけ前に進んだかの度合を示す度数である。従つ
て、ステツプモータの速度は、リード・アングルに直接
関係している。スロツトまたはその他の直線状標識をも
つある種のエンコーダの場合、感知手段または感知され
る標識の位置をモータの所与のもどり止め位置に対して
調節することにより、リード・アングルをセツトできる
。

ステツプモータが一方向のみに移動する場合には感知手
段の位置をスロツトの前端に対して調節するための手段
は、比較的単純である。通常は単一の感知手段が利用で
きる。一方、ステツプモータが２方向ステツプモータ、
特に両方向で正確なリード・アングルの調節が必要とな
る高速２方向ステツプモータである場合には、リード・
アングル調節の問題は、より複雑になつてくる。閉鎖ル
ープ式フイードバツク・システムがステツプ共通１パル
ス・システムである場合、すなわちエンコーダ・デイス
クに１ステツプ当り１つしかスロツトがない場合には、
２方向閉鎖ループ・システムを最適化することも一層困
難であり、完全に正確では全くないことを指摘しておく
、後に先行技術の図面に即して詳しく説明するように、
これは各エンコーダ・スリツトをその２つの隣接するモ
ータもどり止め位置から等距離な中心の位置に置くこと
によつて実現されている。これは感知標識の幅が無視で
きるとした場合、ステツプの半分に対応する、どちらの
方向に対しても等しいリード・アングルを与える。しか
しながら、どちらかまたは両方の方向のリード・アング
ルを半ステツプ以外の値にすべき場合にはこの単一感知
手段の装置は殆んど役立たない〜 上記の問題を解決するための今日の技術における標準的
方法は、２重感知手段を使用すること、すなわちステツ
プモータの軸が一方の方向に回転するときエンコーダ・
デイスクを監視するような位置に置いた第１の感知器と
軸が逆方向に回転するときに、エンコーダ・デイスクを
監視するための第２の感知器を使用することである。

しかし、このやり方は余分な装置が必要で、単一感知手
段による監視よりもより複雑で高価である。２方向方式
で作動するリニア・ステツプモータの場合にも同様の問
題がでてくる。

従つて、２方向運動の程度を一貫して感知できるエンコ
ーダをもたらすことが本発明の第１の目的である。

本発明の第２の目的は、回転方向の如何にかかわらず、
回転の程度を感知できるように感知手段が調節できる、
回転エンコーダをもたらすことである。

本発明の第３，の目的は、移動方向の如何にかかわらず
、運動の程度またはリード・アングルを一貫して感知お
よび／またはセツトできる手段を備えた、閉鎖ループ式
２方向ステツプモータ・システムをもたらすことである
。

本発明の第４の目的は、ステツプモータの回転方向の如
何にかかわらず、リード・アングルが独立に調節できる
ように、感知手段の位置を調節するための手段を備えた
、閉鎖ループ式２方向ステツプモータ・システムをもた
らすことである。

本発明の第５の目的は、運動方向の如何にかかわらず、
モータのステツピングの程度を正確に決定できる第一感
知手段を利用した、閉鎖ループ式２方向ステツプモータ
・システムをもたらすことである。本発明により、相対
的に固定した位置にある複数の標識、標識を軸の周りで
回転させる手段、および標識を感知する手段を備えた、
標準回転式工ンコーダを改良することによつて、上記の
各目的が実現される。

改良点としては、該回転軸に対して半径方向の第１エツ
ジと、該軸に対して非半径方向の第２エツジをもつ、ス
ロツトなどの標識を使用することがある。その他に、感
知手段を標識が一方の方向に回転するとき、前端となる
第１エツジに対して調節でき、標識が逆の方向に回転す
るとき、前端となる第２エツジに対して調節できるよう
に調節するための手段を備えている。このような標識の
構成では感知手段の位置を調節するための手段が、感知
手段の第２エツジに対する位置を変えるために、感知手
段を軸に対して半径方向に移動させる手段、および感知
手段の第一エツジに対する位置を変えるために、感知手
段をエンコーダの回転径路と同心の弧にそつて移動させ
る手段を含んでいると好都合である。このようにすると
、単一の感知手段を第１および第２の標識エツジに対し
て独立に調節できる。

こうして、回転式エンコーダを閉鎖ループ式２方向ステ
ツプモータ・システムに使用した場合、逆方向に対する
リード・アングル調節には影響を与えずに、リード・ア
ングルをシステムの各回転方向について、容易に調節で
きる簡単な単一感知手段がもたらされる。本発明のもう
１つの観点によれば、どちらの標識エツジも回転軸に対
して半径方向である必要はない。

この場合には、各標識エツジは、非平行でなければなら
ない。従つて、単一感知手段をステツプモータの回転方
向にかかわらず、一定のままのリード・アングルを調節
するのに、使用できる。閉鎖ループ式回転ステツプモー
タに適用できる本発明の諸原理は、閉鎖ループ式リニア
ステツプモータにも同様に適用できることは明らかであ
る。かかるリニアステツプモータでは単一感知手段を同
様に移動方向の如何にかかわらず運動の程度を感知する
ために利用できる。従来のリニアステツプモータでは、
スロツト付きデイスクの代りに、ステツプモータの直線
運動と同調して動く直線状スロツト付き帯片ないしテー
プが使用されているので、直線テープのスロツトは、本
発明のエンコーダ・デイスクの新規なスロツトと同じ構
造にすることができる。従つて、直線テープ構造では、
テープには、各々直線移動径路に対して垂直な第１エツ
ジおよび、この移動径路に対して垂直でない、できれば
第１エツジと交差する第２エツジを備えた、一連の等間
隔に配置された同一のスロツトをつける。回転デイスク
のスロツトの第１エツジが回転軸に対して半径方向であ
るので、実際上、この構造は回転デイスクのスロツトの
構造と基本的に同じである。第１図および第２図につい
て、本発明で改良を加えた装置を一般的に説明する。

２方向ステツプモータ１０（細部は示さず）は、一連の
ステツプを通じてステツプモータ軸１１を時計回りまた
は反時計回りに回転させる。

ステツプモータは、モータの位相切換えが起こる適当な
ローター位置を決定するためのモータに対する位置フイ
ードバツクを含む標準的閉鎖グループ・システム中で作
動する。エンコーダはシステムにフイードバツクされる
必要な情報を与えるが、互いに等距離の複数の同形のス
ロツト１３を含むエンコーダ・デイスク１２を含んでい
る。デイスク１２の片面上の光源１４から光が出て、ス
ロツト１３が光の経路１６中を通過し、それによつて光
が光源から光電セル１５への径路にそつて透過できるよ
うになると、光電セル１５のような光感知手段によつて
感知される。後で詳しく説明するように、光電セル１５
は、スロツト１３に対して調節するために、２方向に移
動できるように取付けられている。本発明によるエンコ
ーダの細部に立ち入る前に、先行技術で生じるいくつか
の問題について簡単に考察しておく。

第３図は、単一感知手段を利用した、従来の「ステツプ
毎１パルス」型閉鎖ループ式ステツプモータ・フイード
バツク・システムである。エンコーダ・デイスク３２に
は、複数のスロツト３３およびスロツト中を光を透過さ
せるための手段（図示せず）がついている。感知手段３
０は、光電セル３５およびすベリ溝およびピン取付け手
段３６を含み、矢印で示した横方向に調節できるように
、ステツプモータのフレーム３１に取付けられている。
デイスク３２を版付けてあるステツプモータ軸３４が一
方向、例えば時計回りの方向のみに回転する場合には、
感知手段３０は、矢印で示すようにリード・アングル調
節のためにスロツト３３の前端２７に対して横方向に移
動できる。説明の便宜上、ステツプモータ軸３４のもど
り止め位置を線３７、３７′ないし３７７で示してある
。第３図では、もどり止め位置３７は垂直位置にあり、
それに続くステツプではもどり止め位置３ｒおよび３ｒ
がステツプを進めて交互にこのもどり止めの垂直位置３
７にくるようになる。通常のステツプモータ１方向操作
において、軸３４が図示したように反時計回りに回転し
ていると仮定する。

光電セル３５はエンコーダ・デイスク中の隣り合うスロ
ツト３３と３３′の中間の位置にあり、リード・アング
ルは１／２ステツプとなる。モータがもどり止め位置３
７からもどり止め位置３７′へと１ステツプだけ進むと
、スロツト３３′の前端が中間点で光電セル３５を横切
り、そこで第３図のステツプモータに対する第４図の調
時グラフのフイードバツク・パルス３８が救われる。パ
ルス３８は、もどり止め位置３７′に１／２ステツプだ
け先行する。つまり、リード・アングルは１／２ステツ
プである。このような１方向システムでは、パルス３８
のようなもどり止め位置を基準にした特定のフイードバ
ツク・パルスの位置は、ピンおよびすベリ溝支持３６を
すべらして光電セル３５の位置を横に移動させるだけで
調節できる。

しかし、従来のこの１方向システムは、第３図の装置を
２方向方式で作動する場合には、非実用的となる。ステ
ップモータ軸３６が反時計回りに回転している場合に、
例えば、リード・アングルを狭くするため光電セル３５
をスロツト３３′の方へすなわちもどり止め位置３７′
の方へ移動させた場合、光電セル３５の始めの停止位置
とスロツト３３の距離すなわちその合成もどり止め位置
はそれに比例する量だけ増大する。従つて、ステツプモ
ータ軸３４を逆転させて、時計回りに回転させる場合、
この時計回りの方向のリード・アングルは、比例して大
きくなる。従つて、第３図の装置に示した単一感知手段
では、一方の方向への回転に対するリード・アングルを
他方の方向への回転のリード・アングルに影響を与えず
に調節するのは、基本的に不可能となる。第３図の装置
で、可能な唯一の２方向操作の方式は、第３図に示すよ
うに光電セル３５を隣り合うスロツト、すなわちスロツ
ト３３と３３′のちようど中間に保つ場合である。

この位置では、リード・アングルはどちらの回転方向に
も１／２ステツプの所に固定される。しかしながら、こ
のような装置は、リード・アングルが変化できない点で
大部分のステツプモータ・システム操作には非実用的で
ある。その上、ステツプモータ・システムの運転仕様の
違いを補償するためにリード・アングルを僅かに調整す
ることもできない。従って、１方向ステツプモータ・シ
ステムにおいて、先行技術では第５図に示すような一対
の感知手段を利用している。

ステツプモータのフレーム３１に取付けた感知手段は、
それぞれ第３図に示した感知手段と同じ構造をもち、光
電セル４１ないし５１および、横方向調節のためのすベ
リ溝およびピン手段４６ないし５６をもつ一対の感知手
段４０および５０を含んでいる。こうして、軸３４が反
時計方向に回転しているとき、光電セル４１に作動する
。このセルは、各々スロツト３３、３３′ ３３″の前
端４２、４２／、４２″を感知する。第５図に示した当
初位置では、光電セルは、最初のもどり止め位置３７に
ありミスロッド３３の前端４２はステツプの非常に早期
に光電セル４１を横切つて、第６図の反時計回りの操作
に対する調時グラフに示すようなフイードバツク・パル
ス４３を発する。こうして、リード・アングルは、次の
もどり止め位置３７′までのステツプの大部分すなわち
約９０％となる。一方、感知手段が第５図に示す位置に
あると、ステツプモータ軸３４が時計回りに回転すると
き、スロツト３３′の前端４４′が光電セル５１を横切
つて、第６図の調時グラフに示すフイードバツク・パル
ス４５を発し、２ステツプの半分よりやや大きなリード
・アングルとなる。

第５図の装置では、光電セル４１および５１はそれぞれ
独立に各々のすベリ溝およびピン４６および５６によつ
て横方向に移動できるので、一方の方向のリード・アン
グルとは独立に調節できる。この装置は比較的精密な調
節が可能であり、ステツプモータの時計回りおよび反時
計回りの両回転方向で、任意に選んだ値の同じリード・
アングルを与える。本発明によるユニークな形のエンコ
ーダ・デイスクのスロツト構造は、２方向に調節できる
感知手段と組合せて２方向ステツプモータ閉鎖ループ制
御システムのパルス・フイードバツクをもたらす単一感
知手段を使用することを可能とするものである。感知手
段は、回転方向の如何にかかわらず、独立に様々なリー
ド・アングルを与えるように調節できる。第７図につい
て、フレーム３１中のステツプモータは、軸６０の周り
を回転して作動する。エンコーダ・デイスク６１のスロ
ツト６２は、ユニークな構造となつている。各スロツト
には、半径方向の第１エツジ６３、できればエツジ６３
と交差する、非半径方向の第２エツジ６４がついている
。感知手段６５は、第１図および第２図で述べた感知手
段と同様の構造である。ブラケツト６６は、ステツプモ
ータのフレーム６１に固定されている。ブラケツト６７
は、ブラケツト６６上にすべり溝６８とピン６９の組合
せによつて、ステツプモータ軸６０の回転軸に対して半
径方向である、矢印で示した方向にスライドできるよう
に取付けられている。同様に感知手段６５はチヤネル７
０とピン７１の組合せによつて、軸６０の回転軸と同心
の円弧中の、矢印で示した方向に移動できる。この２つ
の調節によつて、光電セル７２はリード・アングルが時
計回りおよび反時計回りの方向で独立に調節できるよう
な位置に設定することができる。まず、ステツプモータ
の反時計回りの回転に対するリード・アングルを調節す
るには溝７０およびピン７１を、ブラケツト６７に取付
けられた光電セル手段７２から、ステツパ一軸６０が反
時計回りの方向に回転するとき、エンコーダ７４の感知
スロツト７３の前端となる、エツジ６３までの距離Ｄを
選択するように移動させる。距離Ｄは、実際上は角距離
、すなわち半径方向エツジ６３と光電セル７２から軸６
０の回転軸に達する半径との間の角度である。次に時計
回りに対するリード・アングルの調節には、光電セル７
２をすベリ溝６８およびピン６９によつて光電セルから
非半径方向エツジ６４（これは時計回りの回転での前端
となる）までの距離６１が希望するリード・アングルを
与えるような光電セルの位置を選択するように移動させ
ることができる。

このセル７２の移動は半径方向なので、軸セル７２が移
動する方向の半径と半径方向エツジ６３との間の角度は
変らず、従つて先々調節した角距離Ｄも一定であること
を指摘しておく。

このようにして、それぞれ反時計回りおよび時計回りの
方向のリード・アングルを決定する距離ＤおよびＤ１は
一定のままとなる。

単一感知手段におけるこのリード・アングル調節の独立
性を第８図の調時グラフで説明する。この図でもどり止
め位置７５のある当初位置が光電セル７２と一直線にな
つていると仮定すれば距離Ｄ１だけ通過した後もどり止
めの位置７５からもどり止め位置７５′に向う時計回り
の方向のステツプを実施すると、光電セル７２はスロツ
ト７３の前端６４を横切つて、第８図のフイードバツク
・パルス７６を発する。生成されるリード・アングルは
、第８図にパルス７６から次のもどり止め位置７５′ま
でとして示されている。他方、ステツプモータ軸６０が
もどり止め位置７５からもどり止め位置７５″までのス
テツプで反時計回りの方向に回転するとき、角距離Ｄだ
け通過した後、光電セル７２をスロツト７３の前端６３
が横切る。

その結果、フイードバツク・パルスJモVが生じ、第８図
の調時グラフでパルスJモVの始めともどり止め位置７５
″の間に示されるリード・アングルとなる。大部分のプ
リンター機能では、リード・アングルは時計回りと反時
計回りの両回転方向で等しいことが望ましいので、まず
距離Ｄが希望するり一ド・アングルとなるまで、光電セ
ル７２の位置をスロツトエツジ６３に対して調節する。

次に、Ｄ１がＤと等しくなるまで、光電セル７２を半径
方向に移動させる。この配置では、装置は等しいリード
・アングルで作動する。

しかし、オペレータは装置の一方向のリード・アングル
の一時的な変化の影響を他の方向のリード・アングルは
変えずに補償するため感知手段の位置を僅かに調節する
ことができる。その上この装置は、垂直リード・スクリ
ユ一を使用し、そのため両方向のリード・アングルが異
なる必要のあるステツプモータに有利に使用することが
できる。本発明のもう１つの観点は、両方向のリード・
アングルが常に等しく、しかも変化できる構造をもたら
すものである。

スロツトが回転軸に対して半径方向のエツジをもたない
閉鎖ループ式ステツプモータ・システムにおけるフイー
ドバツクに単一感知手段が使用できる。しかし、この種
の別方式の構造では、リード・アングルは変えられるが
、時計回り方向のリード・アングルは反時計回り方向の
リード・アングルと等しい。第９図の装置で、感知スロ
ツト８０は、エツジ８１と８２の寸法が等しく、従つて
二等辺三角形の形をした構造である。すベリ溝７０とピ
ン７１による横方向ないしアーチ形の調節手段は、主と
して光電セル７２を８１および８２から・等距離の位置
に移動させるのに使用される。

これがセツトされると溝６８とピン６９によつて光電セ
ル７２を半径方向に移動させることにより、光電セル７
２と隣り合つた辺８１および８２との間の距離を、従つ
てリード・アングルを各回転方向で同じだけ変化させる
ことができる。第１０図の調時グラフは、光電セル７２
が当初の位置および次に仮想線で示した７２′の別の位
置にあるとき、ステツプモータ従つてまたエンコーダ・
デイスク６１が元のもどり止め位置８３から時計回り方
向にもどり止め位置８３′まで１ステツプだけ回転し、
次に逆方向にもどり止め位置８３から反時計回りでもど
り止め位置８３〃まで回転した場合のパルスの発生を示
したものである。前述のように、本発明の構造は、同様
に閉鎖ループ式リニア・ステツプモータにも応用できる
。

その場合には、第７図のスロツト７３は、スロツト付き
デイスクの代りにスロツト付きテープ上の直線径路に沿
つて配置される点を除けば、同じ構造である。エツジ６
３は、スロツト付きテープの移動径路に対して垂直であ
り、等間隔に配置される。スロット付きテープは、リニ
ア・ステツプモータの運動と同調して移動する。この種
の構造では、第７図の光電セル７２のような光電セルを
使用することができる。従つて垂直な光電セルのフイー
ドバツク式位置調節を実施するには、まずそれをエツジ
６３に対して調節し、次にテープの移動径路に対して垂
直な径路に沿つて、光電セルがエツジ６４から希望する
距離の所にくるまで移動させる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、感知手段がみえるように支持手段の１部を取
去つた、本発明の装置の一般化した図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 位置が相対的に固定された複数の標識と、軸回りに
   前記標識を回転させるための手段と、前記標識の回転径
   路に沿つて位置する前記標識を感知するための手段とを
   有する回転式エンコーダ装置において、複数の前記標識
   の各々は、前記軸に対し半径方向に延び且つ前記回転径
   路と交差する第１エッジ、及び前記軸に対し非半径方向
   に延び且つ前記回転径路と交差する第２エッジを有して
   おり、また前記エンコーダ装置は、前記標識が一方向に
   回転される時前縁である前記第１エッジに関し、また前
   記標識が反対方向に回転される時前縁である前記第２エ
   ッジに関し前記感知手段の位置を調節するため前記感知
   手段を移動させる手段を備えることを特徴とする回転式
   エンコーダ装置。