JPS61218914A - 光電式エンコ−ダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 この発明は、例えば、サーボモータ等に使用される光電
式エンコーダに関する。

〔前景技術〕

第３図に示したサーボモータの概略説明図に基づいて、
従来の光電式エンコーダをまず説明するモータ１は図の
矢印の向きに回転し、その回転軸１ａにスリット円板２
が取付けられている。このスリット円板２には同一円周
上に沿って多数個のスリット３が、スリット円板２を貫
通して設けられている。スリット３・・・が設けられて
いる円周上の一部に平行光束４が投射されるように光源
５（例えばフォトダイオード）が配置され、スリット円
板２の下側には、スリット３同志の間隔のおよそ半分の
スリット巾をもちスリット３同志の間隔の１／４の間を
隔てて設けられた細スリット６ａ、６ｂを備えた固定ス
リット板６が配置されている。細スリット６ａ、６ｂそ
れぞれの直下には受光素子７ａ、７ｂ（例えばフォトダ
イオード。

フォトセル）が配置されている。受光素子７ａまたは７
ｂは、スリット３のうちのひとつが、細スリット６ａま
たは６ｂと一致したときに、これらのスリットを透過し
た平行光束４を受けて動作する（オン状態になる）。ス
リット円板２が矢印の向きに回転しているときには、受
光素子７ａ、７ｂから信号を受ける波形整形回路３ａ、
９ｂは、図中に示したように約１／４周期（９０″′）
の位相差をもった信号Ａ、Ｂを出力する０回転方向が逆
のときには位相差が逆になる（上下の信号が入れ換わる
ことになる）。この位相差を変位信号発生回路９で信号
処理して正逆回転の検出を行い、さらに、パルス数をカ
ウントすることにより回転位置を検出する。もう少し具
体的に述べると、例えば、アップダウンカウンタのアッ
プダウンカウント制御を位相差の検出信号で行うように
しておけば、回転位置信号Ｃがカウンタのカウント値と
して得られる。さらに、一定時間間隔ごとのパルス信号
をカウントすることによって速度信号が得られる。　設
定信号回路１１から出力される設定信号りと先の回転位
置信号Ｃとが比較制御回路１０で比較され、これらの間
で差がなくなる方向にモータ１を回転させるように制御
信号Ｅが出力される。このようにしてスリット円板２に
設けられたスリット３の動きを光電検出することによっ
て変位信号発生回路９からモータ１の回転軸１ａの動き
に応じた各種の信号が得られる。なお、スリット円板２
は、例えば、ステンレススチールの薄板を使い、化学的
なエツチングの方法によりこの円板にスリットを形成す
る。

このような光電式エンコーダは、各種の移動体の精密な
位置決め等に使われており、近年、特に小型化（コンパ
クト化）およびいっそうの精度の向上が望まれているが
、前述した従来のエンコーダは、各回路部間およびこの
回路部と受光部間の配線を必要とし、この配線がモータ
も含めて考えたシステム全体の小型化を進めるうえでの
障害となっていた。そこで、例えば回路部分を集積回路
化し、スリット円板上に載置することも考えることはで
きるが、モータの回転軸のバランスがくずれ回転が不安
定となったり、集積回路と受光素子との配線接続が容易
でない等の問題があり、実用的とは言えない。さらに、
先に述べた従来のエンコーダはある基準の位置からの相
対的位置信号を出力するのみであって、絶対的位置信号
を直接出力することはできない。最初にひとつのスリッ
ト３によって受光素子がオンしただけの状態では、どの
ように信号処理しても回転の絶対位置を割り出すことは
できない。受光素子数を増やし、スリット円板にスリッ
ト形状の違うスリット配列を半径方向にいく重にも設け
て絶対位置を検出する方法もあるが、このような場合に
はますます配線が複雑化し小型化はいっそうむつかしく
なる。

（発明の目的） この発明は、移動体の絶対位置をも検出できるように移
動経路に沿って受光素子が多数設けられているような場
合にでも、信号処理側との複雑な配線部分がなく、受光
素子群と信号処理回路とを一体的に極めて小型化し、し
かも、移動体の移動状況に対応する精度の高い信号を得
ることができる光電式エンコーダを提供することを目的
とする〔発明の開示〕 前記の目的を達成するため、この発明は、多数の受光素
子と、これらの受光素子の信号処理回路とを備え、前記
受光素子を移動体の移動に伴ってオン・オフ動作させる
とともに、この移動体の移動状況に応じた信号が前記信
号処理回路から出力されるエンコーダにおいて、前記多
数の受光素子を半導体基板上に配列形成するとともにこ
の半導体基板上には前記信号処理回路をも集積形成する
ようにしたことを特徴とする光電式エンコーダをその要
旨とする。

第１図はこの発明の実施例のエンコーダを使ったサーボ
モータの概要を示し、第２図はこの発明の特徴的構成で
ある多数の受光素子および信号処理回路が形成されてい
る半導体基板の一例を示している。以下にこの発明を、
第１図および第２図に基づいて詳述する。

モータ２１はその回転軸２１ａに半導体円板２２を備え
ている。この半導体円板２２上には同心円上に受光素子
２３が多数配列形成されている。

光源（例えば発光ダイオード）２４は受光素子２３が配
列されている同心円の面の一部にひとつの受光素子２３
程度の大きさの光束を投射する。モータ２１の回転に伴
って半導体円板２２は回転し、円周上に配列された受光
素子２３は順次投射光束の下を横切っていく、投射光束
が受光素子２３に入射すると受光素子はオン状態となる
。

半導体円板２２上には、受光素子２３列の形成と同時に
信号処理回路（後はど詳述する）が集積形成（ＩＣ化）
され、各受光素子２３は半導体円板２２上でこの回路に
配線接続されている。

したがって、各受光素子２３のオン状態は遂時信号処理
回路に入力され、時々刻々のモータ２１の移動状況に応
じた信号が出力される。この時に出力される信号の内容
は信号処理回路の説明とともに後述する。この信号処理
回路の出力は半導体円板２２の表面に設けられた導体環
２５．２５”に出力され、さらに、この導体環２５．２
５’にそれぞれ接触する導体ブラシ２６．２６’を通し
て半導体円板２２の外に取り出されてモータ２１に伝達
される。このようにして、モータ２１のコイルには最終
的に信号処理回路からの信号が伝達されるようになって
いる。

つぎに、第２図に詳細が示されている半導体円板２２に
ついて説明する。円形をした半導体基板３１上の同一円
周３２上に多数の受光素子３５（例えばフォトダイオー
ド）が円形状に配列形成され、それとともに、この基板
３１上の領域３３の部分に信号処理回路３４が集積形成
され、各受光素子３５と信号処理回路３４との配線およ
びその他必要な配線が行われる。これら受光素子３５、
信号処理回路および配線は公知の半導体製造技術、およ
び集積回路製造技術を利用して形成される。受光素子３
５の配列部分には透明窓部が形成され、半導体基板３１
の表面における封止の必要な部分には例えば合成樹脂材
等を用いての封止が行われる。信号処理回路３４には、
これと電気的に導通するように導体環３６．３６’が取
付られる。なお、軸穴３７はモータ等の回転軸に取付け
る際に使用される。

このようにして半導体円板２２は作成されるが、受光素
子が極めて多数あっても、従来のようにケーブル等は必
要なく、受光素子と信号処理回路との配線は全て簡単化
されるし、受光素子および信号処理回路が全て半導体円
板２２のごく薄い表面層にまとまって一体形成されてお
り、従来の構造のものと比較すると、・受光素子および
信号処理回路の取付配置のために必要としていたスペー
スが全（不必要となり、小型化が達成できる。さらに、
公知の半導体製造技術を用いれば、各受光素子３５の配
列間隔を非常に細くできるので精度の良い移動体の移動
状況に対応した信号を得ることができる。また、信号処
理回路３４で各受光素子のオン（受光）時にそれぞれ識
別可能な信号が発生するようになっていれば、直ちに移
動体の絶対位置が検知できる。さらに、半導体基板３１
上の複数の円周上にそれぞれ受光素子３５列を設けても
よく、例えば、２列あった場合に片一方の列を絶対位置
検知用に、もう一方の列を速度検出用にと使いわけるよ
うにしてもよい、このように複数列設ける場合にも、は
とんど製造の工数は変わらず、自由に受光素子の配列を
選択することができる。

なお、以上の説明では、半導体円板２２は回転体（移動
体）側に設は固定側に光源２４を設ける　　。

ようにしたが、半導体円板２２を固定側に設け、回転体
側に光源２４を設けるようにして、全く同じようにエン
コーダ動作させることもできる。

半導体基板３１の材料はＳｉ半導体基板あるいはＧａＡ
ｓ半導体基板等各種のものが利用できるし、半導体円板
２２はその必要部分だけが半導体材料で形成され、その
他の部分は別途の材料で形成された複合体であってもよ
い。

これまでの説明では、エンコーダは、回転する移動体に
適用されていたが、直線的な移動をする移動体にも適用
できる。ただ、回動型の場合、例えば、シリコン半導体
↓よ比較的大口径の円板状のものが得やすく、このよう
なものを使った場合には、大きい半導体円板２２が材料
のむだなく利用できるという利点がある。

つぎに、信号処理回路３４の信号処理例について説明す
る０例えば、どれかの受光素子のひとつがオンすれば他
と識別できる何ビットかのコード信号が発生するような
コード化部を備えていれば、移動体の絶対位置を示す信
号が直ちに得られることになる。たとえば、受光素子の
数が２５６の場合、８ビツトで２進のディジタル信号と
して、全受光素子ごとにいわば番地性された信号を得る
ことができる。一定期間内に入る受光信号のオンの数を
カウントすれば、一定期間ごとの速度信号が得られるし
、あるいは、受光信号のオン信号ごとにリセットされる
カウンタを設けておいて、このカウンタで別途周波数の
高い基準パルスをカウントすると、リセットされる直前
のカウント値が時々刻々の速度信号となる。さらには、
外からの設定信号を記憶するレジスタを設けておいて各
信号との差を出力するように構成することもできる、移
動方向の判定については、たとえば、つぎつぎに得られ
る番地信号のうちのひとつの番地信号と次の番地信号と
を比較し、その比較結果に基づいて移動方向信号を出力
するようにすればよい。

最終的な信号処理回路３４からの出力形式は、前述の各
信号をシリアル信号としてディジタル出力するものや、
例えば、モータが比較的微少な電力で駆動できるマイク
ロモータであれば直接モータコイルの駆動信号を出力す
るもの、さらには信号処理回路３４内にＤ−Ａ変換器を
設けて各信号をアナログ信号に変換して出力するもので
もよい以上の説明の信号処理例は一例であって、これら
に限られず、さらに高度な信号処理を行うようにするこ
ともできるが、いずれにしても、ひとつの半導体基板に
集積形成させるので、信号処理方式の内容によって製造
の難易度が太き（かわることもない。

なお、信号処理回路３４あるいは光源２４等に必要な駆
動用の電力の供給方法は、例えば、外部から信号の取り
出しと同様なブラシで行ってもよいし、回転軸のバラン
スに影響のない位置（例えば回転軸中心）に長寿命のア
ルカリ電池を取付けて、ここから供給してもよく、これ
らの方法に限らず必要に応じて適当な方法が選択使用さ
れる。

〔発明の効果〕

この発明は、以上詳述したように、ひとつの半導体基板
上にオン・オフ動作する多数の受光素子を配列形成する
とともに、この受光素子の信号処理回路をも前記の半導
体基板上に集積形成するようにした光電式エンコーダと
することにより、移動体の絶対位置を検出できるよう移
動経路に沿って非常に多数の受光素子が配列されている
ような場合にでも、受光素子群と信号処理回路との複雑
な配線部分がなく、受光素子群と信号処理回路とが一体
的に小型化でき、しかも、移動体の移動状況に対応した
精度の高い信号を得ることができる光電式エンコーダが
実現でき、さらには、これに加えて移動体の絶対位置信
号を直ちに得ることができる光電式エンコーダをも実現
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のエンコーダを備えたサーボモータの
概略説明図、第２図は受光素子を配列形成するとともに
信号処理回路を形成した半導体基板の説明図、第３図は
、従来の光電式エンコーダを備えたサーボモータの概略
説明図である。 １．２１・・・モータ　ｌａ、２１ａ・・・回転軸　２
・・・スリット円板　３・・・スリット　５・・・光源
　２２・・・半導体円板　２３・・・受光素子　２４・
・・光源　２５．２５°′・・・導体環　２６．２６’
・・・ブラシ　３１・・・半導体基板　３４・・・信号
処理回路　３６．３６′・・・導体環 代理人　弁理士　　　松　本　武　彦 第１図 第２図 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）多数の受光素子と、これらの受光素子の信号処理
   回路とを備え、前記受光素子を移動体の移動に伴ってオ
   ン・オフ動作させるとともに、この移動体の移動状況に
   応じた信号が前記信号処理回路から出力される光電式エ
   ンコーダにおいて、前記多数の受光素子を半導体基板上
   に配列形成するとともに、この半導体基板上には前記信
   号処理回路をも集積形成するようにしたことを特徴とす
   る光電式エンコーダ。
2. （２）半導体基板が円形半導体基板であり、この円形半
   導体基板面の同心円周上に沿って多数の受光素子が配列
   形成されている特許請求の範囲第１項記載の光電式エン
   コーダ。
3. （３）信号処理回路が、各受光素子のオン時に、他の受
   光素子のオン時とは識別可能なコード信号を発生する信
   号コード化部を備えている特許請求の範囲第１項または
   第２項記載の光電式エンコーダ。