JP2007024793A - ロータリエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】被回転測定物の速度が低いときでも、高分解能・高精度な速度測定を可能にする小型のロータリエンコーダを安価に提供する。
【解決手段】ロータリエンコーダ１５は、モータ軸１１（被回転測定物）に一体回転可能に取り付けられる回転円板１６と、回転円板１６の一側面に光を照射するレーザダイオード１７と、該レーザダイオード１７の背面側に内蔵されたフォトセンサＰＤとを備える。フォトセンサPDは、回転円板16からの反射散乱光の一部がレーザダイオード17に戻ることによって、自己混合変調されたレーザダイオード17の後端面からの出射光を受光する。フォトセンサPDで検出されるビート信号によって、モータ軸１１の回転速度、回転角変位を高精度で測定する。
【選択図】 図２

Description

本発明はロータリエンコーダに関するものであり、特に、モータなどの被回転測定物の回転速度（角速度）や回転角変位を高精度に測定できるロータリエンコーダに関するものである。

従来、モータなどの回転体の速度測定を行う場合、光学式ロータリエンコーダやタコジェネレータを用いるのが一般的である。例えば、図５に示すように、光学式ロータリエンコーダ１は、円周方向に複数のスリット２ａが等間隔で形成された回転スリット板２を備え、この回転スリット板２の回転軸３は、カップリング４を介して、モータ５側の軸６に一体回転可能に連結されている。更に、回転スリット板２を挟む両側には、発光素子（ＬＥＤ）７と２個一対の光検出器８が配置され、該光検出器８と回転スリット板２の間には、２個のスリット９ａを有する固定スリット板９が設けられている。

そして、エンコーダ側回転軸３がモータ側軸６と一体に回転する時、発光素子７からの光Ｌは、回転スリット板２のスリット２ａ及び固定スリット板９のスリット９ａを通った後、光検出器８によって受光される。これにより、回転軸３の回転状態に応じたパルス列が、光検出器８の検出部から電気的に出力され、モータ側軸６の回転角変位が測定される。さらに、この回転角変位を時間で微分処理することにより、モータ側軸６の回転速度（角速度）が求められる（例えば、特許文献１参照）。尚、光検出器８で検出されるパルス信号波形１０の一例を、図６に示す。
特開平０１−３１８５２６号

しかしながら、従来の光学式ロータリエンコーダによれば、被回転測定物であるモータ５の軸６の回転速度が一定値以下に低下すると、転速度の測定精度が著しく低下する。つまり、光学式ロータリエンコーダで回転速度を測定する際は、回転角変位を検出した後に、微分（差分）処理を行う必要があるが、特に、モータ側軸６の回転速度が非常に低速になった場合、回転軸３が回転していても、光Ｌが回転スリット板２のスリット２ａを通過しない時期があるために、回転角変位及び回転速度の測定誤差が大きくなるという欠点が避けがたい。

ここで、測定誤差を小さくするには、例えば、回転スリット板２に刻設するスリット２ａの数を多くすることが考えられるが、この場合、スリット２ａの数が多くなると、かなり精度の高い加工技術を必要とし、コスト高を招く。

一方、タコジェネレータは、非常に正確な速度検出器であるが、原理的には電磁誘導を利用しているため、回転低速領域でのノイズが大きく、Ｓ／Ｎ比の改善が難しい。従って、タコジェネレータにおいても、光学式ロータリエンコーダと同様に、低速回転領域での測定精度・分解能が低下するという問題があった。

そこで、被回転測定物が低速の場合でも、高い測定精度・分解能で測定できるようにするために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明は該課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、被回転測定物に一体回転可能に取り付けられる回転体と、該回転体の一側面にレーザ光を照射するレーザ発光素子と、該レーザ発光素子からの出射光と前記回転体からの反射散乱光とを受光するレーザ受光素子とを備え、該レーザ受光素子によって出力されるビート信号に基づいて前記被回転測定物の回転速度を測定するように構成したロータリエンコーダを提供する。

この構成によれば、上記レーザ発光素子から回転体、レ−ザ受光素子にレーザの光が照射され、回転体に照射された光は、回転体の表面で散乱して、その散乱光の一部がレーザ発光素子側に戻る。このレーザ発光素子側に戻った散乱光は、レーザ発光素子の自己混合効果が生じレーザ出射光が変調される。他方、該レ−ザ受光素子には、レーザ発光素子からの照射光が直接入射される。このため、レ−ザ受光素子の検出部には、レーザの自己混合効果により、回転体の速度に応じたビート周波数を有するビート信号波形が出力される。このビート周波数に基づいて、被回転測定物の回転速度が測定される。

請求項２記載の発明では、上記回転体は、被回転測定物にカップリングを介して接続される回転軸に取り付けられている請求項１記載のロータリエンコーダを提供する。

この構成によれば、回転体は回転軸に取り付けられ、この回転軸はカップリングを介して、モータ軸などの被回転測定物に接続される。つまり、被回転測定物へのロータリエンコーダの脱着は、カップリングを介して自在に行われ、多種類の被回転測定物に柔軟に対応しうる。

請求項３記載の発明では、上記回転体は、被回転測定物に直接取り付けられる請求項１記載のロータリエンコーダを提供する。

この構成によれば、回転体は、被回転測定物に直接取り付けられるので、回転体と被回転測定物の間に連結部材を設ける必要がない。

請求項４記載の発明では、上記レ−ザ受光素子は、上記レーザ発光素子の背面側に内蔵されている請求項１，２又は３記載のロータリエンコーダを提供する。

この構成によれば、レ−ザ受光素子ＰＤを背面側に配置してなるレーザ発光素子ＬＤが使用される。従って、回転体の表面で散乱反射した光の一部は、レーザ発光素子ＬＤで帰還混合され、周波数（光波長）が変化する。即ち、散乱光は、光のドップラ効果により周波数偏移して、出射光と散乱光の周波数差が生じ、その差がレーザ発光素子ＬＤ内部でビート周波数を生ずる。

請求項１記載の発明は、従来に比べて高精度・高分解能での速度検出と変位検出が行えるという優れた効果がある。即ち、従来の回転スリット板又は電磁誘導を利用したものとは異なり、レーザのドップラ効果を利用するので、被回転測定物が非常に低速で回転しているときでも、被回転測定物の回転速度及び回転角変位を正確かつ安定して測定することができる。また、回転体には多数のスリットを刻設する必要がないので、高精度なスリット加工技術を要せず生産コストが低減する。特に、自己混合効果を利用して測定するので、光学系が非常に簡単になる。

請求項２記載の発明は、被回転測定物へのロータリエンコーダの脱着はカップリングを介して行われるので、請求項１記載の発明の効果に加えて、被回転測定物を変更する場合でも、ロータリエンコーダの脱着作業を容易迅速に行うことができる。

請求項３記載の発明は、回転体と被回転測定物の間には、特別な連結部材を別途取り付ける必要がないので、請求項１記載の発明の効果に加えて、部品点数が削減して、構成の簡易・小型化及び低コストか可能になる。

請求項４記載の発明は、散乱反射光がレーザ発光素子で帰還混合されるので、請求項１，２又は３記載の発明の効果に加えて、光学系のシンプル化が可能になるという特有のメリットを有する。

本発明による最良の形態は、被回転測定物の回転速度が低くなっても、高い測定精度・分解能を確保するという目的を達成するために、被回転測定物に一体回転可能に取り付けられる回転体と、この回転体の一側面にレーザ光を照射するレーザ発光素子と、該レーザ発光素子からの出射光と前記回転体からの反射散乱光とを受光するレーザ受光素子とを備え、このレーザ受光素子によって出力されるビート信号に基づいて、被回転測定物の回転速度を測定するように構成したことを特徴とする。

ロータリエンコーダの回転体は、これを被回転測定物に直接結合する直接連結方式と、被回転測定物にカップリング連結される回転軸に回転体を結合する間接連結方式とがある。前者では、回転体と被回転測定物との間に連結用部材を設ける必要がないため、シンプルなコンパクト構造が可能になる。また、後者では、被回転測定物へのロータリエンコーダの取付け取外しはカップリングで行うため、例えばサイズの異なる被回転測定物にロータリエンコーダを取り替える際、カップリングのみで容易に対応でき、仕様の異なる回転体を多種類用意する必要はない。

以下、本発明の一実施例を図１乃至図３に従って説明する。本実施例では、フォトセンサＰＤ内蔵型レーザダイオードＬＤを用いて、光のドップラ効果に基づく半導体レーザの自己混合効果により、被回転測定物の回転速度及び回転角変位を測定する。この場合、被回転測定物の速度が低いときでも高精度な測定を行うべく、レーザの回転体に対する照射角度と、回転体の回転中心からレーザスポットまでの距離を、設計値として一定に固定する。なお、被回転測定物は一例として、モータの回転軸を挙げるが、回転体を一体回転可能に連結できるものであれば、これに限定されず全て適用しうる。

図１及び図２は、本実施例に係るロータリエンコーダの構成を示す説明図、図２は図１のロータリエンコーダの取り付け状態を示す正面図である。図２において、１１は被回転測定物であるモータ１２の回転シャフト（以下、モータ軸という。）であり、このモータ軸１１の一端部側にはカップリング１３を介して、回転軸１４が一体回転可能に取り付けられている。

１５はレーザドップラ速度計（またはレーザドップラ流速計）ＬＤＶであり、回転軸１４、モータ軸１１の回転角変位、回転速度を測定するものである。ロータリエンコーダ１５は、回転体である回転円板１６を備え、この回転円板１６は、回転軸１４の中間部に同芯上に取り付けられている。回転円板１６の一側表面は、所要の光反射率を有する材料、例えばポリカーボネート樹脂等のプラスチック材料、又はアルミニウム等の金属材料から形成され、回転円板１６にはスリットは１つも形成されていない。

図１に示すように、回転円板１６の一面側（図２では左側）の所定位置には、フォトセンサ（光検出器）ＰＤを背面側に内蔵してなるレーザダイオード（レーザ発光素子ＬＤ）１７が設けられ、レーザダイオード１７は、回転軸１４の側方に配置した光学素子用取付け部材１８に固定されている。又、レーザダイオード１７は、回転円板１６表面の鉛直線１９に対して、所定の相対角（照射角度θ≠０）をなすように取り付けられ、レーザダイオード１７から発せられるレーザ光Ｌが、回転円板１６の外周辺縁部側の所定位置に照射されるよう構成されている。

回転円板１６の回転中心、即ち、回転軸１４の軸心Ｃとレーザ照射点Ｐとの間の距離ｒは、予め定めた一定値に設定されている。レーザダイオード１７の回転円板１６と他面側（図２では左側）には、前述のフォトセンサＰＤが内蔵されている。フォトセンサＰＤはレーザダイオード１７の後端面側からの出射光を受光する。後端面側からの出射光は、レーザダイオード１７の前端面側から発せられて回転円板１６表面で散乱された反射光とレーザダイオード１７からの出射光とがレーザダイオード１７の自己混合効果によって変調された光である。なお、前記照射角度θは、ここでは１０°〜１５°に設定されているが、回転円板１６表面から反射される散乱光をフォトセンサＰＤで効率よく受光できれば、特に限定されない。

次に、実施例の測定原理について説明するが、ここでは、フォトセンサＰＤ内蔵型レーザダイオード１７の両端面から、波長λのレーザ光Ｌが発せられるものとして説明する。いま、モータ軸１１が回転すると、カップリング１３を介して、回転軸１４及び回転円板１６が一体に回転する。すると、レーザダイオード１７からのレーザ光Ｌが、回転中の回転円板１６の一側表面における所定の領域、すなわち、回転中心Ｃから距離ｒだけ離れた位置Ｐに照射角度θで照射される。

そして、回転円板１６の所定位置Ｐに照射された光は、その一部がレーザダイオード１７側に戻り、自己混合効果によってレーザ光が変調される。その変調された光がレーザダイオード１７の後端面側に内蔵されたフォトセンサＰＤによって受光される。この場合、フォトセンサＰＤには、レーザダイオード１７の後端面から発せられた光も直接入射する。

その結果、フォトセンサＰＤの検出部のＡＣ出力には、半導体レーザの自己混合効果により、図３に示すような微小なビート信号２０が現れる。このビート信号波形２０のビート周波数ｆ_d 、回転円板１６の角速度ω及び所定位置Ｐ上の速度Ｖは、（式１）、（式２）及び（式３）で表される。図３中、符号Ｔは周期を示す。

（式１）：ｆ_d ＝（２Ｖ・ｓｉｎθ）／λ
（式２）：ω＝ｆ_d ・λ／（２ｒ・ｓｉｎθ）
（式３）：Ｖ＝ｒ・ω
依って、このビート周波数ｆ_d を検出することにより、回転軸１４、すなわち、モータ軸１１の回転速度（角速度）が測定される。また、このビート信号の単位時間あたりの数をカウントすることにより、モータ軸１１の回転角変位（相対変位）も高精度に測定される。

ここに、半導体レーザの自己混合効果とは、半導体レーザを移動物体（回転体）に照射した際、その移動物体で散乱した光の一部が半導体レーザに戻り、レーザ出力にビート（うねり）信号が現れる。このビート信号の周波数は、移動物体によるドップラシフト周波数に等しくなる。これにより、複雑な光学系を構成しなくとも、ドップラシフトしたビート信号の測定が可能になる。

このように、本実施例は、レーザダイオード１７からのレーザ光を回転円板１６に照射し、その際、回転円板１６表面で散乱した光の一部がレーザダイオード１７に戻り、フォトセンサＰＤに現れるビート信号を検出することにより、回転軸１４及びモータ軸１１の速度測定を高精度・光分解能で行うことができる。また、ビート信号の単位時間あたりの数をカウントすることにより、高精度な回転角変位測定が可能になる。さらに、半導体レーザの自己混合効果の利用により、光学系構成要素が非常に簡易になり、ロータリエンコーダの小型化、低コスト化が可能になる。

前記実施例では、モータ軸１１にカップリング１３を介して回転軸１４を連結し、この回転軸１４にロータリエンコーダ１５を取り付けて、モータなどの被回転測定物の回転速度等を測定する、所謂外付け型測定方式のものを一例に挙げたが、本発明は、ロータリエンコーダ１５を被回転測定物に内蔵して使用することも可能である。

図４は、例えば、ＤＣサーボモータ２１に本発明のロータリエンコーダ１５を内蔵した他の実施例を示すものである。同図において、２２は固定子側マグネット２３の内側に設けられたロータであり、ロータ２２の回転シャフト（被回転測定物）２４の一端側部分には、本発明のロータリエンコーダ１５が取り付けられている。ロータリエンコーダ１５の構成は、前記実施例と同様であるので、図２と同じ構成要素にはそれと同じ符号を付して、その説明を省略する。

本実施例は、ロータリエンコーダ１５の回転円板１６が、ロータ２２の回転シャフト２４に直接取り付けられているので、カップリングが不要になり、もって、より一層の構造の簡易化ないし小型・コンパクト化が図れる。

本発明は、現在の光学式ロータリエンコーダ又はタコジェネレータが使用されている分野、例えば、産業用ロボットを設置したファクトリーオートメーション分野などにも幅広く適用でき、従来型光学式ロータリエンコーダ又はタコジェネレータに置き換えて、本発明のロータリエンコーダ１５を使用することができる。

尚、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

本発明の一実施例を示し、ロータリエンコーダの構成を示す説明図。 図１のロータリエンコーダの取り付け状態を示す正面図。 図１のロータリエンコーダに係るフォトセンサから出力されるビート信号の一例を示す波形図。 本発明の他の実施例を示し、ロータリエンコーダの取り付け状態を示す正面図。 従来例を示し、光学式ロータリエンコーダの構成を示す説明図。 図５の光学式ロータリエンコーダの取り付け状態を示す正面図。

符号の説明

１ 光学式ロータリエンコーダ
２ 回転スリット板
２ａ スリット
３ 回転軸
４ カップリング
５ モータ
６ 軸
７ 発光素子（ＬＥＤ）
８ 光検出器
９ 固定スリット板
９ａ スリット
１０ パルス信号波形
１１ モータ軸（被回転測定物）
１２ モータ
１３ カップリング
１４ 回転軸
１５ ロータリエンコーダ
１６ 回転円板（回転体）
１７ レーザダイオード（ＰＤ内蔵型レーザ発光素子ＬＤ）
１８ 光学素子用取付け部材
１９ 鉛直線
２０ ビート信号
２１ ＤＣサーボモータ
２２ ロータ
２３ マグネット
２４ 回転シャフト（被回転測定物）
θ 照射角度
Ｌ 光（レーザ）
Ｖ 回転速度（角速度）
Ｃ 軸芯
Ｐ 照射位置（レーザスポット）
ｒ 距離（半径）
ＰＤ フォトセンサ（レーザ受光素子）

Claims (4)

1. レーザ光を反射する回転体と、該回転体の一側面にレーザ光を照射するレーザ発光素子と、該レーザ発光素子からの出射光と前記回転体からの反射散乱光とを受光するレーザ受光素子とを備え、前記回転体は、前記レーザ発光素子が前記回転体に対するレーザ光の照射角度と前記回転体の回転軸からの照射距離を予め定めた一定値に固定された状態で、被回転測定物に取り付けられて一体的に回転され、該レーザ受光素子によって出力されるビート信号に基づいて、前記被回転測定物の回転速度を測定するように構成したことを特徴とするロータリエンコーダ。
2. 上記回転体は、上記被回転測定物にカップリングを介して接続される回転軸に取り付けられることを特徴とする請求項１記載のロータリエンコーダ。
3. 上記回転体は、上記被回転測定物に直接取り付けられることを特徴とする請求項１記載のロータリエンコーダ。
4. 上記レーザ受光素子は、上記レーザ発光素子の背面側に内蔵されていることを特徴とする請求項１，２又は３記載のロータリエンコーダ。

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