JP3575506B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータなどの高速回転体の回転軸の速度、角度及び位置などの複数の信号を検出する光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学式エンコーダは、発光源から投射した平行光束を回転円板と固定円板の双方のスリットを通過させることにより、断続信号に変換し、この光の断続信号を受光素子で受光して電気信号に変換して回転体の角度や速度などを計測するものである。
【０００３】
例えば、実開昭４９−１０９５６７号公報および実開昭５５−１４８６４２号公報などによると、図９に示すように、発光素子の発光した光を平行光束として投射する発光源４０と、回転体１００の回転軸に固定されて複数の放射状のスリット２２が周辺部寄りにピッチｐの均等間隔で環状に配置される円板状の回転部２０と、その回転部２０に平行に設けられて周辺部寄りに複数の放射状スリット３２が環状に配置される円板状の固定部３０と、回転円板と固定円板の両スリットを通過した光を受光する受光素子５０とからなり、発光源４０から投射した平行光束を回転円板と固定円板の双方のスリットを通過させて断続信号に変換し、この光の断続信号を受光素子５０で受光して電気信号に変換して回転体の角度や速度などを計測するものであり、回転円板および固定円板の周辺部寄りに設けられた円周方向及び半径方向の複数のスリットに対して光を均等に、かつ、垂直に照射し、スリットを通過した光を集光して受光部５０に入射するために、光源部４０から入射された光束を放射状に拡散し、外周部全域で円板に垂直に投射する透明な光拡散ガイドの回転部２０と、回転スリット２２、固定スリット３２を通過して断続された光束を外周部全域から集光して受光部５０に投射する透明な集光ガイドの固定部３０とを設けることが開示されている。
【０００４】
光源から回転体１００の回転軸に平行に投射された光は、光拡散ガイドの回転体２０の第１の環状反射鏡２４により反射して軸心から遠ざかるように回転軸１００に直角の平面に放射状に拡散され、透明な回転部２０の内部を通過し、第２の環状反射鏡２５により反射して軸心と平行に、かつ、円筒状に回転スリット円板２２の周辺部寄りのスリット２２へ導かれる。そして、固定スリット円板３１のスリット３２を通過した光は、固定部３０の第２の環状反射鏡３５により回転軸１００と直角の平面状に、かつ、軸心に向かうように反射され、透明な固定部３０の内部を通過し、第１の環状反射鏡３４により軸心と平行に集光されて回転軸方向に設けられる受光素子５０方向に導かれる。
【０００５】
さらに、上述のような速度、角度及び位置などの複数の信号を検出するための光学式エンコーダは、図１０に示すように、固定スリット円板３１のスリット３２が検出しようとする信号数と同数の、この例では３２Ａ，３２Ｂの２つなど、半径方向に複数段に分割され、さらに回転方向にも位相を１／４ｐピッチずつなどとずらして配置されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のような従来の光学式エンコーダは、回転部の光拡散ガイドと固定部の集光ガイドを構成する透明体の環状反射面の工作精度の誤差のために、図１１に示すように、各光束の平行性が損なわれて各スリットを通過した位相の異なる半径方向の複数の検出光Ｌａ，Ｌｂが両者の境界面３３’において互いに混じり合い、受光素子が正確に信号を検出できないという問題があった。
【０００７】
また、位相の異なる検出光が混じりあうと、それぞれの検出光の位相が狂うばかりでなく、互いに出力を打ち消しあって、検出信号が小さくなるという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、上述の問題点を解消して、位相の異なる複数の検出光束の混じりあうのを防止することができる小型の光学式エンコーダを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学式エンコーダは、回転部側の光ガイドおよび固定部側の光ガイドのそれぞれの第１反射鏡および第２反射鏡のうち、少なくとも１つの反射鏡面に、複数位相Ｎの光信号の各境界に対応する位置への入射光に対してそれぞれ垂直な面を有するＬ字状のＮ−１個の環状の反射光消去部が設けられる。
【００１０】
また、回転部側および固定部側の各光ガイドのうち、少なくとも１つを軸心に対して４５度の傾斜角の同軸中空の円錐台状の透明部材により構成し、第１反射鏡と第２反射鏡をこの円錐台状の透明部材の内側円錐面と外側円錐面にそれぞれ設けることが望ましい。
【００１１】
また、回転部または固定部の構成部材を透明部材により構成された光ガイドが兼ねることが望ましい。
【００１２】
また、回転部の構成部材が回転軸と回転部を結合するハブ機能を有することが望ましい。
【００１３】
また、固定部の構成部材が光源部の発光素子の位置決め機能を有し、固定部と光源部のそれぞれの位置決め中心軸を回転中心軸と同一軸上にすることが望ましい。
【００１４】
また、発光素子の発光した光を平行な光束とする凸レンズ機能を固定部の構成部材により構成することが望ましい。
【００１５】
また、受光部の光電変換素子により検出される信号を増幅および波形整形する信号変換装置を回転部側に面する固定部の側面に配置することが望ましい。
【００１６】
また、光源部と受光部を信号変換装置の基板の表裏に配置し、この配置に合わせて光ガイドの光反射方向を設定することが望ましい。
【００１７】
また、固定部の周辺部を回転部側に所定の長さの円筒状に延長して、ラビリンス機能および回転部と固定部間のギャップ調整機能を構成することが望ましい。
【００１８】
Ｌ字状の環状の反射光消去部の垂直な面により、隣接する光束信号の各境界に対応する位置へ入射した光は、入射方向に全反射または直進して、直角方向への反射光が消去される。
【００１９】
この作用は、各光ガイドを同軸中空の円錐台状の透明部材により構成し、その透明部材の内側円錐面と外側円錐面にそれぞれ第１反射鏡と第２反射鏡とを設けた場合にも有効であり、しかも、このように構成することにより、工作の容易化と装置の小型化を図ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の光学式エンコーダは、モータなどの回転体の回転速度、回転方向や角度などの複数の位相の信号を検出する光学式エンコーダ、例えば、図１および図２に示すような回転体の複数（ここでは２つ）の信号を検出する光学式エンコーダ１１において、固定部本体３０の第２の円錐反射鏡３５Ａ，３５Ｂの２段のスリット間の境界に対向する位置（中央部）に、反射光消去部として固定スリット円板３１の２段のスリット３２Ａ，３２Ｂを通過して入射する検出光に垂直な面を有するＬ字状の溝部３５Ｌを設け、さらに第２の円錐反射鏡３５の溝部３５Ｌに対向する第１の円錐反射鏡３４の該当位置にも、同様の反射光消去部として、第２の円錐反射鏡から入射する検出光束に垂直な面を有する溝部３４Ｌが設けられている。
【００２１】
反射光消去部３４Ｌ，３５Ｌの構造は、図２の断面図に示すように、２面が直交するＬ字状の１面が入射光束に対して垂直になるようにして円錐反射面上に環状に設ければよく、円錐反射鏡上に溝型として設ける場合を（Ａ）図、突起型として設ける場合を（Ｂ）図に示す。いずれも作用、効果としては同じであるから、配置場所に応じて、工作の容易な方を選択すればよい。このような溝型または突起型の反射光消去部を所要の数だけ円錐反射面上の全周にわたって隣接信号の境界区域に環状に設ける。
【００２２】
この２つの溝部または突起部３４Ｌ，３５Ｌを設けることにより、固定スリット円板３１の２段のスリット３２Ａ，３２Ｂを通過して入射する隣接の各検出光Ｌａ，Ｌｂは、その境界部３３において円錐反射鏡３５，３４から直角には反射されず、溝部３５Ｌ，３４Ｌに直進して貫通または入射方向に戻るように反射し、各段の検出光の混じりあうのを防止することができる。
【００２３】
【実施例】
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は本発明の光学式エンコーダの第１実施例の断面図である。
【００２５】
本実施例の光学式エンコーダ１１は、被測定対象の回転体１００の回転軸にハブ２３で固定される透明樹脂製の光ガイドを構成部材とする回転部本体２０と、発光ダイオード４１から発光される光を平行光束にするレンズ４２を含む光源部４０と、各スリット２２，３２Ａ，３２Ｂを通過したＬａ，Ｌｂの２組の光信号を検出して電気信号に変換するＡ，Ｂ２組のフォトダイオード５１Ａ，５１Ｂからなる受光部５０と、光源部４０と受光部５０とが取付けられる透明樹脂製の光ガイドを構成部材とする固定部本体３０とからなる。回転部本体２０には、図１０に示すように、全周に亙って環状に回転スリット２２が放射状にピッチＰの等間隔で配置された不透明体の回転スリット円板２１が取付けられる。また、固定部本体３０に取付けられる固定スリット円板３１には、半径方向に２等分された固定スリット３２Ａ、３２Ｂが、回転スリット円板２１の回転スリット２２に対応して全周に亙って放射状にピッチＰの等間隔で配置される。また、回転部本体２０と固定部本体３０の光ガイド部分は、いずれも、回転体１００の回転軸心に対して４５度の角度を有する円錐状の反射面を軸心に垂直方向で互いに対向し、各円錐反射面が鏡面精度仕上げされた第１反射鏡２４，３４と第２反射鏡２５，３５とを有する。変換装置６０は、図１には固定部本体３０に取付けられるよう示したが光学式エンコーダの本体から分離して別の場所に設けてもよい。
【００２６】
以上は、従来の光学式エンコーダと同様の構造であるが、本実施例の光学式エンコーダ１１は、さらに、図２の断面図に示すように、固定スリット円板３１を通過した後の光束が入射する第２反射鏡３５と第１反射鏡３４とに、検出しようとする２つの信号Ａ，Ｂの境界面３３に対応する位置に、その１面が入射光に直角になるようにして、１本ずつのＬ字状の溝部３５Ｌ，３４Ｌをそれぞれ全周に亙って設けることにより、この溝部に入射した光信号を隣接反射面からの反射方向とは異なる方向に透過または反射させて、隣接する光信号Ｌａ，Ｌｂが混じりあうのを防止するものである。
【００２７】
光源部４０の発光ダイオード４１から発光された光は、凸レンズ４２を通って平行光束Ｌ１ となり、回転部本体２０の第１反射鏡２４に入射する。第１反射鏡２４では、入射した平行光束Ｌ１ が４５度の円錐状の反射面により回転軸に対して直角方向に全周にわたって放射状に反射され、Ｌ２ として第２反射鏡２５に入射する。この入射光Ｌ２ は、第２反射鏡２５の４５度の円錐状の反射面により直角方向に反射されて、回転体１００の回転軸に平行で、しかも、回転スリット円板２１と同一径の円筒状の光束Ｌ３ となって回転スリット円板２１に入射する。
【００２８】
回転スリット円板２１の回転スリット２２を通過した光束Ｌ３ は、回転スリット円板２１の他面に対向して設けられる固定スリット円板３１に投射される。固定スリット円板３１には、図１０に示すように、半径方向に２段のトラックに固定スリット３２Ａ，３２Ｂが全周にわたって回転スリット２２と同じピッチＰで設けられている。ただし、固定スリット３２Ａと固定スリット３２Ｂとは、円周方向に１／４Ｐの角度だけピッチがずらされている。
【００２９】
固定スリット円板３１に投射された光束Ｌ３ は、固定スリット３２Ａ，３２Ｂにより２つの断続光束Ｌａ ，Ｌｂ に分割されて、図２に示すように、中央にＬ字状の溝部３５Ｌを有する固定部本体３０の第２反射鏡３５に入射する。第２反射鏡３５の４５度の円錐反射面に入射した軸心に平行な光束Ｌａ ，Ｌｂ は、それぞれ直角に反射されて軸心方向に向かう光束Ｌ４ａ，Ｌ４ｂとなる。しかし、中央の溝部３５Ｌに入射した光束Ｌａ またはＬｂ は、Ｌ字状の一方の入射光に垂直な面に当たって透過してしまうか、あるいは反対の入射方向に反射され、軸心方向には反射されない。すなわち、２つの光束Ｌａ ，Ｌｂ の境界区域に広がつた光束は、軸心方向への反射が阻止され、２つの光束Ｌａ ，Ｌｂ を分離して、互いに他方に混入することを防止することができる。
【００３０】
軸心方向に向かう２つの光束Ｌ４ａ，Ｌ４ｂは、固定部本体３０の第１反射鏡３４で直角に反射されて、回転軸に平行な光束となってそれぞれ受光部５０の各フォトダイオード５１Ａ，５１Ｂに入射する。ここでも、第１反射鏡３４の中央に設けられたＬ字状の溝部３４Ｌにより、第２反射鏡３５におけると同様にして、２つの光束Ｌ４ａ，Ｌ４ｂの境界区域に広がった光束の受光部５０方向への反射が阻止され、２つの光束Ｌ４ａ，Ｌ４ｂを、それぞれ、純粋な光信号に分離して各フォトダイオードに送ることができる。
【００３１】
受光部５０のフォトダイオード５１は、図６に示すように、同心の２つの環状のフォトダイオード素子５１Ａと５１Ｂとを同一フォトダイオード５１上に配置し、受光素子基板５３として、２つの位相の異なる電気信号Ａ，Ｂが得られるようにしたものである。
【００３２】
本実施例では、検出する信号の数Ｎを２として説明したが、３以上の信号を検出する場合には、同心の固定スリットとフォトダイオード素子の半径方向の配置段数Ｎを増加し、円錐反射面の各段の境界部に相当する位置に合計Ｎ−１個の反射阻止用のＬ字状の溝部を設ければよいことは明白である。
【００３３】
また、本実施例では、回転部本体２０のハブ２３と、第１反射鏡２４と、第２反射鏡２５を一体として透明な樹脂モールドで成形しているので、各部を同一回転軸上に精度よく配置することができる。同様に、固定部本体３０の第１反射鏡３４と、第２反射鏡３５とを一体として透明な樹脂モールドで成形し、光源部４０と受光部５０をその回転軸の中心に配置することにより、光源部４０と受光部５０の位置決めが容易である。
【００３４】
図４は、第２の実施例の光学式エンコーダ１２の断面図で、第１実施例の光源部４０と受光部５０とを入れ替えた構造とするものである。この場合も、固定部本体３０を樹脂モールドで一体成形することにより、樹脂モールドに位置決め部品としての機能を兼ねさせて、光源部４０と受光部５０とを回転軸の中心に容易に配置することができる。また、光源部４０と受光部５０とを入れ替えたので、光束Ｌ１ 〜Ｌ４ の向きが逆になっており、反射光消去用のＬ字状の溝部２４Ｌ，２５Ｌが、スリット３２，２２で変調された各光信号が受光部５０に入射する前の回転部本体２０側の第１、第２反射鏡２４，２５上に設けられる。しかし、その作用は第１実施例と同様であり、２つの光束Ｌ４ａ，Ｌ４ｂを、それぞれ、純粋な光信号に分離して各フォトダイオード５１Ａ，５１Ｂに送ることができる。また、この例では、フォトダイオード５１Ａ，５１Ｂの検出した光信号を電気パルス信号に変換する変換装置６０を固定部本体３０側の空間部に配置することにより、光学式エンコーダをさらに小型化したものである。
【００３５】
図３は、凸レンズ４２の構造の応用例を示す断面図で、（Ａ）は固定部本体３０の構成部材と一体成形されたもの、（Ｂ）は回転部本体２０の構成部材と一体成形されたものである。図のように、凸レンズ４２を固定部または回転部の透明樹脂モールドで構成することにより、部品点数および組立て工数を少なくすることができる。
【００３６】
図５は、回転部本体２０と固定部本体３０双方のスリット対向部の拡大断面図で、透明樹脂モールド製の固定部本体３０の周辺円周上の一部を回転部側に長さｌ（エル）の円筒状に延長して外部からのゴミなどの侵入を防ぐラビリンス機能７０を持たせると共に、円筒部の先端と回転部本体２０のハブ２３の基準面２０Ａを同一にして、回転スリット円板２１と固定スリット円板３１との間のギャップＧ調整機能を持たせたものである。すなわち、固定部本体３０の構成部材を回転部本体２０を覆うカバーのように円筒型に延ばすことにより、ラビリンス部を構成している。この構造により、外部のゴミなどの光学式エンコーダの内部への侵入を防止し、信頼性を向上させている。また、スリット間の適性ギャップを得るために、カバーの先端面を回転部のハブ２３の基準面と同一平面にすればよいように、円筒状のカバー部の長さｌ（エル）を定めると、ギャップの設定時には、治具などでカバーの先端面をこの基準面と同一平面に合わせれば、ワンタッチで適性ギャップの設定を行なうことができる。
【００３７】
図７および図８は、変換装置６０の配置の応用変形例で、１枚の変換装置用基板６１の表裏に光源部４０と受光部５０とを配置して、光源部４０から受光部５０への検出光の反射方向を１８０度変更するように固定部または回転部の第１反射鏡３４，２４を構成したものである。この構造は、光源部４０、受光部５０および変換装置６０が１枚の基板６１上に纏められているので、部品数を減少し、装置を小型化するとともに、コストダウンが可能になるという効果がある。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、回転部側および固定部側の各光ガイドのうち、少なくとも１つの反射鏡面に、複数Ｎの光信号の半径方向に隣接する各境界に対応する位置からの入射光に対してそれぞれ垂直な面を有するＬ字状のＮ−１個の環状の反射光消去部を設けることにより、隣接する光信号の境界から受光部に入射する検出光を消去し、複数の信号の検出光をそれぞれ分離して個別に純粋な信号を検出できる効果がある。
【００３９】
また、回転部側および固定部側の少なくとも一方を、光ガイドを透明部材により同軸中空の円錐台状に構成し、第１反射鏡と第２反射鏡をそれぞれこの透明部材の外側円錐面と内側円錐面とに設けることにより、第１反射鏡と第２反射鏡の反射面を対向させることが容易になり、かつ、反射光消去部の作用を長く維持できる効果がある。
【００４０】
また、回転部または固定部の構成部材を透明部材により構成された光ガイドが兼ね、回転部の構成部材が回転軸と回転部を結合するハブ機能を有することにより、２つの円錐反射面、ハブなどを一体化してそれぞれ樹脂モールドで製作することが可能となり、光学式エンコーダの小型化、ローコスト化ができる効果がある。
【００４１】
また、光源部の発光素子を回転中心軸と同一軸上に配置することにより、発光素子を小型化して、製造コストを低減できる効果がある。
【００４２】
また、受光部の光電変換素子により検出される信号を増幅および波形整形する信号変換装置を回転部側に面する固定部の側面に配置し、光源部と受光部を信号変換装置の基板の表裏に配置して、この配置に合わせて光ガイドの光反射方向を設定することにより、光源部と受光部の位置決め部品を一体化し、各部品を精度よく配置できる効果がある。
【００４３】
また、固定部の周辺部を回転部側に所定の長さの円筒状に延長して、ラビリンス機能および回転部と固定部間のギャップ調整機能を構成することにより、光学式エンコーダのギャップ設定を簡単化し、信頼性を高める効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の光学式エンコーダ１１の断面図である。
【図２】反射光消去部３５Ｌの拡大断面図である。
（Ａ） 溝型の反射光消去部
（Ｂ） 突起型の反射光消去部
【図３】凸レンズ４２の構造を示す断面図である。
（Ａ） 固定部本体３０の構成部材と一体成形されたもの
（Ｂ） 回転部本体２０の構成部材と一体成形されたもの
【図４】本発明の第２の実施例の光学式エンコーダ１２の断面図である。
【図５】本発明の１実施例の部分拡大断面図である。
【図６】受光部５０の拡大図である。
【図７】本発明の第３の実施例の光学式エンコーダ１３の断面図である。
【図８】本発明の第４の実施例の光学式エンコーダ１４の断面図である。
【図９】従来の光電式エンコーダの１例の分解斜視図である。
【図１０】回転スリット円板２１と固定スリット円板３１の分解拡大図である。
【図１１】従来の光学式エンコーダの反射面における光束反射状況を示す図である。
【符号の説明】
１１〜１４ 光学式エンコーダ
１００ 回転体
２０ 回転部本体
２１ 回転スリット円板
２２ 回転スリット
２３ ハブ
２４，２４Ａ，２４Ｂ 回転部の第１反射鏡
２５，２５Ａ，２５Ｂ 回転部の第２反射鏡
２４Ｌ，２５Ｌ，３４Ｌ，３５Ｌ 反射光消去部、（Ｌ字状の溝／突起部）
３０ 固定部本体
３１ 固定スリット円板
３２，３２Ａ，３２Ｂ 固定スリット
３３ 信号境界
３４，３４Ａ，３４Ｂ 固定部の第１反射鏡
３５，３５Ａ，３５Ｂ 固定部の第２反射鏡
４０ 光源部
４１ 発光ダイオード
４２ レンズ
４３，５３，６１ 基板
５０ 受光部
５１，５１Ａ，５１Ｂ フォトダイオード
６０ 変換装置

Claims (9)

1. 光束を発光して測定対象の回転体の回転軸に平行に投射する光源部と、前記回転体の回転軸に同心的に固定され、複数の放射状のスリットが全周に亙って環状に等間隔で配置される円板状の回転部と、前記回転部のスリットに対向して全周に亙って放射状に等間隔で配置され、さらに、検出する信号の位相数Ｎと同数の列に半径方向にも分割されたスリットを有する円板状の固定部と、前記固定部のスリットを通過した光信号を検出して複数位相Ｎの電気信号に変換する受光部と、軸心に対してそれぞれ４５度の傾斜角を有し、かつ、軸心に垂直方向に対向する円錐状の第１反射鏡および第２反射鏡からなり、入射光束を遠心的に放射または求心的に集光して、前記光源部から投射された光束を前記回転部のスリットおよび固定部のスリットを経由して前記受光部に導く光ガイドの回転部本体および固定部本体とを有する光学式エンコーダにおいて、
   前記回転部本体および固定部本体のうち、少なくとも１つの反射鏡面に、前記半径方向に隣接するＮ列の光信号の各境界に対応する位置に入射する光束に対してそれぞれ垂直な面を有するＬ字状の環状の反射光消去部が設けられることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 回転部本体および固定部本体のうち、少なくとも１つが、軸心に対して４５度の傾斜角の同軸中空の円錐台状の透明部材により構成され、第１反射鏡と第２反射鏡が前記円錐台状の透明部材の内側円錐面と外側円錐面にそれぞれ設けられる請求項１に記載の光学式エンコーダ。
3. 光ガイドをなす回転部本体または固定部本体の少なくともいずれか１つの構成部材が透明部材により構成される請求項２に記載の光学式エンコーダ。
4. 回転部本体の構成部材が、回転軸と回転部を結合するハブ機能を有する請求項１、２または３のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
5. 固定部本体の構成部材が、光源部の発光素子の位置決め機能を有し、固定部と光源部のそれぞれの位置決め中心軸が回転中心軸と同一軸上にある請求項２または３に記載の光学式エンコーダ。
6. 発光素子の発光した光を平行な光束とする凸レンズ機能が固定部本体または回転部本体の構成部材により構成される請求項５に記載の光学式エンコーダ。
7. 受光部の光電変換素子により検出される信号を増幅および波形整形する信号変換装置が回転部側に面する固定部本体の側面に配置される請求項１に記載の光学式エンコーダ。
8. 光源部と受光部が信号変換装置の基板の表裏に配置され、前記配置に合わせて光ガイドの光反射方向が設定される請求項７に記載の光学式エンコーダ。
9. 固定部本体の周辺部を回転部側に所定の長さの円筒状に延長して、ラビリンス機能および回転部本体と固定部本体間のギャップ調整機能が構成される請求項１に記載の光学式エンコーダ。

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