JP3649005B2 - 光学式アブソリュートエンコーダ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体の回転角度を絶対量として検出するための光学式アブソリュートエンコーダに関する。特に本発明は、回転スリット板にいわゆるＭ系列トラックを有するＭ系列型の光学式アブソリュートエンコーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｍ系列とは、図６に示すように、１回転あたり２Ｎ（図６の場合、Ｎ＝４）個の１，０情報（コード）の組み合わせからなる簡単な規則によって作られる確定的系列である。このＭ系列は、外観上、不規則な系列にも見えるが、この系列の特定位置から連続するＮ個の１，０コードは、この系列内で１つしか存在しないため、この系列は２Ｎ個の重複しない情報を持っている。
本明細書におけるエンコーダのＭ系列トラック（回転角度検出用トラック）とは、このＭ系列の「１」を光線の透過部、「０」を遮光部とする２Ｎ個の明暗格子を回転スリット板の外周部に設けたものである。
【０００３】
従来のＭ系列型光学式アブソリュートエンコーダの一例として、前述のＮ＝４とした４ｂｉｔアブソリュートエンコーダについて説明する。
このエンコーダは、図７に示すように、回転体としてのモータ軸１１に取付けられ、かつ、外周部に例えば４ｂｉｔのＭ系列を持つＭ系列トラック１２及び光量補正用トラック１３を有する回転スリット板１４と、図８に示すように、回転スリット板１４のＭ系列トラック１２及び光量補正用トラック１３を介して回転スリット板１４の表裏に対向配置された照明用のＬＥＤ１５及び受光素子アレイ１６とを備えている。なお、受光素子アレイ１６の出力は、回転角度検出及び光量補正等を行うＣＰＵに送られるようになっている。
【０００４】
ここで、光量補正用トラック１３は回転スリット板１４の全周にわたって光を透過させるトラックであり、このトラック１３を透過したＬＥＤ１５の透過光を受光素子アレイ１６の光量補正用受光素子Ｌ（後述する）により受光してＬＥＤ１５の発光光量を補正するために使用される。
【０００５】
受光素子アレイ１６は、図９に示すように、ＬＥＤ１５の照明領域内において、モータ軸１１の中心β（０，０）を原点とする半径Ｒ１１からＲ１２の範囲であってＹ軸の両側の±θ１０の範囲に配置された同一幅の４個の受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと、半径Ｒ１３からＲ１４の範囲内であってＹ軸の両側の±θ１１の範囲に配置された１個の受光素子Lとから構成されている。
前記４個の受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、４ｂｉｔＭ系列の回転角度検出用受光素子（以下、必要に応じてＭ系列用受光素子という）であり、単一の受光素子Ｌは光量補正用受光素子である。
【０００６】
Ｍ系列用受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、図１０の回路図に示すごとく、電源端子Ｖccと個々の出力端子Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’との間に接続されたホトダイオードまたはホトトランジスタである。これらの出力端子Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’には、図１１に示す負荷抵抗Ｒ１が接続されており、受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄからの光電流信号を電圧信号に変換してＣＰＵ１７に取込んでいる。なお、ＣＰＵ１７にはデータバス１８を介してメモり１９が接続されており、このメモリ１９には、回転角度とＭ系列用受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの受光出力のコードとを対応させた後述の角度−受光出力テーブルが格納されている。
【０００７】
同様にして、図１０に示す光量補正用受光素子Ｌも、電源端子Ｖccと出力端子Ｌ’との間に接続されたホトダイオードまたはホトトランジスタである。この出力端子Ｌ’にも図１１のように負荷抵抗Ｒ２が接続されており、光電流信号を電圧信号に変換してＣＰＵ１７に取込んでいる。
【０００８】
次に、従来技術の動作原理について説明する。
まず、ＬＥＤ１５から照射された光線は、回転スリット板１４のＭ系列トラック１２の透過部及び光量補正用トラック１３を介して受光素子アレイ１６に到達する。Ｍ系列トラック１２を透過した光線は、Ｍ系列用受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに到達し、光量補正用トラック１３を透過した光線は光量補正用受光素子Lに到達する。
【０００９】
Ｍ系列用受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄによる回転角度の検出原理を、図１２を用いて説明する。この図１２は、Ｍ系列用受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの出力と回転体の回転角度との関係を示すものである。
例えば、モータ軸（回転スリット板１４の回転軸）の回転角度が０度の場合、受光素子ＡがＭ系列トラック１２の透過部を検出しているとすると、その出力を１とする。よって、図１２の０．０度（番号０）とＡとの交点のコードを１とする。また、受光素子ＢがＭ系列トラック１２の遮光部を検出しているとすると、その出力を０とする。よって、０．０度（番号０）とＢとの交点のコードを０とする。同様に、受光素子Ｃ，ＤがＭ系列トラック１２の透過部を検出しているとすると、それらの出力は１であるため、０．０度（番号０）とＣ，Ｄとの交点のコードを１とする。すなわち、回転角度検出用受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの出力コードは、４ｂｉｔの「１０１１」となる。
【００１０】
このような回転角度とＭ系列用受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの出力コードとの関係はテーブル（便宜上、角度−受光出力テーブルという）として前記メモリ１９に予め格納されている。ＣＰＵ１７は、受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの出力コードを監視しており、例えば出力コードが「１０１１」の場合は上記テーブルを参照して回転角度が０度であると判断する。
また、モータの回転により回転スリット板１４が回転して各受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの出力コードが「０１０１」になると、図１２のテーブルからモータが２２．５度回転したことが判明する。
【００１１】
しかしながら、このような光学系では、モータの運転状況に起因する発熱や寿命等の影響でＬＥＤ１５により安定光量で受光素子アレイ１６（回転スリット板１４）を照明することができないため、Ｍ系列のコードを正しく検出することができない場合がある。
そこで、従来のＭ系列型光学式アブソリュートエンコーダでは、回転スリット板１４に光量補正用トラック１３を別途設けると共に、このトラック１３を介して照射されるＬＥＤ１５の発光光量の変化分を光量補正用受光素子Ｌにより常時検出し、ＬＥＤ１５に流す順電流をＣＰＵ１７により制御している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに上記従来技術では、図９に示したようにＬＥＤ１５の照明領域内に光量補正用受光素子Ｌを別途配置する必要があるため、Ｍ系列用受光素子の配置スペースが少なくなり、必然的にこれらの受光素子の受光面積が小さくなる。従って、Ｍ系列用受光素子から得られる光電流も小さくなるので、この光電流信号を電圧信号としてＣＰＵに取込むためには、図１１に示した負荷抵抗Ｒ１を大きな値にしなければならない。
しかしながら、負荷抵抗Ｒ１が大きくなると、Ｍ系列用受光素子の応答速度が遅くなるという新たな問題を生じていた。
【００１３】
そこで本発明は、負荷抵抗の増加を伴わずに回転角度検出用の受光素子から十分に大きな光電流信号を得るようにした光学式アブソリュートエンコーダを提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、発光手段と、この発光手段から照射された光線の透過部及び遮光部からなる回転角度検出用トラックを有し、かつ、回転角度の検出対象である回転体の軸を中心として回転する回転スリット板と、前記発光手段から照射されて前記透過部を透過した光線を受光する受光手段と、この受光手段の受光出力に基づいて回転体の回転角度を演算する演算処理手段とを備えるとともに、
前記受光手段が、回転体の回転方向に沿って配置された複数の回転角度検出用受光素子と、前記発光手段の発光光量を補正するための光量補正用受光素子とを有する光学式アブソリュートエンコーダにおいて、
前記回転角度検出用受光素子及び光量補正用受光素子は、前記回転スリット板の透過部を透過した光線の照明領域内において回転体の回転方向に沿って順次並置されることを特徴としている。
【００１５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光学式アブソリュートエンコーダにおいて、前記回転角度検出用受光素子及び光量補正用受光素子は、回転体の軸を中心としたほぼ扇形の領域内に並置されるものである。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の光学式アブソリュートエンコーダにおいて、回転体の各回転角度を前記回転角度検出用受光素子の受光出力のコードに対応させたテーブルを予め作成して記憶しておき、前記演算処理手段は、測定された前記コードに対応する回転角度を前記テーブルに基づいて求めるものである。
【００１７】
請求項４記載の発明は、請求項１，２または３記載の光学式アブソリュートエンコーダにおいて、回転体の各回転角度を複数の前記光量補正用受光素子の受光出力の和である基準光量相当値に対応させたテーブルを予め作成して記憶しておき、前記演算処理手段は、測定された前記受光出力の和を前記基準光量相当値と比較してその結果に応じ前記発光手段の発光光量を調整するものである。
【００１８】
請求項５記載の発明は、請求項１，２，３または４記載の光学式アブソリュートエンコーダにおいて、前記回転角度検出用受光素子及び光量補正用受光素子には受光出力を得るための負荷抵抗がそれぞれ個別に接続され、これらの負荷抵抗により変換された電圧が前記演算処理手段にそれぞれ入力されるものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。なお、この実施形態も４ｂｉｔのＭ系列型光学式アブソリュートエンコーダに関するものであり、従来技術と同一の構成要素には同一の参照符号を付すこととする。
【００２０】
図１はエンコーダの主要部の構成を示す斜視図であり、この実施形態では回転スリット板２２及び受光素子アレイ２０の構成が従来技術と大きく異なっている。
まず、回転スリット板２２は、Ｍ系列トラック（回転角度検出用トラック）１２のみを有し、図７に示したような別個独立の光量補正用トラック１３を有しない構造である。つまり、この実施形態では、Ｍ系列トラック１２が光量補正用トラック１３を兼用している。
【００２１】
次に、受光素子アレイ２０の構成を説明すると、図２はＬＥＤ１５の照明領域内の受光素子アレイ２０の主要部を示しており、モータ軸１１の中心α（０，０）を原点とする半径Ｒ１からＲ２までの範囲であってＹ軸の両側の±θ１の範囲内に、回転角度検出用受光素子としてのＭ系列用受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと光量補正用受光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４とが扇状に配置されている。これらの８個の受光素子の配置は、図２の左側から、Ｌ１，Ｌ２，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｌ３，Ｌ４の順番である。
【００２２】
図３は本実施形態の主要部の回路図であり、ホトダイオードまたはホトトランジスタからなるＭ系列用受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの接続は、従来の図１０と同様である。
一方、同じくホトダイオードまたはホトトランジスタからなる光量補正用受光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は、電源端子Ｖccと出力端子Ｌ’との間に互いに並列接続されている。
【００２３】
また、図４に示すごとく、Ｍ系列用受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの出力端子Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’には負荷抵抗Ｒ３が接続され、光量補正用受光素子Ｌの出力端子Ｌ’には負荷抵抗Ｒ２が接続されている。これらの負荷抵抗Ｒ３，Ｒ２により各受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｌからの光電流信号が電圧信号に変換され、ＣＰＵ１７に電圧信号として入力されるようになっている。
【００２４】
次に、この実施形態の動作原理を説明する。
まず、ＬＥＤ１５から照射された光線は、回転スリット板２２のＭ系列トラック１２の透過部を介して、Ｍ系列用受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ及び光量補正用受光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に到達する。
【００２５】
図５は、各受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ及びＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の出力、受光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の出力の和と、回転角度との関係を示すテーブルである。
例えば、モータ軸の回転角度が０度の場合、受光素子ＡがＭ系列トラック１２の透過部を検出していると、その出力は１となり、図５の０．０度（番号０）とＡとの交点のコードは１となる。また、受光素子ＢがＭ系列トラックの遮光部を検出していると、その出力は０となり、０．０度（番号０）とＢとの交点のコードは０となる。同様にして、受光素子Ｃ，ＤがＭ系列トラック１２の透過部を検出しているとそれらの出力は１であるから、回転角度検出用受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの出力コードは、４ｂｉｔの「１０１１」となる。
【００２６】
同様にして、回転角度が０度の場合に、受光素子Ｌ１のみがＭ系列トラック１２の透過部を検出していると、その出力は１であり、他の受光素子Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の出力はすべて０となる。このため、図５における０．０度（番号０）とＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４との交点のコードは「１０００」となる。
【００２７】
このような回転角度とＭ系列用受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ及び光量補正用受光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の各出力、並びに、光量補正用受光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の出力の和との関係は、角度−受光出力テーブルとして前記メモリ２１に予め格納されている。
ここで、光量補正用受光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の出力の和は、前述の回転角度０度の例で言えば１＋０＋０＋０＝１である。この出力の和は、それぞれの回転角度における基準光量相当値としての意味を持つ。
【００２８】
ＣＰＵ１７は、受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの出力コードを監視しており、例えば「１０１１」の場合には上記テーブルを参照して回転体の回転角度が０度であると判断する。
また、このときの光量補正用受光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の出力の和は、図５のテーブルによれば１であるから、基準光量相当値が１であることが判明する。従って、実際に受光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４により測定した受光量相当値が例えば０．９である場合、上記の基準光量相当値よりも小さく、ＬＥＤ１５の発光光量が不足しているので、ＣＰＵ１７はＬＥＤ１５の順電流が大きくなるように制御を行う。また、受光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４により測定した受光量相当値が例えば１．１である場合、上記の基準光量相当値よりも大きく、ＬＥＤ１５の発光光量が過剰であるので、ＣＰＵ１７はＬＥＤ１５の順電流が小さくなるように制御を行う。
【００２９】
更に、モータが回転して回転スリット板２２が２２．５度回転すると、Ｍ系列コードは左方向に１つシフトするため、Ｍ系列用受光素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの出力コードは「０１０１」となり、ＣＰＵ１７は図５のテーブルから回転角度が２２．５度であると判断する。このとき、光量補正用受光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の出力はそれぞれ１，１，１，０であるため、その和である基準光量相当値は３となる。
【００３０】
従って、実際に光量補正用受光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４により測定した受光量相当値が例えば２．７である場合、上記の基準光量相当値よりも小さく、ＬＥＤ１５の発光光量が不足しているので、ＣＰＵ１７はＬＥＤ１５の順電流が大きくなるように制御を行う。また、光量補正用受光素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４により測定した受光量相当値が例えば３．１である場合、上記の基準光量相当値よりも大きく、ＬＥＤ１５の発光光量が過剰であるので、ＣＰＵ１７はＬＥＤ１５の順電流が小さくなるように制御を行うものである。
【００３１】
この実施形態によれば、回転スリット板２２がＭ系列トラック１２のみを有し、従来必要であった光量補正用トラックが不要になるので、回転スリット板の構造が簡素化され、その小形軽量化が可能になる。
なお、Ｍ系列のｂｉｔ数は、上記実施形態における４に限定されないことは言うまでもない。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、回転スリット板の回転角度検出用トラックの透過光を用いて回転角度の検出と発光手段の光量補正とを行うようにし、従来のように受光素子アレイ上の照明領域内に回転角度検出用受光素子とは分離独立して光量補正用受光素子を配置する必要がなくなったため、従来と同一の照明領域内に配置される回転角度検出用受光素子の受光面積を、例えば２倍程度に大きくすることができる。
これにより、従来よりも大きな光電流を得ることができ、ＣＰＵに受光信号を取込むための負荷抵抗を小さくすることが可能になって受光素子の応答速度も向上する。
更に、回転スリット板の小形軽量化が可能である等の効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の主要部の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態における受光素子の配置説明図である。
【図３】本発明の一実施形態における主要な回路図である。
【図４】本発明の一実施形態における主要な回路図である。
【図５】本発明の一実施形態における角度−受光出力テーブルの説明図である。
【図６】Ｍ系列の説明図である。
【図７】従来技術の回転スリット板の説明図である。
【図８】従来技術の主要部の構成を示す斜視図である。
【図９】従来技術における受光素子の配置説明図である。
【図１０】従来技術の主要な回路図である。
【図１１】従来技術の主要な回路図である。
【図１２】従来技術における角度−受光出力テーブルの説明図である。
【符号の説明】
１１ モータ軸
１２ Ｍ系列トラック（回転角度検出用トラック）
１５ ＬＥＤ
１７ ＣＰＵ
１８ データバス
２０ 受光素子アレイ
２１ メモリ
２２ 回転スリット板
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ Ｍ系列用受光素子（回転角度検出用受光素子）
Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’，Ｌ’ 出力端子
Ｖcc 電源端子
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ 光量補正用受光素子
Ｒ２，Ｒ３ 負荷抵抗

Claims (5)

1. 発光手段と、
   この発光手段から照射された光線の透過部及び遮光部からなる回転角度検出用トラックを有し、かつ、回転角度の検出対象である回転体の軸を中心として回転する回転スリット板と、
   前記発光手段から照射されて前記透過部を透過した光線を受光する受光手段と、
   この受光手段の受光出力に基づいて回転体の回転角度を演算する演算処理手段とを備えるとともに、
   前記受光手段が、回転体の回転方向に沿って配置された複数の回転角度検出用受光素子と、前記発光手段の発光光量を補正するための光量補正用受光素子とを有する光学式アブソリュートエンコーダにおいて、
   前記回転角度検出用受光素子及び光量補正用受光素子は、前記回転スリット板の透過部を透過した光線の照明領域内において回転体の回転方向に沿って順次並置されることを特徴とする光学式アブソリュートエンコーダ。
2. 請求項１記載の光学式アブソリュートエンコーダにおいて、前記回転角度検出用受光素子及び光量補正用受光素子は、回転体の軸を中心としたほぼ扇形の領域内に並置されることを特徴とする光学式アブソリュートエンコーダ。
3. 請求項１または２記載の光学式アブソリュートエンコーダにおいて、
   回転体の各回転角度を前記回転角度検出用受光素子の受光出力のコードに対応させたテーブルを予め作成して記憶しておき、前記演算処理手段は、測定された前記コードに対応する回転角度を前記テーブルに基づいて求めることを特徴とする光学式アブソリュートエンコーダ。
4. 請求項１，２または３記載の光学式アブソリュートエンコーダにおいて、
   回転体の各回転角度を複数の前記光量補正用受光素子の受光出力の和である基準光量相当値に対応させたテーブルを予め作成して記憶しておき、前記演算処理手段は、測定された前記受光出力の和を前記基準光量相当値と比較してその結果に応じ前記発光手段の発光光量を調整することを特徴とする光学式アブソリュートエンコーダ。
5. 請求項１，２，３または４記載の光学式アブソリュートエンコーダにおいて、
   前記回転角度検出用受光素子及び光量補正用受光素子には受光出力を得るための負荷抵抗がそれぞれ個別に接続され、これらの負荷抵抗により変換された電圧が前記演算処理手段にそれぞれ入力されることを特徴とする光学式アブソリュートエンコーダ。

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