JP2016205855A - ロータリエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】検出素子を変えずに測定分解能及び光学検出直径を調整可能なロータリエンコーダを提供すること。
【解決手段】ロータリエンコーダ１は、シャフト５に固定され、所定のピッチ距離でスリットが連続したパターンで設けられたロータ８と、スリットの向きに対して所定の相対方向に固定され、パターンの移動量のうちスリットの向きと垂直な方向への移動量を検出する検出素子９と、を備え、スリットのパターンは、ロータ８の移動方向に対して垂直な方向から所定の角度傾けた向きに設けられ、検出素子９は、スリットの向きと略一致する向きに固定される。
【選択図】図４

Description

本発明は、ロータリエンコーダに関する。

従来、シャフトに固定されたスリットロータに照射した光の透過光を検出素子が検出することにより、シャフトの回転変位を測定するロータリエンコーダが知られている。また、ロータに反射部と非反射部のパターンを交互に形成し、照射した光の反射光を検出素子で検出することでシャフトの回転変位を測定するロータリエンコーダも知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０６−３４７２９１号公報

しかしながら、ロータに設けられるスリットのパターンは、検出素子が定める仕様によりピッチ距離が限定されていた。このため、ロータリエンコーダの測定分解能は、検出素子が配置される円周の直径（光学検出直径）を変えて１周のパルス数を増減することにより調整されていた。
したがって、光学検出直径の下限及び上限によって測定分解能の調整には制限があった。また、検出素子及び測定分解能を変えずに光学検出直径を調整することは難しかった。

本発明は、検出素子を変えずに測定分解能及び光学検出直径を調整可能なロータリエンコーダを提供することを目的とする。

本発明に係るロータリエンコーダは、回転軸に固定され、所定のピッチ距離でスリットが連続したパターンで設けられたロータと、前記スリットの向きに対して所定の相対方向に固定され、前記パターンの移動量のうち前記スリットの向きと垂直な方向への移動量を検出する検出素子と、を備え、前記スリットのパターンは、前記ロータの移動方向に対して垂直な方向から所定の角度傾けた向きに設けられる。

前記スリットは、前記ロータの回転面にインボリュート曲線に沿って設けられてもよい。

前記スリットは、前記ロータの外周面に設けられてもよい。

前記スリットは、前記ロータが１回転する間に、前記検出素子に対する前記パターンの相対変化が一巡するように設けられてもよい。

前記ロータは、前記スリットとして、前記所定のピッチ距離で光の反射部及び非反射部が交互に連続したパターンが設けられ、前記検出素子は、前記ロータからの反射光の移動量を、前記所定のピッチ距離の単位で検出してもよい。

前記ロータは、前記スリットとして、前記所定のピッチ距離で光の透過部及び非透過部が交互に連続したパターンが設けられ、前記検出素子は、前記ロータからの透過光の移動量を、前記所定のピッチ距離の単位で検出してもよい。

前記ロータは、前記スリットとして、前記所定のピッチ距離で磁気出力パターンが設けられ、前記検出素子は、前記ロータからの磁気縞の移動量を、前記所定のピッチ距離の単位で検出してもよい。

本発明によれば、ロータリエンコーダにおいて、検出素子を変えずに測定分解能及び光学検出直径を調整可能である。

第１実施形態に係るロータリエンコーダの構造を示す第１の図である。 第１実施形態に係るロータリエンコーダの構造を示す第２の図である。 第１実施形態に係るロータの移動量を検出素子が検出する原理を説明する模式図である。 第１実施形態に係るスリットパターンの第１の例を示す図である。 第１実施形態に係るスリットパターンの第２の例を示す図である。 第２実施形態に係るスリットパターンの例を示す図である。 第３実施形態に係るロータリエンコーダの構造を示す図である。 第３実施形態に係る第１のスリットパターンを平面に展開し、検出素子の配置と共に示す図である。 第３実施形態に係る第２のスリットパターンを平面に展開し、検出素子の配置と共に示す図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について説明する。
本実施形態では、光学式反射型のロータリエンコーダ１について説明する。

図１及び図２は、本実施形態に係るロータリエンコーダ１の構造を示す図である。
ロータリエンコーダ１は、本体２と、軸受３と、本体２に軸受３を固定する軸受保持部４と、軸受３によって軸受され軸を中心に回転可能なシャフト５とを備えている。また、ロータリエンコーダ１は、カバー６で覆われ、製品固定穴７によって固定治具に取り付けられる。

さらに、ロータリエンコーダ１は、シャフト５に固定されたロータ８と、検出素子９と、検出素子９を含む基板１０と、基板１０から信号を出力する出力コネクタ１１とを備えている。

このような構成において、シャフト５が回転すると、シャフト５に固定されたロータ８も軸回りに回転する。ロータリエンコーダ１は、このロータ８の移動量を検出素子９が検出することにより、シャフト５の回転変位を測定する。

図３は、本実施形態に係るロータリエンコーダ１においてロータ８の移動量を検出素子９が検出する原理を説明する模式図である。

検出素子９は、単体のＩＣによって実現され、光源９１（例えば、ＬＥＤ： Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）と、固定スリット９２と、固定スリット９２を透過した光を受光する受光部９３（例えば、ＰＤ： Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）とを備える。

ロータ８には、光の反射部と非反射部とが円周上に交互に連続したスリット状のパターンが設けられている。このため、光源９１から発せられた光の一部は、ロータ８の反射部で反射し、固定スリット９２に達する。

固定スリット９２には、ロータ８のスリットパターンと同一のピッチ距離で反射部と非反射部（透過部）とが交互に連続して設けられている。したがって、固定スリット９２に対してロータ８が図の左右方向に相対的に移動すると、受光部９３において検出される光量は、周期的に変化して明暗が繰り返される。

具体的には、ロータ８が（ａ）の位置では、受光部９３に光が届かないが、（ｂ）の位置まで１／２ピッチ（Ｐ）移動すると、受光部９３に光が届く。この繰り返しの回数をカウントすることにより、ロータリエンコーダ１は、ピッチ距離を円周距離で割った角度を分解能とする回転変位の測定が可能となる。

図４は、本実施形態に係るロータ８におけるスリットパターンの第１の例を示す図である。
従来のスリットパターン（ａ）では、内径ｄ及び外径Ｄのロータ８の回転方向に対して垂直方向、すなわちロータ８の中心から外側へ伸びる動径方向に反射部及び非反射部のスリットパターンが光学検出直径ＯＤ１の円周上に設けられている。また、検出素子９は、この光学検出直径ＯＤ１の円周上に設けられる。また、検出素子９は、ロータ８のスリットの向きに対して所定の相対方向、すなわちロータ８のスリットの向きと固定スリット９２の向きとが略一致するように固定される。略一致とは、ロータ８の移動に伴う反射光の光量変化を検出可能な精度での一致であり、所定の角度（例えば１０°）以内の誤差を含んでよい。

この場合、ロータ８の回転方向へのスリットパターンの繰り返しの距離は、固定スリット９２のピッチ距離Ｐと等しいため、検出素子９において検出される移動量は、ロータ８の移動量と一致し、円周上のピッチ距離Ｐ（１パルス）に相当する角度が測定分解能となる。

ここで、ロータ８の１回転に対してパルス数Ｎ１の分解能が必要な場合、
Ｐ×Ｎ１÷π＝ＯＤ１
が成り立つようにピッチ距離Ｐ及び光学検出直径ＯＤ１が定められる。このとき、検出素子９によりピッチ距離Ｐが制限されていると、光学検出直径ＯＤ１を調整することによりパルス数Ｎ１を実現することになる。

ところが、検出素子９には、検出精度を保証するためにＯＤ１の下限値（曲率の限界値）が設定されている。すなわち、特定の検出素子９が選定された時点で、パルス数Ｎ１には下限が存在する。

本実施形態のスリットパターン（ｂ）では、内径ｄ及び外径Ｄ２のロータ８において、光学検出直径ＯＤ２（＞ＯＤ１）の円周上に、インボリュート曲線を用いたスリットパターンが等間隔に設けられる。

インボリュート曲線は、基礎円直径により曲率が決まるが、本実施形態では、パルス数Ｎ１によって基礎円直径ｄｂ１が決定される。
ｄｂ１＝Ｐ×Ｎ１÷π
すなわち、基礎円直径ｄｂ１は、従来の光学検出直径ＯＤ１と等しい。

このインボリュート曲線に沿ったスリットパターンが所望の光学検出直径ＯＤ２の円周上に設けられることにより、ロータ８は、隣り合ったスリットパターンのピッチ距離Ｐ、及びパルス数Ｎ１を従来（ａ）から変化させることなく、光学検出直径を拡大できる。

図５は、本実施形態に係るロータ８におけるスリットパターンの第２の例を示す図である。
本実施形態のスリットパターン（ｂ）では、従来のスリットパターン（ａ）と同様の内径ｄ及び外径Ｄのロータ８において、光学検出直径ＯＤ１の円周上に、インボリュート曲線を用いたスリットパターンが等間隔に設けられる。

ここで、パルス数Ｎ２（＜Ｎ１）のスリットパターンを設ける場合、
ｄｂ２＝Ｐ×Ｎ２÷π
によって基礎円直径ｄｂ２が決定される。

このインボリュート曲線に沿ったスリットパターンが光学検出直径ＯＤ１の円周上に設けられることにより、ロータ８は、隣り合ったスリットパターンのピッチ距離Ｐ、及び光学検出直径ＯＤ１を従来（ａ）から変化させることなく、パルス数を減らすことができる。

なお、説明の簡略化のため、検出素子９における固定スリット９２の大きさとピッチ距離（＝Ｐ）とを等しく図示しているが、これには限られない。検出素子９の大きさに比較してピッチ距離はさらに短く、固定スリット９２のスリットは、多数（例えば数十）設けられてよい。

これら本実施形態のスリットパターン（図４又は図５）を用いる場合、検出素子９は、ロータ８のスリットの向きに対して所定の相対方向、すなわち固定スリット９２の向きとロータ８のスリットの向きとが略一致するように動径方向から傾けて固定される。なお、ロータ８の移動に伴う反射光の光量変化を検出可能な精度での誤差（例えば１０°）は許容される。具体的には、インボリュート曲線の基礎円に接する直線に対して、固定スリット９２のスリットパターンの向きが垂直になるように配置されてよい。

これにより、検出素子９から見たロータ８のスリットパターンの描く模様、すなわち検出素子９が検出する反射光は、スリットの方向と垂直（図４及び図５の左右方向）に移動する。検出素子９は、ロータ８の移動に伴うスリットパターンの移動量のうち、スリットの向きと垂直な方向への移動量を検出する。また、ロータ８が等速回転すると、検出素子９が検出する反射光の移動速度も等速であり、検出素子９は、従来と同様の光量変化を検出し、スリットパターンの移動量を精度良く検出できる。

本実施形態によれば、ロータリエンコーダ１において、ロータ８のスリットが動径方向から所定の角度傾けた向きに設けられ、検出素子９は、固定スリット９２の向きとロータ８のスリットの向きとが略一致するように動径方向から傾けて固定された。
したがって、ロータリエンコーダ１は、スリットのピッチ距離を変えずに、すなわち、検出素子９の仕様を変更することなく、測定分解能としてのパルス数を維持して光学検出直径を拡大することができる。
また、ロータリエンコーダ１は、スリットのピッチ距離を変えずに、すなわち、検出素子９の仕様を変更することなく、光学検出直径を維持して測定分解能としてのパルス数を減らすことができる。

この結果、例えば、軸の径が決まっているロータリエンコーダ１において、光学検出直径の下限による制限を受けずに測定分解能を下げられる。また、検出素子９を配置したい箇所に不可避の部品が干渉している場合、測定分解能を変えずに光学検出直径を拡大して干渉を避けることができる。

さらに、ロータ８のスリットパターンは、インボリュート曲線に沿って設けられるので、検出素子９から見たスリットパターンが、固定スリット９２のパターンと近似し、検出素子９は、精度良くスリットパターンの移動量を検出できる。なお、インボリュート曲線の性質により、光学検出直径が大きくなるほど、スリットのエッジは直線に近くなるため、より精度の向上が期待できる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について説明する。
なお、第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略又は簡略化する。

本実施形態のロータリエンコーダ１は、検出素子９の仕様が求めるピッチ距離の範囲で反射光の移動量を検出することにより、ロータ８の回転位置を示す絶対角度を検出する。

図６は、本実施形態のスリットパターンを設けたロータ８、及び検出素子９の配置を示す図である。

本実施形態では、内径ｄ及び外径Ｄのロータ８に対して、直径ｄｂ３の基礎円により描かれる２本のインボリュート曲線を用いたスリットパターンが、光学検出直径ＯＤ１の円周上に設けられる。この場合、ロータ８の移動方向における反射部と非反射部との現れる周期が円周の長さと等しい。したがって、ロータ８の１回転の移動量に対して、検出素子９が検出する反射光の移動量は、検出素子９の仕様が求めるピッチ距離Ｐと等しくなり、検出素子９から見たスリットパターンの相対変化が一巡する。

ここで、検出素子９が互いに９０度の位相差を持つＡ相及びＢ相の２信号を出力可能な場合、ロータリエンコーダ１は、ｓｉｎα及びｃｏｓαの２つの信号を取得できる。ロータリエンコーダ１は、これらの信号からｔａｎ^−１（−１８０°≦α≦１８０°）を求めることにより、初期位置からの移動量（相対角度）だけでなく、ロータ８の絶対角度を検出できる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について説明する。
なお、第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略又は簡略化する。

図７は、本実施形態に係るロータリエンコーダ１ａの構造を示す図である。
ロータリエンコーダ１ａは、シャフト５を軸にして回転する円筒状のロータ８ａの外周面にスリットパターンが設けられる。また、基板１０に含まれる検出素子９は、ロータ８ａの外周面に対向して設けられる。

図８は、本実施形態に係るロータ８ａの第１のスリットパターンを平面に展開し、検出素子９の配置と共に示す図である。
本実施形態のスリットの方向は、ロータ８ａの移動方向と垂直な方向に対して角度θ傾いた方向に設けられている。

このとき、反射部と非反射部とが繰り返すスリットと垂直方向のピッチ距離Ｐは検出素子９の仕様が求めるピッチ距離と等しい。この結果、ロータ８ａの移動方向へのスリットパターンの繰り返しの距離Ｌ２は、ピッチ距離Ｐより長くなる。

本実施形態のスリットパターンを用いる場合、検出素子９は、スリットの方向と同一の角度θだけ傾けて固定される。この配置により、検出素子９から見たスリットパターンは、検出素子９の仕様が求める方向及びピッチ距離になる。さらに、ロータ８ａが回転した場合、検出素子９から見たスリットパターンの描く模様、すなわち検出素子９が検出する反射光の動きについても、仕様通りに固定スリットと垂直な方向への動きになる。

このように、ロータ８ａのスリットパターンにおけるスリットの向きを、移動方向と垂直な軸の方向から角度θ傾けた方向とすることにより、同一外径のロータ８ａにおいて、移動方向へのスリットパターンの繰り返しの距離Ｌ２は、θが０度の場合のＰよりも長くなる。したがって、測定分解能又はロータ８ａの外径が調整可能となる。

図９は、本実施形態に係るロータ８ａの第２のスリットパターンを平面に展開し、検出素子９の配置と共に示す図である。
第２のスリットパターンでは、スリットが螺旋状に連続して設けられる。

具体的には、ロータ８ａの移動方向における反射部と非反射部との現れる周期がロータ８ａの外周の長さＬ３と等しくなるように設定される。この場合、ロータ８ａの１回転の移動量に対して、検出素子９が検出する反射光の移動量は、検出素子９の仕様が求めるピッチ距離Ｐと等しくなり、検出素子９から見たスリットパターンの相対変化が一巡する。
ここで、検出素子９が互いに９０度の位相差を持つＡ相及びＢ相の２信号を出力可能な場合、ロータリエンコーダ１ａは、ｓｉｎα及びｃｏｓαの２つの信号を取得できる。ロータリエンコーダ１ａは、これらの信号からｔａｎ^−１（−１８０°≦α≦１８０°）を求めることにより、初期位置からの移動量（相対角度）だけでなく、ロータ８ａの絶対角度を検出できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

前述の実施形態では、光学式反射型のロータリエンコーダ１を説明したが、本実施形態における測定分解能を調整する構成は、他の方式のセンサにも適用可能である。

例えば、ロータリエンコーダは、ロータのスリットとして、所定のピッチ距離で光の透過部及び非透過部が交互に連続したパターンが設けられ、検出素子においてロータからの透過光の移動量を、ピッチ距離の単位で検出する光学式透過型であってもよい。

また、ロータリエンコーダは、ロータのスリットとして、所定のピッチ距離で磁気出力パターンが設けられ、検出素子においてロータからの磁気縞の移動量を、ピッチ距離の単位で検出する磁気式であってもよい。

前述の実施形態では、検出素子９は、固定スリット９２を備える構成としたが、これには限られない。例えば、受光部が固定スリットの非反射部に相当するピッチ距離で櫛形に配置され、固定スリットを備えない検出素子であってもよい。

１ ロータリエンコーダ
５ シャフト
８ ロータ
９ 検出素子

Claims (7)

1. 回転軸に固定され、所定のピッチ距離でスリットが連続したパターンで設けられたロータと、
   前記スリットの向きに対して所定の相対方向に固定され、前記パターンの移動量のうち前記スリットの向きと垂直な方向への移動量を検出する検出素子と、を備えたロータリエンコーダであって、
   前記スリットのパターンは、前記ロータの移動方向に対して垂直な方向から所定の角度傾けた向きに設けられたロータリエンコーダ。
2. 前記スリットは、前記ロータの回転面にインボリュート曲線に沿って設けられる請求項１に記載のロータリエンコーダ。
3. 前記スリットは、前記ロータの外周面に設けられる請求項１に記載のロータリエンコーダ。
4. 前記スリットは、前記ロータが１回転する間に、前記検出素子に対する前記パターンの相対変化が一巡するように設けられる請求項１から請求項３のいずれかに記載のロータリエンコーダ。
5. 前記ロータは、前記スリットとして、前記所定のピッチ距離で光の反射部及び非反射部が交互に連続したパターンが設けられ、
   前記検出素子は、前記ロータからの反射光の移動量を、前記所定のピッチ距離の単位で検出する請求項１から請求項４のいずれかに記載のロータリエンコーダ。
6. 前記ロータは、前記スリットとして、前記所定のピッチ距離で光の透過部及び非透過部が交互に連続したパターンが設けられ、
   前記検出素子は、前記ロータからの透過光の移動量を、前記所定のピッチ距離の単位で検出する請求項１から請求項４のいずれかに記載のロータリエンコーダ。
7. 前記ロータは、前記スリットとして、前記所定のピッチ距離で磁気出力パターンが設けられ、
   前記検出素子は、前記ロータからの磁気縞の移動量を、前記所定のピッチ距離の単位で検出する請求項１から請求項４のいずれかに記載のロータリエンコーダ。

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