JP2020034541A

JP2020034541A - エンコーダ及びその位置検出方法

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Publication number: JP2020034541A
Application number: JP2019079898A
Authority: JP
Inventors: 王宏洲; Hong Zhou Wang; 林正平; Chen-Ping Lin
Original assignee: Taida Electronic Industry Co Ltd; Delta Electronics Inc
Current assignee: Taida Electronic Industry Co Ltd; Delta Electronics Inc
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2019-04-19
Publication date: 2020-03-05
Also published as: US20200064155A1; US11002562B2; CN110864711A; CN110864711B

Abstract

【課題】磁石、光学式符号化ディスク、磁気式検出アセンブリ、光学式検出アセンブリ、及び信号処理ユニットを備えるエンコーダを提供する。【解決手段】光学式符号化ディスク４は、第１インクリメンタルパターントラック及び第２インクリメンタルパターントラックを有する。磁石３及び光学式符号化ディスク４は、構造的に同軸であり、且つ回転可能である。磁気式検出アセンブリ７は、磁石３の回転を検出して絶対位置信号を取得する。光学式検出アセンブリ８は、光学式符号化ディスク４の回転を検出して第１インクリメンタル位置信号及び第２インクリメンタル位置信号を取得する。信号処理ユニット９は、それらの信号を受信して積分し、高精度の絶対位置情報を得る。【選択図】図１

Description

本開示はエンコーダに関するものであり、より具体的には、磁気式検出アセンブリ及び光学式検出アセンブリにより絶対位置信号及びインクリメンタル位置信号を取得し、それらの信号を積分することにより、高精度の絶対位置情報を得る、エンコーダ及びその位置検出方法に関するものである。

技術の進歩に伴い、回転速度の測定やモータの位置検出などの精密機器制御の分野において、エンコーダ技術が広く使用されている。例えば、アブソリュートエンコーダを用いて、モータの回転数、回転方向、及び回転位置を検出することができる。

従来、光学式エンコーダにおいては、グレイコード又はＭコード（最大長シーケンス又はｍシーケンスコードとも呼ばれる）を用いて絶対位置情報を得る。光学式エンコーダの主な構成には、発光器、受光器、符号化ディスク、及び処理回路が含まれる。反射型光学式エンコーダの発光器及び受光器は、符号化ディスクに対して同じ側に配置され、符号化ディスク上のパターンを適切に設計することにより所望の信号出力が得られる。

しかしながら、従来のエンコーダの構成及び符号化方法は、センサと符号化ディスクとの間の位置ずれに大きな影響を受けるため、センサ及び符号化ディスクの組み立て及び位置合わせのプロセスにおいて、エンコーダは極めて精確である必要がある。さらに、エンコーダの精度要件が高まるにつれ、受光器の対応する光学式検出領域の範囲も大幅に減少し、油、汚れ、又は微粒子などの外部環境による汚染が、絶対位置信号の検出に重大な影響を及ぼす。

従来技術の欠点を克服するために、エンコーダ及びその位置検出方法を改善する必要がある。この分野においては、高精度の絶対位置検出を実現し、環境からの汚染に対する耐性能力を高め、エンコーダのロバスト性を向上させ、組み立てが容易でより薄いエンコーダを実現することが、重要な課題である。

本開示の目的は、先行技術が直面する課題に対処するためのエンコーダ及びその位置検出方法を提供することである。

本開示の一態様によれば、エンコーダ及びその位置検出方法が提供される。磁気式検出アセンブリ及び光学式検出アセンブリにより絶対位置信号、第１インクリメンタル位置信号、及び第２インクリメンタル位置信号を取得し、信号処理ユニットにより積分することで、高精度の絶対位置検出が実現でき、高精度の絶対位置情報が得られる。

本開示の別の態様によれば、エンコーダ及びその位置検出方法が提供される。磁気式検出アセンブリ及び磁石の配置に加え、光学式検出アセンブリの発光素子及び受光素子が光学式符号化ディスクの一方の側に配置される光反射構造により、エンコーダの薄型化が実現できる。

本開示の別の態様によれば、エンコーダ及びその位置検出方法が提供される。磁気式検出アセンブリを介して絶対位置信号を取得するため、エンコーダは環境からの汚染に対する高い耐性能力を有する。さらに、光学式検出アセンブリは、インクリメンタル受光領域、及びフェーズドアレイ配列で配置された検出パターンを有し、これによりエンコーダのロバスト性が高められる。

本開示の別の態様によれば、エンコーダ及びその位置検出方法が提供される。磁気式検出アセンブリの中心は回転軸上に存在しても、回転軸からずれていてもよく、これにより、エンコーダの製造及び組み立てにおいて大きな自由度が生じ、エンコーダの組み立てが容易になり得る。

一実施形態において、エンコーダは、キャリアディスク、磁石、光学式符号化ディスク、筐体、回路基板、磁気式検出アセンブリ、光学式検出アセンブリ、及び信号処理ユニットを備える。磁石はキャリアディスク上に配置される。光学式符号化ディスクはキャリアディスク上に配置され、光学式符号化ディスクは磁石を囲む。光学式符号化ディスクは、第１インクリメンタルパターントラック及び第２インクリメンタルパターントラックを有し、第１インクリメンタルパターントラック及び第２インクリメンタルパターントラックは、光学式符号化ディスクの周方向に沿ってそれぞれ配置される。キャリアディスク、磁石、及び光学式符号化ディスクは、回転軸を中心として構造的に同軸であり、且つ回転可能である。筐体はキャリアディスクを囲み、キャリアディスク、磁石、及び光学式符号化ディスクは筐体に対して動くことができる。回路基板は筐体上に配置される。磁気式検出アセンブリは、回路基板上に配置され、且つ磁石と組み合わされており、磁石が筐体に対して動く際に磁気式検出を行い絶対位置信号を取得するためのものである。光学式検出アセンブリは、回路基板上に配置され、且つ第１インクリメンタルパターントラック及び第２インクリメンタルパターントラックを有する光学式符号化ディスクと組み合わされており、光学式符号化ディスクが筐体に対して動く際に光学式検出を行い第１インクリメンタル位置信号及び第２インクリメンタル位置信号を取得するためのものである。信号処理ユニットは回路基板上に配置される。信号処理ユニットは、絶対位置信号、第１インクリメンタル位置信号、及び第２インクリメンタル位置信号を受信して積分し、絶対位置情報を得る。

一実施形態において、エンコーダの位置検出方法は、以下の工程（ａ）〜（ｇ）を含む。（ａ）エンコーダを提供する工程であって、エンコーダは磁石、光学式符号化ディスク、磁気式検出アセンブリ、及び光学式検出アセンブリを備え、光学式符号化ディスクは、磁石を囲み、且つ光学式符号化ディスクの周方向に沿ってそれぞれ配置される第１インクリメンタルパターントラック及び第２インクリメンタルパターントラックを有し、磁気式検出アセンブリは磁石と組み合わされて配置され、光学式検出アセンブリは光学式符号化ディスクと組み合わされて配置される、工程、（ｂ）磁石が磁気式検出アセンブリに対して動く際に磁気式検出アセンブリ及び磁石を用いて磁気式検出を行い、磁石の１回転あたり１周期を有する絶対位置信号を取得する、工程、（ｃ）光学式符号化ディスクが光学式検出アセンブリに対して動く際に光学式検出アセンブリ及び光学式符号化ディスクを用いて光学式検出を行い、光学式符号化ディスクの１回転あたりＭ周期を有する第１インクリメンタル位置信号と、光学式符号化ディスクの１回転あたりＮ周期を有する第２インクリメンタル位置信号とを得る工程であって、Ｍ及びＮは整数である、工程、（ｄ）絶対位置信号、第１インクリメンタル位置信号、及び第２インクリメンタル位置信号を解析し、予備絶対位置情報、第１インクリメンタル位置情報、及び第２インクリメンタル位置情報をそれぞれ得る、工程、（ｅ）予備絶対位置情報を解析して第１位置を得る工程、（ｆ）第１位置及び第１インクリメンタル位置情報を解析して第２位置を得る工程、（ｇ）第２位置及び第２インクリメンタル位置情報を解析して第３位置を得る工程であって、第３位置は絶対位置である、工程。

一実施形態において、エンコーダの位置検出方法は、以下の工程（ａ）〜（ｈ）を含む。（ａ）エンコーダを提供する工程であって、エンコーダは磁石、光学式符号化ディスク、磁気式検出アセンブリ、及び光学式検出アセンブリを備え、光学式符号化ディスクは、磁石を囲み、且つ光学式符号化ディスクの周方向に沿ってそれぞれ配置される第１インクリメンタルパターントラック及び第２インクリメンタルパターントラックを有し、磁気式検出アセンブリは磁石と組み合わされて配置され、光学式検出アセンブリは光学式符号化ディスクと組み合わされて配置される、工程、（ｂ）磁石が磁気式検出アセンブリに対して動く際に磁気式検出アセンブリ及び磁石を用いて磁気式検出を行い、磁石の１回転あたり１周期を有する絶対位置信号を取得する、工程、（ｃ）光学式符号化ディスクが光学式検出アセンブリに対して動く際に光学式検出アセンブリ及び光学式符号化ディスクを用いて光学式検出を行い、光学式符号化ディスクの１回転あたりＭ周期を有する第１インクリメンタル位置信号と、光学式符号化ディスクの１回転あたりＮ周期を有する第２インクリメンタル位置信号とを得る工程であって、Ｍ及びＮは整数であり、ＮはＭよりも大きい、工程、（ｄ）絶対位置信号、第１インクリメンタル位置信号、及び第２インクリメンタル位置信号を解析し、予備絶対位置情報、第１インクリメンタル位置情報、及び第２インクリメンタル位置情報をそれぞれ得る、工程、（ｅ）第１インクリメンタル位置情報及び第２インクリメンタル位置情報を解析し、光学式符号化ディスクの１回転あたり（Ｎ−Ｍ）周期を有する第３インクリメンタル位置情報を得る、工程、（ｆ）予備絶対位置情報を解析して第１位置を得る工程、（ｇ）第１位置及び第３インクリメンタル位置情報を解析して第２位置を得る工程、（ｈ）第２位置及び第２インクリメンタル位置情報を解析して第３位置を得る工程であって、第３位置は絶対位置である、工程。

本開示の上述の内容は、以下の詳細な説明及び添付図面を参照した後に、当業者にとってより容易に明らかとなるであろう。

図１は、本開示の実施形態に係るエンコーダの断面構造を概略的に示している。図２は、本開示の実施形態に係るエンコーダの部分構造を概略的に示している。図３Ａは、本開示の実施形態に係るエンコーダの光学式符号化ディスクの構造を概略的に示している。図３Ｂは、図３Ａに示した光学式符号化ディスクの構造を部分的に拡大し詳細化して、概略的に示している。図４Ａは、本開示の実施形態に係るエンコーダの磁石及び磁気式検出アセンブリの上面図を、概略的に示している。図４Ｂは、本開示の実施形態に係るエンコーダの磁石及び磁気式検出アセンブリの側断面図を、概略的に示している。図５Ａは、本開示の別の実施形態に係るエンコーダの磁石及び磁気式検出アセンブリの上面図を、概略的に示している。図５Ｂは、本開示の別の実施形態に係るエンコーダの磁石及び磁気式検出アセンブリの側断面図を、概略的に示している。図６Ａは、本開示の実施形態に係るエンコーダの光学式検出アセンブリの構造を、概略的に示している。図６Ｂは、図６Ａに示した光学式検出アセンブリの構造を部分的に拡大し詳細化して、概略的に示している。図７Ａは、本開示の実施形態に係るエンコーダの光学式検出アセンブリの発光素子の構成を概略的に示している。図７Ｂは、本開示の別の実施形態に係るエンコーダの光学式検出アセンブリの発光素子の構成を、概略的に示している。図８Ａは、本開示の実施形態に係るエンコーダの光学式符号化ディスク及び光学式検出アセンブリの構成を、概略的に示している。図８Ｂは、本開示の別の実施形態に係るエンコーダの光学式符号化ディスク及び光学式検出アセンブリの構成を、概略的に示している。図９は、本開示の実施形態に係るエンコーダの位置検出方法のフローチャートを、概略的に示している。図１０は、本開示の実施形態に係るエンコーダの位置検出方法により得られた位置情報を、概略的に示している。図１１は、本開示の別の実施形態に係るエンコーダの位置検出方法のフローチャートを、概略的に示している。図１２は、本開示の別の実施形態に係るエンコーダの位置検出方法により得られた位置情報を、概略的に示している。

本開示を、以下の実施形態を参照してより具体的に説明する。本開示の好ましい実施形態に関する以下の説明は、例示及び説明のみを目的として、本明細書に提示されることに留意されたい。包括的であること、又は開示された形態に正確に限定されることを意図するものではない。

図１、図２、図３Ａ、及び図３Ｂを参照されたい。図１は、本開示の実施形態に係るエンコーダの断面構造を概略的に示している。図２は、本開示の実施形態に係るエンコーダの部分構造を概略的に示している。図３Ａは、本開示の実施形態に係るエンコーダの光学式符号化ディスクの構造を概略的に示している。図３Ｂは、図３Ａに示した光学式符号化ディスクの構造を部分的に拡大し詳細化して、概略的に示している。図１、図２、図３Ａ、及び図３Ｂに示すように、本開示のエンコーダ１は、キャリアディスク２、磁石３、光学式符号化ディスク４、筐体５、回路基板６、磁気式検出アセンブリ７、光学式検出アセンブリ８、及び信号処理ユニット９を備える。磁石３はキャリアディスク２上に配置される。光学式符号化ディスク４はキャリアディスク２上に配置され、光学式符号化ディスク４は磁石３を囲む。光学式符号化ディスク４は、第１インクリメンタルパターントラック４１及び第２インクリメンタルパターントラック４２を有し、第１インクリメンタルパターントラック４１及び第２インクリメンタルパターントラック４２は、光学式符号化ディスク４の周方向Ｄに沿って、隣接してそれぞれ配置される。キャリアディスク２、磁石３、及び光学式符号化ディスク４は、回転軸Ａを中心として構造的に同軸であり、且つ回転可能である。

筐体５はキャリアディスク２を囲み、キャリアディスク２、磁石３、及び光学式符号化ディスク４は筐体５に対して動くことができる。回路基板６は、筐体５上に配置され、且つ磁石３及び光学式符号化ディスク４に対して配置される。磁気式検出アセンブリ７は、回路基板６上に配置され、且つ磁石３と組み合わされており、磁石３が筐体５に対して動く際に、つまり、磁石３が磁気式検出アセンブリ７に対して動く際に磁気式検出を行い絶対位置信号を取得するためのものである。光学式検出アセンブリ８は、回路基板６上に配置され、且つ第１インクリメンタルパターントラック４１及び第２インクリメンタルパターントラック４２をその一方の側に有する光学式符号化ディスク４と組み合わされており、光学式符号化ディスク４が筐体５に対して動く際に、つまり、光学式符号化ディスク４が光学式検出アセンブリ８に対して動く際に光学式検出を行い第１インクリメンタル位置信号及び第２インクリメンタル位置信号をそれぞれ得るためのものである。信号処理ユニット９は、例えば、回路基板６上に配置されるがこれに限定されるものではなく、磁気式検出アセンブリ７及び光学式検出アセンブリ８が配置されている側とは異なる側に配置されている。信号処理ユニット９は、絶対位置信号、第１インクリメンタル位置信号、及び第２インクリメンタル位置信号を受信し、それらの信号を積分し処理した後に、高精度の絶対位置情報が得られる。

すなわち、本開示のエンコーダにおいて、磁気式検出アセンブリ及び光学式検出アセンブリにより絶対位置信号、第１インクリメンタル位置信号、及び第２インクリメンタル位置信号を取得し、信号処理ユニットにより積分及び処理することによって、高精度の絶対位置検出が実現でき、高精度の絶対位置情報が得られる。

図１、図４Ａ、及び図４Ｂを参照されたい。図４Ａは、本開示の実施形態に係るエンコーダの磁石及び磁気式検出アセンブリの上面図を、概略的に示している。図４Ｂは、本開示の実施形態に係るエンコーダの磁石及び磁気式検出アセンブリの側断面図を、概略的に示している。図１、図４Ａ、及び図４Ｂに示すように、いくつかの実施形態において、磁気式検出アセンブリ７の中心は回転軸Ａ上に存在する（つまり、軸上配置である）。磁石３が回転軸Ａを中心にして１回転すると、磁気式検出アセンブリ７の位置において、磁気特性が対応して１周期分変化する。これは、磁束密度の強さの変化でもよいが、これに限定されるものではない。磁気式検出アセンブリ７は磁気特性の変化を検出し、電気信号に変換する。これにより、１回転あたり１つの全周期を有する絶対位置信号が、信号処理ユニット９へ提供されるために生成及び規定される。いくつかの実施形態において、磁石３は環状磁石であり、締め付けねじ１０が固定を目的として磁石３及びキャリアディスク２を貫通しているが、これに限定されるものではない。

図１、図５Ａ、及び図５Ｂを参照されたい。図５Ａは、本開示の別の実施形態に係るエンコーダの磁石及び磁気式検出アセンブリの上面図を、概略的に示している。図５Ｂは、本開示の別の実施形態に係るエンコーダの磁石及び磁気式検出アセンブリの側断面図を、概略的に示している。図１、図５Ａ、及び図５Ｂに示すように、いくつかの実施形態において、磁気式検出アセンブリ７の中心は回転軸Ａからずれており（つまり、軸外配置であり）、磁気特性の変化を検出し、１回転あたり１つの全周期を有する絶対位置信号も生成及び規定される。いくつかの実施形態において、磁石３は環状磁石としてもよく、磁気式検出部品７が軸外配置である場合は中空環状構造のエンコーダ構成となり得るが、これに限定されるものではない。いくつかの実施形態において、磁石３は、中空環状磁石、円盤型磁石、又は長方形の磁石としてもよい。１回転に対応して磁気特性が１周期分変化する限り、磁石３の種類は限定されない。いくつかの実施形態において、磁気式検出アセンブリ７は磁気抵抗素子（図示せず）を備える。磁気抵抗素子は、ホール効果素子、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲ素子）、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）、又はこれらの素子を用いた集積回路素子でもよい。

すなわち、本開示のエンコーダにおいて、磁気式検出アセンブリの中心は回転軸上に存在しても、回転軸からずれていてもよく、これにより、エンコーダの製造及び組み立てにおいて大きな自由度が生じ、エンコーダの組み立てが容易になり得る。

図１、図２、図３Ａ、図３Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、及び図８Ｂを参照されたい。図６Ａは、本開示の実施形態に係るエンコーダの光学式検出アセンブリの構造を、概略的に示している。図６Ｂは、図６Ａに示した光学式検出アセンブリの構造を部分的に拡大し詳細化して、概略的に示している。図７Ａは、本開示の実施形態に係るエンコーダの光学式検出アセンブリの発光素子の構成を概略的に示している。図７Ｂは、本開示の別の実施形態に係るエンコーダの光学式検出アセンブリの発光素子の構成を、概略的に示している。図８Ａは、本開示の実施形態に係るエンコーダの光学式符号化ディスク及び光学式検出アセンブリの構成を、概略的に示している。図８Ｂは、本開示の別の実施形態に係るエンコーダの光学式符号化ディスク及び光学式検出アセンブリの構成を、概略的に示している。図１、図２、図３Ａ、図３Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、及び図８Ｂに示すように、いくつかの実施形態において、第１インクリメンタルパターントラック４１は、光学式符号化ディスク４の周方向Ｄに沿って１回転（つまり、機械角０〜３６０度）の輪を成し、第１インクリメンタルパターントラック４１はＭ個の第１インクリメンタルパターン４１０を有する。第２インクリメンタルパターントラック４２は、光学式符号化ディスク４の周方向Ｄに沿って１回転の輪を成し、第２インクリメンタルパターントラック４２はＮ個の第２インクリメンタルパターン４２０を有する。Ｎ及びＭは整数であり、且つＮはＭより大きい。さらに、各第１インクリメンタルパターン４１０は、低反射率領域４１０ａ及び高反射率領域４１０ｂを有し、各第２インクリメンタルパターン４２０は、低反射率領域４２０ａ及び高反射率領域４２０ｂを有する。いくつかの実施形態において、光学式符号化ディスク４は、ガラス材料、金属材料、プラスチック材料、又は低光反射率及び高光反射率の交互パターンを生成するよう加工可能な任意の材料を用いて作ることができるが、これに限定されるものではない。

いくつかの実施形態において、光学式検出アセンブリ８は、発光素子８１及び少なくとも１つの受光素子８２を備える。発光素子８１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、又はレーザダイオード（ＬＤ）を備えるが、これに限定されるものではない。受光素子８２は、第１インクリメンタル受光領域８２１及び第２インクリメンタル受光領域８２２を有する。第１インクリメンタル受光領域８２１及び第２インクリメンタル受光領域８２２は、光学式符号化ディスク４の径方向Ｒに沿って、且つ発光素子８１の両側にそれぞれ配置される。発光素子８１は、第１インクリメンタルパターントラック４１及び第２インクリメンタルパターントラック４２に光Ｌを照射する。第１インクリメンタル受光領域８２１は、第１インクリメンタルパターントラック４１の高反射率領域４１０ｂにより反射された光Ｌを受光して第１インクリメンタル位置信号を取得し、第２インクリメンタル受光領域８２２は、第２インクリメンタルパターントラック４２の高反射率領域４２０ｂにより反射された光Ｌを受光して第２インクリメンタル位置信号を取得する。すなわち、発光素子８１により照射された光Ｌは、対応する第１インクリメンタルパターントラック４１及び第２インクリメンタルパターントラック４２により反射され、受光素子８２の面上に光エネルギーの強度分布を形成する。さらに、受光素子８２は、光エネルギーの強度分布の変化を検出して、それを電気信号に変換し、第１インクリメンタル位置信号及び第２インクリメンタル位置信号をそれぞれ生成する。生成された信号は、信号の積分及び処理のために信号処理ユニット９に提供される。

例えば、発光素子８１及び受光素子８２は、光学式符号化ディスク４に対して同じ側に配置され、受光素子８２は、発光素子８１の両側に、且つ光学式符号化ディスク４の径方向Ｒに沿って、第１インクリメンタル受光領域８２１及び第２インクリメンタル受光領域８２２をそれぞれ有する。第１インクリメンタル受光領域８２１は、光学式符号化ディスク４上の第１インクリメンタルパターン４１０をＭ個有する第１インクリメンタルパターントラック４１から反射された光Ｌを検出する。光エネルギーの強度分布の検出された変化は電気信号に変換され、当該電気信号は、光学式符号化ディスク４の１回転あたりＭ周期を有する第１インクリメンタル位置信号である。同様に、第２インクリメンタル受光領域８２２は、光学式符号化ディスク４上の第２インクリメンタルパターン４２０をＮ個有する第２インクリメンタルパターントラック４２から反射された光Ｌを検出する。光エネルギーの強度分布の検出された変化は電気信号に変換され、当該電気信号は、光学式符号化ディスク４の１回転あたりＮ周期を有する第２インクリメンタル位置信号である。

いくつかの実施形態において、発光素子８１は、発光領域８１０及び電極８１１を有する。発光領域８１０の形状は、円形、長方形、又は楕円形でもよいが、これらに限定されるものではない。発光領域８１０は、光学式符号化ディスク４の円周接線方向ｄの幅Ｗを有し、第２インクリメンタルパターン４２０は、円周接線方向ｄのピッチＰを有する。幅ＷはピッチＰの０．５〜１．５倍（つまり、０．５Ｐ≦Ｗ≦１．５Ｐ）であり、これにより、第２インクリメンタル位置信号を良好な信号品質で得る。

いくつかの実施形態において、発光素子８１及び受光素子８２は、例えば、回路基板６上に直接配置することができるが、これに限定されるものではない。図８Ａに示すように、いくつかの実施形態において、光学式検出アセンブリ８は、基板８０、発光素子８１、及び受光素子８２を備える。基板８０は回路基板６上に配置され、受光素子８２は基板８０上に配置され、発光素子８１は受光素子８２上に配置される。すなわち、基板８０、受光素子８２、及び発光素子８１は、順々に積層されているが、これに限定されるものではない。図８Ｂに示すように、いくつかの実施形態において、光学式検出アセンブリ８は、基板８０、発光素子８１、及び２つの受光素子８２を備える。基板８０は回路基板６上に配置され、発光素子８１及び２つの受光素子８２は基板８０上に配置される。さらに、２つの受光素子８２は発光素子８１の両側にそれぞれ配置され、受光素子８２の一方は第１インクリメンタル受光領域８２１を有し、他方の受光素子８２は第２インクリメンタル受光領域８２２を有する。加えて、発光素子８１の高さは２つの受光素子８２の高さと同じであるが、これに限定されるものではない。

いくつかの実施形態において、第１インクリメンタル受光領域８２１は複数の第１検出パターン８２１０を有し、第２インクリメンタル受光領域８２２は複数の第２検出パターン８２２０を有する。複数の第１検出パターン８２１０及び複数の第２検出パターン８２２０は、それぞれフェーズドアレイ配列で配置される。例えば、検出パターンの配列は、Ａ＋、Ｂ＋、Ａ−、及びＢ−の交互に繰り返された周期のシーケンスでの配列でもよく、生成されたＢ＋、Ａ−、及びＢ−信号のＡ＋信号に対する電気角差は、それぞれ、９０°、１８０°及び２７０°である。フェーズドアレイ配列は、油及び汚れに対する高い耐性能力、及び受信された光エネルギーの不均一分布に対する等化効果を有し、これにより、本開示のエンコーダ１のロバスト性がさらに高められる。

すなわち、本開示のエンコーダ及びその位置検出方法において、磁気式検出アセンブリ及び磁石の配置に加え、光学式検出アセンブリの発光素子及び受光素子が光学式符号化ディスクの一方の側に配置される光学的反射構成により、エンコーダの薄型化が実現できる。加えて、磁気式検出アセンブリを介して絶対位置信号を取得することで、エンコーダは環境からの汚染に対する高い耐性能力を有する。さらに、光学式検出アセンブリは、インクリメンタル受光領域、及びフェーズドアレイ配列で配置された検出パターンを有し、これによりエンコーダのロバスト性が高められる。

図１、図２、図３Ａ、図９、及び図１０を参照されたい。図９は、本開示の実施形態に係るエンコーダの位置検出方法のフローチャートを、概略的に示している。図１０は、本開示の実施形態に係るエンコーダの位置検出方法により得られた位置情報を、概略的に示している。図１、図２、図３Ａ、図９、及び図１０に示すように、本開示の実施形態のエンコーダの位置検出方法は、以下のような工程を含む。まず、工程Ｓ１に示すように、エンコーダ１が提供され、エンコーダ１は、磁石３、光学式符号化ディスク４、磁気式検出アセンブリ７、及び光学式検出アセンブリ８を備える。光学式符号化ディスク４は、磁石３を囲み、且つ光学式符号化ディスク４の周方向Ｄに沿ってそれぞれ配置される第１インクリメンタルパターントラック４１及び第２インクリメンタルパターントラック４２を有する。磁気式検出アセンブリ７は磁石３と組み合わされて配置され、光学式検出アセンブリ８は光学式符号化ディスク４と組み合わされて配置される。次に、工程Ｓ２において、磁石３が磁気式検出アセンブリ７に対して動く際に、磁気式検出アセンブリ７及び磁石３を用いて磁気式検出を行い、磁石３の１回転あたり１周期を有する絶対位置信号を取得する。次に、工程Ｓ３において、光学式符号化ディスク４が光学式検出アセンブリ８に対して動く際に、光学式検出アセンブリ８及び光学式符号化ディスク４を用いて光学式検出を行い、光学式符号化ディスク４の１回転あたりＭ周期を有する第１インクリメンタル位置信号、及び光学式符号化ディスク４の１回転あたりＮ周期を有する第２インクリメンタル位置信号を取得する。Ｍ及びＮは整数であり、Ｍは、１６、３２、６４、又は１２８であってもよく、Ｎは２５６、５１２、１０２４、２０４８、４０９６、又は８１９２であってもよいが、これに限定されるものではない。

次に、工程Ｓ４に示すように、絶対位置信号、第１インクリメンタル位置信号、及び第２インクリメンタル位置信号を解析し、予備絶対位置情報、第１インクリメンタル位置情報、及び第２インクリメンタル位置情報をそれぞれ得る。磁気式検出アセンブリ７により提供される絶対位置信号は、１回転あたり１周期を有し、信号処理ユニット９により変換され、予備絶対位置情報として規定される。予備絶対位置情報は、０〜３６０度の機械角範囲において、電気角０〜３６０度の１周期を有する。つまり、磁石３が磁気式検出アセンブリ７に対して１回転すると、予備絶対位置情報は電気角０〜３６０度の１周期を有する。光学式検出アセンブリ８により提供される第１インクリメンタル位置信号は、１回転あたりＭ周期を有し、第１インクリメンタル位置情報として信号処理ユニット９により変換される。第１インクリメンタル位置情報は、０〜３６０度の機械角範囲において、電気角０〜３６０度のＭ周期を有する。つまり、光学式符号化ディスク４が光学式検出アセンブリ８に対して１回転すると、第１インクリメンタル位置情報は電気角０〜３６０度のＭ周期を有する。同様に、光学式検出アセンブリ８により提供される第２インクリメンタル位置信号は、１回転あたりＮ周期を有し、第２インクリメンタル位置情報として信号処理ユニット９により変換される。第２インクリメンタル位置情報は、０〜３６０度の機械角範囲において、電気角０〜３６０度のＮ周期を有する。つまり、光学式符号化ディスク４が光学式検出アセンブリ８に対して１回転すると、第２インクリメンタル位置情報は電気角０〜３６０度のＮ周期を有する。

次に、工程Ｓ５に示すように、キャリアディスクの初期及びおおよその位置である、第１位置ａを予備絶対位置情報から得る。図１０も参照されたい。次に、工程Ｓ６に示すように、第１位置ａ及び第１インクリメンタル位置情報を解析して第２位置ｂを得る。すなわち、第１位置ａは、第１インクリメンタル位置情報における関連する周期数位置、例えば、図１０に示す第２周期数位置を見つけ出すために用いられ、そして、第１インクリメンタル位置情報を解析することで第２位置ｂを得る。第１インクリメンタル位置情報における第２位置ｂ及び関連する周期数位置により絶対位置が中精度で得られる。次に、工程Ｓ７に示すように、第２位置ｂ及び第２インクリメンタル位置情報を解析して第３位置ｃを得る。すなわち、第２位置ｂは、第２インクリメンタル位置情報における関連する周期数位置、例えば、図１０に示す第５周期数位置を見つけ出すために用いられ、そして、第２インクリメンタル位置情報を解析することで第３位置ｃを得る。第２インクリメンタル位置情報における第３位置ｃ及び関連する周期数位置により絶対位置が高精度で得られる。上述の工程Ｓ４、工程Ｓ５、工程Ｓ６、及び工程Ｓ７は、信号処理ユニット９により行われる。このような進歩的な位置解析工程においては、絶対位置を、低精度、中精度、及び高精度で逐次的に見つけ出し、最終的には絶対位置が高精度で得られる。

図１、図２、図３Ａ、図１１、及び図１２を参照されたい。図１１は、本開示の別の実施形態に係るエンコーダの位置検出方法のフローチャートを、概略的に示している。図１２は、本開示の別の実施形態に係るエンコーダの位置検出方法により得られた位置情報を、概略的に示している。図１、図２、図３Ａ、図１１、及び図１２に示すように、本開示の実施形態のエンコーダの位置検出方法は、以下のような工程を含む。まず、工程Ｓ１１に示すように、エンコーダ１が提供され、エンコーダ１は、磁石３、光学式符号化ディスク４、磁気式検出アセンブリ７、及び光学式検出アセンブリ８を備える。光学式符号化ディスク４は、磁石３を囲み、且つ光学式符号化ディスク４の周方向Ｄに沿ってそれぞれ配置される第１インクリメンタルパターントラック４１及び第２インクリメンタルパターントラック４２を有する。磁気式検出アセンブリ７は磁石３と組み合わされて配置され、光学式検出アセンブリ８は光学式符号化ディスク４と組み合わされて配置される。次に、工程Ｓ１２において、磁石３が磁気式検出アセンブリ７に対して動く際に、磁気式検出アセンブリ７及び磁石３を用いて磁気式検出を行い、磁石３の１回転あたり１周期を有する絶対位置信号を得る。次に、工程Ｓ１３に示すように、光学式符号化ディスク４が光学式検出アセンブリ８に対して動く際に、光学式検出アセンブリ８及び光学式符号化ディスク４を用いて光学式検出を行い、光学式符号化ディスク４の１回転あたりＭ周期を有する第１インクリメンタル位置信号、及び光学式符号化ディスク４の１回転あたりＮ周期を有する第２インクリメンタル位置信号を得る。Ｍ及びＮは整数であり、ＮはＭよりも大きい。さらに、Ｎは２５６、５１２、１０２４、２０４８、４０９６、又は８１９２でもよく、（Ｎ−Ｍ）は１６、３２、６４、又は１２８でもよいが、これに限定されるものではない。

次に、工程Ｓ１４に示すように、絶対位置信号、第１インクリメンタル位置信号、及び第２インクリメンタル位置信号を解析し、予備絶対位置情報、第１インクリメンタル位置情報、及び第２インクリメンタル位置情報をそれぞれ得る。次いで、工程Ｓ１５に示すように、第１インクリメンタル位置情報及び第２インクリメンタル位置情報を解析し、光学式符号化ディスク４の１回転あたり（Ｎ−Ｍ）周期を有する第３インクリメンタル位置情報を得る。

次に、工程Ｓ１６に示すように、キャリアディスクの初期及びおおよその位置である、第１位置ａを予備絶対位置情報から得る。図１２も参照されたい。次いで、工程Ｓ１７に示すように、第１位置ａ及び第３インクリメンタル位置情報を解析し、第２位置ｂ'を得る。すなわち、第１位置ａは、第３インクリメンタル位置情報における関連する周期数位置、例えば、図１２に示す第２周期数位置を見つけ出すために用いられ、そして、第３インクリメンタル位置情報を解析することで第２位置ｂ'を得る。第３インクリメンタル位置情報における第２位置ｂ'及び関連する周期数位置により、中精度の絶対位置を得る。次に、工程Ｓ１８に示すように、第２位置ｂ'及び第２インクリメンタル位置情報を解析し、第３位置ｃを得る。すなわち、第２位置ｂ'は、第２インクリメンタル位置情報における関連する周期数位置、例えば、図１２に示す第５周期数位置を見つけ出すために用いられ、そして、第２インクリメンタル位置情報を解析することで第３位置ｃを得る。第２インクリメンタル位置情報における第３位置ｃ及び関連する周期数位置により、高精度の絶対位置を得る。上述の工程Ｓ１４、工程Ｓ１５、工程Ｓ１６、工程Ｓ１７、及び工程Ｓ１８は、信号処理ユニット９により実行される。

従って、第１インクリメンタルパターントラック４１のパターン化されたフィーチャサイズを、第２インクリメンタルパターントラック４２のパターン化されたフィーチャサイズに近づけることにより、つまり、２つの信号トラック４１、４２の光学的フィーチャサイズを近づけることにより、光学設計がより容易となり、エンコーダ１の精度がさらに向上する。

上述のように、本開示は、エンコーダ及びその位置検出方法を提供する。磁気式検出アセンブリ及び光学式検出アセンブリにより絶対位置信号、第１インクリメンタル位置信号、及び第２インクリメンタル位置信号を取得し、信号処理ユニットにより積分することで、高精度の絶対位置検出が実現でき、高精度の絶対位置情報が得られる。さらに、磁気式検出アセンブリ及び磁石の配置に加え、光学式検出アセンブリの発光素子及び受光素子が光学式符号化ディスクの一方の側に配置される光学的反射構成により、エンコーダの薄型化が実現できる。加えて、磁気式検出アセンブリを介して絶対位置信号を取得することで、エンコーダは環境からの汚染に対する高い耐性能力を有する。さらに、光学式検出アセンブリは、インクリメンタル受光領域、及びフェーズドアレイ配列で配置された検出パターンを有し、これによりエンコーダのロバスト性が高められる。一方、磁気式検出アセンブリの中心は回転軸上に存在しても、回転軸からずれていてもよく、これにより、エンコーダの製造及び組み立てにおいて大きな自由度が生じ、エンコーダの組み立てが容易になり得る。

本開示を、現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態と考えられるものに関して説明したが、本開示を開示された実施形態に限定する必要は無いことを理解されたい。逆に、添付の請求項の精神及び範囲内に含まれる様々な変更及び類似する構成を包含することが意図され、添付の請求項はそのような変更及び類似する構造全てを包含するように最も広い解釈をされるべきものである。

Claims

エンコーダであって、
キャリアディスクと、
前記キャリアディスク上に配置された磁石と、
前記キャリアディスク上に配置され前記磁石を囲む光学式符号化ディスクと、
前記キャリアディスクを囲む筐体と、
前記筐体上に配置された回路基板と、
前記回路基板上に配置され、且つ前記磁石と組み合わされた磁気式検出アセンブリと、
前記回路基板上に配置され、且つ第１インクリメンタルパターントラック及び第２インクリメンタルパターントラックを有する前記光学式符号化ディスクと組み合わされた光学式検出アセンブリと、
前記回路基板上に配置された信号処理ユニットとを備え、
前記光学式符号化ディスクは前記第１インクリメンタルパターントラック及び前記第２インクリメンタルパターントラックを有し、前記第１インクリメンタルパターントラック及び前記第２インクリメンタルパターントラックは前記光学式符号化ディスクの周方向に沿ってそれぞれ配置され、前記キャリアディスク、前記磁石、及び前記光学式符号化ディスクは、回転軸を中心として構造的に同軸であり、且つ回転可能であり、
前記キャリアディスク、前記磁石、及び前記光学式符号化ディスクは、前記筐体に対して動くことが可能であり、
前記磁気式検出アセンブリは、前記磁石が前記筐体に対して動く際に磁気式検出を行い絶対位置信号を取得するためのものであり、
前記光学式検出アセンブリは、前記光学式符号化ディスクが前記筐体に対して動く際に光学式検出を行い第１インクリメンタル位置信号及び第２インクリメンタル位置信号を取得するためのものであり、
前記信号処理ユニットは、前記絶対位置信号、前記第１インクリメンタル位置信号、及び前記第２インクリメンタル位置信号を受信して積分し、絶対位置情報を得る、
エンコーダ。
請求項１に記載のエンコーダであって、前記磁気式検出アセンブリの中心は前記回転軸上に存在する、エンコーダ。
請求項１に記載のエンコーダであって、前記磁気式検出アセンブリの中心は前記回転軸からずれている、エンコーダ。
請求項１に記載のエンコーダであって、前記磁気式検出アセンブリは磁気抵抗素子を備え、前記磁気抵抗素子はホール効果素子、異方性磁気抵抗素子、巨大磁気抵抗素子、又はトンネル磁気抵抗素子である、エンコーダ。
請求項１に記載のエンコーダであって、前記第１インクリメンタルパターントラックは、前記光学式符号化ディスクの前記周方向に沿った１回転においてＭ個の第１インクリメンタルパターンを有し、前記第２インクリメンタルパターントラックは、前記光学式符号化ディスクの前記周方向に沿った１回転においてＮ個の第２インクリメンタルパターンを有し、Ｍ及びＮは整数であり、ＮはＭより大きく、各前記第１インクリメンタルパターン及び各前記第２インクリメンタルパターンは、低反射率領域及び高反射率領域を有する、エンコーダ。
請求項５に記載のエンコーダであって、前記光学式検出アセンブリは発光素子及び少なくとも１つの受光素子を備え、
前記受光素子は、第１インクリメンタル受光領域及び第２インクリメンタル受光領域を有し、前記第１インクリメンタル受光領域及び前記第２インクリメンタル受光領域は、前記発光素子の両側にそれぞれ存在し、
前記発光素子は、前記第１インクリメンタルパターントラック及び前記第２インクリメンタルパターントラックに光を照射し、前記第１インクリメンタル受光領域は、前記第１インクリメンタルパターントラックにより反射された光を受光して前記第１インクリメンタル位置信号を取得し、前記第２インクリメンタル受光領域は、前記第２インクリメンタルパターントラックにより反射された光を受光して前記第２インクリメンタル位置信号を取得する、
エンコーダ。
請求項６に記載のエンコーダであって、前記発光素子は発光領域を有し、前記発光領域は前記光学式符号化ディスクの円周接線方向の幅を有し、前記第２インクリメンタルパターンは前記円周接線方向のピッチを有し、前記幅は前記ピッチの０．５〜１．５倍である、エンコーダ。
請求項６に記載のエンコーダであって、前記光学式検出アセンブリは基板をさらに備え、前記基板は前記回路基板上に配置され、前記受光素子は前記基板上に配置され、前記発光素子は前記受光素子上に配置される、エンコーダ。
請求項６に記載のエンコーダであって、前記光学式検出アセンブリは基板をさらに備え、前記基板は前記回路基板上に配置され、前記発光素子及び一対の前記受光素子は前記基板上に配置され、前記受光素子は前記発光素子の両側にそれぞれ配置され、各前記受光素子は前記第１インクリメンタル受光領域及び前記第２インクリメンタル受光領域を有する、エンコーダ。
請求項９に記載のエンコーダであって、前記発光素子の高さは２つの各前記受光素子の高さと面一である、エンコーダ。
請求項６に記載のエンコーダであって、前記第１インクリメンタル受光領域は複数の第１検出パターンを有し、前記第２インクリメンタル受光領域は複数の第２検出パターンを有し、前記複数の第１検出パターン及び前記複数の第２検出パターンはフェーズドアレイ配列でそれぞれ配置される、エンコーダ。
以下の工程（ａ）〜（ｇ）を含むエンコーダの位置検出方法。
（ａ）エンコーダを提供する工程であって、前記エンコーダは磁石、光学式符号化ディスク、磁気式検出アセンブリ、及び光学式検出アセンブリを備え、前記光学式符号化ディスクは、前記磁石を囲み、且つ前記光学式符号化ディスクの周方向に沿ってそれぞれ配置される第１インクリメンタルパターントラック及び第２インクリメンタルパターントラックを有し、前記磁気式検出アセンブリは前記磁石と組み合わされて配置され、前記光学式検出アセンブリは前記光学式符号化ディスクと組み合わされて配置される、工程
（ｂ）前記磁石が前記磁気式検出アセンブリに対して動く際に前記磁気式検出アセンブリ及び前記磁石を用いて磁気式検出を行い、前記磁石の１回転あたり１周期を有する絶対位置信号を取得する、工程
（ｃ）前記光学式符号化ディスクが前記光学式検出アセンブリに対して動く際に前記光学式検出アセンブリ及び前記光学式符号化ディスクを用いて光学式検出を行い、前記光学式符号化ディスクの１回転あたりＭ周期を有する第１インクリメンタル位置信号と、前記光学式符号化ディスクの１回転あたりＮ周期を有する第２インクリメンタル位置信号とを得る工程であって、Ｍ及びＮは整数である、工程
（ｄ）前記絶対位置信号、前記第１インクリメンタル位置信号、及び前記第２インクリメンタル位置信号を解析し、予備絶対位置情報、第１インクリメンタル位置情報、及び第２インクリメンタル位置情報をそれぞれ得る、工程
（ｅ）前記予備絶対位置情報を解析して第１位置を得る工程
（ｆ）前記第１位置及び前記第１インクリメンタル位置情報を解析して第２位置を得る工程
（ｇ）前記第２位置及び前記第２インクリメンタル位置情報を解析して第３位置を得る工程であって、前記第３位置は絶対位置である、工程
請求項１２に記載の位置検出方法であって、前記工程（ｄ）、前記工程（ｅ）、前記工程（ｆ）、及び前記工程（ｇ）は信号処理ユニットにより実行され、Ｍは１６、３２、６４、又は１２８であり、Ｎは２５６、５１２、１０２４、２０４８、４０９６、又は８１９２である、位置検出方法。
以下の工程（ａ）〜（ｈ）を含むエンコーダの位置検出方法。
（ａ）エンコーダを提供する工程であって、前記エンコーダは磁石、光学式符号化ディスク、磁気式検出アセンブリ、及び光学式検出アセンブリを備え、前記光学式符号化ディスクは、前記磁石を囲み、且つ前記光学式符号化ディスクの周方向に沿ってそれぞれ配置される第１インクリメンタルパターントラック及び第２インクリメンタルパターントラックを有し、前記磁気式検出アセンブリは前記磁石と組み合わされて配置され、前記光学式検出アセンブリは前記光学式符号化ディスクと組み合わされて配置される、工程
（ｂ）前記磁石が前記磁気式検出アセンブリに対して動く際に前記磁気式検出アセンブリ及び前記磁石を用いて磁気式検出を行い、前記磁石の１回転あたり１周期を有する絶対位置信号を取得する、工程
（ｃ）前記光学式符号化ディスクが前記光学式検出アセンブリに対して動く際に前記光学式検出アセンブリ及び前記光学式符号化ディスクを用いて光学式検出を行い、前記光学式符号化ディスクの１回転あたりＭ周期を有する第１インクリメンタル位置信号と、前記光学式符号化ディスクの１回転あたりＮ周期を有する第２インクリメンタル位置信号とを得る工程であって、Ｍ及びＮは整数であり、ＮはＭよりも大きい、工程
（ｄ）前記絶対位置信号、前記第１インクリメンタル位置信号、及び前記第２インクリメンタル位置信号を解析し、予備絶対位置情報、第１インクリメンタル位置情報、及び第２インクリメンタル位置情報をそれぞれ得る、工程
（ｅ）前記第１インクリメンタル位置情報及び前記第２インクリメンタル位置情報を解析し、前記光学式符号化ディスクの１回転あたり（Ｎ−Ｍ）周期を有する第３インクリメンタル位置情報を得る、工程
（ｆ）前記予備絶対位置情報を解析して第１位置を得る工程
（ｇ）前記第１位置及び前記第３インクリメンタル位置情報を解析して第２位置を得る工程
（ｈ）前記第２位置及び前記第２インクリメンタル位置情報を解析して第３位置を得る工程であって、前記第３位置は絶対位置である、工程
請求項１４に記載の位置検出方法であって、前記工程（ｄ）、前記工程（ｅ）、前記工程（ｆ）、前記工程（ｇ）、及び前記工程（ｈ）は信号処理ユニットにより実行され、Ｎは２５６、５１２、１０２４、２０４８、４０９６、又は８１９２であり、（Ｎ−Ｍ）は１６、３２、６４、又は１２８である、位置検出方法。