JP5956207B2 - エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、回転する測定対象物の機械的変位量を電気信号に変換し、信号処理して回転角度や回転数を検出するエンコーダに関する。

エンコーダは、サーボモータ等の回転する測定対象物の回転角度（回転位置）や回転数を検出する装置として知られている。

一般的なエンコーダは、回転する測定対象物の回転軸に接続された回転ディスクと、回転ディスクを挟んで対向された発光素子および受光素子を有する。回転ディスクには、所定の規則に従って透光部および遮光部を有する光学パターンが形成されている。

発光素子から発せられた光は、回転ディスクの光学パターンの遮光部に遮断され、あるいは透光部を通り抜けて受光素子に受光される。受光素子による受光のタイミングは、光学パターンによる。したがって、この受光タイミングを電気信号として測定することにより、回転ディスクの回転角度を検出することができる。

回転ディスクの一回転において表われる光学パターンの周期を異ならせて複数のトラックを構成することにより、回転角度の検出精度を高めることができる。この検出精度を高める程トラック数は多くなり、回転ディスクも大きくなってしまう。これでは、モータ等の小型化が要請される製品に対応できない。

そこで、トラック数を軽減して回転ディスクを小型化する技術として、光学パターンを有する回転ディスクと共に回転軸に磁石を取り付けたエンコーダが開示されている（たとえば、特許文献１参照）。このエンコーダは、磁石の磁気パターンを検出することにより回転角度をある精度で特定し、さらに光学パターンと組み合わせて回転角度の検出精度を高めている。

特開２００９−２９４０７３号公報

ところで、特許文献１のエンコーダでは、光学パターンおよび磁気パターンが、いずれも正弦波や余弦波のアナログデータとして検出される。検出データがすべてアナログデータであると、すべての検出データをアナログ−デジタル変換して信号処理しなければならない。そのため、エンコーダには複数の光学パターン用および磁気パターン用に個別にアナログ−デジタル変換回路を備える必要があり、装置コストが増大してしまう。

本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、検出精度の信頼性が高く、装置コストを低減することができるエンコーダの提供を目的とする。

上記目的を達成するためのエンコーダは、回転ディスク、透遮光部材、光源、光検出部、磁石、磁気検出部および演算部を有する。

回転ディスクには、回転方向に透光部と遮光部とを交互に有するグレイコード光学パターンが径方向に複数形成されている。

透遮光部材は、上記回転ディスクの各グレイコード光学パターンに対峙する透光部と遮光部とを有する光学パターンが形成されている。

光源は、上記回転ディスクのグレイコード光学パターンおよび上記透遮光部材の光学パターンに光を照射する。

光検出部は、上記回転ディスクおよび上記透遮光部材の透光部を通過した光を受光し上記回転ディクスの回転位置に応じたデジタルデータを出力する。

磁石は、上記回転ディスクの回転中心部に設けられ、磁極の配置により磁気パターンを形成する。

磁気検出部は、上記磁気パターンを検出し上記回転ディクスの回転位置に応じたデジタルデータを出力する。

演算部は、上記磁気検出部および上記光検出部のデジタルデータを用いて上記回転ディスクの回転角度を求める。上記光検出部は、上記回転ディスクの回転中において、該回転ディスクおよび上記透遮光部材の透光部を通過した光を受光して正弦波のアナログデータを出力し、上記演算部は、上記光検出部から出力されるアナログデータを参照して検出誤差を補正し、上記回転ディスクの回転角度を求める。

本発明に係るエンコーダによれば、演算部が磁気検出部および光検出部のデジタルデータを用いて回転ディクスの回転角度を求めるので、検出精度の信頼性が高い。

また、回転ディスクに設けられたグレイコード光学パターンおよびバイナリコード磁気パターンをデジタルデータとして検出するので、アナログ−デジタル変換回路の数を大幅に低減することができ、エンコーダの装置コストを低減することができる。

本発明に係るエンコーダの一実施形態の構成を示す概略斜視図である。 本実施形態のエンコーダにおける回転ディスクを示す平面図である。 本実施形態のエンコーダにおける固定マスクを示す平面図である。 本実施形態の演算部におけるデータ処理手順を示すブロック図である。 本実施形態の演算部における演算処理を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るエンコーダの一実施形態を説明する。

図１から図３を参照しながら、本実施形態のエンコーダの構成について説明する。図１は本発明に係るエンコーダの一実施形態の構成を示す概略斜視図である。図２は本実施形態のエンコーダにおける回転ディスクを示す平面図である。図３は本実施形態のエンコーダにおける固定マスクを示す平面図である。

［エンコーダの構成］
本実施形態のエンコーダ１００は、光源５０から照射され回転ディスク２０および透遮光部材４０の光学パターン３０を透過した光を光検出部６０にて受光し、デジタルデータとして検出する透過型のエンコーダである。また、本実施形態のエンコーダ１００は、回転ディスク２０の回転中心に設けられた磁石７０の磁気パターンを磁気検出部８０にてデジタルデータとして検出する。そして演算部９０が、光検出部６０のデジタルデータに基づいて、磁気検出部８０のデジタルデータを補正することにより、検出精度の良いエンコーダ１００を提供できるようになる。

本実施形態のエンコーダ１００は、図１に示すように、回転する測定対象物（図示せず）に接続された回転ディスク２０の他、透遮光部材４０、光源５０、光検出部６０、磁石７０、磁気検出部８０および演算部９０を有する。

本実施形態のエンコーダ１００の測定対象物としては、たとえば、サーボモータ等の回転制御可能なモータが挙げられる。サーボモータにおいては、回転角度の検出精度や分解能によって位置決めや速度等の性能が決まる。したがって、エンコーダ１００の性能によって、サーボシステムの性能が決まると言っても過言ではない。

回転ディスク２０は、測定対象物の回転軸１０に、当該回転軸１０と一体となって回転するように取り付けられた円板部材である。この回転ディスク２０は、当該回転ディスク２０の回転中心が測定対象物の回転軸１０と同心となり、かつディスク面２１が回転軸１０の軸方向に対して垂直となるように、当該回転軸１０に固定されている。

本実施形態の回転ディスク２０は透光部材で形成され、たとえば、透明ガラスやポリカーボネートのような透明の合成樹脂等が用いられる。

回転ディスク２０のディスク面２１の周縁部近傍には、図１および図２に示すように、透光部３０ａと遮光部３０ｂとが当該回転ディスク２０の回転方向に沿って交互に配置された光学パターン３０が形成されている。光学パターン３０の透光部３０ａと遮光部３０ｂは、透光部材で形成された回転ディスク２０のディスク面２１に、光吸収性または光反射性の遮光膜を被覆することにより形成されている。すなわち、回転ディスク２０のディスク面２１における透光部３０ａとなる部位を除いて、遮光部３０ｂとなる部位に遮光膜を被覆している。なお、図２において、光学パターン３０における白色部位が透光部３０ａ、透光部３０ａ同士の間の黒色部位が遮光部３０ｂである。

本実施形態の光学パターン３０は、グレイコード光学パターンである。ここでグレイコードとは、１ステップ進めると１ビットだけ変化するという性質をもつｎビットの数値符号であり、２進数変換が容易なデジタルデータである。

グレイコード光学パターンは、回転ディスク２０の径方向に複数のトラック３５に亘って形成されている。各トラック３５のグレイコード光学パターンの一回転における周期は異なっている。本実施形態の光学パターン３０は、たとえば、回転ディスク２０の径方向外側から６４Ａ、６４Ｂ、５１２Ａ、２５６Ａ、１２８Ａ、／回転のグレイコードが設定されている。光学パターン３０は、上記の６４Ａ、６４Ｂ、１２８Ａ、２５６Ａ、５１２Ａ／回転に限定されず、たとえば、１２８Ａ、１２８Ｂ、２５６Ａ、５１２Ａ、１０２４Ａ／回転等の他のグレイコードパターンに設定してもよい。

本実施形態の透遮光部材４０は、光源５０と回転ディスク２０との間に設けられた固定マスクとして形成されている。固定マスク４０は、矩形状または扇状の板部材であって、回転ディスク２０のディスク面２１と空間を隔ててマスク面４１が相対向するように設けられている。この固定マスク４０には、図３に示すように、回転ディスク２０の複数トラック３５の各グレイコード光学パターンに対峙する光学パターン３１が形成されている。

固定マスク４０の光学パターン３１は、上記回転ディスク側の各グレイコード光学パターンに対応するように形成されている。固定マスク４０が固定であるのに対し、回転ディスク２０は上記回転軸１０とともに回転動作するので、当該回転ディスク２０の回転動作に伴って、回転ディスク側光学パターン３０および固定マスク側光学パターン３１の透光部３０ａ、３１ａが開閉されることになる。したがって、後述する光検出部６０は、開閉する透光部３０ａ、３１ａを透過した光を受光して、正弦波アナログデータを出力する。

この固定マスク側の光学パターン３１は、上記回転ディスク側の光学パターン３０と同様に、透光部３１ａと遮光部３１ｂとを交互に有する。この固定マスク４０は、上記回転ディスク２０と同様に、透明ガラスや透明の合成樹脂等の透光部材よって形成され、透光部３１ａと遮光部３１ｂは、マスク面４１に遮光膜を被覆して形成される。

回転ディスク２０および固定マスク４０を挟んで、光源５０と光検出部６０とが相対向するように設けられている。

光源５０は、固定マスク４０の光学パターン３１および回転ディスク２０の光学パターン３０に光を照射する。光源５０としては、たとえば、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子が用いられる。光学パターン３０、３１の検出を精度の良く行うためには、光源５０の照射方向前方にレンズ５１を配置して平行光を形成することが好ましい。

光検出部６０は、光源５０から照射され回転ディスク２０および固定マスク４０の光学パターン３０、３１の透光部３０ａ、３１ａを通過した光を受光する素子である。この光検出部６０は、光学パターン３０、３１の透光部３０ａ、３１ａを通過した光の受光タイミングを電気信号として測定し、光学パターン３０、３１によって受光タイミングが異なる。光検出部６０としては、たとえば、フォトダーオード（ＰＤ）やフォトＩＣ等の受光素子が用いられる。

光検出部６０には、同一の部材であるが分割された受光部Ａ／Ｂ（図示せず）が設定されている。光検出部６０は、回転ディスク２０の回転中において、該回転ディスク２０および固定マスク４０のグレイコード光学パターンの透光部３０ａ、３１ａを通過した光を受光して、本実施形態では６４Ａ、６４Ｂ、１２８Ａ、２５６Ａ、５１２Ａ／回転のグレイコードのデジタルデータを出力する。

また光検出部６０は、回転ディスク２０の回転中において、該回転ディスク２０および固定マスク４０の透光部３０ａ、３１ａを通過した光を受光して、本実施形態では５１２Ａ、５１２Ｂ／回転のアナログデータを出力する。本実施形態では、５１２Ａ、５１２Ｂ／回転の正弦波アナログデータを出力するが、これに限定されず、１０２４Ａ、１０２４Ｂ／回転等の他の正弦波アナログデータを出力するように設定してもよい。

磁石７０は、上記回転ディスク２０の回転中心部に設けられている。この磁石７０はＳ磁極とＮ磁極で所定の磁気パターンを構成している。本実施形態の磁石７０は、バイナリコード磁気パターンを構成する。

磁気検出部８０は、上記磁石７０の磁気パターンを読み取るセンサである。この磁気検出部８０は、回転軸１０の軸方向において上記磁石７０と空間を隔てて相対向するように配置されている。磁気検出部８０としては、たとえば、ホール素子やフラックス・ゲートセンサ等の磁気検出素子が用いられる。磁気検出部８０は、上記磁気パターンを読み取って、デジタルデータを出力する。本実施形態の磁気検出部８０には、たとえば、１２ビット／回転の磁気検出素子が使用される。

演算部９０は、光検出部６０および磁気検出部８０から出力される検出データを処理する演算処理装置である。したがって、演算部９０は、光検出部６０および磁気検出部８０と電気的に接続されている。光検出部６０のアナログデータ出力部は、不図示のアナログ−デジタル変換回路を介して、演算部９０と電気的に接続されている。

演算部９０は、グレイコード光学パターンのデジタルデータの演算処理に用いる第１電子カウンタ９１と、磁気パターンのデジタルデータの演算処理に用いる第２電子カウンタ９２とを備えている（後述の図４参照）。この演算部９０は、光検出部６０および磁気検出部８０の検出データを演算処理することにより、回転ディスク２０の回転角度および回転数を求めて、測定対象物の回転角度および回転数を特定する。

すなわち、演算部９０は、光検出部６０から出力されるグレイコードのデジタルデータに基づいて、磁気検出部８０から出力されるバイナリコードのデジタルデータを補正する。また演算部９０は、光検出部６０から出力される正弦波アナログデータを参照して、当該光検出部６０から出力されるグレイコードのデジタルデータの検出誤差を補正し、回転ディスク２０の回転角度を求める。

演算部９０は、５１２Ａ、５１２Ｂ／回転の正弦波アナログデータに基づいて桁上げもしくは桁下げ判定して、前記回転ディスク２０の回転数を求めているが、磁気検出部８０の１回転データをカウントすることにより、回転ディスク２０の回転数を求めてもよい。なお、演算部９０におけるデータ処理の詳細については、後述する。

［エンコーダの動作］
再び図１を参照して、本実施形態のエンコーダ１００の動作について説明する。

サーボモータ等の測定対象物が回転すると、その回転軸１０とともに回転ディスク２０も回転する。そして、固定マスク４０および回転ディスク２０に、光源５０から平行光が照射される。光源５０から照射され固定マスク４０の光学パターン３１および回転ディスク２０の光学パターン３０の透光部３０ａ、３１ａを通過した光は、光検出部６０に受光される。

光検出部６０は、照射され固定マスク４０および回転ディスク２０のグレイコード光学パターンの透光部３０ａ、３１ａを通過した光を受光して、グレイコードのデジタルデータを出力する。これとともに光検出部６０は、照射され固定マスク４０および回転ディスク２０の透光部３０ａ、３１ａを通過した光を受光して、正弦波のアナログデータを出力する。

また、測定対象物の回転が開始されると、磁気検出部８０は、回転ディスク２０の回転中心部に設けられた磁石７０の磁気パターンを読み取って、バイナリコードのデジタルデータを出力する。

演算部９０は、光検出部６０および磁気検出部８０から出力された検出データを演算処理して、回転ディスク２０の回転角度および回転数を求めて、測定対象物１０の回転角度および回転数を特定する。

ここで図４を参照して、上記演算部９０における演算処理手順について説明する。図４は本実施形態の演算部におけるデータ処理手順を示すブロック図である。

演算部９０は、磁気検出部８０の１回転データをカウントすることにより、回転ディスク２０の回転数を求めることができる。

図４に示すように、演算部９０は、磁気検出部８０のデジタルデータを算出する（Ｓ２０１）。起動時において、磁気検出部８０の算出データの初期値（起動時のみ）が第２電子カウンタ９２にセットされ、第２電子カウンタ９２は当該初期値を保持する（Ｓ２０２）。

そして演算部９０は、２回転目以後の磁気検出部８０の算出データを第２電子カウンタ９２の値と比較することにより、異常の有無を検出する（Ｓ２０３）。

また演算部９０は、光検出部６０のグレイコード・デジタルデータを算出する（Ｓ３０１）。起動時において、光検出部６０のグレイコード算出データの初期値（起動時のみ）が第１電子カウンタ９１にセットされ、第１電子カウンタ９１は当該初期値を保持する（Ｓ３０２）。

そして演算部９０は、回転ディスク２０の回転中における光検出部６０のグレイコード算出データを第１電子カウンタ９１の値と比較することにより、異常の有無を検出する（Ｓ３０３）。

回転ディスク２０の回転中において、演算部９０は、光検出部６０の正弦波アナログデータＡ／Ｂを算出する（Ｓ４０１）。演算部９０は、正弦波アナログデータＡ／Ｂにおける前回データと今回データとを比較して（Ｓ４０２）、桁上げ判定もしくは桁下げ判定を行う（Ｓ４０３）。この判定結果は、第１電子カウンタ９１へ入力される（Ｓ４０４）。

演算部９０は、第１電子カウンタ９１における前回データと今回データとを比較して（Ｓ４０５）、桁上げ判定もしくは桁下げ判定を行う（Ｓ４０６）。この判定結果は、上記の第２電子カウンタ９２へ入力される（Ｓ４０７）。

演算部９０は、正弦波アナログデータＡ／Ｂに基づいて桁上げ判定もしくは桁下げ判定することにより、回転ディスク２０の回転数を求めることができる。なお、演算部９０は、磁気検出部８０の１回転データをカウントすることにより、回転ディスク２０の回転数を求めてもよい。

そして、上記のＳ２０３で説明したのと同様の処理を行う（Ｓ４０８）。

次に図５を参照して、上記演算部９０における演算処理について説明する。図５は本実施形態の演算部における演算処理を示す説明図である。

図１、図４および図５に示すように、まず起動時に、正弦波アナログデータＡ／Ｂより算出するデジタルデータによって補正した光検出部６０のグレイコード・デジタルデータの１２８〜５１２分割／回転の領域を第１電子カウンタ９１の初期値に設定する。また、補正された光検出部６０のグレイコード・デジタルデータによって補正した磁気検出部８０のデジタルデータの２〜６４分割／回転の領域を第２電子カウンタ９２の初期値に設定する。

通常時には、まず１０２４分割／回転以上の領域において、演算部９０は、正弦波アナログデータＡ／Ｂにおける前回データと今回データを比較して、桁上げ／桁下げがあった場合には、第１電子カウンタ９１と第２電子カウンタ９２の値を更新する。

次に１２８〜５１２分割／回転の領域において、演算部９０は、光検出部６０のグレイコード・デジタルデータと第１電子カウンタ９１の値とを比較する。すなわち、光検出部６０のグレイコード・デジタルデータと、第１電子カウンタ９１の値を比較して、異常の有無を検出し、異常があればその情報を外部出力する。

その後、２〜６４分割／回転の領域において、演算部９０は、磁気検出部８０のデジタルデータと第２電子カウンタ９２の値とを比較する。すなわち、磁気検出部８０のデジタルデータと、第２電子カウンタ９２の値を比較して、異常の有無を検出し、異常があればその情報を外部出力する。

以上のように、本実施形態のエンコーダ１００は、基本的に光検出部６０および磁気検出部８０から出力されるグレイコードおよびバイナリコードのデジタルデータを用いて、回転ディスク２０の回転角度（絶対角度）を求めている。光検出部６０から出力される正弦波アナログデータは、回転角度の検出精度を高めるために参酌される。したがって、グレイコードおよびバイナリコードのデジタルデータについては、アナログ−デジタル変換回路が必要なく、エンコーダ１００の装置コストを低減することができる。

また本実施形態のエンコーダ１００は、磁気検出部８０から出力されるバイナリコードのデジタルデータ、光検出部６０から出力される正弦波アナログデータおよびグレイコードのデジタルデータを比較して、回転ディスクの回転角度の検出誤差を補正する。したがって本実施形態によれば、検出精度の信頼性の高いアブソリュート方式のエンコーダ１００を実現することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。

たとえば、上記実施形態では、透遮光部材４０は固定マスクとして形成され、回転ディスク２０の光源５０側に配置されているが、回転ディスク２０の光検出部６０側に固定マスクを配置してもよい。さらに透遮光部材４０は、光検出部６０に作り込んで、当該光検出部６０と一体的に形成してもよい。

１０ 回転軸、
２０ 回転ディスク、
２１ ディスク面、
３０、３１ 光学パターン、
３０ａ、３１ａ 透光部、
３０ｂ、３１ｂ 遮光部、
４０ 透遮光部材（固定マスク）、
５０ 光源、
６０ 光検出部、
７０ 磁石、
８０ 磁気検出部、
９０ 演算部、
１００ エンコーダ。

Claims (8)

1. 回転方向に透光部と遮光部とを交互に有するグレイコード光学パターンが径方向に複数形成された回転ディスクと、
   前記回転ディスクの各グレイコード光学パターンに対峙する透光部と遮光部とを有する光学パターンが形成された透遮光部材と、
   前記回転ディスクのグレイコード光学パターンおよび前記透遮光部材の光学パターンに光を照射する光源と、
   前記回転ディスクおよび前記透遮光部材の透光部を通過した光を受光し前記回転ディスクの回転位置に応じたデジタルデータを出力する光検出部と、
   前記回転ディスクの回転中心部に設けられ、磁極の配置により磁気パターンを形成する磁石と、
   前記磁気パターンを検出し前記回転ディスクの回転位置に応じたデジタルデータを出力する磁気検出部と、
   前記磁気検出部および前記光検出部のデジタルデータを用いて前記回転ディスクの回転角度を求める演算部と、を有し、
   前記光検出部は、前記回転ディスクの回転中において、該回転ディスクおよび前記透遮光部材の透光部を通過した光を受光して正弦波のアナログデータを出力し、
   前記演算部は、前記光検出部から出力されるアナログデータを参照して検出誤差を補正し、前記回転ディスクの回転角度を求めることを特徴とするエンコーダ。
2. 前記透遮光部材は、前記回転ディスクのディスク面と間隔を空けて対向された固定マスクであることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記透遮光部材は、前記光検出部に一体的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
4. 前記演算部は、前記光検出部のデジタルデータに基づいて、前記磁気検出部のデジタルデータを補正することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエンコーダ。
5. 前記光検出部は分割された受光部を有し、各受光部は前記回転ディスクの一回転における周期が異なる複数のビット／回転のグレイコードのデジタルデータを出力し、
   前記磁気検出部はデジタルデータを出力することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のエンコーダ。
6. 前記演算部は、前記各検出部のデジタルデータを比較して、前記回転ディスクの回転角度の検出誤差を補正することを特徴とする請求項５に記載のエンコーダ。
7. 前記演算部は、前記磁気検出部の１回転データをカウントすることにより、前記回転ディスクの回転数を求めることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のエンコーダ。
8. 前記演算部は、正弦波アナログデータに基づいて桁上げ判定もしくは桁下げ判定して、前記回転ディスクの回転数を求めることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。