JPH06185957A

JPH06185957A - 回転角測定装置

Info

Publication number: JPH06185957A
Application number: JP15533792A
Authority: JP
Inventors: Toyomi Miyagawa; 川豊美宮
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-06-15
Filing date: 1992-06-15
Publication date: 1994-07-08

Abstract

(57)【要約】【目的】被測定対回転体に質量、慣性モーメント等の
影響を与えないで測定分解能を容易に高くすることがで
きるとともに、既設の回転体にも容易に適応することが
できる回転角測定装置を提供する。【構成】回転角測定装置は、被測定回転体に装着され
た回転反射面（４）と、被測定回転体の回転軸（１）と
同軸に配設され、所定幅の反射部（２３）と非反射部
（２２）とが交互に繰り返して形成された側面を有し被
測定回転体と協動しない円筒状の符号体（５）と、光線
を出射する光源（１０）と、光源（１０）からの光線が
回転反射面（４）で反射されたのち側面へ照射され、側
面で反射された光線の強度を検出する符号検出手段（１
３）とを備えることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転体の回転位置や角
速度の測定に用いられる回転角測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転体の回転位置や角速度を測定する装
置には種々のものがあり、この中で最も普及しているも
のは、光学式・磁気式等のロータリーエンコーダであ
る。

【０００３】光学式ロータリーエンコーダでは、外周部
にスリットを一定間隔に設けた円板を被測定回転体に取
り付けるとともに、円板をはさむ形に光源と光検出器を
配置し、光源から出た光がスリットを通して光検出器に
入射する度に光検出器から信号を取り出すようにしてい
る。すなわち、このロータリーエンコーダでは、円周を
スリット数で割った角度を単位として測定できるように
している。

【０００４】一方、磁気式ロータリーエンコーダは、円
板の外周に一定間隔で着磁領域を設けておき、この着磁
領域を磁気センサ（ＭＲ素子）で検出するようにしてい
る。この磁気式ロータリエンコーダにおいても円周を着
磁数で割った角度を単位として測定できるようにしてい
る。

【０００５】これらロータリーエンコーダでは、通常、
スリット（または着磁）に対応したインクレメントパル
ス信号と、１回転の基準となるホームポジションパルス
信号とを取出している。この２つの信号を演算・処理し
て回転体の回転角や角速度を測定するようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
のロータリーエンコーダにあっては次のような問題点が
あった。

【０００７】すなわち、測定の分解能を上げるにはスリ
ット（または着磁）数を増す必要があり、そのためには
円板の直径を大きくする必要がある。しかし、被測定回
転体によっては、回転体そのものが小さいために、直径
の大きい円板を取付けることができないものもある。ま
た、円板の直径を大きくすると、円板の質量、慣性モー
メントとが増加する。被測定回転体の質量、慣性モーメ
ントが円板のそれに比べて大きい場合には影響が少ない
が、同等かそれ以下の場合には影響が大きく現れ、被測
定回転体の回転特性が変化してしまうので、精度の高い
測定が困難となる。さらに、ロータリーエンコーダの場
合、被測定回転体に円板を取付ける必要があるため、既
設の回転体に取付けようとしても制約を受けやすく、設
置できない場合が多い。

【０００８】上記のように、ロータリエンコーダは、測
定の分解能を上げようとすると、被測定体に取付ける部
分の質量、慣性モーメントの影響を除くことが困難とな
り、適応可能な被測定回転体の範囲が狭い欠点があっ
た。また、既設の回転体に取付けることも困難であっ
た。

【０００９】そこで本発明の目的は、被測定対回転体に
設けなければならない部分の質量、慣性モーメントを十
分小さくできるとともに、測定分解能を容易に高くする
ことができ、しかも、既設の回転体にも容易に対応でき
る回転角測定装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、被測定回転体に装着された回転反射面
と、被測定回転体の回転軸と同軸に配設され、所定幅の
反射部と非反射部とが交互に繰り返して形成された側面
を有し被測定回転体と協動しない円筒状の符号体と、光
線を出射する光源と、前記光源からの光線が前記回転反
射面で反射されたのち前記側面へ照射され、前記側面で
反射された光線の強度を検出する符号検出手段とを備え
ることを特徴とする。

【００１１】また、被測定回転体に装着された回転反射
面と、被測定回転体の回転軸と同軸に配設され、所定幅
の反射部と非反射部とが交互に繰り返して形成された円
盤面に有し被測定回転体と協動しない円盤状の符号体
と、光線を出射する光源と、前記光源からの光線が前記
回転反射面で反射されたのち前記符号面へ照射するため
の反射鏡と、前記円盤面で反射された光線の強度を検出
する符号検出手段とを備えることを特徴とする。

【００１２】

【作用】被測定回転体に回転反射面を装着し、光源から
の光線を回転反射面へ照射しその反射光が符号体の側面
または円盤面へ照射されるようにする。側面または円盤
面から反射された光線の強度を符号検出手段によって検
出する。回転反射面は被測定回転体と共に動くので、符
号体の側面または円盤面へ照射される反射光は被測定回
転体の回転に伴い符号体の側面または円盤面上を走査す
る。側面または円盤面には所定幅の反射部と非反射部と
が交互に繰り返して形成されているので、被測定回転体
の回転角に応じて明暗を繰り返す信号が符号検出手段に
よって検出される。符号検出手段からの単位時間におけ
る明暗の繰り返し数を検出することにより被測定回転体
の角速度を測定することができ、また被測定回転体の一
回転の基準信号を設定することにより回転角を測定する
ことができる。

【００１３】被測定回転体の回転軸と同軸に配設された
円筒状の符号体は被測定回転体とは協動しないので、す
なわち、被測定回転体に設けなければならないものは平
面状の反射面を備えた回転反射面だけであるので、測定
分解能を高くするために符号体を大きくしても、質量ま
たは慣性モーメント等について被測定回転体の負荷には
ならない。このような形状の回転反射面は一般に十分小
型、かつ軽量に形成することが可能である。したがっ
て、回転反射面の存在が被測定回転体の回転特性に与え
る影響を少なくできる。また、被測定回転体には例えば
その端部に回転反射面だけを設ければよいので、既設の
回転体にも容易に設けることができ、結局、既設の回転
体に対しても対応できる。

【００１４】さらに、被測定回転体側には無関係に上述
した基準符号の数を大きくすることができ、測定分解能
を高くすることができる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１には本発明による回転角測定装置の一実施例の
概略構成が示されている。図１において、符号１は被測
定回転体の軸を示している。軸１の端面２にはミラー取
付体３が固定されている。ミラー取付体３は図２に示す
ように、円筒形状で軽量な樹脂等で形成されている。回
転反射面としての平面状の反射面４はスパッタや蒸着な
どによって形成されている。このように形成されたミラ
ー取付体３は、反射面４と反対側に位置する面を介して
接着剤などによって軸１の端面２に固定されている。し
たがって、ミラー取付体３は軸１の軸心線Ｐに対して反
射面４を傾斜させた状態に端面２に固定されていること
になる。なお、ミラー取付体３は軸１の端面２そのもの
自身を反射面４と同等な形状に加工して形成されたもの
であってもよい。

【００１６】端面２の近傍には、図３（ａ）に示すよう
な円筒形状で形成された符号体としての符号円筒５が軸
１と同軸に配置されている。符号円筒５は、円筒素材２
１の側部に複数の短冊状の非反射部としての符号２２と
反射部としての符号２３とが繰り返して円弧状に配置形
成されたものである。この符号２２は光の反射率の低い
材料で構成され、符号２３は光の反射率の高い材料で構
成されている。この符号円筒５の軸心線Ｕは軸１の軸心
線Ｐに一致している。

【００１７】光照射装置８によって出射された光線は、
光を分岐あるいは偏光させる光分離装置１６、光を集束
する集束レンズ９を経て反射面４に照射され、反射面４
で反射されて符号円筒５の内側側面へ照射される。符号
円筒５の側面で反射された光線は反射面４へ戻り、反射
面４で反射されてレンズ９を経て、光分離装置１６で反
射されて、符号検出手段として光受光装置１１によって
光の強度が検出される。

【００１８】光照射装置８は、光源としての発光素子１
０と発光素子１０からの光を細い平行ビームＱに変換し
て光分離装置１６に導くレンズ９とで構成されている。
光分離装置１６は、平行ビームＱを２つに分岐する光分
岐器７と光に位相差を与える光偏光器１４から構成され
ている。光分岐器７は反射面４を介して符号円筒５に照
射する照射光と符号円筒５に設けられた反射部２３によ
って反射されてくる反射光とを分離させるものである。
光偏光器１４は直接偏光の光を円偏光の光に変換するも
のである。平行ビームＱは光分岐器７を通過後、直線偏
光にされた光のみが光偏光器１４に導かれる。照射光は
光偏光器１４で直接偏光から円偏光に変えられ、収束レ
ンズ６に入る。収束レンズ６は反射面４を介して符号円
筒５の内面５ａ上で収束して、符号円筒５に照射する。

【００１９】符号円筒５から反射された光は、再び反射
面４を介して収束レンズ６に入り、光偏光器１４を通過
する。この反射光は円偏光であり、光偏光器１４を通過
すると直線偏光の光に変換される。この直線偏光に変換
された光は、最初に光偏光器１４から出射したときの直
線偏光の偏光方向とは異なった偏光方向を有する直線偏
光に変換されている。このため、光分岐器７において偏
光特性が異なるために発光素子１０の方向へは透過せず
に光受光装置１１の方向へ反射される。光受光装置１１
に入る反射光Ｒは、レンズ１２で集光させて受光素子１
３へ導かれる。光受光装置１１に入る反射光Ｒは、レン
ズ１２で集光させて受光素子１３に導かれる。

【００２０】符号円筒５は、円筒素材２１には側部に複
数の短冊状の符号２２，２３が円弧状に配置形成された
もので、符号２２は光の反射率の低い材料で構成され、
符号２３は光の反射率の高い材料で構成されている。符
号円筒５の内側が５ａ、外側が５ｂ、光は５ａ面に照射
される。図３（ｂ）は符号円筒５の断面を平面的に示し
た図である。本実施例では、円筒素材２１は符号２３と
同じ材料で構成し、符号２２は光が透過するスリットと
した。よって、照射した光は符号２３では反射し、符号
２２では反射せず透過し、受光素子１３に光は入らな
い。受光素子１３に光の光量に比例して出力レベルが変
化する素子を用いることにより、素子の出力レベルで符
号２２，２３の判別ができる。

【００２１】次に本実施例の作用について説明する。軸
１が軸心線Ｐを中心に回転させると反射面４と照射光の
入射角が軸１の回転角によって異なり、図に示すように
光は放射状に走査される。よって、光ビームＳのビーム
スポツト１５の軌跡は図２に示すように円形軌跡にな
る。このビームスポット１５の位置に符号円筒５の符号
面を５ａを設置することによって、精度良く符号２２，
２３を検出できる。

【００２２】軸１の回転に伴って、ビームＳは５ａ面内
を移動するため、受光素子の出力信号には符号２２，２
３に同期した信号が交互に現れる。この信号の符号２３
のみを検出し、その時間を測定することによって、軸１
の角速度が検出できる。

【００２３】また、軸１の回転において一回転の基準信
号を設定することにより、その基準信号を基準として符
号２３の信号をカウントすることにより軸１の回転角が
検出できる。この場合、精度良く符号２３を検出するに
は、ビームスポット１５のスポット径Ｖは、符号２３の
幅Ｗより小さくなければならない。回転角の分解能は、
［符号２３の数］÷［３６０度］である。この分解能を
上げるためには、符号円筒５の符号２２，２３を増せば
良くて、被測定体、つまり軸１の回転特性にはなんにも
影響を与えない構造となっている。

【００２４】本実施例の構成によれば、被測定回転体に
設けなければならないものは平面状の反射面を備えたミ
ラー取付体３だけであり、このような形状のミラー取付
体３は一般に十分小型、かつ軽量に形成することが可能
であるので、ミラー取付体３の存在が被測定回転体の回
転特性に与える影響を少なくすることができる。

【００２５】また、被測定回転体には例えばその端部に
回転反射面だけを設ければよいので、既設の回転体にも
容易に設けることができ、既設の回転体に対しても容易
に対応することができる。

【００２６】さらに、符号円筒５は被測定回転体側の負
荷にならないように設けられているので、被測定回転体
の回転特性に影響を与えることなく符号円筒５における
基準符号の数を大きくることができ、測定分解能を高く
することができる。

【００２７】なお、上述した符号円筒５は図３に示す例
に限定されるものではない。すなわち、図４に示す円筒
符号３１、３２でも良い。符号円筒３１は、内側３１ａ
面に低反射率の材料を円筒素材２１に蒸着などによって
形成させ、符号２２を構成する。この場合は、円筒素材
２１は反射面となる符号２３と同じ材料であるため、符
号２２の材料と反射率が大きく異なる材料が望ましい。
また、図示しないが、前記符号円筒３１において、円筒
素材２１が低反射率の材料で構成し、符号２２を高反射
率の材料で形成し、その部分を反射面としても良い。例
えば、円筒素材２１をガラス、符号２２にクロムなどの
金属薄膜を蒸着して形成する。

【００２８】符号円筒３２は、内側３１ａに反射面とな
る符号２３の材料と低反射率面となる符号２２の材料を
円筒素材２１に交互に蒸着などによって形成させたもの
である。また、この場合も符号２２を反射面となる材料
で構成しても良い。

【００２９】また、符号装置の形状も円筒に限定される
ものではない。すなわち、図５に示すように、円すい形
状をした符号装置３３でも良い。さらに、符号装置３３
に照射されるビームＳをレンズ３４をもちいて細い平行
ビームに変換しても良い。このようにすると、符号装置
３３に照射される光のスポット径が、反射面４からの距
離に関係なく常にビームスポット径の大きさが同じなの
で、符号装置３３の設置が容易になる。

【００３０】次に本発明の図６乃至図９を参照して他の
実施例について説明する。図６において、符号１は被測
定回転体の軸を示している。被測定回転体の軸１の端面
２の近傍には軸１と同軸に円すいミラー５３が設置され
ている。ミラー取付体３の反射面４へ照射された光線は
反射面４で軸心線Ｐを中心に放射状に反射されて円すい
ミラー５３へ照射され、円すいミラー５３で反射されて
軸心線Ｐと同軸に配置された円盤状の符号体５５へ照射
される。ビーム光Ｓの反射面４への照射角は軸１が回転
したときに反射面４へ垂直に入射しないような角度範囲
に設定されている。軸１の回転に伴って反射面４への入
射角が変化するが、反射面４で反射された光は変化する
入射角で決まる符号体５５の位置へ照射される。すなわ
ち、ビーム光Ｓの符号体５５の位置は軸１の回転角に対
応する。

【００３１】本実施例では、反射面４で反射された光線
は円すいミラー５３を介して符号体５５へ垂直に照射さ
れる。符号体５５は図７（ａ）に示すような円盤面を有
する。符号体５５には、板素材５６に複数の略短冊状の
非反射部としての符号６２と反射部としての符号６３が
放射状に配置形成されている。この符号６３は光の反射
率の高い材料で構成され、符号６２は光の反射率の低い
材料で構成されている。そして、この符号体５５の軸心
Ｕは軸１の軸心線Ｐに一致している。

【００３２】光照射装置８は、発光素子１０と発光素子
１０からの光を平行ビームＱに変換して光分離装置１６
に導くレンズ９から構成されている。光分離装置１６
は、平行ビームＱを２つの光分岐する光分岐器７と光に
位相差を与える光偏光器１４かに構成されている。光偏
光器１４は直線偏光の光を円偏光の光に変換し、反射面
４を介して符号体５５に照射する照射光と符号体５５に
よって反射されてくる反射光とを分離させる。平行ビー
ムＱは光分岐器７を通過後、直線偏光に変換された光線
のみが光偏光器１４に導かれる。照射光は光偏光器１４
で直線偏光から円偏光に変換され、収束レンズ５１，５
２へ入射する。収束レンズ５１，５２で平行ビームＱを
細い平行ビームＳにし、反射面４に照射する。細い平行
ビームＳは円すいミラー５３を介して垂直に符号体５５
に導かれる。

【００３３】符号体５５に垂直に入射したビームＳの反
射光は垂直に反射される。そして、再び反射面４を介し
て収束レンズ５１，５２を経て、光偏光器１４を通過す
る。この反射光は円偏光であり、光偏光器１４を通過す
ると直線偏光に変換される。この直線偏光に変換された
光線は、最初に光偏光器１４から出射したときの直線偏
光の偏光方向とは異なった偏光方向を有する直線偏光に
変換されている。このため、光分岐器７において偏光特
性が異なるために発光素子１０の方向へは透過せずに光
受光装置１１の方向へ反射される。光受光装置１１に入
る反射光Ｒは、レンズ１２で集光させて受光素子１３へ
導かれる。

【００３４】軸１を軸心線Ｐを中心に回転させると反射
面４と照射光の入射角が軸１の回転角によって異なり、
光ビームＳは放射状に走査され、円すいミラー５３で反
射されて光ビームＳのビームスポット１８の軌跡は円形
軌跡になる。このビームスポット１８の位置に符号体５
５の符号面を５５ａを設置することによって、精度良く
符号６２，６３を検出できる。

【００３５】符号体５５は、前述したように板素材５６
に複数の略短冊状の符号６２，６３が放射状に配置形成
されたもので、符号６２は光の反射率の低い材料で構成
され、符号６３は光の反射率の高い材料で構成されてい
る。符号体５５へ光が照射される面が５５ａ、されない
面が５５ｂである。図７（ｂ）は符号体５５の略断面図
である。本実施例では、板素材５６は符号６３と同じ材
料で構成し、符号６２は光が透過するスリットとした。
また、図７（ｃ）のように符号体７１でも良い。反射率
の低い板素材６１に高反射率の材料などによって形成さ
せ、符号６３を構成したものである。よって、照射した
光は符号６３では反射し、符号６２では反射せず透過
し、受光素子１３に光は入らない。受光素子１３に光の
光量に比例して出力レベルが変化する素子を用いること
により、素子の出力レベルで符号６２，６３の判別がで
きる。軸１の回転に伴って、ビームＳは５５ａ面内を移
動するため、受光素子の出力信号には符号６２，６３に
同期した信号が交互に現れる。この信号の符号６３のみ
を検出し、その時間を測定することによって、軸１の角
速度が検出できる。また、軸１の回転において一回転の
基準信号を設定することにより、その基準信号として信
号６３の信号をカウントすることにより軸１の回転角が
検出できる。この場合、精度良く符号６３を検出するに
は、ビームスポット幅Ｖは、符号６２，６３の最小幅Ｗ
より小さけなければならない。また、ビームＳは符号６
２，６３と等しいピッチであれば２本以上あっても良
い。回転角の分解能は、［符号６３の数（符号６３と６
２の符号の数は等しい）］÷［３６０度］である。この
分解能を上げるためには、符号体５５の符号６２，６３
を増せば良くて、被測定体、つまり軸１の回転特性には
何も影響を与えない構造となっている。

【００３６】本実施例の構成によれば、反射面４で反射
された光線は円すいミラー５３を介して符号体５５へ照
射されるので、符号体５５を単純な円盤状の形状に形成
することができる。

【００３７】なお、本実施例において上述した符号体５
５は図７に示す例に限定されるものではない。すなわ
ち、図８に示すような形状の符号体７２，７３でも良
い。符号体７２は内部を所定ピッチの角歯型状にくり抜
いたものであり、符号体７３は外周を所定ピッチの角歯
型状にくり抜いたものである。符号体７２，７３はワイ
ヤ放電加工等により１回のワイヤ送り動作で切り取るこ
とが可能であり、加工上容易であるという利点を有す
る。

【００３８】また、符号体５５に照射させる方式も図６
に限定されるものではない。すなわち、図９に示すよう
に、レンズ７８で光のスポットを絞っても良い。このよ
うにすると、符号体５５にビームＳが垂直に入射されな
くても符号を検出できるという利点を有する。

【００３９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、被測定
回転体の回転軸と同軸に配設された円筒状の符号体は被
測定回転体とは協動しないので、すなわち、被測定回転
体に設けなければならないものは平面状の反射面を備え
た回転反射面だけであるので、測定分解能を高くするた
めに符号体を大きくしても、質量または慣性モーメント
等について被測定回転体の負荷にはならない。この結
果、被測定回転体の回転特性に大きな影響を与えること
なく、被測定回転体の回転角や角速度を測定することが
できる。

【００４０】また、被測定回転体には回転反射面だけを
取り付ければよいので、既設の回転体にも容易に対応す
ることができる。

【００４１】また、被測定回転体の負荷能力等に制限さ
れることなく所定幅の反射部と非反射部とが交互に繰り
返す数を多数形成することができるので、回転角や角速
度の測定分解能を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による回転角測定装置の一実施例を示す
概略構成図。

【図２】本発明の一実施例における被測定回転体に装着
された回転反射面を示す斜視図。

【図３】本発明の一実施例における符号体を示す斜視図
（ａ）とその縦断面図（ｂ）。

【図４】本発明の一実施例における符号体の変形例を示
す縦断面図。

【図５】本発明による回転角測定装置の一実施例の変形
例を示す概略構成図。

【図６】本発明による回転角測定装置の他の実施例を示
す概略構成図。

【図７】本発明の他の実施例における符号体を示す平面
図（ａ）とその縦断面図（ｂ，ｃ）。

【図８】本発明の他の実施例における符号体を示す平面
図（ａ）、（ｂ）。

【図９】本発明の他の実施例の変形例を示す概略構成
図。

【符号の説明】

１軸２端面３ミラー取付体４回転反射面５符号体としての符号円筒７光分岐器８光照射装置１０発光素子１３受光素子１４光偏光器１５ビームスポット２１円筒素材２２非反射部２３反射部５３円すいミラー５３５５符号体５６板素材６２非反射部６３反射部Ｐ軸心線Ｑ照射光Ｒ反射光Ｓ光ビーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定回転体に装着された回転反射面と、
被測定回転体の回転軸と同軸に配設され、所定幅の反射
部と非反射部とが交互に繰り返して形成された側面を有
し被測定回転体と協動しない円筒状の符号体と、光線を
出射する光源と、前記光源からの光線が前記回転反射面
で反射されたのち前記側面へ照射され、前記側面で反射
された光線の強度を検出する符号検出手段とを備えるこ
とを特徴とする回転角測定装置。
【請求項２】被測定回転体に装着された回転反射面と、
被測定回転体の回転軸と同軸に配設され、所定幅の反射
部と非反射部とが交互に繰り返して形成された円盤面に
有し被測定回転体と協動しない円盤状の符号体と、光線
を出射する光源と、前記光源からの光線が前記回転反射
面で反射されたのち前記符号面へ照射するための反射鏡
と、前記円盤面で反射された光線の強度を検出する符号
検出手段とを備えることを特徴とする回転角測定装置。