特許 7039156 光学式ロータリエンコーダ、サーボモータおよびアクチュエータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-11

(45)【発行日】2022-03-22

(54)【発明の名称】光学式ロータリエンコーダ、サーボモータおよびアクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/347 20060101AFI20220314BHJP

【ＦＩ】

G01D5/347 110U

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021506828

(86)(22)【出願日】2019-03-15

(86)【国際出願番号】 JP2019011012

(87)【国際公開番号】W WO2020188668

(87)【国際公開日】2020-09-24

【審査請求日】2021-05-13

(73)【特許権者】

【識別番号】390040051

【氏名又は名称】株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズ

(74)【代理人】

【識別番号】100090170

【弁理士】

【氏名又は名称】横沢 志郎

(72)【発明者】

【氏名】上野 新太郎

(72)【発明者】

【氏名】柴原 義徳

(72)【発明者】

【氏名】金森 定治

【審査官】吉田 久

(56)【参考文献】

【文献】実開平１－１０２８１９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１７－９６７１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平８－１４５７２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１６６８７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平５－５２５９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平３－６００２０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開昭６２－１８７２１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３０２２５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１４６６４０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｄ ５／２６－５／３８

Ｈ０２Ｋ １１／００－１１／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

同心状に形成した複数列の検出トラックを備えた回転ディスクと、
前記検出トラックに検出光を照射する発光素子と、
前記検出トラックのそれぞれにおける前記検出光の照射領域から得られる光信号を通過させるスリットパターンを備えた固定スリット板と、
前記スリットパターンを通過した前記光信号のそれぞれを受光する受光素子と、
を備えており、
前記検出トラックのそれぞれは、一定の角度間隔で配列されたスリットあるいは反射帯から構成され、
前記固定スリット板の前記スリットパターンは、前記検出トラックの数に対応する数のスリット列から構成され、
前記スリット列には、複数の第１スリット列と、複数の第２スリット列が含まれ、前記第１、第２スリット列は前記回転ディスクの半径方向に並べられており、
前記第１スリット列は、スリット配列方向の長さが前記第２スリット列よりも短く、
前記スリットパターンは、スリット列並び方向である前記半径方向の両側に、前記第１スリット列がそれぞれ位置するように形成されて、前記スリットパターンが前記固定スリット板における前記検出光の有効照射領域内に位置している光学式ロータリエンコーダ。

【請求項2】

前記第１スリット列においては、前記回転ディスクの円周方向に、２つの第１スリットが第１間隔で配列されており、
前記第２スリット列においては、前記円周方向に、前記第１スリット列の前記第１スリットと同一スリット幅の２つの第２スリットが、前記第１間隔よりも広い第２間隔で配列されている請求項１に記載の光学式ロータリエンコーダ。

【請求項3】

前記検出トラックは、前記円周方向に一定の角度間隔で配列された前記検出光を通すスリットを備えており、
前記受光素子は、前記検出トラックの前記スリットおよび前記固定スリット板の前記スリットパターンを通過して得られる複数組の２相の光信号を受光する複数の受光面を備えている請求項２に記載の光学式ロータリエンコーダ。

【請求項4】

前記回転ディスクには６列の前記検出トラックが配置されており、
前記固定スリット板の前記スリットパターンは、３つの前記第１スリット列および３つの前記第２スリット列を備えており、
前記受光素子は、６組の２相の光信号を受光する１２の受光面を備えている請求項３に記載の光学式ロータリエンコーダ。

【請求項5】

モータ出力軸の回転情報を検出するための請求項１ないし４のうちのいずれか一つの項に記載の光学式ロータリエンコーダを備えているサーボモータ。

【請求項6】

モータと、
前記モータの出力回転を減速する減速機と、
前記減速機の出力軸の回転情報を検出するための請求項１ないし４のうちのいずれか一つの項に記載の光学式ロータリエンコーダと
を備えているアクチュエータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、サーボモータの回転情報、減速機およびモータから構成されるアクチュエータの出力軸の回転情報を検出するために用いる光学式ロータリエンコーダに関する。

【背景技術】

【0002】

光学式ロータリエンコーダとしては、透過型および反射型の光学式ロータリエンコーダが知られている。特許文献１（図３）に記載されているように、透過型の光学式ロータリエンコーダでは、測定対象の回転軸に取り付けた回転ディスクの一方の側に発光素子が配置され、他方の側に受光素子が配置される。発光素子からの射出される検出光が、回転ディスクに形成したスリットパターンおよび固定スリット板に形成したスリットパターンを通ることで、複数の光信号が生成される。これらの光信号が受光素子で受光されて、光電変換された後に、信号処理回路に供給されて、９０°位相の異なるＡ相およびＢ相の２相信号等が形成される。特許文献２に記載の光学式ロータリエンコーダでは、２組の発光素子および受光素子を備え、回転ディスクおよび固定スリット板に形成されている２列のスリットパターンを介して光信号を生成している。これにより、スリットパターンを微細化することなく、検出精度を高めるようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１１－１７２３５８号公報

【文献】特開２００７－１４７３９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

光学式ロータリエンコーダの検出精度を高めると共に、その小型化、低コスト化を図るためには、１組の発光素子および受光素子を用いて複数列のスリットパターンを検出できることが望ましい。例えば、図３（ａ）～（ｃ）に示す光学式ロータリエンコーダ１００において、発光ダイオード（ＬＥＤ）１０１を光源とする場合、ＬＥＤ１０１から射出される検出光１０２の有効スポット形状は円形となる。回転ディスク１０３には複数列のスリットパターン１０６（検出トラック）が形成され、固定スリット板１０５にも、複数列のスリットパターン１０７が形成されている。

【0005】

図３（ｃ）において、白抜きの長方形は回転ディスク１０３の複数列のスリットパターン１０６を構成しているスリット１０３ａを示し、グレーの菱形は固定スリット板１０５のスリットパターン１０７を構成しているスリット１０５ａを示し、斜線を付した長方形は受光素子１０４の受光面パターン１０８を構成している受光面１０４ａを示す。ＬＥＤ１０１からの検出光１０２は、回転ディスク１０３のスリットパターン１０６および固定スリット板１０５のスリットパターン１０７を通過して、受光素子１０４の各受光面１０４ａで受光される。図３（ｃ）に示すように、ＬＥＤ１０１からの検出光１０２の有効スポット１０９は、複数個の菱形のスリット１０５ａからなる固定スリット板１０５のスリットパターンを包含する大きさとする必要がある。

【0006】

例えば、ＬＥＤ１０１の有効スポット１０９を、図３（ｃ）において想像線で示すように小径の有効スポット７ａにすると、固定スリット板１０５のスリットパターンにおける一対のスリット１０５ａ（１）、１０５ａ（２）が、部分的に、有効スポット７ａからはみ出た状態になる。この結果、一対のスリット１０５ａ（１）、１０５ａ（２）を介して得られる２相の光信号の受光量が低下し、Ｓ／Ｎ比の高い２相信号を得ることができない。有効スポットの範囲内に固定スリット板１０５のスリットパターンを構成する各スリット１０５ａが完全に収まるように、大きな有効スポット１０９を備えた大型のＬＥＤ１０１を選定する必要がある。必要とされるＬＥＤ１０１の有効スポット径を小さくできれば、設計自由度が増し、コストの低減、装置の小型化に有利である。

【0007】

本発明の目的は、検出光の有効スポットの範囲内に配置するのに適したスリットパターンが形成された固定スリット板を備えた、設計自由度の向上、コスト減および小型化に有利な光学式ロータリエンコーダを提供することにある。

【0008】

また、本発明の目的は、この新しい光学式のロータリエンコーダが組み込まれたサーボモータ、および、減速機およびモータから構成されるアクチュエータを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の課題を解決するために、本発明の光学式のロータリエンコーダは、
同心状に形成した複数列の検出トラックを備えた回転ディスクと、
前記検出トラックに検出光を照射する発光素子と、
前記検出トラックのそれぞれにおける前記検出光の照射領域から得られる光信号を通過させるスリットパターンを備えた固定スリット板と、
前記スリットパターンを通過した前記光信号のそれぞれを受光する受光素子と、
を備えており、
前記検出トラックのそれぞれは、一定の角度間隔で配列されたスリットあるいは反射帯から構成され、
前記固定スリット板の前記スリットパターンは、前記検出トラックの数に対応する数のスリット列から構成され、
前記スリット列には、複数の第１スリット列と、複数の第２スリット列が含まれ、前記第１、第２スリット列は前記回転ディスクの半径方向に並べられており、
前記第１スリット列は、スリット配列方向の長さが前記第２スリット列よりも短く、
前記スリットパターンは、スリット列並び方向である前記半径方向の両側に、前記第１スリット列がそれぞれ位置するように形成されて、前記スリットパターンが前記固定スリット板における前記検出光の有効照射領域内に位置していることを特徴としている。
例えば、スリット配列方向の長さが短い前記第１スリット列は、前記回転ディスクの円周方向に、２つの第１スリットが第１間隔で配列されている。これに対して、スリット配列方向の長さが長い前記第２スリット列は、前記円周方向に、前記第１スリット列の前記第１スリットと同一スリット幅の２つの第２スリットが、前記第１間隔よりも広い第２間隔で配列されている。

【0010】

ＬＥＤ等の発光素子から射出される検出光の有効スポット形状は一般に円形である。検出トラック数が増加すると、固定スリット板のスリットパターンは、スリット列が増加するので、その並び方向のサイズが大きくなる。本発明では、スリット列並び方向の両側に、長さの短い第１スリット列が配置される。スリット列並び方向の両側に長い第２スリット列が配置される場合に比べて、スリットパターンの全体を、より小さな有効スポットの範囲内に収めることができる。よって、サイズの小さなＬＥＤ等の発光素子を用いることができ、光学式ロータリエンコーダの小型化に有利である。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】（ａ）は本発明を適用した透過型の光学式ロータリエンコーダの一例を示す説明図であり、（ｂ）は回転ディスクの検出トラック、固定スリット板のスリットパターンおよび受光素子の受光面パターンを示す説明図であり、（ｃ）は検出トラック、スリットパターンおよび受光面パターンを検出光の有効スポットと共に拡大して示す説明図である。

【図2】（ａ）は本発明を適用可能な反射型の光学式ロータリエンコーダの構成例を示す説明図であり、（ｂ）は本発明の光学式ロータリエンコーダが組み込まれたサーボモータを示す説明図であり、（ｃ）は本発明の光学式ロータリエンコーダが組み込まれたアクチュエータを示す説明図である。

【図3】（ａ）は透過型の光学式ロータリエンコーダの一例を示す説明図であり、（ｂ）は回転ディスクの検出トラック、固定スリット板のスリットパターンおよび受光素子の受光面パターンを示す説明図であり、（ｃ）は検出トラック、スリットパターンおよび受光面パターンを検出光の有効スポットと共に拡大して示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に、図面を参照して、本発明を適用した光学式ロータリエンコーダの実施の形態を説明する。

【0013】

図１（ａ）は本実施の形態に係る透過型の光学式ロータリエンコーダの概略構成を示す説明図である。光学式ロータリエンコーダ１は、発光素子２、回転ディスク３、固定スリット板４および受光素子５を備えている。本例では発光素子２としてＬＥＤを用いている。回転ディスク３は、測定対象の回転軸６に取り付けられ、回転軸６と一体回転する。発光素子２と受光素子５とは固定した位置に配置されており、これらは、回転ディスク３を挟み、回転ディスク３の回転中心線３ａに沿った方向から対峙している。固定スリット板４は、受光素子５と回転ディスク３との間に配置されている。

【0014】

図１（ｂ）は、回転ディスク３の検出トラック、固定スリット板４のスリットパターンおよび受光素子５の受光面パターンを示す説明図であり、図１（ｃ）はその部分拡大図である。発光素子２から射出される検出光７は、回転ディスク３に垂直に入射して、回転ディスク３に形成されている複数列の検出トラックを照射する。本例では、回転ディスク３の回転中心を中心として、同心状に６列の検出トラック１１～１６が形成されている。外周側の２列の検出トラック１１、１２は、例えば、矩形のスリット１１ａ、１２ａが一定の角度間隔で２５５個形成されているノギス信号検出トラックである。これらの内側の２列の検出トラック１３、１４は、例えば、矩形のスリット１３ａ、１４ａが一定の角度間隔で２５６個形成されている主信号検出トラックである。回転中心側の２列の検出トラック１５、１６は、例えば同一形状（同一幅および同一長さ）の矩形のスリット１５ａ、１６ａが一定の角度間隔で２４０個形成されている補正信号検出トラックである。スリット１１ａ～１６ａは、回転ディスク３に形成した光通過部あるいは光透過部である。

【0015】

固定スリット板４には、検出トラック１１～１６に対応して、６列のスリット列２１～２６からなるスリットパターンが形成されている。スリット列２１～２６は、回転ディスク３の半径方向ｙ（スリット列並び方向）に並んでいる。スリット列２１～２６は、それぞれ、回転ディスク３の円周方向ｘ（スリット配列方向）に一定の間隔で配置した一対のスリット２１ａ、一対のスリット２２ａ、一対のスリット２３ａ、一対のスリット２４ａ、一対のスリット２５ａおよび一対のスリット２６ａから構成されている。各スリット２１ａ～２６ａは同一形状（本例では菱形）の光通過部あるいは光透過部である。

【0016】

検出トラック１１～１６を照射した検出光７は、回転ディスク３の表面上に、有効照射領域として、円形の有効スポット７ａを形成する。有効スポット７ａの範囲内に位置する各検出トラック１１～１６のスリット１１ａ～１６ａを通過した検出光７は、各検出トラック１１～１６のそれぞれに対応する光信号となって、固定スリット板４を照射する。固定スリット板４のスリットパターンを通過した各光信号は、受光素子５の各受光面５ａで受光される。

【0017】

図１（ｃ）において、実線の円は有効スポット７ａを示し、白抜きの長方形は回転ディスク３に形成した６列の検出トラック１１～１６のスリット１１ａ～１６ａを示し、グレーの菱形は固定スリット板４に形成した６列のスリット列２１～２６の各スリット２１ａ～２６ａを示し、斜線を付した長方形は、受光素子５の受光面５ａを示す。

【0018】

固定スリット板４において、ノギス信号発生用のスリット列２１、２２において、一方のスリット列２１では、円周方向ｘ（スリット配列方向）に、スリット２１ａ（第１スリット）が狭い第１角度間隔ｐ１で配列されている。回転ディスク３の回転に伴って、一方のスリット２１ａを介して得られる光信号からＡ相信号が生成され、他方のスリット２１ａを介して得られる光信号からＢ相信号が生成されるようになっている。スリット列２２では、スリット２２ａ（第２スリット）が広い第２角度間隔ｐ２で配列されており、また、スリット２１ａに対して円周方向ｘ（スリット配列方向）に所定角度だけオフセットしている。これにより、一方のスリット２２ａを介して得られる光信号からＡ相の反転信号が生成され、他方のスリット２２ａを介して得られる光信号から、Ｂ相の反転信号が生成されるようになっている。

【0019】

主信号発生用のスリット列２３、２４においても同様である。スリット列２３では、スリット２３ａ（第１スリット）が第１角度間隔ｐ１で配列され、Ａ相およびＢ相の２相信号が生成される。スリット列２４では、スリット２４ａ（第２スリット）が第２角度間隔ｐ２で配列され、Ａ相の反転信号およびＢ相の反転信号が生成される。

【0020】

これに対して、補正信号発生用のスリット列２５、２６においては、半径方向ｙの外側に位置するスリット列２５では、円周方向ｘに広い第２角度間隔ｐ２でスリット２５ａ（第２スリット）が配列されている。他方のスリット列２６では、円周方向ｘに狭い第１角度間隔ｐ１でスリット２６ａ（第１スリット）が配列されている。後述のように、受光素子５の側において配線を変更する等して、スリット列２５のスリット２５ａから得られる光信号からＡ相およびＢ相の２相信号が生成され、スリット列２６のスリット２６ａから得られる光信号からＡ相の反転信号およびＢ相の反転信号が得られるようになっている。

【0021】

受光素子５の受光面パターンは、各スリット２１ａ～２６ａに対応させて、１２個の受光面５ａを含んでいる。各受光面５ａで受光された光信号は電気信号に変換されて、信号処理ユニット８に供給される。信号処理ユニット８において、公知の信号処理によって、２組の２相信号からなる主信号、２組の２相信号からなるノギス信号および２組の２相信号からなる補正信号が生成される。

【0022】

本例の光学式ロータリエンコーダ１の固定スリット板４のスリットパターンにおいて、半径方向ｙ（スリット列並び方向）の外端および内端に位置するスリット列２１、２６は、一対のスリット２１ａおよび一対のスリット２６ａが、それぞれ、狭い第１角度間隔ｐ１で配列されている。これにより、検出光７の円形の有効スポット７ａの範囲内に、これらのスリット２１ａ、２６ａの全体が収まっている。図３（ｃ）に示す固定スリット板１０５のスリットパターンの場合には、有効スポット７ａよりも大きな径の有効スポット１０９のＬＥＤ１０１を用いて、スリットパターンを有効スポットの範囲内に収める必要がある。本例では、より小さな有効スポット径の発光素子２を用いることができる。

【0023】

本例では、固定スリット板４において、スリット列２５、２６のスリットパターンが、他のスリット列２１、２２およびスリット列２３、２４の場合とは逆になっている。狭い第１角度間隔ｐ１のスリットからＡ相、Ｂ相の２相信号を生成し、広い第２角度間隔ｐ２のスリットから２相信号の反転信号を生成するように設計されているものとする。この場合には、広い第２角度間隔ｐ２で配置されているスリット２５ａを介して得られる光信号を受光する受光面５ａからの出力と、狭い第１角度間隔ｐ１で配置されているスリット２６ａを介して得られる光信号を受光する受光面５ａからの出力とが入れ替わって信号処理ユニット８に供給されるように、配線を変更すればよい。あるいは、プログラマブル型の受光素子であれば、信号配線を変更せずに、内部レジスタ（信号の割り当て）のみを変更するだけでよい。よって、回転ディスク３の検出トラック１１～１６、受光素子５の受光面パターン等を変更することなく、固定スリット板４のスリットパターンを変更して、各スリット２１ａ～２６ａを有効スポット７ａの範囲内に収めることが容易である。

【0024】

次に、本発明は、反射型の光学式ロータリエンコーダにも同様に適用可能である。図２（ａ）には、反射型の光学式ロータリエンコーダの概略構成を示す。光学式ロータリエンコーダ５１の基本構成は、一般的な反射型の光学式ロータリエンコーダと同一であり、発光素子５２、回転ディスク５３、固定マスク５４および受光素子５５を備えている。回転ディスク５３は、測定対象の回転軸（図示せず）に取り付けられ、回転軸と一体回転する。発光素子５２と受光素子５５とは固定した位置に配置されており、これらは、回転ディスク５３に対して同一の側に配置されている。発光素子５２から射出する検出光５７は、回転ディスク５３の表面に同心状に配列されている反射帯からなる検出トラック５３ａで反射されて、固定マスク５４に形成されているスリットパターン５４ａを介して、受光素子５５の受光面５５ａで受光される。固定マスク５４に形成されているスリットパターンは、検出トラック５３ａで反射される検出光の有効スポットの範囲内に各スリットが収まるように形成されている。

【0025】

図２（ｂ）は、本発明を適用したサーボモータを示す説明図である。サーボモータ８０は、モータ本体部８１と、モータ出力軸８２の回転位置、回転速度等の回転情報を検出するためのエンコーダ８３と、モータ制御ユニット８４とを備えている。エンコーダ８３には、図１あるいは図２（ａ）に示す光学式ロータリエンコーダ１、５１が用いられている。

【0026】

図２（ｃ）は、本発明を適用したアクチュエータの一例を示す説明図である。アクチュエータ９０は、モータ９１と、モータ９１の出力回転を減速して出力する減速機９２と、減速機９２の出力軸９３の回転位置、回転速度等の回転情報を検出するエンコーダ９４と、制御ユニット９５とを備えている。エンコーダ９４には、図１あるいは図２（ａ）に示す光学式ロータリエンコーダ１、５１が用いられている。

【0027】

（その他の実施の形態）
上記の光学式ロータリエンコーダは、ノギス方式によりスリットパターンが形成されている場合である。本発明は、スリット数が異なる複数のスリット列を備えているインクリメンタル方式の光学式ロータリエンコーダ、または、複数のスリット列がＭ系列の配列パターンに従って形成されている光学式ロータリエンコーダにも同様に適用可能である。

【0028】

このような場合には、光学式ロータリエンコーダの固定スリット板に形成される複数のスリット列は、スリット幅が同一である場合あるいはスリット幅が異なる場合、スリット間隔が同一である場合あるいはスリット間隔が異なる場合、または、スリット数が同一の場合あるいはスリット数が異なる場合がある。いずれの場合においても、スリット配列方向の長さが相対的に長いスリット列を、スリット列並び方向において、その中心側に配置し、相対的に短いスリット列を、スリット列並び方向の両側に配置する。これにより、より小さな有効スポット径の範囲内に、スリット列の全体を収めることが容易になる。

【図1】

【図2】

【図3】