(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射部と非反射部を周方向に交互に配置した円板状のスケールと、１つずつの発光部と受光部を組として備えたセンサとを有し、前記発光部から出射した光束を前記スケールに照射し、前記スケールからの反射光を前記受光部に入射し、前記受光部に入射した光量に応じた電気信号を出力する反射型の光学式ロータリエンコーダにおいて、
前記スケールの外周部に２組の前記センサが配置され、
前記各センサは前記発光部から前記受光部へ至る方向が前記スケールの周方向に向くように配置され、
前記２組のセンサの前記発光部同士及び前記受光部同士が前記スケールの中心に対して略点対称の位置に配置されていることを特徴とする光学式ロータリエンコーダ。
【請求項２】
反射部と非反射部を周方向に交互に配置した円板状のスケールと、１つずつの発光部と受光部を組として備えたセンサとを有し、前記発光部から出射した光束を前記スケールに照射し、前記スケールからの反射光を前記受光部に入射し、前記受光部に入射した光量に応じた電気信号を出力する反射型の光学式ロータリエンコーダにおいて、
前記スケールの外周部に複数組の前記センサが配置され、
前記各センサは前記発光部から前記受光部へ至る方向が前記スケールの周方向に向くように配置され、
前記複数組のセンサの前記発光部同士及び前記受光部同士が前記スケールの周上に略等間隔な位置に配置されていることを特徴とする光学式ロータリエンコーダ。
【請求項３】
前記複数組のセンサの前記発光部から前記受光部に至る方向を全て前記スケールの周方向に対して同方向となる位置関係に配置した請求項２に記載の光学式ロータリエンコーダ。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の光学式ロータリエンコーダを取り付けたモータ制御装置において、前記センサから得られる信号を位置、速度、速度の逆数の何れかに比例する情報に変換した後に各情報を演算し、演算した結果に基づいてモータの制御を行うモータ制御装置。
【請求項５】
前記センサからの信号を情報に変換する際には、前記センサから出力される信号の周期を計測し、該計測結果情報を基に演算を行って前記モータを制御する請求項４に記載のモータ制御装置。
【請求項６】
前記センサからの信号を情報に変換する際には、前記センサから出力される信号の所定時間当りのサイクル数を計測し、該計測結果情報を基に演算を行って前記モータを制御する請求項４に記載のモータ制御装置。
【請求項７】
前記センサからの信号を情報に変換する際には、前記センサから出力された信号のサイクル数を計測し、該計測結果情報を基に演算を行って前記モータを制御する請求項４に記載のモータ制御装置。
【請求項８】
前記演算は２組又は複数組の前記センサから得た情報の平均値を求める演算とした請求項４〜７の何れか１つの請求項に記載のモータ制御装置。
【請求項９】
前記モータとして振動波モータを使用した請求項４〜８の何れか１つの請求項に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電子写真装置の感光ドラムやプリンタ装置の紙送りローラ等の回転体の回転状態を検出して制御を行う光学式ロータリエンコーダ及びモータ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、モータを利用して駆動する構成の装置として、回転速度や停止位置に対して高い精度が要求される用途には、磁気式又は光学式のロータリエンコーダが使用されている。これらの装置は、モータの回転軸上又はモータの回転軸からギアやベルト等を介して接続されている被駆動体の回転軸上にロータリスケールを取り付け、磁気式の場合には磁気抵抗素子等のセンサによって、また光学式の場合は発光素子及び受光素子を使用したセンサによって、ロータリスケールの回転状態を検出している。
【０００３】
電子写真装置の回転ドラムを駆動するような更に高精度が要求される場合には、ロータリエンコーダの２個のセンサを回転中心に対して対向する位置に取り付け、各センサから出力される情報を平均化処理しその情報を基に制御を行うことによって、ロータリスケールが回転中心に対して偏心して取り付けられている場合でも、偏心を補償して高い精度を得る方式が例えば特開平７-１４０８４４号公報に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来例の特開平７-１４０８４４号公報に記載の装置においては、透過型の光学式ロータリエンコーダを使用する場合には、予想される誤差量を大体は補償することができるが、反射型のロータリエンコーダを使用する場合には、誤差要因としてロータリスケールの取り付けの偏心以外に、ロータリスケールが回転軸に対して傾いて取り付いている場合の影響や、ロータリスケールのスリット板の表面の面ぶれの影響も大きく、この影響を取り除くことができないという問題点がある。
【０００５】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、スケールの取付時の偏心、傾き、スケール表面の面ぶれによる誤差を補償して回転体の駆動状態を正確に検出する光学式ロータリエンコーダ及びモータ制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る光学式ロータリエンコーダは、反射部と非反射部を周方向に交互に配置した円板状のスケールと、１つずつの発光部と受光部を組として備えたセンサとを有し、前記発光部から出射した光束を前記スケールに照射し、前記スケールからの反射光を前記受光部に入射し、前記受光部に入射した光量に応じた電気信号を出力する反射型の光学式ロータリエンコーダにおいて、前記スケールの外周部に２組の前記センサが配置され、前記各センサは前記発光部から前記受光部へ至る方向が前記スケールの周方向に向くように配置され、前記２組のセンサの前記発光部同士及び前記受光部同士が前記スケールの中心に対して略点対称の位置に配置されていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る光学式ロータリエンコーダは、反射部と非反射部を周方向に交互に配置した円板状のスケールと、１つずつの発光部と受光部を組として備えたセンサとを有し、前記発光部から出射した光束を前記スケールに照射し、前記スケールからの反射光を前記受光部に入射し、前記受光部に入射した光量に応じた電気信号を出力する反射型の光学式ロータリエンコーダにおいて、前記スケールの外周部に複数組の前記センサが配置され、前記各センサは前記発光部から前記受光部へ至る方向が前記スケールの周方向に向くように配置され、前記複数組のセンサの前記発光部同士及び前記受光部同士が前記スケールの周上に略等間隔な位置に配置されていることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は第１の実施例のモータ制御装置の平面図、図２は正面図を示し、モータ装置には回転情報を検出するためにロータリエンコーダが取り付けられており、ロータリエンコーダからの信号を基にモータを制御する構成とされている。ロータリエンコーダのセンサや回路素子やコネクタ等を実装するプリント基板１が、超音波モータ２の筐体に固定されており、この超音波モータ２は低回転領域で比較的大きなトルクを発生することができるので、ダイレクトドライブ方式による高精度な駆動に適している。
【０００９】
モータ２のシャフト３には、プリント基板１の上方にロータリスケールの一種であるコードホイール４が固定されており、モータ２を駆動してシャフト３が回転すると、コードホイール４が回転するように構成されている。コードホイール４の裏側には、図３（ａ）に示すように円板状の部材に放射状のスリットパターン４ａが形成されており、このスリットパターン４ａの黒い部分は非反射面、白い部分は反射面であり、発光素子からの光束が反射面に照射されると、この反射面で反射された光束が受光素子に入射するようになっている。なお、図３（ｂ）はコードホイール４の部分拡大図である。
【００１０】
また、プリント基板１のシャフト３に対して対称な円周縁部の位置に、図４に示すような半導体プロセスにより製造され、それぞれ発光素子５ａ、６ａ、受光素子５ｂ、６ｂを有する２個のＩＣチップ構造のセンサ５、６が直接半田付けされている。
【００１１】
図５はロータリエンコーダの検出原理を表す側面図を示し、センサ５、６にはＬＥＤを光源とする発光素子５ａ、６ａが内蔵されており、レンズを介して光束が出射されるようになっている。また、受光素子５ｂ、６ｂはレンズから入射される光量に応じた電流が流れるフォトダイオードから成っている。
【００１２】
このような構成により、発光素子５ａ、６ａから出射された光はコードホイール４に照射され、このときにコードホイール４の照射された面が反射面であれば、図５の矢印に示すように光束が反射してレンズを介して受光素子５ｂ、６ｂに入射される。また、コードホイール４の照射された面が非反射面であれば、受光素子５ｂ、６ｂには光束は入射することはない。光束が入射した場合のフォトダイオードに流れる電流はセンサ５、６の内部の回路により電圧に変換され、更にセンサ５、６の内部のコンパレータによりデジタル信号が出力される。このように生成されたデジタル信号は、コードホイール４が回転しているときはパルス信号となり、その周波数はコードホイール４の回転速度に比例した値となる。
【００１３】
図６はモータ装置の制御ブロック回路の構成図を示し、ブロック間の接続が実線のものは電気的結合、破線のものは機械的結合を示している。センサ５、６の出力はそれぞれ速度検出部７、８を介して平均演算部９に接続され、平均演算部９の出力は速度指令値と共に速度比較部１０に接続されている。更に、速度比較部１０の出力はＣＰＵから成るＰＩ演算部１１、周波信号生成回路と昇圧回路から成るドライバ回路１２に順次に接続され、ドライバ回路１２の出力は超音波モータ２に接続されている。
【００１４】
このような構成により、モータ２の速度検出はコードホイール４に対するセンサ５、６からのデジタルパルス信号の周波数又は周期を計測することによって行われる。この検出された速度情報は平均演算部９において速度検出部７と速度検出部８から得た情報を加算して２で割る平均演算が行われる。そして、平均演算部９から出力される情報がモータ２の真の回転速度となる。速度比較部１０は外部から入力される目標値である速度指令値と、平均演算部９から得られる現在の速度とを比較し、その比較結果である偏差を出力する。
【００１５】
ＰＩ演算部１１は速度比較部１０からの偏差情報を基に、制御対象である超音波モータ２に対しての操作量を決定する比例積分演算を行い、偏差情報に対して比例ゲインを積算した値と、偏差情報を積分した値に積分ゲインを積算した値を加算して操作量を決定する。モータ２の駆動速度は、印加電圧振幅又は駆動周波数等を変更することによって速度を可変できるが、本実施例においては駆動周波数を変更することによってモータ２の駆動速度を操作している。
【００１６】
超音波モータ２の駆動周波数と駆動速度の関係は、図７に示すように共振周波数をピークとして周波数の高い領域では比較的緩慢に、周波数の低い領域では急激に速度が低下してゆく特性となる。本実施例においては制御性を考慮して、共振周波数よりも高い領域で超音波モータ２を制御しているために、周波数と速度は負の傾きを有しかつ制御ゲインも負の値となっている。また、ドライバ回路１２はＰＩ演算部１１で決定した操作量である周波数指令値に基づき、モータ２を駆動するための信号を生成する。
【００１７】
このような構成のモータ装置において、例えば図８に示すようにシャフト３に対してコードホイール４が偏心して取り付けられている場合には、従来技術の特開平７-１４０８４４号公報に記載された方法、即ちシャフト３に対して対称に配置されたセンサ５、６の出力の平均を取る方法だけで、偏心による誤差を補償することが可能であるが、本実施例のような反射式のエンコーダを使用する場合には、この偏心による誤差以外に、図９に示すようにシャフト３に対してコードホイール４が傾いて取り付けられている場合も考慮する必要がある。
【００１８】
図１０は傾いて取り付けられたコードホイール４の部分Ａ、Ｂをセンサ５で読み込んだ場合の発光素子５ａから受光素子５ｂの点Ｘに至る光束の状態を示している。このように、コードホイール４が右上がりの部分Ａを読み取っているときは、発光素子５ａから受光素子５ｂまでの光束は実線で示すような光路を通り、またコードホイール４の右下がりの部分Ｂを読み取っているときには、光束は破線で示す光路を通る。従って、実線の光路で読み取ったときよりも破線の光路で読み取った込んだときの方が、コードホイール４の光束が照射される位置が図１０の矢印で示す回転方向と同じ方向にずれた位置を読み取っていることになり、結果として実線から破線に状態が変化するときの検出速度が実際よりも遅くなっている。
【００１９】
一方、図１１はセンサ６の発光素子６ａから受光素子６ｂの点Ｘ’へ至る光束の様子を示したものである。センサ５がコードホイール４の右上がりの部分Ａを読み取っているときに、センサ６は右下がりの部分Ｂを読み取っている。また、センサ５がコードホイール４の部分Ｂを読み取っているときには、センサ６は部分Ａを読み取っている。従って、センサ５の光束が図１０の実線で示す光路を通っているときには、センサ６の光束は図１１の実線で示す光路を通り、またセンサ５の光束が図１０の破線で示す光路を通っているときには、センサ６の光束は図１１の破線で示す光路を通る。
【００２０】
この結果、センサ６では実線の光路で読み取ったときよりも破線の光路で読み取ったときの方が、コードホイール４上の光束が照射される位置がずれた位置を読み取っていることになり、実線から破線に状態が変化するときの検出速度が実際よりも速くなって、センサ５の場合と逆の結果となる。従って、センサ５とセンサ６の検出結果の平均を求めることによって、コードホイール４の傾きによる影響の内、反射面の角度が変化する影響を取り除くことができる。
【００２１】
このようにして、コードホイール４の傾きの影響は低減することはできるが、コードホイール４が傾いて取り付いている場合には、反射面の角度が変化する影響以外にコードホイール４とセンサ５、６との距離が変化することも考慮する必要がある。
【００２２】
図１２は距離が変化した場合のセンサ５の光束の状態を示したものであり、センサ５が図９の部分Ｃを読み取っているときに、センサ５とコードホイール４の距離が最大となり、光束は図９の実線で示す軌跡を通って受光素子５ｂの点Ｘに入射する。また、センサ５が部分Ｄを読み取っているときに、センサ５とコードホイール４の距離が最小となり、光束は図１２の破線で示す軌跡を通って受光素子５ｂの点Ｘに入射する。
【００２３】
一方、センサ６とコードホイール４の位置関係は、センサ５が図９の部分Ｃを読み取っているときには、センサ６は図９の部分Ｄを読み取っており、センサ５が図９の部分Ｄを読み取っているときには、センサ６は図９の部分Ｃを読み取っていることになる。従って、センサ５の光が実線で示す光路であるときに、センサ６の光束は図１３の実線で示す光路となり、センサ５の光が破線で示す光路であるときに、センサ６の光束は図１３の破線で示す光路となる。
【００２４】
図１２と図１３を比較すると、実線と破線で示す光路のコードホイール４に照射される位置の関係は逆の関係になっているので、センサ５、６から得られる速度情報を平均することによって、コードホイール４とセンサ５、６との距離が変化することによる誤差を除去することができる。
【００２５】
上述の図１２、図１３はセンサ５、６の発光素子５ａ、６ａと受光素子５ｂ、６ｂの関係が回転中心に対して点対称の位置に配置された場合であるが、図１４に示すようにセンサ５、６の発光素子５ａ、６ａ同士及び受光素子５ｂ、６ｂ同士の位置関係が点対称の位置にならない場合、即ちセンサ５と６が線対称に平行に並んでいる場合には、センサ５、６の光束は図１２と図１５の関係になる。即ち、センサ５が図１２の実線で示す光路を通るときに、センサ６では図１５の実線で示す光路を通り、センサ５が図１２の破線で示す光路を通るときに、センサ６では図１５の破線で示す光路を通る。
【００２６】
図１２と図１５を比較すると、実線と破線で示す光路のコードホイール４に照射される位置関係、即ちそれぞれ発光素子５ａ、６ａから受光素子５ｂ、６ｂに至る光束の方向は、共にコードホイール４の回転方向と同じ方向になるので、センサ５、６のそれぞれから得られる速度情報の平均を取っても誤差は除去できないことになる。従って、センサ５、６とコードホイール４の距離が変動することにより生ずる誤差は、発光素子５ａ、６ａ同士及び受光素子５ｂ、６ｂ同士の位置関係を、回転中心に対して点対称の位置にしなければ補償できないことが分かる。
【００２７】
また、本実施例ではモータ２の速度の制御を行っているが、速度の代りにエンコーダの出力パルス周期を計測して、速度の逆数が或る値になるように制御してもよいし、位置を計数して位置の制御を行ってもよい。
【００２８】
図１６は第２の実施例のモータ装置の平面図、図１７は側面図を示している。第１の実施例に対して、センサの数が２組から４組のセンサ５、６、１３、１４に増えている。コードホイール４が図１８に示すように２つ折れの形状になった場合には、対向配置されたセンサ５、６の位置でのコードホイール４の傾斜が同じ向きになる。なお、センサ５、６からコードホイール４までの距離も同じになるために、第１の実施例のように２組のセンサ５、６から得られる速度信号を平均しただけでは、２つ折れによる誤差は除去できない。
【００２９】
従って、上述の２つ折れ形状のコードホイール４により生ずる誤差を、４組のセンサ５、６、１３、１４を使用して除去する。即ち、２つ折れ形状によるコードホイール４の面の傾きは、センサ５又は６の位置に対してセンサ１３又は１４の位置では逆になる。また、コードホイール４との距離もセンサ５又は６の位置に対してセンサ１３又は１４の位置では逆の関係になるために、これらの４組のセンサ５、６、１３、１４から得られる信号の平均を取ることによって、コードホイール４が２つに折れて発生する傾きによる誤差を除去することが可能となる。
【００３０】
また、センサ５、６、１３、１４の発光素子から受光素子に至る方向を、図１７に示すように全てコードホイール４の周方向に対して同一方向とすることにより、コードホイール４の２つ折れによって生ずるセンサ５、６、１３、１４とコードホイール４の距離が変化することによる誤差も除去することができる。更に、第１の実施例で説明したコードホイール４の偏心による影響や、コードホイール４の取付時の傾きの影響も同時に除去することができる。
【００３１】
本実施例では、  コードホイールの形状が２つ折れの場合について述べたが、コードホイール４の変形の次数が増えた場合には、センサの数を増加してこれらのセンサから得られたデータを平均化し、その情報を用いて制御することによって、高次の変形に対しても誤差を除去することが可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る光学式ロータリエンコーダは、対向する位置に２組のセンサを取り付けることにより、コードホイールが傾いて取り付いた場合でも、反射面が傾いて発生する誤差を除去することができる。その際に、２組のセンサの発光素子同士と受光素子同士を点対称となるような位置関係にすることにより、コードホイールとセンサの距離が変化することによる誤差も除去することができる。
【００３３】
また、本発明に係るモータ制御装置は、複数のセンサを等間隔に配置することにより、コードホイールが折れ曲がった場合でも、折れ曲がりが原因で反射面が傾くことによる誤差を除去することができる。その際に、全てのセンサの発光素子から受光素子に至る方向を周方向で同一にすることによって、コードホイールとセンサの距離が変化することによる誤差も除去することができる。
【００３４】
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例のモータ装置の平面図である。
【図２】正面図である。
【図３】コードホイールの平面図である。
【図４】センサの平面図である。
【図５】反射式エンコーダの側面図である。
【図６】モータの制御回路の構成図である。
【図７】超音波モータの特性のグラフ図である。
【図８】偏心しているコードホイールの平面図である。
【図９】傾いているコードホイールの正面図である。
【図１０】コードホイールの反射面の傾きの側面図である。
【図１１】コードホイールの反射面の傾きの側面図である。
【図１２】コードホイールとセンサの距離の変化の側面図である。
【図１３】コードホイールとセンサの距離の変化の側面図である。
【図１４】距離変化の影響を除去できない場合の平面図である。
【図１５】コードホイールとセンサ距離の変化の側面図である。
【図１６】第２の実施例のモータ装置の平面図である。
【図１７】正面図である。
【図１８】２つ折れしたコードホイールの正面図である。
【符号の説明】
１  プリント基板
２  超音波モータ
３  シャフト
４  コードホイール
５、６、１３、１４  センサ
７、８  速度検出部
９  平均演算部
１０  速度比較部
１１  ＰＩ演算部
１２  ドライバ回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0004428781.tif 000017
【図１７】
0004428781.tif 000018
【図１８】
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