JP2008096204A - エンコーダ - Google Patents

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Abstract

【課題】 スケールに対する被検出光の照射位置が基準からずれた場合でも、絶対角度を精度良く検出することができるエンコーダを提供する。
【解決手段】 エンコーダ１では、半円状の開口部１７が形成された歯車付き回転板８に被検出光を通すことにより、スケール板１１のうち、配列ラインＬ１，Ｌ２の半周分を含む領域に被検出光が照射される明部１９が形成され、明部１９を除く領域に被検出光が照射されない暗部２０が形成される。これにより、エンコーダ１では、スケール板１１に対する被検出光の照射位置が基準からずれている場合であっても、角度検出時における光強度波形Ｐの半値幅Ｗに対応する角度範囲と基準角度範囲との差α°に基づく補正量を加減し、測定対象物の絶対角度を精度良く検出することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学式のエンコーダに関する。
従来の光学式のエンコーダとして、例えば特許文献１に記載の光学式エンコーダがある。この従来のエンコーダは、異なる回折パターンを持つ格子窓が環状に配置された光学スケールを有しており、スリットを通して格子窓に照射した被検出光の回折パターンをイメージセンサで撮像する。そして、撮像した回折パターンから格子窓を特定すると共に、画像中における回折パターンの位置に基づいて格子窓の位置を特定し、測定対象物の絶対角度を検出する。
特公平８−１０１４５号公報
しかしながら、上述した従来の光学式のエンコーダでは、特定された各格子窓の位置から直接絶対角度の検出を行っている。そのため、例えばスケールの円板加工の困難性やその後の経時変化等によって光学系を構成する各部材の配置関係がずれ、スケールに対する被検出光の照射位置が基準からずれてしまうと、絶対角度の検出精度が低下するという問題があった。
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、スケールに対する被検出光の照射位置が基準からずれた場合でも、絶対角度を精度良く検出することができるエンコーダを提供することを目的とする。
上記課題の解決のため、本発明に係るエンコーダは、回転体と、回転体に対して被検出光を出射する光源装置と、複数の受光素子が配列されたスケール、及び回転体を経由して受光素子に入射する被検出光の光強度に基づく出力信号を出力する出力部を有する受光装置とを備え、受光素子は、環状の配列ラインに沿ってスケールに配列され、回転体は、スケールにおいて、配列ラインの一部を含む領域を被検出光が照射される明部とし、配列ラインの一部を除く他の部分を含む領域を被検出光が照射されない暗部とすることを特徴としている。
このエンコーダは、複数の受光素子が環状に配列されたスケールにおける配列ラインの一部を含む領域を被検出光が照射される明部とし、配列ラインの一部を除く他の部分を含む領域を被検出光が照射されない暗部とする回転体を有している。これにより、受光素子からの出力信号の１次元プロファイルの半値中心を基準点とし、この基準点に対応する受光素子を特定することによって絶対角度を算出することができる。一方、出力信号の１次元プロファイルの半値幅に対応する角度範囲（基準角度範囲）は、スケールに形成される明部の形状から予め把握しておくことができる。ここで、スケールに対する被検出光の照射位置が基準からずれている場合、角度検出時における出力信号の１次元プロファイルの半値幅に対応する角度範囲は、基準角度範囲から一定量変化することとなる。そこで、このエンコーダでは、角度範囲の変化量を補正量として算出し、基準点が示す絶対角度に対して補正量を加減することにより、スケールに対する被検出光の照射位置が基準からずれた場合でも、絶対角度を精度良く検出することができる。
また、回転体には、配列ラインに対応する径の半円状の光透過部が形成されており、明部は、光透過部を通過した被検出光によって形成されていることが好ましい。さらに、光透過部は、開口部であることも好ましい。このような半円状の光透過部や開口部を用いる場合、従来のようにスリットを用いる場合に比べて塵埃による目詰まりが生じにくく、出力信号のレベル低下等による絶対角度の検出精度の低下を抑制することが可能となる。
また、回転体には、配列ラインに対応する径の半円状の光反射部が形成されており、明部は、光反射部で反射した前記被検出光によって形成されていることが好ましい。この場合も、従来のようにスリットを用いる場合に比べて塵埃による目詰まりが生じにくく、出力信号のレベル低下等による絶対角度の検出精度の低下を抑制できる。また、スケール側に光源装置を配置することが可能となるので、光学系の小型化が図られる。
また、光反射部は、被検出光の光軸中心からずれた位置に形成されていることが好ましい。この場合、受光素子に被検出光のピーク部分が直接入射することを回避できるので、受光素子の飽和によるエンコーダの検出精度の低下を抑制できる。
また、受光素子は、配列ラインに沿って千鳥状に配列されていることが好ましい。この場合、スケールを小型に保ちつつ、角度検出の分解能を向上させることができる。
また、スケールにおいて、受光素子が配列された領域を除く領域には、光吸収膜が形成されていることが好ましい。こうすると、被検出光の多重反射等の影響を緩和でき、受光素子から得られる出力信号の１次元プロファイルのＳＮ比を向上させることができる。
以上説明したように、本発明に係るエンコーダによれば、スケールに対する被検出光の照射位置が基準からずれた場合でも、絶対角度を精度良く検出することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明に係るエンコーダの好適な実施形態について詳細に説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るエンコーダを示す斜視図である。図１に示すエンコーダ１は、いわゆるアブソリュート型のロータリエンコーダであり、例えば自動車のハンドルといった測定対象物（図示しない）の絶対角度を検出するデバイスである。このエンコーダ１は、測定対象物に連結される回転軸２と、この回転軸２に固定された歯車付き円板３とを備えている。歯車付き円板３は、測定対象物と連動する回転軸２の回転に伴って、矢印Ａ方向に回転する。
図２は、エンコーダ１の光学系Ｓを示す斜視図である。図２に示すように、エンコーダ１の光学系Ｓは、被検出光を出射する点光源のＬＥＤ（光源装置）６と、ＬＥＤ６に対向するように配置され、被検出光を受光する受光装置７と、歯車付き円板３と噛合する歯車付き回転板（回転体）８と、歯車付き回転板８を挟むように配置された一対の平行レンズ９Ａ，９Ｂとによって構成されている。
受光装置７は、図３に示すように、複数のＰＤ（受光素子）１０が配列されてなるスケール板１１と、各ＰＤ１０からの出力信号を出力する出力部１２とを有している。スケール板１１には、同心円状の第１配列ラインＬ１及び第２配列ラインＬ２が設定されており、各ＰＤ１０は、各配列ラインＬ１，Ｌ２に渡って円環状かつ千鳥状に配置されている。各ＰＤ１０には、１番目のＰＤ１０１（０°）から最終番目のＰＤ１０ｎ（３５９．５°）まで、例えば時計回りに０．５°刻みで角度情報が割り当てられている。また、スケール板１１の表面において、ＰＤ１０が配列された領域を除いた領域には、例えばカーボンを含有する黒色の樹脂からなる光吸収膜１８が印刷等によって形成されている。
出力部１２は、複数（本実施形態では４個）のシフトレジスタ１３と、ビデオライン１４と、信号処理部１６とを有している。各シフトレジスタ１３は、各配列ラインＬ１，Ｌ２よりも内側で、スケール板１１と同心に略矩形状に配置され、各ＰＤ１０に対して、受光した被検出光の光強度に基づく出力信号を出力させるための走査信号を供給する。また、ビデオライン１４は、各配列ラインＬ１，Ｌ２よりも外側で同心円状に配置され、各ＰＤ１０からの出力信号を信号処理部１６に出力する。そして、信号処理部１６は、ビデオライン１４を介して各ＰＤ１０から受け取った出力信号を外部出力する。なお、各シフトレジスタ１３への駆動信号の供給ライン（図示しない）は、例えば、ＰＤ１０１とＰＤ１０ｎとの間に接続されている。
一方、歯車付き回転板８は、図４に示すように、ＬＥＤ６から出射した被検出光の一部を通過させる開口部１７を有している。開口部１７は、歯車付き回転板８と同心の半円状をなしており、開口部１７の径は、スケール板１１における配列ラインＬ１，Ｌ２よりも大径となっている。この開口部１７は、測定対象物が回転すると、歯車付き円板３と歯車付き回転板８との協働により、図１に示すように、被検出光の光軸Ｘ周りに矢印Ｂ方向に回転する。また、歯車付き回転板８の表面において、開口部１７を除く領域には、光吸収膜１８と同じ材料からなる光吸収膜２１が形成されている。
歯車付き回転板８に向けて出射した被検出光のうち、開口部１７を通過した部分は、開口部１７の形状と同様に半円状となる。これにより、図５に示すように、スケール板１１のうち、配列ラインＬ１，Ｌ２の半周分を含む領域に、被検出光が照射される明部１９が形成される。また、被検出光のうち、開口部１７を通過しなかった部分は、光吸収膜２１によって吸収される。これにより、スケール板１１のうち、明部１９を除いた領域には、被検出光が照射されない暗部２０が形成される。
このような光学系Ｓでは、図２に示すように、点光源であるＬＥＤ６から被検出光が出射されると、この被検出光が平行レンズ９Ａによって平行光束化され、開口部１７に入射する。開口部１７を通過して半円状となった被検出光は、平行レンズ９Ｂによって収束され、円環状に配列された各ＰＤ１０のうち、配列ラインＬ１，Ｌ２の半周分に相当する各ＰＤ１０に入射する。各ＰＤ１０からは、受光した被検出光の光強度に基づく出力信号がそれぞれ出力され、信号処理部１６から外部出力される。
次に、図６に示すフローチャートを参照しながら、上述した構成を有するエンコーダ１によって測定対象物の絶対角度を検出する際の処理について説明する。
まず、各ＰＤ１０から得られる出力信号をそれぞれ収集し、各ＰＤ１０に対する被検出光の光強度の１次元プロファイルを取得する（ステップＳ０１）。このとき、エンコーダ１では、開口部１７を通過した被検出光は、配列ラインＬ１，Ｌ２の半周分に相当する各ＰＤ１０に入射するので、１次元プロファイルを解析すると、図７（ａ）に示すように、頂部がほぼフラットの幅広な光強度波形Ｐが得られる。
次に、所定のコンパレートレベルに基づいて、図７（ｂ）に示すように、得られた光強度波形Ｐを二値化する（ステップＳ０２）。そして、二値化した光強度波形Ｐの半値中心に対応するＰＤ１０を特定し、このＰＤ１０に割り当てられた角度情報に基づいて、基準点の角度を検出する（ステップＳ０３）。基準点の角度を検出した後、光強度波形Ｐの半値幅Ｗを検出し、この半値幅Ｗに対応する角度範囲を検出する（ステップＳ０４）。
ここで、エンコーダ１においては、歯車付き回転板８に半円状の開口部１７が形成されている。そのため、スケール板１１に対する被検出光の照射位置が基準からずれていない場合には、光強度波形Ｐの半値幅Ｗに対応する角度範囲（以下、「基準角度範囲」と称す）は、一義的に１８０°と算出される。一方、例えば歯車付き回転板８の軸ずれ及び回転ずれ等により、スケール板１１に対する開口部１７の位置ずれが生じており、スケール板１１に対する被検出光の照射位置が基準からずれている場合には、図８に示すように、スケール板１１において、配列ラインＬ１，Ｌ２の半周以上を含む領域に明部１９が形成される。この場合、図９に示すように、光強度波形Ｐの半値幅Ｗに対応する角度範囲が基準角度範囲に対してα°増加し、基準点の位置は、真の値からα°／２ずれることとなる。
そこで、ステップＳ０４で検出した角度範囲と基準角度範囲との間に差α°が生じた場合には、これに対応するα°／２を位置ずれの補正量として算出する（ステップＳ０５）。そして、ステップＳ０３で検出した基準点の角度から補正量α°／２を加算（または減算）することにより、基準点における絶対角度を算出する（ステップＳ０６）。
以上説明したように、エンコーダ１では、歯車付き回転板８に形成された半円状の開口部１７に被検出光を通すことにより、スケール板１１のうち、配列ラインＬ１，Ｌ２の半周分を含む領域に被検出光が照射される明部１９が形成され、明部１９を除く領域に被検出光が照射されない暗部２０が形成される。したがって、被検出光の光強度波形Ｐの半値幅Ｗに対応する角度範囲（基準角度範囲）は、一義的に１８０°と算出できる。これにより、エンコーダ１では、スケール板１１に対する被検出光の照射位置が基準からずれている場合であっても、角度検出時における光強度波形Ｐの半値幅Ｗに対応する角度範囲と基準角度範囲との差α°に基づく補正量を算出し、基準点が示す角度に対して補正量を加減することにより、測定対象物の絶対角度を精度良く検出することができる。
また、エンコーダ１では、明部１９及び暗部２０の形成にあたって、半円状の開口部１７を用いているので、従来のようにスリットを用いる場合に比べて開口しているサイズが大きく、塵埃による目詰まりが生じにくい。したがって、エンコーダ１では、長期間の使用によっても、出力信号のレベル低下等による絶対角度の検出精度の低下を抑制することが可能となる。
一方、受光装置７側では、各ＰＤ１０に入射する被検出光の光強度に基づく出力信号を外部出力するといった簡素な処理のみが行われるので、信号処理が迅速になされる。また、フレームメモリ等も不要であり、受光装置７の小型化及び低コスト化が図られる。さらに、受光装置７では、各シフトレジスタ１３は、配列ラインＬ１，Ｌ２の内側で、スケール板１１と同心に略矩形状に配置されている。このように、配列ラインＬ１，Ｌ２の内側にある余剰なスペースに各シフトレジスタ１３を配置することにより、受光装置７の一層の小型化が図られる。
また、スケール板１１において、各ＰＤ１０は、円環状の各配列ラインＬ１，Ｌ２に渡って千鳥状に配列されている。このようなＰＤ１０の配置により、スケール板１１を小型に保ちつつ、角度検出の分解能を向上させることができる。これに加え、スケール板１１の表面において、ＰＤ１０が配列された領域を除く領域には、光吸収膜１８が形成されている。これにより、被検出光の多重反射等の影響を緩和でき、各ＰＤ１０から得られる出力信号の１次元プロファイルのＳＮ比を向上させることができる。
［第２実施形態］
続いて、本発明の第２実施形態に係るエンコーダについて説明する。図１０に示すように、第２実施形態に係るエンコーダ３０は、スケール板１１に明部１９及び暗部２０を形成するにあたり、ＬＥＤ６から出射した被検出光を歯車付き回転板３１の光反射部３２で反射させる点で、被検出光を歯車付き回転板８の開口部１７から通過させる第１実施形態と異なっている。
すなわち、エンコーダ３０の光学系Ｓａにおいて、歯車付き回転板３１は、ＬＥＤ６から出射した被検出光の一部を反射させる光反射部３２を有している。光反射部３２は、例えばアルミニウム薄膜によって歯車付き回転板３１と同心の半円状に形成されている。光反射部３２の径は、スケール板１１における配列ラインＬ１，Ｌ２よりも大径となっている。また、歯車付き回転板３１において、光反射部３２を除く部分には、例えばカーボンを含有する黒色の樹脂からなる光吸収膜３３が印刷等によって形成されている。さらに、ＬＥＤ６は、受光装置７におけるスケール板１１の中央部分に配置されている。
このエンコーダ３０では、ＬＥＤ６から歯車付き回転板３１に向けて被検出光が出射されると、この被検出光のうち、光反射部３２に当たった半円状の部分が受光装置７側に反射する。これにより、スケール板１１において、配列ラインＬ１，Ｌ２の半周分に相当するＰＤ１０が含まれる領域に、被検出光が照射される明部１９が形成される（図５参照）。また、被検出光のうち、光反射部３２に当たらなかった部分は、光吸収膜３３によって吸収される。これにより、スケール板１１のうち、明部１９を除いた領域には、被検出光が照射されない暗部２０が形成される。そして、各ＰＤ１０からは、受光した被検出光の光強度に基づく出力信号がそれぞれ出力され、信号処理部１６から外部出力される。したがって、このエンコーダ３０においても、第１実施形態と同様の手順に従って被検出光の出力信号の１次元プロファイルを解析することにより、スケール板１１に対する被検出光の照射位置が基準からずれた場合でも、測定対象物の絶対角度を精度良く検出することができる。
また、エンコーダ３０では、明部１９及び暗部２０の形成にあたって半円状の光反射部３２を用いているので、第１実施形態と同様に、塵埃による目詰まりが生じにくい。したがって、長期間にわたって使用した場合でも、出力信号のレベル低下等による絶対角度の検出精度の低下を抑制することが可能となる。さらに、スケール板１１側にＬＥＤ６を配置することが可能となるので、光学系Ｓａの小型化が図られる。
本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、種々の変形を適用し得る。例えば、第１実施形態に係るエンコーダ１では、歯車付き回転板８において、開口部１７を除く領域には光吸収膜２１を形成しているが、光吸収膜２１に代えて光反射膜（図示しない）を形成してもよい。この場合、開口部１７を通過しない被検出光は、光反射膜によって受光装置７の反対側に反射するので、各ＰＤ１０から得られる出力信号の１次元プロファイルのＳＮ比を向上させることができる。
また、第２実施形態に係るエンコーダ３０において、例えば図１１に示すように、円弧の両端を結ぶ辺が歯車付き回転板３１の中心よりも円弧側に位置するような半円状の反射部３５を形成するようにしてもよい。このように、歯車付き回転板３１の中心からずれた位置に反射部３５を形成すると、反射部３５と被検出光の光軸中心とがずれるので、ＰＤ１０に被検出光のピーク部分が直接入射することを回避できる。したがって、ＰＤ１０の飽和によるエンコーダ３０の検出精度の低下を抑制できる。また、第２実施形態に係るエンコーダ３０において、ＬＥＤ６から出射される被検出光の反射が直接ＬＥＤ６に戻らないように、歯車付き回転板３１の中心付近において、被検出光の光軸方向から見て配列ラインＬ１，Ｌ２の内側の領域には、光反射部３２に代えて光吸収膜３３を設けてもよい。
この他、歯車付き回転体は、スケール板１１の一部の領域を被検出光が入射する明部とし、他の領域を被検出光が入射しない暗部とするものであればよく、例えば歯車付き回転体そのものの形状を半円状とし、その表面に光吸収膜又は光反射膜を形成してもよい。
本発明の第１実施形態に係るエンコーダを示す斜視図である。 図１に示したエンコーダの光学系を示す斜視図である。 受光装置の平面図である。 歯車付き回転板の平面図である。 開口部とスケールとの配置関係を示す図である。 図１に示したエンコーダによって測定対象物の絶対角度を検出する際の処理を示すフローチャートである。 被検出光の光強度の１次元プロファイルを示す図である。 位置ずれが生じている場合の開口部とスケールとの配置関係を示す図である。 位置ずれが生じている場合の被検出光の光強度の１次元プロファイルを示す図である。 本発明の第２実施形態に係るエンコーダを示す斜視図である。 変形例に係る歯車付き回転板の平面図である。
符号の説明
１，３０…エンコーダ、６…ＬＥＤ（光源装置）、７…受光装置、８，３１…歯車付き回転板（回転体）、１０…ＰＤ（受光素子）、１１…スケール板、１２…出力部、１３…シフトレジスタ、１７…開口部（光透過部）、１８…光吸収膜、１９…明部、２０…暗部、３２…光反射部、Ｌ１…第１配列ライン、Ｌ２…第２配列ライン、Ｘ…光軸。

Claims (7)

  1. 回転体と、
    前記回転体に対して被検出光を出射する光源装置と、
    複数の受光素子が配列されたスケール、及び前記回転体を経由して前記受光素子に入射する前記被検出光の光強度に基づく出力信号を出力する出力部を有する受光装置とを備え、
    前記受光素子は、環状の配列ラインに沿って前記スケールに配列され、
    前記回転体は、前記スケールにおいて、前記配列ラインの一部を含む領域を前記被検出光が照射される明部とし、前記配列ラインの一部を除く他の部分を含む領域を前記被検出光が照射されない暗部とすることを特徴とするエンコーダ。
  2. 前記回転体には、前記配列ラインに対応する径の半円状の光透過部が形成されており、
    前記明部は、前記光透過部を通過した前記被検出光によって形成されていることを特徴とする請求項１記載のエンコーダ。
  3. 前記光透過部は、開口部であることを特徴とする請求項２記載のエンコーダ。
  4. 前記回転体には、前記配列ラインに対応する径の半円状の光反射部が形成されており、
    前記明部は、前記光反射部で反射した前記被検出光によって形成されていることを特徴とする請求項１記載のエンコーダ。
  5. 前記光反射部は、前記被検出光の光軸中心からずれた位置に形成されていることを特徴とする請求項４記載のエンコーダ。
  6. 前記受光素子は、前記配列ラインに沿って千鳥状に配列されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のエンコーダ。
  7. 前記スケールにおいて、前記受光素子が配列された領域を除く領域には、光吸収膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載のエンコーダ。
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