JP2012185175A - 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、及びこのようなエンコーダに用いるエンコーダ用受光装置を提供する。
【解決手段】エンコーダ１では、一直線状の光透過部１７に被検出光を透過させることにより、スケール板１１において、配列ラインＬ１，Ｌ２の互いに離間した一部を含む領域に被検出光が照射される明部１９が形成され、他の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、光強度ピークＰ１，Ｐ２間の相対角度（基準相対角度）は、光透過部１７の形状から一義的に算出できる。そこで、エンコーダ１では、角度検出時の相対角度と基準相対角度とのずれ量を補正量α°として算出することにより、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、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、複数の受光素子は、環状の配列ラインに沿ってスケールに環状に配列されるとともに、角度情報がそれぞれ割り当てられており、回転体は、スケールにおいて、配列ラインの互いに離間する第１の部分および第２の部分を含む領域を被検出光が照射される明部とし、配列ラインの第１の部分および第２の部分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し、出力信号の１次元プロファイルを用いて、明部に対応する受光素子に割り当てられた角度情報に基づいて絶対角度を検出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いて、配列ラインの互いに離間した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。したがって、受光素子からの出力信号の１次元プロファイルからは少なくとも２つの光強度ピークが得られ、一の光強度ピーク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、一の光強度ピークと他の光強度ピークとの間の相対角度（基準相対角度）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光強度ピーク間の相対角度は、基準相対角度から一定量ずれることとなる。そこで、このエンコーダでは、相対角度のずれ量を補正量として算出し、一の光強度ピークから求めた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、一直線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。この場合、出力信号の１次元プロファイルからは２つの光強度ピークが得られ、その基準相対角度は一義的に１８０°となる。したがって、補正量の算出を容易化できる。
また、光透過部は、一端側の幅と他端側の幅とが異なっていることが好ましい。こうすると、２つの光強度ピークの幅（半値幅）に差異が生じるので、これらの光強度ピークを区別することができる。これにより、エンコーダの角度検出範囲の広範化が可能となる。
また、回転体には、一直線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被検出光によって形成されていることが好ましい。
また、光透過部は、スリットであることが好ましい。この場合、光透過部の構成が簡単化され、エンコーダの低コスト化を実現できる。
また、光反射部は、一端側の幅と他端側の幅とが異なっていることが好ましい。こうすると、２つの光強度ピークの幅（半値幅）に差異が生じるので、これらの光強度ピークを区別することができる。これにより、エンコーダの角度検出範囲の広範化が可能となる。
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。かかる構成によれば、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。
また、出力部は、光強度に基づく出力信号を受光素子から順次出力させるシフトレジスタを有し、シフトレジスタは、配列ラインの内側に配置されていることが好ましい。配列ラインの内側にある余剰なスペースにシフトレジスタを配置することにより、スケールを小型化することが可能となる。
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。
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。 光透過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光透過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。 本発明の第３実施形態に係るエンコーダを示す斜視図である。 図１１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。 歯車付きスリット板の平面図である。 スリットとスケールとの配置関係を示す図である。 図１１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スリット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。 変形例に係るスリットの平面図である。
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（エンコーダ用受光装置）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。そして、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光透過部１７を有している。この光透過部１７は、例えばガラスにより、歯車付き回転板８の中心を通るように一直線状に形成されている。また、光透過部１７は、一端側から他端側に向かって徐々に幅が小さくなるように形成され、一端側の幅Ｗ１は、他端側の幅Ｗ２の約２倍程度となっている。さらに、歯車付き回転板８の表面において、光透過部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。
この光透過部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。光透過部１７を通過した被検出光は、光透過部１７の形状と同様に一直線状となる。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の互いに離間する一部を含む領域、すなわち、配列ラインＬ１，Ｌ２と光透過部１７の一端側及び他端側とが交差する部分を含む直線状の領域に、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、光透過部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、光透過部１７に入射する。光透過部１７を通過して一直線状となった被検出光は、平行レンズ９Ｂによって収束され、この被検出光の一端側と他端側とが円環状に配列された各ＰＤ１０に対して２箇所で入射する。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、光透過部１７を通過した被検出光は、円環状に配列された各ＰＤ１０に対して２箇所で入射するので、１次元プロファイルを解析すると、図７（ａ）に示すように、互いに離間する２つの光強度ピークＰ１，Ｐ２が得られることとなる。また、エンコーダ１では、光透過部１７の一端側の幅Ｗ１が他端側の幅Ｗ２の約２倍であるので、光強度ピークＰ１は、光強度ピークＰ２の約２倍の半値幅を有している。
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、得られた光強度ピークＰ１，Ｐ２を二値化する（ステップＳ０２）。この後、二値化した光強度ピークＰ１の半値中心に対応するＰＤ１０を、絶対角度を決定するための基準点とし、光強度ピークＰ２の半値中心に対応するＰＤ１０を、光強度ピークＰ１，Ｐ２間の相対角度を決定するための相対点とする。そして、各ＰＤ１０に割り当てられた角度情報に基づいて、基準点及び相対点の角度を検出する（ステップＳ０３）。
ここで、エンコーダ１においては、光透過部１７が一直線状に形成されている。そのため、スケール板１１に対する光透過部１７の位置ずれが生じていない場合には、基準点と相対点との間の相対角度（以下、「基準相対角度」と称す）は、一義的に１８０°と算出される。一方、図８に示すように、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に対する光透過部１７の位置ずれが生じている場合には、図９に示すように、例えば基準点の位置がα°だけ真の位置からずれる。そのため、検出時の基準点と相対点との間の相対角度は、１８０°＋α°と算出される。
そこで、基準相対角度と検出時の相対角度との差α°が生じた場合には、このα°を角度ずれの補正量として算出する（ステップＳ０４）。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°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Ｓ０５）。
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に形成された一直線状の光透過部１７に被検出光を透過させることにより、スケール板１１において、配列ラインＬ１，Ｌ２の互いに離間した一部を含む領域に被検出光が照射される明部１９が形成され、他の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、ＰＤ１０からの出力信号の１次元プロファイルから２つの光強度ピークＰ１，Ｐ２が得られ、一方の光強度ピークＰ１に対応するＰＤ１０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、光強度ピークＰ１，Ｐ２間の相対角度（基準相対角度）は、光透過部１７の形状から一義的に１８０°と算出できる。ここで、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、角度検出時における光強度ピークＰ１，Ｐ２間の相対角度は、基準相対角度から一定量ずれることとなる。そこで、このエンコーダ１では、相対角度のずれ量を補正量α°として算出し、光強度ピークＰ１から求めた絶対角度に対して補正量α°を加減することにより、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、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、光透過部１７が一直線状であるので、その形成が容易であり、エンコーダ１の低コスト化を実現できる。また、光透過部１７がガラスから形成されているため、スリットを用いる場合に比べれば、塵埃による目詰まりが生じにくく、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。さらに、光透過部１７は、その一端側の幅Ｗ１と他端側の幅Ｗ２とが異なっている。そのため、各ＰＤ１０から得られる出力信号の１次元プロファイルを解析すると、異なる半値幅を持つ光強度ピークＰ１，Ｐ２が得られる。これにより、基準点と相対点とを互いに区別することができ、スケール全周に渡る広範な角度検出が可能となる。
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の光透過部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り、歯車付き回転板３１の中心を通るように一直線状に形成されている。また、光反射部３２は、第１実施形態における光透過部１７と同様に、一端側から他端側に向かって徐々に幅が小さくなるように形成され、光反射部３２の一端側の幅Ｗ３は、他端側の幅Ｗ４の約２倍程度となっている。さらに、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。そして、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に当たった一直線状の部分が受光装置７側に反射する。これにより、第１実施形態と同様に、スケール板１１において、配列ラインＬ１，Ｌ２の互いに離間する一部を含む領域、すなわち、配列ラインＬ１，Ｌ２と光反射部３２の一端側及び他端側とが交差する部分を含む直線状の領域に、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。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の形成にあたって一直線状の光反射部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。これに加え、光反射部３２は、一端側の幅Ｗ３と他端側の幅Ｗ４とが異なっている。そのため、各ＰＤ１０から得られる出力信号の１次元プロファイルを解析すると、第１実施形態と同様に、異なる半値幅を持つ２つの光強度ピークが得られる。これにより、基準点と相対点とを互いに区別することができ、スケール全周に渡る広範な角度検出が可能となる。
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。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、光透過部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、光透過部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、エンコーダ１及びエンコーダ３０において、スケール板１１に形成する明部１９と暗部２０の形成パターンを反転させるようにしてもよい。すなわち、エンコーダ１において、歯車付き回転板８の光透過部１７の形成位置に光吸収膜（又は光反射膜）を形成し、その他の領域に光透過部を形成してもよい。同様に、エンコーダ３０において、歯車付き回転板３１の光反射膜３２の形成位置に光透過部（又は光吸収膜）を形成し、その他の領域に光反射部を形成してもよい。
この場合、各ＰＤ１０から得られる出力信号の１次元プロファイルは上述した実施形態の場合と反転するが、光強度ピークＰ１，Ｐ２の代わりに得られる２つのボトムに基づいて、上述したステップＳ０１〜ステップＳ０５と同様の処理を行うことにより、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。
［第３実施形態］
続いて、本発明の第３実施形態に係るエンコーダについて説明する。
図１１は、本発明に係るエンコーダの一実施形態を示す斜視図である。図１１に示すエンコーダ１０１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１０１は、測定対象物に連結される回転軸１０２と、この回転軸１０２に固定された歯車付き円板１０３とを備えている。歯車付き円板１０３は、測定対象物と連動する回転軸１０２の回転に伴って、矢印Ａ方向に回転する。
図１２は、エンコーダ１０１の光学系Ｓｂを示す斜視図である。図１２に示すように、エンコーダ１０１の光学系Ｓｂは、被検出光を出射する点光源のＬＥＤ（光源装置）１０６と、ＬＥＤ１０６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（エンコーダ用受光装置）１０７と、歯車付き円板１０３と噛合する歯車付きスリット板（回転体）１０８と、歯車付きスリット板１０８を挟むように配置された一対の平行レンズ１０９Ａ，１０９Ｂとによって構成されている。
受光装置１０７は、図１３に示すように、複数のＰＤ（受光素子）１１０が配列されてなるスケール板１１１と、各ＰＤ１１０からの出力信号を出力する出力部１１２とを有している。スケール板１１１の縁部には、同心円状の第１配列ラインＬ１０１及び第２配列ラインＬ１０２が設定されており、各ＰＤ１１０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。そして、各ＰＤ１１０には、１番目のＰＤ１１０１（０°）から最終番目のＰＤ１１０ｎ（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。
出力部１１２は、複数（本実施形態では４個）のシフトレジスタ１１３と、ビデオライン１１４と、信号処理部１１６とを有している。各シフトレジスタ１１３は、各配列ラインＬ１０１，Ｌ１０２よりも内側で、スケール板１１１と同心に略矩形状に配置され、各ＰＤ１１０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１１４は、各配列ラインＬ１０１，Ｌ１０２よりも外側で同心円状に配置され、各ＰＤ１１０からの出力信号を信号処理部１１６に出力する。そして、信号処理部１１６は、ビデオライン１１４を介して各ＰＤ１１０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１１３への駆動信号の供給ライン（図示しない）は、例えば、ＰＤ１１０１とＰＤ１１０ｎとの間に接続されている。
一方、歯車付きスリット板１０８は、図１４に示すように、ＬＥＤ１０６から出射した被検出光の一部を通過させるスリット１１７を有している。このスリット１１７は、歯車付きスリット板１０８の中心を通るように一直線状に形成されている。また、スリット１１７は、一端側から他端側に向かって徐々にスリット幅が小さくなるように形成され、一端側のスリット幅Ｗ１０１は、他端側のスリット幅Ｗ１０２の約２倍程度となっている。
このスリット１１７は、測定対象物が回転すると、歯車付き円板１０３と歯車付きスリット板１０８との協働により、図１１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。スリット１１７を通過した被検出光は、スリット１１７の形状と同様に一直線状となり、図１５に示すように、互いにスリット幅が異なる一端側と他端側との２箇所で、各配列ラインＬ１０１，Ｌ１０２と交差する。
このような光学系Ｓｂでは、図１２に示すように、点光源であるＬＥＤ１０６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１０９Ａによって平行光束化され、スリット１１７に入射する。スリット１１７を通過して一直線状となった被検出光は、平行レンズ１０９Ｂによって収束され、この被検出光の一端側と他端側とが円環状に配列された各ＰＤ１１０に対して２箇所で入射する。各ＰＤ１１０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１１６から外部出力される。
次に、図１６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１０１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ＰＤ１１０から得られる出力信号をそれぞれ収集し、各ＰＤ１１０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Ｓ１０１）。このとき、エンコーダ１０１では、スリット１１７を通過した被検出光は、円環状に配列された各ＰＤ１１０に対して２箇所で入射するので、１次元プロファイルを解析すると、図１７（ａ）に示すように、互いに離間する２つの光強度ピークＰ１０１，Ｐ１０２が得られることとなる。また、エンコーダ１０１では、一端側のスリット幅Ｗ１０１が他端側のスリット幅Ｗ１０２の約２倍であるので、光強度ピークＰ１０１は、光強度ピークＰ１０２の約２倍の半値幅を有している。
次に、所定のコンパレートレベルに基づいて、図１７（ｂ）に示すように、得られた光強度ピークＰ１０１，Ｐ１０２を二値化する（ステップＳ１０２）。この後、二値化した光強度ピークＰ１０１の半値中心に対応するＰＤ１１０を、絶対角度を決定するための基準点とし、光強度ピークＰ１０２の半値中心に対応するＰＤ１１０を、光強度ピークＰ１０１，Ｐ１０２間の相対角度を決定するための相対点とする。そして、各ＰＤ１１０に割り当てられた角度情報に基づいて、基準点及び相対点の角度を検出する（ステップＳ１０３）。
ここで、エンコーダ１０１においては、スリット１１７が一直線状に形成されている。そのため、スケール板１１１に対するスリット１１７の位置ずれが生じていない場合には、基準点と相対点との間の相対角度（以下、「基準相対角度」と称す）は、一義的に１８０°と算出される。一方、図１８に示すように、歯車付きスリット板１０８の軸ずれ及び回転ずれ等により、スケール板１１１に対するスリット１１７の位置ずれが生じている場合には、図１９に示すように、例えば基準点の位置がα°だけ真の位置からずれる。そのため、検出時の基準点と相対点との間の相対角度は、１８０°＋α°と算出される。
そこで、基準相対角度と検出時の相対角度との差α°が生じた場合には、このα°を角度ずれの補正量として算出する（ステップＳ１０４）。そして、ステップＳ１０３で検出した基準点の角度から補正量α°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Ｓ１０５）。
以上説明したように、エンコーダ１０１では、スケールとして環状に配列された複数のＰＤ１１０のうちの２箇所で、一直線状のスリット１１７を通過した被検出光を検出する。このとき、一直線状のスリット１１７の形状から、被検出光の光強度ピークＰ１０１に対応する基準点と光強度ピークＰ１０２に対応する相対点との間の基準相対角度は、一義的に１８０°と算出できる。したがって、エンコーダ１０１では、スケール板１１１に対するスリット１１７の位置ずれが生じていても、角度検出時における基準点と相対点との間の相対角度と、基準相対角度とのずれ量から補正量α°を算出することにより、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１０１では、スリット１１７が一直線状であるので、スリット１１７の形成が容易であり、エンコーダ１０１の低コスト化を実現できる。さらに、スリット１１７は、一端側のスリット幅Ｗ１０１と他端側のスリット幅Ｗ１０２とが異なっているので、異なる半値幅を持つ光強度ピークＰ１０１，Ｐ１０２が得られる。これにより、基準点と相対点とを互いに区別することができ、スケール全周に渡る広範な角度検出が可能となる。
また、エンコーダ１０１では、各ＰＤ１１０は、円環状の各配列ラインＬ１０１，Ｌ１０２に渡って千鳥状に配列されている。このようなＰＤ１１０の配置により、スケール板１１１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。
一方、受光装置１０７側では、各ＰＤ１１０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１０７の小型化及び低コスト化が図られる。さらに、受光装置１０７では、各シフトレジスタ１１３は、配列ラインＬ１０１，Ｌ１０２の内側で、スケール板１１１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Ｌ１０１，Ｌ１０２の内側にある余剰なスペースに各シフトレジスタ１１３を配置することにより、受光装置１０７の一層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い。例えば、歯車付きスリット板１０８に形成するスリットは、図２０に示すスリット１２０のように、一端側と他端側とを分離させた形状としてもよい。この場合、歯車付きスリット板１０８の中央部分から被検出光が透過せず、光強度ピークＰ１０１，Ｐ１０２のＳ／Ｎ比が向上するので、測定対象物の絶対角度を一層精度良く検出することができる。また、受光装置１０７にＡ／Ｄコンバータを搭載し、各ＰＤ１１０からの出力信号をデジタル出力としてもよい。
なお、絶対角度を精度良く検出するという観点から言えば、スリット１１７の一端側のスリット幅Ｗ１０１と他端側のスリット幅Ｗ１０２とは、等幅であってもよい。この場合、基準点と相対点とを区別できなくなり、エンコーダ１０１の角度検出範囲が実質的に１８０°の範囲に限定される。そのため、歯車付き円板１０３の１周に対して歯車付きスリット板１０８を半周だけ回転させるギア等（図示しない）を介在させてもよい。
以上説明した本発明の第３実施形態から、以下の解決すべき課題が導かれる。
すなわち、本発明に係るエンコーダは、スリットが形成された回転体と、スリット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、及びスリットを通過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、スリットを通過した被検出光は、互いに離間した少なくとも２箇所で、配列ラインと交差していることを特徴としている。
このエンコーダでは、スケールとして環状に配列された複数の受光素子のうち、互いに離間した少なくとも２箇所で、スリットを通った被検出光を検出する。このとき、出力信号がピークとなる点のうちのいずれか１点を絶対角度を算出するための基準点と規定すれば、この基準点と他の点との相対角度（基準相対角度）を、スリットの形状から予め把握しておくことができる。ここで、スケールに対するスリットの位置ずれが生じている場合、角度検出時における基準点と他の点との相対角度は、基準相対角度から一定量ずれることとなる。そこで、このエンコーダでは、相対角度のずれ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、スケールに対するスリットの位置ずれが生じていても、絶対角度を精度良く検出することができる。
また、スリットは一直線状であり、当該スリットを通過した被検出光の一端側と他端側とが、配列ラインとそれぞれ交差していることが好ましい。一直線状のスリットの形成は容易であり、エンコーダの低コスト化を実現できる。
また、スリットは、一端側のスリット幅と他端側のスリット幅とが異なっていることが好ましい。この場合、基準点と他の点とで異なるピークを持つ出力信号が得られるため、基準点と他の点とを区別することができる。これにより、エンコーダの角度検出範囲の広範化が可能となる。
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。
本発明に係るエンコーダ用受光装置は、複数の受光素子が配列されたスケールと、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ていることを特徴としている。
このエンコーダ用受光装置は、スケールとして環状に配列された複数の受光素子を有している。このため、スリットが形成された回転体を光源装置との間に介在させることにより、互いに離間した少なくとも２箇所でスリットを通った被検出光を検出することが可能となっている。このとき、出力信号がピークとなる点のうちのいずれか１点を絶対角度を算出するための基準点と規定すれば、この基準点と他の点との相対角度（基準相対角度）を、スリットの形状から予め把握しておくことができる。ここで、スケールに対するスリットの位置ずれが生じている場合、角度検出時における基準点と他の点との相対角度は、基準相対角度から一定量ずれることとなる。そこで、このエンコーダ用受光装置では、相対角度のずれ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、スケールに対するスリットの位置ずれが生じていても、絶対角度を精度良く検出することができる。
また、出力部は、光強度に基づく出力信号を受光素子から順次出力させるシフトレジスタを有し、シフトレジスタは、配列ラインの内側に配置されていることが好ましい。配列ラインの内側にある余剰なスペースにシフトレジスタを配置することにより、スケールを小型化することが可能となる。
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。
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…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、Ｗ１…光透過部の一端側の幅、Ｗ２…光透過部の他端側の幅、Ｗ３…光反射部の一端側の幅、Ｗ４…光反射部の他端側の幅、１０１…エンコーダ、１０６…ＬＥＤ（光源装置）、１０７…受光装置、１０８…歯車付きスリット板（回転体）、１１０…ＰＤ（受光素子）、１１１…スケール板、１１２…出力部、１１３…シフトレジスタ、１１７，１２０…スリット（光透過部）、Ｌ１０１…第１配列ライン、Ｌ１０２…第２配列ライン、Ｗ１０１…一端側のスリット幅、Ｗ１０２…他端側のスリット幅、Ｘ…光軸。

Claims (11)

  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、
    前記複数の受光素子は、環状の配列ラインに沿って前記スケールに環状に配列されるとともに、角度情報がそれぞれ割り当てられており、
    前記回転体は、前記スケールにおいて、前記配列ラインの互いに離間する第１の部分および第２の部分を含む領域を前記被検出光が照射される明部とし、前記配列ラインの前記第１の部分および前記第２の部分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し、
    前記出力信号の１次元プロファイルを用いて、前記明部に対応する受光素子に割り当てられた角度情報に基づいて絶対角度を検出することを特徴とするエンコーダ。
  2. 前記回転体には、一直線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に記載のエンコーダ。
  3. 前記光透過部は、一端側の幅と他端側の幅とが異なっていることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
  4. 前記光透過部は、スリットであることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のエンコーダ。
  5. 前記回転体には、一直線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に記載のエンコーダ。
  6. 前記光反射部は、一端側の幅と他端側の幅とが異なってい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〜請求項６のいずれか一項に記載のエンコーダ。
  8. 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〜請求項７のいずれか一項に記載のエンコーダ。
  9. 前記出力部は、前記光強度に基づく出力信号を前記受光素子から順次出力させるシフトレジスタを有し、
    前記シフトレジスタは、前記配列ラインの内側に配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載のエンコーダ。
  10. 前記明部は、前記第１の部分に対応する第１の明部と、前記第２の部分に対応する第２の明部と、を含み、前記出力信号の１次元プロファイルにおいて、前記第１の明部に対応する第１のピークと、前記第２の明部に対応する第２のピークと、を生じさせ、
    前記第１のピークに対応する受光素子に割り当てられた第１の角度情報と前記第２のピークに対応する受光素子に割り当てられた第２の角度情報とに基づいて前記絶対角度を検出することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載のエンコーダ。
  11. 前記回転体は、測定対象物と連動して回転し、
    前記絶対角度は、前記測定対象物の絶対角度であることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載のエンコーダ。
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