JP6254775B2

JP6254775B2 - エンコーダ

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Publication number: JP6254775B2
Application number: JP2013122923A
Authority: JP
Inventors: 行信杉山; 健太遠藤
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2033-06-11
Also published as: JP2014240779A; WO2014199736A1

Description

本発明は、エンコーダに関する。

従来のエンコーダとして、例えば特許文献１には、次のような光学式のエンコーダが記載されている。すなわち、光源と、回転軸に取り付けられた第１の偏光手段と、円周方向の位置によって異なる向きの偏光軸を有する第２の偏光手段と、第２の偏光手段の中心軸に中心を有する円周上に略等間隔に並べられた複数の光検出手段と、光検出手段の出力に基づいて回転角を演算する演算手段と、を備えるエンコーダである。このエンコーダにおいては、第１の偏光手段及び第２の偏光手段が、光源と光検出手段との光路中に配置されている。

特開平３−２１８１９号公報

しかしながら、特許文献１記載のエンコーダでは、装置が大型化するばかりか、複数の光検出手段同士の位置合せ、及び複数の光検出手段に対する第２の偏光手段の位置合せが煩雑であるため、それらの位置合せにずれが生じると、光の偏光方向の情報を精度良く検出することができないおそれがある。

そこで、本発明は、大型化を抑制すること、及び光の偏光方向の情報に基づいて回転体の角度を精度良く検出することが可能なエンコーダを提供することを目的とする。

本発明のエンコーダは、回転体と、光を出射する光源と、光源から出射された光が照射され、当該光の照射に応じて、所定の偏光方向を有する光を出射する光学素子と、光学素子から出射された光を検出する光検出装置と、を備え、光検出装置は、複数の画素を有する光検出素子と、少なくとも１つの画素からなる複数の画素領域上に当該画素領域ごとに設けられ、隣り合う画素領域について透過軸の方向が異なるように配置された複数の偏光フィルタと、を備え、光学素子は、光学素子から出射された光の照射領域が複数の画素領域を含んで複数の画素領域上において回転するように、回転体の回転に応じて回転させられる。このエンコーダでは、光学素子は、回転体に設けられることにより、回転体の回転に応じて回転させられてもよい。また、本発明のエンコーダは、回転体と、光を出射する光源と、光源から出射された光が照射され、当該光の照射に応じて、所定の偏光方向を有する光を出射する光学素子と、光学素子から出射された光を検出する光検出装置と、を備え、光検出装置は、複数の画素を有する光検出素子と、少なくとも１つの画素からなる複数の画素領域上に当該画素領域ごとに設けられ、隣り合う画素領域について透過軸の方向が異なるように配置された複数の偏光フィルタと、を備え、光検出装置は、回転体に設けられることにより、回転体の回転に応じて回転させられる。

このエンコーダの光検出装置では、光検出素子と偏光フィルタとの一体化が図られている。よって、このエンコーダの光検出装置によれば、適用される装置の大型化を抑制することができると共に、光の偏光方向の情報を精度良く検出することができる。したがって、このエンコーダによれば、大型化を抑制すること、及び光の偏光方向の情報に基づいて回転体の角度を精度良く検出することが実現される。

本発明のエンコーダでは、画素領域は、１つの画素からなっていてもよい。この構成によれば、偏光フィルタが画素ごとに設けられることになるので、透過軸の方向が同じ偏光フィルタの分布数を増やすことができる。

本発明のエンコーダでは、光検出素子上には、透過軸の方向が同じ複数の偏光フィルタが分布させられていてもよい。この構成によれば、透過軸の方向が同じ偏光フィルタが配置された複数の画素領域からの出力を平均化することで、照射される光の強度分布のばらつきの影響を軽減することができる。

本発明のエンコーダでは、偏光フィルタは、透過軸に平行な方向に延び且つ透過軸に垂直な方向に並ぶ複数の溝が設けられた構造体であってもよい。この構成によれば、照射される光の透過率が高くなるように、溝の幅及び隣り合う溝間の距離（ピッチ）を調整することで、光の利用効率を向上させることができる。

本発明によれば、大型化を抑制すること、及び光の偏光方向の情報に基づいて回転体の角度を精度良く検出することが可能なエンコーダを提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態のエンコーダの斜視図である。図１のエンコーダに適用された光検出装置の平面図である。図１のエンコーダに適用された光検出装置の一部断面図である。回転体の回転角と光検出素子の相対出力との関係を示すグラフである。本発明の第２実施形態のエンコーダの斜視図である。本発明の第３実施形態のエンコーダの斜視図である。本発明の第４実施形態のエンコーダの斜視図である。本発明の第５実施形態のエンコーダの斜視図である。本発明の第６実施形態のエンコーダの斜視図である。図２の光検出装置の変形例の平面図である。偏光フィルタの透過軸の角度と光検出素子の相対出力との関係を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］

図１に示されるように、エンコーダ１Ａは、回転軸２と、歯付きの回転板３と、を備えている。回転軸２は、軸線Ａを中心線として回転する。回転板３は、回転軸２に固定されており、回転軸２と共に軸線Ａを中心線として回転する。エンコーダ１Ａ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、回転軸２に連結された測定対象物の絶対角度を検出するための装置である。

エンコーダ１Ａは、更に、歯付きの回転板（回転体）４と、ＬＥＤ（光源）５と、偏光板（光学素子）６と、光検出装置７と、演算部８と、を備えている。回転板４は、回転板３と噛み合わされており、回転板３の回転に連動して、軸線Ａに平行な軸線Ｂを中心線として回転する。ＬＥＤ５は、軸線Ｂ上において回転板４の一方の側に配置されている。光検出装置７は、軸線Ｂ上において回転板４の他方の側に配置されている。

偏光板６は、回転板４に設けられた開口４ａに嵌められており、回転板４の回転に応じて回転させられる。偏光板６は、ＬＥＤ５から出射されてレンズ９によってコリメートされた光Ｌ１のうち、所定の偏光方向を有する光Ｌ２を透過させる。つまり、偏光板６は、ＬＥＤ５から出射された光Ｌ１が照射され、当該光Ｌ１の照射に応じて、所定の偏光方向を有する光Ｌ２を出射する光学素子であるといえる。

光検出装置７は、偏光板６を透過してレンズ１１によって集光された光Ｌ２を検出する。光検出装置７が実装された回路基板１２上には、更に、光検出装置７と隣り合うようにＰＤ１３が実装されている。ＰＤ１３は、回転板４における偏光板６の周囲の領域に０°以上１８０°未満の角度範囲で設けられた円弧状の開口４ｂを通過した光Ｌ１を検出する受光素子である。演算部８は、回路基板１２に電気的に接続されおり、光検出装置７及びＰＤ１３からの出力（光Ｌ２の偏光方向の情報）に基づいて、測定対象物の角度を演算する。

図２に示されるように、光検出装置７は、ＣＭＯＳイメージセンサ（光検出素子）７０を備えている。ＣＭＯＳイメージセンサ７０は、マトリックス状に配列された複数の画素７１を有している。一例として、各画素７１の外径は、６４μｍ×６４μｍ程度である。ＣＭＯＳイメージセンサ７０は、更に、行選択回路７２と、読出し回路７３と、を有している。行選択回路７２は、各行に位置する各画素７１のアンプに行ごとに電気的に接続されている。読出し回路７３は、各列に位置する各画素７１のアンプに列ごとに電気的に接続されている。行選択回路７２によって選択された行に位置する各画素７１のアンプから列方向に転送された信号は、読出し回路７３によって読み出され、演算部８に出力される。

図３に示されるように、ＣＭＯＳイメージセンサ７０は、第１導電型の半導体基板７４と、半導体基板７４上に形成された第２導電型のエピタキシャル層７５と、エピタキシャル層７５内に形成された第２導電型のウェル層７６と、ウェル層７６内に形成された第１導電型の半導体領域７７及び第２導電型の半導体領域７８と、ウェル層７６上に形成された配線層７９と、を有している。第１導電型の半導体領域７７及び第２導電型の半導体領域７８は、画素７１ごとに、ＰＮ接合によってダイオードを構成している。配線層７９は、配線７９ａ及び層間絶縁膜７９ｂからなる。なお、図３においては、アンプの構成が省略されている。

本実施形態では、半導体材料は、所定の不純物が所定の濃度で添加されたシリコンであるが、その他の半導体材料であってもよい。また、本実施形態では、第１導電型がＮ型であり、第２導電型がＰ型であるが、逆であってもよい。更に、本実施形態では、ＰＤ１３は、光検出装置７と別体に設けられているが、複数の画素７１と共に光検出装置７上に形成されていてもよい。

図２及び図３に示されるように、光検出装置７は、更に、複数の偏光フィルタ１５を備えている。各偏光フィルタ１５は、光Ｌ２の入射方向（すなわち、軸線Ｂに平行な方向）に貫通するスリット状の溝１６が、透過軸に平行な方向に延び且つ透過軸に垂直な方向（すなわち、吸収軸に平行な方向）に並ぶように設けられた構造体である。つまり、各偏光フィルタ１５は、光Ｌ２の波長以下の幅の溝１６が、光Ｌ２の波長以下のピッチでストライプ状に並ぶように設けられたナノフィルタである。各偏光フィルタ１５は、溝１６内に入り込んだ状態で全ての偏光フィルタ１５に渡って一体的に形成されたパッシベーション膜１７によって覆われている。なお、偏光フィルタ１５は、例えば、アルミニウム等の金属材料からなり、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工、或いは微細露光機による加工等によって、各画素７１上に直接的に形成されている。

本実施形態では、図２に示されるように、画素７１の配列の行方向（以下、単に「行方向」という）に対して透過軸の方向が０°の角度を成す偏光フィルタ１５ａ、行方向に対して透過軸の方向が４５°の角度を成す偏光フィルタ１５ｂ、行方向に対して透過軸の方向が９０°の角度を成す偏光フィルタ１５ｃ、及び行方向に対して透過軸の方向が１３５°の角度を成す偏光フィルタ１５ｄが、画素７１ごとに設けられている。これらの偏光フィルタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは、隣り合う画素７１について透過軸の方向が異なるように、複数ずつ、配置されている。このようにして、ＣＭＯＳイメージセンサ７０上には、透過軸の方向が同じ複数の偏光フィルタ１５ａが分布（分散）させられている。このことは、偏光フィルタ１５ｂ，１５ｃ，１５ｄについても同様である。

以上のように構成されたエンコーダ１Ａでは、図１に示されるように、ＬＥＤ５から出射されてレンズ９によってコリメートされた光Ｌ１が偏光板６に照射されると、所定の偏光方向を有する光Ｌ２が偏光板６を透過する。そして、偏光板６を透過してレンズ１１によって集光された光Ｌ２が光検出装置７に照射される。このとき、光Ｌ２の偏光方向は、光検出装置７に対して、回転板４の回転に応じて回転することになる。したがって、演算部８は、各偏光フィルタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄに対応する画素７１からの出力に基づいて、回転板４の角度、延いては、回転軸２及び回転板３を介して回転板４を回転させる測定対象物の角度を検出することができる。

具体例として、行方向に対して透過軸の方向が０°の角度を成す偏光フィルタ１５ａに対応する画素７１からの出力は、図４に示される実線のグラフのとおりとなる。行方向に対して透過軸の方向が４５°の角度を成す偏光フィルタ１５ｂに対応する画素７１からの出力は、図４に示される二点鎖線のグラフのとおりとなる。行方向に対して透過軸の方向が９０°の角度を成す偏光フィルタ１５ｃに対応する画素７１からの出力は、図４に示される一点鎖線のグラフのとおりとなる。行方向に対して透過軸の方向が１３５°の角度を成す偏光フィルタ１５ｄに対応する画素７１からの出力は、図４に示される破線のグラフのとおりとなる。したがって、演算部８は、各偏光フィルタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄに対応するに画素７１からの出力の関係に基づいて、回転板４の角度、延いては、測定対象物の角度を検出することができる。

なお、透過軸の方向が９０°ずれた偏光フィルタ１５（例えば、偏光フィルタ１５ａ及び偏光フィルタ１５ｃ）に対応する画素７１間では、一方の画素７１からの出力が最大値をとれば、他方の画素７１からの出力は最小値をとることになる。したがって、演算部８は、当該最小値を背景光に起因する出力として除去することができる。

ここで、回転板４の回転角が１８０°ずれた状態（例えば、図４に示される回転角０°の状態及び回転角１８０°の状態）では、各偏光フィルタ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄに対応するに画素７１からの出力の関係が同じになる。そのため、演算部８は、回転板４の回転角について、０°以上１８０°未満の角度と１８０°以上３６０°未満の角度とを識別する必要がある。演算部８は、当該識別をＰＤ１３からの出力に基づいて実施する。すなわち、ＰＤ１３は、回転板４における偏光板６の周囲の領域に０°以上１８０°未満の角度範囲で設けられた円弧状の開口４ｂを通過した光Ｌ１を検出する受光素子であるため、演算部８は、ＰＤ１３からの出力が相対的に高い場合には、０°以上１８０°未満の角度と識別することができ、ＰＤ１３からの出力が相対的に低い場合には、１８０°以上３６０°未満の角度と識別することができる。

以上説明したように、エンコーダ１Ａの光検出装置７では、ＣＭＯＳイメージセンサ７０と偏光フィルタ１５との一体化が図られているため、適用される装置の大型化を抑制することができると共に、光Ｌ２の偏光方向の情報を精度良く検出することができる。よって、エンコーダ１Ａでは、その大型化を抑制すること、及び光Ｌ２の偏光方向の情報に基づいて回転板４の角度（延いては、測定対象物の角度）を精度良く検出することが実現されている。

また、光検出装置７では、ＣＭＯＳイメージセンサ７０上に、透過軸の方向が同じ複数の偏光フィルタ１５が分布させられているため、透過軸の方向が同じ偏光フィルタ１５が配置された複数の画素７１からの出力を平均化することで、照射される光Ｌ２の強度分布のばらつきの影響を軽減することができる。この構成は、埃等の影響によって或る偏光フィルタ１５の機能が低下した場合等にも検出を継続することができるので、極めて有効である。

また、光検出装置７では、偏光フィルタ１５が画素７１ごとに設けられているため、透過軸の方向が同じ偏光フィルタ１５の分布数を増やすことができる。

また、光検出装置７では、偏光フィルタ１５が、透過軸に平行な方向に延び且つ透過軸に垂直な方向に並ぶ複数の溝１６が設けられた構造体であるため、照射される光Ｌ２の透過率が高くなるように、溝１６の幅及び隣り合う溝１６間の距離（ピッチ）を調整することで、光Ｌ２の利用効率を向上させることができる。
［第２実施形態］

図５に示されるように、エンコーダ１Ｂは、偏光板６に貫通孔等の光通過部１８が設けられており、ＰＤ１３が設けられていない点で、上述したエンコーダ１Ａと主に相違している。エンコーダ１Ｂでは、光通過部１８は、偏光板６において軸線Ｂから外れた領域に位置している。そのため、光通過部１８を通過した光Ｌ１の照射領域をいずれかの画素７１で検出することにより（その画素７１では、出力が最大となる）、回転板４の回転角について、０°以上１８０°未満の角度と１８０°以上３６０°未満の角度との識別を実施することができる。
［第３実施形態］

図６に示されるように、エンコーダ１Ｃは、偏光板６に光遮光部１９が設けられており、ＰＤ１３が設けられていない点で、上述したエンコーダ１Ａと主に相違している。エンコーダ１Ｃでは、光遮光部１９は、偏光板６において軸線Ｂから外れた領域に位置している。そのため、光遮光部１９の投影領域をいずれかの画素７１で検出することにより（その画素７１では、出力が最小となる）、回転板４の回転角について、０°以上１８０°未満の角度と１８０°以上３６０°未満の角度との識別を実施することができる。このように光遮光部１９の投影領域を利用することで、迷光成分の発生を抑制することができる。
［第４実施形態］

図７に示されるように、エンコーダ１Ｄは、偏光板６が半円形状の偏光板６ａと半円形状の偏光板６ｂとに分割されており、ＰＤ１３が設けられていない点で、上述したエンコーダ１Ａと主に相違している。エンコーダ１Ｄでは、偏光板６ａの透過軸と偏光板６ｂの透過軸とが交差している。これにより、光検出装置７上では、回転板４の回転角が１８０°変化した場合に、画素７１からの出力が反転することになるため、回転板４の回転角について、０°以上１８０°未満の角度と１８０°以上３６０°未満の角度との識別を実施することができる。
［第５実施形態］

図８に示されるように、エンコーダ１Ｅは、光検出装置７が回転板４上に配置されており、回転板４に対して斜めにＬＥＤ５及び偏光板６が配置されている点で、上述したエンコーダ１Ａと主に相違している。エンコーダ１Ｅでは、光検出装置７は、偏光板６において軸線Ｂから外れた領域に位置しており、回転板４の回転に応じて回転させられる。これにより、光検出装置７に対する光Ｌ２の入射角度が変わるため、回転板４の回転角について、０°以上１８０°未満の角度と１８０°以上３６０°未満の角度との識別を実施することができる。
［第６実施形態］

図９に示されるように、エンコーダ１Ｆは、ＰＤ１３が設けられていない点で、上述したエンコーダ１Ａと主に相違している。エンコーダ１Ｆでは、測定対象物の角度の初期値からその角度の変化を追跡し続けることで、回転板４の回転角について、０°以上１８０°未満の角度と１８０°以上３６０°未満の角度との識別を実施することができる。この場合、エンコーダ１Ｆの構成の簡易化を図ることができる。

以上、本発明の第１〜第６実施形態について説明したが、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、上記各実施形態は、偏光フィルタ１５が画素７１ごとに設けられている場合（すなわち、画素領域が１つの画素からなる場合）であったが、本発明の偏光フィルタは、複数の画素からなる複数の画素領域上に当該画素領域ごとに設けられ、隣り合う画素領域について透過軸の方向が異なるように配置されていてもよい。なお、透過軸の方向が異なる少なくとも２種類の偏光フィルタ１５が設けられていれば、それらの偏光フィルタ１５からの出力の関係に基づいて、角度を検出することが可能である。

一例として、図１０に示される光検出装置においては、画素７１ごとに設けられた偏光フィルタ１５のそれぞれについて、透過軸の角度（すなわち、行方向に対して透過軸の方向が成す角度）が変えられている。この例では、４行４列で配置された１６個の偏光フィルタ１５のそれぞれについて、透過軸の角度が１１．２５°ずつ変えられているが、例えば、１８０個の偏光フィルタ１５のそれぞれについて、透過軸の角度が１°ずつ変えられていてもよい。この例において、偏光フィルタ１５の透過軸の角度と光検出素子７０の相対出力との関係をグラフに示すと、図１１に示される結果となり、これをＳｉｎ近似すると、図１１に実線で示されるＳｉｎ曲線となる。このＳｉｎ曲線では、出力の振幅の中心値が０．５であり、当該中心値となる透過軸の角度が６０°及び１５０°であるから、位相は３０°となり、このことから、回転角は３０°と分かる。このように、位相を計算することで、回転角を求めることができる。なお、平面視における偏光フィルタ１５の形状は、図２に示される正方形状の他、図１０に示される円形状等であってもよい。

また、上記各実施形態は、偏光フィルタ１５の溝１６が光Ｌ２の入射方向に貫通している場合であったが、本発明の偏光フィルタの溝は、偏光フィルタが光透過性を有していれば、貫通していなくてもよい（すなわち、底を有していてもよい）。

また、ナノフィルタである偏光フィルタ１５に代えて、偏光フィルム（例えば、ポリビニルアルコール等のフィルムにヨウ素化合物を染色して内部に浸透させ、一方向に延伸し、ホウ酸を加えて架橋処理を施したもの）が用いられてもよい。

また、本発明の光検出装置は、エンコーダ以外の装置に適用されてもよい。また、光を出射するものであれば、ＬＥＤ５以外の光源が用いられてもよい。また、光源から出射された光が照射され、当該光の照射に応じて、所定の偏光方向を有する光を出射する光学素子であれば、偏光板６以外の光学素子が用いられてもよい。また、複数の画素を有する光検出素子であれば、ＣＭＯＳイメージセンサ７０以外の光検出素子が用いられてもよい。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ…エンコーダ、４…回転板（回転体）、５…ＬＥＤ（光源）、６…偏光板（光学素子）、７…光検出装置、１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ…偏光フィルタ、１６…溝、７０…ＣＭＯＳイメージセンサ（光検出素子）、７１…画素。

Claims

測定対象物の角度を検出するためのエンコーダであって、
前記測定対象物の回転に応じて回転させられる回転体と、
光を出射する光源と、
前記光源から出射された前記光が照射され、当該光の照射に応じて、所定の偏光方向を有する光を出射する光学素子と、
前記光学素子から出射された前記光を検出する光検出装置と、を備え、
前記光検出装置は、
複数の画素を有する光検出素子と、
少なくとも１つの前記画素からなる複数の画素領域上に当該画素領域ごとに設けられ、隣り合う前記画素領域について透過軸の方向が異なるように配置された複数の偏光フィルタと、を備え、
前記光学素子は、前記光学素子から出射された前記光の照射領域が前記複数の画素領域を含んで前記複数の画素領域上において回転するように、前記回転体の回転に応じて回転させられる、エンコーダ。
前記光学素子は、前記回転体に設けられることにより、前記回転体の回転に応じて回転させられる、請求項１記載のエンコーダ。
前記画素領域は、１つの前記画素からなる、請求項１又は２記載のエンコーダ。
前記光検出素子上には、前記透過軸の方向が同じ複数の前記偏光フィルタが分布させられている、請求項１〜３のいずれか一項記載のエンコーダ。
前記偏光フィルタは、前記透過軸に平行な方向に延び且つ前記透過軸に垂直な方向に並ぶ複数の溝が設けられた構造体である、請求項１〜４のいずれか一項記載のエンコーダ。
回転体と、
光を出射する光源と、
前記光源から出射された前記光が照射され、当該光の照射に応じて、所定の偏光方向を有する光を出射する光学素子と、
前記光学素子から出射された前記光を検出する光検出装置と、を備え、
前記光検出装置は、
複数の画素を有する光検出素子と、
少なくとも１つの前記画素からなる複数の画素領域上に当該画素領域ごとに設けられ、隣り合う前記画素領域について透過軸の方向が異なるように配置された複数の偏光フィルタと、を備え、
前記光検出装置は、前記回転体に設けられることにより、前記回転体の回転に応じて回転させられる、エンコーダ。