JPWO2005015132A1 - アブソリュートエンコーダ - Google Patents

Abstract

アブソリュートエンコーダ１の回転軸２に取り付けられた回転板３に、所定の位置関係で第１の開口３１、第２の開口３２を形成し、回転板３の下面３ａに対向するように２次元のプロファイルセンサ５を設置する。また、回転板３の開口３１、３２を挟んでプロファイルセンサ５の光感応領域と対向するように、光源４１、４２からなる光供給部４を設置する。そして、光源４１、４２から供給された測定光が回転板３の開口３１、３２を通過してプロファイルセンサ５で検出された第１検出位置Ｐ１、第２検出位置Ｐ２の相関によって、回転軸２の回転角の絶対値を算出する。これにより、回転軸の回転角の絶対値を簡単な構成で精度良く測定できるアブソリュートエンコーダが得られる。

Description

本発明は、測定対象物の回転角の絶対値を測定するためのアブソリュートエンコーダに関するものである。

従来より、工作機、ＦＡ機器、自動車の制御端（ステアリング）などの角度測定には、ロータリーエンコーダが用いられている。ロータリーエンコーダのうち、特に光学式のロータリーエンコーダの角度検出方式としては、インクリメンタル方式とアブソリュート方式とが広く知られている。アブソリュート方式のロータリーエンコーダ（以下、アブソリュートエンコーダという）は、一般的に高精度であり、誤差が蓄積しないといった利点を有している。

アブソリュートエンコーダでは、一般に、スリットなどの光透過部が所定パターンで設けられた回転板を回転軸に取り付ける。そして、この回転板を挟んで光源と光検出器とを設置し、光源から供給されて回転板の光透過部を通過した光を光検出器で検出することによって回転軸の回転角の絶対値を測定する。

従来のアブソリュートエンコーダとして、特許文献１、及び特許文献２に開示されたエンコーダが知られている。例えば、特許文献１に開示されたエンコーダでは、回転板に渦巻状のパターンからなるスリットを設け、この渦巻状スリットを通過した光を１次元のイメージセンサで検出することによって回転角を測定している。
特表２０００−５１４１９９号公報 特開２００２−３９７２７号公報

しかしながら、上記のように渦巻状スリットを用いて回転角を測定する構成では、スリットパターンを正確に位置決めして回転板に形成するのが困難であり、したがって、回転角の測定精度を充分に向上することが難しいという問題がある。また、１次元のイメージセンサと回転板とのアライメントに高い精度が要求されるため、その構成及び製造工程が複雑化するとともにコスト高となる。

本発明は、上記した問題点を解決するためになされたものであり、回転軸の回転角の絶対値を簡単な構成で精度良く測定できるアブソリュートエンコーダを提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明によるアブソリュートエンコーダは、（１）回転軸と、（２）回転軸に取り付けられ、第１の開口、及び第１の開口に対して所定の位置関係で形成された第２の開口を有する回転板と、（３）複数の画素が２次元配列された光感応領域を有し、回転板の一方の面に対向するように設けられるとともに、２次元配列における第１の方向及び第２の方向のそれぞれについて光強度プロファイルを得ることが可能な光検出装置と、（４）回転板の第１の開口及び第２の開口を挟んで光検出装置の光感応領域と対向するように設けられ、角度測定用の測定光を供給する光供給手段と、（５）回転板の第１の開口、及び第２の開口を通過した測定光がそれぞれ光検出装置の光感応領域で検出される第１検出位置、及び第２検出位置の相関によって回転軸の回転角の絶対値を算出する角度算出手段とを備えることを特徴とする。

上記したアブソリュートエンコーダでは、回転板に形成された２個の開口を利用して回転角の絶対値を測定している。これら２個の開口は、その相対的な位置は回転板に対して固定であるが、絶対的な位置及び位置関係は回転軸及び回転板の回転に伴って変化する。そして、このような回転板の開口の絶対的な位置関係の変化は、回転板の回転角に対応したものとなる。したがって、これら２個の開口の位置関係の変化を測定光によって光学的に検出することにより、回転軸及び回転板の回転角の絶対値を測定することができる。

また、２個の開口のそれぞれを通過した測定光の検出に、２次元配列における２つの方向についてのプロファイルセンサとして機能するように構成された光検出装置を用いている。これにより、上記した２個の開口の位置関係の変化を好適に精度良く検出することができる。そして、２個の開口が形成された回転板と、２次元の光検出装置とを用いることにより、回転軸の回転角の絶対値を簡単な構成で精度良く測定することが可能なアブソリュートエンコーダが実現される。

ここで、光検出装置としては、それぞれ入射した光の強度に応じた電流を出力する複数の光感応部分を同一面内にて隣接して配設することで１画素が構成され、第１の方向に配列された複数の画素にわたって、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち一方の光感応部分同士が電気的に接続され、第２の方向に配列された複数の画素にわたって、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち他方の光感応部分同士が電気的に接続されている光検出装置を用いることが好ましい。

このような光検出装置では、１つの画素に入射した光は画素を構成する複数の光感応部分のそれぞれにおいて検出される。そして、一方の光感応部分同士が第１の方向に配列された複数の画素にわたって電気的に接続されているので、一方の光感応部分からの電流出力は第１の方向に送られる。また、他方の光感応部分同士が第２の方向に配列された複数の画素にわたって電気的に接続されているので、他方の光感応部分からの電流出力は第２の方向に送られる。これにより、第１の方向での光強度プロファイルと、第２の方向での光強度プロファイルとをそれぞれ独立して得ることが可能な２次元のプロファイルセンサが構成される。この結果、１画素に複数の光感応部分を設けるという極めて簡単な構成によって、２個の開口のそれぞれを通過した測定光の２次元位置を高速に検出することができる。

上記構成の光検出装置を用いた場合、エンコーダは、第１の方向に配列された複数の画素間において電気的に接続された一方の光感応部分群に対応して設けられ、一方の光感応部分群からの電流出力に所定の信号処理を行って電圧信号を出力する第１信号処理回路と、第２の方向に配列された複数の画素間において電気的に接続された他方の光感応部分群に対応して設けられ、他方の光感応部分群からの電流出力に所定の信号処理を行って電圧信号を出力する第２信号処理回路とを備え、角度算出手段は、第１信号処理回路及び第２信号処理回路から出力された電圧信号に基づいて回転軸の回転角の絶対値を算出することが好ましい。

また、エンコーダは、角度算出手段が、第１検出位置、及び第２検出位置の相関と、回転軸の回転角の絶対値との対応関係を示す角度算出用テーブルを参照して回転軸の回転角の絶対値を算出することを特徴としても良い。このように、回転板の２個の開口の位置関係に相当する２つの検出位置の相関を、回転角の絶対値に対応付けたテーブル（ＲＯＭテーブル）をあらかじめ用意しておくことにより、光検出装置における測定光の検出結果からの回転角の算出を高速かつ精度良く行うことができる。

また、光供給手段は、回転板の第１の開口を挟んで光検出装置の光感応領域と対向するように設けられた第１の光源と、第２の開口を挟んで光検出装置の光感応領域と対向するように設けられた第２の光源とを有することが好ましい。さらに、この場合、第１の光源及び第２の光源が、互いに異なる供給条件で測定光を供給することとすれば、第１の開口に対応する光検出装置での第１検出位置と、第２の開口に対応する第２検出位置とを容易に識別することが可能となる。あるいは、１個の光源や、光源と反射光学系との組合せなどによって光供給手段を構成しても良い。

また、回転板の第２の開口は、回転軸から第１の開口へ向かう直線の延長上にある所定位置に形成されていることが好ましい。これにより、２個の開口の位置関係による回転角の絶対値の算出を好適に行うことができる。ただし、回転板での２個の開口の配置については、これ以外にも様々な構成を用いて良い。

また、回転板は、第１の開口及び第２の開口に対して所定の位置関係で形成された第３の開口を有し、角度算出手段は、第１検出位置、第２検出位置、及び回転板の第３の開口を通過した測定光が光検出装置の光感応領域で検出される第３検出位置の相関によって回転軸の回転角の絶対値を算出する構成としても良い。このように３個の開口を用いることにより、回転角の絶対値の測定精度を向上することができる。この場合、回転板の第３の開口は、第１の開口及び第２の開口を結ぶ直線上を除く所定位置に形成されていることが好ましい。また、このように３個の開口を用いる構成では、光供給手段は、回転板の第１の開口を挟んで光検出装置の光感応領域と対向するように設けられた第１の光源と、第２の開口を挟んで光検出装置の光感応領域と対向するように設けられた第２の光源と、第３の開口を挟んで光検出装置の光感応領域と対向するように設けられた第３の光源とを有することが好ましい。さらに、この場合、第１〜第３の光源が、互いに異なる供給条件で測定光を供給することとすれば、第１〜第３検出位置を容易に識別することが可能となる。あるいは、１個の光源や、光源と反射光学系との組合せなどによって光供給手段を構成しても良い。

本発明によるアブソリュートエンコーダによれば、回転軸の回転角の絶対値を簡単な構成で精度良く測定することができる。

［図１］図１は、アブソリュートエンコーダの一実施形態の構成を示す斜視図である。
［図２］図２は、図１に示したエンコーダに用いられるプロファイルセンサの構成を示す模式図である。
［図３］図３は、図２に示したプロファイルセンサに含まれる光感応領域の一例を示す要部拡大平面図である。
［図４］図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
［図５］図５は、第１信号処理回路及び第２信号処理回路からなる信号処理部を示す構成図である。
［図６］図６は、信号処理部及び角度算出部の構成を示すブロック図である。
［図７］図７は、図１に示したエンコーダにおける角度測定方法を示す図である。
［図８］図８は、プロファイルセンサにおける２つの検出位置の位置関係を示す図である。
［図９］図９は、図８に示した検出位置の位置関係に対応する角度算出用テーブルを示す表である。
［図１０］図１０は、プロファイルセンサにおける２つの検出位置の位置関係の他の例を示す図である。
［図１１］図１１は、図１０に示した検出位置の位置関係に対応する角度算出用テーブルを示す表である。
［図１２］図１２は、アブソリュートエンコーダの他の実施形態に用いられる回転板の構成を示す平面図である。

符号の説明

１…アブソリュートエンコーダ、２…回転軸、３…回転板、３１…第１の開口、３２…第２の開口、３３…第３の開口、４…光供給部、４１…第１の光源、４２…第２の光源、５…プロファイルセンサ（光検出装置）、５０…光感応領域、５１_ｍｎ…画素、５２_ｍｎ、５３_ｍｎ…光感応部分、６…信号処理部、６０…第１信号処理回路、６１…シフトレジスタ、６２…積分回路、６３…ＣＤＳ回路、６４…バッファ回路、６５…Ａ／Ｄ変換器、６６…タイミング制御回路、７０…第２信号処理回路、７１…シフトレジスタ、７２…積分回路、７３…ＣＤＳ回路、７４…バッファ回路、７５…Ａ／Ｄ変換器、７６…タイミング制御回路、８…角度算出部、８０…第１ピーク位置検出回路、８１…Ｘ１座標メモリ、８２…Ｘ２座標メモリ、８３…差分回路、８４…角度算出用テーブル、８５…演算部、９０…第２ピーク位置検出回路、９１…Ｙ１座標メモリ、９２…Ｙ２座標メモリ、９３…差分回路。

以下、図面とともに本発明によるアブソリュートエンコーダの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、本発明によるアブソリュートエンコーダの一実施形態の構成を示す斜視図である。図１を参照すると、本実施形態のアブソリュートエンコーダ１は、回転軸２、回転板３、光供給部４、及びプロファイルセンサ５を備えている。回転軸２は、回転角を検出する対象物に取り付けられており、図示しないアブソリュートエンコーダ１の筐体に支持されている。回転板３は、例えば金属や樹脂等から形成された円板状の部材であり、その中心が回転軸２に取り付けられて固定されている。

回転板３には、第１の開口３１と、第１の開口３１に対して所定の位置関係を有する第２の開口３２とが形成されている。これらの２個の開口３１、３２は、後述するように、本エンコーダ１において、回転軸２及び回転板３の回転角の絶対値を測定するために用いられるものである。また、本実施形態においては、これらの開口３１、３２は、図１中に一点鎖線によって示すように、第２の開口３２が回転軸２から第１の開口３１へ向かう直線の延長上にある所定位置となるように回転板３に形成されている。

この回転板３に対して、その一方の面（図１における下面３ａ）に対向するようにプロファイルセンサ５が設けられている。プロファイルセンサ５は、それぞれ入射した光の強度に応じた電流を出力する複数の画素が２次元配列された光感応領域を有する２次元の光検出装置であり、その光感応領域の中心がほぼ回転軸２の中心軸上となるように配置されている。

回転板３の他方の面（上面３ｂ）側には光供給部４が設置されている。光供給部４は、角度測定用の測定光を供給する光供給手段であり、回転板３の開口３１、３２を挟んでプロファイルセンサ５の光感応領域と対向するように配置されている。本実施形態においては、この光供給部４は、第１の光源４１及び第２の光源４２の２個の光源を有して構成されている。第１の光源４１は、回転板３の第１の開口３１を挟んでプロファイルセンサ５と対向するように設けられている。また、第２の光源４２は、第２の開口３２を挟んでプロファイルセンサ５と対向するように設けられている。光源４１、４２としては、例えばＬＥＤなどを用いることができる。

以上の構成において、光供給部４の第１の光源４１から測定光が回転板３に向けて照射されると、その一部が第１の開口３１を通過し、プロファイルセンサ５の光感応領域において第１検出位置Ｐ１で検出される。また、第２の光源４２から測定光が回転板３に向けて照射されると、その一部が第２の開口３２を通過し、プロファイルセンサ５の光感応領域において第２検出位置Ｐ２で検出される。

本エンコーダ１においては、測定光を検出したプロファイルセンサ５から出力される検出信号に対して、信号処理部６及び角度算出部８が設けられている。信号処理部６は、プロファイルセンサ５の各画素からの検出信号である電流出力に対して所定の信号処理を行って電圧信号を出力する。また、信号処理部６からの電圧信号は、角度算出部８へと入力される。角度算出部８は、プロファイルセンサ５における測定光の検出結果を示す信号処理部６からの電圧信号によって、第１の開口３１を通過した測定光に対応する第１検出位置Ｐ１、及び第２の開口３２を通過した測定光に対応する第２検出位置Ｐ２を求める。そして、それらの検出位置Ｐ１、Ｐ２の相関に基づいて、回転軸２及び回転板３の回転角の絶対値を算出する。

次に、図１に示したエンコーダ１に用いられるプロファイルセンサ５について具体的に説明する。図２は、プロファイルセンサ５の構成を示す模式図である。ここで、以下においては、パラメータＭ及びＮそれぞれを２以上の整数とする。また、特に明示しない限りは、パラメータｍを１以上Ｍ以下の任意の整数とし、パラメータｎを１以上Ｎ以下の任意の整数とする。

本実施形態のエンコーダ１におけるプロファイルセンサ５は、光感応領域５０と、第１信号処理回路６０と、第２信号処理回路７０とを有している。これらのうち、第１信号処理回路６０、及び第２信号処理回路７０は、図１に示したエンコーダ１での信号処理部６を構成するものである。

光感応領域５０は、画素５１_ｍｎがＭ行Ｎ列に２次元配列されている。１画素は、それぞれに入射した光の強度に応じた電流を出力する光感応部分５２_ｍｎ（第１光感応部分）及び光感応部分５３_ｍｎ（第２光感応部分）を同一面内にて隣接して配設することで構成されている。これにより、光感応領域５０において、光感応部分５２_ｍｎと光感応部分５３_ｍｎとは２次元的に混在した状態で同一面内にて配列されることとなる。

これらのＭ×Ｎ個の画素からなる光感応領域５０において、２次元配列における第１の方向（図２中のＹ軸方向）に配列された複数（Ｎ個）の画素５１_１１〜５１_１Ｎ、５１_２１〜５１_２Ｎ、・・・、５１_Ｍ１〜５１_ＭＮにわたって、当該各画素５１_ｍｎを構成する複数の光感応部分５２_ｍｎ、５３_ｍｎのうち一方の光感応部分５２_ｍｎ同士（例えば、一方の光感応部分５２_１１〜５２_１Ｎ）が互いに電気的に接続されている。また、２次元配列における第２の方向（Ｘ軸方向）に配列された複数（Ｍ個）の画素５１_１１〜５１_Ｍ１、５１_１２〜５１_Ｍ２、・・・、５２_１Ｎ〜５１_{Ｍ Ｎ}にわたって、当該各画素５１_ｍｎを構成する複数の光感応部分５２_ｍｎ、５３_ｍｎのうち他方の光感応部分５３_ｍｎ同士（例えば、他方の光感応部分５３_１１〜５３_Ｍ１）が互いに電気的に接続されている。

ここで、図３及び図４に基づいて、光感応領域５０の構成について説明する。図３は、図２に示したプロファイルセンサに含まれる光感応領域の一例を示す要部拡大平面図である。また、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。なお、図３においては、保護層５０８の図示を省略している。

光感応領域５０は、Ｐ型（第１導電型）の半導体からなる半導体基板５００と、当該半導体基板５００の表層に形成されたＮ型（第２導電型）の半導体領域５０１、５０２とを含んでいる。これにより、各光感応部分５２_ｍｎ、５３_ｍｎでは、半導体基板５００の部分と一組の第２導電型半導体領域５０１、５０２とを含んで、フォトダイオードが構成されることとなる。半導体領域５０１、５０２は、図３に示すように、光入射方向からみて略三角形状を呈しており、１画素において２つの領域５０１、５０２が、互いに一辺が隣接するように形成されている。また、半導体基板５００は接地電位とされている。

なお、光感応領域５０は、Ｎ型の半導体からなる半導体基板と、当該半導体基板の表層に形成されたＰ型の半導体領域とを含んで構成されていても良い。光感応部分５２_ｍｎに対応する領域５０１と、光感応部分５３_ｍｎに対応する領域５０２とは、図３から分かるように、第１の方向及び第２の方向において交互に配列されている。また、領域５０１と領域５０２とは、第１の方向と第２の方向とに交差する（例えば、４５°にて交差する）第３の方向及び第４の方向において交互に配列されている。

半導体基板５００と領域５０１、５０２の上には第１絶縁層５０３が形成されている。そして、この第１絶縁層５０３に形成されたスルーホールを介して第１配線５０４が一方の領域５０１に電気的に接続されている。また、第１絶縁層５０３に形成されたスルーホールを介して電極５０５が他方の領域５０２に電気的に接続されている。さらに、この第１絶縁層５０３の上には第２絶縁層５０６が形成されている。そして、この第２絶縁層５０６に形成されたスルーホールを介して第２配線５０７が電極５０５に電気的に接続されている。これにより、他方の領域５０２は、電極５０５を介して第２配線５０７に電気的に接続されることとなる。

第２絶縁層５０６の上には保護層５０８が形成されている。第１絶縁層５０３、第２絶縁層５０６、及び保護層５０８は、ＳｉＯ_２またはＳｉＮ等からなる。第１配線５０４、電極５０５、及び第２配線５０７は、Ａｌ等の金属からなる。

第１配線５０４は、各画素５１_ｍｎにおける一方の領域５０１をＹ軸方向にわたって電気的に接続するものであって、画素５１_ｍｎ間をＹ軸方向に延びて設けられている。このように、各画素５１_ｍｎにおける一方の領域５０１を第１配線５０４で接続することにより、２次元配列における第１の方向に配列された複数の画素５１_１１〜５１_１Ｎ、５１_２１〜５１_２Ｎ、・・・、５１_Ｍ１〜５１_ＭＮにわたって一方の光感応部分５２_ｍｎ同士（例えば、光感応部分５２_１１〜５２_１Ｎ）が電気的に接続されて、光感応領域５０においてＹ軸方向に長く延びる光感応部が構成される。

これらのＹ軸方向に延びる光感応部は、Ｘ軸方向に並んでＭ列形成されることとなる。したがって、これらのＭ列の光感応部は、Ｙ軸方向に長く延びる光感応部がＸ軸に沿って配列された１次元のプロファイルセンサとして機能する。このプロファイルセンサからの電流出力により、光感応領域５０の２次元配列におけるＸ軸方向（第２の方向）について光強度プロファイルが得られる。また、これらのＭ列の光感応部からの電流出力は、図２に示すように、それぞれ第１信号処理回路６０へと入力されている。

第２配線５０７は、各画素５１_ｍｎにおける他方の領域５０２をＸ軸方向にわたって電気的に接続するものであって、画素５１_ｍｎ間をＸ軸方向に延びて設けられている。このように、各画素５１_ｍｎにおける他方の領域５０２を第２配線５０７で接続することにより、２次元配列における第２の方向に配列された複数の画素５１_１１〜５１_Ｍ１、５１_１２〜５１_Ｍ２、・・・、５１_１Ｎ〜５１_ＭＮにわたって他方の光感応部分５３_ｍｎ同士（例えば、光感応部分５３_１１〜５３_Ｍ１）が電気的に接続されて、光感応領域５０においてＸ軸方向に長く延びる光感応部が構成される。

これらのＸ軸方向に延びる光感応部は、Ｙ軸方向に並んでＮ行形成されることとなる。したがって、これらのＮ行の光感応部は、Ｘ軸方向に長く延びる光感応部がＹ軸に沿って配列された１次元のプロファイルセンサとして機能する。このプロファイルセンサからの電流出力により、光感応領域５０の２次元配列におけるＹ軸方向（第１の方向）について光強度プロファイルが得られる。また、これらのＮ行の光感応部からの電流出力は、図２に示すように、それぞれ第２信号処理回路７０へと入力されている。

また、以上の構成により、プロファイルセンサ５の光感応領域５０においては、上述したＹ軸方向（第１の方向）に長く延びるＭ列の光感応部と、Ｘ軸方向（第２の方向）に長く延びるＮ行の光感応部とが同一面上に形成された構成となっている。

次に、図１に示したエンコーダ１における信号処理部６及び角度算出部８について具体的に説明する。図５は、第１信号処理回路６０及び第２信号処理回路７０（図２参照）からなる信号処理部６を概略的に示す構成図である。

第１信号処理回路６０は、Ｙ軸方向に配列された複数の画素５１_１１〜５１_１Ｎ、５１_２１〜５１_２Ｎ、・・・、５１_Ｍ１〜５１_ＭＮ間において電気的に接続された光感応部分５２_ｍｎ群（Ｙ軸方向に延びるＭ列の光感応部）に対応して設けられ、これらの光感応部分群からの電流出力に所定の信号処理を行って電圧信号を出力するものである。この第１信号処理回路６０は、シフトレジスタ６１を含みＭ列の光感応部のそれぞれから電流出力を読み出す読み出し回路と、光感応部からの電流出力に対して設けられた積分回路６２とを有する。

第１信号処理回路６０における読み出し回路は、積分回路６２及び読み出し回路を電気的に接続する配線６１ａと、Ｍ列の光感応部（光感応部分群）のそれぞれに対して設けられて光感応部及び配線６１ａを電気的に接続する配線６１ｂと、各光感応部からの電荷の読み出しを制御するシフトレジスタ６１とを有する。また、光感応部からの配線６１ｂには、それぞれ光感応部及び配線６１ａの間の接続を切り換えるスイッチ６１ｃが設けられており、シフトレジスタ６１は、これらのスイッチ６１ｃの開閉を制御することによって電荷の読み出しを制御している。以上の構成を有する読み出し回路により、光感応領域５０のＭ列の光感応部のそれぞれから所定の順で電流出力が読み出され、積分回路６２へと入力される。

積分回路６２は、Ｍ列の光感応部のそれぞれから読み出された電流出力（電荷）を積分するとともに電圧信号に変換する。積分回路６２から出力されたアナログ電圧信号は、ＣＤＳ回路６３、及びバッファ回路６４を介してＡ／Ｄ変換器６５へと入力されて、Ａ／Ｄ変換器６５においてデジタル信号に変換される。ここで、バッファ回路６４からの出力がＭ列の光感応部からなるプロファイルセンサに対応する第１アナログ出力Ａ１、Ａ／Ｄ変換器６５からの出力が第１デジタル出力Ｄ１となる。また、Ａ／Ｄ変換器６５としては、例えば、１０ｂｉｔ−ＡＤＣを用いることができる。

また、このような構成の第１信号処理回路６０に対して、タイミング制御回路６６が設けられている。制御回路６６は、積分回路６２に対して積分のＲＥＳＥＴ動作を指示するＲＥＳＥＴ指示信号を送出し、また、シフトレジスタ６１に対して電荷読み出し動作のタイミング及び順序等を指示する読み出し指示信号を送出する。また、制御回路６６は、ＣＤＳ回路６３、Ａ／Ｄ変換器６５等に対しても必要な指示信号を送出する。

第２信号処理回路７０は、Ｘ軸方向に配列された複数の画素５１_１１〜５１_Ｍ１、５１_１２〜５１_Ｍ２、・・・、５１_１Ｎ〜５１_ＭＮ間において電気的に接続された光感応部分５３_ｍｎ群（Ｘ軸方向に延びるＮ行の光感応部）に対応して設けられ、これらの光感応部分群からの電流出力に所定の信号処理を行って電圧信号を出力するものである。この第２信号処理回路７０は、シフトレジスタ７１を含みＮ行の光感応部のそれぞれから電流出力を読み出す読み出し回路と、光感応部からの電流出力に対して設けられた積分回路７２とを有する。

第２信号処理回路７０における読み出し回路は、積分回路７２及び読み出し回路を電気的に接続する配線７１ａと、Ｎ行の光感応部（光感応部分群）のそれぞれに対して設けられて光感応部及び配線７１ａを電気的に接続する配線７１ｂと、各光感応部からの電荷の読み出しを制御するシフトレジスタ７１とを有する。また、光感応部からの配線７１ｂには、それぞれ光感応部及び配線７１ａの間の接続を切り換えるスイッチ７１ｃが設けられており、シフトレジスタ７１は、これらのスイッチ７１ｃの開閉を制御することによって電荷の読み出しを制御している。以上の構成を有する読み出し回路により、光感応領域５０のＮ行の光感応部のそれぞれから所定の順で電流出力が読み出され、積分回路７２へと入力される。

積分回路７２は、Ｎ行の光感応部のそれぞれから読み出された電流出力（電荷）を積分するとともに電圧信号に変換する。積分回路７２から出力されたアナログ電圧信号は、ＣＤＳ回路７３、及びバッファ回路７４を介してＡ／Ｄ変換器７５へと入力されて、Ａ／Ｄ変換器７５においてデジタル信号に変換される。ここで、バッファ回路７４からの出力がＮ行の光感応部からなるプロファイルセンサに対応する第２アナログ出力Ａ２、Ａ／Ｄ変換器７５からの出力が第２デジタル出力Ｄ２となる。また、Ａ／Ｄ変換器７５としては、例えば、１０ｂｉｔ−ＡＤＣを用いることができる。

また、このような構成の第２信号処理回路７０に対して、タイミング制御回路７６が設けられている。制御回路７６は、積分回路７２に対して積分のＲＥＳＥＴ動作を指示するＲＥＳＥＴ指示信号を送出し、また、シフトレジスタ７１に対して電荷読み出し動作のタイミング及び順序等を指示する読み出し指示信号を送出する。また、制御回路７６は、ＣＤＳ回路７３、Ａ／Ｄ変換器７５等に対しても必要な指示信号を送出する。

図６は、図１に示したエンコーダ１における信号処理部６及び角度算出部８の構成を概略的に示すブロック図である。また、図７は、図１に示したエンコーダ１における角度測定方法を示す図である。

信号処理部６の第１信号処理回路６０から出力された電圧信号は、角度算出部８の第１ピーク位置検出回路８０に入力される。第１ピーク位置検出回路８０は、図７に示すように、信号処理回路６０からの電圧信号によるＸ軸方向についての光強度プロファイルＦＸから２つのピーク（重なっている場合には１つのピーク）を検出する。そして、それらのピーク位置から第１検出位置Ｐ１、第２検出位置Ｐ２に対応するＸ座標Ｘ１、Ｘ２を特定し、それぞれＸ１座標メモリ８１、Ｘ２座標メモリ８２に格納する。さらに、第１差分回路８３においてＸ１、Ｘ２の差分によってＸ座標間隔ΔＸが求められる。

信号処理部６の第２信号処理回路７０から出力された電圧信号は、角度算出部８の第２ピーク位置検出回路９０に入力される。第２ピーク位置検出回路９０は、図７に示すように、信号処理回路７０からの電圧信号によるＹ軸方向についての光強度プロファイルＦＹから２つのピーク（重なっている場合には１つのピーク）を検出する。そして、それらのピーク位置から第１検出位置Ｐ１、第２検出位置Ｐ２に対応するＹ座標Ｙ１、Ｙ２を特定し、それぞれＹ１座標メモリ９１、Ｙ２座標メモリ９２に格納する。さらに、第２差分回路９３においてＹ１、Ｙ２の差分によってＹ座標間隔ΔＹが求められる。

差分回路８３、９３において求められた座標間隔ΔＸ、ΔＹは、それぞれ演算部８５に入力される。また、Ｘ座標Ｘ１、Ｘ２、Ｙ座標Ｙ１、Ｙ２についても必要に応じて演算部８５に入力される。また、本実施形態においては、この演算部８５に対して、第１検出位置Ｐ１、及び第２検出位置Ｐ２の相関と、回転軸２の回転角θの絶対値との対応関係を示す角度算出用テーブル８４があらかじめ用意されている。演算部８５は、入力された座標間隔ΔＸ、ΔＹなどの測定光の検出位置に関する情報と、ＲＯＭテーブル８４に格納されている情報とを参照し、回転角θを算出して出力する。

上記した実施形態によるアブソリュートエンコーダの効果について説明する。

図１に示したアブソリュートエンコーダ１では、回転軸２に取り付けられた回転板３に形成された２個の開口３１、３２を利用して回転角θの絶対値を測定している。これらの開口３１、３２は、その相対的な位置は回転板３に対して固定であるが、絶対的な位置及び位置関係は回転軸２及び回転板３の回転に伴って変化する。そして、このような回転板３の開口３１、３２の絶対的な位置関係の変化は、回転板３の回転角θに対応したものとなる。したがって、これら２個の開口３１、３２の位置関係の変化を、光供給部４から供給される測定光によって光学的に検出することにより、回転軸２及び回転板３の回転角θの絶対値を測定することができる。

また、開口３１、３２のそれぞれを通過した測定光を、画素５１_ｍｎの２次元配列におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向のそれぞれについてのプロファイルセンサとして機能するように構成された光検出装置であるプロファイルセンサ５によって検出し、これによって開口３１、３２に対応する検出位置Ｐ１、Ｐ２を取得している。これにより、上記した２個の開口３１、３２の位置関係の変化を好適に精度良く検出することができる。そして、２個の開口３１、３２が形成された回転板３と、２次元のプロファイルセンサ５とを用いることにより、回転軸２の回転角θの絶対値を精度良く測定することが可能なアブソリュートエンコーダ１が実現される。

このような構成のエンコーダ１は、渦巻状スリットなどを用いて回転角を測定する構成（特許文献１参照）に比べて、回転板の作製や回転板と光検出装置とのアライメントなどが容易であり、したがって、エンコーダの構成及びその製造工程が簡単化される。また、その製造コストも低減される。また、回転軸２に依存せずに、開口３１、３２の位置関係（検出位置Ｐ１、Ｐ２の位置関係）や三角関数などを用いて回転角θを算出するので、偏心などによる回転角θの精度の低下は充分に小さく抑えられる。

また、光学式エンコーダにおいては、光検出装置の画素上に埃が付着した場合の角度測定誤差が問題となる。このような角度測定誤差について、埃が付着した場合を考慮した補正手段を設けることが特許文献２に記載されている。しかしながら、このように補正手段を設ける構成では、その補正のためのハード規模の増加、角度測定の演算時間の増加、コストの増加などの問題がある。これに対して、上記構成のアブソリュートエンコーダ１では、プロファイルセンサ５の画素上に埃が付着した場合であっても、開口３１、３２を通過した光が光感応領域５０に入射する範囲の全体が埃で覆われない限り、充分な精度で回転角θを求めることが可能である。

また、上記実施形態では、光検出装置として、図２〜図４に示した構成のプロファイルセンサ５を用いている。このようなプロファイルセンサ５では、１つの画素５１_ｍｎに入射した光は、画素５１_ｍｎを構成する複数の光感応部分５２_ｍｎ、５３_ｍｎのそれぞれにおいて検出される。そして、一方の光感応部分５２_ｍｎ同士がＹ軸方向に配列された複数の画素にわたって電気的に接続され、その電流出力はＹ軸方向に送られる。また、一方の光感応部分５３_ｍｎ同士がＸ軸方向に配列された複数の画素にわたって電気的に接続され、その電流出力はＸ軸方向に送られる。

これにより、Ｘ軸方向での光強度プロファイルと、Ｙ軸方向での光強度プロファイルとをそれぞれ独立して得ることが可能な２次元のプロファイルセンサ５が構成される。この結果、１画素５１_ｍｎに複数の光感応部分５２_ｍｎ、５３_ｍｎを設けるという極めて簡単な構成によって、２個の開口３１、３２のそれぞれを通過した測定光の２次元位置Ｐ１、Ｐ２を高速に検出することができる。また、このように測定光の２次元位置Ｐ１、Ｐ２を高速に検出することにより、回転角θの測定のリアルタイム性が向上する。

さらに、このような構成のプロファイルセンサ５の光感応領域５０に対して、図５に例示したような第１信号処理回路６０、第２信号処理回路７０を設けることにより、上記した２次元位置Ｐ１、Ｐ２の高速での検出を確実に実行することができる。このような信号処理回路は、光感応領域５０と同一チップ上に設けて全体としてプロファイルセンサ５とする構成としても良い。また、角度算出部８については、同一チップ上、またはチップ外に設けることができる。

ここで、回転板３に設けられる開口３１、３２としては、例えば回転板３を貫通する円形状のスリットを用いることができるが、一般には、所定形状の光透過部であれば良い。例えば、光供給部４から供給される測定光を透過させる材料によって形成された開口状の光透過部を用いることができる。このような光透過部は、ガラスなどの測定光を透過させる材料による板状部材を用い、開口以外の部分に不透過印刷を施すことによって形成することができる。

また、回転板３の開口３１、３２に対して測定光を供給する光供給部４としては、図１に示したように、開口３１、３２にそれぞれ対応する光源４１、４２を設ける構成を用いることができる。さらに、このような構成では、開口３１に対する第１の光源４１、及び開口３２に対する第２の光源４２が、互いに異なる供給条件で測定光を供給することとしても良い。この場合、第１の開口３１に対応するプロファイルセンサ５での第１検出位置Ｐ１と、第２の開口３２に対応する第２検出位置Ｐ２とを容易に識別することが可能となる。このような測定光の供給方法としては、例えば、光源４１、４２で測定光の供給タイミングを変える方法や、測定光の光強度を変える方法などがある。また、光供給部４側ではなく、回転板３側で開口３１、３２の開口面積を変える構成としても良い。

ただし、光供給部４からの測定光の供給については、開口３１、３２に対して同一条件で測定光を供給しても良い。このような場合でも、回転板３での開口３１、３２の位置関係により、プロファイルセンサ５においても検出位置Ｐ１、Ｐ２の位置関係には一定の制約がある。したがって、第１検出位置Ｐ１と第２検出位置Ｐ２とを識別することが可能である。また、光供給部４の構成については、開口３１、３２に対して１個の光源を設ける構成や、光源及び反射光学系を組み合わせて配置する構成などを用いることができる。あるいは、光供給部４と回転板３との間、回転板３とプロファイルセンサ５との間には、必要に応じて縮小／拡大光学系を設けても良い。

また、角度算出部８における回転角θの算出については、座標間隔ΔＸ、ΔＹから三角関数を用いてθ＝ｔａｎ^−１（ΔＸ／ΔＹ）などの演算を行って、回転角θを算出しても良い。あるいは、図６に示したように、角度算出用テーブル８４を用意しておき、このテーブル８４を参照して回転角θの絶対値を算出しても良い。このように、回転板３の２個の開口３１、３２の位置関係に相当する２つの検出位置Ｐ１、Ｐ２の相関を、回転角θの絶対値に対応付けたＲＯＭテーブルをあらかじめ用意しておくことにより、プロファイルセンサ５における測定光の検出結果からの回転角θの算出を高速かつ精度良く行うことができる。

ここで、図８は、プロファイルセンサにおける２つの検出位置の位置関係を示す図である。また、図９は、図８に示した検出位置の位置関係に対応する角度算出用テーブルを示す表である。図８においては、一方の検出位置を基準位置Ｓとし、他方の検出位置を相対位置Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとして変化させた例を示している。これらの検出位置の位置関係に対して、図９に示すように、各検出位置のＸ座標、Ｙ座標から、Ｘ軸方向の座標間隔ΔＸ、Ｙ軸方向の座標間隔ΔＹ、及び回転角θ（図８に示す角度θ参照）を求めることができる。また、この図９に示した対応関係の表をＲＯＭテーブルとしてあらかじめ用意しておけば、上記したように、回転角θの算出を高速かつ精度良く行うことができる。このようなテーブルについては、回転板での開口の配置や、回転角の測定に必要とされる精度などに応じたデータ点数を用意しておけば良い。

図１０は、プロファイルセンサにおける２つの検出位置の位置関係の他の例を示す図である。また、図１１は、図１０に示した検出位置の位置関係に対応する角度算出用テーブルを示す表である。図１０においては、回転軸を中心として、内側の第１検出位置をＡ_１、Ｂ_１、Ｃ_１、Ｄ_１とし、外側の第２検出位置をＡ_２、Ｂ_２、Ｃ_２、Ｄ_２とした４つの検出位置の組の例を示している。これらの検出位置の位置関係に対して、図１１に示すように、各検出位置のＸ座標、Ｙ座標から、Ｘ軸方向の座標間隔ΔＸ、Ｙ軸方向の座標間隔ΔＹ、及び回転角θ（図１０に示す角度θ参照）を求めることができる。また、この図１１に示した対応関係の表をＲＯＭテーブルとしてあらかじめ用意しておけば、上記したように、回転角θの算出を高速かつ精度良く行うことができる。

本発明によるアブソリュートエンコーダは、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、回転板３に設けられる開口３１、３２の配置については、上記した構成例では、図１に示すように、第２の開口３２を、回転軸２から第１の開口３１へ向かう直線の延長上に設けている。これにより、２個の開口３１、３２の位置関係による回転角θの絶対値の算出を好適に行うことができる。ただし、これらの開口３１、３２の配置については、回転角θの測定が可能な配置であれば、これ以外にも様々な構成を用いて良い。

また、エンコーダ１に用いられる光検出装置についても、上記したプロファイルセンサ５に限らず、様々なものを用いて良い。例えば、図２、図３に示したプロファイルセンサ５では、それぞれ光感応部分となる領域５０１、５０２を略三角形状としているが、長方形状、または櫛形形状等としても良い。

また、回転板３に設けられる開口については、上記実施形態では２個の開口３１、３２を設ける構成としているが、さらに、第３の開口を設ける構成を用いることも可能である。

図１２は、アブソリュートエンコーダの他の実施形態に用いられる回転板の構成を示す平面図である。本実施形態において、回転板３に設けられた第１の開口３１、第２の開口３２は、図１に示した実施形態と同様に、第２の開口３２が回転軸２から第１の開口３１へ向かう直線の延長上に位置する構成となっている。また、この回転板３では、これらの２個の開口３１、３２に対して、さらに第３の開口３３が、開口３１、３２に対して所定の位置関係で形成されている。このように３個の開口３１〜３３を用いることにより、回転角の絶対値の測定精度を向上することができる。

また、この場合、角度算出部８（図１参照）は、プロファイルセンサ５における測定光の検出結果を示す信号処理部６からの電圧信号によって、第１の開口３１を通過した測定光に対応する第１検出位置、第２の開口３２を通過した測定光に対応する第２検出位置、及び第３の開口３３を通過した測定光に対応する第３検出位置を求める。そして、それらの３つの検出位置の相関に基づいて、回転軸２及び回転板３の回転角の絶対値を算出する。

特に、図１２に示した構成では、回転板３の第３の開口３３は、第１の開口３１及び第２の開口３２を結ぶ直線上を除く所定位置に形成されている。具体的には、第３の開口３３は、図１２に示すように、第１の開口３１及び第３の開口３３を結ぶ直線が、第１の開口３１及び第２の開口３２を結ぶ直線に対して０でない角度で交わるように配置されている。図１２に示す例では、第１の開口３１及び第３の開口３３を結ぶ直線が、第１の開口３１及び第２の開口３２を結ぶ直線に対して６０°で交わり、３個の開口３１〜３３が正三角形をなすように配置されている。

このように、回転板３に形成された３個の開口３１〜３３を用いて回転角を測定することにより、回転角の絶対値の測定精度を向上することができる。この場合、必要があれば、４個以上の開口を回転板３に設けても良い。

また、上記構成では、第１の開口３１及び第２の開口３２を結ぶ直線から外れた位置に第３の開口３３を配置している。このような構成では、例えば、プロファイルセンサ５で取得されるＸ軸方向またはＹ軸方向についての光強度プロファイルにおいて開口３１、３２の第１検出位置及び第２検出位置が重なる場合においても、開口３１、３２を結ぶ直線から外れた位置にある開口３３に対する第３検出位置が同時に重なることはない。したがって、上記した場合においても、開口３１〜３３の検出位置の相関に基づいて、回転軸２及び回転板３の回転角の絶対値を精度良く算出することができる。

また、このように３個の開口３１〜３３を用いる構成では、光供給部４は、上記した第１の光源４１及び第２の光源４２に加えて、第３の開口３３を挟んでプロファイルセンサ５の光感応領域と対向するように設けられた第３の光源を有することが好ましい。さらに、この場合、第１〜第３の光源が、互いに異なる供給条件で測定光を供給することとすれば、開口３１〜３３に対応する検出位置を容易に識別することが可能となる。ただし、光供給部４については、上記以外の構成を用いても良い。

本発明は、回転軸の回転角の絶対値を簡単な構成で精度良く測定できるアブソリュートエンコーダとして利用可能である。

Claims (9)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に取り付けられ、第１の開口、及び前記第１の開口に対して所定の位置関係で形成された第２の開口を有する回転板と、
   複数の画素が２次元配列された光感応領域を有し、前記回転板の一方の面に対向するように設けられるとともに、前記２次元配列における第１の方向及び第２の方向のそれぞれについて光強度プロファイルを得ることが可能な光検出装置と、
   前記回転板の前記第１の開口及び前記第２の開口を挟んで前記光検出装置の前記光感応領域と対向するように設けられ、角度測定用の測定光を供給する光供給手段と、
   前記回転板の前記第１の開口、及び前記第２の開口を通過した前記測定光がそれぞれ前記光検出装置の前記光感応領域で検出される第１検出位置、及び第２検出位置の相関によって前記回転軸の回転角の絶対値を算出する角度算出手段と
   を備えることを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
2. 前記光検出装置は、それぞれ入射した光の強度に応じた電流を出力する複数の光感応部分を同一面内にて隣接して配設することで１画素が構成され、
   前記第１の方向に配列された複数の画素にわたって、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち一方の光感応部分同士が電気的に接続され、
   前記第２の方向に配列された複数の画素にわたって、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち他方の光感応部分同士が電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載のアブソリュートエンコーダ。
3. 前記第１の方向に配列された前記複数の画素間において電気的に接続された一方の光感応部分群に対応して設けられ、前記一方の光感応部分群からの電流出力に所定の信号処理を行って電圧信号を出力する第１信号処理回路と、
   前記第２の方向に配列された前記複数の画素間において電気的に接続された他方の光感応部分群に対応して設けられ、前記他方の光感応部分群からの電流出力に所定の信号処理を行って電圧信号を出力する第２信号処理回路とを備え、
   前記角度算出手段は、前記第１信号処理回路及び前記第２信号処理回路から出力された前記電圧信号に基づいて前記回転軸の回転角の絶対値を算出することを特徴とする請求項２記載のアブソリュートエンコーダ。
4. 前記角度算出手段は、前記第１検出位置、及び前記第２検出位置の相関と、前記回転軸の回転角の絶対値との対応関係を示す角度算出用テーブルを参照して前記回転軸の回転角の絶対値を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のアブソリュートエンコーダ。
5. 前記光供給手段は、前記回転板の前記第１の開口を挟んで前記光検出装置の前記光感応領域と対向するように設けられた第１の光源と、前記第２の開口を挟んで前記光検出装置の前記光感応領域と対向するように設けられた第２の光源とを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のアブソリュートエンコーダ。
6. 前記第１の光源及び前記第２の光源は、互いに異なる供給条件で前記測定光を供給することを特徴とする請求項５記載のアブソリュートエンコーダ。
7. 前記回転板の前記第２の開口は、前記回転軸から前記第１の開口へ向かう直線の延長上にある所定位置に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アブソリュートエンコーダ。
8. 前記回転板は、前記第１の開口及び前記第２の開口に対して所定の位置関係で形成された第３の開口を有し、
   前記角度算出手段は、前記第１検出位置、前記第２検出位置、及び前記回転板の前記第３の開口を通過した前記測定光が前記光検出装置の前記光感応領域で検出される第３検出位置の相関によって前記回転軸の回転角の絶対値を算出することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載のアブソリュートエンコーダ。
9. 前記回転板の前記第３の開口は、前記第１の開口及び前記第２の開口を結ぶ直線上を除く所定位置に形成されていることを特徴とする請求項８記載のアブソリュートエンコーダ。

Images