WO2005015132A1

WO2005015132A1 - アブソリュートエンコーダ

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Publication number: WO2005015132A1
Application number: PCT/JP2004/011155
Authority: WO
Inventors: Seiichiro Mizuno; Yukinobu Sugiyama
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2003-08-06
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2006-02-06
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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

明細書

アブソリュートエンコーダ

技術分野

[0001] 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ェンコ一ダに関するものである。

背景技術

[0002] 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、アブソリユ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。

[0003] 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。

[0004] 従来のアブソリユ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、回転板に渦卷状のパターンからなるスリットを設け、この渦卷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。

特許文献 1 :特表 2000—514199号公報

特許文献 2：特開 2002 - 39727号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] し力、しながら、上記のように渦卷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ァ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。

[0006] 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。

課題を解決するための手段

[0007] 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ア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。

[0008] 上記したアブソリユ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。

[0009] 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つの方向にっレ、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力 S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ユートエンコーダが実現される。

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 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レ、て回転軸の回転角の絶対値を算出することが好ましレ、。

[0013] 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。

[0014] 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つて光供給手段を構成しても良レ、。

[0015] また、回転板の第 2の開口は、回転軸から第 1の開口へ向力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個の開口の配置にっレ、ては、これ以外にも様々な構成を用いて良レ、。

[0016] 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 1一第 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 1一第 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。

発明の効果

[0017] 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。

図面の簡単な説明

[0018] [図 1]図 1は、アブソリユ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

[0019] 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…プ口ファイルセンサ（光検出装置）、 50…光感応領域、 51 …画素、 52 、 53 …光 mn mn mn 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、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 · · ·Χ1座標メモリ、 82—Χ2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· · ·Υ2座標メモリ、 93…差分回路。

発明を実施するための最良の形態

[0020] 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。

[0021] 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ユートエンコーダ 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。

[0022] 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へ向力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。

[0023] 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。

[0024] 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を挟んでプロフアイルセンサ 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。

[0025] 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。

[0026] 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 Pl、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 Pl、 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。

[0027] 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、ノメータ 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。

[0028] 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。

[0029] 光感応領域 50は、画素 51 が M行 N列に 2次元配列されている。 1画素は、それ

mn

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 (第 1光感応部

mn

分)及び光感応部分 53 (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

mn

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 と光感応部

mn

分 53 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。

mn

[0030] これらの M X 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 51 、 51 — 51

11 1N 21

、•••、 51 — 51 にわたつて、当該各画素 51 を構成する複数の光感応部分 5

2N Ml MN mn

2 、 53 のうち一方の光感応部分 52 同士（例えば、一方の光感応部分 52 — 5 mn mn mn 11

2 )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

1N

方向）に配列された複数（M個）の画素 51 — 51 、 51 — 51 、 · · ·、 52 — 51

11 Ml 12 M2 IN M にわたつて、当該各画素 51 を構成する複数の光感応部分 52 、 53 のうち他方

mn mn mn

の光感応部分 53 同士（例えば、他方の光感応部分 53 — 53 )が互いに電気的

mn 11 Ml

に接続されている。

[0031] 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。

[0032] 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 、 53 では、半導体基板 500の部分と一

mn mn

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力 S、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。

[0033] 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 に対応する領域 501と、光感応部分 53 に対応する領域 502とは、図 3から分 mn mn

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 5 01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の方向にぉレ、て交互に配列されてレ、る。

[0034] 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がー方の領域 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。

[0035] 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または SiN等からなる。第 1配線 504、電極 505

2 、及び第 2配線 507は、 A1等の金属からなる。

[0036] 第 1配線 504は、各画素 51 における一方の領域 501を Y軸方向にわたって電気

mn

的に接続するものであって、画素 51 間を Y軸方向に延びて設けられている。このよ

mn

うに、各画素 51 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

mn

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 51 1

11 1N、 51

21一 5

2N、 ·

••、51 51 にわたつて一方の光感応部分 52 同士（例えば、光感応部分 52

Ml MN mn 11 一 52 )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

1N

感応部が構成される。

[0037] 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。

[0038] 第 2配線 507は、各画素 51 における他方の領域 502を X軸方向にわたって電気

mn

的に接続するものであって、画素 51 間を X軸方向に延びて設けられている。このよ

mn

うに、各画素 51 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

mn

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 51

11 Ml、 51

12一 51 M2、 ·

••、51 51 にわたつて他方の光感応部分 53 同士（例えば、光感応部分 53

IN MN mn 11 一 53 )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

Ml

感応部が構成される。

[0039] 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。

[0040] 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。

[0041] 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。

[0042] 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 — 51

11 1N、51 — 5

21

1 、· · ·、51 — 51 間において電気的に接続された光感応部分 52 群 (Υ軸方

2Ν Ml MN mn 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。

[0043] 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 6 la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、各光感応部力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ィッチ 61cが設けられており、シフトレジスタ 61は、これらのスィッチ 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。

[0044] 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。

[0045] 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、 AZD変換器 65等に対しても必要な指示信号を送出する。

[0046] 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 51 、 51 5

11 Ml 12

1 、 · · ·、 51 — 51 間において電気的に接続された光感応部分 53 群 (X軸方

Μ2 IN MN mn 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。

[0047] 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 7 la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、各光感応部力、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ィッチ 71cが設けられており、シフトレジスタ 71は、これらのスィッチ 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。

[0048] 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。

[0049] 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、 AZD変換器 75等に対しても必要な指示信号を送出する。

[0050] 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。

[0051] 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軸方向にっレ、ての光強度プロフアイル 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 Pl、第 2検出位置 P2に対応する X座標 XI、 X 2を特定し、それぞれ XI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 XI、 X2の差分によって X座標間隔 Δ Χが求められる。

[0052] 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軸方向にっレ、ての光強度プロフアイル 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 Pl、第 2検出位置 P2に対応する Y座標 Yl、 Υ 2を特定し、それぞれ Y1座標メモリ 91、 Υ2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 Yl、 Υ2の差分によって Υ座標間隔 Δ Υが求められる。

[0053] 差分回路 83、 93において求められた座標間隔 Δ Χ、 Δ Υは、それぞれ演算部 85 に入力される。また、 X座標 XI、 Χ2、 Υ座標 Yl、 Υ2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 Pl、及び第 2検出位置 Ρ2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 Δ Χ、 Δ Υなどの測定光の検出位置に関する情報と、 ROMテーブル 8 4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。

[0054] 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。

[0055] 図 1に示したアブソリユートエンコーダ 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力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。 [0056] また、開口 31、 32のそれぞれを通過した測定光を、画素 51 の 2次元配列におけ mn

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、これによつて開口 31、 32に対応する検出位置 Pl、 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ェンコーダ 1が実現される。

[0057] このような構成のエンコーダ 1は、渦卷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ァ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 Pl、 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。

[0058] 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。し力しながら、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つても、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。

[0059] 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アイノレセンサ 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 に入 mn 射した光は、画素 51 を構成する複数の光感応部分 52 、 53 のそれぞれにおい mn mn mn

て検出される。そして、一方の光感応部分 52 同士が Y軸方向に配列された複数の mn

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 同士力 ¾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。

[0060] 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 に複数の光感応部分 52 、 53 を設けるという極めて簡単な構 mn mn mn

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 Pl、 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 Pl、 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。

[0061] 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 Pl、 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。

[0062] 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レ、。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。

[0063] 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力 S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 P 1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側ではなぐ回転板 3側で開口 31、 32の開口面積を変える構成としても良い。 [0064] 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 Pl、 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 Z拡大光学系を設けても良い。

[0065] 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 ΔΧ、 Δ Υ力ら三角関数を用いて Θ =tan— ^ Δ ΧΖ Δ Υ)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レ、。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 Pl、 Ρ2の相関を、回転角 Θの絶対値に対応付けた ROMテーブルをあら力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。

[0066] 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プルを示す表である。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 Δ Χ、 Υ軸方向の座標間隔 Δ Υ、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。

[0067] 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、 B 、 C、 Dとし、外側の第 2検出位置を A、 B 、 C、 Dとした 4つの検

1 1 1 1 2 2 2 2

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 Δ Χ、 Υ軸方向の座標間隔 Δ Υ、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。

[0068] 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ぐ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、 3 2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へ向力、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。

[0069] 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力長方形状、または櫛形形状等としても良い。

[0070] 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、 3 2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。

[0071] 図 12は、アブソリユ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へ向力、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力開口 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。 [0072] 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。

[0073] 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を結ぶ直線力第 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を結ぶ直線力第 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。

[0074] 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。

[0075] 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 3 1、 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レ、。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。

[0076] 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 1一第 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。

産業上の利用可能性

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ユートエンコーダとして利用可能である。

Claims

請求の範囲

[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記載のアブソリユートエンコーダ。

[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記載のアブソリユートエンコーダ。

[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 1一 3のいずれか一項記載のアブソリユートエンコーダ。

[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 1一 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記載のアブソリユートエンコーダ。

[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 1一 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 1一 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ェンコーダ。