(57)【要約】【課題】  回転軸の回転角を正確に検出可能であるとともに装置が小型化されるエンコーダ用光モジュール、及び光学式エンコーダを提供する。【解決手段】  基板５０の実装面５１上に、発光素子４と、光センサ５とを設置する。光センサ５は、光検出部６に一次元に配置された複数の画素が発光素子４を通る直線に略沿うように配置されている。また、基板５０に対して実装面５１に対向するように、光路変更部材６０を位置決め固定する。光路変更部材６０は、発光素子４から出射された測定光の光路を反射面６１ａ、６２ａによって光センサ５に向かう光路へと変更する。光学式エンコーダでの回転角測定用の回転板３は、所定パターンのスリットが形成された複数のトラックが反射面６２ａから光センサ５への光路上に位置するように設置される。【選択図】  図１
2005043326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸、及び前記回転軸に取り付けられ所定パターンのスリットが円周方向に形成された複数のトラックを有する回転板を備え、前記複数のトラックに含まれる角度検出用トラックの前記スリットを通過した光を検出することによって前記回転軸の回転角を測定する光学式エンコーダに用いられる光モジュールであって、
測定光を出射する光源と、
前記光源が実装面上に実装される基板と、
前記基板の前記実装面上に前記光源とともに実装され、複数の画素が前記光源を通る直線に略沿うように一次元に配置された光検出部を有する光センサと、
前記基板に対して前記実装面に対向するように位置決め固定され、前記光源から出射された前記測定光の光路を前記光センサに向かう光路へと変更する光路変更手段と
を備えることを特徴とするエンコーダ用光モジュール。
【請求項２】
前記光路変更手段は、前記測定光の光路を変更する複数の反射手段を有することを特徴とする請求項１記載のエンコーダ用光モジュール。
【請求項３】
回転軸と、
前記回転軸に取り付けられ、所定パターンのスリットが円周方向に形成された複数のトラックを有する回転板と、
前記回転板に対して第１面側に配置され、測定光を出射する光源と、
前記回転板に対して前記第１面側に前記光源とともに配置され、複数の画素が一次元に配置された光検出部を有するとともに、前記光検出部が前記回転板の径方向を長手方向として前記回転板の前記複数のトラックに対向するように設置された光センサと、
前記回転板に対して第２面側に配置され、前記光源から出射された前記測定光の光路を前記光センサに向かうとともに前記複数のトラックを通る光路へと変更する光路変更手段とを備え、
前記複数のトラックが角度検出用トラックを含んでおり、該角度検出用トラックの前記スリットを通過した前記測定光を前記光センサの前記光検出部において検出することによって前記回転軸の回転角を測定することを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項４】
前記回転板に対して前記第１面側に配置され、前記光源が実装面上に実装される基板を備え、
前記光センサは、前記基板の前記実装面上に前記光源とともに実装され、
前記光路変更手段は、前記基板に対して前記実装面に対向するように位置決め固定されるとともに、前記基板と前記光路変更手段とで前記回転板を挟むように配置されていることを特徴とする請求項３記載の光学式エンコーダ。
【請求項５】
前記光センサの前記光検出部は、前記複数の画素が前記光源を通る直線に略沿うように一次元に配置されていることを特徴とする請求項３または４記載の光学式エンコーダ。
【請求項６】
前記光路変更手段は、前記測定光の光路を変更する複数の反射手段を有することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項記載の光学式エンコーダ。
【請求項７】
前記複数のトラックが複数の角度検出用トラックを含んでおり、該複数の角度検出用トラックの前記スリットを通過した光を前記光センサの前記光検出部において検出することにより前記回転軸の回転角の絶対値を測定するとともに、
前記複数のトラックが、前記回転板の回転角によらず前記光源と前記光検出部との間の光路上に前記スリットが配置される第１の補正用トラック及び第２の補正用トラックを含むことを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項記載の光学式エンコーダ。
【請求項８】
前記光センサの前記光検出部における、前記複数のトラックを通過した光が入射した入射位置のうち、前記第１の補正用トラックに対する第１の入射位置と前記第２の補正用トラックに対する第２の入射位置とに基づいて、前記複数の角度検出用トラックのそれぞれに対する補正された入射位置を推定する入射位置推定手段を備えることを特徴とする請求項７記載の光学式エンコーダ。
【請求項９】
前記光センサの前記光検出部において検出された、前記第１の補正用トラックを通過した光及び前記第２の補正用トラックを通過した光の強度に基づいて、前記入射位置推定手段によって推定された入射位置において検出された光が前記スリットを通過した光であるか否かを判定するレベル判定手段を備えることを特徴とする請求項８記載の光学式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の回転角を検出するための光学式エンコーダに用いられる光モジュール、及び光学式エンコー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、自動車等の制御端（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。
【０００３】
図１２は、従来のアブソリュートエンコーダを示す斜視図である。この図１２を参照すると、従来のアブソリュートエンコーダ１００は、回転体の回転軸１１０に取り付けられる。アブソリュートエンコーダ１００は、グレイコードのパターン１０２が設けられた回転板１０１と、回転板１０１に対して軸方向に対向配置された固定板１０５とを備えている。回転板１０１のパターン１０２は、所定のスリットを有する複数のトラックから構成されており、固定板１０５は、パターン１０２の複数のトラックに対応する複数の窓１０４を有している。そして、回転板１０１及び固定板１０５を間に挟んで発光素子１０３及び光検出素子１０６が対向配置されている。光検出素子１０６は、回転板１０１の複数のトラックに対応する複数の光検出部により構成されている。
【０００４】
発光素子１０３と光検出素子１０６の光検出部とを結ぶ直線上において回転板１０１のスリットと固定板１０５の窓１０４とが重なると、発光素子１０３からの測定光は回転板１０１及び固定板１０５を通過して光検出素子１０６の光検出部に入射する。一方、回転板１０１のスリットと固定板１０５の窓１０４とが重ならない場合、発光素子１０３からの光は、回転板１０１に遮られて光検出素子１０６の光検出部に入射しない。そして、光検出素子１０６の各光検出部における光検出結果が符号化され、回転軸１１０の回転角の絶対値を表すグレイコードＧ０〜Ｇ４として出力される。
【０００５】
なお、アブソリュートエンコーダに関する技術は、以下の特許文献１及び特許文献２にも開示されている。
【特許文献１】特開平０７−３１１０５５号公報
【特許文献２】特開平０８−０８６６６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１２に示した従来のアブソリュートエンコーダ１００においては、１つの光源である発光素子１０３からの測定光を回転板１０１の複数のトラック、及びそれに対応する光検出素子１０６の複数の光検出部の全体へと供給することによって、回転軸１１０の回転角を測定している。このため、発光素子１０３から回転板１０１及び光検出素子１０６に照射される光が一定の広がりを有することとなる。
【０００７】
このような構成では、例えば、光検出素子１０６の光検出部上において、発光素子１０３からの光軸付近では光強度が大きく、周辺では光強度が小さくなってしまう。また、回転板１０１と光検出素子１０６との位置関係が回転板１０１の回転に伴って変化するなど、光の指向性にばらつきが発生した場合、回転板１０１のスリットを通過した測定光の光検出素子１０６における入射位置が、対応する光検出素子１０６の光検出部の位置に対してずれてしまうという問題がある。
【０００８】
上記した測定光の光強度分布、及び光の指向性のばらつき等は、回転軸１１０の回転角の測定精度が低下する原因となる。一方、このような測定精度の低下を防ぐ方法として、回転板１０１及び光検出素子１０６から距離をおいて発光素子１０３を配置して、発光素子１０３からの光を充分に拡散させることが考えられる。しかしながら、このような構成では、充分な光路長を確保するために装置全体が大型化するという問題がある。このような問題は、光を用いて測定対象物の回転角を測定する光学式エンコーダにおいて一般的に生じるものである。
【０００９】
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、回転軸の回転角を正確に検出可能であるとともに装置が小型化されるエンコーダ用光モジュール、及び光学式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】
【００１０】
このような目的を達成するために、本発明によるエンコーダ用光モジュールは、回転軸、及び回転軸に取り付けられ所定パターンのスリットが円周方向に形成された複数のトラックを有する回転板を備え、複数のトラックに含まれる角度検出用トラックのスリットを通過した光を検出することによって回転軸の回転角を測定する光学式エンコーダに用いられる光モジュールであって、（１）測定光を出射する光源と、（２）光源が実装面上に実装される基板と、（３）基板の実装面上に光源とともに実装され、複数の画素が光源を通る直線に略沿うように一次元に配置された光検出部を有する光センサと、（４）基板に対して実装面に対向するように位置決め固定され、光源から出射された測定光の光路を光センサに向かう光路へと変更する光路変更手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
上記したエンコーダ用光モジュールにおいては、光源と光センサとを同一基板上に設けるとともに、光路変更手段を介して光源からの測定光を光センサに照射する構成としている。このような構成によれば、光路変更手段を含む光学系を用いて、光源と、光センサとの間の光路長を充分に確保することができる。これは、光モジュールを光学式エンコーダに適用した場合に、測定光の光強度分布や光の指向性のばらつき等に起因する回転角の測定精度の低下を防止する上で有用である。また、上記構成の光学系により、光路長を長くすると同時に装置全体を小型化することが可能となる。また、光源と光センサとを同一基板上に実装することにより、それらの位置合わせ、アセンブリ、制御回路の設置等が容易となる。
【００１２】
ここで、上記光モジュールにおいては、光路変更手段は、測定光の光路を変更する複数の反射手段を有することが好ましい。これにより、簡単な構成の光学系で、光源から光センサへの測定光の光路を制御することができる。あるいは、反射手段以外にも、プリズムやレンズなどの光学素子を用いても良い。
【００１３】
また、本発明による光学式エンコーダは、（１）回転軸と、（２）回転軸に取り付けられ、所定パターンのスリットが円周方向に形成された複数のトラックを有する回転板と、（３）回転板に対して第１面側に配置され、測定光を出射する光源と、（４）回転板に対して第１面側に光源とともに配置され、複数の画素が一次元に配置された光検出部を有するとともに、光検出部が回転板の径方向を長手方向として回転板の複数のトラックに対向するように設置された光センサと、（５）回転板に対して第２面側に配置され、光源から出射された測定光の光路を光センサに向かうとともに複数のトラックを通る光路へと変更する光路変更手段とを備え、（６）複数のトラックが角度検出用トラックを含んでおり、該角度検出用トラックのスリットを通過した測定光を光センサの光検出部において検出することによって回転軸の回転角を測定することを特徴とする。
【００１４】
上記した光学式エンコーダにおいては、光源と光センサとを回転板からみて一方の面側に設けるとともに、他方の面側に設けた光路変更手段を介して光源からの測定光を回転板のトラック及び光センサに照射する構成としている。このような構成によれば、光路変更手段を含む光学系を用いて、光源と、回転板及び光センサとの間の光路長を充分に確保することができる。したがって、測定光の光強度分布や光の指向性のばらつき等に起因する回転角の測定精度の低下が防止される。また、上記構成の光学系により、光路長を長くすると同時に装置全体を小型化することが可能となる。
【００１５】
また、エンコーダは、回転板に対して第１面側に配置され、光源が実装面上に実装される基板を備え、光センサは、基板の実装面上に光源とともに実装され、光路変更手段は、基板に対して実装面に対向するように位置決め固定されるとともに、基板と光路変更手段とで回転板を挟むように配置されていることが好ましい。このように、光源と光センサとを同一基板上に実装することにより、それらの位置合わせ、アセンブリ、制御回路の設置等が容易となる。
【００１６】
また、光センサの光検出部は、複数の画素が光源を通る直線に略沿うように一次元に配置されていることが好ましい。
【００１７】
ここで、上記エンコーダにおいては、光路変更手段は、測定光の光路を変更する複数の反射手段を有することが好ましい。これにより、簡単な構成の光学系で、光源から光センサへの測定光の光路を制御することができる。
【００１８】
また、複数のトラックが複数の角度検出用トラックを含んでおり、該複数の角度検出用トラックのスリットを通過した光を光センサの光検出部において検出することにより回転軸の回転角の絶対値を測定するとともに、複数のトラックが、回転板の回転角によらず光源と光検出部との間の光路上にスリットが配置される第１の補正用トラック及び第２の補正用トラックを含むことが好ましい。
【００１９】
上記した光学式エンコーダでは、複数の角度検出用トラックを用いて回転角の絶対値を測定するアブソリュートエンコーダが構成されている。また、このように補正用トラックを設けた構成では、光源から照射されて第１の補正用トラックのスリットを通過した光、及び第２の補正用トラックのスリットを通過した光を、光センサの光検出部が回転板の回転角によらず検出する。したがって、このエンコーダによれば、光センサの光検出部における複数のトラックを通過した光の入射位置のうち、第１の補正用トラックに対する入射位置（第１の入射位置）と第２の補正用トラックに対する入射位置（第２の入射位置）とを回転板の回転角によらず常に得ることができる。
【００２０】
故に、回転板の位置等が変化した場合であっても、この第１の入射位置及び第２の入射位置に基づいて、複数の角度検出用トラックに対する補正された入射位置を推定することにより、推定した入射位置への光の入射状態に基づいて光検出部上における各角度検出用トラックのスリットの有無を正確に検出することができる。したがって、上記した光源、光センサ、及び光路変更手段から構成される測定光学系による効果と併せて、回転軸の回転角をより正確に検出することが可能となる。
【００２１】
また、光学式エンコーダは、光センサの光検出部における、複数のトラックを通過した光が入射した入射位置のうち、第１の補正用トラックに対する第１の入射位置と第２の補正用トラックに対する第２の入射位置とに基づいて、複数の角度検出用トラックのそれぞれに対する補正された入射位置を推定する入射位置推定手段をさらに備えることを特徴としても良い。これによって、回転板の位置が変化した場合であっても、推定した入射位置への光の入射状態に基づいて、光検出部上における各角度検出用トラックのスリットの有無を正確に検出することができる。
【００２２】
また、光センサの光検出部において検出された、第１の補正用トラックを通過した光及び第２の補正用トラックを通過した光の強度に基づいて、入射位置推定手段によって推定された入射位置において検出された光がスリットを通過した光であるか否かを判定するレベル判定手段をさらに備えることを特徴としても良い。これによって、光検出部上における各角度検出用トラックのスリットの有無をより正確に判断することができるので、回転軸の回転角をより正確に検出することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によるエンコーダ用光モジュール及び光学式エンコーダによれば、光源、光センサ、及び光路変更手段を用いて測定光学系を構成することにより、回転軸の回転角を正確に検出可能であるとともに、装置を小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面とともに本発明によるエンコーダ用光モジュール及び光学式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。
【００２５】
まず、エンコーダ用光モジュールの構成について説明する。
【００２６】
図１は、本発明によるエンコーダ用光モジュールの一実施形態の構成を示す側面断面図である。この光モジュールは、後述するように、回転軸、及び回転軸に取り付けられ所定パターンのスリットが円周方向に形成された複数のトラックを有する回転板を備える光学式エンコーダに用いられるものであり、発光素子４と、光センサ５とを備えて構成されている。
【００２７】
発光素子４は、光学式エンコーダにおいて回転角の測定に用いられる測定光を出射する光源である。この発光素子４は基板５０の実装面５１上に、実装面５１と略直交する方向を光軸として設置されている。
【００２８】
また、基板５０の実装面５１上には、上記した発光素子４とともに、光センサ５が設置されている。光センサ５は、入射した光を検出して、その光強度に応じた電荷Ｑを生成するものである。この光センサ５は、複数の画素が一次元に配置された光検出部６を有しており、各画素において電荷Ｑを生成する。また、本実施形態においては、光センサ５は、光検出部６の複数の画素が発光素子４の設置位置を通る直線に略沿うように基板５０上に配置されている。
【００２９】
これらの発光素子４及び光センサ５に対し、基板５０に対して実装面５１に対向するように、光路変更部材６０が位置決め固定されている。この光路変更部材６０は、発光素子４から出射された測定光の光路を光センサ５に向かう光路へと変更する光路変更手段としての機能を有する。本実施形態においては、光路変更部材６０は、第１反射部６１と、第２反射部６２と、支持部６５とを有して構成されている。
【００３０】
第１反射部６１は、基板５０の実装面５１のうちで発光素子４が設置された面部分に対向するように設けられ、その基板５０側の面が反射面６１ａとなっている。反射面６１ａは、図１に示すように、発光素子４から上方に出射された測定光の光路Ｐ１を、基板５０と略平行な光路Ｐ２へと変更する反射手段である。一方、第２反射部６２は、基板５０の実装面５１のうちで光センサ５が設置された面部分に対向するように設けられ、その基板５０側の面が反射面６２ａとなっている。反射面６２ａは、反射面６１ａで反射された測定光の光路Ｐ２を、下方の光センサ５の光検出部６に向かう光路Ｐ３へと変更する反射手段である。
【００３１】
また、これらの第１反射部６１及び第２反射部６２は、支持部６５を介して基板５０、及び基板５０上に実装された発光素子４、光センサ５に対して位置決め固定されている。図１においては、支持部６５は、基板５０の実装面５１に直交する側面のうちで発光素子４側の側面５２に固定されている。
【００３２】
次に、エンコーダ用光モジュールを用いた光学式エンコーダの一例としてアブソリュートエンコーダの構成について説明する。
【００３３】
図２は、本発明による光学式エンコーダの一実施形態の構成を示す斜視図である。この光学式エンコーダは、回転軸の回転角の絶対値を測定するアブソリュートエンコーダとして構成されており、また、その測定光学系として図１に示した光モジュールが用いられている。
【００３４】
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、発光素子４、及び光センサ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は、該回転板３の円周方向に設けられた複数のトラックからなるトラック群１０を有しており、トラック群１０の各トラックには、所定パターンのスリット７ａ、７ｂが形成されている。
【００３５】
光センサ５は、複数の画素が一次元に配置された光検出部６を有し、発光素子４から出射されてスリット７ａを通過した光及びスリット７ｂを通過した光を検出して、各画素において光強度に応じた電荷Ｑを生成する。そして、光センサ５は、生成した電荷Ｑを回転軸２に近い画素から順に変換部２０（後述）へ出力する。光センサ５としては、例えばラインイメージセンサなどを用いることができる。光センサ５は、光検出部６が回転板３の径方向を長手方向として、回転軸２の方向から見て回転板３のトラック群１０を横切るように設けられている。また、発光素子４は点光源であり、例えばＬＥＤなどを用いることができる。
【００３６】
これらの発光素子４及び光センサ５は、上述したように基板５０の実装面５１上に実装されており、この基板５０は、図１及び図２に示すように、その実装面５１が回転板３の下面（第１面）３ａに対向するように設置されている。これにより、発光素子４及び光センサ５は、いずれも回転板３に対して下面３ａ側に配置される。
【００３７】
また、基板５０に固定された光路変更部材６０は、光路変更手段として機能する反射部６１、６２が回転板３に対して上面（第２面）３ｂ側となるように、すなわち基板５０と光路変更部材６０の反射部６１、６２とで回転板３を挟むように配置されている。光路変更部材６０は、発光素子４から出射された測定光の光路を光センサ５に向かうとともに回転板３に設けられた複数のトラックからなるトラック群１０を通る光路へと変更する。なお、図１においては、回転板３を点線で図示している。また、図２においては、光路変更部材６０については図示を省略している。光路変更部材６０の具体的な構成及び機能については、図１に関して上述した通りである。
【００３８】
また、回転板３に形成された複数のトラックからなるトラック群１０は、少なくとも１つの角度検出用トラックを含んでいる。そして、発光素子４から出射され、光路変更部材６０の反射面６１ａ、６２ａで反射された測定光のうち、角度検出用トラックのスリットを通過した光を光センサ５の光検出部６で検出することによって、回転軸２の回転角が測定される。なお、回転角の測定に用いられる回転板３のトラック群１０の具体的な構成、及び回転角の測定方法等については後述する。
【００３９】
上記した実施形態によるエンコーダ用光モジュール、及び光学式エンコーダの効果について説明する。
【００４０】
図１及び図２に示した光モジュール、及びそれを用いた光学式エンコーダにおいては、発光素子４と光センサ５とを同一基板５０上に設けるとともに、光路変更手段である光路変更部材６０の反射面６１ａ、６２ａを介して発光素子４からの測定光を光センサ５に照射する構成としている。このような構成によれば、光路変更部材６０を含む光学系を用いて、発光素子４と、光センサ５との間の光路長を充分に確保することができる。したがって、光学式エンコーダ１において、測定光の光強度分布や光の指向性のばらつき等に起因する回転角の測定精度の低下が防止される。また、発光素子４と光センサ５との距離を直線的に長くするのではなく、光路変更部材６０を介した光路を用いる上記構成の光学系により、光路長を長くすると同時に装置全体を小型化することが可能となる。
【００４１】
また、本実施形態においては、発光素子４と光センサ５とを基板５０の実装面５１上に実装している。これにより、両者の位置合わせ、アセンブリが容易となる。また、光センサ５での光の検出結果に応じて発光素子４から出射される測定光の光量をフィードバック制御する場合などの制御回路の設置が実装上容易となる。ただし、エンコーダ１の構成としては、発光素子４と光センサ５とを同一基板５０上に実装しない構成を用いても良い。一般には、発光素子４と光センサ５とを回転板３に対して第１面（図中の下面３ａ）側に配置し、光路変更手段である光路変更部材６０の反射部６１、６２を回転板３に対して第２面（上面３ｂ）側に配置することによって測定光学系を構成すれば良い。
【００４２】
また、光センサ５の光検出部６は、その複数の画素が発光素子４を通る直線に略沿うように一次元に配置されている。これにより、複数のトラックからなるトラック群１０を用いて回転軸２の回転角を測定する光学式エンコーダを好適に構成することができる。
【００４３】
また、図１に示した構成では、光路変更手段として、測定光の光路を変更する複数の反射手段として機能する反射面６１ａ、６２ａを用いている。このような光路変更手段によれば、簡単な構成の光学系で、発光素子４から光センサ５への測定光の光路を制御することができる。ただし、複数の反射手段を用いた光学系の具体的な構成については、図１に示したもの以外にも様々な構成を用いることができる。あるいは、反射手段以外にも、プリズムやレンズなどの光学素子を用いても良い。ただし、光モジュールまたは光学式エンコーダの装置全体が過度に大型化されないようにすることが好ましい。
【００４４】
光路変更部材６０としては、例えば、光沢性のある白色プラスチックなどから部材６０を形成し、その一定の反射率を有するプラスチック面を反射面６１ａ、６２ａとして用いる構成がある。あるいは面上にアルミニウム膜等の反射膜を形成して鏡面として用いる構成や、部材６０自体をアルミニウムなどの金属から形成する構成を用いることも可能である。
【００４５】
また、上記のように複数の反射手段から光路変更手段を構成する場合、その反射手段については、図１に示したように平面状の反射面６１ａ、６２ａを用いる構成には限られない。
【００４６】
図３は、エンコーダ用光モジュールの他の実施形態の構成を示す側面断面図である。本構成例においては、発光素子４、光センサ５、基板５０については図１に示した構成と同様であるが、光路変更部材６０に代えて、第１反射部７１と、第２反射部７２と、支持部７５とを有する光路変更部材７０が用いられている。そして、反射部７１、７２に設けられた反射面７１ａ、７２ａは、それぞれ凹面状に形成されている。このような光学系は、光センサ５に入射される測定光を平行光に近付けたい場合に有効である。
【００４７】
図４は、エンコーダ用光モジュールの他の実施形態の構成を示す側面断面図である。本構成例においては、発光素子４、光センサ５、基板５０については図１に示した構成と同様であるが、光路変更部材６０に代えて、第１反射部８１と、第２反射部８２と、支持部８５とを有する光路変更部材８０が用いられている。そして、反射部８１、８２に設けられた反射面８１ａ、８２ａは、それぞれ凸面状に形成されている。このような光学系は、光センサに入射される測定光の入射範囲を広げたい場合に有効である。
【００４８】
次に、図２に示したアブソリュートエンコーダ１において回転角の測定に用いられる回転板３のトラック群１０の具体的な構成について説明する。
【００４９】
図５は、図２に示したエンコーダ１に用いられている回転板３を一部拡大して示す平面図である。図５を参照すると、本実施形態においては、トラック群１０には、少なくとも２本の補正用トラックからなる補正用トラック群８と、複数の角度検出用トラックからなる角度検出用トラック群９が含まれている。図５に示した構成例では、トラック群１０は１１本のトラックを有しており、そのうちの２本（補正用トラック群８）は、第１の補正用トラックである補正用トラック８ａ、及び第２の補正用トラックである補正用トラック８ｂである。また、他の９本（角度検出用トラック群９）は、角度検出用トラック９ａ〜９ｉである。これら１１本のトラックは、互いに略一定の間隔をあけて配置されている。また、ここでは、補正用トラック群８は角度検出用トラック群９よりも回転軸２寄りに設けられている。
【００５０】
補正用トラック８ａ及び８ｂには、それぞれ所定パターンのスリット７ｂが円周方向に形成されている。スリット７ｂは、回転板３を厚さ方向に貫通して形成され、各補正用トラックにおいて回転板３の円周方向に複数並んで形成されている。補正用トラック８ａのスリット７ｂと、補正用トラック８ｂのスリット７ｂとは、その円周方向の位置がそれぞれ交互になるように配置されている。スリット７ｂは、補正用トラック８ａ及び８ｂのそれぞれにおいて、回転板３の回転角によらず発光素子４と光検出部６との間の光路上に少なくとも１つのスリット７ｂが存在するように配置されている。具体的には、図１及び図２に示した構成では、光路変更部材６０の第２反射部６２と光検出部６との間に少なくとも１つのスリット７ｂが存在するように配置される。
【００５１】
また、角度検出用トラック９ａ〜９ｉには、グレイコードなどの所定のパターンを表すスリット７ａが円周方向に形成されている。スリット７ａは、回転板３を厚さ方向に貫通して形成されている。なお、本実施形態において角度検出用トラックが９本設定されているのは、９桁のグレイコードによって最大５１２通りのコードを生成できるため、グレイコードによって回転板３の回転角（０度〜３６０度）を表現し、回転軸２の回転角を検出する際の分解能を１度またはそれ以下とするためである。
【００５２】
図６（ａ）は、回転板３及び光センサ５の相対位置関係を示す側面断面図である。ここでは、発光素子４、基板５０、及び光路変更部材６０については、図示を省略している。また、図６（ｂ）は、スリット７ａを通過した光及びスリット７ｂを通過した光の照射領域１６及び１７と、光センサ５の光検出部６との位置関係を説明するための図である。図６（ａ）及び（ｂ）を参照すると、発光素子４から光路変更部材６０を介して回転板３に照射された光Ｌの一部は、スリット７ａまたは７ｂを通過して光センサ５の光検出部６に達する。このとき、角度検出用トラック９ａ〜９ｉのスリット７ａを通過した光は、角度検出用トラック９ａ〜９ｉに対応するライン１９ａ〜１９ｉ上に、スリット７ａの形状に相似した形状の照射領域１６を形成する。また、補正用トラック８ａ、８ｂのスリット７ｂを通過した光は、補正用トラック８ａ、８ｂに対応するライン１８ａ及び１８ｂ上に、スリット７ｂの形状に相似した形状の照射領域１７を形成する。
【００５３】
ここで、ライン１９ａ〜１９ｉ並びに１８ａ及び１８ｂは、回転板３からの距離が光検出部６とほぼ等しい面上における架空のラインであり、照射領域１６及び１７は、光検出部６上に形成される領域を除き、回転板３からの距離が光検出部６とほぼ等しい面上に形成される架空の領域である。光検出部６は、該光検出部６上の照射領域１６及び１７に入射する光を検出することとなる。
【００５４】
図６（ａ）に示すように、回転板３と光センサ５との間に所定の距離Ｄが存在するため、発光素子４から光路変更部材６０の反射面６１ａ、６２ａを介して照射される光Ｌは、回転板３のスリット７ａまたは７ｂを通過した後、一定の広がりをもって光検出部６に入射する。したがって、図６（ｂ）に示したライン１８ａ、１８ｂ、及び１９ａ〜１９ｉの間隔は、回転板３の各トラック間隔よりも大きい。また、照射領域１６及び１７は、それぞれ回転板３に形成されたスリット７ａ及び７ｂよりも大きい。
【００５５】
ここで、図７（ａ）及び図７（ｂ）並びに図８（ａ）及び図８（ｂ）は、回転板３の位置が光検出部６に対して相対的に変化した場合を説明するための図である。図７（ａ）及び図７（ｂ）は、回転板３が光検出部６に近づいて、回転板３と光検出部６との間の距離がＤminとなった場合を示している。ここで、Ｄminは、製造誤差等によって回転板３と光検出部６との間の距離が変化することを見込んで設定された、該距離の最小許容値である。このように、回転板３と光検出部６との間の距離が小さくなると、ライン１８ａ、１８ｂ、及び１９ａ〜１９ｉ同士の間隔が狭まり、照射領域１６及び１７の幅及び長さも小さくなる。
【００５６】
これに対して、図８（ａ）及び図８（ｂ）は、回転板３が光検出部６から遠ざかって、回転板３と光検出部６との間の距離がＤmaxとなった場合を示している。ここで、Ｄmaxは、製造誤差等によって回転板３と光検出部６との間の距離が変化することを見込んで設定された、該距離の最大許容値である。このように、回転板３と光検出部６との間の距離が大きくなると、ライン１８ａ、１８ｂ、及び１９ａ〜１９ｉ同士の間隔が拡がり、照射領域１６及び１７の幅及び長さも大きくなる。また、図８（ａ）に示した回転板３は、光検出部６に対して相対的に回転板３と平行な方向にずれている。このような状態は、主に回転板３が回転軸２に対して偏心して取り付けられることにより生じる。
【００５７】
光検出部６の長手方向の長さは、回転板３と光検出部６との間の距離がＤmaxとなる場合であり、且つ、回転板３が光検出部６に対して相対的に回転板３に平行な方向に偏心している場合においても、各ライン１８ａ、１８ｂ、１９ａ〜１９ｉの照射領域１６及び１７を全て含むことができる長さに設定されるとよい。換言すれば、光検出部６の必要長さは｛（回転板３のトラック群１０の幅）＋（回転板３の最大偏心量）×２｝×（回転板３と光検出部６との距離変化による照射領域１６及び１７の最大倍率）として算出される。また、光検出部６の長手方向と交差する方向の幅は、スリット７ａのうち円周方向の長さが最も短いスリット７ａによる照射領域１６の長さよりも短くなるように設定されるとよい。換言すれば、光検出部６の最大幅は、（最も短いスリット７ａの長さ）×（回転板３と光検出部６との距離変化による照射領域１６の最小倍率）として算出される。
【００５８】
また、図６（ｂ）、図７（ｂ）、及び図８（ｂ）に示すとおり、照射領域１７が回転板３の回転角によらず光検出部６内に少なくとも１つ含まれるように、スリット７ｂの円周方向の長さ及びスリット７ｂ同士の間隔がそれぞれ設けられている。特に、回転板３と光検出部６との間の距離がＤmaxとなる際（図８（ｂ）参照）には照射領域１７が拡がるため、回転板３と光検出部６との間の距離がＤmaxとなる場合を基準としてスリット７ｂの円周方向の長さ及びスリット７ｂ同士の間隔がそれぞれ設けられるとよい。
【００５９】
次に、図２に示したアブソリュートエンコーダ１において光センサ５の出力信号等に対して設けられる信号処理系の構成等について説明する。
【００６０】
図１に示すアブソリュートエンコーダ１は、変換部２０、入射位置推定部２１、レベル判定部２２、及びコード生成部２３をさらに備えている。これらのうち、変換部２０は光センサ５に電気的に接続された電気回路によって主に実現される。また、入射位置推定部２１、レベル判定部２２、及びコード生成部２３は、例えば中央演算装置を内蔵したコンピュータによって実現することができる。或いは、これらの手段は電気回路によっても実現することができる。
【００６１】
変換部２０は、光センサ５の光検出部６に電気的に接続されている。変換部２０は、光検出部６の複数の画素それぞれから取り出された電荷Ｑを電圧信号に変換して光強度信号Ｓ１及びＳ３を生成するための変換手段である。変換部２０は、第１の入射位置１２ａ及び第２の入射位置１２ｂ付近の画素（図６（ｂ）参照）からの電荷Ｑを増幅し、入射位置１２ａ、１２ｂに入射した光の強度を示す光強度信号Ｓ１を生成して、光強度信号Ｓ１を入射位置推定部２１及びレベル判定部２２へ出力する。また、変換部２０は、入射位置推定部２１からの指示信号Ｓ２によって指示された入射位置付近の画素から電荷Ｑを取り出し、この電荷Ｑを積分するとともに電圧信号に変換して光強度信号Ｓ３を生成し、光強度信号Ｓ３をレベル判定部２２へ出力する。
【００６２】
また、変換部２０は、各画素と発光素子４との間の光路長など測定光の照射条件に応じた増幅率で光強度信号Ｓ１及びＳ３を増幅する回路をさらに備えてもよい。具体的には、変換部２０において、発光素子４からの光路長が小さい画素からの電荷Ｑによる光強度信号Ｓ１及びＳ３の増幅率を小さくし、発光素子４からの光路長が大きい画素からの電荷Ｑによる光強度信号Ｓ１及びＳ３の増幅率を大きくするとよい。光強度信号Ｓ１及びＳ３をこのように増幅することによって、各画素と発光素子４との間の光路長の相違に起因する各画素間における光強度の差を補正することができる。
【００６３】
入射位置推定部２１は、複数のトラックを通過した光が入射した光検出部６における入射位置のうち、補正用トラック８ａに対する第１の入射位置１２ａと、補正用トラック８ｂに対する第２の入射位置１２ｂとに基づいて、角度検出用トラック９ａ〜９ｉのそれぞれに対する補正された入射位置１３ａ〜１３ｉを推定するための入射位置推定手段である（図６（ｂ）参照）。ここで、光検出部６とライン１８ａとが交差する位置が第１の入射位置１２ａとなり、光検出部６とライン１８ｂとが交差する位置が第２の入射位置１２ｂとなり、光検出部６とライン１９ａ〜１９ｉとが交差する位置が入射位置１３ａ〜１３ｉとなる。入射位置推定部２１における推定方法を、図６（ｂ）及び図９を用いて以下に説明する。
【００６４】
図６（ｂ）を参照すると、第１の入射位置１２ａと第２の入射位置１２ｂとは間隔Ｐ１を隔てている。同様に、第２の入射位置１２ｂ及び入射位置１３ａ〜１３ｉも、それぞれ互いに間隔Ｐ１を隔てている。間隔Ｐ１は、発光素子４、光路変更部材６０、回転板３、及び光検出部６の相対位置、並びに回転板３のトラック間隔によって定まる。ここで、補正用トラック８ａ及び８ｂのスリット７ｂは、前述したように補正用トラック８ａ及び８ｂのそれぞれにおいて、回転板３の回転角によらず発光素子４と光検出部６との間の光路上に少なくとも１つのスリット７ｂが存在するように配置されている。従って、光検出部６には、回転板３の回転角によらず常に補正用トラック８ａを通過した光及び補正用トラック８ｂを通過した光が入射する。
【００６５】
図９は、光検出部６の複数の画素のうち第１の入射位置１２ａ及び第２の入射位置１２ｂ付近の画素６ａと、画素６ａにおいて取り出された電荷Ｑに基づいて生成された光強度信号Ｓ１の一例とをあわせて示す図である。図９を参照すると、光検出部６では、第１の入射位置１２ａに近い画素６ａほど光強度信号Ｓ１が大きくなっている。これは、第１の入射位置１２ａ上に補正用トラック８ａが位置しているためである。入射位置推定部２１は、まず、変換部２０から得た光強度信号Ｓ１に基づいて、補正用トラック８ａに対応する第１の入射位置１２ａの位置を検出する。
【００６６】
本実施形態では、補正用トラック８ａはトラック群１０のなかで最も回転軸２の近くに配置されており、光検出部６においても回転軸２に近い画素から電荷Ｑを取り出すので、光検出部６における光強度信号Ｓ１のピークのうち最初に検出されるピークが補正用トラック８ａに対応するピークとなる。従って、そのピークの中心位置を第１の入射位置１２ａの位置とするとよい。次に、２番目に検出されるピークの中心位置を第２の入射位置１２ｂの位置とする。続いて、入射位置推定部２１は、入射位置１２ａ、１２ｂとの間の間隔Ｐ１を求め、第２の入射位置１２ｂの位置を基準として、間隔Ｐ１でもって入射位置１３ａ〜１３ｉそれぞれの位置を推定する。このとき、第２の入射位置１２ｂに代えて第１の入射位置１２ａの位置を基準としてもよい。そして、入射位置推定部２１は、推定した入射位置１３ａ〜１３ｉ付近の画素から順次電荷Ｑを取り込むように指示するための指示信号Ｓ２を変換部２０へ出力する。
【００６７】
レベル判定部２２は、光検出部６において検出された、補正用トラック８ａ、８ｂを通過した光の強度に基づいて、入射位置１３ａ〜１３ｉにおいて検出された光がスリット７ａを通過した光であるか否かを判定するためのレベル判定手段である。具体的には、レベル判定部２２は、変換部２０から光強度信号Ｓ１及びＳ３を受ける。そして、レベル判定部２２は、第１の入射位置１２ａ付近の各画素に対応する光強度信号Ｓ１と、第２の入射位置１２ｂ付近の各画素に対応する光強度信号Ｓ１とを加算することにより、補正用トラック８ａを通過した光の強度と補正用トラック８ｂを通過した光の強度との合計値を得る。続いて、レベル判定部２２は、補正用トラック８ａ、８ｂを通過した光の強度の合計値に基づいて閾値を設定する。このとき、閾値を、例えば光強度の合計値の２分の１に設定してもよいし、これ以外の任意の割合としてもよい。そして、レベル判定部２２は、変換部２０から入力した光強度信号Ｓ３と閾値とを比較することにより、光強度信号Ｓ３がスリット７ａを通過した光による信号であるか否かを判定して判定結果Ｓ４を生成する。レベル判定部２２は、判定結果Ｓ４をコード生成部２３へ出力する。
【００６８】
コード生成部２３は、レベル判定部２２からの判定結果Ｓ４に基づいて、回転軸２及び回転板３の回転角の絶対値を表すグレイコードＳ５を生成するための手段である。コード生成部２３は、入射位置１３ａ〜１３ｉ付近の画素に関する光強度信号Ｓ３が、角度検出用トラック９ａ〜９ｉのスリット７ａを通過した光によるものであるか否かを判定結果Ｓ４から知ることができる。そして、光強度信号Ｓ３がスリット７ａを通過した光によるものである場合（すなわち、光強度信号Ｓ３が閾値より大きい場合）、その入射位置に対応するグレイコードのビットを１とする。光強度信号Ｓ３がスリット７ａを通過した光によるものでない場合（すなわち、光強度信号Ｓ３が閾値より小さい場合）、その入射位置に対応するグレイコードのビットを０とする。こうして、９桁のグレイコードＳ５を生成する。コード生成部２３は、生成したグレイコードＳ５をアブソリュートエンコーダ１の外部へ出力する。
【００６９】
次に、以上の構成を備えるアブソリュートエンコーダ１の動作の説明として、アブソリュートエンコーダ１を用いた角度検出方法を説明する。なお、以下に説明する方法において、アブソリュートエンコーダ１が備える変換部２０、入射位置推定部２１、レベル判定部２２、及びコード生成部２３を用いるが、これらの手段はアブソリュートエンコーダ１の外部に設けられていてもよい。
【００７０】
図１０は、本実施形態による角度検出方法を示すフローチャートである。この角度検出方法では、まず、発光素子４から光路変更部材６０の反射面６１ａ、６２ａを介して、回転板３のトラック群１０へ向けて光を照射する（照射ステップ、Ｓ１１）。このとき、光センサ５の光検出部６では、スリット７ａ、７ｂを通過した光が入射して電荷Ｑが発生する。次に、変換部２０により、補正用トラック８ａ、８ｂのスリット７ｂを通過した光により生じた電荷Ｑが取り出される。取り出された電荷Ｑは、変換部２０において電圧信号に変換され、第１の光強度信号Ｓ１となる（第１の検出ステップ、Ｓ１２）。
【００７１】
続いて、光強度信号Ｓ１が変換部２０から入射位置推定部２１及びレベル判定部２２へ出力される。入射位置推定部２１では、光強度信号Ｓ１が最初にピークとなる光検出部６の位置を検出し、この位置を、補正用トラック８ａを通過した光が入射した第１の入射位置１２ａとする（補正用データ取得ステップ、Ｓ１３）。続いて、入射位置推定部２１では、光強度信号Ｓ１が２番目にピークとなる光検出部６の位置を検出し、この位置を、補正用トラック８ｂを通過した光が入射した第２の入射位置１２ｂとする（補正用データ取得ステップ、Ｓ１４）。
【００７２】
続いて、入射位置推定部２１において、第１の入射位置１２ａ及び第２の入射位置１２ｂに基づき、角度検出用トラック９ａ〜９ｉのそれぞれを通過する光が入射する入射位置１３ａ〜１３ｉを推定する。すなわち、入射位置推定部２１では、第１の入射位置１２ａと第２の入射位置１２ｂとの間の間隔Ｐ１を求め、第２の入射位置１２ｂの位置を基準として、間隔Ｐ１でもって入射位置１３ａ〜１３ｉそれぞれの位置を推定する（入射位置推定ステップ、Ｓ１５）。
【００７３】
一方、レベル判定部２２においては、変換部２０からの光強度信号Ｓ１に基づいて閾値が定められる（Ｓ１６）。そして、変換部２０が、入射位置推定部２１において推定された入射位置１３ａ付近の画素から電荷Ｑを取り出し、これを積分するとともに電圧信号に変換して光強度信号Ｓ３を生成する（第２の検出ステップ、Ｓ１７）。光強度信号Ｓ３はレベル判定部２２へ出力され、レベル判定部２２において、光強度信号Ｓ３と閾値とが比較される。これにより、入射位置１３ａにおいて検出された光がスリット７ａを通過した光であるか否かが判定される（Ｓ１８）。この入射位置１３ａに関する判定結果Ｓ４が、レベル判定部２２からコード生成部２３へ出力される。以降、入射位置１３ｂ〜１３ｉについて第２の検出ステップ（Ｓ１７及びＳ１８）が繰り返される。
【００７４】
コード生成部２３では、レベル判定部２２からの判定結果Ｓ４に基づいて、グレイコードＳ５が生成される（コード生成ステップ、Ｓ１９）。生成されたグレイコードＳ５は、アブソリュートエンコーダ１の外部へ出力される。このグレイコードＳ５によって、回転軸２及び回転板３の回転角の絶対値が読みとられる。
【００７５】
以上に説明したアブソリュートエンコーダ１の構成例及び角度検出方法によれば、補正用トラック８ａ及び８ｂそれぞれにおいて、スリット７ｂが回転板３の回転角によらず発光素子４と光検出部６との間の光路上に少なくとも１つ存在するように配置されているので、入射位置１２ａ、１２ｂを常に得ることができる。そして、この入射位置１２ａ、１２ｂを利用することにより、回転板３の位置が変化した場合であっても、光検出部６上における各角度検出用トラック９ａ〜９ｉのスリット７ａの有無を正確に検出することができる。
【００７６】
一般的に、光学式エンコーダが光源を１つだけ備える場合、回転板の回転軸への取り付け誤差や偏心によって、図７、図８に示したように光検出部への入射位置が本来の位置からずれる場合がある。上記構成例によれば、回転板３の位置が変化するなどの場合であっても、上述した光源、光センサ５、及び光路変更手段から構成される測定光学系を用いて光路長を充分に長くとることにより、回転軸２の回転角を正確に検出することができる。さらに、補正用トラック８ａ、８ｂを利用することにより、測定光学系による効果と併せて、回転軸２の回転角をより正確に検出することが可能となる。また、このとき、発光素子４を１つだけ備えればよく、また、装置を大型化する複雑な光学系や長い光路長のスペースを必要としないので、装置がより小型化される。
【００７７】
また、上記した角度検出方法では、アブソリュートエンコーダ１を用い、入射位置１２ａ、１２ｂに基づいて、補正された入射位置１３ａ〜１３ｉを推定している。従って、回転板３の位置が変化した場合であっても、推定した入射位置１３ａ〜１３ｉへの光の入射状態に基づいて、光検出部６上における各角度検出用トラック９ａ〜９ｉのスリット７ａの有無を正確に検出することができる。これにより、回転板３の回転角の絶対値を示すグレイコードＳ５を正確に生成することが可能となり、回転軸２の回転角の絶対値を正確に検出することができる。
【００７８】
また、アブソリュートエンコーダ１は、照射領域１７が回転板３の回転角によらず光検出部６内に少なくとも１つ含まれるように、スリット７ｂの円周方向の長さ、及びスリット７ｂ同士の間隔が設けられていることが好ましい。これによって、補正用トラック８ａまたは８ｂを通過して光検出部６に入射する光の強度を回転板３の回転角によらずほぼ一定に保つことができるので、入射位置１２ａ、１２ｂをさらに正確に得ることができる。また、補正用トラック８ａ、８ｂを通過した光の強度を安定して得ることができるので、レベル判定部２２において安定した閾値を求めることができる。
【００７９】
また、上記構成例のように、アブソリュートエンコーダ１は、第１の入射位置１２ａと第２の入射位置１２ｂとに基づいて入射位置１３ａ〜１３ｉを推定する入射位置推定部２１を備えることが好ましい。これによって、推定した入射位置１３ａ〜１３ｉへの光の入射状態に基づいて、光検出部６上における各角度検出用トラック９ａ〜９ｉのスリット７ａの有無を正確に検出することができる。さらに、入射位置推定部２１は、第１の入射位置１２ａまたは第２の入射位置１２ｂ、及び第１の入射位置１２ａと第２の入射位置１２ｂとの間隔に基づいて、入射位置１３ａ〜１３ｉを推定することが好ましい。これによって、入射位置１３ａ〜１３ｉを好適に推定することができる。
【００８０】
また、上記構成例のように、アブソリュートエンコーダ１は、光検出部６において検出された補正用トラック８ａを通過した光及び補正用トラック８ｂを通過した光の光強度に基づいて、入射位置推定部２１によって推定された入射位置１３ａ〜１３ｉにおいて検出された光がスリット７ａを通過した光であるか否かを判定するレベル判定部２２を備えることが好ましい。これによって、光検出部６上における各角度検出用トラック９ａ〜９ｉのスリット７ａの有無をより正確に判断することができるので、回転軸２の回転角の絶対値をより正確に検出することができる。
【００８１】
次に、アブソリュートエンコーダにおいて用いられる信号処理系の構成の具体例について説明する。
【００８２】
図１１は、図２に示したエンコーダにおける信号処理系の構成例を示す回路図である。この回路図は、変換部３０、入射位置推定部３１、及びレベル判定部３２の回路構成を示している。本実施例では、上記した実施形態の変換部２０、入射位置推定部２１、及びレベル判定部２２の具体例として、これらの手段を説明する。
【００８３】
図１１を参照すると、変換部３０は、積分器３０ａ、差動増幅器３０ｂ、及びメモリ３０ｃを備えている。積分器３０ａの入力は光センサ５に電気的に接続されており、積分器３０ａの出力は差動増幅器３０ｂ及びメモリ３０ｃに電気的に接続されている。積分器３０ａは光センサ５の各画素からの電荷を積分するとともに電圧信号に変換する回路であり、後述する制御器３１ａからの初期化信号φＩＮＴを入力することによって積分動作が初期化される。
【００８４】
メモリ３０ｃは、積分器３０ａが光センサ５から電荷を受けていないときの、積分器３０ａからの出力レベル（ダーク出力レベル）を記憶するための回路である。メモリ３０ｃの入力は積分器３０ａに電気的に接続されており、メモリ３０ｃの出力は差動増幅器３０ｂに電気的に接続されている。メモリ３０ｃは、後述する制御器３１ａからの記憶信号φＲＭをトリガとして、発光素子４が点灯する前に積分器３０ａからの出力レベルを記憶する。或いは、メモリ３０ｃには、アブソリュートエンコーダ１の製造時において、所定のレベルが記憶されてもよい。
【００８５】
差動増幅器３０ｂは、積分器３０ａの出力レベルと、メモリ３０ｃに記憶されたレベルとの差分を生成するための回路である。差動増幅器３０ｂの一方の入力は積分器３０ａに電気的に接続されており、差動増幅器３０ｂの他方の入力はメモリ３０ｃに電気的に接続されている。差動増幅器３０ｂの出力は、レベル判定部３２に電気的に接続されている。差動増幅器３０ｂは、積分器３０ａの出力レベルからメモリ３０ｃに記憶されたレベルを差し引くことによって、積分器３０ａの出力レベルからダーク出力レベルを除く。
【００８６】
また、レベル判定部３２は、比較器３２ａ及びメモリ３２ｂを備えている。メモリ３２ｂは、補正用トラック８ａ、８ｂを通過した光の強度に基づいて閾値を求め、該閾値を記憶する回路である。メモリ３２ｂの入力は差動増幅器３０ｂの出力に電気的に接続されており、メモリ３２ｂの出力は比較器３２ａに電気的に接続されている。メモリ３２ｂは、制御器３１ａからの記憶信号φＤＭをトリガとして所定の演算式に基づいて閾値を計算し、これを記憶する。
【００８７】
比較器３２ａは、差動増幅器３０ｂの出力レベルと、メモリ３２ｂに記憶された閾値とを比較して比較結果を出力する回路である。比較器３２ａの一方の入力は差動増幅器３０ｂに電気的に接続されており、比較器３２ａの他方の出力はメモリ３２ｂに電気的に接続されている。比較器３２ａの出力は、図示しないコード生成手段及び制御器３１ａに電気的に接続されている。比較器３２ａは、差動増幅器３０ｂの出力レベルが閾値よりも大きい場合は所定レベルの電圧信号（論理１）を、それ以外の場合は他のレベルの電圧信号（論理０）を出力する。
【００８８】
また、制御器３１ａは、積分器３０ａ、メモリ３０ｃ、及びメモリ３２ｂを制御するとともに、光センサ５の光検出部６において電荷を取り出す画素の間隔を計算して電荷を取り出すタイミングを制御する回路である。制御器３１ａは、比較器３２ａに電気的に接続されており、補正用トラック８ａ、８ｂを通過した光に関する信号が比較器３２ａから出力されるタイミングに基づいて、第１の入射位置１２ａ及び第２の入射位置１２ｂを記憶する。そして、制御器３１ａは、第１の入射位置１２ａと第２の入射位置１２ｂとの間隔を計算し、第２の入射位置１２ｂを基点としてこの間隔でもって積分器３０ａが電荷を積分するようなタイミングで、積分器３０ａに初期化信号φＩＮＴを送る。すなわち、制御器３１ａは、第１の入射位置１２ａ及び第２の入射位置１２ｂに基づいて、入射位置１３ａ〜１３ｉを推定する入射位置推定部３１を構成する。また、制御器３１ａは、所定のタイミングで記憶信号φＲＭをメモリ３０ｃへ、記憶信号φＤＭをメモリ３２ｂへ、それぞれ送る。
【００８９】
以上の構成を有する変換部３０、入射位置推定部３１、及びレベル判定部３２の動作は次の通りである。まず、発光素子４が光を照射していない時に、制御器３１ａからメモリ３０ｃへ記憶信号φＲＭが送られる。そして、メモリ３０ｃにおいて、積分器３０ａのダーク出力レベルが記憶される。次に、発光素子４が光を照射して光センサ５が光を検出すると、まず補正用トラック８ａを通過した光により発生した電荷が積分器３０ａによって積分され、光強度信号が生成される。そして、差動増幅器３０ｂによって光強度信号からダーク出力レベルが除かれた後、この光強度信号のレベルがメモリ３２ｂに記憶されるとともに、光強度信号が比較器３２ａを介して制御器３１ａに送られる。
【００９０】
続いて、補正用トラック８ｂを通過した光により発生した電荷が積分器３０ａによって積分され、光強度信号が生成される。そして、補正用トラック８ａを通過した光の場合と同様に、光強度信号のレベルがメモリ３２ｂに記憶されるとともに、光強度信号が制御器３１ａに送られる。この後、制御器３１ａからメモリ３２ｂへ記憶信号φＤＭが送られる。メモリ３２ｂでは、補正用トラック８ａを通過した光および補正用トラック８ｂを通過した光のそれぞれに関する光強度信号に基づいて、閾値が計算される。また、制御器３１ａでは、第１の入射位置１２ａ及び第２の入射位置１２ｂが求められ、これらの間隔が計算される。
【００９１】
続いて、制御器３１ａが、第２の入射位置１２ｂを基点として、計算した間隔でもって積分器３０ａへ初期化信号φＩＮＴを送る。積分器３０ａでは、初期化信号φＩＮＴを受ける度に積分動作が初期化されるので、入射位置１３ａ〜１３ｉ付近において発生した電荷を順に積分することとなる。電荷が積分されることにより生成された光強度信号は、差動増幅器３０ｂによってダーク出力レベルが除かれた後、比較器３２ａに入力される。そして、光強度信号が比較器３２ａにおいて閾値と比較され、その比較結果が図示しないコード生成手段へ出力される。コード生成手段では、比較結果に基づいてグレイコードが生成される。
【００９２】
本発明によるエンコーダ用光モジュール、及び光学式エンコーダは、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、上記した構成例においては変換手段、入射位置推定手段、及びレベル判定手段を電気回路によって実現しているが、これらの手段を所定のソフトウェアが組み込まれたコンピュータによって実現してもよいし、電気回路とコンピュータとを適宜組み合わせて実現してもよい。また、光センサについては、その長手方向と交差する方向の複数の画素のそれぞれの幅が、画素と発光素子との間の光路長に基づいて設定された構成としても良い。これにより、各位置での光強度に応じて画素の大きさが好適に設定される。
【００９３】
また、上記した構成例では、回転軸の回転角の絶対値を測定するアブソリュートエンコーダを例として説明したが、インクリメンタル方式の光学式エンコーダにおいても、上記した測定光学系を適用することが可能である。一般には、光学式エンコーダは、回転軸、及び回転軸に取り付けられ複数のトラックを有する回転板を備え、複数のトラックに含まれる角度検出用トラックのスリットを通過した光を検出することによって回転軸の回転角を測定するように構成されていれば良い。また、複数のトラックが補正用トラックを含まずに、角度検出用トラックのみから構成されていても良い。
【００９４】
また、上記した構成例においては、回転板は９本の角度検出用トラックを有している。回転板の角度検出用トラックの本数はこれに限らず、必要な分解能に応じて様々な本数とすることができる。また、各トラックのスリットについては、発光素子からの測定光に対して透明な材料によって形成しても良い。また、補正用トラックの本数については、３本以上設ける構成としても良い。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、回転軸の回転角を正確に検出可能であるとともに装置が小型化されるエンコーダ用光モジュール、及び光学式エンコーダとして利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】エンコーダ用光モジュールの一実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図２】図１に示した光モジュールを用いた光学式エンコーダの一実施形態の構成を示す斜視図である。
【図３】エンコーダ用光モジュールの他の実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図４】エンコーダ用光モジュールの他の実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図５】図２に示した回転板を一部拡大して示す平面図である。
【図６】（ａ）回転板及び光センサの相対位置関係を示す側面断面図、及び（ｂ）スリットを通過した光の照射領域と、光センサの光検出部との位置関係を説明するための図である。
【図７】回転板の位置が光検出部に対して相対的に変化した場合を説明するための図である。
【図８】回転板の位置が光検出部に対して相対的に変化した場合を説明するための図である。
【図９】光検出部の複数の画素のうち第１の入射位置及び第２の入射位置付近の画素と、画素において取り出された電荷を増幅して生成された光強度信号の一例とをあわせて示す図である。
【図１０】図２に示したエンコーダを用いた角度検出方法を示すフローチャートである。
【図１１】図２に示したエンコーダにおける信号処理系の構成例を示す回路図である。
【図１２】従来のアブソリュートエンコーダの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００９７】
１…アブソリュートエンコーダ（光学式エンコーダ）、２…回転軸、３…回転板、４…発光素子、５…光センサ、６…光検出部、６ａ…画素、７ａ〜７ｃ…スリット、８…補正用トラック群、８ａ、８ｂ…補正用トラック、９…角度検出用トラック群、９ａ〜９ｉ…角度検出用トラック、１０…トラック群、１２ａ…第１の入射位置、１２ｂ…第２の入射位置、１３ａ〜１３ｉ…入射位置、１６、１７…照射領域、１８ａ、１８ｂ…ライン、２０…変換部、２１…入射位置推定部、２２…レベル判定部、２３…コード生成部、３０…変換部、３０ａ…積分器、３０ｂ…差動増幅器、３０ｃ…メモリ、３１…入射位置推定部、３１ａ…制御器、３２…レベル判定部、３２ａ…比較器、３２ｂ…メモリ、５０…基板、５１…実装面、５２…側面、６０…光路変更部材、６１…第１反射部、６１ａ…反射面、６２…第２反射部、６２ａ…反射面、６５…支持部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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