专利名称：编码器以及编码器用光检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学式编码器以及编码器用光检测装置。
背景技术：
现有的光学式编码器有例如专利文献1中所记载的光学式编码器。
该现有的编码器具备光学刻度(optical scale),该光学刻度配置有具有 不同的衍射图案的栅窗，该编码器利用图像传感器将通过狭缝照射于 栅窗的被检测光的衍射图案成像。于是，通过成像的衍射图案而特定 栅窗，并且根据图像中的衍射图案的位置而特定栅窗的位置，从而检 测测定对象的绝对角度。
专利文献l:日本特开平8-10145号公报。
发明内容
然而，在这种编码器中，优选可检测到的测定对象的绝对角度的 范围(角度检测范围)尽量大。但在上述现有的光学式编码器中，需 要在刻度(scale)上设置多个衍射图案不同的栅窗。这样，由于该衍 射图案的精度影响角度检测的分辨率，因此，在标尺上设置衍射图案 时需要较高的加工精度。
本发明正是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种不 需要复杂的加工就能实现检测角度范围的扩大化的编码器、以及使用 这样的编码器的编码器用光检测装置。
为了解决上述问题，本发明所涉及的编码器的特征在于，具有 形成有狭缝且彼此联动而旋转的第1旋转体及第2旋转体；向狭缝射 出被检测光的光源装置；光检测装置，其具有沿圆环状的排列线而排 列有多个光检测元件的第1刻度及第2刻度、以及基于通过狭缝而入 射于第1刻度及第2刻度的光检测元件的被检测光的光强度而输出输 出信号的输出部。其中，第2旋转体相对于第1旋转体的转速比不同， 光检测元件在每个规定的相位角被赋予属性。在该编码器中，第2旋转体相对于第1旋转体的转速比不同，光 检测元件在每个规定的相位角被赋予属性。为此，随着第1旋转体的 旋转角度的变化，在第1刻度检测出的被检测光的光强度的峰值位置 所对应的光检测元件的属性、与在第2刻度检测出的被检测光的光强 度的峰值位置所对应的光检测元件的属性的组合依次变化。因此，在 该编码器中，由于可以基于区域的组合而特定第1旋转体的周期数，
因此可以将第1刻度上的角度检测范围扩大至360°以上。此外，在该 编码器中，由于不必如现有技术那样在刻度上设置多个衍射图案不同 的栅窗，因此无须复杂的加工。
此外，优选通过狭缝的被检测光在彼此分离的至少两处与排列线 交叉。在这种情况下，如果将输出信号成为峰值的点中的任一点规定 为用于计算绝对角度的基准点，则可以利用狭缝的形状而预先把握该 基准点与其它点的相对角度(基准相对角度)。因此，即使产生狭缝位
置相对于刻度的偏移，也可以通过算出相对角度的偏移量，并将其作 为修正量与基准点所表示的绝对角度进行加减而高精度地检测出绝对 角度。
此外，优选光检测元件沿排列线交错地排列。此时，在保持刻度 的小型化的同时，还能提高检测角度的分辨率。
此外，本发明的编码器用光检测装置，其特征在于，具有沿圆 环状的排列线排列有多个光检测元件的第1刻度及第2刻度、以及基
于入射于第1刻度及第2刻度的光检测元件的被检测光的光强度而输 出输出信号的输出部；光检测元件在每个规定的相位角被赋予属性。
在该编码器用光检测装置中，通过使转速比不同的带有狭缝的第1 旋转体及第2旋转体介于光检测装置与光源装置之间，伴随着第1旋 转体的旋转角度的变化，可以使在第1刻度检测到的被检测光的光强 度的峰值位置所对应的光检测元件的属性、与在第2刻度检测到的被 检测光的光强度的峰值位置所对应的光检测元件的属性的组合依次变 化。因此，在该编码器用光检测装置中，可以基于区域的组合而特定 第1旋转体的周期数，因此可以将第1刻度上的角度检测范围扩大至 360°以上。此外，在该编码器用光检测装置中，由于不必如现有技术那 样在刻度上设置多个衍射图案不同的栅窗，因此无须复杂的加工。此外，优选输出部具有从光检测元件依次输出输出信号的移位寄 存器，移位寄存器配置在排列线的内侧。通过将移位寄存器配置于排 列线内侧的空余空间内，可以使刻度小型化。
此外，优选光检测元件沿排列线交错地排列。在这种情况下，可 以保持刻度的小型化，同时能够提高角度检测的分辨率。
利用本发明的编码器以及编码器用光检测装置，无须复杂的加工 就能够实现角度检测范围的扩大化。
图1为示意本发明的编码器的实施方式的立体图。
图2为带有齿轮的狭缝板的正视图。
图3为光检测装置的正视图。
图4为示意PD的属性分配的正视图。
图5为狭缝与刻度的配置关系的示意图。
图6为示意利用图1所示的编码器检测测定对象的绝对角度时的 处理的流程图。
图7为被检测光的光强度的一维分布示意图。
图8为将图7所示的一维分布二值化时的状态的示意图。
图9为产生位置偏移的情况下狭缝与刻度的配置关系的示意图。
图IO为产生位置偏移的情况下被检测光的光强度的一维分布示意图。
图11为表示出现在图1所示的编码器中的属性组合的示意图。 图12为带有齿轮的狭缝板的相位超前的情况下出现的属性组合的 示意图。
图13为带有齿轮的狭缝板的相位滞后的情况下出现的属性组合的 示意图。
图14为将属性组合的变化表格化的示意图。
图15为示意变形例的编码器的立体图。
图16为示意其它变形例的编码器的立体图。
符号说明1:编码器、11: LED (光源装置)、12A， 12B:光检测装置、
13A， 13B:带有齿轮的狭缝板(第1旋转体、第2旋转体) 15A， 15B:狭缝、16: PD (光检测元件)、 17A， 17B:刻度板(第1刻度、第2刻度)、 18:输出部、19:移位寄存器、 Ll:第l排列线、L2:第2排列线
具体实施例方式
以下，参照附图详细说明本发明的编码器以及编码器用光检测装 置的最佳实施方式。
图1为示意本发明的编码器的一实施方式的立体图。图1所示的 编码器1为所谓的绝对型旋转编码器，是用于检测例如汽车的方向盘
等测定对象(未图示)的绝对角度的装置。该编码器1具有连接于
检测对象的旋转轴2、固定于该旋转轴2的带有齿轮的圆板3、以及彼 此分离且被配置为接近于带有齿轮的圆板3的两个光学系统S1， S2。 带有齿轮的圆板3随着与测定对象联动的旋转轴2的旋转而向例如箭 头X的方向旋转。
各个光学系统S1、S2分别被配置为与发射被检测光的点光源LED (光源装置)11、 LEDll相对，并且分别由检测被检测光的光检测装 置(编码器用光检测装置)12 U2A， 12B)、与带有齿轮的圆板3啮 合的带有齿轮的狭缝板(旋转体)13 (13A, 13B)、夹住带有齿轮的 狭缝板13而配置的一对实现平行光束的透镜14、 14构成。
如图2所示，带有齿轮的狭缝板13A、 13B分别具有使一部分从 LED11出射的被检测光通过的狭缝15 (15A、 15B)。狭缝15A、 15B 以通过带有齿轮的狭缝板13的中心的方式被形成为直线状。此外，狭 缝15A、 15B以狭缝宽度从一端向另一端逐渐减小的方式形成， 一端 的狭缝宽度Wl约为另一端狭缝宽度W2的两倍左右。
此外，如图1所示，带有齿轮的狭缝板13A、 13B随着带有齿轮 的圆板3的旋转而联动地旋转，带有齿轮的狭缝板13B相对于带有齿 轮的狭缝板13A的转速比不同。更具体而言，虽然带有齿轮的圆板3 与带有齿轮的狭缝板13A的转速比为1:1，然而带有齿轮的狭缝板13A与带有齿轮的狭缝板13B的转速比为6:10。因此，若带有齿轮的圆板 3向箭头X方向旋转一周，则带有齿轮的狭缝板13A向箭头Y方向旋 转一周，带有齿轮的狭缝板13B向箭头Z方向旋转5/3周。
如图3所示，光检测装置12A、 12B具有多个PD(光检测元件) 16排列而形成的刻度板17 (17A、 17B)、以及输出来自各PD16的信 号的输出部18。在各个刻度板17A、刻度板17B上，分别以同心圆状 设置有第1排列线Ll以及第2排列线L2，其中，第1排列线Ll以及 第2排列线L2的直径对应于带有齿轮的狭缝板13A、 13B上的狭缝 15A、 15B的长度，各PD16沿各个排列线L1、 L2以圆环状交错地配 置。
在各PD16上，从第1个PD16,(0。)开始至最后一个PD16n(359.5°) 为止，在顺时针方向上以例如0.5。的刻度分配有角度信息。此外，如图 4所示，将10种属性A J每隔36。的相位角而分别赋予给各PD16。 于是，在各PD16上分配有表示该PD16属于哪一个区域的属性特定信 息。
输出部18具有多个(在本实施方式中为4个)移位寄存器19、视 频线路20、信号处理部21。各移位寄存器19以与各个刻度板17同心 地大致呈矩形形状的方式配置在比各排列线Ll、 L2更靠内侧的位置， 为了输出基于检测到的被检测光的光强度的输出信号以及包含属性特 定信息的属性特定信号而向各个PD16提供扫描信号。此外，视频线路 20在各排列线Ll、 L2的外侧被配置为同心圆状，将来自于各PD16 的输出信号以及属性特定信号向信号处理部21输出。于是，信号处理 部21通过视频线路20向外部输出从各PD16采集的输出信号以及属性 特定信号。在此，向各移位寄存器19提供驱动信号的供给线(未图示) 连接于例如PD16,与PD16n之间。
在这样的编码器1中，在光学系统Sl以及光学系统S2中，如果 从光源LED11射出被检测光，则利用平行光束化透镜14将该被检测 光转化为平行光束，并将其分别入射于带有齿轮的狭缝板13A、 13B。 通过狭缝15A、 15B而成为一直线状的被检测光被平行光束化透镜14 聚光，如图5所示，在狭缝宽度不同的一端侧与另一端侧两处分别与 刻度17A、 17B的各排列线L1、 L2交叉，从狭缝15A、 15B露出，从而入射于各PD16。从各PD16分别输出基于检测到的被检测光的光强 度的输出信号以及属性特定信号，并将其从信号处理部21向外部输出。
接着，参照图6所示的流程图说明由具有上述结构的编码器1来 检测测定对象的绝对角度时的处理。以下所示的一系列控制处理利用 例如连接于编码器1的微机等运算装置来实行。
首先，从信号处理部21分别收集从刻度板17A、 17B的各PD16 得到的输出信号以及属性特定信号。然后，取得各PD16的被检测光的 光强度的一维分布(步骤SOl)。此时，通过一直线状的狭缝15A、 15B 的被检测光相对于被配置为圆环状的各PD16而从两处入射，因此若解 析刻度板17A、 17B的各PD16的一维分布，则如图7所示，将分别得 到彼此分离的光强度峰值P1、 P2以及光强度峰值P3、 P4。
在编码器1中， 一端侧的狭缝宽度Wl为另一端的狭缝宽度W2 的约2倍，因此，光强度峰值P1、 P3的半峰宽为光强度峰值P2、 P4 的半峰宽的约2倍。为此，可以容易地判别光强度峰值P1、 P2以及光 强度峰值P3、 P4。于是，如图8所示，基于规定的比较电平可将得到 的光强度峰值P1、 P2以及光强度峰值P3、 P4二值化(步骤S02)。
在二值化之后，首先，基于从刻度板17A上的各PD16的一维分 布得到的光强度峰值P1、 P2而进行角度计算。在这种情况下，将与光 强度峰值P1的半值中心对应的PD16作为用于确定绝对角度的基准点， 将与光强度峰值P2的半值中心对应的PD16作为用于确定光强度峰值 Pl、 P2之间的相对角度的相对点。于是，根据分配在各PD16上的角 度信息，检测基准点以及相对点的角度(步骤S03)。
在此，在编码器1中，狭缝15A被形成为一直线状。为此，在没 有产生狭缝15A相对于刻度板17A的位置偏移的情况下，可以毫无疑 义地算出基准点与相对点之间的相对角度(以下称作"基准相对角度") 为180°。另一方面，如图9所示，在由于带有齿轮的狭缝板13A、 13B 的轴偏离以及旋转偏离而产生狭缝15A相对于刻度板17A的位置偏移 的情况下，如图10所示，例如，基准点的位置从实际的角度偏移a。。 因此，检测时算出的基准点与相对点之间的相对角度为180。+a。。在此， 在产生基准相对角度与检测时的相对角度之差a。的情况下，作为角度 偏移的修正量而算出该a。(步骤S04)。于是，通过在步骤S03中检测的基准点的角度加上(或减去)修正量a°，算出消除了角度偏移的影
响的实际角度(步骤S05)。
算出实际的角度之后，算出带有齿轮的狭缝板13A的周期数(步 骤S06)。在算出周期数时，首先，特定由刻度板17A、 17B的各一维 分布算出的实际角度所对应的PD16的属性。在此，在编码器l中，由 于带有齿轮的狭缝板13A、 13B的转速比为6:10，因此伴随着带有齿 轮的狭缝板13A的旋转而由刻度17A、 17B各自的一维分布计算出的 实际角度所对应的PD16的属性的组合在3个周期内徐徐变化。
图11为属性组合变化的示意图。如图11所示，在带有齿轮的狭 缝板13A的周期数为1的情况下，属性的组合为A-A、 A-B、 B-B、 B-C、 B-D、 C隱D、 C-E、 D-F、 D匿G、 E-G、 E陽H、 E-I、 F-I、 F-J、 G-A、 G画B、 H-B、 H-C、 H-D、 I陽D、 I陽E、 J-F、 J-G的总计23种方式的任意一种。 在带有齿轮的狭缝板13A的周期数为2的情况下，属性的组合为A-G、 A-H、 A腸I、 B-I、 B-J、 C-A、 C-B、 D-B、 D陽C、 D-D、 E-D、 E隱E、 F-F、 F-G、 G陽G、 G陽H、 G-I、 H-I、 H画J、 I陽A、 I画B、 J-B、 J-C、 J陽D的总计24 种方式的任意一种。在带有齿轮的狭缝板13A的周期数为3的情况下， 属性的组合为A-D、 A-E、 B-F、 B-G、 C-G、 C匿H、 C画I、 D-I、 D画J、 E-A、 E-B、 F-B、 F-C、 F画D、 G画D、 G-E、 H画F、 H-G、 I-G、 I-H、 I-I、 J-I、 J-J的总计23种方式的任意一种。这样，带有齿轮的狭缝板13A旋转3 次，则属性的组合转一圈。
此外，在带有齿轮的狭缝板13A、 13B反转的情况下，会产生空 转(backlash)。若考虑这样的空转，则例如在带有齿轮的狭缝板13B 相对于带有齿轮的狭缝板13A的相位在正方向上前进一栏(一个PD) 的情况下，如图12所示，在带有齿轮的狭缝板13A的周期数为1的情 况下，会重新出现A-J、 D-E、 G-J、 J-E这四种方式。而在带有齿轮的 狭缝板13A的周期数为2的情况下，会重新出现C-J、 F-E、 I-J这三种 方式。此外，在带有齿轮的狭缝板13A的周期数为3的情况下，会重 新出现B-E、 E-J、 H-E这三种方式。
另一方面，例如带有齿轮的狭缝板13B相对于带有齿轮的狭缝板 13A的相位在负方向上后退一栏(一个PD)的情况下，如图13所示， 在带有齿轮的狭缝板13A的周期数为1的情况下，会重新出现C-F、F-A、 I-F这三种方式。另外，在带有齿轮的狭缝板13A的周期数为2 的情况下，会重新出现B-A、 E-F、 H-A这三种方式。此外，在带有齿 轮的狭缝板13A的周期数为3的情况下，会重新出现A-F、 D-A、 G-F、 J-A这四种方式。
因此，通过特定由刻度板17A、 17B各自的一维分布算出的实际 角度所对应的PD16的属性的组合、并核对该组合在哪一个周期数内出 现，可以算出带有齿轮的狭缝板13A的周期数。以图8的情况为例， 由刻度板17A的一维分布算出的实际角度所对应的PD16的属性为E， 由刻度板17B的一维分布算出的实际角度所对应的PD16的属性为B， 因此属性的组合为E-B。因此，可以确定狭缝板13A的周期数为3。
算出周期数之后，算出基准点上的绝对角度(步骤S07)。若狭缝 板的周期数为l，则在步骤S05中求得的实际角度就是测定对象的绝对 角度。另外，若带有齿轮的狭缝板13A的周期数为2，则在步骤S05 中得到的实际角度加上360。就是测定对象的绝对角度。若带有齿轮的 狭缝板13A的周期数为3，则在步骤S05中得到的实际角度加上720° 就是测定对象的绝对角度。
另外，图14为将属性组合的变化表格化的示意图。如图14所示， 当带有齿轮的狭缝板13A、 13B旋转时，属性的组合按照箭头Z所示 的轨迹从A-A至J-J发生变化。此外，以麻点表示的部分为考虑了上 述空转的情况下出现的属性的组合。而如图所示，对于A-C、 B-H、 C-C、 D陽H、 E画C、 F-H、 G-C、 H陽H、 I画C、 J-H总计10种方式，是即使考虑 空转也原本就不出现的方式(NG方式)。因此，在步骤S06中，在PD16 的属性的组合为NG方式的情况下，可以检测出例如带有齿轮的圆板3 或带有齿轮的狭缝板13A、 13B的破损等机械故障的发生。
如上所述，在编码器1中，彼此联动而旋转的带有齿轮的狭缝板 13A、 13B的转速比为6:10，每隔36。的相位角，刻度板17A、 17B的 各PD16被赋予从A至J的属性。由此，在编码器1中，基于由刻度 板17A、 17B各自的一维分布算出的实际角度所对应的PD16的属性的 组合，可以在3个周期中确定带有齿轮的狭缝板13A的周期数，因此， 可以将角度检测范围扩大至1080°。此外，在编码器1中，不必如现有 技术那样在刻度上设置多个衍射图案不同的栅窗，因此无须复杂加工。此外，在编码器1中，在作为刻度而环状地排列的多个PD16中的 两处，检测通过一直线状的狭缝15A的被检测光。此时，由一直线状 的狭缝15A的形状，可以毫无异议地算出被检测光的光强度峰值Pl 所对应的基准点与光强度峰值P2所对应的相对点之间的基准相对角度 为180°。因此，在编码器1中，即使产生狭缝15A相对于刻度板17A 的位置偏移，也可以通过由角度检测时基准点与相对点之间的相对角 度、与基准相对角度的偏移量算出修正量a，从而能够高精度地检测出 测定对象的绝对角度。
此外，在光检测装置12侧，只进行向外部输出基于入射于各PD16 的被检测光的光强度的输出信号这一简单的处理，因此可以迅速进行 信号处理。此外，不需要帧存储器等，可实现光检测装置12的小型化 及低成本化。此外，在光检测装置12中，各PD16沿圆环状的各排列 线L1、 L2交错地配置。利用这样的PD16的配置，可以在保持刻度板 17小型化的同时，能够提高角度检测的分辨率。此外，各移位寄存器 19在排列线L1、 L2的内侧以与刻度板17同心地大致呈矩形状的方式 配置。这样，通过将各个移位寄存器19配置于排列线L1、 L2内侧的 空余空间内，可以进一步实现光检测装置12的小型化。
本发明并不局限于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，带 有齿轮的狭缝板13A、 13B的转速比为6:10，然而也可以对应于所需 的角度检测范围而适当变更为8:10或4:6等。此外，也可以适当改变 分配在各PD16上的属性的数量。
此外，在上述实施方式中，使带有齿轮的狭缝板13A、 13B分别 啮合于带有齿轮的圆板3的一侧与另一侧，然而也可以如图15所示的 编码器1A那样，使带有齿轮的狭缝板13A直接啮合于带有齿轮的狭 缝板13B。此外，也可以如图16所示的编码器1B那样，在带有齿轮 的狭缝板13A的内侧形成齿30，使带有齿轮的狭缝板13B啮合于此。 在这种情况下，在带有齿轮的狭缝板13A上形成一端与另一端分离的 狭缝31，且在光检测装置12上，以对应于带有齿轮的狭缝板13A、 13B 的长度的方式分别排列圆环状的PD16。由此，可以将光学系统汇集为 1个，进一步实现编码器1的小型化。
权利要求
1.一种编码器，其特征在于，具有形成有狭缝且彼此联动而旋转的第1旋转体及第2旋转体；向所述狭缝射出被检测光的光源装置；光检测装置，其具有沿圆环状的排列线而排列有多个光检测元件的第1刻度及第2刻度；基于通过所述狭缝而入射于所述第1刻度及所述第2刻度的所述光检测元件的所述被检测光的光强度而输出输出信号的输出部，所述第2旋转体相对于所述第1旋转体的转速比不同，所述光检测元件在每个规定的相位角被赋予属性。
2. 如权利要求1所述的编码器，其特征在于，通过所述狭缝的所述被检测光在彼此分离的至少两处与所述排列 线交叉。
3. 如权利要求1或2所述的编码器，其特征在于，所述光检测元件沿所述排列线交错地排列。
4. 一种编码器用光检测装置，其特征在于， 具有沿圆环状的排列线排列有多个光检测元件的第1刻度及第2刻度、以及基于入射于所述第1刻度及所述第2刻度的所述光检测元件的所 述被检测光的光强度而输出输出信号的输出部；所述光检测元件在每个规定的相位角被赋予属性。
5. 如权利要求4所述的编码器用光检测装置，其特征在于， 所述输出部具有从所述光检测元件依次输出所述输出信号的移位寄存器，所述移位寄存器配置在所述排列线的内侧。
6.如权利要求4或5所述的编码器用光检测装置，其特征在于， 所述光检测元件沿所述排列线交错地排列。
全文摘要
本发明涉及一种编码器，其特征在于，具有形成有狭缝且彼此联动而旋转的第1旋转体及第2旋转体；向所述狭缝射出被检测光的光源装置；光检测装置，其具有沿圆环状的排列线排列有多个光检测元件的第1刻度及第2刻度、以及基于通过所述狭缝而入射于所述第1刻度及所述第2刻度的所述光检测元件的所述被检测光的光强度而输出输出信号的输出部。所述第2旋转体相对于所述第1旋转体的转速比不同，所述光检测元件在每个规定的相位角被赋予属性。
文档编号G01D5/347GK101517374SQ20078003448
公开日2009年8月26日 申请日期2007年9月18日 优先权日2006年10月10日
发明者井上仁, 寺田由孝, 水野诚一郎 申请人:浜松光子学株式会社