JP4724282B2

JP4724282B2 - 回転角検出装置

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Publication number: JP4724282B2
Application number: JP2000280036A
Authority: JP
Inventors: 健一片岡
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Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-10-12
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: US20050098715A1; JP2001183122A; US6642507B1; US6958468B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転部材の回転角を検出する回転角検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、円を描いて回転する光線の回転角を知るためには、特開平６−２３５６２２号公報や特開平６−３４７２８９号公報に開示されているように、一つの光線を受光する円環状、又は円形の受光センサによってその受光位置を検出していた。
【０００３】
また、ＵＳＰ４,７６０,４３６においては、２つの光線を独立した円弧状の受光センサで受光しており、回転角に応じて使い分けることにより、一周の連続した角度を検出していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の上記光回転角検出装置においては、光線の回転中心と受光センサの中心のずれの影響で、光線の回転角を正確に検出することができないという問題点があった。
【０００５】
本発明は、回転部材の回転角の正確な検出に有利な回転角検出装置を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の回転角検出装置は、発光手段と、前記発光手段の発した光線を２つの方向に反射させる反射部材を備えた回転部材と、前記反射部材により２つの方向に反射された光線の入射位置をそれぞれ検出する受光手段と、を有し、
前記反射部材から射出して前記受光手段に入射する２つの光線は、前記回転部材の回転に伴って回転し、前記受光手段によりそれぞれ検出された２つの入射位置を直線で結び、該直線と基準線との成す角度を求め、該角度を用いて前記回転部材の回転角を求める、ことを特徴としている。
【０００７】
請求項２の発明の回転角検出装置は、発光手段と、前記発光手段の発した光線を２つの方向に回折させる回折格子を備えた回転部材と、前記回折格子により２つの方向に回折された光線の入射位置をそれぞれ検出する受光手段と、を有し、
前記回折格子から射出して前記受光手段に入射する２つの光線は、前記回転部材の回転に伴って回転し、前記受光手段によりそれぞれ検出された２つの入射位置を直線で結び、該直線と基準線との成す角度を求め、該角度を用いて前記回転部材の回転角を求める、ことを特徴としている。
【０００８】
請求項３の発明の回転角検出装置は、発光手段と、前記発光手段の発した光線を２つの方向に屈折させる屈折部材を備えた回転部材と、前記屈折部材により２つの方向に屈折された光線の入射位置をそれぞれ検出する受光手段と、を有し、
前記屈折部材から射出して前記受光手段に入射する２つの光線は、前記回転部材の回転に伴って回転し、前記受光手段によりそれぞれ検出された２つの入射位置を直線で結び、該直線と基準線との成す角度を求め、該角度を用いて前記回転部材の回転角を求める、ことを特徴としている。
【０００９】
請求項４の発明は請求項１乃至３のいずれか一項の発明において、前記受光手段は、複数の受光素子を含む、ことを特徴としている。
【００５５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００５６】
図１は本発明の第１の実施形態を示す回転角検出装置（以下、単に「回転検出装置」ともいう）の（図２のＡ−Ａ'断面）構成図、図２は図１の受光センサを示す平面図である。
【００５７】
図１において、１及び２はそれぞれ同一中心を持つ円環状の受光手段である受光センサで、図２に示すように、円周上を複数の区画に分割された独立した受光素子１ａ,２ａのアレイ構造となっており、二重円環構造となっている。３は受光センサ１,２の面と平行になるように配置された回転部材である回転体、４,５は発光手段であるＬＥＤ等の発光素子、６は受光素子１,２の信号に応じて合成、又は演算処理を行う偏心補正手段である。ＰＬは基準線である。４ａ，５ａは受光センサ１，２上の光入射位置である。
【００５８】
本実施形態では受光手段１，２上の２つの光入射位置４ａと５ａとを結ぶ直線Ｌ４５と任意の基準線ＰＬとのなす角θを演算手段で求め、演算出力した値より回転部材３の回転情報を求めている。
【００５９】
発光素子４,５は、回転体３の回転と共に回転し、同心円上を移動する２つの光線を形成している。そして、それぞれ受光センサ１,２の入射位置４ａ，５ａに光束を集光するように構成され、二重の円周上(円弧上)をたどる軌跡を描く。そして、発光素子４,５の発する光を受光センサ１,２で受光することにより、回転体３の回転位置を検出する。このように、２つの発光素子４,５の発する光を二重円環構造の受光センサ１,２で受光することにより、一つの発光素子の光を一つの円環状の受光センサで受光する場合に比べて、回転体３の回転中心(円弧中心)と受光センサ１,２の中心の偏心の影響を最小限に抑えて検出することできる。発光手段４、５はそれから放射される光線が移動する円又は円弧中心に受光センサ１、２の中心と一致するように配置されている。
【００６０】
これに加えて、偏心補正手段６は、この回転体３の回転中心と受光センサ１,２の中心の偏心の補正を行う。
【００６１】
図３は偏心した光の軌跡を示す図で、７は偏心量Ｄを持つ軌跡を示している。図４は偏心量Ｄによる位置検出誤差を示す図で、回転体３の回転角が０から２πまで回転した時に、±Ｄの位置エラーが発生する。位置エラーＤは角度πを挟んで最大(＋Ｄ)と最小(−Ｄ)になっており、回転角がπの位置を中心とした略点対称の波形になっている。
【００６２】
偏心補正手段６は、この誤差特性を使って偏心量の補正を行うように構成されている。つまり、発光素子４,５を、図１に示すように、回転中心Ｂ−Ｂ'を挟んで対向する位置に設け、検出角がπずれるようにし、受光センサ１で検出される位置エラーと受光センサ２で検出される位置エラーが略同じ大きさで符号が逆になるようにして、単純な加算によって位置エラーを打ち消し合うように構成されている。
【００６３】
上記位置エラーは角度ではないので、実際に偏心補正演算をする時に多少の変換を行わなければならない。受光センサ１と受光センサ２の分割数を同じとすると、直径が異なるので、それぞれの円周上での位置エラーの変化は角度に変換すると異なる値となる。受光素子１,２の直径をそれぞれＲ1、Ｒ2とすると、位置エラーに相当する角度エラーの比は、およそＤ／Ｒ1：Ｄ／Ｒ2となり、受光素子１,２の直径が小さい程角度エラーが大きくなることが分かる。したがって、上述したように単純な加算をしたのでは角度エラーを打ち消すことができない。
【００６４】
そこで、例えば、受光センサ２の角度エラーＤ／Ｒ2に、Ｒ2／Ｒ1を乗じることにより角度エラー量を補正して揃え、この値を加算すれば良い。また、受光センサ１,２の検出角度を加算するということは、一回転に発生するパルスの数が増えるということであり、受光素子２の出力にＲ2／Ｒ1を乗じているため、一回転のパルス数が受光素子一つあたりのパルス数の（Ｒ1＋Ｒ2）／Ｒ1倍の値となる。
【００６５】
ここでは、受光センサ１,２のパルス数を同じにしたが、受光センサ２のパルス数を予め（Ｒ２／Ｒ１）倍のパルス数にしておくならば、偏心補正演算は単純に加算するのみで良いことになる。例えば、受光センサ１の直径Ｒ1を４mm、受光センサ２の直径Ｒ2を２mmとし、受光センサ１のパルス数を1024パルス、受光センサ２のパルス数を512パルスとすれば、一回転あたり1536パルスが得られる。
【００６６】
また、受光センサ１と受光センサ２のパルス数を加算した後、２で割って平均値を出力しても良い。上記数値例では（1024＋512）／２＝768（パルス）となる。これにより、一度に２パルス分角度検出値が進むことがなくなる。
【００６７】
また、本実施形態では、受光センサ１,２を円環状に構成したが、円環の一部分を使用したり、発光素子４,５からの光線を斜入射にして受光センサ１,２を楕円形状にしても同様の効果を期待できる。また、ここでは受光センサ１，２で検出された２つの光線の入射位置に対応する角度情報を求め、これに受光センサ１，２の半径を用いて補正した後に加算して光回転角を求めたが、受光センサ１，２それぞれで検出された光線の入射位置を受光センサ１，２の半径と光線の入射位置に対応した角度情報を用いて光線の入射位置をそれぞれ極座標で表し、２つの極座標で表された光線入射位置間を直線でむすび、この直線と基準線ＰＬとの成す角度を演算により求めても良い。
【００６８】
次に、第２の実施形態について図５を参照して説明する。
【００６９】
図５において、８及び９は集光手段であるレンズ、１０は中心線Ｂ−Ｂ'を中心として回転する回転体、１は受光センサである。回転体１０の中心線Ｂ−Ｂ'を挟んで対称な位置に光透過窓（絞り）８ａ，９ａが設けられ、この光透過窓に有効径の異なるレンズ８,９が取り付けられている。レンズ８,９は図示しない光源から回転体１０上に裏面側から均等に照射される光、例えば自然光を受光センサ１上(受光素子上)に光点となるように集光するように光路上に配置されており、レンズ８によって受光センサ１に集光される光のパワーは、レンズ９による光のパワーにより判別可能な程度に大きくされている。即ち本実施形態では光の情報（強弱、色、偏光等）を変えて判別可能としている。１１は信号選別手段であり、受光センサ１で検出される光の強度（パワー）の違いによって角度信号を選別し、２つの角度情報から回転体１０の回転角度を検出する。これにより、偏心の影響を最小限にして検出することができる。これに加えて、信号選別手段１１の出力を偏心補正手段６で偏心補正を行うように構成されている。
【００７０】
本実施形態は、一つの受光センサ１であるため、単純な加算のみで偏心を補正することができる。例えば、受光センサ１の直径を３mmとして、パルス数を1024パルスとすれば、偏心補正演算後には、2048パルスになり、２で割った場合は1024パルスとなる。また、ここでは受光センサ１の分割数をパルス数と同じとしたが、抵抗分割法等により隣り合うパルス間を分割して、実際の受光センサ１の分割数より多く分割しパルス数を増加させた場合でも、この方法が有効であることは言うまでもない。
【００７１】
また、この第２の実施形態では、光のパワーの違いによって２つの光線の照射位置を独立して検出したが、偏光角の違いによって検出強度が異なるように、受光センサ１の個々の分割領域に偏光フィルタを設け、レンズ８,９の表面にもそれぞれの角度を変えて偏光フィルタを設けた構成にしても良い。
【００７２】
例えば、受光センサ１にはセンサ中心に対して放射状に偏光方向を設定し、レンズ８には回転中心に対して放射状に偏光方向を設定し、レンズ９にはレンズ８の偏光方向に対して一定の偏光方向をなすように偏光方向を設定すれば、異なる偏光角の光を受光センサ１に設けられた偏光フィルタによって異なる光パワーに変換できるので、上述の方法で光を独立に検出することができる。
【００７３】
また、この第２の実施形態では、レンズ８,９を用いて異なるパワーの光を受光センサ１に集光したが、レンズ８,９の代わりに、異なるパワーの発光手段を用いても同様の効果が得られる。また、受光センサ１には、光の波長によって異なる感度を持つものがあり、これを用いれば、２つの光源の波長を変えることで２つの光線位置を検出することができる。
【００７４】
また、図６に示すように、２つの光源である発光素子４,５を交互に点滅させることにより、それぞれの位置を独立して検出する構成にすることもできる。同図において、１９は光線選択手段、２０は光源切替え手段である。光源切替え手段２０のタイミングに対応して受光センサ１の検出角度を独立に検出することで、２つの光線位置を検出している。
【００７５】
このように、少なくとも２つの光線の波長、パワー、偏向角、発光タイミング等、光の特性の違いによって信号選別手段１１で選別することにより、偏心の影響を最小限にして、独立して光線の回転角を検出することができる。
【００７６】
次に、第３の実施例について図７及び図８を参照して説明する。
【００７７】
図７において、１２は円環状の回転体であり、その面上の一方向に入射方向を変化させる回折格子を有する回折格子（光偏向手段）部が設けられている。１４は発光手段である発光素子、１５は角度領域選択手段である。回転体１２の平面図である図８に示した円形１３は、発光素子１４の出力光が通過する部分を示している。発光素子１４は可干渉性の高い光を発光する手段であり、回転体１２を透過すると回転体１２上の回折格子の回折方向と回転角に応じて回折方向が回転するため、その光の回転角を受光センサ１で検出することで、回転体１２の回転角を検出することができる。受光センサ１は円環状の検出領域を有している。１Ｐは受光センサ１の中心である。
【００７８】
ここで、回折光は対称な位置に発生するため、受光センサ１の２つの位置１ｂ，１ｃに同じパワーの光が入射する。したがって、第２の実施形態で用いた信号選別手段１１では分離できないため、受光センサ１を３つ以上のグループに分割し、光線がどのグループに属するかによって信号を角度領域選択手段１５で選択して２つの光線の位置を検出している。
【００７９】
次に、第４の実施形態について図９を参照して説明する。
【００８０】
同図において、１７はモータ、１８はモータ１７のシャフトで、端面に光変向手段である反射部（反射部材）１６が形成されている。反射部１６は、断面形状が鋸刃状で、細かな傾斜面を平行に複数有している。
【００８１】
反射部１６は、図１０に示すように、その一つの凸部は左右対称な山形であり、この場合、入射光は山形のそれぞれの面に同じ反射角で反射されて２方向に別れ、それらは同じ光量を持っている。この左右対称な山形の反射部１６の側面形状を図１１（１）に示している。また、同図（２）は、入射光の２方向の反射角と光量が異なる場合の反射部１６の形状、同図（３）は、２方向の光線の反射角が同じで光量が異なり、一つの反射光は入射光の方向と同一の場合の反射部１６の形状である。同図（３）の反射部１６を用いれば、第２の実施形態の光量による光の分離が可能であり、同図（２）を用い、第１の実施形態の２重の円環状の受光センサ１を用いれば光線の分離が可能である。同図（１）の場合は、第３の実施形態のように、角度領域で分離するか、検出角度領域を半周のみとすれば、光線の分離が可能となる。
【００８２】
このように、図９に示したように、発光素子１４の照射する光が、回転軸１８の端面に直接加工した反射部１６で回転軸１８の回転に応じた方向に反射され、受光センサ１に２つの光線が照射される。これにより、第１、第２、第３の実施形態で説明した方法により回転角を検出できる。
【００８３】
尚、この第４の実施形態では、反射部１６を回転軸１８の端面に直接加工したが、樹脂や金属で形成された反射部１６を貼り付けた構成であっても良い。
【００８４】
図１２は、円環状の受光センサ１と、発光素子１４を同一平面状に構成した例である。この場合、発光素子１４からの光は、図示しない反射部で反射して受光センサ１で受光される。
【００８５】
この受光センサ１と発光素子１４をＧａＡＳ等の同一の半導体プロセスで製作すれば、発光素子１４と受光センサ１の位置関係を高精度に製作することができる。例えば、ＬＥＤの受光センサ１としての特性を利用すれば、発光素子１４と受光センサ１を同じプロセスで製作することが可能である。
【００８６】
また、ＧａＡＳを用いれば、周辺回路も高速になるメリットがある。また、フォトダイオード等を用いた周辺回路を受光センサ１の円環内に構成し、発光素子１４であるＬＥＤチップを受光センサ１の中心に配置して発光量を制御する等の構成でも良い。
【００８７】
また、本実施形態では、金属などの単純な反射面の原理を用いて２つの光線を得たが、透明な樹脂等を用いて全反射を利用しても良い。
【００８８】
図１３は、全反射面を有する光学部材２４を使用した例である。光線Ｈ1は全反射面ａ、ｂで反射して戻され、光線Ｈ2は全反射面ｄ、ｃで反射して戻される。全反射面ａ、ｂ間、及び全反射面ｃ、ｄ間は、それぞれ９０度より大きい角度をなしており、平行光が入射すると若干の角度を持って反射される。
【００８９】
以上、２つの光線を作るための光変向手段として反射による方法を説明したが、屈折（屈折部材）によっても同様の効果が得られる。図１４及び図１５にその構成を示している。
【００９０】
この実施形態では、樹脂やガラスで作られた複数の屈折面を持つ光学部材２５を用いることにより２つの光線を得ている。図１４において、左右対称の山形の屈折部を有する光学部材２５に光線が入射し、射出側の面（裏面）から２つの方向に別れた光線が得られている。
【００９１】
この光学部材２５の山形の屈折面の形状によって別れる光線を変化させることができる。図１５（１）は図１４の例を示しており、入射する光線の屈折角が左右同じで、同じパワーを持っている。同図（２）は屈折角が左右で異なり、パワーも異なっている。同図（３）は光線が３つに別れており、入射する光線の屈折角が左右同じでパワーが異なっている。このような光線を用いれば、反射面の説明のように回転角を求めることが可能になる。
【００９２】
図１６は、反射面として三角錐状の凹面を回転平面と平行に連続して複数配置した光変向手段の実施形態を示している。同図（ａ）は反射面２６を上から見た平面図で、同図（ｂ）は一つの三角錐状の凹面２６ａを示す斜視図であり、その断面形状は３角形になっている。このような複雑な反射面２６と複数の光線を用いても、反射面２６が回転すれば光線も回転するため、同様にして検出可能である。ここで凹部２６ａを３つの方向（２６−１，２６−２，２６−３）に隣接して設けている。
【００９３】
この場合、反射面２６への入射光線は３方向又は６方向に別れるが、これらの位置を全て独立して検出して偏心補正することもできる。また、このような形状の反射面２６は入射光の方向が傾いても、反射光の傾きは入射光に対して所望の反射角が得られるので、光線の傾斜に対して対応が取れるという良い特性を示す。
【００９４】
また、この実施形態では、反射面２６を構成する微細な凹部や凸部の間隔については特に触れなかったが、等間隔でもそうでなくても良い。等間隔の場合は回折の影響を受けるが、間隔が光の波長より十分大きければ影響が少ない。
【００９５】
反射面２６の光線の当たる部分での光線のビーム径は、凹部や凸部の間隔に対して大きい方が、端部の加工精度、埃、傷等の影響が緩和されるので望ましい。受光センサ１に照射される光線のビーム径は、独立した隣り合う受光センサ１の周方向の間隔と同程度かそれ以下が望ましいが、それ以上であっても隣り合う受光センサ１間で演算する等すれば光線の中心を検出することができる。
【００９６】
尚、この実施形態では、三角錐状の凹面２６ａを反射面としたが、屈折面にすることによっても同様の効果が得られる。
【００９７】
次に、第５の実施形態について図１７を参照して説明する。
【００９８】
この第５の実施形態は回転体に回折格子部を設けた例である。図１７において、２１は４つに分割された公知のＰＳＤ（Ｐosition Ｓensing Ｄevise）で、中心を原点Ｏとして４象限〔１〕,〔２〕,〔３〕,〔４〕に分かれている。それぞれの象限では独立に光線入射位置を検出するように構成されており、それぞれの領域内のＸ座標とＹ座標を独立して検出するようになっている。２２は回折格子部が設けられた回転体で、光源１４からの光線の波長に応じた角度で複数の方向に光線が回折する。
【００９９】
０次光は直進し、±１次光は所定の角度で回折格子の方向に応じて、０次光と所定の角度をなす方向に偏向される。さらに、高次の光を用いても良いが、ここでは、±１次光を使って光の位置を検出する。ここで、０次光は±１次光の検出の妨げになるため、ＰＳＤ２１の原点付近には０次光カットのためのマスク領域２１ａ（斜線部）を形成している。
【０１００】
２３は、ＰＳＤ２１からの２つの光の位置情報から２点間の角度を演算して出力する演算手段で、ＰＳＤ２１の原点と回転体２２からの±１次光の回転中心とのずれによる影響を受けずに光の回転角を検出している。
【０１０１】
この構成において、ＰＳＤ２１は、光線の入射の有無も同時に検出しており、回転体２２から回転しながら入射する２つの光線の入射している部分の情報を用いて２つの光線の位置を検出する。また、光線が象限の境界をまたぐ場合には、２つの象限に入射する光量を用いて補正を行っている。
【０１０２】
また、０次光をカットするための方法は、上記以外にもいくつかあり、例えば、回折格子に位相格子を形成したり、ＰＳＤ２１にマスク領域２１ａを設ける代わりに０次光の光路に遮断物を構成したり、ＰＳＤ２１の原点部に穴を開けたりする、等の方法を用いることもできる。
【０１０３】
次に、第６の実施形態について図１８を参照して説明する。
【０１０４】
この第６の実施形態は、受光センサとして２次元のイメージセンサを用いた例である。図１８において、１４は光源、２２は回折格子部が設けられた回転体、２７はイメージセンサ、２３は演算手段である。光源１４からの光線は回転体２２で２本の光線に分割され、イメージセンサ２７へ入射する。イメージセンサ２７に入力された画像情報は演算手段２３へ送られる。演算手段２３においては、入力された画像から２つの光線のパワー中心がそれぞれ求められ、この２つの光線間を結ぶ直線と、仮想的に設けられた基準線Lとの成す角θが演算され、回転角度が出力される。
【０１０５】
尚、演算手段２３としてＤＳＰ等を用いてソフト的に演算する方式、あるいは演算手段２３としてディジタル回路を用いてハード的に演算する方式の何れを採用しても良いことは言うまでもない。
【０１０６】
［実施例７］
図１９は第７の実施形態を示すブロック図である。図１９において２８は水晶振動子、２９は水晶振動子２８を用いた発振器である。ここで水晶振動子２８と発振器２９はパルス発生手段を構成している。３０は発振器２９の出力信号をカウントするカウンタ（アドレス発生手段を構成）で後述するCPU３５からの信号でカウント値がリセットされ、アドレス生成手段の機能を有している。３１は受光センサ１からの複数の受光素子の出力からカウンタ３０の出力値に基づいて選択する選択手段である。３２は選択手段３１の出力信号のノイズを除去するフィルタ手段、３３はフィルタ手段３２の出力信号と所定値を比較する比較手段、３４は比較手段３３の出力信号のパルスエッジでカウンタ３０の出力信号を読み込むレジスタ、３５はレジスタ３４の出力を入力して受光センサ１のどの位置に光線が入射したのかを算出するCPUである。
【０１０７】
次に本実施形態の動作を説明する。カウンタ３０は発振器２９からの、例えば１０MHｚのパルス信号をカウントし、CPU３５からリセット信号を受けると０からカウントを開始する。選択手段３１は受光センサ１の０番に対応する受光素子から時計方向に順番に選択し、それぞれの受光素子からの光線入力に対応した電流信号を電圧に変換して出力する。
【０１０８】
ここで、受光素子の数が例えば１０２４個とすればカウンタ３０が１０ビットのカウンタであれば全ての受光素子を選択できる。選択手段３１の出力はフィルタ手段３２で高周波のノイズ成分が除去され、比較手段３３で所定の値と比較される。この所定の値よりフィルタ手段３２の出力ＳＰが大きいと受光素子に入力された光量が多いと判断してハイレベルの信号を出力し逆にフィルタ手段３２の出力が小さいと受光素子に入力された光量が少ないと判断してローレベルの信号を出力する。レジスタ３４は比較手段３３の出力信号ＣＰの変化するエッジを検出するとカウンタ３０の出力するカウント値ＰＳをレジスタに記憶してCPU３５に出力している。
【０１０９】
CPU３５はレジスタ３４の出力ＰＳから光線入射位置（即ちこれに対応する角度情報）を割り出している。光線入射位置（角度情報）の割り出し方法をもう少し詳しく説明する。以下は受光センサ１に入射する光線の入射本数が２本で円周のほぼ対向する位置に入射するように構成された場合の説明である。図２５、図２６は演算の動作を説明するフローチャートである。図２７は図１９のブロック図の各部の信号を示している。まず図２７の信号について説明する。SPはフィルタ手段３２の出力で、受光センサ１の各受光素子の出力が時計方向に順番に出力された信号に対し、その高周波成分のノイズをフィルタ手段３２で除去した信号である。
【０１１０】
入射光線が２本で受光センサ１の円周のほぼ対向する位置に入射されているため、図２７に示すように光線入射位置に対応するタイミングで２つの山形波形が現れている。CPは信号SPを比較手段３３によって所定の比較値と比較した結果である。これにより、a,b,c,dのパルスエッジを持つパルス信号が生成される。PSは走査中の受光センサ１の受光素子の位置がCP信号のパルスエッジのタイミングでどの位置にあるかをレジスタ３４で検出した結果を表している。
【０１１１】
入射される光線のスポット径は受光センサ１の直径に対して十分小さいのでCP信号のパルス幅は細くなっており、この細いパルスのパルス幅の中心位置のタイミングが光線入射位置のタイミングに相当する。次に図２５、図２６のフローチャートを用いて光線回転角の演算法について説明する。まず光線の光量が２本ともほぼ同じとして説明する。
【０１１２】
入射光線数が２本でほぼ受光センサ１の円周の対向する位置に入射するから、１本の入射光線が１回転する間にほぼ同じ入射光状態が２回ある。そのため、光線が１周する際に最初の半周か後の半周かを判断できないので、その状態を管理しなければならない。つまり、光線回転角検出部では、基本的には０°から１８０°まで検出し、それ以上は桁上がり処理によって行なわなければならない。また、電源の供給を絶つと管理された状態量が消去されてしまうので、消去されないためにはフラッシュROMやバッテリー付きの記憶素子等で記憶内容のバックアップしておき、電源が供給された時に再度入力する必要がある。更に、光線の多回転検出を行なう場合には何周目なのかも含めて管理しなければならない。
【０１１３】
図２５のフローチャートにおいてPCはこれを管理するための変数で、光線数が２本の場合は変数PCは０か１の２通りとなり、多回転を表す場合には更に回転数倍通りの数が必要となる。以下は２回転を表す場合を説明する。２回転の場合変数PCは０から３の４通りの値となる。
【０１１４】
まず最初に変数PCは０に初期化される。変数PNは受光センサ１の受光素子を１周走査する際のCP信号のエッジの数を管理する変数である。変数PNは光線回転角を検出するごとに０に初期化され、CP信号のエッジ数をカウントする。CP信号が変化すると変数PNに１が加算されると共に、PSD(PN)と言う配列変数にその際のエッジ位置に対応する受光素子位置（これは角度に対応）が入力される。これを変数PNが４になるまで４回繰り返す。するとPSD(PN)にはPN＝０、１、２、３の順にCP信号のパルスエッジに対応する受光センサ１の受光素子位置が入力される。次にPSD(０)とPSD(１)の間隔が３０より広いのか狭いのかを判断し、狭いならPSD(０)とPSD(１)の間に光線中心があると判断してPSD(０)とPSD(１)から１本目の光線入射位置に対応する角度情報（素子の円周上配列の配列中心を通る基準線を考えた際の該基準線からの光線入射位置の回転角度に対応するパラメータ）P１を計算し、同様にPSD(２)とPSD(３)から２本目の光線入射位置に対応する角度情報P２を計算する。また広いなら、PSD(１)とPSD(２)の間に光線中心があると判断してPSD(１)とPSD(２)から位置P１を計算し、PSD(３)とPSD(０)から位置P２を計算する。ここで位置データは０から１０２３までの正の整数であり、例えばPSD(０)とPSD(１)に入力された位置が１０２３と０の間をまたぐ場合のPSD(０)とPSD(１)の間隔を求める場合、実際の間隔が３０以下でも当然３０を超えてしまう。そこで、位置が１０２３と０の間をまたぐ場合には必ず差が負の値となるように引き算の順番を決めておき結果が負の場合には１０２４を加算する。例えばPSD(０)とPSD(１)が１０２０と１０の場合、間隔は１４となる。
【０１１５】
また、角度情報P１及び角度情報P２はCPのパルスエッジの中心であり、２つのエッジ位置を足して２で割った値を光線回転角度としている。上記２つの加算する値が１０２３と０の間をまたぐ場合には２つの値の加算の後に補正演算が必要である。
【０１１６】
補正演算はこの加算した値に更に１０２４を加算してから２で割り、その結果を１０２４で割った余りを求めるものである。例えば１０と１０２０の加算を考えてみる。加算すると１０３０となり、これを単に２で割ると５１５となり、１０２０と１０の間ではなくなってしまう。そこで１０２４を足してから２で割ると、１０２７となる。これから１０２４で割った余りを求めると３となり、求める光線入射位置は３となる。同様に５２５と５４６の場合であれば単に加算して２で割れば、５３５.５となり５２５と５４６の間が求められる。
【０１１７】
この様にして２つの光線入射位置を検出し、角度情報P１、角度情報P２を用いて光線回転角を計算する。図２６は光線回転角の計算を示したフローチャートである。まず角度情報P１、と角度情報P２を加算して角度情報P０を求める。ここで上述した角度情報P１、角度情報P２の説明では全て正の整数として計算したが、角度情報P１、P２、P０を１０ビットの符号付２進数として計算する。（尚、角度情報P１、P２は小数点以下を含む場合があるが、これを切捨て又は切り上げて用いるか、１１ビットに拡張して演算する場合が選択できる。本例では１０ビットに丸めて用いている。）すると０から１０２３の正の整数として計算していたものが、−５１２から+５１１の符号付整数として計算がなされる。この際、角度情報P１、P２の２進数表現の変更は無く、１０２３の２進数表現である(１１１１１１１１１１)を単に２の補数形式として−１と読み替えて計算するものである。すると位置P０は−５１２から+５１１の範囲の値となる。次に位置P０がオーバーフローしたかをチェックする。ここで、角度情報P０のオーバーフロー、アンダーフローとはP１＋P２の計算がオーバーフローしたことではなく、前回の角度情報P０の値と比較して今回の角度情報P０の値の符号が異なる場合をさしている。
【０１１８】
オーバーフローとは、前回の角度情報P０の符号が正で今回が負の場合、逆はアンダーフローである。つまり、角度情報P０の値が１回転するごとに、変数PCをアップダウンし、何回転したかを管理している。次に変数PCは今回は０から３であるので変数PCがオーバーフローして４になったら変数PCを０とし、変数PCがアンダーフローして−１となったら変数PCを３にしている。
【０１１９】
最後にこの様にして得られた変数PCと角度情報P０から光線回転角（P）を算出している。ここで、角度情報P０は符号付２進数から再度符号なし２進数と読み直し角度情報P０に変数PCを１０２４倍してから加算している。また、図２８、図２９は光線数が３本の場合の計算方法を示すフローチャートである。基本的には上記説明内容と同じであるが、変数PNが光線数が１本増えるので２増加し、光線入射位置が１本増えて角度情報P３となり、角度情報P０が角度情報P１、P２、P３を加算したものとなったところが異なっている。また、本例ではカウンタ３０の値をCPU３５がリセットしたが、１つの光線位置を検出した後に、次の光線位置を予測してその近傍の位置まで走査位置をスキップするようにカウンタ３０のカウント値をプリセットするように構成しても良い。また、本例では、受光センサ１の各受光素子を時計回りで順番に選択するようにしたが、一つ置きに選択して１周の後に選択されなかった部分を順番に一つ置きに選択するようなTVのインターレーススキャン方式のように交互に選択するようにしても良い。
【０１２０】
この様な方式では受光センサ１の全周を高速にスキャンできるので、高速に光線が回転している際には有効である。この様に光線の回転速度によってスキップ数を切り替えたりスキャン方法を切り替えるように構成しても良い。またここでは２周で受光センサ１の全受光素子を走査する例を示したが、３周以上で走査するようにしても良い。また、本実施例では２本の光線の光量又は光線のスポット径が同じ場合について説明したが、光量が異なる場合でも同様である。この場合の各部の信号は図３０に示すようにCP信号のパルス幅が２本の光線間で大きく異なるので、それぞれの光線位置が特定出来るため、１回転の光線回転角の絶対角度を計算できる。
【０１２１】
上記例では半回転ごとにPC変数を用いて桁上がり計算を行なっていたが、PC変数を用いなくとも計算できる。図３１に具体的計算フローチャートを示す。まず、上記方法にて位置P１と位置P２が求まったとして、その後の計算について説明する。位置P１及び位置P２はここでは０から１０２３の正の整数であり、受光センサ１のほぼ対向する位置であるから、角度情報P１、P２は、ほぼ５１２の差がある。まず角度情報P１と角度情報P２を比較して角度情報P２が大きい場合には角度情報P２から５１２を減算し、角度情報P２が小さいなら角度情報P２に５１２を加算する。
【０１２２】
次に角度情報P１と角度情報P２を加算して光線入射角度情報（P）を求める。この際光線入射角度情報（P）が２０４８以上なら光線入射角度情報（P）から２０４８を減算し、光線入射角度情報（P）が０より小さいなら光線入射角度情報（P）に２０４８を加算する。こうして、０から２０４７の光線入射角度情報（P）が求められる。このような方法を用いれば、不図示の回転体の回転角を０°から３６０°の範囲で常に検出でき、これを用いれば小型のアブソリュートエンコーダが実現できる。
【０１２３】
［実施例８］
図２０は第８の実施形態を示すブロック図である。図２０において図１９で示した要素と同一要素には同符合で付している。先の実施例７は受光センサ１の受光素子の出力を同時に一つ検出しているが、本実施例は受光素子の出力間の同時性を改良し、且つ受光センサ１の出力電圧値をCPU３５に読み込んで演算するようにしたものである。本実施例は代表として二つの受光素子出力を同時に検出する例を示したものであり、更に多くの受光素子の出力を同時に検出しても良い。
【０１２４】
図２０において３６は発振器２９の出力信号をカウントするカウンタでCPU３５からの信号でカウント値がプリセットされる。ここでＣＰＵ３５は光線の入射位置近傍から受光素子に対応するアドレスを発生するアドレス生成手段の機能を有している。３７は受光センサ１からの複数の受光素子の出力からカウンタ３６の出力値に基づいて選択する選択手段である。３８は選択手段３７の出力信号のノイズを除去するフィルタ手段、３９、４０はそれぞれカウンタ（アドレス生成手段）３０及び３６のカウント値の変化するタイミングから所定のディレイ時間後にフィルタ手段３２及び３８の出力信号をA/D変換するA/D変換手段である。次に本実施例の動作を説明する。
【０１２５】
受光センサ１には図７に示したような直線回折格子による回転部材１２を透過した２本の光線が入射される。その場合、受光センサ１の円周のほぼ対向する位置に光線は入射するから、この光線の位置を同時に検出するには２つ以上の受光素子を同時に検出しなければならない。図３２は、図２０のブロック図の各部の波形を示している。
【０１２６】
SP１、SP２はそれぞれ受光センサ１に入射された光線の光量を、受光センサ１上の受光素子を時計回転方向に切り替えて出力したもので、信号SP１が受光センサ１のカウント値０番に対応する受光素子近傍の受光素子信号で、信号SP１はカウント値５１２番に対応する受光素子近傍の受光素子信号である。図３２は最初にカウンタ３０に０、カウンタ３６に５１２をプリセットしてからそれぞれのカウント値を順番に切り替えていった場合の波形を示しており、T１の時間をかけて信号SP１と信号SP２の信号データをA/D変換してCPU３５に取り込んでいる。
【０１２７】
ここでは、信号SP１と信号SP２の山形波形の位置がずれているため、同時刻の信号P１、P２の位置が検出できない。そこで、次の光線入射位置の検出を行なうタイミングでカウンタ３０に４、カウンタ３６に５２５をプリセットすることで、信号SP１及び信号SP２それぞれの山形信号の立ち上がり近傍から信号を出力するとともに、ほぼ同時に信号SP１、SP２の山形信号を検出できる。その結果、検出に必要な時間がT２に短縮され、ほぼ同時刻の信号P１、P２の位置（角度情報）を検出できる。
【０１２８】
また、ここでは受光センサ１のほぼ対向する位置を同時に検出する様に構成したが、光線本数が３本ならほぼ１２０°置きに３箇所を同時に検出する様にすればよい。また具体的な光線入射位置の求め方であるが、上述したように所定の閾値より受光量が多い範囲を求め、その中心を光線位置とする方法や、その閾値をいくつか設けて得られた光線位置の平均をとる方法、山形波形の頂点とする方法、山形波形の重心を求める方法等がある。
【０１２９】
また、光線の径は受光素子１つより大きい場合もあるので、単順にA/D変換した内容から光線位置は割り出すことが出来ない。そこで、順次入力されるA/D変換結果の隣り合う２つの受光センサの受光量を順次比較し、その大小関係が逆転するところを光線入射位置としたり、受光素子間の光量を前後の光量から台形補間等の補間技術で決定し、光量の重心や、光量のピーク位置を精密に求めてもよい。
【０１３０】
［実施例９］
図２１は第９の実施形態を示すブロック図である。同図において図１９に示した要素と同一要素には同符合を付している。図２１において４１はリング状に受光素子が設けられた公知のCCDである。CCD４１は発振器２９の出力信号に同期してリング状の受光素子の出力が時計回転方向に順番に出力されるように構成され、出力手段の機能を有している。
【０１３１】
所定の受光素子に対応する信号が出力される際に同期信号を出力している。この同期信号はカウンタ３０に入力され、カウント値がリセットされるように構成されている。４２はA/D変換手段３９の出力値をカウンタ３０のカウント値に対応するアドレスに記憶する記憶手段である。複数本の光線がCCD４１に入射されリング状の受光素子の上を回転しているとする。
【０１３２】
CCD４１は発振器２９からのパルス信号に同期して受光素子の受光量に相当する信号を、リングに沿って順番に受光素子を切り替えて出力している。CCD４１はそれぞれの受光素子から出力された電荷をコンデンサに同時に充電し、所定のタイミングごとにこれを順番に取り出す構造のため、出力される信号は全て同じ時刻のデータとなる。CCD４１はデータ出力開始時にカウンタ３０をリセットし、発振器２９からのパルス信号に同期して各受光素子の受光量に対応する信号を順次出力を開始する。
【０１３３】
この信号はフィルタ手段３２で高周波成分のノイズが除去され、A/D変換器３９でA/D変換された後に記憶手段４２に記憶される。その際カウンタ３０のカウント値に対応するアドレスに記憶され、CPU３５からアドレスに対応する受光量として読み込まれる。CPU３５は複数の光線入射位置を記憶手段４２から読み込んだデータを元に算出し、光線回転角を求めている。ここで、実施例７で説明したように光線の特定をするには、光線間の光量を変え、受光量のピークの違いや、所定受光量より多い領域の大きさで判断すればよい。
【０１３４】
また光線を特定する他の方式としては、CCD４１をカラー対応の素子とし、光線の色を変えれば色によって光線を特定できる他、偏光フィルタを用いて偏光角の違いで光線を特定する方法等もある。尚、複数の光線のうち特定する必要があるのは１本だけである。
【０１３５】
１本の光線を特定できればその他の光線位置はほぼあらかじめ決められた位置にあるのでそれぞれの光線位置が特定でき、これらの位置情報から絶対的な光線回転角を検出できる。これにより、停止時に電源を切断する省電力回路を設けた場合でも、電源切断前の光線回転角を記憶しておく必要がないため、コストダウン及び回路の省スペースがはかれる。逆に、光線の特定が出来ない構成の場合には、フラッシュメモリーや、バッテリーにバックアップされたSRAM等の不揮発性記憶手段に電源切断直前の光線回転角を記憶しておけば、絶対的な光線回転角を擬似的に出力することが出来る。
【０１３６】
［実施例１０］
図２２は第１０の実施形態を示すブロック図である。同図において図１９で示した要素には同符合を付している。本実施例は、選択手段を階層的に設けた例を示している。受光センサ１の全部の受光素子を一つの選択手段で選択するには配線が集中し且つ長くなるため、IC等にする場合配線が困難である。そこで受光センサ１の受光素子をいくつかの区画に分割し、この区画ごとに選択手段で選択し、更に選択結果から一つを選択するトーナメント形式にすることで、配線領域を削減するようにしたものである。
【０１３７】
図２２において４３、４４、４５、４６はカウンタ３０のカウント値に応じて入力される受光センサ１の各受光素子出力を選択する選択手段である。４７は選択手段４３〜４６の出力からカウンタ３０の出力に応じて一つを選択する選択手段である。この様に受光素子の近くに選択手段を設けるようにすれば、リング状の受光センサ１の受光素子に囲まれた円の中に選択手段等の回路を構成すれば有効にICチップ面を活用できる。
【０１３８】
［実施例１１］
図２３は第１１の実施形態を示すブロック図である。図２３において４８は円環状に構成された受光センサの一部を示している。受光センサ４８は同心円で分割された二つの区画に分割されており、４８-１の外側受光センサをオフセットレベル検出用に用い、４８-２の内側受光センサを光線位置検出用に用いている。
【０１３９】
センサー４８−１，４８−２はオフセットレベル検出手段の一要素を構成している。
【０１４０】
ここで、オフセットレベルとは、検出する光線以外の光の量をさしており、これを後述する差動増幅器５０で差し引くことで光線入射位置信号のS/N比を向上させる目的で用いている。またこれは、受光センサ４８の出力が小さい場合には受光センサ４８周辺の電気的ノイズの除去にも効果がある。つまり、外側受光センサ４８-１と内側受光素子４８-２に同じようにノイズがのるとすれば、後述する差動増幅器５０で差をとることでノイズをキャンセルできる。次に４９は増幅器で、受光センサ４８-１と受光センサ４８-２のノイズ信号に対する出力感度特性の違いを補正している。
【０１４１】
５０は差動増幅器で光線位置検出用の受光センサ４８-２の出力からオフセットレベル検出用の受光センサ４８-１の出力を感度補正した増幅器４９の出力を差し引いている。図２４は第１１の実施形態の第２の例を示すブロック図である。５１は受光センサで、受光センサ４８が同心円で二つの区画(同心円区画)に分割されていたのに対し、受光センサ５１は三つの区画に分割されている。
【０１４２】
５１-１の外側受光センサと５１-３の内周側受光センサはオフセットレベル検出用に用い、同心円区画の最低一つである５１-２の受光センサ（光線入射位置検出手段）（５１-１と５１-３ではさまれた区画の受光センサ）は光線位置検出用に用いている。ここでオフセットレベル検出用の受光センサ５１−１，５１−３の受光面のトータル面積と光線入射位置検出用の受光センサ５１−２の受光面のトータル面積はほぼ同じ面積になっており、受光センサ全面に均一光が入射した場合、オフセットレベル検出用の受光センサ５１−１，５１−３の総出力と光線入射位置検出用の受光センサ５１−２の総出力が同じになり、感度補正用の増幅器の必要をなくすことが出来る。
【０１４３】
次に５２は受光センサ５１-１と受光センサ５１-３の出力を加算する加算器で、差動増幅器５０で入射光線位置検出用の受光センサ５１-２の出力から加算器５２の出力を差し引いている。図３３は第１１の実施形態の第３の例を示すブロック図である。５３は受光センサで、受光センサ５３の中の隣り合う５３-１、５３-２の受光素子の出力信号が差動増幅器５０に接続されている。こうすることで、上記したように、S/N比が改善されると共に、２つの受光素子５３-１、と５３-２のどちらの受光素子の出力が大きいかを検出できる。
【０１４４】
尚、図２３，図２４，図３３のブロック図には同一角度区画にある一つの受光素子区画の回路しか示さなかったが、全ての受光素子あるいは受光素子間にこの回路は設けられており、他の角度区画の回路は同じ構成なので図示及び説明を省略した。
【０１４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回転部材の回転角の正確な検出に有利な回転角検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す光回転角検出装置を含む回転検出装置の概略構成（図２のＡ−Ａ'断面）図。
【図２】図１の回転検出装置の円環状の受光素子を示す平面図。
【図３】受光手段における光軸のズレを示す説明図。
【図４】受光手段と光軸の偏心量と回転位置との関係を示す特性線図。
【図５】第２の実施形態を示す回転検出装置の断面構成図。
【図６】第２の実施形態の他の実施例を示す回転検出装置の断面構成図。
【図７】第３の実施形態の回転検出装置を示す断面構成図。
【図８】図７の回転部材を示す平面図。
【図９】第４の実施形態を示す回転検出装置の概略斜視図。
【図１０】反射部の構成を示す斜視図。
【図１１】反射部の３つの例を示す側面図。
【図１２】受光手段と発光手段を同一平面に配置した例を示す平面図である。
【図１３】全反射を利用する光学部材を示す断面図である。
【図１４】屈折部の構成を示す斜視図。
【図１５】屈折部の３つの例を示す側面図。
【図１６】複数の三角錐形状の凹部から成る反射面を示す平面図（ａ）と一つの三角錐形状の凹部を示す斜視図（ｂ）。
【図１７】第５の実施形態を示す回転検出装置の概略構成図。
【図１８】第６の実施形態を示す回転検出装置の概略構成図。
【図１９】第７の実施形態を示す回転検出装置のブロック図。
【図２０】第８の実施形態を示す回転検出装置のブロック図。
【図２１】第９の実施形態を示す回転検出装置のブロック図。
【図２２】第１０の実施形態を示す回転検出装置のブロック図。
【図２３】第１１の実施形態を示す受光素子周辺回路例１。
【図２４】第１１の実施形態を示す受光素子周辺回路例２。
【図２５】第７の実施形態の動作を説明するフローチャート１。
【図２６】第７の実施形態の動作を説明するフローチャート２。
【図２７】第７の実施形態の各部の信号波形をしめすタイミングチャート１。
【図２８】第７の実施形態の動作を説明するフローチャート３。
【図２９】第７の実施形態の動作を説明するフローチャート４。
【図３０】第７の実施形態の各部の信号波形をしめすタイミングチャート２。
【図３１】第７の実施形態の動作を説明するフローチャート５。
【図３２】第８の実施形態の各部の信号波形をしめすタイミングチャート。
【図３３】第１１の実施形態を示す受光素子周辺回路例３。
【符号の説明】
１，２，４８，５１，５３受光手段
回転部材（回転体）
４，５，１４発光手段
６偏心補正手段
８，９集光手段
１１信号選別手段
１５角度領域選択手段
１６反射部
２０光源切り替え手段
２１ PSD
２４全反射部材
２５屈折部
２６反射面
２７イメージセンサ
２８水晶振動子
２９水晶発振器
３０，３６カウンタ
３１，３７，４３，４４，４５，４６，４７選択手段
３２，３８フィルタ手段
３３比較手段
３４レジスタ
３５ CPU
３９,４０ A/D変換手段
４１ CCD
４２記憶手段
４９増幅器
５０差動増幅器
５２加算器

Claims

発光手段と、前記発光手段の発した光線を２つの方向に反射させる反射部材を備えた回転部材と、前記反射部材により２つの方向に反射された光線の入射位置をそれぞれ検出する受光手段と、を有し、
前記反射部材から射出して前記受光手段に入射する２つの光線は、前記回転部材の回転に伴って回転し、前記受光手段によりそれぞれ検出された２つの入射位置を直線で結び、該直線と基準線との成す角度を求め、該角度を用いて前記回転部材の回転角を求める、ことを特徴とする回転角検出装置。
発光手段と、前記発光手段の発した光線を２つの方向に回折させる回折格子を備えた回転部材と、前記回折格子により２つの方向に回折された光線の入射位置をそれぞれ検出する受光手段と、を有し、
前記回折格子から射出して前記受光手段に入射する２つの光線は、前記回転部材の回転に伴って回転し、前記受光手段によりそれぞれ検出された２つの入射位置を直線で結び、該直線と基準線との成す角度を求め、該角度を用いて前記回転部材の回転角を求める、ことを特徴とする回転角検出装置。
発光手段と、前記発光手段の発した光線を２つの方向に屈折させる屈折部材を備えた回転部材と、前記屈折部材により２つの方向に屈折された光線の入射位置をそれぞれ検出する受光手段と、を有し、
前記屈折部材から射出して前記受光手段に入射する２つの光線は、前記回転部材の回転に伴って回転し、前記受光手段によりそれぞれ検出された２つの入射位置を直線で結び、該直線と基準線との成す角度を求め、該角度を用いて前記回転部材の回転角を求める、ことを特徴とする回転角検出装置。
前記受光手段は、複数の受光素子を含む、ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の回転角検出装置。