JP4678553B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、モータ等回転駆動装置の位置決め用センサとして使用される光学式エンコーダに関し、特に、原点検出機能を備えた光学式エンコーダに関する。

（従来例１）
従来、主スケール及び読み出しスケールにそれぞれ所定の格子ピッチを有する第１格子と、前記格子ピッチの整数倍の格子ピッチを有する第２格子が形成され、第１格子及び第２格子の検出出力を合成して原点信号を生成する基準位置信号発生装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
図１９は従来の基準位置信号発生装置の構成を示す斜視図である。
図において、２１０は主スケール、２２０は読み出しスケールである。主スケール２１０及び読み出しスケール２２０には光透過部と不透過部からなる第１格子部２１１、２２１と、第２格子部２１２、２２２と、第３格子部２１３、２２３が形成してある。第２格子部２１２、２２２のピッチは第１格子部２１１、２２１の２倍、第３格子部２１３、２２３のピッチは第１格子部２１１、２２１の４倍になっている。
また、２０１、２０２、２０３は光源、２３１、２３２、２３３は受光素子、２４０は加算回路、２５０は弁別回路である。

次に動作について説明する。
図２０は従来の基準位置信号発生装置の動作原理を示す模式図である。
主スケール２１０と読み出しスケール２２０の相対的移動に伴って、受光素子２３１は、図２０（ａ）に示すように第１格子部２１１、２２１の格子ピッチに対応したピーク値をもつ基本信号を出力する。また、受光素子２３２、２３３からは、それぞれ（ｂ）、（ｄ）で示す信号が得られる。（ｃ）は受光素子２３１、２３２の出力の加算信号で、（ｅ）は受光素子２３１、２３２、２３３の出力の加算信号である。受光素子の出力の加算は加算回路２４０で行われ、（ｅ）から分かるように、前記基本信号がもっていた複数のピークの内の特定のピークを立ち上げ、隣接のピークを抑圧した信号となる。加算回路２４０の出力信号が弁別回路２５０に導入され原点信号が生成される。
このようにピッチの異なる複数の格子を用いて、それぞれの格子によって生成される検出信号の合成することによって、原点信号を生成していた。

（従来例２）
また、従来、３格子光学系を用いたインクレ信号を有する光学式エンコーダに、原点検出機能を付加したものがある（例えば、特許文献２参照）。
図２１は、本従来技術におけるエンコーダの斜視図である。
３格子光学系は、ギャップ変動に強く理想正弦波信号が得られるという特徴を持つ。
図において３００は反射型のメインスケール、３１０はインデックススケールである。
反射型のメインスケール３００には変位検出用固定光学格子３０１、原点検出用固定光学格子３０２、及び参照マーク３０３が形成してあり、インデックススケール３１０には変位検出用可動光学格子３３１Ａ、３３１Ｂ、原点検出用可動光学格子３４１、原点検出窓３４２及び基準光検出窓３４３が形成してある。
また、３１１Ａ、３１１Ｂは変位検出用光源、３２１は原点検出用光源、３２２は原点検出窓用光源、３２３は基準光検出用光源である。また、４１１Ａ、４１１Ｂは変位検出用受光素子、４２１は原点検出用受光素子、４２２は原点検出窓用受光素子、４２３は基準光検出用受光素子である。

次に本従来技術における原点信号の生成動作について説明する。
図２２は原点信号の生成原理を示す信号波形図である。図において、原点検出用光源３２１からの射出光は、原点検出用可動光学格子３４１を透過し、原点検出用固定光学格子３０２で反射し、再び原点検出用可動光学格子３４１を透過し原点相用受光素子４２１で検出される。受光素子４２１は、インデックススケール３１０に対してメインスケール３００を矢印Ｃ方向または反対方向に変位させたとき、図２２に示すようなピッチＳ2 の原点検出用第１電気信号Ｖo1を発生する。
原点検出窓用光源３２２からの射出光は、原点検出窓３４２を透過して参照マーク３０３を照射する。メインスケール３００を矢印Ｃ方向または反対方向に変位させたとき、受光素子４２２は、原点検出用固定光学格子３０２及び参照マーク３０３からの反射光を検出し、図２２に示すような原点検出用第２電気信号Ｖo2を発生する。
また、基準光検出用光源３２３からの射出光は、基準光検出窓３４３を通して変位検出用固定光学格子３０１を照射し、その反射光を基準光検出用受光素子４２３で検出する。受光素子４２３は、光学的変調をほとんど受けない図２０に示すような第１基準電圧Ｖref1及び第２基準電圧Ｖref2を発生する。

次に原点信号生成動作について説明する。
第２電気信号Ｖo2は、メインスケール３００の変位に応じて、図２２のＶo21、Ｖo22、Ｖo23で示すような変化をする。Ｖo21は、受光素子４２２が光学格子３０２のみの光信号を読み取っているときの電圧であり、Ｖo22は光学格子３０２と参照マーク３０３の両方を読み取っているときの電圧であり、Ｖo23は参照マーク３０３のみの光信号を読み取っているときの電圧である。
まず、第２電気信号Ｖo2が第２基準電圧Ｖref2と等しくなる第２交点Ｐ0 を図示しない第２コンパレータで検出する。次に、この交点における位置から、第１電気信号Ｖo1が第１基準電圧Ｖref1と等しくなる交点の定数（Ｎ）番目、例えば１番目の第１交点Ｐ3 を図示しない第１コンパレータで検出し、図示しない絶対原点特定回路で該１番目の第１交点Ｐ3 を原点位置と定めることにより原点位置を決定していた。

（従来例３）
また、従来、原点信号に関する記載は無いが、３格子光学系を用いた光学式ロータリエンコーダの発明が開示されている（例えば特許文献３参照）。
図２３は、本従来技術における光学式ロータリエンコーダの斜視図である。
図において、回転ディスク１１０には等ピッチの回転スリット１１１が形成され、固定スケール１６０には、変位検出用光源スリット１３３および変位検出用固定スリット１３４、１３５が形成してある。

光源１３０からの光は、変位検出用光源スリット１３３を通して変位検出用回転スリット１１１を照射し、反射光は変位検出用固定スリット１３４、１３５上に回折像を生成する。
本従来例によると、光源から射出された光線の直線光路上において、前記３つのスリットのスリットピッチが等しくなるように形成するか、あるいは変位検出用光源スリット１３３および変位検出用固定スリット１３４、１３５のピッチが変位検出用回転スリット１１１のスリットピッチの２倍となるようにスリットパターンを形成することにより、ギャップ変動に強くＳ／Ｎの良い変位信号が得られることが記載されている。
特開昭５６−１４１１２号公報 特開昭６１−２１２７２７号公報 特開平９−１３３５５２号公報

しかしながら、第１従来技術の発明は、格子ピッチの異なる複数のスリットからの検出出力を合成して原点信号を生成しているため、検出出力を合成するための演算回路が必要となり、検出回路の構成が複雑であった。また、３格子光学系では複数の異なる格子ピッチからＳ／Ｎの良い検出信号得を共通のギャップ設定で得ることは難しく、３格子光学系の適用は困難であった。

また、第２従来技術の発明は、原点検出用第１電気信号Ｖo1と原点検出用第２電気信号Ｖo2を組み合わせて第２電気信号Ｖo2から得られた基準位置を基に原点検出用第１電気信号Ｖo1と第１基準電圧Ｖref1と等しくなる交点を特定し、原点位置を決定しているため、絶対原点特定回路が必要となり回路構成が複雑であった。
また、原点検出用第２電気信号Ｖo2は格子による光学的変調を受けない信号であるため変位に対して急峻に変化する信号を生成することが難しく、精度の高い原点信号を生成することが困難であった。

また、第３従来技術の発明は、原点信号を持たないので外部に別の原点信号生成手段を設ける必要があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、構成が簡単で、また３格子光学系にも適用できる高精度の原点信号生成手段を備えた光学式エンコーダを提供することを目的としている。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、相対的に回転する２つの部材の一方の部材に回転ディスクを備え、他方の部材に光源と固定スケールと受光素子とを備え、前記２つの部材の相対的な回転角度を検出する光学式エンコーダにおいて、前記回転ディスクは、平行に配列された等ピッチの直線状のスリットパターンが形成された原点相用回転スリットを備え、前記固定スケールは、平行に配列された等ピッチの直線状のスリットパターンが形成された原点相用固定スリットを備えたことを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、前記原点相用固定スリットは、前記回転ディスクの回転中心からスリットの長軸方向のお互いに異なる位置に複数の前記スリットパターンが形成されていることを特微としている。
また、請求項３記載の発明は、前記原点相用回転スリットは、前記回転ディスクの回転中心からスリットの短軸方向に偏心して前記スリットパターンが形成され、前記原点相用固定スリットは、前記回転中心からスリットの短軸方向に偏心して前記スリットパターンが形成されていることを特微としている。
また、請求項４記載の発明は、前記原点相用回転スリットは、前記回転ディスクの回転中心からスリットの短軸方向に偏心して前記スリットパターンが形成され、前記原点相用固定スリットは、前記回転中心からスリットの短軸方向に偏心するとともに、前記回転中心からスリットの長軸方向のお互いに異なる位置に複数の前記スリットパターンが形成されていることを特微としている。
また、請求項５記載の発明は、前記固定スケールは、平行に配列された等ピッチの直線状のスリットパターンが形成されて前記光源の前面に配置された原点相用光源スリットおよび前記原点相用固定スリットを備えたことを特徴としている。
また、請求項６記載の発明は、前記原点相用固定スリットは、前記回転ディスクの回転中心からスリットの長軸方向のお互いに異なる位置に複数の前記スリットパターンが形成されていることを特微としている。
また、請求項７記載の発明は、前記原点相用回転スリットは、前記回転ディスクの回転中心からスリットの短軸方向に偏心して前記スリットパターンが形成され、前記原点相用固定スリットは、前記回転中心からスリットの短軸方向に偏心して前記スリットパターンが形成されていることを特微としている。
また、請求項８記載の発明は、前記原点相用回転スリットは、前記回転ディスクの回転中心からスリットの短軸方向に偏心して前記スリットパターンが形成され、前記原点相用固定スリットは、前記回転中心からスリットの短軸方向に偏心するとともに、前記回転中心からスリットの長軸方向のお互いに異なる位置に複数の前記スリットパターンが形成されていることを特微としている。
また、請求項９記載の発明は、相対的に回転する２つの部材の一方の部材に回転ディスクを備え、他方の部材に光源と固定スケールと受光素子とを備え、前記２つの部材の相対的な回転角度を検出する光学式エンコーダにおいて、前記回転ディスクは、前記相対的に回転する２つの部材の回転中心と異なる位置に放射中心をもつ等ピッチの放射状のスリットパターンが形成された原点相用回転スリットを備え、前記固定スケールは、等ピッチの放射状のスリットパターンが形成された原点相用固定スリットを備えたことを特徴としている。
また、請求項１０記載の発明は、前記固定スケールは、放射状のスリットパターンが形成されて前記光源の前面に配置された原点相用光源スリットおよび前記原点相用固定スリットを備えたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、原点相用回転スリット及び原点相用固定スリットはそれぞれ１種類の等ピッチの直線状のスリットパターンを形成するだけでよいので、パターン構成が簡単である。また、原点相用回転スリットおよび原点相用固定スリットを通して得られた１信号だけを処理すれば良いので、検出回路も簡単になる。
請求項５または請求項１０記載の発明によると、３格子光学系を用いた原点検出ができるので、回転ディスクと固定スケール間のギャップが広く取れ、ギャップ変動に強い原点信号を備えたエンコーダが実現できる。
請求項９に記載の発明によると、原点相用回転スリット及び原点相用固定スリットはそれぞれ１種類の等ピッチの放射状のスリットパターンを形成するだけでよいので、パターン構成が簡単である。また、原点相用回転スリットおよび原点相用固定スリットを通して得られた１信号だけを処理すれば良いので、検出回路も簡単になる。

本発明の第１実施例を示すエンコーダの斜視図である。 本発明の第１実施例の原点相用回転スリットの配置を示すスリットパターン図である。 本発明の第１実施例の原点相用回転スリットによる像と原点相用固定スリットの位置関係を示す模式図である。 本発明の第１実施例の原点相用回転スリットの回転角度と原点相用受光素子の出力との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施例を示すエンコーダの斜視図である。 本発明の第２実施例における原点相用回転スリットの配置を示すスリットパターン図である。 本発明の第２実施例の原点相用回転スリットによる像と原点相用固定スリットの位置関係を示す模式図である。 本発明の第２実施例の原点相用回転スリットの回転角度と原点相用受光素子の出力との関係を示すグラフである。 本発明の第３実施例を示すエンコーダの斜視図である。 本発明の第３実施例の原点相用回転スリットの回転角度と原点相用受光素子の出力との関係を示すグラフである。 本発明の第４実施例を示すエンコーダの斜視図である。 本発明の第４実施例の原点相用回転スリットによる像と原点相用固定スリットの位置関係を示す模式図である。 本発明の第４実施例の別の効果を示すエンコーダの斜視図である。 本発明の第５実施例を示すエンコーダの斜視図である。 本発明の第６実施例を示すエンコーダの斜視図である。 本発明の第７実施例を示すエンコーダの斜視図である。 本発明の第８実施例を示すエンコーダの斜視図である。 本発明の第９実施例を示すエンコーダの斜視図である。 第１従来技術の基準位置信号発生装置の構成を示す斜視図である。 第１従来技術の基準位置信号発生装置の動作原理を示す模式図である。 第２従来技術におけるエンコーダの斜視図である。 第２従来技術における原点信号の生成原理を示す信号波形図である。 第３従来技術における光学式ロータリエンコーダの斜視図である。

符号の説明

１００ 回転中心
１１０ 回転ディスク
１１１ 変位検出用回転スリット
１１２ 原点相用回転スリット
１２０、１６０ 固定スケール
１２１ 射出窓
１２２〜１２４ 原点相用固定ススリット
１２５、１２６、１３４、１３５ 変位検出用固定スリット
１３０ 光源
１３２ 原点相用光源スリット
１３３ 変位検出用光源スリット
１４０、１４１、１４２ 原点相用受光素子
１４３、１４４ 変位検出用受光素子
１５０ 回転軸
１７０ 像
２５０ ハブ

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示すエンコーダの斜視図である。
図において１１０は回転ディスク、１２０は固定スケール、１３０は光源、１４０は原点相用受光素子、１５０は回転軸で、回転ディスク１１０上には変位検出相用回転スリット１１１と原点相用回転スリット１１２が設けられ、固定スケール１２０には射出窓１２１、原点相用固定スリット１２２が設けられている。原点相用回転スリット１１２は平行に配列された直線状のスリットパターンから構成され、原点相用固定スリット１２２も平行に配列された直線状のスリットパターンから構成されている。
なお、変位検出部の構成については公知であるので、その説明を省略する。

図２は本実施例における原点相用回転スリットの配置を示す回転ディスク１１０のスリットパターン図で、図に示すように、原点相用回転スリット１１２はスリットの長軸方向の中心ＣＬが回転中心１００を通るように形成した。原点相用回転スリット１１２はスリットピッチＰのスリットパターンが形成されている。

つぎに動作について説明する。
図３は回転ディスクが回転したときの原点相用回転スリットによる像と原点相用固定スリットの位置関係を示す模式図で、１７０は光源１３０からの照射光が原点相用回転スリット１１２で反射され原点相用固定スリット１２２上に形成された像で、原点相用固定スリット１２２上にはピッチＰの像が形成される。点線内は明部、それ以外は暗部を示す。また、Ｌは原点相用固定スリットの長軸方向のスリット長を示す。

図３（ａ）は、像１７０と原点相用固定スリット１２２とのなす角θ（回転角度θ）がtan^-1（Ｐ/Ｌ）より大きい場合である。この範囲では、像１７０が複数の原点相用固定スリット１２２と交差して、像１７０の明部と暗部がほぼ半々に原点相用固定スリット１２２の開口部に重なるので、原点相用固定スリット１２２を通過する光量は最大値のほぼ半分の値を示す。

（ａ）の状態から（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）→（ｆ）に向かってθが０に近づくと、原点相用固定スリット１２２の開口部は像１７０の明部と多く重なるので、原点相用固定スリット１２２を通過する光量は次第に大きくなり、図３（ｆ）のθ＝０の状態では、原点相用固定スリット１２２の開口部には像１７０の明部のみが重なり、原点相用固定スリット１２２を通過する光量は最大となる。

図４は原点相用回転スリットの回転角度と原点相用受光素子の出力との関係を示すグラフである。
本実施例では、Ｐ＝４０μｍ、Ｌ＝２．４ｍｍとした。なお、縦軸の原点相用受光素子出力は、最大値を１に規格化した値である。

図から、θ＝±tan^-1（Ｐ/Ｌ）＝約±１°で出力はほぼ０．５となり、θ＝０に近づくに従って出力は急峻に立ち上がっていることが分かる。したがって、例えば、図示しない電流電圧変換回路で素子出力を電圧信号に変換しコンパレータ回路等の信号処理回路で、原点相用受光素子出力の０．８以上のポイントを検出すれば、ほぼ±０．５°幅の原点信号を得ることができる。

図５は本発明の第２実施例を示すエンコーダの斜視図である。また、図６は本実施例における原点相用回転スリットの配置を示すスリットパターン図である。Ｒは回転中心１００から原点相用回転スリット１１２の長軸方向の端までの距離である。
本実施例が第１実施例と異なる点は、原点相用回転スリット１１２をスリットの長軸方向に回転中心１００からずらして配置した点である。図５に示すように固定スケール１２０、光源１３０および原点相用受光素子も同様にずらして配置している。

次に、本実施例の動作について説明する。
図７は本実施例における回転ディスクが回転したときの原点相用回転スリットによる像と原点相用固定スリットの位置関係を示す模式図であり、Ａ）はＲ＝０、Ｂ）はＲ＝０．５Ｌ、Ｃ）はＲ＝Ｌの場合である。

図７においてＡ）、Ｂ）、Ｃ）とも、（ａ）は像１７０と原点相用固定スリット１２２とのなす角（回転角度θ）がθ＜−tan^-1（Ｐ/Ｌ）、またはθ＞tan^-1（Ｐ/Ｌ）の場合である。この範囲では、像１７０が複数の原点相用固定スリット１２２と交差して、原点相用固定スリット１２２の開口部を通過する像１７０は明部と暗部は実施例１と同様にほぼ半々となる。しかし、原点相用固定スリット１２２の一部が像１７０からはずれていることが、実施例１と異なる。原点相用固定スリット１２２を通過する光量はその分小さくなり、さらにθが大きくなり像１７０から原点相用固定スリット１２２から大きくはずれると原点相用受光素子出力は０に近づく。

図７においてＡ）の場合、（ｂ）のθ=±tan^-1（Ｐ/Ｌ）の状態では原点相用固定スリット１２２の開口部には像１７０の明部と暗部が等しく重なるので、原点相用受光素子出力は０．５になる。（ｃ）のθ=±tan^-1（３Ｐ/４Ｌ）付近では、原点相用固定スリット１２２の開口部には像１７０の暗部が多く重なるので、原点相用受光素子出力が０．５より減少する。θが０に近づき（ｄ）のθ=±tan^-1（Ｐ/２Ｌ）の状態になると、原点相用固定スリット１２２の開口部には像１７０の明部と暗部が等しく重なるので、原点相用受光素子出力が０．５になる。その後、（ｅ）→（ｆ）に向かってθが０に近づいていくと、単純に原点相用固定スリット１２２の開口部に像１７０の明部が重なる割合が多くなるので、光量は次第に大きくなり、（ｆ）のθ＝０の状態で、原点相用受光素子出力が最大の１になる。

Ｂ）の場合、（ｂ）のθ=±tan^-1（Ｐ/Ｌ）の状態では、Ａ）の場合と同様に原点相用固定スリット１２２の開口部には像１７０の明部と暗部が等しく重なるので原点相用受光素子出力は０．５になる。この状態では、像１７０の明部が本来通過すべきスリットの隣のスリットを通過している。（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）→（ｆ）とθが０に近づいていくと、像１７０は回転するとともに、原点相用固定スリット１２２の短軸方向に平行移動して、明部がθ＝０におけるスリットに重なっていく。（ｃ）の状態では、原点相用固定スリット１２２の開口部には像１７０の明部と暗部が等しく重なり、原点相用受光素子出力は０．５になる。（ｄ）のθ=±tan^-1（Ｐ/２Ｌ）の状態では、原点相用固定スリット１２２の開口部には像１７０の暗部が多く重なるので、原点相用受光素子出力は０．５より減少する。（ｅ）の状態では、再度、原点相用固定スリット１２２の開口部には像１７０の明部と暗部が等しく重なり、原点相用受光素子出力は０．５になる。その後は、単調に原点相用固定スリット１２２の開口部に像１７０の明部が重なっていき、原点相用固定スリット１２２を通過する光量は大きくなり、原点相用受光素子出力が最大値１に近づく。（ｆ）のθ＝０の状態で、原点相用受光素子出力が最大の１になる。

Ｃ）の場合、（ｂ）のθ=±tan^-1（Ｐ/Ｌ）の状態では、Ａ）およびＢ）の場合と同様に原点相用固定スリット１２２の開口部には像１７０の明部と暗部が等しく重なるので原点相用受光素子出力は０．５になる。この状態では、像１７０の明部がθ＝０におけるスリットの隣と２つ隣のスリットを通過している。（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）→（ｆ）とθが０に近づいていくと、像１７０は回転するとともに、原点相用固定スリット１２２の短軸方向に平行移動して、明部がθ＝０におけるスリットに重なっていく。（ｃ）の状態では、原点相用固定スリット１２２の開口部には像１７０の明部が若干多く重なり、原点相用受光素子出力は０．５より多少大きくなる。（ｄ）のθ=±tan^-1（Ｐ/２Ｌ）の状態では、再度、原点相用固定スリット１２２の開口部には像１７０の明部と暗部が等しく重なり、原点相用受光素子出力は０．５になる。（ｅ）の状態では、原点相用固定スリット１２２の開口部には像１７０の暗部が多く重なるので、原点相用受光素子出力は０．５より小さくなる。その後は、単調に原点相用固定スリット１２２の開口部に像１７０の明部が重なっていき、原点相用固定スリット１２２を通過する光量は大きくなり、原点相用受光素子出力が最大値１に近づく。（ｆ）のθ＝０の状態で、原点相用受光素子出力が最大の１になる。

図８は回転角度θと原点相用受光素子出力との関係を示すグラフで、像１７０と原点相用固定スリット１２２の関係が回転角度θに応じて図７のように変化するときの回転角度θと原点相用受光素子出力との関係を示したものである。

原点相用回転スリット１１２の中心と回転中心１００との距離Ｒに応じて、原点相用受光素子１４０の出力は図８のように変化する。すなわち、原点相用回転スリット１１２の中心と回転中心１００との距離をＲが大きくなるにつれて、θ＝０におけるパルス状出力の左右に側帯波状に発生する出力信号が大きくなるが、θ＝０におけるパルス状出力はより急峻な信号になる。Ｒ＝０ｍｍが図７のＡ）の場合に対応し、Ｒ＝１．２ｍｍが図７のＢ）の場合に対応し、Ｒ＝２．４０ｍｍが図７のＣ）の場合に対応する。

例えばＰ＝４０μｍ、Ｌ＝２．４ｍｍのとき、Ｒ＝１．２ｍｍに設定すると、実施例１相当のＲ＝−１．２ｍｍにおける出力信号波形と比較して、θ＝０におけるパルス状出力はより急峻であり、左右で発生する出力信号の山の大きさもパルス状の出力信号に比べて十分小さいことがわかる。例えば、縦軸の原点相用受光素子出力の０．８のレベルを閾値としてコンパレータ回路で検出すれば、±０．２５°幅の原点信号を得ることができる。

このように、本実施例では原点相用回転スリットをスリットの長軸方向に回転中心からずらして配置したので急峻なパルス状出力を得ることができるので精度の高い原点信号を得ることができる。また、第１実施例では、原点相用回転スリット１１２および原点相用固定スリット１２２の中心を回転中心１００上に配置しているので、１８０度回転した位置にもパルス状の出力信号が発生し、１回転に２パルスの信号が発生するが、本実施例では、原点相用回転スリット１１２を回転中心１００からずらして形成しているので、１８０度回転した位置には発生せず、回転ディスク１回転に１パルスの原点信号を得ることができる。

図９は、本発明の第３実施例を示すエンコーダの斜視図である。
図において、１２３は第１の原点相用固定スリット、１２４は第２の原点相用固定スリットである。本実施例が第２実施例と異なる点は、固定スケール１２０上の２個の原点相用固定スリットを設け、長軸方向の異なる位置に配置した点である。第１の原点相用固定スリット１２３と第２の原点相用固定スリット１２４のそれぞれの長軸方向の端と回転中心１００との距離はそれぞれＲ１およびＲ２となるように配置されている。

次に、本実施例の動作について説明する。
第２実施例で記載したように、原点相用固定スリットの長軸方向の端と回転中心との距離Ｒによって、原点相用受光素子出力の出力波形が変化する。これを利用し、距離Ｒの異なる複数の原点相用固定スリットから得られる原点相用受光素子出力を加えることにより、θ＝０で得られるパルス状の出力が急峻で、θ＝０の近傍で発生するパルス状の出力を抑制することができる。

図１０は本実施例における回転角度と原点相用受光素子の出力との関係を示すグラフである。本実施例では、Ｐ＝４０μｍ、Ｌ＝２．４ｍｍである第１の原点相用固定スリット１２３と第２の原点相用固定スリット１２４をそれぞれ距離Ｒ１＝２．５ｍｍ、Ｒ２＝５ｍｍに配置して、それぞれの原点相用固定スリットに対応する原点相用受光素子から得られる出力信号を加算演算して合成した。±０．４°付近で、第２の原点相用固定スリット１２４を通過した原点相用受光素子出力信号には大きな側帯波信号生じるが、第１の原点相用固定スリット１２３を通過した原点相用受光素子出力信号で打ち消すように合成される。その結果、例えば、縦軸の原点相用受光素子出力の１．５のレベルを閾値としてコンパレータ回路で検出すれば、±０．０７５°幅の原点信号を得ることができる。

このように、長軸方向の端と回転中心１００との距離が異なる原点相用固定スリットを適当に組み合わせれば、側帯波が小さく、急峻な０°付近のパルス状の波形を得ることができ、高分解能な原点信号を得ることができる。
本実施例では、Ｒ１、Ｒ２を１：２の比で構成したが、他にも好ましい組み合わせは存在する。また、本実施例では、スリット長方向の異なる位置に２つの原点相用固定スリットを配置したが、３つ以上の原点相用固定スリットを組み合わせることも可能である。

図１１は、本発明の第４実施例を示すエンコーダの斜視図である。
本実施例が第１実施例と異なる点は、原点相用回転スリット１１２をスリット短軸方向に回転中心１００からずらして配置した点である。図において、２５０は、シャフト１５０から延びて回転ディスク１１０の中心部を貫き、回転ディスク１１０の固定に使用されるハブである。

図１２は本実施例において、回転ディスク１１０が原点位置から角度θだけ回転した位置にあるときの像１７０と原点相用固定スリット１２２の関係を示している。ここで、３００は原点相用固定スリット１２２の中心、２００は原点相用回転スリット１１２による像１７０の中心で、原点位置にある時は原点相用固定スリット１２２の中心３００と重なる。回転中心１００から像１７０の中心２００までの距離をrとしている。

像１７０は、像の中心２００を中心にθ分だけ自転するとともに、像の中心２００が原点相用固定スリット１２２の中心３００から図のＸおよびＹ方向にそれぞれr−r・cosθおよびr・sinθ分だけ平行移動したと見なせる。したがって、原点相用受光素子から得られる出力信号は、回転による像１７０と原点相用固定スリット１２２のずれと、平行移動による像１７０と原点相用固定スリット１２２のずれより影響される。

回転による影響は、実施例１の図３と同様であり、像１７０と原点相用固定スリット１２２とのなす角θがtan^-1（Ｐ/Ｌ）より大きい場合、像１７０が複数の原点相用固定スリット１２２と交差して、像１７０の明部と暗部がほぼ半々に原点相用固定スリット１２２の開口部に重なる。原点相用受光素子出力は最大値のほぼ半分になる。したがって、この場合には、平行移動による影響があっても原点相用受光素子出力は最大値のほぼ半分により大きくなることはない。また、さらにθが大きくなるに従って、像１７０が原点相用固定スリット１２２からはずれていき、原点相用受光素子出力は０に近づいていく。

θがtan^-1（Ｐ/Ｌ）より小さい場合の平行移動による影響は、θの値が小さいので、Ｘ方向の変位r−r・cosθは非常に小さく、また原点相用固定スリット１２２が、短軸に比べて長軸方向に十分に長い形状をしているので、Ｙ方向の変位r・sinθについても無視できる程度の大きさである。例えば、Ｐ＝４０μｍ、Ｌ＝２．４ｍｍ、r=１０ｍｍの場合、θ＝tan^-1（Ｐ/Ｌ）＝０．９５°のときのＸ方向の変位は１．４μｍ、Ｙ方向の変位は０．１７ｍｍであり、十分無視できる大きさである。したがってこの範囲では、原点相用受光素子出力は回転による影響のみ生じる。

このように本実施例では、回転中心から原点相用回転スリット１２０の短軸方向に偏心して原点相用回転スリット１２０を形成したので、回転ディスク１１０の中心部には、回転ディスク１１０の固定に使用されるハブ２５０を設けることができる。

図１３は、本実施例における別の効果を説明するためのエンコーダの斜視図である。
図において、１１２は原点相用回転スリットで、スリット短軸方向に回転中心１００からずらし、変位検出用回転スリット１１１の近傍に形成している。また、１２２は原点相用固定スリット、１２５、１２６は変位検出用固定スリットで、１つの固定スケール１２０上に形成されている。また、１３０は変位検出用回転スリット１１１および原点相用回転スリット１１２を照射する光源である。

次に動作について説明する。
光源１３０からの照射光は、射出窓１２１を通過して変位検出用回転スリット１１１および原点相用回転スリット１１２を照射する。変位検出用回転スリット１１１で反射した光は、変位検出用固定スリット１２５、１２６を通過して受光素子１４３、１４４で検出され、図示しない信号処理回路で変位信号に変換される。同様に、原点相用回転スリット１１２で反射した光は原点相用固定スリット１２２を通過して原点相用受光素子１４０で検出される。

このように、本実施例では原点相用回転スリットをスリット短軸方向に回転中心からずらして配置したので、変位検出用回転スリットの近くに原点相用回転スリットを配置できる。従って、変位検出用固定スリットと近傍に原点相用固定スリットを１つの固定スケール上に形成でき、構成が簡単になる。また、１つの光源で両スリットを照射できる。すなわち、発光素子、受光素子、固定スケールで構成される検出部を小さくできる。

図１４は、本発明の第５実施例を示すエンコーダの斜視図である。
図において、１２３は第１の原点相用固定スリット、１２４は第２の原点相用固定スリットで、スリット短軸方向に回転中心からずらして配置すると共に、原点相用固定スリットの長軸方向の異なる位置に配置されている。本発明が第４実施例と異なる点は、原点相用固定スリットの長軸方向の異なる位置に第１の原点相用固定スリット１２３と第２の原点相用固定スリット１２４を設けたことである。

このように、本実施例では原点相用回転スリットを原点相用固定スリットの短軸方向に回転中心１００からずらして配置するとともに、長軸方向の異なる位置に第１の原点相用固定スリット１２３と第２の原点相用固定スリット１２４を設けることにより、回転ディスク１１０の中心部には、回転ディスク１１０の固定に使用されるハブ２５０を設けることができ、さらに２つの固定スリットからの検出信号を組み合わせることによって、側帯波が小さく急峻なパルス状の波形を得ることができる。従って、高分解能な原点信号を得ることができる。

また、本実施例の構成を取ることにより、変位検出用回転スリットの近くに原点相用回転スリットを配置するとともに、変位検出用固定スリットと近傍に原点相用固定スリットを１つの固定スケール上に形成でき、構成が簡単になる。さらに、その際、１つの光源で両スリットを照射することも可能であり、発光素子、受光素子、固定スケールで構成される検出部を小さくすることができる。

図１５は、本発明の第６実施例を示すエンコーダの斜視図である。
図において、１３２は光源１３０からの照射光を線光源列に変換する原点相用光源スリットである。本発明が第２実施例と異なる点は、固定スケール１２０に原点相用光源スリット１３２と原点相用固定スリット１２２を形成した点である。

光源１３０からの照射光は原点相用光源スリット１３２を通して原点相用回転スリット１１２を照射する。原点相用回転スリット１１２からの反射光は原点相用固定スリット１２２上に干渉縞を生成する。この干渉縞を原点相用固定スリット１２２を通して受光素子１４０で検出する。このように、原点相用光源スリット、原点相用回転スリットおよび原点相用固定スリットを用いた３格子光学系による原点検出を行うことができる。

本実施例の回転ディスクが回転したときの原点相用回転スリットによる像と原点相用固定スリットの位置関係は第２実施例と同様であり、第２実施例と同様に急峻な原点信号が得られるとともに、光学系として３格子光学系を使用しているので、回転ディスク１１０と固定スケール１２０間のギャップが変動しても安定して原点検出信号が得られる。
また、図示しないが変位検出部も３格子光学系で構成することにより、変位検出部も原点検出部もギャップ変動に強いエンコーダを実現できる。
なお、前記原点相用光源スリット、前記原点相用回転スリットおよび原点相用固定スリットのピッチを、１：１：１の比で形成しても、２：１：２の比で形成してもかまわない。

図１６は、本発明の第７実施例を示すエンコーダの斜視図である。
図において、１２３は第１の原点相用固定スリット、１２４は第２の原点相用固定スリットで、スリット短軸方向に回転中心からずらして配置すると共に、原点相用固定スリットの長軸方向の異なる位置に配置されている。本発明が第６実施例と異なる点は、原点相用固定スリットの長軸方向の異なる位置に第１の原点相用固定スリット１２３と第２の原点相用固定スリット１２４を設けたことである。

次に、動作について説明する。
光源１３０からの照射光は原点相用光源スリット１３２を通して原点相用回転スリット１１２を照射する。原点相用回転スリット１１２からの反射光は第１の原点相用固定スリット１２３および第２の原点相用固定スリット１２４上に干渉縞を生成する。この干渉縞を第１の原点相用固定スリット１２３および第２の原点相用固定スリット１２４を通して受光素子１４１および１４２で検出する。このように、原点相用光源スリット、原点相用回転スリットおよび原点相用固定スリットを用いた３格子光学系による原点検出を行うことができる。

光学系として３格子光学系を使用しているので、第６実施例と同様に回転ディスク１１０と固定スケール１２０間のギャップが変動しても安定して原点検出信号が得られる。また、本実施例では２つの固定スリットからの検出信号を組み合わせることによって、側帯波が小さく急峻なパルス状の波形を得ることができる。従って、高分解能な原点信号を得ることができる。なお、変位検出部（図示せず）も３格子光学系で構成することにより、第６実施例と同様に変位検出部も原点検出部もギャップ変動に強いエンコーダを実現できる。前記原点相用光源スリット、前記原点相用回転スリットおよび原点相用固定スリットのピッチを、１：１：１の比で形成しても、２：１：２の比で形成してもかまわない。

図１７は、本発明の第８実施例を示すエンコーダの斜視図である。
図において、１１２は原点相用回転スリット、１２２は前記原点相用固定スリットである。
本発明が第２実施例と異なる点は、第２実施例では原点相用回転スリット１１２と前記原点相用固定スリット１２２にそれぞれ平行に配列された直線状のスリットパターンを用いたが、本実施例では、原点相用回転スリットとして隣接するスリット間の角度が等しい等ピッチの放射状のスリットを用いた点である。原点相用回転スリットの放射状の中心１０１は、回転中心１００と異なる位置に配置している。

本実施例では、原点相用回転スリット１１２の放射形状の開きの向きを逆にして変位検出相用回転スリット１１１の近くに配置した。放射形状の開きの向きを逆にすることによって、原点相用回転スリット１１２を変位検出相用回転スリット１１１に近づけても原点近傍で複数のピークが発生しにくいという特徴がある。
また、１つの光源１３０で、原点相用回転スリット１１２と変位検出相用回転スリット１１１照射でき、さらに、原点相用固定スリット１２２を変位検出相用固定スリット１２５、１２６の近くに配置できるので、検出部を小さくできる。

図１８は、本発明の第９実施例を示すエンコーダの斜視図である。
図において、１３２は原点相用光源スリットである。本発明が実施例８と異なる点は、固定スケール１２０に放射状の原点相用光源スリット１３２を形成した点である。

次に、動作について説明する。
光源１３０からの照射光は原点相用光源スリット１３２を通して原点相用回転スリット１１２を照射する。原点相用回転スリット１１２からの反射光は原点相用固定スリット１２２上に干渉縞を生成する。この干渉縞を原点相用固定スリット１２２を通して原点相用受光素子１４０で検出する。このように、原点相用光源スリット、原点相用回転スリットおよび原点相用固定スリットを用いた３格子光学系による原点検出を行うことができる。
また、本実施例では原点相用回転スリット１１２を変位検出用回転スリット１１１の近くに配置した。これによって変位検出および原点検出に共通の光源を用いることができる。

このように本実施例では発光素子、受光素子、固定スケールで構成される検出部を小さくできるとともに、３格子光学系の特徴であるギャップ変動に強いエンコーダが実現できる。なお、前記原点相用光源スリット、前記原点相用回転スリットおよび原点相用固定スリットのピッチを、１：１：１の比で形成しても、２：１：２の比で形成してもかまわない。

なお、第１〜第９実施例では反射型光学系を用いた実施例を示したが、透過型光学系を用いても同様に実施できる。

簡単な構成で回転体の絶対位置を検出できるので、産業用ロボットや工作機械を駆動するサーボモータの位置検出器に適用できる。

Claims (10)

1. 相対的に回転する２つの部材の一方の部材に回転ディスクを備え、他方の部材に光源と固定スケールと受光素子とを備え、前記２つの部材の相対的な回転角度を検出する光学式エンコーダにおいて、
   前記回転ディスクは、平行に配列された等ピッチの直線状のスリットパターンが形成された原点相用回転スリットを備え、
   前記固定スケールは、平行に配列された等ピッチの直線状のスリットパターンが形成された原点相用固定スリットを備えたことを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記原点相用固定スリットは、前記回転ディスクの回転中心からスリットの長軸方向のお互いに異なる位置に複数の前記スリットパターンが形成されていることを特微とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
3. 前記原点相用回転スリットは、前記回転ディスクの回転中心からスリットの短軸方向に偏心して前記スリットパターンが形成され、前記原点相用固定スリットは、前記回転中心からスリットの短軸方向に偏心して前記スリットパターンが形成されていることを特微とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
4. 前記原点相用回転スリットは、前記回転ディスクの回転中心からスリットの短軸方向に偏心して前記スリットパターンが形成され、前記原点相用固定スリットは、前記回転中心からスリットの短軸方向に偏心するとともに、前記回転中心からスリットの長軸方向のお互いに異なる位置に複数の前記スリットパターンが形成されていることを特微とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
5. 前記固定スケールは、平行に配列された等ピッチの直線状のスリットパターンが形成されて前記光源の前面に配置された原点相用光源スリットおよび前記原点相用固定スリットを備えたことを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
6. 前記原点相用固定スリットは、前記回転ディスクの回転中心からスリットの長軸方向のお互いに異なる位置に複数の前記スリットパターンが形成されていることを特微とする請求項５記載の光学式エンコーダ。
7. 前記原点相用回転スリットは、前記回転ディスクの回転中心からスリットの短軸方向に偏心して前記スリットパターンが形成され、前記原点相用固定スリットは、前記回転中心からスリットの短軸方向に偏心して前記スリットパターンが形成されていることを特微とする請求項５記載の光学式エンコーダ。
8. 前記原点相用回転スリットは、前記回転ディスクの回転中心からスリットの短軸方向に偏心して前記スリットパターンが形成され、前記原点相用固定スリットは、前記回転中心からスリットの短軸方向に偏心するとともに、前記回転中心からスリットの長軸方向のお互いに異なる位置に複数の前記スリットパターンが形成されていることを特微とする請求項５記載の光学式エンコーダ。
9. 相対的に回転する２つの部材の一方の部材に回転ディスクを備え、他方の部材に光源と固定スケールと受光素子とを備え、前記２つの部材の相対的な回転角度を検出する光学式エンコーダにおいて、
   前記回転ディスクは、前記相対的に回転する２つの部材の回転中心と異なる位置に放射中心をもつ等ピッチの放射状のスリットパターンが形成された原点相用回転スリットを備え、前記固定スケールは、等ピッチの放射状のスリットパターンが形成された原点相用固定スリットを備えたことを特徴とする光学式エンコーダ。
10. 前記固定スケールは、放射状のスリットパターンが形成されて前記光源の前面に配置された原点相用光源スリットおよび前記原点相用固定スリットを備えたことを特徴とする請求項９記載の光学式エンコーダ。

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