JP5378316B2 - 光学式エンコーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、歪の少ない出力信号を得ることができる光学式エンコーダ装置に関するものである。

光学式エンコーダは大別して光透過部と非透過部をもつ移動スリットの透過光を用いる透過型と、光反射部と非反射部をもつ移動スリットの反射光を用いる反射型に分けられる。透過型及び反射型の光学式エンコーダのいずれも、移動スリットに対向して配置された受光素子に当たる光が移動スリットの変位に応じて変化するように光透過部と非透過部を設けた固定スリットを用いるものと、固定スリットを用いることなく、複数の受光素子の配置パターン自体により固定スリットの役割を果たすように複数の受光素子を配置するものとがある。光学式エンコーダ装置においては、移動スリットと固定スリットパターン若しくは受光素子パターンの関係による透過光量、または反射光量の多寡により生成される信号を逓倍することにより、より高分解能な信号を得ている。高精度な信号を得るためにこの逓倍で元となる信号は正弦波であることが望ましい。しかし移動スリットの周期Ｐと等しい間隔で配置された従来の固定スリットパターンまたは受光素子パターンで生成される信号は理論的には三角波となり、大きな歪みを持つ。この歪みは基本成分以外の高次の成分によるもので基本波成分に対し３次は約１１％、５次は約４％、７次は約２％の振幅を持つ。基本波に対する高調波成分（例えば、２７次までで計算を行った場合）の割合の２乗平均によって表される歪み率は１２．１１％にもなる。

そこでこの問題を解決するために固定スリットパターンまたは複数の受光素子のパターン間隔に関する種々の発明がなされており、特開昭６０−４２６１６号公報（特許文献１）では２つのスリット間に１／６の位相差を持たせて３次高調波を打消している。

特許第２５３９２６９号公報（特許文献２）では、３次や５次高調波を打消すために２つのスリット間またはスリットグループ間に１／６や１／１０の位相差を持たせている。

さらに特許第３１８４４１９号公報（特許文献３）では、上記特許文献２を発展させ２のｘ乗個のスリットを用いてｘ種類の次数の高調波を打消すよう配置している。

また、特開２００７−２１８６０３号公報（特許文献４）では、３次高調波を打消すために４つのスリット間に１／１２の位相差を持たせている。

特開２００７−２１８６０３号公報（特許文献４）には、歪の少ない出力信号を得ることができる光学式エンコーダ装置の公知例が示されている。この公知の光学式エンコーダ装置では、固定スリットプレートに設けられているスリットパターンを、可動スリットプレートのスリットのピッチＰに対して１／１２の位相差をもち、４の倍数の数の光透過スリットを１つのユニットとして、第１の光透過スリットを基準として、第１と第２の光透過スリットの間の位相をＰ／１２ずらし、第２と第３の光透過スリットの間の位相をＰ／６ずらし、第３と第４の光透過スリットの間の位相をＰ／４ずらしている。

特開昭６０−４２６１６号公報（特許文献１）には、３次高調波を打ち消すために、２つのスリット間に１／６の位相差を持たせた光学式エンコーダを示している。

特許第２５３９２６９号公報（特許文献２）には、３次高調波及び５次高調波を打ち消すために、２つのスリット間またはスリットグループ間に１／６や１／１０の位相差を持たせた光学式エンコーダを示している。

特許第３１８４４１９号公報（特許文献３）では、２のｘ乗個以上のスリットを用いてｘ種類の次数の高調波を打ち消すようにしている。

特開昭６０−４２６１６号公報 特許第２５３９２６９号公報 特許第３１８４４１９号公報 特開２００７−２１８６０３号公報

特許文献１，２及び４に記載の技術を用いた場合の歪み率は、それぞれ４．６３％，１．５９％，１．６０％と元波形に比べると大きく低減しているが、依然として１．５５％以上は歪みが残ってしまう。

光学式エンコーダの設計において固定スリットパターン数または受光素子パターン数は、所望のパルス数を作り出すために、受光素子パターン長または受光素子長やギャップの制約，光源の大きさ，径（ロータリ型の場合）などを考慮して設定される。

特許文献３に記載の技術では、スリット数を８にすることで歪み率は０．７９％となるが、それ以上の低減を考えた場合１６，３２と２の階乗でスリット数を増やす必要があり前述の受光パターン長等を有効に使う設計が難しい。

本発明の目的は、固定スリットまたは受光素子の数を自由に決めることができて、しかも従来よりも歪み率の少ない出力信号を得ることができる光学式エンコーダ装置を提供することにある。

本発明の第１の透過型の光学式エンコーダ装置は、発光素子と、発光素子と対向するように配置された受光素子と、可動スリットプレートと、固定スリットプレートとを備えている。

可動スリットプレートは、発光素子と受光素子との間に配置され、所定のスリット幅を有する複数の光透過スリットと所定のスリット幅を有する複数の非光透過スリットとを有し且つ光透過スリットと非光透過スリットとが一定の周期（ピッチ）Ｐで移動方向に交互に並んで形成された可動側スリット列を備えている。固定スリットプレートは、発光素子と受光素子との間に配置され、所定のスリット幅を有する複数の光透過スリットと所定のスリット幅を有する複数の非光透過スリットとを有し且つ光透過スリットと非光透過スリットとが、交互に並んで形成された１以上の固定側スリット列を備えている。光透過スリットは、光が透過すればよく、貫通孔に限定されるものではなく、光透過性を有する基板に光透過用の複数の窓部を形成することにより光透過スリットを設けても良い。また非光透過スリットとは、物理的なスリットが存在しなければならない訳ではなく、光が透過しない部分が存在すればよい。例えば、光透過性を有する基板上に光を透過しない膜を形成して非光透過スリットを形成することができる。さらに本願明細書において、「移動方向」とは、可動スリットプレートが固定スリットプレートに対して移動する方向を意味する。また「幅方向」とは、移動方向及び光の透過方向と直交する方向である。

本発明では、固定スリットプレートに形成された複数の光透過スリットの数ＳをＳ＝ｎ×ｎ′（ｎは２以上の整数、ｎ′は２以上の整数：但しｎ＝２及びｎ′＝２の組合せと、ｎ＝３及びｎ′＝２の組合せを除く）とし、ａを０≦ａ≦ｎ−１の間の整数とし、ｂを０≦ｂ≦ｎ′−１の間の整数とすることを前提とする。そして固定スリットプレートにおいては、可動スリットプレートの１つの光透過スリットに固定スリットプレートに形成された１つの光透過スリットを光学的に一致させたときに（可動スリットプレートの１つの光透過スリットに固定スリットプレートに形成された１つの光透過スリットを通過した光がすべて、固定スリットプレートに形成された１つの光透過スリットを通過する状態にしたときに）、残りの（Ｓ−１）個の光透過スリットが、可動スリットプレートの他の対応する光透過スリットの位置に対してそれぞれ前記ａと前記ｂの値の組合せが異なる（Ｓ−１）種類のＰ×［ａ／（３×ｎ）＋ｂ／（５×ｎ′）］の位相差を持つように、複数の光透過スリットを形成する。例えば、ｎ＝２で、ｎ′＝３であるとすると、ａは０≦ａ≦１（即ちａは０または１）、ｂは０≦ｂ≦２（即ちｂは、０，１または２）となる。この条件下では、（Ｓ−１）＝５種類の位相差、即ちＰ×［０／（３×２）＋１／（５×３）］＝Ｐ×［１／１５］、Ｐ×［０／（３×２）＋２／（５×３）］＝Ｐ×［２／１５］、Ｐ×［１／（３×２）＋０／（５×３）］＝Ｐ×［１／６］、Ｐ×［１／（３×２）＋１／（５×３）］＝Ｐ×［１／６＋１／１５］、Ｐ×［１／（３×２）＋２／（５×３）］＝Ｐ×［１／６＋２／１５］が生じる。そのため本発明を実施すると、固定スリットプレートのＳ個の光透過スリットの位置は、可動スリットプレートの対応する光透過スリットに対して、０の位相差、Ｐ×［１／１５］の位相差、Ｐ×［２／１５］の位相差、Ｐ×［１／６］の位相差、Ｐ×［１／６＋１／１５］の位相差、Ｐ×［１／６＋２／１５］の位相差をもった位置となる。固定スリットプレート側のＳ個の光透過スリットの位置を決める場合には、周期Ｐからこの位相差をマイナスしても、また周期Ｐにこの位相差をプラスしてもよい。

本発明のように固定スリットプレート側のＳ個の光透過スリットの位置を決めると、光透過スリットの数を自由に決めることができて、しかも出力される光学的信号からは、３次高調波及び５次高調波が含まれなくなる。その結果、出力される光学的信号の歪みを従来よりも小さくすることができる。

なお固定側スリットプレートに設ける固定側スリット列は、一列でも良いし、移動方向と直交する幅方向に並ぶ複数の固定側スリット列から構成してもよい。特に複数の固定側スリット列を幅方向に並設すると、同じスリット数Ｓで一列の場合に比べて、受光素子の受光面の使用可能な長さ方向の寸法を短くすることができる。また受光素子の受光面の長さ寸法及び幅寸法を最大限利用して、受光素子の利用率を最大にすることができる。なお可動スリットプレートに設ける光透過スリットは、固定側スリット列が一列の場合でも複数列の場合でも、同じものを用いることができる。

本発明の第２の透過型の光学式エンコーダ装置は、固定スリットプレートを用いることなく、複数の受光素子の配置パターンにより、前述の第１の透過型の光学式エンコーダ装置と同様の効果を得る。第２の透過型の光学式エンコーダ装置は、発光素子と、可動スリットプレートと、受光素子アレイとから構成される。可動スリットプレートは、発光素子からの光を透過する所定のスリット幅を有する複数の光透過スリットと所定のスリット幅を有する複数の非光透過スリットとを有し且つ光透過スリットと非光透過スリットとが一定の周期Ｐで移動方向に交互に並んで形成された可動側スリット列を備えている。受光素子アレイは、所定のパターン幅を有して複数の光透過スリットを透過した光を受光する複数の受光素子と所定のパターン幅を有する複数の非受光素子部とを有し且つ受光素子と非受光素子部とが、交互に並んだ受光素子列により構成されている。そしてこの場合には、受光素子アレイの複数の受光素子の数ＳをＳ＝ｎ×ｎ′（ｎは２以上の整数、ｎ′は２以上の整数：但しｎ＝２及びｎ′＝２の組合せと、ｎ＝３及びｎ′＝２の組合せを除く）とし、ａを０≦ａ≦ｎ−１の間の整数とし、ｂを０≦ｂ≦ｎ′−１の間の整数としたときに、複数の受光素子は、可動スリットプレートの１つの光透過スリットに受光素子アレイの１つの受光素子を光学的に一致させたときに、受光素子アレイに形成された残りの（Ｓ−１）個の受光素子が、可動スリットプレートの他の対応する光透過スリットの位置に対してそれぞれ前記ａと前記ｂの値の組合せが異なる（Ｓ−１）種類のＰ×［ａ／（３×ｎ）＋ｂ／（５×ｎ′）］の位相差を持って形成されている。なお受光素子アレイは、一列の受光素子列として設けても良いし、移動方向と直交する幅方向に並ぶ複数の受光素子列から構成してもよい。

本発明の第１の反射型の光学式エンコーダ装置は、発光素子と、受光素子と、可動パターンプレートと、固定スリットプレートとを有する。可動パターンプレートは、発光素子からの光を反射する所定のパターン幅を有する複数の反射パターンと所定のパターン幅を有する複数の非反射パターンとを有し且つ反射パターンと非反射パターンとが一定の周期Ｐ′で移動方向に交互に並んで形成された可動側反射パターン列を備えている。固定スリットプレートは、可動パターンプレートと受光素子との間に配置され、所定のスリット幅を有する複数の光透過スリットと所定のスリット幅を有する複数の非光透過スリットとを有し且つ光透過スリットと非光透過スリットとが、交互に並んで形成された１以上の固定側スリット列を備えている。

本発明では、固定スリットプレートに形成された複数の光透過スリットの数ＳをＳ＝ｎ×ｎ′（ｎは２以上の整数、ｎ′は２以上の整数：但しｎ＝２及びｎ′＝２の組合せと、ｎ＝３及びｎ′＝２の組合せを除く）とし、ａを０≦ａ≦ｎ−１の間の整数とし、ｂを０≦ｂ≦ｎ′−１の間の整数とし、可動パターンプレートの複数の反射パターンによる複数の投影光像の周期をＰとする。そして固定スリットプレートに形成された複数の光透過スリットは、可動パターンプレートの１つの反射パターンによる投影光像と固定スリットプレートに形成された１つの前記光透過スリットを光学的に一致させたときに、固定スリットプレートに形成された残りの（Ｓ−１）個の光透過スリットが、可動パターンプレートの他の対応する前記反射パターンによる投影光像の位置に対してそれぞれ前記ａと前記ｂの値の組合せが異なる（Ｓ−１）種類のＰ×［ａ／（３×ｎ）＋ｂ／（５×ｎ′）］の位相差を持って形成されている。このような第１の反射型の光学式エンコーダ装置でも、第１の透過型の光学式エンコーダ装置と同様の効果を得ることができる。なおこの場合にも、固定側スリット列は一列に設けても良いし、移動方向と直交する幅方向に並ぶ複数の固定側スリット列から構成してもよい。

本発明の第２の反射型の光学式エンコーダ装置は、固定スリットプレートを用いることなく、複数の受光素子の配置パターンにより、前述の第１の反射型の光学式エンコーダ装置と同様の効果を得る。第２の反射型の光学式エンコーダ装置は、発光素子と、可動パターンプレートと、受光素子アレイとを有する。可動パターンプレートは、前述の第１の反射型の光学式エンコーダ装置の可動パターンプレートと同じである。受光素子アレイは、所定のパターン幅を有して複数の反射パターンからの反射光を受光する複数の受光素子と所定のパターン幅を有する複数の非受光素子部とを有し、且つ受光素子と非受光素子部とが移動方向に交互に並んで形成された受光素子列を備えている。受光素子アレイは、移動方向と直交する幅方向に並ぶ複数の受光素子列から構成してもよい。この場合も、受光素子アレイの複数の受光素子の数ＳをＳ＝ｎ×ｎ′（ｎは２以上の整数、ｎ′は２以上の整数：但しｎ＝２及びｎ′＝２の組合せと、ｎ＝３及びｎ′＝２の組合せを除く）とし、ａを０≦ａ≦ｎ−１の間の整数とし、ｂを０≦ｂ≦ｎ′−１の間の整数とし、受光素子面に投影される可動パターンプレートの複数の反射パターンによる複数の投影光像の周期をＰとする。このとき複数の受光素子は、可動パターンプレートの１つの反射パターンによる投影光像と受光素子アレイの１つの受光素子を光学的に一致させたときに、受光素子アレイに形成された残りの（Ｓ−１）個の受光素子が、可動パターンプレートの他の対応する反射パターンによる投影光像の位置に対してそれぞれ前記ａと前記ｂの値の組合せが異なる（Ｓ−１）種類のＰ×［ａ／（３×ｎ）＋ｂ／（５×ｎ′）］の位相差を持って形成される。

第１の透過型の光学式エンコーダ装置の一例を概略的に示す斜視図である。 本実施の形態で用いるスリット間隔を変更した固定スリットプレートの概念図である。 複数の光透過スリットが、移動方向と直交する幅方向に並ぶ３列の固定側スリット列に分散して配置された固定スリットプレートの平面図である。 複数の光透過スリットが、移動方向と直交する幅方向に並ぶ２列の固定側スリット列に分散して配置された固定スリットプレートの平面図である。 本発明を適用する第２の透過型の光学式エンコーダ装置の構成を概略的に示す図である。 図５の光学式エンコーダ装置に用いることができる受光素子アレイの一例を示す図である。 第１の反射型の光学式エンコーダ装置の一例の概略構成を示す図である。 第２の反射型の光学式エンコーダ装置の一例の概略構成を示す図である。 受光素子アレイを３列の受光素子列によって構成した例を示す図である。

以下図面を参照して、本発明の光学式エンコーダ装置の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明を第１の透過型の光学式エンコーダ装置に適用した実施の形態の一例を概略的に示す斜視図である。図１においては、符号１で示した部材は、発光ダイオード等からなる発光素子であり、符号２で示した部材は、光信号を電気信号に変換して出力する機能を有する半導体基板からなる受光素子である。発光素子１と受光素子（光電変換素子）２との間には、可動スリットプレート３と、図示しない固定部に固定された固定スリットプレート４とが配置されている。なお図１においては、可動スリットプレート３は矩形状プレートであるが、円板状の回転する可動スリットプレートにも本発明を適用できるのは勿論である。また本実施の形態では、受光素子２から出力される電気信号を電気的に逓倍する逓倍回路５が設けられている。このような構成において、発光素子１から平行光束を照射すると、可動スリットプレート３及び固定スリットプレート４の後述する光透過スリットＳ２及びＳ３１乃至Ｓ３９（図２）を透過した光が受光素子２に入射する。そして、受光素子２は入射光をその光強度に応じた電気信号に変換して出力する。この電気信号は、可動スリットプレート３及び固定スリットプレート４の光透過スリットＳ２及びＳ３１乃至Ｓ３９を透過する光量が変化することにより得られるものである。

図２に示すように、可動スリットプレート３は、スリット幅がＰ／２の複数の光透過スリット（光を透過する部分）Ｓ２とスリット幅がＰ／２の複数の非光透過スリットＳ１（光を透過しない部分）とが交互に並んで形成された可動側スリット列Ｒ１を有する。図２に示すように、光透過スリットＳ２と非光透過スリットＳ１は、一定の周期（ピッチ）Ｐで交互に形成されている。

また固定スリットプレート４を構成するためには、固定スリットプレート４に形成された複数の光透過スリットの数ＳをＳ＝ｎ×ｎ′（ｎは２以上の整数、ｎ′は２以上の整数：但しｎ＝２及びｎ′＝２の組合せと、ｎ＝３及びｎ′＝２の組合せを除く）とし、ａを０≦ａ≦ｎ−１の間の整数とし、ｂを０≦ｂ≦ｎ′−１の間の整数とすることを前提とする。そして固定スリットプレート４に形成された複数の光透過スリットを、可動スリットプレート３の１つの光透過スリットに固定スリットプレート４に形成された１つの光透過スリット（図２ではＳ３１）を光学的に一致させたときに、固定スリットプレート４に形成された残りの（Ｓ−１）個の光透過スリットＳ３２〜Ｓ３９が、可動スリットプレート３の他の対応する光透過スリットＳ２の位置に対してそれぞれａとｂの値の組合せが異なる（Ｓ−１）種類のＰ×［ａ／（３×ｎ）＋ｂ／（５×ｎ′）］の位相差を持って形成する。Ｓ４１〜Ｓ４８は光を透過しない非光透過スリットである。

図２の例は、ｎ＝３、ｎ′＝３の場合である。したがって、ａは０≦ａ≦２（即ちａは０，１または２）、ｂは０≦ｂ≦２（即ちｂは、０，１または２）となる。この条件下では、（Ｓ−１）＝８種類の位相差、即ちＰ×［０／（３×３）＋１／（５×３）］＝Ｐ×［１／１５］、Ｐ×［０／（３×３）＋２／（５×３）］＝Ｐ×［２／１５］、Ｐ×［１／（３×３）＋０／（５×３）］＝Ｐ×［１／９］、Ｐ×［１／（３×３）＋１／（５×３）］＝Ｐ×［１／９＋１／１５］、Ｐ×［１／（３×３）＋２／（５×３）］＝Ｐ×［１／９＋２／１５］、Ｐ×［２／（３×３）＋０／（５×３）］＝Ｐ×［２／９］、Ｐ×［２／（３×３）＋１／（５×３）］＝Ｐ×［２／９＋１／１５］、Ｐ×［２／（３×３）＋２／（５×３）］＝Ｐ×［２／９＋２／１５］が得られる。そのため本発明を実施すると、固定スリットプレート側のＳ個の光透過スリットの位置は、可動スリットプレートの対応する光透過スリットに対して、０の位相差、Ｐ×［１／１５］の位相差、Ｐ×［２／１５］の位相差、Ｐ×［１／９］の位相差、Ｐ×［１／９＋１／１５］の位相差、Ｐ×［１／９＋２／１５］の位相差、Ｐ×［２／９］の位相差、Ｐ×［２／９＋１／１５］の位相差、Ｐ×［２／９＋２／１５］の位相差をもった位置となる。図２の例では、固定スリットプレート４側の９個の光透過スリットの位置を決める場合には、周期（ピッチ）Ｐからこれら８種類の位相差をマイナスしている。即ち光透過スリットＳ３２は、可動側スリットの周期をＰとして見た場合において、Ｐ−Ｐ×［１／１５］の位置を起点としてＰ／２の幅寸法を持って形成されている。光透過スリットＳ３３は、可動側スリットの周期をＰとして見た場合において、２Ｐ−Ｐ×［１／９］の位置を起点としてＰ／２の幅寸法を持って形成されている。光透過スリットＳ３４は、可動側スリットの周期をＰとして見た場合において、３Ｐ−Ｐ×［２／１５］の位置を起点としてＰ／２の幅寸法を持って形成されている。光透過スリットＳ３５は、可動側スリットの周期をＰとして見た場合において、４Ｐ−Ｐ×［１／９＋１／１５］の位置を起点としてＰ／２の幅寸法を持って形成されている。光透過スリットＳ３６は、可動側スリットの周期をＰとして見た場合において、５Ｐ−Ｐ×［２／９］の位置を起点としてＰ／２の幅寸法を持って形成されている。光透過スリットＳ３７は、可動側スリットの周期をＰとして見た場合において、６Ｐ−Ｐ×［１／９＋２／１５］の位置を起点としてＰ／２の幅寸法を持って形成されている。光透過スリットＳ３８は、可動側スリットの周期をＰとして見た場合において、７Ｐ−Ｐ×［２／９＋１／１５］の位置を起点としてＰ／２の幅寸法を持って形成されている。光透過スリットＳ３９は、８Ｐ−Ｐ×［２／９＋２／１５］の位置を起点としてＰ／２の幅寸法を持って形成されている。この例では移動方向に沿って位相差が順番に大きくなるように、光透過スリットＳ３１〜Ｓ３９の位置が決められている。しかしながら光透過スリットＳ３１〜Ｓ３９の並べ方は、本実施の形態に限定されるものではなく、各光透過スリットが前述の位相差を持つ限り、任意である。

固定スリットプレート４に設けられる複数の光透過スリットの１つひとつを考えて、ａ＝０，ｂ＝０の光透過スリット（図２のＳ３１）から作られるＮ次の信号成分をｋ_NcosＮθとすると、その他の光透過スリットから作られる信号はスリットの位相差に応じた位相差を持つ信号が作られる。

この信号の合計は、下記式により求めることができる。

ここで図２の例のように、ｎ＝３，ｎ′＝３の場合について、前記合計の式より計算すると９つの光透過スリットによる信号の合計は、下記の通りになる。

よってＮ＝３を計算すると下記の項が、

となり、
Ｎ＝５を計算すると下記の項が、

となり、合計の信号には３次高調波と５次高調波の信号が含まれないことが判る。

このようにｎ個の光透過スリットの位相差により３次高調波を打ち消し、ｎ′個の光透過スリットの位相差により５次高調波を打消しているため、合成した信号には３次と５次の信号が含まれないことになる。さらに５次より大きい次数の高調波についても各光透過スリットによる信号に位相差があるため合成前の信号以下の振幅となる。このとき光透過スリットの左右の順序は任意に決めても同じ効果を得ることはもちろんであり、光透過スリットと隣りあう光透過スリットとの間隔が狭くなるように位相差を持たせても、広くなるようにしても同じ効果を得ることができる。

なおｎ＝２，ｎ′＝３とした場合についても、３次高調波と５次高調波の信号が含まれないことを確認する。

すなわち前述の合計の式より計算すると６つのパターンによる信号の合計は、

となる。よってＮ＝３を計算すると下記の項が、

となり、Ｎ＝５を計算すると下記の項が、

となり、合計の信号には３次と５次の高調波信号が含まれないことが判る。

下記の表１に本発明を実施した際の歪み率（基本波に対する２７次までの高調波成分の割合の２乗平均）を示す。表１より、上記ｎ＝２、ｎ′＝３の場合には歪み率は０．９３％となり特許文献１，２及び４の場合よりも小さい歪み率を実現している。そして本発明によれば、特許文献３よりも少ないスリット数で１％以下の歪み率を実現していることが判る。なおｎ＝２，ｎ′＝２の場合が、特許文献２の場合であり、特許文献３の４スリットでの実施例となる。

また、表１より固定スリットパターンまたは受光素子のパターン数Ｓ＝ｎ×ｎ′が同じ場合でも歪み率に差があることが判る。これは５次より大きい次数の高調波の位相差が異なるためであり、所望の固定スリットプレートの光透過スリットのパターン数Ｓに対して、より歪み率の低いｎ及びｎ′を設定すると、より効果的に高調波を除くことができることが判る。

（歪み率は基本波に対する２７次までの高調波成分の割合の２乗平均）
上記表１から、ｎは２以上の整数とｎ′は２以上の整数の組合せで、ｎ＝２及びｎ′＝２の組合せと、ｎ＝３及びｎ′＝２の組合せを除く組合せであれば、歪み率が１以下になって、少ない数の光透過スリット数で、歪み率を低減できることが判る。

本技術では、固定スリットプレートに設ける光透過スリットの数Ｓは合成数である必要がある。図１及び図２の実施の形態では、固定側スリット列が１列であるため、前述の光学式エンコーダの設計制約に応じて決められる固定スリットプレートに設ける光透過スリットの数が素数である場合、光透過スリット数Ｓをその素数よりも小さい合成数とする必要がある。また、前述の光学式エンコーダの設計制約に応じて決められる固定スリットプレートの光透過スリットの数が少ない場合には十分な歪み率の低減効果が得られない場合もある。

そこで図３に示した固定スリットプレート４′では、複数の光透過スリットＳを移動方向と直交する幅方向に並ぶ３列の固定側スリット列に分散して配置している。この固定スリットプレート４′に対して使用する可動スリットプレートは、図１及び図２の実施の形態で用いる可動スリットプレートと同じものでよい。この実施の形態の固定スリットプレート４′は、９個の光透過スリットＳ３１′乃至Ｓ３９′を３列の光透過スリット列に分散して配置している。光透過スリットＳ３１′乃至Ｓ３９′の各位相差は、図２の実施の形態に示した光透過スリットＳ３１乃至Ｓ３９の位相差と同じである。図３の例では、図面上において、上段の光透過スリット列に３つの光透過スリットＳ３７′乃至Ｓ３９′が配置され、中段の光透過スリット列に３つの光透過スリットＳ３４′乃至Ｓ３６′が配置され、下段の光透過スリット列に３つの光透過スリットＳ３１′乃至Ｓ３３′が配置されている。なお各段の光透過スリット列に含まれる光透過スリットの位相差は、それぞれ自由であり、図３の例のように順番に並べる必要はない。

図４は、複数の光透過スリットを２列の固定側スリット列に分散して配置した固定スリットプレート４”を示している。この固定スリットプレート４”に対して使用する可動スリットプレートは、図１及び図２の実施の形態で用いる可動スリットプレートと同じものを用いることができる。この実施の形態の固定スリットプレート４”は、９個の光透過スリットＳ３１”乃至Ｓ３９”を２本の光透過スリット列に分散して配置している。図３の例と異なって、図４の例では、図面上で上下方向に並ぶ２つの光透過スリット（例えば光透過スリット３９”と光透過スリット３８”）が連続して形成されている。光透過スリットＳ３１”乃至Ｓ３９”の各位相差は、図２の実施の形態に示した光透過スリットＳ３１乃至Ｓ３９の位相差と同じである。図４の例では、図面上において、上段の光透過スリット列に４つの光透過スリットＳ３３”，Ｓ３６”，Ｓ３７”，Ｓ３９”が配置され、下段光透過スリット列に５つの光透過スリットＳ３１”，Ｓ３２”，Ｓ３４”，Ｓ３５”及びＳ３８”が配置されている。

図３及び図４の実施の形態によれば、移動方向の固定スリットプレートの複数の光透過スリットの数は、前述の光学式エンコーダの設計制約に応じて決められる数としたまま、任意の光透過スリットの数Ｓを取ることができ、しかも歪み率の少ない出力信号を得ることができる。具体的には、図３及び図４に示した固定スリットプレートを用いることで、移動方向の固定スリットパターンまたは受光素子のパターン数が素数である３や５の場合でも９の場合と同じ歪み率の信号を得ることができる。図３及び図４の例でも、光透過スリットの上下左右の順序は任意に決めても同じ効果を得ることはもちろんである。また光透過スリットの間隔が狭くなるように各光透過スリット列を構成する複数の光透過スリットに位相差を持たせても、逆に光透過スリットの間隔が広くなるようにしても同じ効果を得ることができる。

図５は、本発明の第２の透過型の光学式エンコーダ装置の構成の一例を示している。第２の透過型の光学式エンコーダ装置は、図１及び図２に示した第１の透過型の光学式エンコーダ装置と異なっての固定スリットプレートを用いることなく、複数の受光素子Ｅ１〜Ｅ９の配置パターンにより、前述の第１の透過型の光学式エンコーダ装置と同様の効果を得る。第２の透過型の光学式エンコーダ装置は、発光素子１と、可動スリットプレート３と、１列の受光素子列Ｒ２０を備えた受光素子アレイ２０とから構成される。可動スリットプレートは、発光素子からの光を透過する所定のスリット幅を有する複数の光透過スリットＳ２と所定のスリット幅を有する複数の非光透過スリットＳ１とを有し且つ光透過スリットＳ２と非光透過スリットＳ１とが一定の周期Ｐで移動方向に交互に並んで形成された可動側スリット列Ｒ１を備えている。図６に拡大して示すように、受光素子アレイ２０は、所定のパターン幅を有して複数の光透過スリットＳ２を透過した光を受光する複数の受光素子Ｅ１〜Ｅ９と所定のパターン幅を有する複数の非受光素子部ＮＥとを有し且つ受光素子Ｅ１〜Ｅ９と非受光素子部ＮＥとが、交互に並んだ１列の受光素子列Ｒ２０で構成されている。この実施例でも、受光素子アレイ２０の複数の受光素子（Ｅ１〜Ｅ９）の数ＳをＳ＝ｎ×ｎ′（ｎは２以上の整数、ｎ′は２以上の整数：但しｎ＝２及びｎ′＝２の組合せと、ｎ＝３及びｎ′＝２の組合せを除く）とし、ａを０≦ａ≦ｎ−１の間の整数とし、ｂを０≦ｂ≦ｎ′−１の間の整数とすることを前提する。そして複数の受光素子（Ｅ１〜Ｅ９）は、可動スリットプレート３の１つの光透過スリットに受光素子アレイ２０の１つの受光素子（Ｅ１）を光学的に一致させたときに、受光素子アレイ２０に形成された残りの（Ｓ−１）個の受光素子（Ｅ２〜Ｅ９）が、可動スリットプレート３の他の対応する光透過スリットの位置に対してそれぞれ前記ａと前記ｂの値の組合せが異なる（Ｓ−１）種類のＰ×［ａ／（３×ｎ）＋ｂ／（５×ｎ′）］の位相差を持って形成されている。

上記実施の形態は、透過型の光学式エンコーダ装置に本発明を適用したものであるが、本発明は、反射型の光学式エンコーダ装置にも当然にして適用することができる。図７に示すように、第１の反射型の光学式エンコーダ装置は、発光素子１０１と、受光素子１０２と、可動パターンプレート１０３と、固定スリットプレート１０４とを有する。可動パターンプレート１０３は、図２に示した第１の透過型の光学式エンコーダ装置の光透過スリットＳ２に対応する部分に発光素子からの光を反射する所定のパターン幅を有し且つ一定の周期Ｐ′で移動方向に交互に繰り返す複数の反射パターンＳ２´と、図２に示した第１の透過型の光学式エンコーダ装置の非光透過スリットＳ１に対応する部分に所定のパターン幅を有する複数の非反射パターンＳ１´とを有した構造を備えたものを用いる。また固定スリットプレート１０４は、図２に示した第１の透過型の光学式エンコーダ装置と同様に、可動パターンプレート１０１と受光素子１０２との間に配置され、所定のスリット幅を有する複数の光透過スリットＳ３´と所定のスリット幅を有する複数の非光透過スリットＳ４´とを有し且つ光透過スリットと非光透過スリットとが、交互に並んで形成された１以上の固定側スリット列Ｒ２´を備えている。第１の反射型の光学式エンコーダ装置でも、固定スリットプレート１０４に形成された複数の光透過スリットの数ＳをＳ＝ｎ×ｎ′（ｎは２以上の整数、ｎ′は２以上の整数：但しｎ＝２及びｎ′＝２の組合せと、ｎ＝３及びｎ′＝２の組合せを除く）とし、ａを０≦ａ≦ｎ−１の間の整数とし、ｂを０≦ｂ≦ｎ′−１の間の整数とし、固定スリットパターンに投影される可動パターンプレート１０３の複数の反射パターンＳ２´による複数の投影光像の周期をＰとする。

そして固定スリットプレート１０４に形成された複数の光透過スリットＳ３´は、図２の固定スリットプレートに形成された複数の光透過スリットＳ３１〜Ｓ３９と同様に形成されている。すなわち固定スリットプレート１０４に形成された複数の光透過スリットＳ３´は、可動パターンプレート１０３の１つの反射パターンによる投影光像と固定スリットプレート１０４に形成された１つの光透過スリットを光学的に一致させたときに、固定スリットプレート１０４に形成された残りの（Ｓ−１）個の光透過スリットが、可動パターンプレート１０３の他の対応する反射パターンによる投影光像の位置に対してそれぞれ前記ａと前記ｂの値の組合せが異なる（Ｓ−１）種類のＰ×［ａ／（３×ｎ）＋ｂ／（５×ｎ′）］の位相差を持って形成されればよい。このような第１の反射型の光学式エンコーダ装置でも、第１の透過型の光学式エンコーダ装置と同様の効果を得ることができる。なおこの場合にも、固定側スリット列Ｒ２´を、移動方向と直交する幅方向に並ぶ複数の固定側スリット列から構成してもよい。

また本発明は、固定スリットプレートを用いることなく、複数の受光素子からなる受光素子アレイの受光素子の配置パターンにより、前述の第１の反射型の光学式エンコーダ装置と同様の効果を得る第２の反射型の光学式エンコーダ装置にも適用できる。図８に示すように、第２の反射型の光学式エンコーダ装置は、前述の第１の反射型の光学式エンコーダ装置で用いる可動パターンプレート１０３と同じ構造の可動パターンプレート１０３´を用いる。そして図５及び図６に示した第２の透過型の光学式エンコーダ装置で用いる受光素子列Ｒ２０を備えた受光素子アレイ２０と同様の構成の受光素子アレイ１２０´を用いる。また図９に示したような、移動方向と直交する幅方向に並ぶ複数の受光素子列を備えた受光素子アレイを用いてもよい。第２の反射型の光学式エンコーダ装置でも、受光素子アレイの複数の受光素子Ｅの数ＳをＳ＝ｎ×ｎ′（ｎは２以上の整数、ｎ′は２以上の整数：但しｎ＝２及びｎ′＝２の組合せと、ｎ＝３及びｎ′＝２の組合せを除く）とし、ａを０≦ａ≦ｎ−１の間の整数とし、ｂを０≦ｂ≦ｎ′−１の間の整数とし、受光素子面に投影される可動パターンプレート１０３´の複数の反射パターンＳ２´による複数の投影光像の周期をＰとする。このとき複数の受光素子は、可動パターンプレートの１つの反射パターンによる投影光像と受光素子アレイ１２０´の１つの受光素子Ｅを光学的に一致させたときに、受光素子アレイ１２０´に形成された残りの（Ｓ−１）個の受光素子Ｅが、可動パターンプレート１０３´の他の対応する反射パターンによる投影光像の位置に対してそれぞれ前記ａと前記ｂの値の組合せが異なる（Ｓ−１）種類のＰ×［ａ／（３×ｎ）＋ｂ／（５×ｎ′）］の位相差を持って形成されればよい。ＮＥは非受光素子部である。

図９に示すように、反射型の光学式エンコーダ装置でも、受光素子Ｅ１′〜Ｅ９′と非受光素子部ＮＥとが移動方向に交互に並んで形成された複数（図９では３列）の受光素子列を備えた受光素子アレイ２２０´を用いてもよいのは勿論である。図９の例では、図３に示した透過型の光学式エンコーダ装置と同様に、３個の受光素子Ｅ７′、Ｅ８′及びＥ９′が図面で見て上段に並び、３個の受光素子Ｅ４′、Ｅ５′及びＥ６′が図面で見て中段に並び、３個の受光素子Ｅ１′、Ｅ２′及びＥ３′が図面で見て下段に並んでいる。図９の配置パターンを有する受光素子アレイ２２０′を用いても、図３に示した透過型の光学式エンコーダ装置と全く同様の効果が得られる。また図９に示した３列の受光素子列を有する受光素子アレイ２２０′を用いても、図４に示した透過型の光学式エンコーダ装置と全く同様の効果が得られるのは勿論である。

本発明によれば、固定スリットまたは受光素子の数を自由に決めることができて、しかも出力信号に３次高調波及び５次高調波が含まれないようにして、従来よりも歪みの少ない出力信号を得ることができる光学式エンコーダ装置を得ることができる。

１ 発光素子
２ 受光素子
３ 可動スリットプレート
４ 固定スリットプレート
５ 逓倍回路
Ｓ１，Ｓ３１〜Ｓ３９ 光透過スリット
Ｓ４１〜Ｓ４９ 非光透過スリット

Claims (10)

1. 発光素子と、前記発光素子と対向するように配置された受光素子と、
   前記発光素子と前記受光素子との間に配置され、所定のスリット幅を有する複数の光透過スリットと所定のスリット幅を有する複数の非光透過スリットとを有し且つ前記光透過スリットと前記非光透過スリットとが一定の周期Ｐで移動方向に交互に並んで形成された可動側スリット列を備えた可動スリットプレートと、
   前記発光素子と前記受光素子との間に配置され、所定のスリット幅を有する複数の光透過スリットと所定のスリット幅を有する複数の非光透過スリットとを有し且つ前記光透過スリットと前記非光透過スリットとが、交互に並んで形成された１以上の固定側スリット列を備えた固定スリットプレートとからなり、
   前記固定スリットプレートに形成された前記複数の光透過スリットの数ＳをＳ＝ｎ×ｎ′（ｎは２以上の整数、ｎ′は２以上の整数：但しｎ＝２及びｎ′＝２の組合せと、ｎ＝３及びｎ′＝２の組合せを除く）とし、ａを０≦ａ≦ｎ−１の間の整数とし、ｂを０≦ｂ≦ｎ′−１の間の整数としたときに、
   前記固定スリットプレートに形成された前記複数の光透過スリットは、前記可動スリットプレートの１つの前記光透過スリットに前記固定スリットプレートに形成された前記１つの前記光透過スリットを光学的に一致させたときに、前記固定スリットプレートに形成された残りの（Ｓ−１）個の前記光透過スリットが、前記可動スリットプレートの他の対応する前記光透過スリットの位置に対してそれぞれ前記ａと前記ｂの値の組合せが異なる（Ｓ−１）種類のＰ×［ａ／（３×ｎ）＋ｂ／（５×ｎ′）］の位相差を持って形成されていることを特徴とする光学式エンコーダ装置。
2. 前記１以上の固定側スリット列は、前記移動方向と直交する幅方向に並ぶ複数の固定側スリット列からなる請求項１に記載の光学式エンコーダ装置。
3. 発光素子と、
   前記発光素子からの光を透過する所定のスリット幅を有する複数の光透過スリットと所定のスリット幅を有する複数の非光透過スリットとを有し且つ前記光透過スリットと前記非光透過スリットとが一定の周期Ｐで移動方向に交互に並んで形成された可動側スリット列を備えた可動スリットプレートと、
   所定のパターン幅を有して前記複数の光透過スリットを透過した光を受光する複数の受光素子と所定のパターン幅を有する複数の非受光素子部とを有し且つ前記受光素子と前記非受光素子部とが、交互に並んで形成された受光素子アレイとからなり、
   前記受光素子アレイの前記複数の受光素子の数ＳをＳ＝ｎ×ｎ′（ｎは２以上の整数、ｎ′は２以上の整数：但しｎ＝２及びｎ′＝２の組合せと、ｎ＝３及びｎ′＝２の組合せを除く）とし、ａを０≦ａ≦ｎ−１の間の整数とし、ｂを０≦ｂ≦ｎ′−１の間の整数としたときに、
   前記複数の受光素子は、前記可動スリットプレートの１つの前記光透過スリットに前記受光素子アレイの１つの前記受光素子を光学的に一致させたときに、前記受光素子アレイに形成された残りの（Ｓ−１）個の前記受光素子が、前記可動スリットプレートの他の対応する前記光透過スリットの位置に対してそれぞれ前記ａと前記ｂの値の組合せが異なる（Ｓ−１）種類のＰ×［ａ／（３×ｎ）＋ｂ／（５×ｎ′）］の位相差を持って形成されていることを特徴とする光学式エンコーダ装置。
4. 前記受光素子アレイは、前記移動方向と直交する幅方向に並ぶ複数の受光素子列からなる請求項３に記載の光学式エンコーダ装置。
5. 発光素子と、受光素子と、
   前記発光素子からの光を反射する所定のパターン幅を有する複数の反射パターンと所定のパターン幅を有する複数の非反射パターンとを有し且つ前記反射パターンと前記非反射パターンとが一定の周期Ｐ′で移動方向に交互に並んで形成された可動側反射パターン列を備えた可動パターンプレートと、
   前記可動パターンプレートと前記受光素子との間に配置され、所定のスリット幅を有する複数の光透過スリットと所定のスリット幅を有する複数の非光透過スリットとを有し且つ前記光透過スリットと前記非光透過スリットとが、交互に並んで形成された１以上の固定側スリット列を備えた固定スリットプレートとからなり、
   前記固定スリットプレートに形成された前記複数の光透過スリットの数ＳをＳ＝ｎ×ｎ′（ｎは２以上の整数、ｎ′は２以上の整数：但しｎ＝２及びｎ′＝２の組合せと、ｎ＝３及びｎ′＝２の組合せを除く）とし、ａを０≦ａ≦ｎ−１の間の整数とし、ｂを０≦ｂ≦ｎ′−１の間の整数とし、固定スリットプレートに投影される前記可動パターンプレートの前記複数の反射パターンによる複数の投影光像の周期をＰとしたときに、
   前記固定スリットプレートに形成された前記複数の光透過スリットは、前記可動パターンプレートの１つの前記反射パターンによる前記投影光像と前記固定スリットプレートに形成された前記１つの前記光透過スリットを光学的に一致させたときに、前記固定スリットプレートに形成された残りの（Ｓ−１）個の前記光透過スリットが、前記可動パターンプレートの他の対応する前記投影光像の位置に対してそれぞれ前記ａと前記ｂの値の組合せが異なる（Ｓ−１）種類のＰ×［ａ／（３×ｎ）＋ｂ／（５×ｎ′）］の位相差を持って形成されていることを特徴とする光学式エンコーダ装置。
6. 前記１以上の固定側スリット列は、前記移動方向と直交する幅方向に並ぶ複数の固定側スリット列からなる請求項５に記載の光学式エンコーダ装置。
7. 発光素子と、
   前記発光素子からの光を反射する所定のパターン幅を有する複数の反射パターンと所定のパターン幅を有する複数の非反射パターンとを有し且つ前記反射パターンと前記非反射パターンとが一定の周期Ｐ′で移動方向に交互に並んで形成された可動側反射パターン列を備えた可動パターンプレートと、
   所定のパターン幅を有して前記複数の反射パターンからの反射光を受光する複数の受光素子と所定のパターン幅を有する複数の非受光素子部とを有し、且つ前記受光素子と前記非受光素子部とが前記移動方向に交互に並んで形成された受光素子アレイと、
   前記受光素子アレイの前記複数の受光素子の数ＳをＳ＝ｎ×ｎ′（ｎは２以上の整数、ｎ′は２以上の整数：但しｎ＝２及びｎ′＝２の組合せと、ｎ＝３及びｎ′＝２の組合せを除く）とし、ａを０≦ａ≦ｎ−１の間の整数とし、ｂを０≦ｂ≦ｎ′−１の間の整数とし、受光素子面に投影される前記可動パターンプレートの前記複数の反射パターンによる複数の投影光像の周期をＰとしたときに、
   前記複数の受光素子は、前記可動パターンプレートの１つの前記反射パターンによる投影光像と前記受光素子アレイの前記１つの前記受光素子を光学的に一致させたときに、前記受光素子アレイに形成された残りの（Ｓ−１）個の前記受光素子が、前記可動パターンプレートの他の対応する前記反射パターンによる前記投影光像の位置に対してそれぞれ前記ａと前記ｂの値の組合せが異なる（Ｓ−１）種類のＰ×［ａ／（３×ｎ）＋ｂ／（５×ｎ′）］の位相差を持って形成されていることを特徴とする光学式エンコーダ装置。
8. 前記受光素子アレイは、前記移動方向と直交する幅方向に並ぶ複数の受光素子列からなる請求項７に記載の光学式エンコーダ装置。
9. 出力される光学的信号に３次高調波と５次高調波が含まれないことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ装置。
10. 出力される光学的信号を電気的に逓倍する回路を更に備えている請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ装置。