JP2000304573A - ロータリエンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 位置間隔が不変な２つ以上の信号からディス
クのぶれや偏心によらない安定した原点信号を作って回
転変位信号と同期させる。 【解決手段】 同じ側に配置されているマークＺａ２、
Ｚｂ２は、例えばＸ軸方向にδだけディスクに偏心等の
位置ずれが生ずると、マークＺａ２、Ｚｂ１は偏心して
いないときの原点信号に比べて、回転角に対してδだけ
進んで出力され、一方でマークＺａ１、Ｚｂ２は同様に
遅れて出力される。この結果、原点出力の矩形波信号の
立ち上がり又は立ち下がり位置を決めるために、１組の
信号を対角に配置したマークを使用することによって、
１組内の２つの信号は互いに正反対の方向にδだけ動く
ので、この短形波原点信号の立ち上がり又は立ち下がり
を決める信号の交差点位置は変動しなくなり、安定した
原点信号が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光計測や光ピック
アップに使用されるロータリエンコーダに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、物体に光束を照射してその反射光
や透過光を受光することによって、反射又は透過する物
体の情報を求める方法が、光ピックアップや光計測器に
幅広く利用されている。近年、これらの光学測定装置は
小型化や高精度化が要求されており、特に変位検出分野
においては、高精度化に伴って基準位置を正確に決定す
る必要が生じている。

【０００３】図１８は特開平２−９３３２４号公報に開
示された光学式ロータリエンコーダの基準位置測定技術
を示し、発光素子１から射出された光束はコリメータレ
ンズ２を通り、ハーフミラー３で反射され、またハーフ
ミラー３を透過した光束はミラー４で反射され、それぞ
れハーフミラー５ａ、５ｂで反射されて、シリンドリカ
ルレンズ６ａ、６ｂにより線状に集光しディスク７上に
入射する。ディスク７が回転して、ディスク７上に形成
されたスリット８ａ、８ｂを光束が照射すると、スリッ
ト８ａ、８ｂに反射された光束が受光素子９ａ、９ｂに
入射して、原点信号が出力される。

【０００４】また、特開平３−１１５９２０号公報に
は、スリットを互いにずらして配置したエンコーダが開
示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】最近では、基準位置を
回転変位信号に対してディスクぶれや偏芯によらずに、
常に正確に同期、つまり特定のパルスの発生時に同様の
幅を持つ信号を常に発生させる原点信号を形成させる必
要が生じてきている。特に、変位信号のパルス幅が微小
であれば、これと同様の幅を１つのマークの検出で実現
することは微細マークの作成能力の面で難がある。

【０００６】本発明の目的は、ディスクのぶれや偏芯に
よらずに、微細な変位信号に正確に同期させ得る安定し
た原点信号を成作し回転変位信号と同期させるロータリ
エンコーダを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係るロータリエンコーダは、回転変位検出用
周期格子を有するディスクの中心に対して、略対称な位
置にそれぞれ２つ以上の変化信号を発生させるための原
点検出用マークを有することを特徴とする。

【０００８】また、本発明に係るロータリエンコーダ
は、回転変位検出用周期格子を有するディスクの中心に
対して略対称な位置に設けた原点検出用マークのそれぞ
れから２つ以上の変化信号を得るためのマーク検出手段
を有することを特徴とする。

【０００９】本発明に係るロータリエンコーダは、発光
素子からの光束を回転変位検出用周期格子を有するディ
スクに照射して受光素子により検出することによりイン
クリメンタル信号を得るロータリエンコーダにおいて、
前記ディスクの中心に対して略対称な位置に設けた２つ
以上の検出信号を発生させるためのマーク部を有し、こ
れらの検出信号を用いて原点情報を有する少なくとも１
つのパルス信号の立上がり位置及び立下がり位置を決定
することを特徴とする。

【００１０】本発明に係るロータリエンコーダは、発光
素子からの光束を回転変位検出用周期格子を有するディ
スクに照射して受光素子により検出することによりイン
クリメンタル信号を得るロータリエンコーダにおいて、
前記ディスクの中心に対して略対称な位置に設けた２つ
以上の検出信号を発生させるためのマーク部を有し、こ
れらの検出信号から原点情報を有する信号としての前記
インクリメンタル信号とほぼ同等のパルス幅のパルス信
号を形成することを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明を図１〜図１７に図示の実
施例に基づいて詳細に説明する。図１は第１の実施例の
原点検出装置の斜視図を示し、発光素子２０の前方には
コリメータレンズ２１、ビームスプリッタ２２が配列さ
れ、ビームスプリッタ２２の反射方向にミラー２３が配
置されている。ビームスプリッタ２２の透過方向とミラ
ー２３の反射方向には、それぞれハーフミラー２４ａ、
２４ｂが配置され、これらのハーフミラー２４ａ、２４
ｂの反射方向には、シリンドリカルレンズ２５ａ、２５
ｂが配置されている。そして、シリンドリカルレンズ２
５ａ、２５ｂの透過方向には、図２に示すように回転変
位信号用の放射線状に配列された格子２６と原点検出用
のスリット２７が形成されたディスク２８が配置されて
いる。また、ハーフミラー２４ａ、２４ｂの上方には、
スリット２７で反射された光束を受光する２つの受光素
子から成る２分割センサ２９ａ、２９ｂがそれぞれ配置
されている。

【００１２】発光素子２０から出射した光束はコリメー
タレンズ２１で平行光束となり、ビームスプリッタ２２
に入射する。ビームスプリッタ２２において光束は２分
割され、一方の光束はハーフミラー２４ａに入射して折
り返され、シリンドリカルレンズ２５ａに入射する。他
方の光束はミラー２３で反射され、更にハーフミラー２
４ｂにおいて折り返されシリンドリカルレンズ２５ｂに
入射する。

【００１３】シリンドリカルレンズ２５ａ、２５ｂによ
り光束は、原点検出用スリット２７が形成された側に集
光してディスク２８に至る。ディスク２８が回転して図
３に示すように光束Ｓの照射位置にスリット２７がくる
と、光束Ｓはスリット２７により反射され、再びシリン
ドリカルレンズ２５ａ、２５ｂ、ハーフミラー２４ａ、
２４ｂを戻り、それぞれ２分割センサ２９ａ、２９ｂに
結像する。そして、２分割センサ２９ａ、２９ｂから図
３に対応する図４に示すような原点出力が得られる。

【００１４】原点検出用スリット２７は図５にも示すよ
うに２分割され、同じ側にあるマークは互いにｘ±Ｐず
らして対角の位置に配置されている。ここでｘは任意の
長さ、Ｐは回転変位信号の１周期の長さである。従っ
て、原点信号の位置を決めるための２つのマークＺａ
１、Ｚｂ１は、互いの光束に対して長さｘだけずれて配
置されていることになり、またマークＺａ２、Ｚｂ２も
互いの光束に対して長さｘだけずれて配置されている。
そして、マークＺａ１と、Ｚａ２の間及びマークＺｂ１
とＺｂ２の間はディスク２８の中心を通る線分に対して
互いに長さＰだけずれて配置されている。

【００１５】シリンドリカルレンズ２５ａ、２５ｂから
の光束がスリット２７を照射すると、これらのマークＺ
ａ１〜Ｚｂ２を照射する光束Ｓが対角線上にあれば、２
分割センサ２９ａ、２９ｂのそれぞれ２つずつの受光素
子で受光することにより、図６(a) に示すような位相ず
れｘ、Ｐを有するＺａ１相、Ｚａ２相、Ｚｂ１相、Ｚｂ
２相の４つの信号が得られる。

【００１６】ここで、これら４つの原点位置信号Ｚａ１
相〜Ｚｂ２相を用いて矩形波原点信号を作成すると、図
６(b) に示すように矩形の部分がＰとなるＺ信号とな
り、図６(c) に示す回転変位信号Ｂから矩形波信号を作
ると同様にＡ信号となる。このＡ信号とＺ信号の理論和
をとることによって、矩形波信号の回転変位信号と原点
信号の同期を取ることができる。

【００１７】図７、図８は例えばＸ軸方向にδだけディ
スク２８に偏心等の位置ずれが生じた場合を示し、Ｚａ
２相、Ｚｂ１相からの出力は偏心していないときの原点
信号に比べて、回転角に対してδだけ進んで出力され、
一方でＺａ１相、Ｚｂ２相は同様に遅れて出力されるこ
とになる。図９(a) の実線はディスク２８が偏心する前
の出力、点線が偏心したときの出力を表している。これ
から分かるように、原点出力の矩形波信号の立ち上がり
又は立ち下がり位置を決めるために、１組の信号を対角
に配置したマークを使用することによって、１組内の２
つの信号は互いに正反対の方向に距離δだけ動くことに
なる。この結果、この短形波原点信号の立ち上がり又は
立ち下がりを決める信号の交差点位置は、図９(b) 、図
９(c) に示すように変動しなくなり、安定した原点信号
が得られる。

【００１８】図１０は第２の実施例の斜視図、図１１は
ディスクの平面図である。本実施例では、原点検出用ス
リット２７ａ、２７ｂがディスク２８の半径方向に対し
異なる位置ｒ２＞ｒ１に配置されているために、原点信
号はディスク２８の１回転に対して１パルスの信号が出
力されるようになっている。この原点検出用スリット２
７ａ、２７ｂに光束を照射する光学系は図１と同様の構
成であり、第１の実施例と同様に図６に示すようなＺａ
１相、Ｚａ２相、Ｚｂ１相、Ｚｂ２相の４つの位相ずれ
信号が得られ、これら４つの原点位置信号Ｚａ１〜Ｚｂ
２から図６(b)に示すような原点変位信号の矩形波信号
Ｚ信号と、図６(c) に示す回転変位信号Ｂの矩形波信号
Ａとの理論和をとることによって、矩形波信号ＺとＡの
同期をとることができる。

【００１９】ここで、Ｘ軸方向にディスク２８が偏心等
が原因でずれた場合には、図９(a)に示すように１組内
の２つの信号は矢印のように互いに正反対の方向に移動
するので、原点信号の立上り及び立下りを決める信号の
交差点位置は相殺されて変動しなくなる。更に、Ｙ軸方
向にディスク２８がずれても、光束と原点検出用スリッ
ト２７ａ、２７ｂの間隔は変化することがないので、信
号の出力タイミングは変らず、同様に精度良く原点位置
信号が出力され、回転変位信号との同期が取り易くな
る。

【００２０】図１２は第３の実施例の斜視図、図１３は
ディスクの平面図である。本実施例では、シリンドリカ
ルレンズ２５ａ、２５ｂがそれぞれ２分割され、互いに
距離Ｌだけ離して配置されている。なお、シリンドリカ
ルレンズ２５ａ、２５ｂを２分割ゾーンプレートとして
もよい。

【００２１】発光素子２０から出射した光束は、コリメ
ータレンズ２１で平行光束となり、ビームスプリッタ２
２に入射する。ここで光束は２分割され、一方の光束は
ハーフミラー２４ａに入射して折り返され、シリンドリ
カルレンズ２５ａに入射する。他方の光束はミラー２３
で曲げられ、ハーフハーフミラー２４ｂにおいて折り返
され、シリンドリカルレンズ２５ｂに入射する。このシ
リンドリカルレンズ２５ａ、２５ｂに入射した光束は、
原点検出用スリット２７に対して同じ方向に集光し、集
光の位置が距離Ｌだけずれた光束Ｓとなってディスク２
８に入射する。

【００２２】ディスク２８が移動して光束Ｓの照射位置
に原点検出用スリット２７がくると、スリット２７によ
り光束Ｓが反射され、反射光束は光路を逆に戻って受光
センサ２９ａ、２９ｂに入射し、原点出力が得られる。
図１３に示すように原点検出用スリット２７は２分割さ
れて、互いに任意の長さｘ、回転変位信号の１周期の長
さＰだけずらして配置されているために、スリット２７
に光束Ｓが照射されると、図１５(a) に示すようなＰ、
Ｌ−ｘ、Ｌ＋Ｐ−ｘの位相ずれを有するＺａ１相、Ｚａ
２相、Ｚｂ１相、Ｚｂ２相の４つの信号が得られる。

【００２３】ここで、４つの原点位置信号Ｚａ１〜Ｚｂ
２を用いて矩形波原点信号を作ると、矩形の部分がＰと
なる図１５(b) のＺ信号となる。この原点位置信号Ｚと
回転変位信号の矩形波信号Ａとで理論和をとることによ
って、回転変位信号と原点信号の同期を取ることができ
る。

【００２４】更に、ディスク２８が１８０度回転して、
図１５(c) に示すように光束が上側のマークを照射する
位置までくると、原点位置信号Ｚａ１〜Ｚｂ２の信号出
力の間隔はＰ、Ｌ＋ｘ、Ｌ＋ｘ＋Ｐとなる。このとき、
原点位置を決めるＺａ１相とＺｂ１相、Ｚａ２相とＺｂ
２相の信号は交差しないので、原点矩形波信号は出力さ
れない。即ち、原点の位置を決定するマーク２７がディ
スク２８の同じ半径上に存在しても、照射光束と原点マ
ーク２７を図１３に示すように互いにずらして配置する
ことによって、ディスク２８が１回転したときに１パル
スの原点出力を出力する光学系を構成することができ
る。

【００２５】ここで、光束集光位置のずれの長さＬ、原
点マークのずれ量ｘ、光束の幅ｗ２、マークの幅ｗ１の
間には、Ｌ＋ｘ＞ｗ１＋ｗ２の関係が成り立つ。従っ
て、ディスク２８上での光束の幅ｗ１を８μｍ、マーク
の幅ｗ２を１６μｍ、ｘを６μｍとすると、Ｌが１８μ
ｍ以上でなければならないことが分かる。

【００２６】原点検出用スリット２７が図１４に示すよ
うに配置されていると、図１５(a)に示すように、原点
信号の位置を決めるための２つのマークＺａ１、Ｚｂ１
は互いの光束に対して距離Ｌ−ｘだけずれて配置されて
いることになり、マークＺａ２、Ｚｂ２もまた互いの光
束に対してＬ−ｘだけずれて配置されている。そして、
Ｚａ１とＺａ２の間及びＺｂ１とＺｂ２の間はディスク
２８の中心を通る線分に対して互いにＰだけずれて配置
されているから、得られる原点矩形波信号は矩形の部分
がＰのＺ信号になる。

【００２７】ここで、図１２においてＸ軸方向にディス
クが偏心等が原因でずれた場合には、矩形信号の立ち上
がり立ち下がりを決定するペア信号の対になるスリット
２７をディスク２８の反対側に設けているために、図９
に示すようにＺａ２相、Ｚｂ１相は偏心していないとき
の原点信号に比べて、回転角に対してδだけ進んで出力
され、Ｚａ１相、Ｚｂ２相は同様に遅れて出力される。
この結果、１組内の２つの信号は互いに正反対の方向に
動くので、原点信号の立ち上がり又は立ち下がりを決め
る信号の交差点位置は変動しなくなり、安定した原点信
号が得られる。また、図１２のＹ軸方向にディスクがず
れた場合でも、図１３の光束と原点検出用のスリット２
７の間隔ｄが変化することはないので、信号の出るタイ
ミングは変化せず、安定した原点信号が出力される。こ
れによって、原点位置信号が精度良く出力され、回転変
位信号との同期が取り易くなる。

【００２８】図１６は第４の実施例の斜視図、図１７は
ディスクの平面図である、本実施例では、ディスク２８
上の２個所に原点検出用回折格子２７’が設けられ、デ
ィスク２８に対して光源２０と反対側に、２分割センサ
２９ａ、２９ｂが配置されている。ディスク２８が移動
して光束の照射位置に原点検出用回折格子２７’がくる
と、光束は回折されて２分割センサ２９ａ、２９ｂに入
射し原点出力が得られる。従って、第３の実施例と同様
にして、原点位置信号と回転変位信号の同期を取ること
ができる。

【００２９】このように、ディスク２８上に設けられて
いる原点検出用のマークに位相格子を使用することによ
り、原点検出のための光量が増えてＳＮ比の良い原点信
号が得られ、ディスク２８上には格子だけが形成されて
いるので、ディスク２８の製造が容易になる。また、格
子のピッチを所望の値にすることによって、回折光束の
角度を調整して迷光の影響を軽減することができる。

【００３０】上述の実施例では、２つの検出信号の交叉
位置から矩形波信号の立ち上がり、立ち下がりを決定し
ているが、回転中心を中心に概略対称に配置された２つ
のマークのそれぞれの検出信号とスライスレベルの交叉
位置から、矩形波信号の立ち上がり、立ち下がりを決定
してもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るロータ
リエンコーダは、ディスクの偏心等の誤差によるマーク
検出位置の変動に依存しない原点情報を有する信号を生
成することができ、かつこれを用いて正確で微細な幅の
原点位置決定ができる。また、構成が簡単なことから組
み立て容易で小型化を達成することが可能となり、ディ
スクの偏心に依存しない原点検出系であるので、ディス
クの組み込みが容易になる。更に、原点信号がディスク
の偏心によらず安定して出力されるので、回転変位信号
との同期を容易に取ることができる。

【００３２】

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の光学式ロータリエンコーダの斜
視図である。

【図２】ディスクの平面図である。

【図３】スリットと光束の位置関係の説明図である。

【図４】２分割センサの出力のグラフ図である。

【図５】原点検出用スリットと回転変位信号用格子の説
明図である。

【図６】出力信号のグラフ図である。

【図７】ディスクの偏心の斜視図である。

【図８】原点マークと光束の位置関係の説明図である。

【図９】偏心による出力信号のグラフ図である。

【図１０】第２の実施例の斜視図である。

【図１１】ディスクの平面図である

【図１２】第３の実施例の斜視図である。

【図１３】ディスクの平面図である。

【図１４】原点検出用スリットと回転変位信号用格子の
説明図である。

【図１５】出力信号のグラフ図である。

【図１６】第４の実施例の斜視図である。

【図１７】ディスクの平面図である。

【図１８】従来例のロータリエンコーダの斜視図であ
る。

【符号の説明】

２０ 発光素子 ２１ コリメータレンズ ２２ ビームスプリッタ ２３ ミラー ２４ａ、２４ｂ ハーフミラー ２５ａ、２５ｂ シリンドリカルレンズ ２６ 回転変位信号用回折格子 ２７ 原点信号用スリット ２７’原点信号用回折格子 ２８ 回転ディスク ２９ａ、２９ｂ ２分割センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 成樹 東京都大田区下丸子三丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 門島 孝幸 東京都大田区下丸子三丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 法隆 榮 東京都大田区下丸子三丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 石塚 公 東京都大田区下丸子三丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 2F103 BA05 BA32 CA01 CA03 DA01 DA13 EA12 EB01 EB16 EC03 EC12 ED18

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転変位検出用周期格子を有するディス
   クの中心に対して、略対称な位置にそれぞれ２つ以上の
   変化信号を発生させるための原点検出用マークを有する
   ことを特徴とするロータリエンコーダ。
2. 【請求項２】 前記原点検出用マークを２つ以上に分割
   し、回転方向に所定の間隔だけずらして配置した請求項
   １に記載のロータリエンコーダ。
3. 【請求項３】 前記ディスクの所定回転位置で出力され
   る２つの変化信号の間隔を調整可能とする光学機構を設
   けた請求項１に記載のロータリエンコーダ。
4. 【請求項４】 前記ディスクの所定回転位置で出力され
   る４つ以上の変化信号の内、前記ディスクの略対称な位
   置に設けた前記原点検出用マークによりそれぞれ出力し
   た２つ以上の出力を用いて形成した原点位置矩形波信号
   の１つを位置決め信号として使用する請求項１に記載の
   ロータリエンコーダ。
5. 【請求項５】 前記原点検出用マークのそれぞれによる
   前記２つ以上の信号を用いて形成した原点位置矩形波信
   号と、前記周期格子による少なくとも１つ以上の変位測
   定信号とを同期させる請求項１に記載のロータリエンコ
   ーダ。
6. 【請求項６】 前記原点検出用マークは前記ディスクの
   中心を通る線分に対して線対称で、前記ディスクの回転
   方向に対しずらして配置した請求項１に記載のロータリ
   エンコーダ。
7. 【請求項７】 前記原点検出用マークに光束を照射する
   投光部は前記ディスクの中心を含む略直線上にあり、前
   記２つ以上の投光部を前記ディスクの中心を挟んで配置
   した請求項６に記載のロータリエンコーダ。
8. 【請求項８】 前記原点検出用マークを２つ以上に分割
   し、前記ディスクの中心を挟んだ対称側の半径を異なる
   位置に配置した請求項１に記載のロータリエンコーダ。
9. 【請求項９】 前記ディスクの所定回転位置で出力され
   る４つ以上の変化信号の内、前記ディスクが１回転する
   と１回だけクロスする２信号を使用して原点位置矩形波
   信号を形成する請求項１に記載のロータリエンコーダ。
10. 【請求項１０】 回転変位検出用周期格子を有するディ
    スクの中心に対して略対称な位置に設けた原点検出用マ
    ークのそれぞれから２つ以上の変化信号を得るためのマ
    ーク検出手段を有することを特徴とするロータリエンコ
    ーダ。
11. 【請求項１１】 前記原点検出用マークのそれぞれは、
    回転方向に所定の間隔だけずらされた少なくとも２つの
    部分マークを有する請求項１０に記載のロータリエンコ
    ーダ。
12. 【請求項１２】 前記ディスクの所定回転位置で出力さ
    れる４つ以上の変化信号の内、前記ディスクが１回転で
    １回だけクロスする２信号を使用して原点位置矩形波信
    号を形成する請求項１０に記載のロータリエンコーダ。
13. 【請求項１３】 発光素子からの光束を回転変位検出用
    周期格子を有するディスクに照射して受光素子により検
    出することによりインクリメンタル信号を得るロータリ
    エンコーダにおいて、前記ディスクの中心に対して略対
    称な位置に設けた２つ以上の検出信号を発生させるため
    のマーク部を有し、これらの検出信号を用いて原点情報
    を有する少なくとも１つのパルス信号の立上がり位置及
    び立下がり位置を決定することを特徴とするロータリエ
    ンコーダ。
14. 【請求項１４】 発光素子からの光束を回転変位検出用
    周期格子を有するディスクに照射して受光素子により検
    出することによりインクリメンタル信号を得るロータリ
    エンコーダにおいて、前記ディスクの中心に対して略対
    称な位置に設けた２つ以上の検出信号を発生させるため
    のマーク部を有し、これらの検出信号から原点情報を有
    する信号としての前記インクリメンタル信号とほぼ同等
    のパルス幅のパルス信号を形成することを特徴とするロ
    ータリエンコーダ。