JPH11142187A

JPH11142187A - ロータリエンコーダ

Info

Publication number: JPH11142187A
Application number: JP31097197A
Authority: JP
Inventors: Yuji Matsuzoe; 雄二松添; Yasukazu Sano; 安一佐野
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1997-11-13
Filing date: 1997-11-13
Publication date: 1999-05-28

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のロータリエンコーダでは、明暗格子の
ピッチを小さくすると、光の回折現象などの影響により
正弦波光量分布のコントラストが低下し、高分解能化が
困難であった。【解決手段】本発明は、外周部に明暗格子４を有する
回転スリット板３と、半導体レーザ８と、ビームスプリ
ッタ６と、前記回転スリット板に対向する面を円錐形状
とし、コリメータレンズからの平行光線をベッセルビー
ムに変換し、前記回転スリット板上の明暗格子に入射す
るとともに、当該明暗格子からの反射光を輪帯状の平行
光線に変換する円錐レンズ５と、前記円錐レンズを通過
後、前記ビームスプリッタにより分岐された反射光を集
光する集光レンズ１０と、前記集光された反射光の強度
を電気信号に変換する受光素子１１を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サーボモータ等に
用いられるロータリエンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のロータリエンコーダの構成を図１
５に示す。すなわち、ボールベアリング５１に支持され
た回転軸５２に回転スリット板５３が取り付けられてい
る。回転スリット板５３には、外周部にパルスカウント
用の明暗格子５７と、回転スリット板が１回転する時に
一度だけ光を透過させる作用を有する原点確認用スリッ
ト６０が設けられている。明暗格子５７と原点確認用ス
リット６０に対向する位置には、当該明暗格子５７、原
点確認用スリット６０をそれぞれ照明するための明暗格
子用ＬＥＤ５５と原点確認用ＬＥＤ５８が設けられてい
る。回転スリット板５３を間に挟んで、明暗格子用ＬＥ
Ｄ５５、原点確認用ＬＥＤ５８に対向する位置には、固
定スリット板５４、明暗格子用受光素子５６、原点確認
用受光素子５９が設けられている。なお、固定スリット
板５４には、明暗格子用固定スリット６１、原点確認用
固定スリット６２が設けられている。

【０００３】つぎに、図１６に基づいて、従来のロータ
リエンコーダのパルス発生の原理を説明する。明暗格子
用ＬＥＤ５５（図１５参照）により、回転スリット板５
３を照明した光線は、回転スリット板５３の明暗格子５
７を透過し、固定スリット板５４上で、図１６（ａ）に
示す正弦波状の光量分布となる。ここで、Ｐは、回転ス
リット板５３の明暗格子５７の格子ピッチに相当する。
回転スリット板５３が回転すると、固定スリット板５４
上の正弦波光量分布が回転スリット板５３と同方向に移
動するため、明暗格子用受光素子５６の出力電圧は、図
１６（ｂ）に示す様な正弦波になる。ここで、Ｔは、回
転スリット板が前記１ピッチ（Ｐ）移動するのに要した
時間である。図示していない回路により、上記出力電圧
に閾値処理を施し、図１６（ｃ）の方形波を得る。さら
に、図示していない回路により、上記方形波の立ち下が
り、及び立ち下がりにパルスを発生させることにより、
図１６（ｄ）に示すパルスを得る。従来のロータリエン
コーダは、上記パルスを計数することにより、回転軸５
２の回転角度を算出していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に、小型で高分解
能のロータリエンコーダを得る場合、回転スリット板の
明暗格子のピッチを小さくする必要がある。しかしなが
ら、明暗格子のピッチを小さくすると、光の回折現象や
斜めに入射する光線、明暗格子表面からの多重反射光、
回転スリット板の偏芯によって生じるモワレ縞などの影
響により、正弦波光量分布のコントラストが低下し、精
度が低下するなど、ロータリエンコーダの高分解能化が
困難であった。

【０００５】そこで本発明は、高分解能かつ高精度なロ
ータリエンコーダを提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、回転軸に取り付けられ、外
周部に明暗格子を有する回転スリット板と、光源として
の半導体レーザと、当該半導体レーザからの光を平行光
線にするコリメータレンズと、前記平行光線を前記回転
スリット板側に導く光路と回転スリット板からの反射光
を受光素子側に導く光路を分岐するためのビームスプリ
ッタと、前記回転スリット板に対向する面を円錐形状と
し、前記コリメータレンズからの平行光線をベッセルビ
ームに変換し、前記回転スリット板上の明暗格子に入射
するとともに、当該明暗格子からの反射光を輪帯状の平
行光線に変換する円錐レンズと、前記円錐レンズを通過
後、前記ビームスプリッタにより分岐された反射光を集
光する集光レンズと、前記集光された反射光の強度を電
気信号に変換する受光素子を備えることを特徴とする。

【０００７】請求項２記載の発明は、回転軸に取り付け
られ、外周部に明暗格子を有する回転スリット板と、光
源としての半導体レーザと、当該半導体レーザからの光
を平行光線にするコリメータレンズと、前記平行光線を
前記回転スリット板側に導く光路と回転スリット板から
の反射光を受光素子側に導く光路を分岐するためのビー
ムスプリッタと、前記回転スリット板に対向する面を円
錐形状とし、前記コリメータレンズからの平行光線をベ
ッセルビームに変換し、前記回転スリット板上の明暗格
子に入射するとともに、当該明暗格子からの反射光を輪
帯状の平行光線に変換する円錐レンズと、前記円錐レン
ズを通過後、前記ビームスプリッタにより分岐された反
射光を円状の受光面で受け、電気信号に変換する受光素
子を備えることを特徴とする。

【０００８】請求項３記載の発明は、回転軸に取り付け
られ、外周部に明暗格子を有する回転スリット板と、光
源としての半導体レーザと、当該半導体レーザからの光
を平行光線にするコリメータレンズと、前記平行光線を
前記回転スリット板側に導く光路と回転スリット板から
の反射光を受光素子側に導く光路を分岐するためのビー
ムスプリッタと、前記回転スリット板に対向する面を円
錐形状とし、前記コリメータレンズからの平行光線をベ
ッセルビームに変換し、前記回転スリット板上の明暗格
子に入射するとともに、当該明暗格子からの反射光を輪
帯状の平行光線に変換する円錐レンズと、前記円錐レン
ズを通過後、前記ビームスプリッタにより分岐された反
射光を同心円状の受光素子アレイで受け、電気信号に変
換する受光素子を備え、前記円錐レンズによって変換さ
れた輪帯状の平行光線が、前記受光素子に入射する位置
の変化によって、前記円錐レンズと前記回転スリット板
との距離の変化を算出することを特徴とする。

【０００９】請求項４記載の発明は、請求項１、２、ま
たは３記載のロータリエンコーダにおいて、前記明暗格
子からの反射光が前記受光素子に入射するタイミング
と、当該反射光が遮光するタイミングにパルスを発生
し、当該パルスを計数することにより前記回転スリット
板の回転角度を算出することを特徴とする。

【００１０】請求項５記載の発明は、回転軸に取り付け
られ、外周部に等間隔の明暗格子を有する回転スリット
板と、前記明暗格子を照明する光源と、当該光源の出射
面に対向し前記回転スリット板を挟んで配置され、前記
明暗格子を透過した光線の全部若しくは一部を受光素子
アレイに導く固定スリット板と、当該固定スリット板を
透過した光線の強度を電気信号に変換する受光素子アレ
イを備える。そして、前記受光素子アレイの受光部の数
をｎ，前記明暗格子の格子ピッチをＡ、前記固定スリッ
ト板のスリットピッチをＢ、前記受光素子アレイの受光
部のアレイピッチをＣとしたとき、以下の関係式を満た
し、前記固定スリット板のスリットの中心と前記受光素
子アレイの受光部の中心を一致させ、近接させて配置す
ることを特徴とする。Ｂ＝Ｃ＝Ａ×（ｎ−２）／（ｎ−１）

【００１１】請求項６記載の発明は、回転軸に取り付け
られ、外周部に等間隔の明暗格子を有する回転スリット
板と、前記明暗格子を照明する光源と、当該光源の出射
面に対向し前記回転スリット板を挟んで配置され、前記
明暗格子を透過した光線の全部若しくは一部を受光素子
アレイに導く固定スリット板と、当該固定スリット板を
透過した光線の強度を電気信号に変換する受光素子アレ
イを備える。そして、前記受光素子アレイの受光部の数
をｎ，前記明暗格子の格子ピッチをＡ、前記固定スリッ
ト板のスリットピッチをＤ、前記受光素子アレイの受光
部のアレイピッチをＥとしたとき、以下の関係式を満た
し、前記固定スリット板のスリットの中心と前記受光素
子アレイの受光部の中心を一致させ、近接させて配置す
ることを特徴とする。Ｄ＝Ｅ＝Ａ×（ｎ−１）／ｎ＋Ａ×ｋ（ただし、ｋ＝
１以上の整数）

【００１２】請求項７記載の発明は、回転軸に取り付け
られ、外周部に等間隔の明暗格子を有する回転スリット
板と、前記明暗格子を照明する光源と、当該光源の出射
面に対向し前記回転スリット板を挟んで配置され、前記
明暗格子を透過した光線の全部若しくは一部を受光素子
アレイに導く固定スリット板と、当該固定スリット板を
透過した光線の強度を電気信号に変換する受光素子アレ
イを備える。そして、前記受光素子アレイの受光部の数
をｎ，前記明暗格子の格子ピッチをＡ、前記固定スリッ
ト板のスリットピッチをＤ、前記受光素子アレイの受光
部のアレイピッチをＥとしたとき、以下の関係式を満た
し、前記固定スリット板のスリットの中心と前記受光素
子アレイの受光部の中心を一致させ、近接させて配置す
ることを特徴とする。Ｄ＝Ｅ＝Ａ×（ｎ−２）／（ｎ−１）＋Ａ×ｋ（ただ
し、ｋ＝１以上の整数）

【００１３】請求項８記載の発明は、請求項５または７
記載のロータリエンコーダにおいて、前記受光素子アレ
イの両端に位置する２つの受光部がともに出力したとき
に、パルスを発生させ、当該パルスを基準として前記回
転スリット板の回転角度を算出することを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図に沿って本発明の実施形
態を説明する。図１は、第１の実施形態（請求項１に係
る発明に相当する）の構成図である。すなわち、第１の
実施形態は、ボールベアリング２に支持された回転軸１
に取り付けられた回転スリット板３の外周部に、等間隔
の明暗格子４を設ける。この明暗格子４は、ガラス等の
透明な材質に、光を反射させるもの（例えばＡＬ蒸着
膜）を周期的になるように蒸着、若しくは塗布したもの
である。図中明暗格子上のＡ点から垂直方向に、頂点を
回転スリット板３に対向させた円錐レンズ５、ビームス
プリッタ６、コリメータレンズ７、半導体レーザ８を配
置する。また、ビームスプリッタ６から回転スリット板
３と平行方向に、集光レンズ１０、受光素子１１を配置
する。

【００１５】円錐レンズ５は、半導体レーザ８からの光
が入射する面は平面であり、回転スリット板３に対向す
る面は円錐形状である。ビームスプリッタ６は、半導体
レーザ８からの光を回転スリット板３側に導く投光側の
光路と、回転スリット板３からの反射光を受光素子１１
側に導く受光側の光路とを分岐するためのものである。

【００１６】次に、図２に基づいて第１の実施形態の作
用を説明する。半導体レーザ８から照射されたレーザー
光は、コリメータレンズ７により平行光線となり、ビー
ムスプリッタ６を透過して円錐レンズ５に入射する（図
２では当該光線を省略している）。円錐レンズ５に入射
した平行光線は、円錐レンズの作用により、円錐形状の
頂点方向に屈折し、円錐形状の頂点から回転スリット板
３の方向に向かい長さ数ｍｍの範囲にわたって、光の空
間強度分布の半値幅が数μｍ程度のベッセルビームを発
生する（図中、太い実線で表示）。このベッセルビーム
は、波動光学的に考えるとわかりやすい。すなわち、円
錐レンズ５に入射した平行光線は、円錐形状の頂点を境
として平面波に分離される。当該平面波が重なり合って
いる領域では、光波の干渉作用により、光軸を中心とし
た同心円状の干渉縞が形成される。ところが、半導体レ
ーザ８の発振波長にある程度の幅があるため、前記干渉
縞は光軸上のみ強度が強い、いわゆるベッセル関数近似
の干渉縞となる。これをベッセルビームと定義する。

【００１７】ベッセルビームは、回転スリット板３の明
暗格子４のＡ点を照明する。図２（ａ）に示したよう
に、明暗格子４の反射面に入射したベッセルビームは、
明暗格子４上の反射面のＡ点を頂点とする中空円錐状に
反射し、前記円錐レンズ５に入射する。円錐レンズを透
過した反射光は、Ａ−Ｂ断面図に示すように、輪帯状の
平行光線に変換される。当該輪帯状の反射光は、ビーム
スプリッタ６により、９０度折り曲げられ、集光レンズ
１０に入射する。受光素子１１は、集光レンズ１０の焦
点距離ｆの位置（すなわち焦平面上）に配置され、集光
レンズ１０により集光された反射光を検出し、電気信号
に変換する。

【００１８】つぎに、回転軸１に外部（例えばモータ）
から回転力が与えられ、回転スリット板３が明暗格子４
のピッチの１／２だけ回転した場合を図２（ｂ）に示
す。この場合、ベッセルビームは明暗格子４の透過面に
入射するため、明暗格子４からの反射光はなくなり、受
光素子１１に反射光が入射することはない。

【００１９】上述したように、ベッセルビームが明暗格
子４の反射部に入射したときには受光素子１１に反射光
が入射し、明暗格子４の透過部に入射したときには受光
素子１１に反射光が入射することはない。したがって、
受光素子１１に反射光が入射したタイミングと遮光した
タイミングにパルスを発生させる回路とを設けることに
より、回転スリット板３の回転を検出することが可能と
なる。

【００２０】第１の実施形態によれば、円錐レンズ５に
より形成されるベッセルビームの半値幅を数μｍと小さ
くできるため、ピッチの細かい明暗格子を使うことによ
り、ロータリーエンコーダの分解能を高めることができ
る。また、従来のロータリエンコーダでは、回転軸の偏
芯などにより回転スリット板が軸方向に±０．０５ｍｍ
程度移動するため、回転スリット板と明暗格子用ＬＥＤ
との間隔を０．１ｍｍ以上離す必要があるが、この間隔
を大きくすると、コントラストの高い正弦波を得ること
ができず、精度が低下し、高分解能化が困難であった。
これに対し、第１の実施形態では、円錐レンズ５により
形成されるベッセルビームの焦点深度は数ｍｍと深いた
め、円錐レンズ５と回転スリット板３との距離を離して
も高コントラストの正弦波信号を得ることができ、高分
解能かつ高精度化を図ることができる。

【００２１】図３は、第２の実施形態（請求項２に係る
発明に相当する）の構成図である。第１の実施形態との
相違点について説明する。第２の実施形態は、第１の実
施形態の構成要素である集光レンズ１０を除き、受光素
子として円状の受光面を有する受光素子１２を備える。
他の構成要件については、第１の実施形態と同様であ
る。

【００２２】図４は、第２の実施形態の作用を示した図
である。図４（ａ）は、円錐レンズ５により形成された
ベッセルビームが明暗格子４の反射部に入射した場合を
示し、図４（ｂ）は、ベッセルビームが明暗格子４の透
過部に入射した場合を示している。第１の実施形態との
相違点を中心に説明する。明暗格子４の反射部からの反
射光は、円錐レンズ５により輪帯状の平行光線に変換さ
れる（Ａ−Ｂ断面図参照）。第２の実施形態では、第１
の実施形態と異なり、前記輪帯状の平行光線に変換され
る反射光はそのまま受光素子１２に入射する。このた
め、受光素子１２は、前記輪帯状反射光を包摂する円状
の受光面（あるいは、輪帯状の受光面）を有する。他の
作用については、第１の実施形態と同様である。

【００２３】第２の実施形態の効果についても、上述し
た第１の実施形態の効果と同様である。さらに、第２の
実施形態では、集光レンズ１０を省くことにより、光学
部品点数の軽減による製造コストの低減を図ることがで
きる。

【００２４】図５は、第３の実施形態（請求項３に係る
発明に相当する）の構成図である。第２の実施形態との
相違点について説明する。第３の実施形態は、第２の実
施形態の構成要件である受光素子１２の代わりに、受光
面が同心円状のアレイから構成される受光素子１３を配
置することを特徴とする。他の構成要件については、第
２の実施形態と同様である。

【００２５】図６は、第３の実施形態の作用を示した図
である。図６（ａ）は、円錐レンズ５により形成された
ベッセルビームが明暗格子４の反射面に入射した場合を
示し、図６（ｂ）は、ベッセルビームが明暗格子４の透
過面に入射した場合を示している。第３の実施形態のロ
ータリエンコーダとしての作用は、第２の実施形態と同
様である。

【００２６】つぎに、第３の実施形態による新たな機能
である、回転スリット板３のスラスト方向の変位検出機
能について説明する。図７（ａ）は、回転スリット板３
を基準の位置に配置した場合を示す。図７（ｂ）は、回
転スリット板３が基準の位置からスラスト方向（すなわ
ち、回転スリット板３の法線方向）にｄｘ移動した場合
を示す。なお、図中、半導体レーザ８、コリメータレン
ズ７、ビームスプリッタ６を省略した。

【００２７】回転スリット板３を基準の位置に配置した
場合、回転スリット板３の明暗格子４の反射部からの反
射光は、明暗格子４の反射部を頂点とする半画角θの中
空円錐状に拡がり、数式１で表される半径Ｒ１の輪帯状
の光量分布で、円錐レンズ５に入射する。

【００２８】

【数１】Ｒ１＝θ×Ｌ１

【００２９】上記数式１において、Ｌ１は明暗格子４の
反射面から反射光が円錐レンズ５に入射するまでの光軸
上の距離である。円錐レンズ５を透過した反射光は、半
径Ｒ１の輪帯状の平行光線になり、受光素子１３の直径
αのアレイに入射する。

【００３０】つぎに、図７（ｂ）に示すように、回転ス
リット板３がスラスト方向にｄｘ移動すると、回転スリ
ット板３の明暗格子４の反射部からの反射光は、明暗格
子４の反射面を頂点とする半画角θの中空円錐状に拡が
り、数式２で表される半径Ｒ２の輪帯状の光量分布で、
円錐レンズに入射する。

【００３１】

【数２】Ｒ２＝θ×Ｌ２

【００３２】なお、Ｌ２は数式３の関係を満たす。

【００３３】

【数３】Ｌ２＝Ｌ１＋ｄｘ

【００３４】円錐レンズ５を透過した反射光は、半径Ｒ
２の輪帯状の平行光線になり、受光素子１３の直径βの
アレイに入射する。

【００３５】したがって、受光素子１３に入射する反射
光（輪帯状の平行光線）の位置の変化を各アレイにより
検出する回路を設けることにより、回転スリット板３の
スラスト方向の変位の測定が可能になる。すなわち、リ
ニアエンコーダの機能を有する。

【００３６】第３の実施形態によれば、第２の実施形態
による効果に加えて、以下の効果を奏する。角度変位と
直線変位を同時に測定する必要がある場合、従来はロー
タリエンコーダとリニアエンコーダを別々に設ける必要
があり、リニアエンコーダを配置するためのスペースの
確保が困難であったり、コストが増大するなどの不都合
があった。これに対して、第３の実施形態によれば、ロ
ータリエンコーダとリニアエンコーダの機能を合わせて
持つことができ、装置の小型化や、コストの低減を図る
ことができる。

【００３７】図８（ａ）は、第４の実施形態の構成図で
ある。ボールベアリング２に支持された回転軸１に取り
付けられた回転スリット板３３の外周部に、等間隔の明
暗格子３７を設ける。明暗格子３７を照明できる位置に
配置されたＬＥＤ３６と、当該ＬＥＤ３６に対向し、か
つ回転スリット板３３を間に挟んだ位置に、固定スリッ
ト板３４、受光素子アレイ３５を配置する。すなわち、
第４の実施形態は、上述した第１〜第３の実施形態とは
異なり、光を回転スリット板３４に透過させて検出する
いわゆる透過型の構成である。

【００３８】図８（ｂ）は、図８（ａ）のうち、ＬＥＤ
３６、明暗格子３７、固定スリット板３４、受光素子ア
レイ３５の関係を示した詳細図である。図８（ｂ）にお
いて、回転スリット板３３の明暗格子３７の格子ピッチ
をＡ、固定スリット板３４のスリットピッチをＢ、受光
素子アレイ３５の受光部のピッチをＣとする。第４の実
施形態は、上記ピッチＡ、ピッチＢ、ピッチＣとの間に
数式４に示す関係を有することを特徴とする。

【００３９】

【数４】Ｂ＝Ｃ＝Ａ×（ｎ−１）／ｎ

【００４０】上記数式４において、ｎは受光素子アレイ
３５の受光部の数である。図８（ｂ）ではｎ＝５である
が、以下の説明ではｎ＝４として説明する。数式４にｎ
＝４を代入すると、数式５となる。

【００４１】

【数５】Ｂ＝Ｃ＝Ａ×３／４

【００４２】また、固定スリット板３４と受光素子アレ
イ３５は、平行に近接させて配置し、固定スリット板３
４を透過した光線の一部又は全部が受光素子アレイ３５
に入射できるように、固定スリット板３４のスリット開
口部の中心と、受光素子アレイ３５の受光部の中心が一
致するように配置する。固定スリット板３４は、漏れ光
などが回り込んで受光素子アレイ３５に入射するのを防
ぐ遮光板としての役割を果たし、固定スリット板３４に
より高コントラストの正弦波信号を得ることができる。

【００４３】つぎに、図９に基づいて、第４の実施形態
の作用を説明する。ＬＥＤ３６により回転スリット板３
３の明暗格子３７を照明すると、回転スリット板３３を
透過した光線は、図９（ａ）に示すような正弦波状の光
量分布になる。このとき（時間Ｔ０の時）、受光素子ア
レイ３５の受光部としての各センサにおいて、センサＡ
の出力がセンサＢ、センサＣ、センサＤよりも大きく最
大になり、ＯＮになっている。つぎに、回転軸１に外部
（例えばモータ）から回転力が加えられ、回転スリット
板３３が格子ピッチのＡ／４だけ回転すると、固定スリ
ット板上の光量分布はＡ／４移動する（図９（ｂ）参
照）。このとき、受光素子アレイ上では、センサＢの光
量が最大になり、センサＢがＯＮになっている。さら
に、回転スリット板３３がＡ／４だけ移動すると、移動
する間にセンサＢからセンサＣがＯＮになる（図９
（ｃ）参照）。同様に、回転スリット板３３がＡ／４だ
け移動すると、移動する間にセンサＣからセンサＤがＯ
Ｎになる（図９（ｄ））。

【００４４】図１０は、上述したセンサのＯＮ／ＯＦＦ
状態を示すタイミングチャートである。図１０より、例
えば、センサＡのＯＮ状態から、センサＢのＯＮ状態に
移るタイミングに、パルスを発生させることにより、回
転スリット板３３の回転を検出することが可能になる。

【００４５】つぎに、第５の実施形態（請求項５に係る
発明に相当する）について説明する。第５の実施形態
は、第４の実施形態にセンサＥを追加し、それに応じて
固定スリットの数を１つ追加する。センサＥの位置は、
センサＤの隣でピッチＣの位置である（図１１参照）。
第５の実施形態の他の構成要素は、第４の実施形態と同
様である。なお、センサの数ｎと各ピッチＡ，Ｂ、Ｃと
の関係を一般式で表すと数式６となる。

【００４６】

【数６】Ｂ＝Ｃ＝Ａ×（ｎ−２）／（ｎ−１）

【００４７】図１１に基づいて、第５の実施形態の作用
を説明する。ＬＥＤにより回転スリット板の明暗格子を
照明すると、回転スリット板を透過した光線は、正弦波
状の光量分布になる（図１１参照）。時間Ｔ０におい
て、センサＡ，及びセンサＥの出力は、センサＢ、セン
サＣ、センサＤよりも大きくなる（図１１（ａ））。こ
の状態から回転軸に外部から回転力が加えられると、回
転スリット板がスリットピッチのＡ／４だけ回転し、固
定スリット板上の光量分布はＡ／４移動する（図１１
（ｂ））。このとき、固定スリット板を透過した光線
は、受光素子アレイ上でセンサＢの光量が最大になり、
センサＢがＯＮになっている。第４の実施形態と同様
に、固定スリット板がＡ／４回転するごとに、出力が最
大になるセンサは、センサＣ、センサＤと順次移動す
る。

【００４８】図１２（ａ）は、上述した各センサのＯＮ
／ＯＦＦ状態を表すタイミングチャートである。図１２
（ｂ）は、ＯＮ状態のセンサ出力を重ね合わせ、時系列
に示した図である。図１２（ｂ）から、重ね合わせたセ
ンサ出力が最大になるのは、センサＡ，及びセンサＥが
ＯＮ状態にあるときで、このとき、センサＢ、センサ
Ｃ、センサＤがＯＮ状態にあるときの２倍の出力を得る
ことができる。第５の実施形態では、センサＡ，及びセ
ンサＥがＯＮ状態になるタイミング（スリットの１周期
に対応する）で、計数カウンタ（図示せず）をリセット
することが可能となる。

【００４９】第５の実施形態によれば、スリットの１周
期ごとに通常の２倍のセンサ出力を得ることができるた
め、当該２倍のセンサ出力を基準として回転角度を計数
することにより累積誤差を減少し、測定精度を向上する
ことができる。ひいては、従来技術で必要とされた原点
確認用の光学素子（原点確認用ＬＥＤや原点確認用受光
素子）を省略し、安価なロータリエンコーダを提供する
ことができる。

【００５０】図１３（ａ）は、第６の実施形態（請求項
６に係る発明に相当する）の構成図であり、図１３
（ｂ）は第６の実施形態の主要部の詳細図である。第６
の実施形態の構成は、第４の実施形態の構成とほぼ同様
である。以下、第４の実施形態との相違点について説明
する。回転スリット板３３の明暗格子３７の格子ピッチ
をＡ、固定スリット板４４のスリットピッチをＤ、受光
素子アレイ４５の受光部のピッチをＥとしたとき、それ
ぞれＡ，Ｄ，Ｅは、数式７の関係を満たす。

【００５１】

【数７】Ｄ＝Ｅ＝（Ａ×（ｎ−１）／ｎ）＋α α＝Ａ×ｋ

【００５２】上記数式７において、ｎは受光素子アレイ
４５の受光部の数で、ｋは１以上の整数である。なお、
ｋ＝０とすれば、第４の実施形態に一致することはもと
よりである。

【００５３】以下、ｎ＝４、ｋ＝１として説明する。数
式７に、ｎ＝４、ｋ＝１を代入すると、数式８になる。

【００５４】

【数８】Ｄ＝Ｅ＝７Ａ／４

【００５５】また、固定スリット板４４と受光素子アレ
イ４５は、平行に近接させて配置し、固定スリット板４
４を透過した光線の一部又は全部が受光素子アレイ４５
に入射できるように、固定スリット板４４のスリット開
口部の中心と、受光素子アレイ４５の受光部の中心が一
致するように配置する。固定スリット板４４は、漏れ光
などが回り込んで受光素子アレイ４５に入射するのを防
ぐ遮光板としての役割を果たし、固定スリット板４４に
より高コントラストの正弦波信号を得ることができる。

【００５６】図１４に基づいて、第６の実施形態の作用
を説明する。図１４（ａ）は、回転スリット板３３の明
暗格子３７を拡大した図である。図中、符号３８はＬＥ
Ｄ３６からの光を透過する部分であり、符号３９は遮光
部である。上記透過部３８を透過した光線は、固定スリ
ット板４４上で、正弦波状の光量分布になる（図１４
（ｂ））。さらに、固定スリット板４４を透過した光線
の一部は、受光素子アレイ４５の受光部としての各セン
サに入射する（図１４（ｃ））。図１４（ｃ）におい
て、センサ４０に入射する光量は最大になり、センサ４
２に入射する光量は最小になる。つぎに、回転軸１に外
部から回転力が加えられ、回転スリット板３３が明暗格
子３７のスリットピッチのＡ／４だけ回転すると、固定
スリット板４４上の光量分布は図１４（ｂ）の状態から
Ａ／４だけ左方向に移動する（図示せず）。このとき、
センサ４１の光量が最大になり、センサ４１がＯＮにな
る。さらに、回転スリット板３３がＡ／４だけ回転する
と、センサ４２の光量が最大になり、センサ４２がＯＮ
になる。同様に、回転スリット板３３がＡ／４だけ回転
すると、センサ４３の光量が最大になり、センサ４３が
ＯＮになる。

【００５７】例えば、センサ４０からセンサ４１にＯＮ
状態が移るときに、パルスを発生させることにより、回
転スリット板３３の回転を検出できる。

【００５８】第６の実施形態によれば、固定スリット板
４４のスリットピッチＤ、及び受光素子アレイ４５の受
光部のピッチＥを、明暗格子３７の格子ピッチＡに比べ
広くとることができる。特に、高分解能化を図るため、
明暗格子３７の格子ピッチＡを細かくしたときに、受光
素子アレイの受光部のピッチＥを同様に細かくする必要
がなく、設計上及び製造上の自由度を得ることができ
る。

【００５９】また、第６の実施形態に、さらにセンサの
数を１つ増やして、ピッチＥの位置に配置することによ
り、第５の実施形態と同様の効果を得ることもできる。

【００６０】以上、ロータリエンコーダの実施形態につ
いて説明したが、当業者がこれをリニアエンコーダに適
用することは、均等の範囲であると考える。すなわち、
請求項１、２、４、５、６、７、８記載の発明におい
て、回転スリット板を、直線的な明暗格子を有するスリ
ット板に置き換えることにより、高分解能なリニアエン
コーダを極めて容易に実現することができ、かつ同様の
作用効果を奏することができる。

【００６１】

【発明の効果】以上のように請求項１、２、３、４、
５、６、７、８記載の発明によれば、高分解能かつ高精
度なロータリエンコーダを提供することができる。

【００６２】請求項１、２、３、４記載の発明によれ
ば、円錐レンズと回転スリット板との距離を任意に設定
でき、簡便である。

【００６３】特に、請求項３記載の発明によれば、ロー
タリエンコーダとリニアエンコーダの機能を合わせて持
つことができ、装置の小型化や、コストの低減を図るこ
とができる。

【００６４】請求項５、７、または８記載の発明によれ
ば、スリットの１周期ごとに通常の２倍のセンサ出力を
得ることができるため、当該２倍のセンサ出力を基準と
して回転角度を計数することにより累積誤差を減少し、
測定精度を向上することができる。ひいては、従来技術
で必要とされた原点確認用の光学素子を省略でき、安価
なロータリエンコーダを提供することができる。

【００６５】請求項６記載の発明によれば、固定スリッ
ト板のスリットピッチ、及び受光素子アレイの受光部の
ピッチを、明暗格子の格子ピッチに比べ広くとることが
できるため、設計上及び製造上の自由度を得ることがで
き、高分解能化を容易に達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態の構成図である。

【図２】第１の実施形態の作用を示した図である。

【図３】第２の実施形態の構成図である。

【図４】第２の実施形態の作用を示した図である。

【図５】第３の実施形態の構成図である。

【図６】第３の実施形態の作用を示した図である。

【図７】第３の実施形態による回転スリット板のスラス
ト方向の変位検出機能の説明図である。

【図８】第４の実施形態の構成図である。

【図９】第４の実施形態の作用を示した図である。

【図１０】センサのＯＮ／ＯＦＦ状態を示すタイミング
チャートである。

【図１１】第５の実施形態の作用を示した図である。

【図１２】センサのＯＮ／ＯＦＦ状態を表すタイミング
チャートである。

【図１３】第６の実施形態の構成図である。

【図１４】第６の実施形態の作用を示した図である。

【図１５】従来のロータリエンコーダの構成図である。

【図１６】従来のロータリエンコーダの作用を示した図
である。

【符号の説明】

１回転軸２ボールベアリング３回転スリット板４明暗格子５円錐レンズ６ビームスプリッタ７コリメータレンズ８半導体レーザ１０集光レンズ１１、１２、１３受光素子３３回転スリット板３４固定スリット板３５受光素子アレイ３６ＬＥＤ３７明暗格子３８透過部３９遮光部４０、４１、４２、４３センサ４４固定スリット板４５受光素子アレイ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸に取り付けられ、外周部に明暗格
子を有する回転スリット板と、光源としての半導体レーザと、当該半導体レーザからの光を平行光線にするコリメータ
レンズと、前記平行光線を前記回転スリット板側に導く光路と回転
スリット板からの反射光を受光素子側に導く光路を分岐
するためのビームスプリッタと、前記回転スリット板に対向する面を円錐形状とし、前記
コリメータレンズからの平行光線をベッセルビームに変
換し、前記回転スリット板上の明暗格子に入射するとと
もに、当該明暗格子からの反射光を輪帯状の平行光線に
変換する円錐レンズと、前記円錐レンズを通過後、前記ビームスプリッタにより
分岐された反射光を集光する集光レンズと、前記集光された反射光の強度を電気信号に変換する受光
素子を備えることを特徴とするロータリエンコーダ。
【請求項２】回転軸に取り付けられ、外周部に明暗格
子を有する回転スリット板と、光源としての半導体レーザと、当該半導体レーザからの光を平行光線にするコリメータ
レンズと、前記平行光線を前記回転スリット板側に導く光路と回転
スリット板からの反射光を受光素子側に導く光路を分岐
するためのビームスプリッタと、前記回転スリット板に対向する面を円錐形状とし、前記
コリメータレンズからの平行光線をベッセルビームに変
換し、前記回転スリット板上の明暗格子に入射するとと
もに、当該明暗格子からの反射光を輪帯状の平行光線に
変換する円錐レンズと、前記円錐レンズを通過後、前記ビームスプリッタにより
分岐された反射光を円状の受光面で受け、電気信号に変
換する受光素子を備えることを特徴とするロータリエン
コーダ。
【請求項３】回転軸に取り付けられ、外周部に明暗格
子を有する回転スリット板と、光源としての半導体レー
ザと、当該半導体レーザからの光を平行光線にするコリ
メータレンズと、前記平行光線を前記回転スリット板側
に導く光路と回転スリット板からの反射光を受光素子側
に導く光路を分岐するためのビームスプリッタと、前記
回転スリット板に対向する面を円錐形状とし、前記コリ
メータレンズからの平行光線をベッセルビームに変換
し、前記回転スリット板上の明暗格子に入射するととも
に、当該明暗格子からの反射光を輪帯状の平行光線に変
換する円錐レンズと、前記円錐レンズを通過後、前記ビ
ームスプリッタにより分岐された反射光を同心円状の受
光素子アレイで受け、電気信号に変換する受光素子を備
え、前記円錐レンズによって変換された輪帯状の平行光線
が、前記受光素子に入射する位置の変化によって、前記
円錐レンズと前記回転スリット板との距離の変化を算出
することを特徴とするロータリエンコーダ。
【請求項４】請求項１、２、または３記載のロータリ
エンコーダにおいて、前記明暗格子からの反射光が前記受光素子に入射するタ
イミングと、当該反射光が遮光するタイミングにパルス
を発生し、当該パルスを計数することにより前記回転ス
リット板の回転角度を算出することを特徴とするロータ
リエンコーダ。
【請求項５】回転軸に取り付けられ、外周部に等間隔
の明暗格子を有する回転スリット板と、前記明暗格子を
照明する光源と、当該光源の出射面に対向し前記回転ス
リット板を挟んで配置され、前記明暗格子を透過した光
線の全部若しくは一部を受光素子アレイに導く固定スリ
ット板と、当該固定スリット板を透過した光線の強度を
電気信号に変換する受光素子アレイを備えるロータリエ
ンコーダにおいて、前記受光素子アレイの受光部の数をｎ，前記明暗格子の
格子ピッチをＡ、前記固定スリット板のスリットピッチ
をＢ、前記受光素子アレイの受光部のアレイピッチをＣ
としたとき、以下の関係式を満たし、前記固定スリット板のスリット
の中心と前記受光素子アレイの受光部の中心を一致さ
せ、近接させて配置することを特徴とするロータリエン
コーダ。Ｂ＝Ｃ＝Ａ×（ｎ−２）／（ｎ−１）
【請求項６】回転軸に取り付けられ、外周部に等間隔
の明暗格子を有する回転スリット板と、前記明暗格子を
照明する光源と、当該光源の出射面に対向し前記回転ス
リット板を挟んで配置され、前記明暗格子を透過した光
線の全部若しくは一部を受光素子アレイに導く固定スリ
ット板と、当該固定スリット板を透過した光線の強度を
電気信号に変換する受光素子アレイを備えるロータリエ
ンコーダにおいて、前記受光素子アレイの受光部の数をｎ，前記明暗格子の
格子ピッチをＡ、前記固定スリット板のスリットピッチ
をＤ、前記受光素子アレイの受光部のアレイピッチをＥ
としたとき、以下の関係式を満たし、前記固定スリット板のスリット
の中心と前記受光素子アレイの受光部の中心を一致さ
せ、近接させて配置することを特徴とするロータリエン
コーダ。Ｄ＝Ｅ＝Ａ×（ｎ−１）／ｎ＋Ａ×ｋ（ただし、ｋ＝
１以上の整数）
【請求項７】回転軸に取り付けられ、外周部に等間隔
の明暗格子を有する回転スリット板と、前記明暗格子を
照明する光源と、当該光源の出射面に対向し前記回転ス
リット板を挟んで配置され、前記明暗格子を透過した光
線の全部若しくは一部を受光素子アレイに導く固定スリ
ット板と、当該固定スリット板を透過した光線の強度を
電気信号に変換する受光素子アレイを備えるロータリエ
ンコーダにおいて、前記受光素子アレイの受光部の数をｎ，前記明暗格子の
格子ピッチをＡ、前記固定スリット板のスリットピッチ
をＤ、前記受光素子アレイの受光部のアレイピッチをＥ
としたとき、以下の関係式を満たし、前記固定スリット板のスリット
の中心と前記受光素子アレイの受光部の中心を一致さ
せ、近接させて配置することを特徴とするロータリエン
コーダ。Ｄ＝Ｅ＝Ａ×（ｎ−２）／（ｎ−１）＋Ａ×ｋ（ただ
し、ｋ＝１以上の整数）
【請求項８】請求項５または７記載のロータリエンコ
ーダにおいて、前記受光素子アレイの両端に位置する２つの受光部がと
もに出力したときに、パルスを発生させ、当該パルスを
基準として前記回転スリット板の回転角度を算出するこ
とを特徴とするロータリエンコーダ。