光学式エンコーダ
【課題】等倍反転光学系を用いた光学式エンコーダにおいて、基準位置の検出安定性と検出精度とを両立させる。
【解決手段】投影手段４は等倍反転光学系からなり、光源２によって第１領域Ａに照し出された一方の基準スリットパタン２５ａを反転した基準スリットパタンの実像に等倍変換して第２領域Ｂに投影する。受光素子３は、第２領域Ｂを通過する他方の基準スリットパタン２５ｂをマスクとして反対方向に移動する基準スリットパタン２５ａの実像を受光して移動板１の基準位置を検出する。基準スリットパタンは各々不等ピッチで配列したスリット５からなり、基準スリットパタン２５ａは基準スリットパタン２５ｂに対してあらかじめ反転した関係で配されており、基準スリットパタン２５ａの実像に含まれる全スリット実像は、移動板１が基準位置に来た時のみ、第２領域Ｂで基準スリットパタン２５ｂに含まれる全スリット５と重なり合う。
【解決手段】投影手段４は等倍反転光学系からなり、光源２によって第１領域Ａに照し出された一方の基準スリットパタン２５ａを反転した基準スリットパタンの実像に等倍変換して第２領域Ｂに投影する。受光素子３は、第２領域Ｂを通過する他方の基準スリットパタン２５ｂをマスクとして反対方向に移動する基準スリットパタン２５ａの実像を受光して移動板１の基準位置を検出する。基準スリットパタンは各々不等ピッチで配列したスリット５からなり、基準スリットパタン２５ａは基準スリットパタン２５ｂに対してあらかじめ反転した関係で配されており、基準スリットパタン２５ａの実像に含まれる全スリット実像は、移動板１が基準位置に来た時のみ、第２領域Ｂで基準スリットパタン２５ｂに含まれる全スリット５と重なり合う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光素子（光源）と受光素子とスリットを有する移動板とからなる光学式エンコーダに関する。特に、発光素子と受光素子との間に等倍反転光学系を配して分解能を倍増した光学式エンコーダに関する。より詳しくは、かかる光学式エンコーダにおいて移動板の基準位置を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
等倍反転光学系を用いた光学式エンコーダは以下の特許文献１に記載がある。また、通常の光学式エンコーダの基準位置検出技術については、以下の特許文献２に記載がある。
【特許文献１】特開平１０−１２２９０５号公報
【特許文献２】特開昭５３−０９７８６２号公報
【０００３】
図９は、特許文献１に記載された光学式エンコーダを示す模式的な斜視図である。図示するように、光学式エンコーダは移動板１とＬＥＤ等の発光素子からなる光源２とフォトトランジスタアレイ等からなる受光素子３と投影手段４とを備えている。本例では移動板１は回転変位する円盤からなり、第１領域Ａ及び第２領域Ｂを通過するように組み込まれている。光源２は移動板１の下面側で第１領域Ａに対面配置している。受光素子３も移動板１の下面側で第２領域Ｂに対面配置している。投影手段４は移動板１の上面側で第１領域Ａと第２領域Ｂの間に介在している。移動板１は第１領域Ａ及び第２領域Ｂを結ぶ移動方向（この例では円盤の周方向）に沿って一定のピッチＰで配列したスリット５を有する。光源２は第１領域Ａを通過するスリット５を照明してスリット物像を形成する。投影手段４は第１領域Ａに照し出されたスリット物像を反転したスリット実像に等倍変換して第２領域Ｂに投影する。受光素子３は第２領域Ｂを通過するスリット５をマスクとして、反対方向に移動するスリット実像を受光し、移動板１の回転変位を検出する。上述した投影手段４は等倍反転光学系であり、第１領域Ａに対面するコリメータレンズ６と第２領域Ｂに対面する結像レンズ７と、両レンズ６，７の光路を折り曲げて像回転を行なう２枚のミラーＭ１，Ｍ２とを含んでいる。一対のミラーＭ１，Ｍ２は互いに直角を成している。投影手段４は一体化プリズム８からなり、２枚のミラーＭ１，Ｍ２を構成する全反射面と、コリメータレンズ６が配された入射面と、結像レンズ７が配された出射面とを備えている。
【０００４】
図１０は、図９に示した光学式エンコーダにおける像形成の原理を説明したものである。（ａ）は一体化プリズム８を直上から見た平面図であり、（ｂ）は一体化プリズム８を回転円盤の周方向から見た側面図であり、（ｃ）は同じく一体化プリズム８を回転円盤の径方向から見た側面図である。各図に示した光線は全て子午光束である。図示するように、光源２と受光素子３は移動板１の同一面側に配され、投影手段４は移動板１の反対面側に配されている。前述したように、投影手段４は第１領域Ａに対面するコリメータレンズ６と第２領域Ｂに対面する結像レンズ７とを含み、倍率１の等倍反転光学系である。この投影手段４は一体化プリズム８からなり、コリメータレンズ６及び結像レンズ７と共に光学プラスチック等で一体成形される。コリメータレンズ６は一体化プリズム８の入射面１０に配され、結像レンズ７は同じく一体化プリズム８の出射面１２に配されている。
【０００５】
ＬＥＤ等の発光素子からなる光源２は移動板１に形成されたスリット５を照射し、第１領域Ａにスリット物像９を照し出す。このスリット物像９はコリメータレンズ６を介して一体化プリズム８の全反射面からなる互いに直角を成す２枚のミラーＭ１，Ｍ２により結像レンズ７側に転送される。この後結像レンズ７を介して第２領域Ｂ上にスリット実像１３が投影される。コリメータレンズ６の光軸１４ａと結像レンズ７の光軸１４ｂは一体化プリズム８を介して同軸となっており、両レンズ間に像転送用のミラーＭ１，Ｍ２が介在している。（ｃ）に示すように、スリット物像９がコリメータレンズ６及び結像レンズ７により１回結像され、スリット物像１３を生成している。径方向から見た場合、光源２から発した光束はミラーＭ１及びＭ２により反射されて受光素子３に達する。ミラーＭ１，Ｍ２の法線ベクトルはスリット移動方向（周方向）成分をもたない為、径方向から見た場合、スリット実像９は反転してスリット物像１３となる。一方、（ｂ）に示すように、周方向から見た場合、光源２から発した光束は互いに直交するミラーＭ１，Ｍ２により２回反射された後受光素子側に到達する。このように、スリット物像は直交する２枚のミラーＭ１，Ｍ２で像反転を受ける為、結果的にスリット実像は周方向から見た場合正立像となる。従って、（ａ）に模式的に示したように、物像Ｒは径方向を対称軸として等倍反転された実像に変換される。
【０００６】
（ｃ）に示すように、光源２で第１領域Ａ上に照し出されたスリット物像９は、投影手段４を介して第２領域Ｂ上にスリット物像１３として投影される。受光素子３は、移動板１に形成されたスリット５そのものをマスクとしてこのスリット実像１３を受光する。この時、スリット実像１３はスリット物像９に対して等倍反転されている。従って、スリット実像１３は第２領域Ｂにおいてスリット５そのものと裏向きに重なる。又、スリット実像１３の移動方向は矢印で示すようにスリット５そのものの移動方向に対し反対方向となる。従って、受光素子３に入射する光量はスリット実像１３に対しスリット５自身がマスクとなる為、移動板１の回転変位に伴って周期的に増減する。しかも、スリット５のピッチＰの半分でスリット５自身とスリット実像１３が相対的に反対方向に動く為、結局スリットピッチの２倍の分解能のエンコーダ出力が得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光学式エンコーダでは、上述した移動板の変位量に加えて、その基準位置を検出したい場合が多い。図１１は、基準位置検出を可能にしたスリット構成を表している。図示するように、移動板１は一定のピッチで配列したスリット５の列からなる主トラックに加え、第１領域Ａと第２領域Ｂの距離に対応した間隔で配置した一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂからなる副トラックを有している。これに対応して、受光素子は主トラックと副トラックに夫々割り当てられた受光領域を有し、移動板１の変位に加えその基準位置を検出する。具体的には、一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂは各々単スリットからなり、主トラック側のスリット５の列に対し内側に配置されている。両スリットパタン２５ａ，２５ｂの角度間隔αは、第１領域Ａ及び第２領域Ｂ間の角度間隔と等しい。今移動板１が時計方向に回転変位していると、一方の基準スリットパタン２５ａが第２領域Ｂに到達した時、他方のスリットパタン２５ｂが第１領域Ａに達し、その実像が第２領域Ｂに投影される。従って、受光素子は基準スリットパタン２５ｂの実像が基準スリットパタン２５ａ自身に重なった時、移動板１の基準位置を表わす検出信号を出力することになる。
【０００８】
上述したように基準スリットパタン２５ａ，２５ｂは一般に単スリットからなり、基本的には主トラックに形成されたスリット５と同じである。基準位置の検出精度を高めるためには、基準スリットパタンの幅は細いほど良い。変位量の検出精度と同等にする為には、基準スリットパタンの幅も主トラックに形成されたスリット５の幅と同程度に狭める必要がある。しかしながら、光学式エンコーダの分解能が高くなると、必然的にスリット幅が狭くなる為、充分な受光量が得られないという課題がある。特に、基準スリットパタンは単スリットである為、主トラック側に形成されたスリット５の列に比べると受光量が極端に少なくなる。このため、受光信号（検出信号）のレベルが低くなり、外乱ノイズなどの影響を受けて基準位置の誤検出などが生じ光学式エンコーダの動作を不安定化するという課題がある。
【０００９】
これに対処する為には、基準スリットパタンを構成する単スリットの幅を、主トラック側に形成されたスリットの幅に比べて広げる事が考えられる。スリット幅を広げる事で受光量が増し、この結果検出信号の振幅レベルが大きくなる為、外乱ノイズの影響を受け難くなる。しかしながら、スリット幅を拡大すると必然的に基準位置の検出精度が変位量の検出精度に比べて悪くなり装置の高性能化が阻害されるという課題がある。
【００１０】
この様に等倍反転光学系を用いた従来の光学式エンコーダは、基準位置の検出安定性と基準位置の検出精度とを両立する事が難しい。この点に関し、等倍反転光学系を用いない一般的な光学式エンコーダで、基準位置の検出安定性と検出精度とを両立させる技術が特許文献２に記載されている。この光学式エンコーダは、互いに対向配置した発光素子と受光素子との間に、移動板と固定板を重ねて配置したものである。移動板には、複数のスリットからなる基準スリットパタンが形成されている。複数のスリットは不等間隔で配列されている。例えば７本のスリットが、１対２対３対５対７対１０となるように配されている。固定板側にも同じ順序同じ間隔で配列された複数のスリットからなる基準スリットパタンが形成されている。移動板が丁度基準位置に達したとき、移動板側の基準スリットパタンと固定板側の基準スリットパタンは、全てのスリットが重なる。基準位置以外の移動板位置では、２本以上のスリットが同時に重なる事はない。この結果、個々のスリットの幅を狭めても、基準位置では複数のスリットが全て重なるため充分な受光量が得られ、外乱ノイズの影響を受け難くなる。一方、基準スリットパタンの各スリットの幅は、変位量を検出する為に形成する通常のスリットの幅と同程度にできる為、必要な基準位置検出精度を確保できる。
【００１１】
しかしながら、特許文献２に開示された基準位置検出技術は、移動板と固定板を供えた一般的な光学式エンコーダに適用されるものであって、特許文献１に開示されたように固定板の代わりとして等倍反転光学系を利用した光学式エンコーダにそのまま適用できるものではない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は等倍反転光学系を用いた光学式エンコーダにおいて、基準位置の検出安定性と検出精度とを両立させる事を目的とする。かかる目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち本発明は、第１領域及び第２領域を通過する移動坂と、該移動板の一面側で第１領域に対面配置した光源と、該移動板の一面側で第２領域に対面配置した受光素子と、該移動板の他面側で第１領域と第２領域の間に介在する投影手段とを備え、前記移動板は、第１領域及び第２領域を結ぶ移動方向に沿って一定ピッチで配列したスリットの列からなる主トラックと、第１領域と第２領域の距離に対応した間隔で配置した一対の基準スリットパタンからなる副トラックを有し、前記光源は、第１領域を通過するスリットの列及び基準スリットパタンを照明し、前記投影手段は等倍反転光学系からなり、該光源によって第１領域に照し出されたスリットの列を反転したスリット実像の列に等倍変換して第２領域に投影するとともに、該光源によって第１領域に照し出された一方の基準スリットパタンを反転した基準スリットパタンの実像に等倍変換して第２領域に投影し、前記受光素子は、第２領域を通過するスリットの列をマスクとして反対方向に移動する該スリット実像の列を受光して該移動板の変位を検出するとともに、第２領域を通過する他方の基準スリットパタンをマスクとして反対方向に移動する一方の基準スリットパタンの実像を受光して該移動板の基準位置を検出する光学式エンコーダにおいて、前記一対の基準スリットパタンは、各々移動方向に沿って不等ピッチで配列した複数のスリットからなり、一方の基準スリットパタンは他方の基準スリットパタンに対してあらかじめ反転した関係で配されており、該等倍反転光学系で等倍反転された該一方の基準スリットパタンの実像に含まれる全スリット実像は、該移動板が基準位置に来た時のみ、第２領域で該他方の基準スリットパタンに含まれる全スリットと重なり合うことを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、前記基準スリットパタンを構成するため副トラックに不等ピッチで配列されたスリットは、主トラックに一定ピッチで配列したスリットと同程度のスリット開口幅を有する。又、前記等倍反転光学系は、第１領域に対面するコリメータレンズと、第２領域に対面する結像レンズと、両レンズ間の光路を折り曲げて像回転を行なう互いに直角を成す２枚のミラーとからなる。
【発明の効果】
【００１４】
主トラックには移動量を検出する為のスリット列が形成されている一方、副トラックには基準位置を検出するため一対の基準スリットパタンが形成されている。各基準スリットパタンは不等ピッチで配列した複数のスリットからなる。但し、一方の基準スリットパタンは他方のスリットパタンに対して予め反転関係となるように形成されている。換言すると、一対の基準スリットパタンは、移動板の回転軸と、光源と受光素子の中間点とを通る面に対して対称に配列されている。したがって、光源によって照明された一方の基準スリットパタンの像が等倍反転光学系によって受光素子側に反転して結像される。本発明では、予め反転関係で形成された一方の基準スリットパタンが等倍反転光学系によって再度反転された後、他方の基準スリットパタンに重なる事になる。したがって、一方の基準スリットパタンの反転像は基準位置において他方の基準スリットパタンと一致し、不等ピッチで配列した全てのスリットが重なる。これにより、基準位置では充分な受光量が得られる。一方、移動板の回転により基準位置からずれた場合、不等ピッチで配列されているため２つ以上のスリットが同時に重なる事はない。したがって、基準位置では受光信号を波形成形して検出信号を得る上で充分な振幅が得られる。一方、基準スリットパタンの個々のスリット幅は、主トラックに形成されたスリットの幅と同程度に形成できるので、必要な基準位置精度を得る事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明にかかる光学式エンコーダの実施形態を示す模式的な平面図である。図示するように、本光学式エンコーダは、移動板１と光源２と受光素子３と投影手段４とを備える。移動板１は回転軸を中心として回転し、第１領域Ａ及び第２領域Ｂを通過する。光源２は移動板１の下面側で第１領域Ａに対面配置している。受光素子３も移動板１の下面側で第２領域Ｂに対面配置している。投影手段４は、移動板１の上面側で第１領域Ａと第２領域Ｂの間に介在する。
【００１６】
移動板１は同心状に主トラック２０と副トラック２５を備えている。主トラック２０には、第１領域Ａ及び第２領域Ｂを結ぶ移動方向（円周方向）に沿って一定ピッチで配列したスリット５の列が形成されている。副トラック２５には、第１領域Ａと第２領域Ｂの距離に対応した間隔で配置した一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂが形成されている。光源２は、第１領域Ａを通過するスリット５の列及び基準スリットパタン２５ａ，２５ｂを照明する。投影手段４は等倍反転光学系からなり、光源２によって第１領域Ａに映し出されたスリット５の列を反転したスリット実像の列に等倍変換して第２領域Ｂに投影すると共に、光源２によって第１領域Ａに映し出された一方の基準スリットパタン２５ａを反転した基準スリットパタンの実像に等倍変換して第２領域Ｂに投影する。
【００１７】
受光素子３は、第２領域Ｂを通過する主トラック２０のスリット５の列をマスクとして反対方向に移動するスリット５の実像の列を受光して移動板１の変位を検出すると共に、第２領域Ｂを通過する他方の基準スリットパタン２５ｂをマスクとして反対方向に移動する一方の基準スリットパタン２５ａの実像を受光して移動板１の基準位置を検出する。
【００１８】
本発明の特徴事項として、一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂは、各々移動方向（円周方向）に沿って不等ピッチで配列した複数のスリット５からなり、一方の基準スリットパタン２５ａは他方の基準スリットパタン２５ｂに対して予め反転した関係で配されている。等倍反転光学系で等倍反転された一方の基準スリットパタン２５ａの実像に含まれる全スリット実像は、移動板１が基準位置に来た時のみ、第２領域Ｂで他方の基準スリットパタン２５ｂに含まれる全スリット５と重なりあう。好ましくは、基準スリットパタン２５ａ，２５ｂを構成するため副トラック２５に不等ピッチで配列されたスリット５は、主トラック２０に一定ピッチで配列したスリット５と同程度のスリット開口幅を有する。なお、投影手段４を構成する等倍反転光学系は、例えば図９に示した構成を採用する事ができる。即ち、投影手段４は、第１領域Ａに対面するコリメータレンズと、第２領域Ｂに対面する結像レンズと、両レンズ間の光路を折り曲げて像回転を行う互いに直角を成す２枚のミラーとからなる。但し、本発明はこれに限られるものではなく、他の構成の等倍反転光学系を採用する事ができる。
【００１９】
以上の説明から明らかなように、一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂが周方向に離間して移動板１の副トラック２５に配されている。一方の基準スリットパタン２５ａが光源２の光軸上にあるとき他方の基準スリットパタン２５ｂは受光素子３の中心に位置する。各基準スリットパタン２５ａ，２５ｂは、各々複数本のスリット５のセットからなる。基準スリットパタン２５ａ，２５ｂに含まれる各スリット５は、移動板１の周トラック２０に等ピッチで刻まれた変位量検出用のスリット５の幅と同程度の開口幅を有する。本実施形態では各基準スリットパタンは４本のスリット５からなり、不等ピッチ例えば１対１．５対２の間隔で配されている。一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂに配された不等ピッチスリット５のレイアウトは、移動板１の回転軸と、光源２と受光素子３の中間点とを通る対称面３０に対して対称となっており、投影手段４から得られた不等ピッチスリットの像がもう一方の不等ピッチスリットと受光素子３上で重なる。その重なりは、移動板１が丁度基準位置に来たとき複数本のスリット全てが重なるが、基準位置からずれた別の位置では２本以上のスリットが重なる事はない。
【００２０】
図２の（Ａ）は、一方の基準スリットパタン２５ａの拡大図である。図示するように、基準スリットパタン２５ａは複数のスリット５が異なるピッチＰ１，Ｐ２，Ｐ３で放射状に反時計回りの順に並んでいる。
【００２１】
図２の（Ｂ）は他方の基準スリットパタン２５ｂの拡大図である。複数のスリット５が基準スリットパタン２５ａと同様に異なるピッチＰ１，Ｐ２，Ｐ３で放射状に並んでいる。但し順序は基準スリットパタン２５ａと逆に時計回りとなっている。
【００２２】
前述したように、本発明ではレンズ及び反射面からなる等倍反転光学系により、基準スリットパタン２５ａの像を等倍且つ反転させて基準スリットパタン２５ｂと重なるように結像させる。このため、基準スリットパタン２５ａは基準スリットパタン２５ｂに対して予め反転関係となるように形成されている。この反転基準面は、図１に示したように移動板１の回転軸と、光源２と受光素子３の中間点とを通る対称面３０である。異なるピッチＰ１，Ｐ２，Ｐ３は、例えば１対１．５対２とする。また、スリット５の開口幅は最小ピッチＰ１の０．５倍とする。但し、不等ピッチの設定は図示の例に限られるものではない。一般に、基準位置以外において一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂ間で２つ以上のスリットが重ならないようにする為には、スリットの間隔をその幅以上に設定し且つ不等ピッチで配列する必要がある。スリット間隔の比率は、例えば１対２対３対５対７対１０とする事もできる。図２の（Ａ）及び（Ｂ）に示したとおり、一対の基準スリットパタン２５ａ及び２５ｂが、移動板の回転軸と、光源と受光素子の中間点とを通る面に対して対称に並んでいる。したがって、光源に照らされた基準スリットパタン２５ａの像が投影手段によって受光素子側に反転して結像されると、基準スリットパタン２５ａの反転像と基準スリットパタン２５ｂのスリットが互いに重なり、受光素子３に光信号が到達する。反転像とスリットとは基準位置では全てが重なるが、移動板１の回転により基準位置からずれた場合、２つ以上のスリット５が同時に重なる事はない。したがって、基準位置でのみ波形整形する上で充分な振幅があり且つ幅の狭い基準パルス信号が得られ、基準位置検出精度が向上する。
【００２３】
図３は、基準スリットパタンの参考例を示す拡大図である。理解を容易にするため、図２に示した本発明の基準スリットパタンと対応する部分には対応する参照番号を付してある。図示の参考例は、一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂとして、それぞれ単独のスリット（単スリット）５を用いている。しかも、単スリット５の開口幅は、主トラック２０に形成された変位量検出用のスリット５の開口幅と等しくなっている。この結果、基準位置の検出精度は変位量の検出精度と同レベルが得られるが、基準位置検出用の受光量が非常に少なくなる。したがって、このままでは外乱ノイズなどの影響を強く受けるため、安定した基準位置の検出ができない。
【００２４】
図４は基準スリットパタンの他の参考例を示す拡大図である。理解を容易にするため、図２に示した本発明の基準スリットパタンと対応する部分には対応する参照番号を付してある。本参考例は、基準スリットパタン２５ａ，２５ｂがいずれも単スリット５で形成されているが、受光量を増やす為その開口幅が拡大されている。この結果、基準位置における受光信号の振幅レベルが増大し、外乱ノイズに強い構成である。しかしながら、基準スリットパタン２５ａ，２５ｂに形成された単スリット５の開口幅は、移動板１の主トラック２０に形成された変位量検出用のスリット５に比べ広がっているので、基準位置検出精度が悪い。
【００２５】
図５は、図１及び図２に示した本発明にかかる光学式エンコーダの出力波形を示す波形図である。波形Ｘは変位量を示す出力波形である、波形Ｚは基準位置を示す出力波形である。変位検出信号Ｘは主トラック側でスリット列とその反転実像とが周期的に重なり合う毎に現れるパルスの列からなる。受光素子の受光面積内で複数のスリットとその反転実像が同時に重なるため、変位検出信号Ｘのパルス振幅は、充分なレベルとなっている。一方基準位置検出信号Ｚは、基準位置で一方の基準スリットパタンの反転実像と、他方の基準スリットパタンとが重なった時に現れる単発のパルスからなる。本発明では、基準位置において複数のスリットとその反転実像が同時に重なるため、基準位置検出信号に含まれる単発パルスの振幅も充分なレベルとなっており、外乱ノイズの影響は受けない。しかも、基準スリットパタンを構成する各スリットの開口幅は、変位量検出用のスリットの開口幅と略同じに設定されている。したがって、基準位置検出信号Ｚに含まれる単発パルスの幅は、変位量検出信号Ｘに含まれるパルス列の各パルスの幅と同様にシャープである。したがって、変位量検出と同レベルの基準位置検出精度が得られる。
【００２６】
図６は、図３に示した参考例にかかる光学式エンコーダの出力波形を示す波形図である。理解を容易にするため、図５に示した本発明の出力波形と同じ表記を採用している。変位検出信号Ｘに変わりはないが、基準位置検出信号Ｚに含まれる単発パルスのレベルが極端に低下している。これは基準スリットパタンが単スリットで構成されており且つその開口幅が狭い為である。基準位置において受光素子は充分な受光量が得られないため、基準位置検出信号Ｚの振幅が低下し、外乱ノイズの影響を強く受けるようになる。
【００２７】
図７は、図４に示した参考例にかかる光学式エンコーダの出力波形を示している。変位量検出信号Ｘについては変わりないが、基準位置検出信号Ｚに含まれる単発パルスの幅が拡大している。これは、基準スリットパタンを構成する単スリットの開口幅を広げた為である。基準位置で受光素子は充分な受光量を得られるものの、パルス幅が拡大するため基準位置検出精度が悪化している。
【００２８】
光学式エンコーダでは、移動板の変位量及び基準位置に加えて変位方向を検出したい場合が多い。このときには、互いに位相が９０°ずれた一対のエンコーダ出力が必要になる。両出力の相対的な位相関係に従って変位方向が検出できる。図８は、変位方向の検出を可能にしたスリット構造及び受光素子構造の例を二通り示している。（ａ）の例では、移動板１は一定のピッチＰで配列したスリット５の列に沿って一対の平行トラック２１，２２を有している。径方向外側のトラック２１に属するスリット５の部分は、内側のトラック２２に属するスリット５の部分に対し１／８ピッチだけ空間位相が実効的にずれている。従って、外側のトラック２１でスリット５自身とスリット実像１３が重なった状態にある時、内側のトラック２２ではスリット５自身とスリット実像１３が１／４ピッチ分だけシフトしている。これに対応して、受光素子３は外側の受光領域２３と内側の受光領域２４とを備えている。これにより受光素子３は位相が互いに９０°ずれた一対の電気信号を出力することになり、移動板１の変位方向を検出できる。
【００２９】
（ｂ）の例では、移動板１の径方向に対して、スリット５が若干傾斜した状態で形成されており、内側のトラックに属するスリット５の部分が、外側のトラックに属するスリット５の部分に対し、１／８ピッチだけ空間位相が実効的にずれるようにしている。この結果、外側のトラックでスリット５自身とスリット実像１３が一致した状態にある時、内側のトラックではスリット５自身とスリット実像１３とが実効的に１／４ピッチだけシフトすることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明にかかる光学式エンコーダの実施形態を示す模式的な平面図である。
【図２】図１に示した光学式エンコーダの要部を示す拡大図である。
【図３】光学式エンコーダの参考例を示す模式的な平面図である。
【図４】光学式エンコーダの他の参考例を示す模式的な平面図である。
【図５】図１及び図２に示した本発明にかかる光学式エンコーダの出力信号を示す波形図である。
【図６】図３に示した参考例にかかる光学式エンコーダの出力信号を示す波形図である。
【図７】図４に示した他の参考例にかかる光学式エンコーダの出力信号を示す波形図である。
【図８】本発明にかかる光学式エンコーダの他の実施形態を示す模式図である。
【図９】従来の光学式エンコーダを示す模式的な斜視図である。
【図１０】図９に示した従来の光学式エンコーダの動作説明に供する模式図である。
【図１１】従来の光学式エンコーダの別の例を示す模式的な平面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１・・・移動板、２・・・光源、３・・・受光素子、４・・・投影手段、５・・・スリット、２０・・・主トラック、２５・・・副トラック、２５ａ・・・基準スリットパタン、２５ｂ・・・基準スリットパタン、３０・・・対称面
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光素子（光源）と受光素子とスリットを有する移動板とからなる光学式エンコーダに関する。特に、発光素子と受光素子との間に等倍反転光学系を配して分解能を倍増した光学式エンコーダに関する。より詳しくは、かかる光学式エンコーダにおいて移動板の基準位置を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
等倍反転光学系を用いた光学式エンコーダは以下の特許文献１に記載がある。また、通常の光学式エンコーダの基準位置検出技術については、以下の特許文献２に記載がある。
【特許文献１】特開平１０−１２２９０５号公報
【特許文献２】特開昭５３−０９７８６２号公報
【０００３】
図９は、特許文献１に記載された光学式エンコーダを示す模式的な斜視図である。図示するように、光学式エンコーダは移動板１とＬＥＤ等の発光素子からなる光源２とフォトトランジスタアレイ等からなる受光素子３と投影手段４とを備えている。本例では移動板１は回転変位する円盤からなり、第１領域Ａ及び第２領域Ｂを通過するように組み込まれている。光源２は移動板１の下面側で第１領域Ａに対面配置している。受光素子３も移動板１の下面側で第２領域Ｂに対面配置している。投影手段４は移動板１の上面側で第１領域Ａと第２領域Ｂの間に介在している。移動板１は第１領域Ａ及び第２領域Ｂを結ぶ移動方向（この例では円盤の周方向）に沿って一定のピッチＰで配列したスリット５を有する。光源２は第１領域Ａを通過するスリット５を照明してスリット物像を形成する。投影手段４は第１領域Ａに照し出されたスリット物像を反転したスリット実像に等倍変換して第２領域Ｂに投影する。受光素子３は第２領域Ｂを通過するスリット５をマスクとして、反対方向に移動するスリット実像を受光し、移動板１の回転変位を検出する。上述した投影手段４は等倍反転光学系であり、第１領域Ａに対面するコリメータレンズ６と第２領域Ｂに対面する結像レンズ７と、両レンズ６，７の光路を折り曲げて像回転を行なう２枚のミラーＭ１，Ｍ２とを含んでいる。一対のミラーＭ１，Ｍ２は互いに直角を成している。投影手段４は一体化プリズム８からなり、２枚のミラーＭ１，Ｍ２を構成する全反射面と、コリメータレンズ６が配された入射面と、結像レンズ７が配された出射面とを備えている。
【０００４】
図１０は、図９に示した光学式エンコーダにおける像形成の原理を説明したものである。（ａ）は一体化プリズム８を直上から見た平面図であり、（ｂ）は一体化プリズム８を回転円盤の周方向から見た側面図であり、（ｃ）は同じく一体化プリズム８を回転円盤の径方向から見た側面図である。各図に示した光線は全て子午光束である。図示するように、光源２と受光素子３は移動板１の同一面側に配され、投影手段４は移動板１の反対面側に配されている。前述したように、投影手段４は第１領域Ａに対面するコリメータレンズ６と第２領域Ｂに対面する結像レンズ７とを含み、倍率１の等倍反転光学系である。この投影手段４は一体化プリズム８からなり、コリメータレンズ６及び結像レンズ７と共に光学プラスチック等で一体成形される。コリメータレンズ６は一体化プリズム８の入射面１０に配され、結像レンズ７は同じく一体化プリズム８の出射面１２に配されている。
【０００５】
ＬＥＤ等の発光素子からなる光源２は移動板１に形成されたスリット５を照射し、第１領域Ａにスリット物像９を照し出す。このスリット物像９はコリメータレンズ６を介して一体化プリズム８の全反射面からなる互いに直角を成す２枚のミラーＭ１，Ｍ２により結像レンズ７側に転送される。この後結像レンズ７を介して第２領域Ｂ上にスリット実像１３が投影される。コリメータレンズ６の光軸１４ａと結像レンズ７の光軸１４ｂは一体化プリズム８を介して同軸となっており、両レンズ間に像転送用のミラーＭ１，Ｍ２が介在している。（ｃ）に示すように、スリット物像９がコリメータレンズ６及び結像レンズ７により１回結像され、スリット物像１３を生成している。径方向から見た場合、光源２から発した光束はミラーＭ１及びＭ２により反射されて受光素子３に達する。ミラーＭ１，Ｍ２の法線ベクトルはスリット移動方向（周方向）成分をもたない為、径方向から見た場合、スリット実像９は反転してスリット物像１３となる。一方、（ｂ）に示すように、周方向から見た場合、光源２から発した光束は互いに直交するミラーＭ１，Ｍ２により２回反射された後受光素子側に到達する。このように、スリット物像は直交する２枚のミラーＭ１，Ｍ２で像反転を受ける為、結果的にスリット実像は周方向から見た場合正立像となる。従って、（ａ）に模式的に示したように、物像Ｒは径方向を対称軸として等倍反転された実像に変換される。
【０００６】
（ｃ）に示すように、光源２で第１領域Ａ上に照し出されたスリット物像９は、投影手段４を介して第２領域Ｂ上にスリット物像１３として投影される。受光素子３は、移動板１に形成されたスリット５そのものをマスクとしてこのスリット実像１３を受光する。この時、スリット実像１３はスリット物像９に対して等倍反転されている。従って、スリット実像１３は第２領域Ｂにおいてスリット５そのものと裏向きに重なる。又、スリット実像１３の移動方向は矢印で示すようにスリット５そのものの移動方向に対し反対方向となる。従って、受光素子３に入射する光量はスリット実像１３に対しスリット５自身がマスクとなる為、移動板１の回転変位に伴って周期的に増減する。しかも、スリット５のピッチＰの半分でスリット５自身とスリット実像１３が相対的に反対方向に動く為、結局スリットピッチの２倍の分解能のエンコーダ出力が得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光学式エンコーダでは、上述した移動板の変位量に加えて、その基準位置を検出したい場合が多い。図１１は、基準位置検出を可能にしたスリット構成を表している。図示するように、移動板１は一定のピッチで配列したスリット５の列からなる主トラックに加え、第１領域Ａと第２領域Ｂの距離に対応した間隔で配置した一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂからなる副トラックを有している。これに対応して、受光素子は主トラックと副トラックに夫々割り当てられた受光領域を有し、移動板１の変位に加えその基準位置を検出する。具体的には、一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂは各々単スリットからなり、主トラック側のスリット５の列に対し内側に配置されている。両スリットパタン２５ａ，２５ｂの角度間隔αは、第１領域Ａ及び第２領域Ｂ間の角度間隔と等しい。今移動板１が時計方向に回転変位していると、一方の基準スリットパタン２５ａが第２領域Ｂに到達した時、他方のスリットパタン２５ｂが第１領域Ａに達し、その実像が第２領域Ｂに投影される。従って、受光素子は基準スリットパタン２５ｂの実像が基準スリットパタン２５ａ自身に重なった時、移動板１の基準位置を表わす検出信号を出力することになる。
【０００８】
上述したように基準スリットパタン２５ａ，２５ｂは一般に単スリットからなり、基本的には主トラックに形成されたスリット５と同じである。基準位置の検出精度を高めるためには、基準スリットパタンの幅は細いほど良い。変位量の検出精度と同等にする為には、基準スリットパタンの幅も主トラックに形成されたスリット５の幅と同程度に狭める必要がある。しかしながら、光学式エンコーダの分解能が高くなると、必然的にスリット幅が狭くなる為、充分な受光量が得られないという課題がある。特に、基準スリットパタンは単スリットである為、主トラック側に形成されたスリット５の列に比べると受光量が極端に少なくなる。このため、受光信号（検出信号）のレベルが低くなり、外乱ノイズなどの影響を受けて基準位置の誤検出などが生じ光学式エンコーダの動作を不安定化するという課題がある。
【０００９】
これに対処する為には、基準スリットパタンを構成する単スリットの幅を、主トラック側に形成されたスリットの幅に比べて広げる事が考えられる。スリット幅を広げる事で受光量が増し、この結果検出信号の振幅レベルが大きくなる為、外乱ノイズの影響を受け難くなる。しかしながら、スリット幅を拡大すると必然的に基準位置の検出精度が変位量の検出精度に比べて悪くなり装置の高性能化が阻害されるという課題がある。
【００１０】
この様に等倍反転光学系を用いた従来の光学式エンコーダは、基準位置の検出安定性と基準位置の検出精度とを両立する事が難しい。この点に関し、等倍反転光学系を用いない一般的な光学式エンコーダで、基準位置の検出安定性と検出精度とを両立させる技術が特許文献２に記載されている。この光学式エンコーダは、互いに対向配置した発光素子と受光素子との間に、移動板と固定板を重ねて配置したものである。移動板には、複数のスリットからなる基準スリットパタンが形成されている。複数のスリットは不等間隔で配列されている。例えば７本のスリットが、１対２対３対５対７対１０となるように配されている。固定板側にも同じ順序同じ間隔で配列された複数のスリットからなる基準スリットパタンが形成されている。移動板が丁度基準位置に達したとき、移動板側の基準スリットパタンと固定板側の基準スリットパタンは、全てのスリットが重なる。基準位置以外の移動板位置では、２本以上のスリットが同時に重なる事はない。この結果、個々のスリットの幅を狭めても、基準位置では複数のスリットが全て重なるため充分な受光量が得られ、外乱ノイズの影響を受け難くなる。一方、基準スリットパタンの各スリットの幅は、変位量を検出する為に形成する通常のスリットの幅と同程度にできる為、必要な基準位置検出精度を確保できる。
【００１１】
しかしながら、特許文献２に開示された基準位置検出技術は、移動板と固定板を供えた一般的な光学式エンコーダに適用されるものであって、特許文献１に開示されたように固定板の代わりとして等倍反転光学系を利用した光学式エンコーダにそのまま適用できるものではない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は等倍反転光学系を用いた光学式エンコーダにおいて、基準位置の検出安定性と検出精度とを両立させる事を目的とする。かかる目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち本発明は、第１領域及び第２領域を通過する移動坂と、該移動板の一面側で第１領域に対面配置した光源と、該移動板の一面側で第２領域に対面配置した受光素子と、該移動板の他面側で第１領域と第２領域の間に介在する投影手段とを備え、前記移動板は、第１領域及び第２領域を結ぶ移動方向に沿って一定ピッチで配列したスリットの列からなる主トラックと、第１領域と第２領域の距離に対応した間隔で配置した一対の基準スリットパタンからなる副トラックを有し、前記光源は、第１領域を通過するスリットの列及び基準スリットパタンを照明し、前記投影手段は等倍反転光学系からなり、該光源によって第１領域に照し出されたスリットの列を反転したスリット実像の列に等倍変換して第２領域に投影するとともに、該光源によって第１領域に照し出された一方の基準スリットパタンを反転した基準スリットパタンの実像に等倍変換して第２領域に投影し、前記受光素子は、第２領域を通過するスリットの列をマスクとして反対方向に移動する該スリット実像の列を受光して該移動板の変位を検出するとともに、第２領域を通過する他方の基準スリットパタンをマスクとして反対方向に移動する一方の基準スリットパタンの実像を受光して該移動板の基準位置を検出する光学式エンコーダにおいて、前記一対の基準スリットパタンは、各々移動方向に沿って不等ピッチで配列した複数のスリットからなり、一方の基準スリットパタンは他方の基準スリットパタンに対してあらかじめ反転した関係で配されており、該等倍反転光学系で等倍反転された該一方の基準スリットパタンの実像に含まれる全スリット実像は、該移動板が基準位置に来た時のみ、第２領域で該他方の基準スリットパタンに含まれる全スリットと重なり合うことを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、前記基準スリットパタンを構成するため副トラックに不等ピッチで配列されたスリットは、主トラックに一定ピッチで配列したスリットと同程度のスリット開口幅を有する。又、前記等倍反転光学系は、第１領域に対面するコリメータレンズと、第２領域に対面する結像レンズと、両レンズ間の光路を折り曲げて像回転を行なう互いに直角を成す２枚のミラーとからなる。
【発明の効果】
【００１４】
主トラックには移動量を検出する為のスリット列が形成されている一方、副トラックには基準位置を検出するため一対の基準スリットパタンが形成されている。各基準スリットパタンは不等ピッチで配列した複数のスリットからなる。但し、一方の基準スリットパタンは他方のスリットパタンに対して予め反転関係となるように形成されている。換言すると、一対の基準スリットパタンは、移動板の回転軸と、光源と受光素子の中間点とを通る面に対して対称に配列されている。したがって、光源によって照明された一方の基準スリットパタンの像が等倍反転光学系によって受光素子側に反転して結像される。本発明では、予め反転関係で形成された一方の基準スリットパタンが等倍反転光学系によって再度反転された後、他方の基準スリットパタンに重なる事になる。したがって、一方の基準スリットパタンの反転像は基準位置において他方の基準スリットパタンと一致し、不等ピッチで配列した全てのスリットが重なる。これにより、基準位置では充分な受光量が得られる。一方、移動板の回転により基準位置からずれた場合、不等ピッチで配列されているため２つ以上のスリットが同時に重なる事はない。したがって、基準位置では受光信号を波形成形して検出信号を得る上で充分な振幅が得られる。一方、基準スリットパタンの個々のスリット幅は、主トラックに形成されたスリットの幅と同程度に形成できるので、必要な基準位置精度を得る事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明にかかる光学式エンコーダの実施形態を示す模式的な平面図である。図示するように、本光学式エンコーダは、移動板１と光源２と受光素子３と投影手段４とを備える。移動板１は回転軸を中心として回転し、第１領域Ａ及び第２領域Ｂを通過する。光源２は移動板１の下面側で第１領域Ａに対面配置している。受光素子３も移動板１の下面側で第２領域Ｂに対面配置している。投影手段４は、移動板１の上面側で第１領域Ａと第２領域Ｂの間に介在する。
【００１６】
移動板１は同心状に主トラック２０と副トラック２５を備えている。主トラック２０には、第１領域Ａ及び第２領域Ｂを結ぶ移動方向（円周方向）に沿って一定ピッチで配列したスリット５の列が形成されている。副トラック２５には、第１領域Ａと第２領域Ｂの距離に対応した間隔で配置した一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂが形成されている。光源２は、第１領域Ａを通過するスリット５の列及び基準スリットパタン２５ａ，２５ｂを照明する。投影手段４は等倍反転光学系からなり、光源２によって第１領域Ａに映し出されたスリット５の列を反転したスリット実像の列に等倍変換して第２領域Ｂに投影すると共に、光源２によって第１領域Ａに映し出された一方の基準スリットパタン２５ａを反転した基準スリットパタンの実像に等倍変換して第２領域Ｂに投影する。
【００１７】
受光素子３は、第２領域Ｂを通過する主トラック２０のスリット５の列をマスクとして反対方向に移動するスリット５の実像の列を受光して移動板１の変位を検出すると共に、第２領域Ｂを通過する他方の基準スリットパタン２５ｂをマスクとして反対方向に移動する一方の基準スリットパタン２５ａの実像を受光して移動板１の基準位置を検出する。
【００１８】
本発明の特徴事項として、一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂは、各々移動方向（円周方向）に沿って不等ピッチで配列した複数のスリット５からなり、一方の基準スリットパタン２５ａは他方の基準スリットパタン２５ｂに対して予め反転した関係で配されている。等倍反転光学系で等倍反転された一方の基準スリットパタン２５ａの実像に含まれる全スリット実像は、移動板１が基準位置に来た時のみ、第２領域Ｂで他方の基準スリットパタン２５ｂに含まれる全スリット５と重なりあう。好ましくは、基準スリットパタン２５ａ，２５ｂを構成するため副トラック２５に不等ピッチで配列されたスリット５は、主トラック２０に一定ピッチで配列したスリット５と同程度のスリット開口幅を有する。なお、投影手段４を構成する等倍反転光学系は、例えば図９に示した構成を採用する事ができる。即ち、投影手段４は、第１領域Ａに対面するコリメータレンズと、第２領域Ｂに対面する結像レンズと、両レンズ間の光路を折り曲げて像回転を行う互いに直角を成す２枚のミラーとからなる。但し、本発明はこれに限られるものではなく、他の構成の等倍反転光学系を採用する事ができる。
【００１９】
以上の説明から明らかなように、一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂが周方向に離間して移動板１の副トラック２５に配されている。一方の基準スリットパタン２５ａが光源２の光軸上にあるとき他方の基準スリットパタン２５ｂは受光素子３の中心に位置する。各基準スリットパタン２５ａ，２５ｂは、各々複数本のスリット５のセットからなる。基準スリットパタン２５ａ，２５ｂに含まれる各スリット５は、移動板１の周トラック２０に等ピッチで刻まれた変位量検出用のスリット５の幅と同程度の開口幅を有する。本実施形態では各基準スリットパタンは４本のスリット５からなり、不等ピッチ例えば１対１．５対２の間隔で配されている。一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂに配された不等ピッチスリット５のレイアウトは、移動板１の回転軸と、光源２と受光素子３の中間点とを通る対称面３０に対して対称となっており、投影手段４から得られた不等ピッチスリットの像がもう一方の不等ピッチスリットと受光素子３上で重なる。その重なりは、移動板１が丁度基準位置に来たとき複数本のスリット全てが重なるが、基準位置からずれた別の位置では２本以上のスリットが重なる事はない。
【００２０】
図２の（Ａ）は、一方の基準スリットパタン２５ａの拡大図である。図示するように、基準スリットパタン２５ａは複数のスリット５が異なるピッチＰ１，Ｐ２，Ｐ３で放射状に反時計回りの順に並んでいる。
【００２１】
図２の（Ｂ）は他方の基準スリットパタン２５ｂの拡大図である。複数のスリット５が基準スリットパタン２５ａと同様に異なるピッチＰ１，Ｐ２，Ｐ３で放射状に並んでいる。但し順序は基準スリットパタン２５ａと逆に時計回りとなっている。
【００２２】
前述したように、本発明ではレンズ及び反射面からなる等倍反転光学系により、基準スリットパタン２５ａの像を等倍且つ反転させて基準スリットパタン２５ｂと重なるように結像させる。このため、基準スリットパタン２５ａは基準スリットパタン２５ｂに対して予め反転関係となるように形成されている。この反転基準面は、図１に示したように移動板１の回転軸と、光源２と受光素子３の中間点とを通る対称面３０である。異なるピッチＰ１，Ｐ２，Ｐ３は、例えば１対１．５対２とする。また、スリット５の開口幅は最小ピッチＰ１の０．５倍とする。但し、不等ピッチの設定は図示の例に限られるものではない。一般に、基準位置以外において一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂ間で２つ以上のスリットが重ならないようにする為には、スリットの間隔をその幅以上に設定し且つ不等ピッチで配列する必要がある。スリット間隔の比率は、例えば１対２対３対５対７対１０とする事もできる。図２の（Ａ）及び（Ｂ）に示したとおり、一対の基準スリットパタン２５ａ及び２５ｂが、移動板の回転軸と、光源と受光素子の中間点とを通る面に対して対称に並んでいる。したがって、光源に照らされた基準スリットパタン２５ａの像が投影手段によって受光素子側に反転して結像されると、基準スリットパタン２５ａの反転像と基準スリットパタン２５ｂのスリットが互いに重なり、受光素子３に光信号が到達する。反転像とスリットとは基準位置では全てが重なるが、移動板１の回転により基準位置からずれた場合、２つ以上のスリット５が同時に重なる事はない。したがって、基準位置でのみ波形整形する上で充分な振幅があり且つ幅の狭い基準パルス信号が得られ、基準位置検出精度が向上する。
【００２３】
図３は、基準スリットパタンの参考例を示す拡大図である。理解を容易にするため、図２に示した本発明の基準スリットパタンと対応する部分には対応する参照番号を付してある。図示の参考例は、一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂとして、それぞれ単独のスリット（単スリット）５を用いている。しかも、単スリット５の開口幅は、主トラック２０に形成された変位量検出用のスリット５の開口幅と等しくなっている。この結果、基準位置の検出精度は変位量の検出精度と同レベルが得られるが、基準位置検出用の受光量が非常に少なくなる。したがって、このままでは外乱ノイズなどの影響を強く受けるため、安定した基準位置の検出ができない。
【００２４】
図４は基準スリットパタンの他の参考例を示す拡大図である。理解を容易にするため、図２に示した本発明の基準スリットパタンと対応する部分には対応する参照番号を付してある。本参考例は、基準スリットパタン２５ａ，２５ｂがいずれも単スリット５で形成されているが、受光量を増やす為その開口幅が拡大されている。この結果、基準位置における受光信号の振幅レベルが増大し、外乱ノイズに強い構成である。しかしながら、基準スリットパタン２５ａ，２５ｂに形成された単スリット５の開口幅は、移動板１の主トラック２０に形成された変位量検出用のスリット５に比べ広がっているので、基準位置検出精度が悪い。
【００２５】
図５は、図１及び図２に示した本発明にかかる光学式エンコーダの出力波形を示す波形図である。波形Ｘは変位量を示す出力波形である、波形Ｚは基準位置を示す出力波形である。変位検出信号Ｘは主トラック側でスリット列とその反転実像とが周期的に重なり合う毎に現れるパルスの列からなる。受光素子の受光面積内で複数のスリットとその反転実像が同時に重なるため、変位検出信号Ｘのパルス振幅は、充分なレベルとなっている。一方基準位置検出信号Ｚは、基準位置で一方の基準スリットパタンの反転実像と、他方の基準スリットパタンとが重なった時に現れる単発のパルスからなる。本発明では、基準位置において複数のスリットとその反転実像が同時に重なるため、基準位置検出信号に含まれる単発パルスの振幅も充分なレベルとなっており、外乱ノイズの影響は受けない。しかも、基準スリットパタンを構成する各スリットの開口幅は、変位量検出用のスリットの開口幅と略同じに設定されている。したがって、基準位置検出信号Ｚに含まれる単発パルスの幅は、変位量検出信号Ｘに含まれるパルス列の各パルスの幅と同様にシャープである。したがって、変位量検出と同レベルの基準位置検出精度が得られる。
【００２６】
図６は、図３に示した参考例にかかる光学式エンコーダの出力波形を示す波形図である。理解を容易にするため、図５に示した本発明の出力波形と同じ表記を採用している。変位検出信号Ｘに変わりはないが、基準位置検出信号Ｚに含まれる単発パルスのレベルが極端に低下している。これは基準スリットパタンが単スリットで構成されており且つその開口幅が狭い為である。基準位置において受光素子は充分な受光量が得られないため、基準位置検出信号Ｚの振幅が低下し、外乱ノイズの影響を強く受けるようになる。
【００２７】
図７は、図４に示した参考例にかかる光学式エンコーダの出力波形を示している。変位量検出信号Ｘについては変わりないが、基準位置検出信号Ｚに含まれる単発パルスの幅が拡大している。これは、基準スリットパタンを構成する単スリットの開口幅を広げた為である。基準位置で受光素子は充分な受光量を得られるものの、パルス幅が拡大するため基準位置検出精度が悪化している。
【００２８】
光学式エンコーダでは、移動板の変位量及び基準位置に加えて変位方向を検出したい場合が多い。このときには、互いに位相が９０°ずれた一対のエンコーダ出力が必要になる。両出力の相対的な位相関係に従って変位方向が検出できる。図８は、変位方向の検出を可能にしたスリット構造及び受光素子構造の例を二通り示している。（ａ）の例では、移動板１は一定のピッチＰで配列したスリット５の列に沿って一対の平行トラック２１，２２を有している。径方向外側のトラック２１に属するスリット５の部分は、内側のトラック２２に属するスリット５の部分に対し１／８ピッチだけ空間位相が実効的にずれている。従って、外側のトラック２１でスリット５自身とスリット実像１３が重なった状態にある時、内側のトラック２２ではスリット５自身とスリット実像１３が１／４ピッチ分だけシフトしている。これに対応して、受光素子３は外側の受光領域２３と内側の受光領域２４とを備えている。これにより受光素子３は位相が互いに９０°ずれた一対の電気信号を出力することになり、移動板１の変位方向を検出できる。
【００２９】
（ｂ）の例では、移動板１の径方向に対して、スリット５が若干傾斜した状態で形成されており、内側のトラックに属するスリット５の部分が、外側のトラックに属するスリット５の部分に対し、１／８ピッチだけ空間位相が実効的にずれるようにしている。この結果、外側のトラックでスリット５自身とスリット実像１３が一致した状態にある時、内側のトラックではスリット５自身とスリット実像１３とが実効的に１／４ピッチだけシフトすることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明にかかる光学式エンコーダの実施形態を示す模式的な平面図である。
【図２】図１に示した光学式エンコーダの要部を示す拡大図である。
【図３】光学式エンコーダの参考例を示す模式的な平面図である。
【図４】光学式エンコーダの他の参考例を示す模式的な平面図である。
【図５】図１及び図２に示した本発明にかかる光学式エンコーダの出力信号を示す波形図である。
【図６】図３に示した参考例にかかる光学式エンコーダの出力信号を示す波形図である。
【図７】図４に示した他の参考例にかかる光学式エンコーダの出力信号を示す波形図である。
【図８】本発明にかかる光学式エンコーダの他の実施形態を示す模式図である。
【図９】従来の光学式エンコーダを示す模式的な斜視図である。
【図１０】図９に示した従来の光学式エンコーダの動作説明に供する模式図である。
【図１１】従来の光学式エンコーダの別の例を示す模式的な平面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１・・・移動板、２・・・光源、３・・・受光素子、４・・・投影手段、５・・・スリット、２０・・・主トラック、２５・・・副トラック、２５ａ・・・基準スリットパタン、２５ｂ・・・基準スリットパタン、３０・・・対称面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１領域及び第２領域を通過する移動坂と、該移動板の一面側で第１領域に対面配置した光源と、該移動板の一面側で第２領域に対面配置した受光素子と、該移動板の他面側で第１領域と第２領域の間に介在する投影手段とを備え、
前記移動板は、第１領域及び第２領域を結ぶ移動方向に沿って一定ピッチで配列したスリットの列からなる主トラックと、第１領域と第２領域の距離に対応した間隔で配置した一対の基準スリットパタンからなる副トラックを有し、
前記光源は、第１領域を通過するスリットの列及び基準スリットパタンを照明し、
前記投影手段は等倍反転光学系からなり、該光源によって第１領域に照し出されたスリットの列を反転したスリット実像の列に等倍変換して第２領域に投影するとともに、該光源によって第１領域に照し出された一方の基準スリットパタンを反転した基準スリットパタンの実像に等倍変換して第２領域に投影し、
前記受光素子は、第２領域を通過するスリットの列をマスクとして反対方向に移動する該スリット実像の列を受光して該移動板の変位を検出するとともに、第２領域を通過する他方の基準スリットパタンをマスクとして反対方向に移動する一方の基準スリットパタンの実像を受光して該移動板の基準位置を検出する光学式エンコーダにおいて、
前記一対の基準スリットパタンは、各々移動方向に沿って不等ピッチで配列した複数のスリットからなり、一方の基準スリットパタンは他方の基準スリットパタンに対してあらかじめ反転した関係で配されており、
該等倍反転光学系で等倍反転された該一方の基準スリットパタンの実像に含まれる全スリット実像は、該移動板が基準位置に来た時のみ、第２領域で該他方の基準スリットパタンに含まれる全スリットと重なり合うことを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記基準スリットパタンを構成するため副トラックに不等ピッチで配列されたスリットは、主トラックに一定ピッチで配列したスリットと同程度のスリット開口幅を有することを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
【請求項３】
前記等倍反転光学系は、第１領域に対面するコリメータレンズと、第２領域に対面する結像レンズと、両レンズ間の光路を折り曲げて像回転を行なう互いに直角を成す２枚のミラーとからなることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
【請求項１】
第１領域及び第２領域を通過する移動坂と、該移動板の一面側で第１領域に対面配置した光源と、該移動板の一面側で第２領域に対面配置した受光素子と、該移動板の他面側で第１領域と第２領域の間に介在する投影手段とを備え、
前記移動板は、第１領域及び第２領域を結ぶ移動方向に沿って一定ピッチで配列したスリットの列からなる主トラックと、第１領域と第２領域の距離に対応した間隔で配置した一対の基準スリットパタンからなる副トラックを有し、
前記光源は、第１領域を通過するスリットの列及び基準スリットパタンを照明し、
前記投影手段は等倍反転光学系からなり、該光源によって第１領域に照し出されたスリットの列を反転したスリット実像の列に等倍変換して第２領域に投影するとともに、該光源によって第１領域に照し出された一方の基準スリットパタンを反転した基準スリットパタンの実像に等倍変換して第２領域に投影し、
前記受光素子は、第２領域を通過するスリットの列をマスクとして反対方向に移動する該スリット実像の列を受光して該移動板の変位を検出するとともに、第２領域を通過する他方の基準スリットパタンをマスクとして反対方向に移動する一方の基準スリットパタンの実像を受光して該移動板の基準位置を検出する光学式エンコーダにおいて、
前記一対の基準スリットパタンは、各々移動方向に沿って不等ピッチで配列した複数のスリットからなり、一方の基準スリットパタンは他方の基準スリットパタンに対してあらかじめ反転した関係で配されており、
該等倍反転光学系で等倍反転された該一方の基準スリットパタンの実像に含まれる全スリット実像は、該移動板が基準位置に来た時のみ、第２領域で該他方の基準スリットパタンに含まれる全スリットと重なり合うことを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記基準スリットパタンを構成するため副トラックに不等ピッチで配列されたスリットは、主トラックに一定ピッチで配列したスリットと同程度のスリット開口幅を有することを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
【請求項３】
前記等倍反転光学系は、第１領域に対面するコリメータレンズと、第２領域に対面する結像レンズと、両レンズ間の光路を折り曲げて像回転を行なう互いに直角を成す２枚のミラーとからなることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−１５３５９７（Ｐ２００６−１５３５９７Ａ）
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３４３１５３（Ｐ２００４−３４３１５３）
【出願日】平成１６年１１月２６日（２００４．１１．２６）
【出願人】（０００００１２２５）日本電産コパル株式会社 (755)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月２６日（２００４．１１．２６）
【出願人】（０００００１２２５）日本電産コパル株式会社 (755)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]