JP2002277286A - 回転変位量を検出する装置、及び、ディスク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、安価かつ簡素であって高精度な
検出を可能とする回転変位量を検出する装置、及び、デ
ィスクを提供する。 【解決手段】 本発明の検出装置は、回転軸に取り付け
られて当該回転軸と共に回転するディスクであって、当
該ディスクの中心から見て所定の角度間隔で前記ディス
クの円周方向に添って整列している回折格子からなるマ
ークと、前記ディスクの中心に設けられ当該ディスクと
前記回転軸を接続する接続部とを有するディスクと、前
記マークを光学的に検出し、前記回転軸の回転変位量を
検出する検出器とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【０００２】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定体の変位量を
検出する検出装置に係り、特に、回転軸の回転変位量
（例えば、回転角や回転速度など）を光学的に検出する
検出装置及び方法に関する。

【０００３】

【従来の技術】近年のオートメーション化や製品の小型
化の進むにつれて従来よりもはるかに細かい作業を自動
化する需要が存在している。このため、位置制御や速度
制御をより高精度に行う必要が生じ、位置や速度をより
高精度に検出するセンサの需要が高まっている。このう
ちロータリエンコーダは、回転角や回転速度などの回転
変位量を検出するセンサとして従来から使用されてい
る。ロータリエンコーダは、半径方向に所定の角度間隔
でマークが複数形成されたディスクを回転し、かかるマ
ークを介し光源から射出された光を検出器により検出
し、検出器が検出したマークの個数を計数することによ
って回転変位量を求めるセンサである。

【０００４】ロータリエンコーダのディスクは測定体で
ある回転軸に取り付けられる。ロータリエンコーダが回
転数を正確に検出するためには、マークの構成軌跡を真
円に近づける必要がある以外に、マークの回転中心は回
転軸の中心と偏芯の少ない状態で取り付けられる必要が
ある。ロータリエンコーダに要求される精度は使用する
機器が必要とする精度によって決定されるが、高精度を
必要としないが安価が要求されるものから、高精度が第
一に要求されるものまで様々である。

【０００５】例えば、安価なロータリエンコーダとして
は、ディスクは透明なプラスチックシートにスリットパ
ターンを印刷して作成される。印刷による方法は印刷原
版を一度作成すれば、ディスク単体を安価に作成できる
という長所を有する。一方、高精度なロータリエンコー
ダとしてはリソグラフィ技術を用いてガラス円板等にス
リットパターンを形成して作成される。ディスクには数
十ミクロンのオーダーでマークを高精度に作成すること
ができるので、検出目的に見合った密度（即ち、分解
能）でマークを作成することによって回転変位量の検出
精度を上げることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、安価に作成さ
れたディスクであってもロータリエンコーダとして機能
させるにはディスクを回転軸の中心に偏芯を抑えて取り
付ける必要がある。このためロータリエンコーダには取
付け用部品が別途必要となり、部品点数が増加するとい
う欠点を有する。更に、かかる取付け部品の精度及び組
み付け精度が必要とされるため、ロータリエンコーダと
して見ると必ずしも安価とはならない。また、上述した
ようにマークはディスクに印刷されるため、分解能を高
め検出精度を上げることには限界がある。

【０００７】また、高精度に作成されたディスクはリソ
グラフィ技術を用いるため、クリーンな作業環境を必要
とされるなど製造工程が煩雑である。また、リソグラフ
ィ技術は高価な露光装置等を必要とするなどの理由から
高価なディスクとなってしまう。また、当然、取付け部
品精度及び組み付け精度も高いことが要求されるため、
かかるディスク及び取付け部品を使用するロータリエン
コーダも高価となってしまう。

【０００８】一方、偏芯の影響を低減するために、ディ
スク中心に対し既存の光源及び検出器と対称な位置に光
源及び検出器をもう一組設け、検出信号を合算すること
で偏芯の影響を減らす方法がある。しかし、かかる構成
は光源及び検出器を更に必要とするため、部品点数が増
加し高価となる等の理由から好ましくない。そこで、特
開昭６１−６５１１５号公報は、光源からディスクに入
射された光の回折光をミラーで偏向し、再びディスクに
入射しかかる反射光（又は透過光）を検出器に導入する
ことで偏芯の影響を低減するロータリエンコーダを開示
している。かかる方法は一対の光源及び検出器で偏芯を
減らした検出が可能であるが、光源及び検出器を複数使
用しないもののミラーを別途必要とするため、やはり部
品点数が増加し好ましくない。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで、このような課題
を解決する新規かつ有用な回転変位量を検出する装置、
及び、ディスクを提供することを本発明の概括的目的と
する。

【００１０】より特定的には、安価かつ簡素であって高
精度な検出を可能とする回転変位量を検出する装置、及
び、ディスクを提供することを本発明の例示的目的とす
る。

【００１１】上記目的を達成するために、本発明の例示
的一態様としての検出装置は、回転軸に取り付けられて
当該回転軸と共に回転するディスクであって、当該ディ
スクの中心から見て所定の角度間隔で前記ディスクの円
周方向に添って整列している回折格子からなるマーク
と、前記ディスクの中心に設けられ当該ディスクと前記
回転軸を接続する接続部とを有するディスクと、前記マ
ークを光学的に検出し、前記回転軸の回転変位量を検出
する検出器とを有する。かかる検出装置は、回折格子か
らなるマークを有するディスクを光学的に検出すること
で回転軸の回転変位量を検出する。また、ディスクはそ
の中心に接続部を有し、かかる接続部と回転体を接続す
ることで容易にディスクを回転体に偏芯が生じることな
く接続できる。マークはディスクの中心から見て同心円
状又は螺旋状に形成された複数の溝として実現可能であ
る。かかる溝は光を回折し、その回折光を検出すること
でディスクの回転変位量を検出することができる。ま
た、マークはディスクの中心から見てフレネルゾーン板
形状、また、ディスクをフレネルレンズ形状に形成しマ
ーク部分に相当する位置に反射膜を印刷することでもよ
い。かかるディスクは当該ディスクにおいて回折する光
を集光し、一点に収束する。よって、各回折光の度にば
らつきがあったとしても、かかる点に検出器を配置すれ
ば、全光量は変動しない為単一な光を用いて検出を行な
うよりもばらつきの影響を抑えることが出来る。

【００１２】また、本発明の例示的一態様としてのディ
スクは、回転軸に取り付けられて当該回転軸と共に回転
するディスクであって、前記ディスクの中心に設けられ
当該ディスクと前記回転軸を接続する接続部と、前記デ
ィスクの中心から見て所定の角度間隔で前記ディスクの
円周方向に添って整列している回折格子からなるマーク
とを有する。かかるディスクは上述した検出装置のディ
スクに適用可能である。

【００１３】本発明の更なる目的又はその他の特徴は添
付図面を参照して説明される好ましい実施例において明
らかにされるであろう。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明の例示的一態様である検出装置（ロータリエンコー
ダ）１０について説明する。なお、明細書中、アルファ
ベット付きの参照符号は変形例を示し、特に断らない限
りアルファベットの無い参照符号はアルファベット付き
の参照符号を総括するものとする。図１に示すように、
ロータリエンコーダ１０は図示しない回転体の回転軸Ｒ
に取り付けられるディスク１００、光源２００、マスク
３００、検出器４００を有する。ここで、図１は、本発
明の例示的一態様であるロータリエンコーダ１０を示す
概略斜視図である。本実施例では、光源２００と検出器
４００はディスク１００を介し反対側に設けられるが、
かかる形態は例示的であり、光源２００と検出器４００
はディスク１００に対し同じ側に設けられても良い。な
お、後述するようにマスク３００の使用は選択的であ
り、マスク３００は省略されても良い。ロータリエンコ
ーダ１０は回転体の回転軸Ｒと共に回転するディスク１
００の回転変位量を検出し、回転軸Ｒの回転変位量を表
すデータを生成する。ロータリエンコーダ１０の検出器
の図示しない（又はこれに接続された）制御部は、かか
るデータに基づいて容易に回転軸Ｒに接続する図示しな
い回転体の回転を制御することができる。

【００１５】ディスク１００は円板形状を有する薄板で
あって、透明な（即ち、光を透過する）ポリカーボネイ
ド樹脂で射出成形法によって形成される。しかし、本発
明のロータリエンコーダ１０のディスク１００の材料が
これに限定されるものではなく、例えば、ガラス円板な
どを使用しても良い。ただし、射出成形法でディスク１
００を作成することは一度金型を成形してしまえばディ
スク１００の量産が容易であり、安価にディスク１００
を成形することができる。また、射出成形法は後述する
ようにディスク１００が回転軸Ｒと接続する接続部１２
０とディスク１００を一体的に形成できる。よって、デ
ィスク１００の中心と回転軸Ｒの中心は精度よく一致す
るので偏芯を抑えることが可能であり、精度よく回転変
位量を測定することができる。ディスク１００は回転軸
Ｒに接続され、光源２００及び検出器４００と協働し回
転軸Ｒ及びディスク１００の回転変位量を検出する。デ
ィスク１００はディスク本体である円板形状の円板部１
１０と、円板部１１０の中心に接続し回転軸Ｒと接続す
る接続部１２０とを有する。

【００１６】円板部１１０は上述したように円板形状の
薄板であって、図１によく示されるように、円板部１１
０と同心の円周上に配置される複数のマーク１１２を有
する。マーク１１２は所定の長さ（半径方向）及び幅
（円周方向）を有し、所定の角度間隔で前記ディスクの
円周方向に配置される。なお、マーク１１２は後述する
ように円板部１１０の円周方向に整列している回折格子
として光学的に検出可能に形成されたマークである。マ
ーク１１２の長さ（半径方向）は後述するマスク３００
を通過した光源２００からの光束より大きく形成される
ことが好ましいが、かかる光束はマスク３００の開口３
１０の大きさによっても調整可能であるため特に限定を
有するものではない。一方、マーク１１２の幅（円周方
向）は非マーク領域（マーク１１２と同一の円周上であ
って、隣接するマーク１１２の間の領域）１１４と同一
幅（円周方向）に形成される。なお、マーク１１２を配
置する所定の角度間隔を狭くすることで、ロータリエン
コーダ１０の分解能を高めることができ、かかる所定の
角度間隔は任意に決定することが出来る。円板部１１０
は回折格子として作用するマーク１１２で光源２００か
らの光を回折し、当該回折光を検出器４００で検出する
ことで回転変位量を検出可能とする。本実施例では、１
次透過回折光を利用し検出を行うが後述するように０次
透過回折光、又はその他次数の回折光を利用することを
排除するものではない。しかし、検出器４００に入射さ
れる光強度を考慮すると、１又は０次回折光を用いるこ
とが好ましい。

【００１７】図１及び図２を参照するに、マーク１１２
はディスク１００の円周方向に整列する回折格子、例え
ば、円板部１１０の中心から同心円状又は螺旋状の複数
の溝１１３として形成される。ここで、図２は、図１に
示すディスク１００の半径方向の断面形状を示すマーク
１１２部分の一部拡大断面図である。また、図１におい
て、マーク１１２の溝１１３の理解を補助するためマー
ク１１２は若干誇張して描かれている。本実施例では、
溝１１３は所定の深さｄ、幅ｗ、及びピッチｐを有する
断面形状が矩形の溝として構成される。なお、溝１１３
はマーク１１２を構成するに足りるものであって、マー
ク１１２の形状に沿って円板部１１０の円周方向に断続
的に形成されていることに理解されたい。また、同様
に、溝１１３はマーク１１２の長さ（半径方向）を構成
するに足りるように、所定の幅ｗ及びピッチｐで形成さ
れる。溝１１３はかかる溝１１３に入射する光を回折す
る機能を有する。

【００１８】より詳細には、図２に示すように、マーク
１１２に入射する光Ｉは溝１１３によって回折され、典
型的に、０次透過回折光Ｉ_t0、±１次透過回折光Ｉ_t+1
及びＩ_t-1、±１次反射回折光Ｉ_r+1及びＩ_r-1を生じ
る。かかる１次透過回折光Ｉ_t+1及びＩ_t-1強度と０次透
過回折光Ｉ_t0強度の比は、本実施例のように断面形状が
矩形の溝１１３である場合、数式１で示される。

【００１９】

【数１】

【００２０】ここで、λは入射光Ｉの波長、ｎはディス
ク１００の屈折率である。かかる数式１より、溝１１３
の幅ｗをｗ＝ｐ／２、深さｄをｄ＝λ／｛２（ｎ−
１）｝としたときに、１次透過回折光Ｉ_t+1及びＩ_t-1は
最大となる。本実施例において、溝１１３の幅ｗは０．
５μｍ、深さｄは０．４μｍ、ピッチｐは１．０μｍに
設定され、１次透過回折光が０次透過回折光に対して最
大となるように構成されている。この結果、１次透過回
折光を検出する検出器４００の検出精度を高めることが
出来る。なお、上述した溝１１３の形状及び所定の値は
例示的であり、本発明を限定するものではない。即ち、
溝１１３の形状は光を回折するに足り、例えば、三角
形、台形、キノフォーム等であってもよい。また、上記
所定の値も同様にディスク１００の大きさなどを考慮し
て任意に決定可能な値である。なお、溝１１３はディス
ク１００の形成時、溝１１３とは反対の凹凸を有するス
タンパを使用して射出成形することによって容易に精度
よく形成することができる。

【００２１】接続部１２０は中空に形成された円筒形状
を有し、円板部１１０と一体に形成される。接続部１２
０は円板部１１０の中心と接続部１２０の中心軸が一致
するように接続されており、かかる接続部１２０はディ
スク１００を回転軸Ｒに接続することが出来る。上述し
たようにディスク１００を射出成形法で形成すること
で、接続部１２０はディスク１００の円板部１１０と一
体的に形成可能である。従って、従来のように、ディス
クと回転軸を接続する取付け部品を必要としない。ま
た、ディスク１００の形成時、機械精度の高い金型を使
用すれば形成されるディスク１００も高い機械精度を有
する。よって、接続部１２０は円板部１１０の中心に精
度よく一体的に形成可能である。この結果、本実施例の
ディスク１００は回転軸Ｒとの接続を取付け部品の組み
付け精度に頼らないので、ディスク１００を回転軸Ｒに
精度よく取り付けることができる。なお、接続部１２０
の形状は、中空に形成された円筒形状に限定されず、そ
の他の形状であっても良い。また、接続部１２０は、単
に円板部１１０の中心に形成される開口として実現され
ても良い。

【００２２】光源２００は、例えばＬＥＤであって、デ
ィスク１００を介し後述する検出器４００と対向する側
に設けられる。但し、検出器４００がディスク１００を
介し反射光を検出する構成である場合、光源２００と検
出器４００はディスクに対し同じ側に設けられる。光源
２００は後述するマスク３００を介しディスク１００の
マーク１１２及び非マーク領域１１４の位置する円周上
に光を射出する。なお、光源２００はＬＥＤに限定され
ず、例えば、白熱ランプ又は半導体レーザ等であっても
よい。また、光源２００が拡散光を射出するなら、例え
ばレンズ等の光学部品を光源２００とマスク３００の間
に配置し、かかる光学部品によってほぼ平行な光を得る
ことができる。

【００２３】マスク３００は、好ましくは、ディスク１
００のマーク１１２と同一形状及び大きさの開口を有す
る薄板であって、光源２００とディスク１００の間に設
けられる。マスク３００は射出された光がディスク１０
０のマーク１１２（又は、非マーク領域１１４）と正確
に重なるように光源２００からの光を制限する（回転す
るディスク１００のマーク１１２又は非マーク領域１１
４とマスク３００の開口が光源２００より射出される光
の光軸に対し直線上に位置する場合において）。但し、
かかるマスク３００の機能はマーク１１２（又は、非マ
ーク領域１１４）内に漏れなく照射されるよう光源２０
０から光を制限することに足り、開口３１０の形状はこ
れに限定されない。例示的に、図１に示すように、マー
ク１１２（又は非マーク領域１１４）より小さい形状を
有する円形状の開口３１０であっても良い。従って、薄
板は開口３１０を除き、光を透過しない材料より形成さ
れることが好ましい。しかし、マスク３００を、例え
ば、プラスチック平板より形成し、開口３１０のみ光を
透過可能とするようなプリントを施すような構成であっ
ても良い。また、上述の作用を達成可能であるならば、
いかなる技術の適用を排除するものではない。なお、光
源２００から射出された光がマスク３００を介さずとも
マーク１１２（又は、非マーク領域１１４）より小さい
照射領域にてディスク１００に入射可能であれば、マス
ク３００は省略されても良い。また、上述したようにレ
ンズ等の光学部品によってかかる作用を実現可能である
ならば、マスク３００はかかる光学部品に置換されても
良い。

【００２４】図３を参照するに、マスク３００は複数の
開口３２０を有するマスク３００ａに置換されても良
い。ここで、図３は、図１に示すマスク３００の変形例
であるマスク３００ａを有するロータリエンコーダ１０
を示す概略斜視図である。なお、図３において、ディス
ク１００のマーク１１２は一部省略されており、また、
マーク１１２の溝は若干誇張して描かれている。マスク
３００は、例示的に、３つの開口３２２乃至開口３２６
（開口３２０は開口３２２乃至開口３２４を総括するも
のとする）を有する。開口３２２乃至開口３２６はマー
ク１１２と同一形状及び大きさの開口である。なお、マ
スク３００ａにおける開口３２０の数は３つに限定され
ず、それ以上であっても良い。また、開口３２２乃至開
口３２６はディスク１００のマーク１１２と同一間隔で
形成される。即ち、マスク３００ａをディスク１００の
マーク１１２と一致するように重ねた場合、かかる開口
３２２乃至開口３２６は対応するマーク１１２と一致し
ている。なお、マスク３００ａを適用する場合、光源２
００は開口３２０を含むような大きな（但し、マスク３
００ａの薄板よりは小さい）スポット光を使用するもの
とする。また、後述する検出器４００とディスク１００
の間に光の集光作用を奏するレンズ５００が配置される
ものとする。レンズ５００は後述するようにマスク３０
０ａによって分光された光の回折光を検出器４００に向
けて集光する。レンズ５００を設けることで、分光され
た光に対応する数の検出器を設けなくとも良く、部品点
数の減少及び装置の小型化に寄与する。

【００２５】マスク３００ａの機能はマスク３００と同
様、基本的に光源２００からの光を制限することにある
が、マスク３００ａは以下のような点において異なる。
図３によく示されるように、マスク３００ａは上述した
ように３つの開口３２２乃至開口３２６を有すること
で、光源２００からの光を３つに分光し、ディスク１０
０に照射する。上述したように、マスク３００ａの開口
３２０はマーク１１２に対応している為、かかるマスク
３００ａは３つの光源よりマーク１１２（又は、非マー
ク領域１１４）に光を照射した状態と同一の作用を奏す
る。また、３つに分光された光の回折光をレンズ５００
を介し集光し、検出器４００で検出することで、特にマ
ーク１１２において、個々のマーク１１２の溝１１３の
形状のばらつきによる光の回折のばらつきを平均化する
ことが出来る。従って、検出器４００の検出する光のば
らつきを抑えることが可能であって、ノイズの低減に寄
与する。

【００２６】更に、図４を参照するに、マスク３００は
ディスク１００と同一のディスクから構成するマスク３
００ｂに置換されても良い。ここで、図４は、図１に示
すマスク３００の変形例であるマスク３００ｂを有する
ロータリエンコーダ１０を示す概略斜視図である。上述
したようにマスク３００ｂはディスク１００、特に円板
部１１０と同一に形成されたディスクであって、光源２
００とディスク１００の間に配置される。また、マスク
３００ｂはディスク１００の中心とマスク３００ｂのデ
ィスク中心が一致し、かつ、回転可能なディスク１００
に対し相対的に固定して設けられる。また、マスク３０
０ｂはディスク１００と同様に、マーク３１２及び非マ
ーク領域３１４を有する。マスク３００ｂはマスク３０
０ａと同様の作用を奏し、複数の光を検出器４００で検
出とする。よって、マスク３００ｂはマスク３００ａと
同様な効果を達成可能であり、ここでの詳細な説明は省
略する。

【００２７】検出器４００はディスク１００のマーク１
１２で回折された１次透過回折光を検出可能な位置に配
置され、図示しない受光部及び制御部を有する。検出器
４１０はマーク１１２で回折された０次透過回折光を光
学的に検出し、回転変位量を検出する。受光部は光源２
００より射出される光のマーク１１２によって回折され
た０次透過回折光を光学的に感知し、かかる回折光に対
応した光強度を電気的な強弱に変換する。受光部は、例
えば、フォトトランジスタ、フォトＩＣなどを使用する
ことにより実現可能である。制御部は受光部と電気的に
接続され、受光部から送られる（電気的な）情報に基づ
き回転軸Ｒの回転量を表すデータを生成する。制御部
は、例示的に、コンパレータ、カウンタ、制御及び演算
回路より構成される。コンパレータは、受光部から送ら
れる電気信号を、当該電気信号に含まれるノイズを除去
するために所定の閾値を比較し、閾値以下の信号をオフ
（Ｌ：Ｌｏｗ）、閾値以上の信号をオン（Ｈ：Ｈｉｇ
ｈ）とした信号を生成する。カウンタは、例えば、Ｕｐ
入力端子、Ｃｌｅａｒ端子を有し、コンパレータからの
出力としての山の数、例えばオンを計数し、２値化され
た電気信号として制御及び演算回路へ出力する。制御及
び演算回路はカウンタから送られる電気信号より演算す
ることで回転軸Ｒの回転変位量を求める。また、かかる
回転変位量より回転軸Ｒの制御をする。なお、制御部は
必ずしも検出器４００に設けられる必要はなく、例えば
ロータリエンコーダ１０が設けられる装置の制御部に置
換されてもよい。また、コンパレータカウンタ、制御及
び演算回路からなる制御部の構成も例示的であって、上
述の機能を達成可能なら当該周知のいかなる技術に置換
されてもよい。

【００２８】なお、図１に示すように、検出器４００は
ディスク１００のマーク１１２で回折された０次透過回
折光を検出可能な検出器４１０に置換されてもよい。こ
こで、検出器４１０はマーク１１２で回折された０次透
過回折光を検出可能な位置に設けられる。検出器４１０
は、検出器４１０と同様、図示しない受光部及び制御部
を有する。なお、検出器４１０は検出器４００と同様な
構成であるため、ここでの詳細な説明は省略する。検出
器４１０も検出器４００同様回転軸Ｒの回転量を表すデ
ータを生成する。

【００２９】以下、図５及び図６を参照するに、本実施
例の別の例示的一態様のロータリエンコーダ１０Ａにつ
いて説明する。ここで、図５は、図１に示すロータリエ
ンコーダ１０の変形例であるロータリエンコーダ１０Ａ
を示す概略斜視図である。図６は、図５に示すディスク
１００Ａを説明するためのディスクＤの概略断面図であ
る。なお、ロータリエンコーダ１０Ａはロータリエンコ
ーダ１０の変形例であり、以下の記述に際し、特に断ら
ない限り大文字のアルファベットを有する参照符号は上
述したアルファベット無い参照符号と同一な構成であ
り、ここでの詳細な説明は省略する。

【００３０】図５に示すように、ロータリエンコーダ１
０回転体の回転軸Ｒに取り付けられるディスク１００
Ａ、光源２００Ａ、マスク３００Ａ、検出器４００Ａを
有する。本実施例では、光源２００Ａと検出器４００Ａ
はディスク１００Ａに対し同じ側に設けられるが、かか
る形態は例示的であり、光源２００Ａと検出器４００Ａ
はディスク１００Ａを介し対向する側に設けられても良
い。なお、光源２００Ａと検出器４００Ａを同じ側に設
けることは装置の小型化に寄与する。ロータリエンコー
ダ１０Ａは図示しない回転体の回転軸Ｒと共に回転する
ディスク１００Ａの回転変位量を検出し、回転軸Ｔの回
転変位量を表すデータを生成する。ロータリエンコーダ
１０Ａの検出器４００Ａ（又はこれに接続された）の図
示しない制御部は、かかるデータに基づいて容易に回転
体の回転を制御することができる。

【００３１】ディスク１００Ａは、ディスク１００と同
様に、円板部１１０Ａと、円板部１１０Ａの中心に接続
し回転体Ｒと接続する接続部１２０Ａとを有する。ま
た、ディスク１００Ａは透明な（即ち、光を透過する）
ポリカーボネイド樹脂で射出成形法によって形成され、
ディスク１００と同様の長所を有する。ディスク１００
Ａは回転軸Ｒに接続され、光源２００Ａ及び検出器４０
０Ａと協働し図示しない回転体の回転変位量を検出す
る。

【００３２】円板部１１０Ａは円板形状の薄板であっ
て、図５によく示されるように、円板部１１０Ａの中心
と同心の円周上に配置される複数のマーク１１２Ａを有
する。マーク１１２Ａは所定の長さ（半径方向）及び幅
（円周方向）を有し、所定の角度間隔でディスク１００
Ａの円周方向に配置される。なお、マーク１１２Ａは後
述するように円板部１１０Ａの円周方向に平行に整列し
ている回折格子として光学的に検出可能なように形成さ
れたマークである。マーク１１２Ａの長さ（半径方向）
は特に限定を有するものではないが、後述するように長
さ（半径方向）が大きいほど多くの回折光を得ることが
でき、検出器４００Ａの検出精度を向上させる。一方、
マーク１１２Ａの幅（円周方向）は非マーク領域（マー
ク１１２Ａと同一の円周上であって、隣接するマーク１
１２Ａの間の領域）１１４Ａと同一幅（円周方向）に形
成される。なお、マーク１１２Ａを配置する所定の角度
間隔を狭くすることで、ロータリエンコーダ１０Ａの分
解能を高めることができ、かかる所定の角度間隔は任意
に決定することが出来る。円板部１１０Ａは回折格子と
して作用するマーク１１２Ａで光源２００Ａからの光を
回折し、当該回折光を検出器４００Ａで検出することで
回転変位量を検出可能とする。

【００３３】図５によく示されるように、マーク１１２
Ａは、例えば、円板部１１０Ａの中心から同心円状の複
数の溝１１３Ａとして形成される。なお、図５におい
て、マーク１１２Ａの溝１１３Ａの理解を補助するた
め、マーク１１２Ａは若干誇張して描かれている。より
詳細には、溝１１３Ａはマーク１１２Ａを含むディスク
１００Ａの断面がフレネルのゾーン板状と見なせるよう
に形成されている。

【００３４】ここで、図６を参照するに、フレネルのゾ
ーン板の原理について説明する。ディスクＤにはディス
クＤの中心から同心円状にＺ個（Ｚは任意の自然数）の
溝Ｃ（１）乃至溝Ｃ（Ｚ）が形成されている（溝Ｃは溝
Ｃ（１）乃至溝Ｃ（Ｚ）を総括するものとする）。な
お、ディスクＤに形成されるＮ（ＮはＮ＜Ｚを満たす自
然数）番目の溝Ｃ（Ｎ）の内周側半径ｒ_Ninは１番目の
溝Ｃ（１）の内周側半径ｒ_1inの略（２Ｎ−１）^1/2倍と
される。また、Ｎ番目の溝Ｃ（Ｎ）の外周側半径ｒ_Nout
は１番目の溝Ｃ（１）の外周側半径ｒ_1inの略（２Ｎ）
^1/2倍とされる。これより、Ｎ番目の溝Ｃ（Ｎ）の溝幅
ｗ_Nは数式２となる。

【００３５】

【数２】

【００３６】かかる原則に基づく溝Ｃを形成したディス
クＤに対し、距離ａ離れた光源ｐより波長λの光を溝Ｃ
（１）乃至溝Ｃ（Ｚ）に円錐状のスポット光として照射
する。このとき溝Ｃの深さｄをｄ＝λ／｛２（ｎ−
１）｝に形成すると、かかる光の透過回折光は距離ｂだ
け離れた点Ｑ集光される。一方、溝Ｃの深さｄをｄ＝λ
／４に形成すると、かかる光の反射回折光は距離ｂだけ
離れた点Ｑ´に反射光が回析され集光される。図６にお
いて、光の軌跡（図中、点線の矢印）はＮ番目の溝Ｃ
（Ｎ）に入射する光のみ描かれているが、実際にはスポ
ット光が照射された溝Ｃ全部においてこれが起こる。な
お、１番目の溝Ｃ（１）の内周部半径ｒ_1inは以下に記
す数式３より求められる。

【００３７】

【数３】

【００３８】ここで、ｆは焦点距離であって、１／ｆ＝
１／ａ＋１／ｂを満たす。

【００３９】本実施例のマーク１１２Ａは、かかる原則
に基づき溝１１３Ａが形成されている。なお、溝１１３
Ａの形成に当たっては、１番目の溝１１３Ａ（１）から
作る必要はない。ディスク１００Ａの大きさ及び所望の
マーク１１２Ａの長さ（半径方向）を形成するのに必要
な番号範囲の溝１１３Ａを作ればよい。また、溝１１３
Ａはマーク１１２Ａを構成するに足りるものであって、
マーク１１２Ａの形状に沿って円板部１１０Ａの円周方
向に断続的に設けられていることに理解されたい。

【００４０】溝形状の原理で説明したように、本実施例
の溝１１３Ａは距離ａだけ離れた光源からの光をディス
ク１００Ａから距離ｂだけ離れた点に集光する。従っ
て、円周の全マーク１１２Ａの溝１１３Ａに光を入射し
た場合、全マーク１１２Ａからの回折光を常に一点に集
めることができる。この結果、集光した光を検出器４０
０Ａで検出させることで、ディスク１００Ａが回転軸Ｒ
に対して偏芯して取り付けられた場合であっても、これ
らの偏芯により局所的な信号の揺らぎを平均化した信号
を得ることができる。

【００４１】本実施例では、後述する光源２００Ａの波
長λを８００ｎｍ、焦点距離ｆを３０ｍｍとし、溝１１
３Ａは２００番目から１０００番目までをマーク１１２
Ａとして形成するものとする。数式３にλ＝８００ｎ
ｍ、ｆ＝３０ｍｍを代入すると、１番目の溝１１３Ａ
（１）の内周部半径ｒ_1inは０．１５５ｍｍとなる。ま
た、２００番目の溝１１３Ａ（２００）の内周部半径ｒ
_200inは３．０９６ｍｍ、１０００番目の溝１１３Ａ
（１０００）の外周部半径ｒ_1000outは６．９３２ｍｍ
となる。また、溝１１３Ａの深さｄは、本実施例では反
射光を使用するため、２００ｎｍである。更に、Ｎ番目
の溝１１３Ａ（Ｎ）の幅ｗ_Nは数式２にＮと１番目の溝
１１３Ａ（１）の内周部半径ｒ_1inを代入することによ
り数式４で表される。

【００４２】

【数４】

【００４３】最外周に位置する１０００番目の溝１１３
Ａ（１０００）が幅ｗ１０００が１番狭く、ｗ₁₀₀₀＝
１．７μｍであって、内周部に位置する溝１１３Ａは順
次広くなっている。

【００４４】なお、上述した溝１１３Ａの所定の値は例
示的であり、本発明を限定するものではない。上記所定
の値はディスク１００の大きさ、光源２００Ａに使用す
る波長などを考慮して任意に設定可能である。なお、溝
１１３Ａはディスク１００Ａの形成時、溝１１３Ａとは
反対の凹凸を有するスタンパを使用して射出成形するこ
とによって容易に精度よく形成することができる。

【００４５】接続部１２０Ａは中空に形成された円筒形
状を有し、円板部１１０Ａと一体に形成される。接続部
１２０Ａはディスク１００Ａを回転軸Ｒに接続すること
が出来る。本実施例のディスク１００Ａも、ディスク１
００と同様に、回転軸Ｒとの接続を取付け部品の組み付
け精度に頼らないので、ディスク１００Ａを回転軸Ｒに
精度よく取り付けることが可能である。なお、接続部１
２０Ａの形状は、中空に形成された円筒形状に限定され
ず、その他の形状であっても良い。また、接続部１２０
Ａは、単に円板部１１０Ａの中心に形成される開口とし
て実現されても良い。

【００４６】図７を参照するに、ディスク１００Ａはデ
ィスク１００Ｂに置換されてもよい。ここで、図７は、
図５に示すディスク１００Ａの変形例であるディスク１
００Ｂを示す概略断面図（ａ）及び概略平面図（ｂ）で
ある。ディスク１００Ｂはフレネルレンズ状の円板部１
１０Ｂと、円板部１１０Ｂの中心に接続し回転体Ｒと接
続する接続部１２０Ｂとを有する。また、ディスク１０
０Ｂは透明な（即ち、光を透過する）ポリカーボネイド
樹脂で射出成形法によって形成され、ディスク１００と
同様の長所を有する。

【００４７】図７によく示されるように、円板部１１０
Ｂは一の側面１１６がフレネルレンズ形状を有し、当該
一の面１１６の反対側の側面１１８を平面とした薄板で
ある。円板部１１０Ｂは平面である側面１１８上であっ
て、かかる円板部１１０Ｂの中心と同心の円周上に配置
される複数のマーク１１２Ｂを有する。マーク１１２Ｂ
は所定の長さ（半径方向）及び幅（円周方向）を有し、
所定の角度間隔でディスク１００Ｂの円周方向に配置さ
れる。なお、マーク１１２Ｂは後述するように光を反射
可能な反射膜１３０より実現される。マーク１１２Ｂの
長さ（半径方向）は特に限定を有するものではないが、
後述するように長さ（半径方向）が大きいほど多くの回
折光を得ることができ、検出器４００Ａの検出精度を向
上させる。一方、マーク１１２Ｂの幅（円周方向）は非
マーク領域１１４Ｂ（マーク１１２Ｂと同一の円周上で
あって、隣接するマーク１１２Ｂとの間の領域）と同一
幅（円周方向）に形成される。なお、マーク１１２Ｂを
配置する所定の角度間隔を狭くすることで、ロータリエ
ンコーダ１０Ａの分解能を高めることができ、かかる所
定の角度間隔は任意に決定することが出来る。

【００４８】マーク１１２Ｂは反射作用を奏するマーク
１１２Ｂ部分のフルネルレンズ状の側面１１６で光源２
００Ａからの光を回折し、当該反射回折光を検出器４０
０Ａで検出することで回転変位量を検出可能とする。図
７（ｂ）に示されるように、マーク１１２Ｂは、例え
ば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等の高い反射率を有する部材をコ
ーティングすることで形成される。なお、マーク１１２
Ｂは上述のように平面状の側面１１８に設けられ、フレ
ネルレンズ状の側面１１６から入射した光を反射する。
フレネルレンズ状の側面１１６及び当該側面１１６と反
対側に高反射率のマーク１１２Ｂと施すことで、上述の
ディスク１００Ａと同様の作用を奏する。よって、ディ
スク１００Ｂの詳細な説明は省略する。

【００４９】接続部１２０Ｂは中空に形成された円筒形
状を有し、円板部１１０Ｂと一体に形成される。接続部
１２０Ｂはディスク１００Ｂを回転軸Ｒに接続すること
が出来る。本実施例のディスク１００Ｂも、ディスク１
００と同様に、回転軸Ｒとの接続を取付け部品の組み付
け精度に頼らないので、ディスク１００Ｂを回転軸Ｒに
精度よく取り付けることが可能である。なお、接続部１
２０Ｂの形状は、中空に形成された円筒形状に限定され
ず、その他の形状であっても良い。また、接続部１２０
Ｂは、単に円板部１１０Ｂの中心に形成される開口とし
て実現されても良い。

【００５０】なお、以下の説明において、特に断らない
限り、ディスク１００Ａはディスク１００Ｂを総括する
ものとする。

【００５１】光源２００Ａは、例えばＬＥＤであって、
ディスク１００Ａを介し後述する検出器４００Ａと対向
する側に設けられる。ロータリエンコーダ１０Ａのディ
スクがディスク１００Ａである場合、光源２００Ａはデ
ィスク１００Ａとの距離が１／ｆ＝１／ａ＋１／ｂを満
たすような距離ａでディスク１００Ａの中心軸上に配置
される。ここで、ｆは焦点距離であって本実施例ではｆ
＝３０ｍｍであり、ｂは検出器４００Ａとディスク１０
０Ａとの距離である。一方、ロータリエンコーダ１０Ａ
のディスクがディスク１００Ｂである場合、光源２００
Ａと検出器４００Ａはディスク１００Ａによる物体と
像、即ち共役な関係に配置される。

【００５２】光源２００Ａはディスク１００Ａのマーク
１１２Ａを含む円周に光を照射可能なように、円錐形状
を有する光束を射出する。かかる光源２００Ａでディス
ク１００Ａを照射すると、後述するマスク３００Ａと協
働し、ディスク１００Ａ全体からの反射回折光を検出器
４００Ａで検出可能となる。従って、たとえ回転軸Ｒと
ディスク１００Ａの間に偏芯が生じていたとしても、検
出器４００Ａでの検出信号は平均化される。よって、検
出器４００Ａで検出される回転変位量も偏芯の影響は低
減され、精度よく検出される。

【００５３】マスク３００Ａは、好ましくは、ディスク
１００Ａのマーク１１２Ａと同一形状及び大きさの開口
３１０Ａを有する薄板であって、光源２００Ａとディス
ク１００Ａの間に設けられる。なお、本実施例では、マ
スク３００Ａはマーク１１２Ａに対応する数の開口３１
０Ａが設けられている。また、開口３１０Ａはディスク
１００Ａのマーク１１２Ａと同一間隔及び同一半径で形
成される。即ち、マスク３００Ａをディスク１００Ａの
マーク１１２Ａと一致するように重ねた場合、かかる開
口３１０Ａは対応するマーク１１２Ａの位置及び形状が
一致している。

【００５４】マスク３００Ａは射出された光がディスク
１００Ａのマーク１１２Ａ（又は、非マーク領域１１４
Ａ）と正確に重なるように光源２００Ａからの光を制限
する（回転するディスク１００Ａのマーク１１２Ａ又は
非マーク領域１１４Ａとマスク３００Ａの開口３１０Ａ
が重なる場合において）。更に、マスク３００Ａは開口
３１０Ａが円周上に一様に設けられているため、ディス
ク１００Ａのマーク３１２Ａ（又は非マーク領域３１４
Ａ）全体に光源２００Ａからの光を照射可能とする。か
かる構成において、光源２００Ａでディスク１００Ａを
照射すると、ディスク１００Ａ全体からの反射回折光を
検出器４００Ａで検出可能となる。従って、たとえ回転
軸Ｒとディスク１００Ａの間に偏芯が生じていたとして
も、検出器４００Ａでの検出信号は平均化される。よっ
て、検出器４００Ａで検出される回転変位量も偏芯の影
響は低減され、精度よく検出される。

【００５５】検出器４００Ａはディスク１００Ａのマー
ク１１２で反射された回折光を検出可能な位置に配置さ
れ、図示しない受光部及び制御部を有する。より、詳細
にはロータリエンコーダ１０Ａのディスクがディスク１
００Ａである場合、検出器４００Ａはディスク１００Ａ
との距離が１／ｆ＝１／ａ＋１／ｂを満たすような距離
ｂでディスク１００Ａの中心軸上に配置される。ここ
で、ｆは焦点距離であって本実施例ではｆ＝３０ｍｍで
あり、ａは光源２００Ａとディスク１００Ａとの距離で
ある。かかる式より、光源２００Ａとディスク１００Ａ
の距離ａを定めれば、距離ｂが定まる。また、この逆も
成り立つ。一方、ロータリエンコーダ１０Ａのディスク
がディスク１００Ｂである場合、検出器４００Ａと光源
２００Ａはディスク１００Ａによる物体と像、即ち共役
な関係に配置される。なお、図示しない受光部及び制御
部は上述した検出器４００と同様であるため、ここでの
詳細な説明は省略する。

【００５６】なお、図８に示すように、光源２００Ａ及
び検出器４００Ａからディスク１００Ａまでの距離が等
しい場合、ハーフミラー６００を設けることで検出器４
００Ａと光源２００Ａが重ならないようにすることも可
能である。ここで、図８は、図５に示すロータリエンコ
ーダ１０Ａの光源２００Ａ及び検出器４００Ａからディ
スク１００Ａまでの距離が等しい場合の変形例である。
かかる構成はロータリエンコーダ１０Ａの小型化に寄与
する。

【００５７】検出器４００Ａはディスク１００Ａのマー
ク１１２Ａで反射され、かつ、回折された回折光を光学
的に検出し、回転変位量を検出する。検出器４００Ａは
上述の光源２００Ａ及びマスク３００Ａにより、ディス
ク１００Ａ全体からの反射回折光を検出可能である。従
って、たとえ回転軸Ｒとディスク１００Ａの間に偏芯が
生じていたとしても、検出器４００Ａでの検出信号は平
均化される。よって、検出器４００Ａで検出される回転
変位量も偏芯の影響は低減され、精度よく検出される。

【００５８】以下、ロータリエンコーダ１０を利用した
回転変位量の検出動作について説明する。まず、ディス
ク１００を回転軸Ｒに取り付ける。次いで、回転軸Ｒを
図１において右回りに等速度で回転させる。このとき、
光源２００側からマスク３００を介しディスク１００を
見ると、マーク１１２及び非マーク領域１１４が交互に
出現する。

【００５９】光源２００がマスク３００を介しディスク
１００に向けて光を射出する。ここで、ロータリエンコ
ーダ１０（ロータリエンコーダ１０Ａを除く）であっ
て、特にマスク３００及び３００ａを使用する場合（図
１及び図２に示す）、光源２００より射出された光はマ
スク３００及び３００ａを介しディスク１００に入射さ
れる。このとき、マーク１１２に入射した光は回折さ
れ、１次透過回折光が検出器４００に向かう。一方、非
マーク領域１１４に入射した光はそのまま透過し、直進
する。また、ロータリエンコーダ１０（ロータリエンコ
ーダ１０Ａを除く）であって、特にマスク３００ｂを使
用する場合（図４に示す）、光源２００より射出された
光はマスク３００ｂを介しディスク１００に入射され
る。なお、図９に示すように、回転するディスク１００
とマスク３００ｂは、マスク３００のマーク３１２及び
非マーク領域３１４にディスク１００のマーク１１２及
び非マーク領域１１４が各々一致する場合（図９
（ａ））と、マスク３００のマーク３１２及び非マーク
領域３１４にディスク１００の非マーク領域１１４及び
マーク１１２が各々一致する場合（図９（ｂ））があ
る。ここで、図９は、図４に示すマスク３００ｂとディ
スク１００近傍の光源２００からの光路を示した概略側
面図である。図９（ａ）に示す場合、即ち、マスク３０
０のマーク３１２（及び非マーク領域３１４）がディス
クのマーク１１２（及び非マーク領域１１４）と一致す
る場合、光源２００からの光は結果的に直進する。一
方、図９（ｂ）に示す場合、即ち、マスク３００のマー
ク３１２（及び非マーク領域３１４）がディスクの非マ
ーク領域１１４（及びマーク１１２）と一致する場合、
光源２００からの光は結果的に回折し、回折光が検出器
４００に向かう。

【００６０】一方、ロータリエンコーダ１０Ａである場
合（図５に示す）、光源２００Ａより射出された光はマ
スク３００Ａを介しディスク１００Ａに入射される。こ
のとき、マーク１１２Ａに入射した光は回折され、１次
反射回折光が検出器４００に向かう。一方、非マーク領
域１１４Ａに入射した光は透過され、そのまま直進す
る。なお、上述したように光源２００Ａは円錐形状の光
束を有し、マスク３００Ａの各開口３１０Ａを介しディ
スク１００Ａに入射した光について、かかる現象がおき
るものである。

【００６１】上述した各パターンで検出器４００に向か
った光は図示しない受光部によって受光され、電気信号
に変換されて図示しない制御部に送られる。ディスク１
００が等速回転をする際、受光部で感知した光の強弱を
縦軸、経過時間を横軸にした電気信号に変換すると波形
は略正弦波を示す。次いで、制御部のコンパレータが受
光部で電気的波形に変換された回転変位量の波形を所定
の閾値と比較する。コンパレータは回転変位量の波形が
閾値以上の値をもつ間をＨｉｇｈ、閾値以下の値のもつ
間をＬｏｗとして、回転変位量の電気信号をパルス波形
に変換する。つまり、出力されるパルス波形は検出器４
００が非マーク領域１１４を検知している間はＬｏｗに
なり、マーク１１２を検知している間はＨｉｇｈとな
る。なお、図４に示す形態のロータリエンコーダ１０
は、かかる波形が逆転する。カウンタはコンパレータで
パルス波形に変換された回転変位量、例えば、Ｈｉｇｈ
の回数をカウントする。カウンタはかかるカウントが行
なわれるたびにカウントした総計を演算及び制御回路に
送信する。計数されたマーク１１２の数とマーク１１２
間隔との積をとることによってロータリエンコーダ１０
の（又はこれに接続された）図示しない制御部は回転角
を算出することができる。よって、制御部は回転軸Ｒに
接続された図示しない回転体の回転を制御することがで
きる。

【００６２】以上、本発明の好ましい実施例を説明した
が、本発明はその要旨の範囲内で様々な変形や変更が可
能である。

【００６３】

【発明の効果】本発明の例示的一態様としてのロータリ
エンコーダは回転軸に接続するディスクの接続部が円板
部と一体に射出成形されるため、回転軸に対しディスク
が精度よく接続されるので検出精度が高い。また、ディ
スクを射出成形することでマークを精度よく形成できる
ので、マークである回折格子の回折精度もよく精度の高
い検出を行える。

【００６４】本発明の別な例示的一態様としてのロータ
リエンコーダは偏芯が生じる場合でも、ディスク全体か
らの信号を検出するため検出信号の偏芯によるズレ等は
平均化され、その影響を低減することが出来る。よっ
て、かかるロータリエンコーダは精度の高い検出を行え
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の例示的一態様であるロータリエンコ
ーダを示す概略斜視図である。

【図２】 図１に示すディスクの半径方向の断面形状を
示すマーク部分の一部拡大断面図である。

【図３】 図１に示すスリットの変形例であるスリット
を有するロータリエンコーダを示す概略斜視図である。

【図４】 図１に示すスリットの変形例であるスリット
を有するロータリエンコーダを示す概略斜視図である。

【図５】 図１に示すロータリエンコーダの変形例であ
るロータリエンコーダを示す概略斜視図である。

【図６】 図５に示すディスクを説明するためのディス
クの概略断面図である。

【図７】 図５に示すディスクの変形例であるディスク
を示す概略断面図及びそれに対応する概略平面図であ
る。

【図８】 図５に示すロータリエンコーダの光源及び検
出器からディスクまでの距離が等しい場合の変形例であ
る。

【図９】 図４に示すマスクとディスク近傍の光源から
の光路を示した概略側面図である。

【符号の説明】

１０ ロータリエンコーダ １００ ディスク １１０ 円板部 １１２ マーク １１３ 溝 １１４ 非マーク領域 １２０ 接続部 ２００ 光源 ３００ スリット ４００ 検出器 ５００ レンズ ６００ ハーフミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA09 AA39 BB16 DD04 FF17 GG02 GG06 GG07 HH03 HH13 JJ01 JJ09 JJ18 LL30 LL43 MM04 NN03 QQ04 QQ14 QQ34 QQ51 UU08 2F103 BA05 BA06 CA01 CA04 CA06 DA13 EA03 EA05 EA12 EA22 EA24 EB02 EB06 EB12 EB32 EB33 ED07 ED21 FA02

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸に取り付けられて当該回転軸と共
   に回転するディスクであって、当該ディスクの中心から
   見て所定の角度間隔で前記ディスクの円周方向に添って
   整列している回折格子からなるマークと、前記ディスク
   の中心に設けられ当該ディスクと前記回転軸を接続する
   接続部とを有するディスクと、 前記マークを光学的に検出し、前記回転軸の回転変位量
   を検出する検出器とを有する検出装置。
2. 【請求項２】 前記マークは前記ディスクの中心から見
   て同心円状又は螺旋状に形成された溝を有する請求項１
   記載の検出装置。
3. 【請求項３】 前記マークは前記ディスクの中心から見
   てフレネルゾーン板形状を有する請求項１記載の検出装
   置。
4. 【請求項４】 前記ディスクはフレネルレンズであっ
   て、前記マークに対応する位置に反射部材を有する請求
   項１記載の検出装置。
5. 【請求項５】 前記検出装置は前記ディスクに光を射出
   する光源と前記検出器の間に前記光を制限するマスクを
   更に有する請求項１記載の検出装置。
6. 【請求項６】 前記マスクは前記ディスクと同一形状の
   ディスクである請求項５記載の検出装置。
7. 【請求項７】 回転軸に取り付けられて当該回転軸と共
   に回転するディスクであって、 前記ディスクの中心に設けられ当該ディスクと前記回転
   軸を接続する接続部と、 前記ディスクの中心から見て所定の角度間隔で前記ディ
   スクの円周方向に添って整列している回折格子からなる
   マークとを有するディスク。