JP4531750B2

JP4531750B2 - 光学式ロータリーエンコーダ

Info

Publication number: JP4531750B2
Application number: JP2006511659A
Authority: JP
Inventors: 武史武舎; 徹岡; 陽一大村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2025-03-29
Also published as: KR100818018B1; US7405392B2; CN100451560C; CN1938565A; WO2005095898A1; US20070272840A1; TWI297081B; DE112005000685T5; KR20060130687A; JPWO2005095898A1; DE112005000685B4; TW200600831A

Description

本発明は、光学式ロータリーエンコーダに関し、特に、その光量モニタ信号の安定化に関するものである。

一般的には、光学式ロータリーエンコーダは、光源と、モータに取り付けられ、光源からの光をパルス光に変換するための光学スリットからなる回転角度検出用トラックを有する回転スリット板と、変換されたパルス光を光電変換するための回転角度検出用受光部とを備えている。回転角度検出用受光部は光学スリットのピッチに応じて一定のピッチで受光パターンを設けてあり、光学スリットにより変調された光源からの光を電気信号に変換して、その電気信号を観測することによりモータの回転角度を検出する。

この種の光学式ロータリーエンコーダにおいて、回転スリット板の外形を大きくすることなく、しかも、回転角度検出信号の出力を犠牲にすることなく、光源の光量変化をモニタすることを目的として、例えば特許文献１「アブソリュート形エンコーダ」の特許請求の範囲に示されるように、光学スリットからなる回転位置検出用トラック（回転角度検出用トラック）を有する回転スリット板と、光を照射する発光素子（光源）と、前記回転位置検出用トラックに対応する回転位置検出用スリットおよび前記発光素子の光量モニタ用スリットを有する固定スリット板と、前記回転位置検出用スリットに対応して配置される回転位置検出用受光素子と、前記光量モニタ用スリットに対応して配置される光量モニタ用受光素子とを備える光学式のアブソリュート形エンコーダにおいて、前記固定スリット板の光量モニタ用スリットが、前記回転スリット板の回転位置検出用トラックに対応して円周方向に沿って形成され、前記回転位置検出用トラックが光量モニタ用トラックに兼用しているものがある。さらに、光量モニタ用スリットの円周方向の幅（角度幅）を、光量モニタ用トラックに兼用される回転位置検出用トラックの光学スリットのピッチ（角度周期）の整数倍とすることが開示されている。

特開平６−２９４６６６号公報

従来の光学式ロータリーエンコーダは、以上のように構成されているので、モータ軸と回転スリット板との相対位置および回転スリット板上の光学スリットと受光部の光量モニタ用パターンの位置が正しく調整されている場合は、光量モニタ用スリットの円周方向の幅を回転位置検出用トラックの光学スリットのピッチの整数倍とすることで、光量モニタ信号が変動することがなく回転スリット板の回転に対して常に一定の信号強度が得られる。
しかし、モータ軸と回転スリット板との相対位置のずれ（回転スリット板の偏芯）や、回転スリット板上の光学スリットのパターンと受光部の光量モニタ用パターンとの相対位置のずれなどの組立て・調整時等の誤差がある場合には、光量モニタ用スリットの円周方向の幅が回転位置検出用トラックの光学スリットのピッチの整数倍からずれるため、光量モニタ信号が回転スリット板の回転に伴って正弦波変動を起こし、安定した信号が得られなくなる。そのため、光量モニタ信号の変動が組立て・調整時等の誤差によるものか光源の発光強度の変化によるものかの区別がつかなくなり、結果として光量モニタ信号がその役割を果たさなくなる。

上記の（ピッチ）×（整数倍）からのずれは、回転スリット板の回転軸から光量モニタ用パターンまでの距離(回転角度検出用トラックの半径)に対する各相対位置のずれ量（誤差量）の比で決まる。そのため、特にエンコーダを小型化しようとするときには、上記回転角度検出用トラックの半径が小さくなることで（ピッチ）×（整数倍）からのずれの量が増大し、正弦波変動の影響が顕著に現れる。よって、上記従来例のように光量モニタ用トラックと回転角度検出用トラックを兼用して回転スリット板ならびに装置全体の小型化を図っても、上記組み立て誤差に対する対策を行わなければ、常に安定した光量モニタ信号を得ることができない。

本発明は、上記のような従来のものの問題点を解決するためになされたものであり、組立て・調整時等の誤差があった場合にも光量モニタ信号を安定させ、小型で検出精度の良い光学式ロータリーエンコーダを提供することを目的とするものである。

本発明に係る光学式ロータリーエンコーダは、光学スリットからなる回転角度検出用トラックを有する回転スリット板と、前記光学スリットの全周にわたって光を照射する１つの光源と、前記光源と同じ側において前記光学スリットと対向するように、前記光学スリットへの前記光源からの光の照射位置に対応して配置され、前記光源からの光を前記光学スリットを介して受光する回転角度検出用受光素子と、前記光源と同じ側において前記光学スリットと対向するように、前記光学スリットへの前記光源からの光の照射位置に対応して円周上の複数箇所に配置され、前記光源からの光を前記光学スリットを介して受光する光量モニタ用受光素子とを備え、前記光量モニタ用受光素子の角度幅が、前記光学スリットを介した前記光源からの光の、前記光量モニタ用受光素子の表面での強度分布の角度周期の整数倍であり、２つの前記光量モニタ用受光素子が、前記光学スリットへの前記光源からの光の照射位置に対応して円周上に配置されると共に、前記２つの光量モニタ用受光素子は前記円周の中心点を中心として角度１８０度の位置に配置され、前記２つの光量モニタ用受光素子の出力信号を合算することにより、前記強度分布の半径方向のずれと前記光量モニタ用受光素子の半径方向のずれにより生じる、前記角度幅が前記強度分布の角度周期の整数倍でなくなることに起因した、前記回転スリット板の回転に対して本来は一定強度となる前記光量モニタ用受光素子の出力信号の強度変化を抑制するものである。

本発明によれば、回転角度検出用トラックで光量モニタ用トラックを兼用することができ、その分装置の小型化が可能になる。しかも、光量モニタ用受光素子の円周方向の角度幅を、光学スリットを介した前記光源からの光の光量モニタ用受光素子の表面での強度分布の角度周期の整数倍とする（言い換えれば、光量モニタ用受光素子に、光学スリットのピッチの整数倍に相当する角度幅を持たせる）ことで、光量モニタ用受光素子で得られる光量モニタ信号の脈動を抑制することができる。
さらに、装置全体を小型化すると、組立て・調整時等の誤差による影響を大きく受けて光量モニタ信号強度の正弦波変動が大きくなるが、光量モニタ用受光素子を円周上の複数箇所に配置することで、上記組立て・調整時等の誤差による影響を軽減することができる。
したがって、組立て・調整時等の誤差があった場合にも光量モニタ信号を安定させ、小型で検出精度の良い光学式ロータリーエンコーダを得ることができる。

本発明の実施の形態１による光学式ロータリーエンコーダの全体構成を示す断面図である。図１の回転スリット板の構成を示し、（ａ）は全体の平面図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す平面図である。図１の受光素子群の構成を示し、（ａ）は全体の平面図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す平面図である。本発明の実施の形態１に係り、光量モニタ信号の正弦波変動に対する回転角度検出用トラックの中心線の径の影響を示す特性図である。本発明の実施の形態１に係り、２つの光量モニタ用受光素子からの光量モニタ信号を示す特性図である。本発明の実施の形態２に係り、受光素子群の構成を示す平面図である。本発明の実施の形態２による光学式ロータリーエンコーダの全体構成を示す断面図である。本発明の実施の形態２による別の光学式ロータリーエンコーダの全体構成を示す断面図である。本発明の実施の形態３に係り、受光素子群の構成を示す平面図である。本発明の実施の形態３に係り、受光素子群の別の構成を示す平面図である。本発明の実施の形態４による光学式ロータリーエンコーダの全体構成を示す斜視図である。図１１の受光素子群の構成を示す平面図である。本発明の実施の形態５に係り、受光素子群の構成を示す平面図である。本発明の実施の形態６による光学式ロータリーエンコーダの全体構成を示す断面図である。

符号の説明

１，１ａ〜１ｄ光源、２受光素子群、２ａ〜２ｄ受光素子ユニット、３受光部、４回転スリット板、５回転角度検出用トラック、５１スリット（光透過部）、５２光非透過部、５３反射部、６モータ軸、７凹面ミラー、１０回転スリット板の回転軸、１１回転角度検出用トラックパターンの中心点、１２回転角度検出用トラックの中心線、２０受光素子トラックパターンの中心点、２１ａ〜２１ｄ位置モニタ用受光素子、２２ａ〜２２ｄ回転角度検出用領域、２３ａ〜２３ｄ光量モニタ用受光素子、２４受光素子トラックの中心線、３１回転角度検出用受光素子。

実施の形態１．
図１〜図３は本発明の実施の形態１による光学式ロータリーエンコーダの構成を示し、図１は全体の断面図、図２（ａ）は回転スリット板の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の一部（丸で囲んだ部分）を拡大して示す平面図、図３（ａ）は受光素子群の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の一部（丸で囲んだ部分）を拡大して示す平面図である。

回転スリット板４はモータ軸６に取り付けられており、円周上に複数の光透過部５１および光非透過部５２が配置された、光学スリットからなる回転角度検出用トラック（図２（ａ）ではハッチングを施して示している。）５を有する。

光源１から出た光８を、凹面ミラー７を用いて略平行光束９に変換し、略平行光束９を回転スリット板４に設けられた回転角度検出用トラック５の光学スリットの全周にわたって照射し、この時の光学スリットを介した光（光透過部５１からの透過光）を受光部３に設けられた受光素子群２で受光して光電変換する。このとき、受光部３の表面には光学スリットの角度周期に対応した周期的な光強度分布が形成され、以下で詳細に説明するように、その光強度分布の角度周期に応じて受光素子群２が配置される。

図２（ｂ）にその一部を拡大して示すように、回転スリット板４の回転角度検出用トラックパターンの中心点１１から半径Ｒ１の距離に回転角度検出用トラック５の中心線１２を引いたとすると、光透過部５１は、トラックの中心線１２を中心として半径方向に幅Ｗ１で形成されており、光透過部５１と光非透過部（図２（ｂ）におけるハッチングを施して示している。）５２とが同一円周（回転角度検出用トラック５の中心線１２）に角度周期（ピッチ）Ｐで周期的に配置されている。すなわち、光学スリットの角度周期（ピッチ）はＰである。

受光部３は、例えば回転スリット板４の一方の主表面に対向して受光素子群２と光源１とが配置されている。受光素子群２は、回転角度検出用受光素子３１と、光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂと、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄとを有する。回転角度検出用受光素子３１は回転角度検出用領域２２ａ〜２２ｄに配置されている。
本実施の形態では、４つの回転角度検出用領域２２ａ〜２２ｄに配置された回転角度検出用受光素子３１と、２つの光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂと、４つの位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄとが同一平面上で同一円周上に配置され、受光素子トラックを構成している。

なお、本発明では、例えば、光透過部５１と光非透過部５２とが同一円周上に配置されるとは、光透過部５１の半径方向の中心（中点）と光非透過部５２の半径方向の中心（中点）とが同一の円周上に位置するように配置されることを言う。また、光透過部５１の半径方向の中心と光非透過部５２の半径方向の中心とが同一の円周上にはないが、光透過部５１および光非透過部５２の一部が同一の円周上にある場合には、光透過部５１と光非透過部５２とが円周上に配置されると言う。これは各受光素子についても同様である。

図３に示すように、受光素子トラックパターンの中心点２０を中心とした半径Ｒ１’の距離に受光素子トラックの中心線２４を引いたとすると、受光素子群２は受光素子トラックの中心線２４を半径方向の中心（中点）として同一円周上に形成されている。
受光素子群２の構成としては、回転角度検出用受光素子３１が回転角度検出用領域２２ａ〜２２ｄ内に光学スリット（光透過部５１）の角度周期（ピッチ）Ｐに対応して一定の角度周期（ピッチ）Ｐ’で配置されている。言い換えれば、回転角度検出用受光素子３１の表面には光学スリットの角度周期に対応した周期的な光強度分布が形成され、その光強度分布の角度周期Ｐ’に応じて回転角度検出用受光素子３１が配置される。なお、本実施の形態では回転スリット板４に照射される光が平行光であり、４つの回転角度検出用領域２２ａ〜２２ｄはそれぞれ同一円周上に配置されている。

また、２つの光量モニタ用受光素子２３ａと２３ｂはそれぞれ同一形状を有し、受光素子トラックの中心線２４を中心として、回転角度検出用受光素子３１と同一の円周上に等間隔に配置されている。すなわち、２つの光量モニタ用受光素子２３ａと２３ｂは、受光素子トラックパターンの中心点２０を挟んで１８０度対向の位置に（言い換えれば、中心点２０を中心として角度１８０度の位置に）配置されている。なお、受光素子トラックパターンの中心点２０は、光量モニタ用受光素子２３ａと２３ｂが配置された円周の中心点と同一である。

また、４つの位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄはそれぞれ同一形状を有し、受光素子トラックの中心線２４を中心として、回転角度検出用受光素子３１と同一の円周上に等間隔に配置されている。すなわち、４つの位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄは、受光素子トラックパターンの中心点２０を中心として互いの角度が９０度の位置に配置されている。なお、受光素子トラックパターンの中心点２０は、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄが配置された円周を形成する円の中心（円周の中心）と同一である。

回転角度検出用受光素子３１は受光素子トラックの中心線２４を中心に半径方向の幅Ｗ２で形成されている。図３におけるＷ１’は、光学スリット（光透過部５１）を通過した光源１からの光の、回転角度検出用受光素子３１の配置表面での照射領域の、半径方向の幅である。なお、図３において、網掛け部は、光学スリット（光透過部５１）を通過した光源１からの光の、回転角度検出用受光素子３１の配置表面での照射領域を示している。幅Ｗ１’は、図２における光透過部５１の半径方向の幅Ｗ１に対応して定められ、回転スリット板４に照射される光が平行光の場合はＷ１＝Ｗ１’である。このとき、Ｗ２とＷ１’の関係は、
Ｗ１’＞Ｗ２
となるように設定することで、組立て・調整時等の誤差があった際にも、回転角度検出用受光素子３１の信号強度が落ちないようにすることができる。
また、回転スリット板４に照射される光が平行光の場合はＲ１＝Ｒ１’である。

図３で、回転スリット板４の回転とは無関係に常に一定強度の信号を得るために、光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂおよび位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄは、回転角度検出用受光素子３１の角度周期Ｐ’に対して、円周方向の角度幅を
Ｐ’×（整数）
としている。言い換えれば、光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂの角度幅（円周方向の角度幅であり、一例として図３（ｂ）にＷθで示す。）が、光学スリット（光透過部５１）を介した光源１からの光の、光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂの表面での強度分布の角度周期の整数倍であり、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄの角度幅（円周方向の角度幅）が、光学スリット（光透過部５１）を介した光源１からの光の、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄの表面での強度分布の角度周期の整数倍である。

回転スリット板４の理想的な配置としては、回転スリット板４上の回転角度検出用トラックパターンの中心点１１と受光素子トラックパターンの中心点２０が共に回転スリット板４の回転軸１０上にあることであるが、組立て・調整時等の誤差の理由により、回転スリット板の回転軸１０と回転角度検出用トラックパターンの中心点１１とのずれ（偏芯）、および回転角度検出用トラックパターンの中心点１１と受光素子トラックパターンの中心点２０との位置ずれが生じることがある。このとき、回転角度検出用トラック５の中心線１２と受光素子トラックの中心線２４とが一致しなくなり、Ｐ’×（整数）の条件が破られるため、光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂからの信号（モニタ信号）は回転スリット板４の回転に対して常に一定ではなく、回転角に対して正弦波状に変動する。

このような正弦波変動の具体例として、例えば、回転スリット板４上の回転角度検出用トラックパターンの中心点１１が受光素子トラックパターンの中心点２０に対して５０μｍずれた場合のモニタ信号を図４および図５に示す。図４および図５で、横軸は回転スリット板の回転角度を、縦軸はモニタ信号強度を示す。
図４で、破線および実線はそれぞれ半径Ｒ１＝Ｒ１’＝２０ｍｍおよび半径Ｒ１＝Ｒ１’＝３ｍｍの場合の光量モニタ用受光素子２３ａからのモニタ信号を示す。このように、回転スリット板４の回転角度検出用トラックの中心線１２の径、すなわち、回転スリット板４全体の径が小さくなると、偏芯や調整誤差があった際の光量モニタ信号の正弦波変動は非常に大きくなる。

図５は、Ｒ１＝Ｒ１’＝３ｍｍの時の光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂからのモニタ信号を示す。図５で、実線が一方の光量モニタ用受光素子２３ａからのモニタ信号を、一点鎖線が他方の光量モニタ用受光素子２３ｂからの信号をそれぞれ表す。このように、受光素子トラックパターンの中心点２０（光量モニタ用受光素子２３ａと２３ｂが配置された円周の中心点）に対して１８０度対向の位置に配置された各光量モニタ用受光素子２３ａと２３ｂからの信号は、偏芯や調整誤差があった際に位相が１８０度ずれた正弦波となるので、これら２つの信号を合算することにより、図５の破線で表すような正弦波変動を抑えたモニタ信号を得ることができる。

図３で、光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂは受光素子トラックの中心線２４を中心に半径方向の幅Ｗ３で形成されている。Ｗ３とＷ１’との関係は、
Ｗ１’＞Ｗ３
である。このように、光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂの半径方向の両端が共に、光学スリット（光透過部５１）を通過した光源１からの光の、光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂの配置表面での照射領域（図３に網掛けで示す。）の半径方向の幅の範囲よりも内側にあるように構成することで、組立て・調整時等の誤差があった際にも回転角度検出用トラック５の光透過部５１間および光透過部５１の半径方向両端部にある光非透過部５２による影響を受けることなく一定強度のモニタ信号を検出することができる。
ただし、組立て・調整時等の誤差により生じる、回転スリット板の回転軸１０と回転角度検出用トラックパターンの中心点１１とのずれ（偏芯）、および回転角度検出用トラックパターンの中心点１１と受光素子トラックパターンの中心点２０との位置ずれ等によるトータルの誤差量εが、
ε＞（Ｗ１’−Ｗ３）／２
である場合には、上記回転角度検出用トラック５にある光非透過部５２による影響を受けてしまう。したがって、照射領域内に光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂが常に存在するためには、組立て・調整時等の上記誤差量εを、
ε≦（Ｗ１’−Ｗ３）／２
の範囲内に収めるようにすることが望ましい。

また、光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂの配置方法は、光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂが配置された円周の中心点２０を中心として角度１８０度の位置に配置する場合が、最も光量モニタ信号の組立て・調整時等の誤差による正弦波変動の抑制効果が高いことは上述した。このように、少なくとも１８０度対向位置に２箇所配置すればよいが、図５における破線で示す光量モニタ用受光素子２３ａと２３ｂのモニタ信号を合算したグラフを見ると判るように、大きく正弦波変動が抑制されているが、わずかに正弦波成分が残る。図５では回転スリット板４（回転角度検出用トラック５）と受光部３（受光素子トラック）のずれが５０μｍの場合を示しているが、ずれの量がさらに大きくなると、光量モニタ用受光素子２３ａと２３ｂのモニタ信号を合算したグラフの正弦波成分(図５に破線で示す。)も大きくなる。その場合は、１８０度対向の組を複数セット設ければより高い正弦波変動の抑制効果が得られる。

図３で、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄは受光素子トラックの中心線２４を中心に半径方向の幅Ｗ１’で形成されている。ただし、回転スリット板４に照射される光が平行光の場合にはＷ１’＝Ｗ１である。このように、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄの半径方向の幅が、光学スリット（光透過部５１）を介した光源１からの光の、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄの表面での分布における半径方向の幅Ｗ１’と同じとすることによって、回転スリット板４と位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄ（受光素子群２）とがずれている場合には、回転角度検出用トラック５の光非透過部５２が位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄに掛かり信号強度が落ちる。
よって、同一円周上の４箇所に配置された位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄからの出力の和が最大になるように位置調整を行えば、精度良く回転スリット板４（回転角度検出用トラック５）と受光部３（受光素子トラック）との位置を調整することができる。

なお、中心点２０を中心として角度９０度の４箇所に配置した各位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄからの出力を合算せずに、各位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄで別々の信号出力を検出することもできる。この場合、回転スリット板４が位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄ（受光素子群２）に対してＸ，Ｙどちらの方向にずれているかを知ることができるので、より簡易に、精度の良い位置調整を行うことができる。
具体的には、例えば、図３の各位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄからの信号のうち、位置モニタ用受光素子２１ｂと２１ｄの信号強度が位置モニタ用受光素子２１ａと２１ｃの信号強度と比較して落ちている場合には、回転スリット板４が受光部３に対してＸ方向にずれていることが判る。このようにして、少しずつＸ方向およびＹ方向について調整を行い、各位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄからの信号出力が最大かつ等しくなれば回転スリット板４と受光部３の位置調整が完了となる。

なお、上記では、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄを中心点２０を中心として角度９０度の４箇所に配置した。言い換えれば、位置モニタ用受光素子２１ａと２１ｃを中心点２０を中心として角度１８０度の位置に配置し、位置モニタ用受光素子２１ｂと２１ｄを中心点２０を中心として角度１８０度の位置に配置した。このように、位置モニタ用受光素子は、位置モニタ用受光素子が配置された円周の中心点２０を中心として角度１８０度の位置に配置されているので、光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂの説明で述べたことと同様の効果が得られる。すなわち、回転スリット板４と受光部３の位置調整をする際、回転角度検出トラック５が光量モニタ用もしくは位置モニタ用と回転角度検出用とを兼用していることにより起こる、回転スリット板４の回転位置による位置モニタ用信号強度の変動を抑制し、装置の小型化に対して安定した信号を得ることができる。特に、回転スリット板４と受光部３との位置調整時は、回転角度検出用トラックパターンの中心点１１と受光素子トラックパターンの中心点２０との位置ずれが生じた状態に相当するため、光量モニタ用受光素子２３ａと２３ｂを角度１８０度の位置に配置する必要性は高い。

なお、図２では、回転スリット板４の光学スリットが、同一円周上に矩形状（より正確には扇状）の光透過部５１が光非透過部５２と交互に配置されて構成されている場合について示したが、光学スリットの形状はこれに限るものではない。例えば、光非透過部５２が完全に遮光されていなくてもよく、光透過部５１と光非透過部５２とが、一定周期で、一定割合の強度変調がかかるようなスリット形状、例えば、正弦波形状で連なった開口を持つスリットであってもよい。これは以下の各実施の形態においても特に断らないが同様である。

実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２による光学式ロータリーエンコーダの構成を示し、より具体的には受光素子の平面図である。他の構成は実施の形態１と同様であるので、以下では主に、実施の形態１との相違点について説明する。
実施の形態１では光量モニタ素子２３ａ，２３ｂが回転角度検出用受光素子３１と同一の円周上に等間隔に２箇所配置され、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄは回転角度検出用受光素子３１と同一の円周上に等間隔に４箇所配置されているが、本実施の形態では、光量モニタ用受光素子２３ａ〜２３ｄおよび位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄがともに回転角度検出用受光素子３１と同一の円周上に４箇所配置されている。また、光量モニタ用受光素子、および位置モニタ用受光素子は各々が等間隔ではなく、例えば光量モニタ用受光素子２３ａと２３ｃ、および２３ｂと２３ｄは受光素子トラックパターンの中心点２０を挟んで１８０度対向の位置に配置されているが、２３ａと２３ｂ、およびは２３ｂと２３ｄは９０度間隔ではなく、ｍを整数として（ｍ＋１／２）Ｐ’の間隔を空けて配置されている。すなわち、２３ａと２３ｂ、およびは２３ｂと２３ｄは（奇数／２）Ｐ’の間隔で配置されている。また、位置モニタ用受光素子も同様に、２１ａと２１ｃ、および２１ｂと２１ｄは受光素子トラックパターンの中心点２０を挟んで１８０度対向の位置に配置されているが、２１ａと２１ｂ、およびは２１ｂと２１ｄは９０度間隔ではなく、ｎを整数として（ｎ＋１／２）Ｐ’の間隔を空けて配置されている。すなわち、２１ａと２１ｂ、およびは２１ｂと２１ｄは（奇数／２）Ｐ’の間隔で配置されている。

次に、本実施の形態による効果を以下に示す。光学式ロータリーエンコーダの全体構成図である図１において、凹面ミラー７にて反射された光線９は略平行光束となって回転スリット板４に照射される。このような構成において、回転スリット板４と受光部３が正しく組みつけられている場合には、光量モニタ用受光素子、および位置モニタ用受光素子の円周方向の角度幅を、回転角度検出用受光素子の角度周期Ｐ’に対して、
Ｐ’×（整数）
とすることにより、正弦波変動のないモニタ信号を得ることができ、また、回転スリット板４と受光部３が正しく組みつけられてない場合においても、実施の形態１で示したように正弦波変動を抑えたモニタ信号を得ることができる。

しかしながら、光源１と凹面ミラー７の位置調整が正しく行われなかった場合には、例えば図７のように、凹面ミラー７からの反射光線９は略平行光ではなく、拡がりを持った光線となる。この場合、受光素子群４の表面に形成される光強度分布の角度周期は同じであるが、角度周期に対応した円周方向の幅は拡がる。一方、受光素子群の検出領域は拡がらないので、図７に示すように、信号を検出にあたって欠落部分が発生する。上記欠落部分の信号成分は回転により時間的に変化するため、モニタ信号は正弦波振動成分を持つこととなる。

これは実施の形態１中の図３における受光素子配置においても同様で、１８０度間隔に配置された光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂ、および９０度間隔に配置された位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄの各受光素子からは同一の位相を持った正弦波成分が得られるため、複数箇所の受光素子からの信号を合算してもモニタ信号の正弦波成分を抑えることができない。

本実施の形態における受光素子配置においては、例えば光量モニタ用受光素子２３ａと光量モニタ用受光素子２３ｂとは、（ｍ＋１／２）Ｐ’と半周期ずれた位置関係に配置されているため、光源１と凹面ミラー７の位置調整が正しく行われず、凹面ミラー７からの反射光線９が拡がりを持った光線となった場合であっても、光量モニタ用受光素子２３ａから出力される信号と光量モニタ用受光素子２３ｂから出力される信号とは１８０度位相差を持った逆相の信号となり、光量モニタ用受光素子２３ａと光量モニタ用受光素子２３ｂとからの信号を合算したモニタ信号は、正弦波成分の抑制された安定した信号となる。

また、例えば光量モニタ用受光素子２３ａと光量モニタ用受光素子２３ｃとは１８０度対向の位置に配置されているため、実施の形態１と同様の効果により、回転スリット板４と受光部３との組付け誤差に対しても安定したモニタ信号を得ることができる。

また、位置モニタ用受光素子も同様に、２１ａと２１ｃ、および２１ｂと２１ｄは受光素子トラックパターンの中心点２０を挟んで１８０度対向の位置に配置され、２１ａと２１ｂ、およびは２１ｂと２１ｄは、ｎを整数として（ｎ＋１／２）Ｐ’の間隔を空けて配置されているので、安定したモニタ信号を得ることができる。

なお、上記実施の形態では、１８０度間隔で配置された光量モニタ用受光素子の組が２組あり、各組が（ｍ＋１／２）Ｐ’の間隔を空けて配置された構成となっているが、このような２組の光量モニタ用受光素子を１セットとし、複数セットの光量モニタ用受光素子を設けるようにしても良い。位置モニタ用受光素子も同様に、複数セット設けるようにしても良い。いずれの場合も、各セット間の受光素子の間隔は任意の間隔で設ければよい。

なお、上記実施の形態では、凹面ミラー７からの反射光線９が拡がりを持った場合について説明したが、反射光線９が狭まる光線となる場合においても、受光素子は余分の信号を取り込んでしまい、モニタ信号は正弦波振動成分を持つこととなる。このような場合にも上記実施の形態と同様の構成とすることにより、光量モニタ用受光素子２３ａから出力される信号と光量モニタ用受光素子２３ｂから出力される信号とは１８０度位相差を持った逆相の信号となり、光量モニタ用受光素子２３ａと光量モニタ用受光素子２３ｂとからの信号を合算したモニタ信号は、正弦波成分の抑制された安定した信号となり、上記実施の形態と同様の効果がある。

また、設計状態における凹面ミラー７からの反射光線９が略平行光束でない場合、例えば図８のように受光素子面積を小さくする目的で、設計時に反射光線９が狭まる光線となるようにすることも可能であるが、この場合には光源１と凹面ミラー７の組付け誤差だけでなく、凹面ミラー７と回転スリット板４の間隔がずれた場合にも受光素子に対する入力信号は異なってくる。本実施の形態は、上記のような場合にも有効である。

実施の形態３．
図９は本発明の実施の形態３による光学式ロータリーエンコーダの構成を示し、より具体的には、受光素子群の平面図である。他の構成は実施の形態１と同様であるので、以下では主に、実施の形態１との相違点について説明する。
実施の形態１では光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂの半径方向の両端が共に、光学スリットを介した光源１からの光の、光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂの表面での分布における半径方向の幅の範囲よりも内側（Ｗ１’＞Ｗ３）とした場合について説明したが、本実施の形態では、光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂの半径方向の両端が共に、光学スリットを介した光源１からの光の、光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂの表面での分布における半径方向の幅の範囲よりも外側（Ｗ１’＜Ｗ３）としている。

本実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様に、回転角度検出用トラック５にある光非透過部５２による影響を受けずにモニタ信号を出力することができる。光源１からの照射光に強度ムラがある場合、回転スリット板４に偏芯がある際にはそのムラの分モニタ信号が変動するので、実施の形態３の構成の方がよりモニタ信号の安定性が高いが、外側に同様の構成の複数のトラックがある場合には、他のトラックからの影響があるので、実施の形態１の構成の方がよりモニタ信号の安定性が高い。

また、光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂの半径方向および円周方向の幅は、配置箇所毎に（各光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂ毎に）各々異なった値に設定することもできる。この場合は、検出したモニタ信号を演算する際に面積比の補正をかけることで実施の形態１と同様の効果が得られる。

また、実施の形態１で説明したように、各位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄで別々の信号出力を検出する場合、各位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄの半径方向の幅Ｗ４を、図９に示すようにＷ１’より広くとることもできる。
例えば図９では、
Ｗ４＞Ｗ１’
であり、かつ各位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄの内周側が、光学スリット（光透過部５１）を介した光源１からの光の、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄ表面での照射領域（図９に網掛けで示す。）における内周２５（図９に破線で示す円）と合致するように設けられている。すなわち、各位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄはそれぞれ同一円周上にあるが、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄと回転角度検出用受光素子（回転角度検出用領域２２ａ〜２２ｄ）とは同一円周上にない。

このように構成されたものにおいて、例えば回転スリット板４が位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄ（受光素子群２）に対してＹ軸矢印の方向にずれている場合には、位置モニタ用受光素子２１ａに対して位置モニタ用受光素子２１ｃからの信号強度が落ちるため、回転スリット板４がＹ軸矢印方向にずれていることをモニタでき、位置調整が可能となる。

なお、図９では、各位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄの内周側が内周２５と合致する場合を示したが、Ｗ４＞Ｗ１’で、かつ各位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄの外周側が、光学スリット（光透過部５１）を介した光源１からの光の、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄ表面での照射領域（図９に網掛けで示す。）における外周２６（図９に破線で示す円）と合致する場合にも、同様の効果が得られる。

また、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄの半径方向の幅Ｗ４をＷ１’より狭くとることもできる。この場合も上記と同様に、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄの外周側または内周側を、光学スリットを介した光源からの光の、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄ表面での照射領域における外周２６または内周２５と合致させることで同様の効果を得ることができる。

また、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄの半径方向および円周方向の幅を複数箇所でそれぞれ異なった値に設定することもできる。この場合は、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄから検出した信号を演算する際に面積比の補正をかけることで実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、図９では、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄの外周側または内周側が外周２６または内周２５と一致していたが、図１０に示すように、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄの外周側および内周側の何れもが、上記外周２６および内周２５の何れとも一致していない配置をとることもできる。すなわち、図９の場合と同様に、各位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄはそれぞれ同一円周上にあるが、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄと回転角度検出用受光素子（回転角度検出用領域２２ａ〜２２ｄ）とは同一円周上にない。
この場合は、例えば光量モニタ用受光素子２３ａ，２３ｂからの信号強度と位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄからの信号強度との比がある設定値になるように調整を行うことで、外周２６および内周２５の何れかと一致する配置のものに比べて、感度はやや落ちるが、実施の形態１とほぼ同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図１１および図１２は本発明の実施の形態４による光学式ロータリーエンコーダの構成を示し、図１１は全体の斜視図、図１２は受光素子群の平面図である。他の構成は実施の形態１と同様であるので、以下では主に、実施の形態１との相違点について説明する。
回転スリット板４の光学スリットに照射する光線は光学スリットの全周に照射されなくてもよい。例えば、図１１のように複数箇所（図１１では４箇所）に配置した光源１ａ〜１ｄからの光８ａ〜８ｄをそれぞれ回転スリット板４に設けた光学スリットの一部に照射し、その透過光を受光部３上に設けた受光素子群２により検出してもよく、実施の形態１と同様の効果が得られる。

また、図１２に受光素子群２の配置方法の一例を示すように、本実施の形態では、回転角度検出用受光素子（図１２では回転角度検出用受光素子が配置された回転角度検出用領域２２ａ〜２２ｄを示している。）と、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄと、光量モニタ用受光素子２３ａ〜２３ｄとを有する受光素子ユニット２ａ〜２ｄが、光学スリットへの光源１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの光の照射位置（照射領域１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ）に対応して円周上の複数箇所（図１２では等間隔に４箇所）に配置されている。このように、各ユニット２ａ〜２ｄに同じ形状の受光素子を用いることで、より量産に適した受光素子群を作成することができる。

各受光素子ユニット２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、各光源１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄによる照射領域１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄの中に収まるよう配置されるのが望ましい。また、各光源１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの光量は均一であることが望ましいが、個々の光源１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにばらつきが存在する場合には、各照射領域１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄに１箇所以上配置した光量モニタ用受光素子（図１２では各照射領域１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄに１箇所ずつ配置した。）２３ａ〜２３ｄからの出力を別々に検知して、各光源１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの光量が均一になるよう制御することにより安定した信号を得ることができる。

なお、図１２で位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄについては、実施の形態１と同様に同一円周上の４箇所に配置しているが、光源１ａ〜１ｄからの照射領域に応じて適宜複数箇所に配置するのが望ましい。

なお、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｄと光量モニタ用受光素子２３ａ〜２３ｄの半径方向の幅および半径方向の位置については、図１２に示したものに限らず、実施の形態３で説明したものであってもよい。

実施の形態５．
図１３は本発明の実施の形態５による光学式ロータリーエンコーダの構成を示し、より具体的には、受光素子群の平面図である。他の構成は実施の形態１と同様であるので、以下では主に、実施の形態１との相違点について説明する。
本実施の形態では、回転角度検出用受光素子（図１３では回転角度検出用受光素子が配置された回転角度検出用領域２２ａ〜２２ｃを示している。）と、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｃと、光量モニタ用受光素子２３ａ〜２３ｃとを有する受光素子ユニット２ａ〜２ｃが、光学スリットへの光源からの光の照射位置に対応して円周上の複数箇所（図１３では等間隔に３箇所）に配置されている。各回転角度検出用受光素子（回転角度検出用領域２２ａ〜２２ｃ）は、同一円周上に等間隔に（回転角度検出用領域２２ａ〜２２ｃが配置された円周の中心点２０を中心として角度１２０度の位置に）３箇所配置されている。また、各位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｃは同一円周上に等間隔に（位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｃが配置された円周の中心点２０を中心として角度１２０度の位置に）３箇所配置されている。また、各光量モニタ用受光素子２３ａ〜２３ｃは同一円周上に等間隔に（光量モニタ用受光素子２３ａ〜２３ｃが配置された円周の中心点２０を中心として角度１２０度の位置に）３箇所配置されている。

このように、１８０度対向位置にない複数箇所に光量モニタ用受光素子２３ａ〜２３ｃを配置した場合でも、１箇所でモニタした場合と比べれば光量モニタ信号の組立て・調整時等の誤差による正弦波変動は小さくなる。

また、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｃについても、円周上の複数箇所に設けることで同様の効果が得られる。すなわち、回転スリット板の半径方向（図３のＹ軸方向）のみならず円周方向（図３のＸ軸方向）の位置調整も容易に精度良く行うことができる。したがって、組立て時の回転スリット板と受光素子との位置ずれを極力少なくすることができ、小型でより検出精度が良い光学式ロータリーエンコーダを得ることができる。
ただし、円周上の接近した複数箇所に配置するよりは、例えば図１３に示した１２０度間隔の３箇所のように、円周上に等間隔で配置するほうが回転スリット板４（回転角度検出用トラック５）と受光部３（受光素子トラック）とのあらゆる方向のずれを容易に精度良く検知できる。

なお、位置モニタ用受光素子２１ａ〜２１ｃと光量モニタ用受光素子２３ａ〜２３ｃの半径方向の幅および半径方向の位置については、図１３に示したものに限らず、実施の形態３で説明したものであってもよい。

なお、上記各実施の形態では、位置モニタ用受光素子を複数個所に配置した場合について説明したが、少なくとも一箇所にあれば回転スリット板の位置をモニタすることができる。

実施の形態６．
図１４は本発明の実施の形態６による光学式ロータリーエンコーダの全体構成を示す断面図である。実施の形態１では、図１のように透過式の光学スリットを用いた折り返し型の光学系を有する場合について説明したが、本実施の形態では、反射式の光学スリットを用い、光源１から出た光８を回転スリット板４上の反射部５３で反射し、その反射光２０１を受光素子群２で受光して光電変換するような折り返し型の光学系としている。
このような光学系を有する光学式ロータリーエンコーダにおいても、回転角度検出用受光素子、位置モニタ用受光素子、および光量モニタ用受光素子を、上記各実施の形態と同様に配置することにより、同様の効果が得られる。

なお、上記各実施の形態では、位置モニタ用受光素子を、光源からの光を光学スリットを介して受光するように光学スリットへの光源からの光の照射位置に対応して配置し、回転角度検出用トラックを位置モニタ用トラックに兼用したが、位置モニタ用の光学スリットを回転角度検出用トラックとは別に設けてもよい。さらに、位置モニタ用受光素子を設けずに顕微鏡を用いた光学的な方式で回転スリット板と受光部との位置合わせを行ってもよい。

Claims

光学スリットからなる回転角度検出用トラックを有する回転スリット板と、
前記光学スリットの全周にわたって光を照射する１つの光源と、
前記光源と同じ側において前記光学スリットと対向するように、前記光学スリットへの前記光源からの光の照射位置に対応して配置され、前記光源からの光を前記光学スリットを介して受光する回転角度検出用受光素子と、
前記光源と同じ側において前記光学スリットと対向するように、前記光学スリットへの前記光源からの光の照射位置に対応して円周上の複数箇所に配置され、前記光源からの光を前記光学スリットを介して受光する光量モニタ用受光素子とを備え、
前記光量モニタ用受光素子の角度幅が、前記光学スリットを介した前記光源からの光の、前記光量モニタ用受光素子の表面での強度分布の角度周期の整数倍であり、
２つの前記光量モニタ用受光素子が、前記光学スリットへの前記光源からの光の照射位置に対応して円周上に配置されると共に、前記２つの光量モニタ用受光素子は前記円周の中心点を中心として角度１８０度の位置に配置され、
前記２つの光量モニタ用受光素子の出力信号を合算することにより、前記強度分布の半径方向のずれと前記光量モニタ用受光素子の半径方向のずれにより生じる、前記角度幅が前記強度分布の角度周期の整数倍でなくなることに起因した、前記回転スリット板の回転に対して本来は一定強度となる前記光量モニタ用受光素子の出力信号の強度変化を抑制することを特徴とする光学式ロータリーエンコーダ。