JP2000035345A - 光学式ロータリエンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度な光学式ロータリエンコーダを提供す
る。 【解決手段】 光源２と受光素子４との間に、矩形開口
を形成するフレネルゾーンプレート（又はバイナリーゾ
ーンプレート）１１を有する固定板１と、スリット３ａ
を有する回転スリット板３とを配置し、矩形開口により
集光効率を高めるとともに、フレネルゾーンプレート
（又はバイナリーゾーンプレート）１１の最内周円の半
径を適宜選択することにより固定板１と回転スリット板
３との間の距離を製作可能な値に維持しつつ、光を微小
なビーム径に収束させてスリット３ａを通過させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学式ロータリエ
ンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、従来の一般的な光学式ロータリ
エンコーダの構造を示す斜視図である。図において、Ｌ
ＥＤ（又はレーザダイオード）等の光源１０１と受光素
子１０２との間の光路には、スリットを有する２つの部
材が介在している。このうち、光源１０１側の部材は被
測定物とともに回転する回転スリット部材１０３であ
り、円板に放射状に、かつ、周方向に等間隔でスリット
１０３ａが形成されている。他方の部材は固定された固
定スリット部材１０４であり、回転スリット部材１０３
と等間隔にスリット１０４ａが形成されている。

【０００３】光源１０１からの光、例えばＬＥＤ光は、
回転スリット部材１０３の前方から照射され、スリット
１０３ａ及び１０４ａを通り抜けた光は固定スリット部
材１０４の後方に配置された受光素子１０２によって検
出される。従って、受光素子１０２においては、可動ス
リット部材１０３のスリット間隔Ｌｓに相当する回転量
ごとに光が検出され、パルス出力が得られる。このパル
ス出力をカウントすることにより、回転量を検出するこ
とができる。従って、回転量あたりの出力パルス数で検
出精度が決まり、検出精度を向上させるためにはスリッ
ト１０３ａ及び１０４ａの各々のスリット間隔Ｌｓを小
さくする必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の光学式ロータリエンコーダでは、検出精度
を向上させるためにスリット１０３ａ及び１０４ａの各
々のスリット間隔Ｌｓを小さくしようとすると、スリッ
ト間隔Ｌｓの２乗に比例して回転スリット部材１０３と
固定スリット部材１０４との間の距離ｄを小さくしなけ
ればならない。ところが、距離ｄを小さくするには製作
上の限界があるため、スリット間隔Ｌｓの縮小も制限さ
れ、従って検出精度に限界が生じていた。

【０００５】上記のような従来の問題点に鑑み、本発明
は、さらに高精度な検出を可能にする光学式ロータリエ
ンコーダを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の光学式ロータリ
エンコーダは、光源と、前記光源から投射される光の光
軸に直交して配置され、矩形開口を有する少なくとも１
個のフレネルゾーンプレート又はバイナリーゾーンプレ
ートを有する固定板と、前記固定板から前記光の投射方
向に前記フレネルゾーンプレート又はバイナリーゾーン
プレートの結像距離だけ隔てた位置において回転自在に
保持され、前記光軸との交差位置の全周に所定間隔でス
リットが形成された回転スリット板と、前記回転スリッ
ト板に近接して配置され、前記スリットを通過した光を
検出する受光素子とを備えたものである（請求項１）。
このように構成された光学式ロータリエンコーダにおい
ては、フレネルゾーンプレート又はバイナリーゾーンプ
レートの矩形開口の全域によって収束させた光をスリッ
トに入射させ、受光素子により検出させる。フレネルゾ
ーンプレート又はバイナリーゾーンプレートの結像距離
は当該フレネルゾーンプレート又はバイナリーゾーンプ
レートの最内周の円の半径によって決まるため、当該半
径を適宜選択することにより結像距離すなわち固定板と
回転スリット板との距離を製造可能な程度の値に確保し
ながら、その一方で回折限界に近い値までビーム径を絞
ることができる。また、矩形開口は集光効率が高く、受
光量及びＳ／Ｎ比の向上に寄与する。

【０００７】また、上記ロータリエンコーダ（請求項
１）において、フレネルゾーンプレート又はバイナリー
ゾーンプレートが前記スリットの配列方向に複数個形成
され、当該フレネルゾーンプレート又はバイナリーゾー
ンプレートの中心間の距離は、各スリット間の距離をＬ
sとすると、ｎ・Ｌsによって表される（但し、ｎは整
数）ように構成することもできる（請求項２）。この場
合は、複数のフレネルゾーンプレート又はバイナリーゾ
ーンプレートの存在によって、これらを通過した光量の
総和が増加するので、受光素子による検出が容易にな
る。

【０００８】また、本発明の光学式ロータリエンコーダ
は、光源と、前記光源からの光の投射方向前方に配置さ
れ、矩形基板と、この矩形基板の一面上の中央円領域に
形成された同心輪帯群と、前記中央円領域を除く前記一
面上の残余領域に、前記同心輪帯群と同心に形成された
同心円弧帯群とを有してなるフレネルゾーンプレート又
はバイナリーゾーンプレートを含む固定板と、前記固定
板から前記光の投射方向に前記フレネルゾーンプレート
又はバイナリーゾーンプレートの結像距離だけ隔てた位
置において回転自在に保持され、前記フレネルゾーンプ
レート又はバイナリーゾーンプレートによって収束させ
た光を通過させるスリットが回転方向に連続して形成さ
れた回転スリット板と、前記回転スリット板に近接して
配置され、前記スリットを通過した光を検出する受光素
子とを備えたものである（請求項３）。このように構成
された光学式ロータリエンコーダにおいては、フレネル
ゾーンプレート又はバイナリーゾーンプレートによって
光を収束させる際に、同心輪帯群のみならず、同心円弧
帯群もが集光に寄与する。従って、矩形基板の一面全域
が開口となり、集光効率が高くなる。これによって、充
分な光量のビームスポットがスリットに入射し、受光素
子により検出されるので、Ｓ／Ｎ比が向上する。また、
フレネルゾーンプレート又はバイナリーゾーンプレート
の焦点距離は、各輪帯の半径から決まり、各輪帯の半径
は最内周の円の半径を基に算出されるので、フレネルゾ
ーンプレート又はバイナリーゾーンプレートの焦点距離
は当該フレネルゾーンプレート又はバイナリーゾーンプ
レートの最内周の円の半径によって決まる。従って、当
該半径を適宜選択することにより結像距離すなわち固定
板と回転スリット板との距離を製造可能な程度の値に確
保しながら、その一方で回折限界に近い値までビームス
ポット径を絞ることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図４は、本発明の光学式ロータリ
エンコーダに用いるフレネルゾーンプレート（又はバイ
ナリーゾーンプレート）１１を示す図である。また、図
５は、このフレネルゾーンプレート１１に光源２から光
を当てた場合の、光の収束を示す斜視図である。図４及
び図５において、フレネルゾーンプレート１１は、その
基本的構成として、光透過性の矩形基板（例えばガラ
ス）１１ａと、この矩形基板１１ａの一面上の中央円領
域に形成された同心輪帯群１１ｂと、中央円領域を除く
当該一面上の残余領域に、同心輪帯群と同心に形成され
た同心円弧帯群１１ｃとを備えている。同心輪帯群１１
ｂ及び同心円弧帯群１１ｃは、例えばリソグラフィプロ
セス等の半導体パターン描画技術を用いて、形成するこ
とができる。このように構成されたフレネルゾーンプレ
ート１１に直交する方向を光軸とする光源２からの光に
対しては、矩形基板１１ａの一面の全域が開口となっ
て、光軸上に光を収束させる。

【００１０】一方、図６は、上記フレネルゾーンプレー
ト１１との比較のために示す他のフレネルゾーンプレー
ト１１１であり、矩形の外形寸法は互いに同一である。
このフレネルゾーンプレート１１１においては、輪帯は
中央の円領域にのみ設けられ、それ以外の、矩形基板の
周辺部分は光を透過しない。この場合、開口は円形であ
り、開口の領域は円形部の最外輪（白い部分）で決まる
範囲となる。図６のフレネルゾーンプレート１１１と、
図４のフレネルゾーンプレート１１とを比較すれば、図
４に示す矩形開口のフレネルゾーンプレート１１は、図
６に示す円形開口のフレネルゾーンプレート１１１より
開口面積が大きく、中央円領域のみならず周辺の領域ま
ですべて集光に寄与する。従って、光の損失が少なく、
集光される光量が多い。以下、このような矩形開口のフ
レネルゾーンプレート１１を用いた光学式ロータリエン
コーダの構成について説明する。

【００１１】図１は本発明の一実施形態による光学式ロ
ータリエンコーダの主要な構成をＸＹＺ直交座標系にお
いて示す斜視図である。図は、より明瞭に主要な構成を
示すべく、実際の長さや大きさの比例尺にとらわれずに
描かれている。図において、Ｘ−Ｙ平面に平行に固定さ
れて設けられた固定板１は、複数のフレネルゾーンプレ
ート１１の集合体により構成されている。本例における
固定板１は、Ｘ方向に等間隔で５列に、かつ、Ｙ方向に
２段に、計１０個分のフレネルゾーンプレート１１を一
体構成してなるものである。図２は、固定板１の正面図
である。図１に戻り、単一の、又は複数のＬＥＤからな
る光源２は固定板１に直交するＺ方向に光軸を形成する
ように配置され、各フレネルゾーンプレート１１に向け
て光が投射される。なお、光源２は各フレネルゾーンプ
レート１１に対応させて複数個設けてもよい。

【００１２】回転スリット板３は、回転量検出対象物体
とともに回転する部材であって、固定板１からＺ方向に
距離ｄだけ隔ててＸ−Ｙ平面に平行に配置されている。
回転スリット板３の全体形状は図３に示すような円盤状
であり、回転中心Ｏから半径ｒsの位置において光軸と
直交交差するように配置され、その位置の全周にわたっ
て、放射状の複数のスリット３ａが周方向に一定の間隔
Ｌs（図１）ごとに形成されている。各列の各一対のフ
レネルゾーンプレート１１はスリット３ａに合わせて放
射状に配置されており、従って、各段の各５個のフレネ
ルゾーンプレート１１は、厳密にいうと円弧上に配列さ
れている。受光素子４は、回転スリット板３の背面側に
近接して、Ｘ−Ｙ平面と平行に配置されている。なお、
上記半径ｒsに比して上記間隔Ｌs（以下、スリット間隔
Ｌｓという。）は非常に小さいため、図１に示す程度の
個数のスリット３ａの配列は、直線上にあるとみなすこ
とができる。従って、フレネルゾーンプレート１１はＸ
方向に直線的に配置してもよい。

【００１３】以上の構成において、回転スリット板３の
１回転当たりに受光素子４によって検出されるパルス数
をＰsとすると、各スリット間隔Ｌｓは、 Ｌｓ＝２π・ｒs／Ｐs となる。スリット幅Ｗはスリット間隔Ｌｓの１／２倍に
設定されるので、 Ｗ＝π・ｒs／Ｐs である。固定板１と回転スリット板３とのＺ方向におけ
る距離ｄは、平面波光源の場合には、フレネルゾーンプ
レート１１の焦点距離ｄでもあり、 ｄ＝（ｓ１^２）／λ により与えられる。ここで、ｓ１はフレネルゾーンプレ
ート１１の最内周円の半径であり、λはＬＥＤ波長であ
る。

【００１４】従来のロータリエンコーダと類似の光学系
構成とするために、フレネルゾーンプレート１１をスリ
ット間隔Ｌsの整数倍の間隔で配置する。すなわち、各
フレネルゾーンプレート１１間の間隔は、ｎ・Ｌsであ
ればよい。フレネルゾーンプレート１１のリング数をζ
_ｍａｘとしたときの整数ｎの最小値は、

【００１５】

【数１】

【００１６】によって求められる。この式によって求め
られたｎを用いることにより、各ゾーンプレート間の間
隔を最小とすることができる。なお、必要なフレネルゾ
ーンプレート１１の数は、スリット３ａを通して同一受
光素子に集められる光量と、素子の最小感度との関係か
ら決定される。具体的な数値例で示すと、以下のように
なる。

【００１７】ＬＥＤ波長λ＝０.７４μｍ パルス数Ｐs＝５０００パルス／回転 焦点距離ｄ＝２００μｍ 半径ｒs＝１４ｍｍ として、

【００１８】

【数２】

【００１９】（但し、ρ２は２番目のゾーン半径、ρ３
は３番目のゾーン半径、Ｉoはフレネルゾーンプレート
焦点での明るさ、Ｉooはフレネルゾーンプレートがない
場合のゾーンプレート焦点での明るさ、Ｎはゾーン数で
ある。）となる。

【００２０】上記のような構成において、フレネルゾー
ンプレート１１に向けて光源２から光が投射されると、
等間隔に並んだ複数のフレネルゾーンプレート１１のレ
ンズ作用により、収束した微小スポット光が等間隔に並
んだ形で得られる。微小スポット光の間隔はスリット３
ａの間隔Ｌsの整数倍（ｎ・Ｌs）であるため、回転スリ
ット板３の移動に応じて一斉にスリット３ａを通過し、
その後一斉に不通過となる過程が繰り返される。これに
より、回転スリット板３の回転量に応じたオンオフ信号
が、受光素子４から出力される。

【００２１】フレネルゾーンプレート１１の焦点距離、
すなわち平面波光源の場合には固定板１と回転スリット
板３との距離ｄが、ｄ＝（ｓ１^２）／λであることか
ら、フレネルゾーンプレートの最内周円の半径ｓ１を変
化させることにより距離ｄを任意に設定することができ
る。また、フレネルゾーンプレート１１によって収束さ
せたビームは回折限界に近いビーム径にまで収束させう
ることが知られている。従って、例えばリソグラフィ等
の半導体描画技術を駆使して、フレネルゾーンプレート
１１の描画精度を高めるとともに最小スポット径を所定
の値に作成することによって、固定板１と回転スリット
板３との距離ｄを任意の製作可能な値に保ちながらスリ
ット３ａの間隔Ｌsを極めて小さくして精度を向上させ
ることが可能になる。また、ＬＥＤ光をフレネルゾーン
プレート１１によってスポット状に絞ることと、前述の
矩形開口による集光効率の向上とによって、ＬＥＤ光が
スリット３ａを通過／不通過になることによる信号オン
オフ時のＳ／Ｎ比を大きくすることができる。さらに、
受光する光量はフレネルゾーンプレート１１の数、中心
円の半径及びゾーン帯数で調整できるために設計の自由
度が大きい。

【００２２】また、フレネルゾーンプレートの中心をＬ
s／４だけずらして描画することにより容易に、いわゆ
るＡ／Ｂ２相の出力を得ることができる。なお、上記実
施形態においては、２段５列にフレネルゾーンプレート
１１を配置した例を示したが、これは一例であり、他に
も種々の配置が可能である。また、基本的には、１個の
フレネルゾーンプレート１１によっても同様の光学式ロ
ータリエンコーダを構成することができる。さらに、フ
レネルゾーンプレートに代えてバイナリーゾーンプレー
トを用いた場合でも、同様な作用効果を得ることができ
る。

【００２３】

【発明の効果】以上のように構成された本発明は以下の
効果を奏する。請求項１の光学式ロータリエンコーダに
よれば、フレネルゾーンプレート又はバイナリーゾーン
プレートの矩形開口の全域によって収束させた光をスリ
ットに入射させ、受光素子により検出させる構成とな
り、フレネルゾーンプレート又はバイナリーゾーンプレ
ートの焦点距離は当該フレネルゾーンプレート又はバイ
ナリーゾーンプレートの最内周の円の半径によって決ま
る。従って、当該半径を適宜選択することにより結像距
離すなわち固定板と回転スリット板との距離を製造可能
な程度の値に確保しながら、その一方で回折限界に近い
値までビーム径を絞ることができる。従って、スリット
の間隔を極めて小さくすることができ、回転量の検出に
高い精度を得ることができる。また、矩形開口によって
集光効率が高くなり、受光量及びＳ／Ｎ比が向上するの
で、高い検出精度とともに、検出の安定性も得られる。

【００２４】また、請求項２の光学式ロータリエンコー
ダによれば、複数のフレネルゾーンプレート又はバイナ
リーゾーンプレートの存在によって、これらを通過した
光量の総和が増加するので、受光素子による検出が容易
になる。

【００２５】また、請求項３の光学式ロータリエンコー
ダによれば、フレネルゾーンプレート又はバイナリーゾ
ーンプレートによって光を収束させる際に、同心輪帯群
のみならず、同心円弧帯群もが集光に寄与するので、矩
形基板の一面全域が開口となり、集光効率が高くなる。
これによって、充分な光量のビームスポットがスリット
に入射し、受光素子により検出されるので、Ｓ／Ｎ比が
向上する。また、フレネルゾーンプレート又はバイナリ
ーゾーンプレートの焦点距離は、各輪帯の半径から決ま
り、各輪帯の半径は最内周の円の半径を基に算出される
ので、フレネルゾーンプレート又はバイナリーゾーンプ
レートの焦点距離は当該フレネルゾーンプレート又はバ
イナリーゾーンプレートの最内周の円の半径によって決
まる。従って、当該半径を適宜選択することにより結像
距離すなわち固定板と回転スリット板との距離を製造可
能な程度の値に確保しながら、その一方で回折限界に近
い値までビームスポット径を絞ることができる。従っ
て、スリットの間隔を極めて小さくすることができ、Ｓ
／Ｎ比の向上と相まって、回転量の検出に高い精度と安
定性とを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による光学式ロータリエン
コーダの主要な構成を示す斜視図である。

【図２】図１中の固定板の正面図である。

【図３】図１中の回転スリット板の全体形状を示す正面
図である。

【図４】図１に示す光学式ロータリエンコーダに用いら
れるフレネルゾーンプレートの１個分の正面図である。

【図５】図４に示すフレネルゾーンプレートによる光の
収束を示す斜視図である。

【図６】従来一般に用いられているフレネルゾーンプレ
ートの正面図である。

【図７】従来の光学式ロータリエンコーダの主要な構成
を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 固定板 ２ 光源 ３ 回転スリット板 ３ａ スリット ４ 受光素子 １１ フレネルゾーンプレート １１ａ 矩形基板 １１ｂ 同心輪帯群 １１ｃ 同心円弧帯群

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、 前記光源から投射される光の光軸に直交して配置され、
   矩形開口を形成する少なくとも１個のフレネルゾーンプ
   レート又はバイナリーゾーンプレートを有する固定板
   と、 前記固定板から前記光の投射方向に前記フレネルゾーン
   プレート又はバイナリーゾーンプレートの結像距離だけ
   隔てた位置において回転自在に保持され、前記光軸との
   交差位置の全周に所定間隔でスリットが形成された回転
   スリット板と、前記回転スリット板に近接して配置さ
   れ、前記スリットを通過した光を検出する受光素子とを
   備えたことを特徴とする光学式ロータリエンコーダ。
2. 【請求項２】前記フレネルゾーンプレート又はバイナリ
   ーゾーンプレートが前記スリットの配列方向に複数個形
   成され、当該フレネルゾーンプレート又はバイナリーゾ
   ーンプレートの中心間の距離は、各スリット間の距離を
   Ｌsとすると、ｎ・Ｌsによって表される（但し、ｎは整
   数）ことを特徴とする請求項１記載の光学式ロータリエ
   ンコーダ。
3. 【請求項３】光源と、 前記光源からの光の投射方向前方に配置され、矩形基板
   と、この矩形基板の一面上の中央円領域に形成された同
   心輪帯群と、前記中央円領域を除く前記一面上の残余領
   域に、前記同心輪帯群と同心に形成された同心円弧帯群
   とを有してなるフレネルゾーンプレート又はバイナリー
   ゾーンプレートを含む固定板と、 前記固定板から前記光の投射方向に前記フレネルゾーン
   プレート又はバイナリーゾーンプレートの結像距離だけ
   隔てた位置において回転自在に保持され、前記フレネル
   ゾーンプレート又はバイナリーゾーンプレートによって
   収束させた光を通過させるスリットが回転方向に連続し
   て形成された回転スリット板と、 前記回転スリット板に近接して配置され、前記スリット
   を通過した光を検出する受光素子とを備えたことを特徴
   とする光学式ロータリエンコーダ。