JP3098358B2 - 位置検出素子、その位置検出素子を用いた位置検出方法、および光学式ロータリーエンコーダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、円環状の軌跡を描い
て移動する光スポットの入射位置を検出するための、半
導体による位置検出素子と、それを用いた位置検出方
法、および光学式ロータリーエンコーダに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】図２９は従来の位置検出素子を示す断面
図であり、図において、１は平板状のフォトダイオード
であり、２はそのＰ層、３はそのＩ層、４はそのＮ層で
ある。５ａ，５ｂは表面のＰ層２の両端に設けられた電
極であり、６ａ，６ｂはそこから取り出された出力端子
である。７は裏面のＮ層４に付けられたバイアス電極で
ある。また、８はこのフォトダイオード１に入射される
光、９ａ，９ｂは入射された光８によって発生する光電
流である。

【０００３】次に動作について説明する。平板状のフォ
トダイオード１上のある位置に光８が入射されると、入
射位置において光８のエネルギーに比例した電荷が発生
する。発生した電荷は光電流９ａおよび９ｂとしてＰ層
２を通り、電極５ａと５ｂより出力される。両電極５
ａ，５ｂへの電流は光８の入射位置より各電極５ａ，５
ｂに至るＰ層２の抵抗値に逆比例して分割されるが、Ｐ
層２は全面的に均一な抵抗値を持つように作製されてお
り、電流の分割は光８の入射位置より各電極５ａ，５ｂ
に至る距離に逆比例することになる。それゆえ、各電極
５ａと５ｂからの出力端子６ａと６ｂに出力される電流
をそれぞれＩａ、Ｉｂとし、電極５ａと５ｂの間隔を
Ｌ、電極５ａと５ｂの間の中心を原点としたときの光８
の入射位置をＸとすれば、次式により光８の入射位置を
検出することができる。

【０００４】 （Ｉａ−Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ）＝２Ｘ／Ｌ ・・・（１）

【０００５】また、従来の位置検出素子としては、その
他にも、図３０に示す構造のものなどがある。図３０に
示された位置検出素子は、１９９２年の「第３回ロボッ
トセンサシンポジウム」予稿集の第１２５頁に掲載され
たものであり、図において、１１は図２９に符号１を付
したものに相当する平板状のフォトダイオードであり、
１２はこのフォトダイオード１１に平行して形成された
分割抵抗としての抵抗体である。１３はこの抵抗体１２
よりフォトダイオード１１上に等間隔で櫛の歯状に張り
出した導電層であり、１４は抵抗体１２より引き出され
た複数個の出力電極である。

【０００６】なお、この位置検出素子の動作は、基本的
には図２９に示した前述の位置検出素子と同様である
が、フォトダイオード１１上に張り出した導電層１３に
よって光スポットの入射による光電流を抵抗体１２に導
くことで、フォトダイオード１１における抵抗値のばら
つきを吸収するとともに、両端の出力電極１４にて検出
される電流値に基づいて光スポットが入射された区間領
域を選択し、当該区間領域の両端に配置された出力電極
１４の電流値に基づいて光スポットの入射位置を特定す
るものである。

【０００７】次に従来の光学式ロータリーエンコーダに
ついて説明する。図３１は、例えば「光応用技術１９９
１年版ＩＩＩ−１」（社団法人オプトメカトロニクス協
会、１９９１年４月３０日発行）に示された、従来の光
学式ロータリーエンコーダを示す構成図である。図にお
いて、２１は発光素子、２２はこの発光素子２１に対向
して配置された受光素子であり、２３はこの発光素子２
１と受光素子２２の間に回転軸に固定されて配置された
回転スリット円板である。２４はこの回転スリット円板
２３とともに前記発光素子２１と受光素子２２との間に
配置された固定スリット板である。また、２５は回転ス
リット円板２３および固定スリット板２４を透過して受
光素子２２で受信変換された信号を増幅するアンプであ
る。

【０００８】次に動作について説明する。回転スリット
円板２３には、絶対角度番地を表す２進符号に対応した
スリットを同心円状に配置したｎ本のトラックが形成さ
れている。一般に、トラック数ｎは前記２進符号長ｎで
あり、エンコーダの角度分解能で決定され、図示の例で
はｎ＝４で描かれている。また、固定スリット板２４は
発光素子２１と受光素子２２を結ぶ光路上に配置されて
おり、回転軸の回転角は前記回転スリット円板２３およ
び固定スリット板２４からの透過光のオン／オフにコー
ド化され、さらに受光素子２２により電気符号に変換さ
れ、アンプ２５で増幅されて出力される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の位置検出素子は
以上のように構成されているので、平板状フォトダイオ
ード１の両端に電極５ａ，５ｂを設けるため、円環状の
軌跡を有する光スポットの入射位置を検出するためにフ
ォトダイオードを円環状に形成する場合には、円環状の
フォトダイオード１上のいずれかの位置に出力電極５
ａ，５ｂを２本設ける必要があるが、このような構成に
おいては光スポットが両電極５ａ，５ｂ、もしくは両電
極５ａ，５ｂの間の間隙に照射されている場合には、位
置検出出力が不確定になるという問題点があった。

【００１０】また、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、回転スリット円板
２３と固定スリット板２４の両者の開口の透過光量を検
出するための明確な検出出力を得るためには、前記回転
スリット円板２３と固定スリット板２４を近接する必要
があり、特に高解像点数のエンコーダではスリットの開
口幅が狭くなるため光の拡散が激しく、前記回転スリッ
ト円板２３と固定スリット板２４の間隔の変化で検出特
性が大幅に変化し、厳しい間隔の管理が必要であるばか
りか、回転スリット円板２３の作製誤差、回転スリット
円板２３の回転軸への取り付け誤差等に起因する偏心が
そのまま角度検出誤差につながるなどの問題点があっ
た。

【００１１】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、環状の軌跡を描く光スポットの
位置検出に関して、光スポットの円周上の入射位置を不
確定領域が無く高精度で検出することのできる位置検出
素子を得ることを目的とする。

【００１２】また、請求項２および３に記載の発明は、
請求項１に記載した位置検出素子を用いて有効な位置検
出方法を得ることを目的とする。

【００１３】また、請求項４に記載の発明は、光学式ロ
ータリーエンコーダに関する前述の問題点を解消するた
めになされたもので、固定スリット板が不用となり、か
つ偏心の影響もなくすことのできる光学式ロータリーエ
ンコーダを得ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
係る位置検出素子は、円環状に形成された平板状のフォ
トダイオードの外周に抵抗体を同心円状に設置し、その
抵抗体に複数個の出力電極を配置して、細線状の導電層
をその抵抗体よりフォトダイオード上に、前記各出力端
子の角度間隔をさらに分割するように、放射状に等角度
間隔で張り出したものである。

【００１５】また、請求項２に記載の発明に係る位置検
出方法は、上記請求項１に係る位置検出素子の出力電極
の数を４の倍数として、対向している１対の出力電極と
それに対して９０度の角度をなして対向している１対の
出力電極とを選択し、光スポットの入射によって各々の
出力電極に生ずる電流値を計測して、各対毎に計測され
た各出力電極の電流値の差をその和で除算し、得られた
２つの除算結果に基づいて光スポットの入射位置を検出
するものである。

【００１６】また、請求項３に記載の発明に係る位置検
出方法は、上記請求項１に係る位置検出素子の出力電極
の数を８より大きな４の倍数として、上記請求項２に係
る位置検出方法にて検出された位置を概略位置とし、そ
の概略位置に最も近い出力電極を挟む１対の出力電極を
選択して、その各々の光スポットの入射に基づく電流値
の差をその和で除算し、得られた除算結果に基づいて光
スポットの入射された位置を検出するものである。

【００１７】また、請求項４に記載の発明に係る光学式
ロータリーエンコーダは、円環状のフォトダイオードを
有して、上記請求項１の発明に係る位置検出素子、光源
からの光を偏向させて、光スポットを自身の回転角度に
対応して位置検出素子のフォトダイオード上を移動させ
る回転体、および、この光スポットの位置検出素子上の
入射位置を上記請求項２もしくは３の発明に係る位置検
出方法にて検出する位置検出手段を備えたものである

【００１８】

【作用】請求項１に記載の発明における位置検出素子
は、円環状のフォトダイオードの外周に同心円状に設置
された抵抗体によって光スポットの入射による光電流を
分割し、それを所定の出力電極対より取り出すことによ
り、円環状の軌跡を描いて移動する光スポットの位置
を、不確定領域を作ることなく検出することが可能な位
置検出素子を実現する。

【００１９】また、請求項２に記載の発明における位置
検出方法は、等角度間隔で４ｎ個（ｎは整数）設置され
た出力電極中の、対向している１対の出力電極とそれに
対して９０度の角度をなして対向している１対の出力電
極とを選択して、各々の対毎に各出力端子の計測電流値
の差をその和で除算することにより、位置検出素子に入
射された光スポットの位置を一意に特定する。

【００２０】また、請求項３に記載の発明における位置
検出方法は、出力電極の数を４ｍ個（ｍは２以上の整
数）とし、請求項２の位置検出方法で検出された位置に
最も近い出力電極を挟む１対の出力電極を選択して、そ
の各々の計測電流値の差をその和で除算することによ
り、より高精度で光スポットの入射位置を検出すること
を可能とする。

【００２１】また、請求項４に記載の発明における光学
式ロータリーエンコーダは、回転体が光源からの光を偏
向させて、その回転角度に対応して円環状の軌跡上を移
動させる光スポットを位置検出素子の円環状のフォトダ
イオード上に形成し、その光スポットの入射位置を請求
項２もしくは３の方法にて検出することにより、固定ス
リット板が不用で、偏心の影響を受けることもない光学
式ロータリーエンコーダを実現する。

【００２２】

【実施例】実施例１． 以下、この発明の実施例１を図について説明する。図１
は請求項１に記載した発明の一実施例を示す平面図、図
２はその一部を拡大して示す要部拡大平面図である。図
において、３１はこの実施例１による位置検出素子であ
る。３２は円環状に形成されている点で、図３０に符号
１１を付したものとは異なった平板状のフォトダイオー
ドである。３３はこの円環状のフォトダイオード３２の
外周に当該フォトダイオード３２と同心円状に設置され
た抵抗体であり、３４はこの抵抗体３３よりフォトダイ
オード３２上にその内周まで、等角度間隔で放射状に張
り出した複数の導電層である。３５は抵抗体に等角度間
隔で配置された複数個の出力電極であり、ここでは、８
個の出力電極３５が４５°間隔で配置されており、その
各々にはＴ０からＴ７までの番号が付されている。な
お、前記導電層３４の数はこの出力電極３５の数より多
数用意され、各出力電極３５の間の角度間隔をさらに分
割している。

【００２３】次に動作について説明する。円環状に形成
されたフォトダイオード３２に光スポットが入射すると
き、入射位置において入射光エネルギーに比例した光励
起電荷が発生する。今、何れかの出力電極３５が基板に
対して逆バイアスされていれば発生した電荷は当該出力
電極３５より電流として取り出されるが、円環状の抵抗
体３３の抵抗値がフォトダイオード３２の表面抵抗より
十分小さければ、電流は導電層３４を通じて前記抵抗体
３３に流れ込み、この抵抗体３３を通って逆バイアスさ
れた出力電極３５に流れる。ここで、２個の出力電極が
選択され、その各々が逆バイアスされて電流が取り出さ
れるとき、前記抵抗体３３の円周方向の抵抗率をρ、光
スポットの入射位置から選択された２個の出力電極３５
までの距離をＸ，Ｙ、それらの電極３５より取り出され
る電流をＩｘ、Ｉｙとすると次式が成立する。

【００２４】 ρＸ×Ｉｘ＝ρＹ×Ｉｙ ・・・・（２）

【００２５】従って、次式が成立して、各電流値Ｉｘ，
Ｉｙより光スポットの選択された出力電極３５間での位
置を求めることができる。

【００２６】 （Ｉｘ−Ｉｙ）／（Ｉｘ＋Ｉｙ）＝（Ｙ−Ｘ）／（Ｘ＋Ｙ）・・・（３）

【００２７】また、選択した出力電極３５の位置は既知
であるので、位置検出素子３１上の光スポット位置を特
定することが可能となる。

【００２８】このように、この実施例１によれば、受光
面である円環状のフォトダイオード３２の外周に位置検
出用の円環状の抵抗体３３を同心円状に配置し、該抵抗
体３３より等間隔で出力電極３５を設ける構成としたの
で、受光面に電極を配置する必要がなくなって、電極に
よる不感帯がなくなり、また位置検出用の抵抗体３３に
も不連続性がなくなって、円周上の光スポットの入射位
置の特定の信頼性を向上させることができる。

【００２９】実施例２． 次はこの発明の実施例２を図について説明する。図３は
請求項２に記載した発明の一実施例を示すブロック図で
ある。図において４２は位置検出素子３１の出力電極３
５の内の指定されたものを選択して後述する計測演算器
に導く選択器である。４３は前記選択器４２より導かれ
た２個の出力電極３５の電流出力を計測してその演算を
行う計測・演算器であり、４４は選択器４２を制御し、
計測・演算器４３から出力される演算結果より、位置検
出素子３１上に入射された光スポットの位置を特定する
演算制御器である。

【００３０】次に動作について説明する。ここで、図４
は光スポットの位置検出素子３１の円周上の角度位置に
対する計測・演算器４３からの出力を示す波形図であ
る。光スポットの位置検出には、まず演算制御器４４が
位置検出素子３１の円周上の対向する位置にある出力電
極３５の対、例えば図１におけるＴ０とＴ４を選定し、
選択器４２を駆動する。これによって前記Ｔ０とＴ４の
出力電極３５の対からの出力は計測・演算器４３に導か
れ、計測・演算器４３では前記１対の出力電極３５の各
々から出力される電流値を計測し、両者の差を和で割っ
たものを演算する。例えば、Ｔ０より出力される電流値
をＩ０、Ｔ４より出力される電流値をＩ４とすれば、出
力ＯＵＴ１が次式によって演算され、演算制御器４４に
送られる。

【００３１】 ＯＵＴ１＝（Ｉ４−Ｉ０）／（Ｉ４＋Ｉ０） ・・・（４）

【００３２】次に、同様にして前記出力電極３５の対と
は９０°の角度を成す出力電極３５の対、例えばＴ２と
Ｔ６が選択され、上述と同様に例えばＴ２の出力する電
流値をＩ２、Ｔ６の出力する電流値をＩ６とすれば、出
力ＯＵＴ２が次式によって計測・演算器４３で演算さ
れ、演算制御器４４に送られる。

【００３３】 ＯＵＴ２＝（Ｉ２−Ｉ６）／（Ｉ２＋Ｉ６） ・・・（５）

【００３４】この光スポットの位置検出素子３１の円周
上の入射位置に対する出力ＯＵＴ１およびＯＵＴ２の関
係は図４に示すように出力電極位置を頂点とする三角波
となっており、出力ＯＵＴ１と出力ＯＵＴ２には９０°
の位相差がある。ひとつの出力、例えばＯＵＴ１では光
スポット位置は検出回転位置Ｐ１とＰ２の二通りが考え
られ特定できないが、出力ＯＵＴ２が加わりその検出回
転位置Ｐ３とＰ４が求まれば、両者が一致する検出回転
位置Ｐ１またはＰ４が真の光スポットの入射位置であり
位置検出素子３１の円周上の位置が一意に決定する。

【００３５】前記三角波の頂点、つまり出力電極３５付
近に光スポットのある場合には、光スポットの大きさに
依存して図４に実線で示したように、理想的な三角波か
ら若干なまったものとなる。このため、位置検出出力と
しては出力電極３５の間の中心に近い方の検出出力を用
いる方がより精度の高い検出が行える。

【００３６】この実施例２は、前述したように直交する
２対の出力電極３５のそれぞれの出力電流値より、光ス
ポットの位置検出素子３１の円周上での位置を一意に決
定するものである。この方式によれば、一意に円周上の
位置を決定することができるが、このときの検出分解能
は半円の電極間隔における電流のＳ／Ｎ比、および計測
・演算器４３の分解能によって決定される。この位置検
出素子の分解能γは一般に次式で求められる。

【００３７】 γ＝Ｌ×（４ｋＴＢ／Ｒ＋２ｑＢＩ）^1/2 ・・・（６）

【００３８】ここで、Ｌは出力電極３５の間隔、ｋはボ
ルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｂは帯域幅、Ｒは出力電
極３５間の抵抗、ｑは単位電荷、Ｉは電流である。な
お、出力電極間の抵抗Ｒは出力電極３５間の間隔Ｌに比
例するので、出力電極３５間の間隔Ｌが小さくなるほど
分解能が高くなる。一方、計測・演算器４３の分解能を
高くとることは処理回路の高価格化を招き望ましいこと
ではない。このような点を考慮してなされたものが実施
例３であり、以下それについて説明する。

【００３９】実施例３． 図５は請求項３に記載した発明の一実施例を示す構成図
で、図３と同一の部分には同一符号を付してその説明を
省略する。図において、４５は図３に符号４４を付した
ものに相当する演算制御器であるが、その演算制御器４
４と同様の処理にて検出された位置を概略位置とし、そ
の概略位置に最も近い出力電極３５を挟んだ１対の出力
電極３５を選択して再度選択器４２に通知し、その時、
計測・演算器４３が出力する演算結果に基づいて、光ス
ポットの詳細な入射位置を特定する点で、前記演算制御
器４４とは異なっている。なお、この実施例３では、位
置検出素子３１には４ｍ個（ｍは２以上の整数）の出力
電極３５が必要となるが、この場合、図３のそれと同一
の、図１に示した出力電極３５が８個（ｍ＝２）のもの
が使用されている。

【００４０】次に動作について説明する。図６は光スポ
ットの位置検出素子３１の円周上の角度位置に対する計
測・演算器４３からの出力を示す波形図である。ここで
は、ｍ＝２の場合を示しており、横軸に回転位置とそれ
に対応する出力電極３５の番号Ｔ０からＴ７までを示し
ている。まず、演算制御器４５は実施例２の場合と同様
に、直交する２対の出力電極３５を選択して選択器４２
に通知し、計測・演算器４３の演算結果である出力ＯＵ
Ｔ１およびＯＵＴ２より、位置検出素子３１の円周内の
概略の位置を一意的に求める。次に、求められた概略位
置に最も近い出力電極３５に対して、それを挟む１対の
出力電極３５を選択してそれを選択器４２に通知する。
これによって当該２つの出力電極３５は計測・演算器４
３に導かれ、演算結果が演算制御器４５に送られる。こ
の演算結果が出力ＯＵＴ３であり、図６では、出力ＯＵ
Ｔ１とＯＵＴ２によりＴ２とＴ４の出力電極３５が選択
された例を示している。出力ＯＵＴ３の傾きは出力ＯＵ
Ｔ１およびＯＵＴ２に対してｍ倍になりＴ２とＴ４の出
力電極３５の間の光スポット位置をｍ倍高い分解能で検
出することが可能となる。また、出力電極３５の位置は
既知の値であるので、位置検出素子３１の円周上の位置
が特定できることになる。

【００４１】また、選択器４２により４個の出力電極３
５を同時に選択し、１対は前述の出力ＯＵＴ１及び出力
ＯＵＴ２より選ばれたもので計測・演算器４３に導き、
他の２個は位置検出に使用する円弧の逆側の円弧にあり
検出に用いる電極にそれぞれ隣接する電極を選択し前記
検出に用いる電極対の電位と同電位のバイアスに短絡す
れば、等価的に電極間隔が短くなったことになりＳ／Ｎ
比が向上して、さらに分解能を上げることができる。

【００４２】実施例４． 以上、実施例１で説明した位置検出素子および実施例
２，３で説明した位置検出方法は、回転機の回転角度を
検出する光学式ロータリーエンコーダに適用することが
できる。以下、そのような光学式ロータリーエンコーダ
について説明する。図７は請求項４に記載発明の一実施
例を示す構成図である。図において、５２は照射する光
束を発生する光源、５３は光源５２の発生した光束を収
束させる集光レンズ、５４はその収束光の光路を変換す
るハーフミラー、５５はハーフミラー５４で反射された
収束光を偏向させる回転体としての偏向器、５６はこの
偏向器を回転させる回転軸である。また、３１は実施例
１で説明した位置検出素子であり、５７は位置検出素子
３１の出力電極３５からの出力電流値より、光スポット
の入射位置を検出する位置検出手段である。

【００４３】次に動作について説明する。光源５２より
出射された光束は、集光レンズ５３により収束光に変換
されてハーフミラー５４に入射する。ハーフミラー５４
より反射された光束は、偏向器５５に入射されて該偏向
器５５に対して一定の方向に偏向を受けて反射され、再
びハーフミラー５４に入射する。このハーフミラー５４
で透過した透過光が位置検出素子３１に入射され、その
円環状のフォトダイオード３２上に光スポットを形成す
る。偏向器５５は回転軸５６に取り付けられており、回
転軸５６の回転に伴って回転するため、反射光の軌跡は
前記偏向器５５の偏向角の２倍を頂角とする円錐を形成
する。位置検出素子３１は、反射光の回転中心軸、つま
り偏向角が０°の場合の反射光の光軸に垂直、かつ円環
状のフォトダイオード３２の中心を一致させて配置され
る。偏向器５５とフォトダイオード３２との距離は、光
スポットが当該フォトダイオード３２上に照射するよう
に設定され、また、集光レンズ５３はフォトダイオード
３２上で収束光が光スポットの焦点となるように選択さ
れている。このようにして円環状に形成されたフォトダ
イオード３２上に形成される光スポットの位置は、回転
軸５６の回転角度に対応しており、この光スポット位置
を位置検出手段５７によって前述した実施例２または実
施例３の位置検出方法にて検出し、回転角度として出力
する。

【００４４】また、偏向器５５として、例えば回折格子
のような入射位置依存性のないものを用いれば、偏心等
の影響によって偏向器５５への光束の入射位置に変化が
あっても、位置検出素子３１上での光スポットの位置に
変化はなく、偏心の影響を受けることのない光学式ロー
タリーエンコーダを実現することができる。

【００４５】参考例１． 以下、参考例１を図について説明する。図８は参考例１
を示す構成図である。図８において、１０１は単色光源
であり、例えばレーザダイオードである。１０２および
１０４は集光レンズであり、１０３はこの集光レンズ１
０２と１０４との間に配置された回転円板である。１０
５は集光手段としての集光レンズ１０４にて集光された
光スポットの位置を検出する位置検出手段としての位置
検出素子であり、例えば半導体位置検出素子である。１
０７は位置検出手段にて検出された光スポットの位置に
基づいて前記回転円板１０３の回転角度を演算出力する
演算手段である。１０８は前記単色光源１０１と集光レ
ンズ１０２にて構成される照明手段である。

【００４６】図９は回転円板１０３の構造の詳細を示す
説明図であり、図において１０６は円周をｎ等分して形
成した領域（以後、格子セクタと称する）であり、この
中にピッチＰの直線回折格子が形成されている。格子セ
クタ１０６の分割線２０２ａおよび２０２ｂのなす角は
２π／ｎラジアンである。また、何れの領域の直線回折
格子もその領域の分割線２０２ａおよび２０２ｂの２等
分線２０３に対して一定の角度をなすようにして形成さ
れている。このため、回転円板１０３に形成されたパタ
ーンは２π／ｎラジアンの回転ごとに同一の形状を繰り
返す周期的な構造となる。

【００４７】図１０は直線回折格子の回転に対する回折
光の様子を示す説明図である。図１０において、３０１
は前記格子セクタ１０６に形成される直線回折格子であ
り、３０２はこの直線回折格子３０１に入射される平行
光束である。３０３ａ，３０３ｂはこの平行光束３０２
の直線回折格子３０１への入射によって発生する回析光
であり、３０４はその回折光３０３ａ，３０３ｂを観測
する観測面、３０５はこの観測面３０４上を移動する回
折光３０３ａ，３０３ｂのスポットの軌跡を示す円周で
ある。

【００４８】次に図８および図１０を用いて参考例１の
動作について説明する。今、直線回折格子３０１に平行
光束３０２が入射すると、入射した平行光束３０２は直
線回折格子３０１の回折作用により、格子に対して垂直
な平面内に回折光３０３ａ，３０３ｂを発生する。直線
回折格子３０１が回転すると、回折光３０３ａおよび３
０３ｂも回転し、観測面３０４上で回折光のスポットは
円周３０５上を移動する。直線回折格子３０１の回転角
θに対する観測面３０４上でのスポットの回転角は同様
にθであり、円周３０５の半径をｒとすればθ回転時の
スポットの直線移動距離Ｌは次式となる。

【００４９】 Ｌ＝２ｒＳｉｎ（θ／２） …………………（７）

【００５０】ここで、回転角θが十分小さければ、上記
式（７）は近似的に次式となって、移動距離から角度を
直接検出することが可能となる。

【００５１】 Ｌ＝ｒθ …………………（８）

【００５２】また、図８において、単色光源１０１より
出射した光束は、集光レンズ１０２により格子セクタ１
０６内に納まる大きさのビームとして回転円板上のひと
つの格子セクタ１０６に入射する。格子セクタ１０６の
直線回折格子により回折された回折光は集光レンズ１０
４により位置検出素子１０５に対して適切なスポット形
状に集光されて前記位置検出素子１０５に入射する。こ
こで、入射光の波長をλ、回折格子のピッチをＰとすれ
ば１次回折光の回析角φは次式で表すことができる。

【００５３】 φ＝Ｓｉｎ^-1（λ／Ｐ） …………………（９）

【００５４】位置検出素子１０５の位置検出方向は回転
円板の回転による位置検出素子１０５上の光スポット移
動方向に一致するように設置され、集光レンズ１０４の
焦点距離をｆとするとき、直線回折格子の回転角θに対
応する光スポットの移動距離Ｌは次式となる。

【００５５】 Ｌ＝２ｆＴａｎφＳｉｎ（θ／２） …………………（１０）

【００５６】ここで、回転角θが十分小さければ、上記
式（１０）は近似的に次式となって、移動距離が回転角
に比例することになる。

【００５７】 Ｌ＝ｆθＴａｎθ …………………（１１）

【００５８】また、位置検出素子１０５の位置検出範囲
は、ひとつの格子セクタ１０６分の回転角２π／ｎの格
子回転による光スポット移動範囲２πｆＴａｎφ／ｎを
包含するように設定される。

【００５９】回転円板１０３が一周内において回転する
とき、前述のように回転円板１０３は２π／ｎラジアン
ごとに繰り返すパターンであるので、光スポットも位置
検出素子１０５上で移動をｎ回繰り返す。よって、位置
検出信号をカウントしてゆけば位置検出素子１０５の分
解能を角度分解能とするインクリメンタルエンコーダを
構成できる。また、格子セクタ１０６内の位置検出信号
はその格子セクタ１０６の範囲で絶対角度を表している
ため、格子セクタ１０６を弁別する手段を設ける事によ
り１回転の絶対値エンコーダを構成することもできる。

【００６０】ところで、この参考例１のような直線回折
格子を用いた角度検出方式において回転円板１０３の回
転軸の軸ぶれによる偏心が発生した場合、その影響は回
転円板１０３の同一平面内における平行シフトとなって
現れ、回折格子の回転角の変化とはならない。このた
め、偏心による平行シフトが格子セクタ１０６内であれ
ば、角度検出出力は偏心の影響を全く受けないこととな
る。

【００６１】参考例２． 次に参考例２を図について説明する。図１１は参考例２
を示す構成図で、同一部分には図８，図９と同一符号を
付して説明を省略する。図１１において、４０３は回転
円板で、参考例１における回転円板１０３とほぼ同じ構
造を持つものである。４０６は格子セクタでその直線回
折格子の格子方向が格子セクタの２等分線２０３に平行
に形成されている点で参考例１における格子セクタ１０
６とは異っている。４０７および４０８は、円筒レンズ
であり、その集光方向を回転円板４０３の半径方向と
し、前記回転円板４０３上で焦点を結ぶように設置され
ている。４０９は集光レンズ１０４とこの円筒レンズ４
０８にて形成される集光手段であり、４１０は単色光源
１０１および集光レンズ１０２とこの円筒レンズ４０７
によって形成される照明手段である。

【００６２】次に動作について説明する。単色光源１０
１より出射した光束は、集光レンズ１０２及び円筒レン
ズ４０７により格子セクタ４０６内に線状スポットを形
成する。この線状スポットは、前述のように集光方向を
回転円板４０３の半径方向としており、また長さは格子
セクタ４０６の半径方向の幅内に納まるように設定され
ている。格子セクタ４０６の直線回折格子により回折さ
れた回折光は集光レンズ１０４および円筒レンズ４０８
により位置検出素子１０５に対して適切なスポット形状
に集光されて前記位置検出素子１０５に入射する。ただ
し、位置検出素子１０５に対して適切なスポット形状と
することが可能であれば、照明手段４１０としては集光
レンズ１０４または円筒レンズ４０８を省略することも
可能である。

【００６３】このような構成の場合、線状スポットを位
置検出素子１０５に結像しているため、前記線状スポッ
トの集光方向に関する回折光の角度変動が前記位置検出
素子１０５のスポットに影響を及ぼさなくなる。また、
直線回折格子の格子方向をセクタ４０６の２等分線に平
行に形成しているため、回転による回折光の方向の変化
は線状スポットの集光方向に垂直となり、回転角検出能
力への影響は無く、位置検出素子１０５上の光スポット
の位置を検出して、請求項５と同様に角度の検出が行え
る。

【００６４】参考例３． 次に参考例３を図について説明する。図１２は参考例３
を示す構成図で、先に説明した部分については同一符号
を付してその説明を省略する。なお、基本構成は参考例
２と同じであり、単色光源１０１と回転円板４０３の間
にグレーティングビームスプリッタ５０８が挿入され
（図１２では、一例として集光レンズ１０２と円筒レン
ズ４０７の間に配置している）、２個の位置検出素子５
０９ａ及び５０９ｂが平行に配置されている。５０９は
この２個の位置検出素子５０９ａ，５０９ｂにて形成さ
れる位置検出手段であり、５１０は単色光源１０１、集
光レンズ１０２、および円筒レンズ４０７と前記グレー
ティングビームスプリッタ５０８にて形成される照明手
段である。

【００６５】次に動作について説明する。参考例２と同
様に、単色光源１０１、集光レンズ１０２および円筒レ
ンズ４０７によって、回転円板４０３上に線状スポット
を形成するが、途中に配置されたグレーティングビーム
スプリッタ５０８によって光束は少なくとも２方向に分
岐されており、回転円板４０３上に少なくとも２個の線
状スポットを形成する。前記グレーティングビームスプ
リッタ５０８の分岐角は、前記線状スポットの少なくと
も２個の間隔が格子セクタ４０６の円周方向の幅の（２
ｍ＋１）／２倍（ただし、ｍは整数）、格子円板の回転
角にして（２πｍ＋１）／ｎラジアンとなるように設定
している。また、２個の位置検出素子５０９ａおよび５
０９ｂは、回転円板４０３上の２個の線状スポットの直
線回折格子による回析光が円筒レンズ４０８および集光
レンズ１０４によって形成する２個のスポットの各々の
位置を検出するように配置されている。

【００６６】ここで、図１３はｍ＝０の場合における回
転円板４０３上の２個の線状スポットの照射位置を示し
た説明図である。図中、（ａ），（ｂ），（ｃ）と回転
円板４０３が回転していく様子を示しているが、一方の
スポットが格子セクタ４０６の境界にある時、他のスポ
ットは必ず格子セクタ４０６の中心部を照射しており、
必ず何れか一方のスポットが格子セクタ４０６中に存在
している。よって、演算手段１０７は、前記線状スポッ
トの一方が格子セクタ４０６の境界にあり、スポット形
状の乱れによって一方の位置検出素子、例えば位置検出
素子５０９ａの検出能力が不十分となるとき、他方の位
置検出素子５０９ｂの検出出力を用いて回転角度を演算
するように構成されており、格子セクタ４０６の境界に
よる検出不能領域を無くすようにされている。

【００６７】参考例４． 次に参考例４を図について説明する。図１４は参考例４
を示す構成図で、先に説明した部分については同一符号
を付してその説明を省略する。図１４において７１０は
照明光束と反射光束を分離するための分離手段であり、
この分離手段７１０は単色光源１０１と回転円板１０３
の間に設置されている。７１１は回転円板１０３上の透
過型の直線回折格子を透過した光束を反射して、同一の
直線回折格子に再度入射するための反射手段である。分
離手段７１０としては、例えばハーフミラーや偏向ビー
ムスプリッタが考えられる。ハーフミラーを用いる場合
には回転円板１０３の後方に配置される反射手段７１１
には反射ミラーを用い、偏向ビームスプリッタを用いる
場合には、反射手段７１１にλ／４板と反射ミラーを複
合して用いる必要がある。また、この参考例４の構成で
は、反射手段７１１が回転円板１０３と平行となる配置
としており、この場合には同一の光路に反射されるため
に、単色光源１０１から回転円板１０３に入射する入射
角を直線回析格子の回折角に設定する必要がある。反対
に、入射光を垂直入射とした場合には透過回折光が傾く
ため、反射手段７１１の方を回転円板１０３に対して傾
けておく必要がある。

【００６８】次に動作について説明する。ここで、図１
５はこの参考例４での直線回折格子と反射ミラーにおけ
る回折光の様子を示す説明図、図１６は直線回折格子の
回転に対する回折光の様子を示す説明図である。単色光
源１０１より出射した光束は、集光レンズ１０２により
格子セクタ１０６内に納まる大きさのビームとして回転
円板１０３上のひとつの格子セクタ１０６に入射する。
前述のように、反射手段７１１は回転円板１０３に平行
となる配置としているので、入射と反射が同じ光路をと
るためには、図１５に示すように透過回折光（図におい
ては＋１次回折光）が垂直に出射しなければならない。
このために、入射光の入射角は反射光の＋１次回折光と
同一の角度となるように設定されている。回転円板１０
３が回転した時の回折光の変化は図１６に示すように、
回転円板１０３が角度θ回転すると直線回折格子も角度
θ回転し、透過回折光は角度βだけ垂直からずれること
になる。この角度βは、図１０等において説明した、回
折格子が角度θ回転した時の回折光の回折方向の変化に
符号するものであり、位置検出素子１０５上の光スポッ
トの移動に相当する。次に、反射光は回転円板１０３に
再入射して２度目の回折を受けて照明手段１０８側に戻
るが、この時にさらにβの角度変化を受けるため、合計
２βの角度変化を持って位置検出手段１０５に向かう。
従って、１回の回折に比べて２倍の角度分解能を得るこ
とができる。

【００６９】参考例５． 次に参考例５を図について説明する。図１７は参考例５
を示す構成図である。図１７において、１００１は回転
円板、１００２は回転円板１００１上に形成されたトラ
ック、１００３は回転円板１００１の一部に光を照射す
る照射手段としての光源、１００４および１００５は集
光レンズ、１００６は回転円板１００１を透過した光の
強度を検出する光強度検出素子であり、例えばホトダイ
オードである。１００７はこの光強度検出素子１００６
で検出した透過光の強度から回転円板１００１の回転角
度を演算出力する演算手段である。

【００７０】また、図１８は回転円板１００１に形成さ
れたトラック１００２のパターンを示す平面図である。
図１８において、１１０１は光を透過するスリットであ
り、トラック内の他の部分は不透明である。ここで、回
転円板１００１の中心Ｏからスリット１１０１の開口の
外周および内周までの距離をそれぞれｒ１，ｒ２とし、
それらの図１８中の破線１１０２からの角度をそれぞれ
θ１，θ２とし、θ２＝０の時のｒ２をｒ０，θ１＝θ
２＝０の時のｒ１−ｒ２をｒＧとすると、スリット１１
０１の開口は、次式を満たす形状である。

【００７１】 ｒ１＝ｒ０＋ｒＧ−（（１−ａ）×ｒＧ）／２π×θ１……（１２） ｒ２＝ｒ０＋（ａ×ｒＧ）／２π×θ２ ………………（１３） ０≦ａ≦１

【００７２】次に動作について説明する。光源１００３
を出射した光束は、集光レンズ１００４によりトラック
１００２に入射する。ここで入射する光束は、回転円板
１００１の半径方向についてトラック１００２のスリッ
ト１１０１の開口内に納まらないようにする。スリット
１１０１を透過した光は、集光レンズ１００５により光
強度検出素子１００６に集光され、光強度検出素子１０
０６によってその透過光の強度が検出される。回転円板
１００１が回転するとき、光強度検出素子１００６によ
って検出される透過光の強度は、回転円板１００１の回
転角に対してリニアであり、回転円板１００１の１回転
の絶対角度を表している。よって、このスリット１１０
１を透過する光の強度を検出することにより１回転の絶
対値エンコーダを構成することができる。

【００７３】参考例６． 次に参考例６を図について説明する。図１９は参考例６
を示す構成図で、先に説明した部分については同一符号
を付して説明を省略する。図１９において、１２０１は
回転円板、１２０２は内部が直線回折格子であるｎ個の
格子セクタ１０６によって第１のパターンが形成された
トラックである。このトラック１２０２はスリット１１
０１によって第２のパターンが形成されたトラック１０
０２と互いに干渉しないよう配置されている。１２０７
は位置検出手段１０５と光強度検出素子１００６の出力
に基づいて回転円板１２０１の回転角度を演算出力する
演算手段である。

【００７４】次に動作について説明する。単色光源１０
１より出射した光束は、集光レンズ１０２により格子セ
クタ１０６内に納まる大きさのビームとして回転円板１
２０１のトラック１２０２上のひとつの格子セクタ１０
６に入射する。格子セクタ１０６の直線回折格子により
回折された回折光は集光レンズ１０４により位置検出素
子１０５に対して適切なスポット形状に集光されて前記
位置検出素子１０５に入射する。参考例１の場合と同様
に、格子セクタ１０６内の前記位置検出信号はその格子
セクタ１０６の範囲で絶対角度を表している。

【００７５】一方、光源１００３を出射した光束は、集
光レンズ１００４により回転円板１２０１のトラック１
００２に入射する。ここで入射する光束は、回転円板１
２０１の半径方向についてトラック１００２のスリット
１１０１の開口内に納まらないようにする。スリット１
１０１を透過した光は、集光レンズ１００５により光強
度検出素子１００６に集光され、その透過光の強度が検
出される。回転円板１２０１が回転するとき、光強度検
出素子１００６によって検出される光強度は、参考例５
の場合と同様に、回転円板１２０１の１回転の絶対角度
を表している。

【００７６】トラック１２０２内の格子セクタ１０６の
弁別は、回転円板１２０１の１回転の絶対角度を、２π
／ｎラジアン以下の角度分解能で検出することによって
可能となる。従って、光強度検出素子１００６によって
２π／ｎラジアン以下の角度分解能で回転円板１２０１
の１回転の絶対角度を検出し、格子セクタ１０６の弁別
を行えば、位置検出素子１０５の分解能を角度分解能と
する１回転の絶対値エンコーダを構成することができ
る。

【００７７】参考例７． 次に参考例７を図について説明する。図２０は参考例７
を示す構成図である。図２０において、１３０１は回転
円板、１３０２は回転円板１３０１上に形成されたトラ
ック、１３０３は回転円板１３０１の一部に単色光を照
射する照射手段としての単色光源、１３０４および１３
０５は集光レンズ、１３０６は回転円板１３０１からの
回折光の強度を検出する光強度検出素子である。１３０
７はこの光強度検出素子１３０６で検出した回折光の強
度から回転円板１３０１の回転角度を演算する演算手段
である。

【００７８】また、図２１は、回転円板１３０１に形成
されたトラック１３０２のパターンを示す平面図であ
る。図２１において、１４０１は透過型の回折格子であ
り、例えば凹凸パターンの位相変調型の回折格子であ
る。なお、回転円板１３０１のこの回折格子１４０１以
外の部分は透明であっても、不透明であってもよい。回
折格子１４０１の形状は参考例５のスリット１１０１の
形状と同じであり、この回折格子１４０１は回転円板１
３０１の中心を中心とする円弧状の格子を有している。

【００７９】次に動作について説明する。光源１３０３
を出射した光束は、集光レンズ１３０４によりトラック
１３０２に入射する。ここで入射する光束は、回転円板
１３０１の半径方向についてトラック１３０２の回折格
子１４０１内に納まらないようにする。回折格子１４０
１によって回折された１次の回折光は、集光レンズ１３
０５により光強度検出素子１３０６に集光され、光強度
検出素子１３０６によってその回折光の強度が検出され
る。回転円板１３０１が回転するとき、光強度検出素子
１３０６によって検出される回折光の強度は、回転円板
１３０１の回転角に対してリニアであり、回転円板１３
０１の１回転の絶対角度を表している。よって、この回
折格子１４０１で回折される回折光の強度を検出するこ
とにより１回転の絶対値エンコーダを構成することがで
きる。

【００８０】参考例８． 次に参考例８を図について説明する。図２２は参考例８
を示す構成図で、先に説明した部分については同一符号
を付してその説明を省略する。図２２において、１５０
１は回転円板、１５０２は内部が直線回折格子であるｎ
個の格子セクタ１０６によって第１のパターンが形成さ
れたトラックである。このトラック１５０２は回折格子
１４０１によって第２のパターンが形成されたトラック
１３０２と互いに干渉しないよう配置されている。１５
０７は位置検出手段１０５と光強度検出素子１３０６の
出力に基づいて回転円板１５０１の回転角度を演算出力
する演算手段である。

【００８１】次に動作について説明する。単色光源１０
１より出射した光束は、集光レンズ１０２により格子セ
クタ１０６内に納まる大きさのビームとして回転円板１
５０１上のひとつの格子セクタ１０６に入射する。格子
セクタ１０６の直線回折格子により回折された回折光は
集光レンズ１０４により位置検出素子１０５に対して適
切なスポット形状に集光されて前記位置検出素子１０５
に入射する。参考例１の場合と同様に、格子セクタ１０
６内の前記位置検出信号はその格子セクタ１０６の範囲
で絶対角度を表している。

【００８２】一方、単色光源１３０３を出射した光束
は、集光レンズ１３０４により回転円板１５０１のトラ
ック１３０２に入射する。ここで入射する光束は、回転
円板１５０１の半径方向についてトラック１３０２の回
折格子１４０１内に納まらない様にする。回折格子１４
０１によって回折された回折光は、集光レンズ１３０５
により光強度検出素子１３０６に集光され、その回折光
の強度が検出される。回転円板１５０１が回転すると
き、光強度検出素子１３０６によって検出される光強度
は、参考例７の場合と同様に、回転円板１５０１の１回
転の絶対角度を表している。

【００８３】トラック１５０２内の格子セクタ１０６の
弁別は、回転円板１５０１の１回転の絶対角度を、２π
／ｎラジアン以下の角度分解能で検出することによって
可能となる。従って、光強度検出素子１３０６によって
２π／ｎラジアン以下の角度分解能で回転円板１５０１
の１回転の絶対角度を検出し、格子セクタ１０６の弁別
を行えば、位置検出素子１０５の分解能を角度分解能と
する１回転の絶対値エンコーダを構成することができ
る。

【００８４】参考例９． 次に参考例９を図について説明する。図２３は参考例９
を示す構成図で、先に説明した部分については同一符号
を付してその説明を省略する。図２３において、１６０
１は回転円板、１６０２は内部が格子セクタの２等分線
に平行な格子方向を持つ直線回折格子である格子セクタ
４０６によって第１のパターンが形成されたトラックで
ある。このトラック１６０２はスリット１１０１による
第１のパターンが形成されたトラック１００２と互いに
干渉しないように配置されている。１６０７は透過光の
強度によって光スポットを選択し、選択された光スポッ
トの位置から回転円板１６０１の回転角度を演算出力す
る演算手段である。

【００８５】次に動作について説明する。参考例３の場
合と同様に、単色光源１０１、集光レンズ１０２、グレ
ーティングビームスプリッタ５０８および円筒レンズ４
０７によって形成される照明手段５１０で、回転円板１
６０１の格子セクタ４０６上に少なくとも２個の線状ス
ポットを形成する。前記グレーティングビームスプリッ
タ５０８の分岐角は、前記線状スポットの少なくとも２
個の間隔が格子セクタ４０６の円周方向の幅の（２ｍ＋
１）／２倍（ただしｍは整数）、格子円板の回転角にし
て（２πｍ＋１）／ｎラジアンとなるように設定してい
る。位置検出手段５０９の２個の位置検出素子５０９ａ
及び５０９ｂは、格子セクタ４０６上の２個の線状スポ
ットの直線回折格子による回折光が集光手段４０９の円
筒レンズ４０８および集光レンズ１０４によって形成す
る２個の光スポットの各々の位置を検出する。

【００８６】一方、光源１００３を出射した光束は、集
光レンズ１００４によりトラック１００２に入射する。
ここで入射する光束は、回転円板１６０１の半径方向に
ついてトラック１００２のスリット１１０１内に納まら
ない様にする。スリット１１０１を透過した透過光は、
集光レンズ１００５により光強度検出素子１００６に集
光されて、その透過光の強度が検出される。回転円板１
６０１が回転するとき、光強度検出素子１００６によっ
て検出される光強度は、参考例５の場合と同様に、回転
円板１６０１の１回転の絶対角度を表している。

【００８７】図２４は、回転円板１６０１の回転角度が
ある範囲であるときのエンコーダの状態を示したもの
で、横軸は前記回転円板１６０１の回転角度である。１
７０１は光強度検出素子１００６の出力、１７０２は光
強度検出素子１００６の出力１７０１により選択される
位置検出素子、１７０３は位置検出素子５０９ａの出
力、１７０４は位置検出素子５０９ａにより検出される
光スポットが照射する格子セクタの番号ｉ（０≦ｉ≦ｎ
−１）、１７０５は位置検出素子５０９ｂの出力、１７
０６は位置検出素子５０９ｂにより検出される光スポッ
トが照射する格子セクタの番号ｉ₁ （０≦ｉ₁ ≦ｎ−
１）である。

【００８８】前記位置検出素子５０９ａ，５０９ｂの出
力１７０３，１７０５は、２π／ｎラジアンの周期の鋸
歯状波であり、互いの位相はπ／ｎラジアンすなわち１
／２周期異なっている。そして、前記位置検出素子５０
９ａ，５０９ｂの出力１７０３，１７０５の実線部は光
スポットが格子セクタ４０６の中心部を照射していて位
置検出素子５０９ａ，５０９ｂの検出能力が十分な部分
であり、その領域が少なくとも各周期のπ／ｎラジアン
以上を占めるよう光スポットを設定しているものとし、
破線部は光スポットが格子セクタ４０６の境界付近を照
射していて位置検出素子５０９ａ，５０９ｂの検出能力
が不十分である部分である。検出不能領域を無くすため
には、常に実線部において検出できるよう位置検出素子
１７０２に示す位置検出素子５０９ａ，５０９ｂを選択
する必要がある。そこで、光強度検出素子１００６の出
力１７０１から演算することにより位置検出素子５０９
ａ，５０９ｂを選択し、検出不能領域を無くすことがで
きる。まだ、光スポットが照射する格子セクタ４０６の
番号１７０２および１７０４を光強度検出素子１００６
の出力１７０１から弁別できるため、前記位置検出素子
５０９ａ，５０９ｂの分解能を角度分解能とする１回転
の絶対値エンコーダを構成することができる。

【００８９】参考例１０． 次に参考例１０を図について説明する。図２５は参考例
１０を示す構成図であり、スリット１１０１によって第
１のパターンが形成されたトラック１００２に代えて、
回折格子１４０１によって第１のパターンが形成された
トラック１３０２を用いている点で参考例９とは異って
いる。なお、それにともなって、光源１００３に代えて
単色光源１３０３が用いられ、集光レンズが１３０４，
１３０５に、光強度検出素子が１３０６にそれぞれ代替
されている。また、図中、１８０１は回転円板、１８０
７は回折光の強度によって光スポットを選択し、選択さ
れた光スポットの位置から回転円板１８０１の回転角度
を演算出力する演算手段である。なお、その動作は参考
例９の動作と基本的には同一であるため、その説明は省
略する。

【００９０】参考例１１． 次に参考例１１を図について説明する。図２６は参考例
１１を示す構成図である。図２６において、１９０１は
回転円板、１９０２はこの回転円板１９０１の１回転で
鋸歯状波を１回出力する第１のトラック、１９０３は回
転円板１９０１の１回転で鋸歯状波をｎ回出力する第２
のトラック、１９０４は回転円板１９０１の１回転で鋸
歯状波をｎ回出力し、その鋸歯状波が前記第２のトラッ
ク１９０３の出力するものとは半周期の位相差を有する
ものである第３のトラックである。１９０５はこれら各
トラック１９０２，１９０３，１９０４に光を照射する
発光素子、１９０６は各々のトラック１９０２，１９０
３，１９０４を透過した光量より各トラック１９０２，
１９０３，１９０４の出力を検出する検出手段、１９０
７は検出手段１９０６の検出した各トラック１９０２，
１９０３，１９０４の出力より回転円板１９０１の回転
角度を演算出力する演算手段である。

【００９１】次に動作について説明する。発光素子１９
０５より光が照射された回転円板１９０１は、各トラッ
ク１９０２，１９０３，１９０４より図２７に示すよう
な３つの波形を出力する。図中、２００１は回転円板１
９０１の１回転に対して第１のトラック１９０２より１
周期出力される鋸歯状波、２００２は回転円板１９０１
の１回転に対して第２のトラック１９０３よりｎ周期出
力される、鋸歯状波２００１に対してそれ自身の周期の
１／４周期だけ位相が進んだ鋸歯状波、２００３は回転
円板１９０１の１回転に対して第３のトラック１９０４
よりｎ周期出力される。鋸歯状波２００１に対してそれ
自身の周期の１／４周期だけ位相が遅れた鋸歯状波であ
る。この参考例１１では、一例として鋸歯状波２００１
に対する鋸歯状波２００２および２００３の位相差が、
鋸歯状波２００２，２００３の周期の１／４周期である
場合を示しているが、鋸歯状波２００２と２００３の位
相差がそれらの周期の１／２周期であれば、鋸歯状波２
００１に対する鋸歯状波２００２および２００３の位相
差は任意である。

【００９２】ここで、鋸歯状波２００２および２００３
の波形では、点線で示した各周期の始めと終わりの１／
４周期以下の部分が角度に対してリニアではなく測定不
能であるとする。しかし、鋸歯状波２００２と２００３
は互いに半周期位相がずれているので、回転円板１９０
１の回転角に対して鋸歯状波２００２か２００３かの何
れかがリニアな領域となっている。そこで、回転円板１
９０１の１回転の絶対角度を測定するために、鋸歯状波
２００２および２００３における、角度に対してリニア
な波形領域すなわち周期の中心部１／２周期の範囲で測
定できるよう、鋸歯状波２００２，２００３のどちらか
を選択し、演算手段１９０７ではそれに基づいて絶対角
度を演算する。鋸歯状波２００２および２００３におい
て、角度に対してリニアな波形領域は角度に対応してい
るため、鋸歯状波２００１の値Ｓ１により鋸歯状波２０
０２，２００３の一方を選択する。

【００９３】次に絶対角度の演算について説明する。鋸
歯状波２００２および２００３においては、検出手段１
９０６からの各出力Ｓ２，Ｓ３より鋸歯状波１周期内で
角度分解能ｋ点で各々絶対角度ｊ，ｊ₁ （０≦ｊ≦ｋ−
１，０≦ｊ₁ ≦ｋ−１）を演算する。ここで、ｋは４以
上の４の倍数である。また、鋸歯状波２００２および２
００３において、角度に対して０番目から（ｎ−１）番
目まで鋸歯状波が出力され、何番目であるかは鋸歯状波
２００１の出力Ｓ１から演算される。鋸歯状波２００２
のｉ番目（０≦ｉ≦ｎ−１）の鋸歯状波において、その
周期内の絶対角度がｊである時の、エンコーダ１回転内
の絶対角度αは次式で求められる。

【００９４】α＝ｉ×ｋ＋ｊ−ｋ／４

【００９５】また、鋸歯状波２００３のｉ₁ 番目（０≦
ｉ₁ ≦ｎ−１）の鋸歯状波において、その周期内の絶対
角度がｊ₁ である時の、エンコーダ１回転内の絶対角度
α₁は次式で求められる。

【００９６】α₁ ＝ｉ₁ ×ｋ＋ｊ₁ −ｋ／２

【００９７】以上の演算を行えば、鋸歯状波２００２で
も２００３でも同一の絶対角度を得ることができる。

【００９８】参考例１２． 次に参考例１２を図について説明する。図２８は参考例
１２を示す構成図で、先に説明した部分については同一
符号を付してその説明を省略する。図２８において、１
５０１は回転円板、１５０２は内部が直線回折格子であ
るｎ個の格子セクタ１０６によって第１のパターンが形
成されたトラックでる。このトラック１５０２の内周側
には、偏向器５５である第２のパターンが形成されてい
る。偏向器５５は、照射される光を一定の方向に偏向さ
せ、回転円１５０１の回転に応じて、回転円板と平行な
平面上に円環状の光スポットを形成するものである。５
２は第２のパターンである偏向器５５に光を照射する光
源（第２の照明手段）、５３は集光レンズ、５４はハー
フミラー、５６は回転軸、３１は位置検出素子（第２の
位置検出手段）であり、これらの構成は実施例４と同様
である。また、１０１は単色光源（第１の照明手段）、
１０２および１０４は集光レンズ（集光手段）、１０５
は半導体位置検出素子であり、これらの構成は参考例１
と同様である。また、２１０７は位置検出素子１０５お
よび位置検出素子３１からの信号に基づいて回転円板１
５０１の回転角度を演算する演算手段である。

【００９９】次に動作について説明する。単色光源１０
１より出射した光束は、集光レンズ１０２により格子セ
クタ１０６内に収まる大きさのビームとして回転円板１
５０１上の一つの格子セクタ１０６に入射する。格子セ
クタ１０６の直線回折格子により回折された回折光は集
光レンズ１０４により位置検出素子１０５に対して適切
なスポット形状に集光されて前記位置検出素子１０５に
入射する。参考例１同様、格子セクタ１０６内の位置検
出信号はその格子セクタ１０６の範囲で絶対角度を表し
ている。

【０１００】一方、光源５２より出射した光束は集光レ
ンズ５３により収束光に変換されてハーフミラー５４に
入射する。ハーフミラー５４より反射された光束は、偏
向器５５に入射し、該偏向器５５に対して一定の方向に
偏向を受けて反射され、再びハーフミラー５４に入射し
て、透過光が位置検出素子３１に入射する。実施例４で
述べたように前記位置検出素子３１上に形成される光ス
ポットの位置は、回転軸５６の回転角度に対応してお
り、光スポット位置を前述した実施例２または実施例３
の検出処理方式で検出し、絶対回転角度として出力す
る。

【０１０１】トラック１５０２内の格子セクタ１０６の
弁別は、回転円板１５０１の１回転の絶対角度１を２π
／ｎラジアン以下の角度分解能で検出することにより可
能となる。よって、位置検出素子３１により２π／ｎラ
ジアン以下の角度分解能で回転円板１５０１の１回転の
絶対角度を検出し、格子セクタ１０６の弁別を行えば、
位置検出素子１０５の分解能を角度分解能とする１回転
の絶対値エンコーダを構成することができる。

【０１０２】

【発明の効果】以上のように、請求項１に記載の発明に
よれば、円環状のフォトダイオードの外周に同心円状に
設置された抵抗体によって、光スポットの入射による光
電流を分割し、それを所定の出力電極対より取り出すよ
うに構成したので、受光面に電極を配置する必要がなく
なり、また位置検出用の抵抗体にも不連続部分がなくな
って、円環状の軌跡で移動する光スポットの位置を不確
定領域を作らずに特定でき、位置検出の信頼性を大幅に
改善できる効果がある。

【０１０３】また、請求項２に記載の発明によれば、４
ｎ個（ｎは整数）用意された出力電極の中から、互いに
９０度の角度をなして対向している２対の出力電極を選
択し、各々の対毎に各出力端子の計測電流値の差をその
和で除算した演算結果より、光スポットの入射位置の特
定を行うように構成したので、位置検出素子に入射され
た光スポットの位置を一意的に特定することが容易とな
る効果がある。

【０１０４】また、請求項３に記載の発明によれば、出
力電極を４ｍ個（ｍは２以上の整数）配置し、請求項２
の位置検出方法にて求めた概略位置に最も近い出力電極
を検出し、それを挟む１対の出力電極における計測電流
値の差をその和で除算して、光スポットの入射位置を特
定するように構成したので、光スポットの入射位置の検
出精度をより高いものとすることができる効果がある。

【０１０５】また、請求項４に記載の発明によれば、位
置検出素子の円環状のフォトダイオード上に、回転体に
て偏向されてその回転角度に対応した円環状の軌跡の上
を移動する光スポットを形成し、その光スポットの入射
位置を請求項２もしくは３の方法で検出するように構成
したので、インデックススケールが不用となり、偏向器
として位置依存性のないものを用いれば、偏心による角
度検出誤差もない光学式ロータリーエンコーダが得られ
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示す平面図である。

【図２】上記実施例の要部を拡大して示す要部拡大平面
図である。

【図３】この発明の実施例２を示すブロック図である。

【図４】上記実施例の動作を説明するための波形図であ
る。

【図５】この発明の実施例３を示すブロック図である。

【図６】上記実施例の動作を説明するための波形図であ
る。

【図７】この発明の実施例４を示す構成図である。

【図８】参考例１を示す構成図である。

【図９】回転円板の構造の説明を示す説明図である。

【図１０】直線回折格子の回転に対する回折光の様子を
示す説明図である。

【図１１】参考例２を示す構成図である。

【図１２】参考例３を示す構成図である。

【図１３】上記参考例での回転円板上に集光された２つ
の線状スポットの様子を示す説明図である。

【図１４】参考例４を示す構成図である。

【図１５】上記参考例での直線回折格子および反射ミラ
ーにおける回折光の様子を示す説明図である。

【図１６】上記参考例での直線回折格子の回転に対する
回折光の様子を示す説明図である。

【図１７】参考例５を示す構成図である。

【図１８】上記参考例の回転円板上に形成されたトラッ
クのパターンを示す平面図である。

【図１９】参考例６を示す構成図である。

【図２０】参考例７を示す構成図である。

【図２１】上記参考例の回転円板上に形成されたトラッ
クのパターンを示す平面図である。

【図２２】参考例８を示す構成図である。

【図２３】参考例９を示す構成図である。

【図２４】上記参考例における回転円板の回転に対する
トラックからの出力を示した説明図である。

【図２５】参考例１０を示す構成図である。

【図２６】参考例１１における回転円板を示す平面図で
ある。

【図２７】上記参考例１１における回転円板の回転に対
するトラックからの出力を示した説明図である。

【図２８】参考例１２を示す構成図である。

【図２９】従来の位置検出素子を示す断面図である。

【図３０】他の従来の位置検出素子を示す平面図であ
る。

【図３１】従来の光学式ロータリーエンコーダを示す構
成図である。

【符号の説明】

３１ 位置検出素子（第２の位置検出手段） ３２ フォトダイオード ３３ 抵抗体 ３４ 導電層 ３５ 出力電極 ５２ 光源（第２の照明手段） ５５ 回転体（偏向器） ５７ 位置検出手段 １０１ 単色光源（第１の照明手段） １０３ 回転円板 １０４ 集光手段（集光レンズ） １０５ 位置検出素子（位置検出手段，第１の位置検出
手段） １０６ 領域（格子セクタ） １０７ 演算手段 １０８ 照明手段 ４０３ 回転円板 ４０６ 領域（格子セクタ） ４０９ 集光手段 ４１０ 照明手段 ５０９ 位置検出手段 ５１０ 照明手段 ７１０ 分離手段 ７１１ 反射手段 １００１ 回転円板 １００３ 照射手段（光源） １００６ 光強度検出素子 １００７ 演算手段 １１０１ スリット １２０１ 回転円板 １２０７ 演算手段 １３０１ 回転円板 １３０３ 照射手段（単色光源） １３０６ 光強度検出素子 １３０７ 演算手段 １４０１ 回折格子 １５０１ 回転円板 １５０７ 演算手段 １６０１ 回転円板 １６０７ 演算手段 １８０１ 回転円板 １８０７ 演算手段 １９０１ 回転円板 １９０２ 第１のトラック １９０３ 第２のトラック １９０４ 第３のトラック １９０６ 検出手段 １９０７ 演算手段 ２１０７ 演算手段

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円環状に形成された平板状のフォトダイ
   オードと、前記フォトダイオードの外周に前記フォトダ
   イオードと同心円状に設置された抵抗体と、前記抵抗体
   に等角度間隔で配置された少なくとも２個の出力電極
   と、前記出力電極の数より多数用意され、前記各出力電
   極の角度間隔をさらに分割するように等角度間隔で放射
   状に、前記抵抗体より前記フォトダイオード上に張り出
   した細線状の導電層とを備えた位置検出素子。
2. 【請求項２】 円環状に形成された平板状のフォトダイ
   オードの外周に同心円状に設置された抵抗体に、等角度
   間隔で４の倍数個の出力電極が配置され、前記抵抗体よ
   りフォトダイオード上に等角度間隔で張り出した複数の
   細線状の導電層を放射状に設けて成る位置検出素子を用
   いて、前記フォトダイオードに入射された光スポットの
   位置を検出する位置検出方法において、前記位置検出素
   子の出力電極の中から対向する位置にある１対と、当該
   １対の出力電極に対して９０度の角度をなして対向する
   １対とを選択し、選択された前記各出力電極における前
   記光スポットの入射に基づく電流値を計測して、前記各
   対毎に、計測された前記各出力電極の電流値の差をその
   和で除算し、得られた２つの除算結果に基づいて前記光
   スポットの入射位置を検出することを特徴とする位置検
   出方法。
3. 【請求項３】 円環状に形成された平板状のフォトダイ
   オードの外周に同心円状に設置された抵抗体に、等角度
   間隔で８より大きな４の倍数個の出力電極が配置され、
   前記抵抗体より前記フォトダイオード上に等角度間隔で
   張り出した複数の細線状の導電層を放射状に設けて成る
   位置検出素子を用いて、前記フォトダイオードに入射さ
   れた光スポットの位置を検出する位置検出方法におい
   て、前記位置検出素子の出力電極の中から対向する位置
   にある１対と、当該１対の出力電極に対して９０度の角
   度をなして対向する１対とを選択し、選択された前記各
   出力電極における前記光スポットの入射に基づく電流値
   を計測し、前記各対毎に、計測された前記各出力電極の
   電流値の差をその和で除算して、得られた２つの除算結
   果に基づいて前記光スポットの入射された概略位置を求
   め、当該概略位置に最も近い前記出力電極について、そ
   れを挟む位置に配置された１対の前記出力電極を選択
   し、それら各出力電極における前記光スポットの入射に
   基づく電流値を計測して、当該電流値の差をその和で除
   算し、得られた除算結果に基づいて前記光スポットの入
   射された位置を検出することを特徴とする位置検出方
   法。
4. 【請求項４】 光源からの光を偏向させて、回転角度に
   対応して円環状の軌跡の上を移動する光スポットを形成
   する回転体と、前記回転体の形成する光スポットが円環
   状に形成された平板状のフォトダイオード上を移動する
   ように配置され、前記フォトダイオードの外周に同心円
   状に設置された抵抗体に出力電極が等角度間隔で４の倍
   数個配置され、前記抵抗体より前記フォトダイオード上
   に等角度間隔で放射状に張り出した複数の細線状の導電
   層を有する位置検出素子と、前記位置検出素子の出力電
   極中より互いに９０°の角度をなして対向する２対を選
   択し、前記フォトダイオードへの光スポットの入射によ
   って前記出力電極の各々に生ずる電流値を計測し、その
   計測値に基づいて前記光スポットの入射位置を検出する
   位置検出手段とを備えた光学式ロータリーエンコーダ。