JP5146366B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

光学式エンコーダ Download PDF

Info

Publication number
JP5146366B2
JP5146366B2 JP2009054848A JP2009054848A JP5146366B2 JP 5146366 B2 JP5146366 B2 JP 5146366B2 JP 2009054848 A JP2009054848 A JP 2009054848A JP 2009054848 A JP2009054848 A JP 2009054848A JP 5146366 B2 JP5146366 B2 JP 5146366B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
slit
annular slit
displacement
annular
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2009054848A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2010210316A (ja
JP2010210316A5 (ja
Inventor
吉田　　康
陽介 山口
嚆二 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yaskawa Electric Corp
Original Assignee
Yaskawa Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yaskawa Electric Corp filed Critical Yaskawa Electric Corp
Priority to JP2009054848A priority Critical patent/JP5146366B2/ja
Priority to US12/717,135 priority patent/US8258459B2/en
Priority to CN2010101288075A priority patent/CN101832790B/zh
Priority to KR1020100020278A priority patent/KR20100101532A/ko
Publication of JP2010210316A publication Critical patent/JP2010210316A/ja
Publication of JP2010210316A5 publication Critical patent/JP2010210316A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5146366B2 publication Critical patent/JP5146366B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/3473—Circular or rotary encoders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34776—Absolute encoders with analogue or digital scales
    • G01D5/34792—Absolute encoders with analogue or digital scales with only digital scales or both digital and incremental scales
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34776—Absolute encoders with analogue or digital scales
    • G01D5/34792—Absolute encoders with analogue or digital scales with only digital scales or both digital and incremental scales
    • G01D5/34794—Optical encoders using the Vernier principle, i.e. incorporating two or more tracks having a (n, n+1, ...) relationship
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36—Forming the light into pulses

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Description

本発明は、モータ等回転体の位置決め用センサとして使用される光学式エンコーダに関する。
従来、回転体の回転軸の絶対角度を高分解能で検出するために、回転軸の回転中心に対して偏心した複数の同心円スリットからなり環状スリットの偏心量を検出して、回転軸の絶対角度を検出する光学式エンコーダがあった（例えば、特許文献１参照）。
図４４は、特許文献１記載の従来のエンコーダの平面図、図４５は側面図で、図４４の平面図は図４５の側面図の紙面下側から見た図である。
図４４おいて１１は回転軸、１３は回転ディスク、２５は回転ディスク１３上に形成された複数の同心円スリットからなる環状スリットである。また、１２は環状スリット１３からの透過光または反射光から回転体の回転位置を検出する絶対用検出部で図示しない固定部材に固定されている。
図４５において２１は絶対値用固定スリット、２２は絶対値用受光素子で、絶対値用固定スリット２１と絶対値用受光素子で絶対用検出部１２を構成している。また、１６は環状スリットを照射する絶対値用投光素子で絶対用検出部と同様に固定部材（図示せず）に固定されている。
図４４において、環状スリット２５は半径方向に同一ピッチで径の異なる同心円パターンであり、同心円中心１０１は回転軸の回転中心１００とは異なり偏心している。絶対値用受光素子２２はフォトダイオードやフォトトランジスタ等の光量検出素子である。絶対値用固定スリット２１は、図４６のように環状スリット２５のスリットピッチと同一ピッチの平行パターンで構成され互いに９０度位相の異なるスリット群Ａおよびスリット群Ｂを備えている。
回転軸１１が回転すると、環状スリット２５は回転軸１１に対して偏心して形成されているため、回転軸の回転中心１００から絶対値用検出部２１に対する環状スリット２５の位置１０２までの距離Lは回転角度に応じて変化する。従来、この距離Lを絶対値用検出部２１の検出信号を用いて演算し回転軸１１の回転角度を検出していた。
特願２００７−２２３４９９号公報
図４７は、従来の光学式エンコーダの回転軸の回転角度と環状スリットの状態を示す模式図で、この図を用いて従来技術の課題を説明する。
図４７において、２５ａ、２５ｂ、２５ｃは回転中心１００を原点とし紙面の左右方向をＸ軸、上下方向をＹ軸として回転角と環状スリットの位置の関係を示すもので、２５ａは環状スリットの中心１０１がＸ時軸上にある場合、２５ｂは左周りに回転軸がθ度回転した場合、２５ｃは右回りにθ度回転した場合を示している。なお、環状スリットは複数の等ピッチで形成された同心円スリットパターンから構成されるが、説明を分かりやすくするため１本のみを示している。
図から分かるように右回りにθ度回転した場合と左周りにθ度回転した場合の両者で回転中心１００から絶対値用検出部１２で検出される環状スリット２５の位置１０２までの距離Ｌは同じであることが分かる。
すなわち、特許文献1の光学式エンコーダでは、回転ディスクの０度から１８０度または、１８０度から３６０度（０度）の半回転内でのみ回転角度が算出でき、それ以上回転した場合、０度から１８０度の範囲にあるか、１８０度から３６０度（０度）の範囲にあるかがわからないという問題があった。
また、絶対値検出部１２に相当する検出部を２個所に設け互いに９０度離れた位置に配置し、両検出部で環状スリット２５の位置を検出すれば、両検出部から得られる信号は回転軸の回転角度に対して環状スリットのそれぞれの検出部までの距離に対応する２相の信号が得られるので０から３６０度の絶対値信号が得られる。しかし、両検出部を互いに離れた位置に配置するため小型化できないという問題点があった。
本発明は上記課題を解決し、全周にわたり回転軸の絶対角を高精度に検出することができる小型の光学式エンコーダを提供することにある。
上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
本発明の一の観点による光学式エンコーダは、回転軸に取り付けられ前記回転軸の回転中心に対して偏心して形成された複数の等ピッチの同心円スリットパターンからなる環状スリットを備えた回転ディスクと、固定部材に設けられ、前記環状スリットを照射する光源および前記環状スリットからの透過光または反射光を検出する絶対値用検出部とからなり、前記絶対値用検出部からの検出信号から前記回転軸の絶対回転角度を検出する光学式エンコーダにおいて、前記環状スリットは、互いに異なる方向に偏心した第１の環状スリットと第２の環状スリットを備え、前記絶対値用検出部は、前記第１の環状スリットに対応する第１の検出部と前記第２の環状スリットに対応する第２の検出部を備えたことを特徴としている。
また、このエンコーダは、前記第１の環状スリットと前記第２の環状スリットのスリットピッチが、前記回転ディスクの中心に対するそれぞれの偏心量以上であることを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記第１の検出部は、前記第１の環状スリットと同一ピッチのスリットが形成された第１の固定スリットおよび前記第１の固定スリットからの透過光を検出する第１の受光素子から構成され、前記第２の検出部は、前記第２の環状スリットと同一ピッチのスリットが形成された第２の固定スリットおよび前記第２の固定スリットからの透過光を検出する第２の受光素子から構成されていることを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記第１の検出部は、前記第１の環状スリットと同一ピッチのスリットが形成されたスリットパターン状の受光素子から構成され、前記第２の検出部は、前記第２の環状スリットと同一ピッチのスリットが形成されたスリットパターン状の受光素子から構成されていることを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記回転ディスクは、前記回転ディスクの中心に対して放射状に形成されたインクリメンタルスリットを備え、前記固定部材に、前記インクリメンタルスリットを照射するインクリメンタル用光源をおよび前記インクリメンタルスリットからの透過光または反射光を検出するインクリメンタル用検出部を備えたことを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記環状スリットと前記インクリメンタルスリットを共通の光源で照射することを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記光源は、前記光源からの照射光を制限する光源スリットを備え、前記光源スリットで制限され前記第１環状スリットで反射された光を前記第１の検出部で検出し、前記光源スリットで制限され、前記第２環状スリットで反射された光を前記第２の検出部で検出することを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記回転ディスクは、前記回転ディスクの中心に対して放射状に形成されたインクリメンタルスリットを備え、前記光源は、前記光源からの照射光を制限するインクリメンタル用光源スリットを備え、前記固定部材に、前記光源で照射された前記インクリメンタルスリットからの反射光を検出するインクリメンタル用検出部を備えたことを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記インクリメンタル用検出部から得られる繰り返し信号を内挿した内挿信号で、前記絶対値検出部からの検出信号を元に算出した前記絶対回転角度を補間することを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記第１の環状スリット、前記第２の環状スリットおよび前記インクリメンタルスリットの実質的なスリットピッチが同じであることを特徴としてもよい。
また、本発明の他の観点による光学式エンコーダは、回転軸に取り付けられ前記回転軸の回転中心に対して偏心して形成された複数の等ピッチの同心円スリットパターンからなる環状スリットを備えた回転ディスクと、固定部材に設けられ、前記環状スリットを照射する光源および前記環状スリットからの透過光または反射光を検出する絶対値用検出部とからなり、前記絶対値用検出部からの検出信号から前記回転軸の絶対回転角度を検出する光学式エンコーダにおいて、前記環状スリットは、互いに異なる方向に偏心した第１の環状スリットおよび第２の環状スリットと、前記第１の環状スリットおよび第２の環状スリットと偏心方向または偏心量の少なくともどちらかが前記第１の環状スリットおよび第２の環状スリットと異なるように形成された第３の環状スリットを備え、前記絶対値用検出部は、前記第１乃至第３の環状スリットにそれぞれ対応する第１乃至第３の検出部を備えたことを特徴としている。
また、このエンコーダは、前記第３の環状スリットが、前記回転ディスクの中心に対して偏心なく形成された複数の同心円スリットからなることを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記第１の環状スリット乃至第３の環状スリットの全てのスリットピッチが、前記回転ディスクの中心に対するそれぞれの偏心量以上であることを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記第１乃至第３の検出部は、それぞれ前記第１乃至第３の環状スリットと同一ピッチのスリットが形成された第１乃至第３の固定スリットおよび前記第１乃至第３の固定スリットからの透過光をそれぞれ検出する第１乃至第３の受光素子から構成されていることを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記第１乃至第３の検出部は、それぞれ前記第１乃至第３の環状スリットと同一ピッチのスリットが形成されたスリットパターン状の受光素子から構成されていることを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記回転ディスクは、前記回転ディスクの中心に対して放射状に形成されたインクリメンタルスリットを備え、前記固定部材に、前記インクリメンタルスリットを照射するインクリメンタル用光源をおよび前記インクリメンタルスリットからの透過光または反射光を検出するインクリメンタル用検出部を備えたことを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記環状スリットと前記インクリメンタルスリットを共通の光源で照射することを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記光源は、前記光源からの照射光を制限する光源スリットを備え、前記光源スリットで制限され前記第１乃至第３の環状スリットで反射された光をそれぞれ前記第１乃至第３の検出部で検出することを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記回転ディスクは、前記回転ディスクの中心に対して放射状に形成されたインクリメンタルスリットを備え、前記光源は、前記光源からの照射光を制限するインクリメンタル用光源スリットを備え、前記固定部材に、前記光源で照射された前記インクリメンタルスリットからの反射光を検出するインクリメンタル用検出部を備えたことを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記インクリメンタル用検出部から得られる繰り返し信号を内挿した内挿信号で、前記絶対値検出部からの検出信号を元に算出した前記絶対回転角度を補間することを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記第１乃至第３の環状スリットおよび前記インクリメンタルスリットの実質的なスリットピッチが同じであることを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記第１の検出部からの信号を元に前記第１の環状スリットの前記回転軸の半径方向への変位である第１の変位を算出する第１の変位検出処理部と、前記第２の検出部からの信号を元に前記第２の環状スリットの前記回転軸の半径方向への変位である第２の変位を算出する第２の変位検出処理部と、前記第１の変位と前記第２の変位を元に前記回転ディスクの回転角度を算出する角度検出処理部と、を持つ信号処理装置を備えたことを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記第１の検出部からの信号と前記第２の検出部からの信号を切替える切替え処理部と、前記切替え処理部により前記第１の検出部からの信号が入力された場合には前記第１の変位を、前記切替え処理部により前記第２の検出部からの信号が入力された場合には前記第２の変位を検出する変位検出処理部と、前記第１の変位と前記第２の変位を元に前記回転ディスクの回転角度を算出する角度検出処理部と、を持つ信号処理装置を備えたことを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記第１の変位および前記第２の変位を算出するとともに前記第１の変位および前記第２の変位を元に前記回転ディスクの回転角度とを算出する変位検出処理部と、前記変位検出処理部への入力信号を切替える切替え処理部と、前記変位検出処理部で算出された前記第１の変位および前記第２の変位を記憶する記憶部と、を持つ信号処理装置を備え、前記変位検出処理部は、前記切替え処理部によって前記第１の検出部からの信号が入力された場合、前記第１の変位を算出し、前記第２の検出部からの信号が入力された場合、前記第２の変位を算出し、前記記憶部で記憶された前記第１の変位および前記第２の変位が入力された場合、回転角度を算出することを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記第１の検出部からの信号を元に前記第１の環状スリットの前記回転軸の半径方向への変位である第１の変位を算出する第１の変位検出処理部と、前記第２の検出部からの信号を元に前記第２の環状スリットの前記回転軸の半径方向への変位である第２の変位を算出する第２の変位検出処理部と、前記第３の検出部からの信号を元に前記第３の環状スリットの前記回転軸の半径方向への変位である第３の変位を算出する第３の変位検出処理部と、前記第１の変位乃至第３の変位を元に前記回転ディスクの回転角度を算出する角度検出処理部と、を持つ信号処理装置を備えたことを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記第１乃至第３の検出部からの信号を切替える切替え処理部と、前記切替え処理部により前記第１の検出部からの信号が入力された場合には前記第１の変位を、前記切替え処理部により前記第２の検出部からの信号が入力された場合には前記第２の変位を、前記切替え処理部により前記第３の検出部からの信号が入力された場合には前記第３の変位を検出する変位検出処理部と、前記第１の変位乃至第３の変位を元に前記回転ディスクの回転角度を算出する角度検出処理部と、を持つ信号処理装置を備えたことを特徴としてもよい。
また、このエンコーダは、前記光学式エンコーダは、前記第１乃至第３の変位を算出するとともに前記第１乃至第３の変位を元に前記回転ディスクの回転角度とを算出する変位検出処理部と、前記変位検出処理部への入力信号を切替える切替え処理部と、前記変位検出処理部で算出された前記第１乃至第３の変位を記憶する記憶部と、を持つ信号処理装置を備え、前記変位検出処理部は、前記切替え処理部によって前記第１乃至第３の検出部からの信号が入力された場合、それぞれ前記第１乃至第３の変位を算出し、前記記憶部で記憶された前記第１の変位乃至第３の変位が入力された場合、回転角度を算出することを特徴としてもよい。
また、本発明の他の観点による光学式エンコーダは、回転軸に取り付けられ前記回転軸の回転中心に対して偏心した複数の等ピッチで形成された同心円スリットパターンからなり互いに異なる方向に偏心した第１の環状スリットおよび第２の環状スリットを備えた回転ディスクと、固定部材に設けられ、前記第１の環状スリットおよび前記第２の環状スリットを照射する光源と、固定部材に設けられ、前記第１の環状スリットおよび前記第２の環状スリットからの透過光または反射光を検出する前記第１の検出部および前記第２の検出部を備え、前記絶対値用検出部からの検出信号から前記回転軸の絶対回転角度を検出する光学式エンコーダの信号処理方法において、前記第１の検出部からの信号を元に前記第１の環状スリットの前記回転軸の半径方向への変位である第１の変位を算出し、前記第２の検出部からの信号を元に前記第２の環状スリットの前記回転軸の半径方向への変位である第２の変位を算出し、前記第１の変位と前記第２の変位を元に前記回転ディスクの回転角度を算出することを特徴としている。
また、本発明の他の観点による光学式エンコーダは、回転軸に取り付けられ前記回転軸の回転中心に対して偏心した複数の等ピッチで形成された同心円スリットパターンからなり互いに異なる方向に偏心した第１の環状スリットおよび第２の環状スリットと前記第１の環状スリットおよび第２の環状スリットと偏心方向または偏心量の少なくともどちらかが異なるように形成された第３の環状スリットを備えた回転ディスクと、固定部材に設けられ、前記第１乃至第３の環状スリットを照射する光源と、固定部材に設けられ、前記第１乃至第３の環状スリットからの透過光または反射光を検出する前記第１乃至第３の検出部とを備え、前記第１乃至第３の検出部からの検出信号から前記回転軸の絶対回転角度を検出する光学式エンコーダの信号処理方法において、前記第１の検出部からの信号を元に前記第１の環状スリットの前記回転軸の半径方向への変位である第１の変位を算出し、前記第２の検出部からの信号を元に前記第２の環状スリットの前記回転軸の半径方向への変位である第２の変位を算出し、前記第３の検出部からの信号を元に前記第３の環状スリットの前記回転軸の半径方向への変位である第３の変位を算出し、前記第１の変位乃至第３の変位を元に前記回転ディスクの回転角度を算出することを特徴としている。
本発明の一観点によれば、光学式エンコーダが、回転ディスク上に互いに異なる方向に偏心した第１の環状スリットおよび第２の環状スリットと、固定部材に、第１の環状スリットに対応する第１の検出部および第２の環状スリットに対応する第２の検出部を備えているので、０〜３６０度の全周にわたり回転軸の角度の絶対値を検出することができる。また、光源および第１の検出部と第２の検出部等の光学部品を１カ所に集約して配置できるので、装置を小型にできる。
また、第１の環状スリットと第２の環状スリットのスリットピッチを回転ディスクの中心に対するそれぞれの偏心量以上とすれば、環状スリットの変位量が環状スリットの１ピッチ以内になるので、第１の検出部および第２の検出部からの検出信号で変位量が一義的に定まり、信号処理装置が簡単になる。
また、回転ディスクがインクリメンタルスリット備え、固定部材にインクリメンタル用検出部を備えれば、高分解能の絶対角度信号が得られる。
また、光源が、光源からの照射光を制限する光源スリットを備えれば、回転ディスクと固定スリット間のギャップ変動に強い光学式エンコーダが実現できる。
また、光学式エンコーダが、回転ディスク上に、互いに異なる方向に偏心した第１の環状スリットおよび第２の環状スリットと第１の環状スリットおよび第２の環状スリットと偏心方向または偏心量の少なくともどちらかが異なるように形成された第３の環状スリットを備え、固定部材に、第１乃至第３の環状スリットにそれぞれ対応する第１乃至第３の検出部を備え備えているので、回転ディスクの中心と回転軸の回転中心がずれて取り付いた場合も、０〜３６０度の全周にわたり正確に回転角度を検出することができる。
また、第３の環状スリットを偏心なく形成すれば、簡単な信号処理で、回転ディスクの中心と回転軸の回転中心がずれて取り付いた場合も、０〜３６０度の全周にわたり正確に回転角度を検出することができる。
また、本発明の他の観点によれば、互いに異なる方向に偏心した第１の環状スリットおよび第２の環状スリットとを備えた光学式エンコーダの信号処理方法において、第１および第２の環状スリットの半径方向の変位を算出しこの変位から回転角度を検出しているので、両変位から回転軸の回転角度は一義的に定まり、０〜３６０度の全周にわたり回転軸の角度の絶対値を検出することができる。
また、本発明の更に他の観点によれば、互いに異なる方向に偏心した第１の環状スリットおよび第２の環状スリットと第１の環状スリットおよび第２の環状スリットと偏心方向または偏心量の少なくともどちらかが異なるように形成された第３の環状スリットとを備えた光学式エンコーダの信号処理方法において、第１乃至第３の環状スリットの半径方向の変位を算出しこの変位から回転角度を検出しているので、回転中心がずれて取り付いた場合も、０〜３６０度の全周にわたり正確に回転角度を検出することができる。
本発明の第１実施例を示す光学式エンコーダの平面図である。 第１実施例における光学式エンコーダの側面図である。 第１実施例における環状スリットのパターン例を示す模式図である。 第１実施例における第１の固定スリットの平面図である。 第１実施例における第１の受光素子の平面図である。 第１実施例において回転ディスクが回転したときの回転角度θと距離Ｌ１および距離Ｌ２との関係を示す模式図である。 第１実施例における回転角度θと距離Ｌ１および距離Ｌ２の関係を示す模式図である。 第１実施例における回転角度θと距離L１およびL２の関係を示すグラフである。 第１実施例における光学式エンコーダの信号処理装置の第１の例を示すブロックである。 第１実施例における信号処理のステップを示すフローチャートである。 第１実施例における光学式エンコーダの信号処理装置の第２の例を示すブロック図である。 第１実施例における信号処理のステップを示すフローチャートである。 第１実施例における光学式エンコーダの信号処理装置の第３の例を示すブロック図である。 本実施例における信号処理のステップを示すフローチャートである。 本発明の第２実施例を示す光学式エンコーダの側面図である。 第２実施例における回転ディスクと光源スリットおよびインデックススリットの配置を示す斜視図である。 図１６に光源と受光素子を加えて表示した斜視図である。 回転ディスクの中心が回転中心に対してずれて取り付けられた場合の回転ディスクの状態を示す平面図である。 図１８の位置から回転角度θだけ回転した場合の回転ディスクの状態を示す平面図である。 図１９の要部拡大図である。 本発明の第３実施例を示す光学式エンコーダの平面図である。 第３実施例における光学式エンコーダの側面図である。 第３実施例における環状スリットのパターン例を示す平面図である。 第３実施例において、回転ディスクの中心が回転中心に対してずれて取り付けられた場合の回転ディスクの状態を示す平面図である。 図２４の状態から回転ディスクが回転角度θだけ回転したときの状態を示す平面図である。 図２５の要部拡大図である。 第３実施例における光学式エンコーダの信号処理装置の第１の例を示すブロック図である。 第３実施例における信号処理のステップを示すフローチャートである。 第３実施例における光学式エンコーダの信号処理装置の第２の例を示すブロック図である。 第３実施例における光学式エンコーダの別の信号処理方法のフロー図である。 第３実施例における光学式エンコーダの信号処理装置の第３の例を示すブロック図である。 第３実施例における光学式エンコーダの別の信号処理方法のフロー図である。 本発明の第４実施例を示す光学式エンコーダの側面図である。 第４実施例における光学式エンコーダの構成を示す斜視図で、回転ディスクと光源スリットおよびインデックススリットの配置を示したものである。 図３４に光源と受光素子を加えて表示したものである。 本発明の第５実施例を示す光学式エンコーダの平面図である。 第５実施例における光学式エンコーダの側面図である。 本発明の第６実施例を示す光学式エンコーダの側面図である。 第６実施例における光学式エンコーダの構成を示す斜視図で、回転ディスクと、光源スリット、インクリメンタル用光源スリット、インデックススリット４１およびインクリメンタル用インデックススリットの配置を示したものである。 図３９に光源と受光素子（絶対値用）およびインクリメンタル用受光素子を加えて表示したものである。 本発明の第７実施例を示す光学式エンコーダの側面図である。 第７実施例における光学式エンコーダの構成を示す斜視図で、回転ディスクと光源スリットおよびインデックススリットの配置を示したものである。 図４２に光源と第３の受光素子を加えて表示したものである。 従来の光学式エンコーダの構成を示す平面図である。 従来の光学式エンコーダの構成を示す側面図である。 従来の光学式エンコーダの固定スリットの構成を示す平面図である。 従来の光学式エンコーダの回転軸の回転角度と環状スリットの状態を示す模式図である。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は本発明の第１実施例を示す光学式エンコーダの平面図、図２は側面図である。なお、図１の平面図は図２を紙面下側から見た図である。
図１において１１は回転軸、１３は回転ディスク、２５Ａは回転ディスク１３の回転中心１００に対して偏心した複数の同心円スリットからなる第１の環状スリット、２５Bは回転ディスク１３の中心に対して第１の環状スリット２５Ａとは異なる方向に偏心した複数の同心円スリットからなる第２の環状スリットである。第１の環状スリット２５Ａも第２の環状スリット２５Bも半径方向に同一ピッチで径の異なる同心円スリットパターンで構成されている。
また、１２Ａは第１の検出部、１２Ｂは第２の検出部で、それぞれ第１の環状スリット２５Ａおよび第２の環状スリット２５Bに対応して設けられており、両者は回転ディスク１３の径方向の同一直線軸に近接して配置されている。
図２において、２１A、２２Aはそれぞれ第１の固定スリットおよび第１の受光素子で、第１の固定スリット２１Ａと第１の受光素子２２Ａで第１の検出部１２Ａを構成している。また、２１Ｂ、２２Ｂはそれぞれ第２の固定スリットおよび第２の受光素子で、第２の固定スリット２１Ｂと第１の受光素子２２Ｂで第２の検出部１２Ｂを構成している。
１６は第１の環状スリット２５Ａおよび第２の環状スリット２５Ｂを照射する光源である。なお、光源１６は、第１の環状スリット２５Ａ用と第２の環状スリット２５B用とで独立に素子を設けてもかまわない。
図３は、環状スリットのパターン例を示す模式図である。
図において、第１の環状スリット２５Ａは、回転ディスク１３の中心１０３に対してＸ軸方向に距離ｄ1だけ偏心した点１０１Ａを中心にした半径ｒ1の円を中央にしてΔｒ1ずつ半径の異なる複数(図では５本)の同心円スリットで形成されている。第２の環状スリット２５Bは、回転ディスク１３の中心１０３に対してＹ軸方向に距離ｄ2だけ偏心した点１０１Bを中心にした半径ｒ2の円を中央にしてΔｒ2ずつ半径の異なる複数(図では５本)の同心円スリットで形成されている。そして、回転ディスク１３の中心１０３は、回転軸１１の回転中心１００と一致するように取り付けられている。
図４は第１の固定スリット２１Ａの平面図である。
第１の固定スリット２１Ａは、環状スリットと同一ピッチで複数の平行スリットからなるＡ相のスリット群２１ＡＡと、Ａ相のスリット群２１ＡＡとは開口部の位相が異なるＢ相のスリット群２１ＡＢが形成されている。
また、図５は、第１の受光素子の平面図である。
Ａ相のスリット群、Ｂ相のスリット群に対応して、図５のように第１の受光素子２２ＡもＡ相受光部２２ＡＡとＢ相受光部２２ＡＢの2つに分割されている。図示しないが、同様に、第２の固定スリット２１Ｂも互いに位相の異なるＡ相のスリット群２１ＢＡと、Ｂ相のスリット群２１ＢＢが形成され、第２の受光素子２２ＢはＡ相受光部２２ＢＡとＢ相受光部２２ＢＢの2つに分割されている。
本発明が従来技術と異なる部分は、回転ディスク１３が回転ディスクの中心１０３に対して互いに異なる方向に偏心している２つの環状スリットを備えた部分である。
次に本実施例の動作について説明する。
図６は、回転ディスクが回転したときの回転角度θと、回転中心１００から第１の環状スリット２５Ａの第１の検出部に対する位置１０２Ａまでの距離Ｌ1および第２の環状スリット２５Ｂの第２の検出部に対する位置１０２Ｂまでの距離Ｌ2との関係を示す模式図である。
回転ディスク１３の中心が回転軸１１の回転中心１００と一致した状態で、回転軸１１が回転すると、第１の環状スリット２５Ａは回転ディスク１３の中心１０３に対して偏心して形成されているため、距離Ｌ1は回転軸１１の回転角度θに応じて変化する。同様に、第２の環状スリット２５Ｂは回転ディスク１３の中心１０３に対して偏心して形成されているため、距離Ｌ2は回転軸１１の回転角度θに応じて変化する。
図７は、回転角度θと距離Ｌ１および距離Ｌ２の関係を示す模式図で、図６の要部拡大図である。回転ディスク１３の中心１０３が、回転軸１１の回転中心１００と一致するように取り付けられ、角度θだけ回転したときの状態を考える。第１の環状スリット２５Ａの中心１０１ＡがＸ軸上にあるときを０度として、θだけ回転したときの距離L１は、
Ｌ１＝ｄ１cosθ＋（ｒ１ ２＋ｄ１ ２・sin２θ）１／２ ・・・・・（１）
と表される。
ｄ1がｒ1に比べて、十分小さいときは、
Ｌ１≒ｄ１cosθ＋ｒ１・・・・・（２）
と近似される。
同様に、距離Ｌ2は
Ｌ２＝−ｄ２sinθ＋（ｒ１ ２−ｄ２ ２・sin２θ）１／２ ・・・・・（３）
と表される。
ｄ2がｒ2に比べて、十分小さいときは、
Ｌ２≒−ｄ２sinθ＋ｒ２・・・・・（４）
と近似される。
図８は、回転角度θと距離Ｌ1およびＬ2の関係を示すグラフで、環状スリットの半径が２０mm、環状スリットの偏心量が４０μｍの場合における回転角度θと、距離Ｌ1およびＬ2の関係を示している。
次に、回転角度を検出するための信号処理装置について説明する。
図９は、本実施例における光学式エンコーダの信号処理装置の第１の例を示すブロック図である。
図において、１７０は本実施例における信号処理装置である。１８１および１８２はＡＤ変換素子である。ＡＤ変換素子１８１は、第１の環状スリット２５Ａと第１の固定スリット２１Ａの重なり具合によって生じる第１の受光素子２２ＡのＡ相受光部２２ＡＡとＢ相受光部２２ＡＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をそれぞれＡＤ変換し、ＡＤ変換素子１８２は、第２の環状スリット２５Ｂと第２の固定スリット２１Ｂの重なり具合によって生じる第２の受光素子２２ＢのＡ相受光部２２ＢＡとＢ相受光部２２ＢＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をそれぞれＡＤ変換する。
２０１はＡＤ変換素子１８１でデジタル化された２相の略正弦波信号を元に、第１の環状スリット２５Ａの回転軸の半径方向への変位である第１の変位を算出する第１の変位検出処理部である。２０２はＡＤ変換素子１８２でデジタル化された２相の略正弦波信号を元に、第２の環状スリット２５Ｂの回転軸の半径方向への変位である第２の変位を算出する第２の変位検出処理部である。２１０は、第１の変位検出処理部２０１で算出した第１の変位と第２の変位検出処理部２０２で算出した第２の変位を元に、回転角度を検出する角度検出処理部である。
第１の変位処理部２０１および第２の変位処理部２０２の出力信号から０〜３６０度の全周にわたり任意の回転角度を検出することができる。
なお、上記の変位検出処理および角度検出処理部のアルゴリズムは、特定の方式にとらわれない。一例として、２相の略正弦波信号の一方の信号をＡ、他方の信号をBとして、θ＝tan−1（B／Ａ）を演算して、回転角度θを演算する方式がある。
次に、回転角度を検出するための信号処理のステップについて説明する。
図１０は、信号処理のステップを示すフローチャートである。
１）ステップ１で、第１の環状スリット２５Ａと第１の固定スリット２１Ａの重なり具合によって生じる第１の受光素子２２ＡのＡ相受光部２２ＡＡとＢ相受光部２２ＡＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をＡＤ変換素子１８１でAD変換して、デジタル信号にする。
２）ステップ２で、ステップ１で変換された２つのデジタル信号を元に、第１の変位検出処理部２０１でＬ1を算出する。
３）ステップ３で、第２の環状スリット２５Bと第２の固定スリット２１Bの重なり具合によって生じる第２の受光素子２２BのＡ相受光部２２BＡとＢ相受光部２２BＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をＡＤ変換素子１８２でAD変換して、デジタル信号にする。
４）ステップ４で、ステップ３で変換された２つのデジタル信号を元に、第２の変位検出処理部２０２でＬ2を算出する。
５）ステップ５で、ステップ２とステップ４で得られたＬ1とＬ2を元に、角度検出処理部２１０で回転角度θを求める。
なお、ステップ１とステップ３はどちらから先に行なってもかまわないし、ステップ２とステップ４もどちらから先に行なってもかまわない。また、同時並行的に処理してもかまわない。
次に、本実施例における信号処理装置の別の例について説明する。
図１１は、本実施例における光学式エンコーダの信号処理装置の第２の例を示すブロック図で、第１の例で示した信号処理装置おいて第１の変位検出処理部２０１と第２の変位検出処理部２０２の共通化を図った例である。
図において、１７０は本実施例における信号処理装置である。
２００は変位検出処理部である。変位検出処理部２００の前段に切替えスイッチ１８０が設けられている。切替えスイッチ１８０によって変位検出処理部２００にＡＤ変換素子１８１からの信号を入力する場合と、ＡＤ変換素子１８２からの信号を入力する場合が切替えて選択される。
変位検出処理部２００の後段に記憶部１９０が設けられ、記憶部１９０には、変位検出処理部にＡＤ変換素子１８１からの信号を入力した場合のＬ1の算出結果、および、ＡＤ変換素子１８２からの信号を入力した場合のＬ2の算出結果が記憶される。
２１０は、第１の変位検出処理部２０１で算出、または一旦記憶部１９０に記憶した第１の変位と、第２の変位検出処理部２０２で算出、または一旦記憶部１９０に記憶した第２の変位を元に、内挿分割処理をおこなうことにより回転角度を検出する角度検出処理部である。
次に、回転角度を検出するための信号処理のステップについて説明する。
図１２は、信号処理のステップを示すフローチャートである。
１）ステップ１で、第１の環状スリット２５Ａと第１の固定スリット２１Ａの重なり具合によって生じる第１の受光素子２２ＡのＡ相受光部２２ＡＡとＢ相受光部２２ＡＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をＡＤ変換素子１８１でAD変換して、デジタル信号にする。
２）ステップ２で、第２の環状スリット２５Bと第２の固定スリット２１Bの重なり具合によって生じる第２の受光素子２２BのＡ相受光部２２BＡとＢ相受光部２２BＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をＡＤ変換素子１８２でAD変換して、デジタル信号にする。
３）ステップ３で、上位からの切替え信号に応じて、切替えスイッチ１８０がステップ１で変換された２つのデジタル信号を変位検出処理部２００の入力を選択すると、変位検出処理部２００でＬ1を算出し、記憶部１９０に記憶する。
４）ステップ４で、上位からの切替え信号に応じて、切替えスイッチ１８０がステップ２で変換された２つのデジタル信号を変位検出処理部２００の入力を選択すると、変位検出処理部２００でＬ2を算出し、記憶部１９０に記憶する。
５）ステップ５で、ステップ３とステップ４で記憶したＬ1とＬ2を元に、角度検出処理部２０３で回転角度θを求める。
なお、ステップ１とステップ２は、どちらから先に行なってもかまわないし、同時並行的に処理してもかまわない。
次に、本実施例における信号処理装置のさらに別の例について説明する。
図１３は、本実施例における光学式エンコーダの信号処理装置の第３の例を示すブロック図で、第１の例で示した信号処理装置の変位検出処理部２００と角度検出処理部２１０の共通化を図った例である。
図において、１７０は本実施例における信号処理装置である。
２００は変位検出処理部である。変位検出処理部２００の前段に切替えスイッチ１８０が設けられている。切替えスイッチ１８０によって変位検出処理部に、第１の環状スリット２５Ａと第１の固定スリット２１Ａの重なり具合によって生じる第１の受光素子２２ＡのＡ相受光部２２ＡＡとＢ相受光部２２ＡＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をＡＤ変換素子１８１でデジタル化した信号を入力する場合と、第２の環状スリット２５Bと第２の固定スリット２１Bの重なり具合によって生じる第２の受光素子２２BのＡ相受光部２２BＡとＢ相受光部２２BＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をＡＤ変換素子１８２でデジタル化した信号を入力する場合と、先の2つの場合のそれぞれの算出結果であるＬ1とＬ2が入力される場合の３つの場合が切替えて選択される。
変位検出処理部２００の後段に記憶部１９０が設けられている。記憶部１９０には、変位検出処理部にＡＤ変換素子１８１でデジタル化した信号を入力した場合のＬ1の算出結果と、ＡＤ変換素子１８２でデジタル化した信号を入力した場合のＬ2の算出結果が記憶される。
次に、回転角度を検出するための信号処理のステップについて説明する。
図１４は、本実施例における信号処理のステップを示すフローチャートである。
１）ステップ１で、第１の環状スリット２５Ａと第１の固定スリット２１Ａの重なり具合によって生じる第１の受光素子２２ＡのＡ相受光部２２ＡＡとＢ相受光部２２ＡＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をＡＤ変換素子１８１でAD変換して、デジタル信号にする。
２）ステップ２で、第２の環状スリット２５Bと第２の固定スリット２１Bの重なり具合によって生じる第２の受光素子２２BのＡ相受光部２２BＡとＢ相受光部２２BＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をＡＤ変換素子１８２でAD変換して、デジタル信号にする。
３）ステップ３で、上位からの切替え信号に応じて、切替えスイッチ１８０がステップ１で変換された２つのデジタル信号を変位検出処理部２００の入力を選択すると、変位検出処理部２００でＬ1を算出し、記憶部１９０に記憶する。
４）ステップ４で、上位からの切替え信号に応じて、切替えスイッチ１８０がステップ２で変換された２つのデジタル信号を変位検出処理部２００の入力を選択すると、変位検出処理部２００でＬ2を算出し、記憶部１９０に記憶する。
５）ステップ５で、上位からの切替え信号に応じて、切替えスイッチ１８０がステップ３とステップ４で記憶したＬ1とＬ2を変位検出処理部２００の入力に選択すると、変位検出処理部２００で回転角度θを求める。
なお、ステップ１、ステップ２は、どれから先に行なってもかまわないし、同時並行的に処理してもかまわない。
また、特に第１の環状スリット２５Ａと第１の固定スリット２１Ａおよび第２の環状スリット２５Bと第２の固定スリット２１Ｂのスリットピッチをそれぞれの環状スリットの偏心量より大きく設定することにより、回転ディスク１３の０度から３６０度の回転で、第１の環状スリット２５Ａと第１の固定スリット２１Ａの開口部の位置関係および第２の環状スリット２５Bと第２の固定スリット２１Ｂの開口部の位置関係は、一義的に定まり、環状スリット２５の変位から回転角度の絶対値が算出できる。例えば、前記環状スリット２５の回転軸に対する偏心量を40μｍとすると、前記環状スリット２５と第１の固定スリット２１Ａおよび第２の固定スリット２１Ｂのスリットピッチを50μｍにすればよい。
このように、本実施例では回転ディスクの中心に対して偏心した複数の同心円スリットからなる第１の環状スリットと、第１の環状スリットとは異なる方向に偏心した複数の同心円スリットからなる第２の環状スリットを回転ディスク上に形成したので、０〜３６０度の全周にわたり任意の回転角度が検出できるとともに、第１の検出部と第２の検出部を近接した位置に配置できるので小形の光学式エンコーダが実現できる。
図１５は本発明の第２実施例を示す光学式エンコーダの側面図である。
第１の実施例との主な違いは、3格子原理を適用した反射形の光学系の構成となっている点である。
４０は光源１６の前に設置された光源スリットであり、光源スリット４０と第１の環状スリット２５Ａと第１のインデックススリット４１Ａで３格子を形成している。同様に、光源スリット４０と第２の環状スリット２５Ｂと第２のインデックススリット４１Ｂでも３格子を形成している。
このように、本発明では環状スリットに複数の等ピッチで形成された同心円スリットを用いているので、等ピッチで形成した固定スリットと等ピッチで形成した光源スリットとを組み合わせて、3格子光学系を適用した光学式エンコーダが実現できる。
具体的な構成を図１６および図１７の斜視図を用いて説明する。
図１６は回転ディスク１３と光源スリット４０およびインデックススリット４１の配置を示したものである。図１７は、図１６に光源１６と受光素子２２を加えて表示したものである。
第１の環状スリット変位の方向を検出するために、第１のインデックススリット４１Ａは、図１６のように位相をずらしたＡ相スリット４１ＡＡとＢ相スリット４１ＡＢで構成されている。それに対応して、第１の受光素子２２Ａも、図１７のようにＡ相受光部２２ＡＡとＢ相受光部２２ＡＢに分割されている。同様に、第２のインデックススリット４１Ｂも、位相をずらしたＡ相スリット４１ＢＡとＢ相スリット４１ＢＢで形成され、第２の受光素子２２ＢもＡ相受光部２２ＢＡとＢ相受光部２２ＢＢに分割されている。
なお、光源スリット４０と、第１のインデックススリットのＡ相スリット４１ＡＡとＢ相スリット４１ＡＢと、第２のインデックススリットのＡ相スリット４１ＢＡとＢ相スリット４１ＢＢは、４００で示した同一基板上に形成することが可能である。また、インデックススリットを光源スリット４０と同一基板上に形成せず、環状スリットと同一ピッチのスリットが形成されたスリットパターン状の受光素子を用いることによって、インデックススリットを省略することもできる。
また、第１の環状スリット２５Ａと第２の環状スリット２５Ｂは、光源１６からの光が照射され検出に寄与する部分は、局所的に直線と見なされるので、光源スリットとインデックススリットの形状はともにリニア形状で作成することができる。
つぎに、動作について説明する。
３格子原理により、光源１６から照射され光源スリット４０を通過して第1の環状スリット２５Ａで反射した光により第１のインデックススリット４１Ａ上に干渉縞が生じる。
第１の環状スリット２５Ａは回転ディスク１３の中心１０３に対して偏心して形成されているため、回転軸１１が回転すると、光源１６からの光が照射される位置にある第１の環状スリット２５Ａの部分と回転軸１１の回転中心１００の間の距離Ｌ1は回転軸１１の回転角度に応じて変化する。そのため、インデックススリット４１Ａ上に生じる干渉縞の像も追従して変化する。したがって、この干渉縞の像と第１のインデックススリット４１Ａの開口部の相関を第１の受光素子２２Ａで検出することによりＬ1が検出できる。同様に、光源１６からの光が照射される位置にある第２の環状スリット２５ＢのＬ2も検出することができる。このＬ1とＬ2の値を用いることで、実施例１と同様に０〜３６０度の全周にわたり任意の回転角度を検出することができる。
このように、本実施例では３格子原理を適用した光学系を用いているので、第１実施例の効果に加えて、回転ディスクと固定スリット間のギャップ変動に強い光学式エンコーダが実現できる。なお、３格子原理を適用した光学系がギャップ変動に強いことは公知である。
第１実施例では、回転ディスク１３の中心１０３が回転軸１１の回転中心１００と一致するように精度よく取り付けられた場合について説明したが、回転ディスク１３の取り付け精度が悪いと回転ディスク１３の中心１０３は回転軸１１の回転中心１００からずれてしまう。第３実施例を示す前に先ず、回転ディスク１３の取り付け精度が悪い場合の問題点について図１８を用いて説明する。
図１８は、回転ディスクの中心が回転中心に対してずれて取り付けられた場合の回転ディスクの状態を示す平面図で、回転ディスク１３の中心１０３と回転軸１１の回転中心１００がＸ方向にΔx、Ｙ方向にΔｙずれて取り付けられた場合の状態を示している。また、図１９は、図１８の位置から回転角度θだけ回転した場合の回転ディスクの状態を示す平面図、図２０は図１９の要部拡大図である。
図２０において、回転中心１００から第１の固定スリット２１Ａに対応する検出部の環状スリット２５Ａの間の距離Ｌ1は、図のように
Ｌ１＝（Δｘ＋ｄ１）cosθ−Δｙsinθ＋（ｒ１ ２−ｄ１ ２・sin２θ）１／２ ・・・（５）
と表される。
ｄ１がｒ１に比べて、十分小さいときは、
Ｌ１≒（Δｘ＋ｄ１）cosθ−Δｙsinθ＋ｒ１・・・・・（６）
と近似される。
同様に、回転中心１００から第２の固定スリット２１Ｂに対応する検出部の環状スリット２５Ｂの間の距離Ｌ2は、図のように
Ｌ２＝Δｘcosθ−（Δｙ＋ｄ２）sinθ＋（ｒ２ ２−ｄ２ ２・sin２θ）１／２ ・・・（７）
と表される。
ｄ２がｒ２に比べて、十分小さいときは、
Ｌ２≒Δｘcosθ−（Δｙ＋ｄ２）sinθ＋ｒ２・・・・・（８）
と近似される。
（６）式を（２）式と比較すると、回転ディスク１３の中心１０３と回転軸１１の回転中心１００のＸ方向へのずれΔxによってＬ１の振幅が変化し、Y方向へのずれΔyによってＬ１の位相が変化することがわかる。同様に、（８）式を（４）式と比較すると、回転ディスク１３の中心１０３と回転軸１１の回転中心１００のＸ方向へのずれΔxによってＬ２の振幅が変化し、Y方向へのずれΔyによってＬ２の位相が変化することがわかる。
例えば、Δx＝−d１、Δy＝０の場合、
Ｌ１≒ｒ１・・・・・（９）
となり、回転ディスク１３が回転しても、距離Ｌ１は変化しないことになってしまう。
このように、第１実施例のエンコーダにおいては、回転ディスク１３の取り付け精度が悪いと、回転ディスク１３の中心１０３と回転軸１１の回転中心１００がずれてしまい、
第１の固定スリット２１Ａに対応する検出部の環状スリット２５Ａの間の距離Ｌ1、または環状スリット２５Ｂの間の距離Ｌ2が正確に検出できないことがあった。
図２１は、本発明の第３実施例を示す光学式エンコーダの平面図、図２２は側面図である。本実施例は上記の問題を解決できるものである。なお、図２１の平面図は、図２２を紙面下側から見た図である。
第１実施例のエンコーダと同一の構成部品は同一番号を付し説明を省略する。
図２１において、２５Cは同心円の中心が回転ディスクの中心になるように形成された第３の環状スリット、１２ｃは第３の環状スリット２５Cに対応して、固定部材（図示せず）に設けられた第３の検出部である。
図２２において、２１C、２２Cは、それぞれ第３の固定スリットおよび第３の受光素子で、第３の検出部１２ｃは第３の固定スリット２１ｃおよび第３の受光素子２２ｃで構成されている。
本実施例が第１実施例と異なる点は、回転ディスク上に第３の環状スリットを形成し、それに対応する光学系である第３の固定スリットおよび第３の受光素子を付加した点である。
第３の固定スリット２１Cは互いに位相の異なるＡ相のスリット群２１CＡと、Ｂ相のスリット群２１CＢが形成され、第３の受光素子２２CはＡ相受光部２２CＡとＢ相受光部２２CＢの2つに分割されている。
ここで、第３の固定スリット２１Cと第３の受光素子２２Cは、一体的に構成してもかまわない。また、光源１６は、第１の環状スリット２５Ａ用と、第２の環状スリット２５Ｂ用と、第３の環状スリット２５Ｃ用に、それぞれ別々の素子を用いてもかまわない。
図２３は、環状スリットのパターン例を示す平面図で、回転ディスク１３上に形成された第１の環状スリット２５Ａと第２の環状スリット２５Ｂと第３の環状スリット２５Cの形成パターン例を示す。
第１の環状スリット２５Ａは、回転ディスク１３の中心１０３に対してX軸方向に距離ｄ1だけ偏心した点１０１Ａを中心にした半径ｒ1の円を中央としてΔｒ1ずつ半径の異なる複数(図では５本)の同心円スリットで形成されている。第２の環状スリット２５Bは、回転ディスク１３の中心１０３に対してY軸方向に距離ｄ2だけ偏心した点１０１Bを中心にした半径ｒ2の円を中央としてΔｒ2ずつ半径の異なる複数(図では５本)の同心円スリットで形成されている。第３の環状スリット２５Cは、回転ディスク１３の中心１０３を中心にした半径ｒ0の円を中央としてΔｒ0ずつ半径の異なる複数(図では５本)の同心円スリットで形成されている。
ここで、図１８で示したと同様に取り付け誤差により、回転ディスク１３の中心１０３と回転軸１１の回転中心１００がＸ方向にΔx、Ｙ方向にΔyずれて、回転ディスク１３が取り付けられた場合を考える。
図２４は、回転ディスクの中心が回転中心に対してずれて取り付けられた場合の回転ディスクの状態を示す平面図で、図２５は、図２４の状態から回転ディスクが回転角度θだけ回転したときの状態を示す平面図である。また、図２６は、図２５の要部拡大図である。
上記で述べたように回転中心１００から第１の固定スリット２１Ａに対応する検出部の環状スリット２５Ａの間の距離Ｌ1は（６）式、回転中心１００から第２の固定スリット２１Ｂに対応する検出部の環状スリット２５Ｂの間の距離Ｌ2は（８）式で表される。
一方、図２６から回転中心１００から第３の固定スリット２１Cに対応する検出部の環状スリット２５Cの間の距離Ｌ0は、
Ｌ0＝Δｘcosθ−Δｙsinθ＋ｒ０・・・・・・（９）
で表される。
（６）−（９）より、
Ｌ1−Ｌ0≒ｄ１cosθ＋ｒ１−ｒ０・・・・・（１０）
（８）−（９）より、
Ｌ2−Ｌ0≒ｄ２sinθ＋ｒ２−ｒ０・・・・・（１１）
なる関係が導かれる。
上記（１０）式、（１１）式中には、回転ディスク１３の中心１０３と回転軸１１の回転中心１００のずれによるΔxとΔyの項が消去されている。このように、Ｌ2−Ｌ0と、Ｌ2−Ｌ0の値は、取り付け誤差によらず０〜３６０度の回転角度に対して、位相の異なる正弦波状の変化を示す。したがって、3つの環状スリットから得られたＬ2−Ｌ0と、Ｌ2−Ｌ0の値を用いることで、回転角度との関係を一対一に対応させることができ０〜３６０度の全周にわたり任意の回転角度を検出することができる。
なお、このＬ1の値は、第１の環状スリット２５Ａと第１の固定スリット２１Ａの重なり具合によって生じる第１の受光素子２２ＡのＡ相受光部２２ＡＡとＢ相受光部２２ＡＢからの２相の信号を元に、内挿信号処理をおこなうことにより算出できる。また、Ｌ2の値は、第２の環状スリット２５Bと第２の固定スリット２１Bの重なり具合によって生じる第２の受光素子２２BのＡ相受光部２２BＡとＢ相受光部２２BＢからの２相の信号を元に、内挿信号処理をおこなうことにより算出できる。
さらに、Ｌ0の値は、第３の環状スリット２５Cと第３の固定スリット２１Cの重なり具合によって生じる第３の受光素子２２CのＡ相受光部２２CＡとＢ相受光部２２CＢからの２相の信号を元に、内挿信号処理をおこなうことにより算出できる。
得られたＬ1、Ｌ2、Ｌ0の信号を元に、Ｌ1―Ｌ0、Ｌ2−Ｌ0の演算を行ない、これら2つの信号Ｌ1―Ｌ0、Ｌ2−Ｌ0を元に、さらに内挿信号処理を用いることにより、回転角度が算出できる。
次に、回転角度を検出するための信号処理装置について説明する。
図２７は、本実施例における光学式エンコーダの信号処理装置の第１の例を示すブロック図である。
図において、１７０は信号処理装置である。
１８１および１８２は、それぞれ第１の受光素子２２Ａおよびか第２の受光素子２２Ｂかららの２相の略正弦波信号をＡＤ変換するＡＤ変換素子である。
また、１８３は、第３の環状スリット２５Ｃと第２の固定スリット２１Ｃの重なり具合によって生じる第３の受光素子２２ＣのＡ相受光部２２ＣＡとＢ相受光部２２ＣＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をそれぞれアナログ・デジタル変換するＡＤ変換素子である。２０３はＡＤ変換素子１８３でデジタル化された２相の略正弦波信号を元に、内挿分割処理をおこなうことによりＬ0を算出する第３の変位検出処理部である。
２４１は第１の変位検出処理部２０１で算出したＬ1と第３の変位検出処理部２０３で算出したＬ0との差Ｌ1―Ｌ0を求める減算器、２４２は第２の変位検出処理部２０２と第３の変位検出処理部２０３で算出したＬ0との差Ｌ2―Ｌ0を求める減算器である。そして、２１０は差Ｌ1―Ｌ0と差Ｌ2―Ｌ0を元に回転角度を検出する角度検出処理部である。
なお、上記の変位検出処理および角度検出処理部のアルゴリズムは、特定の方式にとらわれない。簡単な一例として、一方の信号をA、他方の信号をBとして、θ＝tan-1(B/A)を演算して、回転角度θを演算する方式も取りうる。
回転角度を検出するための信号処理の流れを図２８に示す。
１）ステップ１で、第１の環状スリット２５Ａと第１の固定スリット２１Ａの重なり具合によって生じる第１の受光素子２２ＡのＡ相受光部２２ＡＡとＢ相受光部２２ＡＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をＡＤ変換素子１８１でAD変換して、デジタル信号にする。
２）ステップ２で、ステップ１で変換された２つのデジタル信号を元に、第１の変位検出処理部２０１でＬ1を算出する。
３）ステップ３で、第２の環状スリット２５Bと第２の固定スリット２１Bの重なり具合によって生じる第２の受光素子２２BのＡ相受光部２２BＡとＢ相受光部２２BＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をＡＤ変換素子１８２でＡD変換して、デジタル信号にする。
４）ステップ４で、ステップ３で変換された２つのデジタル信号を元に、第２の変位検出処理部２０２でＬ2を算出する。
５）ステップ５で、第３の環状スリット２５Ｃと第３の固定スリット２１Ｃの重なり具合によって生じる第３の受光素子２２ＣのＡ相受光部２２ＣＡとＢ相受光部２２ＣＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をＡＤ変換素子１８３でAD変換して、デジタル信号にする。
６）ステップ６で、ステップ５で変換された２つのデジタル信号を元に、第３の変位検出処理部２０３でＬ0を算出する。
７）ステップ７で、ステップ２およびステップ６で得られたＬ1、Ｌ0から、減算器２４１で差Ｌ1―Ｌ0を演算する。
８）ステップ８で、ステップ４およびステップ６で得られたＬ2、Ｌ0から、減算器２４２で差Ｌ2―Ｌ0を演算する。
９）ステップ９で、ステップ７およびステップ８で得られた差（Ｌ1―Ｌ0）と差（Ｌ2―Ｌ0）を元に、角度検出処理部２１０で回転角度θを求める。
なお、ステップ１、２とステップ３、４とステップ５、６は、どれから先に行なってもかまわないし、同時並行的に処理してもかまわない。
次に、本実施例における信号処理装置の別の例について説明する。
図２９は、本実施例における光学式エンコーダの信号処理装置の第２の例を示すブロック図で、第１の例で示した信号処理装置の変位検出処理部の共通化を図った例である。
図において、１７０は信号処理装置である。
２００は変位検出処理部である。変位検出処理部２００の前段に切替えスイッチ１８０が設けられている。切替えスイッチ１８０によって変位検出処理部に、ＡＤ変換素子１８１からの信号を入力する場合と、ＡＤ変換素子１８２からの信号を入力する場合と、ＡＤ変換素子１８３からの信号を入力する場合が切替えて選択される。
変位検出処理部２００の後段に記憶部１９０が設けられている。記憶部１９０には、変位検出処理部にＡＤ変換素子１８１でデジタル化した信号を入力した場合のＬ1の算出結果、ＡＤ変換素子１８２でデジタル化した信号を入力した場合のＬ2の算出結果、ＡＤ変換素子１８３でデジタル化した信号を入力した場合のＬ0の算出結果が記憶される。
２４１は記憶部１９０に記憶したＬ1と記憶部１９０に記憶したＬ0との差Ｌ1―Ｌ0を求める減算器、２４２は記憶部１９０に記憶したＬ2と記憶部１９０に記憶したＬ0との差Ｌ2―Ｌ0を求める減算器である。２１０は差Ｌ1―Ｌ0と差Ｌ2―Ｌ0を元に回転角度を検出する角度検出処理部である。
回転角度を検出するための信号処理の流れを図３０に示す。
１）ステップ１で、第１の環状スリット２５Ａと第１の固定スリット２１Ａの重なり具合によって生じる第１の受光素子２２ＡのＡ相受光部２２ＡＡとＢ相受光部２２ＡＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をＡＤ変換素子１８１でAD変換して、デジタル信号にする。
２）ステップ２で、第２の環状スリット２５Bと第２の固定スリット２１Bの重なり具合によって生じる第２の受光素子２２BのＡ相受光部２２BＡとＢ相受光部２２BＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をＡＤ変換素子１８２でAD変換して、デジタル信号にする。
３）ステップ３で、第３の環状スリット２５Ｃと第３の固定スリット２１Ｃの重なり具合によって生じる第３の受光素子２２ＣのＡ相受光部２２ＣＡとＢ相受光部２２ＣＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をＡＤ変換素子１８３でAD変換して、デジタル信号にする。
４）ステップ４で、上位からの切替え信号に応じて、切替えスイッチ１８０がステップ１で変換された２つのデジタル信号を変位検出処理部２００の入力に選択すると、変位検出処理部２００でＬ1を算出し、記憶部１９０に記憶する。
５）ステップ５で、上位からの切替え信号に応じて、切替えスイッチ１８０がステップ２で変換された２つのデジタル信号を変位検出処理部２００の入力に選択すると、変位検出処理部２００でＬ2を算出し、記憶部１９０に記憶する。
６）ステップ６で、上位からの切替え信号に応じて、切替えスイッチ１８０がステップ３で変換された２つのデジタル信号を変位検出処理部２００の入力に選択すると、変位検出処理部２００でＬ0を算出し、記憶部１９０に記憶する。
７）ステップ７で、ステップ４およびステップ６で記録したＬ1、Ｌ0から、減算器２４１で差Ｌ1―Ｌ0を演算する。
８）ステップ８で、ステップ５およびステップ６で記録したＬ2、Ｌ0から、減算器２４２で差Ｌ2―Ｌ0を演算する。
９）ステップ９で、上位からの切替え信号に応じて、切替えスイッチ１８０がステップ７とステップ８で演算した差（Ｌ1―Ｌ0）と差（Ｌ2―Ｌ0）を変位検出処理部２１０の入力に選択すると、変位検出処理部２１０で回転角度θを求める。
なお、ステップ１〜３は、どれから先に行なってもかまわないし、同時並行的に処理してもかまわない。
次に、本実施例における信号処理装置のさらに別の例について説明する。
図３１は、本実施例における光学式エンコーダの信号処理装置の第３の例を示すブロック図で、第１の例で示した信号処理装置の変位検出処理部と角度検出処理部の共通化を図った例である。
図において、１７０は信号処理装置である。
２００は変位検出処理部である。変位検出処理部２００の前段に切替えスイッチ１８０が設けられている。切替えスイッチ１８０によって変位検出処理部に、ＡＤ変換素子１８１からの信号を入力する場合と、ＡＤ変換素子１８２からの信号を入力する場合と、ＡＤ変換素子１８３からの信号を入力する場合と、先の３つの場合の算出結果の差であるＬ1―Ｌ0とＬ2―Ｌ0が入力される場合の４つの場合が切替えて選択される。
変位検出処理部２００の後段に記憶部１９０が設けられている。記憶部１９０には、変位検出処理部にＡＤ変換素子１８１でデジタル化した信号を入力した場合のＬ1の算出結果と、ＡＤ変換素子１８２でデジタル化した信号を入力した場合のＬ2の算出結果と、ＡＤ変換素子１８３でデジタル化した信号を入力した場合のＬ0の算出結果が記憶される。
次に、回転角度を検出するための信号処理のステップについて説明する。
図３２は、本実施例における信号処理のステップを示すフローチャートである。
１）ステップ１で、第１の環状スリット２５Ａと第１の固定スリット２１Ａの重なり具合によって生じる第１の受光素子２２ＡのＡ相受光部２２ＡＡとＢ相受光部２２ＡＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をＡＤ変換素子１８１でAD変換して、デジタル信号にする。
２）ステップ２で、第２の環状スリット２５Bと第２の固定スリット２１Bの重なり具合によって生じる第２の受光素子２２BのＡ相受光部２２BＡとＢ相受光部２２BＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をＡＤ変換素子１８２でAD変換して、デジタル信号にする。
３）ステップ３で、第３の環状スリット２５Ｃと第３の固定スリット２１Ｃの重なり具合によって生じる第３の受光素子２２ＣのＡ相受光部２２ＣＡとＢ相受光部２２ＣＢからの位相の異なる２相の略正弦波信号をＡＤ変換素子１８３でAD変換して、デジタル信号にする。
４）ステップ４で、上位からの切替え信号に応じて、切替えスイッチ１８０がステップ１で変換された２つのデジタル信号を変位検出処理部２００の入力に選択すると、変位検出処理部２００でＬ1を算出し、記憶部１９０に記憶する。
５）ステップ５で、上位からの切替え信号に応じて、切替えスイッチ１８０がステップ２で変換された２つのデジタル信号を変位検出処理部２００の入力に選択すると、変位検出処理部２００でＬ2を算出し、記憶部１９０に記憶する。
６）ステップ６で、上位からの切替え信号に応じて、切替えスイッチ１８０がステップ３で変換された２つのデジタル信号を変位検出処理部２００の入力に選択すると、変位検出処理部２００でＬ0を算出し、記憶部１９０に記憶する。
７）ステップ７で、ステップ４およびステップ６で記録したＬ1、Ｌ0から、減算器２４１で差Ｌ1―Ｌ0を演算する。
８）ステップ８で、ステップ５およびステップ６で記録したＬ2、Ｌ0から、減算器２４２で差Ｌ2―Ｌ0を演算する。
９）ステップ９で、上位からの切替え信号に応じて、切替えスイッチ１８０がステップ７とステップ８で演算した差Ｌ1―Ｌ0と差Ｌ2―Ｌ0を変位検出処理部２００の入力に選択すると、変位検出処理部２００で回転角度θを求める。
なお、ステップ１〜３は、どれから先に行なってもかまわないし、同時並行的に処理してもかまわない。
上記のように、本実施例の発明によれば、回転ディスクの中心と回転軸の回転中心がずれて取り付いた場合も、０〜３６０度の全周にわたり正確に回転角度を検出することができる。
図３３は本発明の第４実施例を示す光学式エンコーダの側面図である。
４０は光源１６の前に設置された光源スリットである。光源スリット４０と第３の環状スリット２５Ｃと第３のインデックススリット４１Ｃで３格子を形成している。
本実施例が第３実施例と異なる点は、光源スリット４０を備え３格子光学系による反射型の光学式エンコーダを構成した点である。また、第２実施例と比較すると第３の環状スリットとそれに対応する光学系、第３のインデックススリット４１Ｃおよび第３の受光素子２２Ｃを付加した構成となっている。
具体的な構成を図３４および図３５の斜視図を用いて説明する。
図３４は本実施例の光学式エンコーダの構成を示す斜視図で、回転ディスク１３と光源スリット４０およびインデックススリット４１の配置を示したものである。また、図３５は、図３４に光源１６と受光素子２２を加えて表示したものである。
このように、本実施例では、第３の環状スリットとそれに対応する光学系を付加するとともに３格子光学系による反射型の光学式を用いているので、０〜３６０度の全周にわたり正確に回転角度を検出できるとともに、ギャップが変動しても安定したセンサ信号を得ることができる光学式エンコーダが実現できる。さらに、全ての光源、固定スリット、受光素子等の光学部品を１カ所に集約して配置すれば、装置を小型にできる。
図３６は、本発明の第５実施例を示す光学式エンコーダの平面図、図３７は側面図である。なお、図３６の平面図は図３７を紙面下側から見た図である。第１実施例のエンコーダと同一の構成部品は同一番号を付し説明を省略する。
図３６において、３５は回転中心に対して放射状のインクリメンタルスリット、１４はインクリメンタル用検出部である。また、図３７において、３６はインクリメンタル用光源、３２はインクリメンタル用受光素子、３１はインクリメンタル用固定スリットである。インクリメンタル用検出部１４は、インクリメンタル用固定スリット３１およびインクリメンタル用受光素子３２から構成されている。
本実施例が第１実施例と異なる点は、回転ディスク上にインクリメンタルスリット３５を形成し、それに対応する光学系であるインクリメンタル光源３６、インクリメンタル受光素子３２およびインクリメンタル固定スリット３１を付加した点である。
図示しないが、回転角の絶対値および回転方向の検出のために、インクリメンタル用固定スリット３１は、互いに位相の異なる２相のスリット群から構成され、それぞれのスリット群に対してインクリメンタル用受光素子３２が設けられている。なお、インクリメンタル用光源３６を前記光源１６とは別に設けたが小型化するために１つの光源で兼用することもできる。
次に本実施例の動作について説明する。
回転軸１１が回転すると、各インクリメンタル用受光素子３２は回転角度に応じた正弦波状の信号を出力する。この正弦波状のインクリメンタル信号の１ピッチ内を図示しない演算装置で内挿分割処理し、実施例１で示した環状スリット２５Ａおよび環状スリット２５Ｂから得られる絶対角度信号を用いて角ピッチからの内挿信号をつなぎ合わせることにより高分解能の絶対角度信号を得ている。
環状スリット２５Ａおよび環状スリット２５Ｂから得られる絶対角度信号は、インクリメンタル信号の１周期を特定できるだけの分解能があればよく、エンコーダ全体の分解能は、インクリメンタル信号の内挿分割による分解能に依存するため、非常に高い分解能を得ることができる。
図３８は本発明の第６実施例を示す光学式エンコーダの側面図である。
第５の実施例との主な違いは、3格子原理を適用した反射形の光学系の構成となっている点である。
光源１６の前には、光源スリット４０（絶対値用）とインクリメンタル用光源スリット５０が設けられている。光源スリット４０と第１の環状スリット２５Ａと第１のインデックススリット４１Ａで３格子を形成するとともに、光源スリット４０と第２の環状スリット２５Ｂと第２のインデックススリット４１Ｂでも３格子を形成している。さらに、インクリメンタル用光源スリット５０とインクリメンタルスリット３５とインクリメンタル用インデックススリット５１で３格子を形成している。
具体的な構成を図３９および図４０の斜視図を用いて説明する。
図３９は回転ディスク１３と、光源スリット４０、インクリメンタル用光源スリット５０、インデックススリット４１およびインクリメンタル用インデックススリット５１の配置を示したものである。
図４０は、図３９に光源１６と受光素子２２（絶対値用）およびインクリメンタル用受光素子３２を加えて表示したものである。光源１６からの光が通過する場所に、光源スリット４０とインクリメンタル用光源スリット５０が形成されている。
第１の環状スリット変位の方向を検出するために、第１のインデックススリット４１Ａは、図３９のように位相をずらしたＡ相スリット４１ＡＡとＢ相スリット４１ＡＢで形成されている。それに対応して、第１の受光素子２２Ａも、図４０のようにＡ相受光部２２ＡＡとＢ相受光部２２ＡＢに分割されている。同様に、第２のインデックススリット４１Ｂも、位相をずらしたＡ相スリット４１ＢＡとＢ相スリット４１ＢＢで形成され、第２の受光素子２２ＢもＡ相受光部２２ＢＡとＢ相受光部２２ＢＢに分割されている。
さらに、インクリメンタル用インデックススリット５１も、位相をずらしたＡ相スリット５１ＡとＢ相スリット５１Ｂで形成され、インクリメンタル用受光素子３２もＡ相受光部３２ＡとＢ相受光部３２Ｂに分割されている。
また、本実施例では光源スリット４０とインデックススリット４１（４１ＡＡ、４１ＡＢ、４１ＢＡ、４１ＢＢ）の形状は回転ディスクの半径方向に垂直なリニア形状が好ましく、インクリメンタル用光源スリット５０とインクリメンタル用インデックススリット５１（５１Ａ、５１Ｂ）は放射状の形状が好ましい。
さらに、インクリメンタルスリット３５の放射状スリットのスリット中央におけるピッチをスリットピッチとする実質的なスリットピッチを環状スリット２５のスリットピッチと同じにすれば、回転ディスク１３に対するインデックススリット４１と固定スリット２２のギャップを同一に出来る。なお、３格子光学系では光源スリットに線光源がインデックススリット４１および固定スリット２２上に結像されるギャップの条件が格子のピッチに依存することは公知である。
なお、光源スリット４０と、第１のインデックススリットのＡ相スリット４１ＡＡとＢ相スリット４１ＡＢと、第２のインデックススリットのＡ相スリット４１ＢＡとＢ相スリット４１ＢＢと、インクリメンタル用光源スリット５０と、インクリメンタル用インデックススリットのＡ相スリット５１ＡとＢ相スリット５１Ｂは、図３９の４００で示した同一基板上に形成することが可能である。
また、インデックススリット４１およびインクリメンタル用インデックススリット５１を基板４００上に形成せず、受光素子表面にマスクを形成するように受光素子と一体に形成することも可能である。
このように、本実施例では、第５実施例の構成に3格子原理を用いた光学系を適用しているので、第５実施例の効果に加えて、回転ディスクと固定スリット間のギャップ変動に強い光学式エンコーダが実現できる。
また、本実施例では光源として拡散光を用いている。拡散光を用いることにより、1つの光源で光源スリット４０とインクリメンタル用光源スリット５０を同時に照射しやすくなり、光源の共通化が容易となる。これにより3格子原理を適用した本実施例の装置は、より小型化に適するという特徴がある。
図４１は本発明の第７実施例を示す光学式エンコーダの側面図である。
図において、２５Ｃは第３の環状スリット、４１Cは、第３の環状スリット２５Cに対応して、図示しない固定部材に設けられた第３のインデックススリット、２２Ｃは第３の受光素子である。
本実施例が第６実施例と異なる点は、回転ディスク上に第３の環状スリット２５Ｃを形成し、それに対応する光学系である第３のインデックススリット４１Ｃおよび第３の受光素子２２Ｃを付加した点であり、３格子光学系を適用した点については、第６実施例と同じである。
具体的な構成を図４２および図４３の斜視図を用いて説明する。
図４２は本実施例の光学式エンコーダの構成を示す斜視図で、回転ディスクと光源スリットおよびインデックススリットの配置を示したものである。図３９の第６実施例の斜視図と比べると、第３の環状スリット２５Ｃおよび第３の固定スリット４１Ｃが加えられたものになっている。また、図４３は、図４２に光源１６と第３の受光素子２２Ｃを加えて表示したものである。
このように、本実施例では、第６実施例の構成に第３の環状スリットとそれに対応する光学系である第３の固定スリットおよび第３の受光素子を付加したので、第６実施例の効果に加え、回転ディスクの中心と回転軸の回転中心がずれて取り付いた場合も、０〜３６０度の全周にわたり正確に回転角度を検出することができる光学式エンコーダが実現できる。
本発明は、工作機械のテーブル駆動用のモータ、半導体搬送装置の搬送用モータの位置決めセンサとして利用できる。
１１ 回転軸
１２ 絶対値用検出部
１２Ａ 第１の検出部
１２Ｂ 第２の検出部
１２Ｃ 第３の検出部
１３ 回転ディスク
１４ インクリメンタル用検出部
１６ 光源
２１Ａ 第１の固定スリット
２１Ｂ 第２の固定スリット
２２Ａ 第１の受光素子
２２Ｂ 第２の受光素子
２５ 環状スリット
２５Ａ 第１の環状スリット
２５Ｂ 第２の環状スリット
２５Ｃ 第３の環状スリット
３１ インクリメンタル用固定スリット
３２ インクリメンタル用受光素子
３５ インクリメンタルスリット
３６ インクリメンタル用光源
５０ インクリメンタル用光源スリット
１００ 回転中心
１０１ 環状スリットの同心円中心
１０３ 回転ディスクの中心
１７０ 信号処理装置
１８０ 切替え処理部（切替えスイッチ）
１９０ 記憶部
２００ 変位検出処理部
２０１ 第１の変位検出処理部
２０２ 第２の変位検出処理部
２０３ 第３の変位検出処理部
２１０ 角度検出処理部

Claims (11)

  1. 回転軸に取り付けられ、それぞれ複数の等ピッチの同心円スリットパターンからなる２以上の環状スリットを有する回転ディスクと、
    固定して設けられ、前記環状スリットを照射する光源と、
    固定して設けられ、前記環状スリットからの透過光または反射光を検出する絶対値用検出部と、
    を備え、
    前記回転ディスクは、前記環状スリットとして、
    前記回転軸の回転中心に対して偏心して形成された第１の環状スリットと、
    前記回転軸の回転中心に対して、前記第１の環状スリットと異なる方向に偏心して形成された第２の環状スリットと、
    を有し、
    前記絶対値用検出部は、
    前記第１の環状スリットに対応する第１の検出部と、
    前記第２の環状スリットに対応する第２の検出部と、
    を有し、
    前記第１の環状スリット及び前記第２の環状スリットを含む前記回転ディスクの環状スリットにおけるスリットピッチの各々は、前記回転ディスクの中心に対するそれぞれの偏心量よりも大きく、
    前記第１の検出部および前記第２の検出部は、近接して配置され、
    前記絶対値用検出部からの検出信号から前記回転軸の絶対回転角度を検出する、光学式エンコーダ。
  2. 前記回転ディスクは、前記環状スリットとして、偏心方向または偏心量の少なくともどちらか一方が前記第１の環状スリットおよび第２の環状スリットと異なるように形成された第３の環状スリットを更に有し、
    前記絶対値用検出部は、前記第３の環状スリットに対応する第３の検出部を更に有する、請求項１に記載の光学式エンコーダ。
  3. 前記第３の環状スリットは、前記回転ディスクの回転中心に対して偏心なく形成される、請求項２に記載の光学式エンコーダ。
  4. 前記第１の環状スリット〜第３の環状スリットの全てのスリットピッチは、前記回転ディスクの中心に対するそれぞれの偏心量よりも大きい、請求項２または３に記載の光学式エンコーダ。
  5. 前記回転ディスクは、前記回転ディスクの中心に対して放射状に形成されたインクリメンタルスリットを有し、
    前記光学式エンコーダは、固定して設けられ、前記インクリメンタルスリットからの透過光または反射光を検出するインクリメンタル用検出部を更に備えた、請求項１〜４のいずれか一つに記載の光学式エンコーダ。
  6. 前記第１の環状スリット、前記第２の環状スリットおよび前記インクリメンタルスリットの実質的なスリットピッチが同じである、請求項５に記載の光学式エンコーダ。
  7. 前記環状スリットと前記インクリメンタルスリットとを共通の光源で照射する、請求項５または６に記載の光学式エンコーダ。
  8. 前記インクリメンタル用検出部から得られる繰り返し信号を内挿した内挿信号で、前記絶対値検出部からの検出信号を元に算出した前記絶対回転角度を補間する、請求項５、６または７に記載の光学式エンコーダ。
  9. 前記光学式エンコーダは、前記絶対値用検出部からの検出信号から前記回転軸の絶対回転角度を算出する信号処理部を更に有し、
    前記信号処理部は、
    前記第１の検出部からの信号を元に前記第１の環状スリットの前記回転軸の半径方向への変位である第１の変位を算出し、前記第２の検出部からの信号を元に前記第２の環状スリットの前記回転軸の半径方向への変位である第２の変位を算出する変位検出処理部と、
    少なくとも前記第１の変位と前記第２の変位を元に前記回転ディスクの回転角度を算出する角度検出処理部と、
    を有する、請求項１〜８のいずれか一つに記載の光学式エンコーダ。
  10. 前記信号処理部は、前記第１の検出部からの信号と前記第２の検出部からの信号との間を切替える切替え処理部を更に有し、
    前記変位検出処理部は、
    前記切替え処理部により前記第１の検出部からの信号が入力された場合には、前記第１の変位を算出し、
    前記切替え処理部により前記第２の検出部からの信号が入力された場合には、前記第２の変位を算出する、請求項９に記載の光学式エンコーダ。
  11. 回転軸に取り付けられ、それぞれ複数の等ピッチの同心円スリットパターンからなる２以上の環状スリットを有する回転ディスクと、
    固定して設けられ、前記環状スリットを照射する光源と、
    固定して設けられ、前記環状スリットからの透過光または反射光を検出する絶対値用検出部と、
    を備え、
    前記回転ディスクは、前記環状スリットとして、
    前記回転軸の回転中心に対して偏心して形成された第１の環状スリットと、
    前記回転軸の回転中心に対して、前記第１の環状スリットと異なる方向に偏心して形成された第２の環状スリットと、
    を有し、
    前記絶対値用検出部は、
    前記第１の環状スリットに対応する第１の検出部と、
    前記第２の環状スリットに対応する第２の検出部と、
    を有し、
    前記第１の環状スリット及び前記第２の環状スリットを含む前記回転ディスクの環状スリットにおけるスリットピッチの各々は、前記回転ディスクの中心に対するそれぞれの偏心量よりも大きく、
    前記第１の検出部および前記第２の検出部は、近接して配置される光学式エンコーダを用いて、
    前記第１の検出部からの信号を元に前記第１の環状スリットの前記回転軸の半径方向への変位である第１の変位を算出し、
    前記第２の検出部からの信号を元に前記第２の環状スリットの前記回転軸の半径方向への変位である第２の変位を算出し、
    少なくとも前記第１の変位と前記第２の変位とを元に前記回転軸の絶対回転角度を算出する、光学式エンコーダの信号処理方法。
JP2009054848A 2009-03-09 2009-03-09 光学式エンコーダ Expired - Fee Related JP5146366B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009054848A JP5146366B2 (ja) 2009-03-09 2009-03-09 光学式エンコーダ
US12/717,135 US8258459B2 (en) 2009-03-09 2010-03-04 Optical encoder and motor system comprising dual decentered annular slits
CN2010101288075A CN101832790B (zh) 2009-03-09 2010-03-08 光学式编码器
KR1020100020278A KR20100101532A (ko) 2009-03-09 2010-03-08 광학식 인코더

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009054848A JP5146366B2 (ja) 2009-03-09 2009-03-09 光学式エンコーダ

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2010210316A JP2010210316A (ja) 2010-09-24
JP2010210316A5 JP2010210316A5 (ja) 2012-01-19
JP5146366B2 true JP5146366B2 (ja) 2013-02-20

Family

ID=42677387

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009054848A Expired - Fee Related JP5146366B2 (ja) 2009-03-09 2009-03-09 光学式エンコーダ

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8258459B2 (ja)
JP (1) JP5146366B2 (ja)
KR (1) KR20100101532A (ja)
CN (1) CN101832790B (ja)

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012050130A1 (ja) 2010-10-12 2012-04-19 株式会社ニコン エンコーダ、駆動装置及びロボット装置
JP4945674B2 (ja) * 2010-11-08 2012-06-06 株式会社安川電機 反射型エンコーダ、サーボモータ及びサーボユニット
CN102261927A (zh) * 2011-04-28 2011-11-30 南京中科天文仪器有限公司 一种输出单周期位置型正弦波信号的单码道光栅编码器
CN103718004B (zh) 2011-07-22 2016-05-18 株式会社安川电机 伺服马达制造方法、伺服马达制造装置、伺服马达和编码器
CN103017801B (zh) * 2011-09-23 2014-06-11 华为终端有限公司 位置检测装置
JP5776786B2 (ja) 2011-10-31 2015-09-09 日本精工株式会社 光学スケール、光学スケールの製造方法及び光学式エンコーダ
CN104718434A (zh) * 2013-03-11 2015-06-17 株式会社安川电机 编码器、带编码器的电机及伺服系统
CN103471629A (zh) * 2013-09-22 2013-12-25 绵阳福德机器人有限责任公司 一种单圈绝对值编码盘
JP6004194B2 (ja) 2013-11-05 2016-10-05 株式会社安川電機 エンコーダ、エンコーダ付きモータ、サーボシステム
JP2015090308A (ja) * 2013-11-05 2015-05-11 株式会社安川電機 エンコーダ、エンコーダ付きモータ、サーボシステム
JP6128328B2 (ja) * 2013-11-05 2017-05-17 株式会社安川電機 エンコーダ、エンコーダ付きモータ、サーボシステム
WO2017014189A1 (ja) * 2015-07-17 2017-01-26 株式会社ニコン エンコーダ装置、駆動装置、ステージ装置、ロボット装置、回転情報取得方法及び回転情報取得プログラム
CN106767600B (zh) * 2016-12-27 2018-11-23 西安交通大学 一种高精度同步监测旋转体转角及径向位移的系统
JP6404984B1 (ja) * 2017-04-07 2018-10-17 ファナック株式会社 ロータリエンコーダ
US10481269B2 (en) 2017-12-07 2019-11-19 Ouster, Inc. Rotating compact light ranging system
JP7293985B2 (ja) * 2019-08-27 2023-06-20 日本精工株式会社 角度検出装置
JP6940105B1 (ja) * 2020-10-08 2021-09-22 多摩川精機株式会社 エンコーダ装置
CN118369553A (zh) * 2021-12-27 2024-07-19 松下知识产权经营株式会社 编码器以及安装方法
JP2023183432A (ja) * 2022-06-16 2023-12-28 多摩川精機株式会社 ロータリエンコーダ

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1059597A1 (ru) * 1982-07-12 1983-12-07 Институт радиофизики и электроники АН АрмССР Преобразователь угла поворота вала в код
JPH06341858A (ja) * 1993-06-02 1994-12-13 Copal Co Ltd 光学式変位検出装置
JPH06341859A (ja) * 1993-06-02 1994-12-13 Copal Co Ltd 光学式ｓｉｎ／ｃｏｓ関数出力ポテンショメータ
JPH06235646A (ja) * 1993-07-27 1994-08-23 Harmonic Drive Syst Ind Co Ltd 回転角検知装置
KR100215926B1 (ko) * 1996-05-17 1999-08-16 류정열 엔코더와 포텐시어미터의 결합된 방식을 가지는 자동차의 조향각도센서
JP4768164B2 (ja) * 2001-08-10 2011-09-07 株式会社リコー ロータリーエンコーダ装置
CN100359291C (zh) * 2004-09-27 2008-01-02 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种绝对式单圈偏心码道编码盘
US7595480B2 (en) * 2006-10-16 2009-09-29 Arcus Technology, Inc. Optical encoder with encoder member having one or more digital diffractive optic regions
JP4900140B2 (ja) 2007-08-30 2012-03-21 株式会社安川電機 光学式エンコーダ
DE102007056612A1 (de) * 2007-11-23 2009-05-28 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Optische Positionsmesseinrichtung

Also Published As

Publication number Publication date
US20100224768A1 (en) 2010-09-09
KR20100101532A (ko) 2010-09-17
CN101832790A (zh) 2010-09-15
US8258459B2 (en) 2012-09-04
JP2010210316A (ja) 2010-09-24
CN101832790B (zh) 2012-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5146366B2 (ja) 光学式エンコーダ
JP6147038B2 (ja) 位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、および、工作装置
JP2010210316A5 (ja)
JP5882590B2 (ja) 光学式エンコーダおよび光学式エンコーダを有する装置
JP5479236B2 (ja) ロータリーエンコーダ
JP5356979B2 (ja) 位置測定装置及び位置測定装置の動作方法
JP5574899B2 (ja) ロータリーエンコーダ及びこれを備えた光学機器
KR101347945B1 (ko) 광학식 엔코더
US11828630B2 (en) Optical position-measuring device
JP2010185834A (ja) 原点検出装置
EP0801724A1 (en) Opto-electronic rotary encoder
US9810554B2 (en) Position measuring instrument
JP6071196B2 (ja) エンコーダ
JPH0835859A (ja) エンコーダ装置
JP4636858B2 (ja) 光学式エンコーダ
JP7203584B2 (ja) アブソリュートロータリエンコーダ
US10859374B2 (en) Optical angle sensor
JP4900140B2 (ja) 光学式エンコーダ
JP2010203901A (ja) 光学式エンコーダ
JP6091268B2 (ja) 位置検出装置、レンズ装置、撮像システム、工作装置、位置検出方法、および、プログラム
JP2007064818A (ja) 光学式エンコーダ
JP5902891B2 (ja) エンコーダ及び校正方法
WO2015151232A1 (ja) エンコーダ、エンコーダ付きモータ、サーボシステム

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20111128

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20111128

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20120216

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20120726

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120807

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120928

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20121030

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20121112

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5146366

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151207

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees