JP5574899B2 - ロータリーエンコーダ及びこれを備えた光学機器 - Google Patents

Description

本発明は被検出物体の回転速度や回転角度等の回転情報を高精度に検出することができるロータリーエンコーダ及びこれを備えた光学機器に関する。

従来、工作機やＦＡ装置などに用いられる部材の回転に伴う回転情報の検出手段に、ロータリーエンコーダが多く用いられている（特許文献１、２）。ロータリーエンコーダの角度検出方式としては、相対的な回転情報を検出するインクリメンタル方式と絶対的な回転情報を検出するアブソリュート方式に大別される。特許文献１の光学式エンコーダに示されるようなインクリメンタル方式は、構成が簡単である。しかしながら電源が切れたときに角度情報が失われることや、外来ノイズによって誤差が蓄積されてしまうことがある。

一方、アブソリュート方式のロータリーエンコーダは、一般に、外来ノイズによる誤差が蓄積せず高精度な検出が容易であり、また電源が切れた時にもホームポジションへの移動が不要、といった利点を有している。特許文献２の絶対的な回転情報を検出するアブソリュート方式の回転角検出装置では回転中心に対して螺旋状をなす検出用透光部が形成された螺旋スケールを用いている。ＬＥＤから出射された光束の内、螺旋スケールの検出用透光部を透過した光が検出用光位置検出センサ（以下、ＰＳＤ：Position Sensitive Detector）によって検出される。

検出用ＰＳＤに入射する光の半径方向の位置は、透光部が螺旋状になっているため、回転板の回転角θに応じて連続的に変化する。このとき、検出用ＰＳＤは受光位置に応じた信号を出力するので、回転角θに対してリニアに変化する受光信号を出力する。この受光信号を基に螺旋スケール（回転軸）の回転角θを算出することができる。さらに、同心円からの受光信号を引き算することにより、螺旋スケールの回転軸に対する偏心やガタの影響を打ち消すことができる。特許文献２の回転板の回転角θが０度付近において、螺旋状の透光部に不連続なつなぎ目が存在することになる。

この検出用透光部の不連続領域においては、同心円透過部の基準用ＰＳＤに識別用透光部を介した光が検出されるように基準用ＰＳＤを配置している。このとき識別用透光部を介して検出用ＰＳＤに光が入射した場合、全体の受光量が増大するので、回転板の回転領域が識別でき、その領域では、不連続領域としての演算処理に切り替えることができる。このようにして、回転板の全周に渡って回転角θを検出している。

特開２００６−２１４９２９号公報 特開平６−１８２８５号公報

特許文献２の回転角検出装置では、検出素子の配置誤差、環境の温度変動があると、螺旋状の透光部に不連続領域と同心円透過部の識別領域との検出位置に誤差が生じることがある。この結果、不連続領域付近での角度検出に誤差が生じてくる。例えば、検出用ＰＳＤに対して基準用ＰＳＤが回転方向にずれて取り付けられた場合、不連続領域が識別範囲と一致せず、誤った演算処理を適用してしまう。また、温度変化によって、判別閾値レベルが変動した場合も同様に、不連続領域と識別範囲の不一致という問題が発生してくる。

本発明は、検出素子の配置誤差や環境の温度変動があっても、全周にわたり高精度に角度検出ができるロータリーエンコーダ及びこれを備えた光学機器の提供を目的とする。

本発明のロータリーエンコーダは、回転軸を中心に半径方向に等間隔で、また回転方向に連続的に半径が変化し、反射率または透過率が変化する一定幅の螺旋パターンが形成されたロータリースケールと、前記ロータリースケールと対向して配置され、前記螺旋パターンを照明する光源と、前記螺旋パターンを介した光を検出する第１の受光部を含むセンサユニットを有し、前記センサユニットで得られる信号より前記ロータリースケールの回転角度信号を検出するロータリーエンコーダにおいて、前記第１の受光部は前記回転軸を中心とし、半径方向の位置を異ならせて配置した２組以上のセンサアレイから成る第１のセンサアレイ群より成り、前記螺旋パターンの一部は一定角度周期で半径方向に変位しており、一定角度周期の整数倍が前記センサアレイの円周方向の幅に対する前記螺旋パターンの読み取り幅に等しく、前記第１のセンサアレイ群で前記螺旋パターンを読み取るときの前記ロータリースケール上での第１読み取り領域には、前記螺旋パターンの回転方向の全周にわたり、半径方向に１周期以上の螺旋パターンが含まれており、前記第１のセンサアレイ群は前記螺旋パターンの半径方向の周期に対応した正弦波状信号を出力し、前記第１のセンサアレイ群より出力された信号に基づく２相の正弦波状信号から第１の位相信号を生成する信号処理回路を有し、前記第１の位相信号に基づいて、前記ロータリースケールの回転角度信号を得ることを特徴とする。
また、本発明の別のロータリーエンコーダは、回転軸を中心に半径方向に等間隔で、また回転方向に連続的に半径が変化し、反射率または透過率が変化する一定幅の螺旋パターンが形成されたロータリースケールと、前記ロータリースケールと対向して配置され、前記螺旋パターンを照明する光源と、前記螺旋パターンを介した光を検出する第１の受光部を含むセンサユニットを有し、前記第１の受光部は前記回転軸を中心とし、半径方向の位置を異ならせて配置した２組以上のセンサアレイから成る第１のセンサアレイ群より成り、前記第１のセンサアレイ群で前記螺旋パターンを読み取るときの前記ロータリースケール上での第１読み取り領域には、前記螺旋パターンの回転方向の全周にわたり、半径方向に１周期以上の螺旋パターンが含まれており、前記第１のセンサアレイ群は前記螺旋パターンの半径方向の周期に対応した正弦波状信号を出力し、前記第１のセンサアレイ群より出力された信号に基づく２相の正弦波状信号から第１の位相信号を生成する信号処理回路を有し、前記第１の位相信号に基づいて、前記ロータリースケールの回転角度信号を得るロータリーエンコーダであって、前記ロータリースケールには、前記回転軸を中心に半径方向に等間隔で、反射率または透過率が変化する一定幅の同心円パターンが形成されており、前記センサユニットは、前記光源からの光束で照明され、前記同心円パターンを介した光を検出する前記第１の受光部と同一平面上に配置された第２の受光部を有し、前記第２の受光部は前記回転軸を中心とし、半径方向の位置を異ならせて配置した２組以上のセンサアレイから成る第２のセンサアレイ群より成り、前記同心円パターンの一部は一定角度周期で半径方向に変位しており、一定角度周期の整数倍が前記センサアレイの円周方向の幅に対する前記同心円パターンの読み取り幅に等しく、前記第２のセンサアレイ群で前記同心円パターンを読み取るときの前記ロータリースケール上での読み取り領域には、前記同心円パターンの回転方向の全周にわたり、半径方向に１周期以上の同心円パターンが含まれており、前記第２のセンサアレイ群は前記同心円パターンの半径方向の周期に対応した正弦波状信号を出力し、前記第２のセンサアレイ群より出力された信号に基づく２相の正弦波状信号から第２の位相信号を前記信号処理回路で生成し、前記第１、第２の位相信号に基づいて、前記ロータリースケールの回転角度信号を得ることを特徴とする。

本発明によれば、検出素子の配置誤差や環境の温度変動があっても、全周にわたり高精度に角度検出ができるロータリーエンコーダ及びこれを備えた光学機器が得られる。

実施例１におけるロータリーエンコーダの構成図 実施例１におけるセンサユニット３０１の構成を示す説明図 実施例１におけるセンサユニット３０２の構成を示す説明図 実施例１におけるフォトダイオードアレイの受光面配置を示す説明図 実施例１におけるスケールのパターン、およびセンサの読み取り領域を示す説明図 同心円パターンの一部を示す説明図 螺旋パターンの一部を示す説明図 初期化動作を説明する説明図 実施例２におけるロータリースケールのパターン、およびセンサの読み取り領域を示す説明図 多重螺旋パターンの一部を示す説明図

本発明のロータリーエンコーダは、回転軸２２０を中心に半径方向に等間隔で、また回転方向に連続的に半径が変化し、反射率または透過率が変化する一定幅の螺旋パターン２０２が形成されたロータリースケール２００とを有する。ロータリースケール２００と対向して配置され、螺旋パターン２０２を照明する光源３１０と、螺旋パターン２０２を介した光を検出する第１の受光部３１２を含むセンサユニット３０１を有する。センサユニット３０１で得られる信号よりロータリースケール２００の絶対角度信号としての回転角度信号θABS-outを検出する。

第１の受光部３１２は回転軸２２０を中心とし、半径方向の位置を異ならせて配置した２組以上のセンサアレイ（図４に示される第２の受光部３１１における２組以上のセンサアレイ３２１乃至３２４と同様）から成る第１のセンサアレイ群より成る。第１のセンサアレイ群で螺旋パターン２０２を読み取るときのロータリーパターン２００上での第１読み取り領域２１２は、螺旋パターン２０２の回転方向の全周にわたり、半径方向に１周期以上の螺旋パターン２０２が含まれている。第１のセンサアレイ群は螺旋パターン２０２の半径方向の周期に対応した正弦波状信号Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）を出力する。

第１のセンサアレイ群より出力された信号に基づく２相の正弦波状信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）から第１の位相信号φ１を生成する信号処理回路４０１を有する。そして第１の位相信号φ１に基づいて、ロータリースケール２００の回転角度信号θABS-outを得ている。この他、本発明のロータリーエンコーダにおいて、ロータリースケール２００には、回転軸２２０を中心に半径方向に等間隔で、反射率または透過率が変化する一定幅の同心円パターン２０１が形成されている。後述するように、同心円パターン２０１を用いることで、偏心、倒れ、軸受けガタの影響をキャンセル（補正）することができる。

センサユニット３０１は、光源３１０からの光束で照明され、同心円パターン２０１を介した光を検出する第１の受光部３１２と同一平面上に配置された第２の受光部３１１を有している。

第２の受光部３１１は回転軸２２０を中心とし、半径方向の位置を異ならせて配置した２組以上のセンサアレイ３２１〜３２４から成る第２のセンサアレイ群より成っている。第２のセンサアレイ群で同心円パターン２０１を読み取るときの読み取り領域２１１は、同心円パターン２０１の回転方向の全周にわたり、半径方向に１周期以上の同心円パターン２０１が含まれている。第２のセンサアレイ群は同心円パターン２０１の半径方向の周期に対応した正弦波状信号Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）を出力する。

第２のセンサアレイ群より出力された信号に基づく２相の正弦波状信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）から第２の位相信号φ２を信号処理回路４０１で生成する。そして第１、第２の位相信号φ１、φ２に基づいて、ロータリースケール２００の回転角度信号θABS-outを得ている。ロータリースケール２００上の第１のセンサアレイ群３１２による読み取り領域２１２と第２のセンサアレイ群３１１による読み取り領域２１１は、回転軸２２０を通る同一の直線上に位置している。またロータリースケール２００上にはインクリメンタル信号を得るための回転軸２２０を中心とする放射状パターン２０３が形成されている。

［実施例１］
図１は本発明のロータリーエンコーダ１の実施例１の要部説明図である。本実施例のロータリーエンコーダ１は、回転軸２２０に取り付けられるロータリースケール２００、センサユニット３０１、センサユニット３０２、信号処理回路４０１、記憶装置４０２を有する。センサユニット３０１は同心円パターン２０１と螺旋パターン２０２を介した光束を受光し、絶対角信号を得る。センサユニット３０２は放射状パターン２０３を介した光束を受光し、インクリメンタル信号を得る。

信号処理回路４０１は、センサユニット３０１およびセンサユニット３０２で得られたエンコーダ信号の内挿処理や、記憶装置４０２への信号の書き込み、および、読み出しを行う。

図２は絶対角度検出用のセンサユニット３０１の構成の要部概略図である。図２（Ａ）が側面図、図２（Ｂ）が上面図である。センサユニット３０１は、ＬＥＤ（光源）３１０とフォトダイオードアレイ（受光器）３１１、フォトダイオードアレイ（受光器）３１２が同一パッケージ内に実装された受発光一体型の構成より成っている。センサユニット３０１内のＬＥＤ（光源）３１０から出射した発散光束はロータリースケール２００に入射する。

そして同心円パターン（第２のスケールパターン）２０１、および螺旋パターン（第１のスケールパターン）２０２上の読み取り領域２１１および読み取り領域２１２に照射される。図２（Ｂ）におけるロータリースケール２００の読み取り領域は、ＬＥＤ３１０とフォトダイオードアレイ３１１、およびフォトダイオードアレイ３１２の受光領域の４隅を結ぶ線の中点によって囲まれる領域２１１、２１２である。読み取り領域２１１、２１２から反射した光束は、センサユニット３０１内のフォトダイオードアレイ３１１、３１２に向けてそれぞれ反射される。

フォトダイオードアレイ３１１、フォトダイオードアレイ３１２によって受光された（読み込まれた）光束は電気信号に変換され、エンコーダ信号として図１に示す信号処理回路４０１に送られる。

図３は相対位置検出用のセンサユニット３０２の構成の要部概略図である。図３（Ａ）が側面図、図３（Ｂ）が上面図である。センサユニット３０２は、ＬＥＤ（光源）３１０とフォトダイオードアレイ（受光器）３１３が同一パッケージ内に実装された受発光一体型より成っている。センサユニット３０２内のＬＥＤ３１０から出射した発散光束はロータリースケール２００の放射スリットパターン２０３上の読み取り領域２１３に照射される。図３（Ｂ）における読み取り領域は、ＬＥＤ３１０とフォトダイオードアレイ３１３の受光領域の４隅を結ぶ線の中点によって囲まれる領域である。

読み取り領域２１３から反射した光束は、センサユニット３０２内のフォトダイオードアレイ３１３に向けてそれぞれ反射される。フォトダイオードアレイ３１３によって受光された光束は電気信号に変換され、エンコーダ信号（インクリメンタル信号）として図１に示す信号処理回路４０１に送られる。

図４はフォトダイオードアレイ３１１の受光面の配置の説明図である。図４を用いてロータリーエンコーダの出力信号に関して説明する。フォトダイオードアレイ３１１で受光する反射スケール像２３０の周期に対して、０度、９０度、１８０度、２７０度となる位置に、受光面アレイが配置されている。即ち（Ａ＋）相受光面アレイ３２１、（Ｂ＋）相受光面アレイ３２２、（Ａ−）相受光面アレイ３２３、（Ｂ−）相受光面アレイ３２４がそれぞれ配置されている。１組の受光面アレイ３２１は２個の受光面３２１−１、３２１−２からなっており、本実施例では、各組の受光面アレイ３２１〜３２４間のその中心間隔は２００μｍ、１個の受光面の位相検出方向幅は４０μｍ、縦幅は６００μｍである。

よって、スケール２００面上での１組の受光面アレイ３２１による読み取りに寄与する幅は、位相検出方向が１２０μｍ：（２００μｍ＋４０μｍ）／２、縦方向が３００μｍ：６００μｍ／２である。これらはフォトダイオード３１２、フォトダイオード３１３も同様である。即ちフォトダイオード３１２では２組以上のセンサアレイ３３１、３３２、３３３、３３４（不図示）を有する。

（Ａ＋）相受光面アレイ３２１、（Ｂ＋）相受光面アレイ３２２、（Ａ−）相受光面アレイ３２３、（Ｂ−）相受光面アレイ３２４からはそれぞれ、位相の異なる４相正弦波信号Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ+）、Ｓ（Ａ−）、Ｓ（Ｂ−）が出力される。４相正弦波の相対位相は、Ｓ（Ａ＋）を基準とすると、Ｓ（Ｂ+）は＋９０度、Ｓ（Ａ−）は＋１８０度、Ｓ（Ｂ−）は＋２７０度の関係にある。これらの出力は、信号処理回路４０１において、
Ｓ（Ａ）＝Ｓ（Ａ＋）−Ｓ（Ａ−）
Ｓ（Ｂ）＝Ｓ（Ｂ＋）−Ｓ（Ｂ−）
なる演算を行う。

そして、直流分が除去された２相正弦波信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）を生成し、さらにこれらの逆正接演算を行う。これにより、フォトダイオードアレイ３１１から位相出力φ２、同様にフォトダイオードアレイ３１２から位相出力φ１、フォトダイオードアレイ３１３からの位相出力φ３を得る。このように、２相正弦波信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）からの位相演算を行うことで、温度変化等で光量変動やゲイン変動があっても、安定した出力を得ることができる。

図５は、本実施例におけるロータリースケール２００の各パターン、およびセンサユニット３０１の読み取り領域２１１、２１２、センサユニット３０２の読み取り領域２１３の配置を示す説明図である。センサユニット３０１のフォトダイオードアレイ３１１、３１２の読み取り領域（ロータリーパターン２００上での読み取り領域であって、以下同じ）２１１、２１２は回転軸２２０を通り、回転軸２２０から見て同側の同一直線ＬＡ上に位置している。また、回転軸２２０を通りこの直線ＬＡに垂直な直線ＬＢ上に、図３に示すフォトダイオード３１３の読み取り領域（ロータリーパターン２００上での読み取り領域）２１３が位置している。

センサユニット３０１の読み取り領域２１１の中心は半径１．９１ｍｍ、読み取り領域２１２の中心は半径２．８６ｍｍに設定されている。センサユニット３０２の読み取り領域２１３の中心は半径４．０７ｍｍに設定されている。ロータリースケール２０１は、ガラス基板上にクロム反射膜が３種のスリットトラック（範囲）にパターニングされている。半径１．５mm〜２．３mmの範囲は中心点２２０を中心とした同心円パターン（第２のスケールパターン）２０１となっている。同心円パターン２０１の一部の拡大図を図６に示す。

同心円パターン２０１は、半径１００μｍごとの等間隔に配置された９本の同心円基準線２２１に沿ったパターンであり、１本の半径方向の幅は５０μｍである。同心円パターン２０１は方位角１．５degごとに、同心円基準線２２１に対し内周、外周にそれぞれ８．３３３μｍ交互に中心がシフトしている。同心円パターン２０１上の読み取り領域２１１の中心である半径１．９１ｍｍ付近では、シフトの周期が１００μｍとなり、アレイセンサ３１１の周方向読み取り幅の１／３となる。

このように本実施例では同心円パターン２０１の一部は一定角度周期で半径方向に変位しており、一定角度周期の整数倍（３倍）がセンサアレイ３１１の円周方向の幅に対する同心円パターン２０１の読み取り幅（３００μｍ）に等しい。このような構成にすることで、スケール反射像の強度分布がセンサ受光面領域で積分されることにより、反射像に含まれるスケールの３倍周期成分（高周波成分）がキャンセルされ、理想的な正弦波からの相違が抑えられる。

なお、本実施例では以下に述べる螺旋パターン（第１のスケールパターン）２０２も含め、３倍周期成分のみの対策を行っている。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、他の整数倍の周期成分をキャンセルするために多段のシフトにしたり、連続的なシフトにしても、もちろん構わない。半径２．４ｍｍ〜３．３ｍｍの範囲は中心点２２０を中心とした螺旋パターン（第１のスケールパターン）２０２となっている。螺旋パターン２０２の一部の拡大図を図７に示す。螺旋パターン２０２は、前記スケールパターンの半径方向の周期をａ、ロータリースケール２００上の半径ｒと位相角θとした場合に
ｒ＝ａ／３６０・θ
なる式で表される螺旋基準線２２２に沿っている。１本の半径方向の幅は５０μｍである。

本実施例では、ａ＝１００μｍであり、螺旋基準線２２２の内周側端の位相角θｍｉｎおよび外周側端の位相角θｍａｘはそれぞれθｍｉｎ＝８６４０ｄｅｇ、θｍａｘ＝１１８８０ ｄｅｇである。螺旋パターン２０２は、方位角１度ごとに、螺旋基準線２２２に対し内周、外周にそれぞれ８．３３３μｍ交互に中心がシフトしている。螺旋パターン２０２上の読み取り領域２１２の中心である半径２．８６ｍｍ付近では、シフトの周期が１００μｍとなり、アレイセンサ３１２の周方向読み取り幅の１／３となる。

このように螺旋パターン２０２の一部は一定角度周期で半径方向に変位しており、一定角度周期の整数倍（３倍）がセンサアレイ３１２の円周方向の幅に対する螺旋パターン２０２の読み取り幅（３００μｍ）に等しい。このような構成にすることで、同心円パターン２０１と同様に、理想的な正弦波からの相違が抑えられる。半径３．４〜４．５ｍｍの範囲は中心点２２０を中心とした放射スリットパターン２０３となっており、全周で２５６本の等角度間隔のスリット列で構成されている。反射膜の角度方向デューティ比は５０％である。放射スリットパターン２０３の読み取り領域２１３の中心である半径４．０７ｍｍ付近では、スリット幅が５０μｍとなる。

＜アレイ幅とスケールパターン幅の関係＞
さらに、フォトセンサアレイ３１２の幅とスケールパターン２０２の幅との関係に関して説明を加える。まず、前述したフォトダイオードアレイ３１２における（Ａ＋）相（図４のフォトダイオードアレイ３１１に関する（Ａ＋）相と同様）のロータリースケール２００上の読み取り領域に注目する。（Ａ＋）相の読み取り領域はフォトダイオードアレイ３１２全体の読み取り領域２１２の中心に対し、外周に向かって＋１００μｍ〜−２０μｍの範囲である。ここで、センサユニット３０１およびロータリースケール２００に取り付け誤差があった場合を想定する。センサユニット３０１の取り付け位置誤差が外周へ０．２ｍｍ、ロータリースケール２００が回転軸に対して０．０５ｍｍ偏心している場合を考える。

この時、フォトダイオードアレイ３１２の読み取り領域２１２の中心設計値が、前述したように２．８６ｍｍなので、センサユニット３０１の取り付け位置誤差を考慮した（Ａ+）相の読み取り領域は半径３．０４〜３．１６ｍｍの範囲である。さらに、ロータリースケール２００の回転軸２２０に対する偏心０．０５ｍｍを考慮すると、（Ａ＋）相の読み取り領域は半径２．９９〜３．２１ｍｍの範囲となる。一方、螺旋パターン２０２の反射部の外周側半径最小値は３．２１７ｍｍである。

よって、（Ａ＋）相の読み取り領域には、設計範囲内であれば、センサユニット３０１及びロータリースケール２００の取り付け誤差や偏心が存在しても、常にスケールパターンの１周期以上が、欠けることなく入ることになる。

即ち、螺旋パターン２０２を読み取るときの第１読み取り領域２１２は、螺旋パターン２０２の回転方向の全周にわたり、半径方向に１周期以上の螺旋パターン２０２が含まれている。（Ａ−）相、（Ｂ＋）相、（Ｂ−）相についても同様である。これにより、全周にわたり、つなぎ目のない連続的な位相出力を得ることができる。また、このことはフォトダイオードアレイ３１１における読み取り領域２１１についても同じである。即ち、同心円パターン２０１を読み取るときの読み取り領域２１１は、同心円パターン２０１の回転方向の全周にわたり、半径方向に１周期以上の同心円パターン２０１が含まれている。

さらに絶対角度演算方法に関して、以下に説明する。同心円パターン２０１の検出用のフォトダイオードアレイ３１１からの位相出力をφ２とする。螺旋パターン２０２の検出用のフォトダイオードアレイ３１２からの位相出力φ１とする。これにより、上位角度信号（粗い角度信号）φABSを、
φABS＝φ１−φ２
なる演算によって得る。このように、同心円パターン２０１からの位相出力φ２との差分を取ることで、偏心、倒れ、軸受けガタの影響をキャンセル（補正）することができる。

さらに、読み取り領域２１１および読み取り領域２１２を、回転軸２２０から見て同側の同一直線上に配置ことによって、ロータリースケール２００の反りや、パターン露光時の倍率誤差等、隣接パターン間で相関のある誤差成分をキャンセルすることができる。また、位相演算を行った後で差分をしているため、上記誤差量がスケール１周期分を超えても正確にキャンセルできる。

放射状スリットパターン２０３検出用のフォトダイオードアレイ３１３からの位相出力φ３とする。同心円パターン２０１検出用のフォトダイオードアレイ３１１からの位相出力φ２とする。これらより、インクリメント角度信号φＩＮＣを、
φＩＮＣ＝φ３−φ２
なる演算によって得る。

このように、同心円パターン２０１より得られる位相出力φ２との差分を取ることで、偏心、倒れ、軸受けガタの影響をキャンセルすることができる。続いて、上位角度信号φABSとインクリメント角度信号φＩＮＣの同期処理について説明する。まず、初期化動作の手順について、図８を用いて説明する。所定の方向にロータリースケール２００を回転させ、上位角度信号φABSのゼロクロス通過後の、最初のインクリメント角度信号φＩＮＣのゼロクロスを検出する。その点を仮想原点に設定する。この仮想原点における上位角度信号φABSの位相をφABS_offsetとする。

この初期化動作時に、位相φABS_offsetを記憶装置４０２に書き込む。次に、角度検出の動作について説明する。上位角度信号φABS、インクリメント角度信号φＩＮＣ、および、記憶装置４０２に記憶されているφABS_offsetより、回転角度信号（絶対角信号）θABS_outを次の演算より求める。

θABS_out＝Round[(φABS−φABS_offset)−(φＩＮＣ)/256]+ φＩＮＣ
ここで、Round[]は四捨五入の処理を行う関数である。このようにして得られたθABS_outを回転角度信号（角度検出値）として出力する。尚、偏心による誤差は含まれるが回転角度信号θABS_outをフォトダイオードアレイ３１２からの位相出力φ１より、
θABS_out＝φ１
として求めても良い。

以上述べたように、本実施例では各センサアレイ３１１、３１２、３１３の読み取り領域（ロータリーパターン２００上での読み取り領域）２１１、２１２、２１３に、スケールパターンが回転方向の全周にわたり１周期分以上含まれるようにしている。これにより、位相検出における不連続点を発生しないようにしている。この結果、センサ配置の誤差や、温度変動があっても、全周にわたり高精度の角度信号を得ることができる。

［実施例２］
本発明の実施例２について説明する。実施例２では絶対角度検出用の螺旋パターンが１重螺旋でなく、多重螺旋より成る螺旋パターン２０４を用いている。この場合においても、本発明の摘要が可能である。次に実施例２に関して説明する。

図９は、実施例２におけるロータリースケール２００のパターン、およびセンサユニット３０１の読み取り領域２１１、２１２、センサユニット３０２の読み取り領域２１４の配置を示す説明図である。同心円パターン２０１、螺旋パターン２０２は実施例１のものと同様である。外周側のパターンのみ実施例１と異なり、多重螺旋パターン２０４となっている。センサユニット３０２で多重螺旋パターン２０４からの信号を検出する。

フォトダイオードアレイ３１１、フォトダイオードアレイ３１２の読み取り領域２１１と２１２は、図９に示す回転軸２２０を通り、回転軸２２０から見て同側の同一直線上に位置している。さらに、フォトダイオードアレイ３１１、フォトダイオードアレイ３１３の読み取り領域２１１、読み取り領域２１４も、回転軸２２０を通り、回転軸２２０から見て同側の同一直線上に配置されている。センサユニット３０１の読み取り領域２１１の中心は半径１．９１ｍｍ、読み取り領域２１２の中心は半径２．８６ｍｍに設定されている。センサユニット３０２の読み取り領域２１４の中心は半径３．９８ｍｍに設定されている。

半径３．４ｍｍ〜４．５ｍｍの範囲は中心点２２０を中心とした多重螺旋パターン２０４となっている。多重螺旋パターン２０４の一部の拡大図を図１０に示す。多重螺旋パターン２０４は、スケールパターンの螺旋多重度をｍ、スケールパターン２００の半径方向の周期をａ、ロータリースケール上の半径をｒ、位相角をθとした場合に
ｒ＝ｍ・ａ／３６０・θ−ａ・（ｎ−１）
なる式で表される半径ｒの多重螺旋パターンの軌跡である螺旋基準線（多重螺旋基準線）２２４に沿っている。

ここでｎは１〜ｍまでの整数であり、多重螺旋基準線２２４はｍ本の線である。１本の半径方向の幅は５０μｍである。本実施例では、ｍ＝３２、ａ＝１００μｍであり、多重螺旋基準線２２４のうち、ｎ＝０の線の内周側端位相角θｍｉｎおよび外周側端位相角θｍａｘはそれぞれθｍｉｎ＝３８２．５ｄｅｇ、θｍａｘ＝５０６．２５ｄｅｇである。センサユニット３０２の読み取り領域２１４の中心は半径３．９８ｍｍに設定されている。

本実施例では、
θｍａｘ−θｍｉｎ＞５４０／ｍ
なる条件を満足するようにしている。

多重螺旋パターン２０４は、方位角０．７２度ごとに、多重螺旋基準線２２４に対し内周、外周にそれぞれ８．３３３μｍ交互に中心がシフトしている。多重螺旋パターン２０４上の読み取り領域２１４の中心である半径３．９８ｍｍ付近では、シフトの周期が１００μｍとなり、アレイセンサの周方向の読み取り幅の１／３となる。螺旋パターン２０２と同様、（Ａ＋）相、（Ａ−）相、（Ｂ＋）相、（Ｂ−）相の読み取り領域には、全周にわたり常にスケールパターンの半径方向１周期以上が、欠けることなく入ることになる。

フォトダイオードアレイ３１３から、フォトダイオードアレイ３１１、３１２と同様にして位相出力φ４を得る。位相出力φ４は、本実施例でｍ＝３２としているため、１回転で３２周期の周期信号となる。さらに絶対角度演算方法を以下に説明する。フォトダイオードアレイ３１１からの位相出力φ２、フォトダイオードアレイ３１２からの位相出力φ１とする。これらより、上位角度信号φABSを、
φABS＝φ１−φ２
なる演算によって得る。

次に、フォトダイオードアレイ３１３からの位相出力φ４、フォトダイオードアレイ３１２からの位相出力φ１とする。これらより、インクリメント角度信号φINCを、
φINC＝φ４−φ２
なる演算によって得る。

このように、上位角度信号φABS、インクリメント角度信号φINC、ともに、同心円からの信号位相との差分を取ることで、偏心、倒れ、軸受けガタの影響をキャンセルすることができる。さらに、読み取り領域２１１および読み取り領域２１４を、回転軸２２０から見て同側の同一直線上に配置ことによって、スケールの反りや、パターン露光時の倍率誤差等、同じ方位角のパターン間で相関のある誤差成分をキャンセルすることができる。以降の、上位角度信号φABSとインクリメント角度信号φINCの同期処理については実施例１と同様なので省略する。

以上説明したように、螺旋パターンは一重螺旋に限らず、多重螺旋スケールパターンにおいても本発明のセンサ検出構成を適用することにより、全周に渡り連続した検出信号を出力することが可能となる。

本発明のロータリーエンコーダは、ズームレンズ、フォーカスレンズ等を有する光学機器の位置検出に用いられる。

光学機器は、スチルカメラ、ビデオカメラ、等の撮影装置を意味する。更に、本発明のロータリーエンコーダは、複写機、レーザビームプリンタ、等の画像形成装置の搬送ベルトの速度検出にも適用可能である。

２００ ロータリースケール ２０１ 同心円パターン ２０２ 螺旋パターン
２０３ 放射状パターン ２０４ 多重螺旋パターン ２１１ 検出領域
２１２ 検出領域 ２１３ 検出領域 ３０１ センサユニット
３０２ センサユニット ３１０ ＬＥＤ ３１１ フォトダイオードアレイ
３１２ フォトダイオードアレイ ３１３ フォトダイオードアレイ
４０１ 信号処理回路 ４０２ 記憶装置

Claims (8)

1. 回転軸を中心に半径方向に等間隔で、また回転方向に連続的に半径が変化し、反射率または透過率が変化する一定幅の螺旋パターンが形成されたロータリースケールと、
   前記ロータリースケールと対向して配置され、前記螺旋パターンを照明する光源と、前記螺旋パターンを介した光を検出する第１の受光部を含むセンサユニットを有し、前記センサユニットで得られる信号より前記ロータリースケールの回転角度信号を検出するロータリーエンコーダにおいて、
   前記第１の受光部は前記回転軸を中心とし、半径方向の位置を異ならせて配置した２組以上のセンサアレイから成る第１のセンサアレイ群より成り、
   前記螺旋パターンの一部は一定角度周期で半径方向に変位しており、一定角度周期の整数倍が前記センサアレイの円周方向の幅に対する前記螺旋パターンの読み取り幅に等しく、前記第１のセンサアレイ群で前記螺旋パターンを読み取るときの前記ロータリースケール上での第１読み取り領域には、前記螺旋パターンの回転方向の全周にわたり、半径方向に１周期以上の螺旋パターンが含まれており、
   前記第１のセンサアレイ群は前記螺旋パターンの半径方向の周期に対応した正弦波状信号を出力し、前記第１のセンサアレイ群より出力された信号に基づく２相の正弦波状信号から第１の位相信号を生成する信号処理回路を有し、前記第１の位相信号に基づいて、前記ロータリースケールの回転角度信号を得ることを特徴とするロータリーエンコーダ。
2. 前記ロータリースケールは多重螺旋パターンを有し、前記多重螺旋パターンの螺旋多重度をｍ、前記多重螺旋パターンの半径方向の周期をａ、前記多重螺旋パターンの半径と方位角を各々ｒ、θとし、ｎを１からｍまでの整数とし、
   ｒ＝ｍ・（ａ／３６０）・θ−ａ（ｎ−１）
   で表わされる半径ｒの多重螺旋パターンの軌跡を螺旋基準線とし、螺旋基準線の外周側端の位相角をθｍａｘ、内周側端の位相角をθｍｉｎとするとき
   θｍａｘ−θｍｉｎ＞５４０°／ｍ
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１のロータリーエンコーダ。
3. 前記ロータリースケールには、前記回転軸を中心に半径方向に等間隔で、反射率または透過率が変化する一定幅の同心円パターンが形成されており、
   前記センサユニットは、前記光源からの光束で照明され、前記同心円パターンを介した光を検出する前記第１の受光部と同一平面上に配置された第２の受光部を有し、
   前記第２の受光部は前記回転軸を中心とし、半径方向の位置を異ならせて配置した２組以上のセンサアレイから成る第２のセンサアレイ群より成り、
   前記第２のセンサアレイ群で前記同心円パターンを読み取るときの前記ロータリースケール上での読み取り領域には、前記同心円パターンの回転方向の全周にわたり、半径方向に１周期以上の同心円パターンが含まれており、前記第２のセンサアレイ群は前記同心円パターンの半径方向の周期に対応した正弦波状信号を出力し、前記第２のセンサアレイ群より出力された信号に基づく２相の正弦波状信号から第２の位相信号を前記信号処理回路で生成し、前記第１、第２の位相信号に基づいて、前記ロータリースケールの回転角度信号を得ることを特徴とする請求項１又は２のロータリーエンコーダ。
4. 前記ロータリースケール上の前記第１のセンサアレイ群による第１読み取り領域と前記第２のセンサアレイ群による読み取り領域は、前記回転軸を通る同一の直線上に位置していることを特徴とする請求項３のロータリーエンコーダ。
5. 前記ロータリースケール上にはインクリメンタル信号を得るための前記回転軸を中心とする放射状パターンが形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項のロータリーエンコーダ。
6. 回転軸を中心に半径方向に等間隔で、また回転方向に連続的に半径が変化し、反射率または透過率が変化する一定幅の螺旋パターンが形成されたロータリースケールと、
   前記ロータリースケールと対向して配置され、前記螺旋パターンを照明する光源と、前記螺旋パターンを介した光を検出する第１の受光部を含むセンサユニットを有し、
   前記第１の受光部は前記回転軸を中心とし、半径方向の位置を異ならせて配置した２組以上のセンサアレイから成る第１のセンサアレイ群より成り、
   前記第１のセンサアレイ群で前記螺旋パターンを読み取るときの前記ロータリースケール上での第１読み取り領域には、前記螺旋パターンの回転方向の全周にわたり、半径方向に１周期以上の螺旋パターンが含まれており、
   前記第１のセンサアレイ群は前記螺旋パターンの半径方向の周期に対応した正弦波状信号を出力し、前記第１のセンサアレイ群より出力された信号に基づく２相の正弦波状信号から第１の位相信号を生成する信号処理回路を有し、前記第１の位相信号に基づいて、前記ロータリースケールの回転角度信号を得るロータリーエンコーダであって、
   前記ロータリースケールには、前記回転軸を中心に半径方向に等間隔で、反射率または透過率が変化する一定幅の同心円パターンが形成されており、
   前記センサユニットは、前記光源からの光束で照明され、前記同心円パターンを介した光を検出する前記第１の受光部と同一平面上に配置された第２の受光部を有し、
   前記第２の受光部は前記回転軸を中心とし、半径方向の位置を異ならせて配置した２組以上のセンサアレイから成る第２のセンサアレイ群より成り、
   前記同心円パターンの一部は一定角度周期で半径方向に変位しており、一定角度周期の整数倍が前記センサアレイの円周方向の幅に対する前記同心円パターンの読み取り幅に等しく、
   前記第２のセンサアレイ群で前記同心円パターンを読み取るときの前記ロータリースケール上での読み取り領域には、前記同心円パターンの回転方向の全周にわたり、半径方向に１周期以上の同心円パターンが含まれており、前記第２のセンサアレイ群は前記同心円パターンの半径方向の周期に対応した正弦波状信号を出力し、前記第２のセンサアレイ群より出力された信号に基づく２相の正弦波状信号から第２の位相信号を前記信号処理回路で生成し、前記第１、第２の位相信号に基づいて、前記ロータリースケールの回転角度信号を得ることを特徴とするロータリーエンコーダ。
7. 前記螺旋パターンの一部は一定角度周期で半径方向に変位しており、一定角度周期の整数倍が前記センサアレイの円周方向の幅に対する前記螺旋パターンの読み取り幅に等しいことを特徴とする請求項６に記載のロータリーエンコーダ。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のロータリーエンコーダを備えた光学機器。