(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から投射される光の光軸に直交して配置され、複数の輪帯を同心円状に形成したフレネルゾーンプレートが複数形成された固定板と、
前記固定板から前記光の投射方向に前記フレネルゾーンプレートの焦点距離だけ隔てた位置において回転自在に保持され、前記光軸との交差位置の全周に所定間隔で放射状のスリットが形成された回転スリット板と、
前記回転スリット板に近接して配置され、前記スリットを通過した光を検出する受光素子とを備えた光学式ロータリエンコーダであって、
前記フレネルゾーンプレートは、前記スリットに合わせて放射状に一対形成され、かつ、これが前記スリットの配列方向に複数列形成され、その中心間の距離は、各スリット間の距離をＬsとしてｎ・Ｌs（但し、ｎは整数）によって表されることを特徴とする光学式ロータリエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式ロータリエンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来の一般的な光学式ロータリエンコーダの構造を示す斜視図である。図において、ＬＥＤ（又はレーザダイオード）等の光源１０１と受光素子１０２との間の光路には、スリットを有する２つの部材が介在している。このうち、光源１０１側の部材は被測定物とともに回転する回転スリット部材１０３であり、円板に放射状に、かつ、周方向に等間隔でスリット１０３ａが形成されている。他方の部材は固定された固定スリット部材１０４であり、回転スリット部材１０３と等間隔にスリット１０４ａが形成されている。
【０００３】
光源１０１からの光、例えばＬＥＤ光は、回転スリット部材１０３の前方から照射され、スリット１０３ａ及び１０４ａを通り抜けた光は固定スリット部材１０４の後方に配置された受光素子１０２によって検出される。従って、受光素子１０２においては、可動スリット部材１０３のスリット間隔Ｌｓに相当する回転量ごとに光が検出され、パルス出力が得られる。このパルス出力をカウントすることにより、回転量を検出することができる。従って、回転量あたりの出力パルス数で検出精度が決まり、検出精度を向上させるためにはスリット１０３ａ及び１０４ａの各々のスリット間隔Ｌｓを小さくする必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の光学式ロータリエンコーダでは、検出精度を向上させるためにスリット１０３ａ及び１０４ａの各々のスリット間隔Ｌｓを小さくしようとすると、スリット間隔Ｌｓの２乗に比例して回転スリット部材１０３と固定スリット部材１０４との間の距離ｄを小さくしなければならない。ところが、距離ｄを小さくするには製作上の限界があるため、スリット間隔Ｌｓの縮小も制限され、従って検出精度に限界が生じていた。
【０００５】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、さらに高精度な検出を可能にする光学式ロータリエンコーダを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光源と、この光源から投射される光の光軸に直交して配置され、複数の輪帯を同心円状に形成したフレネルゾーンプレートが複数形成された固定板と、この固定板から前記光の投射方向に前記フレネルゾーンプレートの焦点距離だけ隔てた位置において回転自在に保持され、前記光軸との交差位置の全周に所定間隔で放射状のスリットが形成された回転スリット板と、この回転スリット板に近接して配置され、前記スリットを通過した光を検出する受光素子とを備えた光学式ロータリエンコーダであって、前記フレネルゾーンプレートは、前記スリットに合わせて放射状に一対形成され、かつ、これが前記スリットの配列方向に複数列形成され、その中心間の距離は、各スリット間の距離をＬsとしてｎ・Ｌs（但し、ｎは整数）によって表されるものである（請求項１）。
このように構成された光学式ロータリエンコーダにおいては、フレネルゾーンプレートによって収束させた光をスリットに入射させ、受光素子により検出させる。フレネルゾーンプレートの焦点距離は当該フレネルゾーンプレートの最内周の円の半径によって決まるため、当該半径を適宜選択することにより焦点距離すなわち固定板と回転スリット板との距離を製造可能な程度の値に確保しながら、その一方で回折限界に近い値までビーム径を絞ることができる。従って、スリットの間隔を極めて小さくすることができ、回転量の検出に高い精度を得ることができる。
【０００７】
また、放射状に一対形成されたフレネルゾーンプレートがスリットの配列方向にｎ・Ｌsの間隔で複数列形成されることにより、同時にこれらのフレネルゾーンプレートからスリットを通過する光量（総和）が多く、受光素子による検出が容易になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態による光学式ロータリエンコーダの主要な構成をＸＹＺ直交座標系において示す斜視図である。図は、より明瞭に主要な構成を示すべく、実際の長さや大きさの比例尺にとらわれずに描かれている。図において、Ｘ−Ｙ平面に平行に固定されて設けられた固定板１には、複数個のゾーンプレート２が形成され、これらはＸ方向に等間隔で配置されている。本実施形態では、複数のゾーンプレート２は２行５列に構成され、各ゾーンプレート２は複数の輪帯を同心円状に形成したフレネルゾーンプレートである。単一の、又は複数のＬＥＤからなる光源３は固定板１に直交するＺ方向に光軸を形成するように配置され、ゾーンプレート２に向けて光が投射される。なお、光源３は各ゾーンプレート２に対応させて複数個設けてもよい。回転スリット板４は、回転量検出対象物体とともに回転する部材であって、固定板１からＺ方向に距離ｄだけ隔ててＸ−Ｙ平面に平行に配置されている。回転スリット板４の全体形状は図２に示すような円盤状であり、回転中心Ｏから半径ｒｓの位置において光軸と直交交差するように配置され、その位置の全周にわたって、放射状の複数のスリット４ａが周方向に一定の間隔Ｌｓ（図１）ごとに形成されている。各列の各一対のゾーンプレート２はスリット４ａに合わせて放射状に配置されており、従って、各行の各５個のゾーンプレート２は、厳密にいうと円弧上に配列されている。受光素子５は、回転スリット板４の背面側に近接して、Ｘ−Ｙ平面と平行に配置されている。なお、上記半径ｒｓに比して上記間隔Ｌｓ（以下、スリット間隔Ｌｓという。）は非常に小さいため、図１に示す程度の個数のスリット４ａの配列は直線上にあるとみなすことができる。従って、ゾーンプレート２はＸ方向に直線的に配置してもよい。
【００１１】
以上の構成において、回転スリット板４の１回転当たりに受光素子５によって検出されるパルス数をＰｓとすると、各スリット間隔Ｌｓは、
Ｌｓ＝２π・ｒｓ／Ｐｓ
となる。スリット幅Ｗはスリット間隔Ｌｓの１／２倍に設定されるので、
Ｗ＝π・ｒｓ／Ｐｓ
である。固定板１と回転スリット板４とのＺ方向における距離ｄは、ゾーンプレート２の焦点距離ｄでもあり、
ｄ＝（ｓ１２）／λ
により与えられる。ここで、ｓ１はゾーンプレート２の最内周円の半径であり、λはＬＥＤ波長である。
【００１２】
従来のロータリエンコーダと類似の光学系構成とするために、ゾーンプレート２をスリット間隔Ｌｓの整数倍の間隔で配置する。すなわち、各ゾーンプレート２間の間隔は、ｎ・Ｌｓであればよい。ゾーンプレート２のリング数をζｍａｘとしたときの整数ｎの最小値は、
【００１３】
【数１】
0003577414.tif 000002
【００１４】
によって求められる。この式によって求められたｎを用いることにより、各ゾーンプレート間の間隔を最小とすることができる。なお、必要なゾーンプレート２の数は、スリット４ａを通して同一受光素子に集められる光量と、素子の最小感度との関係から決定される。
具体的な数値例で示すと、以下のようになる。
【００１５】
ＬＥＤ波長λ＝０．７４μｍ
パルス数Ｐｓ＝５０００パルス／回転
焦点距離ｄ＝２００μｍ
半径ｒｓ＝１４ｍｍ
として、
【００１６】
【数２】
0003577414.tif 000003
【００１７】
（但し、ρ２は２番目のゾーン半径、ρ３は３番目のゾーン半径、Ｉｏはゾーンプレート焦点での明るさ、Ｉｏｏはゾーンプレートがない場合のゾーンプレート焦点での明るさ、Ｎはゾーン数である。）
となる。
上記のような構成において、ゾーンプレート２に向けて光源３から光が投射されると、等間隔に並んだ複数のゾーンプレート２のレンズ作用により、収束した微小スポット光が等間隔に並んだ形で得られる。微小スポット光の間隔はスリット４ａの間隔Ｌｓの整数倍（ｎ・Ｌｓ）であるため、回転スリット板４の移動に応じて一斉にスリット４ａを通過し、その後一斉に不通過となる過程が繰り返される。これにより、回転スリット板４の回転量に応じたオンオフ信号が、受光素子４から出力される。
【００１８】
ゾーンプレート２の焦点距離、すなわち固定板１と回転スリット板４との距離ｄが、ｄ＝（ｓ１２）／λであることから、ゾーンプレートの最内周円の半径ｓ１を変化させることにより距離ｄを任意に設定することができる。
また、ゾーンプレート２によって収束させたビームは回折限界に近いビーム径にまで収束させうることが知られている。従って、例えばリソグラフィ等の半導体描画技術を駆使して、ゾーンプレート２の描画精度を高めるとともに最小スポット径を所定の値に作成することによって、固定板１と回転スリット板４との距離ｄを任意の製作可能な値に保ちながらスリット４ａの間隔Ｌｓを極めて小さくして精度を向上させることが可能になる。
また、ＬＥＤ光をゾーンプレート２によってスポット状に絞るために、ＬＥＤ光がスリット４ａを通過／不通過になることによる信号オンオフ時のＳ／Ｎ比を大きくすることができる。さらに、受光する光量はゾーンプレート２の数、中心円の半径及びゾーン帯数で調整できるために設計の自由度が大きい。
【００１９】
また、ゾーンプレートの中心をＬｓ／４だけずらして描画することにより容易に、いわゆるＡ／Ｂ２相の出力を得ることができる。
【００２０】
なお、上記実施形態においては、複数個のゾーンプレート２を配置した例を示したが、基本的にはゾーンプレート２は１個でもよい。
図３は、第２の実施形態としての、ゾーンプレート１個による光学式ロータリエンコーダを示す斜視図である。固定板１にゾーンプレート２が１個しか設けられていない点と受光素子５がゾーンプレート２に合わせてＸ方向に小さくなっている点以外は第１の実施形態と同様である。
かかる構成では、光量があまり十分ではないため、受光素子５による検出がやや困難となるものの、第１の実施形態と同様に、高精度なロータリエンコーダを得ることができる。
【００２１】
図４は第３の実施形態を示す斜視図である。本実施形態は、第２の実施形態における同心円状のゾーンプレート２に代えてリニアゾーンプレート６を設けたものである。すなわち、リニアゾーンプレート６は、光軸上にあるスリット４ａの長手方向（Ｙ方向）に平行に線状帯を形成したゾーンプレートである。この場合、ＬＥＤ光はＹ方向の線状に収束する。従って、スリット４ａがＹ方向に位置ずれしても、線状に収束したＬＥＤ光の少なくとも一部がスリット４ａを通過すれば、受光素子５による検出が可能である。
なお、第１の実施形態と同様に、リニアゾーンプレート６を複数個設けた構成も可能であることはいうまでもない。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明は以下の効果を奏する。
請求項１の光学式ロータリエンコーダによれば、ゾーンプレートによって収束させた光をスリットに入射させ、受光素子により検出させる構成となり、この場合、ゾーンプレートの焦点距離は当該ゾーンプレートの最内周の円の半径によって決まるため、当該半径を適宜選択することにより焦点距離すなわち固定板と回転スリット板との距離を製造可能な程度の値に確保しながら、その一方で回折限界に近い値までビーム径を絞ることができる。従って、スリットの間隔を極めて小さくすることができ、回転量の検出に高い精度を得ることができる。
【００２３】
また、放射状に一対形成されたフレネルゾーンプレートがスリットの配列方向にｎ・Ｌsの間隔で複数列形成されることにより、同時にフレネルゾーンプレートからスリットを通過する光量（総和）が多く、受光素子による検出が容易になる。また、フレネルゾーンプレートの数を増減することにより受光光量を任意に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による光学式ロータリエンコーダの構成を示す斜視図である。
【図２】図１中の回転スリット板の全体形状を示す正面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による光学式ロータリエンコーダの構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の第３の実施形態による光学式ロータリエンコーダの構成を示す斜視図である。
【図５】従来の光学式ロータリエンコーダの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１    固定板
２    ゾーンプレート
３    光源
４    回転スリット板
４ａ  スリット
５    受光素子
６    リニアゾーンプレート
【図１】
0003577414.tif 000004
【図２】
0003577414.tif 000005
【図３】
0003577414.tif 000006
【図４】
0003577414.tif 000007
【図５】
0003577414.tif 000008