(57)【要約】  本発明は、正弦波角度内挿方式のエンコーダにおいて、単一の信号トラックでの内挿角度精度を向上可能な光学式エンコーダを提供する。基本周期の正弦波に所定の周期にて位相変調波を重畳した波形を信号トラック（１０３）として設け、位相変調波の正弦信号及び余弦信号を取り出す光検出器（１０４）を設ける。演算部（１０６）は、光検出器に備わる第１光検出器対及び第２光検出器対の出力信号からそれぞれ電気角を演算し、その和及び差を求めることにより、基本周期の電気角と位相変調波を得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
測定対象に設けられ該測定対象の動きに連動し上記光源からの光束を変調する一つの信号トラックと、
上記信号トラックからの光束を受光し電気信号に変換して出力する光検出部と、
該光検出部からの出力信号を演算する演算部とを備え、
上記信号トラックは、上記光源からの光を正弦波状に強度変調し、かつ該正弦波にλを基本周期としてｍλ＝Λ（ｍは自然数）毎に繰り返す位相変調を与える構成を有し、
上記光検出部は、上記位相変調を与えた信号トラックから正弦波状に変調を受けた光束より正弦信号及び余弦信号を取り出し、
上記演算部により、一つの上記信号トラックから周期λの基本周期信号と周期Λの位相変調信号の２つの周期の信号を得ることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
上記光検出部は、上記信号トラックによって上記正弦波状に変調を受けた光束より正弦信号及び余弦信号を取り出す一対の光検出器からなる第１光検出器対と、上記信号トラックによって上記正弦波状に変調を受けた光束より正弦信号と余弦信号とを取り出す一対の光検出器からなる第２光検出器対とを、上記位相変調の周期Λにおいて｛（２ｎ＋１）Λ／２｝周期にて離れた位置に配置し、
上記演算部は、上記第１光検出器対及び上記第２光検出器対のそれぞれから出力される上記正弦信号及び上記余弦信号により各光検出器対の位置における各電気角を演算し、得られた各電気角の和をとり上記基本周期λにおける電気角を求め、上記各電気角の差をとり第１位相変調信号を求める、請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項３】
上記光検出部は、さらに、上記第１光検出器対及び上記第２光検出器対に対してそれぞれ｛（２ｎ＋１）Λ／４｝周期にて離れた位置に配置され上記第１光検出器対及び上記第２光検出器対と同じ構成にてなる第３光検出器対及び第４光検出器対を備え、上記演算部は、上記第１光検出器対及び上記第２光検出器対から求まる上記第１位相変調信号と、上記第３光検出器対及び上記第４光検出器対から求まる第２位相変調信号とにより位相変調信号の電気角を演算する、請求項１又は２記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】
上記光検出部は、上記信号トラックによって上記正弦波状に変調を受けた光束より正弦信号及び余弦信号を取り出す一対の光検出器からなる第１光検出器対と、上記信号トラックによって上記正弦波状に変調を受けた光束より正弦信号と余弦信号とを取り出す一対の光検出器からなる第２光検出器対とを、上記位相変調の周期ΛにおいてΛ／２周期にて離れた位置に配置し、さらに、上記第１光検出器対及び上記第２光検出器対に対してそれぞれΛ／４周期にて離れた位置に配置され上記第１光検出器対及び上記第２光検出器対と同じ構成にてなる第３光検出器対及び第４光検出器対を備え、
上記演算部は、上記第１光検出器対及び上記第２光検出器対と、上記第３光検出器対及び上記第４光検出器対とのそれぞれから出力される上記正弦信号及び上記余弦信号により各光検出器対の位置における各電気角を演算し、得られた各電気角の和をとり上記基本周期λにおける電気角を求め、上記各電気角の差をとり第１位相変調信号を求める、
請求項１又は２記載の光学式エンコーダ。
【請求項５】
上記演算部は、さらに上記第１光検出器対及び上記第２光検出器対と、上記第３光検出器及び上記第４光検出器対とから求まる上記第１位相変調信号、並びに、上記第２光検出器対及び上記第３光検出器対と、上記第４光検出器及び上記第１光検出器対とから求まる上記第２位相変調信号の差により位相変調信号の電気角を演算する、請求項２又は４記載の光学式エンコーダ。
【請求項６】
上記測定対象は、上記信号トラックである第１信号トラックに加えて、該第１信号トラックとは異なる第２信号トラックをさらに有し、各信号トラックに対応して上記光検出部を有し、第１信号トラックは、上記位相変調された正弦波を生成する信号トラックであり、第２信号トラックは、上記第１信号トラックで分解できる分解能より高い周波数を有する単一周期の正弦波状の光強度変調を行う信号トラックである、請求項１から５のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
【請求項７】
上記測定対象は、上記信号トラックである第１信号トラックに加えて、該第１信号トラックとは異なる第２信号トラックをさらに有し、各信号トラックに対応して上記光検出部を有し、第１信号トラックは、上記位相変調された正弦波を生成する信号トラックであり、第２信号トラックは、上記第１信号トラックで分解できる分解能より低い周波数を有する単一周期の正弦波状の光強度変調を行う信号トラックである、請求項１から５のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
【請求項８】
上記第２信号トラックは、当該第２信号トラックの波数ｎが上記第１信号トラックの波数Ｌよりｊだけ相違する波数を有する単一周期の正弦波状の光強度変調を行う信号トラックである、請求項６又は７に記載の光学式エンコーダ。
【請求項９】
上記第２信号トラックのトラック半径Ｒに対して上記第１信号トラックのトラック半径がＲ（Ｌ／ｎ）である、請求項８に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１０】
光源と、被測定物に取り付けられ上記被測定物の動きに連動して上記光源からの光束を変調する第１トラック及び第２トラックを有するスケールと、上記スケールからの変調された光束を受光し電気信号に変換して出力する光検出部と、上記光検出部からの出力信号を演算して上記被測定物の位置を演算する演算部とを備えた光学式エンコーダであって、
上記第１トラックは、当該トラック全体をｋ分割する周期Λに対しｎの波数を持つ固定の周期パターンで構成され、
上記第２トラックは、上記第１トラックのｎの波数よりｍだけ相違する波数を有し、かつ上記周期Λで変化する関数による位相変調を付与して構成され、
上記光検出部は、上記第１トラックに対応して配置される第１光検出器と、上記第２トラックに対応して配置され互いにΛ／４周期ずれて配置される複数の第２光検出器とを有し、
上記演算部は、上記第１光検出器の出力信号及び上記第２光検出器の出力信号からそれぞれ求めた電気角演算出力の差を演算して長周期の信号を求め、上記第２光検出器の出力信号から求めた電気角演算出力の差を演算して上記周期Λ内における絶対位置を求め、上記電気角演算出力の和を演算して周期Λ内でｍ回繰り返すバーニア出力を求める、
ことを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項１１】
上記スケールの上記第１トラック及び上記第２トラックと上記光源との間に固定して配置される固定格子をさらに備え、上記光検出部は、上記固定格子と上記スケールとによって生成される格子像を検出する、請求項１０記載の光学式エンコーダ。
【請求項１２】
上記スケールの上記第１トラック及び上記第２トラックは、光の位相に変調を与える位相格子を有する、請求項１１記載の光学式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源と、測定対象に設けた信号トラックと、受光素子とを備え、受光素子の出力を演算して上記測定対象の変位を求める光学式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
上述のような光学式エンコーダでは、従来、例えば、光源から信号トラックを経て受光素子にて得られる透過光量又は反射光量が正弦波状に変化するように上記信号トラックを形成し、さらに、上記正弦波状の光量変化において１／４ピッチずつずれた位置に受光素子を配置した構成を有する。このような構成によれば、それぞれの受光素子から相互に９０°位相のずれた信号が取り出され、上記信号トラックのパターンから得られる信号の１周期内を多数分割することが可能となる（例えば特許文献１参照）。【０００３】
又、複数の回折格子を備えた光学式エンコーダでは、出力信号における高調波歪みを除去するため、回折格子において、隣接するパターンの間隔を一定ではなく、基準位相となるパターンに対して規定の位相差、及び各位相差の和の組み合わせに応じた位相差を有するパターンとしたものも存在する（例えば特許文献２参照）。【０００４】
さらに又、所定の波数を有する主スリットトラックに対し、所定波数だけ少ない副スリットトラックを設け、両者の電気角の差から長周期の信号を生成するバーニア式エンコーダの手法も提案されている（例えば特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６１−１８２５２２号公報
【特許文献２】特開平８−１８４４６６号公報
【特許文献３】特開平０８−３０４１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光学式エンコーダにおいて、正弦波角度内挿方式を利用した検出では、内挿精度は、正弦波の値を検出する回路によって制限される。よって、高分解能が必要な絶対値検出を行うような場合には、測定対象に複数の信号トラックを設け、順次内挿角度位置をつないで構成しなければならない。よって、信号トラックを設けるスケールの面積が大きくなるという問題点があった。【０００７】
又、上述のようにパターン間隔を変化させるという提案はなされているが、正弦波角度内挿分解能を向上させる目的において、さらに受光素子の配置位置及び出力信号の演算手法まで考慮した技術は、従来、存在しない。【０００８】
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、単一の信号トラックで内挿角度精度の向上が可能な光学式エンコーダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における光学式エンコーダは、光源と、測定対象に設けられ該測定対象の動きに連動し上記光源からの光束を変調する一つの信号トラックと、上記信号トラックからの光束を受光し電気信号に変換して出力する光検出部と、該光検出部からの出力信号を演算する演算部とを備え、上記信号トラックは、上記光源からの光を正弦波状に強度変調し、かつ該正弦波にλを基本周期としてｍλ＝Λ（ｍは自然数）毎に繰り返す位相変調を与える構成を有し、上記光検出部は、上記位相変調を与えた信号トラックから正弦波状に変調を受けた光束より正弦信号及び余弦信号を取り出し、上記演算部により、一つの上記信号トラックから周期λの基本周期信号と周期Λの位相変調信号の２つの周期の信号を得ることを特徴とする。【００１０】
上記第１態様において、上記光検出部は、上記信号トラックによって上記正弦波状に変調を受けた光束より正弦信号及び余弦信号を取り出す一対の光検出器からなる第１光検出器対と、上記信号トラックによって上記正弦波状に変調を受けた光束より正弦信号と余弦信号とを取り出す一対の光検出器からなる第２光検出器対とを、上記位相変調の周期Λにおいて｛（２ｎ＋１）Λ／２｝周期にて離れた位置に配置し、上記演算部は、上記第１光検出器対及び上記第２光検出器対のそれぞれから出力される上記正弦信号及び上記余弦信号により各光検出器対の位置における各電気角を演算し、得られた各電気角の和をとり上記基本周期λにおける電気角を求め、上記各電気角の差をとり第１位相変調信号を求める、ように構成することもできる。【００１１】
上記第１態様において、上記光検出部は、さらに、上記第１光検出器対及び上記第２光検出器対に対してそれぞれ｛（２ｎ＋１）Λ／４｝周期にて離れた位置に配置され上記第１光検出器対及び上記第２光検出器対と同じ構成にてなる第３光検出器対及び第４光検出器対を備え、上記演算部は、上記第１光検出器対及び上記第２光検出器対から求まる上記第１位相変調信号と、上記第３光検出器対及び上記第４光検出器対から求まる第２位相変調信号とにより位相変調信号の電気角を演算する、ように構成することもできる。【００１２】
上記第１態様において、上記光検出部は、上記信号トラックによって上記正弦波状に変調を受けた光束より正弦信号及び余弦信号を取り出す一対の光検出器からなる第１光検出器対と、上記信号トラックによって上記正弦波状に変調を受けた光束より正弦信号と余弦信号とを取り出す一対の光検出器からなる第２光検出器対とを、上記位相変調の周期ΛにおいてΛ／２周期にて離れた位置に配置し、さらに、上記第１光検出器対及び上記第２光検出器対に対してそれぞれΛ／４周期にて離れた位置に配置され上記第１光検出器対及び上記第２光検出器対と同じ構成にてなる第３光検出器対及び第４光検出器対を備え、上記演算部は、上記第１光検出器対及び上記第２光検出器対と、上記第３光検出器対及び上記第４光検出器対とのそれぞれから出力される上記正弦信号及び上記余弦信号により各光検出器対の位置における各電気角を演算し、得られた各電気角の和をとり上記基本周期λにおける電気角を求め、上記各電気角の差をとり第１位相変調信号を求める、ように構成することもできる。【００１３】
上記第１態様において、上記演算部は、さらに上記第１光検出器対と上記第２光検出器対及び上記第３光検出器と上記第４光検出器対から求まる上記第１位相変調信号と、上記第２光検出器対と上記第３光検出器対及び上記第４光検出器と上記第１光検出器対から求まる上記第２位相変調信号との差により位相変調信号の電気角を演算する、ように構成することもできる。【００１４】
上記第１態様において、上記測定対象は、上記信号トラックである第１信号トラックに加えて、該第１信号トラックとは異なる第２信号トラックをさらに有し、各信号トラックに対応して上記光検出部を有し、第１信号トラックは、上記位相変調された正弦波を生成する信号トラックであり、第２信号トラックは、上記第１信号トラックで分解できる分解能より高い周波数を有する単一周期の正弦波状の光強度変調を行う信号トラックである、ように構成することもできる。【００１５】
上記第１態様において、上記測定対象は、上記信号トラックである第１信号トラックに加えて、該第１信号トラックとは異なる第２信号トラックをさらに有し、各信号トラックに対応して上記光検出部を有し、第１信号トラックは、上記位相変調された正弦波を生成する信号トラックであり、第２信号トラックは、上記第１信号トラックで分解できる分解能より低い周波数を有する単一周期の正弦波状の光強度変調を行う信号トラックである、ように構成することもできる。【００１６】
上記第１態様において、上記第２信号トラックは、当該第２信号トラックの波数ｎが上記第１信号トラックの波数Ｌよりｊだけ相違する波数を有する単一周期の正弦波状の光強度変調を行う信号トラックである、ように構成することもできる。【００１７】
上記第１態様において、上記第２信号トラックのトラック半径Ｒに対して上記第１信号トラックのトラック半径がＲ（Ｌ／ｎ）である、ように構成することもできる。【００１８】
また、本発明の第２態様における光学式エンコーダは、光源と、被測定物に取り付けられ上記被測定物の動きに連動して上記光源からの光束を変調する第１トラック及び第２トラックを有するスケールと、上記スケールからの変調された光束を受光し電気信号に変換して出力する光検出部と、上記光検出部からの出力信号を演算して上記被測定物の位置を演算する演算部とを備えた光学式エンコーダであって、上記第１トラックは、当該トラック全体をｋ分割する周期Λに対しｎの波数を持つ固定の周期パターンで構成され、上記第２トラックは、上記第１トラックのｎの波数よりｍだけ相違する波数を有し、かつ上記周期Λで変化する関数による位相変調を付与して構成され、上記光検出部は、上記第１トラックに対応して配置される第１光検出器と、上記第２トラックに対応して配置され互いにΛ／４周期ずれて配置される複数の第２光検出器とを有し、上記演算部は、上記第１光検出器の出力信号及び上記第２光検出器の出力信号からそれぞれ求めた電気角演算出力の差を演算して長周期の信号を求め、上記第２光検出器の出力信号から求めた電気角演算出力の差を演算して上記周期Λ内における絶対位置を求め、上記電気角演算出力の和を演算して周期Λ内でｍ回繰り返すバーニア出力を求めることを特徴とする。【００１９】
上記第２態様において、上記スケールの上記第１トラック及び上記第２トラックと上記光源との間に固定して配置される固定格子をさらに備え、上記光検出部は、上記固定格子と上記スケールとによって生成される格子像を検出する、ように構成することもできる。【００２０】
上記第２態様において、上記スケールの上記第１トラック及び上記第２トラックは、光の位相に変調を与える位相格子を有する、ように構成することもできる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の第１態様における光学式エンコーダによれば、一つの信号トラックに対向した光検出部と、演算部とを備え、上記光検出部から複数の異なる周期を有する正弦波信号及び余弦波信号が得られる。このように、１個の信号トラックから周期の異なる２個の周期信号を得ることができる。よって、信号トラックを有するスケールの小型化を達成することができると共に、一つの信号トラックにおいて内挿可能な電気角は、上記２個の周期信号から求めることができ、内挿分解能を従来よりも向上させることが可能となる。具体的には、上記内挿可能な電気角は、上記光検出部に備わる第１光検出器対及び第２光検出器対における各電気角の和によって求めることができる。【００２２】
又、本発明の第２態様における光学式エンコーダによれば、第２トラック、第２光検出器、及び演算部を備えたことで、第２トラックから複数の周期の正弦波出力を得ることができる。よって、１トラックにおいて、内挿可能な電気角度が、前記複数の周期の内挿電気角度の和で得ることができ、内挿分解能を向上することができる。
又、上述のように一つのトラックから複数の周期の正弦波出力を得ることができることから、多段のトラックを設ける必要はなくスケールの小型化を図ることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１による光学式エンコーダの構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す光学式エンコーダの信号トラックを示す平面図である。
【図３】図２に示す信号トラックの拡大図である。
【図４】図２に示す信号トラックを直線状に展開した図である。
【図５】図１に示す光学式エンコーダに備わる光検出部の構成を説明する図であり光検出部を直線状に展開した図である。
【図６】本発明の実施の形態２による光学式エンコーダに備わる光検出部の構成を説明する図であり光検出部を直線状に展開した図である。
【図７】本発明の実施の形態４による光学式エンコーダの信号トラックを示す拡大図である。
【図８】本発明の実施の形態６による光学式エンコーダの信号トラックを示す拡大図である。
【図９】本発明の実施の形態７による光学式エンコーダの信号トラックを示す拡大図である。
【図１０】本発明の実施の形態８による光学式エンコーダを示す構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態８による光学式エンコーダの信号トラックを示す平面図である。
【図１２】本発明の実施の形態９による光学式エンコーダの信号トラックを示す平面図である。
【図１３】本発明の実施の形態１０による光学式エンコーダの信号トラックにおけるバーニア方式を説明する直線展開図である。
【図１４】本発明の実施の形態１０による光学式エンコーダの信号トラックを示す直線展開図である。
【図１５】本発明の実施の形態１０による光学式エンコーダの検出スリットを示す直線展開図である。
【図１６】本発明の実施の形態１０による光学式エンコーダの検出スリットの動作を示す直線展開図である。
【図１７】本発明の実施の形態１１による光学式エンコーダ示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施形態である光学式エンコーダについて、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
【００２５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による光学式エンコーダ１００を示す構成図である。当該光学式エンコーダ１００は、光源１０１と、スケール１０２と、光検出部１０４と、光検出部１０４に接続される演算部１０６とを備える。
【００２６】
光源１０１として、例えばＬＥＤやＬＤ等が使用可能である。スケール１０２は、光源１０１と光検出部１０４とに挟まれて配置され、本実施形態１における測定対象である回転軸１０５に取り付けられた円板であり、光源１０１からの光束を変調する一つの信号トラック１０３を円周に沿って設けている。信号トラック１０３は、回転軸１０５の回転角に対応してパターニングされている。
【００２７】
光検出部１０４は、信号トラック１０３からの光束を受光し、電気信号に変換して演算部１０６へ出力する。演算部１０６は、詳細後述するが、機能的に、電気角演算部１０６ａ、和演算部１０６ｂ、及び差演算部１０６ｃを有し、スケール１０２、つまり回転軸１０５の回転角度又は回転位置を演算し出力する。
【００２８】
本実施の形態１では、図示するように、又、上述したように、光学式エンコーダ１００は、ロータリーエンコーダの場合を例に採るが、この形態に限定されず、リニアエンコーダの実施形態に対しても本発明は適用可能である。又、本実施形態１では、光検出部１０４は、信号トラック１０３を透過した光源１０１の光束を検出するが、この形態に限定されず、反射光を検出するように構成してもよい。
【００２９】
又、図２には、スケール１０２の信号トラック１０３の形態を示し、図３には、図２内に点線で示すＡ領域を拡大して図示している。又、図４は、理解を容易にするため、図３に示す信号トラック１０３のパターンを直線状に展開したものである。
【００３０】
信号トラック１０３のパターンは、光源１０１からの光に正弦波状の変調を与えるもので、変調の暗部（斜線部）１１５と明部１１６とが交互に構成され、基本周期λでΛ＝ｍλ（ｍは自然数）の周期毎に繰り返される位相変調が与えられている。また、位相変調の周期Λは、信号トラック１０３の１周をｋ等分する角度であり、本実施形態ではｋ＝１６、ｍ＝８としている。
【００３１】
図２及び図３に示すように、光検出部１０４は、光検出器１０７〜１１４を有し、光検出器１０７〜１１４は、単一の信号トラック１０３に対向して配置される。さらに、光検出器１０７、１０９、１１１、１１３は、スケール１０２の外周側にて、同一半径上で、周方向に沿って配置され、詳細後述するように位相変調波形の正弦波を出力する。光検出器１０８、１１０、１１２、１１４は、光検出器１０７、１０９、１１１、１１３に対してスケール１０２の内周側にて、同一半径上で、周方向に沿って配置され、詳細後述するように位相変調波形の余弦波を出力する。又、光検出器１０７と光検出器１０８、光検出器１０９と光検出器１１０、光検出器１１１と光検出器１１２、光検出器１１３と光検出器１１４の各対は、スケール１０２におけるそれぞれ異なる直径上に沿って配置されている。又、光検出器１０７と光検出器１０８とで第１光検出器対を構成し、光検出器１０９と光検出器１１０とで第２光検出器対を構成し、光検出器１１１と光検出器１１２とで第３光検出器対を構成し、光検出器１１３と光検出器１１４とで第４光検出器対を構成する。
【００３２】
上述のように形成されている信号トラック１０３のパターンに対して、本実施形態では図３に示すように、光検出器１０７及び光検出器１０８で構成される第１光検出器対と、光検出器１０９及び光検出器１１０で構成される第２光検出器対とは、Λ／２の周期（一般的には、｛（２ｎ＋１）Λ／２｝の周期、（ｎは０以上の整数）、にて離れた位置に配置され、同様に、光検出器１１１及び光検出器１１２で構成される第３光検出器対と、光検出器１１３及び光検出器１１４で構成される第４光検出器対とについても、Λ／２の周期（一般的には、｛（２ｎ＋１）Λ／２｝の周期）にて離れた位置に配置される。さらに、第１光検出器対と第３光検出器対、第３光検出器対と第２光検出器対、第２光検出器対と第４光検出器対は、それぞれΛ／４の周期（一般的には、｛（２ｎ＋１）Λ／４｝の周期）にて離れた位置に配置される。
【００３３】
さらにまた、光検出器１０７〜１１４は、図５に示すように構成されている。尚、図５は、図４の図示に対応して、図３に示す各光検出器を直線状に配置した状態にて図示している。第１光検出器対を構成する光検出器１０７及び光検出器１０８を例に説明すると、光検出器１０７は、サブ検出器１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃにて構成され、光検出器１０８は、サブ検出器１０８ａ、１０８ｂにて構成されている。サブ検出器１０７ｂ及びサブ検出器１０７ｃは、サブ検出器１０７ａの面積のそれぞれ１／２にて形成され、サブ検出器１０７ａを間に挟みサブ検出器１０７ａに対して基本周期λの１／２ずれた位置に配置される。サブ検出器１０８ａとサブ検出器１０８ｂとは同面積にてなり、サブ検出器１０８ａとサブ検出器１０８ｂとも基本周期λの１／２ずれた位置に配置される。さらに、サブ検出器１０７ａとサブ検出器１０８ａ及びサブ検出器１０８ｂとは、互いに基本周期λの１／４のずれを与えられて配置されている。他の、第２光検出器対を構成する光検出器１０９及び光検出器１１０、第３光検出器対を構成する光検出器１１１及び光検出器１１２、第４光検出器対を構成する光検出器１１３及び光検出器１１４についても、上述の第１光検出器対と同様に構成されている。
【００３４】
以上のような構成を有する本実施形態１の光学式エンコーダ１００における動作について以下に説明する。
上述のように、基本周期λでΛ＝ｍλ周期毎に繰り返す位相変調が与えられた信号トラック１０３の信号パターンにおいて、位相変調パターンの電気角原点１１７（図４）は、点線で示した基本周期λの電気角原点１１７ａに対して位相変調に伴ってδ（θ）のずれが発生する。位相変調パターンのｆ［θ］波形、及びδ［θ］波形は、例えば、
【００３５】
【数１】
2009148066.tif 000003
【００３６】
【数２】
2009148066.tif 000004
【００３７】
となる強度変調で与えられる。
又、図５を参照して上述したように、例えば光検出器１０７を構成するサブ検出器１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃが規定位置に配置され、光検出器１０８を構成するサブ検出器１０８ａ、１０８ｂが規定位置に配置されている状態では、サブ検出器１０７ａの中心を基準として、その出力ｆ７ａ［θ］が、
【００３８】
【数３】
2009148066.tif 000005
【００３９】
にて与えられるとき、サブ検出器１０７ｂの出力ｆ７ｂ［θ］、及びサブ検出器１０７ｃの出力ｆ７ｃ［θ］は、それぞれ、
【００４０】
【数４】
2009148066.tif 000006
【００４１】
【数５】
2009148066.tif 000007
【００４２】
で表すことができる。ここで、βが小さく、ｍが大きいときには、ｆ７ａ［θ］−（ｆ７ｂ［θ］＋ｆ７ｃ［θ］）は、
【００４３】
【数６】
2009148066.tif 000008
【００４４】
と近似できる。尚、βは位相変調波の位相振幅を表し、０＜β＜πで任意に設定可能な定数、ｍは自然数である。
さらに、サブ検出器１０８ａの出力ｆ８ａ［θ］、及びサブ検出器１０８ｂの出力ｆ８ｂ［θ］は、
【００４５】
【数７】
2009148066.tif 000009
【００４６】
【数８】
2009148066.tif 000010
【００４７】
で表すことができる。ここで、βが小さく、ｍが大きいときには、ｆ８ａ［θ］−ｆ８ｂ［θ］は、
【００４８】
【数９】
2009148066.tif 000011
【００４９】
と近似できる。よって、同一位置θにおいて、光検出器１０７が正弦信号を出力し、光検出器１０８が余弦信号を出力する。
【００５０】
この光検出器１０７の正弦信号と、光検出器１０８の余弦信号とは、演算部１０６の電気角演算部１０６ａにて除算が行われ、つまり逆正接演算が行われることにより、下記（１０）式に示される電気角が求まる。
【００５１】
【数１０】
2009148066.tif 000012
【００５２】
又、第２光検出器対を構成する光検出器１０９及び光検出器１１０は、上述の、第１光検出器対を構成する光検出器１０７及び光検出器１０８に対して、位相変調周期の半周期、Λ／２ずれた位置に配置されている。よって、光検出器１０９及び光検出器１１０から得られる逆正接演算出力は、下記（１１）式に示すように、位相変調項の符号が（１０）式に対して反転する。
【００５３】
【数１１】
2009148066.tif 000013
【００５４】
さらに演算部１０６の和演算部１０６ｂにて、第１光検出器対を構成する光検出器１０７及び光検出器１０８による、（１０）式に示す電気角演算結果と、第２光検出器対を構成する光検出器１０９及び光検出器１１０による、（１１）式に示す電気角演算結果との和を演算する。該演算により、下記（１２）式に示す、基本周期による電気角が求まる。
【００５５】
【数１２】
2009148066.tif 000014
【００５６】
又、演算部１０６の差演算部１０６ｃにて、（１０）式に示す電気角演算結果と、（１１）式に示す電気角演算結果との差を演算することにより、下記（１３）式に示す、位相変調成分を抽出する。
【００５７】
【数１３】
2009148066.tif 000015
【００５８】
（１３）式にて得た位相変調周期Λの信号により内挿角度が検出可能である。しかしながら、より内挿角度の精度を高めるために、以下の手法を採るのが好ましい。
【００５９】
即ち、上記位相変調周期Λの信号は、（１３）式に示すように正弦波信号であり、電気角分解能に位置依存性が存在する。
一方、第３光検出器対を構成する光検出器１１１、１１２、及び第４光検出器対を構成する光検出器１１３、１１４は、それぞれ、第１光検出器対を構成する光検出器１０７、１０８、及び第２光検出器対を構成する光検出器１０９、１１０に対して、位相変調周期の１／４周期（Λ／４）だけ互いにずれた位置に設けられている。よって、これら第３光検出器対の光検出器１１１、１１２、及び第４光検出器対の光検出器１１３、１１４について、上述の第１光検出器対及び第２光検出器対の場合と同様に、演算部１０６にてそれぞれの電気角演算結果の差を演算すると、下記（１４）式に示すように、（１３）式に対して電気角で９０°位相のシフトした余弦波形状の位相変調信号を得ることができる。
【００６０】
【数１４】
2009148066.tif 000016
【００６１】
そして、演算部１０６の電気角演算部１０６ａにて、第１光検出器対及び第２光検出器対から求めた、上記（１３）式に示す位相変調信号と、第３光検出器対及び第４光検出器対から求めた、上記（１４）式に示す位相変調信号との逆正接演算を行う。この演算結果により、電気角分解能に位置依存性が存在しない、周期Λでの電気角度２πθ／Λを得ることができる。
【００６２】
このように本実施の形態１の光学式エンコーダによれば、位相変調信号の電気角を、より高い精度にて求めることが可能となる。よって、従来に比べて高分解能の光学式エンコーダを提供可能となる。
【００６３】
実施の形態２．
実施の形態１の光学式エンコーダでは、上述のように、光検出器１０７及び光検出器１０８から第１光検出器対を、光検出器１０９及び光検出器１１０から第２光検出器対を、光検出器１１１及び光検出器１１２から第３光検出器対を、光検出器１１３及び光検出器１１４から第４光検出器対を、それぞれ構成した。
【００６４】
これに対し、本実施の形態では、光検出器１０７及び光検出器１１１と、光検出器１０８及び光検出器１１２とから第１光検出器対を、光検出器１０９及び光検出器１１３と、光検出器１１０及び光検出器１１４とから第２光検出器対を、光検出器１１１及び光検出器１０９と、光検出器１１２及び光検出器１１０とから第３光検出器対を、光検出器１１３及び光検出器１０７と、光検出器１１４及び光検出器１０８とから第４光検出器対を、それぞれ構成する。その他の構成は、実施の形態１の光学式エンコーダにおける構成に同じである。
【００６５】
上記第１光検出器対を例に採り、さらに具体的に説明する。尚、その他の光検出対においても同様に考えることができる。
実施の形態１で説明したように、同じ円周上で外周側に位置する光検出器１０７及び光検出器１１１から正弦波出力が得られ、内周側に位置する光検出器１０８及び光検出器１１２から余弦波出力が得られる。演算部１０６の電気角演算部１０６ａにて、上記正弦波出力と上記余弦波出力との除算が行われ、つまり逆正接演算が行われることにより、上記（１０）式に示されるものと同様の電気角を得ることができる。
【００６６】
本実施の形態２における第１光検出器対と第２光検出器対、及び第３光検出器対と第４光検出器対は、実施の形態１の場合と同様に、位相変調周期の半周期、即ちΛ／２ずれた位相関係にある。又、本実施の形態２における第１光検出器対と第３光検出器対、及び第２光検出器対と第４光検出器対は、位相変調周期の４分の１周期、即ちΛ／４ずれた位相関係にある。よって、実施の形態１で説明したように、上記（１２）式の演算により基本周期による電気角が求まり、上記（１３）式の演算により位相変調成分が抽出される。
【００６７】
本実施の形態２における光学式エンコーダのように、例えば光検出器１０７及び光検出器１０８からの出力を第１光検出器対と第４光検出器対との２つの光検出器対で共用することにより、演算部１０６に入力される信号の出力は、実施の形態１の場合に比べて２倍の出力を得ることが出来る。したがって、本実施の形態２の光学式エンコーダによれば、上述の実施形態１における効果を得ることは勿論、さらに、微弱な信号しか得られないような形態においても、位相変調信号の電気角を、より高い精度にて求めることが可能となるという利点がある。
【００６８】
実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３における光学式エンコーダに備わる光検出部１０４−３を構成する各光検出器の配置を示す概略図である。尚、図６においても、図５の場合と同様に各光検出器を直線状に配置した状態にて図示している。
本実施の形態３における光学式エンコーダの基本的な構成は、実施の形態１及び実施の形態２における構成と同様であるが、光検出部のみの構成を異にする。即ち、本実施の形態３の光学式エンコーダに備わる光検出部１０４−３は、上述の光検出器１１３及び光検出器１１４に対して右方へΛ／４の位置に、さらに光検出器１２５及び光検出器１２６を配置している。光検出器１２５は、サブ検出器１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃから構成され、光検出器１２６は、サブ検出器１２６ａ、１２６ｂから構成される。サブ検出器１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃは、上述した、サブ検出器１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃと同じ構成を有する。又、サブ検出器１２６ａ、１２６ｂについても、上述したサブ検出器１０８ａ、１０８ｂと同じ構成を有する。
【００６９】
ここで、信号トラック１０３のパターンは、周期Λで変調されているため、光検出器１２５と光検出器１０７、及び、光検出器１２６と光検出器１０８からは、同一の位相の信号を得ることができる。
【００７０】
また、本実施の形態３における光学式エンコーダでは、光検出器１０７及び光検出器１１１と、光検出器１０８及び光検出器１１２とから第１光検出器対を、光検出器１０９及び光検出器１１３と、光検出器１１０及び光検出器１１４とから第２光検出器対を、光検出器１１１及び光検出器１０９と、光検出器１１２及び光検出器１１０とから第３光検出器対を、光検出器１１３及び光検出器１２５と、光検出器１１４及び光検出器１２６とから第４光検出器対を構成する。
【００７１】
このように構成した本実施の形態３における光学式エンコーダでは、上記第１光検出器対と第２光検出器対、及び、第３光検出器対と第４光検出器対は、実施の形態２の場合と同様に位相変調周期の半周期、即ちΛ／２ずれた位相関係にあり、また、第１光検出器対と第３光検出器対、及び、第２光検出器対と第４光検出器対は、位相変調周期の４分の１周期、即ちΛ／４ずれた位相関係にある。よって、本実施の形態３の光学式エンコーダに備わる演算部１０６では、実施の形態１で説明したように、上記（１２）式の演算により、基本周期による電気角が求まり、上記（１３）式の演算により位相変調成分が抽出される。
【００７２】
実施の形態２では、第１光検出器対、第２光検出器対、第３光検出器対のそれぞれは、Λ／４間隔で配置された光検出器からの出力を得るのに対して、第４光検出器対は、３Λ／４間隔で配置された光検出器からの出力を得ている。信号トラック１０３のパターンは、周期Λで変調されているため、第４光検出器対内の光検出器１１３と光検出器１０７、及び光検出器１１４と光検出器１０８は、出力の位相としては他の光検出器と同様に位相Λ／４の位置関係にある。しかしながら、第４光検出器対内の光検出器１１３，１０７，１１４，１０８では、スケール１０２の実際の１回転内の機械角位置が他の光検出器対とは異なる。よって、例えばスケール１０２が回転軸１０５に対してずれて組みつけられた場合には、実施の形態２の構成では、第４光検出器対だけが他の検出器対とは異なる信号挙動を示すことが懸念される。
【００７３】
これに対し本実施の形態３の構成では、第１から第４の全ての光検出器対において、位相及びスケール１０２の１回転内の機械角位置関係が同じになる。よって、仮に例えば、スケール１０２が回転軸１０５に対してずれて組みつけられたような場合でも、本実施の形態３の光学式エンコーダによれば、安定した信号を得ることができるという効果を奏することができる。勿論、本実施の形態３の光学式エンコーダは、上述した実施の形態１の光学式エンコーダが奏する効果を得ることができる。
【００７４】
実施の形態４．
図７は本発明の実施の形態４における光学式エンコーダに備わる光検出部１０４−４を構成する光検出器の配置を示す概略図である。尚、図７においても、図５及び図６の場合と同様に各光検出器を直線状に配置した状態にて図示している。
本実施の形態４における光学式エンコーダの基本的な構成は、実施の形態１及び実施の形態２における構成と同様であり、光検出部のみの構成を異にする。
【００７５】
即ち、本実施の形態４の光学式エンコーダに備わる、図７に示す光検出部１０４−４は、光検出器１３１〜１３４を有する。光検出器１３１〜１３４は、同じ構成にてなる。例えば光検出器１３１を例に説明すると、光検出器１３１は、サブ検出器１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃ、１１７ｄ、１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ、１１８ｄにて構成される。サブ検出器１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃ、１１７ｄは、個数は異なるが、実施の形態１における光検出器１０７のサブ検出器１０７ａ〜１０７ｃに相当し、サブ検出器１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ、１１８ｄは、個数は異なるが、実施の形態１における光検出器１０８のサブ検出器１０８ａ、１０８ｂに相当する。
【００７６】
サブ検出器１１７ａ〜１１７ｄ、及びサブ検出器１１８ａ〜１１８ｄは、全て同面積にて構成される。サブ検出器１１８ａは、サブ検出器１１７ａに対して基本周期λの１／４ずれた位置に配置される。サブ検出器１１７ｂとサブ検出器１１８ｂ、サブ検出器１１７ｃとサブ検出器１１８ｃ、サブ検出器１１７ｄとサブ検出器１１８ｄについても同様に、基本周期λの１／４ずれた位置に配置される。サブ検出器１１７ａ及びサブ検出器１１７ｃと、サブ検出器１１７ｂ及び１サブ検出器１７ｄとは、互いに基本周期λの１／２のずれを与えられて配置されており、サブ検出器１１８ａ及びサブ検出器１１８ｃと、サブ検出器１１８ｂ及びサブ検出器１１８ｄとも、互いに基本周期λの１／２のずれを与えられて配置されている。
【００７７】
又、サブ検出器１１７ａ、１１７ｂと、サブ検出器１１８ａ、１１８ｂとは、スケール１０２における同じ直径上に沿って配置され、サブ検出器１１７ｃ、１１７ｄと、サブ検出器１１８ｃ、１１８ｄとは、スケール１０２における同じ直径上に沿って配置され、サブ検出器１１７ａ、１１７ｂ、１１８ａ、１１８ｂと、サブ検出器１１７ｃ、１１７ｄ、１１８ｃ、１１８ｄとは、スケール１０２における異なる直径上に沿って配置されている。
【００７８】
また、実施の形態１にて説明した第１光検出器対及び第２光検出器対に相当する光検出器１３１と光検出器１３２とは、実施の形態１と同様に、Λ／２の周期（一般的には、｛（２ｎ＋１）Λ／２｝の周期）にて離れた位置に配置され、同様に、第３光検出器対及び第４光検出器対に相当する光検出器１３３と光検出器１３４とについてもΛ／２の周期（一般的には、｛（２ｎ＋１）Λ／２｝の周期）にて離れた位置に配置される。さらに、光検出器１３１と光検出器１３３、光検出器１３３と光検出器１３２、光検出器１３２と光検出器１３４は、それぞれΛ／４の周期（一般的には、｛（２ｎ＋１）Λ／４｝の周期）にて離れた位置に配置される。
【００７９】
以上のように構成された光検出部１０４−４を備えた本実施の形態４の光学式エンコーダは、以下のように動作する。
動作としては実施の形態１の場合とほぼ同様である。つまり、サブ検出器１１７ａの出力をｆ７ａ［θ］、サブ検出器１１７ｂの出力をｆ７ｂ［θ］、サブ検出器１０７ｃの出力をｆ７ｃ［θ］、及び、サブ検出器１１７ｄの出力をｆ７ｄ［θ］とすると、（ｆ７ａ［θ］＋ｆ７ｃ［θ］）−（ｆ７ｂ［θ］＋ｆ７ｄ［θ］）は、実施の形態１にて説明した（６）式における正弦出力ｆ７ａ［θ］−（ｆ７ｂ［θ］＋ｆ７ｃ［θ］）と同様の出力となる。同様に、サブ検出器１１８ａ〜１１８ｄに関しても、それらの出力をそれぞれｆ８ａ［θ］、ｆ８ｂ［θ］、ｆ８ｃ［θ］、ｆ８ｄ［θ］とすると、（ｆ８ａ［θ］＋ｆ８ｃ［θ］）−（ｆ８ｂ［θ］＋ｆ８ｄ［θ］）は、実施の形態１にて説明した（９）式における余弦出力ｆ８ａ［θ］−ｆ８ｂ［θ］と同様の出力となる。以下同様に、演算部１０６の電気角演算部１０６ａによる演算を行うことにより、本実施の形態４の光学式エンコーダは、実施の形態１にて説明したのと同様の効果を得ることが出来る。
【００８０】
実施の形態１では、サブ検出器１０７ａを挟むようにサブ検出器１０７ｂ及び１０７ｃを配置することで、（６）式にて示される正弦出力ｆ７ａ［θ］−（ｆ７ｂ［θ］＋ｆ７ｃ［θ］）と、（９）式にて示される余弦出力ｆ８ａ［θ］−ｆ８ｂ［θ］とのスケール１０２の回転角に対する位相を略一致させる効果がある。しかしながら、実施の形態１では、サブ検出器１０７の方がサブ検出器１０８よりも広い角度範囲からの信号を出力することとなる。よって、スケール１０２が回転中心に対してずれて組みつけられた場合には、（６）式と（９）式とを用いて演算される出力間に位相ズレが発生し、（１０）式を用いて演算される電気角に角度検出誤差が発生する場合が考えられる。
【００８１】
これに対し、本実施の形態４における光学式エンコーダでは、例えば光検出器１３１では、スケール１０２における外周側と内周側とに、サブ検出器１１７ａ〜ｄ、及びサブ検出器１１８ａ〜ｄを万遍無く配置している。よって、正弦出力及び余弦出力のスケール１０２の回転角に対する位相を略一致させるとともに、正弦出力及び余弦出力の信号検出の角度範囲をも略一致させることができる。したがって、仮に、スケール１０２が回転中心に対してずれて組みつけられた場合も含めて、実施の形態１における光学式エンコーダに比べて、実施の形態４における光学式エンコーダは、より安定した角度検出値を得ることが可能である。勿論、本実施の形態４の光学式エンコーダにおいても、単一の信号トラック１０３を有することにより、実施の形態１の光学式エンコーダの場合と同様にスケール１０２の小型化という効果を得ることができる。
【００８２】
実施の形態５．
本実施の形態５における光学式エンコーダは、上述した実施の形態４の光学式エンコーダに備わる光検出部１０４−４について、上述した実施の形態２と同様の信号処理方法を採り、光検出部１０４−４の信号強度を大きく得るように構成した光学式エンコーダである。
【００８３】
具体的に説明する。実施の形態４では、光検出器１３１〜１３４は、それぞれ独立した検出器を構成した。これに対し本実施の形態５における光学式エンコーダでは、光検出器１３１と光検出器１３３とから第１光検出器対を、光検出器１３２と光検出器１３４とから第２光検出器対を、光検出器１３３と光検出器１３２とから第３光検出器対を、光検出器１３４と光検出器１３１とから第４光検出器対を、それぞれ構成する。
【００８４】
このように構成することで、本実施の形態５についても、実施の形態２と同様に、例えば光検出器１３１からの出力を第１光検出器対と第４光検出器対との２つの光検出器対で共用することができる。これにより、演算部１０６に入力される信号の出力は、本実施の形態５の場合、実施の形態４の場合に比べて２倍の出力を得ることが可能となる。したがって、実施の形態２の場合と同様に本実施の形態５の光学式エンコーダは、微弱な信号しか得られないような形態においても、位相変調信号の電気角を、より高い精度にて求めることが可能となるという利点がある。又、本実施の形態５の光学式エンコーダは、上述した実施の形態１の光学式エンコーダが奏する効果を勿論得ることができる。
【００８５】
実施の形態６．
図８は本発明の実施の形態６における光学式エンコーダに備わる光検出部１０４−６を構成する光検出器の配置を示す概略図である。尚、図８においても、図５等の場合と同様に各光検出器を直線状に配置した状態にて図示している。
【００８６】
本実施の形態６における光学式エンコーダの基本的な構成は、実施の形態１及び実施の形態２における構成と同様であるが、光検出部のみの構成を異にする。図８に示すように、本実施の形態６における光学式エンコーダに備わる光検出部１０４−６は、上述した実施の形態４及び実施の形態５の場合と同様の光検出器１３１〜１３４を有し、さらに、光検出器１３４に対してΛ／４右方に光検出器１３５を配置している。各光検出器１３１〜１３５において、光検出器に備わるサブ検出器の構成は、実施の形態４にて説明した構成に同じである。
【００８７】
また、本実施の形態６において、光検出器１３１と光検出器１３３とから第１光検出器対を、光検出器１３２と光検出器１３４とから第２光検出器対を、光検出器１３３と光検出器１３２とから第３光検出器対を、光検出器１３４と光検出器１３５とから第４光検出器対をそれぞれ構成する。
【００８８】
以上のように構成される本実施の形態６における光学式エンコーダでは、上述した実施の形態１の光学式エンコーダが奏する効果を得ることができるのは勿論、上述した実施の形態３の光学式エンコーダと、実施の形態４及び実施の形態５の光学式エンコーダとの効果を併せ持つ効果を得ることができる。
【００８９】
実施の形態７．
実施の形態１〜６における光学式エンコーダでは、スケール１０２は、単一の信号トラック１０３を有する構成を示している。単一の信号トラック１０３を有することで、実施の形態１〜６における光学式エンコーダは、スケール１０２を小型化できるという効果を得られる。
【００９０】
一方、図９に示すスケール１０２−１のように、複数の信号トラック１０３、１５１を設けることもできる。本実施の形態７における光学式エンコーダは、実施の形態１における光学式エンコーダに備わるスケール１０２に代えて上記スケール１０２−１を設けた構成を有する。スケール１０２−１における第２信号トラック１５１は、第１信号トラック１０３の基本周期よりも細かなピッチを有する単一のピッチの信号トラックにて構成されている。
【００９１】
又、本実施の形態７における光学式エンコーダでは、それぞれの信号トラック１０３，１５１に対向して、実施の形態１で説明した光検出部１０４、１０４の２つがそれぞれ配置される。尚、光源１０１及び演算部１０６は、それぞれの信号トラック１０３，１５１に対応して設けても良いし、信号トラック１０３，１５１で共有するように構成してもよい。
【００９２】
また、本実施の形態７における光学式エンコーダでは、第１信号トラック１０３のパターンにより演算部１０６にて求まる、基本周期の電気角の内挿精度よりも良くなるように、第２信号トラック１５１のピッチを設定する。これにより、第１信号トラック１０３により第２信号トラック１５１の波数位置を特定することが可能となる。
【００９３】
さらに又、本実施の形態７における光学式エンコーダでは、第２信号トラック１５１を、スケール１０２−１の１回転で１回の周期を有する信号パターンとし、その検出精度を第１信号トラック１０３で得られる位相変調周期以上に設定する。これにより、第２信号トラック１５１にて位相変調周期の波数位置を特定でき、さらに、第１信号トラック１０３から得られる位相変調信号の電気角により、第１信号トラック１０３の基本周期の波数位置が特定でき、１回転の絶対角度位置が特定可能となる。
【００９４】
又、第１信号トラック１０３の基本周期よりも細かなピッチを有する第３信号トラックを更に加えても良い。この場合、第３信号トラックで分解能が規定される１回転絶対値の検出が可能になる。
【００９５】
以上のように、実施の形態７の光学式エンコーダによれば、２つの信号トラックを有することから上述の実施の形態１〜６の構成に比べて装置小型化の点では若干劣るものの、実施の形態１〜６の光学式エンコーダに比べてより高分解能を得ることができる。
【００９６】
実施の形態８．
次に、実施の形態８における光学式エンコーダについて説明する。
従来の光学式エンコーダの課題の一つとして、光学系のギャップ、つまりスケールの信号トラックに対する光源と光検出部との隙間、の余裕を向上するという課題がある。この課題を克服する有効な方策として、３格子方式を用いた光学系が挙げられる。この３格子方式では、上記ギャップが、スケール上にて信号トラックを構成するスリットのピッチで決定される。よって、スケールの回転角度の絶対値検出を行うために長周期と短周期のスリットをスケールに配置しようとすると、必要な光学系のギャップの差が大きくなり過ぎてしまい、光学式エンコーダの構成が困難になるという問題点があった。
【００９７】
具体的に説明する。スケールの１回転の絶対角度位置を検出するために、実施の形態７にて説明したように、第１信号トラック１０３の基本周期よりも細かなピッチを有する単一のピッチにて配列されたスリットを有する第２信号トラックを用いる。このような第２信号トラックを用いた３格子方式の光学系を例に採る。この構成では、第１信号トラックと第２信号トラックとにおいて、各トラックを構成するそれぞれのスリットの信号ピッチが異なる。よって、各信号トラックに対してスリットの像を最もよく生成する各光検出部のスケールに対する位置が異なる。換言すると、各光検出部とスケールとのそれぞれの最適ギャップが、第１信号トラックと第２信号トラックとで異なる。よって、このような各光検出部を有する光学系の構成が困難となるという課題がある。
【００９８】
そこで本実施の形態８に係る光学式エンコーダでは、スケールは、バーニアを構成する主スリットの信号トラックと、該主スリットの信号トラックに対して所定波数だけ異なる波数を持つ副スリットの信号トラックとで構成する。そして、副スリットから得られる波形を、基本周期の正弦波に所定の周期にて位相変調波を重畳した波形となるように構成する。
【００９９】
このように構成することで、２つの信号トラックを構成するそれぞれのスリットにおける信号ピッチを近づけることができる。よって、光学式エンコーダの光学系の上記ギャップが過大になり、かつ相違することはなくなり、３格子方式を用いた光学系の適用が可能となる。以下に、図１０を参照してより詳しく説明する。
【０１００】
図１０は、本発明の実施の形態８による光学式エンコーダ２００を示す構成図である。当該光学式エンコーダ２００は、光源１０１、２０１と、スケール１０２−２と、光検出部１０４、２０４と、光検出部１０４に接続される演算部２０６とを備える。
光源１０１、第１信号トラック１０３、及び光検出部１０４は、実施の形態１にて説明した構成と同様である。
【０１０１】
回転軸１０５を中心に回転し上記第１信号トラック１０３を有するスケール１０２−２は、第１信号トラック１０３よりも外周側で第１信号トラック１０３に隣接して第２信号トラック２０３を有する。光源２０１及び光検出部２０４は、第２信号トラック２０３に対向して配置される。演算部２０６は、光検出部１０４、２０４から得られた信号を演算して、スケール１０２−２の回転角度位置を出力するための演算手段である。尚、演算部２０６は、実施の形態１にて説明した演算部１０６と同じ動作を行う部分であり、機能的に、上述した電気角演算部１０６ａ、和演算部１０６ｂ、及び差演算部１０６ｃを有する。
【０１０２】
本実施形態では、光源１０１，２０１は、各トラック１０３、２０３に対して１つずつ設けているが、１つの光源を２つの信号トラック１０３，２０３に照射し、その透過光を光検出部１０４、２０４にて検出する構成を採っても良い。また、本実施の形態では、図示するように、光検出部１０４、２０４と、スケール１０２−２との間に、第１信号トラック１０３に対向して検出スリット２０８を、第２信号トラック２０３に対向して検出スリット２０９をそれぞれ設けた固定スケール２０７を配置している。しかしながら該構成に限らず、実施の形態１のように信号トラック１０３、２０１からの透過光を直接光検出部１０４、２０４にて検出するように構成してもよい。
【０１０３】
図１１は、スケール１０２−２における第１信号トラック１０３及び第２信号トラック２０３、並びに、光検出部１０４、２０４の配置を示した図である。第２信号トラック２０３は、第１信号トラック１０３の１周をｎ等分する周期ξでスリットが配置され、詳細には図示していないが、周期ξに対応して正弦波及び余弦波を出力するような光検出部２０４、もしくは光検出部２０４及び検出スリット２０９の組合せにてなる光検出部が構成される。
【０１０４】
尚、第１信号トラック１０３に対する光検出部１０４は、実施の形態１〜６と同様の構成を採ることができる。図１１に示す光検出部１０４は、図３に示す構成と同一であるが、図示簡略化のため、図３に示す光検出器１０７及び光検出器１０８を一つのブロックにて光検出器対１０４ａとして図示し、光検出器１１１及び光検出器１１２を一つのブロックにて光検出器対１０４ｂとして図示し、光検出器１０９及び光検出器１１０を一つのブロックにて光検出器対１０４ｃとして図示し、光検出器１１３及び光検出器１１４を一つのブロックにて光検出器対１０４ｄとして図示している。
又、光検出部２０４は、２つの光検出器を一つのブロックにて光検出器対２０４ａとして図示している。
【０１０５】
第２信号トラック２０３は、上述のように第１信号トラック１０３の１周をｎ等分する周期ξでスリットが配置され、第１信号トラック１０３は、基本周期λでΛ＝ｍλ（ｍは自然数）の周期毎に繰り返される位相変調が与えられている。又、位相変調の周期Λは、信号トラック１０３の１周をｋ等分する角度である。本実施の形態８では、ｎ＝２０４８、ｋ＝１６、ｍ＝１１２としている。即ち、第２信号トラック２０３の周期をξ＝３６０／ｎ、第１信号トラック１０３の基本周期λ＝３６０／Ｌとすると、周波数差ｊ＝ｎ−Ｌ＝２５６となる。第１信号トラック１０３と第２信号トラック２０３との周波数差ｊ＝ｎ−Ｌにより、バーニアを構成している。即ち、本実施の形態８では、２つの信号トラック１０３，２０３から２０４８波、２５６波、１６波の３つの周波数の信号を得ることができる。
【０１０６】
又、主信号トラックである第２信号トラック２０３のスケール１０２−２上の半径位置をＲとし、副信号トラックである第１信号トラック１０３を第２信号トラック２０３よりも内周側に配置することにより、第２信号トラック２０３及び第１信号トラック１０３における各スリットの信号ピッチを同一にすることができる。具体的には、第１信号トラック１０３の半径位置をＲ×（Ｌ／ｎ）の位置に設定すると、第２信号トラック２０３を構成するスリットのピッチ２πＲ／ｎに対して、第１信号トラック１０３を構成するスリットのピッチは、２π（Ｒ×Ｌ／ｎ）／Ｌ＝２πＲ／ｎとなり、第１信号トラック１０３を構成するスリットと、第２信号トラック２０３を構成するスリットとのピッチを揃えることができる。
【０１０７】
上述のように構成することで、第２信号トラック２０３におけるスリットのピッチと、第１信号トラック１０３におけるスリットのピッチとを一致又は略一致させることができる。よって、光学式エンコーダの光学系の上記ギャップが過大かつ相違することはなくなる。具体的には、第２信号トラック２０３と光検出部２０４との隙間と、第１信号トラック１０３と光検出部１０４との隙間とを一致又は略一致させることができる。したがって、３格子方式を用いた光学系の適用が可能となる。
【０１０８】
さらに、本実施の形態８における光学式エンコーダにおいても、上述した実施の形態１〜７の光学式エンコーダの場合と同様に、高分解能を有するという効果を奏することができるのは言うまでもない。
【０１０９】
本実施の形態８では、図示するように、又、上述したように、光学式エンコーダ２００は、ロータリーエンコーダの場合を例に採るが、この形態に限定されず、リニアエンコーダの実施形態に対しても本発明は適用可能である。又、本実施形態８では、光検出部１０４，２０４は、信号トラック１０３，２０３を透過した光源１０１，２０１からの光束を検出するが、この形態に限定されず、反射光を検出するように構成してもよい。
【０１１０】
実施の形態９．
実施の形態８では、第１信号トラック１０３と第２信号トラック２０３の周波数差ｊ＝ｎ−Ｌとなるように、第２信号トラック２０３を構成する主スリットの波数ｎに対して第１信号トラック１０３を構成する副スリットの波数Ｌを少ない波数となるように決定した。これに対し、副スリットの波数ｈを主スリットの波数ｎに対してｊだけ多くとる、即ち、ｊ＝ｈ−ｎとなるように副スリットの波数ｈを設定することも可能である。本実施の形態９における光学式エンコーダは、そのような、副スリットの波数ｈを主スリットの波数ｎに対してｊだけ多くとった構成を有する。尚、本実施の形態９の光学式エンコーダにおいて、その他の構成は、実施の形態８における構成に同じである。
【０１１１】
本実施の形態９の光学式エンコーダでは、図１２に示すように、主スリットを有する第２信号トラック２０３−２のスケール上の半径位置をＲとすると、副スリットを有する第１信号トラック１０３−２を第２信号トラック２０３−２よりも外周側に配置する。これにより、第２信号トラック２０３−２を構成するスリットと、第１信号トラック１０３−２を構成するスリットとの信号ピッチを同一にすることができる。具体的には、第１信号トラック１０３−２の半径位置をＲ×（ｈ／ｎ）の位置に設定すると、第２信号トラック２０３−２を構成する第２スリットのピッチ２πＲ／ｎに対して、第１信号トラック１０３−２を構成する第１スリットのピッチは２π（Ｒ×ｈ／ｎ）／ｈ＝２πＲ／ｎとなる。このように、第２信号トラック２０３−２を構成する第２スリットのピッチと、第１信号トラック１０３−２を構成する第１スリットのピッチとを揃えることができる。
【０１１２】
本実施の形態９の光学式エンコーダによれば、上述した実施の形態１等の光学式エンコーダの場合と同様に高分解能を有するという効果を奏することは勿論、さらに以下の効果を得ることができる。即ち、スケールに対して光検出部が占める角度範囲をある一定値に規定した場合、スケールの外周側の方が内周側よりも曲率が小さいことから、光検出部の実際の面積は、スケールの外周側の方がより広い面積をとることができる。よって、位相変調波で信号を取り出すために光検出器の数が多くなる光検出部をスケールの外周側に配置した方が、光検出部の構成が物理的に容易になる。本実施形態では、副スリットを有する第１信号トラック１０３−２を第２信号トラック２０３−２よりも外周側に配置しており、光検出部の構成を容易にすることができる。
【０１１３】
実施の形態１０．
実施の形態１０における光学式エンコーダの構成について説明する。本実施形態１０における光学式エンコーダの基本的な全体構成は、図１０及び図１１に示す構成に同様であるが、スケール上の２つの信号トラックを構成するスリットの配置が図１０及び図１１に示す場合と異なる。又、図１０に示す検出スリット２０８，２０９についても、本実施の形態１０における光学式エンコーダでは構成が異なる。
まず、上記２つの信号トラックの詳細構成について、図１３〜図１６を参照して説明する。
【０１１４】
図１３は、実施の形態１０における光学式エンコーダに備わるスケールに備わる信号トラック２３３，２４３にパターニングされているスリットパターンを説明するための直線展開図で、円周上の角度位置を直線位置に展開している。尚、信号トラック２３３が、図１０及び図１１に示す第１信号トラック１０３に対応し、信号トラック２４３が第２信号トラック２０３に対応する。
【０１１５】
信号トラック２３３、２４３における各スリットパターンは、光に周期的な正弦波状の変調を与えるもので、変調の、図示上の暗部２１１と明部２１２が交互に構成されている。信号トラック２４３を構成するスリットは、一定の周期ξにて配置され、信号トラック２３３ではスリットは、変調を受けた周期λにて配置される。信号トラック２３３、２４３における各スリットパターンとも、Λを、スケールの１回転をｋ等分する周期、
Λ＝２π／ｋとする。信号トラック２３３における周期λのスリットは、周期Λの中でｍ個のスリット列を形成する、周期毎に繰返す位相変調が与えられている。
【０１１６】
一方、信号トラック２４３の周期ξは、信号トラック２３３の周期λの周期Λ内の波数Ｌに対してｊだけ少ない波数を基本周期とし、それに対して位置θに依存した位相変調δ（θ）が加えられる。
信号トラック２３３の位相変調パターンの波形ｆ［θ］は、例えばその振幅をα（０＜α＜１）として、下記（１５），（１６）の式となる強度変調で与えられる。
【０１１７】
【数１５】
2009148066.tif 000017
【０１１８】
【数１６】
2009148066.tif 000018
【０１１９】
一方、信号トラック２４３のこのパターンの波形ｇ［θ］は、例えばその振幅をγ（．０＜γ＜１）として、下記（１７）の式とおくことができる。
【０１２０】
【数１７】
2009148066.tif 000019
【０１２１】
上記（１６）にて、β＝０のときは、バーニアトラックの構成で、図１３のように、信号トラック２４３と信号トラック２３３とは、周期ω毎に位相が一致する周期パターンとなる。このパターンでは、上記波形ｆ［θ］と上記波形ｇ［θ］との位相を取り出し、その差を演算することにより、下記（１８）の長周期の信号を得る。尚、演算動作は、以下の演算も含めて上記演算部２０６にて実行される。
【０１２２】
【数１８】
2009148066.tif 000020
【０１２３】
尚、このように、主トラックに相当する信号トラック２４３と副トラックに相当する信号トラック２３３とを設け、両者の電気角の差から長周期の信号を取り出すエンコーダがバーニア式のエンコーダと呼ばれる。
【０１２４】
上述の位相の取り出しは、図１０を参照して説明した固定スケール２０７の検出スリット２０９において、例えば図１５に示すような検出スリットパターン２０９−１によって実現可能である。検出スリットパターン２０９−１は、信号トラック２４３と同一の周期ξを有し、信号トラック２４３のスリットに対して傾斜して形成されている。図中破線で囲まれた領域２１０ａ〜２１０ｄは、光検出部２０４の分割領域を示しており、光検出部２０４の光検出器２０４ａ（図１１）は、分割領域２１０ａ〜２１０ｄに入射した光の積分値を出力するように構成されている。検出スリットパターン２０９の各スリットの傾きは、隣り合う上記分割領域で平均として１／４周期ずつシフトするように設定されている。このような構成において、光検出器２０４ａからの各分割領域２１０ａ〜２１０ｄの出力は、図１６のように、信号トラック２４３との重ね合わせによる透過光量であり、下記（１９）〜下記（２２）の式のように、π／２ずつ位相のずれた正弦波となる。
【０１２５】
【数１９】
2009148066.tif 000021
【０１２６】
【数２０】
2009148066.tif 000022
【０１２７】
【数２１】
2009148066.tif 000023
【０１２８】
【数２２】
2009148066.tif 000024
【０１２９】
上記（１９）〜（２２）の各式を、下記（２３）の式のようにさらに演算して、正接を算出し、逆正接演算により位相を抽出する、つまり取り出すことができる。但し、（１９）〜（２２）の式におけるθ１は、固定の初期位相であり、機械角原点に対する光検出器２０４ａの位置ずれである。
【０１３０】
【数２３】
2009148066.tif 000025
【０１３１】
本実施の形態１０における信号トラック２３３では、上記βはβ≠０であり、この場合の信号トラック２３３におけるスリットパターンは、図１４においてハッチングで示すパターンのようになる。図１４では、図１３で示したβ＝０の場合のパターンを重ねて表示しており、β≠０のパターンは、上記β＝０の場合に対して、位相ずれのあるスリットパターンとなる。
【０１３２】
このような信号トラック２３３のスリットパターンに対して、上記検出スリットパターン２０９−１と同様の検出スリットパターンを配置して、光源１０１からの透過光について、光検出部１０４を構成する上記光検出器対１０４ａ〜１０４ｄ（図１１）にて受光する。そして各光検出器対１０４ａ〜１０４ｄからの信号について、演算部２０６における演算処理により各位相角（電気角）が出力される。各光検出器対１０４ａ〜１０４ｄは、位置ずれがΛ／４となるように配置されている。各光検出器対１０４ａ〜１０４ｄの出力位相をそれぞれ、ψ１、ψ２、ψ３、ψ４とすると、下記（２４）〜（２７）の式のように表される。
【０１３３】
【数２４】
2009148066.tif 000026
【０１３４】
【数２５】
2009148066.tif 000027
【０１３５】
【数２６】
2009148066.tif 000028
【０１３６】
【数２７】
2009148066.tif 000029
【０１３７】
上記（２３）の式と同様に、信号トラック２３３及び検出スリットパターンを透過した光の検出位相である上記（２４）〜（２７）の式について、信号トラック２４３との位相差φ１、φ２、φ３、φ４を演算すると、以下の（２８）〜（３１）式のように角度出力を得る。
【０１３８】
【数２８】
2009148066.tif 000030
【０１３９】
【数２９】
2009148066.tif 000031
【０１４０】
【数３０】
2009148066.tif 000032
【０１４１】
【数３１】
2009148066.tif 000033
【０１４２】
Λ／２にて位置ずれしている光検出器対１０４ａと光検出器対１０４ｃからの角度出力Φ１［θ］及びΦ３［θ］の差を演算部２０６にて演算し、下記（３２）式を得る。
【０１４３】
【数３２】
2009148066.tif 000034
【０１４４】
同様に、Λ／２にて位置ずれしている光検出器対１０４ａと光検出器対１０４ｃからの角度出力Φ２［θ］及びΦ４［θ］の差を演算し、下記（３３）式を得る。
【０１４５】
【数３３】
2009148066.tif 000035
【０１４６】
上記（３２）式及び（３３）式により、信号トラック２３３において重畳された位相変調成分が抽出されている。さらに、演算部２０６にて、固定位相を除去し、除算を行い、さらに逆正接演算を行うことで、信号トラック２３３において重畳されている重畳波形の電気角が得られる。
【０１４７】
一方、光検出器対１０４ａからの角度出力Φ１［θ］と、光検出器対１０４ｃからの角度出力Φ３［θ］とのの和、及び、光検出器対１０４ｂからの角度出力Φ２［θ］と、光検出器対１０４ｄからの角度出力Φ４［θ］との和をそれぞれ演算して、下記（３４）式及び（３５）式を得る。
【０１４８】
【数３４】
2009148066.tif 000036
【０１４９】
【数３５】
2009148066.tif 000037
【０１５０】
（３４）式及び（３５）式の演算出力は、（１８）式のバーニア検出の演算出力であり、周期Λ内でｊ回の繰り返し出力となる。一方、（３２）式及び（３３）式で示される上記位相変調波は、周期Λ内で１回のみの波形である。よって、（３２）式及び（３３）式で示される上記位相変調波の電気角出力を用いることにより、（３４）式及び（３５）式で示される上記バーニア検出のｊ回の繰り返しでの繰り返し回数位置を特定することが出来る。さらに、（３４）式及び（３５）式で示される上記バーニア検出の電気角により、信号トラック２４３のｎ回の繰り返し波形での位置を特定することができ、精度の高い絶対位置検出が可能となる。
【０１５１】
即ち、本実施の形態１０における正弦波角度内挿方式の光学式エンコーダにおいて、単一周期の正弦波において信号検出回路により受ける内挿精度の制限を越えて、単一の信号トラックでの内挿角度精度を向上することができる。
【０１５２】
又、本実施の形態１０においても、ロータリーエンコーダの場合を例に採り説明を行ったが、図１３、図１４で明らかなように、リニアエンコーダの構成を採っても本発明は、同様に適用可能である。
【０１５３】
又、本実施の形態１０では、位相変調波δ（θ）を正弦波と仮定したが、δ（θ＋Λ／２）＝−δ（θ）を満足する関数であれば、位相変調波と基本波を分離することが可能である。
【０１５４】
又、本実施の形態１０においても、光源と光検出部とがスケールを挟み込む透過式の光学系で説明を行ったが、光源と光検出部とをスケールに対して同じ側に配置し、スケールを反射板とした反射式の光学系としても、全く同じ動作が可能なことは明白である。
【０１５５】
さらに又、本実施の形態１０では、信号トラック２３３の周期λは、信号トラック２４３の波数ｎに対してｊだけ少ない波数Ｌを基本周期とし、それに対して位置θに依存した位相変調δ（θ）が加えられる構成としたが、本実施の形態はこれに限らず、実施の形態９のように、信号トラック２３３の周期を信号トラック２４３の波数ｎに対してｊだけ多い波数ｈを基本周期とする構成とすることもできる。この場合に得られる効果は、実施の形態９と同様である。
【０１５６】
実施の形態１１．
実施の形態１０の光学式エンコーダでは、スケール１０２−１に設けられた信号トラック２４３及び２３３のパターンが固定スケール２０７の検出スリット２０９−１、２０９−１に投影される構成を示した。しかしながら、図１７に示す本実施の形態１１における光学式エンコーダ２５０のような構成を採ることもできる。
【０１５７】
即ち、光源２０１、１０１側、つまり光源２０１，１０１とスケール１０２−３との間に、第１番目の格子２２１、２２２を固定して配置し、光源２０１，１０１からの各光が第１番目の格子２２１，２２２を通過し、信号トラック２４３，２３３を通過し、検出スリットパターン２０９−１、２０９−１を通過して、光検出部２０４，１０４にそれぞれ到達するように構成する。このような構成において、さらに、信号トラック２４３，２３３のスリットパターンによる第１番目の格子２２１，２２２の格子像が、第３番目の格子である検出スリットパターン２０９−１，２０９−１上に結像するように構成する。このような構成は、３格子法又はグレーティングイメージ法と呼ばれるものであるが、このような光学構成を採っても、実施の形態１０の光学式エンコーダが有する動作及び効果を実現することができる。
【０１５８】
本実施の形態１１における光学式エンコーダ２５０において、第１番目の格子２２１，２２２、及び検出スリットパターン２０９−１，２０９−１の各格子のピッチは、スケール１０２−３と、第１番目の格子２２１，２２２及び検出スリットパターン２０９−１，２０９−１とのギャップを加えた結像関係によって選択される。よって、本実施の形態１１における光学式エンコーダ２５０によれば、各格子について、そのピッチをほぼ等しくすることで、変位感度を敏感にすることなく、上記隙間の裕度を向上することができる。換言すると、広い隙間でかつ高分解能の検出が可能となる。
【０１５９】
又、この方式における信号トラック２４３、２３３におけるスリットパターンには、光に周期的な位相変調を与える位相格子を用いることが可能である。スケールを位相格子とすることにより、振幅格子に比べて光利用効率を向上させることができる。
【０１６０】
さらに、実施の形態１０で示したのと同様に、本実施の形態１１でもリニアエンコーダでの構成、及び、反射型での構成が可能である。
【０１６１】
なお、上述の様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
又、２００８年６月５日に出願された、日本国特許出願Ｎｏ．特願２００８−１４８０６３号、及び２００８年１１月１８日に出願された、日本国特許出願Ｎｏ．特願２００８−２９４１８９号の明細書、図面、特許請求の範囲、及び要約書の開示内容の全ては、参考として本明細書中に編入されるものである。
【符号の説明】
【０１６２】
１００  光学式エンコーダ、１０１  光源、
１０２、１０２−２、１０２−３  スケール、１０３  信号トラック、
１０４  光検出部、１０５  回転軸、１０６  演算部、１０７〜１１４  光検出器、
２００  光学式エンコーダ、２０１  光源、２０３  信号トラック、２０４  光検出部、
２０６  演算部、２３３  信号トラック、２４３  信号トラック、
２５０  光学式エンコーダ。
【図１】
2009148066.tif 000038
【図２】
2009148066.tif 000039
【図３】
2009148066.tif 000040
【図４】
2009148066.tif 000041
【図５】
2009148066.tif 000042
【図６】
2009148066.tif 000043
【図７】
2009148066.tif 000044
【図８】
2009148066.tif 000045
【図９】
2009148066.tif 000046
【図１０】
2009148066.tif 000047
【図１１】
2009148066.tif 000048
【図１２】
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【図１３】
2009148066.tif 000050
【図１４】
2009148066.tif 000051
【図１５】
2009148066.tif 000052
【図１６】
2009148066.tif 000053
【図１７】
2009148066.tif 000054
【国際調査報告】
2009148066.tif 000055
2009148066.tif 000056
2009148066.tif 000057
2009148066.tif 000058