(57)【要約】【課題】円筒格子を用いたロータリーエンコーダにおいて円筒面の半径が数ｍｍ程度であっても十分な強度の複数の位相差信号を出力し、かつ出力される擬似正弦波信号の歪みが少ないロータリーエンコーダを提供すること。【解決手段】母線方位に発光素子と受光素子アレイを整列して配置して、円筒面上の格子からの反射光（明暗パターン）を受光素子アレイ中央部の周期と整合させ、かつ周辺部は適度にずれを付与するように投影して受光させ、効率よくかつ低歪みの複数の擬似正弦波信号を検出する。【選択図】  図１
2015078862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の側面の円筒面に等間隔の反射／非反射の格子パターンを形成し、円筒面の近傍に光学ヘッドを設け、ヘッド内から該円筒面に対して斜めに光束を照明し、その反射光である格子像（明暗パターン）を受光素子アレイ上に投影する構成のエンコーダにおいて、
受光素子アレイの中央部に投影される明暗パターンの周期ＰがＮ相の受光素子アレイのピッチＰ2に対して
Ｐ＝Ｎ×Ｐ2
を満たし、
受光素子アレイの周辺部に投影される明暗パターンの周期ＰがＮ相の受光素子アレイのピッチＰ2に対して
Ｐ＞Ｎ×Ｐ2
を満たすことを特徴とするロータリーエンコーダ。
【請求項２】
円筒面上の格子パターンのピッチをＰ1、受光素子アレイのピッチをＰ2、受光素子アレイの相数をＮ、円筒格子面の半径をＲ、発散光源〜円筒面格子の距離をｄ1、円筒面格子〜受光素子アレイの距離をｄ2とする場合、下式
Ｐ1 × （  2 × Ｒ  ＋ ｄ1 ＋ ｄ2  ）／Ｒ  ＝ Ｎ × Ｐ2
を満たすことを特徴とする請求項１に記載のロータリーエンコーダ。
【請求項３】
円筒面は鏡面加工された回転軸の側面そのものにレーザ加工機によって非反射部を描画形成したもの、または反射／非反射の格子パターンを記録したテープ状の部材を巻きつけたものを使用することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のロータリーエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体に円筒格子を用いた光学式ロータリーエンコーダの光学系配置および構成、製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光学式ロータリーエンコーダは回転ディスク上に放射状格子パターンを形成しそれを光学的に検出している。しかし、回転軸に重量のある部材を取り付けて使用するため、高速回転、高速位置決めを行うスキャナに適用する場合、回転慣性（イナーシャー）が大きくなりやすいという問題がある。
【０００３】
そこで回転軸そのものに格子パターンを形成しそれを光学的に検出する提案は、特許文献１に開示されている。図４に本公知例の光学構成を示す。
【０００４】
光源４からの光束を軸２上の格子３に照明し、反射光を受光素子５にて検出している。この公知例の原理は影絵パターン（時間的な明暗の強度変化）を受光素子にて受光し周期信号を出力する方式である。但し光学的配置の基本は平面格子による発散光の回折干渉パターンの投影を原理としている。これはページ３の「この影絵パターンはこの場合、距離Ａ、Ｂの如何を問わず発生し、格子パターンのピッチをＰＣ、影絵パターンのピッチをＰとすると  Ｐ／ＰＣ＝（Ａ＋Ｂ）／Ａ  が成り立つ。」との記載で明らかである。
【０００５】
ただ、ページ４の「影絵的な拡大（前述のＰ／ＰＣ＝（Ａ＋Ｂ）／Ａ）に加えて、反射面が凸面であることによる効果が加わり、より大きな拡大倍率となる。」との記載があるため、円筒面による拡大投影に関しては開示されていると言える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平02-057913号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前述の従来例のロータリーエンコーダは、「回転軸＝円筒面に格子を記載したものに光束を照明しそれを拡大して受光すること」以上の情報の開示がなく、特に半径Ｒが数ｍｍ程度の円筒格子に適用する場合に発生する課題や解決手段は開示してない。また複数の位相差信号を検出しその擬似正弦波信号の品質を正弦波に近づけるための課題の提起やその解決手段の示唆もない。そのため本従来例のみの開示内容では、高分解能（電気分割可能）かつ低イナーシャーな特にスキャナー用のロータリーエンコーダが実現できない。
【０００８】
そこで、本発明は、円筒格子を用いたロータリーエンコーダにおいて円筒面の半径が数ｍｍ程度であっても成立し、かつ出力される擬似正弦波信号の品質が良いロータリーエンコーダの光学構成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】
その目的を達成するために、本発明の一側面としてのロータリーエンコーダは、ディスクの代りに回転軸の側面に格子パターンを記録した「円筒格子」を用い、発光素子と受光素子アレイを近傍に配置して、円筒面からの反射光の明暗パターンを受光素子アレイ中央部の周期と整合させ、かつ周辺部は適度にずれを付与することで、効率よくかつ低歪みの複数の擬似正弦波信号を検出する構成、配置を考案したものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明を用いることで、低イナーシャでかつ低歪みの信号波形を出力するロータリーエンコーダを提供することができる。
【００１１】
本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態のロータリーエンコーダを示した図である。
【図２】本発明の第２実施形態のロータリーエンコーダを示した図である。
【図３】本発明の第３実施形態のロータリーエンコーダを示した図である。
【図４】従来のロータリーエンコーダを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
〔第1実施形態〕
図１は本発明の第１実施形態の円筒格子を用いたロータリーエンコーダの図で、（a）は、上面図、（ｂ）は側面図である。なお、図の円筒面上の格子はスキャナーに適用する場合は、反射／非反射の格子パターンを記録したテープ状の部材を円当面に巻きつけて部分的に格子パターンを形成すれば足りるが、他の用途で全周に格子パターンが必要な場合は、鏡面加工された回転軸の側面そのものにレーザ加工機等によって全周に非反射部を描画形成したものまたは他の製法によるものを使用してもよい。
【００１５】
半径Ｒの回転軸の側面（円筒面）には反射/非反射のピッチＰ１の格子パターンが形成してある。円筒面から距離ｄの位置には発散光源ＬＥＤを配置し、円当面から距離ｄの位置にはピッチＰ２の４相６組の受光素子アレイＰＤＡを円筒面の接線方位に配列した受光ユニットを配置している。なお発散光源ＬＥＤと受光素子アレイＰＤＡは円筒面の母線方向に整列して配置してある。
【００１６】
発散光源ＬＥＤから射出した光束は、若干斜め方向に進行し、円筒面上の格子にて反射されると、発散光束自体の拡大効果と円筒面の曲率の効果で格子像が拡大され、最終的に受光素子アレイＰＤＡ上に明暗パターンとして投影される。受光素子アレイの中央部に投影される明暗パターンのピッチＰは、
Ｐ  ＝  4  ×  Ｐ2
を満たすように配置すると位相差信号が効率良く検出でき、受光素子アレイＰＤＡの出力端子Ａ（＋）、Ｂ（＋）、Ａ（−）、Ｂ（−）より4相の擬似正弦波状信号が得られる。なお明暗パターンは周辺部に行くにつれてピッチが伸び、
Ｐ  ＞  4  ×  Ｐ2
の関係になる。
【００１７】
そこで次式
Ｐ1  ×  Ｒ／（Ｒ＋ｄ）＝  2  ×  Ｐ2
を満たすように配置すると受光素子アレイ中央部では投影される明暗パターンと受光素子アレイの周期が整合し効率よく４つの位相差信号が検出でき、受光素子アレイ周辺部では投影される明暗パターンの周期が次第に拡大するようになる。
【００１８】
図１の光線は概略この式を満たすよう示している。
【００１９】
よって、この条件を満たすように配置することで、中央部付近では効率良く、周辺部では適度に明暗周期と受光素子アレイの空間位置のずれによる平均化効果により低歪みな4相擬似正弦波信号が得られる。
【００２０】
〔第２実施形態〕
つぎに、図２に基づいて本発明の第２実施形態のロータリーエンコーダについて説明する。同様に、（a）は、上面図、（ｂ）は側面図である。本構成では  半径Ｒの円筒面から距離ｄ１の位置に発散光源ＬＥＤを配置し、円当面から距離ｄ２の位置にピッチＰ２の４相６組の受光素子アレイＰＤＡを円筒面の接線方位に配列した受光ユニットを配置している。
【００２１】
この場合は、Ｓｉからなる受光素子アレイの半導体チップの上にＧａＡｓからなる発光ダイオードのチップをマウントさせた実装構成が可能になる。この構成は発光素子、受光素子アレイを非常に小型に収容できるため、超小型のロータリーエンコーダ（ヘッド）が実現できる。
【００２２】
本構成の場合は、
Ｐ1 × （  2 × Ｒ  ＋ ｄ1 ＋ ｄ2  ）／Ｒ  ＝ 4 × Ｐ2  
を満たすように構成すると中央部付近の受光素子アレイＰＤＡの4個に対して1周期の明暗パターンが投影されるため、効率よく擬似正弦波信号を検出し、信号端子Ａ（＋）、Ｂ（＋）、Ａ（−）、Ｂ（−）より出力することができる。なお周辺部の受光素子アレイは投影される明暗パターンの周期が若干ずれているため第1の実施例と同様に平均化効果が付与されていて、擬似正弦波信号の歪みが低減されている。
【００２３】
〔第３実施形態〕
つぎに、図３に基づいて本発明の第３実施形態のロータリーエンコーダについて説明する。本構成では  半径Ｒの円筒面から距離ｄ１の位置に発散光源ＬＥＤを配置し、円当面から距離ｄ２の位置にピッチＰ２の３相の受光素子アレイＰＤＡを円筒面の接線方位に配列した受光ユニットを配置している。この場合は、受光素子アレイの実装基板の後方にＣＡＮパッケージの発光素子を配置した場合にこのような構成になる。
【００２４】
この構成は発光素子として一般的なレンズ付きの発光ダイオードが利用でき、大光量が得られやすいので高性能なエンコーダが実現できる。なお、図中に開口ＡＰを設け、必要光のみ光束が伝播されるよう構成しているが、受光素子アレイのＳｉチップに穴を開けても同様の効果が得られる。
【００２５】
本構成の場合は、
Ｐ1 × （  2 × Ｒ  ＋ ｄ1 ＋ ｄ2  ）／Ｒ  ＝ 3 × Ｐ2  
を満たすように構成すると受光素子アレイＰＤＡの３個に対して1周期の明暗パターンが投影されるため、効率よく擬似正弦波信号を検出し、信号端子Ｕ，Ｖ，Ｗより出力することができる。
【００２６】
なお、受光素子アレイＰＤＡの相数をＮとすると、
Ｐ1 × （  2 × Ｒ  ＋ ｄ1 ＋ ｄ2  ）／Ｒ  ＝ Ｎ × Ｐ2
が一般的な条件式となる。なお第1、第2の実施例と同様に平均化効果が付与されていて、擬似正弦波信号の歪みが低減されている。
【００２７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００２８】
Ｒ      円筒面の半径
ＬＥＤ  発光ダイオード等の発散発光素子
ＰＤＡ  受光素子アレイ
Ｎ      受光素子アレイの相数
Ｐ１    円筒格子のピッチ（格子間隔）
Ｐ２    受光素子アレイのピッチ
ｄ１    発光素子〜円筒面の距離
ｄ２    円筒面〜受光素子アレイの距離
【図１】
2015078862.tif 000003
【図２】
2015078862.tif 000004
【図３】
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【図４】
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