(57)【要約】【課題】異物等による検出光量の変動の影響を受けず、かつ１回転内の絶対角度を検出し得る光学式エンコーダ及び光学式スケール円板を提供する。【解決手段】光学式エンコーダに備わる光学式スケール円板１０１であって、信号トラック１０２を有し、該信号トラックは、周方向に分割された各領域１０３に形成された偏光子１０３ａを有し、各偏光子は、当該光学式スケール円板の回転方向において順次異なる偏光方位を有し、該偏光方位は、当該光学式スケール円板が１回転するときにｍ／２回（ｍは０以上の整数）回転する。【選択図】図１
2009168706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学式エンコーダに備わり、回動自在に支持されてその回転角度が検出される光学式スケール円板であって、
円環状の信号トラックを有し、該信号トラックは、当該光学式スケール円板の周方向において分割されたそれぞれの領域に形成された偏光子を有し、隣接する互いの上記偏光子は、当該光学式スケール円板の回転方向において順次異なる偏光方位を有し、該偏光方位は、当該光学式スケール円板が１回転するときにｍ／２回（ｍは０以上の整数）回転する、
ことを特徴とする光学式スケール円板。
【請求項２】
上記信号トラックは、当該光学式スケール円板の半径方向において複数設けられ、
これらの内の第１信号トラックに備わる上記偏光子の上記偏光方位は、当該光学式スケール円板が１回転するときに１／２回転し、上記第１信号トラックとは異なる第２信号トラックに備わる上記偏光子の上記偏光方位は、当該光学式スケール円板が１回転するときに１回転又は複数回転する、請求項１記載の光学式スケール円板。
【請求項３】
上記偏光子は、上記光学式エンコーダに備わる光源から上記信号トラックに照射される光の波長以下の格子ピッチを有するフォトニック格子にて作製される、請求項１又は２記載の光学式スケール円板。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の光学式スケール円板と、
上記光学式スケール円板における信号トラックに光を照射する光源と、
上記信号トラックに備わる偏光子にて偏光された光の偏光方位を検出する偏光方位検出装置と、
上記偏光方位検出装置の出力信号が供給され上記光学式スケール円板の回転角度を演算する角度演算装置と、
を備えたことを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項５】
上記偏光方位検出装置は、上記偏光子にて偏光された光の偏光方位のベクトル成分の光強度を出力する第１検出装置と、上記偏光方位に対して４５°の角度をなすベクトル成分の光強度を出力する第２検出装置とを有し、上記角度演算装置は、上記第１検出装置及び上記第２検出装置の出力の逆正接演算を行い上記回転角度を求める、請求項４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、回転軸の回転角度を検出する光学式エンコーダ、及び該光学式エンコーダに備わる光学式スケール円板に関する。
【背景技術】
【０００２】
円板に何らかの工夫を施し上記円板の回転角度を検出するように構成した従来の一般的な光学式エンコーダにおいて、上記回転角度の検出方法には、例えば以下のような方法が存在する。
一つは、上記回転角度が検出されるスケール円板となるガラス円板に、エッチング等で金属蒸着膜パターンを形成し、光検出器にて受光する光量を変調するよう構成し、スケール円板の回転角度を読み出す方法である。
【０００３】
他には、特許文献１に開示される角度測定装置のように、スケール円板の全体に一様の偏光方向となる偏光子を設け、該偏光子を通過して偏光子の回転方向に直線偏光となった透過光を、固定した２つの偏光子で検波する。そしてこの検波光の強度変化から直線偏光の方向、つまりはスケール円板の回転角を検出する方法である。
【特許文献１】実開昭６０−９５５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の、光量を変調する方式の従来の光学式エンコーダでは、スケール円板に異物等が付着する等により光量が変動し、検出角度に誤差が生じるという問題がある。
一方、上述の、偏光子を用いる従来の光学式エンコーダでは、偏光を用い偏光方位により角度検出することから、上述のような異物等による光量変動の影響を受けることなく角度検出が可能となる。しかしながら、上記公報の角度測定装置では、回転するスケール円板における偏光子の偏光方向が一様になっていることから、検波光の出力は、スケール円板の１回転に対して２回の増減を繰り返すことになる。このため、１８０°以内の絶対角の検出が不可能であるという問題があった。
【０００５】
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、異物等による検出光量の変動の影響を受けず、かつ１回転内の絶対角度を検出し得る光学式エンコーダ、及び該光学式エンコーダに使用される光学式スケール円板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】
【０００６】
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、本発明の第１態様における光学式スケール円板は、光学式エンコーダに備わり、回動自在に支持されてその回転角度が検出される光学式スケール円板であって、円環状の信号トラックを有し、該信号トラックは、当該光学式スケール円板の周方向において分割されたそれぞれの領域に形成された偏光子を有し、隣接する互いの上記偏光子は、当該光学式スケール円板の回転方向において順次異なる偏光方位を有し、該偏光方位は、当該光学式スケール円板が１回転するときにｍ／２回（ｍは０以上の整数）回転することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の第１態様における光学式スケール円板によれば、信号トラックには偏光子を設け、その偏光方向から当該光学式スケール円板の回転角度を検出するように構成した。よって、当該光学式スケール円板にたとえ異物等が付着した場合でも、検出光量の変動の影響を受けることはなく、当該光学式スケール円板の回転角度を検出することができる。さらに、当該光学式スケール円板によれば、信号トラックに形成した偏光子における偏光方向を、当該光学式スケール円板が１回転するときにｍ／２（ｍは０以上の整数）回転するように構成した。よって、当該光学式スケール円板の１回転内での絶対角度を検出することが可能である。このように当該光学式スケール円板は、従来にない顕著な効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の実施形態である光学式スケール円板、及び該光学式スケール円板を備えた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。
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による光学式スケール円板１０１の平面図である。また、図２は、図１に示す光学式スケール円板１０１を備え、光学式スケール円板１０１の回転角度を出力する光学式エンコーダ２００の一構成例を示す図である。
【００１０】
まず、光学式スケール円板１０１について説明する。
光学式スケール円板１０１は、本実施形態１では、透光性を有する材料にて作製され、その一面には、図１に示すように円環状の一つの信号トラック１０２が設けられている。信号トラック１０２は、光学式スケール円板１０１の周方向１０１ａにおいて円周をＮ等分してなる微小の扇状領域１０３で構成されている。それぞれの扇状領域１０３には、偏光子１０３ａが形成されており、所定の偏光方位１０４の偏光を透過するように設定されている。
【００１１】
さらに、それぞれの扇状領域１０３における偏光子１０３ａの偏光方位１０４は、本実施形態では、θ＝φ／２となるように設定されている。ここで、φは、光学式スケール円板１０１における基準線１１０に対する扇状領域１０３の回転位置角度であり、θは、当該扇状領域１０３の中心を通る光学式スケール円板１０１の半径方向線１１１に対する偏光子１０３ａの偏光方位角である。よって、信号トラック１０２における各扇状領域１０３の配置位置に応じて、図示するように、各扇状領域１０３の偏光子１０３ａの偏光方位１０４（θ）は、順次変化する。本実施形態では、上述のように偏光方位１０４をθ＝φ／２となるように設定しているので、光学式スケール円板１０１が１回転するときに、偏光方位１０４（θ）は、１回転することになる。
【００１２】
尚、各扇状領域１０３における偏光子１０３ａの偏光方位１０４（θ）の変化割合は、本実施形態の態様に限定するものではなく、後述する、光学式スケール円板１０１の回転角度検出に要求される精度に応じて変化させればよい。即ち、図３に示すように、偏光子１０３ａの偏光方位１０４（θ）は、θ＝ｍφ／２、ここで、ｍは０以上の整数、とすることができる。換言すると、偏光子１０３ａの偏光方位１０４（θ）は、光学式スケール円板１０１が１回転するときに、ｍ／２（ｍは０以上の整数）回転するように設定することができる。尚、図３に示す光学式スケール円板３０１では、ｍは４であり、偏光方位３０４（θ）は、光学式スケール円板３０１が１回転するときに２回転している。尚、符号３０２は、上記信号トラック１０２に対応する信号トラックであり、符号３０３は、上記扇状領域１０３に対応する扇状領域である。
【００１３】
又、図１に示すように本実施形態では、信号トラック１０２には、偏光子１０３ａを周方向１０１ａに連続して形成しているが、これに限定するものではなく、上記回転角度検出の精度に応じて非連続に形成してもよい。例えば、信号トラック１０２における各扇状領域１０３の一つおきに偏光子１０３ａを形成したり、上記φが４５°、９０°、…の位置のみに偏光子１０３ａを形成したりしてもよい。
【００１４】
次に、以上説明した光学式スケール円板１０１を備えた光学式エンコーダ２００について説明する。
図２に示すように、光学式エンコーダ２００は、光学式スケール円板１０１と、光源２０５と、偏光方位検出装置２０７と、角度演算装置２０８とを備える。
回転角度の測定対象であり回動自在に支持されている回転軸２０６に、上述の光学式スケール円板１０１は取り付けられている。このような光学式スケール円板１０１を挟み、かつ光学式スケール円板１０１の信号トラック１０２に対向するようにして、円偏光又はランダム偏光の光を発する光源２０５と、偏光方位検出装置２０７とが対向して配置される。よって、光源２０５を出射した光は、光学式スケール円板１０１及び信号トラック１０２の偏光子１０３ａを透過して、偏光方位検出装置２０７に入射する。
【００１５】
偏光方位検出装置２０７は、信号トラック１０２の扇状領域１０３における偏光子１０３ａを透過した直線偏光の所定偏光方位のベクトル成分の光強度Ａを出力する第１検出装置と、上記ベクトル成分に対し４５°の角度をなすベクトル成分の光強度Ｂを出力する第２検出装置とを有する。又、偏光方位検出装置２０７は、互いに例えば４５°の角度をなす方位にそれぞれ偏光方向が設定された一組の検光子２０７Ａ−１、２０７Ｂ−１と、検光子２０７Ａ−１、２０７Ｂ−１の透過光量を計測する１対の光検出器２０７Ａ−２、２０７Ｂ−２とで構成することができる。ここで、検光子２０７Ａ−１及び光検出器２０７Ａ−２が上記第１検出装置に相当し、検光子２０７Ｂ−１及び光検出器２０７Ｂ−２が上記第２検出装置に相当する。
【００１６】
本実施形態では、一例として、信号トラック１０２における偏光子１０３ａの、光学式スケール円板１０１の半径方向における偏光成分をＡ出力とし、上記半径方向と４５°の角度をなす偏光成分をＢ出力とする構成にて、偏光方位検出装置２０７の動作を以下に説明する。
【００１７】
即ち、光源２０５から発せられ光学式スケール円板１０１の透光性の基材を透過した光は、扇状領域１０３の偏光子１０３ａにより直線偏光に変換され、その偏光方向は、偏光子１０３ａの偏光方位角θと同一方向である。よって、偏光方位検出装置２０７の上記出力Ａは、光検出の出力がパワーであり、電界振幅の２乗であることから、
出力Ａ＝Ｉ０｛Ｓｉｎ（θ）｝２＝Ｉ０｛１−Ｃｏｓ（２θ）｝／２＝Ｉ０｛１−Ｃｏｓ（φ）｝／２      である。
同様に、偏光方位検出装置２０７の上記Ｂ出力は、
出力Ｂ＝Ｉ０｛Ｓｉｎ（θ−π／４）｝２＝Ｉ０｛１−Ｓｉｎ（２θ）｝／２＝Ｉ０｛１−Ｓｉｎ（φ）｝／２      となる。
【００１８】
このような動作を行う偏光方位検出装置２０７からの上記Ａ出力及び上記Ｂ出力は、光学式スケール円板１０１の回転角度を演算する角度演算装置２０８に入力される。角度演算装置２０８は、上記出力Ａ及び上記出力Ｂにおける交流成分の逆正接演算を行うことで、光学式スケール円板１０１の回転角度、つまり被測定対象物である回転軸２０６の回転角度を一義的に特定することができる。
したがって、本実施形態の光学式エンコーダ２００によれば、回転軸２０６の１回転内の回転角度の絶対値を出力することができる。
【００１９】
本実施の形態の光学式スケール円板１０１の偏光子１０３ａは、光源２０５にて使用される光の波長以下のオーダーの格子ピッチを有するフォトニック格子により製作される。又、格子の方向を所望の偏光方位としたマスタパターンによりリソグラフィック又はナノモールディングによる複製が可能である。よって、量産性良く製造することができる。但し、光学式スケール円板１０１の製造方法は、これに限定するものではなく、微細な偏光子を基材に貼り合わせる方法でも、原理上は構成可能である。
【００２０】
実施の形態２．
実施の形態１では、光学式スケール円板１０１を挟んで光源２０５と偏光方位検出装置２０７とを配置した、透過式の光学式エンコーダの構成を示したが、図４に示すように、反射式の光学系にて光学式エンコーダ４００を構成することもできる。
光学式エンコーダ４００では、図示するように、光学式スケール円板４０１の一面側に光源２０５及び偏光方位検出装置２０７を配置し、さらに、光源２０５及び偏光方位検出装置２０７は、光学式スケール円板４０１にて反射した光が偏光方位検出装置２０７に入射するように配置される。ここで、光学式スケール円板４０１は、上記光学式スケール円板１０１と同様に構成可能であるが、その基材として光透過性の部材を使う必要は無い。よって、当該光学式エンコーダ４００では、光学式エンコーダ２００に比べて光学式スケール円板の材料選択の幅が広がるという利点がある。
【００２１】
このような光学式エンコーダ４００では、光源２０５からの出射光は、信号トラック１０２で反射し、偏光子１０３ａが上記反射光を所望の偏光方位の直線偏光に変換して、上記反射光が偏光方位検出装置２０７に入射する。尚、上述のように本実施の形態２では、光学式スケール円板４０１に信号トラック１０２を形成した場合を例に採るが、図３に示す信号トラック３０２を形成してもよい。
【００２２】
光学式エンコーダ４０１によっても、実施の形態１にて説明した動作と同様の動作により、回転軸２０６の回転角度を検出することができる。
【００２３】
実施の形態３．
また、実施の形態１及び実施の形態２では、光学式スケール円板１０１、３０１には、一つの信号トラック１０２、３０２のみが形成されているが、図５に示す光学式スケール円板５０１のように、光学式スケール円板の半径方向に例えば２つの信号トラック５０２ａ，５０２ｂを形成してもよい。ここで、信号トラック５０２ａでは、上述の信号トラック１０２と同様に、信号トラック５０２ａを構成する各扇状領域１０３の偏光子１０３ａの偏光方位１０４は、光学式スケール円板５０１が１回転するときに１回転する。又、信号トラック５０２ｂでは、上述の信号トラック３０２と同様に、信号トラック５０２ｂを構成する各扇状領域３０３の偏光子３０３ａの偏光方位３０４は、光学式スケール円板５０１が１回転するときにｍ／２（ｍは０以上の整数）回転する。
【００２４】
尚、光学式スケール円板５０１に形成する信号トラックの数は、本実施の形態３の２つに限定するものではなく、３以上の信号トラックを設けてもよい。又、これら複数の信号トラックにおける偏光子の偏光方位は、光学式スケール円板５０１が１回転するときにそれぞれの信号トラックで各々ｍ／２、ｎ／２（ｍ、ｎは０以上の整数）回転するように、それぞれの信号トラックにて異ならせることができる。
【００２５】
上述の光学式スケール円板５０１を備えた光学式エンコーダ６０１は、図６に示すように、光学式スケール円板５０１の他に、光源２０５と、偏光方位検出装置６０７と、角度演算装置６０８とを備える。
本実施形態では、実施の形態１と同様に、光学式スケール円板５０１を挟み、かつ光学式スケール円板５０１の信号トラック５０２ａ、５０２ｂに対向するようにして、円偏光又はランダム偏光の光を発する光源２０５と、偏光方位検出装置６０７とが対向して配置される。よって、光源２０５を出射した光は、光学式スケール円板５０１、及び信号トラック５０２ａ、５０２ｂの各偏光子１０３ａ、３０３ａを透過して、偏光方位検出装置６０７に入射する。
【００２６】
偏光方位検出装置６０７は、信号トラック５０２ａ、５０２ｂの各偏光子１０３ａ、３０３ａを透過した光を検出するため、信号トラック５０２ａに対向する偏光方位検出装置６０７ａと、信号トラック５０２ｂに対向する偏光方位検出装置６０７ｂとを備える。又、実施の形態１で説明したように、偏光方位検出装置６０７ａ、６０７ｂのそれぞれには、偏光方位を互いに異ならせた一組の検光子と、これらの透過光量を計測する１対の光検出器とで構成される。尚、上述のように光学式スケール円板５０１に３以上の信号トラックが設けられたときには、偏光方位検出装置６０７には、信号トラック数に対応して偏光方位検出装置６０７ａ、…、６０７ｎが備わることになる。
【００２７】
角度演算装置６０８は、上述した角度演算装置２０８と同様に、偏光方位検出装置６０７ａ、６０７ｂからそれぞれ出力される出力Ａ及び出力Ｂにおける交流成分の逆正接演算を行う。本実施形態では、上述のように２つの信号トラック５０２ａ、５０２ｂを有することから、角度演算装置６０８は、信号トラック５０２ａから得られる、光学式スケール円板５０１の１回転につき偏光方位が１周期の角度演算出力と、信号トラック５０２ｂから得られる、光学式スケール円板５０１の１回転につき偏光方位がｍ周期の角度演算出力とを得る。角度演算装置６０８は、これら２者を組み合わせることで、光学式スケール円板５０１の回転角度、つまり被測定対象物である回転軸２０６の回転角度を一義的に特定することができる。
【００２８】
このように、本実施の形態３では、光学式スケール円板５０１の１回転につき、２種類の、偏光方位の変化を得ることができることから、実施形態１又は実施形態２のような、光学式スケール円板の１回転につき、１種類の偏光方位の変化を得る構成に比べて、より分解能の高い１回転内絶対値の角度出力を得ることができる。
【００２９】
尚、光学式エンコーダ６０１において、実施の形態２と同様に、光学式スケール円板５０１の信号トラック５０２ａ，５０２ｂ側の面に、光源２０５及び偏光方位検出装置６０７を配置した構成を採ることもできる。
【００３０】
又、上述した各実施形態を任意に組み合わせた構成を採ることもできる。その場合、各実施形態にて記載した効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１による光学式スケール円板の構成を示す平面図である。
【図２】図１に示す光学式スケール円板を備えた、本発明の実施の形態による光学式エンコーダの構成を示す図である。
【図３】図１に示す光学式スケール円板の変化例を示す平面図である。
【図４】本発明の実施の形態２による光学式エンコーダの構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態３による光学式スケール円板の構成を示す平面図である。
【図６】図５に示す光学式スケール円板を備えた、本発明の実施の形態による光学式エンコーダの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０１  光学式スケール円板、１０２  信号トラック、１０３ａ  偏光子、
１０４  偏光方位、２００  光学式エンコーダ、２０７  偏光方位検出装置、
２０８  角度演算装置、３０１  光学式スケール円板、４００  光学式エンコーダ、
４０１  光学式スケール円板、５０１  光学式スケール円板、
５０２ａ、５０２ｂ  信号トラック、６０１  光学式エンコーダ、
６０７  偏光方位検出装置、６０８  角度演算装置。
【図１】
2009168706.tif 000003
【図２】
2009168706.tif 000004
【図３】
2009168706.tif 000005
【図４】
2009168706.tif 000006
【図５】
2009168706.tif 000007
【図６】
2009168706.tif 000008