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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022086364
(43)【公開日】2022-06-09
(54)【発明の名称】光電式ロータリエンコーダ
(51)【国際特許分類】
G01D 5/347 20060101AFI20220602BHJP
G01D 5/38 20060101ALI20220602BHJP
【ＦＩ】
G01D5/347 110E
G01D5/38 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020198318
(22)【出願日】2020-11-30
(71)【出願人】
【識別番号】000137694
【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ
(74)【代理人】
【識別番号】100166545
【弁理士】
【氏名又は名称】折坂 茂樹
(72)【発明者】
【氏名】加藤 慶顕
(72)【発明者】
【氏名】水谷 都
【テーマコード（参考）】
2F103
【Ｆターム（参考）】
2F103BA37
2F103CA02
2F103CA03
2F103CA04
2F103DA01
2F103DA13
2F103EA02
2F103EA12
2F103EB06
2F103EB12
2F103EB13
2F103EB14
2F103EB32
2F103EB33
2F103FA01
(57)【要約】
【課題】光電式ロータリエンコーダにおいて３格子原理を採用しつつ、検出精度を維持することができる光電式ロータリエンコーダの提供。
【解決手段】光電式ロータリエンコーダ１は、所定の軸で回転する測定対象の回転方向を測定方向とし、測定方向に沿って所定の周期で形成される格子状のパターン２０を有する板状かつ回転軸を中心とした略円盤状のスケール２と、スケール２から測定対象の回転による変位量を検出するヘッド３と、を備える。ヘッド３は、光源４と、複数の格子５０を有する回折手段５と、複数の受光素子６０を有する受光手段６と、を備える。回折手段５の複数の格子５０は、スケール２の格子状のパターン２０に沿って回転軸を中心とする裾広がり状の複数の変形格子に形成され、複数の受光素子６０は、スケール２の回転軸を中心とした径方向と直交する直交方向に沿って所定の周期を有する複数のリニア格子に形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】光電式ロータリエンコーダ１は、所定の軸で回転する測定対象の回転方向を測定方向とし、測定方向に沿って所定の周期で形成される格子状のパターン２０を有する板状かつ回転軸を中心とした略円盤状のスケール２と、スケール２から測定対象の回転による変位量を検出するヘッド３と、を備える。ヘッド３は、光源４と、複数の格子５０を有する回折手段５と、複数の受光素子６０を有する受光手段６と、を備える。回折手段５の複数の格子５０は、スケール２の格子状のパターン２０に沿って回転軸を中心とする裾広がり状の複数の変形格子に形成され、複数の受光素子６０は、スケール２の回転軸を中心とした径方向と直交する直交方向に沿って所定の周期を有する複数のリニア格子に形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
所定の軸で回転する測定対象の回転方向を測定方向とし、当該測定方向に沿って所定の周期で形成される格子状のパターンを有する板状かつ回転軸を中心とした略円盤状のスケールと、前記スケールから測定対象の回転による変位量を検出するヘッドと、を備える光電式ロータリエンコーダであって、
前記ヘッドは、
前記スケールに向かって光を照射する光源と、
前記光源と前記スケールとの間に配置されるとともに前記スケールの板面と平行に配置され、前記スケールの板面と平行な面に所定の形状で形成される複数の格子を有して前記光源からの光を回折する、前記スケールの径方向と直交する方向と平行な方向に沿って長尺状に形成される回折手段と、
前記スケールを介した光の進行方向に配置されるとともに前記スケールの板面と平行に配置され、前記スケールの板面と平行な面に所定の形状で形成される複数の格子を有して前記スケールを介した光を通過させる前記スケールの径方向と直交する方向と平行な方向に沿って長尺状に形成される通過手段と、
前記通過手段を通過した光を受光する受光手段と、を備え、
前記回折手段と前記通過手段とのいずれか一方の複数の格子は、前記スケールの格子状のパターンに沿って回転軸を中心とする裾広がり状の複数の変形格子に形成され、いずれか他方の複数の格子は、前記スケールの回転軸を中心とした径方向と直交する直交方向に沿って所定の周期を有する複数のリニア格子に形成され、
前記受光手段は、前記回折手段で回折し前記スケールを介して前記通過手段を通過することで生じる前記直交方向に沿って所定の周期を有する干渉光を受光することを特徴とする光電式ロータリエンコーダ。
前記ヘッドは、
前記スケールに向かって光を照射する光源と、
前記光源と前記スケールとの間に配置されるとともに前記スケールの板面と平行に配置され、前記スケールの板面と平行な面に所定の形状で形成される複数の格子を有して前記光源からの光を回折する、前記スケールの径方向と直交する方向と平行な方向に沿って長尺状に形成される回折手段と、
前記スケールを介した光の進行方向に配置されるとともに前記スケールの板面と平行に配置され、前記スケールの板面と平行な面に所定の形状で形成される複数の格子を有して前記スケールを介した光を通過させる前記スケールの径方向と直交する方向と平行な方向に沿って長尺状に形成される通過手段と、
前記通過手段を通過した光を受光する受光手段と、を備え、
前記回折手段と前記通過手段とのいずれか一方の複数の格子は、前記スケールの格子状のパターンに沿って回転軸を中心とする裾広がり状の複数の変形格子に形成され、いずれか他方の複数の格子は、前記スケールの回転軸を中心とした径方向と直交する直交方向に沿って所定の周期を有する複数のリニア格子に形成され、
前記受光手段は、前記回折手段で回折し前記スケールを介して前記通過手段を通過することで生じる前記直交方向に沿って所定の周期を有する干渉光を受光することを特徴とする光電式ロータリエンコーダ。
【請求項2】
所定の軸で回転する測定対象の回転方向を測定方向とし、当該測定方向に沿って所定の周期で形成される格子状のパターンを有する板状かつ回転軸を中心とした略円盤状のスケールと、前記スケールから測定対象の回転による変位量を検出するヘッドと、を備える光電式ロータリエンコーダであって、
前記ヘッドは、
前記スケールに向かって光を照射する光源と、
前記光源と前記スケールとの間に配置されるとともに前記スケールの板面と平行に配置され、前記スケールの板面と平行な面に所定の形状で形成される複数の格子を有して前記光源からの光を回折する、前記スケールの径方向と直交する方向と平行な方向に沿って長尺状に形成される回折手段と、前記スケールを介した光の進行方向に配置されるとともに前記スケールの板面と平行に配置され、前記スケールの板面と平行な面に所定の形状で形成される複数の受光素子を有して前記スケールを介した光を受光する前記スケールの径方向と直交する方向と平行な方向に沿って長尺状に形成される受光手段と、を備え、
前記回折手段の複数の格子と前記受光手段の受光素子とのいずれか一方は、前記スケールの格子状のパターンに沿って回転軸を中心とする裾広がり状の複数の変形格子に形成され、前記回折手段の複数の格子と前記受光手段の受光素子とのいずれか他方は、前記スケールの回転軸を中心とした径方向と直交する直交方向に沿って所定の周期を有する複数のリニア格子に形成され、
前記受光手段は、前記回折手段で回折し前記スケールを介することで生じる前記直交方向に沿って所定の周期を有する干渉光を受光することを特徴とする光電式ロータリエンコーダ。
前記ヘッドは、
前記スケールに向かって光を照射する光源と、
前記光源と前記スケールとの間に配置されるとともに前記スケールの板面と平行に配置され、前記スケールの板面と平行な面に所定の形状で形成される複数の格子を有して前記光源からの光を回折する、前記スケールの径方向と直交する方向と平行な方向に沿って長尺状に形成される回折手段と、前記スケールを介した光の進行方向に配置されるとともに前記スケールの板面と平行に配置され、前記スケールの板面と平行な面に所定の形状で形成される複数の受光素子を有して前記スケールを介した光を受光する前記スケールの径方向と直交する方向と平行な方向に沿って長尺状に形成される受光手段と、を備え、
前記回折手段の複数の格子と前記受光手段の受光素子とのいずれか一方は、前記スケールの格子状のパターンに沿って回転軸を中心とする裾広がり状の複数の変形格子に形成され、前記回折手段の複数の格子と前記受光手段の受光素子とのいずれか他方は、前記スケールの回転軸を中心とした径方向と直交する直交方向に沿って所定の周期を有する複数のリニア格子に形成され、
前記受光手段は、前記回折手段で回折し前記スケールを介することで生じる前記直交方向に沿って所定の周期を有する干渉光を受光することを特徴とする光電式ロータリエンコーダ。
【請求項3】
請求項１または請求項２に記載された光電式ロータリエンコーダにおいて、
前記回折手段の複数の格子は、前記スケールの格子状のパターンに沿って回転軸を中心とする裾広がり状の複数の変形格子に形成されることを特徴とする光電式ロータリエンコーダ。
前記回折手段の複数の格子は、前記スケールの格子状のパターンに沿って回転軸を中心とする裾広がり状の複数の変形格子に形成されることを特徴とする光電式ロータリエンコーダ。
【請求項4】
請求項１から請求項３のいずれかに記載された光電式ロータリエンコーダにおいて、
前記複数の変形格子は、前記回転軸と直交する直交方向を軸として線対称に形成されることを特徴とする光電式ロータリエンコーダ。
前記複数の変形格子は、前記回転軸と直交する直交方向を軸として線対称に形成されることを特徴とする光電式ロータリエンコーダ。
【請求項5】
請求項１から請求項４のいずれかに記載された光電式ロータリエンコーダにおいて、
前記複数の変形格子は、前記回転軸と直交する直交方向の軸上に位置する変形格子を０本目の変形格子とし、前記リニア格子の所定の周期をＰとし、前記回転軸から前記スケールまでの半径をＲとし、前記スケールの幅方向の距離をｘとするとき、前記変形格子のｎ本目の形状は、
・・・（１）
式（１）にて求められる曲線Ｃｎに基づいて形成されることを特徴とする光電式ロータリエンコーダ。
前記複数の変形格子は、前記回転軸と直交する直交方向の軸上に位置する変形格子を０本目の変形格子とし、前記リニア格子の所定の周期をＰとし、前記回転軸から前記スケールまでの半径をＲとし、前記スケールの幅方向の距離をｘとするとき、前記変形格子のｎ本目の形状は、
【数1】
式（１）にて求められる曲線Ｃｎに基づいて形成されることを特徴とする光電式ロータリエンコーダ。
【請求項6】
請求項１から請求項４のいずれかに記載された光電式ロータリエンコーダにおいて、
前記複数の変形格子は、前記回転軸と直交する直交方向の軸上に位置する変形格子を０本目の変形格子とし、前記リニア格子の所定の周期をＰとし、前記回転軸から前記スケールまでの半径をＲとし、前記スケールの幅方向の距離をｘとするとき、前記変形格子のｎ本目の形状は、
・・・（２）
式（２）にて求められる曲線Ｃｎ＋１（ｘ）に基づいて形成されることを特徴とする光電式ロータリエンコーダ。
前記複数の変形格子は、前記回転軸と直交する直交方向の軸上に位置する変形格子を０本目の変形格子とし、前記リニア格子の所定の周期をＰとし、前記回転軸から前記スケールまでの半径をＲとし、前記スケールの幅方向の距離をｘとするとき、前記変形格子のｎ本目の形状は、
【数2】
式（２）にて求められる曲線Ｃｎ＋１（ｘ）に基づいて形成されることを特徴とする光電式ロータリエンコーダ。
【請求項7】
請求項１から請求項６のいずれかに記載された光電式ロータリエンコーダにおいて、
前記スケールは、前記光源からの光を反射する格子状のパターンを備え、
前記格子状のパターンは、前記回折手段にて回折された光を反射することを特徴とする光電式ロータリエンコーダ。
前記スケールは、前記光源からの光を反射する格子状のパターンを備え、
前記格子状のパターンは、前記回折手段にて回折された光を反射することを特徴とする光電式ロータリエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光電式ロータリエンコーダに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、光電式リニアエンコーダでは、３格子原理を応用したものがある。具体的には、光電式リニアエンコーダは、光源と、第１格子を有するインデックスと、第２格子を有するスケールと、第３格子を有する受光手段と、を備える。インデックスが有する第１格子は、測定方向に沿って所定の周期で形成される格子である。インデックスは、光源とスケールとの間に配置され光源からの光をスケールに向かって通過させる。スケールが有する第２格子は、測定方向に沿って形成される格子状のパターンである。受光手段が有する第３格子は、測定方向に沿って所定の周期で配置される複数の受光素子である。受光手段は、インデックスを通過しスケールを介した光によって生じた干渉光である明暗の縞からなる干渉縞を受光する。この干渉縞は、スケールの格子状のパターン（第２格子）と同じ周期を有する。この際、スケールを測定方向に距離Ｌ移動させると、受光手段に生成される干渉縞は、距離２Ｌ移動する。光電式リニアエンコーダは、この干渉縞の移動である位相の変化に基づいてスケールとヘッドとの相対移動量を算出する。
【0003】
一方、従来、測定方向に沿って所定の周期で形成される格子状のパターンを有する略円盤状のスケールと、スケールから測定対象の回転による変位量を検出するヘッドと、を備える光電式ロータリエンコーダが知られている。ヘッドは、光源と、第１格子を有するインデックスと、第２格子を有するスケールと、第３格子を有する受光手段と、を備える。このような光電式ロータリエンコーダでは、光電式リニアエンコーダにおける３格子原理を採用するために、インデックスおよびスケールを円弧状に形成し、第１格子と第２格子を円弧に沿って配置している。このような構成によれば、インデックスおよびスケールを介した光は、受光手段上で円弧状の干渉縞を生成する。このため、受光素子を円弧状に作成することで、３格子原理に基づいた光電式ロータリエンコーダを構成することができる。
【0004】
ここで、光電式リニアエンコーダと光電式ロータリエンコーダにおいて、受光手段における受光素子の共通化の要望がある。光電式ロータリエンコーダでは、前述のように、円弧状のスケールに合わせてインデックスおよび受光手段を円弧状に形成しなければならない。このため、光電式リニアエンコーダと光電式ロータリエンコーダにおいて、受光手段における受光素子の共通化は困難であるという問題がある。
【0005】
これに対し、例えば特許文献１に記載の光学式エンコーダ（光電式ロータリエンコーダ）は、測定軸に沿って所定の角度ピッチで形成されるスケール格子を有するメインスケールと、このメインスケールと対向配置されて測定軸方向に相対移動する受光側光学格子を有する検出ヘッドとを備える。具体的には、光学式エンコーダは、スケール格子のみを円弧状に変形させ、インデックスおよび受光手段には、光電式リニアエンコーダと同様のものを採用している。
【0006】
このような構成によれば、受光手段には、略中央部に光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞を含む歪んだ干渉縞が生成される。光学式エンコーダは、光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞のみを取得するため、この干渉縞が生成される部分のみに窓を有するマスク材からなるアパーチャを備えている。受光手段は、アパーチャのマスク材により、歪んだ干渉縞が遮断されるため、窓を介した光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞のみを取得することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２００１－１１６５９２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、特許文献１の光学式エンコーダは、光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞を取得することができるものの、生成される干渉縞そのものは歪んでいることから検出に用いる信号の信号雑音比(Ｓ／Ｎ比)が低下してしまうという問題がある。特に、小径の光電式ロータリエンコーダでは、信号雑音比が著しく低下してしまうため、位置のちらつき等、精度が低下する恐れがあるという問題がある。
【0009】
本発明の目的は、光電式ロータリエンコーダにおいて３格子原理を採用しつつ、検出精度を維持することができる光電式ロータリエンコーダを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の光電式ロータリエンコーダは、所定の軸で回転する測定対象の回転方向を測定方向とし、測定方向に沿って所定の周期で形成される格子状のパターンを有する板状かつ回転軸を中心とした略円盤状のスケールと、スケールから測定対象の回転による変位量を検出するヘッドと、を備える。ヘッドは、スケールに向かって光を照射する光源と、光源とスケールとの間に配置されるとともにスケールの板面と平行に配置され、スケールの板面と平行な面に所定の形状で形成される複数の格子を有して光源からの光を回折する、スケールの径方向と直交する方向と平行な方向に沿って長尺状に形成される回折手段と、スケールを介した光の進行方向に配置されるとともにスケールの板面と平行に配置され、スケールの板面と平行な面に所定の形状で形成される複数の格子を有してスケールを介した光を通過させる前記スケールの径方向と直交する方向と平行な方向に沿って長尺状に形成される通過手段と、通過手段を通過した光を受光する受光手段と、を備える。回折手段と通過手段とのいずれか一方の複数の格子は、スケールの格子状のパターンに沿って回転軸を中心とする裾広がり状の複数の変形格子に形成される。また、回折手段と通過手段とのいずれか他方の複数の格子は、スケールの回転軸を中心とした径方向と直交する直交方向に沿って所定の周期を有する複数のリニア格子に形成される。受光手段は、回折手段で回折しスケールを介して通過手段を通過することで生じる直交方向に沿って所定の周期を有する干渉光を受光することを特徴とする。
【0011】
本発明によれば、回折手段とスケールと通過手段との関係において、回折手段の複数の格子と通過手段の複数の格子とのいずれか一方を複数の変形格子とし、他方をリニア格子としている。変形格子は、干渉光である干渉縞の歪みを補整し、光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞を受光手段上に生成することができる。これにより、受光手段は、光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞を取得することができる。したがって、光電式ロータリエンコーダは、３格子原理を採用しつつ、検出精度を維持することができる。
【0012】
本発明の光電式ロータリエンコーダは、所定の軸で回転する測定対象の回転方向を測定方向とし、測定方向に沿って所定の周期で形成される格子状のパターンを有する板状かつ回転軸を中心とした略円盤状のスケールと、スケールから測定対象の回転による変位量を検出するヘッドと、を備える。ヘッドは、スケールに向かって光を照射する光源と、光源とスケールとの間に配置されるとともにスケールの板面と平行に配置され、スケールの板面と平行な面に所定の形状で形成される複数の格子を有して光源からの光を回折する、スケールの径方向と直交する方向と平行な方向に沿って長尺状に形成される回折手段と、スケールを介した光の進行方向に配置されるとともに前記スケールの板面と平行に配置され、前記スケールの板面と平行な面に所定の形状で形成される複数の受光素子を有して前記スケールを介した光を受光する前記スケールの径方向と直交する方向と平行な方向に沿って長尺状に形成される受光手段と、を備える。回折手段の複数の格子と受光手段の受光素子とのいずれか一方は、スケールの格子状のパターンに沿って回転軸を中心とする裾広がり状の複数の変形格子に形成される。回折手段の複数の格子と受光手段の受光素子とのいずれか他方は、スケールの回転軸を中心とした径方向と直交する直交方向に沿って所定の周期を有する複数のリニア格子に形成される。受光手段は、回折手段で回折しスケールを介することで生じる直交方向に沿って所定の周期を有する干渉光を受光することを特徴とする。
【0013】
本発明によれば、回折手段とスケールと受光手段との関係において、回折手段の複数の格子と受光手段の複数の受光素子とのいずれか一方を複数の変形格子とし、他方をリニア格子としている。変形格子は、干渉光である干渉縞の歪みを補整し、光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞を受光手段上に生成することができる。これにより、受光手段は、光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞を取得することができる。したがって、光電式ロータリエンコーダは、３格子原理を採用しつつ、検出精度を維持することができる。
【0014】
この際、回折手段の複数の格子は、スケールの格子状のパターンに沿って回転軸を中心とする裾広がり状の複数の変形格子に形成されることが好ましい。
【0015】
このような構成によれば、受光手段は、光電式リニアエンコーダと共通の受光素子を採用することができる。したがって、光電式リニアエンコーダと光電式ロータリエンコーダにおいて、受光手段における受光素子の共通化の要望に沿うことができる。また、受光手段は、リニアエンコーダと共通の受光素子を採用できるので、コスト削減を図ることができる。
【0016】
この際、複数の変形格子は、回転軸と直交する直交方向を軸として線対称に形成されることが好ましい。
【0017】
このような構成によれば、複数の変形格子は、回転軸と直交する直交方向を軸として線対称に形成されることで、干渉縞を補整し、より精度の高い光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞を生成することができる。
【0018】
この際、複数の変形格子は、回転軸と直交する直交方向の軸上に位置する変形格子を０本目の変形格子とし、リニア格子の所定の周期をＰとし、回転軸からスケールまでの半径をＲとし、スケールの幅方向の距離をｘとするとき、変形格子のｎ本目の形状は、下記第１実施形態に記載の式（１）にて求められる曲線Ｃｎに基づいて形成されることが好ましい。
【0019】
このような構成によれば、複数の変形格子は、式（１）にて求められる曲線Ｃｎに基づいて形成されることで、容易に設計し製造することができる。
【0020】
または、複数の変形格子は、回転軸と直交する直交方向の軸上に位置する変形格子を０本目の変形格子とし、リニア格子の所定の周期をＰとし、回転軸からスケールまでの半径をＲとし、スケールの幅方向の距離をｘとするとき、変形格子のｎ本目の形状は、下記第２実施形態に記載の式（２）にて求められる曲線Ｃｎ＋１（ｘ）に基づいて形成されることが好ましい。
【0021】
ここで、前述の式（１）にて求められる曲線Ｃｎに基づいて形成される複数の変形格子を採用した場合、スケールが小径の光電式ロータリエンコーダでは、変形格子のｎ本目における「ｎ」の値が大きくなると誤差が重畳し、干渉縞が生じにくくなることがある。
しかしながら、このような構成によれば、複数の変形格子は、式（２）にて求められる曲線Ｃｎ＋１（ｘ）に基づいて形成されることで、光の位相が補償され、スケールが小径の光電式ロータリエンコーダでも干渉縞を生じさせやすくすることができる。したがって、光電式エンコーダは、式（１）よりも補整精度の高い複数の変形格子を容易に設計し製造することができる。
しかしながら、このような構成によれば、複数の変形格子は、式（２）にて求められる曲線Ｃｎ＋１（ｘ）に基づいて形成されることで、光の位相が補償され、スケールが小径の光電式ロータリエンコーダでも干渉縞を生じさせやすくすることができる。したがって、光電式エンコーダは、式（１）よりも補整精度の高い複数の変形格子を容易に設計し製造することができる。
【0022】
この際、スケールは、光源からの光を反射する格子状のパターンを備える。格子状のパターンは、回折手段にて回折された光を反射することが好ましい。
【0023】
ここで、光源と回折手段とスケールと通過手段または受光手段とのそれぞれの離間距離が異なる場合、受光手段に干渉縞が生成されなくなったり、精度が低下することがある。このため、各構成部材は、それぞれ等間隔に配置されることが好ましい。
【0024】
このような構成によれば、スケールは、光源からの光を反射する格子状のパターンを備えるため、回折手段を介した光をスケールにて反射し、通過手段または受光手段に折り返して照射させることができる。このため、回折手段と通過手段または受光手段とは、同一平面上に配置することができる。したがって、光電式ロータリエンコーダは、容易に各構成部材を等間隔に配置することができ、干渉縞の精度低下を抑制することができる。また、光電式ロータリエンコーダは、スケールにて光を反射するため小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】第１実施形態に係る光電式ロータリエンコーダを模式的に示す斜視図
【図2】前記光電式ロータリエンコーダにおける変形格子を示す平面図
【図3】第２実施形態に係る光電式ロータリエンコーダにおける変形格子を示す平面図
【図4】第３実施形態に係る光電式ロータリエンコーダを模式的に示す斜視図
【図5】第４実施形態に係る光電式ロータリエンコーダを模式的に示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【0026】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態に係る光電式ロータリエンコーダ１を模式的に示す斜視図である。
光電式ロータリエンコーダ１は、図示しない所定の軸で回転する測定対象の回転方向を測定方向とする。図１に示すように、光電式ロータリエンコーダ１は、板状かつ回転軸を中心とした略円盤状のスケール２と、スケール２から測定対象の回転による変位量を検出するヘッド３と、を備える。
スケール２は、光を透光するガラス等の透光部材で形成されている。スケール２の一面には、測定方向に沿って所定の周期で形成される格子状のパターン２０が形成されている。
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態に係る光電式ロータリエンコーダ１を模式的に示す斜視図である。
光電式ロータリエンコーダ１は、図示しない所定の軸で回転する測定対象の回転方向を測定方向とする。図１に示すように、光電式ロータリエンコーダ１は、板状かつ回転軸を中心とした略円盤状のスケール２と、スケール２から測定対象の回転による変位量を検出するヘッド３と、を備える。
スケール２は、光を透光するガラス等の透光部材で形成されている。スケール２の一面には、測定方向に沿って所定の周期で形成される格子状のパターン２０が形成されている。
【0027】
ヘッド３は、スケール２に向かって光を照射する光源４と、光源４とスケール２との間に配置される回折手段５と、スケール２を介した光の進行方向に配置される受光手段６と、を備える。これらを備えたヘッド３は、スケール２に対して測定方向に沿って一体で進退可能に設けられている。
【0028】
光源４は、スケール２の一面に向かって垂直に平行光を照射する。光源４は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）が採用される。なお、光源４はＬＥＤに限らず、任意の光源を用いてもよい。
【0029】
回折手段５は、スケール２の板面と平行に配置され、スケール２の径方向と直交する方向と平行な方向であるＸ方向に沿って長尺状に形成される。回折手段５は、スケール２の板面と平行な面であるＸＹ平面に所定の形状で形成される複数の格子５０を有する。複数の格子５０は、光源４からの光を回折する。回折手段５は、光源４からの光を透光するガラスで形成されている。回折手段５は、スケール２からｄ１の距離を有して離間した位置に配置されている。
【0030】
回折手段５の複数の格子５０は、スケール２の格子状のパターン２０に沿って回転軸を中心とする裾広がり状の複数の変形格子５０に形成される。複数の変形格子５０の設計方法については後述する。なお、以下の説明において、スケール２の径方向と直交する方向と平行な方向をＸ方向とし、スケール２の板面上でＸ方向と直交する方向をＹ方向とし、スケール２の回転軸と平行な方向でありＸ方向とＹ方向との双方と直交する方向をＺ方向として説明する。また、図面において、複数の変形格子５０は、形状が明確に判別できるように黒で表されているが、当該部分は、透明な部材で形成されていてもよいし、不透明な部材で形成されていてもよいし、隣接する白い部分と異なる厚みを有して形成されていてもよいし、孔として形成されていてもよい。要するに、複数の変形格子は、変形格子として機能すれば、どのように形成されていてもよい。
【0031】
受光手段６は、スケール２の板面と平行に配置され、スケール２を介した光を受光するスケール２の径方向と直交する方向と平行な方向であるＸ方向に沿って長尺状に形成される。受光手段６は、スケール２および回折手段５を透過した複数の回折光を受光し、複数の回折光によって生成された干渉縞から信号を検出する複数の受光素子６０を備える。受光素子６０は、スケール２の板面と平行な面であるＸＹ平面に所定の形状で形成されている。具体的には、複数の受光素子６０は、Ｚ方向と平行なスケール２の回転軸を中心とした径方向と直交する直交方向であるＸ方向に沿って所定の周期Ｐを有する複数のリニア格子として形成される。受光手段６は、回折手段５で回折しスケール２を介することで生じる直交方向であるＸ方向に沿って所定の周期Ｐを有する干渉光である図示しない干渉縞を受光する。
【0032】
受光素子６０には、ＰＤＡ(Photo Diode Array)が用いられ、回折手段５とスケール２と重なるよう設置されている。すなわち、回折手段５と受光手段６とは、スケール２を挟んで互いに重なるように向かい合せて設置されている。ＰＤＡは、複数の干渉縞を１度に測定することができる性質を持つ検出器である。なお、複数の受光素子６０は、ＰＤＡに限らず、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）やＣＣＤ（Charge-Coupled Device）等の任意の検出器を用いてもよい。
【0033】
図２は、光電式ロータリエンコーダ１における変形格子５０を示す平面図である。
図２に示すように、回折手段５における複数の変形格子５０は、Ｚ方向と平行な図示しない回転軸と直交する直交方向を軸Ｌとして線対称に形成されている。以下、複数の変形格子５０の設計方法について説明する。
図２に示すように、回折手段５における複数の変形格子５０は、Ｚ方向と平行な図示しない回転軸と直交する直交方向を軸Ｌとして線対称に形成されている。以下、複数の変形格子５０の設計方法について説明する。
【0034】
先ず、複数の変形格子５０において、回転軸と直交する直交方向の軸Ｌ上に位置する変形格子５００を０本目の変形格子５００とする。次に、受光素子６０（図１参照）であるリニア格子の所定の周期をＰとし、回転軸からスケール２（図１参照）までの半径をＲとし、スケール２の幅方向の距離をｘとする。この際、変形格子のｎ本目の形状は、式（１）にて求められる曲線Ｃｎに基づいて形成される。
・・・（１）
【数1】
【0035】
このような本実施形態によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
（１）回折手段５とスケール２と受光手段６との関係において、回折手段５の複数の格子５０を複数の変形格子とし、受光手段６の複数の受光素子６０をリニア格子としている。変形格子５０は、干渉縞の歪みを補整し、光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞を受光手段６上に生成することができる。これにより、受光手段６は、光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞を取得することができる。したがって、光電式ロータリエンコーダ１は、３格子原理を採用しつつ、検出精度を維持することができる。
（１）回折手段５とスケール２と受光手段６との関係において、回折手段５の複数の格子５０を複数の変形格子とし、受光手段６の複数の受光素子６０をリニア格子としている。変形格子５０は、干渉縞の歪みを補整し、光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞を受光手段６上に生成することができる。これにより、受光手段６は、光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞を取得することができる。したがって、光電式ロータリエンコーダ１は、３格子原理を採用しつつ、検出精度を維持することができる。
【0036】
（２）受光手段６は、光電式リニアエンコーダと共通の受光素子６０を採用することができる。したがって、光電式リニアエンコーダと光電式ロータリエンコーダ１において、受光手段６における受光素子６０の共通化の要望に沿うことができる。また、受光手段６は、リニアエンコーダと共通の受光素子６０を採用できるので、コスト削減を図ることができる。
（３）複数の変形格子５０は、Ｚ方向と平行な回転軸と直交する直交方向を軸Ｌとして線対称に形成されることで、干渉縞を補整し、より精度の高い光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞を生成することができる。
（４）複数の変形格子５０は、式（１）にて求められる曲線Ｃｎに基づいて形成されることで、容易に設計し製造することができる。
（３）複数の変形格子５０は、Ｚ方向と平行な回転軸と直交する直交方向を軸Ｌとして線対称に形成されることで、干渉縞を補整し、より精度の高い光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞を生成することができる。
（４）複数の変形格子５０は、式（１）にて求められる曲線Ｃｎに基づいて形成されることで、容易に設計し製造することができる。
【0037】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
以下、本発明の第２実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
【0038】
図３は、第２実施形態に係る光電式ロータリエンコーダ１Ａにおける変形格子５０Ａを示す平面図である。
前記第１実施形態では、複数の変形格子５０は、式（１）にて求められる曲線Ｃｎに基づいて形成されていた。第２実施形態では、図３に示すように、式（１）とは異なる式にて求められる曲線に基づいて複数の変形格子５０Ａが形成されている点で前記第１実施形態と異なる。以下、第２実施形態における複数の変形格子５０Ａの設計方法について説明する。
前記第１実施形態では、複数の変形格子５０は、式（１）にて求められる曲線Ｃｎに基づいて形成されていた。第２実施形態では、図３に示すように、式（１）とは異なる式にて求められる曲線に基づいて複数の変形格子５０Ａが形成されている点で前記第１実施形態と異なる。以下、第２実施形態における複数の変形格子５０Ａの設計方法について説明する。
【0039】
先ず、複数の変形格子５０Ａにおいて、回転軸と直交する直交方向の軸Ｌ上に位置する変形格子５００Ａを０本目の変形格子とする。次に、受光素子６０（図１参照）であるリニア格子の所定の周期をＰとし、回転軸からスケール２（図１参照）までの半径をＲとし、スケール２の幅方向の距離をｘとする。この際、変形格子５０Ａのｎ本目の形状は、式（２）にて求められる曲線Ｃｎ＋１（ｘ）に基づいて形成される。
・・・（２）
【数2】
【0040】
このような第２実施形態においても、前記第１実施形態における（１）～（３）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（５）複数の変形格子５０Ａは、式（２）にて求められる曲線Ｃｎ＋１（ｘ）に基づいて形成されることで、光の位相が補償され、スケール２が小径の光電式ロータリエンコーダ１Ａでも干渉縞を生じさせやすくすることができる。したがって、光電式ロータリエンコーダ１Ａは、式（１）よりも補整精度の高い複数の変形格子を容易に設計し製造することができる。
〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
（５）複数の変形格子５０Ａは、式（２）にて求められる曲線Ｃｎ＋１（ｘ）に基づいて形成されることで、光の位相が補償され、スケール２が小径の光電式ロータリエンコーダ１Ａでも干渉縞を生じさせやすくすることができる。したがって、光電式ロータリエンコーダ１Ａは、式（１）よりも補整精度の高い複数の変形格子を容易に設計し製造することができる。
〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
【0041】
図４は、第３実施形態に係る光電式ロータリエンコーダ１Ｂを模式的に示す斜視図である。
前記第１実施形態では、スケール２が有する格子状のパターン２０は光を透過する透過型の光電式ロータリエンコーダ１であった。第３実施形態のスケール２Ｂは、光源４からの光を反射する格子状のパターン２０Ｂを備える点で前記第１実施形態と異なる。また、光を反射する格子状のパターン２０Ｂを採用することにより、第３実施形態のヘッド３Ｂ内における回折手段５および受光手段６は、前記第１実施形態とは異なる位置に配置されている。
前記第１実施形態では、スケール２が有する格子状のパターン２０は光を透過する透過型の光電式ロータリエンコーダ１であった。第３実施形態のスケール２Ｂは、光源４からの光を反射する格子状のパターン２０Ｂを備える点で前記第１実施形態と異なる。また、光を反射する格子状のパターン２０Ｂを採用することにより、第３実施形態のヘッド３Ｂ内における回折手段５および受光手段６は、前記第１実施形態とは異なる位置に配置されている。
【0042】
格子状のパターン２０Ｂは、回折手段５にて回折された光を反射し、反射した光を受光手段６に向かって照射することが好ましい。このため、図４に示すように、回折手段５と受光手段６とは同一平面上に配置されている。このように配置されることで、回折手段５とスケール２Ｂと受光手段６との離間距離を、それぞれ等間隔とすることができる。具体的には、回折手段５とスケール２Ｂとの離間距離ｄ３と、スケール２Ｂと受光手段６との離間距離ｄ４とは同じ距離となる。光源４から照射された光は、回折手段５にて回折され、スケール２Ｂにて反射し、受光手段６に照射される。
【0043】
このような第３実施形態においても、前記第１実施形態および前記第２実施形態における（１）～（５）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（６）スケール２Ｂは、光源４からの光を反射する格子状のパターン２０Ｂを備えるため、回折手段５を介した光をスケール２にて反射し、受光手段６に折り返して照射させることができる。このため、回折手段５と受光手段６とは、同一平面上に配置することができる。したがって、光電式ロータリエンコーダ１Ｂは、容易に各構成部材を等間隔に配置することができ、干渉縞の精度低下を抑制することができる。また、光電式ロータリエンコーダ１Ｂは、スケール２Ｂにて光を反射するため、小型化を図ることができる。
（６）スケール２Ｂは、光源４からの光を反射する格子状のパターン２０Ｂを備えるため、回折手段５を介した光をスケール２にて反射し、受光手段６に折り返して照射させることができる。このため、回折手段５と受光手段６とは、同一平面上に配置することができる。したがって、光電式ロータリエンコーダ１Ｂは、容易に各構成部材を等間隔に配置することができ、干渉縞の精度低下を抑制することができる。また、光電式ロータリエンコーダ１Ｂは、スケール２Ｂにて光を反射するため、小型化を図ることができる。
【0044】
〔第４実施形態〕
以下、本発明の第４実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
以下、本発明の第４実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
【0045】
図５は、第４実施形態に係る光電式ロータリエンコーダ１Ｃを模式的に示す斜視図である。
前記第１実施形態では、受光手段６の複数の受光素子６０は、所定の周期を有する複数のリニア格子に形成されていた。第４実施形態では、ヘッド３Ｃは、複数の格子７０を有する通過手段７を備え、複数の格子７０は、リニア格子に形成されている点で前記第１実施形態と異なる。また、通過手段７を備えることで、受光手段６Ｃは、リニア格子を備えていない点で前記１実施形態と異なる。
前記第１実施形態では、受光手段６の複数の受光素子６０は、所定の周期を有する複数のリニア格子に形成されていた。第４実施形態では、ヘッド３Ｃは、複数の格子７０を有する通過手段７を備え、複数の格子７０は、リニア格子に形成されている点で前記第１実施形態と異なる。また、通過手段７を備えることで、受光手段６Ｃは、リニア格子を備えていない点で前記１実施形態と異なる。
【0046】
図５に示すように、通過手段７は、スケール２を介した光の進行方向に配置されるとともにスケール２の板面と平行に配置されている。また、通過手段７は、スケール２の板面と平行な面に複数の格子７０であるリニア格子を有する。通過手段７は、スケール２の径方向と直交する方向と平行な方向に沿って長尺状に形成される。通過手段７は、光を透光するガラス等の透光部材で形成されている。通過手段７の複数の格子７０は、スケール２の回転軸を中心とした径方向と直交する直交方向に沿って所定の周期を有する複数のリニア格子に形成される。
【0047】
受光手段６Ｃは、通過手段７を通過した光を受光する。受光手段６Ｃは、回折手段５で回折しスケール２を介して通過手段７を通過することで生じる直交方向に沿って所定の周期を有する図示しない干渉縞を受光する。具体的には、受光手段６Ｃは、第１受光部６１と、第２受光部６２と、第３受光部６３と、第４受光部６４と、を備える。第１受光部６１は、位相が０度の光を受光する。第２受光部６２は、位相が９０度の光を受光する。第３受光部６３は、位相が１８０度の光を受光する。第４受光部６４は、位相が２７０度の光を受光する。受光手段６Ｃは、複数の受光部６１～６４が受光したそれぞれ位相の異なる複数の光から４相信号を取得し、４相信号に基づいて変位量を取得する。なお、受光手段６Ｃは、複数の受光部６１～６４を備え、４相信号を取得しているが、受光手段６Ｃは、干渉光である干渉縞から変位量を取得できれば、どのような受光手段を採用してもよい。例えば、受光手段は、４相信号ではなく３相信号を取得できる構成を有していてもよい。
【0048】
このような本実施形態においても、前記第１実施形態から前記第３実施形態における（１）～（６）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（７）回折手段５とスケール２と通過手段７との関係において、回折手段５の複数の格子を変形格子５０とし、通過手段７の複数の格子７０をリニア格子としている。変形格子５０は、干渉縞の歪みを補整し、光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞を受光手段６Ｃ上に生成することができる。これにより、受光手段６Ｃは、光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞を取得することができる。したがって、光電式ロータリエンコーダ１Ｃは、３格子原理を採用しつつ、検出精度を維持することができる。
（８）光電式ロータリエンコーダ１Ｃは、リニア格子である複数の格子７０を有する通過手段７を備えるため、受光手段６Ｃにおいて所定の周期で配置される複数の受光素子を有さなくても、干渉縞を取得することができる。
（７）回折手段５とスケール２と通過手段７との関係において、回折手段５の複数の格子を変形格子５０とし、通過手段７の複数の格子７０をリニア格子としている。変形格子５０は、干渉縞の歪みを補整し、光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞を受光手段６Ｃ上に生成することができる。これにより、受光手段６Ｃは、光電式リニアエンコーダと略同様の干渉縞を取得することができる。したがって、光電式ロータリエンコーダ１Ｃは、３格子原理を採用しつつ、検出精度を維持することができる。
（８）光電式ロータリエンコーダ１Ｃは、リニア格子である複数の格子７０を有する通過手段７を備えるため、受光手段６Ｃにおいて所定の周期で配置される複数の受光素子を有さなくても、干渉縞を取得することができる。
【0049】
〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、測定機器に用いられる光電式ロータリエンコーダ１，１Ａ～１Ｃについて説明したが、光電式ロータリエンコーダであれば、検出器の形式や検出方式等は特に限定されるものではない。また、光電式ロータリエンコーダは、測定機器ではなく、その他のものに設けられ、用いられていてもよい。
なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、測定機器に用いられる光電式ロータリエンコーダ１，１Ａ～１Ｃについて説明したが、光電式ロータリエンコーダであれば、検出器の形式や検出方式等は特に限定されるものではない。また、光電式ロータリエンコーダは、測定機器ではなく、その他のものに設けられ、用いられていてもよい。
【0050】
前記各実施形態では、複数の変形格子５０，５０Ａは、回折手段５，５Ａに形成されていたが、前記第１実施形態における受光素子、または、前記第４実施形態における通過手段に複数の変形格子が形成されていてもよい。また、前記各実施形態では、複数の変形格子５０，５０Ａは、回転軸と直交する直交方向を軸Ｌとして線対称に形成されていたが、線対称に形成されていなくてもよい。
【0051】
前記第１実施形態では、変形格子５０は、式（１）にて求められる曲線Ｃｎに基づいて形成され、前記第２実施形態では、変形格子５０Ａは、式（２）にて求められる曲線Ｃｎ＋１（ｘ）に基づいて形成されていたが、変形格子は、式（１）や式（２）にて求められる曲線とは異なる曲線で形成されていてもよいし、曲線ではなく、直線に基づいて放射状に形成されていてもよい。
要するに、変形格子は、スケールの格子状のパターンに沿って回転軸を中心とする裾広がり状に形成されていればよい。
要するに、変形格子は、スケールの格子状のパターンに沿って回転軸を中心とする裾広がり状に形成されていればよい。
【産業上の利用可能性】
【0052】
以上のように、本発明は、光電式ロータリエンコーダに好適に利用できる。
【符号の説明】
【0053】
１，１Ａ～１Ｃ 光電式ロータリエンコーダ
２，２Ｂ スケール
２０，２０Ｂ 格子状のパターン
３，３Ｂ，３Ｃ ヘッド
４ 光源
５，５Ａ 回折手段
５０，５０Ａ 変形格子
６，６Ｃ 受光手段
６０ 受光素子
７ 通過手段
２，２Ｂ スケール
２０，２０Ｂ 格子状のパターン
３，３Ｂ，３Ｃ ヘッド
４ 光源
５，５Ａ 回折手段
５０，５０Ａ 変形格子
６，６Ｃ 受光手段
６０ 受光素子
７ 通過手段
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】