JPH0399220A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はエンコーダに関し、特に被測定物体の移動量や
移動方向等の移動状態を透光部と遮光部を周期的に設け
たスケールを利用して検出するようにした充電的なエン
コーダに関するものでる。

（従来の技術） 従来より被測定物体の回転や移動等に関する変位状態を
検出する装置として光電的なロータリーエンコーダやリ
ニアエンコーダが多く利用されている。

第８図（Ａ）　，　（Ｂ）は被測定物体の直線移動状態
を検出するようにした従来のリニアエンコーダの光学系
の平面と側面の要部概略図である。

同図においてＬＥＤ等の光源５１からの光束は投光レン
ズ５２により略平行光束とされ主スケール５３に投光さ
れる。主スケール５３はガラス等の透明基材又は金属の
薄板にエッチング等の手法により幅の等しい透光部と遮
光部を周期的に設けたスリット列より構成されている。

主スケール５３を通過した光束は主スケール５３と同じ
周期のパターンより成る副スケール５４に入射し、副ス
ケール５４を通過した光束は受光手段５５で受光される
。

主スケール５３は一点鎖線で囲まれた検出ヘッド部６０
に対し、相対的に矢印八方向に移動可能となるように構
成されている。

ここで副スケール５４は例えば第９図に示すように４つ
のスケール５４−１〜５４−４を有し、これらの各スケ
ールは主スケール５３と同周期のスリット列より成り、
投光レンズ５２から投射される光束中に配置されている
。又各スケール５４−１〜５４−４の位置関係は例えば
スケール５４−１を基準にとるとスケール５４−２はス
リットピッチの１／２だけスケール５４−１とずれてお
り、同様にスケール５４−３はスリットピッチの１／４
、スケール５４−４はスリットピッチの３／４だけずれ
た状態となっている。

受光手段５５は第９図に示すように４つの光検出器５５
−１〜５５−４を有し、各スケール５４−１〜５４−４
の後方に各々対応して配置されている。ここでスケール
５４−１〜５４−４は主スケール５３の移動の方向判別
及びＤＣオフセット成分を除くことを目的として配置さ
れている。

第１０図は第８図に示したリニアエンコーダにおいて主
スケール５３と検出ヘッド部６０が相対的に所定量移動
したときの光検出器５５−１〜５５−４から得られる出
力信号の説明図である。

同図に示す出力信号波形はいずれもスリットピッチを単
位として周期的に変化している。同図（Ａ）〜（Ｄ）は
順に光検出器５５−１〜５５−４からの出力波形である
。

今、第１０図（Ａ）の出力波形を基準にとれば副スケー
ルの位置関係より同図（Ｂ）　．　（Ｃ）　．　（Ｄ）
の出力波形は各々１８０度、９０度、２７０度だけ位相
がずれている。

従来のリニアエンコーダはこれら４つの出力信号を用い
て、例えば第１０図（Ａ）と同図（Ｂ）の差動出力及び
同図（Ｃ）と同図（Ｄ）の差動出力よりＤＣオフセット
変動分を除き、各２つの差動出力の位相関係から周知の
方法により主スケール５３の移動量及び移動方向を検出
している。

（発明が解決しようとする問題点） 第８図に示す従来のリニアエンコーダにおいて被測定物
の移動状態の検出分解能を向上させる一方法としてスケ
ールの透過部と遮光部の周期的なパターンピッチを小さ
くする方法がある。

しかしながらスケールのパターンピッチを小さくするこ
とは製造上難しく、コストアップの要因になってくる。

又スケールの透光部と遮光部とが回折格子として作用し
てきて、該スケールで回折された光束が信号光に混入し
、ノイズ成分となり検出精度を低下させるどう問題点が
生じてくる。

例えば光源としてＬＥＤからの光束の波長を０．９μｍ
、スケールのパターンピッチを１０μｍとしたとき１次
回折光の回折角θはｓｉｎθ＝０．９／１０ よりθ与５，２度となる。

この回折角で拡がる回折光は副スケールからもれ込んで
出力信号のバイアス成分となり出力信号のコントラスト
を低下させ、検出精度を低下させる原因となってくる。

このように従来のリニアエンコーダにおいてはパターン
ピッチをあまり小さくすることができず高分解能化を図
るのが大変難しかった。

本発明は従来と同じパターンピッチのスケールを用いた
ときにパターンピッチの半分の周期に基づく出力信号を
得ることができ、これにより被測定物の移動状態の検出
精度の高分解能化を図ったエンコーダの提供を目的とす
る。

尚、本発明においてエンコーダとはロータリーエンコー
ダとリニアエンコーダの双方を含むものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明のエンコーダは、平行光束を所定の光路に沿って
光学式スケールに照射する照射手段と、該照射手段によ
り照射されて前記光学式スケールで正反射した反射光束
或いは前記光学式スケールを透過して前記光路を直進し
た透過光束を反射し、該反射光束或いは該透過光束を前
記平行光束に対して前記光学式スケールが相対的に変位
する方向に関して反転せしめて生成した平行光束を再度
前記光学式スケールに向ける反射手段と、該反射手段か
らの平行光束で照明された前記光学式スケールからの光
を充電変換する手段とを有し、該光電変換手段からの信
号に基づいて前記変位を測定することを特徴としている
。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例の光学系の要部概略図であ
る。

同図において１は光源であり、例えばＬＥＤ等から成っ
ている。２はコリメーターレンズであり光源１からの光
束を略平行光束としてスケール３に入射させている。光
源１とコリメーターレンズ２で投光手段１０１を構成し
ている。スケール３は同一幅の透光部と遮光部を周期的
に配置したスリット列より成っている。４は光反射手段
であり斜面４ａ，４ｂを反射面（金属膜等の蒸着又は全
反射を利用した反射面）とした直角プリズムより成り、
スケール３を通過した光束を反射させスケール３に再入
射させている。５は集光レンズでありスケール３からの
光束を集光し、光検出器６に入射させている。

集光レンズ５と光検出器６は受光手段１０２を構成して
いる。１０３は検出ヘッドでありスケール３を除く前述
の各要素を筐体内に収納して構成されている。スケール
３は検出ヘッド１０３に対して相対的に図中の矢印八方
向に移動可能となっている。

本実施例では光源１からの光束をコリメーターレンズ２
で略平行光束とし、スケール３に入射させている。そし
てスケール３の透光部を透゛過し、光反射千段４の２つ
の反射面４ａ，４ｂで反射させ入射方向と逆方向から射
出させスケール３に再入射させている。そしてスケール
３を通過した光束を集光レンズ５で光検出器６の受光面
に集光させている。

尚、このとき集光レンズ５を用いずスケール３からの光
束を直接光検出器６の受光面に入射させても良い。

第２図（＾）　．　（Ｂ）は本実施例において光検出器
６に至る光束とスケール３との位置関係を示す説明のう
ち、スケール３と光反射手段４のみを拡大して示した説
明図である。

第２図（Ａ）においてスケール３に入射し、その透光部
を通過した光束１ａは光反射手段４の２つの反射面４ａ
，４ｂで反射されて光反射手段４の反射面４ａ，４ｂの
稜線をはさんで対称な位置から出射する。このとき同図
に示すようにスケール３の遮光部が前記稜線に対し１／
２ピッチずれた位置にあると、これら反射面４ａ，４ｂ
で反射された光束はすべて遮光部で遮られて光検出器６
側へは射出しない。

方、第２図（Ｂ）のスケール３の透光部と遮光部が第２
図（Ａ）の位置から更に１／４ピッチずれた位置、即ち
前記稜線に対して対称な位置にあると、同図から明らか
なようにスケール３を通過した光束は反射面４ａ，４ｂ
で反射された後、再びスケール３の透光部を通って光検
出器６へ入射する。

以上の説明から分るようにスケール３が１／４ピッチ相
対的に移動する毎に光検出器に最大又は最小の光量が入
射する。

第３図はこのときのスケール３の相対的な移動に対して
光検出器６から得られる出カ信号波形を表わす説明図で
ある。

前述したように、この波形は１／４ビッチ毎の明暗、即
ち１／２ビッチを周期とすると繰返し波形となる。尚、
点光源から出た完全な平行光束を照射すれば該波形は三
角形状となるが、ＬＥＤの如く有限の発光サイズの光源
を用いた場合にはコリメーターレンズから画角を有する
光束が出射するので同図のように多少歪んで正弦波に似
た周期波形となっている。

この出力信号波形からスケール３の相対的移動量を計測
するには通常の公知の処理方法、即ち波形を整形し、パ
ルス波形とした後、パルスカウンターで計数する方法を
用いることができる。

スケール３の移動方向を判別する場合には第８図の従来
例で説明したような副スケールを集光レンズ５の直前に
配置して構成すれば前述と同様にして求められる。

この他、次のような方法によりスケール３の移動方向の
判別を検出するようにしても良い。

第４図（Ａ）　．　（Ｂ）はこのときの一例を示す光反
射手段４近傍の説明図である。同図（Ａ）は平面図、同
図（Ｂ）は側面図である。図中、７は平行平面ガラスで
あり、光反射手段４の射出面側に配置されている。

該平行平板ガラス７は例えば光束の下側半分だけが通過
できるように配されている。また平行平板ガラス７は第
４図（Ａ）の面内で傾いており、その傾き角は平行平板
ガラス７を透過した光束（図中の破線）が透過しない光
束（実線）に対しスケール３のピッチの１／８だけ平行
シフトするように設定されている。

そして平行平板ガラス７を透過した光束と透過しないで
直進した光束を各々別の光検出器で受光すれば、このと
きの光検出器からの２つの出力信号波形は位相が互いに
９０°ずれているので、この２つの出力信号波形を用い
れば従来の手法と同様の方法によりスケール３の移動方
向の判別が可能となる。

第５図はスケール３の移動方向の判別を行う他の例を示
す説明図である。図中４−１．４−２は第１図で説明し
たと同様の光反射手段である。

本実施例では同図のように双方を互いにわずか横にずれ
た状態で重ねて接着して構成している。

このときのずれ量は前述と同様に反射光束が互いに１／
８ピッチずれるように設定してある。光反射手段４−１
．４−２を第１図の光反射手段４の配置と同様の位置に
置き、２つの光反射千段４一１．４−２に同時に光束を
入射させ、反遮光を夫々別の光検出器で受光すれば前と
同様の方法でスケール３の移動方向の判別が可能となる
。

第６，第７図は本発明の第２，第３実施例の光学系の要
部概略図である。図中、第１図で示した要素と同一要素
には同符番を付している。

第６図の第２実施例では光源１からの光束をコリメータ
ーレンズ２で略平行光束とし、スケール３を通過させた
後、集光レンズ８の片側の面に入射させている。そして
集光レンズ８で集光し、該集光レンズ８の焦点面に配置
したミラー９で入射光束を光軸に関して対称な位置から
入射方向と逆方向に反射させた後、集光レンズ８で略平
行光束としてスケール３に再入射させている。次いでス
ケール３からの光束を集光レンズ５により光検出器６面
上に入射させている。これにより第１図の第１実施例と
同様の効果を得ている。

第７図の第３実施例では光源１からの光束をハーフミラ
ー１０を通過させてコリメーターレンズ２で略平行光束
としスケール３を通過させた後、集光レンズ８で集光し
、該集光レンズ８の焦点面に配置したミラー９で反射さ
せた後、元の光路を逆光させスケール３に再入射させて
いる。そしてスケール３からの光束をコリメーターレン
ズ２を介し、ハーフミラー１０で反射させた後、光検出
器６に入射させている。

このように構成することにより第１図の第１実施例と同
様の効果を得ている。本実施例では第６図の第２実施例
に比べて部材数を減らし、装置全体の軽量小型化を図っ
ている。

尚、以上の各実施例では本発明をリニアエンコーダに適
用した場合を示したが本発明はロータリーエンコーダに
も同様に適用することができる。

（発明の効果） 本発明によれば前述の如く各要素を構成することにより
、従来と同じパターンピッチのスケールを用いても従来
のエンコーダに比べて２倍の分解能が得られ高精度な検
出が可能なエンコーダを達成することができる。換言す
れば同じ分解能を得るのに従来のものに比べて２倍の粗
いパターンピッチのスケールを用いることができ、これ
によりスケールの製造が容易となり、又スケールの回折
による悪影響を防止した高精度の検出が可能となり、更
に１つのスケールだけで基本的な検出が可能となる等の
特長を有したエンコーダを達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の光学系の要部概略図、第
２図，第３図は第１図のエンコーダにおける検出原理の
説明図、第４．第５図は本発明において被測定物の移動
方向の判別を検出する際の一例の説明図、第６，第７図
は本発明の第２．第３実施例の要部概略図、第８〜第１
０図は従来のリニアエンコーダとその検出原理の説明図
である。 図中、１０１は投光手段、１０２は受光手段、１０３は
検出ヘット、ｌは先源、２はコリメーターレンズ、３は
スケール、４．４−１．４−２は光反射手段、５．８は
集光レンズ、６は光検出器、７は平行平面ガラス、９は
ミラー　１０はハーフミラーである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）平行光束を所定の光路に沿って光学式スケールに
   照射する照射手段と、該照射手段により照射されて前記
   光学式スケールで正反射した反射光束或いは前記光学式
   スケールを透過して前記光路を直進した透過光束を反射
   し、該反射光束或いは該透過光束を前記平行光束に対し
   て前記光学式スケールが相対的に変位する方向に関して
   反転せしめて生成した平行光束を再度前記光学式スケー
   ルに向ける反射手段と、該反射手段からの平行光束で照
   明された前記光学式スケールからの光を光電変換する手
   段とを有し、該光電変換手段からの信号に基づいて前記
   変位を測定するエンコーダ。
2. （２）前記スケールは透光部と遮光部を前記方向に沿っ
   て交互に配列して成り、前記反射手段は前記透過光束を
   反射せしめることを特徴とする請求項１記載のエンコー
   ダ。
3. （３）前記スケールは反射部と非反射部を前記方向に沿
   って配列して成り、前記反射手段は前記反射光束を反射
   せしめることを特徴とする請求項１記載のエンコーダ。
4. （４）前記照射手段は、前記スケールに対して前記平行
   光束を垂直入射せしめ、前記反射手段は前記スケールに
   対して前記平行光束を垂直に入射せしめることを特徴と
   する請求項１記載のエンコーダ。