JP2000352527A

JP2000352527A - 光学式エンコーダ

Info

Publication number: JP2000352527A
Application number: JP11164470A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Okumura; 一郎奥村; Masahiko Igaki; 正彦井垣; Manabu Takayama; 学高山; Yasushi Miura; 泰三浦
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 1999-06-10
Publication date: 2000-12-19

Abstract

(57)【要約】【課題】同一の検出ヘッドで全ての径の光学スケール
に対してコントラストの良い信号を得て、光量が変動し
ても幅や位相が変化しない常に安定したパルスを発生さ
せる。【解決手段】光学スケール１３の第１領域１３ａに形
成したスケールスリットと第２領域１３ｂに形成したス
ケールスリットを連続しないように分離して形成する。
例えば、第１領域１３ａと第２領域１３ｂのスリット本
数又はＶ溝を形成する面の高さ又はＶ溝角度を異なるよ
うにしたり、第２領域１３ｂの溝を４つの斜面を有する
形状とする。これによって、凹面ミラー１４を偏心配置
する必要がなく、拡大投影倍率が１となり、全ての径の
光学スケール１３に対して共通の組み合わせ使用が可能
となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高精度に移動情報
を検出する光学式エンコーダに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から知られている移動体の位置や速
度を検出する方法としては、大別すると磁気式エンコー
ダによる方法と光学式エンコーダによる方法がある。光
学式エンコーダは投光部と受光部とスケールから構成さ
れており、スケールには薄いＳＵＳ材が使用され、精密
プレス打抜き加工又はエッチング加工により製作される
のが一般的である。

【０００３】しかし、近年は透明な材質にＶ型断面を有
する溝を形成したスケールを用いた光学式エンコーダ
が、例えば特願平１１−２３３２４号公報などで提案さ
れており、プリンタや複写機などに使用されている。

【０００４】図１０は従来例の自己投射型光学式エンコ
ーダの光学系の斜視図、図１１は断面図を示す。例え
ば、波長６３２．８ｎｍの可干渉性光束を発するＬＥＤ
や半導体レーザーなどの光源１と、球面レンズ又は非球
面レンズから成るレンズ系２とから構成される光照射手
段３、位相差検出機構及び振幅型の回折格子機構を有す
る格子を形成した光学スケール４、この格子のフーリエ
変換面に一致する曲面を有し、入射光束の中心部光束の
光軸Ｏに対して偏心差Δだけ偏心した光軸Ｏ１を有する
凹面ミラー５、３個のフォトディテクタである受光素子
６ａ、６ｂ、６ｃから成る受光手段６が配列されてい
る。受光手段６の出力はパルスカウント回路や回転方向
の判別回路を有する信号処理手段７に接続されており、
光照射手段３と受光手段６は筐体８内に固定保持されて
いる。また、光学スケール４は図示しない回転体の一部
に取り付けられており、回転体と一体的に回転軸Ｏ２を
中心に矢印Ｄ方向に回転している。

【０００５】図１２は光学スケールの平面図を示し、光
学スケール４の格子は図１３に示すようにＶ溝を構成す
る２つの傾斜面Ｉ１、Ｉ２と１つの平坦部Ｆが、所定の
ピッチＰで交互に配列され径方向に連続して形成されて
いる。Ｖ溝の幅はＰ／２であり、Ｖ溝を形成する２つの
傾斜面Ｉ１、Ｉ２はそれぞれＰ／４の幅を有し、平坦部
Ｆに対して、それぞれ臨界角以上の例えば角度θ＝４５
度で傾斜している。

【０００６】格子は径方向に対し、外側が図１３(a) に
示す形状の第１領域４ａとなり、内側が図１３(b) に示
す形状の第２領域４ｂとなる。なお、(a) 、(b) におい
ては、それぞれ正面図、断面図を図示している。スケー
ル溝は連続しているので、第１領域４ａのＶ溝数Ｎ１と
第２領域４ｂのＶ溝数Ｎ２は同数（Ｎ１＝Ｎ２）とな
る。そして、光学スケール４の回転中心Ｏ２から第１領
域４ａまでの距離Ｒ１と、同様に第２領域４ｂまでの距
離Ｒ２との比（Ｒ２／Ｒ１）は、第１領域４ａのスケー
ルピッチＰ１と第２領域４ｂのスケールピッチＰ２との
比（Ｐ２／Ｐ１）に一致（Ｒ２／Ｒ１＝Ｐ２／Ｐ１）す
る。

【０００７】光照射手段３の１要素である光源１からの
光束は、レンズ系２により集光して光学スケール４に至
る。光学スケール４の第１領域４ａに入射した光束は、
格子により回折して、ｎ次の回折光（０次と±１次の回
折光）が凹面ミラー５の瞳位置又はその近傍に集光す
る。

【０００８】凹面ミラー５はこの集光した３つの回折光
を反射し、光学スケール４面上の第２領域４ｂに、これ
ら３つの回折光に基づく干渉パターン像を結像する。こ
のとき、光学スケール４が回転方向Ｄに移動すると、結
像した像は回転方向Ｄと反対の方向に移動する。即ち、
格子と干渉パターン像は相対的に光学スケール４の移動
量の２倍の値で相対変位する。これによって、光学スケ
ール４に構成されている格子の２倍の分解能の回転情報
が得られる。

【０００９】光学スケール４の第２領域４ｂの近傍に形
成された干渉パターン像と、格子のＶ溝との位相関係に
基づく光束は、第２領域４ｂで幾何学的に屈折され、第
２領域４ｂを出射した３つの光束は、それぞれ受光手段
６の３つの受光素子６ａ、６ｂ、６ｃで受光され、この
受光手段６からの信号が信号処理手段７によって処理さ
れて回転情報が得られる。

【００１０】図１４(a) は光学スケール４の第１領域４
ａの格子上に入射する収束光を示し、この内の格子の平
坦部Ｆに到達した光束は、平坦部Ｆを通過して凹面ミラ
ー５に進みその面上に結像する。また、Ｖ溝を構成する
傾斜面Ｉ１に到達した光束は、傾斜面Ｉ１の傾斜角が臨
界角以上に設定されているために全反射し、同様にＶ溝
を構成する他方の傾斜面Ｉ２に向けられ、傾斜面Ｉ２で
再び全反射する。

【００１１】このようにして、最終的に格子の傾斜面Ｉ
１へ到達した光束は、光学スケール４の内部に進入する
ことなく入射方向に戻されることになる。同様に、他方
の傾斜面Ｉ２に到達した光束も全反射を繰り返して戻さ
れる。従って、第１領域４ａにおいて、２つの傾斜面Ｉ
１、Ｉ２に到達する光束は、光学スケール４を透過する
ことなく反射され、平坦部Ｆに到達した光束のみが光学
スケール４内を進むことになる。

【００１２】第１領域４ａにおいて、Ｖ溝型の格子は透
過型の振幅回折格子と同様の光学的作用を有する。即
ち、光束は第１領域４ａの格子で回折され、格子の作用
によって０次、±１次、±２次、‥‥の回折光が発生し
て、凹面ミラー５の面上に集光する。集光した回折光は
凹面ミラー５により反射されて、図１４(b) に示すよう
に光学スケール４の第２領域４ｂに入射し、光学スケー
ル４面上に放射状の溝の像を結像する。ここで、第１領
域４ａと第２領域４ｂは、光学スケール４面の放射状格
子に対して半径方向に異なった（一部が重複していても
よい）領域であるために、第１領域４ａと第２領域４ｂ
の格子ピッチが異なり、更に第２領域４ｂの照射領域に
おいても、光学スケール４の内周側と外周側でピッチが
異なっている。

【００１３】従って、この従来例では第２領域４ｂに第
１領域４ａの格子を拡大投影し、光学スケール４の放射
状の格子と同じピッチの反転像を形成するようにしてい
る。このために、凹面ミラー５を所望の曲率半径Ｒに設
定して入射光束の光軸Ｏに対して偏心配置すると共に、
拡大投影倍率が最適な値になるように入射光軸Ｏに対す
る凹面ミラー５のずれ量Δを設定する。このようにし
て、第１領域４ａの格子像が凹面ミラー５によって第２
領域４ｂの面上に結像する際に、放射状格子の一部のピ
ッチを一致させることによって、Ｓ／Ｎ比の良好な検出
信号を得ている。

【００１４】第２領域４ｂにおいて平坦部Ｆに入射した
光束は、図１４(c) に示すように傾斜面Ｉ１、Ｉ２に対
して直線的に透過し、受光手段６の中央部の受光素子６
ｂに到着する。また、Ｖ溝面を形成する２つの傾斜面Ｉ
１、Ｉ２に到達した光束は、それぞれの面に４５度の入
射角を持って入射するために、それぞれ異なる方向に大
きく屈折して、受光手段６の両端の受光素子６ａ、６ｃ
に到達する。

【００１５】このように第２領域４ｂにおいて、入射光
束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面Ｉ１、Ｉ
２、及びＶ溝の間の平坦部Ｆの合計３種の傾き方向の異
なる面によって、光束は３つの方向に別れて進み、それ
ぞれの面に対応した位置に設けられた各受光素子６ａ、
６ｂ、６ｃに到達する。即ち、第２領域４ｂの格子と、
その面上に結像した干渉パターン像との位相関係に基づ
く光束が、３方向に偏向されて各受光素子６ａ、６ｂ、
６ｃに結像することになるので、第２領域４ｂにおいて
Ｖ溝の格子は光波波面分割素子として機能する。

【００１６】ここで、光学スケール４が回転すると、各
受光素子６ａ、６ｂ、６ｃで検出される光量が変化す
る。格子の位置と干渉パターン像の位置の相対的変位に
応じて、各受光素子６ａ、６ｂ、６ｃに入射する光量バ
ランスが変化し、その結果として、光学スケール４が反
時計廻りに回転した場合には、図１５に示すような光学
スケール４の回転に伴う光量変化が得られる。ここで、
横軸は光学スケール４の回転量、縦軸は受光光量を示
し、信号ａ、ｂ、ｃはそれぞれ受光素子６ａ、６ｂ、６
ｃの出力に対応している。また、逆に光学スケール４が
時計廻りに回転した場合には、信号ａは受光素子６ｂ、
信号ｂは受光素子６ａ、信号ｃは受光素子６ｃの出力と
なる。これらの信号を基にパルス信号を発生し、光学ス
ケール４の回転角度や回転量又は回転速度や回転加速度
等の回転情報を得る。なお、図１５は第２領域４ｂに形
成される干渉パターン像のコントラストが非常に高く、
理想に近い場合の理論的な光量変化を示している。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来例においては、図１２に示すようにスケール溝が連続
しているために、或る径の光学スケール４に対して最適
に設計した検出ヘッドに径が異なる光学スケール４を使
用すると、第１領域４ａのＶ溝ピッチＰ１と第２領域４
ｂのＶ溝ピッチＰ２の比が異なることによって、検出信
号のコントラストが低下して誤検出する可能性がある。
また、１回転に対して奇数パルスを出力する光学スケー
ル４を作ることができないという問題点もある。

【００１８】また、第２領域４ｂのＶ溝の傾斜が、臨界
角以上の角度を有する第１領域４ａのＶ溝の傾斜と同じ
になるために、凹面ミラー５からの反射光が第２領域４
ｂで大きな角度で屈折して、集光する際にレンズ２にけ
られる虞れがあり、また、この結果として、受光手段６
の受光素子６ａ、６ｂ、６ｃの間隔が広くなって検出ヘ
ッドが大きくなってしまう。更に、受光素子６ａ、６
ｂ、６ｃの直流成分を含む信号を基準にしてパルスを発
生しているために、光量が変動するとパルス幅が変化し
て位相がずれるという問題点がある。

【００１９】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
同一の検出ヘッドを用いて全ての径のスケールに対し
て、コントラストの良い信号を検出可能な光学式エンコ
ーダを提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る光学式エンコーダは、光照射手段からの
光束を光学スケールの第１領域に入射し、該第１領域に
入射した光束をミラー又は光学素子により反射して前記
光学スケールの第２領域に戻し、前記光学スケールの格
子部を介した光束を受光手段により受光して移動体の位
置及び速度を検出する光学式エンコーダであって、前記
第１領域と前記第２領域のスケールスリットを分離して
形成したことを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明を図１〜図９に図示の実施
例に基づいて詳細に説明する。図１は第１の実施例の検
出ヘッドの断面図を示し、検出ヘッドは従来例と同様
に、ＬＥＤや半導体レーザー光源などの投光手段１１、
球面又は非球面レンズ１２、表面にスリットが形成され
回転軸を中心に回転する光学スケール１３、入射光軸上
に配置された凹面レンズ１４、複数の受光素子から成る
受光手段１５から構成されている。なお、レンズ１２の
片面は投光側と受光側とで異なる形状を有している。

【００２２】図２はスケール１３の平面図を示し、光学
スケール１３上には、断面がＶ溝形状のスリットが互い
に異なる本数形成された図３(a) に示すような第１領域
１３ａと、図３(b) に示すような第２領域１３ｂが設け
られている。また、この光学スケール１３は拡大投影倍
率を１として、第１領域１３ａのスケールピッチＰ１と
第２領域１３ｂのスケールピッチＰ２がほぼ等しくなっ
ているので、光学スケール１３のスリット本数の比Ｎ２
／Ｎ１と、回転中心からの距離の比Ｒ２／Ｒ１とが等し
くなっている。

【００２３】従来例と同様に、投光手段１１からの光束
はレンズ１２の投光側を通って光学スケール１３の第１
領域１３ａに至り、スリットで回折されて凹面ミラー１
４に向かい、凹面ミラー１４で反射されて、光学スケー
ル１３の第２領域１３ｂ、レンズ１２の受光側を通り受
光手段１５に受光される。

【００２４】小さい径の光学スケールや大きい径の光学
スケール又は直線状の光学スケールなどの各種の光学ス
ケールにおいて、第１の領域１３ａと第２の領域１３ｂ
のスリットを分離することにより、凹面ミラー４を所望
の曲率半径Ｒに設定して入射光束の光軸Ｏに対して偏心
配置すると共に、入射光軸Ｏに対するずれ量Δの拡大投
影倍率が最適値になるように、光学スケール１３の径を
設定するという過程が必要なくなる。この結果として、
検出ヘッドは全ての径の光学スケール１３に対して共通
に組み合わせて使用することが可能となって、光学系を
簡素化することができる。なお、スケールピッチＰ１＝
Ｐ２として、検出ヘッドの拡大投影倍率を１としたが、
１に限定する必要はなく、全てのスケールピッチを検出
ヘッドの拡大投影倍率に合わせれば、その検出ヘッドは
共通に組み合わせ使用することが可能となる。

【００２５】図４は第２の実施例のスケールの断面図を
示し、光学スケール１３の第１領域１３ａと第２領域１
３ｂの面の高さが異なっている。図４(a) においては第
１領域１３ａの方が厚く、図４(b) においては第２領域
１３ｂの方が厚くなっている。光学スケール１３の径に
よってこの段差を適当な値に設定することによって、検
出ヘッドを共通として拡大投影倍率をスケールピッチの
比Ｐ２／Ｐ１に合わせることができる。

【００２６】図５は第３の実施例の光学スケールの説明
図を示し、図５(a) に示す第１領域１３ａと図５(b) に
示す第２領域１３ｂとのＶ溝の角度が異なっている。第
１領域１３ａのＶ溝の角度は全反射が必要なために臨界
角以上の角度とする必要があり、例えば４５度程度の角
度が望ましい。一方、第２領域１３ｂのＶ溝は斜面での
屈折を利用して、複数の受光素子１５に光束を分割する
機能のみを必要とするので、その角度は第１領域１３ａ
と同じ臨界角である必要はなく、受光側のレンズパワー
及び受光素子１５の配列に適した角度にすればよい。

【００２７】従来例の場合には、第２領域１３ｂと第１
領域１３ａのＶ溝角度が同じなので、図１４に示すよう
に屈折角度が大きくなり、受光側のレンズ径と共に、受
光素子６の間隔も大きくなって、結果として検出ヘッド
の寸法が大型化する。一方、本実施例のように例えば第
２領域１３ｂのＶ溝角度を第１領域１３ａのＶ溝角度よ
り小さくすれば、図６(a) に示すように第２領域１３ｂ
での屈折角度が小さくなるので、図６(b) に示すように
レンズ１２の径や受光素子１５の間隔を小さくすること
ができ、検出ヘッドがコンパクトになる。

【００２８】図７は第４の実施例の光学スケールの断面
図を示し、第１領域１３ａのＶ形状溝は、図７(a) に示
すように従来例と同様の平坦部とＶ溝部から成る形状を
有し、第２領域１３ｂの溝は単純なＶ溝形状ではなく、
図７(b) に示すように２種の角度θ１、θ２を有する面
が交互に並んだＷ形状の溝とされている。なお、第２領
域１３ｂの溝はＷ形状に限らず、４方向以上に光束を分
割する形状であってもよい。

【００２９】図８(a) に示すように凹面ミラー１４から
反射してきた光束は、第２領域１３ｂのＷ溝で４方向に
屈折され、４方向に分割された光束は図８(b) に示すよ
うに、それぞれ受光素子１５ａ、１５ａ’、１５ｂ、１
５ｂ’に配分されて受光される。

【００３０】図９(a) はこのような光学スケール１３と
受光素子１５を使用したときの各受光素子１５ａ、１５
ａ’、１５ｂ、１５ｂ’の出力波形Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’
を示している。横軸は光学スケール１３と検出ヘッドの
相対変位量ｘで、縦軸は各受光素子１５ａ、１５ａ’、
１５ｂ、１５ｂ’の出力である。出力ＡとＡ’、出力Ｂ
とＢ’はそれぞれ位相が１８０度異なっているので、図
９(b) に示すように出力ＡとＡ’の差、及び出力Ｂと
Ｂ’の差は０ボルトを中心にして振れる波形となる。こ
のような波形は、０ボルトを比較基準値としてパルスを
作成すれば、光量が変動しても幅や位相が変化しない常
に安定したパルスを発生することができる。

【００３１】なお、以上の第１〜第４の実施例は別々に
実施する必要はなく、それぞれの要素を組み合わせて実
施することもできる。例えば、第１の実施例のＶ溝の本
数と第３の実施例のＶ溝の角度を採用することによっ
て、両方の効果を同時に達成することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る光学式
エンコーダは、光学スケールの第１領域に形成したスケ
ールスリットと第２領域のスケールスリットとを分離す
ることにより、同一の検出ヘッドを使用して、全ての径
の光学スケールに対してコントラストの良い信号を得る
ことができ、また受光側レンズ径と受光素子の間隔を小
さくできるので、全体が小型になり、光量が変動しても
幅や位相が変化しない常に安定したパルスを発生するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の検出ヘッドの断面図である。

【図２】光学スケールの平面図である。

【図３】スケールの溝形状の説明図である。

【図４】第２の実施例の光学スケールの断面図である。

【図５】第３の実施例の光学スケールの溝形状の説明図
である。

【図６】光束の分割受光経路の説明図である。

【図７】第４の実施例の光学スケールの溝形状の説明図
である。

【図８】光束の分割受光経路の説明図である。

【図９】出力波形と処理信号のグラフ図である。

【図１０】従来例の自己投射型光学式エンコーダの光学
系の斜視図である。

【図１１】断面図である。

【図１２】光学式エンコーダの光学スケールの平面図で
ある。

【図１３】光学スケールのＶ溝格子の説明図ある。

【図１４】光束の分割受光経路の説明図である。

【図１５】受光素子の信号出力のグラフ図である。

【符号の説明】

１１投光手段１２レンズ１３光学スケール１４凹面ミラー１５受光手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高山学東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者三浦泰東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内Ｆターム(参考） 2F103 BA37 BA41 BA43 CA02 DA01 DA11 DA13 EA02 EA12 EA21 EB31 EC01 EC11 ED21 FA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光照射手段からの光束を光学スケールの
第１領域に入射し、該第１領域に入射した光束をミラー
又は光学素子により反射して前記光学スケールの第２領
域に戻し、前記光学スケールの格子部を介した光束を受
光手段により受光して移動体の位置及び速度を検出する
光学式エンコーダであって、前記第１領域と前記第２領
域のスケールスリットを分離して形成したことを特徴と
する光学式エンコーダ。
【請求項２】前記第１領域と前記第２領域に形成した
スケールスリットの数を互いに異なるようにした請求項
１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項３】前記第１領域を内径側に配置し、前記第
２領域を外径側に配置し、前記第１領域のスケールスリ
ット数を前記第２領域のスケールスリットの数よりも少
なくした請求項２に記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】前記第１領域を外径側に配置し、前記第
２領域を内径側に配置し、前記第１領域のスケールスリ
ットの数を前記第２領域のスケールスリット数よりも多
くした請求項２に記載の光学式エンコーダ。
【請求項５】前記第１領域と前記第２領域のスケール
スリットの数比を、前記光学スケールの回転中心から前
記第１領域の中心までの距離と前記光学スケールの回転
中心から前記第２領域の中心までの距離との比に略一致
するようにした請求項２〜４の何れか１つの請求項に記
載の光学式エンコーダ。
【請求項６】前記第１領域と前記第２領域に形成した
スケールスリット面を互いに異なるようにした請求項１
に記載の光学式エンコーダ。
【請求項７】前記内径側の第１領域のスケールスリッ
ト面は、前記外径側の第２領域のスケールスリット面よ
りも前記光学素子に近く配置した請求項６に記載の光学
スケール。
【請求項８】前記第１領域と前記第２領域のスケール
スリットは断面がＶ形状を成す溝により形成した請求項
１又は７に記載の光学式エンコーダ。
【請求項９】前記第１領域と前記第２領域のスケール
スリットのＶ形状溝の斜面角度を互いに異なるようにし
た請求項８に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１０】前記Ｖ形状溝の斜面角度は、前記ミラ
ーに向かう光束が通過する前記第１領域よりも、前記ミ
ラーからの光束が通過する前記第２領域の方を小さくし
た請求項９に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１１】前記第２領域のスケールスリットのＶ
形状溝は、ピッチ／ＮずつＮ種の角度の傾斜の組み合わ
せにより構成した請求項１０の光学式エンコーダ。
【請求項１２】請求項１〜１１の何れかに記載の光学
スケールを使用して回転角度及び位置及び回転速度を検
出する検出装置。
【請求項１３】請求項１２に記載の検出装置により、
回転角度又は回転速度を制御する回転シリンダによっ
て、紙や布から成る被印刷物を搬送するプリント装置。