JP2004125812A - 光学式ロータリエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】　コード板におけるコードパターン等の微細化には限度があるため、高分解能化は困難であった。
【解決手段】　光源部と、受光部および、両者の光路間に位置する可動のコード板４からなる光学式ロータリエンコーダにおいて、コード板４の外側のトラックＴ２に、当該コード板の絶対位置情報を知るための周知の絶対位置検出用パターンを形成し、そして内側のトラックＴ１に、位相型光回折格子を形成し、その位相型回折格子で回折した２つの回折光の干渉光に基づき、当該コード板の相対位置情報を検出し、両情報の組み合わせから高分解能の検出を可能にする。
【選択図】図２

Description

　本発明は、モータ等の回転や直線運動を行う物体の位置や速度を検出するために用いる光学式ロータリエンコーダに関する。

　図１に特許文献１の「光学式エンコーダ」における光学部を示し、光源部１と、受光部２と、それらの光路間に設けた可動のコード板３から成る。コード板３には、移動情報を検出するパターンとして、光路を遮るためにＶ字状の凹凸を設けた領域(全反射領域)と、そうでない領域(光透過領域)がある。そして受光部２にある２つの受光素子２１、２２が、前記２つの領域に対応して位置するとき、前記全反射領域に向かった光束はそこで全反射するため受光素子２１には入光しないのに対し、前記光透過領域に向かった光束はそのまま透過して受光素子２２に入光する。コード板３の位置によって、２つの受光素子での受光パターンが変化するため、その変化からコード板３の位置を知ることができる。
特開平11-287671号公報の「光学式エンコーダ」

　　しかしながら、高分解能化するためには、コード板３に設ける各領域の幅や凹凸によるコードパターンの間隔を小さく配置する必要があるが、製造上の問題により小さくできる限界がある。したがって、高分解能化を行うには可動コード板の大型化が必要であった。

　本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、従来機構の光学式エンコーダを元に分解能を飛躍的に向上させた光学式ロータリエンコーダを提供することを目的とする

　本発明の光学式ロータリエンコーダは、光源部、受光部および、両者の光路間に位置し、光路を選択的に遮るための絶対位置検出用パターンを形成した可動のコード板からなる光学式ロータリエンコーダにおいて、
　前記コード板に、位相型光回折格子を別途形成すると共に、その位相型回折格子で回折した２つの回折光の干渉光を受光するようにし、絶対位置検出用パターンからわかる絶対位置情報と、干渉光からわかる相対位置情報とを組み合わせて高分解能の位置情報を得ることを特徴とする。

　本発明のコード板は、光源部と受光部との光路間に位置する可動のコード板であって、光路を選択的に遮るための絶対位置検出用パターンとは別に、位相型光回折格子を形成したことを特徴とする。

　本発明は、絶対位置検出用のコードパターンを有する従来のコード板に対し、位相型光回折格子を別途形成し、その位相型回折格子で得られる回折光の干渉光に基づき、当該コード板の相対位置情報を検出し、その相対位置情報と、絶対位置検出用パターンで検出できる絶対位置情報とを組み合わせることにより、大型化させることなく、従来の光学式エンコーダに比べ分解能を飛躍的に向上させた光学式ロータリエンコーダを提供できる。

　実施形態１
　図２は本発明の第１実施形態に係わる光学検出部の構成図を示す。コード板４には、リング状の２つのトラックＴ１、Ｔ２の領域がある。図３は、内側のトラックＴ１における周回方向でのコード板４の断面を示し、一方の面に“位相型回折格子”として矩形の凹凸を有する。図４は、外側のトラックＴ２における周回方向でのコード板４の断面を示し、絶対位置検出用パターンとして、一方の面に光路を遮るためのＶ字状の凹凸による全反射領域(領域１)とそうでない光透過領域(領域２)を交互に設けている。光源部１はレーザやＬＥＤなどの可干渉光源とする。受光部５、６、７はＰＤなどの半導体受光素子とする。

　図３の凹凸は、コード板４の移動方向(図２のようにロータリエンコーダ用のコード板では周回方向)に沿って、ピッチＰ、深さＨの矩形断面形状を有し、これらのサイズが微細な場合には周知のごとく位相型回折格子を形成し、そのため、その凹凸部に波長λの可干渉光を入射させると回折作用が生じて回折光が発生する。回折光の方向はピッチＰと波長λにより数式１で算出できる。数式１においてｍ＝１に該当する回折光を、＋１次回折光、ｍ＝−１に該当する回折光を、−１次回折光と呼ぶ。

［数１］
　θｍ＝ arcsin（ｍ・λ／Ｐ）　ただし、ｍ＝０，±１，±２…

　図３のコード板４が図中に示す方向に移動すると、回折光の強度は一定で、位相が変化する。ｍ次回折光の位相変化Δφと移動量ΔＬの関係は数式２で算出できる。数式２より、コード板がピッチＰに相当する距離を移動したとき、＋１次回折光の位相変化Δφ＝２π、同様に−１次回折光の位相変化Δφ＝−２πとなる。

［数２］
　Δφ＝２・ｍ・π・ΔＬ／Ｐ

　＋１次回折光、−１次回折光を１つの受光部で受光すると、両回折光の干渉光が受光部に入光することになる。既述したようにコード板４を移動させたときに生じる回折光は個々に位相が変化するため、このときの受光部の出力特性は図５に示されるように、コード板４の１ピッチ分の移動量Ｐに対して、受光部から２周期の正弦波出力として得られる。

　本発明は、図６に示す干渉領域Ｓに受光部５を配置することで、＋１次回折光、−１次回折光による干渉光を得るようにしている。

　格子断面形状を適性にすることで、０次回折光を、入射光の５％以下に小さくすれば信号のＳ／Ｎ比を上げることができる。０次回折光の強度は数式３にて算出できる。

［数３］
　η０＝１−４・ｄ（１−ｄ）ｓｉｎ^２（π（ｎ−１）・Ｈ／λ）
　　λ：波長、ｎ：コード板材料の屈折率、ｄ：格子の幅デューティ

　例えば、λ＝０．７８μｍ、ｎ＝１．５３の場合、ｄ＝０．５とすると０．６４μｍ＜Ｈ＜０．８４μｍであれば、η０＜０．０５と入射光強度の５％より小さくできる。

　図２に示したコード板４のトラックＴ１に図３の凹凸による光回折領域を形成するには、放射方向に延在する凹面、凸面を交互にＮ回繰り返し配置する。これにより、コード４板が一回転することで２×Ｎ周期の正弦波出力が得られる。移動方向の情報を得るために、同一周期で異る位相Δφの正弦波出力が必要な時は、コード板の移動方向に対し、数式４に示す位置に受光部６を設ける。

［数４］
　受光部配置位置(受光部５との距離)＝Ｐ／２・（Ｘ＋Δφ／２π）　（Ｘは整数）

　本発明では更に、図５の受光出力に対しπ／２位相のずれた正弦波を得るため、コード板４の移動方向に対してＰ／２・（Ｘ＋１／４）ずれた位置に受光部６を配置した光学系を構成する。受光部５を基準とすると、受光部６からの出力はコード板の移動方向により異った位相を持った出力が得られる。

　次に、図４のコード板４について説明する。領域１には面２側にＶ字形状の凹凸を１組以上形成しており、その凹凸を形成する傾斜面１、傾斜面２は、それぞれ全反射面として機能する角度に傾斜させている。

　これにより、光源部１からの光束をコード板４の面１に入射したとき、その入射した光束は傾斜面１で全反射して他方の傾斜面２に導かれ、ここでも全反射することにより、光束は、光源１の方に向かい、受光部へは進まない。一方、領域２に入射した光束は、コード板内部を透過して、受光部に到達する。このように、可干渉光源部と受光部の光路内に配置した領域１、領域２を有するコード板の位置により、受光部に光束が到達しない状態と、到達する状態が得られる。

　図２のコード板４のトラックＴ２に図４のＶ字状の凹凸を形成するときは、図７の斜視図に示すようにそれらの凹凸は放射方向に延在するようにして配置する。または、図８に示すように、それらの凹凸は異る半径方向に延在させてもよい。いずれの場合も受光部７はコード板を透過した光束が照射される位置に設置する。

　図４のＶ字状の凹凸を有するコード板で構成した光学系により、１回転中の絶対位置の情報を知ることができる。一方、図３の矩形の凹凸を有するコード板で構成した光学系は光干渉を利用するので絶対位置は得られないが(１ピッチ分移動する毎に２周期分の正弦波が繰返し出力)、１ピッチ分以内の移動量に対し高分解能の相対移動情報を得ることができる。従って両者の情報を組み合わせることにより、高分解能絶対値エンコーダを得ることができる。

　実施形態２
　上記トラックＴ２に形成した図４のＶ字状凹凸による領域１は全反射領域としたものであったが、図９に示す第２の実施形態では、凹凸を形成する傾斜面１、２を、屈折面として機能する角度に傾斜させることで、領域１を屈折領域としている。領域２およびトラックＴ１に形成した図３の矩形の凹凸は前実施形態のものと同じである。

　光源部１からの光束をコード板４’の面１から入射させ、Ｖ字形状の傾斜面１に導かれた光束は、この傾斜面１で図中右側に屈折しながらもコード板４を透過する。又、傾斜面２に導かれた光束も図中左側に屈折しながらもコード板４を透過する。このように光束は左右に光路を変更するため、光源部１の直下に位置する受光部(不図示)には入光せず、一方、コード板４’の移動により、入射した光束が領域２に導かれたときは、そのまま透過して受光部に入光する。このようにコード板４’の位置により、図４のものと同様に受光部出力が変化する。

　実施形態３
　上記の２つの実施形態で示したコード板４、４’はロータリエンコーダに用いるためディスク状のものであったが、図１０に示したリニアエンコード用コード板１０は、直線状の２つのトラックＴ１１、Ｔ１２を持ち、トラックＴ１１には、図３に図示の矩形状の凹凸を形成し、トラックＴ１２には、図４もしくは図９に図示のＶ字状の凹凸を形成した領域１とそうでない領域２とを交互に配列している。

　実施形態４
　トラックＴ１に本発明に係わる矩形の凹凸(光回折格子)を形成したコード板４を得るには、透明プラスチックの成型により行えるが、その際、トラックＴ２に対しても同時に絶対位置検出用パターンを形成できれば、低コストかつ低慣性となるため都合が良い。そのため上記実施形態ではトラックＴ２にＶ字状の凹凸を形成したが、絶対位置検出用パターンはこれに限定されることはなく周知のものを採用できる。

　即ち、図１１に示すように、トラックＴ２部を不透光性とし、そこに放射状に多数のスリットＸを形成するか、あるいは図１１のようなパターンを不透光性のフィルムで作り、それをトラックＴ２に貼り付けてもよい。

　実施形態５
　以上の説明からわかるように、本発明はコード板に特徴を持つものであるため、請求項５にてコード板を請求している。

　実施形態６
　実施形態１〜５で説明した絶対位置検出用トラック及び受光部はそれぞれ１個で構成されているが、検出用トラック及び受光部をそれぞれ複数個用いて構成してもよい。高分解能検出についてもトラック１個、受光素子２個で構成しているが、トラックを複数、受光部を異なる数としてもよい。

従来の光学式エンコーダにおける光学部を示した図 本発明に係わる光学式エンコーダにおける光学部を示した図 図２のコード板に形成される矩形の凹凸形状部を示した図 図２のコード板に形成されるＶ字状の凹凸形状部を示した図 図２の受光部で検出した干渉光に対する受光部出力のグラフ 図３のコード板で生じる回折光を示した図 図４のＶ字状の凹凸形状部の形成法を示した斜視図 図４のＶ字状の凹凸形状部の別の形成法を示した斜視図 図４のＶ字状の凹凸形状部の別の形態を示した図 リニアエンコーダ用として形成した本発明のコード板の平面図 図４のＶ字状の凹凸形状部に替わる別の形態を示した図

符号の説明

　１　光源部
　４　コード板
　５、６、７　受光部
　１０　リニアエンコード用コード板
　Ｔ１、Ｔ２、Ｔ１１、Ｔ１２　トラック
　Ｘ　スリット

Claims (5)

1. 　光源部、受光部および、両者の光路間に位置し、光路を選択的に遮るための絶対位置検出用パターンを形成した可動のコード板からなる光学式ロータリエンコーダにおいて、
   　前記コード板に、位相型光回折格子を別途形成すると共に、その位相型回折格子で回折した２つの回折光の干渉光を受光するようにし、絶対位置検出用パターンからわかる絶対位置情報と、干渉光からわかる相対位置情報とを組み合わせて高分解能の位置情報を得ることを特徴とする光学式ロータリエンコーダ。
2. 　上記位相型回折格子は、コード板の移動方向に凹凸による矩形断面形状を連続して形成したものである請求項１記載の光学式ロータリエンコーダ。
3. 　上記絶対位置検出用パターンは、コード板の少なくとも一方の面に全反射させるＶ字状の凹凸を形成したものである請求項１または２に記載の光学式ロータリエンコーダ。
4. 　上記絶対位置検出用パターンは、Ｖ字状の凹凸がコード板の移動方向に並ぶように形成を形成したものである請求項１〜３のいずれかに記載の光学式ロータリエンコーダ。
5. 　光源部と受光部との光路間に位置する可動のコード板であって、光路を選択的に遮るための絶対位置検出用パターンとは別に、位相型光回折格子を形成したことを特徴とするロータリエンコーダ用コード板。

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