JP2704017B2 - 光学式エンコーダー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明はメインスケールとインデツクススケール間の
相対的な移動、回転等の変位を測定する光学式エンコー
ダーに関し、特に、プラスチツクモールドなどにより透
明部材に光変調部を成形したスケールを使用する光学式
エンコーダーに関する。

［従来技術］ 光学式スケールを用いて被測定物体の移動量あるいは
回転角度を光電的に検出する所謂光学式エンコーダーで
は、一般的に、検出分解能が低い場合には、光学式スケ
ールを１枚だけ用い変位を検出する事が可能である。し
かし、検出分解能を高めるためには、光学式スケールの
光変調部を成すスリツトが細かくなるため、一般的に、
もう１枚の光学式スケール（インデツクススケールと呼
ばれている。これに対して先のスケールをメインスケー
ルと呼ぶ）が使用される。そして、メインスケールを可
動体へ取り付け、又、インデツクススケールを固定側に
取り付けて、２枚の光学式スケールの重ね合わせで生じ
るモアレ縞の変化を光電的に読みとる方式がとられてい
た。

このような２枚の光学式スケールとしては、主に金属
板にスリツトを形成した金属エツチングスケール、もし
くは、ガラスにCr等を蒸着してエツチングによりスリツ
トを形成した所謂ガラス製スケール等が用いられる。

第９図に、金属エツチングスケール（2,3）を用いた
透過型光学式エンコーダーを、第10図にガラス製スケー
ル（2,3）を用いた透過型光学式エンコーダーを示して
おく。尚、これらの図中、１がLED、２がコリメーター
レンズ、4aが集光レンズ、４が受光素子、そして、第10
図中、2a,3aがCrの蒸着膜である。

近年、民生機器分野において特に高分解能エンコーダ
ーの需要が高まりつつある。このローコスト化の要求も
強い。こうした市場の要求に対して、金属エツチングス
ケールは比較的安価ではあるが、スリツトのエツチング
加工技術上の問題から、スリツトピツチとしては0.1mm
程度が実用上の限界といわれており、それ以上、分解能
に対応するには、ガラス製スケールを用いなければなら
なかった。ガラス製スケールは、LSI等の半導体製造技
術を利用し、数μｍのパターン形成が可能であるがコス
ト面では、金属スケールの５〜10倍程度であり、特に民
生機器分野へ導入する場合そのコスト高が問題となって
いた。

前述の光学式スケール、特にガラス製スケールのコス
ト高の問題を解決することを目的に、プラスチツクモー
ルド技術を利用した、高い分解能を備えたモールドスケ
ールを用いたエンコーダーを、本件出願人は、特開昭62
−3616号、特開平１−121723号で提案した。

このモールドスケールは、光の全反射又は屈折の原理
を利用し、従来のスケールと同様の作用を満足させる事
が可能で、特開昭62−3616号の光学式エンコーダーは、
第11図の様に構成されており、ガラス製スケール並の高
分解能化と、低コスト化が可能であった。尚、第11図中
及び後に示す第12図中、第９図及び第10図で示した部材
と同一の機能を有する部材にはこれらの図と同一の符号
を付している。

しかしながら、第11図の様に、一対のモールドスケー
ル2,3を配置すると、両スケール2,3の、光変調部（格
子）として作用する面間の間隔は、第11図中のＧで示す
程度の寸法となる。従って、両スケール2,3の光変調部
間の間隔を、第２のモールドスケール３の厚み以下の値
に設定する事が不可能であった。そのため、高コントラ
ストのモアレ縞を形成する事ができず、S/Nの高い検出
信号を容易には得られない。

よって、モールドスケールを用いる場合であっても第
12図に示す様に、メインスケールとインデツクススケー
ルの２枚のスケールの内の一方をモールドスケールと
し、他方を従来のガラス製スケールを用いるしかなく、
ガラス製スケールを用いる分コスト高となってしまうと
いう問題がある。

因みに、前述の特開平１−121723号で提案した光学式
エンコーダーは、第12図において、LED1とコリメーター
レンズ1aにより成る光照射手段（1,1a）と、集光レンズ
4aと受光素子４により成る光電変換手段（4,4a）の配置
を逆転させて構成したものであり、第12図のエンコーダ
ーと同様の問題が生じる。

［発明の構成］ 本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、検出信号のS/N比が高く、低コストで
制作できる、光学式エンコーダーを提供することにあ
る。

この目的を達成する為に、本発明の光学式エンコーダ
は、光照射手段と、光照射手段からの光を受けて変調す
る第１スケールと、第１スケールで変調された光を変調
する第２スケールと、第２スケールで変調された光を受
けて信号に変換する光電変換手段とを備え、光電変換手
段から出力される信号に基づいて第１スケールと第２ス
ケールの予め決めた方向に関する相対的変位を測定する
光学式エンコーダにおいて、上記第１及び第２スケール
の各々が上記光照射手段からの光に対して透明な部材で
構成され、上記第１スケールの透明部材が光入射面と光
射出面とを有し、光入射面が上記光照射手段側に、光射
出面が上記第２スケール側に向くように上記第１スケー
ルを設け、上記第１スケールの光照射面はＶ型の溝と平
面部とを上記方向に沿って交互に並べた光変調部を備
え、上記第２スケールの透明部材が光入射面と光射出面
とを有し、光入射面が上記第１スケール側に、光射出面
が上記光電変換手段に向くように上記第２スケールを設
け、上記第２スケールの光射出面はＶ型の溝と平面部と
を上記方向に沿って交互に並べた光変調部を備え、上記
第１スケールの光変調部が上記光照射手段光のうちＶ型
の溝に入射した光を全反射して遮光すると共に平面部に
入射した光を上記第２スケールに向け、上記第２スケー
ルの光変調部が上記第１スケールからのうちＶ型の溝に
入射した光を屈折−偏向して遮光すると共に平面部に入
射した光を上記光電変換手段に向けるように上記第２ス
ケールのＶ型の溝の傾斜面の平面部に対する角度θを30
゜＜θ＜60゜に設定し、上記第１、第２スケールの光変
調部間の間隔を上記第２スケールの厚さ以下に設定した
ことを特徴とする。

本発明では、このような特徴を有する為、一対のスケ
ールの光変調部同志を近接することができ、しかも両ス
ケール共透明材料で構成されたレリーフ状の光変調部を
具えるので、例えばプラスチツクモールドにより成形で
き、光電変換手段による検出信号のS/Nを図め、且つ低
コスト化を図ることが可能になる。

第１と第２スケールは、一方がメインスケール、他方
がインデツクススケールとして作用する。そして、第１
と第２スケールのいずれをメインスケールにしても、い
ずれをインデツクススケールにしても構わない。これら
のスケールを構成する透明部材は、アクリルやポリマー
ボネイトなどの合成樹脂、或いはガラスなどの材料より
成る。従って、このような材料で、これらのスケールの
光変調部を一体的に成形する場合には、プラスチツクモ
ールド、或いはガラスモールドなどの方法が適用され
る。

また、第１と第２スケールの各変調部は、互いに全く
同一形状のもので構成すればいい。こうすれば、モール
ド成形時に用いる金型は１つのタイプのもので済む。

［実施例］ 第１図（Ａ），（Ｂ），第２図は本発明の一実施例を
示す説明図であり、第１図（Ａ），（Ｂ）は本光学式エ
ンコーダーの測定原理を示す説明図で第２図は本光学式
エンコーダーの構成を示す斜視図である。

図中、１はLED等などの発光素子を備えた光源ユニツ
ト、1aは、コリメーターレンズ、20は第１スケールとし
ての可動メインスケールであり、被測定物に取り付けら
れる。そして、その光射出面側に格子状の、透光部22と
遮光部21とを交互に各々等間隔で周期的に、ピツチＰで
設けた光変調部を有している。この第１スケール20は前
述の特開昭62−3616号で開示されているプラスチツクモ
ールド製のスケールであり、透光部22が、矢印で示す移
動方向と略平行な平面で形成され、遮光部21がスケール
20の移動方向に延びたＶ型の溝で形成されている。この
溝の形状は、完全なＶ字を成していなくても、遮光機能
を有しているものであれば、いくぶん変形したＶ字状で
も良い。30は、第２スケールとしての固定インデツクス
スケールであり、メインスケール20と対向配置すると共
にエンコーダー本体に固定して取り付けられている。４
は受光素子であり、4aは集光レンズである。受光素子４
は、後述するように両スケールの光変調部を通過した光
束を受光する。また、ここでは、両スケール20,30の光
変調部（格子部）を全く同一形状として、同一の金型を
用いたモールド成形によりスケール20,30を形成してい
る。

第３図（Ａ）（Ｂ）は、第１図（Ａ），（Ｂ）と第２
図に示すインデツクススケール30の斜視図とメインスケ
ール20の移動方向に関するスケール30の断面図である。
インデツクススケール30は、ガラス若しくはプラスチツ
クモールド成形より成る平行平板状の透明部材で構成さ
れ、同図に示す如く、メインスケール20からの光束が入
射する光入射面上に、メインスケール20の移動方向に対
して垂直方向にメインスケール20の格子プツチと等しい
ピツチＰで設けたＶの型溝31と、移動方向に対して水平
方向にやはりピツチＰで設けた平面部（光透過部）32と
から構成されている。

Ｖ型溝31を形成する２つの傾斜面3a,3cの、スケール3
0の裏面である平面3dに対する角度θは各々45゜、平面
部32は平面3dと平行となっている。

メインスケール20の透光部を通過した光束は、インデ
ツクススケール30のＶ型溝31と平面光透過部32とに入射
し、第４図に示すように、各々屈折一偏向及び単に直進
する。

そして特に、平面部32を通過した光束のみが受光素子
４へ入射し、Ｖ型溝31の斜面3a,3cにより屈折一偏向し
た光束が受光素子４に入射しない様に受光素子４を配置
している。

次に本実施例において、メインスケール20とインデツ
クススケール30との相対的変位に伴なう、光源ユニツト
１から射出した光束の、受光素子４への入射状態の変化
について、第１図（Ａ），（Ｂ）、第２図及び第５図に
より説明する。

第１図（Ａ），（Ｂ）、第２図において、光源ユニツ
ト１が放射した光束は、コリメーターレンズ1aにより平
行光束に変換される。ここで、光源ユニツト１とコリメ
ーターレンズにより光照射手段（1,1a）が構成されてい
る。また、光照射手段（1,1a）は断面強度分布がほぼ均
一な平行光束を供給するように設けられる。光照射手段
（1,1a）からの平行光束は、メインスケール20の光入射
面に向けられ、スケール20の光照出面に形成した光変調
部（21,22）で変調された後、インデイツクススケール3
0へ向けられる。インデツクススケール30は、メインス
ケール20からの光束を、その光入射面に形成した光変調
部（31,32）で変調し、そこを直進した光束のみを集光
レンズ4aに向け、集光レンズ4aを介して受光素子４にこ
の光束を入射させる。

第１図（Ａ）はメインスケール20の光透過部22がイン
デツクススケール30の平面光透過部32と重なった場合で
ある。メインスケール20の光透過部22を通過した平行光
束は、全てインデツクススケール30の平面光透過部32を
通過し、集光レンズ4aを介して受光素子４を入射する。

第１図（Ｂ）はメインスケール20の透光部22がインデ
ツクススケール30のＶ型溝32の両傾斜面3a,3cに重なっ
た場合である。メインスケール20の光透過部22を通過し
た光束は、その1/2が傾斜面3aに入射し、残りの1/2が傾
斜面3cに入射し、この結果、受光素子４には光束は入射
しない。

次に、メインスケール20とインデツクススケール30と
を相対的に連続的に変位させたときの、受光素子４で受
光される光の強度変化を第５図（Ａ），（Ｂ）に示す。

第５図（Ａ）においては、光照射手段（1,1a）からの
射出光が平行光束であり、メインスケール20の透光部か
らの出射光が回折されなく、また、インデツクススケー
ル30の光入射面と光射出面で光量損失がないものと仮定
した場合の、受光素子４からの出力信号Ｓを示してい
る。

また、第５図（Ｂ）は、第５図（Ａ）の場合の前述の
各仮定が成り立たない、実際に組立てた場合の、受光素
子４からの出力信号Ｓを示している。

第５図（Ａ），（Ｂ）に示すように、メインスケール
20の移動に伴ないスケール20,30が相対的に変位する
と、受光素子４から周期的な信号が出力される。受光素
子４の後段に設いた回路で、この信号を順次パルス信号
に変換し、このパルス信号を計数することによりメイン
スケール20の移動量が測定できる。

本実施例では、メインスケール20とインデツクススケ
ール30の光変調部（格子部）同士が、インデツクススケ
ール30の厚さ以下に設定できるほどに互いに近接してい
るので、受光素子４からS/N比の良い信号を出力させる
ことができる。また、メインスケール20とインデツクス
スケール30は、合成樹脂などの透明材料を用いて、モー
ルド成形により光変調部ともども一体成形でき、光学式
エンコーダーの低コスト化を図ることが可能になってい
る。

本実施例における、インデツクススケール30のＶ型溝
の傾斜面3a,3c角度は45度の傾斜角度に限定されるもの
ではなく、傾斜面3a,3cに入射した光束が屈折−偏向さ
れて容易に２方向に分解し、受光素子４に入射しない角
度であれば何度であっても良い。

但し、あまり傾斜角度θが小さいと光束の分離角度が
小さくなり受光素子を可動スケールから遠く離した位置
に配置しなければならなくなり、装置全体が大型してく
るので良くない。また、傾斜角度θが大きすぎると傾斜
面3a,3cで屈折した光束が底面である面ｄにおいて全反
射する。

また、全反射しなくても、傾斜角度が大きいと面ｄで
の内面反射が増加する。従って、好ましくは、傾斜面3
a,3cの傾斜角度θを 30゜＜θ＜60゜ の範囲に設定するのが良い。

上記実施例においてスケール20とスケール30の配置を
交換し、光源ユニツト１側に固定スケール（インデツク
ススケール）を配置し、受光素子４側に可動スケール
（メインスケール）を配置しても、本発明の目的を同様
に達成することができる。

また、上記各実施例の光学式エンコーダーは、リニア
エンコーダーとしてもロータリーエンコーダーとして
も、構成できる。

以下ロータリーエンコーダーに、本発明を適用した具
体例を述べる。

第６図乃至第８図はこのロータリーエンコーダーを示
す説明図で、第６図が全体の斜視図、第７図はスケール
読取り部Ｒの拡大図、第８図がスケール読取り部Ｒの断
面図を示す。

図中、20,30は各々第１図で示したメインスケール、
インデツクススケールで、同様に1a,1は光照射手段とな
る光源ユニツトとコリメーターレンズ、4a,4は光電変換
手段となる集光レンズと受光素子である。

また、201はメインスケール20の光変調部を示し、こ
の光変調部201は、先に説明したように、Ｖ型溝と平面
部を交互にその回転方向に配列して成る。202,203は光
変調部201を挟み込むような形に設けた突起部であり、
それらの上面は平面である。これらの突起部202,203
は、光変調部201同様、モールド成形により、スケール2
0に一体的に形成されている。

一方、301はインデツクススケール30の光変調部を示
し、この光変調部301も先に説明したようにＶ型溝と平
面部を交互にスケール20の回転方向に配列して成る。20
3,303は光変調部301を挟み込むような形に設けた突起部
であり、それらの上面は平面である。これらの突起部30
1,303も、光変調部301同様、モールド成形により、スケ
ール30に一体的に形成されている。

メインスケール20の突起部202とインデツクススケー
ル30の突起部302、及びメインスケール20の突起部203と
インデツクススケール30の突起部303とは、互いにそれ
らの上面同志が接触しており、突起部202,302及び突起
部302,303同志が互いに摺動可能にメインスケール20,イ
ンデツクススケール30が配置されている。

メインスケール20は軸０を回転軸として回転する。そ
して、この時、メインスケール20はインデツクススケー
ル30と摺動しながら回転することになる。

メインスケール20とインデツクススケール30の各光変
調部301,302間の間隔は、突起部202,302,203,303の高さ
で決まり、これらの突起部を互いに接触するように突き
当てたままメインスケール20とインデツクススケール30
の相対的変位を生じせしめるので、光変調部301,302間
の間隔は常に一定となる。

光源ユニツト１から放射された光は、コリメーターレ
ンズ１により平行光に変換されて、メインスケール20を
照射する。メインスケール20の光変調部201で変調され
た光は、インデツクススケール30の光変調部301に入射
し、この光変調部で再び変調された後、直進光のみが集
光レンズ4aを介して受光素子４に入射する。そして、受
光素子４はそれに入射し光の強度に応じた信号を出力す
る。このような、各要素の機能及び測定原理は、前述し
た通りであり、これ以上説明はしないが、本実施例で
は、各スケール20,30の突起部202と302、203と303を突
き合せて、光変調部201,301間の間隔を常に補償してい
るので、受光素子４からS/N比の良い信号が常に出力さ
れる。

ここでは、両スケール20,30に突起部を形成した例を
示したが、このような突起部を一方のスケールのみに形
成して構成することもできる。

［発明の効果］ 以上、本発明によれば、光電変換手段による検出信号
のS/Nを高め、且つ低コスト化を図れる光学式エンコー
ダーを提供できる。また、メインスケール、インデツク
ススケールの双方共モールド成形により製作できるの
で、量産性も向上する。

【図面の簡単な説明】 第１図（Ａ），（Ｂ）は本発明の一実施例の測定原理を
示す説明図。 第２図は本発明の一実施例の斜視図。 第３図（Ａ），（Ｂ）はインデツクススケールの構成を
示す斜視図と断面図。 第４図はインデツクススケールの変調原理を示す説明
図。 第５図は（Ａ），（Ｂ）は受光素子から出力される信号
を示す説明図。 第６図乃至第８図は本発明を適用したロータリーエンコ
ーダーの一例を示す図。 第９図乃至第12図は従来の光学式エンコーダーを示す概
略図。 １……光源ユニツト 1a……コリメーターレンズ 2,20……メインスケール 3,30……インデツクススケール 4a……集光レンズ ４……受光素子

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光照射手段と、光照射手段からの光を受け
   て変調する第１スケールと、第１スケールで変調された
   光を変調する第２スケールと、第２スケールで変調され
   た光を受けて信号に変換する光電変換手段とを備え、光
   電変換手段から出力される信号に基づいて第１スケール
   と第２スケールの予め決めた方向に関する相対的変位を
   測定する光学式エンコーダにおいて、 上記第１及び第２スケールの各々が上記光照射手段から
   の光に対して透明な部材で構成され、上記第１スケール
   の透明部材が光入射面と光射出面とを有し、光入射面が
   上記光照射手段側に、光射出面が上記第２スケール側に
   向くように上記第１スケールを設け、上記第１スケール
   の光照出面はＶ型の溝と平面部とを上記方向に沿って交
   互に並べた光変調部を備え、上記第２スケールの透明部
   材が光入射面と光射出面とを有し、光入射面が上記第１
   スケール側に、光射出面が上記光電変換手段に向くよう
   に上記第２スケールを設け、上記第２スケールの光射出
   面はＶ型の溝と平面部とを上記方向に沿って交互に並べ
   た光変調部を備え、上記第１スケールの光変調部が上記
   光照射手段光のうちＶ型の溝に入射した光を全反射して
   遮光すると共に平面部に入射した光を上記第２スケール
   に向け、上記第２スケールの光変調部が上記第１スケー
   ルからのうちＶ型の溝に入射した光を屈折−偏向して遮
   光すると共に平面部に入射した光を上記光電変換手段に
   向けるように上記第２スケールのＶ型の溝の傾斜面の平
   面部に対する角度θを30゜＜θ＜60゜に設定し、上記第
   １、第２スケールの光変調部間の間隔を上記第２スケー
   ルの厚さ以下に設定したことを特徴とする光学式エンコ
   ーダ。