JP3156515B2 - Optical encoder - Google Patents

Optical encoder

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JP3156515B2
JP3156515B2 JP19941694A JP19941694A JP3156515B2 JP 3156515 B2 JP3156515 B2 JP 3156515B2 JP 19941694 A JP19941694 A JP 19941694A JP 19941694 A JP19941694 A JP 19941694A JP 3156515 B2 JP3156515 B2 JP 3156515B2
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slit plate
light
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slits
light source
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完治 西井
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、例えば物体の角度、位
置等の測定に使用される光学式エンコーダに関するもの
である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical encoder used for measuring, for example, the angle and position of an object.

【0002】[0002]

【従来の技術】以下図面を参照しながら、上記した従来
の光学式エンコーダの一例について説明する。
2. Description of the Related Art An example of the above-mentioned conventional optical encoder will be described below with reference to the drawings.

【0003】図6は従来の光学式エンコーダの模式図を
示すものである。図6において、21はLEDや白熱灯
などの光源であり、22は光源21の射出光を平行光化
するコリメータレンズである。
FIG. 6 is a schematic view of a conventional optical encoder. In FIG. 6, reference numeral 21 denotes a light source such as an LED or an incandescent lamp, and reference numeral 22 denotes a collimator lens for converting light emitted from the light source 21 into parallel light.

【0004】23はピッチpで配列したスリットを有す
る移動スリット板であり、24は移動スリット板と略平
行に配置され、移動スリット板23と同じピッチで配列
したスリットを有する固定スリット板である。移動スリ
ット板23と固定スリット板24のスリットは互いに平
行である。
Reference numeral 23 denotes a movable slit plate having slits arranged at a pitch p, and reference numeral 24 denotes a fixed slit plate which is disposed substantially parallel to the movable slit plate and has slits arranged at the same pitch as the movable slit plate 23. The slits of the moving slit plate 23 and the fixed slit plate 24 are parallel to each other.

【0005】25は受光部であり、移動スリット板2
3、固定スリット板24を通過した光を検出し電気信号
に変換する。
[0005] Reference numeral 25 denotes a light receiving unit, which is a movable slit plate 2.
3. Detect the light passing through the fixed slit plate 24 and convert it to an electric signal.

【0006】以上のように構成された光学式エンコーダ
について、以下その動作について説明する。
The operation of the optical encoder configured as described above will be described below.

【0007】光源21からの射出光はコリメータレンズ
22で平行光化され、移動スリット板23を照射する。
移動スリット板23のスリットにより固定スリット板2
4上に明暗パターンが生じる。移動スリット板23の移
動により固定スリット板24上の明暗パターンも移動す
る。
Light emitted from a light source 21 is collimated by a collimator lens 22 and illuminates a moving slit plate 23.
The fixed slit plate 2 is fixed by the slit of the movable slit plate 23.
4, a light-dark pattern occurs. The movement of the moving slit plate 23 also moves the light / dark pattern on the fixed slit plate 24.

【0008】固定スリット板24のスリットは、移動ス
リット板23のスリットとピッチが等しくかつ平行であ
るので、固定スリット板24の射出光量は明暗パターン
の移動により変化する。
Since the pitch of the fixed slit plate 24 is equal to and parallel to the slit of the movable slit plate 23, the amount of light emitted from the fixed slit plate 24 changes due to the movement of the light and dark pattern.

【0009】この光量変化を受光部25で検出すること
により、移動スリット板23の位置を検出することがで
きる。
The position of the movable slit plate 23 can be detected by detecting the change in the amount of light by the light receiving section 25.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成では、光源発光部が広がりを持つため、コリメ
ータレンズ射出光はさまざまな方向の光束を含む。その
ため、移動スリット板への光束の入射角が変わると、固
定スリット板上に生じる明暗パターンの位置が変わるの
で、受光部での信号の位相が変わることになる。
However, in the above-described configuration, the light emitted from the collimator lens includes light beams in various directions because the light source light-emitting portion is wide. Therefore, when the angle of incidence of the light beam on the moving slit plate changes, the position of the light and dark pattern generated on the fixed slit plate changes, so that the phase of the signal at the light receiving unit changes.

【0011】信号の位相変化は、移動スリット板への光
束の入射角とスリット板間距離の積にほぼ比例する。異
なる入射角の光が移動スリット板に入射すると、受光部
では信号の打ち消し合が生じ、信号振幅が低下する。
The phase change of the signal is substantially proportional to the product of the angle of incidence of the light beam on the moving slit plate and the distance between the slit plates. When light beams having different incident angles are incident on the moving slit plate, signals are canceled in the light receiving unit, and the signal amplitude is reduced.

【0012】このため、従来はスリット板間距離を狭く
受光部での信号振幅低下を防いでいた。
For this reason, conventionally, the distance between the slit plates has been narrowed to prevent the signal amplitude from decreasing at the light receiving section.

【0013】しかし、スリット板間距離を狭くすると、
衝撃、振動等によるスリット板の接触、異物の混入によ
りスリット板が損傷するという問題があった。
However, when the distance between the slit plates is reduced,
There has been a problem that the slit plate is damaged by contact of the slit plate due to impact, vibration, or the like, or mixing of foreign matter.

【0014】本発明は上記問題点に鑑み、移動スリット
板と固定スリット板との距離を広げ、衝撃、振動に強い
光学式エンコーダを提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an optical encoder which increases the distance between a movable slit plate and a fixed slit plate and is resistant to shock and vibration.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本願の請求項1記載の光学式エンコーダは、光源
と、前記光源を前側焦点としたコリメータレンズと、前
記コリメータレンズの射出光を入射光とし等間隔に配置
された複数のスリットを有する第1スリット板と、前記
第1スリット板の射出光を入射光とし第1スリット板の
スリットと互いに平行でかつ同じピッチで配置された複
数のスリットを有した第2スリット板と、前記第2スリ
ット板の射出光を入射光とする受光部とを備え、少なく
とも第1スリット板または第2スリット板が移動可能で
あり、前記コリメータレンズの焦点距離をfとし前記第
1スリット板のピッチをpとし前記第1スリット板と第
2スリット板間の距離をgとしたときに前記第1スリッ
ト板のスリットの配列方向における前記光源の発光部の
寸法aを a<0.7fp/g とするものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an optical encoder comprising: a light source; a collimator lens having the light source as a front focal point; and a light emitted from the collimator lens. A first slit plate having a plurality of slits arranged at equal intervals as incident light, and a plurality of slits being arranged at the same pitch as the slits of the first slit plate using the light emitted from the first slit plate as incident light. A second slit plate having a slit, and a light receiving unit that uses light emitted from the second slit plate as incident light; at least the first slit plate or the second slit plate is movable; When the focal length is f, the pitch of the first slit plate is p, and the distance between the first and second slit plates is g, the arrangement of the slits of the first slit plate is g. The dimension a of the light emitting portion of the light source in the direction in which the a <0.7fp / g.

【0016】また本願の請求項2記載の光学式エンコー
ダは、光源と、前記光源を前側焦点とするコリメータレ
ンズと、前記コリメータレンズの射出光を入射光とし等
間隔に配置された複数のスリットを有する第1スリット
板と、前記第1スリット板の射出光を入射光とし第1ス
リット板のスリットと互いに平行でかつ同じピッチで配
置された複数のスリットを有した第2スリット板と、前
記第2スリット板の射出光を入射光とする受光部とを備
え、少なくとも第1スリット板または第2スリット板が
移動可能であり、前記第1スリット板のスリットの配列
方向における前記光源の発光部の寸法をaとし前記第1
スリット板のピッチをpとし前記第1スリット板と第2
スリット板間の距離をgとし前記コリメータレンズの開
口径をdとしたときに前記コリメータレンズの焦点距離
fを (1.43ga/p)<f<2d とするものである。
An optical encoder according to a second aspect of the present invention includes a light source, a collimator lens having the light source as a front focal point, and a plurality of slits arranged at equal intervals with the light emitted from the collimator lens as incident light. A first slit plate, a second slit plate having a plurality of slits arranged in parallel with each other and at the same pitch as the slits of the first slit plate with the emission light of the first slit plate as incident light; A light-receiving unit for emitting light from the two-slit plate as incident light, at least the first slit plate or the second slit plate is movable, and the light-emitting unit of the light source in the arrangement direction of the slits of the first slit plate is provided. The dimension is a and the first
The pitch of the slit plate is p and the first slit plate and the second
When the distance between the slit plates is g and the aperture diameter of the collimator lens is d, the focal length f of the collimator lens is set to (1.43 ga / p) <f <2d.

【0017】[0017]

【作用】請求項1記載の光学式エンコーダでは、スリッ
ト板のスリット配列方向における光源の発光部の大きさ
を小さし、スリット板を照射する光束の平行度を向上す
ることにより、信号振幅の低下を防ぎ、スリット板間ギ
ャップを広げることができる。
According to the optical encoder of the first aspect, the signal amplitude is reduced by reducing the size of the light emitting portion of the light source in the slit arrangement direction of the slit plate and improving the parallelism of the light beam illuminating the slit plate. Can be prevented, and the gap between the slit plates can be widened.

【0018】また請求項2記載の光学式エンコーダで
は、コリメータレンズの焦点距離を長くし、スリット板
を照射する光束の平行度を向上することにより、信号振
幅の低下を防ぎ、スリット板間ギャップを広げることが
できる。
Further, in the optical encoder according to the present invention, the focal length of the collimator lens is lengthened, and the parallelism of the light beam illuminating the slit plate is improved, so that the signal amplitude is prevented from lowering and the gap between the slit plates is reduced. Can be spread.

【0019】[0019]

【実施例】【Example】

(第1実施例)以下本発明の第1の実施例の光学式エン
コーダについて、図面を参照しながら説明する。
(First Embodiment) An optical encoder according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0020】本実施例は、光源の発光部の寸法を小さく
することにより、受光部での信号変調度を向上し、スリ
ット間距離を広げ、振動や衝撃によるスリット破損を防
ぐものである。
In this embodiment, by reducing the size of the light emitting portion of the light source, the degree of signal modulation at the light receiving portion is improved, the distance between slits is increased, and breakage of the slit due to vibration or impact is prevented.

【0021】図1は本実施例における光学式エンコーダ
の模式図を示すものである。図1において、1はLED
などの光源であり、2は焦点距離fのコリメータレンズ
であり、前側の焦点位置に光源1が配置される。
FIG. 1 is a schematic view of an optical encoder according to this embodiment. In FIG. 1, 1 is an LED
Reference numeral 2 denotes a collimator lens having a focal length f, and the light source 1 is disposed at a front focal position.

【0022】3はピッチpで配列したスリットを有する
移動スリット板である。スリットの配列した方向におけ
る移動スリット板の移動量をtとする。4は移動スリッ
ト板3と略平行に配置され、移動スリット板3のスリッ
トと同じピッチで配列したスリットを有する固定スリッ
ト板である。移動スリット板3と固定スリット板4のス
リットは互いに平行である。
Reference numeral 3 denotes a moving slit plate having slits arranged at a pitch p. The movement amount of the moving slit plate in the direction in which the slits are arranged is represented by t. Reference numeral 4 denotes a fixed slit plate which is arranged substantially parallel to the moving slit plate 3 and has slits arranged at the same pitch as the slits of the moving slit plate 3. The slits of the moving slit plate 3 and the fixed slit plate 4 are parallel to each other.

【0023】5は移動スリット板3および固定スリット
板4を通過した光を検出し電気信号に変換する受光部で
ある。光源1の発光部は、移動スリット板3のスリット
の配列方向に、aの寸法を有する。このとき、光源1の
発光部の寸法aは、 a<0.7fp/g を満たす。
Reference numeral 5 denotes a light receiving section for detecting light passing through the movable slit plate 3 and the fixed slit plate 4 and converting the light into an electric signal. The light emitting portion of the light source 1 has a dimension a in the direction in which the slits of the movable slit plate 3 are arranged. At this time, the dimension a of the light emitting portion of the light source 1 satisfies a <0.7 fp / g.

【0024】以上のように構成された光学式エンコーダ
について、その動作を説明する。光源1からの射出光は
コリメータレンズ2で平行光化され、移動スリット板3
を照射する。移動スリット板3のスリットにより、固定
スリット板4上に明暗パターンが生じる。移動スリット
板3の移動により固定スリット板4上の明暗パターンも
移動する。固定スリット板4のスリットは、移動スリッ
ト板3のスリットとピッチが等しくかつ平行であるの
で、固定スリット板4の射出光量は明暗パターンの移動
により変化する。この光量変化を受光部で検出すること
により、移動スリット板3の位置を検出することができ
る。
The operation of the optical encoder configured as described above will be described. The light emitted from the light source 1 is collimated by the collimator lens 2,
Is irradiated. The light and dark pattern is generated on the fixed slit plate 4 by the slit of the movable slit plate 3. The movement of the moving slit plate 3 also moves the light / dark pattern on the fixed slit plate 4. Since the pitch of the fixed slit plate 4 is equal to and parallel to the pitch of the movable slit plate 3, the amount of light emitted from the fixed slit plate 4 changes due to the movement of the light / dark pattern. The position of the movable slit plate 3 can be detected by detecting the change in the amount of light by the light receiving unit.

【0025】次に、コリメータレンズの焦点距離f、移
動スリット板のスリットピッチp、スリット間距離(移
動スリット板と固定スリット板間の距離)gに対して、
光源1の発光部の寸法aをa<0.7fp/gとするこ
とにより受光部での十分な信号変調度が得られることを
説明する。
Next, with respect to the focal length f of the collimator lens, the slit pitch p of the movable slit plate, and the distance between slits (the distance between the movable slit plate and the fixed slit plate) g,
A description will be given of the fact that a sufficient signal modulation degree in the light receiving unit can be obtained by setting the dimension a of the light emitting unit of the light source 1 to a <0.7 fp / g.

【0026】図2は、光源1からの射出光を示すもので
ある。光源発光部の中心から距離s離れた微小領域から
射出した光は、コリメータレンズ2により角度 θ=arctan(s/f) の方位の光束となる。
FIG. 2 shows the light emitted from the light source 1. Light emitted from a minute area at a distance s from the center of the light source light emitting unit is converted by the collimator lens 2 into a luminous flux having an angle θ = arctan (s / f).

【0027】図3はスリット板への入射光を示すもので
ある。角度θの光束が移動スリット板3に入射すると、
固定スリット板4上に生じる明暗パターンの位置は、e
=g×tan(θ)ずれる。
FIG. 3 shows the light incident on the slit plate. When the light beam of the angle θ enters the moving slit plate 3,
The position of the light and dark pattern generated on the fixed slit plate 4 is e
= G × tan (θ).

【0028】移動スリット板3と固定スリット板4との
距離が非常に小さいと、受光部での信号波形は2枚のス
リットの開口面積に比例するため三角波状となる。
If the distance between the movable slit plate 3 and the fixed slit plate 4 is extremely small, the signal waveform at the light receiving section becomes triangular because it is proportional to the opening area of the two slits.

【0029】しかし、スリット間の距離が離れると、回
折などの影響で受光部での信号波形は正弦波状となる。
However, if the distance between the slits increases, the signal waveform at the light receiving section becomes sinusoidal due to the influence of diffraction and the like.

【0030】そこで、受光部での信号を正弦波で近似し
て表わすと Ab{sin{2π(t−e)/p}+1} となる。bは光源1の発光部での単位面積あたりの発光
量であり、Aは定数である。
Therefore, if the signal at the light receiving section is approximated and expressed by a sine wave, then Ab {sin {2π (te) / p} +1}. b is the amount of light emission per unit area in the light emitting section of the light source 1, and A is a constant.

【0031】移動スリット板のスリット配列方向と垂直
な方向における光源1の発光部の寸法をvとし、移動ス
リット板3のスリット配列方向について光源発光部から
の光束による信号を求めると(数1)となる。
When the dimension of the light emitting portion of the light source 1 in the direction perpendicular to the slit arrangement direction of the moving slit plate is defined as v, and a signal from the light emitting portion of the light source in the slit arrangement direction of the moving slit plate 3 is obtained (Equation 1). Becomes

【0032】[0032]

【数1】 (Equation 1)

【0033】発光部を十分小さいとしてθ≒s/f、e
≒gθと近似して積分すると(数2)となる。
Assuming that the light emitting portion is sufficiently small, θ ≒ s / f, e
Integrating with approximation to ≒ gθ yields (Equation 2).

【0034】[0034]

【数2】 (Equation 2)

【0035】ここでsinc(x)={sin(x)}
/xである。発光部の全光量をcとするとc=abvよ
り(数3)となる。
Here, sinc (x) = {sin (x)}
/ X. Assuming that the total amount of light of the light emitting unit is c, c = abv and (Equation 3).

【0036】[0036]

【数3】 (Equation 3)

【0037】このとき、信号変調度Mは、M=sin
(πag/(pf))となる。ただし、信号変調度M
は、信号の最大値をmax、最小値をminとしたとき
に、 M=(max−min)/(max+min) である。
At this time, the signal modulation degree M is M = sin
(Πag / (pf)). However, the signal modulation degree M
Is M = (max−min) / (max + min) where the maximum value of the signal is max and the minimum value is min.

【0038】受光部の出力は、一般には、180度位相
のずれた信号との差をとることにより直流成分をカット
し、0レベルで2値化して、ディジタル信号に変換され
る。
In general, the output of the light receiving unit is converted into a digital signal by cutting a DC component by taking a difference from a signal having a phase shift of 180 degrees, binarizing it at 0 level.

【0039】(数3)において、t/p=xとおいて係
数を省略すると、受光部の出力信号は、 1+Msin(2πx) となり、180度位相のずれた信号は、 1−Msin(2πx) となる。ここでは、素子感度ばらつき、光源強度分布を
考慮して、2信号間でαの出力比があるときの信号のデ
ューティ比を求める。差信号hは(数4)となる。
In equation (3), if t / p = x and the coefficient is omitted, the output signal of the light receiving section is 1 + Msin (2πx), and the signal shifted by 180 degrees is 1-Msin (2πx). Become. Here, the duty ratio of the signal when there is an output ratio of α between the two signals is obtained in consideration of the element sensitivity variation and the light source intensity distribution. The difference signal h becomes (Equation 4).

【0040】[0040]

【数4】 (Equation 4)

【0041】h>0となるxの範囲を求めると(数5)
となる。
When the range of x satisfying h> 0 is obtained (Equation 5)
Becomes

【0042】[0042]

【数5】 (Equation 5)

【0043】図4に(数5)の関係を示す。(数5)の
左辺をy=sin(2πx)とし、右辺をy=(1−
α)/{M(1+α)}としている。h=0とおいて、
x=0付近の解x1を求めると、(数6)となり、
FIG. 4 shows the relationship of (Equation 5). The left side of (Equation 5) is y = sin (2πx), and the right side is y = (1−
α) / {M (1 + α)}. Assuming h = 0,
When a solution x1 near x = 0 is obtained, it becomes (Equation 6).

【0044】[0044]

【数6】 (Equation 6)

【0045】x=0.5付近の解x2は、(数7)とな
る。
The solution x2 near x = 0.5 is given by (Equation 7).

【0046】[0046]

【数7】 (Equation 7)

【0047】従って、h>0となるxの幅(x2−x
1)は、(数8)となる。
Therefore, the width of x satisfying h> 0 (x2-x
1) becomes (Equation 8).

【0048】[0048]

【数8】 (Equation 8)

【0049】差信号hの周期は1であるので、デューテ
ィ比は、x2−x1となり、デューティ比の変動は、x
2−x1−0.5であらわされる。
Since the cycle of the difference signal h is 1, the duty ratio is x2-x1, and the variation of the duty ratio is x
2-x1-0.5.

【0050】一般に、受光部での素子の感度ばらつき
は、pinダイオード等で10%程度であり、また、光
源には強度分布があり、180度位相のずれた2信号間
で10%程度の受光光量の違いが生じる。このため、2
信号間での出力比αは0.8から1.2程度となる。
Generally, the sensitivity variation of the element in the light receiving section is about 10% for a pin diode or the like, and the light source has an intensity distribution, and about 10% of the light reception is provided between two signals 180 degrees out of phase. A difference in light amount occurs. Therefore, 2
The output ratio α between the signals is about 0.8 to 1.2.

【0051】また、一般にエンコーダでは、互いに90
度位相のずれた信号(A相信号とB相信号)により、被
測定物の移動方向を検出する。また、A相、B相信号を
用いて、電気的に高分解能化(4逓倍)することもあ
る。このため、信号デューティ比の変動は、±10%程
度以下にされている。
Generally, in an encoder, 90
The moving direction of the device under test is detected based on the signals whose phase is shifted by one degree (A-phase signal and B-phase signal). Also, the resolution may be electrically increased (quadrupled) using the A-phase and B-phase signals. Therefore, the fluctuation of the signal duty ratio is set to about ± 10% or less.

【0052】よって、−0.1<x2−x1−0.5<
0.1となり、(数8)を用いて計算すると (1−α)/{0.31(1+α)}<M かつ (α−1)/{0.31(1+α)}<M となる。αを0.8から1.2の範囲とするためには、
信号変調度Mは0.36程度以上が必要となる。
Therefore, -0.1 <x2-x1-0.5 <
0.1, and when calculated using (Equation 8), (1−α) / {0.31 (1 + α)} <M and (α−1) / {0.31 (1 + α)} <M. To set α in the range of 0.8 to 1.2,
The signal modulation degree M needs to be about 0.36 or more.

【0053】よって、sinc(πag/(pf))>
0.36となり、これより a<0.7fp/g が得られる。
Therefore, sinc (πag / (pf))>
0.36, which gives a <0.7 fp / g.

【0054】ところで、光源の発光部の寸法を小さくす
ると、発熱による温度上昇が大きくなり光源の寿命が低
下する。このため、発光部の最少寸法は実用上20μm
程度となる。
By the way, when the size of the light emitting portion of the light source is reduced, the temperature rise due to heat generation becomes large and the life of the light source is shortened. For this reason, the minimum size of the light emitting unit is 20 μm in practical use.
About.

【0055】たとえば、コリメータレンズの焦点距離が
5mmで、移動スリット板3のスリットピッチがp=5
0μm、移動スリット板3と固定スリット板4間距離を
g=0.3mmとするためには、移動スリット板のスリ
ット配列方向における光源の発光部の寸法aを、625
μm以下とすればよい。
For example, if the focal length of the collimator lens is 5 mm and the slit pitch of the movable slit plate 3 is p = 5
In order to set the distance between the moving slit plate 3 and the fixed slit plate 4 to be g = 0.3 mm, the dimension a of the light emitting portion of the light source in the slit arrangement direction of the moving slit plate should be 625 mm.
It may be set to μm or less.

【0056】以上のように本実施例によれば、光源の発
光部の寸法aを a<0.75fp/g を満たすようにすることにより、スリット間距離を十分
にとることができるので、振動や衝撃によるスリットの
破損を防ぐことができる。
As described above, according to the present embodiment, by setting the dimension a of the light emitting portion of the light source so as to satisfy a <0.75 fp / g, a sufficient distance between the slits can be obtained, so that the vibration And the damage of the slit due to the impact can be prevented.

【0057】なお、本実施例において、移動スリット板
3を光源1側に設けたが、固定スリット板4を光源側に
設けてもよい。
In the present embodiment, the movable slit plate 3 is provided on the light source 1 side, but the fixed slit plate 4 may be provided on the light source side.

【0058】なお、本実施例では、移動スリット板上の
スリットを直線状に配置したが、移動スリット板および
固定スリット板を円盤とし、その円周上にスリットを配
置し、回転角の検出を行なってもよい。
In this embodiment, the slits on the movable slit plate are arranged linearly. However, the movable slit plate and the fixed slit plate are disks, and the slits are arranged on the circumference to detect the rotation angle. You may do it.

【0059】(第2実施例)以下本発明の第2の実施例
の光学式エンコーダについて、図面を参照しながら説明
する。
(Second Embodiment) Hereinafter, an optical encoder according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0060】本実施例は、コリーメータレンズの焦点距
離を長くすることにより、受光部での信号変調度を向上
し、スリット間距離を広げ、振動や衝撃によるスリット
破損を防ぐものである。
In this embodiment, by increasing the focal length of the collimator lens, the degree of signal modulation at the light receiving section is improved, the distance between slits is increased, and breakage of the slit due to vibration or impact is prevented.

【0061】図5は、本実施例における光学式エンコー
ダの模式図を示すものである。図5において、図1と同
一機能を有するものは、図1と同一符号を付している。
FIG. 5 is a schematic diagram showing an optical encoder according to this embodiment. 5, components having the same functions as in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as in FIG.

【0062】6はLEDなどの光源である。移動スリッ
ト板3のスリット配列方向における発光部の寸法をaと
する。7は焦点距離fで開口径がdのコリメータレンズ
であり、前側の焦点位置に光源1が配置され、(1.4
3ga/p)<f<2dを満たす。
Reference numeral 6 denotes a light source such as an LED. The dimension of the light emitting unit in the slit arrangement direction of the movable slit plate 3 is defined as a. Reference numeral 7 denotes a collimator lens having a focal length f and an aperture diameter d, and the light source 1 is disposed at a front focal position.
3ga / p) <f <2d.

【0063】以上のように構成された光学式エンコーダ
について、その動作を説明する。光源6からの射出光は
コリメータレンズ7で平行光化され、移動スリット板3
を照射する。移動スリット板3のスリットにより固定ス
リット板4上に明暗パターンが生じる。移動スリット板
3の移動により固定スリット板4上の明暗パターンも移
動する。
The operation of the optical encoder configured as described above will be described. The light emitted from the light source 6 is collimated by the collimator lens 7,
Is irradiated. Due to the slits of the movable slit plate 3, a light and dark pattern is generated on the fixed slit plate 4. The movement of the moving slit plate 3 also moves the light / dark pattern on the fixed slit plate 4.

【0064】固定スリット板4のスリットは移動スリッ
ト板3のスリットとピッチが等しくかつ平行であるの
で、固定スリット板4の射出光量は明暗パターンの移動
により変化する。この光量変化を受光部で検出すること
により移動スリット板3の位置を検出することができ
る。
Since the slits of the fixed slit plate 4 are equal in pitch and parallel to the slits of the movable slit plate 3, the amount of light emitted from the fixed slit plate 4 changes due to the movement of the light / dark pattern. The position of the movable slit plate 3 can be detected by detecting the change in the amount of light by the light receiving unit.

【0065】次に、移動スリット板3のスリットピッチ
p、光源6の発光部の寸法a、移動スリット板3と固定
スリット板4間の距離gに対して受光部で十分な振幅の
信号を得るためには、コリメータレンズの焦点距離fを (1.43ga/p)<f<2d とすれば良いことを以下に説明する。
Next, a signal having a sufficient amplitude is obtained in the light receiving section with respect to the slit pitch p of the moving slit plate 3, the dimension a of the light emitting portion of the light source 6, and the distance g between the moving slit plate 3 and the fixed slit plate 4. For this purpose, it will be described below that the focal length f of the collimator lens should be set to (1.43 ga / p) <f <2d.

【0066】図2より、光源発光部の中心から距離s離
れた微小領域から射出した光は、コリメータレンズ2に
より角度θ=arctan(s/f)の方位の光束とな
る。
As shown in FIG. 2, the light emitted from the minute area at a distance s from the center of the light source light emitting section is converted into a light beam having an angle θ = arctan (s / f) by the collimator lens 2.

【0067】図3より、角度θの光束が移動スリット板
3に入射すると、固定スリット板4上に生じる明暗パタ
ーンの位置は、e=g×tan(θ)ずれる。
As shown in FIG. 3, when a light beam having an angle θ is incident on the movable slit plate 3, the position of the light and dark pattern generated on the fixed slit plate 4 is shifted by e = g × tan (θ).

【0068】移動スリット板3と固定スリット板4との
距離が非常に小さいと、受光部での信号波形は2枚のス
リットの開口面積に比例するため三角波状となる。
If the distance between the movable slit plate 3 and the fixed slit plate 4 is extremely small, the signal waveform at the light receiving section becomes triangular because it is proportional to the opening area of the two slits.

【0069】しかし、スリット間の距離が離れると回折
などの影響で、受光部での信号波形は正弦波状となる。
However, if the distance between the slits increases, the signal waveform at the light receiving section becomes sinusoidal due to the influence of diffraction and the like.

【0070】そこで、受光部での信号を正弦波で近似し
て表わすと Ab{sin{2π(t−e)/p}+1} となる。bは光源1の発光部での単位面積あたりの発光
量であり、Aは定数である。
Therefore, when the signal at the light receiving section is approximated and expressed by a sine wave, Ab {sin {2π (te) / p} +1}. b is the amount of light emission per unit area in the light emitting section of the light source 1, and A is a constant.

【0071】移動スリット板のスリット配列方向と垂直
な方向における光源1の発光部の寸法をvとし、移動ス
リット板3のスリット配列方向について光源発光部から
の光束による信号を求めると(数1)となる。
When the dimension of the light emitting portion of the light source 1 in the direction perpendicular to the slit arrangement direction of the moving slit plate is set to v, and the signal based on the light beam from the light source emitting portion in the slit arrangement direction of the moving slit plate 3 is obtained (Equation 1). Becomes

【0072】発光部を十分小さいとしてθ≒s/f、e
≒gθと近似して積分すると(数2)となる。発光部の
全光量をcとするとc=abvより(数3)となる。信
号変調度Mは、sin(πag/(pf))となる。
Assuming that the light emitting portion is sufficiently small, θ ≒ s / f, e
Integrating with approximation to ≒ gθ yields (Equation 2). Assuming that the total amount of light of the light emitting unit is c, c = abv and (Equation 3). The signal modulation degree M is sin (πag / (pf)).

【0073】受光部の出力は、一般には、180度位相
のずれた信号との差をとることにより直流成分をカット
し、0レベルで2値化して、ディジタル信号に変換され
る。(数3)において、t/p=xとおいて係数を省略
すると、受光部の出力信号は、 1+Msin(2πx) となり、180度位相のずれた信号は、 1−Msin(2πx) となる。素子感度ばらつき、光源強度分布を考慮して、
2信号間でαの出力比があるとすると、差信号hは(数
4)となる。h>0となるxの範囲を求めると(数5)
となる。
In general, the output of the light receiving section is converted into a digital signal by cutting a DC component by taking a difference from a signal having a phase shift of 180 degrees, binarizing the output at a 0 level. In (Equation 3), if t / p = x and the coefficient is omitted, the output signal of the light receiving unit is 1 + Msin (2πx), and the signal shifted by 180 degrees is 1−Msin (2πx). Considering variations in element sensitivity and light source intensity distribution,
If there is an output ratio of α between the two signals, the difference signal h becomes (Equation 4). When the range of x satisfying h> 0 is obtained (Equation 5)
Becomes

【0074】図4に(数5)の関係を示す。h=0とお
いて、x=0付近の解x1を求めると、(数6)とな
り、x=0.5付近の解x2は、(数7)となる。
FIG. 4 shows the relationship of (Expression 5). When h = 0 and the solution x1 near x = 0 is obtained, (Formula 6) is obtained, and the solution x2 near x = 0.5 is (Formula 7).

【0075】従って、h>0となるxの幅(x2−x
1)は、(数8)となる。差信号hの周期は1であるの
で、デューティ比は、x2−x1となり、デューティ比
の変動は、x2−x1−0.5であらわされる。
Therefore, the width of x satisfying h> 0 (x2-x
1) becomes (Equation 8). Since the cycle of the difference signal h is 1, the duty ratio is x2-x1, and the variation of the duty ratio is represented by x2-x1-0.5.

【0076】一般に、受光部での素子の感度ばらつき
は、pinダイオード等で10%程度であり、また、光
源には強度分布があり、180度位相のずれた2信号間
で10%程度の受光光量の違いが生じる。このため、2
信号間での出力比αは0.8から1.2程度となる。
In general, the sensitivity variation of the element in the light receiving section is about 10% in a pin diode or the like, and the light source has an intensity distribution, and the light receiving section has about 10% light receiving between two signals having a phase shift of 180 degrees. A difference in light amount occurs. Therefore, 2
The output ratio α between the signals is about 0.8 to 1.2.

【0077】また、一般にエンコーダでは、互いに90
度位相のずれた信号(A相信号とB相信号)により、被
測定物の移動方向を検出する。また、A相、B相信号を
用いて、電気的に高分解能化(4逓倍)することもあ
る。このため、信号デューティ比の変動は、±10%程
度以下にされている。
In general, in an encoder, 90
The moving direction of the device under test is detected based on the signals whose phase is shifted by one degree (A-phase signal and B-phase signal). Also, the resolution may be electrically increased (quadrupled) using the A-phase and B-phase signals. Therefore, the fluctuation of the signal duty ratio is set to about ± 10% or less.

【0078】よって、−0.1<x2−x1−0.5<
0.1となり、(数8)を用いて計算すると (1−α)/{0.31(1+α)}<M かつ(α−1)/{0.31(1+α)}<M となる。
Therefore, -0.1 <x2-x1-0.5 <
0.1, and when calculated using (Equation 8), (1−α) / {0.31 (1 + α)} <M and (α−1) / {0.31 (1 + α)} <M.

【0079】αを0.8から1.2の範囲とするために
は、信号変調度Mは0.36程度以上が必要となる。
In order for α to be in the range of 0.8 to 1.2, the signal modulation degree M needs to be about 0.36 or more.

【0080】よって、sinc(πag/(pf))>
0.36となり、これより (1.43ga/p)<f が得られる。
Therefore, sinc (πag / (pf))>
0.36, which gives (1.43 ga / p) <f 2.

【0081】ところでコリメータレンズの開口径dに対
して焦点距離fが長くなると光の利用効率が低下する。
LEDの放射光の半値角は約60度であり、レンズ焦点
距離fが開口径dの2倍以上となると、光利用効率は1
0%以下となり、受光部での光量が小さくなり、信号を
検出できなくる可能性がある。そこで、レンズ焦点距離
fを(1.43ga/p)<f<2dとする。
When the focal length f is longer than the aperture diameter d of the collimator lens, the light use efficiency is reduced.
The half-value angle of the emitted light of the LED is about 60 degrees, and when the lens focal length f is twice or more the aperture diameter d, the light use efficiency becomes 1
0% or less, the light amount at the light receiving unit becomes small, and there is a possibility that the signal cannot be detected. Therefore, the lens focal length f is set to (1.43 ga / p) <f <2d.

【0082】たとえば、光源発光部の寸法が400μ
m、コリメータレンズの開口径が4mm、移動スリット
板3のスリットピッチがp=50μmのとき、移動スリ
ット板3と固定スリット板4間距離をg=0.3mmと
するためには、コリメータレンズの焦点距離fを2.4
mm以上、8mm以下とすればよい。
For example, when the size of the light source light emitting portion is 400 μm
m, the aperture diameter of the collimator lens is 4 mm, and when the slit pitch of the movable slit plate 3 is p = 50 μm, the distance between the movable slit plate 3 and the fixed slit plate 4 is set to g = 0.3 mm. Focal length f is 2.4
mm and 8 mm or less.

【0083】以上のように本実施例によれば、コリメー
タレンズの焦点距離fを (1.43ga/p)<f<2d を満たすようにすることにより、スリット間距離を十分
にとることができるので、振動や衝撃によるスリットの
破損を防ぐことができる。
As described above, according to the present embodiment, by setting the focal length f of the collimator lens to satisfy (1.43 ga / p) <f <2d, the distance between the slits can be sufficiently secured. Therefore, breakage of the slit due to vibration or impact can be prevented.

【0084】なお、本実施例において、移動スリット板
3を光源1側に設けたが、固定スリット板4を光源側に
設けてもよい。
In the present embodiment, the movable slit plate 3 is provided on the light source 1 side, but the fixed slit plate 4 may be provided on the light source side.

【0085】なお、本実施例では、移動スリット板上の
スリットを直線状に配置したが、移動スリット板および
固定スリット板を円盤とし、その円周上にスリットを配
置し、回転角の検出を行なってもよい。
In this embodiment, the slits on the movable slit plate are arranged linearly. However, the movable slit plate and the fixed slit plate are formed as disks, and the slits are arranged on the circumference thereof to detect the rotation angle. You may do it.

【0086】[0086]

【発明の効果】以上のように本発明は、光源の発光部の
寸法aをa<0.7fp/gを満たすようにすることに
より、移動スリット板と固定スリット板間距離を十分に
とることができるので、振動、衝撃によるスリットの損
傷を防ぐことができる。
As described above, according to the present invention, the distance between the movable slit plate and the fixed slit plate can be sufficiently secured by setting the dimension a of the light emitting portion of the light source to satisfy a <0.7 fp / g. Therefore, it is possible to prevent the slit from being damaged by vibration and impact.

【0087】あるいは、コリメータレンズの焦点距離f
を1.43ga/p<f<2dを満たすようにすること
により移動スリット板と固定スリット板間距離を十分に
とることができるので、振動、衝撃によるスリットの損
傷を防ぐことができる。
Alternatively, the focal length f of the collimator lens
Is satisfied so as to satisfy 1.43 ga / p <f <2d, the distance between the movable slit plate and the fixed slit plate can be sufficiently set, so that damage to the slit due to vibration and impact can be prevented.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例の構成図FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of the present invention.

【図2】同実施例における光源からの射出光を示す図FIG. 2 is a view showing light emitted from a light source in the embodiment.

【図3】同実施例における移動スリット板と固定スリッ
ト板への入射光を示す図
FIG. 3 is a diagram showing light incident on a moving slit plate and a fixed slit plate in the embodiment.

【図4】同実施例における信号デューティを説明するた
めの図
FIG. 4 is a diagram for explaining a signal duty in the embodiment.

【図5】本発明の第2の実施例の構成図FIG. 5 is a configuration diagram of a second embodiment of the present invention.

【図6】従来の光学式エンコーダの概略図FIG. 6 is a schematic diagram of a conventional optical encoder.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 光源 2 コリメータレンズ 3 移動スリット板 4 固定スリット板 5 受光器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 2 Collimator lens 3 Moving slit plate 4 Fixed slit plate 5 Receiver

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 正弥 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平5−40046(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01D 5/26 - 5/38 G01B 11/00 - 11/30 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Masaya Ito 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References JP-A-5-40046 (JP, A) (58) Field (Int.Cl. 7 , DB name) G01D 5/26-5/38 G01B 11/00-11/30

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】光源と、前記光源を前側焦点としたコリメ
ータレンズと、前記コリメータレンズの射出光を入射光
とし等間隔に配置された複数のスリットを有する第1ス
リット板と、前記第1スリット板の射出光を入射光とし
第1スリット板のスリットと互いに平行でかつ同じピッ
チで配置された複数のスリットを有した第2スリット板
と、前記第2スリット板の射出光を入射光とする受光部
とを備え、少なくとも第1スリット板または第2スリッ
ト板が移動可能であり、前記コリメータレンズの焦点距
離をfとし前記第1スリット板のピッチをpとし前記第
1スリット板と第2スリット板間の距離をgとしたとき
に前記第1スリット板のスリットの配列方向における前
記光源の発光部の寸法aを a<0.7fp/g とすることを特徴とする光学式エンコーダ。
1. A light source, a collimator lens having the light source as a front focal point, a first slit plate having a plurality of slits arranged at equal intervals using light emitted from the collimator lens as incident light, and the first slit A second slit plate having a plurality of slits arranged in parallel with the slits of the first slit plate and at the same pitch as the light emitted from the plate as incident light, and the emitted light of the second slit plate as incident light. A light receiving section, at least the first slit plate or the second slit plate is movable, and the focal length of the collimator lens is f, the pitch of the first slit plate is p, and the first slit plate and the second slit are When the distance between the plates is g, the dimension a of the light emitting portion of the light source in the arrangement direction of the slits of the first slit plate is a <0.7 fp / g. Manabu encoder.
【請求項2】光源と、前記光源を前側焦点とするコリメ
ータレンズと、前記コリメータレンズの射出光を入射光
とし等間隔に配置された複数のスリットを有する第1ス
リット板と、前記第1スリット板の射出光を入射光とし
第1スリット板のスリットと互いに平行でかつ同じピッ
チで配置された複数のスリットを有した第2スリット板
と、前記第2スリット板の射出光を入射光とする受光部
とを備え、少なくとも第1スリット板または第2スリッ
ト板が移動可能であり、前記第1スリット板のスリット
の配列方向における前記光源の発光部の寸法をaとし前
記第1スリット板のピッチをpとし前記第1スリット板
と第2スリット板間の距離をgとし前記コリメータレン
ズの開口径をdとしたときに前記コリメータレンズの焦
点距離fを (1.43ga/p)<f<2d とすることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. A light source, a collimator lens having the light source as a front focal point, a first slit plate having a plurality of slits arranged at equal intervals with the light emitted from the collimator lens as incident light, and the first slit. A second slit plate having a plurality of slits arranged in parallel with the slits of the first slit plate and arranged at the same pitch with the light emitted from the plate as incident light, and the light emitted from the second slit plate as incident light A light receiving unit, wherein at least the first slit plate or the second slit plate is movable, and the dimension of the light emitting unit of the light source in the arrangement direction of the slits of the first slit plate is a, and the pitch of the first slit plate is When the distance between the first slit plate and the second slit plate is g and the aperture diameter of the collimator lens is d, the focal length f of the collimator lens is (1. 43 ga / p) <f <2d.
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