JP3429961B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents
光学式エンコーダInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光学式エンコーダ、
特にリニアスケールやロータリーエンコーダ、リニアゲ
ージ等の反射型エンコーダにおけるギャップ変動に関す
る。
特にリニアスケールやロータリーエンコーダ、リニアゲ
ージ等の反射型エンコーダにおけるギャップ変動に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】図８には、従来の３グレーティング型エ
ンコーダの構成が示されている。図８（Ａ）はインデッ
クススケール１０の平面図であり、同一平面上に第１格
子１２及び第２格子１４が形成されている。第１格子１
２と第２格子１４のピッチはともに等しく、第１格子１
２は共通格子の下半分、第２格子１４は共通格子の上半
分を形成している。光源からの光は第１格子１２を透過
して後述するメインスケールに入射し、そこで反射して
第２格子１４に入射する。なお、図では第１格子１２及
び第２格子１４はそれぞれ４個ずつ設けられているが、
これは差動出力によりＳ／Ｎを大きくするためである。
ンコーダの構成が示されている。図８（Ａ）はインデッ
クススケール１０の平面図であり、同一平面上に第１格
子１２及び第２格子１４が形成されている。第１格子１
２と第２格子１４のピッチはともに等しく、第１格子１
２は共通格子の下半分、第２格子１４は共通格子の上半
分を形成している。光源からの光は第１格子１２を透過
して後述するメインスケールに入射し、そこで反射して
第２格子１４に入射する。なお、図では第１格子１２及
び第２格子１４はそれぞれ４個ずつ設けられているが、
これは差動出力によりＳ／Ｎを大きくするためである。
【０００３】一方、図８（Ｂ）は光学式エンコーダの模
式的な側面図であり、光源１００からの光はインデック
ススケール１０の第１格子１２を透過してメインスケー
ル１６に入射する。メインスケール１６には第３格子１
８が形成されており、ここで反射・回折干渉した光はイ
ンデックススケール１０の第２格子を透過回折干渉し、
受光素子２０に入射する。第３格子１８のピッチも第１
及び第２格子と同一のピッチに設定される。インデック
ススケール１０とメインスケール１６の格子間ギャップ
をｄ、各格子のピッチをｐ、光の波長をλ、測長方向の
変位をｘとした場合、第１、第２、第３格子のピッチが
等しい構成のとき受光素子２０では、
式的な側面図であり、光源１００からの光はインデック
ススケール１０の第１格子１２を透過してメインスケー
ル１６に入射する。メインスケール１６には第３格子１
８が形成されており、ここで反射・回折干渉した光はイ
ンデックススケール１０の第２格子を透過回折干渉し、
受光素子２０に入射する。第３格子１８のピッチも第１
及び第２格子と同一のピッチに設定される。インデック
ススケール１０とメインスケール１６の格子間ギャップ
をｄ、各格子のピッチをｐ、光の波長をλ、測長方向の
変位をｘとした場合、第１、第２、第３格子のピッチが
等しい構成のとき受光素子２０では、
【数１】
Ｉ0（ｘ）＝Ｉs｛３ａ2／２＋２ａ2ｃｏｓ（πλｄ／２ｐ2）ｃｏｓ
（πｘ／ｐ）＋ａ2／２・ｃｏｓ（２πｘ／ｐ）｝・・・（１）
のうち、ギャップｄ依存性のない右辺最終項Ｉs・ａ2／
２・ｃｏｓ（２πｘ／ｐ）が検出されることになる。な
お、このような技術として、例えば特公昭６０−２３２
８２号や特公平２−４５１２６号等がある。
２・ｃｏｓ（２πｘ／ｐ）が検出されることになる。な
お、このような技術として、例えば特公昭６０−２３２
８２号や特公平２−４５１２６号等がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このように、各格子の
ピッチを等しくすることで、理論的にはインデックスス
ケール１０とメインスケール１６のギャップが変動して
も検出信号は影響を受けないことになるが、例えばギャ
ップが適正ギャップに比べて大きくなった場合には、メ
インスケール１６で反射してインデックススケール１０
の第２格子１４に入射する際、入射位置が適正位置から
ずれるため第２格子１４への入射光量（ＤＣ成分）自体
が低下してしまう問題があった。
ピッチを等しくすることで、理論的にはインデックスス
ケール１０とメインスケール１６のギャップが変動して
も検出信号は影響を受けないことになるが、例えばギャ
ップが適正ギャップに比べて大きくなった場合には、メ
インスケール１６で反射してインデックススケール１０
の第２格子１４に入射する際、入射位置が適正位置から
ずれるため第２格子１４への入射光量（ＤＣ成分）自体
が低下してしまう問題があった。
【０００５】図９に、インデックススケール１０とメイ
ンスケール１６間のギャップが変動した場合の一例を示
す。図中実線がメインスケール１６の適正位置及びこの
時の光路で、破線がΔＧだけ変動した位置及び光路を示
している、メインスケール１６が実線位置の場合には、
メインスケール１６の第３格子１８で反射した光の光路
内にインデックススケール１０の第２格子１４が位置す
るが、変動位置では反射位置が異なるため第２格子１４
への入射位置がずれ、反射光の大部分が第２格子１４に
入射できなくなる。このように、ギャップ変動が生じた
場合には見かけ上出力が低下するため、高精度の測定が
困難となる問題があった。
ンスケール１６間のギャップが変動した場合の一例を示
す。図中実線がメインスケール１６の適正位置及びこの
時の光路で、破線がΔＧだけ変動した位置及び光路を示
している、メインスケール１６が実線位置の場合には、
メインスケール１６の第３格子１８で反射した光の光路
内にインデックススケール１０の第２格子１４が位置す
るが、変動位置では反射位置が異なるため第２格子１４
への入射位置がずれ、反射光の大部分が第２格子１４に
入射できなくなる。このように、ギャップ変動が生じた
場合には見かけ上出力が低下するため、高精度の測定が
困難となる問題があった。
【０００６】本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑
みなされたものであり、その目的は、インデックススケ
ールとメインスケール間のギャップ依存性が少なく、取
付容易で高精度測定が可能な光学式エンコーダを提供す
ることにある。
みなされたものであり、その目的は、インデックススケ
ールとメインスケール間のギャップ依存性が少なく、取
付容易で高精度測定が可能な光学式エンコーダを提供す
ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、格子を有する第１部材及び第２部材に光を照射し、
第１部材を透過して第２部材で反射された光の回折干渉
光を用いて両部材間の変位長を測定する光学式エンコー
ダであって、前記第１部材には、同一平面上に第１格子
及び第２格子が設けられ、前記第２部材には、第３格子
が設けられ、前記第１格子の測長方向と垂直な方向の幅
ｗ１と前記第２格子の測長方向と垂直な方向の幅ｗ２
は、光の入射角が４５°以下においてｗ１＞ｗ２の関係
を満たすことを特徴とする。
に、格子を有する第１部材及び第２部材に光を照射し、
第１部材を透過して第２部材で反射された光の回折干渉
光を用いて両部材間の変位長を測定する光学式エンコー
ダであって、前記第１部材には、同一平面上に第１格子
及び第２格子が設けられ、前記第２部材には、第３格子
が設けられ、前記第１格子の測長方向と垂直な方向の幅
ｗ１と前記第２格子の測長方向と垂直な方向の幅ｗ２
は、光の入射角が４５°以下においてｗ１＞ｗ２の関係
を満たすことを特徴とする。
【０００８】また、第２の発明は、第１の発明におい
て、前記第１格子と第２格子は、測長方向と垂直な方向
に所定間隔離間して設けられることを特徴とする。
て、前記第１格子と第２格子は、測長方向と垂直な方向
に所定間隔離間して設けられることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
形態について説明する。なお、従来と同一ないし対応す
る部材には同一符号を付している。
形態について説明する。なお、従来と同一ないし対応す
る部材には同一符号を付している。
【００１０】図１には、本実施形態の光学式エンコーダ
の構成が示されており、図１（Ａ）は第１部材としての
インデックススケール１０の平面図である。インデック
ススケール１０の同一平面上には第１格子１２及び第２
格子１４が形成され、両格子は従来と異なり測長方向と
垂直な方向に所定間隔ｗ３（１．５ｍｍ）だけ離間して
設けられている。また、第１格子１２の測長方向と垂直
な方向の幅ｗ１及び第２格子１４の測長方向と垂直な方
向の幅ｗ２は、それぞれｗ１＝３．２ｍｍ、ｗ２＝１．
２ｍｍに設定されている。第１格子１２及び第２格子１
４のピッチは８μｍである。なお、図中アの部分は透明
部であり、イの部分はＣｒ蒸着部（非透明部）である。
の構成が示されており、図１（Ａ）は第１部材としての
インデックススケール１０の平面図である。インデック
ススケール１０の同一平面上には第１格子１２及び第２
格子１４が形成され、両格子は従来と異なり測長方向と
垂直な方向に所定間隔ｗ３（１．５ｍｍ）だけ離間して
設けられている。また、第１格子１２の測長方向と垂直
な方向の幅ｗ１及び第２格子１４の測長方向と垂直な方
向の幅ｗ２は、それぞれｗ１＝３．２ｍｍ、ｗ２＝１．
２ｍｍに設定されている。第１格子１２及び第２格子１
４のピッチは８μｍである。なお、図中アの部分は透明
部であり、イの部分はＣｒ蒸着部（非透明部）である。
【００１１】図１（Ｂ）は光学式エンコーダの側面図で
あり、図２には、図１（Ｂ）におけるインデックススケ
ール１０と第２部材としてのメインスケール１６近傍の
拡大図が示されている。光源１００としてのＬＥＤから
出射した光はコリメータレンズ１０２で平行光とされ、
インデックススケール１０の第１格子１２に入射する。
第１格子１２を透過した光はメインスケール１６の第３
格子１８に入射して反射・干渉する。第３格子１８は従
来と同様であり、そのピッチは第１格子１２及び第２格
子１４と同一の８μｍである。第３格子１８で反射した
光は、再びインデックススケール１０に入射し、インデ
ックススケール１０の第２格子１４に入射する。第２格
子１４からの回折干渉光は受光素子２０に入射し、検出
信号として出力される。なお、光源１００としてのＬＥ
Ｄと受光素子２０の間にはＬＥＤを保持するとともにＬ
ＥＤからのもれ光が受光素子２０に入射するのを防ぐ遮
光部材１０４が設けられている。
あり、図２には、図１（Ｂ）におけるインデックススケ
ール１０と第２部材としてのメインスケール１６近傍の
拡大図が示されている。光源１００としてのＬＥＤから
出射した光はコリメータレンズ１０２で平行光とされ、
インデックススケール１０の第１格子１２に入射する。
第１格子１２を透過した光はメインスケール１６の第３
格子１８に入射して反射・干渉する。第３格子１８は従
来と同様であり、そのピッチは第１格子１２及び第２格
子１４と同一の８μｍである。第３格子１８で反射した
光は、再びインデックススケール１０に入射し、インデ
ックススケール１０の第２格子１４に入射する。第２格
子１４からの回折干渉光は受光素子２０に入射し、検出
信号として出力される。なお、光源１００としてのＬＥ
Ｄと受光素子２０の間にはＬＥＤを保持するとともにＬ
ＥＤからのもれ光が受光素子２０に入射するのを防ぐ遮
光部材１０４が設けられている。
【００１２】図２からも理解されるように、本実施形態
における特徴は、第１格子１２と第２格子１４が互いに
測長方向と垂直な方向に分離して設けられており、か
つ、第１格子１２の幅ｗ１が第２格子１４の幅ｗ２より
も顕著に大きく設定されている点である。これにより、
第３格子１８で反射され、第２格子１４に入射する光の
光束に対して第２格子１４の幅が十分小さくなり、イン
デックススケール１０とメインスケール１６とのギャッ
プｇが変動して反射光の位置が変動しても第２格子１４
に入射する光量に変化がないように設定できる。
における特徴は、第１格子１２と第２格子１４が互いに
測長方向と垂直な方向に分離して設けられており、か
つ、第１格子１２の幅ｗ１が第２格子１４の幅ｗ２より
も顕著に大きく設定されている点である。これにより、
第３格子１８で反射され、第２格子１４に入射する光の
光束に対して第２格子１４の幅が十分小さくなり、イン
デックススケール１０とメインスケール１６とのギャッ
プｇが変動して反射光の位置が変動しても第２格子１４
に入射する光量に変化がないように設定できる。
【００１３】以下、本実施形態における第１格子１２の
幅ｗ１と第２格子の幅ｗ２との関係についてより詳細に
説明する。
幅ｗ１と第２格子の幅ｗ２との関係についてより詳細に
説明する。
【００１４】図３には、インデックススケール１０を透
過し、メインスケール１６で反射する光の光路が示され
ており、図３（Ａ）は反射型の光路を示し、図３（Ｂ）
は（Ａ）の反射型を透過型に置き換えた場合の光路であ
る。なお、ここでは説明の都合上、格子を構成する部材
（ガラス）の屈折率及び保持部材の厚さの影響を無視す
る。光源からの光が入射角θで幅ｗ１を有する第１格子
１２に入射した場合、図３（Ｂ）から
過し、メインスケール１６で反射する光の光路が示され
ており、図３（Ａ）は反射型の光路を示し、図３（Ｂ）
は（Ａ）の反射型を透過型に置き換えた場合の光路であ
る。なお、ここでは説明の都合上、格子を構成する部材
（ガラス）の屈折率及び保持部材の厚さの影響を無視す
る。光源からの光が入射角θで幅ｗ１を有する第１格子
１２に入射した場合、図３（Ｂ）から
【数２】
ｔａｎθ＝（ｗ１−ｗ２）／Δｄ ・・・（２）
が成り立つ。但し、Δｄはギャップ変動である。従っ
て、ギャップ変動Δｄは
て、ギャップ変動Δｄは
【数３】
Δｄ＝（ｗ１−ｗ２）／ｔａｎθ ・・・（３）
であり、ｗ１＞ｗ２であればギャップ変動を許容でき、
ｗ１とｗ２の差が大きくなればその分、許容ギャップ変
動Δｄも増大することになる。
ｗ１とｗ２の差が大きくなればその分、許容ギャップ変
動Δｄも増大することになる。
【００１５】図４には、適正ギャップｇ0に対してイン
デックススケール１０とメインスケール１６とのギャッ
プｇが小さすぎる場合（ｇ＜ｇ0）と大きすぎる場合
（ｇ＞ｇ0）が示されている。いずれの場合において
も、第２格子１４の幅ｗ２に比べて第１格子１２の幅ｗ
１が十分大きく設定されているため、第３格子１８で反
射した光束内に第２格子１４が位置し、受光素子２０で
確実に回折干渉光を検出できることが分かる。
デックススケール１０とメインスケール１６とのギャッ
プｇが小さすぎる場合（ｇ＜ｇ0）と大きすぎる場合
（ｇ＞ｇ0）が示されている。いずれの場合において
も、第２格子１４の幅ｗ２に比べて第１格子１２の幅ｗ
１が十分大きく設定されているため、第３格子１８で反
射した光束内に第２格子１４が位置し、受光素子２０で
確実に回折干渉光を検出できることが分かる。
【００１６】図５には、ｗ１＝３．２ｍｍ、ｗ２＝１．
２ｍｍ、θ＝１８°とした場合の受光素子２０で検出さ
れる電圧変化率とギャップ変動の実験結果が示されてい
る。図中横軸はインデックススケール１０とメインスケ
ール１６間のギャップ（ｍｍ）であり、縦軸は受光素子
２０で検出される振幅電圧変化率（％）である。振幅が
１０％減に留まるギャップ範囲は０ｍｍ〜２．６ｍｍで
あり、許容ギャップ変動は２．６ｍｍである。一方、図
６には、比較のため従来の光学式エンコーダ（図８参
照）の測定結果が示されている。図において横軸は適正
ギャップに対するギャップ誤差（ｍｍ）であり、縦軸は
振幅電圧変化率（％）である。振幅１０％減に留まるギ
ャップ誤差は０ｍｍ〜１．７ｍｍであり、許容ギャップ
変動は１．７ｍｍに過ぎない。すなわち、本実施形態の
光学式エンコーダによれば、従来の光学式エンコーダに
比べて約１．５倍のギャップ変動を許容できることにな
る。
２ｍｍ、θ＝１８°とした場合の受光素子２０で検出さ
れる電圧変化率とギャップ変動の実験結果が示されてい
る。図中横軸はインデックススケール１０とメインスケ
ール１６間のギャップ（ｍｍ）であり、縦軸は受光素子
２０で検出される振幅電圧変化率（％）である。振幅が
１０％減に留まるギャップ範囲は０ｍｍ〜２．６ｍｍで
あり、許容ギャップ変動は２．６ｍｍである。一方、図
６には、比較のため従来の光学式エンコーダ（図８参
照）の測定結果が示されている。図において横軸は適正
ギャップに対するギャップ誤差（ｍｍ）であり、縦軸は
振幅電圧変化率（％）である。振幅１０％減に留まるギ
ャップ誤差は０ｍｍ〜１．７ｍｍであり、許容ギャップ
変動は１．７ｍｍに過ぎない。すなわち、本実施形態の
光学式エンコーダによれば、従来の光学式エンコーダに
比べて約１．５倍のギャップ変動を許容できることにな
る。
【００１７】なお、図５において、ｗ１＝３．２ｍｍ、
ｗ２＝１．２ｍｍ、θ＝１８°とした場合の理論的なギ
ャップ変動Δｄは、（３）式よりΔｄ＝６．１５ｍｍと
なり、実験の結果と一致しないが、これは実際の装置構
成では保持部材等の厚さのためｗ１が実質的に小さくな
ること等に起因するものである。
ｗ２＝１．２ｍｍ、θ＝１８°とした場合の理論的なギ
ャップ変動Δｄは、（３）式よりΔｄ＝６．１５ｍｍと
なり、実験の結果と一致しないが、これは実際の装置構
成では保持部材等の厚さのためｗ１が実質的に小さくな
ること等に起因するものである。
【００１８】このように、本実施形態では、第１格子１
２の幅ｗ１を第２格子の幅ｗ２よりも十分大きく設定し
たので、インデックススケール１０とメインスケール１
６間のギャップが変動しても十分な検出出力を得ること
ができ、従来以上にギャップ変動の影響を受けにくく取
付が容易となる。
２の幅ｗ１を第２格子の幅ｗ２よりも十分大きく設定し
たので、インデックススケール１０とメインスケール１
６間のギャップが変動しても十分な検出出力を得ること
ができ、従来以上にギャップ変動の影響を受けにくく取
付が容易となる。
【００１９】また、本実施形態では、第１格子１２と第
２格子１４が測長方向と垂直な方向にｗ３（１．５ｍ
ｍ）だけ離間して設けられているため、遮光部材１０４
と相まって光源１００からのもれ光を十分遮断でき、受
光側の信号効率を上げることもできる。
２格子１４が測長方向と垂直な方向にｗ３（１．５ｍ
ｍ）だけ離間して設けられているため、遮光部材１０４
と相まって光源１００からのもれ光を十分遮断でき、受
光側の信号効率を上げることもできる。
【００２０】さらに、本実施形態では、第１格子１２を
透過した光の幅に比べて第２格子の幅が十分小さいた
め、エンコーダとして使用する光はコリメータレンズ１
０２を透過した光のうちの一部であり、コリメータレン
ズ１０２の収差の影響を受けにくい効果もある。
透過した光の幅に比べて第２格子の幅が十分小さいた
め、エンコーダとして使用する光はコリメータレンズ１
０２を透過した光のうちの一部であり、コリメータレン
ズ１０２の収差の影響を受けにくい効果もある。
【００２１】図７には、コリメータレンズ１０２の模式
的な平面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）が示されており、図
中斜線部分が第２格子１４を透過する光、すなわちエン
コーダとして使用される光の部分である。コリメータレ
ンズ１０２を透過する光のうち、収差の少ない光のみを
利用できるため、検出ヘッドのギャップ以外の姿勢誤差
（ピッチやヨー、ロール）に対する出力変動を軽減する
ことも可能である。
的な平面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）が示されており、図
中斜線部分が第２格子１４を透過する光、すなわちエン
コーダとして使用される光の部分である。コリメータレ
ンズ１０２を透過する光のうち、収差の少ない光のみを
利用できるため、検出ヘッドのギャップ以外の姿勢誤差
（ピッチやヨー、ロール）に対する出力変動を軽減する
ことも可能である。
【００２２】なお、本実施形態では３グレーティング型
エンコーダの例を示したが、リニアスケール（アセンブ
リ型やセパレート型）やロータリーエンコーダ、リニア
ゲージにも適用することができる。
エンコーダの例を示したが、リニアスケール（アセンブ
リ型やセパレート型）やロータリーエンコーダ、リニア
ゲージにも適用することができる。
【００２３】また、上記実施形態において、測長方向に
対して各格子の配置を直角方向とすることも可能であ
る。図１０にはこのような配置とした場合の第１部材の
平面図が示されている。
対して各格子の配置を直角方向とすることも可能であ
る。図１０にはこのような配置とした場合の第１部材の
平面図が示されている。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば第
１部材（インデックススケール）と第２部材（メインス
ケール）間のギャップが適正ギャップから変動しても、
検出出力が受ける影響を少なくし、取付が容易で高精度
の測定が可能となる。
１部材（インデックススケール）と第２部材（メインス
ケール）間のギャップが適正ギャップから変動しても、
検出出力が受ける影響を少なくし、取付が容易で高精度
の測定が可能となる。
【００２５】さらに、本発明では、第１格子と第２格子
が測長方向と垂直な方向に離間して設けられているの
で、光源からのもれ光が第２格子に入射することを確実
に防止できる。
が測長方向と垂直な方向に離間して設けられているの
で、光源からのもれ光が第２格子に入射することを確実
に防止できる。
【図１】 本発明の実施形態の構成図である。
【図２】 図１の一部拡大図である。
【図３】 反射型エンコーダの光路説明図である。
【図４】 本実施形態におけるギャップ変動を示す説明
図である。
図である。
【図５】 本実施形態のギャップと振幅電圧変化率の関
係を示すグラフ図である。
係を示すグラフ図である。
【図６】 従来技術のギャップと振幅電圧変化率の関係
を示すグラフ図である。
を示すグラフ図である。
【図７】 本実施形態の光使用領域の説明図である。
【図８】 従来の反射式エンコーダの構成図である。
【図９】 ギャップ変動と光路の関係を示す説明図であ
る。
る。
【図１０】 他の実施形態の構成図である。
１０ インデックススケール、１２ 第１格子、１４
第２格子、１６ メインスケール、１８ 第３格子、２
０ 受光素子、１００ 光源、１０２ コリメータレン
ズ、１０４ 遮光部材。
第２格子、１６ メインスケール、１８ 第３格子、２
０ 受光素子、１００ 光源、１０２ コリメータレン
ズ、１０４ 遮光部材。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01D 5/26 - 5/38
G01B 11/00 - 11/30
Claims (2)
- 【請求項１】 格子を有する第１部材及び第２部材に光
を照射し、第１部材を透過して第２部材で反射された光
の干渉光を用いて両部材間の変位長を測定する光学式エ
ンコーダであって、 前記第１部材には、同一平面上に第１格子及び第２格子
が設けられ、 前記第２部材には、第３格子が設けられ、 前記第１格子の測長方向と垂直な方向の幅ｗ１と前記第
２格子の測長方向と垂直な方向の幅ｗ２は、光の入射角
が４５°以下においてｗ１＞ｗ２の関係を満たすことを
特徴とする光学式エンコーダ。 - 【請求項２】 前記第１格子と第２格子は、測長方向と
垂直な方向に所定間隔離間して設けられることを特徴と
する請求項１記載の光学式エンコーダ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29282896A JP3429961B2 (ja) | 1996-11-05 | 1996-11-05 | 光学式エンコーダ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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