JP3500214B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発光素子と受光素子とス
リットを有する移動板とからなる光学式エンコーダに関
する。より詳しくは、光学的な手段を用いてエンコーダ
出力の高分解能化を図る技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１１は従来の光学式エンコーダの一例
を示す模式的な斜視図である。回転変位するディスクか
らなる移動板１０１には、その周方向に沿って所定のピ
ッチでスリット１０２が形成されている。移動板１０１
の一面側には光源となる発光素子１０３が固定配置され
ている。発光素子１０３と移動板１０１の間にはレンズ
１０４が介在しており、光源からの発散光を平行光に変
換する。なお、レンズ１０４は必ずしも必要なものでは
ない。移動板１０１の他面側には固定マスク１０５を介
して受光素子１０６が配置されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図１１に示した従来の
光学式エンコーダでは、発光素子１０３と受光素子１０
６が対面配置し、両者の間に移動板１０１と固定マスク
１０５が介在している。発光素子１０３から放射した光
源光は回転変位するスリット１０２と固定マスク１０５
とにより断続的に透過／遮断され、受光素子１０６の受
光量が周期的に変化する。受光素子１０６はこの受光量
変化に応じて電気信号を出力し移動板１０１の変位を検
出している。この構成では、スリット１０２と固定マス
ク１０５の間隔を小さくし、光源光を平光ビームにしな
いと、高分解能なエンコーダ出力は実現できない。この
方式では、スリット１０２の配列ピッチを精々１００μ
ｍ程度にまで微細化するのが限界であった。

【０００４】高分解能化を図る為、コヒーレントな光
（可干渉光）の回折及び干渉を利用した光学式エンコー
ダが知られており、例えば特開昭６２−２００２１９号
公報に開示されている。このエンコーダは光源と、この
光源で得られる所定の方向に偏光した可干渉光束を分割
する偏光ビームスプリッタと、これにより分割された複
数の光束を移動可能な回折格子に向ける第１光学系と、
回折格子から出射する複数の回折光を重ね合わせる第２
光学系と、この重ね合わされた光束を受光する受光素子
とを有している。受光素子から出力される信号により回
折格子の移動状態を検出する。この光学式エンコーダは
回折格子を利用しており、そのスリットピッチは数μｍ
程度まで高分解能化できる。しかしながら、光源として
レーザが必要であり且つ構成光学部品の点数が増える
為、価格が高いという欠点がある。

【０００５】高分解能化を目的として拡大光学系を用い
たエンコーダも知られており例えば特開昭５７−１０４
８１５号公報に開示されている。このエンコーダは等し
い角度ピッチの透明部／不透明部を円周上に配置したス
リットを有する移動板と、そのスリットを照明する光源
と、ラインセンサと、照明を受けたスリットを拡大投影
してラインセンサの画素ピッチと略等しくなる様に結像
する投影レンズと、ラインセンサの出力から移動板の回
転角を算出する処理回路とを備えている。拡大光学系を
利用する事によりスリットピッチを１０μｍ程度まで微
細化可能である。しかしながら、このエンコーダは拡大
光学系を採用する為、光軸方向にサイズが大型化すると
共に、発光素子と受光素子の間隔が離間する。光学構成
が立体的となり大型化が避けられないと共に価格的にも
不利である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した様に、従来の技
術ではエンコーダ出力の高分解能化を図ろうとすると、
部品点数が増加したりサイズが大型化したり、形状的に
も無理が生じるという課題があった。かかる従来の技術
の課題を解決する為以下の手段を講じた。即ち、本発明
にかかる光学式エンコーダは基本的な構成として、第１
領域及び第２領域を通過する移動板と、該移動板の一面
側で第１領域に対面配置した光源と、該移動板の一面側
で第２領域に対面配置した受光素子と、該移動板の他面
側で第１領域と第２領域の間に介在する投影手段とを備
えている。前記移動板は第１領域及び第２領域を結ぶ移
動方向に沿って一定のピッチで配列したスリットを有す
る。前記光源は第１領域を通過するスリットを照明して
スリット物像を形成する。前記投影手段は第１領域に映
し出された該スリット物像を反転したスリット実像に等
倍変換して第２領域に投影する。前記受光素子は第２領
域を通過するスリットをマスクとして反対方向に移動す
る該スリット実像を受光し該移動板の変位を検出する。

【０００７】 具体的には、前記投影手段は第１領域に
対面する対物レンズと第２領域に対面する結像レンズと
を含み、等倍反転光学系を構成する。さらに具体的に
は、前記投影手段は台形プリズムを含んでおり、該対物
レンズは台形プリズムの入射面に配される一方、該結像
レンズは台形プリズムの出射面に配されている。また、
前記移動板のスリットの列に沿って一対の平行トラック
を有している。一方のトラックに属するスリットの部分
は他方のトラックに属するスリットの部分に対し１／８
ピッチだけ空間位相が実効的にずれている。これに応じ
て、前記受光素子は一対の平行トラックに対応して一対
の受光領域を備えており、該移動板の変位量に加え変位
方向の検出を可能にしている。

【０００８】 本発明の一態様によれば、前記移動板は
一定のピッチで配列したスリットの列からなる主トラッ
クに加え、第１領域と第２領域の距離に対応した間隔で
配置した一対の基準スリットパタンからなる副トラック
を有している。これに応じて、前記受光素子は主トラッ
クと副トラックに夫々割り当てられた受光領域を有し、
該移動板の変位に加えその基準位置を検出可能にしてい
る。

【０００９】

【作用】本発明によれば、受光素子と光源を構成する発
光素子とは移動板に対して同一面側に配置されている。
受光素子と発光素子を光学的に接続する投影手段は移動
板の反対面側に配置されている。従って、極めてコンパ
クトな光学式エンコーダの実装構造が可能になる。投影
手段は発光素子によって照明されたスリット物像を反転
したスリット実像に等倍変換して受光素子側に投影す
る。受光素子はスリットをマスクとして反対方向に移動
するスリット実像を受光する事により、移動板の変位を
検出する。移動板に形成されたスリット自体をマスクと
して用いる為、固定マスク等を別部品として設ける必要
がない。スリットそのものとスリット実像は互いに反対
方向に移動する為、実効的なスリットピッチが１／２と
なり、従来に比し２倍の分解能が達成できる。

【００１０】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかる光学式エンコー
ダの第１実施例を示す模式的な斜視図である。図示する
様に、光学式エンコーダは移動板１とＬＥＤ等の発光素
子からなる光源２とフォトトランジスタアレイ等からな
る受光素子３と投影手段４とを備えている。本例では移
動板１は回転変位するディスクからなり、第１領域Ａ及
び第２領域Ｂを通過する様に組み込まれている。光源２
は移動板１の下面側で第１領域Ａに対面配置している。
受光素子３も移動板１の下面側で第２領域Ｂに対面配置
している。投影手段４は移動板１の上面側で第１領域Ａ
と第２領域Ｂの間に介在している。

【００１１】移動板１は第１領域Ａ及び第２領域Ｂを結
ぶ移動方向（本例では周方向）に沿って一定のピッチＰ
で配列したスリット５を有する。光源２は第１領域Ａを
通過するスリット５を照明してスリット物像を形成す
る。投影手段４は第１領域Ａに照し出された該スリット
物像を反転したスリット実像に等倍変換して第２領域Ｂ
に投影する。受光素子３は第２領域Ｂを通過するスリッ
ト５をマスクとして、反対方向に移動する該スリット実
像を受光し、移動板１の回転変位を検出する。

【００１２】図２は、図１に示した光学式エンコーダの
側面形状を表わしている。図示する様に、光源２と受光
素子３は移動板１の同一面側に配され、投影手段４は移
動板１の反対側に配されている。これにより、光学式エ
ンコーダの実装構造をコンパクト化できる。投影手段４
は第１領域Ａに対面する対物レンズ６と第２領域Ｂに対
面する結像レンズ７とを含み、等倍反転光学系を構成す
る。この投影手段４はさらに台形プリズム８を含んでお
り、対物レンズ６及び結像レンズ７と共に一体成形され
る。対物レンズ６は台形プリズム８の入射面に配され、
結像レンズ７は台形プリズム８の出射面に配されてい
る。

【００１３】引き続き図２を参照して、本光学式エンコ
ーダの動作を詳細に説明する。ＬＥＤ等の発光素子から
なる光源２は移動板１に形成されたスリット５を照射
し、第１領域Ａにスリット物像９を映し出す。このスリ
ット物像９は対物レンズ６を介して台形プリズム８の第
１全反射面１０により反射され、光路の中間に位置する
焦平面１１に結像する。この結像は台形プリズム８の第
２全反射面１２により反射され結像レンズ７を介して第
２領域Ｂ上にスリット実像１３を投影する。換言する
と、対物レンズ６と結像レンズ７は台形プリズム８を介
して光学的には同一の光軸１４上にあり、その中間点に
焦平面１１を持つ等倍反転光学系である。第１領域Ａ及
び第２領域Ｂに夫々のレンズの物点及び像点が位置す
る。対物レンズ６と結像レンズ７は同一の焦点距離を有
しており、本光学系の倍率は１である。台形プリズム８
は光路変換用であり、第１全反射面１０及び第２全反射
面１２の傾斜角は４５°に設定されている。前述した様
に、対物レンズ６及び結像レンズ７と台形プリズム８は
一体的に成形されている。

【００１４】光源２で第１領域Ａ上に映し出されたスリ
ット物像９は、投影手段４を介して第２領域Ｂ上にスリ
ット実像１３として投影される。受光素子３は移動板１
に形成されたスリット５そのものをマスクとしてこのス
リット実像１３を受光する。この時、スリット実像１３
は対物レンズ６により一度結像されている為、台形プリ
ズム８の中間に位置する焦平面１１に関しスリット物像
９と面対称となる。従って、スリット実像１３は第２領
域Ｂにおいてスリット５そのものと裏向きに重なる。
又、スリット実像１３の移動方向はスリット５そのもの
の移動方向に対し反対方向となる。従って、受光素子３
に入射する光量はスリット実像１３に対しスリット５自
身がマスクとなる為、移動板１の回転変位に伴なって周
期的に増減する。しかも、スリット５のピッチＰの半分
でスリット５自身とスリット実像１３が相対的に反対方
向に動く為、結局スリットピッチの２倍の分解能のエン
コーダ出力が得られる。

【００１５】図３は投影手段４の光学的な等倍反転機能
を模式的に表わしたものである。前述した様に、対物レ
ンズ６と結像レンズ７は台形プリズム８により連結され
ている。第１全反射面１０及び第２全反射面１２は４５
°の傾斜角を有している。この光学構成では対物レンズ
６の光軸１４ａが２回の全反射で結像レンズ７の光軸１
４ｂと重なる。この光学系は中間の焦平面１１を対称面
とする対称構造を有している。この結果、第１領域Ａに
照し出された物像Ｒは裏向きになって第２領域Ｂに投影
され、物像Ｒを移動方向に沿ってひっくり返した実像が
得られる。

【００１６】図４はスリット物像９とスリット実像１３
の移動方向を模式的に表わしたものである。（Ａ）の例
では、第１領域と第２領域が周方向に沿って離間してお
り、台形プリズム８は両者の間に配置されている。スリ
ット物像９が移動板の回転変位に伴なって反時計方向に
移動すると、スリット実像１３は逆に時計方向に移動す
る。一方、（Ｂ）の例では、第１領域と第２領域がディ
スク形状の移動板の直径方向に沿って離間しており、台
形プリズム８も直径方向に渡って延在している。この例
でも、スリット物像９が反時計方向に移動すると、スリ
ット実像１３は逆に時計方向に移動する。

【００１７】図５は、第２領域Ｂにおけるスリット５自
身とスリット実像１３の配置関係を模式的に表わしたも
のである。受光素子３に入射する光量は、スリット実像
１３に対しスリット５自身がマスクとなる為、移動板１
の回転変位により周期的に増減する。しかも、スリット
ピッチＰの１／２でスリット５自身とスリット実像１３
が矢印で示す様に各々反対方向に動く為、スリットピッ
チＰの１／２単位毎に１回の光量増減が生じる。結局、
スリットピッチＰの２倍の分解能のエンコーダ出力が得
られる。

【００１８】光学式エンコーダでは、移動板の変位量に
加えて変位方向を検出したい場合が多い。この時には、
互いに位相が９０°ずれた一対のエンコーダ出力が必要
になる。両出力の相対的な位相関係に従って変位方向が
検出できる。図６は変位方向の検出を可能にしたスリッ
ト構造及び受光素子構造の例を二通り示している。
（Ａ）の例では、移動板１は一定のピッチＰで配列した
スリット５の列に沿って一対の平行トラック２１，２２
を有している。径方向外側のトラック２１に属するスリ
ット５の部分は、内側のトラック２２に属するスリット
５の部分に対し１／８ピッチだけ空間位相がずれてい
る。従って、外側のトラック２１でスリット５自身とス
リット実像１３が重なった状態にある時、内側のトラッ
ク２２ではスリット５自身とスリット実像１３が１／４
ピッチ分だけシフトしている。これに対応して、受光素
子３は外側の受光領域２３と内側の受光領域２４とを備
えている。これにより、受光素子３は位相が互いに９０
°ずれた一対の電気信号を出力する事になり、移動板１
の変位方向が検出できる。

【００１９】（Ｂ）の例では、移動板１の径方向に対
し、スリット５が若干傾斜した状態で形成されており、
内側のトラックに属するスリット５の部分が、外側のト
ラックに属するスリット５の部分に対し、１／８ピッチ
だけ空間位相が実効的にずれる様にしている。この結
果、外側のトラックでスリット５自身とスリット実像１
３が一致した状態にある時、内側のトラックではスリッ
ト５自身とスリット実像１３とが実効的に１／４ピッチ
だけシフトする事になる。

【００２０】光学式エンコーダでは、移動板の変位量及
び変位方向に加えて、その基準位置を検出したい場合が
多い。図７は基準位置検出に可能にしたスリット構成を
表わしている。図示する様に、移動板１は一定のピッチ
で配列したスリット５の列からなる主トラックに加え、
第１領域Ａと第２領域Ｂの距離に対応した間隔で配置し
た一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂからなる副
トラックを有している。これに対応して、受光素子は主
トラックと副トラックに夫々割り当てられた受光領域を
有し、移動板１の変位に加えその基準位置を検出する。
具体的には、一対の基準スリットパタン２５ａ，２５ｂ
は各々単スリットからなり、主トラック側のスリット５
の列に対し内側に配置されている。両スリットパタン２
５ａ，２５ｂの角度間隔θは、第１領域Ａ及び第２領域
Ｂ間の角度間隔と等しい。いま移動板１が時計方向に回
転変位していると、一方の基準スリットパタン２５ａが
第２領域Ｂに到達した時、他方のスリットパタン２５ｂ
が第１領域Ａに達し、その実像が第２領域Ｂに投影され
る。従って、受光素子は基準スリットパタン２５ｂの実
像が基準スリットパタン２５ａ自身に重なった時、移動
板１の基準位置を表わす検出信号を出力する事になる。
なお、基準位置検出を行なう場合、第１領域Ａと第２領
域Ｂを直径方向に離間して配置する事は好ましくない。
換言すると、θ＝１８０°となる条件は避けるべきであ
る。θ＝１８０°の時には移動板５の１回転につき２回
の基準位置検出出力が生じてしまう。

【００２１】図８は、基準位置の検出を可能にした他の
構成例を表わしている。本例においても、移動板１は一
定のピッチで配列したスリット５の列からなる主トラッ
ク２６に加え、第１領域と第２領域の各距離に対応した
角度間隔θで配置した一対の基準スリットパタン２５
ａ，２５ｂからなる副トラック２７を有している。これ
に対応して、受光素子３は主トラック２６と副トラック
２７に夫々割り当てられた受光領域を有している。本例
では、各基準スリットパタン２５ａ，２５ｂは不等間隔
に配列した複数のスリットからなる。スリットを複数個
設ける事により、受光量が増大する。一対のスリットパ
タン２５ａ，２５ｂは互いに対称的に配置されており、
一方のスリットパタン自体と他方のスリットパタンの実
像とが受光領域において完全に重なる様に設計されてい
る。なお、本例では各基準スリットパタンに含まれるス
リットの本数は３本であるが、これに限られるものでは
なく実際には５〜６本が適当である。

【００２２】図９は、本発明にかかる光学式エンコーダ
の第２実施例を示す模式図である。基本的な構成は、図
１及び図２に示した第１実施例と同様であり、対応する
部分には対応する参照番号を付して理解を容易にしてい
る。異なる点は投影手段４の構成であり、本実施例では
台形プリズムに代えて反射鏡３０，３１を用い対物レン
ズ６と結像レンズ７を同一光軸上に配置している。本例
では、反射鏡３０及び３１の２回反射により、スリット
物像とは反転関係になるスリット実像を形成している。

【００２３】図１０は本発明にかかる光学式エンコーダ
の第３実施例を示す模式図である。基本的な構成は図１
に示した第１実施例と同様であり、対応する部分には対
応する参照番号を付して理解を容易にしている。異なる
点は、移動板１が回転変位ではなく直線変位を行なう事
である。図示する様に、移動板１は第１領域Ａ及び第２
領域Ｂを直線的に通過する。光源２は移動板１の一面側
で第１領域Ａに対面配置している。受光素子３は同じく
移動板１の一面側で第２領域Ｂに対面配置している。投
影手段４は移動板１の他面側で第１領域Ａと第２領域Ｂ
の間に介在する。移動板１は第１領域Ａ及び第２領域Ｂ
を結ぶ直線移動方向に沿って、一定のピッチで配列した
スリット５を有している。

【００２４】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、受
光素子と光源が移動板の一面側に配置し、両者を光学的
に連結する投影手段が移動板の他面側に配置されてい
る。投影手段は光源によって照し出されたスリット物像
を反転したスリット実像に等倍変換して受光素子に投影
する。受光素子はスリット自身をマスクとして反対方向
に移動するスリット実像を受光し移動板の変位を検出し
ている。かかる構成によれば、光源を構成する発光素子
や受光素子を移動板に対し同一面上に配置できる為、こ
れらの素子を搭載する回路基板が一枚で済む。又、スリ
ット自身がそのままマスクとなる為追加の固定マスクは
不必要である。さらに、スリット１ピッチ分の移動で２
個のエンコーダパルス出力が得られる為、従来に比し分
解能が２倍になる。又、照明光として可干渉なコヒーレ
ント光を使う必要がなくコンパクトで部品点数も少な
く、価格的に有利な高分解能光学式エンコーダが実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる光学式エンコーダの第１実施例
を示す斜視図である。

【図２】第１実施例の側面図である。

【図３】第１実施例に組み込まれる投影手段の機能説明
図である。

【図４】同じく投影手段の機能説明図である。

【図５】スリット自身とスリット実像の位置関係を示す
模式的な断面図である。

【図６】変位方向検出を可能とするスリットパタンの例
を示す模式的な平面図である。

【図７】基準位置検出を可能とするスリットパタンの例
を示す模式的な平面図である。

【図８】同じく基準位置検出を可能とするスリットパタ
ンの他の例を示す模式的な平面図である。

【図９】本発明にかかる光学式エンコーダの第２実施例
を示す模式図である。

【図１０】本発明にかかる光学式エンコーダの第３実施
例を示す斜視図である。

【図１１】従来の光学式エンコーダの一例を示す斜視図
である。

【符号の説明】

１ 移動板 ２ 光源 ３ 受光素子 ４ 投影手段 ５ スリット ６ 対物レンズ ７ 結像レンズ ８ 台形プリズム ９ スリット物像 １３ スリット実像

───────────────────────────────────────────────────── 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 - 5/28

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１領域及び第２領域を通過する移動板
   と、該移動板の一面側で第１領域に対面配置した光源
   と、該移動板の一面側で第２領域に対面配置した受光素
   子と、該移動板の他面側で第１領域と第２領域の間に介
   在する投影手段とを備えた光学式エンコーダであって、 前記移動板は第１領域及び第２領域を結ぶ移動方向に沿
   って一定のピッチで配列したスリットを有するととも
   に、 該スリットの列に沿って一対の平行トラックを有し、 一方のトラックに属するスリットの部分は他方のトラッ
   クに属するスリットの部分に対し１／８ピッチだけ空間
   位相が実効的にずれていて、 前記光源は第１領域を通過するスリットを照明してスリ
   ット物像を形成し、 前記投影手段は第１領域に照し出された該スリット物像
   を反転したスリット実像に等倍変換して第２領域に投影
   し、 前記受光素子は第２領域を通過するスリットをマスクと
   して反対方向に移動する該スリット実像を受光し該移動
   板の変位を検出すると共に、一対の平行トラックに対応
   して一対の受光領域を備えており該移動板の変位方向を
   検出する事を特徴とする光学式エンコーダ。
2. 【請求項２】 前記投影手段は、第１領域に対面する対
   物レンズと第２領域に対面する結像レンズとを含み、等
   倍反転光学系を構成する事を特徴とする請求項１記載の
   光学式エンコーダ。
3. 【請求項３】 前記投影手段は台形プリズムを含んでお
   り、該対物レンズは台形プリズムの入射面に配され、該
   結像レンズは台形プリズムの出射面に配されている事を
   特徴とする請求項２記載の光学式エンコーダ。
4. 【請求項４】 前記移動板は一定のピッチで配列したス
   リットの列からなる主トラックに加え第１領域と第２領
   域の距離に対応した間隔で配置した一対の基準スリット
   パタンからなる副トラックを有し、前記受光素子は主ト
   ラックと副トラックに夫々割り当てられた受光領域を有
   し該移動板の変位に加えその基準位置を検出する事を特
   徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。