JP3847283B2 - Optical encoder - Google Patents
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Description
本発明は、光学式エンコーダに関するものである。 The present invention relates to an optical encoder.
光学式エンコーダは、サーボシステムなどにおいて、モータなどの物体の回転運動や並進運動を光学的に検出して、位置や速度を求めるために用いられる。光学式エンコーダは、発光部(発光ダイオードなど)、受光部(フォトダイオードなど)および両者の間を移動する可動コード板を含む。可動コード板には、遮光部と透過部などの2種の領域が交互に設けられる。遮光部は、たとえば、ガラス板にCr蒸着で作成したパターンである。たとえば光学式ロータリーエンコーダでは、モータの回転軸に可動コード板である回転板が取りつけられる。2種の領域からなる部分はスケールとして動作する。モータが回転し、発光部から出射する光が透過部を通ったとき、受光部に入射した光が検出され、受光部からの信号を基に、回転板の位置や速度が検出される。 An optical encoder is used in a servo system or the like to optically detect a rotational motion or translational motion of an object such as a motor and obtain a position and speed. The optical encoder includes a light emitting unit (such as a light emitting diode), a light receiving unit (such as a photodiode), and a movable code plate that moves between them. The movable code plate is provided with two types of regions such as a light shielding portion and a transmission portion alternately. The light shielding part is, for example, a pattern created by Cr vapor deposition on a glass plate. For example, in an optical rotary encoder, a rotating plate, which is a movable code plate, is attached to a rotating shaft of a motor. A portion composed of two types of regions operates as a scale. When the motor rotates and the light emitted from the light emitting unit passes through the transmission unit, the light incident on the light receiving unit is detected, and the position and speed of the rotating plate are detected based on the signal from the light receiving unit.
また、従来の光学式ロータリーエンコーダ(特開平11−287671号公報)には、可動コード板に、遮光部の代わりに、凹凸形状(たとえばV字状形状、梨子地形状)を配置した領域を反射部として設けたものがある。凹凸形状に入射した光は反射、屈折、散乱などにより受光部には入射しないが、凹凸形状を配置しない領域に入射した光は受光部に入射する。これによって出力光を強度変調し、この出力光を受光部で電気変換した信号を処理することにより、位置や速度を検出している。
コード板(光学スケール)に凹凸形状を配置した領域と配置しない領域を設けた上述の光学式ロータリーエンコーダにおいては、凹凸形状により反射、屈折または散乱された光は、受光部に入射することなく利用されないままである。このように透過光を選択的に受光するため、光の利用効率が悪いという問題点があった。光学式エンコーダを高分解能化するためには、コード板を通過して受光素子に入射する光量を多くする必要がある。発光部の出射する光を強くするためには発光素子(たとえば発光ダイオード)の消費電力を増やす必要があるので、消費電力が増大するという問題点があった。 In the optical rotary encoder described above in which the code plate (optical scale) is provided with a region where the uneven shape is arranged and a region where the uneven shape is not provided, the light reflected, refracted or scattered by the uneven shape is used without entering the light receiving part Is not done. As described above, since the transmitted light is selectively received, there is a problem that the light use efficiency is poor. In order to increase the resolution of the optical encoder, it is necessary to increase the amount of light that passes through the code plate and enters the light receiving element. In order to increase the intensity of light emitted from the light emitting unit, it is necessary to increase the power consumption of the light emitting element (for example, a light emitting diode).
この発明の目的は、高分解能で低消費電力の光学式エンコーダを提供することである。 An object of the present invention is to provide an optical encoder with high resolution and low power consumption.
本発明に係る光学式エンコーダは、光を出射する発光部と、発光部からの光をコリメートするレンズと、レンズ側とは反対側の表面にV字状の突起または溝によるパターンが形成されたスケールと、レンズによりコリメートされ、スケールを透過した光を受光する受光部と、レンズに対して発光部の側に設けられ、スケールからレンズ方向に反射されて発光部近傍に進む光をレンズの方向に反射する平面状の反射手段とを備える。 In the optical encoder according to the present invention, a light emitting portion that emits light, a lens that collimates light from the light emitting portion, and a pattern with V-shaped protrusions or grooves formed on the surface opposite to the lens side A scale, a light-receiving unit that receives light collimated by the lens and transmitted through the scale, and a light that is provided on the light-emitting unit side with respect to the lens and that reflects from the scale toward the lens and travels to the vicinity of the light-emitting unit. And a flat reflecting means for reflecting.
レンズに対して発光部の側に平面状の反射手段を配置したことにより、その他の光学系を変更することなく、V字状の溝または突起により反射された光を再反射して、レンズによりスケールに再入射させることが可能になる。このため、発光部からの出射光を効率的に利用でき、消費電流を上げることなく、S/N比の優れたエンコーダを実現できる。 By arranging the planar reflecting means on the light emitting part side with respect to the lens, the light reflected by the V-shaped groove or protrusion is re-reflected without changing the other optical system, and the lens is used. It becomes possible to re-enter the scale. For this reason, the light emitted from the light emitting section can be used efficiently, and an encoder having an excellent S / N ratio can be realized without increasing current consumption.
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図面において、同じ参照記号は同一または同等のものを示す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference symbols denote the same or equivalent.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1による光学式ロータリーエンコーダの光学系の全体構成を示す。LEDなどの発光部1から出射された光は、レンズ2によりコリメートされ、スケール3に入射する。一方、スケール3は、回転軸に取りつけられ、その回りを回転する可動円板であり、樹脂またはガラスにより形成される。スケール3の受光部側の表面の一部分には、スケール3の移動方向(図1では円周方向)にV字状突起が必ずしも一様でない間隔に並べられたV字パターン6が形成されている。スケール3に対して発光部と反対側に配置されたフォトダイオードなどの受光部5は、スケール3を透過した光を受光する。さらに、発光部1の近傍に反射手段4が設けられる。
FIG. 1 shows an overall configuration of an optical system of an optical rotary encoder according to
図2に模式的に示すように、V字状突起は、スケール3の面の垂直方向に対し、45°からわずかに異なる角度の傾斜角を有する。すなわち、V字状突起の2つの傾斜面は、スケールの表面に垂直な面に対して(すなわちレンズ2によりコリメートされた光の入射方向に対して)対称的に設けられるが、傾斜面の光の入射方向に対する角度は45°以外である。レンズ2によりコリメートされた光は、V字パターン6に入射すると、V字状突起がある箇所では臨界角以上で内部全反射により反射されるが、V字状突起がない箇所では透過する。図1に示されるように、スケール3が移動すると(図1では軸を中心として回転すると)、V字パターン6を通過した光は、強度変調された光信号として受光部5に入射し、光電変換されて電気信号となり、当該電気信号を基にスケールの移動位置が検出される。
As schematically shown in FIG. 2, the V-shaped protrusion has an inclination angle slightly different from 45 ° with respect to the vertical direction of the surface of the
図3は、この光学式ロータリーエンコーダの要素部分の構成と動作を模式的に示す。この光学式ロータリーエンコーダの第1の特徴は、レンズ2に対して発光部1の側に反射手段4を設けたことである。反射手段4は、たとえば、発光部1を取り付ける板の表面に設けた金または金合金製のダイパッドなどである。この場合、ダイパッドの上に発光部1が配置される。これにより、発光部1と反射手段4を一体化した配置ができる。この例の場合、発光部1と反射手段4が同一平面内にある。V字状突起における反射光成分の主要部分を再利用するため、反射手段4の大きさをV字状突起の傾斜面の角度とレンズの焦点距離により決まる大きさよりも大とする。発光部1から出射された光は、レンズ2で集光され、スケール3に入射する。スケール3を透過した光は受光部5により検出される。反射手段4により、V字状突起における反射光成分の主要部分を再利用できるため、光の利用効率がさらに向上する。なお、この例では、受光部5は、1列に並べた3個の受光素子(フォトダイオード)51〜53からなる。
FIG. 3 schematically shows the configuration and operation of the element part of the optical rotary encoder. The first feature of this optical rotary encoder is that the reflecting means 4 is provided on the
この光学式ロータリーエンコーダの第2の特徴は、V字状突起は2つの傾斜面からなっているが、V字パターン6の傾斜角がスケールの表面に垂直な方向に対し45°とはわずかに異なる角度であることである。すなわち、傾斜角は45°近傍であるが、45°以外の角度である。スケール3のV字パターン6からの反射光は、V字パターン6のV字状突起の傾斜角が45°ならば、レンズ2を通過後に、V字状突起の2つの傾斜面で反射されて、発光素子1の発光点に再入射する。これに対し、傾斜角が45°と異なる場合には、V字状突起に入射した光は、V字状突起の2つの傾斜面で順次反射されて発光器1の方向に反射されるが、反射光は入射光とは平行でない。従って、反射光は発光点からずれた位置に集光され、再反射される。45°からの角度ずれをΔθ、レンズ2の焦点距離をfとすると、発光点と同一面内における集光点(再反射点)と発光点の距離ΔLは、次の式(1)で表わされる。
ΔL=f×tanθ
ただし、θ=4×Δθ
たとえば、Δθが1°、レンズの焦点距離fが3mmならば、再反射点と発光点との距離は210μmである。反射手段4の大きさは、距離ΔLを考慮して決定する。なお、反射手段4の位置は、発光部1と同一面内のほか、発光部1に対してレンズ2の反対側、あるいは、発光部1の光束を妨げない範囲で発光部1とレンズ2の間にあってもよい。そのような場合も、反射手段の寸法は、スケールから反射される光の位置を考慮して設定すればよい。
The second feature of this optical rotary encoder is that the V-shaped projection has two inclined surfaces, but the inclination angle of the V-shaped pattern 6 is slightly 45 ° with respect to the direction perpendicular to the surface of the scale. It is a different angle. That is, the inclination angle is in the vicinity of 45 ° but is an angle other than 45 °. The reflected light from the V-shaped pattern 6 of the
ΔL = f × tan θ
However, θ = 4 × Δθ
For example, if Δθ is 1 ° and the focal length f of the lens is 3 mm, the distance between the re-reflection point and the light emitting point is 210 μm. The size of the reflecting means 4 is determined in consideration of the distance ΔL. Note that the position of the reflecting means 4 is within the same plane as the
スケール3から反射された光は、反射手段4により反射され、発光部1からの出射光と同様に、レンズ2によりコリメートされて、スケール3にV字状突起以外の部分に入射される。このようなスケール3への再入射成分7が存在すると、発光部1からの出射光が増加した場合と同様に、受光部5で受光する光強度の振幅が増大し、S/N特性が向上する。図3は、この様子を図式的に示す。
The light reflected from the
このように、V字パターン6の角度を45°からわずかに異なる角度とし、かつ、レンズに対して発光部1の側に反射手段4を配置したことにより、反射手段4による再反射光7をレンズ2によりスケール3に再入射させることが可能になる。このスケール3への再入射によって入射光の平均レベルが上がることにより、発光部1からの出射光を増加させなくても(すなわち、発光部1の光源の駆動電流を上げることなく)、光の利用効率が上がる。このため、スケール3への入射光を増加させることにより、S/N比を改善できる。このように、消費電流を上げることなく発光部1からの出射光を効率的に利用でき、S/N比の優れたエンコーダを実現できる。これにより高分解能で低消費電力のエンコーダが実現できる。
In this way, the angle of the V-shaped pattern 6 is slightly different from 45 °, and the reflecting means 4 is arranged on the
なお、スケール3のV字パターン6は、上述の例では、図1の受光部1に近い側の面でのV字状突起であるが、一般的には、スケール3の受光部側の表面に形成したV字の突起または溝であってもよい。
Note that the V-shaped pattern 6 of the
実施の形態2.
図4は、本発明の実施の形態2の光学式ロータリーエンコーダの要素部分の構成と動作を模式的に示す。この光学式ロータリーエンコーダは、実施の形態1の光学式ロータリーエンコーダと同様の構成を備え、反射手段をレンズに対して発光部の側に設け、スケールからレンズ近傍方向に反射されて発光部近傍に進む光をレンズの方向に反射する。この光学式ロータリーエンコーダは、さらに、スケール13に、光を回折する微細な複数のV字状突起を並べたV字パターン16を設けるという特徴がある。すなわち、スケール13は、ガラスまたは樹脂の平板の表面に、隣接して配置された複数のV字状の突起によるパターンを必ずしも一定でない間隔で設けたものであり、複数のV字状の突起の大きさが入射光を回折する大きさである。なお、V字状突起の2つの傾斜面の角度は、スケールの表面に垂直な方向に対し45°であるものとする。このV字パターン16に入射した光は、回折されるとともに、発光部の方に反射される。また、この光学式ロータリーエンコーダでは、レンズに対して発光部1の側に設けた反射手段4の大きさを、V字パターン6で反射した光の回折成分の主要部を再度反射可能な大きさにする。これにより、反射手段4に入射した回折光がスケール13に再び入射する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 4 schematically shows the configuration and operation of the element part of the optical rotary encoder according to the second embodiment of the present invention. This optical rotary encoder has the same configuration as that of the optical rotary encoder according to the first embodiment, and the reflecting means is provided on the light emitting unit side with respect to the lens, and is reflected in the lens vicinity direction from the scale and in the vicinity of the light emitting unit. Reflects the traveling light in the direction of the lens. This optical rotary encoder is further characterized in that the
さらに説明すると、発光部1から出射した光がレンズ2を介して、スケール13に入射する。その後、V字パターン16で回折光が反射される。この反射光の回折角度θdは、以下の式(2)で表わされる。
θd=sin−1(λ/d)×m
ここに、m=±1,±2,・・・であり、λは波長であり、dはV字状突起のピッチ間隔である。たとえば、ピッチ間隔dが20μm、波長λが850nmならば、回折角度θdは、2.4×m°である。反射された回折光は、反射手段4でさらに反射されて、レンズ2の方向に進行する。回折角度に対応する再反射点の発光点からの距離ΔLは上の式で表わされるため、回折光の再反射点は発光点から±126μmの整数倍の距離にある点であり、反射手段4は、1次回折光を反射するためには、発光部と同一面内に設ける場合、少なくとも252μm以上の幅が必要である。このように、反射手段4の大きさをV字状突起のピッチ間隔dと波長λとレンズの焦点距離に対応した大きさ以上にして、V字状突起における反射光の回折光の主要部を反射手段4により再反射する。なお、反射手段4の位置は、発光部1と同一面内だけでなく、実施の形態1と同様に、発光部1に対してレンズ2と反対側、または発光部1とレンズ2の間でかつ発光部1からの光束を妨げない位置であってもよい。これにより、発光部1からの出射光を増加させなくても、光の利用効率が上がり、スケール13への入射光を増加させ、S/N特性を改善することが可能となる。また、V字状突起の角度を45°からずらす必要がないので、屈折率が小さく、臨界角が45°に近い材料の場合、有効である。なお、この実施の形態2においても、実施の形態1と同様に、V字状突起の代わりにV字状溝を用いてもよい。
More specifically, light emitted from the
θ d = sin −1 (λ / d) × m
Here, m = ± 1, ± 2,..., Λ is the wavelength, and d is the pitch interval of the V-shaped projections. For example, if the pitch interval d is 20 μm and the wavelength λ is 850 nm, the diffraction angle θ d is 2.4 × m °. The reflected diffracted light is further reflected by the reflecting means 4 and travels in the direction of the lens 2. Since the distance ΔL from the light-emitting point of the re-reflection point corresponding to the diffraction angle is expressed by the above formula, the re-reflection point of the diffracted light is a point that is a distance that is an integral multiple of ± 126 μm from the light-emitting point. In order to reflect the first-order diffracted light, a width of at least 252 μm or more is required when it is provided in the same plane as the light emitting portion. In this way, the size of the reflecting means 4 is set to be larger than the size corresponding to the pitch interval d of the V-shaped projections, the wavelength λ, and the focal length of the lens. Reflected again by the reflecting means 4. Note that the position of the reflecting means 4 is not only in the same plane as the
図5は、スケール13が図の右方向に移動するときに、再反射光がない場合(比較例)と再反射光がある場合とにそれぞれ検出される光強度を左側と右側に示す。図5に示されるように、再反射光が利用できると、光の利用効率が上がり、光強度の振幅が増加する。これにより、S/N特性が改善される。
FIG. 5 shows the light intensity detected on the left side and the right side when the
なお、上述の実施の形態1,2は光学式ロータリーエンコーダについて説明したが、直線状のスケールを用いれば、上述の説明は光学式リニアエンコーダにも適用できる。
In addition, although the above-mentioned
1 発光部、 2 レンズ、 3 スケール、 4 反射手段、 5 受光部、 6 V字スケール、 13 スケール。 1 light emitting part, 2 lens, 3 scale, 4 reflecting means, 5 light receiving part, 6 V-shaped scale, 13 scale.
Claims (5)
発光部からの光をコリメートするレンズと、
レンズ側とは反対側の表面にV字状の突起または溝によるパターンが形成されたスケールと、
レンズによりコリメートされ、スケールを透過した光を受光する受光部と、
レンズに対して発光部の側に設けられ、スケールからレンズ近傍方向に反射されて発光部近傍に進む光をレンズの方向に反射する平面状の反射手段と
を備えた光学式エンコーダ。 A light emitting unit for emitting light;
A lens that collimates the light from the light emitting section;
A scale having a pattern formed by a V-shaped protrusion or groove on the surface opposite to the lens side;
A light receiving unit for receiving light collimated by the lens and transmitted through the scale;
An optical encoder provided with a planar reflecting means provided on the light emitting unit side with respect to the lens and reflecting in the lens direction the light reflected from the scale in the lens vicinity direction and traveling toward the light emitting unit.
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