JP4343350B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物体の移動量や回転量等の変位を測定する光学式スケールを用いた光学式エンコーダに関し、特に、被測定物体の変位方向も同時に検出可能な簡単な構成の光学式エンコーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、被測定物体の移動量や回転量の検出を光学式スケールを利用して行う、いわゆる光学式エンコーダが、例えば、特開昭５９−６３５１７号公報、特公昭５７−１２１０４号公報、特開昭６０−１４０１１９号公報等で提案されている。
【０００３】
この内、例えば特公昭５７−１２１０４号公報においては、図１３に示すように、光透過性部材より成り、３角形状の断面の溝２０ａを有する溝付き格子を備えた光学式スケール２０を用いた光学式エンコーダが開示されている。
【０００４】
この光学式エンコーダは、３角形状の溝２０ａの傾斜面で２方向に射出した光束を２個の受光素子で各々検出することにより、出力信号として１８０度の電気的位相差を持つ２相出力信号（プッシュプル出力関係の２相信号）を取り出している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の上記光学式エンコーダにおいては、９０度の位相差を有する２相出力信号を得ようとする場合には、２相の出力信号の強度関係を等しくするための調整手段等を必要とするため、構成が複雑になり、好ましい方法ではなかった。
【０００６】
こうした問題点を解決するために、特公平７−３３４２号公報においては、図１３を例として示すと、光学式の可動スケールのＶ型溝２０ａと、それに隣接するＶ型溝２０ａのピッチをＰとした時、このＶ型溝２０ａの片側傾斜面の幅をＰ／４とし、９０度の位相差を有する２相出力信号を得ることを可能とした光学式エンコーダが開示されている。
【０００７】
しかし、格子周期と等しい光強度分布を有する像の重ね合わせによるモアレ現象にしか適用できないという問題点があった。
【０００８】
本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、０度〜１８０度の範囲内で任意の位相差を有する２つの出力信号、特に、９０度の位相差を有する出力信号を容易に得ることができ、被測定物の変位方向も同時に求めることが可能で、しかも格子周期の正数倍の周期の光強度分布を有する像の重ね合わせによる変位量検出が可能な、簡単な構成の光学式エンコーダを提供することを課題としている。
【０００９】
請求項１の発明は、格子状の光透過部を有する第１スケールと、
変位方向に対して垂直方向で、且つ前記第1スケールに対向する面に設けられたＶ型溝と光透過平面部とが該変位方向に対して周期的に設けられ、前記第1スケールに対して相対的に平行移動する第２スケールと、
前記第１スケールの光透過部を介して前記第２スケールのＶ型溝に入射させた後、前記Ｖ型溝の各傾斜面で偏向された光束を受光するように配置した２つの受光素子とを備え、前記２つの受光素子より出力される２相出力信号を用いて前記被測定物の変位方向及び変位量を検出する構成の光学式エンコーダにおいて、
前記第１スケールの格子状の光透過部のピッチをＰ１、前記第２スケールのＶ型溝と該V型溝に隣接するＶ型溝のピッチをＰ２、前記出力信号の位相差をθとすると、
Ｐ２＝Ｐ１×２ｍ（ｍ=1,2,3・・・）
の関係を満たす時、出力信号周期Ｐ１で任意の位相差θの信号を得るために、第２スケールを、そのＶ型溝の片側傾斜面の幅をＶ、前記光透過平面部の幅をＦとすると、
Ｖ＝Ｐ１×（ｎπ−θ）／２π（n=1,2,3・・・）
Ｆ＝Ｐ２−２Ｖ
の関係を満たすように形成したことを特徴としている。
【００１０】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記変数ｎ、ｍ、θの値を適宜選択することにより前記第２スケールの形状を決定することを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は本発明の光学式エンコーダの概略図、図２は、図１に示す可動スケールの斜視図（Ａ）と可動スケールの光束の進行方向の断面図（Ｂ）である。
【００１３】
図１において、１は発光素子で、集光作用をするレンズ部１ａを有している。２は第１スケールである固定スケールであり、格子状の光透過部２ａと光遮光部２ｂとを等間隔で周期的にピッチＰ１で設けている。３は第２スケールである可動スケールであり、固定スケール２と平行に対向配置すると共に、図示しない被測定物に取り付けられている。４ａ,４ｂ,４ｃは各々受光素子であり、後述する可動スケール３の各領域からの光束を各々受光する。５は増幅回路、６は波形整形回路であり、増幅回路５からの出力信号を波形整形している。７は方向判別カウンタであり、波形整形回路６からの２つの所定の位相差を有した出力信号を用いて可動スケール３の移動方向を判別している。
【００１４】
可動スケール３は、ガラス若しくはプラスチックによりモールド形成された平行平板状で厚さｔの透明材料から成り、図２にも示すように、発光素子１からの光束の入射面上に、この可動スケール３の可動方向（矢印Ｄ方向）に対して垂直方向に格子ピッチＰ２で設けたＶ型溝３１と、可動方向Ｄに対して平行方向にＶ型溝３１と隣接してピッチＰ２を形成するように設けた光透過平面部３２とから構成されている。Ｖ型溝３１は２つの傾斜面３ａ,３ｃから成り、光透過平面部３２は光透過平面３ｂを有している。
【００１５】
ここで、固定スケール２の格子ピッチＰ１と、可動スケール３の格子ピッチＰ２が、
Ｐ２＝Ｐ１×２ｍ、（ｍ＝1,2,3,・・・）
の関係を満たすという条件の下において、出力信号周期がＰ１で任意の位相差θの信号を得るために、可動スケール３のＶ型溝３１の片側傾斜面の幅（片幅）をＶ、光透過平面部３２の幅をＦとすると、
Ｖ＝Ｐ１×（ｎπ−θ）／２π（n=1,2,3,・・・）
Ｆ＝Ｐ２−２Ｖ
の関係を満たすように可動スケール３を形成する。この実施形態では、上記変数ｍ、ｎ、θがそれぞれ、ｍ＝１、ｎ＝１、θ＝９０°の場合を示している。
【００１６】
したがって、固定スケール２の格子ピッチＰ１は可動スケール３の格子ピッチＰ２の１／２倍に設定されており、図２（Ｂ）に示すように、Ｖ型溝３１の２つの傾斜面３ａ,３ｃの幅Ｖが等しく各々ピッチＰ２の１／８（ピッチＰ１の１／４の幅）となるように、又、光透過平面部３２の幅ＦがピッチＰ２の３／４となるように設定している。
【００１７】
Ｖ型溝３１を形成する２つの傾斜面３ａ,３ｃが、光透過平面３ｂに対してなす角度αは各々４５度であり、射出側平面３ｄは光透過平面３ｂと平行になっている。
【００１８】
上記構成において、図３に示すように、発光素子１からの平行光束の内、固定スケール２の透過部２ａを通過した光束が可動スケール３に入射する。可動スケール３の平面光透過部３２を通過した光束は直進して受光素子４ｂに入射し、Ｖ型溝３１に入射した光束は屈折して受光素子４ａ,４ｃ上に入射する。参考までに、発光素子１からの平行光束を固定スケール２を介さずに可動スケール３に入射させた場合を示すと、図４のように、その大部分は光透過平面部３２を直進して受光素子４ｂに入射し、可動スケール３のＶ型溝３１に入射した光束のみ受光素子４ａ,４ｃに入射する。
【００１９】
尚、本実施形態においては、受光素子４ｂは特に設けなくても良く、受光素子４ａ,４ｃからの出力信号の位相関係が明確であれば良い。
【００２０】
次に、受光素子４ａ,４ｃからの出力信号の位相関係について説明する。固定スケール２の格子ピッチＰ１が可動スケール３のピッチＰ２と同一の場合と、この実施形態のように異なる場合とでは、受光素子４ａ,４ｃからの出力信号の位相差も異なってくる。そこで、出力信号の位相差θを任意に設定し、それぞれの場合に上記変数ｍ、ｎの値を変化させた時に、可動スケール３のピッチＰ２、Ｖ型溝３１の片側傾斜面の幅Ｖ、光透過平面部３２の幅Ｆがそれぞれどのように変化するか、上記計算式にしたがって算出して見た。
【００２１】
出力信号の位相差θを９０度に設定した場合を表１に、θを６０度に設定した場合を表２にそれぞれ示している。この表から明らかなように、θ＝６０°、又はθ＝９０°何れの場合も、ｍ＝１〜５、ｎ＝１〜１１と変化させた場合に応じて、種々のピッチＰ２、Ｖ型溝３１の片幅Ｖ、光透過平面部３２の幅Ｆが、上記計算式に応じて必然的に決定される。但し、（ｍ，ｎ）＝（１，３）、（２，５）、（３，７）、（４，９）、（５，１１）の場合は、θ＝６０°、θ＝９０°何れの場合も光透過平面部３２の幅Ｆの値がマイナスとなるため、適用できない。
【００２２】
したがって、表１、又は表２から、所望の位相差を設定した時の、可動スケール３の各部の寸法を適宜選択することができる。本実施形態は、表１において、（ｍ，ｎ，θ）＝（１，１，９０）の場合を示しており、固定スケール２のピッチＰ１＝２０.０、可動スケール３のピッチＰ２＝４０.０、Ｖ型溝３１の片幅Ｖ＝５.０、光透過平面部３２の幅Ｆ＝３０.０、の各値（mm）を採用している。尚、表１と表２共に、最上段はピッチＰ１とピッチＰ２が等しい場合を示している。
【００２３】
本実施形態では、可動スケール３に空間的に強度分布が一様な平行光束を垂直に入射させ、入射光束を可動スケール３の３つの領域３ａ,３ｂ,３ｃで３方向に分割している。この内、傾斜面の３ａ,３ｃの傾きによって決定される方向に射出した光束を各々受光素子４ａ,４ｃに入射させ、又、光透過平面３ｂに垂直入射した光束を受光素子４ｂに入射させている。
【００２４】
この傾斜面３ａ,３ｃの幅Ｖと、光透過平面部３２の幅Ｆを、表１から適宜選択して設定することにより、特に、位相差θが９０度の出力信号を容易に得ることができる。そして、受光素子４ａ,４ｃからの所定の位相差を有した２つの出力信号を用いて可動スケール３の移動量及び移動方向等の変位状態を検出している。
【００２５】
尚、受光素子４ｂからの出力信号を利用して発光素子１からの出力光を監視するようにしても良い。
【００２６】
次に、本実施形態において、可動スケール３と固定スケール２との相対的位置の違いによる、発光素子１からの射出した光束の各受光素子４ａ,４ｂ,４ｃへの入射状態について、代表的な４つの状態を図５〜図８を参照して説明する。
【００２７】
図５は、固定スケール２の光透過部２ａが可動スケール３の光透過平面３ｂと重なった場合である。固定スケール２の光透過部２ａを通過した平行光束は全て可動スケール３の光透過平面３ｂを通過し、受光素子４ｂに入射する。この時、受光素子４ａ,４ｃには光束は入射しない。
【００２８】
図６は、固定スケール２の光透過部２ａが可動スケール３の光透過平面３ｂの一部とと傾斜面３ａに重なった場合である。したがって、固定スケール２の光透過部２ａを通過した光束は、その一部が光透過平面３ｂのみ入射し、残りが傾斜面３ａを含んだ領域に入射する。その結果、可動スケール３からの射出光束は受光素子４ａ,４ｂに入射する。
【００２９】
図７は、固定スケール２の光透過部２ａが可動スケール３のＶ型溝３１の両傾斜面３ａ,３ｃに重なった場合である。固定スケール２の光透過部２ａを通過した光束は、その一部が傾斜面３ａ,３ｃに入射し、残りが光透過平面３ｂのみに入射する。この結果、受光素子４ａ,４ｂ,４ｃに光束が入射する。
【００３０】
図８は、固定スケール２の光透過部２ａが可動スケール３の光透過平面３ｂの一部と傾斜面３ｃに重なった場合である。固定スケール２の光透過部２ａを通過した光束は、その一部が光透過平面３ｂのみに入射し、残りが傾斜面３ｃを含む領域に入射する。この結果、受光素子４ｂ,４ｃに光束が入射する。この時、受光素子４ａには光束は入射しない。
【００３１】
次に、図５〜図８に示した固定スケール２と可動スケール３との相対的位置を連続的に変化させた時の各受光素子４ａ,４ｂ,４ｃで受光される光量変化について、図９を参照して説明する。同図（Ａ）は、図５〜図８に示した固定スケール２と可動スケール３との相対的変位に対する光量変化を示す理論上の特性線図である。これは、発光素子１からの射出光は平行光束であること、固定スケール２の透過部からの射出光は回折しないこと、又、可動スケール３の各入射面と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４ａ,４ｂ,４ｃの出力信号Ａ,Ｂ,Ｃを示している。
【００３２】
同図（Ｂ）は、実際に本実施形態の光学式エンコーダを組み立てた場合の、前述の各仮定が成り立たない状態での各受光素子４ａ,４ｂ,４ｃからの出力信号の実際の波形を示している。各受光素子４ａ,４ｂ,４ｃで受光される光量変化を、横軸を可動スケール３の変化量に取って示している。図中Ａ,Ｃは、受光素子４ａ,４ｃで受光される光量の相対的変位を示しており、両方の位相関係は９０度ずれたものとなっている。
【００３３】
同図（Ｂ）,（Ａ）、何れの場合も、受光素子４ａ,４ｃからの出力信号は互いに９０度の位相差を有している。
【００３４】
尚、本実施形態においては、可動スケール３のＶ型溝３１の傾斜面３ａ,３ｃは、図２（Ｂ）に示したように、光透過平面３ｂに対して４５度の傾斜角度αを有しているが、これに限定されるものではなく、傾斜面３ａ,３ｃに入射した光束が容易に２方向に分離し、２つの受光素子に入射する角度であれば何度であっても良い。但し、可動スケール３の傾斜角度αがあまり小さいと、光束の分離角度が小さくなり、受光素子４ａ,４ｃを可動スケール３から遠く離した位置に配置しなければならなくなり、装置全体が大型化してくるので好ましくない。又、傾斜角度αが大き過ぎると、傾斜面３ａ，３ｃで屈折した光束が底面である射出側面３ｄにおいて全反射してしまうので、全反射しない程度の角度に設定する必要がある。加えて、全反射しなくても傾斜角αが大きいと面３ｄでの光量損失が増加するので、傾斜角度αは、
３０（度）＜α＜６０（度）
の範囲内に設定するのが望ましい。
【００３５】
本実施形態においては、図２（Ｂ）に示すように、可動スケール３の光入射面を、前述したように、Ｖ型溝３１の傾斜面３ａ，３ｃの幅Ｖを各々Ｐ２／８、光透過平面部３２の幅を３Ｐ２／４としてピッチＰ２を構成し、２つの受光素子４ａ，４ｃからの出力信号に９０度の位相差を付与した場合を示し、また表２のように、位相差θが６０度の場合の各値の変化を示したが、位相差θは０度〜１８０度の範囲内で任意の値を選択することができる。
【００３６】
以上の各実施形態において、可動スケール３と固定スケール２との配置を交換し、発光素子１側に可動スケール３を配置し、受光素子４ａ,４ｂ,４ｃ側に固定スケール２を配置しても同様の効果を期待することができる。
【００３７】
次に、他の実施形態について図１０を参照して説明する。この実施形態は、上記実施形態の図１に示す光学式スケールと同様の構成であるが、異なっているのは、表１において、（ｍ，ｎ，θ）＝（１，２，９０）の場合の可動スケール３０のＶ溝片側幅Ｖ、光透過平面部３２幅Ｆの寸法を採用した点である。上記計算式に、これらの値を代入することにより、図１０において、可動スケール３０のＶ型溝３０１の２つの傾斜面３０ａ,３０ｃの幅Ｖは各々ピッチＰ２の３／８に、Ｖ型溝３０１の幅はピッチＰ２の３／４に、又、光透過平面部３０２の幅ＦはピッチＰ２の１／４となるように各々設定している。
【００３８】
また、Ｖ型溝３０１を形成する２つの傾斜面３０ａ,３０ｃが、光透過平面３０ｂに対してなす角度αは各々４５度であり、射出側平面３０ｄは光透過平面３０ｂと平行になっていてその厚さはｔである。
【００３９】
言うまでもないことであるが、Ｖ型溝３０１及び光透過平面部３０２の幅がこのような割合で設定された可動スケール３０を用いても、上記実施形態の光学式スケールと同様の効果を期待することができる。
【００４０】
次に、本発明の光学式エンコーダをロータリーエンコーダ、及びリニアエンコーダに適用した時の一実施形態を図１１及び図１２に示している。図１１、図１２において、
上記実施形態と同一部材には同一番号を付しており説明を省略する。２１及び２２は固定スケール、３３及び３４は可動スケールである。可動スケール３３,３４は、例えば、図２に示す構成を有している。図１１において、可動スケール３３は軸１２０を中心に回転する。
【００４１】
可動スケール３３,３４は、何れも、被測定物体に各々取り付けられている。固定スケール２１,２２の透過部と可動スケール３３,３４のＶ型溝を通過した光束を受光素子４ａ,４ｃで所定の位相差を付与した状態で受光することにより、被測定物体の変位方向及び変位量を検出する。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１スケールの格子状の光透過部のピッチをＰ１、第２スケールのＶ型溝とそれに隣接するＶ型溝のピッチをＰ２、出力信号の位相差をθとすると、Ｐ２＝Ｐ１×２ｍ（ｍ=1,2,3・・・）の関係を満たす時、出力信号周期Ｐ１で任意の位相差θの信号を得るために、第２スケールを、そのＶ型溝の片側傾斜面の幅をＶ、光透過平面部の幅をＦとすると、Ｖ＝Ｐ１×（ｎπ−θ）／２π（n=1,3,4・・・）、Ｆ＝Ｐ２−２Ｖの関係を満たすように形成したので、変数ｎ、ｍ、θの値を適宜選択することにより、この可動スケールを通過した光束を２つの受光素子に各々入射させて、任意の位相差を有する２つの出力信号、特に、９０度の位相差を有する出力信号を容易に得ることができる。
【００４３】
また、Ｖ型溝周期の正数倍の光強度分布像との重ね合わせにより、さらに高精度に変位量検出が可能になる。
【００４４】
特に、従来の検出方法で問題となっていた光源の指向性、固定スケールと可動スケールとのアジマス角のズレ、そして固定スケールと可動スケールの空隙間の変動等による位相差付与の誤差が改善された、安定した出力信号が得られる光学式エンコーダを構成することができる。
【００４５】
【表１】

【００４６】
【表２】

【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す光学式エンコーダの基本構成を示す斜視図。
【図２】可動スケールを示す斜視図（Ａ）と側面図（Ｂ）。
【図３】図１の光学式エンコーダの光束の進行状態を示す説明図。
【図４】固定スケールを配置しない場合の光束の進行状態を示す説明図。
【図５】固定スケールに対して可動スケールがすべての光束が直進するような位置にある場合を示す説明図。
【図６】固定スケールに対して可動スケールが光束の一部が左側に屈折するような位置にある場合を示す説明図。
【図７】固定スケールに対して可動スケールが光束の大部分が左右に屈折するような位置にある場合を示す説明図。
【図８】固定スケールに対して可動スケールが光束の一部が右側に屈折するような位置にある場合を示す説明図。
【図９】可動スケールを連続的に変位させた時の受光素子の光量変化を示す特性線図であって理論上の想定線図（Ａ）と実際の測定線図（Ｂ）。
【図１０】本発明の他の実施形態を示す可動スケールの側面図。
【図１１】本発明をロータリーエンコーダに適用した場合を示す概略図。
【図１２】本発明をリニアエンコーダに適用した場合を示す概略図。
【図１３】従来の可動スケールを示す側面図。
【符号の説明】
１ 発光素子
２ 固定スケール（第１スケール）
３ 可動スケール（第２スケール）
３ａ,３ｃ 傾斜面
３ｂ 光透過平面
３ｄ 射出側面
４ａ,４ｂ,４ｃ 受光素子
３１ Ｖ型溝
３２ 光透過平面部
Ｐ１ 固定スケールのピッチ
Ｐ２ 可動スケールのピッチ
Ｖ Ｖ型溝の片側幅
Ｆ 光透過平面部の幅

Claims (2)

1. 格子状の光透過部を有する第１スケールと、
   変位方向に対して垂直方向で、且つ前記第1スケールに対向する面に設けられたＶ型溝と光透過平面部とが該変位方向に対して周期的に設けられ、前記第1スケールに対して相対的に平行移動する第２スケールと、
   前記第１スケールの光透過部を介して前記第２スケールのＶ型溝に入射させた後、前記Ｖ型溝の各傾斜面で偏向された光束を受光するように配置した２つの受光素子とを備え、前記２つの受光素子より出力される２相出力信号を用いて前記被測定物の変位方向及び変位量を検出する構成の光学式エンコーダにおいて、
   前記第１スケールの格子状の光透過部のピッチをＰ１、前記第２スケールのＶ型溝と該V型溝に隣接するＶ型溝のピッチをＰ２、前記出力信号の位相差をθとすると、
   Ｐ２＝Ｐ１×２ｍ（ｍ=1,2,3・・・）
   の関係を満たす時、出力信号周期Ｐ１で任意の位相差θの信号を得るために、第２スケールを、そのＶ型溝の片側傾斜面の幅をＶ、前記光透過平面部の幅をＦとすると、
   Ｖ＝Ｐ１×（ｎπ−θ）／２π（n=1,2,3・・・）
   Ｆ＝Ｐ２−２Ｖ
   の関係を満たすように形成したことを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記変数ｎ、ｍ、θの値を適宜選択することにより前記第２スケールの形状を決定することを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。

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