JP4543311B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents
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Description
本発明は、相対変位する２つの物体の機械的変位を電気的信号に変換する光学的変位検出器に関し、特に３種類の格子によって制限された光の強度の変化から２つの物体の機械的相対変位を検出する光学式エンコーダに関する。
従来、相対変位する２つの物体の機械的変位を３種類の格子によって制限された光の強度の変化から検出する光学式リニアエンコーダが開示されている。（例えば、実用新案文献１参照）。
図４は従来の光学式リニアエンコーダの側面図である。
図４において、１１はガラス製メインスケールであり、相対変位する図示しない一方の部材に固定されている。１２はメインスケール１１の上面に形成された第１格子であり、ピッチＰ１の反射パターンが形成されている。１０はセンサヘッドであり、相対変位する図示しない他方の部材に固定されている。１３は光源であり、照明光を照射する発光ダイオード（ＬＥＤ）またはランプ等からなる。１４は第２格子であり、光源１３からの照明光を一部遮断して、第１格子１２を照明するためのピッチＰ２の透過パターンが形成されている。１５は第３格子であり、第２格子１４および第１格子１２によって制限された照明光を更に制限するための、第２格子１４と独立したピッチＰ３のパターンが形成されている。１６はガラス製インデックススケールであり、第２格子１４と第３格子１５が形成されている。１７は受光素子であり、第２格子１４、第１格子１２、第３格子１５によって制限された照明光を検出する。
図５はメインスケール１１の上面図、図６はメインスケール１１の側面図である。ピッチＰ１の縦縞目盛りの第１格子１２の反射部１２ａがパターン形成されている。なお、１２ｂは透過部である。通常、反射部１２ａはメインスケール裏面部からの乱反射光による多重反射の影響を低減するために、ガラス表面上に一旦、酸化クロム膜１２１ａを形成し、その上に反射用のクロム膜１２２ａを形成している(図６)。
また、図７は、インデックススケール１６の上面図である。インデックススケール１６の中央に、複数の線光源を形成するためのピッチＰ２の第２格子１４が形成され、その両側に位相が互いに９０°づつずれたピッチＰ３の＋ａ相、＋ｂ相、−ａ相、−ｂ相の４つの第３格子１５が形成されており、その周囲は外乱光等の防止のため、酸化クロム蒸着面となっている。各格子のピッチの関係は、幾何光学的システムまたは回折効果的システムを用いた設定になっている。
図４は従来の光学式リニアエンコーダの側面図である。
図４において、１１はガラス製メインスケールであり、相対変位する図示しない一方の部材に固定されている。１２はメインスケール１１の上面に形成された第１格子であり、ピッチＰ１の反射パターンが形成されている。１０はセンサヘッドであり、相対変位する図示しない他方の部材に固定されている。１３は光源であり、照明光を照射する発光ダイオード（ＬＥＤ）またはランプ等からなる。１４は第２格子であり、光源１３からの照明光を一部遮断して、第１格子１２を照明するためのピッチＰ２の透過パターンが形成されている。１５は第３格子であり、第２格子１４および第１格子１２によって制限された照明光を更に制限するための、第２格子１４と独立したピッチＰ３のパターンが形成されている。１６はガラス製インデックススケールであり、第２格子１４と第３格子１５が形成されている。１７は受光素子であり、第２格子１４、第１格子１２、第３格子１５によって制限された照明光を検出する。
図５はメインスケール１１の上面図、図６はメインスケール１１の側面図である。ピッチＰ１の縦縞目盛りの第１格子１２の反射部１２ａがパターン形成されている。なお、１２ｂは透過部である。通常、反射部１２ａはメインスケール裏面部からの乱反射光による多重反射の影響を低減するために、ガラス表面上に一旦、酸化クロム膜１２１ａを形成し、その上に反射用のクロム膜１２２ａを形成している(図６)。
また、図７は、インデックススケール１６の上面図である。インデックススケール１６の中央に、複数の線光源を形成するためのピッチＰ２の第２格子１４が形成され、その両側に位相が互いに９０°づつずれたピッチＰ３の＋ａ相、＋ｂ相、−ａ相、−ｂ相の４つの第３格子１５が形成されており、その周囲は外乱光等の防止のため、酸化クロム蒸着面となっている。各格子のピッチの関係は、幾何光学的システムまたは回折効果的システムを用いた設定になっている。
次に、動作について説明する。
メインスケール１１が取り付けられた一方の部材（図示せず）が、光源１３、インデックススケール１６、受光素子１７が取り付けられた他方の部材（図示せず）に対して相対変位すると、第３格子１５の＋ａ相、＋ｂ相、−ａ相、−ｂ相を通過し、各受光素子１７に入射する光量が変化する。その光量変化を各受光素子１７で電気信号に変換することにより、２つの部材の変位の方向と変位量を検出する。
このように、従来の光学式リニアエンコーダは、１次元方向に相対変位する２つの物体の変位を検出していた。
実公平７−８８８号公報
メインスケール１１が取り付けられた一方の部材（図示せず）が、光源１３、インデックススケール１６、受光素子１７が取り付けられた他方の部材（図示せず）に対して相対変位すると、第３格子１５の＋ａ相、＋ｂ相、−ａ相、−ｂ相を通過し、各受光素子１７に入射する光量が変化する。その光量変化を各受光素子１７で電気信号に変換することにより、２つの部材の変位の方向と変位量を検出する。
このように、従来の光学式リニアエンコーダは、１次元方向に相対変位する２つの物体の変位を検出していた。
従来の光学式リニアエンコーダは、検出信号の直流成分が大きく、２つの物体の相対変位に対応した変化分である交流成分が小さい、すなわちＳＮ比が低いという問題があった。
そのため、種々の機器と組み合わせ使用する際、耐ノイズ性が低いという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、２つの物体の相対変位に対応した信号成分である交流成分を大きくし、ＳＮ比を改善することにより、耐ノイズ性を向上させた光学式エンコーダを提供することを目的とする。
なお、ＳＮ比とは検出信号の直流成分に対する交流成分のピーク・ツウ・ピーク値（ｐｐ値）を言う。
そのため、種々の機器と組み合わせ使用する際、耐ノイズ性が低いという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、２つの物体の相対変位に対応した信号成分である交流成分を大きくし、ＳＮ比を改善することにより、耐ノイズ性を向上させた光学式エンコーダを提供することを目的とする。
なお、ＳＮ比とは検出信号の直流成分に対する交流成分のピーク・ツウ・ピーク値（ｐｐ値）を言う。
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の光学式エンコーダの発明は、相対変位する一方の部材に固定される第１格子が形成されたメインスケールと、相対変位する他方の部材に固定される照明光を射出する光源と、前記光源からの照明光を複数光束に分割して前記メインスケールを照明するための第２格子及び前記第２格子と前記第１格子によって制限された照明光を更に制限するための前記第２格子と独立した位相が互いに異なる複数の第３格子が形成されたインデックススケールと、前記第１乃至第３格子によって制限された照明光をそれぞれ検出する複数の受光素子とを備え、前記受光素子の検出信号から前記両部材の相対変位を検出する光学式エンコーダにおいて、前記メインスケールは透明材料からなり、前記メインスケールの表面には、透過部と反射部からなる周期的パターンを有する前記第１格子が形成され、前記メインスケールの裏面には反射手段が形成され、前記反射手段が反射作用のある金属薄膜や誘電体材料で形成された反射膜であり、前記第１格子を反射した照明光と前記反射手段で反射され前記第１格子を透過した照明光を加えた照明光を前記受光素子で検出し、前記両部材の相対変位を検出することを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の光学式エンコーダにおいて、前記第１格子の反射部は、前記反射手段側からの光に対して反射することを特徴とする。
請求項１に記載の光学式エンコーダの発明は、相対変位する一方の部材に固定される第１格子が形成されたメインスケールと、相対変位する他方の部材に固定される照明光を射出する光源と、前記光源からの照明光を複数光束に分割して前記メインスケールを照明するための第２格子及び前記第２格子と前記第１格子によって制限された照明光を更に制限するための前記第２格子と独立した位相が互いに異なる複数の第３格子が形成されたインデックススケールと、前記第１乃至第３格子によって制限された照明光をそれぞれ検出する複数の受光素子とを備え、前記受光素子の検出信号から前記両部材の相対変位を検出する光学式エンコーダにおいて、前記メインスケールは透明材料からなり、前記メインスケールの表面には、透過部と反射部からなる周期的パターンを有する前記第１格子が形成され、前記メインスケールの裏面には反射手段が形成され、前記反射手段が反射作用のある金属薄膜や誘電体材料で形成された反射膜であり、前記第１格子を反射した照明光と前記反射手段で反射され前記第１格子を透過した照明光を加えた照明光を前記受光素子で検出し、前記両部材の相対変位を検出することを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の光学式エンコーダにおいて、前記第１格子の反射部は、前記反射手段側からの光に対して反射することを特徴とする。
請求項１に記載の発明によると、メインスケールの裏面からの反射光が検出信号として加わるので、信号成分である交流成分を大きくし、ＳＮ比を改善するとことができ、光学式エンコーダの耐ノイズ性を向上できる。
請求項２に記載の発明によると、第１格子の反射部からの反射光が検出信号として加わるので、信号成分である交流成分をさらに大きくし、ＳＮ比を改善するとことができ、光学式エンコーダの耐ノイズ性を向上できる。
請求項２に記載の発明によると、第１格子の反射部からの反射光が検出信号として加わるので、信号成分である交流成分をさらに大きくし、ＳＮ比を改善するとことができ、光学式エンコーダの耐ノイズ性を向上できる。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施例を示す光学式リニアエンコーダの側面図である。
図において、１１はガラス製メインスケールであり、相対変位する一方の部材（図示せず）に固定されている。１２はメインスケール１１の表面に形成された第１格子であり、ピッチＰ１の反射パターンが形成されている。１８は反射手段でメインスケール１１の裏面側に形成されている。反射手段１８は、反射作用のある金属薄膜や誘電体材料で形成することが可能である。本実施例においては、クロム膜を形成している。
１０はセンサヘッドであり、相対変位する他方の部材（図示せず）に固定されている。１３は照明光を照射する光源であり、本実施例ではＬＥＤを用いた。１４は第２格子であり、光源１３からの照明光を一部遮断して、第１格子１２を照明するためのピッチＰ２の透過パターンが形成されている。１５は第３格子であり、第２格子１４および第１格子１２によって制限された照明光を更に制限するための、第２格子１４と独立したピッチＰ３のパターンが形成されている。１６はガラス製インデックススケールであり、第２格子１４と第３格子１５が形成されている。１７は受光素子であり、第２格子１４、第１格子１２、第３格子１５によって制限された照明光を検出する。
図２はメインスケールの側面図である。１２ａはメインスケール１１の表面に形成された第１格子の反射部であり、ガラス表面上に一旦、酸化クロム膜１２１ａを形成し、その上に反射用のクロム膜１２２ａを形成している。
本発明が従来技術と異なる点は、メインスケールの裏面に反射手段１８を備えた点である。
図において、１１はガラス製メインスケールであり、相対変位する一方の部材（図示せず）に固定されている。１２はメインスケール１１の表面に形成された第１格子であり、ピッチＰ１の反射パターンが形成されている。１８は反射手段でメインスケール１１の裏面側に形成されている。反射手段１８は、反射作用のある金属薄膜や誘電体材料で形成することが可能である。本実施例においては、クロム膜を形成している。
１０はセンサヘッドであり、相対変位する他方の部材（図示せず）に固定されている。１３は照明光を照射する光源であり、本実施例ではＬＥＤを用いた。１４は第２格子であり、光源１３からの照明光を一部遮断して、第１格子１２を照明するためのピッチＰ２の透過パターンが形成されている。１５は第３格子であり、第２格子１４および第１格子１２によって制限された照明光を更に制限するための、第２格子１４と独立したピッチＰ３のパターンが形成されている。１６はガラス製インデックススケールであり、第２格子１４と第３格子１５が形成されている。１７は受光素子であり、第２格子１４、第１格子１２、第３格子１５によって制限された照明光を検出する。
図２はメインスケールの側面図である。１２ａはメインスケール１１の表面に形成された第１格子の反射部であり、ガラス表面上に一旦、酸化クロム膜１２１ａを形成し、その上に反射用のクロム膜１２２ａを形成している。
本発明が従来技術と異なる点は、メインスケールの裏面に反射手段１８を備えた点である。
次に、動作について説明する。
図２において、第２格子１４を透過し、メインスケール１１を照射した照明光の内、第１格子１２で反射された照明光Ｉ1と、第１格子１２の透過部１２ｂを透過し、メインスケール１１の裏面側に形成した反射手段１８により、メインスケール１１の表面側に反射され、再び第１格子１２を透過した照明光Ｉ2が第３格子１５へ入射する。すなわち、従来の照明光Ｉ1に加えて照明光Ｉ2が第３格子１５へ入射する。
図２において、第２格子１４を透過し、メインスケール１１を照射した照明光の内、第１格子１２で反射された照明光Ｉ1と、第１格子１２の透過部１２ｂを透過し、メインスケール１１の裏面側に形成した反射手段１８により、メインスケール１１の表面側に反射され、再び第１格子１２を透過した照明光Ｉ2が第３格子１５へ入射する。すなわち、従来の照明光Ｉ1に加えて照明光Ｉ2が第３格子１５へ入射する。
次に本実施例における光学式リニアエンコーダの特性について述べる。
メインスケール１１の裏面側に形成した反射手段１８の効果を確認するため、メインスケール１１の裏面側に反射手段を持たないリニアスケール（条件１）、メインスケール１１の裏面側にクロム膜の反射手段を形成したリニアスケール（条件２）を試作し特性を測定した。
条件１のリニアスケールではＳＮ比は１５％しかなかったが、メインスケールの裏面にクロム膜により反射手段を設けた条件２のリニアスケールではＳＮ比が２５％に改善できた。
ただし、条件１および条件２のリニアスケールの格子ピッチは以下の通りである。
第１格子ピッチＰ１＝４０μｍ
第２格子ピッチＰ２＝４０μｍ
第３格子ピッチＰ３＝４０μｍ
各格子のパターン幅は格子ピッチの１／２とした。
また、第１格子パターンは、ガラス表面上に一旦、酸化クロム膜１２１ａを形成し、その上に反射用のクロム膜１２２ａを形成した。
このように本実施例では第３格子を通過し、受光素子に入射する照明光の信号成分が増加し、ＳＮ比を改善することができる。
メインスケール１１の裏面側に形成した反射手段１８の効果を確認するため、メインスケール１１の裏面側に反射手段を持たないリニアスケール（条件１）、メインスケール１１の裏面側にクロム膜の反射手段を形成したリニアスケール（条件２）を試作し特性を測定した。
条件１のリニアスケールではＳＮ比は１５％しかなかったが、メインスケールの裏面にクロム膜により反射手段を設けた条件２のリニアスケールではＳＮ比が２５％に改善できた。
ただし、条件１および条件２のリニアスケールの格子ピッチは以下の通りである。
第１格子ピッチＰ１＝４０μｍ
第２格子ピッチＰ２＝４０μｍ
第３格子ピッチＰ３＝４０μｍ
各格子のパターン幅は格子ピッチの１／２とした。
また、第１格子パターンは、ガラス表面上に一旦、酸化クロム膜１２１ａを形成し、その上に反射用のクロム膜１２２ａを形成した。
このように本実施例では第３格子を通過し、受光素子に入射する照明光の信号成分が増加し、ＳＮ比を改善することができる。
図３は本発明の第２実施例を示すメインスケールの側面図である。
本発明が実施例１と異なる点は、メインスケール１１表面に形成した第１格子１２の反射部１２ａを光源１３側からの光に対しても、反射手段１８側からの光に対しても反射するようにした点である。
本発明が実施例１と異なる点は、メインスケール１１表面に形成した第１格子１２の反射部１２ａを光源１３側からの光に対しても、反射手段１８側からの光に対しても反射するようにした点である。
次に、動作について説明する。
本実施例では、第１格子の反射部１２ａは反射手段１８側からの光に対しても反射するように構成しおり、反射手段１８により反射され、第１格子１２の反射部１２ａに到達した光Ｉ3はメインスケール１１内部を抜け出すまで減衰することなく何度も第１格子の反射部１２ａとメインスケールの反射手段１８の間で反射を繰り返す。
本実施例では、第１格子の反射部１２ａは反射手段１８側からの光に対しても反射するように構成しおり、反射手段１８により反射され、第１格子１２の反射部１２ａに到達した光Ｉ3はメインスケール１１内部を抜け出すまで減衰することなく何度も第１格子の反射部１２ａとメインスケールの反射手段１８の間で反射を繰り返す。
次に、本発明の第２実施例の特性について述べる。
実際に、第１格子パターンにクロム膜を形成した（条件３）の光学式リニアエンコーダを試作し、ＳＮ比を求めたところ、３０％に改善できた。
ただし、条件３のリニアスケールの格子ピッチはおよび各格子のパターン幅は条件１および条件２の場合と同じである。
このように本実施例では第２格子を透過し、第１格子を透過した光は、すべて再び第１格子を透過するので、実施例１における照明光Ｉ1、Ｉ2に加えて照明光Ｉ3を検出信号として利用できるので信号成分である交流成分をさらに大きくし、ＳＮ比を改善することができる
実際に、第１格子パターンにクロム膜を形成した（条件３）の光学式リニアエンコーダを試作し、ＳＮ比を求めたところ、３０％に改善できた。
ただし、条件３のリニアスケールの格子ピッチはおよび各格子のパターン幅は条件１および条件２の場合と同じである。
このように本実施例では第２格子を透過し、第１格子を透過した光は、すべて再び第１格子を透過するので、実施例１における照明光Ｉ1、Ｉ2に加えて照明光Ｉ3を検出信号として利用できるので信号成分である交流成分をさらに大きくし、ＳＮ比を改善することができる
本発明は、３種類の格子を用いた光学式エンコーダの基本特性を向上させるものであり、リニアエンコーダ、ロータリエンコーダ、２次元エンコーダ等に利用でき、工作機械等種々の産業機器の位置決め用センサに適用できる。
１０ センサヘッド
１１ メインスケール
１２ 第１格子
１３ 光源
１４ 第２格子
１５ 第３格子
１６ インデックススケール
１７ 受光素子
１８ 反射手段
１１ メインスケール
１２ 第１格子
１３ 光源
１４ 第２格子
１５ 第３格子
１６ インデックススケール
１７ 受光素子
１８ 反射手段
Claims (2)
- 相対変位する一方の部材に固定される第１格子が形成されたメインスケールと、
相対変位する他方の部材に固定される照明光を射出する光源と、
前記光源からの照明光を複数光束に分割して前記メインスケールを照明するための第２格子及び前記第２格子と前記第１格子によって制限された照明光を更に制限するための前記第２格子と独立した位相が互いに異なる複数の第３格子が形成されたインデックススケールと、
前記第１乃至第３格子によって制限された照明光をそれぞれ検出する複数の受光素子と、を備え、前記受光素子の検出信号から前記両部材の相対変位を検出する光学式エンコーダにおいて、
前記メインスケールは透明材料からなり、前記メインスケールの表面には、透過部と反射部からなる周期的パターンを有する前記第１格子が形成され、前記メインスケールの裏面には反射手段が形成され、前記反射手段が反射作用のある金属薄膜や誘電体材料で形成された反射膜であり、前記第１格子を反射した照明光と前記反射手段で反射され前記第１格子を透過した照明光を加えた照明光を前記受光素子で検出し、前記両部材の相対変位を検出することを特徴とする光学式エンコーダ。 - 前記第１格子の反射部は、前記反射手段側からの光に対して反射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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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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