JPH02176419A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は移動物体の直線的移動量、成るいは回転体の回
転量等を検出する光学式エンコーダに係る。

（従来の技術） 従来の光学式エンコーダは例えば特開昭５９−２２４５
１３号公報に示されているように、表面に明暗格子縞を
有し移動物体等に取り付けられている移動スケールと、
半導体レーザと、この半纏体レーザからのレーザ光を所
定のスポット光の径に集光し、上記移動スケールの面上
に照射する第１の光学系と、上記移動スケールからの透
過光又は反射光を受光する第２の光学系と、受光素子と
を有している。半導体レーザから放射されたレーザ光は
第１光学系のコリメータレンズによって平行光に変換さ
れ、この平行光は集光レンズによって集光され、移動ス
ケールの面上に所定の大きさの円形のスポット光を作る
。移動スケールが移動したとき、移動スケールの反射光
又は透過光強度は、スポット光が明暗格子縞の明部に入
射したときに最大となり、暗部に入射したときに最少と
なる。このような変調を受けた移動スケールの反射光又
は透過光は第２の光学系により受光素子に入射し、電気
信号に変換される。得られる出力電圧信号がパルス化さ
れ、計数されることによって、移動物体の移動量が検出
される。

（発明が解決しようとする課Ｂ） 上記のように構成されている従来の光学式エンコーダは
、上記のようにして移動量の検出はできるが、実用上必
要となる移動方向の判別はできない上に、検出分解能の
向上を図ることもできない。

従って、本発明の目的は簡単な構成にて、移動方向の判
別が可能で、検出分解能を高めることのできる光学式エ
ンコーダを提供することである。

（課題を解決するための手段） 上記の課題を解決する本発明の光学式エンコーダは、表
面に明暗格子縞を有する移動スケールと、多ビーｌ、の
分割光をもたらす半導体レーザ並びに光学的手段と、分
割された光を複数のスポット光として、しかも１つ以上
のスポット光を単位とする少なくとも２つ以上の複数単
位としてスケール面に集光させる光学系と、多分割受光
素子と、上記スポット光の反射光又は透過光をそれぞれ
対応する各受光素子上へ集光させる光学系とを有し、上
記単位の中の第１のスポット光単位及びそれに対応する
明暗格子縞と、第２のスポット光単位及びそれに対応す
る明暗格子縞とにおけるスポット光単位又は明暗格子縞
がスケールの移動方向に明暗格子縞のピッチの１／４づ
つ相互にずらしてあることを特徴とする。

（作用） 本発明による光学式エンコーダは上記のように構成され
ているので、移動スケールが移動したとき、第１のスポ
ット光単位及びそれに対応する明暗格子縞と、第２のス
ポット光単位及びそれに対応する明暗格子縞とによって
９０’位相が異なる１組のメイン信号が得られ、信号相
互の位相関係を検出することにより、移動方向の判別が
可能となり、また得られたメイン信号を公知の内挿法に
よって処理することにより、検出分解能が高められる。

（実施例） 第１図は本発明による光学式エンコーダの一実施例を示
しており、特にスポット光単位が１個のスポット光から
成っている場合の実施例を示している。図中、ｌは半導
体レーザ、２は回折格子、３はコリメータレンズ、４は
ハーフミラ−１５は集光レンズ、６は移動スケール、７
は集光レンズ、８は３分割受光素子である。

半導体レーザ１から放射される光は回折格子２により３
ビームに分割され、次に各ビームはコリメータレンズ３
により平行光に変換され、この平行光は集光レンズ５に
より集光され、移動スケール６の面上に３個の所定の大
きさの円形スポット光Ａ、Ｂ、Ｃを作る。これら３個の
スポット光の反射光は集光レンズ５、ハーフミラ−４、
集光レンズ７を経て３分割受光素°子８へ同様のスポッ
ト光ＡＺＢＺＣＺ　として入射する。

受光素子８は第２図に示すように配列された３個の独立
の素子８Ａ、８Ｂ、８Ｃから成っており、スポット光Ａ
、Ｂ、Ｃの反射光をそれぞれ受光し、この光の強さに応
じた電気信号Ａ“、Ｂ”、Ｃ“を出力する。

第３図は移動スケール６の面上に設けた明暗格子ｌＡ１
９と、スポット光との関係を示しており、本実施例の場
合、明暗格子縞９が共通である一方、スポット光Ａとス
ポット光Ｂとがスケールの移動方向（矢印方向）に明暗
格子縞のピッチＰの１７４だけ相互にずらして照射され
ている。

従って、スケール６を矢印（第２図）の方へ移動したと
き、各スポット光Ａ及びＢの反射光強度は、スポット光
が明暗格子縞９の明部に入射したとき最大となり、暗部
に入射したとき最少となり、その中間では両者が重なり
合う度合によって漸次変化するが、この変化は受光素子
８Ａ、８Ｂから電気信号として取り出した場合、第４図
に示すような、９０°位相の異なる２つのサインカーブ
Ａ“、Ｂ＃となってあられれる。

このカーブＡ＃又はＢ“からスケール６の移動距離を知
ることができると共に、カーブ相互の位相関係を検出す
ることにより移動方向の判別が可能となり、更に公知の
内挿法により分解能を高めることができる。

第５〜８図は上記第１〜４図の実施例と基本的には同様
であるが、スポット光単位に含まれるスポット光の数が
複数である場合を示している。

第５図に示す光学的エンコーダの構成は第１図に示すも
のと実質的に同じであるが、異るのは半導体レーザ１か
らの光を回折格子２により多ビームに分割し、光学系３
，５により移動スケール６の面にｎ個のスポット光とし
て集光させるようになされていることである。そしてｎ
個のスポット光が第７図に示すように２つのスポット光
単位Ａ　Ｉ、　Ａ　！　、　Ａ　ｓ　”’及びＢ、、Ｂ
Ｚ、Ｂ３　・・・に分けられている。各スポット光単位
はそれぞれ明暗格子縞９Ａ及び９Ｂに対応させであるが
、この実施例の場合は第３図の場合と異なり、スポット
光は全体的に直線上に縦列状態にて配列されている一方
、明暗格子縞９Ａが９Ｂに対してスケールの移動方向（
矢印方向）へ格子縞ピッチＰの１／４だけずらせである
。

第６図に示すように配列された多分割受光素子８も上記
スポット光単位に対応して２群に分けてあり、各群の受
光素子から得られる電気信号Ａ、、Ａ、　　・・・及び
Ｂｌ　’Ｂｚ　　・・・は第８図に示すように各群毎に
加算器１０Ａ及びＩＯＢによって加算され、それらは９
０’位相の異なる１組のメイン信号（人相信号及びＢ相
信号）として用いらｈる。

このように、この実施例によれば得られるメイン信号が
複数個の受光信号により構成されるので、明暗格子縞の
形状のばらつきや、スケール表面に付着したほこり等に
影響される度合が少くなり、高精度で安定した測定が可
能となる。

第９図はスポット光単位が１個のスポット光から成って
いる場合の他の実施例を示しており、９０°位相の異な
る１組のメイン信号を得るためのスポット光と明暗格子
縞の配置乃至配列は第３図の場合と同様であるが、本実
施例では更に移動スケール６上にゼロ信号スケール９Ｃ
が設けてあり、これに第３番目のスポット光Ｃが対応さ
せである。このように構成することにより簡単な構造で
３相信号が得られ、スケールの移動方向が判別可能であ
ると共に、移動量を検出する際の基準点のチエツクが容
易となる。

第１０図は第９図と同様の２つのメイン信号と１つのゼ
ロ信号を得るようになされた構成を示すものであるが、
各スポット光単位は複数のスポット光から成っており、
またメイン信号の９０°の位相差をもたらすために、−
直線状に縦に並べて照射されるスポット光に対し明暗格
子縞９Ａ。

９Ｂがスケール移動方向へ格子縞ピッチＰの１７４だけ
相対的にずらせである。この構成による効果は第７図に
関して説明したものと同様である。

第１）図は各スポット光単位が１つのスポット光から成
る場合の更に他の実施例を示しており、３個のスポット
光Ａ、Ｂ、Ｃの内、２個Ａ、Ｃは同位相に配列された明
暗格子１ＪＫ９Ａ、９ｃの１／４ピンチの位相差をもっ
て配列してあり、他の１個Ｂは明暗格子縞に対応させず
、受光強度の変動に対する補正用として使用している。

即ち、スポノト光Ａ、Ｃはスケール信号の読み取り用と
して、スポット光Ｂは補正用として使用される。

補正は第１２図に示すような処理回路によって行なわれ
る。受光素子８Ａ、８Ｂ、ｇｃから得られる各電気信号
Ａ″、Ｂ“、Ｃ″、は増幅回路１）Ａ、ＩＩＢ、ＩＩＣ
へ入力され、Ｋ１＾’　Ｋ、Ｂ　’に、Ｃ’として出力
される。ここでに、、Ｋｌは受光素子の出力レベル　Ａ
″、Ｃ″を同じにするための比例定数、Ｋ２はＢ＃をこ
れら信号の中央値とするための比例定数である。各増幅
回路１）Ａ。

１）Ｂ、ＩＩＣの出力信号は第１３図に示すとうり直流
成分を含んでいるが、レーザ強度が変化した場合には第
１４図に示すように同じ割合で変化する。各増幅回路１
）Ａ、ＩＩＢ、ＩＩＧの出力信号は、第１２図に示すよ
うに、演算増幅回路、即ち減算回路１２．１３に人力さ
れＫＩＡ″−に、Ｂ″及びに、Ｃ″−に、Ｂ″の信号と
して出力され、この２つの信号は最終のスケール信号と
して使用される。この減算回路の出力信号は、第１５図
に示すように、直流成分を含んでいない、闇値レベルが
０の、常にθレベルを中心とした交流信号となり、取り
扱い易い信号となる。そして、レーザ強度が変化した場
合、第１６図に示すように上記処理回路の出力は同じ割
合で変化する。

従って、この実施例によれば、レーザビームの強度変動
や光学系の曇り等に起因する受光強度の変動に対して実
質上不惑な測定ができる。

第１７図は各スポット光単位Ａ、Ｂ、Ｃが複数のスポッ
ト光から成る場合の、第１）図と同様の実施例を示して
おり、この場合スポット光をずれのない配列とする一方
、明暗格子縞９Ａ、９Ｃをスケール移動方向く矢印方向
）に同格子縞のピッチＰの１／４づつ相互にずらせた配
列としである。

第１８図は各スポット光単位Ａ、Ｂ、Ｃがそれぞれ単一
のスポット光から成る場合の更に他の実施例を示してお
り、この実施例では共通の明暗格子縞９に対してＡ、Ｂ
、Ｃは順次スケール移動方向（矢印方向）へ格子縞ピッ
チＰの１／４づつずらせて照射される。スケール６が矢
印の方向へ移動するとき受光素子８から得られる３組の
電気信号は第１９図に示す処理回路によって処理され、
最終信号として直流成分を含んでいない９０”位相差を
もった２組の信号を導出するようになされている。

第１９図において、各受光素子からの信号Ａ＃Ｂ”、Ｃ
“は増幅回路１）Ａ、ＩＩＢ、１）（、へ入力され、Ｋ
、Ａ“、に２Ｂ″、に３Ｃ“とじて出力される。

ここで、Ｋ　Ｉｎ　Ｋ　ｚ、　Ｋ　３は受光素子の出力
レベルをスポット光Ａ、Ｂ、Ｃの間で相互に同じにする
ための比例定数である。従って増幅回路１）Ａ。

１）Ｂ、１）ｃの出力に、Ａ　’　、に！Ｂ　’　、に
３Ｃ’は第２０図に示すような９０゛位相差をもった３
組の信号となる。第１９図において、信号に１＾“及び
ｌｈｃ″は減算回路１４へ入力され、その出力に１＾“
Ｋ３Ｃ″は分圧回路１５によって半分にされ、最終信号
（に１＾“−に、Ｃ“）／２をもたらす。この信号は第
２２図に示すような直流成分を含んでいない交流信号で
ある。一方、増幅回路からの信号のうちに＋Ａ　”とに
３Ｃ’は加算増幅器１６に入力され（ＫＩＡ　’　＋　
Ｋ３Ｃ’　）　／　２として出力される。この信号は第
２１図に示すような直流信号であり、この信号は増幅回
路１）Ｂからの信号ＫｔＢ　″と共に減算器１６へ入力
されＫＪ’　　　（Ｋ＋＾“十に３Ｃ″）／２なるもう
一つの最終信号が出力される。この信号は第２３図に示
すような、直流成分を含んでいない交流信号であって、
第２２図の信号に対して９０°の位相差をもっている。

このように、最終信号として直流成分の除去された位相
差９０°の信号、（ＫｔＡ“−に、Ｃ“）／２及び（Ｋ
Ｊ’　　　（ＬＡ”　＋　Ｋ３Ｃ“）／２〕を使用する
ことにより、レーザビームの強度変動や、光学系の曇り
等に起因する受光強度の変動に対して実質上不感な測定
が可能となる。

第２４図は各スポット光単位Ａ、Ｂ、Ｃが複数のスポッ
ト光から成る場合の、第１８図と同様の実施例を示して
おり、この場合、スポット光は一列に整列して照射され
るのに対し、それぞれの明暗格子縞９Ａ、９Ｂ、９Ｃは
順次スケール移動方向く矢印方向）へ格子縞ピッチＰの
１／４づつずらせて配列しである。受光素子から得られ
る信号は各単位毎にまとめられ、第１９図における３つ
の信号Ａ”、Ｂ’、Ｃ“となされる。

本発明は上記の実施例のみに限定されるものではなく、
当該分野の技術者の通常の知識の範囲内で他の改変手段
をとり得ることは勿論可能である。

例えば、半導体レーザ手段として３ビームを同時に発光
できる半導体レーザ素子（市販）を使用してもよい。こ
の場合には上記の回折格子は不要である。

また半導体レーザ、多分割受光素子、ホログラム回折素
子が組み込まれたホログラムレーザ素子（市販）を使用
してもよい。この場合には、上記のハーフミラ−等の受
光系が不要となる。

また、ハーフミラ−の代りに偏光ビームスプリッタと１
／４波長板を用いてもよい。

更に、第３図、第９図、第１）図及び第１８図の実施例
では移動スケールの明暗格子縞をずれのない直線配列と
し、スポット光を所望の位相差をもたせて照射するよう
にしたが、逆にスポット光を直線上に配列しておき、明
暗格子縞に所望の位相差をもたせるようにしてもよい。

（効果） 上記のように本発明による光学式エンコーダは、構造が
簡単であり、移動方向の判別が可能で、検出分解能が高
いので、産業機械をはじめ多方面にわたる移動物体の移
動方向及び移動距離を簡単且つ高精度で測定することが
できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光学式エンコーダの一実施例の概
略図、 第２図は同実施例に使用されている３分割受光素子の平
面図、 第３図は同実施例における移動スケールの明暗格子縞と
スポット光との関係を示す図面、第４図は同実施例にお
ける受光素子の出力信号の波形を示すグラフ、 第５図は本発明による光学式エンコーダの他の実施例の
概略図、 第６図は同実施例に使用されている多分割受光素子の平
面図、 第７図は同実施例における移動スケールの明暗格子縞と
スポット光との関係を示す図面、第８図は上記多分割受
光素子の出力信号の処理回路図、 第９図は本発明の更に他の実施例における移動スケール
の明暗格子縞とスポット光との関係を示す図面、 第１０図は本発明の更に他の実施例における移動スケー
ルの明暗格子縞とスポット光との関係を示す図面、 第１）図は本発明の更に他の実施例における移動スケー
ルの明暗格子縞とスポット光との関係を示す図面、 第１２図は同実施例における受光素子の出力信号の処理
回路図、 第１３図は同処理回路の一次処理後の３つの信号の波形
を示すグラフ、 第１４図はビーム強度が低下した場合の、第１３図と同
様のグラフ、 第１５図は同処理回路の最終処理後の２つの信号の波形
を示すグラフ、 第１６図はビーム強度が低下した場合の、第１５図と同
様のグラフ、 第１７図は本発明の更に他の実施例における移動スケー
ルの明暗格子縞とスポット光との関係を示す図面、 第１８図は本発明の更に他の実施例における移動スケー
ルの明暗格子縞とスポット光との関係を示す図面、 第１９図は同実施例における受光素子の出力信号の処理
回路図、 第２０図は同処理回路の一次処理後の３つの信号の波形
を示すグラフ、 第２１図は同処理回路の二次処理後の１つの信号の波形
を示すグラフ、 第２２図及び第２３図はそれぞれ同処理回路の最終処理
後の２つの信号の波形を示すグラフ、第２４図は本発明
の更に他の実施例における移動スケールの明暗格子縞と
スポット光との関係を示す図面である。 Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｓ・・・スポット光、 １．２・・・半導体レーザ手段、３．５・・・光学系、
５．４．７・・・光学系、６・・・移動スケール、８・
・・多分割受光素子、 ９．９Ａ、９Ｂ、９Ｇ・・・明暗格子縞、１０Ａ、１０
Ｂ・・・加算器。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面に明暗格子縞を有する移動スケールと、多ビ
   ームの分割光をもたらす半導体レーザ並びに光学的手段
   と、分割された光を複数のスポット光として、しかも１
   つ以上のスポット光を単位とする少なくとも２つ以上の
   複数単位としてスケール面に集光させる光学系と、多分
   割受光素子と、上記スポット光の反射光又は透過光をそ
   れぞれ対応する各受光素子上へ集光させる光学系とを有
   し、上記単位の中の第１のスポット光単位及びそれに対
   応する明暗格子縞と、第２のスポット光単位及びそれに
   対応する明暗格子縞とにおけるスポット光単位又は明暗
   格子縞がスケールの移動方向に明暗格子縞のピッチの１
   ／４づつ相互にずらしてあることを特徴とする光学式エ
   ンコーダ。
2. （２）各単位毎のスポット光に対応する受光素子の信号
   を加算して信号を出す加算器が設けてあることを特徴と
   する請求項１記載の光学式エンコーダ。
3. （３）第３のスポット光単位及びそれに対応する明暗格
   子縞における明暗格子縞がゼロ信号スケールとなされて
   いることを特徴とする請求項１又は２記載の光学式エン
   コーダ。
4. （４）第３のスポット光単位及びそれに対応する明暗格
   子縞におけるスポット光単位又は明暗格子縞が第２のも
   のに対してスケールの移動方向に明暗格子縞のピッチの
   １／４づつ相互にずらしてあることを特徴とする請求項
   １又は２記載の光学式エンコーダ。
5. （５）明暗格子縞に対応させてない更に別の１つのスポ
   ット光単位を設け、この単位からの信号をスケール信号
   の直流成分の補正用とし使用することを特徴とする、請
   求項１〜３の何れか１項記載の光学式エンコーダ。