JPH0298630A - 光電型エンコーダ - 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］ 本発明は光電型エンコーダ、特にその光源の改良に関す
る。

［従来の技術］ 各種測定器、工作機械、更に最近は各種情報機械などに
も相対移動する二つの部材の変位量を検出するため各種
エンコーダが用いられており、非接触で変位量検出が可
能なところから光電型エンコーダが汎用されている。

該光電型エンコーダは相対移動する２つの部材のそれぞ
れに設けられた格子と、該格子の重なりあいを検出する
ための発光素子及び受光素子よりなる。

このような従来の充電型エンコーダとしては、通常の２
枚の格子の重なりあいを検出するエンコーダのほか、第
４図に示すような３枚の格子の重なりあいの変化より変
位量を検出する、いわゆる３格子システムが周知である
（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　。

ｐｔｉｃａｌ　５ｏｃｌｅｔｙ　ｏｆ　Ａａｉｅｒｉｃ
ａ、　１９６５年、ＶＯｌ、５５、Ｎｏ、４、ＰＰ３７
３−３８１）。

第４図において、エンコーダ１０は、平行配置された発
光側格子１２．検出格子１４と、両格子１２．１４の間
に相対移動可能に平行配置された基準格子１６と、前記
発光側格子１２の図中左側に配置された発光素子１８と
、前記検出格子１４の図中右側に配置された受光素子２
０と、を含む。

そして、発光素子１８から出射された光は発光側格子１
２．基準格子１６．検出格子１４を介して受光素子２０
に至り、該受光素子２０は各格子１２．１４．１６で制
限された照射光を光電変換し、更にプリアンプ２２によ
り増幅して検出信号Ｓを得る。

ここで、基準格子１６が発光側格子１２．検出格子１４
に対し例えば矢印Ｘ方向に相対移動すると、発光素子１
８からの照射光の格子１２，１６゜１４により遮蔽され
る光量が徐々に変化し、検出信号Ｓは略正弦波として出
力される。

そして、前記基準格子１６のピッチＰｉと検出信号Ｓの
波長が対応し、該検出信号Ｓの波数及びその分割値より
前記基準格子１６の相対移動量を測定するものである。

第５図にはこのような３格子システムの光電型エンコー
ダの具体的構成が示されており、前記第４図と対応する
部分には同一符号を付して説明を省略する。

同図に示すエンコーダ１０は反射式であり、発光側格子
１２及び検出格子１４ａ、１４ｂ、・・・１４ｄはガラ
ス製のインデックススケール３０上に形成され、また基
準格子１６は同じ（ガラス製のメインスケール３２の下
面に形成されている。

そして、メインスケール３２には、第６図に示すように
ピッチＰ、の縦縞状目盛が形成されている。

また、発光側格子１２及び検出格子１４、発光素子１８
、受光素子２０はインデックススケール３０とともに一
体的に形成されている。

第７図には前記インデックススケール３０を下面側より
見た状態が示されている。

同図より明らかなように、中央の発光側格子１２をはさ
んで、４個の受光素子２０ａ、２０ｂ。

・・・２０ｄに対応した検出格子１４　ａ、　　１４　
ｂ、・・・１４ｄが配置され、それぞれの格子１４ａ・
・・１４ｄは位相が互に９０度づつずれたピッチの縦縞
状目盛が形成されている。そして、各受光素子２０ａ・
・・２０ｃｆからは、それぞれπ／２づつ位相のずれた
Ａ相、Ｂ相、Ｘ相、■相の信号を得ることができ、人相
−Ｘ相により振幅増幅したＡ相出力を得、Ｂ相−１相に
より同じく振幅増幅されたＢ相出力を得る。該Ａ相出力
及びＢ相出力のπ位相のズレ方向等よりスケールの相対
移動方向の弁別及び電気的に検出信号を分割を行ない、
分解能の高い変位量検出を行なっている。

ところで、前記発光素子には一般に長寿命で安定性のよ
い発光ダイオードなどが用いられているが、該発光ダイ
オード等は点灯時間とともに劣化が生じ徐々に発光効率
が低下する。また、温度変化によっても発光効率に変動
を生じてしまうことがある。

この結果、検出信号Ｓに影響を与え変位検出精度を低下
させてしまうこともある。

すなわち、第８図に示されるように、例えば温度２５℃
で発光ダイオードを長時間点灯した場合には、実線で示
すごとく経時的な劣化はさほど大きな問題とはならない
が、例えば温度６０℃で長時間点灯した場合には、点線
で示すごとくその劣化スピードは著しく大きくなり検出
精度に大きな影響を与えてしまうおそれがある。

特に、エンコーダが各種機器の内部に組込まれた場合に
は周囲の温度が６０℃以上になることも十分考えられ、
その対策が必要となる。

このため、従来においては例えば第７図に示すように測
定用の受光素子２０と並列して光度検出用受光素子３４
　ａ、　　３４　ｂを設け、該光度検出用受光素子３４
の検出結果に基づき発光素子１８の発光電流をフィード
バック制御し、発光量を一定に維持するようにしている
。

［発明が解決しようとする課題］ 聚來荻折Ω皿遁羞 ところが、前述したような従来の光電型エンコーダでは
、測定用受光素子のほかに光度検出用受光素子が必要と
され、部品点数が増加し部品コスト、組立てコストが上
昇してしまうという問題点があった。

さらに、近年の装置小型化の要求にともない、エンコー
ダも小型とすることが要求されており、測定用受光素子
のほかに光度検出用受光素子を設置するスペースの削減
が強く望まれていた。

ル叫Ω■旬 本発明は前記従来技術の問題点に鑑みなされたものであ
り、その目的は小型・低コストで、しかも発光素子の光
度を常に一定に維持し得る光電型エンコーダを提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するために本発明にかかる光電型エンコ
ーダは、メインスケール、インデックススケール、発光
素子、受光素子に加え、電流測定手段と、発光電流制御
手段を備える。

ここで、メインスケールには、所定の基準格子が形成さ
れている。

インデックススケールには、少なくとも一対の互にπ位
相ずれた検出格子が前記基準格子に対向して形成され、
前記メインスケールに対し相対移動可能に並列配置され
ている。

発光素子は、前記基準格子に光を照射する。

受光素子は、前記各検出格子ごとに設置され、基準格子
及び検出格子により制限された光を受光してメインスケ
ールとインデックススケールの相対移動量を略正弦波と
して出力する。

電流測定手段は、前記少なくとも一対の受光素子へ、受
光量に比例して導入される導入電流を測定する。

また、発光電流制御手段は、前記電流測定手段の測定結
果に基づき、前記発光素子の発光電流を制御する。

［作用］ 本発明にかかる光電型エンコーダは、前述した手段を有
するので、発光素子から出射された測定光はメインスケ
ールの基準格子により一部遮蔽され、さらにインデック
ススケールの検出格子により一部制限されて受光素子に
至る。そして、前記基準格子及び検出格子により制限さ
れる光量はメインスケール及びインデックススケールの
相対位置変化に応じて変化し、各受光素子は両スケール
の相対移動量を略正弦波として出力する。

ここで、インデックススケールには少なくとも一対の互
にπ位相ずれた検出格子が形成されているので、それぞ
れの検出格子に対応した受光素子からはπ位相ずれた略
正弦波が出力され、通常この一対の受光素子から出力さ
れる両正弦波信号はそれぞれオペアンプの反転入力端子
および非反転入力端子に入力され振幅増幅される。

また、受光素子は受光に応じて出力する微弱電流を増幅
出力するため電源より電流が導入されている。

そして本発明においては、前記π位相ずれた略正弦波信
号を出力する受光素子対への導入電流を電流測定手段に
より測定している。

ここで、それぞれの受光素子の出力する測定信号は略正
弦波を描くが、π位相ずれた正弦波を出力する受光素子
対への導入電流は、その電流変化が相殺されほぼ一定の
電流値となる。

従って、発光素子の劣化に伴う光量減少は、対の受光素
子の導入電流の減少に直結し、例えば発光電流制御手段
が導入電流の減少に応じて発光素子の発光電流を増加さ
せるので、前記発光素子の劣化にともなう発光効率低下
を補償することができる。

このように、本発明によれば特別な光度検出用受光素子
を設けることなく発光素子の光量変化を適切に補償する
ことが可能となる。

［実施例］ 以下、図面に基づき本発明の好適な実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例にがかる光電型エンコーダ
の回路構成が示されており、前記従来技術と対応する部
分には符号１００を加えて示し説明を省略する。

同図に示すように、本実施例にかかる光電型エンコーダ
は、３格子システムを採用しており、発光素子１１８と
受光素子１２０ａ、１２０ｂ、−・・１２０ｄの間には
発光側格子１１２、基準格子１１６、及び前記各受光素
子１２０ａ、１２０ｂ。

・・・１２０ｄにそれぞれ対応した検出格子１１４　ａ
。

１１４　ｂ、・・・１１４ｄが配置されている。

ここで、検出格子１１４ａ、１１４ｂは互にπ位相ずれ
た格子が形成され、検出格子１１４　ｅ。

１１４ｄにも互にπ位相のずれた格子が形成さ娠前記検
出格子１１４ａと１１４Ｃはπ／２位相をずらして構成
している。このため検出格子１１４ａ、１１４ｃ、１１
４ｂ、１１４ｄはそれぞれπ／２づつ位相がずれている
こととなり、基準格子１１６の相対移動により面記受光
素子１２０ａ。

１２０ｃ、１２０ｂ、１２０ｄにはそれぞれπ／２づつ
位相のずれた略正弦波の検出信号が得られる。

ここで、受光素子１２０は、本実施例においてフォトト
ランジスターよりなり、それぞれのベースに照射された
光量に比例して電源１００より電流が導通される。

そして、受光素子１２０ａを例にとると、電源１００よ
り該受光素子１２０ａに導通された電流ｉ、は受光素子
１２０ａによりＡ相信号を形成して増幅回路１４２ａに
て増幅される。

該増幅回路１４２ａはオペアンプ１４４ａ、及び該オペ
アンプ１４４ａと並列接続された、抵抗１４６ａ及び可
変抵抗１４８ａの直列回路、コンデンサー１５０ａより
なる。そして、前記オペアンプ１４４ａの反転入力端子
に前記受光素子１２０ａが接続され、非反転入力端子に
は基準電圧■ｒｅｆが印加される。

一方、受光素子１２０ｂにより検出されたＡ相信号は、
同じく増幅回路１４２ｂにて増幅される。

そして、前記Ａ相信号及びＡ相信号は減算回路１５２に
よりＡ相−Ａ相信号を作成し、振幅増幅されたＡ相出力
となる。すなわち、減算回路１５２は、オペアンプ１５
４及び抵抗１５６ａ、１５６ｂ、・・・１５６ｄよりな
り、該オペアンプ１５４の反転入力端子には前記増幅回
路１４２ａにより増幅されたＡ相信号が、また非反転入
力端子には前記増幅回路１４２ｂにて増幅されたＸ相信
号が入力される。

そして、人相信号はそのπ位相のずれたＡ相信号を基準
としてオペアンプ１５４により振幅増幅されＡ相出力を
形成するのである。

なお、以上と全く同様にして受光素子１２０　ｃ。

１２０ｄで検出されたＢ相信号およびπ相信号はＢ相出
力を形成する。

前述したようにＡ相及びＢ相出力はπ／２位相ずれてお
り、この両市力より基準格子１１６（メインスケール）
の相対移動方向の弁別及び電気的に検出信号を分割し分
解能を高めることが可能となる。

ところで、発光ダイオード等からなる発光素子１１８は
温度変化あるいは経時変化によりその発光効率に変動を
生じ、とくに発光ダイオードを高温下で長時間使用した
場合には著しく大きな発光効率の低下が認められる。こ
のため前記Ａ相出力及びＢ相出力にも影響を与え、メイ
ンスケールの相対移動量の検出精度を悪化させる原因と
もなる。

本発明はこの発光素子の発光特性変化を補償するもので
あり、本実施例において電流測定手段１６０及び発光電
流制御手段１６２を備えている。

そして、電流測定手段１６０は電源１００より受光素子
１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄに導入される
導入電流＋１＋　　１！＋　　１！＋　　１４の和であ
る電流■を測定する。

ここで、各導入電流！！＋　　１２＋　　１１＋　　ｆ
４はそれぞれ第２図に示されるようにπ／２位相づつず
れた略正弦波で表され、導入電流１１＋　　Ｉｔ＋　　
ｊ、＋ｉ４の和はそれぞれの周期的変動を相殺すること
となる。

従って、電流測定手段１６０により測定される電流Ｉは
次式により表される。

ｘ＝ｉ、＋ｉ、＋ｉ、＋ｉ、＝、４　ｉ（下は各導入電
流１１・・・ｉ４の平均電流値）このように、電流Ｉは
スケールの相対移動に伴う周期的変動のほとんど無い比
較的大きな直流電流となり、発光素子１１８自体の発光
量変動を検出するために極めて好適である。

そして、発光電流制御手段１６２は、電流測定手段１６
０により測定された電流Ｉの変動に応じて発光素子１１
８の発光電流を制御し、常に一定の発光量を得ることが
可能となる。

ここで、前記電流測定手段１６０は、電流Ｉが導通する
可変抵抗１６４と、差動増幅回路１６６と、よりなる。

そして、差動増幅回路１６６は、オペアンプ１６８と、
抵抗Ｒ１、Ｒ１、Ｒ８、Ｒ４より形成される。

前記可変抵抗１６４の両端は、それぞれ抵抗Ｒ２，Ｒ８
を介してオペアンプ１６８の反転入力端子、非反転入力
端子に接続され、また、抵抗Ｒ８はオペアンプ１６８と
並列に接続され、抵抗Ｒ４はオペアンプ１６８の非反転
入力端子と基準電圧Ｖｒｅｆとを接続する。なお、図示
例において、抵抗Ｒ８＝Ｒｓ、Ｒ，＝Ｒ，となっている
。

従って、可変抵抗１６４の両端に生じる電流Ｉの測定電
圧■、は次のように増幅（Ｖ、）される。

すなわち、発光素子１１８の発光量が減少し電流Ｉが減
少すれば、測定電圧Ｖ、も低下するため、測定電圧Ｖ８
は高くなる。

この増幅された測定電圧Ｖ、は発光電流制御手段１６２
に入力される。

該発光電流制御手段１６２は、電圧調整回路１７０と、
ノイズ除去回路１７２と、増幅回路１７４と、電流制御
トランジスタ１７６と、よりなる。

そして、前記測定電圧■２は、まず電圧調整回路１７０
にて電圧調整される。

すなわち、電圧調整回路１７０は、抵抗Ｒ５゜Ｒ６，Ｒ
，、Ｒ，、Ｒ，より構成される。

そして、抵抗Ｒ，，Ｒ，は電源１００より接地端に直列
接続され、その両抵抗の接続点で調整電圧ＶＳを得る。

また、前記オペアンプ１６８の出力端と調整電圧Ｖｓは
分圧抵抗Ｒ，，Ｒ，により接続され、両抵抗の接続点で
調整された測定電圧Ｖｓを得る。

ここで、調整電圧■Ｓは、電流■が発光素子１１８及び
受光素子１２０の特性に対し最適な状態で、前記測定電
圧Ｖ、を、後述するノイズ除去回路１７２．増幅回路１
７４のオペアンプの非反転入力端に印加される基準電圧
Ｖ　ｒｅｆと同等とするように調整されている。

次に測定電圧Ｖ３はノイズ除去回路１７２に入力される
。

該ノイズ除去回路１７２はオペアンプ１７８と、該オペ
アンプに平行に接続されたコンデンサＣ１、抵抗Ｒ１゜
よりなる。

そして、測定電圧Ｖ１はノイズ除去及び次式のように逆
相増幅されて測定電圧■４となる。

更に測定電圧Ｖ４は増幅回路１７４に入力されて再度、
逆相増幅される。

すなわち、増幅回路１７４はオペアンプ１８０と、抵抗
ＲＩＩ＋　Ｒｓｓと、よりなり、前記測定電圧Ｖ４は逆
相増幅されて測定電圧Ｖ６となる。

以上のようにして測定電圧は増幅・調整され、電流制御
トランジスタ１７６のベースに印加される。。

前記トランジスタ１７６のコレクタには発光素子１１８
が接続されており、エミッタは過電流防止手段１８０を
介して接地されている。

従って、電流■が最適の状態であれば、■、＝Ｖ　ｒｅ
ｆであるのでＶ、＝Ｖｒｅｆとなり、トランジスタ１７
６のベースには基準となる電圧Ｖｒｅｆが印加される。

また、電流■　（測定電圧Ｖ＋）が例えば発光素子１１
８の劣化等により減少すると測定電圧Ｖ２゜■、及びＶ
６は増加し、トランジスタ１７６のコレクタ、エミッタ
間に導通ずる電流は増加する。このため発光素子の１１
８の発光量は増加し、受光素子１２０の受光量（電流■
）は常に一定に維持され精度の高い変位検出が可能とな
る。

なお、発光素子１１８の発光電流が異常に大きくなると
、過電流防止回路１８０が作動し、発光素子１１８への
電流の供給を停止する。

すなわち、過電流防止回路１８０は、電流制御トランジ
スタ１７６と接地端の間に直列接続された分圧抵抗Ｒ，
，，Ｒ，４と、スイッチングトランジスタ１８２と、前
記抵抗Ｒｌ　ｍｒ　ＲＩ　４の接続点とトランジスタ１
８２のベースを接続する抵抗ＲＩ５よりなる。

そして、トランジスタ１８２のコレクタ端は前記電流制
御トランジスタ１７６のベースに接続され、エミッタは
接地されている。

この結果、発光素子１１８に過電流が流れれば、スイッ
チングトランジスタ１８２のベース電位が上昇し、オン
作動する。そして、電流制御トランジスタ１７６のベー
スが接地されることとなり、該トランジスタ１７６はオ
フ作動し発光素子１１８への電流供給は停止する。

以上のように、本実施例にかかる光電型エンコーダによ
れば、別個に光量検出用の受光素子を設けることなく発
光素子の発光量を常に一定に制御することができ、変位
量検出精度を高水準に維持することができる。このため
、第３図に示すように、エンコーダを小型化し、部品点
数の削減によるコスト低下を図ることができる。

また、本実施例において、π／２位相づつずれた４個の
受光素子への導入電流の和を抵抗１６４で測定すること
により発光素子１１８の光量を検出することとしたので
、回路構成が簡単であるとともに、比較的大電流を検出
対象として処理することができ、ノイズを極めて低い段
階に抑えることができる。このため、発光素子の光量が
安定して制御され、より精度の高い変位検出が可能とな
る。

なお、本実施例においては全ての受光素子への導入電流
の和を測定の対象としたが、例えば、π位相ずれている
受光素子１２０ａ、１２０ｂへの導入電流の和だけを測
定の対象とすることも可能である。

また、本実施例においては、発光素子１１８と発光側格
子１１２とを別体に構成したが、これに限られるもので
はなく、発光素子１１８と発光側格子１１２とを一体化
したアレイ状光源とすることも好適である。

また、検出格子１１４と受光素子１２０についても一体
化し、アレイ状受光素子とすることも好適である。

さらに、本実施例においては３格子システムの光電型エ
ンコーダについて説明したが、むろん通常の２格子シス
テムのエンコーダでも全く同様に適用し得る。

さらに、本発明はπ位相ずれた略正弦波の光電変換出力
を行なう少なくとも一対の受光素子を有するものであれ
ばいずれの検出器にも適用でき、リニアエンコーダ、ロ
ータリーエンコーダあるいは他の変位検出器であっても
応用可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明にかかる光電型エンコーダ
によれば、π位相ずれた信号出力を行なう受光素子対へ
の導入電流より発光素子の発光量を測定し、該発光素子
への発光電流供給量を制御することとしたので、エンコ
ーダの小型、低コスト化が図れるとともに、回路構成が
簡単であり、しかもノイズの影響を受けにくくすること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例にかかる光電型エンコーダ
の回路構成の説明図、 第２図は、第１図に示したエンコーダにおける受光素子
への導入電流の説明図、 第３図は、第１図に示した反射型エンコーダのインデッ
クススケール側の構成の説明図、第４図は、−船釣な３
格子システムのエンコーダの概念説明図、 第５図は、第４図に示したエンコーダの具体的構成の説
明図、 第６図は、第４図に示したエンコーダのメインスケール
の説明図、 第７図は、第４図に示したエンコーダのインデックスス
ケールの説明図、 第８図は、発光素子の劣化状態の説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の基準格子が形成されているメインスケール
   と、 少なくとも一対の互にπ位相のずれた検出格子が前記基
   準格子に対向して形成され、前記メインスケールに対し
   相対移動可能に並列配置されるインデックススケールと
   、 前記基準格子に光を照射する発光素子と、 前記各検出格子ごとに設置され、基準格子及び検出格子
   により制限された光を受光してメインスケールとインデ
   ックススケールの相対移動量を略正弦波として出力する
   受光素子と、 を含む光電型エンコーダにおいて、 前記少なくとも一対の受光素子へ、受光量に比例して導
   入される導入電流を測定する電流測定手段と、 前記電流測定手段の測定結果に基づき、前記発光素子の
   発光電流を制御する発光電流制御手段と、を備えること
   を特徴とする光電型エンコーダ。