JPH03128418A - 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、光学式エンコーダに関するものである。更に
詳述すると、受光面における照度分布を歪みの少ない１
弦波にすることができる光学式エンコーダに関する。

〈従来の技術〉 第８図に示す如く、スリット４ｂと光の遮蔽部４ａが交
互に配列されたコード板４に、光源から散乱光を照射す
ると、コード板４の裏側にスリットの周期ごとにこれに
対応した周期の正弦波状の照度分布が発生する。この正
弦波の位相θは、コード板が移動するとこの移動に従っ
て変化する。この原理を利用して、コード板のｔ＆側に
受光アレイ５を固定配置して、この正弦波状の光の位相
θを検出し、この位相θをもってコード板の回転角度又
は変位位置の測定を行う光学式エンコーダが広く知られ
ている（例えば特願昭６２−７００７８号）。

なお、第８図において、受光アレイ５は、４個の光電変
換素子］１１〜旧にて構成され、この４個の光電変換素
子■１〜■４は、正弦波状の照度分布の１周期を４等分
するような位置に配置される。

以上のような光学式エンコーダにおいては、スリットの
１周期を１周期の正弦波照度分布に置換え、これを光電
変換素子■１〜旧で電気信号１１〜１４へ変換している
ので、この正弦波照度分布に歪みが多いと、測定誤差が
増大する。

そこで従来からこの照度分布を歪みの少ない正弦波とす
る試みがなされ、本出願人は、複数のスリット列を有す
るエンコーダにおける照度分布を正弦波にすることがで
きる発明を行い、特願昭６３−２２８９８５号（以下、
先！ｒ！１と記す）にて出願しな。

この先願１の発明は、光源から受光アレイに至るまでの
光路中に屈折率が異なる補正板（例えばガラス）を挿入
し、受光アレイの面で、光が当たらない部分と、２つの
スリットを通過した光が２重に当なる部分とができない
ようにしたものである。

即ち、第９図のように光源からの光が当たらない部分−
１と、第１０図のように２つのスリットを通過した光が
２重に当たる部分Ｗ２ができないようにしたものである
。

〈発明が解決しようとする課題〉 この先願１の発明のように、受光アレイの面で、光が当
たらない部分と、２つのスリットを通過した光が２重に
当たる部分とができないようにすることは、正弦波の照
度分布を作り出すために欠くことのできない条件である
。しかし、本出願人は、この先願１の発明による照度分
布の正弦波に対し、更に歪みの少ない正弦波を得ること
ができる手段を発明した。

本発明の目的は、歪みの少ない正弦波の照度分布を受光
アレイ上に形成できる光学式エンコーダを提供すること
である。

く課題を解決するための手段〉 上記課題を解決するために 第１の発明は、 発光源と、 この発光源からの光を拡散光として出力する拡散板と、 拡散板からの光を通過させる窓部（３１）の輪郭が、正
弦波の半周期を上下に折返した形状、又は正弦波に近似
した波形の半周期を上下に折返した形状であるマスクと
、 前記マスクの窓部（３１）を通過した光を受ける部材で
あって、光を通過させるスリット（４ｂ）と光の遮蔽部
（４ａ）が交互に配列されたコード板と、前記スリット
を通過した光が当たらない部分と、２つのスリットを通
過した光が２重に当たる部分とができない位置に配置さ
れた受光アレイと、からなる手段を講じたものである。

第２の発明は、 表面電極の窓部の輪郭が正弦波の半周期を上下に折返し
た形状、又は正弦波に近似した波形の半周期を上下に折
返した形状であり、この窓部の面が発光する面発光ダイ
オードと、 前記面発光ダイオードの光を受ける部材であって光を通
過させるスリット（４ｂ）と光の遮蔽部（４ａ）が交互
に配列されたコード板と、 前記スリットを通過した光が当たらない部分と、２つの
スリットを通過した光が２重に当たる部分とができない
位置に配置された受光アレイと、からなる手段を講じた
ものである。

く作用〉 第１の発明では、拡散板がらの光を通過させる窓部の輪
郭が正弦波の半周期を上下に折返した形状、又は正弦波
に近似した波形の半周期を上下に折返した形状のマスク
を備えている。この形状をした窓部からの光をコード板
に照射すると、受光アレイ上に形成される照度分布は、
基本波、即ち正弦波のみとなり−その曲の高調波成分は
生じない、従って歪みは極めて小さくなる。

第２の発明では、表面電極の窓部の輪郭が正弦波の半周
期を上下に折返した形状、又は正弦波に近似した波形の
半周期を上下に折返した形状であり、この窓部の面が発
光する面発光ダイオードを備えているので、第１の発明
と同様、受光アレイ上に形成される照度分布は、基本波
、即ち正弦波のみとなる。

〈実施例〉 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明に係る光学式エンコーダの光学系部分の
構成配置例を示す図、第２図と第３図は本発明に係る光
学式エンコーダの光源、コード板。

受光アレイの光学関係を示す図、第４図と第５図は本発
明に係る光源の発光強度分布を示す図、第６図と第７図
はマスクの窓部の輪郭形状を示す図、第１１図は本発明
に係る光学式エンコーダの光学系部分の別の構成配置例
を示す図、第１２図は面発光ダイオードの構成例を示す
図である。

第１図において、１は発光源であり、例えば発光ダイオ
ードなどが用いられる０発光源１からの光Ｒ＾は、成る
光束を持った光であり、後述するマスク３の窓部３１に
相当する範囲を−様な照度で照らすことができる。なお
、発光ダイオードを発光源１として用いた場合、通常、
点光源と見なされるが、拡散板２との距離ＤＨを調節す
ることで、はぼ窓部３１に相当する範囲を−様な照度で
照らすことができる光束にすることができる。

拡散板２は、発光源１からの光を受光し、これを拡散光
として出力する。

３はマスクであり、拡散板２からの光を通過させる窓部
３１を有している。この窓部３１は、正弦波（余弦波と
見ることもできる）の半周期を上下に折返した形状、又
は正弦波に近似した波形の半周期を上下に折返した形状
をしており、このような特殊形状をした窓部３１を有す
る点が本発明の要部である。第１図では、本発明の構成
を分り易くするため、マスク３と拡散板２とは、離れた
状態で配置される如く描いているが、通常、拡散板２と
密着するように配置する。

マスク３の窓部３１を通過した光は、コード板４に照射
される。コード板４は、光を遮断する遮蔽部４ａと、光
を通過させるスリット４ｂとが交互に配列された構成に
なっている。第１図では、コード板４を長方形平板とし
て描いたが、丸型平板でもよい、この場合、スリット列
は、円周上に配列される。

５は受光アレイであり、コード板４の裏側に生じる正弦
波照度分布の１周期を４等分する４つの光電変換素子１
１１〜旧で構成される。そして、この受光アレイ５は、
スリットを通過した光が当たらない部分と、２つのスリ
ットを通過した光が２重に当たる部分とができない位置
ＤＰに配置される。

第１図のように構成された光学系によれば、受光アレイ
５上に歪みの少ない正弦波照度分布を形成することがで
きる理由を以下に説明する。

第２図と第３図は、第１図の拡散板２と、マスク３と、
コード板４と、受光アレイ５をＸ−Ｚ平面（第１図参照
）で切った時の断面を示す図である。第３図は、拡散板
２、マスク３、コード板４、受光アレイ５の配置関係を
概念的に示したものであり、第２図は、この第３図の関
係を主に光学的に表わしたものである。

コード板４は第１図のＤ方向に移動するものであるが、
発明を分り易くするため、第３図に示す位置（受光アレ
イ５の中心０と、スリットの中心と、マスク３の窓３１
の中心がＸ軸上で一致した位置）にコード板４が、静止
した状態で説明する。

ここで、第３図に示すように、コード板４のスリット４
ｂの配列周期をＰ、ｘ−ｚ平面で切った時の窓部３１の
長さを［［、受光アレイ５の長さをＬＰ、拡散板２とコ
ード板４との距離をＤ［、コード板４と受光アレイ５の
距離をＯＰとする。なお、拡散板２とマスク３は密着さ
れている。第３図では図示していない発光源１からの光
は、マスク３の窓部３１を通してコード板４に向かって
照射されるので、マスク３の窓部３１の長さ［［を持っ
た拡散板２〈第３図の８１〜Ｂ２部分）を光源と見なす
ことができる。

従って、第３図は、光学的に第２図として表わすことが
できる。第２図から幾何学的に（１）式の関係が成立す
る。

光源長ＬＬ＝　Ｉ　（ＯＬ＋−ｏＰ）　１０Ｐ）　Ｐ／
２　　　　（１）即ち、（１）式の関係が保たれるよう
に受光アレイ５を配置すれば、スリットを通過した光が
当たらない部分（第９図参照）と、２つのスリットを通
過した光が２重に当たる部分（第１０図参照）は、生じ
ない。

次に、コード板４の裏側に生じた照度分布の１周期を４
個の光電変換素子旧〜１１４で４等分することにより、
第２図から幾何学的に（２）式の関係が成立する。

受光アレイ長ＬＰ＝　（（ＯＬ＋ＤＰ）　１０１）・Ｐ
（２）ここで、 スリット周期：Ｐ スリット関数：　５（Ｘ）＝　１　（スリット）Ｓ（Ｘ
）＝Ｏ（遮蔽部） 光線とコード板との交点座標：Ｘ 光線の角度：θ（第２図参照） 拡散板２上の発光点Ｘ［から 受光アレイ上の受光点ｘＰまでの距離：Ｒ拡散板８１〜
Ｂ２の発光強度分布：［（χｔ）とすると、受光アレイ
５上の点ｘＰにおける照度Ｅ（χ２）は、次式で表わさ
れる。

Ｅ（χＰ） １１＜（０１、［Ｐく〈口Ｐとすると、第２図の点ｘＰ
が中心部０より右側（０≦ｘＰ）の時点ｘＰが中心部０
より左側（ＸＰ＜Ｏ）の時の照度は拡散板２の８１〜Ｂ
２における発光強度分布Ｌ（Ｚ、）を２［［を周期とす
るフーリエ級数で表わすと、となる。

（６）式を（４）式に代入すると、０≦ｘＰの領域では
、Ｅ　（１戸　） ・・・（７） となる、（７）式で表わされる受光アレイ５における照
度Ｅ（χ、）を歪みのない正弦波とするためには、基本
波（ｎ＝１）のみにすればよい、即ち、（６）式の　ｈ
　＝ｈ１のみ存在し、ｎ＝２．３゜４、・・・の時、ｈ
　　＝ｏとなればよい。

そのためには、（６）式に示す拡散板２の８１〜Ｂ２に
おける発光強度分布［（χ□）が、ｎ＝１の時のみ存在
する分布波形であればよい、言替えれば、拡散板２の８
１〜Ｂ２の発光強度分布が、正弦波の半周期になるよう
にすれば良いことを意味する。

次に　ｘｐ＜　ｏの領域では、 １　　　”’ｂ−ｔＬ　　、　　　＊；ｒ　　ｚｒｒｎ
χＰ−ニー−（ｓｉｎ　（−−）　＋５ｌｎ７−１（Ｋ
＋ＤＰ）”　　、１．１　　　？Ｌｌ？　　　　　　　
　　　　　　２　　　　　　　ＬＰ・・・（８） この場合も上述と同様に、拡散板２の８１〜Ｂ２の発光
強度分布が、正弦波の半周期になるようにすれば受光ア
レイにおける照度Ｅ（χＰ）を歪みのない正弦波にする
ことができる。なお（７）式と（８）式で表わされる照
度分布波形は、同一である。

以上の説明を分り易く表わしたのが、第４図である。

第２図、第３図は、第１図を任意のｘ−ｚ平面で切った
１断面であり、上述において第３図において拡散板２の
８１〜Ｂ２における発光強度分布が、正弦波の半周期に
なるようにすれば、受光アレイ５上に歪みのない正弦波
の照度分布を得ることができることを説明した。

第４図は、発光源１がらの光Ｒ＾を受けた拡散板２の受
光部分の発光強度分布を２次元的に表現したものである
、第１図において、任意の値ｙ＝ｙ’にて、ｘ−ｚ平面
で切った時の発光強度分布は、第４図のに１となる。従
って、光１（八を受けた拡散板２の全域で見ると、第４
図のように発光強度分布は、あたかも蒲鉾型になる。

従って、拡散板２において、第４図のような発光強度分
布を形成するように構成すれば、受光アレイ５に歪みの
ない照度分布を形成できる。

しかし、このような発光強度分布を形成することは、容
易ではない。

そこで、等価的に第４図と同様な効果が得られる発光強
度分布を第５図に示す。

第５図は、第１図においけるマスク３の窓部３１を介し
て出力される光強度を表わした図である。

説明を加えると、第１図の拡散板２には、マスク３の窓
部３１に相当する範囲に発光源１から−様な光が照射さ
れている。従って、この窓部３１は、第５図に示すよう
に−様な発光強度を持つ、即ち、第４図のように正弦波
の半周期で分布する発光強度とは形態が異なる。そして
、この窓部３１の輪郭ＡＩ、　Ａ２は、正弦波の半周期
を上下に折返した形状となっている。従って、マスク３
の２次元平面をｘ−ｙに取り、２方向を発光強度で表わ
すと、第５図のように窓部３１のみ、輪郭Ａ１．　Ａ２
が正弦波の半周期を上下に折返した凸状分布となる。

第５図のような発光強度の光を第１図のコード板４を介
して受光アレイ５に照射した場合、受光アレイ５は、第
４図のような発光強度分布の光をコード板４を介して受
けたのと同じ変換電流を出力する。

説明を加える。第４図のような発光強度分布の光をコー
ド板４を介して受光アレイ５に照射すると、受光アレイ
５には歪みのない正弦波照度分布が形成される。そして
、この正弦波の照度分布を調度４等分した各光電変換素
子Ｈ１〜Ｈ４からは、それぞれの当該位相区域の平均照
度に応じた電流が出力される。即ち、各光電変換素子Ｈ
１〜■４は、正弦波の１周期３６０゛を４等分している
ので、それぞれの光電変換素子は９０°ずつ位相が異な
る区域で正弦波照度分布を受光している。

一方、第５図のような発光強度分布の光をコード板４を
介して受光アレイ５に照射しても、受光アレイ５の各光
電変換素子１１１〜Ｈ４から出力される変換電流値は、
第４図の発光強度分布を照射した場合と同じである。

その理由は簡単である。即ち、マスク３の窓部３１から
照射される光は散乱光であり、受光アレイ５は、４つの
光電変換素子旧〜旧で当該位相区域の照度を積分した結
果得られる光電流を出力しているからである。第５図を
参照して説明すると、第５図に示すような発光強度分布
に対して、光電変換素子は同図に示す向きに配置されて
いる（光電変換素子Ｈ３のみ図示）、従って、光電変換
素子Ｈ３は、ｘ−ｙ平面において、例えばｘ＝Ｏ〜×１
の区域における照度の積分値を出力することになる。

第５図（ロ）に示したグラフは、第５図（イ）の光強度
分布を−Ｘ２〜ｘ２まで積分したものを示している。こ
こで、発光強度分布の輪郭ＡＩ、＾２が正弦波であるか
ら［第５図（イ）］、（ロ）の波形は正弦波となる。即
ち、受光アレイ５の各光電変換素子１１１〜■４から出
力される変換電流値は、第４図の発光強度分布を照射し
た場合と同じである。

上述は発光源１から照射される光Ｒ＾が、−様な光束を
持つと仮定したものであるが、実際には、発光源１は点
光源と見ることができ、光Ｒ＾の光束は、第１図の距離
ＤＨにより左右される。即ち、マスク３の窓部３１に相
当する範囲において、−様な照度でない場合が生じる。

このようなことから、実用化する上において、マスク３
の窓部３１の輪郭形状は、照度分布の乱れを補正するた
め理想状態（正弦波）と異なる形状にする。

第６図と第７図は、マスク３の窓部３１の輪郭形状の変
型例を示す図である。第６図の輪郭は、Ｘ−ｙ平面上で
次式で表わされるものであり、パラメータαを種々の値
で変化させたものである。

実験によると、０．４＜α＜１．２　　まで有効であっ
た。

本発明におけるマスクの窓部３１の輪郭は、正弦波、余
弦波の関数に限定するものではない、第７図に示すよう
な正弦波に近似した形状であっても先に記載した効果を
得ることができる。第７図波形の関数は次式で表わされ
るものである。

ＬＬ　　　　　　　ＬＬ なお、　−一≦χ≦−である。

２ 実験によると、１．０＜βく４　まで有効であった。

上述では、発光源を点光源とし、これに拡散板とマスク
を用いて照度分布を正弦波にしていたが、第１２図に示
すような面発光ダイオードを用いれば、第１図における
発光源１と拡散板２とマスク３を１個の素子（第１２図
の面発光ダイオード）に置き換えることができ、更に多
くの効果が得られる。

第１２図において、表面電極４２は第６図などで既述し
たものと同様な輪郭Ａの窓（発光部４３）を持っている
。即ち、表面電極４２は、第１図のマスク３の作用を兼
用している。そして表面電極４２と裏面を極４４の間に
公知の発光材料が設けられており、面発光ダイオードを
構成している。従って、表面電極４２に接続されたリー
ド線４５と、裏面電極４４に接続されたリード、ｆｆ１
４６に電流を加えると、窓に相当する発光部４３から光
が照射される。

第２の発明では、第１２図の面発光ダイオード４１を第
１１図に示すように第１図の発光源１の代わりに用いる
。その他の構成は、第１図と同様である。

また、面発光ダイオード４１とコード板４間の距離０［
、コード板４と受光アレイ５間の距離ＯＰ、受光アレイ
５の長さＬＰ等の関係も、第１の発明と同じであるため
その再説明を省略する。

この第１１図装置によれば、表面電極４２が第１図のマ
スク３に対応し、発光部４３が第１図の拡散板２に対応
するので、第１の発明と同様な効果が得られるのは明ら
かである。

なお、第１図の構成によれば、発光源Ｉと拡散板２間の
距ｊｌｆＤＨが存在するため、信号として有効に利用さ
れる光は、発光源１からマスク３の窓３１を見込む立体
角内の光に限られる。従って、光の利用率が下がり、そ
のためＳ／Ｎが向上しない問題がある。

第１１図の構成によれば、面発光ダイオード４１の光を
１００％利用できるので、光の利用効率は、大幅に向上
し、Ｓ／Ｎが良くなる。その結果、エンコーダの分解能
が向上する。

なお、面発光ダイオード４２では、側面からも光が照射
されるが、第１１図において、図示しない手段により、
この側面から光が洩れないようにしている。

く本発明の効果〉 以上述べたように第１の本発明によれば、受光アレイに
おける正弦波照度分布の歪みを極めて小さいものにする
ことができるので、コード板４の変位位置（又は回転角
度）を精密に測定できる光学式エンコーダを実現できる
。

第２の発明によれば、前記効果に加えて光の利用効率が
上がるのでＳ／Ｎが良くなり、エンコーダの分解能が向
上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光学式エンコーダの光学系部分の
構成配置例を示す図、第２図と第３図は本発明に係る光
学式エンコーダの光源、コード板。 受光アレイの光学関係を示す図、第４図と第５図は本発
明に係る光源の発光強度分布を示す図、第６図と第７図
はマスクの窓部の輪郭形状を示す図、第８図〜第１０図
は従来例を説明する図、第１１図は本発明に係る光学式
エンコーダの光学系部分の別の構成配置例を示す図、第
１２図は面発光ダイオードの構成例を示す図である。 １・・・発光源、２・・・拡散板、３・・・マスク、４
・・・コード板、５・・・受光アレイ、４１・・・面発
光ダイオード４２・・・表面を極。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光源と、 この発光源からの光を拡散光として出力する拡散板と、 拡散板からの光を通過させる窓部（３１）の輪郭が、正
   弦波の半周期を上下に折返した形状、又は正弦波に近似
   した波形の半周期を上下に折返した形状であるマスクと
   、 前記マスクの窓部（３１）を通過した光を受ける部材で
   あつて、光を通過させるスリット（４ｂ）と光の遮蔽部
   （４ａ）が交互に配列されたコード板と、前記スリット
   を通過した光が当たらない部分と、２つのスリットを通
   過した光が２重に当たる部分とができない位置に配置さ
   れた受光アレイと、を備えた光学式エンコーダ。
2. （２）表面電極の窓部の輪郭が正弦波の半周期を上下に
   折返した形状、又は正弦波に近似した波形の半周期を上
   下に折返した形状であり、この窓部の面が発光する面発
   光ダイオードと、 前記面発光ダイオードの光を受ける部材であって光を通
   過させるスリット（４ｂ）と光の遮蔽部（４ａ）が交互
   に配列されたコード板と、 前記スリットを通過した光が当たらない部分と、２つの
   スリットを通過した光が２重に当たる部分とができない
   位置に配置された受光アレイと、を備えた光学式エンコ
   ーダ。