JPH03137517A - 光学式変位検出装置 - 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］ 本発明は光源と受光素子と中間に配置されたエンコーダ
板とから構成される光学式変位検出装置に関し、特にエ
ンコーダ板の基準位置検出技術に関する。

［従来の技術］ 従来から種々の光学式変位検出装置が知られている。例
えば特開昭６３−４７６１６号公報にはコヒーレントな
球面波入射光束のフレネル回折を利用したレーザエンコ
ーダが開示されている。第６図にレーザエンコーダの基
本原理を示す。レーザエンコーダはコヒーレントな球面
波入射光束を生成する為の点光源ｌを含んでいる。点光
源１の前方には矢印で示すように双方向に移動可能なエ
ンコーダ板２が配置されている。エンコーダ板２の面上
には移動方向に沿って所定の間隔で形成された複数の移
動スリット３からなる一次元回折格子が設けられている
。−次元回折格子はコヒーレントな入射光束を回折し前
方所定位置に複数の明暗の縞からなる干渉パタンを結像
する。この干渉パタンは結果的に移動スリット３の拡大
像で有りエンコーダ板２の移動に応じて移動する。この
干渉パタンのピッチに対応する空間周期を有する空間フ
ィルターを介して受光素子により出射光束を受光し交流
信号に変換すればエンコーダ板２の移動情報を電気的に
得る事ができる。

エンコーダ板２の同一面上には移動スリット３の近傍に
基準位置スリット４が形成されている。

基準位置スリット４はエンコーダ板２の基準位置に配置
されており、この基準位置が共通の点光源ｌから放出さ
れている入射光束を通過する毎に光スポットを前方に投
影する。この光スポットを形成する出射光束を受光素子
で受光し対応する電気パルスに変換する事によりエンコ
ーダ板２の基準位置情報を得ることができる。こうして
得られたエンコーダ板２の移動情報及び基準位置情報に
基づいてエンコーダ板２の給体変位量を求める事ができ
る。

［発明が解決しようとする問題点］ 上述した従来のレーザエンコーダにおいては、光スポッ
トを受光素子で受光し対応して出力される検出パルスを
電気的に処理して該パルスに同期する基準位置信号を出
力している。例えば比較器により検出パルスの電圧レベ
ルを所定の基準電圧レベルと比較することにより矩形の
パルスからなる基準位置信号を得ている。しかしながら
光スポットのピーク強度分布は外乱により常に変動して
おり検出パルスのパルス高さやパルス幅もこの変動に応
じて変化している。従ってこの様に変化する検出パルス
を単純に所定の基準電圧レベルを用いて比較評価する方
法では、得られる基準位置信号の出力タイミングが一定
せず、正確なエンコーダ板基準位置情報が求められない
という問題点が有った。

［問題点を解決する為の手段］ 上述した従来技術の問題点に鑑み、本発明は光スポット
の強度分布が変動しても常に一定のタイミングで基準位
置信号を出力することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明にががる光学式変位
検出装置は、入射光束を生成する為の固定光源（例えば
半導体レーザ）と、入射光束を横切る様に移動するエン
コーダ板（例えばロータリーエンコーダ板）と、エンコ
ーダ板の基準位置に形成され該基準位置が入射光束を横
断する間にエンコーダ板の移動方向に沿って移動する出
射光束を射出する為の基準光学要素（例えばホログラフ
ィックレンズ格子）と、出射光束により形成される光ス
ポットの移動方向に沿って互いに隣接して並列配置され
ており移動する光スポットを順次受光する事により対応
する先発検出パルス、中央検出パルス及び後発検出パル
スを逐次出力する為の三個の受光素子と、これらの受光
素子に接続されており先発検出パルスと中央検出パルス
の比較出力及び中央検出パルスと後発検出パルスの比較
出力を論理演算処理して基準位置信号を出力しエンコー
ダ板の基準位置を検出する為の検出回路とから構成され
ている。

［作用コ 本発明によればエンコーダ板の基準位置情報を含む光ス
ポットの移動方向に沿って第一、第二及び第三の受光素
子が近接して配置されている。光スポットの通過にとも
ない順次先発検出パルス、中央検出パルス及び後発検出
パルスが出力される。

先発検出パルスと中央検出パルスの比較出力は光スポッ
トが丁度第−及び第二の受光素子の境界を通過する時反
転する。又中央検出パルスと後発検出パルスの比較出力
は光スポットが丁度第二及び第三の受光素子の境界を通
過する時反転する。この両反転に同期した立上り及び立
下がりタイミングを有する矩形パルスからなる基準位置
信号を出力することにより常に一定の出力タイミングが
保証される。すなわち光スポットが第二あるいは中央の
受光素子の一辺を横切り他方の辺を横切るまでの間に基
準位置信号が出力される。

［実　施　例］ 以下図面に基づいて本発明の灯数な実施例を詳細に説明
する。第１図は本発明にががる光学式変位検出装置をレ
ーザロータリーエンコーダに適用した実施例を示す模式
図である。レーザロータリーエンコーダはコヒーレント
な球面波入射光束を生成する為の固定光源１を備えてい
る。固定光源１の前方には入射光束を横切る様に双方向
に回転移動可能なロータリーエンコーダ板２が配置され
ている。エンコーダ板２の移動方向即ち円周方向に沿っ
て所定の間隔で形成されたスリットからなる一次元回折
格子３が配置されている。−次元回折格子３はロータリ
ーエンコーダ板２の回転に伴って移動するとともに、入
射光束を回折する。回折された出射光束は前方所定位置
に干渉パタンを結像する。この干渉パタンは一次元回折
格子３の拡大像でありその移動に伴って変位する。エン
コーダ板２の基準位置には一次元回折格子３と近接して
ホログラフィックレンズ格子４が形成されている。ホロ
グラフィクレンズ格子４は複数の同心円状のスリットか
らなり同心円の中心はエンコーダ板２の基準位置に一致
している。この基準位置が入射光束を通過する間にホロ
グラフィックレンズ格子４は入射光束を回折する。回折
された出射光束は干渉パタンの結像面と同一面上に光ス
ポットを結像する。光スポットはホログラフィックレン
ズ格子４が入射光束を横切る間に限り結像されエンコー
ダ板の移動方向に沿って移動する。

干渉パタン及び光スポットの結像面には固定マスク板５
が配置されている。マスク板５の面上において光スポッ
トの移動範囲にはウィンドウ７が形成されており光スポ
ットをそのまま透過する。

固定マスク板５の面上にはさらに干渉パタンのピッチに
対応する空間周期を有する複数の空間フィルター６が形
成されている。マスク板５の前方近接位置にはマスク板
に形成されたウィンドウ及び複数の空間フィルターに対
応して複数の受光素子８が配置されている。これら受光
素子８は検出回路９に内蔵されている。

第２図はマスク板５と受光素子８の相対的位置間係を表
す模式図である。第２図の右端に示す様に一次元回折格
子によって結像された干渉パタンはエンコーダ板の移動
方向（図面において縦方向）に沿って移動する。この干
渉パタンは移動方向に沿って所定の間隔で配列された一
次元回折格子３によって回折された出射光束により形成
されたものである為、干渉パタンは移動方向と直交する
方向の比較的広い分布を有し回折出射光束はマスク板５
の全面に渡って照射される。第２図の左端に示したのは
ホログラフィックレンズ格子４が入射光束を通過する間
に結像される光スポットである。

光スポットはホログラフィックレンズ格子による収束像
である為極めて鋭いピーク強度を有するとともに矢印で
示すようにエンコーダ板の移動方向に沿って移動する。

マスク板５には干渉パタンのピッチに対応する空間周期
を有する４つの空間フィルター６Ａ、６λ、６Ｂ及び６
ｎが形成されている。移動方向に並んだ一対の空間フィ
ルター６Ａ及び６人は互いに１８０’の空間位相差を有
する。同様にして移動方向に並んだ一対の空間フィルタ
ー６Ｂ及び６ｎは互いに１８０°の位相差を有する。又
直交方向に並んだ一対の空間フィルター６Ａ及び６Ｂは
互いに９０゛の位相差を有し、同様に一対の空間フィル
ター６Ａ及び６Ｂも互いに９０°の位相差を有する。こ
れら４個の空間フィルター６Ａ、６人、６Ｂ及び６ｎの
各々に対応して４個の受光素子８Ａ、８Ａ。

８Ｂ及び８■が配置されている。これら４個の受光素子
は対応する空間フィルターの位相差に応じて各々１８０
°あるいは９０゛位相の異なる交流検出信号を出力する
。

マクス扱５に形成されたウィンドウ７の背部には三個の
受光素子８Ｇ、８Ｄ及び８Ｅが光スポットの移動方向に
沿って互いに隣接して配置されている。好ましくは三個
の受光素子は同一の形状を有し、且つ干渉パタンのピッ
チに対応したピッチで配列されている。この様にすると
干渉パラタンを形成する出射光束がウィンドウ７を通過
して三個の受光素子に照射されても、これら受光素子は
常に同量の光を受光する為に、その出力レベルは同量の
ＤＣ成分を含む事になり何ら検出精度に悪影響をおよぼ
さない。

今仮に矢印で示すように光スポットが図面上で下方から
上方に向かって移動しているとすると、順次第一の受光
素子８Ｃが先発検出パルスを出力し、第二の受光素子８
Ｄが中央検出パルスを出力し、第三の受光素子８Ｅが後
発検出パルスを出力する。これら一連の検出パルスは互
いに部分的に重なり合いながら、光スポットの移動に対
応して時系列的に出力される。

第３１ｉｌは検出回路９の詳細な回路構成を示すブロッ
ク図である。受光素子８Ａには増幅器Ａ１が接続されて
おり、受光素子８Ａは増幅器Ａ２に接続されており、受
光素子８Ｂは増幅器Ａ３に接続されており、受光素子８
Ｂは増幅器Ａ４に接続されている。増幅器Ａ１及びＡ２
は比較器Ｃ１に接続されており、増幅器Ａ３及びＡ４は
比較器Ｃ２に接続されている。受光素子８Ｃには増幅器
Ａ５に接続されており、受光素子８Ｄは増幅器Ａ６に接
続されており、受光素子８Ｅは増幅器Ａ７に接続されて
いる。増幅器Ａ６の出力は比較器Ｃ３の正側端子に入力
され増幅器Ａ５の出力は同じく負側端子に入力されてい
る。又増幅器へ〇の出力は比較器Ｃ４の正側端子に入力
され増幅器Ａ７の出力は同じく負側端子に入力されてい
る。そして比較器Ｃ３及びＣ４の出力はアンドゲートか
らなるゲート回路Ｇに入力されている。さらに増幅回路
Ａ５．Ａ６及びＡ７の出力は同時に加算器Ａ８に入力さ
れている。加算器Ａ８の出力は所定の参照電圧レベルＶ
ｉｌＦを有する比較器Ｃ５に入力される。そして比較器
Ｃ５の出力はゲート回路Ｇに入力されている。

第４図は検出回路９の動作を説明する為の波形図である
。以下第４図に従ってレーザロータリーエンコーダの動
作を説明する。受光素子８Ａは空間フィルター６Ａを介
して移動する干渉パタンを受光する事によりＡ相交流検
出信号を出力する。

この交流検出信号の周波数はロータリーエンコーダ板の
回転速度を表しており、波の数はその回転量を表してい
る。受光素子８Ａも同様に人相交流検出信号を出力する
がその位相はＡ相交流検出信号と逆相である。この位相
差は対応する空間フィルター６Ａおよび６人の１８０°
の位相差に対応している。受光素子８Ｂも同一の周波数
を有するＢ相交流検出信号を出力する。しかしながらそ
の位相はＡ相交流検出信号に対して９０’異なっている
。

この位相差は対応する空間フィルター６Ａ及び６Ｂの９
０°の位相差に起因している。受光素子８ｎも同一の周
波数を有するＢ相交流検出信号を出力するが、その位相
はＢ相交流検出信号に対して逆相となっている。

Ａ相交流検出信号及び人相交流検出信号は各々増幅器Ａ
ｌ及びＡ２で増幅された後比較器Ｃ１によって互いに比
較されＡ相変位信号を発生する。

互いに逆相のＡ相交流検出信号及び人相交流検出信号を
比較する事により矩形のパルス列からなるＡ相変位信号
を作ることができデジタル処理に適したエンコーダ出力
を得る事ができる。この際温度変化等により入射光束の
波長が変動し交流信号の出力レベルが変動してもその変
動はＡ相及び人相の雨検出信号において同じに起こるた
め結果的にその変動は互いにキャンセルされ影響を受け
る事がない。同様にしてＢ相交流検出信号及びＢ相交流
検出信号は各々増幅器Ａ３及びＡ４で増幅された後比較
器Ｃ２によって互いに比較され矩形のパルス列からなる
Ｂ相変位信号を発生する。図示する様にＢ相変位信号は
Ａ相変位信号と同一の周期を有するがその位相は９０゛
ずれている。Ａ相変位信号とＢ相変位信号の相対的位相
関係によってロータリーエンコーダ板の回転方向を知る
ことができる。

さて第４図に示すように第一の受光素子８Ｃは最初に光
スポットを受光して先発検出パルスを出力する。このパ
ルスはタイミングＴ１でピークに達しタイミングＴ２で
電圧レベルが半減する。ただし重畳されているＤＣ成分
は考慮されていない。

第５図に示すようにタイミングＴ１は光スポットが第一
の受光素子８Ｃの中央に位置した時点であり、タイミン
グＴ２は光スポットが丁度第−及び第二の受光素子８Ｇ
、８Ｄの境界上に位置する時点である。

次いで第二の受光素子８Ｄが光スポットを受光して中央
検出パルスを出力する。このパルスはタイミングＴ２で
半分立上りタイミングＴ３でピークに達しタイミングＴ
４で半分立下がる。第５図に示すようにタイミングＴ３
は光スポットが第二の受光素子の中央に位置した時点で
ありタイミングＴ４は光スポットが第二及び第三の受光
素子８Ｄ、８Ｅの境界上に位置する時点である。なお先
発検出パルスと中央検出パルスはタイミングＴ２でその
電圧レベルが一致する。

最後に第三の受光素子８Ｅが後発検出パルスを出力する
。このパルスはタイミングＴ４で半分立上りタイミング
Ｔ５でピークに達する。第５図に示す様にタイミングＴ
５は光スポットが第三の受光素子８Ｅの中央に位置する
時点である。なお中央検出パルスと後発検出パルスはタ
イミングＴ４でその電圧レベルが一致する。

これら先発、中央及び後発検出パルスは各々対応する増
幅器Ａ５．Ａ６及びＡ７により増幅された後加算回路Ａ
８に入力され互いに加算される。

第４図に示すように加算回路Ａ８の出力波形は光スポッ
トが一連の受光素子８Ｃ，８Ｄ及び８Ｅを通過する期間
高電圧レベルに保たれる。

又増幅された先発及び中央検出パルスは比較器Ｃ３の負
側及び正側端子に各々入力され互いに比較される６図示
する様に比較器Ｃ３の出力波形はタイミングＴ２におい
てその電圧レベルが正側に反転する。−力増幅された中
央検出パルス及び後発検出パルスは比較器Ｃ４の正側及
び負側端子に各々入力され互いに比較される。図示する
様に比較器Ｃ４の出力波形はタイミングＴ４においてそ
の電圧レベルが逆転する。これら比較器Ｃ３及びＣ４の
出力波形はアンドゲートよりなるゲート回路Ｇに入力さ
れ論理的に処理され基準位置信号（Ｚ相信号）を出力す
る。第４図に示すように基準位置信号はタイミングＴ２
で立上りタイミングＴ４で立ち下がる矩形パルスからな
る。すなわち光スポットが第二の受光素子８Ｄの一方の
境界により二分された時点から他方の境界上で二分され
た時点に同期して矩形パルスは出力される。なお三個の
受光素子８Ｇ、８Ｄ及び８Ｅは空間フィルター６Ｂと同
相で配置されている為、基準位置信号はＢ相変位信号の
一周期に同期して出力されるようになっている。

しかしながらロータリーエンコーダ板が回転していない
状態あるいはロータリーエンコーダ板の基準位置が入射
光束を横切らない時点においては比較器Ｃ３及びＣ４の
入力が与えられず比較器Ｃ３及びＣ４の出力は不定状態
となる。この様な不定状態を除くために増幅器Ａ８の出
力波形は比較器Ｃ５に入力され所定の参照電圧レベルＶ
□、と比較することによりゲート信号を出力するように
している。そして比較器Ｃ３の出力と比較器Ｃ４の出力
はゲート回路Ｇに入力されゲート信号に応答して基準位
置信号をする為に不定状態を除く事ができる。

上述した実施例においてはレーザロータリーエンコーダ
が説明されたが、本発明はこれに限るものではなくレー
ザリニアエンコーダにも同様に適用する事ができる。又
本実施例においてはエンコ−ダの基準位置情報を得る為
にホログラフィックレンズ格子を用いたがこれに限るも
のではなく例えば基準光学要素として単一のスリットを
用いてもよい。又本実施例においてはエンコーダ板の移
動情報を得るためにコヒーレントな点光源を用いたフレ
ネル回折を利用したがこれに限るものではなく、例えば
発光ダイオードから放出されるインコヒーレントな光を
移動スリットにより透過して形成される投影像を利用し
てもよい。

［＠明の効果］ 上述した様に本発明によれば、エンコーダ板の基準位置
情報を有する光スポットを順次受光検出できるように三
個の受光素子を配置し、検出パルスを論理的に演算処理
する事により常に一定のタイミングで基準位置信号を出
力することができる為、従来に比し安定したエンコーダ
板基準位置の検出が行えるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はレーザロータリーエンコーダの構成を示す模式
的斜視図、第２図はレーザロータリーエンコーダの固定
マスク板及び受光素子の配置関係を示す模式図、第３図
はレーザロータリーエンコーダの検出回路の詳細なブロ
ック図、第４図はレーザロータリーエンコーダの検出回
路の動作を説明する為の波形図、第５図は検出パルスの
発生タイミングを示す模式図、及び第６図は従来のレー
ザエンコーダの原理を示す為の模式図である。 １・・・固定光源　　　　　　２・・・エンコーダ板３
・・・−次元回折格子 ４・・・ホログラフィックレンズ格子 ５・・・マスク板　　　　　　６・・・空間フィルター
７・・・ウィンドウ　　　　　８受光素子９・・・検出
回路 出　願　人　　株式会社　　コ　バ　ル第４図 Ｃ３出力波形 Ｃ４出力波形 ノＬ−Ｊ−−−蹴￥ 一￥１−−劃一一二 ４ ２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、入射光束を生成する為の固定光源と、入射光束を横
   切る様に移動するエンコーダ板と、エンコーダ板の基準
   位置に形成され該基準位置が入射光束を横断する間にエ
   ンコーダ板の移動方向に沿って移動する出射光束を射出
   する為の基準光学要素と、出射光束の移動方向に沿って
   互いに隣接して並列配置されており移動出射光束を順次
   受光する事により対応する先発検出パルス、中央検出パ
   ルス及び後発検出パルスを逐次出力する為の三個の受光
   素子と、これらの受光素子に接続されており先発検出パ
   ルスと中央検出パルスの比較出力及び中央検出パルスと
   後発検出パルスの比較出力を論理演算処理して基準位置
   信号を出力しエンコーダ板の基準位置を検出する為の検
   出回路とからなる検出装置。 ２、該検出回路は三個の検出パルスの加算出力を所定の
   参照電圧レベルと比較する事によりゲート信号を出力す
   る為の比較回路と、ゲート信号に応答して基準位置信号
   を出力する為のゲート回路を含む請求項１に記載の検出
   装置。 ３、該三個の受光素子は同一の受光面形状を有する請求
   項１に記載の検出装置。 ４、該基準光学要素は移動出射光束を受光素子上に投映
   する為の単一のスリットである請求項１に記載の検出装
   置。 ５、該固定光源はコヒーレントな入射光束を放出する光
   源であり、該基準光学要素はコヒーレントな入射光束を
   回折し移動出射光束を受光素子上に結像する為のホログ
   ラフィックレンズ格子である請求項１に記載の検出装置
   。 ６、該固定光源はコヒーレントな球面入射光束を放出す
   る点光源であり、該エンコーダ板上にはその移動方向に
   沿って配列された一次元回折格子が形成されておりコヒ
   ーレントな入射光束を回折して出射光束を所定のピッチ
   を有する干渉パタンに結像するとともに、該三個の受光
   素子は干渉パタンのピッチに対応して配置されている請
   求項１に記載の検出装置。