JPH0399222A - 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） 本発明はエンコーダに関し、特に被測定物体の移動量や
移動方向等の移動状態を透光部と遮光部を周期的に設け
た主スケールと補助スケールを利用して検出するように
した光電的なエンコーダに関するものでる。

（従来の技術） 従来より被測定物体の回転や移動等に関する変位状態を
検出する装置として充電的なロータリーエンコーダやリ
ニアエンコーダが多く利用されている。

第５図（Ａ）　．　（Ｂ）は被測定物体の直線移動状態
を検出するようにした従来のリニアエンコーダの光学系
の平面と側面の要部概略図である。

同図においてＬＥＤ等の光源５１からの光束は投光レン
ズ５２により略平行光束とされ主スケール５３に投光さ
れる。主スケール５３はガラス等の透明基材又は金属の
薄板にエッチング等の手法により幅の等しい透光部と遮
光部を周期的に設けたスリット列より構成されている。

主スケール５３を通過した光束は主スケール５３と同じ
周期のパターンより或る副スケール５４に入射し，副ス
ケール５４を通過した光束は受光手段５５で受光される
。

主スケール５３は一点鎖線で囲まれた検出ヘッド部６０
に対し、相対的に矢印八方向に移動可能となるように構
成されている。

ここで副スケール５４は例えば第６図に示すように４つ
のスケール５４−１〜５４−４を有し、これらの各スケ
ールは主スケール５３と同周期のスリット列より成り、
投光レンズ５２から投射される光束中に配置されている
。又各スケール５４−１〜５４−４の位置関係は例えば
スケール５４−１を基準にとるとスケール５４−２はス
リットピッチの１／２だけスケール５４−１とずれてお
り、同様にスケール５４−３はスリットピッチの１／４
、スケール５４−４はスリットピッチの３／４だけずれ
た状態となっている。

受光手段５５は第６図に示すように４つの光検出器５５
−１〜５５−４を有し、各スケール５４−１〜５４−４
の後方に各々対応して配置されている。ここでスケール
５４−１〜５４−４は主スケール５３の移動の方向判別
及びＤＣオフセット成分を除くことを目的として配置さ
れている。

第７図は第５図に示したリニアエンコーダにおいて主ス
ケール５３と検出ヘッド部６０が相対的に所定量移動し
たときの光検出器５５−１〜５５−４から得られる出力
信号の説明図である。

同図に示す出力信号波形はいずれもスリットピッチを単
位として周期的に変化している。同図（Ａ）〜（１））
は順に光検出器５５−１〜５５−４からの出力波形であ
る。

今、第７図（Ａ）の出力波形を基準にとれば副スケール
の位置関係より同図（Ｂ）　．　（Ｃ）　．　（Ｄ）の
出力波形は各々１８０度、９０度，２７０度だけ位相が
ずれている。

従来のリニアエンコーダはこれら４つの出力信号を用い
て、例えば第７図（Ａ）と同図（Ｂ）の差動出力及び同
図（Ｃ）と同図（Ｄ）の差動出力よりＤＣオフセット変
動分を除き、各２つの差動出力の位相関係から周知の方
法により主スケール５３の移動量及び移動方向を検出し
ている。

（発明が解決しようとする問題点） 第５図に示す従来のリニアエンコーダにおいては主スケ
ール５３と副スケール５４との間隔が変わると受光手段
５５からの出力値が変動してくる。

第８図は第７図と同様の受光千段５５のうちの１つの光
検出器からの出力信号の波形を表わす説明図である。主
スケール５３と副スケール５４との間隔が０に近い状態
で双方が相対的に移動した場合には受光手段５５からは
図中の破線が示す三角形状の出力信号が得られる。主ス
ケール５３と副スケール５４との間隔が拡大するに従い
出力波形は実線で示すように徐々に振幅が小さくなると
共に波形が歪んで正弦波に似た形状になってくる。

第９図は主スケールと副スケールとの間の距離に対する
光検出器からの出力信号の振幅の変化を定性的に示した
説明図である。このような光検出器からの出力信号の変
動は光源にＬＥＤ等のような有限のサイズの発光源を用
いた為に、光束が完全な平行光束とならず、主スケール
と補助スケールとの間の距離によって光検出器への光束
のもれ込み量が変化することが主たる原因となっている
。（尚、光束が回折して拡がることによりもれ込みはス
ケールのスリットピッチが数十ミクロンのオーダーの場
合は殆ど無視することができる。） このように従来のリニアエンコーダでは相対的なスケー
ルの移動に伴って主スケールと副スケールとの間の距離
が変わったり、継続的な変形により双方の距離が変わっ
たりすると出力信号の波形が変動し、検出精度が低下し
てくるという問題点があった。

尚、このような問題点はロータリーエンコーダにおいて
も同様に生じてくる。

本発明は主スケールと副スケールとの間の距離が変動し
てもこの変動を打消すように各要素を構成することによ
り、双方の相対的な移動状態を精度良く検出することの
できるエンコーダの提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明のエンコーダは、主スケールと副スケールを対向
配置し、該主スケールと副スケールで変調された光を光
電変換し、該光電変換により生成せしめられる信号に基
づいて、前記主スケールと副スケールの相対的変位を検
出するエンコーダにおいて、前記相対的変位及び前記主
スケールと副スケール間の間隔変動に応じて強度が変化
する第１信号を生成する第１光電変換手段と、前記相対
的変化及び前記間隔変動に応じて強度が変化する信号で
あって、前記第１信号と１８０°位相が異なり前記間隔
変動に応じた強度の増減が前記第１信号と逆である第２
信号を生成する第２光電変換手段と、前記第１と第２信
号の差分を求め、差分信号を生成する手段とを有してい
る。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例の光学系の要部概略図であ
る。同図において１．２は各々光源であり、例えばＬＥ
Ｄ等から成り、各々の光源は主スケール９に対して反対
側位置に主スケール９に対向して配置している。主スケ
ール９は同一幅の透光部と遮光部を周期的に配置したス
リット列より成っている。

３，４は各々投光レンズであり、光＠１，２からの光束
を略平行光束として主スケール９に入射させている。光
源１と投光レンズ３で第１投光手段１０１を、光源２と
投光レンズ４で第２投光手段１０２を構成している。

１０は第１補助スケール、１１は第２補助スケールであ
る。このうち第１補助スケール１０は例えば０度（基準
位相）と９０度の位相を有する２つのスケール１０ａ，
１０ｂから成り、第２補助スケール１１は１８０度と２
７０度の位相を有する２つのスケールｌｌａ，ｌｌｂか
ら成っている。そしてこれら第ｌ，第２補助スケール１
ｏ，１１は同一幅の透光部と遮光部より成る主スケール
９と同じ周期のスリット列より成っている。

５，６は各々光検出器であり、第１投光千段１０１から
の光束のうち主スケール９と第１補助スケール１０の透
光部を通過した光束を受光している。光検出器５．６は
第１受光手段１０３を構成している。

７，８は各々光検出器であり、第２投光手段１０２から
の光束のうち主スケール９と第２補助スケール１１の透
光部を通過した光束を受光している。光検出器７，８は
第２受光手段１０４を構成している。

１２は検出ヘッドであり、主スケール９を除く前述の各
要素を筐体内に収納して構成されている。主スケール９
は検出ヘッド１２に対して相対的に図中の矢印八方向に
移動可能となっている。

本実施例では第１投光手段１０１からの光束のうち主ス
ケール９と第１補助スケール１０の透過部を通過した光
束は各々光検出器５，６で検出される。同様に第２投光
手段１０２からの光束のうち主スケール９と第２補助ス
ケール１１の透過部を通過した光束は各々光検出器７．
８で検出される。

本実施例ではこのような構成により主スケール９と第１
補助スケール１０との間の距離又は主スケール９と第２
補助スケールとの間の距離が変動した場合に、その距離
の変動方向の増減が第１補助スケール１０と第２補助ス
ケール１１に対して互いに逆となるようにしている。

これにより第１受光手段１０３と第２受光手段１０４か
ら得られる信号の出力振幅の変化が互いに逆になるよう
にしている。

第２図は本実施例において第１、第２受光手段１０３，
１０４で得られる出力信号の信号処理回路のブロック図
である。同図では主スケール９と第１又は第２補助スケ
ール１０．１１との間の距離の変動の影響を打消して主
スケール９の相対的移動量を検出する信号処理回路を示
している。

即ち、同図において光検出器５から得られた００位相の
信号出力Ａと光検出器７から得られた１８００位相の信
号出力Ａを差動増幅器で減算することにより、結果的に
互いに振幅の変動方向が逆の同位相信号を加算平均する
のと同じ効果をもたらし、差動増幅器後の出力信号がス
ケール間の距離の変動の影響を打消した信号となるよう
にしている。同様にして光検出器６及び８に対応する信
号出力Ｂ及びＢからも距離の変動の影響を受けない差動
出力信号を得ている。

これらの差動出力信号は夫々波形整形器方向判別器の為
の回路を経てカウンターで計数され、その結果として主
スケール９と検出ヘッド１２の矢印Ａ方向の相対的な移
動量を求めている。

第３図は本発明の第２実施例の光学系の要部概略図であ
る。同図において第１図で示した要素と同一要素には同
符番を付している。

本実施例では光源１からの光束を投光レンズ３の有効領
域のうちの片側半分の領域を通過させて略平行光束とし
ている。そして第１スケール９と第１補助スケール１０
の透過部を通過した光束な投光レンズ４の有効領域のう
ちの片側半分の領域で集先して光検出器５，６で受光し
ている。

光源２からの光束に対しても同図に示すように光源１か
らの光束と同様にして光検出器７．８で受光している。

このように本実施例では投光レンズ３．４の有効面の半
分を投光用と受光用として用いる点が第１図の第１実施
例と異っている。

本実施例では投光レンズ３，４を共軸配置となるように
構成し、これにより装置全体の小型化及び組立調整を容
易にしている。

第４図は本発明の第３実施例の主スケール９の移動方向
（紙面垂直方向〉と直交する而内における光学系の要部
概略図である。同図において第１図で示した要素と同一
要素には同符番を付している。

本実施例では光源１（２）からの光束を投光レンズ３（
４）に対して軸外から入射させ、略平行光束として射出
させ、このとき光源１．２からの光束が主スケール９上
で互いに交差するように各要素を設定している。そして
第１（第２）補助スケール１０（１１）を介して投光レ
ンズ４（３〉で集光し、光検出器５．６　（７．８）で
受光している。

本実施例では第３図の第２実施例と同様に投光レンズ３
（４）の有効面を２つに分割して投光用と受光用として
用い、又投光レンズ３，４を共軸配置とし装置全体の小
型化及び組立調整を容易にしている。

本実施例では主スケール９を境に光学系を左右の配置が
対称となるように構成し、主スケールと第１又は第２補
助スケールとの間の距離が変動したときの影響を前述の
第１．第２実施例と同様に互いに打消すようにしている
。

尚、本実施例において主スケール９を反射型とし、光Ｗ
ｌ　（２）からの光束を主スケール９で反射させた後、
第２補助スケール１１（第１補助スケール１０）を介し
て光検出器７．８　（５．６）で受光するようにしても
前述と同様の効果が得られる。

以上の各実施例では本発明をリニアエンコーダに適用し
た場合を示したが本発明はロータリーエンコーダにも同
様に適用することが出来る。

（発明の効果） 本発明によれば主スケールと補助スケールとを介した光
束を利用して主スケールの相対的な移動状態を検出する
際、前述の如く各要素を構成することにより、主スケー
ルと補助スケールとの間の距離の変動によって生ずる出
力信号の振幅変動を互いに打消し、これにより主スケー
ルと補助スケールの位置関係の初期調整を容易にし、か
つ機械的な変形に対しても安定で信頼性のある高精度な
検出が可能なエンコーダを達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の要部概略図、第２図は第
１実施例における信号処理に係るブロック図、第３，第
４図は本発明の第２，第３実施例の要部概略図、第５図
は従来のリニアエンコーダの概略図、第６図は第５図の
一部分の説明図、第７〜第９図は従来のリニアエンコー
ダにおける出力信号波形の説明図である。 図中、１０１は第１投光手段、１０２は第２投光手段、
１０３は第１受光手段、１０４は第２受光手段、１．２
は光源、３．４は投光レンズ、５，６．７．８は光検出
器、９は主スケール、１０は第１補助スケール、１１は
第２補助スケール、１２は検出ヘッドである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１投光手段からの光束を透光部と遮光部を周期
   的に設けた主スケールに投光し、該主スケールを介した
   光束を該主スケールと同じ周期の第１補助スケールを介
   した後、第１受光手段で受光すると共に第２投光手段か
   らの光束を該主スケールに該第１投光手段の投光方向と
   は反対側方向から投光し、該主スケールを介した光束を
   該主スケールと同じ周期の第２補助スケールを介した後
   、第２受光手段で受光し、該第１、第２受光手段からの
   出力信号を用いて該主スケールの相対的移動量を検出す
   るようにしたことを特徴とするエンコーダ。
2. （２）主スケールと副スケールを対向配置し、該主スケ
   ールと副スケールで変調された光を光電変換し、該光電
   変換により生成せしめられる信号に基づいて、前記主ス
   ケールと副スケールの相対的変位を検出するエンコーダ
   において、前記相対的変位及び前記主スケールと副スケ
   ール間の間隔変動に応じて強度が変化する第１信号を生
   成する第１光電変換手段と、前記相対的変化及び前記間
   隔変動に応じて強度が変化する信号であって、前記第１
   信号と１８０゜位相が異なり前記間隔変動に応じた強度
   の増減が前記第１信号と逆である第２信号を生成する第
   ２光電変換手段と、前記第１と第２信号の差分を求め、
   差分信号を生成する手段とを有するエンコーダ。
3. （３）主スケールと副スケールを対向配置し、該主スケ
   ールと副スケールで変調された光を光電変換し、該光電
   変換により得られる、前記主スケールと副スケールの相
   対的変位と前記主スケールと副スケール間の間隔変動と
   に応じて強度が変化する信号に基づいて前記相対的変位
   を検出するエンコーダにおいて、前記信号から前記間隔
   変動に応じて強度が変化する成分を除去する手段を有す
   ることを特徴とするエンコーダ。