JPH04351919A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動体の位置を検出す
るエンコーダに関する。本発明は例えばサーボモータ等
の回転数、回転方向、絶対回転位置を検出するロータリ
ーエンコーダなどに応用される。

【０００２】

【従来の技術】回転円盤表面に径方向に伸びるスリット
を互いに一定間隔を隔てて複数個設けて透過型の非回折
格子を形成し、これらスリットを透過する光を検出する
透過型のロータリーエンコーダ、及び、回転円盤表面に
径方向に伸びる反射帯を互いに一定間隔を隔てて複数個
設けて反射型の非回折格子を形成し、この反射帯で反射
される光を検出する反射型のロータリーエンコーダが知
られている。

【０００３】また、ミクロンオーダーの変位置を計測す
るために、互いに相対移動する透過型の非回折格子を有
するいわゆるモワレスケールが用いられている。このモ
ワレスケールでは、上記非回折格子のピッチを周期とす
る正弦波光が得られる。特開平１−１７６９１４号公報
の干渉式エンコーダは、一定ピッチの回折格子に平行光
を入射し、回折格子からでた０次光と正の一次光とが干
渉する領域、又は、０次光と負の一次光とが干渉する領
域に、前記回折格子と等ピッチでインデックススケール
を設け、０次光と正の一次光との干渉光、又は、０次光
と負の一次光との干渉光とに基づいて、回折格子の空間
位置変化を検出することを開示している。

【０００４】特開昭６０−１９０８１２の位置検出器は
、回折格子に入射して得られた１対の同一次数の回折光
だけを干渉させて回折格子の空間位置変化を検出するこ
とを開示している。すなわち、上記した各エンコーダで
は、移動する透過型又は反射型の格子に平行光を入射し
てこの平行光を空間変調し、そして、この空間変調光を
所定パタンの静止スリットに透過させ、透過光量の時間
変化により上記格子の位置又は速度を検出している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
従来のエンコーダでは、望まない回折光の影響を排除す
るために移動格子と静止スリットとを密接化する必要が
あるがそれには作製の上、一定の限界があること、移動
格子のピッチを微細化した場合にそれと等ピッチの静止
スリットのピッチも縮小するためにその作製及び取り付
けが困難となることなどの問題があり、分解能の向上が
容易ではなかった。

【０００６】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、分解能向上が可能な光学式のエンコーダを提供す
ることを、その目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、入射光を空間
変調すなわち反射又は透過する所定形状のパタンを有し
一方向に移動するパタン板と、平行光を前期パタンへ入
射する光源と、前記パタンから出た被変調光を収束する
収束レンズと、該収束レンズにより拡像された前記被変
調光と等ピッチのスリットを有し前記収束レンズから光
軸に沿って所定距離離れて配設されるスリット板と、前
記スリット板を透過する透過光を光電変換する光電変換
素子とを備えることを特徴としている。

【０００８】好適な一態様としてのロータリーエンコー
ダは、径方向に伸びる回折格子パタンが円周方向に所定
間隔で形成され回転軸に配設される前記パタン板と、可
干渉性の平行光を前記回折格子パタンへ入射する前記光
源とを備えている。好適な一態様としてのロータリーエ
ンコーダは、前記レンズの焦点位置近傍に配設されると
ともに、前記回折格子パタンから出た前記回折光の所定
次数成分の干渉光を抽出する回折光選択板を備えるてい
る。

【０００９】光源は、例えばレーザー装置と、そのレー
ザー光を平行化するコリメートレンズとから構成される
。

【００１０】

【作用及び発明の効果】一方向に移動するパタン板は、
入射する平行光をそのパタンで透過又は反射する。パタ
ンから出た透過光又は反射光は収束レンズにより収束さ
れた後、発散し、収束レンズの拡像領域でスリット板上
に結像する。スリット板は、スリット板に入射する光の
パタンと等ピッチ（すなわち前記パタン板のパタンより
も拡大されたピッチ）を有しており、その結果、パタン
板の一方向への移動によりスリット板を透過する光の強
度は時間変調され、インクリメンタルタイプではその変
調周波数から速度が、その変調量からピッチ内の相対位
置が決定される。また、アブソリュートタイプでは、１
本乃至複数本の上記時間変調光がもつ情報により絶対位
置や速度が決定される。

【００１１】以上説明したように本発明のエンコーダで
は、移動するパタン板から出た光を収束レンズにより拡
像してスリット板に投射しているので、スリット板を大
型化でき、それによりスリット板の作製精度がばらつき
により低下するエンコーダの分解能低下を防止すること
ができる。また、スリット板のスリットによる再回折を
軽減し、スリット板の作製、取り付け精度を緩和するこ
ともできる。

【００１２】

【実施例】

（実施例１）本発明の一実施例を図１に示す。この装置
は、再回折型のロータリーエンコーダであって、回転軸
１４の一端が回転自在に挿入されるケーシング１に収容
されており、回転軸１４の一端にはその軸心と直角に回
転円板２が固定されている。

【００１３】回転円板２には幅１〜２０μｍの、長さ１
〜１０００μｍのスリットが回転円板２の全周にわたっ
てピッチ２〜４０μｍで放射状にフォトエッチングによ
り形成されている。　　ケーシング１には更に、検出光
学系３、光源駆動回路１１、光検出センサ用回路１２が
収容されている。検出光学系３は、レーザーダイオード
４、コリメートレンズ５、収束レンズ６、マスク７、ス
リット板１３、ＰＩＮ型のホトダイオード８からなり、
レンズ光軸に沿って図中、左から右へ順番に配設されて
おり、そして両レンズの間に回転円板２のスリットが配
置される。

【００１４】ここで、回転円板２は本発明でいうパタン
板を構成し、そのスリットは本発明でいうパタン、特に
透過型の回折格子パタンを構成し、レーザーダイオード
４及びコリメートレンズ５は本発明でいう光源を構成し
、ホトダイオード８は本発明でいう光電変換素子を構成
し、マスク７は本発明でいう回折光選択板を構成してい
る。

【００１５】光電駆動回路１１はレーザーダイオード４
を駆動させるための回路であり、レーザーダイオード４
に一定電流を供給する定電流回路を含む。光検出センサ
用回路１２はホトダイオード１３の出力電圧を増幅、処
理して回転軸１４の回転数を検出する回路からなる。マ
スク７を図２に示す。マスク７にはピッチｄで２条の光
透過可能なスリット７０が形成されており、具体的には
ガラス板表面にスリット７０の領域を残して黒色層を形
成したものである。スリット７０は光軸方向に見て回転
円板２のスリットと重畳可能に配設されている。

【００１６】スリット板１３にはマスク７により再回折
された再回折像（干渉縞）が入射するので、スリット板
１３のスリットはこの再回折像と等ピッチかつ同位置に
形成されている。スリット板１３の一部を図３に示す。 上記装置の作動を以下に説明する。レーザーダイオード
４から出力された一定強度のレーザ光はコリメートレン
ズ５により平行光とされて回転円板２のスリットに入射
し、このスリットにより回折される。回転円板２を透過
する光は０次透過光±ｎ次の回折光（ｎ＝１、２、３、
…）からなる。これらの光成分はレンズ６により集光さ
れ、その結果、レンズの焦点位置に回折像が形成される
。

【００１７】この実施例では、レンズ６の焦点位置にマ
スク７が設けられており、このマスク７には上記回折像
の±１次波成分Ｉ１　、Ｉ−１の結像位置にスリット７
０、７０が設けられている。したがって、このマスク７
から出た上記±１次波成分Ｉ１　、Ｉ−１の再回折光像
すなわち干渉像が拡像されつつ、スリット板１３上に入
射する。

【００１８】ここで、回転円板上のスリットの間隔が上
記±１次波成分Ｉ１、Ｉ−１の再回折光像の明暗の縞（
エネルギー分布）として観測され（図４の実線部）、見
かけ上回転円板のビット情報の２倍のビット情報が得ら
れる（図４参照）。当然、この縞が形成されるスリット
板１３にはこの縞位置にスリットが形成され、スリット
板１３のスリットを透過した光がホトダイオード８に入
射し、ホトダイオード８はそれに応じた信号電流を出力
する。

【００１９】ここで、上記した倍ピッチが得られる原理
を以下に解析する。図８は、マスク７とスリット板１３
との間の各光路長関係を示す図である。Ｑはマスク７の
位置であり、それから光軸に沿って距離Ｌだけ離れたＰ
の位置にスリット板１３があるものとする。Ｑ１　はマ
スク７の±１次波成分Ｉ１　が放射されるスリット７０
であり、Ｑ０　はマスク７の０次（基本）波成分Ｉ０　
が放射される仮想点であり、スリット７０であり、Ｑ−
１はマスク７の−１次波成分Ｉ−１が放射されるスリッ
ト７０であり、これら各点はここでは点光源と考える。 一方、Ｐ１　、Ｐ２　はスリット板１３上の光軸と直角
方向に隣接する２明点である。更に、Ｑ１　とＱ０　と
の間の光軸と直角方向における距離＝Ｑ１　とＱ０　と
の間の光軸と直角方向における距離はｄとし、Ｐ１　と
Ｐ２　との間の光軸と直角方向における距離はｘとする
。

【００２０】まず最初に、±１次波成分Ｉ１　と０次（
基本）波成分Ｉ０　との干渉縞について考えれば、　　
光路長差ΔＬ＝Ｑ１　Ｐ１　−Ｑ０　Ｐ２　＝（Ｌ２　
＋（ｘ＋ｄ／２）　１／２−（Ｌ２　＋（ｘ−ｄ／２）
２　）１／２　　　　　　　＝Ｌ（１＋（ｘ＋ｄ／２）
２　／Ｌ２　）　１／２−Ｌ（１＋ｄ／２）２　　　　
　　　　　／Ｌ２　）１／２　 これをテーラー展開すれば、 　　　　＝Ｌ｛（１＋（ｘ＋ｄ／２）２　／２Ｌ２　）
−（１＋（ｘ−ｄ／２）２　　　　　　　　　／２Ｌ２
　）｝ 　　　　＝Ｌ・２・（２・ｘ・ｄ／２）／（２・Ｌ２　
）　　　　＝ｘ・ｄ／Ｌ となる。ここで、明点はΔＬ＝ｎλ（λは正又は負の整
数）の位置に生じるので、結局、スリット板１３上の隣
接明点間のピッチｘは、 　　　　　　ｘ＝ｎ・λ・Ｌ／ｄ　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（ａ）となる。

【００２１】次に、＋１次波成分Ｉ１　と−１次波成分
Ｉ−１との干渉を考える。ここで、Ｑ１　とＱ−１との
間の距離は２ｄとなるので（ａ）の距離ｄを２ｄとすれ
ば、＋１次波成分Ｉ１　と−１次波成分Ｉ−１との干渉
によるスリット板１３上の 隣接明点間のピッチｘ’は、ｘ’＝ｎ・λ・Ｌ／２・ｄ
　　　　　　　　　　（ｂ）となる。

【００２２】以上の式（ａ）、（ｂ）から＋１次波成分
Ｉ１　と−１次波成分Ｉ−１との干渉縞のピッチｘ’は
、＋１次波成分Ｉ１　と０次（基本）波成分Ｉ０　との
干渉縞のピッチｘの半分の距離となり、その結果、２倍
の干渉縞が得られることがわかる。そして、回転円板２
の移動により回転円板２のスリット位置が移動し、それ
により±１次波成分Ｉ１　、Ｉ−１による干渉縞の位置
がスリット板Ｂとずれ、スリット板１３から出る干渉縞
の強度が低下するので、ホトダイオード８の電流変化を
検出すれば回転速度が検出される。当然、互いに回転円
板２にスリットのピッチが９０度異なるスリット群を回
転円板２に一対設け、それらを別々に検出することによ
り、回転方向も検出することができる。

【００２３】すなわちこの実施例のロータリーエンコー
ダでは、回転円板２から出る回折光を収束レンズ６によ
り拡像してスリット板１３上に入射するので、スリット
板１３の作製が容易となり、かつ、スリット板１３によ
る再再回折の影響も軽減することができる。またこの実
施例では、収束レンズ６の焦点近傍にマスク７を設けて
±１次波成分Ｉ１　、Ｉ−１の干渉縞を抽出しているの
で、回転円板２の１スリットあたり２本の明暗縞が得ら
れるので、回転円板２にＮ本のスリットを設けた場合、
回転円板２の一回転当たり２Ｎピッチの情報が得られ、
分解能を倍増することができる。

【００２４】更にこの実施例では、通常のロータリーエ
ンコーダと異なって光の干渉性を利用して検出している
ので、回折限界を越えて回転円板２にスリットを刻むこ
とができ、一層の高分解能を得ることができる。なお、
スリット板１３に入射する再回折像拡像率はスリット板
１３の位置などを調節し任意に決定することができる。

【００２５】また、高次の回折光が通過するようにマス
ク７を設置すれば、さらなる高分解能化が図れる。 （変形態様１）上記実施例では、一定ピッチでスリット
が回転円板２に形成されたインクリメンタル形式のロー
タリーエンコーダについて説明したが、回転円板２を交
換して、回転円板２のスリット位置に特別の位置情報を
持たせたり、又はスリット配列によりデジタルビッド情
報を表示したりして絶対回転角度位置を検出するアブソ
リュートタイプのロータリーエンコーダとしてもよい。 ただこの場合でも、収束レンズ６の採用により検出面に
拡大像が得られるが、マスク７を用いて分解能を上げる
ことはできない。 （変形態様２）上記説明したインクリメンタル形式のロ
ータリーエンコーダの実施例において、マスク７を省略
することもできる。

【００２６】この場合には、回転円板２のスリットから
出た０次透過光及び±ｎ次の回折光（ｎ＝１、２、３、
…）がスリット板１３上に回折像として形成される。し
たがって、分解能の倍増はできないが、拡像により縞ピ
ッチを拡大でき、更に回転円板２とスリット板１３とを
近接させる必要がないので、スリット板１３の作製や配
置が簡単となる。 （変形態様３）上記説明したインクリメンタル形式又は
アブソリュートタイプのロータリーエンコーダにおいて
、回転円板２のスリットを大型化（例えば回折限界８μ
ｍ以上）して非回折型のロータリーエンコーダとするこ
ともできる。

【００２７】この変形態様では回転円板２の各スリット
透過光の干渉を利用せず、各スリット通過光の０次透過
光を使用するが、この場合でも回転円板２から出た光像
を収束レンズ６で拡像してスリット板１３上に結像する
ことができ、更に回転円板２とスリット板１３とを近接
させる必要がないので、スリット板１３の作製、配置が
容易となる。 （変形態様４）上記実施例では、回転軸に直接、回転円
板２を嵌着するものを説明したが、図５に示すように、
ケーシング３０に中空回転軸１４’を回転自在に保持さ
せ、この中空回転軸１４’に回転円板２を嵌着、固定し
、更に中空回転軸１４’に被測定回転軸を嵌入してもよ
い。 （変形態様５）上記実施例出は透過光を使用する透過型
のロータリーエンコーダを説明したが、反射光を使用す
る反射型のロータリーエンコーダでも同じ効果を得るこ
とができる。

【００２８】図１の回転円板２及びマスク７のスリット
を光を反射する反射帯に変更した例を図６及び図７に示
す。すなわち、回転円板２ａの反射帯で反射した反射光
の±１次波成分Ｉ１　、Ｉ−１はマスク７ａの反射帯で
反射してスリット板１３に入射する。更に、回転円板２
を反射型としマスク７を透過型としてもよく、逆に、回
転円板２を透過型としマスク７を反射型としてもよい。 （変形態様６）上記実施例では、回転円板２の円盤部に
パタンを設けたが、回転円板２の外周縁に軸方向に円筒
部を追加し、この円筒部にスリットや反射帯を形成して
もよい。当然、この場合には光軸は径方向に配置される
。

【００２９】なお、上記実施例は全てロータリーエンコ
ーダに関してであったが、リニアエンコーダにも応用で
きることは当然である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す模式断面図、

【図２】
マスクを示す正面図、

【図３】スリット板の一部を示す正面図、

【図４】再回
折状態を説明する説明図、

【図５】透過型のロータリー
エンコーダを示すブロック図、

【図６】反射型のロータリーエンコーダを示すブロック
図、

【図７】反射型のロータリーエンコーダを示すブロック
図、

【図８】実施例１における倍ピッチ原理を示す光路図、

【符号の説明】

２は回転円板（パタン板） ４はレーザーダイオード（光源） ５はコリメータレンズ ６は収束レンズ ７はマスク（回折光選択板） ８はホトダイオード（光電変換素子） １３はスリット板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入射光を空間変調する所定形状のパタンを
   有し一方向に移動するパタン板と、平行光を前記パタン
   へ入射する光源と、前記パタンから出た被変調光を収束
   する収束レンズと、該収束レンズにより拡像された前記
   被変調光と等ピッチのスリットを有し前記収束レンズか
   ら光軸に沿って所定距離離れて配設されるスリット板と
   、前記スリット板を透過する透過光を光電変換する光電
   変換素子とを備えることを特徴とするエンコーダ。
2. 【請求項２】径方向に伸びる回折格子パタンが周方向に
   所定間隔で形成され回転軸に配設される前記パタン板と
   、可干渉性の平行光を前記回折格子パタンへ入射する前
   記光源とを備えるロータリーエンコーダからなる請求項
   １記載のエンコーダ。
3. 【請求項３】前記レンズの焦点位置近傍に配設されると
   ともに、前記回折格子パタンから出た前記回折光の所定
   次数成分の干渉光を抽出する干渉板を備えるロータリー
   エンコーダからなる請求項２記載のエンコーダ。