JPH05346330A - エンコーダ装置 - Google Patents

エンコーダ装置

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JPH05346330A
JPH05346330A JP4179284A JP17928492A JPH05346330A JP H05346330 A JPH05346330 A JP H05346330A JP 4179284 A JP4179284 A JP 4179284A JP 17928492 A JP17928492 A JP 17928492A JP H05346330 A JPH05346330 A JP H05346330A
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light
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slits
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Hiroshi Kitajima
博史 北島
Norisada Horie
教禎 堀江
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Omron Corp
Omron Tateisi Electronics Co
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 良好な三角波の出力信号が得られ、また、組
み立てが簡単で、且つ、安価な部品で構成でき、外部か
ら衝撃があっても損傷し難いエンコーダ装置を提供す
る。 【構成】 略平行光10を出射する光源部1と、所定の
ピッチでスリット4aが形成された可動スリット部材4
と、これと同じピッチでスリット5aが形成された固定
スリット部材5と、これを透過した光を受光する受光部
6とを備え、可動スリット部材4と固定スリット部材5
との間隔をR、スリット4a,5aのピッチをd、光源
部1から照射される光10の波長をλとしたとき、間隔
Rとピッチdの関係をR=d2 /(4λ)に設定した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、位置、変位量、回転量
などを電気信号に変換する光学式のエンコーダ装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】一般に、光学式のエンコーダ装置は、一
定ピッチでスリット列が刻まれた可動スリット板と、こ
の可動スリット板に平行光束を照射する光源部と、可動
スリット板に設けられたスリット列と同じ周期でスリッ
ト列が刻まれ、可動スリット板を透過した光の経路上に
可動スリット板に対して平行に配設された固定スリット
板と、この固定スリット板を透過した光を受ける受光部
とからなり、可動スリット板がスリットの1周期分移動
する毎に、1周期の明暗信号が出力されるようになって
いる。そして、この明暗信号の周期数をカウントするこ
とにより、可動スリット板及びこれに連動する測定対象
物の位置、変位量、回転量などが符号化信号として得ら
れるので、各種の測定機器を始め、工作機械の制御装置
等に用いられている。なお、可動スリット板に代えて、
光の強反射部と弱反射部を一定ピッチで交互に形成した
格子状パターンを設けた可動パターン部材を備え、可動
パターン部材からの反射光を固定スリット板を介して受
光することによって前記同様に変位量などが測定でき、
しかも小型にできるエンコーダ装置を、本出願人は先に
提案している。
【0003】上記の光学式エンコーダ装置の基本構成を
図6及び図7に示す。図6は、可動スリット板と固定ス
リット板とが密着して配設された密着型エンコーダ装置
の光学系を示す。光源部1の光源2から出射された光1
0がレンズ3によって平行光に整形され、可動スリット
板4に照射される。可動スリット板4を透過した光10
は、スリット列4aが投影された明暗のパターンを形成
するが、光源部1からの光10が理想的な平行光束を発
しないのと、光の回折現象が生じるためとで、可動スリ
ット板4から固定スリット板5までの距離Rが大きくな
るにつれて上記明暗パターンがぼやけてしまう。
【0004】ぼやけが無い場合には、可動スリット板4
の移動に伴って受光部6から三角波状の信号から出力さ
れるが、ぼやけが有ると、波形の直線性が失われて複雑
な波形信号となり、波形振幅も小さくなって、ひどい時
には明暗回数の計測ができなくなることがあり、また、
計測不能にならないまでも、波形の直線性が失われる
と、波形をさらにレベル分割して波形周期以上の高分解
能を得ることができない。従って、理想に近い三角波信
号を得るためには、可動スリット板4と固定スリット板
5とをできる限り接近させる必要があり、スリット周期
が例えば20μmといった高分解能の装置の場合、十分
な効果を得るために、両者の距離Rが10μm以下にな
るように構成されている。
【0005】図7は、フーリエイメージ型エンコーダ装
置の光学系を示す。光源部1が、ほぼ理想的な平行光束
10を発する場合には、フーリエイメージと呼ばれる現
象を利用することにより、可動スリット板4と固定スリ
ット板5との距離Rを大きくしても上記密着型の装置と
同様の三角波形の出力信号が得られることが知られてい
る。フーリエイメージを利用したエンコーダ装置は、例
えば、鶴田匡夫著続光の鉛筆(新技術コミュニケーショ
ンズより1988年発行)の第13章フーリエイメージ
(第136頁及至第147頁)及び特開昭61−201
6号公報に記載の如く、スリット周期をd、光の波長を
λとして、可動スリット板4と固定スリット板5との間
隔Rを、R=d2 /λとしている。例えば、スリット周
期dが20μm、光の波長λが0.8μmである場合に
は、上記数式によりR=500μmとなり、前記密着型
の装置と比較して大きな間隔にできる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記密
着型エンコーダ装置の場合、可動スリット板と固定スリ
ット板とを極めて小さい間隔で接近させて並設しなけれ
ばならず、これを実現するためには、非常に高精度な組
み立てが要求されるので、製造コストが上がり、高価な
装置となっていた。さらには、エンコーダ装置に外部か
ら強い衝撃が加わると、密接した可動スリット板と固定
スリット板とが接触することにより破損することがあっ
た。
【0007】一方、フーリエイメージ型の装置の場合
は、可動スリット板と固定スリット板との間隔が大きい
ので、組み立てが容易となり、また、外部からの衝撃に
よってスリット板同志が接触して破損することもなくな
る。しかしながら、フーリエイメージ型エンコーダ装置
に必要とされる、ほぼ理想的な平行光束を発し、しかも
光の波長分布幅が狭い光源部を設けるためには、ほぼ点
光源、単波長と見なせる半導体レーザなどの発光素子を
光源として用い、この光源と高精度なレンズとを高い精
度でアライメントして装着する必要があるので、光源部
が高価になってしまう。発光面積と波長分布が比較的大
きな発光ダイオードと、精度が低いレンズとを低い精度
で装備された安価な光源部を用いた場合には、可動スリ
ット板と固定スリット板との間隔を上記フーリエイメー
ジの間隔に設定しても、光束が十分平行でなく波長分布
があるために、可動スリット板の投影パターンにぼけが
発生し、目的とする三角波信号が得られないという問題
があった。
【0008】本発明は、このような従来の問題点を解決
するためになされたものであり、可動スリット板と固定
スリット板との間隔を、上記密着型とフーリエイメージ
型の間にある所定の間隔に設定することにより、良好な
三角波出力を得る共に、組み立てが簡単で、且つ、安価
な部品で構成でき、外部から衝撃があっても損傷し難い
エンコーダ装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の目的を解決するた
めに本発明は、略平行光を出射する光源部と、上記平行
光が照射される、所定のピッチでスリットが形成された
可動スリット部材と、上記可動スリット部材を透過もし
くは反射した光が照射される、該可動スリット部材のス
リットと同じピッチでスリットが形成された、固定スリ
ット部材と、この固定スリット部材を透過もしくは反射
した光を受光する受光部とを備えたエンコーダ装置にお
いて、上記可動スリット部材と固定スリット部材との間
隔をR、前記スリットのピッチをd、前記光源部から照
射される光の波長をλとしたとき、間隔Rとピッチdの
関係を、R=d2 /(4λ)に設定したものである。な
お、上記における可動、固定のスリット部材は、スリッ
トに代えて所定のピッチでパターンが設けられたものを
も含む。
【0010】
【作用】上記の構成によれば、光源部から略平行光が可
動スリット部材に照射され、この可動スリット部材によ
る透過光もしくは反射光が、固定スリット部材に照射さ
れて固定スリット部材上に可動スリット部材の投影パタ
ーンを形成する。そして、固定スリット部材を透過した
光を受光部で受け、その受光信号に含まれるパターンピ
ッチの周期数に基いて、可動パターンの変位量や回転角
を計測することができる。
【0011】
【実施例】以下に本発明の一実施例について、図面を参
照して説明する。図1は、本実施例による光学式エンコ
ーダ装置の光学系の基本構成を示す。同図において、光
源部1には、光10を出射する光源2、及びこの光10
を平行光束に整形するレンズ3が配設されている。光源
部1からの光10の経路上には、光軸の垂直方向(図の
矢印方向)に可動な可動スリット板4が配設されてお
り、この可動スリット板4には、一定ピッチでスリット
4aが設けられている。この可動スリット板4を透過し
た光10の経路上には、可動スリット板4と同じピッチ
でスリット5aが形成された固定スリット板5が固定さ
れている。そして、この固定スリット板5を透過した光
10を受けるための受光部6が設けられている。可動ス
リット板4と固定スリット板5の間隔Rは、スリット4
a,5aのピッチをd、光10の波長をλとしたとき
に、R=d2 /(4λ)になるように設定されている。
【0012】次に、上記の構成による本実施例のエンコ
ーダ装置と、間隔Rを変えた他の装置とを使って、それ
ぞれの光強度分布と出力信号を比較する。前記鶴田匡夫
著の文献に記載されたように、可動スリット板4から距
離Rにある固定スリット板5上の光の複素振幅分布ψ
(x)は、
【0013】
【数1】
【0014】但し、xは固定スリット板5上の座標、i
は虚数単位、λは光の波長、k=2π/λ、Fh はスリ
ットの空間周波数のフーリエ展開係数、dはスリットの
周期として与えられる。ここで、可動スリット板4のパ
ターンが矩形格子のとき、 Fh =0 (h=0) Fh =(1/h)sin(hθ) (h>0) 但し、θは格子の間隔寸法比であり、θ=π/2で透過
部、不透過部が同じ幅である。と表されるので、これを
代入するとψ(x)が算出できる。そして、光強度分布
は、|ψ(x)2 |となる。
【0015】図2に、間隔Rを変えて上記式に基いて光
強度分布を数値計算した結果を、図3に、図2(a)及
至(d)のそれぞれの場合に出力される信号波形を示
す。図2及び図3において、(b)はR=d2 /(4
λ)とした本実施例によるエンコーダ装置のものであ
り、(a)はR=0とした密着型、(d)はR=d2
λとしたフーリエイメージ型、(c)はR=3d2
(4λ)とした装置のものである。なお、それぞれの装
置の光源部には、光束の平行度が高く、波長分布幅の狭
い光を発するものを用いた。図に示されているように、
(b)の本実施例の装置は、光強度分布の明暗の差及び
出力信号の振幅が、共に、(a)の密着型や(d)のフ
ーリエイメージ型のものに比べて約70%に低下する
が、光強度分布は矩形状であり、且つ、出力信号も三角
波で良好な直線性を示すものが得られている。また、こ
の結果は、光束が平行で単波長の場合のものであるが、
光束の平行度が低く、波長分布幅の大きい光を用いた場
合、本実施例の装置は、間隔Rをフーリエイメージ型の
1/4に設定したので、投影パターンに存在するぼけの
影響も1/4程度に軽減される。
【0016】一方、(c)に示したR=3d2 /(4
λ)の装置の場合も、本実施例の装置同様の光強度分布
と出力信号波形が得られるが、間隔Rが本実施例のもの
よりも大きいので、平行度が低く、波長分布幅の大きい
光を用いた場合には、ぼけの影響をより大きく受ける。
なお、図示しない間隔Rが他の値の装置の場合は、投影
パターンが複雑な光強度分布及び出力信号波形を示すの
で、実用に適さないことが従来より知られている。
【0017】以上、本発明の一実施例について説明した
が、上記構成に限られるものではなく、種々の変形が可
能である。例えば、上記実施例では、可動スリット板4
と固定スリット板5とを並設して、透過型のエンコーダ
装置を構成したが、可動スリット板に代えて、光の強反
射部と弱反射部を所定ピッチで交互に形成した格子状パ
ターンを設けた可動パターン部材を備え、可動パターン
部材からの反射光を固定スリット板を介して受光するよ
うにした反射型の装置としてもよい。さらに、本発明
は、図4に示すような長手方向に移動可能な可動スリッ
ト部材4を有するリニアエンコーダ装置や、図5に示す
ような回動可能な円盤状の可動スリット板4を設けたロ
ータリエンコーダ装置など、種々の光学式エンコーダ装
置に適用することができる。さらにまた、本発明は可動
スリット板に代えて回転軸の表面に所定ピッチで反射型
のパターンを形成したものにも同様に適用することがで
きる。
【0018】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、光束の平
行度が低く、光の波長分布幅が比較的広い安価な光源部
を用いても、光強度分布が矩形パターンで、理想的な直
線性を示す三角波形の出力信号が得られ、しかも、可動
パターン部材と固定スリット板との間隔が大きいので、
組み立てが容易で、且つ、外部から衝撃が加えられて
も、両板が接触して破損するといったことのないエンコ
ーダ装置を提供できることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例によるエンコーダ装置の光学
系の構成図である。
【図2】エンコーダ装置の光強度分布図である。
【図3】エンコーダ装置の出力信号波形図である。
【図4】本発明を適用したリニアエンコーダ装置の斜視
図である。
【図5】本発明を適用したロータリエンコーダ装置の斜
視図である。
【図6】従来の密着型エンコーダ装置の光学系の構成図
である。
【図7】従来のフーリエイメージ型エンコーダ装置の光
学系の構成図である。
【符号の説明】
1 光源部 4 可動スリット板 4a スリット 5 固定スリット板 5a スリット 6 受光部

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 略平行光を出射する光源部と、上記平行
    光が照射される、所定のピッチでスリットが形成された
    可動スリット部材と、上記可動スリット部材を透過もし
    くは反射した光が照射される、該可動スリット部材のス
    リットと同じピッチでスリットが形成された固定スリッ
    ト部材と、この固定スリット部材を透過もしくは反射し
    た光を受光する受光部とを備えたエンコーダ装置におい
    て、上記可動スリット部材と固定スリット部材との間隔
    をR、前記スリットのピッチをd、前記光源部から照射
    される光の波長をλとしたとき、間隔Rとピッチdの関
    係を、R=d2 /(4λ)に設定したことを特徴とする
    エンコーダ装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005091023A (ja) * 2003-09-12 2005-04-07 Minolta Co Ltd 光学式エンコーダおよびそれを備えた撮像装置
DE102009014481A1 (de) 2008-03-25 2009-10-01 Keyence Corporation Kontaktverschiebungsmesser
JP2013134211A (ja) * 2011-12-27 2013-07-08 Ono Sokki Co Ltd 光学式エンコーダ

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