JPH0587591A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、被測定体の動きに応じて移動する、
多数のスリットが並んだスリット体を透過した光もしく
は該スリット体から反射された光を受光して被測定体の
動きを電気信号に変換する、例えばリニアエンコーダ、
ロータリーエンコーダ等のエンコーダに関し、ＰＳＤを
用いることにより光量等の調整を不要とし、しかもスリ
ット体の絶対的な移動位置を求めることのできるエンコ
ーダを提供する。 【構成】一周期内にＮ個のスリットが並んだ第一のスリ
ット体と該一周期内にＮ＋１個もしくはＮ−１個のスリ
ットが並んだ第二のスリット体とを備え、第一のスリッ
ト体に対し互いに位相の異なる位置に２つ、第二のスリ
ット体に対し１つＰＳＤを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定体の動きに応じ
て移動する、多数のスリットが並んだスリット体を透過
した光もしくは該スリット体から反射された光を受光し
て被測定体の動きを電気信号に変換する、例えばリニア
エンコーダ、ロータリーエンコーダ等のエンコーダに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりリニアエンコーダ、ロータリー
エンコーダ等のエンコーダが広く用いられている。図７
は、従来のロータリーエンコーダの模式図である。回転
軸１に多数のスリット２ａが形成されたスリット体（ス
リット円板）２が固定されている。このスリット円板２
を挾んだ一方に光源３及び投光レンズ４が配置されてス
リット円板２が照明され、他方にフォトランジスタ等の
光検出器５が配置されてスリット円板２のスリット２ａ
を通過した光がこの光検出器５により受光される。この
光検出器５の出力信号Ｓは増幅器６により増幅された後
比較器７に入力され、この比較器７により所定のしきい
値Ｔｈと比較され、パルス信号Ｐとして出力される。

【０００３】このロータリーエンコーダにおいて回転軸
１を例えば図示しないモータの回転軸等に接続すること
により、この回転軸１の回転に応じた周波数のパルス信
号Ｐが出力され、このパルス信号Ｐのパルス数をカウン
トすることによりモータ等の回転角度や単位時間あたり
の回転数等を計測することができる。尚ここではロータ
リーエンコーダの例を示したが、このロータリーエンコ
ーダと同様の原理を用いて被測定体の直線的な動きを計
測するリニアエンコーダを構成することもできる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記原理を用いたエン
コーダは、光源３から射出される光の光量や光検出器５
の受光感度がばらつくと出力パルス信号Ｐのデューティ
比が変わり、これが測定精度に大きく影響する。このた
め、このエンコーダの製造時に光源３の発光光量、増幅
器６の増幅率、しきい値Ｔｈ等を調整する必要があり、
この調整の手間が大変であるという問題がある。また、
使用中に光源３の発光光量や光検出器５の受光感度等の
変動も考えられ、したがって精度を維持するために定期
的にチェックする必要が生じることもある。また回転軸
１の回転速度はその被測定体により大幅に変化するた
め、光検出器５で得られた信号をＡＣカップリングする
ことにより光量や受光感度の変動に対処する方法も採用
することはできない。

【０００５】上記問題を解決する方法の一つとして、フ
ォトランジスタ等の光検出器５に代えてＰＳＤ（Ｐｏｓ
ｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ）を用
いる方法が考えられる。以下このＰＳＤを用いたエンコ
ーダの原理について説明する。図８は、ＰＳＤを用いた
透過型のエンコーダの原理図である。この図において、
前述したエンコーダ（図７参照）の要素と対応する要素
には、図７に付した番号と同一の番号を付して示す。

【０００６】光源３から射出された照射光は、投光用レ
ンズ４によりほぼ平行な光束に変換されて多数のスリッ
ト２ａを備えたスリット体２を照射する。このスリット
体２は図示しない被測定体の動きに応じて矢印Ｘ方向に
移動する。またこのスリット体２の図８の下部にはＰＳ
Ｄ１５が配置されており、スリット２ａを透過した照射
光がこのＰＳＤ１５の受光面上に照射される。ＰＳＤ１
５は２つの電極Ａ，Ｂを有し、各電極Ａ，ＢからＰＳＤ
１５に照射された光の光量重心の情報を含む電流信号Ｉ
_A ，Ｉ_B が出力される。

【０００７】図９は、ＰＳＤの原理を説明するために、
一次元ＰＳＤを模式的に表わした図である。受光面の長
さ２ＬのＰＳＤ１５の中央Ｏからｘ方向にｘ_A だけ離れ
た位置に光量Ｉ_o のスポット光が入射した場合を考え
る。このとき、この入射位置には、光量Ｉ_o に比例した
電荷が発生し、発生した電荷は光電流として抵抗層を通
り電極Ａ，Ｂから電流Ｉ_A ，Ｉ_B としてこのＰＳＤ１５
外に取り出される。ここで抵抗層はその全面が均一な抵
抗値を示すように作られているため、光電流は、下記
（１），（２）式に示すように、電極Ａ，Ｂまでの距離
（各抵抗値）に逆比例した電流値を有する電流Ｉ_A ，Ｉ
_B となる。

【０００８】 Ｉ_A ＝ ｋ・Ｉ_o ・２Ｌ／（Ｌ＋ｘ_A ） …（１） Ｉ_B ＝ ｋ・Ｉ_o ・２Ｌ／（Ｌ−ｘ_A ） …（２） ここでｋは比例定数を表わす。これら（１），（２）式
より （Ｉ_A ）／（Ｉ_B ＋Ｉ_A ）＝（Ｌ−ｘ_A ）／（２Ｌ） …（３） （Ｉ_B −Ｉ_A ）／（Ｉ_B ＋Ｉ_A ）＝（ｘ_A ／Ｌ） …（４） Ｉ_A ／Ｉ_B ＝（Ｌ−ｘ_A ）／（Ｌ＋ｘ_A ） …（５） となる。これら（３），（４），（５）式はいずれも入
射スポット光の光量Ｉ_oには依存せず、かつ入射スポッ
ト光の入射位置ｘ_A の情報を含んだ信号となる。

【０００９】ここで、上記図９を用いた説明は、入射ス
ポット光が一点にのみ照射された場合についての説明で
あるが、このＰＳＤに光量分布のある入射光が照射され
た場合は、この入射光の光量重心位置の情報を含む信号
を得ることができる。図１０は、図８に示すスリット体
２の動きを模式的に表わした図、図１１は、スリット体
２の動きによりＰＳＤ１５に照射される光の光量重心位
置の変化を表わした図である。

【００１０】図１０のａ〜ｋは各時刻におけるスリット
体２の位置を示したものである。図中の斜線部はスリッ
ト体２の光を透過しない部分、破線部は光を透過するス
リット２ａの部分を表わしており、スリット体２が図の
右方（ｘ方向）に移動し、これによりスリット体２とＰ
ＳＤ１５との位置関係が、順次ａ→ｂ→…→ｋのように
変化するものとする。このとき、空間的に一様な光量の
光がスリット体２に照射されたものとすると、このスリ
ット体２を透過した光の光量重心位置は図１１に示すよ
うにｘ方向に繰返し変化する。

【００１１】したがって、図８に示すように、エンコー
ダの受光素子としてＰＳＤ１５を用いると、上記
（３）、（４）、（５）のいずれかの演算を行うことに
より光源３から射出される照射光の光量には依存しな
い、スリット体２の移動に対応した信号を得ることがで
きることとなる。これにより光源から射出される光の光
量に誤差や変動があってもそれが測定誤差とはならず、
したがって製造の際の発光光量等の初期調整が不要とな
り、また使用中に発光光量が変化しても初期の精度がそ
のまま維持され、前述したような調整が不要な信頼度の
高いエンコーダが実現される。

【００１２】上記のフォトトランジスタ等を用いたエン
コーダ（図７参照）やフォトトランジスタ等に代えてＰ
ＳＤを用いたエンコーダは、スリット体（スリット円
板）の測定開始時点からの相対的な移動は例えばパルス
の数を数えること等により測定できるが、その絶対的な
移動位置（例えば図７に示すスリット円板２の絶対的な
回転角度等）を測定することはできない。

【００１３】本発明は、上記事情に鑑み、ＰＳＤを用い
ることにより光量等の調整を不要とし、しかもスリット
体の絶対的な移動位置を求めることのできるエンコーダ
を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明のエンコーダは、被測定体の動きに応じて移動
する、一周期内にＮ個の第一のスリットが並んだ第一の
スリット体と、前記被測定体の動きに応じて前記第一の
スリット体とともに移動する、前記一周期内にＮ＋１個
もしくはＮ−１個の第二のスリットが並んだ第二のスリ
ット体と、前記第一及び第二のスリット体に照射光を照
射する照射光学系と、前記第一のスリット体を透過した
前記照射光もしくは前記第一のスリット体から反射され
た前記照射光を受光する、前記第一のスリットに対する
位相が互いに異なる各位置に配置された第一及び第二の
ＰＳＤと、前記第二のスリット体を透過した前記照射光
もしくは前記第二のスリット体から反射された前記照射
光を受光する第三のＰＳＤと、前記第一、第二及び第三
のＰＳＤの出力信号に基づいて、前記第一及び第二のス
リット体の、前記一周期内の移動位置を求める位置演算
手段とを備えたことを特徴とするものである。

【００１５】ここで上記第一のスリット体は互いに同一
の部材（例えば図７に示すスリット円板２）であっても
よく、互いに連動して移動する、互いに異なる部材であ
ってもよい。

【００１６】

【作用】一周期内にＮ個のスリットを備え、該スリット
を経由（反射もしくは透過）した光を受光して得た第一
の信号の位相φ₁ と、一周期内にＮ＋１個もしくはＮ−
１個のスリットを備え該スリットを経由した光を受光し
て得た第二の信号の位相φ₂ との組合せ（φ₁ ，φ₂ ）
はその一周期内では必ず異なっており同じ組合わせとな
ることはない。また、多数並んだスリットに対する位相
が互いに異なる位置に複数の光検出器を配置すると、こ
れら複数の光検出器の出力信号に基づいてそのスリット
１つ分（一つの繰返し波形内）の絶対的な位相を求める
ことができる。

【００１７】本発明は、上記知見と、光検出器としてＰ
ＳＤを用いることにより信頼性を向上させることができ
るという前述した知見とに基づいて完成されたものであ
り、一周期内にＮ個の第一のスリットが形成された第一
のスリット体を経由した光を該第一のスリットに対する
位相の異なる各位置に配置された第一及び第二のＰＳＤ
で受光し、かつ一周期内にＮ＋１個もしくはＮ−１個の
第二のスリットが形成され、第二のスリット体を経由し
た光を第三のＰＳＤで受光するように構成したため、第
一及び第二のスリット体の上記一周期内の絶対位置を知
ることができると共に組立時の調整やメンテナンスを省
くことのできる信頼性の高いエンコーダが構成される。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１は、本発明にいう第一のスリット体の一例の構成及び
その動きを模式的に表わした図、図２は図１に示す第一
のスリット体の動きによりＰＳＤに照射される光の光量
重心位置の変化を表わした図である。

【００１９】図１に示す第一のスリット体２１は一周期
ＴＯ内に周期Ｔ１で並ぶ４個のスリット２１ａ（Ｔ１＝
ＴＯ／４）を有するものとする。また、この第一のスリ
ット体２１には図１の上方から一様な光が照射されてい
るものとする。この第一のスリット体２１の下方にはこ
の第一のスリット体２１のスリット２１ａを通過した光
を受光する２つのＰＳＤ３１、３２が備えられている。
この２つのＰＳＤ３１、３２は、ここではスリット２１
ａに対する位相が互いに９０度異なる位置に配置されて
いる。

【００２０】ここでこの図１に示す各ａ〜ｋは、前述し
た図１０の場合と同様に、各時刻ｔにおける第一のスリ
ット体２１の各位置を示しており、第一のスリット体２
１が図の右方（ｘ方向）に移動し、これにより第一のス
リット体２１とＰＳＤ３１、３２との位相関係が、順次
ａ→ｂ→…→ｋのように変化するものとする。なお、ａ
とｋは第一のスリット体２１がスリット２１ａの一周期
Ｔ１だけ進んだ同一の位相状態を表わしている。

【００２１】このとき、この第一のスリット体２１を通
過して各ＰＳＤ３１、３２に照射された光の光量重心位
置は、図２に示す各グラフ３１、３２のように三角形状
に変化する。尚、この図２では、簡単のため、各ＰＳＤ
３１、３２を表わす番号と同一の番号を該各ＰＳＤ３
１、３２に照射された光の光量重心位置を表わすグラフ
の番号として用い、また図１に示すスリット２１ａの空
間的な一周期Ｔ１と同一の記号Ｔ１を、この第一のスリ
ット体２１がこの一周期Ｔ１だけ移動することにより生
じる重心位置変化の時間的な一周期の記号として用いて
いる。

【００２２】図３は本発明にいう第二のスリット体の一
例の構成及びその模式的に表わした図、図４は図３に示
す第二のスリット体の動きによりＰＳＤに照射される光
の光量重心位置の変化を表わした図である。図３に示す
第二のスリット体２２は、一周期ＴＯ内に、周期Ｔ２で
並ぶ５個のスリット２２ａ（Ｔ２＝ＴＯ／５）を有する
ものとする。また、図１の場合と同様に、この第二のス
リット体２２には上方から一様な光が照射されているも
のとし、この第二のスリット体２２の下方にはＰＳＤ３
３が備えられている。

【００２３】ここでこの図３に示す各ａ〜ｋは、図１の
場合と同じピッチで進む第二のスリット体の各位置を示
しており、第二のスリット体２２が図の右方（ｘ方向）
に図１に示す第一のスリット体２１と同一の速度で移動
し、これにより第二のスリット体２２とＰＳＤ３３との
位相関係が順次ａ→ｂ→…→ｋのように変化するものと
する。ここではａとｉ、ｂとｊ、ｃとｋが同じ位相状態
として表わされている。

【００２４】このとき、この第二のスリット体２２を通
過してＰＳＤ３３に照射された光の光量重心位置は、図
４に示す各グラフ３３のように正弦波状に変化する。な
おこの図４においても、図２の場合と同様に、ＰＳＤ３
３を表わす番号と同一の番号をＰＳＤ３３に照射された
光の光量重心位置を表わすグラフの番号として用い、ま
た図３に示すスリット２２ａの空間的な一周期Ｔ２と同
一の記号Ｔ２を、この第二のスリット体２２がこの一周
期Ｔ２だけ移動することに生じる重心位置変化の時間的
な一周期の記号として用いている。

【００２５】ここで図２は三角波状の波形であり、一方
図４は正弦波状の波形であるのは、ＰＳＤ３１、３２は
スリット２１ａの周期Ｔ１の２倍であるのに対し、ＰＳ
Ｄ３３はスリット２２ａの周期Ｔ２の２．５倍であり、
この比率が互いに異なっているためである。ここではこ
のように予め定まったパターンの繰返し波形を得ること
ができれば十分であるが例えば三角波状の繰返し波形に
統一する場合には例えばＰＳＤ３３（図３参照）の上部
にマスク３４を配置してもよい。

【００２６】各ＰＳＤ３１、３２、３３の各２つの端子
Ａ、Ｂからは、図２、図４に示す光量重心位置の情報を
含む電流信号Ｉ_A 、Ｉ_B が出力され、この信号Ｉ_A 、Ｉ
_B に式（３）〜（５）のうちのいずれかの演算を施すこ
とにより各ＰＳＤ３１、３２、３３への照射光量に依存
しない各光量重心位置を表わす信号が得られる。図５
は、ＰＳＤ３１、３２に照射された光の光量重心位置変
化（Ａ）及びＰＳＤ３３に照射された光の光量重心位置
変化（Ｂ）をスリット体２１、２２の一周期ＴＯに亘っ
て示した図である。

【００２７】この光量重心位置に基づいてスリット体２
１、２２の一周期ＴＯ内の絶対位置を求めるには、以下
のようなアルゴリズムに基づいた演算が行われる。ＰＳ
Ｄ３１（図１参照）の出力信号に基づいて、ＰＳＤ３１
に照射された光の光量重心が位置ｘ１にあると判別され
た場合、この位置ｘ１を表わす信号は一周期ＴＯ内の点
４１，４２，…，４８の８点で生じ、スリット２１ａの
一周期Ｔ１内でも４１、４２の２点で生じ、したがって
このままではその絶対位置は定まらない。そこで先ずス
リット２１ａの一周期Ｔ１内の位相を定めるためにＰＳ
Ｄ３２に照射された光の光量重心位置が参照され、この
ＰＳＤ３２に照射された光の光量重心位置がｘ２（ｘ
２’ではなく）であった場合、このＸ２に対応した位相
φ１が定められる。

【００２８】但し、これのみではスリット体２１、２２
の一周期ＴＯの絶対位置は定まらず、次にそのときのＰ
ＳＤ３３に照射された光の光量重心位置が参照され、そ
の光量重心位置がＸ３（Ｘ３’、Ｘ３”、Ｘ３”’のい
ずれでもなく）であった場合、このＸ３に対応した、ス
リット体２１、２２の一周期ＴＯ内の絶対位置Ｘが求め
られる。

【００２９】図６は本発明のエンコーダをロータリーエ
ンコーダとして構成した場合の一実施例を表わした模式
図である。この図において、前述した従来のロータリー
エンコーダ（図７参照）の各構成要素と対応する構成要
素には図７に付した番号と同一の番号を付して示し、説
明は省略する。回転軸１にスリット円板２０が固定され
ており、このスリット円板２０には、一周当りＮ個のス
リット２１ａと一周当りＮ＋１個のスリット２２ａがそ
れぞれ等間隔に形成されている。

【００３０】このスリット円板２０の、スリット２１ａ
のすぐ後方には、このスリット２１ａに対する位相の互
いに異なる位置に２つのＰＳＤ３１、３２が配置されて
おり、スリット２２ａのすぐ後方にはＰＳＤ３３が配置
されている。スリット円板２０は光源３で発せられ投光
レンズ４により平行光に変換された光で照明され、この
スリット円板２０のスリット２１ａを通過した光がＰＳ
Ｄ３１、３２で受光されるとともにスリット２２ａを通
過した光がＰＳＤ３３で受光される。各ＰＳＤ３１、３
２、３３からは該各ＰＳＤ３１、３２、３３に照射され
た光の光量重心位置の情報を含む電流信号が出力され、
これらの電流信号は演算回路５０に入力される。

【００３１】この演算回路５０では入力された信号に基
づいてアナログもしくはディジタルの演算によりスリッ
ト円板２０の絶対的な角度情報が求められ、この情報を
含む信号Ｓが出力される。なお、上記実施例では一周期
内に一つ少ない数のスリットが設けられたスリット体に
対応して２つ、一つ多い数のスリットが設けられたスリ
ット体に対応して１つＰＳＤを備えたが、これとは逆に
一つ多い数のスリットが設けられたスリット体に対応し
て２つ、一つ少ない数のスリットが設けられたスリット
体に対応して１つＰＳＤを備えてもよい。またＰＳＤを
４つ以上備えてもよいことはもちろんであり、例えば双
方のスリット体に対しそれぞれ２つのＰＳＤを備え、演
算結果を相互に比較すること等により高精度化を図って
もよい。

【００３２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明のエ
ンコーダは、一周期内にＮ個の第一スリットが並んだ第
一のスリット体とＮ＋１個もしくはＮ−１個の第二のス
リットが並んだ第二のスリット体を備え、第一のスリッ
ト体に対し互いに位相の異なる位置に２つ、第二のスリ
ット体に対し１つＰＳＤを備えたため、上記一周期内の
絶対位置を求めることができるとともに、信頼性の高い
エンコーダが実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にいう第一のスリット体の一例の構成お
よびその動きを模式的に表わした図である。

【図２】図１に示す第一のスリット体の動きにより、Ｐ
ＳＤに照射される光の光量重心位置の変化を表わした図
である。

【図３】本発明にいう第二のスリット体の一例の構成お
よびその動きを模式的に表わした図である。

【図４】図３に示す第二のスリット体の動きにより、Ｐ
ＳＤに照射される光の光量重心位置の変化を表わした図
である。

【図５】各ＰＳＤに照射された光の光量重心位置変化
を、スリット体の一周期ＴＯに亘って示した図である。

【図６】本発明のエンコーダをロータリーエンコーダと
して構成した場合の一実施例を表わした模式図である。

【図７】従来のロータリーエンコーダの模式図である。

【図８】ＰＳＤを用いた透過型のエンコーダの原理図で
ある。

【図９】一次元ＰＳＤを模式的に表わした図である。

【図１０】スリット体の各時刻における各位置を示した
図である。

【図１１】図１０に示すスリット体の動きによる、ＰＳ
Ｄに照射される光の光量重心位置の変化を表わした図で
ある。

【符号の説明】

１ 回転軸 ２０ スリット円板 ２１、２２ スリット体 ２１ａ、２２ａ スリット ３１、３２、３３ ＰＳＤ ５０ 演算回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定体の動きに応じて移動する、一周
   期内にＮ個の第一のスリットが並んだ第一のスリット体
   と、 前記被測定体の動きに応じて前記第一のスリット体とと
   もに移動する、前記一周期内にＮ＋１個もしくはＮ−１
   個の第二のスリットが並んだ第二のスリット体と、 前記第一及び第二のスリット体に照射光を照射する照射
   光学系と、 前記第一のスリット体を透過した前記照射光もしくは前
   記第一のスリット体から反射された前記照射光を受光す
   る、前記第一のスリットに対する位相が互いに異なる各
   位置に配置された第一及び第二のＰＳＤと、 前記第二のスリット体を透過した前記照射光もしくは前
   記第二のスリット体から反射された前記照射光を受光す
   る第三のＰＳＤと、 前記第一、第二及び第三のＰＳＤの出力信号に基づい
   て、前記第一及び第二のスリット体の、前記一周期内の
   移動位置を求める位置演算手段とを備えたことを特徴と
   するエンコーダ。