JPH0587592A

JPH0587592A - 光学式エンコーダ

Info

Publication number: JPH0587592A
Application number: JP24808291A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakayama; 博史中山
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1991-09-26
Filing date: 1991-09-26
Publication date: 1993-04-06

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は光学式エンコーダに関し、その目的
は、受光アレイ上で十分な光量が得られる高分解能の光
学式エンコーダを提供することにある。【構成】発光源1 と、該発光源1 からの光を拡散光と
して出力する拡散板2 と、該拡散板2 からの光を通過さ
せる窓部32の輪郭が複数ピッチの正弦波を上下に折り返
した形状または正弦波に近似した波形を上下に折り返し
た形状であるマスク3 と、該マスク3 の窓部32を通過し
た光を通過させるスリット部4bと遮光部4aが交互に配列
されたコード板4 と、該コード板4 を通過した光を受光
する受光アレイ5 とで構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学式エンコーダに関
し、更に詳述すると、受光面における照度分布を歪みの
少ない正弦波にすることができる光学式エンコーダに関
する。

【０００２】

【従来の技術】図３に示す如く、スリット４ｂと光の遮
蔽部４ａが交互に配列されたコード板４に、光源から散
乱光を照射すると、コード板４の裏側にスリットの周期
毎にこれに対応した周期の正弦波状の照度分布が発生す
る。該正弦波の位相θは、コード板が移動するとこの移
動に従って変化する。

【０００３】この原理を利用して、コード板の後側に受
光アレイを固定配置し、該正弦波の光の位相θを検出し
てコード板の回転角度または変位位置の測定を行う光学
式エンコーダが広く知られている（例えば特願昭62-700
78号）。

【０００４】なお、図３において、受光アレイ５は、４
個の光電変換素子Ｈ１〜Ｈ４で構成され、該４個の光電
変換素子Ｈ１〜Ｈ４は正弦波状の照度分布の１周期を４
等分するような位置に配置される。

【０００５】以上のような構成の光学式エンコーダで
は、スリットの１周期を１周期の正弦波照度分布に置き
換え、これを光電変換素子Ｈ１〜Ｈ４で電気信号Ｉ１〜
Ｉ４へ変換しているので、該正弦波照度分布に歪みが多
いと測定誤差が増大する。

【０００６】そこで、従来から、該照度分布を歪みの少
ない正弦波とする試みがなされ、本出願人は、複数のス
リット列を有するエンコーダにおける照度分布を正弦波
にできる発明を行い、特願昭63-228935 号（以下、先願
１と記す）にて出願した。該先願１の発明は、光源から
受光アレイに至るまでの光路中に屈折率が異なる補正板
（例えばガラス）を挿入し、受光アレイの面で、光が当
たらない部分と２つのスリットを通過した光が２重に当
たる部分とができないようにしたものである。すなわ
ち、図４のように光源からの光が当たらない部分Ｗ１
と、図５のように２つのスリットを通過した光が２重に
当たる部分Ｗ２ができないようにしたものである。

【０００７】先願１の発明のように、受光アレイの面
で、光が当たらない部分と２つのスリットを通過した光
が２重に当たる部分とができないようにすることは、正
弦波照度分布を作り出すために欠くことのできない条件
である。

【０００８】しかしながら、本出願人は、先願１の発明
による照度分布の正弦波よりも更に歪みの少ない正弦波
が得られる発明を行い、特願平2-190951号（以下、先願
２と記す）にて出願した。

【０００９】図６は先願２の発明に係る光学式エンコー
ダの光学系部分の構成図、図７と図８は先願２の発明に
係る光学式エンコーダの光源，コード板，受光アレイの
光学関係を示す図、図９と図１０は先願２の発明に係る
光源の発光強度分布を示す図、図１１と図１２はマスク
の窓部の輪郭形状を示す図である。

【００１０】図６において、１は発光源であり、例えば
発光ダイオードが用いられる。発光源１の出力光ＲＡは
ある光束を持った光であり、後述するマスク３の窓部３
１に相当する範囲を一様な照度で照らすことができる。
なお、発光ダイオード１を発光源として用いた場合、通
常は点光源と見なされるが、拡散板２との距離ＤＨを調
節することでほぼ窓部３１に相当する範囲を一様な照度
で照らすことができる光束にすることができる。

【００１１】拡散板２は発光源１からの光を受光し、こ
れを拡散光として出力する。３はマスクであり、拡散板
２からの光を通過させる窓部３１を有している。該窓部
３１は、正弦波（余弦波と見ることもできる）の半周期
を上下に折り返した形状、または正弦波に近似した波形
の半周期を上下に折り返した形状をしており、このよう
な特殊形状をした窓部３１を有する点が先願２の発明の
要部である。図６では、先願２の発明の構成を分り易く
するため、マスク３と拡散板２は離れた状態で配置され
るかのように描いているが、通常、拡散板２と密着する
ように配置する。

【００１２】マスク３の窓部３１を通過した光は、コー
ド板４に照射される。コード板４は、光を遮断する遮蔽
部４ａと光を通過させるスリット４ｂとが交互に配置さ
れた構成になっている。図６ではコード板４を長方形平
板として描いたが、丸型平板でもよい。この場合、スリ
ット列は円周上に配列される。

【００１３】５は受光アレイであり、コード板４の裏側
に生じる正弦波照度分布の１周期を４等分する４つの光
電変換素子Ｈ１〜Ｈ４で構成される。そして、該受光ア
レイ５は、スリットを通過した光が当たらない部分と２
つのスリットを通過した光が２重に当たる部分とができ
ない位置ＤＰに配置される。

【００１４】図６のように構成された光学系によれば、
受光アレイ５上に歪みの少ない正弦波照度分布を形成で
きる理由を以下に説明する。図７と図８は、図６の拡散
板２とマスク３とコード板４と受光アレイ５をｘ−ｚ平
面（図６参照）で切った時の断面図である。図８は、拡
散板２とマスク３とコード板４と受光アレイ５の配置関
係を概念的に示したものであり、図７は該図８の関係を
主に光学的に表したものである。

【００１５】コード板４は図６のＤ方向に移動するもの
であるが、発明を分かり易くするため、図８に示す位置
（受光アレイ５の中心Ｏとスリットの中心とマスク３の
窓３１の中心がｘ軸上で一致した位置）にコード板４が
静止した状態で説明する。

【００１６】ここで、図８に示すように、コード板４の
スリット４ｂの配列周期をＰ、ｘ−ｚ平面で切った時の
窓部３１の長さをＬＬ、受光アレイ５の長さをＬＰ、拡
散板２とコード板４の距離をＤＬ、コード板４と受光ア
レイ５の距離をＤＰとする。なお、拡散板２とマスク３
は密着されている。図８では図示しない発光源１からの
光は、マスク３の窓部３１を通してコード板４に向かっ
て照射されるので、マスク３の窓部３１の長さＬＬを持
った拡散板２（図８のＢ１〜Ｂ２部分）を光源と見なす
ことができる。

【００１７】従って、図８は、光学的に図７として表す
ことができる。図７から、幾何学的に(1) 式の関係が成
立する。光源長ＬＬ＝｛（ＤＬ＋ＤＰ）／ＤＬ｝Ｐ…(1) すなわち、(1) 式の関係が保たれるように受光アレイ５
を配置すれば、スリットを通過した光が当たらない部分
（図４参照）と、２つのスリットを通過した光が２重に
当たる部分（図５参照）は生じない。

【００１８】次に、コード板４の裏側に生じた照度分布
の１周期を４つの光電変換素子Ｈ１〜Ｈ４で４等分する
ことにより、図７から幾何学的に(2) 式の関係が成立す
る。受光アレイ長ＬＰ＝｛（ＤＬ＋ＤＰ）／ＤＬ｝Ｐ…(2) ここで、スリット周期：Ｐスリット関数：s(x)=1（スリット） s(x)=0（遮蔽部）光線とコード板との交点座標：ｘ光線の角度：θ（図７参照）拡散板２上の発光点ＸＬから受光アレイ上の受光点ＸＰ
までの距離：Ｒ拡散板Ｂ１〜Ｂ２の発光強度分布：Ｌ（Ｘ_ｌ) とすると、受光アレイ５上の点ＸＰにおける照度Ｅ（Ｘ
_Ｐ）は、次式で表される。

【００１９】

【数１】

【００２０】ＬＬ<<ＤＬ、ＬＰ<<ＤＰとすると、図７の
点ＸＰが中心部ｏより右側（０≦ＸＰ）の時の照度Ｅ
（Ｘ_Ｐ）は、次式で表される。

【００２１】

【数２】

【００２２】一方、点ＸＰが中心部ｏより左側（ＸＰ＜
０）の時の照度Ｅ（Ｘ_Ｐ）は、次式で表される。

【００２３】

【数３】

【００２４】拡散板２のＢ１〜Ｂ２における発光強度分
布Ｌ（Ｘ_ｌ）を２ＬＬを周期とするフーリエ級数で表す
と、

【００２５】

【数４】

【００２６】となる。そして、(6) 式を(5) 式に代入す
ると、０≦ＸＰの領域では、

【００２７】

【数５】

【００２８】となる。(7) 式で表される受光アレイ５に
おける照度Ｅ（Ｘ_Ｐ）を歪みのない正弦波とするために
は、基本波（ｎ＝１）のみにすればよい。すなわち、
(6) 式のｈ_ｎ＝ｈ_１のみ存在し、ｎ＝２，３，４，…の
時、ｈ_ｎ＝０になればよい。

【００２９】そのためには、(6) 式に示す拡散板２のＢ
１〜Ｂ２における発光強度分布が、ｎ＝１の時のみ存在
する分布波形であればよい。言い換えれば、拡散板２の
Ｂ１〜Ｂ２における発光強度分布が、正弦波の半周期に
なるようにすればよいことを意味する。

【００３０】次に、ＸＰ＜０の領域では、

【００３１】

【数６】

【００３２】となる。この場合も、上述と同様に、拡散
板２のＢ１〜Ｂ２における発光強度分布が正弦波の半周
期になるようにすれば、受光アレイ５における照度Ｅ
（Ｘ_Ｐ）を歪みのない正弦波にすることができる。な
お、(7) 式と(8) 式で表される照度分布波形は同一であ
る。

【００３３】以上の説明を分かり易く表したのが図９で
ある。図７，図８は図６を任意のｘ−ｚ平面で切った一
断面であり、図８において拡散板２のＢ１〜Ｂ２におけ
る発光強度分布が正弦波の半周期になるようにすれば、
受光アレイ５上に歪みのない正弦波の照度分布が得られ
ることを説明した。

【００３４】図９は、発光源１からの光ＲＡを受けた拡
散板２の受光部分の発光強度分布を２次元的に表現した
ものである。図６において、任意の値ｙ＝ｙ´にて、ｘ
−ｚ平面で切った時の発光強度分布は、図９のＫ１とな
る。従って、光ＲＡを拡散板２の全域でみると、図９の
ように発光強度分布はあたかも蒲鉾型になる。

【００３５】従って、拡散板２において、図９のような
発光強度分布を形成するように構成すれば、受光アレイ
５に歪みのない照度分布を形成できる。しかし、このよ
うな発光強度分布を形成することは容易でない。

【００３６】そこで、等価的に図９と同様な効果が得ら
れる発光強度分布を図１０に示す。図１０は、図６にお
けるマスク３の窓部３１を介して出力される光強度を表
した図である。説明を加えると、図６の拡散板２には、
マスク３の窓部３１に相当する範囲に発光源１から一様
な光が照射されている。従って、該窓部３１は、図１０
に示すように一様な発光強度を持つ。すなわち、図９の
ように正弦波の半周期で分布する発光強度とは形態が異
なる。そして、該窓部３１の輪郭Ａ１，Ａ２は、正弦波
の半周期を上下に折り返した形状になっている。従っ
て、マスク３の２次元平面をｘ−ｙに取り、ｚ方向を発
光強度で表すと、図１０のように窓部３１のみ輪郭Ａ
１，Ａ２が正弦波の半周期を上下に折り返した凸状分布
になる。

【００３７】図１０のような発光強度の光を図６のコー
ド板４を介して受光アレイ５に照射した場合、受光アレ
イ５は、図９のような発光強度分布の光をコード板４を
介して受けたのと同じ変換電流を出力する。

【００３８】説明を加える。図９のような発光強度分布
の光をコード板４を介して受光アレイ５に照射すると、
受光アレイ５には歪みのない正弦波照度分布が形成され
る。そして、該正弦波の照度分布をちょうど４等分した
各光電変換素子Ｈ１〜Ｈ４からは、それぞれの当該位相
区域の平均照度に応じた電流が出力される。すなわち、
各光電変換素子Ｈ１〜Ｈ４は正弦波の１周期３６０°を
４等分しているので、それぞれの光電変換素子は９０°
ずつ位相が異なる区域で正弦波照度分布を受光してい
る。

【００３９】一方、図１０のような発光強度分布の光を
コード板４を介して受光アレイ５に照射しても、受光ア
レイ５の各光電変換素子Ｈ１〜Ｈ４から出力される変換
電流値は図９の発光強度分布を照射した場合と同じであ
る。

【００４０】その理由は簡単である。すなわち、マスク
３の窓部３１から照射される光は散乱光であり、受光ア
レイ５は４つの光電変換素子Ｈ１〜Ｈ４で当該位相区域
の照度を積分した結果得られる光電流を出力しているか
らである。図１０を参照して説明すると、図１０に示す
ような発光強度分布に対して、光電変換素子は同図に示
す向きに配置されている（光電変換素子Ｈ３のみ図
示）。従って、光電変換素子Ｈ３は、ｘ−ｙ平面におい
て、例えばｘ＝０〜ｘ１の区域における照度の積分値を
出力することになる。図１０（ロ）に示したグラフは、
図１０（イ）の光強度分布を−ｘ２〜ｘ２間で積分した
ものを示している。ここで、発光強度分布の輪郭Ａ１，
Ａ２が正弦波であるから、［図１０（イ）］、（ロ）の
波形は正弦波となる。すなわち、受光アレイ５の各光電
変換素子Ｈ１〜Ｈ４から出力される変換電流値は、図９
の発光強度分布を照射した場合と同じである。

【００４１】上述は、発光源１から照射される光ＲＡが
一様な光束を持つと仮定したものであるが、実際には発
光源１は点光源と見ることができ、光ＲＡの光束は図６
の距離ＤＨにより左右される。すなわち、マスク３の窓
部３１に相当する範囲において、一様な照度でない場合
が生じる。このようなことから、実用化する上におい
て、マスク３の窓部３１の輪郭形状は、照度分布の乱れ
を補正するため理想状態（正弦波）と異なる形状にす
る。

【００４２】図１１と図１２は、マスク３の窓部３１の
輪郭形状の変型例を示す図である。図１１の輪郭は、ｘ
−ｙ平面上で次式で表されるものであり、パラメータα
を種々の値で変化させたものである。

【００４３】

【数７】

【００４４】なお、−（ＬＬ／２）≦ｘ≦（ＬＬ／２）
であり、ａは定数である。実験によれば、０．４＜α＜
１．２まで有効であった。

【００４５】先願２の発明におけるマスクの窓部３１の
輪郭は、正弦波，余弦波の関数に限定するものではな
い。図１２に示すような正弦波に近似した形状であって
も先に記載した効果を得ることができる。図１２の波形
の関数は次式で表される。

【００４６】

【数８】

【００４７】なお、−（ＬＬ／２）≦ｘ≦（ＬＬ／２）
であり、実験によれば、１．０＜α＜４まで有効であっ
た。

【００４８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、先願２の発明
の光学式エンコーダでは、拡散光源のマスク３の窓３１
が１つであることから、分解能を上げるためにスリット
数を増やしてピッチを細かくするとそれとともに窓３１
の幅も狭まり、光量が減ってＳ／Ｎが悪化するという問
題がある。すなわち、高分解能化に限界があった。

【００４９】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、受光アレイ上で十分な光量
が得られる高分解能の光学式エンコーダを提供すること
にある。

【００５０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光学式エン
コーダは、発光源と、該発光源からの光を拡散光として
出力する拡散板と、該拡散板からの光を通過させる窓部
の輪郭が複数ピッチの正弦波を上下に折り返した形状ま
たは正弦波に近似した波形を上下に折り返した形状であ
るマスクと、該マスクの窓部を通過した光を通過させる
スリット部と遮光部が交互に配列されたコード板と、該
コード板を通過した光を受光する受光アレイ、を設けた
ことを特徴とする。

【００５１】

【作用】本発明の光学式エンコーダは、拡散板からの光
を通過させる窓部の輪郭が複数ピッチの正弦波を上下に
折り返した形状または正弦波に近似した波形を上下に折
り返した形状のマスクを備えている。該形状をした窓部
からの光をコード板に照射すると、受光アレイ上に形成
される照度分布は正弦波のみになって歪みは極めて小さ
くなるとともに、十分な光量が得られる。

【００５２】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。図１は本発明に係る光学式エンコーダの
光学系部分の構成図であり、図６と同一の部分には同一
の符号を付けてそれらの再説明は省略する。図１と図６
の異なる点は、マスク３に拡散板２からの光を通過させ
る窓部３２の輪郭として、複数ピッチの正弦波を上下に
折り返した形状または正弦波に近似した波形を上下に折
り返した形状に形成されていることである。

【００５３】マスク３の窓部３２の形状で空間的に重み
付けされた拡散光は、コード板４を通して受光アレイ５
を照射する。ここで、発光源１，拡散板２，マスク３，
コード板４および受光アレイ５は、上述図６と同様に、
受光アレイ５の受光面上に正弦波照度分布を生じるよう
に配置されている。そして、受光アレイ５の各光電変換
素子Ｈ１〜Ｈ４は、正弦波照度分布の１ピッチを４等分
した９０°ずつ位相の異なる光電変換電流を出力する。

【００５４】図２は上述各光学要素間の光学関係を示す
ｘ−ｚ断面図である。コード板４のスリットの配列周期
をＰ_ｓ、発光源１の正弦波ピッチをＰ_ｌ、受光アレイ５
のピッチをＰ_ｐとし、拡散板２とコード板４の距離をＤ
_ｌ、コード板４と受光アレイ５の距離をＤ_ｐとすると、
受光アレイ５上の１点に照射される別々のスリットを通
過した発光源１の光の発光強度分布の周期性を合わせる
ことから、次式の関係を保つ。

【００５５】Ｐ_ｌ＝｛（Ｄ_ｌ＋Ｄ_ｐ）／Ｄ_ｐ｝・Ｐ_ｓ…(11) また、スリットピッチＰ_ｓの投影を受光アレイ５のピッ
チＰ_ｐに合わせるため、光学倍率の条件から次式の関係
を保つ。

【００５６】Ｐ_ｐ＝｛（Ｄ_ｌ＋Ｄ_ｐ）／Ｄ_ｌ｝・Ｐ_ｓ…(12) すなわち、均一な発光源１の照射の下にＹ軸方向にマス
ク３で正弦波状の制限を加えると、発光源１の発光強度
分布はＸ軸方向に正弦波状になる。

【００５７】受光アレイ５上の任意の点ａにおける照度
は、ａからコード板４のスリットを通して見た発光源１
の発光強度分布の総和である。図からも明らかなよう
に、発光源１の発光強度分布が正弦波状であれば、その
サンプリングである受光アレイ５上の照度分布も正弦波
状になる。

【００５８】発光源１の正弦波ピッチ数は必要に応じて
増やすことができるので、十分な光量を持つ極めて歪み
の少ない正弦波照度分布が実現できる。なお、上述実施
例では、発光源１，拡散板２およびマスク３を別々の構
成要素としたが、例えば発光ダイオードチップにマスク
を薄膜で付けるような一体構造にしてもよい。

【００５９】また、ロータリーエンコーダ，リニアエン
コーダのいずれにも適用できる。

【００６０】

【発明の効果】以上詳細に説明した本発明に基づく光学
式エンコーダによれば、受光アレイ上に十分な光量を持
つ極めて歪みの少ない正弦波照度分布を作ることができ
るので、コード板の位置を安定で正確に読み取ることが
でき、高分解能，高精度の光学式エンコーダを実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光学式エンコーダの光学系部分の
構成図である。

【図２】図１の各光学要素間の光学関係を示すｘ−ｚ断
面図である。

【図３】光学式エンコーダの原理構成図である。

【図４】先願発明の動作説明図である。

【図５】先願発明の動作説明図である。

【図６】他の先願発明に係る光学式エンコーダの光学系
部分の構成図である。

【図７】図６の各光学要素間の光学関係を示すｘ−ｚ断
面図である。

【図８】図６の各光学要素の配置関係概念図である。

【図９】図６の発光源の発光強度分布の説明図である。

【図１０】図６の発光源の発光強度分布の説明図であ
る。

【図１１】図６で用いるマスクの窓部の輪郭形状の説明
図である。

【図１２】図６で用いるマスクの窓部の他の輪郭形状の
説明図である。

【符号の説明】

１発光源２拡散板３マスク４コード板５受光アレイ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光源と、該発光源からの光を拡散光として出力する拡散板と、該拡散板からの光を通過させる窓部の輪郭が複数ピッチ
の正弦波を上下に折り返した形状または正弦波に近似し
た波形を上下に折り返した形状であるマスクと、該マスクの窓部を通過した光を通過させるスリット部と
遮光部が交互に配列されたコード板と、該コード板を通過した光を受光する受光アレイ、を設け
たことを特徴とする光学式エンコーダ。