JPH06103193B2

JPH06103193B2 - 光電型エンコーダ

Info

Publication number: JPH06103193B2
Application number: JP63252456A
Authority: JP
Inventors: 宗次市川
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1988-10-05
Filing date: 1988-10-05
Publication date: 1994-12-14
Anticipated expiration: 2009-12-14
Also published as: JPH0298630A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は光電型エンコーダ、特にその光源の改良に関す
る。

［従来の技術］各種測定器、工作機械、更に最近は各種情報機械などに
も相対移動する二つの部材の変位量を検出するため各種
エンコーダが用いられており、非接触で変位量検出が可
能なところから光電型エンコーダが汎用されている。

該光電型エンコーダは相対移動する２つの部材のそれぞ
れに設けられた格子と、該格子の重なりあいを検出する
ための発光素子及び受光素子よりなる。

このような従来の光電型エンコーダとしては、通常の２
枚の格子の重なりあいを検出するエンコーダのほか、第
４図に示すような３枚の格子の重なりあいの変化より変
位量を検出する、いわゆる３格子システムが周知である
（Journal of the optical society of America,
1965年、vol.55、No.4、PP373−381）。

第４図において、エンコーダ10は、平行配置された発光
側格子12,検出格子14と、両格子12,14の間に相対移動可
能に平行配置された基準格子16と、前記発光側格子12の
図中左側に配置された発光素子18と、前記検出格子14の
図中右側に配置された受光素子20と、を含む。

そして、発光素子18から出射された光は発光側格子12,
基準格子16,検出格子14を介して受光素子20に至り、該
受光素子20は各格子12,14,16で制限された照射光を光電
変換し、更にプリアンプ22により増幅して検出信号ｓを
得る。

ここで、基準格子16が発光側格子12,検出格子14に対し
例えば矢印ｘ方向に相対移動すると、発光素子18からの
照射光の格子12,16,14により遮蔽される光量が除々に変
化し、検出信号ｓは略正弦波として出力される。

そして、前記基準格子16のピッチP1と検出信号ｓの波長
が対応し、該検出信号ｓの波数及びその分割値より前記
基準格子16の相対移動量を測定するものである。

第５図にはこのような３格子システムの光電型エンコー
ダの具体的構成が示されており、前記第４図と対応する
部分には同一符号を付して説明を省略する。

同図に示すエンコーダ10は反射式であり、発光側格子12
及び検出格子14a,14b,…14dはガラス製のインデックス
スケール30上に形成され、また基準格子16は同じくガラ
ス製のメインスケール32の下面に形成されている。

そして、メインスケール32には、第６図に示すようにピ
ッチP₁の縦稿状目盛が形成されている。

また、発光側格子12及び検出格子14、発光素子18、受光
素子20はインデックススケール30とともに一体的に形成
されている。

第７図には前記インデックススケール30を下面側より見
た状態が示されている。

同図より明らかなように、中央の発光側格子12をはさん
で、４個の受光素子20a,20b,…20dに対応した検出格子1
4a,14b,…14dが配置され、それぞれの格子14a…14dは位
相が互に90度づつずれたピッチの縦稿状目盛が形成され
ている。そして、各受光素子20a…20dからは、それぞれ
π/2づつ位相のずれたＡ相、Ｂ相、相、相の信号を
得ることができ、Ａ相−相により振幅増幅したＡ相出
力を得、Ｂ相−相により同じく振幅増幅されたＢ相出
力を得る。該Ａ相出力及びＢ相出力のπ位相のズレ方向
等よりスケールの相対移動方向の弁別及び電気的に検出
信号を分割を行ない、分解能の高い変位量検出を行なっ
ている。

ところで、前記発光素子には一般に長寿命で安定性のよ
い発光ダイオードなどが用いられているが、該発光ダイ
オード等は点灯時間とともに劣化が生じ除々に発光効率
が低下する。また、温度変化によっても発光効率に変動
を生じてしまうことがある。

この結果、検出信号ｓに影響を与え変位検出精度を低下
させてしまうこともある。

すなわち、第８図に示されるように、例えば温度25℃で
発光ダイオードを長時間点灯した場合には、実線で示す
ごとく経時的な劣化はさほど大きな問題とはならない
が、例えば温度60℃で長時間点灯した場合には、点線で
示すごとくその劣化スピードは著しく大きくなり検出精
度に大きな影響を与えてしまうおそれがある。

特に、エンコーダが各種機器の内部に組込まれた場合に
は周囲の温度が60℃以上になることも十分考えられ、そ
の対策が必要となる。

このため、従来においては例えば第７図に示すように測
定用の受光素子20と並列して光度検出用受光素子34a,34
bを設け、該光度検出用受光素子34の検出結果に基づき
発光素子18の発光電流をフィードバック制御し、発光量
を一定に維持するようにしている。

［発明が解決しようとする課題］従来技術の問題点ところが、前述したような従来の光電型エンコーダで
は、測定用受光素子のほかに光度検出用受光素子が必要
とされ、部品点数が増加し部品コスト、組立てコストが
上昇してしまうという問題点があった。

さらに、近年の装置小型化の要求にともない、エンコー
ダも小型とすることが要求されており、測定用受光素子
のほかに光度検出用受光素子を設置するスペースの削減
が強く望まれていた。

発明の目的本発明は前記従来技術の問題点に鑑みなされたものであ
り、その目的は小型・低コストで、しかも発光素子の光
度を常に一定に維持し得る光電型エンコーダを提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段］前記目的を達成するために本発明にかかる光電型エンコ
ーダは、メインスケール、インデックススケール、発光
素子、受光素子に加え、電流測定手段と、発光電流制御
手段を備える。

ここで、メインスケールには、所定の基準格子が形成さ
れている。

インデックススケールには、少なくとも一対の互にπ位
相ずれた検出格子が前記基準格子に対向して形成され、
前記メインスケールに対し相対移動可能に並列配置され
ている。

発光素子は、前記基準格子に光を照射する。

受光素子は、前記各検出格子ごとに設置され、基準格子
及び検出格子により制限された光を受光してメインスケ
ールとインデックススケールの相対移動量を略正弦波と
して出力する。

電流測定手段は、前記少なくとも一対の受光素子へ、受
光量に比例して導入される導入電流を測定する。

また、発光電流制御手段は、前記電流測定手段の測定結
果に基づき、前記発光素子の発光電流を制御する。

［作用］本発明にかかる光電型エンコーダは、前述した手段を有
するので、発光素子から出射された測定光はメインスケ
ールの基準格子により一部遮蔽され、さらにインデック
ススケールの検出格子により一部制限されて受光素子に
至る。そして、前記基準格子及び検出格子により制限さ
れる光量はメインスケール及びインデックススケールの
相対位置変化に応じて変化し、各受光素子は両スケール
の相対移動量を略正弦波として出力する。

ここで、インデックススケールには少なくとも一対の互
にπ位相ずれた検出格子が形成されているので、それぞ
れの検出格子に対応した受光素子からはπ位相ずれた略
正弦波が出力され、通常この一対の受光素子から出力さ
れる両正弦波信号はそれぞれオペアンプの反転入力端子
および非反転入力端子に入力され振幅増幅される。

また、受光素子は受光に応じて出力する微弱電流を増幅
出力するため電源より電流が導入されている。

そして本発明においては、前記π位相ずれた略正弦波信
号を出力する受光素子対への導入電流を電流測定手段に
より測定している。

ここで、それぞれの受光素子の出力する測定信号は略正
弦波を描くが、π位相ずれた正弦波を出力する受光素子
対への導入電流は、その電流変化が相殺されほぼ一定の
電流値となる。

従って、発光素子の劣化に伴う光量減少は、一対の受光
素子の導入電流の減少に直結し、例えば発光電流制御手
段が導入電流の減少に応じて発光素子の発光電流を増加
させるので、前記発光素子の劣化にともなう発光効率低
下を補償することができる。

このように、本発明によれば特別な光度検出用受光素子
を設けることなく発光素子の光量変化を適切に補償する
ことが可能となる。

［実施例］以下、図面に基づき本発明の好適な実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例にかかる光電型エンコーダ
の回路構成が示されており、前記従来技術と対応する部
分には符号100を加えて示し説明を省略する。

同図に示すように、本実施例にかかる光電型エンコーダ
は、３格子システムを採用しており、発光素子118と受
光素子120a,120b,…120dの間には発光側格子112、基準
格子116、及び前記各受光素子120a,120b,…120dにそれ
ぞれ対応した検出格子114a,114b,…114dが配置されてい
る。

ここで、検出格子114a,114bは互にπ位相ずれた格子が
形成され、検出格子114c,114dにも互にπ位相のずれた
格子が形成され、前記検出格子114aと114cはπ/2位相を
ずらして構成している。このため検出格子114a,114c,11
4b,114dはそれぞれπ/2づつ位相がずれていることとな
り、基準格子116の相対移動により前記受光素子120a,12
0c,120b,120dにはそれぞれπ/2づつ位相のずれた略正弦
波の検出信号が得られる。

ここで、受光素子120は、本実施例においてフォトトラ
ンジスターよりなり、それぞれのベースに照射された光
量に比例して電源100より電流が導通される。

そして、受光素子120aを例にとると、電源100より該受
光素子120aに導通された電流i₁は受光素子120aによりＡ
相信号を形成して増幅回路142aにて増幅される。

該増幅回路142aはオペアンプ144a、及び該オペアンプ14
4aと並列接続された、抵抗146a及び可変抵抗148aの直列
回路、コンデンサー150aよりなる。そして、前記オペア
ンプ144aの反転入力端子に前記受光素子120aが接続さ
れ、非反転入力端子には基準電圧Vrefが印加される。

一方、受光素子120bにより検出された相信号は、同じ
く増幅回路142bにて増幅される。そして、前記Ａ相信号
及び相信号は減算回路152によりＡ相−相信号を作
成し、振幅増幅されたＡ相出力となる。すなわち、減算
回路152は、オペアンプ154及び抵抗156a、156b,…156d
よりなり、該オペアンプ154の反転入力端子には前記増
幅回路142aにより増幅されたＡ相信号が、また非反転入
力端子には前記増幅回路142bにて増幅された相信号が
入力される。

そして、Ａ相信号はそのπ位相のずれた相信号を基準
としてオペアンプ154により振幅増幅されＡ相出力を形
成するのである。

なお、以上と全く同様にして受光素子120c,120dで検出
されたＢ相信号および相信号はＢ相出力を形成する。

前述したようにＡ相及びＢ相出力はπ/2位相ずれてお
り、この両出力より基準格子116（メインスケール）の
相対移動方向の弁別及び電気的に検出信号を分割し分解
能を高めることが可能となる。

ところで、発光ダイオード等からなる発光素子118は温
度変化あるいは経時変化によりその発光効率に変動を生
じ、とくに発光ダイオードを高温下で長時間使用した場
合には著しく大きな発光効率の低下が認められる。この
ため前記Ａ相出力及びＢ相出力にも影響を与え、メイン
スケールの相対移動量の検出精度を悪化させる原因とも
なる。

本発明はこの発光素子の発光特性変化を補償するもので
あり、本実施例において電流測定手段160及び発光電流
制御手段162を備えている。

そして、電流測定手段160は電源100より受光素子120a,1
20b,120c,120dに導入される導入電流i₁，i₂，i₃，i₄の
和である電流Ｉを測定する。

ここで、各導入電流i₁，i₂，i₃，i₄はそれぞれ第２図に
示されるようにπ/2位相づつずれた略正弦波で表され、
導入電流i₁，i₂，i₃，i₄の和はそれぞれの周期的変動を
相殺することとなる。

従って、電流測定手段160により測定される電流Ｉは次
式により表される。

Ｉ＝i₁＋i₂＋i₃＋i₄＝４（は各導入電流i₁…i₄の平均電流値）このように、電流Ｉはスケールの相対移動に伴う周期的
変動のほとんど無い比較的大きな直流電流となり、発光
素子118自体の発光量変動を検出するために極めて好適
である。

そして、発光電流制御手段162は、電流測定手段160によ
り測定された電流Ｉの変動に応じて発光素子118の発光
電流を制御し、常に一定の発光量を得ることが可能とな
る。

ここで、前記電流測定手段160は、電流Ｉが導通する可
変抵抗164と、差動増幅回路166と、よりなる。そして、
差動増幅回路166は、オペアンプ168と、抵抗R₁、R₂、
R₃、R₄より形成される。

前記可変抵抗164の両端は、それぞれ抵抗R₁，R₃を介し
てオペアンプ168の反転入力端子、非反転入力端子に接
続され、また、抵抗R₂はオペアンプ168と並列に接続さ
れ、抵抗R₄はオペアンプ168の非反転入力端子と基準電
圧Vrefとを接続する。なお、図示例において、抵抗R₁＝
R₃、R₂＝R₄となっている。

従って、可変抵抗164の両端に生じる電流Ｉの測定電圧V
₁は次のように増幅（V₂）される。

すなわち、発光素子118の発光量が減少し電流Ｉが減少
すれば、測定電圧V₁も低下するため、測定電圧V₂は高く
なる。

この増幅された測定電圧V₂は発光電流制御手段162に入
力される。

該発光電流制御手段162は、電圧調整回路170と、ノイズ
除去回路172と、増幅回路174と、電流制御トランジスタ
176と、よりなる。そして、前記測定電圧V₂は、まず電
圧調整回路170にて電圧調整される。

すなわち、電圧調整回路170は、抵抗R₅，R₆，R₇，R₈，R
₉より構成される。

そして、抵抗R₅，R₆は電源100より接地端に直列接続さ
れ、その両抵抗の接続点で調整電圧VSを得る。

また、前記オペアンプ168の出力端と調整電圧Vsは分圧
抵抗R₇，R₈により接続され、両抵抗の接続点で調整され
た測定電圧V₃を得る。

ここで、調整電圧VSは、電流Ｉが発光素子118及び受光
素子120の特性に対し最適な状態で、前記測定電圧V
₂を、後述するノイズ除去回路172,増幅回路174のオペア
ンプの非反転入力端に印加される基準電圧Vrefと同等と
するように調整されている。

次に測定電圧V₃はノイズ除去回路172に入力される。

該ノイズ除去回路172はオペアンプ178と、該オペアンプ
に平行に接続されたコンデンサC₁、抵抗R₁₀よりなる。

そして、測定電圧V₃はノイズ除去及び次式のように逆相
増幅されて測定電圧V₄となる。

更に測定電圧V₄は増幅回路174に入力されて再度、逆相
増幅される。

すなわち、増幅回路174はオペアンプ180と、抵抗R₁₁，R
₁₂と、よりなり、前記測定電圧V₄は逆相増幅されて測定
電圧V₅となる。

以上のようにして測定電圧は増幅・調整され、電流制御
トランジスタ176のベースに印加される。

前記トランジスタ176のコレクタには発光素子118が接続
されており、エミッタは過電流防止手段180を介して接
地されている。

従って、電流Ｉが最適の状態であれば、V₃＝Vrefである
のでV₅＝Vrefとなり、トランジスタ176のベースには基
準となる電圧Vrefが印加される。

また、電流Ｉ（測定電圧V₁）が例えば発光素子118の劣
化等により減少すると測定電圧V₂，V₃及びV₅は増加し、
トランジスタ176のコレクタ、エミッタ間に導通する電
流は増加する。このため発光素子の118の発光量は増加
し、受光素子120の受光量（電流Ｉ）は常に一定に維持
され精度の高い変位検出が可能となる。

なお、発光素子118の発光電流が異常に大きくなると、
過電流防止回路180が作動し、発光素子118への電流の供
給を停止する。

すなわち、過電流防止回路180は、電流制御トランジス
タ176と接地端の間に直列接続された分圧抵抗R₁₃，R₁₄
と、スイッチングトランジスタ182と、前記抵抗R₁₃，R
₁₄の接続点とトランジスタ182のベースを接続する抵抗R
₁₅よりなる。

そして、トランジスタ182のコレクタ端は前記電流制御
トランジスタ176のベースに接続され、エミッタは接地
されている。

この結果、発光素子118に過電流が流れれば、スイッチ
ングトランジスタ182のベース電位が上昇し、オン作動
する。そして、電流制御トランジスタ176のベースが接
地されることとなり、該トランジスタ176はオフ作動し
発光素子118への電流供給は停止する。

以上のように、本実施例にかかる光電型エンコーダによ
れば、別個に光量検出用の受光素子を設けることなく発
光素子の発光量を常に一定に制御することができ、変位
量検出精度を高水準に維持することができる。このた
め、第３図に示すように、エンコーダを小型化し、部品
点数の削減によるコスト低下を図ることができる。

また、本実施例において、π/2位相づつずれた４個の受
光素子への導入電流の和を抵抗164で測定することによ
り発光素子118の光量を検出することとしたので、回路
構成が簡単であるとともに、比較的大電流を検出対象と
して処理することができ、ノイズを極めて低い段階に抑
えることができる。このため、発光素子の光量が安定し
て制御され、より精度の高い変位検出が可能となる。

なお、本実施例においては全ての受光素子への導入電流
の和を測定の対象としたが、例えば、π位相ずれている
受光素子120a,120bへの導入電流の和だけを測定の対象
とすることも可能である。

また、本実施例においては、発光素子118と発光側格子1
12とを別体に構成したが、これに限られるものではな
く、発光素子118と発光側格子112とを一体化したアレイ
状光源とすることも好適である。

また、検出格子114と受光素子120についても一体化し、
アレイ状受光素子とすることも好適である。

さらに、本実施例においては３格子システムの光電型エ
ンコーダについて説明したが、むろん通常の２格子シス
テムのエンコーダでも全く同様に適用し得る。

さらに、本発明はπ位相ずれた略正弦波の光電変換出力
を行なう少なくとも一対の受光素子を有するものであれ
ばいずれの検出器にも適用でき、リニアエンコーダ、ロ
ータリーエンコーダあるいは他の変位検出器であっても
応用可能である。

［発明の効果］以上説明したように、本発明にかかる光電型エンコーダ
によれば、π位相ずれた信号出力を行なう受光素子対へ
の導入電流より発光素子の発光量を測定し、該発光素子
への発光電流供給量を制御することとしたので、エンコ
ーダの小型、低コスト化が図れるとともに、回路構成が
簡単であり、しかもノイズの影響を受けにくくすること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例にかかる光電型エンコーダ
の回路構成の説明図、第２図は、第１図に示したエンコーダにおける受光素子
への導入電流の説明図、第３図は、第１図に示した反射型エンコーダのインデッ
クススケール側の構成の説明図、第４図は、一般的な３格子システムのエンコーダの概念
説明図、第５図は、第４図に示したエンコーダの具体的構成の説
明図、第６図は、第４図に示したエンコーダのメインスケール
の説明図、第７図は、第４図に示したエンコーダのインデックスス
ケールの説明図、第８図は、発光素子の劣化状態の説明図である。 10,110……光電型エンコーダ、 14,114……検出格子、 16,116……基準格子、 18,118……発光素子、 20,120……受光素子、 30,130……インデックススケール、 32,132……メインスケール、 160……電流測定手段、 162……発光電流制御手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の基準格子が形成されているメインス
ケールと、少なくとも一対の互にπ位相のずれた検出格子が前記基
準格子に対向して形成され、前記メインスケールに対し
相対移動可能に並列配置されるインデックススケール
と、前記基準格子に光を照射する発光手段と、前記各検出格子ごとに配置され、基準格子及び検出格子
により制限された光を受光してメインスケールとインデ
ックススケールの相対移動量を略正弦波として出力する
受光手段と、を含む光電型エンコーダにおいて、前記受光手段は、その出力を差動増幅するために互にπ
位相ずれて配置された少なくとも一対の受光素子よりな
り、前記π位相ずれて配置された前記少なくとも一対の受光
素子への入力電流を和合成し、受光量に比例して該受光
素子対に導入される導入電流を測定する電流測定手段
と、前記電流測定手段の測定結果に基づき、前記発光素子の
発光電流を制御する発光電流制御手段と、を備えることを特徴とする光電型エンコーダ。