JPH0674792A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】厳密な位置合わせが必要な２つの受光手段を用
いることなく、パルス板の移動および回転方向等を検出
可能な光学式エンコーダを提供すること。 【構成】光源１と基板２は、レンズ３ならびにスリット
状の光透過部と遮光部を有するパルス板４を挾んで対向
配置されている。さらに、基板２上にダブルモード導波
路５等を配置し、光検出器９、１０の出力信号は、減算
回路１１および加算回路１２に入力される。 【効果】厳密な位置合わせが必要な２つの受光手段を用
いることなく、パルス板の移動および回転方向等を検出
可能な光学式エンコーダを提供できる。さらに、電気回
路の形成が可能な基板を、光導波路基板として使用する
ことにより、光源、受光素子、各種信号処理回路等を集
積化することができ、光学式エンコーダの一層の小型化
を図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定対象物の回転、
移動等を検出する光学式エンコーダの性能向上のための
技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、可動部を有する各種装置にお
ける、該可動部の回転数、回転方向、移動速度、移動方
向、位置等の検出に、透過型あるいは反射型の光学式エ
ンコーダが用いられている。かかる光学式エンコーダに
おいては、例えば、可動部に光透過部と遮光部を有して
構成されるスリット状のパルス板を装着した手段と、他
方、発光手段および受光手段を、前記パルス板を挾む空
間部を設けて、対向して備えた手段にて構成される装置
であって、前記発光部から発光された光が前記パルス板
を介して、光パルスに変換された後、該光パルスを前記
受光手段によって受光し、光電変換素子等によって電気
信号に変換し、さらに該電気信号に所定の信号処理を行
なうことによって、可動部の移動量（例えば回転量等）
を検出する装置であった。このような従来の光学式エン
コーダにおいては、移動および回転速度等は、前記受光
手段から出力される受光信号の、断続あるいは強弱等に
より検出が可能である。一方、移動または回転の方向の
検出は、図３に示すように対向配置している発光手段２
８、および、２つの受光手段２９、３０の間に配置され
たパルス板３１上の光透過部と遮光部の周期に対して、
該周期の長さをＴとすると（ｎ±１／４）・Ｔ（但し、
ｎは自然数）の間隔で、前記２つの受光手段２９、３０
を設けて、該２つの受光信号の位相差に基づいて行なわ
れている。前記２つの受光手段２９、３０から得られる
出力信号は、通常それぞれ、Ａ相信号、Ｂ相信号と称さ
れ、前記２つの受光手段２９、３０の各々からの出力信
号３２、および３３をそれぞれ電圧比較器３４、３５を
用いて、基準電圧信号と比較し、矩形パルス波に整形し
て出力する。なお、この際、基準電圧信号は、基準電圧
入力端子１００に電圧を印加して与えられる。前記パル
ス板３１の移動または回転方向により、得られる信号は
変化するが、前記Ａ相信号、Ｂ相信号の立上り、立下が
り、電圧の高・低の組合せの一例を、図４に示す。以
下、前記２つの受光手段２９、３０の間隔が、（ｎ−１
／４）・Ｔの場合について考える。図３に示す構成にお
いて、パルス板３１が、左から右の方向へと移動すると
き、前記２つの受光手段２９、３０の間隔を考慮する
と、Ａ相信号３６に対しＢ相信号３７は、位相が４分の
１周期遅れた信号となっている。一方、図３に示す構成
において、パルス板３１が、右から左の方向へと移動す
るとき、前記２つの受光手段２９、３０の間隔を考慮す
ると、Ａ相信号３６に対しＢ相信号３８は、位相が４分
の１周期進んだ信号となる。以上の関係を表にてまとめ
ると、以下の様になる。

【０００３】

【表１】

【０００４】表中、上向きの矢印は、時間経過に対し
て、Ａ相信号またはＢ相信号の出力信号が、低電圧レベ
ルの信号から、高電圧レベルの信号へと変化しつつある
状態を表し、逆に、下向きの矢印は、時間経過に対し
て、Ａ相信号またはＢ相信号の出力信号が、高電圧レベ
ルの信号から、低電圧レベルの信号へと変化しつつある
状態を表す。また、表中、記号「Ｈ」、「Ｌ」はそれぞ
れ、Ａ相信号またはＢ相信号が高電圧レベル、低電圧レ
ベルにあることを示す。専用のＩＣ回路、あるいは、汎
用の論理回路を組み合わせて構成した信号処理回路を用
いて、表１に記載された組合せに対応するＡ相信号およ
びＢ相信号の関係を判断し、パルス板３１の移動あるい
は回転方向を検出している。また円盤上の形状を有する
パルス板を使用し、該パルス板の回転位置を検出する場
合には、Ａ相信号およびＢ相信号を検出するためのスリ
ット状光透過部のほかに、さらに別に、前記パルス板上
に光透過部を一箇所設け、該光透過部から得られる光パ
ルス信号を、新たに設けた受光手段にて検出し、該信号
をパルス板の位置決め基準信号として利用し、回転体の
基準位置を検出しても良い。なお、かかる位置決め基準
信号を、一般にＺ相信号と称している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の光
学式エンコーダにおいて、可動部の移動または回転方向
を検出するためには、パルス板近傍に少なくとも２つの
受光手段が配置されている必要があり、しかも該２つの
受光手段を配置する際の位置関係は、厳密に保たれてい
なければならない。そのためには、非常に高い工作精度
が要求され、特に高分解能を有する光学式エンコーダを
製造するためには、パルス板上のスリット間隔も、例え
ば１０μｍ以下になり製造が非常に困難になっている問
題があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、以下の手段が考えられる。所定の周期で光透過部お
よび光遮光部を配置したパルス板の移動状態を、発光手
段から出射し、該パルス板を透過した光を受光手段で受
光し、該受光手段からの出力信号を信号処理して検出す
る光学式エンコーダにおいて、前記受光手段は、パルス
板を介して発光手段からの光が入射する入射端面を備え
るダブルモード導波路と、２つのチャネル型導波路と、
ダブルモード導波路と２つのチャネル型導波路を接合す
る導波路分岐手段を、一の基板上に配置して構成し、前
記２つのチャネル型導波路の端面の各々に受光素子を備
え、また、前記２つの受光素子から得られる出力信号の
和信号および差信号を検出する手段、および、検出され
た和信号および差信号に基づいて、パルス板の変位量お
よび変位方向を検出する信号処理手段を備え、パルス板
の変位量と変位方向を検出する光学式エンコーダであ
る。また、発光手段および受光手段と、光反射手段を、
所定の周期で光透過部および遮光部を配置したパルス板
を挾んで対向配置し、前記パルス板の移動状態を、発光
手段から出射し、パルス板を透過し、光反射手段にて反
射し、再度パルス板を透過した光を受光手段で受光し、
該受光手段からの出力信号を信号処理して検出する光学
式エンコーダにおいて、前記受光手段は、発光手段から
の光が入出射する出入射端面を備えるダブルモード導波
路と、３つのチャネル型導波路と、ダブルモード導波路
と３つのチャネル型導波路を接合する導波路分岐手段と
を、一の基板上に配置して構成し、さらに、前記３つの
チャネル型導波路のうち中央の１つをシングルモード導
波路で構成し、その端面に前記発光手段を備え、残りの
２つのチャネル型導波路の端面には、受光素子を備え、
また、前記２つの受光素子から得られる出力信号の和信
号および差信号を検出する手段、および、検出された和
信号および差信号に基づいて、変位量および変位方向を
検出する信号処理手段を備え、パルス板の変位量と変位
方向を検出する光学式エンコーダも考えられる。上記、
光学式エンコーダにおいて、前記ダブルモード導波路の
長さＬは、該ダブルモード導波路を伝搬する０次モード
光と１次モード光との完全結合長をＬCとすると、Ｌ＝
ｍ・ＬC（ｍは、自然数）であることが好ましい。ま
た、前記基板は、電気光学効果を有する誘電体結晶で構
成された光学式エンコーダも考えられる。光学式エンコ
ーダの小型化を図るため、前記基板は、Ｓｉで構成さ
れ、さらに、前記受光素子は、該基板上にモノリシック
に集積配置された光学式エンコーダ、あるいは、前記基
板は、化合物半導体で構成され、さらに、前記受光素子
および発光手段は、該基板上にモノリシックに集積配置
された光学式エンコーダも考えられる。加えて、前記基
板が、電気光学効果を有する誘電体結晶で構成された光
学式エンコーダ、あるいは、前記基板が、化合物半導体
で構成され、さらに、前記受光素子および発光手段は、
該基板上にモノリシックに集積配置された光学式エンコ
ーダにおいて、前記ダブルモード導波路上に電極を設
け、該電極に電圧を印加することによって、０次モード
光と１次モード光との完全結合長を変化させる機能を有
する光学式エンコーダも考えられる。

【０００７】

【作用】以下、作用について説明する。まず、本発明に
かかる光学式エンコーダに用いる導波路型受光手段の動
作について説明する。光導波路の一種であるダブルモー
ド導波路の入射端面に、該ダブルモード導波路の幅方向
に対して電磁界分布が反対称である光が入射すると、該
導波路はダブルモードであるため、電磁界分布が対称な
０次モードと、反対称な１次モードの光が該導波路中に
励起される。両モードは、該導波路中でモード間干渉を
おこし、光強度分布の中心は横方向（伝搬方向に垂直な
方向）に往復しながら、該導波路中を伝搬する。このよ
うな光強度分布の移動が生じるとき、ダブルモード導波
路の長さが完全結合長の整数倍であるとき、該ダブルモ
ード導波路の出射部分に設けた導波路分岐手段で分岐さ
れた後の光量は、入射光量に比例する量に、入射端面で
の入射光の入射端面に対する振幅分布の傾きに比例する
量が重畳したものとなる。このとき、分岐後の２つのチ
ャネル導波路に励起される光量には、前記振幅分布の傾
きに比例する光量は、両チャネル導波路間で逆相状態で
含まれており、さらに、入射光量に比例する光量は、両
チャネル導波路間で同相状態で含まれている。したがっ
て、該２つのチャネル導波路からの出力の差をとると、
入射端面での、入射光の入射端面に対する振幅分布の傾
きに比例した微分量のみが得られることになる。一方、
該２つのチャネル導波路からの出力の和をとると、入射
光量に比例した量のみを得ることができる。ところで、
一般に光学式エンコーダに用いられるパルス板の光透過
部の幅が、受光手段の受光面の幅と同程度の大きさであ
るとき、受光手段からの出力信号の大きさは、該パルス
板の移動量に対して、余弦関数で近似できるものとな
る。また、この時パルス板の移動にともない、スリット
状の光透過部と、受光手段の受光面の間の相対的なズレ
量の変化に応じて、受光手段の受光面に入射する入射光
の振幅分布の傾きは連続的に変化することになる。した
がって、長さが完全結合長の整数倍であるダブルモード
導波路の端面で光を入射する構成とした受光手段を用い
た光学式エンコーダにおいて、パルス板の移動量に対し
て、導波路分岐手段に接続された２つのチャネル導波路
からの出力の和信号は、入力光量を反映して余弦関数で
近似できるものとなる。一方、２つのチャネル導波路か
らの出力の差信号は、前記和信号の微分量として正弦関
数で得られることになるが、その符号はパルス板の移動
方向によって逆転する。したがって、本発明にかかる光
学式エンコーダにおける受光手段の前記２つのチャネル
導波路からの出力の和信号と差信号の間の関係は、従来
の光学式エンコーダにおけるＡ相信号とＢ相信号の間の
関係と同じものとなる。このように、本発明にかかる光
学式エンコーダでは、従来とは全く異なる原理に基づい
てパルス板の移動または回転方向を検出することが可能
となる。さらに、出力信号の形態は、従来の光学式エン
コーダにおける出力信号と同様であるため、従来から用
いられてきた専用のＩＣ回路、あるいは、汎用の論理回
路を組み合わせて構成した信号処理回路をそのまま使用
することも可能である。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照して実施例について説明す
る。まず、第１図に、本発明にかかる光学式エンコーダ
の一実施例の構成図を示す。 本構成において、光源１
と基板２は、レンズ３ならびにスリット状の光透過部と
遮光部を有するパルス板４を挾んで対向配置されてい
る。光源１から出射した光は、パルス板４の光透過部を
透過して、基板２上のダブルモード導波路５の入射端面
に入射する。なお、該ダブルモード導波路５の長さは、
モード間干渉における完全結合長の整数倍になっている
ものとする。前記入射端面における入射光の振幅分布
は、前記パルス板４の移動に応じて、連続的に変化す
る。この入射端面における振幅分布の傾き（例えば、ダ
ブルモード導波路への入射光の電磁界分布最大値点の、
導波路中心軸からの幅方向における変位）の量は、ダブ
ルモード導波路５からの出射光を、導波路分岐手段６で
分波し、さらに、２つのチャネル導波路７、８にて分岐
された出力を、それぞれ光検出器９、１０で検出し、減
算回路１１を用いて差信号を得ることによって知ること
ができる。一方、加算回路１２からは、前記２つの光検
出器９、１０の出力の和信号が得られる。なお、減算回
路１１および加算回路１２は、各種ＣＭＯＳ等の電子デ
バイスにて実現される。また、得られた差信号と和信号
の振幅の大きさ、および中心値は、一般に異なっている
が、これらは各種の信号処理回路で同じ値にすることが
容易にできる。このようにして得られた差信号と和信号
は、従来の光学式エンコーダにおけるＡ相信号、Ｂ相信
号と同等な信号として、移動または回転方向決定のため
の信号処理手段（図示せず）に入力され、パルス板４の
移動または回転方向を検出することができる。次に、本
発明の他の実施例を図２を参照して説明する。本実施例
において、基板１３上には、ダブルモード導波路１４、
導波路分岐手段１５、該導波路分岐手段１５に接続され
た１つのシングルモード導波路１６、および、２つのチ
ャネル導波路１７、１８が配置されている。なお、ダブ
ルモード導波路１４の長さは、モード間干渉における完
全結合長の整数倍である。さらに、シングルモード導波
路１６は、その端面にレーザダイオード等の光源１９を
備えている。２つのチャネル導波路１７、１８の端面に
は、それぞれ前記実施例と同様に光検出器２０、２１を
備えている。該光検出器２０、２１からの出力信号は、
前記実施例と同様に、減算回路２２および加算回路に入
力される。さて、光源１９から出射された光は、シング
ルモード導波路１６、導波路分岐手段１５、およびダブ
ルモード導波路１４中を伝搬し、該ダブルモード導波路
１４の出入射端面２４から出射する。かかる出射光は、
レンズ２５により、パルス板２６を介して基板１３に対
向して配置された反射鏡２７の表面上に集光される。パ
ルス板２６の表面には、光源１９による出射光を吸収す
るように黒色の塗装を施しておくことが好ましい。ダブ
ルモード導波路１４の出入射端面２４からの出射光およ
び反射鏡２７からの反射戻り光は、パルス板２６の遮光
部によって、その一部または全部が遮られる。その結
果、ダブルモード導波路１４に入射する光量および振幅
分布の傾きは、前述の実施例同様に、パルス板２６の移
動または回転に対応したものとなる。したがって、減算
回路２２および加算回路２３からの出力信号を、移動方
向決定のための信号処理回路（図示せず）へ入力し、パ
ルス板２６の移動または回転方向を検出できることにな
る。本実施例においては、２つの受光素子を厳密な距離
間隔にて配置することが、不要になるほか、光源をパル
ス板を挾んで配置する必要が無いため、光学式エンコー
ダの小型化も図れることになる。また、本実施例におい
ては、パルス板２６の表面が光吸収性を、また、反射鏡
２７が光反射性を有した構成としているが、パルス板２
６の表面が光反射性を有し、また、反射鏡の配置位置に
光吸収性を有する手段を配置し、さらに、ダブルモード
導波路１４の出入射端面２４からの出射光がパルス板２
６の表面上に集光するようにレンズを配置しても、同様
の効果が得られることになる。さらに、基板として化合
物半導体を用いれば、導波路とともに光検出器、光源、
減算回路、加算回路、および移動または回転方向決定の
ための信号処理回路等を基板上に集積して形成すること
が可能になるため、光学式エンコーダの一層の小型化が
図れるようになる。さらに、前記基板は、電気光学効果
を有する誘電体結晶で構成された光学式エンコーダ等も
考えられる。

【０００９】このように基板を特定の材料で構成し、前
記ダブルモード導波路上に電極を設け、該電極に電圧を
印加することによって、０次モード光と１次モード光と
の完全結合長を変化させる機能を有した光学式エンコー
ダも実現できる。

【００１０】かかる機能により、完全結合長の調整も可
能となる。

【００１１】

【発明の効果】本発明によれば、厳密な位置合わせが必
要な２つの受光手段を用いること無く、パルス板の移動
および回転方向を検出可能な光学式エンコーダを提供で
きる。さらに、電気回路の形成が可能な基板を、光導波
路基板として使用することにより、光源、受光素子、各
種信号処理回路等を集積化することができ、光学式エン
コーダの一層の小型化を図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる光学式エンコーダの実施例の説
明図である。

【図２】本発明にかかる光学式エンコーダの他の実施例
の説明図である。

【図３】従来の光学式エンコーダの構成図である。

【図４】従来の光学式エンコーダにおける、出力信号の
タイミングチャートである。

【符号の説明】

１…光源、２…基板、３…レンズ、４…パルス板、５…
ダブルモード導波路、６…導波路分岐手段、７…チャネ
ル導波路、８…チャネル導波路、９…光検出器、１０…
光検出器、１１…減算回路、１２…加算回路、１３…基
板、１４…ダブルモード導波路、１５…導波路分岐手
段、１６…シングルモード導波路、１７…チャネル導波
路、１８…チャネル導波路、１９…光源、２０…光検出
器、２１…光検出器、２２…減算回路、２３…加算回
路、２４…出入射端面、２５…レンズ、２６…パルス
板、２７…反射鏡、２８…光源、２９…受光手段、３０
…受光手段、３１…パルス板、３２…Ａ相信号出力、３
３…Ｂ相信号出力、３４…電圧比較器、３５…電圧比較
器、３６…Ａ相信号タイムチャート、３７…Ｂ相信号タ
イムチャート、３８…Ｂ相信号タイムチャート、１００
…基準電圧入力端子

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の周期で光透過部および光遮光部を配
   置したパルス板の移動状態を、発光手段から出射し、該
   パルス板を透過した光を受光手段で受光し、該受光手段
   からの出力信号を信号処理して検出する光学式エンコー
   ダにおいて、 前記受光手段は、パルス板を介して発光手段からの光が
   入射する入射端面を備えるダブルモード導波路と、２つ
   のチャネル型導波路と、ダブルモード導波路と２つのチ
   ャネル型導波路を接合する導波路分岐手段を、一の基板
   上に配置して構成し、前記２つのチャネル型導波路の端
   面の各々に受光素子を備え、 また、前記２つの受光素子から得られる出力信号の和信
   号および差信号を検出する手段、および、検出された和
   信号および差信号に基づいて、パルス板の変位量および
   変位方向を検出する信号処理手段を備え、パルス板の変
   位量と変位方向を検出することを特徴とする光学式エン
   コーダ。
2. 【請求項２】発光手段および受光手段と、光反射手段
   を、所定の周期で光透過部および遮光部を配置したパル
   ス板を挾んで対向配置し、 前記パルス板の移動状態を、発光手段から出射し、パル
   ス板を透過し、光反射手段にて反射し、再度パルス板を
   透過した光を受光手段で受光し、該受光手段からの出力
   信号を信号処理して検出する光学式エンコーダにおい
   て、 前記受光手段は、発光手段からの光が入出射する出入射
   端面を備えるダブルモード導波路と、３つのチャネル型
   導波路と、ダブルモード導波路と３つのチャネル型導波
   路を接合する導波路分岐手段とを、一の基板上に配置し
   て構成し、 さらに、前記３つのチャネル型導波路のうち中央の１つ
   をシングルモード導波路で構成し、その端面に前記発光
   手段を備え、残りの２つのチャネル型導波路の端面に
   は、受光素子を備え、 また、前記２つの受光素子から得られる出力信号の和信
   号および差信号を検出する手段、および、検出された和
   信号および差信号に基づいて、変位量および変位方向を
   検出する信号処理手段を備え、パルス板の変位量と変位
   方向を検出することを特徴とする光学式エンコーダ。
3. 【請求項３】請求項１または２記載において、前記ダブ
   ルモード導波路の長さＬは、該ダブルモード導波路を伝
   搬する０次モード光と１次モード光との完全結合長をＬ
   Cとすると、 Ｌ＝ｍ・ＬC（ｍは、自然数） であることを特徴とする光学式エンコーダ。
4. 【請求項４】請求項１または２記載において、前記基板
   は、電気光学効果を有する誘電体結晶で構成されたこと
   を特徴とする光学式エンコーダ。
5. 【請求項５】請求項１または２記載において、前記基板
   は、Ｓｉで構成され、さらに、前記受光素子は、該基板
   上にモノリシックに集積配置されたことを特徴とする光
   学式エンコーダ。
6. 【請求項６】請求項１または２記載において、前記基板
   は、化合物半導体で構成され、さらに、前記受光素子お
   よび発光手段は、該基板上にモノリシックに集積配置さ
   れたことを特徴とする光学式エンコーダ。
7. 【請求項７】請求項４または６記載において、前記ダブ
   ルモード導波路上に電極を設け、該電極に電圧を印加す
   ることによって、０次モード光と１次モード光との完全
   結合長を変化させる機能を有することを特徴とする光学
   式エンコーダ。