JPH0749247A - リニアエンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光学式のリニアエンコーダにおいて、長距離測
定を実現しようとする際に生じる諸課題を解決し、簡潔
な構成で、組立、分解、調整が容易で、コストを低く抑
えることができるようにする。 【構成】両端を引っ張った状態でスケール保持器３ａ，
３ｂに固定して張架した帯状金属薄板によりスケール板
１を構成する。これにより、スケール板１を長尺化した
場合でも、スケール板全長にわたる補強が不要になる。
さらに割れなどの強度的問題が生じなくなるので、スケ
ール板１の保持方法を両端を固定するだけの非常に簡潔
な方法にすることができ、コストを低く抑えることがで
きる。また、位置決めピンによるスケール板の精密な位
置決めが容易となり、スケール板１の位置合わせ調整作
業が軽減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学式リニアエンコー
ダに関する。

【０００２】

【従来の技術】光学式のリニアエンコーダは、平板状ス
ケール板に構成されたコードスリットを、光学系を有す
る読取ユニットで読み取ることにより、直線移動距離の
測定を行う計測装置であるが、従来の光学式のリニアエ
ンコーダには、スケール板としてガラス板を使用したも
のと金属薄板を使用したものがある。

【０００３】ガラス板によるスケール板では、ガラス板
表面にクロム膜などを蒸着することによりスリットを形
成したものを使用する。半導体製造プロセスを利用しク
ロム膜の蒸着を行うことで、非常に精密なスリットが形
成できるので、光学式のリニアエンコーダではガラス板
によるスケール板が汎用されている。

【０００４】また、金属薄板によるスケール板では、ス
テンレスなどの素材にエッチングなどの製造法でコード
スリットを形成したものを使用する。金属薄板では割れ
などの問題がないため、スケール板のスケール保持器へ
の固定をボルトで行うことができ、組立、分解が容易で
ある。また、エッチングなどの製造法により、コードパ
ターンスリットと同時に位置決めピン用の精度の良い孔
をあけることができ、位置決めピンを使った簡潔で精度
の高いスケール板の位置決めが可能である。こうした理
由から金属薄板によるスケール板もまた汎用されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の従来の光学式のリニアエンコーダでは、長距離測定可
能なエンコーダを実現しようとすると、測定距離に比例
した長く大きなスケール板を構成しなければならず、様
々な問題が生じる。

【０００６】まず、ガラス板によるスケール板の場合で
は、長く大きいガラス板は割れ易いなど、強度的な問題
が大きくなる。割れ易いガラス板によるスケール板をス
ケール保持器によって確実に、精度良く、割れないよう
に固定することは難しく、実現しようとすると、スケー
ル保持器は、スケール板の位置合わせ機構も含めて、必
然的に大型で複雑なものにならざるを得ない。

【０００７】さらに、ガラス板はボルトで締め付けると
割れる恐れがあるので、スケール板のスケール保持器へ
の固定は接着剤によることになるが、接着剤では硬化ま
でに時間がかかり、その間に位置ズレが起きる可能性が
ある。また、一度硬化すると分解はできなくなるので、
組立、調整のやり直しができず、保守点検時においても
不便である。

【０００８】このように、ガラス板の強度に関わる問題
のため、ガラススケール板を使ったリニアエンコーダは
組立、調整に手間、時間がかかり、結果としてコスト高
を招くことになる。

【０００９】一方、金属薄板によるスケール板の場合で
は、組立、分解が容易で、割れなどの問題が生じないと
いう特徴を有するものの、スケール板の平面性を確保す
るために、全長にわたって補強せねばならず、スケール
板を長尺化した際、スケール板のスケール保持器が大型
化、複雑化する。さらに、スケール保持器はスケール板
の取付精度を左右するため、精度良く加工せねばなら
ず、大型化することで大幅に製作が難しくなりコスト高
になる。

【００１０】このように、スケール板を長尺化すると、
主にスケール板の保持方法が問題となってくる。こうし
た事情を考慮し、本発明は、長距離測定可能なリニアエ
ンコーダを実現しようとする際に生じる上記の諸課題を
解決し、簡潔な構成で、組立・調整が容易で、コストが
低く、長距離測定可能な光学式リニアエンコーダを実現
することを目的とする。

【００１１】また、上記目的を達成するため、本発明で
は両端を引っ張った状態で固定して張架した帯状金属薄
板により構成したスケール板を導入するが、こうしたス
ケール板では、張架したスケール板のたるみのために、
スケール板の両端部と中央部でスケール板と読取スケー
ル板の間隔が異なったり、あるいは、測定動作時にスケ
ール板の振動が生じ、スケール板と読取スケール板の間
隔が変化し、受光素子の出力信号が不安定になる可能性
がある。そこで、本発明では、上記スケール板を導入し
た場合でも安定した出力信号を得られるリニアエンコー
ダを提供することを目的とする。

【００１２】また、光学式のエンコーダでは、より高分
解能化をはかるために、得られる周期信号の一周期間を
電気的に分割する逓倍という操作を行う。この逓倍の精
度をあげるためには、波形精度の良い正弦波出力を得る
ことが重要であり、従来のリニアエンコーダではスケー
ル板のスリットと読取スケール板のスリットが所定の角
度で交差するように調整することでモアレ縞を形成し、
近似正弦波出力を得ていた。しかしながら、本発明で導
入する両端を引っ張った状態で固定して張架した帯状金
属薄板により構成したスケール板では、調整によりモア
レ縞を得ることは難しくなる。そこで本発明では、上記
スケール板を導入した場合でも、波形精度の良い正弦波
出力を容易に得ることのできるリニアエンコーダを提供
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明リニアエンコーダは、平行光束を照射する照明手
段と光検出器と読取スケール板で構成される読取ユニッ
トおよびコードスリットの形成されたスケール板を備
え、スケール板のコードスリットを読取ユニットで読み
取ることにより、直線移動距離の測定を行う光学式リニ
アエンコーダにおいて、前記スケール板を両端を引っ張
った状態で固定して張架した帯状金属薄板によりスケー
ル板を構成したものである。

【００１４】好適には、読取ユニットにおいて、スケー
ル板のスケール板面法線方向の運動を規制する案内機構
を設けたものである。さらに好適には、照明手段の光源
として半導体レーザを使用したものである。

【００１５】さらに、好適には、スケール板または読取
スケール板のスリットをスケール板と読取スケール板の
相対的直線移動方向に略交差する方向に複数のブロック
に分けかつ各ブロックの大きさが互いに異なるように形
成し、各ブロックにおける平行光束の透過光量がスリッ
トの移動に応じて変化するのに基づき近似正弦波を出力
するように構成したものである。

【００１６】

【作用】本発明によれば、両端を引っ張った状態で固定
して張架した帯状金属薄板によりスケール板を構成した
ことで、スケール板全長にわたって補強しなくても、張
力の働きでスケール板の平面性が確保され、スケールと
して機能できるようになる。また、割れなど強度的問題
が生ぜず、スケール板を長尺化しても、両端をボルトで
締め付けるだけの簡潔な方法でのスケール板の保持が可
能となる。また、エッチングなどの製造法により、コー
ドパターンスリットと同時に位置決めピン用の精度の良
い孔をあけることができ、位置決めピンを使った簡潔
で、精度の高いスケール板の位置決めが可能となる。

【００１７】さらに、スケール板の案内手段を備えるこ
とにより、測定動作時にスケール板面に案内手段が摺接
し、スケール板の運動を規制するので、スケール板と読
取スケール板の間隔を一定に保つことができ、しかもス
ケール板が振動することを防ぐことができる。また、照
明手段の光源として半導体レーザを使用することによ
り、非常に平行度の高い光束が得られ、スケール板と読
取スケール板の間隔に変動があっても、スリットを透過
し受光素子に検出される光量の変動が起こらないように
なる。

【００１８】さらに、スケール板または読取スケール板
のスリットをスケール板と読取スケール板の相対的直線
移動方向に略交差する方向に複数のブロックに分けかつ
各ブロックの大きさが互いに異なるように形成すること
により、スリットの各部ブロックにおける透過光量がス
リットの移動に応じて変化するのに基づき、前記移動に
応じた近似正弦波形を形成することができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本発明の一実施例による光学式リニアエ
ンコーダ装置の全体図である。本実施例のリニアエンコ
ーダはスケール板、読取ユニットからなる。図１におい
て、１はスケール板で、張力を与えられた状態でスケー
ル保持器３ａ，３ｂに両端を把持され、定盤４に固定さ
れている。スケール保持器３ｂにはバネが内蔵されてお
り、バネの力でスケール板１に張力を与えるようになっ
ている。２は読取ユニットで、照明手段、受光素子、読
取スケール板およびスケール板の案内機構を備えてお
り、可動板５に固定されている。可動板５は定盤４に対
してｘ軸方向に可動であり、本実施例による光学式リニ
アエンコーダはこの可動板５の定盤４に対する直線的移
動量の測定を行う。このような構造の被測定物は、直交
型ロボット、ＸＹテーブルなど多くの例が考えられる。

【００２０】図２はスケール板１の詳細を示す図であ
る。スケール板１は厚み０．１ｍｍのステンレス製帯状
薄板を素材とし、読取ユニット２の移動方向（ｘ軸方
向）にピッチＰ（本実施例ではＰ＝３２０μｍに設定）
で並ぶ多数の同一矩形状スリット６からなるインクリメ
ンタルコードスリット列がエッチングによって形成され
ている。また、スケール板１の両端部には位置決め用の
孔７およびボルトを通すための孔８が形成されている。
これらの孔はエッチングによってスリット６の形成と同
時に開口されるので、スリット列に対する位置関係を非
常に精度の良いものとすることができる。したがって、
図３に示すように、位置決め用の平行ピン９とボルト１
０を使うことにより、スケール板１が長尺化した場合で
も、非常に簡潔にしかも精度良くスケール板を位置決め
し固定することができ、かつ、組立、分解も容易であ
る。帯状薄板製のスケール板１は板面の法線方向（ｚ軸
方向）には自由に曲げることができるが、測定方向であ
る長手方向（ｘ軸方向）の弾性変形による伸びは微少な
ので、両端を引っ張って固定すれば、平面性が確保さ
れ、ガラス板などの剛体のスケール板や補強することで
平面性を確保した金属薄板のスケール板と同様にスケー
ル板としての機能を果たすことが可能である。

【００２１】次に、図４に基づき読取ユニットの詳細に
ついて説明する。図４において、読取ユニット２は光源
１３とコリメータレンズ１４からなる照明手段、読取ス
ケール板１５、受光素子１６からなる光検出器およびコ
リメータレンズ１４下方で適当間隔あけてスケール板１
の板面法線方向の連動を規制するように配置された一対
のスケールガイドピン１７ａ，１７ｂからなる案内手段
を備える。これらの読取ユニット２の構成要素およびス
ケール板１の取付配置は、光源１３の光軸上にコリメー
タレンズ１４、スケール板１、読取スケール板１５、受
光素子１６の順に配置される。

【００２２】光源１３は波長が０．８μｍのレーザ光を
放つ半導体レーザで、スケール板１と読取スケール板１
５の相対的移動を受光素子１６で検出するための光を供
給する。また、コリメータレンズ１４は光源１３の発す
る光を平行光にしてスケール板１のスリットを照射す
る。光源１３として半導体レーザによる照射手段を採用
することにより、非常に平行度の高い光が得られ、スケ
ール板１のｚ方向の位置変動があっても、受光素子１６
に到達する光量が変動せず、受光素子１６の出力信号が
安定するようになっている。

【００２３】また、読取スケール板１５には、図７に示
すように、図５のような形状の読取スリット１８が複数
個（本実施例では５個に設定）読取ユニット２の移動方
向に並びかつ隣り合う読取スリット１８が互い違いの向
きに並べられた２つの群のスリット列１９ａ，１９ｂが
形成されている。受光素子１６はこの２つスリット列１
９ａ，１９ｂに対応して２つの受光素子１６ａ，１６ｂ
に分割されている。この２つのスリット列１９ａ，１９
ｂは周期上互いにＰ／４スリットピッチずれており、読
取ユニット２の移動により、スケール板１と読取スケー
ル板１５の相対的位置関係が変化するのにともなって受
光素子１６ａ，１６ｂに到達する光量に変化を生じさ
せ、それぞれ、インクリメンタル信号のＡ相信号、Ｂ相
信号に相当する近似正弦波出力を作り出す。

【００２４】読取スリット１８は、図５に示すように、
スケール板１のスリット６の移動方向（ｘ軸方向）に直
交する方向の開口寸法が均等となるような８ブロック１
８ａ〜１８ｈに分けられ、各ブロック１８ａ〜１８ｈの
前記移動方向の開口寸法が最短のブロック１８ａで０．
１２０×Ｐ，最長のブロック１８ｈで０．５００×Ｐと
しており、最短部から最長部にかけて順次、０．２０１
×Ｐ（ブロック１８ｂ），０．２６２×Ｐ（ブロック１
８ｃ），０．３１２×Ｐ（ブロック１８ｄ），０．３５
７×Ｐ（ブロック１８ｅ），０，３９５×Ｐ（ブロック
１８ｆ），０．４３５×Ｐ（ブロック１８ｇ）とし、さ
らに本実施例では得ようとする近似正弦波の精度を上げ
るため、隣接するブロック間のスリットの縁部形状を２
次補間して形成している。

【００２５】このような形状の読取スリット１８を採用
すれば、前記各ブロックに対応する受光素子の出力は、
それぞれ図６（ａ）〜（ｈ）のような出力形状になるの
で、読取ユニット２の移動に応じて、受光素子１６ａ，
１６ｂからは、これら（ａ）〜（ｈ）を合成した近似正
弦波出力（ｉ）が出力されることになる。

【００２６】次に、一対のスケールガイドピン１７ａ，
１７ｂはスケール１の板面に平行に、読取ユニット２の
移動方向（ｘ軸方向）に直角に配設されている。図８に
示すように、スケールガイドピン１７ａ，１７ｂの取付
高さは、スケール板１との接触線が、スケール保持器３
におけるスケール板面との微少なオフセットＧ（スケー
ル板１のたるみよりは大きい値）を生じるように設定さ
れている。このとき、スケール板１には張力Ｔが与えら
れているので、オフセットＧを消そうとする復原力Ｆが
働き、スケール板１はスケールガイドピン１７ａ，１７
ｂに押しつけられることになる。このようにして、スケ
ールガイドピン１７ａ，１７ｂはスケール板１のｚ軸方
向の運動を規制し、振動の発生を防ぐ役割を果たす。

【００２７】次に、図７に基づき本実施例のリニアエン
コーダの測定動作について説明する。光源１３から発せ
られたレーザ光はコリメータレンズ１４によって平行光
にされスケール板１に照射される。照射された光はスケ
ール板１と読取スケール板１５のスリットを透過して受
光素子１６に到達し検出される。検出される光量はスケ
ール板１と読取スケール板１５のスリットの重なった部
分の面積に比例して変化する。したがって、読取ユニッ
ト２の移動にともなってスリットの重なる部分の面積が
変化し、特殊形状の読取スリット１８の作用により、イ
ンクリメンタルコードに対応した近似正弦波信号が受光
素子１６より得られることになる。読取スケール板１５
はインクリメンタルコード１／４ピッチ分ずれた２つの
スリット列１９ａ，１９ｂを有するので、１／４周期ず
れた２つの近似正弦波信号が得られ、これらをＡ相、Ｂ
相のインクリメンタル信号として信号処理を行うことに
より、移動量、移動方向などインクリメンタルな直線距
離計測が可能となる。また、スケール板１に対して読取
ユニット２が移動する際には、スケールガイドピン１７
ａ，１７ｂがスケール板面上に摺接しスケール板１と読
取スケール板２の位置関係を一定に保つように働く。こ
のスケールガイドピン１７ａ，１７ｂの働きによって、
スケール板のたるみや振動などでスケール板１と読取ス
ケール板１５の位置関係が変化し信号が不安定になるの
が防がれる。さらに、平行度の高いレーザ光の作用によ
り、信号はより安定したものとなる。

【００２８】なお、本実施例においては、スケール板に
インクリメンタルコードのみを形成し、相対的な移動距
離を測定するインクリメンタル型のリニアエンコーダを
示したが、スケール板にアブソリュートコードを形成す
れば、絶対位置の検出が可能なアブソリュート型のリニ
アエンコーダとなる。また本実施例のインクリメンタル
コードに加えて原点を示すｚ相信号のためのスリットを
形成することも可能である。また、スケール板の製造法
に関しても、エッチング以外にも、電気鋳造法などの方
法によっても当然可能である。また、読取スリット列１
９ａ，１９ｂに関しては、複数の読取スリット１８を配
設したが、単数でも良い。ただし、複数配設することに
より、読取ユニット２の移動方向の光源ムラの影響を除
去できるという効果がある。また、配設の向きを互い違
いにしたが、他の方法でも良い。ただし、互い違いに配
設することにより、読取ユニット２の移動方向と直交す
る方向の光源ムラの影響を除去できるという効果があ
る。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、両端を
引っ張った状態で固定して張架した帯状金属薄板により
スケール板を構成したことにより、スケール板を長尺化
した場合でも、スケール板全長にわたる補強が不要にな
り、さらに割れなどの強度的問題が生じなくなるので、
スケール板の保持方法を、両端を保持するだけの非常に
簡潔な方法にすることができ、コストを低く抑えること
ができる。また、位置決めピンによるスケール板の精密
な位置決めができるので、スケール板の位置合わせ調整
作業が軽減されるなど組立、分解、調整作業が容易にな
る。したがって、作業工数の削減が実現でき、コストダ
ウンにつながる。

【００３０】さらに、スケール板の案内手段を備えるこ
とにより、測定動作時にスケール板が振動することを防
ぎ、スケール板と読取スケール板の間隔を一定に保つこ
とができるので、出力信号が安定する。また、光源とし
て半導体レーザを使用することにより、スケール板と読
取スケール板の間隔に変動があっても、スリットを透過
する光量は変動しないので、出力信号が安定する。

【００３１】また、スケール板または読取スケール板の
スリットをスケール板と読取スケール板の相対的直線移
動方向に略交差する方向に複数のブロックに分けかつ各
ブロックの大きさが互いに異なるように形成して、スリ
ットの各ブロックにおける透過光量がスリットの移動に
応じて変化するのに基づき、前記移動に応じた近似正弦
波形を出力するように構成したことにより、波形精度の
良い近似正弦波出力を容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のリニアエンコーダの全体構
成を示す斜視図

【図２】同リニアエンコーダにおけるスケール板の詳細
を説明する平面図

【図３】同リニアエンコーダにおけるスケール板の取付
構造を説明する斜視図

【図４】同リニアエンコーダにおける読取ユニットの詳
細を説明する正面図および側面図

【図５】同リニアエンコーダにおける読取スケール板の
読取スリットを説明する図

【図６】同リニアエンコーダにおける受光素子の光電変
換信号の波形を説明する図

【図７】同リニアエンコーダにおけるリニアエンコーダ
測定動作を説明する図

【図８】同リニアエンコーダにおけるスケールガイドピ
ンの動作を説明する図

【符号の説明】

１ スケール板 ２ 読取ユニット ３ａ，３ｂ スケール保持器 ４ 定盤 ５ 可動板 ６ インクリメンタルコードスリット ７ 位置決め孔 ８ ボルト孔 ９ 位置決め平行ピン １０ 締結ボルト １３ 光源 １４ コリメータレンズ １５ 読取スケール板 １６，１６ａ，１６ｂ 受光素子 １７ａ，１７ｂ スケールガイドピン １８ 読取スリット １９ａ，１９ｂ 読取スリット列

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平行光束を照射する照明手段と光検出器
   と読取スケール板で構成される読取ユニットおよびコー
   ドスリットが形成されたスケール板を備え、スケール板
   のコードスリットを読取ユニットで読み取ることにより
   直線移動距離の測定を行う光学式リニアエンコーダであ
   って、前記スケール板を、両端を引っ張った状態で固定
   して張架した帯状金属薄板により構成したことを特徴と
   するリニアエンコーダ。
2. 【請求項２】 読取ユニットにおいて、スケール板のス
   ケール板面法線方向の運動を規制する案内手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載のリニアエンコーダ。
3. 【請求項３】 照明手段の光源として半導体レーザを使
   用したことを特徴とする請求項１記載のリニアエンコー
   ダ。
4. 【請求項４】 スケール板または読取スケール板のスリ
   ットをスケール板と読取スケール板の相対的直線移動方
   向に略交差する方向に複数のブロックに分けかつ各ブロ
   ックの大きさが互いに異なるように形成し、各ブロック
   における平行光束の透過光量がスリットの移動に応じて
   変化するのに基づき近似正弦波を出力するように構成し
   たことを特徴とする請求項１記載のリニアエンコーダ。