JPH08219810A - 光学式バーニア形アブソリュートエンコーダ - Google Patents

光学式バーニア形アブソリュートエンコーダ

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JPH08219810A
JPH08219810A JP7020199A JP2019995A JPH08219810A JP H08219810 A JPH08219810 A JP H08219810A JP 7020199 A JP7020199 A JP 7020199A JP 2019995 A JP2019995 A JP 2019995A JP H08219810 A JPH08219810 A JP H08219810A
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JP
Japan
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track
sub
openings
absolute encoder
pitch
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Pending
Application number
JP7020199A
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English (en)
Inventor
Hiroshi Nakayama
博史 中山
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】高分解能で高精度の測定が行える光学式バーニ
ア形アブソリュートエンコーダを実現する。 【構成】スリットピッチの異なる格子パターンよりなる
メイントラック41と少なくとも1個のサブトラック4
2で正弦波または正弦波に近似した波形(またはそれら
の波形の半周期)を上下に折り返した形状の輪郭を有す
る複数の開口部31を有する光源1を共有し、これらメ
イントラック41とサブトラック42の検出信号に基づ
いてコード板4の絶対位置に関連した出力を得るように
構成された光学式バーニア形アブソリュートエンコーダ
において、メイントラックのスリットピッチをPm、メ
イントラックに対して最もずれの大きいサブトラックの
スリットピッチをPsmaxとしたとき、マスクの開口部の
数Nを、次式で規定することを特徴とするもの。 N≦{1/(2*|Psmax/Pm-1|)}-1

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光学式バーニア形アブソ
リュートエンコーダに関し、詳しくは、高分解能化に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】拡散光学系を用いた光学式エンコーダに
おいて、分解能を高くするためにスリットピッチを微細
にすると、相対的にスリットを通過する光源の開口部の
幅が狭くなって光量が減少し、S/N比が低下して分解
能が上がらなくなるという問題がある。
【0003】そこで、このようにスリットピッチを微細
にした場合の光量不足対策として、本発明の出願人は、
特願平2-190951号(特開平3-128418号)や特願平3-248083
号(特開平5-87593号)で、光源の開口部を複数個等しい
ピッチで並べることを提案している。ところで、拡散光
学系を用いた光学式エンコーダの一種に、図1に示すよ
うにコード板に設けられたピッチ数の異なる格子パター
ンよりなるメイントラックとバーニアトラックとで光源
を共有するように構成されたバーニア形アブソリュート
エンコーダがある。
【0004】図1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。この発光源1の出力光R
Aはある光束を持っている。2は拡散板であり、発光源
1の出力光RAを拡散するためのものである。一般に発
光ダイオードを発光源1として用いた場合には点光源と
して扱われるが、拡散板2との距離DHを調節すること
によってマスク3の開口部31の範囲を一様に照射する
光束にすることができる。マスク3には正弦波(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
の輪郭を有する複数個(図1では3個)の開口部31が
等しいピッチで配列されている。なお、図ではマスク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、通常は拡散板2と密着するように配置される。
【0005】マスク3の開口部31を通過した光はコー
ド板4に照射される。コード板4には、光を遮蔽する遮
蔽部4aと光を通過させるスリット4bとが交互に配置
された構成のメイントラック41とサブトラック42が
互いに異なるピッチで形成されている。5は受光アレイ
であり、コード板4のメイントラック41とサブトラッ
ク42のそれぞれの裏側に生じる正弦波照度分布の1周
期を4等分するように配列された4つの光電変換素子を
組単位とする複数組よりなる光電変換素子列51と52
が互いに異なるピッチで形成されている。
【0006】このような構成において、メイントラック
41のスリットピッチをPm、サブトラック42のスリ
ットピッチをPs、光電変換素子列51のピッチを
pm、光電変換素子列52のピッチをPps、メイントラ
ック41のスリットピッチPmに最適なマスク3の開口
部31のピッチをPlm、サブトラック42のスリットピ
ッチPsに最適なマスク3の開口部31のピッチを
ls、マスク3とコード板4との距離をDL、コード板
4と受光アレイ5との距離をDPとする。
【0007】ここで、光電変換素子列51の上に正弦波
光分布を実現するためには、 Plm=Pm(DL+DP)/DP の関係が成立し、光電変換素子列52の上に正弦波光分
布を実現するためには、 Pls=Ps(DL+DP)/DP の関係が成立する必要がある。
【0008】また、光電変換素子列51の上でそのピッ
チに正弦波光分布のピッチを合わせるためには、 Ppm=Pm(DL+DP)/DL の関係が成立し、光電変換素子列52の上でそのピッチ
に正弦波光分布のピッチを合わせるためには、 Pps=Ps(DL+DP)/DL の関係が成立する必要がある。
【0009】ところで、通常、同一地点でメイントラッ
ク41とサブトラック42の両方を検出するが、拡散光
源ではこれらトラック間を分離して照射することは困難
であり、一般には両トラックで光源を共用することが行
われている。このように光源を共用するのにあたって、
マスクの開口部31が1個の場合にはサブトラック42
側の正弦波分布での歪が増大する程度であり、サブトラ
ック42側の光電変換素子列52に入力される光量の振
幅には問題はない。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】ところが、前述のよう
にスリットピッチを微細にした場合の光量不足対策とし
て光源の開口部を複数個等しいピッチで並べるのにあた
っては、以下のような問題が出てくる。すなわち、複数
のトラックで光源を共用する構成において、マスク3の
開口部31の数を増やす方法として、マスク3の開口部
31のピッチをメイントラック41に対して最適化させ
ることが考えられる。
【0011】この場合、メイントラック41側の光電変
換素子列51に入力される光量の振幅の変化に着目する
と図2(B)に示すように各開口部から出力される光分
布(明暗の縞)の空間同期が得られ、マスク3の開口部
31の数に比例した光量振幅の増大効果が得られる。こ
れは、マスク3の開口部31のピッチをメイントラック
41に対して最適化させていることに基づく。
【0012】これに対し、サブトラック42側の光電変
換素子列52に入力される光量の振幅の変化に着目する
と図2(A)に示すように各開口部から出力される光分
布(明暗の縞)の空間同期がとれない結果、光電流の直
流分は増えるものの、交流成分である光量振幅の増大に
つながらなくなってしまう。このように光量振幅を増大
させるためにマスク3の開口部31の数を増やしても、
サブトラック42側については開口部31の数に見合っ
た光電流振幅の増大が得られずに逆に減少したり、光電
流の直流分が増えて後段の電子回路の負担を増大させた
り、初期位相の乱れを生じてスリットミスを起こす恐れ
などがあり、マスク3の開口部31の数の取り方によっ
ては高分解能のエンコーダが実現できない場合がある。
【0013】図3はマスク3の開口部31の数を増やし
ていった場合の、メイントラック41とサブトラック4
2とのピッチの差とサブトラック42側の光電変換素子
列52に入力される総検出光量振幅の相対値の変化の関
係を表したものである。例えばピッチのズレがメイント
ラックに対して0.10の場合には開口部31が5個で最大
値になって、それ以上増やしても個数に対して周期的に
増減するだけである。また、ピッチのズレが0.02の場合
には開口部31が25個で最大値になる。そして、ピッ
チのズレが0の場合にはメイントラックとピッチが等し
くなることから、メイントラックと同様に開口部31の
数に対して直線的に増加する。
【0014】本発明はこのような従来の問題点を解決す
るものであって、その目的は、ピッチの異なる複数のト
ラックで複数の開口部を有する光源を共有する光学式バ
ーニア形アブソリュートエンコーダにおいて、スリット
ミスを起こさない範囲で光源の開口部数を増やして光量
振幅を増大させることができ、高分解能で高精度の測定
が行える光学式バーニア形アブソリュートエンコーダを
実現することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明の光学式バーニア
形アブソリュートエンコーダは、スリットピッチの異な
る格子パターンよりなるメイントラックと少なくとも1
個のサブトラックで正弦波または正弦波に近似した波形
(またはそれらの波形の半周期)を上下に折り返した形
状の輪郭を有する複数の開口部を有する光源を共有し、
これらメイントラックとサブトラックの検出信号に基づ
いてコード板の絶対位置に関連した出力を得るように構
成された光学式バーニア形アブソリュートエンコーダに
おいて、前記メイントラックのスリットピッチをPm
メイントラックに対して最もずれの大きいサブトラック
のスリットピッチをPsmaxとしたとき、前記マスクの開
口部の数Nを、次式で規定することを特徴とする。
【0016】N≦{1/(2*|Psmax/Pm-1|)}-1
【0017】
【作用】マスクの開口部のピッチをメイントラックに対
して最適化させている場合において、メイントラックと
サブトラックのスリットピッチが等しいと、開口部の数
に比例してそれぞれの光電変換素子列における総検出光
量も増える。ところが両者のスリットピッチにずれがあ
ると、メイントラックに対応した光電変換素子列におけ
る総検出光量は開口部の数に比例して増えるが、サブト
ラックに対応した光電変換素子列における総検出光量は
スリットピッチのずれが大きくなるのに従ってより少な
い開口部の数で飽和し、さらに開口部の数を増やしてい
くと総検出光量の変化は振動現象を示す。
【0018】本発明により規定される開口部の数Nは、
メイントラックに対して最もずれの大きいサブトラック
のスリットピッチに基づいてサブトラックに対応した光
電変換素子列における総検出光量が最大になる値として
算出されるので、スリットミスを起こさない範囲で光源
の開口部数を増やして光量振幅を増大させることがで
き、高分解能で高精度の測定が行える光学式バーニア形
アブソリュートエンコーダを実現できる。
【0019】
【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。基本的な構成は図1と同様なので、図1を用いて本
発明を説明する。本発明におけるマスク3の開口部31
の数Nは次式によって規定される。 N≦{1/(2*|Psmax/Pm-1|)}-1 ここで、Pmはメイントラック41のスリットピッチ、
smaxはメイントラック41に対して最もずれの大きい
サブトラック42のスリットピッチとする。具体例とし
て、Pm=0.144mmとし、Psmax=0.151mmとすると、 N≦{1/(2*|0.151/0.144-1|)}-1 からN≦9.29になり、マスク3の開口部31の最適数は
9個になる。
【0020】このような構成のサブトラック42側の光
電変換素子列52において、マスク3の中央の開口部か
らM番目の開口部を通して照射される光分布は、中央の
開口部からの光分布に対して位相ρは、 ρ=360°*M*|Psmax/Pm-1| だけずれる。中央の開口部に対して点対称な開口部から
の光分布との合成光分布を考えると、 {SIN(φ+ρ)+1}+{SIN(φ-ρ)+1}=2*COSρ*SINφ+2 から明らかなようにρ=90°のときに交流成分がキャン
セルされる。このときの開口部の数Nは、 N=2*M-1 ={1/(2*|Psmax/Pm-1|)}-1 になる。
【0021】これ以上に開口部を増やして位相ずれを起
こさせても、図3から明らかなようにサブトラック42
側の光電変換素子列52に入力される光量振幅を増大さ
せることはできない。すなわち、開口部の数を上記の制
限数N以下にしておけば、サブトラック42側の光電変
換素子列52に入力される光量振幅の減少を防止できる
とともに直流成分の増加を防止できる。
【0022】なお、図1ではサブトラックが1個の例を
説明したが複数個であってもよく、サブトラックが複数
個の場合にはメイントラックとのずれが最も大きいサブ
トラックに対する開口部の設計演算を行えばよい。ま
た、上記実施例ではリニア形の例を説明したが回転形に
も適用できるものである。
【0023】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
スリットミスを起こさない範囲で光源の開口部数を増や
して光量振幅を増大させることができ、高分解能で高精
度の測定が行える光学式バーニア形アブソリュートエン
コーダを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の装置および本発明の装置に共通する外観
を示す模式図である。
【図2】従来の装置における光分布の一例の説明図であ
る。
【図3】従来の装置および本発明の装置において開口部
の数を増やしていった場合のピッチの差と総検出光量振
幅の相対値の変化の関係を表したものである。
【符号の説明】
1 拡散光源 2 拡散板 3 マスク 4 コード板 5 受光アレイ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】スリットピッチの異なる格子パターンより
    なるメイントラックと少なくとも1個のサブトラックで
    正弦波または正弦波に近似した波形(またはそれらの波
    形の半周期)を上下に折り返した形状の輪郭を有する複
    数の開口部を有する光源を共有し、これらメイントラッ
    クとサブトラックの検出信号に基づいてコード板の絶対
    位置に関連した出力を得るように構成された光学式バー
    ニア形アブソリュートエンコーダにおいて、 前記メイントラックのスリットピッチをPm、メイント
    ラックに対して最もずれの大きいサブトラックのスリッ
    トピッチをPsmaxとしたとき、 前記マスクの開口部の数Nを、次式で規定することを特
    徴とする光学式バーニア形アブソリュートエンコーダ。 N≦{1/(2*|Psmax/Pm-1|)}-1
JP7020199A 1995-02-08 1995-02-08 光学式バーニア形アブソリュートエンコーダ Pending JPH08219810A (ja)

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