JPS63136720A - 光学式位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の要約 この発明による位置検出装置がロータリイ・エンコーダ
の場合について述べると９回転板外周部の信号記録帯に
絶対角度位置情報を回折格子群の順列組合わせとして記
録しておき、その情報記録列をシリンドリカル・レンズ
を通して帯状に照射し、さらに回転板からの反射信号光
列を配列型受光素子またはイメージ・センサで一括検出
することにより、高分解能、小型化を図った。

発明の背景 技術分野 この発明は、光学式位置検出装置に関し、とくに絶対角
度を検出できるアブソリュート型の光学式ロータリイ・
エンコーダおよびリニア・エンコーダに好適に応用でき
る位置検出装置に関する。

従来技術とその問題点 第１図は従来のアブソリュート型光挙式ロータリイ・エ
ンコーダの構成の概要を示している。回転軸２に回転板
１がその中心で固定されている。

回転板１には記録帯があり、この記録帯において絶対角
度位置情報パターンが設けられている。この情報パター
ンは光を透過させる部分（透光部）と遮断する部分（遮
光部）とからなる。たとえば、第１図の回転板１上に黒
く塗りつぶした部分が透孔であってこの部分を光が通過
できるものとする。絶対角度位置情報パターンは、一定
の角度範囲（ピッチＰ）ごとに設けられており、径方向
に配列された透光部と遮光部とから構成されている。こ
れらの透光部と遮光部の位置２組合せによって絶対角度
位置情報が表わされる。

すなわち１回転板１の記録帯においてその内側から径方
向に第１トラツクから第８トラツクが円周状に設けられ
ていると考え、第１トラツクの情報を最上位桁（ＭＳＤ
）、第８トラツクの情報を最下位桁（Ｌ　Ｓ　Ｄ）とす
ると絶対角度位置情報は８ビツト・データで表わされる
。これらの各トラックに光を照射するために８個の発光
素子３が設けられており、各発光素子３からの光はスリ
ット板５のスリット５ａを通って回転板１に当る。他方
１回転板１を挟んで発光素子３と反対側には受光素子４
が配列されている。光が照射された場所が透光部であれ
ばその光は透光部を通って対応する受光素子４に受光さ
れ、遮光部の場合には対応する受光素子に光は到達しな
い。このことによって２回転板１の絶対角度位置を表わ
す８ビツトのパラレル信号が受光素子４から得られる。

このような従来のロータリイ・エンコーダにおいては、
投射光がスリット板５のスリット５ａおよび回転板１の
透光部（これはスリットと同じようなものである）を通
って受光素子４に達する構成となっているために、これ
らのスリットの幅を狭くすると光の回折効果が生じ、受
光素子に光信号が得られなくなるという問題が生じる。

スリットの幅の大きさに制限が加えられるということは
。

上記のピッチＰを一定値以下に小さくすることができな
いことを意味するので高分解能が得られないという問題
がある。高分解能を得ようとすると回転板の径を大きく
せざるを得ず、したがってエンコーダ全体が大型化する
。また１回転板は蒸着、エツチング等の工程を経て作製
されるためにその作製プロセスが複雑であるという問題
もある。

発明の概要 発明の目的 この発明は、従来のものに比べてより高い分解能を得る
ことができるとともに作製が比較的容易な光学式位置検
出装置を提供することを目的とする。

発明の構成と効果 この発明による光学式位置検出装置は、所定のピッチご
とに位置情報パターンが移動方向にそって設けられてお
り、各位置情報パターンは移動方向と直交する方向に配
列された複数の回折格子要素から構成され、位置情報が
回折格子要素の存在の有無と位置とによって表わされる
。そのような移動体、上記位置情報パターンの移動方向
に直交する方向の長さ全体を照射するような線状の光ビ
ームを上記移動体上に投射する投光光学系、および上記
移動体からの非回折光を受光する複数の受光素子を含み
２位置情報パターンに含まれる各回折格子要素の存在の
有無と位置とを表わす検出信号を出力する受光光学系を
備えていることを特徴とする。

移動体は一般的には直線状運動または回転する。回転す
る移動体は一般に回転体または回転板と呼ばれ、この場
合にはこの発明による光学式位置検出装置はアブソリュ
ート型光挙式ロータリイ・エンコーダとなり１位置情報
パターンは絶対角度位置情報パターン、移動方向は周方
向、移動方向に直交する方向は径方向に該当する。

この発明は、光の回折効果を積極的に利用しており、光
を回折させるための回折格子は微細パターンであるから
、上記のピッチを小さくとることが可能となり、したが
って高分解能を得ることができる。とくに移動体が回転
板の場合には回転板を小さくしても高い分解能が達成で
きる。また２回折格子パターンをもつ移動体はプラスチ
ック成形によって容易に作製することができる。

実施例の説明 第２図はアブソリュート型光挙式ロータリイ・エンコー
ダの構成の概要を、第３図は同エンコーダで用いられる
回転板の一部の平面を、第４図は第３図のＩＶ−ＩＶ線
にそう断面図であって絶対位置情報の検出原理をそれぞ
れ示している。

第２図および第３図を参照して２回転板１１はその中心
において回転軸（図示路）に固定されている。回転板１
１の外周部には記録帯Ｂがあり、この記録帯Ｂにこの実
施例では８本の同心円状のトラックが設けられている。

これらのトラックには内側のものから、２，３．・・・
、８の順にトラックＮｏ、が割当てられている。回転板
１１は一定角度（ピッチＰ）ごとに分割されており１分
割された各部分に記録帯Ｂ内において絶対角度位置情報
パターンＰ　が記録されている。この情報パターンＰ　
は径方向にそって配列された８個の存在するまたは存在
しない回折格子要素Ｇ（単に回折格子をＧで示すことも
ある）から構成されている。すなわち、ピッチＰの間隔
と各トラックとで囲まれた小区画内に１つの回折格子要
素Ｇが記録されうる。絶対角度位置情報はこれらの回折
格子要素Ｇの有無と有の場合のその位置とによって表わ
される。たとえば回折格子要素Ｇ無が、有がＯを表わす
とすれば、トラックＮｏ、　１の位置をＭＳＤ、　　ト
ラックＮｏ、　８の位置をＬＳＤとして絶対角度位置情
報は８ビツトのバイナリイ・コードで表わされる。

このような多数の絶対角度位置情報パターンＰ　がピッ
チＰで回転板１１の周方向に並んでいる。

この実施例では回折格子Ｇの方向（すなわち回折格子を
構成する凸条、凹溝の長手方向）は円周方向に形成され
ている。このような方向性をもつ回折格子パターンは、
光ディスクのカッティング技術等によって比較的容易に
作製できるという特徴をもつ。

投光光学系は発光素子としてのレーザ・ダイオード１３
１発散するレーザ光を平行光に変換するコリメータ・レ
ンズ１５．およびこの平行光を回転板１１上にその径方
向に一直線状に集光するシリンドリカル集光レンズ１７
から構成されている。この集光レンズ１７によって集光
された一条の光りは。

記録帯Ｂの径方向全体を照明する長さをもちかつピッチ
Ｐよりも小さな幅に集光されている。

受光光学系は１回転板１１からの反射光を受光するため
のもので、上述の集光レンズ１７．このレンズ１７によ
って平行化された反射光を偏向させるビーム・スプリッ
タ１６および少なくともトラック数８に等しい数の受光
素子を含む受光装置１４から構成されている。受光装置
１４は配列型の受光素子群またはイメージ・センサ等に
よって構成されよう。この受光装置１４によって、各ト
ラックからの反射光がそれぞれ区別された状態で受光さ
れる。

たとえば８個の受光素子を含む受光装置１４の場合には
、これらの受光素子が各トラックにそれぞれ対応してい
る。

このような光学系の構成によると、上述した従来のロー
タリイ・エンコーダに比べて、投光素子が１個ですむ、
スリット板が不要となる等の特徴がある。

第４図（Ａ）に示すように、入射光Ｌ１　（上述の光Ｌ
）が入射した回転板１１上の位置に回折格子が存在しな
い場合には、この入射光Ｌ１は回転板１１で反射する（
反射光Ｌ　）。この反射光Ｌ　は上「　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　ｒ述の受光光学系にお
いて対応する位置の受光素子によって受光される。

第４図（Ｂ）に示すように２回折格子Ｇが存在する場合
には、入射光Ｌ１はほとんど回折されて（回折光Ｌｄ）
、上記受光光学系の対応する受光素子には受光されない
。回折格子Ｇの深さは光の波長をλとしてλ／４程度が
よい。この場合には主に１次回折光が発生して反射光は
殆んど零となる。もちろん多次回折光を生じさせる回折
格子を形成してもよい。

なお、第２図に示すように入射光Ｌ　（Ｌ、　）は記録
帯Ｂの幅量上の幅をもつが第４図ではより分りやすくす
るために入射光Ｌ１の幅が狭く描かれている。

回転板１１を透明体で形成し、受光光学系を回転板１１
を挟んで投光光学系と反対側に配置すれば。

回折格子が存在しないところでは対応する受光素子によ
って透過光が受光され２回折格子が存在するところでは
受光されないので、同じように回折格子の有無と位置と
を検出できる。この場合。

ビーム・スプリッタ１６は不要となる。

以上のようにして１回折格子の無いところでは受光装置
１４の対応する受光素子に反射光（または透過光）が受
光され２回折格子が存在すると対応受光素子に光が受光
されないので、各トラックに対応する８ビツトのパラレ
ルな検出信号が受光装置１４から出力され、しかもこの
検出信号は回転板１１の回転にともなって各ピッチごと
に変化する絶対角度位置情報を表わすことになる。検出
信号を波形整形回路を通したのちに得られる信号の波形
の一例が第５図に示されている。

第６図は光学系の他の例を示している。ビーム・スプリ
ッタ１６が偏向ビーム・スプリッタで構成され、このビ
ーム争スプリッタ１６と集光レンズ１７との間にＩ／４
波長板１８が設けられている。このことによって１回転
板１１からの反射光が発光素子としてのレーザ・ダイオ
ード１３に戻ることが防止され、レーザ・ダイオード１
３の安定な発振動作が確保される。

第７図に示す光学系においては、ビーム・スプリッタ１
６と受光装置１４との間にシリンドリカル集光レンズＩ
９が配置され２反射光は集光されて受光装置１４の各受
光素子に受光される。このことにより、受光装置１４の
受光効率を向上させることができる。このように、光学
系は、必要に応じて種々変形することが可能である。ま
た、投光光学系のレーザ・ダイオード１３およびレンズ
１５の位置と受光光学系の受光装置１４およびレンズ１
９の位置とを交換してもよい。

第８図は回転板の変形例を示している。第２図に示す回
転板１１においては、隣接するトラック間にスペースが
存在せず、トラックは径方向に連続的に設けられている
。これに対して、第８図に示す回転板１１では、隣接す
るトラック間に環状のスペースＳが設けられている。こ
のスペースＳは反射面としておいてもよいし、受光され
る反射光を無くするために回折格子を設けてもよい。こ
のよ＝　　　１１　　− うに、トラック間にスペースを設けることによって、各
トラックからの反射光信号を受光装置１４の受光面上で
明確に区別できるようになり、情報の正確な読取りが保
証される。また１回転板１１が多少偏芯していても情報
の読取りエラーが起こる可能性が減少する。

第９図から第１Ｉ図はさらに他の実施例を示している。

第９図はアブソリュート型光学式ロータリイ・エンコー
ダの構成を、第１０図はその回転板の平面を、第１１図
は第１０図のＸＩ−ＸＩ線にそう拡大断面をそれぞれ示
している。

第２図および第３図に示された回転板１１では。

回折格子の方向が円周方向を向いている。したがって、
第４図（Ｂ）に最もよく示されているように、１次およ
びそれ以上の多次の回折光は径方向に出射することにな
る。この径方向に向う回折光は２反射光と同じ半径方向
でかつ回転板にほぼ垂直な面内を集光レンズ１７に向っ
て進んでいくので、これがコリメートされかつビーム・
スプリッタ】Ｂを経て受光装置１４に向ったとすると、
あたかも別のトラックからの反射光が対応する受光素子
に受光されたかのような受光信号が得られる可能性があ
る。そうすると１回転板ｌｌ上に記録された情報とは異
なる情報を表わす検出信号が得られてしまうという問題
が生じる。

第９図および第１Ｏ図に示す実施例では２回折光による
エラーの発生を極力避けるような構造の回転板が採用さ
れている。すなわち、すべての回折格子Ｇの方向が径方
向を向いている。このことによって、第１１図（Ｂ）に
最もよく示されているように９回折格子Ｇからの回折光
り、は周方向に向って斜め上方に出射するので、第９図
に示されるように集光レンズＩ７に入射する割合が非常
に少なくなるか殆んど零となる。このことによって１回
折光が受光装置１４に受光されることが防止されるので
、エラーのない正確な絶対角度位置情報の検出が可能と
なる。第１１図（Ａ）に示されているように２回折格子
の存在しないところでは入射光り。

は反射光Ｌ　となって受光袋ｆｆ１１４に受光されるの
はいうまでもない。

このように回折格子の向きは必要に応じて任意に設定す
ることが可能である。

第１２図は、リニア・エンコーダの構成の例を示してい
る。投光光学系および受光光学系は上述したものと同じ
構成である。移動体ＬＩＡは矢印で示すように直線運動
をする。移動体１１への運動方向にのびる８つのトラッ
クが設けられ、これらのトラックは運動方向に直交する
方向に並んでいる。

移動体１１Ａの移動方向にピッチＰの間隔で絶対位置情
報パターンＰ　が配列されている。このパターンＰ　は
、移動方向に直交する方向に配列された回折格子要素Ｇ
の有無および位置によって構成されている。このような
りニア・エンコーダにおいても、移動体ＩＬＡの絶対位
置が受光装置１４から出力される８ビツトのパラレル検
出信号によって表わされるのはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のアブソリュート型ロータリイ・エンコー
ダの構成を示している。 第２図から第５図はこの発明の実施例を示し。 第２図はアブソリュート型光挙式ロータリイ・エンコー
ダの構成を示す斜視図、第３図は回転板の一部を拡大し
て示す平面図、第４図（Ａ）　（Ｂ）は情報検出の原理
を説明するために第３図のＩＶ−ＩＶ線にそって切断し
たものに相当するものであって。 （Ａ）は回折格子が存在しない場合２（Ｂ）は存在する
場合をそれぞれ示す断面図、第５図は得られる検出信号
の一部を示す波形図である。 第６図および第７図は光学系の他の例をそれぞれ示す斜
視図、第８図は回転板の他の例を示す斜視図である。 第９図から第１１図はこの発明の他の実施例を示し、第
９図はアブソリュート型光挙式ロータリイ・エンコーダ
の構成を示す斜視図、第１０図は回転板の一部を拡大し
て示す平面図、第１１図（Ａ）　（Ｂ）は第１０図の刈
−Ｘ線にそって切断したものに相当する断面図である。 第１２図はこの発明のさらに他の実施例を示すもので、
光学式リニア・エンコーダの構成を示す斜視図である。 １１・・・回転板、１１Ａ・・・移動体。 １３・・・レーザ・ダイオード、１４・・・受光装置。 １６・・・ビーム−スプリッタ。 １７・・・シリンドリカル集光レンズ。 Ｂ・・・記録帯、　　　　　Ｇ・・・回折格子（要素）
。 Ｌ、Ｌ、・・・入射光、　　Ｌｒ・・・反射光。 Ｌ、・・・回折光、　　　　Ｐ・・・ピッチ。 Ｐ　・・・絶対角度位置情報パターン。 以　　上 特許出願人　　立石電機株式会社 代　理　人　　弁理士　牛久健司 （外１名） 第１図 第３図 第４図 （Ａ） （Ｂ） 第５図 トラックＮ０１５ トラックＮｏ、６ トラツクＮ０１７ トラーノク　Ｎｏ、８ 第７図 筑８図 第６図 第１０図 第１１図 （Ａ） （Ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 所定のピッチごとに位置情報パターンが移動方向にそっ
   て設けられており、各位置情報パターンは移動方向と直
   交する方向に配列された複数の回折格子要素から構成さ
   れ、位置情報が回折格子要素の存在の有無と位置とによ
   って表わされる、そのような移動体、 上記位置情報パターンの移動方向に直交する方向の長さ
   全体を照射するような線状の光ビームを上記移動体上に
   投射する投光光学系、および上記移動体からの非回折光
   を受光する複数の受光素子を含み、位置情報パターンに
   含まれる各回折格子要素の存在の有無と位置とを表わす
   検出信号を出力する受光光学系、 を備えている光学式位置検出装置。