JPS63271117A - 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 位置情報要素をそれぞれが異なる周期で記録している複
数のトラックの配列の中心部に、最も周期の短い位置情
報要素を有するトラックが配置されている移動体を備え
た光学式位置検出装置。位置情報要素の組合せからなる
グレイ・コードの読取りのための光学系の配置精度を緩
和したことを特徴とする。

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
度または絶対位置を検出できるアブソリュート型の光学
式ロータリイ・エンコーダまたはリニア・エンコーダに
好適に応用できる位置情報要素に関する。

先願発明の説明と最近の動向 絶対位置（絶対角度位置を含む）を検出するロータリイ
ψエンコーダまたはリニア・エンコーダは符号化された
絶対番地が記録された回転板または移動板を備えている
。この絶対番地を所定位置で光学的に読み取ることによ
り８回転板または移動板の絶対位置が検出される。絶対
番地の符号化において、隣接番地へ移行するときにある
１桁（１トラツク）の符号しか変化しないという特徴を
もつグレイ・コードが読みとりミスを防止する目的で一
般に用いられている。

従来のロータリイ・エンコーダまたはリニア・エンコー
ダにおいては、絶対番地を表わすグレイ・コードが透光
部・と遮光部とからなるパターンによって実現されてい
た。このようなパターンをもつものにおいては高い分解
能が得られにくいという問題があったので、これを克服
するために発明者らは、絶対番地を回折格子を用いて表
わした光学式位置検出装置を発明した（たとえば特願昭
８１−２８１９２３〜２８１９２５）。この先願発明の
装置の概要について第１図を用いて説明する。

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１１の外周部には記録帯Ｒがあり、
この記録帯Ｒにこの実施例では６本の同心固状のトラッ
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１．２．−３．・・・、６の順にトラックＮαが割
当てられている。回転板１１は一致角度（ピッチＰ）ご
とに分割されており。

分割された各部分に記録帯Ｒ内において絶対角度位置（
絶対番号）を表わすグレイ・コードＣが記録されている
。

このグレイ・コードＣは径方向にそって配列され６個の
存在するまたは存在しない回折格子（位置情報要素）Ｇ
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Ｇが記録
されつる。

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（スリット状ビーム）Ｌは、記録帯Ｒ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２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６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。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６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。

投光光学系によって回転板１１に光が投射されると１回
折格子Ｇ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（投光光学系と受光光学系とが回転板１１
を挟んで反対側に配置されている透過形の場合には透過
光）が受光され９回折格子Ｇが存在するところでは投射
光が回折されるので対応する受光素子に光は受光されな
い。したがって、６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１ピツチＰごとに変化する絶対
角度位置情報を表わすことになる。

さて、各トラックにおいて回折格子Ｇは一定周期で形成
されている。すなわち回折格子Ｇが形成されている部分
と形成されていない部分とが等間隔で交互に存在してい
る。そして回折格子Ｇの周期は６本のトラックにおいて
相互に異なっている。複数のトラックは、一般に周期の
大きさの順序で配列される。特にロータリイ・エンコー
ダの場合には第１図に示されているように周期の小さい
トラックは回折格子パターンが微細化するので、このト
ラックを円周長の長い外周側に配置することによって１
回折格子パターンが微細化するのをできるだけ緩和する
ようにしている。しかしながら、微細加工技術の進歩や
収束性に優れたレーザ光の使用により回折格子パターン
の微細さはあまり問題でなくなっている。さらに１トラ
ツクあたりのトラック幅をより小さくすることも可能で
あるから、最外側のトラックの長さと最内側のトラック
の長さとの差も大差がなくなってきている。したがって
回折格子Ｇの記録された各トラックをそのコード幅の大
きさの順に配列する必要は殆んどないのが現状である。

むしろ、高分解能化にともない１つの絶対角度位置を表
わすグレイ・コードＣのピッチＰが短くなると、グレイ
・コードＣを構成する分析格子Ｇの並びの方向（径方向
）とこれを読取るスリット状ビームＬの方向との一致精
度の方が重要になってくる。上述のように周期の大きさ
の順序でトラックを配列すると、最小周期のトラックが
記録帯Ｒ（全トラックの幅）の端にくるので、方向の一
致精度条件が最も厳しくなる。

この点について第２図を参照して定量的に説明する。第
２図は第１図の回転板１１を拡大して示すものである。

鎖線Ａは正しい位置に配置された投光光学系のスリット
状投射光ビームを示している。回折格子Ｇ無がバイナリ
イ・コード１を、有が０をそれぞれ表わすとすれば、光
ビームＡの反射光によって読取られるグレイ・コードは
“０．１００００″となる。

投光光学系の位置決め精度が悪く、投射光ビームが回転
板１１の径方向に対して少し斜めになってしまったとき
のその光ビームが鎖線Ｂで示されている。この光ビーム
ＢはトラックＮｏ、１で隣接するグレイ・コードの回折
格子位置を照射することになるのでその反射光によって
読取られたグレイ・コードは“１１００００”　となる
。

隣りのグレイ争コードを１ビツトだけ読み誤る場合の最
小誤差角度θは以下の式で与えられる。

θ−ｔａｎ”　［Ｐ／　（Ｔ　（Ｎ　−１））］　　−
（１）二二でＮは全トラック数、この実施例では６であ
り、Ｔは１トラツクの幅、Ｐは上述のようにピッチであ
る。

発明の概要 発明の目的 この発明は、絶対位置の情報要素の並びの方向と読取り
用のスリット状光ビームを形成するためのレンズもしく
はスリットまたは光源アレイなどの方向の一致精度をで
きるだけ緩和することのできる光学式位置検出装置を提
供することを目的とする。

発明の構成および効果 この発明による光学式位置検出装置は、それぞれ異なる
周期で位置情報要素を記録しかつそれぞれが移動方向に
のびた複数のトラックが移動方向に直交する方向に配列
され、これらのトラックの位置情報要素の所定ピッチ内
における上記直交方向の組合せが絶対位置を表わすグレ
イ・コードを構成しており、上記トラックの配列幅の中
心部に位置情報要素の周期が最も短いトラックが配置さ
れている。そのような移動体を備えていることを特徴と
する。

トラックの配列幅の中心部とは、奇数のトラックが並ん
でいるときには全トラック幅の中心のトラックをさし、
偶数のときには全トラック幅の中心に隣接する２つのト
ラックのうちのいずれか一方をいう。

この発明によると、最も周期の短い位置情報要素が記録
されたトラックが、トラック群の中心部に位置している
。グレイ・コードを読み取るための光学系すなわち上記
のスリット、レンズ、光源アレイ等の方向とグレイ・コ
ードを構成する位置情報要素の並びの方向との一致精度
は、主に最小周期の位置情報要素が記録されたトラック
とこのトラックから最も遠い位置にあるトラックとの距
離によって決まる。トラック配列を位置情報要素の周期
の順にした上述の構成では一方の端にある最小周期トラ
ックから他方の端のトラックまでの距離はほぼトラック
全幅である。これに対して。

この発明によれば最小周期のトラックがトラック全幅の
中心にあるので最小周期のトラックから最も端のトラッ
クまでの距離はトラック全幅のほぼ１／２となる。した
がって、光学系の位置の一致精度を約２倍に緩和するこ
とができる。

実施例の説明 以下２図面を参照してこの発明の実施例について説明す
る。

第３図は光学式位置検出装置に備えられている回転板の
平面の一部を拡大して示すものである。

この図を参照して２回転板２１に６つのトラック（トラ
ックＮα１〜６）が同一のトラック幅（Ｔ）で同心円状
に配列されている。各トラックに記録された回折格子Ｇ
のうち最小の周期をもつものがトラックＮα４の位置に
形成されている。トラックＮα４はトラックＮｏ、　３
とともにトラックＮα１〜６で構成される記録帯Ｒの中
心部にある。この実施例においては、全ト・ラック数が
偶数（６本）のため中央部に位置するトラックは２本（
トラックＮα３．４）になるが、このどちらかが中心ト
ラックとして選択される。全トラック数が奇数であるな
らば、中心にくるトラックは１本となり、当然にこのト
ラックが最小周期のトラックとして選択される。また、
これらのトラックは回折格子Ｇの周期幅の小さいものか
らいうとトラックＮｏ、４．３゜５．２，６．１の順番
になっている。

スリット状ビームＬの方向と１つのグレイ・コードを構
成する回折格子Ｇの並びの方向との一致精度は、中心部
の最小周期のトラックＮＯ，４とこれから最も遠いトラ
ックＮ（Ｌ　１との距離によって主に決定される。した
がって、グレイ・コードの正しい読取りが可能な光ビー
ムＡと誤った読取りを行なう光ビームＢとのなす最小角
度（角度誤差）θ１は次式で与えられる。

θ　−ｔａｎ−’　［Ｐ　／（Ｔ　ｘ　Ｉｎｔ（Ｎ　／
　２　））コ−（２）■ ここでｉｎｔ　（ｘ）はＸをその小数点以下切捨てて整
数化する関数である。

たとえばＰ−１０μｍ、　Ｔ−３００μｍ、　Ｎ−１４
として、これらの数値を第（１）式および第（２）式に
代入すると、最小角度誤差θおよびθ１は次のようにな
る。

θ　　−０，１５’ θ１−０．２７’ この実施例における角度誤差θ１は、第２図に示す例と
比較して約２倍になっている。すなわち、この発明によ
ると、隣接するコードの１ビ・ソトを読み誤る危険性が
約２倍緩和されたことになる。

したがってレンズ■７を含む投光光学系や回転板２１の
組立て２ｍ整等が容易となる。

回折格子Ｇの周期の最も小さいトラックさえ記録帯Ｒの
中心部にあれば、他のトラックはどのような順序で配列
されていてもよい。たとえば第４図に示すように２回折
格子Ｇの周期の最も大きいトラック魔５をトラック魔４
に隣接させたり２周期が２番目に小さいトラックＮα１
を最も内側に配置したりしてもよい。角度誤差θ１は第
（２）式を用いて上記同様に求められる。

この実施例ではトラック幅Ｔはどのトラ・ツクも一定で
あるとしている。しかし、このトラ・ツク幅Ｔが相互に
異なっていても、最小周期のトラ・ツクを中央に配置す
ることにより組立て一致精度低減に関して同じ効果が得
られる。この際２周期の大きなトラックはどトラック幅
を小さくするようにすれば一層好ましい。

第５図はこの発明の他の実施例を示している。

第３図および第４図に示された回転板２１は９回転格子
の方向が円周方向を向いている。このため１回折光が径
方向に出射させられることになりこの回折光が他のトラ
ックに対応する受光素子で受光されると誤読取りを起こ
す可能性がある。そこで第５図に示す回転板２１には全
てのものが径方向を向いた回折格子Ｇが形成されている
。最も周期の小さい回折格子ＧはトラックＮ（Ｌ　１〜
８によって構成される記録帯Ｒの中央部に位置するトラ
ックＮｏ、　５に形成されている。

回折格子Ｇからの回折光り、は周方向に向って斜め上方
に射出するので、集光レンズ１７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。また回折格子の存在しないところでは入射光Ｌ１
は反射光Ｌ　となって受光装置１４に受光されるのはい
うまでもない。

第６図はこの発明のさらに他の実施例を示している。

この実施例で用いられる回転板２１では、絶対角度位置
情報を表わす位置情報要素が回折格子Ｇに代えて、ラン
ダム光回折要素Ｇ　の集合から構成されている。このラ
ンダム光回折要素Ｇ　は、多数の小さなビットｇから構
成されている。これらのピットｇは円形や正方形等任意
の形状をとり。

照射された光を指向性をもたずに多方向に回折する。最
も周期の小さいランダム光回折要素Ｇ。

は、第５図と同様記録帯Ｒの中心部のトラックＮα５に
形成されている。

ランダム光回折要素Ｇ　による回折光り、ははぼ散乱光
となり、この回折光は殆ど方向性をもたないから、集光
レンズ１７およびビーム・スプリッタ１Ｂを通して受光
装置１４に入射する回折光の量が非常に少なくなるとと
もに、受光装置１４を構成するすべての受光装置にほぼ
均等に入射するので回折光入射による誤読取りの可能性
が非常に少ない。

第７図は従来のアブソリュート型光学式ロータリイ・エ
ンコーダにこの発明を応用した実施例を示している。

回転軸３２に回転板３１がその中心で固定されている。

回転板３１には記録帯があり、この記録帯において、絶
対角度位置を表わす位置情報要素が設けられた８本のト
ラックが同心円状に配置されている。この位置情報要素
は光を透過させる透光部と遮断する遮光部とからなる。

たとえば、第７図の回転板３１上に黒く塗りつぶした部
分が透光部であってこの部分を光が透過できるものとす
る。

８つのトラックにおけるこれらの位置情報要素の周期は
相互に異なっており、最も小さい周期のトラックが記録
帯の中央部（内側から数えて第５トラツク）に形成され
ている。

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３３が設けられており、各発光紫芋３３からの光はス
リット板３５のスリット３５ａを通って回転板３１に当
る。他方２回転板３１を挟んで発光素子３３と反対側に
は受光索子３４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３４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１回転板３１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３４から得られる。

このようなロータリイ・エンコーダにこの発明を適用す
ることもでき、この場合にスリット板３５、発光素子３
３．受光素子３４等の配置精度が緩和される。

第３図から第６図に示す回転板２１を透過形とすること
もできるし、第７図に示す回転板３１を反射形とするこ
ともできる。

この発明はリニア・エンコーダにおける移動板に形成さ
れた複数のトラックにも適用可能である。移動板ではト
ラックは同心円状ではなく直線状に設けられる。

上記実施例では位置情報要素はバイナリイの信号を生じ
させるものであるが、３値以上の信号を生じさせるもの
でもよい。たとえば２色以上の色を表わす位置情報要素
や、遮光、透光に加えて半透光の要素を設けることもで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は先願の明細書に開示されたアブソリュート型の
光学式ロータリイ・エンコーダ全体の概略構成を示す斜
視図、第２図はその回転板の一部の拡大平面図である。 第３図はこの発明の実施例を示すので回転板を示す一部
拡大平面図、第４図はその変形例を示す回転板の拡大平
面図、第５図、第６図、および第７図はそれぞれ他の実
施例を示し、アブソリュート型の光学式ロータリイ・エ
ンコーダ全体の概略構成を示す斜視図である。 １１、２１．３１・・・回転板。 １３・・・レーザ・ダイオード、１４・・・受光装置。 １６・・・ビーム・スプリッタ、１７・・・集光レンズ
。 Ａ、Ｂ・・・光ビーム、　　　　Ｇ・・・回折格子。 Ｇ、・・・ランダム光回折要素。 Ｌ・・・スリット状ビーム。 Ｌｌ・・・入射光、　　　　　　Ｌ　・・・反射光。 Ｌ、・・・回折光、　　　　　　Ｐ・・・ピッチ。 Ｃ・・・グレイ・コード、　　Ｒ・・・記録帯。 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 １１’ｌ　６ 第５図 第６図 第７図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）それぞれ異なる周期で位置情報要素を記録しかつ
   それぞれが移動方向にのびた複数のトラックが移動方向
   に直交する方向に配列され、これらのトラックの位置情
   報要素の所定ピッチ内における上記直交方向の組合せが
   絶対位置を表わすグレイ・コードを構成しており、上記
   トラックの配列幅の中心部に位置情報要素の周期が最も
   短いトラックが配置されている、そのような移動体、 を備えている光学式位置検出装置。
2. （２）上記位置情報要素が照射された光を所定の方向に
   射出する複数の光回折格子要素によって構成されている
   特許請求の範囲第（１）項に記載の光学式位置検出装置
   。
3. （３）上記位置情報要素が照射された光をランダムな方
   向に射出する複数のランダム光回折格子要素によって構
   成されている特許請求の範囲第（１）項に記載の光学式
   位置検出装置。
4. （４）上記位置情報要素が照射された光をそのまま透過
   させる透光部とその光を遮ぎる遮光部とによって構成さ
   れている特許請求の範囲第（１）項に記載の光学式位置
   検出装置。
5. （５）上記位置情報要素が、射出された光を色または色
   強度によって変調して受光される光に３値位上の異なる
   値を付与するものである、特許請求の範囲第（１）項に
   記載の光学式位置検出装置。