JPS6396514A

JPS6396514A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPS6396514A
Application number: JP24243886A
Authority: JP
Inventors: Norio Okuya; 奥谷　憲男
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1986-10-13
Filing date: 1986-10-13
Publication date: 1988-04-27

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】産業上の利用分野本発明は、位置決め装置における位置検出装置に関する
ものである。

従来の技術機械装置の回転角を位置検出装置で検出して、機械装置
の位置決めを行う位置決め装置が良く知られている。こ
のような位置検出装置として、平行光束で照明された回
転ディスク上のスリットと固定マスク上のスリットが一
致、不一致を繰り返す事により、スリットを貫通した光
は正弦波形状て変化し、この変化を検出する事により回
転ディスクの回転位置を検出する光電式エンコーダが広
く利用されている。このような光電式エンコーダでは光
源として一般的に発光ダイオードが用いられ、光束の照
度不足、平行度不足よシ応答性が悪く、高分解能化が難
しいと言う問題点を有していた。この様な問題点を解決
する一方法として、検出信号と基準信号の位相差により
高分解能化するという、高分割方法を光電式エンコーダ
に応用したものが知られている。以下図面を参照しなが
ら、上述した従来の光電エンコーダの一例について説明
する。

第３図は従来の光電式エンコーダを示すものである。第
３図において、１は光源、２はコリメータレンズ、３は
回転ディスク、４は固定マスク、６は受光素子、ｅはス
イッチ、７は信号処理回路である。

以上のように構成された光電式エンコーダについて、以
下その動作について説明する。光源１から発した光束が
コリメータレンズ２で平行光束にされ、回転ディスク３
上のスリットと固定マスク４上のスリットを貫通した光
を受光素子５で光電変換する。固定マスク４上には、回
転ディスク３上のスリット間隔をＰとすれば、順々にＰ
／４だけ位置がずれた４組のスリットが配設され、４組
のスリットに対応する様に５ａ、ｓｂ、６ｃ、ｓｄの受
光素子が設けられている。受光素子６ａ、・・・・・・
、ｓｄの光電変換信号は、信号処理回路７の駆動信号８
により、スイッチ６１１．・・・・・・、ｅｄで順次選
択され、信号処理回路７に入力する。部材の回転に従っ
て回転ディスク３が回転すると、回転ディスク３上のス
リットと固定マスク４上のスリットが一致、不一致を繰
り返す事により、受光素子５ａ〜５ｄから各々π／２だ
け位相の異なる三角波形状の光電変換信号が出力される
。このとき、信号処理回路７に入力した光電変換信号９
は、高調波成分を取り除かれ回転ディスクの位置によっ
て位相変調された正弦波形状となシ、この入力信号の位
相を信号処理回路７で測定する事により、部材の回転位
置を検出する。

発明が解決しようとする問題点しかしながら上記のような構成では、固定マスク上に順
次Ｐ／４ずつ位置をずらした４組のスリットパターンを
高精度に配設する必要があり、４組のスリットパターン
の必要位置精度はＰの大きさに比例し、小型高分解能化
するのは、スリットツクターンの加工精度上盤しかった
。また、大型化。

低分解能化するには、スリット間隔が大きくなるため、
多数のスリット透過光の積分平均化によるスリット加工
誤差の平均化・安定化効果を得る大型で、かつ光量分布
の一定な光源を構成することが難しかった。

本発明は上記問題点に鑑み、小型化・大型化・低分解能
化・高分解能化が容易に行える位置検出装置を提供する
ものである。

問題点を解決するだめの手段上記問題点を解決するために、本発明の第１の発明は、
光源と、周期的スリットを有する２枚のスリット板と、
前記スリット板の移動に伴う光量変化を検出する光検出
器を有し、前記光源と前記光検出器との間に２枚の前記
スリット板を設け、光検出器の出力信号を検出して前記
スリット板の変位量を求める光電式位置検出器において
、２枚の前記スリット板上の周期的スリットによりモア
レ縞を発生させ、前記光検出器を前記モアレ縞の縞間隔
と等しい複数個の光検出素子より構成し、前記光検出素
子の出力信号を順次取り出す選択手段と、前記選択手段
を駆動する駆動信号を発生し、前記駆動信号と前記選択
手段から得られる信号から抽出した基本波成分との位相
差により前記スリット板の変位量を求める位相差検出手
段とを備えたものである。

また、本発明の第２の発明は、２枚の前記スリット板上
の周期的スリットを前記スリット板の移動方向とθ（θ
＜９００）なる角度で交叉するよう配設し、２枚の前記
スリット板上の前記周期的スリットによりモアレ縞を発
生させ、前記光検出器を前記モアレ縞の縞間隔と等しい
複数個の光検出素子より構成し、前記光検出素子の出力
信号を順次取り出す選択手段と、前記選択手段を駆動す
る駆動信号を発生し、前記駆動信号と前記選択手段から
得られる信号から抽出した基本波成分との位相差により
前記スリット板の変位量を求める位相差検出手段とを備
えたものである。

まだ、本発明の第３の発明は、２枚の前記スリット板上
の周期的スリットを前記スリット板の移動方向に交叉す
る方向に対称で、かつ前記移動方向とθ（θ＜９００）
なる角度で各々交叉するよう２列配設し、２枚の前記ス
リット板上の前記周期的スリットにより前記スリット板
の移動方向に交叉する方向に対称なモアレ縞を発生させ
、前記光検出器を前記モアレ縞の縞間隔と等しい複数個
の光検出素子２組よシ構成し、前記スリット板の移動方
向に交叉する方向に対称でかつ検出する２組のモアレ縞
の位相がπだけ異なる組み合せで前記複数個の光検出素
子２組の出力信号の差をとる演算手段と、前記演算手段
より複数組の演算信号を順次取り出す選択手段と、前記
選択手段を駆動する、駆動信号を発生し、前記駆動信号
と前記選択手段から得られる信号から抽出した基本波成
分との位相差により前記スリット板の変位量を求める位
相差検出手段とを備えたものである。

作　　用本発明は上記した構成によって、２組の周期的スリット
によりモアレ縞を発生させ、複数個の光検出素子を用い
モアレ縞の濃淡を検出し、光検出素子の光電変換信号を
順次走査することにより周期的信号を得、スリット板の
移動に伴う周期的信号の位相変化を測定することばより
、周期的スリットのスリット間隔が微小な場合において
も容易に誤差成分の少ない周期的信号が得られるため、
小型・高分解能で位置を検出することができる。

また、第２の本発明によれば、モアレ縞を発生させる周
期的スリットをスリット板の移動方向とθなる角度で交
叉するよう配設することにより、モアレ縞の周期はスリ
ット間隔Ｐに対しスリット板の移動方向でＰｚｉｎθと
なり、小さなスリット間隔のままで大きなスリット間隔
と同じ効果が得られるため、大型・低分解能で安定して
位置を検出することができる。

まだ、第３の本発明によれば、モアレ縞を発生させる周
期的スリットをスリット板の移動方向とθなる角度で交
叉しかつ、移動方向と交叉する方向に対称に２組配設し
、互いの光検出素子の光電変換信号の差を取ることによ
り、スリット板の移動方向と交叉する方向へのスリット
板の変位による誤差が消去されるため、高精度で位置を
検出することができる。

実施例以下本発明の一実施例の位置検出装置について、図面を
参照しながら説明する。第１図は本発明の実施例におけ
る位置検出装置の構成図を示すものである。第１図にお
いて、１１はレーザダイオード、１２はコリメータレン
ズ、１３は移動スリット板、１４は固定スリット板、１
５は光検出器、１６は演算回路、１７はスイッチング回
路、１８は信号処理回路である。以上のように構成され
た位置検出装置について、以下その動作を説明する。

まず前記レーザダイオード１１の発光面より出た光は前
記コリメータレンズ１２で平行束となり、前記移動スリ
ット板１３を照射する。第２図に示すように、前記移動
スリット板１３上には、開口幅ａのスリット１９が間隔
ｄ１　で、前記移動スリット板１３の移動方向にθ１の
角度で、前記移動方向に交叉する方向に対称に多数個盤
べられており、光は前記スリット１９部では透過、他の
部分では遮光され、透過光は前記固定スリット板１４を
照射する。。

このとき前記スリット１９を透過した中心波長λの７ラ
ウンホ一フア回折像は、前記スリット１９は同一矩形ス
リット開口を規則的にきわめて多数配置したものと考え
られるから、前記スリット１９の光の回折は同一開口の
規則的配列と矩形早開口とを組合せたものである。よっ
てフラウンホーファ回折像の強度分布の計算より、前記
スリット１９のフラウンホーフッ回折像の０次の主極水
と１次の主極大は鋭いビーム状となりその間隔がＭｄ１
（Ｍは正の整数）となる前記スリット１９から前記フラ
ウンホーファ回折像までの距離りがとして求まる。

前記スリット１９の７ラウンホ一フ７回折像は、前記固
定スリット板１４上に明瞭な明暗縞となって投影される
。第２図に示すように、前記固定スリット板１４上には
開口幅すのスリット２ｏがｄ２＝ｄ、に設定された間隔
ｄ２で、前記移動スリット板１３上の前記スリット１９
と対応するように、前記移動スリット板１３の移動方向
にθ２の角度で、前記移動方向に交叉する方向に対称に
多数個盤べられており、光は前記スリット２０部では透
過、他の部分では遮光され、透過光は前記光検出器１５
は照射する。

このとき前記固定スリット板１４上に投影された前記フ
ラウンホーフッ回折像の主極大の間隔が、前記固定スリ
ット板１４上に並べられた前記スリット２ｏの間隔ｄ２
と一致する時、前記移動スリット板１３の移動にともな
い前記光検出器１５より出力される検出信号の振幅は最
大となる。このときの前記移動スリット板１３上の前記
スリット１９と前記固定スリット板１４上の前記スリッ
ト２０の距離は（１）式のＬで与えられる。

また、前記移動スリット板１３上の前記スリット１９の
前記移動スリット板１３の移動方向となす角θ１　と、
前記固定スリット板１４上の前記スリット２０の前記移
動スリット板１３の移動方向となす角θ２　とは、前記
光検出器１６上に配列された光検出素子２１ａ・・・・
・・２１ｄ、２１ｅ・・・・・・なる関係に配設されて
いる。

このとき前記移動スリット板１３上の前記スリット１９
の前記固定スリット板１４上に投影されたフラウンホー
ファ回折像の明暗縞と、前記固定スリット板１４上の前
記スリット２０とにより周期４ｔのモアレ縞２了が形成
され、前記光検出素子２１上に投影される。よって前記
移動スリット板１３の移動にともない、前記光検出素子
２１ａ・・・・・・２１ｄ、２１ｅ・・・・・・２１ｈ
の光電変換信号は、各々の位相がπ／２だけ異なる周期
的信号となる。

また、前記移動スリット板１３上の前記スリット１９が
、前記移動スリット板１３の移動方向とθ１　の角度で
配設されているため、前記モアレ縞２７の周期Ｔは、前
記移動スリット板１３の移動量で表わすと、Ｔ＝ｄ１／ｓｉ口θ１　　・・・・・・・・・　　　（
３）で与えられ、θ１を小さくすればする程、ｄｌ　に
関係なく周期Ｔは大きくなる。

また、前記移動スリット板１３上の前記スリット１９が
、前記移動スリット板１３の移動方向と交叉する方向に
対称罠配設されているため、前記フラウンホーファ回折
像の明暗縞と、前記固定スリット板１４上の前記スリッ
ト２ｏとにより生じる２組の前記モアレ縞２７は、前記
移動スリット板１３が移動方向に移動するとき、前記移
動方向に交叉する方向に各々反対方向に移動し、また、
前記移動スリット板１３が移動方向に交叉する方向に移
動するとき、前記移動方向に各々移動することとなる。

よって、２組の前記光検出素子２１ａ・・・・・・２１
　ｄ、　２１　ｅ・・・・・・２１ｈの各々のπだけ位
相の異なる光電変換信号の差をとれば、前記移動スリッ
ト板１３の移動方向に交叉する方向への移動、すなわち
前記移動スリット板１３の移動時の振れによる光電変換
信号の変化は零となる。

前記光検出素子２１の光電変換信号は、前記演算回路１
６に入力し、光検出素子２１ａと２１０゜２１ｂと２１
ｆ、２１ｃと２１　ｑ、２１　ｄと２１ｈの光電変換信
号の差として、前記演算回路１６より出力される。前記
演算回路１６の４組の出力は、前記信号処理回路１８の
駆動信号２４により、前記スイッチング回路１７のスイ
ッチ２３ａ・・・・・・２３ｄで順次選択され、前記信
号処理回路１８に入力する。前記信号処理回路１８への
入力信号はフィルターにより基本波成分が抽出され、前
記移動スリット板１３が停止しているとき、前記スイッ
チング回路１７の前記駆動信号２４の周期と一致した周
期的信号となる。次に前記移動スリット板１３の移動に
ともない、前記モアレ縞２７が移動することとなシ、前
記信号処理回路１８への入力信号は位相変調される。こ
の入力信号の位相を前記信号処理回路１８で測定する事
により前記移動スリット板１３の移動量を検出する。

以上のように本実施例によれば、可干渉で、かつ略平行
光束を有する光源としてレーザダイオードとコリメータ
レンズを用い、移動スリット板上に規則的に多数配置し
たスリットにより生じる７ラウンホ一７７回折像を固定
スリット板上に投影し主極大を検出することにより、鮮
明度の高い明暗縞を検出することとなるとともに、移動
スリット板と固定スリット板との間隔の変化に対して安
定した検出信号を得ることとなシ、小型化・高分解能化
を容易に行うことができる。

また、移動スリット板上のスリットにより生じるフラウ
ンホーファ回折像の明暗縞と、固定スリット板上のスリ
ットにより生じるモアレ縞を光検出器で検出する事によ
り、１組のスリットパターンで４組の位相差を有する周
期的光電変換信号を得ることができ、微小間隔のスリッ
トパターンの加工が容易となり、位相差検出による高分
解能化手段を用いた小型化・高分解能化を容易に行うこ
とができる。

また、スリットを移動スリット板の移動方向にθなる角
度で交叉するよう配設することにより、スリット間隔が
小さいままで、移動スリット板の移動量に対して大きな
周期のモアレ縞を発生させることにより、多数のスリッ
ト透過光を光検出素子で積分平均化することとなシ、ス
リット加工誤差の平均化・安定化効果を得る事ができ、
小型の光源で大型化・低分解能化を容易に行うことがで
きる。

また、移動スリット板の移動方向にθなる角度で交叉す
るよう配設したスリットを、移動スリット板の移動方向
に交叉する方向に対称に２ｍ配設し、２組のモアレ縞を
光検出器で検出し、πだけ位相の異なる光電変換信号毎
に差をとることにより、移動スリット板の移動方向に交
叉する方向への振れを消去する事ができ、移動スリット
板の移動方向に交叉する方向への振れに対して安定した
検出信号を得ることができる。

上記実施例では、モアレ縞２７を検出する光検出素子２
１を４個用いたが、２個以上であれば何個用いても良い
。

さらに、位相の異なる光電変換信号毎に差をとった後に
、スイッチング回路１７で順次選択したが、スイッチン
グ回路１７で順次選択した後に差をとっても同様の効果
が得られることは言うまでもないので、説ＢＡは省略す
る。

また、上記実施例では、光源レーザダイオード１１とコ
リメータレンズ１２を用いたが、可干渉でかつ略平行光
束を得られる光源であれば、何を用いても良いことは言
うまでもない。

さらに、フラウンホーファ回折像の明暗縞と固定スリッ
ト板のスリットにより生じるモアレ縞を用いたが、フレ
ネル回折像の明暗縞を用いても同様の効果が得られるこ
とは言うまでもないので、説明は省略する。

なお、回折像を用いずにスリットの投影像によリモアレ
縞を発生させても良く、このときの光源は略平行光束が
得られる光源であれば、何を用いても良いことは言うま
でもない。

さらに、本発明は上記実施例の如く前記移動スリット板
としてリニアに移動するよう構成されたものに限らず、
回転する回転ディスク板にも同様に適用可能である。

発明の効果本発明の位置検出装置は、第１の本発明によれば、２枚
のスリット板上の周期的によりモアレ縞を発生させ、光
検出器を前記モアレ縞の縞間隔と等しい複数個の光検出
素子よシ構成し、前記光検出素子の出力信号を順次数シ
出す選択手段と、前記選択手段を駆動する、駆動信号を
発生し、前記駆動信号と前記選択手段から得られる信号
から抽出した基本波成分との位相差によりスリット板の
変位量を求めることにより、微小間隔のスリットパター
ンの加工が容易になシ、位相差検出による高分解能化手
段を用いた小型化・高分解能化が容易に行えることにな
る。

また、第２の本発明によれば、さらに２枚のスリット板
上の周期的スリットを前記スリット板の移動方向とθな
る角度で交叉するよう配設し、２枚の前記スリット板上
の前記周期的スリットによりモアレ縞を発生させること
により、前記モアレ縞の周期は小さなスリット間隔でス
リット板の移動方向に大きくなり、スリットパターンの
加工精度、光源の照明むらの影響が軽微となり、大型化
・低分解能化が容易に行えることになる。

さらに第３の本発明によれば、２枚のスリット板上の周
期的スリットを前記スリット板の移動方向に交叉する方
向に対称に２列配設し、２枚の前記スリット板上の前記
周期的スリットにより前記スリット板の移動方向に交叉
する方向に対称なモアレ縞を発生させ、位相がπだけ異
なる組み合せで光検出素子２組の出力信号の差をとる演
算手段と、前記演算手段より複数組の演算信号を順次選
択手段により取シ出すことにより、前記スリット板の移
動方向と交叉する方向への前記スリット板の変位による
誤差が消去されることとなり、高精度で位置検出を行え
る等、その効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における位置検出装置の構成図
、第２図は第１図のスリット部の詳細図、第３図は従来
の光電式エンコーダの構成図である。１１・・・・・・レーザダイオード、１２・・・・・・
コリメータレンズ、１３・・・・・・移動スリット板、
１４・・・・・・固定スリット板、１５・・・・・・光
検出器、１６・・・・・・演算回路、１７・・・・・・
スイッチング回路、１８・・・・・・信号処理回路。代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名＋８
−−−　Ｊｇ引々Ｊ！回路１ｑ、２０−一一スソ、、Ｌ２ｆ−Ｉｔ、秩丑１蚤

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光源と、周期的スリットを有する２枚のスリット
板と、前記スリット板の移動に伴う光量変化を検出する
光検出器を有し、前記光源と前記光検出器との間に２枚
の前記スリット板を設け、光検出器の出力信号を検出し
て前記スリット板の変位量を求める位置検出器において
、２枚の前記スリット板上の周期的スリットによりモア
レ縞を発生させ、前記光検出器を前記モアレ縞の縞間隔
と等しい複数個の光検出素子より構成し、前記光検出素
子の出力信号を順次取り出す選択手段と、前記選択手段
を駆動する駆動信号を発生し、前記駆動信号と前記選択
手段から得られる信号から抽出した基本波成分との位相
差により前記スリット板の変位量を求める位相差検出手
段とを備えたことを特徴とする位置検出装置。
（２）光源として、可干渉で、かつ略平行光束を有する
光源を用い、光源側のスリット板上の周期的スリットに
より生じる回折像の明暗縞と、光検出器側のスリット板
上の周期的スリットによりモアレ縞を発生させることを
特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の位置検出装置
。
（３）光源と、周期的スリットを有する２枚のスリット
板と、前記スリット板の移動に伴う光量変化を検出する
光検出器を有し、前記光源と前記光検出器との間に２枚
の前記スリット板を設け、光検出器の出力信号を検出し
て前記スリット板の変位量を求める位置検出器において
、２枚の前記スリット板上の周期的スリットを前記スリ
ット板の移動方向とθ（θ＜９０°）なる角度で交叉す
るよう配設し、２枚の前記スリット板上の前記周期的ス
リットによりモアレ縞を発生させ、前記光検出器を前記
モアレ縞の縞間隔と等しい複数個の光検出素子より構成
し、前記光検出素子の出力信号を順次取り出す選択手段
と、前記選択手段を駆動する駆動信号を発生し、前記駆
動信号と前記選択手段から得られる信号から抽出した基
本波成分との位相差により前記スリット板の変位量を求
める位相差検出手段とを備えたことを特徴とする位置検
出装置。
（４）光源として、可干渉で、かつ略平行光束を有する
光源を用い、光源側のスリット板上の周期的スリットに
より生じる回折像の明暗縞と、光検出器側のスリット板
上の周期的スリットによりモアレ縞を発生させることを
特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の位置検出装置
。
（５）光源と、周期的スリットを有する２枚のスリット
板と、前記スリット板の移動に伴う光量変化を検出する
光検出器を有し、前記光源と前記光検出器との間に２枚
の前記スリット板を設け、光検出器の出力信号を検出し
て前記スリット板の変位量を求める光電式位置検出器に
おいて、２枚の前記スリット板上の周期的スリットを前
記スリット板の移動方向に交叉する方向に対称で、かつ
前記移動方向とθ（θ＜９０°）なる角度で各々交叉す
るよう２列配設し、２枚の前記スリット板上の前記周期
的スリットにより前記スリット板の移動方向に交叉する
方向に対称なモアレ縞を発生させ、前記光検出器を前記
モアレ縞の縞間隔と等しい複数個の光検出素子２個より
構成し、前記スリット板の移動方向に交叉する方向に対
称で、かつ検出する２組のモアレ縞の位相がπだけ異な
る組み合せで前記複数個の光検出素子２組の出力信号の
差をとる演算手段と、前記演算手段より複数組の演算信
号を順次取り出す選択手段と、前記選択手段を駆動する
駆動信号を発生し、前記駆動信号と前記選択手段から得
られる信号から抽出した基本波成分との位相差により前
記スリット板の変位量を求める位相差検出手段とを備え
たことを特徴とする位置検出装置。
（６）光源として、可干渉で、かつ略平行光束を有する
光源を用い、光源側のスリット板上の周期的スリットに
より生じる回折像の明暗縞と、光検出器側のスリット板
上の周期的スリットによりモアレ縞を発生させることを
特徴とする特許請求の範囲第５項に記載の位置検出装置
。