JPH073342B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は被測定物体の移動量や回転量等の変位を測定す
る光学式スケールを用いた光学式エンコーダに関し、特
に被測定物体の変位方向も同時に検出することのできる
簡易な構成の光学式エンコーダに関するものである。

（従来の技術） 従来より被測定物体の移動量や回転量の検出を光学式ス
ケールを利用して行う。所謂光学式エンコーダが例えば
特開昭59−63517号公報、特公昭57−12104号公報、特開
昭60−140119号公報等で提案されている。

例えば特公昭57−12104号公報では光透過性部材より成
る３角形状の溝断面を有する溝付格子より成る光学式ス
ケールを用いた光学式エンコーダを提案している。同公
報によれば３角形状の溝の傾斜面で２方向に射出した光
束を２個の受光素子で各々検出することにより、出力信
号として180度の電気的位相差を持つ２相出力信号（プ
ッシュプル出力関係の２相信号）を取出している。

しかしながら同公報の光学式エンコーダでは90度の位相
差を有する２相出力信号を得るには２相の出力信号の強
度関係を等しくする為の調整手段等を有しあまり好まし
い方法ではなかった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明はプラスチックモールド等の製造方法により容易
に製作することができる所定形状のＶ型溝と平面光透過
部を有した光学式スケールと該光学スケールから所定位
置に配置した２つの受光素子を用いることにより、０度
〜180度の範囲内で任意の位相差を有する２つの出力信
号、特に90度の位相差を有する出力信号が容易に得ら
れ、被測定物の変位方向も同時に容易に求めることので
きる簡易な構成の光学式エンコーダの提供を目的とす
る。

（問題点を解決するための手段） 光源からの光束を格子上の光透過部を設けた第１スケー
ルに入射させ、該光透過部からの光束を、被測定物の変
位方向に対して垂直方向に設けたＶ型溝と平面光透過部
とが該変位方向に対して水平方向に周期的に設けられた
第２スケールを介して、該第２スケールのＶ型溝の各傾
斜面に対して設けた２つの受光素子で受光する際、 該Ｖ型溝とその隣接するＶ型溝ピッチをＰとしたとき、
該Ｖ型溝の傾斜面の幅をP/4とすることにより、前記２
つの受光素子より90度の位相差を有する２相出力信号を
出力させ、該２相出力信号より前記被測定物の変位方向
及び変位量を検出することである。

（実施例） 第１図は本発明の光学式エンコーダの概略図、第２図は
第１図の一部分の光束の進行状態を示す概略図である。
図中１は発光素子であり、集光作用をするレンズ部1aを
有している。２は第１スケールとしての固定スケールで
あり、格子状の光透過部と光遮光部とを等間隔で周期的
にピッチＰで設けている。３は第２スケールとしての可
動スケールであり、固定スケール２と対向配置すると共
に不図示の被測定物に取り付けられている。4a,4b,4cは
各々受光素子であり、後述する可動スケール３の各領域
からの光束を各々受光している。５は増幅回路、６は波
形整形回路であり、増幅回路５からの出力信号を波形整
形している。７は方向判別カウンタであり、波形整形回
路６からの２つの所定の位相差を有した出力信号を用い
て可動スケール３の移動方向を判別している。

第３図（Ａ），（Ｂ）は第１図に示す可動スケール３の
斜視図と光束の進行方向の断面図である。可動スケール
３はガラス若しくはプラスチック成形より成る平行平板
状の透明材料から成り、同図に示す如く発光素子１から
の光束の入射面上に、該可動スケールの可動方向Ｄに対
して垂直方向に固定スケール２の格子ピッチＰと等しい
間隔で設けたＶ型溝31と可動方向Ｄに対して水平方向に
ピッチＰと等しい間隔で設けた平面光透過部32とから構
成されている。

Ｖ型溝32を形成する２つの傾斜面3a,3cの裏面である平
面3dに対する角度θは各々45度、平面光透過部3bは平面
3dと平行となっている。

本実施例では発光素子１からの平行光束のうち固定スケ
ール２の透過部を通過した光束を可動スケール３に入射
させている。そして可動スケール３のＶ型溝31と平面光
透過部32を通過した光束を、第４図に示すように各々屈
折及び単に通過させて各々の受光素子4a,4b,4c面上に入
射させている。

尚、本実施例において受光素子4bは特に設けなくても受
光素子4a,4cからの出力信号を用いれば、可動スケール
の変位状態を求めることができるが受光素子4a,4cから
の出力信号の位相関係を理解しやすくする為に以下必要
に応じて説明している。

このとき本実施例では受光素子4a,4cからの出力信号に9
0度の位相差がつくように第３図に示すようにＶ型溝31
をピッチＰの1/2の幅で、かつ２つの傾斜面3a,3cの幅が
等しく各々P/4となるようにし、又、平面光透過部32を
ピッチＰの1/2の幅となるように設定している。

本実施例では可動スケール３に空間的に強度分布が一様
な平行光束を垂直に入射させ、入射光束を可動スケール
３の３つの領域3a,3b,3cで３方向に分割している。この
うち傾斜面3a,3cの傾きによって決定される方向に射出
した光束を各々受光素子4a,4cに入射させ、又、平面光
透過部3bに垂直入射した光束を受光素子4bに入射させて
いる。そして受光素子4a,4cからの所定の位相差を有し
た２つの出力信号を用いて可動スケール３の移動量及び
移動方向等の変位状態を検出している。

尚、受光素子4bからの出力信号を利用して発光素子１か
らの出力光を監視するようにしても良い。

次に本実施例において、可動スケール３と固定スケール
２との相対的位置の違いにより、発光素子１から射出し
た光束の各受光素子4a,4b,4cへの入射状態について第５
図〜第８図に代表的な４つの状態を例にとり説明する。

第５図は固定スケール２の光透過部2aが可動スケール３
の平面光透過部3bと重なった場合である。固定スケール
２の光透過部2aを通過した平行光束は全て可動スケール
３の平面光透過部3bを通過し受光素子4bに入射する。こ
のとき受光素子4a,4cには光束は入射しない。

第６図は固定スケール２の光透過部2aが可動スケール３
の平面光透過部3bの半分の領域と傾斜面3aに重なった場
合である。固定スケール２の光透過部2aを通過した光束
は、その1/2が平面光透過部3bに入射し、残りの1/2が傾
斜面3aに入射する。その結果、可動スケール３からの射
出光束は受光素子4a,4bに入射する。このとき受光素子4
cには光束は入射しない。

第７図は固定スケール２の光透過部2aが可動スケール３
のＶ型溝の両傾斜面3a,3cに重なった場合である。固定
スケール２の光透過部2aを通過した光束は、その1/2が
傾斜面3aに入射し、残りの1/2が傾斜面3cに入射し、こ
の結果、２つの受光素子4a,4cに各々等しく光束が入射
する。このとき受光素子4bには光束は入射しない。

第８図は固定スケール２の光透過部2aが可動スケール３
の平面光透過部3bの半分の領域と傾斜面3cに重なった場
合である。固定スケール２の光透過部2aを通過した光束
はその1/2が平面光透過部3bに入射し、残りの1/2が傾斜
面3cに入射し、この結果、受光素子4b,4cに光束が入射
する。このとき受光素子4aには光束は入射しない。

次に第５図〜第８図に示した固定スケール２と可動スケ
ール３との相対的位置を連続的に変化させたときの各受
光素子4a,4b,4cで受光される光量変化を第９図（Ａ），
（Ｂ）に示す。

同図（Ａ）は第５図〜第８図に相当する概略図、同図
（Ｂ）はそのときの各受光素子で受光される光量変化を
横軸を可動スケールの変化量をとり示している。9A,9C
は受光素子4a,4cで受光される光量の相対的変位を示し
ており、両方の位相関係は90度ずれたものとなってい
る。

第10図（Ａ）は本実施例において固定スケール２と可動
スケール３の相対的位置を連続的に変位させたときの各
受光素子からの出力信号Ｓを第９図（Ｂ）と同様に示し
たものである。

同図においては発光素子１からの出射光が平行光束であ
り、固定スケールの透過部からの出射光が回折されな
く、又、可動スケールの各入射面と射出面で光量損失が
ないものと仮定した場合の出力信号Ｓを示している。

又、第10図（Ｂ）は同図（Ａ）において前述の各仮定が
成り立たない実際に組立た場合の各受光素子4a,4b,4cか
らの出力信号の波形を示している。

第10図（Ａ），（Ｂ）に示すように、いずれの場合も受
光素子4a,4cからの出力信号は互いに90度の位相差を有
している。

本実施例における可動スケール３のＶ型溝の傾斜面3a,3
cは第３図に示す45度の傾斜角度に限定されるものでは
なく、傾斜面3a,3cに入射した光束が容易に２方向に分
離し、２つの受光素子に入射する角度であれば何度であ
っても良い。

但し、あまり傾斜角度θが小さいと光束の分離角度が小
さくなり受光素子を可動スケールから遠く離した位置に
配置しなければならなくなり、装置全体が大型してくる
ので良くない。又、傾斜角度θが大きすぎると傾斜面3
a,3cで屈折した光束が底面である面ｄにおいて全反射し
てくるので、全反射しない程度の角度に設定する必要が
ある。

この他、全反射しなくても傾斜角度が大きいと面ｄでの
光量損失が増加するので好ましくは傾斜角度θを 30＜θ＜60 の範囲内に設定するのが良い。

本実施例においては、第３図（Ｂ）に示すように可動ス
ケール３の光入射面を前述のピッチを有するＶ型溝31
（傾斜面3a,3cの幅を1/4P）と平面光透過部32（その幅
を1/2P）で構成し、２つの受光素子4a,4cからの出力信
号に90度の位相差を付与した場合を示したが、Ｖ型溝と
平面光透過部を１ピッチ内に任意の幅で設けることによ
り、０度から180度の範囲内で任意の位相差を付与する
ことができる。

第11図は（Ａ）はＶ型溝の幅を2/3P、平面光透過部の幅
を1/3Pとし、２つの受光素子からの出力信号に120度の
位相差を付与する場合の一実施例の概略図である。この
ときＶ型溝の２つの傾斜面の幅は1/3P、又、固定スケー
ルの光透過部と光遮光部の幅は各々1/2Pである。

第11図（Ｂ），（Ｃ）はこのとき得られる各受光素子か
らの出力信号を第10図（Ａ），（Ｂ）と同様に示したも
のであり、同図に示すように２つの受光素子からは互い
に120度の位相差を有した出力信号11A,11Cが得られる。

一般に第３図（Ｂ）に示す形状においてピッチＰにおけ
るＶ型溝の幅をａと平面光透過部の幅ｂに対する２つの
受光素子からの出力信号の位相差δとの関係は となる。

尚、このとき固定スケールの光透過部と光遮光部の幅は
いずれも各々1/2Pである。

以上の各実施例において可動スケールと固定スケールと
の配置を交換し、発光素子１側に可動スケールを配置
し、受光素子側に固定スケールを配置しても本発明の目
的を同様に達成することができる。

第12図は本発明をロータリーエンコーダに適用したとき
の一実施例の概略図、第13図は本発明をリニアエンコー
ダに適用したときの一実施例の概略図である。

第12図，第13図において１は発光素子、２は固定スケー
ル、３は可動スケールであり、例えば第３図（Ａ），
（Ｂ）に示す形成より構成されている。4a,4b,4cは各々
受光素子である。

可動スケール３は被測定物体に各々取り付けられてい
る。固定スケール２の透過部と可動スケール３のＶ型溝
を通過した光束を受光素子4a,4cで所定の位相差を付与
した状態で受光することにより、被測定物体の変位方向
及び変位量等を検出している。

（発明の効果） 本発明によれば１ピッチ内に所定形状のＶ型溝と平面光
透過部を形成した光学式スケールを用い、光学式スケー
ルを通過した光束を２つの受光素子に各々入射させるこ
とにより、任意の位相差を有した２つの出力信号を容易
に得ることが出来る光学式エンコーダを達成することが
できる。

特に従来の検出方法で問題となっていた光源の指向性、
固定スケールと可動スケールとのアジマス角のズレ、そ
して固定スケールと可動スケールとの空隙間の変動等に
よる位相差付与の誤差を改善した安定した出力信号が得
られる光学式エンコーダを達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学式エンコーダの概略斜視図、第２
図は第１図の一部分の光束の進行状態を示す概略図、第
３図（Ａ），（Ｂ）は第１図の可動スケールの説明図、
第４図は第１図の可動スケールを通過する光束の説明
図、第５図〜第８図は各々第１図の固定スケールと可動
スケールが特定位置にある場合、双方のスケールを通過
する光束の説明図、第９図（Ａ），（Ｂ）、第10図
（Ａ），（Ｂ）は各々第１図の固定スケールと可動スケ
ールとを連続的に変位させたときの説明図、第11図
（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本発明に係る可動スケールの
Ｖ型溝と平面光透過部の幅を変化させたときの一実施例
の説明図、第12図は本発明をロータリーエンコーダに適
用したときの一実施例の概略図、第13図は本発明をリニ
アエンコーダーに適用したときの一実施例の概略図であ
る。 図中、１は発光素子、２は固定スケール、３は可動スケ
ール、4a,4b,4cは受光素子、５は増幅器、６は波形整形
回路、７は方向判別カウンタ、31はＶ型溝、32は平面光
透過部である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源からの光束を格子上の光透過部を設け
   た第１スケールに入射させ、該光透過部からの光束を、
   被測定物の変位方向に対して垂直方向に設けたＶ型溝と
   平面光透過部とが該変位方向に対して水平方向に周期的
   に設けられた第２スケールを介して、該第２スケールの
   Ｖ型溝の各傾斜面に対して設けた２つの受光素子で受光
   する際、 該Ｖ型溝とその隣接するＶ型溝ピッチをＰとしたとき、
   該Ｖ型溝の傾斜面の幅をP/4とすることにより、前記２
   つの受光素子より90度の位相差を有する２相出力信号を
   出力させ、該２相出力信号より前記被測定物の変位方向
   及び変位量を検出することを特徴とする光学式エンコー
   ダ。