JP2003028671A - 光学式エンコーダ - Google Patents

光学式エンコーダ

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JP2003028671A
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耕一 杉本
Masahiko Sakamoto
雅彦 阪本
Takao Obara
隆雄 小原
Hajime Nakajima
一 仲嶋
Hirokazu Sakuma
浩和 佐久間
Takashi Okamuro
貴士 岡室
Yukio Aoki
幸男 青木
Toru Oka
徹 岡
Yoichi Omura
陽一 大村
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 コード板におけるコードパターン等の微細化
には限度があるため、高分解能化は困難であった。 【解決手段】 光源部と、受光部および、両者の光路間
に位置する可動のコード板4からなる光学式エンコーダ
において、コード板4の外側のトラックT2に、当該コ
ード板の絶対位置情報を知るための周知の絶対位置検出
用パターンを形成し、そして内側のトラックT1に、位
相型光回折格子を形成し、その位相型回折格子で回折し
た2つの回折光の干渉光に基づき、当該コード板の相対
位置情報を検出し、両情報の組み合わせから高分解能の
検出を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、モータ等の回転や
直線運動を行う物体の位置や速度を検出するために用い
る光学式エンコーダに関する。
【0002】
【従来の技術】図1に特開平11-287671号の「光学式エ
ンコーダ」における光学部を示し、光源部1と、受光部
2と、それらの光路間に設けた可動のコード板3から成
る。コード板3には、移動情報を検出するパターンとし
て、光路を遮るためにV字状の凹凸を設けた領域(全反
射領域)と、そうでない領域(光透過領域)がある。そし
て受光部2にある2つの受光素子21、22が、前記2
つの領域に対応して位置するとき、前記全反射領域に向
かった光束はそこで全反射するため受光素子21には入
光しないのに対し、前記光透過領域に向かった光束はそ
のまま透過して受光素子22に入光する。コード板3の
位置によって、2つの受光素子での受光パターンが変化
するため、その変化からコード板3の位置を知ることが
できる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高分解
能化するためには、コード板3に設ける各領域の幅や凹
凸によるコードパターンの間隔を小さく配置する必要が
あるが、製造上の問題により小さくできる限界がある。
したがって、高分解能化を行うには可動コード板の大型
化が必要であった。
【0004】本発明は、上述した課題を解決するために
なされたものであり、従来機構の光学式エンコーダを元
に分解能を飛躍的に向上させた光学式エンコーダを提供
することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の光学式エンコー
ダは、光源部、受光部および、両者の光路間に位置し、
光路を選択的に遮るための絶対位置検出用パターンを形
成した可動のコード板からなる光学式エンコーダにおい
て、前記コード板に、位相型光回折格子を別途形成する
と共に、その位相型回折格子で回折した2つの回折光の
干渉光を受光するようにし、絶対位置検出用パターンか
らわかる絶対位置情報と、干渉光からわかる相対位置情
報とを組み合わせて高分解能の位置情報を得ることを特
徴とする。
【0006】本発明のコード板は、光源部と受光部との
光路間に位置する可動のコード板であって、光路を選択
的に遮るための絶対位置検出用パターンとは別に、位相
型光回折格子を形成したことを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】実施形態1 図2は本発明の第1実施形態に係わる光学検出部の構成
図を示す。コード板4には、リング状の2つのトラック
T1、T2の領域がある。図3は、内側のトラックT1
における周回方向でのコード板4の断面を示し、一方の
面に“位相型回折格子”として矩形の凹凸を有する。図
4は、外側のトラックT2における周回方向でのコード
板4の断面を示し、絶対位置検出用パターンとして、一
方の面に光路を遮るためのV字状の凹凸による全反射領
域(領域1)とそうでない光透過領域(領域2)を交互に設
けている。光源部1はレーザやLEDなどの可干渉光源
とする。受光部5、6、7はPDなどの半導体受光素子
とする。
【0008】図3の凹凸は、コード板4の移動方向(図
2のようにロータリーエンコーダ用のコード板では周回
方向)に沿って、ピッチP、深さHの矩形断面形状を有
し、これらのサイズが微細な場合には周知のごとく位相
型回折格子を形成し、そのため、その凹凸部に波長λの
可干渉光を入射させると回折作用が生じて回折光が発生
する。回折光の方向はピッチPと波長λにより数式1で
算出できる。数式1においてm=1に該当する回折光
を、+1次回折光、m=−1に該当する回折光を、−1
次回折光と呼ぶ。
【0009】
【数1】θm= arcsin(m・λ/P) ただし、m=
0,±1,±2…
【0010】図3のコード板4が図中に示す方向に移動
すると、回折光の強度は一定で、位相が変化する。m次
回折光の位相変化Δφと移動量ΔLの関係は数式2で算
出できる。数式2より、コード板がピッチPに相当する
距離を移動したとき、+1次回折光の位相変化Δφ=2
π、同様に−1次回折光の位相変化Δφ=−2πとな
る。
【0011】
【数2】Δφ=2・m・π・ΔL/P
【0012】+1次回折光、−1次回折光を1つの受光
部で受光すると、両回折光の干渉光が受光部に入光する
ことになる。既述したようにコード板4を移動させたと
きに生じる回折光は個々に位相が変化するため、このと
きの受光部の出力特性は図5に示されるように、コード
板4の1ピッチ分の移動量Pに対して、受光部から2周
期の正弦波出力として得られる。
【0013】本発明は、図6に示す干渉領域Sに受光部
5を配置することで、+1次回折光、−1次回折光によ
る干渉光を得るようにしている。
【0014】格子断面形状を適性にすることで、0次回
折光を、入射光の5%以下に小さくすれば信号のS/N
比を上げることができる。0次回折光の強度は数式3に
て算出できる。
【0015】
【数3】η0=1−4・d(1−d)sin^2(π
(n−1)・H/λ) λ:波長、n:コード板材料の屈折率、d:格子の幅デ
ューティ
【0016】例えば、λ=0.78μm、n=1.53
の場合、d=0.5とすると0.64μm<H<0.8
4μmであれば、η0<0.05と入射光強度の5%よ
り小さくできる。
【0017】図2に示したコード板4のトラックT1に
図3の凹凸による光回折領域を形成するには、放射方向
に延在する凹面、凸面を交互にN回繰り返し配置する。
これにより、コード4板が一回転することで2×N周期
の正弦波出力が得られる。移動方向の情報を得るため
に、同一周期で異る位相Δφの正弦波出力が必要な時
は、コード板の移動方向に対し、数式4に示す位置に受
光部6を設ける。
【0018】
【数4】受光部配置位置(受光部5との距離)=P/2・
(X+Δφ/2π) (Xは整数)
【0019】本発明では更に、図5の受光出力に対しπ
/2位相のずれた正弦波を得るため、コード板4の移動
方向に対してP/2・(X+1/4)ずれた位置に受光
部6を配置した光学系を構成する。受光部5を基準とす
ると、受光部6からの出力はコード板の移動方向により
異った位相を持った出力が得られる。
【0020】次に、図4のコード板4について説明す
る。領域1には面2側にV字形状の凹凸を1組以上形成
しており、その凹凸を形成する傾斜面1、傾斜面2は、
それぞれ全反射面として機能する角度に傾斜させてい
る。
【0021】これにより、光源部1からの光束をコード
板4の面1に入射したとき、その入射した光束は傾斜面
1で全反射して他方の傾斜面2に導かれ、ここでも全反
射することにより、光束は、光源1の方に向かい、受光
部へは進まない。一方、領域2に入射した光束は、コー
ド板内部を透過して、受光部に到達する。このように、
可干渉光源部と受光部の光路内に配置した領域1、領域
2を有するコード板の位置により、受光部に光束が到達
しない状態と、到達する状態が得られる。
【0022】図2のコード板4のトラックT2に図4の
V字状の凹凸を形成するときは、図7の斜視図に示すよ
うにそれらの凹凸は放射方向に延在するようにして配置
する。または、図8に示すように、それらの凹凸は異る
半径方向に延在させてもよい。いずれの場合も受光部7
はコード板を透過した光束が照射される位置に設置す
る。
【0023】図4のV字状の凹凸を有するコード板で構
成した光学系により、1回転中の絶対位置の情報を知る
ことができる。一方、図3の矩形の凹凸を有するコード
板で構成した光学系は光干渉を利用するので絶対位置は
得られないが(1ピッチ分移動する毎に2周期分の正弦
波が繰返し出力)、1ピッチ分以内の移動量に対し高分
解能の相対移動情報を得ることができる。従って両者の
情報を組み合わせることにより、高分解能絶対値エンコ
ーダを得ることができる。
【0024】実施形態2 上記トラックT2に形成した図4のV字状凹凸による領
域1は全反射領域としたものであったが、図9に示す第
2の実施形態では、凹凸を形成する傾斜面1、2を、屈
折面として機能する角度に傾斜させることで、領域1を
屈折領域としている。領域2およびトラックT1に形成
した図3の矩形の凹凸は前実施形態のものと同じであ
る。
【0025】光源部1からの光束をコード板4’の面1
から入射させ、V字形状の傾斜面1に導かれた光束は、
この傾斜面1で図中右側に屈折しながらもコード板4を
透過する。又、傾斜面2に導かれた光束も図中左側に屈
折しながらもコード板4を透過する。このように光束は
左右に光路を変更するため、光源部1の直下に位置する
受光部(不図示)には入光せず、一方、コード板4’の移
動により、入射した光束が領域2に導かれたときは、そ
のまま透過して受光部に入光する。このようにコード板
4’の位置により、図4のものと同様に受光部出力が変
化する。
【0026】実施形態3 上記の2つの実施形態で示したコード板4、4’はロー
タリーエンコーダに用いるためディスク状のものであっ
たが、図10に示したリニアエンコード用コード板10
は、直線状の2つのトラックT11、T12を持ち、ト
ラックT11には、図3に図示の矩形状の凹凸を形成
し、トラックT12には、図4もしくは図9に図示のV
字状の凹凸を形成した領域1とそうでない領域2とを交
互に配列している。
【0027】実施形態4 トラックT1に本発明に係わる矩形の凹凸(光回折格子)
を形成したコード板4を得るには、透明プラスチックの
成型により行えるが、その際、トラックT2に対しても
同時に絶対位置検出用パターンを形成できれば、低コス
トかつ低慣性となるため都合が良い。そのため上記実施
形態ではトラックT2にV字状の凹凸を形成したが、絶
対位置検出用パターンはこれに限定されることはなく周
知のものを採用できる。
【0028】即ち、図11に示すように、トラックT2
部を不透光性とし、そこに放射状に多数のスリットXを
形成するか、あるいは図11のようなパターンを不透光
性のフィルムで作り、それをトラックT2に貼り付けて
もよい。
【0029】実施形態5 以上の説明からわかるように、本発明はコード板に特徴
を持つものであるため、請求項9にてコード板を請求し
ている。
【0030】実施形態6 実施形態1〜5で説明した絶対位置検出用トラック及び
受光部はそれぞれ1個で構成されているが、検出用トラ
ック及び受光部をそれぞれ複数個用いて構成してもよ
い。高分解能検出についてもトラック1個、受光素子2
個で構成しているが、トラックを複数、受光部を異なる
数としてもよい。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、コード
パターンを有する従来のコード板に対し、位相型光回折
格子を形成し、その位相型回折格子で得られる回折光の
干渉光に基づき、当該コード板の相対位置情報を検出
し、その相対位置情報と、絶対位置検出用パターンで検
出できる絶対位置情報とを組み合わせることにより、大
型化させることなく、従来の光学式エンコーダに比べ分
解能を飛躍的に向上させた光学式エンコーダを提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の光学式エンコーダにおける光学部を示
した図
【図2】 本発明に係わる光学式エンコーダにおける光
学部を示した図
【図3】 図2のコード板に形成される矩形の凹凸形状
部を示した図
【図4】 図2のコード板に形成されるV字状の凹凸形
状部を示した図
【図5】 図2の受光部で検出した干渉光に対する受光
部出力のグラフ
【図6】 図3のコード板で生じる回折光を示した図
【図7】 図4のV字状の凹凸形状部の形成法を示した
斜視図
【図8】 図4のV字状の凹凸形状部の別の形成法を示
した斜視図
【図9】 図4のV字状の凹凸形状部の別の形態を示し
た図
【図10】 リニアエンコーダ用として形成した本発明
のコード板の平面図
【図11】 図4のV字状の凹凸形状部に替わる別の形
態を示した図
【符号の説明】
1 光源部、4 コード板、5、6、7 受光部、10
リニアエンコード用コード板、T1、T2、T11、
T12 トラック、X スリット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小原 隆雄 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 仲嶋 一 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 佐久間 浩和 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 岡室 貴士 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 青木 幸男 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 岡 徹 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 大村 陽一 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 Fターム(参考) 2F103 BA37 CA01 CA02 CA04 CA08 DA01 DA05 DA11 DA12 DA13 EA05 EA12 EA15 EB02 EB06 EB08 EB12 EB16 EB33 EC04

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源部、受光部および、両者の光路間に
    位置し、光路を選択的に遮るための絶対位置検出用パタ
    ーンを形成した可動のコード板からなる光学式エンコー
    ダにおいて、 前記コード板に、位相型光回折格子を別途形成すると共
    に、その位相型回折格子で回折した2つの回折光の干渉
    光を受光するようにし、絶対位置検出用パターンからわ
    かる絶対位置情報と、干渉光からわかる相対位置情報と
    を組み合わせて高分解能の位置情報を得ることを特徴と
    する光学式エンコーダ。
  2. 【請求項2】 上記位相型回折格子は、コード板の移動
    方向に凹凸による矩形断面形状を連続して形成したもの
    である請求項1記載の光学式エンコーダ。
  3. 【請求項3】 上記2つの回折光は、+1次回折光と、
    −1次回折光である請求項1記載の光学式エンコーダ。
  4. 【請求項4】 0次回折光を入射光の5%未満となるよ
    う、上記矩形断面形状を選定する請求項1〜3のいずれ
    かに記載の光学式エンコーダ。
  5. 【請求項5】 上記絶対位置検出用パターンは、コード
    板の少なくとも一方の面に全反射させるV字状の凹凸を
    形成したものである請求項1〜4のいずれかに記載の光
    学式エンコーダ。
  6. 【請求項6】 上記絶対位置検出用パターンは、コード
    板の少なくとも一方の面に屈折させるV字状の凹凸を形
    成したものである請求項1〜4のいずれかに記載の光学
    式エンコーダ。
  7. 【請求項7】 上記絶対位置検出用パターンは、不透光
    性のコード板に対し、複数のスリットを形成したもので
    ある請求項1〜4のいずれかに記載の光学式エンコー
    ダ。
  8. 【請求項8】 リニアエンコーダにあっては、上記絶対
    位置検出用パターンおよび位相型回折格子は、直線状の
    2つのトラックに沿って形成される請求項1〜7のいず
    れかに記載の光学式エンコーダ。
  9. 【請求項9】 光源部と受光部との光路間に位置する可
    動のコード板であって、光路を選択的に遮るための絶対
    位置検出用パターンとは別に、位相型光回折格子を形成
    したことを特徴とするコード板。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2018100958A (ja) * 2016-12-20 2018-06-28 ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツングDr. Johannes Heidenhain Gesellschaft Mit Beschrankter Haftung 光学式エンコーダ

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JP2018100958A (ja) * 2016-12-20 2018-06-28 ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツングDr. Johannes Heidenhain Gesellschaft Mit Beschrankter Haftung 光学式エンコーダ
KR20180071934A (ko) * 2016-12-20 2018-06-28 덕터 요한네스 하이덴하인 게엠베하 광학적 위치 측정 장치
KR102425154B1 (ko) 2016-12-20 2022-07-26 덕터 요한네스 하이덴하인 게엠베하 광학적 위치 측정 장치

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