JPH01202621A - 光エンコーダ - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は光エンコーダに関し、詳細には、多数の波長を
含む光を用いて微小な位置変化を検出する光エンコーダ
に関する。

（従来の技術） 一般に、メカトロニクスを応用したロボットや工作機等
では動体の位置を検出するセンサ（以下、位置センサと
いう）が用いられており、分解能を高めて精度良く位置
を検出することが求められている。位置センサには様々
な種類のものがあるが、電気的なノイズ信号による誤動
作を回避する必要性から光信号によって物体の位置に応
じた光信号を所定の符号、例えば、バイナリコード等に
変換して出力する、いわゆる光エンコーダが用いられる
傾向にある。

このような従来の光エンコーダとしては、例えば第６図
に示すようなものがある。

同図において、１は光エンコーダであり、光源２を構成
する複数の発光素子３は信号発生器４からの電気信号に
従って時分割で発光する。光源２からのタイミングの異
なる複数の光は光フアイバ群５により導かれ、投光側ヘ
ッドプレート６を介してエンコーダプレート７に投光さ
れる。エンコ−ダブレート７には投光された複数の光の
うち所定の光のみを通過させる、いわゆるグレーコード
が形成されており、エンコーダプレート７が図中矢印Ｘ
あるいはＸ′力方向移動すると、グレーコードに応じた
所定の光のみが受光側ヘッドプレート８を介して光フア
イバ群９により光結合器１０に導かれる。光結合器１０
は複数の光を混合して単一の光とするものであり、光結
合器１０を経た光は光電変換素子１１に導かれてグレー
コードに対応したシリアルなパルス信号に変換される。

光電変換素子１１の出力は復調器１２に入力されており
、復調器１２に入力されたパルス信号はパラレルなパル
ス信号、すなわち、エンコーダプレート７の位置に応じ
たグレーコードと一致するパラレルなディジタル信号Ｄ
ｏｕ　ｔを出力する。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来の光エンコーダにあって
は、位置の検出を高い分解能で行う場合には発光素子３
の数を増加させる必要があり、コストアップを招来する
。また、精度を確保する場合には投光側ヘッドプレート
６、エンコーダプレート７および受光側ヘッドプレート
８の相対的な位置関係を常に一定に保つ必要があるが、
特に、微少な位置変化を検出する場合には環境の温度変
化等に伴う熱変形により３者の相対的な位置を常に一定
に保つことは困難である。すなわち、熱変形により３者
の相対位置が変化しやす（、位置検出の精度を高めるこ
とが困難であるという問題があった。

この場合、相対的な位置の規制が必要な部材の数が多い
ほど同一の熱変形を受けた場合の検出精度の低下が著し
く、位置が規制される部材数は少ないことが望ましい。

（発明の目的） そこで本発明は、多数の異なる波長を含む光（多色光源
という）を分波して各波長に応じた同一平面上の異なる
方向に分波した光を分散させて出力する例えば、回折格
子等の光波長分波手段を設けるとともに、分波された光
が配列される方向に沿って物理量の変化に対応して移動
する波長選択手段としての光導波手段を設け、光導波手
段からの光を光電変換して所定の物理量の変化を検出す
ることにより、光源の数を増加させることなく、熱変形
による分波手段と導波手段の相対位置の変化を微少にし
て、低コストで検出精度の向上を図ることのできる光エ
ンコーダを提供することを目的としている。

（課題を解決するための手段） 本発明による光エンコーダは上記目的達成のため、単一
の混合波長光源、すなわち、多数の異なる波長を含む光
を発光する光源と、光源からの光を各波長毎に分波する
とともに、分波した光の波長に応じて該光を同一平面上
の異なる方向に分散させて出力する光波長分波手段と、
該光波長分波手段により分散された光の配列方向に対し
て相対的に移動して所定の波長の光を選択する光導波手
段を有し、該光導波手段からの光を電気信号に変換する
複数の光電変換素子を並列した光電素子アレイに受光さ
せるものである。

（作用） 本発明では、前記光電変換素子アレイが受光した特定の
波長から物理量の変化、すなわち、波長選択手段として
の前記光導波手段の移動位置を検出することにより、該
物理量の変化が検出される。

したがって、光源の数が増加することがなく、熱変形に
よる分波手段と導波手段の相対位置変化が微少となり、
低コストで検出精度の向上が図られる。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る光エンコーダの一実施例を示す図
である。

まず、構成を説明するが、最初に第２〜５図を参照して
本発明の基本原理を説明する。

白色光のような自然界に存在する光は多数の異なる波長
の光からなり、プリズム等で分光すると各波長毎の光が
放射状に分散することは良く知られている。この場合、
プリズムは異なる波長の光に対しては屈折率が異なって
いることから白色光のような多数の波長を含む光を各波
長毎に分けることができる。

一方、このような屈折率の違いによる分波の他に回折角
の違いによっても白色光を各波長毎に分波することがで
きる。

このような回折効果を発揮するものとしては回折格子が
あり、第２図に示すように、回折格子２１に第３図に示
すような波長λ１〜λ４の光を含む多層光を入光すると
多色光をなす各波長の光は回折格子２１を通過する際の
回折角が異なるため、前述のプリズムと同様に各波長毎
の光の進路が異なったものとなって各波長毎に分波され
る。例えば、波長λ１〜λ４の光に着目すると波長の長
い側の光はど太き（回折するので図示のように、波長λ
４〜λ１の順に回折する角度が大きくなる。このとき、
波長ハ〜λ４の光の進路に該当する位置に各光を導く導
波路２２〜２５を配設すると、各導波路２２〜２５には
それぞれ波長λ１〜λ４の光のみが入光して第４図に示
すように各波長毎の出力光λ１〜λ４が得られる。した
がって、波長λ１〜λｎの光に対する導波路を配設する
ことによって同様に個別波長の光を多数の出力光として
得ることができる。

このような多数の出力光を得る場合、具体的には第５図
に示すように白色光を発光するＬＥＤ２６からの光を同
図（ｂ）に示すように回折格子２１に入光させ、回折格
子２１と相対位置が固定されるとともに、分波された多
数の波長の光に対応する導波路からなる第１の導波路２
７に各波長毎の光を導く。

ここで、第１の導波路２７により寡かれる光の進行方向
と同一方向に光を導（第２の導波路２８を同図（ａ）に
示すように第１の導波路２７と対向させるとともに、第
２の導波路２８と相対位置が固定された第２の回折格子
２９を設ける。第２の導波路２８は物理量の変化に対応
して移動する波長選択として作用するものであり、同図
に示すように位置の検出を意図している被測定物の変位
に基づき連結アーム３０を介して図中矢印Ａ−Ａ　’方
向に直線移動し、第１の導波路２７の出力光のうち被測
定物の変位に応じた所定の波長を持つ出力光が第２の導
波路２８により第２の回折格子２９に入光するように構
成されている。この場合、第２の回折格子２９は入光し
た光の分波を目的とするものではなく、入光した光の波
長によって回折後の光の進路が異なることに着目してお
り、第２の回折格子２９に対向して配された一次元のフ
ォトダイオードアレイ３１の所定の位置に第２の回折格
子２９により回折された所定の波長の光が照射される。

すなわち、第２の回折格子２９とフォトダイオードアレ
イ３１は相対位置が固定されており、第２の回折格子２
９により回折された光はその波長に応じてフォトダイオ
ードアレイ３１のどの位置に照射されるかはあらかじめ
決まっている。したがって、第２の導波路２８により導
かれる光の波長が決まるとフォトダイオードアレイ３１
の光電変換出力もおのずと定まるので、被測定物の変位
に対応する所定の波長の光が第２の回折格子２９により
導かれるととによって被測定物の変位、すなわち位置を
検出することができる。

以下、上記基本原理に基づく一実施例について具体的に
説明する。

第１図において、４１は光エンコーダであり、基本原理
を示す第４図と同一の構成部材には同一符号を付し、そ
の説明を省略する。光エンコーダ４１は投光側ブロック
４２および受光側ブロック４３を存し、受光側ブロック
４３は可動ブロック４４と受光部４５を有する。投光側
ブロック４２および受光部４５は同一の基板４６の上に
固定されており、可動ブロック４４は連結アーム３０と
一体になって図中矢印Ｂ−Ｂ′方向に移動する。投光側
ブロック４２はＬＥＤ（光源）２６を有し、ＬＥＤ２６
は分波手段４７に多色光を投光する。分波手段４７は多
色光を波長λａ〜λｎの光に分波するとともに、各波長
毎の光を第１の導波路２７に投光する。第１の光導波路
２７は各波長の光に対応する導波路２７ａ〜２７ｎから
なり、第１の導波路２７は各波長毎の光を可動ブロック
４４側に投光する。波長選択手段としての可動ブロック
４４は第２の光導波路（導波手段）２８および回折格子
等の光偏向手段４８からなり、第２の先導波路２８は第
１の光導波路２７により投光される光のうち可動ブロッ
ク４４の位置に応じた所定の波長の光を光偏向手段４８
に導く。光偏向手段４８は第２の先導波路２８により導
かれた光の波長に応じて該光の進行する角度を変えると
ともに、可動ブロック４４と受光部４５の間に配設され
た光フアイバ群４９に該光を投光する。光フアイバ群４
９は光ファイバ５０ａ〜５０ｎからなり、各光ファイバ
５０ａ〜５０ｎは波長λａ〜λｎの光に対応して設けら
れる。光ファイバ５０は所定の波長の光を受光部４５に
導き、受光部４５は光フアイバ群４９により導かれた光
を専く第３の導波路５１とフォトダイオード５２ａ〜５
２ｎからなるフォトダイオードアレイ３１を有する。光
フアイバ群４９により導かれた光は光ファイバ５０を経
てフォトダイオードアレイ　（変換手段）３１に入光し
、フォトダイオードアレイ３１は入光された光を電気信
号に変換（光電変換）して信号Ｅａ−Ｅｎを出力する。

上記構成において、可動ブロック４４が連結アーム３０
を介して被測定物の変位すなわち、物理量の変化に応じ
て移動し、例えば、第１の先導波路２７ａと第２の先導
波路２８が対向する位置関係になったとすると、先導波
路２７ａにより導かれた波長λａの光が第２の先導波路
２８を介して光偏向手段４８に入光する。この場合、光
偏向手段４８を通過する光の進行方向はホログラム効果
により波長に個有のものとなるので、波長λａの光は光
ファイバ５０ａおよび第３の光導波路５１を介してフォ
トダイオードアレイ３１ａに入光する。したがって、信
号Ｅａがフォトダイオードアレイ３１から出力される。

また、可動ブロック４４の移動により第１の先導波路２
７ｘと第２の光導波路２８が対向した場合には光導波路
２７ｘにより導かれた波長λＸの光が第２の光４波路２
８を介して方向選択手段４８に入光する。

この場合、波長λＸの光の進行方向は光ファイバ５０ｘ
に対応しており、該光は光ファイバ５０ｘおよび第３の
導波路５１を経てフォトダイオード５２ｘに入光する。

したがって、信号Ｅｘがフォトダイオードアレイ３１か
ら出力される。

このように、被測定物の変位は波長λａ〜λｎの光に対
応するフォトダイオード５２ａ〜５２ｎの各出力Ｅ　ａ
　−Ｅ　ｎに対応しており、フォトダイオード５２ａ〜
５２ｎの出力から被測定物の変位が検出される。この場
合、ＬＥＤ２６からの多色光を分波手段４７により異な
る波長毎の光に分渡しており、多色光から分渡して得る
ことができる光は多数の波長に亘っていることから、単
一のＬＥＤ２６を用いることによっても多数の光を得る
ことができ、コストの低減を図ることができる。

また、相対位置を精度良く規制する必要のある部材は投
光側ブロック４２と可動ブロック４４の２つであること
から、熱変形の影響を微少なものとすることができ、位
置検出の精度を向上させることができる。

さらに、光の伝搬系路上で空間が介在する部分は第１の
先導波路２７と第２の光４波路２８の間のみであること
から、油、ごみ、はこり等により光が影響を受ける機会
が少なくなり、信顧性を向上させることができる。

（効果） 本発明によれば、多数の異なる波長を含む光を分渡し、
それぞれの異なる波長の光を位置測定の光源として利用
しているので、光源の数を増加させることなく複数の測
定用光ビーム、すなわち光束を得ることができるととも
に、熱変形による分波手段と導波手段の相対位置の変化
を微少にすることができ、低コストで検出精度の向上を
図った光エンコーダを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光エンコーダのその構成を示す図
、第２〜５図は本発明の基本原理を説明する図であり、
第２図はその多色光の分波原理を説明する図、第３図は
その多色光の波長に対する光強度を示すグラフ、第４図
はその出力光の波長を示すグラフ、第５図はその位置検
出の方法を説明する構成図、第６図は従来の光エンコー
ダを示すそのブロック構成図である。 ２６・・・・・・ＬＥＤ　（光源）、 ２８・・・・・・第２の先導波路（光導波手段）、３１
・・・・・・フォトダイオードアレイ　（変換手段）、
４７・・・・・・分波手段、 ４８・・・・・・光偏向手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 多数の異なる波長を含む光を発光する光源と、光源から
   の光を各波長毎に分波するとともに、分波した光の波長
   に応じて該光を同一平面上の異なる方向に分散させて出
   力する分波手段と、分波手段により分散された光の配列
   方向に対して相対的に移動して所定の波長の光を導く光
   導波手段と、先導選択手段からの光を該光の波長に応じ
   た方向に進行させる光偏向手段と、光偏向手段からの光
   の進行方向に対応して配列され、該光を電気信号に変換
   する複数の光電変換素子からなる変換手段と、を備えた
   ことを特徴とする光エンコーダ。