JPH04351918A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動体の位置を検出す
るエンコーダに関する。本発明は例えばサーボモータ等
の回転数、回転方向、絶対回転位置を検出するロータリ
ーエンコーダなどに応用される。

【０００２】

【従来の技術】回転円盤表面に径方向に伸びるスリット
を互いに一定間隔を隔てて複数個設けて透過型の非回折
格子を形成し、これらスリットを透過する光を検出する
透過型のロータリーエンコーダ、及び、回転円盤表面に
径方向に伸びる反射帯を互いに一定間隔を隔てて複数個
設けて反射型の非回折格子を形成し、この反射帯で反射
される光を検出する反射型のロータリーエンコーダが知
られている。

【０００３】また、ミクロンオーダーの変位量を計測す
るために、互いに相対移動する透過型の非回折格子を有
するいわゆるモワレスケールが用いられている。このモ
ワレスケールでは、上記非回折格子のピッチを周期とす
る正弦波光が得られる。特開平１−１７６９１４号公報
の干渉式エンコーダは、一定ピッチの回折格子に平行光
を入射し、回折格子からでた０次光と正の一次光とが干
渉する領域、又は、０次光と負の一次光とが干渉する領
域に、前記回折格子と等ピッチでインデックススケール
を設け、０次光と正の一次光との干渉光、又は、０次光
と負の一次光との干渉光とに基づいて、回折格子の空間
位置変化を検出することを開示している。

【０００４】特開昭６０−１９０８１２の位置検出器は
、回折格子に入射して得られた１対の同一次数の回折光
だけを干渉させて回折格子の空間位置変化を検出するこ
とを開示している。すなわち、上記した各エンコーダで
は、移動する透過型又は反射型の格子に平行光を入射し
てこの平行光を空間変調し、そして、この空間変調光を
所定パタンの静止スリットに透過させ、透過光量の時間
変化により上記格子の位置又は速度を検出している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
従来のエンコーダでは、望まない回折光の影響を排除す
るために移動格子と静止スリットとを密接化する必要が
あるがそれには作製上、一定の限界があること、移動格
子のピッチを微細化した場合にそれと等ピッチの静止ス
リットのピッチも縮小するためにその作製及び取り付け
が困難となることなどの問題があり、分解能の向上が容
易ではなかった。

【０００６】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、分解能向上が可能な光学式のエンコーダを提供す
ることを、その目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、入射光を反射
する所定形状のパタンを有し一方向に移動するパタン板
と、前記パタンから所定距離離れて配設され前記パタン
へ光を放射する光電と、該光源から前記パタン板に到る
光路中に配設され前記パタンに平行光を入射するレンズ
系と、前記光源から前記レンズ系に到る前記光路中に配
設され前記パタンからの反射光を分路するビームスプリ
ッタと、前記レンズ系の拡像領域において前記ビームス
プリッタから出た反射光像のピッチと等ピッチのスリッ
トを有し前記収束レンズから光軸に沿って所定距離離れ
て配設されるスリット板と、前記スリット板を透過する
透過光を光電変換する光電変換素子とを備えることを特
徴としている。

【０００８】好適な一態様としてのロータリーエンコー
ダは、径方向に伸びる反射型の回折格子パタンが円周方
向に所定間隔で形成され回転軸に配設される前記パタン
板を備えている。好適な一態様としてのロータリーエン
コーダは、前記レンズの焦点位置近傍に配設されるとと
もに、前記反射型の回折格子パタンから反射した前記回
折光の所定次数成分の干渉光を抽出する回折光選択板を
備えている。

【０００９】光源は、例えばレーザー装置からなる。ビ
ームスプリッタとしては、ハーフミラーや三角プリズム
を用いることができる。

【００１０】

【作用及び発明の効果】光源から出た光はビームスプリ
ッタを経由してレンズ系により平行化されてパタン板に
入射し、パタン板のパタンから反射した反射光はレンズ
系で絞られた後、ビームスプリッタで分路されてレンズ
系の拡像領域でスリット板に入射する。スリット板は入
射光像と等しいピッチのスリットを有し、このスリット
を透過した光が光電変換素子に入力し、その結果、パタ
ン板の一方向への移動によりスリット板を透過する光の
強度は時間変調される。そして、インクリメンタルタイ
プでは、その変調周波数から速度が、その変調量からピ
ッチ内の相対位置が決定される。また、アブソリュート
タイプでは、１本乃至複数本の上記時間変調光がもつ情
報により絶対位置や速度が決定される。

【００１１】以上説明したように、本発明のエンコーダ
では、移動するパタン板から出た光を収束レンズにより
拡像してスリット板に投射しているので、スリット板を
大型化でき、それによりスリット板の作製精度がばらつ
きにより低下するエンコーダの分解能低下を防止するこ
とができる。また、スリット板のスリットによる再回折
を軽減し、スリット板の作製、取り付け精度を緩和する
こともできる。

【００１２】更に、回転円板２を透過する透過型のエン
コーダに比較してコリメートレンズと収束レンズとを共
用でき、光路を重複できるので、小型軽量化が実現でき
、レンズ系の削減により光学的な位置合わせが容易とな
る。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）本発明の一実施例を図１に示す。この装置
は、再回折型のロータリーエンコーダであって、回転軸
３の一端はケーシング１に挿入され、軸受９により回転
自在に支持されている。ケーシング１内において回転軸
３の一端にはその軸心と直角に回転円板２が固定されて
いる。

【００１４】回転円板２には、図４に示すように、幅１
〜２０μｍの、長さ１〜１０００μｍの反射帯２０が回
転円板２の全周にわたってピッチ２〜４０μｍで放射状
にフォトエッチングにより形成されている。反射帯２０
はミラーであって、回転円板２の他の部分は黒色に形成
されている。具体的に説明すると、円板形状のガラス板
の裏面に真空蒸着されたアルミニウム膜を反射帯２０の
領域でフォトエッチングして反射帯２０を形成し、その
上に黒色層を全面塗布して形成されている。

【００１５】ケーシング１には更に、検出光学系Ａ、光
源駆動回路１１、光検出センサ用回路１２が収容されて
いる。検出光学系Ａは、ケース５と、このケース５に収
容されたレーザーダイオード４、ハーフミラー１４、収
束レンズ６、マスク７、スリット板１３、ＰＩＮ型のホ
トダイオード８からなる。ここで、回転円板２は本発明
でいうパタン板を構成し、その反射帯２０は本発明でい
うパタンを構成し、レーザーダイオード４は本発明でい
う光源を構成し、ホトダイオード８は本発明でいう光電
変換素子を構成し、マスク７は本発明でいう回折光選択
板を構成し、収束レンズ６は本発明でいうレンズ系を構
成し、ハーフミラー１４は本発明でいうビームスプリッ
タを構成している。検出光学系Ａの他の構成上の特徴に
ついては、以下の作動説明とともに説明する。

【００１６】光電駆動回路１１はレーザーダイオード４
を駆動させるための回路であり、レーザーダイオード４
に一定電流を供給する定電流回路を含む。光検出センサ
用回路１２はホトダイオード８の出力電圧を増幅、処理
して回転軸３の回転数を検出する回路からなる。マスク
７を図３に示す。マスク７にはピッチｄで２条の光透過
可能なスリット７０が形成されており、具体的にはガラ
ス板表面にスリット７０の領域を残して黒色層を形成し
たものである。スリット７０の中間線は回転軸３の放射
方向に配設されている。

【００１７】スリット板１３はこの実施例では回転円板
２の反射帯２０から出た回折光が収束レンズ６により結
像する位置に設けられている。スリット板１３には上記
回折光がマスク７により再回折された像が入射されるの
で、スリット板１３のスリットはこの再回折像と等ピッ
チかつ同位置に形成されている。スリット板１３の一部
を図５に示す。

【００１８】上記装置の作動を図２の要部拡大図を参照
して以下に説明する。レーザーダイオード４から出力さ
れた一定強度のレーザ光はハーフミラー１４を透過して
収束レンズ６により平行光線とされ回転円板２に入射し
、反射帯２０により回折、反射される。この回転円板２
から反射する光は０次透過光と±ｎ次の回折光（ｎ＝１
、２、３、…）１６とからなり、これらの光成分は収束
レンズ６により集光され、ハーフミラー１４で反射し、
その結果、レンズ６の焦点位置に回折像が形成される。

【００１９】この実施例では、レンズ６の焦点位置にマ
スク７が設けられており、このマスク７には、図３に示
すように、上記回折像の±１次波成分Ｉ１　、Ｉ−１の
結像位置にスリット７０、７０が設けられている。した
がって、このマスク７からは上記±１次波成分Ｉ１　、
Ｉ−１の再回折像１５すなわち干渉像が拡像されつつ、
スリット板１３上に入射する。

【００２０】この場合、回転円板２上の反射帯２０の間
隔が上記±１次波成分Ｉ１　、Ｉ−１の再回折像１５の
明暗の縞（エネルギー分布）として観測され（図６の実
線部）、見かけ上、回転円板のビット情報の２倍のビッ
ト情報が得られる（図６参照）。当然、この縞が形成さ
れるスリット板１３にはこの縞位置（明位置）にスリッ
トが形成され、スリット板１３のスリットを透過した光
がホトダイオード８に入射し、ホトダイオード８はそれ
に応じた信号電流を出力する。

【００２１】ここで、上記した倍ピッチが得られる原理
を以下に解析する。図９は、マスク７とスリット板１３
との間の各光路長関係を示す図である。Ｑはマスク７の
位置であり、それから光軸に沿って距離Ｌだけ離れたＰ
の位置にスリット板１３があるものとする。Ｑ１　はマ
スク７の＋１次波成分Ｉ１　が放射されるスリット７０
であり、Ｑ０　はマスク７の０次（基本）波成分Ｉ０　
が放射される仮想点であり、スリット７０であり、Ｑ−
１はマスク７の−１次波成分Ｉ−１が放射されるスリッ
ト７０であり、これら各点はここでは点光源と考える。 一方、Ｐ１　、Ｐ２　はスリット板１３上の光軸と直角
方向に隣接する２明点である。更に、Ｑ１　とＱ０　と
の間の光軸と直角方向における距離＝Ｑ１　とＱ０　と
の間の光軸と直角方向における距離はｄとし、Ｐ１　と
Ｐ２　との間の光軸と直角方向における距離はｘとする
。

【００２２】まず最初に、±１次波成分Ｉ１　と０次（
基本）波成分Ｉ０　との干渉縞について考えれば、　　
光路長差ΔＬ＝Ｑ１　Ｐ１　−Ｑ０　Ｐ２　＝（Ｌ２　
＋（ｘ＋ｄ／２）　１／２−（Ｌ２　＋（ｘ−ｄ／２）
２　）１／２　　　　　　　＝Ｌ（１＋（ｘ＋ｄ／２）
２　／Ｌ２　）　１／２−Ｌ（１＋ｄ／２）２　　　　
　　　　　／Ｌ２　）１／２　 これをテーラー展開すれば、 　　　　＝Ｌ｛（１＋（ｘ＋ｄ／２）２　／２Ｌ２　）
−（１＋（ｘ−ｄ／２）２　　　　　　　　　／２Ｌ２
　）｝ 　　　　＝Ｌ・２・（２・ｘ・ｄ／２）／（２・Ｌ２　
）　　　　＝ｘ・ｄ／Ｌ となる。ここで、明点はΔＬ＝ｎλ（λは正又は負の整
数）の位置に生じるので、結局、スリット板１３上の隣
接明点間のピッチｘは、 　　　　　　ｘ＝ｎ・λ・Ｌ／ｄ　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（ａ）となる。

【００２３】次に、＋１次波成分Ｉ１　と−１次波成分
Ｉ−１との干渉を考える。ここで、Ｑ１　とＱ−１との
間の距離は２ｄとなるので（ａ）の距離ｄを２ｄとすれ
ば、＋１次波成分Ｉ１　と−１次波成分Ｉ−１との干渉
によるスリット板１３上の 隣接明点間のピッチｘ’は、ｘ’＝ｎ・λ・Ｌ／２・ｄ
　　　　　　　　　　（ｂ）となる。

【００２４】以上の式（ａ）、（ｂ）から＋１次波成分
Ｉ１　と−１次波成分Ｉ−１との干渉縞のピッチｘ’は
、＋１次波成分Ｉ１　と０次（基本）波成分Ｉ０　との
干渉縞のピッチｘの半分の距離となり、その結果、２倍
の干渉縞が得られることがわかる。そして、回転円板２
の移動により回転円板２のスリット位置が移動し、それ
により±１次波成分Ｉ１　、Ｉ−１による干渉縞の位置
がスリット板１３とずれ、スリット板１３から出る干渉
像の強度が低下するので、ホトダイオード８の電流変化
を検出すれば回転速度が検出される。当然、互いに回転
円板２にスリットのピッチが９０度異なるスリット群を
回転円板２に一対設け、それらを別々に検出することに
より、回転方向も検出することができる。

【００２５】すなわちこの実施例のロータリーエンコー
ダでは、回転円板２から反射する回折光を収束レンズ６
により拡像してスリット板１３上にけせしているので、
スリット板１３の作製が容易となり、かつ、スリット板
１３による再再回折の影響も軽減することができる。ま
たこの実施例では、収束レンズ６の焦点近傍にマスク７
を設けて±１次波成分Ｉ１　、Ｉ−１の干渉縞を抽出し
ているので、回転円板２の１反射帯２０あたり２本の明
暗縞が得られるので、回転円板２にＮ本の反射帯２０を
設けた場合、回転円板２の一回転当たり２Ｎビットの情
報が得られ、分解能を倍増することができる。

【００２６】更にこの実施例では、通常のロータリーエ
ンコーダと異なって光の干渉性を利用して検出している
ので、回折限界を越えて回転円板２に反射帯２０を形成
することができ、一層の高分解能を得ることができる。 なお、スリット板１３に入射する再回折像１５の拡像率
はスリット板１３の位置などを調節し任意に決定するこ
とができる。

【００２７】また、高次の回折光が通過するようにマス
ク７を設置すれば、さらなる高分解能化が図れる。 （変形態様１）上記実施例では、一定ピッチで反射帯２
０が回転円板２に形成されたインクリメンタル形式のロ
ータリーエンコーダについて説明したが、回転円板２を
交換して、回転円板２の反射帯２０の位置に特別の位置
情報を持たせたり、又は反射帯２０の配列によりデジタ
ルビッド情報を表示したりして絶対回転角度位置を検出
するアブソリュートタイプのロータリーエンコーダとし
てもよい。ただこの場合でも、収束レンズ６の採用によ
り検出面に拡大像が得られるが、マスク７を用いて分解
能を上げることはできない。 （変形態様２）上記説明したインクリメンタル形式のロ
ータリーエンコーダの実施例において、図８に示すよう
にマスク７を省略することもできる。

【００２８】この態様では、ビームスプリッタ１４ａを
用い、更に、ビームスプリッタ１４ａの一面にスリット
板１３を貼り、スリット板１３にホトダイオード８を接
触させている。マスク７は省略されている。更に、平行
光が回転円板２に入射するように補正レン６０が追加さ
れている。この場合には、回転円板２の反射帯２０から
反射した０次透過光及び±ｎ次の回折光（ｎ＝１、２、
３、…）がスリット板１３上に回折像として形成される
。したがって、分解能の倍増はできないが、拡像により
縞ピッチを拡大でき、更に回転円板２とスリット板１３
とを近接させる必要がないので、スリット板１３の作製
や配置が簡単となる。 （変形態様３）上記説明したインクリメンタル形式又は
アブソリュートタイプのロータリーエンコーダにおいて
、回転円板２の反射帯２０を大型化（例えば回折限界８
μｍ以上）して、非回折型のロータリーエンコーダとす
ることもできる。

【００２９】この変形態様では回転円板２の各反射帯２
０からの反射光の干渉を利用せず、各反射光の０次透過
光を使用するが、この場合でも回転円板２から出た反射
光像を収束レンズ６で拡像してスリット板１３上に結像
することができ、更に回転円板２とスリット板１３とを
近接させる必要がないので、スリット板１３の作製、配
置が容易となる。 （変形態様４）他の変形態様を図７に示す。

【００３０】この態様では、ハーフミラー１４の代わり
にプリズムからなるビームスプリッタ１４ａを用い、更
に、ビームスプリッタ１４ａの一面にマスク７を貼り合
わせたものである。なお、マスク７は収束レンズ６の焦
点位置に配置され、更に回転円板２に平行光が入射する
ように補正レンズ６０が追加されている。このようにす
れば、装置構成がより簡単となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面図、

【図２】図１
の作用を示す光路図、

【図３】マスクを示す正面図、

【図４】回転円板の一部を示す正面図、

【図５】スリッ
ト板の一部を示す正面図、

【図６】再回折状態を説明す
る説明図、

【図７】他の態様を示す断面図、

【図８】他の構成を示す断面図、

【図９】実施例１の倍ピッチ原理を示す光路長図、

【符号の説明】

２は回転円板（パタン板） ４はレーザーダイオード（光源） ６は収束レンズ ７はマスク（回折光選択板） ８はホトダイオード（光電変換素子） １３はスリット板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入射光を反射する所定形状のパタンを有し
   一方向に移動するパタン板と、前記パタンから所定距離
   離れて配設され前記パタンへ光を放射する光源と、該光
   源から前記パタン板に到る光路中に配設され前記パタン
   に平行光を入射するレンズ系と、前記光源から前記レン
   ズ系に到る前記光路中に配設され前記パタンからの反射
   光を分路するビームスプリッタと、前記レンズ系の拡像
   領域において前記ビームスプリッタから出た反射光像の
   ピッチと等ピッチのスリットを有し前記収束レンズから
   光軸に沿って所定距離離れて配設されるスリット板と、
   前記スリット板を透過する透過光を光電変換する光電変
   換素子とを備えることを特徴とするエンコーダ。
2. 【請求項２】放射方向に伸びる回折格子パタンが周方向
   に所定間隔で形成され回転軸に配設される前記パタン板
   を備えるロータリーエンコーダからなる請求項１記載の
   エンコーダ。
3. 【請求項３】前記収束レンズの焦点位置近傍に配設され
   るとともに、前記回折格子パタンから出た前記回折光の
   所定次数成分の干渉光を抽出する干渉板を備えるロータ
   リーエンコーダからなる請求項２記載のエンコーダ。