JP2000352526A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学スケールが汚れたり光源が劣化したりし
て光量が変動しても、幅や位相が変化しない常に安定し
たパルスを発生させる。 【解決手段】 光源２１から出射した光束は、レンズ２
２を通って回転する光学スケール２３の第１領域に入射
し、第１領域の平担部を通った光束は平行光となって凹
面ミラー２４で反射され、光学スケール２３の第２領域
において４方向に屈折され、レンズ２２により受光手段
２５の４個の受光素子を有する受光手段２５に分配され
て結像される。このようにして得た信号から位相が１８
０度の関係にある２つの出力信号の差を求めて基本アナ
ログ信号とし、この基本アナログ信号から０ボルトを比
較基準閾値として安定したパルス信号を発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高精度に移動情報
を検出する光学式エンコーダに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から知られている移動体の位置や速
度を検出する方法としては、大別すると磁気式エンコー
ダによる方法と光学式エンコーダによる方法がある。光
学式エンコーダは投光部と受光部とスケールから構成さ
れており、スケールには薄いＳＵＳ材が使用され、精密
プレス打抜き加工又はエッチング加工により製作される
のが一般的である。

【０００３】しかし近年では、透明な材質にＶ型断面を
有する溝を形成したスケールを用いた光学式エンコーダ
が、例えば特願平１１−２３３２４号公報などで提案さ
れており、プリンタや複写機などに使用されている。

【０００４】図９は第１の従来例の自己投射型光学式エ
ンコーダの光学系の斜視図、図１０は断面図を示す。例
えば、波長６３２．８ｎｍの可干渉性光束を発するＬＥ
Ｄや半導体レーザーなどの光源１と、球面レンズ又は非
球面レンズから成るレンズ系２とから構成される光照射
手段３、位相差検出機構及び振幅型の回折格子機構を有
する格子を形成した光学スケール４、この格子のフーリ
エ変換面に一致する曲面を有し、入射光束の中心部光束
の光軸Ｏに対して偏心差Δだけ偏心した光軸Ｏ１を有す
る凹面ミラー５、３個のフォトディテクタである受光素
子６ａ、６ｂ、６ｃから成る受光手段６が配列されてい
る。受光手段６の出力は、パルスカウント回路や回転方
向の判別回路を有する信号処理手段７に接続されてお
り、光照射手段３と受光手段６は筐体８内に固定保持さ
れている。

【０００５】光学スケール４は図示しない回転体の一部
に取り付けられており、回転体と一体的に回転軸Ｏ２を
中心に矢印Ｄ方向に回転している。光学スケール４の格
子は、図１１に示すようにＶ溝を構成する２つの傾斜面
Ｉ１、Ｉ２と１つの平坦部Ｆが、所定のピッチＰで交互
に配列されて形成されている。Ｖ溝の幅はＰ／２で、Ｖ
溝を形成する２つの傾斜面Ｉ１、Ｉ２はそれぞれＰ／４
の幅を有し、平坦部Ｆに対して、それぞれ臨界角以上の
例えば角度θ＝４５度で傾斜している。

【０００６】光照射手段３の１要素である光源１からの
光束は、レンズ系２により集光して光学スケール４に至
る。光学スケール４の第１領域４ａに入射した光束は、
格子により回折して、ｎ次の回折光（０次と±１次の回
折光）が凹面ミラー５の瞳位置又はその近傍に集光す
る。

【０００７】凹面ミラー５はこの集光した３つの回折光
を反射し、光学スケール４の面上の第２領域４ｂに、こ
れら３つの回折光に基づく干渉パターン像を結像する。
このとき、光学スケール４が回転方向Ｄに移動すると、
結像した像は回転方向Ｄと反対の方向に移動する。即
ち、格子と干渉パターン像は相対的に光学スケール４の
移動量の２倍の値で相対変位する。これによって、光学
スケール４に構成されている格子の２倍の分解能の回転
情報が得られる。

【０００８】光学スケール４の第２領域４ｂの近傍に形
成された干渉パターン像と、格子のＶ溝との位相関係に
基づく光束は第２領域４ｂで幾何学的に屈折され、第２
領域４ｂを射出した３つの光束は、それぞれ受光手段６
の３つの受光素子６ａ、６ｂ、６ｃで受光され、この受
光手段６からの信号が信号処理手段７によって処理され
て回転情報が得られる。

【０００９】図１１(a) は光学スケール４の第１領域４
ａの格子上に入射する収束光を示し、この内の格子の平
坦部Ｆに到達した光束は、平坦部Ｆを通過して凹面ミラ
ー５に進みその面上に結像する。また、Ｖ溝を構成する
傾斜面Ｉ１に到達した光束は、傾斜面Ｉ１の傾斜角が臨
界角以上に設定されているために全反射し、同様にＶ溝
を構成する他方の傾斜面Ｉ２に向けられ、傾斜面Ｉ２で
再び全反射する。

【００１０】このようにして、最終的に格子の傾斜面Ｉ
１に到達した光束は、光学スケール４の内部に進入する
ことなく入射方向に戻されることになる。同様に、他方
の傾斜面Ｉ２に到達した光束も全反射を繰り返して戻さ
れる。従って、第１領域４ａにおいて２つの傾斜面Ｉ
１、Ｉ２に到達する光束は、光学スケール４を透過する
ことなく反射され、平坦部Ｆに到達した光束のみが光学
スケール４内を進むことになる。

【００１１】第１領域４ａにおいて、Ｖ溝型の格子は透
過型の振幅回折格子と同様の光学的作用を有する。即
ち、光束は第１領域４ａの格子で回折され、格子の作用
によって０次、±１次、±２次、‥‥の回折光が発生し
て、凹面ミラー５の面上に集光する。集光した回折光は
凹面ミラー５により反射されて、光学スケール４の第２
領域４ｂに再結像し、光学スケール４面上に放射状の溝
の像を結像する。ここで、第１領域４ａと第２領域４ｂ
は光学スケール４面の放射状格子に対して、半径方向に
異なった（一部が重複していてもよい）領域であるため
に、第１領域４ａと第２領域４ｂの格子ピッチが異な
り、更に第２領域４ｂの照射領域においても、光学スケ
ール４の内周側と外周側でピッチが異なっている。

【００１２】従って、本従来例では第２領域４ｂに第１
領域４ａの格子を拡大投影し、光学スケール４の放射状
の格子と同じピッチの反転像を形成するようにしてい
る。このために、凹面ミラー５を所望の曲率半径Ｒに設
定して、入射光束の光軸Ｏに対して偏心配置すると共
に、拡大投影倍率が最適な値になるように、入射光軸Ｏ
に対する凹面ミラー５のずれ量Δを設定している。この
ようにして、第１領域４ａの格子像が凹面ミラー５によ
り第２領域４ｂの面上に結像する際に、放射状格子の一
部のピッチを一致させることによって、Ｓ／Ｎ比の良い
検出信号を得ている。

【００１３】第２領域４ｂにおいて平坦部Ｆに入射した
光束は、図１１(b) に示すように傾斜面Ｉ１、Ｉ２に対
して直線的に透過し、受光手段６の中央部の受光素子６
ｂに到着する。また、Ｖ溝面を形成する２つの傾斜面Ｉ
１、Ｉ２に到達した光束は、それぞれの面に４５度の入
射角を持って入射するために、それぞれ異なる方向に大
きく屈折して、受光手段６の両端の受光素子６ａ、６ｃ
に到達する。

【００１４】このように第２領域４ｂにおいて、入射光
束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面Ｉ１、Ｉ
２、及びＶ溝の間の平坦部Ｆの合計３種の傾き方向の異
なる面によって、光束は３つの方向に別れて進み、それ
ぞれの面に対応した位置に設けられた各受光素子６ａ、
６ｂ、６ｃに到達する。即ち、第２領域４ｂの格子と、
その面上に結像した干渉パターン像との位相関係に基づ
く光束が、３方向に偏向されて各受光素子６ａ、６ｂ、
６ｃに結像することになるので、第２領域４ｂにおいて
Ｖ溝の格子は光波波面分割素子として機能する。

【００１５】ここで、光学スケール４が回転すると、各
受光素子６ａ、６ｂ、６ｃで検出される光量が変化す
る。格子の位置と干渉パターン像の位置の相対的変位に
応じて、各受光素子６ａ、６ｂ、６ｃに入射する光量バ
ランスが変化し、その結果として光学スケール４が反時
計廻りに回転した場合には、図１２に示すような光学ス
ケール４の回転に伴う光量変化が得られる。

【００１６】図１２において、横軸は光学スケール４の
回転量、縦軸は受光光量であり、第２領域４ｂに形成さ
れる干渉パターン像のコントラストが非常に高く、理想
に近い場合の理論的な光量変化を示している。信号ａ、
ｂ、ｃはそれぞれ受光素子６ａ、６ｂ、６ｃの出力に対
応しており、逆に光学スケール４が時計廻りに回転した
場合には、信号ａは受光素子６ｂ、信号ｂは受光素子６
ａ、信号ｃは受光素子６ｃの出力となる。これらの信号
を基にパルス信号を発生し、光学スケール４の回転角度
や回転量又は回転速度や回転加速度等の回転情報を得
る。

【００１７】図１３の第２の従来例の斜視図を示し、Ｌ
ＥＤや半導体レーザーなどの光源１１、光源１１からの
発散光を平行光とする球面レンズ又は非球面レンズから
成るレンズ系１２、振幅型の格子機能を有し回転駆動す
るスケール１３、この光学スケール１３と同じピッチの
２つの格子部１４ａ、１４ｂから成る固定スケール１
４、１／４ピッチだけ位相がずれて設置された２つの受
光素子１５ａ、１５ｂを有する受光手段１５が配列され
ている。

【００１８】光学スケール１３の基板は透光性の光学材
料から成り、この透明基板の表面上には、一定周期で放
射状に複数の不透明部が形成された格子部１３ａが設け
られている。なお、逆に不透明材料の基板に一定周期の
複数の放射状長孔を有する格子部を設けてもよい。光学
スケール１３は図示しない回転体の一部に取り付けられ
て、この回転体と一体的に回転軸Ｏ３を中心に矢印Ｄ方
向に回転するようにされている。

【００１９】光源１１から出射した光束はレンズ系１２
により平行光となり、光学スケール１３、固定スケール
１４を通り、固定スケール１４の格子部１４ａを通った
光束は受光手段１５の受光素子１５ａに受光し、格子部
１４ｂを通った光束は受光素子１５ｂに受光する。

【００２０】ここで、光学スケール１３は回転軸Ｏ３を
中心に回転しているので、光学スケール１３の格子部１
３ａと、固定スケール１４の格子部１４ａ又は１４ｂと
の位相が一致すると、受光手段１５が受光する光源１１
からの受光量が最大となり、位相が逆になると受光量は
最小となる。従って、光学スケール１３の回転に伴って
受光素子１５ａ、１５ｂで検出される光量が変化する。
即ち、格子部１３ａの位置と像位置の相対的変化に応じ
て、各受光素子１５ａ、１５ｂに入射する光量バランス
が変化する。

【００２１】図１４は光学スケール１３の回転に伴う光
量変化のグラフ図を示し、横軸は光学スケール１３の回
転量、縦軸は受光光量である。なお、この図１４はコン
トラストが非常に高く理想に近い場合の理論的な光量変
化の様子を示している。光学スケール１３が反射時計回
りに回転した場合には、受光素子１５ａ、１５ｂにそれ
ぞれ信号ａ、ｂに示す光量変化が出力される。逆に、光
学スケール１３が時計回りに回転した場合には、受光素
子１５ａに信号ｂ、受光素子１５ｂに信号ａの光量変化
が出力される。これらの信号を基にしてパルス信号を発
生し、光学スケール１３の回転角度や回転量又は回転速
度や回転が速度などの回転情報を検出する。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来例においては、直流成分を含む信号を基準にパルスを
発生させているので、光量が変動するとパルスの幅が変
わったり、位相がずれるなどの影響が生ずる。また、光
学スケール４、１３などが汚れたり、光源１、１１が劣
化して光量が減少したときには、光量出力信号のパルス
の立ち上がり又は立ち下がりの順序が逆になって方向を
誤検知したり、パルスが抜けて移動量に誤差が生ずると
いう問題点がある。

【００２３】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
光量が変動しても、幅や位相が変化しない常に安定した
パルスを発生し得る光学式エンコーダを提供することに
ある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る光学式エンコーダは、光照射手段からの
光束を光学スケールに入射し、該光学スケールの格子を
透過又は反射した光束を、所定ピッチで繰り返され角度
の異なる平面から成る複数のＶ状溝が並列する分割要素
によって振幅変調し、該振幅変調した光束を複数の異な
る方向に分割してそれぞれ別個の受光素子で検知するこ
とを特徴とする。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明を図１〜図７に図示の実施
例に基づいて詳細に説明する。図１は第１の実施例の検
出ヘッドの断面図、図２は光スケールの第１領域、図３
は第２領域を示している。検出ヘッドは図９の第１の従
来例と同様に、例えばＬＥＤや半導体レーザーなどの光
源２１、球面又は非球面レンズ２２、透光性材質から成
り回転軸を中心に回転する光学スケール２３、凹面ミラ
ー２４、受光手段２５から構成されている。なお、レン
ズ２２の片面は投光側と受光側とで異なる面形状を有し
ている。

【００２６】光学スケール２３の第１領域２３ａは、図
２に示すように図１１(a) の従来例と同様に、傾斜面と
平坦部が所定のピッチで繰り返して形成されているが、
本実施例の第２領域２３ｂは、図３に示すように２つの
角度θ１、θ２を有する傾斜面が交互に繰り返されてＷ
形状の溝が形成されている。なお、図２、図３において
は、それぞれ正面図、断面図を図示している。

【００２７】このような構成により、光源２１から出射
した光束は、レンズ２２の投光側を通って光学スケール
２３の第１領域２３ａに入射し、第１領域２３ａの平担
部を通った光束は平行光となって凹面ミラー２４で反射
され、再び光学スケール２３に向かい、図４(a) に示す
ように光学スケール２３の第２領域２３ｂで４方向に屈
折され、レンズ２２の受光側を通って図４(b) に示すよ
うに、受光手段２５の４個の受光素子２５ａ、２５
ａ’、２５ｂ、２５ｂ’にそれぞれ分配されて結像す
る。

【００２８】図５(a) は各受光素子２５ａ、２５ａ’、
２５ｂ、２５ｂ’の出力波形を示し、横軸は光学スケー
ル２３と受光手段２５の相対変位量ｘであり、縦軸は各
受光素子２５ａ、２５ａ’、２５ｂ、２５ｂ’の出力
Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’である。ここで、出力ＡとＡ’、出
力ＢとＢ’はそれぞれ位相が１８０度異なっている。従
って、出力ＡとＡ’の差及び出力ＢとＢ’の差は、図５
(b) に示すように０ボルトを中心にして振れる波形とな
る。このような０ボルトを中心にして振れる波形は、０
ボルトを比較基準閾値としてパルスを作成すれば、光量
が変動しても幅や位相が変化しない常に安定したパルス
を発生させることができる。

【００２９】なお、第２領域２３ｂの溝形状はＷに限ら
ず、複数の方向に光束を分割する形状であればよく、例
えば方向判別を必要としない場合は、１８０度の位相関
係にある２つの光束に分割して、その差を基本アナログ
信号とすれば、単相のパルス信号が得られる。また、６
０度の位相関係にある６つの光束に分割して、それぞれ
を別の６個の受光素子で検出し、位相が１８０度の関係
にある２つの出力信号の差を基本アナログ信号とする
と、１２０度の位相関係にある３相のパルス信号が得ら
れる。

【００３０】なお、図１３の従来例の固定スケール１４
を使用することもできる。この場合には図２に示すよう
な９０度の位相関係のある断面形状の分割要素を有する
ようにすると、固定スケールで４方向に分割された光束
は、４個並列された受光素子２５ａ、２５ａ’、２５
ｂ、２５ｂ’に受光されて、同様の効果を得ることがで
きる。

【００３１】図６は第２の実施例の断面図を示し、回転
方式の光学スケールを有する光学式エンコーダである
が、直線的に移動するリニア型エンコーダにも適用可能
である。ＬＥＤやＬＤなどの発光素子２１、この発光素
子からの光束を結像するレンズ２２、ポリカードネート
などの透明な材質から成る光学スケール２３、この光学
スケール２３からの入射光を再び光学スケール２３に反
射する凹面ミラー２４、光学スケール２３の反射光をレ
ンズ２２を経て受光する４個の受光素子２５ａ、２５
ａ’、２５ｂ、２５ｂ’から成る受光手段２５から構成
されている。

【００３２】円板状の光学スケール２３には、放射状の
光学的グレーティングが形成された第１領域２３ａ及び
第２領域２３ｂが設けられている。なお、第１領域２３
ａと第２領域２３ｂのグレーティングの本数やピッチ等
は必ずしも一致させる必要はない。

【００３３】図７は第１領域２３ａの断面図を示し、第
１領域２３ａにはＶ型断面形状の溝が所定のピッチで周
期的に形成されている。このＶ溝の傾斜面Ｉ１、Ｉ２の
角度は、入射光が全反射するように臨界角以上の例えば
４５度とされ、平坦部Ｆに入射した光束は透過し、傾斜
面Ｉ１、Ｉ２に入射した光束は反射するようになってい
る。即ち、第１領域２３ａにおいて、Ｖ溝の格子部は反
射型の振幅回折格子と同様の光学作用をする。

【００３４】図８は第２領域２３ｂの格子断面形状を示
し、第２領域２３ｂには傾斜面Ｉ３とＩ４のなす角度θ
１のＶ溝と、角度θ１とは若干異なる傾斜面Ｉ５とＩ６
のなす角度θ２のＶ溝とが交互に繰り返してＷ形状の溝
が形成されている。

【００３５】なお、本実施例の場合も第１の実施例と同
様にＷ形状に限定されず、４方向以上に光束を分割する
形状であればよく、また反射面は全反射を利用したもの
に限らず、反射膜を形成したものでもよい。

【００３６】発光素子２１から出射された光束は、レン
ズ２２により集束光に変換され、光学スケール２３の第
１領域２３ａに照射される。この第１領域２３ａの格子
により反射光束は回折され、格子の作用により０次、±
１次、±２次、‥‥の回折光が発生し、凹面ミラー２４
面上に集光する。集光した回折光は凹面ミラー２４によ
り反射され、光学スケール２３の第２領域２３ｂで再結
像し、光学スケール２３面上に放射状の溝の像を結像す
る。

【００３７】第２領域２３ｂにおいて、左側の傾斜面Ｉ
３に入射した光束と、右側の傾斜面Ｉ４に入射した光束
は左右に分離され、また傾斜面Ｉ５、傾斜面Ｉ６に入射
した光束は更に外側に分割される。即ち、凹面ミラー２
４から反射してきた光束は、第２領域２３ｂの溝で４方
向に反射され、この４方向に分割された光束はレンズ２
２を通って受光手段２５に到達し、４個の受光素子２５
ａ、２５ａ’、２５ｂ、２５ｂ’にそれぞれ配分されて
受光される。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る光学式
エンコーダは、所定ピッチの異なる角度の平面が繰り返
えされた複数のＶ状溝が並列する分割要素によって振幅
変調された光束を、複数の異なる方向に分割してそれぞ
れ別個の受光素子により検出することにより、光量が変
動しても幅や位相が変化しない常に安定したパルスを発
生させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の検出ヘッドの断面図である。

【図２】光学スケールの第１領域の溝形状の説明図であ
る。

【図３】第２領域の溝形状の説明図である。

【図４】光束の分割受光経路の説明図である。

【図５】出力波形及び処理信号のグラフ図である。

【図６】第２の実施例の検出ヘッドの断面図である。

【図７】第１領域の溝形状の断面図である。

【図８】第２領域の溝形状の断面図である。

【図９】第１の従来例の斜視図である。

【図１０】検出ヘッドの断面図である。

【図１１】溝格子の機能の説明図である。

【図１２】受光素子の信号出力のグラフ図である。

【図１３】第２の従来例の斜視図である。

【図１４】受光素子の信号出力のグラフ図である。

【符号の説明】

２１ 光源 ２２ レンズ ２３ 光学スケール ２４ 凹面ミラー ２５ 受光手段

フロントページの続き (72)発明者 三浦 泰 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 高山 学 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 2F103 BA27 BA37 CA01 CA02 CA03 DA11 DA13 EA02 EA12 EB02 EB16 EB32 EC01 EC11 ED21 FA01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光照射手段からの光束を光学スケールに
   入射し、該光学スケールの格子を透過又は反射した光束
   を、所定ピッチで繰り返され角度の異なる平面から成る
   複数のＶ状溝が並列する分割要素によって振幅変調し、
   該振幅変調した光束を複数の異なる方向に分割してそれ
   ぞれ別個の受光素子で検知することを特徴とする光学式
   エンコーダ。
2. 【請求項２】 前記分割要素は１８０度の位相関係を有
   する少なくとも１組の光束に分割する機能を有する請求
   項１に記載の光学式エンコーダ。
3. 【請求項３】 前記分割要素は４種類の異なる平面を構
   成する請求項１又は２に記載の光学式エンコーダ。
4. 【請求項４】 前記分割要素は前記光学スケールと同一
   部材から成る請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載
   の光学式エンコーダ。
5. 【請求項５】 前記分割要素を外径側又は内径側に配置
   し、前記格子を前記分割要素とは逆に内径側又は外径側
   に配置した請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の
   光学式エンコーダ。