JPH09203644A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 移動スケールと固定スケール間のギャップを
広ギャップにしても原点信号を精度良く出力でき、また
小型で簡単な構成で安価な光学式エンコーダ装置を提供
する。 【解決手段】 光学式エンコーダにおいて、前記移動ス
ケール上に原点検出用として設けられ、同心円状のスリ
ットを形成した原点相第１円形スリットと、前記固定ス
ケ−ル上に形成され、前記原点相第１円形スリットのス
リットピッチと同じスリットピッチを有した原点相第２
円形スリットと、前記原点相第１円形スリットのピッチ
と同じスリットピッチを有して前記固定スケール上に形
成した原点相第３円形スリットと、前記光源から放射さ
れた拡散光が前記原点相第２円形スリットを透過し、前
記移動スケール上の原点相第１円形スリットを照射しこ
の反射光が前記固定スケール上の原点相第３円形スリッ
トを透過する光量を検出する原点相受光素子とからな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学式エンコーダの
原点検出に関する。

【０００２】

【従来の技術】回折型である３格子光学系を用いた光学
式エンコーダの原点検出方法として次のような従来例
（特開昭６１−２１２７２７）がある。図５はこの従来
例の光学系の構成図である。以下この従来例について説
明する。この図において光源１０Ａ、１０Ｂと検出対象
物の固定側に取り付けられる変位検出用固定光学格子２
０が表面に形成された反射型のメインスケール１８と検
出対象物の可動側に取り付けられる変位検出用可動光学
格子１６Ａ、１６Ｂが形成されたインデックススケール
１４と、前記変位検出用固定光学格子２０および第１可
動光学格子１６Ａで変調された変位検出用第１光信号を
受光して変位検出用第１電気信号Ｖx1に変換するための
受光素子２４Ａと、前記変位検出用固定光学格子２０お
よび第２可動光学格子１６Ｂで変調された変位検出用第
２光信号を受光して変位検出用第２電気信号Ｖx2に変換
するための受光素子２４Ｂとが備えられている。前記変
位検出用固定光学格子２０は例えば明線と暗線の幅が略
等しい反射格子とされ、また前記変位検出用可動光学格
子１６Ａ、１６Ｂは前記変位検出用固定光学格子２０と
同じピッチの透過格子とされると共に両者は互いに位相
が９０゜異なるように形成されている。従って前記受光
素子２４Ａ出力の変位検出用第１電気信号Ｖx1と変位検
出用第２電気信号Ｖx2の波形は図６に示すように電気信
号のピッチがＳ1 で位相が互いに９０゜異なる正弦波に
近い信号となっている。さらに前記メインスケール１８
上に前記変位検出用固定光学格子２０と沿って一体的に
原点検出用固定光学格子３０が形成されている。この原
点検出用固定光学格子３０は例えば明線と暗線の幅が略
等しい反射格子とされている。前記原点検出用固定光学
格子３０上にはさらに光学反射特性を有する参照マーク
３２が検出する原点位置や個数に対応して少なくとも一
つ一体的に形成されている。また前記インデックススケ
ール１４には前記変位検出用可動光学格子１６Ａ、１６
Ｂに沿って一体的に形成された原点検出用可動光学格子
３４と同じく前記変位検出用可動光学格子１６Ａ、１６
Ｂの延長線上に一体的に形成された基準光検出窓３８と
が設けられている。前記原点検出用可動光学格子３４は
前記原点検出用固定光学格子３０と同じピッチの透過格
子とされており、従って対応する位置に設けられた光源
４０と受光素子４３によってインデックススケール１４
に対してメインスケール１８を矢印Ｃ方向または反対方
向に変位させたとき、図７に示すようなピッチＳ2 の原
点検出用第１電気信号Ｖ01を発生できるようになってい
る。また原点検出窓３６は光を一様に透過できる窓で、
メインスケール１８を矢印Ｃ方向または反対方向に変位
させたとき、対応する光学格子３０による光学的変調を
ほとんど受けず参照マーク３２による光学的変調を受け
た図７に示すような第２光信号Ｖ02を発生できるように
なっている。前記基準光検出窓３８は光学格子２０によ
る光学的変調をほとんど受けない第１基準電圧Ｖref1を
発生できるようになっている。前記受光素子２４Ａ、２
４Ｂは図８に示すようにエンコーダ６０に接続されこの
エンコーダ６０はカウンタ６２に接続され、このカウン
タ６２は測定変位量を表示するための表示器６４に接続
されている。また、前記受光素子４３はアンプ６６を介
して第１交点を検出するための第１コンパレータ６８に
接続されている。さらに前記受光素子４６はアンプ７０
を介して第２交点を検出するための第２コンパレータ７
２に接続されている。前記受光素子４８は前記第１およ
び第２基準電圧信号Ｖref1、Ｖref2を作成するための基
準信号発生器７４に接続されている。前記第１および第
２コンパレータ６８、７２は絶対原点を特定するための
絶対原点特定回路７６に接続されている。絶対原点特定
回路７６は前記カウンタ６２の計数値を補正するべく該
カウンタ６２に接続されている。第２基準電圧Ｖref2は
メインスケール１８を矢印方向に変位させたとき第２電
気信号Ｖ02のＰ0 点が第１電気信号Ｖ01のＰ2 点と一致
するよう電気回路の定数を調整することによって前記第
１基準電圧Ｖref1をシフトして作成したものである。こ
うすることにより、まず第２電気信号Ｖ02が第２基準電
圧Ｖref2と等しくなる第２交点Ｐ0 を前記第２コンパレ
ータ７２で検出し、次に第１電気信号Ｖ01が第１基準電
圧Ｖref1と等しくなる所の定数（Ｎ）番目、例えば１番
目の第１交点Ｐ3 を前記第１コンパレータ６８で検出
し、前記絶対原点特定回路７６で該１番目の第１交点Ｐ
3 を原点位置と定めることにより高精度で原点位置を決
定していた。この光学系は回折型の３格子光学系である
ので、第１電気信号Ｖ01は、例えばスリットピッチ数十
μm のスリットが刻まれたメインスケールとインデック
ススケール間のギャップが数ミリであっても精度良く検
出でき、またこのような構成であれば、原点相は精度良
く検出できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来例で
は参照マーク検出手段と原点検出手段の２つの手段が必
要であり、これにともなう光源−光学格子−受光素子が
必要となるため検出系を含む変位検出装置全体が大型に
なり、また原点検出のための信号処理が複雑であるとい
う問題点があり、さらにスリットピッチが小さくなった
場合、原点精度を上げるために原点検出信号周期Ｓ2 を
小さくする必要があり、こうした場合周期Ｓ2 内での参
照マーク検出用受光素子４６の出力信号変化が小さくな
るのでＰ0とＰ2 を同位相に調整することが困難にな
り、原点検出の精度が悪くなるという問題点があった。
ここにおいて、本発明は、移動スケールと固定スケール
間のギャップを広ギャップにしても原点信号を精度良く
出力でき、また小型で簡単な構成で安価な光学式エンコ
ーダ装置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
め、本発明は、相対移動する一方の部材に固定され、移
動方向に複数の第１のスリットからなる移動スケール
と、相対移動する他方の部材に固定され、拡散光を射出
する光源と前記移動スケールとの間に空隙を介して配置
され、光源スリットの役割を果たす第２のスリットとイ
ンデックススリットの役割を果たす第３のスリットから
なる固定スケールと前記光源から放射された拡散光が前
記固定スケール上の第２のスリットを透過し、前記移動
スケールに照射し、前記移動スケールからの反射光を前
記第３のスリットを介して検出する受光素子とを備え、
前記受光素子出力の検出信号の周期的な変動から前記両
部材の相対的変位を検出する光学式エンコーダにおい
て、前記移動スケール上に原点検出用として設けられ、
同心円状のスリットを形成した原点相第１円形スリット
と、前記固定スケ−ル上に形成され、前記原点相第１円
形スリットのスリットピッチと同じスリットピッチを有
した原点相第２円形スリットと、前記原点相第１円形ス
リットのピッチと同じスリットピッチを有して前記固定
スケール上に形成した原点相第３円形スリットと、前記
受光素子とは別に設けられ、前記光源から放射された拡
散光が前記原点相第２円形スリットを透過し、前記移動
スケール上の原点相第１円形スリットを照射しこの反射
光が前記固定スケール上の原点相第３円形スリットを透
過する光量を検出する原点相受光素子とからなる光学式
エンコーダ。また前記原点相第２円形スリットと前記原
点相第３円形スリットのスリットピッチを各々前記原点
相第１円形スリットの２倍のスリットピッチとした光学
式エンコーダ。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図に基い
て説明する。図１は本発明の光学式エンコーダの光学系
の構成図を示す図である。図１に示すように、前記光学
系は移動スケール１、固定スケール２、光源３、受光素
子４１Ａ、４１Ｂ、４２で構成され、前記移動スケール
１面上にはインクリメンタル相第１スリット１１と原点
相第１円形スリット１２が配置されており、また前記固
定スケール２面上にはインクリメンタル相第２スリット
２１、原点相第２円形スリット２２、インクリメンタル
相第３スリット２３Ａ、２３Ｂ、原点相第３円形スリッ
ト２４が配置されている。前記光源３は拡散光であり、
光源３から出射された光はインクリメンタル相第２スリ
ットと原点相第２円形スリットを透過してそれぞれ移動
スケール１上のインクリメンタル相第１スリット１１と
原点相第１スリット１２を反射し、それぞれインクリメ
ンタル相第３スリット２３Ａ、２３Ｂ、原点相第３円形
スリット２４を透過し、このインクリメンタル相反射光
５１Ａ、５１Ｂ、原点相反射光５２の光量変化をそれぞ
れインクリメンタル相受光素子４１Ａ、４１Ｂ、原点相
受光素子４２で検出し、変位量と原点位置を検出するも
のである。インクリメンタル相における本光学系は、例
えば米国特許第３８１２３５２号で開示されているよう
な回折型の構成をとっており、これはスリットピッチが
数ミクロン程度であっても前記移動スケールと固定スケ
ール間ギャップを数ミリと大きく取れる特徴がある。図
２は本実施例の移動スケール１上のインクリメンタル相
第１スリット１１と原点相第１円形スリット１２のパタ
ーンを示したものである。本実施例では原点相第１円形
スリット１２のスリットピッチはインクリメンタル相の
スリットピッチと等しくしている。図３は本実施例の固
定スケール２上のインクリメンタル相第２スリット２
１、原点相第２円形スリット２２、インクリメンタル相
第３スリット２３Ａ、２３Ｂ、原点相第３円形スリット
２４のパターンを示したものである。この固定スリット
２上のインクリメンタル相第３スリット２３Ａ、２３Ｂ
はそれぞれ９０゜位相の異なる信号を得るように配置さ
れている。またインクリメンタル相第１スリット１１と
インクリメンタル相第２スリット２１とインクリメンタ
ル相第３スリットのピッチ比はそれぞれ１：１：１ある
いは１：２：２で構成される。また、原点相第２円形ス
リット２２のパターンは図３では移動スケール１上の原
点相第１円形スリット１２のパターンを反転したものと
なっているが、同じパターンでも良く、さらにスリット
本数が異なっても良い。原点相第３円形スリット２４の
パターンは原点相第２円形スリット２２のパターンと同
様に図３では原点相第１円形スリットのパターンを反転
したものとなっているが、原点相第１円形スリット１２
のパターンと同じパターンでも良い。原点相第１円形ス
リット１２と原点相第２円形スリット２２と原点相第３
円形スリットのスリットピッチ比はそれぞれ１：１：１
あるいは１：２：２で構成され、このような構成とする
ことによりインクリメンタル相と同様な回折型の光学系
構成となり、スリットピッチが数ミクロン程度であって
も前記移動スケールと固定スケール間ギャップを数ミリ
と大きく取ることができる。さらに、このとき原点相第
３円形スリット２４面上にできる円形スリット像と原点
相第３円形スリット２４のモアレフリンジにより、原点
相第３円形スリット２４を透過する光量変化は図４のよ
うに変化し、さらに本実施例では原点相円形第１スリッ
トピッチをインクリメンタル相第１スリットピッチと相
当にしてあるので原点相信号のパルス幅をインクリメン
タル相の１周期内に常に納めることができ、高い精度が
得られる。なお、原点相信号のパルス幅がインクリメン
タル相の１周期外でよい用途においては、原点相円形第
１スリットピッチをインクリメンタル相第１スリットピ
ッチより大きくすることができる。原点相受光素子４２
に当たる光量は原点相第３円形スリットの占める面積に
よって決まるので、スリットピッチが小さくなっても十
分な光量が得られる。本光学系は光源３のみで照射して
いるので、装置も小型であり、また信号処理も非常に簡
単である。前記手段により、原点相第１円形スリットと
原点相第２円形スリットと原点相第３円形スリットの構
成は回折型であるため移動スケールと固定スケール間の
ギャップを大きくしても円形スリット像が原点相第３円
形スリット上に形成され、またこの円形スリット像と原
点相第３円形スリットのモアレフリンジにより、鋭い原
点信号が得られる。また、前記実施例においては、リニ
アエンコーダに適用されていたが、本発明の適用範囲は
これに限定されずにロータリエンコーダも同様に適用さ
れることは明らかである。

【０００６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば原
点相スリットとして円形スリットを適用し、回折型の光
学系構成としたので、スリットピッチが数μm 程度の分
解能であっても固定スリットと移動スケール間のギャッ
プが十分に取れ、さらに原点信号を高精度に出力でき、
装置も簡単で小型に構成できるので、高分解能で安価な
光学式エンコーダを構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の光学式エンコーダの光学系の構成図
である。

【図２】 本発明の実施例である移動スケール上のイン
クリメンタル相第１スリットと原点相第１円形スリット
を示す図である。

【図３】 本発明の実施例である固定スケール上のイン
クリメンタル相第２スリット、インクリメンタル相第３
スリット、原点相円形第２スリット、原点相円形第３ス
リットを示す図である。

【図４】 実施例の固定スリット上の原点相第３円形ス
リットを透過した光量検出信号を示した図である。

【図５】 従来例の光学式エンコーダの光学系の構成図
である。

【図６】 従来例である受光素子で得られる受光波形を
示す図である。

【図７】 従来例である受光素子で得られる受光波形を
示す図である。

【図８】 従来例の回路構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 移動スケール １１ インクリメンタル相第１スリット １２ 原点相第１円形スリット １４ インデックススケール １８ メインスケール １６Ａ、１６Ｂ 変位検出用可動光学格子 ２ 固定スケール ２１ インクリメンタル相第２スリット ２２ 原点相第２スリット ２３Ａ、２３Ｂ インクリメンタル相第３スリット ２４ 原点相第３円形スリット ２０ 変位検出用固定光学格子 ３０ 原点検出用固定光学格子 ３２ 参照マーク ３４ 原点検出用可動光学格子 ３６ 原点検出窓 ３８ 基準光検出窓 ３、１０Ａ、１０Ｂ、４０、４４、４８ 光源 ２４Ａ、２４Ｂ、４１Ａ、４１Ｂ インクリメンタル相
受光素子 ４２、４３、４４ 原点相受光素子 ５０ 基準電圧発生用受光素子 ５１Ａ、５１Ｂ インクリメンタル相反射光 ５２ 原点相反射光 ６０ エンコーダ ６２ カウンタ ６８、７２ コンパレータ ７６ 絶対原点特定回路 Ｖx1、Ｖx2 変位検出用電気信号 Ｖ01 原点検出用第１電気信号 Ｖ02 原点検出用第２電気信号 Ｖref1 第１基準電圧 Ｖref2 第２基準電圧

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中嶋 耕二 福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１号 株式会社安川電機内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相対移動する一方の部材に固定され、移
   動方向に複数の第１のスリットからなる移動スケール
   と、相対移動する他方の部材に固定され、拡散光を射出
   する光源と前記移動スケールとの間に空隙を介して配置
   され、光源スリットの役割を果たす第２のスリットとイ
   ンデックススリットの役割を果たす第３のスリットから
   なる固定スケールと前記光源から放射された拡散光が前
   記固定スケール上の第２のスリットを透過し、前記移動
   スケールに照射し、前記移動スケールからの反射光を前
   記第３のスリットを介して検出する受光素子とを備え、
   前記受光素子出力の検出信号の周期的な変動から前記両
   部材の相対的変位を検出する光学式エンコーダにおい
   て、 前記移動スケール上に原点検出用として設けられ、同心
   円状のスリットを形成した原点相第１円形スリットと、 前記固定スケール上に形成され、前記原点相第１円形ス
   リットのスリットピッチと同じスリットピッチを有した
   原点相第２円形スリットと、 前記原点相第１円形スリットのピッチと同じスリットピ
   ッチを有して前記固定スケール上に形成した原点相第３
   円形スリットと、 前記受光素子と別に設けられ、前記光源から放射された
   拡散光が前記原点相第２円形スリットを透過し、前記移
   動スケール上の原点相第１円形スリットを照射しこの反
   射光が前記固定スケール上の原点相第３円形スリットを
   透過する光量を検出する原点相受光素子とからなること
   を特徴とした光学式エンコーダ。
2. 【請求項２】 前記原点相第２円形スリットと前記原点
   相第３円形スリットのスリットピッチを各々前記原点相
   第１円形スリットの２倍のスリットピッチとした請求項
   １記載の光学式エンコーダ。