JP3156515B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば物体の角度、位
置等の測定に使用される光学式エンコーダに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】以下図面を参照しながら、上記した従来
の光学式エンコーダの一例について説明する。

【０００３】図６は従来の光学式エンコーダの模式図を
示すものである。図６において、２１はＬＥＤや白熱灯
などの光源であり、２２は光源２１の射出光を平行光化
するコリメータレンズである。

【０００４】２３はピッチｐで配列したスリットを有す
る移動スリット板であり、２４は移動スリット板と略平
行に配置され、移動スリット板２３と同じピッチで配列
したスリットを有する固定スリット板である。移動スリ
ット板２３と固定スリット板２４のスリットは互いに平
行である。

【０００５】２５は受光部であり、移動スリット板２
３、固定スリット板２４を通過した光を検出し電気信号
に変換する。

【０００６】以上のように構成された光学式エンコーダ
について、以下その動作について説明する。

【０００７】光源２１からの射出光はコリメータレンズ
２２で平行光化され、移動スリット板２３を照射する。
移動スリット板２３のスリットにより固定スリット板２
４上に明暗パターンが生じる。移動スリット板２３の移
動により固定スリット板２４上の明暗パターンも移動す
る。

【０００８】固定スリット板２４のスリットは、移動ス
リット板２３のスリットとピッチが等しくかつ平行であ
るので、固定スリット板２４の射出光量は明暗パターン
の移動により変化する。

【０００９】この光量変化を受光部２５で検出すること
により、移動スリット板２３の位置を検出することがで
きる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成では、光源発光部が広がりを持つため、コリメ
ータレンズ射出光はさまざまな方向の光束を含む。その
ため、移動スリット板への光束の入射角が変わると、固
定スリット板上に生じる明暗パターンの位置が変わるの
で、受光部での信号の位相が変わることになる。

【００１１】信号の位相変化は、移動スリット板への光
束の入射角とスリット板間距離の積にほぼ比例する。異
なる入射角の光が移動スリット板に入射すると、受光部
では信号の打ち消し合が生じ、信号振幅が低下する。

【００１２】このため、従来はスリット板間距離を狭く
受光部での信号振幅低下を防いでいた。

【００１３】しかし、スリット板間距離を狭くすると、
衝撃、振動等によるスリット板の接触、異物の混入によ
りスリット板が損傷するという問題があった。

【００１４】本発明は上記問題点に鑑み、移動スリット
板と固定スリット板との距離を広げ、衝撃、振動に強い
光学式エンコーダを提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本願の請求項１記載の光学式エンコーダは、光源
と、前記光源を前側焦点としたコリメータレンズと、前
記コリメータレンズの射出光を入射光とし等間隔に配置
された複数のスリットを有する第１スリット板と、前記
第１スリット板の射出光を入射光とし第１スリット板の
スリットと互いに平行でかつ同じピッチで配置された複
数のスリットを有した第２スリット板と、前記第２スリ
ット板の射出光を入射光とする受光部とを備え、少なく
とも第１スリット板または第２スリット板が移動可能で
あり、前記コリメータレンズの焦点距離をｆとし前記第
１スリット板のピッチをｐとし前記第１スリット板と第
２スリット板間の距離をｇとしたときに前記第１スリッ
ト板のスリットの配列方向における前記光源の発光部の
寸法ａを ａ＜０．７ｆｐ／ｇ とするものである。

【００１６】また本願の請求項２記載の光学式エンコー
ダは、光源と、前記光源を前側焦点とするコリメータレ
ンズと、前記コリメータレンズの射出光を入射光とし等
間隔に配置された複数のスリットを有する第１スリット
板と、前記第１スリット板の射出光を入射光とし第１ス
リット板のスリットと互いに平行でかつ同じピッチで配
置された複数のスリットを有した第２スリット板と、前
記第２スリット板の射出光を入射光とする受光部とを備
え、少なくとも第１スリット板または第２スリット板が
移動可能であり、前記第１スリット板のスリットの配列
方向における前記光源の発光部の寸法をａとし前記第１
スリット板のピッチをｐとし前記第１スリット板と第２
スリット板間の距離をｇとし前記コリメータレンズの開
口径をｄとしたときに前記コリメータレンズの焦点距離
ｆを （１．４３ｇａ／ｐ）＜ｆ＜２ｄ とするものである。

【００１７】

【作用】請求項１記載の光学式エンコーダでは、スリッ
ト板のスリット配列方向における光源の発光部の大きさ
を小さし、スリット板を照射する光束の平行度を向上す
ることにより、信号振幅の低下を防ぎ、スリット板間ギ
ャップを広げることができる。

【００１８】また請求項２記載の光学式エンコーダで
は、コリメータレンズの焦点距離を長くし、スリット板
を照射する光束の平行度を向上することにより、信号振
幅の低下を防ぎ、スリット板間ギャップを広げることが
できる。

【００１９】

【実施例】

（第１実施例）以下本発明の第１の実施例の光学式エン
コーダについて、図面を参照しながら説明する。

【００２０】本実施例は、光源の発光部の寸法を小さく
することにより、受光部での信号変調度を向上し、スリ
ット間距離を広げ、振動や衝撃によるスリット破損を防
ぐものである。

【００２１】図１は本実施例における光学式エンコーダ
の模式図を示すものである。図１において、１はＬＥＤ
などの光源であり、２は焦点距離ｆのコリメータレンズ
であり、前側の焦点位置に光源１が配置される。

【００２２】３はピッチｐで配列したスリットを有する
移動スリット板である。スリットの配列した方向におけ
る移動スリット板の移動量をｔとする。４は移動スリッ
ト板３と略平行に配置され、移動スリット板３のスリッ
トと同じピッチで配列したスリットを有する固定スリッ
ト板である。移動スリット板３と固定スリット板４のス
リットは互いに平行である。

【００２３】５は移動スリット板３および固定スリット
板４を通過した光を検出し電気信号に変換する受光部で
ある。光源１の発光部は、移動スリット板３のスリット
の配列方向に、ａの寸法を有する。このとき、光源１の
発光部の寸法ａは、 ａ＜０．７ｆｐ／ｇ を満たす。

【００２４】以上のように構成された光学式エンコーダ
について、その動作を説明する。光源１からの射出光は
コリメータレンズ２で平行光化され、移動スリット板３
を照射する。移動スリット板３のスリットにより、固定
スリット板４上に明暗パターンが生じる。移動スリット
板３の移動により固定スリット板４上の明暗パターンも
移動する。固定スリット板４のスリットは、移動スリッ
ト板３のスリットとピッチが等しくかつ平行であるの
で、固定スリット板４の射出光量は明暗パターンの移動
により変化する。この光量変化を受光部で検出すること
により、移動スリット板３の位置を検出することができ
る。

【００２５】次に、コリメータレンズの焦点距離ｆ、移
動スリット板のスリットピッチｐ、スリット間距離（移
動スリット板と固定スリット板間の距離）ｇに対して、
光源１の発光部の寸法ａをａ＜０．７ｆｐ／ｇとするこ
とにより受光部での十分な信号変調度が得られることを
説明する。

【００２６】図２は、光源１からの射出光を示すもので
ある。光源発光部の中心から距離ｓ離れた微小領域から
射出した光は、コリメータレンズ２により角度 θ＝ａｒｃｔａｎ（ｓ／ｆ） の方位の光束となる。

【００２７】図３はスリット板への入射光を示すもので
ある。角度θの光束が移動スリット板３に入射すると、
固定スリット板４上に生じる明暗パターンの位置は、ｅ
＝ｇ×ｔａｎ（θ）ずれる。

【００２８】移動スリット板３と固定スリット板４との
距離が非常に小さいと、受光部での信号波形は２枚のス
リットの開口面積に比例するため三角波状となる。

【００２９】しかし、スリット間の距離が離れると、回
折などの影響で受光部での信号波形は正弦波状となる。

【００３０】そこで、受光部での信号を正弦波で近似し
て表わすと Ａｂ｛ｓｉｎ｛２π（ｔ−ｅ）／ｐ｝＋１｝ となる。ｂは光源１の発光部での単位面積あたりの発光
量であり、Ａは定数である。

【００３１】移動スリット板のスリット配列方向と垂直
な方向における光源１の発光部の寸法をｖとし、移動ス
リット板３のスリット配列方向について光源発光部から
の光束による信号を求めると（数１）となる。

【００３２】

【数１】

【００３３】発光部を十分小さいとしてθ≒ｓ／ｆ、ｅ
≒ｇθと近似して積分すると（数２）となる。

【００３４】

【数２】

【００３５】ここでｓｉｎｃ（ｘ）＝｛ｓｉｎ（ｘ）｝
／ｘである。発光部の全光量をｃとするとｃ＝ａｂｖよ
り（数３）となる。

【００３６】

【数３】

【００３７】このとき、信号変調度Ｍは、Ｍ＝ｓｉｎ
（πａｇ／（ｐｆ））となる。ただし、信号変調度Ｍ
は、信号の最大値をｍａｘ、最小値をｍｉｎとしたとき
に、 Ｍ＝（ｍａｘ−ｍｉｎ）／（ｍａｘ＋ｍｉｎ） である。

【００３８】受光部の出力は、一般には、１８０度位相
のずれた信号との差をとることにより直流成分をカット
し、０レベルで２値化して、ディジタル信号に変換され
る。

【００３９】（数３）において、ｔ／ｐ＝ｘとおいて係
数を省略すると、受光部の出力信号は、 １＋Ｍｓｉｎ（２πｘ） となり、１８０度位相のずれた信号は、 １−Ｍｓｉｎ（２πｘ） となる。ここでは、素子感度ばらつき、光源強度分布を
考慮して、２信号間でαの出力比があるときの信号のデ
ューティ比を求める。差信号ｈは（数４）となる。

【００４０】

【数４】

【００４１】ｈ＞０となるｘの範囲を求めると（数５）
となる。

【００４２】

【数５】

【００４３】図４に（数５）の関係を示す。（数５）の
左辺をｙ＝ｓｉｎ（２πｘ）とし、右辺をｙ＝（１−
α）／｛Ｍ（１＋α）｝としている。ｈ＝０とおいて、
ｘ＝０付近の解ｘ１を求めると、（数６）となり、

【００４４】

【数６】

【００４５】ｘ＝０．５付近の解ｘ２は、（数７）とな
る。

【００４６】

【数７】

【００４７】従って、ｈ＞０となるｘの幅（ｘ２−ｘ
１）は、（数８）となる。

【００４８】

【数８】

【００４９】差信号ｈの周期は１であるので、デューテ
ィ比は、ｘ２−ｘ１となり、デューティ比の変動は、ｘ
２−ｘ１−０．５であらわされる。

【００５０】一般に、受光部での素子の感度ばらつき
は、ｐｉｎダイオード等で１０％程度であり、また、光
源には強度分布があり、１８０度位相のずれた２信号間
で１０％程度の受光光量の違いが生じる。このため、２
信号間での出力比αは０．８から１．２程度となる。

【００５１】また、一般にエンコーダでは、互いに９０
度位相のずれた信号（Ａ相信号とＢ相信号）により、被
測定物の移動方向を検出する。また、Ａ相、Ｂ相信号を
用いて、電気的に高分解能化（４逓倍）することもあ
る。このため、信号デューティ比の変動は、±１０％程
度以下にされている。

【００５２】よって、−０．１＜ｘ２−ｘ１−０．５＜
０．１となり、（数８）を用いて計算すると （１−α）／｛０．３１（１＋α）｝＜Ｍ かつ （α−１）／｛０．３１（１＋α）｝＜Ｍ となる。αを０．８から１．２の範囲とするためには、
信号変調度Ｍは０．３６程度以上が必要となる。

【００５３】よって、ｓｉｎｃ（πａｇ／（ｐｆ））＞
０．３６となり、これより ａ＜０．７ｆｐ／ｇ が得られる。

【００５４】ところで、光源の発光部の寸法を小さくす
ると、発熱による温度上昇が大きくなり光源の寿命が低
下する。このため、発光部の最少寸法は実用上２０μｍ
程度となる。

【００５５】たとえば、コリメータレンズの焦点距離が
５ｍｍで、移動スリット板３のスリットピッチがｐ＝５
０μｍ、移動スリット板３と固定スリット板４間距離を
ｇ＝０．３ｍｍとするためには、移動スリット板のスリ
ット配列方向における光源の発光部の寸法ａを、６２５
μｍ以下とすればよい。

【００５６】以上のように本実施例によれば、光源の発
光部の寸法ａを ａ＜０．７５ｆｐ／ｇ を満たすようにすることにより、スリット間距離を十分
にとることができるので、振動や衝撃によるスリットの
破損を防ぐことができる。

【００５７】なお、本実施例において、移動スリット板
３を光源１側に設けたが、固定スリット板４を光源側に
設けてもよい。

【００５８】なお、本実施例では、移動スリット板上の
スリットを直線状に配置したが、移動スリット板および
固定スリット板を円盤とし、その円周上にスリットを配
置し、回転角の検出を行なってもよい。

【００５９】（第２実施例）以下本発明の第２の実施例
の光学式エンコーダについて、図面を参照しながら説明
する。

【００６０】本実施例は、コリーメータレンズの焦点距
離を長くすることにより、受光部での信号変調度を向上
し、スリット間距離を広げ、振動や衝撃によるスリット
破損を防ぐものである。

【００６１】図５は、本実施例における光学式エンコー
ダの模式図を示すものである。図５において、図１と同
一機能を有するものは、図１と同一符号を付している。

【００６２】６はＬＥＤなどの光源である。移動スリッ
ト板３のスリット配列方向における発光部の寸法をａと
する。７は焦点距離ｆで開口径がｄのコリメータレンズ
であり、前側の焦点位置に光源１が配置され、（１．４
３ｇａ／ｐ）＜ｆ＜２ｄを満たす。

【００６３】以上のように構成された光学式エンコーダ
について、その動作を説明する。光源６からの射出光は
コリメータレンズ７で平行光化され、移動スリット板３
を照射する。移動スリット板３のスリットにより固定ス
リット板４上に明暗パターンが生じる。移動スリット板
３の移動により固定スリット板４上の明暗パターンも移
動する。

【００６４】固定スリット板４のスリットは移動スリッ
ト板３のスリットとピッチが等しくかつ平行であるの
で、固定スリット板４の射出光量は明暗パターンの移動
により変化する。この光量変化を受光部で検出すること
により移動スリット板３の位置を検出することができ
る。

【００６５】次に、移動スリット板３のスリットピッチ
ｐ、光源６の発光部の寸法ａ、移動スリット板３と固定
スリット板４間の距離ｇに対して受光部で十分な振幅の
信号を得るためには、コリメータレンズの焦点距離ｆを （１．４３ｇａ／ｐ）＜ｆ＜２ｄ とすれば良いことを以下に説明する。

【００６６】図２より、光源発光部の中心から距離ｓ離
れた微小領域から射出した光は、コリメータレンズ２に
より角度θ＝ａｒｃｔａｎ（ｓ／ｆ）の方位の光束とな
る。

【００６７】図３より、角度θの光束が移動スリット板
３に入射すると、固定スリット板４上に生じる明暗パタ
ーンの位置は、ｅ＝ｇ×ｔａｎ（θ）ずれる。

【００６８】移動スリット板３と固定スリット板４との
距離が非常に小さいと、受光部での信号波形は２枚のス
リットの開口面積に比例するため三角波状となる。

【００６９】しかし、スリット間の距離が離れると回折
などの影響で、受光部での信号波形は正弦波状となる。

【００７０】そこで、受光部での信号を正弦波で近似し
て表わすと Ａｂ｛ｓｉｎ｛２π（ｔ−ｅ）／ｐ｝＋１｝ となる。ｂは光源１の発光部での単位面積あたりの発光
量であり、Ａは定数である。

【００７１】移動スリット板のスリット配列方向と垂直
な方向における光源１の発光部の寸法をｖとし、移動ス
リット板３のスリット配列方向について光源発光部から
の光束による信号を求めると（数１）となる。

【００７２】発光部を十分小さいとしてθ≒ｓ／ｆ、ｅ
≒ｇθと近似して積分すると（数２）となる。発光部の
全光量をｃとするとｃ＝ａｂｖより（数３）となる。信
号変調度Ｍは、ｓｉｎ（πａｇ／（ｐｆ））となる。

【００７３】受光部の出力は、一般には、１８０度位相
のずれた信号との差をとることにより直流成分をカット
し、０レベルで２値化して、ディジタル信号に変換され
る。（数３）において、ｔ／ｐ＝ｘとおいて係数を省略
すると、受光部の出力信号は、 １＋Ｍｓｉｎ（２πｘ） となり、１８０度位相のずれた信号は、 １−Ｍｓｉｎ（２πｘ） となる。素子感度ばらつき、光源強度分布を考慮して、
２信号間でαの出力比があるとすると、差信号ｈは（数
４）となる。ｈ＞０となるｘの範囲を求めると（数５）
となる。

【００７４】図４に（数５）の関係を示す。ｈ＝０とお
いて、ｘ＝０付近の解ｘ１を求めると、（数６）とな
り、ｘ＝０．５付近の解ｘ２は、（数７）となる。

【００７５】従って、ｈ＞０となるｘの幅（ｘ２−ｘ
１）は、（数８）となる。差信号ｈの周期は１であるの
で、デューティ比は、ｘ２−ｘ１となり、デューティ比
の変動は、ｘ２−ｘ１−０．５であらわされる。

【００７６】一般に、受光部での素子の感度ばらつき
は、ｐｉｎダイオード等で１０％程度であり、また、光
源には強度分布があり、１８０度位相のずれた２信号間
で１０％程度の受光光量の違いが生じる。このため、２
信号間での出力比αは０．８から１．２程度となる。

【００７７】また、一般にエンコーダでは、互いに９０
度位相のずれた信号（Ａ相信号とＢ相信号）により、被
測定物の移動方向を検出する。また、Ａ相、Ｂ相信号を
用いて、電気的に高分解能化（４逓倍）することもあ
る。このため、信号デューティ比の変動は、±１０％程
度以下にされている。

【００７８】よって、−０．１＜ｘ２−ｘ１−０．５＜
０．１となり、（数８）を用いて計算すると （１−α）／｛０．３１（１＋α）｝＜Ｍ かつ（α−１）／｛０．３１（１＋α）｝＜Ｍ となる。

【００７９】αを０．８から１．２の範囲とするために
は、信号変調度Ｍは０．３６程度以上が必要となる。

【００８０】よって、ｓｉｎｃ（πａｇ／（ｐｆ））＞
０．３６となり、これより （１．４３ｇａ／ｐ）＜ｆ が得られる。

【００８１】ところでコリメータレンズの開口径ｄに対
して焦点距離ｆが長くなると光の利用効率が低下する。
ＬＥＤの放射光の半値角は約６０度であり、レンズ焦点
距離ｆが開口径ｄの２倍以上となると、光利用効率は１
０％以下となり、受光部での光量が小さくなり、信号を
検出できなくる可能性がある。そこで、レンズ焦点距離
ｆを（１．４３ｇａ／ｐ）＜ｆ＜２ｄとする。

【００８２】たとえば、光源発光部の寸法が４００μ
ｍ、コリメータレンズの開口径が４ｍｍ、移動スリット
板３のスリットピッチがｐ＝５０μｍのとき、移動スリ
ット板３と固定スリット板４間距離をｇ＝０．３ｍｍと
するためには、コリメータレンズの焦点距離ｆを２．４
ｍｍ以上、８ｍｍ以下とすればよい。

【００８３】以上のように本実施例によれば、コリメー
タレンズの焦点距離ｆを （１．４３ｇａ／ｐ）＜ｆ＜２ｄ を満たすようにすることにより、スリット間距離を十分
にとることができるので、振動や衝撃によるスリットの
破損を防ぐことができる。

【００８４】なお、本実施例において、移動スリット板
３を光源１側に設けたが、固定スリット板４を光源側に
設けてもよい。

【００８５】なお、本実施例では、移動スリット板上の
スリットを直線状に配置したが、移動スリット板および
固定スリット板を円盤とし、その円周上にスリットを配
置し、回転角の検出を行なってもよい。

【００８６】

【発明の効果】以上のように本発明は、光源の発光部の
寸法ａをａ＜０．７ｆｐ／ｇを満たすようにすることに
より、移動スリット板と固定スリット板間距離を十分に
とることができるので、振動、衝撃によるスリットの損
傷を防ぐことができる。

【００８７】あるいは、コリメータレンズの焦点距離ｆ
を１．４３ｇａ／ｐ＜ｆ＜２ｄを満たすようにすること
により移動スリット板と固定スリット板間距離を十分に
とることができるので、振動、衝撃によるスリットの損
傷を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成図

【図２】同実施例における光源からの射出光を示す図

【図３】同実施例における移動スリット板と固定スリッ
ト板への入射光を示す図

【図４】同実施例における信号デューティを説明するた
めの図

【図５】本発明の第２の実施例の構成図

【図６】従来の光学式エンコーダの概略図

【符号の説明】

１ 光源 ２ コリメータレンズ ３ 移動スリット板 ４ 固定スリット板 ５ 受光器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 正弥 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−40046（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 5/26 - 5/38 G01B 11/00 - 11/30

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、前記光源を前側焦点としたコリメ
   ータレンズと、前記コリメータレンズの射出光を入射光
   とし等間隔に配置された複数のスリットを有する第１ス
   リット板と、前記第１スリット板の射出光を入射光とし
   第１スリット板のスリットと互いに平行でかつ同じピッ
   チで配置された複数のスリットを有した第２スリット板
   と、前記第２スリット板の射出光を入射光とする受光部
   とを備え、少なくとも第１スリット板または第２スリッ
   ト板が移動可能であり、前記コリメータレンズの焦点距
   離をｆとし前記第１スリット板のピッチをｐとし前記第
   １スリット板と第２スリット板間の距離をｇとしたとき
   に前記第１スリット板のスリットの配列方向における前
   記光源の発光部の寸法ａを ａ＜０．７ｆｐ／ｇ とすることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 【請求項２】光源と、前記光源を前側焦点とするコリメ
   ータレンズと、前記コリメータレンズの射出光を入射光
   とし等間隔に配置された複数のスリットを有する第１ス
   リット板と、前記第１スリット板の射出光を入射光とし
   第１スリット板のスリットと互いに平行でかつ同じピッ
   チで配置された複数のスリットを有した第２スリット板
   と、前記第２スリット板の射出光を入射光とする受光部
   とを備え、少なくとも第１スリット板または第２スリッ
   ト板が移動可能であり、前記第１スリット板のスリット
   の配列方向における前記光源の発光部の寸法をａとし前
   記第１スリット板のピッチをｐとし前記第１スリット板
   と第２スリット板間の距離をｇとし前記コリメータレン
   ズの開口径をｄとしたときに前記コリメータレンズの焦
   点距離ｆを （１．４３ｇａ／ｐ）＜ｆ＜２ｄ とすることを特徴とする光学式エンコーダ。