JPH06109484A - 信号処理方法及びそれを用いたエンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 移動体の移動情報を高精度に検出することが
できる信号処理方法及びそれを用いたエンコーダを得る
こと。 【構成】 一定周期のＶ溝を有する格子より成る第１ス
ケールに光照射手段から光束を照射し、該第１スケール
で光変調した光束を一定周期のＶ溝を有する格子より成
る第２スケールに入射させ、該第２スケールで光変調し
た光束を複数の受光素子を有する受光手段で受光し、該
受光手段からの信号を用いて該第１スケールと第２スケ
ールとの相対的な変位情報を検出する際、該受光手段の
複数の受光素子からの出力信号の和信号に応じてコンパ
レート・レベルを設定して変位信号を得ていること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は信号処理方法及びそれを
用いたエンコーダーに関し、例えば円筒状物体の外周面
又は内周面上に又は平板面上にＶ溝を有する格子を複数
個、周期的に設けた光学スケールを有する移動体に光束
を入射させ、該光学スケールを介した光束を利用するこ
とにより、該移動体の移動情報を検出するようにしたロ
ータリーエンコーダやリニアエンコーダ等に好適なもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来よりフロッピーディスクの駆動等の
コンピューター機器、プリンター等の事務機器、あるい
はＮＣ工作機械、更にはＶＴＲのキャプステンモーター
や回転ドラム等の回転機構の回転速度や回転速度の変動
量又は直線移動物体の変動量を検出する為の手段として
光電的なロータリーエンコーダーやリニアエンコーダが
利用されてきている。

【０００３】図２３は特開昭６１−１０７１６号公報や
特開平１−１７６９１４号公報で提案されている所謂ト
ルボット干渉を利用したロータリーエンコーダーの要部
概略図である。

【０００４】同図において１は半導体レーザであり、波
長λの可干渉性光束を発する。２は半導体レーザ１から
の発散光束を平行光束に変換するコリメーターレンズ系
であり、半導体レーザ１とコリメーターレンズ系２とで
光照射手段ＬＲが構成されている。３は円筒状の内周面
に複数のＶ溝を周期的に設けた透光性の格子部を有した
光学スケールであり、矢印に示す方向に回転している。

【０００５】光学スケール３は透光性の光学材料より成
っている。光学スケール３を挟んで光照射手段ＬＲと対
向する位置には、受光手段４を構成する３つのフォトデ
ィテクタ４ａ，４ｂ，４ｃが配置されている。そして各
フォトディテクタの出力は信号処理回路５に接続されて
いる。信号処理回路５はパルスのカウント回路、回転方
向の判別回路、信号内挿処理回路等を有している。

【０００６】同図のロータリーエンコーダーは光照射手
段ＬＲからの光束を光学スケール３の一領域３ａに入射
させ、該光学スケール３で光変調（回折）した光束を更
に光学スケール３の他の領域３ｂに入射させて光変調
（偏向）させている。そして光学スケール３から射出し
た複数（３つ）の光束を受光手段４で受光し、該受光手
段４からの出力信号を利用して光学スケール３の回転情
報を検出している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで従来のロータ
リーエンコーダでは信号処理回路５は受光手段４からの
出力信号ＳＡ，ＳＣを図２４に示すように外部基準電位
Ｖ１で任意のコンパレート・レベルに設定することによ
り、所望の２値化信号ＣＡ，ＣＣを得ている。

【０００８】しかしながら、レーザ光源の経時的な発光
強度の低下による光量変動、外部温度変化によるレーザ
光源の発光強度の変化そして光学スケール３に付着した
塵、汚れ等による光学スケール３の光透過率の変化等に
より受光手段４からの出力信号にはＤＣレベル、信号振
幅の変動が生じる場合があった。

【０００９】この結果、図２５（Ａ），（Ｂ）に示すよ
うに出力信号ＳＡ，ＳＣを外部基準電位Ｖ１で任意の一
定コンパレート・レベルにより所望の２値化信号ＣＡ，
ＣＣを得る際にはデューティが変化してくるという問題
点があった。

【００１０】本発明は受光手段から得られる複数の信号
を信号処理回路で適切に処理することにより、光源から
の光束の発光強度の経時的な変化や外部温度変化に伴う
発光強度の変化そして光学スケールの汚れ等による光学
特性（光透過率）の変化があっても、信頼性の高い２値
化信号が得られ、移動体の移動情報を高精度に検出する
ことができる信号処理方法及びそれを用いたエンコーダ
の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の信号処理方法は （１−イ）一定周期の格子を有する第１スケールに光照
射手段から光束を照射し、該第１スケールで光変調した
光束を一定周期の格子を有する第２スケールに入射さ
せ、該第２スケールで光変調した光束を複数の受光素子
を有する受光手段で受光し、該受光手段からの信号を用
いて該第１スケールと第２スケールとの相対的な変位情
報を検出する際、該受光手段の複数の受光素子からの出
力信号の和信号に応じてコンパレート・レベルを設定し
て変位記号を得ていることを特徴としている。

【００１２】（１−ロ）相対移動物体に設けられる一定
周期の格子を有する光学スケールのうちの第１スケール
に光照射手段から光束を照射し、該第１スケールで光変
調した光束を該光学スケールのうちの第２スケールに入
射させ、該第２スケールで光変調した光束を複数の受光
素子を有する受光手段で受光し、該受光手段からの信号
を用いて該移動体の変位情報を検出する際、該受光手段
の複数の受光素子からの出力信号の和信号に応じてコン
パレート・レベルを設定して変位信号を得ていることを
特徴としている。

【００１３】特に（１−イ），（１−ロ）において、前
記受光手段は３つの受光素子を有しており、該３つの受
光素子からの出力信号の和信号を利用してコンパレート
・レベルを設定していることを特徴としている。

【００１４】（１−ハ）一定周期の格子を有する第１ス
ケールに光照射手段からの光束を照射し、該第１スケー
ルで光変調された光束を一定周期の格子を有する該第２
スケールに入射させ、該第２スケールで光変調された光
束を複数の受光素子を有する受光手段で受光し、該受光
手段からの信号を用いて信号処理部により該第１スケー
ルと第２スケールとの相対移動情報を検出する際、該信
号処理部は該受光手段の複数の受光素子からの出力信号
の和信号を検出し、該和信号に基づいてコンパレート・
レベルを設定していることを特徴としている。

【００１５】（１−ニ）相対移動物体に設けられる一定
周期の格子より成る光学スケールを設けた移動体の該光
学スケールのうちの第１スケールに光照射手段からの光
束を照射し、該第１スケールで光変調された光束を該光
学スケールのうちの第２スケールに入射させ、該第２ス
ケールで光変調された光束を複数の受光素子を有する受
光手段で受光し、該受光手段からの信号を用いて信号処
理部により該移動体の移動情報を検出する際、該信号処
理部は該受光手段の複数の受光素子からの出力信号の和
信号を検出し、該和信号に基づいてコンパレート・レベ
ルを設定していることを特徴としている。

【００１６】特に（１−ハ），（１−ニ）において、前
記受光手段は３つの受光素子を有しており、該３つの受
光素子からの出力信号の和信号を用いてコンパレート・
レベルを設定していることを特徴としている。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部断面図、図２
は図１の回転体６（光学スケール３）の回転情報検出用
の各要素に関するＡ−Ａ´の要部断面図、図３は図１の
光学スケール３の要部斜視図である。図４，図７は図１
の受光手段から得られる信号波形の説明図、図５，図６
は図１の信号処理回路における信号処理方法の回路説明
図である。

【００１８】本実施例ではエンコーダとしてタルボット
型のロータリーエンコーダを用いたときを示している
が、他の型のロータリーエンコーダやリニアエンコーダ
にも同様に適用可能である。

【００１９】図中ＬＲは光照射手段であり、半導体レー
ザ１とレンズ２とを有している。３は光学スケールであ
り、円筒部材３ｃの内周面又は外周面に格子ピッチＰの
一定周期で複数の格子（格子部）３ｄを設けた構成より
成っている。光学スケール３は透光性の光学材料例えば
プラスチックより成り、回転体６の一部として設けられ
ており、回転体６と一体的に回転軸６ａを中心に回転し
ている。

【００２０】格子３ｄは図２、図３に示すように光学ス
ケール３の矢印３ｆで示す回転方向に対して垂直方向
（回転軸６ａ方向）に長い、互いに逆方向に傾けた２つ
の傾斜面を有するＶ溝（Ｖ溝部）と円筒状に基づく僅か
に曲率を有した略平面に近い曲面部（以下、「平面部」
と称する）より成っている。

【００２１】図３（Ａ），（Ｂ）は光学スケール３の格
子の詳細図であり、Ｖ溝部３０ｂ−１，３０ｂ−２と平
面部３０ａが交互に配列されて格子を形成している。円
筒部材３ｃの内側面にＶ溝を等間隔にｎ個、円周方向に
ピッチＰで等間隔に配列している。Ｖ溝幅は１／２・
Ｐ、又Ｖ溝を形成する２つの平面部は各々１／４・Ｐの
幅を有し、各々の傾斜面はＶ溝の底部と中心とを結ぶ直
線に対し各々臨界角以上、本実施例ではθ＝４５°で傾
いている。

【００２２】光学スケール３の第１スケール（第１領
域）３ａと第２スケール（第２領域）３ｂの光軸に沿っ
た間隔Ｄ（光学スケール内側の直径）は、本実施例では
格子ピッチがＰ、波長がλとして Ｄ＝Ｎ・Ｐ² ／λ （Ｎは自然数） Ｐ＝πＤ／ｎ （ｎはスリットの総数） を満たすように設定されている。

【００２３】このように光学スケール３の直径Ｄを設定
することにより、光学スケール３の側面の第１領域３ａ
の格子の像を直接第２領域３ｂの格子へ投影している。
ここで投影される格子像はフーリエ像と呼ばれるもので
あり、光回折現象に伴う格子の自己結像作用により生じ
る。

【００２４】尚、本実施例では光学スケール３の材質を
プラスチックとし、射出成型若しくは圧縮成型等の製法
によって容易に作成することができるようにしている。

【００２５】４は受光手段であり、複数の受光素子を有
している。本実施例では光学スケール３で光変調され射
出した３つの光束を各々受光する為の３つのフォトディ
テクタ（受光素子）４ａ，４ｂ，４ｃを有している。５
は信号処理回路であり、パルスカウント回路や回転方向
の判別回路そして信号内挿処理回路等を有しており、受
光手段４からの信号を用いて光学スケール３の回転情報
を検出している。

【００２６】次に本実施例における光学スケール３（回
転体６）の回転情報の検出方法について説明する。

【００２７】半導体レーザ１からの光束はレンズ系２の
位置を調整して収束光に変換され、この収束光束を光学
スケール３の第１スケール（第１領域）３ａに入射させ
る。ここで収束光とした理由は、光学スケール３の側面
部は外側面と内側面の曲率差により凹レンズ相当の屈折
力を有する為であり、凹レンズ作用によって光学スケー
ル３内に進入した光は略平行光になる。

【００２８】この収束光束は、第１領域３ａの格子３ｄ
において図３（Ａ）に示すように、格子部３０ａに到達
した光線は格子部３０ａを通過して円筒内に進む。又、
格子部３０ｂ−１面に到達した光線は、傾斜面が臨界角
以上に設定されているので、図に示したように全反射し
て３０ｂ−２面に向けられ、３０ｂ−２面でも全反射す
ることになるので、結局３０ｂ−１面へ到達した光線は
光学スケール３の円筒部材の内部に進入することなく、
略入射方向に戻されることになる。同様に３０ｂ−２面
に到達した光線も全反射を繰り返して戻される。

【００２９】従って第１領域３ａにおいてＶ溝を形成す
る２つの傾斜面３０ｂ−１、３０ｂ−２の範囲に到達す
る光束は、円筒部材内に進入することなく反射され、格
子部３０ａに到達した光線のみが円筒部材の内部に進む
ことになる。即ち、第１領域３ａにおいてＶ溝型の格子
３ｄは透過型の振幅回折格子と同様の作用を有する。こ
の第１領域３ａの格子３ｄで光束は回折され、格子の作
用により０次、±１次、、±２次・・・の回折光が生
じ、０次光及び±１次光の２つ若しくは３つの光束同士
の干渉の結果、第１領域３ａの格子のフーリエ像が光学
スケール３の内部に結像される。フーリエ像は格子面よ
り後方に距離Ｌを基本としてその正の整数倍の位置に繰
り返し結像される。

【００３０】本実施例においては３番目（Ｎ＝３）のフ
ーリエ像が第２領域３ｂの格子面上に結像されるよう
に、光源波長λ、格子ピッチＰ、レンズ系２の位置が設
定されている。このフーリエ像の明暗ピッチは第１領域
３ａ及び第２領域３ｂの格子３ｄであるＶ溝のピッチＰ
と等しくなる。

【００３１】第２領域３ｂにおいて面３０ａに入射した
光束は図３（Ｂ）に示すように略垂直入射するため直線
透過してフォトディテクタ４ｃに到達する。又、Ｖ溝面
を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１及び３０ｂ−２に到
達した光線は、各々の面に略４５°の入射角をもって入
射するためそれぞれ異なる方向に大きく屈折して各々デ
ィテクタ４ａ及び４ｂに到達する。

【００３２】このように第２領域３ｂにおいては、入射
光束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面、及び
Ｖ溝とＶ溝の間の平面の合計３種の傾き方向の異なる面
により、光束は３つの方向に別れて進み、各々の面に対
応した位置に設けられた各フォトディテクタ４ａ，４
ｂ，４ｃに到達する。即ち第２領域３ｂにおいてＶ溝格
子は光波波面分割素子として機能する。

【００３３】ここで光学スケール３が回転すると各フォ
トディテクタ４ａ，４ｂ，４ｃで検出される光量が変化
する。格子の位置とフーリエ像の位置の相対的変位に応
じ、各フォトディテクタに入射する光量バランスが変化
し、その結果、光学スケール３が反時計廻りに回転した
とすると、図４（Ａ）に示すような光学スケール３の回
転に伴う光量変化が得られる。

【００３４】ここで横軸は光学スケール３の回転量、縦
軸は受光光量である。信号ａ，ｂ，ｃはそれぞれフォト
ディテクタ４ａ，４ｂ，４ｃに対応している。尚、逆に
光学スケール３が時計廻りに回転した場合はａは４ｂ、
ｂは４ａ、ｃは４ｃの出力となる。この違いによって回
転方向を判別することができる。

【００３５】尚、図４（Ａ）はフーリエ像のコントラス
トが非常に高く理想に近い場合の理論的な光量変化の様
子を示したものであり、実際にはフーリエ像のコントラ
ストがもっと低い為、図４（Ｂ）のように各光量は略正
弦波状に変化する。これらの信号を基に光学スケール３
（回転体６）の回転角度や回転量あるいは回転速度や回
転加速度等の回転情報を得ている。

【００３６】次に本実施例において受光手段４の３つの
受光素子４ａ，４ｂ，４ｃで得られる信号を用いて信号
処理回路５によりコンパレート・レベルを設定し、変位
信号である２値化信号を得て高精度の移動情報を得る信
号処理方法について説明する。

【００３７】図５に示したように各受光素子４ａ，４
ｂ，４ｃの受光光量の和は光学スケール３の透過後の全
光量にほぼ等しくなる。従って、この性質を利用すれば
次のように受光光量の和に比例した値を用いて波形整形
が可能になる。

【００３８】具体的には、図５の端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３
での各出力信号を各々抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を介
して結合し和信号をとり波形整形部に設けた各コンパレ
ータＩＣの基準電位入力部に結合することにより波形整
形後の出力信号のデューティー変動をなくすことが可能
になる。

【００３９】以下にその詳細を説明する。

【００４０】まず、図中端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３、ＴＧで
の各出力信号は便宜上Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，ＴＧとしたと
き下記のように表せられる。

【００４１】 Ｔ１＝Ａ・ＳＩＮ（ωｔ）＋ＬＡ （１） Ｔ２＝Ａ・ＣＯＳ（ωｔ）＋ＬＡ （２） Ｔ３＝−Ａ・（ＳＩＮ（ωｔ）＋ＣＯＳ（ωｔ））＋２・ＬＡ （３） ＴＧ＝０ （４） ここで、各周波数をω、時間をｔとし、ＡはＴ１，Ｔ２
の出力信号振幅、ＬＡはＴ１，Ｔ２の出力信号のＤＣレ
ベル、をあらわしている。

【００４２】図５，図６の抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４
の抵抗値を等しくすることでＴ４の値は次式で表され
る。

【００４３】 Ｔ４＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋ＴＧ）／４＝ＬＡ （５） （５）式は各受光素子の受光光量の和が固定スケール透
過後の全光量にほぼ等しくなる性質から導かれる。

【００４４】本実施例では図３に示した形状のＶ溝型の
光学スケール３を用いているので全光量の１／４の値を
コンパレート・レベルとして用いている。

【００４５】仮に温度変動等により光源１からの発光光
量が変動したとすると、上式（１）（２）（３）（４）
（５）は次式のようになる。

【００４６】 Ｔ１’＝Ａ’・ＳＩＮ（ωｔ）＋ＬＡ’ （６） Ｔ２’＝Ａ’・ＣＯＳ（ωｔ）＋ＬＡ’ （７） Ｔ３’＝−Ａ’・（ＳＩＮ（ωｔ）＋ＣＯＳ（ωｔ））＋２・ＬＡ’ （８） ＴＧ’＝０ （９） このとき、Ｔ４での信号出力は Ｔ４＝（Ｔ１’＋Ｔ２’＋Ｔ３’＋ＴＧ’）／４＝ＬＡ’ （１０） （１０）式よりえられるＴ４の値はＬＡ’となり出力信
号Ｔ１’，Ｔ２’のＤＣ成分に相当する。

【００４７】従って、光量の変動が生じた場合には、Ｔ
１，Ｔ２の出力信号のＤＣ成分変動が生じる。従来例の
ように定電圧値をコンパレート・レベルとする回路構成
では波形整形後の矩形波出力信号のデューティが変動し
てしまう。

【００４８】しかし、コンパレート・レベルＴ４の値も
追従して変化するために波形整形後の矩形波出力信号の
デューティ変動は生じない。

【００４９】図６は図５を実現する具体的な回路例であ
る。図中ＩＣ１〜ＩＣ４は公知のＯＰアンプ、ＩＣ５，
ＩＣ６は公知のコンパレータである。以下に、動作説明
を示す。

【００５０】ＯＰアンプＩＣ１〜ＩＣ３は、電気抵抗Ｒ
５〜Ｒ７で決まる電流・電圧変換係数を持つ電流・電圧
変換器を構成しており、ＯＰアンプＩＣ４はバッファー
を構成している。又、コンパレータＩＣ５，ＩＣ６は、
抵抗Ｒ８〜Ｒ１０，Ｒ１１〜Ｒ１３によってヒステリシ
ス特性を持つコンパレータを構成している。

【００５１】受光素子４ａ〜４ｃに不図示の光学スリッ
トによって光学的に光量変調された光線が入射される
と、入射光量に応じて光電流が流れる。

【００５２】ここで、各周波数をω、時間ｔとし、受光
素子４ａ〜４ｃで検出された光電流ｉａ〜ｉｃを ｉａ＝Ｉ・Ｓｉｎ ωｔ＋Ｉｏ （１１） ｉｂ＝Ｉ・Ｃｏｓ ωｔ＋Ｉｏ （１２） ｉｃ＝−Ｉ・（Ｓｉｎ ωｔ＋Ｃｏｓ ωｔ）＋２・Ｉｏ （１３） とすれば、 Ｔ１＝Ｖｒ−Ｒ５・（Ｉ・Ｓｉｎ ωｔ＋Ｉ０） （１４） Ｔ２＝Ｖｒ−Ｒ６・（Ｉ・Ｃｏｓ ωｔ＋Ｉ０） （１５） Ｔ３＝Ｖｒ−Ｒ７・（−Ｉ・（Ｓｉｎ ωｔ＋Ｃｏｓ ωｔ）＋２・Ｉ０） （１６） となる。

【００５３】ここで、抵抗Ｒ５〜Ｒ７をＲとし、抵抗Ｒ
１〜Ｒ４を同じ抵抗値とすればＴ４の電圧は、 Ｔ４＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ７）／４ ＝Ｖｒ−Ｒ・Ｉｏ （１７） となる。

【００５４】（１７）式より、Ｔ４の電圧がＴ１，Ｔ２
のＤＣ成分となることは明らかであり、ゆえに、図５を
用いた説明と同様に、コンパレータＩＣ５，ＩＣ６の負
入力であるＴ１，Ｔ２のＤＣ成分であるＴ４が、常にコ
ンパレータ・レベルになる為、Ｔ５，Ｔ６には、光源１
からの発光光量の変動に影響されない安定したデューテ
ィー比の矩形波波形が得られる。

【００５５】図７，図８は本発明の効果を従来の出力信
号と比較してわかりやすく説明する為の図である。

【００５６】図７（Ａ）は３つの受光素子４ａ，４ｂ，
４ｃ，からの出力信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣが規則正しく出
力されている理想のとき、図７（Ｂ）はコンパレート・
レベルＶ１により同図（Ａ）の信号より２値化信号Ｃ
Ａ，ＣＢを得たときの信号を示している。

【００５７】図８（Ａ）は従来の信号処理回路での出力
信号ＳＡ、コンパレート・レベルＬＡ、及び２値化信号
ＣＡを示している。図８（Ｂ）は本発明の信号処理回路
での出力信号ＳＡ、コンパレート・レベルＬＡ、及び２
値化信号ＣＡを示している。

【００５８】図８（Ａ）ではコンパレート・レベルが固
定であるために２値化信号ＣＡのデューティーが変動し
てしまい、最悪の場合、パルスを発生できなくなる可能
性がある。しかし、本発明によれば図８（Ｂ）のように
コンパレート・レベルＬＡが出力信号の変動に追従する
ためデューティーが変動することがなくなり、パルスが
抜けるような事態も回避でき、常に矩形波出力信号ＣＡ
が得られる。

【００５９】図９は本発明の実施例２の要部概略図であ
る。本実施例はエンコーダとしてリニアエンコーダに適
用した場合を示している。

【００６０】図中８１は発光素子であり、集光作用をす
るレンズ部８１ａ（コリメーターレンズ）を有してい
る。８２は第１スケールとしての固定スケールであり、
格子状の光透過部と光遮光部とを等間隔で周期的にピッ
チＰで設けている。８３は第２スケールとしての可動ス
ケールであり、Ｖ溝を有する格子より成り固定スケール
８２と対向配置すると共に不図示の被測定物に取り付け
られている。８４ａ，８４ｂ，８４ｃは各々受光素子で
あり、後述する可動スケール８３の各領域からの光束を
各々受光している。８５は増幅回路、８６は波形整形回
路であり、増幅回路８５からの出力信号を波形整形して
いる。８７は方向判別カウンタであり、波形整形回路８
６からの２つの所定の位相差を有した出力信号を用いて
可動スケール８３の移動方向を判別している。

【００６１】本実施例において３つの受光素子８４ａ，
８４ｂ，８４ｃで得られた信号の信号処理方法は前述し
た実施例１（図５，図６で示す回路）と同じである。

【００６２】図１０（Ａ），（Ｂ）は図９に示す可動ス
ケール８３の斜視図と光束の進行方向の断面図である。
可動スケール８３はガラス若しくはプラスチック成形よ
り成る平行平板状の透明材料から成り、同図に示す如く
発光素子８１からの光束の入射面上に、該可動スケール
の可動方向Ｄに対して垂直方向に固定スケール８２の格
子ピッチＰと等しい間隔で設けたＶ型溝３１と可動方向
Ｄに対して水平方向にピッチＰと等しい間隔で設けた平
面光透過部３２とから構成されている。

【００６３】Ｖ型溝３２を形成する２つの傾斜面８３
ａ，８３ｃの裏面である平面８３ｄに対する角度θは各
々４５度、平面光透過部８３ｂは平面８３ｄと平行とな
っている。

【００６４】本実施例では発光素子８１からの平行光束
のうち固定スケール８２の透過部を通過した光束を可動
スケール８３に入射させている。そして可動スケール８
３のＶ型溝３１と平面光透過部３２を通過した光束を、
図１１，図１２に示すように各々屈折及び単に通過させ
て各々の受光素子８４ａ，８４ｂ，８４ｃ面上に入射さ
せている。

【００６５】このとき本実施例では受光素子８４ａ，８
４ｃからの出力信号に９０度の位相差がつくように図１
０に示すようにＶ型溝３１をピッチＰの１／２の幅で、
かつ２つの傾斜面８３ａ，８３ｃの幅が等しく各々Ｐ／
４となるようにし、又、平面光透過部３２をピッチＰの
１／２の幅となるように設定している。

【００６６】本実施例では可動スケール８３に空間的に
強度分布が一様な平行光束を垂直に入射させ、入射光束
を可動スケール８３の３つの領域８３ａ，８３ｂ，８３
ｃで３方向に分割している。このうち傾斜面８３ａ，８
３ｃの傾きによって決定される方向に射出した光束を各
々受光素子８４ａ，８４ｃに入射させ、又、平面光透過
部８３ｂに垂直入射した光束を受光素子８４ｂに入射さ
せている。そして受光素子８４ａ，８４ｃからの所定の
位相差を有した２つの出力信号を２値化し、所定の位相
差を有した２値化信号を用いて可動スケール８３の移動
量及び移動方向等の変位状態を検出している。

【００６７】このとき本実施例は受光素子４ａ，４ｃか
らの出力信号の他に受光素子４ｂからの出力信号の全体
として３つの出力信号の和を波形整形回路８６での基準
信号として用いることにより実施例１と同様の効果を得
ている。

【００６８】次に本実施例において、可動スケール８３
と固定スケール８２との相対的位置の違いにより、発光
素子８１から射出した光束の各受光素子８４ａ，８４
ｂ，８４ｃへの入射状態について図１３〜図１６に代表
的な４つの状態を例にとり説明する。

【００６９】図１３は固定スケール８２の光透過部８２
ａが可動スケール８３の平面光透過部８３ｂと重なった
場合である。固定スケール８２の光透過部８２ａを通過
した平行光束は全て可動スケール８３の平面光透過部８
３ｂを通過し受光素子８４ｂに入射する。このとき受光
素子８４ａ，８４ｃには光束は入射しない。

【００７０】図１４は固定スケール８２の光透過部８２
ａが可動スケール８３の平面光透過部８３ｂの半分の領
域と傾斜面８３ａに重なった場合である。固定スケール
８２の光透過部８２ａを通過した光束は、その１／２が
平面光透過部８３ｂに入射し、残りの１／２が傾斜面８
３ａに入射する。その結果、可動スケール８３からの射
出光束は受光素子８４ａ，８４ｂに入射する。このとき
受光素子８４ｃには光束は入射しない。

【００７１】図１５は固定スケール８２の光透過部８２
ａが可動スケール８３のＶ型溝の両傾斜面８３ａ，８３
ｃに重なった場合である。固定スケール８２の光透過部
８２ａを通過した光束は、その１／２が傾斜面８３ａに
入射し、残りの１／２が傾斜面８３ｃに入射し、この結
果、２つの受光素子８４ａ，８４ｃに各々等しく光束が
入射する。このとき受光素子８４ｂには光束は入射しな
い。

【００７２】図１６は固定スケール８２の光透過部８２
ａが可動スケール８３の平面光透過部８３ｂの半分の領
域と傾斜面８３ｃに重なった場合である。固定スケール
８２の光透過部８２ａを通過した光束はその１／２が平
面光透過部８３ｂに入射し、残りの１／２が傾斜面８３
ｃに入射し、この結果、受光素子８４ｂ，８４ｃに光束
が入射する。このとき受光素子８４ａには光束は入射し
ない。

【００７３】次に図１３〜図１６に示した固定スケール
８２と可動スケール８３との相対的位置を連続的に変化
させたときの各受光素子８４ａ，８４ｂ，８４ｃで受光
される光量変化を図１７（Ａ），（Ｂ）に示す。

【００７４】同図（Ａ）は図１３〜図１６に相当する概
略図、同図（Ｂ）はそのときの各受光素子で受光される
光量変化を横軸を可動スケールの変化量をとり示してい
る。９Ａ，９Ｃは受光素子９４ａ，９４ｃで受光される
光量の相対的変位を示しており、両方の位相関係は９０
度ずれたものとなっている。

【００７５】図１８（Ａ）は本実施例において固定スケ
ール８２と可動スケール８３の相対的位置を連続的に変
位させたときの各受光素子からの出力信号Ｓ、即ち図５
の信号処理回路上のＴ１，Ｔ２，Ｔ３での信号Ｓを図１
７（Ｂ）と同様に示したものである。

【００７６】同図においては発光素子８１からの出射光
が平行光束であり、固定スケール８２の透過部からの出
射光が回折されなく、又、可動スケール８３の各入射面
と射出面で光量損失がないものと仮定した場合の出力信
号Ｓ（ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ）を示している。

【００７７】又、図１８（Ｂ）は同図（Ａ）において前
述の各仮定が成り立たない実際に組立てた場合の各受光
素子８４ａ，８４ｂ，８４ｃからの出力信号の波形を示
している。

【００７８】図１８（Ａ），（Ｂ）に示すように、いず
れの場合も受光素子８４ａ，８４ｃからの出力信号は互
いに９０度の位相差を有している。

【００７９】本実施例における可動スケール８３のＶ型
溝の傾斜面８３ａ，８３ｃは図１０に示す４５度の傾斜
角度に限定されるものではなく、傾斜面８３ａ，８３ｃ
に入射した光束が容易に２方向に分離し、２つの受光素
子に入射する角度であれば何度であっても良い。

【００８０】但し、あまり傾斜角度θが小さいと光束の
分離角度が小さくなり受光素子を可動スケールから遠く
離した位置に配置しなければならなくなり、装置全体が
大型化してくるので良くない。又、傾斜角度θが大きす
ぎると傾斜面８３ａ，８３ｃで屈折した光束が底面であ
る面ｄにおいて全反射してくるので、全反射しない程度
の角度に設定する必要がある。

【００８１】この他、全反射しなくても傾斜角度が大き
いと面８３ｄでの光量損失が増加するので、好ましくは
傾斜角度θを ３０ ＜ θ ＜ ６０ の範囲内に設定するのが良い。

【００８２】本実施例においては、図１０（Ｂ）に示す
ように可動スケール８３の光入射面を前述のピッチを有
するＶ型溝３１（傾斜面８３ａ，８３ｃの幅を１／４
Ｐ）と平面光透過部３２（その幅を１／２Ｐ）で構成
し、２つの受光素子８４ａ，８４ｃからの出力信号に９
０度の位相差を付与した場合を示したが、Ｖ型溝と平面
光透過部を１ピッチ内に任意の幅で設けることにより、
０度から180 度の範囲内で任意の位相差を付与すること
ができる。

【００８３】図１９は（Ａ）はＶ型溝の幅を２／３Ｐ、
平面光透過部の幅を１／３Ｐとし、２つの受光素子から
の出力信号に120 度の位相差を付与する場合の一実施例
の概略図である。このときＶ型溝の２つの傾斜面の幅は
１／３Ｐ、又、固定スケールの光透過部と光遮光部の幅
は各々１／２Ｐである。

【００８４】図１９（Ｂ），（Ｃ）はこのとき得られる
各受光素子からの出力信号を図１８（Ａ），（Ｂ）と同
様に示したものであり、同図に示すように３つの受光素
子からは互いに120 度の位相差を有した出力信号１１
Ａ，１１Ｂ，１１Ｃが得られる。

【００８５】これよりコンパレート・レベルＬＡにより
３組の２値化信号を得ている。本実施例においても図６
と同様に示した図２０に示す信号処理回路によりコンパ
レート・レベルＬＡを各受光素子からの和信号に比例し
た値に設定し、実施例１と同様の信号処理を行ってい
る。

【００８６】又、通常エンコーダの出力信号としては、
変位情報を得るために複数相の出力信号を用いている。
しかし、速度検出、あるいは変位方向判別を必要としな
い変位検出等では１相のみの矩形波出力信号だけでよい
場合がある。この場合にも本発明の効果を図２６
（Ａ），（Ｂ）に示す様な回路構成により得ることが可
能である。

【００８７】図２６（Ａ）は１相出力信号を得るための
信号処理回路の概略図である。図中主だった部品は図５
と同様であるので詳しい説明は省略する。

【００８８】図２６では１相出力信号でよいのでフォト
ディテクタからの信号の４ａ，４ｂ，４ｃのうちの１つ
をコンパレータＩＣＣ１に導き、一方各フォトディテク
タからの信号の和信号をコンパレータＩＣＣ１の基準電
位端子に接続する構成になっている。尚、先の実施例の
図５にない部品として新たに抵抗Ｒ２０，Ｒ２１が設け
られているがこれは説明のための例として４ｃからの信
号から１相の矩形波信号を得ようとした場合にレベル調
整の目的で設けられたものである。

【００８９】図２６（Ｂ）では本実施例での具体的な回
路例を示している。これらの構成部品についても先の実
施例の図６の構成とほぼ共通なので説明を省略する。新
たな部品として上述の抵抗Ｒ２０，Ｒ２１が設けられて
いる。尚、Ｔ８が新たに設けられているが説明のための
ポイントを示すに過ぎない。

【００９０】以上本発明では４ａ，４ｂ，４ｃのいずれ
か１つの受光素子を用いることにより図２７（Ａ）のよ
うな１相のみの矩形波信号（Ｔ８における出力信号）を
得ることが可能である。そして、４ａ，４ｂ，４ｃから
の出力信号の和信号によってコンパレートレベルを前述
のように得、これを用いて２値化信号図２７（Ｂ）を得
る（Ｔ５における出力信号）。

【００９１】図２６では４ｃの出力信号を用いている
が、他の受光素子からの出力信号を用いても本発明の効
果に変わりはない。

【００９２】一般に図１０（Ｂ）に示す形状においてピ
ッチＰにおけるＶ型溝の幅ａと平面光透過部の幅ｂに対
する２つの受光素子からの出力信号の位相差δとの関係
は

【００９３】

【数１】 となる。

【００９４】尚、このとき固定スケール８２の光透過部
と光遮光部の幅はいずれも各々１／２Ｐである。

【００９５】以上の各実施例において可動スケールと固
定スケールとの配置を交換し、発光素子８１側に可動ス
ケールを配置し、受光素子側に固定スケールを配置して
も本発明の目的を同様に達成することができる。

【００９６】図２１は本発明をロータリーエンコーダに
適用したときの実施例３の概略図、図２２は本発明をリ
ニアエンコーダに適用したときの実施例４の概略図であ
る。

【００９７】図２１，図２２において８１は発光素子、
８２は固定スケール、８３は可動スケールであり、例え
ば図１０（Ａ），（Ｂ）に示す形成より構成されてい
る。８４ａ，８４ｂ，８４ｃは各々受光素子である。

【００９８】可動スケール８３は被測定物体に各々取り
付けられている。固定スケール８２の透過部と可動スケ
ール８３のＶ型溝を通過した光束を受光素子８４ａ，８
４ｃで所定の位相差を付与した状態で受光することによ
り、被測定物体の変位方向及び変位量等を検出してい
る。

【００９９】このとき、３つの受光素子８４ａ，８４
ｂ，８４ｃで得られた信号の信号処理方法は前述した実
施例１と同じである。尚、以上の実施例ではＶ溝として
透過型のものを示したが反射型のものであっても同様に
適用可能である。

【０１００】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、受光手段
から得られる複数の信号を信号処理回路で適切に処理す
ることにより、即ちコンパレート・レベルを検出信号の
変動に追従させることにより光源からの光束の発光強度
の経時的な変化や外部温度変化に伴う発光強度の変化そ
して光学スケールの汚れ等による光学特性（例えば光透
過率）の変化があっても波形整形処理後のデューティー
の変動がなく信頼性の高い２値化信号が得られ、移動体
の移動情報を高精度に検出することができる信号処理方
法及びそれを用いたエンコーダを達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の要部断面図

【図２】 図１の要部平面図

【図３】 図１の一部分の拡大説明図

【図４】 図１の受光手段からの出力信号波形の説明
図

【図５】 図１の信号処理回路による信号処理方法の
回路説明図

【図６】 図１の信号処理回路による信号処理方法の
回路説明図

【図７】 図１の受光手段からの出力信号の処理を示
す説明図

【図８】 図１の受光手段からの出力信号の処理を示
す説明図

【図９】 本発明の実施例２の要部断面図

【図１０】 図９の一部分の説明図

【図１１】 図９の一部分の光束の光路説明図

【図１２】 図９の一部分の光束の光路説明図

【図１３】 図９の一部分の光束の光路説明図

【図１４】 図９の一部分の光束の光路説明図

【図１５】 図９の一部分の光束の光路説明図

【図１６】 図９の一部分の光束の光路説明図

【図１７】 図９における固定スケールと可動スケール
と相対移動させたときの光路図と受光素子からの出力信
号の説明図

【図１８】 図９の受光素子からの出力信号の説明図

【図１９】 図９の受光素子からの出力信号の説明図

【図２０】 図９の信号処理回路の説明図

【図２１】 本発明の実施例３の要部概略図

【図２２】 本発明の実施例４の要部概略図

【図２３】 従来のロータリーエンコーダの要部概略図

【図２４】 図２３の受光手段からの出力信号の説明図

【図２５】 図２３の受光手段からの出力信号の説明図

【図２６】 １相出力信号を得る場合の回路図

【図２７】 図２６における出力信号の説明図

【符号の説明】

ＬＲ 光照射手段 １，８１ 半導体レーザ ２ レンズ ３ 光学スケール ３ａ，８２ 第１スケール ３ｂ，８３ 第２スケール ３ｃ 円筒部材 ３ｄ 格子 ４，８４ 受光手段 ４ａ，４ｂ，４ｃ，８４ａ，８４ｂ，８４ｃ 受光素
子 ６ 回転体 ６ａ 回転軸 １５ 支持板 ５ 信号処理回路 ３０ｂ−１，３０ｂ−２ Ｖ溝 ３０ａ 平面部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一定周期の格子を有する第１スケールに
   光照射手段から光束を照射し、該第１スケールで光変調
   した光束を一定周期の格子を有する第２スケールに入射
   させ、該第２スケールで光変調した光束を複数の受光素
   子を有する受光手段で受光し、該受光手段からの信号を
   用いて該第１スケールと第２スケールとの相対的な変位
   情報を検出する際、該受光手段の複数の受光素子からの
   出力信号の和信号に応じてコンパレート・レベルを設定
   して変位信号を得ていることを特徴とする信号処理方
   法。
2. 【請求項２】 相対移動物体に設けられる一定周期の格
   子を有する光学スケールのうちの第１スケールに光照射
   手段から光束を照射し、該第１スケールで光変調した光
   束を該光学スケールのうちの第２スケールに入射させ、
   該第２スケールで光変調した光束を複数の受光素子を有
   する受光手段で受光し、該受光手段からの信号を用いて
   該移動体の変位情報を検出する際、該受光手段の複数の
   受光素子からの出力信号の和信号に応じてコンパレート
   ・レベルを設定して変位信号を得ていることを特徴とす
   る信号処理方法。
3. 【請求項３】 前記受光手段は３つの受光素子を有して
   おり、該３つの受光素子からの出力信号の和信号を利用
   してコンパレート・レベルを設定していることを特徴と
   する請求項１又は２の信号処理方法。
4. 【請求項４】 一定周期の格子を有する第１スケールに
   光照射手段からの光束を照射し、該第１スケールで光変
   調された光束を一定周期の格子を有する第２スケールに
   入射させ、該第２スケールで光変調された光束を複数の
   受光素子を有する受光手段で受光し、該受光手段からの
   信号を用いて信号処理部により該第１スケールと第２ス
   ケールとの相対移動情報を検出する際、該信号処理部は
   該受光手段の複数の受光素子からの出力信号の和信号を
   検出し、該和信号に基づいてコンパレート・レベルを設
   定していることを特徴とするエンコーダ。
5. 【請求項５】 相対移動物体に設けられる一定周期の格
   子より成る光学スケールを設けた移動体の該光学スケー
   ルのうちの第１スケールに光照射手段からの光束を照射
   し、該第１スケールで光変調された光束を該光学スケー
   ルのうちの第２スケールに入射させ、該第２スケールで
   光変調された光束を複数の受光素子を有する受光手段で
   受光し、該受光手段からの信号を用いて信号処理部によ
   り該移動体の移動情報を検出する際、該信号処理部は該
   受光手段の複数の受光素子からの出力信号の和信号を検
   出し、該和信号に基づいてコンパレート・レベルを設定
   していることを特徴とするエンコーダ。
6. 【請求項６】 前記受光手段は３つの受光素子を有して
   おり、該３つの受光素子からの出力信号の和信号を用い
   てコンパレート・レベルを設定していることを特徴とす
   る請求項４又は５のエンコーダ。
7. 【請求項７】 前記格子はＶ溝構成を有する請求項１〜
   ６の信号処理方法又はエンコーダ。