JP2941953B2 - 基準位置の検出方法および回転検出計 - Google Patents
基準位置の検出方法および回転検出計Info
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- JP2941953B2 JP2941953B2 JP2400390A JP40039090A JP2941953B2 JP 2941953 B2 JP2941953 B2 JP 2941953B2 JP 2400390 A JP2400390 A JP 2400390A JP 40039090 A JP40039090 A JP 40039090A JP 2941953 B2 JP2941953 B2 JP 2941953B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/36—Forming the light into pulses
- G01D5/366—Particular pulse shapes
Landscapes
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- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光学スケールの変位状態
を検出するエンコーダ等の変位検出計において原点とな
る基準位置を得る技術、及びこれに好適なフレネルゾー
ンプレートに関する。
を検出するエンコーダ等の変位検出計において原点とな
る基準位置を得る技術、及びこれに好適なフレネルゾー
ンプレートに関する。
【0002】
【従来の技術】変位検出計の一例として、円筒状の光学
スケールの回転量や回転速度を測定するロータリーエン
コーダが例えば特開昭63−81212号公報に開示さ
れている。このロータリーエンコーダは、図11に示す
ようなスリツト状の格子が刻まれた円筒状の光学スケー
ルの回転量を、簡便な構成で比較的高い分解能で測定す
ることができる。回転格子を円筒状とすることで、従来
一般的な2つの格子(回転格子と固定格子)の相対位置
合わせが不要なほか、回転軸の偏心による検出誤差のキ
ヤンセル効果が得られるなど、高精度化と取付けの簡便
性を実現する。この効果はスケールの内部(中空部)に
結像光学系を設け、この結像光学系によりスケールの側
面の第一領域の格子の像をスケールの回転軸に関して第
一領域とは反対側にある側面の第二領域の格子へ投影す
ることにより達成される。
スケールの回転量や回転速度を測定するロータリーエン
コーダが例えば特開昭63−81212号公報に開示さ
れている。このロータリーエンコーダは、図11に示す
ようなスリツト状の格子が刻まれた円筒状の光学スケー
ルの回転量を、簡便な構成で比較的高い分解能で測定す
ることができる。回転格子を円筒状とすることで、従来
一般的な2つの格子(回転格子と固定格子)の相対位置
合わせが不要なほか、回転軸の偏心による検出誤差のキ
ヤンセル効果が得られるなど、高精度化と取付けの簡便
性を実現する。この効果はスケールの内部(中空部)に
結像光学系を設け、この結像光学系によりスケールの側
面の第一領域の格子の像をスケールの回転軸に関して第
一領域とは反対側にある側面の第二領域の格子へ投影す
ることにより達成される。
【0003】一方、同様のスリツト格子あるいは透明円
筒部材にV溝等の斜面を有する凹凸格子部を形成した円
筒状の光学スケールを用い、上記形態を更に改良した形
態のエンコーダとして、本件出願人は特願平1−339
221号等において、上述の結像光学系の代わりに格子
のタルボ効果とモアレ技術を組合わせた、所謂タルボ干
渉の原理を応用した回転検出計を提案した。これによれ
ば先の従来例の効果に加えて装置全体の構成の簡略化、
小型化、低イナーシヤ化をより一層進めることできる。
筒部材にV溝等の斜面を有する凹凸格子部を形成した円
筒状の光学スケールを用い、上記形態を更に改良した形
態のエンコーダとして、本件出願人は特願平1−339
221号等において、上述の結像光学系の代わりに格子
のタルボ効果とモアレ技術を組合わせた、所謂タルボ干
渉の原理を応用した回転検出計を提案した。これによれ
ば先の従来例の効果に加えて装置全体の構成の簡略化、
小型化、低イナーシヤ化をより一層進めることできる。
【0004】さて、上記エンコーダをさまざまなシステ
ムにおいて使用する際には、回転の基準位置すなわち原
点位置が得られることが望ましい。原点信号を得ること
により絶対位置の検出等が可能なエンコーダが構成でき
る。そこで上記円筒格子を用いたエンコーダの基準信号
が得られる装置として、本願出願人は先に、円筒格子に
標識部を設けそれに対応した固定格子を固設することに
より基準位置信号が得られる回転検出計を提案した。
ムにおいて使用する際には、回転の基準位置すなわち原
点位置が得られることが望ましい。原点信号を得ること
により絶対位置の検出等が可能なエンコーダが構成でき
る。そこで上記円筒格子を用いたエンコーダの基準信号
が得られる装置として、本願出願人は先に、円筒格子に
標識部を設けそれに対応した固定格子を固設することに
より基準位置信号が得られる回転検出計を提案した。
【0005】
【発明の目的】本発明はより簡略な構成で、基準位置信
号を得ることができる基準位置検出方法の提供、これに
好適なフレネルゾーンプレートの提供、及びこれを用い
た回転検出計の提供を目的とする。
号を得ることができる基準位置検出方法の提供、これに
好適なフレネルゾーンプレートの提供、及びこれを用い
た回転検出計の提供を目的とする。
【0006】
【目的を達成するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の基準位置の検出方法は、遮光部と透光部とを
交互に有し且つ各遮光部が一対の傾斜面で形成されるフ
レネルゾーンプレートを備えた基準位置検出用の標識部
を移動光学スケールの一部に設け、該スケールに光を照
射して該標識部で集光された光を検出することによりス
ケールの基準位置を得ることを特徴とする。又、本発明
の回転検出計は、光照射手段と円筒状の光学スケールを
有する回転体と受光手段とを備え、前記円筒状の光学ス
ケールの側面には格子が形成され、光照射手段からの光
をスケール側面の第一領域に照射し、第一領域の格子を
介した光を第一領域とは異なる第二領域に向け、第二領
域の格子を介した光を受光手段で受光することによりス
ケールの回転情報を検出し、且つ前記回転体の一部に遮
光部と透光部とを交互に有し且つ各遮光部が一対の傾斜
面で形成されるフレネルゾーンプレートを備えた基準位
置検出用の標識部を設け、該標識部で集光された光を検
出することによりスケールの回転基準位置信号を得るこ
とを特徴とする。更に本発明のフレネルゾーンプレート
は、遮光部と透光部とを交互に有し且つ各遮光部が一対
の傾斜面で形成されることを特徴とする。
の本発明の基準位置の検出方法は、遮光部と透光部とを
交互に有し且つ各遮光部が一対の傾斜面で形成されるフ
レネルゾーンプレートを備えた基準位置検出用の標識部
を移動光学スケールの一部に設け、該スケールに光を照
射して該標識部で集光された光を検出することによりス
ケールの基準位置を得ることを特徴とする。又、本発明
の回転検出計は、光照射手段と円筒状の光学スケールを
有する回転体と受光手段とを備え、前記円筒状の光学ス
ケールの側面には格子が形成され、光照射手段からの光
をスケール側面の第一領域に照射し、第一領域の格子を
介した光を第一領域とは異なる第二領域に向け、第二領
域の格子を介した光を受光手段で受光することによりス
ケールの回転情報を検出し、且つ前記回転体の一部に遮
光部と透光部とを交互に有し且つ各遮光部が一対の傾斜
面で形成されるフレネルゾーンプレートを備えた基準位
置検出用の標識部を設け、該標識部で集光された光を検
出することによりスケールの回転基準位置信号を得るこ
とを特徴とする。更に本発明のフレネルゾーンプレート
は、遮光部と透光部とを交互に有し且つ各遮光部が一対
の傾斜面で形成されることを特徴とする。
【0007】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。図1は本発明の第一実施例を説明する上での
前提となる例の回転検出計を上方から見た図であり、図
2は側方から見た図である。図1において、1は半導体
レーザであり、波長λ(=780nm)の可干渉性光束を発生す
る。2は半導体レーザ1からの発散光束を略平行光束に変
換するコリメータレンズ系であり、半導体レーザ1とコ
リメータレンズ系2とで光照射手段が構成される。3は円
筒状の格子部を有する回転光学スケールであり、矢印に
示すいずれかの方向に回転する。該スケール3はその底
部7の中心部でモータ等の回転駆動軸5と連結され、駆動
軸5の回転量等を検出するための光学スケールとして使
用される。図10はこのスケール3の斜視図である。ス
ケール3は透光性の光学材料より成り、少なくとも格子
部が透光性を有する。円筒状のスケール3の内側面には
円周方向の全周に渡つて多数個のV溝が等間隔に並んで
格子部を形成している。図1に戻り、40は円筒スケール
内部位置に侵入して斜設固定され、入射する一部の光を
分割して下方に反射するハーフミラーである。スケール
3を挟んで光照射手段と対向する位置には、スケールの
回転情報を検出するための受光手段であるフオトデイテ
クタ4a,4b,4cが配置されている。そして各フオトデイテ
クタの出力信号は信号処理回路6に接続されている。信
号処理回路6は回転パルスのカウント回路、回転方向の
判別回路、信号内挿回路、基準位置信号生成回路等を有
する。
説明する。図1は本発明の第一実施例を説明する上での
前提となる例の回転検出計を上方から見た図であり、図
2は側方から見た図である。図1において、1は半導体
レーザであり、波長λ(=780nm)の可干渉性光束を発生す
る。2は半導体レーザ1からの発散光束を略平行光束に変
換するコリメータレンズ系であり、半導体レーザ1とコ
リメータレンズ系2とで光照射手段が構成される。3は円
筒状の格子部を有する回転光学スケールであり、矢印に
示すいずれかの方向に回転する。該スケール3はその底
部7の中心部でモータ等の回転駆動軸5と連結され、駆動
軸5の回転量等を検出するための光学スケールとして使
用される。図10はこのスケール3の斜視図である。ス
ケール3は透光性の光学材料より成り、少なくとも格子
部が透光性を有する。円筒状のスケール3の内側面には
円周方向の全周に渡つて多数個のV溝が等間隔に並んで
格子部を形成している。図1に戻り、40は円筒スケール
内部位置に侵入して斜設固定され、入射する一部の光を
分割して下方に反射するハーフミラーである。スケール
3を挟んで光照射手段と対向する位置には、スケールの
回転情報を検出するための受光手段であるフオトデイテ
クタ4a,4b,4cが配置されている。そして各フオトデイテ
クタの出力信号は信号処理回路6に接続されている。信
号処理回路6は回転パルスのカウント回路、回転方向の
判別回路、信号内挿回路、基準位置信号生成回路等を有
する。
【0008】又、側面図である図2において、ビームス
プリツタ40によって下方に分岐された光束は基準位置
検出用の標識部41へ指向される。該標識部41はスケ
ールの底部7の下面で、1回転中の所定の一か所に設け
られ、円周方向と直交する方向に細長いシリンドリカル
レンズ等の集光作用を有する凸状部から成る。該凸状部
はスケール3の格子部を形成するV溝と、同一の製法で
作成することができるメリツトがある。45は該標識部
41を介した光を検出して基準位置信号を得るためのフ
オトデイテクタである。該フオトデイテクタ出力信号は
前記信号処理回路6に接続され、基準位置信号を生成す
る。この基準位置信号により回転の原点位置を得ること
ができ、この基準位置信号により前記カウント回路のカ
ウント値をリセツトするようにすれば、原点位置からの
回転角や回転量の絶対値を得ることができる。
プリツタ40によって下方に分岐された光束は基準位置
検出用の標識部41へ指向される。該標識部41はスケ
ールの底部7の下面で、1回転中の所定の一か所に設け
られ、円周方向と直交する方向に細長いシリンドリカル
レンズ等の集光作用を有する凸状部から成る。該凸状部
はスケール3の格子部を形成するV溝と、同一の製法で
作成することができるメリツトがある。45は該標識部
41を介した光を検出して基準位置信号を得るためのフ
オトデイテクタである。該フオトデイテクタ出力信号は
前記信号処理回路6に接続され、基準位置信号を生成す
る。この基準位置信号により回転の原点位置を得ること
ができ、この基準位置信号により前記カウント回路のカ
ウント値をリセツトするようにすれば、原点位置からの
回転角や回転量の絶対値を得ることができる。
【0009】図1の下部の拡大図はスケール3の格子部
の詳細を表し、V溝部と平面部が交互に配列されて格子
を形成している。円筒内側面にV溝を等間隔にn個、円
周方向にピツチP(rad)で等間隔に配列し(n×P
=2πrad)、V溝幅は1/2P(rad)、又、V
溝を形成する2つの平面は各々1/4P(rad)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。
の詳細を表し、V溝部と平面部が交互に配列されて格子
を形成している。円筒内側面にV溝を等間隔にn個、円
周方向にピツチP(rad)で等間隔に配列し(n×P
=2πrad)、V溝幅は1/2P(rad)、又、V
溝を形成する2つの平面は各々1/4P(rad)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。
【0010】スケール3の第一領域31の格子と第二領
域32の格子の光軸に沿った間隔d(スケール内側の直
径)は、本実施例では格子ピツチがP、波長がλとし
て、 d=N・P2/λ (N=3) P=πd/n (nはスリツトの総数) を満たすように設定されている。このようにスケール3
の直径dを設定することにより、スケール3の中空部に
結像光学系を設けることなく、スケール3の側面の第一
領域31の格子の像を直接第二領域32の格子へ投影で
きる。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。本実施例のスケール3は円筒状を成している
ため、フーリエ像が多少湾曲してコントラストが低下す
る傾向があるが、以下に示す条件を満たすように光照射
手段(1、2)とスケール3を構成すれば実用上問題は
無い。
域32の格子の光軸に沿った間隔d(スケール内側の直
径)は、本実施例では格子ピツチがP、波長がλとし
て、 d=N・P2/λ (N=3) P=πd/n (nはスリツトの総数) を満たすように設定されている。このようにスケール3
の直径dを設定することにより、スケール3の中空部に
結像光学系を設けることなく、スケール3の側面の第一
領域31の格子の像を直接第二領域32の格子へ投影で
きる。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。本実施例のスケール3は円筒状を成している
ため、フーリエ像が多少湾曲してコントラストが低下す
る傾向があるが、以下に示す条件を満たすように光照射
手段(1、2)とスケール3を構成すれば実用上問題は
無い。
【0011】
なお、本実施例ではスケール3の材質をプラスチツクと
し、射出成型もしくは圧縮成型等の製法によって作成す
るため大量生産に好適である。すなわち従来のフオトリ
ソプロセスを用いた加工方法に較べ極めて低コストに提
供することができる。
し、射出成型もしくは圧縮成型等の製法によって作成す
るため大量生産に好適である。すなわち従来のフオトリ
ソプロセスを用いた加工方法に較べ極めて低コストに提
供することができる。
【0012】又、本実施例の構成のエンコーダは、外部
環境温度変化があると、スケールの直径d、格子ピツチ
P、半導体レーザの波長λがそれぞれ僅かに変化し、そ
れによってフーリエ像の結像位置と格子面との相対的な
位置ズレが生じて検出信号のS/Nの低下の要因となる
畏れがある。例えば高温になるとスケールの直径dが増
大し、それに伴って格子のピツチPの値も増大し、更に
は波長λは長波長側にシフトする。この時、フーリエ像
の位置LはL=N・P2/λの式からP2/λの割合で変
化することになる。そこで温度変化によるスケールの直
径dの変化量(Δd)とフーリエ像の移動量(ΔL)が
なるべく近くなるようにスケールの材質及び半導体レー
ザの特性を選ぶことにより、格子面の位置とフーリエ像
の結像位置の相対的な位置ズレを少なくすることがで
き、外部温度変化が生じても検出信号のS/Nの劣化が
少なくなる。本実施例で使用する波長780nmの半導
体レーザは50℃の温度変化に対し10nm程度の波長
変動が起きるが、スケールの材質としては熱膨張率の比
較的大きいものを採用することが好ましく、本実施例に
おいてはスケール3の材質をプラスチツク(n=1.4
9のアクリル樹脂)とした。これはガラス等に比べると
熱膨張率が大きいため、温度変動による出力信号のS/
Nの低下がより少ないという利点を有し、低コストで提
供できるという利点と合わせて考えると、本実施例のエ
ンコーダのスケールの材質としては非常に適している。
環境温度変化があると、スケールの直径d、格子ピツチ
P、半導体レーザの波長λがそれぞれ僅かに変化し、そ
れによってフーリエ像の結像位置と格子面との相対的な
位置ズレが生じて検出信号のS/Nの低下の要因となる
畏れがある。例えば高温になるとスケールの直径dが増
大し、それに伴って格子のピツチPの値も増大し、更に
は波長λは長波長側にシフトする。この時、フーリエ像
の位置LはL=N・P2/λの式からP2/λの割合で変
化することになる。そこで温度変化によるスケールの直
径dの変化量(Δd)とフーリエ像の移動量(ΔL)が
なるべく近くなるようにスケールの材質及び半導体レー
ザの特性を選ぶことにより、格子面の位置とフーリエ像
の結像位置の相対的な位置ズレを少なくすることがで
き、外部温度変化が生じても検出信号のS/Nの劣化が
少なくなる。本実施例で使用する波長780nmの半導
体レーザは50℃の温度変化に対し10nm程度の波長
変動が起きるが、スケールの材質としては熱膨張率の比
較的大きいものを採用することが好ましく、本実施例に
おいてはスケール3の材質をプラスチツク(n=1.4
9のアクリル樹脂)とした。これはガラス等に比べると
熱膨張率が大きいため、温度変動による出力信号のS/
Nの低下がより少ないという利点を有し、低コストで提
供できるという利点と合わせて考えると、本実施例のエ
ンコーダのスケールの材質としては非常に適している。
【0013】なお、本発明で使用できる光源は半導体レ
ーザには限らず、例えば点光源LEDであっても良い。
半導体レーザに比べて安価なLEDを使用することによ
って更なる低コスト化を進めることができる。
ーザには限らず、例えば点光源LEDであっても良い。
半導体レーザに比べて安価なLEDを使用することによ
って更なる低コスト化を進めることができる。
【0014】次に図1を用いて本実施例における回転情
報の測定原理について説明する。半導体レーザ1からの
光束はコリメータレンズ系2の位置を調整して収束光に
変換され、この収束光束をスケール3の第一領域31に
入射させる。ここで収束光とした理由は、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
屈折力を有するためであり、凹レンズ作用によってスケ
ール3内に進入した光はほぼ平行光になる。
報の測定原理について説明する。半導体レーザ1からの
光束はコリメータレンズ系2の位置を調整して収束光に
変換され、この収束光束をスケール3の第一領域31に
入射させる。ここで収束光とした理由は、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
屈折力を有するためであり、凹レンズ作用によってスケ
ール3内に進入した光はほぼ平行光になる。
【0015】この収束光束は、第一領域の格子部におい
て図1左下に示すように、格子部30aに到達した光線
は30a面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、回転体内部
に進入すること無くほぼ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。従って第一領域31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、円筒内に進入することなく反射され、3
0a部に到達した光線のみが円筒内部に進むことにな
る。すなわち第一領域31においてV溝型回折格子は透
過型の振幅格子と同様の作用を有することになる。
て図1左下に示すように、格子部30aに到達した光線
は30a面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、回転体内部
に進入すること無くほぼ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。従って第一領域31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、円筒内に進入することなく反射され、3
0a部に到達した光線のみが円筒内部に進むことにな
る。すなわち第一領域31においてV溝型回折格子は透
過型の振幅格子と同様の作用を有することになる。
【0016】この第一領域31の格子部で光束は回折さ
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、第一領域31の格子のフーリエ
像がスケール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を基本としてその整数倍の位置に繰
り返し結像される。本実施例においては3番目(N=
3)のフーリエ像が第二領域32の格子面上に結像され
るように、光源波長λ、格子ピツチP、コリメータレン
ズ系2の位置が設定されている。このフーリエ像の明暗
ピツチは第一領域31及び第二領域32の格子ピツチP
と等しくなる。
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、第一領域31の格子のフーリエ
像がスケール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を基本としてその整数倍の位置に繰
り返し結像される。本実施例においては3番目(N=
3)のフーリエ像が第二領域32の格子面上に結像され
るように、光源波長λ、格子ピツチP、コリメータレン
ズ系2の位置が設定されている。このフーリエ像の明暗
ピツチは第一領域31及び第二領域32の格子ピツチP
と等しくなる。
【0017】ここで円筒中に侵入して配置されたハーフ
ミラー40により、光束は2つの方向S、Tに別れて進
行する。ハーフミラー40を透過してS方向に直進した
光は第二領域32において面30aに入射し、図1右下
に示すように、ほぼ光線が垂直入射するため直線透過し
てフオトデイテクタ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、各々の面にほぼ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イテ
クタ4a及び4bに到達する。このように第二領域にお
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4a、4b、4
cの各フオトデイテクタに到達することになる。すなわ
ち第二領域32においてV溝格子は光波波面分割素子と
して機能することになる。
ミラー40により、光束は2つの方向S、Tに別れて進
行する。ハーフミラー40を透過してS方向に直進した
光は第二領域32において面30aに入射し、図1右下
に示すように、ほぼ光線が垂直入射するため直線透過し
てフオトデイテクタ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、各々の面にほぼ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イテ
クタ4a及び4bに到達する。このように第二領域にお
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4a、4b、4
cの各フオトデイテクタに到達することになる。すなわ
ち第二領域32においてV溝格子は光波波面分割素子と
して機能することになる。
【0018】ここでスケール3が回転すると各フオトデ
イテクタ4a,4b,4cで検出される光量が変化する
ことになる。格子の位置とフーリエ像の位置の相対的変
位に応じ、各フオトデイテクタに入射する光量バランス
が変化し、その結果、スケール3が反時計廻りに回転し
たとすると、図6に示すような格子の回転に伴う光量変
化が得られる。ここで横軸は円筒格子の回転量、縦軸は
受光光量である。信号a,b,cはそれぞれフオトデイ
テクタ4a,4b,4cに対応している。なお逆にスケ
ール3が時計廻りに回転した場合は、aは4b、bは4
a、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。なお図6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ため、図7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が得ら
れる。
イテクタ4a,4b,4cで検出される光量が変化する
ことになる。格子の位置とフーリエ像の位置の相対的変
位に応じ、各フオトデイテクタに入射する光量バランス
が変化し、その結果、スケール3が反時計廻りに回転し
たとすると、図6に示すような格子の回転に伴う光量変
化が得られる。ここで横軸は円筒格子の回転量、縦軸は
受光光量である。信号a,b,cはそれぞれフオトデイ
テクタ4a,4b,4cに対応している。なお逆にスケ
ール3が時計廻りに回転した場合は、aは4b、bは4
a、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。なお図6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ため、図7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が得ら
れる。
【0019】さて次に、ハーフミラー40によりT方向
に分岐された光束を用いて基準位置すなわち原点位置を
検出する方法に関して図3を用いて詳細に説明する。図
3は基準位置検出のための検出光学系の詳細図であり、
先の図2のA−Bの方向から見た図である。
に分岐された光束を用いて基準位置すなわち原点位置を
検出する方法に関して図3を用いて詳細に説明する。図
3は基準位置検出のための検出光学系の詳細図であり、
先の図2のA−Bの方向から見た図である。
【0020】スケール底部7の光束入射側の面8は平面
より成り、該平面8の裏面には基準位置信号を発生する
ための標識部41が円周の一か所に設けられている。該
標識部41は1次元の集光作用を持つシリンドリカルレ
ンズから成り、該シリンドリカル面はスケールの円周方
向と直交する方向(紙面鉛直方向)に細長く形成されて
いる。又、その下方には、基準位置信号を得るためのフ
オトデイテクタ45を有する。また、標識部41が形成
されている面の標識部41以外の領域はすべて光拡散面
よりなる。ここで光拡散面としているのは、基準位置の
検出の検出感度を上げるためであり、必ずしも拡散面で
ある必要はない。
より成り、該平面8の裏面には基準位置信号を発生する
ための標識部41が円周の一か所に設けられている。該
標識部41は1次元の集光作用を持つシリンドリカルレ
ンズから成り、該シリンドリカル面はスケールの円周方
向と直交する方向(紙面鉛直方向)に細長く形成されて
いる。又、その下方には、基準位置信号を得るためのフ
オトデイテクタ45を有する。また、標識部41が形成
されている面の標識部41以外の領域はすべて光拡散面
よりなる。ここで光拡散面としているのは、基準位置の
検出の検出感度を上げるためであり、必ずしも拡散面で
ある必要はない。
【0021】図4及び図5は以上の構成による基準位置
信号の検出作用を説明するための図である。図4はシリ
ンドリカルレンズ状の標識部41がフオトデイテクタ4
5の受光面42と位置がずれている状態を示しており、
この場合、平面8を透過した光は拡散面88で拡散され
わずかな光線のみが、受光面42に入射する。これに対
して図5は図4の状態からスケールが更に変位し、標識
部41のシリンドリカルレンズ部の光軸と受光面42の
位置が合致した状態を示しており、この時、標識部41
に入射する光束はシリンドリカルレンズの作用によって
集光され、受光面42には最大光量の光が入射する。
信号の検出作用を説明するための図である。図4はシリ
ンドリカルレンズ状の標識部41がフオトデイテクタ4
5の受光面42と位置がずれている状態を示しており、
この場合、平面8を透過した光は拡散面88で拡散され
わずかな光線のみが、受光面42に入射する。これに対
して図5は図4の状態からスケールが更に変位し、標識
部41のシリンドリカルレンズ部の光軸と受光面42の
位置が合致した状態を示しており、この時、標識部41
に入射する光束はシリンドリカルレンズの作用によって
集光され、受光面42には最大光量の光が入射する。
【0022】ここで図8は受光面42に入射する光量が
スリツトの回転動作により変化する様子を示し、通常は
受光面にはわずかな光しか届かないためLOレベルの強
度の出力が得られるが基準スリットが通過する短い期間
は受光面42で受光される光量が最大となる。図9はそ
の信号を基に不図示の回路にて作成される基準位置信号
を示す。このようにして1回転360度の中の所定の一
点で絶対的な基準位置信号が得られる。なお標識部41
を円周に沿って複数個設ければ、それに対応して一回転
で複数の基準位置信号を得ることができる。
スリツトの回転動作により変化する様子を示し、通常は
受光面にはわずかな光しか届かないためLOレベルの強
度の出力が得られるが基準スリットが通過する短い期間
は受光面42で受光される光量が最大となる。図9はそ
の信号を基に不図示の回路にて作成される基準位置信号
を示す。このようにして1回転360度の中の所定の一
点で絶対的な基準位置信号が得られる。なお標識部41
を円周に沿って複数個設ければ、それに対応して一回転
で複数の基準位置信号を得ることができる。
【0023】なお標識部41として本発明の第一実施例で
は、所謂ゾーンプレートを用いる。図15は本実施例にお
ける標識部の構成図であり、先と同一の符号は同一の部
材を表わす。図中、スケール底部の下面9の一部には、
前提となる例でのシリンドリカルレンズに相当する一次
元のフレネルレンズが形成され、スケールの移動方向に
のみ集光作用を有するゾーンプレート部44を構成してい
る。図16はゾーンプレート部の拡大図である。本実施例
では、従来の一般的なフレネルゾーンプレートの中でも
振幅型のゾーンプレートとして構成したものであり、光
遮光部として図16のように全反射面を利用して光遮光部
を形成している。フレネレゾーンプレートは次の式で表
される間隔RNで光遮光部と光透過部が交互に配置され
る。ここで、λは光の波長、Pはフレネルゾーンプレー
トの主焦点距離であり、図15におけるゾーンプレート部
44から受光面42までの距離である。
は、所謂ゾーンプレートを用いる。図15は本実施例にお
ける標識部の構成図であり、先と同一の符号は同一の部
材を表わす。図中、スケール底部の下面9の一部には、
前提となる例でのシリンドリカルレンズに相当する一次
元のフレネルレンズが形成され、スケールの移動方向に
のみ集光作用を有するゾーンプレート部44を構成してい
る。図16はゾーンプレート部の拡大図である。本実施例
では、従来の一般的なフレネルゾーンプレートの中でも
振幅型のゾーンプレートとして構成したものであり、光
遮光部として図16のように全反射面を利用して光遮光部
を形成している。フレネレゾーンプレートは次の式で表
される間隔RNで光遮光部と光透過部が交互に配置され
る。ここで、λは光の波長、Pはフレネルゾーンプレー
トの主焦点距離であり、図15におけるゾーンプレート部
44から受光面42までの距離である。
【0024】
【外】 さて次に本発明の他の実施例を説明する。図13は本実
施例の構成図であり、先の図2と同一の符号は同一ある
いは同等の部材を示す。先の実施例とはハーフミラー4
0によりT方向に分岐された光束を用いて原点である基
準位置を検出する構成が異なり、基準位置検出用の光検
出器45はスケール読取り用の光検出器4と並設されて
いる。
施例の構成図であり、先の図2と同一の符号は同一ある
いは同等の部材を示す。先の実施例とはハーフミラー4
0によりT方向に分岐された光束を用いて原点である基
準位置を検出する構成が異なり、基準位置検出用の光検
出器45はスケール読取り用の光検出器4と並設されて
いる。
【0025】図14は本実施例の標識部付近の基準位置
検出光学系の詳細図である。スケール底部7の光束入射
側の面8は平面より成り、該平面8の面には基準位置を
検出するための標識部43が円周の一か所に設けられて
いる。該標識部43は先の実施例と同様に1次元の集光
作用を持つシリンドリカルレンズから成り、該シリンド
リカル面はスケールの円周方向と直交する方向(紙面鉛
直方向)に細長く形成されている。又、その下方のスケ
ール底部7の下面9には切り込み部が設けられ、45度
の傾斜を有する反射面44が形成されている。該反射面
は臨界角以上に設定されているため、上方からの導かれ
る光束を直角方向に全反射して円筒外側面方向に導く作
用を有する。該反射面44は特にミラー加工する必要も
なく円筒格子と一体化されているため製造が容易であ
る。反射面44で反射した光束は円筒外側面で更に集光
作用を受け、フオトデイクタ42上に集光される。また
標識部43以外の面は先の実施例と同様に光拡散面とさ
れ検出の検出感度を上げている。
検出光学系の詳細図である。スケール底部7の光束入射
側の面8は平面より成り、該平面8の面には基準位置を
検出するための標識部43が円周の一か所に設けられて
いる。該標識部43は先の実施例と同様に1次元の集光
作用を持つシリンドリカルレンズから成り、該シリンド
リカル面はスケールの円周方向と直交する方向(紙面鉛
直方向)に細長く形成されている。又、その下方のスケ
ール底部7の下面9には切り込み部が設けられ、45度
の傾斜を有する反射面44が形成されている。該反射面
は臨界角以上に設定されているため、上方からの導かれ
る光束を直角方向に全反射して円筒外側面方向に導く作
用を有する。該反射面44は特にミラー加工する必要も
なく円筒格子と一体化されているため製造が容易であ
る。反射面44で反射した光束は円筒外側面で更に集光
作用を受け、フオトデイクタ42上に集光される。また
標識部43以外の面は先の実施例と同様に光拡散面とさ
れ検出の検出感度を上げている。
【0026】図14は標識部43のシリンドリカルレン
ズの光軸がフオトデイテクタ45の受光面42と位置が
合致している状態を示しており、この時、シリンドリカ
ルレンズ部に入射する光束はレンズ作用により集光さ
れ、受光面42には最大光量の光が入射する。
ズの光軸がフオトデイテクタ45の受光面42と位置が
合致している状態を示しており、この時、シリンドリカ
ルレンズ部に入射する光束はレンズ作用により集光さ
れ、受光面42には最大光量の光が入射する。
【0027】本実施例においても先の図6あるいは図7
と同様の基準位置信号が得られる。更に本実施例では、
基準位置信号検出用のフオトデイテクタを他のフオトデ
イテクタの近くに配置することができ、検出系の小型化
にもつななる効果がある。
と同様の基準位置信号が得られる。更に本実施例では、
基準位置信号検出用のフオトデイテクタを他のフオトデ
イテクタの近くに配置することができ、検出系の小型化
にもつななる効果がある。
【0028】又、以上説明してきた各実施例は、透過性
のスケール上にに斜面を有する凹凸を設けて格子を形成
したスケールを用いた例であったが、これには限らず図
11のようなスリツト状格子を有する円筒スケールを用
いた特願平1−339221号に示されるようなエンコ
ーダにも同様に適用することができる。
のスケール上にに斜面を有する凹凸を設けて格子を形成
したスケールを用いた例であったが、これには限らず図
11のようなスリツト状格子を有する円筒スケールを用
いた特願平1−339221号に示されるようなエンコ
ーダにも同様に適用することができる。
【0029】又、本発明の基準位置の検出方法は上記実
施例のようなロータリーエンコーダには限らず、リニア
状のスケールを有するリニアエンコーダにも同様に適用
することができる。
施例のようなロータリーエンコーダには限らず、リニア
状のスケールを有するリニアエンコーダにも同様に適用
することができる。
【0030】又、上記実施例では、1次元の集光作用だ
けで説明したが、2次元であっても同様の機能が得られ
る。
けで説明したが、2次元であっても同様の機能が得られ
る。
【0031】さて図12は上記エンコーダを使用したシ
ステムの一例を示すもので、ロータリーエンコーダを有
する駆動システムのシステム構成図である。モータやア
クチユエータ、内燃機関等の駆動源を有する駆動手段1
10の回転出力部には上記説明したエンコーダ111が
接続され、回転角度や回転量あるいは回転速度等の回転
状態と共に回転の基準位置を検出する。このエンコーダ
111の検出出力は制御手段112にフイードバツクさ
れ、制御手段112においては設定手段113で設定さ
れた状態となるように駆動手段110に駆動信号を伝達
する。このようなフイードバツク系を構成することによ
って設定手段113で設定された回転状態を得ることが
できる。このような駆動システムは各種工作機械や製造
機械、計測機器、ロボツト、カメラ、映像音響機器、情
報機器、更にはこれらに限らず駆動手段を有する装置全
般に広く適用することができる。
ステムの一例を示すもので、ロータリーエンコーダを有
する駆動システムのシステム構成図である。モータやア
クチユエータ、内燃機関等の駆動源を有する駆動手段1
10の回転出力部には上記説明したエンコーダ111が
接続され、回転角度や回転量あるいは回転速度等の回転
状態と共に回転の基準位置を検出する。このエンコーダ
111の検出出力は制御手段112にフイードバツクさ
れ、制御手段112においては設定手段113で設定さ
れた状態となるように駆動手段110に駆動信号を伝達
する。このようなフイードバツク系を構成することによ
って設定手段113で設定された回転状態を得ることが
できる。このような駆動システムは各種工作機械や製造
機械、計測機器、ロボツト、カメラ、映像音響機器、情
報機器、更にはこれらに限らず駆動手段を有する装置全
般に広く適用することができる。
【0032】
【発明の効果】本発明によれば原点信号が得られる回転
検出計において、部品点数の消減、組み立ての容易さ、
小型化を達成できる。特に遮光部と透光部とを交互に有
し且つ各遮光部が一対の傾斜面で形成されるフレネルゾ
ーンプレートは、遮光部に入射する光束によるノイズ光
の発生をより効果的に防止し、集光作用を適正化でき
る。よって、これを用いることでより正確な原点信号検
出が可能となる。
検出計において、部品点数の消減、組み立ての容易さ、
小型化を達成できる。特に遮光部と透光部とを交互に有
し且つ各遮光部が一対の傾斜面で形成されるフレネルゾ
ーンプレートは、遮光部に入射する光束によるノイズ光
の発生をより効果的に防止し、集光作用を適正化でき
る。よって、これを用いることでより正確な原点信号検
出が可能となる。
【図1】本発明の第1実施例を説明するための前提とな
る例の上面図である。
る例の上面図である。
【図2】前提例の側面図である。
【図3】基準位置信号の検出光学系の詳細図である。
【図4】基準位置信号検出の作用を説明するための図で
ある。
ある。
【図5】基準位置信号検出の作用を説明するための図で
ある。
ある。
【図6】実施例のエンコーダの出力信号の理論的な波形
図である。
図である。
【図7】実施例のエンコーダの出力信号の実際の波形図
である。
である。
【図8】光検出器で得られる出力波形図である。
【図9】作成された基準位置信号の出力波形図である。
【図10】実施例の光学スケールの図である。
【図11】格子形状の変形例の図である。
【図12】エンコーダを用いた駆動システムのシステム
構成図である。
構成図である。
【図13】本発明の他の実施例を示す側面図である。
【図14】基準位置信号の検出光学系の詳細図である。
【図15】本発明の第一実施例における標識部を示す構
成図である。
成図である。
【図16】図15のゾーンプレート部の拡大図である。
1 半導体レーザ 2 コリメータレンズ系 3 光学スケール 4a,4b,4c フオトデイテクタ 5 回転軸 31 第一領域 32 第二領域 40 ハーフミラー 41 シリンドリカルレンズによる標識部 42 フオトデイテクタの受光面 43 シリンドリカルレンズによる標識部 44 ゾーンプレートによる標識部 45 フオトデイテクタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−61915(JP,A) 特開 昭63−63919(JP,A) 特開 昭63−81212(JP,A) 特開 平2−93324(JP,A) 特開 昭62−128615(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01D 5/38 G02B 3/08
Claims (4)
- 【請求項1】 遮光部と透光部とを交互に有し且つ各遮
光部が一対の傾斜面で形成されるフレネルゾーンプレー
トを備えた基準位置検出用の標識部を移動光学スケール
の一部に設け、該スケールに光を照射して該標識部で集
光された光を検出することによりスケールの基準位置を
得ることを特徴とする基準位置の検出方法。 - 【請求項2】 光照射手段と円筒状の光学スケールを有
する回転体と受光手段とを備え、前記円筒状の光学スケ
ールの側面には格子が形成され、光照射手段からの光を
スケール側面の第一領域に照射し、第一領域の格子を介
した光を第一領域とは異なる第二領域に向け、第二領域
の格子を介した光を受光手段で受光することによりスケ
ールの回転情報を検出し、且つ前記回転体の一部に遮光
部と透光部とを交互に有し且つ各遮光部が一対の傾斜面
で形成されるフレネルゾーンプレートを備えた基準位置
検出用の標識部を設け、該標識部で集光された光を検出
することによりスケールの回転基準位置信号を得ること
を特徴とする回転検出計。 - 【請求項3】 前記円筒状のスケールは格子部が透光性
を有し、前記格子部はスケールの内側面の円周方向に沿
って、入射光線に対する傾斜面を有する凹凸を等間隔に
配列して形成したことを特徴とする請求項2記載の回転
検出系。 - 【請求項4】 遮光部と透光部とを交互に有し且つ各遮
光部が一対の傾斜面で形成されることを特徴とするフレ
ネルゾーンプレート。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2400390A JP2941953B2 (ja) | 1990-12-04 | 1990-12-04 | 基準位置の検出方法および回転検出計 |
EP91120760A EP0489399B1 (en) | 1990-12-04 | 1991-12-03 | Displacement detector |
DE69122218T DE69122218T2 (de) | 1990-12-04 | 1991-12-03 | Verschiebungsdetektor |
US08/188,342 US5506681A (en) | 1990-12-04 | 1994-01-25 | Method for detecting a reference position and displacement detector using the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2400390A JP2941953B2 (ja) | 1990-12-04 | 1990-12-04 | 基準位置の検出方法および回転検出計 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04208812A JPH04208812A (ja) | 1992-07-30 |
JP2941953B2 true JP2941953B2 (ja) | 1999-08-30 |
Family
ID=18510305
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2400390A Expired - Fee Related JP2941953B2 (ja) | 1990-12-04 | 1990-12-04 | 基準位置の検出方法および回転検出計 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5506681A (ja) |
EP (1) | EP0489399B1 (ja) |
JP (1) | JP2941953B2 (ja) |
DE (1) | DE69122218T2 (ja) |
Families Citing this family (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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