JP2008002926A - ロータリエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】被計測体である回転体の回転運動に対して影響を与えることなく回転体の回転速度や回転角を光学的に計測するロータリエンコーダを提供する。
【解決手段】レーザ光源１から出射された周波数ｆのガウシアンビームは、ホログラム３で方位量子数ｍのラゲールガウシアンビームに変換された後、角速度Ωで回転する回転体２０で反射し、回転体２０の角速度Ωによる周波数シフトを受けて周波数ｆ±ｍΩの反射光となる。平衡型検出器１１は、ガウシアンビームを周波数ωの参照信号で周波数変調した周波数ｆ+ωの参照光と、回転体２０によるラゲールガウシアンビームの反射光とを干渉させて周波数ω±ｍΩのビート信号を生成し、ミキサ１３は、ビート信号と参照信号から、回転体２０の角速度とラゲールガウシアンビームの方位量子数に応じた周波数ｍΩを有する回転コード信号を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体の回転速度や回転角を光学的に計測するロータリエンコーダに関するものである。

回転体の回転速度や回転角を光学的に計測する計測するロータリエンコーダとしては、周方向に複数のスリットを有する円盤を、当該円盤の中心が回転体の回転中心と一致するように回転体に取り付け、円盤に対して照射したスポット光が円盤のスリットを通過する周期に応じて転体の回転速度や回転角を計測する、光学式ロータリエンコーダが知られている（たとえば、特許文献１）。

また、同位相面がらせん状のラゲールガウシアンビームの回転体による反射光には、ラゲールガウシアンビームの方位量子数ｍと回転体の角速度Ωに応じた周波数シフトｍΩが観測されることが知られている（たとえば、非特許文献１）。
特開2004-245762号公報 J. Courtial et al., "Rotational Frequency Shift of a Light Beam", Phys. Rev. Lett. 81, 4828(1988),

前述した光学式ロータリエンコーダによれば、被計測体である回転体に、計測のために円盤を取り付ける必要があるために、当該円盤の回転慣性量分の回転体の回転慣性量の増加などの当該円盤による回転体の回転運動に対する影響がどうしても生じてしまう。

そこで、本発明は、被計測体である回転体の回転運動に対して影響を与えることなく、当該回転体の回転速度や回転角を光学的に計測することのできるロータリエンコーダを提供することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、回転体の回転をコード化するロータリエンコーダを、レーザビームを出力するレーザ光源と、レーザ光源から出力されたレーザビームを、第１レーザビームと第２レーザビームに分割するビームスプリッタと、前記第１レーザビームをラゲールガウシアンビームに変換し、前記回転体に照射するラゲールガウシアンビーム変換部と、前記回転体による前記ラゲールガウシアンビームの反射光と前記第２レーザビームとを干渉させた干渉信号を生成する干渉信号生成部と、前記干渉信号に基づいて、前記レーザビームと前記反射光との周波数差を表す信号を、前記回転体の回転を計測した計測信号として出力する計測信号生成手段とを含めて構成したものである。

ここで、より具体的には、このようなロータリエンコーダにおいて、前記計測信号生成手段は、前記干渉信号に基づいて、前記レーザビームと前記反射光との周波数差に相当する大きさの周波数を有する信号を生成し、前記計測信号として出力するものであってもよい。

また、このようなロータリエンコーダは、前記干渉信号生成部に、前記第２レーザビームの周波数を所定周波数分シフトする周波数シフト手段を設け、当該干渉信号生成部において、周波数シフトした第２レーザビームと、前記回転体による前記ラゲールガウシアンビームの反射光とを干渉させて得られるビート信号を前記干渉信号として生成するように構成してもよい。

これらのようなロータリエンコーダによれば、ラゲールガウシアンビームの回転体による反射光に観測される周波数シフトを利用して、回転体の回転を計測するので、被計測対である回転体に円盤などの特段の器具を取り付ける必要がない。よって、回転体の回転運動に対して影響を与えることなく、回転体の回転を計測することができる。

なお、以上のロータリエンコーダは、前記干渉信号生成部に、前記回転体による前記ラゲールガウシアンビームの反射光と干渉させる第２レーザビームを光軸と垂直な断面の強度分布が円環状となるように整形する整形手段を設けるようにしてもよい。
ここで、第２レーザビームの光軸と前記回転体による前記ラゲールガウシアンビームの反射光の光軸を干渉点において厳密に一致させないと、両者に所望の干渉を正しく行わせることができず誤差が生じるが、この誤差は、光軸近傍において大きく表れ、光軸から離れたところでは小さく表れる。したがって、本発明に係るロータリエンコーダのように、第２レーザビームを光軸に垂直な断面の強度分布が円環状（ドーナッツ状）となるように整形して、光軸近傍での干渉が行われないようにすることにより、光軸を厳密に一致させなくても、比較的良好な干渉結果を得られるようになる。

以上のように、本発明によれば、被計測体である回転体の回転運動に対して影響を与えることなく、当該回転体の回転速度や回転角を光学的に計測することのできるロータリエンコーダを提供することができる。

以下、本発明のロータリエンコーダの一実施形態について説明する。
図１ａに、本実施形態に係るロータリエンコーダの構成を示す。
図示するように、ロータリエンコーダは、レーザ光源１、ビームスプリッタ２、ホログラム３、偏光ビームスプリッタ４、１／４波長板５、発振器６、音響光学素子７、コーンレンズ８、１／２波長板９、ミラー１０、平衡型検出器１１、位相シフタ１２、ミキサ１３、周波数フィルタ１４とを有している。また、平衡型検出器１１は、５０／５０ビームスプリッタ１１１、第１光検出器１１２、第２光検出器１１３、差動増幅器１１４とを有している。

このようなロータリエンコーダの構成において、レーザ光源１は、周波数ｆのTEM₀₀モードの直線偏光のガウシアンビームを出射し、レーザ光源１から出射されたガウシアンビームは、ビームスプリッタ２で、プローブガウシアンビームと、ローカルガウシアンビームに分割される。

そして、プローブガウシアンビームは、ホログラム３を透過、回折し方位量子数ｍのラゲールガウシアンビームに変換された後、偏光ビームスプリッタ４を透過し、１／４波長板５によって円偏光のラゲールガウシアンビームに変換され、非測定体であるところの角速度Ωで回転する回転体２０に入射する。ただし、回転体２０の回転軸と、円偏光のラゲールガウシアンビームの光軸は一致させる。

そして、このようにして回転体２０に入射した円偏光のラゲールガウシアンビームは、回転体２０で反射する。ここで、この回転体２０によるラゲールガウシアンビームの反射光には、回転体２０の角速度Ωによる周波数シフト±ｍΩが発生し、その周波数はｆ±ｍΩとなる。なお、周波数シフトの正負は回転体２０の回転方向に応じて定まる。
さて、この回転体２０によるラゲールガウシアンビームの反射光は、１／４波長板５で直線偏光に変換された後、偏光ビームスプリッタ４で反射し、１／２波長板９で偏光の向きが整えられ、ミラー１０で反射して、平衡型検出器１１に入射する。
一方、第１ビームスプリッタで分割されたローカルガウシアンビームは、音響光学素子７で、発振器６の出力する周波数ωの参照信号でｆ+ωに周波数変調された後に、コーンレンズ８で光軸に垂直な断面の強度分布が図１ｂに示すようにドーナッツ状（円環状）に整形され、平衡型検出器１１に入射する。

平衡型検出器１１は、コーンレンズ８から入射するローカルガウシアンビームとミラー１０から入射するラゲールガウシアンビームを干渉させることにより生じたビート信号成分ω±ｍΩを含む信号を検出信号として出力する。ここで、平衡型検出器１１において、５０／５０ビームスプリッタ１１１はコーンレンズ８から入射するローカルガウシアンビームの透過光とミラー１０から入射するラゲールガウシアンビームの反射光を混合した出力光と、コーンレンズ８から入射するローカルガウシアンビームの反射光とミラー１０から入射するラゲールガウシアンビームの透過光を混合した出力光との二つの出力光を出力する。また、第１光検出器１１２と第２光検出器１１３は、５０／５０ビームスプリッタ１１１の各出力光強度をそれぞれ検出し、差動増幅器１１４は、第１光検出器１１２の出力と第２光検出器１１３の出力との差分を増幅し、前記検出信号として出力する。

そして、ミキサ１３は、平衡型検出器１１から出力されるビート信号成分ω±ｍΩを含む検出信号と、発振器６の出力する周波数ωの参照信号を位相シフタ１２で位相をビート信号成分に整合させた信号とを乗算し、周波数ｍΩの信号成分を含む信号を出力する。そして、周波数フィルタ１４は、ミキサ１３の出力する信号から周波数ｍΩの信号成分を抽出し、回転コード信号として出力する。

ここで、この回転コード信号は、回転体２０の回転周波数Ωのｍ倍の周波数ｍΩを有する信号であり、この回転コード信号を周波数ｍΩのパルス信号に変換することにより、回転体２０の１回転あたりｍ個のパルスを有するパルス信号が得られることになる。したがって、このようなパルス信号の、パルス間隔や単位時間当たりのパルス数より回転体２０の回転速度を計測したり、パルス出現数より回転体２０の回転角を計測したりすることができるようになる。なお、計測の分解能を確保するためにラゲールガウシアンビームの方位量子数ｍは５０程度以上であることが望ましい。

ところで、以上のロータリエンコーダにおいてコーンレンズ８を用いて、ローカルガウシアンビームを光軸に垂直な断面の強度分布をドーナッツ状（円環状）に整形した後に、回転体２０で反射したラゲールガウシアンビームとを干渉させるようにしたのは、次の理由によるものである。

すなわち、両ビームの光軸を干渉点において厳密に一致させることは比較的困難であり、光軸が干渉点において厳密に一致していないと干渉の誤差が生じる。
一方で、両ビームの干渉の、干渉が両ビームの光軸が厳密に一致した状態で行われないことによる誤差は、光軸近傍において大きく表れ、光軸から離れたところでは小さく表れる。
したがって、ローカルガウシアンビームを光軸に垂直な断面の強度分布がドーナッツ状（円環状）に整形して、両ビームの光軸近傍での干渉が行われないようにすることにより、両ビームの光軸を厳密に一致させて干渉させなくても、良好な干渉結果を得られるようになる。

以上、本発明の実施形態について説明した。なお、以上では、ラゲールガウシアンビームの反射光とローカルガウシアンビームの干渉及び干渉光の検出に平衡型の検出器を用いたが、この干渉と干渉光の検出は、平衡型の検出器以外の他の構成によって行うようにしてもよい。また、回転コード信号としてミキサ１３で生成した周波数ｍΩの信号を出力するようにしたが、回転コード信号は、ミキサ１３によらず他の構成によって生成するようにしてもよく、また、この場合において、周波数ｍΩの大きさを示す信号などの、周波数ｍΩを表す他の形式の信号を回転コード信号として用いるようにしてもよい。
以上のように本実施形態によれば、ラゲールガウシアンビームの回転体２０による反射光に観測される周波数シフトを利用して、回転体２０の回転をコード化するので、被計測体である回転体２０に円盤などの特段の器具を取り付ける必要がない。よって、回転体２０の回転運動に対して影響を与えることなく、回転体２０の回転を計測することができる。

本発明の実施形態に係るロータリエンコーダの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…レーザ光源、２…ビームスプリッタ、３…ホログラム、４…偏光ビームスプリッタ、５…１／４波長板、６…発振器、７…音響光学素子、８…コーンレンズ、９…１／２波長板、１０…ミラー、１１…平衡型検出器、１２…位相シフタ、１３…ミキサ、１４…周波数フィルタ、２０…回転体、１１１…５０／５０ビームスプリッタ、１１２…第１光検出器、１１３…第２光検出器、１１４…差動増幅器。

Claims (4)

1. 回転体の回転を計測するロータリエンコーダであって、
   レーザビームを出力するレーザ光源と、
   レーザ光源から出力されたレーザビームを、第１レーザビームと第２レーザビームに分割するビームスプリッタと、
   前記第１レーザビームをラゲールガウシアンビームに変換し、前記回転体に照射するラゲールガウシアンビーム変換部と、
   前記回転体による前記ラゲールガウシアンビームの反射光と前記第２レーザビームとを干渉させた干渉信号を生成する干渉信号生成部と、
   前記干渉信号に基づいて、前記レーザビームと前記反射光との周波数差を表す信号を、前記回転体の回転を計測した計測信号として出力する計測信号生成手段とを有することを特徴とするロータリエンコーダ。
   
2. 請求項１記載のロータリエンコーダであって、
   前記計測信号生成手段は、前記干渉信号に基づいて、前記レーザビームと前記反射光との周波数差に相当する大きさの周波数を有する信号を生成し、前記計測信号として出力することを有することを特徴とするロータリエンコーダ。
   
3. 請求項１または２記載のロータリエンコーダであって、
   前記干渉信号生成部は、
   前記第２レーザビームの周波数を所定周波数分シフトする周波数シフト手段を備え、周波数シフトした第２レーザビームと、前記回転体による前記ラゲールガウシアンビームの反射光とを干渉させて得られるビート信号を前記干渉信号として生成することを特徴とするロータリエンコーダ。
   
4. 請求項１、２または３記載のロータリエンコーダであって、
   前記干渉信号生成部は、
   前記回転体による前記ラゲールガウシアンビームの反射光と干渉させる第２レーザビームを、光軸と垂直な断面の強度分布が円環状となるように整形する整形手段を有することを特徴とするロータリエンコーダ。