JP2810524B2

JP2810524B2 - 回転検出計

Info

Publication number: JP2810524B2
Application number: JP2280695A
Authority: JP
Inventors: 正彦井垣
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-10-19
Filing date: 1990-10-19
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2013-10-15
Also published as: JPH04157318A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は格子を用いて回転を検出し、且つ回転基準位
置信号も得る光学式の回転検出計に関する。

［従来の技術］円筒状の光学スケールの回転量や回転速度を測定する
回転検出計の一例として、特開昭63−81212号公報に開
示されるロータリーエンコーダがある。このロータリー
エンコーダは、第９図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、簡便の構成
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、従来一般式な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。

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１−339221号等に、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
化をより一層高めることができる。

［発明の目的］本発明は上記形態をより改良して、スケールの回転情
報と共に、スケールの回転基準位置信号を取出すことの
できる回転検出計の提供を目的とする。

［目的を達成するための手段］上記目的を達成する本発明の回転検出計は、回転方向
に沿って設けた格子を有する光学スケールに、光照射手
段からの可干渉性光束を入射して第一領域を照明し、該
第一領域からの光で形成される自己結像作用による像を
前記光学スケールの該第一領域とは異なる第二領域に投
影し、該第二領域から出射する光束を回転検出用の受光
手段で受光することにより、前記光学スケールの回転に
伴う周期信号を得、且つ前記第一領域から前記第二領域
にいたるまでの光路中に配置された光分割手段で分岐さ
れた光束を前記光学スケールを介して基準位置検出用の
受光手段で受光することにより、該分岐された光束が前
記光学スケールに設けた基準位置検出用の標識部を照明
した際にスケールの回転基準位置信号を得ることを特徴
とする。

［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。第１図（Ａ）は本発明の一実施例の回転検出計を上
方から見た図、第２図は側方から見た図である。両図に
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法に回転
する。該スケール３はその底部７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。第８図はこのスケール
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って多数個の
Ｖ溝が等間隔に並んで格子部を形成している。第１図
（Ａ）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。又、側面図であ
る第２図において、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Ｖ溝部から成る。該Ｖ溝部はスケール３の格子部
を形成するＶ溝と同等のものであり、同一の製法で作成
することができるメリットがある。45は該標識部41を介
して光をけ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、原点位置から回転角の回
転量の絶対値を得ることができる。

第１図（Ｂ）（Ｃ）はスケール３の格子部の詳細図で
あり、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＝２πra
d）、Ｖ溝幅は1/2P（rad）、又、Ｖ溝を形成する２つの
平面な各々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。

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。

（Ｎ−1/4）P₂/λ＜ｄ＜（Ｎ＋1/4）P₂/λ（Ｎは自然
数）Ｐ＝πd/n （ｎはスリツトの総数）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
リソプロセスに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。

又、本実施例の構成エンコーダは、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、フーリエ状の位置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（Δ
ｄ）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＝1.49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。

さて次に第１図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を用いて回転情報
の測定原理について説明する。

半導体レーザ１からの高速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の側面部は外側面の内側面の曲率差
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。

この収束光束は、第一領域の格子部において第１図
（Ｂ）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、30a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。

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を基体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。

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、第１図（Ｃ）のようにほぼ
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、4c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。

ここでスケール３が回転すると各フオトデイテクタ4
a,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化に応じ、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、第６
図（Ａ）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,4
c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。な
お、第６図（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
と低いため、第６図（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回転角度や回転量ある
いは回転速度や回転加速度の回転情報が得られる。

さて次に、ハーフミラー40によりＴ方向に分岐された
光束を用いて原点である基準位置を検出する方法に関し
て第３図を用いて説明する。第３図は基準位置検出のた
めの検出光学系の詳細図であり、先の第２図のＡ−Ａ′
方向から見た図である。

スケール底部７の光束入射側の面８は光拡散面より成
り、該光拡散面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は各々45度の斜面から成るＶ溝部から成り、該Ｖ溝
部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、その下方には光学検
出ユニツトが固定配置され、該ユニツトは、固定スリツ
ト44、該固定スリツトの開口部43、基準位置信号を得る
ためのフオトデイテクタ45、フオトデイテクタの受光面
42を有する。なお、面８を光拡散面としたのは、基準位
置の検出にフーリエ像が悪影響を与えるのを打ち消すた
めであり、標識部41の形成される面をフーリエ像の結像
位置からずらし、フーリエ像の影響を受けないようにす
れば必ずしも拡散面である必要は無い。第４図、第５図
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。第４図はＶ溝部41が固定スリツト44の
開口部43と位置がずれている状態を示しており、この場
合、拡散面８で拡散された光は開口部43を通過し、フオ
トデイテクタの受光面42に入射する。これに対して第５
図は第４図の状態からスケールが更に回転し、Ｖ溝部41
が固定スリツト44の開口部43と位置が合致した状態を示
しており、この時、Ｖ溝部41に入射する拡散光はＶ溝の
斜面で全反射され、受光面42に入射する光は減少あるい
は全く入射しなくなる。

ここで第７図（Ａ）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、通常は所定
強度の出力が得られるが基準スリツトが通過する短い期
間は受光面42で受光される光量が減少する。第７図
（Ｂ）はその信号を基に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、スリツト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。

なお以上の実施例は、透過性のスケール上に斜面を有
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、第９図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。

又、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。

さて第10図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110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。

［発明の効果］以上、本発明の回転検出計によれば、自己結像作用に
よる像を形成するための第一領域から第二領域までの間
の光路に光束分割部材を配置して分岐した光束を用いて
回転基準位置信号を得る構成にしているので、結像のた
めの光学部材が原理的に不要な空間に光束分割部材を配
置でき、これによって光学構成の小型化が実現され、従
って回転基準位置信号も得る光学式の回転検出計におい
て装置構成全体の小型化を達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の上面図、第２図は実施例の側面図、第３図は基準位置信号の検出光学系の詳細図、第４図、
第５図は基準位置信号検出の作用を説明するための図、第６図は実施例のエンコーダの出力信号の波形図、第７図は基準位置信号の出力波形図、第８図は実施例の光学スケールの図、第９図は格子形状の変形例の図、第10図はエンコーダを用いた駆動システムのシステム構
成図、であり、図中の主な符号は、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……標識部であるＶ溝部 42……受光面 43……開口部 44……固定スリツト 45……フオトデイテクタ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回転方向に沿って設けた格子を有する光学
スケールに、光照射手段からの可干渉性光束を入射して
第一領域を照明し、該第一領域からの光で形成される自
己結像作用による像を前記光学スケールの該第一領域と
は異なる第二領域に投影し、該第二領域から出射する光
束を回転検出用の受光手段で受光することにより、前記
光学スケールの回転に伴う周期信号を得、且つ前記第一
領域から前記第二領域にいたるまでの光路中に配置され
た光分割手段で分岐された光束を前記光学スケールを介
して基準位置検出用の受光手段で受光することにより、
該分岐された光束が前記光学スケールに設けた基準位置
検出用の標識部を照明した際に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。