JP3116535B2 - ロータリーエンコーダー及びエンコーダー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はロータリーエンコーダー
及びエンコーダーに関し、特に円筒状物体の外周面又は
内周面上に又は平板面上に例えば凹凸形状の透光性の格
子を複数個、周期的に設けた光学スケールを有する回転
体又は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回転体又は移動体の回転
情報又は移動情報を検出するようにしたロータリーエン
コーダー及びエンコーダーに関するものである。

【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
ーダーが利用されてきている。

【０００３】図１６、図１７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
の発散光束を収束光束に変換するレンズ系であり、半導
体レーザ１とレンズ系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
けた凹凸形状の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】従来のトルボット干渉
を利用したロータリーエンコーダーやエンコーダー等は
レーザーダイオードなど温度変化に伴って発振波長も変
化する光源を用いた場合、使用環境の温度変化などによ
る受光手段からの信号出力のＳ／Ｎが劣化し、検出精度
が低下してくるという問題点があった。

【０００８】又、使用環境の温度変化により光照射手段
の一要素であるコリメーターレンズの焦点距離の変化や
光照射手段を支持する支持体の熱膨張等により光学的配
置が崩れ、検出精度が低下してくるという問題点があっ
た。

【０００９】この他、従来のトルボット干渉を利用した
ロータリーエンコーダーでは、構成上第２スケールと受
光手段の受光面との間で、該第２スケールで光変調され
各受光素子４ａ、４ｂ，４ｃに向かう各光束間に重畳す
る部分があり、各光束はそれぞれに対応した受光面以外
の受光面に侵入して互いに干渉しあい、これにより信号
出力のＳ／Ｎを劣化させコントラストが低下し、検出精
度が低下してくるという問題点があった。

【００１０】又、光照射手段と受光手段が円筒部材の光
学スケールを挟んで回転軸６ａ方向と直交する延長方向
に直列的に配置されている為、ロータリーエンコーダー
が大型化してくるという問題点があった。

【００１１】本発明はトルボット干渉を利用したロータ
リーエンコーダーやエンコーダーにおいて、光学スケー
ルの直径（Ｄ）、格子ピッチＰ等の構成、光照射手段か
らの光束の波長λ、レンズ系の焦点距離ｆ₀ 、光照射手
段の支持体の材質そして光照射手段や受光手段や光学ス
ケールの配置等を適切に設定することにより、高精度な
回転情報又は移動情報が得られるロータリーエンコーダ
ー及びエンコーダーの提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のロータリーエン
コーダーは、 （イ）透明部材より成る円筒部材の周囲に一定周期の格
子より成る光学スケールを設けた回転体の該光学スケー
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受光手段で受光し、該受光手段から
の信号を用いて該回転体の回転情報を検出する際、該光
学スケールの直径をＤ、該光照射手段からの光束の波長
をλ、該格子のピッチをＰ、整数をＮとし、 Ｄ＝Ｎ・Ｐ² ／λ としたときＮ≦２２を満足するように各要素を設定した
こと。

【００１３】（ロ）円筒部材の周囲に一定周期の格子よ
り成る光学スケールを設けた回転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該回転体の回転情報
を検出する際、該第１スケールから該受光手段に至る光
路中に該第２スケールで光変調された光束のうち不要光
が各受光素子に入射するのを遮断する遮断手段を設けた
こと。

【００１４】特に、前記遮断手段を正の屈折力を有する
レンズ系又は絞りより構成したことや、前記光学スケー
ルの格子は回転方向に沿って入射光束を光変調させる傾
斜面を有する凹凸形状より成っていること等を特徴とし
ている。

【００１５】又本発明のエンコーダは、 （ハ）一定周期のピッチＰ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
にレンズ系を有する光照射手段の光源からの基準波長λ
₀ 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移動情報を検
出する際、該レンズ系の焦点距離温度係数をα、該光源
の波長温度係数をγ、該光照射手段を支持する支持体の
線膨張係数をβ、自然数をＮ、環境温度変化量をΔｔと
したとき λ₀ ／｛（Ｎ＋１／５）Ｐ² ｝≦ （λ₀ ＋γ・Δｔ）／（Ｎ・Ｐ² ） −（α−β）Δｔ／｛（１＋α・Δｔ）（１＋β・Δｔ）ｆ₀ ｝ ≦λ₀ ／｛（Ｎ−１／５）Ｐ² ｝ なる条件を満足すること。

【００１６】特に、前記自然数ＮをＮ≦２２となるよう
に各要素を設定したことや、前記ピッチＰを１５μ≦Ｐ
≦５０μより構成したことや、前記光学スケールの格子
は移動方向に沿って入射光束を光変調させる傾斜面を有
する凹凸形状より成っていること等を特徴としている。

【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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】４は受光手段であり、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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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】図５は光学スケール３の直径をＤ、光源で
あるレーザーダイオード１からの光束の波長をλ、格子
３ｄのピッチをＰとする時（但し、Ｄ＝Ｎ・Ｐ² ／λ
（Ｎ：自然数）の関係がある。）前記光照射手段ＬＲか
ら出射するコリメート光が前記第１スケール３ａに入射
し光変調を受けて前記第２スケール３ｂ上でトールボッ
ト干渉による該第１スケールと同一の周期性よりなる干
渉縞を形成する場合の該第２スケール近傍における干渉
縞のコントラスト変化を示している。

【００３７】トールボット干渉においては、Ｐ² ／λを
一周期としてその長さの正の整数倍ごとに干渉縞のコン
トラストが最高に達し、Ｐ² ／λの一周期の中間でコン
トラストが最低になる。従って、トールボット干渉によ
る干渉縞が形成される該第１スケール３ａからの距離を
Ｌとする時、Ｌ＝Ｎ・Ｐ² ／λ、即ち該円筒状の光学ス
ケール３の直径Ｄに対してＬが一致する場合に最も適切
な回転情報の信号出力が得られる。

【００３８】このような構成において、外部環境の温度
変化Δｔなどにより光源であるレーザーダイオード１の
波長λが変化すると距離Ｌが変化し直径Ｄに対してズレ
た位置に該干渉縞が形成されるので、上記の理由により
第２スケール３ｂ近傍にはコントラストの低下した干渉
縞が位置し、その結果劣化した回転情報の信号出力しか
得られないことになる。

【００３９】ここで、Ｌ＝Ｎ・Ｐ² ／λ，Ｄ＝ｎ／π・
Ｐ（ｎ：スリットの総数）より θＬ／θｔ＝Ｎ・（−Ｐ² ／λ² ・θλ／θｔ＋２Ｐ／λ・θＰ／θｔ） θＤ／θｔ＝ｎ／π・θＰ／θｔ であり、θＬ／θｔ−θＤ／θｔの差（Δ）を極力小さ
くすることが有効である。

【００４０】 θＬ／θｔ−θＤ／θｔ ＝−Ｎ・Ｐ² ／λ² ・θλ／θｔ＋（Ｎ・２Ｐ／λ−ｎ／π）θＰ／θｔ ・・・・・（１） ここで、光源であるレーザーダイオード１の温度変化に
対する波長の変化は一般的に０．３ｎｍ／℃程度、円筒
状の光学スケール３を構成するプラスチック材料を線膨
張率の小さいポリカーボネイト（線膨張率：７．０Ｅ−
５ｍｍ／℃）などで構成すると、ｎ：５００〜５０００
の中パルス領域においては θＰ／θｔ＝π／ｎ・θＤ／θｔ＝４．４Ｅ−５〜４．４Ｅ−４ ｎｍ／℃ ・・・・・（２） と考えてよいからθλ／θｔ＝０．３ｎｍ／℃に比較し
て非常に小さいと言える。従って、Δは主に温度による
波長の変化に因っており、この変化を考慮した次数Ｎの
使用範囲の決定が必要になる。

【００４１】図５における該第２スケール３ｂ近傍の干
渉縞のコントラスト変化図でＬ＝Ｎ・Ｐ² ／λを中心に
して（Ｎ−１／２）・Ｐ² ／λ、もしくは（Ｎ＋１／
２）・Ｐ² ／λだけ円筒状の光学スケール３の直径Ｄか
ら離れた位置でコントラストが最低になっている。Δの
許容量をＤ＝Ｌの時のコントラスト最高の値Ｉ_MAX に対
して２０％低下とすると Δ＝１／５・Ｐ² ／λ ・・・・・（３） であり（１），（２），（３）式から、光源であるレー
ザーダイオード１の波長λは通常８５０ｎｍ以下で、温
度変化の幅を一般的に常温２５℃に対し±２５℃と考え
てよいから ｜θＬ／θｔ−θＤ／θｔ｜≒Ｎ・Ｐ² ／λ² ・θλ／θｔ １／５・Ｐ² ／λ≦Ｎ・Ｐ² ／λ² ・θλ／θｔ・２５ ∴ θλ／θｔ≦λ／（Ｎ・５・２５） となる。

【００４２】従って、θλ／θｔ＝０．３ｎｍ／℃の条
件に適するのは、Ｎ≦２２であることが分かる。

【００４３】本実施例ではこのようにＮの値を適切に設
定し、高精度な回転情報を得ている。

【００４４】尚、湿度の変化に対するポリカーボネイト
の線膨張率をηとするとη＝６．６Ｅ−４からΔ＝Ｎ・
Ｐ² ／λ・η（１＋η）で、上記の条件下では温度によ
る波長λの変化によるＬの変化と比較してその影響は小
さいといえる。

【００４５】図６は本発明のトルボット干渉を利用した
エンコーダーの実施例２の要部断面図、図７は図６の一
部分の拡大説明図である。

【００４６】本実施例のエンコーダーは直線移動する移
動物体の移動情報や回転する回転物体の回転情報の検出
を対象としているがロータリーエンコーダーにおいても
同様に適用可能である。

【００４７】図中、ＬＲは光照射手段であり、波長λ₀
の光束を放射するレーザダイオード等の光源１１と焦点
距離ｆ₀ のレンズ系（図では薄肉系で表現している）１
２とを有している。１３は光学スケールであり、位置１
３ａに格子ピッチＰの格子より成る第１スケール（Ｇ
１）を有し、又位置１３ｂに同じく格子ピッチＰの格子
より成る第２スケール（Ｇ２）とを有している。１４は
受光手段であり、実施例１と同様に３つの受光素子を有
している。

【００４８】本実施例では光照射手段ＬＲから第１スケ
ール（Ｇ１）に向けて平面波の光束が入射する。該第１
スケール（Ｇ１）によって光変調（回折）された光束は
該第１スケール（Ｇ１）の後方の距離をＺ₊としたとき Ｚ₊＝Ｎ・Ｐ² ／λ₀ （Ｎは自然数） の位置７１に該第１スケール（Ｇ１）と同一の周期性よ
りなる干渉縞を形成する。

【００４９】又、この位置７１には該第１スケール（Ｇ
１）と同一の格子定数Ｐよりなる第２スケール（Ｇ２）
が置かれている。該第１スケール（Ｇ１）がａ方向に移
動する時に該第２スケール（Ｇ２）をそれとは逆の−ａ
方向に移動させるか、又は固定しておくことにより、該
第２スケール（Ｇ２）後方に設けられた受光手段１４へ
該第２スケール（Ｇ２）で光変調された光束が導かれ
る。これにより受光手段１４からは該第１スケール（Ｇ
１）の移動量に応じた信号出力が得られる。

【００５０】このような構成において、周囲環境の温度
変化などにより光源１１からの光束の波長λ₀ やレンズ
１２の焦点距離ｆ₀ 、又光源１１とレンズ１２を保持す
る支持体１５などの熱膨張による光源からレンズ１２ま
での間隔の変化によって、前記距離Ｚ₊の位置７１に形
成されるべき干渉像が異なる位置に形成され、それによ
り該第２スケール（Ｇ２）近傍ではコントラストの低下
した干渉縞が位置することになる。その結果劣化した該
第１スケール（Ｇ１）の移動情報の信号出力しか得られ
ないことになる。

【００５１】本実施例はこのような温度変化などによる
距離Ｚ₊の位置７１の変化を次の如く各要素を適切に設
定することにより最小にすると共に前記光照射手段ＬＲ
の全長を適切に設定している。

【００５２】今、該レンズ１２の焦点距離ｆ₀ の温度変
化Δｔ後における焦点距離をｆ´，θｎ／θｔをレンズ
１２の屈折率温度係数、α´をレンズ１２の線膨張係数
とし、 θｆ₀ ／θｔ＝ｆ₀ ｛−１／（ｎ−１）・θｎ／θｔ＋α´｝ ＝ｆ₀ ・α とすると ｆ´＝（１＋α・Δｔ）ｆ₀ ・・・・・（２１） となる。

【００５３】該光源１１からの光束の波長λ₀ の温度変
化Δｔ後における波長をλ´とし、γを波長温度係数と
して λ´＝λ₀ ＋γ・Δｔ ・・・・・（２２） とおく。

【００５４】該支持体１５の線膨張係数をβとすると、
温度変化Δｔ後における光源１１からレンズまでの間隔
変化は （１＋β・Δｔ）ｆ₀ ・・・・・（２３） となる。又、温度変化Δｔ後におけるレンズ１２の焦点
位置からの光源１１のズレをΔＬとすると、該第１スケ
ール（Ｇ１）からみた光源１１までの距離Ｚ₀は、 Ｚ₀ ＝ｆ´・（ｆ´−ΔＬ）／ΔＬ ・・・・・（２４） となる。（但し、第１スケールＧ１とレンズ１２までの
間隔はＺ₀ に対して十分小さいとする。） （２１），（２３）式から、 ΔＬ＝（α−β）Δｔ・ｆ₀ 従って、（２４）式の距離Ｚ₀ は、 Ｚ₀ ＝（１＋α・Δｔ）（１＋β・Δｔ）ｆ₀ ／（α−β）Δｔ ・・・・・（２５） となる。

【００５５】又、温度変化Δｔ後における距離Ｚ₊，Ｚ₀
には次の関係がある。

【００５６】１／Ｚ₀ ＋１／Ｚ₊＝λ´／（Ｎ・Ｐ² ） （２２）より、 １／Ｚ₊＝λ´／（Ｎ・Ｐ² ）−１／Ｚ₀ ＝（λ₀ ＋γ・Δｔ）／（Ｎ・Ｐ² ） −（α−β）Δｔ／｛（１＋α・Δｔ）（１＋β・Δｔ）ｆ₀ ｝ ・・・・・（２６） 該第２スケール（Ｇ２）近傍でのコントラスト低下を考
慮し、温度変化Δｔ後の該干渉縞の形成する位置までの
距離Ｚ₊の許容範囲を本実施例ではＮ・Ｐ² ／λ₀ を中
心にして、±１／５・Ｐ² ／λ₀ 以内とし、 （Ｎ−１／５）Ｐ² ／λ₀ ≦Ｚ₊≦（Ｎ＋１／５）Ｐ² ／λ₀ ・・・・・（２７） となるようにλ₀ ，Ｐ，Ｎの各条件によって最適なｆ₀
を決定している。

【００５７】ここで、該レンズ１２はガラス製か樹脂製
で構成されるのが一般的であり、該支持体１５は、その
線膨張係数が１０^-5ｍｍ／℃オーダーのものが一般的で
ある。

【００５８】下表に該レンズ１２のガラス製、及び樹脂
製と該支持体１５の例を示してある。

【００５９】

【表１】 又、該光源１１をレーザーダイオードとする時、γを波
長温度係数とすると γ＝０．３×１０^-6ｍｍ／℃である。

【００６０】（２５）式において、（α−β）Δｔ＞０
の時Ｚ₀ ＞０であるから、該第２スケール（Ｇ２）の位
置（Ｎ・Ｐ² ／λ₀ ）に対して、（２６）式で示される
前記干渉縞の形成される位置までの距離Ｚ₊は第１スケ
ールＧ１側と反対側にシフト、即ち（２７）式での（Ｎ
＋１／５）Ｐ² ／λ₀ の方へシフトし、（α−β）Δｔ
＜０の時Ｚ₀ ＜０であるから、距離Ｚ₊は第１スケール
Ｇ１側にシフト、即ち（２７）式での（Ｎ−１／５）Ｐ
² ／λ₀ の方へシフトする。尚、この様子は図７に示し
ている。

【００６１】（２６），（２７）式から λ₀ ／｛（Ｎ＋１／５）Ｐ² ｝≦ （λ₀ ＋γ・Δｔ）／（Ｎ・Ｐ² ） −（α−β）Δｔ／｛（１＋α・Δｔ）（１＋β・Δｔ）ｆ₀ ｝ ≦λ₀ ／｛（Ｎ−１／５）Ｐ² ｝ ・・・・・（２８） この（２８）式において、（α−β）Δｔ＜０の時 ｆ₀ ≦（α−β）Δｔ／｛（１＋α・Δｔ）（１＋β・Δｔ）｝・Ｐ² ／Ｕ 但し、Ｕ＝（λ₀ ＋γ・Δｔ）／Ｎ−λ₀ ／（Ｎ−１／
５） 従って、該レンズ１２の焦点距離ｆ₀ ＞０からＵ＜０で
あることが必要である。

【００６２】該光源１１からの光束の波長λ₀ は通常８
５０ｎｍ以下で、温度変化の幅を一般的に常温２５℃に
対しΔｔ＝±２５℃と考えると、 γ・Δｔ／（λ₀ ＋γ・Δｔ）＜１／（５Ｎ） となり、λ₀ ＞＞γを考慮してΔｔ＜０の時はＮに制限
はないが、Δｔ＞０のときは、 Ｎ＜（λ₀ ＋γ・Δｔ）／（５・γ・Δｔ） から本実施例では ∴ Ｎ≦２２ （Ｎは自然数） としている。

【００６３】この時、Ｎ≦２２なる条件で、前記光照射
手段ＬＲの全系を適正に設定する条件を次に示す。

【００６４】（例−１）：該レンズ１２がガラス製 （２８）式において、 α＝３．０×１０^-6ｍｍ／℃ ， λ₀ ＝７８５×１０
^-6ｍｍ／℃ β＝２．７×１０^-5ｍｍ／℃ ， Δｔ＝±２５℃ γ＝０．３×１０^-6ｍｍ／℃ とすると、 （例１−１）Ｐ＝５０μの時 ◇（α−β）Δｔ＞０の時 1/48.408≦(785×10^-6+0.3×10^-6・(-25))/(15・0.05² )-
(3.0 ×10^-6-2.7×10^-5)・(-25)/(1+3.0×10^-6・(-25))/
(1+2.7×10^-5・(-25))/f₀ ◇（α−β）Δｔ＜０の時 (785×10^-6+0.3×10^-6・(+25))/(15・0.05² )-(3.0 ×10
^-6-2.7×10^-5)・(+25)/(1+3.0×10^-6・(+25))/(1+2.7×10
^-5・(+25))/f₀≦1/47.134 この両式を満たすｆ₀ の値は、ｆ₀ ≧７．９６ （例１−２）Ｐ＝１５μの時 ◇（α−β）Δｔ＞０の時 1/5.790 ≦(785×10^-6+0.3×10^-6・(-25))/(20・0.015² )
-(3.0 ×10^-6-2.7×10^-5)・(-25)/(1+3.0×10^-6・(-25))/
(1+2.7×10^-5・(-25))/f₀ ◇（α−β）Δｔ＜０の時 (785×10^-6+0.3×10^-6・(+25))/(20・0.015² )-(3.0 ×10
^-6-2.7×10^-5)・(+25)/(1+3.0×10^-6・(+25))/(1+2.7×10
^-5・(+25))/f₀≦1/5.675 この両式を満たすｆ₀ の値は、ｆ₀ ≧９．９３ （例−２）：該レンズ１２が樹脂製 （２８）式において、 α＝３．０×１０^-4ｍｍ／℃ ， λ₀ ＝７８５×１０
^-6ｍｍ／℃ β＝２．７×１０^-5ｍｍ／℃ ， Δｔ＝±２５℃ γ＝０．３×１０^-6ｍｍ／℃ とすると、 （例２−１）Ｐ＝５０μの時 ◇（α−β）Δｔ＞０の時 1/48.408≦(785×10^-6+0.3×10^-6・(+25))/(15・0.05² )-
(3.0 ×10^-4-2.7×10^-5)・(+25)/(1+3.0×10^-4・(+25))/
(1+2.7×10^-5・(+25))/f₀ ◇（α−β）Δｔ＜０の時 (785×10^-6+0.3×10^-6・(-25))/(15・0.05² )-(3.0 ×10
^-4-2.7×10^-5)・(-25)/(1+3.0×10^-4・(-25))/(1+2.7×10
^-5・(-25))/f₀≦1/47.134 この両式を満たすｆ₀ の値は、ｆ₀ ≧１４．２５ （例２−２）Ｐ＝１５μの時 ◇（α−β）Δｔ＞０の時 1/5.790 ≦(785×10^-6+0.3×10^-6・(+25))/(20・0.015² )
-(3.0 ×10^-4-2.7×10^-5)・(+25)/(1+3.0×10^-4・(+25))/
(1+2.7×10^-5・(+25))/f₀ ◇（α−β）Δｔ＜０の時 (785×10^-6+0.3×10^-6・(-25))/(20・0.015² )-(3.0 ×10
^-4-2.7×10^-5)・(-25)/(1+3.0×10^-4・(-25))/(1+2.7×10
^-5・(-25))/f₀≦1/5.675 この両式を満たすｆ₀ の値は、ｆ₀ ≧２．２０ 本実施例では以上のようにして（２８）式の関係を使っ
て前記ｆ₀ ，λ₀ ，Ｐ，Ｎの各要素の適正な関係を導い
ている。

【００６５】図８、図９は本発明の実施例３，４の要部
断面図である。図中図１で示した要素と同一要素には同
符番を付している。

【００６６】実施例３，４では例えば図１の実施例１の
構成において第１スケール３ａから受光手段４に至る光
路中に、第２スケール３ｂで光変調された光束のうち不
要光が各受光素子に入射するのを防止したレンズ系８１
又は絞り９１より成る遮断手段を設けたことを特徴とし
ている。

【００６７】ここで不要光とは第２スケール３ｂで光変
調された３つの光束が各々対象とする各受光素子以外の
他の受光素子に入射する光束をいう。即ち受光束からの
出力信号に対してノイズとなる光束をいう。本実施例の
基本構成は図１の実施例１と略同じである。

【００６８】次に本実施例の詳細について説明する。ま
ず本発明に係る遮断手段を用いない場合の各受光素子に
入射する光束の光路を図１０、図１１に示す。

【００６９】図１０、図１１は図１において第２スケー
ル３ｂと受光手段４との間の各光束（０次光、±１次
光）の重畳状態を示している。図１０は第２スケール３
ｂで光変調し、受光素子４ａに向かう光束を示し、図１
１は第２スケール３ｂで光変調し、受光素子４ｃに向か
う光束を示している。

【００７０】又、各図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）には第１
スケール３ａで光変調（回折）した光束のうち１次光、
０次光、−１次光が第２スケール３ｂで光変調され各受
光素子に入射する状態を各々分離して示している。実際
は０次光と±１次光が重なった状態で各受光素子に入射
している。

【００７１】尚、受光素子４ｂに入射する光束の光路は
受光素子４ａに入射する光路と対称となるので省略して
いる。

【００７２】図１０、図１１に示すように遮断手段を用
いないと第２スケール３ｂから距離Ｓの位置に置かれて
いる受光手段４の各受光面４ａ，４ｂ，４ｃで、各光束
はそれぞれに対応した受光面以外の受光面に挿入する。
この結果、受光手段からの信号出力の波形のＳ／Ｎに影
響を与えコントラストを低下させる原因になっている。

【００７３】これを防止するためには例えば距離Ｓを拡
大し、かつ受光面を広げて各光束の重畳を分離すること
が必要になる。又、前記光照射手段ＬＲからの光束径を
小さくして各光束の重畳部分を少なくする方法がある。
しかしながらこれらの方法ではコントラストを低下させ
る原因になってくる。

【００７４】そこで図８に示す実施例３では、前記第２
スケール３ｂと受光手段４の間に正の屈折力を有するレ
ンズ８１より成る遮断手段８１を配置し受光手段４に向
かう各光束を集光させている。

【００７５】この場合はＳ≒２ｆ（ｆ：レンズ８１の焦
点距離）になっている。このようにすることによって距
離Ｓの設定位置の精度が緩くなりかつ受光面の面積を小
さくすることが可能になってくる。

【００７６】本実施例ではこのようなレンズ系より成る
遮断手段８１を用いることにより不要光が受光素子に入
射するのを防止している。

【００７７】図９に示す実施例４では第２スケール３ｂ
の前方に所定開口の絞りより成る遮断手段９１を配置し
ている。本実施例の遮断手段９１は、図１２（Ａ）に示
すように第２スケール３ｂの内部に±１次の干渉縞が現
われない領域を遮断するような図１２（Ｂ）に示すよう
な開口９１ａを有している。

【００７８】図１３、図１４は絞りより成る遮断手段９
１を用いたときの各受光素子に入射する光束の光路を図
１０、図１１と同様にして示している。図１３は受光素
子４ａに入射する光束を示し、図１４は受光素子４ｃに
入射する光束を示している。

【００７９】図１３、図１４において斜線で示す光束が
絞り（遮断手段）９１により遮光される光束を示してい
る。図に示すように本実施例では遮断手段９１により不
要光が他の受光素子に入射するのを効果的に防止してい
る。

【００８０】本実施例ではこのような遮断手段を用いる
ことにより、受光手段４からの出力信号のＳ／Ｎ比を向
上させ良好なるコントラストを得ている。

【００８１】図１５は本発明の実施例５の要部断面図で
ある。本実施例では図１の実施例１に比べて光照射手段
ＬＲと受光手段４とをそれらの光軸が回転体６の回転軸
６ａと略平行に配置した点が異っており、その他の構成
は同じである。

【００８２】即ち、本実施例では光照射手段ＬＲからの
光束を反射プリズムより成る導光手段９５により光学ス
ケール３の第１スケール３ａに入射させている。又光学
スケール３の第２スケール３ｂで光変調した光束を反射
プリズムより成る導光手段９６で受光手段４に入射させ
ている。

【００８３】本実施例ではこのような構成により径方向
の縮小化を図り、装置全体の小型化を図っている。

【００８４】

【発明の効果】本発明によれば以上のようにトルボット
干渉を利用したロータリーエンコーダーやエンコーダー
において、光学スケールの直径（Ｄ）、格子ピッチＰ等
の構成、光照射手段からの光束の波長λ、レンズ系の焦
点距離ｆ₀ 、光照射手段の支持体の材質そして光照射手
段や受光手段や光学スケールの配置等を適切に設定する
ことにより、高精度な回転情報又は移動情報が得られる
ロータリーエンコーダー及びエンコーダーを達成するこ
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長の説明
図

【図５】 本発明で得られるトルボット干渉縞のコン
トラストの説明図

【図６】 本発明の実施例２の要部断面図

【図７】 図６の一部分の拡大説明図

【図８】 本発明の実施例３の要部断面図

【図９】 本発明の実施例４の要部断面図

【図１０】 従来のトルボット干渉を利用したロータリ
ーエンコーダーの一部分の説明図

【図１１】 従来のトルボット干渉を利用したロータリ
ーエンコーダーの一部分の説明図

【図１２】 図９の遮断手段の説明図

【図１３】 図１１の一部分の拡大説明図

【図１４】 図１１の一部分の拡大説明図

【図１５】 本発明の実施例５の要部断面図

【図１６】 従来の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断面図

【図１７】 図１６の要部平面図

【符号の説明】

ＬＲ 光照射手段 １，１１ 半導体レーザ ２，１２ レンズ ３ 光学スケール ３ａ，Ｇ１ 第１スケール ３ｂ，Ｇ２ 第２スケール ３ｃ 円筒部材 ３ｄ 格子 ４，１４ 受光手段 ４ａ，４ｂ，４ｃ 受光素子 ６ 回転体 ６ａ 回転軸 １５ 支持板 ８１，９１ 遮断手段 ９５、９６ 導光手段

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明部材より成る円筒部材の周囲に一定
   周期の格子より成る光学スケールを設けた回転体の該光
   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受光手段で受光し、該受光
   手段からの信号を用いて該回転体の回転情報を検出する
   際、該光学スケールの直径をＤ、該光照射手段からの光
   束の波長をλ、該格子のピッチをＰ、整数をＮとし、 Ｄ＝Ｎ・Ｐ² ／λ としたときＮ≦２２を満足するように各要素を設定した
   ことを特徴とするロータリーエンコーダー。
2. 【請求項２】 円筒部材の周囲に一定周期の格子より成
   る光学スケールを設けた回転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該回転体の回転情報を検
   出する際、該第１スケールから該受光手段に至る光路中
   に該第２スケールで光変調された光束のうち不要光が各
   受光素子に入射するのを遮断する遮断手段を設けたこと
   を特徴とするロータリーエンコーダー。
3. 【請求項３】 前記遮断手段を正の屈折力を有するレン
   ズ系又は絞りより構成したことを特徴とする請求項２の
   ロータリーエンコーダー。
4. 【請求項４】 前記光学スケールの格子は回転方向に沿
   って入射光束を光変調させる傾斜面を有する凹凸形状よ
   り成っていることを特徴とする請求項１又は２のロータ
   リーエンコーダー。
5. 【請求項５】 一定周期のピッチＰ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
   スケールにレンズ系を有する光照射手段の光源からの基
   準波長λ₀ 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移動
   情報を検出する際、該レンズ系の焦点距離温度係数を
   α、該光源の波長温度係数をγ、該光照射手段を支持す
   る支持体の線膨張係数をβ、自然数をＮ、環境温度変化
   量をΔｔとしたとき λ₀ ／｛（Ｎ＋１／５）Ｐ² ｝≦ （λ₀ ＋γ・Δｔ）／（Ｎ・Ｐ² ） −（α−β）Δｔ／｛（１＋α・Δｔ）（１＋β・Δｔ）ｆ₀ ｝ ≦λ₀ ／｛（Ｎ−１／５）Ｐ² ｝ なる条件を満足することを特徴とするエンコーダー。
6. 【請求項６】 前記自然数ＮをＮ≦２２となるように各
   要素を設定したことを特徴とする請求項５のエンコーダ
   ー。
7. 【請求項７】 前記ピッチＰを１５μ≦Ｐ≦５０μより
   構成したことを特徴とする請求項５のエンコーダー。
8. 【請求項８】 前記光学スケールの格子は移動方向に沿
   って入射光束を光変調させる傾斜面を有する凹凸形状よ
   り成っていることを特徴とする請求項５のエンコーダ
   ー。