JP3254737B2 - エンコーダー - Google Patents

エンコーダー

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JP3254737B2
JP3254737B2 JP18450692A JP18450692A JP3254737B2 JP 3254737 B2 JP3254737 B2 JP 3254737B2 JP 18450692 A JP18450692 A JP 18450692A JP 18450692 A JP18450692 A JP 18450692A JP 3254737 B2 JP3254737 B2 JP 3254737B2
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING 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
    • G01D5/00Mechanical 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
    • G01D5/26Mechanical 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
    • G01D5/32Mechanical 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
    • G01D5/34Mechanical 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
    • G01D5/36Forming the light into pulses
    • G01D5/38Forming the light into pulses by diffraction gratings

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は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ーやリ
ニアーエンコーダー等の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ーエンコーダ
ーが利用されてきている。
【0003】図9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は半導体レーザー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】図3は図9の第1スケ
ール3aから射出した回折光が第2スケール3bに入射
するときの状態を示した説明図である。
【0008】スケール3の第1スケール3aの格子と第
2スケール3bの格子の光軸に沿った間隔d(スケール
3の内側の直径)は、格子ピッチをP、半導体レーザ1
からの光束の波長をλとしたとき d=na ×P2 /λ (na =1,2,3,…) を満足するように設定されている。
【0009】第1スケール3aからの距離na ×P2
λ(na =1,2,3,…)の位置は第1スケール3a
の格子と同じ格子ピッチの強度分布の光学像が鮮明に形
成されるフーリエイメージ面と異なる光軸方向の位置で
は第1スケール3aの格子と同じ格子ピッチで強度分布
が低下し、高周波成分の低下が目立つコントラストの低
い強度分布の光学像となっている。
【0010】この為、例えば外部環境の温度変化等によ
り半導体レーザからの光束の波長λが変化すると第1ス
ケール3aの格子のフーリエイメージの結像位置と第2
スケール3bの格子面とが相対的にズレてくる。そうす
ると受光手段4で検出される検出信号のS/N比が低下
してきて光学スケール3の移動情報の検出精度が低下し
てくるという問題点があった。
【0011】本発明は鮮明な光学源の得られる光軸方向
(直径方向)の範囲を広げ、例えば半導体レーザからの
光束の波長が変化してもS/N比の高い検出信号が得ら
れ、移動物体の移動情報(回転情報)を高精度に検出す
ることができる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】請求項1の発明のエンコ
ーダ−は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スケールによって生じ
る複数の次数の回折光束同士が干渉した状態で該光学ス
ケールのうちの第2スケールに入射、該第2スケール
光波波面分割されて射出される複数の光束を複数の
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エンコーダーにおいて、該第1
スケールからの回折光のうち+1次回折光又は−1次回
折光を遮断又は減衰させる光調整手段を該第1スケール
と第2スケールとの間の光路中に配置し、主に0次光と
−1次回折光又は0次光と+1次回折光により該第2ス
ケール上に該第1スケールと同じ格子ピッチの強度分布
の光学像を形成するようにしたことを特徴としている。
請求項2の発明は請求項1の発明において前記光調整手
段は2重回折光学系と該第1スケールのフーリエ変換面
における1次又は−1次のフーリエスペクトル位置を通
過する光を遮断又は減衰させる光学部材とを有している
ことを特徴としている。請求項3の発明は請求項1の発
明において前記光調整手段は前記±1次回折光のうち所
定の入射角で入射してきた回折光を全反射させる反射面
を有したプリズム部材を有していることを特徴としてい
る。
【0013】請求項4の発明のエンコーダーは円筒部材
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、該該1スケールによって生じ
る複数の次数の回折光束同士が干渉した状態で該光学ス
ケールのうちの第2スケールに入射させ、該第2スケー
ルで光波波面分割されて射出される複数の光束を複数の
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エンコーダーにおいて、該第
1スケールからの回折光のうち+1次回折光又は−1次
回折光を遮断又は減衰させる光調整手段を該第1スケー
ルと第2スケールとの間の光路中に配置し、主に0次光
と−1次回折光又は0次光と+1次回折光により該第2
スケール上に該第1スケールと同じ格子ピッチの強度分
布の光学像を形成するようにしたことを特徴としてい
る。請求項5の発明のエンコーダーは光照射手段と、回
折格子を有し該光源手段からの光束を第1領域によって
生じる複数の次数の回折光束同士が干渉した状態で第2
領域に入射し、該第2領域で複数の光束に光波波面分割
されて射出する光学スケールと、該第2領域で光波波面
分割された複数の光束を受光する受光手段と、前記第1
領域から前記第2領域までの光路中に配置され、前記第
1領域からの回折光のうち±1次回折光の一方を遮断又
は減衰させる光調整手段とを有することを特徴としてい
る。
【0014】
【実施例】図1は本発明の実施例1の要部概略図、図
2,図3,図4,図5は各々図1の一部分の説明図であ
る。
【0015】図中LRは光照射手段であり、半導体レー
ザ1とコリメーターレンズ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一
定周期で複数の格子(格子部)3dを設けた構成よりな
っている。光学スケール3は透光性の光学材料より成
り、回転体(不図示)の一部として設けられており、回
転体と一体的に回転軸3gを中心に回転している。
【0016】格子3dは図1,図2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3g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。
【0017】図2(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。
【0018】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8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(V溝)の総数) を満たすように設定されている。
【0019】6は光調整手段であり、円筒部材3c内に
収納されており、2重回折光学系(7a,7b)と光学
部材7cとを有している。光調整手段6は後述するよう
に第1スケール3aからの回折光のうち+1次回折光又
は−1次回折光を遮断又は減衰させて、0次光と−1次
回折光又は0次光と+1次回折光により第2スケール3
b上に第1スケールと同じ格子ピッチの強度分布の光学
像を形成するようにしている。
【0020】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、後述するように受光
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。
【0021】次に本実施例の光調整手段6の構成につい
て説明する。
【0022】図3は第1スケール3aからの回折光と第
2スケール3bとの関係を示す説明図である。図3にお
いて斜線で示した領域Rには第1スケール3aの格子で
回折した主に0次光と−1次回折光、そして0次光と+
1回折光の2光束干渉によって第1スケール3aの格子
と同じ格子ピッチの明暗の分布(光学像)が存在してい
る。このときの明暗の分布は次の理由により半導体レー
ザ1からの光束の波長λの変化の影響を受けない。
【0023】第1スケール3aの格子ピッチPは不変で
ある。半導体レーザ1からの光束の波長の変化前後にお
ける波長を各々λa,λb、1次回折光又は−1次回折
光の波長の変化前後の回折角を各々θa,θbとする
と、 P=λa/sinθa P=λb/sinθb となる。
【0024】又、この2光束干渉の明暗の分布のピッチ
を波長の変化前後においてTa ,Tb とすると、お互い
に角度θa,θbで進行しているのでピッチTa ,Tb
は、 Ta =λa/sinθa Tb =λb/sinθb となる。(1),(2)式よりTa =Tbとなり、波長
の変化前後においてこの明暗の分布は不変となる。
【0025】このとき本発明では光調整手段6を用いて
±1次回折光のうち、いずれか一方の回折光を遮断又は
減衰させている。そして第2スケール3bの格子に対し
て第1スケール3aの格子と同じ格子ピッチの明暗の分
布がコントラストを良好に保存しつつ光軸方向(直径方
向)の広い範囲で形成するようにしている。これにより
例えば半導体レーザからの光束の波長が環境変化等で変
化しても検出手段4で検出される信号のS/N比の低下
を防止している。
【0026】図4は図1の光調整手段6の要部概略図で
ある。
【0027】本実施例では光調整手段6を2重回折光学
系(7a,7b)とフィルターより成る光学部材7cと
により構成し、±1次回折光のうち一方の回折光を光学
部材7cにより遮断又は減衰させている。
【0028】同図では第1スケール3aの格子をコヒー
レント光で照明し、フーリエ変換レンズ7aでこれをフ
ーリエ変換してフーリエスペクトル面FSを得た後、再
度フーリエ変換レンズ7bでフーリエ変換して光学像を
第2スケール3bの格子面に形成している。
【0029】フーリエ変換レンズ7aの焦点距離をf1
+1次回折光又は−1次回折光の回折角をθ、フーリエ
スペクトル面FSでの光軸8からの高さをhとしたとき
光学部材7cで h=f・sinθ の位置を通過する光束を遮断又は減衰させている。
【0030】図5(A)はこのときの光学部材7cの説
明図である。同図の光学部材7は光軸8からの高さhに
相当する領域を光不透過としたフィルターより構成して
いる。
【0031】尚、本実施例においては光学部材7cとし
て図5(B)に示すような光軸8からの高さhに相当す
る領域を不透過とした光学部材7dを用いても良い。
【0032】次に本実施例におけるエンコーダーとして
の光学スケール3(回転体)の回転情報の検出方法につ
いて説明する。
【0033】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、凸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。
【0034】この収束光束は、第1領域3aの格子3d
において図2(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。
【0035】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。
【0036】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
エ像が光調整手段6を介して光学スケール3の内部に結
像される。本実施例では前述したようにこのとき光調整
手段6により±1次回折光のうち一方の回折光を遮断又
は減衰させている。
【0037】第2領域3bにおいて面30aに入射した
光束は図2(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(受光素子)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
屈折して各々フォトディテクタ4a及び4bに到達す
る。
【0038】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。
【0039】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6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。
【0040】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。記号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。
【0041】尚、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
低い為、信号a,b,cは各々正弦波状となってくる。
本実施例ではこのときの信号a,b,cを基にして光学
スケール3の回転情報を検出している。
【0042】図7,図8は各々本発明の実施例2,3の
光学スケール3近傍の要部概略図である。
【0043】図7(A)の実施例2では第1スケール3
aからの回折光をフーリエ変換レンズ7aとミラー71
を介しフーリエスペクトル面FSに相当する位置に配置
したミラー72に入射させている。ミラー72は図1の
フィルター7cに相当し、図7(B)に示すように光軸
8からの高さhに相当する領域72aをクロムエッチン
グ又はマスキング等により非反射面又は低反射率面とし
ている。
【0044】これにより+1次回折光又は−1次回折光
のうち一方の回折光を遮断又は減衰している。そしてミ
ラー72でミラー71方向に反射し、ミラー71で反射
した光束をフーリエ変換レンズ76により第2スケール
3bに導光している。本実施例では以上のような構成に
より実施例1と同様の効果を得ている。
【0045】図8(A)の実施例3では光調整手段をプ
リズム部材83より構成して、円筒部材3cの内部に設
けている。プリズム部材83は2つのプリズム81,8
2(材質の屈折率Nd)を斜面(81b,82a)を対
向させて僅かの空気間隔を隔てて配置して構成してい
る。
【0046】第1スケール3aからの±1次回折光のう
ち一方の回折光がプリズム81の斜面81bで全反射す
るように図8(B)に示すようにプリズム頂角や屈折率
Nd等の各要素を設定している。
【0047】そして、斜面81bとプリズム82a,8
2bを介して、第2スケール3bに導光している。これ
により実施例1と同様の効果を得ている。
【0048】尚、本発明において例えば+1次回折光の
進行方向に対して逆向きに進む同一の位相を持つ平面波
を発生させて、+1次回折光を遮断又は減衰させるよう
にしても良い。
【0049】
【発明の効果】本発明によれば以上のように第1スケー
ルからの回折光のうち所定次数の回折光を遮断又は減衰
させ、主に0次光と−1次回折光、又は0次光と+1次
回折光の2光束干渉により、第2スケール上に第1スケ
ールと同じ格子ピッチの明暗の分布を有した高いコント
ラストの光学像を形成することにより鮮明な光学像の得
られる光軸方向(直径方向)の範囲を広げ、例えば半導
体レーザからの光束の波長が変化してもS/N比の高い
検出信号が得られ、移動物体の移動情報(回転情報)を
高精度に検出することができるエンコーダーを達成する
ことができる。また、他の本発明によれば、光学スケー
ルの第1領域から第2領域までの光路中に配置され、第
1領域からの回折光の内±1次回折光の一方を遮断又は
減衰させる光変調手段を設けたことにより、鮮明な光学
像の得られる光軸方向の範囲を広げ、光束の波長が変化
してもS/N比の高い検出信号が得られ、移動物体の移
動情報を高精度に検出することが出来るエンコーダーを
達成することが出来る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の要部概略図
【図2】 図1の一部分の説明図
【図3】 図1の一部分の説明図
【図4】 図1の一部分の説明図
【図5】 図1の一部分の説明図
【図6】 図1の検出手段からの出力信号の説明図
【図7】 本発明の実施例2の要部概略図
【図8】 本発明の実施例3の要部概略図
【図9】 従来のトルボット型のエンコーダーの要部概
略図
【符号の説明】
1 半導体レーザ 2 コリメータレンズ 3 光学スケール 3a 第1スケール 3b 第2スケール 3c 円筒部材 4 受光手段 5 信号処理回路 6,83 光調整手段 7c フィルター
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−206720(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01D 5/26 - 5/38 G01B 11/00 - 11/30

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 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スケールによっ
    て生じる複数の次数の回折光束同士が干渉した状態で該
    光学スケールのうちの第2スケールに入射し、該第2ス
    ケールで光波波面分割されて射出される複数の光束を複
    数の受光手段で受光し、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エンコーダーにおいて、
    該第1スケールからの回折光のうち+1次回折光又は−
    1次回折光を遮断又は減衰させる光調整手段を該第1ス
    ケールと第2スケールとの間の光路中に配置し、主に0
    次光と−1次回折光又は0次光と+1次回折光により該
    第2スケール上に該第1スケールと同じ格子ピッチの強
    度分布の光学像を形成するようにしたことを特徴とする
    エンコーダー。
  2. 【請求項2】 前記光調整手段は2重回折光学系と該第
    1スケールのフーリエ変換面における1次又は−1次の
    フーリエスペクトル位置を通過する光を遮断又は減衰さ
    せる光学部材とを有していることを特徴とする請求項1
    のエンコーダー。
  3. 【請求項3】 前記光調整手段は前記±1次回折光のう
    ち所定の入射角で入射してきた回折光を全反射させる反
    射面を有したプリズム部材を有していることを特徴とす
    る請求項1のエンコーダー。
  4. 【請求項4】 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スケールによって生じる複数の次数の回折光束同士が
    干渉した状態で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スケールで光波波面分割されて射出さ
    れる複数の光束を複数の受光手段で受光し、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エン
    コーダーにおいて、該第1スケールからの回折光のうち
    +1次回折光又は−1次回折光を遮断又は減衰させる光
    調整手段を該第1スケールと第2スケールとの間の光路
    中に配置し、主に0次光と−1次回折光又は0次光と+
    1次回折光により該第2スケール上に該第1スケールと
    同じ格子ピッチの強度分布の光学像を形成するようにし
    たことを特徴とするエンコーダー。
  5. 【請求項5】 光照射手段と、回折格子を有し該光源手
    段からの光束を第1領域によって生じる複数の次数の回
    折光束同士が干渉した状態で第2領域に入射し、該第2
    領域で複数の光束に光波波面分割されて射出する光学ス
    ケールと、該第2領域で光波波面分割された複数の光束
    を受光する受光手段と、前記第1領域から前記第2領域
    までの光路中に配置され、前記第1領域からの回折光の
    うち±1次回折光の一方を遮断又は減衰させる光調整手
    段とを有することを特徴とするエンコーダ。
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