JP3471971B2 - 複合型のロータリーエンコーダ - Google Patents
複合型のロータリーエンコーダInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は複合型のロータリーエン
コーダに関し、特に回転体の回転位置、回転位置ずれ
量、回転位置ずれ方向、回転速度、回転加速度等の回転
情報を高精度に検出するのに加えて、該回転体が静止時
にも該回転体の絶対的位置を検出できる、特にACモータ
等を駆動する際に好適なものである。
コーダに関し、特に回転体の回転位置、回転位置ずれ
量、回転位置ずれ方向、回転速度、回転加速度等の回転
情報を高精度に検出するのに加えて、該回転体が静止時
にも該回転体の絶対的位置を検出できる、特にACモータ
等を駆動する際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、インクリメンタルロータリー
エンコーダを利用して物体の回転情報（回転変位量、速
度、加速度等）を高精度に測定することが普及してい
る。また一方でACモータに代表されるブラシレスモータ
においてアブソリュートロータリーエンコーダを利用し
てモータ内のロータの絶対回転位置を検出してモーター
の回転（始動）を制御している。そして、ACモータ等を
利用して物体の回転位置を制御する際には、高精度の相
対変位情報と絶対位置情報、の両方の情報が得られる複
合型のロータリーエンコーダが使われている。
エンコーダを利用して物体の回転情報（回転変位量、速
度、加速度等）を高精度に測定することが普及してい
る。また一方でACモータに代表されるブラシレスモータ
においてアブソリュートロータリーエンコーダを利用し
てモータ内のロータの絶対回転位置を検出してモーター
の回転（始動）を制御している。そして、ACモータ等を
利用して物体の回転位置を制御する際には、高精度の相
対変位情報と絶対位置情報、の両方の情報が得られる複
合型のロータリーエンコーダが使われている。
【０００３】インクリメンタルエンコーダとアブソリュ
ートエンコーダの従来例について説明する。図１１は特
公昭58-26002号公報において開示されている高精度なイ
ンクリメンタルエンコーダの原理説明図である。図中、
LGT は光源である。D はスケールであり、変位物体に固
定されている。スケールD 上には透過型の回折格子GTが
形成されている。光源LGT がスケールD の下方にあると
して、スケールD の上には固定の第１の回折格子GBS1を
設けている。第１の回折格子GBS1の格子ピッチは回折格
子GTの半分である。更に第１の回折格子GBS1の上には固
定の第２の回折格子GBS2を設けている。第２の回折格子
GBS2の格子ピッチは回折格子GTと同じである。第２の回
折格子GBS2の上には受光素子（変位量検出素子）SAを設
けている。
ートエンコーダの従来例について説明する。図１１は特
公昭58-26002号公報において開示されている高精度なイ
ンクリメンタルエンコーダの原理説明図である。図中、
LGT は光源である。D はスケールであり、変位物体に固
定されている。スケールD 上には透過型の回折格子GTが
形成されている。光源LGT がスケールD の下方にあると
して、スケールD の上には固定の第１の回折格子GBS1を
設けている。第１の回折格子GBS1の格子ピッチは回折格
子GTの半分である。更に第１の回折格子GBS1の上には固
定の第２の回折格子GBS2を設けている。第２の回折格子
GBS2の格子ピッチは回折格子GTと同じである。第２の回
折格子GBS2の上には受光素子（変位量検出素子）SAを設
けている。
【０００４】本従来例の作用を説明する。光源LGT から
射出する単色の光束R は回折格子GTを照明し、該回折格
子で発生する±１次の回折光束R+,R- は第１の回折格子
GBS1に入射し、夫々±１次の回折光束R+-,R-+ を発生す
る。これらの回折光束R+-,R-+ は第２の回折格子GBS2の
所で交差すると共に該回折格子により回折光R+-+,R-+-
を発生する。この２つの回折光束は同じ方向に出射する
と共に光路が重なり互いに干渉して干渉光束となり、受
光素子SAに入射する。そして回折格子GT（スケール）の
移動にともなって干渉光束の光量の周期的変化を作り出
し、それを光電素子SAで検出することでインクリメンタ
ルエンコーダ信号を出力し変位物体の変位量を高精度に
検出している。
射出する単色の光束R は回折格子GTを照明し、該回折格
子で発生する±１次の回折光束R+,R- は第１の回折格子
GBS1に入射し、夫々±１次の回折光束R+-,R-+ を発生す
る。これらの回折光束R+-,R-+ は第２の回折格子GBS2の
所で交差すると共に該回折格子により回折光R+-+,R-+-
を発生する。この２つの回折光束は同じ方向に出射する
と共に光路が重なり互いに干渉して干渉光束となり、受
光素子SAに入射する。そして回折格子GT（スケール）の
移動にともなって干渉光束の光量の周期的変化を作り出
し、それを光電素子SAで検出することでインクリメンタ
ルエンコーダ信号を出力し変位物体の変位量を高精度に
検出している。
【０００５】図１２は特公昭58-45687号公報において開
示されている高精度なインクリメンタルエンコーダの原
理説明図である。図中、LGT は光源である。D はスケー
ルであり、変位物体に固定されている。スケールD 上に
は反射型の回折格子GTが形成されている。光源LGT とス
ケールD の間には固定の回折格子GBS3を設けている。回
折格子GBS3の格子ピッチは回折格子GTのそれの２倍であ
る。光源LGT の横には受光素子（変位量検出素子）SAを
設けている。
示されている高精度なインクリメンタルエンコーダの原
理説明図である。図中、LGT は光源である。D はスケー
ルであり、変位物体に固定されている。スケールD 上に
は反射型の回折格子GTが形成されている。光源LGT とス
ケールD の間には固定の回折格子GBS3を設けている。回
折格子GBS3の格子ピッチは回折格子GTのそれの２倍であ
る。光源LGT の横には受光素子（変位量検出素子）SAを
設けている。
【０００６】本従来例の作用を説明する。光源LGT から
射出する単色の光束R は固定の回折格子GBS3に斜めに入
射し、該回折格子GBS3で発生する±１次の回折光束R+,R
- は回折格子GTに入射し、該回折格子で反射すると共に
夫々±１次の回折光束R+-,R-+ を発生する。これらの回
折光束R+-,R-+ は固定の回折格子GBS3の所で交差すると
共に該回折格子により回折光R+-+,R-+- を発生する。こ
の２つの回折光束は同じ方向に出射すると共に光路が重
なり互いに干渉して干渉光束となり、受光素子SAに入射
する。そして回折格子GT（スケール）の移動にともなっ
て干渉光束の光量の周期的変化を作り出し、それを光電
素子SAで検出することでインクリメンタルエンコーダ信
号を出力し変位物体の変位量を高精度に検出している。
射出する単色の光束R は固定の回折格子GBS3に斜めに入
射し、該回折格子GBS3で発生する±１次の回折光束R+,R
- は回折格子GTに入射し、該回折格子で反射すると共に
夫々±１次の回折光束R+-,R-+ を発生する。これらの回
折光束R+-,R-+ は固定の回折格子GBS3の所で交差すると
共に該回折格子により回折光R+-+,R-+- を発生する。こ
の２つの回折光束は同じ方向に出射すると共に光路が重
なり互いに干渉して干渉光束となり、受光素子SAに入射
する。そして回折格子GT（スケール）の移動にともなっ
て干渉光束の光量の周期的変化を作り出し、それを光電
素子SAで検出することでインクリメンタルエンコーダ信
号を出力し変位物体の変位量を高精度に検出している。
【０００７】一方、アブソリュートロータリーエンコー
ダは、例えば米国特許3591841 号明細書等に開示される
ように回転ディスク上の半径の異なる周上に複数の透過
・非透過（又は反射・非反射）のパターン（例えばグレ
イコードパターン）を、１周中に１つのコードの組み合
わせしかないように形成しておき、それぞれの透過光ま
たは反射光（変調光）を検出することでディスクの回転
方向の絶対位置を検出している。
ダは、例えば米国特許3591841 号明細書等に開示される
ように回転ディスク上の半径の異なる周上に複数の透過
・非透過（又は反射・非反射）のパターン（例えばグレ
イコードパターン）を、１周中に１つのコードの組み合
わせしかないように形成しておき、それぞれの透過光ま
たは反射光（変調光）を検出することでディスクの回転
方向の絶対位置を検出している。
【０００８】またモータ用のアブソリュートエンコーダ
としては、回転ディスク上の半径の異なる周上に複数の
透過・非透過（または反射・非反射）のパターン（例え
ばグレイコードパターン）を、モータの極数M に応じて
M 個のコードの組み合わせしかないように形成しておれ
ば、それぞれの周において透過光または反射光（変調
光）を検出することでモータのロータ〜ステータ間の位
置が出力される。
としては、回転ディスク上の半径の異なる周上に複数の
透過・非透過（または反射・非反射）のパターン（例え
ばグレイコードパターン）を、モータの極数M に応じて
M 個のコードの組み合わせしかないように形成しておれ
ば、それぞれの周において透過光または反射光（変調
光）を検出することでモータのロータ〜ステータ間の位
置が出力される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】最近の動向としてエン
コーダが小型化（例えば外径10mmのディスク）している
が、上記のように異なる原理に基づくエンコーダを複合
した複合型のエンコーダは小型化が困難であった。
コーダが小型化（例えば外径10mmのディスク）している
が、上記のように異なる原理に基づくエンコーダを複合
した複合型のエンコーダは小型化が困難であった。
【００１０】かかるエンコーダを小型化するには単純に
異なる検出原理に基づく光学系を併設して、それぞれを
小型化すれば良いが、インクリメンタルエンコーダ及び
アブソリュートエンコーダの光学系の小型化には限界が
あり、またこの場合は光源が複数必要になり消費電流が
増えて発熱が増加したり、部品点数が増えて構造が複雑
になる等の問題があった。
異なる検出原理に基づく光学系を併設して、それぞれを
小型化すれば良いが、インクリメンタルエンコーダ及び
アブソリュートエンコーダの光学系の小型化には限界が
あり、またこの場合は光源が複数必要になり消費電流が
増えて発熱が増加したり、部品点数が増えて構造が複雑
になる等の問題があった。
【００１１】さらにこうした高精度のロータリーエンコ
ーダをモータに組み合わせて高精度ポジショナーとして
使用する場合には、モータが発熱するので、信頼性の高
い光源として発光ダイオードLED を使用して干渉信号を
検出する必要がある。
ーダをモータに組み合わせて高精度ポジショナーとして
使用する場合には、モータが発熱するので、信頼性の高
い光源として発光ダイオードLED を使用して干渉信号を
検出する必要がある。
【００１２】本発明は、インクリメンタルエンコーダの
一要素を構成する高密度の放射状の回折格子と原点パタ
ーン又は／及びアブソリュートエンコーダの一要素を構
成するアブソリュート符号パターンを形成した小径のデ
ィスクと１つの光源そして受光素子アレイとを用いて複
数の変調光の光強度を一括して読み取ることにより、小
型、小径、薄型でありながら同時に安定な光学系より回
転情報を検出することのできる複合型のロータリーエン
コーダの提供を目的とする。
一要素を構成する高密度の放射状の回折格子と原点パタ
ーン又は／及びアブソリュートエンコーダの一要素を構
成するアブソリュート符号パターンを形成した小径のデ
ィスクと１つの光源そして受光素子アレイとを用いて複
数の変調光の光強度を一括して読み取ることにより、小
型、小径、薄型でありながら同時に安定な光学系より回
転情報を検出することのできる複合型のロータリーエン
コーダの提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の複合型
のロータリーエンコーダは、単一の光源から射出する光
束を放射状の位相回折格子、原点パターン、アブソリュ
ート符号パターンを異なるトラック上に有する回転可能
な円板状のディスクの一部に照射し、該アブソリュート
符号パターンを照射した光の変調光を絶対位置検出素子
で受光して該ディスクの絶対位置を検出し、該原点パタ
ーンを照射した光の変調光を原点位置検出素子で受光し
て該ディスクの原点位置を検出し、該ディスク上の位相
回折格子と固定した回折格子によって回折して合成され
る干渉光を変位量検出素子で受光して該ディスクの変位
情報を得る複合型のロータリーエンコーダにおいて、前
記アブソリュート符号パターンは各々異なる次数の回折
光を発生するように形状パラメータの少なくとも一つが
不連続に変化し、隣接するパターンが互いに接する絶対
位置検出用位相回折格子で構成され、前記絶対位置検出
用位相回折格子で回折された０次回折光、１次回折光、
２次回折光を各次数の光束に対応する前記絶対位置検出
素子で受光することを特徴としている。
のロータリーエンコーダは、単一の光源から射出する光
束を放射状の位相回折格子、原点パターン、アブソリュ
ート符号パターンを異なるトラック上に有する回転可能
な円板状のディスクの一部に照射し、該アブソリュート
符号パターンを照射した光の変調光を絶対位置検出素子
で受光して該ディスクの絶対位置を検出し、該原点パタ
ーンを照射した光の変調光を原点位置検出素子で受光し
て該ディスクの原点位置を検出し、該ディスク上の位相
回折格子と固定した回折格子によって回折して合成され
る干渉光を変位量検出素子で受光して該ディスクの変位
情報を得る複合型のロータリーエンコーダにおいて、前
記アブソリュート符号パターンは各々異なる次数の回折
光を発生するように形状パラメータの少なくとも一つが
不連続に変化し、隣接するパターンが互いに接する絶対
位置検出用位相回折格子で構成され、前記絶対位置検出
用位相回折格子で回折された０次回折光、１次回折光、
２次回折光を各次数の光束に対応する前記絶対位置検出
素子で受光することを特徴としている。
【００１４】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記前記原点パターンは前記ディスク上に形状パラ
メータの少なくとも一つが不連続に変化する互いに接す
る複数の原点位置検出用回折格子で構成され、前記原点
位置検出用回折格子で回折された複数の回折光を各々対
応した複数の原点位置検出素子で受光することを特徴と
している。請求項３の発明は、請求項１又は２の発明に
おいて、前記絶対位置検出素子、前記原点位置検出素子
及び前記変位量検出素子が１つの基板上に構成されてい
ることを特徴としている。請求項４の発明は、請求項
１、２又は３の発明において、前記ディスクの近傍に前
記絶対位置検出素子、前記原点位置検出素子及び前記変
位量検出素子へ入射する光束を制限する開口部材を有す
ることを特徴としている。
て、前記前記原点パターンは前記ディスク上に形状パラ
メータの少なくとも一つが不連続に変化する互いに接す
る複数の原点位置検出用回折格子で構成され、前記原点
位置検出用回折格子で回折された複数の回折光を各々対
応した複数の原点位置検出素子で受光することを特徴と
している。請求項３の発明は、請求項１又は２の発明に
おいて、前記絶対位置検出素子、前記原点位置検出素子
及び前記変位量検出素子が１つの基板上に構成されてい
ることを特徴としている。請求項４の発明は、請求項
１、２又は３の発明において、前記ディスクの近傍に前
記絶対位置検出素子、前記原点位置検出素子及び前記変
位量検出素子へ入射する光束を制限する開口部材を有す
ることを特徴としている。
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図であ
る。又図２は実施例１のディスク上のパターンの説明図
である。図３は実施例１の干渉光学系の原理説明図、図
４は実施例１の各回折格子の拡大図、図５は実施例１の
要部斜視図、図６は実施例１のアブソリュート符号パタ
ーンUVW の説明図である。
る。又図２は実施例１のディスク上のパターンの説明図
である。図３は実施例１の干渉光学系の原理説明図、図
４は実施例１の各回折格子の拡大図、図５は実施例１の
要部斜視図、図６は実施例１のアブソリュート符号パタ
ーンUVW の説明図である。
【００２０】図１中、LGT は光源であり、LED 等で構成
しており単色光を放射する。LNS はコリメータレンズで
あり、光源LGT からの光束を平行光束R に変換する。光
源LGT 、コリメータレンズLNS 等は光照射手段の一要素
を構成している。
しており単色光を放射する。LNS はコリメータレンズで
あり、光源LGT からの光束を平行光束R に変換する。光
源LGT 、コリメータレンズLNS 等は光照射手段の一要素
を構成している。
【００２１】D はディスクであり、透明体で形成した円
板状の部材であり、被測定回転物に固定し回転する。従
ってディスクD は回転軸を持っている。ディスクD 上に
は図２に示すように、回転軸を中心として放射状の位相
回折格子GT、円弧状の位相回折格子より成る原点パター
ンZ 、円弧状の位相回折格子より成るアブソリュート符
号パターンUVW の３つが該ディスクの異なる周（トラッ
ク）上に形成している。これらについて説明する。 (a1) 放射状の位相回折格子GTはディスクD のGTトラッ
ク上に１周中にN 本の回折格子を形成している。従って
格子ピッチP は P＝ 2π/Nラジアンである。 (a2) 原点パターンZ はZaトラック及びZbトラックの１
周中の１か所に幅の狭い円弧状の位相回折格子Z1,Z2 を
端が接するように並べて設置して構成している。 Zaトラック,Zb トラック上で回折格子Z1若しくはZ2が無
い部分は素通し部分である。なお、回折格子Z1,Z2 は回
折格子の形状パラメータのうちデユーティを変えて形成
している。 (a3) アブソリュート符号パターンUVW はUVW トラック
上に６種類の円弧状の位相回折格子を形成して構成して
いる。これらの回折格子は図６に示すように透過回折光
として０次回折光θ0 のみを発生する回折格子U 、１次
回折光θ1 のみを発生する回折格子W 、０次回折光θ0
と１次回折光θ1 を発生する回折格子V 、２次回折光θ
2 のみを発生する回折格子V-、０次回折光θ0 と２次回
折光θ2 を発生する回折格子W-、１次回折光θ1 と２次
回折光θ2 を発生する回折格子U-の６種類である。これ
らの特定回折光を発生する作用は１つの回折格子を位相
回折格子の形状パラメータ（デユーティ、ピッチ、厚
さ）の少なくとも１つが不連続に異なる回折格子で構成
することにより生じている。アブソリュート符号パター
ンUVW はこれらの６種類の回折格子U〜W-をディスクD
の１周上の各象限に同じ順序で形成している。（なお、
図２に示すようにUVW トラック、GTトラック、Za,Zb ト
ラックは独立しておれば並び方は任意で良い）。
板状の部材であり、被測定回転物に固定し回転する。従
ってディスクD は回転軸を持っている。ディスクD 上に
は図２に示すように、回転軸を中心として放射状の位相
回折格子GT、円弧状の位相回折格子より成る原点パター
ンZ 、円弧状の位相回折格子より成るアブソリュート符
号パターンUVW の３つが該ディスクの異なる周（トラッ
ク）上に形成している。これらについて説明する。 (a1) 放射状の位相回折格子GTはディスクD のGTトラッ
ク上に１周中にN 本の回折格子を形成している。従って
格子ピッチP は P＝ 2π/Nラジアンである。 (a2) 原点パターンZ はZaトラック及びZbトラックの１
周中の１か所に幅の狭い円弧状の位相回折格子Z1,Z2 を
端が接するように並べて設置して構成している。 Zaトラック,Zb トラック上で回折格子Z1若しくはZ2が無
い部分は素通し部分である。なお、回折格子Z1,Z2 は回
折格子の形状パラメータのうちデユーティを変えて形成
している。 (a3) アブソリュート符号パターンUVW はUVW トラック
上に６種類の円弧状の位相回折格子を形成して構成して
いる。これらの回折格子は図６に示すように透過回折光
として０次回折光θ0 のみを発生する回折格子U 、１次
回折光θ1 のみを発生する回折格子W 、０次回折光θ0
と１次回折光θ1 を発生する回折格子V 、２次回折光θ
2 のみを発生する回折格子V-、０次回折光θ0 と２次回
折光θ2 を発生する回折格子W-、１次回折光θ1 と２次
回折光θ2 を発生する回折格子U-の６種類である。これ
らの特定回折光を発生する作用は１つの回折格子を位相
回折格子の形状パラメータ（デユーティ、ピッチ、厚
さ）の少なくとも１つが不連続に異なる回折格子で構成
することにより生じている。アブソリュート符号パター
ンUVW はこれらの６種類の回折格子U〜W-をディスクD
の１周上の各象限に同じ順序で形成している。（なお、
図２に示すようにUVW トラック、GTトラック、Za,Zb ト
ラックは独立しておれば並び方は任意で良い）。
【００２２】図１においてディスクD の下側にコリメー
タレンズLNS があるとしてディスクD の上側に固定の第
１の回折格子GBS1を設置している。第１の回折格子GBS1
は放射状の位相回折格子であり、その格子ピッチP1はP1
＝π/Nラジアンである。
タレンズLNS があるとしてディスクD の上側に固定の第
１の回折格子GBS1を設置している。第１の回折格子GBS1
は放射状の位相回折格子であり、その格子ピッチP1はP1
＝π/Nラジアンである。
【００２３】更に第１の回折格子GBS1の上には固定の第
２の回折格子GBS2を設置している。第２の回折格子GBS2
は放射状の位相回折格子であり、その格子ピッチはP1＝
2π/Nラジアンである。回折格子GBS2は、図４に示すよ
うに点P0を境界に、領域をGBS2-A,GBS2-B,GBS2-A-,GBS2
-B- の４つに分割していて、互いの格子の配列の位相を
1/8 ピッチ分ずつずらして形成している。
２の回折格子GBS2を設置している。第２の回折格子GBS2
は放射状の位相回折格子であり、その格子ピッチはP1＝
2π/Nラジアンである。回折格子GBS2は、図４に示すよ
うに点P0を境界に、領域をGBS2-A,GBS2-B,GBS2-A-,GBS2
-B- の４つに分割していて、互いの格子の配列の位相を
1/8 ピッチ分ずつずらして形成している。
【００２４】なお、第１、第２の回折格子GBS1、GBS2お
よび回折格子GTは、ラメラ位相格子で０次回折光が発生
しないような微細構造を有している。
よび回折格子GTは、ラメラ位相格子で０次回折光が発生
しないような微細構造を有している。
【００２５】第２の回折格子GBS2の上には受光素子アレ
イSARYを設置してディスクD より発生する種々の変調光
束を検出している。受光素子アレイSARYは以下の３グル
ープの受光素子を有している。 (b1) インクリメンタル検出部SA,B、（変位量検出素
子） これは４分割受光素子SA,SB,SA-,SB- より成り、第２の
回折格子GBS2の４分割した各領域からの干渉光の光強度
を検出する。 (b2) 原点位置検出部SZ、（原点位置検出素子） これは２つの受光素子SZ1,SZ2 より成り、Zaトラック,Z
b トラックの上に配置し、各トラックからの０次回折光
を受光する。 (b3) アブソリュート位置検出部SUVW、（絶対位置検出
素子） これは１つの直線上に３つの受光素子SU,SV,SWを配置
し、UVW トラック上にある各回折格子U,V,W,U-,V-,W-に
よって発生する回折光のうち０次回折光θ0 、１次回折
光θ1 、２次回折光θ2 を受光する。
イSARYを設置してディスクD より発生する種々の変調光
束を検出している。受光素子アレイSARYは以下の３グル
ープの受光素子を有している。 (b1) インクリメンタル検出部SA,B、（変位量検出素
子） これは４分割受光素子SA,SB,SA-,SB- より成り、第２の
回折格子GBS2の４分割した各領域からの干渉光の光強度
を検出する。 (b2) 原点位置検出部SZ、（原点位置検出素子） これは２つの受光素子SZ1,SZ2 より成り、Zaトラック,Z
b トラックの上に配置し、各トラックからの０次回折光
を受光する。 (b3) アブソリュート位置検出部SUVW、（絶対位置検出
素子） これは１つの直線上に３つの受光素子SU,SV,SWを配置
し、UVW トラック上にある各回折格子U,V,W,U-,V-,W-に
よって発生する回折光のうち０次回折光θ0 、１次回折
光θ1 、２次回折光θ2 を受光する。
【００２６】受光素子アレイSARYは１つの基板の上に上
記の各受光素子を形成して構成している。
記の各受光素子を形成して構成している。
【００２７】本実施例の作用を説明する。光源LGT より
射出された光束は、コリメータレンズLNS によって平行
光束R に変換され、相対して回転するディスクD 上の一
部を照射し、GTトラック、Za,Zb トラック、UVW トラッ
クの一部が一括して照明される。
射出された光束は、コリメータレンズLNS によって平行
光束R に変換され、相対して回転するディスクD 上の一
部を照射し、GTトラック、Za,Zb トラック、UVW トラッ
クの一部が一括して照明される。
【００２８】光束R のうち回折格子GTを照射した光は、
図３に示すように回折格子GTによって２つの±１次回折
光束R+、R-を発生し、次いでこれらの回折光束は第１の
回折格子GBS1により再び回折されて、回折光束R+- 、R
-+ を発生し、光路を折曲げられ空間上の点P0にて交差
する。次いでそこに配置されている第２の回折格子GBS2
により再び回折されて同じ方向に射出する回折光束
R+-+、R-+-を発生し、重なりあって互いに干渉する干渉
光束となって射出する。
図３に示すように回折格子GTによって２つの±１次回折
光束R+、R-を発生し、次いでこれらの回折光束は第１の
回折格子GBS1により再び回折されて、回折光束R+- 、R
-+ を発生し、光路を折曲げられ空間上の点P0にて交差
する。次いでそこに配置されている第２の回折格子GBS2
により再び回折されて同じ方向に射出する回折光束
R+-+、R-+-を発生し、重なりあって互いに干渉する干渉
光束となって射出する。
【００２９】ディスクD を照明する光束R は広がりを持
っているため回折格子GTで回折して第１の回折格子GBS1
に到達してもほとんど重なりあったままで、回折格子GB
S1、GBS2をへて受光素子SA,SB,SA-,SB- へ導かれる。
っているため回折格子GTで回折して第１の回折格子GBS1
に到達してもほとんど重なりあったままで、回折格子GB
S1、GBS2をへて受光素子SA,SB,SA-,SB- へ導かれる。
【００３０】たとえば照明する光束径が 500μm 、回折
格子GTの本数N ＝2500、GTトラックの記録半径r ＝5000
μm 、LED の波長λ＝0.86μm として１次回折角θは、 θ＝ arcsin{λ・N/( 2πr)} ＝3.92° となり、回折格子GTと第１の回折格子GBS1とのギャップ
h＝ 500μm とすれば、２つの回折光束R+,R- の分離量
は68.5μm と極く僅かである。
格子GTの本数N ＝2500、GTトラックの記録半径r ＝5000
μm 、LED の波長λ＝0.86μm として１次回折角θは、 θ＝ arcsin{λ・N/( 2πr)} ＝3.92° となり、回折格子GTと第１の回折格子GBS1とのギャップ
h＝ 500μm とすれば、２つの回折光束R+,R- の分離量
は68.5μm と極く僅かである。
【００３１】第２の回折格子GBS2から射出する回折光束
R+-+、R-+-は互いに平行に光路を重なりあわせて射出さ
れ、光源LGT からのすべての光路の対称性が保持されて
いて、互いに干渉する。
R+-+、R-+-は互いに平行に光路を重なりあわせて射出さ
れ、光源LGT からのすべての光路の対称性が保持されて
いて、互いに干渉する。
【００３２】その際に、回折光R+-+はディスクD の回転
によって回折格子GTが１ピッチ分移動すると、波面の位
相が-2πずれ、回折光R-+-はディスクD の回転によって
回折格子GTが１ピッチ分移動すると、波面の位相が-2π
ずれる。そこで干渉光は、ディスクD の回転によって回
折格子GTが１ピッチ分移動すると、明暗が正弦波状に２
回変化する。
によって回折格子GTが１ピッチ分移動すると、波面の位
相が-2πずれ、回折光R-+-はディスクD の回転によって
回折格子GTが１ピッチ分移動すると、波面の位相が-2π
ずれる。そこで干渉光は、ディスクD の回転によって回
折格子GTが１ピッチ分移動すると、明暗が正弦波状に２
回変化する。
【００３３】さらに第２の回折格子GBS2においては、点
P0を境界として領域を４つの領域に分け、各領域におい
て互いの格子の配列の位相を1/8 ピッチ分ずつずらして
形成しているので、各領域における干渉位相（明暗の位
相）は1/4 周期ずつずれて正弦波状に２回変化する。
P0を境界として領域を４つの領域に分け、各領域におい
て互いの格子の配列の位相を1/8 ピッチ分ずつずらして
形成しているので、各領域における干渉位相（明暗の位
相）は1/4 周期ずつずれて正弦波状に２回変化する。
【００３４】この４つの領域からの干渉光は受光素子S
A,SB,SA-,SB- に入射するので、受光素子SA,SB,SA-,SB-
からはディスクD の１回転で干渉位相が1/4 周期づつ
ずれている2N周期の正弦波状アナログ信号電流が発生す
る。
A,SB,SA-,SB- に入射するので、受光素子SA,SB,SA-,SB-
からはディスクD の１回転で干渉位相が1/4 周期づつ
ずれている2N周期の正弦波状アナログ信号電流が発生す
る。
【００３５】一方、ディスクD を照射する平行光束R の
うち、Za,Zb トラックを照明する光は原点パターンZ の
位置によって図５に示すように、透過直接光束（０次
光）、透過回折光束（１次光）の２状態が現われ、その
位置に応じて受光素子SZ1 、SZ2 に夫々の光が入射す
る。
うち、Za,Zb トラックを照明する光は原点パターンZ の
位置によって図５に示すように、透過直接光束（０次
光）、透過回折光束（１次光）の２状態が現われ、その
位置に応じて受光素子SZ1 、SZ2 に夫々の光が入射す
る。
【００３６】たとえば図１に示すように光束R が原点パ
ターンZ のうち回折格子Z1及びZ2が無い部分（この部分
は素通しである）を照射している場合は受光素子SZ1 、
SZ2に夫々透過直接光束が入射している。もし、原点パ
ターンZ が在る部分を照射している場合は受光素子SZ1
、SZ2 のいずれかには光束は入射しない。その途中は
その位置に応じて２つの受光素子SZ1,SZ2 に光束が入射
する。
ターンZ のうち回折格子Z1及びZ2が無い部分（この部分
は素通しである）を照射している場合は受光素子SZ1 、
SZ2に夫々透過直接光束が入射している。もし、原点パ
ターンZ が在る部分を照射している場合は受光素子SZ1
、SZ2 のいずれかには光束は入射しない。その途中は
その位置に応じて２つの受光素子SZ1,SZ2 に光束が入射
する。
【００３７】そこで、ディスクD の回転によって原点パ
ターンZ が照明領域内で移動すると、受光素子SZ1、SZ2
に入射する光量が変化し、互いに光量変化するタイミン
グがずれる。受光素子SZ1 、SZ2 からは互いにピークの
ずれた谷型波形アナログ信号電流が発生する。そこで、
原点信号としては例えば受光素子SZ1 、SZ2 出力が一致
した時点でパルス信号を発生すれば良い。
ターンZ が照明領域内で移動すると、受光素子SZ1、SZ2
に入射する光量が変化し、互いに光量変化するタイミン
グがずれる。受光素子SZ1 、SZ2 からは互いにピークの
ずれた谷型波形アナログ信号電流が発生する。そこで、
原点信号としては例えば受光素子SZ1 、SZ2 出力が一致
した時点でパルス信号を発生すれば良い。
【００３８】また、図５には点線にて受光素子SZ1-、SZ
2-を追加して配置しているが、このように原点パターン
Z が無い部分では受光素子SZ1 、SZ2 に光束が入射し、
回折格子Z1若しくはZ2が在る部分では受光素子SZ1-若し
くはSZ2-に光束が入射するように構成することもでき
る。この場合、その途中ではその位置に応じて各受光素
子に光束が分配されて入射する。そこで受光素子SZ1 、
SZ2 、SZ1-、SZ2-からは互いにピークのずれた谷型もし
くは山型波形のアナログ信号電流が発生する。受光素子
SZ1 、SZ1-からは逆位相の信号が、受光素子SZ2 、SZ2-
からは逆位相の信号が発生するので、差信号同士の信号
レベルが一致した時点でパルス信号を発生すれば良い。
2-を追加して配置しているが、このように原点パターン
Z が無い部分では受光素子SZ1 、SZ2 に光束が入射し、
回折格子Z1若しくはZ2が在る部分では受光素子SZ1-若し
くはSZ2-に光束が入射するように構成することもでき
る。この場合、その途中ではその位置に応じて各受光素
子に光束が分配されて入射する。そこで受光素子SZ1 、
SZ2 、SZ1-、SZ2-からは互いにピークのずれた谷型もし
くは山型波形のアナログ信号電流が発生する。受光素子
SZ1 、SZ1-からは逆位相の信号が、受光素子SZ2 、SZ2-
からは逆位相の信号が発生するので、差信号同士の信号
レベルが一致した時点でパルス信号を発生すれば良い。
【００３９】一方、ディスクD を照射する平行光束R の
うち、UVW トラックを照明する光は、照明した位置によ
り図６に示すように、０次回折光θ0 のみ発生(U) 、１
次回折光θ1 のみ発生(W) 、０次回折光θ0 及び１次回
折光θ1 を発生(V) 、２次回折光θ2 のみ発生(V-)、０
次回折光θ0 及び２次回折光θ2 を発生(W-)、１次回折
光θ1 及び２次回折光θ2 を発生(U-)の６状態が現わ
れ、その照明位置に応じて受光素子SU,SV,SW上に直接光
及び回折光束が入射する。従って受光素子SU,SV,SWから
はアブソリュート符号信号群が出力され、その２値情報
の組み合わせによってディスクD のアブソリュート位置
が決定される。
うち、UVW トラックを照明する光は、照明した位置によ
り図６に示すように、０次回折光θ0 のみ発生(U) 、１
次回折光θ1 のみ発生(W) 、０次回折光θ0 及び１次回
折光θ1 を発生(V) 、２次回折光θ2 のみ発生(V-)、０
次回折光θ0 及び２次回折光θ2 を発生(W-)、１次回折
光θ1 及び２次回折光θ2 を発生(U-)の６状態が現わ
れ、その照明位置に応じて受光素子SU,SV,SW上に直接光
及び回折光束が入射する。従って受光素子SU,SV,SWから
はアブソリュート符号信号群が出力され、その２値情報
の組み合わせによってディスクD のアブソリュート位置
が決定される。
【００４０】以上のように、ディスクD を照明した光束
R の透過変調光は受光素子アレイSARY上の各受光素子に
よって一括して検出される。本実施例においては原点パ
ターンZ 及びアブソリュート符号パターンUVW を回転軸
を中心とする円弧状の回折格子で構成するのでその回折
光は回転軸を通る放射線の方向に回折される。従ってイ
ンクリメンタル検出部SA,B、原点位置検出部SZ、アブソ
リュート位置検出部SUVWを略一直線に並べることも可能
になるので受光素子アレイSARYを小型に構成することが
できる。
R の透過変調光は受光素子アレイSARY上の各受光素子に
よって一括して検出される。本実施例においては原点パ
ターンZ 及びアブソリュート符号パターンUVW を回転軸
を中心とする円弧状の回折格子で構成するのでその回折
光は回転軸を通る放射線の方向に回折される。従ってイ
ンクリメンタル検出部SA,B、原点位置検出部SZ、アブソ
リュート位置検出部SUVWを略一直線に並べることも可能
になるので受光素子アレイSARYを小型に構成することが
できる。
【００４１】なお、本実施例には図１には図示していな
いがディスクD の上又は下の近傍に図７に示す開口部材
BLを設けている。この開口部材BLはGTトラック、Za,Zb
トラック、UVW トラックを照射した後、変位量検出素
子、原点検出素子、絶対位置検出素子へ入射する光束を
制限する。これによって各回折格子からの変調光のS/N
比が向上し、それぞれの検出精度が高まる。
いがディスクD の上又は下の近傍に図７に示す開口部材
BLを設けている。この開口部材BLはGTトラック、Za,Zb
トラック、UVW トラックを照射した後、変位量検出素
子、原点検出素子、絶対位置検出素子へ入射する光束を
制限する。これによって各回折格子からの変調光のS/N
比が向上し、それぞれの検出精度が高まる。
【００４２】なお、実施例１の光学系を一部変更して、
インクリメンタル干渉光、アブソリュート符号パターン
UVW 、原点パターンZ を結像投影レンズによって受光素
子アレイSARYに投影するように構成すればアブソリュー
ト符号パターンや原点パターンのエッジの解像度が向上
して、検出精度がよくなる。
インクリメンタル干渉光、アブソリュート符号パターン
UVW 、原点パターンZ を結像投影レンズによって受光素
子アレイSARYに投影するように構成すればアブソリュー
ト符号パターンや原点パターンのエッジの解像度が向上
して、検出精度がよくなる。
【００４３】また、回折格子GTとアブソリュート符号パ
ターンUVW 、原点パターンZ をディスクD の両面に配置
してもよい。
ターンUVW 、原点パターンZ をディスクD の両面に配置
してもよい。
【００４４】本実施例では放射状の位相回折格子GT、円
弧状の位相回折格子で構成した原点パターンZ 、円弧状
の位相回折格子で構成したアブソリュート符号パターン
UVWをディスクD 上の狭い範囲に形成しているので小型
の複合型のロータリーエンコーダを構成するのに好都合
である。
弧状の位相回折格子で構成した原点パターンZ 、円弧状
の位相回折格子で構成したアブソリュート符号パターン
UVWをディスクD 上の狭い範囲に形成しているので小型
の複合型のロータリーエンコーダを構成するのに好都合
である。
【００４５】又、３つの回折格子を１つの光源から発生
する光束で照射しているので、小型化にも有利であると
共に発熱も少ない。
する光束で照射しているので、小型化にも有利であると
共に発熱も少ない。
【００４６】又、１つの基板で構成した受光素子アレイ
を使用するので、複合型のロータリーエンコーダの小型
化に有利である。
を使用するので、複合型のロータリーエンコーダの小型
化に有利である。
【００４７】又、原点パターンZ 、アブソリュート符号
パターンUVW は位相回折格子の形状パラメータ（デユー
ティ、ピッチ、厚さ）が不連続に異なる回折格子で構成
し、これによって特定次数の回折光の強度を効率良く高
めている。これにより高い検出信頼度を得ている。
パターンUVW は位相回折格子の形状パラメータ（デユー
ティ、ピッチ、厚さ）が不連続に異なる回折格子で構成
し、これによって特定次数の回折光の強度を効率良く高
めている。これにより高い検出信頼度を得ている。
【００４８】又、１つの電源、１つの受光素子アレイの
構成により安定な光学系を実現している。
構成により安定な光学系を実現している。
【００４９】なお、本実施例の受光素子アレイSARYは１
つの基板によって構成したが、場合によってはこれを複
数の基板に分けても良い。
つの基板によって構成したが、場合によってはこれを複
数の基板に分けても良い。
【００５０】図８は本発明の実施例２の要部概略図であ
る。本実施例が実施例１と大きく異なる点はディスクD
上に形成する３つの回折格子をいずれも反射型で構成
し、その他の光学的な構成要素をディスクD の片側に設
定している点である。
る。本実施例が実施例１と大きく異なる点はディスクD
上に形成する３つの回折格子をいずれも反射型で構成
し、その他の光学的な構成要素をディスクD の片側に設
定している点である。
【００５１】又、図９は実施例２の干渉光学系の原理説
明図、図１０は実施例２の各回折格子の拡大図である。
明図、図１０は実施例２の各回折格子の拡大図である。
【００５２】図８中、LGT は光源であり、LED 等で構成
しており単色光を放射する。LNS はコリメータレンズで
あり、光源LGT からの光束を平行光束R に変換する。BS
はビームスプリッタであり、ディスクからの反射回折光
の一部を側方へ反射する。なお、光源LGT 、コリメータ
レンズLNS 等は光照射手段の一要素を構成している。D
はディスクであり、円板状の部材で被測定回転物に固定
して回転する。ディスクD 上には実施例１と同様に、放
射状の位相回折格子GT、円弧状の位相回折格子より成る
原点パターンZ 、円弧状の位相回折格子より成るアブソ
リュート符号パターンUVW の３つの回折格子を該ディス
クの異なる周（トラック）上に形成し、その上に反射膜
を形成している。これらについて説明する。 (c1) 放射状の位相回折格子GTはディスクD のGTトラッ
ク上に１周中にN 本の回折格子を形成している。従って
格子ピッチP は P＝ 2π/Nラジアンである。 (c2) 原点パターンZ はZaトラック及びZbトラックの１
周中の１か所に幅の狭い円弧状の位相回折格子Z1,Z2 を
端が接するように並べて設置して構成している。Zaトラ
ック,Zb トラック上で回折格子Z1若しくはZ2が無い部分
は平面部分である。なお、回折格子Z1,Z2 は回折格子の
形状パラメータのうちデユーティを変えて形成してい
る。 (c3) アブソリュート符号パターンUVW はUVW トラック
上に６種類の円弧状の位相回折格子を形成して構成して
いる。これらの回折格子は反射回折光として０次の反射
回折光θ0 のみを発生する回折格子U 、１次の反射回折
光θ1 のみを発生する回折格子W 、０次の反射回折光θ
0 と１次の反射回折光θ1 を発生する回折格子V 、２次
の反射回折光θ2 のみを発生する回折格子V-、０次反射
回折光θ0と２次の反射回折光θ2 を発生する回折格子W
-、１次の反射回折光θ1 と２次の反射回折光θ2 を発
生する回折格子U-の６種類である。これらの特定回折光
を発生する作用は１つの回折格子を位相回折格子の形状
パラメータ（デユーティ、ピッチ、厚さ）の少なくとも
１つが不連続に異なる回折格子で構成することにより生
じている。アブソリュート符号パターンUVW はこれらの
６種類の回折格子U〜W-をディスクD の１周上の各象限
に同じ順序で形成している。
しており単色光を放射する。LNS はコリメータレンズで
あり、光源LGT からの光束を平行光束R に変換する。BS
はビームスプリッタであり、ディスクからの反射回折光
の一部を側方へ反射する。なお、光源LGT 、コリメータ
レンズLNS 等は光照射手段の一要素を構成している。D
はディスクであり、円板状の部材で被測定回転物に固定
して回転する。ディスクD 上には実施例１と同様に、放
射状の位相回折格子GT、円弧状の位相回折格子より成る
原点パターンZ 、円弧状の位相回折格子より成るアブソ
リュート符号パターンUVW の３つの回折格子を該ディス
クの異なる周（トラック）上に形成し、その上に反射膜
を形成している。これらについて説明する。 (c1) 放射状の位相回折格子GTはディスクD のGTトラッ
ク上に１周中にN 本の回折格子を形成している。従って
格子ピッチP は P＝ 2π/Nラジアンである。 (c2) 原点パターンZ はZaトラック及びZbトラックの１
周中の１か所に幅の狭い円弧状の位相回折格子Z1,Z2 を
端が接するように並べて設置して構成している。Zaトラ
ック,Zb トラック上で回折格子Z1若しくはZ2が無い部分
は平面部分である。なお、回折格子Z1,Z2 は回折格子の
形状パラメータのうちデユーティを変えて形成してい
る。 (c3) アブソリュート符号パターンUVW はUVW トラック
上に６種類の円弧状の位相回折格子を形成して構成して
いる。これらの回折格子は反射回折光として０次の反射
回折光θ0 のみを発生する回折格子U 、１次の反射回折
光θ1 のみを発生する回折格子W 、０次の反射回折光θ
0 と１次の反射回折光θ1 を発生する回折格子V 、２次
の反射回折光θ2 のみを発生する回折格子V-、０次反射
回折光θ0と２次の反射回折光θ2 を発生する回折格子W
-、１次の反射回折光θ1 と２次の反射回折光θ2 を発
生する回折格子U-の６種類である。これらの特定回折光
を発生する作用は１つの回折格子を位相回折格子の形状
パラメータ（デユーティ、ピッチ、厚さ）の少なくとも
１つが不連続に異なる回折格子で構成することにより生
じている。アブソリュート符号パターンUVW はこれらの
６種類の回折格子U〜W-をディスクD の１周上の各象限
に同じ順序で形成している。
【００５３】ビームスプリッタBSとディスクD との間に
は固定の回折格子GBS3を設置している。回折格子GBS3は
放射状の位相回折格子であり、その格子ピッチP1はP1＝
4π/Nである。回折格子GBS3は、図１０に示すように点
P0を境界に、領域をGBS3-A,GBS3-B,GBS3-A-,GBS3-B- の
４つに分割していて、互いの格子の配列の位相を1/8ピ
ッチ分ずつずらして形成している。
は固定の回折格子GBS3を設置している。回折格子GBS3は
放射状の位相回折格子であり、その格子ピッチP1はP1＝
4π/Nである。回折格子GBS3は、図１０に示すように点
P0を境界に、領域をGBS3-A,GBS3-B,GBS3-A-,GBS3-B- の
４つに分割していて、互いの格子の配列の位相を1/8ピ
ッチ分ずつずらして形成している。
【００５４】なお、回折格子GTおよび回折格子GBS3は、
ラメラ位相格子で０次回折光が発生しないような段差微
細構造を有している。
ラメラ位相格子で０次回折光が発生しないような段差微
細構造を有している。
【００５５】ビームスプリッタBSの側方には受光素子ア
レイSARYを設置してディスクD より発生する種々の変調
光束を検出している。受光素子アレイSARYは以下の３グ
ループの受光素子を有している。 (d1) インクリメンタル検出部SA,B、（変位量検出素
子） これは４分割受光素子SA,SB,SA-,SB- より成り、回折格
子GBS3の４分割した各領域からの干渉光の光強度を検出
する。 (d2) 原点位置検出部SZ、（原点位置検出素子） これは２つの受光素子SZ1,SZ2 より成り、Zaトラック,Z
b トラックの上に配置し、各トラックからの０次回折光
を受光する。 (d3) アブソリュート位置検出部SUVW、（絶対位置検出
素子） これは１つの直線上に３つの受光素子SU,SV,SWを配置
し、UVW トラック上にある各回折格子U,V,W,U-,V-,W-に
よって発生する回折光のうち０次回折光θ0 、１次回折
光θ1 、２次回折光θ2 を受光する。
レイSARYを設置してディスクD より発生する種々の変調
光束を検出している。受光素子アレイSARYは以下の３グ
ループの受光素子を有している。 (d1) インクリメンタル検出部SA,B、（変位量検出素
子） これは４分割受光素子SA,SB,SA-,SB- より成り、回折格
子GBS3の４分割した各領域からの干渉光の光強度を検出
する。 (d2) 原点位置検出部SZ、（原点位置検出素子） これは２つの受光素子SZ1,SZ2 より成り、Zaトラック,Z
b トラックの上に配置し、各トラックからの０次回折光
を受光する。 (d3) アブソリュート位置検出部SUVW、（絶対位置検出
素子） これは１つの直線上に３つの受光素子SU,SV,SWを配置
し、UVW トラック上にある各回折格子U,V,W,U-,V-,W-に
よって発生する回折光のうち０次回折光θ0 、１次回折
光θ1 、２次回折光θ2 を受光する。
【００５６】受光素子アレイSARYは１つの基板の上に上
記の各受光素子を形成して構成している。
記の各受光素子を形成して構成している。
【００５７】本実施例の作用を説明する。光源LGT より
射出する光束は、コリメータレンズLNS によって平行光
束R となり、ビームスプリッタBSを透過した後、そのう
ちの一部の光束が回折格子GBS3により回折されて回折光
束R+、R-を発生して、相対して回転するディスクD 上の
回折格子GTを照射する。平行光束R のうち、回折格子GB
S3の領域を通らない光束は、そのまま回転するディスク
D 上の他のトラックの一部を照明する。
射出する光束は、コリメータレンズLNS によって平行光
束R となり、ビームスプリッタBSを透過した後、そのう
ちの一部の光束が回折格子GBS3により回折されて回折光
束R+、R-を発生して、相対して回転するディスクD 上の
回折格子GTを照射する。平行光束R のうち、回折格子GB
S3の領域を通らない光束は、そのまま回転するディスク
D 上の他のトラックの一部を照明する。
【００５８】図９に示すように回折格子GTを照射した２
つの回折光束R+、R-は回折格子GTにより２つの±１次反
射回折光束R+- 、R-+ を発生し、これらの光束は回折格
子GBS3により再回折されて同じ方向に射出する回折光束
R+-+、R-+-になり、光路を重ね合わされて互いに干渉し
て干渉光束として射出し、ビームスプリッタBSによって
側方へ反射した後、受光素子に入射する。
つの回折光束R+、R-は回折格子GTにより２つの±１次反
射回折光束R+- 、R-+ を発生し、これらの光束は回折格
子GBS3により再回折されて同じ方向に射出する回折光束
R+-+、R-+-になり、光路を重ね合わされて互いに干渉し
て干渉光束として射出し、ビームスプリッタBSによって
側方へ反射した後、受光素子に入射する。
【００５９】ディスクD を照明する光束R は広がりを持
っているため放射状の回折格子GBS3で回折して放射状の
回折格子GTに到達してもほとんど重なりあったままで、
回折格子GT、GBS3をへて受光素子へ導かれる。
っているため放射状の回折格子GBS3で回折して放射状の
回折格子GTに到達してもほとんど重なりあったままで、
回折格子GT、GBS3をへて受光素子へ導かれる。
【００６０】たとえば照明する光束径が 500μm 、放射
状格子本数N ＝2500、ディスクD の記録半径r ＝5000μ
m 、LED の波長λ＝0.86μm としてディスク照明光の入
射角θは、 θ＝ arcsin{λ・N/( 4πr)} ＝1.96° となり、放射状の回折格子GTと回折格子GBS3とのギャッ
プ h＝ 500μm とすれば、２つの回折光束の分離量は3
4.2μm と極く僅かである。
状格子本数N ＝2500、ディスクD の記録半径r ＝5000μ
m 、LED の波長λ＝0.86μm としてディスク照明光の入
射角θは、 θ＝ arcsin{λ・N/( 4πr)} ＝1.96° となり、放射状の回折格子GTと回折格子GBS3とのギャッ
プ h＝ 500μm とすれば、２つの回折光束の分離量は3
4.2μm と極く僅かである。
【００６１】回折格子GBS3から再回折される光束R+-+、
R-+-は互いに平行に光路を重なりあわせて射出され、光
源LGT からのすべての光路の対称性が保持されていて、
互いに干渉する。
R-+-は互いに平行に光路を重なりあわせて射出され、光
源LGT からのすべての光路の対称性が保持されていて、
互いに干渉する。
【００６２】その際に、回折光R+-+はディスクD の回転
によって回折格子GTが１ピッチ分移動すると、波面の位
相が-2πずれ、回折光R-+-はディスクD の回転によって
回折格子GTが１ピッチ分移動すると、波面の位相が-2π
ずれる。そこで干渉光は、ディスクD の回転によって回
折格子GTが１ピッチ分移動すると、明暗が正弦波状に２
回変化する。
によって回折格子GTが１ピッチ分移動すると、波面の位
相が-2πずれ、回折光R-+-はディスクD の回転によって
回折格子GTが１ピッチ分移動すると、波面の位相が-2π
ずれる。そこで干渉光は、ディスクD の回転によって回
折格子GTが１ピッチ分移動すると、明暗が正弦波状に２
回変化する。
【００６３】さらに回折格子GBS3においては、点P0を境
界として領域を４つの領域に分け、各領域において互い
の格子の配列の位相を1/8 ピッチ分ずつずらして形成し
ているので、各領域における干渉位相（明暗の位相）は
1/4 周期ずつずれて正弦波状に２回変化する。
界として領域を４つの領域に分け、各領域において互い
の格子の配列の位相を1/8 ピッチ分ずつずらして形成し
ているので、各領域における干渉位相（明暗の位相）は
1/4 周期ずつずれて正弦波状に２回変化する。
【００６４】この４つの領域からの干渉光は受光素子S
A,SB,SA-,SB- に入射するので、受光素子SA,SB,SA-,SB-
からはディスクD の１回転で干渉位相が1/4 周期づつ
ずれている2N周期の正弦波状アナログ信号電流が発生す
る。
A,SB,SA-,SB- に入射するので、受光素子SA,SB,SA-,SB-
からはディスクD の１回転で干渉位相が1/4 周期づつ
ずれている2N周期の正弦波状アナログ信号電流が発生す
る。
【００６５】一方、ディスクD を照射する平行光束R の
うち、Za,Zb トラックを照明した光原点パターンZ の位
置によって、反射直接光束（０次の回折光）、反射回折
光束（１次の回折光）の２光束が現われ、それに応じて
受光素子SZ1 、SZ2 に夫々の光が入射する。
うち、Za,Zb トラックを照明した光原点パターンZ の位
置によって、反射直接光束（０次の回折光）、反射回折
光束（１次の回折光）の２光束が現われ、それに応じて
受光素子SZ1 、SZ2 に夫々の光が入射する。
【００６６】たとえば図８に示すように光束R が原点パ
ターンZ が無い部分を照射している場合は受光素子SZ1
、SZ2 に夫々反射直接光束が入射している。もし、回
折格子Z1もしくはZ2が在る部分を照射している場合は受
光素子SZ1 、SZ2 のいずれかには光束は入射しない。そ
の途中はその位置に応じて２つの受光素子に光束が入射
する。
ターンZ が無い部分を照射している場合は受光素子SZ1
、SZ2 に夫々反射直接光束が入射している。もし、回
折格子Z1もしくはZ2が在る部分を照射している場合は受
光素子SZ1 、SZ2 のいずれかには光束は入射しない。そ
の途中はその位置に応じて２つの受光素子に光束が入射
する。
【００６７】そこで、ディスクD の回転によって原点パ
ターンZ が照明領域内で移動すると、受光素子SZ1、SZ2
に入射する光量が変化し、互いに光量変化するタイミン
グがずれる。受光素子SZ1 、SZ2 からは互いにピークの
ずれた谷型波形アナログ信号電流が発生する。そこで、
原点信号としては例えば受光素子SZ1 、SZ2 出力が一致
した時点でパルス信号を発生すれば良い。
ターンZ が照明領域内で移動すると、受光素子SZ1、SZ2
に入射する光量が変化し、互いに光量変化するタイミン
グがずれる。受光素子SZ1 、SZ2 からは互いにピークの
ずれた谷型波形アナログ信号電流が発生する。そこで、
原点信号としては例えば受光素子SZ1 、SZ2 出力が一致
した時点でパルス信号を発生すれば良い。
【００６８】一方、ディスクD を照射する平行光束R の
うち、UVW トラックを照明する光は、照明した位置によ
り０次回折光θ0 のみ発生(U) 、１次回折光θ1 のみ発
生(W) 、０次回折光θ0 及び１次回折光θ1 を発生(V)
、２次回折光θ2 のみ発生(V-)、０次回折光θ0 及び
２次回折光θ2 を発生(W-)、１次回折光θ1 及び２次回
折光θ2 を発生(U-)の６状態が現われ、その照明位置に
応じて受光素子SU,SV,SW上に直接反射光及び反射回折光
束が入射する。従って受光素子SU,SV,SWからはアブソリ
ュート符号信号群が出力され、その２値情報の組み合わ
せによってディスクD のアブソリュート位置が決定され
る。
うち、UVW トラックを照明する光は、照明した位置によ
り０次回折光θ0 のみ発生(U) 、１次回折光θ1 のみ発
生(W) 、０次回折光θ0 及び１次回折光θ1 を発生(V)
、２次回折光θ2 のみ発生(V-)、０次回折光θ0 及び
２次回折光θ2 を発生(W-)、１次回折光θ1 及び２次回
折光θ2 を発生(U-)の６状態が現われ、その照明位置に
応じて受光素子SU,SV,SW上に直接反射光及び反射回折光
束が入射する。従って受光素子SU,SV,SWからはアブソリ
ュート符号信号群が出力され、その２値情報の組み合わ
せによってディスクD のアブソリュート位置が決定され
る。
【００６９】以上のように、ディスクD を照明した光束
R の反射変調光は受光素子アレイSARY上の各受光素子に
よって一括して検出される。本実施例においては原点パ
ターンZ 及びアブソリュート符号パターンUVW を回転軸
を中心とする円弧状の回折格子で構成するのでその回折
光は回転軸を通る放射線の方向に回折される。従ってイ
ンクリメンタル検出部SA,B、原点位置検出部SZ、アブソ
リュート位置検出部SUVWを略一直線に並べることも可能
になるので受光素子アレイSARYを小型に構成することが
できる。
R の反射変調光は受光素子アレイSARY上の各受光素子に
よって一括して検出される。本実施例においては原点パ
ターンZ 及びアブソリュート符号パターンUVW を回転軸
を中心とする円弧状の回折格子で構成するのでその回折
光は回転軸を通る放射線の方向に回折される。従ってイ
ンクリメンタル検出部SA,B、原点位置検出部SZ、アブソ
リュート位置検出部SUVWを略一直線に並べることも可能
になるので受光素子アレイSARYを小型に構成することが
できる。
【００７０】なお、本実施例には図８には図示していな
いがディスクD の上方に図７に示す開口部材BLを設けて
いる。この開口部材BLはGTトラック、Za,Zb トラック、
UVWトラックを照射した後、変位量検出素子、原点検出
素子、絶対位置検出素子へ入射する光束を制限する。こ
れによって各回折格子からの変調光のS/N 比が向上し、
それぞれの検出精度が高まる。
いがディスクD の上方に図７に示す開口部材BLを設けて
いる。この開口部材BLはGTトラック、Za,Zb トラック、
UVWトラックを照射した後、変位量検出素子、原点検出
素子、絶対位置検出素子へ入射する光束を制限する。こ
れによって各回折格子からの変調光のS/N 比が向上し、
それぞれの検出精度が高まる。
【００７１】なお、実施例２の光学系を一部変更して、
インクリメンタル干渉光、アブソリュート符号パターン
UVW 、原点パターンZ を結像投影レンズによって受光素
子アレイSARYに投影するように構成すればアブソリュー
ト符号パターンや原点パターンのエッジの解像度が向上
して、検出精度がよくなる。
インクリメンタル干渉光、アブソリュート符号パターン
UVW 、原点パターンZ を結像投影レンズによって受光素
子アレイSARYに投影するように構成すればアブソリュー
ト符号パターンや原点パターンのエッジの解像度が向上
して、検出精度がよくなる。
【００７２】本実施例では放射状の位相回折格子GT、円
弧状の位相回折格子で構成した原点パターンZ 、円弧状
の位相回折格子で構成したアブソリュート符号パターン
UVWをディスクD 上の狭い範囲に形成しているので小型
の複合型のロータリーエンコーダを構成するのに好都合
である。
弧状の位相回折格子で構成した原点パターンZ 、円弧状
の位相回折格子で構成したアブソリュート符号パターン
UVWをディスクD 上の狭い範囲に形成しているので小型
の複合型のロータリーエンコーダを構成するのに好都合
である。
【００７３】又、３つの回折格子を１つの光源から発生
する光束で照射しているので、小型化に有利であると共
に発熱も少ない。
する光束で照射しているので、小型化に有利であると共
に発熱も少ない。
【００７４】又、１つの基板で構成した受光素子アレイ
を使用するので、複合型のロータリーエンコーダの小型
化に有利である。
を使用するので、複合型のロータリーエンコーダの小型
化に有利である。
【００７５】又、原点パターンZ 、アブソリュート符号
パターンUVW は位相回折格子の形状パラメータ（デユー
ティ、ピッチ、厚さ）の少なくとも１つが不連続に異な
る回折格子で構成し、これによって特定次数の回折光の
強度を効率良く高めている。これにより高い検出信頼度
を得ている。
パターンUVW は位相回折格子の形状パラメータ（デユー
ティ、ピッチ、厚さ）の少なくとも１つが不連続に異な
る回折格子で構成し、これによって特定次数の回折光の
強度を効率良く高めている。これにより高い検出信頼度
を得ている。
【００７６】又、１つの電源、１つの受光素子アレイの
構成により安定な光学系を実現している。
構成により安定な光学系を実現している。
【００７７】なお、本実施例の受光素子アレイSARYは１
つの基板によって構成したが、場合によってはこれを複
数の基板に分けても良い。
つの基板によって構成したが、場合によってはこれを複
数の基板に分けても良い。
【００７８】その他実施例１、２に以下に説明する変更
を加えることも可能である。
を加えることも可能である。
【００７９】 実施例１において、回折格子GTの本数
をN1( 本／周) 、第１の回折格子GBS1の本数をN2( 本／
周) 、第２の回折格子GBS2の本数をN3( 本／周) 、そし
てn1、n2、n3を夫々回折格子GT，第１の回折格子GBS1、
第２の回折格子GBS2による回折次数として、それらの間
に、 n1・N1+ n2・N2+ n3・N3=0 を満たすように構成すること。（実施例１では、n1=+1
、n2=-1 、n3=+1 、N1=2500 、N2=5000 、N3=2500 で
あった。）この時、全周記録する必要のない放射状回折
格子の本数N は整数である必要はなく小数点以下がつい
てもよい。
をN1( 本／周) 、第１の回折格子GBS1の本数をN2( 本／
周) 、第２の回折格子GBS2の本数をN3( 本／周) 、そし
てn1、n2、n3を夫々回折格子GT，第１の回折格子GBS1、
第２の回折格子GBS2による回折次数として、それらの間
に、 n1・N1+ n2・N2+ n3・N3=0 を満たすように構成すること。（実施例１では、n1=+1
、n2=-1 、n3=+1 、N1=2500 、N2=5000 、N3=2500 で
あった。）この時、全周記録する必要のない放射状回折
格子の本数N は整数である必要はなく小数点以下がつい
てもよい。
【００８０】 アブソリュート符号パターンUVW を円
弧状の回折格子から、通常のピュアバイナリーコード、
グレイコード等に変更すること。
弧状の回折格子から、通常のピュアバイナリーコード、
グレイコード等に変更すること。
【００８１】 アブソリュート符号パターンUVW 、原
点パターンZ の透過・非透過または反射・非反射の関係
を逆にすること。
点パターンZ の透過・非透過または反射・非反射の関係
を逆にすること。
【００８２】 インクリメンタル位相差信号を発生す
る回折格子（実施例１では第２の回折格子GBS2）の分割
数や位相ずらし量を変えること。（例えば２分割にし
て、位相を90度ずらしたり、６分割にして位相を60度ず
つずらしたりすること等） 原点パターンZ を実施例１、２のように２つにわけ
て２信号の差信号から得るのではなく、通常の２つのラ
ンダムピッチパターンの重ね合せによる相関関数のピー
クを検出する方式に変更すること。
る回折格子（実施例１では第２の回折格子GBS2）の分割
数や位相ずらし量を変えること。（例えば２分割にし
て、位相を90度ずらしたり、６分割にして位相を60度ず
つずらしたりすること等） 原点パターンZ を実施例１、２のように２つにわけ
て２信号の差信号から得るのではなく、通常の２つのラ
ンダムピッチパターンの重ね合せによる相関関数のピー
クを検出する方式に変更すること。
【００８３】 アブソリュート符号パターンUVW 及び
／又は原点パターンZ を明暗パターンによる円弧状の回
折格子に変更すること。
／又は原点パターンZ を明暗パターンによる円弧状の回
折格子に変更すること。
【００８４】
【発明の効果】本発明は以上の構成により、インクリメ
ンタルエンコーダの一要素を構成する高密度の放射状の
回折格子と原点パターン又は／及びアブソリュートエン
コーダの一要素を構成するアブソリュート符号パターン
を形成した小径のディスクと１つの光源そして受光素子
アレイとを用いて複数の変調光の光強度を一括して読み
取ることにより、小型、小径、薄型でありながら同時に
安定な光学系より回転情報を検出することのできる複合
型のロータリーエンコーダを達成している。
ンタルエンコーダの一要素を構成する高密度の放射状の
回折格子と原点パターン又は／及びアブソリュートエン
コーダの一要素を構成するアブソリュート符号パターン
を形成した小径のディスクと１つの光源そして受光素子
アレイとを用いて複数の変調光の光強度を一括して読み
取ることにより、小型、小径、薄型でありながら同時に
安定な光学系より回転情報を検出することのできる複合
型のロータリーエンコーダを達成している。
【図１】 本発明の実施例１の要部概略図
【図２】 ディスク上の各パターンの説明図
【図３】 実施例１の干渉光学系の原理説明図
【図４】 実施例１の各回折格子の拡大図
【図５】 実施例１の要部斜視図
【図６】 実施例１のアブソリュート符号パターンUVW
の説明図
の説明図
【図７】 開口部材
【図８】 本発明の実施例２の要部概略図
【図９】 実施例２の干渉光学系の原理説明図
【図１０】 実施例２の各回折格子の拡大図
【図１１】 従来のインクリメンタルエンコーダ（透過
タイプ）の原理説明図
タイプ）の原理説明図
【図１２】 従来のインクリメンタルエンコーダ（反射
タイプ）の原理説明図
タイプ）の原理説明図
LGT 光源
R 光束
LNS コリメータレンズ
D ディスク
GBS1、GBS2 固定の放射状の位相回折格子
GBS3 固定の放射状の位相回折格子
GT ディスク上に形成する放射状の位相回折
格子 P0 GBS2またはGBS3上の光束合成位置 SARY 受光素子アレイ SA,B 変位量検出素子 SA,SA-,SB,SB- 放射状の回折格子からの干渉光束の受
光素子 SZ 原点位置検出素子 SZ1,SZ2 原点パターンからの光束の受光素子 SUVW 絶対位置検出素子 SU,SV,SW アブソリュート符号パターンUVW からの
光束の受光素子 Z 原点パターン Z1,Z2 円弧状の位相回折格子 UVW アブソリュート符号パターン U,V,W,U-,V-,W- 円弧状の位相回折格子
格子 P0 GBS2またはGBS3上の光束合成位置 SARY 受光素子アレイ SA,B 変位量検出素子 SA,SA-,SB,SB- 放射状の回折格子からの干渉光束の受
光素子 SZ 原点位置検出素子 SZ1,SZ2 原点パターンからの光束の受光素子 SUVW 絶対位置検出素子 SU,SV,SW アブソリュート符号パターンUVW からの
光束の受光素子 Z 原点パターン Z1,Z2 円弧状の位相回折格子 UVW アブソリュート符号パターン U,V,W,U-,V-,W- 円弧状の位相回折格子
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01D 5/26 - 5/38
G01B 11/00 - 11/30
Claims (4)
- 【請求項１】 単一の光源から射出する光束を放射状の
位相回折格子、原点パターン、アブソリュート符号パタ
ーンを異なるトラック上に有する回転可能な円板状のデ
ィスクの一部に照射し、 該アブソリュート符号パターンを照射した光の変調光を
絶対位置検出素子で受光して該ディスクの絶対位置を検
出し、 該原点パターンを照射した光の変調光を原点位置検出素
子で受光して該ディスクの原点位置を検出し、 該ディスク上の位相回折格子と固定した回折格子によっ
て回折して合成される干渉光を変位量検出素子で受光し
て該ディスクの変位情報を得る複合型のロータリーエン
コーダにおいて、前記アブソリュート符号パターンは各々異なる次数の回
折光を発生するように形状パラメータの少なくとも一つ
が不連続に変化し、隣接するパターンが互いに接する絶
対位置検出用位相回折格子で構成され、前記絶対位置検
出用位相回折格子で回折された０次回折光、１次回折
光、２次回折光を各次数の光束に対応する前記絶対位置
検出素子で受光することを特徴とする 複合型のロータリ
ーエンコーダ。 - 【請求項２】 前記前記原点パターンは前記ディスク上
に形状パラメータの少なくとも一つが不連続に変化する
互いに接する複数の原点位置検出用回折格子で構成さ
れ、前記原点位置検出用回折格子で回折された複数の回
折光を各々対応した複数の原点位置検出素子で受光する
ことを特徴とする請求項１の複合型のロータリーエンコ
ーダ。 - 【請求項３】 前記絶対位置検出素子、前記原点位置検
出素子及び前記変位量検出素子が１つの基板上に構成さ
れていることを特徴とする請求項１の複合型のロータリ
ーエンコーダ。 - 【請求項４】 前記ディスクの近傍に前記絶対位置検出
素子、前記原点位置検出素子及び前記変位量検出素子へ
入射する光束を制限する開口部材を有することを特徴と
する請求項１、２又は３の複合型のロータリーエンコー
ダ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13609795A JP3471971B2 (ja) | 1995-05-10 | 1995-05-10 | 複合型のロータリーエンコーダ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13609795A JP3471971B2 (ja) | 1995-05-10 | 1995-05-10 | 複合型のロータリーエンコーダ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08304118A JPH08304118A (ja) | 1996-11-22 |
| JP3471971B2 true JP3471971B2 (ja) | 2003-12-02 |
Family
ID=15167202
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13609795A Expired - Fee Related JP3471971B2 (ja) | 1995-05-10 | 1995-05-10 | 複合型のロータリーエンコーダ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3471971B2 (ja) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1519158B1 (de) * | 2003-09-23 | 2010-08-11 | Dr. Johannes Heidenhain GmbH | Positionsmesseinrichtung |
| JP4951008B2 (ja) * | 2008-01-10 | 2012-06-13 | エーエスエムエル ネザーランズ ビー．ブイ． | ゼロレベルを規定するように構成されたエンコーダを有するリソグラフィ装置 |
| JP4945674B2 (ja) * | 2010-11-08 | 2012-06-06 | 株式会社安川電機 | 反射型エンコーダ、サーボモータ及びサーボユニット |
| JP7153997B2 (ja) * | 2013-10-01 | 2022-10-17 | レニショウ パブリック リミテッド カンパニー | 基準マーク検出器配列 |
| EP3052897B1 (en) | 2013-10-01 | 2019-07-17 | Renishaw PLC | Measurement encoder |
| DE102016002398B4 (de) * | 2016-02-26 | 2019-04-25 | Gerd Häusler | Optischer 3D-Sensor zur schnellen und dichten Formerfassung |
| JP6850818B2 (ja) * | 2016-07-01 | 2021-03-31 | フィジック インストゥルメント（ピーアイ）ゲーエムベーハー アンド ツェーオー．カーゲー | センサ装置 |
| EP3531062A1 (en) | 2018-02-26 | 2019-08-28 | Renishaw PLC | Coordinate positioning machine |
| JP7522671B2 (ja) * | 2021-01-14 | 2024-07-25 | 株式会社ミツトヨ | 光学式エンコーダ |
| CN119960181A (zh) * | 2025-01-09 | 2025-05-09 | 业成科技（成都）有限公司 | 具有检测功能的透镜系统、抬头显示设备及检测方法 |
-
1995
- 1995-05-10 JP JP13609795A patent/JP3471971B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08304118A (ja) | 1996-11-22 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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