JP3577414B2

JP3577414B2 - Optical rotary encoder

Info

Publication number: JP3577414B2
Application number: JP9254498A
Authority: JP
Inventors: 勇治下中; 立夫松島; 靖一藤本
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1998-03-19
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2018-03-19
Also published as: JPH10325742A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式ロータリエンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来の一般的な光学式ロータリエンコーダの構造を示す斜視図である。図において、ＬＥＤ（又はレーザダイオード）等の光源１０１と受光素子１０２との間の光路には、スリットを有する２つの部材が介在している。このうち、光源１０１側の部材は被測定物とともに回転する回転スリット部材１０３であり、円板に放射状に、かつ、周方向に等間隔でスリット１０３ａが形成されている。他方の部材は固定された固定スリット部材１０４であり、回転スリット部材１０３と等間隔にスリット１０４ａが形成されている。
【０００３】
光源１０１からの光、例えばＬＥＤ光は、回転スリット部材１０３の前方から照射され、スリット１０３ａ及び１０４ａを通り抜けた光は固定スリット部材１０４の後方に配置された受光素子１０２によって検出される。従って、受光素子１０２においては、可動スリット部材１０３のスリット間隔Ｌｓに相当する回転量ごとに光が検出され、パルス出力が得られる。このパルス出力をカウントすることにより、回転量を検出することができる。従って、回転量あたりの出力パルス数で検出精度が決まり、検出精度を向上させるためにはスリット１０３ａ及び１０４ａの各々のスリット間隔Ｌｓを小さくする必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の光学式ロータリエンコーダでは、検出精度を向上させるためにスリット１０３ａ及び１０４ａの各々のスリット間隔Ｌｓを小さくしようとすると、スリット間隔Ｌｓの２乗に比例して回転スリット部材１０３と固定スリット部材１０４との間の距離ｄを小さくしなければならない。ところが、距離ｄを小さくするには製作上の限界があるため、スリット間隔Ｌｓの縮小も制限され、従って検出精度に限界が生じていた。
【０００５】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、さらに高精度な検出を可能にする光学式ロータリエンコーダを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光源と、この光源から投射される光の光軸に直交して配置され、複数の輪帯を同心円状に形成したフレネルゾーンプレートが複数形成された固定板と、この固定板から前記光の投射方向に前記フレネルゾーンプレートの焦点距離だけ隔てた位置において回転自在に保持され、前記光軸との交差位置の全周に所定間隔で放射状のスリットが形成された回転スリット板と、この回転スリット板に近接して配置され、前記スリットを通過した光を検出する受光素子とを備えた光学式ロータリエンコーダであって、前記フレネルゾーンプレートは、前記スリットに合わせて放射状に一対形成され、かつ、これが前記スリットの配列方向に複数列形成され、その中心間の距離は、各スリット間の距離をＬ s としてｎ・Ｌ s （但し、ｎは整数）によって表されるものである（請求項１）。
このように構成された光学式ロータリエンコーダにおいては、フレネルゾーンプレートによって収束させた光をスリットに入射させ、受光素子により検出させる。フレネルゾーンプレートの焦点距離は当該フレネルゾーンプレートの最内周の円の半径によって決まるため、当該半径を適宜選択することにより焦点距離すなわち固定板と回転スリット板との距離を製造可能な程度の値に確保しながら、その一方で回折限界に近い値までビーム径を絞ることができる。従って、スリットの間隔を極めて小さくすることができ、回転量の検出に高い精度を得ることができる。
【０００７】
また、放射状に一対形成されたフレネルゾーンプレートがスリットの配列方向にｎ・Ｌ s の間隔で複数列形成されることにより、同時にこれらのフレネルゾーンプレートからスリットを通過する光量（総和）が多く、受光素子による検出が容易になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態による光学式ロータリエンコーダの主要な構成をＸＹＺ直交座標系において示す斜視図である。図は、より明瞭に主要な構成を示すべく、実際の長さや大きさの比例尺にとらわれずに描かれている。図において、Ｘ−Ｙ平面に平行に固定されて設けられた固定板１には、複数個のゾーンプレート２が形成され、これらはＸ方向に等間隔で配置されている。本実施形態では、複数のゾーンプレート２は２行５列に構成され、各ゾーンプレート２は複数の輪帯を同心円状に形成したフレネルゾーンプレートである。単一の、又は複数のＬＥＤからなる光源３は固定板１に直交するＺ方向に光軸を形成するように配置され、ゾーンプレート２に向けて光が投射される。なお、光源３は各ゾーンプレート２に対応させて複数個設けてもよい。回転スリット板４は、回転量検出対象物体とともに回転する部材であって、固定板１からＺ方向に距離ｄだけ隔ててＸ−Ｙ平面に平行に配置されている。回転スリット板４の全体形状は図２に示すような円盤状であり、回転中心Ｏから半径ｒｓの位置において光軸と直交交差するように配置され、その位置の全周にわたって、放射状の複数のスリット４ａが周方向に一定の間隔Ｌｓ（図１）ごとに形成されている。各列の各一対のゾーンプレート２はスリット４ａに合わせて放射状に配置されており、従って、各行の各５個のゾーンプレート２は、厳密にいうと円弧上に配列されている。受光素子５は、回転スリット板４の背面側に近接して、Ｘ−Ｙ平面と平行に配置されている。なお、上記半径ｒｓに比して上記間隔Ｌｓ（以下、スリット間隔Ｌｓという。）は非常に小さいため、図１に示す程度の個数のスリット４ａの配列は直線上にあるとみなすことができる。従って、ゾーンプレート２はＸ方向に直線的に配置してもよい。
【００１１】
以上の構成において、回転スリット板４の１回転当たりに受光素子５によって検出されるパルス数をＰｓとすると、各スリット間隔Ｌｓは、
Ｌｓ＝２π・ｒｓ／Ｐｓ
となる。スリット幅Ｗはスリット間隔Ｌｓの１／２倍に設定されるので、
Ｗ＝π・ｒｓ／Ｐｓ
である。固定板１と回転スリット板４とのＺ方向における距離ｄは、ゾーンプレート２の焦点距離ｄでもあり、
ｄ＝（ｓ１^２）／λ
により与えられる。ここで、ｓ１はゾーンプレート２の最内周円の半径であり、λはＬＥＤ波長である。
【００１２】
従来のロータリエンコーダと類似の光学系構成とするために、ゾーンプレート２をスリット間隔Ｌｓの整数倍の間隔で配置する。すなわち、各ゾーンプレート２間の間隔は、ｎ・Ｌｓであればよい。ゾーンプレート２のリング数をζ_ｍａｘとしたときの整数ｎの最小値は、
【００１３】
【数１】

【００１４】
によって求められる。この式によって求められたｎを用いることにより、各ゾーンプレート間の間隔を最小とすることができる。なお、必要なゾーンプレート２の数は、スリット４ａを通して同一受光素子に集められる光量と、素子の最小感度との関係から決定される。
具体的な数値例で示すと、以下のようになる。
【００１５】
ＬＥＤ波長λ＝０．７４μｍ
パルス数Ｐｓ＝５０００パルス／回転
焦点距離ｄ＝２００μｍ
半径ｒｓ＝１４ｍｍ
として、
【００１６】
【数２】

【００１７】
（但し、ρ２は２番目のゾーン半径、ρ３は３番目のゾーン半径、Ｉｏはゾーンプレート焦点での明るさ、Ｉｏｏはゾーンプレートがない場合のゾーンプレート焦点での明るさ、Ｎはゾーン数である。）
となる。
上記のような構成において、ゾーンプレート２に向けて光源３から光が投射されると、等間隔に並んだ複数のゾーンプレート２のレンズ作用により、収束した微小スポット光が等間隔に並んだ形で得られる。微小スポット光の間隔はスリット４ａの間隔Ｌｓの整数倍（ｎ・Ｌｓ）であるため、回転スリット板４の移動に応じて一斉にスリット４ａを通過し、その後一斉に不通過となる過程が繰り返される。これにより、回転スリット板４の回転量に応じたオンオフ信号が、受光素子４から出力される。
【００１８】
ゾーンプレート２の焦点距離、すなわち固定板１と回転スリット板４との距離ｄが、ｄ＝（ｓ１^２）／λであることから、ゾーンプレートの最内周円の半径ｓ１を変化させることにより距離ｄを任意に設定することができる。
また、ゾーンプレート２によって収束させたビームは回折限界に近いビーム径にまで収束させうることが知られている。従って、例えばリソグラフィ等の半導体描画技術を駆使して、ゾーンプレート２の描画精度を高めるとともに最小スポット径を所定の値に作成することによって、固定板１と回転スリット板４との距離ｄを任意の製作可能な値に保ちながらスリット４ａの間隔Ｌｓを極めて小さくして精度を向上させることが可能になる。
また、ＬＥＤ光をゾーンプレート２によってスポット状に絞るために、ＬＥＤ光がスリット４ａを通過／不通過になることによる信号オンオフ時のＳ／Ｎ比を大きくすることができる。さらに、受光する光量はゾーンプレート２の数、中心円の半径及びゾーン帯数で調整できるために設計の自由度が大きい。
【００１９】
また、ゾーンプレートの中心をＬｓ／４だけずらして描画することにより容易に、いわゆるＡ／Ｂ２相の出力を得ることができる。
【００２０】
なお、上記実施形態においては、複数個のゾーンプレート２を配置した例を示したが、基本的にはゾーンプレート２は１個でもよい。
図３は、第２の実施形態としての、ゾーンプレート１個による光学式ロータリエンコーダを示す斜視図である。固定板１にゾーンプレート２が１個しか設けられていない点と受光素子５がゾーンプレート２に合わせてＸ方向に小さくなっている点以外は第１の実施形態と同様である。
かかる構成では、光量があまり十分ではないため、受光素子５による検出がやや困難となるものの、第１の実施形態と同様に、高精度なロータリエンコーダを得ることができる。
【００２１】
図４は第３の実施形態を示す斜視図である。本実施形態は、第２の実施形態における同心円状のゾーンプレート２に代えてリニアゾーンプレート６を設けたものである。すなわち、リニアゾーンプレート６は、光軸上にあるスリット４ａの長手方向（Ｙ方向）に平行に線状帯を形成したゾーンプレートである。この場合、ＬＥＤ光はＹ方向の線状に収束する。従って、スリット４ａがＹ方向に位置ずれしても、線状に収束したＬＥＤ光の少なくとも一部がスリット４ａを通過すれば、受光素子５による検出が可能である。
なお、第１の実施形態と同様に、リニアゾーンプレート６を複数個設けた構成も可能であることはいうまでもない。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明は以下の効果を奏する。
請求項１の光学式ロータリエンコーダによれば、ゾーンプレートによって収束させた光をスリットに入射させ、受光素子により検出させる構成となり、この場合、ゾーンプレートの焦点距離は当該ゾーンプレートの最内周の円の半径によって決まるため、当該半径を適宜選択することにより焦点距離すなわち固定板と回転スリット板との距離を製造可能な程度の値に確保しながら、その一方で回折限界に近い値までビーム径を絞ることができる。従って、スリットの間隔を極めて小さくすることができ、回転量の検出に高い精度を得ることができる。
【００２３】
また、放射状に一対形成されたフレネルゾーンプレートがスリットの配列方向にｎ・Ｌ s の間隔で複数列形成されることにより、同時にフレネルゾーンプレートからスリットを通過する光量（総和）が多く、受光素子による検出が容易になる。また、フレネルゾーンプレートの数を増減することにより受光光量を任意に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による光学式ロータリエンコーダの構成を示す斜視図である。
【図２】図１中の回転スリット板の全体形状を示す正面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による光学式ロータリエンコーダの構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の第３の実施形態による光学式ロータリエンコーダの構成を示す斜視図である。
【図５】従来の光学式ロータリエンコーダの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１固定板
２ゾーンプレート
３光源
４回転スリット板
４ａスリット
５受光素子
６リニアゾーンプレート[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical rotary encoder.
[0002]
[Prior art]
FIG. 5 is a perspective view showing the structure of a conventional general optical rotary encoder. In the figure, two members having slits are interposed in an optical path between a light source 101 such as an LED (or a laser diode) and a light receiving element 102. The member on the side of the light source 101 is a rotating slit member 103 that rotates together with the object to be measured, and slits 103a are formed radially on the disk at equal intervals in the circumferential direction. The other member is a fixed slit member 104 which is fixed, and has slits 104a formed at regular intervals with the rotating slit member 103.
[0003]
Light from the light source 101, for example, LED light, is emitted from the front of the rotating slit member 103, and light passing through the

slits

103a and 104a is detected by the light receiving element 102 disposed behind the fixed slit member 104. Therefore, in the light receiving element 102, light is detected for each rotation amount corresponding to the slit interval Ls of the movable slit member 103, and a pulse output is obtained. The amount of rotation can be detected by counting the pulse output. Accordingly, the detection accuracy is determined by the number of output pulses per rotation amount, and it is necessary to reduce the slit interval Ls of each of the

slits

103a and 104a in order to improve the detection accuracy.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional optical rotary encoder as described above, if the slit interval Ls of each of the

slits

103a and 104a is reduced in order to improve the detection accuracy, the rotating slit member is proportional to the square of the slit interval Ls. The distance d between 103 and the fixed slit member 104 must be reduced. However, since there is a limit in manufacturing to reduce the distance d, the reduction of the slit interval Ls is also limited, and thus the detection accuracy is limited.
[0005]
In view of the above-described conventional problems, an object of the present invention is to provide an optical rotary encoder that enables more accurate detection.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
This onset Akira includes a light source, disposed perpendicular to the optical axis of light projected from the light source, a fixing plate Fresnel zone plate is formed with a plurality of a plurality of ring-shaped zones formed concentrically, the fixed plate A rotating slit plate which is rotatably held at a position separated by a focal length of the Fresnel zone plate in a projection direction of the light and has radial slits formed at predetermined intervals on an entire circumference at an intersection with the optical axis. An optical rotary encoder, which is disposed close to the rotating slit plate and includes a light receiving element that detects light passing through the slit , wherein the Fresnel zone plate is formed in a pair in a radial pattern in accordance with the slit. is, and this is formed in a plurality of arrays in the array direction of the slit, the distance between its center, the distance between the slits L s as n · L s (where, n is an integer) Thus it is represented (claim 1).
In the optical rotary encoder configured as described above, light converged by the Fresnel zone plate is made incident on the slit and detected by the light receiving element. Since the focal length of the Fresnel zone plate is determined by the radius of the innermost circle of the Fresnel zone plate, the focal length, that is, the distance between the fixed plate and the rotary slit plate can be manufactured by appropriately selecting the radius. , While reducing the beam diameter to a value close to the diffraction limit. Accordingly, the interval between the slits can be made extremely small, and high accuracy can be obtained in detecting the amount of rotation.
[0007]
Further, by the Fresnel zone plate is a pair formed radially is a plurality of rows formed at intervals of n · L s in the array direction of the slit, the light quantity (the sum) is often passes through the slit from these Fresnel zone plate at the same time, Detection by the light receiving element becomes easy.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a perspective view showing a main configuration of an optical rotary encoder according to an embodiment of the present invention in an XYZ orthogonal coordinate system. The drawings are drawn without being construed to scale the actual length and size in order to show the main components more clearly. In the figure, a plurality of zone plates 2 are formed on a fixed plate 1 fixed and provided in parallel to the XY plane, and these are arranged at equal intervals in the X direction. In the present embodiment, the plurality of zone plates 2 are arranged in two rows and five columns, and each zone plate 2 is a Fresnel zone plate in which a plurality of annular zones are formed concentrically. A light source 3 composed of a single or a plurality of LEDs is arranged so as to form an optical axis in a Z direction orthogonal to the fixed plate 1, and the light is projected toward the zone plate 2. Note that a plurality of light sources 3 may be provided corresponding to each zone plate 2. The rotating slit plate 4 is a member that rotates together with the rotation amount detection target object, and is disposed parallel to the XY plane at a distance d from the fixed plate 1 in the Z direction. The entire shape of the rotary slit plate 4 is a disk shape as shown in FIG. 2, and is disposed so as to intersect orthogonally with the optical axis at a position of a radius rs from the rotation center O, and a plurality of radial slits are provided over the entire circumference of the position. The slits 4a are formed at regular intervals Ls (FIG. 1) in the circumferential direction. Each pair of zone plates 2 in each column is radially arranged in alignment with the slit 4a, and therefore, each of the five zone plates 2 in each row is strictly arranged on an arc. The light receiving element 5 is arranged close to the back side of the rotary slit plate 4 and parallel to the XY plane. Note that the interval Ls (hereinafter, referred to as a slit interval Ls) is very small as compared with the radius rs, and therefore, the arrangement of the slits 4a of the number shown in FIG. 1 can be regarded as being on a straight line. Therefore, the zone plates 2 may be arranged linearly in the X direction.
[0011]
In the above configuration, assuming that the number of pulses detected by the light receiving element 5 per rotation of the rotary slit plate 4 is Ps, each slit interval Ls is:
Ls = 2π · rs / Ps
It becomes. Since the slit width W is set to 1/2 of the slit interval Ls,
W = π · rs / Ps
It is. The distance d in the Z direction between the fixed plate 1 and the rotary slit plate 4 is also the focal length d of the zone plate 2,
d = (s1 ² ) / λ
Given by Here, s1 is the radius of the innermost circle of the zone plate 2, and λ is the LED wavelength.
[0012]
In order to have an optical system configuration similar to that of the conventional rotary encoder, the zone plates 2 are arranged at intervals of an integral multiple of the slit interval Ls. That is, the interval between each zone plate 2 may be n · Ls. The minimum value of the integer n when the number of rings of the zone plate 2 is ζ _max is
[0013]
(Equation 1)

[0014]
Required by By using n obtained by this equation, the interval between each zone plate can be minimized. The required number of zone plates 2 is determined from the relationship between the amount of light collected on the same light receiving element through the slit 4a and the minimum sensitivity of the element.
Specific numerical examples are as follows.
[0015]
LED wavelength λ = 0.74 μm
Number of pulses Ps = 5000 pulses / rotation focal length d = 200 μm
Radius rs = 14mm
As
[0016]
(Equation 2)

[0017]
(However, ρ2 is the second zone radius, ρ3 is the third zone radius, Io is the brightness at the zone plate focus, Ioo is the brightness at the zone plate focus when there is no zone plate, and N is the number of zones. is there.)
It becomes.
In the above-described configuration, when light is projected from the light source 3 toward the zone plate 2, the converged minute spot lights are arranged at regular intervals by the lens action of the plurality of zone plates 2 arranged at regular intervals. Is obtained. Since the interval between the minute spot lights is an integral multiple (n · Ls) of the interval Ls between the slits 4a, the process of passing through the slits 4a at once according to the movement of the rotary slit plate 4 and then simultaneously not passing is repeated. It is. As a result, an on / off signal corresponding to the amount of rotation of the rotary slit plate 4 is output from the light receiving element 4.
[0018]
Since the focal length of the zone plate 2, that is, the distance d between the fixed plate 1 and the rotary slit plate 4 is d = (s1 ² ) / λ, by changing the radius s1 of the innermost circumferential circle of the zone plate. The distance d can be set arbitrarily.
It is also known that a beam converged by the zone plate 2 can be converged to a beam diameter close to the diffraction limit. Therefore, the distance d between the fixed plate 1 and the rotary slit plate 4 can be set to an arbitrary value by improving the drawing accuracy of the zone plate 2 and making the minimum spot diameter a predetermined value by making full use of a semiconductor drawing technology such as lithography. It is possible to improve the accuracy by making the interval Ls between the slits 4a extremely small while maintaining the value at which the above can be manufactured.
Further, since the LED light is focused in a spot shape by the zone plate 2, the S / N ratio at the time of signal ON / OFF due to the LED light passing / non-passing the slit 4a can be increased. Further, the amount of received light can be adjusted by the number of zone plates 2, the radius of the center circle, and the number of zone zones, so that the degree of freedom in design is large.
[0019]
Further, by drawing the image while shifting the center of the zone plate by Ls / 4, it is possible to easily obtain a so-called A / B two-phase output.
[0020]
In the above embodiment, an example in which a plurality of zone plates 2 are arranged has been described. However, basically, one zone plate 2 may be provided.
FIG. 3 is a perspective view showing an optical rotary encoder using one zone plate as a second embodiment. The second embodiment is the same as the first embodiment except that only one zone plate 2 is provided on the fixed plate 1 and that the light receiving element 5 is reduced in the X direction in accordance with the zone plate 2.
In such a configuration, the amount of light is not enough, so that the detection by the light receiving element 5 is slightly difficult. However, as in the first embodiment, a highly accurate rotary encoder can be obtained.
[0021]
FIG. 4 is a perspective view showing the third embodiment. In the present embodiment, a linear zone plate 6 is provided in place of the concentric zone plate 2 in the second embodiment. That is, the linear zone plate 6 is a zone plate in which a linear band is formed parallel to the longitudinal direction (Y direction) of the slit 4a on the optical axis. In this case, the LED light converges linearly in the Y direction. Therefore, even if the slit 4a is displaced in the Y direction, if at least a portion of the linearly converged LED light passes through the slit 4a, detection by the light receiving element 5 is possible.
It is needless to say that a configuration in which a plurality of linear zone plates 6 are provided is also possible as in the first embodiment.
[0022]
【The invention's effect】
The present invention configured as described above has the following effects.
According to the optical rotary encoder of the first aspect, the light converged by the zone plate is made to enter the slit and detected by the light receiving element. In this case, the focal length of the zone plate is the innermost circumference of the zone plate. Since it is determined by the radius of the circle, by appropriately selecting the radius, the focal length, that is, the distance between the fixed plate and the rotating slit plate, is secured to a value that can be manufactured, while the beam diameter is reduced to a value close to the diffraction limit. Can be narrowed down. Accordingly, the interval between the slits can be made extremely small, and high accuracy can be obtained in detecting the amount of rotation.
[0023]
Further, by the Fresnel zone plate is a pair formed radially is a plurality of rows formed at intervals of n · L s in the array direction of the slit, the light quantity (the sum) is often passes through the slit from simultaneously Fresnel zone plate, a light receiving element Detection becomes easier. Further, the amount of received light can be arbitrarily adjusted by increasing or decreasing the number of Fresnel zone plates.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an optical rotary encoder according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a front view showing the entire shape of the rotary slit plate in FIG.
FIG. 3 is a perspective view illustrating a configuration of an optical rotary encoder according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing a configuration of an optical rotary encoder according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of a conventional optical rotary encoder.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 fixed plate 2 zone plate 3 light source 4 rotating slit plate 4a slit 5 light receiving element 6 linear zone plate

Claims

A light source,
A fixed plate in which a plurality of Fresnel zone plates are arranged orthogonal to the optical axis of the light projected from the light source, and a plurality of annular zones are formed concentrically .
Rotation which is rotatably held at a position separated by the focal length of the Fresnel zone plate in the light projection direction from the fixed plate and has radial slits formed at predetermined intervals around the entire intersection with the optical axis. A slit plate,
An optical rotary encoder, which is disposed close to the rotating slit plate and includes a light receiving element that detects light passing through the slit .
The Fresnel zone plate, a pair formed radially in accordance with the said slit and which is formed in a plurality of arrays in the array direction of the slit, the distance between the centers, n · L a distance between the slits as L s An optical rotary encoder represented by s (where n is an integer) .