JPH02138821A - ロータリーエンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はロータリーエンコータに関し、特に円周上に放
射状に例えば透光部と反射部の格子模様の回折格子を複
数個、周期的に刻んだ回折格子を回転物体に取付け、該
回折格子に例えばレーザーからの光束を照射し、該回折
格子からの回折光を利用して、回折格子若しくは回転物
体の回転速度や回転速度の変動量等の回転状態を光電的
に検出するロータリーエンコーダに関するものである。

（従来の技術） 従来よりフロッピーデ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工作機器、
さらにはＶＴＲのキャブ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
の手段として充電的なロータリーエンコータか利用され
てきている。

本出願人は例えば特開昭６２−１６３９１８号公報や特
開昭［１２−１６３９１９号公報等において、被検回転
物体に設けた回折格子に光束を入射させ、該回折格子か
らの特定次数の２つの回折光を重ね合わせて干渉縞を形
成し、該干渉Ｍに基づく光量の周期的変化を受光手段で
受光することにより被検回転物体の変動量に対応した周
期信号を得るようにしたロータリーエンコータを提案し
ている。

この回折格子を利用したロータリーエンコータにおいて
、被検回転物体の角度検出分解能を向上させる一方法と
して光束の回折格子で回折させる回数を増やす方法があ
る。

例えば回折格子からのｎ次の回折光は回転円板の周方向
の移動距離なＸ、回折格子の格子ピッチをＰとすると回
折の前後で位相は２πｎ　ｘ　／　Ｐたけ変化する。そ
こでｎ次の回折光を再度回折格子に入射させ、それから
のｎ次の回折光を検出するようにすると回折の前後で更
に位相は２πｎｘ／Ｐたけ変化する。つまり回折格子に
入射させて回折光をとり出す回数をｍとすると、回折の
前後で位相が２πｍ　ｎ　ｘ　／　Ｐたけ変化する。し
かしながら一般に回折の回数が増加すると、それにつれ
て受光手段で受光される光量は減少する。

この為、例えばビームスプリッタ−やミラーを用いて光
路を設定する際に偏光状態に関するアイソレーション構
造にして光束の分離や結合の際に生じる損失を少なくす
る必要がある。又、従来のロータリーエンコータにおい
て回転円板の回転方向を検出する為には十〇次回折光の
−ｎ次回折光に対する位相のずれの方向（符号）を判別
する必要がある。

この他、従来のロータリーエンコータにおいて高分解能
化を図ろうとすると回転円板の回転軸と放射状の回折格
子の中心とのずれ、所謂偏心や軸の傾き及び回折格子そ
のもののピッチのバラツキによって回折格子を検知する
位置における格子どツヂが見かけ−に変動し、累積誤差
か生じ、この為回転円板の円周上の複数箇所に回折格子
の移動を検出する検出手段を備える必要がある等の問題
点かあった。

（発明が解決しようとする問題点） 従来のロータリーエンコータにおいて、このような諸条
件を全て満足するように構成すると装置全体か大型化、
複雑化し、又組立粒度か厳しくなり、組立調整が大変難
しくなるという問題点かあった。

本発明は装置全体の小型化、簡素化、例えば回折格子の
格子ピッチが比較的粗くても高分解能化が可能で、かつ
回転円板の回転軸の偏心、傾き等の組立積度が緩く、し
かも被検回転物体の回転方向も容易に判別することがで
きるロータリーエンコータの提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 光源からの光束を偏光ビームスプリッタ−を介して２つ
の光束に分割し、被検回転物体に連結した円板上に形成
した放射状の回折格子に互いに異なる符号の回折次数の
回折角で入射させ、該回折格子から射出した特定次数の
２つの回折光を偏光方位を変換する偏光変換手段を通過
させ、次いで反射手段を用いて該偏光ビームスプリッタ
−に至る元の光路に戻し、該偏光ビームスプリッタ−で
２つの光束を重ね合わせた後、取り出すようにした検出
ユニットを該円板上に複数個設け、該光源からの光束を
該複数の検出ユニットを介した後、得られる２つの光束
を位相板と偏光素子を用いて互いに干渉させ、該干渉光
を受光手段により受光することにより該円板の回転変位
に応じた信号を得るようにしたことである。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例の光学系の要部概略図であ
る。

図中、１は光源で例えば単色光を放射するレーザー、Ｌ
ＥＤ、水銀灯等である。２はコリメーターレンズで光源
１からの光束を略平行光となるようにしている。３ａ　
（３ｂ）は偏光ビームスプリッタ−で入射光束のうち、
例えばＳ偏光を反射させ、Ｐ偏光を透過させている。４
ａ（４ｂ）。

５ａ　（５ｂ）は各々ミラー、６は放射状の回折格子で
、被検回転物体としての円板１０１上の円周」二に設け
られてし）る。

ここでミラー４ａ　（４ｂ）、５ａ　（５ｂ）は各々偏
光ビームスプリッタ−３ａ　（３ｂ）からの２つの光束
が回折格子６に互いに異なる符号の回折次数、例えばｎ
次と−ｎ次の回折次数の回折角に相当する角度で入射す
るようにしている。７ａ（７ｂ）は偏光変換手段で＾／
４板より成っている。８ａ　（８ｂ）は反射手段で、例
えばミラー又は端面結像タイプの屈折率分布レンズの端
面に反射膜を施した光学部材より成っている。

本実施例では、符番３ａ　（３ｂ）、４ａ（４ｂ）、５
ａ　（５ｂ）、７ａ　（７ｂ）そして８ａ　（８ｂ）に
相当する各要素を有する検出ユニット１００ａ　（１０
０ｂ）を円板１０１面上に２つ設けている。そしてこれ
らの検出ユニット１００ａ、１００ｂに後述するように
所定の偏光状態の光束を順次導光させて各々所定の回折
を行なわしている。

次に本実施例におけるロータリーエンコーダの検出動作
について説明する。

光源１からの光束をコリメーターレンズ２で略平行光と
し、偏光ど−ムスプソッター３ａでＰ偏光光束とＳ偏光
光束の２つの光束に分割している。このうち偏光ビーム
スプリッタ−３ａで反射したＳ偏光光束はミラー４ａで
反射し、円板１０１上の回折格子６面上の領域Ａにｎ次
の回折角に相当する角度で入射させている。

方、偏光ビームスプリッタ−３ａを透過したＰ偏光光束
はミラー５ａで反射し、円板１０１上の回折格子６面上
の領域Ａに−ｎ次の回折角に相当する角度で入射させて
いる。

回折格子６でｎ次回折されたＳ偏光光束は円板１０１よ
り略垂直に透過射出し、偏光変換手段としての１／４波
長板７ａを通過し、円偏光となり、反射手段８ａで反射
し偏光方向が逆転した円偏光となり元の光路に戻る。そ
して再び１／４波長板７ａを通過し、回折格子６上の領
域ＡにＰ偏光光束として再入射する。そして回折格子６
で再回折したｎ次のＰ偏光光束はミラー４ａで反射し、
偏光ビームスプリッタ−３ａを通過する。

方、回折格子６で−ｎ次回折されたＰ偏光光束は円板１
０１より略垂直に透過射出し、１／４波長板７ａを通過
して、円偏光となり、反射手段８ａで反射し、偏光方向
が逆転した円偏光となり元の光路に戻る。

そして再び１／４波長板７ａを通過し、回折格子６の領
域ＡにＳ偏光光束として再入射する。そして回折格子６
で再回折した−０次のＳ偏光光束はミラー５ａで反射し
、偏光ど一ムスプリッター３ａで反射する。

これより偏光ビームスプリッタ−３ａでＰ偏光光束とＳ
偏光光束の２光束を重ね合わして取り出し、これら２つ
の光束をミラー９に導光している。ミラー９に導光され
た２光束は互いに偏光面が直交して重なり合っており、
該２光束をミラー９．１０で反射させた後、前述と同様
の構成の検出ユニット１０１ｂに導光している。そして
検出ユニット１０１ａと同様に該２光束を回折格子６上
の領域Ｂでｎ次の回折を２回行った後、取り出し１／４
波長板１１に導光している。

このときの２光束は互いに偏光面が直交して重なり合っ
ている。そして互いの位相差δは＋０次の回折を４回行
った光束と、−ｎ次の回折を４回行った光束との間の位
相差であるから となる。即ち、ｘ＝ＩＰのとき２光束間の位相すれは１
６πとなる。

１／４波長板１１を透過した２光束の合成波は直線偏光
光束となり、その偏光方位は前記２光束間の位相が２π
すれる間に半回転するからビームスプリッタ−１２を通
過し偏光板１３を介した光束はその間に１周期の明暗の
変化を生じ、受光素子１５にて電気的な１周期の信号と
して出力される。

方、ビームスプリッタ−１２で反射した光束は偏光板１
４を偏光板１３に対して偏光面の方位が例えば４５°す
らして配置している為、偏光板１４を介した光束の周期
的な明暗の変化の位相か９０°すれる。この為、受光素
子１６から出力される周期信号の位相は、受光素子１５
から出力される周期信号の位相に比べて常に９０°すれ
ている。

円板１０１上の回折格子６の本数がＮ木とすれば円板１
０１が１周期する間に２光束の位相差δは よりｘ＝ＮＰを代入して δ＝１６πＮ となる。これより２つの受光素子１５．１６からは１６
πＮ／２π−８Ｎ周期の周期信号（正弦波信号）が得ら
れる。

本実施例ではこのように円板１０１の変位量を実質的に
拡大した周期信号として取り出し、該周期信号を利用し
て円板１０１の回転変位を高粒度に検出している。

尚、第１図の実施例では検出ユニット１００ａを回転軸
を中心に対称に２つ配置し、回転軸の偏心誤差を軽減さ
せた場合を示したか、検出光量が確保される範囲内で２
つ以上任意の位置に設けて、順次光束を検出ユニットに
導光して行なえば、より高精度の検出が可能となる。

第２図〜第５図は各々本発明の第２〜第５実施例の光学
系の要部概略図である。各図において第１図で示した要
素と同一要素には同符番を付している。

第２図の第２実施例は第１図で用いたミラー等の一部の
光学部材をプリズム体より構成した場合である。

即ち、・光源１からの光束を偏光プリズム１７ａ（１７
ｂ）の光分割面１７ａｌ　（１７ｂｌ）でＰ偏光光束と
Ｓ偏光光束の２つの光束に分割している。そしてこれら
の２光束を反射プリズム１８ａ（１８ｂ）の反射面１８
ａｌ　（１８ｂｌ）で反射させ各々±ｎｎ次回先光回折
角に相当する角度で円板１０１上の回折格子６に入射さ
せている。

この他の構成については第１図の第１実施例と同様であ
る。

第３図の第３実施例は第２図の光学部材の一部の配置を
変形した場合である。同図において偏光プリズム１７ａ
から取り出した重なり合った２光束の偏光面を１／２波
長板工９を介して、２光束の偏光方向を逆転させて偏光
プリズム１７ｂに入射させている。これにより偏光プリ
ズム１７ａからの光束の引き回しの簡素化を図っている
。

同図において１／２波長板１９を通過してＳ偏光光束と
なフた＋ｎｎ次折を２回行った光束は光源１から射出し
たＳ偏光光束に対応し、又１／２波長板１９を通過して
Ｐ偏光光束となった一〇次回折を２回行った光束は光源
１から射出したＰ偏光光束に各々対応している。

本実施例では偏光プリズム１７ａに入射するＰ偏光光束
、Ｓ偏光光束の各々が＋ｎ次又は−ｎ次の回折を２回行
った後、１／２波長板１９を通過させることにより元と
同じ偏光面を有した光束として取り出している。

そしてこのときの符番１７ａ、１８ａ、７ａ。

８ａ、そして１９から成る各要素を１つの検出ユニット
として取扱い、このような検出ユニットを複数個、光学
的に連結して構成している。

第４図の第４実施例は第３図に示した検出ユニットを３
つ光学的に連結した場合である。

本実施例では光源１からの光束のうちＰ偏光光束は３つ
の検出ユニットで合計６回の＋ｎｎ次折を行ない、Ｓ偏
光光束は３つの検出ユニットで合計６回の−ｎ次回折を
行っている。

このとき２光束の位相差δは回折格子の１ピッチ移動当
り、 δ＝１２Ｘ２ｙｒＸｎ　（ｒａｄ） となる。

第５図の第５実施例は第３図で示した検出ユニットを４
つ光学的に連結した場合である。

本実施例では２光束の位相差は回折格子の１ピッチ移動
当り δ＝１６Ｘ２πＸｎ　（ｒａｄ） となる。

尚、第２〜第５実施例で示したプリズム等の光学部材の
形状は一例であり同図に示す形状に限らす、とのような
形状であっても良い。

又、以上の各実施例において複数の検出ユニットは円板
１０１上の円周上どの位置に配置しても良い。

以上の各実施例において偏光ビームスプリッタ−を透過
した＋ｎ次の回折角で回折格子に入射したＰ偏光光束の
うち回折格子により反射した反射光が不要光となって−
ｎ次の回折角で回折格子に入射するＳ偏光光束の光路中
に混入し、偏光ビームスプリッタ−を透過して受光手段
に入射し、所謂ゴースト光となり、検出粒度を低下させ
る場合がある。このようなことは−０次の回折角で回折
格子に入射するＳ偏光光束についても同様である。

この為には、例えば第６図に示すように回折格子６に入
射するＰ偏光光束とＳ偏光光束の２つの光束を含む平面
を微少角θたけ傾けるように構成するのが良く、これに
よれば不要光を第７図（Ａ）。

（Ｂ）に示すように反射プリズム１８の外方に効果的に
導光することができる。

（発明の効果） 本発明によれば回折格子を設けた円板上に複数の検出ユ
ニットを配置し、該回折格子により複数回の同じ符号の
回折を行なうように構成することにより、回折格子のピ
ッチが比較的粗くても高分解能が可能で、又円周上の複
数の箇所で回折させることによって、円板の回転軸の偏
心や傾き及び格子ピッチ本来のバラツキ等に起因する光
束の入射位置（回折格子の移動量測定位置）における見
かけ上の格子ピッチの変動が平均化されて軽減され、高
積度な検出が可能なロータリーエンコータを達成・する
ことかできる。

この他、本発明によれば複数の検出ユニットを光学的に
連結するように構成することにより、光路の設定が容易
となり、組立調整が容易となり、更に検出ユニット毎に
偏光面の変換が利用した光アイソレーション構成とすれ
ば光束の分割や結合に伴う光量の損失が少なくなりＳ／
Ｎ比か向上する等の特長を有したロータリーエンコーダ
を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は各々本発明の第１〜第５実施例の光学
系の要部概略図、第６図、第７図は各々本発明に係る回
折格子に入射する光束と反射光束との関係を示す説明図
である。 図中、１は光源、２はコリメーターレンズ、３ａ、３ｂ
は偏光ビームスプリッタ−１４ａ。 ４ｂ、５ａ、５ｂはミラー、６は回折格子、７ａ、７ｂ
は偏光変換手段、８ａ、８ｂは反射手段、９，１０はミ
ラー、１１は１／４波長板、１２はビームスプリッタ−
１１３，１４は偏光板、１５．１６は受光手段、１７．
１７ａ。 １７ｂは偏光プリズム、１８，１８ａ、１８ｂは反射プ
リズム、１９は１／２波長板である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からの光束を偏光ビームスプリッターを介し
   て２つの光束に分割し、被検回転物体に連結した円板上
   に形成した放射状の回折格子に互いに異なる符号の回折
   次数の回折角で入射させ、該回折格子から射出した特定
   次数の２つの回折光を偏光方位を変換する偏光変換手段
   を通過させ、次いで反射手段を用いて該偏光ビームスプ
   リッターに至る元の光路に戻し、該偏光ビームスプリッ
   ターで２つの光束を重ね合わせた後、取り出すようにし
   た検出ユニットを該円板上に複数個設け、該光源からの
   光束を該複数の検出ユニットを介した後、得られる２つ
   の光束を位相板と偏光素子を用いて互いに干渉させ、該
   干渉光を受光手段により受光することにより該円板の回
   転変位に応じた信号を得るようにしたことを特徴とする
   ロータリーエンコーダ。