JPH0242317A - オプティカル・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］ 本発明はオプティカル・エンコーダに関する。

具体的には、可干渉性の高い光を重ね合わせることによ
って形成される干渉縞を利用することにより、高分解能
で測定精度が高く、しかも低コストのオプティカル・エ
ンコーダを提供せんとするものである。

［従来の技術］ 従来のオプティカル・エンコーダの構成例として、ロー
タリ・エンコーダを第４Ａ図に示し説明する。

２１はその円周方向に同じ幅のスリット３１を等間隔で
前円周上に設けた回転円盤、２２は回転円盤２１を回転
せしめるための回転軸、２３は光を射出するための、発
光ダイオードなどの発光素子、２４は回転円盤２１のス
リット３１と同一幅のスリット３２を等間隔で設けたイ
ンデックス・スケールであり、回転円盤２１に密接した
位置に固定されている。２５は発光素子２３からの射出
光を受光して電気信号に変換するための、フォト・ダイ
オードなどの受光素子であり、回転円盤２１およびイン
デックス・スケール２４をはさんで発光素子２３と対向
して配置されている。

このように構成されたロータリ・エンコーダを用いて被
測定物の回転角度や回転数などを検出する方法を説明す
ると、ロータリ・エンコーダの回転軸２２を、図示され
てはいない被測定物の回転軸に、各軸の中心が一致する
ように取り付けて被測定物を回転せしめる。被測定物が
回転すると、発光素子２３からは光が放射され、第４Ｂ
図に示すように、回転円盤２１の移動するスリット３１
の位置が、インデックス・スケール２４の固定したスリ
ット３２の位置と一致したときに通過する光を、受光素
子２５により受光して、第４Ｃ図に示すような発光素子
２３．ホト・トランジスタである受光素子２５．シュミ
ット・トリガ素子２６を含む回路を用いてパルスを発生
せしめ、得られるパルス数をカウントすることにより、
被測定物の回転角度などの回転に関する情報を得ている
。

第４Ａ図に示したロータリ・エンコーダによる被測定物
の回転方向の検出は、第４Ｄ図に示すように、インデッ
クス・スケール２４に設けるスリットを２列として、双
方の位置関係を、たとえば、１／４ピツチずらして、そ
れぞれの列のスリットを通過する光を２つの受光素子に
よりそれぞれ受けて電気信号に変換して、いずれの列の
受光素子が先に受光（消光）したかを検出することによ
り、行われている。

以上説明したロータリ・エンコーダとは別に物体の移動
口を光学系を用いて測定する方法として、回折体による
回折波の位相変化が回折体の移動量に比例する性質に着
目して、回折波を分離干渉せしめて生ずる干渉縞の変化
から回折体の移動量を検出することにより、この回折体
を付着した物体の移動口を測定するという方法もあった
（従来例２、特公昭５０−２３６１７号公報参照）。

［発明が解決しようとする課題］ 第４Ａ図に示した従来例により分解能を高めるために、
回転円盤２１およびインデックス・スケール２４のスリ
ット３１．３２のピッチを細かくすると、回折を生じて
スリットの像にぼけが発生するため、光信号としてのコ
ントラストが低下して、受光素子２５による信号の読取
りがむずかしくなるという解決すべき課題があった。

また、被測定物からの機械的振動により回転軸２２のス
ラスト（軸）方向におけるガタが生ずるため、回転円盤
２１とインデックス・スケール２４との間隔が変化し、
その結果光信号のコントラストが変化したり、あるいは
高調波を伴ったりするという欠点があり、しかも回転軸
２２のガタをなくしたり、小ざくすることは困難であり
、この面からも高分解能化が実現され得なかった。

さらに、被測定物の回転方向を検出する手段として、第
４Ｄ図に示したような構成を用いると、スリット・パタ
ーンが複雑となるためコスト高となるとともに、微小な
ピッチで１／４ピツチがずらした２列のスリット３３．
３４を製造することは容易ではないという課題もあった
。

他方、光学系を用いた従来例２では、回折体による多数
の回折波の中から特定の次数の回折波を分離干渉せしめ
る方法を採用しているため、光学系が複雑となり測定装
置の小形化、薄型化は実現し難く、加えて回折波の位相
変化を光を干渉せしめて検出することから、多数の回折
波の中から分離した２つの回折波の光軸が一致するよう
に高精度の光軸合わせを必要とするため、測定結果に充
分な信頼性を期待することができないという未解決の課
題があった。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、このような課題を解決するためになされたも
のであり、発光手段として可干渉性の光を放射するレー
ザ・ダイオードなどを用い、その放射光を平行光束に変
えたうえで、２分し交差せしめて形成される干渉縞を、
インデックス−・スケール２４（第４Ａ図）のかわりと
して利用するという手段を講じた。

［作用］ このような手段を用いたことにより、空間に光の干渉に
よるインデックス・スケールを形成することができ、高
分解能であると同時に測定精度が高められ、構成も簡素
化されるので、測定時の操作が容易となった。

［実施例］ 本発明によるオプティカル・エンコーダの一実施例を第
１Ａ図に示し説明する。ここで、第４Ａ図に対応する構
成要素には同じ記号を付している。

１１は、たとえばレーザ・ダイオードなどの可干渉性の
高い光を放射する発光源であり、その射出光をコリメー
タ・レンズ１２を通して平行光束に変え、得られた平行
光速をビーム・スプリッタ１３を用いて２分する。ビー
ム・スプリッタ１３により２分されたそれぞれの平行光
束は、所定の角度をもって向かい合って配置された平面
ミラー１４Ａ、１４Ｂで反射し、それぞれの反射光は交
叉角θで重ね合わされて回転円盤２１に照射される。

第１Ｂ図には、各平面ミラー１４Ａ、１４Ｂからのそれ
ぞれの反射光を重ね合わせたときに空間に形成される干
渉、縞の様子を示しており、各平行光束が重ね合わさっ
た部分において、回転円盤２１の周面に対して垂直の方
向に干渉縞が形成され、その形成される位置が固定して
いることから、第４Ａ図に示した従来例におけるインデ
ックス・スケール２４と同じまたはそれ以上の機能を実
現する。このようにして形成される干渉縞の間隔Ｗは、
ｗ＝（λ／２）Ｘ（Ｓｉｎ（θ／２＞）−１（ただし、
λは光の波長） である。

そこで、第１Ａ図において、回転円盤２１に設ける図示
されてはいないスリットの間隔を上記Ｗと等しくして、
回転円盤２１のスリットの位置が干渉縞の明線部と一致
したときに通過する光を受光素子２５により受光すれば
、被測定物の回転角度や回転数に比例した電気信号を得
ることができる。

いま、発光源１１として波長λが７８０ｎｍの半導体レ
ーザを用い、ビーム・スプリッタ１３により２分され平
面ミラー１４Ａ、１４Ｂで反射された各平行光束が重な
り合う角度θを２２．４９゜とすると、形成される干渉
縞の間隔Ｗは、（１）式より、 ｗ＝２．０（μｍ　）　　　　　　　　（２＞であり、
回転円盤２１の円周を１０ｃｍとすると、１回転につき
受光素子２５が受光することにより発生するパルス数Ｎ
は、（２）式を用いて、Ｎ＝５Ｘ１０’ となり、１１５００００の高い分解能を得ることができ
る。

このように、スリット３２を設けたインデックス・スケ
ール２４（第４Ａ図）のかわりに、２つの平行光束が重
なり合って形成される干渉縞を用いれば、回転円盤２１
に設けるスリットの間隔をより細かくして高密度のもの
とすることができ、分解能の高いロータリ・エンコーダ
を実現することが可能となる。

また、干渉縞は回転円盤２１の局面に対して垂直方向に
形成されるので、図示されてはいない回転軸のスラスト
方向にガタがあったとしても、第４Ａ図に示した従来例
におけるような回転円盤２１とインデックス・スケール
２４との間隔が変化するというようなことはなく、した
がって、回転円盤２１のスリットを通過する回折波の強
度も変化することなく常に一定なものとなる。

ざらに、回折波の位相変化ではなく、回折波の強度変化
を利用するので、従来例２のように特定の次数の回折波
を分離干渉せしめる必要がないため、光学系を著しく簡
素化することができ、そのうえ干渉縞の強度変化が正弦
波状であることから、受光素子２５への光信号の強度変
化も正弦波となり、正確な電気信号への変換も容易に得
ることができる。

第２図は本発明の他の実施例を示しており、第１Ａ図に
対応する構成要素には同じ記号を付して説明する。

第２図において、第１Ａ図に示した実施例と異なるとこ
ろは、コリメータ・レンズ１２を通して得られた平行光
束を２分して交叉せしめる手段として、ロイド鏡１５を
用いていることである。

すなわち、発光２１１１１からの放射光はコリメータ・
レンズ１２を通して平行光束となってロイド鏡１５の頂
角を形成する２つの面から入射されて、それぞれ交叉す
る方向に屈折して進み、各平行光束が重なり合う部分に
干渉縞を生ずる。

このように、ロイド鏡１５を用いれば、ビーム・スプリ
ッタ１３および平面ミラー１４Ａ、１４Ｂ（第１Ａ図）
を配置する必要がな・くなり、各部品の固定具や固定位
置の調整を簡素化できるため、少ない部品点数でしかも
精度の高い装置とすることができる。その他の構成要素
については、第１Ａ図に示した実施例において説明した
ところと同じである。

第３図は本発明のさらに他の実施例の要部をなすロイド
鏡１５の他の実施例１５Ｂを示すものであり、第２図に
示した実施例におけるロイド鏡１５と異なるところは、
ロイド＠１５Ｂの一部をなす２つの面ＡＢＣＤとＡＢＥ
Ｆのうちの平行斜線で示す１つの面ＡＢＣＤに誘電体膜
を蒸着していることである。　ここで、屈折率ｎの誘電
体膜の厚ざｄをたとえば、 ｄ＝ｎｘλ＝π／４ （ただし、λは光の波長） とすると、ロイドｍ１５Ｂの面ＡＢＣＤから入射された
平行光束と、面ＡＢＥＦから入射される平行光束とが交
叉して形成する干渉縞は、面ＢＧＨＣから入射された平
行光束と、面ＢＧＩＥがら入射された平行光速とが交叉
して形成される干渉縞に対して、その位相が４５°遅延
されたものとなる。したがって、形成される干渉縞は、
正確に１／４ピツチずれた２相となり、第４Ｄ図の場合
と同様にして２個の受光要素を用いて受光するならばそ
の位相関係から被測定物の回転方向を識別することがで
き、第４Ｄ図に示したような１／４ピッ２列のスリット
を設ける方法よりも、コストの低減化およびスリットの
ピッチとずれ凹の高精度化が可能となる。なお、その他
の構成要素は第２図に示した実施例と同じである。

以上においては、被測定物の回転に関する情報を得るた
めのロータリ・エンコーダを例として説明したが、被測
定物の直線移動に関する情報を得るためのリニア・エン
コーダにも本発明は適用され得るものであり、また、ロ
ータリ・エンコーダにおいて、第１の光源および受光素
子の組と回転軸に関して対称な位置（１８０”回転した
位置）に、第２の光源および受光素子の組を配置して、
第１の組のパルス数と第２の組のパルス数の平均値をと
れは、回転軸のラジアル（径）方向のガタとタオレによ
る効果を補正することになり、測定精度を高めることが
できる。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明によるならば、
可干渉性の高い光を重ね合わせることにより形成される
干渉縞の明線部を、スリットのかわりに利用することか
ら、高分解能かつ測定精度が高く、しかも操作が容易な
オプティカル・エンコーダを低価格で実現することがで
きるので、本発明の効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本発明の一実施例の構成図、第１Ｂ図は第１
Ａ図における各平面ミラーからの反射光により形成され
る干渉縞の様子を示す光干渉図、 第２図は本発明の他の実施例の構成図、第３図は本発明
のさらに他の実施例の要部の構成を示す斜視図、 第４Ａ図は従来例の構成を示す斜視図、第４Ｂ図は第４
Ａ図における回転円盤およびインデックス・スケールの
、スリットの幅方向の断面図、 第４Ｃ図は第４Ａ図における受光素子が受ける光信号を
電気信号に変換するための回路図、第４Ｄ図は第４Ａ図
における被測定物の回転方向を検出するためのインデッ
クス・スケールの一例を示す平面図である。 １１・・・発光源 １２・・・コリメータ・レンズ １３・・・ビーム・スプリッタ １４Ａ、１４Ｂ・・・平面ミラー １５．１５８・・・ロイド鏡 ２１・・・回転円盤　　　２２・・・回転軸２３・・・
発光素子 ２４・・・インデックス・スケール ２５・・・受光素子 ２６・・・シュミット・トリガ素子 ３１．３２，３３．３４・・・スリット。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、可干渉性の光を放射するための発光手段（１１）と
   、 前記発光手段からの放射光を平行光束とするためのコリ
   メータ手段（１２）と、 前記コリメータ手段を通して得られる平行光束を２分し
   交差させて干渉縞を形成するための干渉縞形成手段（１
   ３、１４Ａ、１４Ｂ、１５、１５Ｂ）と、 前記干渉縞形成手段により形成される干渉縞の間隔と実
   質的に同一幅の複数のスリットを設けた移動体（２１）
   と、 前記干渉縞の明線部と前記スリットの位置とが一致した
   ときに通過する光を電気信号に変換するための受光手段
   （２５）と、 を含むオプティカル・エンコーダ。