JPH04132912A - ロータリーエンコーダ及びこれを用いたシステム - 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ダに関し、特に円筒状の光
学スケールを用いた光学式のロータリーエンコーダに関
する。

［従来の技術］ 円筒状の光学スケールの回転量を測定するエンコーダの
一例として、本件出願人が特開昭６３８１２１２号公報
で提案したロータリーエンコダがある。このロータリー
エンコーダは、第１５図に示すようなスリット状の格子
が刻まれた円筒状の光学スケールの回転量を、簡便な構
成で比較的高い分解能で測定できる優れた方式である。

回転格子を円筒状とすることで、従来−船釣な２つの格
子（回転格子と固定格子）の相対位置合わせが不要なほ
か、回転軸の偏心による検出誤差のキャンセル効果が得
られるなど、高精度化と取付けの簡便性を実現する。こ
の効果はスケールの内部（中空部）に結像光学系を設け
、この結像光学系によりスケールの側面の第一領域の格
子の像をスケールの回転軸に関して第一領域とは反対側
にある側面の第二領域の格子へ投影することにより達成
される。

一方、同様の円筒状の光学スケールを用いた別の形態の
エンコータとして、本件出願人は特願平１−３３９２２
１号にて、上述の結像光学系の代わりに格子のタルホ効
果とモアレ技術を組合わせた、所謂タルホ干渉の原理を
応用したロータリーエンコーダを提案した。これによれ
ば先の従来例の効果に加えて、装置全体の構成の簡略化
、小型化、低イナーシヤ化をより一層高めることできる
。このエンコーダの構成及び測定原理を第１６図及び第
１７図を用いて以下説明する。

第１６図において、半導体レーザ１からの光束はコリメ
ータレンズ系２により平行光束に変換され、この平行光
束でスケール３の第一領域３１を照明する。この平行光
束は第一領域３１の格子で回折され、第一領域３１の格
子から０次、±１次、±２次といった回折光が生し、０
次光及び±１次回折光の２つ若しくは３つの光束同士の
干渉により、領域３１の格子のフーリエ像が、スケール
３の第二領域３２の格子へ投影される。このフーリエ像
の明暗のピッチは、第一領域３１の格子のピッチＰと等
しくなる。又、前述のようにこのフーリエ像は湾曲する
か、この湾曲は第二領域３２の曲面に沿って生しており
、測定精度には大きな影響はない。

ここで第１７図に示すように、スケール３か矢印１００
方向（反時計廻り方向）に回転しているとすると、フー
リエ像は矢印１１０方向く時計廻り方向）に移動する。

この時、フーリエ像が投影されている領域３２の格子は
、矢印１００方向へ移動している。したがってスケール
３が角度θ回転した時のフーリエ像と領域３２の格子間
の相対角度変化は２θとなり、格子ピッチの２倍の分解
能で回転角の測定が行なえる。

第二領域３２の第１格子は領域３１の格子のフーリエ像
で照明され、両者の重ね合わせによってモアレ絹が生し
、領域３２の格子を通過した明暗光が、フォトディテク
タ４の受光面４０に入射する。フォトディテクタ４は受
光した光を電気信号に変換し、この信号に基づいてスケ
ール３の回転角が測定される。このロータリーエンコー
ダでは、前述のようにスケール３が角度θ回転するとき
に、領域３１の格子のフーリエ像と領域３２の格子か相
対的に角度２００回転るから、スケール３のスリット３
の総数かｎてあれは、スケール３の１回転当り、光電変
換素子４から２ｎ個の正弦波パルスが出力される。回転
角の測定はこの正弦波パルスを順次計数することにより
行なわれる。

［発明の目的］ 本発明は上記従来例の更なる改良をはかり、より信頼性
が高く高精度なロータリーエンコーダ及びこれを用いた
システムの提供を目的とする。

［目的を達成するための手段及び作用］上記目的を達成
するための本発明は、光照射手段と円筒状の光学スケー
ルと受光手段とを備え、光照射手段からの光をスケール
側面の第一領域に照射し、第一領域の格子のフーリエ像
を第一領域とは異なる第二領域の格子に投影し、第二領
域の格子を介した光を受光手段で受光することにより前
記スケールの回転状態を検出するロータリーエンコーダ
において、前記円筒状のスケールの内部の光路中に、屈
折率が空気よりも大きい部材を配百する。これによって
、よりコントラストの高いフーリエ像を第二領域に投影
することができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例の構成図である。同図におい
て、１は半導体レーザであり、波長λ（＝７８０ｎｍ）
の可干渉性光束を発生する。２は半導体レーザ１からの
発散光束を略平行光束に変換するコリメータレンズ系で
あり、半導体レーザ１とコリメータレンズ系２とで光照
射手段が構成される。３は円筒状の格子部を有する回転
光学スケールであり、矢印に示すいずれかの方向に回転
する。第４図はこのスケール３の斜視図である。スケー
ル３は透光性の光学材料より成り、少なくとも格子部が
透光性を有する。円筒状のスケール３の内側面には円周
方向の全周に渡って多数個の■溝が等間隔に並んで格子
部を形成している。第１図に戻り、スケール３の内部の
光路中にはガラス板２００が挿入配置されている。

又、スケール３を挟んで光照射手段と対向する位置には
、受光手段であるフォトディテクタ４ａ。

４ｂ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６に接続されている。信号処理回路６
はパルスのカウント回路、回転方向の判別回路、信号内
挿回路等を有する。

スケール３はモータ等の回転駆動軸と連結され駆動軸の
回転量等を検出するための光学スケールとして使用され
る。第６図乃至第９図にスケール３の取付方法のいくつ
かのバリエーションを示す。いずれもスケール３は回転
駆動軸５とは直接嵌合によって取付けられ、回転検出の
目盛りとなる格子面と嵌合部の同軸度及び嵌合精度を高
い精度に保つことができる。

第５図はスケール３の格子部の詳細図であり、■溝部と
平面部が交互に配列されて格子を形成している。円筒内
側面に■溝を等間隔にｎ個、円周方向にピッチＰ　（ｒ
ａｄ）で配列しくｎｘＰ＝２πｒａｄ）、Ｖ溝幅は［Ｐ
（ｒａｄ）、又、■溝を形成する２つの平面は各々％Ｐ
（ｒａｄ）の幅を有し、各々の傾斜面は■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。

スケール３の第一領域３１の格子と第二領域３２の格子
の、光軸に沿った間隔ｄ（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＝４） Ｐ＝πｄ　／　ｎ　　　　（ｎはスリットの総数）を満
たすように設定されている。このようにスケール３の直
径ｄを設定することにより、スケール３の中空部に結像
光学系を設けることなく、スケール３の側面の第一領域
３１の格子の像を直接第二領域３２の格子へ投影できる
。ここで投影される格子像はフーリエ像と呼ばれるもの
であり、光回折現象に伴う格子の自己結像作用により生
じる０本実施例のスケール３は円筒状を成しているため
、フーリエ像が多少湾曲してコントラストが低下する傾
向があるが、以下に示す条件を満たすように光照射手段
（１，２）とスケール３を構成すれば実用上問題は無い
。

（Ｎ−局）Ｐ２　／λ＜ｄ＜（Ｎ子局）Ｐ２　／λ（Ｎ
は自然数） Ｐ＝πｄ　／　ｎ （ｎはスリットの総数） なお、本実施例ではスケール３の材質をプラスチックと
し、射出成型もしくは圧縮成型等の製法によって作成す
るため大量生産に好適で、極めて低コストに提供するこ
とができる。

さて、本実施例の方式では第一領域３１の格子部と光束
の作用の結果生ずるフーリエ像を第二領域３２の格子面
上に結像させモアレとして回転状態を検出するわけであ
るが、フーリエ像の像位置りを表わす下式において、Ｎ
の値が増大するにつれてフーリエ像のコントラストは低
下する性質を有する。

Ｌ＝Ｎ　−Ｐ”　／λ　（Ｎは自然数）すなわち本方式
では高パルス化を目的に格子数を増大させると、円筒径
が一定であればＰの値が小さくなり、第二領域へフーリ
エ像を結像させるためには必然的にＮの値を増大させな
ければならず、その結果、前記性質によってコントラス
トの低下（Ｓ／Ｎの低下）を招き信頼性が低下し易いと
いう問題点を有していた。

そこで本実施例では第一領域３１と第二領域３２の間の
光路中に空気（ｎｏ＝１）よりも屈折率の高い透光性の
光学部材２００を挿入配置してフーリエ像の結像位置を
移動させる。これによってＮの値を小さくすることが可
能で、よりコントラストの高いフーリエ像を第二領域３
２に結像することができる。

この作用について第２図、第３図を用いて説明する。

第２図はスケール内部には何も配置されていない従来例
に相当する例であり、第一領域３１の格子部により回折
した光によるフーリエ像の６番目（Ｎ＝６）の像が第二
領域３２の格子部に結像している様子を示す。

これに対して、第３図は本実施例であり、第２図の第一
領域と第二領域の間に空気より屈折率の大きい光学部材
２００、本実施例ではガラス（屈折率ｎ＝１．５）を挿
入した状態を表わしている。

般に厚さｄ、屈折率ｎ（ｎ＞１）の平行平板が結像光路
中に挿入された場合、これを空気に置換える空気換算光
路長ｄ′は、 ｄ’＝ｄ／ｎ　　（ｎは平行平板の屈折率）なる空気の
層があるとみなして計算する。従ってｎが空気の屈折率
（ｎｏ＝１）よりも大きければｄとｄ′の差だけ像が遠
くに離れる方向に移動する。

この移動量をｔとすると、 ｔ＝ｄ　（１−１／ｎ） となり、フーリエ像は第一領域から離れる方向にｔだけ
移動することになる。

第２図では６番目の像が第二領域３２の格子部に結像し
ているが、本実施例の第３図では厚さｄの平行ガラス板
２００を挿入することにより、６番目の像は実質的に格
子面より離れ、４番目の像がｔだけ移動して第二領域３
２の格子部の位置に結像するようになっている。従って
６番目の像よりもコントラストの高い４番目の像を用い
ているので、検出信号のＳ／Ｎをより向上させることか
でき検出の信頼性がより高くなる。

さて次に第１図を用いて本実施例のエンコーダの測定原
理についてより詳細に説明する。

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、この収束光束をスケー
ル３の第一領域３１に入射させる。ここで収束光とした
理由は、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ためであり、凹レ
ンズ作用によってスケール３内に進入した光はほぼ平行
光になる。

この収束光束は、第一領域の格子部において第１図（Ｂ
）に示すように、格子部３０ａに到達した光線は３０ａ
面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、回転体内部に進入す
ること無くほぼ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。従って第一領域３１において■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、円筒内に進入することなく反射され、３０ａ部に到
達した光線のみが円筒内部に進むことになる。すなわち
、第一領域３１において■溝型回折格子は透過型の振幅
格子と同様の作用を有することになる。

この第一領域３１の格子部で光束は回折され、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、第一領域３１の格子のフーリエ像がスケー
ル３の内部に結像される。フーリエ像は格子面より後方
に距ｌｌｌ１ｉＬを基本としてその整数倍の位置に繰り
返し結像されるが、スケール３の内部には空気よりも高
屈折率のガラス板２００が配置され、本実施例では４番
目（Ｎ＝４）のフーリエ像が第二領域３２の格子面上に
結像されるようになっている。このフーリエ像の明暗ピ
ッチは第一領域３１及び第二領域３２の格子ピッチＰと
等しくなる。

第二領域３２において面３０ａに入射した光線は、第１
図（Ｃ）のようにほぼ光線か垂直入射するため直線透過
してフォトディテクタには入射しない。又、■溝面を形
成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２に到達した
光線は、各々の面にほぼ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ディテ
クタ４ａ及び４ｂに到達する。このように第二領域にお
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■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４ａ、４ｂの各
フォトディテクタに到達することになる。すなわち第二
領域３２において■溝路子は光波波面分割素子として機
能することになる。

以上のように本実施例のスケールは、第一領域３１にお
いては振幅型回折格子としての機能を、又、第二領域に
おいては２相検出のための波面分割素子としての機能を
、２つの機能を有することを特徴とする。

ここでスケール３が回転した場合の各フォトディテクタ
４ａ、４ｂて検出される光量の変化について以下説明す
る。ここではスケール３か反時計廻り方向に回転した場
合を想定する。

第１０図は第二領域３２に格子ピッチＰと等しい周期の
明暗の格子像が重ね合わされる様子を示した図である。

この場合、明暗の格子像の明部が３０ａ部と重なり合っ
た状態になり、光束は３０ａを透過して直進する。第１
１図は先の第１０図の状態から回折格子が反時計廻り方
向（１００の方向）に１／８Ｐ回転した時の状態を表わ
しており、この場合、明暗格子像は１１０方向に移動す
る。この時、光束は明部３０ａ部を透過し、残る光束は
３０ｂ−２に到達する。従って第二領域３２に入射した
光束の内、１／２がフォトディテクタに入射せずに直進
し、残りの１／２の光束がフォトディテクタ４ａに入射
する。

以上のように、格子の位置とフーリエ像の位置の相対的
変位に応し、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、スケール３が反時計廻りに回転
したとすると、第１２図（Ａ）に示すような格子の回転
に伴う光量変化が得られる。ここで横軸は円筒格子の回
転量、縦軸は受光光量である。信号ａ、ｂはそれぞれフ
ォトディテクタ４ａ、４ｂに対応している。なお、逆に
スケール３が時計廻りに回転した場合は、ａは４ｂ、ｂ
は４ａ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。なお、第１２図（Ａ）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もっと低いため、第１２図（Ｂ）の
ように各光量は略正弦波状に変化する。

格子がＰ（ｒａｄ）回転した時、２周期の正弦波状の出
力波形となり、信号ａとｂどの位相関係が９０°位相差
となる。これらをコンパレータ回路を通し、第１３図（
Ａ）のような矩形波化し、更に各矩形波の立上り、立下
り部でパルス信号を得ることにより、第１３図（Ｂ）の
ようにＰ（ｒａｄ）の回転角で８パルス得ることか可能
となる。したがって１回転中の格子数をｎとすれば、８
　ｎ　Ｐ　／　Ｒの回転角度信号が検出可能となる。

なお、これまで説明してきた実施例では■溝を等間隔で
配列して凹凸の格子部を形成したが、この形状には限ら
ず、入射光線に対する傾斜面を有する凹凸を等間隔で配
列して格子部を形成し、振幅型回折格子としての機能と
波面分割の機能を有するようなスケールであれば使用可
能である。

又、上述のような所謂タルボ干渉の原理を用いたロータ
リーエンコーダには限らず、先の第１５図のようなスケ
ールを用、いた特願平１−３３９２２１号に示される構
成のエンコーダに本発明を通用しても良い。この場合も
上記実施例と同様、高信頼性、高精度化の効果が得られ
る。

又、これまでの実施例は２個のフォトディテクタによっ
て複相信号を取出したが、単相で良いのてあれは、第１
図（Ａ）においてフォトディテクタ４ａ、４ｂの間にフ
ォトディテクタを一つたけ設けれは事足りる。又、フォ
トディテクタを３個配置して３相信号を検出するように
しても良い。

又、本発明で使用できる光源は半導体レーザには限らず
、例えば点光源ＬＥＤてあっても良い。

半導体レーザに比へて安価なＬＥＤを使用することによ
って更なる低コスト化を進めることができる。

又、第１４図は上記エンコーダを使用したシステムの一
例を示すもので、ロータリーエンコーダを有する駆動シ
ステムのシステム構成図である。

千−夕やアクチュエータ、内燃機関等の駆動源を有する
駆動手段の回転出力部には上記説明したエンコーダが接
続され、回転量や回転速度等の駆動状態を検出する。こ
のエンコーダの検出出力は制御手段にフィードバックさ
れ、制御手段においては設定手段で設定された状態とな
るように駆動手段に駆動信号を伝達する。このようなフ
ィードバック系を構成することによって設定手段て設定
された回転状態を得ることかできる。このような駆動シ
ステムは各種工作機械や製造機械、計測機器、ロホット
、カメラ、オーディオ機器、情報機器、更にはこれらに
限らす駆動手段を有する装置全般に広く適用することが
できる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明のロータリーエンコーダは、
よりコントラストの高いフーリエ像を用いるため、信頼
性及び精度を向上させることかできるという効果を有す
る。又、円筒状のスケールを用いることによって、小型
化、低イナーシヤ化か達成でき、更には組み立ても容易
になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成図、　　　。 第２図、第３図は従来例と本発明の詳細な説明するため
の図、 第４図は実施例の光学スケールの図、 第５図はスケールの格子部の詳細図、 第６図乃至第９図はスケールの取付方法のいくつかのバ
リエーションを示す図、 第１０図、第１１図は実施例の原理説明図、第１２図、
？；１３図は実施例のエンコーダの信号の波形図、 第１４図はエンコーダを用いた駆動システムのシステム
構成図、 第１５図は従来のエンコーダで使用される光学スケール
の図、 第１６図、第１７図は従来のエンコーダの説明図、 であり、図中の主な符号は、 １・・・・半導体レーザ、 ２・・・・コリメータレンズ系、 ３・・・・光学スケール、 ４ａ、４ｂ・・・・フォトディテクタ、５・・・・回転
軸、 ３１・・・・第一領域、 ３２・・・・第二領域、 ２００・・・・ガラス板、 第？囲 毛３霞 ρ Ｐ Ｉｉｉ１転角度 玲Ｐ Ｆ ’／ｚＰ （ｒ−一 回転角友 ／／！Ｐ 回転角Ｊし

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光照射手段と円筒状の光学スケールと受光手段と
   を備え、光照射手段からの光をスケール側面の第一領域
   に照射し、第一領域の格子のフーリエ像を第一領域とは
   異なる第二領域の格子に投影し、第二領域の格子を介し
   た光を受光手段で受光することにより前記スケールの回
   転状態を検出するロータリーエンコーダにおいて、 前記円筒状のスケールの内部の光路中に、 屈折率が空気よりも大きい部材を配置したことを特徴と
   するロータリーエンコーダ。
2. （２）動力源を有する駆動手段と、 該駆動源の駆動状態を設定する設定手段と、 該駆動手段の駆動出力部に取付けられ、回転方向に沿っ
   て格子が形成される円筒状の光学スケールと、 光照射手段と受光手段とを備え、光照射手段からの光を
   スケール側面の第一領域に投影し、第一領域の格子のフ
   ーリエ像を第一領域とは異なる第二領域に投影し、第二
   領域の格子を介した光を受光手段で受光することにより
   駆動状態を検出する検出手段と、 該検出手段の出力と前記設定手段で設定された設定状態
   とを比較し、設定された駆動状態となるように前記駆動
   源を制御する制御手段とを有し、 前記円筒状のスケールの内部の光路中に、 屈折率が空気よりも大きい部材を配置したことを特徴と
   するロータリーエンコーダを用いた駆動システム。