JPH04208812A - 基準位置の検出方法および回転検出計 - 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】

［０００１１

【産業上の利用分野］本発明は光学スケールの変位状態
を検出するエンコーダ等の変位検出計において原点とな
る基準位置を得る技術に関する。 ［０００２］ 【従来の技術】変位検出計の一例として、円筒状の光学
スケールの回転量や回転速度を測定するロータリーエン
コーダが例えば特開昭６３−８１２１２号公報に開示さ
れている。このロータリーエンコーダは、図１１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す
ることができる。回転格子を円筒状とすることで、従来
一般的な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。 ［０００３］一方、同様のスリット格子あるいは透明円
筒部材にＶ溝等の斜面を有する凹凸格子部を形成した円
筒状の光学スケールを用い、上記形態を更に改良した形
態のエンコーダとして、本件出願人は特願平１−３３９
２２１号等において、上述の結像光学系の代わりに格子
のタルボ効果とモアレ技術を組合わせた、所謂タルボ干
渉の原理を応用した回転検出計を提案した。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進めることできる。 ［０００４］さて、上記エンコーダをさまざまなシステ
ムにおいて使用する際には、回転の基準位置すなわち原
点位置が得られることが望ましい。原点信号を得ること
により絶対位置の検出等が可能なエンコーダが構成でき
る。そこで上記円筒格子を用いたエンコーダの基準信号
が得られる装置として、本願出願人は先に、円筒格子に
標識部を設けそれに対応した固定格子を固設することに
より基準位置信号が得られる回転検出計を提案した。 ［０００５］

【発明の目的】本発明はより簡略な構成で、基準位置信
号を得ることができる基準位置検出方法の提供、および
これを用いた回転検出計の提供を目的とする。 ［０００６］

【目的を達成するための手段】上記目的を達成する本発
明の回転検出計は、光照射手段と円筒状の光学スケール
を有する回転体と受光手段とを備え、前記円筒状の光学
スケールの側面には格子が形成され、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
を介した光を第一領域とは異なる第二領域に向け、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
スケールの回転情報を検出し、且つ前記回転体の一部に
基準位置検出用の標識部を設け、該標識部を介した光を
検出することによりスケールの回転基準位置信号を得る
ことを特徴とする。。 ［０００７］

【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。図１は本発明の一実施例の回転検出計を上方
から見た図であり、図２は側方から見た図である。図１
において、１は半導体レーザであり、波長λ（＝７８０
ｎｍ）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。該スケール３はその底部７の中心部でモー
タ等の回転駆動軸５と連結され、駆動軸５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。図１０
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。図１に戻り、４０は円筒スケール内部位置に侵入
して斜設固定され、入射する一部の光を分割して下方に
反射するハーフミラ−である。スケール３を挟んで光照
射手段と対向する位置には、スケールの回転情報を検出
するための受光手段であるフォトディテクタ４ａ、４ｂ
、４ｃが配置されている。そして各フォトディテクタの
出力信号は信号処理回路６に接続されている。信号処理
回路６は回転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、基準位置信号生成回路等を有する。 ［０００８］又、側面図である図２において、ビームス
プリッタ４０によって下方に分岐された光束は基準位置
検出用の標識部４１へ指向される。該標識部４１はスケ
ールの底部７の下面で、１回転中の所定の−か所に設け
られ、円周方向と直交する方向に細長いシリシトリカル
レンズ等の集光作用を有する凸状部から成る。該凸状部
はスケール３の格子部を形成するＶ溝と、同一の製法で
作成することができるメリットがある。４５は該標識部
４１を介した光を検出して基準位置信号を得るためのフ
ォトディテクタである。該フォトディテクタ出力信号は
前記信号処理回路６に接続され、基準位置信号を生成す
る。この基準位置信号により回転の原点位置を得ること
ができ、この基準位置信号により前記カウント回路のカ
ウント値をリセットするようにすれば、原点位置からの
回転角や回転量の絶対値を得ることができる。 ［０００９］図１の下部の拡大図はスケール３の格子部
の詳細を表し、■溝部と平面部が交互に配列されて格子
＊本を形成している。円筒内側面に■溝を等間隔にｎ個
、円周方向にピッチＰ（ｒａｄ）で等間隔に配列しくｎ
ＸＰ＝２πｒａｄ）、Ｖ溝幅は１／２Ｐ　（ｒａｄ）　
、又、■溝を形成する２つの平面は各々１／４Ｐ　（ｒ
ａｄ）の幅を有し各々の傾斜面はＶ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。

【００１０】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＝３） 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
。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。 ［００１１］

【外】 （Ｎ−％）Ｐ２／λ＜ｄ＜　（Ｎ＋’りＰ”／λ（Ｎは
自然船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ある。 すなわち従来のフォトリソプロセスを用いた加工方法に
較べ極めて低コストに提供することができる。 ［００１２］又、本実施例の構成のエンコーダは、外部
環境温度変化があると、スケールの直径ｄ、格子ピッチ
Ｐ、半導体レーザの波長λがそれぞれ僅かに変化し、そ
れによってフーリエ像の結像位置と格子面との相対的な
位置ズレが生じて検出信号のＳ／Ｎの低下の要因となる
畏れがある。例えば高温になるとスケールの直径ｄが増
大し、それに伴って格子のピッチＰの値も増大し、更に
は波長λは長波長側にシフトする。この時、フーリエ像
の位置りはＬ＝Ｎ−Ｐ２／λの式からＰ２／λの割合で
変化することになる。そこで温度変化によるスケールの
直径ｄの変化量（Δｄ）とフーリエ像の移動量（ΔＬ）
がなるべく近くなるようにスケールの材質及び半導体レ
ーザの特性を選ぶことにより、格子面の位置とフーリエ
像の結像位置の相対的な位置ズレを少なくすることがで
き、外部温度変化が生じても検出信号のＳ／Ｎの劣化が
少なくなる。本実施例で使用する波長７８０　ｎｍの半
導体レーザは５０℃の温度変化に対し１０ｎｍ程度の波
長※※変動が起きるが、スケールの材質としては熱膨張
率の比較的大きいものを採用することが好ましく、本実
施例においてはスケール３の材質をプラスチック（ｎ＝
１．４９のアクリル樹脂）とした。これはガラス等に比
べると熱膨張率が大きいため、温度変動による出力信号
のＳ／Ｎの低下がより少ないという利点を有し、低コス
トで提供できるという利点と合わせて考えると、本実施
例のエンコーダのスケールの材質としては非常に適して
いる。 ［００１３］なお、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であっても良い。 半導体レーザに比べて安価な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。 ［００１４］次に図１を用いて本実施例における回転情
報の測定原理について説明する。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。 ［００１５］この収束光束は、第一領域の格子部におい
て図１左下に示すように、格子部３０ａに到達した光線
は３Ｏａ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、３０
ａ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Ｖ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。 ［００１６］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、２１次、２２次・・・・の
回折光が生じ、０次光及び１１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
子面より後方に距離りを基本としてその整数倍の位置に
繰り返し結像される。本実施例においては３番目（Ｎ＝
３）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、光源波長λ、格子ピッチＰ、コリメータレン
ズ系２の位置が設定されている。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。 ［００１７］ここで円筒中に侵入して配置されたハーフ
ミラ−４０により、光束は２つの方向Ｓ、　Ｔに別れて
進行する。ハーフミラ−４０を透過してＳ方向に直進し
た光は第二領域３２において面３０ａに入射し、図１右
下に示すように、はぼ光線が垂直入射するため直線透過
してフォトディテクタ４ｃに到達する。又、■満面を形
成する２つの傾斜面３０ｂ−１及び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■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、
４Ｃ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。 ［００１８］ここでスケール３が回転すると各フォトデ
ィテクタ４ａ、４ｂ、４ｃで検出される光量が変化する
ことになる。格子の位置とフーリエ像の位置の相対的変
位に応じ、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、図６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、　　ｃはそれぞれフォ
トディテクタ４ａ、４ｂ、４ｃ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、　Ｃは４ｃ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。なお図６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、図７のように各
光量は略正弦波状に変化する。これらの信号を基に回転
角度や回転量あるいは回転速度や回転加速度等の回転情
報が得られる。

【００１９】さて次に、ハーフミラ−４０によりＴ方向
に分岐された光束を用いて基準位置すなわち原点位置を
検出する方法に関して図３を用いて詳細に説明する。図
３は基準位置検出のための検出光学系の詳細図であり、
先の図２のＡ−Ｂの方向から見た図である。 ［００２０１スケ一ル底部７の光束入射側の面８は平面
より成り、該平面８の裏面には基準位置信号を発生する
ための標識部４１が円周の−か所に設けられている。該
標識部４１は１次元の集光作用を持つシリンドリカルレ
ンズから成り、該シリンドリカル面はスケールの円周方
向と直交する方向（紙面鉛直方向）に細長く形成されて
いる。又、その下方には、基準位置信号を得るためのフ
ォトディテクタ４５を有する。また、標識部４１が形成
されている面の標識部４１以外の領域はすべて光拡散面
よりなる。ここで光拡散面としているのは、基準位置の
検出の検出感度を上げるためであり、必ずしも拡散面で
ある必要はない。 ［００２１］図４及び図５は以上の構成による基準位置
信号の検出作用を説明するための図である。図４はシリ
ンドリカルレンズ状の標識部４１がフォトディテクタ４
５の受光面４２と位置がずれている状態を示しており、
この場合、平面８を透過した光は拡散面８８で拡散され
わずかな光線のみが、受光面４２に入射する。これに対
して図５は図４の状態からスケールが更に変位し、標識
部４１のシリンドリカルレンズ部の光軸と受光面４２の
位置が合致した状態を示しており、この時、標識部４１
に入射する光束はシリンドリカルレンズの作用によって
集光され、受光面４２には最大光量の光が入射する。 ［００２２］ここで図８は受光面４２に入射する光量が
スリットの回転動作により変化する様子を示し、通常は
受光面にはわずかな光しか届かないためＬ○レベルの強
度の出力が得られるが基準スリットが通過する短い期間
は受光面４２で受光される光量が最大となる。図９はそ
の信号を基に不図示の回路にて作成される基準位置信号
を示す。このようにして１回転３６０度の中の所定の一
点で絶対的な基準位置信号が得られる。なお標識部４１
を円周に沿って複数個設ければ、それに対応して一回転
で複数の基準位置信号を得ることができる。 ［００２３］なお標識部４１の変形例として、所謂ゾー
ンプレートを用いることも可能であり、上記実施例と同
等の作用を得ることができる。図１５はこの変形例の構
成図であり、先と同一の符号は同一の部材を表わす。図
中、スケール底部の下面９の一部には、先の実施例での
シリンドリカルレンズに相当する一次元のフレネルレン
ズが形成され、スケールの移動方向にのみ集光作用を有
するゾーンプレート部４４を構成している。図１６はゾ
ーンプレート部の拡大図である。この例では、従来の一
般的なフレネルゾーンプレートの中でも振幅型のゾーン
プレートとして構成したものであり、光遮光部として図
１６のように全反射面を利用して光遮光部を形成してい
る。フレネルゾーンプレートは次の式で表される間隔Ｒ
Ｎで光遮光部と光透過部が交互に配置される。ここで、
λは光の波長、Ｐはフレネルゾーンプレートの主焦点距
離であり、図１５におけるゾーンプレート部４４から受
光面４２までの距離である。 ［００２４］

【外】

５５１１１１名　　　Ｎ＝１．２．３、・・・さて次に
本発明の他の実施例を説明する。図１３は本実施例の構
成図であり、先の図２と同一の符号は同一あるいは同等
の部材を示す。先の実施例とはハーフミラ−４０により
下方向に分岐された光束を用いて原点である基準位置を
検出する構成が異なり、基準位置検出用の光検出器４５
はスケール読取り用の光検出器４と並設されている。 ［００２５１図１４は本実施例の標識部付近の基準位置
検出光学系の詳細図である。スケール底部７の光束入射
側の面８は平面より成り、該平面８の面には基準位置を
検出するための標識部４３が円周の−か所に設けられて
いる。該標識部４３は先の実施例と同様に１次元の集光
作用を持つシリンドリカルレンズから成り、該シリンド
リカル面はスケールの円周方向と直交する方向（紙面鉛
直方向）に細長く形成されている。又、その下方のスケ
ール底部７の下面９には切り込み部が設けられ、４５度
の傾斜を有する反射面４４が形成されている。該反射面
は臨界角以上に設定されているため、上方からの導かれ
る光束を直角方向に全反射して円筒外側面方向に導く作
用を有する。該反射面４４は特にミラー加工する必要も
なく円筒格子と一体化されているため製造が容易である
。反射面４４で反射した光束は円筒外側面で更に集光作
用を受け、フォトデイクタ４２上に集光される。また標
識部４３以外の面は先の実施例と同様に光拡散面とされ
検出の検出感度を上げている。 ［００２６１図１４は標識部４３のシリンドリカルレン
ズの光軸がフォトディテクタ４５の受光面４２と位置が
合致している状態を示しており、この時、シリンドリカ
ルレンズ部に入射す乞光束はレンズ作用により集光され
、受光面４２には最大光量の光が入射する。 ［００２７］本実施例においても先の図６あるいは図７
と同様の基準位置信号が得られる。更に本実施例では、
基準位置信号検出用のフォトディテクタを他のフォトデ
ィテクタの近くに配置することができ、検出系の小型化
にもつななる効果がある。 ［００２８］又、以上説明してきた各実施例は、透過性
のスケール上にに斜面を有する凹凸を設けて格子を形成
したスケールを用いた例であったが、これには限らず図
１１のようなスリット状格子を有する円筒スケールを用
いた特願平１−３３９２２１号に示されるようなエンコ
ーダにも同様に適用することができる。 ［００２９］又、本発明の基準位置の検出方法は上記実
施例のようなロータリーエンコーダには限らず、リニア
状のスケールを有するリニアエンコーダにも同様に適用
することができる。 ［００３０１又、上記実施例では標識部として集光作用
を有するシリンドリカルレンズあるいはゾーンプレート
を例示したが、それに代わる同等の機能を有するもので
あれば使用可能である。更に、１次元の集光作用だけで
説明したが、２次元であっても同様の機能が得られる。 ［００３１１さて図１２は上記エンコータを使用したシ
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。モータやア
クチュエータ、内燃機関等の駆動源を有する駆動手段１
１０の回転出力部には上記説明したエンコーダ１１１が
接続され、回転角度や回転量あるいは回転速度等の回転
状態と共に回転の基準位置を検出する。このエンコーダ
１１１の検出出力は制御手段１１２にフィードバックさ
れ、制御手段１１２においては設定手段１１３で設定さ
れた状態となるように駆動手段１１０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１１３で設定された回転状態を得ることが
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、ロボット、カメラ、映像音響機器、情
報機器、更にはこれらに限らず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。 ［００３２］

【発明の効果】本発明によれば原点信号が得られる回転
検出計において、部品点数の削減、組み立ての容易さ、
小型化を達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の上面図である。

【図２】実施例の側面図である。

【図３】基準位置信号の検出光学系の詳細図である。

【図４】基準位置信号検出の作用を説明するための図で
ある。

【図５】基準位置信号検出の作用を説明するための図で
ある。

【図６】実施例のエンコーダの出力信号の理論的な波形
図である。

【図７】実施例のエンコーダの出力信号の実際の波形図
である。

【図８】光検出器で得られる出力波形図である。

【図９】作成された基準位置信号の出力波形図である。

【図１０】実施例の光学スケールの図である。

【図１１】格子形状の変形例の図である。

【図１２】エンコーダを用いた駆動システムのシステム
構成図である。

【図１３】本発明の他の実施例を示す側面図である。

【図１４】基準位置信号の検出光学系の詳細図である。

【図１５】本発明の実施例の変形例を示す構成図である
。

【図１６】図１５のゾーンプレート部の拡大図である。

【符号の説明】

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、　　４ｃ　　フォトディテクタ５　回
転軸 ３１　第一領域 ３２　第二領域 ４０　ハーフミラ− ４１シリンドリカルレンズによる標識部４２　フォトデ
ィテクタの受光面 ４３　シリンドリカルレンズによる標識部４４　ゾーン
プレートによる標識部 ４５　フオトデイテクタ

【図４】

【図１１】

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】移動光学スケールの一部に基準位置検出用
   の集光作用を有する標識部を設け、該スケールに光を照
   射して該標識部で集光された光を検出することによりス
   ケールの基準位置を得ることを特徴とする基準位置の検
   出方法。
2. 【請求項２】光照射手段と円筒状の光学スケールを有す
   る回転体と受光手段とを備え、前記円筒状の光学スケー
   ルの側面には格子が形成され、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、第一領域の格子を介し
   た光を第一領域とは異なる第二領域に向け、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スケー
   ルの回転情報を検出し、且つ前記回転体の一部に基準位
   置検出用の集光作用を有する標識部を設け、該標識部で
   集光された光を検出することによりスケールの回転基準
   位置信号を得ることを特徴とする回転検出計。
3. 【請求項３】前記光照射手段からの光を分岐して前記標
   識部へ指向する手段を有することを特徴とする請求項２
   記載の回転検出計。
4. 【請求項４】前記円筒状のスケールは格子部が透光性を
   有し、前記格子部はスケールの内側面の円周方向に沿つ
   て、入射光線に対する傾斜面を有する凹凸を等間隔に配
   列して形成したことを特徴とする請求項２記載の回転検
   出計。
5. 【請求項５】前記標識部が集光作用を有するレンズもし
   くはゾーンプレートであることを特徴とする請求項１記
   載の基準位置検出方法、又は請求項２記載の回転検出計
   。