JPH056853B2

JPH056853B2 -

Info

Publication number: JPH056853B2
Application number: JP60152066A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Nishimura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1985-07-10
Filing date: 1985-07-10
Publication date: 1993-01-27
Also published as: JPS6212814A; US4868385A

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ーに関し、特に
円周上に例えば透光部と反射部の格子模様を複数
個、周期的に刻んだ放射格子を回転物体に取付
け、該放射格子に例えばレーザーからの光束を照
射し、該放射格子からの回折光を利用して、放射
格子若しくは回転物体の回転角度等の回転状態を
光電的に検出するロータリーエンコーダーに関す
るものである。

（従来の技術）従来よりフロツピーデイスクの駆動等のコンピ
ユーター機器、プリンター等の事務機器、あるい
はNC工作機械さらにはVTRのキヤプステンモー
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光電的な
ロータリーエンコーダーが利用されてきている。

光電的なロータリーエンコーダーを用いる方法
は、回転軸に連結した円板の周囲に透光部と遮光
部を等間隔に設けた、所謂メインスケールとこれ
に対応してメインスケールと等しい間隔で透光部
と遮光部とを設けた所謂固定のインデツクススケ
ールとの双方のスケールを投光手段と受光手段で
挾んで対向配置した所謂インデツクススケール方
式の構成を採つている。この方法はメインスケー
ルの回転に伴つて双方のスケールの透光部と遮光
部の間隔に同期した信号が得られ、この信号を周
波数解析して回転軸の回転速度の変動を検出して
いる。この為双方のスケールの透光部と遮光部と
のスケール間隔を細かくすればする程、検出精度
を高めることができる。しかしながらスケール間
隔を細かくすると回折光の影響で受光手段からの
出力信号のＳ／Ｎ比が低下し検出精度が低下して
しまう欠点があつた。この為メインスケールの透
光部と遮光部の格子の総本数を固定し、透光部と
遮光部の間隔を回折光の影響を受けない程度まで
拡大しようとするメインスケールの円板の直径が
増大し更に厚さも増大し装置全体が大型化し、こ
の結果被検回転物体への負荷が大きくなつてくる
等の欠点があつた。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は被検回転物体の負荷を小さくし、被検
回転物体への回転速度検出用の放射格子の取付け
偏心の影響を軽減した小型でしかも高精度のロー
タリーエンコーダーの提供を目的とする。

本発明の更なる目的は振動や温度変化等の環境
変化に対して安定した精度で検出ができるロータ
リーエンコーダーの提供にある。

（問題点を解決するための手段）回転方向に沿つて回折格子が形成される回転ス
ケールと、可干渉性の光束を生成する光源と、前
記光源からの光束を２分割するためのビームスプ
リツターと、前記ビームスプリツターで分割生成
された２つの光束を、それぞれ前記回転スケール
の回転中心に関して点対称な回折格子上の２つの
位置M₁，M₂に入射させる光学系と、前記位置
M₁で発生する＋ｍ次の回折光と、前記位置M₂で
発生する−ｍ次の回折光とを前記ビームスプリツ
ターで合成して、得られた干渉光を受光する受光
系とを有し、該受光系で得られた信号を利用して
該回転スケールの回転情報を検出する際、前記光
源から前記位置M₁を経由して前記受光系に至る
光路の光路長と、前記光源から前記位置M₂を経
由して前記受光系に至る光路の光路長とが実質的
に等しくなるように各要素を構成したことであ
る。

この他本発明の特徴は実施例において記載され
ている。

（実施例）第１図は本発明の一実施例の概略図である。同
図において、１はレーザー等の可干渉性光源、２
はコリメーターレンズ、３は光束分割手段として
の偏光ビームスプリツターで、レーザー１からの
直線偏光に対して、その偏光軸が45゜となるよう
に配置されている。４₁，４₂，４₁′，４₂′は各々
シリンドリカルレンズ、５，６，７，８，９は
各々1/4波長板、１，１０′は反射鏡、１１，１
１′はコーナーキユーブ反射鏡、１２は円板上に
例えば透光部と反射部の格子模様を複数個等角度
で設けた放射格子、１３は不図示の被検回転物体
の回転軸である。１４は1/2波長板、１５はビー
ムスプリツター、１６，１７は偏光板で、偏光方
位が互いに45度になるように配置されている。１
８，１９は受光素子である。

レーザー１より放射された光束は、コリメータ
ーレンズ２によつて略平行な光束となり、偏光ビ
ームスプリツター３に入射する、偏光ビームスプ
リツター３は、その方位が、レーザー１の直線偏
光方位に対して45゜となるように配置されている
ので、レーザー１からの光束は、偏光ビームスプ
リツター３において略等しい光量で反射光束と透
過光束に分割される。このうち透過光束は、第１
照明手段としてのシリンドリカルレンズ４₁を介
して、放射格子１２上の位置M₁上に線状照射さ
れる。一方、反射光束は、1/2波長板１４によつ
て偏光方位が90゜回転した直線偏光光束となつて、
偏光ビームスプリツター３′を透過する。そして
１／４波長板８によつて円偏光に変換されて反射鏡
１０′で反射され再び1/4波長板８を通つて、偏光
ビームスプリツター３′への入射時とは直交した
直線偏光光束となるので、今度は偏光ビームスプ
リツター３′で反射されて、第２照明手段として
のシリンドリカルレンズ４₁′を介して、放射格子
１２上の、点M₁とは、回転中心に対して略点対
称な位置M₂上に線状照射される。ここでシリン
ドリカルレンズ４₁，４₁′は、放射格子１２の放
射方向と直交する方向に線状照射されるように配
置されている。このように線状照射することによ
り、放射格子１２上での光束の照射部分に相当す
る透光部と反射部の格子模様のピツチ変化の影響
を軽減している。放射格子１２に入射した光束
は、放射格子１２の格子模様によつて反射回折さ
れる。

いま、光束の照射位置における格子模様のピツ
チをｐとすれば、ｍ次の反射回折光Ｌ，L′の回折
角度θ_nは、次の(1)式で表わされる。

sinθ_n＝mλ／ｐ ……(1) ここでλは光束の波長である。

いま、放射格子１２が、角速度ωで回転してい
るとする。放射格子の回転中心から、照射位置ま
での距離をｒとすると、照射位置M₁，M₂での周
速度はｖ＝rωとなる。ここで点M₁，M₂への入射
光束を波数ベクトル表示でｋ→_iと表わし、反射回
折光Ｌ及びL′を波数ベクトル表示でｋ→ｓ及びｋ→
_ｓ′と表わし、点M₁，M₂における放射格子１２の
周速度をベクトル表示でｖ→と表わして、ｋ→_i，ｋ→_s，
ｋ→_s′とｖ→との関係を第２図に示すような関係にな
つたとする。すると、反射回折光Ｌ及びL′の周波
数は、次式で表わされる量Δ及びΔ′だけ、所謂
ドツプラーシフトを受ける。

Δ＝（ｋ→_i−ｋ→_s）・ｖ→／2π ＝vsinθ_n／λ ＝rωsinθ_n／λ Δ′＝（ｋ→_i−ｋ→_s′）・ｖ→／2π ＝−vsinθ_n／λ ＝−Δ ……(2) ここで、・はベクトルの内積を表わす。

そして、シリンドリカルレンズ４₂及び1/4波長
板６を介して、コーナーキユーブ反射鏡１１を有
する第１光学手段で点M₁を再照射する。

同様にシリンドリカルレンズ４₂′、1/4波長板
７そしてコーナーキユーブ反射鏡１１′を有する
第２光学手段で点M₂を再照射する。

点M₁，M₂で再びｍ次の反射回折された光束
は、元の光路を戻るが、再回折時に再び(2)式のド
ツプラーシフトを受けるので、結局、点M₁で再
回折されて元の光路を戻る再回折光R1は、周波
数2Δのドツプラーシフトを受け、点M₂で再回
折されて元の光路を戻る再回折光R2は、周波数
−2Δのドツプラーシフトを受けることになる。

点M₁で再回折されて元の光路を戻る再回折光
R1は、1/4波長板６を介しているため、入射時と
は、偏光方位が直交した直線偏光になり偏光ビー
ムスプリツター３で反射される。そして1/4波長
板５を介して反射鏡１０で反射されて再び1/4波
長板５を通ると、偏光方位は再び90度回転して、
偏光ビームスプリツター３を透過する。さらに、
１／２波長板１４で再び偏光方位が90度回転されて、
偏光ビームスプリツター３′で反射される。一方、
点M₂で再回折されて元の光路を戻る再回折光R2
は、1/4波長板７を介しているため、入射時とは
偏光方位が直交した直線偏光になり偏光ビームス
プリツター３′を透過する。こうして点M₁，M₂
で再回折された２つの再回折光R1，R2は各々第
１導光手段、第２導光手段により偏光ビームスプ
リツター３′の位置Ｐに導光された後重なり合い
１／４波長板９を通つて、ビームスプリツター１５
で２光束に分割され、偏光板１６，１７を通つて
受光素子１８，１９に入射する。こうして、周波
数2Δ及び周波数−2Δのドツプラーシフトを受
けた２つの再回折光R1，R2が重なり合うため、
受光素子１８，１９の出力信号の周波数は、2Δ
−（−2Δ）＝4Δとなる。つまり、受光素子１
８，１９の出力信号の周波数は＝4Δ＝
4rωsinθ_n／λとなり、(1)式の回折条件の式から、
＝4mrω／ｐとなる。放射格子１２の格子模様
の総本数をＮ、等角度ピツチをΔψとすれば、ｐ
＝rΔψ、Δψ＝2π／Ｎより、＝2mNω／π
……(3) である。いま、時間Δtの間での受光素子の出力
信号の波数をｎ、Δtの間での放射格子１２の回
転角をθとすれば、ｎ＝Δt、θ＝ωΔtより、ｎ＝2mNθ／π ……(4) となり、受光素子の出力信号波形の波数をカウン
トすることによつて、放射格子１２の回転角θ
を、(4)式によつて求めることができる。

ところで、回転角度を検出する際、回転方向が
検出出来れば更に好ましい。そのため本実施例に
おいては、従来の光電式ロータリーエンコーダー
などにおいて公知のように、複数個の受光素子を
用意して、互いの信号の位相が90度ずれるように
配置し、回転に伴う90度位相差信号から、回転方
向を示す信号を取り出す方式を用いている。

本実施例においては、受光素子１８，１９の出
力信号間の90゜位相ずれを、偏光ビームスプリツ
ターと、1/4波長板及び偏光板を組み合わせて作
り出している。すなわち、点M₁，M₂で再回折さ
れて元の光路を戻る光束は偏光ビームスプリツタ
ー３′で、各々反射及び透過されて重なり合い、
１／４波長板９を透過することによつて、直線偏光
となるが、その偏光方位が放射格子１２の回転に
伴つて変化する。そして、受光素子１８，１９の
前面に設けた偏光板１６，１７の偏光方位を互い
に45゜ずらすことによつて、受光素子１８，１９
の出力信号間に90゜の位相差を与えることができ
る。そして、第１図に示すように例えば受光素子
１８，１９の出力信号を波形整形し、回転方向を
検出した後、カウンターにて積算すれば、回転角
度を求めることができる。

尚本実施例において単に回転速度のみを求める
回転速度計として用いるならば第１図において３
は単なるハーフミラーでよく、又1/4波長板５，
６，７，８，９、偏光板１６，１７、ビームスプ
リツター１５そして受光素子１は不要である。

第３図は第１図の放射格子１２と２つの光束の
放射格子１２上の照射位置M₁，M₂と被検回転物
体の回転中心との説明図である。

本実施例においては放射格子１２の中心と被検
回転物体の回転中心に対して略点対称の２点M₁，
M₂を測定点とすることにより放射格子１２の中
心と、被検回転物体の回転中心との偏心の影響を
軽減している。すなわち、放射格子１２の中心
と、回転中心とを完全に一致させることは困難で
あり、両者の偏心は避けられない。たとえば、第
３図に示すように、放射格子１２の中心Ｏと、回
転中心O′との間に、偏心量がａだけあつたとき、
回転中心から距離ｒの位置にある測定点M₁での
ドツプラー周波数シフトは、偏心がないときとく
らべてｒ／（ｒ＋ａ）から、ｒ／（ｒ−ａ）まで
変化する。一方、このとき位置M₁と、回転中心
に対して点対称な位置にある測定点M₂での周波
数シフトは、位置M₁での変化とは逆にｒ／（ｒ
−ａ）かｒ／（ｒ＋ａ）まで変化するから、位置
M₁とM₂と、同時に２点を測定点とすることによ
つて、偏心の影響を軽減することができる。

また、第１図の実施例において、光源たるレー
ザー１は、その小型、低価格、高出力という点で
半導体レーザーが最も望ましい。しかるに、半導
体レーザーはその波長が周囲の温度によつて変化
する。レーザーの波長が変化すると、(1)式の回折
条件の式から明らかなように、回折角θ_nが変化す
る。また、放射格子１２の中心と、被検回転物体
の中心とが偏心している場合でも、測定点M₁，
M₂での格子模様のピツチｐが変化するため、回
折条件の式から明らかなように、やはり回折角θ_n
が変化する。しかし、第１図の実施例において
は、回折光Ｌ及びL′の反射鏡として、コーナーキ
ユーブ反射鏡１１，１１′を用いているので、回
折角θ_nが変化しても、コーナーキユーブ反射鏡１
１，１１′による反射光束は必ず元の光路に戻る。
つまり、光源の波長変化や、偏心による回折角変
化に基く誤差を、コーナーキユーブ反射鏡１１，
１１′で除去している。

また、第１図の実施例においては、レーザー１
から、入射位置M₁及びコーナーキユーブ反射鏡
１１を経由して受光素子１８及び１９に至る光路
即ち第１光路（第１図において実線で示してあ
る）の光路長と、レーザー１から、入射位置M₂
及びコーナーキユーブ反射鏡１１′を経由して受
光素子１８及び１９に至る光路即ち第２光路（第
１図において破線で示してある）の光路長とが光
学的に等しく、所謂共通光路型干渉計の構成にな
つているため、振動や温度変化などの外部擾乱に
対して安定した系になつている。

第４図は本発明の他の実施例の一部分の概略図
であり、第１図の放射格子１２に光束が入射する
付近を示している。同図において各要素に付され
た番号は第１図で示したものと同じ要素を示す。
放射格子１２の位置M₁及びM₂に入射した光束の
±ｍ次の透過回折光をシリンドリカルレンズ４₂，
４₂′、1/4波長板６，７、コーナーキユーブ反射
鏡１１，１１′を介して、放射格子１２に再度入
射させ、第１図に示した実施例と同様の効果を得
ている。

尚前述した各実施例ではｍ次の２つの回折光を
用いた場合を示したが±ｍ次の回折光であつても
又次数の異つた２つの回折光を用いても良い。

（発明の効果）本発明によれば被検回転物体の負荷の小さい放
射格子の中心と回転物体の回転中心との偏心誤差
を軽減した小型でしかも高精度のロータリーエン
コーダーを達成することができる。又共通光路型
構成とすることにより振動や温度変化等の外部影
響に対して安定したロータリーエンコーダーを達
成することができる。

例えば従来から使用されているインデツクスス
ケール方式の光電式ロータリーエンコーダーで
は、前述の(4)式に対応する、受光素子からの出力
信号の波数ｎと、メインスケールの総本数Ｎと、
回転角θとの関係は、ｎ＝Mθ／2π ……(5) であるから、波数１個あたりの回転角Δθは、 Δθ＝2π／Ｎ（ラジアン） ……(6) である。これに対して、本実施例では、(4)式か
ら、 Δθ＝π／2mN（ラジアン） ……(7) である。

従つて、本実施例によれば、同じ分割数のスケ
ールを用いても従来例に比べて4m倍の精度で回
転角度の検出が出来ることになる。

また、従来の光電式ロータリーエンコーダーに
おいては、透光部と遮光部の間隔は、光の回折の
影響を考慮すると、10μm程度が限度である。

いま、回転角検出精度として、たとえば30秒を
得るためには、従来例では、メインスケールの分
割数として、(6)式から、Ｎ＝360×60×60／30＝
43200だけ必要である。そこで、メインスケール
最外周での透光部、遮光部の間隔を10μmとすれ
ば、メインスケールの直径は、0.01mm×43200／
π＝137.5mm必要になる。

しかるに、本実施例によれば、従来例と同じ回
転角の検出精度を得るためには、放射格子の分割
数は１／4mでよい。±１次の回折光を用いたｍ＝
１の場合、30秒の回転角検出精度を得るための放
射格子８の格子の分割数は、43200／４＝10800で
よい。そして本実施例においてレーザーの回折光
を用いれば透光部と反射部の間隔は狭くてよいの
で、たとえば、これを4μmとすると、放射格子の
直径は、0.004mm×10800／π＝13.75mmでよいこ
とになる。すなわち、本実施例によれば従来のイ
ンデツクススケール方式の光電式ロータリーエン
コーダーと同等の回転角検出精度を得る形状とし
ては、1/10以下の大きさでよい。従つて、被検回
転物体への負荷も従来例とくらべて、はるかに小
さくなり、正確な測定が行えることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概略図、第２図は
本発明に係る放射格子への入射光束と反射回折光
のベクトル表示の説明図、第３図は本発明の放射
格子の中心との偏心を表わす説明図、第４図は本
発明の他の実施例の一部分の説明図である。図中１は光源、２はコリメーターレンズ、３は
光束分割手段、４₁，４₂，４₁′，４₂′は各々シリ
ンドリカルレンズ、５．６，７，８，９は各々1/
４波長板、１０，１０′は反射鏡、１１，１１′は
コーナーキユーブ反射鏡、１２は放射格子、１３
は回転軸、１６，１７は偏光板、１８，１９は受
光素子である。

Claims

【特許請求の範囲】

１回転方向に沿つて回折格子が形成される回転
スケールと、可干渉性の光束を生成する光源と、
前記光源からの光束を２分割するためのビームス
プリツターと、前記ビームスプリツターで分割生
成された２つの光束を、それぞれ前記回転スケー
ルの回転中心に関して点対称な回折格子上の２つ
の位置M₁，M₂に入射させる光学系と、前記位置
M₁で発生する＋ｍ次の回折光と、前記位置M₂で
発生する−ｍ次の回折光とを前記ビームスプリツ
ターで合成して、得られた干渉光を受光する受光
系とを有し、該受光系で得られた信号を利用して
該回転スケールの回転情報を検出する際、前記光
源から前記位置M₁を経由して前記受光系に至る
光路の光路長と、前記光源から前記位置M₂を経
由して前記受光系に至る光路の光路長とが実質的
に等しくなるように各要素を構成したことを特徴
とするロータリーエンコーダー。