JPH06347293A - 回転検出装置及び回転検出用のスケール - Google Patents
回転検出装置及び回転検出用のスケールInfo
- Publication number
- JPH06347293A JPH06347293A JP13857293A JP13857293A JPH06347293A JP H06347293 A JPH06347293 A JP H06347293A JP 13857293 A JP13857293 A JP 13857293A JP 13857293 A JP13857293 A JP 13857293A JP H06347293 A JPH06347293 A JP H06347293A
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- JP
- Japan
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- grating
- rotation
- spiral
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 簡易な構成で半径方向ピッチ変動起因誤差を
発生しないようにして、小型化と高分解能とを両立させ
得るようにした回転検出装置とその為のスケールとを提
供する。 【構成】 格子部と、発光素子１と、該発光素子から射
出され前記格子部を経由した光束を受光するための受光
素子３ａ，３ｂとを有し、該受光素子の検出に基づいて
前記格子部と前記受光素子との相対回転が検出される装
置であって、前記格子部が、螺旋状の格子Ｇ２を有す
る。
発生しないようにして、小型化と高分解能とを両立させ
得るようにした回転検出装置とその為のスケールとを提
供する。 【構成】 格子部と、発光素子１と、該発光素子から射
出され前記格子部を経由した光束を受光するための受光
素子３ａ，３ｂとを有し、該受光素子の検出に基づいて
前記格子部と前記受光素子との相対回転が検出される装
置であって、前記格子部が、螺旋状の格子Ｇ２を有す
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、回転物体の回転速度、
回転変位等を測定する為の回転検出装置及び回転検出用
のスケールに関するものである。
回転変位等を測定する為の回転検出装置及び回転検出用
のスケールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】従来より光を物体に照射して
高精度に物体の回転角、角速度などの物理量を求める装
置、たとえば光学式ロータリーエンコーダ等が利用され
ている。これらの光を利用した装置の特徴は、高精度、
高分解能であるが、より広い分野に応用されるには小型
化（ミリオーダのサイズ）であり且つ高精度、高分解能
（0.1 μｍオーダ）、高安定性が必要になってきてい
る。ミリサイズになれば測定される対象に直接貼り付け
て使用できるので、より小型な装置にも使用されること
になる。
高精度に物体の回転角、角速度などの物理量を求める装
置、たとえば光学式ロータリーエンコーダ等が利用され
ている。これらの光を利用した装置の特徴は、高精度、
高分解能であるが、より広い分野に応用されるには小型
化（ミリオーダのサイズ）であり且つ高精度、高分解能
（0.1 μｍオーダ）、高安定性が必要になってきてい
る。ミリサイズになれば測定される対象に直接貼り付け
て使用できるので、より小型な装置にも使用されること
になる。
【０００３】従来からの光学式ロータリーエンコーダー
はスケールとして用いられる光の位相変調手段として、
図１に示すように放射型の格子の形成されたディスク板
状の物６ａが利用されてきた。この様な構成をとるロー
タリエンコーダには、光の位相変調手段としての回折格
子がディスク板上に放射状に形成されているため、半径
方向で格子ピッチが異なってしまう。このピッチ変動は
測定誤差の原因になり得るので、読み取りヘッドの半径
方向格子読み取り位置を厳密に設定するか、この位置が
変動した際に補正する構成が必要となり、小型化と高分
解能を両立させる事が難しかった。
はスケールとして用いられる光の位相変調手段として、
図１に示すように放射型の格子の形成されたディスク板
状の物６ａが利用されてきた。この様な構成をとるロー
タリエンコーダには、光の位相変調手段としての回折格
子がディスク板上に放射状に形成されているため、半径
方向で格子ピッチが異なってしまう。このピッチ変動は
測定誤差の原因になり得るので、読み取りヘッドの半径
方向格子読み取り位置を厳密に設定するか、この位置が
変動した際に補正する構成が必要となり、小型化と高分
解能を両立させる事が難しかった。
【０００４】またこのような装置では、格子の円周方向
の変位を検出する構成しか取り得ず、ヘッドの配置も円
周方向の変位の検出用に制約され、その点でも小型化が
難しかった。
の変位を検出する構成しか取り得ず、ヘッドの配置も円
周方向の変位の検出用に制約され、その点でも小型化が
難しかった。
【０００５】本発明は上述従来例に鑑み、簡易な構成で
ピッチ変動起因誤差を発生しないようにするとともにヘ
ッドの配置に自由度を持たせて、小型化と高分解能とを
両立させ得るようにした回転検出装置とその為のスケー
ルとを提供することを目的とする。
ピッチ変動起因誤差を発生しないようにするとともにヘ
ッドの配置に自由度を持たせて、小型化と高分解能とを
両立させ得るようにした回転検出装置とその為のスケー
ルとを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上述目的を達成する為、
本発明は格子部と、発光素子と、該発光素子から射出さ
れ前記格子部を経由した光束を受光するための受光素子
とを有し、該受光素子の検出に基づいて前記格子部と前
記受光素子との相対回転が検出される装置であって、前
記格子部が、螺旋状の格子を有する様にしている。
本発明は格子部と、発光素子と、該発光素子から射出さ
れ前記格子部を経由した光束を受光するための受光素子
とを有し、該受光素子の検出に基づいて前記格子部と前
記受光素子との相対回転が検出される装置であって、前
記格子部が、螺旋状の格子を有する様にしている。
【０００７】また本発明は、発光素子、該発光素子から
射出された光束を分割するための回折格子Ｇ１、該分割
され位相変調された光束を合成する事を目的とした回折
格子Ｇ３、及び該合成された干渉信号光束を受光するた
めの受光素子、が設けらたヘッド部と、該ヘッド部から
の光束を位相変調させヘッド部の受光素子に光束を入射
させるための回折格子Ｇ２が設けられた相対回転部とで
構成され、前記受光素子の検出に基づいて前記相対回転
部と前記受光素子との相対回転を検出する装置であっ
て、前記回転部に設けられた回折格子Ｇ２が螺旋状の格
子を有する様にしている。
射出された光束を分割するための回折格子Ｇ１、該分割
され位相変調された光束を合成する事を目的とした回折
格子Ｇ３、及び該合成された干渉信号光束を受光するた
めの受光素子、が設けらたヘッド部と、該ヘッド部から
の光束を位相変調させヘッド部の受光素子に光束を入射
させるための回折格子Ｇ２が設けられた相対回転部とで
構成され、前記受光素子の検出に基づいて前記相対回転
部と前記受光素子との相対回転を検出する装置であっ
て、前記回転部に設けられた回折格子Ｇ２が螺旋状の格
子を有する様にしている。
【０００８】更に本発明の回転検出用のスケールは、円
筒形状をした基部の表面もしくは内部に螺旋状の格子が
形成されている。
筒形状をした基部の表面もしくは内部に螺旋状の格子が
形成されている。
【０００９】また更に本発明の回転検出用のスケール
は、円板上または円板内部に螺旋状の格子が形成されて
いる。
は、円板上または円板内部に螺旋状の格子が形成されて
いる。
【００１０】
【実施例】図２は本発明の第１の実施例の光学式エンコ
ーダの構成を示す斜視図で、図３がその光路を示した上
面図、図４が同側面図である。図中、１は発光素子、３
ａ、３ｂは受光素子、Ｇ１は光束を分割するための回折
格子、Ｇ２は分割された光束を位相変調するための、円
筒形の表面に複数の螺旋が順に並列された、すなわち多
重螺旋状に形成されたスケールである回折格子（以下で
は円筒多重螺旋格子と呼ぶ）、Ｇ３a 、Ｇ３ｂは光束を
合成するための回折格子、４はコリメータレンズ、ＨＵ
は発光素子１受光素子３ａ、３ｂ、回折格子Ｇ１、Ｇ３
ａ、Ｇ３ｂが一体的に配設されたヘッド部である。
ーダの構成を示す斜視図で、図３がその光路を示した上
面図、図４が同側面図である。図中、１は発光素子、３
ａ、３ｂは受光素子、Ｇ１は光束を分割するための回折
格子、Ｇ２は分割された光束を位相変調するための、円
筒形の表面に複数の螺旋が順に並列された、すなわち多
重螺旋状に形成されたスケールである回折格子（以下で
は円筒多重螺旋格子と呼ぶ）、Ｇ３a 、Ｇ３ｂは光束を
合成するための回折格子、４はコリメータレンズ、ＨＵ
は発光素子１受光素子３ａ、３ｂ、回折格子Ｇ１、Ｇ３
ａ、Ｇ３ｂが一体的に配設されたヘッド部である。
【００１１】発光素子１から射出した発散光束は、コリ
メータレンズで略平行光にされ回折格子Ｇ１上にて透過
回折されて、０次回折光Ｒ0 、＋１次回折光Ｒ+1、−１
次回折光Ｒ-1に３分割されて射出する。
メータレンズで略平行光にされ回折格子Ｇ１上にて透過
回折されて、０次回折光Ｒ0 、＋１次回折光Ｒ+1、−１
次回折光Ｒ-1に３分割されて射出する。
【００１２】回折格子Ｇ１を直進した光束Ｒ0 は、円筒
多重螺旋格子Ｇ２の点Ｐ１にて反射回折さて、＋１次回
折光Ｒ0 +1 、−１次回折光Ｒ0 -1 に分割し位相変調され
る。＋１次回折光Ｒ0 +1 の位相は＋ｎθだけずれて、−
１次回折光Ｒ0 -1 の位相は−ｎθだけずれる。但しここ
でｎを、円筒多重螺旋格子の多重にしている格子の本数
で、θは円筒多重螺旋格子の回転角（ラジアン）である
とする。
多重螺旋格子Ｇ２の点Ｐ１にて反射回折さて、＋１次回
折光Ｒ0 +1 、−１次回折光Ｒ0 -1 に分割し位相変調され
る。＋１次回折光Ｒ0 +1 の位相は＋ｎθだけずれて、−
１次回折光Ｒ0 -1 の位相は−ｎθだけずれる。但しここ
でｎを、円筒多重螺旋格子の多重にしている格子の本数
で、θは円筒多重螺旋格子の回転角（ラジアン）である
とする。
【００１３】＋１次回折光Ｒ0 +1 は回折格子Ｇ３ａにて
透過回折されて、０次回折光Ｒ0 +1 0、−１次回折光Ｒ0
+1 -1 およびその他の光束の分割され、このうち−１次
回折光Ｒ0 +1 -1 は回折格子面と垂直に取り出され、波面
の位相は、＋ｎθである。
透過回折されて、０次回折光Ｒ0 +1 0、−１次回折光Ｒ0
+1 -1 およびその他の光束の分割され、このうち−１次
回折光Ｒ0 +1 -1 は回折格子面と垂直に取り出され、波面
の位相は、＋ｎθである。
【００１４】−１次回折光Ｒ0 -1 は回折格子Ｇ３ｂにて
透過回折されて、０次回折光Ｒ0 -1 0、＋１次回折光Ｒ0
-1 +1 およびその他の光束の分割され、このうち＋１次
回折光Ｒ0 -1 +1 は回折格子面と垂直に取り出され、Ｇ３
ｂがＧ３ａに対してｍＰ＋Ｐ／４だけ格子の配列方向に
ずらして配置すれば、波面の位相は、−ｎθ＋π／４で
ある。ここでＰは回折格子Ｇ３のピッチで、ｍは整数で
ある。
透過回折されて、０次回折光Ｒ0 -1 0、＋１次回折光Ｒ0
-1 +1 およびその他の光束の分割され、このうち＋１次
回折光Ｒ0 -1 +1 は回折格子面と垂直に取り出され、Ｇ３
ｂがＧ３ａに対してｍＰ＋Ｐ／４だけ格子の配列方向に
ずらして配置すれば、波面の位相は、−ｎθ＋π／４で
ある。ここでＰは回折格子Ｇ３のピッチで、ｍは整数で
ある。
【００１５】回折格子Ｇ１にて＋１次回折した光束Ｒ+1
は、円筒多重螺旋格子Ｇ２の点Ｐ２にて反射回折されて
−１次回折光Ｒ+1 -1、０次回折光Ｒ+1 0 およびその他の
光束に分割され、それぞれ位相変調される。このうち−
１次回折光Ｒ+1 -1の位相は、−ｎθだけずれて、回折格
子Ｇ３ａに入射し、そこでこのまま直進した０次回折光
Ｒ+1 -1 0 の波面の位相は、−ｎθである。
は、円筒多重螺旋格子Ｇ２の点Ｐ２にて反射回折されて
−１次回折光Ｒ+1 -1、０次回折光Ｒ+1 0 およびその他の
光束に分割され、それぞれ位相変調される。このうち−
１次回折光Ｒ+1 -1の位相は、−ｎθだけずれて、回折格
子Ｇ３ａに入射し、そこでこのまま直進した０次回折光
Ｒ+1 -1 0 の波面の位相は、−ｎθである。
【００１６】回折格子Ｇ１にて−１次回折した光束Ｒ-1
は、円筒多重螺旋格子Ｇ２の点Ｐ３にて反射回折され
て、＋１次回折光Ｒ-1 +1、０次回折光Ｒ-1 0 およびその
他の光束に分割され、それぞれ位相変調される。このう
ち＋１次回折光Ｒ-1 +1の位相は、＋ｎθだけずれて、回
折格子Ｇ３ｂに入射し、そこでこのまま直進した０次回
折光Ｒ-1 +1 0 の波面の位相は、＋ｎθ。
は、円筒多重螺旋格子Ｇ２の点Ｐ３にて反射回折され
て、＋１次回折光Ｒ-1 +1、０次回折光Ｒ-1 0 およびその
他の光束に分割され、それぞれ位相変調される。このう
ち＋１次回折光Ｒ-1 +1の位相は、＋ｎθだけずれて、回
折格子Ｇ３ｂに入射し、そこでこのまま直進した０次回
折光Ｒ-1 +1 0 の波面の位相は、＋ｎθ。
【００１７】回折格子Ｇ３ａにて光路を重ね合わされた
光束Ｒ+1 -1 0 と光束Ｒ0 +1 -1 は、干渉光となって光電素
子４ａに入射する。このときの干渉位相は、 ｛＋ｎθ｝−｛−ｎθ｝＝２ｎθ となり、円筒多重螺旋格子Ｇ２が１回転するごとに２ｎ
周期の明暗信号が発生する。
光束Ｒ+1 -1 0 と光束Ｒ0 +1 -1 は、干渉光となって光電素
子４ａに入射する。このときの干渉位相は、 ｛＋ｎθ｝−｛−ｎθ｝＝２ｎθ となり、円筒多重螺旋格子Ｇ２が１回転するごとに２ｎ
周期の明暗信号が発生する。
【００１８】回折格子Ｇ３ｂにて光路を重ね合わされた
光束Ｒ-1 +1 0 と光束Ｒ0 -1 +1 は、干渉光となって光電素
子４ｂに入射する。このときの干渉位相は、 ｛＋ｎθ｝−｛−ｎθ＋π／４｝＝２ｎθ−π／４ となり、円筒多重螺旋格子Ｇ２が１回転するごとに２ｎ
周期の明暗信号が発生すし、光電素子４ａとは明暗のタ
イミングが１／４周期だけずれる。
光束Ｒ-1 +1 0 と光束Ｒ0 -1 +1 は、干渉光となって光電素
子４ｂに入射する。このときの干渉位相は、 ｛＋ｎθ｝−｛−ｎθ＋π／４｝＝２ｎθ−π／４ となり、円筒多重螺旋格子Ｇ２が１回転するごとに２ｎ
周期の明暗信号が発生すし、光電素子４ａとは明暗のタ
イミングが１／４周期だけずれる。
【００１９】円筒多重螺旋格子Ｇ２は、図５の（ａ）の
様に格子が配列されたｎ本の格子を有するシート状のも
のを円筒形の回転部に隙間なく巻き付けてできあがる構
成の物である。以下にその螺旋の詳しい形状を記述す
る。図５の（ｂ）において、点Ｏを中心とし、点ｑを主
発点として半径ｒの円筒形の表面の螺旋曲線の位置ベク
トルｒv は、ｉ、ｊ、ｋをそれぞれｘ、ｙ、ｚ軸方向の
単位ベクトルとし、ａを定数とし、θを出発点ｑからの
ｘ−ｙ平面内の角度とすると、 ｒv ＝ｒ・Ｃｏｓ（θ）・ｉ＋ｒ・Ｓｉｎ（θ）・ｊ＋
ａ・θ・ｋ となる。この円筒形上に記録された上記方程式の軌跡
は、円筒が一回転するごとにｚ方向にａθだけずれるこ
とになる。この間にｎ本の格子が入るとするとそのｍ番
目の螺旋曲線の位置ベクトルｒvmは、Ｐを格子間のピッ
チとし、ｚm を格子の始まりのｚ方向の位置とすると、 ｒvm＝ｒ・Ｃｏｓ（θ）・ｉ＋ｒ・Ｓｉｎ（θ）・ｊ ＋（ｎＰ／（２π）＋ｚm ）・θ・ｋ となる。この螺旋が描画されている円筒螺旋格子が一回
転するごとに、ｎ本の格子が横切ることになる。
様に格子が配列されたｎ本の格子を有するシート状のも
のを円筒形の回転部に隙間なく巻き付けてできあがる構
成の物である。以下にその螺旋の詳しい形状を記述す
る。図５の（ｂ）において、点Ｏを中心とし、点ｑを主
発点として半径ｒの円筒形の表面の螺旋曲線の位置ベク
トルｒv は、ｉ、ｊ、ｋをそれぞれｘ、ｙ、ｚ軸方向の
単位ベクトルとし、ａを定数とし、θを出発点ｑからの
ｘ−ｙ平面内の角度とすると、 ｒv ＝ｒ・Ｃｏｓ（θ）・ｉ＋ｒ・Ｓｉｎ（θ）・ｊ＋
ａ・θ・ｋ となる。この円筒形上に記録された上記方程式の軌跡
は、円筒が一回転するごとにｚ方向にａθだけずれるこ
とになる。この間にｎ本の格子が入るとするとそのｍ番
目の螺旋曲線の位置ベクトルｒvmは、Ｐを格子間のピッ
チとし、ｚm を格子の始まりのｚ方向の位置とすると、 ｒvm＝ｒ・Ｃｏｓ（θ）・ｉ＋ｒ・Ｓｉｎ（θ）・ｊ ＋（ｎＰ／（２π）＋ｚm ）・θ・ｋ となる。この螺旋が描画されている円筒螺旋格子が一回
転するごとに、ｎ本の格子が横切ることになる。
【００２０】前述のように、本装置によって円筒螺旋格
子の一回転毎に位相がπ／４ずれた２つの周期２ｎの明
暗信号が得られるので、例えば不図示の信号処理回路
で、各信号の立ち上がり、立ち下がりを検出してパルス
信号を発生させれば、円筒螺旋格子の一回転毎に８ｎの
明暗信号が得られる。この場合はこのパルス信号カウン
トにより３６０／８ｎ（ｄｅｇ）の分解能で回転が検出
されることになり、ｎの値を大きく設定することにより
高分解能な回転検出が可能になる。また位相がπ／４ず
れた２つの周期信号により、不図示の信号処理回路でよ
く知られた方法により回転方向も検出される。
子の一回転毎に位相がπ／４ずれた２つの周期２ｎの明
暗信号が得られるので、例えば不図示の信号処理回路
で、各信号の立ち上がり、立ち下がりを検出してパルス
信号を発生させれば、円筒螺旋格子の一回転毎に８ｎの
明暗信号が得られる。この場合はこのパルス信号カウン
トにより３６０／８ｎ（ｄｅｇ）の分解能で回転が検出
されることになり、ｎの値を大きく設定することにより
高分解能な回転検出が可能になる。また位相がπ／４ず
れた２つの周期信号により、不図示の信号処理回路でよ
く知られた方法により回転方向も検出される。
【００２１】上記実施例は干渉光学系が非常にシンプル
な構成であり、ヘッド部が発光源、受光素子、レンズの
みで出来ているために、部品点数が少なく組立が簡単と
なり非常に小型化が可能であり、また多重螺旋格子もデ
ィスク板上に格子を形成した従来方式のロータリエンコ
ーダと異なり、円筒形状の表面に形成されている事によ
り細型化、中空化が可能である。これから非常に小型で
取り付け易いロータリエンコーダを実現できる。
な構成であり、ヘッド部が発光源、受光素子、レンズの
みで出来ているために、部品点数が少なく組立が簡単と
なり非常に小型化が可能であり、また多重螺旋格子もデ
ィスク板上に格子を形成した従来方式のロータリエンコ
ーダと異なり、円筒形状の表面に形成されている事によ
り細型化、中空化が可能である。これから非常に小型で
取り付け易いロータリエンコーダを実現できる。
【００２２】また、回転部が円盤上でなく円筒状に成っ
ており、その表面に多重螺旋回折格子が設けられている
為、円筒格子の至る所で格子ピッチが一定で、回転部の
偏心等の取り付け精度の影響を受けない。
ており、その表面に多重螺旋回折格子が設けられている
為、円筒格子の至る所で格子ピッチが一定で、回転部の
偏心等の取り付け精度の影響を受けない。
【００２３】また、格子の変位検出方向が本実施例のよ
うに円柱の母線方向にもとれ、ヘッド部の配置の自由度
が高い。
うに円柱の母線方向にもとれ、ヘッド部の配置の自由度
が高い。
【００２４】更に本実施例は３枚格子の光学系の構成を
とっている。この構成は、３枚の格子の内の１枚の格子
が格子の配列方向に１ピッチずれると、受光素子上で２
周期の明暗信号が生じる特性がある。この変位する格子
は本発明の場合、円筒形の表面に螺旋上に形成され、さ
らに多重螺旋格子となっているために、回転部がヘッド
部と相対的に一回転すると、ヘッド部の前面を見かけ
上、ｎ本の格子が横切る事になる。従って一回転で２ｎ
パルスのロータリエンコーダを構成する事ができ、ｎの
値を大きく設定することで高分解能化が可能となる。本
実施例はヘッド部の回折格子Ｇ３ａと回折格子Ｇ３ｂ
を、互いにｍＰ＋Ｐ／４だけ格子の配列方向にずらして
配置しているので、信号のタイミングがπ／４だけずれ
た出力を得る事ができ、前述のような信号処理により更
なる高分割化が可能となる。
とっている。この構成は、３枚の格子の内の１枚の格子
が格子の配列方向に１ピッチずれると、受光素子上で２
周期の明暗信号が生じる特性がある。この変位する格子
は本発明の場合、円筒形の表面に螺旋上に形成され、さ
らに多重螺旋格子となっているために、回転部がヘッド
部と相対的に一回転すると、ヘッド部の前面を見かけ
上、ｎ本の格子が横切る事になる。従って一回転で２ｎ
パルスのロータリエンコーダを構成する事ができ、ｎの
値を大きく設定することで高分解能化が可能となる。本
実施例はヘッド部の回折格子Ｇ３ａと回折格子Ｇ３ｂ
を、互いにｍＰ＋Ｐ／４だけ格子の配列方向にずらして
配置しているので、信号のタイミングがπ／４だけずれ
た出力を得る事ができ、前述のような信号処理により更
なる高分割化が可能となる。
【００２５】図６は本発明の第２の実施例の光学式エン
コーダの構成を示す斜視図で、図７がその光路を示した
上面図、図８は同側面図である。以下前述の実施例と同
様の部材には同じ符番を関する。図中、３は受光素子、
Ｇ３は光束を合成するための回折格子である。本実施例
では光束合成の為の回折格子と受光素子をそれぞれ１つ
ずつの形態にしたものである。
コーダの構成を示す斜視図で、図７がその光路を示した
上面図、図８は同側面図である。以下前述の実施例と同
様の部材には同じ符番を関する。図中、３は受光素子、
Ｇ３は光束を合成するための回折格子である。本実施例
では光束合成の為の回折格子と受光素子をそれぞれ１つ
ずつの形態にしたものである。
【００２６】発光素子１から射出した発散光束は、コリ
メータレンズで略平行光にされ回折格子Ｇ１上にて＋１
次回折光Ｒ+1、０次回折光Ｒ0 に分割される。
メータレンズで略平行光にされ回折格子Ｇ１上にて＋１
次回折光Ｒ+1、０次回折光Ｒ0 に分割される。
【００２７】＋１次回折光Ｒ+1は円筒多重螺旋格子Ｇ２
上の点Ｏ２に入射し反射回折され、−１次回折光Ｒ+1 -1
およびその他の光束の分割される。ここでｎを、円筒多
重螺旋格子の多重にしている格子の本数で、θは円筒多
重螺旋格子の回転角（ラジアン）であるとすると、−１
次回折光Ｒ+1 -1の位相ズレはここで−ｎθだけズレる。
また０次回折光Ｒ0 は円筒多重螺旋格子Ｇ２の点Ｏ３に
入射し反射回折され、＋１次回折光Ｒ0 +1 およびその他
の光束の分割される。＋１次回折光Ｒ0 +1 の位相ズレは
ここでｎθとなる。−１次回折光Ｒ+1 -1は回折格子Ｇ３
に入射し透過回折され、０次回折光Ｒ+1 -1 0 およびその
他の光束の分割される。＋１次回折光Ｒ0 +1 は回折格子
Ｇ３に入射し透過回折され、―１次回折光Ｒ0 +1 -1 およ
びその他の光束の分割される。透過回折された光束の内
光路を重ね合わされた光束Ｒ+1 -1 0 と光束Ｒ0 +1 -1 は、
干渉光となって受光素子３に入射する。このときの干渉
位相は、 ｎ（θ−（−θ））＝２ｎθ となり、円筒多重螺旋格子が一回転（θ＝２π）するご
とに２ｎ周期の明暗信号が発生する。この信号を不図示
の信号処理回路で処理して、３６０／２ｎ（ｄｅｇ）の
分解能で円筒多重螺旋格子の回転を測定することができ
る。
上の点Ｏ２に入射し反射回折され、−１次回折光Ｒ+1 -1
およびその他の光束の分割される。ここでｎを、円筒多
重螺旋格子の多重にしている格子の本数で、θは円筒多
重螺旋格子の回転角（ラジアン）であるとすると、−１
次回折光Ｒ+1 -1の位相ズレはここで−ｎθだけズレる。
また０次回折光Ｒ0 は円筒多重螺旋格子Ｇ２の点Ｏ３に
入射し反射回折され、＋１次回折光Ｒ0 +1 およびその他
の光束の分割される。＋１次回折光Ｒ0 +1 の位相ズレは
ここでｎθとなる。−１次回折光Ｒ+1 -1は回折格子Ｇ３
に入射し透過回折され、０次回折光Ｒ+1 -1 0 およびその
他の光束の分割される。＋１次回折光Ｒ0 +1 は回折格子
Ｇ３に入射し透過回折され、―１次回折光Ｒ0 +1 -1 およ
びその他の光束の分割される。透過回折された光束の内
光路を重ね合わされた光束Ｒ+1 -1 0 と光束Ｒ0 +1 -1 は、
干渉光となって受光素子３に入射する。このときの干渉
位相は、 ｎ（θ−（−θ））＝２ｎθ となり、円筒多重螺旋格子が一回転（θ＝２π）するご
とに２ｎ周期の明暗信号が発生する。この信号を不図示
の信号処理回路で処理して、３６０／２ｎ（ｄｅｇ）の
分解能で円筒多重螺旋格子の回転を測定することができ
る。
【００２８】上記第２実施例は、第１実施例に比べ半分
の光路で光学系が構成されているために、非常にシンプ
ルな構成であり、より小型化が可能である。また、干渉
領域が一対の光束内の為に安定した干渉状態が実現でき
る。これにより出力信号の振幅と位相差の安定した信号
出力を得る事ができる。
の光路で光学系が構成されているために、非常にシンプ
ルな構成であり、より小型化が可能である。また、干渉
領域が一対の光束内の為に安定した干渉状態が実現でき
る。これにより出力信号の振幅と位相差の安定した信号
出力を得る事ができる。
【００２９】図９は本発明の第３の実施例の光学式エン
コーダの構成を示す斜視図で、図１０がその光路を示し
た上面図、図１１が同側面図である。本実施例では円筒
多重螺旋格子Ｇ２とヘッド部ＨＵの対向位置において、
円筒多重螺旋格子Ｇ２の格子線方向と、ヘッド部ＨＵの
回折格子Ｇ１、Ｇ３の格子線方向が同一となるように、
回折格子Ｇ１、Ｇ３の格子の向きを設定している。その
他の構成は第２実施例と同様である。
コーダの構成を示す斜視図で、図１０がその光路を示し
た上面図、図１１が同側面図である。本実施例では円筒
多重螺旋格子Ｇ２とヘッド部ＨＵの対向位置において、
円筒多重螺旋格子Ｇ２の格子線方向と、ヘッド部ＨＵの
回折格子Ｇ１、Ｇ３の格子線方向が同一となるように、
回折格子Ｇ１、Ｇ３の格子の向きを設定している。その
他の構成は第２実施例と同様である。
【００３０】本実施例では、円筒多重螺旋格子Ｇ２の格
子線方向と、ヘッド部の回折格子Ｇ１、Ｇ３の格子線方
向が同一となっているため、合成され干渉信号光になる
２つの光束が完全に重なることから、出力振幅と位相が
安定した信号を検出できる取り付け易いロータリエンコ
ーダを実現できる。
子線方向と、ヘッド部の回折格子Ｇ１、Ｇ３の格子線方
向が同一となっているため、合成され干渉信号光になる
２つの光束が完全に重なることから、出力振幅と位相が
安定した信号を検出できる取り付け易いロータリエンコ
ーダを実現できる。
【００３１】第４実施例を説明する前に、第４実施例の
原理について、図を用いて説明する。
原理について、図を用いて説明する。
【００３２】図１２において点Ｏを中心とし、点ｑを出
発点として、中心角θにおける半径ｒが、ｒ＝ｒ0 ＋ａ
θで表される螺旋曲線を考える。ｒ0 はθ＝０における
初期値、ａは定数である。この曲線は、θ＝２πのと
き、ｒ＝ｒ0 ＋２πａとなり、この曲線を記録した回転
円盤を右回りに一回転したとき、曲線の位置は半径方向
外側へ２πａずれることになる。
発点として、中心角θにおける半径ｒが、ｒ＝ｒ0 ＋ａ
θで表される螺旋曲線を考える。ｒ0 はθ＝０における
初期値、ａは定数である。この曲線は、θ＝２πのと
き、ｒ＝ｒ0 ＋２πａとなり、この曲線を記録した回転
円盤を右回りに一回転したとき、曲線の位置は半径方向
外側へ２πａずれることになる。
【００３３】ここで図１３の様に、半径方向に初期値が
ｐずつ異なるｎ本の螺旋をａ＝ｎｐ／２πを満たすよう
に描いたとき、各螺旋の方程式は、 （ここで、ｒ01は螺旋ｒ1 のθ＝０のときの初期値とす
る。）と表される。この螺旋が描画されている円盤が右
側へ１回転するとき、半径方向外側へｎ本の平行曲線が
移動することとなる。この螺旋状格子に検出ヘッドに取
り付けられた格子の配列方向が平行になるように配置す
れば、螺旋状格子の所定対向位置に対する移動を干渉を
用いて検出することで、回転角θを検出することができ
る。
ｐずつ異なるｎ本の螺旋をａ＝ｎｐ／２πを満たすよう
に描いたとき、各螺旋の方程式は、 （ここで、ｒ01は螺旋ｒ1 のθ＝０のときの初期値とす
る。）と表される。この螺旋が描画されている円盤が右
側へ１回転するとき、半径方向外側へｎ本の平行曲線が
移動することとなる。この螺旋状格子に検出ヘッドに取
り付けられた格子の配列方向が平行になるように配置す
れば、螺旋状格子の所定対向位置に対する移動を干渉を
用いて検出することで、回転角θを検出することができ
る。
【００３４】図１４は本発明の第４の実施例の光学式エ
ンコーダの構成を示す斜視図で、図１５がその光路を示
した上面図、図１６が同側面図である。図中、Ｇ１２が
ディスクＤＳＫの面上に図１３で示したような半径方向
に一定初期値ずつ異なるｎ本の螺旋をａ＝ｎｐ／２πを
満たすように描いた形態の多重螺旋の格子（以下では円
板多重螺旋格子と呼ぶ）である。
ンコーダの構成を示す斜視図で、図１５がその光路を示
した上面図、図１６が同側面図である。図中、Ｇ１２が
ディスクＤＳＫの面上に図１３で示したような半径方向
に一定初期値ずつ異なるｎ本の螺旋をａ＝ｎｐ／２πを
満たすように描いた形態の多重螺旋の格子（以下では円
板多重螺旋格子と呼ぶ）である。
【００３５】発光素子１から射出した発散光束は、レン
ズ４で適切な集光状態の光束にされ回折格子Ｇ１上にて
＋１次回折光Ｒ+1、０次回折光Ｒ0 に分割される。
ズ４で適切な集光状態の光束にされ回折格子Ｇ１上にて
＋１次回折光Ｒ+1、０次回折光Ｒ0 に分割される。
【００３６】＋１次回折光Ｒ+1は円板多重螺旋格子Ｇ１
２上の点Ｏ２に入射し反射回折され、−１次回折光Ｒ+1
-1およびその他の光束の分割される。ここでｎを、円板
多重螺旋格子の多重にしている格子の本数で、θは円板
多重螺旋格子の回転角（ラジアン）であるとすると、点
０２における格子線の移動量はｎθ／２πピッチとな
り、−１次回折光Ｒ+1 -1の位相ズレはここで−ｎθだけ
ズレる。また０次回折光Ｒ0 は円筒多重螺旋格子Ｇ２の
点Ｏ３に入射し反射回折され、＋１次回折光Ｒ0 +1 およ
びその他の光束の分割される。＋１次回折光Ｒ0 +1 の位
相ズレはここでｎθとなる。−１次回折光Ｒ+1 -1は回折
格子Ｇ３に入射し透過回折され、０次回折光Ｒ+1 -1 0 お
よびその他の光束の分割される。点０３における格子線
の移動量はｎθ／２πピッチとなる。＋１次回折光Ｒ0
+1 は回折格子Ｇ３に入射し透過回折され、―１次回折
光Ｒ0 +1 -1 およびその他の光束の分割される。透過回折
された光束の内光路を重ね合わされた光束Ｒ+1 -1 0 と光
束Ｒ0 +1 -1 は、干渉光となって受光素子３に入射する。
このときの干渉位相は、 ｎ θ−（−θ） ＝２ｎθ となり、円板多重螺旋格子が一回転（θ＝２π）するご
とに２ｎ周期の明暗信号が発生する。
２上の点Ｏ２に入射し反射回折され、−１次回折光Ｒ+1
-1およびその他の光束の分割される。ここでｎを、円板
多重螺旋格子の多重にしている格子の本数で、θは円板
多重螺旋格子の回転角（ラジアン）であるとすると、点
０２における格子線の移動量はｎθ／２πピッチとな
り、−１次回折光Ｒ+1 -1の位相ズレはここで−ｎθだけ
ズレる。また０次回折光Ｒ0 は円筒多重螺旋格子Ｇ２の
点Ｏ３に入射し反射回折され、＋１次回折光Ｒ0 +1 およ
びその他の光束の分割される。＋１次回折光Ｒ0 +1 の位
相ズレはここでｎθとなる。−１次回折光Ｒ+1 -1は回折
格子Ｇ３に入射し透過回折され、０次回折光Ｒ+1 -1 0 お
よびその他の光束の分割される。点０３における格子線
の移動量はｎθ／２πピッチとなる。＋１次回折光Ｒ0
+1 は回折格子Ｇ３に入射し透過回折され、―１次回折
光Ｒ0 +1 -1 およびその他の光束の分割される。透過回折
された光束の内光路を重ね合わされた光束Ｒ+1 -1 0 と光
束Ｒ0 +1 -1 は、干渉光となって受光素子３に入射する。
このときの干渉位相は、 ｎ θ−（−θ） ＝２ｎθ となり、円板多重螺旋格子が一回転（θ＝２π）するご
とに２ｎ周期の明暗信号が発生する。
【００３７】上記第４実施例は干渉光学系が非常にシン
プルな構成であり、ヘッド部が発光源、回折格子、レン
ズ、受光素子だけから出来ているために、部品点数が少
なく組立が簡単となりミリサイズの小型化が可能であ
る。
プルな構成であり、ヘッド部が発光源、回折格子、レン
ズ、受光素子だけから出来ているために、部品点数が少
なく組立が簡単となりミリサイズの小型化が可能であ
る。
【００３８】また、放射状格子のようなピッチの内径側
から外径側にかけての間隔の変化がなく、検出ヘッドで
読み取る部分が円板上の半径方向に離れた２点であって
もピッチが等間隔にできるので、本実施例のように半径
方向に異なる２点から生じた回折光同士を干渉させて回
転情報信号を得る方式の光学系からなる検出ヘッドが採
用できる。また、本実施例のように格子の変位検出方向
をディスクの半径方向にも取れ、ヘッド部の配置の自由
度が高い。
から外径側にかけての間隔の変化がなく、検出ヘッドで
読み取る部分が円板上の半径方向に離れた２点であって
もピッチが等間隔にできるので、本実施例のように半径
方向に異なる２点から生じた回折光同士を干渉させて回
転情報信号を得る方式の光学系からなる検出ヘッドが採
用できる。また、本実施例のように格子の変位検出方向
をディスクの半径方向にも取れ、ヘッド部の配置の自由
度が高い。
【００３９】使用する光学ヘッドに内蔵された回折格子
Ｇ１Ｇ３のピッチは螺旋格子のピッチと同一でよい。
Ｇ１Ｇ３のピッチは螺旋格子のピッチと同一でよい。
【００４０】また、円盤上に記録された多重螺旋格子の
本数ｎを多くすることにより分解能を高めることが可能
である。
本数ｎを多くすることにより分解能を高めることが可能
である。
【００４１】本実施例では回折格子Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３か
らなる干渉光学系の構成をとっている。この構成は、前
述のように３枚の格子の内の１枚の格子が格子の配列方
向に１ピッチずれると、受光素子上で２周期の明暗信号
が生じる特性がある。この変位する格子は、円板上に螺
旋状に形成され、さらに多重螺旋格子となっているため
に、回転部がヘッド部と相対的に一回転すると、ヘッド
部の前面を見かけ上、ｎ本の格子が横切る事になる。従
って一回転で２ｎ周期の正弦波信号を出力するロータリ
エンコーダを構成する事ができ、多重螺旋格子の格子本
数の２倍の高分解能化が可能となる。
らなる干渉光学系の構成をとっている。この構成は、前
述のように３枚の格子の内の１枚の格子が格子の配列方
向に１ピッチずれると、受光素子上で２周期の明暗信号
が生じる特性がある。この変位する格子は、円板上に螺
旋状に形成され、さらに多重螺旋格子となっているため
に、回転部がヘッド部と相対的に一回転すると、ヘッド
部の前面を見かけ上、ｎ本の格子が横切る事になる。従
って一回転で２ｎ周期の正弦波信号を出力するロータリ
エンコーダを構成する事ができ、多重螺旋格子の格子本
数の２倍の高分解能化が可能となる。
【００４２】上記螺旋の方程式において、エンコーダの
要求する分解能に応じて、ａの値とｐの値をを任意に変
えることで設計の自由度が大きく、多目的の設計が可能
である。具体的には、ｐが粗くても、ａが大きければ１
回転あたりの螺旋格子の移動本数が稼げるので、分解能
が上げられる。すなわちｐとａの組み合わせにより、任
意の分解能のロータリーエンコーダが実現できる。
要求する分解能に応じて、ａの値とｐの値をを任意に変
えることで設計の自由度が大きく、多目的の設計が可能
である。具体的には、ｐが粗くても、ａが大きければ１
回転あたりの螺旋格子の移動本数が稼げるので、分解能
が上げられる。すなわちｐとａの組み合わせにより、任
意の分解能のロータリーエンコーダが実現できる。
【００４３】上記第１乃至４実施例は、光の回折干渉を
用いたロータリエンコーダであるが、回折干渉を使用し
ないスリット方式、即ち複数の格子列の重ね合わせ、横
ずらしによる透過光量の増減を利用した方式等のロータ
リエンコーダにおいても適用できる。また、上記実施例
は、３枚の回折格子Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３を用いた光の回折
干渉方式のロータリエンコーダであるが、３枚回折格子
タイプでない、例えば回折格子Ｇ１，Ｇ３を別の光学素
子（プリズムやミラー等）に置き換えた様な、回折干渉
方式のロータリエンコーダにも適用できる。
用いたロータリエンコーダであるが、回折干渉を使用し
ないスリット方式、即ち複数の格子列の重ね合わせ、横
ずらしによる透過光量の増減を利用した方式等のロータ
リエンコーダにおいても適用できる。また、上記実施例
は、３枚の回折格子Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３を用いた光の回折
干渉方式のロータリエンコーダであるが、３枚回折格子
タイプでない、例えば回折格子Ｇ１，Ｇ３を別の光学素
子（プリズムやミラー等）に置き換えた様な、回折干渉
方式のロータリエンコーダにも適用できる。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したように、格子に螺旋格子を
用いたことにより、放射状格子を用いた際のようなピッ
チの変化がなく、簡易な構成であっても検出ヘッド部の
半径方向読み取り位置が特に制約されず、かつヘッド部
の配置の自由度が高い、小型化と高分解能を両立可能な
回転検出が可能になった。
用いたことにより、放射状格子を用いた際のようなピッ
チの変化がなく、簡易な構成であっても検出ヘッド部の
半径方向読み取り位置が特に制約されず、かつヘッド部
の配置の自由度が高い、小型化と高分解能を両立可能な
回転検出が可能になった。
【図１】従来例を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例の光学式エンコーダの斜
視図である。
視図である。
【図３】第１の実施例の光路が書かれた上面図である。
【図４】第１の実施例の光路が書かれた側面図である。
【図５】多重螺旋格子の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施例の光学式エンコーダの斜
視図である。
視図である。
【図７】第２の実施例の光路が書かれた上面図である。
【図８】第２の実施例の光路が書かれた側面図である。
【図９】本発明の第３の実施例の光学式エンコーダの斜
視図である。
視図である。
【図１０】第３の実施例の光路が書かれた上面図であ
る。
る。
【図１１】第３の実施例の光路が書かれた側面図であ
る。
る。
【図１２】円板上に一本の螺旋を描画した例を示す図で
ある。
ある。
【図１３】円板上に多重螺旋を描画した例を示す図であ
る。
る。
【図１４】本発明の第４の実施例の光学式エンコーダの
斜視図である。
斜視図である。
【図１５】第４実施例の光路が書かれた上面図である。
【図１６】第４実施例の光路が書かれた側面図である。
１ 発光素子 ３、３ａ、３ｂ 受光素子 ４ コリメータレンズ Ｇ１ 回折格子 Ｇ２ 円筒多重螺旋格子 Ｇ３、Ｇ３ａ、Ｇ３ｂ 回折格子 Ｇ１２ 円板多重螺旋格子 ＨＵ ヘッド部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 哲 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ ン株式会社内
Claims (5)
- 【請求項１】 格子部と、発光素子と、該発光素子から
射出され前記格子部を経由した光束を受光するための受
光素子とを有し、該受光素子の検出に基づいて前記格子
部と前記受光素子との相対回転が検出される装置であっ
て、前記格子部が、螺旋状の格子を有する事を特徴とす
る回転検出装置。 - 【請求項２】 発光素子、該発光素子から射出された光
束を分割するための回折格子Ｇ１、該分割され位相変調
された光束を合成する事を目的とした回折格子Ｇ３、及
び該合成された干渉信号光束を受光するための受光素
子、が設けらたヘッド部と、該ヘッド部からの光束を位
相変調させヘッド部の受光素子に光束を入射させるため
の回折格子Ｇ２が設けられた相対回転部とで構成され、
前記受光素子の検出に基づいて前記相対回転部と前記受
光素子との相対回転を検出する装置であって、前記回転
部に設けられた回折格子Ｇ２が螺旋状の格子を有する事
を特徴とする回転検出装置。 - 【請求項３】 円筒形状をした基部の表面もしくは内部
に螺旋状の格子が形成されている事を特徴とする回転検
出用のスケール。 - 【請求項４】 円板上または円板内部に螺旋状の格子が
形成されている事を特徴とする回転検出用のスケール。 - 【請求項５】 前記螺旋状の格子は多重螺旋状となって
いることを特徴とする請求項１乃至４の回転検出装置ま
たは回転検出用のスケール。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13857293A JPH06347293A (ja) | 1993-06-10 | 1993-06-10 | 回転検出装置及び回転検出用のスケール |
| US08/258,443 US5537210A (en) | 1993-06-10 | 1994-06-09 | Rotation detecting apparatus and scale having a multi helix diffraction grating for the same |
| DE69420464T DE69420464T2 (de) | 1993-06-10 | 1994-06-09 | Rotationserfassungsvorrichtung und zugehörige Skala |
| EP94108863A EP0628791B1 (en) | 1993-06-10 | 1994-06-09 | Rotation detecting apparatus and scale for the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13857293A JPH06347293A (ja) | 1993-06-10 | 1993-06-10 | 回転検出装置及び回転検出用のスケール |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06347293A true JPH06347293A (ja) | 1994-12-20 |
Family
ID=15225271
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13857293A Pending JPH06347293A (ja) | 1993-06-10 | 1993-06-10 | 回転検出装置及び回転検出用のスケール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06347293A (ja) |
Cited By (28)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2302333A2 (en) | 2009-09-18 | 2011-03-30 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | Rotary encoder, rotary motor, rotary motor system, disk, and method of manufacturing rotary encoder |
| EP2302331A2 (en) | 2009-09-18 | 2011-03-30 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | Linear encoder, linear motor system, and method of manufacturing linear encoder |
| WO2011152076A1 (ja) | 2010-05-31 | 2011-12-08 | 株式会社安川電機 | ロータリエンコーダ、ロータリモータ及びロータリモータシステム |
| JP2011252713A (ja) * | 2010-05-31 | 2011-12-15 | Yaskawa Electric Corp | リニアエンコーダ、リニアモータ、リニアモータシステム |
| JP2011257166A (ja) * | 2010-06-07 | 2011-12-22 | Yaskawa Electric Corp | エンコーダ、サーボモータ、サーボユニット及びエンコーダの製造方法 |
| WO2012029927A1 (ja) | 2010-09-02 | 2012-03-08 | 株式会社安川電機 | エンコーダ、サーボモータ、及びモータユニット |
| JP2018511030A (ja) * | 2015-03-05 | 2018-04-19 | アップル インコーポレイテッド | 方向依存光学特性を有する光学エンコーダ |
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| US11194298B2 (en) | 2018-08-30 | 2021-12-07 | Apple Inc. | Crown assembly for an electronic watch |
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| US11561515B2 (en) | 2018-08-02 | 2023-01-24 | Apple Inc. | Crown for an electronic watch |
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-
1993
- 1993-06-10 JP JP13857293A patent/JPH06347293A/ja active Pending
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| EP2302333A2 (en) | 2009-09-18 | 2011-03-30 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | Rotary encoder, rotary motor, rotary motor system, disk, and method of manufacturing rotary encoder |
| US8546744B2 (en) | 2009-09-18 | 2013-10-01 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | Rotary encoder, rotary motor, rotary motor system, disk, and method of manufacturing rotary encoder |
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