JPH074935A

JPH074935A - 回転角検出装置

Info

Publication number: JPH074935A
Application number: JP5143223A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Iwasaki; 裕隆岩崎
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-06-15
Filing date: 1993-06-15
Publication date: 1995-01-10

Abstract

(57)【要約】【目的】小型でかつ回転角の検出精度が高い回転角検出
装置を提供すること。【構成】回転角検出装置は、所定の軸(O) を中心として
回転可能に設けられ、かつこの軸を中心とした対数螺線
形状の反射手段(13)と、反射手段との距離を光学的に測
長する干渉計(22)とを有する。この干渉計は、反射手段
上の所定の点(P)における法線(PR)に沿った距離を測長
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転の角度を検出する
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の回転角検出装置として、ロータリ
ーエンコーダが知られている。このロータリーエンコー
ダは、回転軸と、この回転軸に連動して回転可能に設け
られかつ回転軸を中心とした放射状のピッチを有するメ
インスケールが刻印された円盤と、このメインスケール
に対して平行光を供給する光源及びコンデンサレンズ
と、メインスケールの透過方向に配置され所定形状の開
口部を持つインデックススケールと、インデックススケ
ールを介した光を光電変換する受光素子とを有するよう
に構成される。ここで、回転軸の回転に伴って円盤が回
転すると、インデックススケールに対してメインスケー
ルが移動する。そして、受光素子は、メインスケールの
移動に伴う光量変化を光電変換して、鋸状のパルスを出
力する。このパルスは、回転軸の回転角に対応してお
り、パルスをカウントすれば、回転角の検出ができる。

【０００３】そして、近年、ロータリーエンコーダの回
転角の検出精度の高精度化が望まれている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の如きロータリー
エンコーダにおいては、円盤のメインスケールのピッチ
を細かくするか、円盤を大型化することで、検出する回
転角の高精度化を図ることができる。しかしながら、メ
インスケールのピッチの微細化には、限界があり、現在
の微細加工の技術においては、これ以上の微細化を図る
ことが困難であった。また、円盤の大型化は、ロータリ
ーエンコーダの大型化を招く問題点がある。

【０００５】そこで、本発明は、小型でかつ回転角の検
出精度が高い回転角検出装置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】上述の目的を達成するた
めに、本発明による回転角検出装置は、例えば図１に示
す如く、所定の軸(O) を中心として回転可能に設けら
れ、かつこの軸を中心とした対数螺線形状の反射手段(1
3)と、反射手段との距離を光学的に測長する干渉計(22)
とを有するように構成される。そして、干渉計は、反射
手段上の所定の点(P) における法線(PR)に沿った距離を
測長する。

【０００７】ここで、上記の干渉計(22)は、光導波路型
干渉計であることが望ましい。

【０００８】

【作用】上述の構成の如き本発明によると、干渉計から
の光は、対数螺線形状の反射面によって反射されて、再
び干渉計に達する。ここで、対数螺線形状の反射面上で
の光が反射される点（反射点）と回転軸との距離（以
下、動径と称する）は、対数螺線形状の反射面の回転角
（回転軸を中心とした回転の角度）に対して等比級数的
に変化する。従って、干渉計と反射面上の反射点との距
離を測長することで対数螺線形状の反射面の回転角を検
出できる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明による実施例を
説明する。図１は、本発明による回転角検出装置の構成
を模式的に示す図である。図１において、アーム１０
と、アーム１１とは、点Ｏを中心として回転自在に設け
られている。アーム１０には、アーム１０の回転に連動
して回転するピン１２が設けられている。このピン１２
の内部には、対数螺線形状の反射面１３ａを持つ反射部
材１３が固設されている。そして、アーム１１には、Ｏ
ＥＩＣ型の微小干渉計である測長部２２がマウント２に
よって固設されている。

【００１０】測長部２２からのレーザ光は、対数螺線形
状の反射面１３ａ上の点Ｐに向けて投射される。このと
き、測長部２２からのレーザ光は、反射面１３ａ上の点
Ｐでの法線に沿って進行する。ここで、対数螺線形状の
反射面１３ａは、その中心Ｏからの距離（動径）をｒ、
任意の回転角をθとするとき、以下の（１）式にて示さ
れる。

【００１１】

【数１】

【００１２】ただし、ａ、ｋは、定数である。ここで、
対数螺線の中心Ｏを原点にとする極座標系を考えたと
き、対数螺線は、θ＝定数の直線と、この直線の接線と
のなす角度が一定であるという性質を有する。すなわ
ち、図１において、対数螺線形状の反射面１３ａが回転
した場合でも、∠ＯＰＴは一定である。このため、反射
面１３ａが回転した場合でも、測長部２２からのレーザ
光と、この反射面１３ａ上でレーザ光が投射される点Ｐ
での接線ＰＴとのなす角が常に直角となる。従って、測
長部２２から点Ｐへのレーザ光は、再び測長部２２へ戻
ることになる。

【００１３】図２は、測長部２２の構成の一例を模式的
に示す図である。図２において、測長部２２は、干渉計
ヘッド部２０と信号処理部２１とから構成されている。
干渉計ヘッド部２０において、半導体レーザ３１からの
レーザ光は、例えばＧａＡｓからなる基板３８上に設け
られた光導波路を伝播し、光導波路の光分割部３３に達
する。光分割部３３に達したレーザ光は、参照光と測定
光とに分割される。ここで、参照光は、光導波路の参照
光路３２ａに沿って伝播し、基板３８上に設けられたグ
レーティングミラー３４に達する。また、測定光は、光
導波路の測定光路３２ｂに沿って伝播し、ロッドレンズ
３５に達する。このロッドレンズ３５は、光軸垂直方向
に沿って所定の屈折率分布を有するように構成され、測
定光路３２ｂから射出するレーザ光を平行光束に変換し
て射出する機能を有する。

【００１４】ロッドレンズ３５から射出した測定光（レ
ーザ光）は、反射面１３ａにて反射され、再びロッドレ
ンズ３５に達し、測定光路３２ｂを伝播する。一方、グ
レーティングミラー３４に達した参照光は、このグレー
ティングミラー３４にて反射され、参照光路３２ａを伝
播する。これらの測定光と参照光とは、光分割部３３に
達する。

【００１５】ここで、反射面１３ａ上の点Ｐと測長部２
２との距離が変化すると、測定光と参照光との位相差が
変化する。光分割部３３に達した測定光と参照光とは、
それぞれ干渉し、上記位相差に対応する光強度を有する
干渉光となる。この干渉光は、光導波路を伝播して、例
えばフォトダイオード等からなる検出素子３７に達す
る。検出素子３７は、干渉光の光強度の変化（明暗の変
化）を光電変換して、信号処理部２１へ出力する。信号
処理部２１は、検出素子３７からの出力信号、すなわち
干渉光の明暗変化に対応する出力信号をカウントするこ
とにより、反射面上の点Ｐと測長部２２との距離を求
め、この距離から反射部材１３の回転角を算出する。

【００１６】以下、図３を参照して具体的な算出方法に
ついて詳述する。なお、図３では、対数螺線形状の反射
面１３ｂを図示省略している。図３において、直線ＰＲ
と直線ＯＰとのなす角をω、原点Ｏを通る直線ＰＲの法
線と直線ＰＲとの交点をＱ、原点Ｏと点Ｐとの距離をｒ
とするとき、以下の式が成立する。

【００１７】

【数２】

【００１８】

【数３】

【００１９】ここで、直線ＰＲと軸０−πとのなす角α
は、一定であるため、

【００２０】

【数４】

【００２１】が成り立つ。以上の（１）式〜（４）式よ
り、

【００２２】

【数５】

【００２３】が求められる。これより、距離ＰＲから回
転角θを算出できる。また、本実施例による回転角検出
装置の検出精度は、測長部２２のレーザ光の波長λ、反
射面１３ａの形状を規定する（１）式中の定数ａによっ
て定まる。すなわち、レーザ光の波長λが短ければ、距
離ＰＲの測長精度が向上するため、検出精度も向上す
る。また、（１）式中の定数ａが大きければ、回転角θ
の変化量に対する動径ｒの変化量が増加するため、距離
ＰＲの測長精度が同じ場合であっても、回転角の検出精
度の向上を図ることができる。

【００２４】ただし、上記定数ａは、測長部２２と反射
面１３ａの中心との距離をＬとするとき、以下の（６）
式を満足することが望ましい。

【００２５】

【数６】

【００２６】ただし、Ｌ＞Ｏ、対数の底はｅである。定
数ａがこの（６）式の範囲から外れるときには、反射面
１３ａの大型化を招くため好ましくない。なお、上記実
施例において、反射面１３ａの幅（紙面垂直方向での
幅）は、測長部２２から投射されるレーザ光のビーム径
よりも広いことが望ましい。

【００２７】このように、本実施例によると、レーザ光
の波長（数百ｎｍ程度）による絶対測長に変換して回転
角θの検出を行なうため、原理的に高精度な回転角の検
出が達成できる。また、本実施例では、ＯＥＩＣ型の微
小干渉計を用いているため、装置全体の小型化をも達成
できる。

【００２８】

【発明の効果】以上にように、本発明によれば、小型で
かつ回転角の検出精度が高い回転角検出装置を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による回転角検出装置の一例を示す模式
図である。

【図２】本発明による回転角検出装置に用いる干渉計の
一例を示す模式図である。

【図３】測長部−反射面間の距離と回転角との関係を説
明するための平面図である。

【符号の説明】

１３…反射部材、１３ａ…反射面、２２…測長部、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の軸を中心として回転可能に設けられ
かつ前記軸を中心とした対数螺線形状の反射手段と、該
反射手段との距離を光学的に測長する干渉計とを有し、
前記干渉計は、前記反射手段上の所定の点における法線
に沿った距離を測長することを特徴とする回転角検出装
置。
【請求項２】前記干渉計は、光導波路型干渉計であるこ
とを特徴とする請求項１記載の回転角検出装置。