JPS6165115A - ロ−タリ−エンコ−ダ− - 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】 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全光
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。

従来よりフロッピーデスクの駆動等のコンピューター機
器、プリンター等の事栃碌器、あるいはＮＣ工作機械さ
らにはＶＴＲのキャプステンモーターや回転ドラム等の
回転機Ｘもの１ｄ転角度を検出する為の手段としてロー
タリー二ンコーダーが利用されてきている。

光弓的なロータリーエフコーターを用いる方法は回“転
軸に運んした円・仮の周囲に透光部と遮光部ｆ！：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趣光部とｔ−設は之
所謂固定のインデックススク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ッ
クススケール方式の構成全裸っている。この方法ニー１
　メインスケールの回＝に１≠って双方Ｄスケールの透
光部と遮光部の間隔に同期した浦号が得られ、この信号
ｌｒ、波形整形後、積算することにより回転角度を検出
している。

ロータリーエンコーダーでは双方のスケールの透光部と
遮光部とのスケール間隔を７４１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７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らった。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させ、遮光部
と遮光部の間隔全１回折光の影響全党けない程度まで拡
大することが考えられる。しかしこれはメインスケール
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ってく
る等の欠点があった。

本発明は被検回転物体の負ｆｒを小さくし、被検回転物
体への取付は偏・Ｌの影響？幌減し九小戚でしかも高精
度に回転角度の検出ができるロータリーエンコーダーの
提供ｆＩ：Ｅｌ的とする。

本発明の目的を達成する為のロータリーエンコーダーの
主たる特徴は円板の周−上に格子模様を複ｅｉ’ｌ固等
角度に配置した放射格子と前記放射格子と連結した回転
物体と前記放射格子に光束を入射させる為の第１の照明
手段と前記放射格子に入射した前記光束からの回折光の
つち特定の次数の２つの回折光を前記第１の照明手段に
よる光束の前記放射格子上の入射位置に対する前記回転
物体の回転中心と略点対称の位置に各々ハ波長板を介し
て再度入射させる為の第２の照明手段と前記放射格子に
より丹戚回折された符定の次数の２つの回折光を重ね合
わせた後、前記重ね合わせた光束を２つの光束に分割す
る為の光分ｉす手段と前記光分割手段により分割された
２つの光束を各々偏光板を介して受光する為の２つの受
光手段と金有し、前記２つの受光手段からの出力１言号
を利用して前記回転物体の回転角度を求めたことである
。

次に本発明の一実施例で各図と共に説明する。

第１図は不発明の一実施例の概略図でらる。

同図に２いて１はレーザー等の光源、２はコリメーター
レンズ、３１〜３３．３’〜３３′はシリンドリカルレ
ンズ、４１．　４２．　４１’　、　　４□′は反射鏡
、５は円板上に例えば透光部と反射部の格子模様を等角
にで設は友放射格子、６は被検回転物体の回転軸、７　
、７’は昼波長板でレーｆ−１からの光束の直線偏光に
対してその軸が４５度と一４５度となるように配置嘔れ
ている。８はビームスグリツタ−１９，９′ｆｉ偏光板
で偏光ｍ９，９′とは互いに偏光方位が・１５度になる
ように配（）ｔされている。１ｏ　、　１．０’は父兄
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により略平行光束となり、シリンドリカルレンズ３□
によって放射格子５上の位ｆｉＭ工に線状に照射される
。このように線状照射することにより放射格子５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
ピッチ誤差を軽減することができる。

尚シリンドリカルレンズの代わりにスリット若しく　ｉ
ｄレンズとスリットｒ用いて粉状照射するようにしても
良い。

レーザー１からの光束は放射格子５の格子模様によって
反射回折される。い１元束の照射位置Ｍ１における格子
模様のピッチをｐとすれば１ｍ次の反射回折光り、Ｌ２
０回折角度　θ。

は δ１ｎθ１−±ｍλ／ｐ　　　　　　　　　・・−・・
・・・・＋１１で表わされる。ここでλは光束の波長で
ある。

いま、放射格子５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Ｍ、までの距離全ｒ
とすると、照射点Ｍ１での周速１吏は、ｖ−ｒω　とな
る。このとき、±ｍ次の反射回折光の周波数は、次式で
表わされる量だけ、いわゆるトノグラ−シフトを受ける
。

Δｆ−±７３ｔｌｌθ　／λ−±ｒｃｄＳｌｎθｍ／λ
・・・・・・・・・（２） そして、シリンドリカルレンズ３．　３３に介して、反
射鏡４，４□で、±ｍ次の反射回折光を、回転中心に略
点対称な位ｒｔ　Ｍ２に、反射鏡４′、４゜′、蚤波長
板７及び７′、／リントリカルレンズ３′、３３′を介
して、再び線状に照射する。ここで、曇波長板７と７′
とは、入射するレーザーの直線偏光方位に対して、各々
の軸が、４５°及び−４ぎとなるように配置されている
。また、照射位置Ｍ２への入射角は、各々の回折光に対
して、照射位置Ｍ０における反射回折角曲θ　と等しく
、シかも放射格子５の周・＝ｒｒ虻方白方向角度も等し
くなるように反射鏡４、’、４□′が配［鉦されている
。すると、照射位置Ｍ２　　において、±ｍ次の反射回
折光は、重なり合い、シリンドリカルレンズ３□′を透
過し再び平行元来となり、ビームスプリッタ−８で２光
束に分割され、偏光板９，９′を透過して、受光素子１
０　、１０’に入射する。照射位置Ｉ！４□で反射され
、重なり合った±ｍ次の回折光は、放射格子５０回転に
伴って、再び（２）式のドツプラー、＠波数シフト　Δ
ｆを受けるので、照射位ｆｔ　Ｍ工で反射したときの周
波数／フトと合わせて、結局、照射位置Ｍ２で反射され
る±ｍ欠の回折光つ周波数７７ト量は±２Δｔとなる。

このように、±ｍ次の回折全２回受けた光が豆なり合う
定め、受光素子１０　、１０’の出力信号の周波ａば、
２Δｆ−（−２Δｆ）−４Δｆとなる。つまり、受光素
子１０　。

１０′の出力信号の周波数Ｆは、Ｆ−４ΔＪ’　−４ｒ
ωｓｉｎθ／λ　となり、（１）式の回折条件の式から
、Ｆ　−４ｍｒω／ｐとなる。放射格子５つ格子模様の
総本ａをＮ１等角度ピッチ全Δψとすれば、ｐ−ｒΔψ
、Δψ−２π／Ｎ　より Ｆ　−２ｍＮω／　ｗ　　　　　　　　　−・−＋３１
である。いま、時間Δｔの１−での受光素子の出力信号
の波数をｎｌ　Δｔの１団での放射格子５の回転角をθ
とすれば、ｎ−ＦＡｔ、、θ−ωΔｔよりｎ　−２ｍＮ
θ／π　　　　　　　　　　　　・・・・・・−・・　
（４）となり、受光素子の出力信号波形の波数をカウン
トすることによって、放射格子５の回転角θを、（４）
式によっ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。その為
不実施例においては、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ｆｔｉ’ｊの受
光素子を用意して、互いの信号の位相が９０°ずれるよ
うに：配置し、回転に伴う９０′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ｉ累子１０　、１０’の出力信号
間の９０′位相ずれを、レーザーの直線偏光と、昼波長
板及び偏光板を組み合わせて作り出している。すなわち
、一般に、レーザーは直線偏光になっているが、この偏
光方位に対して、２枚の昼波長板７．７′を、ぞの→１
ｈが±４５゛方同１こなるように配置する。すると、１
／４波長板７　、７／−ｒ。

透過した光束は、互い）（通回りの円−１（４元となり
、照射位置Ｍ２で反射回折して重なり合うと、再び直線
偏光となるが、その調光方位が、放射格子５の回転に伴
って変化する。そして、受光素子１０　、１０’の前面
に設けた偏光（６，ｇ　、　９’の偏光方位を互いに４
５′ずらすことによって、受光素子１０　、１０’の出
力は考量に９０°の位相差を４えることができる。そし
て第１図に示すようにＩＪ−１えぽ受光素子１０　、１
０’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Ｆ７？ｊ、ｆ−ｆ　ｒＬＩｄ回転角度を
求めることができる。

ところで、便米〃為ら使用さ几ているイノデックススケ
ール方式の光′ａ式のロータリーニアコーダーでは、（
４）式に対応する、受光素子からの出力信号の波数ｎと
、メインスケールの比本数Ｎと、回転角θとの関係は、 ｎ−Ｎθ／２π　　　　　　　　　−・・・・・・・（
５）であるから、？及奴１１固ろたりの回転角Δθは、
Δθ−２π／Ｎ（ラジアン）　　　　　・・・・・・・
・１６゜である。これに対して、不実施？／１」で汀、
（４）式から、 Δθ・−π／　２ｍＮ　（ラジアン）　　　　　・・・
・・・・１７）である。

矢って本実施例によれば同じ分割数のスケールを用いて
も従来列に比べて４ｍ　ｌ＠の消、１矩で口伝角度の検
出が出来ることになる。

また、従来の光゛屯弐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、尤の回折の彰１１　（ｉ
ｌ−拷慮すると、１０μｍ程度が限１ｋｌである。

いま、回転角暎出精ｒｔとして、たとえば３０秒を併る
だめには、従来例では、メインスケールの分と（ｊ叔と
して、（６）式から、Ｎ　−３６０Ｘ６０Ｘｔノ０／３
０−４．丸２００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、Ｃｔ部の間隔を１０　　μｍと
すれば、メインスケールの直径は、０．０１　ｒｎｍ　
Ｘ４３．２００　／　ｗ　−１３７，５Ｔｒａｎ必安に
なる。しかるに、本実施例によれば、従来例とｌｌ−１
Ｊじ回転角の検出精１５金峙るためには、放射格子の分
別数は１／４ｍでよい。±１次の回折光を用いたｍ　−
１の場合１．３０抄の回転角検出１Ｎ匿を得るための放
−！１格子５の＋ｚ子の分割数は、４３．２００／４−
１０，８００　　ｆ　ｊ　イ。

そして、７−実がｉ　”（９１１においてレーザーの一
祈元を用いれば透光部と反射部の１４１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、０００本ｍｌＸ　１０．８００／π−１３７５
−でよいことになる。すなわち、本実施例によれば、従
来のインデッ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倚る形状としては、
１７１０シＪ下の大ききでよい。

従って、仮構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、正り１ｒな測定が行えることにな
る。

第２図は第１図の一部分の放射格子５上の光束の照射位
置Ｍエ　１Ｍ２　と放射格子５の中Ｉｂと被検回転物体
の回転中心との偏心の祝明必でらる０ さて、本実施例においてＦ′ｉ放射格子Ｓ上の、回転中
心に関して点対称な２点Ｍよ　２Ｍ２を照射点、つまＶ
測定点とし、放射格子５の中心と、被検回転体の回転中
心との偏ＩＬの影響を軽減している。すなわち、放射格
子５の中心と、回転中心と・と完全に一致させることは
困難であり、両者の偏）ｕは避けられない。たとえば、
第２図に示すように、放射格子５の中心Ｏと、回転中心
Ｏ′との間に、偏心量がａだけあったとき、回・広巾・
し・から電離ｒの位ｌ破にある４１１１定点Ｍ、でのド
ツプラー周波数ンフトは、Ｌ編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ｑ　Ｃｔ　”ｌ　と、回
転中心に対して点何称な泣（ｌｋにある測定点ＮＩ２で
の周彼以ンフトは、立直ｆ１ｉ１　での変化とは逆に、
ｒ／（ｒａ）　　からｒ　／　（ｒ　＋　ａ　）　　ま
で変化するから、位置Ｍ　　とＭ２と同時に２点を測定
点とすす ることによって、圓・し・の影響を軽減することができ
、この結果高楯Ｑｌに回転速度を検出することができる
。

第３；６１は本発明の池の夫ｊＭ　ｌ＆ｉ」の一部分の
概略凶であり第１区の放射格＋５に光束か入射するｒｔ
Ｑ４　’、ｒ示している。回凶において各女素に付され
た＋；ｒ　”フンユ弔１凶で不レグｃものと１６」じ匁
★（を示す。放射格子５の位ｉ　Ｍ□に入射した光束の
±ｍ次の透過回折光を７リンドリカルレンズ３□、　３
３．３．；　、　３３′、反射部４．，４□　８４、′
。

４□′　を介して回転軸６の中心とｄ４点Ｘ１弥の位置
Ｎ１２　　に再度入射式せ第１図に示した実施汐１」と
両様の効果を１４ている。

前述した各実施例では±ｍ仄の２つの回折光を用いた場
合を示したが±ｍ仄の回折光のかわりに矢数の異つ之２
つの回折光を用いても°良い。

又放射格子上の格子１莫様を通過部のみ又は反射部のみ
で構成し達過回折り０又は反射回折光のみを用いるよう
にしても良い。

尚本発明において回転角度の口伝方向の検出をしなく単
に回転角度のみの画定全行うようにしても良い。この場
合は第１図に示したビームスプリッタ−８、珈光板９，
９′、５／４彼艮鈑７゜７′及び受光Ｘ　−＋　１０’
等は不敗となる。

又不発明における光源はレーザー（こ峡らず単一の′ｅ
、長を放射する光源であれば臥田町馳である。

Ｐ１上のようにオー発８［３Ｐこよれな仮恢ロΦバ吻１
仝のｆ９．６丁の小さい、放射格子の中）ｂと回転物体
の回転中心との獅１ｔＬ−誤差ｔ−牡減し次小型でしか
も扁祠度のロータリーエンコーダーを達成することがで
きる。

４、図ｉＩｉの曲率な品明 第１図は本発明の実施例を示す構成図、第２１０は放射
格子の中心と、回転中心との偏心ｔ″衣わす計？明区１
、単３区１は本発明の力Ｉ］の実施例をボす部分＋４成
因でおる。

１け１／−ザー、２はコリメーターレンズ、３１〜３３
，３、′〜３３′はシリンドリカルレンズ、４□、４□
１４□′、４イは反射碗、５は放射格子、６は被検回転
物体の回転軸、７，７′は４波長板、８１−ｔビームス
プリッタ−１９，９′は偏光板、１０゜■’ｌ−，ｒ受
光累子である。

時許出枳人　キャノン株式会社 第　　１　゛２

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）円板の周囲上に格子模様を複数個等角度に配置し
   た放射格子と前記放射格子と連結した回転物体と前記放
   射格子に光束を入射させる為の第１の照明手段と前記放
   射格子に入射した前記光束からの回折光のうち特定の次
   数の２つの回折光を前記第１の照明手段による光束の前
   記放射格子上の入射位置に対する前記回転物体の回転中
   心と略点対称の位置に各々１／４波長板を介して再度入
   射させる為の第２の照明手段と前記放射格子により再度
   回折された特定の次数の２つの回折光を重ね合わせた後
   、前記重ね合わせた光束を２つの光束に分割する為の光
   分割手段と前記光分割手段により分割された２つの光束
   を各々偏光板を介して受光する為の２つの受光手段とを
   有し、前記２つの受光手段からの出力信号を利用して前
   記回転物体の回転角度を求めたことを特徴とするロータ
   リーエンコーダー。
2. （２）前記第１及び第２の照明手段は前記放射格子の格
   子の放射方向と直交する方向に線状に前記光束を照射さ
   せたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のロー
   タリーエンコーダー。