JPS6166927A - 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１ｃ関Ｌ、％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
光全利用して、放射格子若しくけ回転物体の回転角度を
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、プリンター等の事務機器、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
回転機構の回転角度を検出する為の手段としてロータリ
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ヲ用いる方法は回転軸
に連絡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
ルと郷しい間隔で透光部と斧光部とを設けた所間固定の
インデックススケールとの双方のスケールｔ−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
ール方式の構成を採っている。この方法はメインスケー
ルの回転に伴って双方のスケールの透光部と遮光部の間
隔に同期し良信号が得られ、この信号を波形整形後、積
算することＫ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ハ双方のスケールの透光部と
連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６つ九。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、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浮石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
の欠点がおつ几。

本発明は被検回転物体の負＃全小さくし、被検回転物体
への取付は偏心の影響金＠減した小型でしかも島精度に
回転角にの検出ができるロータリーエンコーダーの提供
を目的とする。

本発明の目的ｆｅ達成する為のロータリーエンコーダー
の主たる％徴は円板の周囲上に格子模様Ｊｒ、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再度入射させる
為の少なくとも３枚の反射鏡と少なくとも１つの結像光
学系より成る２組のリレー光学系を有する第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、前記重ね合わせ次光束を
受光する為の受光手段とを有し、前記受光手段からの出
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
である。

次に本発明の一実施例を各図と共に説明する。

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はレーザー等の単一の波長を放射する光
源、２はコリメーターレンズ、３．１６は各々シリンド
リカルレンズ、４　＋　５　、６　、９　。

１０　、１）は各々反射鏡、７．１２は各々結像光学系
で反射鏡４，５．６と結像光学系７で第１のリレー光学
系を、反射鏡９　、１０　、　ＩＩと結像光学系１２で
第２のリレー光学系を形成している。８゜１３は各々属
波長板でレーザー１がらの直線偏光に対してその軸が４
５度と一４５度に配置されている。２つのリレー光学系
は反射鏡４と結像光学系７との光路と反射鏡９と結像光
学系１２との光路間で交差している。１４は例えば円板
上に透光部と反射部の格子模様を等角度で設けた放射格
子、１５は放射格子■４の回転軸で被検回転物体の回転
軸と連結している。１７はビームスプリッタ−で半透過
面１８　、１９　、２０を有している。２１　、２２　
。

２３　、２４は偏光板で各々の偏光板はその偏光方向が
４５度ずつずらして配置されている。２５　、２６　。

２７　、２８は各々受光素子である。

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１４上の位置Ｍ０　　に線状に照射され
る。このように線状照射することくより放射格子１４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
様のピッチ誤差全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１スリット若しくは
レンズとスリット’Ｉｒ用いて線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１４の格子模様によっ
て反射回折される。いま光束の照射部［Ｍ工における格
子模様のピッチｔ−ｐとすれば±ｍ次の反射回折光Ｌ□
　、Ｌ２の回折角度　θ１Ｓｌｎθ　−±ｍλ／ｐ　　
　　　　　　　　・・・・・・・・・（１）ｍ 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１４が、角速度ωで回転しているとする
。放射格子１４の回転中心から、照射位置Ｍ　　ｔでの
距離ｆｒとすると、照射点Ｍ□での周速度は、マーｒω
　となる。このとき、±ｍ次の反射回折光の周波数は、
次式で衣わされる量だけ、いわゆるドツプラーシフトを
受ける。

Δｆ−±マｓｉｎ＆、／λ−±ｒωｓｉｎ　ａｍ／λ・
・−・・・・・　（２） そしてこれら２つの回折光は各々第１のリレー光学系と
第２のリレー光学系より成る第２の照明手段により放射
格子１４上の入射位ｔｉｉＭＩＫ対する回転軸１５の回
転中心と略点対称の入射位置Ｍ２に再入射する。ここで
図波長板８と１３Ｆｉ各々入射する光束の直線偏光方位
に対して各々の軸が４５度と一４５度となるように配置
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２目
〜て、照射位ｉｔ　Ｍｌ　における反射回折角度θ□と
等しく、しかも放射格子１４の周速度方向との角度も等
しくなるように第１）第２のリレー光学系が配置されて
いる。

すると、照射位置Ｍ２において、±ｍ次の反射回折光束
は、重なり合い、シリンドリカルレンズ１６を透過し再
び平行光束となり、ビームスプリッタ−１７で４光束に
分割され、偏光板２１〜２４を透過して、受光素子２５
〜２８に入射する。

照射位ｔｆＭ２で反射され、重なり合つ友±ｍ次の回折
光は、放射格子】４の回転に＃−って、再び（２）式の
ドツプラー周波数シフトΔ／”ｋ受けるので、照射位置
Ｍ、で反射したときの周波数シフトと合わせて、結局、
照射位ｉｔ　Ｍ２で反射される±ｍ次の回折光の周波数
シフト量は±２Δｆとなる。このように１±ｍ次の回折
を２自愛は几光が重なり合うため、受光素子２５〜２８
の出力信号の周波数は、２Δｆ−（−２Δｆ）−４Δｆ
となる。つまり、受光素子２５〜２８の出力信号の周波
ａＦは、Ｆ−４Δｆ　−４ｒωｓｕｎθｍ／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１４の格子模様の総本数をＮ１等角度ピッチを
Δψとすれば、ｐ−ｒΔψ、Δψ−２π／Ｎより Ｆ−２１ω／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、ｊｔの間での放射格子１４の回転角を０
とすれば、ｎ−ＦΔｔ１０−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Ｋよ
って、放射格子１４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９σ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。

また、放射格子１４の透光部と反射部の線幅の誤差、あ
るいはレーザーの出方変動等によって、受光素子の出力
信号の中心レベルが変動する場合がある。そこで本実施
例においてはこの変動を抑えて、中心レベルを一定にし
、後段の信号処理全安定化する為に、１８σ位相差をも
った２つの出力信号の差動をとって、直流成分を除去す
る、いわゆるブツシュ・プル方式を用いている。

このように本実施例では回転方向を検出すると同時に１
信号の中心レベルを一定にするために１受光素子の出力
信号として、０”、９０’。

１８０°、２７０°の４つの位相差信号を用いている。

本実施例の構成では、これら４つの位相差信号を、レー
ザーの直線偏光と、２枚の４波長板８゜１３と、４枚の
偏光板２１〜２４の組み合わせで作り出している。一般
にレーザーは直ｓ偏光ｙなっているが、この偏光方位に
対して、十ｍ次回折光の各光路中に、前記のように、そ
の軸を　４ダ及び−４ぎとなるようＫｙ４波長板８．１
３を配置する。すると、４波長板８．１３を透過した光
束は、力、いに辿回りの円偏光となり、照射位置Ｍ２　
　で再び±ｍ次の反射回折光となって重なり合うと、再
び直線偏光となるが、その偏光方位が、放射格子１４の
回転に伴って変化する。この光束を、前記のように、ビ
ームスプリッタ−１７で４光束に分割し、４ダずつ偏光
方位をずらした偏光板２１〜２４ヲ介して、受光素子２
５〜２８に入射する。受光素子２５〜２８からは放射格
子１４の回転に伴って、９０°ずつ位相がずれた信号が
得られることＫなる。たとえば、受光素子２５の出カイ
ぎ号の位相全Ｏ゛とすれば、受光素子２６　、２７　、
２８の出力信号の位相は、各々９０’　、　ｔ８ｏ　、
　２７ｏ゛となる。これらの出力信号を、各々ＰＯ”９
０　。

Ｐ２Ｏ３”　２□。とする。第１図に示したように出力
信号Ｐ　とＰ２Ｏ３”　９０とＰ２□ｏを各々、差動増
幅器３０　、３１　Ｋ入力すると、差動増幅器３０　。

３１の出力信号間には９０”の位相差があり、しかも各
出力信号は、直流成分を除去し友、中心レベル一定の信
号になっている。そして、これらの信号を波形整形し、
回転方向を検出した後、カウンターに入れて積算すれば
回転角度を求めることができる。

ところで、従来から使用されているインデック、Ｃｘ　
ケ−ル方式（７）　光’Ｉｔ　式ロータリーエンコーダ
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、メインスケールの総本数Ｎと、回転角θと
の関係は、 ｎ−Ｎθ／　２ｒ　　　　　　　　　　　　　−＝−１
５１であるから、波数１個あたりの回転角ΔＯは、Δθ
−２π／Ｎ（ラジアン）　　　　　・・・・・・・・・
（６）である。これに対して、本発明では、（４）式か
ら、Δθ−π７２ｍＮ　（ラジアン）　　　　　・・・
・・・・・・（７）である。従って本実施例ｒｃｘｒＬ
げ、同じ分割数のスケールを用いた場合、従来例の４ｍ
倍の回転角検出精度が得られることＫなる。

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

い１、回転角検出精度として、たとえば３０秒ケ得るた
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　−３６０Ｘ６０Ｘ６０／３０−４λ
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、遮光部の間隔を１ＯＡｒｒＬとすｒＬば、
メインスケールの直径は、０．０１　ｖｔｙｍ　Ｘ４３
．２００／π−１３７，５ｍ＋必要になる。しかるに１
本実施例によれば、従来例と同じ回転角検出精度を得る
ためには、放射格子の分割数は１ダ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１４の格子の分割数は、４３，
２００／４−１０．８００　　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、０．００
４　ｗｔｇ　Ｘ　１０，８００　／π−１３．７５　ｍ
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得る形状としては、ｌ
／１０以下の大きさでよいことになる。従って、被検回
転物体への負荷屯、従来例とくらべて、けるが罠小さく
なり、正確な測足が行える仁とＫ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Ｍ１．　Ｍ２と放射格子５の中心と被検回転物体の回
転中心との偏心の説明図である。

本実施例において、放射格子１４上の、回転中心に関し
て点対称な２点Ｍ１．　Ｍ２を照射点、つまり測定点と
し、放射格子１４の中心と、被検回転体の（ロ）転中心
との偏心の影響全軽減している。すなわち、放射格子１
４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匹。たとえば、第２図
に示すように、放射格子１４の中心０と、回転中心０′
との間に、偏心盪がａだけ６ったとき、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十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Ｚ１祢な位置に
める測尾点Ｍ２での周波数シフトは、位ｔｉｔ　Ｍ、で
の変化とけ逆に１ｒ／（ｒ−ａ）　　からｒ／（ｒ＋ａ
）　　ｆ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Ｋよって、偏心の影響を軽減
することができる。

次に第１図に示す実施例における入射点Ｍ０゜Ｍ２　間
の結像関係について示す。

人躬点Ｍ工における光束の第２式で示すドツプラーシフ
トを入射光束の波数ベクトルを　ｋｌ、反射回折光の波
数ベクトルをに６、放射格子の速度ベクトルをｖとして
下式のに、＋　Ｊ　ｔベクトル表示にすると Δｆ−−（ｋ、　−に、　　）・Ｖ ２π 、はベクトルの内債 となる。ここでｌｋ、ｌ　−１に、ｌ　−、でおる。

第３図（イ）は入射点Ｍ工におけるベクトル（ｋｌｌ−
に、）・ｖ〉０　とし几ときのドツプラーシフトをベク
トル表示したときの説明図である。

ここで入射点Ｍ□において反射回折光が入射点Ｍ２で再
度ドツプラーシフトｔ−受けそのドツプラーシフト量が
２Δｆと々る為には入射点Ｍ２における入射光束と反射
回折光の各波数ベクトルに′、に′とすると（ｋ、、’
−に、’）・Ｖ〉Ｏテ１　　　　　　― なければならない。その為には入射点Ｍ２において上記
各ベクトルに、’　、　　ｋ、’　、Ｖは第３図（ロ）
に示すものでなくてはならない。即ち入射点Ｍ１　　で
放射格子の回転の進む方向へ反射角θで反射回折した光
束は入射点Ｍ２でその回転の進む方向から入射角θで入
射しなければならない。

一方入射点Ｍ、　　、　Ｍ２間で像の間に共役なる関係
を成立させるＩＣＦｉ所謂シャインプルーフの法則を満
す必要がある。

これらの条件を満足するリレー光学系は例えば第４図に
示す如く入射点Ｍ０でのベクトルｋ　とベクトル■とで
成す平面に含まれる帯が１回捩れて入射点Ｍ２に入射す
る構成となる。

本実施例ではこの第４白に示すリレー光学系を少なくと
も３つの反射鏡と少なくとも１つの結像光学系より達成
しているのである。

前述した各実施９１）では±ｍ次の２つの回折光を用い
た場合を示したが±ｍ次の回折光のかわりに次数の異っ
た２つの回折光を用いても良い。

又放射格子上の格子模様を透過部のみ又は反射部のみで
構成し透過回折光又は反射回折光のみを用いるよう圧し
ても良い。

又本発明において単に回転角度のみの検出を行ってもよ
くこのときは昼波長板、偏光板、ビームスプリッタ−は
不要となり、又受光素子は１個あればよい。

又本発明における光源はレーザーに限らず単一の波長全
放射する光源であれば使用可能である。

以上のように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ｆｆ！ｉのロータリーエンコ
ーダーを達成するこ２がで舞る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す構成図、第２図は放射格
子の中心と、回転中心との偏心を衣わす説明図　第３図
（イ）、（ロ）は各々入射光束と反射回折光のベクトル
表示の説明図、第４図は入射点Ｍ□　２Ｍ２間の結像関
係１に宍わす説明図でおる。図中１は光源、２はコリメ
ーターレンズ、３．１６はシリンドリカルレンズ、４，
５，６゜９　、１０　、１）は反射鏡、７．１２は結像
光学系、１４は放射格子、ｉ５け回転軸、１７はビーム
スプリッタ−１２１〜２４は偏光板、２５〜２８は受光
素子である。

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再度入射させる為の少なくと
   も３枚の反射鏡と少なくとも１つの結像光学系より成る
   ２組のリレー光学系を有する第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受光する為の
   受光手段とを有し、前記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。