JPS62200226A - 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】 （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の回折格子を複数個、
周期的に該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
転速度や回転速度の変動量等の回転状態な光電的に検出
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は例えば第８図に示す
ように回転軸３０に連絡した円板３５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３１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ックススケール３２と
の双方のスケールを投光手段３３と受光手段３４で挟ん
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、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と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。

（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が小さく、装置全体の小型
化が容易で、しかも回転状態を高精度に検出することの
できるロータリーエンコーダーの提供を特徴とする 特に回転中心からの距離が略等しい放射格子上の２点か
らの特定次数の回折光を利用することにより、放射格子
上の周辺部と内部との格子ピッチによる誤差を補正した
高精度のロータリーエンコーダーの提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 可干渉性の光束を回転物体に連結した円板上の放射格子
上の点Ｍ１と該点Ｍ、と前記円板上の回転中心から略等
しい距離の前記放射格子上の点Ｍ２の少なくとも２つの
点からの特定次数の回折光を重ね合わせ、そして受光手
段に導光し、該受光手段からの出力信号を利用して前記
回転物体の回転状態を求めたことである。

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（Ａ）は本発明の一実施例の光学系の概略図であ
る。

本実施例ではレーザー１より放射された光束なコリメー
ターレンズ２によって平行光束としビームスプリッタ−
３に入射させ被測定回転物体と連結した円板上の放射状
の回折格子が設けられている放射格子４の位置Ｍ１に入
射させている。そして放射格子４に入射し回折した透過
回折光のうち特定次数の２つの回折光、例えば＋９次と
−ｎ次若しくはｎ次とｍ次の２つの回折光を反射面を有
する光学手段５，５°により点Ｍ、と円板の回転中心Ｏ
から略等しい距離の放射格子４上の点Ｍ２に再入射させ
ている。尚、本実施例では点Ｍ、と点Ｍ２を略同一点に
設定している。そして放射格子４により再回折された特
定次数の２つの回折光をビームスプリッタ−３に入射さ
せている。そしてビームスプリッタ−３で反射した２つ
の回折光、例えばｎ次の回折を２回行った回折光束とｍ
次の回折を２回行った回折光束を重ね合わせて受光手段
６に導光している。そして受光手段６により該受光手段
６面上に形成される干渉縞の強度を検出している。

第２図は第１図で示した光学手段の一実施例の説明図で
ある。

同図においては反射鏡４０を集光レンズ４１の略焦点面
上に配置し、集光レンズ４１に平行に入射してきた特定
次数の回折光のみをマスク４２の開口部４３を通過させ
反射鏡４０で反射させた後、元の光路を逆戻りするよう
にしている。そして、その他の次数の回折光をマスク４
２により遮光している。反射手段としては、この龍笛２
図に示す機能と同一のものであれば、例えばキャッツア
イ光学系や平面鏡等どのような構成のものでも良い。こ
のような光学系を用いれば例えばレーザーの発振波長が
変化し、回折角が多少変化しても略同じ光路で戻すこと
ができる特徴がある。

本実施例において被測定回転物体が放射格子４の１ピッ
チ分だけ回転するとｍ次の回折光の位相は２ｍπだけ変
化する。本実施例では放射格子４で再回折させているの
で合計４ｍπだけ位相が変化する。同様に放射格子４に
より再回折されたｎ次の回折光の位相は４ｎπだけ変化
する。これにより全体として受光手段からは（２ｍ−２
ｎ）個の正弦波形が得られる。本実施例ではこのときの
正弦波形を検出することにより回転量を測定している。

例えば回折格子のピッチが３．２μｍ、回折光として１
次及び−１次を利用したとすれば回転物体がピッチの３
．２μｍ分だけ回転したとき受光素子からは４個の正弦
波形が得られる。即ち正弦波形１個当りの分解能として
回折格子の１ピツチの属の３２／イ・０，８μｍが得ら
れる。

本実施例では放射格子４の点Ｍ＋から回折される特定次
数の回折光束と点Ｍ２から回折される特定次数の再回折
光束との格子ピッチ誤差による回折角の誤差を軽減させ
る為に、点Ｍ、と点Ｍ２の回転中心０からの距離な略等
しくすることにより放射格子の周辺部と内側との格子ピ
ッチ誤差を軽減している。

このとき再回折させる為に用いる光学手段５゜５°とし
ては回折光束を点Ｍ、と回転中心０より略等しい距離の
点Ｍ２に再入射させることのできるものであれば第２図
に示す実施例のものに限らず、どのようなものであって
も良い。

例えば単なる平面鏡でも良く、又第３図（Ａ）。

（Ｂ）　、　（Ｃ）に示すダハ反射鏡３００でも良い。

尚、第３図において４は放射格子である。又第４図（Ａ
）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）に示すように集光レンズ若
しくはシリンドリカルレンズ４００等の焦点面に平面鏡
４０１を配置したものであっても良い。

第５図は第３図のダハ反射鏡や第４図の光学手段を用い
たときの放射格子４上の光束の入射点と再入射点との関
係を示す説明図である。同図においてａｌ、ａ２＋　ｂ
）、ｂ２　、Ｃ＋　＋　０２は各々第３図（Ａ）　、　
（ＩＩ）　、　（Ｇ）に示すダハ反射鏡３００や第４図
（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）に示す光学手段を用い
たときの各反射点と対応している点を示す。

本実施例において回転中心０からの点Ｍ１と点Ｍ２の距
離的な誤差について説明する。

放射格子の点Ｍ１における格子のピッチをＰｌ、点Ｍ２
における格子のピッチをＰ２とし、円板回転中心Ｏから
の距離を各々Ｒ，，Ｒ２とする。そうすると ２π Ｐ、＝−Ｒ，（Ｎ：１回転当りの格子数）２　π Ｐ　２＝　−Ｒ２ となる。

入射光束が第３図（八）に示すように０１の角度にてピ
ッチＰ、をもつ点Ｍ１に入射し、そこからθ２の角度に
て回折され、反射された後にピッチＰ２をもつ点Ｍ２に
０２の角度にて入射し、そこからθ３の角度にて回折さ
れる。これを式で表すと Ｐ＋（ｓｉｒｌθ　、　　−ｓｉｎθ　２　）　＝　ｎ
　λＰ２　（ｓｉｎθ２　−　　ｓｉｎθ３　）＝−ｎ
λ角度θ１．θ３が０に近いものとして ここで０１及びθ３の角度にて入射した２光束がビーム
径ｄにて干渉するとき干渉縞の明暗を検出する際に必要
となる条件は となる。よって（＋）　、　　（２）式より本実施例で
は条件式（３）を満足させるように光束の入射点Ｍ１と
Ｍ２を設定することにより測定精度の向上を図っている
。

第６図は本発明の他の実施例の光学系の概略図である。

本実施例ではレーザー１より放射された光束をコリメー
ターレンズ２によって平行光束とし偏光ビームスプリッ
タ−６０に入射させ、略等光量の反射光束と透過光束の
２つの直線偏光の光束に分割している。このうち反射し
た光束は％波長板６１を経て、円偏光とし、被測定回転
物体と連結した円板上の放射状の回折格子が設けられて
いる放射格子４の位置Ｍ＋に入射させている。そして放
射格子４に入射し回折した透過回折光のうち特定次数の
回折光を光学手段８により反射させ、光路を逆行させ放
射格子４上の点Ｍ、と回転中心Ｏから略等しい距離の点
Ｍ２に再入射させている。

そして放射格子４により再回折された特定次数の回折光
を属波長板６１を介して入射したときと９０度偏光方位
の異なる直線偏光とし偏光ビームスプリッタ−６０に入
射させている。

一方、偏光ビームスプリッタ−６０で分割された２つの
光束のうち透過した光束は％波長板６２を介し円偏光と
し、円板上の放射格子４上の位置Ｍ。

と回転軸５０に対して略点対称の位置Ｍ３に入射させて
いる。そして放射格子４に入射し回折した透過回折光の
うち特定次数の回折光を前述の光学手段８と同様の光学
手段９により光路な逆行させて放射格子４の点Ｍ３と回
転中心Ｏから略等しい距離の点Ｍ４に再入射させている
。そして放射格子４により再回折された特定次数の回折
光を％波長板６２を介し入射したときとは９０度偏光方
位の異なる直線偏光とし偏光ビームスプリッタ−６０に
入射させている。そして反射手段８を介し入射してきた
回折光と重なり合わせた後、電波長板６３を介し円偏光
とし、光分割器６４で２つの光束に分割し、各々の光束
を互いの偏光方位を４５度傾けて配置した偏光板６５．
６６を介し双方の光束に９０度の位相差を付けた直線偏
光として各々の受光手段６７、６８に入射させている。

そして受光手段６７、１３８により形成された２光束の
干渉縞の強度を検出している。

本実施例では光分割器６４により光束を２分割し各々の
光束間に９０度の位相差をつけることにより回転物体の
回転方向も判別出来るようにしている。尚、回転量のみ
を測定するのであれば光分割器６４、偏光板６５．６６
及び一方の受光手段は不要である。

第７図は第６図の実施例において放射格子４に入射する
光束の入射位置を示す説明図である。同図においては点
Ｍ１と点Ｍ３そして点Ｍ２と点Ｍ４とが各々回転中心Ｏ
に対して点対称となるように構成し、回転物体の回転中
心と放射格子の中心との偏心による測定誤差を軽減させ
ている。

尚、本実施例に於る構成は略点対称な２点からの回折光
を利用しているわけであるが、略点対称に限らず複数の
位置からの回折光を用いることにより略同等の効果を得
ることが出来る。例えば、互いに１２０°の角度を成す
３点からの回折光を利用したり、近接しない任意の２点
からの回折光を利用するのも有効である。

更に一方の光束の回転軸中心寄りの光束要素と略点対称
な位置に入射させた他方の光束の回転軸中心寄りの光束
要素とを互いに重なり合わせ、同様に回転中心の外側寄
りの光束要素同志を重ね合わせることにより、放射格子
の外側と内側のピッチの違いより生じる波面収差の影響
を除去している。

尚、本発明において使用する回折格子は、透光部と遮光
部から成る所謂振幅型の回折格子、互いに異なる屈折率
を存する部分から成る位相型の回折格子である。特に位
相型の回折格子は、例えば透明円盤の円周上に凹凸のレ
リーフパターンを形成することにより作成出来、エンボ
ス、スタンパ等のプロセスにより量産が可能である：（
発明の効果） 本発明によれば放射格子上の回転中心からの距離が略等
しい２点からの特定次数の回折光を利用することにより
放射格子上の周辺部と内部との格子ピッチの誤差を補正
した高精度の、しかも装置全体の小型化を図フたロータ
リーエンコーダーを達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光学系の概略図、第２図は
第１図の一部分の説明図、第３図（Ａ）。 （Ｂ）　、　（Ｃ）第４図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（
Ｃ）　、第５図は各々本発明の一部分の他の実施例の光
学系の概略図、第６図は本発明の他の実施例の光学系の
概略図、第７図は第６図の一部分の説明図、第８図は従
来の充電的ロータリーエンコーダーの説明図である。図
中１はレーザー、２はコリメーターレンズ、３はビーム
スプリッタ−５６１，６２，６３は％波長板、４は放射
格子、５．５’　、８．９は各々光学手段、６５．６６
は各々偏光板、６．６７、６８は各々受光手段である。 第　１　目 茶　　？　図 第　　Ｓ　　図 第　　７　　霞

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）可干渉性の光束を回転物体に連結した円板上の放
   射格子上の点Ｍ＿１と該点Ｍ＿１と前記円板上の回転中
   心から略等しい距離の前記放射格子上の点Ｍ＿２の少な
   くとも２つの点からの特定次数の回折光を重ね合わせ、
   そして受光手段に導光し、該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状態を求めたことを特徴と
   するロータリーエンコーダー。