JP2000266567A - Rotary encoder - Google Patents
Rotary encoderInfo
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- JP2000266567A JP2000266567A JP11071496A JP7149699A JP2000266567A JP 2000266567 A JP2000266567 A JP 2000266567A JP 11071496 A JP11071496 A JP 11071496A JP 7149699 A JP7149699 A JP 7149699A JP 2000266567 A JP2000266567 A JP 2000266567A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、回転物体の回転状
態を光学的に測定するロータリエンコーダに関するもの
である。[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a rotary encoder for optically measuring the rotation state of a rotating object.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来から、μｍ以下の変位を測定可能な
測定器としては、レーザー光等の可干渉性光束を使用し
て、移動物体に設けた回転回折格子からの回折光により
干渉縞を形成し、この干渉縞の明暗変化をモニタするリ
ニアエンコーダやロータリエンコーダが知られている。
このロータリエンコーダの内のインクリメンタル方式の
エンコーダは、スケールの回転に伴って発生するパルス
数を計数して、被検出物体の回転量を検出しており、被
検出物体の絶対回転位置は原点回転位置からのずれ量と
方向から求めている。2. Description of the Related Art Conventionally, as a measuring instrument capable of measuring a displacement of μm or less, a coherent light beam such as a laser beam is used to generate interference fringes by diffracted light from a rotating diffraction grating provided on a moving object. There are known linear encoders and rotary encoders which form and monitor changes in the brightness of the interference fringes.
Among these rotary encoders, the incremental encoder detects the amount of rotation of the detected object by counting the number of pulses generated with the rotation of the scale, and the absolute rotation position of the detected object is the origin rotation position. From the deviation amount and direction.
【０００３】一般にインクリメンタル方式のロータリエ
ンコーダには、１回転中に１回だけ原点位置を示す原点
信号を発生するパターンが設けられており、このときの
原点信号は光や磁気等を利用したパターン検出系を使用
して、パターンの有無又は遠近を検知して信号を発生し
ている。In general, an incremental type rotary encoder is provided with a pattern for generating an origin signal indicating the origin position only once during one rotation, and the origin signal at this time is a pattern detection using light or magnetism. The system is used to detect the presence or absence of the pattern or the distance and generate a signal.
【０００４】本出願人は特公平７―１１９６２５号公報
において、回転ディスクの直径が２０ｍｍ、１回転当り
のパルス数（正弦波周波数）が８１０００程度のロータ
リエンコーダを提案している。このロータリエンコーダ
は１パルス当りの回転ディスク周上の長さは０．７８μ
ｍで、一般的に原点位置検出装置の繰り返し再現性精度
もこの程度必要である。In Japanese Patent Publication No. 7-119625, the present applicant has proposed a rotary encoder in which the diameter of a rotating disk is 20 mm and the number of pulses per rotation (sine wave frequency) is about 81,000. This rotary encoder has a length of 0.78μ on the rotating disk circumference per pulse.
With m, the repetition reproducibility of the origin position detecting device is generally required to this degree.
【０００５】(1) 図１０は第１の従来例の原点位置検出
装置の斜視図を示し、レーザーダイオード光源１からの
光束は、コリメータレンズ２により平行光とされ、ハー
フミラー３により一部が反射され、シリンドリカルレン
ズ４により矩形状又は長楕円状断面を有する光束が回転
ディスク５上に照射される。回転ディスク５上には矩形
状の反射スリット６が形成されており、この反射スリッ
ト６に反射した光束は、シリンドリカルレンズ４を再透
過してビーム断面形状が略元通りに戻され、ハーフミラ
ー３を透過し、検出タイミングが異なるように位置をず
らして配置した２個の受光素子７ａ、７ｂに受光され
る。この両受光素子７ａ、７ｂからの出力信号を比較す
ることによって、原理的に矩形状反射スリット６の幅よ
りも高い分解能で原点位置を求めることができる。即
ち、数μｍ幅の矩形状反射スリット６を使用して、１６
角度秒程度の原点位置再現性を得ている。(1) FIG. 10 is a perspective view of a first conventional example of an origin position detecting device, in which a light beam from a laser diode light source 1 is collimated by a collimator lens 2 and a part of the light is collimated by a half mirror 3. A light beam that has been reflected and has a rectangular or elliptical cross section is irradiated onto the rotating disk 5 by the cylindrical lens 4. A rectangular reflecting slit 6 is formed on the rotating disk 5, and the light beam reflected by the reflecting slit 6 is transmitted through the cylindrical lens 4 again to return the beam cross-sectional shape to almost the original shape, and the half mirror 3 And the light is received by two light receiving elements 7a and 7b which are arranged at different positions so that the detection timings are different. By comparing the output signals from the light receiving elements 7a and 7b, the origin position can be obtained with a resolution higher than the width of the rectangular reflection slit 6 in principle. That is, using a rectangular reflecting slit 6 having a width of several μm,
Origin position reproducibility of about an angle second is obtained.
【０００６】２個の受光素子７ａ、７ｂの信号出力の比
較精度は、その信号のＳ／Ｎ比により決定するが、その
ゆらぎが原点信号検出系そのものの繰返し再現精度に相
当する。しかし、電気信号の高いＳ／Ｎ比によってμｍ
以下の繰返し再現精度が得られても、回転ディスク５の
回転中の平行軸ずれや軸の倒れがあると、検出タイミン
グがずれて原点信号検出に誤差が生ずる。The accuracy of comparison between the signal outputs of the two light receiving elements 7a and 7b is determined by the S / N ratio of the signal, and the fluctuation corresponds to the repeatability of the origin signal detection system itself. However, due to the high S / N ratio of the electrical signal,
Even if the following repetition reproducibility is obtained, if there is a parallel axis shift or axis tilt during rotation of the rotary disk 5, the detection timing is shifted and an error occurs in the origin signal detection.
【０００７】例えば、回転ディスク５がＸ−Ｘ’軸方向
に０．５μｍ横ずれして破線の位置になったとすると、
回転ディスク５上の矩形反射スリット６による反射光束
の検出タイミングは、受光素子７ａの出力をＡ、受光素
子７ｂの出力をＢとすると図１１に示すようになる。即
ち、出力Ａ、Ｂの交点のタイミングｔ１がｔ１’にずれ
てくる。これは原点信号が周上で０．５μｍずれたこと
に相当するから、誤差は直径２０ｍｍの回転ディスク５
で、｛ｔａｎ-1（０．５／１００００）×３６００｝＝
１０角度秒になる。For example, if the rotating disk 5 is shifted by 0.5 μm in the XX ′ axis direction to the position indicated by the broken line,
The detection timing of the light beam reflected by the rectangular reflecting slit 6 on the rotating disk 5 is as shown in FIG. 11 when the output of the light receiving element 7a is A and the output of the light receiving element 7b is B. That is, the timing t1 of the intersection of the outputs A and B is shifted to t1 '. This is equivalent to the origin signal being shifted by 0.5 μm on the circumference.
Then, {tan -1 (0.5 / 10,000) × 3600} =
10 angular seconds.
【０００８】また、図１２に示すように回転ディスク５
の倒れに関しても、回転軸５ａが倒れると受光素子７
ａ、７ｂ上の反射光束の照射位置がずれて、出力Ａ、Ｂ
のタイミングがずれてくる。例えば、焦点距離５ｍｍの
シリンドリカルレンズ４を用いた場合には、回転軸５ａ
の倒れ２０角度秒に対して、誤差はｔａｎ-1｛５×ｔａ
ｎ（１／６０×２）／１０｝×６０＝２０角度秒にな
る。Further, as shown in FIG.
When the rotating shaft 5a falls down, the light receiving element 7
a, B, the irradiation positions of the reflected light beams are shifted, and the outputs A, B
Timing shifts. For example, when a cylindrical lens 4 having a focal length of 5 mm is used, the rotation axis 5a
Error is tan -1 ｛5 × ta
n (1/60 × 2) / 10 ° × 60 = 20 angular seconds.
【０００９】一般に、小型のベアリング等を用いた回転
機構で、０．５μｍ以下の軸ずれや１０角度秒以下の軸
の倒れを抑制することは極めて難しい。このような回転
ディスク５の回転中の平行軸ずれや軸の倒れに対して、
本出願人は原点検出パターンを回転中心に対称な２点に
配置し、原点信号に影響を与える平行軸ずれや軸の倒れ
の方向に対して、検出信号が相殺される方式を提案して
いる。In general, it is extremely difficult to suppress an axis deviation of 0.5 μm or less and a tilt of an axis of 10 angle seconds or less with a rotating mechanism using small bearings or the like. With respect to such a parallel axis shift and axis tilt during rotation of the rotating disk 5,
The present applicant has proposed a method in which the origin detection pattern is arranged at two points symmetrical with respect to the center of rotation, and the detection signal is offset with respect to the direction of the parallel axis shift or the axis tilt that affects the origin signal. .
【００１０】(2) また、図１３は第２の従来例の原点位
置検出装置の斜視図を示し、レーザーダイオ−ド光源１
からの光束はコリメータ２により平行光とされ、ハーフ
ミラー３によって一部の光束が反射して取り出され、シ
リンドリカルレンズ４によってスケール８の移動方向Ｔ
に対してビーム断面形状を縮めて線状とし、スケール８
上の原点位置検出用の線状パターン９の通過予定地点Ｐ
に、この線状ビームが照射される。そして、通過予定地
点Ｐに反射体である線状パターン９が侵入すると、図１
４に示すように線状ビームが線状パターン９により反射
されて反射光が発生し、矢印方向Ｔへのパターン９の移
動に伴って、この反射光の進行領域が連続的に変化す
る。(2) FIG. 13 is a perspective view of a second conventional example of an origin position detecting device, and shows a laser diode light source 1.
Is collimated by the collimator 2, a part of the light is reflected and extracted by the half mirror 3, and the cylindrical lens 4 moves the scale 8 in the moving direction T.
, The beam cross section is reduced to a linear shape, and the scale 8
Expected point P of the linear pattern 9 for detecting the origin position above
Is irradiated with this linear beam. When the linear pattern 9 as a reflector enters the scheduled passage point P, FIG.
As shown in FIG. 4, the linear beam is reflected by the linear pattern 9 to generate reflected light, and as the pattern 9 moves in the arrow direction T, the traveling area of the reflected light continuously changes.
【００１１】この反射光はシリンドリカルレンズ４を再
透過してビーム断面形状がほぼ元通りに戻り、更にハー
フミラー３を透過してから２個の受光素子７ａ、７ｂに
入射する。この受光素子７ａ、７ｂのそれぞれに入射す
る光量のバランスは、線状パターン９の移動に伴って連
続的に変化し、２個の受光素子７ａ、７ｂの出力レベル
が一致したところで、スケール８の原点位置を示す信号
を発生している。The reflected light re-transmits through the cylindrical lens 4 so that the beam cross-section returns to its original shape, and further passes through the half mirror 3, and then enters the two light receiving elements 7a and 7b. The balance of the amount of light incident on each of the light receiving elements 7a and 7b changes continuously as the linear pattern 9 moves, and when the output levels of the two light receiving elements 7a and 7b match, the scale 8 A signal indicating the origin position is generated.
【００１２】しかし、図１５に示すようなスケール８上
にシリンドリカルレンズ４の焦点を設定して、ビームウ
エストを線状パターン９が通過するようにすると、ビー
ムウエストでの光束はスケール８に垂直に入射し、回折
による反射光束は入射光束の逆を進むので、２個の受光
素子７ａ、７ｂがほぼ同じ光量となって、原点位置検出
ができなくなる。従って、シリンドリカルレンズ４の焦
点位置を図１４に示すようにずらして、ビームの照射領
域であるビームスポットの線幅ｄＢと、零点検出用の線
状パターン９の線幅ｄｐの関係が、２ｄｐ≧ｄＢ≧ｄｐ
を満たすように設定している。However, when the focus of the cylindrical lens 4 is set on the scale 8 as shown in FIG. 15 and the linear pattern 9 passes through the beam waist, the light beam at the beam waist is perpendicular to the scale 8. The incident and reflected light beams due to diffraction travel in the opposite direction of the incident light beams, so that the two light receiving elements 7a and 7b have substantially the same light amount, and the origin position cannot be detected. Therefore, the focal position of the cylindrical lens 4 is shifted as shown in FIG. 14, and the relationship between the line width dB of the beam spot, which is the beam irradiation area, and the line width dp of the linear pattern 9 for zero point detection is 2dp ≧ dB ≧ dp
Is set to satisfy.
【００１３】この結果、シリンドリカルレンズ４からス
ケール８までの距離の変動は敏感になり、スケール８の
変位を測定する読取りヘッドとスケール８そのものとを
分離して、それぞれを被検物体に組み込んで使用する際
に、取付調整が極めて難しくなる。As a result, the fluctuation of the distance from the cylindrical lens 4 to the scale 8 becomes sensitive, and the read head for measuring the displacement of the scale 8 is separated from the scale 8 itself. In doing so, mounting adjustment becomes extremely difficult.
【００１４】本出願人は予め２個のビームを用意してお
き、それぞれのビームをスケール８上の互いにずらした
位置に照射する装置を提案している。例えば、互いに回
転方向に僅かにずらした矩形状反射スリットを回転ディ
スク上に設け、２個のビームをシリンドリカルレンズ４
により矩形状又は長楕円状断面を有する光束として回転
ディスク上に照射し、矩形状反射スリットからの反射光
束を２個の受光素子７ａ、７ｂにより検知している。そ
して、両受光素子７ａ、７ｂからの出力信号を比較する
ことによって、原理的にこの矩形状反射スリットの幅よ
りも高分解能で原点位置を求めて、矩形状反射スリット
の位置でビームウエストを使用することができ、取付調
整が容易なロータリエンコーダを提案している。The present applicant has proposed an apparatus which prepares two beams in advance and irradiates each beam to a position shifted from each other on the scale 8. For example, a rectangular reflecting slit slightly shifted from each other in the rotational direction is provided on a rotating disk, and two beams are provided to the cylindrical lens 4.
Irradiates the light onto the rotating disk as a light beam having a rectangular or oblong cross section, and detects the light beams reflected from the rectangular reflection slit by the two light receiving elements 7a and 7b. Then, by comparing the output signals from the light receiving elements 7a and 7b, the origin position is obtained in principle with a higher resolution than the width of the rectangular reflection slit, and the beam waist is used at the position of the rectangular reflection slit. A rotary encoder that can be easily mounted and adjusted is proposed.
【００１５】[0015]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来例(1) の原点検出パターンを回転中心に対して対称
な２点に配置して、平行軸ずれや軸の倒れを相殺する方
式では、離れた２点に光学系を正確に配置することが極
めて難しいという問題点がある。However, in the method of arranging the origin detection pattern of the above-mentioned conventional example (1) at two points symmetrical with respect to the center of rotation, and canceling out parallel axis displacement and axis tilt, There is a problem that it is extremely difficult to accurately dispose the optical system at two distant points.
【００１６】また、上述の従来例(2) のロータリエンコ
ーダにおいては、矩形状スリットを使用しているために
塵埃や傷の影響を受け易く、またスリットの幅を小さく
すると光の回折散乱が多くなって、光量の低下や焦点深
度が浅くなるという問題点が生ずる。In the rotary encoder of the prior art (2), since a rectangular slit is used, the rotary encoder is easily affected by dust and scratches. As a result, there arises a problem that the light amount decreases and the depth of focus becomes shallow.
【００１７】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
回転ディスクの回転に関する原点位置信号を高精度かつ
効率的に検出できる簡素な構成のロータリエンコーダを
提供することにある。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems,
An object of the present invention is to provide a rotary encoder having a simple configuration that can efficiently and accurately detect an origin position signal relating to rotation of a rotating disk.
【００１８】[0018]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係るロータリエンコーダは、回転物体に連結
した回転ディスクの所定面上に入射する光束の透過光を
利用して、前記回転物体の回転状態を測定する際に、前
記回転ディスクの一部に入射光束を回折出射する直線回
折格子パターンを設け、該直線回折格子パターンからの
回折出射光を集光光学系により受光センサ上に集光し、
該受光センサの集光位置を検出して、前記回転ディスク
の回転に関する原点位置信号を発生することを特徴とす
る。A rotary encoder according to the present invention for achieving the above object utilizes a transmitted light of a light beam incident on a predetermined surface of a rotating disk connected to a rotating object, to thereby control the rotation of the rotating object. When measuring the rotational state of the rotating disk, a linear diffraction grating pattern for diffracting and emitting the incident light beam is provided on a part of the rotating disk, and the diffracted and emitted light from the linear diffraction grating pattern is collected on a light receiving sensor by a condensing optical system. Light,
The light receiving position of the light receiving sensor is detected to generate an origin position signal relating to the rotation of the rotating disk.
【００１９】また、本発明に係るロータリエンコーダ
は、回転物体に連結した回転ディスクの所定面上に透過
又は反射回折格子を形成し、該透過又は反射回折格子に
入射する光束の透過又は反射回折光を利用して、前記回
転物体の原点位置を検出する際に、前記透過又は反射回
折格子は、透過又は反射回折光を少なくとも前記回転デ
ィスクの半径に対して垂直方向に集光する格子形状を有
し、前記透過又は反射回折光の集光位置に配置した受光
センサにより、前記回転ディスクの回転に伴って移動す
る透過又は反射回折光を検出して、前記回転ディスクの
回転に関する原点位置信号を発生することを特徴とす
る。In the rotary encoder according to the present invention, a transmission or reflection diffraction grating is formed on a predetermined surface of a rotating disk connected to a rotating object, and a transmission or reflection diffraction light of a light beam incident on the transmission or reflection diffraction grating is provided. When detecting the position of the origin of the rotating object by utilizing the transmission or reflection diffraction grating, the transmission or reflection diffraction grating has a grating shape for condensing transmitted or reflected diffraction light at least in a direction perpendicular to the radius of the rotating disk. Then, a light-receiving sensor arranged at the condensing position of the transmitted or reflected diffracted light detects transmitted or reflected diffracted light that moves with the rotation of the rotating disk, and generates an origin position signal related to the rotation of the rotating disk. It is characterized by doing.
【００２０】[0020]
【発明の実施の形態】本発明を図１〜図９に図示の実施
例に基づいて詳細に説明する。図１は第１の実施例の原
点検出装置の斜視図、図２は図１の線Ｙ−Ｙ’に沿った
断面図である。レーザーダイオード光源１１の出射光路
には、光源１１からの光束を平行光束Ｉ１とするコリメ
ータレンズ１２、この光束Ｉ１の一部を反射して原点検
出光束Ｉ２とするハーフミラー１３、また、回転軸１４
ａを中心に回転する回転ディスク１４、集光レンズ１
５、間隙ｇを隔てて設けられた２個の受光素子１６ａ、
１６ｂから成る２分割センサ１６が配置されている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in FIGS. FIG. 1 is a perspective view of an origin detecting device according to the first embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line YY ′ of FIG. A collimator lens 12 that converts the light beam from the light source 11 into a parallel light beam I1, a half mirror 13 that reflects a part of the light beam I1 to obtain a reference light beam I2, and a rotating shaft 14
a rotating disk 14 that rotates about a, the condenser lens 1
5, two light receiving elements 16a provided with a gap g therebetween,
A two-divided sensor 16 consisting of 16b is arranged.
【００２１】回転ディスク１４の周辺部には、円周に沿
って放射状に回折格子１４ｂが設けられ、その内側の一
部には原点検出用の１次の回折光束Ｉ３を射出する直線
回折格子１４ｃが、その向きを回転軸１４ａからの放射
線方向に対して垂直となるようにして形成されている。
また、２分割センサ１６の２個の受光素子１６ａ、１６
ｂの間隔ｇは１次の回折光束Ｉ３の集光径よりも小さく
されており、この間隙ｇが回転軸１４ａの中心と原点検
出系の光軸Ｏを結ぶ線上で、かつ１次の回折光束Ｉ３の
焦点となる円周上を移動するように、２分割センサ１６
は配置されている。A diffraction grating 14b is provided radially around the circumference of the rotating disk 14 and a linear diffraction grating 14c for emitting a first-order diffracted light beam I3 for detecting the origin is provided on a part inside the diffraction grating 14b. Are formed so that their directions are perpendicular to the direction of radiation from the rotation shaft 14a.
Further, the two light receiving elements 16a, 16
The interval g of b is smaller than the converging diameter of the first-order diffracted light beam I3, and this gap g is on a line connecting the center of the rotating shaft 14a and the optical axis O of the origin detection system, and the first-order diffracted light beam The two-divided sensor 16 is moved so as to move on the circumference which is the focus of I3.
Is located.
【００２２】レーザーダイオード光源１１からの光束
は、コリメータレンズ１２で平行光束Ｉ１となり、ハー
フミラー１３によりこの光束Ｉ１の一部が反射され、原
点検出光束Ｉ２として回転軸１４ａを中心に回転する回
転ディスク１４の原点検出部分Ｚに入射する。回転ディ
スク１４が回転して原点検出用の直線回折格子１４ｃが
原点検出部分Ｚの位置にきて、原点検出光束Ｉ２がこの
回折格子１４ｃに入射したときに、１次の回折光束Ｉ３
は図２に示すようにｓｉｎθ＝λ／ｐなる関係で出射さ
れ、集光レンズ１５の焦点位置で、原点検出光学系の光
軸Ｏからｒ＝ｆ×ｔａｎθなる距離の円周上に集光す
る。ここで、θは１次回折角、λはレーザーダイオード
光源１１の波長、ｐは回折格子１４ｃの格子ピッチ、ｆ
は集光レンズ１５の焦点距離である。そして、回転ディ
スク１４の回転に伴って回折格子１４ｃが原点検出部分
Ｚを通過すると、回折光束Ｉ３は間隙ｇを横切るように
して各受光素子１６ａ、１６ｂに受光される。The light beam from the laser diode light source 11 is converted into a parallel light beam I1 by a collimator lens 12, a part of the light beam I1 is reflected by a half mirror 13, and a rotating disk rotating about a rotation axis 14a as an origin detection light beam I2. 14 and enters the origin detection portion Z. When the rotary disk 14 rotates and the linear diffraction grating 14c for detecting the origin comes to the position of the origin detection portion Z, and the origin detection light flux I2 enters this diffraction grating 14c, the first-order diffraction light flux I3
Are emitted in a relationship of sin θ = λ / p as shown in FIG. 2, and are condensed on the circumference of a distance r = f × tan θ from the optical axis O of the origin detection optical system at the focal position of the condenser lens 15. I do. Here, θ is the primary diffraction angle, λ is the wavelength of the laser diode light source 11, p is the grating pitch of the diffraction grating 14c, f
Is the focal length of the condenser lens 15. When the diffraction grating 14c passes through the origin detection portion Z with the rotation of the rotary disk 14, the diffracted light flux I3 is received by the light receiving elements 16a and 16b so as to cross the gap g.
【００２３】図３は回折格子１４ｃが原点検出部分Ｚを
通過したときに２個の受光素子１６ａ、１６ｂから得ら
れる出力信号Ｖａ、Ｖｂを示している。受光素子１６ａ
は回折格子１４ｃが原点検出光束Ｉ２内に入る時刻ｔ１
から検出が始まり、回折格子１４ｃの全体に原点検出光
束Ｉ２が入った時ｔ２で最大となる。次に、回折光束Ｉ
３の収束光が受光素子１６ａを外れ、受光素子１６ａと
受光素子１６ｂの間隙ｇに入る時点ｔ３で急速に減少し
始め、同時或いは前後して受光素子１６ｂの検出が始ま
る。そして、受光素子１６ｂの検出は受光素子１６ａの
逆を辿る。これによって、受光素子１６ａ、１６ｂの出
力信号Ｖａ、Ｖｂの差動信号Ｖdef は、原点検出部分Ｚ
で急峻となり、出力信号Ｖａ、Ｖｂの交点でゼロクロス
し、この時刻ｔｚが原点位置に相当する。FIG. 3 shows output signals Va and Vb obtained from the two light receiving elements 16a and 16b when the diffraction grating 14c passes through the origin detection portion Z. Light receiving element 16a
Is the time t1 at which the diffraction grating 14c enters the origin detection light flux I2.
, And the maximum is reached at t2 when the origin detection light flux I2 enters the entire diffraction grating 14c. Next, the diffracted light flux I
The convergent light of No. 3 deviates from the light receiving element 16a and starts to rapidly decrease at time t3 when it enters the gap g between the light receiving element 16a and the light receiving element 16b, and the detection of the light receiving element 16b starts simultaneously or before or after. The detection of the light receiving element 16b follows the reverse of the light receiving element 16a. Thereby, the differential signal Vdef of the output signals Va and Vb of the light receiving elements 16a and 16b is
, And crosses zero at the intersection of the output signals Va and Vb, and this time tz corresponds to the origin position.
【００２４】ここで、回折格子１４ｃ全体に原点検出光
束Ｉ２が入射して、原点検出をしているときに軸ずれや
軸倒れが起きた場合に、横ずれに対しては１次の回折光
束Ｉ３の出射方向は変わらないので、原点検出には影響
を与えない。また、Ｘ方向の軸倒れに対しては、図１の
Ｘ−Ｘ’に沿った断面図である図４に示すように、回転
ディスク１４の傾きによって１次の回折光束Ｉ３は平行
に移動するが、集光レンズ１５により回転ディスク１４
の傾きが無いときの集光点と同じ位置に集光するので、
原点検出には影響を与えない。Here, if the origin detection light beam I2 is incident on the entire diffraction grating 14c and an axis shift or axis tilt occurs during the detection of the origin, the first order diffracted light beam I3 against the lateral shift. Does not affect the origin detection. In addition, as shown in FIG. 4 which is a cross-sectional view along XX ′ in FIG. 1, the primary-order diffracted light beam I3 moves in parallel due to the tilt of the rotating disk 14 with respect to the axial tilt in the X direction. Is rotated by the condenser lens 15
Because it is focused at the same position as the focal point when there is no tilt,
Does not affect origin detection.
【００２５】更に、Ｙ方向の軸倒れに対しては、図１の
Ｙ−Ｙ’に沿った断面図である図５に示すように、回転
ディスク１４の傾きによって１次の回折光束Ｉ３の出射
方向の集光点が変化するが、変化の方向がＹ軸方向なの
で、受光素子１６ａ、１６ｂの間隙ｇをＹ方向に配置す
ることによって、Ｙ方向の軸倒れに対して不感とするこ
とができるので、原点検出には影響を与えることはな
い。また、光源１１の波長λの変化に対しても、これは
Ｙ軸方向の回折角の変化なので、Ｙ方向の軸倒れに対し
てと同様に、原点検出には影響を与えない。Further, as shown in FIG. 5, which is a cross-sectional view taken along the line YY 'of FIG. 1, with respect to the axis tilt in the Y direction, the primary diffracted light flux I3 is emitted due to the inclination of the rotating disk 14. Although the condensing point in the direction changes, the direction of the change is in the Y-axis direction. Therefore, by disposing the gap g between the light receiving elements 16a and 16b in the Y direction, it is possible to make it insensitive to axis tilt in the Y direction. Therefore, it does not affect the origin detection. Also, the change in the wavelength λ of the light source 11 is a change in the diffraction angle in the Y-axis direction, and thus does not affect the origin detection as in the case of the tilt in the Y-direction.
【００２６】また、本実施例においては、原点検出用に
二次元の広がりを有する直線回折格子１４ｃを使用して
いるので、回転ディスク１４上の塵埃や傷等に対する影
響を軽減することができる。このようにして、軸ずれや
軸倒れ及び光源の波長変化に対して安定で、更に回転デ
ィスク１４上の塵埃や傷等に対して影響の少ない原点検
出を実施することができる。In this embodiment, since the linear diffraction grating 14c having a two-dimensional spread is used for detecting the origin, it is possible to reduce the influence on dust and scratches on the rotating disk 14. In this way, it is possible to detect the origin, which is stable with respect to the axis deviation, the axis tilt and the wavelength change of the light source, and is less affected by dust, scratches and the like on the rotating disk 14.
【００２７】図６は第２の実施例の断面図であり、図１
と同符号は同じ部材を示している。図１の集光レンズ１
５の代りに、１次の回折光束Ｉ３の中心にその光軸を一
致させた集光レンズ１５’が配置され、その軸上の焦点
位置に２分割センサ１６が配置されている。第１の実施
例と同様に、回折格子１４ｃから出射した回折光束Ｉ３
は、集光レンズ１５’の焦点位置でｒ＝ｆ×ｔａｎθ半
径の円周上に集光し、回転ディスク１４の回転に伴って
移動し、２分割センサ１６の受光素子１６ａ、１６ｂを
横切る。このようにして、軸ずれや軸の倒れ及び光源の
波長変化に対して安定で、更に回転ディスク１４上の塵
埃や傷等に対して影響の少ない原点検出を実施すること
ができる。FIG. 6 is a sectional view of the second embodiment, and FIG.
The same reference numerals indicate the same members. Condensing lens 1 of FIG.
Instead of 5, a condensing lens 15 'whose optical axis is aligned with the center of the first-order diffracted light beam I3 is arranged, and a two-divided sensor 16 is arranged at a focal position on the axis. Similarly to the first embodiment, the diffracted light beam I3 emitted from the diffraction grating 14c
Focuses on the circumference of the radius r = f × tan θ at the focal position of the condenser lens 15 ′, moves with the rotation of the rotary disk 14, and crosses the light receiving elements 16 a and 16 b of the two-divided sensor 16. In this way, it is possible to detect the origin, which is stable with respect to the axis deviation, the axis tilt and the change in the wavelength of the light source, and is less affected by dust and scratches on the rotating disk 14.
【００２８】第１、第２の実施例においては、集光レン
ズ１５、１５’に球面レンズを使用したが、代りにＸ軸
方向のみに集光するシリンドリカルレンズを使用し、原
点位置検出時には受光素子１６ａ、１６ｂの間隙ｇと同
じ方向に線状に集光する構成とすることができる。この
ように線状に集光することによって、２分割センサ１６
ａ、１６ｂ上の塵埃や傷等の悪影響を軽減することもで
きる。In the first and second embodiments, spherical lenses are used for the condenser lenses 15 and 15 '. Instead, a cylindrical lens for focusing only in the X-axis direction is used. A configuration in which light is condensed linearly in the same direction as the gap g between the elements 16a and 16b can be adopted. By condensing the light linearly in this manner, the two-divided sensor 16
It is also possible to reduce adverse effects such as dust and scratches on the a and 16b.
【００２９】なお、原点検出用の直線回折格子１４ｃの
格子の方向は適宜でよく、この格子の方向に合わせて２
分割センサ１６の配置位置を設定すればよい。Note that the direction of the grating of the linear diffraction grating 14c for detecting the origin may be any suitable one.
What is necessary is just to set the arrangement position of the division sensor 16.
【００３０】図７は第３の実施例の原点検出装置の斜視
図、図８は図７の線Ｘ−Ｘ’に沿った断面図である。本
実施例では集光レンズ１５は使用されず、原点検出用の
直線回折格子１４ｃの代りに、双曲線回折格子１４ｄが
回転ディスク１４の一部に形成されている。その他の構
成は図１と同様であり、同符号は同機能の部材を表して
いる。FIG. 7 is a perspective view of the origin detecting device according to the third embodiment, and FIG. 8 is a sectional view taken along line XX 'of FIG. In this embodiment, the condenser lens 15 is not used, and a hyperbolic diffraction grating 14d is formed on a part of the rotating disk 14 instead of the linear diffraction grating 14c for detecting the origin. Other configurations are the same as those in FIG. 1, and the same reference numerals denote members having the same functions.
【００３１】本実施例での双曲線回折格子１４ｄは、双
曲線の主軸が回転ディスク１４のＸ軸半径上で、ｙ＝
{(λｘ／ｐ)2‐ｈ2}1/2 なる双曲線を主軸方向にピッチ
ｐの間隙で配置した形状の格子から形成されている。ま
た、２分割センサ１６は２個の受光素子１６ａ、１６ｂ
から成り、この受光素子１６ａ、１６ｂの間の間隙ｇ
が、回転ディスク１４の半径方向で１次の回折光束Ｉ３
の線状集光点が移動する円Ｓ上にくるように、２分割セ
ンサ１６が配置されている。In the present embodiment, the hyperbolic diffraction grating 14d has a main axis of the hyperbola on the X-axis radius of the rotating disk 14, and y =
It is formed from a lattice having a shape in which a hyperbola of {(λx / p) 2 −h 2 } 1/2 is arranged at a pitch of p in the main axis direction. The two-divided sensor 16 includes two light receiving elements 16a and 16b.
And a gap g between the light receiving elements 16a and 16b.
Is the first-order diffracted light beam I3 in the radial direction of the rotating disk 14.
The two-divided sensor 16 is arranged such that the linear condensing point of the above is on the moving circle S.
【００３２】レーザーダイオード光源１１からの光束
は、コリメータレンズ１２により平行光束Ｉ１となり、
ハーフミラー１３により一部の光束が反射されて原点検
出光束Ｉ２となる。原点検出光束Ｉ２は回転ディスク１
４の双曲線回折格子１４ｄに入射し、回転ディスク１４
の回転軸１４ａに対して外側に回折する＋１次の回折光
束Ｉ３が、ｓｉｎθ＝λ／ｐなる関係で出射して、回転
ディスク１４から距離ｈの位置で線状に集光する。そし
て、この集光点は回転ディスク１４の回転に伴って、回
転ディスク１４の回転軸１４ａを中心とする円Ｓ上を移
動し、２分割センサ１６を横切る。ここで、θは１次回
折角、λはレーザーダイオード光源１１の波長、ｐは回
折格子１４ｄの主軸方向の格子ピッチ、ｈは線状集光距
離である。The light beam from the laser diode light source 11 is turned into a parallel light beam I1 by the collimator lens 12,
A part of the light beam is reflected by the half mirror 13 and becomes an origin detection light beam I2. The origin detection light flux I2 is
4 is incident on the hyperbolic diffraction grating 14d of FIG.
The + 1st-order diffracted light beam I3 diffracted outward with respect to the rotation axis 14a is emitted in a relationship of sin θ = λ / p, and is condensed linearly at a distance h from the rotating disk 14. Then, with the rotation of the rotary disk 14, the condensing point moves on a circle S centered on the rotation axis 14 a of the rotary disk 14 and crosses the two-divided sensor 16. Here, θ is the primary diffraction angle, λ is the wavelength of the laser diode light source 11, p is the grating pitch in the main axis direction of the diffraction grating 14d, and h is the linear focusing distance.
【００３３】図９は第４の実施例の断面図を示し、透過
型双曲線回折格子１４ｄを反射型双曲線回折格子１４
ｄ’とし、１次の回折光束Ｉ３の線状集光光束を受光す
る２分割センサ１６は、回転ディスク１４に対しレーザ
ーダイオード光源１１と同じ側に配置されてある。FIG. 9 is a sectional view of the fourth embodiment, in which the transmission type hyperbolic diffraction grating 14d is replaced by the reflection type hyperbolic diffraction grating 14d.
The two-division sensor 16 that receives the linear condensed light beam of the first-order diffracted light beam I3 is disposed on the same side as the laser diode light source 11 with respect to the rotating disk 14.
【００３４】図７及び図８においては双曲線回折格子１
４ｄ、１４ｄ’を使用したが、例えば円弧状回折格子で
もよく、更に回転ディスク１４の半径方向にピッチが徐
々に密となる双曲線或いは円弧回折格子によって、回折
光束Ｉ３を回転ディスク１４の半径方向にも集光するよ
うにしてもよい。7 and 8, the hyperbolic diffraction grating 1
Although 4d and 14d 'are used, for example, an arc-shaped diffraction grating may be used. Further, the diffracted light beam I3 is shifted in the radial direction of the rotation disk 14 by a hyperbolic or arc diffraction grating whose pitch gradually increases in the radial direction of the rotation disk 14. May also be collected.
【００３５】なお、２分割受光センサ１６の代りに、他
のセンサ例えば細い１ラインのセンサ、或いはスリット
と受光センサとを組み合わせたもの等を使用することも
可能である。In place of the two-part light receiving sensor 16, another sensor, for example, a thin one-line sensor, or a combination of a slit and a light receiving sensor can be used.
【００３６】[0036]
【発明の効果】以上説明したように本発明に係るロータ
リエンコーダは、回転ディスクの一部に設けた直線回折
格子パターンに光束を入射し、回折出射光を集光光学系
により集光して受光センサで検出し、回転ディスクの原
点検出信号を発生することにより、回転ディスクの回転
機構の軸ずれや軸の倒れが生じても原点位置検出の誤差
が発生せず、また回転ディスク上の塵埃や傷等に対する
影響を軽減して、高分解能を有する高精度の組み込みが
可能となる。As described above, in the rotary encoder according to the present invention, a light beam is incident on a linear diffraction grating pattern provided on a part of a rotating disk, and diffracted outgoing light is condensed by a condensing optical system and received. By detecting with the sensor and generating the origin detection signal of the rotating disk, even if the axis of the rotating mechanism of the rotating disk is misaligned or the axis is tilted, the error of the origin position detection does not occur. The effect on scratches and the like is reduced, and high-precision integration with high resolution becomes possible.
【００３７】また、本発明に係るロータリエンコーダ
は、回転ディスクの一部に設けた透過又は反射回折格子
に光束を入射し、その透過又は反射回折光を回転ディス
クの半径に対し垂直方向に集光して受光センサで検出
し、回転ディスクの原点検出信号を発生することによ
り、入射平行光束を十分に集光でき、また回転ディスク
上の塵埃や傷等に対する影響を軽減し、高分解能を有す
る高精度の組み込みを可能とし、更に、レンズとの光学
素子を使用しないので、アライメント等の調整が少なく
簡易化構造が可能となる。In the rotary encoder according to the present invention, a light beam is incident on a transmission or reflection diffraction grating provided on a part of a rotating disk, and the transmitted or reflected diffraction light is condensed in a direction perpendicular to the radius of the rotating disk. By detecting the light with the light receiving sensor and generating the origin detection signal of the rotating disk, the incident parallel light beam can be sufficiently condensed, and the influence on dust and scratches on the rotating disk is reduced, and a high resolution Accuracy can be incorporated, and further, since an optical element with a lens is not used, alignment and other adjustments are reduced and a simplified structure can be realized.
【図１】第１の実施例の斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a first embodiment.
【図２】図１の線Ｙ−Ｙ’に沿った断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along line Y-Y 'of FIG.
【図３】受光素子の出力信号のグラフ図である。FIG. 3 is a graph of an output signal of a light receiving element.
【図４】図１の線Ｘ−Ｘ’に沿った軸倒れの断面図であ
る。FIG. 4 is a sectional view of the shaft tilted along a line XX ′ in FIG. 1;
【図５】図１の線Ｙ−Ｙ’に沿った軸倒れの断面図であ
る。FIG. 5 is a sectional view of the shaft tilted along a line YY ′ in FIG. 1;
【図６】第２の実施例の断面図である。FIG. 6 is a sectional view of the second embodiment.
【図７】第３の実施例の斜視図である。FIG. 7 is a perspective view of a third embodiment.
【図８】図７の線Ｘ−Ｘ’に沿った断面図である。FIG. 8 is a sectional view taken along the line X-X 'of FIG.
【図９】第４の実施例の断面図である。FIG. 9 is a sectional view of a fourth embodiment.
【図１０】第１の従来例の斜視図である。FIG. 10 is a perspective view of a first conventional example.
【図１１】受光素子の出力信号のグラフ図である。FIG. 11 is a graph of an output signal of the light receiving element.
【図１２】軸倒れの説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram of shaft tilt.
【図１３】第２の従来例の斜視図である。FIG. 13 is a perspective view of a second conventional example.
【図１４】断面図である。FIG. 14 is a sectional view.
【図１５】検出不能時の説明図である。FIG. 15 is an explanatory diagram when detection is impossible.
【符号の説明】 １１ レーザーダイオード光源 １２ コリメータレンズ １３ ハーフミラー １５、１５’ 集光レンズ １６ ２分割受光センサ １６ａ、１６ｂ 受光素子 １４ｇ 間隙部 １４ 回転ディスク １４ａ 回転軸 １４ｂ 放射状回折格子 １４ｃ 直線回折格子 １４ｄ、１４ｄ’ 双曲線回折格子DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Laser diode light source 12 Collimator lens 13 Half mirror 15, 15 ′ Condensing lens 16 Two-part light receiving sensor 16 a, 16 b Light receiving element 14 g Gap part 14 Rotating disk 14 a Rotating axis 14 b Radial diffraction grating 14 c Linear diffraction grating 14 d , 14d 'hyperbolic diffraction grating
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金田 泰 東京都大田区下丸子三丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 加藤 成樹 東京都大田区下丸子三丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 門島 孝幸 東京都大田区下丸子三丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 法隆 榮 東京都大田区下丸子三丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA09 BB03 BB28 DD03 DD13 FF15 FF17 GG06 JJ03 KK01 LL04 MM04 MM16 MM26 QQ38 RR05 TT06 UU08 2F103 BA05 BA37 CA02 DA04 EA07 EA12 EA21 EB02 EB11 EB33 EB35 EC01 ED06 ED18 FA15 GA08 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Yasushi Kaneda 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Inside Canon Inc. (72) Inventor Naruki Kato 3-2-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon (72) Inventor Takayuki Kadoshima 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (72) Inventor Sakae Horyu 3-30-2, Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. F term (reference) 2F065 AA09 BB03 BB28 DD03 DD13 FF15 FF17 GG06 JJ03 KK01 LL04 MM04 MM16 MM26 QQ38 RR05 TT06 UU08 2F103 BA05 BA37 CA02 DA04 EA07 EA12 EA21 EB02 EB11 EB33 EB35 EB33 EB35
Claims (7)
面上に入射する光束の透過光を利用して、前記回転物体
の回転状態を測定する際に、前記回転ディスクの一部に
入射光束を回折出射する直線回折格子パターンを設け、
該直線回折格子パターンからの回折出射光を集光光学系
により受光センサ上に集光し、該受光センサの集光位置
を検出して、前記回転ディスクの回転に関する原点位置
信号を発生することを特徴とするロータリエンコーダ。When a rotation state of a rotating object is measured using transmitted light of a light beam incident on a predetermined surface of a rotating disk connected to a rotating object, an incident light beam is applied to a part of the rotating disk. Providing a linear diffraction grating pattern for diffracting and emitting,
Focusing the diffracted outgoing light from the linear diffraction grating pattern on a light receiving sensor by a focusing optical system, detecting the light focusing position of the light receiving sensor, and generating an origin position signal related to the rotation of the rotating disk. Characteristic rotary encoder.
転に伴って移動する前記回折出射光の集光点の移動方向
の動きに対して高感度を有する位置に配設した請求項１
に記載のロータリエンコーダ。2. The light receiving sensor according to claim 1, wherein the light receiving sensor is disposed at a position having high sensitivity to the movement of the converging point of the diffracted outgoing light in the moving direction with the rotation of the rotating disk.
The rotary encoder according to 1.
光素子から成り、これらの受光素子間の間隙の方向を、
前記回転ディスクの回転に伴って移動する前記回折出射
光の集光点の移動方向に対して垂直に配設した請求項１
又は２に記載のロータリエンコーダ。3. The light receiving sensor comprises two light receiving elements divided into two, and the direction of a gap between these light receiving elements is
2. A device according to claim 1, wherein said diffracted outgoing light moves along with the rotation of said rotating disk.
Or the rotary encoder according to 2.
サ、又はスリットと受光センサとを組み合わせたセンサ
から成り、前記受光センサを前記回転ディスクの回転に
伴って移動する前記回折出射光の集光点の移動方向に対
して垂直に配設した請求項１又は２に記載のロータリエ
ンコーダ。4. The light-receiving sensor comprises a thin one-line sensor or a sensor combining a slit and a light-receiving sensor, and a condensing point of the diffracted outgoing light that moves the light-receiving sensor with rotation of the rotating disk. The rotary encoder according to claim 1, wherein the rotary encoder is disposed perpendicular to a moving direction of the rotary encoder.
面上に透過又は反射回折格子を形成し、該透過又は反射
回折格子に入射する光束の透過又は反射回折光を利用し
て、前記回転物体の原点位置を検出する際に、前記透過
又は反射回折格子は、透過又は反射回折光を少なくとも
前記回転ディスクの半径に対して垂直方向に集光する格
子形状を有し、前記透過又は反射回折光の集光位置に配
置した受光センサにより、前記回転ディスクの回転に伴
って移動する透過又は反射回折光を検出して、前記回転
ディスクの回転に関する原点位置信号を発生することを
特徴とするロータリエンコーダ。5. A transmission or reflection diffraction grating is formed on a predetermined surface of a rotating disk connected to a rotation object, and the transmission or reflection diffraction light of a light beam incident on the transmission or reflection diffraction grating is used. When detecting the origin position of the transmission or reflection diffraction grating, the transmission or reflection diffraction grating has a grating shape for condensing transmission or reflection diffraction light at least in a direction perpendicular to the radius of the rotating disk, and the transmission or reflection diffraction light A rotary encoder, which detects a transmitted or reflected diffracted light that moves with the rotation of the rotary disk by a light receiving sensor disposed at a light condensing position of the rotary disk, and generates an origin position signal related to the rotation of the rotary disk. .
光素子から成り、これらの受光素子間の間隙の方向を、
前記回転ディスクの回転に伴って移動する前記透過又は
反射回折光の集光点の移動方向に対して垂直に配設した
請求項５に記載のロータリエンコーダ。6. The light receiving sensor comprises two light receiving elements divided into two, and a direction of a gap between these light receiving elements is defined by:
6. The rotary encoder according to claim 5, wherein the rotary encoder is disposed perpendicular to a moving direction of a focal point of the transmitted or reflected diffracted light that moves with the rotation of the rotating disk.
サ、又はスリットと受光センサとを組み合わせたセンサ
から成り、前記受光センサを前記回転ディスクの回転に
伴って移動する前記透過又は反射回折光の集光点の移動
方向に対して垂直に配設した請求項５に記載のロータリ
エンコーダ。7. The light-receiving sensor comprises a thin one-line sensor or a combination of a slit and a light-receiving sensor. The light-receiving sensor collects the transmitted or reflected diffracted light that moves as the rotating disk rotates. The rotary encoder according to claim 5, wherein the rotary encoder is disposed perpendicular to a moving direction of the light spot.
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| JP11071496A JP2000266567A (en) | 1999-03-17 | 1999-03-17 | Rotary encoder |
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| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040323 |
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| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040907 |