JP2586122B2 - ロータリーエンコーダ - Google Patents

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に関し、特に円周上に
放射状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、周期的に刻んだ回折格子を回転物体に取付け、
該回折格子に例えばレーザーからの光束を照射し、該回
折格子からの回折光を利用して、回折格子若しくは回転
物体の回転速度や回転速度の変動量等の回転状態を光電
的に検出するロータリーエンコーダに関するものであ
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工作機器、
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が利用されて
きている。

本出願人は例えば特開昭62−163918号公報や特開昭62
−163919号公報等において、被検回転物体に設けた回折
格子に光束を入射させ、該回折格子からの特定次数の２
つの回折光を重ね合わせて干渉縞を形成し、該干渉縞に
基づく光量の周期的変化を受光手段で受光することによ
り被検回転物体の変動量に対応した周期信号を得るよう
にしたロータリーエンコーダを提案している。

この回折格子を利用したロータリーエンコーダにおい
て、被検回転物体の角度検出分解能を向上させる一方法
として光束の回折格子で回折させる回数を増やす方法が
ある。

例えば回折格子からのｎ次の回折光は回転円板の周方
向の移動距離をｘ、回折格子の格子ピッチをＰとすると
回折の前後で位相は２πnx/Pだけ変化する、そこでｎ次
の回折光を再度回折格子に入射させ、それからのｎ次の
回折光を検出するようにすると回折の前後で更に位相は
２πnx/Pだけ変化する。つまり回折格子に入射させて回
折光をとり出す回数をｍとすると、回折の前後で位相が
２πmnx/Pだけ変化する。しかしながら一般に回折の回
数が増加すると、それにつれて受光手段で受光される光
量は減少する。

この為、例えばビームスプリッターやミラーを用いて
光路を設定する際に偏光状態に関するアイソレーション
構造にして光束の分離や結合の際に生じる損失を少なく
する必要がある。又、従来のロータリーエンコーダにお
いて回転円板の回転方向を検出する為には＋ｎ次回折光
の−ｎ次回折光に対する位相のずれの方向（符号）を判
別する必要がある。

この他、従来のロータリーエンコーダにおいて高分解
能化を図ろうとすると回転円板の回転軸と放射状の回折
格子の中心とのずれ、所謂偏心や軸の傾き及び回折格子
そのもののピッチのバラツキによって回折格子を検知す
る位置における格子ピッチが見かけ上変動し、累積誤差
が生じ、この為回転円板の円周上の複数箇所に回折格子
の移動を検出する検出手段を備える必要がある等の問題
点があった。

（発明が解決しようとする問題点） 従来のロータリーエンコーダにおいて、このような諸
条件を全て満足するように構成すると装置全体が大型
化、複雑化し、又組立精度が厳しくなり、組立調整が大
変難しくなるという問題点があった。

本発明の装置全体の小型化、簡素化、例えば回折格子
の格子ピッチが比較的粗くても高分解能化が可能で、か
つ回転円板の回転軸の偏心、傾き等の組立精度が緩く、
しかも被検回転物体の回転方向も容易に判別することが
できるロータリーエンコーダの提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 光源からの光束を偏光ビームスプリッターを介して２
つの光束に分割し、被検回転物体に連結した円板上に形
成した放射状の回折格子に互いに異なる符号の回折次数
の回折角で入射させ、該回折格子から射出した特定次数
の２つの回折光を偏光方位を変換する偏光変換手段を通
過させ、次いで反射手段を用いて該偏光ビームスプリッ
ターに至る元の光路に戻し、該偏光ビームスプリッター
で２つの光束を重ね合わせた後、取り出すようにした検
出ユニットを該円板上に複数個設け、該光源からの光束
を該複数の検出ユニットを介した後、得られる２つの光
束を位相板と偏光素子を用いて互いに干渉させ、該干渉
光を受光手段により受光することにより該円板の回転変
位に応じた信号を得るようにしたことである。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例の光学系の要部概略図で
ある。

図中、１は光源で例えば単色光を放射するレーザー、
LED、水銀灯等である。２はコリメーターレンズで光源
１からの光束を略平行光となるようにしている。3a（3
b）は偏光ビームスプリッターで入射光束のうち、例え
ばＳ偏光を反射させ、Ｐ偏光を透過させている。4a（4
b）,5a（5b）は各々ミラー、６は放射状の回折格子で、
被検回転物体としての円板101上の円周上に設けられて
いる。

ここでミラー4a（4b）,5a（5b）は各々偏光ビームス
プリッター3a（3b）からの２つの光束が回折格子６に互
いに異なる符号の回折次数、例えばｎ次と−ｎ次の回折
次数の回折角に相当する角度で入射するようにしてい
る。7a（7b）は偏光変換手段でλ/4板より成っている。
8a（8b）は反射手段で、例えばミラー又は端面結像タイ
プの屈折率分布レンズの端面に反射膜を施した光学部材
より成っている。

本実施例では、符番3a（3b）,4a（4b）,5a（5b）,7a
（7b）そして8a（8b）に相当する各要素を有する検出ユ
ニット100a（100b）を円板101面上に２つ設けている。
そしてこれらの検出ユニット100a,100bに後述するよう
に所定の偏光状態の光束を順次導光させて各々所定の回
折を行なわしている。

次に本実施例におけるロータリーエンコーダの検出動
作について説明する。

光源１からの光束をエンコーダーレンズ２で略平行光
とし、偏光ビームスプリッター3aでＰ偏光光束とＳ偏光
光束の２つの光束に分割している。このうち偏光ビーム
スプリッター3aで反射したＳ偏光光束はミラー4aで反射
し、円板101上の回折格子６面上の領域Ａにｎ次の回折
角に相当する角度で入射させている。

一方、偏光ビームスプリッター3aを透過したＰ偏光光
束はミラー5aで反射し、円板101上の回折格子６面上の
領域Ａに−ｎ次の回折角に相当する角度で入射させてい
る。

回折格子６でｎ次回折されたＳ偏光光束は円板101よ
り略垂直に透過射出し、偏光変換手段としての1/4波長
板7aを通過し、円偏光となり、反射手段8aで反射し偏光
方向が逆転した円偏光となり元の光路に戻る。そして再
び1/4波長板7aを通過し、回折格子６上の領域ＡにＰ偏
光光束として再入射する。そして回折格子６で再回折し
たｎ次のＰ偏光光束はミラー4aで反射し、偏光ビームス
プリッター3aを通過する。

一方、回折格子６で−ｎ次回折されたＰ偏光光束は円
板101より略垂直に透過射出し、1/4波長板7aを通過し
て、円偏光となり、反射手段8aで反射し、偏光方向が逆
転した円偏光となり元の光路に戻る。

そして再び1/4波長板7aを通過し、回折格子６の領域
ＡにＳ偏光光束として再入射する。そして回折格子６で
再回折した−ｎ次のＳ偏光光束はミラー5aで反射し、偏
光ビームスプリッター3aで反射する。

これより偏光ビームスプリッター3aでＰ偏光光束とＳ
偏光光束の２光束を重ね合わして取り出し、これら２つ
の光束をミラー９に導光している。ミラー９に導光され
た２光束は互いに偏光面が直交して重なり合っており、
該２光束をミラー9,10で反射させた後、前述と同様の構
成の検出ユニット101bに導光している。そして検出ユニ
ット101aと同様に該２光束を回折格子６上の領域Ｂでｎ
次の回折を２回行った後、取り出し1/4波長板11に導光
している。

このときの２光束は互いに偏光面が直交して重なり合
っている。そして互いの位相差δは＋ｎ次の回折を４回
行った光束と、−ｎ次の回折を４回行った光束との間の
位相差であるから となる。即ち、ｘ＝1Pのとき２光束間の位相ずれは16π
となる。

1/4波長板11を透過した２光束の合成波は直線偏光光
束となり、その偏光方位は前記２光束間の位相が２πず
れる間に半回転するからビームスプリッター12を通過し
偏光板13を介した光束はその間に１周期の明暗の変化を
生じ、受光素子15にて電気的な１周期の信号として出力
される。

一方、ビームスプリッター12で反射した光束は偏光板
14を偏光板13に対して偏光面の方位が例えば45゜ずらし
て配置している為、偏光板14を介した光束の周期的な明
暗の変化の位相が90゜ずれる。この為、受光素子16から
出力される周期信号の位相は、受光素子15から出力され
る周期信号の位相に比べて常に90゜ずれている。

円板101上の回折格子６の本数がＮ本とすれば円板101
が１周期する間に２光束の位相差δは よりｘ＝NPを代入して δ＝16πＮ となる。これより２つの受光素子15,16からは16πN/2π
＝8N周期の周期信号（正弦波信号）が得られる。

本実施例ではこのように円板101の変位量を実質的に
拡大した周期信号として取り出し、該周期信号を利用し
て円板101の回転変位を高精度に検出している。

尚、第１図の実施例では検出ユニット100aを回転軸を
中心に対称に２つ配置し、回転軸の偏光誤差を軽減させ
た場合を示したが、検出光量が確保される範囲内で２つ
以上任意の位置に設けて、順次光束を検出ユニットに導
光して行なえば、より高精度の検出が可能となる。

第２図〜第５図は各々本発明の第２〜第５実施例の光
学系の要部概略図である。各図において第１図で示した
要素と同一要素には同符番を付している。

第２図の第２実施例は第１図で用いたミラー等の一部
の光学部材をプリズム体より構成した場合である。

即ち、光源１からの光束を偏光プリズム17a（17b）の
光分割面17a1（17b1）でＰ偏光光束とＳ偏光光束の２つ
の光束に分割している。そしてこれらの２光束を反射プ
リズム18a（18b）の反射面18a1（18b1）で反射させ各々
±ｎ次回折光の回折角に相当する角度で円板101上の回
折格子６に入射させている。

この他の構成については第１図の第１実施例と同様で
ある。

第３図の第３実施例は第２図の光学部材の一部の配置
を変形した場合である。同図において偏光プリズム17a
から取り出した重なり合った２光束の偏光面を1/2波長
板19を介して、２光束の偏光方向を逆転させて偏光プリ
ズム17bに入射させている。これにより偏光プリズム17a
からの光束の引き回しの簡素化を図っている。

同図において1/2波長板19を通過してＳ偏光光束とな
った＋ｎ次回折を２回行った光束は光源１から射出した
Ｓ偏光光束に対応し、又1/2波長板19を通過してＰ偏光
光束となった−ｎ次回折を２回行った光束は光源１から
射出したＰ偏光光束に各々対応している。

本実施例では偏光プリズム17aに入射するＰ偏光光
束、Ｓ偏光光束の各々が＋ｎ次又は−ｎ次の回折を２回
行った後、1/2波長板19を通過させることにより元と同
じ偏光面を有した光束として取り出している。

そしてこのときの符番17a,18a,7a,8a、そして19から
成る各要素を１つの検出ユニットとして取扱い、このよ
うな検出ユニットを複数個、光学的に連結して構成して
いる。

第４図の第４実施例は第３図に示した検出ユニットを
３つ光学的に連結した場合である。

本実施例では光源１からの光束のうちＰ偏光光束は３
つの検出ユニットで合計６回の＋ｎ次回折を行ない、Ｓ
偏光光束は３つの検出ユニットで合計６回の−ｎ次回折
を行っている。

このとき２光束の位相差δは回折格子の１ピッチ移動
当り、 δ＝12×２π×ｎ（rad） となる。

第５図の第５実施例は第３図で示した検出ユニットを
４つ光学的に連結した場合である。

本実施例では２光束の位相差は回折格子の１ピッチ移
動当たり δ＝16×２π×ｎ（rad） となる。

尚、第２〜第５実施例で示したプリズム等の光学部材
の形状は一例であり同図に示す形状に限らず、どのよう
な形状であっても良い。

又、以上の各実施例において複数の検出ユニットは円
板101上の円周上どの位置に配置しても良い。

以上の各実施例において偏光ビームスプリッターを透
過した＋ｎ次の回折角で回折格子に入射したＰ偏光光束
のうち回折格子により反射した反射光が不要光となって
−ｎ次の回折角で回折格子に入射するＳ偏光光束の光路
中に混入し、偏光ビームスプリッターを透過して受光手
段に入射し、所謂ゴースト光となり、検出精度を低下さ
せる場合がある。このようなことは−ｎ次の回折角で回
折格子に入射するＳ偏光光束についても同様である。

この為には、例えば第６図に示すように回折格子６に
入射するＰ偏光光束とＳ偏光光束の２つの光束を含む平
面を微小角θだけ傾けるように構成するのが良く、これ
によれば不要光を第７図（Ａ），（Ｂ）に示すように反
射プリズム18の外方に効果的に導光することができる。

（発明の効果） 本発明によれば回折格子を設けた円板上に複数の検出
ユニットを配置し、該回折格子により複数回の同じ符号
の回折を行なうように構成することにより、回折格子の
ピッチが比較的粗くても高分解能が可能で、又円周上の
複数の箇所で回折させることによって、円板の回転軸の
偏心や傾き及び格子ピッチ本来のバラツキ等に起因する
光束の入射位置（回折格子の移動量測定位置）における
見かけ上の格子ピッチの変動が平均化されて軽減され、
高精度な検出が可能なロータリーエンコーダを達成する
ことができる。

この他、本発明によれば複数の検出ユニットを光学的
に連結するように構成することにより、光路の設定が容
易となり、組立調整が容易となり、更に検出ユニット毎
に偏光面の変換が利用した光アイソレーション構成とす
れば光束の分割や結合に伴う光量の損失が少なくなりS/
N比が向上する等の特長を有したロータリーエンコーダ
を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は各々本発明の第１〜第５実施例の光学
系の要部概略図、第６図，第７図は各々本発明に係る回
折格子に入射する光束と反射光束との関係を示す説明図
である。 図中、１は光源、２はコリメーターレンズ、3a,3bは偏
光ビームスプリッター、4a,4b,5a,5bはミラー、６は回
折格子、7a,7bは偏光変換手段、8a,8bは反射手段、9,10
はミラー、11は1/4波長板、12はビームスプリッター、1
3,14は偏光板、15,16は受光手段、17,17a,17bは偏光プ
リズム、18,18a,18bは反射プリズム、19は1/2波長板で
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 哲 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 西村 哲治 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−200225（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−163925（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−65115（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源からの光束を偏光ビームスプリッター
   を介して２つの光束に分割し、被検回転物体に連結した
   円板上に形成した放射状の回折格子に互いに異なる符号
   の回折次数の回折角で入射させ、該回折格子から射出し
   た特定次数の２つの回折光を偏光方位を変換する偏光変
   換手段を通過させ、次いで反射手段を用いて該偏光ビー
   ムスプリッターに至る元の光路に戻し、該偏光ビームス
   プリッターで２つの光束を重ね合わせた後、取り出すよ
   うにした検出ユニットを該円板上に複数個設け、該光源
   からの光束を該複数の検出ユニットを介した後、得られ
   る２つの光束を位相板と偏光素子を用いて互いに干渉さ
   せ、該干渉光を受光手段により受光することにより該円
   板の回転変位に応じた信号を得るようにしたことを特徴
   とするロータリーエンコーダ。