JPH02221886A

JPH02221886A - 回転検出器

Info

Publication number: JPH02221886A
Application number: JP1041426A
Authority: JP
Inventors: Yoshito Miyano; 宮野　義人
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1989-02-21
Filing date: 1989-02-21
Publication date: 1990-09-04

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、工作機械やロボット等のように精密な位置決
め・速度制御が必要とされる機械の回転の検出装置に関
し、特に減速機を介さないで直接モータの回転を負荷に
伝えて制御する回転系の回転を検出する系に好適な回転
検出器に関する。

〔発明の背景〕

従来、回転体の回転位置、回転速度の検出装置は多種多
様あり、まず、第１の回転位置の検出装置として、広く
利用されている光学式ロータリーエンコーダがある。こ
のエンコーダは、光源と受光素子の間に回転スリット板
と固定スリット板を備えた構成となっている。これは回
転スリット板を検出しようとする回転体に連結させて回
転させると、回転スリット板のスリットが固定スリット
板のスリットと合致する毎に光源からの光が受光素子側
へ透過してパルスを発生するので、そのパルスを計数す
ることにより回転体の回転位置を知ることができる。

第２の回転位置検出装置として同様に光学式で、回折格
子を通過する回折光の位相は格子の移動に伴って変化す
るという原理を応用した検出装置がある。この検出装置
は、回転スリットにレーザ光を通して回折させ、回折光
の位相変化を干渉によるビート信号とし捉えるヘテロダ
イン検出方法を利用している。

光学式以外の位置検出装置としては、回転体を磁性体で
構成し、該磁性体表面に磁気信号を記録し、テープレコ
ー多゛と同様の原理つまり磁気ヘッドで回転による磁気
信号の移動を読取るようにした第３の位置検出装置があ
る。

以上は回転体の位置検出装置であるが、モータ等の制御
には位置制御の他、速度を制御することも多く行われて
いる。また、位置制御を行う場合でも位置のフィードバ
ックのみのでなく、速度フィードバック補償を併用する
と過渡応答を改善できることは以前から知られていた。

さらに、最近では従来の一変数フイードバック制御より
さらに応答性を大きく改善できる状態ベクトルフィード
バック制御が実用化されている。この状態ベクトルフィ
ードバックでは、位置、電圧、電流以外に速度も重要な
変数ベクトルとして採用されている。

また、−役向に高精度の速度検出ができれば積分器を用
いて同程度の精度で位置情報を得ることができる。

回転速度を検出する装置としては、低電磁誘導を利用し
たタコメータ（第１の回転速度検出装置）やロータリエ
ンコーダを利用した検出装置（第２の回転速度検出装置
）がある。この第２の回転速度検出装置ではロークリエ
ンコーダからの位置信号を時間で近似微分して速度を検
出するようにしている。

光学的な他の速度検出装置としてはレーザ光によるドツ
プラ効果を利用した装置（第３の回転速度検出装置）が
ある。この装置は、回転速度を検出しようとする軸にレ
ーザ光を投射し、該軸で散乱させて、ドツプラ効果によ
り周波数が偏移した光を捉え干渉を利用して速度をビー
ト信号として取り出す検出装置である。この装置に類似
した装置で、回転する光ファイバのコイル中を伝送する
レーザ光の周波数が回転速度に比例して偏移するサニア
ック効果を利用した光フアイバジャイロ（第４の回転速
度検出装置）がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記の回転位置及び回転速度の各検出装置に
は、各々に特有の利点を存する反面以下に述べるような
問題も有している。

まず、ロータリエンコーダを利用した第１の回転位置検
出装置では、分解能の精度を高めるために、スリット幅
を狭くする必要がある。しかし、スリット幅を狭くして
いくと、光の回折率がより大きくなり受光素子に到達す
る光量が減少しＳ／Ｎ比が低下するという欠点があった
。スリット幅を変えないで分解能の精度を高めることは
、スリット板の径を大きくして、スリット本数を増大さ
せることにより可能であるが、装置全体が大型化し高価
となる問題が発生する。

また、回折光の位相を利用した第２の回転位置検出装置
では、半導体レーザの温度変化に伴う波長変動の影響を
排除する対策を施せば、小型で高精度のロータリエンコ
ーダが実現できる。しかし、この場合１μ幅程度の高精
度のスリットを形成すること及びＬＳＩ作成技術に利用
されるリソグラフィやエツチング等の技術が必要となり
、小さいエンコーダでも直径２〜３Ｃ１１程度になるた
め、単位当たりの作業で作成できる個数が少なく高価に
なることが避けられない。

第３の磁気式の回転位置検出装置では、信号を読み出す
場合磁気ヘッドを磁性体に接触させて行うので摩擦によ
る摩耗が発生し易く耐久性に問題があると共に、磁気に
対するシールドを十分に施さないと強い外部磁界によっ
て磁性体上の磁気信号が消失するという問題があった。

次に速度検出装置で、タコメータを利用した第１の速度
検出装置は、低速領域では線形性が悪く、ある速度以上
の領域でないと精度が低いという問題があった。これを
解決するためにモータの回転数を減速機等で落す使用が
なされるが、煩雑で装置が大型化する問題があった。こ
の場合、回転位置の同時検出するためにロークリエンコ
ーダと併用して使用することもあるが、モータ軸にロー
クリエンコーダの回転スリット板及びタコメータの回転
子を連結する必要があり、取付けが複雑となる他、モー
タの慣性モーメント負荷が増大する等の問題もあった。

ロータリエンコーダを用いた第２の速度検出装置では、
ロータリエンコーダからの位置信号を時間で近４ｇ１１
分して速度を検出しているが、この近似微分は精度が低
く、特に低速度域ではパルス間隔が長くなり精度がさら
に低下する欠点があった。

よって、この検出装置でも、ある程度以上の高速度領域
で行うか、減速機を使用せざるを得ない。

しかし、減速機には特有のバックラッシュという非線形
要素があり、位置・速度精度の向上には限界があった。

また、ドツプラ効果を利用した第３の回転速度検出装置
は、信号取出部が非接触型で低速度域でも高精度の速度
検出ができる点で有利であるが、弱い散乱光を捉え、か
つ速度範囲を広くとるための光電子増倍管を必要とし、
やはり装置の大型化、高価格化となるきらいがあった。

また、回転軸上に粗面があると乱反射したレーザ光同志
が干渉しあってスペックルノイズが生じると共に、レー
ザ光の角度や入射位置の設定が簡単にはできないという
問題もあった。

第４の回転速度検出装置で用いられる光フアイバジャイ
ロは、一般には船舶、航空機、車輌等に固定して使用す
るもので、回転軸の検出用に用いる場合は、ファイバコ
イル及び光の発振・検出部等の全体を軸に連結する必要
があり、このためモータの負荷が増大し実用的ではない
。

本発明は上述の如き事情に鑑みてなされたもので、上記
の各問題を解消し高精度の回転速度・位置検出を可能と
した検出器を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

このために本発明は、被回転検出体に結合され回転透明
部を有する回転体と、該回転体の回転透明部に回転方向
の斜め方向からレーザビームを入射する手段と、上記回
転体の回転透明部を通過する上記ビームの周波数変化を
検出する手段とから構成した。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例の回転検出器について述べる。

第１図はその模試図である。核間において、１は半導体
レーザ発生装置、２は該半導体レーザ発生装置１からの
レーザビームを集束して平行ビームとするコリメータレ
ンズ、３．４は８亥コリメータレンズの出射側に配設し
たハーフミラ−である。該ハーフミラ−３では、コリメ
ータレンズ２からのビームの一部は反射し、残りは透過
する。透過したビームはハーフミラ−４に入射してハー
フミラ−３と同様に、その一部が反射し、残りが透過す
る。

５は偏光ビームスプリフタで、ハーフミラ−４を透過し
たビームを内部の偏光膜に入射させて偏光方向が互いに
垂直な直線偏光ビームに２分割する。分割された一方の
直線偏光ビームｂ１は偏光膜で直角方向に反射し、他方
の直線偏光ビームｂ２は透過する。

６１．６２は２波長板で、一方のＡ波長板６１には偏光
ビームスプリンタ５の偏光膜で反射された直線偏光ビー
ムｂｌを、他方のＡ波長板６２には偏光膜を透過した直
線偏光ビームｂ２を各々透過し、各々円偏光に変換する
。

７１．７２．７３は反射鏡で、反射鏡７１はＡ波長板６
１からの円偏光ビームｂ１を反射・変向させ、反射鏡７
２は反射鏡７１からの反射ビームｂ１をさらに反射させ
て、進行方向を斜下向に変更させ、反射鏡７３はＡ波長
板６２からの円偏光ビームｂ２を反射させて進行方向を
斜下向にする。

８は検出しようとする回転体の軸に連結されて軸と共に
回転する回転板で、全体は透明部８１でなり、周囲部が
不透明部８２となっている。上記で説明した偏光ビーム
スプリッタ５．２波長板６１．６２、反射鏡７１．７２
．７３等の光学構成部は回転板８の上方側に配設されて
いる。反射鏡７２．７３で反射された円偏光ビームｂｉ
ｂ２は回転板８の透明部８１のＰｌ、Ｐ３に各々ある入
射角度で入射し、回転板８の下面から出射する。

９１．９２は回転板８の下方に配置した反射鏡で、回転
板８の下面から出射する２つの円偏光ビームｂ１、ｂ２
を再び透明部８１へ入射させる。

透明部８１へ入射した円偏光ビームｂ１、ｂ２は透明部
８１のＰ２、Ｐ４から各々出射る。従って各円偏光ビー
ムｂ１、ｂ２は回転板８の透明部８１を２回通過するこ
とになる。

今、回転板８が回転しているとすると、゛回転板８の透
明部８１を通過するビームはドツプラ効果により回転速
度に比例して周波数が変更する０例えば、反時計方向（
矢印Ｘ方向）に回転している場合、ビームの周波数をｆ
とすると、Ｐｌを通過するビームｂ１は周波数が増加（
ｆ＋Δｆ）Ｌ、Ｐ３を透過するビームｂ２は減少（ｒ−
八ｆ）する、また、反射鏡９１．９２で反射された後、
再び透明部８１を透過し、Ｐ２から出射するビームｂ１
は周波数が増加し、Ｐ４から出射するビームｂ２は減少
する。即ち、Ｐｌ、Ｐ２を通過するビームｂ１は２回周
波数が増加し、Ｐ３、Ｐ４を通過するビームｂ２は２回
周波数が減少する。

この場合の周波数の増減は、回転板８の回転速度、回転
方向及び入射角度の相互関係で決定される。即ち、第２
図（ａ）に示すように、ビームｂ１の回転板８に対する
入射方向が回転板８の進行方向Ｘに沿う方向の場合には
周波数が増加し、反対に第２図（ｂ）に示すようにビー
ムｂ２の回転板８に対する入射方向が回転板８の進行方
向Ｘに逆らう方向の場合には周波数が減少する。つまり
ビームｂ１、ｂ２の回転板８に対する入射方向のＸ方向
の成分がＸと同符号となる場合は前者（第２図（ａ））
であり、異符号となる場合は後者（第２図（ｂ））であ
る。なお、周波数の増減はこの時のｃｏｓθ１、ｃｏｓ
　θ２の成分及び回転速度によって比例的に変化する。

なお、Ｐｌ、２４点及びＰ２．２３点は回転板８の中心
に対し点対称の位置となっている。

１０Ａ、ＩＯＢは回転板８の上側に配設した反射鏡で、
反射鏡１０Ａは２２点からの出射ビームｂ１を反射鏡７
１側へ、反射鏡１０Ｂは２４点からの出射ビームｂ２を
Ａ波長板８２側へ各々反射させて帰還させる。

反射鏡７１に帰還にしたビームｂ１は反射してＡ波長板
６１側に再入射し、円偏光から直線偏光に戻され偏光ビ
ームスプリンタ５に再入射する。

また、２波長板６２に帰還して入射したビームｂ２も同
様に円偏光から直線偏光に戻され偏光ビームスプリッタ
５に再入射する。

偏光ビームスプリッタ５に再入射した直線偏光ビームｂ
１、ｂｌの各々は偏光方位がπ／２変化しているので、
今度は冥波長板６１から入射したビームｂ１は偏光ビー
ムスプリッタ５を直進して反対側に配設された×波長板
１１側に入射し、Ａ波長板°６２から入射したビームｂ
２は偏光ビームスプリンタ５内で反射してＡ波長板ｌｌ
側に入射する。この時点では両ビームｂ１、ｂ２は相互
に偏光方位がπ／２ずれているので干渉しない。両ビー
ムｂ１、ｂ２がＡ波長板１１側を通過すると各々逆回り
の円偏光となり干渉する。２つの円偏光が合成されると
１つの直線偏光となりその波形は周知の如くレーザの基
本波に回転板８の回転速度に比例した（増減した）周波
数で振動する（２つの）波が重なったビート信号となる
。また、その偏光方位も回転速度の大きさに比例して回
転する。

１２は第３の〃波長板１１の出射側に配設した偏光ビー
ムスプリフタで、Ａ波長板１１で合成されたビート信号
を分割し、その一方の分割ビート信号を直進させ偏光板
１３Ａを介してフォトダイオード１４Ａに入射させ、ま
た、他方の分割ビート信号を反射させ偏光板１３Ｂを介
してフォトダイオード１４Ｂに入射させる。偏光板１３
Ａ、１３Ｂの方位角を互いに反対方向にπ／４ずっ傾け
ることにより、π／２の位相差のついたビート信号をフ
ォトダイオード１４Ａ、１４Ｂから電気信号として取り
出すことができ、これにより回転速度及び回転方向を知
ることができる。

１５は回転板８の不透明部分８２に穿設した小孔で、ハ
ーフミラ−３で反射されたビームを回転板８の１回転に
１回だけ透過させ回転板８の下側に配設したフォトダイ
オード１６に照射する。該フォトダイオード１６で検出
された信号が原点信号として利用される。

また、一般に半導体レーザは温度変化によって発振波長
が変動し測定誤差を発生する。そこで波長変動を測定し
補正する必要がある。１７はハーフミラ−４で反射され
たビームの出射側に配設した回折格子板で、その出射側
には、反射鏡１８、収束レンズ１９、遮光板２０を備え
た位置センサ２１が配列されている。ハーフミラ−４で
反射されたビームは回折格子板１８を通過してその一部
が回折し、反射鏡１８で反射され、収束レンズ１９で収
束されて位置センサ２１に入射してスポットを生じさせ
る。ここで、遮光板２０は余分な０次、マイナス１次光
を遮る。回折光の回折角はその変動の変化が小さい時波
長に比例する。従って、波長の変動を位置センサ２１上
のスポット位置の変化によって読み取ることができ、そ
れにより半導体レーザの波長（周波数）の変化を知るこ
とができる。

なお、２２は本例レーザ形エンコーダを収納する外枠で
ある。

さて、回転体の回転速度及び回転位置を測定するには、
測定すべき回転体の軸と本例エンコーダの回転体８の軸
とを連結すると共に、反射鏡９１．９２の上下方向の位
置を調節してレーデビームが偏光ビームスプリンタ５で
分割され再び合成されるまでの両ビーム光路長を等しく
するようにする。

次に検出すべき回転体の回転により回転体８を回転させ
、半導体レーザ発生装置ｌを作動させてレーザビームを
発生させる。

該半導体レーザ発生装置１で発生したレーザビームは第
１の偏光ビームスプリンタ５で２つの直線偏光ビームｂ
１、ｂ２に分割される。分割された各ビームｂ１、ｂ２
は各々別の光路で一旦円偏光ビームに変換され、回転体
８の透明部の軸対称位置Ｐ１、Ｐ３に入射して通過し、
反射して再び回転体８を通過してＰ２、Ｐ４から出射す
る。このとき一方のビームｂ１の周波数は回転体８の回
転速度に応じて増大し、他方のビームｂ２の周波数は減
少する。そして両ビームｂ１、ｂ２は円偏光ビームから
直線偏光ビームに戻されて偏光ビームスプリッタ５に帰
還される０両ビームは偏光ビームスプリンタ５から同じ
方向に出射し、Ａ波長板１１を通過することにより円偏
光ビームに変換され合成される。合成されたビームは干
渉しビート信号となる。そのビート信号はビームスプリ
ッタ１２で２分割され、偏光板１３Ａ、１３Ｂを通過し
てπ／２位相差のついたビート信号としてフォトダイオ
ード１４Ａ、１４Ｂに受光されて電気信号に変換される
。このフォトダイオード１４Ａ、１４Ｂからのビート信
号と位置センサ２１からの波長変動信号とを演算器に通
すことにより回転速度及び回転方向が検出されると共に
、得られた回転速度と原点位置信号とを積分器に通せば
回転位置が検出される。

なお、本実施例では反射鏡は多数配設されているが、部
品点数の削減のため反射鏡に代えて多面カットの反射プ
リズムを用いることもできる。

本実施例は半導体レーザと透明回転板を利用する方式で
あるため小型で高精度の回転速度・位置検出器が可能と
なる。

また、高精度の回転スリット板を必要としないので製作
が容易となる。

また、干渉計測であるため受光素子の出力は完全な正弦
波信号となる。よって分解能を上げるため電気分割を行
っても精度を保証することができる。

また、回転板へ２つのビームで各々２回通過させている
ので、１本のビームの１回の入射の４倍の周波数偏移を
得ることができ、より高精度な回転速度・位置検出が可
能となる。

また、２つビームの４個の入射点を各々１８０度の角度
点とすれば、回転板の軸への取り付は偏心によって各点
の速度が異なってもその平均値が出力されるので誤差を
軽減できる。また、同じ効果を従来の光学式ロークリエ
ンコーダで実現しようとすると発光・受光素子、固定ス
リットの組合わせを２箇所以上設ける必要があるが本発
明では発光・受光素子はｌで実現でき有利である。

また、偏光ビームスプリンタ、Ａ波長板、偏光板の組合
わせにより１７２位相差をもった２つの信号が得られる
ので、回転方向の判別が容易にできる。

また、回折格子、レンズ、位置センサの組合わせにより
波長変動を計測し捕正することが可能である。ここで、
回折角を大きく取るためスリット幅の小さい高精度のも
のを作ってもその大きさは数ミリ角なのでその単価を安
くできる。また、位置センサの読み取り精度を高めるた
めにスポット径をなるべく小さくする必要があるが、非
球面レンズが安価に入手できるため限界に近い径までス
ポットを小さくできる。また、位置センサにはＰＳＤと
呼ばれるフォトダイオード型のものを用いて上記の微小
スポットを当てればサブミクロン程度の位置分解能を得
ることができ、しかも構造を極めて単純に安価にするこ
とができる。

また、回転円板の透明部分が上下しても２つのビームの
光路長に変化はない。したがって、円板のソリによって
光路差が生じることもない。

また、回転円板表面を平滑にすれば粗面の散乱光による
スペクトルノイズがほとんどなくなる。

また、ビーム信号を捉える検出器に届く光量が多いため
、感度は悪いが、高速応答可能なＰＩＮフォトダイオー
ドの使用が可能で検出器の小型化が図れる。

また、軸に取り付けるのは回転円板のみで、モータへの
負荷は極めて小さい。また、従来のドツプラ型の検出器
のように取り付ける毎に光学系の調整や速度の校正を行
う必要がない。また、タコメータも取り付ける必要がな
いため取り付けも非常に簡単で重量も軽減できる。

〔発明の効果〕

以上から本発明によれば、広い回転領域で高精度の回転
速度、回転位置の検出が可能となる。また、装置の製作
、取扱いが容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回転検出器の模試図、第２
図は回転板（透明部）を透過するビームのドツプラ効果
の説明である。１・・・半導体レーザ、２・・・コリメータレンズ、３
．４・・・ハーフミラ−１５・・・偏光ビームスプリッ
タ、６１．６２・・・Ａ波長板、７１．７２．７３・・
・反射鏡、８・・・回転円板、９１．９２・・・反射鏡
、ＩＯＡ、１０Ｂ・・・反射鏡、１１・・・Ａ波長板、
１２・・・ビームスプリンタ、１３Ａ、１３Ｂ・・・偏
光板、１４Ａ１１４Ｂ・・・フォトダイオード、１７・
・・回折格子板、１８・・・反射鏡、１９・・・レンズ
、２０・・・遮蔽板、２１・・・位置センサ、２２・・
・外枠。代理人　弁理士　長　尾　常　明

Claims

【特許請求の範囲】

（１）、被回転検出体に結合され回転透明部を有する回
転体と、該回転体の回転透明部に回転方向の斜め方向か
らレーザビームを入射する手段と、上記回転体の回転透
明部を通過する上記ビームの周波数変化を検出する手段
とを有し、該検出手段からの信号により上記被回転検出
体の回転速度を検出することを特徴とする回転検出器。
（２）、上記回転体の回転透明部に入射する上記ビーム
を２つのビームに分割する手段と、該分割された両ビー
ムを上記回転体の回転透明部に回転方向に沿った斜め方
向から及び回転方向に逆らった斜め方向から各々をπの
角度間隔で入射させる手段と、上記回転体の回転透明部
を通過する上記両ビームを同一光路長の位置で合成干渉
させ、上記被回転検出体の回転速度情報を担持したビー
ト信号を得る手段とを有することを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の回転検出器。
（３）、上記回転体の回転透明部に入射する上記ビーム
を２つの直線偏光ビームに分割する手段と、該両直線偏
光ビームを円偏光ビームに変換する手段と、上記一方の
円偏光ビームを上記回転体の回転透明部の回転方向に沿
った斜め方向から透過させ再度同方向に再通過させる第
１の反射手段と、上記他方の円偏光ビームを上記回転体
の回転透明部の回転方向に逆らった斜め方向から透過さ
せ再度同方向に再通過させる第２の反射手段と、上記両
反射手段からの上記両円偏光ビームを上記ビーム変換手
段を介して上記ビーム分割手段に帰還させる手段と、該
ビーム分割手段に帰還した両ビームを同一光路長の位置
で合成干渉させ、上記被回転検出体の回転速度情報を担
持したビート信号を得る手段とを有することを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の回転検出器。