JPH0285716A - ロータリーエンコーダー - 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、特に円筒状物
体の外周面又は内周面上に例えば透光部と反射部の格子
模様を複数個、周期的に該んた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
を充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のキャブ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。

充電的なロータリーエンコーダーは例えば第１０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
折光の影習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
くなフ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
化及び薄型化が容易で、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目的
とする。

（問題点を解決するための手段） 可干渉性の光源からの光束を回転物体に連結した円筒状
物体の内周面又は外周面に設けた回折格子上の互いに異
なる位置に各々入射させ、該回折格子の異なる位置から
発生する特定次数の回折光を重ね合わせて干渉させ、該
干渉光束を受光手段により受光し、該受光手段からの出
力信号を利用して該回転物体の回転状態を求めたことで
ある。

この他本発明としては、可干渉性の光源からの第１と第
２の光束を回転物体に連結した円筒状物体の内周面又は
外周面に設けた回折格子の位置Ｍ１に入射させ、該位置
Ｍ１から第１と第２の光束により発生する回折光のうち
特定次数の第１と第２の回折光を該回折格子の回転中心
に対して該位置Ｍ１と略点対称の位ＷＭ２に同一光路を
進行させて入射させ、該位置Ｍ２で第１と第２の回折光
により発生する特定次数の回折光同志を互いに干渉させ
、該干渉光束を受光手段により受光し、該受光手段から
の出力信号を利用して該回転物体の回転状態を求めてい
る。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例の要部概略図である。同図
に右いて１は半導体レーザーなどの可干渉性の光源であ
り、両端部から可干渉性の光束を発振している。２２，
２□はコリメーターレンズ、３１．３□は１／４波長板
で、その偏光軸は光源ｌの偏光方位に対して±４５°の
方位に置かれている。４は円筒状の回折格子で、ガラス
又は金属の円筒状物体の内面に複数の格子が等間隔に刻
まれている。この円筒状の回折格子４は不図示の被検回
転物体に連結され回転している。５は非偏光ビームスプ
リッタ−１６，，６２は偏光板で、偏光方位が相対的に
４５°傾いて配置されている。７．．７２は受光素子で
ある。

次に本実施例の被検回転物体の回転状態の検出方法につ
いて説明する。半導体レーザー１の両端面から出射した
光束は、コリメーターレンズ２１．２□によってほぼ平
行な光束８．．８２となる。

このうち光束８１は１／４波長板３Ｉによって右回り（
あるいは左回り）円偏光となって円筒状の回折格子４の
１点Ｍ、に入射する。また、他方の光束８．は１／４波
長板３２によって左回り（あるいは右回り）円偏光とな
って、円筒状の回折格子４の１点Ｍ２に入射する。ここ
で点Ｍ１と点Ｍ２は円筒状の回折格子４の回転中心に対
してほぼ対称な位置関係にある。そして点Ｍ、と点Ｍ２
で発生した回折光のうち点Ｍ１での＋（あるいは−）ｍ
次回先光、点Ｍ２での−（あるいは＋）ｍ次回先光を非
偏光ビームスプリッタ−５を介して重ね合わせる。

ここでｍは正整数である。右回り及び左回り円偏光が重
なり合う結果、直線偏光となるが、その偏光方位が回折
格子４の回転に伴って回転することにより、偏光板６．
．６２によって明暗の変化となる。±ｍ次の回折光は回
折格子４が１格子ピツチたけ回転すると±２ｍπだけ位
相が変化するので、偏光板６．．６２を透過した光は回
折格子４の１格子ピツチ回転によフて２ｍ回の明暗変化
となり、受光素子７２，７□からは２ｍ個の正弦波信号
が得られることになる。

円筒状の回折格子４に刻線されている格子の数をＮ本と
すれば、回折格子４の１回転に伴って受光素子７０，７
□からは２ｍＮ個の正弦波が得られる。例えば、内径２
１ｍｍの円筒面に２μｍピッチで３２，４００本の格子
を刻線し、±１次の回折光を用いると、１回転で６４，
８００個の正弦波信号が得られる。これは正弦波信号、
１周期あたりで２０角度秒に相当する。又、偏光板６．
．６２の偏光方位を相対的に４５°ずらしているので受
光素子７Ｉ、７□からは回折格子４の回転に伴って９０
０の位相差をもった正弦波信号が得られ、これにより回
転方向の判別を可能としている。

本実施例では円筒状の回折格子４の回転中心に対して略
点対称の２つの位置の点Ｍ　ｒ　、　Ｍ　２からの回折
光を利用することにより回転物体の回転中心と円筒状回
折格子４の中心との偏心による測定誤差を軽減させてい
る。

又、半導体レーザ１の両端から射出する光束の強度がほ
ぼ同一となる様に、半導体レーザ１を構成するか、半導
体レーザ１の一方の端部から射出する強度か強い方の光
束の光路中にＮＤフィルタなどを設け、互いに干渉させ
る回折光の強度が等しくなる様にすることで干渉縞の明
暗比を上げるのが好ましい。

第２図は本発明の第２実施例の要部概略図である。同図
において第１図と同一の機能を有する要素には同一の番
号を付しである。第２図においては円筒状の回折格子４
の点Ｍ、と点Ｍ２での回折光のうち、受光素子７Ｉ、７
□で検出する±ｍ次の回折光とは逆符号の回折光、即ち
不ｍ次の回折光を非偏光ヒ゛−ムスブリッター５２で重
ね合わせている。

そして非偏光ビームスプリッタ−５２で重ね合わせた光
を受光ｊ子７３で検出している。受光素子７３・は偏光
板を介して受光していないので、その出力は干渉信号に
はならず、点ＭＩ１点Ｍ２で発生したｍ次回先光の光量
変化のみか出力される。従って、受光素子７Ｊの出力と
、受光素子７１．７□の出力との差分なとれば受光素子
７１．７２の出力のうち、直流変動分が除去できる。

即ち　回折格子４の格子の反射率が一様でなかったり、
振幅型の回折格子を用いた場合に反射部の線幅の太さが
均一でなかったり、位相型の回折格子を用いた場合に刻
線の溝形状（高さ、あるいは幅）が一定でなかったりす
ると回折光の回折効率が一様でなくなり、受光素子７１
，７□からの出力信号の干渉信号は直流変動分で変調を
受けた不安定な４３号となる。又、この直流変動は可干
渉性の光源ｌの出力が温度変化等の環境変化によって変
動することによっても生じる。

本実施例ではこのときの直流変動分を、非偏光ビームス
プリッタ−５２と受光素子７３で検出して、受光素子７
．．７２の出力信号の安定化を図っている。これにより
、より高鯖度な測定を可能としている。

第３図は本発明の第３実施例の要部概略図である。同図
において第１図と同一機能を有する要素には同符番を付
している。第３図において２はコリメーターレンズ、５
３．５４は反射鏡である。

次に本実施例における被検回転物体の回転状態の検出方
法について説明する、。

レーザー１から出射した可干渉性の光束はコリメーター
レンズによってほぼ平行な光束となり、円筒状の回折格
子４の１点Ｍ１に回折格子４の配列方向に対してほぼ垂
直に入射する。点Ｍ１においては、回折格子４の格子ピ
ッチや、レーザー１の波長λに応じて、 θｅａ　＝　５ｉｎ−’（ｍλ／Ｐ）　　　　−−−−
−−−−−−−−（１）で表わされる角度θｍ　　（ｍ
は正整数）で±ｍ次の回折光が発生する。点Ｍ、で発生
する±ｍ次の回折光を表示するのに便宜上第３図の紙面
上、左側に発生する回折光を２１０、右側に発生する回
折光を２２０とする。円筒状の回折格子４が第３図の矢
印の方向に１格子ピツチだけ回転すると回折光２１０の
位相は２ｍπたけ変化し、回折光２２０の位相は回折光
２１０の位相変化とは逆方向に２ｍπだけ変化する。回
折光２１０．２２０は反射鏡５３．５４で反射し、１／
４波長板３８．３□で右回り（あるいは左回り）円偏光
及び左回り（あるいは右回り）円偏光となって、反射鏡
５３．５４で再度反射されて円筒状の回折格子４の１点
Ｍ２に入射する。ここで点Ｍ１と点Ｍ２は円筒状の回折
格子４の回転中心に対して、はぼ対称な位置関係にある
。そして点Ｍ２には回折光２１０は箪３図の紙面上で右
側から入射角θ。で人射し、回折光２２０は第３図の紙
面上で左側から入射角θ１で入射する。すると点Ｍ２で
発生するｍ次の回折光は入射光２１０，２２０に対して
、ともにほぼ垂直な方向に出射し、重なり合うことにな
る。円筒状の回折格子４が第３図の矢印の方向に１格子
ピツチだけ回転すると、入射光２１０に対して点Ｍ２で
垂直な方向に出射するｍ次回先光の位相は点Ｍ１におい
て同一方向に２ｍπだけ変化する。つまり、レーザー１
を出射して点Ｍ３１点Ｍ２でｍ次の回折をうける結果、
円筒状の回折格子４の１格子ピツチの回転に対して光束
２１０の位相は４ｍπだけ変化する。同様にして光束２
２０は位相は点Ｍ３９点Ｍ２でのｍ次回折の結果、光束
２１０の位相変化とは逆方向に４ｍπたけ変化する。

こうして点Ｍ２での回折後型なり合フた光束は、右回り
及び左回り円偏光が重なり合う結果、直線偏光となるが
、その偏光方位が回折格子４の回転に伴って回転するこ
とになり、偏光板６Ｉ。

６２によって明暗の変化となる。回折格子４が１格子ピ
ツチ回転すると上述した如く、重なり合った光束の位相
は±４ｍπ変化するので、偏光板６９．６□を透過した
光は４ｍ回の明暗を繰り返し、受光素子７．．７２から
は４ｍ個の正弦波信号が得られる。

円筒状の回折格子４に刻線されている格子の数をＮ木と
すれば回折格子４の１回転に伴って受光素子７１．７□
からは４ｍＮ個の正弦波が得られることになる。例えば
内径２１ｍｍの円筒面に２μｍピッチで３２，４００本
の格子を刻線し、±１次の回折光を用いると１回転で１
２９，６００個の正弦波信号が得られる。これは正弦波
信号１周期あたりで１０角度秒に相当する。また偏光板
６１．６゜の偏光方位を相対的に４５０ずらしているの
で受光素子７．．７２からは回折格子４の回転に伴フて
９０°の位相差をもった正弦波信号が得られ、回転方向
の判別も可能となる。

本実施例では円筒状の回折格子４の回転中心に対してほ
ぼ点対称の２つの位置Ｍ、、Ｍ２からの回折光を利用す
ることにより、回転物体の回転中心と、円筒状の回折格
子４の中心との偏心による測定誤差を軽減させている。

さらに、本実施例では互いに干渉させる２つの光路２１
０，２２０が合致する位置Ｍ、、Ｍ２に円筒状の回折格
子４を配置するようにし、回折格子４の面積度が悪くて
も測定精度が低下しない。

つまり、回折格子４の製造が容易という利点を有してい
る。

第４図は本発明の第４実施例の要部概略図である。同図
におい°て第１図と同一機能の要素には同符番な付して
いる。

第４図において９Ｉ、９□は偏光ビームスプリッタ−で
あり、レーザー１から出射した光束を互いに直交した直
線偏光である２つの光束４１゜４２に分割する。即ち、
光束４１は紙面に平行な方位の直線偏光、光束４２は紙
面に垂直な方位の直線偏光で反射鏡５３．５４を介して
回折格子４の点Ｍ１に（１）式で示す回折角±０１で入
射させている。点Ｍ、で発生する±ｍ次の回折光は、と
もに点Ｍ１から垂直な方向に重なり合フて出射し回折格
子４の回転中心に対しほぼ点対称な位置Ｍ２に入射する
。そして点Ｍ２で再び発生する±ｍ次の回折光を反射鏡
５．．５６と偏光ビームスプリッタ−９２によって重ね
合わせる。１／４波長板３１によって左右逆回りの円偏
光を重ね合わせて回転する直線偏光とし、偏光板６．．
６２による明暗変化を受光素子７１．７□で検出するこ
とは第３図の実施例と同様である。

第３図では点Ｍ、に垂直に入射させて点Ｍ２での垂直方
向に出射する回折光で検出しているが、第４図の如く点
Ｍ、に回折角で入射させ、点Ｍ２に垂直に入射させても
同一の効果が得られる。

第３図では回折格子４の反射回折光を、第４図では回折
格子４の透過回折光を検出しているが、これらを各々透
過回折光、反射回折光としても全く同様の効果が得られ
る。

第５図、第６図、第７図は本発明の第５゜第６．第７実
施例の要部概略図である。これらの各実施例においては
回折格子４の一点Ｍからの回折光を利用して被検回転物
体の回転状態を検出している。

尚、第５．第６．第７図において第３図と同一機能の要
素には同一符番を付している。

第５図に示す第５実施例においてはレーザー１の端面か
ら出射した光束はコリメーターレンズ２によってほぼ平
行な光束となって円筒状の回折格子４の１点Ｍに入射す
る。点Ｍで発生した±ｍ次の回折光（ｍは正整数）は１
／４波長板３Ｉ。

３□によって右回り（あるいは左回り）及び左回り（あ
るいは右回り）円偏光となり反射鏡５３゜５４で反射し
、非偏光ビームスプリッタ−５を介して重なり合う。右
回り及び左回り円偏光が重なり合う結果、直線偏光とな
るが、その偏光方位は回折格子４の回転に伴って回転し
、偏光板６．。

６２によって明暗の変化となる。±ｍ次の回折光は回折
格子４が１格子ピツチだけ回転すると±２ｍπたけ位相
が変化するので偏光板６１．６２を透過した光は回折格
子４の１格子ピツチの回転によって２ｍ回の明暗変化と
なり、受光素子７、。

７□からは２ｍ個の正弦波信号か得られる。円筒状の回
折格子４の刻線されている格子の数をＮ本とすれば、回
折格子４０１回転に伴って受光素子７、．７２からは２
ｍＮ個の正弦波が得られる。

例えば内径２１ｍｍの円筒面に２μｍピッチで３２．４
００本の格子を刻線し、±１次（ｍ＝　１　）の回折光
を用いると、１回転で６４，８００個の正弦波信号か得
られる。これは正弦波信号１周期あたりで２０角度秒に
相当する。又、偏光板６．．６２の偏光方位を相対的に
４５°ずらしているので受光素子７．．７２からは、回
折格子４の回転に伴って９０°の位相差をもった正弦波
信号が得られ、回転方向の判別も可能となる。

第６図に示す第６実施例は第５図の第５実施例において
レーザー１と受光素子７．．７２との配置関係を交換し
たものである。即ち、レーザー１からの可干渉性の光束
をコリメーターレンズ２によってほぼ平行な光束とし、
非偏光ビームスプリッタ−５７で光束を２分割し、反射
鏡５３゜５４で反射させた後、１７４波長板３．．３２
で右回り（あるいは左回り）円偏光及び左回り（あるい
は右回り）円偏光として、円筒状の回折格子４に入射さ
せる。この際、回折格子４で発生する±ｍ次の反射回折
光が、回折格子４からほぼ垂直に反射するように入射さ
せている。

即ち、回折格子４の格子ピッチをＰ、可干渉性光束の波
長をλ、ｍを整数とし、回折格子４への入射角度をθ、
としたとき θＩＩｌ弁５ｉｎ−’（ｍλ／Ｐ） となるように入射させている。

回折格子４からほぼ垂直に反射した±ｍ次の回折光は互
いに重なり合う。ここでは右回り及び左回り円偏光が重
なり合う結果、直線偏光となるが、その偏光方位は回折
格子４の回転に伴って回転し、偏光板６．．６２によっ
て明暗の変化となる。

第７図に示す第７実施例において１０９は端面結像型の
屈折率分布型の光学部材で、一方の端に反射膜１０が施
されている。光学部材１０９と反射膜１０より集光系２
０を構成している。９．は偏光ビームスプリッタ−であ
る。本実施例においては、円筒状の回折格子４に第６図
の実施例と同様に２つの光束を±ｍｍ次回先光回折角±
θ、で入射させ、はぼ垂直に重なり合った±ｍｍ次回先
光、集光系２０の光学部材１０９に入射させている。光
学部材１０９の焦点面近傍には反射膜１０か施されてい
るので、入射した光束は第８図に示すように反射膜１０
で反射した後、元の光路を戻り光学部材１０９から射出
し、再度回折格子４に入射する。

そして回折格子４で再度回折されたｍ次の反射回折光は
元の光路を戻り、反射ｇ５３，５＜で反射し、１／４波
長板３．．３２を透過し偏光ビームスプリッタ−９，に
再入射する。このとき再回折光は１／４波長板３１．３
□を往復しているので、偏光ビームスプリッタ−９，で
最初反射した光束は再入射するときは偏光ビームスプリ
ッタ−９１に対して偏光方位が９０度異なフているため
透過するようになる。逆に偏光ビームスプリッタ−９１
で最初透過した光束は再入射したとき反射されるように
なる。こうして偏光ビームスプリッタ−９１で２つの回
折光を重なり合わせ１／４波長板３３を介した後、円偏
光とし、ビームスプリッタ−５で２つの光束に分割し各
々偏光板６．．６□を介した後、直線偏光とし受光素子
７０，７□に各々入射させている。

本実施例に３いて±ｍ次の回折光の位相は回折格子か１
格子ピツチ移動すると２ｍπだけ変化する。従って受光
素子７．．７２からは正と負のｍ次の回折を２回ずつ受
けた光束の干渉を受光しているため、回折格子が格子の
１ピッチ分移動すると４ｍ個の正弦波信号が得られる。

つまり、本実施例においては第５図乃至第６図の実施例
の２倍の分解能が得られることになる。

本実施例における集光系２０は焦点面近傍に反射面を配
置しているために、例えばレーザー光の発振波長の変化
に伴う回折角が微小変化して集光レンズへの入射角が多
少変化しても、はぼ同じ光路を戻すことができる。これ
により２つの正と負の回折光を重なり合わせ受光素子７
．．７２の出力信号のＳ／Ｎ比の低下を防止している。

尚、本実施例では小型化のため光学部材１０９として屈
折率分布型レンズを用いているが第９図のように集光レ
ンズ１２と反射′ｍ１３の組み合わせでもよい。

（発明の効果） 本発明によれば被検回転物体に連結した円筒状の回折格
子からの特定次数の回折光を利用することにより、装置
全体の小型化及び薄型化を図った高蹟度のロータリーエ
ンコーダーを達成することができる。又回転中心に対し
て略点対称な２点からの回折光を干渉させ、該干渉光束
を検出するようにすれば被検回転物体への円筒状の回折
格子の取付偏心誤差を軽減させた高蹟度なロータリーエ
ンコーダーを達成することができる。更に互いに干渉さ
せる２つの光路が合致する位置に回折格子を配置するこ
とにより、回折格子の面鯖度の影響を排除することがで
き、回折格子の製造が容易となる等の特徴を有している
。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図は順に本発明の第１〜第７実施例の要部
概略図、第８．第９図は第７図の一部分の説明図、第１
０図は従来の充電式ロータリーエンコーターの概略図で
ある。 図中、１はレーザー、２，２．．２２はコリメーターレ
ンズ、３８，３□、３３は１／４波長板、４は円筒状の
回折格子、５．５２は非偏光ビームスプリッタ−１５３
，５４は反射鏡、６１゜６□は偏光板、７．．７２．７
３は受光素子、９、．９２は偏光ビームスプリッタ−で
ある。 特許出願人　　キャノン株式会社 第　　　　１　　　　図 Ｍｌ 第　　　　２　　　　図 第　　　　４　　　　図 第　　　　５　　　　図 Ｍ 第　　　　６　　　　図 第　　　　７　　　　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）可干渉性の光源からの光束を回転物体に連結した
   円筒状物体の内周面又は外周面に設けた回折格子上の互
   いに異なる位置に各々入射させ、該回折格子の異なる位
   置から発生する特定次数の回折光を重ね合わせて干渉さ
   せ、該干渉光束を受光手段により受光し、該受光手段か
   らの出力信号を利用して該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。
2. （２）可干渉性の光源からの第１と第２の光束を回転物
   体に連結した円筒状物体の内周面又は外周面に設けた回
   折格子の位置Ｍ１に入射させ、該位置Ｍ１から第１と第
   ２の光束により発生する回折光のうち特定次数の第１と
   第２の回折光を該回折格子の回転中心に対して該位置Ｍ
   １と略点対称の位置Ｍ２に同一光路を進行させて入射さ
   せ、該位置Ｍ２で第１と第２の回折光により発生する特
   定次数の回折光同志を互いに干渉させ、該干渉光束を受
   光手段により受光し、該受光手段からの出力信号を利用
   して該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。