JPS6165116A - 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】 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を被数個、周期的に刻
んだ放射格子全回転物体に取付け、該放射格子にタリえ
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角度を
光゛成約に検出するロータリーエンコーダーに関スるも
のでろる。

従来よりフロッピーデスクの、駆ｊ１７１等のコノピニ
ーター慢器、プリンター等の事務機器、あるいはＮＣ工
作機械さらにはＶ’Ｉ’Ｒのキャグステンモーターや回
転ドラム等の回転機信の回転角就を検出する為の手段と
して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を用いる方法は回転軸
に連絡した円板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との双方のスケールを投光手段と
受光手段で挾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、この信号を波形整形後、積算
することにより回転角度を検出している。

ロータリー二ンコーダーでハ双万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１））１隔を細かくすると回折光
の影響で受光手段からの出力イε号のＳｌＮ比が低下し
検出精度が低下してし甘う欠点がｂ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寸
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太り化し、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。

本発明は？２検回転物体の負荷を小さくした、小型でし
かも高精度に回転角度の恢出ができるロータリーエンコ
ーダーの提供を目的とスル。

本発明の目的を達成する為のロータリーエンコーダーの
主たる特のは円板の周囲上に格子模様を複数個等角度に
配置した放射格子と光源からの光束を２つの光束に分割
する為の第１の光分割手段と、前記放射格子上に前記第
１の光分割手段により分割された２つの光束を入射させ
る為の照明手段と前記放射格子に入射した前記２つの光
束からの回折光のうち特定次数の２つの回折光を重ね合
わせた後、前記重ね合わせた光束を２つの光束に分割す
る為の第２の光分割手段と前記第２の光分割手段により
分割された２つの光束を各々受光する為の２つの受光手
段とを有し、前記２つの受光手段からの出力信号を利用
して前記放射格子の回転角度を求めたことである。

次に本発明の一実施例を各図と共に説明する。

第１図は本発明の一実施例の概略図である。

同図において１は一レーザー等の光源、２はコリメータ
ーレンズ、３　、３’はビームスプリッタ−等の光分割
手段、４は反射鏡、５．５′はＡ波長板であり、レーザ
ー１の光束の直線偏光に対してその畑が４５興と一４５
度になるように配置歳されている。６，６．６’はシリ
ンドリカルレンズ、７は９’ｌえば円板上に透光部と反
射部の格子模様を等角度で設けた放射格子、８は放射格
子７の回転１抽で被検回転物体の回転軸と連結している
。

９．９′は偏光板でそれらの偏光軸は互いに４５度ずら
しである。１０　、１０’は受光素子である。

レーザー１より放射された光束はコリメーターレンズ２
により略平行光束となりビームスプリッタ−３で２つの
光束に分割される。

このうち、反射された光束は、に彼氏仮５、シリ／トリ
カルレンズ６を介して、放射格子７上を、入射角０　で
、放射格子７の格子模様の放射方間と直父する方間に線
状に１！９、射する。このように線状照射することによ
り放射格子７上での光束の照射部分に相当する遮光部と
反射部の格子模様のピッチ誤差に軽減することができる
。尚シリンドリカルレンズの代わりに、スリット若しく
はレンズとスリットを用いて線状照射するようにしても
良い。

一４ビームスプリンター３をｘＡ過した光束、−１反射
鏡４で反射された後、３／＆諷艮仮５’、’／’ｌ）ノ
ドリカルレンズ６′を介して、放射格子７上を入射角−
〇□で誠状で照射される。このとさ入射角輻は、入代で
衣わされるような、±ｍ天の回折采佇を（Ａ足する角度
に設定さルているつ、１０イノ　　　−　±ｍ　λ／　
ｐ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　−
−−（１）１ｉｌ：ｌ、シ、ｍは正Ｏｆ’ｓ　ｔａ、λ
ｒ６　ｖ　−ｆ　−Ｏ波長、ｐは放射格子７上の照射点
Ｍにおける、透光部と反射部のピッチである。＋１）式
のように設定した角反±θ□で２光束が入射すると、照
射点Ｍにおいて反射される回折光のうち、±ｍ次の回折
光は重なり合って、放射格子面に対して垂直な方向に及
射される。そして、シリンドリカルレンズ６゜を透過す
ることによって、再び平行光束となり、ビームスプリッ
タ−３′によって２つの）し束に分割され、２つの光束
は各々偏光板９．９′を通過して受光素子１０　、１０
’に入射する。

い−ま、放射格子７が、角速度ωで回転しているとする
。放射格子の回転中ｌｕから、照射点Ｍまでの１距離を
ｒとす７Ｌば、照射点Ｍでの周速度は、ｖ−ｒω　であ
る。このとき、照射点Ｍに角度θ　で入射して、垂直方
向に反射されるレーデー光の周波数は、次式の、いわゆ
るドツプラーシフトΔｆｔ−受ける。

Δｆ　−ｖｓｊｎθｍ／λ−ｒω、）ｌＩｌθｍ／λ・
−・＝＝　１２１そして（１）式の回ｖｉ、訣１′Ｆノ
９式からΔノー±ｍｒω／ｐとなる。

いま放射格子７０烙子、４凍の総水４Ｃｊ、をＮ１格子
模禄の等角度ピッチをΔψとすれば、ｐ−ｒΔψ、Δψ
−２π／Ｎ　より Δｆ−±ｍω／Δγ−±ｍＮω／２π　・・・・・ｔ３
１となる。照射位置Ｍで放射格子７の垂直方向に反射回
折される光束は、（３）式の、正負のトノグラ−周波数
７フトを父けた光束の重ね合わせであるから、受光素子
１０　、１０’の出力信号の周波数Ｆは、２Δｆ　とな
る。つまり、 Ｆ−２Δｆ　−ｍＮω／　π−−＝　（４１である。い
ま、時間Δｔの間でのｆｊ：、元素子１０　。

１０′の出力信号の彼ｆｆｔ−ｎｓ　Δｔの１田での放
射格子７の回転角をθとすれば、ｎ−Ｆ・Δｔ１　θ−
ω・Δｔより ｎ　−ｍＮθ／π　　　　　　　　　・・・・・・・・
（５）となり、受光素子からの出力１ｇ号政形の波数を
カウントすることによって、放射格子７の回転角θを、
（５）式によって求めることができる。

ところで回転角を測定する際に回転方向が検出出来れば
更に好ましい。その為本実施例においては従来の光電式
ロータリーエンコーダーなどにおいて公知のように、複
数個の受光素子を用意して互いの信号の位相が９０°ず
れるように配置し、回転に伴う９０′位相差信号から、
回転方向を示す信号を取り出す方式を用いている。

本実施例においては受光素子ｔｏ　、　ｉｏ’の出力信
号間の９０’位相ずれを、レーザーの直線偏光と、１／
４波長板及び偏光板を組み合わせて作り出している。す
なわち、一般にレーザーは直線偏光になっているが、こ
の偏光方位に対して、２枚の局波長板５，５′をその軸
が±４５′方向になるように配置する。すると、１／４
波長板５．５′を透過した光束は、互いに逆回りの円偏
光となり、照射点Ｍで反射回折して重なり合うと、再び
直線偏光となるが、その偏光方位が、放射格子７の回転
にｔ′６つて変化する。そして、受光素子１０゜１０′
の前面に設けた偏光板９，９′の偏光方位を互いに４５
°ずらずことによって、受光素子１０　、１０’の出力
信号間に９σの位相差を与えることかできる。そして、
第１図に示すように例えば受光素子１０　、１０’の出
力信号を波形整形し、゛回転方向を検出した後、カウン
ターにて積算して、回転角度を求めている。ところで、
従来から使用されているインデックススケール方式の光
電式ロータリーエンコーダーでは、（５）式に対応する
、受光素子からの出力信号の波数ｎと、メインスクール
の総本数Ｎと、回転角θとの関係は、ｎ−Ｎθ／２π　
　　　　　　　・・・・・・・・・（６）でろるから、
波７攻Ｉ　Ｑｌあたりの回転角Δθ：ｄ１Δθ−２π／
Ｎ（ラジアン）　　　　　・・・・・・・・・（７）で
ある。これに対して、本実施閃［では、（５）式から Δθ−π／ｍＮ（ラジアン）　　　　　・・・・・・・
・・（８）でるる。

従って本実施列によれば同じ分割数のスケールを用いて
もｒｉ、＊列に比べて２ｍ倍の情度で回転角の演出が出
来ることになる。

また、従来の光電式のロータリーエ／コーダ−において
ニーｉ、遮光部と非光ｔ、βの間隔は、光の回折の影手
金考妖（すると、１０μｍ　程度が眼反である。い１、
回転角検出積度として、たとえば３０秒を得るためには
、従来例では、メインスケールの分割数々して、（方式
から、Ｎ　−３６０Ｘ６０Ｘ　６０／’３０−４３，２
００　　だけ会費である。そこで、メインスケール最外
絢での透光部、遮光部の間隔ｔｌ−１０μｍ　とすれば
、メインスケールの直径は、０．０１　ｍｍ　Ｘ　４：
３．２００　／　ｘ　−１３７，５調必要になる。しか
るに、不実施ｕ１によれば、放射格子の分割数は、従来
（！Ｍｌ　ｖ　１７２ｍでよいので、３０秒の回転角検
出精度ヲｆするための分？ｔＮ　依＋ｉ　、　２１，６
００　（ｍ　−１の場合）でよい。そして、レーザーの
回折光を用いれば透光部と反射部の間隔は狭くてよいの
で、たとえば４μｍ　とすると、放射格子の直径は、０
．００４圏Ｘ２１，６００／π−２７，５−でよいこと
になる。

すなわち、本実施１３’ｌｌによれば、従来のインデッ
クススケール方式のブ０亀式ロータリーエンコーダーと
１５Ｊ等の回転角の検出精度を得る形状としては、従来
例に比べてシ５以下の大きさでよいととになる。従って
、イ皮倹回転（勿体への負荷も、従来クリとくらべて、
はるかに小さくなり、正確な測定が可能となる。

次に第２図に本発明の他の実施夕１］の一部分の概略図
を示す。第２図は第１図の放射格子７に光束が入射する
付近の概略図であり、同図にお゛いて各要素に付された
番号は４１図に示したものと同じ要素を示す。第２図は
放射格子７に入射した光束の±ｍ次の透過回折光を利用
する場合の一実施夕１）であり本実施［！’ＩＩと第１
図に示す実施例とではｍ次の透過回折光とｍ次の反射回
折光を用いている点を除き基本的には全＜ＩＵ］−であ
る。

前述した本発明の各実施ダｊでは±ｍ次の２つの回折光
を用いた場合を示したが±ｍ次の回折光の代わりに次数
の異った２つの回折光を用いても本発明の目的を達成す
ることができる。このときは第１図に示す角度θ。は各
々異った角度となる。

尚本発明において回転角度の画転方同の検出をしなく単
に回転角度のみの測定を行うようＫしても良い。この場
合は第１図に示したビームスプリッタ−３′、偏光板９
，９′、１／４波長板５゜５′及び受光素子［０′等は
不要となる。

又本発明における光源はレーザーに限らず単一の１皮長
を放射する光源であれば使用可能でろる。

以上のように本発明によれば被検回転物体の負荷を小さ
くした小型でしかも高精度に回転角度の検出ができるロ
ータリーエンコーダーｔ−ａ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グーの概略図、第２図は本発明
の他の実施グーの一部分の概略図である。 図中１はレーザー、２けコリメーターレンズ、３　、３
’ｄビームスプリッタ−１４は反射鏡、５゜５７に１／
４波長板、６，６．６’は／リントリカルレンズ、７は
放射格子、８は被検回転物体と連結した回転軸、９，９
′は偏光板、１０　、１０’は受光素子である。 兎　１　　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）円板の周囲上に格子模様を複数個等角度に配置し
   た放射格子と光源からの光束を２つの光束に分割する為
   の第１の光分割手段と、前記放射格子上に前記第１の光
   分割手段により分割された２つの光束を入射させる為の
   照明手段と前記放射格子に入射した前記２つの光束から
   の回折光のうち特定次数の２つの回折光を重ね合わせた
   後、前記重ね合わせた光束を２つの光束に分割する為の
   第２の光分割手段と前記第２の光分割手段により分割さ
   れた２つの光束を各々受光する為の２つの受光手段とを
   有し、前記２つの受光手段からの出力信号を利用して前
   記放射格子の回転角度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）前記照明手段は前記２つの光束を前記放射格子面
   の法線に対して互いに逆方向から等角度で入射させたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のロータリー
   エンコーダー。
3. （３）前記照明手段は１／４波長板を有し、前記１／４
   波長板を介して前記放射格子の格子の放射方向と直交す
   る方向に線状に前記２つの光束を入射させており、前記
   ２つの受光手段は各々偏光板を有しており、前記２つの
   受光手段からの出力信号に９０度の位相差を与えたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第２項記載のロータリーエ
   ンコーダー。