JPS62200220A - 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】 （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、特に円周上に
例えば透光部と反射部の格子模様を複数個、周期的に該
んだ放射状の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。

光電的なロータリーエンコーダーは例えば第３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
の双方のスケールな投先手段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響を受け
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ってくる等の
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特徴とする 特に特定次数の回折光の回折格子からの回折角及び回折
光路を制御することにより装置全体の小型化を図ったロ
ータリーエンコーターの提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 可干渉性の光束を回転物体に連結した円板上の回折格子
上であって該回転物体の少なくとも１つの位置に入射さ
せ、前記回折格子からの特定次数の回折光を該回折光の
主光線か入射光路と略同一光路を逆行するような光学手
段を介した後、前記回折格子の略同一位置に再度入射さ
せると共に該回折格子からの特定次数の回折光を光束重
ね合わせ手段に導光させた後、該特定次数の回折光を重
ね合わせ、そして受光手段に導光し、該受光手段からの
出力信号を利用して前記回転物体の回転状態を求めたこ
とである。

この他、本発明の特徴は実施例において記載されている
。

（実施例） 第１図（ｔ、）は本発明の一実施例の光学系の概略図で
ある。

本実施例ではレーザー１より放射された光束をコリメー
ターレンズ２によって平行光束とし偏光ビームスプリッ
タ−３に入射させ、略等光量の反射光束と透過光束の２
つの直線偏光の光束に分割している。このうち反射した
光束は％波長板４を経て、円偏光とし、２つの反射面を
有するプリズム】６を経て、プリズムより成る光学部材
１８に入射させている。そして光学部材】８を介して被
測定回転物体と連結した円板６上の放射状の回折格子が
設けられている回折格子７の位置Ｍ１に入射させている
。このときプリズム１６から回折格子７に対し垂直に射
出してきた光束を第１図（Ｂ）に示すように光学部材１
８の形状を特定することにより、回折格子７による特定
次数の回折光が回折格子７に対し略垂直に射出するよう
に回折格子７に入射させている。そして回折格子７に入
射し回折した透過回折光のうち特定次数の回折光を光学
手段８に導光している。光学手段８は例えば集光性部材
と平面鏡若しくは曲面から成る反射鏡を存しており、入
射回折光のうち集光性部材に対する主光線が集光性部材
を介し反射鏡で反射した後、入射光路と略同一光路を逆
行するように構成されている。そして光学手段８に導光
した回折光を入射光路と略同一光路を逆行させ回折格子
７上の略同一位置Ｍ１に再入射させている。そして回折
格子７により再回折された特定次数の回折光を％波長板
４を介して入射したときと９０度偏光方位の異なる直線
偏光とし偏光ビームスプリッタ−３に入射させている。

本実施例では偏光ビームスプリッタ−３から光学手段８
に至る特定次数の回折光の往復光路を同一としている。

第２図は第１図で示した光学手段の一実施例の説明図で
ある。

同図においては平面から成る反射鏡４０を集光性部材で
ある集光レンズ４１の略焦点面上に配置し、集光レンズ
４１に平行に入射してきた特定次数の回折光のみをマス
ク４２の開口部４３を通過させ反射鏡４０で反射させた
後、集光レンズ４１における主光線４４が元の光路を逆
戻りするようにしている。そして、その他の次数の回折
光をマスク４２により遮光している。

第１図に戻り偏光ビームスプリッタ−３で分割された２
つの光束のうち透過した光束は％波長板５を介し円偏光
とし、２つの反射面を有するプリズム】７を経て、プリ
ズムより成る光学部材１９に入射させている。そして光
学部材１９を介して円板６上の回折格子７上の位置Ｍ１
と回転軸５０に対して略点対称の位置Ｍ２に入射させて
いる。このときプリズム１７から回折格子７に対し垂直
に射出してきた光束を前述の反射光束の場合と同様に光
学部材１９の形状を特定することにより、回折格子７に
よる特定次数の回折光が回折格子７に対し垂直に射出す
るように回折格子７に入射させている。そして回折格子
７に入射し回折した透過回折光のうち特定次数の回折光
を前述の光学手段８と同様の光学手段９により同一光路
を逆行させて、回折格子７の略同一位置Ｍ２に再入射さ
せている。そして回折格子７より再回折された特定次数
の回折光を％波長板５を介し入射したときとは９０度偏
光方位の異なる直線偏光とし偏光ビームスプリッタ−３
に入射させている。

このとき、透過光束も前述の反射光束と同様に偏光ビー
ムスプリッタ−３から光学手段９に至る特定次数の回折
光の往復光路を同一としている。

そして光学手段８を介し入射してきた回折光と重なり合
わせた後、属波長板１０を介し円偏光とし、光分割器１
１で２つの光束に分割し、各々の光束を互いの偏光方位
を４５度傾けて配置した偏光板１２゜１３を介し双方の
光束に９０度の位相差を付けた直線偏光として各々の受
光手段１４．１５に入射させている。そして受光手段１
４．１５により形成された２光束の干渉縞の強度を検出
している。

本実施例において被測定回転物体が回折格子７の１ピツ
チ分だけ回転するとｍ次の回折光の位相は２ｍπだけ変
化する。同様に回折格子７により再回折されたｎ次の回
折光の位相は２ｎπだけ変化する。これにより全体とし
て受光手段からは（２ｍ−２ｎ）個の正弦波形が得られ
る。本実施例ではこのときの正弦波形を検出することに
より回転量を測定している。

例えば回折格子のピッチが３．２μｍ、回折光として１
次及び−１次を利用したとすれば回転物体がピッチの３
．２μｍ分だけ回転したとき受光素子からは４個の正弦
波形が得られる。即ち正弦波形１個当りの分解能として
回折格子の１ピツチの％の”２／４−０．８μｍが得ら
れる。

本実施例では光分割器１１により光束を２分割し各々の
光束間に９０度の位相差をつけることにより回転物体の
回転方向も判別出来るようにしている。

尚、回転量のみを測定するのであれば光分割器１１、偏
光板１．２．１３及び一方の受光手段は不要である。

本実施例では光学部材１８．１９を用いて光束を回折格
子７に入射させる際、回折格子７からの特定次数の回折
光が回折格子７に対して略垂直に射出するようにして装
置全体の簡素化及び組立精度の向上を図っているが必ず
しも放射格子７より略垂直に射出させる必要はなく、光
学部材１８．１９を省略し、ある角度を有して射出させ
るようにしても良い。

本実施例では回転中心に対して略点対称の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
回転中心と回折格子の中心との偏心による測定誤差を軽
減させている。

尚、本実施例に於る構成は略点対称な２点からの回折光
を利用しているわけであるが、略点対称に限らす複数の
位置からの回折光を用いることにより略同等の効果を得
ることが出来る。例えば、互いに１２０°の角度を成す
３点からの回折光を利用したり、近接しない任意の２点
からの回折光を利用するのも有効である。

更に一方の光束の回転軸中心寄りの光束要素と略点対称
な位置に入射させた他方の光束の回転軸中心寄りの光束
要素とを互いに重なり合わせ、同様に回転中心の外側寄
りの光束要素同志を重ね合わせることにより、回折格子
の外側と内側のピッチの違いより生じる波面収差の影響
を除去している。

本実施例では偏光ビームスプリッタ−３から反射手段８
，９に至る特定次数の回折光の往復の光路を同一とする
ことにより、偏光ビームスプリッタ−３における２つの
回折光束の重なり具合を容易にし、装置全体の組立精度
を向上させている。

第４．第５．第６図は各々第２図に示した本発明の光学
手段の他の実施例の説明図である。

第４図では集光性部材４１の射出瞳に曲率中心が位置す
るように凹面鏡４５を配置し、集光性部材４１に任意の
角度で入射してくる特定次数の回折光のうち主光線４４
が入射光路と略同一光路を逆行するように構成している
。これにより組立上の誤差を軽減し測定精度の向上を図
っている。

第５図は第１図に示す集光レンズ４１．マスク４２そし
て反射鏡４０を一体化して構成し、光学手段８全体の簡
素化を図った実施例である。同図において５１は集光用
レンズ面、５２は反射面、５３はマスクである。

第６図は集光性部材として屈折率分布型レンズ例えばセ
ルフォックレンズ６１（日本板硝子■製）を用い、その
両端が平面でることを利用し、集束面である片面に反射
膜を施して反射ｆｉ６２を構成し、入射回折光のうち主
光線４４が入射光路と同一光路を逆行するように構成し
ている。

本発明における光学手段としては以上に示す実施例の他
回折格子から射出する回折光の主光線に相当する回折光
線が入射光路と略同一光路を逆行するものであればどの
ような構成のものでも良い。

このような光学手段を用いれば、例えばレーザーの発振
波長が変化し、回折角が多少変化しても略同じ光路で戻
すことができる特徴がある。

以上は本発明をロータリーエンコーダーに適用した場合
について示したが本発明の光学手段を利用し、特定次数
の回折光の主光線に相当する回折光線を入射光路と略同
一光路に逆行させ、装置全体の小型化及び組立精度の向
上を図る技術的思想はそのままリニアエンコーダーにも
良好に適用することができる。

尚、以上の各実施例において属波長板４．５は偏光ビー
ムスプリッタ−３と反射手段との間であればどこに配置
しても良い。

又、各実施例においては透過回折光の代わりに反射回折
光を利用しても良い。

更に本発明によれば回転角度のみならず回転速度をも検
出することができる。

尚、本発明において使用する回折格子は、透光部と遮光
部から成る所謂振幅型の回折格子、互いに異なる屈折率
を有する部分から成る位相型の回折格子である。特に位
相型の回折格子は、例えば透明円盤の円周上に凹凸のレ
リーフパターンを形成することにより作成出来、エンボ
ス、スタンバ等のプロセスにより量産が可能である。

（発明の効果） 本発明によれば回折格子からの特定次数の回折光を光学
手段を用い、往復光路を同一とすることにより被検回転
物体の回転状態を高精度に測定することのでき、しかも
装置全体の小型化を図ったロータリーエンコーダーを達
成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（八）　、　（Ｂ）は本発明の一実施例の光学系
の概略図、第２図は第１図の一部分の説明図、第４図、
第５図、第６図は各々本発明に係る光学手段の他の実施
例の光学系の概略図、第３図は従来の光電的ロータリー
エンコーダーの説明図である。図中１はレーザー、２は
コリメーターレンズ、３は偏光ビームスプリッタ−１４
，５，１０は嵐波長板、６は円板、７は回折格子、８，
９は各々光学手段、１２．１３は各々偏光板、１４．１
５は各々受光手段である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 可干渉性の光束を回転物体に連結した円板上の回折格子
   上であって該回転物体の少なくとも１つの位置に入射さ
   せ、前記回折格子からの特定次数の回折光を該回折光の
   主光線が入射光路と略同一光路を逆行するような光学手
   段を介した後、前記回折格子の略同一位置に再度入射さ
   せると共に該回折格子からの特定次数の回折光を光束重
   ね合わせ手段に導光させた後、該特定次数の回折光を重
   ね合わせ、そして受光手段に導光し、該受光手段からの
   出力信号を利用して前記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。