JPS626119A - 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、周期的に刻
んだ放射格子を回転物体に取付け、該放射格子に例えば
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ーに
関するものである。

（従来の技術） 従来より７四ツ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回転軸に連結した円
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副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
んで対向配置した新組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−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
総本数を固定し、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聖
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６っ九Ｇ （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を小さくシ、不滅でしかｔ
高精度な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） 可干渉性光源からの光束を光束分割手段によ〕２つの光
束に分割し、該２つの光束のうち一方の光束を回転物体
に連結した円板状の放射格子上の一部に入射させ、前記
放射格子からの特定次数の回折光を前記照明手段そして
前記光束分割手段の一部を介して前記２つの光束のうち
他方の光束と重ね合わせた後受光手段に導光し、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〇 この他本発明の特徴は実施列において記載されている。

（実施列） 第１図は本発明の一実施列の概略図である。

同図において、１はレーザー等の可干渉性の光。

源で、直線偏光になっている。２はコリメーターレンズ
、３は凭波長板で、コリメーターレンズ２の光軸に対し
て垂直な面内で回転できるようになりている。４は偏光
ビームスプリッタ−１５□、５□は各々純波長板、６は
シリンドリカルレンズ、７は円板上にたとえば透光部と
反射部の格子模様を複数個等角度で設けた放射格子、８
は不図示の被検回転物体の回転軸、９は反射鏡、１０は
偏光板で、偏光ビームスプリッタ−４の偏光軸に対して
、その偏光軸が４５′になるように配置されて−る。１
）は受光素子である。

レーザーｌよυ放射された光束は、コリメーｐ−ｖｙｉ
ｚによって略平行光束となシ、純波長板３を介して、偏
光ビームスプリッタ−４に入射する。Ａ波角板３０回転
角に応じて、偏光ビームスグリツタ−４に入射する直線
偏光の方位が回転する。従って、純波長板３の回転によ
って、偏光ビームスプリッタ−４における透過及び反射
光束量の割合を調整し後述する干渉縞のコントラストの
向上を図っている。偏光ビームスプリッタ−４を透過し
た光束は、磁波長板５□　で円偏光になって、シリンド
リカルレンズ６を介して放射格子７上ＫＩＩｉ状照射さ
れる。ここでシリンドリカルレンズ６は光束を放射格子
７の放射方向と直交する方向Ｋｌｉ状照耐照射ように配
置されて−る。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透光部と反射部の格子模
様のピッチ誤差を軽減することができる。

放射格子７に入射した光束は、放射格子７の格子模様に
よって反射回折される。ここで本実施列では第２図のよ
うに、放射格子７への入射角を、放射格子７の放射方向
と直交する園内において、以下の第（１）式で決定され
る角０□に設定している。

８ｍ５−−　ｍλ／２　ｐ　　　　　　　　・・・・・
・・・・（１）ここで、λは光束の波長、ｐは放射格子
７０光束の入射位置における格子模様のピッチである。

また、ｍは±１．±２．・・・の整数である。第（１＞
式のように入射角θ。を設定しておくと、放射格子７で
回折される光束のうち、ｍ次の反射回折光束は、元の光
路を戻ることになる。そして、シリンドリカルレンズ６
及び磁波長板５□を再び通ることによって、直線偏光の
方位が９０′回転して、偏光ビームスプリッタ−４で反
射され、偏光板１０を介して受光素子１）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７の回転中心から、光束の入射位置までの距ｌ
ｌｌ！をｒとすると、入射位置での周速度はｖ　−ｒω
　となる。そこで、入射角−で入射し、反射角θ□で反
射される上記ｍ次の反射回折光束の周波数は、次の第（
２）式で表わされる量　ｊ／だけ所謂ドツプラーシフト
を受ける。

Δｆ　＝　ｚｖａｉｎ６．／λ　　　　　　　　−・−
・・−＋２１一方、レーザーｌより放射されてコリメー
ターレンズ２及びに波長板３を介して偏光ビームスプリ
ッタ−４で反射され九光束は、Ａ波長板５□　を通って
円偏光となプ反射鏡９で反射された後、再び磁波長板５
□を通ると、偏光方位が９σ回転した直線偏光となって
偏光ビームスプリッター４を透過し、偏光板１０を介し
て受光素子１）に入射する。このようにして、ｍ次の反
射回折光束と、反射鏡９で反射された光束とが受光素子
１）の上で重なυ合い、偏光板１０を介することによっ
て干渉する。ここで、反射鏡９で反射された光束は周波
数シフトを受けて−ないので、受光素子１）の出力信号
の周波数Ｆは、ｐ’　ｗｅＩ＋Δｆ−ｆ−１ｆｃｆは光
束の周波数）となる。

すなわち、受光素子１）１２）出力信号Ｏ周波数Ｆは、
第（２）式においてマーｒω　とおいて、Ｆ　−２ｒω
８福へ／λ　　　　　　　　°°曲−’　＋３＋となる
。第（３）式に第（１）式を用いれば、Ｆ−ｍｒω／ｐ
　となるが、いま、放射格子７の格子模様の総本数をＮ
とすれば、放射格子７上の中心から距離ｒにおける格子
ピッチｐは、ｐ−２ｔ　ｒ／Ｎ　　であるから、結局、
被検回転物体が角速度ωで回転しているとき、受光素子
１）の出力信号の周波数Ｆは、 Ｆ　−ｍｈｏｓ／２ｇ　　　　　　　　　＋＋＋ｍ＋　
（４１となる。いま、時間Δ１０間での受光素子１）０
出力信号の波数をｎｌ　Δｔの間での放射格子７の回転
角を０とすれば、ｎ＝ＦΔｔ１θ−ωｊｔよ〕 ｎ　−ｍＮ＃／π　　　　　　　　　・・−・−・・（
５）となり、受光素子の出力信号波形の波数ｎをカクン
トするととくよって、放射格子７０回転角０を第（５）
弐によって求めることができる。

本発明の目的とするロータリース／コーダーは以上の構
成により達成されるものであるが、例えば反射回折光と
して、ｍ−２の２次の回折光を用いる場合、反射回折光
の光束量は、一般に非常に微弱となる。そこで本実施列
に゛お匹ては、このような高次の回折光を用いて、回転
角度の検出精度を高めようとする場合にも良好に対応で
きるように、放射格子７に向う光束量と、反射鏡９に向
う光束量との比を調節する調整手段として、回転可能な
磁波長板３を設けている。

すなわち、磁波長板３を回転するととくよって、偏光°
ビームスプリッタ−４にかける透過光束量（放射格子７
に向う光束量）と、反射光束量（反射１）９に向う光束
量）の比を適正に調節して−る。これによって受光素子
１）における出力信号の８７Ｎ比の低下を防止している
。

ところで、回転角度を検出する際、回転方向が検出出来
れば更に好ましい。そこで本実施列において第３図に１
回転方向を検出可能とする場合の一実施例の部分図を示
す。第３図において５３は磁波長板、１２はビームスプ
リッタ−１）３，１３□は偏光板で、その偏光方位が互
いに４５′　　となるように置かれている。１４□、１
４□は各々受光素子である。回転方向の検出方法とし　
　　　１ては、従来の光電式ｐ−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度ずれるように配置し、回転
に伴う回度位相差信号から、回転方向を示す信号を取り
出す方法が一般的であるＯ 第３図の実施例においては、受光素子１４□。

１４□の出力信号間の９０゛位相ずれを、偏光ビームス
プリッタ−１２と、Ａ波長板５３及び偏光板１３．１３
□を組み合わせて作シ出している。すなわち、放射格子
７で反射回折され九九束と、反射鏡９で反射された光束
は、偏光ビームスプリッタ−４で、各々反射及び透過さ
れて重なり合い、Ａ波長板５３を透過することＫよって
、直線偏光となるが、その偏光方位が放射格子７０回転
に伴って変化する。そして、受光素子１４□、　１４□
の前面に設けた偏光板１３□、　１３□の偏光方位を互
−に４５″ずらすととくよって、受光素子１４．１４□
の出力信号間Ｋ　ＧＯｏの位相差を与えている。

（発明の効果） 本発明によれば被検口、転物体の負荷の小さい小型でし
かｔ高精度のロータリーエンコーダーを達成することが
できる。又光束分割手段の一部に光束の分割比を任意に
変え得る調整手段を設けることによシ、より高精度化を
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
。

ｆｉｌえは従来から使用されて―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二では、第（５）
式に対応する、受光素子からの出力信号の波数ｎと、メ
インスケールの総本数Ｎと、回転角０との関係は、 ｎ　＝　Ｎ１）７２ｇ　　　　　　　　　　・・・・・
−・・（６）である。従って、従来例では波数１個あ九
Ｆ）Ｏ回転角Δθは、 Δ０−２π／Ｎ（ラジアン）　　　　　・・・・・・・
・・（７）である。これに対して、本実施例では、第（
５）式％式％（８１ となる。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、従来例にくらべて２ｍ　倍の精度で回
転角度の検出が出来ることになる。また、従来の光電式
ロータリーエンコーダーにおいては、透光部と遮光部の
間隔は、光の回折の影響を考慮すると、１０μｍ程度が
限度である。いま、回転角検出精度として、たとえば３
０秒を得るためには、従来列ではメインスクールの分割
数として、第（７）式から、Ｎ　−３６０Ｘ６０　Ｘ　
ａｏ／ａｏ　−４３，２００だけ必要である。そこでメ
インスケール最外周での透光部、遮光部の間隔をｌＯｐ
風とすれば、メインスケールの直径は、０．０１　ｍ　
Ｘ　４人２００／π−１３７，５閣必要になる。

しかるに、本実施列によれば、従来例と同じ回転角の検
出精度を得るためには、放射格子の分割数は１７２ｍで
よめことになる。いま、たとえば２次の反射回折光を用
い九ｍ−２の場合、３０秒の回転角検出精度を得るため
の放射格子７の格子の分割数は、１２００／４−１０，
８００でよいことになる。そして、本実施列の如くレー
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、これを４声ｍとすると、放射格子
の直径は、０．００４　Ｗ　Ｘ　ＩＧ、８００／ｇ　−
１＆７５■となる。すなわち、本実施列によれば、従来
のインデックススケール方式の光電式ロータリーエンコ
ーダーと同等の回転角検出精度を得る形状としては、殉
以下の大きさでよいことになる。従って被検回転物体へ
の負荷も従来列とくらべてはるかに小さくなり、正確な
測定が行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施列の光学系の概略図、第２図は
第１図の一部分の放射格子の放射方向と直交する断面で
の部分図、第３図は第１図の　　　　１一部分を改良し
回転方向の検出を可能としたときの概略図である。図中
１は光源、２はコリメーターレンズ、３はＡ波長板、４
は偏光ビームスフリツタ−１５□、５□Ｆｉｋ波長板、
６はシリンドリカルレンズ、７は放射格子、８＃ｉ回転
軸、９は反射鏡、１０は偏光板、１）は受光素子である
。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）可干渉性光源からの光束を光束分割手段により２
   つの光束に分割し、該２つの光束のうち一方の光束を、
   回転物体に連結した円板状の放射格子上の一部に入射さ
   せ、前記放射格子からの特定次数の回折光を前記照明手
   段そして前記光束分割手段の一部を介して前記２つの光
   束のうち他方の光束と重ね合わせた後受光手段に導光し
   、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。
2. （２）前記照明手段は光束を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照射する光学部材を有して
   いる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）前記光束分割手段は光束の分割比を任意に変え得
   る調整手段を有している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。