JPH056853B2 - - Google Patents

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JPH056853B2
JPH056853B2 JP60152066A JP15206685A JPH056853B2 JP H056853 B2 JPH056853 B2 JP H056853B2 JP 60152066 A JP60152066 A JP 60152066A JP 15206685 A JP15206685 A JP 15206685A JP H056853 B2 JPH056853 B2 JP H056853B2
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JP
Japan
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light
light receiving
optical path
rotation
beam splitter
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Tetsuji Nishimura
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36Forming the light into pulses
    • G01D5/38Forming the light into pulses by diffraction gratings

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

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) 従来よりフロツピーデイスクの駆動等のコンピ
ユーター機器、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のキヤプステンモー
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を用いる方法
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謂固定のインデツクススケ
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ツクススケール方
式の構成を採つている。この方法はメインスケー
ルの回転に伴つ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
しまう欠点があつた。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つてくる
等の欠点があつた。
(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を小さくし、被検
回転物体への回転速度検出用の放射格子の取付け
偏心の影響を軽減した小型でしかも高精度のロー
タリーエンコーダーの提供を目的とする。
本発明の更なる目的は振動や温度変化等の環境
変化に対して安定した精度で検出ができるロータ
リーエンコーダーの提供にある。
(問題点を解決するための手段) 回転方向に沿つて回折格子が形成される回転ス
ケールと、可干渉性の光束を生成する光源と、前
記光源からの光束を2分割するためのビームスプ
リツターと、前記ビームスプリツターで分割生成
された2つの光束を、それぞれ前記回転スケール
の回転中心に関して点対称な回折格子上の2つの
位置M1,M2に入射させる光学系と、前記位置
M1で発生する+m次の回折光と、前記位置M2
発生する−m次の回折光とを前記ビームスプリツ
ターで合成して、得られた干渉光を受光する受光
系とを有し、該受光系で得られた信号を利用して
該回転スケールの回転情報を検出する際、前記光
源から前記位置M1を経由して前記受光系に至る
光路の光路長と、前記光源から前記位置M2を経
由して前記受光系に至る光路の光路長とが実質的
に等しくなるように各要素を構成したことであ
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図は本発明の一実施例の概略図である。同
図において、1はレーザー等の可干渉性光源、2
はコリメーターレンズ、3は光束分割手段として
の偏光ビームスプリツターで、レーザー1からの
直線偏光に対して、その偏光軸が45゜となるよう
に配置されている。41,42,41′,42′は各々
シリンドリカルレンズ、5,6,7,8,9は
各々1/4波長板、1,10′は反射鏡、11,1
1′はコーナーキユーブ反射鏡、12は円板上に
例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、13は不図示の被検回転物体
の回転軸である。14は1/2波長板、15はビー
ムスプリツター、16,17は偏光板で、偏光方
位が互いに45度になるように配置されている。1
8,19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によつて略平行な光束となり、偏光ビ
ームスプリツター3に入射する、偏光ビームスプ
リツター3は、その方位が、レーザー1の直線偏
光方位に対して45゜となるように配置されている
ので、レーザー1からの光束は、偏光ビームスプ
リツター3において略等しい光量で反射光束と透
過光束に分割される。このうち透過光束は、第1
照明手段としてのシリンドリカルレンズ41を介
して、放射格子12上の位置M1上に線状照射さ
れる。一方、反射光束は、1/2波長板14によつ
て偏光方位が90゜回転した直線偏光光束となつて、
偏光ビームスプリツター3′を透過する。そして
1/4波長板8によつて円偏光に変換されて反射鏡
10′で反射され再び1/4波長板8を通つて、偏光
ビームスプリツター3′への入射時とは直交した
直線偏光光束となるので、今度は偏光ビームスプ
リツター3′で反射されて、第2照明手段として
のシリンドリカルレンズ41′を介して、放射格子
12上の、点M1とは、回転中心に対して略点対
称な位置M2上に線状照射される。ここでシリン
ドリカルレンズ41,41′は、放射格子12の放
射方向と直交する方向に線状照射されるように配
置されている。このように線状照射することによ
り、放射格子12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ツチ変化の影響
を軽減している。放射格子12に入射した光束
は、放射格子12の格子模様によつて反射回折さ
れる。
いま、光束の照射位置における格子模様のピツ
チをpとすれば、m次の反射回折光L,L′の回折
角度θnは、次の(1)式で表わされる。
sinθn=mλ/p ……(1) ここでλは光束の波長である。
いま、放射格子12が、角速度ωで回転してい
るとする。放射格子の回転中心から、照射位置ま
での距離をrとすると、照射位置M1,M2での周
速度はv=rωとなる。ここで点M1,M2への入射
光束を波数ベクトル表示でk→iと表わし、反射回
折光L及びL′を波数ベクトル表示でk→s及びk→
′と表わし、点M1,M2における放射格子12の
周速度をベクトル表示でv→と表わして、k→i,k→s

k→s′とv→との関係を第2図に示すような関係にな
つたとする。すると、反射回折光L及びL′の周波
数は、次式で表わされる量Δ及びΔ′だけ、所謂
ドツプラーシフトを受ける。
Δ=(k→i−k→s)・v→/2π =vsinθn/λ =rωsinθn/λ Δ′=(k→i−k→s′)・v→/2π =−vsinθn/λ =−Δ ……(2) ここで、・はベクトルの内積を表わす。
そして、シリンドリカルレンズ42及び1/4波長
板6を介して、コーナーキユーブ反射鏡11を有
する第1光学手段で点M1を再照射する。
同様にシリンドリカルレンズ42′、1/4波長板
7そしてコーナーキユーブ反射鏡11′を有する
第2光学手段で点M2を再照射する。
点M1,M2で再びm次の反射回折された光束
は、元の光路を戻るが、再回折時に再び(2)式のド
ツプラーシフトを受けるので、結局、点M1で再
回折されて元の光路を戻る再回折光R1は、周波
数2Δのドツプラーシフトを受け、点M2で再回
折されて元の光路を戻る再回折光R2は、周波数
−2Δのドツプラーシフトを受けることになる。
点M1で再回折されて元の光路を戻る再回折光
R1は、1/4波長板6を介しているため、入射時と
は、偏光方位が直交した直線偏光になり偏光ビー
ムスプリツター3で反射される。そして1/4波長
板5を介して反射鏡10で反射されて再び1/4波
長板5を通ると、偏光方位は再び90度回転して、
偏光ビームスプリツター3を透過する。さらに、
1/2波長板14で再び偏光方位が90度回転されて、
偏光ビームスプリツター3′で反射される。一方、
点M2で再回折されて元の光路を戻る再回折光R2
は、1/4波長板7を介しているため、入射時とは
偏光方位が直交した直線偏光になり偏光ビームス
プリツター3′を透過する。こうして点M1,M2
で再回折された2つの再回折光R1,R2は各々第
1導光手段、第2導光手段により偏光ビームスプ
リツター3′の位置Pに導光された後重なり合い
1/4波長板9を通つて、ビームスプリツター15
で2光束に分割され、偏光板16,17を通つて
受光素子18,19に入射する。こうして、周波
数2Δ及び周波数−2Δのドツプラーシフトを受
けた2つの再回折光R1,R2が重なり合うため、
受光素子18,19の出力信号の周波数は、2Δ
−(−2Δ)=4Δとなる。つまり、受光素子1
8,19の出力信号の周波数は=4Δ=
4rωsinθn/λとなり、(1)式の回折条件の式から、
=4mrω/pとなる。放射格子12の格子模様
の総本数をN、等角度ピツチをΔψとすれば、p
=rΔψ、Δψ=2π/Nより、=2mNω/π
……(3) である。いま、時間Δtの間での受光素子の出力
信号の波数をn、Δtの間での放射格子12の回
転角をθとすれば、n=Δt、θ=ωΔtより、 n=2mNθ/π ……(4) となり、受光素子の出力信号波形の波数をカウン
トすることによつて、放射格子12の回転角θ
を、(4)式によつて求めることができる。
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。そのため本実施例に
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度ずれるように
配置し、回転に伴う90度位相差信号から、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18,19の出
力信号間の90゜位相ずれを、偏光ビームスプリツ
ターと、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、点M1,M2で再回折さ
れて元の光路を戻る光束は偏光ビームスプリツタ
ー3′で、各々反射及び透過されて重なり合い、
1/4波長板9を透過することによつて、直線偏光
となるが、その偏光方位が放射格子12の回転に
伴つて変化する。そして、受光素子18,19の
前面に設けた偏光板16,17の偏光方位を互い
に45゜ずらすことによつて、受光素子18,19
の出力信号間に90゜の位相差を与えることができ
る。そして、第1図に示すように例えば受光素子
18,19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すれば、回転角
度を求めることができる。
尚本実施例において単に回転速度のみを求める
回転速度計として用いるならば第1図において3
は単なるハーフミラーでよく、又1/4波長板5,
6,7,8,9、偏光板16,17、ビームスプ
リツター15そして受光素子1は不要である。
第3図は第1図の放射格子12と2つの光束の
放射格子12上の照射位置M1,M2と被検回転物
体の回転中心との説明図である。
本実施例においては放射格子12の中心と被検
回転物体の回転中心に対して略点対称の2点M1
M2を測定点とすることにより放射格子12の中
心と、被検回転物体の回転中心との偏心の影響を
軽減している。すなわち、放射格子12の中心
と、回転中心とを完全に一致させることは困難で
あり、両者の偏心は避けられない。たとえば、第
3図に示すように、放射格子12の中心Oと、回
転中心O′との間に、偏心量がaだけあつたとき、
回転中心から距離rの位置にある測定点M1での
ドツプラー周波数シフトは、偏心がないときとく
らべてr/(r+a)から、r/(r−a)まで
変化する。一方、このとき位置M1と、回転中心
に対して点対称な位置にある測定点M2での周波
数シフトは、位置M1での変化とは逆にr/(r
−a)かr/(r+a)まで変化するから、位置
M1とM2と、同時に2点を測定点とすることによ
つて、偏心の影響を軽減することができる。
また、第1図の実施例において、光源たるレー
ザー1は、その小型、低価格、高出力という点で
半導体レーザーが最も望ましい。しかるに、半導
体レーザーはその波長が周囲の温度によつて変化
する。レーザーの波長が変化すると、(1)式の回折
条件の式から明らかなように、回折角θnが変化す
る。また、放射格子12の中心と、被検回転物体
の中心とが偏心している場合でも、測定点M1
M2での格子模様のピツチpが変化するため、回
折条件の式から明らかなように、やはり回折角θn
が変化する。しかし、第1図の実施例において
は、回折光L及びL′の反射鏡として、コーナーキ
ユーブ反射鏡11,11′を用いているので、回
折角θnが変化しても、コーナーキユーブ反射鏡1
1,11′による反射光束は必ず元の光路に戻る。
つまり、光源の波長変化や、偏心による回折角変
化に基く誤差を、コーナーキユーブ反射鏡11,
11′で除去している。
また、第1図の実施例においては、レーザー1
から、入射位置M1及びコーナーキユーブ反射鏡
11を経由して受光素子18及び19に至る光路
即ち第1光路(第1図において実線で示してあ
る)の光路長と、レーザー1から、入射位置M2
及びコーナーキユーブ反射鏡11′を経由して受
光素子18及び19に至る光路即ち第2光路(第
1図において破線で示してある)の光路長とが光
学的に等しく、所謂共通光路型干渉計の構成にな
つているため、振動や温度変化などの外部擾乱に
対して安定した系になつている。
第4図は本発明の他の実施例の一部分の概略図
であり、第1図の放射格子12に光束が入射する
付近を示している。同図において各要素に付され
た番号は第1図で示したものと同じ要素を示す。
放射格子12の位置M1及びM2に入射した光束の
±m次の透過回折光をシリンドリカルレンズ42
2′、1/4波長板6,7、コーナーキユーブ反射
鏡11,11′を介して、放射格子12に再度入
射させ、第1図に示した実施例と同様の効果を得
ている。
尚前述した各実施例ではm次の2つの回折光を
用いた場合を示したが±m次の回折光であつても
又次数の異つた2つの回折光を用いても良い。
第4図は本発明の他の実施例の一部分の概略図
であり、第1図の放射格子12に光束が入射する
付近を示している。同図において各要素に付され
た番号は第1図で示したものと同じ要素を示す。
放射格子12の位置M1及びM2に入射した光束の
±m次の透過回折光をシリンドリカルレンズ42
2′、1/4波長板6,7、コーナーキユーブ反射
鏡11,11′を介して、放射格子12に再度入
射させ、第1図に示した実施例と同様の効果を得
ている。
尚前述した各実施例ではm次の2つの回折光を
用いた場合を示したが±m次の回折光であつても
又次数の異つた2つの回折光を用いても良い。
(発明の効果) 本発明によれば被検回転物体の負荷の小さい放
射格子の中心と回転物体の回転中心との偏心誤差
を軽減した小型でしかも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。又共通光路型
構成とすることにより振動や温度変化等の外部影
響に対して安定したロータリーエンコーダーを達
成することができる。
例えば従来から使用されているインデツクスス
ケール方式の光電式ロータリーエンコーダーで
は、前述の(4)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θとの関係は、 n=Mθ/2π ……(5) であるから、波数1個あたりの回転角Δθは、 Δθ=2π/N(ラジアン) ……(6) である。これに対して、本実施例では、(4)式か
ら、 Δθ=π/2mN(ラジアン) ……(7) である。
従つて、本実施例によれば、同じ分割数のスケ
ールを用いても従来例に比べて4m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
割数として、(6)式から、N=360×60×60/30=
43200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10μmとすれ
ば、メインスケールの直径は、0.01mm×43200/
π=137.5mm必要になる。
しかるに、本実施例によれば、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1/4mでよい。±1次の回折光を用いたm=
1の場合、30秒の回転角検出精度を得るための放
射格子8の格子の分割数は、43200/4=10800で
よい。そして本実施例におい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、これを4μmとすると、放射格子の
直径は、0.004mm×10800/π=13.75mmでよいこ
とになる。すなわち、本実施例によれば従来のイ
ンデツ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、1/10以下の大きさでよい。従つて、被検回
転物体への負荷も従来例とくらべて、はるかに小
さくなり、正確な測定が行えることになる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の概略図、第2図は
本発明に係る放射格子への入射光束と反射回折光
のベクトル表示の説明図、第3図は本発明の放射
格子の中心との偏心を表わす説明図、第4図は本
発明の他の実施例の一部分の説明図である。 図中1は光源、2はコリメーターレンズ、3は
光束分割手段、41,42,41′,42′は各々シリ
ンドリカルレンズ、5.6,7,8,9は各々1/
4波長板、10,10′は反射鏡、11,11′は
コーナーキユーブ反射鏡、12は放射格子、13
は回転軸、16,17は偏光板、18,19は受
光素子である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 回転方向に沿つて回折格子が形成される回転
    スケールと、可干渉性の光束を生成する光源と、
    前記光源からの光束を2分割するためのビームス
    プリツターと、前記ビームスプリツターで分割生
    成された2つの光束を、それぞれ前記回転スケー
    ルの回転中心に関して点対称な回折格子上の2つ
    の位置M1,M2に入射させる光学系と、前記位置
    M1で発生する+m次の回折光と、前記位置M2
    発生する−m次の回折光とを前記ビームスプリツ
    ターで合成して、得られた干渉光を受光する受光
    系とを有し、該受光系で得られた信号を利用して
    該回転スケールの回転情報を検出する際、前記光
    源から前記位置M1を経由して前記受光系に至る
    光路の光路長と、前記光源から前記位置M2を経
    由して前記受光系に至る光路の光路長とが実質的
    に等しくなるように各要素を構成したことを特徴
    とするロータリーエンコーダー。
JP60152066A 1985-07-10 1985-07-10 ロ−タリ−エンコ−ダ− Granted JPS6212814A (ja)

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JP60152066A JPS6212814A (ja) 1985-07-10 1985-07-10 ロ−タリ−エンコ−ダ−
US07/196,850 US4868385A (en) 1985-07-10 1988-05-17 Rotating state detection apparatus using a plurality of light beams

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