JPH0442604B2

JPH0442604B2 -

Info

Publication number: JPH0442604B2
Application number: JP58098962A
Authority: JP
Inventors: Koichi Yamada; Seio Watanabe; Kazuo Nishi; Mutsuo Hirai
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1983-06-03
Filing date: 1983-06-03
Publication date: 1992-07-14
Also published as: DE3420600C2; JPS59224515A; DE3420600A1

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、半導体レーザを使用した回転又は
移動変位量を検出する光学式エンコーダに関する
ものである。

従来この種の光学式エンコーダとしては、第１
図に示すものがあつた。第１図は従来の半導体レ
ーザを使用して回転変位量を検出する光学式ロー
タリエンコーダの概略構成を示す斜視図である。
図において、１はボールベアリング、２はボール
ベアリング１に支持された回転軸、３は回転軸２
に取付けられたパルススケールとしてのパルス円
盤、４は光源としての半導体レーザ、５は半導体
レーザ４から放射状に発生するレーザ光、６はレ
ーザ光５を平行にするためのコリメータレンズ、
７はレーザ光５を数μmの大きさに集光するため
の集光レンズ、８はパルス円盤３を透過した光量
の変化を検知する光検知器であり、この光検知器
８としては、例えばフオトダイオードが用いられ
ている。また、パルス円盤３は、通常、ガラス円
盤が用いられ、このパルス円盤３には、明暗格子
縞９であるクロム蒸着膜がエツチングによりパタ
ーンニングすることによつて設けられている。

次に、上記第１図の動作について説明する。外
部から回転軸２に回転が伝えられると、明暗格子
縞９が刻まれているパルス円盤３が回転され、こ
のパルス円盤３を透過するレーザ光５の量が変化
する。その変化する量を、光検知器８で検知すれ
ば回転変位量を知ることができる。レーザ光５
は、半導体レーザ４から約１〜3mWの強度で発
生するが、第１図に示す様に放射状に発生するた
め、コリメータレンズ６によつて平行光となし、
集光レンズ７により直径約２〜10μmに小さく集
光し、パルス円盤３の明暗格子縞９に照射されて
いる。さて、第２図ａに示す様に、約２〜5μmの
小さな円形のスポツト光１０に集光されたレーザ
光５は、明暗格子縞９を横切ると、第２図ｂ，ｄ
に示す様な波形の各出力信号が発生する。明暗格
子縞９のピツチが大きい場合、発生する出力信号
は、第２図ａに示す矩形波に近い波形になるが、
明暗格子縞９のピツチが小さくなり、明暗格子縞
９の幅とレーザ光５の円形のスポツト光１０の径
がほぼ等しくなると、第２図ｄに示す様に、発生
する出力信号は正弦波状の波形となる。さらに、
明暗格子縞９の幅がレーザ光５の円形のスポツト
光１０の径よりも小さくなると、発生する出力信
号の振幅は小さくなり、ついには明暗格子縞９が
検出できなくなつてくる。そのため、明暗格子縞
９の幅が小さくなると、レーザ光５の円形のスポ
ツト光１０の径は小さくしなければならない。例
えば、１万パルスを発生する直径50mmのパルス円
盤３を作つた場合、明暗格子縞９の幅は、約7μm
になるので、レーザ光５の円形のスポツト光１０
の径は約7μm以下であれば良い。

一般に、上記した様な半導体レーザ４から放射
されるレーザ光５を使用して信号検出する光学系
では、第３図ａに示す様に、２個の半導体レーザ
４を互いに90゜位相の異なる出力信号が発生する
位置に置くと、その各出力信号は、第３図ｂ及び
ｃに示す90゜位相の異なる正弦波状の波形を有す
る各出力信号が発生する。この各出力信号を、第
３図ｄ及びｅに示す様に、それぞれを矩形波状の
波形に波形整形した後、第３図ｆに示す様に、そ
の立上りと立下りをカウントして、回転方向の弁
別と、４倍のパルス信号（例えば、１万パルスの
パルス円盤３から４万パルスの信号）を発生させ
ている。また、この際、１回転中に１パルスを発
生する基準位置となるゼロ信号を発生させるため
の光学系も必要となる。

上記した様に、従来の半導体レーザを使用した
光学式ロータリエンコーダでは、90゜位相の異な
る出力信号の発生と、１回転中の基準位置となる
ゼロ信号を発生させるために、３個の半導体レー
ザ４を用いた３つの光学系が必要となり、また、
それぞれの光学系を独立に調整しなければなら
ず、このため、各光学系の調整が面倒である上
に、コストも高くなるなどの欠点があつた。

この発明は上記の様な従来のものの欠点を除去
するためになされたもので、回転又は移動変位量
を検出すると光学式エンコーダにおいて、パルス
スケールと、光源としての半導体レーザと、この
半導体レーザから放射されるレーザ光を複数のビ
ームに分割する回折格子と、前記複数のビームの
それぞれをだ円形のスポツト光に集光し、前記パ
ルススケールに照射する第１の光学系と、前記パ
ルススケールから反射又は透過してくるレーザ光
を光検知器に導く第２の光学系と、前記光検知器
とを備えて成る構成を有し、高い分解能を有し、
小型で、低コストの光学式エンコーダを提供する
ことを目的としている。

以下、この発明の実施例を図について説明す
る。第４図ａないしｃは、この発明の一実施例で
ある光学式ロータリエンコーダの概略構成を示す
斜視図、その一部拡大平面図及び各だ円形のスポ
ツト光の位置関係を示す図で、第１図と同一部分
は同一符号を用いて表示してあり、その詳細な説
明は省略する。図において、１０ａはだ円形のス
ポツト光、１１は回折格子、１２は平凹シリンド
リカルレンズ、１３は３分割光検知器、１４はゼ
ロ信号マークである。

次に、この発明の一実施例である光学式ロータ
リエンコーダの動作について説明する。外部から
回転軸２に回転が伝えられると、明暗格子縞９が
刻まれているパルス円盤３が回転され、このパル
ス円盤３の回転変位量を、半導体レーザ４からの
レーザ光５がパルス円盤３を透過する透過光量変
化により検出する。半導体レーザ４から放射した
レーザ光５はコリメータレンズ６で平行ビームに
した後、回折格子１１により透過光と±１次回折
光の３つのビームを発生させる。この３つのビー
ムを平凹シリンドリカルレンズ１２により、縦方
向にだけビームを広げただ円形のビームにする。
平凹シリンドリカルレンズ１２の焦点距離は、こ
のだ円形のビームの長径が短径の約10〜15倍にな
る様に選べば良い。３つのだ円形のビームは、集
光レンズ７によつて、第４図ｂ及びｃに示す様
に、例えば、短径が約５〜10μm、長径が約50〜
150μmのだ円形のスポツト光１０ａに集光され、
パルス円盤３上に照射される。例えば、一万パル
スの場合は、短径は約7μm程度で良い。また、パ
ルス円盤３上に照射されただ円形のスポツト光１
０ａの配置は、第４図ｂに示す位置になる様にす
れば良い。３つのだ円形のスポツト光１０ａの
内、１つはゼロ信号用マーク１４の上に置き、他
の２つは、明暗格子縞９上に、90゜位相がずれた
出力信号が発生する様に配置する。これら３つの
だ円形のスポツト光１０ａの各長径方向の位置関
係は、第４図ｃに示す様に、回折格子１１のピツ
チでＡの値が決まり、また、光軸を中心に回折格
子１１を回転する角度によつてＢの値が決まる。
だ円形のスポツト光１０ａの形状とした理由は、
明暗格子縞９を分解する方向には狭くし、明暗格
子縞９の長手方向に広くして、明暗格子縞９のキ
ズによる信号の減少を少なくするためである。信
号検出は、パルス円盤３の後方で、明暗格子縞９
が回転するために発生する３つのレーザ光５の透
過光量の変化を、３分割光検知器１３によりそれ
ぞれ独立に検出する。３分割光検知器１３は、第
５図ａ及びｂに示す様な位置に配設すれば良い。
第５図ａに示す様に、側面から見れば、レーザ光
５は３つのビームの３方向に別かれており、平凹
シリンドリカルレンズ１２によつて集束する位置
がパルス円盤３の後方にシフトするため、パルス
円盤３上ではだ円形のスポツト光１０ａとなる。
３分割光検知器１３は、後方にシフトした集光レ
ンズ７の焦点位置付近に、第５図ａ及びｂに示す
方向に位置させる。また、光学系を上方から見る
と、回折格子１１はレーザ光５を３つのビームに
分割し、平凹シリンドリカルレンズ１２は平行平
板として働くため、レーザ光５は集光レンズ７に
より小さく集光する。パルス円盤３を透過したレ
ーザ光５は広がり、３分割光検知器１３上に、第
５図ａ及びｂに示す様に集り、これにより、３種
類の出力信号をそれぞれ検出する。

上記第５図ａ及びｂに示す実施例では、パルス
円盤３を透過したレーザ光５を検知する場合につ
いて説明したが、パルス円盤３からの反射光を検
知する様にしても良い。第６図ａ及びｂにその実
施例を示す。図に示す様に、半導体レーザ４から
放射されたレーザ光５はコリメータレンズ６によ
り平行光にされた後、回折格子１１で３つの方向
のビームに分離され、偏光ビームスプリツタ１４
ａを透過し、４分の１波長板１５により直線偏光
を円偏光に変換され、平凹シリンドリカルレンズ
１２を介して集光レンズ７により集光されてパル
ス円盤３上に照射される。パルス円盤３の面上で
反射されたレーザ光５は、再び４分の１波長板１
５を通過することにより、入射時と直交する方向
の直線偏光となり、偏光ビームスプリツタ１４ａ
で方向が変えられ、集光用の凸レンズ１６で集光
され、３分割光検知器１３にそれぞれ入射し、こ
れにより、３種類の出力信号を独立に検出するこ
とができる。

また、上記第５図ａ及びｂ、第６図ａ及びｂの
各実施例では、パルス円盤３の回転による光量の
変化を、直接に３分割光検知器１３で検出する場
合について説明したが、第７図に示す様に、３分
割された光フアイバ束１７を用いて、その一方の
端部でレーザ光５を受け、光学系から離れた光フ
アイバ束１７の他の一方の端部に３つの光検知器
８を配置することにより、出力信号をそれぞれ検
出する様にしても良い。この場合には、信号の伝
送を光で行うため、ノイズが入りにくく、信号伝
送中に外部の乱雑音による信号劣化を防ぐことが
できる。

また、上記各実施例では、回折格子１１により
レーザ光５が分割された光の内、透過光と＋１次
及び−１次の各回折光の３本の光を用いた場合に
ついて説明したが、さらに、高次（±２次、±３
次…）の光を用いることにより、検出できるチヤ
ンネル数を増加させ、高い分解能を有する光学式
エンコーダを作製することもできる。

また、上記各実施例で、半導体レーザ４からの
レーザ光５を、コリメータレンズ６を用いて、一
度平行ビームにしているが、集光レンズ７に対し
広がりながら入射した光を集光できるものを用い
れば、コリメータレンズ６を省略でき、また、第
６図ａ及びｂに示す様に、反射光を検出する場合
には、反射光は収束しながらもどつてくるため、
凸レンズ１６を省略できる。

また、上記実施例では、レーザ光５を集光して
だ円形のスポツト光１０ａとするために、平凹シ
リンドリカルレンズ１２を用いた場合について説
明したが、レーザ光５の光路にアパーチヤをそう
入し、回折による広がりを利用して、一方向だけ
にビームを広げても良い。また、平凹シリンドリ
カルレンズ１２の代りに平凸シリンドリカルレン
ズを用いて、だ円形のスポツト光１０ａを得るこ
ともできる。

また、上記各実施例では、平凹シリンドリカル
レンズ１２を集光レンズ７の前にそう入した場合
について説明したが、その配置順序は逆にしても
良い。

以上の説明では、回転変位量を検出する光学式
ロータリエンコーダの場合について述べたが、直
線移動変位量を検出する光学式リニアエンコーダ
にも同様に適用が可能であり、第８図ａ及びｂは
その実施例を示す。図において、４は半導体レー
ザ、５はレーザ光、６はコリメータレンズ、７は
集光レンズ、９は明暗格子縞、１０ａはだ円形の
スポツト光、１１は回折格子、１２は平凹シリン
ドリカルレンズ、１３は３分割光検知器、１４は
ゼロ信号用マーク、１８はリニアパルススケール
である。第８図ａ及びｂに示すものの信号検出系
は、第４図ａ及びｂに示すものと同一であり、パ
ルス円盤３がリニアパルススケール１８に置き換
えられただけである。信号検出の原理は、リニア
パルススケール１８又は信号検出系を移動するこ
とによつて発生する出力信号を取り出すものであ
り、その出力信号の発生原理は、上記した光学式
ロータリエンコーダで説明したものと同様であ
る。また、上記した光学式ロータリエンコーダと
して示した各実施例は、パルス円盤３をリニアパ
ルススケール１８に置き換えるのみで、光学式リ
ニアエンコーダとして使用が可能である。さら
に、光学式リニアエンコーダでは、信号検出系を
固定してリニアパルススケール１８を移動物に取
付ける場合と、リニアパルススケール１８を固定
して信号検出系を移動物に取付ける場合の２つが
ある。

以上の様に、この発明の光学式エンコーダによ
れば、１つの光学系で、回折格子を用いることに
より複数のビームを発生させ、それぞれのビーム
をだ円形のスポツト光に集光してパルススケール
に照射する様に構成したので、極めて高い分解能
を有し、多チヤンネルの信号検出が可能であり、
小型、かつ低コストの光学式エンコーダを得るこ
とができるという優れた効果を奏するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体レーザを使用して回転変
位量を検出する光学式ロータリエンコーダの概略
構成を示す斜視図、第２図ａないしｄは、第１図
のパルス円盤の動作態様を示す各説明図、第３図
ａは、第１図の光学式ロータリエンコーダで90゜
位相の異なる信号を発生させる動作態様を示す説
明図、第３図ｂないしｆは、第３図ａの光学式ロ
ータリエンコーダで発生される出力信号の各種の
波形図、第４図ａないしｃは、この発明の一実施
例である光学式ロータリエンコーダの概略構成を
示す斜視図、その一部拡大平面図及び各だ円形の
スポツト光の位置関係を示す図、第５図ａ及びｂ
は、第４図ａの光学式ロータリエンコーダの信号
検出系を示す側面図及び平面図、第６図ａ及びｂ
は、この発明の他の実施例である光学式ロータリ
エンコーダの信号検出系を示す側面図及び平面
図、第７図はこの発明の他の実施例である光学式
ロータリエンコーダの信号検出系を示す側面図、
第８図ａ及びｂは、この発明の他の実施例である
光学式リニアエンコーダの概略構成を示す斜視図
及びその一部拡大平面図である。図において、１…ボールベアリング、２…回転
軸、３…パルス円盤、４…半導体レーザ、５…レ
ーザ光、６…コリメータレンズ、７…集光レン
ズ、８…光検知器、９…明暗格子縞、１０，１０
ａ…スポツト光、１１…回折格子、１２…平凹シ
リンドリカルレンズ、１３…３分割光検知器、１
４…ゼロ信号用マーク、１４ａ…偏光ビームスプ
リツタ、１５…４分の１波長板、１６…凸レン
ズ、１７…光フアイバ束、１８…リニアパルスス
ケールである。なお、図中、同一符号は同一、又
は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】１回転又は移動変位量を検出する光学式エンコ
ーダにおいて、パルススケールと、光源としての
半導体レーザと、該半導体レーザから放射される
レーザ光を複数のビームに分割する回折格子と、
前記複数のビームのそれぞれをだ円形のスポツト
光に集光し、前記パルススケールに照射する第１
の光学系と、前記パルススケールから反射又は透
過してくるレーザ光を光検知器に導く第２の光学
系と、前記光検知器とを備えて成ることを特徴と
する光学式エンコーダ。２前記パルススケールから反射又は透過してく
るレーザ光を、複数に分割された光フアイバ束で
受け、離れた位置にある光検知器に導くことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学式エン
コーダ。