JPS62201313A - 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】 く技術分野〉 本発明はロータリーエンコーダーに関し、特に放射状に
配した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のキヤブステンモーター澗回転ドラム等の
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５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１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を投光手段３３と受光毛段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首全
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。

−・方、従来からリニアエンコーダーに於て、移動物体
に取付けた回折格子に可干渉光束を入射せしめ、該回折
格子から出射する回折光同志を重ね合わせることにより
得られる干渉縞を受光手段で検出し、移動物体の移動の
際に生じる受光面上での干渉縞の明暗を光電変換して電
気信号（パルス）を得ることにより移動物体の移動量を
検知する方式が提案されていた。

従って、リニアエンコーダーに於けるこの干渉縞検出方
式をロータリーエンコーダーに適用すれば、上記従来の
ロータリーエンコーダーの欠点は全て解消出来ると考え
られる。しかしながら、ロータリーエンコーダーにこの
方式を用いる場合１回折格子として円板の如き回転物体
上に放射格子を形成し、この放射格子上に可干渉光束を
入射させて測定する方法を用いる為、この放射格子の中
心と回転物体の回転中心とが正確に一致しないことから
、　１１１１定時に偏心誤差の影響を受けることが多い
。

従って、偏心誤差の影響を軽減する為に放射格子の複数
の位置から出射した回折光同志を干渉させる方式をとる
ことが有効であるが、円板の如き回転物体のｆ相性（平
行度）が悪いと互。

いに干渉させるべき回折光同志に光路長差が発生し、７
１＋１１定誤差を生じる可能性があった。

〈発明の概要〉 本発明の目的は、上記問題点に鑑み、ロータリーエンコ
ーターに於ける回転物体の平行度に着目し、Ａ１１ｌ定
時の所望の許容誤差を満足させる平行度を備えた回転物
体を有するロータリーエンコーダーを提供することにあ
る。

に足口的を達成する為に、本発明に係るロータリーエン
コーダーは、回転する物体に設けた回折格子の異なる位
置に可干渉光束を入射させ１、核回折格子から出射する
相異なる回折光を互いに毛ね合わせて１′−＃縞を形成
し、該干渉縞を受光手段で検出することにより前記物体
の回転状態を検知するロータリーエンコーダーに於て、
＋ｉｉｉ記物体の平行度ａが以下の式を満足する様にし
たことを特徴とする。

ａ≦ｔａｒｒｌ（”　”　”　　　０＜　）６０ｎｏＰ 尚、ここで、ｍ、ｎは回折光の次数、ｎＱは物体の屈折
率、Ｐは回折格子のピッチ、λは可干渉光束の波及、θ
Ｋは角度誤差の許容値を示す。

尚、本発明の更なる特徴は以下に示す実施例により理解
出来るであろう。

〈実施例〉 第１図は本発明に係るロータリーエンコーダーの一実施
例の光学系概略図である。

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；１３シている。このうち反射
した光束は嵐波長板４と反射鏡５を経て、円偏光とし、
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
が設けられている放射格子７の位５’ｌ　Ｍ　Ｌに入射
させている。そして放射格子７に入射し回折した透過回
折光のうち特定次数、例えば＋ｍ次の回折光を反射手段
８により反射させ、同一光路を逆行させ放射格子７上の
略同−位置Ｍ１に再入射させている。そして放射格子７
により再回折された特定次数の回折光を反射鏡５と電波
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から反射手段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。

反射手段８としては１通常の反射鏡を用いることも可能
であるが、コーナキューブ等の光学素子に対する人出射
光束が常に平行となる様な光学素子が好ましい。

例えば１反射鏡を集光レンズの略焦点面上に配置し、集
光レンズに平行に入射してきた特定次数の回折光のみを
マスクの開日部を通過させ反射鏡で反射させた後１元の
光路を逆戻りするような構成の光学素子を用いると良い
。この時は他の次数の回折光はマスクにより遮光される
ことになる。反射膜１）として、この種の光学素子の機
能と同一のちのであれば、例えばキャッツアイ光学系等
どのような構成のものでも良い。このような光学系を用
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かできる特徴がある
。

又、キャッツアイ光学系に、屈折率分布型レンズ、例え
ば日本板硝子社製のセルフォックマイクロレンズ（商品
名）等を適用し、その両端平面な点に着目して片面に反
射膜を１没けることにより、構成が簡便で且つ又生産性
に富む光学素子として本発明に有効に適用することがで
きる。

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電波長板９を介し円偏光
とし、更に反射鏡ｌＯを介して円板６上の放射格子７上
の位置Ｍ１と回転軸Ｏに対して略点対称の位ｉＭ２に入
射させている。そして放射格子７に入射し回折した透過
回折光のうち特定次数、例えば−ｍ次の回折光を前述の
反射手段８と同様の反射手段１１により同一光路を逆行
さ°せて、放射格子７の略同−位１ｆｉ　Ｍ　２に再入
射させている。そして放射格子７より再回折された特定
次数の回折光を反射鏡１０と電波長板９を介し入射した
ときは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から反射手段１１に至る特定次数の回
折光の往復光路を同一としている。そして反射手段８を
介し入射してきた回折光と毛なり合わせた後、電波長板
１２を介し円偏光とし、光分割器１３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１４．１６を介し双方の光束に９０度の位相
差を伺けた直線偏光として各々の受光「一段１５．１７
に入射させている。そして受光り段１５．１７により形
成された２光東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放射格子７の１ピッ
チ分だけ回転するとｍ次の再回折光の位相は２ｍπだけ
変化する。同様に放射格子７により１１回折されたｎ次
の回折光の位相は２ｎπだけ労化する。これにより全体
として受光「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ｅを測定している。

第２図は第１図に示すロータリーエンコーダーの断面図
で、円板６より上方の光学系は省略している。尚、図中
の符番の内温１図と同じ符番は同一部材もしくは位置を
示している。

又、見は放射格子上の位置Ｍ１．Ｍ２間の距離、ｔｔ及
びｔ２は夫々Ｍ１及びＭ２側での円板の厚さを示す記り
である。

第１図に示す如き透過回折光を利用するロータリーエン
コーダーに於て、第２図の断面図に示す様な放射格子７
を形成している円板６がくさび条になっている場合を考
える。この場合、実線で示されるＭｌに入射して回折、
再回折を生じるｍ次の回折光の光路長と、破線で示され
るＭ２に入射して回折、再回折を生じる一ｍ次の回折光
の光路長との間に差が生じて測定誤差を生じてしまう。

即ち、Ｍｌ、Ｍ２を入射用する光束は大々放射格子７を
往復入射させられる為、Ｍｌ、Ｍ２に於る厚さの差をΔ
＝ｔ　１−ｔ２とすれば、放射格子７が形成された円板
６の屈折率をｎＱ、レーザーｌの発振波長をλとする時
、ｎ□ＸΔ＝λ／２の光路長差が生じることにより円板
６が１回転する毎に±１パルス（＋ｌＥ弦波形）の誤差
が生じる。

従って、１回転ちり±にパルスの誤差を生じせしめるΔ
には Δ＜＝にλ／２ｎＯ−−−−−−−−−一−−−−−−
−−−−−−（１）で与えられる。

従って、放射路ｆ−７が形成された円板６の平行度ａは ａ＝　ｊａｎ−１（Δに／文）　＝　ｔａｎ−１（ｋｘ
／２ｎｏ）　−−−−−−（２）で表わすことが出来る
。

−・方、円板５−１−の放射格子７の総本数をＮとする
と、第１図に示すロータリーエンコーダーの１パルス当
りの角度分解能０を秒で表わすと、±ｍ次の回折光を用
いる為、 ０＝３６０°Ｘ６０２／４ｍＮ　（秒）　＝３２４，０
００　／ｍＮ　（秒）　−＝−、（３）となる。

又、入射点Ｍ１及びＭ２は放射格子の中心Ｏに対し略対
称な位置であり、夫々の入射点に於る格子ピッチをＰと
すると、　Ｐ＝πｉ／Ｎであるから、（３）式の角度分
解能θは ０＝３２４　、０ＯＯＰ／πｍ！Ｌ−＝−−−−−−−
−−−−−−−−（４）従って、±にパルス当りの誤差
は、次式に示すθに秒の誤差となる。

θ＝３２４，０００ｋＰ／πｍｆＬ−＝−−−−−−−
−−−−−−（５）上記（２）式と（５）式から、第１
図に示すロータリーエンコーダーに於ける角度誤差θに
秒と放射格子７が形成された円板６の平行度ａとの関係
は、 πｍ入 ｔａｎａ（４，Ｏｏ　　ｎｏ　　　０Ｋ）：−−−−−
−−−−−（６）となる。

従って、測定精度ＯＫ秒を得る為には、円板６の平行度
ａは πｍλ ａ≦ｊａｎ’（４，００ｎｏＰ　　θＫ　）　−−−−
−−（７）となり、第１図に示す如きロータリーエンコ
ーダーに於ては、この（７）式を用いて、所望の角度精
度を得る為の円板６を作成すれば良い事になり１本実施
例では（７）式に基づき構成している。但し、実際の装
芒の詳細な設計に当たっては、この円板６の平面度以外
の種々の要因によっても測定精度が変化するので、夫々
の要因から生じるａｌ一定誤差を考慮して最終的な仕様
を決定すべきである。

次に、第（７）式を用いた数値実施例を示す。

第１図に示すロータリーエンコーダーに於て、使用する
回折光の次数をｍ＝±１、レーザ１の発振波長をλ＝　
０．７８ルｍ放射格子のピッチをＰ＝２．８５　ｐｍ、
円板６の屈折率をｎｏ＝１．５とすると、要求される角
度精度θＫに対する円板６の平行度ａは ａ≦ｊａｎ−１（８，８４Ｘ　ｌ　□−７θりとなり、
１１１１１定精度に０Ｋ＝ｌＯ（秒）を保証するには、
円板６の平行度は、上式にθに＝１０を代入して、 ａ　≦　５．０７Ｘ１０−４　（度）Ｈｌ、８（秒）に
する必要があることになる。

第３図、第４図は第１図のロータリーエンコーダーに於
て、反射回折光を利用する形態を示す模式図であり１図
中の符番は全て第１図。

第２図の部材と同部材を示している。ここで示す如き所
ａｉ？反射型のロータリーエンコーダーに於ても、図か
ら解る様に前述した（７）式を用いて、測定精度ＯＫに
対する円板６の平行度ａの許容値を求めることが可能で
ある。

又、第１図に示すロータリーエンコーダーは、反射手段
８，１０を用いてＭｌ、Ｍ２に回折光を再度導き、再び
回折光を生じせしめる構成を有するが、例えば反射手段
８．１０を用いずに、Ｍ　１．　Ｍ　２で生じた回折光
を所定の手段で直接重ね合わせて干渉縞を得る方式があ
る。

この時は、被測定回転物体が放射格子７の１ピッチ分で
け回転するとｍ次の回折光の位相はｍ＝だけ変化し、同
様に放射格子７の異なる位置により回折されたｎ次の回
折光の位相はｎπだけ変化し、全体として受光手段から
は（ｍ−ｎ）個の正弦波形が得られることになる。

更に第１図に関する説明では、同次数の±ｍ次回折光同
志を干渉させた場合を例に挙げて（７）式を導いている
が、互いに干渉させ得る回折光は同次数の回折光に限ら
れるものではない。従って、（７）式は本発明を示す一
般式ではなく、以下に一般式を導入する。

第一１に、干渉縞を形成する為に用いる４１定次数の回
折光が回折格子により回折を受けた回数、即ち放射格子
への入射回数をχ七とすれば、ｎＯＸΔ＝入／χの光路
長差が生じることにより円板６が１回転する毎に±１パ
ルスの誤差が生じる。従って、前記第（１）式は Δに＝にλ／χｎ　ｏ　　−−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−−−（１）　’と変形される。

従って、円板６の平行度を示す（２）式はに入 ａ　＝　ｔａ＋ｒ＋　（χｎｏ文）　　−−−−−−−
−−−−−−−−−（２）　’となる。

一方、本発明に係るロータリーエンコーダーの１パルス
当りの角度分解能θを度で表わすと１ｍ次及びｎ次の回
折光を用いるとして。

０　＝３６０／χ（ｍ　−ｎ）　Ｎ　　−−一−−−＝
−−−−−−（３）　’で表わされることになる。

従って、格子ピッチＰ、Ｍ、及びＭ２間距距離を用いて
（３）′式を書き直すと、 ０　＝３６０Ｐ／πｌχ（ｍ−ｎ）　−−−−−−−−
−−−−−（４）　′となる。

従って、±にパルス当りの誤差は１次式に示すθに度の
誤差を生じていることになる。

ＯＫ＝　３６０　ｋＰ／πｌχ（ｍ−ｎ）　−＝−＝−
−−−−（５）　’上記（２）′式と（５）′式から、
本発明に係るロータリーエンコーダーに於る角度誤差０
ＫＣＩ■）と放射格子７が形成された円板６のモ行度ａ
（度）との関係は、 ｔａｎ　ａＨ剥÷トＬＯＫ−一−−−−−−−−−−−
−−−（６）′となる。

従って、角度誤差ＯＫ（度）以内の装置を得る為には、
円板６のｆ行度ａ（度）は ａ≦”−１（＋　０Ｋ）−−−−−−（７）′となる。

従って１１本発明に係るロータリーエンコーダーでは、
　（７）′式を満たす如き回折格子を有する物体に可干
渉光束を入射せしめて、回転物体の回転状態を所望の角
度；ｉｌｌ差範囲内で測定出来る。換言すれば、（７）
′式を用い、装置の仕様から許容角度誤差の値を設定し
、この許容角度誤差を満たす様にロータリーエンコーダ
ーを構成する回転物体の平行度が得られる如く回転物体
を設計、製作すれば良い、又、言うまでもなく、（７）
’式の下限値はＯであり、明らかに完全に平行性が保れ
た回転物体に回折格子を形成するのが望ましい。

又、第１図に示すロータリーエンコーダーは放射格子の
中心に対して略点対称な位ｊｊ！Ｉ　Ｍ　１　！Ｍ２か
ら得られる回折光を利用するものであったが、例えば非
対称なＴ度１２０’　の角度を成す様な２つの位置から
得られる回折光を利用する場合であても（７）′式は十
分適用出来る。

第１図に示すロータリーエンコーダーに戻り、このロー
タリーエンコーダーに於て、例えば回折格子のピッチが
２．８５１Ｌｍ、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２．８５ｇｍ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
のハの２．８５／４＝０．７１　ｇｍ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１３、偏
向板１４．１６及び一方の受光手段は不要である。

又、前述の如く回転中心に対して略点対称の２つの位置
Ｍ１．Ｍ２からの回折光を利用することにより回転物体
の回転中心と放射格子の中心との偏心による測定誤差を
軽減させている。

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
要素とを互いに爪なり合わせ、同様に回転中心の外側寄
りの光束要；に同志を重ね合わせることにより、放射格
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。

又、偏光ビームスプリッタ−３から反射手段８．１１に
至る特′・’ｔ　ｉ’、（ａ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つの回折光束の毛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。

更に、電波長板４，９は偏光ビームスプリッタ−３と反
射手段８．１１との間であればどこに配置しても良い。

又１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。

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、ＩＦいに異なる屈折
率をイ１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１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、スタンパ等のプロセスにより量産が可能である
。

〈発明の効果〉 以北、本発明に係るロータリーエンコーダーは、４１１
１定時の所望の許容誤差を満足する平行度を有した回転
物体に回折路Ｔを設けて有り、要求される測定精度を常
時満足出来るロータリーエンコーダーである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明に係るロータリーエンコーダ
ーの一例を示す図で、第１図は光学系概略図、第２図は
円板の断面図。 第３図及び第４図は本発明に係るロータリーエンコーダ
ーの他の例を示す模式図。 第５図は従来のロータリーエンコーダーを示す概略図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転する物体に設けた回折格子の異なる位置に可
   干渉光束を入射させ、該異なる位置から出射する特定次
   数の回折光を互いに重ね合わせて干渉縞を形成し、該干
   渉縞を受光手段で検出することにより前記物体の回転状
   態を検知するロータリーエンコーダーに於て、前記物体
   の平行度ａが以下の式を満足する様にしたことを特徴と
   するロータリーエンコーダー。 ａ≦ｔａｎ＾−＾１（［π（ｍ−ｎ）λ］／３６０ｎ＿
   ０Ｐθ＿Ｋ）尚、ここで、ｍ、ｎは回折光の次数、ｎ＿
   ０は物体の屈折率、Ｐは回折格子のピッチ、λは可干渉
   光束の波長、θ＿Ｋは角度誤差の許容値を示す。