JP2697939B2

JP2697939B2 - ロータリーエンコーダー

Info

Publication number: JP2697939B2
Application number: JP33922189A
Authority: JP
Inventors: 正彦井垣
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-12-26
Filing date: 1989-12-26
Publication date: 1998-01-19
Anticipated expiration: 2013-01-19
Also published as: JPH03197818A

Description

【発明の詳細な説明】＜技術分野＞本発明はロータリーエンコーダーに関し、特に、円筒
状の回転体の回転量に応じた信号を光電的に検出するロ
ータリーエンコーダーに関する。

＜従来技術＞円筒状の回転体の回転量を測定する測定器として、本
件出願人が特開昭63−81212号公報で提案したロータリ
ーエンコーダーがある。

このロータリーエンコーダーは、円筒状の回転体の回
転量を、簡便な構成で、比較的高い分解能で測定できる
優れた測定器である。

この効果は、回転体の内部（中空部）に結像光学系を
設け、この結像光学系により、回転体の側面の第１領域
の格子の像を、回転体の回転軸に関して第１領域とは反
対側にある側面の第２領域の格子へ投影することにより
達成されている。

＜発明の概要＞本発明は上記公報に示されたロータリーエンコーダー
の改良に関するものであり、更に小型化を図ることが可
能なロータリーエンコーダーの提供を目的としている。

この目的を達成する為に、本発明のロータリーエンコ
ーダーは、光照射手段と円筒状の回転体と光電変換手段
とを備え、円筒状の回転体は円筒の母線に平行な軸を回
転軸として回転し、円筒状の回転体の側面には、回転体
の回転方向に沿って透光部と遮光部とを交互に配列して
格子が形成され、光照射手段からの光を回転体の側面の
第１領域に照射し、第１領域の格子を通過した光を回転
体の回転軸に関して第１領域とは反対側にある回転体の
側面の第２領域に向け、光電変換手段で第２領域の格子
を通過した光を受光して電気信号に変換するものであっ
て、上記第１領域の格子のフーリエ像を上記第２領域の
格子へ投影すべく上記光照射手段と回転体とを構成して
いる。

本発明では、第１領域の格子のフーリエ像を第２領域
の格子へ投影するよう構成している為、円筒状回転体の
内部（中空部）に結像光学系を設ける必要がない。従っ
て、回転体の直径を容易に小さくすることができ、極め
て小型のロータリーエンコーダーを提供することが可能
になる。

本発明の好ましい実施例では、格子のピツチをＰ、光
照射手段からの光の波長をλ、とする時、円筒状回転体
の直径ｄが、を満たすように設定される。また、透光部と遮光部が、
円筒状回転体の側面全体に規制正しく交互に配列される
場合、格子のピツチＰは、透光部の総数をｎとすると、となる。

＜実施例＞第１図は本発明の一実施例を示す斜視図である。同図
において、１は半導体レーザーであり、波長λの可干渉
光束を放射する。２は半導体レーザー１からの発散光束
を略平行光束に変換するコリメーターレンズ系であり、
半導体レーザー１とコリメーターレンズ系２とで、光照
射手段が構成される。３は円筒状の回転体であり、円筒
の母線と平行な軸５を回転軸として、矢印で示す方向に
回転する。この回転体３は、不図示のコネクタを介し
て、モーター等の駆動軸と連結され、駆動軸の回転量な
どを検出する為の光学式スケールとして使用される。ま
た、軸５と駆動軸の中心軸とは一致しており、回転体の
中心軸と軸５も、ほぼ一致している。回転体３は金属等
の不透明な部材より成り、その側面30には、回転体３の
回転方向に沿って、多数個のスリツト30aがピツチＰで
等間隔に並べてある。従って、回転体３の側面30に入射
する光は、スリツト30aを通過し、スリツト30a間の部分
30bで遮光される。即ち30aが透光部、30bが遮光部とな
り、これら透光部30aと遮光部30bが、回転方向に沿って
交互に規制正しく並べられて格子を形成し、光学式スケ
ールを構成することになる。４は光電変換素子であり、
フオトデイテクターより成る。そして、光電変換素子４
は、その受光面40に入射する光の強度に応じた電気信号
を出力する。

光照射手段（1,2）の光軸12は軸５と直交しており、
この光軸12は回転体３の側面30の第１領域31と第２領域
32の双方と交叉する。この第１領域31と第２領域32は、
回転体３の、軸５に関する互いに反対側の側面に設定さ
れ、光照射手段（1,2）からの光は、この第１領域31と
第２領域32の各格子を介して、光電変換素子４の受光面
40に向けられる。第１領域31と第２領域32を、軸５に関
して互いに反対側の側面に設定し、対称な配置としたの
は、回転体３の中心軸と軸５との偏心による測定誤差を
軽減する為である。

回転体３の第１領域31の格子と第２領域32の格子の、
光軸12に沿った間隔ｄ（以下、「回転体の直径ｄ」と記
す。）は、格子ピツチがＰ、波長がλとして、を満たすように設定されている。このように、回転体３
の直径ｄを設定することにより、回転体３の中空部に結
像光学系を設けることなく、回転体３の側面30の第１領
域31の格子の像を直接第２領域32の格子へ投影できる。
ここで投影される格子像は、フーリエ像と呼ばれるもの
であり、光回折現象に伴なう、格子の自己結像作用によ
り生じる。本実施例の回転体３は円筒状を成している
為、フーリエ像が多少湾曲し、コントラストが低下し易
いが、以下に示す条件を満たすように、光照射手段（1,
2）と回転体３を構成すれば、実用上問題ない。

次に、第１図に示すエンコーダーの、回転体３の回転
角の測定原理を第２図、第３図を用いて、詳しく説明す
る。

半導体レーザー１からの光束はコリメーターレンズ系
２により平行光束に変換され、この平行光束で、回転体
３の第１領域31を照射する。この平行光束は第１領域31
の格子で回折され、第１領域31の格子から０次、±１
次、±２次といった回折光が生じ、０次光及び±１次回
折光の２つ若しくは３つの光束同士の干渉により、領域
31の格子のフーリエ像が、回転体３の領域32の格子へ投
影される。このフーリエ像の明暗のピツチは、領域31の
格子のピツチＰと等しくなる。また、前述のように、こ
のフーリエ像は湾曲するが、この湾曲は、領域32の曲面
に沿って生じており、測定精度にはあまり影響しない。
尚、このようなフーリエ像の湾曲を小さくする為には、
回転体３の直径ｄを小さくすればいい。

第３図に示すように、回転体３が矢印100方向（CCW方
向）に回転しているとすると、フーリエ像は矢印110方
向（CW方向）に移動する。この時、フーリエ像が投影さ
れている領域32の格子は、矢印100方向へ移動してい
る。従って、回転体３が角度θ回転した時のフーリエ像
と領域32の格子間の相対的角度変化は２θとなり、格子
ピツチの２倍の分解能で回転角の測定が行なえる。

領域32の格子は領域31の格子のフーリエ像で照明さ
れ、領域32の格子を通過した光が、光電変換素子４の受
光面40に入射する。光電変換素子４は受光した光を電気
信号に変換し、この信号に基づいて回転体３の回転角が
測定される。本実施例のロータリーエンコーダーでは、
前述のように、回転体３が角度θ回転するときに、領域
31の格子のフーリエ像と領域32の格子が相対的に角度２
θ回転するから、回転体３のスリツト３の総数がｎであ
れば、回転体３の１回転当り、光電変換素子４から2n個
の正弦波パルスが出力される。回転角の測定は、この正
弦波パルスを順次計数することにより行なわれる。ま
た、光電変換素子４からの正弦波パルスに基づいて、回
転体４の回転速度を検出することもできる。

第４図（Ａ），（Ｂ）は、第１図に示すエンコーダー
をユニツト化し、被測定物体である（モーター等の）回
転駆動軸８に取付けた状態を示す図であり、第４図
（Ａ）が斜視図、第４図（Ｂ）が断面図である。

第４図（Ａ），（Ｂ）に示すように、光学式スケール
としての機能を備える回転体３は、回転駆動軸８に直接
取付けられる。一方、半導体レーザー１、コリメーター
レンズ系２、光電変換素子４が、コの字型のホルダー７
に取付けられ、固着される。ここでは、コリメーターレ
ンズ系２として、棒状の屈折率型分布型レンズを使用
し、ユニツト化を容易にし、また全体を小型にしてい
る。

第１図で示した実施例では、平行光束を回転体３の側
面30の領域31へ照射しているが、領域31の格子のフーリ
エ像の湾曲を補正する為に領域31へ照射する光束を非平
行とすることもある。この場合、湾曲を補正したい方向
にあわせて、発散光束を領域31へ照射したり、収斂光束
を領域31へ照射したりする。

また、第１図の実施例で半導体レーザーを光源として
使用したのは、小型で、可干渉性の良い単色光を放射す
るからであるが、領域31の格子のフーリエ像を、所望の
コントラストで、領域32の格子へ投影できる光を放射す
るものであれば、他の光源の使用も可能である。一方光
電変換素子４として小型のものを使用し、且つ測定感度
の低下は防ぎたいような場合には、回転体と光電変換素
子の間に集光レンズを設ければ良い。

また第１図に示す実施例では、回転体を金属で構成
し、多数個のスリツトを設けていたが、回転体は、アク
リル等の透明材料で構成することもできる。回転体を透
明材料で構成する場合には、中空又は中実（円柱）の回
転体の内又は外の側面に多数個の遮光部を等間隔で並べ
れば良い。この遮光部の形態としては、例えば本件出願
人が特開昭62−3616号公報で示した様な、Ｖ字状の溝が
挙げられる。この溝は回転体の内周面に刻まれ、この溝
で、そこに入射する光を全反射して遮光する。

＜発明の効果＞以上説明したように、本発明では、円筒状回転体の第
１領域の格子のフーリエ像を第２領域の格子へ投影する
よう、光照射手段と回転体を構成しているので、回転体
の内部（中空部）に結像光学型を使用することなく、回
転体の回転量などの測定を高い分解で行なえる。従っ
て、小型で高分解能をもつロータリーエンコーダーを提
供できる。

また、本発明では、回転軸に対する円筒状回転体の、
取り付け面振れやスラスト変位が生じても、測定精度が
劣化しない。

また、円筒状回転体が小型化できる為、慣性力が小さ
くなり、測定中の回転体の振動が小さくなる。従って、
測定精度が安定する。

また熱などの影響で円筒状回転体が径方向に伸縮して
も、第１領域の格子のフーリエ像と第２領域の格子の光
照射手段の光軸方向に関する位置関係が一定に維持され
る為、熱などの影響により測定精度が劣化しない。

また結像光学系が不良である為、光照射手段、円筒状
回転体、光電変換手段といった各要素の位置決めが容易
であり、ユニツト化し易い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す斜視図。第２図及び第３図は第１図に示すエンコーダーの測定原
理を説明する為の平面図。第４図（Ａ），（Ｂ）は、第１図に示すエンコーダーを
ユニツト化した様子を示す斜視図と断面図。１……半導体レーザー２……コリメーターレンズ系３……円筒状回転体４……光電変換素子５……回転軸 31……第１領域（格子） 32……第２領域（格子）

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光照射手段と円筒状の回転体と光電変換手
段とを備え、円筒状の回転体は円筒の母線に平行な軸を
回転軸として回転し、円筒状の回転体の側面には、回転
体の回転方向に沿って透光部と遮光部とを交互に配列し
て格子が形成され、光照射手段からの光を回転体の側面
の第１領域に照射し、第１領域の格子を通過した光を回
転体の回転軸に関して第１領域とは反対側にある回転体
の側面の第２領域に向け、光電変換手段で第２領域の格
子を通過した光を受光して電気信号に変換するロータリ
ーエンコーダーにおいて、上記第１領域の格子のフーリ
エ像を上記第２領域の格子へ投影すべく上記光照射手段
と回転体とを構成したことを特徴とするロータリーエン
コーダー。
【請求項２】上記格子のピツチをＰ、上記光照射手段か
らの光の波長をλ、とする時、上記回転体の直径ｄが、を満たす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。
【請求項３】上記格子の透光部の総数をｎとする時、を満たすことを特徴とする特許請求の範囲第（２）項記
載のロータリーエンコーダー。