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JP2586121B2 - ロータリーエンコーダの原点検出系 - Google Patents

ロータリーエンコーダの原点検出系

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JP2586121B2
JP2586121B2 JP63246650A JP24665088A JP2586121B2 JP 2586121 B2 JP2586121 B2 JP 2586121B2 JP 63246650 A JP63246650 A JP 63246650A JP 24665088 A JP24665088 A JP 24665088A JP 2586121 B2 JP2586121 B2 JP 2586121B2
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哲治 西村
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哲 石井
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    • 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
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    • G01D5/36Forming the light into pulses

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は回転物体の回転状態を光電的に測定するロー
タリーエンコーダーの原点検出系に関し、例えば回転ス
ケールに取付けた回折格子に可干渉性光束を入射させ該
回折格子からの回折光を互いに干渉させて干渉縞を形成
し、干渉縞の明暗の縞を計数することによって回転物体
の回転状態を測定する際の原点位置信号を効率的に、か
つ高精度に得るようにしたロータリーエンコーダーの原
点検出系に関するものである。
(従来の技術) 従来よりサブミクロンの単位で変位を測定することの
できる測定器としては、レーザー等の可干渉性光束を用
い移動物体に設けた回転回折格子からの回折光より干渉
縞を形成し、該干渉縞の明暗変化をモニターするリニア
エンコーダーやロータリーエンコーダーが良く知られて
いる。
ロータリーエンコーダのうちインクリメンタル方式の
エンコーダはスケールの回転に伴ない発生するパルス数
を計数して被検出物体の回転量を検出している。又、被
検出物体の絶対回転位置は原点回転位置からのずれ量及
び方向を求めることにより行っている。
一般にインクリメンタルタイプのロータリーエンコー
ダは1回転中に1回だけ原点位置を示す原点信号を発生
するようなパターンが設けられている。
このときの原点信号は光や磁気等を利用したパターン
検出系を用いて該パターンの有無(又は遠近)を検知し
て発生される。
本出願人は先に特開昭62-200223号公報において、回
転ディスクの直径が20mm、1回転当りのパルス数(正弦
波周波数)81000程度のロータリーエンコーダを提案し
た。同公報のロータリーエンコーダは1パルス当りの回
転ディスク周上の長さは0.78μである。一般には原点位
置検出装置の繰り返し再現性精度もこの程度必要とな
る。
そこで高精度な原点位置検出を可能とする為に同公報
においては例えば矩形状反射スリットを回転ディスク上
に設け、そこに矩形状又は長楕円状断面を有する光束を
照射し、そこからの反射光束を検出タイミングが異なる
ように位置をずらした2つの受光素子によって検知して
いる。そして同公報では両受光素子からの出力信号を比
較することによって原理的に矩形状反射スリットの幅よ
りも高分解能に原点位置を求めることのできるロータリ
ーエンコーダを提案している。
これにより数μm幅の矩形状反射スリットを用いて16
角度秒程度の原点位置再現性を得ている。
2つの受光素子の信号出力の比較精度は信号のS/N比
で決定されるがそのゆらぎが原点信号検出系そのものの
繰り返し再現精度に相当するはずである。
しかし電気信号の高いS/N比によってサブミクロンの
繰り返し再現精度が得られても、回転ディスクの回転中
の平行軸ずれや軸のたおれがあると、例えば第3、第
4、第5図に示すように検出タイミングがずれて原点信
号検出にエラーが生じる。
例えば第3図に示すように回転ディスク板5がX−
X′軸方向に0.5μm横ずれして破線の位置になったと
すると、回転ディスク板5上の矩形反射スリット6によ
る反射光束の検出タイミング(受光素子8の出力をA、
受光素子9の出力をBとする。)は第5図に示すように
なる。即ち、出力A、Bの交点のタイミングt1がt1′に
ずれてくる。
原点信号が周上で0.5μmずれたことに相当している
からエラーは直径20mmの回転ディスクで{tan-1(0.5/1
0000)×3600}=10角度秒になる。
回転ディスク5の倒れに関しても第4図に示すように
回転軸7が倒れると受光素子8、9上の反射光束の照射
位置がずれ出力A、Bのタイミングがずれてくる。例え
ば焦点距離5mmのシリンドリカルレンズを用いた場合、
回転軸7の倒れ20角度秒に対しエラーは 角度秒になる。
一般に小型のベアリング等を用いた回転機構において
0.5μm以下の軸ずれや10角度秒以下の軸の倒れを抑制
するのは非常に困難である。
このように従来のロータリーエンコーダにおいては1
角度秒程度の繰り返し再現性精度を満たす原点位置信号
を得ることは大変難しかった。
(発明が解決しようとする問題点) 本発明は、被検回転物体の回転状態を測定する際に回
転物体に関する原点位置信号を回転機構のガタや倒れが
あっても高精度にしかも効率的に検出することを可能と
した簡易な構成のロータリーエンコーダーの原点検出系
の提供を目的とする。
(問題点を解決するための手段) 回転物体に連結された回転ディスクの所定面上に入射
させた入射光束の反射光束又は透過光束を利用して、該
回転物体の回転状態を測定する際、前記回転ディスクの
回転中心を含む直線上であって、該回転中心を中心にし
て互いに対向する第1と第2のパターンを設け、第1,第
2の受光素子によって、各々のパターンからの光を互い
にタイミングをずらして検出し、前記第1,第2の受光素
子の検出信号の交点によって前記回転ディスクの回転に
関する原点位置信号を形成したことを特徴としている。
特に、前記第1,第2の受光素子は、各々パターンに入
射する光束の中心線から前記回転ディスクの回転方向に
対して互いに逆向きに設けられたことを特徴としてい
る。
(実施例) 第1図(A)は本発明の一実施例の光学系の要部概略
図、第1図(B)は同図(A)の一部分の平面図であ
る。
図中1は光源で例えばレーザダイオードである。2は
コリメーターレンズで光源1からの光束を平行光束とし
ている。3aはビームスプリッターでコリメーターレンズ
2からの光束を2つに分割している。10は反射鏡、3b、
3cはビームスプリッター、5は被検出物体としての回転
ディスクであり、回転軸7を中心に回転している。
4a、4bは各々シリンドリカルレンズであり、ビームス
プリッター3b、3cからの光束を回転ディスク5の円周方
向に収束し長楕円状にして入射させている。6a、6bは各
々原点位置検出用の第1のパターン,第2のパターン
(パターン)であり矩形反射スリットより成っており、
第1図(B)に示すように回転ディスク5の回転中心O
を通る直線上の回転中心Oに対向して異った半径(距
離)γa、γb上に各々設けられている。8、9は各々
第1の受光素子,第2の受光素子(受光素子)であり矩
形反射スリット6a(6b)で反射し、シリンドリカルレン
ズ4a(4b)、ビームスプリッター3b(3c)を通過してき
た光束を受光している。又受光素子8、9の位置は光束
の中心線11からディスクの回転方向に対して互いに逆向
きに設定されている。
これにより受光素子8、9による光束のタイミングを
所定時間ずらしている。即ち両パターンを結ぶ直線近傍
において一方の受光素子8に対応するビームスポットに
対しパターン6aがはなれる方向に移動する時、他方の受
光素子7に対応するビームスポットに対しパターン6bが
近づくように構成されている。
本実施例では光源1からの光束をコリメーターレンズ
2により略平行光束とし、ビームスプリッタ3a、3b、3c
そしてミラー10等を介して回転軸7に対し互いに反対側
に配置したシリンドリカルレンズ4a、4bにより長楕円状
光束にして回転ディスク5面上を照射している。そして
回転ディスク5上に設けた矩形反射リット6a、6bが光束
下に位置したとき受光素子8、9による該光束を所定時
間タイミングをずらして検出している。
第2図(A)はこのときの2つの受光素子8、9で得
られる出力信号A、Bの説明図である。受光素子8は時
刻tAより検出が始まり、受光素子9は時刻tBより検出が
始まる。このとき出力信号A、Bの曲線の交点に相当す
る時刻t1が原点位置に相当している。
今回転ディスク5が第3図に示すようにX−X′軸方
向に横ずれを起こしたとすると第2図(B)に示すよう
に受光素子8の検出タイミングは遅れ信号A2となるが逆
に受光素子9の検出タイミングは進み信号B2となり結果
として同図に示すような信号出力が得られる。このとき
出力信号A2、B2の交点に相当する時刻t2は同図(A)の
時刻t1と同じになる。
同様に回転ディスク5がY−Y′軸を中心に回転する
ような回転軸7の倒れが生じたとすると第2図(C)に
示すように受光素子8の検出タイミングの時刻tA3は遅
れるが受光素子9の検出タイミングは時刻tB3と進み、
結果的に信号出力tA3、tB3の交点に相当する時刻t3は第
1図の時刻t1と同じになる。
即ちいずれの場合も2つの受光素子8、9からの信号
出力の交点に相当する時刻は変化しない。
特に本実施例では1つの光源からの光束を2つに分割
して各々の検出系に導光しているので光源からの光量が
変化しても第2図(C)に示すように何んら検出タイミ
ングがずれることはないという特長を有している。
このように本実施例では前述の如く矩形反射スリット
6a、6bを回転ディスク面上の所定の位置に設けることに
より、回転ディスクが正規の状態から変化しても、2つ
の受光素子8、9から得られる出力信号を用いることに
より原点位置を検出する際のエラーを除去した高精度の
検出を可能としている。
本実施例において回転ディスク5の1回転で1度の原
点信号を得る為の2つの矩形反射スリットの回転軸から
の距離を僅かに変えて(例えば0.5mm)いる。そしてこ
のときの2つの矩形反射スリット6a、6bが各々別の受光
素子のみに検出されるように配置している。
尚、本発明に係る原点位置検出系は矩形反射スリット
以外の光学パターン、例えば円形反射スリット、3次元
的パターン等を用いてもよいことは言うまでもないが光
学式に限らずどのような原点位置検出装置にも適用する
ことができる。例えば磁気パターンを用いた時は第1図
(a)における2つの光束照射位置に相当する所に互い
にタイミングがずれるように磁気センサを配置すればよ
いのは明らかである。
(発明の効果) 本発明によれば前述の如く、回転ディスク面上の所定
位置に2つの原点信号用のパターンを設け、各原点信号
用のパターンの検出系を互いに検出タイミングがずれる
ように配置し、これにより2つの検出系から得られる信
号を比較し、双方の信号の交点によって原点信号を発生
させ、回転ディスクの回転機構の軸ずれや軸の倒れが生
じても原点位置検出のエラーを発生させずに例えば1角
度秒程度の分解能を有する高精度のロータリーエンコー
ダへの組み込みを可能としている。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)は本発明の一実施例の光学系の要部概略
図、第1図(B)は第1図(A)の一部分の平面概略
図、第2図(A)〜(C)は本発明に係る検出手段から
得られる出力信号の説明図、第3図、第4図は各々従来
のロータリーエンコーダの要部概略図、第5図は第3図
に示す検出系で得られる出力信号の説明図である。 図中、1は光源、2はコリメーターレンズ、3a、3b、3c
はビームスプリッター、10は反射ミラー、4a、4bはシリ
ンドリカルレンズ、5は回転ディスク、6a、6bは反射型
スリット、7は回転軸、8、9は受光素子、11は光束の
中心線、である。
フロントページの続き (72)発明者 石井 哲 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−89703(JP,A) 特開 昭57−169611(JP,A) 特公 昭38−9463(JP,B1)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】回転物体に連結された回転ディスクの所定
    面上に入射させた入射光束の反射光束又は透過光束を利
    用して、該回転物体の回転状態を測定する際、前記回転
    ディスクの回転中心を含む直線上であって、該回転中心
    を中心にして互いに対向する第1と第2のパターンを設
    け、第1,第2の受光素子によって、各々のパターンから
    の光を互いにタイミングをずらして検出し、前記第1,第
    2の受光素子の検出信号の交点によって前記回転ディス
    クの回転に関する原点位置信号を形成したことを特徴と
    するロータリーエンコーダの原点検出系。
  2. 【請求項2】前記第1,第2の受光素子は、各々パターン
    に入射する光束の中心線から前記回転ディスクの回転方
    向に対して互いに逆向きに設けられたことを特徴とする
    請求項1のロータリーエンコーダの原点検出系。
JP63246650A 1988-09-30 1988-09-30 ロータリーエンコーダの原点検出系 Expired - Lifetime JP2586121B2 (ja)

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