JP2005265855A

JP2005265855A - 光学式位置エンコーダ装置

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Publication number: JP2005265855A
Application number: JP2005116251A
Authority: JP
Inventors: Wai-Hon Lee; リーウェイ−ホン
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Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2025-03-16
Also published as: US20050205770A1; JP4364154B2; US7145126B2; EP1577647A1

Abstract

【課題】ホログラム又は他のグレーティングを用いて移動グレーティング、例えばＣＤを読み取る光学式エンコーダを提供する。
【解決手段】移動反射グレーティング及びグレーティングの所定の側に対向して配置された光源を有する光デバイス。光デバイスは、光源と移動グレーティングとの間に配置された第１の基準グレーティング（固定グレーティング、第１基準グレーティングの所定の側に対向して配置された検出器及び検出器と移動グレーティングとの間に配置された第２の基準グレーティング（固定グレーティング）を有する。移動グレーティング、第１の基準グレーティング及び光源は、互いに対して運動自在に構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学式エンコーダに関し、特に、ホログラム又は他のグレーティングを用いて移動グレーティング、例えばＣＤを読み取るエンコーダに関する。

多くの従来型光学式位置エンコーダ装置（これは、位置センサとも呼ばれる）は、種々の波長の多くの独立した点源を含むインコヒーレント光源を用いてその移動グレーティングを照明する。米国特許第４，８７９，５１０号明細書、米国特許第４，４７２，６２９号明細書及び米国特許第４，６９１，１０１号明細書は、かかる光学式位置エンコーダ装置の例を示しており、これら米国特許明細書の各々の記載内容全体を、本発明の目的に関してここに引用する。

図１（ａ）は、従来型光学式位置エンコーダ装置１００の基本原理を示す図である。従来型光学式位置エンコーダ１００では、インコヒーレント光源１０１が、移動バイナリグレーティング１０２（移動方向は、矢印で示されている）を照明する。さらに、移動バイナリグレーティング１０２と同一周期の固定グレーティングの１０３が、移動バイナリグレーティングに隣接して配置されている。移動バイナリグレーティング１０２が固定グレーティング１０３の前で（例えば、これに沿って又はこれに平行に）動くと、検出器１０４に当たる光の量（図１（ａ）において破線で示されている）は、グレーティング１０２，１０３の整列具合に依存する。最大量の光は、グレーティング１０２，１０３の位相が合っている場合に検出され、最小量の光は、グレーティング１０２，１０３が位相外れの場合に検出される。変調された光のコントラストは、グレーティング１０２，１０３の隣接性（即ち、離隔距離）に依存している。１つのグレーティングがグレーティングの数周期以上だけ離れている場合、検出器１０４を用いても移動バイナリグレーティング１０２の位置を検出することができない。

グレーティング１０２，１０３相互間の距離をグレーティングの数周期分以上に増大させるため、レンズを含む形態の従来型光学式位置エンコーダ装置が用いられる。かかる形態は、図１（ｂ）に示されている。図１（ｂ）では、光学式位置エンコーダ装置１１０は、移動グレーティング１０６と固定グレーティング１０８との間にレンズ１０７を用いている。レンズ１０７は、移動グレーティング１０６の像を固定グレーティング１０８上に生じさせる。また、図１（ｂ）には、光学式位置エンコーダ装置１１０のインコーヒレント光源１０５及び検出器１０９が示されている。

図２は、光学式位置エンコーダ装置１１０と類似した光学式位置エンコーダ装置２００を示している。しかしながら、光学式位置エンコーダ装置２００では、光源２０１及び検出器２０５は、移動グレーティング２０２の同一の側に位置している。この場合も又、レンズ２０３が、移動グレーティング２０２の像を検出器２０５の前に配置された固定グレーティング２０４上に生じさせる。

図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２に示された従来型光学式位置エンコーダデバイスの分解能はかなり低く、それと同時に、かかる光学式位置エンコーダ装置からの出力信号はバイナリ（２値）であり、正弦波ではない。これら欠点により、かかる従来型光デバイスは、高分解能光学式位置エンコーダ装置として用いるには不適当である。

本発明の光デバイス、例えば、光学式位置エンコーダ装置は、高分解能のものであり、例えば、正弦波出力信号を生じさせることができる。本発明により第２の固定グレーティングを追加することによりかかる光デバイスのレンズが不要になる。これは又、媒体の自己画像化特徴を利用する必要なく達成される。

本発明の光デバイスの実施形態は、グレーティング（例えば、移動反射グレーティング）及びグレーティングの所定の側と対向して配置された光源（例えば、インコヒーレント光源、例えば発光ダイオード又はマルチモード半導体レーザ）を有する。光デバイスは、光源と移動グレーティングとの間に配置された第１の基準グレーティング（第１の固定グレーティング）、第１基準グレーティングの所定の側に対向して配置された検出器（例えば、光検出器）及び検出器と移動グレーティングとの間に配置された第２の基準グレーティング（第２の固定基準グレーティング）を有する。移動グレーティング、第１の基準グレーティング及び光源は、互いに対して運動自在に構成されている。例えば、グレーティングは可動であり、これに対して光源及び第１の基準グレーティングは固定される。

本発明の光デバイスの別の実施形態は、周期Ｔ_sの移動グレーティング及び光電性素子を備えた光検出器を有する光学式位置エンコーダである。この光学式位置エンコーダは、光検出器チップ上に配置された光源、光源上に配置された空間周期Ｔ_rの第１の固定グレーティング及び光電性素子上に配置された周期Ｔの少なくとも１つの第２の固定グレーティング（例えば、複数の第２の正弦固定グレーティング）を更に有する。

本発明の光デバイスの幾つかの新規な特徴により、高分解能及び正弦波出力信号が得られ、かかる新規な特徴として、（１）光デバイスが例えば移動グレーティングに加えて２つの固定（基準）グレーティングを有するのがよく、固定グレーティングのうちの一方は、光源の前（即ち、光源と移動グレーティングとの間）に配置され、他方の固定グレーティングは、検出器と移動グレーティングとの間に（例えば、検出器の頂部上に直接）配置され、（２）移動グレーティングは例えば、移動グレーティングの数周期よりも大きな距離だけ固定グレーティングから離れているのがよく、移動グレーティングと検出器との間にはレンズは不要であり、（３）検出器からの出力信号は例えば、検出器の上方に配置された固定グレーティングが正弦波グレーティングである場合、正弦波信号であるのがよいことが挙げられる。さらに、固定グレーティングの周期は、検出器のところの干渉パターンが光源と第１の固定（又は基準）グレーティングの離隔距離とは無関係であり、第１の固定（又は基準）グレーティングとグレーティング（移動グレーティング）との間の離隔距離に制限が及ぼされないようにする数学的公式（以下に説明する）に従って移動グレーティングの周期に関連付けられたものであるのがよい。

図３は、本発明の光デバイス３００（例えば、光学式位置エンコーダ装置）の実施形態を示している。図３に示すように、光デバイス３００は、インコヒーレント光源３０１、第１の固定グレーティング３０３、移動グレーティング３０４、第２の固定グレーティング３０５及び検出器３０６を有している。移動グレーティングは、一実施形態ではＣＤ又はＤＶＤである。

１次元インコヒーレント光源が以下の分析に用いられるが、その結果は、２次元光源にも適用できる。図３では、点源３０２は、インコヒーレント光源３０１に含まれる複数の点源のうちの１つである。点源３０２から出た矢印付きの線は光の移動方向を指示している。光源３０１からの波面は、第１の固定（基準）グレーティング３０３を通過した後、次式により与えられる。

λは、点源３０２の波長である。方程式（１）の第１項は、点源３０２からの波面を表し、第２項は、周期Ｔ_r第１の固定（基準）グレーティング３０３の透過率を表す。点源３０２からの波は、平面Ｚ₁のところの第１の固定（基準）グレーティング３０３を通って（換言すると第１の固定グレーティング３０３は、光源３０１から距離Ｚ₁のところに配置されている）平面Ｚ₂のところの周期Ｔ_sの移動グレーティング３０４（平面Ｚ₂は、グレーティング３０３，３０４相互間の距離である）まで伝搬し、そしてＺ₃のところの検出器平面までずっと伝搬する。検出器平面Ｚ₃のところで、周期信号が源の位置ｘ′とは独立の条件を求めることができる。方程式（１）の関数を次のように書き直すことができる。

方程式（２）は、第１の固定グレーティング３０３が光源をｘ＝０及びｘ＝ｘ′のところに位置する３つの点光源に分割することを示している。この場合、これら３つの点光源からの波は、第１の固定グレーティング３０３から距離Ｚ₂のところで周期Ｔ_sの移動グレーティング３０４に達する。説明の便宜上、移動グレーティング３０４は光源３０２及び第１の固定（基準）グレーティング３０３に対して動くものと仮定されているが、光源３０２及び第１の固定基準グレーティング３０３が移動グレーティング３０４に対して動いた場合でも結果は同一である。移動グレーティング３０４に入射する波は、方程式（２）中の共通因子のパラメータＺ₁を（Ｚ₁＋Ｚ₂）で書き直すことにより得られる。その結果を以下に示す。

Ｚ＝Ｚ₁＋Ｚ₂の状態で移動グレーティング３０４を通過した波面は、次式によって与えられる。

上式において、ｔは時間を表している。方程式（４）の第２項は、速度β／Ｔ_sで動いている移動グレーティング３０４の透過率である。方程式（４）中の透過波を６つの互いに異なる波に分けることができる。しかしながら、分析は、以下に示す項のうち１つだけについて、しかも一定位相の項（λＺ₁／Ｔ_r）²を省いて行なわれる。

この波は、移動グレーティング３０４から距離Ｚ₃（即ち、平面Ｚ₃）のところに位置する第２の固定グレーティング３０５まで伝搬し続ける。第２の固定グレーティング３０５のところの波面は、パラメータ（Ｚ₁＋Ｚ₂）を（Ｚ₁＋Ｚ₂＋₃）で置き換えることにより得られる。

方程式（６）中の波と平面Ｚ₃ところでの０次波との間の干渉は、次式により与えられる。

上式において、

したがって、検出器（平面）３０６上の干渉パターンは、次式、即ち

の場合、ｘ′とは無関係である。
検出器平面上の干渉パターンがｘ′とは無関係である場合、点源を更に追加すると、信号の振幅が増大することになり、それと同時に干渉パターンのコントラストは、悪影響を受けないであろう。方程式（９）に与えられた条件下における検出器平面３０６上の干渉パターンの周期Ｔは、次式により与えられる。

方程式（９）及び方程式（１０）から、更に以下のことが分かる。

この結果は、非常に興味を引くものであり、以下の利点がある。
（１）検出器平面のところの干渉パターンは、光源３０１と第１の固定グレーティング３０３との間の離隔距離であるＺ₁とは無関係である。
（２）Ｚ₂＝Ｚ₃の場合、グレーティング周期Ｔ_r及び検出器グレーティング周期Ｔは、互いに等しく、２Ｔ_sにも等しい。
（３）Ｚ₂＝Ｚ₃の場合、移動グレーティング３０４と第１の固定グレーティング３０３との間の離隔距離には制約が無い。
（４）方程式（１１）は、グレーティングの周期相互間の関係がこれらのそれぞれの距離とは無関係であることを示している。Ｔ_s、Ｔ及びＴ_rがいったん分かると、方程式（９）及び方程式（１０）を用いて距離Ｚ₂，Ｚ₃を求めることができる。
（５）この分析では単色光源が用いられるが、グレーティング周期Ｔ、Ｔ_r及びＴ_sもグレーティングの相互離隔距離も光源の波長には依存しない。したがって、任意適当なインコヒーレント光源、例えば拡張インコヒーレント光源を用いることができる。

検出器の頂部上のグレーティング（即ち、第２の固定グレーティング３０５）の周期Ｔ及び移動グレーティング３０４の周期Ｔ_sがあらかじめ決定され、したがって既知である状況では、Ｔ_rの値を方程式（１１）から求めることができる。加うるに、Ｚ₃＝Ｚ₂＋Δが与えられていれば、次式であることが明らかである。

Ｔ＝４３μｍ、Ｔ_s＝１８．７５μｍ、Δ＝０．５４ｍｍであると仮定すれば、Ｔ_r＝３３．２４７μｍ、Ｚ₂＝１．８４１ｍｍであることが明らかである。
グレーティング３０３，３０４は例えば、多くの調和成分を含む場合があるので、検出器平面３０６の近くの第２の固定グレーティング３０５は、所望の調和信号を濾波できることが望ましい。

図４は、本発明の光デバイス４００（即ち、光学式位置エンコーダ装置）の別の実施形態の単純化された分解図である。光デバイス４００は、光検出器４５０上に配置され（即ち、取り付けられ）、第１の固定グレーティング４０２を照明するよう構成された拡張光源４０１を有している。光検出器４０５は、光電性素子４０６，４０７，４０８，４０９を含む。

光デバイス４００は、移動グレーティング４０３及び光検出器４０５の光電性素子４０６，４０７，４０８，４０９の頂部に直接エッチングされた複数の第２の固定グレーティング（図４には示さず）を更に有している。光デバイス４００が使用中の場合、移動グレーティング４０３から反射した光は、第２の固定グレーティングに入射する。

図４の実施形態では、光電性素子４０６，４０８の頂部上の第２の固定グレーティングは、正弦波グレーティングであり、互いに対して９０°の移相関係をなしている。加うるに、光電性素子４０７，４０９の頂部上の第２の固定グレーティングは、正弦波グレーティングであり、光電性素子４０６，４０８の頂部上の正弦波グレーティングに対し１８０°の移相関係をなしている。第２の固定グレーティングが正弦波形状なので、光検出器４０５の光電性素子の各々からの出力信号は、有利には調和成分を１つだけ受け入れる。

当業者には理解されるように、本発明は、本発明の本質から逸脱することなく他の特定の形態で実施できる。例えば、光エミッタからの光の波長に対して透明な移動グレーティング（例えば、ＣＤ又はＤＶＤを用いることができ、第２の基準グレーティング及び光検出器は、光エミッタとは反対側の移動グレーティングの遠いほうの側に取り付けられる。したがって、上記説明は、特許請求の範囲に記載された範囲の例示であって、これを限定するものではない。

従来型光学式位置エンコーダ装置の単純化された図である。レンズを含む従来型光学式位置エンコーダデバイスの単純化された図である。更に別の従来型光学式位置エンコーダの単純化された図であり、矢印が光の移動方向を示し、破線が光学式位置エンコーダの中心線を示している図である。本発明の光デバイスの単純化された図であり、符号３０４の最も近くに位置する矢印が要素３０４についての移動方向を示している図である。本発明の別の光デバイスの単純化された分解斜視図である。

符号の説明

１００，２００，３００，４００光学式位置エンコーダ
１０１，２０１，３０１，４０１光源
１０２，２０２，３０４，４０３移動グレーティング
１０３，２０４，３０３，３０５固定グレーティング
１０４，１０９，３０６検出器
１０７，２０３レンズ
３０２点源
４０５光検出器
４０６，４０７，４０８，４０９光電性素子

Claims

光デバイスであって、１次グレーティングと、１次グレーティングの所定の側と対向して配置された光源と、光源と１次グレーティングとの間に配置された第１の基準グレーティングと、１次グレーティングの所定の側と対向して配置された光検出器と、光検出器と１次グレーティングとの間に配置された第２の基準グレーティングとを有し、１次グレーティング、第１の基準グレーティング及び光源は、互いに対して運動自在に構成されていることを特徴とする光デバイス。
１次グレーティングは、移動グレーティングであり、第１の基準グレーティング及び第２の基準グレーティングは、固定グレーティングであることを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
１次グレーティング、光源、第１の基準グレーティング、第２の基準グレーティング及び光検出器は、光学式位置エンコーダ装置として構成されていることを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
グレーティングは、反射グレーティングであることを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
第１の基準グレーティング及び第２の基準グレーティングは、１次グレーティングに対し同一の相対運動を行なうことができるよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
光源は、半導体レーザであることを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
光源は、拡張光源であることを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
拡張光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを特徴とする請求項７記載の光デバイス。
第１の基準グレーティングの周期Ｔ_r及び第２の基準グレーティングの周期Ｔは、以下の公式、即ち、

により１次グレーティングの周期Ｔ_sに関連付けられていることを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
光学式位置エンコーダ装置であって、周期Ｔ_sの移動グレーティングと、光電性素子を備えた光検出器と、光検出器上に配置された光源と、光源上に配置された空間周期Ｔ_rの第１の固定グレーティングと、光電性素子上に配置された周期Ｔの少なくとも１つの第２の固定グレーティングとを有し、移動グレーティングは、第１の固定グレーティング及び光源に対して動くことができることを特徴とする光学式位置エンコーダ装置。
光源は、インコヒーレント光源であることを特徴とする請求項９記載の光学式位置エンコーダ装置。
であることを特徴とする請求項９記載の光学式位置エンコーダ装置。
光検出器が調和成分を１つだけ受け入れるよう互いに一定の位相関係を有する複数の第２の固定グレーティングが設けられていることを特徴とする請求項１０記載の光学式位置エンコーダ装置。
複数の第２の固定グレーティングは、正弦固定グレーティングであることを特徴とする請求項１３記載の光学式位置エンコーダ装置。
光デバイスであって、１次グレーティングと、１次グレーティングの所定の側と対向して配置された光源と、光源と１次グレーティングとの間に配置された第１の基準グレーティングと、１次グレーティングの遠いほうの側に配置された光検出器と、光検出器と１次グレーティングとの間に配置された第２の基準グレーティングとを有し、１次グレーティング、第１の基準グレーティング及び光源は、互いに対して運動自在に構成されていることを特徴とする光デバイス。