JP2008111843A

JP2008111843A - 光学式エンコーダ

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Publication number: JP2008111843A
Application number: JP2007302008A
Authority: JP
Inventors: Akira Hattori; 昌服部
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2007-11-21
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2021-03-06
Also published as: JP4488065B2

Abstract

【課題】高い分解能を有し、製造が容易で高温環境でも使用可能な光学式ロータリーエンコーダを提供する。
【解決手段】ＬＥＤから放射された光（波長λ）を平行化する光源装置１を用いる。この平行光は一定のコヒーレンスを有しており、これが、両スリット間のギャップＧ＝ｎＰ²／λ（Ｐはスリットピッチ、ｎは自然数）のスリットシャッタに入射することにより、インデックススリット板３のスリットの周期構造と同一若しくはこれを反転した光強度分布を有するタルボット像がメインスリット板４上に現れる。
【選択図】図５

Description

本発明は、光学式エンコーダに関し、特に、ＬＥＤを用いた光学式エンコーダに関する。

図９は、従来の光学式ロータリーエンコーダの構成を示す斜視図である（例えば、特許文献１参照。）。図において、光源１０１と受光素子１０２との間の光路には、スリットを有する２つの部材が介在している。このうち、光源１０１側の部材は回転量被測定物とともに回転する回転スリット板１０３であり、放射状に、かつ、周方向に等間隔でスリット１０３ａが形成されている。他方の部材は固定された固定スリット板１０４であり、回転スリット板１０３と等間隔にスリット１０４ａが形成されている。
スリット１０３ａと１０４ａとが図のＺ方向上に並んだとき、光源１０１からの光はスリット１０３ａ及び１０４ａを通過し、通過した光は、固定スリット板１０４の後方に配置された受光素子１０２によって検出される。

特開平１０−３２５７４２（図５）

上記のような従来の光学式ロータリーエンコーダにおいて、高分解能を得るには、各スリット板１０３，１０４におけるスリットピッチ（周方向の間隔）をできるだけ小さくする必要がある。ところが、スリットピッチを小さくすると、回転スリット板１０３のスリット１０３ａを通過した光が回折現象により拡がり、固定スリット板１０４における光のコントラストが低下する。これを避けるためには、スリットピッチを小さくすると共に、各スリット板１０３，１０４間のギャップ（Ｚ方向の距離）を小さくするか、または、回折を防止すべく光源１０１にレーザダイオードを用いることが考えられる。しかしながら、ギャップを小さくすると機械加工誤差や回転スリット板１０３の軸方向の振れ等のクリアランスに余裕がなくなり、製造が困難になる。一方、レーザダイオードは熱に弱く、一般に寿命も短く、温度による出力変動が大きい等の問題点があり、高温での使用も考えられるサーボモータ用ロータリーエンコーダには使用できない。

上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、高い分解能を有し、製造が容易で高温環境でも使用可能な光学式エンコーダを提供することを目的とする。

本発明の光学式エンコーダは、波長λの光を放射するＬＥＤ及びその光を平行化するコリメータレンズからなり、距離Ｌｃまでコヒーレンスを維持した光を放射する光源装置と、前記光源装置から前記距離Ｌｃ内に配置され、スリットピッチＰのスリットをそれぞれ有し、ｎを自然数としてＧ＝ｎＰ²／λにより表されるギャップＧだけ前記光源装置の光軸方向に互いに隔てて配置され、前記コヒーレンスを維持した光に対するスリットシャッタを構成するインデックススリット板及びメインスリット板と、前記インデックススリット板及びメインスリット板の各スリットを通過した光を受光する受光素子とを備え、前記光源装置は前記ＬＥＤの発光径を前記スリットピッチＰの６倍以下の小径とすることにより前記コヒーレンスを向上させたものである。

上記のように構成された光学式エンコーダでは、ＬＥＤから放射された光を、コリメータレンズが平行化して放射する。一方、スリットシャッタを構成するインデックススリット板とメインスリット板とのギャップＧは、タルボット像が形成される距離Ｐ²／λの自然数倍である。従って、コヒーレンスを維持した光がスリットシャッタに入射することにより、一方のスリットの周期構造と同一若しくはそれを反転した理想的な光強度分布を持つタルボット像が他方のスリット上に現れる。これにより、受光素子は、高いコントラストを有する像を検出する。また、ｎの値を任意に選択して製造容易なギャップＧの値を設定することができる。なお、ＬＥＤはレーザダイオードより熱に強く、寿命も長い。
また、ＬＥＤの発光径をスリットピッチＰの６倍以下とすることにより、光のコヒーレンスがスリットピッチとの関係で適度に確保される。
また、光のコヒーレンスがスリットピッチとの関係で適度に確保されるので、常に確実に光のコヒーレンスを確保することができる。

また、上記光学式エンコーダにおいて、インデックススリット板及びメインスリット板のうち受光素子の直前にあるものと、受光素子との距離が、Ｐ²／λの自然数倍であるようにしてもよい。
また、光源装置は、ＬＥＤを支持する支持部からコリメータレンズまでが連続して一体に形成されていてもよい。

本発明の光学式エンコーダによれば、一方のスリットの周期構造と同一若しくはそれを反転した理想的な光強度分布を持つタルボット像が他方のスリット上に現れる。これにより、受光素子は、高いコントラストを有する像を検出するので、高い分解能を得ることができる。しかも、ｎの値を任意に選択して製造容易なギャップＧの値を設定することができるので、当該光学式エンコーダは製造が容易である。また、ＬＥＤはレーザダイオードより熱に強く、寿命も長いので、高温環境での使用も可能である。
また、ＬＥＤの発光径をスリットピッチＰの６倍以下とすることにより、光のコヒーレンスがスリットピッチとの関係で適度に確保される。
また、光のコヒーレンスがスリットピッチとの関係で適度に確保されるので、常に確実に光のコヒーレンスを確保することができる。
しかも、このような効果を、ＬＥＤ及びコリメータレンズのみの光源装置によって容易に得ることができる。

以下、本発明の一参考例による光学式ロータリーエンコーダについて図面を参照して説明する。図１は、当該参考例の光学式ロータリーエンコーダに用いる光源装置１の構成を示す断面図である。図において、透明な樹脂を成形してなるレンズ体１１は、ハッチングを付した断面形状部分の中心線を光軸Ａとする複合光学要素であり、その右端側には非球面レンズを構成するコリメータ部１１ａが形成され、左方内部にはすり鉢状の遮光部１１ｂが形成されている。また、遮光部１１ｂの右端底部（Ｂ部）は、以下に述べるフレネルゾーンプレート（以下、ＦＺＰという。）による集光部となっている。

図２は、図１におけるＢ部の拡大図であり、遮光部１１ｂは光軸Ａの周りに角度θ（９０度以下でなるべく小さい方がよい。）の斜面を成している。また、すり鉢形の遮光部１１ｂの中心部に形成される底部には、光軸Ａに直交する直径ｄ１のＦＺＰ１１ｃが、レンズ体１１との一体成型や半導体微細加工技術等により形成されている。なお、ＦＺＰ１１ｃは、レンズに比べて微小な寸法のものを製作することが容易であり、また、輪帯の設計により、任意の焦点距離を得ることができる。このようにして、コリメータ部１１ａと、遮光部１１ｂと、集光部としてのＦＺＰ１１ｃとを備えて一体化された光学ユニットが形成されている。

図１に戻り、上記レンズ体１１の左端側には、ＬＥＤ１３を支持する円筒状の支持部１１ｄが形成されている。ＬＥＤ１３は、円盤状で、裾が鍔状に広がった取付台１３ａと、この取付台１３ａの右端面の中心に取り付けられた発光部１３ｂと、この発光部１３ｂと電気的に接続されたリード部１３ｃとを備えている。取付台１３ａがレンズ体１１の支持部１１ｄに内嵌されることにより、ＬＥＤ１３はレンズ体１１に固定されている。ＬＥＤ１３がレンズ体１１に固定された状態において、発光部１３ｂの光軸は上記光学ユニットの光軸Ａと一致する。上記発光部１３ｂの直径ｄ２すなわち発光径は、ＦＺＰ１１ｃの直径ｄ１（図２）とほぼ同じである。

図３は、図１の一部をさらに拡大した断面図に光の進路を記載したものである。上記の構成により、発光部１３ｂ、ＦＺＰ１１ｃ、遮光部１１ｂ、コリメータ部１１ａは光軸Ａを共有し、ＦＺＰ１１ｃは発光部１３ｂの光軸上の前方に距離Ｌを隔てた位置に配置されている。この距離Ｌは、発光部１３ｂの直径ｄ２やＦＺＰ１１ｃの直径ｄ１に対して十分に大きい。ここで「十分に」とは、具体的には１０倍以上、好ましくは２０倍以上である。コリメータ部１１ａはＦＺＰ１１ｃの焦点位置（焦点Ｆ）よりさらに光軸上の前方に配置され、当該焦点位置を当該コリメータ部１１ａ自身の焦点としている。すなわち、図３において、ＦＺＰ１１ｃの焦点距離をｆ１、コリメータ部１１ａの焦点距離をｆ２、コリメータ部１１ａの有効光束径をｄ３、コリメータ部１１ａの主点Ｐから有効光束の最外周位置までの距離をｈとすると、
（ｆ２＋ｈ）／ｆ１＝ｄ３／ｄ２
となる。

上記遮光部１１ｂ及びＦＺＰ１１ｃは、ＬＥＤ１３の発光部１３ｂから放射された光のうち、実質的に光軸Ａに対する平行光のみを抽出してこれを集光する選択集光部を構成している。すなわち、上記遮光部１１ｂは、発光部１３ｂから放射された光のうちＦＺＰ３に入射しない光を、光軸Ａに対して外方へ屈折させる（光路Ｐ１）。屈折した光は、レンズ体１１の外周面から外へ出てゆくことにより、排除される。一方、発光部１３ｂから放射された光のうち、ＦＺＰ１１ｃに入射する光には、光軸Ａに対して理想的な平行性を有する平行光と、若干光軸Ａに対して角度を有するものとが含まれている。しかしながら、前述のように、両者間の距離Ｌは、発光部１３ｂの直径ｄ２及びＦＺＰ１１ｃの直径ｄ１より十分に大きいため、上記角度は非常に小さいものとなり、無視しうる。従って、ＦＺＰ１１ｃに入射する光は、実質的にすべて平行光である。これらの平行光は、ＦＺＰ１１ｃのレンズ作用により焦点Ｆに収束する。平行光のみが収束することにより、この焦点Ｆにおいて光は、極小スポットの二次光源を形成する。

上記二次光源から再び拡がった光は、コリメータ部１１ａにより平行化され、レンズ体１１の右端側から外部に放射される。このようにして、高精度な平行性を備えた光を放射することができる。また、発光部１３ｂの大きさに相当する平行光がＦＺＰ１１ｃによって集光されるため、ピンホールにより平行光を抽出する場合等と比較して、焦点Ｆにおける光強度が高い。従って、最終的に放射される光も、高い光強度を有する。

また、上記のようにして光源装置１から放射される光は、一定距離Ｌｃ内でコヒーレンスを有していることが実験により確認された。従って、当該距離Ｌｃの範囲では、平行性とコヒーレンスとを備えた光を放射することができる。なお、この距離Ｌｃは、発光部１３ｂの発光径ｄ２によって変化し、発光径が小さいほど長くなる。
上記のようにして、光源装置１は、高精度な平行性とコヒーレンスとを備えた光を放射することができる。また、ＬＥＤ１３はレーザダイオードより熱に強く、寿命も長い。従って、高温環境での使用も可能である。また、ＬＥＤ１３はレーザダイオードより安価である点でも実用性が高い。

なお、上記のようなすり鉢状の遮光部１１ｂに代えて、マスク状の遮光部を設けてもよい。図４は、このような遮光部の例を示す断面図である。この場合、レンズ体１１は、左半分が円筒状に形成されていて、中央の円形底部１１ｅ上に、光を反射しにくい黒いマスク状の遮光部１４が取り付けられている。遮光部１４の中心部の孔１４ａは光軸Ａ上にあり、その直径が発光部１３ｂの発光径ｄ２にほぼ等しい。ＦＺＰ１１ｃは、孔１４ａの位置において、先の例と同様に、レンズ体１１に設けられている。ＦＺＰ１１ｃに入射せず当該遮光部１４に入射した光（光路Ｐ２）は、遮光部１４に当たって減衰する。一方、ＦＺＰ１１ｃに入射する光については、先の例と同様に集光され、かつ、コリメートされる。

次に、上記のように構成された光源装置１を用いた本発明の参考例及び後述の一実施形態による光学式ロータリーエンコーダについて説明する。
図５は、光学式ロータリーエンコーダの基本的構成を示す斜視図である（なお、図示の寸法は実寸と必ずしも比例しない。）。図において、光源装置１は、前述のようにコリメートされたコヒーレント光を放射する。コヒーレント光の方向をＺ方向とすると、Ｚ方向の終端には受光素子２が配置されている。光源装置１と受光素子２との間には、Ｚ方向に直交するＸ−Ｙ平面に平行に、矩形のインデックススリット板３と、円形のメインスリット板４とが配置されている。インデックススリット板３は固定されているが、メインスリット板４は回転自在に支持されており、回転量被測定物とともに回転する。メインスリット板４には、回転中心Ｏから半径Ｒの位置を中心として放射状に、かつ、周方向に等間隔（スリットピッチＰ）でスリット４ｓが形成されている。

図６の（ａ）は、上記インデックススリット板３を拡大した正面図である。インデックススリット板３は、４個のスリット窓３ｂからなるスリット部３ａを有しており、（ｂ）はその拡大図である。各スリット窓３ｂには、曲率半径Ｒ（前述の半径Ｒと同じ）の位置を中心として放射状に、かつ、周方向に等間隔（スリットピッチＰ）でスリット３ｓが形成されている。

上記スリット３ｓ及び４ｓは共に、スリットピッチがＰで、スリット幅がＰ／２である回折格子を構成している。インデックススリット板３におけるスリット窓３ｂの曲率中心のＸ−Ｙ座標（図５参照）は、メインスリット板４の回転中心Ｏと一致しており、従って、各スリット３ｓ及び４ｓは光軸上（図５のＺ軸上）で重なり得る位置に配置されている。すなわち、インデックススリット板３及びメインスリット板４は、光源装置１からの光に対して、スリットシャッタを構成している。インデックススリット板３とメインスリット板４との間の光軸方向のギャップＧは、光の波長をλ、ｎを自然数（１，２，３，．．．）として、
Ｇ＝ｎＰ²／λ
の関係となるように設定されている。また、インデックススリット３及びメインスリット４は前述の距離Ｌｃ内にあり、両スリット３，４に達する光は、平行性とコヒーレンスとを備えている。なお、スリットピッチＰが小さいほど、より厳しいコヒーレンスが必要となる。コヒーレンス向上のためには光源装置１においてＬＥＤ１３の発光径ｄ２の少なくとも１０倍の距離を、発光部１３ｂとＦＺＰ１１ｃとの間に確保することが有効である。

図７は、タルボット効果を説明する図である。上記のようなスリットピッチＰの回折格子に、波長λのコヒーレント光を照射すると、光の伝搬方向のタルボット距離Ｚ_t＝２Ｐ²／λごとに、回折格子の周期構造と同じ光強度分布を持つタルボット像が現われる。また、Ｚ_t／２（＝Ｐ²／λ）の奇数倍の距離ごとに、回折格子の周期構造を反転した光強度分布を持つタルボット像が現れる。従って、このＺ_t／２の自然数倍に相当する距離ｎＰ²／λの位置には、常に、回折格子の周期構造と同一若しくはそれを反転した光強度分布を持つタルボット像が現われる。ここで、スリット幅はスリットピッチＰの１／２であるから、回折格子の周期構造と同一の光強度分布と、それを反転した光強度分布とは、どちらを採用しても実質的に同じである。そして、この距離ｎＰ²／λは、上記ギャップＧに等しい。すなわち、上記参考例におけるメインスリット板４上には、インデックススリット板３のスリット３ａの周期構造と同一又はそれを反転した理想的な光強度分布を有する像が現れる。しかも、前述のように、光源装置１から放射される光は、高い光強度を有している。従って、受光素子２によって検出される像も、高いコントラストを有し、高い分解能を得ることができる。

上記のようにタルボット効果を利用してギャップＧを設計することにより、ギャップＧの値を、製造容易な値に選択することができる。例えば、スリットピッチＰが１０μｍ（高分解能レベル）、波長λが８６０ｎｍの場合、ｎ＝１として、
Ｇ＝（１０×１０^-6）²／（８６０×１０^-9）≒１１６×１０^-6
となり、１１６μｍのギャップを確保することができる。通常、製造が困難となる目安は４０μｍ程度である。従って、このような十分なギャップの確保により製造が容易になる。なお、製造の容易さ及びタルボット像のコントラストの点から好適なギャップＧの範囲は、８０〜２００μｍである。
また、さらに高い分解能（スリットピッチＰが１０μｍ以下）を得ようとする場合、上記の条件で例えばＰ＝６μｍであれば、Ｇの値は約４２μｍとなり、好適な範囲を下回るが、この場合にはｎを２又は３にすることにより、Ｇを約８４μｍ又は１２６μｍとして、好適な範囲に収めることができる。

上記参考例では、ＦＺＰ１１ｃにより二次光源を形成する光源装置１を用いたが、本発明の一実施形態としての、図８に示すように比較的小さい発光径（例えば５０μｍ）の発光部１３ｂを有するＬＥＤ１３の場合には、充分な収差補正を行ったコリメータレンズ２１を用いるだけでも、平行性とコヒーレンスとを備えた光を放射することができる。この場合、コヒーレンスが確保される距離Ｌｃは、例えば発光径ｄ２が５０μｍでは約３００μｍである。従って、このような光源装置２２を、前述の光源装置１に代えて用い、インデックススリット３及びメインスリット４を上記距離Ｌｃ内に配置することにより、上記の場合と同様の作用効果を得ることができる。なお、この場合にも、スリットピッチＰが小さいほど、より厳しいコヒーレンスが必要となり、コヒーレンス向上のためにはＬＥＤ１３の発光径ｄ２を小さくすることが必要である。具体的には、発光径ｄ２とスリットピッチＰとの関係は、ｄ２≦６×Ｐが好ましいと考えられる。

なお、上記参考例及び実施形態では、図５に示すように光源装置１側にインデックススリット板３を配置し、受光素子２側にメインスリット板４を配置したが、これらの配置は逆でもよい。
また、上記参考例及び実施形態において、メインスリット板４と受光素子２との距離も、ギャップＧと同様に、上記Ｚ_t／２の自然数倍に相当する値としてもよい。
また、上記参考例及び実施形態ではロータリーエンコーダについて説明したが、同様の構成をリニアエンコーダに適用することもできる。

本発明の一参考例による光学式ロータリーエンコーダに用いる光源装置の構成を示す断面図である。図１におけるＢ部の拡大図である。図１の一部をさらに拡大した断面図に光の進路を記載したものである。図１とは異なる構成の光源装置を示す断面図である。本発明の参考例及び一実施形態による光学式ロータリーエンコーダの基本的構成を示す斜視図である。（ａ）は、図５におけるインデックススリット板を拡大した正面図であり、（ｂ）はさらに、その拡大図である。タルボット効果を説明する図である。本発明の一実施形態によるＬＥＤとコリメータレンズとからなる光源装置を示す断面図である。従来の光学式ロータリーエンコーダを示す斜視図である。

符号の説明

１，２２光源装置
２受光素子
３インデックススリット板
４メインスリット板
３ｓ，４ｓスリット
１１レンズ体
１１ａコリメータ部
１１ｂ遮光部
１１ｃＦＺＰ（集光部）
１３ＬＥＤ
１３ｂ発光部
２１コリメータレンズ
Ａ光軸
ｄ２発光径
Ｇギャップ
Ｌ距離
Ｐスリットピッチ

Claims

波長λの光を放射するＬＥＤ及びその光を平行化するコリメータレンズからなり、距離Ｌｃまでコヒーレンスを維持した光を放射する光源装置と、
前記光源装置から前記距離Ｌｃ内に配置され、スリットピッチＰのスリットをそれぞれ有し、ｎを自然数としてＧ＝ｎＰ²／λにより表されるギャップＧだけ前記光源装置の光軸方向に互いに隔てて配置され、前記コヒーレンスを維持した光に対するスリットシャッタを構成するインデックススリット板及びメインスリット板と、
前記インデックススリット板及びメインスリット板の各スリットを通過した光を受光する受光素子とを備え、
前記光源装置は前記ＬＥＤの発光径を前記スリットピッチＰの６倍以下の小径とすることにより前記コヒーレンスを向上させたものであることを特徴とする光学式エンコーダ。
前記インデックススリット板及びメインスリット板のうち前記受光素子の直前にあるものと、前記受光素子との距離が、Ｐ²／λの自然数倍である請求項１記載の光学式エンコーダ。
前記光源装置は、前記ＬＥＤを支持する支持部から前記コリメータレンズまでが連続して一体に形成されている請求項１記載の光学式エンコーダ。