JP2011002359A

JP2011002359A - ロータリエンコーダ

Info

Publication number: JP2011002359A
Application number: JP2009146279A
Authority: JP
Inventors: Kokichi Suganuma; 孝吉菅沼
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2011-01-06
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: JP5690053B2

Abstract

【課題】部品点数および製造コストを削減することができ、また、光の損失を抑制することができ、さらに、小型軽量化を図ることができるロータリエンコーダを提供すること。
【解決手段】計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光の受光面８における受光状態の変化に基づいて、回転体２、６の回転角度の変動を光学的に検出すること。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータリエンコーダに係り、特に、回転を行う物体の回転角度の変動を光学的に検出するのに好適なロータリエンコーダに関する。

従来から、モータ等の回転を行う物体の回転角度の変動の検出には、回転角度の変動量をデジタル量に変換した上で検出するロータリエンコーダが採用されていた。ロータリエンコーダは、本来は、回転角測定用の検出器として開発されたものであるが、近年においては、ロボットや情報機器の位置決めサーボに使用されるなどその用途は多岐にわたり、その重要度も益々高まりつつある。また、ロータリエンコーダによる検出方式としては諸種の方式があり、その１つとして、回転角度の変動を光学的に検出する光学式がある。

この種の光学式のロータリーエンコーダは、ＬＥＤや半導体レーザ等の発光素子からなる光源と、この光源から出射された光を平行化するレンズと、このレンズによって平行化された光を部分的に通過させる金属製の回転スリットと、この回転スリットを通過した光を部分的に通過させる金属製の固定スリットと、この固定スリットを通過した光を受光する受光素子とによって構成されることが一般的であった（例えば、特許文献１参照）。このような光学式のロータリエンコーダにおいては、回転スリットの回転角度の変動量を、受光素子によって受光された光パルスの信号として捉えるようになっていた。

特開平６−２９４６６６号公報

しかしながら、従来のロータリエンコーダにおいては、回転スリットと固定スリットとの２枚のスリットを要していたため部品点数が多くなるといった問題が生じていた。

また、従来においては、２枚のスリットが光源光量の大幅な損失を招いており、さらに、スリットの形状が複雑であったため、製造コストが高価であるといった問題も生じていた。

さらに、従来においては、２枚のスリットを基材（金属）に対する酸によるウェットエッチングや機械加工によって作成する必要があったことにより、スリットの小型化が困難であるばかりでなく、スリットに対して光の授受を行う光学系や光学素子を小型化することが困難であるといった問題も生じていた。

そこで、本発明は、このような問題点に鑑みなされたものであり、部品点数および製造コストを削減することができ、また、光の損失を抑制することができ、さらに、小型軽量化を図ることができるロータリエンコーダを提供することを目的とするものである。

前述した目的を達成するため、本発明の請求項１に係るロータリエンコーダの特徴は、所定の回転軸を中心として回転可能とされた回転体を備え、この回転体の回転角度の変動を光学的に検出可能とされた光学式のロータリエンコーダであって、光を出射する光源と、この光源に対する光の出射側の位置に配設された計算機合成ホログラムと、この計算機合成ホログラムに対する光の出射側の位置に配設された受光装置とを備え、前記計算機合成ホログラムは、前記光源から出射された光を、前記計算機合成ホログラムに対する光の出射側の所定の位置に設定された像面に所定の形状の光として投射するように形成され、前記受光装置は、その受光面が前記像面に相当する位置に配置されるとともに、前記受光面において前記計算機合成ホログラムによって前記像面に投射される光の少なくとも一部を受光するように形成され、前記計算機合成ホログラムまたは前記受光装置が前記回転体を構成し、前記像面に投射される光の前記所定の形状は、前記回転体の回転にともなって前記像面に投射される光の前記受光面における受光状態が変化するような形状とされ、前記受光状態の変化に基づいて、前記回転体の回転角度の変動を検出する点にある。

そして、この請求項１に係る発明によれば、計算機合成ホログラムによって像面に投射される光の受光面における受光状態の変化に基づいて回転体の回転角度の変動を検出することができるので、部品点数および製造コストを削減することができ、また、光のパワーの損失を抑制することができ、さらに、小型軽量化を図ることができる。

また、請求項２に係るロータリエンコーダの特徴は、請求項１において、更に、前記受光装置は、前記受光面において前記像面に投射される光の一部を受光するように形成され、前記像面に投射される光の前記所定の形状は、前記回転体の回転にともなって前記受光状態としての前記像面に投射される光の前記受光面における受光量が変化するような形状とされ、前記受光量の変化に基づいて、前記回転体の回転角度の変動を検出する点にある。

そして、この請求項２に係る発明によれば、計算機合成ホログラムによって像面に投射される光の受光面における受光量の変化に基づいて回転体の回転角度の変動を簡便かつ確実に検出することができる。

さらに、請求項３に係るロータリエンコーダの特徴は、請求項１または２において、更に、前記光源と前記計算機合成ホログラムとの間にコリメーションレンズを配設した点にある。

そして、このような構成によれば、光源から出射された光をコリメーションレンズを介して計算機合成ホログラムに適切に入射させることができるので、光のパワーの損失をさらに有効に抑制することができる。

さらにまた、請求項４に係るロータリエンコーダの特徴は、請求項１〜３のいずれか１項において、更に、前記像面に投射される光の前記所定の形状は、前記回転体の回転軸を対称の中心とした点対称形状とされている点にある。

そして、このような構成によれば、計算機合成ホログラムによって像面に投射される光の形状を回転体の回転角度の変動の検出に好適な形状にすることができるので、回転体の回転角度をさらに確実に検出することができる。

また、請求項５に係るロータリエンコーダの特徴は、請求項２〜４のいずれか１項において、前記受光装置は、前記受光面が前記回転体の回転軸に直交する方向に沿って長尺状に配置されたラインセンサとされている点にある。

そして、このような構成によれば、受光装置を、計算機合成ホログラムによって像面に投射される光の受光面における受光量の変化に基づいて回転体の回転角度の変動を検出するために好適な構成にすることができるので、回転体の回転角度をさらに確実に検出することができる。

本発明に係るロータリエンコーダによれば、部品点数および製造コストを削減することができ、また、光の損失を抑制することができ、さらに、小型軽量化を図ることができる。

本発明に係るロータリエンコーダの実施形態を示す概略構成図本発明に係るロータリエンコーダの実施形態において、計算機合成ホログラムの設計方法の説明に用いる第１の説明図本発明に係るロータリエンコーダの実施形態において、計算機合成ホログラムの設計方法の説明に用いる第２の説明図本発明に係るロータリエンコーダの実施形態において、計算機合成ホログラムの設計方法の説明に用いる第３の説明図本発明に係るロータリエンコーダの実施形態において、計算機合成ホログラムの一例を示す構成図本発明に係るロータリエンコーダの実施形態において、計算機合成ホログラムによって像面に投射される光の形状の第１の例を示す模式図本発明に係るロータリエンコーダの実施形態において、計算機合成ホログラムによって像面に投射される光の形状の第２の例を示す模式図本発明に係るロータリエンコーダの実施形態において、受光装置としてラインセンサを用いる具体的な構成例を示す模式図本発明に係るロータリエンコーダの実施形態において、図８に示したロータリエンコーダにおける回転角度とセンサ出力（受光量）との相関関係を示すグラフ本発明に係るロータリエンコーダの第１の実施例を示す概略構成図本発明に係るロータリエンコーダの第１の実施例において、設計されるべき計算機合成ホログラムが目標とする像面上の投射パターンを示す模式図本発明に係るロータリエンコーダの第１の実施例において、図１１に示した投射パターンに対応する計算機合成ホログラムの設計結果を示す構成図本発明に係るロータリエンコーダの第１の実施例において、図１２に示した計算機合成ホログラムについての像面上の投射パターンのシミュレーション結果を示す図本発明に係るロータリエンコーダの第２の実施例において、設計されるべき計算機合成ホログラムが目標とする像面上の投射パターンを示す模式図本発明に係るロータリエンコーダの第２の実施例において、図１４に示した投射パターンに対応する計算機合成ホログラムの設計結果を示す構成図本発明に係るロータリエンコーダの第１の実施例において、図１５に示した計算機合成ホログラムについての像面上の投射パターンのシミュレーション結果を示す図

以下、本発明に係るロータリエンコーダの実施形態について、図１〜図１６を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態におけるロータリエンコーダ１は、回転体を構成する円環状のロータリスケール２を有しており、このロータリスケール２は、その中心にとられた図１における縦方向に長尺な回転軸３を中心として回転可能に保持されている。

また、図示はしないが、ロータリスケール２には、このロータリスケール２に回転軸３を中心とした回転力を付与するギア等の回転力付与手段が連結されている。このロータリスケール２は、金属材料からなるものであってもよい。
そして、本実施形態におけるロータリエンコーダ１は、このようなロータリスケール２の回転角度の変動を光学的に検出可能とされている。

すなわち、まず、ロータリエンコーダ１は、光を出射する光源としてのレーザ４を有しており、ロータリスケール２は、このレーザ４に対する光の出射側の位置に配置されている。なお、レーザ４から出射される光の中心軸は、ロータリスケール２の回転軸３に一致している。また、レーザ４は、半導体レーザ、固体レーザまたはガスレーザであってもよい。さらに、レーザ４の替わりに光源としてＬＥＤを配置してもよい。

また、図１に示すように、ロータリスケール２は、その中央部に、回転軸３と同心の円形の開孔５を有しており、この開孔５の内側には、円板状の計算機合成ホログラム６が、その外周面を開孔５の内周面に接触させるように配設されている。さらに、計算機合成ホログラム６は、接着剤等の固定手段によってロータリスケール２に固定されている。このようにして、計算機合成ホログラム６は、ロータリスケール２とともに回転体を構成し、ロータリスケール２と一体的に回転するようになっている。以下、便宜上、必要に応じてロータリスケール２と計算機合成ホログラム６とを回転体２、６と称することとする。

計算機合成ホログラム６には、レーザ４から出射された光が入射するようになっている。そして、計算機合成ホログラム６は、レーザ４側から入射した光を、計算機合成ホログラム６に対して光の出射側（図１における下側）に所定の距離だけ離間した位置（すなわち、計算機合成ホログラム６に対する光の出射側の所定の位置）に設定された像面に、所定の形状の光として投射（結像）するようになっている。ただし、計算機合成ホログラム６の像面は、ロータリスケール２の回転軸３に垂直とされている。

ここで、一般に、計算機合成ホログラムという素子は、コヒーレントな光源の光を、回折現象を用いることによって最初に目標として設定した特定の電界強度分布の光に変換する素子として知られている。このような計算機合成ホログラムは、通常は、反復フーリエ法（ＩＦＴＡ：Iterative Fourier Transform Algorithm）と呼ばれる手法で設計することが可能である。なお、反復フーリエ法とは、計算機合成ホログラムの最適計算を行うアルゴリズムの総称であり、具体的にはGerchBerg-Saxton法、Direct Binary Search法または遺伝子アルゴリズムなどのアルゴリズムが用いられることが多い。

一方で、波動光学的な領域においては、光の伝播も光線追跡とは異なり、角スペクトル伝搬法、フーリエ伝搬法、フレネル伝搬法またはレーリー・ゾンマーフェルト法などを用いて計算できることが知られている。どの計算法を用いるのが適当かは計算容量や光の伝搬距離に依存することになる。

ここで、図２に示すような開口面Ｓを仮定するとともに、この開口面Ｓの中の一点Ｐ（ｘ₀、ｙ₀、0）を仮定する。また、この開口面Ｓからｚ離れた距離のｘｙｚ平面上に点Ｑ（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ、ｚ）を仮定する。そして、点Ｐを通る光が点Ｑに作る光の強度は、ホイヘンス−フレネルの式から（1／ｊλ）・E(ｘ₀，ｙ₀)exp(−jkr/r)となる。但し、r=z〔1+(x_i−x₀)／z)²+(y_i−y₀)／z)²〕^０．５≒ｚ＋（1／２ｚ）・〔(x_i−x₀)² + (y_i−y₀)²]−（１／８ｚ^３）・〔（ｘ_ｉ−ｘ₀）^２＋（ｙ_ｉ-ｙ₀）²〕²＝ｚ＋（ｘ_ｉ ^２＋ｙ_ｉ ^２）／２ｚ−（ｘ_ｉｘ_０+ｙ_ｉｙ₀）／ｚ＋（ｘ_０ ^２＋ｙ_０ ^２）／２ｚ−・・・・である。そして、開口面Ｓ全体を通る光が点Ｑに作る光の強度Ｅ(x_i,y_i)は、点Ｐを通る光が点Ｑに作る光の強度を開口面Ｓの全領域にわたって積分すればよい。この積分の結果は次の（１）式のようになる。

E(x_i,y_i)=（1／ｊλ）・∬E(x₀,y₀)exp(-jkr/r)dx₀dy₀（１）

ただし、伝搬距離Ｚ<Ｄ／λの領域においては、フレネル伝搬式と称される次の（２）式が成立することが知られている。

E(x_i,y_i)=exp(jkz)／(jkz)exp(jk(x_i ²+y_i ²／(2z))・∬E(x₀,y₀)exp(jπ／λz(x₀ ²+y₀ ²)exp((−ｊ2π／λz)x₀x_i+y₀y_i) dx₀dy₀ （２）

一方で、伝搬距離Ｚ＞Ｄ／λの領域においては、フーリエ伝搬式と称される次の（３）式が成立することが知られている。

E(x_i,y_i)=(exp(jkz)／(jλz))exp(jk／2z )(x_i ²+y_i ²)∬E(x₀,y₀)exp(−2πj／λz)(x₀x_i+y₀y_i)dx₀dy₀ （３）

以上のフーリエ光学系に関する定式化はGoodman著のIntroduction to Fourier Optics （Roberts ＆ Co., 第3版）に詳しく記述されている。

次に、反復フーリエ法とよばれるホログラムの計算手法について述べる。

一般に、レーザーなどのコヒーレントな光源においては、特に横モードがシングルモードである場合に、シングルモードガウシアンと称される次の（４）式に示す電界強度分布が形成されることが知られている。

E(x,y)=exp(−(x²+y²／w₀)）² （４）

そして、このようなガウシアンの直後に位相分布のみからなる回折素子が置かれたと仮定する。さらに、その光源から距離ｆ離れた距離に像面があると仮定し、なおかつ像面において目標とする電界強度分布が実現されると仮定する。この様子を図３に示す。図３においては、入射光源の存在する物体面での光の電界強度分布がｕ（ｘ、ｙ）とされている。ただし、ｕは、一般に複素数で表されるようになっている。

さらに、図３の回折素子の位相をφ（ｘ、ｙ）とすると、この回折素子を出た直後の光の電界はｕ（ｘ、ｙ）＝｜ｕ（ｘ，ｙ）｜・ｅｘｐ（φ（ｘ，ｙ））｜と表される。ただし、ｕ（ｘ、ｙ）の電界強度は、回折素子に入射するレーザ光の振幅分布Ｉ_ｉｎ（ｘ、ｙ）の平方根となる。また、図３においては、回折素子の物体側の面（以下、ＤＯＥ面と称する）が光源とｚ軸方向における同じ位置に置かれていると仮定している。そして、回折素子を出た光は、光源から距離ｆ離れた像面に、フーリエ変換された光として結像されることになる。この像面における光（フーリエ変換された光）の強度分布Ｕは、Ｕ（ｘ，ｙ）＝｜Ｕ（ｕ，ｖ）｜・ｅｘｐ（ｉ・φ（ｕ，ｖ））と表すことができる。

さらにまた、像面（フーリエ面）においても、目標とする像面の電界強度分布をＩ_ｏｂｊ（ｕ、ｖ）と仮定する。

ここで、反復フーリエ法における繰り返し計算（反復計算）の中で、Ｕ（ｕ，ｖ）は、最終的にはＩ_ｏｂｊ（ｕ、ｖ）に収束するはずである。ただし、ｕ（ｘ、ｙ）とＵ（ｕ、ｖ）は、お互いにフーリエ変換の関係になる。

そして、以上のような仮定を前提として、反復フーリエ法による反復計算によって回折素子の位相φ（ｘ、ｙ）の最適な最終解を求める。

この反復フーリエ法による反復計算のフローチャートは図４に示す通りとなる。すなわち、図４に示すように、反復計算のアルゴリズムは、初期位相φ_０（ｘ，ｙ）から出発する（図４のＳＴＥＰ１参照）。また、入射光の設定からＲｅ（ｕ（ｘ，ｙ））＝√Ｉ_ｉｎ（ｘ，ｙ）となる。ただし、Ｒｅは、関数の実数成分である。さらに、Ｉ_ｉｎ（ｘ，ｙ）は、回折素子に入射するレーザ光の強度分布である。

一方で、回折素子の透過直後においては、Ｕ（ｘ、ｙ）＝｜（Ｕ（ｘ，ｙ））｜・ｅｘｐ（φ（ｘ，ｙ））となる。ただし、一般に、Ｕ（ｘ、ｙ）は、複素数の関数となる。

さらに、ｕ（ｘ，ｙ）にフーリエ変換を行うことにより、伝搬後の像面が得られてＵ（ｕ，ｖ）・ｅｘｐ（φ（ｕ，ｖ））となる（図４のＳＴＥＰ２参照）。

ここで、（ｕ，ｖ）のフーリエ面において、Ｕ（ｕ、ｖ）を、目標とする電界強度分布Ｕ‘（ｕ，ｖ）＝√Ｉ（ｕ，ｖ）で置換する（図４のＳＴＥＰ３参照）。この後でメリット関数で目標とする像面にどの程度近ずいたかの評価を行った後に、フーリエ逆変換を行うことにより、ＤＯＥ面での関数ｕ（ｘ，ｙ）・ｅｘｐ（ｉφ（ｘ、ｙ））が求まることになる。ＤＯＥ面においても、ｕ（ｘ、ｙ）・ｅｘｐ（ｉφ（ｘ，ｙ））のｕ（ｘ、ｙ）をｕ’（ｘ、ｙ）＝√Ｉ_ｉｎ（ｘ、ｙ）で置換する（ＳＴＥＰ５）。この計算ループにおいては、ＤＯＥ面と像面の両方において置換による束縛条件を課すことになる。この繰り返し計算を行い、ＤＯＥ面上のＵ‘（ｕ、ｖ）が目標とする電界強度分布を示す関数√Ｉ（ｕ，ｖ）に十分に近づいたと判断した場合に計算は終了することになる。

√Ｉ（ｕ，ｖ）とＵ’（ｕ、ｖ）とがどの程度近づいたかを評価するために、一般には、これら２つの関数の誤差値を表す評価関数を設定し、設定された評価関数によって表される誤差値が予め設定された設定値より小さくなった場合に計算を終了することになる。この計算にあたって、２つの関数の誤差が依然として大きい場合には、さらに、Ｕ‘（ｘ、ｙ）・ｅｘｐ（ｉφ’（ｕ，ｖ））に逆フーリエ変換を行って再びｕ（ｘ，ｙ）・ｅｘｐ（ｉφ（ｘ，ｙ））を求めた後に、強度分布を表すｕ（ｘ，ｙ）を入射光の強度√Ｉ_ｉｎで置き換える。このようにして繰り返し計算を連続的に行う。

そして、図４に示すようなループを何十回と回転させることにより、目標とする位相分布φ（ｘ、ｙ）を求めることができる（ＳＴＥＰ６）。

この図４に示すようなアルゴリズムは、Gerchberg-Saxtonアルゴリズムとして知られている。このようなGerchberg-Saxton アルゴリズムはＯＳＡが発行するApplied Optics の July 1989 Vol 28.NO13. p2641-2650に記述されている。

以上述べたように、像面において目標とする電界強度分布を実現することができる最適な位相分布解は、Gerchberg-Saxtonアルゴリズムによって求めることができる。このような位相分布解が具現化された計算機合成ホログラムを実際に製造する方法としては、例えば、薄い透光性の基板に、屈折率が場所によって局所的に変化するような屈折率分布を形成する方法や、透明基板の表面に凹凸形状を形成する方法等が知られている。

ここで、前述した最適な位相分布解を透明基板の表面に凹凸形状を形成することによって実現するタイプの計算機合成ホログラムでは、次の（５）式で表される関係式が成立する。

ｈ＝（λ／２π）×ψ／（ｎ−１）（５）

但し、（５）式におけるｈは、計算機合成ホログラムの凹凸形状における凹部の基準平面からの物理深さ〔μｍ〕である。また、（５）式におけるλは、計算機合成ホログラムを通る光の波長〔μｍ〕である。さらに、（５）式におけるψは、計算機合成ホログラムの位相〔rad〕である。さらにまた、（５）式におけるｎは、計算機合成ホログラムを構成する基板媒質の屈折率である。

そして、このような計算機合成ホログラムを基板表面に凹凸を形成することによって製造する方法としては、石英基板の表面にフォトレジストまたは電子ビーム露光用レジストを塗布した上で、ｉ線のステッパーなどのＵＶ光を用いた露光装置によってマスク露光を行う方法や、ＥＢ描画装置によって露光した後に現像を行うことにより、レジストからなる特定のパターンを形成する方法等がある。

なお、計算から得られる位相解としては、連続的に０〜２πの範囲内でなだらかに位相が変化しているような曲面からなるアナログ解の位相解が一般的であるが、このような位相解を実現するのは技術的に困難である。このため、実際には、計算によって得られた位相解を、ｘｙ平面で正方形のピクセルに分解しつつｚ方向の高さも８段、１６段といった２^ｎの段数で代表して置換した形状近似がしばしば行われる。このようなピクセルで構成されるホログラム（計算機合成ホログラム）は、アナログ型ホログラムと対比してデジタル型のホログラムと呼ばれている。このようなデジタルホログラムを実際に製造した例を図５に示す。

図５に示すデジタルホログラムは、図５における縦方向および横方向に整列された互いに隣位する平面正方形状の複数のピクセルｐによって構成されている。なお、図５において互いに隣位するピクセルｐ同士の間に明度の差や境界が表われている箇所には、ピクセルｐ同士の間に段差が生じている。

このような計算機合成ホログラムは、石英基板上へのリソグラフィー技術およびドライエッチング技術などを組み合わせた半導体加工技術によって実現することができる。このようにして作製された石英製の計算機合成ホログラムは、それ自身も製品として使用することもできるが、この作製されたホログラムをマスターとして、ナノインプリントやホットエンボシングプロセスによる高速な転写技術により、樹脂基板上へも大量に複製を作製することもできる。このような方法は、安価なコストで大量にホログラムを作る方法として有効な方法である。なお、凹凸形状（ミクロ構造）を最初に形成する基板としては、前述のように石英やＳｉを用いることが一般的であるが、これら以外にも、透明な誘電体材質であればガラスやセラミックスなどを使用してもよい。

図１に戻って、さらに、本実施形態において、計算機合成ホログラム６に対する光の出射側の位置には、計算機合成ホログラム６から出射された光を受光して検出する受光装置７が配設されており、この受光装置７は、その受光面８が、像面に相当する位置に像面と同一面状に配置されている。また、受光装置７は、受光面８において、計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光の少なくとも一部を受光するようになっている。ここで、受光装置７としては、受光面８がＣＣＤ、ＣＭＯＳまたはＳｉ等の受光素子によって形成されたものを用いることができる。また、受光装置７の受光面８は、計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光のすべてを受光する大きさおよび形状を有するものであってもよいし、計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光の一部を受光する大きさおよび形状を有するものであってもよい。

さらにまた、本実施形態において、計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光（投射パターン）の形状（所定の形状）は、回転体２、６の回転にともなって計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光についての受光面８における受光状態が変化するような形状とされている。

また、図１に示すように、受光装置７には、検出部１０が接続されており、この検出部１０は、計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光の受光面８における受光状態の変化に基づいて、回転体２、６の回転角度の変動を検出するようになっている。

上記構成に加えて、さらに、本実施形態において、計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光の形状は、回転体２、６の回転軸３を対称の中心とした点対称形状とされていてもよい。この点対称形状の具体例としては、図６に示すように、鋭角を有する頂部が周方向に等角間隔ごとに表われるような星型形状（図６においては略星型正八角形状）や、図７に示すように、直線パターンを等角間隔を設けるようにして放射状に配置してなる点対称な形状等を挙げることができる。その他、計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光の形状は、回転体２、６の回転を受光装置７側で認知することができるような形状であればよく、例えば、点対称であって、なおかつ回転対称ではないような形状であってもよい。

ここで、図８は、受光装置７として、その受光面８が回転体２、６の回転軸３の長手方向に直交する方向（すなわち径方向）に長尺状に形成されたラインセンサを用いるとともに、このラインセンサの受光面８と同一面上の像面に対して図６と同様の形状の光を投射する計算機合成ホログラム６を用いたロータリエンコーダ１の構成例を示すものである。

図８の構成においては、ラインセンサの受光面８が長尺な長方形状に形成されており、この受光面８の中心点は、回転体２、６の回転軸３上に位置されている。また、図８において、受光面８は、計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光の一部を受光するようになっている。

そして、図８の構成において、回転体２、６が回転すると、計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光（投射パターン）も回転することになり、これにともなって、受光面８において受光される光の光量が変化することになる。この受光面８における受光量と回転体２、６の回転角度とは、図９に示すような相関関係を有している。ここで、図９における縦軸の値は、図８の受光面８において受光される光の光量を示すラインセンサの電気的な出力〔ｍＷ〕である。また、図９における横軸の値は、回転体２、６の回転方向における所定の基準位置０〔°〕からの回転角度〔°〕である。

このような図８の構成によれば、回転体２、６の回転にともなう受光面８における受光量の変化（受光状態の変化の一例）に基づいて、回転体２、６の回転角度の変動を検出することができる。すなわち、図８の構成において、計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光の形状（所定の形状）は、回転体２、６の回転にともなって計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光についての受光面８における受光量が変化するような形状となる。

なお、図８に示したもの以外の構成として、例えば、計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光のすべてを受光する受光面を備えたＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサを受光装置として採用する場合には、回転体２、６の回転にともなう計算機合成ホログラム６によって投射される光の回転を画像認識によって検出し、この検出結果に基づいて回転体２、６の回転角度の変動を検出すればよい。この場合には、受光面８における受光状態の変化は、受光面８において認識される画像の回転変位として検出されることになる。

また、計算機合成ホログラム６を設計するに際しては、計算機合成ホログラム６から図６や図７に示した特定の形状の投射パターンが実現される像面までの距離をできるだけ短くするように設計すれば、ロータリエンコーダ１全体を小型化することができる。さらに、このようにすれば、受光面８のサイズも小さくすることができる。

また、上記構成以外にも、例えば、レーザ４と計算機合成ホログラム６との間にコリメーションレンズを配設してもよい。この場合、コリメーションレンズは、レーザ４から出射された光を平行光に変換した上で計算機合成ホログラム６に入射させることができるものであれば、球面レンズまたは非球面レンズのいずれであってもよい。

次に、本発明の第１の実施例として、計算機合成ホログラム６の第１の設計例について説明する。

本実施例においては、図１０に示すようなロータリエンコーダ１を構成することを狙って計算機合成ホログラム６を設計した。

すなわち、本実施例において、光源は、ほぼ理想的なガウシアンビームとみなすことができる光を出射させる横モードがＴＥ₀₀のシングルモードのレーザ４と仮定した。本実施例におけるレーザ４としては、固体レーザまたはガスレーザを仮定した。また、本実施例においては、レーザ４から出射される光の波長λ＝６２８ｎｍ、ガウシアンのモードフィールド半径＝５００μｍと仮定した。

さらに、本実施例においては、このようなレーザ４の直後に配置される計算機合成ホログラム６として、その出射側の表面から１０ｍｍ離れた位置を像面とした計算機合成ホログラム６を設計した。

さらに、本実施例においては、計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光（投射パターン）の形状を図１１に示すような略星型正八角形と仮定し、このような投射パターンの形状を目標として計算機合成ホログラム６を設計した。

さらにまた、本実施例においては、計算機合成ホログラム６の１ピクセルを５×５ミクロン、ピクセルの配列を縦５１２×横５１２個、各ピクセルの最大段差を８段と仮定して、gerchberg-saxtonアルゴリズムを用いた反復フーリエ法で５０回の繰り返し計算を行った。

このようにして設計された計算機合成ホログラム６の位相分布解を図１２に示した。なお、この図１２の位相分布解を拡大すれば、図５に示したようなピクセルが表われることになる。この図１２の解に対応する受光面での光の分布は、シミュレーションによって図１３に示す通りとなった。ただし、この図１３の画像全体の大きさは２.５６ｍｍ角のサイズである。また、位相分布解の回折効率は９６％、ＳＮＲは１８ｄＢであった。

ここで、図１３は、図１２と比べると若干のノイズ光がバックグラウンドに見られるが、ほぼ狙い通りの投射パターンを実現することができた。

次に、本発明の第２の実施例として、計算機合成ホログラム６の第２の設計例について説明する。

本実施例においては、図１４に示すようなロータリエンコーダ１を構成することを狙って計算機合成ホログラム６を設計した。

すなわち、本実施例において、レーザ４は、ＮＤ＝０．３、使用波長λ＝６５０ｎｍの半導体レーザ（ＬＤ）と仮定した。

また、本実施例においては、レーザ４の直後に非球面レンズからなるコリメーションレンズ１２を配置し、さらに、このコリメーションレンズ１２から１ｍｍ離間した位置に計算機合成ホログラム６を配置し、さらに、計算機合成ホログラム６の像面を計算機合成ホログラム６の出射側の表面から１０ｍｍ離れた位置にとると仮定した。

さらに、本実施例においては、コリメーションレンズ１２の曲率を１.３９ｍｍ、厚さを１ｍｍ、材質をＢＫ７であると仮定した。

さらにまた、本実施例においては、計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光の形状を図１１と同様の略星型正八角形と仮定し、このような光の形状を目標として計算機合成ホログラム６を設計した。
このようにして設計された計算機合成ホログラム６の位相分布解を図１５に示した。この図１５の解に対応する受光面での光の分布は、シミュレーションによって図１６に示す通りとなった。この図１６の画像全体の大きさは２.５６ｍｍ角のサイズである。

図１６に示すように、本実施例においても、第１実施例と同様に、ほぼ狙い通りの投射パターンを実現することができた。

以上述べたように、本発明によれば、計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光の受光面８における受光状態の変化に基づいて回転体２、６の回転角度の変動を検出することができるので、部品点数および製造コストを削減することができ、また、光のパワーの損失を抑制することができ、さらに、小型軽量化を図ることができる。

なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々変更することが可能である。

例えば、前述した実施形態においては、ロータリスケール２および計算機合成ホログラム６が回転体を構成していたが、計算機合成ホログラム６を不動体とし、受光装置７を回転体としてもよい。

また、計算機合成ホログラム６によって像面に投射される光を略星型正多角形状にする場合に、角数（但し、点対称となるような角数）が多いほど、ロータリエンコーダ１の角度分解能を高めることができる。

１ロータリエンコーダ
２ロータリスケール
３回転軸
４レーザ
６計算機合成ホログラム
７受光装置
８受光面

Claims

所定の回転軸を中心として回転可能とされた回転体を備え、この回転体の回転角度の変動を光学的に検出可能とされた光学式のロータリエンコーダであって、
光を出射する光源と、
この光源に対する光の出射側の位置に配設された計算機合成ホログラムと、
この計算機合成ホログラムに対する光の出射側の位置に配設された受光装置と
を備え、
前記計算機合成ホログラムは、前記光源から出射された光を、前記計算機合成ホログラムに対する光の出射側の所定の位置に設定された像面に所定の形状の光として投射するように形成され、
前記受光装置は、その受光面が前記像面に相当する位置に配置されるとともに、前記受光面において前記計算機合成ホログラムによって前記像面に投射される光の少なくとも一部を受光するように形成され、
前記計算機合成ホログラムまたは前記受光装置が前記回転体を構成し、前記像面に投射される光の前記所定の形状は、前記回転体の回転にともなって前記像面に投射される光の前記受光面における受光状態が変化するような形状とされ、
前記受光状態の変化に基づいて、前記回転体の回転角度の変動を検出すること
を特徴とするロータリエンコーダ。
前記受光装置は、前記受光面において前記像面に投射される光の一部を受光するように形成され、
前記像面に投射される光の前記所定の形状は、前記回転体の回転にともなって前記受光状態としての前記像面に投射される光の前記受光面における受光量が変化するような形状とされ、
前記受光量の変化に基づいて、前記回転体の回転角度の変動を検出すること
を特徴とする請求項１に記載のロータリエンコーダ。
前記光源と前記計算機合成ホログラムとの間にコリメーションレンズを配設したこと
を特徴とする請求項１または２に記載のロータリエンコーダ。
前記像面に投射される光の前記所定の形状は、前記回転体の回転軸を対称の中心とした点対称形状とされていること
を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のロータリエンコーダ。
前記受光装置は、前記受光面が前記回転体の回転軸に直交する方向に沿って長尺状に配置されたラインセンサとされていること
を特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のロータリエンコーダ。