JP2822225B2 - 光学式変位検出装置 - Google Patents
光学式変位検出装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光学式変位検出装置に関し、特に点光源回折
を用いたレーザエンコーダの基準位置検出技術に関す
る。
を用いたレーザエンコーダの基準位置検出技術に関す
る。
近年、自動化技術の発達に伴ない産業用ロボットある
いは数値制御工作機械の高速高精度の位置決め、さらに
高速から低速までの円滑な速度制御の必要性から、回転
角センサとしてロータリーエンコーダが注目されてい
る。しかしながら、従来より知られている磁気式あるい
は光学式のロータリーエンコーダは、高分解能になるほ
ど振動衝撃に対して弱く、大型化が避けられず、コスト
も高くなる為上述した新しいニーズに十分対応できない
のが現状である。
いは数値制御工作機械の高速高精度の位置決め、さらに
高速から低速までの円滑な速度制御の必要性から、回転
角センサとしてロータリーエンコーダが注目されてい
る。しかしながら、従来より知られている磁気式あるい
は光学式のロータリーエンコーダは、高分解能になるほ
ど振動衝撃に対して弱く、大型化が避けられず、コスト
も高くなる為上述した新しいニーズに十分対応できない
のが現状である。
この点に鑑み、コヒーレントな点光源からの球面波に
よる回折現象を利用した光学式ロータリーエンコーダが
提案されている。点光源による回折像を用いると、物体
（例えば一次元格子）の移動に伴いその回折像は影絵の
場合と同じく移動する。又この場合の回折パタンは、光
源と回折格子、回折格子と光検出器との距離の比率によ
り拡大する事が可能で、格子の微少な移動量を拡大光学
系なしで、非常に簡単に検出できる。この事を利用し
て、半導体レーザと数μｍピッチの放射状回折格子を用
いて高性能且つ高分解能の光学式ロータリーエンコーダ
が得られる。この形式のロータリーエンコーダは構造が
簡単なうえ、光センサ部とエンコーダ板との距離がとれ
る為、衝撃や振動にも強いという特徴がある。
よる回折現象を利用した光学式ロータリーエンコーダが
提案されている。点光源による回折像を用いると、物体
（例えば一次元格子）の移動に伴いその回折像は影絵の
場合と同じく移動する。又この場合の回折パタンは、光
源と回折格子、回折格子と光検出器との距離の比率によ
り拡大する事が可能で、格子の微少な移動量を拡大光学
系なしで、非常に簡単に検出できる。この事を利用し
て、半導体レーザと数μｍピッチの放射状回折格子を用
いて高性能且つ高分解能の光学式ロータリーエンコーダ
が得られる。この形式のロータリーエンコーダは構造が
簡単なうえ、光センサ部とエンコーダ板との距離がとれ
る為、衝撃や振動にも強いという特徴がある。
第８図は点光源回折を用いたレーザエンコーダの原理
を説明する為の模式図である。点光源Ｏからは波長λの
コヒーレントな光が光軸に沿って射出される。点光源Ｏ
の前方距離Ｌのところには矢印で示す様に双方向に移動
可能な一次元回折格子が配置されている。この回折格子
はピッチＴを有する複数のスリットで構成されている。
この移動する回折格子をコヒーレントな光で照射すると
回折格子の前方距離Ｍのところに干渉パタンが投影され
る。干渉パタンは所定の空間周期Ｐで配列された明暗の
縞模様からなる。この干渉パタンは見掛上回折格子の拡
大投影像であり回折格子の移動に応じて移動する。
を説明する為の模式図である。点光源Ｏからは波長λの
コヒーレントな光が光軸に沿って射出される。点光源Ｏ
の前方距離Ｌのところには矢印で示す様に双方向に移動
可能な一次元回折格子が配置されている。この回折格子
はピッチＴを有する複数のスリットで構成されている。
この移動する回折格子をコヒーレントな光で照射すると
回折格子の前方距離Ｍのところに干渉パタンが投影され
る。干渉パタンは所定の空間周期Ｐで配列された明暗の
縞模様からなる。この干渉パタンは見掛上回折格子の拡
大投影像であり回折格子の移動に応じて移動する。
ところで鮮明な干渉パタンを得る為には、いわゆるフ
レネル回折理論に従って以下の関係式（１）を満たす必
要がある。
レネル回折理論に従って以下の関係式（１）を満たす必
要がある。
この関係式（１）を満たす様にロータリーエンコーダ
の各パラメータL,M,λ及びＴを設定してやれば鮮明度の
大きな干渉パタンが得られ、その時の干渉パタンの空間
周期あるいは縞間隔Ｐは以下の関係式（２）によって表
わされる。
の各パラメータL,M,λ及びＴを設定してやれば鮮明度の
大きな干渉パタンが得られ、その時の干渉パタンの空間
周期あるいは縞間隔Ｐは以下の関係式（２）によって表
わされる。
関係式（２）で示す様に、干渉パタンの周期Ｐは回折
格子のピッチＴを倍率 で拡大したものである。
格子のピッチＴを倍率 で拡大したものである。
第９図は、第８図に示す原理に基いて構成された従来
のレーザロータリーエンコーダを示す模式的斜視図であ
る。コヒーレントな光を射出する点光源１の前方には、
光路を横切る様に回転円板からなる移動部材２が配置さ
れている。回転円板の周辺部に沿って放射状に配列され
た複数のスリットからなる回折格子３が形成されてい
る。回折格子３の前方所定距離には固定スリット４が配
置されている。固定スリット４は回折格子３によって投
影される干渉パタンの縞間隔に対応した空間周波数を有
する空間格子を構成する。固定スリット４の前方近接位
置には受光部５が配置されている。受光部５は固定スリ
ット４を透過した回折光を受光し、その強度変化に応じ
た交流電気信号を出力する。交流電気信号の波の数によ
り移動部材２の回転量が分かり、又その周波数により移
動部材２の回転速度が分かる。
のレーザロータリーエンコーダを示す模式的斜視図であ
る。コヒーレントな光を射出する点光源１の前方には、
光路を横切る様に回転円板からなる移動部材２が配置さ
れている。回転円板の周辺部に沿って放射状に配列され
た複数のスリットからなる回折格子３が形成されてい
る。回折格子３の前方所定距離には固定スリット４が配
置されている。固定スリット４は回折格子３によって投
影される干渉パタンの縞間隔に対応した空間周波数を有
する空間格子を構成する。固定スリット４の前方近接位
置には受光部５が配置されている。受光部５は固定スリ
ット４を透過した回折光を受光し、その強度変化に応じ
た交流電気信号を出力する。交流電気信号の波の数によ
り移動部材２の回転量が分かり、又その周波数により移
動部材２の回転速度が分かる。
移動部材２の表面上において、回折格子３の半径方向
内側近接位置に、一対の開口部６が形成されている。開
口部６は移動部材２の基準位置に対応して配置されてい
る。開口部６と点光源１の間にはレンズ７が挿入されて
おり、点光源１から射出される球面波光を平面波光に変
換して一対の開口部６に照射する。点光源１と一対の開
口部６を結ぶ延長線上には一対のスリットが形成された
固定スリット８が配置されている。固定スリット８の前
方近接位置には、一対のスリットを透過した光を受光す
る為の受光素子９が配置されている。受光素子９は移動
部材２の１回転毎に開口部６を透過した光を固定スリッ
ト８を介して受光し、電気信号を出力する。この電気信
号は移動部材２の基準位置を検出する為に用いられる。
内側近接位置に、一対の開口部６が形成されている。開
口部６は移動部材２の基準位置に対応して配置されてい
る。開口部６と点光源１の間にはレンズ７が挿入されて
おり、点光源１から射出される球面波光を平面波光に変
換して一対の開口部６に照射する。点光源１と一対の開
口部６を結ぶ延長線上には一対のスリットが形成された
固定スリット８が配置されている。固定スリット８の前
方近接位置には、一対のスリットを透過した光を受光す
る為の受光素子９が配置されている。受光素子９は移動
部材２の１回転毎に開口部６を透過した光を固定スリッ
ト８を介して受光し、電気信号を出力する。この電気信
号は移動部材２の基準位置を検出する為に用いられる。
一般に、点光源回折を用いたロータリーエンコーダに
おいては、回折格子３によって形成される干渉パタンは
極めて鮮明でありパタンのピッチ間隔も高密度である為
高分解能のエンコーダ出力を得る事ができる。これに対
して、開口部６を透過してくる光は鋭いピーク強度分布
を有せず、正確に移動部材２の基準位置を検出する事が
できない。即ち、開口部６を通過する光のピーク幅は回
折格子３によって形成される干渉パタンを数本含む程に
広いものとなり、回折格子３に比して高分解能で移動部
材２の回転位置を検出する事ができない。
おいては、回折格子３によって形成される干渉パタンは
極めて鮮明でありパタンのピッチ間隔も高密度である為
高分解能のエンコーダ出力を得る事ができる。これに対
して、開口部６を透過してくる光は鋭いピーク強度分布
を有せず、正確に移動部材２の基準位置を検出する事が
できない。即ち、開口部６を通過する光のピーク幅は回
折格子３によって形成される干渉パタンを数本含む程に
広いものとなり、回折格子３に比して高分解能で移動部
材２の回転位置を検出する事ができない。
この点に鑑み、第９図に示す従来のレーザロータリー
エンコーダにおいては、移動部材２の面上に開口部６を
設け、これに対応して一対のスリットが形成された固定
スリット８を介して透過光を受光する様にしている。受
光素子９は２分割されており、各々のスリットを透過し
た光を検出し、互いに位相のずれたパルス信号を出力す
る。各々のパルス幅は広いものであっても、互いに位相
がずれている為各ピークの交点を電気的に検出する事が
できる。この交点を電気的に検出する事により、移動部
材２の基準位置を正確に求め様とするものである。
エンコーダにおいては、移動部材２の面上に開口部６を
設け、これに対応して一対のスリットが形成された固定
スリット８を介して透過光を受光する様にしている。受
光素子９は２分割されており、各々のスリットを透過し
た光を検出し、互いに位相のずれたパルス信号を出力す
る。各々のパルス幅は広いものであっても、互いに位相
がずれている為各ピークの交点を電気的に検出する事が
できる。この交点を電気的に検出する事により、移動部
材２の基準位置を正確に求め様とするものである。
第10図は上述した従来のロータリーエンコーダに用い
られる検出回路を示す模式図である。検出回路は、２分
割された受光素子９の各々を構成する一対のフォトダイ
オード9a及び9bを含む。一方のフォトダイオード9aには
相対的に進相のピーク信号が発生し、他方のフォトダイ
オード9bには相対的に遅相のピーク信号が発生し、両者
は所定の遅延量を伴って互いに部分的に重なっている。
検出回路はさらに一対の増幅器（AMP）加算器（ADD）一
対の比較器（COMP）遅延回路（DELAY）及び一対の排他
的論理回路（EXOR）を含んでおり、入力された一対のピ
ーク信号を電気的に処理し、両者の交点を検出し、交点
に合わせて基準位置検出信号Ｚを出力するものである。
られる検出回路を示す模式図である。検出回路は、２分
割された受光素子９の各々を構成する一対のフォトダイ
オード9a及び9bを含む。一方のフォトダイオード9aには
相対的に進相のピーク信号が発生し、他方のフォトダイ
オード9bには相対的に遅相のピーク信号が発生し、両者
は所定の遅延量を伴って互いに部分的に重なっている。
検出回路はさらに一対の増幅器（AMP）加算器（ADD）一
対の比較器（COMP）遅延回路（DELAY）及び一対の排他
的論理回路（EXOR）を含んでおり、入力された一対のピ
ーク信号を電気的に処理し、両者の交点を検出し、交点
に合わせて基準位置検出信号Ｚを出力するものである。
しかしながら、ピーク信号の波形は必ずしも一定でな
く開口部６における回折現象やノイズ成分等により変動
する。従って進相及び遅相の一対のピーク信号の交点も
変動し正確に移動部材２の基準位置を検出する事が困難
であった。加えて第10図に示す様に検出回路の構成も複
雑なものとなりノイズによる影響も無視できないという
問題点があった。
く開口部６における回折現象やノイズ成分等により変動
する。従って進相及び遅相の一対のピーク信号の交点も
変動し正確に移動部材２の基準位置を検出する事が困難
であった。加えて第10図に示す様に検出回路の構成も複
雑なものとなりノイズによる影響も無視できないという
問題点があった。
上述した従来の問題点に鑑み、本発明は回折格子の分
解能と同一レベルで移動部材の基準位置を検出する事の
できるレーザエンコーダを提供する事を目的とする。
解能と同一レベルで移動部材の基準位置を検出する事の
できるレーザエンコーダを提供する事を目的とする。
上記目的を達成する為に、本発明にかかるレーザエン
コーダはコヒーレントな球面波光を射出する点光源と、
該球面波光を横切る様に移動する移動部材と、該移動部
材に形成されておりコヒーレントな球面波光の照射を受
け回折光を射出して拡大された干渉パタンを形成する回
折格子と、該干渉パタンを受光し電気信号に変換する受
光部とを有している。そして、特徴部分として該移動部
材に回折格子と隣接して形成されており該移動部材の基
準位置に配置され該球面波光を回折して該干渉パタンと
ほぼ同一距離に集光するホログラフィックレンズと、該
コヒーレントな球面波光がホログラフィックレンズによ
り集光されるとき形成される集光のスポット位置に配置
される固定スリットと、該干渉パタンと同じ移動量で該
固定スリットを通過する該集光を受光し電気信号に変換
する受光素子とを有している。
コーダはコヒーレントな球面波光を射出する点光源と、
該球面波光を横切る様に移動する移動部材と、該移動部
材に形成されておりコヒーレントな球面波光の照射を受
け回折光を射出して拡大された干渉パタンを形成する回
折格子と、該干渉パタンを受光し電気信号に変換する受
光部とを有している。そして、特徴部分として該移動部
材に回折格子と隣接して形成されており該移動部材の基
準位置に配置され該球面波光を回折して該干渉パタンと
ほぼ同一距離に集光するホログラフィックレンズと、該
コヒーレントな球面波光がホログラフィックレンズによ
り集光されるとき形成される集光のスポット位置に配置
される固定スリットと、該干渉パタンと同じ移動量で該
固定スリットを通過する該集光を受光し電気信号に変換
する受光素子とを有している。
本発明によれば、移動部材の面上に、回折格子と隣接
してホログラフィックレンズが形成されている。ホログ
ラフィックレンズの中心は移動部材の基準位置に一致し
ており、ホログラフィックレンズが光路を横切る毎に、
入射光を集束し光源とホログラフィックレンズの中心を
結ぶ延長線上で拡大された干渉パタンとほぼ同じ位置に
スポットを結像する。ホログラフィックレンズは隣接す
る回折格子と同様にコヒーレントな球面波光の干渉現象
を利用している為極めてすぐれた集束作用を有し、スポ
ットのピーク幅は回折格子によって形成される干渉パタ
ンの縞間隔と同一かそれより小さい。スポットの結像位
置には固定スリットが配置されており、この固定スリッ
トを介してスポットを受光する事により極めて高精度に
移動部材の基準位置を検出する事ができる。
してホログラフィックレンズが形成されている。ホログ
ラフィックレンズの中心は移動部材の基準位置に一致し
ており、ホログラフィックレンズが光路を横切る毎に、
入射光を集束し光源とホログラフィックレンズの中心を
結ぶ延長線上で拡大された干渉パタンとほぼ同じ位置に
スポットを結像する。ホログラフィックレンズは隣接す
る回折格子と同様にコヒーレントな球面波光の干渉現象
を利用している為極めてすぐれた集束作用を有し、スポ
ットのピーク幅は回折格子によって形成される干渉パタ
ンの縞間隔と同一かそれより小さい。スポットの結像位
置には固定スリットが配置されており、この固定スリッ
トを介してスポットを受光する事により極めて高精度に
移動部材の基準位置を検出する事ができる。
第１図は本発明にかかる光学式変位検出装置をレーザ
ロータリーエンコーダに適用した実施例を示す模式的斜
視図である。本レーザロータリーエンコーダは例えば半
導体レーザから構成されるコヒーレントな点光源１を有
する。点光源１は所定の射出角度範囲において波長λ＝
780nmのコヒーレントな光を射出する。点光源１の前方
所定距離Ｌには回転円板からなる移動部材２が配置され
ている。移動部材２の周辺部には半径方向に沿って配列
された複数の放射状スリットからなる回折格子３が形成
されている。回折格子３は円周方向に沿って輪状に配置
されている。回折格子３は所定のピッチＴを有し移動部
材２の回転に伴って点光源１の光路を横切り、関係式
（２）に従って拡大された干渉パタンを所定距離Ｍに結
像する。この干渉パタンは回折格子３の移動に応答して
変位する。該所定距離Ｍには、固定スリット４が配置さ
れている。固定スリット４は干渉パタンのピッチＰに対
応した空間周波数を有する空間フィルタを構成する。固
定スリット４の前方近接位置には受光部５が配置されて
おり、固定スリット４を透過した回折光を受光し、その
強度変化に応じた交流電気信号を出力する。この交流電
気信号の周波数により移動部材２の回転速度が検出さ
れ、又交流電気信号の波の数により移動部材２の回転量
が検出される。
ロータリーエンコーダに適用した実施例を示す模式的斜
視図である。本レーザロータリーエンコーダは例えば半
導体レーザから構成されるコヒーレントな点光源１を有
する。点光源１は所定の射出角度範囲において波長λ＝
780nmのコヒーレントな光を射出する。点光源１の前方
所定距離Ｌには回転円板からなる移動部材２が配置され
ている。移動部材２の周辺部には半径方向に沿って配列
された複数の放射状スリットからなる回折格子３が形成
されている。回折格子３は円周方向に沿って輪状に配置
されている。回折格子３は所定のピッチＴを有し移動部
材２の回転に伴って点光源１の光路を横切り、関係式
（２）に従って拡大された干渉パタンを所定距離Ｍに結
像する。この干渉パタンは回折格子３の移動に応答して
変位する。該所定距離Ｍには、固定スリット４が配置さ
れている。固定スリット４は干渉パタンのピッチＰに対
応した空間周波数を有する空間フィルタを構成する。固
定スリット４の前方近接位置には受光部５が配置されて
おり、固定スリット４を透過した回折光を受光し、その
強度変化に応じた交流電気信号を出力する。この交流電
気信号の周波数により移動部材２の回転速度が検出さ
れ、又交流電気信号の波の数により移動部材２の回転量
が検出される。
移動部材２の面上において、回折格子３の半径方向内
側には、隣接してホログラフィックレンズ10が形成され
ている。ホログラフィックレンズ10は点光源１から射出
される光束の有効断面積内に配置されており、ホログラ
フィックレンズ10が光路を横切る毎に、入射光を集束し
前方所定距離Ｍに、極めて鋭いピーク幅を有するスポッ
トを結像する。該スポットの結像位置には、他の固定ス
リット８が配置されている。固定スリット８にはスポッ
ト径に対応した開口寸法を有するスリットが形成されて
いる。固定スリット８の前方近接位置には受光素子９が
配置されており、固定スリット８を透過した光を検出
し、対応する電気信号を出力する。なお、後述する様に
ホログラフィックレンズ10のパタン形状はスポットが所
定位置Ｍに結像される様にあらかじめ設定されている。
側には、隣接してホログラフィックレンズ10が形成され
ている。ホログラフィックレンズ10は点光源１から射出
される光束の有効断面積内に配置されており、ホログラ
フィックレンズ10が光路を横切る毎に、入射光を集束し
前方所定距離Ｍに、極めて鋭いピーク幅を有するスポッ
トを結像する。該スポットの結像位置には、他の固定ス
リット８が配置されている。固定スリット８にはスポッ
ト径に対応した開口寸法を有するスリットが形成されて
いる。固定スリット８の前方近接位置には受光素子９が
配置されており、固定スリット８を透過した光を検出
し、対応する電気信号を出力する。なお、後述する様に
ホログラフィックレンズ10のパタン形状はスポットが所
定位置Ｍに結像される様にあらかじめ設定されている。
次に第２図を参照して、第１図に示すレーザエンコー
ダの動作のうち、特に移動部材２の基準位置検出動作に
ついて説明する。第２図は受光素子９によって出力され
た検出信号を処理し移動部材２の基準位置を示す基準パ
ルスＺを出力する為の検出回路である。この検出回路は
フォトダイオード等により構成される受光素子９に接続
される増幅器11及びこれと直列接続される比較器12とか
ら構成されている。受光素子９によって出力される検出
信号は図示する様にピーク波形を有しそのピーク幅はホ
ログラフィックレンズ10によって結像されるスポット径
に対応して従来に比し極めて狭くなっている。この検出
信号は増幅器11によって増幅された後比較器12に入力さ
れ波形整形されて極めて小さいパルス幅を有する矩形波
基準位置信号パルスＺを出力する。
ダの動作のうち、特に移動部材２の基準位置検出動作に
ついて説明する。第２図は受光素子９によって出力され
た検出信号を処理し移動部材２の基準位置を示す基準パ
ルスＺを出力する為の検出回路である。この検出回路は
フォトダイオード等により構成される受光素子９に接続
される増幅器11及びこれと直列接続される比較器12とか
ら構成されている。受光素子９によって出力される検出
信号は図示する様にピーク波形を有しそのピーク幅はホ
ログラフィックレンズ10によって結像されるスポット径
に対応して従来に比し極めて狭くなっている。この検出
信号は増幅器11によって増幅された後比較器12に入力さ
れ波形整形されて極めて小さいパルス幅を有する矩形波
基準位置信号パルスＺを出力する。
次に、本発明の要部を構成するホログラフィックレン
ズ10のパタン形状寸法等について詳細に説明する。第３
図は第１図に示す移動部材２の拡大部分平面図である。
図示する様に、回折格子３は複数のストライプ状スリッ
トからなり、隣接するホログラフィックレンズ10は複数
の同心円状スリットから構成されている。これらスリッ
トは例えばガラス基板上に微細フォトリソグラフィー及
びエッチング技術を用いて同時に形成する事が可能であ
る。点光源１から所定の射出角度で射出されるコヒーレ
ントな光は同時に回折格子３及びホログラフィックレン
ズ10に照射される。この時入射光の有効断面積の大部分
は回折格子３に割当てられ、ホログラフィックレンズ10
に割当てられる部分は比較的少ない。従って本実施例に
おいては、ホログラフィックレンズ10は完全な円形を有
さず長手方向に対して0.5mm又幅方向においては0.125mm
の寸法を有する矩形形状とした。本来開口径が大きく完
全な円形を有するホログラフィックレンズが理想的であ
るが開口径を大きくすると周辺部においてリング状のス
リットのピッチが細くなりすぎ製造上問題があるのと、
入射光の有効断面積を越えて大きくしても実効がないか
らである。
ズ10のパタン形状寸法等について詳細に説明する。第３
図は第１図に示す移動部材２の拡大部分平面図である。
図示する様に、回折格子３は複数のストライプ状スリッ
トからなり、隣接するホログラフィックレンズ10は複数
の同心円状スリットから構成されている。これらスリッ
トは例えばガラス基板上に微細フォトリソグラフィー及
びエッチング技術を用いて同時に形成する事が可能であ
る。点光源１から所定の射出角度で射出されるコヒーレ
ントな光は同時に回折格子３及びホログラフィックレン
ズ10に照射される。この時入射光の有効断面積の大部分
は回折格子３に割当てられ、ホログラフィックレンズ10
に割当てられる部分は比較的少ない。従って本実施例に
おいては、ホログラフィックレンズ10は完全な円形を有
さず長手方向に対して0.5mm又幅方向においては0.125mm
の寸法を有する矩形形状とした。本来開口径が大きく完
全な円形を有するホログラフィックレンズが理想的であ
るが開口径を大きくすると周辺部においてリング状のス
リットのピッチが細くなりすぎ製造上問題があるのと、
入射光の有効断面積を越えて大きくしても実効がないか
らである。
第４図は第１図に示すロータリーエンコーダの各部品
の配置関係を示す模式図である。本実施例においては、
点光源１の配置されている原点Ｏと移動部材２の距離は
Ｌ＝1.45mmに設定されている。この寸法は屈折率1.51を
有するガラスより構成される移動部材の板厚0.25mmを含
むものである。この場合関係式（１）及び（２）のＬの
値は光学的距離として計算される。移動部材２と固定ス
リット４の間の距離はＭ＝19.46mmに設定されている。
又回折格子３のピッチはＴ＝5.5μｍに設定されてい
る。この様に各パラメータを設定すると、関係式（２）
により干渉パタンの縞間隔ピッチはＰ＝83.627μｍとな
る。従って、移動部材２が１ピッチ分5.5μｍ移動する
と、固定スリット４上において干渉パタンは約80μｍ移
動する事になる。
の配置関係を示す模式図である。本実施例においては、
点光源１の配置されている原点Ｏと移動部材２の距離は
Ｌ＝1.45mmに設定されている。この寸法は屈折率1.51を
有するガラスより構成される移動部材の板厚0.25mmを含
むものである。この場合関係式（１）及び（２）のＬの
値は光学的距離として計算される。移動部材２と固定ス
リット４の間の距離はＭ＝19.46mmに設定されている。
又回折格子３のピッチはＴ＝5.5μｍに設定されてい
る。この様に各パラメータを設定すると、関係式（２）
により干渉パタンの縞間隔ピッチはＰ＝83.627μｍとな
る。従って、移動部材２が１ピッチ分5.5μｍ移動する
と、固定スリット４上において干渉パタンは約80μｍ移
動する事になる。
図示する様に、移動部材の基準位置検出用固定スリッ
ト８は干渉パタン透過用固定スリット４と同一平面上に
配置されている。この場合、干渉パタンの分解能即ち縞
間隔Ｐよりも高精度で移動部材２の基準位置を検出する
為に、例えばホログラフィックレンズは固定スリット８
上に約40μｍのスポット径を有する集光を結像する必要
がある。従って固定スリット８に形成されるスリットの
開口幅も約40μｍ程度に設定する事が好ましい。
ト８は干渉パタン透過用固定スリット４と同一平面上に
配置されている。この場合、干渉パタンの分解能即ち縞
間隔Ｐよりも高精度で移動部材２の基準位置を検出する
為に、例えばホログラフィックレンズは固定スリット８
上に約40μｍのスポット径を有する集光を結像する必要
がある。従って固定スリット８に形成されるスリットの
開口幅も約40μｍ程度に設定する事が好ましい。
ところで第４図に示す配置関係において、ホログラフ
ィックレンズ10の開口半径Ｒとそれにより集光されるス
ポット径Ｓには次の関係式（３）が成立する。
ィックレンズ10の開口半径Ｒとそれにより集光されるス
ポット径Ｓには次の関係式（３）が成立する。
この関係式（３）にλ＝780nm、集光位置Ｍ＝19.46m
m、スポット径Ｓ＝40μｍを代入して計算すると、ホロ
グラフィックレンズの開口半径はＲ＝0.311mmとなる。
これを開口径に直すと２倍の0.622mmとなる。しかしな
がら、前述した様に開口径を0.622mmにするとホログラ
フィックレンズの周辺部におけるリング状スリットのピ
ッチが細かくなりすぎるので実際には長手方向の寸法を
0.5mmとし幅方向の寸法を0.125mmに限定して矩形とした
（第３図参照）。
m、スポット径Ｓ＝40μｍを代入して計算すると、ホロ
グラフィックレンズの開口半径はＲ＝0.311mmとなる。
これを開口径に直すと２倍の0.622mmとなる。しかしな
がら、前述した様に開口径を0.622mmにするとホログラ
フィックレンズの周辺部におけるリング状スリットのピ
ッチが細かくなりすぎるので実際には長手方向の寸法を
0.5mmとし幅方向の寸法を0.125mmに限定して矩形とした
（第３図参照）。
次に、固定スリット４及び８を同一平面上に配置し、
両者の間の距離Ｎを5mmに設定した場合には、回折格子
３を通過する光軸とホログラフィックレンズ10の中心を
通る光軸との距離Ｄは第４図に示す相似的寸法関係から
0.347mmに設定される。
両者の間の距離Ｎを5mmに設定した場合には、回折格子
３を通過する光軸とホログラフィックレンズ10の中心を
通る光軸との距離Ｄは第４図に示す相似的寸法関係から
0.347mmに設定される。
ホログラフィックレンズ10はその光軸を中心にした複
数の同心円状もしくはリング状スリットから構成されて
いる。各リング状スリットの半径RIはそこを通る光が干
渉して集光位置で互いに強め合う様に設定すればよい。
その為の条件は第５図を参照すると、次の関係式（４）
によって表わされる。
数の同心円状もしくはリング状スリットから構成されて
いる。各リング状スリットの半径RIはそこを通る光が干
渉して集光位置で互いに強め合う様に設定すればよい。
その為の条件は第５図を参照すると、次の関係式（４）
によって表わされる。
Ａ＋Ｂ＝（KO＋Ｉ）λ， Ｉ＝0,1,2 ……（４） 関係式（４）を満たす為に、各リング状スリットの半
径RIは次の関係式（５）を満たす必要がある。
径RIは次の関係式（５）を満たす必要がある。
但しＩ＝０の時RI＝ROとすると 関係式（５）は近似的には以下の関係式（６）として
表わされる。
表わされる。
従って、関係式（６）を用いて、各パラメータの数値
を代入し計算する事により、リング状スリットの各々の
半径RIを求める事ができる。
を代入し計算する事により、リング状スリットの各々の
半径RIを求める事ができる。
第６図は以上の様にしてパタンの寸法及び形状が決定
されたホログラフィックレンズ10によって集光されるス
ポット像の光強度分布を示す図である。図示する様に、
スポットの強度分布は極めて鋭いピーク形状を有し、回
折格子の分解能と同等又はそれ以上の精度で移動部材の
基準位置を検出するのに有効である。
されたホログラフィックレンズ10によって集光されるス
ポット像の光強度分布を示す図である。図示する様に、
スポットの強度分布は極めて鋭いピーク形状を有し、回
折格子の分解能と同等又はそれ以上の精度で移動部材の
基準位置を検出するのに有効である。
最後に第７図は本発明にかかる光学式変位検出装置を
レーザリニアエンコーダに応用した他の実施例を示す模
式的斜視図である。本リニアエンコーダは、コヒーレン
トな光を射出する点光源１と、直線的に双方向に移動す
る移動部材２と、移動部材２に形成された一次元回折格
子３と、一次元回折格子３によって結像される干渉パタ
ンをフィルタリングする為の固定スリット４と、固定ス
リット４を通過した回折光を受光し対応する交流検出信
号を出力する受光部５とからなる。加えて一次元回折格
子３の上方近接位置にはホログラフィックレンズ10が形
成されている。ホログラフィックレンズ10の集光位置に
は他の固定スリット８が配置されており、固定スリット
８を透過した光は受光素子９によって受光され移動部材
２の基準位置を示す検出信号を出力する。基本的な動作
は第１図に示すレーザロータリーエンコーダと同一であ
るので詳細な説明は省略する。
レーザリニアエンコーダに応用した他の実施例を示す模
式的斜視図である。本リニアエンコーダは、コヒーレン
トな光を射出する点光源１と、直線的に双方向に移動す
る移動部材２と、移動部材２に形成された一次元回折格
子３と、一次元回折格子３によって結像される干渉パタ
ンをフィルタリングする為の固定スリット４と、固定ス
リット４を通過した回折光を受光し対応する交流検出信
号を出力する受光部５とからなる。加えて一次元回折格
子３の上方近接位置にはホログラフィックレンズ10が形
成されている。ホログラフィックレンズ10の集光位置に
は他の固定スリット８が配置されており、固定スリット
８を透過した光は受光素子９によって受光され移動部材
２の基準位置を示す検出信号を出力する。基本的な動作
は第１図に示すレーザロータリーエンコーダと同一であ
るので詳細な説明は省略する。
第１図及び第７図に示す実施例においては球面波のコ
ヒーレント光を射出する点光源が用いられている。これ
に代えて、平面波のコヒーレント光を用いてもよい。し
かしながら、平面波に対しては、回折像の拡大機能がな
い為、ホログラフィックレンズの開口径を大きくし入射
光を高度に絞る必要がある。
ヒーレント光を射出する点光源が用いられている。これ
に代えて、平面波のコヒーレント光を用いてもよい。し
かしながら、平面波に対しては、回折像の拡大機能がな
い為、ホログラフィックレンズの開口径を大きくし入射
光を高度に絞る必要がある。
本発明によれば、移動部材又はエンコーダ板に、回折
格子に隣接してエンコーダ板の基準位置に一致した位置
にホログラフィックレンズを形成している。該ホログラ
フィックレンズは複数の同心円状スリットからなり点光
源から射出されるコヒーレントな球面波光を回折により
集束し極めてピーク幅の狭いスポットを結像する事がで
きる。このスポットを受光素子で検出する事により、回
折格子の分解能と同程度又はそれ以上の精度でエンコー
ダ板の基準位置を検知する事ができるという効果があ
る。加えて回折格子とホログラフィックレンズは共に微
細な複数のスリットから構成されており、ガラス等から
なるエンコーダ板上に同時に形成する事が可能であり、
製造が容易であるという効果もある。
格子に隣接してエンコーダ板の基準位置に一致した位置
にホログラフィックレンズを形成している。該ホログラ
フィックレンズは複数の同心円状スリットからなり点光
源から射出されるコヒーレントな球面波光を回折により
集束し極めてピーク幅の狭いスポットを結像する事がで
きる。このスポットを受光素子で検出する事により、回
折格子の分解能と同程度又はそれ以上の精度でエンコー
ダ板の基準位置を検知する事ができるという効果があ
る。加えて回折格子とホログラフィックレンズは共に微
細な複数のスリットから構成されており、ガラス等から
なるエンコーダ板上に同時に形成する事が可能であり、
製造が容易であるという効果もある。
第１図はレーザロータリーエンコーダの模式的斜視図、
第２図は第１図に示すレーザロータリーエンコーダに用
いられる検出回路のブロック図、第３図は回転円板の表
面に形成される回折格子及びホログラフィックレンズの
パタンを示す部分拡大平面図、第４図はレーザロータリ
ーエンコーダの各部品の配置関係を示す模式図、第５図
はホログラフィックレンズのリング状パタンの半径を計
算する為に用いられる模式図、第６図は第３図に示すホ
ログラフィックレンズによって結像されるスポットの光
強度分布を示す模式図、第７図はレーザリニアエンコー
ダの模式的斜視図、第８図は点光源回折を用いたレーザ
エンコーダの原理を説明する為の模式図、第９図は従来
のレーザロータリーエンコーダの構成を示す斜視図、及
び第10図は第９図に示す従来のレーザロータリーエンコ
ーダに用いられる検出回路のブロック図である。 １……点光源、２……移動部材 ３……回折格子、４……固定スリット ５……受光部、８……固定スリット ９……受光素子 10……ホログラフィックレンズ 11……増幅器、12……比較器
第２図は第１図に示すレーザロータリーエンコーダに用
いられる検出回路のブロック図、第３図は回転円板の表
面に形成される回折格子及びホログラフィックレンズの
パタンを示す部分拡大平面図、第４図はレーザロータリ
ーエンコーダの各部品の配置関係を示す模式図、第５図
はホログラフィックレンズのリング状パタンの半径を計
算する為に用いられる模式図、第６図は第３図に示すホ
ログラフィックレンズによって結像されるスポットの光
強度分布を示す模式図、第７図はレーザリニアエンコー
ダの模式的斜視図、第８図は点光源回折を用いたレーザ
エンコーダの原理を説明する為の模式図、第９図は従来
のレーザロータリーエンコーダの構成を示す斜視図、及
び第10図は第９図に示す従来のレーザロータリーエンコ
ーダに用いられる検出回路のブロック図である。 １……点光源、２……移動部材 ３……回折格子、４……固定スリット ５……受光部、８……固定スリット ９……受光素子 10……ホログラフィックレンズ 11……増幅器、12……比較器
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01D 5/34 - 5/38
Claims (3)
- 【請求項１】コヒーレントな球面波光を射出する点光源
と、該球面波光を横切る様に移動する移動部材と、該移
動部材に形成されておりコヒーレントな球面波光の照射
を受け回折光を射出して拡大された干渉パタンを形成す
る回折格子と、該干渉パタンを受光し電気信号に変換す
る受光部とからなる光学式変位検出装置において、 該移動部材に回折格子と隣接して形成されており該移動
部材の基準位置に配置され該球面波光を回折して該干渉
パタンとほぼ同一距離に集光するホログラフィックレン
ズと、該コヒーレントな球面波光がホログラフィックレ
ンズにより集光される時形成される集光のスポット位置
に配置される固定スリットと、該干渉パタンと同じ移動
量で該固定スリットを通過する該集光を受光し電気信号
に変換する事により該移動部材の基準位置を検出する受
光素子とを有する事を特徴とする光学式変位検出装置。 - 【請求項２】該ホログラフィックレンズは、移動部材の
面上において、該点光源から射出される光束の有効断面
積に対応した寸法形状を有する請求項１に記載の光学式
変位検出装置。 - 【請求項３】該移動部材は回転円板から構成され、該円
板の周辺部に沿って形成された放射状スリットからなる
回折格子と、回折格子の半径方向内側に隣接して形成さ
れたホログラフィックレンズを有する請求項１に記載の
光学式変位検出装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1246183A JP2822225B2 (ja) | 1989-09-21 | 1989-09-21 | 光学式変位検出装置 |
| US07/584,786 US5073710A (en) | 1989-09-21 | 1990-09-19 | Optical displacement detector including a displacement member's surface having a diffractive pattern and a holographic lens pattern |
| DE4030049A DE4030049C2 (de) | 1989-09-21 | 1990-09-20 | Gerät zur fotoelektrischen Ermittlung der Verschiebung eines Verschiebungsglieds |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1246183A JP2822225B2 (ja) | 1989-09-21 | 1989-09-21 | 光学式変位検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03107715A JPH03107715A (ja) | 1991-05-08 |
| JP2822225B2 true JP2822225B2 (ja) | 1998-11-11 |
Family
ID=17144749
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1246183A Expired - Fee Related JP2822225B2 (ja) | 1989-09-21 | 1989-09-21 | 光学式変位検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2822225B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5126287B2 (ja) * | 2010-05-31 | 2013-01-23 | 株式会社安川電機 | リニアエンコーダ、リニアモータ、リニアモータシステム |
| CN116558424B (zh) * | 2023-07-10 | 2023-09-22 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 采用点光源反射成像的位移测量装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6363919A (ja) * | 1986-09-04 | 1988-03-22 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 位置検出装置 |
-
1989
- 1989-09-21 JP JP1246183A patent/JP2822225B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03107715A (ja) | 1991-05-08 |
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