JP3285979B2 - 光学式変位検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は回転変位あるいは直線変
位するエンコーダ板に光を照射しその光量変化に基いて
変位を検出する光学式エンコーダもしくは光学式変位検
出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光学式エンコーダには波動光学系を用い
たものと幾何光学系を用いたものが知られている。波動
光学系のエンコーダはコヒーレント光の干渉や回折を利
用したものであり、半導体レーザ等のコヒーレント光源
と回折格子が形成されたエンコーダ板と受光素子等から
構成されている。エンコーダ板に形成された回折格子は
コヒーレント光の波長と同程度の格子定数を有しており
高分解能且つ小型寸法の光学式エンコーダを得る事がで
きる。しかしながら、波動光学系を用いてアブソリュー
ト式のエンコーダを実現しようとすると、エンコーダ板
の表面には、各々異なった番地情報を含むスリット列か
らなるトラックが複数隣接して並列する為、小型化を達
成する事ができない。即ち、トラック間隔を微細化する
と光の干渉が生じトラック毎に光を分離する事ができな
い。

【０００３】これに対して、幾何光学式のエンコーダは
光の直進性を利用したものであり、ＬＥＤ等のインコヒ
ーレント光源と移動スリット及び固定スリットの組み合
わせと受光素子等から構成されている。移動スリットと
固定スリットの組み合わせを用いて入射光を断続的にス
イッチングし光量変化に基いて変位検出を行なうもので
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、幾何光学系
のエンコーダにおいて分解能を高める為に移動スリット
や固定スリットのピッチを光の波長オーダまで小さくす
ると、回折現象によりスリットを通過した光で形成され
る像がぼやけてしまうという課題がある。即ち、従来の
幾何光学系エンコーダには光の波動性に起因する分解能
の限界が存在する。この像のぼやけを防止する為に移動
スリットと固定スリットとは互いに可能な限り近接配置
する必要がある。しかしながら、移動スリットはエンコ
ーダ板に形成されており、その移動に伴なって面振れが
生ずる。さらに、外部から加わる振動や衝撃によって面
振れは促進される。この為、移動スリットと固定スリッ
トの間隔は所定のクリアランスを考慮して設定しなけれ
ばならず実際には上述した像のぼやけを抑制する事が困
難であり、幾何光学式エンコーダの高分解能化及び小型
化の障害となっていた。

【０００５】上述した幾何光学式エンコーダの課題に鑑
み、本発明は移動スリットと固定スリットを近接配置す
る事なく高分解能化の可能な改良された幾何光学式エン
コーダを提供する事を目的とする。又、光の波動的な性
質に起因する分解能の限界に関わらず、像のぼやけが抑
制された幾何光学式エンコーダを提供する事を目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】図１を参照して本発明の
目的を達成する為に講じられた手段を説明する。図示す
る光学式変位検出装置は、周期的なスリットパタン１を
有し所定の第１平面に沿って変位可能に搭載された変位
部材２と、該スリットパタン１をコヒーレント光で照明
し第１平面に沿って移動する１次明暗像３を生成する為
のコヒーレント光源４と、該１次明暗像３を所定の倍率
で投影し所定の第２平面に沿って移動する拡大された２
次明暗像５を結像する為のレンズ部材６と、第２平面上
に固定配置されており移動する２次明暗像に応じた有効
受光エリアを有し変位部材２の変位を表わす電気信号７
を出力する為の受光部８とから構成されている。ここ
で、スリットパタン１の周期的配列ピッチをＰとし、コ
ヒーレント光の波長をλとし、レンズ部材６の第１平面
側開口数をＮＡとすると、図示する光学系はＰ＞λ／Ｎ
Ａの関係を満たす様に設定されている。変位部材２は絶
対変位量を表わすビットコード化されたスリットパタン
１を有する。あるいは、変位部材２は相対変位量を表わ
す規則的なスリットパタン１を有するものであっても良
い。

【０００７】図示の例では、変位部材２は透明基板２１
に形成された透過部２２と非透過部２３との周期的配列
からなるスリットパタン１を有するとともに、コヒーレ
ント光源４は透明基板２１を背面からコヒーレント光で
照明し１次明暗像３を生成する様に配置されている。
又、受光部８は周期的マスクパタンに従って形成された
透過部８１及び非透過部８２の配列を有する固定マスク
板８３と、その背後に配置された一様な受光領域８４を
有する受光素子８５とからなる二層構造である。この二
層構造により、２次明暗像に応じた有効受光エリアが規
定される。しかしながら、受光部８はかかる二層構造に
限られるものではない。例えば、周期的マスクパタンに
従って形成された周期的な有効受光エリアを有する受光
素子からなる単層構造を受光部として用いても良い。
又、レンズ部材６は非球面レンズからなり、実質的に収
差の除去された２次明暗像５を結像させる様にしてい
る。

【０００８】

【作用】コヒーレント光源４によりスリットパタン１を
照明すると第１平面に沿って移動する１次明暗像３が得
られる。この第１平面はレンズ部材６を基準にして光軸
方向距離Ｌの位置に設定されている。１次明暗像３はス
リットパタン１の周期に対応したピークピッチを有す
る。この１次明暗像３はレンズ部材６により拡大投影さ
れ第２平面上に２次明暗像５として結像される。第２平
面はレンズ部材６を基準にして光軸方向距離Ｎの位置に
設定されている。これらの距離Ｌ及びＮはレンズ公式１
／Ｎ＋１／Ｌ＝１／Ｆに従って計算される。但しＦはレ
ンズ部材６の焦点距離である。このレンズ公式から明ら
かな様に、１次明暗像３に対する２次明暗像５の拡大倍
率ＭはＮ／Ｌで与えられる。

【０００９】矢印で示す様に１次明暗像３が移動すると
これに応じて２次明暗像５も移動する。但しその移動方
向は反対である。移動する２次明暗像５のピークは固定
マスク板８３を介して間欠的に受光素子８５により受光
され受光量変化に応じた交流電気信号７が出力される。
スリットパタン１が相対変位量を表わす単純な規則的パ
タンである場合には、交流電気信号７の周波数が変位部
材２の変位速度を表わし、波の数が変位量を表わす。か
かる構成によれば、変位部材２と受光部８を何ら近接さ
せる事なく光の直進性を利用した高分解能エンコーダを
得る事ができる。高分解能化の為に、第１平面側のスリ
ットパタンを微細化しても第２平面側のマスクパタンを
微細化する必要はない。スリットパタンの周期とマスク
パタンの周期との間にも上述した拡大倍率が適用され
る。

【００１０】本発明においては、スリットパタン１の周
期的配列ピッチをＰとし、コヒーレント光の波長をλと
し、レンズ部材６の第１平面側開口数をＮＡとすると、
Ｐ＞λ／ＮＡの関係を満たす様に幾何光学系が設定され
ている。コヒーレント光源４を用い且つ上述した関係を
満たす事により、スリットパタンの周期的配列ピッチＰ
をコヒーレント光の波長λのオーダまで微細化でき、且
つ極めてコントラストの明瞭な２次明暗像５を得る事が
できる。以下、この点につき詳細な説明を加える。

【００１１】一般に、無収差レンズにより結像される点
像の波動分布Ｕは円形開口のフラウンフォーファ（Ｆｒ
ａｕｎｈｏｆｅｒ）回折から導かれる（例えばＭ．Ｂｏ
ｒｎ，Ｅ．Ｗｏｌｆ著 草川，横田訳「光学の原理II」
ｐｐ６００，東海大学出版会，１９７５年参照）。結果
を表わすと以下の数式１の様になる。

【数１】

【００１２】さらに数式１で求めた波動分布Ｕに基き光
強度分布Ｉを求めると以下の数式２の様になる。

【数２】 上記数式２をグラフに表わすと図２の様になる。即ち、
よく知られている様に、無収差レンズにより結像される
点像の光強度分布は、所謂エアリーの円板で与えられ光
の波動的性質に基き所定の拡がりを有する。即ち、無収
差レンズであっても波動光学上の限界があり、理想的な
点像を得る事はできず必ずある程度の拡がりを有する円
板像となる。

【００１３】今仮に、変位部材のスリットパタンにより
得られる１次明暗像が矩形波で表わされるとすると、光
源がインコヒーレント光の場合、数式２の点像強度分布
を前記矩形波にレンズの拡大倍率をかけた範囲で積分す
る事により、２次明暗像の強度分布が求められる。一方
コヒーレント光を用いてスリットパタンを照明した場合
には、波動の位相を考慮に入れる必要がある為数式１を
矩形波の全画角に渡って積分しなければならない。そこ
で、レンズ開口を微小成分に分け、Ｆｒｅｓｎｅｌ−Ｋ
ｉｒｃｈｈｏｆｆの回折公式に基いて具体的なパラメー
タを用いシュミレーションを行なった。用いたパラメー
タは、第１平面側から見たレンズの開口数ＮＡを０．２
５とし、スリットピッチを５．５μｍとし、レンズ焦点
距離を３．２mmとし、レンズ拡大倍率を１５．２倍と
し、スリットパタン及びマスクパタンの明暗デューティ
ーを１対１とした。又、レンズは無収差として取り扱っ
た。さらに、インコヒーレント光についてはＬＥＤを光
源としその波長λを６８０nmに設定し、コヒーレント光
の場合には光源としてレーザダイオードを用い波長λを
７８０nmに設定した。インコヒーレント光のシュミレー
ション結果を図３に示す。又、その電気出力を図４に示
す。一方、コヒーレント光の２次明暗像光強度分布を図
５に示し、同じく電気出力を図６に示す。

【００１４】前述したＺ＝ｋ・ａ・ｒ／Ｒの関係から、
ａ＝Ｚ・Ｒ・λ／２πｒが得られる。ある一定値Ｚでの
光強度Ｉに注目すると、ａはλに比例する。従ってλが
大きくなるとエアリーの円板も大きくなり２次明暗像の
コントラストが悪くなるはずである。しかしながら、実
際には図３と図５、図４と図６を比較すれば明らかな様
に、波長λ＝７８０nmのコヒーレント光の方が、波長λ
＝６８０nmのインコヒーレント光を用いた場合よりも２
次明暗像のコントラストが大幅に改善されている。

【００１５】図７はエンコーダの出力特性を示すグラフ
である。図７の上部に示す様に、受光素子は移動する２
次明暗像の受光量変化に応じて交流電気信号を出力す
る。この電気信号は交流信号成分Ｖ_P −Ｖ_B と直流オフ
セット成分Ｖ_B を含んでいる。図７のグラフは横軸にエ
ンコーダ板の面振れ量をとっており、縦軸に交流信号成
分の大きさをとっている。このグラフにおいて黒点を結
んだカーブはコヒーレント光源（λ＝７８０nm）を用い
た場合を示しており、白点を結んだカーブはインコヒー
レント光源（λ＝６８０nm）を用いた場合を示してい
る。このグラフから明らかな様に、コヒーレント光源を
用いた場合にはインコヒーレント光源に比較し、大きな
交流信号成分を取り出す事ができる。又、相当程度の面
振れがあっても、コヒーレント光源を用いれば安定した
交流信号成分を得る事ができる。

【００１６】次に、上述した現象が生じる条件について
説明する。コヒーレント光源の光学的伝達関数ＯＴＦは
瞳関数Ｇと等しい事が知られている。従って、レンズが
無収差で開口が半径Ａの円とすると第２平面側でのＯＴ
Ｆは図８に示す様になり、カットオフ周波数はＡ／λＲ
で与えられる。なお、Ｒは前述した様にバックフォーカ
スである。一方、インコヒーレント光源の場合の光学的
伝達関数は瞳関数の自己相関関数Ｈになり、以下の数式
３で与えられる。

【数３】 同じくレンズ開口が半径Ａの円であるとすると、数式３
の右辺は図９に示した斜線部面積に等しく、この値を計
算すると図８に示すインコヒーレント光源のＯＴＦが得
られる。そのカットオフ周波数は２Ａ／λＲとなる。

【００１７】図８に着目すると、空間周波数がＡ／λＲ
以下の範囲において、コヒーレント光源のＯＴＦがイン
コヒーレント光源のＯＴＦより高い事がわかる。１次明
暗像が正弦波的に振幅変化する場合には、２次明暗像の
コントラストはこのＯＴＦで与えられる。しかしなが
ら、２次明暗像が一般的な矩形波の場合、以下の数式４
で示す様に２次明暗像のコントラストはＯＴＦの級数和
で表わされる（久保田，浮田，會田編「光学技術ハンド
ブック」ｐ１５３，朝倉書店，１９６８年参照）。

【数４】 コヒーレント光及びインコヒーレント光の双方とも、空
間周波数３Ａ／λＲ，５Ａ／λＲ，７Ａ／λＲ，…，で
ＯＴＦの値が０となり、Ａ／λＲ近傍の空間周波数を上
記数式４に代入してもコントラストＴに大きな変化は生
じない。従って、本発明の効果が生じる条件は、２次明
暗像上で空間周波数がＡ／λＲ以下の場合に限定され
る。

【００１８】この限界空間周波数の値Ａ／λＲをスリッ
トピッチに換算する。先ず、２次明暗像のピッチは以下
の数式５で与えられる。

【数５】 正弦条件が成立すると、以下の数式６が成り立つ。

【数６】 従って、上記数式５及び数式６に基き、限界的なスリッ
トピッチＰの値は以下の数式７で与えられる。

【数７】 波長λ＝７８０nm、開口数ＮＡ＝０．２５を上記数式７
に代入すると、限界スリットピッチの値Ｐは３．１２μ
ｍとなる。前述したシュミレーションでは、スリットピ
ッチを５．５μｍに設定していた。従って、この値は限
界内であり、インコヒーレント光を用いた場合よりも、
コヒーレント光を用いる事により２次明暗像のコントラ
ストを改善できる事が理論的に裏付けられる。

【００１９】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１０は、本発明にかかる光学式変位
検出装置をインクリメンタル式のロータリエンコーダに
適用した実施例を示す模式的分解斜視図である。なお、
本発明はロータリエンコーダに限られずリニアエンコー
ダにも適用できる事は言うまでもない。図示するロータ
リエンコーダは照明光源としてレーザダイオードからな
るコヒーレント光源４を用いている。その前方にはロー
タリエンコーダ板２が回転可能に配置されている。エン
コーダ板２はガラス板等の透明基板からなり、その下面
側にはスリットパタン１が放射状に形成されている。ス
リットパタン１は所定の周期でロータリエンコーダ板２
の円周方向に沿って配列されている。この規則的なスリ
ットパタン１の半径方向内側には基準スリット１Ｚも形
成されている。基準スリットはエンコーダ板２の基準位
置を表わす。スリットパタン１及び基準スリット１Ｚは
フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて形成でき微
細加工が可能である。

【００２０】エンコーダ板２の前方所定位置には拡大結
像レンズ部材が配置されている。この部材は非球面レン
ズ６からなり、スリットパタン１の拡大像から極力収差
を除く様にしている。非球面レンズ６の前方結像面上に
は固定マスク板８３が配置されている。固定マスク板８
３には第１スリット列８３Ａ、第２スリット列８３Ｂ及
び開口８３Ｚが形成されている。スリット列の配列周期
は拡大された２次明暗像の縞間隔に対応している。第１
スリット列８３Ａと第２スリット列８３Ｂの位相は９０
°ずれておりエンコーダ板２の回転方向を検出可能とし
ている。又、開口８３Ｚは基準スリット１Ｚの拡大像の
みを選択的に透過できる位置に形成されている。固定ス
リット板８３の背面には受光素子８５が配置されてい
る。受光素子８５は一様な受光面を有するフォトダイオ
ードからなる。

【００２１】図１１は、図１０に示した受光素子８５か
ら得られる出力電圧波形を示すグラフである。なお、こ
の出力電圧波形は前述したシュミレーションと同一の条
件でインクリメンタル式ロータリエンコーダを組み立て
レーザダイオードを光源として用い実際に測定されたも
のである。一方、図１２は、同一の条件で単に光源をＬ
ＥＤからなるインコヒーレント光源に代えた場合の実測
された出力電圧波形を示している。レンズの収差、倍率
誤差、散乱光等の影響により、シュミレーション結果
（図４，図６）と比較すると、双方とも振幅値は低下し
ているが、明らかにレーザダイオードを光源として用い
た方が高い振幅値を達成する事ができる。

【００２２】図１３は本発明の他の実施例を示す模式的
な分解斜視図である。図示するロータリエンコーダはア
ブソリュート式であり、図１０に示したインクリメンタ
ル式と異なる。インクリメンタル式のエンコーダは所定
の基準位置に基き放射状スリットの個数を光学的に計数
する。これに対し、アブソリュート式のエンコーダで
は、ロータリディスクの表面に形成されたコード化パタ
ンを光学的に検出し絶対位置を直接読み取るものであ
る。図示する様に、アブソリュート式エンコーダは互い
に同心的に配置した複数のトラック１０１ないし１０８
が形成されたロータリディスク１００を利用する。これ
らのトラック１０１ないし１０８はビットコード化され
たスリットパタンを規定しており、ディスクの絶対角度
位置を表わしている。これらのトラック１０１ないし１
０８は半径方向外側に向って順に高位ビットから低位ビ
ットに対応している。レーザダイオード等からなるコヒ
ーレント光源１０９がディスク１００の下面側に配置し
ており、トラック１０１ないし１０８を照明する。拡大
レンズ部材１１０がディスク１００の上面側に配置して
おり、コヒーレント光源１０９に対面して所定の拡大倍
率によりトラック１０１ないし１０８の照明されたスリ
ットパタンを投影する。受光素子アレイ１１１が固定マ
スク板１１２を介して配置しており、拡大投影されたパ
タンを受光して、トラック毎に検出信号を出力する。即
ち、マスク板１１２は所定のピッチで径方向に整列した
複数の窓１２１ないし１２８を有しておりトラック毎に
投影された光を分離する。出力された検出信号を処理す
る事によりスリットパタンをデコードしロータリディス
ク１００の絶対位置あるいは番地を決定する。

【００２３】本例では、ディスク表面に８本のトラック
１０１ないし１０８が形成されており、これにより２⁸
の分解能をもってディスクの角度位置を８ビットパラレ
ルデータにより記録できる。容易に理解される様に、ト
ラックの本数を増す程絶対角度位置検出の解像度を高く
できる。典型的には、ディスクには１２本の同心状トラ
ックが形成されている。かかる場合、トラック配列の径
方向ピッチは極めて小さく設定されておりディスクのサ
イズを大型化しない様にしている。さらに、最下位ビッ
トに対応する最外側トラックは極めて微細な周方向ピッ
チを有するスリットパタンとなっている。なぜならば、
本実施例においては周方向ピッチは、最上位ビットに対
応する最内側トラックの１／２¹²に設定されているから
である。勿論、パタンの形成は必ずしもこの数値に限ら
れるものではない。この様な小型で且つ高解像度のアブ
ソリュート式エンコーダにおいて本発明は最も効果的で
ある。即ち、極端に微細なスリットパタンは挿入された
投影レンズにより拡大されるので、受光素子アレイは拡
大２次明暗像を良好なＳ／Ｎ比で検出する事ができると
ともに、受光素子アレイ自体は実用的な受光エリア寸法
を備えている。換言すると、本発明によれば、極めて微
細なスリットパタンをディスクに形成でき解像度を改善
できるとともにディスクを小型化可能とする。その一方
で、受光素子アレイは実用的に十分な受光エリアを備え
る事ができ、Ｓ／Ｎ比を確保するとともに隣接するトラ
ック間で光分離を確実なものとする。

【００２４】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、ス
リットパタンの形成されたエンコーダ板をコヒーレント
光により照明して１次明暗像を生成するとともに、これ
をレンズで拡大投影し２次明暗像を得ている。この拡大
２次明暗像をマスクパタンに従って受光する事によりエ
ンコーダ板の変位を検出している。この為、スリットパ
タンを従来に比し微細化する事ができ高分解能のエンコ
ーダを得る事ができるという効果がある。又、スリット
パタンとマスクパタンを従来の様に近接配置する必要が
ない為、エンコーダ板に対する面振れの許容範囲が拡が
るとともに外部衝撃や振動に対して強い安定したエンコ
ーダを得る事ができるという効果がある。加えて、コヒ
ーレント光源を用いる事によりスリットピッチを波長オ
ーダまで微細化した場合でも十分な２次明暗像のコント
ラストを確保する事ができるという効果がある。さら
に、スリットの微細化が可能となった為、実用的なレベ
ルでアブソリュート式エンコーダに応用できるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる光学式変位検出装置の基本的構
成を示す模式図である。

【図２】本発明の作用を説明する為のグラフである。

【図３】インコヒーレント光源を用いた場合の２次明暗
像光強度を示すグラフである。

【図４】インコヒーレント光源を用いた場合における電
気出力波形を示すグラフである。

【図５】コヒーレント光源を用いた場合における２次明
暗像光強度を示すグラフである。

【図６】コヒーレント光源を用いた場合における電気出
力波形を示すグラフである。

【図７】電気出力の交流振幅と面振れとの関係を示すグ
ラフである。

【図８】コヒーレント光源及びインコヒーレント光源の
光学的伝達関数と空間周波数との関係を示すグラフであ
る。

【図９】瞳関数の演算過程を示すグラフである。

【図１０】本発明をインクリメンタル式のロータリエン
コーダに適用した実施例を示す模式的な分解斜視図であ
る。

【図１１】図１０の実施例により得られる出力電圧波形
を示すグラフである。

【図１２】比較例の出力電圧波形を示すグラフである。

【図１３】本発明をアブソリュート式のロータリエンコ
ーダに適用した他の実施例を示す模式的な分解斜視図で
ある。

【符号の説明】

１ スリットパタン ２ 変位部材 ３ １次明暗像 ４ コヒーレント光源 ５ ２次明暗像 ６ レンズ部材 ７ 電気信号 ８ 受光部

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 5/26 - 5/38 G01B 11/00 - 11/30

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明基板に形成された透過部と非透過部
   の周期的配列からなるスリットパタンを有し所定の第１
   平面に沿って変位可能に搭載された変位部材と、該スリ
   ットパタンをコヒーレント光で照明し第１平面に沿って
   移動する１次明暗像を生成する為のコヒーレント光源
   と、該１次明暗像を所定の倍率で投影し所定の第２平面
   に沿って移動する拡大された２次明暗像を結像する為の
   レンズ部材と、第２平面上に固定配置されており移動す
   る２次明暗像に応じた有効受光エリアを有し該変位部材
   の変位を表わす電気信号を出力する為の受光部とからな
   る光学式変位検出装置であって、 スリットパタンの周期的配列ピッチをＰとし、コヒーレ
   ント光波長をλとし、レンズ部材の第１平面側開口数を
   ＮＡとすると、Ｐ＞λ／ＮＡの関係を満たす光学式変位
   検出装置。
2. 【請求項２】 前記変位部材は、絶対変位量を表わすビ
   ットコード化されたスリットパタンを有する請求項１記
   載の光学式変位検出装置。
3. 【請求項３】 前記変位部材は、相対変位量を表わす規
   則的なスリットパタンを有する請求項１記載の光学式変
   位検出装置。