JP6253929B2 - 反射型エンコーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば回転又は移動する物体の変位量を検出するために用いられる反射型エンコーダ装置に関する。

従来、半導体レーザー光源と、この光源からの出射光を２つの光束に分離するビームスプリッターと、光を反射させるスケールと、このスケールに入射させた２つの光束の反射光を受ける受光素子とから構成し、ビームスプリッターを出射した２つの光束をスケールのピッチの１／２ピッチずれるようにスケールに投射することにより半導体レーザー光源とスケールとの相対位置を光学的に読み取る光学式エンコーダ装置が提示されている。（特許文献１参照）。

特開２０００−２８３９８号公報

上記特許文献１に係る光学式エンコーダ装置では、ビームスプリッターを使用しているため、装置の構造が複雑となり、小型化できないという課題があった。

本発明は、上記課題に着目し、ビームスプリッターを使用しないシンプルな構造とした超小型の反射型エンコーダ装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は反射型エンコーダ装置に関し、半導体レーザー光源と、この半導体レーザー光源から出射される直線偏光光束を平行光束に変えるコリメータレンズと、このコリメータレンズからの平行光束をスケール反射板の投影面に照射するプリズムと、前記スケール反射板から反射する平行光束の投影パターンと同一のスリット幅を有するマスクと、このマスクからの平行光束が入射投影される受光素子とを有し、前記コリメータレンズをレンズ基体における前記半導体レーザー光源と対向する面に、前記プリズムを前記レンズ基体における前記スケール反射板と対向する面にそれぞれ一体に設けたことを特徴とする。

前記反射型エンコーダ装置においては、半導体レーザー光源から出射される直線偏光光束を平行光束に変えるコリメータレンズと、このコリメータレンズからの平行光束をスケール反射板に照射させるプリズムと、このスケール反射板から反射する平行光束の投影パターンと同一のスケール幅を持ったマスクとから光束変更用のレンズを構成し、コリメータレンズをレンズ基体における半導体レーザー光源と対向する面に、マスクをレンズ基体におけるスケール反射板と対向する面にそれぞれ一体に設けることにより、シンプルな超小型の構造とすることができる。

本発明の第２の態様は、第１態様の反射型エンコーダ装置において、スケール反射板の非反射部には、その表面に、半導体レーザー光源からの光を乱反射するための複数の凸部が作製され、この凸部のパターン幅とパターンピッチとをそれぞれ５０ｎｍ〜１０μｍの寸法に、凸部の高さを８０ｎｍ〜２０μｍの寸法に、それぞれ設定したことを特徴とする。

因みに、スケール反射板の非反射部における凸部のパターンピッチPの最大値は発光素子の波長をλ、空気の屈折率をｎ（ｎ＝１）とすると、P≦λ／ｎの式から求められることに本発明者等は着目した。
この式に基づき、発光素子として長波長１３００ｎｍの発光ダイオードを用いた場合のパターンピッチPを求めると１．３μｍとなるが、本発明者等は光の反射部と非反射部のコントラスト比が、例えば６０％以上の十分の比率が得られれば、パターンピッチPは１．３μｍ以上でも非反射部では反射されないことを見出し、パターンピッチPの最大値を１０μｍに設定したのである。
また、最小値５０ｎｍは、電鋳析出における金属結晶粒子の利用技術を用いて作製できる限界値から設定したものである。
かかる設定により、電鋳析出における金属結晶粒子の利用技術を用いて、スケール反射板の非反射部における複数の不規則な多角柱形状の凸部のパターン幅とパターンピッチとをそれぞれ５０ｎｍ〜１０μｍの寸法に形成したものである。

本発明の第３の態様は、第１態様の反射型エンコーダ装置において、スケール反射板の非反射部には、その表面に、半導体レーザー光源からの光を乱反射するための複数の凹部が作製され、この凹部のパターン幅とパターンピッチとをそれぞれ５０ｎｍ〜１０μｍの寸法に、凹部の深さを８０ｎｍ〜２０μｍの寸法に、それぞれ設定したことを特徴とする。

第２態様の反射型エンコーダ装置のスケール反射板における非反射部の凸部の代わりに、凹部を作成したものである。

以上説明したように、本発明によれば、超小型のシンプルな構造で、且つ分解能が極めて高い反射型エンコーダ装置を得ることができる、という優れた効果が得られる。

本発明の実施形態に係る反射型エンコーダ装置の構成図である。 本発明の実施形態に係るスケール反射板の平面図である。 図２に示すスケール反射板の一部斜視図である。 図３に示すスケール反射板における非反射部の異なる形態を示す一部斜視図である。 図５（Ａ）は、本発明の実施形態に係る受光素子の出力波形図であり、図５（Ｂ）はリサージュ図形である。

以下、本発明を実施するための形態を図１〜図５に基づき説明する。この実施形態では、反射型エンコーダとしてロータリーエンコーダを例にして説明するが、リニアエンコーダでも適用することができる。尚、各図において、同一の構成部分については同じ符合を付している。

図１において、１はポリ塩化ビフェニルから形成された基板であり、コヒーレントなレーザー光を出射するＶＣＳＥＬ（面発光レーザー）である半導体レーザー光源２と、フォトダイオードである受光素子３、４と、信号処理ユニット５が搭載されている。

６はレンズ基体であり、半導体レーザー光源２から出射される直線偏光光束７を平行光束８に変えるコリメータレンズ９と、このコリメータレンズ９からの平行光束８を４５°の平行光束１０に角度に変えて出射させるプリズム１１と、この平行光束１０が後述するスケール反射板１２に照射されて反射する平行光束１３の投影パターンと同じスリット幅Ｓ１、Ｓ２（図２参照）を持つマスク１４とが設けられており、このマスク１４からの平行光束１５が受光素子３、４に入射投影されるように構成されている。

そして、コリメータレンズ９をレンズ基体６における半導体レーザー光源２と対向する面に、プリズム１１をレンズ基体６におけるスケール反射板１２と対向する面にそれぞれ一体に設けることにより、極めてシンプルな構造としている。

一方、マスク１４はレンズ基体６に着脱自在に取り付けることにより、組立製造を容易にしている。

また、基板１とレンズ基体６との間隔Ｌ１は１．０ｍｍ、レンズ基体６とスケール反射板１２との間隔Ｌ２は１．０ｍｍであり、しかもコリメータレンズ９からの平行光束をプリズムでスケール反射板の投影面に対し４５°で照射させることにより、半導体レーザー光源２と受光素子３，４との距離Ｌ３を最少にすることにより超小型の構造としている。

上述したスケール反射板１２は図２に示すように、リソグラフィー技術と電鋳技術、又は電鋳析出における金属結晶粒子の利用技術を用いてニッケル又はニッケル合金から作製されており、光を反射させる反射部１２１と、図４に示す凸部１２４又は凹部１２５をナノメートルからミクロンメートルオーダーの超微細な形状で作製した光を反射させない非反射部１２２とが交互に形成されたパターンとなっている。

この反射部１２１のスリット幅Ｓ１と非反射部１２２のスリット幅Ｓ２は何れも１μｍ〜２０μｍ、好ましくは２μｍ〜１０μｍの寸法に設定されている。１２３はスケール反射板１２を回転させるモータ駆動軸（図示しない）が貫通する貫通穴である。

尚、半導体レーザー光源２がＶＣＳＥＬ（面発光レーザー）の場合、ピーク波長が７８０ｎｍ〜８５０ｎｍの中で２０ｎｍの幅で選択したピーク波長に対し、公差が±１７ｎｍあり、このピーク波長内での波長を選択できるので、ＶＣＳＥＬから出射される直線偏光光束をコリメータレンズで平行光束に確実に変えることができ、ＬＥＤでは選択不可能であったピーク波長の選択により分解能を高くすることができるという特徴がある。

図３はスケール反射板１２の一部を示す斜視図であり、非反射部１２２は複数の凸部１２４で形成されている。この複数の凸部１２４は、例えば、図４（ａ）に示す円錐形状の突起１２４ａ、図４（ｂ）に示す円柱形状の突起１２４ｂ、図４（ｃ）に示す多角柱形状の突起１２４ｃである。これらの突起１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃは、パターン幅ＷとパターンピッチＰとがそれぞれ５０ｎｍ〜１０μｍ、高さＨが８０ｎｍ〜２０μｍの寸法にそれぞれ設定されている。

このパターンピッチＰを設定するにあたり、パターンピッチＰの最大値は後述する発光素子の波長をλ、空気の屈折率をｎ（ｎ＝１）とすると、Ｐ≦λ／ｎの式から求められることに本発明者等は着目した。
この式に基づき、発光素子として長波長１３００ｎｍの発光ダイオードを用いた場合のパターンピッチＰを求めると１．３μｍとなるが、本発明者等は反射部１２１と非反射部１２２のコントラスト比が、例えば６０％以上の十分の比率が得られれば、パターンピッチＰは１．３μｍ以上でも非反射部１２２では反射されないことを見出し、パターンピッチＰの最大値を１０μｍに設定したのである。

尚、発光素子として波長８５０ｎｍの面発光半導体レーザー（ＶＣＳＥＬ可干渉レーザー）を用いた場合、パターンピッチＰの最大値はＰ≦λ／ｎの式から０．８５μｍに設定することになる。
また、最小値５０ｎｍは、紫外線又はＸ線を利用したリソグラフィー技術、又は電鋳析出における金属結晶粒子の利用技術を用いて製作できる限界値から設定したものである。
尚、図示していないが、凸部１２４は多角錐、多面体の形状であっても良い。

次に、スケール反射板１２の非反射部１２２における凸部１２４の高さＨの最小値は発光素子の波長をλとすると、ＲＣＷＡ（Rigorous
Coupled Wave Analysis）法からＨは式Ｈ≧０．４λから求められることに本発明者等は着目した。
この式に基づき、発光素子として最短長２００ｎｍの可視光を用いた場合の凸部１２４の高さＨを求めると８０ｎｍとなることから８０ｎｍに設定したのである。
また、凸部１２４の高さＨの最小値２０μｍは、紫外線またはＸ線を利用したリソグラフィー技術、又は電鋳析出における金属結晶粒子の利用技術を用いて製作できる限界値から設定したものである。

又、非反射部１２２を複数の凸部１２２で作製せず、複数の凹部１２５で作製しても良い。例えば、図４（ｄ）に示す円錐形状の窪み１２５ａ、図４（ｅ）に示す円柱形状の窪み１２５ｂ、図４（ｆ）に示す多角柱形状の窪み１２５ｃであり、これらの窪み１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃは、上述した凸部１２２と同様に、パターン幅ＷとパターンピッチＰとがそれぞれ５０ｎｍ〜１０μｍ、深さＤ１を８０ｎｍ〜２０μｍの寸法にそれぞれ設定されている。尚、図示していないが、凹部１２５は多角錐、多面体の形状であっても良い。

又、非反射部１２２を作製する他実施例として、複数の凸部１２４と凹部１２５とを混在させて作製しても良い。
このように、非反射部１２２はこの表面に複数の凸部１２４及び／又は凹部１２５を設けることにより形成されている。

マスク１４は、スケール反射板1２に形成されたパターンと同じピッチを持つ格子窓１４１、１４２が２個設けられている。格子パターンは光を透過する石英、ガラス、プラスチック等の素材の上に形成される。格子窓１４１、１４２の大きさは、受光素子３、４の受光面積とほぼ同じで、格子窓１４１、１４２の間隔はスケール反射板1２に形成されたパターンの１／４ピッチの整数倍としている。

次に、本実施形態の反射型エンコーダの動作について説明する。
半導体レーザー光源２から出射される直線偏光光束７はコリメータレンズ９により平行光束８に変えられる。この平行光束８はプリズム１１により４５°の角度で変えられて平行光束１０となり、スケール反射板１２に照射される。

このスケール反射板１２に照射された光は、非反射部１２２の凸部１２４又は凹部１２５により乱反射して減衰されるため反射されず、反射部１２１に照射された光のみが反射される。この反射された平行光束１３の投影パターンと同じスリット幅Ｓ１、Ｓ２を持つマスク１４を介して平行光束１５が受光素子３、４に入射投影され、この受光素子３からの出力信号は信号処理ユニット５に入力される。

受光素子３、４の出力Ａ相、出力Ｂ相は、図５（Ａ）に示すように１周期Ｔの４分の１の周期（１／４Ｔ±１／８Ｔ）、すなわち位相が９０度ずれている。従って、このＡ相信号とＢ相信号から、図５（Ｂ）に示すようにリサージュ図形が得られる。
このリサージュ図形上の点Ｐの移動速度と移動方向に基づいてスケール反射板１２を回転させているモータ駆動軸（図示しない）の回転速度や回転方向が検出される。

このように、半導体レーザー光源２からのビーム光源がコリメートレンズ９によって直線偏光光束７から平行光束８に変わり、プリズム１１から出射される平行光束１０が１０μｍ以下のスリット幅Ｓ１、Ｓ２をもつスケール反射板１２に４５°で入射する。
この光信号の１／４周期である２．５μｍの整数倍のスリット幅Ｓ１、Ｓ２を有するマスク１４を用いることにより、スケール反射板１２からの平行光束１５を受光素子３、４に交互に確実に投影でき、半導体レーザー光源２とスケール反射板１２との相対位置を光学的に読み取ることができる。

従って、スケール反射板１２及びマスク１４のそれぞれのスリット幅Ｓ１、Ｓ２を電鋳技術により２０μｍから１μｍと高精度で狭く製作することにより、分解能を数十倍にも高く上げることができる。

以上のように、本発明によれば、従来の反射型エンコーダ装置と比較して、超小型でシンプルな構造であり、且つ分解能が極めて高い反射型エンコーダ装置を得ることができ、工業的価値が高く、産業上極めて有用である。

２ 半導体レーザー光源
３、４ 受光素子
６ レンズ基体
９ コリメータレンズ
１１ プリズム
１２ スケール反射板
１４ マスク

Claims (3)

1. 半導体レーザー光源と、この半導体レーザー光源から出射される直線偏光光束を平行光束に変えるコリメータレンズと、このコリメータレンズからの平行光束を所定角度に変えてスケール反射板の投影面に照射するプリズムと、前記スケール反射板から反射する平行光束の投影パターンと同一のスリット幅を有するマスクと、このマスクからの平行光束が入射投影される受光素子とを有し、前記コリメータレンズをレンズ基体における前記半導体レーザー光源と対向する面に、前記プリズムを前記レンズ基体における前記スケール反射板と対向する面にそれぞれ一体に設けたことを特徴とする反射型エンコーダ。
2. 前記スケール反射板の非反射部には、その表面に、前記半導体レーザー光源からの光を乱反射するための複数の凸部が作製され、この凸部のパターン幅とパターンピッチとをそれぞれ５０ｎｍ〜１０μｍの寸法に、前記凸部の高さを８０ｎｍ〜２０μｍの寸法に、それぞれ設定したことを特徴とする請求項１に記載の反射型エンコーダ。
3. 前記スケール反射板の非反射部には、その表面に、前記半導体レーザー光源からの光を乱反射するための複数の凹部が作製され、この凹部のパターン幅とパターンピッチとをそれぞれ５０ｎｍ〜１０μｍの寸法に、前記凹部の深さを８０ｎｍ〜２０μｍの寸法に、それぞれ設定したことを特徴とする請求項１に記載の反射型エンコーダ。