JPH03107715A - 光学式変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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。

〔従来の技術〕

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。

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−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。

又この場合の回折バタンは、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、半導体レーザと数即ピ
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０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。焦光？ＲＯ
の前方距１１１ｉＬ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のところに干渉バタンか投
影される。干渉バ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。この干渉バ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バタンを得る為には、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。

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バタンか得られ、その時の干渉バタ
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、干渉バタンの周期Ｐはもので
ある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

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
れる干渉バ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と焦光［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バタンは極
めて鮮明でありバ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バ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。

第１Ｏ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
。

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１Ｏ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。

〔問題点を解決する為の手段〕

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。

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光を射出する光源と、該光を横切
る様に移動する移動部材と、該移動部材に形成されてお
りコヒーレントな光の照射を受け回折光を射出する回折
格子と、該回折光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たホ
ログラフィックレンズと、該コヒーレントな光がホログ
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、該固定ス
リットを通過する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。

〔作　　用〕

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
ぶ延長線上所定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
される干渉バ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。

〔実　施　例〕

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−７
８０ｎｍのコヒーレントな光を射出する。点光源１の前
方所定圧ＭＬ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の回転に伴って黒光１１ＪＸ　１の光路を横切り
、関係式（２）に従って拡大された干渉バタンを所定圧
＠Ｍに結像する。

この干渉バタンは回折格子３の移動に応答して変位する
。該所定圧ｉ１１１ｉＭには、固定スリット４が配置さ
れている。固定スリット４は干渉バタンのピッチ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ｌＯ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のバタン形状はスポット
が所定位置Ｍ１；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２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Ｉ２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ｌＯ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のバ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は複数のストライブ状スリッ
トからなり、隣接するホログラフィックレンズＩＯ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
及びエツ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出射されるコヒー
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ｌＯ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０．１．２５ｍ■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
　ｍ　１．４５ｍ＋＊ｌこ設定されている。

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０．２５ｍ１を含むものである。この
場合関係式（１）及び（２）のし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＝１９．４６＋ａｍに設定されている。又回折格子
３のピッチはＴ　−５，５ｔｌｎ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
干渉バタンの縞間隔ピッチはＰ−８３゜８２７ｔＩＩｍ
となる。従って、移動部材２が１ピッチ分５．５ｍ移動
すると、固定スリット４上において干渉パタンは約８０
−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は干渉バ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４０ｍ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４０虜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。

Ｓ／２ この関係式（３）にλ−７８Ｏｎｍ　ｓ集光位置Ｍ−１
９，４０＋＋ｍ、スポット径Ｓ−４０−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，
３１１，＋ｕ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０．８２２１１１こ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Ｏ，！２５＋＊ｍｌこ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＃ｉＮを５ｍｍ１こ設定した場合には、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りは第４図に示す相似的寸法関
係から０．３４７＋１ｍに設定される。

ホログラフィックレンズ１０はその先軸を中心にした複
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。

Ａ＋Ｂ−（ＫＯ＋１） λ。

■−〇。

１゜ （４） 関係式（４）を満たす為に、 各リング状スリット の半径Ｒ１ は次の関係式（５）を満たす必要がある。

但しＩ−０の時Ｒｒ　”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。

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Ｒ１を求める事ができる。

第６図は以上の様にしてバ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ＩＯ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、−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。しかし
ながら本発明はこれらに限られるものではなく、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。

〔発明の効果〕 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。

【図面の簡単な説明】

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
バ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 ｌＯ・・・ホログラフィックレンズ １１・・・増幅器　　　　　　　１２・・・比較器用　
願　人　　株式会社　　コ　バ　ル第１ 図 第２ 図 第３ 図 ０．１ｍｍ 第４ 図 第６ 図 第７ 図 第８ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、コヒーレントな光を射出する光源と、該光を横切る
   様に移動する移動部材と、該移動部材に形成されており
   コヒーレントな光の照射を受け回折光を射出する回折格
   子と、該回折光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たホログラフィックレンズと
   、該コヒーレントな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、該固定スリットを通過する集光を受
   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。 ２、該光源はコヒーレントな球面波光を射出する点光源
   である請求項１に記載の光学式変位検出装置。 ３、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２に記載の光学式変位検出
   装置。 ４、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。