JPH03113316A - 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における発散回折光め集光技術
に関する。

〔従来の技術〕

近年、自動化技術の発達に伴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発散球面波
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
が例えば特開昭６３−４７８１６号公報において提案さ
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。又この場合の回折又は干渉パタンは、
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、半導体レーザと敷部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５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
ヒーレントな発散光が光軸に沿って射出される。点光源
Ｏの前方距離り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発散光で照射
すると回折格子の前方距７１１Ｍのところに干渉パタン
か投影される。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、いわゆるプレ
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。

ＭＬλ　　　　　　　　Ｈ 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か得られ、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。

Ｇ 関係式（２）で示す様に、干渉パタンの周期Ｐはもので
ある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述した従来の点光源回折を用いたレーザエンコーダに
おいては、一次元回折格子に対する入射光として発散光
を用いる為、一次元回折格子によって回折される光も又
発散回折光となる。従って、光センサ部によって受光検
出される光は発散回折光の限られた部分であって、点光
源により射出される全光量に比べて、受光光量は極めて
少なく射出光の利用効率は１％にも満たない。この様に
受光光量が少ないと光センサ部に接続される検出回路の
負担が大きく、Ｓ／Ｎ比が悪化し、周波数特性も劣化す
る。例えばコヒーレントな光を射出する点光源としては
一般的に半導体レーザが用いられる。半導体レーザはそ
のままでコヒーレントな発散光を射出する点光源として
用いる事ができる。半導体レーザは現在コンパクトディ
スクプレーヤ等に広く用いられており、価格もかなり安
価である。しかしその光出力は最大で５＋Ｖ程度であり
、寿命を考慮すると安全に使えるのは３ｍＷ以下である
。この様に、半導体レーザの光出力がもともと小さいの
に加えて、従来のレーザエンコーダに用いる場合にはそ
の利用効率が極めて小さい為問題となっていた。

〔問題点を解決する為の手段〕

本発明は上述した従来の問題点に鑑み、干渉パタンのピ
ッチに影響を与える事なく発散回折光を集光する事によ
り光センサ部による受光光量を増大させ点光源から射出
される光の利用効率を向上させる事を目的とする。

上述した目的を達成する為に、本発明においてはコヒー
レントな発散光を射出する点光源と、該発散光の一部を
横切る様に移動する移動部材とからなる光学式変位検出
装置において、該移動部材の面上に一次元回折格子とホ
ログラフィックレンズ格子を互いに重なった状態で形成
する事を特徴とする。該一次元回折格子は、該移動部材
の面上においてその移動方向に沿って所定のピッチで形
成されたスリットパタンからなり、発散入射光を発散回
折光に変換する事により拡大されたピッチを有し移動方
向に変位する干渉パタンを結像する。

又ホログラフィックレンズ格子は、該移動部材の面上に
おいて移動方向に垂直な直交方向に沿って所定の間隔で
形成されたスリットパタンからなり発散回折光を直交方
向に集束する作用を有する。

本発明にかかる光学式変位検出装置は更に、干渉パタン
の結像位置に配置され集束回折光を透過する為の固定空
間格子と、透過された集束回折光を受光し対応する電気
信号に変換する為の光電変換素子とを含んでいる。

好ましくは該一次元回折格子と該ホログラフィックレン
ズ格子は微細エツチング加工により同時に形成されたス
リットパタンにより構成されている。

更に好ましくは該移動部材は回転円板からなり、該一次
元回折格子はその円周方向に沿って所定のピッチで配列
された放射状スリットパタンからなり、該ホログラフィ
ックレンズ格子はその半径方向に沿って所定の間隔で配
列された同心円状スリットパタンから構成されている。

〔作　　用〕

本発明によれば、移動方向に沿って所定のピッチで形成
されたスリットパタンから構成される一次元回折格子は
発散入射光を発散回折光に変換し拡大されたピッチを有
する干渉パタンを所定位置に結像する。この干渉パタン
は移動部材の移動に応答して変位する為移動部材の変位
検出に用いる事ができる。−刃移動部材の同一面上にお
いて移動方向に垂直な直交方向に沿って所定の間隔で形
成されたスリットパタンからなるポログラフィックレン
ズ格子は、発散入射光を受光しこれを回折して集光する
作用を有する。結果として、一次元回折格子により形成
される発散回折光はホログラフィックレンズ格子により
直交方向に集束された集束回折光となる。この集束回折
光はホログラフィックレンズ格子の配列方向に従って、
直交方向にのみ集束されており、移動方向に関しては何
ら集束作用を有せず移動方向に沿った干渉パタンの拡大
されたピッチには何ら影響を与えない。

従って、移動部材の移動方向に沿った変位情報を何ら損
なう事なく、回折光を直交方向にのみ集束する事ができ
発散入射光の利用効率を著しく向上する事ができる。

〔実　施　例〕

以下図面に従って、本発明の好適な実施例を詳細に説明
する。

第１図は本発明にかかる光学式変位検出装置をロータリ
ーエンコーダに応用した実施例を説明する為の斜視図で
ある。本ロータリーエンコーダは、コヒーレントな発散
光を射出する為の点光源１を有する。点光源１は例えば
波長λ−８３０ｎｍのコヒーレントな球面波を発生する
半導体レーザから構成される。点光源１の前方所定位置
りには、発散光の一部分を横切る様に移動する移動部材
２が配置されている。移動部材２は回転円板から構成さ
れている。回転円板の面上には一次元回折格子３が形成
されている。一次元回折格子は回転円板の移動方向即ち
円周方向に沿って所定のピッチＴで配列された放射状ス
リットパタンからなる。

又回転円板の同一面上には、一次元回折格子３と重なっ
た状態でホログラフィックレンズ格子４が形成されてい
る。このホログラフィックレンズ格子４は移動方向に垂
直な直交方向即ち半径方向に沿って所定の間隔で配列さ
れた同心円状スリットパタンからなる。一次元回折格子
３は点光源１から射出される発散入射光を回折し光軸方
向前方所定距＠Ｍに拡大されたピッチを有する干渉パタ
ンを結像する。干渉パタンは明暗の縞模様からなり移動
部材の移動に応答して変位する。又ホログラフィックレ
ンズ格子４は回折光を半径方向にのみ集光し、円周方向
に沿った干渉パタンのピッチ配列を乱す事はない。干渉
パタンの結像位置には固定空間格子５が配置されている
。固定空間格子５は干渉パタンの移動方向に沿って配列
された１個又は複数個のスリットからなり干渉パタンの
ピッチに対応した空間周波数を有する。従って、固定空
間格子５は移動する回折光を選択的に透過する為の空間
フィルタとして用いられる。固定空間格子５の前方近接
位置には光電変換素子６が配置されており、透過した回
折光を受光しその強度変化に対応して交流検出信号を出
力する。交流検出信号の周波数は移動部材２の回転速度
を表わし、交流検出信号の波の数は移動部材２の回転量
を表わす。光電変換素子６に受光される回折光は移動方
向に垂直な直交方向に集光されており、光電変換素子６
の受光効率が向上されている。

第２図は第１図に示す移動部材２の拡大部分平面図であ
り、一次元回折格子３及びホログラフィックレンズ格子
４のスリットパタン配列を示す。図示する様に、一次元
回折格子３を構成するスリットパクンは移動部材の移動
方向（図面において横方向）に沿って一定のピッチＴで
配列されている。このピッチＴは一次元回折格子の中央
部において３０−である。又ホログラフィックレンズ格
子４は直交方向（図面において縦方向）に沿って所定の
間隔で配列された複数の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からなる回転円板上
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。

第３図はホログラフィックレンズ格子の作用を説明する
為の模式図である。図において、Ｌは点光源の位置０と
移動部材間の距離、Ｍは移動部材と干渉パタンの結像位
置との間の距離である。又Ｘはホログラフィックレンズ
格子の個々のスリットの中心位置からの距離である。個
々のスリットの中心からの距離Ｘを適当に設定する事に
より、個々のスリットを通過した回折光は干渉パタンの
結像位置において互いに強め合い、結果として集光作用
を奏する。この場合集光作用はスリットのピッチ方向に
のみ働き、スリットの延長方向には働かない。その為、
ホログラフィックレンズ格子は通常の固体型シリンドリ
カルレンズと同一の機能を有する。従って、本発明にか
かるホログラフィックレンズ格子に代えて、移動部材と
干渉パタンの結像位置の間に、固体型シリトリカルレン
ズを挿入する事により集光を行う事も考えられる。

しかしながら、この場合にはレーザエンコーダ全体とし
て光学部品の点数が増加し調整工程も増えるので好まし
くない。

ところで、ホログラフィックレンズ格子が干渉パタンの
結像位置において所望の集光作用を奏する為には、以下
の関係式（３）を満たす必要がある。

４戸］巧ひ　＋４「］万ひ− ２π　（Ｋｏ＋Ｉ）　　λ　　　・・・・・・・・・・
・・ただしＩは整数、又Ｋｏは定数である。

今Ｘ−Ｏの時Ｉ−０とすると Ｌ＋Ｍ−２πＫｏλ （３） ２πλ 又近似的にＸ＜＜Ｌ、Ｘ＜＜Ｍであるから関係式（３）
は次の関係式（４）の様に近似される。

例えば、本例の様に一次元回折格子のピッチがＴ−３０
−及び波長がλ−８３０ｎｍに設定されているとすると
、関係式（１）によりＬ−，６ｍｍ及びＭ−５５關が決
定される。これらの数値に基いて関係式（４）を用い、
各Ｉの値に対してＸを求めると以下の表の様になる。

この結果によりピッチ間隔を設定して形成したのが、第
２図に示すホログラフィックレンズ格子の例である。

ところでかかるホログラフィックレンズ格子の集光効率
Ｅは次の関係式（５）により与えられる。

ただしＤは光電変換素子の有効受光サイズである。今Ｄ
−１ｍｍ、　Ｘ−−ｔＯ，８ｍｍとするとＬ　＝　６　
ｒａｔｓ及びＭ＝５５ｍｍを関係式（５）に代入する事
により、集光効率の値としてＥ−８，１が得られ、ホロ
グラフィックレンズ格子を用いない場合に比べて約６倍
の効率上昇となる。

第４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、コヒーレントな発散
光を射出する点光源１と、矢印で示す様に直線的に双方
向に移動する移動部材２と、移動方向に沿って一定のピ
ッチで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
為の固定空間格子５と、固定空間格子５を通過した回折
光を受光し対応する交流検出信号に変換する光電変換素
子６とからなる。加えて移動部材２の面上には一次元回
折格子３と重なった状態でこれと直交する方向に形成さ
れたホログラフィックレンズ格子４が配置されている。

ホログラフィックレンズ格子４は移動部材２の移動方向
と直交する方向にのみ回折光を集束し、光電変換素子６
上に集光する。基本的な変位検出動作は、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。

〔発明の効果〕

上述した様に、本発明によれば、移動部材又はエンコー
ダ板の面上において一次元回折格子に重なった状態で且
つこれに直交する方向にホログラフィックシリンドリカ
ルレンズ格子が形成されている。このホログラフィック
レンズ格子は点光源から射出されるコヒーレントな発散
光を回折により集束する事ができる。このホログラフィ
ックレンズ格子は固体型のシリンドリカルレンズと同一
の機能を有し一次元回折格子により形成される干渉パタ
ンのピッチ間隔を乱す事なく、ピッチ方向と直交する方
向の光成分のみを集光する。この結果、本発明にかかる
光学式変位検出装置の受光効率を従来に比して著しく向
上できるという効果がある。加えて一次元回折格子とホ
ログラフィックレンズ格子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、製造が容品であると
いう効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明をレーザロータリーエンコーダに適用し
た実施例を示す斜視図、第２図はレーザロータリーエン
コーダに用いられる一次元回折格子及びホログラフィッ
クレンズ格子のパタン配列を示す拡大部分平面図、第３
図はホログラフィックレンズ格子の作用を説明する為の
線図、第４図は本発明をレーザリニアエンコーダに適用
した他の実施例を示す斜視図、及び第５図は点光源回折
を利用した変位検出の原理を説明する為の線図である。 １・・・点光源　　　　　　　２・・・移動部材３・・
・一次元回折格子 ４・・・ホログラフィックレンズ格子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、コヒーレントな発散光を射出する点光源と、該発散
   光の一部を横切る様に移動する移動部材と、 該移動部材の面上において移動方向に沿って所定のピッ
   チで形成されたスリットパタンからなり発散入射光を回
   折する事により拡大されたピッチを有し移動方向に変位
   する干渉パタンを結像する為の一次元回折格子と、 該移動部材の面上において移動方向に垂直な直交方向に
   沿って所定の間隔で形成されたスリットパタンからなり
   回折光を直交方向に集束する為のホログラフィックレン
   ズ格子と、干渉パタンの結像位置に配置され集束回折光
   を透過する為の固定空間格子と、 透過された集束回折光を受光し対応する電気信号に変換
   する為の光電変換素子とからなる変位検出装置。 ２、該一次元回折格子と該ホログラフィックレンズ格子
   はエッチングにより同時に形成されたスリットパタンに
   より構成される請求項１に記載の変位検出装置。 ３、該移動部材は回転円板からなり、該一次元回折格子
   は円周方向に沿って所定のピッチで配列された放射状ス
   リットパタンからなり、該ホログラフィックレンズ格子
   は半径方向に沿って所定の間隔で配列された同心円状ス
   リットパタンからなる請求項１に記載の変位検出装置。 ４、該移動部材は直線方向に移動し、該一次元回折格子
   は直線方向に沿って所定のピッチで配列された線状スリ
   ットパタンからなり、該ホログラフィックレンズ格子は
   該線状スリットパタンに直交する他の線状スリットパタ
   ンからなる請求項１に記載の変位検出装置。