JPH0389113A - 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、特にレーザ光によ
る点光源回折を用いたリニアエンコーダ或いはロータリ
ーエンコーダに関する。

〔従来の技術〕

従来のロータリーエンコーダとしては、例えば磁気式或
いは光学式のものが知られている。磁気式のエンコーダ
は、回転軸に取付けられた多極マグネットによる磁束変
化を磁気センサで捕え位置を検出するものである。高分
解能化の為にエンコーダ面の着磁間隔を狭めると、個々
の磁極の体積が小さくなり信号強度が低下し電磁ノイズ
の影響を受は易くなる。又センサ部とエンコーダ面が略
々接触状態となる為耐久性に問題がある。

一方従来の光学式エンコーダは、レンズを用いて集束さ
せた発光ダイオードからの光を、回転軸に取付けられた
移動スリット板（エンコーダ板）上に照射し、その投影
像を固定スリットを通して受光素子で検出する事により
、移動スリット板の動きを受光光量の変化として捕え位
置を検出するものである。磁気式エンコーダに比べて分
解能の点では優れている。しかしながら、移動スリット
板のスリットピッチを数−程度まで小さくすると、光に
よる回折を生じる為投影像はぼけ検出信号の強度は著し
く低下する。誤検出を起こさない様な大きさの検出強度
を得ようとすると、移動スリット板と固定スリット板の
間隔がスリットピッチよりも小さくなり、振動衝撃等に
よりスリット板の破損が起こり易くなる。この様な理由
から高分解能化にも限度がある。

従来の磁気式或いは光学式エンコーダでは実現する事の
できなかった高分解能を得る為に、コヒーレントな点光
源からの球面波による回折現象（点光源回折）を利用し
た別の形式の光学式エンコーダが提案されている。点光
源による回折像は、平行光線による回折像とは大きく異
なった性質を有している。即ち物体（例えば−次元格子
）が移動するとその回折像は、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無しで、簡単に検
出する事ができる。この現象を利用して、半導体レーザ
と数μピッチの回折格子を用いて高分解能光学式エンコ
ーダが得られている。このエンコーダは構造が簡単なう
え光センナ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。

〔発明が解決すべき問題点〕

ところで−膜内に、ロータリーエンコーダ或いはリニア
エンコーダは変位量に加えて変位方向を検出できる機能
も要求される。しかしながら、上述した点光源回折を用
いた高分解能光学式エンコーダに対して、変位方向検出
機能を付加しようとすると、従来複雑な光学系を必要と
し光学部品の点数が多くなり、調整も複雑であるという
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、本発明は点光源回折を用
いたレーザエンコーダにおいて変位方向を検出する為に
有効且つ簡便な構造を提供する事を目的とする。

第１図は本発明にかかる光学式変位検出装置の基本構造
を示す模式的断面図である。光学式変位検出装置は光軸
に沿ってコヒーレントな光を発する点光源１を有する。

点光源１の前方には光軸を横切る様に変位する変位スリ
ット部材２が配置されている。矢印で示す様に変位スリ
ット部材２は双方向に移動可能である。変位スリット部
材２にはその変位方向に沿って一次元回折格子３が形成
されている。回折格子３は点光源１から所定の距離りだ
け離間した位置に設定されている。回折格子３は点光源
１から発するコヒーレントな光の照射を受け、回折格子
の前方で所定の距離Ｍに干渉パタン４を形成する。干渉
パタン４はあたかも回折格子３の拡大像であるかの様に
所定の明暗の周期を有する。図示する様に、干渉パタン
４は変位スリット部材２の変位に応じて同一方向に移動
する。

干渉パタン４の形成される結像面に沿って固定スーリッ
ト部材５が配置されている。固定スリット部材５は干渉
パタンの移動方向に沿って配列された一対の空間フィル
タ５Ａ及び５Ｂを構成する。

一対の空間フィルタ５Ａ及び５Ｂの空間周期は干渉パタ
ン４の明暗周期に対応しているが、互いに９０″の位相
差を有している。図示する状態においては、移動中の干
渉パタン４の位相と一方の空間フィルタ５Ａの位相が一
致している為、干渉パタン４の上側部分は固定スリット
部材５を通過する。これに対し移動中の干渉パタン４の
位相は他方の空間フィルタ５Ｂの位相と一致していない
為、干渉パタン４の下側部分は固定スリット部材５によ
って遮断され通過できない。さらに移動中の干渉パタン
４が位相にして９０″分下方に向って変位すると、逆に
干渉パタン４は一方の空間フィルタ５Ａによって遮断さ
れ他方の空間フィルタ５Ｂを通過する。

固定スリット部材５の前方近接位置には検出器６が配置
されている。検出器６は分割されており、一対の空間フ
ィルタ５Ａ及び５Ｂに対応して一対の受光部６Ａ及び６
Ｂを有する。上述した様に、一対の空間フィルタ５Ａ及
び５Ｂの位相差に起因して、一対の受光部６Ａ及び６Ｂ
の受光タイミングに時間差が生じる。一対の受光部６Ａ
及び６Ｂは受光した光の強度変化に応じて各々検出信号
Ａ及びＢを出力する。例えば、変位スリット部材２が図
面において下方向に変位している場合においては、それ
に応じて干渉パタン４も下方向に移動する。従って干渉
パタン４は一方の空間フィルタ５Ａを通過した後位相差
９０″に見合った時間だけ遅延して他方の空間フィルタ
５Ｂを通過する。その結果一方の受光部６Ａの検出信号
Ａに対して他方の受光部６Ｂの検出信号Ｂは位相にして
９０″分だけ遅延している。逆に変位スリット部材２が
図面において上方向に変位する場合には検出信号Ａは検
出信号Ｂに対して遅延する。この様にして二相検出信号
Ａ及びＢの相対的位相関係により変位スリット部材２の
変位方向を検出する事ができる。

もちろん検出信号のパルス個数により変位スリット部材
２の変位量を知る事ができ、検出信号の周波数により変
位速度を知る事ができる。

〔作　　用〕

点光源から有限の距離にある回折格子をコヒーレント光
で投影した場合には、回折格子から有限の距離に鮮明度
の大きな干渉縞パタンか得られる。

この時点光源と回折格子の間の距離りと回折格子と干渉
パタンか投影されるスクリーンの間の距離Ｍは以下の関
係式（１）を満たす必要がある。

ＭＬλ　　　　　　　　Ｈ ここでλはコヒーレント光の波長、Ｔは一次元回折格子
のピッチ及びＧとＨは整数である。

上記の関係式（１）はいわゆるフレネル回折理論に基い
て得られたものであり、フラウンホウファー回折と異な
り干渉パタンは関係式（１）を満たす有限の距離Ｍに結
像される。しかも干渉パタンは回折格子の変位に伴なっ
て移動するという顕著な特徴がある。従って点光源回折
を用いたレーザエンコーダにおいては、固定スリット部
材は干渉パタンか結像される位置Ｍに合わせて設定する
必要がある。

次に回折格子のピッチＴと干渉パタンの縞模様間隔（即
ち干渉パタンの周期）Ｐには以下の関係式（２）が成立
する。

Ｌ　　　　　　　Ｇ 上記の関係式（２）によれば、干渉パタンの周期台で拡
大されている事が分かる。即ち本発明によれば、従来の
インコヒーレントな光を用いた光学式エンコーダと異な
り、変位スリット部材の鮮明な拡大像が得られる点に顕
著な特徴がある。

本発明によれば、干渉パタンの移動は検出器によって光
学的に検出され電気信号に変換される。

この場合検出効率を上げる為に、干渉パタン４は固定ス
リット部材を介して検出器に投影される。

固定スリット部材は干渉パタンの周期に対応する空間周
期を有する空間フィルタを構成している。

空間フィルタは周期は同一であるが、位相が互いに９０
″異なる部分からなっており、これらに対応して検出器
の受光面も２分割されている。従って空間フィルタの位
相差に起因して、分割された受光面での受光タイミング
に関し位相差が生じ、検出器は二相検出信号を出力する
。固定スリット部材は干渉パタンの移動方向に沿って配
置されており、干渉パタンの移動方向に応じて二相検出
信号の相対的位相関係が変化しこれにより干渉パタンの
移動方向が検出される。

〔実　施　例〕

第２図は本発明にかかる点光源回折を用いた高分解能変
位検出装置をロータリーエンコーダに適用した実施例を
示す斜視図である。本レーザエンコーダは点光源１とし
て波長λ−８３０ｎｏ＋のコヒーレントな光を出射する
半導体レーザを用いる。半導体レーザの前方距離Ｌ　ｍ
　６　ｍ１ｍのところに、変位スリット部材２を配置す
る。変位スリット部材２は双方向に回転する円板部材か
らなりその周辺部分には半径方向に放射状に形成された
一次元回折格子３を有する。−次元回折格子３のピッチ
はＴ＝３０ｗａである。変位スリット部材２の前方距離
Ｍ＝５６．２５ｍ＋ｓのところには移動する回折パタン
を透過する為の固定スリット部材５が配置されている。

固定スリット部材５のさらに前方近接位置には、透過し
てきた光を受ける為の検出器６が配置されている。固定
スリット部材５には干渉パタンの周期に対応した周期を
有する空間フィルタが干渉パタンの移動方向に沿って形
成されている。又検出器６は例えば波長λ−８３０ｎｍ
の光に対して感度を有するフォトダイオードが用いられ
る。

半導体レーザのレーザビーム射出角にはかなり個体差が
あり、干渉パタンの鮮明度はその射出角に影響される。

その為本実施例においては射出角を規定する為に半導体
レーザの前面にマスク７を配置している。マスク７の開
口径はレーザビームが常に４１本の回折格子スリットを
照射できる様に設定されている。

又検出器６の受光面の寸法は高々１關なので、距離りを
６ｍｍに又距ＭＭを５８．２５ｍｍに設定した場合には
、回転円板の半径方向に関して受光面の有効入射角は約
±０．５°となり、入射光の利用効率が低い。そこで移
動スリット部材２と固定スリット部材５の間に、回転円
板の円周方向に円筒軸を揃えた円筒レンズ８を挿入して
いる。この円筒レンズにより回転円板の半径方向光束を
干渉パタンの移動方向配列が乱されない程度に集光する
事ができる。例えば回転円板半径が３（１ｍｍであると
すると、検出器６の受光面に対する有効入射角は上２゜
３’となり約４，５倍の検出効率上昇となる。

第３図は固定スリット部材５及び検出器６の組合せを光
軸方向から見た平面図である。固定スリット部材５には
一対の空間フィルタ５Ａ及び５Ｂが形成されている。・
空間フィルタの周期は干渉パタンの周期に対応しており
干渉パタンを形成するコヒーレントな光成分を選択的に
透過できる様になっている。本実施例においては、各空
間フィルタは複数のスリットから構成されているが、単
一のスリットであっても良い。空間フィルタは干渉パタ
ンの移動方向即ち回転円板の円周方向に沿って円弧状に
配列されている。一方の空間フィルタ５Ａの位相は他方
の空間フィルタ５Ｂの位相に比べて９０°ずれている。

又固定スリット部材５には追加のスリット５Ｚが形成さ
れている。この追加のスリット５Ｚは回転円板の基準位
置を検出する為に設けられている。

固定スリット部材５の背部には一対の空間フィルタ５Ａ
及び５Ｂと追加のスリット５Ｚに対応して３分割された
受光面６Ａ、６Ｂ及び６Ｚが配置されている。受光面６
Ａは空間フィルタ５Ａを透過した光を受光し、受光面６
Ｂは位相差９０″を以って空間フィルタ５Ｂを透過した
光を受光し、受光面６Ｚは回転円板の１回転毎に通過す
る基準干渉パタンを追加のスリット５Ｚを介して受光す
る。なお図示しないが回転円板に形成された回折格子３
は回転円板の基準位置を規定する為の特別のスリットを
有する。

第４図は固定スリット部材５の他の実施例を示す平面図
である。図示する様に一対の空間フィルタ５Ａ及び５Ｂ
は回転円板の接線方向に沿って配列されている。空間フ
ィルタの接線方向寸法は回転円板の円周寸法に比べては
るかに小さいので、この様に配列しても実質的に検出誤
差は生じない。

ところで一対の空間フィルタ５Ａ及び５Ｂを回転円板の
円周方向或いは接線方向に配列するのではなく、円板の
半径方向にずらせて配列する事も考えられる。しかしな
がらかかる場合には、回転円板に形成された一次元回折
格子のピッチが半径方向に変化している為、半径方向全
域に亘って鮮明な干渉パタンを得る事ができないので、
精密な位相差検出を行う事が難しい。

次に第５図及び第６図を参照して第２図に示すロータリ
ーエンコーダの動作を説明する。半導体レーザにより回
転中の変位スリット部材をコヒーレントな光で照射する
と、固定スリット部材５上に明暗の縞模様を有する干渉
パタンか投影される。

第５図は投影された干渉パタンを示し、縦軸は光強度を
相対値で示し、横軸は干渉パタンの移動方向位置を示す
。光軸位置を中央値として設定し、相対値で示している
。図示する様に、干渉パタンは点光源回折の拡大率に従
って拡大された鮮明なピークを有する。これらピークは
変位スリット部材の変位に伴って移動する。

移動する干渉パタンは固定スリット部材に形成された一
対の空間フィルタ５Ａ及び５Ｂを介して検出器の対応す
る一対の受光部６Ａ及び６Ｂにより受光検出される。第
６図は検出器の各受光部によって出力される検出信号Ａ
及びＢを示す。縦軸は検出信号の強度を示し、横軸は回
転円板の回転角即ちロータリーエンコーダの回転角を示
す。図示する様に、一方の空間フィルタ５Ａを介して透
過された光を受光する受光部６Ａは干渉パタンの通過に
伴って正弦波信号Ａを出力し、他方の空間フィルタ５Ｂ
を介して透過された光を受光する受光部６Ｂは干渉パタ
ンの通過に伴って同様に正弦波検出信号Ｂを出力する。

しかしながら一対の空間フィルタ５Ａ及び５Ｂの空間位
相差に対応して検出信号Ａ及びＢは互いに９０＠の位相
差を有する。

この位相差が進相であるか或いは遅相であるかによって
回転円板の回転方向が決定される。加えて正弦波形の周
波数により回転円板の回転速度が検出され、正弦波形の
波の個数によって回転円板の回転角が検出される。

第７図は本発明にかかる点光源回折を用いた光学式変位
検出装置をリニアエンコーダに適用した実施例を示す斜
視図である。本リニアエンコーダは点光源１−と、矢印
で示す様に直線方向に変位する変位スリット部材２を有
する。変位スリット部材２には一次元回折格子３が形成
されている。−次元回折格子３の前方には干渉パタンか
結像する位置に固定スリット部材５が配置されている。

固定スリット部材５は同一の空間周期を有し且つ互いに
９０″の位相差を有する一対の空間フィルタ５Ａ及び５
Ｂを構成している。さらに固定スリット部材５の前方で
且つ近傍位置には検出器６が配置されており一対の空間
フィルタ５Ａ及び５Ｂに対応して一対の受光部６Ａ及び
６Ｂを有する。第７図に示すリニアエンコーダは第２図
に示すロータリーエンコーダと異なり、変位スリット部
材２の直線変位量、変位速度及び変位方向を検出するも
のである。

〔発明の効果〕

上述した様に、本発明によれば、点光源回折を用いた光
学式変位検出装置において、干渉パタンの移動方向に沿
って固定スリット部材に互いに９０”の位相差を有す°
る一対の空間フィルタを設ける事により、簡便な構造で
干渉パタンの移動方向を容易に検出できるという効果を
有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は光学式変位検出器の基本構成を示す模式的断面
図、第２図は第１の実施例であるロータリーエンコーダ
の構成を示す斜視図、第３図はロータリーエンコーダに
組込まれる固定スリット部材及び検出器の構成配置を示
す平面図、第４図は同じく固定スリット部材及び検出器
の配置の他の実施例を示す平面図、第５図はロータリー
エンコーダに用いられる干渉パタンを示す線図、第６図
はロータリーエンコーダの二相出力信号を示す波形図、
及び第７図は第２の実施例であるリニアエンコーダを示
す模式的斜視図である。 １・・・点光源　　　　　　２・・・変位スリット部材
３・・・回折格子　　　　　４・・・干渉パタン５・・
・固定スリット部材 ５Ａ、５Ｂ・・・空間フィルタ ６・・・検出器 ６Ａ、６Ｂ・・・受光部 第５図 検出信号 第６ 図 ロータリーエンコーダ回転角 ３Ｇ ψ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光軸に沿ってコヒーレントな光を発する点光源と、 光軸を横切る様に変位する部材であって、該変位に応じ
   て移動し且つ所定の周期を有する干渉パタンを形成する
   回折格子を構成する変位スリット部材と、 干渉パタンの移動方向に沿って配列された一対の空間フ
   ィルタを構成する部材であって、各空間フィルタの周期
   は干渉パタンの周期に対応しているが互いに９０゜の位
   相差をもたせた固定スリット部材と、 各空間フィルタを通過した光を受光する一対の受光部を
   有し、一対の空間フィルタの位相差に応じた二相検出信
   号を出力し該変位スリット部材の変位量及び変位方向を
   検出する検出器とからなる変位検出装置。 ２、該変位スリット部材は双方向に回転変位可能な円板
   からなり、該円板の半径方向に放射状に形成された回折
   格子を有する請求項１に記載の変位検出装置。 ３、該変位スリット部材は双方向に直線的に変位可能な
   部材からなる請求項１に記載の変位検出装置。 ４、変位スリット部材と固定スリット部材の間に配置さ
   れる円筒レンズ部材を有し、干渉パタンの周期を保存し
   ながら光を検出器の受光部上に収束させる請求項１に記
   載の変位検出装置。 ５、該回折格子は変位スリット部材の基準位置を規定す
   る為に基準干渉パタンを形成する部分を有し、該検出器
   は固定スリット部材を介して基準干渉パタンの通過を検
   出する為の追加の受光部を有する請求項１に記載の変位
   検出装置。