JPH0389114A - 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しコストも高くなる為所しいニ
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（点光源回折）を利用した別のタイプの光学
式エンコーダが提案されている。

点光源による回折像は、平行光源による回折像とは大き
く異なった性質を持っている。その１つに、物体（例え
ば−次元格子）が移動するとその回折像あるいは干渉パ
タンは、影絵の場合と同じく移動する。又この場合の干
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、回折格子の微少
な移動量を拡大光学系なしで、非常に簡単に検出できる
。この現象を利用して、半導体レーザと数−ピッチの回
折格子を用いて高性能な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で高分解能なうえ、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を有する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら点光源回折を用いたレーザエンコーダにお
いて、鮮明な干渉パタンを得る為には、光源と回折格子
との距離、回折格子と光検出器との距離、光源から射出
されるコヒーレント光の波長等を精密に制御する必要が
ある。しかしながらこれらのパラメータは可動光学部品
の機械的変動要因や周囲環境温度の変動要因等によりバ
ラツキがあり、個々のレーザエンコーダ毎に複雑な調節
作業を要していた。

〔問題点を解決する為の手段〕

上述したレーザエンコーダの問題点に鑑み、本発明は簡
単な構造及び調節作業により常に鮮明な干渉パタンの得
られる改良されたレーザエンコーダを提供する事を目的
とする。

第１図は改良されたレーザエンコーダの構造を示す模式
的断面図である。レーザエンコーダは所定の光路に沿っ
てコヒーレントな光を射出する点光源１を有する。点光
源１の前方所定の第一の光路長位置には光路を横切る様
に変位する変位スリット部材２が配置されている。変位
スリット部材２はいわゆるエンコーダ板と呼ばれるもの
であり、−次元回折格子３を構成する。回折格子３はコ
ヒーレントな光の照射を受け、回折格子の前方第二の光
路長位置に干渉パタン４を形成する。干渉パタン４は変
位スリット部材２の変位に応じて矢印で示す様に移動し
且つ所定の空間周期を有する。第二の光路長位置には固
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は空間フィルタを構成する。空間フィルタは干渉パタ
ン４の移動方向に沿って配列されており干渉パタン４の
周期に対応した周期を有する。固定スリット部材５の前
方近接位置には、光検出器６が配置されており、空間フ
ィルタを通過した光を受光し、光強度の時間的変化に応
じた交流検出信号を出力する。

検出信号の周波数により変位スリット部材２の変位速度
が分かり、検出信号の波の数により変位スリット部材２
の変位量が分かる。

さらに干渉パタン４の鮮明度を維持する為に、点光源１
と固定スリット部材５の間の光路に、調節部材７が挿入
されている。干渉パタン４の鮮明度は、点光源１と変位
スリット部材２の間の第一の光路長及び変位スリット部
材２と固定スリット部材５の間の第二の光路長との相対
的関係に依存しており、調節部材７は第一及び第二の光
路長を相対的に調節する機能を有する。調節部材７は好
ましくは点光源１と変位スリット部材２の間に挿入され
第一の光路長を調節する。調節部材７は、例えば異なっ
た屈折率及び／又は異なった厚みを有する複数の透明平
行平面板から選択される。あるいは調節部材７は１枚の
透明平行平面板から構成され、平面板の法線と光軸との
なす角が調節可能に配置されている。

〔作　　用〕

本発明にかかる点光源回折を用いたレーザエンコーダに
おいては、点光源１から射出したコヒーレントな光を移
動する変位スリット部材２に照射し、その回折光を固定
スリット部材５を通して光検出器６で受光検出する様に
動作する。この時、回折光により鮮明な干渉パタン４を
形成する為には、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。

ＭＬλ　　　　　　　　Ｈ ここで、Ｌは第一の光路長、Ｍは第二の光路長、λは点
光Ｒ１から射出されるコヒーレントな光の波長、Ｔは一
次元回折格子３のピッチ、Ｇ及びＨは整数である。この
関係式（１〉を満たす場合に鮮明な干渉パタンか得られ
且つ干渉パタンは変位スリット部材２の変位に応答して
移動する。

又回折格子３のピッチＴと干渉パタン４の周期Ｐ即ち干
渉縞のピッチには以下に示す関係がある。

Ｇ 即ち干渉パタンの周期Ｐは回折格子のピッチＴの光路長
りに対して第二の光路長Ｍを大きくとる事により、拡大
率が大きくなり高性能で高分解能なレーザエンコーダを
得る事ができる。

ところで関係式（１〉に用いられた各パラメータＬ、Ｍ
、　　λ及びＴは個々のレーザエンコーダ毎にバラツキ
、関係式（１）を満足する為にパラメータを調節する必
要がある。この点に鑑み、本発明においては点光源１と
固定スリット部材５の間の光路に調節部材７を挿入し、
第一の光路り及び第二の光路Ｍの一方又は両方を調節す
る事により関係式（１）を満たす様にし、最適な鮮明度
を有する干渉パタンを得る様にしている。

例えば点光源１と変位スリット部材２の間に、調節部材
として板厚ｄ、屈折率ｎの透明平行平面板を配置する事
により、第一の光路りは見掛上Ｌ′の様に変化する。

関係式（３）で示す様に、かかる平行平面板を挿入する
事により、第一の光路長りを見掛上る事ができる。従っ
て異なった板厚や屈折率を有する平行平面板を複数用意
して、個々のレーザエンコーダのパラメータのバラツキ
に応じて適宜差し替え調節を行なう事により、最適の鮮
明度を有する干渉パタンを得る事ができる。

また板厚ｄ及び屈折率ｎを有する平行平面板を第一の光
路に介在させ、平面板の法線と光軸のなす角δを変える
事により、第一の光路長りは見掛上次式で示す様にＬ′
とする事ができる。

関係式（４〉に基いて計算される様に、例えば平面板の
法線と光軸のなす角δを２０″から２５°に変化させる
と、板厚ｄが１．３％だけ厚くなったのと同じ効果があ
り、従って平行平面板を傾ける事によっても最適な鮮明
度を有する干渉パタンを得る事ができる。勿論変位スリ
ット部材と固定スリット部材の間の第二の光路に平行平
面板を配置しても同様の調節を行なう事ができるが、第
一の光路に挿入した場合に比べて調節効果は小さい。

〔実　施　例〕

第２図は本発明にかかる点光源回折を用いた光学式変位
検出器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。本ロータリーエンコーダは点光源１とし
て半導体レーザを用いる。

半導体レーザは発振波長λ−８３０ｎｍのコヒーレント
な光を光路に沿って射出する。発振波長λは基準値に対
し約±１５ｎａ＋のバラツキを有する。点光源１の前方
第一の光路長Ｌ−７，３ｍｍのところに、回転円板から
なる変位スリット部材２が配置されている。回転円板は
第一の光路を横切る様に双方向に回転し、エンコーダ板
として機能する。回転円板の周辺部には半径方向に放射
状に配列された一次元回折格子３が形成されている。−
次元回折格子３のピッチは光軸を横切る円周部分に沿っ
て３０血である。このピッチは光軸のブレによって変動
する。回転円板の前方第二の光路長Ｍ−５８，２５ｍ＋
ｓのところに、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は空間フィルタを構成し、その周期
は干渉パタンの周期に対応し、空間フィルタの配列方向
は干渉パタンの移動方向即ち回転円板の円周方向に一致
している。本実施例においては、空間フィルタは複数の
スリットで構成されているが単一のスリットであっても
良い。この様な構成により、空間フィルタは回折光を選
択的に透過し、受光効率を上昇する事ができる。固定ス
リット部材５の前方近接位置には光検出器６が配置され
ており、空間フィルタを通過した回折光を受光し、その
光強度の時間的変化に応じた交流検出信号を出力する。

光検出器６は例えばフォトダイオードから構成される。

点光Ｒ１と変位スリット部材２の間には、調節部材７が
挿入されている。調節部材７は板厚ｄ−４ｍｍ、屈折率
ｎ　−１，５を有する透明な平行平面板から構成されて
いる。平行平面板は傾斜可能な様に配置されており、平
行平面板の法線と光軸のなす角δを調節できる様になっ
ている。

点光源１の前面にはマスク８が配置されている。

点光源１を構成する半導体レーザの射出角はかなり固体
差があり、干渉パタンの鮮明度はその射出角に依存する
ので、射出角を規定する為にマスク８が挿入されている
のである。

変位スリット部材２と固定スリット部材５の間には円筒
レンズ９が挿入されている。円筒レンズ９の円筒軸は回
転円板の接線方向と平行になる様に配置されている。光
検出器６を構成するフォトダイオードの寸法は高々１ｍ
ｍなのでＬ＝７．３ｍｍ。

Ｍ■５６．２５ｍｍに設定すると、回転円板の半径方向
における回折光の発光ダイオードに対する有効入射角は
約±０．５°であり、光の受光効率が低い。

そこで回転円板の円周方向に円筒軸を持つ円筒レンズ９
により、干渉パタンの周期を乱さない程度に半径方向光
束を集光する様にしている。例えば回転円板が光軸を横
切る点における半径が３０關であるとすると、回折光の
有効入射角は上２゜３゜となり約４．５倍の効率上昇と
なる。

次に第３図ないし第６図のグラフを参照して、第２図に
示すレーザエンコーダの動作を説明する。

回転する変位スリット部材２に点光源１から射出される
コヒーレントな球面波を照射すると、周定スリット部材
５上に干渉パタンか形成される。第３図はこの様にして
形成された干渉パタンを示す線図であり、干渉パタンは
明暗の縞模様からなる。

第３図において縦軸は干渉パタンを構成する回折光の光
強度を相対値で示したものであり、横軸は干渉パタンの
縞の相対位置を示したものである。

レーザエンコーダのパラメータについては、Ｌ−７，３
ｍｓ、　Ｍ−５６，２５ｍ＋＊、　　λ−８３０ｎｍ、
　Ｔ−３０−であり、点光源１と変位スリット部材２の
間に板厚ｄ＝４ｍｍ、屈折率ｎ”１．５の平行平面板を
光軸に対して直交する様に挿入して、第３図に示す様な
最適な鮮明度を有する干渉パタンを得る事ができる。

舎外的な変動要因により、第一の光路長りが７．３＋ａ
＋ｓから７．４ｙａｍに変化したとすると、第４図に示
す様に干渉パタンの鮮明度は低下する。第４図は干渉パ
タンか形成される限界状態に近く、これ以上第一の光路
長りが変動すると、干渉パタンは消滅してしまい、ロー
タリーエンコーダは正常に動作する事ができない。

次に第一の光路長りの変動に起因して生じた干渉パタン
の鮮明度の低下を補う為に、平行平面板を光軸に対して
徐々に傾ける。実際の干渉パタンをモニタしながら、平
行平面板の傾きを調節していき、最適な干渉パタンの鮮
明度が復元された状態で平行板の傾きを固定する。第５
図はこの様にして回復された干渉パタンを示し、平行平
面板はその法線が光軸に対して２９″の位置で固定され
ている。

あるいは平行平面板を回転させる調節に代えて、異なっ
た板厚あるいは異なった屈折率を有する平行平面板を第
一の光路に挿入してもよい。例えば、板厚ｄ　＝　４　
ｍｍの平面板に代えて板厚ｄ−４，２ｍｍの平面板を用
いる事により、第５図に示す様に干渉パタンの鮮明度を
最適に復元する事ができる。

第６図は、上述した様にして最適に設定された鮮明度を
有する干渉パタンを固定スリット部材５を介して光検出
部材６に投影した場合に得られる検出信号の波形を示す
。縦軸は検出信号の振幅を示し、横軸はロータリーエン
コーダのエンコーダ板の回転角を示す。図示する様に、
固定スリット部材を通過して光検出器に受光された回折
光の周期的な強度変化に応じて、正弦波形を有する検出
信号が出力される。検出信号の周波数はエンコーダ板の
回転速度を表わし、検出信号の波の数はエンコーダ板の
回転量を表わす。この様にして、干渉パタンの鮮明度を
最適に維持すれば、振幅変化の明瞭な検出信号を得る事
ができる。

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。リニアエンコーダは点光源１と、矢印で示
す様に直線的に変位する変位スリット部材２と、固定ス
リット部材５と、光検出器６とから構成されている。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が形成されており、その回折光により形成される
干渉パタンは固定スリット部材上に形成される。

固定スリット部材５は干渉パタンの周期に対応した空間
周期を有する空間フィルタを構成する。空間フィルタを
通過した回折光は光検出器６により受光され検出信号に
変換される。点光源１と変位スリット部材２の間には、
調節部材７が挿入されており、点光源１と変位スリット
部材２の間の見掛上の光路を調節する事により、常に鮮
明な回折パタンか得られる様にしている。

〔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レ
ーザエンコーダにおいて、点光源１と一次元回折格子を
構成するエンコーダ板との間に調節部材を挿入する事に
より、見掛上の光路を調節し、簡単な作業及び単純な構
造で効果的に干渉パタンの鮮明度を維持する事ができる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は点光源回折を用いた光学式変位検出装置の模式
的構造を示す断面図、第２図は点光源回折を用いた光学
式変位検出装置の一実施例であるロータリーエンコーダ
を示す斜視図、第３図ないし第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検出信号を示す線図、及び第７図は
点光源回折を用いた光学式変位検出装置の他の実施例で
あるリニアエンコーダを示す斜視図である。 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　６・・・光検出器７・・・調節部
材 光強度（相対値） 第３図 光強度（相対値） 第４図 光強度（相対値）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、所定の光路に沿ってコヒーレントな光を射出する点
   光源と、 所定の第一の光路長位置において光路を横切る様に変位
   する部材であって、該変位に応じて移動し且つ所定の空
   間周期を有する干渉パタンを所定の第二の光路長位置に
   形成する回折格子を構成する変位スリット部材と、 該干渉パタンの移動方向に沿って配列され且つ干渉パタ
   ンの周期に対応した周期を有する空間フィルタを構成す
   る固定スリット部材と、 該空間フィルタを通過した光を受光し、光強度変化に応
   じた検出信号を出力する検出器と、該干渉パタンの鮮明
   度を維持する為に、点光源と固定スリット部材の間の光
   路に挿入され、第一及び第二の光路長を相対的に調節す
   る為の調節部材とからなる変位検出装置。 ２、該調節部材は、点光源と変位スリット部材の間に挿
   入され第一の光路長を調節する請求項１に記載の変位検
   出装置。 ３、該調節部材は、異なった屈折率及び／又は異なった
   厚みを有する複数の透明平行平面板から選択される請求
   項１に記載の変位検出装置。 ４、該調節部材は、透明平行平面板からなり、該平面板
   の法線と光軸とのなす角が調節可能に配置されている請
   求項１に記載の変位検出装置。 ５、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。 ６、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。 ７、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、干渉パタンの空間周期を保
   存しながら光を検出器に効率的に収束させる請求項１に
   記載の変位検出装置。