JPH04344412A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学式変位検出装置に関
し、より詳しくはレーザ光源とエンコーダ板との組み合
わせにより光の干渉を利用して変位検出を行なうレーザ
ロータリエンコーダやレーザリニヤエンコーダ等の光学
式変位検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光学式変位検出装置は、例えば特
開昭６２−３６１５号公報に開示されている。同公報に
は、一般的な構造として、固定光源と固定受光素子と両
者の間に介在するロータリエンコーダ板とこれに近接し
て配置された固定マスクとからなる光学式変位検出装置
が記載されている。ロータリエンコーダ板の周方向に沿
ってスリット列が形成されている。移動するスリット列
を透過した入射光は固定マスクを介して受光素子により
受光される。固定光源から受光素子までは幾何光学系を
構成しており、光の直進性を利用して変位検出を行なう
。従ってロータリエンコーダ板と固定マスクは光の回折
現象等を排除する為極めて近接して配置する必要がある
。

【０００３】同公報には、さらにフラウンフォーファ回
折を利用した光学式変位検出装置も記載されている。こ
の方式においては、固定レーザ光源と固定受光素子との
間に移動方向に沿って形成された回折格子を有するエン
コーダ板が介在している。入射したレーザ光は移動する
エンコーダ板によりフラウンフォーファ回折され前方所
定位置に回折パタンを結像する。エンコーダ板の移動に
伴って移動する回折パタンは固定マスクを介して受光さ
れ移動量を検出する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】光の直線性を利用した
幾何光学系の従来例においては、エンコーダ板に対して
固定マスクを極めて接近させて配置する必要がある。こ
の為、外部から加わる振動や衝撃によってエンコーダ板
と固定マスク板が接触する恐れがあり、エンコーダ板の
損傷や破壊の原因となるという問題点がある。

【０００５】又、光の波動性を利用したフラウンフォー
ファ回折型の従来例においては、回折パタンがエンコー
ダ板の前方所定位置に結像される為、これに合わせて固
定マスクを正確に位置決めしなければならない。しかし
ながら、様々な変動要因によりエンコーダ板と固定マス
クとの間の距離が変化し、検出結果にノイズが発生する
という問題点がある。

【０００６】何れの従来例においても、エンコーダ板と
受光素子との間に固定マスクを介在させる必要がある為
、上述した種々の問題点が発生する。

【０００７】

【課題を解決する為の手段】上述した従来の技術の課題
に鑑み、本発明は固定マスクを用いる事なくエンコーダ
板からの出射光を受光素子で直接受光して変位検出を行
なう事のできる改良された光学式変位検出装置を提供す
る事を目的とする。かかる目的を達成する為に採用され
た手段を図１に示す。本図に表わされた光学式変位検出
装置は、所定の周期を有する干渉縞１を生成する為の干
渉光学系２を備えている。干渉光学系２の前方には、干
渉縞１を横切る様に変位する変位部材３が配置されてい
る。変位部材３は矢印で示す様に双方向に移動可能であ
る。変位部材３には、干渉縞１の周期に対応したピッチ
間隔を有する空間格子４が形成されている。さらに、空
間格子４を介して干渉縞１を受光し変位部材３の変位を
検出する為の受光素子５が具備されている。

【０００８】干渉光学系２は、平面波６からなる可干渉
光を互いに所定の角度で交差する２本の光軸に沿って２
本の光束７及び８に分割し、交差領域に干渉縞１を生成
する為の光学分割部材９を有している。図示する様に、
交差領域は光軸方向に沿って比較的広く分布しており、
広範囲に渡って干渉縞１を生成する事が可能である。従
って、変位部材３の軸方向位置を厳しく設定する必要は
ない。光学分割部材９はフレネル複プリズムからなる。 これに代えて、フレネル複鏡又はロイド鏡を用いる事も
できる。なお、干渉光学系２は、球面波１０からなる可
干渉光を放射する為のレーザ光源１１と、球面波１０を
前述した平面波６に変換する為のコリメータレンズ１２
とを含んでいる。かかる２光線束干渉光学系としては、
この外にマイケルスン干渉光学系、ジャマン干渉光学系
あるいはマッハツェンダー干渉光学系等を用いる事がで
きる。

【０００９】空間格子４は所定のピッチ間隔で配列され
たスリットからなる透過型である。従って、干渉光学系
２と反対側に受光素子５が配置されている。空間格子４
を、所定のピッチ間隔で配列された光反射条からなる反
射型にした場合には、干渉光学系２と同じ側に受光素子
５を配置するとともに、入射光軸と出射光軸を互いに傾
ける様にする。

【００１０】

【作用】本発明によれば、干渉光学系２によって生成さ
れた干渉縞１は空間格子４の形成された変位部材３を介
して直接受光素子５により受光され変位検出が行なわれ
る。従って、変位部材３と受光素子５との間に何ら固定
マスク等の中間部材を介在させる必要がない。又、干渉
縞１は一対の光束７及び８の交差領域に渡って広範囲で
存在するので、変位部材３の軸方向位置を厳しく設定す
る必要がなく、外乱に強く且つノイズの少ない検出出力
を得る事ができる。換言すると、干渉縞１のコントラス
ト及び周期は広範囲に渡って実質的に変動しない。

【００１１】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図２は本発明をレ−ザロータリエンコ
ーダに応用した一実施例を示す模式的斜視図である。図
示する様に、本エンコーダは、球面波からなる可干渉光
を放射する為の半導体レーザ例えばレーザダイオード２
１を備えている。レーザダイオード２１の光軸方向前方
には、コリメータレンズ２２が配置されており、球面波
を平面波に変換する。コリメータレンズ２２の光軸方向
前方にはフレネル複プリズム２３が配置されており、平
面波からなる可干渉光を一対の光束に分割する。分割さ
れた光束はその光軸が互いに交差しており、交差領域に
所定の周期を有する干渉縞を生成する。この交差領域を
横切る様に、ロータリエンコーダ板２４が配置されてい
る。このエンコーダ板２４は変位部材を構成し、矢印で
示す様に、一対の光束の交差領域を横切る様に双方向に
回転変位する。ロータリエンコーダ板２４の円周方向に
沿って空間格子２５が形成されている。この空間格子２
５は放射状に配列されたスリット２６からなり干渉縞の
周期に対応したピッチ間隔で整列している。ロータリエ
ンコーダ板２４の回転変位に伴って移動するスリット列
を介して干渉縞は前方に断続的に透過する。ロータリエ
ンコーダ板２４にはその基準位置を示す為の基準スリッ
ト２７も形成されている。エンコーダ板２４を介してレ
ーザダイオード２１と反対側に受光素子例えばフォトダ
イオード２８が配置されている。フォトダイオード２８
はエンコーダ板２４の空間格子２５を通過した干渉縞の
ピークを断続的に受光し変位を表わす電気信号を出力す
る。

【００１２】図３は図２に示すエンコーダに用いられた
フレネル複プリズム２３の詳細な形状を示す斜視図であ
る。このプリズム２３は、入射平面波を互いに交差する
一対の光束に分割する為の分割面２３１及び２３２を有
している。一方の分割面２３１はさらに上下に区分され
ており、下側半分に空気に対して１／４波長分位相をず
らす層である位相変調部２３３が設けられている。なお
、この位相変調部２３３はプリズム２３と一体的に成形
してもよい。分割面２３１に入射した一方の光束は露出
した分割面をそのまま通過するＡ相成分と位相変調部２
３３を通過したＢ相成分とに分けられる。従って、Ａ相
成分とＢ相成分との間には１／４波長分の波面位相差が
生じる。プリズム２３の下部には凸レンズ部２３４が形
成されており、集光部材を構成する。この凸レンズ部２
３４を通過した可干渉光の部分は集光され、前方所定位
置即ちエンコーダ板２４の表面上に結像しＺ相成分から
なる固定スポットを生じる。この固定スポットはエンコ
ーダ板２４の基準位置を検出する為に利用される。

【００１３】次に図４ないし図６を参照して図２に示す
レーザロータリエンコーダの動作を詳細に説明する。図
４は、干渉縞と空間格子のスリット列と受光素子を構成
するフォトダイオードの受光面との間の相対的配置関係
を説明する為の模式図である。図示する様に、プリズム
２３の分割面２３１を透過した一方の光束のＡ相成分と
、分割面２３２を通過した他方の光束の交差領域に、Ａ
相干渉縞３１が生じる。又、位相変調部２３３を通過し
た一方の光束のＢ相成分と分割面２３２を通過した他方
の光束との交差領域にはＢ相干渉縞３２が生成される。 図から明らかな様にＡ相干渉縞３１とＢ相干渉縞３２と
の間には１／４周期分の位相差が生じている。さらに、
凸レンズ部２３４を通過した可干渉光の部分は集光され
、前述した様に固定スポット或いはＺ相スポット３３を
形成する。

【００１４】一方空間格子を構成するスリット列３４は
、干渉縞の周期に対応したピッチ間隔で整列している。 個々のスリット２６はＡ相干渉縞３１とＢ相干渉縞３２
の両者を透過できる様にその長手寸法が設定されている
。又、スリット列３４から離間してエンコーダ板２４の
基準位置に単独の基準スリット２７が設けられている。 この基準スリット２７はＺ相スポット３３を透過できる
様に配置されている。

【００１５】さらに、フォトダイオード２８の受光面は
３分割されている。即ち、Ａ相干渉縞を受光する為の受
光面３５と、Ｂ相干渉縞を受光する為の受光面３６と、
Ｚ相スポット３３を受光する為の受光面３７とを有して
いる。

【００１６】かかる配置構造において、Ａ相干渉縞３１
のピークは移動するスリット列３４によって間欠的にに
透過され、受光面３５により受光される。受光面３５は
ピークの通過に同期してＡ相電気信号３８を出力する。 又、Ｂ相干渉縞３２のピークも同一のスリット列３４に
より間欠的にに透過され、対応する受光面３６により受
光される。この受光面３６はピークの通過に同期してＢ
相電気信号３９を出力する。図から明らかな様に、固定
の干渉縞に対してスリット列３４が相対的に右方向に変
位する場合には、まずＡ相干渉縞のピークが個々のスリ
ット２６を通過し、次に１／４周期分遅れてＢ相干渉縞
３２のピークが個々のスリット２６を通過する。従って
、Ａ相電気信号３８はＢ相電気信号３９よりもπ／４だ
け進相である。この位相差を検出する事によりエンコー
ダ板の変位方向が検知できる。又、電気信号の波数を計
数することによりエンコーダ板の変位量を検出できる。 エンコーダ板が逆に左側方向に変位した場合には、Ｂ相
干渉縞３２のピークがＡ相干渉縞３１のピークに比べて
１／４周期分だけ先に個々のスリット２６を通過する。 この結果、Ａ相電気信号３８はＢ相電気信号３９に比べ
てπ／４だけ遅相となる。

【００１７】さらに、固定のＺ相スポット３３に対して
エンコーダ板の基準スリット２７が通過した時、対応す
る受光面３７はパルスからなるＺ相電気信号４０を出力
する。このパルスを検出する事によりエンコーダ板の基
準位置を検知できる。検出された基準位置と変位量から
、エンコーダ板の絶対変位量が算出できる。

【００１８】図５に、干渉縞と空間格子と受光面との間
の配列構造に関し、変形例を示す。この例においては、
図３に示すプリズムの一方の分割面２３１から位相変調
部２３３が除去されており、プリズム２３は一方の分割
面２３１から出射する一方の光束と他方の分割面２３２
から出射する他方の光束との間で生じる単一の干渉縞４
１を交差領域に形成する。なお、Ｚ相スポットは図４に
示す例と同様に結像される。

【００１９】一方、空間格子は図４に示す例と異なり、
Ａ相スリット列４２とＢ相スリット列４３とに分けられ
ている。Ａ相スリット列４２とＢ相スリット列４３との
間には図示する様に１／４ピッチ間隔分の空間位相差が
設けられている。なお、基準スリット２７は図４と同様
である。

【００２０】又、フォトダイオード２８の受光面も図４
の例と同様に３分割されている。仮にエンコーダ板が固
定の干渉縞４１に対して右方向に相対的に変位したとす
ると、干渉縞４１のピークはまずＡ相スリット列４２の
スリットを透過し、１／４周期遅れて、Ｂ相スリット列
４３のスリットを通過する。従って、受光面３５はＡ相
電気信号３８を出力するとともに、受光面３６は１／４
周期分だけ遅相のＢ相電気信号３９を出力する。逆に、
エンコーダ板が左方向に変位する時には、Ａ相電気信号
３８とＢ相電気信号３９との間の位相関係が逆転する。 又、Ｚ相電気信号４０については、図４に示す例と同様
に出力される。

【００２１】次に図６を参照して、図３に示すフレネル
複プリズム２３の波動光学的な作用を詳細に説明する。 図示する様に、プリズム２３は傾斜角αで反対方向に傾
いた一対の分割面２３１及び２３２を有している。プリ
ズム２３に入射した平面波可干渉光は各分割面で各々屈
折され第１の光束５１と第２の光束５２を出射する。両
光束の光軸は交差角θで互いに交わっている。第１光束
５１のＡ相成分はその光軸方向に進行する第１波面を有
している。この第１波面は波長λを有し平行な実線で示
す様に山と谷が交互に配列されている。又、第２光束５
２もその光軸方向に沿って進行する第２波面を有してお
り、同様に波長λで山と谷が交互に配列している。両光
束は交差領域において互いに干渉し、山と山及び谷と谷
が強め合い、所定の周期Ｐを有するＡ相干渉縞３１を生
成する。一方、エンコーダ板に形成された空間格子２５
はこの周期Ｐに対応した間隔ピッチで配列されたスリッ
ト列を有しており、Ａ相干渉縞３１のピークを選択的に
透過する様になっている。

【００２２】第１光束５１の内、位相変調部２３３を通
過したＢ相成分は分割面２３１から直接出射されたＡ相
成分に対して１／４波長分の位相差を有している。この
Ｂ相成分は、平行点線で示す様にＡ相成分から位相のず
れた山と谷の配列からなる進行第１波面を有している。 第１光束５１のＢ相成分の第１波面と第２光束５２の第
２波面も互いに干渉し、山と山及び谷と谷が強めあう。 この結果、Ｂ相干渉縞３２が生成される。Ｂ相成分の波
面位相がＡ相成分の波面位相から１／４波長分ずれてい
る事に対応して、Ｂ相干渉縞３２はＡ相干渉縞３１から
１／４周期分ずれている。なお、Ａ相成分とＢ相成分の
位相差は一般的に、（ｍ＋１／４）λ分でよい。但し、
ｍは整数である。なお、理解を容易にする為に、本例に
おいては位相差を（１／４）λ分に設定しているが、必
ずしもこれに限られるものではなく適当な位相差を設定
する事ができる。

【００２３】図６に示す幾何学的な関係から明らかな様
に、交差角θは以下の数式１によって与えられる。

【数１】 又、フレネル複プリズム２３の屈折率Ｎは以下の数式２
によって与えられる。

【数２】 この数式２を傾斜角αについて整理すると以下の数式３
が得られる。

【数３】 具体的な例として、波長λが７８０ｎｍである可干渉光
を用いて周期Ｐが０．０１１ｍｍの干渉縞を形成する場
合には、数式１から計算される様に交差角θは２．０３
°となる。この交差角の数値とプリズム２３の屈折率の
数値例えばＮ＝１．５８を数式３に代入して計算すると
、プリズム２３の分割面の傾斜角αは３．４９°となる
。

【００２４】次に図７を参照して、本発明にかかる光学
式変位検出装置の他の実施例を説明する。この例は光学
分割部材としてフレネル複鏡を用いたものである。２光
線束干渉光学系は、レーザ光源６１とコリメータレンズ
６２とフレネル複鏡６３とから構成されている。フレネ
ル複鏡６３は互いに反対側に傾斜した一対の反射分割面
６４及び６５を有している。一方の分割反射面６４によ
り反射された光束は他方の反射分割面６５により反射さ
れた光束と所定の交差領域で干渉し合い干渉縞を生成す
る。この交差領域を横切って移動可能な様にロータリエ
ンコーダ板６６が配置されている。ロータリエンコーダ
板６６には干渉縞の周期に対応した間隔ピッチで配列さ
れたスリットからなる空間格子６７が形成されている。 エンコーダ板６６の裏面側には受光素子６８が配置され
ている。図から明らかな様に、フレネル複鏡６３を用い
た場合には、レーザ光源６１と受光素子６８を同一直線
上に配列する必要がないので、レーザロータリエンコー
ダを薄型化する事ができる。

【００２５】図８は本発明のさらに他の実施例を示す模
式図であり、反射型のレーザリニヤエンコーダを表わし
ている。この例においては、２光線束干渉光学系は、レ
ーザ光源７１とコリメータレンズ７２とロイド鏡７３と
から構成されている。このロイド鏡７３はコリメータレ
ンズ７２の光軸に対して傾斜して配置された平面鏡から
なり、コリメータレンズ７２から出射した平行可干渉光
の一部分のみを反射する。従って、反射光束と、反射せ
ずにそのまま通過した光束とは互いに交差し交差領域に
おいて干渉縞を生成する。この交差領域を横切る様にリ
ニヤエンコーダ板７４が配置されている。このリニヤエ
ンコーダ板７４はロータリエンコーダ板と異なり矢印で
示す様に直線方向に移動可能となっており直線変位を検
出する為のものである。エンコーダ板７４の表面には、
干渉縞の周期に対応したピッチ間隔で配列された光反射
条からなる反射型の空間格子が形成されている。さらに
、反射光軸の延長上に受光素子７５が配置されている。 図から明らかな様に、反射型のエンコーダ板７４に関し
、入射光軸と反射光軸は互いに傾いている。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明から明らかな様に、本発明に
よれば、２光線束干渉光学系を用いて干渉縞を生成する
とともに、この干渉縞を変位部材に照射し受光素子で直
接受光する様にしている。従って、変位部材と受光素子
との間に何ら固定マスク板等を介在させる必要がないの
で、光学式変位検出装置の構造を小形化し且つ単純化す
る事ができるという効果がある。固定マスク板などを用
いないので、従来例に述べた様な固定マスクに起因する
様々な不具合を解消できるという効果がある。又、２光
線束干渉光学系により生成された干渉縞は光軸方向の広
い範囲に渡って一定のコントラスト及び周期を有してお
り、変位部材の位置が外乱等により光軸方向に変動して
も検出誤差の原因となるノイズが発生しないという効果
がある。さらには、固定マスクを介在させていないので
入射光の損失が少なく高感度の光学的変位検出を行なう
事ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる光学式変位検出装置の基本的構
成を示す模式図である。

【図２】本発明をレーザロータリエンコーダに応用した
一実施例を示す模式的斜視図である。

【図３】図２に示すレーザロータリエンコーダに用いら
れるフレネル複プリズムの詳細な構成を表わす模式的斜
視図である。

【図４】図２に示すレーザロータリエンコーダの動作を
説明する為の模式図である。

【図５】図２に示すレーザロータリエンコーダの変形例
の動作を説明する為の模式図である。

【図６】図３に示すフレネル複プリズムの波動光学的な
作用を説明する為の模式図である。

【図７】本発明を適用した透過型レーザロータリエンコ
ーダの他の実施例を示す模式図である。

【図８】本発明を反射型レーザリニヤエンコーダに適用
した実施例を示す模式図である。

【符号の説明】

１　　　　干渉縞 ２　　　　干渉光学系 ３　　　　変位部材 ４　　　　空間格子 ５　　　　受光素子 ７　　　　光束 ８　　　　光束 ９　　　　光学分割部材 １１　　レーザ光源

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　所定の周期を有する干渉縞を生成する
   為の干渉光学系と、該周期に対応したピッチ間隔を有す
   る空間格子が形成されており干渉縞を横切る様に変位す
   る変位部材と、該空間格子を介して干渉縞を受光し変位
   部材の変位を検出する為の受光素子とから構成される光
   学式変位検出装置。
2. 【請求項２】　　該干渉光学系は、可干渉光を互いに所
   定の角度で交差する二本の光軸に沿って二本の光束に分
   割し交差領域に干渉縞を生成する為の光学分割部材を有
   している請求項１に記載の光学式変位検出装置。
3. 【請求項３】　　該光学分割部材は、フレネル複プリズ
   ム、フレネル複鏡又はロイド鏡から構成される請求項２
   に記載の光学式変位検出装置。
4. 【請求項４】　　該光学分割部材は、一方の光束を互い
   に波面位相のずれたＡ相成分とＢ相成分に分ける為の位
   相変調部を有しており、他方の光束及び一方の光束のＡ
   相成分の組により生じるＡ相干渉縞と同じく他方の光束
   及び一方の光束のＢ相成分の組により生じるＢ相干渉縞
   との間に周期位相差を与える事により、変位部材の変位
   方向の検出を可能とする請求項２に記載の光学式変位検
   出装置。
5. 【請求項５】　　該位相変調部は、Ａ相成分とＢ相成分
   との間にｍ±１／４波長分の波面位相差（但しｍは整数
   ）を与える請求項４に記載の光学式変位検出装置。
6. 【請求項６】　　該干渉光学系は、可干渉光を放射する
   為の光源と、該可干渉光を部分的に集光してＺ相成分か
   らなる固定スポットを変位部材上に結像しその基準位置
   を検出する為の集光部材とを有している請求項１に記載
   の光学式変位検出装置。
7. 【請求項７】　　該変位部材は、その変位方向に沿って
   空間位相が互いにずれて配列されたＡ相空間格子とＢ相
   空間格子とを有しており、変位部材の変位方向を検出可
   能にした請求項１に記載の光学式変位検出装置。
8. 【請求項８】　　該変位部材は、所定のピッチ間隔で配
   列されたスリットからなる透過型の空間格子を有してい
   る請求項１に記載の光学式変位検出装置。
9. 【請求項９】　　該変位部材は、所定のピッチ間隔で配
   列された光反射条からなる反射型の空間格子を有してい
   る請求項１に記載の光学式変位検出装置。