JPH03130617A - 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〕 本発明は光源と受光素子の間にエンコーダ板を配置した
構成からなる光学式変位検出装置に関し、特にエンコー
ダ板の基準位置検出技術に関する。

〔従来の技術〕

従来から可動部品の変位を非接触で検出する為に種々の
形式の光学式エンコーダが知られている。

たとえば特開昭６３−４７６１６号公報には、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
学式エンコーダが開示されている。点光源による回折像
を用いると、エンコーダ板上に形成された一次元回折格
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。又この場合の回折像は光源と回折格子、回折格子と
受光素子との距離の比率により拡大する事が可能で、回
折格子の微小な移動量を拡大光学系なしで簡単に検出す
る事ができる。この事を利用して、半導体レーザと数節
ピッチの一次元回折格子を用いて高性能且つ高分解能の
レーザエンコーダが得られる。

第５図はレーザエンコーダの原理を説明する為の模式図
である。半導体レーザからなる点光源Ｏからは波長λの
コヒーレントな入射光束が放出される。点光源Ｏの前方
距離りの所には矢印で示す様に双方向に移動可能なエン
コーダ板が配置されている。このエンコーダ板上にはピ
ッチＴを有する一次元回折格子が形成されている。この
移動するエンコーダ板をコヒーレントな入射光束で照射
すると一次元回折格子の前方距離Ｍの所に干渉ノ々タン
が結像される。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かけ上
回折格子の拡大投影像であり回折格子の移動に応じて変
位する。ところで鮮明な干渉パタンを得る為には、いわ
ゆるフレネル回折理論に従って次の関係式を満たす必要
がある。

ＭＬλ　　　　　　　　Ｈ この関係式を満たす様にレーザエンコーダの各パラメー
タＬ、　Ｍ、　　λ及びＴを設定する事により鮮明度の
大きな干渉パタンか得られる。干渉パタンの空間周期即
ち縞間隔Ｐに対応する空間周期を有する空間フィルター
を介して一次元回折格子からの出射光束を受光し交流検
出信号に変換する事によりエンコーダ板の変位情報を得
る事ができる。

即ち交流検出信号の周波数はエンコーダ板の変位速度を
表わし波の数は変位量を表わす。

第５図に示す様に、エンコーダ板上にはその基準位置に
対応して基準スリットＳが形成されている。エンコーダ
板の移動に伴って基準スリットＳが共通の点光源Ｏから
放射される入射光束を横切ると、基準スリットの前方に
光スポットが形成される。この光スポツト位置に受光素
子を配置し基準スリットから射出される出射光束を受光
検出する事によりエンコーダ板の基準位置情報を得る事
ができる。この様に、レーザエンコーダは移動する干渉
パタンの有する変位情報及び光スポットの有する基準位
置情報の両者に基づいて、エンコーダ板の絶体移動量を
検出するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、光源として用いられる半導体レーザには放射
されるコヒーレントな光束の波長λに温度依存性があり
必ずしも一定ではない。たとえば市販される半導体レー
ザを用いると一度あたり０．２ないし０．２６ｎｍ程度
波長が変動する。上述した関係式から明らかな様に、エ
ンコーダ板に照射される入射光束の波長λが変動すると
鮮明な干渉パタンか得られなくなり干渉パタンのピーク
強度が低下する。同様に、例えばホログラフィックレン
ズ格子により基準位置スリットを形成する場合、光スポ
ットのピーク強度も低下する。第６図はピーク強度の温
度依存性を表わしたグラフである。

縦軸にピーク強度のト目対値を示し、横軸に基準温度か
らの温度差ΔＴを示す。図示する様に温度変化が大きく
なればなるほど、ピーク強度は低下する。ただしピーク
位置はほとんど変動しない。

干渉パタンについては、そのピーク強度が変動しても、
それほど検出精度に悪影響を与える事はない。干渉パタ
ンを受光検出して得られる交流検出信号はたとえ干渉パ
タンのピーク強度が変動しても、周波数成分は保存され
るからである。しかしながら、エンコーダ板の基準位置
情報を与える光スポットのピーク強度が変動すると、基
準位置検出に重大な悪影響を及ぼし誤検出の原因ともな
る。従来、光スポットを受光検出してパルスを得ていた
。パルスの電圧レベルを所定の基準電圧レベルと比較す
る事によりエンコーダ板の基準位置を検出していた。光
スポットのピーク強度が低下するとパルスの電圧レベル
も低下し、一定の基準電圧レベル以下になった場合には
基準位置の検出が不可能になるという問題点があった。

〔問題点を解決する為の手段〕

本発明は上述した従来のレーザエンコーダの問題点に鑑
み、入射光束の波長が変動しても基準位置の誤検出が生
じない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。

その為に本発明にかかる光学式変位検出装置は、入射光
束を生成する為の固定光源と、入射光束を横切る様に移
動するエンコーダ板と、エンコーダ板の基準位置に形成
され該基準位置が入射光束を通過する毎に出射光束を射
出する為の基準光学要素と、出射光束を遮る様に配置さ
れ且つ広狭異なった有効開口幅を有する一対の広幅スリ
ット及び狭幅スリットが形成されたマスク板と、広幅ス
リットを介して出射光束を受光し広いパルス幅を有する
参照パルス信号を出力する一方の受光素子と、狭幅スリ
ットを介して出射光束を同時に受光し狭いパルス幅を有
する検出パルス信号を出力する他方の受光素子と、参照
パルス信号に対して検出パルス信号を比較評価する串に
より基準パルス信号を出力しエンコーダ板基県位置の通
過を検出する為の検出回路とから構成されている。

好ましくは該検出回路は参照パルス信号を所定の基準レ
ベルに対して比較する事によりゲートパルス信号を形成
する比較回路と、ゲートパルス信号に応答して基準パル
ス信号を出力するゲート回路とを含んでいる。

さらに好ましくは固定光源はコヒーレントな入射光線を
放射する半導体レーザからなり、基準光学要素はコヒー
レントな入射光束を回折し出射光束を光スポットに結像
する為のホログラフィックレンズ格子から構成されてい
る。加えてエンコーダ板はその移動方向に沿って形成さ
れた一次元回折格子を何し、この一次元回折格子はコヒ
ーレントな入射光束を回折して出射光束を移動する干渉
パタンに結像する作用をａする。干渉パタンのピッチに
対応した空間周波数を有する空間フィルターが配置され
ており、空間フィルターを介して出射光束を受光し対応
する交流検出信号を出力する受光素子と、交流検出信号
を処理してエンコーダ板の変位を表わす変位信号を出力
する回路とを備えている。

〔作　　用〕

本発明によれば、基準光学要素から射出された出射光束
により形成された光スポットは同時且つ分割的に広幅ス
リット及び狭幅スリットを介して受光検出され対応する
参照パルス信号及び検出パルス信号を得ている。参照パ
ルス及び検出パルスは互いに重なった状態で出力され、
且つ参照パルスは検出パルスに比べて大きなパルス幅を
有している。従って、参照パルス幅内に、検出パルスが
存在する関係となる。光スポットの強度変化に対応して
、参照パルス及び検出パルスの電圧レベル即ちパルス高
さは変動するが、両者のパルス高さの相対的関係は保存
される。従って、参照パルスに対して検出パルスを比較
評価する事により基準パルス信号をパルス高さの変動に
かかわらず安定して出力する事ができ、エンコーダ板基
準位置の通過を検出できる。基準パルスは参照パルスに
比べて狭いパルス幅を有する為、高分解能でエンコーダ
板基準位置を決定する事ができるのである。

この様に本発明によれば、細体的な参照レベルに基づい
て検出パルスを評価するのではなく、光スポットの強度
変化に応じて変動する参照レベルを用いて検出パルスを
評価するので結果的に光スポットの強度変化の影響を受
ける事がない。

〔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。第１図は本発明にかかる光学式変位装置をレー
ザロータリーエンコーダに適用した実施例を示す斜視図
である。レーザロータリーエンコーダは固定光源１を有
する。固定光源１は例えば半導体レーザからなりコヒー
レントな入射光束を生成する。但しその波長は温度変化
その他の要因により変動するものである。固定光源１の
前方にはロータリーエンコーダ板２が配置されている。

矢印で示す様にエンコーダ板２は入射光束を横切る様に
双方向に回転移動可能である。エンコーダ板２の内周部
全域に亘って輪状に一次元回折格子３が形成されている
。一次元回折格子３はエンコーダ板２の移動方向に沿っ
て形成されており、コヒーレントな入射光束を回折して
前方所定位置に干渉パタンを結像する。この干渉パタン
はエンコーダ板２の移動に応答して変位する一次元回折
格子３の拡大映像である。エンコーダ板２の基準位置に
は基準光学要素が形成されている。本実施例においては
基準光学要素は一次元回折格子３に隣接して配置された
ホログラフィックレンズ格子４からなる。ホログラフィ
ックレンズ格子４は複数の同心円状のスリットからなり
入射光束を通過する毎に出射光束を射出し前方所定位置
に光スポットを結像する。ホログラフィックレンズ格子
４のスリットピッチを予め適当に設定する１ｆにより入
射光束を回折し干渉により極めて鋭いピークを持つ光ス
ポットを形成する事ができる。光スポットの結像面は干
渉パタンの結像面と同一面上にある。この様にホログラ
フィックレンズ格子４は光束の回折及び干渉を利用して
いるので、一次元回折格子３と同様に入射光束の波長依
存性があり、波長の変動に伴って光スポットのピーク強
度も変動する。

干渉パタン及び光スポットの結像面にはマスク板５が配
置されている。マスク板５には干渉パタンのピッチに対
応した空間周期を有する複数の空間フィルター６が形成
されている。又光スポットの結像位置には広狭具った有
効開口幅を有する一対の広幅スリット７Ｃ及び狭幅スリ
ット７Ｄが形成されている。広幅スリット７Ｃ及び狭幅
スリット７Ｄは互いに隣接して配置されており先スポッ
トを同時且つ分割的に透過する事ができる。

マスク板５の前方には近接して複数の受光素子８が対向
的に配置されている。複数の受光素子８には、広幅スリ
ット７Ｃを介して出射光束を受光し広いパルス幅を有す
る参照パルス信号を出力する受光素子と、狭幅スリット
７Ｄを介して出射光束を受光し狭いパルス幅を有する検
出パルス信号を出力する受光素子を含む。加えて複数の
空間フィルター６を介して出ＪＪ光束を受光し対応する
交流検出信号を出力する受光素子も含む。複数の受光素
子８は検出回路９に内蔵されており、検出回路９は参照
パルス信号に対して検出パルス信号を比較評価する事に
より基準パルス信号を出力するとともに、交流検出信号
を処理してエンコーダ板２の変位を表わす変位信号も出
力する。

第２図は第１図に示すマスク板５と受光素子８の対応関
係を示す模式図である。図示する様に、エンコーダ板の
基準位置を表わす光スポットはホログラフィックレンズ
格子の集光作用により極めて鋭いピーク強度を有する。

又その光スポツト形状はエンコーダ板の移動方向に対し
ては狭い幅を有するが直交方向に対しては延長された扁
平形状を有し、広幅スリット７Ｃ及び狭幅スリット７Ｄ
の長平方向をカバーする事ができる。狭幅スリット７Ｄ
は高分解能でエンコーダ板の基準位置を検出する為極め
て狭いスリット幅を有し、光スポットの結像位置に正確
に対応している。又広幅スリット７Ｃは参照信号を得る
事を目的としているので広いスリット幅を有する。広幅
スリット７Ｃの背後には受光索子８Ｃが配置されており
、狭幅スリット７Ｄの背後には別の受光素子８Ｄが配置
されている。一対の受光素子８Ｃ及び８Ｄは各々広幅ス
リット７Ｃ及び狭幅スリット７Ｄに対応して配置されて
いる為、光スポットを同時的且つほぼ等分割的に受光検
出する事ができる。受光素子８Ｃは広幅スリット７Ｃを
介して出射光束を受光する為広いパルス幅を有する参照
パルス信号を出力し、受光索子８Ｄは狭幅スリット７Ｄ
を介して出射光束を受光するので狭いパルス幅を有する
検出パルス信号を出力する。これら参照パルス信号及び
検出パルス信号は同時的に出力され且つ参照パルスは検
出パルスを覆う形となる。

−万一次元回折格子によって形成される干渉パタンは連
続するピークを有し矢印で示す様に双方向に移動する。

干渉パタンの移動方向に沿って一対の空間フィルター６
Ａ及び６人が配置されている。これら空間フィルターの
空間周期は干渉パタンのピッチに対応しており、フィル
ター６Ａとフィルター６人は互いに１８０’の位相差を
有する。

又空間フィルター６Ａ及び６人と並列する形で一対の空
間フィルター６Ｂ及び６Ｂが配置されている。これら空
間フィルターも干渉パタンのピッチに対応する空間周期
を有し、且つ空間フィルター６Ｂと空間フィルター６Ｂ
は互いに１８０＠の位相差を有する。さらに一対の空間
フィルター６Ａ。

６人と他の一対の空間フィルター６Ｂ、６ｍは互いに９
０°の位相差を有する。９０°の位相差を設けたのは干
渉パタンの移動方向を検出する為である。

これら４個の空間フィルター６Ａ、６Ｘ、６Ｂ及び６Ｂ
に対応して４個の受光素子８Ａ、８Ａ。

８Ｂ及び８Ｂがそれぞれ配置されている。

第３図は検出回路９の詳細な回路構成を示すブロック図
である。図示する様に、受光素子８Ｂには増幅器Ａ１が
接続され、受光素子８Ｂには増幅器Ａ２が接続され、受
光素子８Ａには増幅器Ａ３が接続され、受光素子８Ａに
は増幅器４Ａが接続されている。さらに受光素子８Ｄに
は増幅器Ａ５が接続されており、受光素子８Ｃには可変
抵抗ＶＲＩにより増幅率を調節する事のできる増幅器Ａ
６が接続されている。増幅器Ａ１及びＡ２の出力端には
比較器Ｃ１が接続されており、増幅器Ａ３及びＡ４の出
力端には比較器Ｃ２が接続されている。増幅器Ａ４及び
Ａ５の出力端には可変抵抗ＶＲ２によって入力レベルが
調節可能な差動増幅器Ａ７が接続されており、増幅器Ａ
４及びＡ６の出力端には同様にして可変抵抗ＶＲ３によ
って入力レベルが調節可能な差動増幅器Ａ８が接続され
ている。さらに増幅器Ａ７及びＡ８の出力端には比較器
Ｃ３が接続されており、増幅器Ａ８の出力端には比較Ｗ
Ｃ４も接続されている。比較器Ｃ４は基準電圧レベルＶ
ＲＰ、Ｆに基づいて比較動作を行なう。最後に比較器Ｃ
３及びＣ４の出力端にはアンドゲートからなるゲート回
路Ｇが接続されている。

第４図は第３図に示す回路に表われる種々の信号波形を
示した波形図である。第４図を参照して本発明にかかる
レーザエンコーダの動作を説明する。図示する様に、受
光索子８ＡはＡ相交流検出信号を出力し、受光素子８人
は１８０’の位相差を有する逆相の入相交流検出信号を
出力する。この位相差は空間フィルター６Ａ及び６への
空間位相差に対応している。同様にして受光素子８Ｂは
ｎ相交流検出信号を出力し、受光素子８Ｂは逆相のｎ相
交流検出信号を出力する。さらに、受光素子８Ｃは参照
パルス信号を出力する。参照パルス信号は幅の広い参照
パルスの他に干渉パタンに起因するノイズ成分を含んで
いる。受光素子８Ｄは検出パルス信号を出力し狭い幅の
検出パルスを有するとともに同様にノイズ成分を含んで
いる。参照パルスと検出パルスは互いにそのピーク位置
が一致しており、且つ光スポットを等分割的に受光検出
する結果互いに略等しいパルス高さを有している。しか
しながら参照パルスの幅は検出パルスの幅に比べて広い
。

Ａ相交流検出信号及び人相交流検出信号は増幅器Ａ３及
びＡ４によって各々増幅された後、比較器Ｃ２によって
互いに比較されＡ相変位信号を出力する。Ａ相変位信号
は矩形のパルス列からなりそのパルス個数によりエンコ
ーダ板の移動量を知る事ができる。同様にしてｎ相交流
検出信号及びｎ相交流検出信号は増幅器Ａ１及びＡ２に
よって各々増幅された後比較器Ｃ１によって互いに比較
されＢ相変色信号を出力する。Ｂ相変色信号も同様に矩
形パルス列からなる。しかしながら１対の空間フィルタ
ー６Ａ、６λと他の一対の空間フィルター６Ｂ、６Ｂが
有する９０°の空間位相差に対応して、Ｂ相変色信号は
人相変位信号に対して９０°の°位相差を有する。この
位相差はエンコーダ板の移動方向に応じて進相もしくは
遅相であり人相変位信号とＢ相変色信号の相対的位相関
係によりエンコーダ板の移動方向を知る事ができる。

検出パルス信号は増幅器Ａ５によって増幅された後、差
動増幅器Ａ７によってノイズ成分を除去され波形整形さ
れた検出パルスとして出力される。

又参照パルス信号は可変増幅器Ａ６によって増幅された
後差動増幅器Ａ８によってノイズ成分を除去され波形整
形された参照パルスを出力する。この際可変増幅器Ａ６
の増幅率は増幅器Ａ５の増幅率に比べて小さく設定され
ており、その結果増幅器Ａ８の出力である整形参照パル
スは増幅ＷＡ７の出力である整形検出パルスに比べて相
対的に低い電圧レベルを有する。この結果、整形参照パ
ルスは直接的に整形検出パルスを比較評価する為の参照
電圧レベルとして用いる事ができる。即ち、比較器Ｃ３
は整形検出パルス及び整形参照パルスを直接入力し両者
を比較する事によって基準パルス信号を出力する事がで
きるのである。

しかしながら図示する様に、比較器Ｃ３の出力波形は必
ずしも基準パルス信号のみを含むものではなく、不定な
ノイズ成分を出力する可能性もある。即ちエンコーダ板
が回転していない状態あるいはエンコーダ板の基準位置
が入射光束を通過しない時間状態においては増幅器Ａ７
及びＡ８の出力は不安定な状態にあり従って比較器Ｃ３
の動作も不安定な状態に陥る。この結果比較器Ｃ３は外
乱等によりノイズパルスを出力してしまう可能性がある
。この様な比較器Ｃ３の動作における不安定要因を除去
する為に、本実施例においては、増幅器Ａ８の出力信号
を比較器Ｃ４により所定の基準電圧レベルＶＲＥＰと比
較してゲートパルス信号を作る様にしている。このゲー
トパルス信号は図示する様に比較的幅の広い矩形パルス
から構成されている。そしてこのゲートパルス信号に応
答してゲート回路Ｇを開く事により基準パルス信号のみ
が選択的に出力され最終的なＺ相信号となるのである。

最後に、図示しないがコンピュータ等によりＡ相変位信
号、Ｂ相変色信号及びＺ相信号を演算処理する事により
エンコーダ板の給体回転量及び回転方向等の情報を得る
事ができる。

上述した実施例はレーザロータリーエンコーダに関する
ものであったが、本発明はこれに限られるものではなく
レーザリニアエンコーダーにも適用できるものである。

又本実施例においては光源としてコヒーレントな光束を
放射する半導体レーザを用い一次元回折格子の回折を利
用しているが、例えば発光ダイオード、スリット板及び
受光素子の組合せからなる光学式変位検出装置にも適用
可能である。さらに広幅スリットは本実施例で示した様
に単一のスリットから構成できる他、並列された複数の
狭幅スリットの集合として構成する事もできる。本実施
例においては単一のホログラフィックレンズ格子を基準
光学要素として用いたが、広幅スリット及び狭幅スリッ
トに別々に光スポットを結像する為に１対の近接したホ
ログラフィックレンズ格子を用いても良い。あるいは、
単一のホログラフィックレンズ格子とマスク板の間に複
屈折を起す光学要素を配置して光スポットを分割して結
像させ各々対応する受光素子８Ｃ及び８Ｄで受光検出し
ても良い。さらに、ホログラフィックレンズ格子とマス
ク板の間にシリンドリカルレンズや光軸に対して傾斜さ
せた平行平板を配置し、光スポットに対してエンコーダ
板の移動方向に直交する方向に収差を与え光スポツト形
状を扁平にしても良い。最後に、本実施例においては基
準光学要素としてホログラフィックレンズ格子を用いた
が、これに限るものではなく例えば単一のスリットによ
り構成する事もできる。

〔発明の効果〕

上述した様に、本発明によれば、エンコーダ板の基準位
置を表わす光スポットの強度が入射光束の波長の変動に
より変化しても、安定して先スポットを検出する事が可
能であり、その結果常に誤動作なくエンコーダ板の基準
位置を検出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図はレーザロータリーエンコーダの構成を示す模式
図、第２図はレーザロータリーエンコーダに用いられる
マスク板と受光素子の配置関係を示す模式図、第３図は
レーザロータリーエンコーダの検出回路の詳細な回路ブ
ロック図、第４図はレーザロータリーエンコーダの検出
回路の動作を説明する為の波形図、第５図は点光源回折
を用いた光学式変位検出装置の動作原理を説明する為の
模式図、及び第６図は第５図に示す干渉パタン及び光ス
ポットのピーク強度の入射光束波長依存性を示す為のグ
ラフである。 １・・・固定光源　　　　　　２・・・エンコーダ板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、入射光束を生成する為の固定光源と、入射光束を横
   切る様に移動するエンコーダ板と、エンコーダ板の基準
   位置に形成され該基準位置が入射光束を通過する毎に出
   射光束を射出する為の基準光学要素と、出射光束を遮る
   様に配置され且つ広狭異なった有効開口幅を有する一対
   の広幅スリット及び狭幅スリットが形成されたマスク板
   と、広幅スリットを介して出射光束を受光し広いパルス
   幅を有する参照パルス信号を出力する一方の受光素子と
   、狭幅スリットを介して出射光束を同時に受光し狭いパ
   ルス幅を有する検出パルス信号を出力する他方の受光素
   子と、参照パルス信号に対して検出パルス信号を比較評
   価する事により基準パルス信号を出力しエンコーダ板基
   準位置の通過を検出する為の検出回路とからなる光学式
   検出装置。 ２、該検出回路は、参照パルス信号を所定の基準レベル
   に対して比較する事によりゲートパルス信号を形成する
   比較回路と、ゲートパルス信号に応答して基準パルス信
   号を出力するゲート回路とを含む請求項１に記載の光学
   式検出装置。 ３、該広幅スリットは、並列された複数の狭幅スリット
   の集合からなる請求項１に記載の光学式検出装置。 ４、該固定光源はコヒーレントな入射光線を放射する光
   源からなり、該基準光学要素はコヒーレントな入射光束
   を回折し出射光束を光スポットに結像する為のホログラ
   フィックレンズ格子からなる請求項１に記載の光学式検
   出装置。 ５、該エンコーダ板はその移動方向に沿って形成された
   一次元回折格子を有し、該一次元回折格子はコヒーレン
   トな入射光束を回折して出射光束を移動する干渉パタン
   に結像するとともに、該干渉パタンのピッチに対応した
   空間周期を有する空間フィルターと、該空間フィルター
   を介して出射光束を受光し対応する交流検出信号を出力
   する受光素子と、該交流検出信号を処理してエンコーダ
   板の変位を表わす変位信号を出力する回路とを備えてい
   る請求項４に記載の光学式検出装置。 ６、該基準光学要素は、入射光束を透過する為のスリッ
   トから構成されている請求項１に記載の光学式検出装置
   。