JP2000292207A - 光学式変位センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 分解能および精度を向上させる。 【解決手段】 発光素子１から放射された光は、コリメ
ータレンズ２により平行光に整形された後、エバネッセ
ント波生成用プリズム３に入射し、エバネッセント波生
成用プリズム３の先端部３ａからエバネッセント波９と
して滲み出る。滲み出たエバネッセント波９は、矢印Ａ
の方向に移動可能な相対移動体４の上面に配された遮光
マスク６の窓部８のうちの、先端部３ａの真下にきた窓
部８に入射する。各窓部８の開口幅は発光素子１から放
射された光の波長よりも短い。窓部８に入射したエバネ
ッセント波９は伝播光に変換されて、相対移動体４の下
方に設けられた集光用レンズ７で集光された後、受光素
子５へと入射する。窓部８の１ピッチ分だけ相対移動体
４が矢印Ａの方向へ移動すると、受光素子５からは１周
期の疑似正弦波信号が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体に光を照射
し、その透過、反射光の情報を利用する光学式変位セン
サに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より光を照射してその反射光や透過
光を受光することで、反射もしくは透過する物体の情報
を求める方法が、光ピックアップや、光測定装置に幅広
く利用されている。今日これらの光学測定器等は小型
化、高精度化が要求されてきている。

【０００３】上述の、光を利用した検出装置の分野にお
いて小型化に有効な技術が以下のように開示されてい
る。

【０００４】まず、従来の光学式エンコーダとして、実
開平１−１８０６１５号公報に開示されている光学式エ
ンコーダの模式図を図３に、また、同公報に開示されて
いる別の光学式エンコーダの模式図を図４に、それぞれ
示す。

【０００５】図３に示した光学式エンコーダの場合、発
光素子２０から照射された光束がスリットアレイ２４及
びスリットアレイ２２を通過して線状光線アレイにされ
た後、格子と受光素子を一体にしたアレイ状受光素子３
２に入射することで、回折効果的結像関係による格子像
を検出するものである。

【０００６】また、図４に示した光学式エンコーダの場
合、発光素子４２から照射された光束はスリットアレイ
４６Ａにより線状光線アレイにされ、スケール４０上の
格子に照射されると、そこから反射される光束によりイ
ンデックス格子４４上にスケールの格子が投影され、両
者の幾何学的重なり合いにより受光素子４８へ透過入射
する光量が変調され、図３に示した従来の光学式エンコ
ーダと同様に、回折効果的結像関係による格子像を検出
するものである。

【０００７】次に、特開昭６２−１２１３１４号公報に
開示されている光学式エンコーダの正面模式図を図５
（ａ）に、また、側面模式図を図５（ｂ）に、それぞれ
示す。

【０００８】発光素子Ｌから射出された光束はレンズ５
２により平行光束にされインデックススケールＡ上の格
子ＧＫ（Ａ）に照射されると回折され、３方向に射出方
向の光束が生じ、インデックススケールＢの格子ＧＫ
（Ｂ）にてそれぞれの光束が回折されて相対移動による
位相変調を受けインデックススケールＡ上の格子ＧＫ
（Ａ）に戻されて、インデックス格子による回折により
３組の干渉光束が異なる方向に設けられた受光素子５３
へ入射される構成が示されている。このように小型化光
分解能を両立させている。

【０００９】また、図６に特開平３−２７９８１２号公
報に開示されている光学式エンコーダの公知例を示す。

【００１０】レーザダイオード１００から供給されるコ
ヒーレントな光束は、コリメートレンズ１０２により平
行光Ｌとなり透過スケール１０３に入射し、その後、回
折格子１３０により回折光Ｌ（−１）、Ｌ（０）、Ｌ
（１）が生成される。次に、各回折光は、反射型移動ス
ケール１０４の回折格子１４０で反射して図６に示すよ
うに、回折光Ｌ（−１、１）、Ｌ（０、−１）、Ｌ
（０、１）、Ｌ（１、−１）となった後、透過スケール
１０３の回折格子３１ａ、３１ｂで交差し、干渉光
Ｉ _A、Ｉ_Bを生じる。干渉光Ｉ_A、Ｉ_Bは検出器１０５ａ、
１０５ｂにそれぞれ光電的に検出され、反射型移動スケ
ール１０４の移動量に応じた正弦波状の出力信号Ｓ _A、
Ｓ_Bを出力する。そして、出力信号Ｓ_A、Ｓ_Bのずれに基
づいて反射型移動スケール１０４の移動量が検出され
る。

【００１１】本公知例も光学式エンコーダを高精度で簡
易小型化するためには有効な例である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
においては、基準となるスケール部に設けられる目盛り
が使用する光の波長以上となるため、生出力として得ら
れる信号の分解能や精度を使用波長のオーダよりも高め
ることは困難であった。

【００１３】そこで、本発明は、分解能および精度の向
上した光学式変位センサを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の光学式変位センサは、光を放射する光源と、
前記光源から放射された光を所定の光学特性に整える光
学系と、前記光学系により所定の光学特性に整えられた
光をエバネッセント波に変換する変換手段と、前記エバ
ネッセント波が入射し、入射した前記エバネッセント波
を伝播光に変換する複数の窓部が形成され、前記光源に
対して相対的に移動する遮光マスクと、前記窓部より放
射された前記伝播光を受光する受光部と、を有する。

【００１５】上記の通り構成された本発明の光学式変位
センサは、光源から放射された光をエバネッセント波に
変換してから窓部に入射させるため、光の波長に制約さ
れずに窓部の開口幅を決めることができる。

【００１６】また、本発明においては、窓部の開口幅が
光源から放射された光の波長よりも短いものであっても
よいし、遮光マスクの移動は略直線移動であり、複数の
窓部は略直線移動の方向に対して平行に配列されている
ものであってもよいし、遮光マスクは回転ディスクであ
り、複数の窓部は回転ディスクの周上に配列されている
ものであってもよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１（ａ）お
よび図１（ｂ）に本実施形態の光学式変位センサの概略
構成を示す、正面図および外観斜視図をそれぞれ示す。

【００１８】本実施形態の光学式変位センサは、光源で
ある発光素子１と、発光素子１から放射された光を平行
光に整形するコリメータレンズ２と、コリメータレンズ
２により整形された平行光よりエバネッセント波を生成
するエバネッセント波生成用プリズム３と、矢印Ａ方向
に複数の窓部８が配列された遮光マスク６と、遮光マス
ク６を上面に載置し、矢印Ａ方向に移動可能な相対移動
体４と、相対移動体４の下方に配された集光用レンズ７
と、受光素子５とを有する。

【００１９】次に、発光素子１から放射された光が受光
素子５に入射するまでの一連について説明する。

【００２０】まず、発光素子１から放射された光は、コ
リメータレンズ２により平行光に整形された後、エバネ
ッセント波生成用プリズム３に入射し、エバネッセント
波生成用プリズム３の先端部３ａからエバネッセント波
９として滲み出る。次に、この滲み出たエバネッセント
波９は、遮光マスク６の窓部８のうちの１つで、先端部
３ａの真下にきた窓部８に入射する。各窓部８の開口幅
は発光素子１から放射された光の波長よりも短い。

【００２１】ところで、このエバネッセント波９の波長
は光の波長以下の非伝播光であり、先端部３ａから離れ
るとその強度は指数関数的に減少するため、先端部３ａ
のごく近傍にしか存在しない。このため、先端部３ａと
窓部８とはエバネッセント波９の存在し得る領域内にま
で近づけられている。

【００２２】窓部８に入射したエバネッセント波９は伝
播光に変換されて、相対移動体４の下方に設けられた集
光用レンズ７で集光された後、受光素子５へと入射す
る。

【００２３】上述のようにして、発光素子１からの放射
光がエバネッセント波９に一旦変換されてから受光素子
５へと入射される際、窓部８の１ピッチ分だけ相対移動
体４が矢印Ａの方向へ移動すると、受光素子５からは１
周期の疑似正弦波信号が得られる。

【００２４】以上説明したように本実施形態の光学式変
位センサによれば、発光素子１からの放射光をエバネッ
セント波生成用プリズム３によりエバネッセント波９に
変換することで、窓部８の開口幅を発光素子１からの放
射光の波長に制限されることなく短くできるため、エン
コーダの生波形の分解能および精度を向上させることが
できる。

【００２５】また、本実施形態は上述したように構成が
非常に簡単であるため、従来の高精度のエンコーダに見
られた取付け上の姿勢や位置合わせの困難性が解消され
るとともに、さらなる小型化を図ることができる。

【００２６】さらに、干渉方式のエンコーダや測長器と
異なり、干渉光束間の光路長差による測定誤差を排除で
きる。

【００２７】（第２の実施形態）次に、図２（ａ）およ
び図２（ｂ）に本発明の第２の実施形態の光学式変位セ
ンサの概略構成を示す、正面図および外観斜視図をそれ
ぞれ示す。

【００２８】本実施形態では、図１で示した第１の実施
形態の相対移動体４のかわりに、矢印Ｂ方向に回転する
回転ディスク１４が設けられている。この回転ディスク
１４の上面にも発光素子１１から放射される光の波長よ
りも短い開口幅の窓部１８が形成され、回転ディスク１
４と一体的に回転する遮光マスク１６が設けられてい
る。なお、窓部１８は遮光マスク１６の全周上に形成さ
れているが、図２（ｂ）には、その一部のみが描かれて
いる。

【００２９】また、上述以外の基本構成は、第１の実施
形態と同様であるため、詳細の説明は省略する。

【００３０】本実施形態は、図１で示した第１の実施形
態の相対移動体４が矢印Ａの方向に直線的に移動してい
たのに対し、矢印Ｂ方向に回転する回転ディスク１４と
することで、相対回転角を検出できるものである。

【００３１】本実施形態の場合も、第１の実施形態と同
様の効果が得られるとともに、回転位置のズレを検出す
ることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
源から放射された光をエバネッセント波に変換してから
窓部に入射させるため、使用する光の波長に制約されず
に窓部の開口幅を光の波長よりも短くすることができる
ため、使用する光の波長以上の分解能および精度を確保
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の光学式変位センサの
概略構成を示す正面図および外観斜視図である。

【図２】本発明の第２の実施形態の光学式変位センサの
概略構成を示す正面図および外観斜視図である。

【図３】従来の光学式エンコーダの模式図である。

【図４】従来の別の光学式エンコーダの模式図である。

【図５】従来のさらに別の光学式エンコーダの模式図で
ある。

【図６】従来の、また、さらに別の光学式エンコーダの
模式図である。

【符号の説明】

１、１１ 発光素子 ２ コリメータレンズ ３ エバネッセント波生成用プリズム ３ａ 先端部 ４ 相対移動体 ５ 受光素子 ６、１６ 遮光マスク ７ 集光用レンズ ８、１８ 窓部 ９ エバネッセント波 １４ 回転ディスク

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光を放射する光源と、 前記光源から放射された光を所定の光学特性に整える光
   学系と、 前記光学系により所定の光学特性に整えられた光をエバ
   ネッセント波に変換する変換手段と、 前記エバネッセント波が入射し、入射した前記エバネッ
   セント波を伝播光に変換する複数の窓部が形成され、前
   記光源に対して相対的に移動する遮光マスクと、 前記窓部より放射された前記伝播光を受光する受光部
   と、を有することを特徴とする光学式変位センサ。
2. 【請求項２】 前記窓部の開口幅が前記光源から放射さ
   れた光の波長よりも短いものである請求項１に記載の光
   学式変位センサ。
3. 【請求項３】 前記遮光マスクの移動は略直線移動であ
   り、前記複数の窓部は前記略直線移動の方向に対して平
   行に配列されている請求項１または２に記載の光学式変
   位センサ。
4. 【請求項４】 前記遮光マスクは回転ディスクであり、
   前記複数の窓部は前記回転ディスクの周上に配列されて
   いる請求項１または２に記載の光学式変位センサ。