JPH02503231A - 光学位置エンコーダ - 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】 光学位置エンコーダ 発明の背景 １、発明の分野 本発明は、一般的に、位置及び／又は位置の派生物である時間を決めるために使 用する、高分解能の直線又は回転エンコーダに関する。本発明は、特に位置の光 学エンコーダに関する。

２、関連技術の説明 位置のエンコーダは、物理的位置をその位置に対応する電気信号に変換する。光 学的な位置のエンコーダは、光源、その光源からの光の検出器、及び整列したこ の光源と検出器の間の光路に関して位置的に動く格子を使い、その運動によって 光源と検出器の間の光路を選択的に遮断する。この光路は、格子を通るものでも 格子で反射されるものでもよい。このコード化される位置は、角度（回転）でも 直線でもよい。この位置は、単−又は多数のコード化チャンネルで同時にコード 化してもよい。ある所定の基準位置に対する絶対位置をコード化しても、位置変 化の増分だけをコード化してもよい。しかし、大ていの位置コード化は増分型で 、連続する位置増加運動によって交流電気信号が生じ、位置の各検出可能増分が この電気信号に１位相の変化を生じる。

位置エンコーダ、特に光学位置エンコーダの一般的利用分野は多様である。それ には、検査、測定、及び度量衡；工作機械、ロボット術、及び組立機械類を含む 工場自動化；半導体処理装置；医療の治療及び診断装置；並びにプリンタ及びデ ィスク　ドライブを含むコンピュータ周辺機器がある。特定の用途には、座標測 定機（ＣＭＭ）　、フレキシブル　マシニング　センタ（ＦＭＣ）　、Ｘ−Ｙ載 物台、サーボシステム、回転割出しテーブル、部品挿入機、ホトマスク検査機、 医療超音波システム、テープ　ドライブ、プリンタ、プロッタ、マイクロ　フィ ッシュ　リーグ、及び写真植字機がある。

増分光学位置エンコーダは、概念が単純である。それは通常口つの部品でできて いる。第１に、光源があり、それは通常白熱灯か発光ダイオード（ＬＥＤ）であ る。この光伝送路に、通常直線エンコーダ用のエンコーダ　ストリップか回転光 学エンコーダ用のエンコーダ車の組立体があり、それは不透明と透明の部分が交 互にくるパターンを呈する。そのような部分を透過する（又はそこで反射される ）光は、交互に通過及び阻止され（又は、その代りに反射又は吸収され）、通常 ホトトランジスタである光センサにこの光ビームの明暗変調を検知させる。最後 に、電気信号調節回路を使って、この先センサ（ホトトランジスタ）によって生 じた電気信号を使用可能情報に配列する。小さな光源、通常ＬＥＤからのビーム は、この性質の基本的光学エンコーダで平行にされ、通常２５．４ｍｍ当り１゜ ＋本のオーダの位置分解能を有するだろう。

光学位置エンコーダのこの基本的概念を相応の大きさのパッケージの中で高位置 分解能レベルに拡張する試みは、急速に設計の複雑さをかなり増し、且つ高分解 能光学エンコーダ組立体１台当り数万円のオーダでコストを非常に増した。特に 、光学位置エンコーダの分解能を増すために、（１）光源からの光を平行にし、 且つ　（ｉ　ｉ）マスク又はレチクルと呼ばれる付加的要素をこの光学円板とセ ンサの間に追加した。このマスク又はレチクルは、遮閉効果をもたらし、このエ ンコーダ円板とレチクルの両方の透明部が整列したときだけ、光は光源と光セン サの間の通路を通ることができる。

平行にした光学ビームとマスク又はレチクルとの両方を使う光学エンコーダは、 典型的には２５．４−当り１４４＋本のオーダを分解できる。

分解能のこの改良されたレベルは、相応の大きさの、従来技術のまさに最高の光 学エンコーダによっていくらか大きなレベルの分解能が達成されたが（それにつ いてはすぐ後で特別に議論する）、最近の用途には非常にしばしば不適当である 。例えば、ロボットの性能と生産性の重要な仕様は、その加速／減速時間である 。

しかし、ロボット　アームの加速及び減速の結果として生ずる行過ぎ及び処理時 間を数学的に記述ザるための良い測定標準がない。この定量化がないにも拘らず 、このロボット運動の過程は、はっきりと目に見える。

ロボットのアームが全正味荷重の下で最大の反復性を要する指示点に近づくとき 、あらゆる方向に急激に動く　“雨ごい踊り”をさせる行過ぎ又は処理時間の問 題を示すことは全て非常にありうることである。これらの問題の存在と関連する 別のロボット仕様は、１秒当りのエンコーダ軸パルス、又は分解能である。全速 でエンコーダ軸によって１秒当りに多くのパルスが作られれば作られるほど、ロ ボット　アームの可能な制御はより正確になり、且つ、極端な場合、衝突及び部 品破損に帰する行過ぎ及び／又は処理時間の問題は可能性が少なくなる。

この位置エンコーダの１秒当りのパルス数が非常に高いときでも、又は従来技術 の基準で最高でも、一様なほぼ滑かな運動を行うために、機械的処理時間を反映 した時定数を適用するように注意深く設計した電子回路を要することを認識すべ きである。これは、機械的運動を制御するこの電子回路が、運動を制御された機 械システムより数百乃至数千倍も早く応答したとしても真である。それでは、何 故位置の電子制御は、過度に単純化して単なる暴力位置フィードバック　ループ 計算及びその結果の制御を基にできないのか。答えは単純に、過去には、不十分 な精度で不適時な位置情報を基に制御を行うためには電子装置が複雑になったと いうことである。この電子装置は、この機械システムが現実にどこにあり、どこ へ行くかを予測するために、絶えず不正確で不適時の情報から外挿しなければな らない。人のバントマインで巧みに且つおもしろおかしく風刺されるロボットの 運動に発作的な動きを与えるのは、一般に不十分な精度及び／又は不適時な位置 情報で、機械的運動の電子制御に固有の限界ではない。

本発明は、数ある目的の中で、発作的で突発的なロボット運動という紋切り型の 概念をすたれさせることを意図する。それは、全く幼稚な電子位置制御回路でも 、本発明による改良された位置エンコーダとの組合せで、機械的運動に連続的に 正確な駆動刺激を加え、そのような運動を、人間の感覚に関して、流動的で優雅 に見えるようにするような高分解能の低コスト位置検知を備えることによってそ うする。換言すれば、もし、位置、及び位置の１次微分又は速度、及び位置の２ 次微分又は加速度がびっくりするほどの正確さと時間通用性で全て容易に知りう るならば、所望の未来位置に対する実際の未来位置に関する最も基本的な式を使 って機械システムの運動の制御を行ってもよい。しかし、本発明による位置エン コーダが知られる前は、高性能の特定の従来技術の光学エンコーダを更に考慮す ることが有利である。

従来技術の最高性能の光学回転位置エンコーダの代表には次のものがある。ダイ ナミック　リサーチ社のエンコータ部門は、モジュール２５エンコーダで、３゜ ０００本までを備えることができ、軸１回転当り最大ａ、ｏｏｏサイクル（サイ クルの内挿又は外挿のどちらも除いて）を提供する、直径６．３５ａｎの容器に 入る円板を提供している。ドレッサー　インダストリーの器具部門が提供するに ３シリーズのモジュール光学エンコーダは、直径５．３３ａｎのケースの中で１ 回転当り２．５００サイクルまでの分解が可能である。最後に、ヒユーレット　 パラカードのＨＥＤＳ−６０００シリ一ズ増分光学エンコーダは、直径５．５９ ａｎのケースの中で１回転当り１．０２４サイクルまでの分解能を提供する。こ れらのエンコーダで１ａｌｌ当り分解される本数又は転換数は、円周は直径のπ 倍であるという事実から容易に見積ることができるだろう。

従来技術の高分解能高光学エンコーダは全−Ｃ１組立が非常に困難で厳密さを要 し、それがコストに大きく影響している。例えば、前記のＨＥＤＳ−６０００シ リーズは、ユーザ組立可能な光学エンコーダ　キットとして入手可能である。主 な組立工程数は８で、各々平均４の別のサブ工程から成る。注文設計の治工具と 自動化設備を使った大量利用では、メーカはエンコーダ組立を３０秒以内ででき ると予測するが、より普通の手動手段による組立は、通常熟練した専門家又は組 立工が行う数分の並はずれた仕事である。

高分解能光学エンコーダ組立体を組立てることの困難性、時間要求、及びその結 果としてのコスト高は、非常に正確に整列しなければならない、厳密さを要する 機械的及び光学的部品に対するそれらの基本的且つ除去できない要件に由来する 。例えば、モータ軸の振れ及び揺れに対する回転光学エンコーダの感度について 考えてみよう。モータ軸の振れは、この光学エンコーダ円板がその回転軸と偏心 しているかもしれないことを意味する。これは、このエンコーダ円板の半径の光 路を遮断するところで検出される、交互する不透明と透明な部分がこの光学円板 の外周でこの部分が異なると幅が等しくないことを意味する。不等幅は、不等検 出光エネルギーに形を変え、且つ等速運動に対する不等電気信号はそのような検 出から生ずる。明らかに、位置分解能及び精度は、この電気信号の転換が偏心エ ンコーダ円板の読まれている部分並びにこのエンコーダ円板の運動及び位置の関 数であるときに影響される。

電気信号整形回路である程度解決できる、モータ軸の振れより多分重要なのは、 揺れの問題、すなわち円板の平面がそのようなコード化された円板を通る光路に 対しその全ての部分で正確に垂直でないことがあることである。この円板の交互 する不透明及び透明部分がそのような部分を横切る光路に対しわずかな角度をも つなら、有限の厚さであるこれらの部分は、光センサで検知した光強度がオン・ オフ方形波の受信光強度ではなく、階段関数、又は正弦波にさえなるような方法 で、光ビームを横切るであろうことを想像すべきである。それで、極端に狭い、 交互する部分が入射する光ビームに対して十分な角度にあるとき、一つの不透明 部の前縁が前の不透明部の後縁と重なって、変調が全く得られないだろう。この 問題を軽減するためには、この光学エンコーダの円板を極端に薄く作ってもよい 。

もし、それが薄く柔軟であるなら、それは曲がり又は系統的変形を示し、再び揺 れを導入するかもしれない。

もし、それが極端に薄くて剛いなら、それは、特に衝撃で、容易に機械的損傷を 受けるかもしれない。

要求の厳しい機械部品、及び高分解能光学位置エンコーダの心合せで経験した問 題は、円板の光学記録と円板の磁気記録の点で、音の蓄音機による再生で経験し たものに類似する。２５．４−当り数百本のオーダである、従来技術の光学エン コーダの限界又はそれに近い分解性能を得るためには、信頼性、振動及び／又は 機械的衝撃及び／又は温度変化に対する不感受性、並びに特にコストにおいてか なりの不利益をこうむるかもしれない。これらの理由で、本発明は、組立が容易 且つ低コストで、丈夫で、動作に信頼性のある、最高分解能の光学位置コード化 用の新規な装置に具体化されている。

発明の要約 本発明は、光源、その光源からの光の検出器、及びこの光源と検出器の間の光路 に対して動き、そのような運動によって光源と検出器の間の光路を、この検出器 によって検出できる方法で、選択的に遮断するための格子を有する光学位置エン コーダ装置に対する改良である。この格子で反射されるのではなく、この格子を 通過する光路に対して、この格子は不透明部と透明部が交互するパターンを呈す る。角度位置をコード化する回転光学エンコーダの場合、この格子はコード化さ れた円板又は耳である。

本発明による改良は、光源からの光を格子上に集束することである。ホトトラン ジスタという名の光検出器を、この格子の平面上に集束されている光の殆んどが さえぎられるように、この光路に沿って格子に十分近く、且つその光路に沿って 光源及び集束組立体と反対方向に置く。

この光源の集束が格子の平面上でのほぼ回折限界スポットの大きさであるが特に 望ましく、且つ本発明の好ましい実施例で実現されている。これは普通のガラス 　レンズで実現できるが、それは普通高コストの多投レンズ要素を必要とする。

従って、本発明の好ましい実施例の方法の装置は、低コストのレーザダイオード から称呼上得たコヒーレント光の源を使い、それをこれも低コストの屈折率分布 型光学レンズによって回折限界スポットに集束する。屈折率分布型光学レンズと いうのは、レンズ材料の、公称タリウムによるドーピングによって得たこの材料 の光学指数の変化によって屈折率が変わるレンズである。本発明の装置に使うこ とが特に好ましいこの屈折率分布型レンズは、光軸からの半径方向距離の２乗で 減する屈折率を示す。この屈折率分布型レンズは、標準球面レンズと同じ光学的 機能を果し、その他に端面が平坦であるのと、このレンズが低コストであるとい う特徴を付加する。

本発明を具体化した装置内の好ましい検出器は、単純に容易に入手できるホトト ランジスタである。レーザダイオードが発生する好ましい光学波長（約７８０ナ ノメータ）で、開口数的０．４６、直径約１．８ｍのある好ましい広角屈折率分 布型レンズを使って、エンコーダ車の平面上に回折限界スポットを集束する。こ の回折限界スポットの直径ｄは、光学理論によってｄ＆４λｆ／πＤと定義され る。但し、λ＝波長、ｆ＝焦点距離、及びＤ＝ビーム直径である。本発明の装置 の好ましい構成での、ｌ／Ｅ２強度点でのこの回折限界スポットの直径ｄは、１ 乃至７．６μのオーダであろう。

それで、本発明の方法及び装置によって得られる典型的分解能は、マイラー上に 線幅２．５Ｘ１０．０００の線をホトエツチングした半径レチクル格子を半径２ ５．４ｍｍのところで集束した光ビームが横切るときこの格子上で検出できる２ ５．４ｍｍ当り２５００本以上、又は１０．０００以上の転移である。このレベ ルの分解能は、本発明によって構成した装置によれば、部品の高精度の整列が必 要なく、且つそのように組立てた装置が温度、衝撃、振動又はその他の物理的変 数に対して高感度であることなく得られる。この好ましい実施例の装置の製造コ ストは、組立労務費を含めて約７２００円以下である。本発明は、光学的に分解 できる最小寸法に基づいて、直接更に光学的性能の理論的限界へ発展させてもよ い。もし、安い屈折率分布型レンズを使用すると、それは典型的には０．３８μ はどの短いカットオフ波長を有する。

図面の簡単な説明 す模式図である。

第２図は、レチクルを使った第２の従来技術の回転光学エンコーダを示す模式図 である。

第３図は、本発明の光学位置エンコーダの、角度位置検出用実施例での模式図で ある。

第４図は、第４ａ図と第４ｂ図から成り、それぞれビーム収束及び光学応用装置 の結合に使用した、従来技術の屈折率分布型レンズを表す模式図である。

第５図は、特に屈折率分布型レンズを好ましいように使った、回転光学位置コー ド化用の、本発明の装置の好ましい実施例の模式図を示す。

実施例の説明 本発明は、光学的に位置をコード化する方法、及びそのように位置を光学的にコ ード化するための装置の改良である。このコード化される位置は、線形でも一度 でもよい。このコード化した位置の時間導関数、即ち速度及び加速度は、電子回 路を含む従来の手段によって、コード化した位置から誘導してもよい。

回転、角度位置を光学的にコード化するための、第１の、基本的な、従来技術の 装置を第１図に線図的に示す。

この光学エンコーダは、発光ダイオード又はＬＥＤという名の光源を使う。その ＬＥＤから出た光は、このＬＥＤそれ自身によるか又は標準光学素子（図示せず ）を使って、平行にした光学ビームに作られ、そして、ホトトランジスタという 名の光学検出器への光路へ伝達される。ここでは回転位置を検出するための、エ ンコーダ車の形の光学グレーディングは、ＬＥＤ光源とホトトランジスタ検出器 の間に不透明と透明部が交互するパターンを呈する。このエンコーダ車が、例え ばそれが固定されている軸（図示せず）の回転に応じて、角度方向に動くとき、 光検出器ホトトランジスタは受けた光ビームに明暗変化を検出し、レベルが変わ る出力電気信号を生ずるだろう。電気回路（図示せず）は、この出力電気信号を 受け、それを整え、そしてそれを、このエンコーダ車の角度位置を表す使用に適 した情報に配列する。そのように光学的にコード化された位置の分解能は、この 平行にされた光学ビームの大きさ及び構成部品の整列の関数である。典型的には 、第１図に線図的に示す装置に対して位置分解能は、２５．４目当り１０＋本の オーダである。分解できる角度は、このエンコーダ車の半径に依る。

第２の従来技術の光学エンコーダ装置を線図的に第２図に示す。位置分解能を増 すため、ＬＥＤに始まる光源は、再び平行にされた光学ビームに作られ、且つこ のエンコーダ車に加えてレチクル又はマスクという追加要素を通される。このレ チクルは、遮断効果を生ずるためエンコーダ車と光学検出器、ホトトランジスタ との間に加えられる。この遮断効果が働（ことによって、光は、エンコーダ車と レチクルの両方の透明部が整列したときだけ、ＬＥＤからホトトランジスタへ通 ることを許される。

二つの透明部又はスリットがこの光学伝送路を完成させるために整列しなければ ならないので、各部は個々にこの平行にされた光学ビームより狭くてもよい。第 ２図に示す従来技術の装置で示すそのような手法によって、典型的には２５．４ ｍｍ当り１４４＋本のオーダの分解能を得ることができる。

第１図に示す従来技術の装置と第２図に示すものの両方は、エンコーダ車の回転 軸周の偏心に、このエンコーダ車の平行光学ビームに垂直な平面内のどのような 揺れにも、及び部品のどのような系統的整列狂いにも感じやすい。特に、もし、 このエンコーダ車の揺れのためか又はこのエンコーダ車の一定傾斜に帰する整列 狂いのために、このエンコーダ車の面が平行光学ビームの光路に圧密に垂直でな かったら、どんな効果を生ずるかを想像できるかもしれない。そのような場合、 このエンコーダ車上の交互する明暗部は、平行光学ビームを鋭い−では横切らな いだろう。そうではなく、そのような交互する不透明及び透明部は、平行光学ビ ームを次第に暗くし、それから次第に透過可能にするだけである。この漸進的暗 化及び露出は、光検出ホトトランジスタでの光強度、及びそのホトトランジスタ で生じた電気信号は、完全なオン・オフ関数（電気的方形波）ではなく、光路の 不変の阻止を表す灰色（黒）又は暗流レベルに次第に低下する漸進関数（電気的 階段又は連続波）であろう。この平行光学ビームとエンコーダ車（及びレチクル ）の間の直交性に対するそのような感度のために、第１図及び第２図に線図的に 示すこれらの従来技術の装置は、精密な初期整列とそのような精密な整列の作業 上の保守を要する。

本発明の方法及び装置は、従来技術の装置より、初期整列がかなり単純であり、 且つこの整列のどのような変動に対してもかなり感じにくいだろう。

本発明による装置の基本実施例を第３図に線図的に示す。第１図に示す従来技術 の光学エンコーダに対する基本的付加は、集束レンズである。この、集束レンズ は、レーザダイオードという名の光源から受けた光をエンコーダ車の平面上に集 束する。この集束された光は、このエンコーダ車を通過してから発散し、ホトト ランジスタという名の検出器によって実質的にさえぎられる。明らかに、この集 束された光ビームは、同等の大きさの従来技術の装置で得られるより、小さな直 径の点でエンコーダ車と交叉し、それでより高い分解能を可能にする。本発明を 考えるに当って、もし、普通のガラス集束レンズだけを、そのような普通のガラ ス　レンズが提供する以上ではなく且つそれとは異なる集束手段なしに、従来技 術の装置に加えたなら、解決される以上に多くの問題が加えられたかもしれない ということを率直に認めなければならない。全体として本発明を達成するために 有効でありながら、ガラス　レンズの形の集束要素を加えることは、非常に高価 になりそうである。

従って、本発明の原理は、従来技術の装置への集束レンズのいくらか過度に単純 化した（概念でなく、実行で）付加より更に複雑な形で最善に実施される。特に 、第３図に示す本発明の装置の基本実施例はコヒーレントな光源を使う必要がな いが、レーザダイオード光源の形でそうすることを勧める。光がコヒーレントで あると、集束レンズはそれを光学回折理論の範囲で可能な最小スポットに集束す ることができる。このスポットは回折限界スポットと呼ばれ、第３図のエンコー ダ車の面上に集束されるように示すのはこの好ましいスポットである。この回折 限界スポットの大きさは、集束する光の波長、集束レンズの焦点距離、及びこの レンズが集束する光ビームの直径に依る。この関係は次の式で表される。

ｄ＝４λｆ／πＤ 但し、ｄは１／Ｅ２強度点で測定したこの回折限界スポットのミクロンによる直 径、λは集束する光のミクロンによる波長、ｆはこの集束レンズのミリ単位の焦 点距離、及びＤは１／Ｅ２強度点での集束ビームのミリ単位の直径である。

更に、好ましい回折限界スポットの微小サイズにまでも光学的集束を達成するこ の集束レンズはガラスから作ってもよい。しかし、この集束レンズをガラスから そのように作ると、それは普通そのような微小サイズ、即ち光学的集束性能の理 論的限界に集束するために極端に高精度を示す多投レンズ要素である必要があろ う。本発明の装置の好ましい実施例では、この集束レンズは普通のガラス　レン ズではない。それは屈折率分布型光学レンズと呼ばれる、比較的新しく開発され た光学系であるのが好ましい。

屈折率分布型光学系は、光学材料から、集束を含む光屈曲を得るための比較的新 しい方法で、そこでは屈折率を材料のドーピングによって変える。特に、屈折率 分布型光学レンズは、屈折率がレンズ材料の軸の周に半径の関数として変わる光 学部品である。更に詳しくは、日本板硝子株式会社が販売するセルフォック■マ イクロ　レンズ（ＳＭＬ）と呼ばれる一つの特定の屈折率分布型光学レンズは、 屈折率が光軸（円筒の軸でもある）からの半径距離の自乗で減する円筒形レンズ である。特に、屈折率ｎ＝ｎ　　（１−Ａｒ　　２／２　）　、但しｎｏとＡは 常数である。この放物線状屈折率のために、このＳＭＬは標準球形レンズと同じ 光学的機能を、このＳＭＬの端面ば゛平坦であるという特徴を加えて実行する。

そのようなＳＭＬは、小さく、軽量で、取付及び心合せを単純化し、焦点距離を 調整可能で入手でき、且つそれが置き換わるガラス　レンズに比べて極端に安い 。このＳＭＬを含む屈折率分布型光学レンズは、光学材料のタリウム　ドーピン グの後に切断し、円筒端面を磨くことによって作る。

これらの屈折率分布型光学レンズは、繊維光学で広い用途を得つつあり、そこで それらは光学繊維へ及びそれらから光を結合する機能を有する。

本発明の装置に使うために好ましい、二つの特別の従来技術の屈折率分布型光学 レンズ、特に二つのセルフォック　マイクロレンズ（ＳＭＬ）を、第４ａ図と第 ４ｂ図から成る第４図に示す。第４ａ図に示すＳＭＬは光学ビームを縮小又は収 縮するための構成である。そのような屈折率分布型光学レンズは、０．２３ピッ チ型ＳＭＬとして得られる。この０．２３ピッチＳＭＬは、平行にしたビーム（ ０，６３μ乃至１．５６μの波長範囲）を入射端面に投射するとき、その焦点又 はＦＰが常にこのレンズの外側にあるように設計されている。この０．２３ピッ チＳＭＬは、典型的には繊維から又はレーザダイオードからの発散ビームを平行 ビームに変えるために使う。それは、本発明の装置で、レーザダイオード又はそ の他の光源から平行にされた光ビームを作り、そのような平行光ビームをエンコ ーダ車の面の焦点（Ｆ　Ｐ）に集束するために使う。

本発明の装装置に使うための第２の従来技術の好ましいＳＭＬを第４ｂ図に示す 。このＳＭＬは０．２９ピツチレンズとして入手でき、それはレーザダイオード からの発散ビームを収束ビームに変えるために使う。それは通常レーザダイオー ドを光学繊維に、又は光学繊維の光出力を検出器に結合するためにそのように使 う。それは、本発明の装置で、半導体レーザに生ずる発散ビームをエンコーダ車 の面として回折限界スポットに集束する収束ビームに変えるために使う。

特に屈折率分布型光学レンズを使う、本発明の装置の好ましい実施例を第５図に 示す。この半導体レーザは、屈折率分布型光学レンズによって集束し且つホトト ランジスタによって検出できる範囲のコヒーレント光の光源である。この半導体 レーザの名は三菱の部品番号４１０２又は日立の部品番号７８０１Ｅで、各々大 体の波長７８０　ｕｉ、消費電力３ｍＷである。この屈折率分布型光学レンズの 名は、０．２９ピツチ型セルフオツク■マイクロレンズ（ＳＭＬ）で、それは前 に第４ｂ図に示した。特に、この０．２９ピッチＳＭＬは、日本板硝子株式会社 販売の広角装置ＳＬＷ型である。このＳＬＷ型ＳＭＬは、開口数０．４６、カッ トオフ波長的Ｏｏ　３８μである。

それは、直径約１．５１１Ｉｆｆ１１長さ約４．６ｍｍである。本発明の装置で 、この屈折率分布型光学レンズの前面は、半導体レーザから０．５±０．０５閣 の臨界寸法に置かれ、且つエンコーダ車面のある、屈折率分布型光学レンズの・ 　後面から４±０．０５ｍｍの臨界距離に回折限界スポットを形成するだろう。

検出器は、エンコーダ車面の反対側に、このエンコーダ車面上に集束した光ビー ムでこの放射線のほぼ全てをさえぎられる距離に配置された単純なホトトランジ スタである。この距離は、称呼上はエンコーダ車面からの屈折率分布型光学レン ズの分離点と対称、又は約４日に作られている。このホトトランジスタは、数あ る供給業者の中でも三菱、ＴＲＷ、及びタンディラジオ　シャックから入手でき る種類を含み、一般に７００Ｉ１ｍの光に感じる標準型のどれでもよい。

第５図に示す本発明の装置の好ましい実施例ではどの寸法及び整列も特にきわど いことはない。最も重要な寸法は、屈折率分布型光学レンズの第１端面からの半 導体レーザの分離及びその屈折率分布型光学レンズの第２端面からのエンコーダ 車面の分離である。これらの寸法の両方とも正確であるのと±０．０５ｓｏｍ内 に固定されているのとの両方であるのが好ましい。エンコーダ車を通りホトトラ ンジスタに至るこの屈折率分布型光学レンズの角度公差は±４．０°以内である のが好ましい。同様に、この屈折率分布型光学レンズはホトトランジスタと±０ ．５ｍで同軸であるのも好ましい。これらの容易に達成できる公差は、エンコー ダ車の面で約±０．１２７謹の焦点深度を生ずる。換言すれば、回折限界スポッ トの大キさに非常に近いスポットが、部品を近接するように単純に動かし且つ目 視又は電子的に結果を観察するという最も初歩的な調整手順によってエンコーダ 車の、平面に容易に達成することができる。その後、これらの結果は、部品の間 隔にわずかな変化を生じさせるような衝撃、振動、又は温度変動があっても、は ぼ維持される。想像できるように、エンコーダ車面での焦点が回折限界スポット 又はその近くにあるので、もしそのエンコーダ面が光学ビームの軸に完全に直交 しないか、又は回転中揺れ又は偏心を示しても、重大な問題ではない。

第５図に示す本発明の装置の好ましい実施例で容易に達成でき且つ維持できる性 能レベルは、２５．４ｍｍ当り２５００本を超える分解能である。特に、エンコ ーダ車は、線幅６μの半径線をマイラー又はガラス上にホトエツチングした半径 レチクル、グレーディングとして用意する。このエンコーダ車は半径３２ｍｍ（ 直径６４０）で、半径２５ｍ＋＋のところを光ビームが横切る。この半径で、１ ０．０００本以上の転移が信頼性よく分解される。本発明の装置は、結局回折限 界スポットの大きさによって決まる理論的限界レベルで性能を出すことができる 。本発明の装置でそのような回折限界スポットを作る能力は、光デイスク技術と 及び光記録ディスク上で得られる記録密度と比較すべきである。光学位置エンコ ーダに於ける２５．４ｍｍ当り数千本の分解能は、容易に可能であることが期待 される。

数量１０００での、本発明の装置の一つの好ましい実施例のコストは約６７４０ 円である。これは、日立のＨＬ−７８０１Ｅ型レーザダイオードが１５００円、 日本板硝子のＷ１８−０２５−０８３型屈折率分布レンズが１２００円、特注構 成の円板を含む機械的ハウジングが５００円、モトローラのＭＲＢ６３０型ホト トランジスタが２４０円、特注構成の電子回路及び電源基板が１９００円、ＳＫ ＦのＷ−，６２５型軸受が６００円、及び時賃２４００円の組立工数が約１／３ 時間として計算した。

上記の議論によれば、本発明は光学位置エンコーダ内で光路の集束、特にエンコ ーダ車上に集束した回折限界スポットの限界の分解能を得るため屈折率分布型光 学レンズでのコヒーレント光の集束を示すと認識すべきである。同様に、本発明 は以下の請求の範囲のみによって解釈すべきで、単に、本発明を教示したこれら の特定の実施例によって解釈すべきでない。

イ之筆も芝シ１ｔ ＦＩＧ、　　５ 国際調査報告

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. １．光源、この光源からの光の検出器、及びこの光源と検出器の間の光線に対し て動き、そのような連動によって光源と検出器の間の光路を選択的に遮断するた めの格子を有する光学位置エンコーダに於いて、この光源からの光をこの格子上 に集束するために光源と格子の間で集束するための手段を含む改良。
2. ２．請求項１記載の光学位置エンコーダに於いて、集束するための手段が光源を 格子の点で回折限界スポットに集束する改良。
3. ３．請求項１記載の光学位置エンコーダに於いて、集束するための手段が、 屈折率が光軸からの半径距離の２乗で減ずるレンズを含む改良。
4. ４．請求項１記載の光学位置エンコーダに於いて、集束するための手段が、 屈折率分布型光学レンズを含む改良。
5. ５．請求項１記載の光学位置エンコーダに於いて、光源がコヒーレント光の源で ある改良。
6. ６．請求項５記載の光学位置エンコーダに於いて、光源が半導体レーザダイオー ドである改良。
7. ７．光検出器がホトトランジスタである請求項１の改良。
8. ８．格子が光学的にコード化された円板であり、且つ集束するための手段が光を この円板の平面上に集束する請求項１の改良。
9. ９．光源、 光センサ、及び この光源と光センサの間に配置され、角度位置連動によってこの光源と光センサ の間の光路を交互に通過可能及び不能にする、交互部分のパターンを呈するエン コーダ車を有する角度位置の光学エンコーダに於いて、この光源からの光をこの エンコーダ車の平面上に集束するレンズを含む改良。
10. １０．請求項９記載の角度位置の光学エンコーダに於いて、そのレンズが更に、 屈折率分布型光学レンズを含む改良。
11. １１．請求項９記載の角度位置の光学エンコーダに於いて、そのレンズが光をデ コーダ車の平面上に回折限界スポットに集束する改良。
12. １２．光源と光センサの間の光学ビームを、この光源とセンサの間の光に対する 位置によつて交互にその伝達を可能及び不能にする部分のパターンを有する格子 で遮断することによって位置情報を光学的にコード化する方法に対し、 光をこの格子上に集束することを含む改良。
13. １３．請求項１２記載の位置情報を光学的にコード化する方法に於いて、光を集 束することがコヒーレント光をその格子上に回折限界スポットにするものである 改良。
14. １４．請求項１２記載の位置情報を光学的にコード化する方法に於いて、その集 束がレンズによるものである改良。
15. １５．請求項１４記載の位置情報を光学的にコード化する方法に於いて、その集 束が光軸からの距離の２乗で減ずる屈折率をもつレンズによるものである改良。
16. １６．請求項１４記載の位置情報を光学的にコード化する方法に於いて、その集 束が屈折率分布型光学レンズによるものである改良。
17. １７．請求項１２記載の位置情報を光学的にコード化する方法に於いて、 光源がコヒーレント光の源であり、 格子が不透明部と透明部の交互する、光学的にコード化された円板であり、 光源とセンサの間の光の伝達はこの円板を通して行われ、且つ 集束がこの円板の平面の格子上に、入＝コヒーレント光の波長、ｆ＝この集束の 焦点距離、及びＤ＝集束のためにさえぎられるコヒーレント光ビームの直径とす るとき、４λｆ／πＤに等しい回折限界直径の２倍以内の焦点直径に行われる改 良。
18. １８．２５．４ｍｍ当り１０００本以上のレチクルをもつ光学円板を信頼性よく 分解できるようにするために光学位置エンコーダの部品を整列する方法であって 、光学円板の平面を定めること、 半導体レーザをこの円板の片側に、この円板の平面と直交する線に±４°以内に 位置付け、且つ、この円板上で２５．４ｍｍ当り１０００本以上のレチクルを呈 する半径でこの円板と交わらせること、 この半導体レーザと円板の間の線上に、屈折率分布型光学レンズを（ｉ）半導体 レーザから殆んどの光をさえぎる距離に、且つ（ｉｉ）円板から回折限界スポッ トとほぼ同じ大きさのスポット、従って 入＝この半導体レーザの波長、一方 Ｄ＝この屈折率分布型光学レンズ遮断するビーム直径、及びｆ＝この屈折率分布 型光学レンズの焦点距離とするとき、直径Ｄ＝４入ｆ／πＤのスポットをこの円 板の平面に結像するような距離に位置づけること、Ｄが２５．４μ未満であるよ うにλ、Ｄ、及びｆを調整すること、並びに 光センサを、この円板上に結像するスポットから、このスポットを通過する光の 殆んどを遮断するような距離に位置づけることさ含み、 それによって、この光センサが、屈折率分布型光学レンズの結像作用によって円 板の平面を２５．４μ未満のスポットで、即ち２５．４ｍｍ当り１０００／１＝ １０００以上あるスポットで横切る半導体レーザからの光を検出し、 それによつてこの光学円板上の２５．４ｍｍ当り１０００本以上のレチクルを信 頼性よく分解できる方法。
19. １９．工作機械に於いて、 光源、 この光源からの光の検出器、 この光源と光の検出器の間の光路に対して動き、この連動によつてこの光源と光 の検出器の間の光路を選択的に遮断するための光学格子、及び この光源からの光をこの光学格子上に集束するための屈折率分布型光学レンズ、 を含む位置及び／又は位置の時間微分商のエンコーダ。
20. ２０．ロボットに於いて、 光源、 この光源からの光の検出器、 この光源と光の検出器の間の光路に対して動き、この連動によつてこの光源と光 の検出器の間の光路を選択的に遮断するための光学格子、及び この光源からの光をこの光学格子上に集束するための屈折率分布型光学レンズ、 を含む位置及び／又は位置の時間微分商のエンコーダ。
21. ２１．コンピュータ周辺機器に於いて、光源、 この光源からの光の検出器、 この光源と光の検出器の間の光路に対して動き、この運動によってこの光源と光 の検出器の間の光路を選択的に遮断するための光学格子、及び この光路からの光をこの光学格子上に集束するための屈折率分布型光学レンズ、 を含む位置及び／又は位置の時間微分商のエンコーダ。
22. ２２．加工物を可変に位置決めする機械に於いて、光源、 この光源からの光の検出器、 この光源と光の検出器の間の光路に対して動き、この運動によってこの光源と光 の検出器の間の光路を選択的に遮断するための光学格子、及び この光源からの光をこの光学格子上に集束するための屈折率分布型光学レンズ、 を含む位置及び／又は位置の時間微分商のエンコーダ。