JPS6363919A - 位置検出装置 - 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、位置決め装置における位置検出装置に関する
ものである。

従来の技術 例えば、機械装置の回転角を位置検出装置で検出して、
機械装置の位置決めを行う位置決め装置が良く知られて
いる。このような位置検出装置として光電式エンコーグ
が広く利用されている。

従来の充電式エンコーダの一例を＃Ｓ７図を参照しなか
ら説明すると、１は光源、２はコリメータレンズ、３は
回転ディスクから成る移動検出板、４はこの移動検出板
３の全周にわたって周期的に形成された計数用スリット
、５はその内周側に形成された原点検出用スリット、６
は計数用スリット４に対応する固定スリット板、７は原
点検出用固定スリット板、８ａ、８ｂは光検出器、９ａ
。

９ｂは波形整形回路である。

以上のように構成された充電式１ンコーダの動作を説明
すると、光源１から発した光束がコリメータレンズ２で
平行光にされ、移動検出板３の計数用スリット４と固定
スリット板６のスリットな貫通した光及び原点検出用ス
リット６と原点検出用固定スリット板７のスリットを貫
通した光をそれぞれ光検出器８ｍ、８ｂで光電変換し、
波形整形回路９ａ、９ｂにより信号出力する。従って、
機械装置の回転部材の回転に伴って移動検出板３が回転
すると、移動検出板３の計数用スリット４と固定スリッ
ト板６のスリットが一致、不一致を繰り返すことにより
、波形整形回路９ａより正弦波形状の信号が出力され、
また移動検出板３の原、α検出用スリット５と原、α検
出用固定スリット板７が一致することにより波形整形回
路９ｂより原、α位置の検出信号が出力され、これらの
信号を検出することにより回転部材の回転位置を検出し
ている。尚、この種の充電式エンコーダの光源としては
、従来発光ダイオードが用いられている。

発明が解決しようとする問題１代 しかしなから、上記のようなＮｌＩｒ＆では、光源１と
しての発光ダイオードは発光面積が大きいため低分散の
平行光束を得ることは難しく、光束の分ＰＩ１桁の六・
め−毬１１１ｈｊＩ？ｌｌ１１め叉し、Ｅｌ−への―像
が固定スリット板６．７上でぼけることとなり、光束の
照度が低く、光検出器８ｍ、８ｂからの信号出力が低く
、安定性、応答性が悪かった。特に高分解能の光電式エ
ンコーダにおいては、スリット幅が極めて小さなものと
なるため、光検出器８ａ、８ｂを照射する光量が不足し
、高速時の高応答周波数が得られないという問題があっ
た。また、スリット４．５のピッチが例えば１０μ−の
場合、移動検出板３と固定スリット板６．７との間の間
隔を１０〜２０μ鎗程度以下に抑える必要があり、ゴミ
等の巻き込みによるスリット４．５の汚損、破損が生ず
るという問題がある。

さらに、このような問題点を解消するため、光源として
フィラメント電球とフィルタによる単色光を用いるとと
もにコリメータレンズにて平？’？　−ＩＢ色光とし、
移動検出板の周期的スリットによる回折像を固定スリッ
ト板を介して光検出器にて検出するようにしたものも提
案されている。しか１１、これは原点位置の検出には適
用不可能である。又、移動検出板の変位量の検出の場合
においても、光源の発光面積が大きいため完全な平行光
束を得ることは難しく、光束の平行性の悪さのため、ま
た発光の波長帯域が広いため、前記回折像が固定スリッ
ト板上ではぼけることとなり、移動検出板と固定スリッ
ト板との間隔を大きくできず、スリット間隔が１０μ儲
の場合最大でも８０μ輪程度にしかできなかった。又、
移動検出板と固定スリット板の間隔りは、一般にスリッ
トのピッチをＤ、波長をλとすると、Ｌ＝ｎ　−Ｄ２／
λ（ｎは整数）で与えられるが、一般にスリット幅は略
Ｄ／２であるため、Ｌが１／２・Ｄ２／λ変化すると、
出力はＯとなるため、間隔りの変化に応じて出力信号が
大きく変化することとなり、安定性が悪いという問題が
あった。

このように、移動検出板の原点位置検出並びに変位量検
出においで、応答周波数特性上、スリット汚損・破損に
よる寿命等で問題があり、小型化・高分解能化に対応す
るのが困難であるという問題を有していた。

本発明は上記問題点に鑑み、小型・高分解能化に対応し
得る位置検出装置の提供を目的とするものである。

問題点を解決するだめの手段 本発明における第１の発明は、光源と光検出器との間に
周期的にスリットを有する移動検出板を配設し、前記移
動検出板の移動に伴って光検出器から出力される信号を
検出して前記移動検出板の変位量を求める位置検出装置
においで、前記光源として１つのレーザ光源を設けると
ともに、前記移動検出板の原点検出用のフレネルゾーン
プレートを設け、このフレネルゾーンプレートの焦点に
集光した前記レーザ光源からの光を検出する原点検出用
の光検出器を設けたことを特徴とする。

また、第２の本発明は、前記光源としてレーザ光源を設
けるとともに、前記周期的スリットにより生じるフラウ
ンホーファ回折像の明暗縞を検出するように前記光検出
器を配設し、前記移動検出板の原点検出用のフレネルゾ
ーンプレートを設け、このフレネルゾーンプレートの焦
点に集光したレーザ光源からの光を検出する原点検出用
の光検出素子を設けたことを特徴とする。

さらにｔｌＳ３の本発明は、前記光源として１つのレー
ザ光源を設けるとともに、このレーザ光源はその楕円状
光束の長径方向が前記移動検出板の移動方向に対して交
叉する方向となるように配設し、前記移動検出板の変位
量検出用のスリットと原点検出用のフレネルゾーンプレ
ートを前記レーザ光源の長径方向に並設し、前記スリッ
トからの光を検出する変位量検出用の光検出素子とフレ
ネルゾーンプレートからの光を検出する原点検出用の光
検出素子を前記楕円状光束の長径方向に配列させた光検
出器を設けたことを特徴とする。

作用 本発明は上記した構成によって、１つのレーザ光源によ
り低分散の平行光束が得られ、周期的スリットにより移
動検出板の変位量が高精度で求められるとともに、レー
ザ光の可干渉性によるフレネルゾーンプレートの回折と
干渉による集光効果により、直接あるいは固定スリット
板もしくは移６協山４ｇＥ＾９１ｌ−１ｋ九Δｌヂ百ダ
鰭申田消卑鰭申素子にて原点位置を検出でさ、フレネル
ゾーンプレートと光検出器との間、又は７レネルゾーン
プル−トと固定スリット板あるいは移動検出板との間の
間隔を大きくしたままで、高出力で幅の狭い光束が光検
出器に照射されろため、高精度で原点位置を検出するこ
とができる。

又、第２の本発明によれば、さらに移動検出板の変位量
の検出においで、レーザ光の可干渉性による周期的スリ
ットのフラウンホーファ回折像を利用しており、大きな
０次の主極大が得られることにより明＠縞の鮮明度が増
すとともに、明部が鋭いビーム状となることにより、移
動検出板と計数用光検出器との間隔を、フレネルゾーン
プレートと原点検出用の光検出素子との間隔と同様に大
きくでき、小型化、高分解能化が容易に行えることにな
る。

さらに、第３の本発明によれば、１つのレーザ光源から
の楕円状光束の長径方向に計数用光検出器と原点検出用
光検出器を配設することにより、１つのレーザ光源に上
りで大光量を得ることができ、高安定・高速応答化が容
易に行えることとなる。

実権例 以下、本発明の第１の実施例について第１図〜第５図を
参照しなから説明する。本発明の実施例における１ケ置
検出ｖｃ置の構成図を示す！ｌＳ１図においで、１１は
レーザダイオード、１２はコリメータレンズ、１３は移
動検出板、１４は固定スリット板、１りは光検出器であ
り、前記移動検出板１３の外周部には全周にわたって周
期的に計数用のスリット１６が形成され、その内周側の
周方向１１所にフレネルゾーンプレート１７が形成され
ている。又、前記固定スリット板１４には、第４図に示
すように、前記計数用スリット１６に対応する複数のス
リット１８とフレネルゾーンプレート１７に対応する単
一のスリット１９とが形成されている。

以上のように構成された位置検出ｖｃ置の光学部分につ
いて、以下その動作を説明する。

まず、前記レーザダイオード１１の発光面より出た光は
前記フリメータレンズ１２で平行光束となって前記移動
検出板１３を照射する。

ここで、ｉＹ＋ｆ記レーイレーザダイオード１１部２０
は、第２図に示すように、ストライプ構造の場合、０．
５〜１０μｍ程度の楕円のような形をしており、膜厚方
向２０ａに関しては３０°程度の角度で光が広がってい
くのに対して、ストライプ力向２０ｂは１０°程度しか
広からないので、前記平行光束は惰円状となる。この平
行光束の楕円状の長径方向は、前記移動検出板１３の半
径方向、即ち移動検出板１３の移動方向に対して交叉す
るとともに計数用のスリット１６とフレネルゾーンプレ
ート１７の配役方向と一致するようになされている。

前記移動検出板１３に照射された平行光束は、第３図に
示すように、間隔りで多数並列されたスリット幅がａの
スリット１６を透過し、それ以外では遮光される。前記
スリット１６を透過したフラウンホーファ回折像は、前
記固定スリット板１４上に投影される。固定スリット板
１４には、スリット幅がｂのスリット１８が間隔りで多
数並設され、このスリット１８を透過した透過光が光検
出器１５の光検出素子１５ｍを照射する。このとき、フ
ラウンホーファ回折像の主極大の間隔が前記固定スリッ
ト＠１４に設けられたスリット１８の間隔りと略一致し
、これら主極大のピークが前記スリット１８内にあると
き、前記光検出素子１５ａより出力される検出信号の振
幅は最大となる。

但し、フラウンホーファ回折像の主極大の間隔は固定ス
リット板１４上では次数が高（なる程長くなる不等間隔
であるが、実用的には０次と１次の主極大のピークが前
記スリット１８内にあれば検出信号の振幅は十分あると
考えられる。上記０次と１次の主極大の間隔が前記スリ
ット１８の間隔りと一致する移動検出板１３と前記固定
スリット板１４の開隔りは、光の波長をλとすると、Ｌ
＝ｎ−Ｄ２７λで決定される。例えば、Ｄが１０μ鴫で
波長λが０．８μＩ％ｎ＝１の場合は、１２５μ噌とな
る。

−す　曲９録齢鰭申妬１を消１し憂Ｉいｌ−１フイレー
）１７にレーザ光源から光が照射されると、照射された
光は、その遮光部以外の部分で透過し、透過光はｉｉ′
ｉｆ記固定スリット板１４を照射する。この透過光は、
第５図に示すように、フレネルゾーンプレート１７の中
心からＮ番目の同心円の半径なＲｎ　とすれば、波長λ
に対する焦点距＃ｌＦは、Ｆ＝±Ｒｎ２／Ｎ人　となり
、この焦魚に集光する。

従って、この焦、截距離Ｆが前記間隔りと一致するよう
にフレネルゾーンプレート１７が設定されている。かく
して、このフレネルゾーンプレート１７により集光され
た光は前記固定スリット板１４に投影され、その集光点
が固定スリット板１４に形成されたスリット１９と一致
したとき透過光が前記光検出器１５を照射し、前記光検
出器１５の原、α検出用の光検出素子１５ｂより出力さ
れる原点位置信号は最大となる。

以上のように本実施例によれば、光源としてレーザダイ
オード１１とコリメータレン７：１２を用い、移動検出
板１３に周期的に配置したスリット１６により生じるフ
ラウンホーファ回折像を固定スリット＠１４上に投影し
主極大を検出することにより、鮮明度の高い明暗縞を検
出することとなり、またＯ犬と１次の主極大の間隔がス
リット間隔の整数倍近くになろように固定スリット板１
４上に投影することにより、フラウンホーファ回折像の
明暗縞の振幅を損なうことなく移動検出板１３と固定ス
リット板１４の間隔を大きくすることができ、ゴミ等の
巻き込みによるスリット１６．１８の汚損・破損による
寿命の短縮の影響を軽微とすることができ、小型化・高
分解能化を容易に行うことができる。又、レーザ光源を
用い、移動検出板１３上の７ンネルゾーンプレート１７
の集光効果による集光点と一致するように固定スリット
板１４上にスリット１９を形成し、集光点を検出するこ
とにより、高出力で幅の狭い原点位置信号を得ることが
できる。

上記実施例では、周期的スリット１６を配設した移動検
出板１３にフレネルゾーンプレート１７を設け、この移
動検出板１３と光検出器１５との間に固定スリット板１
４を配設した例を示したが、第６図に示す第２実施例の
ように、移動検出板１３とレーザ光源１１との間に固定
スリン［１４を配設し、この固定スリット板１４に７ン
ネルゾーンプレート１７を設け、移動検出板の周方向１
箇所にスリットを設けてもよい。

さらに、上記実施例では固定スリット板１４を設けたが
、固定スリット板１４のスリン）［能を有する光検出器
１５のみを用いた場合も同様の効果が得られることは言
うまでもないので、説明は省略する。

また、上記実施例では、光源にレーザダイオード１１と
フリメータレンズ１２を用いたが、平行光束が得られる
レーザ光線であれば、何を用いても良いことはいうまで
もない。

さらに、本発明は上記実施例の如く前記移動検出板１３
として回転ディスクにて構成されたものに限らず、リニ
アに移動する移動検出板にも同様に適用可能である。

発明の効果 本発明の位置検出装置においては、以上のように、第１
の本発明によれば、１つのレーザ光源により移動検出板
の原点位置と変位量を検出することができ、かつレーザ
光源により低分散の平行光束が得られるとともに、レー
ザ光の可干渉性によるフレネルゾーンプレートの回折と
干渉による集光効果により、フレネルゾーンプレートと
固定スリット板あるいは移動検出板との間の間隔を大き
くしたままで、高出力で幅の狭い光束が原点検出用の光
検出器に照射されるため、高精度で原点位置を検出する
ことができる。

又、第２の本発明によれば、さらに移動検出板の変位１
の検出においで、レーザ光の可干渉性による周期的スリ
ットのフラウンホーファ回折像の大きな主極大を得るこ
とにより、明暗縞の鮮明度が増すとともに、明部が鋭い
ビーム状となることにより、移動検出板と計数用光検出
器との間隔を、フレネルゾーンプレートと原点検出用光
検出素子との間隔と同様に大きくでき、小型化、高分解
能化が容易に行えることになる。

源からの楕円状光束の長径方向に計数用光検出器と原点
検出用光検出器を配設することにより、１つのレーザ光
源によって大光量を得ることができ、高安定・高速応答
化が容易に行える等、その効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例における位置検出装置の構
成図、ｔｊＳ２図はレーザダイオードの発光部の詳細を
示す斜視図、第３図は第１図のスリ・７ト部の詳細図、
第４図はレーザ光の照射状態を示す斜視図、第５図は７
レネルゾ一ンプレート部の詳細図、第６図は本発明の＃
Ｓ２実施例す；ける位置検出装置の構成図、第７図は従
来の充電式エンコーダの構成図である。 １１・・・・・・・・・・・・レーザダイオード１２・
・・・・・・・・・・・コリメータレンズ１３・・・・
・・・・・・・・移動検出板１４・・・・・・・−・・
・・固定スリット板１５・・・・・・・・・・・・光検
出器１５ａ・・・・・・・・・計数用光検出素子１５ｂ
・・・・・・・・・原点検出用光検出素子１６・・・・
・・・・・・・・周期的スリット１７・・・・・・・・
・・・・フレネルゾーンプレート代理人の鹸弁理士　中
尾敏男　はか１名１１−−−レーサ゛ダＹオード ５ａ 第２図 第５図 第６図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源と光検出器との間に周期的にスリットを有す
   る移動検出板を配設し、前記移動検出板の移動に伴って
   光検出器から出力される信号を検出して前記移動検出板
   の変位量を求める位置検出装置において、前記光源とし
   て１つのレーザ光源を設けるとともに、前記移動検出板
   の原点検出用のフレネルゾーンプレートを設け、このフ
   レネルゾーンプレートの焦点に集光した前記レーザ光源
   からの光を検出する原点検出用の光検出素子を設けたこ
   とを特徴とする位置検出装置。
2. （２）フレネルゾーンプレートが、周期的にスリットを
   有する移動検出板に設けられている特許請求の範囲第１
   項に記載の位置検出装置。
3. （３）フレネルゾーンプレートが移動検出板とレーザ光
   源の間に配置された固定スリット板に設けられている特
   許請求の範囲第１項に記載の位置検出装置。
4. （４）光源と光検出器との間に周期的にスリットを有す
   る移動検出板を配設し、前記移動検出板の移動に伴って
   光検出器から出力される信号を検出して前記移動検出板
   の変位量を求める位置検出装置においで、前記光源とし
   てレーザ光源を設けるとともに、前記周期的スリットに
   より生じるフラウンホーファ回折像の明暗縞を検出する
   ように前記光検出器を配設し、前記移動検出板の原点検
   出用のフレネルゾーンプレートを設け、このフレネルゾ
   ーンプレートの焦点に集光したレーザ光源からの光を検
   出する原点検出用の光検出素子を設けたことを特徴とす
   る位置検出装置。
5. （５）フレネルゾーンプレートが、周期的にスリットを
   有する移動検出板に設けられている特許請求の範囲第４
   項に記載の位置検出装置。
6. （６）フレネルゾーンプレートが移動検出板とレーザ光
   源の間に配置された固定スリット板に設けられている特
   許請求の範囲第４項に記載の位置検出装置。
7. （７）光源と光検出器との間に周期的にスリットを有す
   る移動検出板を配設し、前記移動検出板の移動に伴って
   光検出器から出力される信号を検出して前記移動検出板
   の変位量を求める位置検出装置において、前記光源とし
   て１つのレーザ光源を設けるとともに、このレーザ光源
   はその楕円状光束の長径方向が前記移動検出板の移動方
   向に対して交叉する方向となるように配設し、前記移動
   検出板の変位量検出用のスリットと原点検出用のフレネ
   ルゾーンプレートを前記レーザ光源の長径方向に並設し
   、前記スリットからの光を検出する変位量検出用の光検
   出素子とフレネルゾーンプレートからの光を検出する原
   点検出用の光検出素子を前記楕円状光束の長径方向に配
   列させた光検出器を設けたことを特徴とする位置検出装
   置。