(57)【要約】【課題】光トランスミッタ素子から得ることができる情報の精度と量を大幅に改善して、１インチ当たり５０００ラインの精度を標準偏差約５０ｎｍで達成することを可能とする光トランスミッタ素子、および該光トランスミッタ素子を用いる位置決め装置を提供する。【解決手段】回転しあるいは直線的に移動して機械部品の位置または長さを測定するためのバーコードを備えた光トランスミッタ素子とこれを組込んだ位置決め・長さ測定装置であり、光トランスミッタ素子として、前記バーコードが複数のピット列と該ピット列間に形成される平坦部からなり、バーコードに入射する光が回折、干渉されるよう構成されている３次元構造のものを用いる。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転しあるいは直線的に移動して機械部品の位置または長さを測定するためのバーコードを備えた光トランスミッタ素子であって、前記バーコードが複数のピット列と該ピット列間に形成される平坦部からなり、バーコードに入射する光が回折、干渉されるよう構成されていることを特徴とする光トランスミッタ素子。
【請求項２】
エミッタ（１０）と、該エミッタからの送信光信号を入射するバーコード（２）を備えた光トランスミッタ素子（１）と、透過プロセスの中で受け取った送信光信号を信号処理装置（１５）に送り出すレシーバ（１２）を含む位置決め・長さ測定装置であって、前記バーコード（２）は複数のピット列と該ピット列間に形成される平坦部からなり、バーコードに入射する送信光信号が回折、干渉されるよう構成されており、前記レシーバ（１２）は回折、干渉された前記光トランスミッタ素子からの光信号を受光するよう構成されていることを特徴する位置決め・長さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転しあるいは直線的に移動して機械部品の位置と長さを測定するためのバーコードを備える光トランスミッタ素子および該光トランスミッタを用いる位置決め・長さ測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コードが一連のラインまたはバーからなるアングルエンコーダ・ホイールまたはエンコーダ・ルーラ（エンコーダ＝光トランスミッタ素子）が知られており、通常、エンコーダにおいては、高透過ラインが低透過ラインまたは低反射ラインが交互に配設され、エミッタによって発信された光データを含む光信号は、光トランスミッタ素子により変調され、変調された光信号は、信号処理手段により処理されて、位置または長さを測定するための情報を得るために使用される。
【０００３】
また、ウィンドウを開けたり、金属層を形成することによって、透過部と反射部とが交互になるようにしたコードを形成したエンコーダを用いて、物体の寸法を測定する方法も知られている。出願人の特許（特許文献１参照）に開示されている物体の寸法測定方式では、写真フィルムにより構成し、この写真フィルムを露光、現像することによりコードを形成したエンコーダを使用する。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２７２００１２号公報（請求項１〜２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンコーダまたは光トランスミッタ素子における従来技術の構造では、物体の性質や構造化技術によって、解像度や得られる位置信号の数には物理的な制限がある。１インチ当たり１８０ラインまたは３６０ラインを有する高解像度構造の場合でも、通常約１μｍのライン幅の標準偏差が達成できるにすぎない。
【０００６】
本発明は、エンコーダまたは光トランスミッタ素子における従来の構造を見直し、光トランスミッタ素子から得ることができる情報の精度と量を大幅に改善して、１インチ当たり５０００ラインの精度を標準偏差約５０ｎｍで達成することを可能とする光トランスミッタ素子、および該光トランスミッタ素子を用いる位置決め装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の請求項１による光トランスミッタ素子は、回転しあるいは直線的に移動して機械部品の位置または長さを測定するためのバーコードを備えた光トランスミッタ素子であって、前記バーコードは複数のピット列と該ピット列間に形成される平坦部からなり、バーコードに入射する光が回折、干渉されるよう構成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の請求項２による位置決め・長さ測定装置は、エミッタ（１０）と、該エミッタからの送信光信号を入射するバーコード（２）を備えた光トランスミッタ素子（１）と、透過プロセスの中で受け取った送信光信号を信号処理装置（１５）に送り出すレシーバ（１２）を含む位置決め・長さ測定装置であって、前記バーコード（２）は複数のピット列と該ピット列間に形成される平坦部からなり、バーコードに入射する送信光信号が回折、干渉されるよう構成されており、前記レシーバ（１２）は回折、干渉された前記光トランスミッタからの光信号を受光するよう構成されていることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、使用する光トランスミッタ素子におけるバーコードを、複数のピット（凹部）列と、当該ピット列とピット列との間に形成される平坦部からなる構造とし、好ましくは、ピットが立方体あるいは直方体の場合はピットの長さ、幅、深さを１μｍ未満の寸法とし、またピットが円柱状の場合はピットの直径、深さを１μｍ未満の寸法とするサブミクロン構造とし、バーコードに入射する送信光信号が回折、干渉されるよう構成することにより、透過光波または反射光波の相は３次元で求められる。以下、ピット、ピット列、複数のピット列を総称してピット構造、ピット列間に形成される平坦部をランド構造という。
【００１０】
いくつかの部分波が干渉する結果として、相の位置が変化した光波は増幅または減弱される。得られる信号は、例えば位置や経路を測定するために、信号処理装置において以下の方法で制御信号として利用することができる。
１．０次のウィンドウ中の信号を選択し、漸増シーケンスのデジタル化されたパルスを計測する。
２．１次以上のウィンドウの信号を選択し、ピット構造の部分的変化（ピット構造の位置と形状）によって生成されたインデックス信号をデコード（ｄｅｃｏｄｅ）する。
【００１１】
以下、図面により本発明を説明する。図１は、本発明の光トランスミッタ素子（エンコーダ）を示すものであり、図１において、光トランスミッタ素子１は、バーコード２と透過ウィンドウ３を含む。トランスミッタ素子１はエンコーダ軸（図示しない）に固定されたハブ４を有するエンコーダ・ホイールである。この例においては、ＬＰＩ数（１インチ当たりのライン数）によって制限される任意の光学半径を有するエンコーダ・ホイール上には１つのバーコード・トラック９がある。
【００１２】
図２は、ピット構造（５）と、ピット構造（５）の間に形成されるランド構造（６）からなる構造を有するバーコード２の詳細（図１のＡ部）を示す。この構造を平面から見た場合には、２次元のサブミクロン格子構造を形成しており、この構造の範囲は、透明材料からなる水平ウィンドウ３．１、３．２によって規定される。ピット構造（５）を図３にように配設して、間隔Ｓを有する複数のトラックを形成することもできる。
【００１３】
図４は、図２、図３に示すバーコード構造の断面を示す。バーコード構造は、ピット構造（５）、ランド構造（６）およびＤ＝λ０　／［　２（ｎ−１）］　（Ｄ：ピット構造（５）とランド構造（６）の厚さ（または高さ）の差Ｄ、λ０　：光の波長、ｎ：光トランスミッタの屈折率）の式から求められるピット構造（５）とランド構造（６）の厚さの差Ｄに基づいている。
【００１４】
光トランスミッタ素子の両面には、摩耗強度を改善するために保護層７、８が設けられる。保護層７、８は、厚さの差との関連を考慮して設けられる。トランスミッタ素子の材料は、屈折率ｎ＝１．５５を有するポリカーボネートからなる。保護層の材質は、プラズマ重合体またはＤＬＣコーティングからなることが好ましい。
【００１５】
図５は、ＬＥＤ（発光ダイオード）またはレーザーダイオードなどのエミッタ１０と、ＣＤエンコーダ・ホイールなどの光トランスミッタ素子１１と、マルチプル・レシーバなどのレシーバ１２とを含む位置決め装置の実施例を示す。マルチプル・レシーバ１２は、０次および１次の回折信号のための複数のウィンドウ領域１３（ウインドウ開口部１３．１〜１３．３）を含む。ウィンドウ１３．１と１３．２は１次の回折信号のために設けられ、ウィンドウ１３．３は０次の回折信号のために設けられている。高次の回折信号、干渉信号のためには自由な中間領域を使用することができる。矢印１４は、フロー図として、位置と経路の多重測定を行うために処理装置１５に入る回折信号の動きを示す。
【００１６】
本発明に係る位置決め・長さ測定装置は、従来の位置決め・長さ装置と比較して物体測定の解像度の点で改善されている。将来的には、高解像度のエンコーダ・ホイールとエンコーダ・ルーラはさらに小径のディスクと短い測定長さでも十分である。高次の回折信号は、マルチプル・レシーバの相応に大きなウィンドウ領域によって相似的に生成される。
【００１７】
本発明によれば、０．５μｍよりも高い絶対構造精度を達成することができた。これは、物体測定の精度が標準の場合と比較して２０倍改善できることを意味する。
【００１８】
この新規な光トランスミッタ素子のさらなる利点は、射出成形部品に一体化した機能を持たせることができることである。例えば、エンジン軸を受けるためのハブ機能を、ポリカーボネートからなる光トランスミッタ素子に一体化することができる。さらなる利点は、トランスミッタ素子の高い平面度（低ＴＩＲ，ＴＩＲ＝全誘導振れ）にある。その結果として、位置決め部品間の距離をさらに小さくすることができる。したがって、従来の部品（ＬＥＤ、フォトトランジスタ）を用いて、部品間の距離を０．５ｍｍ以下、好ましくは０．　１ｍｍにすることが可能である。
【００１９】
耐摩耗性と破壊安全性は、使用する材料によって、従来の装置と比べて本発明の装置の寿命を５倍伸ばすほど改善することができる。通常、信号を選択するために必要なセンサは、構造の長手方向の密度（光トランスミッタ素子の長さ方向のライン数）であるＬＰＩ値により調節される。ウィンドウ光学によってビームの平行化が可能であれば、０次の回折信号を選択するために従来のＬＥＤや、ＶＣＳＥＬ、ＲＬＥＤを使用することができる。適当な光源が利用できる場合には、０次と１次の回折構造に加えて、前述のように高次の回折信号を選択することもできる。この場合には、固体レーザーダイオードなどの高度な平行性と干渉性を有する光源を使用することが前提となる。
【００２０】
要約すれば、表面構造をピット構造およびランド構造に変更し、レシーバまたはマルチプル・レシーバを特別なウィンドウ設計にすることによって、走査するトラックに特定の情報を組み入れることができる。１つのトランスミッタ素子に半径の異なる複数のトラックを配置して多くの信号を処理できるようにすることによって、集められる情報量を大幅に増加できることは言うまでもない。これによって、本発明のトランスミッタ素子の適用可能性を広げることができる。また、従来の位置信号や測定信号を得ることができるだけではなく、これらの信号をインデックス化することによって特定の領域を規定することもできる。
【００２１】
本発明の光トランスミッタ素子において、ピット構造およびランド構造より小さいビーム径を有する光が入射する場合、図６に示すように、光がピット構造のみ、またはランド構造のみに当たる場合（図６のａ、ｂ）には、例えば反射層がある場合、反射性は大きい（全て反射して屈折しない０次の回折光となる）が、光がピット構造とランド構造に半々に当たる場合（図６のｃ）には、反射光は干渉によってキャンセルされ１次の回折光を生じる（ピット構造（５）とランド構造（６）の厚さ（または高さ）の差Ｄ＝λｎ　／４）。
【００２２】
ピット構造およびランド構造よりはるかに大きいビーム径を有する光が入射する場合、図７に示すような回折が生じ（ピット構造（５）とランド構造（６）の厚さ（または高さ）の差Ｄ＝λｎ　／４）、図８のＤに入射する光波とＡに入射する光波の行路差は、ＣＤ−ＡＢ＝ｇ（ｓｉｎθｉ　−ｓｉｎθｍ　）＝ｍλ（λ：光の波長、ｍ：正負の整数）である。
【００２３】
従来の光トランスミッタ素子（ＣＤエンコーダ）においては、０次元の光のみが考慮され、他の全ての回折光は考慮されなかったが、付加的な情報は、０次元以外の光ビームにより伝達される。これらの光ビームは、０次元とは違う場所の検出面を照射する。
【００２４】
ある次元の光が検出面を照射する位置は、トラック上でのピット（５）と平坦部（６）の間隔が変わると変化し、その位置に検出器の受光ユニットを位置させることとなる。その位置は、１回転当たり１つのみではなく、本発明の回折コードを用いることにより複数位置で与えられる。その位置は互いに異なる。１次元の回折光は、１回転の間に１つのインデックス位置から他のインデックス位置に動く。
【００２５】
図９は反射層がなく光が透過する光トランスミッタ素子を示すもので、この場合には、ピット構造（５）とランド構造（６）の厚さ（または高さ）の差ｈ＝λ０　［２／（ｎ−１）］＝０．６４／２×０．５＝０．６４μｍで０次元の回折光がキャンセルされ、高次元の回折光が、反射層を有する場合と同様に、インデックス信号と他の付加的な位置信号を得るために使用できる。
【００２６】
本発明による光トランスミッタ素子の好ましい実施形態を列挙すれば以下のとおりである。
（Ａ）バーコードが複数のピット列と該ピット列間に形成される平坦部からなり、バーコードに入射する光が回折、干渉されるよう構成されている請求項１において、ピット（５）の長さ、幅、深さ（高さ）、直径などの寸法がいずれも１μｍより小さく、２次元のサブミクロン格子構造を形成している。
【００２７】
（Ｂ）光の回折、干渉が、２次元のサブミクロン格子構造から垂直に延びるピット構造とランド構造の高さの差（＝ピット（５）と平坦部（６）との高さの差）により生じる。
【００２８】
（Ｃ）バーコード（２）の間の透過ウインドウ（３）の透過度は設定可能である。
【００２９】
（Ｄ）バーコード（２）の間の透過ウインドウ（３）は透明であり、バーコード（２）のピット構造（５）とランド構造（６）の高さの差がＤ＝λ０／［　２（ｎ−１）］　である（式中、λ０　は光の波長、ｎは光トランスミッタの屈折率）。
【００３０】
（Ｅ）前記光トランスミッタ素子の材料が屈折率ｎ＝１．５５を有するポリカーボネートからなる。
【００３１】
（Ｆ）前記光トランスミッタが射出成型精密部品であり、その中に駆動軸に固定するための付加的な機能が形成されている。
【００３２】
（Ｇ）付加的な機能として、ハブ（４）が前記トランスミッタ素子（１）に形成されている。
【００３３】
（Ｈ）前記光トランスミッタの表面に、好ましくはプラズマ重合体またはＤＬＣコーティングからなる摩耗保護層（７、８）が設けられている。
【００３４】
本発明による光トランスミッタ素子を用いた位置決め・長さ測定装置の好ましい実施形態を列挙すれば以下のとおりである。
（Ｉ）請求項２による位置決め・長さ測定装置において、レシーバで受け取る回折、干渉された光信号が前記送信光信号の波長に調整されることを特徴とする。
【００３５】
（Ｊ）レーザーダイオードのビーム光源としてＶＣＳＬＥまたはＲＬＥＤを使用する、または、前記エミッタ（１０）に用いられるビーム光源が微細光学特性を備えたＬＥＤ（発光ダイオード）である。
【００３６】
（Ｋ）前記トランスミッタ素子（１）がエンコーダ・ホイールまたはエンコーダ・ルーラである。
【００３７】
（Ｌ）前記光トランスミッタ素子における、２次元のサブミクロン格子構造およびピット構造とランド構造からなる３次元のマイクロ構造が、非偏向光路（０次回折）を通過するビームは最大限に減弱され、透過波および反射波の相は前記格子構造での干渉によってトータル信号が増幅または減弱するように設計されている。
【００３８】
（Ｍ）前記エミッタが高度の干渉性と小角度のビーム発散を有するビーム光源であり、追加的に導入される信号を選択するための複数のレシーバと関連して前記マイクロ構造の高次の回折の光学信号を利用する。
【００３９】
（Ｎ）前記トランスミッタ素子（１）の所定の経路または角度領域がカバーされた後の１以上の位置の絶対検出のために追加の回折信号が生成される。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、光トランスミッタ素子から得ることができる情報の精度と量を大幅に改善して、１インチ当たり５０００ラインの精度を標準偏差約５０ｎｍで達成することを可能とする光トランスミッタ素子、および該光トランスミッタ素子を用いる位置決め装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光トランスミッタ素子を示す平面図である。
【図２】図１におけるバーコードの詳細を示す拡大平面図である。
【図３】図１におけるバーコードの他の例の詳細を示す拡大平面図である。
【図４】図２、図３におけるバーコードの断面図である。
【図５】本発明の位置決め装置を示す略図である。
【図６】本発明の光トランスミッタ素子にビーム径の小さい光が入射し反射する場合を示す一部拡大断面図である。
【図７】本発明の光トランスミッタ素子にビーム径の大きい光が入射し反射する場合を示す一部拡大断面図である。
【図８】図６における反射光を示す略図である。
【図９】本発明の光トランスミッタ素子に光が入射し透過する場合を示す一部拡大断面図である。
【符号の説明】
１　　　光トランスミッタ素子
２　　　バーコード
３　　　ウィンドウ
４　　　ハブ
５　　　ピット構造
６　　　ランド構造
７　　　保護層
８　　　保護層
９　　　コードトラック
１０　　エミッタ
１１　　光トランスミッタ素子
１２　　レシーバ
１３　　レシーバのウィンドウ領域
１４　　矢印
１５　　処理装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004053576.tif 000009
【図８】
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【図９】
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