JP2004037275A

JP2004037275A - 光学式エンコーダ

Info

Publication number: JP2004037275A
Application number: JP2002195292A
Authority: JP
Inventors: Keiji Matsui; 松井　圭司
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】粉塵や水分等の汚れによっても検出誤差が発生しにくい、耐環境性に優れた高精度な光学式エンコーダを提供する。
【解決手段】互いに光軸の異なる複数の平行光束Ｌａ，Ｌｂが、メインスケール３とインデックススケール１４のほぼ同じ領域を通過するように光源部Ｓを構成する。二つの光束Ｌａ，Ｌｂの領域は、それぞれの領域に含まれる光学格子の位相がずれるように設定されており、これによって光束Ｌａ，Ｌｂをそれぞれ受光する受光面１８，１９からの変位信号が、互いに異なる位相を有する。異なる位相の変位信号を形成する光束Ｌａ，Ｌｂの光路がほぼ一致するので、光路上の構成の汚れなどによる光強度の変化が二つの光束に関し、ほぼ同時に現れる。これにより、汚れなどによる検出誤差を抑えることができる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械、産業機械等で利用される光学式エンコーダに関し、特に光学系の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な光学式エンコーダの光学系斜視図を図５に示す。また、上面図を図６に示す。発光素子１から発せられた光はコリメータレンズ２で平行光束Ｌとなり、メインスケール３に入射して透過し、その後インデックススケールを透過して、受光素子の受光面に入射し光電変換される。
【０００３】
メインスケール３上には、ピッチＰの光学格子が、その格子線方向がメインスケールの長手方向に垂直になるように施されている。また、インデックススケール上にも、メインスケール上の格子トラックに対応して光学格子が設けられている。
【０００４】
このような構成でメインスケールが長手方向に移動すると、メインスケールとインデックススケールとに設けられた光学格子の対向関係が変化することで、透過する光量が周期的に変化し、受光素子から得られる変位信号も周期的に変化する。変位信号の周期はメインスケール上の光学格子のピッチＰとなる。
【０００５】
通常、光学式エンコーダでは、メインスケールの移動によって現れる周期的な変位信号を電気的に内挿分割することによって高分解能化を図っている。そのために、互いに位相の異なる複数の変位信号を得るように光学系を構成するのが一般的である。一例として図５、図６では、互いに電気角で９０゜位相の異なる２つの変位信号Ａ、Ｂを得る例を示す。インデックススケール上には２つの光学格子部、Ａ格子部とＢ格子部が形成されており、２つの格子部は互いに格子の位相がＰ／４だけずれて形成されている。そして、Ａ格子部を透過した光はＡ受光面へ、そして、Ｂ格子部を透過した光はＢ受光面へ入射して光電変換されて変位信号となる。したがって、２つの変位信号もＰ／４だけ位相のずれた信号となる。
【０００６】
前述した内挿分割方法の例としては、２つの変位信号Ａ、Ｂをｃｏｓとｓｉｎと見立ててその比を取り、アークタンジェント計算によって変位信号の１周期内の位置を求める方法がある。変位信号の波形によっては他の計算方法もあるが、２つの変位信号の比を取ることによって、発光素子の発光量の経時変化等が発生して２つの変位信号が同じ割合で変化しても誤差にならない利点があるので、ＡとＢとの比を用いるのが極めて一般的である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような構成の光学式エンコーダでは、変位信号Ａを発生するための光の経路と変位信号Ｂを発生するための光の経路とは異なっている。図５を用いて説明すると、発光素子から出た光のうち変位信号Ａに寄与するのは図の左半分、変位信号Ｂに寄与するのは右半分である。それぞれの光は、コリメータレンズ上の異なった場所を通り、メインスケール上、インデックススケール上でも、異なった場所を通っている。
【０００８】
したがって、粉塵や水分等なんらかの原因で、コリメータレンズやメインスケール、そしてインデックススケールの一部が汚れた場合、変位信号Ａの信号だけが減衰し、変位信号Ｂは減衰しない場合、あるいは、その逆の場合が発生する。
【０００９】
先に述べたように、一般的な内挿分割方法は２つの変位信号ＡとＢの比を利用するため、双方が同じ割合で減衰すれば誤差には成りにくいが、一方だけが減衰するとバランスが崩れ、内挿誤差を発生する。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するために、２つの変位信号に寄与する光が同じ経路を通るような構成を簡単に実現することによって、万一、メインスケール等が汚れても誤差を発生しにくくし、耐環境性に優れた高精度な光学式エンコーダを提供することにある。さらには、複数の変位信号の位相差を簡単に調整可能な構成も提供する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明に係る光学式エンコーダは、光束を発生する光源と、前記光束を透過する光学格子が形成された第１のスケールと、前記光束を透過または反射する光学格子が形成され、前記第１のスケールと相対移動する第２のスケールと、前記２種のスケールの光学格子を透過または反射した光束を受光し、光量に応じた信号を出力する受光手段と、を有している。そして、前記光源は、前記第１のスケールに対する入射角が異なる複数の光束を、当該各光束が前記第１のスケールおよび前記第２のスケールのほぼ同じ領域に照射するように形成し、また前記入射角は、前記２種のスケール上の光学格子の対向関係がそれぞれの光束について互いに異なるように決められている。前記受光手段は、前記複数の光束にそれぞれ対応した複数の受光部を有している。さらに、当該光学式エンコーダは、前記複数の受光部からの、前記２種のスケールの相対移動に応じて出力され、２種のスケール上の光学格子の対向関係の違いにより生じる互いに異なる位相を持つ複数の変位信号に基づき前記２種のスケールの相対変位を算出する演算部、を有している。
【００１２】
スケールの、複数の光束が通過する領域がほぼ共通しているので、スケールが汚れた場合など光学系の光量変化の影響が、複数の光束においてほぼ同時に現れ、この結果汚れの影響を小さくすることができる。
【００１３】
また、前記光源を、コリメータレンズと、前記コリメータレンズから焦点距離だけ離れ、互いに所定間隔離れて配置された複数の発光素子を有するものとすることができる。さらに、この複数の発光素子間の距離を調整可能とすることにより、受光部より出力される変位信号の位相差を調整可能とすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下、実施形態と記す）を図面に従って説明する。図１は、本実施形態の光学式エンコーダの概略構成を示す図である。なお、従来例と同じ構成は、同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、光源部Ｓが、二つの発光素子１ａ，１ｂとコリメータレンズ２を含む。２つの発光素子１ａ，１ｂから出た光はコリメータレンズでそれぞれが平行光束Ｌａ，Ｌｂとなる。２つの発光素子はコリメータレンズの焦点距離ｆｌ上に２ｄの距離を隔てて配置されているので、コリメータレンズを透過した２つの光束は、それらの光の進行方向つまり光軸が互いに角度２θ傾いている。
【００１５】
２つの平行光束は、メインスケール３とインデックススケール１４のほぼ同じ領域を透過する。なお、従来例ではインデックススケール上に互いに位相の異なる２種の光学格子が設けられていたが本実施形態では１種の光学格子部１５があるだけである。２つの平行光束Ｌａ，Ｌｂは互いに傾いているため、２つの平行光束にとっては、メインスケールとインデックススケールに設けられた光学格子の対向関係が異なっているのと同等の効果が得られる。例えば、一方の光束に着目したときメインスケール上の光学格子の透過部とインデックススケール上の光学格子の透過部が対向しているとき、他方の光束にとっては、必ずしも２つの光学格子の透過部どうしは対向していない。インデックススケールを透過した２つの光束は集光レンズ１０を通って、別々の位置に集光される。この位置に受光素子１７の受光面１８，１９を配置すると、それぞれの光量を光電変換することができる。
【００１６】
上述のような配置にすれば、結果的に、メインスケールの移動に伴って、互いに位相の異なった２つの変位信号を得ることができる。以下に各構成要素の配置と得られる２つの変位信号の位相差について説明する。
【００１７】
２つの発光素子間の距離を２ｄ、コリメータレンズの焦点距離をｆｌとするとコリメータレンズから出る平行光束Ｌａ，Ｌｂのそれぞれの、コリメータレンズの光軸との角度θは、ｔａｎθ＝ｄ／ｆｌで表される。一方、例えば、２つの変位信号の位相差を９０゜にしたいときは、２つの光束に対する光学格子の位相が互いにＰ／４（Ｐは光学格子のピッチ）となればよいのでメインスケール１５とインデックススケール１４の光学格子の間隔をｇとすれば、ｔａｎθ＝（Ｐ／８）／ｇの関係になるようにｇとθを決定すればよい。したがって、光学系の配置は、ｄ／ｆｌ＝（Ｐ／８）／ｇとなる。
【００１８】
上記のような構成によれば、２つの変位信号に寄与する光束の光路がほぼ同じ部分を通過する。つまり、コリメータレンズの同じ場所を通り、メインスケールやインデックススケールのほぼ同じ領域を通り、さらに集光レンズも同じ部分を通過する。したがって、万が一、その一部が粉塵や水分等で汚れた場合、２つの変位信号が全く同じ割合で減衰する。従来の技術で記載したように、内挿分割は、２つの変位信号の比をもとに計算されるので、同じ割合での信号の増減は誤差にならない。結果的に、耐環境性に優れた高精度の光学式エンコーダを提供することが可能となる。
【００１９】
図２は、本発明の他の実施形態の光学式エンコーダの概略構成を示す図である。本実施形態では、光源として平行光束を発生する発光素子２１ａ，２１ｂが使用されている。これらは、発光素子自体にコリメータレンズ相当の部分が一体となって形成されているものである。したがって、図１に示した実施形態で記載したような角度に２つの平行光束Ｌａ，Ｌｂが位置するように２つの発光素子を配置することにより、図１の実施形態と同等の光源部Ｔを構成することが可能である。また、受光素子についても、受光面の大きさを確保すれば集光レンズを使用せずに光束を受光することが可能である。
【００２０】
図３に、さらに他の実施形態の光学式エンコーダの要部構成を示す。本実施形態は、前述の各実施形態の光源部のみの変更であるのでその部分だけを図示する。図３ではひとつの発光素子で２つの平行光束を作り出す例を表している。発光素子３１から出た光は２つのミラー２２よって反射してそれぞれがコリメータレンズ３２で平行光束となる。このように構成すると、２つの発光素子を使う場合に比べて発光素子自体の発光量変化が発生しても２つの光束に同じ割合で影響するため、内挿分割の誤差が発生しない。
【００２１】
図４に、さらに他の実施形態の光学式エンコーダの要部構成を示す。本実施形態においても、光源部のみの変更であるのでその部分だけを図示する。本実施例では主にレーザ光等コヒーレンスの高い光源に用いると効果的である。図４ではひとつの発光素子４１で２つの平行光束を作り出す例を表している。発光素子から出た光はコリメータレンズ４２で平行光束となる。平行光束は、回折格子４３を透過すると、このとき回折現象により、直進する０次回折光と、高次回折光に分かれる。図４では、これらの光束のうち、０次回折光と±１次回折光のみを図示している。回折角度、つまり回折光の進行方向は、発光素子４１の波長と回折格子４３の格子周期によって決定される。また、各回折光の強度は、回折格子４３の性質によって決定される。回折格子４３としては、透過型振幅格子でもよいし、透過型位相格子でも適用可能である。また、反射型回折格子を使った光学系も利用できる。
【００２２】
また、別の実施形態として、例えば図１の構成で、２つの発光素子の間隔２ｄを調整可能なように調整手段を設けることによって、得られる複数の変位信号の位相差を任意に調整することができる。
【００２３】
以上、リニアエンコーダの例で説明したが、ロータリエンコーダでも同じ方法で適用可能である。また、主に２本の平行光束で２つの変位信号を得る例を説明したが、３つ、あるいは、４つの光束を使うことでさらに多くの変位信号を得ることも可能である。また、変位信号の位相差についても９０゜位相差に限らず、１２０゜位相差等、別の位相差の変位信号を得ることも可能である。メインスケールの前後、あるいはインデックススケールの前後に光束の幅を制限するスリット等を設け、複数の光束が同じ光路を通るようにすることも可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の提案する簡単な光学系の変更で、互いに位相差の異なる複数の変位信号をほぼ同じ光路から得られるので、粉塵や水分などの汚れによっても内挿分割の誤差が発生しない、耐環境性の優れた高精度な光学式エンコーダを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の光学式エンコーダの概略構成図である。
【図２】本発明の他の実施形態による光学式エンコーダの概略構成図である。
【図３】本発明のさらに他の実施形態の要部構成図である。
【図４】本発明のさらに他の実施形態の要部構成図である。
【図５】従来の光学式エンコーダの斜視図である。
【図６】従来の光学式エンコーダの構成図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，２１ａ，２１ｂ　発光素子、２　コリメータレンズ、３　メインスケール、４，１４　インデックススケール、５　Ａ格子部、６　Ｂ格子部、１５　格子部、７，１７，２７　受光素子、８，１８，２８　Ａ受光面、９，１９，２９　Ｂ受光面、１０　集光レンズ、２２　ミラー、２３　回折格子。

Claims

光束を発生する光源と、
前記光束を透過する光学格子が形成された第１のスケールと、
前記光束を透過または反射する光学格子が形成され、前記第１のスケールと相対移動する第２のスケールと、
前記２種のスケールの光学格子を透過または反射した光束を受光し、光量に応じた信号を出力する受光手段と、
を有し、
前記光源は、前記第１のスケールに対する入射角が異なる複数の光束を、当該各光束が前記第１のスケールおよび前記第２のスケールのほぼ同じ領域に照射するように形成し、
前記入射角は、前記２種のスケール上の光学格子の対向関係がそれぞれの光束について互いに異なるように決められており、
前記受光手段は、前記複数の光束にそれぞれ対応した複数の受光部を有し、
さらに、前記複数の受光部からの、前記２種のスケールの相対移動に応じて出力され、２種のスケール上の光学格子の対向関係の違いにより生じる互いに異なる位相を持つ複数の変位信号に基づき前記２種のスケールの相対変位を算出する演算部、を有する、
光学式エンコーダ。
請求項１に記載の光学式エンコーダであって、前記光源は、コリメータレンズと、前記コリメータレンズから焦点距離だけ離れ、互いに所定間隔離れて配置された複数の発光素子と、を有する光学式エンコーダ。
請求項２に記載の光学式エンコーダであって、前記複数の発光素子間の距離を調整する手段を有し、この調整により前記複数の変位信号の位相差を調整可能とする、光学式エンコーダ。