JP2006133082A - 光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ光学系を用いた光電式エンコーダのレンズの倍率収差による信号検出効率低下を防止する。
【解決手段】メインスケール２０、２２と受光素子３２、３５の間にレンズ光学系（４０、４２）が配設された光電式エンコーダにおいて、受光素子３２上の光学格子３１又は受光素子アレイ３４の受光素子３５を、レンズ４０の歪曲収差による像の周期に合わせて配置して、周期の異なる格子像を信号として検出できるようにする。
【選択図】図７

Description

本発明は、メインスケール上の光学格子によって生じた明暗の縞を、前記メインスケールと相対移動する、インデックス格子と受光素子を組み合わせた受光部、又は、受光素子が格子状に配設された受光素子アレイによって検出するようにされた光電式エンコーダに係り、特に、メインスケールと受光素子の間にレンズ光学系が配設された光電式エンコーダに関する。

従来より、図１に示すような光電式エンコーダが使用されている。図において、２０は、例えばその表面（図では下面）に所定ピッチＰのスケール（光学）格子２１が形成された透過型のメインスケール、３０は受光部であり、所定ピッチＱのインデックス（光学）格子３１と受光素子３２が組み合わされている。インデックス格子３１は、例えば透明なインデックススケール３３上（図では下側）に形成されている。

図１の構成では、インデックス格子３１が形成されたインデックススケール３３と受光素子３２とが個別部品であるため、それらを組み立てる必要がある。又、方向弁別（Ａ相、Ｂ相）のために複数の受光素子が必要であるが、光感度特性や温度特性を揃えるために、素子を選別しなければならない。

そこで、特許文献１に記載されているように、図２に示す如く、所定ピッチＱのインデックス格子と受光素子が一体化され、受光素子３５自体が格子状に配設された受光素子アレイ３４を受光部に使用した透過型の光電式エンコーダが提案されている。

このような受光素子アレイ３４の採用は、小型化や信号安定性の向上といった、多くの利点がある。

しかしながら、メインスケール２０の格子ピッチＰにより、受光側の格子ピッチＱも決定されてしまうため、ピッチＰとは異なる格子ピッチを持つメインスケールに対応しようとすると、それに併せて受光部側を作り換えなければならない。又、メインスケール２０のスケール格子２１の面から、その格子ピッチＰと光波長λによって決まる距離にしか明暗の縞が生じないため、受光素子アレイ３４の採用／不採用に拘わらず、ギャップが変動した場合の信号出力の低下が大きいという問題がある。

このような問題点を解決するべく、図３に示す如く、メインスケール２０と例えば受光素子アレイ３４の間に、レンズ４０、及び、必要に応じてテレセントリック絞りとしてのアパーチャ４２からなるレンズ光学系（テレセントリック光学系）を挿入して、図４に示す如く、レンズ４０とメインスケール２０のスケール格子２１及び受光素子アレイ３４上の受光素子３５間の距離ａ、ｂを調整することにより、倍率設定ができるようにすることが考えられる。このようにして、光源１０（図３参照）から出た光が、メインスケール２０のスケール格子２１を通過してレンズ４０に入射し、該レンズ４０から出た光のうち、該レンズ４０の焦点に設けられたアパーチャ４２を通過する光軸に沿ったものだけが、受光素子アレイ３４に到達し、スケール格子２１のイメージ像を形成するようにすることができる。

図３に示すテレセントリック光学系は、メインスケール２０と受光素子アレイ３４との距離（ギャップ）が変動しても、レンズ４０とアパーチャ４２と受光素子アレイ３４の位置関係が変動しなければ、受光素子３４上に結像される像の倍率変動を抑えることができるという優れた効果を有する。又、アパーチャ４２の大きさは、メインスケール２０上に備えられた光学格子の周期を解像するように最適に調整することで、高周波ノイズをカットすることも可能である。

特許第２６１０６２４号公報

しかしながら、このアパーチャ４２の径が小さいほど、この倍率変動を抑える効果は大きくなるが、反面、分解能が低くなり、同時に受光素子アレイ３４に到達する光パワーが小さくなってしまうという問題がある。従来では、この受光素子アレイ３４に到達する光パワーを高めるために光源１０へ流す電流を増やして光量を増やすという対策を講じていた。このため外乱光の影響でオフセット成分が増え、更に発熱量も増えるという問題が発生していた。

又、前記のように光電式エンコーダにレンズ光学系を用いた場合、レンズ４０の歪曲収差（デストーション）により、レンズの外側と内側で倍率が異なってしまい、図５（Ａ）に示すような等ピッチの格子パターン上に、レンズ４０が樽型収差を有する場合は、図５（Ｂ）に示すような像が投影され、レンズ４０が糸巻型収差を有する場合は、図５（Ｃ）に示すような像が投影されることになる。このため、図５（Ａ）に示した受光素子のピッチと、位置により異なるピッチの格子像を受光することになり、受光素子ピッチと異なる周期の像はオフセット成分として作用するため、信号検出効率の低下につながるという問題点も有していた。

歪曲収差を小さくするためには、レンズ４０の中央部のみを使用すればよいが、視野が狭くなる。広い視野を確保し、収差を小さくするには、図６に示す如く、レンズ径の大きいレンズ４０を使用する必要があり、焦点距離ｆが長いため、光学系全体が大きくなり、小型化に支障を来たすという問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、レンズ光学系を用いた光電式エンコーダの信号検出効率を改善することを課題とする。

本発明は、メインスケールと受光素子の間にレンズ光学系が配設された光電式エンコーダにおいて、受光素子上の光学格子又は受光素子アレイの受光素子を、レンズまたは複数のレンズで構成される組レンズの歪曲収差による像の周期に合わせて配置することにより、前記課題を解決したものである。

又、前記受光素子を、透過型メインスケールを挟んで、光源の反対側に配設したものである。

あるいは、前記受光素子を、反射型メインスケールに対して、光源と同じ側に配設したものである。

又、前記レンズ光学系が、前記光学格子と同方向に長いスリット形状のアパーチャを含むようにしたものである。

あるいは、前記レンズ光学系が、前記光学格子と同方向に複数配置されたアパーチャを含むようにしたものである。

従来、光学式エンコーダのレンズとしては、収差のより小さいもの、例えば、非球面レンズやアクロマティックレンズ、組レンズを使い、歪曲の少ない像を正確に矩形状に形成されたインデックス格子又は受光素子アレイに照射するように構成していた。しかし、このようなレンズは一般的に高価である。本発明では、インデックス格子又は受光素子アレイの受光素子ピッチを変更することにより、レンズの歪曲収差に拘わらず、受光素子のピッチと同じピッチの格子像を受光することが可能となる。従って、歪曲収差のあるレンズでもそのまま利用できるようになり、受光光量を増やして信号検出効率を上げることができる。これにより、大型レンズの中心のみを用いる必要が無くなり、小型レンズを用いて、光電式エンコーダを小型化することが可能となる。又、収差の比較的大きいレンズを用いる方が、このレンズの歪曲収差にインデックス格子又は受光素子のピッチを合わせることが比較的容易である。従って、平凸レンズ、ボールレンズ、ＧＲＩＮレンズ等の安価で歪曲収差の大きなレンズを用いることが可能である。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図が複雑になるのを防ぐためインデックススケールを省略した図７（Ａ）に示す如く、インデックス格子３１と受光素子３２が別体とされた受光部３０を有する光電式エンコーダにおいて、インデックススケール３３上のインデックス格子３１を、図７（Ｂ）に示す如く、レンズ４０の歪曲収差（ここでは樽型収差）に合わせて樽型に配置したものである。

このように、レンズ４０の歪曲収差に合わせて、インデックス格子３１を配置することで、位置により周期の異なる干渉縞を信号として検出できるため、信号検出効率を改善することができる。又、レンズ４０も小径で良い。

次に、図３及び図４に示した如く、インデックス格子と受光素子が一体化され、受光素子３５自体が格子状に配設された受光素子アレイ３４を備えた光電式エンコーダに適用した本発明の第２実施形態を図８（Ａ）に示す。

本実施形態においては、レンズ４０の歪曲収差（ここでは糸巻型）に合わせて、図８（Ｂ）に示す如く、受光素子アレイ３４の受光素子３５を糸巻型に配置しているので、位置により周期の異なる干渉縞を信号として検出できるため、信号検出効率を改善することができる。又、レンズ４０も小径で良い。

更に、前記アパーチャ４２の形状を、図９（Ａ）に示すスリットタイプの如く、メインスケールの光学格子と同方向に細長いスリット形状にすることで、測定軸方向に対する解像度を維持したまま、受光素子アレイ３４に到達する光パワーを増加させることが可能である。従って、従来より光源１０の光を効率良く利用することが可能となるので、光源１０へ流す電流を低く抑え、更に発熱量も抑えることが可能となり、測定精度向上に寄与する。あるいは、図９（Ｂ）に示すマルチアパーチャタイプの如く、アパーチャ４２をメインスケールの光学格子と同方向に複数配置することでも同様な効果を得ることが可能である。

又、レンズの歪曲収差に合わせてインデックス格子又は受光素子アレイの受光素子を配置する際に、厳密にレンズの歪曲収差に合わせることが理想的であるが、それが難しい場合は、レンズの使用する範囲における歪曲収差の平均値ｍ_aveを算出して、この平均値に基づいて図１０に示す如く、インデックス格子又は受光素子アレイの受光素子を配置するようにしてもよい。この場合でも受光素子の出力信号の低下を、ある程度軽減可能である。

前記第１、第２実施形態においては、いずれも、本発明が、受光素子が、透過型メインスケール２０を挟んで光源１０の反対側に配設された透過型エンコーダに適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、図１１（斜視図）及び図１２（側面図）に示す如く、受光素子（図では受光素子アレイ３４）が、反射型メインスケール２２に対して、光源（図ではＬＥＤ１２）と同じ側に配設された反射型エンコーダにも、同様に適用可能である。

イメージ面での像の倍率は、スケール〜レンズ間距離ａと、レンズ〜受光素子間距離ｂの比で表わされる（ｍ＝ｂ／ａ）が、反射型の場合、図１３に示す如く、スケールのトラック方向位置によって、ａの距離が異なるため、図１４（Ａ）のようなメインスケールパターンに対し、図１４（Ｂ）のような格子像ができる。従って、受光素子アレイ３４の格子パターンも、図１４（Ｂ）に合わせる。

前記実施形態においては、いずれもアパーチャ４２が設けられていたので、ギャップ変動の影響を低減して、安定性に優れた信号を得ることができる。なお、アパーチャ４２が必要無い時には省略することもできる。

従来の光電式エンコーダの一例の構成を示す断面図 同じく他の例の構成を示す断面図 レンズ光学系を用いた光電式エンコーダの構成例を示す斜視図 図３に示した光電式エンコーダの問題点を示す断面図 同じく格子パターンと格子像の関係の例を示す平面図 同じくレンズと格子パターンの関係を示す平面図 本発明の第１実施形態の構成を示す（Ａ）断面図及び（Ｂ）平面図 本発明の第２実施形態の構成を示す（Ａ）断面図及び（Ｂ）平面図 アパーチャの変形例を示す斜視図 受光素子配置の変形例の原理を説明する図 本発明の他の適用対象である反射型エンコーダの構成を示す斜視図 同じく側面図 同じく本発明を適用するための原理を示す側面図 同じく格子パターンと格子像の関係の例を示す平面図

符号の説明

１０、１２…光源
２０…（透過型）メインスケール
２１…スケール格子
２２…（反射型）メインスケール
３０…受光部
３１…インデックス格子
３２、３５…受光素子
３３…インデックススケール
３４…受光素子アレイ
４０…レンズ
４２…アパーチャ

Claims (5)

1. メインスケールと受光素子の間にレンズ光学系が配設された光電式エンコーダにおいて、
   受光素子上の光学格子又は受光素子アレイの受光素子を、レンズまたは複数のレンズで構成される組レンズの歪曲収差による像の周期に合わせて配置したことを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 前記受光素子が、透過型メインスケールを挟んで、光源の反対側に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の光電式エンコーダ。
3. 前記受光素子が、反射型メインスケールに対して、光源と同じ側に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の光電式エンコーダ。
4. 前記レンズ光学系が、前記光学格子と同方向に長いスリット形状のアパーチャを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
5. 前記レンズ光学系が、前記光学格子と同方向に複数配置されたアパーチャを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光電式エンコーダ。

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