JP2006133101A - 光電式エンコーダ - Google Patents
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Abstract
【課題】ギャップ変動による出力の信号の影響を小さくし、位置合わせの調整を容易として、ミスアライメント特性を向上する。
【解決手段】光源からの光を、互いに相対移動するメインスケール２０とインデックススケール３０に照射して、その相互作用により受光信号を得るようにした光電式エンコーダにおいて、前記光源として、発光スペクトルの半値幅が単色半導体光源よりも広い、インコヒーレントな半導体光源（白色ＬＥＤ４０）を用いる。
【選択図】図３
【解決手段】光源からの光を、互いに相対移動するメインスケール２０とインデックススケール３０に照射して、その相互作用により受光信号を得るようにした光電式エンコーダにおいて、前記光源として、発光スペクトルの半値幅が単色半導体光源よりも広い、インコヒーレントな半導体光源（白色ＬＥＤ４０）を用いる。
【選択図】図３
Description
本発明は、光源からの光を、互いに相対移動するメインスケールとインデックススケールに照射して、その相互作用により受光信号を得るようにした光電式エンコーダに係り、特に、ギャップ変動による出力の信号の影響が小さく、位置合わせの調整が容易な、ミスアライメント特性の良い光電式エンコーダに関する。
従来から、直線変位や角度変位等の精密な測定に、光源からの光を、互いに相対移動するメインスケールとインデックススケールに照射して、その相互作用により受光信号を得るようにした光電式エンコーダが利用されている。
この光電式エンコーダの一つに、図１に示す如く、メインスケール２０に設けられたスケール（光学）格子２１と光透過性のインデックススケール３０に設けられたインデックス（光学）格子３１とを用いる、いわゆる２格子型がある。図において、３２は受光素子、３４は受光部である。
この２格子型では、スケール格子２１とインデックス格子３１のギャップＧが小さい程、光の拡散等の影響が小さいので、エンコーダの分解能が向上する。しかしながら、格子間のギャップＧが小さく（例えば１０〜５０μｍ）なると、メインスケール２０とインデックススケール３０との位置合わせのための調整が難しくなる（ミスアライメント特性が悪い）ので、エンコーダの組立に手間がかかる。又、格子間のギャップＧを小さくするといっても限界がある。
一方、例えば特許文献１に開示された、いわゆる３格子型は、図２に反射型で例示する如く、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）６とコリメートレンズ８でなる光源部４とメインスケール２０との間（ここでは、インデックススケール３０上のインデックス格子３１とは異なる場所）に、更に別の（光学）格子（第１格子と称する）１１が配置されている。そして、光源部４からの光は第１格子１１で回折され、この回折光が、メインスケール２０に設けられたスケール格子（ここでは第２格子）２１で回折される。これにより生成された干渉縞が、インデックス格子（ここでは第３格子）３１を介して受光部３４の受光素子３２で受光される。図において、２は、光源部４、インデックススケール３０及び受光部３４を備え、メインスケール２０に対して相対移動可能とされたセンサヘッドである。
前記受光素子３２で観測される干渉縞の強度分布は、格子間のギャップ（第１格子１１と第２格子２１とのギャップ、第３格子３１と第２格子２１とのギャップ）Ｇに依存しないことが知られている。このため、３格子型は、２格子型よりも格子間のギャップを大きくすることができる。よって、３格子型によれば、２格子型に比べて、位置合わせのための調整が容易となる（ミスアライメント特性が良い）。
しかしながら、光学格子間のギャップＧを大きくできても、ギャップ変動による出力信号の影響が大きく、ギャップの設計値からのずれの許容量が小さいため、位置合わせのための調整が難しくなる（ミスアライメント特性が悪い）という問題点を有していた。
これは、特許文献２に記載されているように、インデックス格子と受光素子が一体化され、受光素子自体が格子状に配設された受光素子アレイを受光部に使用した光電式エンコーダでも同じである。
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、ギャップ方向のミスアライメント特性を向上させて、使い勝手を良くすることを課題とする。
本発明は、光源からの光を、互いに相対移動するメインスケールとインデックススケールに照射して、その相互作用により受光信号を得るようにした光電式エンコーダにおいて、前記光源として、発光スペクトルの半値幅が単色半導体光源よりも広い、インコヒーレントな半導体光源を用いるようにして、前記課題を解決したものである。
又、前記インコヒーレントな半導体光源に、更に、拡散板やプリズム等の拡散手段を組合せたものである。
又、前記インコヒーレントな半導体光源として、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）、中心波長の異なる複数の単色ＬＥＤを組合せたもの、中心波長の異なる複数の単色レーザダイオード（ＬＤ）を組合せたもの、スーパールミネセンスダイオード（ＳＬＤ）、中心波長の異なる複数のＳＬＤを組み合わせたものを用いたものである。
本発明では、発光スペクトルの半値幅が単色半導体光源よりも広い、インコヒーレントな半導体光源を用いたので、ギャップによる出力信号強度の変化への影響を低減させて、ミスアライメント特性を向上させ、使い勝手を良くすることができる。
例えば、白色ＬＥＤは、後述するように、従来用いられていた単色ＬＥＤに比べ、光スペクトルがブロードであり、コヒーレンス度が小さい。このため、３格子型エンコーダにとって不要な高次回折光の発生が低減できる一方、必要な０次光及び一次回折光は十分得られ、ミスアライメント特性が向上した３格子型のエンコーダを実現できる。特に、拡散手段を用いない場合には、小型化、低価格化を実現することができる。
なお、適用対象は３格子型に限定されず、２格子型にも適用できる。
一方、ブロードなスベクトルを得る方法としては、以前利用されていたＬＥＤ以外の白色光源（例えば白熱灯）等も考えられるが、光源の寿命が、ＬＥＤ等の半導体光源に比べ著しく短いため、実用的では無い。
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２に示したような３格子反射型エンコーダにおいて、図３に示す如く、光源部４の光源として、白色ＬＥＤ４０を用いたものである。他の点については図２と同様であるので、詳細な説明は省略する。
メインスケール２０上に構成された光学格子２１は、通常Ｃｒ等の金属の蒸着膜で構成されるが、図３の反射型の光電式エンコーダで従来の単色光源を使った場合、この膜厚が数十ｎｍオーダーで変動すると出力信号も変化してしまうという問題がある。これは、単色光源からの波長λの入射光が、メインスケール２０のスケール格子２１の上面で反射される他、スケール格子２１の無い部分、即ちメインスケール２０の基板（通常はガラス）の面でも、ある程度光が反射して、これらの光が互いに干渉を起こして受光光量が変動するという問題がある。通常は、そのような干渉現象が発生しないように、スケール格子２１の膜厚は（２ｎ＋１）＊λ／４（ｎは任意の整数）近辺を避けるように精密に制御されて製造されるが、長いスケールにわたって、この膜厚を制御することは極めて難しく、従って、メインスケール製造における歩留まりを悪化させていた。本発明では光源に白色光を使うことで、この干渉現象による受光光量の変動を低減でき、従ってメインスケール２０の製造歩留まりを上げることができ、製造コストが大幅に低減可能となる。
又、受光素子３２の前面には、通常透明の保護膜を構成する。単色光源からの波長λの入射光は、この保護膜の厚みにより表面及び裏面にて反射乃至多重反射した光が互いに干渉して受光光量が変動するという問題もある。通常、このような問題が発生しないように膜厚は制御され製造されるが、受光素子は通常１枚の半導体ウェハ上に多数製造するため、保護膜を成膜した際にウェハの中心と周辺では膜厚が微妙に異なり、そのため光電式エンコーダに組み込んだ場合に出力信号に個体差が生じてしまい、従って受光素子の製造歩留まりを悪化させていた。本発明では光源に白色光を使うことで、この保護膜の厚みに由来する干渉現象による受光光量の変動を低減でき、従って受光素子の製造歩留まりを上げることができ、製造コストが大幅に低減可能となる。
前記白色ＬＥＤ４０としては、図４（Ａ）に示す如く、赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂの各色を中心波長に持つ単色ＬＥＤ４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂを組合せたＲＧＢ混色ＬＥＤを用いることができる。この場合、発光スペクトルのピーク波長は、図４（Ｂ）に示す如く、Ｒ、Ｇ、Ｂの３つのピーク波長を有するものとなる。
あるいは、前記白色ＬＥＤ４０として、図５（Ａ）に示す如く、紫外（ＵＶ）ＬＥＤ４２ＵＶと、ＲＧＢの３色で発光するＲＧＢ蛍光体４４ＲＧＢを組合せて、白色を得るようにしたものを用いることもできる。この場合の発光スペクトルは図５（Ｂ）に示す如くとなり、ピーク波長は、やはりＲ、Ｇ、Ｂの３つを有するものになる。
あるいは、前記白色ＬＥＤ４０として、図６（Ａ）に示す如く、青色ＬＥＤ４２Ｂと黄色（又は黄緑色）で発光する黄色蛍光体４４Ｙを組合せたものを用いることができる。これは、人間の目には２色であっても白色と感知するため、擬似白色ＬＥＤとも呼ばれている。この場合の発光スペクトルは、図６（Ｂ）に示す如く、青色に顕著なピーク波長があり、黄色を中心にもう１つブロードなピークがあるものとなる（ピーク波長２つ）。
なお、ＬＥＤや蛍光体の特性によって、光スペクトルの形状は様々なケースがあるが、白色ＬＥＤは、いずれも赤〜青の光スペクトルを有する。
図６に示した青色ＬＥＤ４２Ｂと黄色蛍光体４４Ｙを組合せた白色ＬＥＤ４０を用いた場合のミスアライメント特性の実験結果を図７に実線Ｗで示す。合わせて破線Ｏで示した従来の単色ＬＥＤによるミスアライメント特性に比べて振幅変化率が小さく、大幅に改善しているが分かる。
なお、白色ＬＥＤ４０の一例として、図４では３色のＬＥＤ４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂを用いていたが、２色のＬＥＤでも実現可能である。例えば赤と黄の２色のＬＥＤを混合することが考えられ、その場合の混合色は橙となる。
又、光源として、白色ＬＥＤの代わりに、中心波長の異なる複数の単色レーザダイオード（ＬＤ）を組合せたものを用いてもよい。例えばコンパクトディスクや通信用の赤外ＬＤと、ＤＶＤ用の赤ＬＤを組合せて用いることが考えられる。
なお、マルチモードＬＤは、極めて近い部分に２つ以上のスペクトルのピークがあり、コヒーレンス度がシングルモードＬＤより小さいが、それでもＬＥＤよりコヒーレンス度が高く、有効性があまり期待できない。一方、新しいタイプのＬＤとして、共振器構造を有しておらず、素子端面での光帰還を防ぐ構造を有し、ＬＤとＬＥＤの中間的な特性を示すスーパールミネセンスダイオード（ＳＬＤ）を用いることも可能である。このＳＬＤは、ＬＥＤと同様の低いコヒーレンス度を有しているので、１個のＳＬＤで、従来と同様のエンコーダを構成できる。このとき、大きな一次回折光が得られる一方、不要な３次以上の回折光は低減できるため、ＬＥＤより受光素子からの大きな出力電流が得られ、増幅回路のゲインを小さく設定することが可能となる。この結果、Ｓ／Ｎ比向上による内挿誤差低減、周波数特性向上等の効果が期待できる。又、中心波長の異なる２個以上のＳＬＤを用いて、更にコヒーレンス度を低減することも可能である。
次に、２格子透過型エンコーダに適用した、本発明の第２実施形態を詳細に説明する。
本実施形態は、図１に示したような２格子透過型エンコーダにおいて、図８に示す如く、光源部４の光源として、第１実施形態と同様の白色ＬＥＤ４０を用いたものである。
次に、本発明の第３実施形態を詳細に説明する。
本実施形態は、図９に示す如く、スケール格子２１が形成されたメインスケール２０（図示省略）と、Ａ相、Ｂ相用のインデックス格子３１Ａ、３１Ｂが形成されたインデックススケール３０の間に、レンズ５０及び必要に応じてアパーチャ５２を挿入した、テレセントリック光学系を利用した光電エンコーダに本発明を適用し、その光源として白色ＬＥＤ４０を用いたものである。図において、３２Ａ、３２Ｂは、それぞれＡ相、Ｂ相用の受光素子である。
このようにして、白色ＬＥＤ４０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５０に入射し、該レンズ５０から出た光のうち、該レンズ５０の焦点に設けられたアパーチャ５２を通過する光軸に沿ったものだけがインデックス格子３１Ａ、３１Ｂに到達し、スケール格子２１のイメージ像を形成する。
本実施形態においては、レンズ５０とメインスケール２０上のスケール格子２１及びインデックススケール３０上のインデックス格子３１Ａ、３１Ｂ間の距離を調整することにより、倍率設定ができる。
本実施形態においては、白色ＬＥＤ４０のようにブロードな波長を有する光源を利用することで、レンズ５０の焦点距離等の部品のばらつき許容差、レンズ５０とアパーチャ５２との距離など組立許容差が拡大できる。
なお、前記実施形態においては、いずれも、白色ＬＥＤ４０が単独で用いられていたが、第１実施形態の図３中に一点鎖線で例示する如く、拡散板又はプリズムからなる拡散部６０を併用することにより、光源からの光を拡散させコヒーレンス度を一層低下させて、高次回折光を低減し、出力信号の振幅変化率の変動を抑制して、ミスアライメント特性を向上させることもできる。なお、拡散部６０を用いない場合には、小型化・低価格化を実現することができる。
又、前記実施形態においては、いずれも、受光部３４のインデックススケール３０と受光素子３２が個別部品とされていたが、特許文献２に記載されているように、インデックス格子と受光素子が一体化され、受光素子自体が格子状に配設された受光素子アレイを受光部に使用した光電型エンコーダにも、本発明が同様に適用できることは明らかである。
２…センサヘッド
４…光源部
８…コリメートレンズ
１１…第１（光学）格子
２０…メインスケール
２１…スケール格子（第２（光学）格子）
３０…インデックススケール
３１、３１Ａ、３１Ｂ…インデックス格子（第３（光学）格子）
３２、３２Ａ、３２Ｂ…受光素子
３４…受光部
４０…白色発光ダイオード（ＬＥＤ）
４２Ｂ…青色ＬＥＤ
４２Ｇ…緑色ＬＥＤ
４２Ｒ…赤色ＬＥＤ
４２ＵＶ…紫外（ＵＶ）ＬＥＤ
４４ＲＧＢ…ＲＧＢ蛍光体
４４Ｙ…黄色蛍光体
５０…レンズ
５２…アパーチャ
６０…拡散部
４…光源部
８…コリメートレンズ
１１…第１（光学）格子
２０…メインスケール
２１…スケール格子（第２（光学）格子）
３０…インデックススケール
３１、３１Ａ、３１Ｂ…インデックス格子（第３（光学）格子）
３２、３２Ａ、３２Ｂ…受光素子
３４…受光部
４０…白色発光ダイオード（ＬＥＤ）
４２Ｂ…青色ＬＥＤ
４２Ｇ…緑色ＬＥＤ
４２Ｒ…赤色ＬＥＤ
４２ＵＶ…紫外（ＵＶ）ＬＥＤ
４４ＲＧＢ…ＲＧＢ蛍光体
４４Ｙ…黄色蛍光体
５０…レンズ
５２…アパーチャ
６０…拡散部
Claims (7)
- 光源からの光を、互いに相対移動するメインスケールとインデックススケールに照射して、その相互作用により受光信号を得るようにした光電式エンコーダにおいて、
前記光源として、発光スペクトルの半値幅が単色半導体光源よりも広い、インコヒーレントな半導体光源を用いることを特徴とする光電式エンコーダ。 - 前記インコヒーレントな半導体光源に、更に、拡散手段を組合せたことを特徴とする請求項１に記載の光電式エンコーダ。
- 前記インコヒーレントな半導体光源が、白色発光ダイオードであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電式エンコーダ。
- 前記インコヒーレントな半導体光源が、中心波長の異なる複数の単色発光ダイオードを組合せたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電式エンコーダ。
- 前記インコヒーレントな半導体光源が、中心波長の異なる複数の単色レーザダイオードを組合せたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電式エンコーダ。
- 前記インコヒーレントな半導体光源が、スーパールミネセンスダイオードであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電式エンコーダ。
- 前記インコヒーレントな半導体光源が、中心波長の異なる複数のスーパールミネセンスダイオードを組み合わせたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電式エンコーダ。
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