JP2006250784A - ボールレンズ、及び、これを用いた光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】両側テレセントリック光学系を用いた光電式エンコーダを小型に構成する。
【解決手段】円形のハーフミラー６２と、その両面に背中合せに固着された一対の半球レンズ６４、６６とにより構成されるボールレンズ６０と、ＬＥＤ１２およびコリメータレンズ１４を用いて構成される光源１０、該光源１０から前記ボールレンズ６０のハーフミラー６２を介して照明光が入射される反射型スケール２２と、該スケール２２で反射され前記ボールレンズ６０のハーフミラー６２を透過した光の中心部を該ハーフミラー６２に向けて反射するアパーチャミラー７０と、受光素子３４とを備えている。
【選択図】図７

Description

本発明は、メインスケールと受光素子の間に、アパーチャと、該アパーチャに焦点が来るように、その両側に配設されたレンズでなる両側テレセントリック光学系が挿入された光電式エンコーダに用いるのに好適なボールレンズ、及び、これを用いた光電式エンコーダに関する。

特許文献１に記載されているように、図１に示す如く、メインスケール２０と、受光部３０を構成する例えば受光素子アレイ３４の間に、レンズ４２、及び、テレセントリック光学絞りとしてのアパーチャ４４からなるレンズ光学系（テレセントリック光学系）４０を挿入して、図２に示す如く、レンズ４２とメインスケール２０のスケール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された光電式エンコーダが考えられている。図１において、１０は光源、ｆはレンズ４２の焦点距離である。

このテレセントリック光学系４０を用いた光電式エンコーダでは、メインスケール２０上の像をレンズ光学系（４２、４４）を通して受光素子アレイ３４上に投影させる。ここで、アパーチャ４４をレンズ４２の焦点位置に配置することで、メインスケール２０とレンズ４２間の距離（ギャップ）が変動しても、レンズ４２とアパーチャ４４と受光素子アレイ３４の位置関係が変動しなければ、受光素子アレイ３４上に結像される像の倍率変動を抑えることができる。

特開２００４−２６４２９５号公報

しかしながら、このようなテレセントリック光学系４０を用いた光電式エンコーダにおいても、受光素子３５のギャップ方向ミスアライメントによって、図３に示す如く、レンズ４２とメインスケール２０の距離ａと、レンズ４２と受光素子３５間の距離ｂの関係が変わると、受光面３１に形成される像の倍率が急激に変化してしまい、図４に示す如く、信号強度の急激な低下につながる。

又、レンズの歪曲収差（ディストーション）やコマ収差により、周辺部の信号検出効率が低下してしまう。

更に、光学系を小型化する場合には、焦点距離の小さい（汎用レンズの場合には径の小さい）レンズを用いなければならないが、収差を小さく保とうとする場合には、（１）非球面レンズを用いるか、（２）複数枚のレンズを組合せ（調整して）用いる必要があり、コストアップ及び調整工数増加につながる等の問題点を有していた。

そこで、性能を確保するために、図５（斜視図）及び図６（光路図）に示す如く、アパーチャ４４の反対側に、第１のレンズ４２と同じレンズ５２を、その焦点がアパーチャ４４に来るように逆向きに挿入して、両側テレセントリック光学系５０とすることが考えられる。

この場合には、第１のレンズ４２で発生する収差を第２のレンズ５２でほぼ完全に逆補正することができ、収差をほぼ完全にキャンセルして、信号検出効率を改善することができる。

又、第２のレンズ５２の焦点がアパーチャ４４に来るように挿入されているので、図６に示す如く、第２のレンズ５２を出た光は平行光となり、第２のレンズ５２と受光面３１とのギャップが変化しても光学倍率を一定（１倍）に保てるため、ギャップ方向の組立許容範囲を広くすることができ、調整工数を低減することができる。

しかしながら、このような両側テレセントリック光学系５０を用いた場合には、レンズが２枚必要となるため、光学系を小型化することが難しい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、両側テレセントリック光学系を用いた光電式エンコーダを小型化することが可能なボールレンズを提供することを第１の課題とする。

本発明は、又、前記ボールレンズを用いた光電式エンコーダを提供することを第２の課題とする。

本発明は、ハーフミラーと、その両面に背中合せに固着された一対の半球レンズと、により構成されるボールレンズにより、前記第１の課題を解決したものである。

本発明は、又、メインスケールと受光素子の間に、アパーチャと、該アパーチャに焦点が来るように、その両側に配設されたレンズでなる両側テレセントリック光学系が挿入された光電式エンコーダであって、前記レンズとして、前記のボールレンズを用いることにより、前記第２の課題を解決したものである。

又、光源と、該光源からの照明光が入射されるスケールと、該スケールで変調され、前記ボールレンズのハーフミラーを透過した光の中心部を、該ハーフミラーに向けて反射するアパーチャミラーと、該アパーチャミラーで反射され、前記ハーフミラーで再び反射された光を受光する受光素子と、を備えたものである。

又、前記スケールを反射型とし、前記光源が、前記ハーフミラーを介して該スケールの表面に照明光を入射するようにして、反射型の光電式エンコーダを構成したものである。

あるいは、前記スケールを透過型とし、前記光源が、該スケールの裏面から照明光を入射するようにして、透過型の光電式エンコーダを構成したものである。

又、前記スケールと受光素子を垂直に配置し、前記ハーフミラーを、その中間の４５°方向に配置して、組立を容易としたものである。

あるいは、前記ハーフミラーをスケールと平行に配置して、反射型の光電式エンコーダを小型化できるようにしたものである。

本発明によれば、ボールレンズ１個分の体積で、両側テレセントリック光学系のレンズを構成でき、光電式エンコーダを小型化できる。

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７に示す如く、例えば円形のハーフミラー６２と、その両面に背中合せに貼り付けられた一対の半球レンズ６４、６６とにより構成されるボールレンズ６０と、例えばＬＥＤ１２及びコリメータレンズ１４を用いて構成される光源１０と、該光源１０から前記ボールレンズ６０のハーフミラー６２を介して照明光が入射される反射型のスケール２２と、該スケール２２で反射され、前記ボールレンズ６０のハーフミラー６２を透過した光の中心部を、該ハーフミラー６２に向けて反射するアパーチャミラー７０と、該アパーチャミラー７０で反射され、前記ハーフミラー６２で再び反射された光を受光する受光素子３４とを備えている。

前記アパーチャミラー７０は、図８に示す如く、透明ガラス７２の表面にアパーチャ部分７４が例えば円形に蒸着されたものとされている。なお、アパーチャの形状は円形に限定されず、スケール２２に形成された各目盛縞と同じ方向に長いスリット形状、長円形状又は、楕円形状とすることもできる。

ここで前記アパーチャミラー７０と受光素子３４のなす角度、及び、受光素子３４とスケール２２のなす角度は、いずれも９０°とされ、ハーフミラー６２は、その中間の４５°方向に配置されている。

なお、第１実施形態においては、反射型スケール２２を用いて、光源１０を受光素子３４と対向する位置に配置していたが、図９に示す第２実施形態のように、透過型スケール２０を用いて、該スケール２０の反対側に光源１０を配置し、スケール２０の裏面から照明光を入射するようにして、透過型の光電式エンコーダを構成することもできる。

前記第１及び第２実施形態においては、スケール２０又は２２と受光素子３４が垂直に配設されているので、組立が容易である。

次に、本発明の第３実施形態を図３を参照して説明する。

本実施形態は、第１実施形態と同様のボールレンズ６０と、光源１０と、該光源１０からの照明光が斜め方向から入射される反射型スケール２２と、該スケール２２で反射され、前記ボールレンズ６０のハーフミラー６２を透過した光の中心部を、該ハーフミラー６２に向けて反射するアパーチャミラー７０と、該アパーチャミラー７０で反射され、前記ハーフミラー６２で再び反射された光を受光する受光素子３４とを備えている。

ここで、前記反射型スケール２２に対する照明光の入射角は４５°とされ、アパーチャミラー７０と受光素子３４のなす角度は９０°とされ、ハーフミラー６２はスケール２２の表面に対して平行とされている。

本実施形態においては、光源１０及びボールレンズ６０がスケール２２に関して同じ側の斜め方向に配置されているので、反射型の光電式エンコーダを小型に構成できる。

本発明は、インデックス格子と受光素子が別体とされたもの、両者が一体とされた受光素子アレイを有するもの、どちらにも適用できる。光源もＬＥＤを用いたものに限定されず、レーザダイオード等を用いても良い。

テレセントリック光学系を用いた光電式エンコーダの要部構成を示す斜視図 同じく平面図 同じく受光素子のギャップ方向ミスアライメントによる倍率変動を説明するための光路図 同じく信号強度変動の例を示す線図 両側テレセントリック光学系を用いた光電式エンコーダの要部構成を示す斜視図 同じく光路図 本発明の第１実施形態の要部構成を示す断面図 第１実施例体で用いられているアパーチャミラーを示す正面図 本発明の第２実施形態の要部構成を示す断面図 本発明の第３実施形態の要部構成を示す断面図

符号の説明

１０…光源
１２…ＬＥＤ
１４…コリメータレンズ
２０…透過型スケール
２２…反射型スケール
３４…受光素子アレイ
６０…ボールレンズ
６２…ハーフミラー
６４、６６…半球レンズ
７０…アパーチャミラー

Claims (7)

1. ハーフミラーと、
   その両面に背中合せに固着された一対の半球レンズと、
   により構成されることを特徴とするボールレンズ。
2. メインスケールと受光素子の間に、アパーチャと、該アパーチャに焦点が来るように、その両側に配設されたレンズでなる両側テレセントリック光学系が挿入された光電式エンコーダであって、
   前記レンズとして、請求項１に記載のボールレンズを用いたことを特徴とする光電式エンコーダ。
3. 光源と、
   該光源からの照明光が入射されるスケールと、
   該スケールで変調され、前記ボールレンズのハーフミラーを透過した光の中心部を、該ハーフミラーに向けて反射するアパーチャミラーと、
   該アパーチャミラーで反射され、前記ハーフミラーで再び反射された光を受光する受光素子と、
   を備えたことを特徴とする請求項２に記載の光電式エンコーダ。
4. 前記スケールが反射型とされ、前記光源が、前記ハーフミラーを介して該スケールの表面に照明光を入射するようにされていることを特徴とする請求項３に記載の光電式エンコーダ。
5. 前記スケールが透過型とされ、前記光源が、該スケールの裏面から照明光を入射するようにされていることを特徴とする請求項３に記載の光電式エンコーダ。
6. 前記スケールと受光素子を垂直に配置し、前記ハーフミラーを、その中間の４５°方向に配置したことを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
7. 前記ハーフミラーをスケールと平行に配置したことを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の光電式エンコーダ。

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