JP2006258526A

JP2006258526A - Photoelectric encoder

Info

Publication number: JP2006258526A
Application number: JP2005074465A
Authority: JP
Inventors: Miyako Mizutani; 都水谷
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-09-28

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To facilitate adjustment without reducing the lifetime of a light source by expanding the tolerance of an air gap without reducing an aperture diameter. <P>SOLUTION: In a photoelectric encoder having a telecentric optical system 40, where a lens 42 and an aperture 44 arranged at the focal position of the lens 42 are inserted between a main scale 20 and a light receiving element 34, at least one of the lens 42, the main scale 20, and the light receiving element 34 is inclined to an axis for connecting the aperture 44 and the center of the light receiving element 34. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、メインスケールと受光素子の間に、レンズと、その焦点位置に配設されたアパーチャが挿入されたテレセントリック光学系を持つ光電式エンコーダの改良に関する。 The present invention relates to an improvement of a photoelectric encoder having a telecentric optical system in which a lens and an aperture disposed at a focal position thereof are inserted between a main scale and a light receiving element.

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。 As described in Patent Document 1, as shown in FIG. 1, a lens 42 and an aperture 44 serving as a telecentric optical diaphragm are disposed between a main scale 20 and, for example, a light receiving element array 34 constituting the light receiving unit 30. A lens optical system (telecentric optical system) 40 is inserted to adjust the distances a and b between the lens 42 and the scale 21 of the main scale 20 and the light receiving elements 35 on the light receiving element array 34 as shown in FIG. Thus, a photoelectric encoder that can set the magnification is considered. In FIG. 1, 10 is a light source, and f is a focal length of the lens 42.

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。 In the photoelectric encoder using the telecentric optical system 40, an image on the main scale 20 is projected onto the light receiving element array 34 through the lens optical system (42, 44). Here, by arranging the aperture 44 at the focal position of the lens 42, even if the distance (gap) between the main scale 20 and the lens 42 varies, the positional relationship between the lens 42, the aperture 44, and the light receiving element array 34 varies. Otherwise, the magnification fluctuation of the image formed on the light receiving element array 34 can be suppressed.

特開２００４−２６４２９５号公報JP 2004-264295 A

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に破線Ａで示す如く、信号強度の急激な低下につながる。 However, even in such a photoelectric encoder using the telecentric optical system 40, due to gap misalignment of the light receiving element 35, as shown in FIG. 3, the distance a between the lens 42 and the main scale 20, and the lens 42 and the light receiving element. When the relationship between the distances b between the light sources 35 changes, the magnification of the image formed on the light-receiving surface 31 changes abruptly, leading to a rapid decrease in signal intensity as shown by the broken line A in FIG.

ここで、エアギャップ許容範囲に相当する焦点深度ＤＯＦは、メインスケール２０の周期ｐ、光源１０の波長λ、スケール２０上のトラックの高さと受光素子３４上の像の高さの比である光学倍率Ｍ、カットオフ高調波の次数ｎ（カットオフ周波数ｆｃ＝ｎ／（Ｍ×ｐ））により、次式で決定されるため、ある条件の中で、エアギャップ許容範囲のみを広げることは困難であった。 Here, the depth of focus DOF corresponding to the allowable air gap range is the ratio of the period p of the main scale 20, the wavelength λ of the light source 10, the height of the track on the scale 20 and the height of the image on the light receiving element 34. Since it is determined by the following equation based on the magnification M and the cut-off harmonic order n (cut-off frequency fc = n / (M × p)), it is difficult to widen only the allowable air gap range under certain conditions. Met.

ＤＯＦ＝２Ｍ²ｐ²／（ｎ²λ） …（１） DOF = 2M ² p ² / (n ² λ) (1)

これは、開口数ＮＡ（＝λ×（ｆｃ／２））を用いると、次のように表わせる。 This can be expressed as follows using the numerical aperture NA (= λ × (fc / 2)).

ＤＯＦ＝λ／（２ＮＡ²） DOF = λ / (2NA ² )

なお、アパーチャ４４の開口径を小さくすることにより、開口数ＮＡを小さしくて、焦点深度ＤＯＦを深くすることも可能であるが、受光素子３４に到達する光量が小さくなるため、光源１０の発光強度を高める必要があり、光源の寿命が短くなるという問題がある。 Although the numerical aperture NA can be reduced and the depth of focus DOF can be increased by reducing the aperture diameter of the aperture 44, the amount of light reaching the light receiving element 34 is reduced. There is a problem that it is necessary to increase the intensity and the life of the light source is shortened.

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、アパーチャ径を小さくすることなくエアギャップ許容範囲を拡大して、光源寿命を短くすることなく調整を容易とすることを課題とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and it is an object of the present invention to facilitate the adjustment without shortening the light source lifetime by expanding the allowable range of the air gap without reducing the aperture diameter. To do.

本発明は、メインスケールと受光素子の間に、レンズと、その焦点位置に配設されたアパーチャが挿入されたテレセントリック光学系を持つ光電式エンコーダにおいて、前記レンズ、メインスケール及び受光素子の少なくともいずれか一つを、アパーチャと受光素子中心を結ぶ軸に対して傾けることにより、前記課題を解決したものである。 The present invention relates to a photoelectric encoder having a telecentric optical system in which a lens and an aperture disposed at a focal position thereof are inserted between a main scale and a light receiving element, and at least one of the lens, the main scale, and the light receiving element. This problem is solved by inclining one of them with respect to the axis connecting the aperture and the center of the light receiving element.

又、前記アパーチャと受光素子の間に、第２のレンズを、その焦点がアパーチャに来るように挿入して、両側テレセントリック光学系とし、第１のレンズ、メインスケール、受光素子及び第２のレンズの少なくともいずれか一つを、アパーチャと受光素子中心を結ぶ軸に対して傾けたものである。 In addition, a second lens is inserted between the aperture and the light receiving element so that the focal point comes to the aperture to form a bilateral telecentric optical system. The first lens, the main scale, the light receiving element, and the second lens Is tilted with respect to an axis connecting the aperture and the center of the light receiving element.

本発明によれば、図５に例示する如く、エアギャップが変化しても、スケール２０上のトラック２１の高さ方向（図の上下方向）のいずれかの位置でピントが合うため、図４に実線Ｂで示す如く、エアギャップ許容範囲を拡大して、光源寿命を短くすることなく、調整を容易とすることができる。 According to the present invention, as illustrated in FIG. 5, even if the air gap changes, the focus is achieved at any position in the height direction of the track 21 on the scale 20 (vertical direction in the figure). As shown by a solid line B, the allowable range of the air gap can be expanded to facilitate adjustment without shortening the light source lifetime.

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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明の第１実施形態は、図１に示したようなテレセントリック光学系４０を持つ光電式エンコーダにおいて、図５に示す如く、スケール２０と受光素子３４を結ぶ光軸に対して、レンズ４２を傾けたものである。 In the first embodiment of the present invention, in a photoelectric encoder having a telecentric optical system 40 as shown in FIG. 1, a lens 42 is provided with respect to the optical axis connecting the scale 20 and the light receiving element 34 as shown in FIG. It is tilted.

これにより、スケール２０の位置が変化してスケール２０とレンズ４２間のエアギャップが変化しても、スケールトラック２１の高さ方向のいずれかの位置でピントが合うようになる。 Thereby, even if the position of the scale 20 changes and the air gap between the scale 20 and the lens 42 changes, the scale track 21 is brought into focus at any position in the height direction.

次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態を詳細に説明する。 Next, the second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

本実施形態は、図５に示した第１実施形態と同様の光電式エンコーダにおいて、更に、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、スケールトラック２１の高さと受光素子３４上の像の高さが同じ、光学倍率が１倍の両側テレセントリック光学系５０としたものである。 In this embodiment, in the same photoelectric encoder as that of the first embodiment shown in FIG. 5, the same lens 52 as the first lens 42 is further provided on the opposite side of the aperture 44 so that the focal point thereof is at the aperture 44. The two-side telecentric optical system 50 having the same height as the scale track 21 and the height of the image on the light receiving element 34 and an optical magnification of 1 is obtained.

本実施形態においては、入側の第１のレンズ４２と出側の第２のレンズ５２が同じ物であるため、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、信号検出効率を大きく改善することができる。 In the present embodiment, since the first lens 42 on the entry side and the second lens 52 on the exit side are the same, the aberration generated by the first lens 42 is almost completely reversed by the second lens 52. Correction can be made, and aberrations can be canceled almost completely, and the signal detection efficiency can be greatly improved.

なお、第２のレンズ５２を第１のレンズ４２とは材質（屈折率）や形状（曲率）が異なる物として、入側と出側の光学倍率を１以外に変えることもできる。 The second lens 52 can be made of a material (refractive index) or shape (curvature) different from that of the first lens 42, and the optical magnifications on the entry side and the exit side can be changed to other than 1.

前記本実施形態においては、第１のレンズ４２と第２のレンズ５２が共に同じ角度だけ光軸に対して傾けられていたが、例えば第２のレンズ５２を、受光素子３４側のエアギャップの許容範囲（工場内で調整するため、スケール側より狭くできる）に合わせて、違う（小さい）角度だけ傾けたり、あるいは、第１のレンズ４２又は第２のレンズ５２のいずれか一方のみを傾けることも可能である。 In the present embodiment, the first lens 42 and the second lens 52 are both inclined with respect to the optical axis by the same angle. For example, the second lens 52 is connected to the air gap on the light receiving element 34 side. Tilt by a different (smaller) angle or tilt only one of the first lens 42 or the second lens 52 according to the allowable range (can be narrower than the scale side for adjustment in the factory). Is also possible.

又、本発明の適用対象は、図６に示したような、第１のレンズ４２、アパーチャ４４及び第２のレンズ５２が別体の両側テレセントリック光学系５０を持つ光電式エンコーダに限定されず、図７に示す第３実施形態のように、これらが一体化されたレンズシステム６０を持つ光電式エンコーダにも同様に適用できる。 Further, the application target of the present invention is not limited to the photoelectric encoder as shown in FIG. 6, in which the first lens 42, the aperture 44, and the second lens 52 have separate telecentric optical systems 50 on both sides. As in the third embodiment shown in FIG. 7, the present invention can be similarly applied to a photoelectric encoder having a lens system 60 in which these are integrated.

更に、図８に示すテレセントリック光学系４０を持つ第４実施形態のように、スケールトラック２１のみを傾けたり、図９に示す両側テレセントリック光学系５０を持つ第５実施形態のように、スケールトラック２１及び受光素子３４を傾けることもできる。 Further, as in the fourth embodiment having the telecentric optical system 40 shown in FIG. 8, only the scale track 21 is tilted, or as in the fifth embodiment having the both-side telecentric optical system 50 shown in FIG. In addition, the light receiving element 34 can be tilted.

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。更に、透過型のエンコーダだけでなく、反射型のエンコーダにも適用できる。 The present invention can be applied to both an index grating and a light receiving element that are separated, and a light receiving element array in which both are integrated. Furthermore, the present invention can be applied not only to a transmission type encoder but also to a reflection type encoder.

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The perspective view which shows the principal part structure of the photoelectric encoder using a telecentric optical system 同じく平面図Same top view 同じく受光素子のギャップ方向の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Similarly, an optical path diagram for explaining variation in magnification due to misalignment in the gap direction of the light receiving element. 同じく信号強度変動の例を示す線図Diagram showing examples of signal strength fluctuations 本発明の第１実施形態の要部構成を示す断面図Sectional drawing which shows the principal part structure of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態の要部構成を示す断面図Sectional drawing which shows the principal part structure of 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３実施形態の要部構成を示す断面図Sectional drawing which shows the principal part structure of 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第４実施形態の要部構成を示す断面図Sectional drawing which shows the principal part structure of 4th Embodiment of this invention. 本発明の第５実施形態の要部構成を示す断面図Sectional drawing which shows the principal part structure of 5th Embodiment of this invention.

Explanation of symbols

１０…光源
２０…メインスケール
２１…トラック
３４…受光素子アレイ
４０…テレセントリック光学系
４２、５２…レンズ
４４…アパーチャ
５０…両側テレセントリック光学系 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Light source 20 ... Main scale 21 ... Track 34 ... Light receiving element array 40 ... Telecentric optical system 42, 52 ... Lens 44 ... Aperture 50 ... Both sides telecentric optical system

Claims

In a photoelectric encoder having a telecentric optical system in which a lens and an aperture arranged at the focal position are inserted between the main scale and the light receiving element,
A photoelectric encoder, wherein at least one of the lens, the main scale, and the light receiving element is inclined with respect to an axis connecting the aperture and the center of the light receiving element.

Between the aperture and the light receiving element, a second lens is inserted so that its focal point comes to the aperture to form a double-sided telecentric optical system,
2. The photoelectric encoder according to claim 1, wherein at least one of the first lens, the main scale, the light receiving element, and the second lens is tilted with respect to an axis connecting the aperture and the center of the light receiving element. .