JP2006292728A - 光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】メインスケールに比べて加工が容易なスケールベースを用いて、光源と受光素子が同じ側に設けられた光電式エンコーダを構成する。
【解決手段】メインスケール１０と、該メインスケール１０の長手方向に相対移動可能な、少なくとも光源２２、インデックススケール及び受光素子２４を含むセンサユニット２０とを備えた光電式エンコーダにおいて、前記メインスケール１０を透明とし、その一面にトラック１１を形成して、メインスケール１０と略同じ長さか、これより長いスケールベース３０に固定し、前記メインスケール１０を透過してスケールベース３０により反射された光が、前記受光素子２４に入射するようにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、光電式エンコーダに係り、特に、メインスケールと、該メインスケールの長手方向に相対移動可能な、少なくとも光源、インデックススケール及び受光素子（又はこれらが一体化された受光素子アレイ）を含むセンサユニットとを備えた光電式エンコーダの改良に関する。

図１に示す如く、長手方向（図１の紙面に垂直な方向）にトラック１１が形成されたメインスケール１０と、該メインスケール１０の長手方向に相対移動可能な、少なくとも光源２２、インデックススケール及び受光素子（図では、これらが一体化された受光素子アレイ２４）を含むセンサユニット２０とを備えた光電式エンコーダにおいては、図１（Ａ）に示す如く、光源２２で発生した照明光が、透過型のメインスケール１０を透過して受光素子アレイ２４に到達した光量の変化から、メインスケール１０の長手方向の相対変位を検出する透過型の光電式エンコーダと、図１（Ｂ）に示す如く、光源２２で発生した照明光が、反射型のメインスケール１０により反射されて受光素子２４に到達した光量の変化から、メインスケール１０の長手方向の相対変位を検出する反射型の光電式エンコーダが知られている（特許文献１、２参照）。

このうち反射型は、光源２２及び受光素子アレイ２４を含むセンサユニット２０をメインスケール１０の片側に配置すればよいので、光源２２と受光素子アレイ２４がメインスケール１０をまたぐように配置する必要がある透過型に比べて、メインスケール１０とセンサユニット２０を容易に分離することができ、現場における測定対象への組付調整が容易であるという利点を有する。

一方、透過型でも反射型と同様に光源２２及び受光素子を含むセンサユニット２０をメインスケール１０の片側に配置するべく、特許文献３には、図２に示す如く、メインスケール１０の裏面に反射膜１２を付着し、インデックススケール（特許文献３では回折格子）２５及びメインスケール１０の回折格子１３を透過し、反射膜１２で反射された光を再びセンサユニット２０に戻して、その上に搭載した受光素子２６で受光することが提案されている。

特開平１−２７２９１７号公報 特開平２−１０３４１６号公報 特開平７−２７５４３号公報

しかしながら、特許文献３に記載された方法では、メインスケール１０の裏面の形状を複雑に加工して、反射膜１２を付ける必要があり、通常ガラスで作られているメインスケール１０の加工が容易でない。又、特許文献１乃至３のいずれにおいても、メインスケールはベースに固定されておらず、何らかの方法で別途支持する必要がある等の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、メインスケールに比べて加工が容易なスケールベースを利用して、光源と受光素子が同じ側に配置された光電式エンコーダを提供することを課題とする。

本発明は、メインスケールと、該メインスケールの長手方向に相対移動可能な、少なくとも光源、インデックススケール及び受光素子を含むセンサユニットとを備えた光電式エンコーダにおいて、前記メインスケールを透明とし、その一面にトラックを形成して、メインスケールと略同じ長さか、これより長いスケールベースに固定し、前記メインスケールを透過してスケールベースにより反射された光が、前記受光素子に入射するようにして、前記課題を解決したものである。

又、前記スケールベースに、光源から入射された光をトラックに導くための導光溝を形成したものである。

更に、前記導光溝の少なくとも一部をミラーとして、反射効率を高めたものである。

あるいは、前記スケールベースを、光源から入射された光をトラックに導くための導光体としたものである。

又、前記光源からの入射光の光軸及び反射光の光軸を、スケール面に対して傾けて、スケール上の光学系の高さを低くできるようにしたものである。

又、前記メインスケールと受光素子の間に、前記スケールベースにより反射された光を集光するレンズから成るレンズ光学系を挿入し、前記メインスケールのトラック形成面、レンズの主面、及び、受光素子の像面の３者を延長した面が１箇所で交わるシャインプルーフの関係となるように配置して、像面全体でピントが合うようにし、コントラストの低下を防いだものである。

又、前記メインスケールと受光素子の間に、第１のレンズと、少なくとも第２のレンズを、その焦点が前記第１のレンズの焦点位置に来るように配設したレンズ光学系を挿入し、前記メインスケールのトラック形成面、前記第１のレンズの焦点と前記第２のレンズの焦点を含み、且つ、前記レンズ光学系の光軸に対して垂直な焦点面、及び、受光素子の像面の３者を延長した面が１箇所で交わるシャインプルーフの関係となるようにして、像面全体でピントが合うようにし、コントラストの低下を防いだものである。

あるいは、前記光源の光軸をスケール面に平行とし、光源からの入射光をスケールに入射するためのミラーを備えることにより、光学系の高さを更に低くできるようにしたものである。

又、前記受光素子の光軸をスケール面に平行とし、スケールからの出射光を受光素子に入射するためのミラーを備えることにより、同じく光学系の高さを更に低くできるようにしたものである。

又、前記センサユニットが、前記スケールベースにより反射された光を集光するレンズから成るレンズ光学系を含み、該レンズ光学系の像面が前記メインスケールのトラック形成面に来るようにして、前記トラックの情報が検出できるレンズ光学系を持つ光電式エンコーダを実現したものである。

あるいは、前記センサユニットが、前記スケールベースにより反射された光を集光する第１のレンズと、少なくとも第２のレンズを、その焦点が前記第１のレンズの焦点位置に来るように配設したレンズ光学系を含み、該レンズ光学系の像面が前記メインスケールのトラック形成面に来るようにして、前記トラックの情報が検出できるレンズ光学系を持つ光電式エンコーダを実現したものである。

更に、前記レンズ光学系を、前記レンズの焦点位置にアパーチャを配設したテレセントリック光学系にすることにより、前記メインスケールと前記センサユニットとの間の距離（ギャップ）の変動があっても、コントラストの低下を防ぎ、もってギャップの変動に対する許容を拡げたものである。

更に、前記レンズ光学系を、前記第１のレンズと前記第２のレンズの焦点位置にアパーチャを配設した両側テレセントリック光学系にすることにより、前記メインスケールと前記センサユニットとの間の距離（ギャップ）の変動があっても、又、前記第２のレンズと前記受光素子との間の距離の変動があっても、コントラストの低下を防ぎ、もって、ギャップの変動や前記受光素子の取り付けの許容を拡げたものである。

又、前記アパーチャ、レンズ、受光素子のうち少なくとも一つを、光源からの入射光をスケールに入射するためのミラーと同じガラスブロックに固定して、構成を簡略化したものである。

更に、前記メインスケールのトラック形成面を、前記センサユニットが前記メインスケールに相対する面とは反対側の面にすることにより、前記トラックにゴミや汚れが付着しないようにしたものである。なお、トラック形成面は、これに限定されず、前記センサユニットがメインスケールに相対する面としたり、サンドイッチ構造としてメインスケールの内面にトラックを形成することもできる。

本発明によれば、メインスケールに比べて加工が容易なスケールベースを利用して、光源と受光素子が同じ側に配置された光電式エンコーダを実現することが可能となる。

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、本発明を２格子構成の透過型光電式エンコーダに適用したもので、図３に示す如く、メインスケール１０と、該メインスケール１０の長手方向（紙面に垂直な方向）に相対移動可能な、光源２２及び受光素子アレイ（単に受光素子とも称す）２４を含むセンサユニット２０とを備えた透過型光電式エンコーダにおいて、図４に詳細に示す如く、前記メインスケール１０を透明とし、その裏面にトラック１１を形成して、メインスケール１０と略同じ長さの、下向きの略台形の導光溝３１が形成されたスケールベース３０に固定し、前記メインスケール１０を透過して、導光溝３１のミラー３２、３３により反射された光が、前記トラック１１を通過した後、前記受光素子２４に入射するようにしたものである。

図において、２１は、センサユニット２０のベース（以下センサベースと称する）である。

前記スケールベース３０の反射面には、反射効率を高めるためのミラー３１、３２が、例えば蒸着により形成されている。

前記スケールベース３０としては、例えばアルミニウム等の金属の押出材や削り出し材を用いることができ、特に金属材の場合には、受光素子２４側のミラー３３を省略して、拡散光がトラック１１を照明するように構成することができる。

又、スケールベース３０として、金属材でなく、シリコンブロックを用いて、ミラー３２、３３を異方性エッチングによるシリコン鏡面により形成してもよい。

次に、図５を参照して、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３に示した第１実施形態と同様の透過型の光電式エンコーダにおいて、図５に示した如く、メインスケール１０と受光素子２４の間に、トラック１１に焦点が来るように配置したレンズ４２を配設して、トラック１１を通過した光を受光素子２４で検出するようにしたものである。

なお、図６に示す変形例のように、レンズ４２と、該レンズ４２の反対側の焦点位置に配置された、例えば円形のアパーチャ４４からなるテレセントリック光学系４０を配設することもできる。

この変形例によれば、トラック１１から出射される平行光がレンズ４２に入射するので、メインスケール１０とレンズ４２（即ちセンサユニット２０）間の距離（ギャップ）が変動しても、受光素子２４上に結合される像の倍率が変動せず、ギャップの変動に対する許容を拡げることができ、組付調整が更に容易となる。

次に、図７を参照して、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５に示した第２実施形態と同様の透過型光電式エンコーダにおいて、第２のレンズ４６を、その焦点がレンズ４２（第１のレンズと称する）の焦点位置に来るように配設したレンズ光学系５０にすることにより、トラック１１を通過した光を受光素子２４で検出するようにしたものである。

なお、図８に示す変形例のように、レンズ光学系５０を、第１のレンズ４２と第２のレンズ４６の焦点位置にアパーチャ４４を配設した両側テレセントリック光学系５１にすることもできる。

この変形例によれば、第２のレンズ４６の出側も平行光となるので、第２のレンズ４６と受光素子２４間のギャップの変動も吸収でき、センサユニット２０の組立調整が容易となる。

更に、第２のレンズ４６を、第１のレンズ４２と同じ物を逆向きにしたものとして、第１のレンズ４２で発生する収差を第２のレンズ４６で逆補正することにより、収差をほぼ完全にキャンセルすることもできる。従って、前記レンズ４２、４６の少なくともいずれか一方を、歪曲収差は大きいが安価な、球状のボールレンズ、光線をレンズ媒質内で放物線状に屈折させる、屈折率分布型のＧＲＩＮレンズ（セルフォックレンズとも称する）、又は、ドラムレンズとして、小型で安価に構成することができる。

なお、第１のレンズ４２と第２のレンズ４６の材質（屈折率）や形状（曲率）を変えて、トラック１１の長さと受光素子２４上に形成される像の長さが異なるＭ倍光学系とすることもできる。

又、前記アパーチャ４４を、測定軸と垂直な方向（図の左右方向）に長いスリットとして、受光素子２４に到達する光量を増やし、光源２２を低電力化して、その信頼性を高めることもできる。なお、アパーチャの形状を、測定軸と垂直な方向に長い長孔形状や楕円形状とすることもできる。

次に、図９を参照して、本発明の第４実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、図６に示した第２実施形態と同様のテレセントリック光学系４０を持つ透過型の光電式エンコーダにおいて、センサベース（図示省略）に、下向きの台形状のブロック６０を配設し、その両側面にミラー６１、６２を形成して、光源２２、テレセントリック光学系４０及び受光素子２４の光軸をスケール面と平行に配置可能としたものである。

本実施形態によれば、光学系の高さを低くできる。

次に図１０を参照して本発明の第５実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、図８に示した第３実施形態と同様の両側テレセントリック光学系５１を持つ透過型の光電式エンコーダにおいて、図９に示した第４実施形態と同様に、ブロック６０を用いて、光学系の高さを低めたものである。

なお、前記ブロック６０としては、例えばプリズムを用いることもできる。

次に、図１１を参照して本発明の第６実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、図６に示した第２実施形態と同様のテレセントリック光学系４０を持つ透過型の光電式エンコーダにおいて、センサベース（図示省略）に、下向きの台形状のガラスブロック６４を設け、その光源２２側（図の左側）の面にミラー６５を蒸着すると共に、反対側（図の右側）の面にアパーチャ４４を固着し、更に、ガラスブロック６４の上側面に受光素子２４を固着して、小型に構成したものである。

次に図１２を参照して、本発明の第７実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、図８に示した第３実施形態と同様の両側テレセントリック光学系５１を持つ透過型の光電式エンコーダにおいて、センサベース（図示省略）に、図１１に示した第６実施形態と同様のガラスブロック６４を設け、その左側面にミラー６５を蒸着し、その右側面にアパーチャ４４を固着すると共に、ガラスブロック６４の上側面に第２のレンズ４６を固着したものである。

次に、図１３を参照して、本発明の第８実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、図６に示した第２実施形態と同様のテレセントリック光学系４０を持つ透過型の光電式エンコーダにおいて、光源を、基板７０上に実装したＬＥＤチップ７２とすると共に、受光素子２４も、同じく基板７０上に実装したものである。

図において、７４は、ＬＥＤチップ７２から出た照明光を平行とするためのコリメータレンズ、７６は、該コリメータレンズ７４、レンズ４２及びアパーチャ４４を支持するための支持プレートである。

本実施形態によれば、センサユニット２０を小型に構成できる。

次に、図１４を参照して、本発明の第９実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、図８に示した第３実施形態と同様の両側テレセントリック光学系５１を持つ透過型の光電式エンコーダにおいて、図１３に示した第８実施形態と同様に、光源を構成するＬＥＤチップ７２及び受光素子２４を基板７０上に実装したものである。

ここで、第２のレンズ４６は、例えばアパーチャ４４を介して、前記支持プレート７６に固定されている。

次に、図１５を参照して、本発明の第１０実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、図６に示した第２実施形態と同様のテレセントリック光学系４０を持つ透過型の光電式エンコーダにおいて、光源２２、テレセントリック光学系４０及び受光素子２４の光軸を斜めに配置したものである。これに合せて、導光溝３１のミラー３４も底面に形成されている。

本実施形態によれば、光源２２とトラック１１間の距離をとることができる。

ここで、図１６に示す如く、被写体（トラック１１）面、レンズ４２の主面、受光素子２４上の像面の３者を延長した面が１箇所で交われば、像面全体でピントが合うというシャインプルーフの条件を、テレセントリック光学系４０に応用して、像面全体でピントが合うようにすれば、光軸を傾けて光学系を小型化しても、コントラストの低下を防ぐことができる。

次に、図１７を参照して、本発明の第１１実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、図８に示した第３実施形態と同様の両側テレセントリック光学系５１を持つ透過型の光電式エンコーダにおいて、図１５に示した第１０実施形態と同様に、光源２２、両側テレセントリック光学系５１及び受光素子２４の光軸を斜めに配置したものである。

ここで、図１８に示す如く、被写体（トラック）面、アパーチャ４４が配設された、２つのレンズ４２、４８の焦点を含み、且つ、両側テレセントリック光学系５１の光軸に対して垂直な焦点面及び受光素子２４上の像面の３者を延長した面が１箇所で交わるようにして、シャインプルーフの関係を満足させれば、コントラストの低下を防ぐことができる。

なお、前記実施形態においては、いずれも導光溝３１が形成されたスケールベース３０を用いていたが、図１９に示す第１２実施形態（図３に示した第１実施形態に対応）の如く、断面が下向き台形状の導光体３６をスケールベースとして用いることも可能である。導光体としては、他にも液晶ディスプレイに使われている拡散板、光導波路、グラスファイバー等を用いることができる。

次に、図２０を参照して、本発明の第１３実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、本発明を３格子構成の反射型光電式エンコーダに適用したもので、下面にトラック１１が形成されたメインスケール１０をスケールベース３０に固定し、光源２２を斜め方向に配置して、センサベース２１に配設されたトラック２８を通過した光が、メインスケール１０の下面のトラック１１を通過して、更に、スケールベース３０で反射され、また更にトラック１１を通過して、受光素子２４に入射するようにしたものである。

次に、図２１を参照して、本発明の第１４実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、テレセントリック光学系４０を持つ反射型の光電式エンコーダを構成したものである。

ここで、被写体（トラック１１）面、レンズ４２の主面、受光素子２４上の像面の３者が、図１６に示したシャインプルーフの条件を満足するように配置することもできる。

次に、図２２を参照して、本発明の第１５実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、両側テレセントリック光学系５１を持つ反射型エンコーダを構成したものである。

ここで、被写体（トラック１１）面、アパーチャ４４面、受光素子２４上の像面の３者が、図１８に示したシャインプルーフの条件を満足するように配置することもできる。

次に、図２３を参照して、本発明の第１６実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、図２１に示した第１４実施形態と同様のテレセントリック光学系４０を持つ反射型の光電式エンコーダにおいて、ハーフミラー８０を用いて、光源２２の光軸をスケール面と平行に配置したものである。

次に、図２４を参照して、本発明の第１７実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、図２２に示した第１５実施形態と同様の両側テレセントリック光学系５１を持つ反射型の光電式エンコーダにおいて、図２３に示した第１６実施形態と同様に、ハーフミラー８０を用いて、光源２２の光軸をスケール面と平行に配置したものである。

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。又、光源の種類も発光ダイオードとコリメータレンズを組み合わせたもの、発光ダイオード単独、レーザダイオード単独のいずれも用いることができる。

（Ａ）透過型及び（Ｂ）反射型の光電式エンコーダの基本的な構成を示す光路図 特許文献３に記載された透過型光電式エンコーダの構成を示す断面図 本発明の第１実施形態の構成を示す断面図 同じくスケールベースの形状を示す斜視図 本発明の第２実施形態の構成を示す断面図 第２実施形態の変形例の構成を示す断面図 本発明の第３実施形態の構成を示す断面図 第３実施形態の変形例の構成を示す断面図 本発明の第４実施形態の構成を示す断面図 本発明の第５実施形態の構成を示す断面図 本発明の第６実施形態の構成を示す断面図 本発明の第７実施形態の構成を示す断面図 本発明の第８実施形態の構成を示す断面図 本発明の第９実施形態の構成を示す断面図 本発明の第１０実施形態の構成を示す断面図 同じく変形例の光路図 本発明の第１１実施形態の構成を示す断面図 同じく変形例の光路図 本発明の第１２実施形態の構成を示す断面図 本発明の第１３実施形態の構成を示す断面図 本発明の第１４実施形態の構成を示す断面図 本発明の第１５実施形態の構成を示す断面図 本発明の第１６実施形態の構成を示す断面図 本発明の第１７実施形態の構成を示す断面図

符号の説明

１０…メインスケール
１１、２８…トラック
２０…センサユニット
２１…センサ（ユニット）ベース
２２…光源
２４…受光素子（アレイ）
３０…スケールベース
３１…導光溝
３２、３３、３４、６１、６２、６５…ミラー
３６…導光体
４０…テレセントリック光学系
４２、４６…レンズ
４４…アパーチャ
５０…レンズ光学系
５１…両側テレセントリック光学系
６０…ブロック
６４…ガラスブロック
７０…基板
７２…ＬＥＤチップ
７４…支持プレート
８０…ハーフミラー

Claims (15)

1. メインスケールと、
   該メインスケールの長手方向に相対移動可能な、少なくとも光源、インデックススケール及び受光素子を含むセンサユニットとを備えた光電式エンコーダにおいて、
   前記メインスケールを透明とし、その一面にトラックを形成して、メインスケールと略同じ長さか、これより長いスケールベースに固定し、
   前記メインスケールを透過してスケールベースにより反射された光が、前記受光素子に入射するようにしたことを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 前記スケールベースに、光源から入射された光をトラックに導くための導光溝が形成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. 前記導光溝の少なくとも一部がミラーとされている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. 前記スケールベースが、光源から入射された光をトラックに導くための導光体と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。
5. 前記光源からの入射光の光軸及び反射光の光軸が、スケール面に対して傾けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
6. 前記メインスケールと受光素子の間に、前記スケールベースにより反射された光を集光するレンズから成るレンズ光学系が挿入され、前記メインスケールのトラック形成面、レンズの主面、及び、受光素子の像面の３者を延長した面が１箇所で交わるシャインプルーフの関係となるように配置したことを特徴とする請求項５に記載の光電式エンコーダ。
7. 前記メインスケールと受光素子の間に、第１のレンズと、少なくとも第２のレンズを、その焦点が前記第１のレンズの焦点位置に来るように配設したレンズ光学系が挿入され、前記メインスケールのトラック形成面、前記第１のレンズの焦点と前記第２のレンズの焦点を含み、且つ、前記レンズ光学系の光軸に対して垂直な焦点面、及び、受光素子の像面の３者を延長した面が１箇所で交わるシャインプルーフの関係となるようにしたことを特徴とする請求項５に記載の光電式エンコーダ。
8. 前記光源の光軸がスケール面に平行とされ、光源からの入射光をスケールに入射するためのミラーが備えられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
9. 前記受光素子の光軸がスケール面に平行とされ、スケールからの出射光を受光素子に入射するためのミラーが備えられていることを特徴とする請求項１乃至５及び８のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
10. 前記センサユニットが、前記スケールベースにより反射された光を集光するレンズからなるレンズ光学系を含み、該レンズ光学系の像面が前記メインスケールのトラック形成面に来るようにされていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
11. 前記センサユニットが、前記スケールベースにより反射された光を集光する第１のレンズと、少なくとも第２のレンズを、その焦点が前記第１のレンズの焦点位置に来るように配設したレンズ光学系を含み、該レンズ光学系の像面が前記メインスケールのトラック形成面に来るようにされていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
12. 前記レンズ光学系は、前記レンズの焦点位置にアパーチャを配設したテレセントリック光学系であることを特徴とする請求項６又は１０に記載の光電式エンコーダ。
13. 前記レンズ光学系は、前記第１のレンズと前記第２のレンズの焦点位置にアパーチャを配設した両側テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項７又は１１に記載の光電式エンコーダ。
14. 前記アパーチャ、レンズ、受光素子のうち少なくとも一つが、光源からの入射光をスケールに入射するためのミラーと同じガラスブロックに固定されていることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
15. 前記メインスケールのトラック形成面は、前記センサユニットが前記メインスケールに相対する面とは反対側の面であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の光電式エンコーダ。

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