JP2008039602A

JP2008039602A - バンドルファイバ、及び光電式エンコーダ

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Publication number: JP2008039602A
Application number: JP2006214664A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Kawada; 洋明川田
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2006-08-07
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2026-08-07
Also published as: JP4960037B2

Abstract

【課題】外径の異なる光ファイバ素線を高精度に配置した安価に製造可能なバンドルファイバ、そのバンドルファイバを用いた光電式エンコーダを提供する。
【解決手段】バンドルファイバ２１は、１本の光源用光ファイバ素線２３と、その周りに配置された６本の受光器用光ファイバ素線２４と、光源用光ファイバ素線２３を嵌合する円筒状の内部フェルール２５と、１本の光源用光ファイバ素線２３及び６本の受光器用光ファイバ素線２４を囲む円筒状の外部フェルール２６とから構成される。外部フェルール２６は、内部フェルール２５、及び６本の受光器用ファイバ素線２４を当接した状態で嵌合する内径を有する。光源用光ファイバ素線２３は、受光器用光ファイバ素線２４と比較し、外径が小さい。内部フェルール２５は、光源用光ファイバ素線２３の外径と略同一の内径を有し、受光器用光ファイバ素線２４と略同一の外径を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数本のファイバ素線を束ねそれらの相対的位置関係を固定するバンドルファイバ、及びそのようなバンドルファイバを用いた光電式エンコーダに関する。

反射型位相格子スケールを利用した光電式エンコーダにおいては、点光源からのコヒーレント光を反射型位相格子スケールに照射することにより、スケール位置情報を有した回折光の干渉縞が生成される。そして、この干渉縞を位相検波することにより測長が可能となる（特許文献１参照）。
特開２００４−５３６０５号公報

この種の光電式エンコーダでは、点光源と、スケールからの反射光を受光する受光部との相対的位置関係により、受光部において受光する干渉縞が異なる。したがって、その点光源と受光部との間の相対的位置関係に高精度が求められる。この高精度な相対的位置関係を比較的簡単に実現する為に、光ファイバ素線の外径を各々当接させて、位置決めするバンドルファイバが特許文献１に提案されている。しかしながら、上記の方法であれば、外径の異なる光ファイバ素線を用いることはできない。すなわち、近年多様化する各種光センサの要求に対応できたものではなく、外径の異なる光ファイバ素線を複合的に配置することができなかった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、外径の異なる光ファイバ素線を高精度に配置した安価に製造可能なバンドルファイバ、及びそのバンドルファイバを用いた光電式エンコーダを提供することを目的とする。

本発明に係るバンドルファイバは、第１ファイバ素線及び当該第１ファイバ素線よりも外径の大きい第２ファイバ素線の位置関係を固定したバンドルファイバであって、前記第１ファイバ素線の外径と略同一の内径、前記第２ファイバ素線の外径と略同一の外径を有し前記第１ファイバ素線を嵌合可能にされた筒状の第１フェルールと、前記第１フェルールに嵌合された第１ファイバ素線又は前記第２ファイバ素線を当接した状態で嵌合する内径を有する筒状の第２フェルールとを備えることを特徴とする。

上記のような構成とすることにより、第１フェルールが、第１ファイバ素線の外径と略同一内径、第２ファイバ素線の外径と同一の内径を有しているので、第１ファイバ素線を第１フェルール内に嵌合させ、その第１フェルールに第２ファイバ素線を当接させ外径の異なる光ファイバ素線を簡単に位置決めし、固定することができる。

また、前記第１フェルールの端部、前記第２フェルールの端部、及び前記第２ファイバ素線の端部は、揃えて配置されており、前記第１フェルールの端部に設けられ且つ前記第１ファイバ素線の外径と略同一の内径を有し前記第１ファイバ素線を嵌合可能にされた筒状の第３フェルールを備える構成としてもよい。

このような構成とすることにより、第１ファイバ素線の端部と、第２ファイバ素線の端部とに段差が設けられる。この段差により、照射光と反射光との間に光路差が設けられ、反射光の第１ファイバ素線或いは第２ファイバ素線への受光率を向上させることができる。

また、前記第１フェルールの端部、前記第２フェルールの端部、及び前記第２ファイバ素線の端部は揃えて配置されており、前記第１フェルールの端部に設けられ、前記第１ファイバ素線の外径と略同一の内径を有し、前記第１ファイバ素線を嵌合したキャップ状であり、光を透過する第４フェルールを備える構成としてもよい。

このような構成とすることにより、光を透過する第４フェルールにより、その第４フェルールから照射された光を集光させるなど光の拡散角を任意に変更することが可能となる。

本発明に係る光電式エンコーダは、測定軸方向に所定ピッチで回折格子が形成されたスケールと、このスケールに対して相対移動可能に配置され、前記スケールにコヒーレント光を照射する照射部、並びにこの照射部の周囲に前記測定軸方向及びこれと直交する方向に所定の間隔を空けて配置され前記照射部から出射され前記スケールの回折格子で反射された光を受光する複数の受光部が同一検出面上に配置された読み取りヘッドと、この読み取りヘッドの受光部からの受光信号を処理して前記スケールに対する前記読み取りヘッドの前記測定軸方向の変位を検出する信号処理手段とを備えた光電式エンコーダにおいて、前記受光部は、第１ファイバ素線と、当該第１ファイバ素線よりも外径の大きい第２ファイバ素線と、前記第１ファイバ素線の外径と略同一の内径、前記第２ファイバ素線の外径と略同一の外径を有し前記第１ファイバ素線を嵌合可能にされた筒状の第１フェルールと、前記第１フェルールに嵌合された第１ファイバ素線又は前記第２ファイバ素線を当接した状態で嵌合する内径を有する筒状の第２フェルールとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、外径の異なる光ファイバ素線を高精度に配置した安価に製造可能なバンドルファイバ、及びそのバンドルファイバを用いた光電式エンコーダを提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る光電式エンコーダ及びそのバンドルファイバを用いた光電式エンコーダついて説明する。

［第１実施形態］
図１〜図３を参照して本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダを説明する。

図１に示すように、光電式エンコーダは、測定軸方向に所定ピッチで回折格子が形成されたスケール１０と、光を照射すると共に光を受光する読み取りヘッド２０と、読み取りヘッド２０により検出したスケール１０からの受光信号に基づき、その受光信号を補正する信号処理部３０とを有する。スケール１０の長手方向が測定軸Ｘとなる。読み取りヘッド２０は、スケール１０に対して所定距離Ｄを維持してＸ方向に相対移動可能に配置されている。なお、読み取りヘッド２０が固定され、スケール１０が相対移動する構成でも良い。すなわち、読み取りヘッド２０とスケール１０とは、Ｘ方向に相対移動可能であれば良い。

なお、以下において、スケール１０の面と平行で、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向、すなわちスケール１０の面に直交する方向をＺ方向とする。

スケール１０は、Ｘ方向に沿って所定ピッチで周期的に配列されたＹ方向に延びる格子１１を有する。格子１１は、例えば、読み取りヘッド２０の検出面上のＸ方向に対しては、０次回折光が減衰され、１次回折光による２つ山のガウス分布となるように、そのピッチが光源の波長との関係で決められている。

読み取りヘッド２０は、主として、７本の光ファイバを拘束したバンドルファイバ２１と、そのバンドルファイバ２１の端部に嵌合されたキャップ型の嵌合部２２とから構成されている。嵌合部２２には、その中心に貫通孔２２ａと、貫通孔２２ａの周りに位置する６つの格子状のスリット２２ｂとが設けられている。

次に、図２〜図３を参照して、このバンドルファイバ２１について説明する。図２は、バンドルファイバ２１の斜視図であり、図３（ａ）は、バンドルファイバ２１の端部断面図であり、図３（ｂ）は、図３のＡ−Ａ’断面図である。

図２〜図３に示すように、バンドルファイバ２１は、一本の光源用光ファイバ素線２３と、その周りに配置された６本の受光器用光ファイバ素線２４と、光源用光ファイバ素線２３を嵌合する円筒状の内部フェルール２５と、１本の光源用光ファイバ素線２３及び６本の受光器用光ファイバ素線２４を囲む円筒状の外部フェルール２６とから構成されている。外部フェルール２６は、内部フェルール２５、及び６本の受光器用ファイバ素線２４を当接した状態で嵌合する内径を有している。なお、光源用光ファイバ素線２３の外径は、例えばφ０．１２５ｍｍであり、受光器用光ファイバ素線２４の外径は、例えばφ０．２５ｍｍである。

光源用光ファイバ素線２３は、その芯の中心に形成された光を導波するコア２３ａと、そのコア２３ａの外周に形成されたコア２３ａよりも屈折率の低いクラッド２３ｂとから構成されている。また、光源用光ファイバ素線２３には、例えば、シングルモードファイバが使用される。

上述のように光源用光ファイバ素線２３は、受光器用光ファイバ素線２４と比較し、その外径が小さい。

そこで、内部フェルール２５は、光源用光ファイバ素線２３の外径と略同一の内径、及び受光器用光ファイバ素線２４と略同一の外径を有する円筒状に形成され、光源用光ファイバ素線２３に嵌合されている。

受光器用光ファイバ素線２４は、その中心に形成された光を導波するコア２４ａと、そのコア２４ａの外周に形成されたコア２４ａよりも屈折率の低いクラッド２４ｂとから構成されている。また、受光器用光ファイバ素線２４には、例えば、マルチモードファイバが使用される。

光源用光ファイバ素線２３の嵌合部２２とは反対側の末端には、例えば、ＬＥＤ等の光源が設けられている（図示略）。このＬＥＤ等の光源から発せられた光は、光源用光ファイバ素線２３のコア２３ａを導波して、嵌合部２２の貫通孔２２ａを介して、スケール１０に照射される。なお、この光源となる光は、ＬＥＤ、気体レーザ等のレーザ光のように位相の揃った指向性の良い光が好ましい。

受光器用光ファイバ素線２４の嵌合部２２とは反対側の末端には、例えばＣＣＤ等の受光器が設けられている（図示略）。スケール１０からの反射光は、嵌合部２２のスリット２２ｂを介し、受光器用光ファイバ素線２４のコア２４ａを導波して、ＣＣＤに受光される。

第１実施形態の光電式エンコーダは、スケール１０に対して読み取りヘッド２０を相対移動させながら、受光器に受光される受光量を計測し、信号処理部３０にて測定軸方向Ｘの変位を検出する。

上記のように、本発明の第１実施形態に係るバンドルファイバ及び光電式エンコーダにおいては、光源用光ファイバ素線２３に内部フェルール２５を嵌合させ、さらに、光ファイバ素線２３，２４を外部フェルール２６に嵌合させることにより、異種の外径、及び特性を有する複数本のファイバ素線を密接して配置することが可能となる。また、このようなバンドルファイバ２１は、内部フェルール２５以外の構成は、従来技術と同様の構成であるため、製造する上での設備導入は不要であり、比較的簡単に製造できる。即ち、結束した光ファイバ束を製作する際の、製作コストが低減される。

[第２実施形態]
次に、図４，図５を参照して、本発明の第２実施形態に係る光電式エンコーダを説明する。なお、第１実施形態と同一の要素には、同一符号を付し、その説明を省略する。

図４において、図４（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る光電式エンコーダのバンドルファイバ２１’の端部正面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。

第２実施形態の光電式エンコーダは、バンドルファイバ２１’において、その端部に筒状の第一端部フェルール２７が設けられた点で、第１実施形態と異なる。

第一端部フェルール２７は、光源用光ファイバ素線２３の外径と略同一の内径を有しており、その内部に光源用光ファイバ素線２３を嵌合して配置されている。

第２実施形態のバンドルファイバ２１’を製作する場合、例えば、まず、内部フェルール２５と、６本の受光器用光ファイバ素線２４とを外部フェルール２６内に配置する。次に、予め第一端部フェルール２７にその先端を嵌合された光源用光ファイバ素線２３を内部フェルール２５の内径に通す。最後に、第一端部フェルール２７と内部フェルール２５とを接着剤等により接着する。

なお、第２実施形態における光電式エンコーダにおいて、バンドルファイバ２１’の先端に取り付けられる嵌合部（図示略）には、その中心に第一端部フェルール２７を通す径の貫通孔が設ければよい。

このように本発明の第２実施形態に係る光電式エンコーダ及びそれに用いられるバンドルファイバ２１’によれば、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

また、バンドルファイバ２１’によれば、光源用光ファイバ素線２３と受光器用光ファイバ素線２４との間に段差を設けることが出来る。図５は、バンドルファイバ２１’を用いた光電式エンコーダの光路と、従来の光電式エンコーダの光路とを比較する図である。ここで、図５（ａ）は、バンドルファイバ２１’を用いた読み取りヘッド２０’からの光路を示し、図５（ｂ）は、第一端部フェルール２７を設けていない第１実施形態の読み取りヘッド２０からの光路を示す。ここで、光源用光ファイバ素線２３からの照射光の発散角をφ、スケール１０からの反射光の発散角をθとし、照射光及び反射光は空間に均一的に発散するものとする。また、受光器用光ファイバ素線２４の端部とスケール１０との距離をＬａ、受光器用ファイバ素線２４の端部と光源用光ファイバ素線２３の端部との段差をＬｂとする。

図５に示すように、第２実施形態の光電式エンコーダは、第一端部フェルール２７で段差Ｌｂを設けているので、第１実施形態に比べ、受光器用光ファイバ素線２４において受光する反射光の発散を距離Lb・tanφだけ抑えることができる。
すなわち、受光器用光ファイバ素線２３において受光する反射光の受光率を向上させることができる。

[第３実施形態]
次に、図６，図７を参照して、本発明の第３実施形態に係る光電式エンコーダを説明する。なお、第１及び第２実施形態と同一の要素には、同一符号を付し、その説明を省略する。

図６において、図６（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る光電式エンコーダのバンドルファイバ２１’’の端部正面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＣ−Ｃ’断面図である。

第３実施形態のバンドルファイバ２１’’は、その端部に第一端部フェルール２７’の代わりに、キャップ型の第二端部フェルール２８が設けられた点で、第２実施形態と異なる。その他構成は、第２実施形態と同一であり、それら同一の構成には、同一符号を付し、その説明を省略する。なお、製造工程も、第２実施形態と略同一である。

この第二端部フェルール２８は、例えばガラス等の光を透過する光学部材であり、キャップ型に形成されたその底部は、レンズとして機能するように凸型に形成されている。

なお、第３実施形態における光電式エンコーダにおいて、そのバンドルファイバ２１’’の先端に取り付けられる嵌合部（図示略）には、その中心に第二端部フェルール２８を通す径の貫通孔を設ければよい。

このような本発明の第３実施形態に係る光電式エンコーダ及びそれに用いられるバンドルファイバ２１’’によれば、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、バンドルファイバ２１’’によれば、第二端部フェルール２８により、光源用光ファイバ素線２３と受光器用光ファイバ素線２４との間に段差を設けることが出来る。

図７は、バンドルファイバ２１’’を用いた光電式エンコーダの光路と、第１実施形態の光電式エンコーダの光路を比較する図である。ここで、図７（ａ）は、バンドルファイバ２１’’を用いた光電式エンコーダ２０’の光路を示し、図７（ｂ）は、第１実施形態の光電式エンコーダの光路を示す。なお、図７においては、波線により照射光のみを示し、反射光を省略して示している。

図７に示すように、第二端部フェルール２８を設けたことにより、第１実施形態を示す図７（ｂ）の読み取りヘッド２０と比較して、本実施例である図７（ａ）の読み取りヘッド２０’’は光源用光ファイバ素線２３からの光をスケール１０上において集光させることができる。

このように第３実施形態に係る光電式エンコーダによれば、光を透過する第４フェルールにより、その第４フェルールから照射された光を集光させるなど光の拡散角を任意に変更することが可能となる。

以上、本発明の第１〜第３実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、追加、置換等が可能である。

例えば、第１実施形態に示したように１本の光源用光ファイバ素線２３及び６本の受光器用光ファイバ素線２４という構成に限られない。また、光源用光ファイバ素線２３を中心として、その周りに受光器用光ファイバ素線２４を配置する構成に限られず、受光器用光ファイバ素線２４を中心として、その周りに光源用光ファイバ素線２３を配置する構成としてもよい。

また、第１実施形態において、光源用光ファイバ素線２３及び受光器用光ファイバ素線２４の径をφ０．１２５ｍｍ、φ０．２５ｍｍとしたが、この径の大きさに限定されるものではない。よって、例えば、光源用光ファイバ素線２３及び受光器用光ファイバ素線２４の径をφ０．１２５ｍｍ、φ０．５ｍｍ、或いはφ０．２５ｍｍ、φ０．５ｍｍとしてもよい。

また、第３実施形態において、第二端部フェルール２８の底部は、凹型に成形されていてもよい。

また、第一端部フェルール２７と第二端部フェルール２８を共に備えたバンドルファイバとしてもよい。第一端部フェルール２７と第二端部フェルール２８を共に備えたバンドルファイバにより、さらに複雑な光学系を実現することが可能である。

本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダの斜視図である。本発明の第１実施形態に係るバンドルファイバ２１の一部を切り欠いた斜視図である。本発明の第１実施形態に係るバンドルファイバ２１の端部正面図及びＡ−Ａ’断面図である。本発明の第２実施形態に係るバンドルファイバ２１’の端部正面図及びＢ−Ｂ’断面図である。本発明の第２実施形態に係るバンドルファイバ２１’を用いた光電式エンコーダの光路と、第１実施形態の光電式エンコーダの光路を比較する図である。本発明の第３実施形態に係るバンドルファイバ２１’’の端部正面図及びＣ−Ｃ’断面図である。本発明の第３実施形態に係るバンドルファイバ２１’’を用いた光電式エンコーダの光路と、第１実施形態の光電式エンコーダの光路を比較する図である。

符号の説明

１０…スケール、１１…格子、２０，２０’，２０’’…読み取りヘッド、２１，２１’，２１’’…バンドルファイバ、２２…嵌合部、２２ａ…貫通孔、２２ｂ…スリット、２３…光源用光ファイバ素線、２４…受光器用光ファイバ素線、２５…内部フェルール、２６…外部フェルール、２７…第一端部フェルール、２８…第二端部フェルール、３０…信号処理部。

Claims

第１ファイバ素線及び当該第１ファイバ素線よりも外径の大きい第２ファイバ素線の位置関係を固定したバンドルファイバであって、
前記第１ファイバ素線の外径と略同一の内径、前記第２ファイバ素線の外径と略同一の外径を有し前記第１ファイバ素線を嵌合可能にされた筒状の第１フェルールと、
前記第１フェルールに嵌合された第１ファイバ素線又は前記第２ファイバ素線を当接した状態で嵌合する内径を有する筒状の第２フェルールと
を備えることを特徴とするバンドルファイバ。
前記第１フェルールの端部、前記第２フェルールの端部、及び前記第２ファイバ素線の端部は、揃えて配置されており、
前記第１フェルールの端部に設けられ且つ前記第１ファイバ素線の外径と略同一の内径を有し前記第１ファイバ素線を嵌合可能にされた筒状の第３フェルールを備えることを特徴とする請求項１記載のバンドルファイバ。
前記第１フェルールの端部、前記第２フェルールの端部、及び前記第２ファイバ素線の端部は揃えて配置されており、
前記第１フェルールの端部に設けられ、前記第１ファイバ素線の外径と略同一の内径を有し、前記第１ファイバ素線を嵌合したキャップ状であり、光を透過する第４フェルールを備えることを特徴とする請求項１記載のバンドルファイバ。
測定軸方向に所定ピッチで回折格子が形成されたスケールと、
このスケールに対して相対移動可能に配置され、前記スケールにコヒーレント光を照射する照射部、並びにこの照射部の周囲に前記測定軸方向及びこれと直交する方向に所定の間隔を空けて配置され前記照射部から出射され前記スケールの回折格子で反射された光を受光する複数の受光部が同一検出面上に配置された読み取りヘッドと、
この読み取りヘッドの受光部からの受光信号を処理して前記スケールに対する前記読み取りヘッドの前記測定軸方向の変位を検出する信号処理手段と
を備えた光電式エンコーダにおいて、
前記受光部は、
第１ファイバ素線と、
当該第１ファイバ素線よりも外径の大きい第２ファイバ素線と、
前記第１ファイバ素線の外径と略同一の内径、前記第２ファイバ素線の外径と略同一の外径を有し前記第１ファイバ素線を嵌合可能にされた筒状の第１フェルールと、
前記第１フェルールに嵌合された第１ファイバ素線又は前記第２ファイバ素線を当接した状態で嵌合する内径を有する筒状の第２フェルールと
を備えることを特徴とする光電式エンコーダ。
前記第１フェルールの端部、前記第２フェルールの端部、及び前記第２ファイバ素線の端部は、揃えて配置されており、
前記第１フェルールの端部に設けられ且つ前記第１ファイバ素線の外径と略同一の内径を有し前記第１ファイバ素線を嵌合可能にされた筒状の第３フェルールを備えることを特徴とする請求項４記載の光電式エンコーダ。
前記第１フェルールの端部、前記第２フェルールの端部、及び前記第２ファイバ素線の端部は揃えて配置されており、
前記第１フェルールの端部に設けられ、前記第１ファイバ素線の外径と略同一の内径を有し、前記第１ファイバ素線を嵌合したキャップ状であり、光を透過する第４フェルールを備えることを特徴とする請求項４記載の光電式エンコーダ。