JP2009069033A - Photoelectric incremental type encoder - Google Patents
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Description
本発明は、3格子型の第3格子面上にモアレ縞を生成させて、これを検出する光電式インクリメンタル型エンコーダに係り、特に、スケールの格子ピッチが狭くなっても、従来と同様の長いピッチの受光素子で検出でき、高速化・低価格化・小型化が実現可能な光電式インクリメンタル型エンコーダに関する。 The present invention relates to a photoelectric incremental encoder that generates and detects moiré fringes on a third grid surface of a three-grid type. In particular, even if the grid pitch of a scale is narrow, it is as long as the conventional one. The present invention relates to a photoelectric incremental encoder that can be detected by a light-receiving element having a pitch and can realize high speed, low price, and downsizing.
例えば特許文献1の図5に示されるように、光源からの光を変調するための第1格子と、メインスケール(単にスケールと称する)上に形成された第2格子と、前記第1、第2格子によって形成された干渉縞が投影される、第3格子が一体化された受光素子アレイを備え、スケール上に配置された光学格子(第2格子)を、3格子原理と受光素子アレイで検出する方法がある。 For example, as shown in FIG. 5 of Patent Document 1, a first grating for modulating light from a light source, a second grating formed on a main scale (simply referred to as a scale), the first, first A light receiving element array in which a third grating is integrated, on which interference fringes formed by two gratings are projected, and an optical grating (second grating) arranged on a scale is formed by the three grating principle and the light receiving element array. There is a way to detect.
この3格子原理を用いた反射型エンコーダの場合、特許文献1の図6に示されるように、被検出スケールの格子ピッチに合わせて、受光素子アレイのピッチを決定している。 In the case of a reflective encoder using the three-grid principle, as shown in FIG. 6 of Patent Document 1, the pitch of the light receiving element array is determined in accordance with the grating pitch of the detected scale.
ここで、検出するべきスケールの格子ピッチを狭くすると、受光素子アレイのピッチも合わせて狭くしなければ検出できない。例えば、格子ピッチを1μmとすると、受光素子アレイのピッチは0.25μm(4相を検出する場合)にしなければならない。 Here, if the lattice pitch of the scale to be detected is narrowed, it cannot be detected unless the pitch of the light receiving element array is also narrowed. For example, if the grating pitch is 1 μm, the pitch of the light receiving element array must be 0.25 μm (when four phases are detected).
しかしながら、半導体デバイスとして検出できる受光素子アレイ(フォトダイオード構造)のピッチを狭くするのは技術的に制限があり、コストアップにもつながる。又、実現できたとしても、個々のフォトダイオードのパターンの周囲長が長くなって、パターン境界部に形成される接合容量が大きくなってしまい、検出の高速化が困難になる。又、光を斜めから入射すると、検出ヘッドのサイズが大きくなってしまう等の問題点を有する。 However, narrowing the pitch of the light receiving element array (photodiode structure) that can be detected as a semiconductor device is technically limited, leading to an increase in cost. Even if it can be realized, the peripheral length of the pattern of each photodiode is increased, and the junction capacitance formed at the pattern boundary is increased, which makes it difficult to increase the detection speed. Further, when light is incident obliquely, there is a problem that the size of the detection head is increased.
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、スケールの格子ピッチが狭くなっても、従来と同様の長いピッチの受光素子(アレイ)で検出でき、高速化・低価格化・小型化を実現可能な技術を提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and even if the grating pitch of the scale is narrowed, it can be detected by a light receiving element (array) having the same long pitch as the conventional one, and the speed and cost are reduced. -The issue is to provide technology that can achieve miniaturization.
本発明は、光源からの光を変調するための第1格子と、スケール上に形成された第2格子と、前記第1、第2格子によって形成された干渉縞が投影される第3格子とを有する3格子型の光電式インクリメンタル型エンコーダにおいて、第1格子と第3格子の作用を兼ね備えた第1・第3兼用格子をインデックススケール(単にインデックスと称する)に設け、該第1・第3兼用格子に生じたモアレ縞をレンズ光学系で検出することにより、前記課題を解決したものである。 The present invention includes a first grating for modulating light from a light source, a second grating formed on a scale, and a third grating on which interference fringes formed by the first and second gratings are projected. In the three-grid photoelectric incremental encoder having the first and third combined gratings having the functions of the first and third gratings on an index scale (simply referred to as an index), the first and third gratings are provided. The above-mentioned problem is solved by detecting the moire fringes generated in the dual-purpose grating with a lens optical system.
ここで、前記光源からの光をビームスプリッタで分岐し、第1・第3兼用格子を介してスケール面に垂直に照射すると共に、スケール面からの反射光により第1・第3兼用格子上に生じたモアレ縞をレンズ光学系で検出することができる。 Here, the light from the light source is branched by a beam splitter, irradiated perpendicularly to the scale surface via the first and third combined gratings, and reflected on the first and third combined gratings by the reflected light from the scale surface. The generated moire fringes can be detected by the lens optical system.
又、前記第1・第3兼用格子及び第2格子のピッチに対して、受光素子アレイのピッチを大とすることができる。 The pitch of the light receiving element array can be made larger than the pitch of the first and third combined gratings and the second grating.
又、前記モアレ縞の周期と受光素子アレイのピッチが合うように、前記レンズ光学系の倍率を設定することができる。 The magnification of the lens optical system can be set so that the period of the moire fringes matches the pitch of the light receiving element array.
又、前記光源からの光を、スケール移動方向に対して横方向から入射するようにすることができる。 Further, the light from the light source can be incident from the lateral direction with respect to the scale moving direction.
又、前記レンズ光学系の開口数を、第1・第3兼用格子のパターンを検出せずに、モアレ縞のみを検出できるように設定することができる。 The numerical aperture of the lens optical system can be set so that only the moire fringes can be detected without detecting the patterns of the first and third combined gratings.
又、前記レンズ光学系を、投影レンズと、その焦点位置にアパーチャが配設されたテレセントリック光学系とすることができる。 The lens optical system may be a telecentric optical system in which an aperture is disposed at a projection lens and a focal position thereof.
又、前記テレセントリック光学系のアパーチャ直径を、第1・第3兼用格子のパターンを解像しないカットオフ周波数に設定することができる。 Further, the aperture diameter of the telecentric optical system can be set to a cutoff frequency that does not resolve the pattern of the first and third combined gratings.
又、前記第1・第3兼用格子を、インデックスのスケール側面に形成することができる。 Further, the first and third combined gratings can be formed on the scale side surface of the index.
又、前記第1・第3兼用格子と平行に原点用パターンを形成することができる。 The origin pattern can be formed in parallel with the first and third combined gratings.
本発明によれば、インデックスの第1・第3兼用格子面上にモアレ縞を生成させて、これをレンズ光学系で検出することにより、長いピッチの受光素子(アレイ)で検出することができる。従って、受光素子(アレイ)のピッチを狭くすることなく、細かい周期の観測ができる。よって、従来と同様の広いピッチの受光素子が使用可能であり、低価格化及び接合容量小による高速化を実現できる。 According to the present invention, moire fringes are generated on the first and third combined grating surfaces of the index, and this is detected by the lens optical system, so that it can be detected by the light receiving element (array) having a long pitch. . Therefore, it is possible to observe a fine cycle without reducing the pitch of the light receiving elements (array). Therefore, a light receiving element having a wide pitch similar to the conventional one can be used, and it is possible to reduce the price and increase the speed by reducing the junction capacitance.
又、斜め入射構成の場合、光軸が斜めになってしまうので、光学部品を斜めに配設する必要があるが、垂直入射にすることで、レンズ光学系の設計やアライメントの難易度を下げることができる。又、検出ヘッドのサイズを小さくして小型化を図ることができる。 In addition, since the optical axis is inclined in the case of the oblique incidence configuration, it is necessary to dispose the optical components obliquely. However, by making the vertical incidence, the difficulty of designing and aligning the lens optical system is reduced. be able to. Further, the detection head can be reduced in size by reducing the size of the detection head.
ここで、レンズ光学系の開口数NAを規定することにより、第1・第3兼用格子のパターンを検出せずに、モアレ縞のみを歪み無く検出することができる。 Here, by defining the numerical aperture NA of the lens optical system, it is possible to detect only the moire fringes without distortion without detecting the patterns of the first and third combined gratings.
又、テレセントリック光学系のアパーチャ直径を、第1・第3兼用格子のパターンを解像しないようなカットオフ周波数に設定することで、コントラストを向上して、モアレ縞のみを歪み無く検出することが可能となる。 Also, by setting the aperture diameter of the telecentric optical system to a cutoff frequency that does not resolve the pattern of the first and third combined gratings, it is possible to improve contrast and detect only moire fringes without distortion. It becomes possible.
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(斜視図)及び図2(光路を示す断面図)に示す如く、光源10からの光を変調するための第1格子と、スケール20上に形成された第2格子22と、前記第1、第2格子によって形成された干渉縞が投影される第3格子とを有する3格子型光電式インクリメンタルエンコーダにおいて、第1格子と第3格子の作用を兼ね備えた第1・第3兼用格子32をインデックス30上に設け、光源10からの光をインデックス30上に配置したビームスプリッタ36で分岐し、第1・第3兼用格子32を介してスケール面に垂直に照射すると共に、スケール面からの反射光により、第1・第3兼用格子32上に生じたモアレ縞34(図4参照)を、投影レンズ42でなるレンズ光学系40を用いて受光素子アレイ50に投影するようにしたものである。
The first embodiment of the present invention is formed on a
前記光源10、インデックス30、ビームスプリッタ36、レンズ光学系40及び受光素子アレイ50は、図示しない検出器内に配設され、スケール20に対して、測定方向に相対移動可能とされている。
The
ここで、インデックス30上に形成する第1・第3兼用格子32は、上面からの光を反射しない膜構造、例えば図3に示すような、Cr膜32aと、例えばCrOでなる反射防止膜32bの2層膜とされている。なお、第1・第3兼用格子32の構成は、これに限定されない。
Here, the first and third combined
今、生じるモアレ縞34の周期をPm、第2格子22の周期をP2とすると、インデックス30上の第1・第3兼用格子32の周期P13は、次式で表わされる。
Assuming that the period of the moire fringes 34 generated is P m and the period of the
P13={P2+(P2Pm)/(Pm−P2)}/2 …(1) P 13 = {P 2 + ( P 2 P m) / (P m -P 2)} / 2 ... (1)
従って、図4中に示す如く、例えば第1・第3兼用格子32の周期P13=1.005μm、第2格子22の周期P2=1μmとすると、モアレ縞34の周期Pm=101μmとなり、第2格子22の周期P2の101倍周期のモアレ縞Pmを、比較的簡単な光学系で観測することが可能となる。
Therefore, as shown in FIG. 4, for example, if the period P 13 of the first and third combined
ここで、レンズ光学系40の倍率は、受光素子アレイ50のピッチとモアレ縞34の周期Pmが合うように設定する。具体的には、投影レンズ42を通過して受光素子アレイ50上に生じる投影像46(図4参照)の周期と、受光素子アレイ50のピッチが合うようにする。
Here, the magnification of the lens
ここで、図4に示す第2実施形態のように、レンズ光学系40に、投影レンズ42と、その焦点位置に配設されたアパーチャ44でなるテレセントリック光学系を用いると、受光素子アレイ50と投影レンズ42のエアギャップの自由度が高く設定できる。更に、テレセントリック光学系のアパーチャ44の直径を、第1・第3兼用格子32のパターンを解像しないようなカットオフ周波数に設定することで、コントラストを向上することができる。
Here, as in the second embodiment shown in FIG. 4, when a telecentric optical system including the
具体的には、モアレ縞周期Pmの半分よりも短いピッチの縞をカットするために、光学系の開口数NAを次式のように設定する。 More specifically, in order to cut short pitch fringes than half the moiré fringe period P m, to set the numerical aperture NA of an optical system as in the following equation.
NA=f×λ …(2) NA = f × λ (2)
ここで、fはモアレ縞34の空間周波数、λは光の波長である。 Here, f is the spatial frequency of the moire fringes 34, and λ is the wavelength of light.
今、投影レンズ42の焦点距離をL、アパーチャ44の開口径をDとすると、次式の関係が成立する。
Assuming that the focal length of the
D=2×L×NA …(3) D = 2 × L × NA (3)
これにより、レンズ光学系40が第1・第3兼用格子32のパターンを解像しなくなるので、歪みの無い波形の検出が実現できる。
As a result, the lens
次に、本発明の第3実施形態を図5に示す。 Next, a third embodiment of the present invention is shown in FIG.
本実施形態は、第1実施形態と同様の構成において、第1・第3兼用格子33を、インデックス30のスケール20側面に形成したものである。
In the present embodiment, the first and third combined
前記第1・第3兼用格子33は、上下両面からの光を反射しない膜構造、例えば図6に示すような、Cr膜33aと、例えばCrOでなる反射防止膜33bの3層膜とされている。これにより、インデックス30から直接受光素子アレイ50に入る迷光(図中の点線矢印で示す光線等)を防止できる。なお、第1・第3兼用格子33の構成は、これに限定されない。
The first and third combined
他の点については、第1実施形態と同じであるので説明を省略する。 Since the other points are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.
本実施形態によれば、スケール20と第1・第3兼用格子33間の格子間ギャップGを小さくすることができる。
According to this embodiment, the interstitial gap G between the
この点を利用した第4実施形態を図7に示す。 A fourth embodiment using this point is shown in FIG.
本実施形態は、第3実施形態と同様の構成において、スケール20及びインデックス30上に、それぞれ、第2格子22及び第1・第3兼用格子33と平行に原点用パターン24、38を設けると共に、受光基板52上に、受光素子アレイ50と平行に原点検出用の受光素子54を設けたものである。なお、受光素子アレイと原点検出用受光部を一体化した受光用デバイス(IC)でもよい。
In the present embodiment,
前記インデックス30上の第1・第3兼用格子33と原点用パターン38の配置を図8に示す。ここで、原点用パターン38は、スケールパターンと逆パターンとされ、例えば、スケールが反射の場合は透過とされる。
FIG. 8 shows the arrangement of the first and third combined
本実施形態によれば、スケール20とインデックス30上の原点用パターン38の格子間ギャップを小さくすることが可能で、スケール20上の原点用パターン24の回折光による迷光を防止し、原点の検出効率が向上する。
According to the present embodiment, the gap between the lattices of the
なお、第3、第4実施形態においても、第2実施形態と同様にレンズ検出系40をテレセントリック光学系として、エアギャップの許容範囲を広げることができる。
In the third and fourth embodiments as well, the allowable range of the air gap can be widened by using the
なお、前記実施形態においては、いずれも、受光素子アレイが用いられていたが、受光素子の種類は、アレイ化されたものに限定されない。 In each of the embodiments, the light receiving element array is used. However, the type of the light receiving element is not limited to an array.
10…光源
20…(メイン)スケール
22…第2格子
24、38…原点用パターン
30…インデックス(スケール)
32、33…第1・第3兼用格子
34…モアレ縞
36…ビームスプリッタ
40…レンズ光学系
42…投影レンズ
44…アパーチャ
46…投影像
50…受光素子アレイ
52…受光基板
54…原点検出用受光素子
DESCRIPTION OF
32, 33 ... 1st and 3rd combined grating 34 ...
Claims (10)
第1格子と第3格子の作用を兼ね備えた第1・第3兼用格子をインデックスに設け、
該第1・第3兼用格子に生じたモアレ縞をレンズ光学系で検出することを特徴とする光電式インクリメンタル型エンコーダ。 Three gratings having a first grating for modulating light from the light source, a second grating formed on the scale, and a third grating onto which the interference fringes formed by the first and second gratings are projected Type photoelectric incremental encoder,
The first and third combined gratings having the functions of the first and third gratings are provided in the index,
A photoelectric incremental encoder characterized in that a moire fringe generated in the first and third combined gratings is detected by a lens optical system.
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