JP2011033521A - 光電式エンコーダ及び真空装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンドリング及び作業性に優れる光電式エンコーダ及びそれを用いた真空装置を提供することである。
【解決手段】光電式エンコーダは、測定軸方向に所定ピッチで形成された回折格子１１を有するスケール１０と、スケール１０に照射された光の反射光を伝搬する第１ファイバ２０を備える検出ヘッド３０と、第１ファイバ２０を伝搬した反射光を集光する第１レンズ６０，６２と、集光された反射光を受光し、電気信号に変換する受光素子５４とを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、光電式エンコーダ及び真空装置に関する。

従来、複数のファイバ素線を束ね、それらの相対的位置を固定したバンドルファイバを用いた光電式エンコーダが知られている。このような光電式エンコーダは、例えば、測定軸方向に所定ピッチで形成された回折格子を有するスケールと、このスケールに対して相対移動可能に配置され、スケールにコヒーレント光を照射する照射ファイバ、及び、この照射ファイバの周囲にスケールで反射された光を受光する複数の受光ファイバが同一検出面上に配置された検出ヘッド部とを備えている。また、このシステムは、検出ヘッドの照射ファイバにレーザ光を供給する光源と、受光ファイバからの受光信号を受ける受光素子と、受光信号を処理して検出ヘッドとスケールの相対変位を検出する信号処理部とを備えたインターフェースを備えている（特許文献１〜３参照）。

このような光電式エンコーダにおいては、複数の受光ファイバから出射される光を受光素子に効率よく伝搬させなければならないという要求があるところ、受光ファイバからの光を受光素子へ伝搬させる従来技術としては、例えばフェルールに挿入された受光ファイバを直接受光素子に接触させる態様がある。

特開２００４−５３６０５号公報 特開２００８−３９６０２号公報 特開２００７−２３２６８１号公報

しかしながら、受光ファイバを直接受光素子に接触させる場合、両者を分離及び再結合することが難しく、また接続された状態でのハンドリング及び作業性は高いものとは言い難い。また、このような態様においては、温度変動や衝撃又は使用態様の変更にフレキシブルに対応することは難しく、またファイバの位置ずれが生じた場合、光結合の損失の低下が大きいといった課題がある。また、受光ファイバを直接受光素子に接触させるため、インターフェースより先のバンドルファイバ及び検出ヘッドを真空装置内に配置するには複雑な機構が必要となってしまい、真空装置へ適用しにくい場合がある。

そこで本発明は、上記の課題を解決することのできる光電式エンコーダを提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。

本発明の一態様に係る光電式エンコーダは、測定軸方向に所定ピッチで形成された回折格子を有するスケールと、前記スケールに照射された光の反射光を伝搬する第１ファイバを備える検出ヘッドと、前記第１ファイバを伝搬した前記反射光を集光する第１レンズと、集光された前記反射光を受光し、電気信号に変換する受光素子とを備えている。

かかる構成においては、第１ファイバを伝搬したスケールからの反射光が、レンズによって集光されて受光素子に受光される。よって、第１ファイバと受光素子との間の光学的な結合、分離又は再結合が容易であり、光電式エンコーダのハンドリング及び作業性の向上を図ることができる。また、第１ファイバと受光素子との相対位置を変更する際にもフレキシブルに対応することができ、第１ファイバと受光素子との相対位置のずれが生じたとしても光結合の損失の低下を抑えることができる。

上記光電式エンコーダにおいて、前記第１レンズと前記受光素子との間に設けられた第２レンズをさらに備え、前記第１レンズは前記反射光を集光して平行光を生成し、前記第２レンズは前記平行光を集光し、前記受光素子は、集光された前記平行光を受光し、電気信号に変換してもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、前記第１レンズと前記第２レンズとの間に前記平行光を伝搬するための空間が設けられてもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、前記第１レンズと前記第２レンズとの間に前記平行光を伝搬するための光透過性部材が設けられてもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、前記第２レンズと前記受光素子との間に設けられた第２ファイバをさらに備え、前記第２ファイバは、前記第２レンズによって集光された前記平行光を伝搬し、前記受光素子は、前記第２ファイバを伝搬した前記平行光を受光し、電気信号に変換してもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、前記第１ファイバは複数設けられ、前記第２ファイバは複数設けられ、複数の前記第１ファイバと複数の前記第２ファイバとが対応して配置されてもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、アレイ状の複数の第１貫通穴が設けられた第１ブロックをさらに備え、複数の前記第１ファイバが、複数の前記第１貫通穴に挿入されてもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、複数の前記第１ファイバの端面を揃えるように複数の前記第１貫通穴を覆う第１ストッパをさらに備えてもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、前記第１レンズは、複数の前記第１ファイバに対応して複数のレンズがアレイ状に設けられた第１レンズアレイであってもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、アレイ状の複数の第２貫通穴が設けられた第２ブロックをさらに備え、複数の前記第２ファイバが、複数の前記第２貫通穴に挿入されてもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、複数の前記第２ファイバの端面を揃えるように複数の前記第２貫通穴を覆う第２ストッパをさらに備えてもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、前記第２レンズは、複数の前記第２ファイバに対応して複数のレンズがアレイ状に設けられた第２レンズアレイであってもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、前記第１ファイバと前記受光素子との間に設けられ、前記第１レンズアレイ又は前記第２レンズアレイによる迷光を抑える遮光パターンをさらに備えてもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、複数の前記第１ファイバを保持する複数の第１フェルールをさらに備え、複数の前記第１フェルールに対応して複数の第１レンズが設けられてもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、複数の前記第２ファイバを保持する複数の第２フェルールをさらに備え、複数の前記第２フェルールに対応して複数の第２レンズが設けられてもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、前記検出ヘッドは、前記スケールに照射する光を伝搬する照射ファイバをさらに備え、複数の前記第１ファイバは、前記照射ファイバの周囲に配置されてもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、前記スケールに照射する前記光を、前記照射ファイバに集光させる第３レンズと、前記第３レンズによって集光される前記光を出射する光源とをさらに備えてもよい。

本発明の他の態様に係る光電式エンコーダは、測定軸方向に所定ピッチで形成された回折格子を有するスケールと、前記スケールに照射される光を伝搬するファイバを備える検出ヘッドと、前記ファイバに前記光を集光させる第１レンズと、前記第１レンズによって集光される前記光を出射する光源とを備える。

かかる構成においては、光源からの光が、レンズによって集光されて検出ヘッドの照射ファイバに受光される。よって、照射ファイバと光源との間の光学的な結合、分離又は再結合が容易であり、光電式エンコーダのハンドリング及び作業性の向上を図ることができる。また、照射ファイバと光源との相対位置を変更する際にもフレキシブルに対応することができ、照射ファイバと光源との相対位置のずれが生じたとしても光結合の損失の低下を抑えることができる。

上記光電式エンコーダにおいて、前記第１レンズと前記光源との間に設けられた第２レンズをさらに備え、前記第２レンズは前記光源から出射される光を集光して平行光を生成し、前記第１レンズは前記平行光を集光し、前記ファイバは、集光された前記平行光を伝搬してもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、前記第１レンズと前記第２レンズとの間に前記平行光を伝搬するための空間が設けられていてもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、前記第１レンズと前記第２レンズとの間に前記平行光を伝搬するための光透過性部材が設けられていてもよい。

上記光電式エンコーダにおいて、前記第２レンズと前記受光素子との間に設けられた第２ファイバをさらに備え、前記第２ファイバは、前記光源から出射された光を伝搬し、前記第２レンズは、前記第２ファイバを伝搬した光を集光して前記平行光を生成してもよい。

本発明の一態様に係る真空装置は、真空状態に保持可能な第１の空間を有する筐体と、前記第１の空間に設けられ、測定軸方向に所定ピッチで形成された回折格子を有するスケールと、前記第１の空間に設けられ、前記スケールに照射された光の反射光を伝搬する第１ファイバを備える検出ヘッドと、前記第１の空間に設けられ、前記第１ファイバを伝搬した前記反射光を集光して平行光を生成する第１レンズと、前記筐体の外部に設けられ、前記平行光を集光する第２レンズと、前記筐体の外部に設けられ、前記第２レンズによって集光された前記平行光を伝搬する第２ファイバと、前記筐体の外部に設けられ、前記第２ファイバを伝搬した前記平行光を受光し、電気信号に変換する受光素子と、前記第１の空間と前記筐体の外部とを区画するように前記筐体に設けられ、前記平行光を透過する光透過性部材とを備える。

かかる構成においては、光電式エンコーダのハンドリング及び作業性に優れつつも、検出ヘッド等を容易に真空環境下に設けることができる。よって、真空環境での測定に有益な測定システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダを示す図である。 図１の光電式エンコーダの一部を示す図である。 図２の光電式エンコーダの一部を示す図である。 図１のバンドルファイバの端面を示す図である。 図５Ａは本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダを示す図であり、図５Ｂ及び図５Ｃは変形例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る真空装置を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光電式エンコーダを示す図である。 図８Ａは本発明の第３実施形態に係る光電式エンコーダを示すであり、図８Ｂ及び図８Ｃは変形例を示す図である。 図９Ａは図８Ａ〜図８Ｃのブロックの平面図であり、図９Ｂは図９ＡのＡ−Ａ断面図である。 本発明の第４実施形態に係る光電式エンコーダを示す図である。 図１１Ａは本発明の第５実施形態に係る光電式エンコーダを示すであり、図１１Ｂは変形例を示す図である。 図１２Ａは図１１Ａのレンズアレイの平面図であり、図１２Ｂは図１２ＡのＢ−Ｂ断面図である。 図１３Ａは本発明の第６実施形態に係る光電式エンコーダを示す図であり、図１３Ｂ及び図１３Ｃは変形例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、発明の実施形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

[第１実施形態]
図１〜図６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は第１実施形態に係る光電式エンコーダの概略図であり、図２〜図４は図１の光電式エンコーダの一部を示す図である。本実施形態に係る光電式エンコーダ１００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、スケール１０に照射された光の反射光を伝搬するファイバ２０を備える検出ヘッド３０と、検出ヘッド３０により検出したスケール１０からの反射光を受光素子５４に伝搬するためのコネクタ４０と、反射光を受光し電気信号に変換する受光素子５４を備えるインターフェース５０とを備える。光電式エンコーダ１００は例えばリニアエンコーダである。

図１に示すように、スケール１０の長手方向が測定軸方向Ｘとなる。検出ヘッド３０は、スケール１０から所定距離を維持してＸ方向においてスケール１０に対して相対移動可能に配置されている。なお、検出ヘッド３０が固定され、スケール１０が検出ヘッド３０に対して相対移動する構成であってもよいし、スケール１０が固定され、検出ヘッド３０がスケール１０に対して相対移動する構成であってもよいし、両者が相対移動する構成であってもよい。

図２に示すように、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方向に延びる回折格子１１を有する。回折格子１１は、検出ヘッド３０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。また、回折格子１１は、Ｙ方向に対しては、例えば１つ山のガウス分布の光量分布を形成するように光を反射する。

次に、図２〜図４を参照して検出ヘッド３０について詳述する。

検出ヘッド３０は、インターフェース５０とは別体で構成されている。したがって、例えば、検出ヘッド３０に電装部品を搭載することなく全て光学部品から構成し、必要な電装部品をインターフェース５０に設けることができる。これにより、発熱や電気ノイズの発生などの電装部品を備えることによる弊害をなくし、それらに起因する測定精度の低下を防止することができる。また、このような構成により、超高精度な位置決めを必要とする装置や原子力・化学プラントなど遠隔操作を必要とする装置などに対して有効な光電式エンコーダ又は真空装置となる。

図２に示すように、検出ヘッド３０は、スケール１０に照射された光の反射光を伝搬するファイバ２０を複数備え、さらに、スケール１０に光を照射する照射ファイバ２２を備える。また、これら照射ファイバ２２と複数のファイバ２０は、１つに束ねられてバンドルファイバ２１として構成されていてもよい。具体的には、バンドルファイバ２１は、照射ファイバ２２と、照射ファイバ２２の周囲に配置された複数のファイバ２０と、照射ファイバ２２とその周囲の複数のファイバ２０を囲む円筒状のフェルール２３と、ファイバ２０，２２及びフェルール２３の先端にキャップ型に構成されたフェルール２４とを備えている。検出ヘッド３０のフェルール２４には、照射ファイバ２２に対応する位置に貫通穴２４ａが設けられ、また貫通穴２４ａの周囲において複数のファイバ２０に対応する位置に格子状のスリット２４ｂが設けられている。複数のファイバ２０，２２をバンドルファイバ２１として構成することにより、各ファイバ２０，２２の相対位置を固定することができる。

図３に示すように、照射ファイバ２２及びファイバ２０は、それらを束ねた外接径（バンドル径）よりも僅かに大きい内径を有するインナーチューブ２５内に収容され、照射ファイバ２２、ファイバ２０及びインナーチューブ２５がフェルール２３内に収容されている。このインナーチューブ２５は、バンドル径×０．１５以下が望ましいが、バンドル挿入時の密着偏りにより、ファイバ２０，２２の配置移動を防止できるので、バンドル径×０．２程度であってもよい。

図４に示すように、スケール１０に光を照射する照射ファイバ２２は、光を導波するコア２２ａを中心に有し、そのコア２２ａの外周にコア２２ａよりも屈折率の低いクラッド２２ｂを有する。また、照射ファイバ２２は、クラッド２２ｂの外周に形成された被覆２２ｃをさらに有していてもよい。また、照射ファイバ２２には、例えば、シングルモードファイバが使用される。

同様に、スケール１０からの光の反射光を伝搬するファイバ２０は、光を導波するコア２０ａを中心に有し、そのコア２０ａの外周に形成されたコア２０ａよりも屈折率の低いクラッド２０ｂを有する。また、ファイバ２０は、クラッド２０ｂの外周に形成された被覆２０ｃをさらに有していてもよい。また、ファイバ２０には、例えば、マルチモードファイバが使用される。

ファイバ２０のコア２０ａは、照射ファイバ２２のコア２２ａを中心として、６つのコア２０ａの中心が６角形状に配置されている。つまり、検出ヘッド３０は、照射ファイバ２２のコア２２ａの周囲に測定軸方向（Ｘ方向）及びこれと直交する方向（Ｙ方向）に所定の間隔を空けて、照射ファイバ２２のコア２２ａと同一検出面上に配置された複数のコア２０ａを備えている。

照射ファイバ２２のコア２２ａ及びクラッド２２ｂを含む径は、一般的には、ファイバ２０のコア２０ａ及びクラッド２０ｂを含む径よりも小さくてもよい。その場合、図４に示すように、照射ファイバ２２の被覆２２ｃの径をファイバ２０の被覆２０ｃの径よりも大きくすることで、それぞれのファイバ全体の径を略同一としてもよい。

次に、インターフェース５０について詳述する。図２に示すように、インターフェース５０は、光源５２と、受光素子５４と、信号処理部５６とを備える。

光源５２は、スケール１０にコヒーレントな光、例えば半導体レーザ、気体レーザ等のレーザ光を照射するものである。光源５２は、照射ファイバ２２のフェルール２４とは反対の端面の側に設けられる。光源５２の光は、照射ファイバ２２のコア２２ａを導波して、コア２２ａのフェルール２４側の端面より貫通穴２４ａを通って照射される。このようにコア２２ａは、光をスケール１０に照射するための照射部として機能する。

受光素子５４は、スケール１０からの反射光を受光し電気信号に変換するもので、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）であってもよい。受光素子５４は、ファイバ２０のフェルール２４とは反対の端面の側に設けられる。スケール１０からの反射光は、ファイバ２０のコア２０ａを伝搬して、コア２０ａのフェルール２４とは反対の端面より、コネクタ４０を介して出射され、受光素子５４に受光される。このようにコア２０ａは、スケール１０からの反射光を受光素子５４に受光するための受光部として機能する。

信号処理部５６は、受光素子５４が変換した電気信号を処理する。すなわち、光電式エンコーダ１００は、スケール１０に対して検出ヘッド３０を相対的に移動させながら、受光素子５４に受光される反射光から変換された電気信号に基づいて、信号処理部５６において測定軸方向Ｘの変位を測定するものである。

次に、図５Ａ〜図５Ｃを参照して、本実施形態に係る光電式エンコーダをさらに詳述する。本実施形態に係る光電式エンコーダは、ファイバ２０を伝搬したスケール１０からの反射光を集光する少なくとも１つのレンズを備え、このレンズによって、ファイバ２０を伝搬する光を受光素子５４に受光させる。なお、図５Ａ〜図５Ｃは、図１のコネクタ４０とインターフェース５０の詳細を示す図であり、理解を容易にするため、１本のファイバ２０を伝搬する光が１つの受光素子５４によって受光される態様を示している。

図５Ａに示すように、コネクタ４０には、ファイバ２０の先端が配置されている。このファイバ２０の先端にはフェルール２６が設けられていてもよい。また、コネクタ４０には、光を出射するファイバ２０の端面に対応して配置されたレンズ６０が設けられている。他方、インターフェース５０には、レンズ６０に対応して配置されたレンズ６２と、レンズ６２に対応して配置されたファイバ７０と、ファイバ７０に伝搬した光を受光する受光素子５４とが設けられている。ファイバ７０には、レンズ６０の側の先端にフェルール７４が設けられ、また受光素子５４の側の先端にフェルール７６が設けられていてもよい。また、受光素子５４は基板５８に搭載されている。

このような光学系においては、検出ヘッド３０によって検出されたスケール１０からの反射光がファイバ２０を伝搬し、ファイバ２０の端面から出射した光をレンズ６０が集光し、この集光された光からレンズ６０が平行光（コリメート光）を生成し、この平行光がレンズ６２によって集光され、さらにレンズ６２によって集光された光がファイバ７０を伝搬して受光素子５４に受光される。

このように、受光素子５４に受光される光は、コネクタ４０とインターフェース５０との間でレンズ６０，６２を用いて伝搬される。したがって、ファイバ２０（コネクタ４０）とインターフェース５０との光学的な結合、分離又は再結合が容易であり、光電式エンコーダのハンドリング及び作業性の向上を図ることができる。また、ファイバ２０（コネクタ４０）とインターフェース５０との相対位置、すなわちファイバの端面に平行なＸ，Ｙ方向の相対位置、及び、ファイバの端面に垂直なＺ方向（すなわち光の伝搬方向）の相対位置を変更する際にもフレキシブルに対応することができる。また、ファイバ２０を受光素子５４に直接接続する従来の態様と比べて、ファイバ２０の位置ずれが生じたとしても、光結合の損失の低下を抑えることができる。また、光学的な結合、分離又は再結合が容易であるため、温度変動や衝撃又は使用態様の変更（例えば光伝送の長距離化）などにも容易に対応することができる。なお、本実施形態に係る光電式エンコーダは、真空装置に適用する場合にも有益であり、この点は図６を用いて後述する。

図５Ａに示すように、コネクタ４０とインターフェース５０との間、すなわちレンズ６０とレンズ６２との間には、光透過性部材８２が設けられている。光透過性部材８２は、ファイバ２０を伝搬する光を透過する性質を有する。光透過性部材８２はプレート状に形成された基板であってもよく、具体的には透明なガラス基板であってもよい。このような光透過性部材８２を用いた具体的な態様については図６において説明する。

図５Ｂの変形例に示すように、図５Ａの構成から、インターフェース５０のファイバ７０及びフェルール７４，７６を省略してもよい。すなわち、図５Ｂにおいては、インターフェース５０において受光素子５４がレンズ６２に対応して設けられている。このような光学系においては、ファイバ２０の端面から出射した光をレンズ６０が集光し、この集光された光からレンズ６０が平行光を生成し、この平行光がレンズ６２によって集光され、レンズ６２によって集光された光を受光素子５４が受光する。

また、図５Ｂに示すように、コネクタ４０とインターフェース５０、すなわちレンズ６０とレンズ６２との間には、光を伝搬するための空間８０が設けられていてもよい。ここで、空間８０とは例えば真空又は気体などの非固体が占める領域をいう。

このように図５Ｂに示す態様においては、インターフェース５０のファイバ７０等を省略することにより、光電式エンコーダの部品数を少なくして、光電式エンコーダの簡略化又はコスト低減を図ることができる。

また、図５Ｃの変形例に示すように、図５Ｂの構成から、インターフェース５０においてレンズ６２をさらに省略してもよい。すなわち、図５Ｃにおいては、インターフェース５０において、受光素子５４がコネクタ４０のレンズ６０に対応して設けられている。このような光学系においては、ファイバ２０の端面から出射した光をレンズ６０が集光し、レンズ６０によって集光された光を受光素子５４が受光する。これにより光電式エンコーダの部品数がさらに少なくなるので、さらなる光電式エンコーダの簡略化又はコスト低減を図ることができる。

なお、図５Ａ〜図５Ｃで示した態様をさらに変形させて適用することも可能である。すなわち、光が出射するファイバ２０の端面から受光素子５４までの間のレンズの構成は図示した例に限定されるものではない。例えばインターフェース５０の側のみにレンズを配置して、このレンズがファイバ２０を伝搬する光を集光してもよい。また、コネクタ４０又はインターフェース５０内に、光が伝搬する方向に複数のレンズを配置してもよい。また、ファイバ２０を有するコネクタ４０を、インターフェース５０に光学的に結合する態様を説明したが、検出ヘッド３０のファイバ２０からの光を、別の中継用ファイバ（図示しない）に伝搬させ、この中継用ファイバを伝搬した光をインターフェース５０の受光素子５４に受光させてもよい。この場合には、図５Ａ〜図５Ｃのファイバ２０を中継用ファイバに置き換えて上記した構成を適用することができる。

図６は、本実施形態に係る真空装置を示す図である。この真空装置１０００は上記した光電式エンコーダ１００を備え、コネクタ４０とインターフェース５０との光学的な結合については図５（Ａ）の態様を適用することができる。コネクタ４０とインターフェース５０との間には、レンズ６０からレンズ６２に伝搬する平行光を透過する光透過性部材８２が設けられている。光透過性部材８２は、レンズ６０の側を密閉するようにシール材８４で筐体８５に固定されている。そして、光透過性部材８２の一方の側、すなわちスケール１０、検出ヘッド３０（スケール及び検出ヘッドについては図１参照）及びレンズ６０が筐体８５の内部、すなわち真空状態である空間８６に配置され、光透過性部材８２の他方の側、すなわちレンズ６２、ファイバ７０及び受光素子５４（受光素子については図１及び図５（Ａ）参照）が筐体８５の外部に配置されている。言い換えれば、光透過性部材８２は、空間８６と筐体８５の外部とを区画するように筐体８５に設けられている。

このように本実施形態に係る真空装置においては、コネクタ４０とインターフェース５０との間でレンズ６０，６２を用いて光が伝搬されるので、コネクタ４０とインターフェース５０との間に、真空のための区画部材を形成することができる。したがって、コネクタ４０とインターフェース５０との間の光の伝搬を図りつつも、検出ヘッド３０等を容易に真空状態の空間８６に設けることができる。よって、ハンドリング及び作業性の高い真空装置を提供することができる。

[第２実施形態]
次に、図７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、以下においては、上記第１実施形態の内容と同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。これは他の実施形態についても同様である。

本実施形態に係る光電式エンコーダにおいては、スケール１０からの反射光を複数のファイバ２０で伝搬することに伴う態様を除き、上記図５Ａで説明した内容と同様である。図７において、複数のファイバ２０の光軸と複数のファイバ７０の光軸とはそれぞれ対応している。コネクタ４０において、複数のレンズ６０は複数のファイバ２０の先端に設けられた複数のフェルール２６、すなわち複数のファイバ２０の光が出射する端面に対応して設けられている。また、複数のレンズ６０及び複数のフェルール２６は保持部９０によって相対的位置が保持されていてもよい。

他方、インターフェース５０には、複数のレンズ６０に対応して配置された複数のレンズ６２が配置され、それらの複数のレンズ６２に複数のファイバ７０が対応し、それら複数のファイバ７０に複数の受光素子５４が対応して配置されている。また、複数のレンズ６２は、複数のファイバ７０の先端に設けられた複数のフェルール７４、すなわち複数のファイバ２０の光が入射する端面に対応して設けられている。また、複数のレンズ６２及び複数のフェルール７４は保持部９２によって相対的位置が保持されていてもよい。

このように本実施形態によれば、複数のファイバ２０から複数の受光素子５４に光を伝搬させる場合においても、ハンドリング及び作業性に優れる光電式エンコーダを提供することができる。

[第３実施形態]
次に、図８Ａ〜図９Ｂ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。

本実施形態に係る光電式エンコーダは、複数のファイバを保持するブロックを備え、また複数のレンズがアレイ状に配置されたレンズアレイを備える。

図８Ａに示すように、コネクタ４０には、複数のファイバ２０の先端を保持するブロック９４が設けられている。このブロック９４には、図９Ａの平面図に示すように、保持するファイバの本数に対応する複数の貫通穴９５がアレイ状に形成されている。また、図９ＡのＡ−Ａ線の断面図である図９Ｂに示すように、複数の貫通穴９５は、それぞれ、挿入されるファイバ２０の外径に対応した外径を有している。また、複数のファイバ２０は、ブロック９４に挿入されて、光を出射する端面が同一平面（例えばブロックの平面）に位置するように揃えられることが好ましい。これにより、ファイバ２０の端面とレンズアレイ６４との距離が、ブロック９４とレンズアレイ６４との距離に等しくなる。したがって、ブロック９４単位でレンズアレイ６４との位置決めを行うことができる。なお、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、ブロック９４の外形は例えば直方体である。

このようなブロック９４によれば、複数のファイバ２０の相対位置、すなわちファイバの端面に平行な直交する２つの方向（Ｘ，Ｙ方向）の相対位置、及び、ファイバの端面に垂直な方向（Ｚ方向）の相対位置を固定できるので、ハンドリング及び作業性の向上を図ることができる。なお、ブロック９４は複数のファイバ２０の端面を研磨するときの研磨ホルダとしての機能を備えていてもよく、この場合、ブロック９４に各ファイバ２０を挿入した状態でブロック９４ごと研磨することができる。

レンズアレイ６４は、複数のレンズが複数のファイバ２０に対応してアレイ状に設けられたものである。これによれば、複数のレンズの相対位置、すなわちファイバの端面に平行なＸ，Ｙ方向の相対位置を固定できるので、ハンドリング及び作業性の向上を図ることができる。なお、レンズアレイ６４の複数のレンズの構成については、後述の図１２Ａ及び図１２Ｂを参照することができる。

また、インターフェース５０には、レンズアレイ６６と、複数のファイバ７０を保持するブロック９６が設けられている。複数のファイバ７０は、アレイ状の複数の受光素子５４に対応して配置されている。また、レンズアレイ６６はレンズアレイ６４に対応して配置され、また複数のファイバ７０に対応して配置されている。なお、ブロック９６及びレンズアレイ６６のその他の構成については、上記ブロック９４及びレンズアレイの内容を適用することができる。

このような光学系においては、検出ヘッド３０によって検出されたスケール１０からの反射光が複数のファイバ２０を伝搬し、複数のファイバ２０の端面から出射した光をレンズアレイ６４が集光し、この集光された光からレンズアレイ６４が平行光を生成し、この平行光がレンズアレイ６６によって集光され、さらにレンズアレイ６６によって集光された光が複数のファイバ７０を伝搬して複数の受光素子５４に受光される。

また図８Ｂの変形例に示すように、図８Ａの構成から、インターフェース５０のファイバ７０を省略してもよい。すなわち、図８Ｂにおいて、複数のアレイ状の受光素子５４が、レンズアレイ６６に対応して設けられている。このような光学系においては、複数のファイバ２０の端面から出射した光をレンズアレイ６４が集光し、この集光された光からレンズアレイ６４が平行光を生成し、この平行光がレンズアレイ６６によって集光され、レンズアレイ６６によって集光された光を複数の受光素子５４が受光する。

また図８Ｃの変形例に示すように、図８Ｂの構成から、コネクタ４０においてレンズアレイ６４をさらに省略してもよい。すなわち、図８Ｃにおいて、レンズアレイ６６がコネクタ４０の複数のファイバ２０に対応して設けられている。このような光学系においては、複数のファイバ２０の端面から出射した光をレンズアレイ６６が集光し、レンズ６６によって集光された光を複数の受光素子５４が受光する。

なお、光が出射する複数のファイバ２０の端面から複数の受光素子５４までの間のレンズアレイの構成は、図８Ａ〜図８Ｃの構成例に限定されるものではなく、様々に変形させて適用することができる。例えばコネクタ４０の側のみにレンズアレイを配置してもよい。

このように本実施形態によれば、複数のファイバ２０から複数の受光素子５４に光を伝搬させる場合においても、ハンドリング及び作業性に優れる光電式エンコーダを提供することができる。また、複数のファイバ２０をブロックにより保持することから、フェルール及び複数のフェルールを保持する保持器具を用いる必要がなく、光電式エンコーダの小型化、組み立て容易化及びコスト低減を図ることができる。

[第４実施形態]
次に、図１０を参照して、本発明の第４実施形態に係る光電式エンコーダを説明する。

本実施形態に係る光電式エンコーダは、ブロックに挿入された複数のファイバの端面を揃えるように、ブロックの複数の貫通穴を覆うストッパを備える。

図１０に示すように、ブロック９４の複数の貫通穴（複数のファイバ２０が挿入されている）を覆うストッパ９８が設けられている。ストッパ９８はファイバ２０の端面からの光の出射を妨げないように構成されており、具体的には透明なガラス基板などの光を透過する部材で構成されている。ストッパ９８は、ブロック９４の平面、すなわち貫通穴が開口する側のブロック９４の平面に設けられ、ブロック９４の貫通穴に挿入されるファイバ２０が光の伝搬方向に移動することを規制し、これによりブロック９４に挿入された複数のファイバ２０の端面を揃えることができる。特に、ブロック９４とファイバ２０とは材質が異なるためそれぞれの材質の線膨張係数の差に基づいてファイバ２０の端面の位置が変動し、これにより受光素子５４が受光する光量が変動することがあり得るところ、本実施形態のストッパ９８を適用することによってこのような弊害を解消することができる。また、ストッパ９８を設けることによって、ファイバ２０の端面を保護することができる。

なお、図１０においてはコネクタ４０のブロック９４にストッパ９８を設ける構成を説明したが、図８Ａのようにインターフェース５０の複数のファイバ７０がブロック９６で保持される場合に、必要があれば、ブロック９６に上記したストッパを適用してもよい。

また、ストッパ９８にレンズアレイ６６を設けてもよい。具体的には、ストッパ９８のブロック９４とは反対の面にレンズアレイ６６を設けてもよい。あるいは、レンズアレイの機能を備えるストッパ、すなわちレンズアレイとストッパとが一体化した部材をブロック９４に設けてもよい。これによれば、レンズアレイとストッパとをまとめて取り扱うことができるので、ハンドリング及び作業性の更なる向上を図ることができる。
[第５実施形態]

次に、図１１Ａ〜図１２Ｂを参照して、本発明の第５実施形態に係る光電式エンコーダを説明する。

本実施形態に係る光電式エンコーダは、スケールからの反射光を伝搬した複数のファイバと、複数の受光素子との間に設けられた遮光パターンを備える。

図１１Ａに示すように遮光パターン６８が、光が出射するファイバ２０の端面と受光素子５４との間に設けられている。遮光パターン６８は、レンズアレイのレンズ６７（図１２Ｂ参照）の周辺の回折等によって生じる迷光（散乱光）を抑える。すなわち、遮光パターン６８は測定に不要な光が受光素子５４に入射されることを防止する。具体的には、遮光パターン６８はレンズアレイ６６の一方の面（例えば凸状のレンズが形成されていない平面）に設けられ、ファイバ２０の端面から出射した光のうち、複数のレンズ６７の間の光を遮光する。

図１２Ａは遮光パターンの平面図であり、図１２Ｂは図１２ＡのＢ−Ｂ線断面図である。これらに図示されるように、この遮光パターン６８は、レンズアレイ６６の複数のレンズ６７に対応する複数の貫通穴６９を有し、貫通穴６９において光を透過しつつそれ以外の部分において遮光する。ここで、遮光とは、レンズアレイの迷光が抑えられる程度に光の透過率を小さくするという意味であり、光が全く透過しないという意味に限るものではない。また遮光パターン６８は、例えばシート状の貼付部材としてレンズアレイ６８に貼付してもよい。

また遮光パターン６８は、図１１Ａに示すようにインターフェース５０のレンズアレイ６６に設けてもよいし、あるいは図８Ａのようにコネクタ４０にもレンズアレイ６４が設けられる場合には、遮光パターン６８をレンズアレイ６４に設けてもよい。

また遮光パターン６８の配置は上記した構成例に限定されず、例えば、図１１Ｂの変形例に示すように、遮光パターン８９付きの光透過性部材８８を、レンズアレイ６６から離して複数の受光素子５４を覆うように設けてもよい。

このように本実施形態によれば、遮光パターン６８は測定に不要な光が受光素子５４に入射されることを防止することができるので、ハンドリング及び作業性に優れつつも、測定精度の高い光電式エンコーダを提供することができる。

[第６実施形態]
次に、図１３Ａ〜図１３Ｃを参照して、本発明の第６実施形態に係る光電式エンコーダを説明する。

本実施形態に係る光電式エンコーダにおいては、光源からの光が、レンズによって集光されて検出ヘッドの照射ファイバに受光される。すなわち、これまでの実施形態では、受光ファイバを伝搬したスケールからの反射光をレンズによる空間導波によって受光素子に送る構成を示したのに対して、本実施形態では、光源からの光をレンズによる空間導波によって検出ヘッドの照射ファイバに送る構成を示している。したがって、かかる構成の相違を除き、本実施形態においては、これまでの実施形態において説明してきた内容を可能な限り適用することができる。

本実施形態に係る光電式エンコーダは、スケール１０（図２参照）と、スケール１０に照射される光を伝搬する照射ファイバ２２を備える検出ヘッド３０（図２参照）と、照射ファイバ２２に光を集光させるレンズ１６０と、レンズ１６０によって集光される光を出射する光源５２とを備える。

図１３Ａに示すように、コネクタ４０には、照射ファイバ２２の先端が配置されている。この照射ファイバ２２の先端にはフェルール２８が設けられていてもよい。また、コネクタ４０には、光を受光する照射ファイバ２２の端面に対応して配置されたレンズ１６０が設けられている。他方、インターフェース５０には、レンズ１６０に対応して配置されたレンズ１６２と、レンズ１６２に対応して配置されたファイバ１７０と、ファイバ１７０に光を集光させるレンズ１７８とが設けられている。ファイバ１７０には、レンズ１６０の側の先端にフェルール１７４が設けられ、また光源５２の側の先端にフェルール１７６が設けられていてもよい。

このような光学系においては、光源からの光がレンズ１７８を介してファイバ１７０を伝搬し、ファイバ１７０の端面から出射した光をレンズ１６２が集光し、この集光された光からレンズ１６２が平行光（コリメート光）を生成し、この平行光がレンズ１６０によって集光され、さらにレンズ１６０によって集光された光が照射ファイバ２２を伝搬してスケール１０に照射される。

このように、光源５２から出射される光は、コネクタ４０とインターフェース５０との間でレンズ１６０，１６２を用いて伝搬される。したがって、照射ファイバ２２（コネクタ４０）とインターフェース５０との光学的な結合、分離又は再結合が容易であり、光電式エンコーダのハンドリング及び作業性の向上を図ることができる。

図１３Ａに示すように、コネクタ４０とインターフェース５０との間、すなわちレンズ１６０とレンズ１６２との間には、光透過性部材１８２が設けられている。光透過性部材１８２は、レンズ１６２によって生成された平行光を透過し、当該平行光をレンズ１６０に集光させる。光透過性部材１８２については、光透過性部材８２について説明した内容を適用することができる。

図１３Ｂの変形例に示すように、図１３Ａの構成から、光源５２とインターフェース５０内のファイバ１７０との間に設けられたレンズ１７８を省略してもよい。この場合、ファイバ１７０は光源５２からの光を直接受光する。

また、図１３Ｂに示すように、コネクタ４０とインターフェース５０、すなわちレンズ１６０とレンズ１６２との間には、光を伝搬するための空間１８０が設けられていてもよい。ここで、空間８０とは例えば真空又は気体などの非固体が占める領域をいう。

このように図１３Ｂに示す態様においては、インターフェース５０内のレンズ１７８を省略することにより、光電式エンコーダの部品数を少なくして、光電式エンコーダの簡略化又はコスト低減を図ることができる。

また、図１３Ｃの変形例に示すように、図１３Ｂの構成から、インターフェース５０においてファイバ１７０及びフェルール１７４，１７６を省略してもよい。すなわち、インターフェース５０においてレンズ１６２が光源５２に対応して設けられている。このような光学系においては、光源から出射された光をレンズ１６２が集光して平行光を生成し、この平行光がレンズ１６０によって集光され、かかる集光された光がファイバ２０を伝搬する。

なお、さらなる変形例として、インターフェース５０の側のみにレンズを配置して、このレンズがファイバ２０を伝搬する光を集光してもよい。また、コネクタ４０又はインターフェース５０内に、光が伝搬する方向に複数のレンズを配置してもよい。

また、本実施形態の構成は、これまでの第１〜第５実施形態のいずれか少なくとも１つと組み合わせて適用することができる。すなわち、図１３Ａ〜図１３Ｃに示されるインターフェース５０には、受光素子５４及びこれに伴う構成が設けられていてもよい。また、ファイバ２０及び照射ファイバ２２の両方が同じコネクタ４０内に配置されていてもよいし、あるいは照射ファイバ２２が配置されるコネクタは、スケール１０からの反射光を伝搬するファイバ２０が配置されるコネクタとは別体であってもよい。

このように本実施形態では、光源５２からの光が、レンズ１６０，１６２によって集光されて検出ヘッド３０の照射ファイバ２１に受光される。よって、照射ファイバ２１と光源５２との間の光学的な結合、分離又は再結合が容易であり、光電式エンコーダのハンドリング及び作業性の向上を図ることができる。また、照射ファイバ２１と光源５２との相対位置を変更する際にもフレキシブルに対応することができ、照射ファイバ２１と光源５２との相対位置のずれが生じたとしても光結合の損失の低下を抑えることができる。

上記発明の実施形態を通じて説明された実施例や応用例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施形態の記載に限定されるものではない。そのような組み合わせ又は変更若しくは改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０・・・スケール
２０，７０・・・ファイバ
２６，７４・・・フェルール
３０・・・検出ヘッド
４０・・・コネクタ
５０・・・インターフェース
５２・・・受光素子
６０，６２・・・レンズ
６８・・・遮光パターン
８０・・・空間
８２・・・光透過性部材
８６・・・真空環境
９４，９６・・・ブロック
９５・・・貫通穴
９８・・・ストッパ
１００・・・光電式エンコーダ
１０００・・・真空装置

Claims (23)

1. 測定軸方向に所定ピッチで形成された回折格子を有するスケールと、
   前記スケールに照射された光の反射光を伝搬する第１ファイバを備える検出ヘッドと、
   前記第１ファイバを伝搬した前記反射光を集光する第１レンズと、
   集光された前記反射光を受光し、電気信号に変換する受光素子と
   を備えた光電式エンコーダ。
2. 前記第１レンズと前記受光素子との間に設けられた第２レンズをさらに備え、
   前記第１レンズは前記反射光を集光して平行光を生成し、
   前記第２レンズは前記平行光を集光し、
   前記受光素子は、集光された前記平行光を受光し、電気信号に変換する、請求項１記載の光電式エンコーダ。
3. 前記第１レンズと前記第２レンズとの間に前記平行光を伝搬するための空間が設けられた、請求項２記載の光電式エンコーダ。
4. 前記第１レンズと前記第２レンズとの間に前記平行光を伝搬するための光透過性部材が設けられた、請求項２記載の光電式エンコーダ。
5. 前記第２レンズと前記受光素子との間に設けられた第２ファイバをさらに備え、
   前記第２ファイバは、前記第２レンズによって集光された前記平行光を伝搬し、
   前記受光素子は、前記第２ファイバを伝搬した前記平行光を受光し、電気信号に変換する、請求項２から４のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
6. 前記第１ファイバは複数設けられ、
   前記第２ファイバは複数設けられ、
   複数の前記第１ファイバと複数の前記第２ファイバとが対応して配置された、請求項５記載の光電式エンコーダ。
7. アレイ状の複数の第１貫通穴が設けられた第１ブロックをさらに備え、
   複数の前記第１ファイバが、複数の前記第１貫通穴に挿入された、請求項６記載の光電式エンコーダ。
8. 複数の前記第１ファイバの端面を揃えるように複数の前記第１貫通穴を覆う第１ストッパをさらに備えた、請求項７記載の光電式エンコーダ。
9. 前記第１レンズは、複数の前記第１ファイバに対応して複数のレンズがアレイ状に設けられた第１レンズアレイである、請求項６から８のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
10. アレイ状の複数の第２貫通穴が設けられた第２ブロックをさらに備え、
    複数の前記第２ファイバが、複数の前記第２貫通穴に挿入された、請求項６から９のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
11. 複数の前記第２ファイバの端面を揃えるように複数の前記第２貫通穴を覆う第２ストッパをさらに備えた、請求項１０記載の光電式エンコーダ。
12. 前記第２レンズは、複数の前記第２ファイバに対応して複数のレンズがアレイ状に設けられた第２レンズアレイである、請求項６から１１のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
13. 前記第１ファイバと前記受光素子との間に設けられ、前記第１レンズアレイ又は前記第２レンズアレイによる迷光を抑える遮光パターンをさらに備えた、請求項６から１２のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
14. 複数の前記第１ファイバを保持する複数の第１フェルールをさらに備え、
    複数の前記第１フェルールに対応して複数の第１レンズが設けられた、請求項６記載の光電式エンコーダ。
15. 複数の前記第２ファイバを保持する複数の第２フェルールをさらに備え、
    複数の前記第２フェルールに対応して複数の第２レンズが設けられた、請求項６又は１４記載の光電式エンコーダ。
16. 前記検出ヘッドは、前記スケールに照射する光を伝搬する照射ファイバをさらに備え、
    複数の前記第１ファイバは、前記照射ファイバの周囲に配置された、請求項１から１５のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
17. 前記スケールに照射する前記光を、前記照射ファイバに集光させる第３レンズと、
    前記第３レンズによって集光される前記光を出射する光源と
    をさらに備えた、請求項１６記載の光電式エンコーダ。
18. 測定軸方向に所定ピッチで形成された回折格子を有するスケールと、
    前記スケールに照射される光を伝搬するファイバを備える検出ヘッドと、
    前記ファイバに前記光を集光させる第１レンズと、
    前記第１レンズによって集光される前記光を出射する光源と
    を備えた光電式エンコーダ。
19. 前記第１レンズと前記光源との間に設けられた第２レンズをさらに備え、
    前記第２レンズは前記光源から出射される光を集光して平行光を生成し、
    前記第１レンズは前記平行光を集光し、
    前記ファイバは、集光された前記平行光を伝搬する、請求１８記載の光電式エンコーダ。
20. 前記第１レンズと前記第２レンズとの間に前記平行光を伝搬するための空間が設けられた、請求項１９記載の光電式エンコーダ。
21. 前記第１レンズと前記第２レンズとの間に前記平行光を伝搬するための光透過性部材が設けられた、請求項２０記載の光電式エンコーダ。
22. 前記第２レンズと前記受光素子との間に設けられた第２ファイバをさらに備え、
    前記第２ファイバは、前記光源から出射された光を伝搬し、
    前記第２レンズは、前記第２ファイバを伝搬した光を集光して前記平行光を生成する、請求項１９から２１のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
23. 真空状態に保持可能な第１の空間を有する筐体と、
    前記第１の空間に設けられ、測定軸方向に所定ピッチで形成された回折格子を有するスケールと、
    前記第１の空間に設けられ、前記スケールに照射された光の反射光を伝搬する第１ファイバを備える検出ヘッドと、
    前記第１の空間に設けられ、前記第１ファイバを伝搬した前記反射光を集光して平行光を生成する第１レンズと、
    前記筐体の外部に設けられ、前記平行光を集光する第２レンズと、
    前記筐体の外部に設けられ、前記第２レンズによって集光された前記平行光を伝搬する第２ファイバと、
    前記筐体の外部に設けられ、前記第２ファイバを伝搬した前記平行光を受光し、電気信号に変換する受光素子と、
    前記第１の空間と前記筐体の外部とを区画するように前記筐体に設けられ、前記平行光を透過する光透過性部材と
    を備えた真空装置。

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