JP2011043438A - Reflective photoelectric encoder - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、反射スケールからの反射光を検出光学系を介して受光素子で検出し、検出光学系及び受光素子を含む検出器と反射スケールの測定軸方向の相対変位を検出するようにした反射型光電式エンコーダに係り、特に、凹面状反射格子を用いた反射型光電式エンコーダの分解能を向上して、光の利用効率を向上させつつ、検出分解能を向上させることが可能な反射型光電式エンコーダに関する。 In the present invention, the reflected light from the reflection scale is detected by the light receiving element through the detection optical system, and the reflection including the detection optical system and the detector including the light receiving element and the relative displacement in the measurement axis direction of the reflection scale is detected. In particular, the reflection type photoelectric encoder that can improve the resolution of the reflection type photoelectric encoder using the concave reflection grating and improve the light utilization efficiency and the detection resolution. It relates to the encoder.
反射型光電式エンコーダにおいて、反射スケール上のアブソリュートパターンや格子パターンをレンズを含む検出光学系で検出する技術が特許文献1に提案されている。 Patent Document 1 proposes a technique for detecting an absolute pattern or a grating pattern on a reflective scale with a detection optical system including a lens in a reflective photoelectric encoder.
ここで、検出応答周波数を向上させる目的で受光素子を小さくすると、検出できる光量が減ってしまうという問題がある。 Here, when the light receiving element is made small for the purpose of improving the detection response frequency, there is a problem that the amount of light that can be detected is reduced.
一方、特許文献2には、検出光量を増やす目的で、スケール格子形状を立体的に形成し、光路を一点に集光させる技術が記載されている。 On the other hand, Patent Document 2 describes a technique of forming a scale lattice shape three-dimensionally and condensing an optical path at one point for the purpose of increasing the detected light amount.
しかしながら、この方法ではスケール格子を3次元成形しなければならないので、製造コストが上昇してしまうという問題がある。 However, in this method, since the scale lattice must be three-dimensionally formed, there is a problem that the manufacturing cost increases.
又、特許文献3や4には、反射スケールの反射面を円弧状とすることで、光路を一点に集光させる技術が記載されている。 Patent Documents 3 and 4 describe a technique for condensing an optical path at one point by making the reflection surface of the reflection scale into an arc shape.
特許文献3及び4に記載された技術では、受光素子面上に反射スケール上の反射格子の投影像が生起するとされている。しかしながら、測定軸方向の結像手段が無いため、測定軸方向における受光素子面上の結像が得られない。従って、格子ピッチを細かくして高分解能化を図ることができない。 In the techniques described in Patent Documents 3 and 4, a projection image of a reflection grating on a reflection scale is generated on the light receiving element surface. However, since there is no imaging means in the measurement axis direction, imaging on the light receiving element surface in the measurement axis direction cannot be obtained. Therefore, it is impossible to increase the resolution by making the grating pitch fine.
又、反射スケールの反射面が円弧状になっているために、平面スケールであれば反射格子で反射された光により生成される干渉縞が生成されないという問題もある。 In addition, since the reflection surface of the reflection scale has an arc shape, there is a problem that interference fringes generated by the light reflected by the reflection grating are not generated if it is a plane scale.
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、凹面状反射格子を用いた反射型光電式エンコーダの分解能を向上して、反射型光電式エンコーダにおける光の利用効率を向上させつつ、検出分解能を向上させることを課題とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and improves the resolution of a reflective photoelectric encoder using a concave reflection grating, thereby improving the light utilization efficiency in the reflective photoelectric encoder. However, it is an object to improve detection resolution.
本発明は、反射スケールからの反射光を検出光学系を介して受光素子で検出し、検出光学系及び受光素子を含む検出器と反射スケールの測定軸方向の相対変位を検出するようにした反射型光電式エンコーダにおいて、前記反射スケールの反射格子を、測定軸方向に軸が延びる、検出範囲の高さ範囲が検出光学系の焦点深度以下とされた凹面状に形成すると共に、前記検出光学系として、前記反射スケールからの反射光を、測定軸方向に結像するように配置された、測定軸と直交する方向に軸を有するシリンドリカルレンズと、その焦点位置に配設された、測定軸と直交する方向に延びるスリットを含むテレセントリック光学系を用いて、前記反射光を受光素子に結像するようにして、前記課題を解決したものである。 In the present invention, the reflected light from the reflection scale is detected by the light receiving element through the detection optical system, and the reflection including the detection optical system and the detector including the light receiving element and the relative displacement in the measurement axis direction of the reflection scale is detected. In the type photoelectric encoder, the reflection grating of the reflection scale is formed in a concave shape in which the axis extends in the measurement axis direction and the height range of the detection range is less than the focal depth of the detection optical system, and the detection optical system A cylindrical lens having an axis in a direction orthogonal to the measurement axis, which is arranged so as to form an image of reflected light from the reflection scale in the measurement axis direction, and a measurement axis disposed at the focal position thereof. By using a telecentric optical system including a slit extending in an orthogonal direction, the reflected light is imaged on a light receiving element to solve the above problem.
ここで、前記テレセントリック光学系を、スリットの前後にシリンドリカルレンズが設けられた両側テレセントリック光学系とすることができる。 Here, the telecentric optical system can be a double-sided telecentric optical system in which cylindrical lenses are provided before and after the slit.
又、前記反射スケールの直上にビームスプリッタを設け、照明光の光軸と検出光学系の光軸を、反射スケールの直上で重畳/分離するようにすることができる。 In addition, a beam splitter can be provided immediately above the reflection scale, and the optical axis of the illumination light and the optical axis of the detection optical system can be superimposed / separated immediately above the reflection scale.
本発明によれば、凹面状反射格子を用いた反射型光電式エンコーダの分解能を向上して、反射型光電式エンコーダにおける光の利用効率を向上させつつ、検出分解能を向上させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the resolution of a reflective photoelectric encoder using a concave reflection grating can be improved, and the detection resolution can be improved while improving the light utilization efficiency in the reflective photoelectric encoder.
又、シリンドリカルレンズを用いているので、一方向の調整で良く、光軸が合わせ易い。これに対して、丸レンズの場合は2方向の調整が必要であり、顕微鏡で調整する必要がある。 In addition, since a cylindrical lens is used, adjustment in one direction is sufficient, and the optical axis is easily aligned. On the other hand, in the case of a round lens, adjustment in two directions is necessary, and adjustment with a microscope is necessary.
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)、図2(光源方向から見た平面図)、図3(測定軸方向から見た側面図)に示す如く、反射スケール10からの反射光を検出光学系30を介して受光素子40で検出し、検出光学系30及び受光素子40を含む検出器20と反射スケール10の測定軸方向の相対変位を検出するようにした反射型光電式エンコーダにおいて、前記反射スケール10の反射格子12を、測定軸方向に軸が延びる、検出範囲の高さ範囲が検出光学系30の焦点深度以下とされた凹面状に形成すると共に、前記検出光学系30として、前記反射スケール10からの反射光を、図2に示す如く、測定軸方向に結像するように配置された、測定軸と直交する方向に軸を有するシリンドリカルレンズ34と、その焦点位置に配設された、測定軸と直交する方向に延びるスリット38が形成されたスリット板36を含むテレセントリック光学系32を用いて、前記反射光を受光素子40に結像するようにしたものである。
As shown in FIG. 1 (perspective view), FIG. 2 (plan view seen from the light source direction), and FIG. 3 (side view seen from the measurement axis direction), the first embodiment of the present invention reflects from the
本実施形態においては、前記反射スケール10の直上の検出器20内にビームスプリッタ26が設けられ、同じく検出器20内の光源22から放射され、コリメータレンズ24により平行光線化された照明光の光軸(光源光軸と称する)と、検出光学系30の光軸を、反射スケール10の直上で重畳/分離するようにされている。
In the present embodiment, a
図においては、光源22及びコリメータレンズ24が反射スケール10の上方に設けられ、検出光学系30が反射スケール10の側方に設けられているが、光源と検出光学系の配置は逆であっても良い。
In the figure, the
前記受光素子40の前面には、図2に示される如く、検出格子42が配置されている。この検出格子42のピッチは、シリンドリカルレンズ34及びスリット38を含むテレセントリック光学系32で受光素子40上に結像される結像格子像と同じピッチとされている。
As shown in FIG. 2, a
従って、結像格子像は検出格子42と干渉し合って、結像格子像の移動に応じて変化する光量が受光素子40に入射する。よって、受光素子40は結像格子像の移動に応じた検出信号を出力することができ、反射スケール10に対する検出器20の測定軸方向の変位を検出することができる。
Therefore, the imaging grating image interferes with the detection grating 42, and a light amount that changes according to the movement of the imaging grating image is incident on the
このように、反射格子面を凹面とすることにより、反射スケール10で反射された光を受光素子40に集光することができる。
Thus, the light reflected by the
反射スケール10から受光素子40までの光路の寸法を図4(平面図)、図5(側面図)、図6(展開図)に示す。反射スケール10と受光素子40の中間点にシリンドリカルレンズ34が配置され、又、シリンドリカルレンズ34と受光素子40の中間点にスリット幅Wsのスリット38が配置されている。従って、反射スケール10を物体面とする片側テレセントリック光学系を構成している。
The dimensions of the optical path from the
ここで、片側テレセントリック光学系のNA(開口数)は、シリンドリカルレンズ34の焦点距離fとスリット幅Wsから次式で求められる。
又、開口数NAを持つ光学系の遮断空間周波数fcは、光源22からの光の波長をλとすると、次式より求められる。
従って、この場合の検出限界パターン周期Pcは次式で求められる。
ここで、λ=880nm、f=10mm、Ws=0.88mmとすると、Pcは次式で求められる。
従って、この光学系の検出限界ピッチは10μmとなり、反射スケール10と受光素子40の間に結像系が存在しない場合と比べて、非常に細かいピッチの反射格子を検出することができるようになる。
Therefore, the detection limit pitch of this optical system is 10 μm, and a reflection grating with a very fine pitch can be detected as compared with the case where no imaging system exists between the
又、焦点深度DOFは次式より求められる。
従って、Pc=10μm、λ=880nmとすると、DOFは次式で求められる。
即ち、この光学系の焦点深度は±0.23mmとなり、反射スケール10の検出範囲の高さが凹面状(図6の側では円弧状)の湾曲によって変化している状態においても、細かいピッチの反射格子の像を受光素子面上に結像することができ、これを受光素子40で検出することができる。
That is, the depth of focus of this optical system is ± 0.23 mm, and even when the height of the detection range of the
以上の作用により、反射スケール10を凹面状にして、光の利用効率を上げつつ、且つ、検出すべき反射格子12の格子ピッチを細かくして分解能を向上することができる。
With the above operation, it is possible to improve the resolution by making the
前記反射格子12は、例えば図7に示す如く、テープスケール14を枠16に入れることによって、凹面状に形成することができる。
For example, as shown in FIG. 7, the reflection grating 12 can be formed in a concave shape by placing a
次に検出光学系を片側テレセントリック光学系から両側テレセントリック光学系に変えた本発明の第2実施形態を説明する。本実施形態は、図8(斜視図)、図9(光源方向から見た平面図)及び図10(測定軸方向から見た側面図)に示す如く、検出光学系を、スリット38の前後にシリンドリカルレンズ34、52が設けられた両側テレセントリック光学系50としたものである。
Next, a description will be given of a second embodiment of the present invention in which the detection optical system is changed from a one-side telecentric optical system to a two-side telecentric optical system. In this embodiment, as shown in FIG. 8 (perspective view), FIG. 9 (plan view seen from the light source direction), and FIG. 10 (side view seen from the measurement axis direction), the detection optical system is placed before and after the
ここで、受光素子40側のシリンドリカルレンズ52は、スリット38が、その焦点位置に来るように配置される。
Here, the
本実施形態においては、スリット38と受光素子40間の距離の変動に対して影響を受け難くなる。
In the present embodiment, it becomes difficult to be affected by fluctuations in the distance between the
なお、前記実施形態においては、いずれも反射格子12が等ピッチのインクリメンタルパターンとされていたが、反射格子の種類はこれに限定されず、不等ピッチで絶対位置が検出可能とされたアブソリュートパターンであっても良い。又、照明も、光源22とコリメータレンズ24の組合せに限定されない。更に、ビームスプリッタ26を省略して、斜め入射とし、光源光軸と検出光学系光軸を独立させることも可能である。又、検出格子42と受光素子40を別体とすることもできる。更に、直線型エンコーダでなく回転型エンコーダであっても良い。
In the above-described embodiments, the reflection grating 12 is an incremental pattern having an equal pitch. However, the type of the reflection grating is not limited to this, and an absolute pattern in which the absolute position can be detected at an unequal pitch. It may be. Further, the illumination is not limited to the combination of the
10…反射スケール
12…反射格子
20…検出器
22…光源
24…コリメータレンズ
26…ビームスプリッタ
30…検出光学系
32…テレセントリック光学系
34、52…シリンドリカルレンズ
38…スリット
40…受光素子
42…検出格子
50…両側テレセントリック光学系
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記反射スケールの反射格子が、測定軸方向に軸が延びる、検出範囲の高さ範囲が検出光学系の焦点深度以下とされた凹面状に形成されると共に、
前記検出光学系として、前記反射スケールからの反射光を、測定軸方向に結像するように配置された、測定軸と直交する方向に軸を有するシリンドリカルレンズと、その焦点位置に配設された、測定軸と直交する方向に延びるスリットを含むテレセントリック光学系を用いて、前記反射光を受光素子に結像するようにしたことを特徴とする反射型光電式エンコーダ。 A reflection type photoelectric encoder that detects reflected light from a reflection scale with a light receiving element through a detection optical system, and detects a relative displacement in the measurement axis direction between the detector including the detection optical system and the light receiving element and the reflection scale. In
The reflection grating of the reflection scale is formed in a concave shape in which the axis extends in the measurement axis direction and the height range of the detection range is equal to or less than the focal depth of the detection optical system,
As the detection optical system, a cylindrical lens having an axis in a direction orthogonal to the measurement axis, which is arranged so as to form an image of reflected light from the reflection scale in the direction of the measurement axis, is disposed at the focal position thereof. A reflective photoelectric encoder characterized in that the reflected light is imaged on a light receiving element using a telecentric optical system including a slit extending in a direction perpendicular to the measurement axis.
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CN108332679A (en) * | 2018-01-18 | 2018-07-27 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | A kind of precision position from defocus device and detection method |
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