JP2011059055A - Photoelectric encoder - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光源から出射された光を、スケールに設けられた光学格子で変調させて、該変調された光を受光素子で検出する光電式エンコーダに係り、特に、結像光学系を用いたとき、スケール上の光学格子の解像が必要な方向(測定軸方向)の精度、特性を維持したまま、当該解像の必要のない方向(測定軸方向に直交する方向)における光源と開口の幅を広げることで、受光素子で受光する光量を増大させることを可能とする光電式エンコーダに関する。 The present invention relates to a photoelectric encoder that modulates light emitted from a light source with an optical grating provided on a scale and detects the modulated light with a light receiving element, and particularly uses an imaging optical system. While maintaining the accuracy and characteristics of the direction in which the optical grating on the scale needs to be resolved (measurement axis direction), the light source and the aperture in the direction where the resolution is not needed (direction perpendicular to the measurement axis direction) The present invention relates to a photoelectric encoder that can increase the amount of light received by a light receiving element by widening the width.
従来、光源から出射された光を、スケールに設けられた光学格子で変調させて、該変調された光を受光素子で検出する光電式エンコーダが、各種の工作機械や測定装置などで用いられてきた。 Conventionally, a photoelectric encoder that modulates light emitted from a light source with an optical grating provided on a scale and detects the modulated light with a light receiving element has been used in various machine tools and measuring devices. It was.
例えば、特許文献1に示される光電式エンコーダでは、結像光学系として結像レンズの焦点位置に開口板を配置させたテレセントリック光学系を用いて光学格子の像を受光素子の受光面に結像することで、受光素子に対するスケールの相対的な位置変化を求めている。 For example, in the photoelectric encoder disclosed in Patent Document 1, an image of an optical grating is formed on a light receiving surface of a light receiving element using a telecentric optical system in which an aperture plate is disposed at a focal position of an imaging lens as an imaging optical system. Thus, the relative position change of the scale with respect to the light receiving element is obtained.
しかしながら、特許文献1で示されるようなテレセントリック光学系では、その結像光学系に設けられる開口板の開口により、光源から出射される光の多くが遮断される。図17に示すような両側テレセントリック光学系14を例にとると、結像レンズ16を通った光であっても開口板18によって多くの光Rlが遮られてしまう。このため、照明効率(受光素子22に入射するワット数÷光源の照明ワット数)が悪く、且つ受光素子22に入射する光量が少ないという問題があった。同時に、開口板18により遮断された光Rlが反射したり、開口板18の開口を通過した光であっても受光素子22と開口板18との間で反射を繰り返したりして、最終的には受光素子22の受光面における像質の低下を招くおそれもあった。
However, in a telecentric optical system as disclosed in Patent Document 1, much of the light emitted from the light source is blocked by the aperture of the aperture plate provided in the imaging optical system. Taking the double-sided telecentric
本発明は、前記問題点を解決するべくなされたもので、結像光学系を用いて、スケール上の光学格子の解像が必要な方向(測定軸方向)の精度、特性を維持したまま、当該解像の必要のない方向(測定軸方向に直交する方向)における光源と開口の幅を広げることで、受光素子で受光する光量を増大させることが可能な光電式エンコーダを提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and using an imaging optical system, while maintaining the accuracy and characteristics of the direction (measurement axis direction) in which the optical grating on the scale needs to be resolved, It is an object to provide a photoelectric encoder capable of increasing the amount of light received by a light receiving element by widening the width of a light source and an opening in a direction that does not require resolution (a direction orthogonal to a measurement axis direction). And
本願の請求項1に係る発明は、光源から出射された光を、スケールに設けられた光学格子で変調させて、該変調された光を受光素子で検出する光電式エンコーダにおいて、前記光学格子で変調された光を結像する結像光学系を備え、該結像光学系は、該光学格子で変調された光の一部を透過させると共に、前記スケールの相対移動方向である測定軸方向の開口の幅よりも該測定軸方向に直交する方向で広い幅の開口を備え、該測定軸方向に直交する方向の前記光源の幅による光源側開口数を、前記結像光学系における該測定軸方向の開口の幅による検出側開口数よりも大きくしたことにより、前記課題を解決したものである。 The invention according to claim 1 of the present application is a photoelectric encoder that modulates light emitted from a light source with an optical grating provided on a scale and detects the modulated light with a light receiving element. An imaging optical system that forms an image of the modulated light, wherein the imaging optical system transmits a part of the light modulated by the optical grating, and in the measurement axis direction that is the relative movement direction of the scale. An aperture having a width wider than the width of the aperture in a direction orthogonal to the measurement axis direction, and the light source side numerical aperture according to the width of the light source in the direction orthogonal to the measurement axis direction is determined by the measurement axis in the imaging optical system. This problem is solved by making the detection side numerical aperture larger than the opening width in the direction.
本願の請求項2に係る発明は、更に、前記光源から出射した光を前記スケールに照射する照明光学系を備え、該照明光学系に、該光源から出射された光を拡散させる拡散板を備えるようにしたものである。
The invention according to
本願の請求項3に係る発明は、更に、前記光源から出射した光を前記スケールに照射する照明光学系を備え、該照明光学系に、前記光源から出射された光の一部を透過させる前段開口が設けられた前段開口板を備えるようにしたものである。 The invention according to claim 3 of the present application further includes an illumination optical system that irradiates the scale with the light emitted from the light source, and the former stage that transmits a part of the light emitted from the light source to the illumination optical system. A front stage opening plate provided with an opening is provided.
本願の請求項4に係る発明は、更に、前記光源から出射した光を前記スケールに照射する照明光学系を備え、該照明光学系に、前記光源から出射された光を屈折させる照明レンズを備えるようにしたものである。 The invention according to claim 4 of the present application further includes an illumination optical system that irradiates the scale with the light emitted from the light source, and the illumination optical system further includes an illumination lens that refracts the light emitted from the light source. It is what I did.
本願の請求項5に係る発明は、前記照明光学系を、前記光源から前記光学格子までの照明光軸上において1つの前記照明レンズを前記光源が該照明レンズの焦点位置になるように配置させる片側テレセントリック光学系としたものである。 In the invention according to claim 5 of the present application, the illumination optical system is configured such that one illumination lens is arranged on the illumination optical axis from the light source to the optical grating so that the light source is at a focal position of the illumination lens. This is a one-side telecentric optical system.
本願の請求項6に係る発明は、前記照明光学系を、前記光源から前記光学格子までの照明光軸上において2つの前記照明レンズの間の焦点位置に1つの前段開口板の開口を配置させる両側テレセントリック光学系としたものである。
In the invention according to
本願の請求項7に係る発明は、前記照明レンズを、前記測定軸方向にのみ曲率をもつシリンドリカルレンズとしたものである。 The invention according to claim 7 of the present application is such that the illumination lens is a cylindrical lens having a curvature only in the measurement axis direction.
本願の請求項8に係る発明は、前記光源を前記スケールに対して前記結像光学系と同じ側に配置し、該結像光学系で該スケールから反射された光を結像するようにしたものである。
In the invention according to
本願の請求項9に係る発明は、前記光源から前記光学格子までの照明光軸と該光学格子から前記受光素子までの検出光軸とを前記測定軸方向に直交させると共に、該照明光軸と該検出光軸とを各経路全てで不一致とした配置としたものである。 In the invention according to claim 9 of the present application, the illumination optical axis from the light source to the optical grating and the detection optical axis from the optical grating to the light receiving element are orthogonal to the measurement axis direction, and the illumination optical axis The detection optical axis is arranged so as not to coincide with each other in all paths.
本願の請求項10に係る発明は、前記結像光学系に、前記開口が設けられた開口板を備えるようにしたものである。 According to a tenth aspect of the present invention, the imaging optical system includes an aperture plate provided with the aperture.
本願の請求項11に係る発明は、前記結像光学系に、前記光学格子で変調された光を屈折させる結像レンズを備えるようにしたものである。 According to an eleventh aspect of the present invention, the imaging optical system is provided with an imaging lens that refracts the light modulated by the optical grating.
本願の請求項12に係る発明は、前記結像レンズを、前記測定軸方向にのみ曲率をもつシリンドリカルレンズとしたものである。 The invention according to claim 12 of the present application is such that the imaging lens is a cylindrical lens having a curvature only in the measurement axis direction.
本願の請求項13に係る発明は、前記光源を前記スケールに対して前記結像光学系と同じ側に配置し、該結像光学系で該スケールで反射された光を結像し、該光源から前記光学格子までの照明光軸と該光学格子から前記受光素子までの検出光軸とを前記測定軸方向に直交させると共に、該照明光軸と該検出光軸とを各経路全てで不一致とした配置とし、前記結像光学系に、前記光学格子で変調された光を屈折させる結像レンズを備え、該結像レンズを前記測定軸方向にのみ曲率をもつシリンドリカルレンズとして、該結像レンズと前記照明レンズとを兼用としたものである。 In the invention according to claim 13 of the present application, the light source is arranged on the same side as the imaging optical system with respect to the scale, the light reflected by the scale is imaged by the imaging optical system, and the light source The optical axis of illumination from the optical grating to the optical axis of detection from the optical grating to the light receiving element is orthogonal to the direction of the measurement axis, and the optical axis of illumination and the optical axis of detection are inconsistent in all paths. The imaging optical system includes an imaging lens that refracts the light modulated by the optical grating, and the imaging lens is a cylindrical lens having a curvature only in the measurement axis direction. And the illumination lens.
本願の請求項14に係る発明は、更に、前記照明レンズに、前記測定軸方向に直交する方向にのみ曲率をもつシリンドリカルレンズを組み合わせて、前記光源から出射された光を前記光学格子に照射するようにしたものである。
The invention according to
本願の請求項15に係る発明は、前記結像光学系を、前記光学格子から検出素子までの検出光軸上の1つの前記結像レンズの焦点位置に1つの前記開口板の開口を配置させる片側テレセントリック光学系としたものである。 In the invention according to claim 15 of the present application, the imaging optical system is configured such that an aperture of one aperture plate is arranged at a focal position of one imaging lens on a detection optical axis from the optical grating to a detection element. This is a one-side telecentric optical system.
本願の請求項16に係る発明は、前記結像光学系を、前記光学格子から検出素子までの検出光軸上の2つの前記結像レンズの間の焦点位置に1つの前記開口板の開口を配置させる両側テレセントリック光学系としたものである。
In the invention according to
本願の請求項17に係る発明は、前記光源で光を出射しない不発光領域を前記光源から前記光学格子までの照明光軸上から前記測定軸方向に外して配置するようにしたものである。 In the invention according to claim 17 of the present application, a non-light-emitting region that does not emit light by the light source is arranged in the measurement axis direction from the illumination optical axis from the light source to the optical grating.
本発明によれば、結像光学系を用いて、スケール上の光学格子の解像が必要な方向(測定軸方向)の精度、特性を維持したまま、当該解像の必要のない方向(測定軸方向に直交する方向)における光源と開口の幅を広げることで、受光素子で受光する光量を増大させることができる。 According to the present invention, an imaging optical system is used to maintain the accuracy and characteristics of the direction (measurement axis direction) in which the resolution of the optical grating on the scale is required, while maintaining the direction (measurement in which the resolution is not required). By increasing the width of the light source and the opening in the direction orthogonal to the axial direction, the amount of light received by the light receiving element can be increased.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
最初に、第1実施形態に係る光電式エンコーダの構成について、図1〜図4を用いて説明する。 First, the configuration of the photoelectric encoder according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
光電式エンコーダ100は、図1、図2に示す如く、光源102と、照明光学系としてのコリメータレンズ104と、スケール106と、結像光学系としての両側テレセントリック光学系114と、受光素子122と、を備える。即ち、光電式エンコーダ100は、光源102から出射された光を、スケール106に設けられた光学格子110で変調させて、変調された光を受光素子122で検出することができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the photoelectric encoder 100 includes a
光源102は、図1〜図3に示す如く、受光素子122に対するスケール106の相対移動方向である測定軸方向Xと直交するY方向に長い長方形形状をなしている。光源102は、図2、図3に示す如く、測定軸方向(解像に必要な向きとなるスケール106の長手方向)Xには幅dxが短く、方向Y(解像の必要のない方向、ラテラル方向とも称する)に長い幅dyを備えている(dx<dy)。具体的な光源102として、例えば、表面発光型のLEDで形状が長方形のものや、長方形の部分を光源とするものを使用することができる。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
コリメータレンズ104(照明レンズ)は、図1〜図3に示す如く、光軸O上において方向X、Yの両方向に曲率を有するレンズ(丸レンズと称する)である。コリメータレンズ104は、その焦点距離fの位置に配置された光源102から出射された光を屈折させてスケール106に照射する(片側テレセントリック光学系)。
The collimator lens 104 (illumination lens) is a lens (referred to as a round lens) having a curvature in both directions X and Y on the optical axis O as shown in FIGS. The
ここで、図2、図3に示す如く、光源102からコリメータレンズ104までの距離fと光源102の大きさとに基づく開口数NAlight(光源側開口数と称する)は、式(1)、式(2)で定義される。なお、NAlightxは方向X、NAlightyは方向Yのそれぞれの光源側開口数を示す。
Here, as shown in FIGS. 2 and 3, the numerical aperture NA light (referred to as the light source side numerical aperture) based on the distance f from the
NAlightx=dx/(2*f) (1)
NAlighty=dy/(2*f) (2)
NA lightx = dx / (2 * f) (1)
NA lighty = dy / (2 * f) (2)
ここで、dx<dyであるから、式(3)が求められる。 Here, since dx <dy, Expression (3) is obtained.
NAlightx<NAlighty (3) NA lightx <NA lighty (3)
スケール106は、図1〜図3に示す如く、図示せぬスケール基材上の方向Xに一定間隔で設けられた光学格子110を有する(必ずしも一定間隔でなくてもよい)。スケール基材は、例えばガラスなどの光学的に透明な材質からできている。光学格子110は、例えばスケール基材上に成膜されたクロムなどの光に不透明な金属薄膜をリソグラフィ加工することにより成形されている。このため、光がスケール106に照射されると、光がスケール基材を進み光学格子110の隙間を透過する(光学格子110で光は変調される)こととなる。なお、光源102から光学格子110までの光軸Oを照明光軸Olと称する。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
両側テレンセントリック光学系114は、図1、図2に示す如く、結像レンズ116、120と開口板118とを有する。結像レンズ116、120は共に、方向X、Yに曲率を有する丸レンズである。結像レンズ116は、光学格子110で変調された光を屈折させる。開口板118は、方向Xに幅aが狭く、方向Yに幅bが広い長方形形状の開口118Aを備えている(図4(A))。開口118Aは、光学格子110で変調された光で、且つ結像レンズ116で屈折した光の一部を透過させる。そして、結像レンズ120は、開口118Aを通過した光を屈折させて、受光素子122の受光面に結像させる。なお、開口118Aは、光軸O上の結像レンズ116、120の焦点距離Fの位置に配置されている。このため、両側テレセントリック光学系114では、結像レンズ116と光学格子110との距離が多少変動しても、結像レンズ116、120で結像される像の倍率は変動しない。同時に、結像レンズ120と受光素子122の受光面との距離が多少変動しても、結像レンズ116、120で結像される像の倍率は変動しない。即ち、結像レンズ116とスケール106との距離が取り付けの際に多少変動して、更に、受光素子122と結像レンズ120との取り付けが多少変動しても、高精度な位置計測を保つことができる。なお、光学格子110から受光素子122までの光軸Oを検出光軸Ooと称する。
The two-sided telecentric
ここで、図2に示す如く、光学格子110から結像レンズ116までの距離Fと開口118Aの幅a、bとに基づく開口数NAopt(検出側開口数と称する)は、式(4)、式(5)に示される。なお、NAoptxは方向X、NAoptyは方向Yのそれぞれの検出側開口数を示す。
Here, as shown in FIG. 2, the numerical aperture NA opt (referred to as the detection-side numerical aperture) based on the distance F from the optical grating 110 to the
NAoptx=a/(2*F) (4)
NAopty=b/(2*F) (5)
NA optx = a / (2 * F) (4)
NAopty = b / (2 * F) (5)
つまり、図4(A)に示す本実施形態で採用する開口板118は、方向Yに開口118Aの幅bが広いため、図4(B)に示す従来の開口板18に比べて、図5に示すようにより多くの光を透過させて受光素子122に導くことが可能となる。
That is, the
受光素子122は、少なくとも方向Xに並んだ複数の受光領域を有するアレイセンサである。受光素子122としては、例えばフォトダイオードアレイなどを使用することができる。このため、受光素子122の受光領域を方向Xに掃引することで、受光素子122の受光面に結像した光学格子110の像を少なくとも方向Xでの像として認識することができる。この結果、方向Xにおいて受光素子122に対するスケール106の位置を高精度に計測することができる。なお、受光素子122は、方向Yについては、長い受光領域を備えてもよいし、方向Yに複数の受光領域を備えてもよい(この場合には、図示せぬ処理回路で、方向Yで得られた信号を積算して方向Xにおける信号強度を大きくすることとなる)。
The
次に、光源102の大きさと開口板118の開口118Aの大きさとの関係について説明する。
Next, the relationship between the size of the
図5に示す如く、開口板118の開口118Aの幅を方向Yに広くすることで、解像の必要のない方向で光量を増大させることが可能となる。しかし、開口板118に届く光は光源102の状態によって大きく影響を受ける。
As shown in FIG. 5, by increasing the width of the
例えば、図6に示す如く、光源2が方向X、Yで共に幅をdとするとき、方向Xにおいてはスケール106に照射される光量を効率よく受光素子122に伝播させるのに、光源側開口数NAlightxと検出側開口数NAoptxとをほぼ同じとすることが望ましい(光源側開口数NAlightxが極端に検出側開口数NAoptxよりも大きいと光源から出射された光の多くが開口板によって遮られてしまい、伝播効率(光源側開口数NAlightから検出側開口数NAoptに引き継がれる効率)が悪いためである)。即ち、以下に示す式(6)の関係が成立する。
For example, as shown in FIG. 6, when the
NAlightx=NAlighty=NAoptx (6) NA lightx = NA lighty = NA optx (6)
このときには、図6(B)に示す如く、方向Yにおいて開口板118の開口118Aの幅bがa<bであっても、b=aのときと光量がほとんど変化しないこととなる。即ち、本実施形態では光量の増加を図るべく、以下に示す式(7)の要件を満たす必要がある。
At this time, as shown in FIG. 6 (B), even if the width b of the
NAlighty>NAoptx (7) NA lighty > NA optx (7)
言い換えれば、方向Yにおける伝播効率を考慮して、方向Yの光源102の幅dyによる光源側開口数NAlightyを、両側テレセントリック光学系114における方向Xの開口118Aの幅aによる検出側開口数NAoptxよりも大きくする必要がある。
In other words, in consideration of the propagation efficiency in the direction Y, the light source side numerical aperture NA lighty by the width dy of the
次に、本実施形態に係る光電式エンコーダ100の動作について、図1に基づいて説明する。 Next, the operation of the photoelectric encoder 100 according to this embodiment will be described with reference to FIG.
まず、光源102から出射した光は、コリメータレンズ104で屈折して光源102の大きさdx、dyに従う発散角を備えた光(拡散光源)となる。そして、スケール106に入射して、光学格子110で変調される。変調された光は、両側テレセントリック光学系114の結像レンズ116に入射して屈折される。屈折された光は、開口板118の開口118Aを通過する。通過した光は、更に結像レンズ120に入射して屈折されて受光素子122の受光面で結像する。受光面において、方向Xでは、解像に必要な開口118Aの幅aにより、十分な解像度で結像されている。そして、方向Yでは、光源102の幅dyと開口118Aの幅bをそれぞれ幅dx、幅aよりも広くしているので、光量を増大させることができる。即ち、幅dy、幅bを広くすることで、光学格子110の像である明暗パターンのコントラスト拡大に寄与しないDC成分が増加しても、コントラスト拡大に寄与する明暗パターン信号(PP成分)も大きくすることができる。このため、受光素子122で検出される明暗パターン信号(PP成分)の増加により、スケール106の位置が高精度に算出されることとなる。
First, light emitted from the
即ち、両側テレセントリック光学系114を用いて、スケール106上の光学格子110の方向Xの分解能などの精度、コントラストなどの特性を維持したまま、当該解像の必要のない方向である方向Yにおける光源102の幅dyと開口118の幅bを広げることで、受光素子122で受光する光量を増大させることができる。このため、スケール106の位置を安定して高精度に計測することができる。
That is, the light source in the direction Y, which is a direction that does not need to be resolved, while maintaining the accuracy such as the resolution in the direction X of the optical grating 110 on the
本実施形態では、照明光学系として片側テレセントリック光学系を用いたので、コリメータレンズ104とスケール106との距離が取り付けの際に多少変動しても、スケール106への照明の光を均質に制御することができる。
In this embodiment, since the one-side telecentric optical system is used as the illumination optical system, the illumination light to the
又、本実施形態では、結像光学系が両側テレセントリック光学系114であるので、結像レンズ116とスケール106との距離が取り付けの際に多少変動して、更に、受光素子122と結像レンズ120との取り付けが多少変動しても、高精度な位置計測を保つことができる。
In the present embodiment, since the imaging optical system is the double-sided telecentric
又、本実施形態では、コリメータレンズ104と結像レンズ116、120とが丸レンズであるので、方向Yにおいて光学格子110の照明に寄与する光量を増大させ、且つ光学格子110で変調された光を受光素子122の受光面に多く集光させることができるので、受光素子122で受光する光量を極めて増大させることができる。
In this embodiment, since the
又、本実施形態は、光電式エンコーダ100が透過型であり、光源102から出射された光の利用効率が高いので、より安定した位置計測が可能である。
In this embodiment, the photoelectric encoder 100 is a transmissive type, and the utilization efficiency of the light emitted from the
次に、本発明の第2実施形態について、図7を用いて説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
第1実施形態の光電式エンコーダ100では結像レンズ116、120が方向X、Yそれぞれに曲率を持つ丸レンズであったのに対して、本実施形態の光電式エンコーダ200では結像レンズ216、220が測定軸方向Xにのみ曲率を有するシリンドリカルレンズであることが異なる。このため、結像光学系である両側テレセントリック光学系214の光軸合せが容易となる。又、結像レンズ216、220をより高い形状精度とすることも容易であるので、受光素子222への光量を相応に増大させながら、高精度な位置計測が可能となる。
In the photoelectric encoder 100 of the first embodiment, the
次に、本発明の第3実施形態について、図8を用いて説明する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
第2実施形態の光電式エンコーダ200が透過型であったのに対して、本実施形態の光電式エンコーダ300は反射型であることが異なる。即ち、光源302がスケール306に対して両側テレセントリック光学系314と同じ側に配置され、両側テレセントリック光学系314はスケール306で反射された光を結像している。
The
本実施形態では、更に、光源302から光学格子306までの照明光軸Olと光学格子306から受光素子322までの検出光軸Ooとを測定軸方向Xに直交させると共に、照明光軸Olと検出光軸Ooとが各経路全てで不一致とされた配置である。言い換えれば、解像しない方向Yから斜めにスケール306を照射する構成である。
In the present embodiment, the illumination optical axis Ol from the
なお、スケール306は、スケール基材と方向Xに設けられた光学格子とを有する。スケール基材は、例えば金属などの光学的に不透明な材質からできている。光学格子は、例えばスケール基材上に成膜されたクロムなどの光に不透明で光の反射率が高い金属薄膜をリソグラフィ加工することにより成形されている。このため、光がスケール306に照射されると、光学格子の表面(即ちスケール)で反射される(光学格子で変調された光となる)こととなる。
Note that the
本実施形態では、上述の如く、照明光軸Olと検出光軸Ooとが各経路全てで不一致とされていることから、スケール306の照射のためのハーフミラーを不要とすることができる。このため、本実施形態は反射型でありながら、部品点数の削減と、光量の増大を図ることができる。又、方向Xに対しては照明光軸Olと検出光軸Ooとがスケール306に対して直交しているので、スケール306上の光学格子の解像においてはその解像特性を損なうことを回避している。
In the present embodiment, as described above, the illumination optical axis Ol and the detection optical axis Oo are inconsistent in all the paths, so that a half mirror for irradiating the
又、本実施形態の光電式エンコーダ300は反射型なので、相手機械への取り付けに自由度が大きい。更に、本実施形態では、両側テレセントリック光学系314を採用しているので、スケール306の相手機械への取り付けに厳密さを要求しない利点を有する。
Moreover, since the
次に、本発明の第4実施形態について、図9を用いて説明する。 Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
第3実施形態の光電式エンコーダ300ではコリメータレンズ304が丸レンズで、結像レンズ316がシリンドリカルレンズであったのに対して、本実施形態の光電式エンコーダ400ではコリメータレンズ404もシリンドリカルレンズで、結像レンズ416とコリメータレンズ404とが兼用とされていることが異なる。
In the
このため、本実施形態において、長方形形状の光源402と長方形の開口を備える開口板418とを採用することで受光素子422へ到達する光量を相応に増大させると共に、コリメータレンズ404の兼用化で更に部品点数を少なくすることができる。同時に、方向Yにおいて照明光軸Olと検出光軸Ooとを容易に一致させることができるので、組立て工数を低減して、より低コストの光電式エンコーダ400を提供することが可能となる。
For this reason, in the present embodiment, by adopting the rectangular
次に、本発明の第5実施形態について、図10を用いて説明する。 Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
第4実施形態の光電式エンコーダ400では結像レンズ416とコリメータレンズ404とがシリンドリカルレンズとされると共に兼用とされていた。これに対して、本実施形態の光電式エンコーダ500では、コリメータレンズ504が、結像レンズ516と兼用のシリンドリカルレンズに、方向Yに曲率を有するシリンドリカルレンズ504Aを組み合わせたものであることが異なる。
In the
このため、コリメータレンズ504は方向Yに対しても曲率を有することとなり、方向Yにおいても光を均一化すると共にスケール506に照射する光を増大させることができる。即ち、本実施形態ではスケール506に照射される光が均一化され増大することで、受光素子522が受光する光量の増大を可能とする。つまり、第4実施形態よりも高精度な位置計測を可能とする。又、本実施形態では、シリンドリカルレンズ504Aを直接的に結像レンズ516に貼付けているので、シリンドリカルレンズ504Aの取り付けのための冶具も最小限とすることができ、光軸合せを容易にすることができる。なお、第3〜第5実施形態ではハーフミラーを用いていなかったが、ハーフミラーを用いて照明光軸Olと検出光軸Ooとの経路の一部を一致させてもよい。
For this reason, the
本発明について上記実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことはいうまでもない。 Although the present invention has been described with reference to the above embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment. That is, it goes without saying that improvements and design changes can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、上記実施形態においては、光源として方向Yに幅の広い長方形形状を採用していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図11に示す第6実施形態の光源602の如く、光源602が方向Xの幅Lに対して方向Yの幅Mが等しい若しくはそれ以上の場合やいずれの方向にも十分大きな幅の大きな発光面を備える場合であってもよい。方向Xにおける光源602の幅Lは、原則的に方向Xで要求される精度から定められる結像光学系の開口の幅によって制限される。このため、実質的な光源の大きさとしては方向Xに幅の狭い(方向Yに幅の広い)長方形形状となる。つまり、原理的には光源602の位置において発光領域を発光位置で制限しなくてもよい。なお、本実施形態では、光源602としてチップLEDを想定したものである。ここでは、光源602の中心OpにチップLEDを動作させるためのボンディングエリアBAが設けてあり、そこが光を出射しない不発光領域(直径B)となっている。このため、その不発光領域を避けるように光源602の中心Opからオフセット値OF分だけ方向Xに外して照明光軸Olを配置している。その際に、解像の必要のある方向Xにおいて、結像光学系の開口の幅から伝播効率を最大とするように求められる光源の幅をSとすると、式(8)、式(9)を満たすことがより望ましい。
For example, in the above embodiment, a rectangular shape having a wide width in the direction Y is used as the light source, but the present invention is not limited to this. For example, as in the
(L−B)/2≧S (8)
(B+S)/2≦OF≦(L−S)/2 (9)
(LB) / 2 ≧ S (8)
(B + S) / 2 ≦ OF ≦ (LS) / 2 (9)
即ち、式(8)、式(9)を満たすように光源602が照明光軸Ol上に配置されることで、受光素子に入射する光量を最も増大させることができる。
That is, the amount of light incident on the light receiving element can be maximized by arranging the
又、上記実施形態においては、結像光学系として、両側テレセントリック光学系を用いていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、結像光学系が、検出光軸Oo上の1つの結像レンズの焦点位置に1つの開口板の開口を配置させる片側テレセントリック光学系とされていてもよい。その場合には、結像レンズが1つのみとなるので、光軸合せが容易となり、且つ低コスト化を実現することができる。なお、この場合において、結像レンズから開口板までの距離をF、開口板の開口の幅をDとすると、検出側開口数NAoptは式(10)で求めることができる。なお、方向Xの開口数は方向Xにおける幅を代入することで求められる(以下においても同様である)。 In the above embodiment, the double-sided telecentric optical system is used as the imaging optical system, but the present invention is not limited to this. For example, the imaging optical system may be a one-side telecentric optical system in which the aperture of one aperture plate is arranged at the focal position of one imaging lens on the detection optical axis Oo. In that case, since there is only one imaging lens, the optical axis can be easily aligned, and the cost can be reduced. In this case, if the distance from the imaging lens to the aperture plate is F, and the aperture width of the aperture plate is D, the detection-side numerical aperture NA opt can be obtained by Expression (10). Note that the numerical aperture in the direction X is obtained by substituting the width in the direction X (the same applies to the following).
NAopt=D/(2*F) (10) NA opt = D / (2 * F) (10)
なお、上記実施形態において、開口板を焦点位置に配置したが、必ずしも開口板を焦点位置に配置する必要もなく、且つ開口板を必要とするものではない。開口板がなくても、結像レンズを用いることで、開口が制限されるので、実質上開口の大きさが定められる。 In the above embodiment, the aperture plate is disposed at the focal position. However, the aperture plate is not necessarily disposed at the focal position, and the aperture plate is not necessarily required. Even if there is no aperture plate, since the aperture is limited by using the imaging lens, the size of the aperture is substantially determined.
又、結像光学系として、結像レンズを用いずに開口板だけとすることも可能である。開口板だけであっても、その開口により結像作用が得られ、光学格子の像を受光素子の受光面に結像させることができる。この場合には、上記いずれよりも低コスト化が実現でき、より光軸合せのための工数を少なくすることができる。なお、この場合において、光学格子から開口板までの距離をF、開口板の開口の幅をDとすると、検出側開口数NAoptは同じく式(10)で求めることができる。 Further, it is possible to use only the aperture plate as the imaging optical system without using the imaging lens. Even with only the aperture plate, an imaging effect is obtained by the aperture, and an image of the optical grating can be formed on the light receiving surface of the light receiving element. In this case, the cost can be reduced more than any of the above, and the man-hours for optical axis alignment can be further reduced. In this case, if the distance from the optical grating to the aperture plate is F, and the aperture width of the aperture plate is D, the detection-side numerical aperture NA opt can also be obtained from Equation (10).
又、上記実施形態においては、照明光学系として、片側テレセントリック光学系を用いていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、照明光学系がなく、単に照明光軸Ol上に光源を配置した場合であってもよい。この場合には、光源とスケールとの配置を容易に定めることができ(許容誤差が大きくてよい)、部品点数を削減でき、より低コスト化を実現することができる。なお、この場合において、光源からスケールまでの距離をf、光源の大きさをdとすると、光源側開口数NAlightは式(11)で求めることができる。 In the above embodiment, the one-side telecentric optical system is used as the illumination optical system, but the present invention is not limited to this. For example, there may be a case where there is no illumination optical system and a light source is simply arranged on the illumination optical axis Ol. In this case, the arrangement of the light source and the scale can be easily determined (the tolerance can be large), the number of parts can be reduced, and the cost can be further reduced. In this case, if the distance from the light source to the scale is f and the size of the light source is d, the light source-side numerical aperture NA light can be obtained by Expression (11).
NAlight=d/(2*f) (11) NA light = d / (2 * f) (11)
又、照明光学系を用いた場合であっても、その機能として、結像光学系の開口板で反射して迷光となる光を減少させることや、スケールを照射する光の質(拡散光・平行光)を制御することや、光源の輝度むらなどの緩和のために光源側開口数を規定することなどを行うものであればよい。 Even when an illumination optical system is used, the functions of the illumination optical system are to reduce the light that is reflected by the aperture plate of the imaging optical system and becomes stray light, and the quality of light that irradiates the scale (diffuse light, It is only necessary to control the parallel light) or to define the light source side numerical aperture in order to mitigate uneven brightness of the light source.
例えば、照明光学系として、光源とスケールとの間に光源から出射された光を拡散させる拡散板を備えるようにしてもよい。この場合には、拡散板により、スケールを均一に照射することが可能となる(単に、拡散板だけの場合には光源側開口数は、上述した式(11)をそのまま用いることにより求めることができる)。 For example, as the illumination optical system, a diffusion plate that diffuses light emitted from the light source may be provided between the light source and the scale. In this case, it is possible to uniformly irradiate the scale with the diffusion plate (in the case of using only the diffusion plate, the numerical aperture on the light source side can be obtained by using the above-described equation (11) as it is. it can).
或いは、照明光学系として、光源とスケールとの間に光源から出射された光の一部を透過させる前段開口が設けられた前段開口板を用いてもよい。この場合にも、部品点数が少なく、照明光学系をより低コストとでき、且つその光軸合せを容易に行うことができる。この場合は、光源から前段開口板までの距離をf、光源の大きさをdとすると、光源側開口数NAlightは同じく式(11)で求めることができる。 Alternatively, as the illumination optical system, a front aperture plate in which a front aperture that transmits part of the light emitted from the light source is provided between the light source and the scale may be used. Also in this case, the number of parts is small, the illumination optical system can be made at lower cost, and the optical axis can be easily aligned. In this case, if the distance from the light source to the preceding stage aperture plate is f and the size of the light source is d, the light source side numerical aperture NA light can be similarly obtained from the equation (11).
或いは、照明光学系として、光源から光学格子までの照明光軸Ol上において2つの照明レンズの間の焦点位置に1つの前段開口板の開口を配置させた両側テレセントリック光学系を用いてもよい。その場合には、光源の取り付けが多少変動しても(多少の位置誤差があっても)、均一な照明を実現することができる。この場合は、光源から照明レンズまでの距離をf、光源の大きさをdとすると、光源側開口数NAlightは同じく式(11)で求めることができる。 Alternatively, as the illumination optical system, a double-sided telecentric optical system in which an aperture of one front aperture plate is disposed at a focal position between two illumination lenses on the illumination optical axis Ol from the light source to the optical grating may be used. In that case, even if the mounting of the light source is somewhat varied (even if there is some positional error), uniform illumination can be realized. In this case, assuming that the distance from the light source to the illumination lens is f and the size of the light source is d, the light source-side numerical aperture NA light can be similarly obtained from Equation (11).
又、上記実施形態においては、光電式エンコーダはリニア型エンコーダであったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えばロータリ型エンコーダや円弧エンコーダであっても構わない。その場合の構成の一例を、第2〜第5実施形態で示されたリニア型エンコーダに代り、図12〜図15で示される第7〜第10実施形態のロータリ型エンコーダでそれぞれ示す。なお、ロータリ型エンコーダの測定軸方向は、それぞれの円板状のスケールの円周方向となる(円弧エンコーダは、円板状のスケールの一部を用いるものなので、ロータリ型エンコーダと同様)。なお、ロータリ型エンコーダや円弧エンコーダであっても、上記実施形態のスケールとは異なり、側面に光学格子を設けた円筒形状のスケールであってもよい。例えば、一例として、図13の第8実施形態の円板状のスケール806に代り、図16で示される第11実施形態の円筒形状のスケール1106であってもよい(円筒状のスケールは、図12、図14、図15で示されるスケールの代りに同様に使用可能)。なお、その場合の測定軸方向は、スケール1106の側面に沿う円周方向となる。
In the above embodiment, the photoelectric encoder is a linear encoder, but the present invention is not limited to this. For example, a rotary encoder or a circular encoder may be used. An example of the configuration in that case is shown by the rotary encoders of the seventh to tenth embodiments shown in FIGS. 12 to 15 instead of the linear encoders shown in the second to fifth embodiments. The measurement axis direction of the rotary encoder is the circumferential direction of each disk-like scale (since the circular encoder uses a part of the disk-like scale, it is the same as the rotary encoder). In addition, even if it is a rotary encoder or a circular arc encoder, unlike the scale of the said embodiment, the cylindrical scale which provided the optical grating on the side surface may be sufficient. For example, instead of the disk-shaped
又、上記実施形態においてはそれぞれ、別個の発明として説明したが、本発明はこれに限定されずにどの構成要素も適宜組み合わせることができる。 Moreover, in the said embodiment, although each demonstrated as separate invention, this invention is not limited to this, Any component can be combined suitably.
又、上記実施形態においては焦点距離f、Fを全ての実施形態で共通としていたが、実施形態毎に変更してもよい。 In the above embodiment, the focal lengths f and F are common to all the embodiments, but may be changed for each embodiment.
2、102〜1102…光源
6、106〜506、716〜1106…スケール
14、114〜514、714〜1114…両側テレセントリック光学系
16、20、116〜516、120〜520、716〜1116、720〜1120…結像レンズ
18、118〜518、718〜1118…開口板
22、122〜522、722〜1122…受光素子
100〜500、700〜1100…光電式エンコーダ
104〜504、704〜1104…コリメータレンズ
110、710、1110…光学格子
118A…開口
2, 102 to 1102 ...
Claims (17)
前記光学格子で変調された光を結像する結像光学系を備え、
該結像光学系は、該光学格子で変調された光の一部を透過させると共に、前記スケールの相対移動方向である測定軸方向の開口の幅よりも該測定軸方向に直交する方向で広い幅の開口を備え、
該測定軸方向に直交する方向の前記光源の幅による光源側開口数が、前記結像光学系における該測定軸方向の開口の幅による検出側開口数よりも大きい
ことを特徴とする光電式エンコーダ。 In a photoelectric encoder that modulates light emitted from a light source with an optical grating provided in a scale and detects the modulated light with a light receiving element,
An imaging optical system that images light modulated by the optical grating;
The imaging optical system transmits a part of the light modulated by the optical grating and is wider in a direction perpendicular to the measurement axis direction than the width of the opening in the measurement axis direction, which is the relative movement direction of the scale. With a wide opening,
A photoelectric encoder, wherein a light source side numerical aperture due to a width of the light source in a direction orthogonal to the measurement axis direction is larger than a detection side numerical aperture due to the width of the aperture in the measurement axis direction in the imaging optical system .
該照明光学系は、該光源から出射された光を拡散させる拡散板を備え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。 And an illumination optical system for irradiating the scale with light emitted from the light source,
The photoelectric encoder according to claim 1, wherein the illumination optical system includes a diffusion plate that diffuses light emitted from the light source.
該照明光学系は、前記光源から出射された光の一部を透過させる前段開口が設けられた前段開口板を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の光電式エンコーダ。 And an illumination optical system for irradiating the scale with light emitted from the light source,
3. The photoelectric encoder according to claim 1, wherein the illumination optical system includes a front-stage aperture plate provided with a front-stage aperture that transmits a part of the light emitted from the light source.
該照明光学系は、前記光源から出射された光を屈折させる照明レンズを備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光電式エンコーダ。 And an illumination optical system for irradiating the scale with light emitted from the light source,
4. The photoelectric encoder according to claim 1, wherein the illumination optical system includes an illumination lens that refracts light emitted from the light source.
該光源から前記光学格子までの照明光軸と該光学格子から前記受光素子までの検出光軸とを前記測定軸方向に直交させると共に、該照明光軸と該検出光軸とが各経路全てで不一致とされた配置であり、
前記結像光学系が、前記光学格子で変調された光を屈折させる結像レンズを備え、該結像レンズが前記測定軸方向にのみ曲率をもつシリンドリカルレンズであり、
該結像レンズと前記照明レンズとが兼用とされたことを特徴とする請求項7に記載の光電式エンコーダ。 The light source is disposed on the same side as the imaging optical system with respect to the scale, and the imaging optical system forms an image of light reflected by the scale,
The illumination optical axis from the light source to the optical grating and the detection optical axis from the optical grating to the light receiving element are orthogonal to the measurement axis direction, and the illumination optical axis and the detection optical axis are all in each path. Disagreement, and
The imaging optical system includes an imaging lens that refracts light modulated by the optical grating, and the imaging lens is a cylindrical lens having a curvature only in the measurement axis direction;
The photoelectric encoder according to claim 7, wherein the imaging lens and the illumination lens are combined.
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