JP2011227068A - 光学式エンコーダ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光学式エンコーダ1はスケールトラック2’を有するスケール2と、スケールトラック2’に光を出射する光源31と、光源31からスケールトラック2’に出射される光を透過するスケール側レンズ32と、スケール側レンズ32を介してスケールトラック2’によって反射された光を受光する受光素子33とを有する読取ヘッド3とを有する。光源31は、スケール側レンズ32と受光素子33との間に配設される。光源31の光軸Lsrcは、スケール2の読取方向においてスケール側レンズ32の光軸と一致し、スケール2の読取方向に直交する方向において、スケール側レンズ32の光軸Lsから所定距離Dだけ離隔されている。
【選択図】図1
Description
特許文献1に開示された光学式エンコーダは、目盛り(スケール)と、発光ダイオード(光源)、対物レンズ、及び受光部(受光素子)を有する反射型光学リ―ダ(読取ヘッド)とを備えている。加えて、この反射型光学リーダは、発光ダイオードと対物レンズとの間に、発光ダイオードから出射され対物レンズを介して目盛りに向けられる光の光路と、目盛りによって反射され対物レンズを介して受光素子に向けられた光の光路とが分離されるように配置されたハーフミラーを有する。
これに対し、特許文献2に記載の光電式エンコーダ(光学式エンコーダ)は、スケールと、光源と、レンズと、受光素子とを備えている。この光電式エンコーダにおいては、光源から出射されスケールに向かう光の光路と、スケールによって反射され、レンズを介して受光素子に向かう光の光路とが分離され、スケール、レンズ、及び受光素子をシャインプルーフの関係に配設され、これによって、十分な光量の光が得られるようにされている。
加えて、特許文献2の第5実施形態に記載の光電式エンコーダでは、4つのレンズをスケールと受光素子との間に配設することによって、スケールと受光素子とを平行に配設している。しかしながら、この光電式エンコーダでは、4つのレンズがスケールと受光素子との間に配設され得ることから、光電式エンコーダが大型化するという問題がある。
光学式エンコーダは、スケールトラックに光を出射する光源を有する読取ヘッドを有してもよい。この読取ヘッドは、スケールと平行に配設されスケールによって反射された光を受光する受光素子とを備え、スケールに対する読取ヘッドの位置を受光素子によって受光された光に基づき測定し、読取ヘッドは、光源からスケールトラックに出射される光を透過しスケールトラックからスケールトラック画像光として受光素子に反射される光を透過するスケール側レンズを有する。この光源は、スケール側レンズの平面と受光素子の平面との間に配された光源平面に配置され、または光源平面を形成する。光源の中心は、スケール側レンズの光軸からスケールトラックの読取(すなわち測定)方向に直交する方向に照射軸ずれ距離Dsrc離間される。
従って、本発明によれば、ハーフミラーを用いることなく、スケール側レンズを介して、光源から出射されスケールトラックに向かう光の光路をスケールによって反射され受光素子に向かう光の光路と離隔することができる。従って、受光素子が十分な光量を得ることができる。
加えて、スケールと受光素子とが平行に配設され、単一のスケール側レンズがスケールと受光素子との間に配設される。
光源が、スケール側レンズと受光素子との間に配設されることから、光学式エンコーダを小型化できる。
本発明のいくつかの実施形態において、読取ヘッドが、スケールによってスケールトラック画像光として反射されスケール側レンズの第2部分を受光素子に向けて通過した光を透過するスケール側レンズの平面と受光素子の平面との間のアパーチャ平面にある、またはアパーチャ平面を形成するアパーチャを有するのが好ましい。このアパーチャの中心は、スケール側レンズの光軸からスケールトラックの読取方向に直交する方向にアパーチャ軸ずれ距離Dap1だけ離間され、受光素子に到達するスケールトラック画像光の第1レンズ軸ずれ結像パスを規定する。アパーチャと光源とは、スケール側レンズの光軸と読取方向とを含む平面の反対側に配される。
ここで、本発明にかかる光学式エンコーダが光源の幅ないし位置のみに依存するよう構成される場合には、光学式エンコーダの光学系の性能が光源の位置ずれの影響によって変化するという問題がある。
さらに、いくつかの実施形態では、光学式エンコーダは、「二重軸ずれ」投影構造を用いて、スケール側レンズを通って前述の軸ずれ光路をたどった後、スケールトラック画像光の中心光束の光路がスケールトラックの読取方向に直交する方向に沿って受光素子側レンズの光軸から同様にずれるものとされてもよい。「軸ずれ」構造は、小型光学式エンコーダを実現できる点で有利であり、特に有利な実施形態ではほぼテレセントリック設計とされる。「二重軸ずれ」設計は、受光素子上のスケールトラック画像の光学歪みを低減ないし解消できる点で有利であり、特に有利な実施形態ではほぼ二重にテレセントリック設計とされる。
いくつかの実施形態において、スケール側レンズと受光素子側レンズは、それぞれ軸ずれ投影構造中で光学収差をさらに低減し又は解消するように構成された非球面を有する。
この構成において、それぞれスケールトラック目盛りを有する二つのスケールトラックによって反射される光束(すなわち、スケールトラック画像光)は、一つの受光素子または最もコンパクトな空間に配設される複数の受光素子によって受光可能である。従って、例えば光学式エンコーダは、スケールトラック目盛りの一つのトラックをスケールと読取ヘッドの移動量を検出するのに用い、スケールトラック目盛りの別のトラックをスケールと読取ヘッドの原点を検出するのに用い、これら二つのスケールトラック目盛りのトラック双方からの光を一つの受光素子によって受光することが可能である。結果として、光学式エンコーダが二つの受光素子によって光束を受光するよう構成される場合と比較して部品の点数及び大きさを低減することができる。
従って、いくつかの実施形態において、読取ヘッドは二つのセットの光源と、スケール側レンズと、アパーチャと、受光素子側レンズと、(精細な測定解像度用のインクリメンタルエンコーダ信号を与える一方のセットと、エンコーダの測定範囲にわたって絶対位置決定用の絶対エンコーダ信号を与える他方のセット等の)受光素子とを有するものとする。これら二つのセットは、ほぼ同一の構造(その光路の対応する部分は、YZ平面において互いにほぼ平行とされる等)に構成され、スケールトラックの読取方向に直交する方向に沿って互いに隣接配置される。結果として、この実施形態は、いくつかの用途で、より実際に実現しやすく、及び/又は間隔変化に対してより堅牢に動作可能である。
本発明の一実施形態において、光源は、光を発する発光体と、発光体から出射される光路の後段に配される発光体レンズとを有し、スケール側レンズと発光体レンズとがケーラー照明を構成してもよい。この構成によれば、光源から出射されスケール側レンズを介してスケールに向かう光の不均一性を低減可能であることから、測定の正確性を向上することができる。
以下、本発明の第1実施形態を添付の図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1実施形態にかかる光学式エンコーダ1を示す模式図である。図1では、X軸は紙面の法線方向の軸を指し、より一般的に他の図では、スケール2上のスケールトラック2’の読取または測定方向に沿った軸を指す。Y軸は水平方向の軸を指し、より一般的に他の図では、X軸に直交しスケールトラック2’の平面に略平行な方向に沿った軸を指す。X及びY軸またはこれに平行な任意の平面によってこれを含んで定義される平面(以下XY平面とする)は、スケールトラック2’を含む平面と一致または平行となる。Z軸は垂直方向に延びる軸を指し、より一般的に他の図では、XY平面に直交し及び/又はスケールトラック2’の平面の略法線する方向に沿った軸を指す。X及びZ軸(かつこれを含む)またはこれに平行な任意の平面によって定義される平面をXZ平面とし、Y及びZ軸(かつこれを含む)またはこれに平行な任意の平面によって定義される平面をYZ平面とする。図1に示されるように、各スケールトラック2’は複数の目盛り21を有してもよい。すなわち、目盛り21は光学式エンコーダの読取ヘッド3によってX軸方向に沿って読み取られる。
スケール2は矩形板状を有し、その長手方向はX軸方向に沿って揃えられ、横方向はY軸方向に揃えられる。図1は、X軸方向に沿って、すなわち、スケールトラック2’の読取方向から見た光学式エンコーダ1を示す。
図2は、Y軸方向に沿って、すなわち、スケールトラック2’の読取方向に直交する方向から見た光学式エンコーダ1を示す模式図である。本明細書において、スケールトラック2’の読取方向に直交する方向(Y軸方向)は、単にスケールトラック2’に直交する方向と呼ばれることもある。
光源31の光軸Lsrcは、スケールトラック2’のX読取方向においてスケール側レンズ32の光軸Lsと一致し(図2参照)、スケールトラック2’に直交するY方向において、スケール側レンズ32の光軸Lsから所定距離離隔される。ここで、所定距離Dは、スケールトラック2’に直交するY方向において光源31の幅Wsrcy(開口数)の1/2以上に設定される。
光源31の光軸Lsrcがスケールトラック2’に直交するY方向においてスケール側レンズ32の光軸Lsから所定距離Dだけ離隔されることから、光源31から出射される光について、スケールトラック2’に直交するY方向において光源31側の光は、図1に示されるように、スケールトラック2’に直交するY方向においてスケール側レンズ32の光源31側を通ってスケールトラック2’に透過する。この光は、スケールトラック2’によって反射され、スケールトラック2’に直交するY方向のスケール側レンズ32の光源31側の反対側を通って受光素子33に受光される。
この点について、光源31とスケール側レンズ32との距離がスケール側レンズ32の焦点距離fsに設定されることから、光学式エンコーダ1を使って、図2に示されるように、(少なくとも略)スケールトラック2’の読取方向の物体(スケールトラック2’)側テレセントリック光学系を構成することが可能となり、スケールトラック2’の拡大率を変更することなく反射光の読取方向に沿った焦点深度を大きくすることが可能であり、これにより測定精度が維持される。
具体的に、スケール側レンズ32の開口数NAは以下の式(1)によって表すことができる。
さらに、光学式エンコーダ1の焦点深度DOFは以下の式(2)によって表すことができる。
従って、光源31の幅Wsrcxを小さくすることにより焦点深度DOFを大きくすることができる。
(1)この光電式エンコーダにおいては、光源31から出射されスケールトラック2’に向かう光の光路と、スケールトラック2’によって反射され、ハーフミラーを介することなくスケール側レンズ32を通って受光素子に向かう光の光路とを分離可能であることから、受光素子33が十分な光量の光を得ることができる。
(2)スケールトラック2’と受光素子33とは互いに平行に配設され、単一のスケール側レンズ32がスケールトラック2’と受光素子33との間に配設される。さらに、光源31が、スケール側レンズ32と受光素子33との間に配設される。従って、光学式エンコーダ1を小型化できる。
(4)光源31の光軸Lsrcとスケール側レンズ32の光軸Lsとの間のスケールトラック2’に直交する方向の所定距離Dが光源31のスケールトラック2’に直交する方向の幅Wsrcyの1/2以上に設定されることから、光源31から出射される光の利用効率を向上することができる。具体的に、所定距離Dが光源31の幅Wsrcyの1/2よりも小さい場合には、光源31の一部がスケール側レンズ32の光軸Lsからスケールトラック2’に直交する方向に突出し、この部分からの光が受光素子33によって受光されなくなり、これにより光源31から出射される光の利用効率が低下する。これに対し、所定距離Dを、幅Wsrcyの1/2以下に設定することにより、光源31から出射された光の利用効率が向上する。
以下、本発明の第2実施形態を添付の図面を参照して説明する。以下の説明において、同様の符号は前記実施形態で述べた同様の要素を指すものとし、その説明を省略する。
図3は、本発明の第2実施形態にかかる光学式エンコーダ1Aを示すスケールトラック2’の読取方向(X方向)から見た模式図である。図4は、スケールトラック2’に直交するY方向から見た光学式エンコーダ1Aを示す模式図である。
このアパーチャ34は、スケールトラック2’によって反射されスケール側レンズ32を透過した光を通過させるために設けられる。アパーチャ34とスケール側レンズ32との間の距離は、スケール側レンズ32の焦点距離fsないしそれに近い値に設定される。
ここで、スケールトラック2’に直交するY方向においてアパーチャ34の幅Way(図3参照)は、以下の式(3)に示される値に設定され、スケールトラック2’と直交するY方向の光源31の位置決め誤差δのみが許容されるようにされる。
アパーチャ34とスケール側レンズ32との間の距離は、スケール側レンズ32の焦点距離fsないしそれに近い値に設定されるため、図4に示されるように光学式エンコーダ1Aを用いてスケールトラック2’のX読取方向の物体(スケールトラック2’)側テレセントリック光学系を構成するのに利用することができる。従って、焦点深度を大きくすることができる。
具体的に、スケール側レンズ32の開口数NAは以下の式(4)によって表すことができる。
さらに、光学式エンコーダ1Aの焦点深度DOFは以下の式(5)によって表すことができる。
従って、アパーチャ34の幅Waxを小さくすることにより焦点深度DOFを大きくすることができる。
(5)光学式エンコーダ1Aはスケールトラック2’によって反射されスケール側レンズ32を通過した光を透過するアパーチャ34を有することから、光源31の幅ないし位置を設定することによって光学系を提供するのと同様に、アパーチャ34の幅ないし位置を設定することにより光学系を得ることができる。
(6)アパーチャ34の設計ないし位置決めは、光源31の設計ないし位置決めより相対的に容易であることから、光学式エンコーダ1Aの光学系の性能のばらつきをより容易に抑制できる。
図5は、スケールトラック2’のX読取方向に沿って見た本発明の第3実施形態にかかる光学式エンコーダ1Bを示す模式図である。図6は、スケールトラック2’に直交するY方向から見た光学式エンコーダ1Bを示す模式図である。
前記第2実施形態では、光学式エンコーダ1Aは、光源31と、スケール側レンズ32と受光素子33と、アパーチャ34を有する読取ヘッド3Aを有していた。これに対し、本実施形態では、光学式エンコーダ1Bは、図5及び6に示されるように、光源31と、スケール側レンズ32と、受光素子33と、アパーチャ34とに加え、受光素子側レンズ35を有する読取ヘッド3Bを備える。
受光素子側レンズ35は、アパーチャ34と受光素子33との間に配設される。アパーチャ34と受光素子側レンズ35との間の距離は、受光素子側レンズ35の焦点距離fpないしそれに近い値に設定される。
加えて、受光素子側レンズ35の光軸Lpは、スケール側レンズ32の光軸Lsと一致する。
(7)光学式エンコーダ1Bを用いて、スケールトラック2’の読取方向の二方向テレセントリック光学系を構成することができることから、焦点深度を大きくすることができる。従って、受光素子33と受光素子側レンズ35との間の許容可能な間隔を大きくすることができる。
図7は、スケールトラック2’のX読取方向に沿って見た本発明の第4実施形態にかかる光学式エンコーダ1Cを示す模式図である。
前記第3実施形態では、光学式エンコーダ1Bは読取ヘッド3Bを有し、読取ヘッド3Bの受光素子側レンズ35の光軸Lpは、スケール側レンズ32の光軸Lsと一致していた。これに対し、本実施形態では、図7に示すように、光学式エンコーダ1Cは読取ヘッド3Cを有し、読取ヘッド3Cの受光素子側レンズ35の光軸Lpは、スケールトラック2’のX読取方向においてスケール側レンズ32の光軸Lsと一致する一方、Lpはスケールトラック2’に直交するY方向において、スケール側レンズ32の光軸Lsから所定距離Dの2倍離隔される。
(8)スケールトラック2’に直交するY方向において、スケール側レンズ32と受光素子側レンズ35の光軸LsとLpの双方は、両側でアパーチャ34の光軸Laと所定距離D離隔される。従って、アパーチャ34を通過した光は、それぞれの光軸に沿って、かつ光軸を中心として逆向きで同一形状を有するスケール側レンズ32と受光素子側レンズ35の一部を透過する。この結果、光学式エンコーダ1Cを用いて、各レンズにおけるレンズ収差の影響を低減ないしキャンセルする(例えば、個別のレンズ収差を互いにキャンセルする)ことができる。
図8は、スケールトラック2’のX読取方向に沿って見た本発明の第5実施形態にかかる光学式エンコーダ1Dを示す模式図である。
前記図7の第4実施形態では、光学式エンコーダ1Cは読取ヘッド3Cを有し、読取ヘッド3Cは、単一の光源31と、単一のスケール側レンズ32と、単一のアパーチャ34とを有していた。これに対し、本実施形態では、図8に示すように、光学式エンコーダ1Dは読取ヘッド3Dを有し、読取ヘッド3Dは、二つの光源31と、二つのスケール側レンズ32と、二つのアパーチャ34とを有する。加えて、二つのアパーチャ34は単一の部材に形成される。
さらに、本実施形態においては、目盛り21’のX読取方向に直交する方向の平面(図8の紙面)内において、光源31、スケール側レンズ32、及びアパーチャ34の光軸Lsrc、Ls及びLaは、受光素子側レンズ35の光軸Lpに対して互いに軸対称とされる。
(9)光学式エンコーダ1Dでは、目盛り21の二つのトラックによって反射された光束を、単一の受光素子33または受光素子の最もコンパクトな構造によって受光可能であることから、光学式エンコーダが二つの別個の受光素子を用いて光束を受光するように構成された場合に比べて部品を小型化し及び/又は部品数を少なくすることができる。
図9は、本発明の第6実施形態にかかる光学式エンコーダ1Eの光源31Eを示す模式図である。
前述した実施形態では、各光学式エンコーダ1−1Dは、光源31を有していた。これに対し、本実施形態においては、光学式エンコーダ1Eは光源31Eを有し、光源31Eは図9に示されるように、光を発する発光体311と、発光体311から出射される光の光路の後段に配され発光体311から出射される光を拡散する拡散板312とを有する。
図示されないものの、スケール側レンズ32側(図9の下側)の拡散板312の平面と、スケール側レンズ32との間の距離は、スケール側レンズ32の焦点距離fsに設定される。
本実施形態によれば、前記機能及び効果に加え、以下の機能と効果を得ることができる。
(10)光源31Eの幅を拡散板312の幅に置き換え可能であることから、光学式エンコーダ1Eを容易に設計できる。
図10は、本発明の第7実施形態にかかる光学式エンコーダ1Fの光源31Fを示す模式図である。
前記第1から第5実施形態では、各光学式エンコーダ1から1Dは、光源31を有していた。これに対し、本実施形態においては、光学式エンコーダ1Fは、図10に示されるように光源31Fを有し、光源31Fは光を発する発光体311と、発光体311から出射される光の光路の後段に配される発光体レンズ313とを有し、スケール側レンズ32と発光体レンズ313とがケーラー照明を構成する。
本実施形態によれば、前記機能及び効果に加え、以下の機能と効果を得ることができる。
(11)光源31Fから出射されスケール側レンズ32を通ってスケールトラック2’に向かう光の不均一性を低減可能であることから、正確な測定を行うことができる。
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において各種の変形を含みうるものである。
例えば、前記各実施形態において、所定距離Dはスケールトラック2’に直交するY方向において光源31、31Eまたは31Fの幅Wsrcyの1/2以上に設定されるものの、これは他の値であってもよい。
さらに、前述の実施形態のいくつかは、光源またはアパーチャのいずれか、又は双方がレンズから焦点距離またはその近くに配されることでテレセントリックとされているものの、当然のことながら、このようなテレセントリックという特徴を、軸ずれ照明及び/又は軸ずれ投影構造に適用することは一般的ではない。特に、当然ながら、軸ずれ投影は比較的一般的ではなく、「理想的な」軸上近似もいくつかの実施形態では期待するよりはよく動作しない。読取ヘッドからスケールトラック2’までの合理的な間隔の変化によらず、スケールトラック2’の読取方向に沿って一定の拡大率とクリアな像が得られるのが特に望ましい。これに対し、以下に詳細に述べるように、スケールトラック2’に直交するY方向のみについての合理的なレベルの拡大率変化及び画像ボケは重大ではない。というのは、Y方向は測定方向ではなく、受光素子はY方向に沿って光学画像信号を結合可能だからである。
図11、図12及び図13は、本発明にかかる光学式エンコーダ1Gの別実施形態を示す。図11は、スケールトラック2’のX読取方向に沿って見た光学式エンコーダ1Gを示す。図12はスケールトラック2’に直交するY方向に沿って見た同一の光学式エンコーダ1Gを示す。図13は光学式エンコーダ1Gの概略斜視図である。
光学式エンコーダ1Gは、それぞれ複数の目盛り21を有する一つ以上のスケールトラック2’を有するスケール2と、読取ヘッド3とを有するスケール2と読取ヘッド3とはスケール−読取ヘッドギャップGだけ離隔される。読取ヘッド3は、光源31と、スケール側レンズ32と、アパーチャ34と、受光素子側レンズ35と、受光素子33とを有する。光源31は、スケール側レンズ32の主平面などのスケール側レンズ32の平面32’と、スケール2に最も近い受光素子33の平面などの受光素子33の平面33Pとの間に配設される。
光源31の実効中心(例えば、動作中のスケールトラック画像光に実際に寄与する光によって規定されるもの)によってその光軸Lsrcを規定することができ、これはスケールトラック2’のX読取方向に直交する方向(Y)に照明軸ずれ距離Dsrcだけスケール側レンズ32の光軸Lsから離隔される。
アパーチャ34は、スケール側レンズ32を通る所望の第1レンズ軸ずれ結像パス38の位置を規定し、かつ当該光路に沿って視準するないし略視準する画像光束を選択するような大きさに配設され、これによりスケールトラック2’のX読取方向に所望のレベルの物体(スケール)側テレセントリシティを確保する。すなわち、アパーチャ34は、受光素子33に到達する画像光束を制約し、スケール側レンズ32の物体側及び受光素子側レンズ35の画像側に互いに略平行となる(視準される)ようにされて、受光素子33に形成されるスケールトラック画像が、予測されるギャップGの変化に関わりなくおよそ一定の拡大率を示すようにされる。アパーチャ34の大きさは、スケールトラック2’を投影する所望の深度を与える光学系のアパーチャ数を決定するように選択されてもよい。
図示される実施形態において、光吸収体41はアパーチャ34を規定する構造上に設けられ、スケールトラック画像が形成される受光素子33に向けて光42を再反射することなく受光素子33によって反射される光42を吸収する素材によって構成され形成される。従って、この吸収体41により、吸収体41がなければ受光素子33から反射される光42により生じる可能性のあるノイズを低減可能であり、従って、受光素子33上に形成されるスケールトラック画像のコントラストが低減するのを防止するのに役立つ。
図11に示される実施形態では、光源31の光軸Lsrcとアパーチャ34の光軸Laとは、スケール側レンズ32の光軸Lsについてほぼ、または完全に軸対称に配設される。より一般的に、アパーチャ34と光源31とは、スケール側レンズ32の光軸Lsを含むXZ平面の反対側に配置され、光源光がアパーチャ34を通してスケール画像光として有効に反射されるようにされる。スケール側レンズ軸Lsに対する光源31の照明軸ずれ距離Dsrcは、いくつかの実施形態においてスケール側レンズ軸Lsに対するアパーチャ34のアパーチャ軸ずれ距離Dap1に応じて規定可能である。例えば、Dsrcは、第1レンズ軸ずれ結像パス38に沿って反射されるスケールトラック画像光の量を適切に最適化するために、0.8×Dap1より大きく1.2×Dap1より小さく規定されてよい。いくつかの実施形態において、第1レンズ軸ずれ結像パス38に沿って反射されるスケールトラック画像光の量を最大化するため、DsrcをDap1と同じにし、光源31とアパーチャ34とをスケール側レンズ32の光軸Lsを中心として軸対称に配置してもよい。
例えば、いくつかの実施形態において、距離AP1(すなわち、スケール側レンズ32の平面32’に対するアパーチャ平面34’の位置)は、所望の物体側画像テレセントリシティを得るため、スケール側レンズ32の焦点距離によって定義可能である。図11及び12に示されるように、スケール側レンズ32は、Z方向に沿ってスケール側レンズ32の平面32’から焦点距離fsに配置された第1焦点平面39を規定する焦点距離を有する。いくつかの実施形態では、AP1が0.8×fsよりも大きく1.2×fsよりも小さいのが有利である。非球面レンズと軸ずれ投影を用いる各種実施形態において、AP1が0.8×fsではなくfsよりも大きい(例えばAP1はいくつかの実施形態では少なくとも1.03×fsとなるよう設計されてもよい)方がより有利であることがわかっている。
さらに、光学式エンコーダ1Gは、スケールトラック画像光が、さらにY方向に沿って受光素子側レンズ35の光軸Lpから離隔された軸ずれ部35aを通して透過されることから「二重軸ずれ」構造として特徴付けることができる(図11及び13参照)。前述のように、「軸ずれ」構造は光学式エンコーダ1Gを小型化するのに有利である。「二重軸ずれ」構造は、単独の「軸ずれ」構造に付随する光学歪みを低減する点で有利である。
前述の各種設計関係は、光学式エンコーダ1Gの二重軸ずれ構造に関して記載されているものの、必要に応じてより一般的に前述の開示事項及び設計関係はここに開示されるその他の各種エンコーダ実施形態(ここに開示される「軸ずれ」及び「二重軸ずれ」構造等)に適合及び適用可能である。
これらの寸法は、例えばスケールトラック2’のY方向高さが1〜2mmであるときに適切である。スケールトラック2’は、インクリメンタルな目盛り21(例えば格子)ないし絶対目盛り21を有してよい。球面レンズが用いられる場合、X方向ピッチを有するおよそ140〜100ミクロンの目盛り21(例えば格子ピッチ)が投影されても結果として認容可能である。適切に設計された非球面レンズが用いられる場合、X方向ピッチ(格子ピッチなど)を有する20ミクロン(又はそれ以上)の目盛り21が投影されても、以下に詳述するように結果として認容可能である。光源31から出射された光の波長は、いくつかの実施形態においては約600〜900nmであってよい。この一連の設計寸法によりZ方向に沿って約21ミリという小型の読取ヘッド寸法が得られ、かつおよそ±200ミクロンのギャップ許容値が得られる。
いくつかの実施形態において、0.7から1.1の範囲のレンズ厚みT/焦点距離の比率が0.7から1.1であれば許容可能な性能が得られる。
いくつかの実施形態において、望ましい性能が得られるのは、表面S1が当該レンズの光軸近傍で凸でありレンズの光軸からの半径「r」に応じて単調増加する径方向に沿った斜面を有する第1非球面であり、表面S2が当該レンズの光軸近傍で凸であり当該レンズの光軸を含む第1半径範囲RR1にわたってレンズの光軸からの半径「r」に応じて増加し、第1半径範囲RR1(図12参照)を囲む第2半径範囲RR2にわたり半径「r」に応じて小さくなる径方向に沿った斜面を有する第2非球面である時であることがわかっている。
また、前述したように、いくつかの実施形態では、レンズの光軸に沿った第1非球面S1と第2非球面S2との間のレンズ厚み「T」とレンズの焦点距離F(fs、fp)との比率、すなわち、T/Fが0.7より大きく1.1より小さい時に望ましい性能が得られる。これらのガイドラインの一つ以上により示される設計範囲に該当する非球面の各種セットは、分析ないし実験に基づき当業者によって決定可能である。
1H−1…第1構造
1H−A…第2構造
2,2D…スケール
2’,2”…スケールトラック
3,3A〜3D…読取ヘッド
31,31E,31F…光源
31’…光源平面
32…スケール側レンズ
32’…スケール側レンズの平面
32a,32b…軸ずれ部
33…受光素子
33P…受光素子の平面
34…アパーチャ
34’…アパーチャ平面
35…受光素子側レンズ
35’…受光素子側レンズの平面
35a,35b…軸ずれ部
39,40…焦点平面
41…光吸収体
311…発光体
312…拡散板
313…発光体用レンズ
Claims (22)
- 読取方向に延設されかつ目盛りを備えるスケールトラックを有するスケールと、前記スケールトラックに光を出射する光源と前記スケールトラックによって反射された前記光を受光する受光素子とを備えた読取ヘッドとを備え、前記スケールに対する前記読取ヘッドの位置を前記受光素子によって受光された前記光に基づき測定する光学式エンコーダであって、
前記読取ヘッドは、前記光源から前記スケールトラックに出射された前記光を透過し、かつ前記スケールトラックによって反射された前記光をスケールトラック画像光として前記受光素子に向けて透過する第1レンズを備え、
前記光源は、前記第1レンズの平面と前記受光素子の平面との間に配された光源平面上に配置され、前記光源の中心は、前記第1レンズの光軸から前記スケールトラックの読取方向に直交する方向に照射軸ずれ距離Dsrcだけ離間され、
前記第1レンズの平面と前記受光素子の平面との間のアパーチャ平面に配されたアパーチャを有し、
前記アパーチャの中心は、前記第1レンズの光軸から前記読取方向に直交する方向にアパーチャ軸ずれ距離Dap1だけ離間されるとともに、前記スケールトラック画像光が前記受光素子に到達する第1レンズ軸ずれ結像パスであって前記第1レンズ軸ずれ結像パスを含む前記第1レンズの一部を介して前記スケールトラック画像光を前記アパーチャが受けるようにした第1レンズ軸ずれ結像パスを規定し、
前記アパーチャと前記光源とが前記第1レンズの光軸と前記読取方向とを含む平面の反対側に配されることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項1に記載の光学式エンコーダにおいて、
0.8*Dap1<Dsrc<1.2*Dap1であることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項2に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記アパーチャ平面は、前記第1レンズの前記光軸の方向に沿って前記第1レンズの平面から距離AP1に配され、前記光源平面は距離LSPに配され、かつLSP<1.2*AP1であることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項3に記載の光学式エンコーダにおいて、
0.7*AP1<LSP<AP1であることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項1に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記第1レンズは前記第1レンズの前記光軸の方向に沿って前記第1レンズの平面から距離fsに配される第1焦点平面を規定する第1焦点距離を有し、前記アパーチャ平面は、前記第1レンズの前記光軸の方向に沿って前記第1レンズの平面から距離AP1に配され、1.2*fs>AP1>0.8*fsであることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項5に記載の光学式エンコーダにおいて、
AP1>1.03*fsであることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項1に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記アパーチャ平面と前記受光素子の平面との間に配された第2レンズ平面に配された第2レンズを有し、前記第2レンズは前記アパーチャを透過する前記スケールトラック画像光を受光し、前記受光されたスケールトラック画像光を前記受光素子上に結像し、
前記第2レンズは前記第1レンズと同様に構成され、第1及び第2レンズの同様な形状を有する表面がその光軸方向に沿って反対方向を向くように配置され、前記アパーチャの中心が、前記第2レンズの光軸から前記読取方向に直交する方向にアパーチャ軸ずれ距離Dap2離間され、かつ前記アパーチャが前記第1レンズ軸ずれ結像パスを含む前記第2レンズの一部を介して前記スケールトラック画像光を通過させるように前記受光素子に到達する前記スケールトラック画像光の第2レンズ軸ずれ結像パスを規定することを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項7に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記第1レンズの前記光軸と前記第2レンズの前記光軸は、前記読取方向に直交する方向に沿って距離DL1L2離間され、前記アパーチャの中心は前記第1及び第2レンズの前記光軸の間に前記距離DL1L2に沿って配置されることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項8に記載の光学式エンコーダにおいて、
Dap2とDap1は設計上、同一であることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項8に記載の光学式エンコーダにおいて、
0.8*Dap1<Dsrc<1.2*Dap1であることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項8に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記第1レンズはその光軸の方向に沿って前記第1レンズの平面から距離fsに配される第1焦点平面を規定する第1焦点距離を有し、前記第2レンズはその光軸の方向に沿って前記第2レンズの平面から距離fpに配される第2焦点平面を規定する第2焦点距離を有し、前記アパーチャ平面は前記第1レンズの平面からその光軸の方向に沿って距離AP1に配され、かつ前記第2レンズの平面からその光軸の方向に沿って距離AP2に配され、1.2*fs>AP1>0.8*fsであることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項11に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記アパーチャ平面は、前記第1焦点平面より前記第1レンズの平面からより遠くに配されることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項11に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記アパーチャ平面は、前記第1及び第2焦点平面の間に配されることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項11に記載の光学式エンコーダにおいて、
1.2*fp>AP2>0.8*fpであることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項11に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記光源平面は、前記第1レンズの前記光軸の方向に沿って前記第1レンズの平面から距離LSPに配され、LSP<1.2*AP1であることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項15に記載の光学式エンコーダにおいて、
0.7*AP1<LSP<AP1であることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項11に記載の光学式エンコーダにおいて、
AP1>1.03*fsであることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項8に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記第1レンズと前記第2レンズとは、それぞれ非球面レンズを備え、前記第1レンズと前記第2レンズの第1非球面は当該レンズの光軸近傍で凸であり、かつ径方向に沿って当該レンズの光軸から径に応じて単調に増加する傾斜面を有する曲面であり、
前記第1レンズと前記第2レンズの第2非球面は当該レンズの光軸近傍で凸であり、かつ径方向に沿って当該レンズの光軸から当該レンズの光軸を含む第1径範囲にわたって径に応じて増加し、前記第1径範囲を囲む第2径範囲にわたって径に応じて減少する傾斜面を有する曲面であることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項18に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記第1レンズの前記第1非球面は、前記スケールトラックから遠い側に配置され、前記第1レンズの前記第2非球面は前記スケールトラックに近い側に配置されることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項18に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記第1及び第2レンズは、前記受光素子上の前記スケールトラック画像の拡大率Mが、0.75<M<1.25とされ、その光軸近くの前記第2非球面の半径R2とその光軸近くの前記第1非球面の半径R1との割合が1.1<[R2/R1]<1.7であり、第1及び第2非球面の間のそれぞれの光軸に沿った厚みTのそれぞれのレンズの焦点距離Fに対する割合が0.7<[T/F]<1.1であることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項8に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記スケールはさらに前記読取方向に沿って延び、目盛りを備え、前記第1スケールトラックから前記読取方向に直交する方向に沿ってオフセットされた第2スケールトラックを有し、前記読取ヘッドは、
前記光源、前記第1レンズ、前記アパーチャ、前記第2レンズ、及び前記受光素子を有する第1構造と、第2光源、前記第1レンズと同様の第3レンズ、第2アパーチャ、前記第2レンズと同様の第4レンズ、及び第2受光素子を備えて前記第1構造と同様に動作するよう構成された第2構造とを有し、
前記第2構造は、前記第2スケールトラックを前記第2受光素子上に結像するように、前記読取方向に直交する方向に沿って前記第1構造からオフセットされることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項1に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記スケールトラック画像が形成される前記受光素子の部分から反射される光を受光するように位置決めされ、前記受光素子の部分から反射された光を吸収するように構成された光吸収体を有することを特徴とする光学式エンコーダ。
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US10234310B2 (en) | Light-emitting unit, light-emitting and light-receiving unit and photoelectric encoder |
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