JP2012032295A - Photoelectric encoder - Google Patents
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Description
本発明は、測長方向に等間隔に光学格子が形成されたスケールと、該スケールに対して相対変位する検出器と、を備える光電式エンコーダに係り、特に検出器に設けられたレンズアレイの線膨張係数が検出器の受光部とスケールのうちのいずれかと異なり動作温度が大きく変動しても、正確にスケールに対する検出器の位置が求められる光電式エンコーダに関する。 The present invention relates to a photoelectric encoder comprising a scale in which optical gratings are formed at equal intervals in the length measurement direction, and a detector that is relatively displaced with respect to the scale, and in particular, a lens array provided in the detector. The present invention relates to a photoelectric encoder that can accurately determine the position of a detector with respect to a scale even if the linear expansion coefficient differs from any one of a light receiving unit and a scale of the detector and the operating temperature varies greatly.
測長方向に等間隔に光学格子が形成されたスケールと、該スケールに対して相対変位する検出器と、該検出器の受光部に該スケールの像を結像させるレンズアレイを備える光電式エンコーダが提案されている(たとえば特許文献1、2)。図18、図19(A)それぞれに、特許文献1、2におけるスケール2、52とレンズアレイ14、64と受光部上のスケールの像Imgとの関係が示されている。特許文献1、2では、レンズアレイ14、64を用いることで、検出器の大きさを増大させずに、スケール2、52の検出範囲を広げることを可能としている。 Photoelectric encoder comprising a scale in which optical gratings are formed at equal intervals in the length measuring direction, a detector that is displaced relative to the scale, and a lens array that forms an image of the scale on the light receiving portion of the detector Has been proposed (for example, Patent Documents 1 and 2). FIG. 18 and FIG. 19 (A) show the relationship between the scales 2 and 52, the lens arrays 14 and 64, and the scale image Img on the light receiving unit in Patent Documents 1 and 2, respectively. In Patent Documents 1 and 2, by using the lens arrays 14 and 64, the detection range of the scales 2 and 52 can be expanded without increasing the size of the detector.
しかしながら、エンコーダの低コスト化のために、例えばレンズアレイをガラスからプラスチックに変更した場合には、従来スケールがガラスであることから少なくともレンズアレイとスケールとの線膨張係数が大きく異なることとなる。このため、たとえ初期状態でスケールと検出器とを精度調整しておいても、光電式エンコーダの動作温度Tpが精度調整時の温度Taから変化すると、レンズアレイのそれぞれのレンズ部で構成される検出器の光学系の光軸中心が動いてしまうこととなる。即ち、検出器による検出位置に誤差が生じてしまうおそれがある。 However, in order to reduce the cost of the encoder, for example, when the lens array is changed from glass to plastic, since the conventional scale is glass, at least the linear expansion coefficient between the lens array and the scale is greatly different. For this reason, even if the precision of the scale and the detector is adjusted in the initial state, if the operating temperature Tp of the photoelectric encoder changes from the temperature Ta at the time of precision adjustment, each lens portion of the lens array is configured. The center of the optical axis of the optical system of the detector will move. That is, an error may occur in the detection position by the detector.
特に、特許文献2のエンコーダについて図19(B)を用いて説明すると、レンズアレイ64のレンズ部64Aの光軸中心O1を基準にした際に、動作温度Tpが精度調整時の温度Taから変化することでレンズ部64Bの光軸中心O2が精度調整時の位置から距離dx外側へ変化することとなる。このため、レンズ部64Aによるスケールの像Img1を基準に考えると、レンズ部64Bによるスケールの像Img2が測長方向(X方向)にずれてしまう。即ち、特許文献2では、レンズアレイ64をスケール52と異なる線膨張係数とすると、動作温度Tpが変動した場合には特にレンズ部64Aによるスケール52の像Img1とレンズ部64Bによるスケール52の像Img2とで連続性が保てず、大きな位置検出誤差を生じさせるおそれが出てきてしまう。 In particular, the encoder of Patent Document 2 will be described with reference to FIG. 19B. When the optical axis center O1 of the lens portion 64A of the lens array 64 is used as a reference, the operating temperature Tp changes from the temperature Ta during accuracy adjustment. As a result, the optical axis center O2 of the lens portion 64B changes from the position at the time of accuracy adjustment to the outside of the distance dx. Therefore, considering the scale image Img1 by the lens unit 64A as a reference, the scale image Img2 by the lens unit 64B is shifted in the length measurement direction (X direction). That is, in Patent Document 2, if the lens array 64 has a linear expansion coefficient different from that of the scale 52, the image Img1 of the scale 52 by the lens unit 64A and the image Img2 of the scale 52 by the lens unit 64B are particularly affected when the operating temperature Tp varies. As a result, the continuity cannot be maintained and a large position detection error may occur.
本発明は、前記問題点を解消するべくなされたもので、検出器に設けられたレンズアレイの線膨張係数が検出器の受光部とスケールのうちのいずれかと異なっても、動作温度範囲を拡大しつつ、スケールに対する検出器の位置を正確に求め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 problems, and the operating temperature range is expanded even if the linear expansion coefficient of the lens array provided in the detector is different from either the light receiving unit or the scale of the detector. However, it is an object of the present invention to provide a photoelectric encoder that can accurately determine the position of the detector with respect to the scale.
本願の請求項1に係る発明は、測長方向に等間隔に光学格子が形成されたスケールと、該スケールに対して相対変位する検出器と、を備え、該検出器に、数n(n≧2)のレンズ部を前記測長方向に備えるとともに前記スケールの像を結像させるレンズアレイと、該レンズ部毎に結像された該スケールの像をそれぞれ受光する数nの受光素子を備えるとともに該受光素子毎に前記光学格子の周期に従う周期信号Fi(i=1、・・・、n)を出力する受光部と、を有する光電式エンコーダにおいて、前記レンズアレイが少なくとも前記スケールと前記受光部のうちのいずれか一方とは異なる線膨張係数αLAを備え、前記測長方向における該レンズアレイの特定の一箇所で該レンズアレイと該受光部とが一体的に固定され、前記受光素子毎の前記周期信号Fiから求められる位相信号φiはそれぞれ、前記スケール及び検出器の動作温度Tpと、前記特定の一箇所から前記各レンズ部のそれぞれの光軸中心までの距離Liとを用いて、前記異なる線膨張係数αLAに起因する位相ずれが解消されるように補正され、更に、前記受光素子毎に得られる補正された補正位相信号Cφiを平均して平均位相信号φavが求められ、該平均位相信号φavにより前記スケールに対する前記検出器の位置が求められたことにより、前記課題を解決したものである。 The invention according to claim 1 of the present application includes a scale in which optical gratings are formed at equal intervals in the length measurement direction, and a detector that is relatively displaced with respect to the scale, and the detector has a number n (n ≧ 2) in the length measuring direction, a lens array for forming an image of the scale, and a number n of light receiving elements for receiving the image of the scale formed for each lens unit. And a light receiving unit that outputs a periodic signal Fi (i = 1,..., N) according to the period of the optical grating for each light receiving element, wherein the lens array includes at least the scale and the light receiving unit. A linear expansion coefficient α LA different from any one of the first and second portions, and the lens array and the light receiving portion are integrally fixed at a specific position of the lens array in the length measuring direction, and the light receiving element Every The phase signal φi obtained from the periodic signal Fi uses the operating temperature Tp of the scale and the detector and the distance Li from the specific one place to the center of the optical axis of each lens unit, respectively. Correction is made so as to eliminate the phase shift caused by the different linear expansion coefficient α LA , and the corrected correction phase signal Cφi obtained for each light receiving element is averaged to obtain an average phase signal φav. Since the position of the detector with respect to the scale is obtained by the phase signal φav, the problem is solved.
本願の請求項2に係る発明は、前記特定の一箇所から前記各レンズ部のそれぞれの光軸中心までの距離Liと、前記レンズアレイ、スケール、及び受光部の線膨張係数αLA、αS、αDと、前記動作温度Tpと前記スケールに対する前記検出器の精度調整時の該スケール及び検出器の周囲の温度Taとの温度差δTと、から該各レンズ部における前記検出部上の前記スケールの像の移動量dxiを式(1)で求め、該移動量dxiに対して前記周期信号Fiの周期Pから式(2)で移動位相δφiを求め、更に、前記特定の一箇所に対する前記各レンズ部のそれぞれの光軸中心の位置に従い、前記位相信号φiに該移動位相δφiを加算もしくは減算することで、前記受光素子毎の前記位相信号φiをそれぞれ、前記異なる線膨張係数αLAに起因する位相ずれが解消されるように補正したものである。
dxi=(2αLA−αS−αD)*Li*δT (1)
δφi=2πdxi/P (2)
In the invention according to claim 2 of the present application, the distance Li from the specific location to the center of the optical axis of each lens unit, and the linear expansion coefficients α LA and α S of the lens array, the scale, and the light receiving unit , Α D , and the temperature difference δT between the operating temperature Tp and the temperature Ta around the scale and the detector when the accuracy of the detector is adjusted with respect to the scale, the above-mentioned on the detection unit in each lens unit The moving amount dxi of the scale image is obtained by the equation (1), the moving phase δφi is obtained by the equation (2) from the period P of the periodic signal Fi with respect to the moving amount dxi, according to the position of the respective optical axis of each lens unit, the by adding or subtracting the mobile phase δφi the phase signal .phi.i, the phase signal .phi.i of each of the light receiving element, respectively, to the different linear expansion coefficient alpha LA The correction is made so as to eliminate the phase shift caused.
dxi = (2α LA −α S −α D ) * Li * δT (1)
δφi = 2πdxi / P (2)
本願の請求項3に係る発明は、前記特定の一箇所を、前記測長方向で、いずれかの前記レンズ部の光軸中心と一致させるようにしたものである。 In the invention according to claim 3 of the present application, the one specific position is made to coincide with the optical axis center of any one of the lens portions in the length measuring direction.
本願の請求項4に係る発明は、前記特定の一箇所を、前記測長方向で、前記レンズアレイの中心位置とするようにしたものである。 The invention according to claim 4 of the present application is such that the specific location is set to the center position of the lens array in the length measurement direction.
本願の請求項5に係る発明は、前記レンズアレイを前記レンズ部の数nを3とするようにしたものである。 The invention according to claim 5 of the present application is such that the number n of the lens portions of the lens array is three.
本願の請求項6に係る発明は、前記スケールの素材をガラスとし、前記レンズアレイの素材をプラスチックとし、そして前記受光部の素材をシリコンとしたものである。 The invention according to claim 6 of the present application is such that the material of the scale is glass, the material of the lens array is plastic, and the material of the light receiving part is silicon.
本願の請求項7に係る発明は、前記検出器に、前記レンズアレイの焦点位置に絞り板の開口を備える片側テレセントリック光学系を設けたものである。 In the invention according to claim 7 of the present application, the detector is provided with a one-side telecentric optical system including an aperture plate aperture at a focal position of the lens array.
本願の請求項8に係る発明は、前記検出器に、前記レンズアレイを2つ前記光軸方向に直列に備えるとともに該レンズアレイの間の焦点位置に絞り板の開口を備える両側テレセントリック光学系を設けたものである。 In the invention according to claim 8 of the present application, the detector includes a two-side telecentric optical system including two lens arrays in series in the optical axis direction and a diaphragm plate aperture at a focal position between the lens arrays. It is provided.
本発明によれば、検出器に設けられたレンズアレイの線膨張係数が検出器の受光部とスケールのうちのいずれかと異なっても、動作温度範囲を拡大しつつ、スケールに対する検出器の位置を正確に求めることが可能となる。 According to the present invention, even if the linear expansion coefficient of the lens array provided in the detector is different from any one of the light receiving unit and the scale of the detector, the position of the detector with respect to the scale is increased while the operating temperature range is expanded. It can be obtained accurately.
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態の一例について詳細に説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
最初に、本発明の第1実施形態に係わる光電式エンコーダの構成について図1〜図3を用いて以下に説明する。 First, the configuration of the photoelectric encoder according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
本実施形態の光電式エンコーダ100は、図1、図2に示す如く、スケール102と、スケール102に対して相対変位する検出器110と、を備えている。なお、検出器110には、信号処理部126が接続されている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the photoelectric encoder 100 of the present embodiment includes a scale 102 and a detector 110 that is displaced relative to the scale 102. Note that a signal processing unit 126 is connected to the detector 110.
前記スケール102は、図3に一部を示す如く、測長方向(X方向)に等間隔(周期Pr)に光学格子106が形成されたインクリメンタルトラックを有する。スケール102は、透過型のスケールであり、ガラスを基材104としている。ここで基材104としてソーダライムガラス(別称青板ガラス)を用いた場合、スケール102の線膨張係数αSは、約8*10−6/℃である。スケール102の表面には、遮光用の金属膜が形成されて、光学格子106の部分のみが透明とされている。なお、スケール102には、インクリメンタルトラックの測長範囲外で検出器110により検出可能な図示せぬ原点マークが形成されている。 As shown in part in FIG. 3, the scale 102 has an incremental track in which optical gratings 106 are formed at equal intervals (period Pr) in the length measurement direction (X direction). The scale 102 is a transmissive scale and uses glass as a base material 104. Here, when soda lime glass (also called blue plate glass) is used as the base material 104, the linear expansion coefficient α S of the scale 102 is about 8 * 10 −6 / ° C. A light shielding metal film is formed on the surface of the scale 102, and only the portion of the optical grating 106 is transparent. The scale 102 is provided with an origin mark (not shown) that can be detected by the detector 110 outside the length measurement range of the incremental track.
前記検出器110は、図1、図2に示す如く、光源112と第1レンズアレイ114と絞り板116と第2レンズアレイ122と受光部124とを有する。 As shown in FIGS. 1 and 2, the detector 110 includes a light source 112, a first lens array 114, a diaphragm plate 116, a second lens array 122, and a light receiving unit 124.
光源112は、図2に示す如く、スケール102の背面に配置され、スケール102の透過光を受光部124に入射させるようにしている。光源112は、例えばLEDであり、前記第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122の後述するレンズ部114A〜114C、122A〜122Cの数nと同数(n=3)のLED112A〜112Cで構成されている。このため、検出器110の光源112が収納される部分を薄型にすることができる。 As shown in FIG. 2, the light source 112 is disposed on the back surface of the scale 102 so that light transmitted through the scale 102 enters the light receiving unit 124. The light source 112 is, for example, an LED, and includes the same number (n = 3) of LEDs 112A to 112C as the number n of lens portions 114A to 114C and 122A to 122C described later of the first lens array 114 and the second lens array 122. ing. For this reason, the part in which the light source 112 of the detector 110 is accommodated can be made thin.
第1レンズアレイ114は、図2に示す如く、Y方向で、スケール102から焦点距離f離れて配置されている。第1レンズアレイ114は、等間隔L0で数n(n=3)のレンズ部114A〜114Cを測長方向(X方向)に備えている。 As shown in FIG. 2, the first lens array 114 is arranged at a focal distance f away from the scale 102 in the Y direction. The first lens array 114 includes several n (n = 3) lens portions 114A to 114C at equal intervals L0 in the length measuring direction (X direction).
絞り板116は、図2に示す如く、Y方向で、第1レンズアレイ114から焦点距離f離れて配置されている。絞り板116は、遮光性の高い材料からできており、第1レンズアレイ114の各レンズ部114A〜114Cの光軸中心O1〜O3に相当する部分に等間隔L0で開口120A〜120Cが設けてある。 As shown in FIG. 2, the diaphragm plate 116 is disposed at a focal distance f away from the first lens array 114 in the Y direction. The aperture plate 116 is made of a highly light-shielding material, and openings 120A to 120C are provided at equal intervals L0 at portions corresponding to the optical axis centers O1 to O3 of the lens portions 114A to 114C of the first lens array 114. is there.
第2レンズアレイ122は、図2に示す如く、Y方向で、絞り板116から焦点距離f離れて配置されている。第2レンズアレイ122も第1レンズアレイ114と同じく、等間隔L0で数n(n=3)のレンズ部122A〜122Cを測長方向(X方向)に備えている。なお、本実施形態では、レンズ部114A〜114Cとレンズ部122A〜122Cの焦点距離fは同一とされている。なお、第1レンズアレイ114と第2レンズアレイ122とは、ポリカーボネート(プラスチック)が素材となっており、その線膨張係数αLAは約70*10−6/℃である。 As shown in FIG. 2, the second lens array 122 is arranged at a focal distance f away from the diaphragm plate 116 in the Y direction. Similarly to the first lens array 114, the second lens array 122 includes several n (n = 3) lens portions 122A to 122C at equal intervals L0 in the length measurement direction (X direction). In the present embodiment, the focal lengths f of the lens portions 114A to 114C and the lens portions 122A to 122C are the same. The first lens array 114 and the second lens array 122 are made of polycarbonate (plastic) and have a linear expansion coefficient α LA of about 70 * 10 −6 / ° C.
受光部124は、図2に示す如く、Y方向で、第2レンズアレイ122から焦点距離f離れて配置されている。受光部124には、3つの受光素子アレイ124A〜124C(受光素子)が設けられている。そして、光源112A〜112Cとレンズ部114A〜114Cと開口120A〜120Cとレンズ部122A〜122Cと受光素子アレイ124A〜124Cとはそれぞれ、光軸中心O1〜O3上に配置されている。即ち、3つの受光素子アレイ124A〜124Cは、第1レンズアレイ114のレンズ部114A〜114Cと第2レンズアレイ122のレンズ部122A〜122Cとで結像されたスケール102の像を、それぞれ受光する。そして、受光素子アレイ124A〜124Cはそれぞれ、光学格子106の周期Prに従う周期信号Fi(i=1、2、3)を出力する。具体的には、周期信号Fiはそれぞれ、正弦波及び余弦波の2相アナログ信号とされている。このように、検出器110には、第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122を光軸方向O1〜O3に直列に備えるとともに第1レンズアレイ114と第2レンズアレイ122の間の焦点位置fに絞り板116の開口120A〜120Cを備える両側テレセントリック光学系が設けられている。なお、受光部124は、シリコンが素材として用いられており、その線膨張係数αDは、約2.6*10−6/℃である。 As shown in FIG. 2, the light receiving unit 124 is disposed at a focal distance f away from the second lens array 122 in the Y direction. The light receiving unit 124 is provided with three light receiving element arrays 124A to 124C (light receiving elements). The light sources 112A to 112C, the lens portions 114A to 114C, the openings 120A to 120C, the lens portions 122A to 122C, and the light receiving element arrays 124A to 124C are disposed on the optical axis centers O1 to O3, respectively. That is, the three light receiving element arrays 124A to 124C receive the images of the scale 102 formed by the lens portions 114A to 114C of the first lens array 114 and the lens portions 122A to 122C of the second lens array 122, respectively. . Each of the light receiving element arrays 124A to 124C outputs a periodic signal Fi (i = 1, 2, 3) according to the period Pr of the optical grating 106. Specifically, each of the periodic signals Fi is a two-phase analog signal of a sine wave and a cosine wave. As described above, the detector 110 includes the first lens array 114 and the second lens array 122 in series in the optical axis directions O1 to O3, and the focal position f between the first lens array 114 and the second lens array 122. A double-sided telecentric optical system having openings 120A to 120C of the diaphragm plate 116 is provided. Note that the light receiving unit 124 is made of silicon, and has a linear expansion coefficient α D of about 2.6 * 10 −6 / ° C.
検出器110は、図示せぬケーシングで一体化されている。その際に、測長方向(X方向)で光軸中心O2の位置で、第1レンズアレイ114と第2レンズアレイ122と受光部124とが一体的に固定されている(図2)。即ち、第1レンズアレイ114と第2レンズアレイ122の特定の一箇所Xstが、測長方向(X方向)で、レンズ部114B、122Bの光軸中心O2と一致されている。同時に、測長方向(X方向)で、光軸中心O2が第1レンズアレイ114と第2レンズアレイ122の中心位置でもある。即ち、第1レンズアレイ114と第2レンズアレイ122の特定の一箇所Xstが、測長方向(X方向)で、第1レンズアレイ114と第2レンズアレイ122の中心位置とされている。なお、当該一体的に固定する方法としては、ねじ止め、エポキシ系接着剤、若しくは溶着などで実現することができる。一体的に固定された位置以外は、動作温度Tpの変化で第1レンズアレイ114及び第2レンズアレイ122と受光部124とが特定の一箇所Xstを中心に、互いに膨張・収縮可能なように、弾性接着剤等で貼り付けられている。なお、絞り板116の開口120A〜120Cの動作温度Tpの上昇による位置変動は、スケール102の像ImgA〜ImgCの位置に大きな影響を与えないので、特定の一箇所Xstにこだわらずに検出器110に固定される。 The detector 110 is integrated with a casing (not shown). At this time, the first lens array 114, the second lens array 122, and the light receiving unit 124 are integrally fixed at the position of the optical axis center O2 in the length measurement direction (X direction) (FIG. 2). That is, a specific point Xst of the first lens array 114 and the second lens array 122 is coincident with the optical axis center O2 of the lens portions 114B and 122B in the length measurement direction (X direction). At the same time, the optical axis center O2 is also the center position of the first lens array 114 and the second lens array 122 in the length measurement direction (X direction). That is, one specific position Xst of the first lens array 114 and the second lens array 122 is the center position of the first lens array 114 and the second lens array 122 in the length measurement direction (X direction). In addition, as the method of fixing integrally, it can implement | achieve by screwing, an epoxy-type adhesive agent, or welding. Except for the fixed position, the first lens array 114, the second lens array 122, and the light receiving unit 124 can expand and contract with respect to each other about a specific point Xst by changing the operating temperature Tp. It is affixed with an elastic adhesive or the like. Note that the position variation due to the increase in the operating temperature Tp of the apertures 120A to 120C of the aperture plate 116 does not greatly affect the positions of the images ImgA to ImgC of the scale 102, so that the detector 110 is not limited to a specific one place Xst. Fixed to.
前記信号処理部126は、図2に示す如く、増幅回路128A〜128Cと、内挿回路130A〜130Cと、温度センサ132と、各種記憶部134〜140と、演算回路142と、位相演算回路144と、位相平均回路146とを有する。 As shown in FIG. 2, the signal processing unit 126 includes amplification circuits 128A to 128C, interpolation circuits 130A to 130C, a temperature sensor 132, various storage units 134 to 140, an arithmetic circuit 142, and a phase arithmetic circuit 144. And a phase averaging circuit 146.
増幅回路128A〜128Cは、図2に示す如く、受光素子アレイ124A〜124Cから出力された、光学格子106の周期Prに従う周期信号Fi(2相アナログ信号)のフィルタリングを行い、増幅する。内挿回路130A〜130Cは、増幅された2相アナログ信号から、逆正接演算(arctan演算)を行い、周期信号Fiの周期Pよりも細かい位相信号φ1〜φ3を求める。 As shown in FIG. 2, the amplifier circuits 128A to 128C perform filtering and amplification of the periodic signal Fi (two-phase analog signal) output from the light receiving element arrays 124A to 124C according to the period Pr of the optical grating 106. The interpolation circuits 130A to 130C perform an arc tangent calculation (arctan calculation) from the amplified two-phase analog signals to obtain phase signals φ1 to φ3 smaller than the period P of the periodic signal Fi.
一方、検出器110には、図2に示す如く、温度センサ132が設けられており、スケール102に対する検出器110の精度調整時のスケール102及び検出器110の周囲の温度Taから、スケール102及び検出器110の動作温度Tpへ変化した際の温度差δTを出力する。各種記憶部134〜140において、αS記憶部134はスケール102の線膨張長係数αS(8*10−6/℃)を、αLA記憶部136は第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122の線膨張長係数αLA(70*10−6/℃)を、αD記憶部138は受光部124の線膨張係数αD(2.6*10−6/℃)を、Li記憶部140は特定の一箇所Xstから各レンズ部114A〜114C(122A〜122C)のそれぞれの光軸中心O1〜O3までの距離Li(i=1、2、3)を、それぞれ記憶している。なお、特定の一箇所Xstは光軸中心O2と同一とされていることから、特定の一箇所Xstから光軸中心O1までの距離L1と特定の一箇所Xstから光軸中心O3までの距離L3は、共に光軸中心間距離L0で等しくされている。 On the other hand, the detector 110 is provided with a temperature sensor 132 as shown in FIG. 2, and the scale 102 and the ambient temperature Ta of the detector 110 when the accuracy of the detector 110 with respect to the scale 102 is adjusted are The temperature difference δT when the detector 110 changes to the operating temperature Tp is output. In the various storage units 134 to 140, the α S storage unit 134 stores the linear expansion length coefficient α S (8 * 10 −6 / ° C.) of the scale 102, and the α LA storage unit 136 includes the first lens array 114 and the second lens array. The linear expansion coefficient α LA of 122 (70 * 10 −6 / ° C.), the α D storage unit 138, the linear expansion coefficient α D of the light receiving unit 124 (2.6 * 10 −6 / ° C.), and the Li storage unit Reference numeral 140 stores distances Li (i = 1, 2, 3) from the specific one point Xst to the optical axis centers O1 to O3 of the lens portions 114A to 114C (122A to 122C), respectively. Since the specific one place Xst is the same as the optical axis center O2, the distance L1 from the specific one place Xst to the optical axis center O1 and the distance L3 from the specific one place Xst to the optical axis center O3. Are equal to each other by the distance L0 between the optical axis centers.
演算回路142は、温度センサ132の出力と各種記憶部134〜140の出力と、から各レンズ部114A〜114C(122A〜122C)における受光部124上のスケール102の像Imgの移動量dxiを式(1)により求める(なお、dx2はゼロとなる)。
dxi=(2αLA−αS−αD)*Li*δT (1)
The arithmetic circuit 142 calculates the amount of movement dxi of the image Img of the scale 102 on the light receiving unit 124 in each lens unit 114A to 114C (122A to 122C) from the output of the temperature sensor 132 and the outputs of the various storage units 134 to 140. (1) (dx2 is zero).
dxi = (2α LA −α S −α D ) * Li * δT (1)
ここで、スケール102、第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122、及び受光部124の線膨張係数の違いによるスケール102の像Imgの移動について、図4〜図6を用いて詳細に説明する。なお、図4〜図6では、スケール102及び受光部124とは大きく線膨張係数αLAの異なる第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122による変化のみを表現している。 Here, the movement of the image Img of the scale 102 due to the difference in the linear expansion coefficients of the scale 102, the first lens array 114, the second lens array 122, and the light receiving unit 124 will be described in detail with reference to FIGS. . In FIGS. 4 to 6, only changes due to the first lens array 114 and the second lens array 122, which have greatly different linear expansion coefficients α LA from the scale 102 and the light receiving unit 124, are represented.
第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122、および受光部124は、測長方向(X方向)で、光軸中心O2の一箇所で一体的に固定されている(光軸中心O2と特定の一箇所Xstが一致)。そして、光電式エンコーダ100を構成した際には、前述の如くスケール102に対する検出器110の精度調整が行われる。即ち、このときのスケール102及び検出器110の周囲の温度Taにおける、各レンズ部114A〜114C、122A〜122Cによるスケール102の像ImgA〜ImgCの位置が受光部124上での基準となる。このとき、図4(A)のリサージュ図形LSJに示す如く、スケール102の像ImgA〜ImgCの位相ずれはほとんど生じていない状態となる。 The first lens array 114, the second lens array 122, and the light receiving unit 124 are integrally fixed at one position of the optical axis center O2 in the length measurement direction (X direction) (specific to the optical axis center O2). One place Xst matches). When the photoelectric encoder 100 is configured, the accuracy adjustment of the detector 110 with respect to the scale 102 is performed as described above. That is, the positions of the images ImgA to ImgC of the scale 102 by the lens portions 114A to 114C and 122A to 122C at the temperature Ta around the scale 102 and the detector 110 at this time are the reference on the light receiving unit 124. At this time, as shown in the Lissajous figure LSJ of FIG. 4A, the phase shift of the images ImgA to ImgC of the scale 102 hardly occurs.
第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122の線膨張係数αLAは、スケール102の線膨張係数αS、受光部124の線膨張係数αDと異なり大きい。このため、精度調整後のスケール102及び検出器110の動作温度Tpが温度Taから上昇する。すると、第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122が、測長方向(X方向)にスケール102や受光部124に比べて大きく伸びることとなる。ここで、光軸中心O2が固定されているので、光軸中心O1は、レンズ部114A、122Aがスケール102や受光部124の膨張よりも大きく、光軸中心O2から移動する。同様に、光軸中心O3は、レンズ部114C、122Cがスケール102や受光部124の膨張よりも大きく、光軸中心O2から移動する。 The first lens array 114, the linear expansion coefficient alpha LA of the second lens array 122, the linear expansion coefficient of the scale 102 alpha S, large unlike the linear expansion coefficient alpha D of the light receiving portion 124. For this reason, the operating temperature Tp of the scale 102 and the detector 110 after accuracy adjustment rises from the temperature Ta. Then, the first lens array 114 and the second lens array 122 extend greatly in the length measurement direction (X direction) as compared with the scale 102 and the light receiving unit 124. Here, since the optical axis center O2 is fixed, the optical axis center O1 moves from the optical axis center O2 because the lens portions 114A and 122A are larger than the expansion of the scale 102 and the light receiving portion 124. Similarly, the optical axis center O3 moves from the optical axis center O2 because the lens portions 114C and 122C are larger than the expansion of the scale 102 and the light receiving unit 124.
即ち、図4(B)で示す如く、動作温度Tpが温度Taよりも上昇すると、スケール102の像ImgA〜ImgCは互いに離れるように移動することとなる。このため、精度調整時に比べて、像ImgBを基準とするリサージュ図形では、像ImgAと像ImgCとは位相がずれてくる(位相ずれの発生)。第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122、スケール102、及び受光部124の膨張は、精度調整時の温度Taと動作温度Tpとの温度差δTが大きくなれば、温度差δTに比例して大きくなる。このため、温度差δTが大きい状態を示す図5(A)、(B)では、リサージュ図形LSJに示す如く、像ImgBと像ImgAおよび像ImgCとの位相が大きくずれていくことなる(位相ずれの拡大)。ここで、スケール102と受光部124の線膨張係数αS、αDは、第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122の線膨張係数αLAに比べて小さい。このため、結果的に図6に示す如く、大まかにはスケール102に対して光軸中心O1、O3が移動した分dLの2倍(2dL)で、スケール102の像ImgA、ImgCが移動することとなる。即ち、スケール102の像Imgの移動量dxiは式(1)で正確に求めることができる。 That is, as shown in FIG. 4B, when the operating temperature Tp rises above the temperature Ta, the images ImgA to ImgC of the scale 102 move away from each other. For this reason, in the Lissajous figure based on the image ImgB, the phases of the image ImgA and the image ImgC are shifted (occurrence of phase shift) as compared with the accuracy adjustment. The expansion of the first lens array 114, the second lens array 122, the scale 102, and the light receiving unit 124 is proportional to the temperature difference δT when the temperature difference δT between the temperature Ta and the operating temperature Tp during accuracy adjustment increases. growing. For this reason, in FIGS. 5A and 5B showing a state where the temperature difference δT is large, as shown in the Lissajous figure LSJ, the phases of the image ImgB and the image ImgA and the image ImgC are greatly shifted (phase shift). Expansion). Here, the linear expansion coefficients α S and α D of the scale 102 and the light receiving unit 124 are smaller than the linear expansion coefficients α LA of the first lens array 114 and the second lens array 122. Therefore, as a result, as shown in FIG. 6, the images ImgA and ImgC of the scale 102 move approximately twice (2 dL) dL as much as the optical axis centers O1 and O3 move relative to the scale 102. It becomes. That is, the moving amount dxi of the image Img on the scale 102 can be accurately obtained by the equation (1).
そして、移動量dxiに対して周期信号Fiの周期Pから式(2)で移動位相δφiを求める。求められた移動位相δφiは演算回路142から出力される。なお、周期Pは、2相アナログ信号でリサージュ図形を構成する時の周期(リサージュ周期)ともいえる。
δφi=2πdxi/P (2)
Then, the movement phase δφi is obtained from the period P of the periodic signal Fi with respect to the movement amount dxi by the equation (2). The obtained moving phase δφi is output from the arithmetic circuit 142. The period P can also be said to be a period (Lissajous period) when a Lissajous figure is composed of two-phase analog signals.
δφi = 2πdxi / P (2)
ここで、図2において、レンズ部114A〜114Cとレンズ部122A〜122Cとが同一とされ、距離関係がすべて焦点距離fとされている。このため、スケール102上の光学格子106の周期Prとスケール102の像の周期、即ち周期信号Fiの周期Pとは同一とされている。 Here, in FIG. 2, the lens portions 114A to 114C and the lens portions 122A to 122C are the same, and the distance relationship is all the focal length f. For this reason, the period Pr of the optical grating 106 on the scale 102 and the period of the image of the scale 102, that is, the period P of the periodic signal Fi are the same.
演算回路142から出力された移動位相δφ1は、位相演算回路144のうち、位相加算回路144Aで位相信号φ1と加算されることで、位相信号φ1が補正されて、位相ずれが解消される。これは、動作温度Tpの上昇に伴い、第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122のレンズ部114A、122Aの膨張が大きくなり、スケール102の像の位置が特定の一箇所Xstから紙面左側に離れていくためである(図6)。逆に演算回路142から出力された移動位相δφ3(=δφ1)は、位相演算回路144のうち、位相減算回路144Bで位相信号φ3から減算されることで、位相信号φ3が補正されて、位相ずれが解消される。これは、動作温度Tpの上昇に伴い、第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122のレンズ部114C、122Cの膨張が大きくなり、スケール102の像の位置が特定の一箇所Xstから紙面右側に離れていくためである(図6)。 The movement phase δφ1 output from the arithmetic circuit 142 is added to the phase signal φ1 by the phase addition circuit 144A in the phase arithmetic circuit 144, whereby the phase signal φ1 is corrected and the phase shift is eliminated. This is because the expansion of the lens portions 114A and 122A of the first lens array 114 and the second lens array 122 increases as the operating temperature Tp rises, and the position of the image of the scale 102 moves from a specific one place Xst to the left side of the drawing. This is to leave (FIG. 6). Conversely, the moving phase δφ3 (= δφ1) output from the arithmetic circuit 142 is subtracted from the phase signal φ3 by the phase subtracting circuit 144B in the phase arithmetic circuit 144, so that the phase signal φ3 is corrected and the phase shift occurs. Is resolved. This is because the expansion of the lens portions 114C and 122C of the first lens array 114 and the second lens array 122 increases with the increase of the operating temperature Tp, and the position of the image of the scale 102 moves from the specific one place Xst to the right side of the drawing. This is to leave (FIG. 6).
即ち、特定の一箇所Xstに対する各レンズ部114A〜114C(122A〜122C)のそれぞれの光軸中心O1〜O3の位置に従い、位相信号φiに移動位相δφiが加算もしくは減算されることで、受光素子アレイ124A〜124C毎の位相信号φiはそれぞれ、異なる線膨張係数αLAに起因する位相ずれが解消されるように補正される。言い換えれば、受光素子アレイ124A〜124C毎の周期信号Fiから求められる位相信号φiはそれぞれ、スケール102及び検出器110の動作温度Tpと、特定の一箇所Xstから各レンズ部114A〜114C(122A〜122C)のそれぞれの光軸中心O1〜O3までの距離Liとを用いて、異なる線膨張係数αLAに起因する位相ずれが解消されるように補正される。なお、特定の一箇所Xstは光軸中心O2と同一とされていることから、位相信号φ2を補正する必要がない。 That is, the light receiving element is obtained by adding or subtracting the moving phase δφi to the phase signal φi according to the positions of the optical axis centers O1 to O3 of the lens portions 114A to 114C (122A to 122C) with respect to a specific one place Xst. The phase signal φi for each of the arrays 124A to 124C is corrected so that the phase shift caused by the different linear expansion coefficient α LA is eliminated. In other words, the phase signal φi obtained from the periodic signal Fi for each of the light receiving element arrays 124A to 124C is obtained from the lens 102A to 114C (122A to 122A to 122C) from the operating temperature Tp of the scale 102 and the detector 110 and the specific one point Xst. by using the distance Li to the respective optical axis O1~O3 of 122C), it is corrected so that the phase shift caused by the different linear expansion coefficient alpha LA is eliminated. Note that the specific one point Xst is the same as the optical axis center O2, and therefore it is not necessary to correct the phase signal φ2.
受光素子アレイ124A〜124C毎に得られる補正された補正位相信号Cφiは、図2に示す如く、位相平均回路146に入力される。位相平均回路146は、補正位相信号Cφ1、Cφ3と位相信号φ2とを平均して、平均位相信号φavを求めて出力する。なお、信号処理部126には、図示せぬ2相デジタル信号を2相方形波信号として出力する回路と、該2相方形波信号を計数するカウンタ回路が設けられている。このため、スケール102上の原点マークから方形波信号をカウントし、それに平均位相信号φavの位置情報を加えることで、正確で詳細なスケール102に対する検出器110の位置が求められる。 The corrected correction phase signal Cφi obtained for each of the light receiving element arrays 124A to 124C is input to the phase averaging circuit 146 as shown in FIG. The phase averaging circuit 146 averages the corrected phase signals Cφ1 and Cφ3 and the phase signal φ2, and obtains and outputs an average phase signal φav. The signal processing unit 126 includes a circuit that outputs a two-phase digital signal (not shown) as a two-phase square wave signal and a counter circuit that counts the two-phase square wave signal. For this reason, the square wave signal is counted from the origin mark on the scale 102, and the position information of the average phase signal φav is added to the square wave signal, thereby obtaining the accurate and detailed position of the detector 110 with respect to the scale 102.
このように、本実施形態では、動作温度Tpが上昇して第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122が膨張しても、得られる位相信号φiを補正することで位相ずれを解消でき、検出精度を維持することができる。 Thus, in this embodiment, even if the operating temperature Tp rises and the first lens array 114 and the second lens array 122 expand, the phase shift can be eliminated by correcting the obtained phase signal φi, and detection Accuracy can be maintained.
また、第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122の素材として線膨張係数の大きいプラスチック(ポリカーボネート)を用いているので、第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122がガラスであるよりも、検出器110のコストを低減することができる。 Since the first lens array 114 and the second lens array 122 are made of plastic (polycarbonate) having a large linear expansion coefficient, the first lens array 114 and the second lens array 122 are detected more than glass. The cost of the device 110 can be reduced.
また、第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122、及び受光部124を特定の一箇所Xstで一体的に固定しているので、温度差δTによる位相補正の計算が容易である。同時に、熱膨張による第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122、及び受光部124の膨張を強制的に抑え込むなどしていない。このため、第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122、及び受光部124に大きなひずみを与えないので、エンコーダの長期的な品質保持が可能である。 In addition, since the first lens array 114, the second lens array 122, and the light receiving unit 124 are integrally fixed at one specific place Xst, calculation of phase correction by the temperature difference δT is easy. At the same time, the expansion of the first lens array 114, the second lens array 122, and the light receiving unit 124 due to thermal expansion is not forcibly suppressed. For this reason, since a large distortion is not given to the first lens array 114, the second lens array 122, and the light receiving unit 124, long-term quality of the encoder can be maintained.
また、位相信号φiの補正は各受光素子アレイ124A〜124C毎に行うので、その補正は容易に行うことができる。その際に、特定の一箇所Xstは光軸中心O2と一致している。このため、各光軸中心O1、O3までの距離L1、L3は距離L0と同一であり、更に容易に位相信号φiの補正が可能である。 Moreover, since the correction of the phase signal φi is performed for each of the light receiving element arrays 124A to 124C, the correction can be easily performed. At that time, the specific one point Xst coincides with the optical axis center O2. Therefore, the distances L1 and L3 to the optical axis centers O1 and O3 are the same as the distance L0, and the phase signal φi can be corrected more easily.
また、光軸中心O2は、測長方向(X方向)で第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122の中心位置でもあるので、スケール102の像Imgの移動量が左右均等であり、簡単且つ正確に温度による当該移動量を求めることができる。同時に、仮に温度上昇で第1、第2レンズアレイにそりなどが生じても、端部の一箇所で抑えた際に生じるそりよりも小さくすることができるので、そりなどの影響を低減することができる。また、構成上、第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122、及び受光部124の互いの固定とケーシングへの固定とが精度よく、且つ容易に行うことができる。 In addition, since the optical axis center O2 is also the center position of the first lens array 114 and the second lens array 122 in the length measuring direction (X direction), the amount of movement of the image Img of the scale 102 is equal to the left and right. The amount of movement due to temperature can be accurately determined. At the same time, even if warpage or the like occurs in the first and second lens arrays due to temperature rise, it can be made smaller than the warpage that occurs when restrained at one end, thereby reducing the influence of warpage or the like. Can do. Further, in terms of configuration, the first lens array 114, the second lens array 122, and the light receiving unit 124 can be fixed to each other and fixed to the casing accurately and easily.
また、本実施形態では、検出器110に両側テレセントリック光学系を構成しているので、スケール102の位置と受光部124の位置の両方が光軸方向(Y方向)で多少ずれても、高い検出精度を保持することが可能である。 In this embodiment, since the detector 110 has a double-sided telecentric optical system, high detection is possible even if both the position of the scale 102 and the position of the light receiving unit 124 are slightly shifted in the optical axis direction (Y direction). It is possible to maintain accuracy.
即ち、本実施形態によれば、検出器110に設けられた第1レンズアレイ114、第2レンズアレイ122の線膨張係数αLAが検出器110の受光部124とスケール102のうちのいずれかと異なっても、動作温度範囲を拡大しつつ、スケール102に対する検出器110の位置を正確に求めることが可能となる。 That is, according to the present embodiment, the linear expansion coefficient α LA of the first lens array 114 and the second lens array 122 provided in the detector 110 is different from any one of the light receiving unit 124 and the scale 102 of the detector 110. However, it is possible to accurately obtain the position of the detector 110 with respect to the scale 102 while expanding the operating temperature range.
本発明について第1実施形態を上げて説明したが、本発明は第1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 first embodiment, the present invention is not limited to the first embodiment. That is, it goes without saying that improvements and design changes can be made without departing from the scope of the present invention.
第1実施形態においては、絞り板116が第1レンズアレイ114と第2レンズアレイ122との間に配置されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、絞り板のない図7(A)で示される第2実施形態の如くされていてもよい。その場合には、絞り板のない分、部品点数を低減でき、エンコーダを低コストとすることができる。なお、動作温度Tpが温度Taに比べて上昇していく際の、スケール202の像ImgA〜ImgCの移動の様子を図7〜図9に示す。 In the first embodiment, the diaphragm plate 116 is disposed between the first lens array 114 and the second lens array 122, but the present invention is not limited to this. For example, the second embodiment shown in FIG. 7A without a diaphragm may be used. In that case, the number of parts can be reduced by the absence of the diaphragm plate, and the cost of the encoder can be reduced. FIGS. 7 to 9 show how the images ImgA to ImgC of the scale 202 move when the operating temperature Tp rises compared to the temperature Ta.
また、上記実施形態では、第1レンズアレイと第2レンズアレイの2つが検出器に設けられていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図10(A)で示される第3実施形態の如く、第1レンズアレイ314のみが用いられていてもよい。その場合には、部品点数を更に低減でき、エンコーダを低コストとすることができる。なお、動作温度Tpが温度Taに比べて上昇していく際の、スケール302の像ImgA〜ImgCの移動の様子を図10〜図12に示す。 Moreover, in the said embodiment, although two, 1st lens array and 2nd lens array, were provided in the detector, this invention is not limited to this. For example, only the first lens array 314 may be used as in the third embodiment shown in FIG. In that case, the number of parts can be further reduced, and the cost of the encoder can be reduced. 10 to 12 show how the images ImgA to ImgC on the scale 302 move when the operating temperature Tp rises compared to the temperature Ta.
また、第3実施形態では、第1レンズアレイ314のみで検出器の光学系が構成されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図13(A)で示される第4実施形態の如く、検出器には、第1レンズアレイ414の焦点位置に絞り板416の開口を備える片側テレセントリック光学系が設けられていてもよい。その場合には、第3実施形態よりも光軸方向(Y方向)でスケール402の位置の配置許容度を向上させながら、第1、第2実施形態よりも部品点数を低減でき、エンコーダを低コストとすることができる。なお、動作温度Tpが温度Taに比べて上昇していく際の、スケール402の像ImgA〜ImgCの移動の様子を図13〜図15に示す。 In the third embodiment, the optical system of the detector is configured by only the first lens array 314. However, the present invention is not limited to this. For example, as in the fourth embodiment shown in FIG. 13A, the detector may be provided with a one-side telecentric optical system having an aperture of the diaphragm plate 416 at the focal position of the first lens array 414. In that case, the number of parts can be reduced compared to the first and second embodiments while improving the placement tolerance of the position of the scale 402 in the optical axis direction (Y direction) compared to the third embodiment, and the encoder can be reduced. It can be a cost. Note that FIGS. 13 to 15 show how the images ImgA to ImgC of the scale 402 move when the operating temperature Tp rises compared to the temperature Ta.
また、上記実施形態では、レンズ部と受光素子アレイとが共に3つであったが、本発明はこれに限定されず、2つ以上であればよい。例えば、第1実施形態に比べてレンズ部と受光素子アレイがそれぞれ1つ増えた図16で示される第5実施形態の如くであってもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the lens part and the light receiving element array were both three, this invention is not limited to this, What is necessary is just two or more. For example, it may be as in the fifth embodiment shown in FIG. 16 in which the lens portion and the light receiving element array are each increased by one compared to the first embodiment.
第5実施形態では、第1レンズアレイ514、第2レンズアレイ522の中心位置が特定の一箇所Xstとされている。しかし、レンズ部514A〜514D(522A〜522D)が4つあることから、特定の一箇所Xstは、レンズ部514B、514C(522B、522C)の中間の位置とされている。このため、いずれの光軸中心O1〜O4も、動作温度Tpの変化によりスケール502の像ImgA〜ImgDの移動が生じる。したがって、特定の一箇所Xstからの距離が近い光軸中心O2、O3は、Li記憶部540Bに記憶された距離0.5L0を用いて移動位相δφ2が求められる。また、特定の一箇所Xstからの距離が遠い光軸中心O1、O4は、Li記憶部540Aに記憶された距離1.5L0を用いて移動位相δφ1が求められる。 In the fifth embodiment, the center position of the first lens array 514 and the second lens array 522 is a specific one place Xst. However, since there are four lens portions 514A to 514D (522A to 522D), the specific one place Xst is set at an intermediate position between the lens portions 514B and 514C (522B and 522C). For this reason, in any of the optical axis centers O1 to O4, the movement of the images ImgA to ImgD of the scale 502 occurs due to the change in the operating temperature Tp. Therefore, the optical phase centers O2 and O3 having a short distance from the specific one place Xst are obtained with the movement phase δφ2 using the distance 0.5L0 stored in the Li storage unit 540B. Further, for the optical axis centers O1 and O4 that are far from the specific one place Xst, the moving phase δφ1 is obtained using the distance 1.5L0 stored in the Li storage unit 540A.
このように、レンズ部の数に限られることなく、本発明では、位相信号φiの補正で位相ずれが解消でき、安定してスケールに対する検出器の位置を正確に求めることができる。 Thus, the present invention is not limited to the number of lens portions, and in the present invention, the phase shift can be eliminated by correcting the phase signal φi, and the position of the detector with respect to the scale can be obtained stably and accurately.
また、上記実施形態では、透過型の光電式エンコーダであったが、本発明はこれに限定されない。例えば、図17で示す第6実施形態の如く、反射型の光電式エンコーダ600が構成されてもよい。なお、図17で、紙面奥行き方向が測長方向とされ、その方向に複数のレンズ部が設けられている。また、図17では、検出器に両側テレセントリック光学系が構成されているが、本発明はレンズアレイが用いられていれば特にテレセントリック光学系に限定されない。 In the above embodiment, the transmissive photoelectric encoder is used, but the present invention is not limited to this. For example, a reflective photoelectric encoder 600 may be configured as in the sixth embodiment shown in FIG. In FIG. 17, the depth direction in the drawing is the length measurement direction, and a plurality of lens units are provided in that direction. In FIG. 17, the detector has a double-sided telecentric optical system. However, the present invention is not limited to the telecentric optical system as long as a lens array is used.
また、上記実施形態においては、式(1)、式(2)を用いて位相信号φiがそれぞれ補正されて位相ずれが解消されていたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、式(1)、式(2)に限らず、受光素子アレイ毎の周期信号Fiから求められる位相信号φiがそれぞれ、スケール及び検出器の動作温度Tpと、特定の一箇所Xstから各レンズ部のそれぞれの光軸中心までの距離Liとを用いて、異なる線膨張係数αLAに起因する位相ずれが解消されるように補正されていればよい。 Moreover, in the said embodiment, although phase signal (phi) i was each corrected using Formula (1) and Formula (2) and the phase shift was eliminated, this invention is not limited to this. The present invention is not limited to the equations (1) and (2), and the phase signal φi obtained from the periodic signal Fi for each light receiving element array is calculated from the operating temperature Tp of the scale and the detector and a specific one point Xst. What is necessary is just to correct | amend so that the phase shift resulting from different linear expansion coefficient (alpha) LA may be canceled using distance Li to each optical-axis center of each lens part.
また、上記実施形態においては、特定の一箇所Xstは、測長方向(X方向)で、レンズアレイの中心位置とされて、且つレンズ部とレンズ部の中間位置若しくは光軸中心と一致していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、レンズアレイの端部を特定の一箇所Xstとして、検出器のケーシングにレンズアレイと受光部とを一体的に固定してもよい。 In the above embodiment, the specific one point Xst is the center position of the lens array in the length measurement direction (X direction) and coincides with the intermediate position of the lens portion and the lens portion or the optical axis center. However, the present invention is not limited to this. For example, the lens array and the light receiving unit may be integrally fixed to the casing of the detector with the end of the lens array as a specific place Xst.
また、上記実施形態においては、スケールの素材はガラスとされ、レンズアレイの素材はプラスチックとされ、そして受光部の素材はシリコンとされ、それぞれの線膨張係数αLA、αS、αDはそれぞれ異なっていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、レンズアレイが少なくともスケールと受光部のうちのいずれか一方とは異なる線膨張係数αLAを備えていればよい。即ち、レンズアレイを設計上の都合や低コスト化のために線膨張係数の大小にこだわらず、自在にスケール、レンズアレイ、及び受光部の素材を選択することが可能である。 In the above embodiment, the material of the scale is glass, the material of the lens array is plastic, and the material of the light receiving part is silicon, and the respective linear expansion coefficients α LA , α S , α D are respectively Although different, the present invention is not limited to this. For example, the lens array only needs to have a linear expansion coefficient α LA different from at least one of the scale and the light receiving unit. That is, it is possible to freely select materials for the scale, the lens array, and the light receiving unit regardless of the linear expansion coefficient for the convenience of design and cost reduction of the lens array.
また、上記実施形態においては、動作温度Tpが温度Taよりも上昇するとして説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、動作温度Tpが温度Taよりも低下するような場合であってもよい。その際には、レンズアレイは収縮することとなるので、上述の説明において、その温度差の符号を逆にすればよい。 In the above embodiment, the operation temperature Tp has been described as being higher than the temperature Ta, but the present invention is not limited to this. For example, the operating temperature Tp may be lower than the temperature Ta. In that case, the lens array contracts, and therefore, the sign of the temperature difference may be reversed in the above description.
また、上記実施形態においては、検出器に温度センサが設けられていたが本発明はこれに限定されない。例えば、温度をエンコーダ外部で検出して、その温度を用いてもよい。あるいは、たとえば、エンコーダに設けられた高温警報用の温度センサの出力を用いてもよいし、別に温度センサを設けてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the temperature sensor was provided in the detector, this invention is not limited to this. For example, the temperature may be detected outside the encoder and used. Alternatively, for example, an output of a temperature sensor for a high temperature alarm provided in the encoder may be used, or a temperature sensor may be provided separately.
また、上記実施形態においては、受光素子として受光素子アレイを用いたが本発明はこれに限定されない。例えば、インデックススケールとアレイを構成しない受光センサとの組み合わせで受光素子を構成してもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the light receiving element array was used as a light receiving element, this invention is not limited to this. For example, the light receiving element may be configured by a combination of an index scale and a light receiving sensor that does not form an array.
本発明の光電子式エンコーダは、レンズアレイの線膨張係数を、低コスト化のために受光部若しくはスケールの線膨張係数と異ならせても、位置検出の精度を保ちながらエンコーダの動作温度範囲を拡大できるので、位置検出が必要とされるさまざま分野に適用が可能である。 The optoelectronic encoder of the present invention extends the operating temperature range of the encoder while maintaining the accuracy of position detection even if the linear expansion coefficient of the lens array is made different from the linear expansion coefficient of the light receiving unit or the scale for cost reduction. Therefore, it can be applied to various fields where position detection is required.
100、500、600…光電式エンコーダ
2、52、102、202、302、402、502、602…スケール
14、 64、114、214、314、414、514、614…第1レンズアレイ
16、116、416、516、616…絞り板
24、124、224、324、424、524、624…受光部
104、118、518…基材
106…光学格子
110、510…検出器
112、512…光源
64A、64B、114A〜114C、122A〜122C、514A〜514D、522A〜522D…レンズ部
120A〜120C、520A〜520D…開口
122、222、522、622…第2レンズアレイ
124A〜124C、524A〜524D…受光素子アレイ
126、526…信号処理部
128A〜128C、528A〜528D…増幅回路
130A〜130C、530A〜530D…内挿回路
132、532…温度センサ
134、534…αS記憶部
136、536…αLA記憶部
138、538…αD記憶部
140、540A、540B…Li記憶部
142、542A、542B…演算回路
144…位相演算回路
144A、544A、544B…位相加算回路
144B、544C、544D…位相減算回路
146、546…位相平均回路
100, 500, 600 ... photoelectric encoder 2, 52, 102, 202, 302, 402, 502, 602 ... scale 14, 64, 114, 214, 314, 414, 514, 614 ... first lens array 16, 116, 416, 516, 616 ... Diaphragm plate 24, 124, 224, 324, 424, 524, 624 ... Light receiving part 104, 118, 518 ... Base material 106 ... Optical grating 110, 510 ... Detector 112, 512 ... Light source
64A, 64B, 114A to 114C, 122A to 122C, 514A to 514D, 522A to 522D ... Lens part
120A to 120C, 520A to 520D ... Apertures 122, 222, 522, 622 ... Second lens array 124A to 124C, 524A to 524D ... Light receiving element array 126,526 ... Signal processing units 128A to 128C, 528A to 528D ... Amplifier circuit 130A ˜130C, 530A to 530D, interpolator 132, 532, temperature sensor 134, 534, α S storage unit 136, 536, α LA storage unit 138, 538, α D storage unit 140, 540A, 540B, Li storage unit 142 , 542A, 542B ... arithmetic circuit 144 ... phase arithmetic circuit 144A, 544A, 544B ... phase addition circuit 144B, 544C, 544D ... phase subtraction circuit 146, 546 ... phase averaging circuit
Claims (8)
該検出器に、数n(n≧2)のレンズ部を前記測長方向に備えるとともに前記スケールの像を結像させるレンズアレイと、該レンズ部毎に結像された該スケールの像をそれぞれ受光する数nの受光素子を備えるとともに該受光素子毎に前記光学格子の周期に従う周期信号Fi(i=1、・・・、n)を出力する受光部と、を有する光電式エンコーダにおいて、
前記レンズアレイが少なくとも前記スケールと前記受光部のうちのいずれか一方とは異なる線膨張係数αLAを備え、
前記測長方向における該レンズアレイの特定の一箇所で該レンズアレイと該受光部とが一体的に固定され、
前記受光素子毎の前記周期信号Fiから求められる位相信号φiはそれぞれ、前記スケール及び検出器の動作温度Tpと、前記特定の一箇所から前記各レンズ部のそれぞれの光軸中心までの距離Liとを用いて、前記異なる線膨張係数αLAに起因する位相ずれが解消されるように補正され、更に、
前記受光素子毎に得られる補正された補正位相信号Cφiを平均して平均位相信号φavが求められ、該平均位相信号φavにより前記スケールに対する前記検出器の位置が求められることを特徴とする光電式エンコーダ。 A scale in which optical gratings are formed at equal intervals in the length measuring direction, and a detector that is relatively displaced with respect to the scale,
The detector includes a lens array of several n (n ≧ 2) in the length measuring direction and forms an image of the scale, and an image of the scale formed for each lens unit. In a photoelectric encoder having a number n of light receiving elements for receiving light and a light receiving unit that outputs a periodic signal Fi (i = 1,..., N) according to the period of the optical grating for each light receiving element.
The lens array includes a linear expansion coefficient α LA different from at least one of the scale and the light receiving unit,
The lens array and the light receiving unit are integrally fixed at a specific position of the lens array in the length measuring direction,
The phase signal φi obtained from the periodic signal Fi for each of the light receiving elements is respectively the operating temperature Tp of the scale and detector, the distance Li from the specific location to the center of the optical axis of each lens unit, and Is corrected so as to eliminate the phase shift caused by the different linear expansion coefficient α LA ,
The corrected correction phase signal Cφi obtained for each light receiving element is averaged to obtain an average phase signal φav, and the average phase signal φav is used to determine the position of the detector with respect to the scale. Encoder.
該移動量dxiに対して前記周期信号Fiの周期Pから式(2)で移動位相δφiが求められ、
更に、前記特定の一箇所に対する前記各レンズ部のそれぞれの光軸中心の位置に従い、前記位相信号φiに該移動位相δφiが加算もしくは減算されることで、前記受光素子毎の前記位相信号φiはそれぞれ、前記異なる線膨張係数αLAに起因する位相ずれが解消されるように補正され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。
dxi=(2αLA−αS−αD)*Li*δT (1)
δφi=2πdxi/P (2) The distance Li from the specific location to the center of the optical axis of each lens unit, the linear expansion coefficients α LA , α S , α D of the lens array, scale, and light receiving unit, and the operating temperature Tp From the temperature difference δT between the scale and the ambient temperature Ta of the detector when the accuracy of the detector with respect to the scale is adjusted, the moving amount dxi of the scale image on the detection unit in each lens unit is expressed by the equation ( 1),
The movement phase δφi is obtained from the period P of the periodic signal Fi with respect to the movement amount dxi by the equation (2),
Further, the phase signal φi for each light receiving element is obtained by adding or subtracting the moving phase δφi to or from the phase signal φi according to the position of the optical axis center of each lens unit with respect to the specific location. The photoelectric encoder according to claim 1, wherein each of the photoelectric encoders is corrected so as to eliminate a phase shift caused by the different linear expansion coefficient α LA .
dxi = (2α LA −α S −α D ) * Li * δT (1)
δφi = 2πdxi / P (2)
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