JP4398744B2

JP4398744B2 - 光電式エンコーダ

Info

Publication number: JP4398744B2
Application number: JP2004025606A
Authority: JP
Inventors: 俊隆下村; 辰悟二本森
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2024-02-02
Also published as: US20040178333A1; JP2004264295A

Description

本発明は、少なくともメインスケール上の格子によって生じた明暗の縞を、前記メインスケールと相対移動する、インデックス格子と受光素子を組み合わせた受光部によって検出するようにされた光電式エンコーダに関する。又、インデックス格子と受光素子を組み合わせた受光部の代わりに、インデックス格子と受光素子が一体化された受光素子アレイによって検出する光電式エンコーダに関する。なお、明暗の縞は光学系の設計により干渉縞またはメインスケールの像となるように設定できる。

従来より、図１に示すような透過型の光電式エンコーダが使用されている。図において、１０は光源、１２は、該光源１０から出射された光を平行光線化するためのコリメートレンズ、２０は、その表面（図では下面）に所定ピッチＰの第１格子２１が形成された透過型のメインスケール、３０は受光部であり、所定ピッチＱのインデックス格子３１と受光素子３２が組み合わされている。

図１の構成では、インデックス格子３１と受光素子３２とが個別部品であるため、それらを組み立てる必要がある。又、方向弁別（Ａ相、Ｂ相）のために複数の受光素子３２Ａ、３２Ｂが必要であるが、光感度特性や温度特性を揃えるために、素子を選別しなければならない。

そこで、特許文献１に記載されているように、図２（正面図）及び図３（図２のIII−III線に沿う平面図）に示す如く、所定ピッチＱのインデックス格子と受光素子３２が一体化された受光素子アレイ３３を受光部に使用した透過型の光電式エンコーダが提案されている。図３において、３４はプリアンプ、３６Ａ、３６Ｂは差動アンプである。

このような受光素子アレイ３３の採用は、小型化や信号安定性の向上といった、多くの利点がある。

又、反射型光電式エンコーダにおいては、特許文献２に記載されている如く、図４に示すように、２枚の格子（インデックススケール５０上の第１格子５１と反射型のメインスケール４０上の第２格子４２）によって生じた明暗の縞の位置を、互いの相対移動によって変化させ、更にその明暗の縞を、インデックススケール５０上の第３格子（インデックス格子）５３によってフィルタリングすることで相対移動量を検出する、３格子原理を応用したものが多くあり、受光素子アレイ３３（図４では下向きに配置）を組み合わせることで、前記の利点を享受している。

特許第２６１０６２４号公報特公昭６０−２３２８２号公報

しかしながら、メインスケール２０、４０の格子ピッチＰにより、受光側の格子ピッチＱも決定されてしまうため、ピッチＰとは異なる格子ピッチを持つメインスケールに対応しようとすると、それに併せて受光部側を作り換えなければならない。又、メインスケール２０、４０の格子２１、４１の面から、その格子ピッチＰと光波長λによって決まる距離にしか明暗の縞が生じないため、受光素子アレイ３３の採用／不採用に拘わらず、ギャップが変動した場合の信号出力の低下が大きいという問題がある。

又、３格子原理を利用したエンコーダでは、図４に示したように、通常、メインスケール４０上に第２格子４２を形成しているが、図５に示す如く、メインスケール４０の表面にうねりが存在する場合には、光の反射角変化の影響により測定誤差が発生するという問題点も有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、１種類の受光部を採用しながらも、異なるピッチのメインスケールに対応することができ、且つ、構成が簡単な光電式エンコーダを提供することを課題とする。

本発明は、光源からの光をメインスケールに照射し、少なくともメインスケール上の格子によって生じた明暗の縞を、前記メインスケールと相対移動する、インデックス格子と受光素子を組み合わせた受光素子アレイによって検出するようにされた光電式エンコーダにおいて、前記メインスケールと受光素子アレイの間にレンズアレイとアパーチャアレイを挿入すると共に、該レンズアレイの各レンズの受光素子アレイ側焦点位置にアパーチャアレイを配置し、前記レンズアレイとメインスケール及び受光素子アレイ間の距離を調整することにより、倍率設定を行なうようにして、前記課題を解決したものである。なお、明暗の縞は光学系の設計により干渉縞またはメインスケールの像となるように設定できる。

又、前記レンズアレイの隣接するレンズ間に仕切り板を設けて、隣りのレンズからの迷光の入射を防止したものである。

又、前記メインスケールが反射型であるときの、スケール表面のうねりの影響を低減したものである。

又、前記光源として拡散光源を使用し、前記レンズアレイの各レンズがコリメートレンズも兼ねるようにして、構成を簡略化したものである。

本発明によれば、１種類の受光部で異なる格子ピッチのスケールに対応可能となる。

更に、アパーチャアレイを挿入したので、ギャップ変動の影響を低減して、安定性に優れた信号を得ることができる。

又、反射型では、スケールのうねりの影響を低減することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

まず比較例について説明する。第１比較例は、図１に示した従来例と同様の透過型光電式エンコーダにおいて、図６（斜視図）及び図７（光路図）に示す如く、メインスケール２０の第１格子２１と受光部３０の間にレンズ６０とアパーチャ６２を挿入し、前記レンズ６０と第１格子２１及びインデックス格子３１間の距離ａ、ｂを調整することにより、倍率設定を行なうようにしたものである。

本比較例において、光源１０から出た光は、メインスケール２０の第１格子２１を通過してレンズ６０に入射する。レンズ６０から出た光のうち、レンズの焦点に設けられたアパーチャ６２を通過する光軸に沿ったものだけが、インデックス格子３１に到達し、第１格子２１のイメージ像を形成する。

ここで、メインスケール２０の第１格子２０のピッチｐ1と、インデックス格子３１上のイメージ像ピッチｐ2の関係から、拡大率
Ｍ＝ｐ2／ｐ1＝ｂ／ａ …（１）
が求まり、且つ、像を得るために、
１／ｆ＝（１／ａ）＋（１／ｂ） …（２）
ここで、ｆ：レンズの焦点距離
を満たすように、各デバイスの間隔を決定する。例えば、表１のようになる。

このようなエンコーダ構成のギャップ変動特性は、レンズ光学系の焦点深度ＤＯＦに大きく関係しており、焦点深度ＤＯＦが大きいほどギャップ変動許容範囲も広くなる。焦点深度ＤＯＦは、次の（３）式で表わされる。

ＤＯＦ＝λ／（２×Ｎ.Ａ.²） …（３）
ここで、λ：光源波長

焦点深度ＤＯＦ、即ちエアギャップ変動許容範囲は、エンコーダの用途によってそれぞれ必要な値があるので、それに合致するようにＮ．Ａ．を規定すればよい。従って、
ＤＯＦ＜λ／（２×Ｎ.Ａ.²）
Ｎ．Ａ．＜√｛λ／（２×ＤＯＦ）｝ …（４）

ここで、焦点深度ＤＯＦとして１００μｍが必要であるとすると、Ｎ．Ａ．は（４）式で求められる値よりも小さくなければならない。ここで、光源波長λは８８０ｎｍとする。

Ｎ．Ａ．＜√｛λ／（２×ＤＯＦ）｝
＝√｛８８０ｎｍ／（２×１００μｍ）｝
＝０．０６６

一方、光学系のＮ．Ａ．は次の（５）式で求められる。

Ｎ.Ａ.＝（１／２）×（ｅ／ａ）
＝（１／２）×ｄ／（ｂ−ｆ）×Ｍ
＝ｄ／（２×ｆ） …（５）
ここで、ｄ：アパーチャサイズ
ｅ：レンズ上でのビーム径

このように、２０μｍというインデックス格子ピッチｐ2を持っている受光部によって、メインスケールピッチｐ1が１０μｍと２０μｍのそれぞれに対応することができる。

又、第２比較例として、図８のように受光部３０を、図２と同様の受光素子アレイ３３に置き換えることもできる。

第１及び第２比較例では、光軸が１つしか無かったが、本発明の第１、第２実施形態として、レンズアレイとアパーチャアレイを用いて、複数の光軸からなる光学系で検出する構成を、以下に説明する。

先に挙げた第１、第２比較例では、レンズの焦点距離が３ｍｍであったので、メインスケール−レンズ−インデックス格子を結ぶ距離が１２〜１３．５ｍｍであり、更なる小型化を進めるためには、レンズの焦点距離を小さくする必要がある。

しかしながら、レンズの焦点距離を小さくすると、一般的に入手できるレンズでは、その直径が小さくなる（エドモンド・オプティクス・ジャパン株式会社で扱っている平凸レンズのリストと、焦点距離ｆとレンズ直径の関係図を図９に示す）。レンズの直径が小さくなってしまうと、検出できるメインスケール上の視野が狭くなってしまう。

そこで、レンズアレイ７０とアパーチャアレイ７２を用いた本発明の第１実施形態を図１０に示す。図１０においても、メインスケールの第１格子２１、レンズアレイ７０、アパーチャアレイ７２及びインデックス格子３１の間の距離の決定方法は、前記第１比較例と同じであり、例えば表２のようになる。

図１１に、受光部３０を受光素子アレイ３３に変更した第２実施形態を示す。

レンズアレイにした場合、隣りのレンズからの迷光が入射してくる可能性がある。そこで、図１２に示す第３実施形態のように、レンズアレイ７０とアパーチャアレイ７２との間に仕切り板７４を設けることによって、迷光を防止することができる。

なお、以上は透過型について述べたが、反射型においても、図１３に示す第３比較例の如く、基本的には同一の構成となる。但し、この比較例では、斜めから入射された平行光が反射型メインスケール４０の第１格子４１において散乱した光のうち、アパーチャ６２によって制限される、結果的にＮ．Ａ．が制限されている光が受光部３０に導かれる。

第３比較例に示したような、反射型メインスケール４０にレンズ６０からなる光学系を相対させた構成のときは、メインスケール上のある点から出射された光が、メインスケールの表面うねりによってずれたとしても、図１４に透過型で模式的に示しているように、レンズ６０によってある一点に集光されるようになっている。従って、メインスケールの表面うねりが±Ｎ．Ａ．以内であれば、表面うねりの影響を受けることがない。

又、図１５には、コリメートレンズを兼ねたレンズ６０の焦点に拡散光源１１を配置した第４比較例を示す。図１５では、ビームスプリッタ６１を介して、レンズ６０の焦点位置に拡散光源１１が配置されている。従って、レンズ６０からメインスケール４０に照射される光は平行光となり、メインスケール４０の第１格子４１において反射された光が、レンズ６０とビームスプリッタ６１を通過してアパーチャ６２に導かれている。発光源たる拡散光源１１もアパーチャ６２も、レンズ６０の焦点位置に配置されているので、光を有効に利用することができる。

図１６に、反射型で拡散光源１１を用いた第５比較例を示す。光源以外は、図１３に示した第３比較例と同じであるので、詳細な説明は省略する。

従来の透過型光電式エンコーダの一例の構成を示す正面図受光素子アレイを使用した従来の透過型光電式エンコーダの一例の構成を示す正面図図２のIII−III線に沿う受光素子アレイの平面図３格子原理を利用した従来の反射型光電式エンコーダの一例の構成を示す斜視図図４の従来例の問題点を説明するための略示正面図第１比較例の要部構成を示す斜視図同じく光学系を示す光路図発光素子アレイを使用した第２比較例の光学系を示す光路図平凸レンズの焦点距離とレンズ直径の関係図レンズアレイを使用した本発明の第１実施形態の光学系を示す光路図レンズアレイに受光素子アレイを組み合わせた本発明の第２実施形態の光学系を示す光路図レンズアレイ間に仕切り板を配置した本発明の第３実施形態の光学系を示す光路図反射型として構成した第３比較例の光学系を示す光路図スケールうねりによる角度変化に対して不感であることの説明図ビームスプリッタを使用して構成した第４比較例の斜視図反射型で拡散光源を使用して構成した第５比較例の光学系を示す光路図

符号の説明

１０…光源
１１…拡散光源
１２…コリメートレンズ
２０…透過型メインスケール
２１…第１格子
３０…受光部
３１…インデックス格子
３２…受光素子
３３…受光素子アレイ
４０…反射型メインスケール
４２…第２格子
６０…レンズ
６２…アパーチャ
７０…レンズアレイ
７２…アパーチャアレイ
７４…仕切り板

Claims

光源からの光をメインスケールに照射し、少なくともメインスケール上の格子によって生じた明暗の縞を、前記メインスケールと相対移動する、インデックス格子と受光素子を組み合わせた受光素子アレイによって検出するようにされた光電式エンコーダにおいて、
前記メインスケールと受光素子アレイの間にレンズアレイとアパーチャアレイを挿入すると共に、該レンズアレイの各レンズの受光素子アレイ側焦点位置にアパーチャアレイを配置し、前記レンズアレイとメインスケール及び受光素子アレイ間の距離を調整することにより、倍率設定を行なうことを特徴とする光電式エンコーダ。
前記レンズアレイの隣接するレンズ間に仕切り板が設けられてい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。
前記メインスケールが反射型であ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。
前記光源として拡散光源を使用し、前記レンズアレイの各レンズがコリメートレンズも兼ねることを特徴とする請求項３に記載の光電式エンコーダ。