JP4398744B2 - 光電式エンコーダ - Google Patents

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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。
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。
Figure 0004398744
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。
Figure 0004398744
図11に、受光部30を受光素子アレイ33に変更した第実施形態を示す。
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。
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。
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 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 (4)

  1. 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。
  2. 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に記載の光電式エンコーダ。
  3. 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。
  4. 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。
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