JP5112797B2

JP5112797B2 - 光電式インクリメンタル型エンコーダ

Info

Publication number: JP5112797B2
Application number: JP2007238727A
Authority: JP
Inventors: 都水谷
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2027-09-14
Also published as: JP2009069033A

Description

本発明は、３格子型の第３格子面上にモアレ縞を生成させて、これを検出する光電式インクリメンタル型エンコーダに係り、特に、スケールの格子ピッチが狭くなっても、従来と同様の長いピッチの受光素子で検出でき、高速化・低価格化・小型化が実現可能な光電式インクリメンタル型エンコーダに関する。

例えば特許文献１の図５に示されるように、光源からの光を変調するための第１格子と、メインスケール（単にスケールと称する）上に形成された第２格子と、前記第１、第２格子によって形成された干渉縞が投影される、第３格子が一体化された受光素子アレイを備え、スケール上に配置された光学格子（第２格子）を、３格子原理と受光素子アレイで検出する方法がある。

この３格子原理を用いた反射型エンコーダの場合、特許文献１の図６に示されるように、被検出スケールの格子ピッチに合わせて、受光素子アレイのピッチを決定している。

ここで、検出するべきスケールの格子ピッチを狭くすると、受光素子アレイのピッチも合わせて狭くしなければ検出できない。例えば、格子ピッチを１μｍとすると、受光素子アレイのピッチは０．２５μｍ（４相を検出する場合）にしなければならない。

特開２００５−１６４５１５号公報（図５、図６）

しかしながら、半導体デバイスとして検出できる受光素子アレイ（フォトダイオード構造）のピッチを狭くするのは技術的に制限があり、コストアップにもつながる。又、実現できたとしても、個々のフォトダイオードのパターンの周囲長が長くなって、パターン境界部に形成される接合容量が大きくなってしまい、検出の高速化が困難になる。又、光を斜めから入射すると、検出ヘッドのサイズが大きくなってしまう等の問題点を有する。

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、スケールの格子ピッチが狭くなっても、従来と同様の長いピッチの受光素子（アレイ）で検出でき、高速化・低価格化・小型化を実現可能な技術を提供することを課題とする。

本発明は、光源からの光を変調するための第１格子と、スケール上に形成された第２格子と、前記第１、第２格子によって形成された干渉縞が投影される第３格子とを有する３格子型の光電式インクリメンタル型エンコーダにおいて、前記第１格子と第３格子の作用を兼ね備えた第１・第３兼用格子をインデックススケール（単にインデックスと称する）に設け、該第１・第３兼用格子に生じたモアレ縞を、前記第１・第３兼用格子のパターンを検出せずに、前記モアレ縞のみを検出できるように開口数が設定されたレンズ光学系を介して受光素子アレイで検出することにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記光源からの光をビームスプリッタで分岐し、前記第１・第３兼用格子を介してスケール面に垂直に照射すると共に、該スケール面からの反射光により前記第１・第３兼用格子上に生じたモアレ縞を前記レンズ光学系を介して受光素子アレイで検出することができる。

又、前記第１・第３兼用格子及び前記第２格子のピッチに対して、前記受光素子アレイのピッチを大とすることができる。

又、前記モアレ縞の周期と前記受光素子アレイのピッチが合うように、前記レンズ光学系の倍率を設定することができる。

又、前記光源からの光を、スケール移動方向に対して横方向から入射するようにすることができる。

本発明は、又、光源からの光を変調するための第１格子と、スケール上に形成された第２格子と、前記第１、第２格子によって形成された干渉縞が投影される第３格子とを有する３格子型の光電式インクリメンタル型エンコーダにおいて、前記第１格子と第３格子の作用を兼ね備えた第１・第３兼用格子をインデックスに設け、該第１・第３兼用格子に生じたモアレ縞を、投影レンズと、その焦点位置にアパーチャが配設されたテレセントリック光学系でなるレンズ光学系であって、前記テレセントリック光学系のアパーチャ直径が、前記第１・第３兼用格子のパターンを解像しないカットオフ周波数に設定されたレンズ光学系を介して受光素子アレイで検出することにより、前記課題を解決したものである。

又、前記第１・第３兼用格子を、前記インデックスのスケール側の面に形成することができる。

又、前記第１・第３兼用格子と平行に原点用パターンを形成することができる。

本発明によれば、インデックスの第１・第３兼用格子面上にモアレ縞を生成させて、これをレンズ光学系で検出することにより、長いピッチの受光素子（アレイ）で検出することができる。従って、受光素子（アレイ）のピッチを狭くすることなく、細かい周期の観測ができる。よって、従来と同様の広いピッチの受光素子が使用可能であり、低価格化及び接合容量小による高速化を実現できる。

又、斜め入射構成の場合、光軸が斜めになってしまうので、光学部品を斜めに配設する必要があるが、垂直入射にすることで、レンズ光学系の設計やアライメントの難易度を下げることができる。又、検出ヘッドのサイズを小さくして小型化を図ることができる。

ここで、レンズ光学系の開口数ＮＡを規定することにより、第１・第３兼用格子のパターンを検出せずに、モアレ縞のみを歪み無く検出することができる。

又、テレセントリック光学系のアパーチャ直径を、第１・第３兼用格子のパターンを解像しないようなカットオフ周波数に設定することで、コントラストを向上して、モアレ縞のみを歪み無く検出することが可能となる。

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。

本発明の第１実施形態は、図１（斜視図）及び図２（光路を示す断面図）に示す如く、光源１０からの光を変調するための第１格子と、スケール２０上に形成された第２格子２２と、前記第１、第２格子によって形成された干渉縞が投影される第３格子とを有する３格子型光電式インクリメンタルエンコーダにおいて、第１格子と第３格子の作用を兼ね備えた第１・第３兼用格子３２をインデックス３０上に設け、光源１０からの光をインデックス３０上に配置したビームスプリッタ３６で分岐し、第１・第３兼用格子３２を介してスケール面に垂直に照射すると共に、スケール面からの反射光により、第１・第３兼用格子３２上に生じたモアレ縞３４（図４参照）を、投影レンズ４２でなるレンズ光学系４０を用いて受光素子アレイ５０に投影するようにしたものである。

前記光源１０、インデックス３０、ビームスプリッタ３６、レンズ光学系４０及び受光素子アレイ５０は、図示しない検出器内に配設され、スケール２０に対して、測定方向に相対移動可能とされている。

ここで、インデックス３０上に形成する第１・第３兼用格子３２は、上面からの光を反射しない膜構造、例えば図３に示すような、Ｃｒ膜３２ａと、例えばＣｒＯでなる反射防止膜３２ｂの２層膜とされている。なお、第１・第３兼用格子３２の構成は、これに限定されない。

今、生じるモアレ縞３４の周期をＰ_m、第２格子２２の周期をＰ₂とすると、インデックス３０上の第１・第３兼用格子３２の周期Ｐ₁₃は、次式で表わされる。

Ｐ₁₃＝｛Ｐ₂＋（Ｐ₂Ｐ_m）／（Ｐ_m−Ｐ₂）｝／２ …（１）

従って、図４中に示す如く、例えば第１・第３兼用格子３２の周期Ｐ₁₃＝１．００５μｍ、第２格子２２の周期Ｐ₂＝１μｍとすると、モアレ縞３４の周期Ｐ_m＝１０１μｍとなり、第２格子２２の周期Ｐ₂の１０１倍周期のモアレ縞Ｐ_mを、比較的簡単な光学系で観測することが可能となる。

ここで、レンズ光学系４０の倍率は、受光素子アレイ５０のピッチとモアレ縞３４の周期Ｐ_mが合うように設定する。具体的には、投影レンズ４２を通過して受光素子アレイ５０上に生じる投影像４６（図４参照）の周期と、受光素子アレイ５０のピッチが合うようにする。

ここで、図４に示す第２実施形態のように、レンズ光学系４０に、投影レンズ４２と、その焦点位置に配設されたアパーチャ４４でなるテレセントリック光学系を用いると、受光素子アレイ５０と投影レンズ４２のエアギャップの自由度が高く設定できる。更に、テレセントリック光学系のアパーチャ４４の直径を、第１・第３兼用格子３２のパターンを解像しないようなカットオフ周波数に設定することで、コントラストを向上することができる。

具体的には、モアレ縞周期Ｐ_mの半分よりも短いピッチの縞をカットするために、光学系の開口数ＮＡを次式のように設定する。

ＮＡ＝ｆ×λ …（２）

ここで、ｆはモアレ縞３４の空間周波数、λは光の波長である。

今、投影レンズ４２の焦点距離をＬ、アパーチャ４４の開口径をＤとすると、次式の関係が成立する。

Ｄ＝２×Ｌ×ＮＡ …（３）

これにより、レンズ光学系４０が第１・第３兼用格子３２のパターンを解像しなくなるので、歪みの無い波形の検出が実現できる。

次に、本発明の第３実施形態を図５に示す。

本実施形態は、第１実施形態と同様の構成において、第１・第３兼用格子３３を、インデックス３０のスケール２０側の面に形成したものである。

前記第１・第３兼用格子３３は、上下両面からの光を反射しない膜構造、例えば図６に示すような、Ｃｒ膜３３ａと、例えばＣｒＯでなる反射防止膜３３ｂの３層膜とされている。これにより、インデックス３０から直接受光素子アレイ５０に入る迷光（図中の点線矢印で示す光線等）を防止できる。なお、第１・第３兼用格子３３の構成は、これに限定されない。

他の点については、第１実施形態と同じであるので説明を省略する。

本実施形態によれば、スケール２０と第１・第３兼用格子３３間の格子間ギャップＧを小さくすることができる。

この点を利用した第４実施形態を図７に示す。

本実施形態は、第３実施形態と同様の構成において、スケール２０及びインデックス３０上に、それぞれ、第２格子２２及び第１・第３兼用格子３３と平行に原点用パターン２４、３８を設けると共に、受光基板５２上に、受光素子アレイ５０と平行に原点検出用の受光素子５４を設けたものである。なお、受光素子アレイと原点検出用受光部を一体化した受光用デバイス（ＩＣ）でもよい。

前記インデックス３０上の第１・第３兼用格子３３と原点用パターン３８の配置を図８に示す。ここで、原点用パターン３８は、スケールパターンと逆パターンとされ、例えば、スケールが反射の場合は透過とされる。

本実施形態によれば、スケール２０とインデックス３０上の原点用パターン３８の格子間ギャップを小さくすることが可能で、スケール２０上の原点用パターン２４の回折光による迷光を防止し、原点の検出効率が向上する。

なお、第３、第４実施形態においても、第２実施形態と同様にレンズ検出系４０をテレセントリック光学系として、エアギャップの許容範囲を広げることができる。

なお、前記実施形態においては、いずれも、受光素子アレイが用いられていたが、受光素子の種類は、アレイ化されたものに限定されない。

本発明の第１実施形態の全体構成を示す斜視図同じく光路を示す断面図同じく第１・第３兼用格子の構成を示す断面図本発明の第２実施形態の構成を示す断面図同じく第３実施形態の構成を示す断面図同じく第１・第３兼用格子の構成を示す断面図本発明の第４実施形態の構成を示す断面図同じくインデックス上のパターンを示す（Ａ）平面図及び（Ｂ）側面図

符号の説明

１０…光源
２０…（メイン）スケール
２２…第２格子
２４、３８…原点用パターン
３０…インデックス（スケール）
３２、３３…第１・第３兼用格子
３４…モアレ縞
３６…ビームスプリッタ
４０…レンズ光学系
４２…投影レンズ
４４…アパーチャ
４６…投影像
５０…受光素子アレイ
５２…受光基板
５４…原点検出用受光素子

Claims

光源からの光を変調するための第１格子と、スケール上に形成された第２格子と、前記第１、第２格子によって形成された干渉縞が投影される第３格子とを有する３格子型の光電式インクリメンタル型エンコーダにおいて、
前記第１格子と第３格子の作用を兼ね備えた第１・第３兼用格子をインデックスに設け、
該第１・第３兼用格子に生じたモアレ縞を、前記第１・第３兼用格子のパターンを検出せずに、前記モアレ縞のみを検出できるように開口数が設定されたレンズ光学系を介して受光素子アレイで検出することを特徴とする光電式インクリメンタル型エンコーダ。
前記光源からの光をビームスプリッタで分岐し、前記第１・第３兼用格子を介してスケール面に垂直に照射すると共に、該スケール面からの反射光により前記第１・第３兼用格子上に生じたモアレ縞を前記レンズ光学系を介して受光素子アレイで検出することを特徴とする請求項１に記載の光電式インクリメンタル型エンコーダ。
前記第１・第３兼用格子及び前記第２格子のピッチに対して、前記受光素子アレイのピッチが大とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電式インクリメンタル型エンコーダ。
前記モアレ縞の周期と前記受光素子アレイのピッチが合うように、前記レンズ光学系の倍率が設定されてい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インクリメンタル型エンコーダ。
前記光源からの光が、スケール移動方向に対して横方向から入射するようにされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光電式インクリメンタル型エンコーダ。
光源からの光を変調するための第１格子と、スケール上に形成された第２格子と、前記第１、第２格子によって形成された干渉縞が投影される第３格子とを有する３格子型の光電式インクリメンタル型エンコーダにおいて、
前記第１格子と第３格子の作用を兼ね備えた第１・第３兼用格子をインデックスに設け、
該第１・第３兼用格子に生じたモアレ縞を、投影レンズと、その焦点位置にアパーチャが配設されたテレセントリック光学系でなるレンズ光学系であって、前記テレセントリック光学系のアパーチャ直径が、前記第１・第３兼用格子のパターンを解像しないカットオフ周波数に設定されたレンズ光学系を介して受光素子アレイで検出することを特徴とする光電式インクリメンタル型エンコーダ。
前記第１・第３兼用格子が、前記インデックスのスケール側の面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光電式インクリメンタル型エンコーダ。
前記第１・第３兼用格子と平行に原点用パターンが形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光電式インクリメンタル型エンコーダ。