JP6838954B2 - Photoelectric encoder - Google Patents
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本件は、光電式エンコーダに関する。 This case relates to a photoelectric encoder.
スケールからの+s次回折光および−s次回折光の光路を検出器内部のインデックス格子によって収束し、干渉信号を生成するエンコーダが開示されている。このようなエンコーダにおいて、±s次回折光に対して±s次回折光以外の不要回折光が空間的に混入すると、干渉縞のプロファイルが乱れ、測定誤差が生じる。そこで、検出器中で不要回折光を物理的に遮蔽する技術が開示されている(例えば特許文献1,2)。
An encoder that generates an interference signal by converging the optical paths of the + s-th order diffracted light and the −s-th order diffracted light from the scale by an index grid inside the detector is disclosed. In such an encoder, if unnecessary diffracted light other than the ± s-order diffracted light is spatially mixed with the ± s-order diffracted light, the profile of the interference fringes is disturbed and a measurement error occurs. Therefore, a technique for physically shielding unnecessary diffracted light in the detector is disclosed (for example,
しかしながら、この技術では、不要回折光を遮蔽するために、スケールとインデックス格子との間隔を広げて信号回折光と不要回折光とを空間的に分離する必要がある。この場合、スケールとインデックス格子との間隔を広げた分、検出器が大型化するおそれがある。 However, in this technique, in order to shield the unnecessary diffracted light, it is necessary to widen the distance between the scale and the index grid to spatially separate the signal diffracted light and the unnecessary diffracted light. In this case, the detector may become larger by the amount that the distance between the scale and the index grid is widened.
1つの側面では、本発明は、大型化を抑制しつつ、±s次回折光の干渉縞から不要回折光の影響を抑制することができる光電式エンコーダを提供することを目的とする。 On one aspect, it is an object of the present invention to provide a photoelectric encoder capable of suppressing the influence of unnecessary diffracted light from the interference fringes of ± s-th order diffracted light while suppressing the increase in size.
1つの態様では、本発明に係る光電式エンコーダは、光を出射する光源と、前記光源からの光が入射され、前記光源からの光の光軸と交差する軸に沿って複数の格子が形成されたメインスケールと、前記メインスケールからの回折光が入射され、前記メインスケールの格子の長さ方向に中心軸を有して、前記回折光の光軸と垂直をなす平面において当該中心軸に対称に、当該中心軸に対して第1角度で傾斜して所定間隔で形成された複数の第1格子が形成された第1領域と、当該中心軸に対して前記第1角度と対称な第2角度で傾斜して所定間隔で形成された複数の第2格子が形成された第2領域とを備えるインデックス格子と、前記インデックス格子を透過した回折光を受光する受光素子と、を備え、前記第1領域に形成されている格子は前記第1格子のみであり、前記第2領域に形成されている格子は第2格子のみであることを特徴とする。 In one aspect, in the photoelectric encoder according to the present invention, a light source that emits light and light from the light source are incident, and a plurality of lattices are formed along an axis that intersects the optical axis of the light from the light source. The main scale and the diffracted light from the main scale are incident on the central axis, and the central axis has a central axis in the length direction of the lattice of the main scale and is perpendicular to the optical axis of the diffracted light. A first region in which a plurality of first lattices formed at predetermined intervals are symmetrically inclined at a first angle with respect to the central axis, and a first region symmetrical with respect to the central axis. An index lattice having a second region formed with a plurality of second lattices formed at predetermined intervals and inclined at two angles, and a light receiving element for receiving diffracted light transmitted through the index lattice are provided . The lattice formed in the first region is only the first lattice, and the lattice formed in the second region is only the second lattice .
上記光電式エンコーダにおいて、前記メインスケールの複数の格子の配列方向は、前記光源から前記メインスケールに入射する光の光軸と直交し、前記中心軸は、前記光源から前記メインスケールに入射する光の光軸を通ってもよい。 In the photoelectric encoder, the arrangement direction of the plurality of lattices of the main scale is orthogonal to the optical axis of the light incident on the main scale from the light source, and the central axis is the light incident on the main scale from the light source. It may pass through the optical axis of.
上記光電式エンコーダは、前記受光素子は、前記インデックス格子を透過する±1次回折光が集光する箇所に配置され、前記受光素子のフォトダイオードは、前記インデックス格子を透過する±2次回折光が集光する箇所と0次回折光が集光する箇所との間隔よりも短くてもよい。 In the photoelectric encoder, the light receiving element is arranged at a position where the ± primary diffracted light transmitted through the index lattice is collected, and the photodiode of the light receiving element collects ± secondary diffracted light transmitted through the index lattice. It may be shorter than the distance between the shining part and the part where the 0th-order diffracted light is focused.
上記光電式エンコーダは、前記受光素子において、複数のフォトダイオードが前記メインスケールの複数の格子の配列方向と平行に配列されており、前記インデックス格子を透過する±1次回折光が集光する箇所における干渉縞のピッチをΛとした場合に、前記複数のフォトダイオードのピッチは、Λ、Λ/4または3Λ/4としてもよい。 In the photoelectric encoder, a plurality of photodiodes are arranged in parallel to the arrangement direction of the plurality of lattices of the main scale in the light receiving element, and ± primary diffracted light transmitted through the index lattice is focused. When the pitch of the interference fringes is Λ, the pitches of the plurality of photodiodes may be Λ, Λ / 4 or 3Λ / 4.
大型化を抑制しつつ、±s次回折光の干渉縞から不要回折光の影響を抑制することができる光電式エンコーダを提供することができる。 It is possible to provide a photoelectric encoder capable of suppressing the influence of unnecessary diffracted light from the interference fringes of ± s-order diffracted light while suppressing the increase in size.
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
(実施形態)
図1は、実施形態に係る光電式エンコーダ100の斜視図である。図1で例示するように、光電式エンコーダ100は、コリメート光源10、メインスケール20、インデックス格子30、および受光素子40を備える。以下の説明において、メインスケール20に形成された各格子21の配列方向をX軸とする。X軸と直交し、コリメート光源10からメインスケール20に入射するコリメート光の光軸方向をZ軸とする。X軸およびZ軸と直交し、メインスケール20の各格子21が延びる方向をY軸とする。
(Embodiment)
FIG. 1 is a perspective view of the
コリメート光源10は、コリメート光を出射する光源であれば特に限定されるものではない。例えば、コリメート光源10は、発光ダイオード等の発光素子と、コリメートレンズ、リフレクタ等のコリメート光生成手段と、を備える。リフレクタは、例えば、部分放物面の反射面を備えるリフレクタである。
The
メインスケール20は、X軸方向に沿った所定のスケール周期の格子21を備えている。すなわち、メインスケール20は、X軸方向に格子の配列方向を有する。したがって、メインスケール20の測定軸は、X軸である。各格子21は、Y軸方向に延びている。すなわち、各格子21は、Y軸方向に長さ方向を有する。メインスケール20は、コリメート光源10、インデックス格子30および受光素子40に対して、X軸方向に相対的に移動可能となっている。
The
インデックス格子30は、所定の周期の格子を備えている。受光素子40には、受光領域41が設けられている。受光領域41においては、複数のフォトダイオード42が所定の周期でX軸方向に並べて配置されている。例えば、受光素子40は、フォトダイオードアレイである。インデックス格子30は、メインスケール20を透過する回折光を受光素子40の受光領域41に結像する。受光領域41は、複数のフォトダイオード42の出力を用いて、メインスケール20の格子21に応じた周期的な明暗を検出する。それにより、メインスケール20の相対的な位置変動を検出することができる。具体的には、複数のフォトダイオード42が検出した受光強度に基づいて、位置変動の量を求めることができる。
The
ここで、比較形態について説明する。図2(a)は、比較形態に係る光電式エンコーダ200の斜視図である。光電式エンコーダ200においては、インデックス格子30の代わりにインデックス格子30aが配置されている。図2(a)で例示するように、インデックス格子30aは、X軸方向に沿った所定の周期の格子を備えている。すなわち、インデックス格子30aは、X軸方向に格子の配列方向を有する。インデックス格子30aの各格子は、Y軸方向に延びている。したがって、インデックス格子30aの格子は、メインスケール20の格子と平行に形成されている。インデックス格子30aの格子ピッチは、例えば、メインスケール20の格子ピッチの1/2である。
Here, the comparative form will be described. FIG. 2A is a perspective view of the
この構成においては、信号回折光(±1次回折光)だけでなく、不要回折光(0次回折光、±2次回折光、±3次回折光、…)も受光素子40において1点に集光する。この場合、干渉縞に強弱が現れることになる。すなわち、干渉縞に歪みが現れるようになる。例えば、図2(b)では、不要光(0次回折光、±2次回折光、±3次回折光、…)の光強度が±1次回折光の10%である場合の干渉縞の光強度が例示されている。図2(b)において、横軸は受光素子40の受光領域におけるX軸方向を表し、縦軸は受光素子40の受光領域に入射する光強度を表す。このように、比較形態に係る光電式エンコーダ200においては、高い測定精度が得られないおそれがある。
In this configuration, not only the signal diffracted light (± 1st-order diffracted light) but also unnecessary diffracted light (0th-order diffracted light, ± 2nd-order diffracted light, ± 3rd-order diffracted light, ...) Is focused on one point by the
そこで、実施形態に係る光電式エンコーダ100においては、中心軸に対して対称に傾斜する格子をインデックス格子30に持たせることにより、±s次回折光を空間的に分離する。以下、詳細について説明する。
Therefore, in the
図3は、インデックス格子30の詳細を例示する図である。図3で例示するように、インデックス格子30は、所定の平面において、中心軸CLを中心軸として、対称に傾斜する複数の格子を備えている。中心軸CLを基準に一方側(以下、第1領域31)の各格子33は同じ傾斜角度(θ)を有し、他方側(以下、第2領域32)の各格子34は同じ傾斜角度(−θ)を有している。第1領域31および第2領域32のいずれの領域においても、格子ピッチpは同じである。
FIG. 3 is a diagram illustrating the details of the
図4(a)で例示するように、インデックス格子30は、中心軸CLがY軸と平行になるように配置されている。また、インデックス格子30は、格子33,34がメインスケール20からの回折光の光軸と垂直をなす平面をなすように配置されている。Y軸プラス側に進むにつれてX軸プラス側に進む格子の角度がプラスであり、Y軸プラス側に進むにつれてX軸マイナス側に進む格子の角度がマイナスである。
As illustrated in FIG. 4A, the
第1領域31の各格子33がθの傾斜角度を有しているため、第1領域31を透過する回折光の進行方向は、Y軸方向プラス側に分離する。第2領域32の各格子34は−θの傾斜角度を有しているため、第2領域32を透過する回折光の進行方向も、Y軸プラス側に分離する。第1領域31の各格子33と第2領域32の各格子34とが中心軸CLに対して対称に傾斜するため、同一箇所で集光する。各±s次回折光は、同一軸上で集光するが、sの値が異なると当該同一軸上で離間することになる。本実施形態においては、受光素子40は、±1次回折光が集光する箇所に配置される。受光素子40の各フォトダイオード42が当該同一軸上の±2次回折光が集光する箇所と0次回折光との間隔よりも短ければ、各フォトダイオードに対する不要回折光の入射を回避することができる。
Since each
図4(b)に、±1次回折光が集光する箇所における干渉縞を例示する。不要回折光の入射が回避されていることから、干渉縞の強弱が抑えられている。すなわち、干渉縞の歪みが抑制されている。図4(b)の干渉縞は、メインスケール20の格子ピッチを4μmとし、インデックス格子30の格子ピッチを2μmとし、θを10度とした場合の干渉縞である。このように、理想的な正弦波状の干渉縞を得ることができる。
FIG. 4B exemplifies the interference fringes at the points where the ± primary diffracted light is focused. Since the incident of unnecessary diffracted light is avoided, the strength of the interference fringes is suppressed. That is, the distortion of the interference fringes is suppressed. The interference fringes in FIG. 4B are interference fringes when the grid pitch of the
本実施形態によれば、メインスケール20とインデックス格子30との間隔を広げて信号回折光と不要回折光とを空間的に分離する必要がなくなるため、光電式エンコーダ100の大型化を抑制することができる。また、不要回折光の影響を抑制することができる。すなわち、大型化を抑制しつつ、±s次回折光の干渉縞から不要回折光の影響を抑制することができる。
According to the present embodiment, it is not necessary to spatially separate the signal diffracted light and the unnecessary diffracted light by widening the distance between the
続いて、好ましい傾斜角度θについて説明する。まず、図5で例示するように、メインスケール20からの±1次回折角θ1は、下記式(1)で表される。なお、λはコリメート光の波長であり、gはメインスケール20の格子ピッチである。
インデックス格子30からの±1次回折光を、メインスケール20の回折光が成す平面に投影した場合の0次回折光の進行方向角度をθ2とする。この場合、下記式(2)が成立する。なお、pはインデックス格子30の格子ピッチであり、θはインデックス格子30の各格子の中心軸CLからの傾斜角度である。
±1次回折光が、それぞれ±θ2の角度を成して受光素子40に照射された場合に、受光素子40上に発生する干渉縞の周期Λは、下記式(3)で表すことができる。
例えば、メインスケール20の格子ピッチgを4μmとし、インデックス格子30の格子ピッチpを2μmとし、傾斜角度θを10度とすると、周期Λは1.94μmとなる。この場合において、周期Λの変動を設計値から±0.1%以内に抑える場合には、傾斜角度θは10±0.16度以内とすることが好ましい。
For example, if the grid pitch g of the
続いて、受光素子40におけるフォトダイオード42のピッチについて説明する。フォトダイオード42のピッチpは、周期Λとすることが好ましい。正弦波信号が得られるからである。なお、フォトダイオード42のピッチpとは、フォトダイオード42の配列方向において、各フォトダイオード42の中心間の距離のことである。
Subsequently, the pitch of the
ただし、光電式エンコーダ100においては、メインスケール30の移動方向判別のために位相差を有する複数の正弦波信号を用いることが好ましい。そのため、例えば、図6で例示するように、変位方向に互いに位相がシフトした複数のフォトダイオードアレイを設け、90度ずつ位相の異なる信号を得ることが好ましい。図6の例では、互いに離間している4つのフォトダイオードアレイにおいて、90度ずつ位相が異なる信号を得ることができる。
However, in the
または、図7で例示するように、フォトダイオード42のピッチpをΛ/4とし、4個のフォトダイオード42を1セットとして、少なくとも1セットのフォトダイオード42を配列してもよい。この場合、4個のフォトダイオード42からそれぞれ、90度ずつ位相の異なる信号が得られる。このような構成では、干渉縞の1周期の中に4個のフォトダイオードが集約されるため、光電式エンコーダ100のコンパクト化を図ることができる。
Alternatively, as illustrated in FIG. 7, at least one set of
または、図8で例示するように、フォトダイオード42のピッチpを3Λ/4とし、4個のフォトダイオード42を1セットとし、少なくとも1セットのフォトダイオード42を配列してもよい。この場合も、4個のフォトダイオード42からそれぞれ、90度ずつ位相の異なる信号が得られる。このような構成では、図7と比較してフォトダイオード42のピッチが大きくなるが、受光素子40の製造が容易となるという効果が得られる。
Alternatively, as illustrated in FIG. 8, the pitch p of the
なお、実施形態ではメインスケール20の格子の配列方向がコリメート光の光軸に対して直交しているが、交差していればよい。メインスケール20の格子の配列方向がコリメート光の光軸に対して直交している場合には、インデックス格子30の中心軸CLは、コリメート光源10からメインスケール20に入射するコリメート光の光軸を通ることが好ましい。インデックス格子30からの回折光の対称性が良好となるからである。
In the embodiment, the arrangement direction of the grids of the
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the examples of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific examples, and various modifications and modifications are made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
10 コリメート光源
20 メインスケール
30 インデックス格子
31 第1領域
32 第2領域
33,34 格子
40 受光素子
41 受光領域
42 フォトダイオード
100 光電式エンコーダ
10 Collimated
Claims (4)
前記光源からの光が入射され、前記光源からの光の光軸と交差する軸に沿って複数の格子が形成されたメインスケールと、
前記メインスケールからの回折光が入射され、前記メインスケールの格子の長さ方向に中心軸を有して、前記回折光の光軸と垂直をなす平面において当該中心軸に対称に、当該中心軸に対して第1角度で傾斜して所定間隔で形成された複数の第1格子が形成された第1領域と、当該中心軸に対して前記第1角度と対称な第2角度で傾斜して所定間隔で形成された複数の第2格子が形成された第2領域とを備えるインデックス格子と、
前記インデックス格子を透過した回折光を受光する受光素子と、を備え、
前記第1領域に形成されている格子は前記第1格子のみであり、前記第2領域に形成されている格子は第2格子のみであることを特徴とする光電式エンコーダ。 A light source that emits light and
A main scale in which light from the light source is incident and a plurality of grids are formed along an axis intersecting the optical axis of the light from the light source.
The diffracted light from the main scale is incident, has a central axis in the length direction of the lattice of the main scale, and is symmetrical with the central axis in a plane perpendicular to the optical axis of the diffracted light. A first region in which a plurality of first lattices formed at predetermined intervals are inclined at a first angle with respect to the central axis, and a second angle symmetrical with the first angle with respect to the central axis. An index lattice having a second region formed with a plurality of second lattices formed at predetermined intervals, and an index lattice having a plurality of second lattices formed at predetermined intervals.
A light receiving element that receives diffracted light transmitted through the index grid is provided .
A photoelectric encoder characterized in that the lattice formed in the first region is only the first lattice, and the lattice formed in the second region is only the second lattice.
前記中心軸は、前記光源から前記メインスケールに入射する光の光軸を通ることを特徴とする請求項1記載の光電式エンコーダ。 The arrangement direction of the plurality of grids of the main scale is orthogonal to the optical axis of the light incident on the main scale from the light source.
The photoelectric encoder according to claim 1, wherein the central axis passes through an optical axis of light incident on the main scale from the light source.
前記受光素子のフォトダイオードは、前記インデックス格子を透過する±2次回折光が集光する箇所と0次回折光が集光する箇所との間隔よりも短いことを特徴とする請求項1または2に記載の光電式エンコーダ。 The light receiving element is arranged at a position where the ± primary diffracted light transmitted through the index grid is focused.
The photodiode of the light receiving element according to claim 1 or 2, wherein the photodiode of the light receiving element is shorter than the distance between the portion where the ± 2nd-order refracted light passing through the index lattice is focused and the portion where the 0th-order diffracted light is focused. Photodiode encoder.
前記インデックス格子を透過する±1次回折光が集光する箇所における干渉縞のピッチをΛとした場合に、前記複数のフォトダイオードのピッチは、Λ、Λ/4または3Λ/4であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の光電式エンコーダ。 In the light receiving element, a plurality of photodiodes are arranged in parallel with the arrangement direction of the plurality of lattices of the main scale.
When the pitch of the interference fringes at the location where the ± 1st-order diffracted light transmitted through the index grid is condensed is Λ, the pitches of the plurality of photodiodes are Λ, Λ / 4 or 3Λ / 4. The photoelectric encoder according to any one of claims 1 to 3.
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