JP2011043438A - 反射型光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】凹面状反射格子を用いた反射型光電式エンコーダの分解能を向上して、光の利用効率を向上させつつ、検出分解能を向上させる。
【解決手段】反射スケール１０からの反射光を検出光学系３０を介して受光素子４０で検出し、検出光学系及び受光素子を含む検出器２０と反射スケールの測定軸方向の相対変位を検出するようにした反射型光電式エンコーダにおいて、前記反射スケールの反射格子１２を、測定軸方向に軸が延びる、検出範囲の高さ範囲が検出光学系の焦点深度以下とされた凹面状に形成すると共に、前記検出光学系として、前記反射スケールからの反射光を、測定軸方向に結像するように配置された、測定軸と直交する方向に軸を有するシリンドリカルレンズ３４、５２と、その焦点位置に配設された、測定軸と直交する方向に延びるスリット３８を含むテレセントリック光学系３２、５０を用いて、前記反射光を受光素子に結像する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射スケールからの反射光を検出光学系を介して受光素子で検出し、検出光学系及び受光素子を含む検出器と反射スケールの測定軸方向の相対変位を検出するようにした反射型光電式エンコーダに係り、特に、凹面状反射格子を用いた反射型光電式エンコーダの分解能を向上して、光の利用効率を向上させつつ、検出分解能を向上させることが可能な反射型光電式エンコーダに関する。

反射型光電式エンコーダにおいて、反射スケール上のアブソリュートパターンや格子パターンをレンズを含む検出光学系で検出する技術が特許文献１に提案されている。

ここで、検出応答周波数を向上させる目的で受光素子を小さくすると、検出できる光量が減ってしまうという問題がある。

一方、特許文献２には、検出光量を増やす目的で、スケール格子形状を立体的に形成し、光路を一点に集光させる技術が記載されている。

しかしながら、この方法ではスケール格子を３次元成形しなければならないので、製造コストが上昇してしまうという問題がある。

又、特許文献３や４には、反射スケールの反射面を円弧状とすることで、光路を一点に集光させる技術が記載されている。

特開２００３−３０７４４０（図４） 特開２００３−３３７０５２（図１） 特開平４−２１８７２０（図３） 特開２００６−２５０８７７（図８）

特許文献３及び４に記載された技術では、受光素子面上に反射スケール上の反射格子の投影像が生起するとされている。しかしながら、測定軸方向の結像手段が無いため、測定軸方向における受光素子面上の結像が得られない。従って、格子ピッチを細かくして高分解能化を図ることができない。

又、反射スケールの反射面が円弧状になっているために、平面スケールであれば反射格子で反射された光により生成される干渉縞が生成されないという問題もある。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、凹面状反射格子を用いた反射型光電式エンコーダの分解能を向上して、反射型光電式エンコーダにおける光の利用効率を向上させつつ、検出分解能を向上させることを課題とする。

本発明は、反射スケールからの反射光を検出光学系を介して受光素子で検出し、検出光学系及び受光素子を含む検出器と反射スケールの測定軸方向の相対変位を検出するようにした反射型光電式エンコーダにおいて、前記反射スケールの反射格子を、測定軸方向に軸が延びる、検出範囲の高さ範囲が検出光学系の焦点深度以下とされた凹面状に形成すると共に、前記検出光学系として、前記反射スケールからの反射光を、測定軸方向に結像するように配置された、測定軸と直交する方向に軸を有するシリンドリカルレンズと、その焦点位置に配設された、測定軸と直交する方向に延びるスリットを含むテレセントリック光学系を用いて、前記反射光を受光素子に結像するようにして、前記課題を解決したものである。

ここで、前記テレセントリック光学系を、スリットの前後にシリンドリカルレンズが設けられた両側テレセントリック光学系とすることができる。

又、前記反射スケールの直上にビームスプリッタを設け、照明光の光軸と検出光学系の光軸を、反射スケールの直上で重畳／分離するようにすることができる。

本発明によれば、凹面状反射格子を用いた反射型光電式エンコーダの分解能を向上して、反射型光電式エンコーダにおける光の利用効率を向上させつつ、検出分解能を向上させることができる。

又、シリンドリカルレンズを用いているので、一方向の調整で良く、光軸が合わせ易い。これに対して、丸レンズの場合は２方向の調整が必要であり、顕微鏡で調整する必要がある。

本発明の第１実施形態の全体構成を示す斜視図 第１実施形態を光源方向から見た平面図 第１実施形態を測定軸方向から見た側面図 第１実施形態の検出光学系の光路を示す平面図 同じく側面図 検出光学系を展開した状態を示す光路図 凹面状の反射格子の形成方法の一例を示す側面図 本発明の第２実施形態の全体構成を示す斜視図 第２実施形態を光源方向から見た平面図 第２実施形態を測定軸方向から見た側面図

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）、図２（光源方向から見た平面図）、図３（測定軸方向から見た側面図）に示す如く、反射スケール１０からの反射光を検出光学系３０を介して受光素子４０で検出し、検出光学系３０及び受光素子４０を含む検出器２０と反射スケール１０の測定軸方向の相対変位を検出するようにした反射型光電式エンコーダにおいて、前記反射スケール１０の反射格子１２を、測定軸方向に軸が延びる、検出範囲の高さ範囲が検出光学系３０の焦点深度以下とされた凹面状に形成すると共に、前記検出光学系３０として、前記反射スケール１０からの反射光を、図２に示す如く、測定軸方向に結像するように配置された、測定軸と直交する方向に軸を有するシリンドリカルレンズ３４と、その焦点位置に配設された、測定軸と直交する方向に延びるスリット３８が形成されたスリット板３６を含むテレセントリック光学系３２を用いて、前記反射光を受光素子４０に結像するようにしたものである。

本実施形態においては、前記反射スケール１０の直上の検出器２０内にビームスプリッタ２６が設けられ、同じく検出器２０内の光源２２から放射され、コリメータレンズ２４により平行光線化された照明光の光軸（光源光軸と称する）と、検出光学系３０の光軸を、反射スケール１０の直上で重畳／分離するようにされている。

図においては、光源２２及びコリメータレンズ２４が反射スケール１０の上方に設けられ、検出光学系３０が反射スケール１０の側方に設けられているが、光源と検出光学系の配置は逆であっても良い。

前記受光素子４０の前面には、図２に示される如く、検出格子４２が配置されている。この検出格子４２のピッチは、シリンドリカルレンズ３４及びスリット３８を含むテレセントリック光学系３２で受光素子４０上に結像される結像格子像と同じピッチとされている。

従って、結像格子像は検出格子４２と干渉し合って、結像格子像の移動に応じて変化する光量が受光素子４０に入射する。よって、受光素子４０は結像格子像の移動に応じた検出信号を出力することができ、反射スケール１０に対する検出器２０の測定軸方向の変位を検出することができる。

このように、反射格子面を凹面とすることにより、反射スケール１０で反射された光を受光素子４０に集光することができる。

反射スケール１０から受光素子４０までの光路の寸法を図４（平面図）、図５（側面図）、図６（展開図）に示す。反射スケール１０と受光素子４０の中間点にシリンドリカルレンズ３４が配置され、又、シリンドリカルレンズ３４と受光素子４０の中間点にスリット幅Ｗｓのスリット３８が配置されている。従って、反射スケール１０を物体面とする片側テレセントリック光学系を構成している。

ここで、片側テレセントリック光学系のＮＡ（開口数）は、シリンドリカルレンズ３４の焦点距離ｆとスリット幅Ｗｓから次式で求められる。

又、開口数ＮＡを持つ光学系の遮断空間周波数ｆｃは、光源２２からの光の波長をλとすると、次式より求められる。

従って、この場合の検出限界パターン周期Ｐｃは次式で求められる。

ここで、λ＝８８０ｎｍ、ｆ＝１０ｍｍ、Ｗｓ＝０．８８ｍｍとすると、Ｐｃは次式で求められる。

従って、この光学系の検出限界ピッチは１０μｍとなり、反射スケール１０と受光素子４０の間に結像系が存在しない場合と比べて、非常に細かいピッチの反射格子を検出することができるようになる。

又、焦点深度ＤＯＦは次式より求められる。

従って、Ｐｃ＝１０μｍ、λ＝８８０ｎｍとすると、ＤＯＦは次式で求められる。

即ち、この光学系の焦点深度は±０．２３ｍｍとなり、反射スケール１０の検出範囲の高さが凹面状（図６の側では円弧状）の湾曲によって変化している状態においても、細かいピッチの反射格子の像を受光素子面上に結像することができ、これを受光素子４０で検出することができる。

以上の作用により、反射スケール１０を凹面状にして、光の利用効率を上げつつ、且つ、検出すべき反射格子１２の格子ピッチを細かくして分解能を向上することができる。

前記反射格子１２は、例えば図７に示す如く、テープスケール１４を枠１６に入れることによって、凹面状に形成することができる。

次に検出光学系を片側テレセントリック光学系から両側テレセントリック光学系に変えた本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態は、図８（斜視図）、図９（光源方向から見た平面図）及び図１０（測定軸方向から見た側面図）に示す如く、検出光学系を、スリット３８の前後にシリンドリカルレンズ３４、５２が設けられた両側テレセントリック光学系５０としたものである。

ここで、受光素子４０側のシリンドリカルレンズ５２は、スリット３８が、その焦点位置に来るように配置される。

本実施形態においては、スリット３８と受光素子４０間の距離の変動に対して影響を受け難くなる。

なお、前記実施形態においては、いずれも反射格子１２が等ピッチのインクリメンタルパターンとされていたが、反射格子の種類はこれに限定されず、不等ピッチで絶対位置が検出可能とされたアブソリュートパターンであっても良い。又、照明も、光源２２とコリメータレンズ２４の組合せに限定されない。更に、ビームスプリッタ２６を省略して、斜め入射とし、光源光軸と検出光学系光軸を独立させることも可能である。又、検出格子４２と受光素子４０を別体とすることもできる。更に、直線型エンコーダでなく回転型エンコーダであっても良い。

１０…反射スケール
１２…反射格子
２０…検出器
２２…光源
２４…コリメータレンズ
２６…ビームスプリッタ
３０…検出光学系
３２…テレセントリック光学系
３４、５２…シリンドリカルレンズ
３８…スリット
４０…受光素子
４２…検出格子
５０…両側テレセントリック光学系

Claims (3)

1. 反射スケールからの反射光を検出光学系を介して受光素子で検出し、検出光学系及び受光素子を含む検出器と反射スケールの測定軸方向の相対変位を検出するようにした反射型光電式エンコーダにおいて、
   前記反射スケールの反射格子が、測定軸方向に軸が延びる、検出範囲の高さ範囲が検出光学系の焦点深度以下とされた凹面状に形成されると共に、
   前記検出光学系として、前記反射スケールからの反射光を、測定軸方向に結像するように配置された、測定軸と直交する方向に軸を有するシリンドリカルレンズと、その焦点位置に配設された、測定軸と直交する方向に延びるスリットを含むテレセントリック光学系を用いて、前記反射光を受光素子に結像するようにしたことを特徴とする反射型光電式エンコーダ。
2. 前記テレセントリック光学系が、スリットの前後にシリンドリカルレンズが設けられた両側テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項１に記載の反射型光電式エンコーダ。
3. 前記反射スケールの直上にビームスプリッタが設けられ、照明光の光軸と検出光学系の光軸を、反射スケールの直上で重畳／分離するようにされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の反射型光電式エンコーダ。

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