JP2015081793A - 光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】組み立てが容易であるとともに、小型化することができる光電式エンコーダを提供する。【解決手段】光電式エンコーダ１は、平行光線を出射する光源部２と、光源部が出射した平行光線が入射するスケール３と、スケール３を透過した平行光線が入射し、当該入射した光を平行光線として出射する光学系４と、光学系４が出射した平行光線を受光する受光部５とを備える。光学系４は、スケールを透過した平行光線を集光する第１レンズ４１と、第１レンズ４１が集光した光を反射する第１平板ミラー４２と、第１平板ミラー４２により反射された光をさらに反射する第２平板ミラー４３と、第２平板ミラー４３により反射された光を平行光線として出射する第２レンズ４４とを有し、第１平板ミラー４２及び第２平板ミラー４３により光路が折り畳まれた両側テレセントリック光学系を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、結像光学系を用いた光電式エンコーダに関する。

従来から、スケールと受光部との間に結像光学系を配置した光電式エンコーダが実現されている。その中でも図５に示すような両側テレセントリック光学系は、歪みが少ない、スケール５１と光学系５２との間の距離変動及び受光部５３と光学系５２との間の距離変動に対して像倍率が変化しない、といった利点がある。

このような両側テレセントリック光学系では、入射光のうち光軸に平行な成分のみが受光部に結像するので、ＳＮ比を高めるべくスケールの広範囲の像を受光部上に結像させるには少なくとも入射側のレンズは、スケールの像を得ようとする領域以上の大きさを有する必要があり、光学系の大型化が問題となっていた。これに対し、視野の有効範囲を確保しつつ光学系の小型化を図るべく、図６に示すように、レンズ（６１、６２）の口径が小さく焦点距離が短い光学系をアレイ状に並べて光学系の全長を短くした光電式エンコーダが提案されている（例えば特許文献１を参照。）。

特開２００６−２８４５６３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された光電式エンコーダでは、レンズアレイとアパーチャとを精度よく位置決めする必要があり、組立難易度が高いという問題がある。また、レンズの焦点距離によって小型化に限界があるという問題もある。

本発明の目的は、組み立てが容易であるとともに、小型化することができる光電式エンコーダを提供することである。

本発明の光電式エンコーダは、平行光線を出射する光源部と、光源部が出射した平行光線が入射するスケールと、スケールを透過した平行光線が入射し、当該入射した光を平行光線として出射する光学系と、光学系が出射した平行光線を受光する受光部とを備え、光学系は、スケールを透過した平行光線を集光する第１レンズと、第１レンズが集光した光を反射する第１平板ミラーと、第１平板ミラーにより反射された光をさらに反射する第２平板ミラーと、第２平板ミラーにより反射された光を平行光線として出射する第２レンズとを有し、第１平板ミラー及び第２平板ミラーにより光路が折り畳まれた両側テレセントリック光学系を構成することを特徴とする。

このような構成によれば、両側テレセントリック光学系における光軸方向のサイズを抑制することができ、光電式エンコーダを小型化することができる。また、光源部が平行光線を出射するので、第１レンズと第２レンズの間にアパーチャを設ける必要がなく、組み立てが容易となる。

本発明では、第１レンズへの入射光の光軸と第２レンズからの出射光の光軸は平行であることが好ましい。

このような構成によれば、従来の光電式エンコーダが用いられているシステムに、大きな変更を加えることなく本発明の光電式エンコーダを適用することができる。

本発明では、第１レンズから第１平板ミラーまでの光路長、第１平板ミラーから第２平板ミラーまでの光路長、及び第２平板ミラーから第２レンズまでの光路長は略等しいことが好ましい。

このような構成によれば、限られた素子サイズの中に素子の全長よりも長い光路を確保することができる。したがって、第１レンズや第２レンズの焦点距離を素子サイズよりも大きくすることができ、各レンズでの収差を抑制することができる。

本発明では、第１レンズ、第１平板ミラー、第２平板ミラー、及び第２ミラーはレンズミラー素子として一体形成されることが好ましい。

このような構成によれば、レンズミラー素子を一体形成した時点で第１レンズ、第１平板ミラー、第２平板ミラー、及び第２ミラーの位置関係が決まるので、組み立て時に光学系のアライメントが不要となり、組み立てを容易とすることができる。

本発明では、光学系は、複数のレンズミラー素子がスケールの周期の自然数倍の配設ピッチで配設されたレンズミラーアレイとして一体形成されることが好ましい。

このような構成によれば、視野範囲を確保しつつレンズミラーアレイを構成する個々のレンズミラー素子のサイズを小さくすることができる。さらに、レンズミラーアレイを一体形成することで、多数のレンズやミラーを備える光学系のアライメントを組み立て時に行う必要がなくなり、組み立てを容易とすることができる。

本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダの構成を示す斜視図である。 図２（ａ）は、Ｘ−Ｚ平面での光路断面の模式図を示しており、図２（ｂ）は、Ｙ−Ｚ平面での光路断面の模式図を示している。 本発明の第２実施形態に係る光電式エンコーダの構成を示す斜視図である。 レンズミラー素子の変形例を示す図である。 従来の光電式エンコーダの構成の一例を示す図である。 従来のレンズアレイを用いた光電式エンコーダの構成の一例を示す図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダの構成を示す斜視図である。なお、以下では、各図中に軸を示すように、スケール３に刻まれた格子の配列方向をＸ軸、光源部２から出射される光の光軸方向をＺ軸、Ｘ軸およびＺ軸と垂直な方向（すなわち図中の上下方向）をＹ軸と規定して説明を行う。

図１に示すように、光電式エンコーダ１は、光源部２、スケール３、レンズミラー素子４、および受光部５を備える。光電式エンコーダ１では、スケール３の像が受光部５に投影・結像され、受光部５により検出した像の変位に基づき、スケール３と受光部５との相対的な位置変動を検出する。

光源部２は、平行光線をＺ軸方向にむけて出射する。光源部２は、例えば発光ダイオード等の発光素子と、発光素子が出射する光を平行光線化するためのコリメートレンズとを組み合わせて構成するとよい。光源部２から射出された平行光線は、スケール３に入射される。光源部２が平行光線を出射するため、両側テレセントリック光学系を構成するレンズミラー素子４にはアパーチャを設ける必要がなく、組み立てが容易となる。

スケール３には、Ｘ軸方向に沿って所定のピッチで格子が設けられており、光源部２からの平行光線の一部を格子で遮ることによって、透過光に格子に従った明暗のパターンを生じさせる。スケール３を透過した平行光線は、格子によって生じた明暗を伴いつつ、レンズミラー素子４に入射される。

続いて、図２（ａ）および（ｂ）に示した光路断面の模式図を参照しつつ、レンズミラー素子４の構造および光学的機能を説明する。図２（ａ）は、Ｘ−Ｚ平面での光路断面の模式図を示しており、図２（ｂ）は、Ｙ−Ｚ平面での光路断面の模式図を示している。

レンズミラー素子４は、本願発明における光学系に相当する。レンズミラー素子４は、第１レンズ面４１、第１平板ミラー面４２、第２平板ミラー面４３、および第２レンズ面４４を備えて一体的に形成され、これらの面により光路が折り畳まれた両側テレセントリック光学系を構成する。すなわち、第１レンズ面４１は、スケール３を透過して入射する平行光線を（第１平板ミラー面４１がない場合の）焦点に向けて集光する。第１平板ミラー面４２は、第１レンズ面４１とその焦点との間に配置され、第１レンズ面４１により集光された光を、焦点に達する前に反射して光路を第２平板ミラー面４３に向けて折り返す。具体的には、第１レンズ面４１は、ＸＹ平面よりもやや傾いた鏡面を為し、入射する光を入射方向とは反対方向（Ｚ軸における負の方向）の上方（Ｙ軸における正の方向）に反射する。第１平板ミラー面４２により反射された光は、折り返された光路における焦点Ｆに集光され、焦点Ｆを通過すると拡がって、第１レンズ面４１のＹ軸方向正側に設けられた第２平板ミラー面４３に入射する。

第１レンズ面４１と同様に、第２レンズ面４４においても本来の（第２平板ミラー面４３がない場合の）焦点が第２平板ミラー面４３により折り返され、焦点Ｆが焦点となるように構成される。具体的には、第２平板ミラー面４３は、第１平板ミラー面４２と平行な平面に設けられた鏡面を為し、第１平板ミラー面４２を経て入射する光をＺ軸方向に向けて折り返す。そして、第２平板ミラー面４３により反射された光は第２レンズ面４４に入射する。第２レンズ面４４はＦ２に焦点を有するから、第２レンズ面４４に入射する光は平行光線に戻る。第２レンズ面４４により平行光線に戻った光は、受光部５の受光面上に結像する。受光部５の受光面に結像したスケール３の像は、格子に応じた明暗を有し、受光部５はこの明暗（受光強度の強弱）を検出する。なお、本実施形態においては、第１レンズ面４１と第２レンズ面４４は同じ特性のレンズ面として形成される。これにより、第１レンズ面で生じる収差を第２レンズ面でキャンセルすることができる。なお、同じ光学特性（焦点距離）のレンズ面を用いることにより、光学系の倍率は１倍となる。

本例のレンズミラー素子４において、第２平板ミラー面４３は、第１レンズ面４１のＹ軸方向正側に隣接して配置され、第２レンズ面４４は、第１平板ミラー面４２のＹ軸方向正側に隣接して配置される。そして、第１レンズ面４１から第１平板ミラー面４２までの距離、第１平板ミラー面４２から第２平板ミラー面４３までの距離、および第２平板ミラー面４３から第２レンズ面４４までの距離は略等しく形成される。このように構成することで、レンズミラー素子４のＹ軸方向およびＺ軸方向におけるサイズを抑制しつつ、Ｚ軸方向寸法の約３倍の光路長を確保することができる。長い光路長を確保できるため、レンズ面の焦点距離を長く（本例においてはレンズミラー素子４のＺ軸方向サイズの約１．５倍）することができ、レンズ面での収差発生を抑制することができる。

レンズミラー素子４は、上述のように第１平板ミラー面４２と第２平板ミラー面４３とにより、両側テレセントリック光学系の光路を折り畳むので、Ｚ軸方向のサイズを抑制しつつ、第１レンズ面４１および第２レンズ面４４の焦点距離を長くし、レンズ面による収差の発生を抑制することができる。

受光部５は、例えば複数のフォトダイオードをＸ軸方向に並べて配置したフォトダイオードアレイとして構成される。受光部５の受光面には、レンズミラー素子４の第２レンズ面４４から出射される平行光線が入射してスケール３の像が結像される。複数のフォトダイオードがスケール３の格子に応じた明暗を検出し、これによりスケール３と受光部５の相対的な位置変動が検出可能とされる。具体的には、複数のフォトダイオードが検出した受光強度に基づいて、図示せぬ演算部によって位置変動の量が求められる。

このように構成される第１実施形態に係る光電式エンコーダ１における光学系は、レンズミラー素子４の入射光および出射光が平行光線となり、かつ光軸が互いに平行となるので、スケール３とレンズミラー素子４との間の距離変動及び受光部５とレンズミラー素子４との間の距離変動に対して像倍率が変化しない点で優れる。また、レンズミラー素子４の入射光および出射光の光軸が互いに平行であるため、従来の光電式エンコーダと置換して適用することが容易である。また、光電式エンコーダ１では、レンズミラー素子４がカバーする視野内の像が全体として反転して受光部５に結像するので、アブソリュート型、インクリメンタル型のいずれにも用いることができる。

本願発明における光学系に相当するレンズミラー素子４は、光学的に透明なプラスチック、ガラス等により一体的に形成されるとよい。一体的に形成されることで、組み立て時に光学系のアライメントが不要となり、組み立てが容易となる。ただし、本願発明における光学系は一体形成されたレンズミラー素子４による構成に限定されるものではなく、個別に用意されたレンズとミラーを組み合わせて構成されてもよい。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態に係る光電式エンコーダ１ａの特徴は、第１実施形態におけるレンズミラー素子４に代えてレンズミラーアレイ４ａを備えている点にある。なお、レンズミラーアレイ４ａを採用したことに伴う変更点以外については、上述した第１実施形態と同様なので、ここでの説明を省略する。

図３は、本発明の第２実施形態に係る光電式エンコーダ１ａの構成を示す斜視図である。図３に示すように、レンズミラーアレイ４ａは、レンズとミラーにより構成される光学系をＸ軸方向に配列させたアレイ構造を有する。アレイ構造の一単位は第１実施形態において説明したレンズミラー素子４と共通の構造および光学機能を有し、光路が折り畳まれた両側テレセントリック光学系を構成する。図３においては説明を簡潔にすべく、３つのレンズミラー素子が配列されたレンズミラーアレイ４ａが示されているが、配列するレンズミラー素子の数はこれに限定されず、必要とされるＸ軸方向の視野範囲に応じて必要な数のレンズミラー素子を配列させるとよい。このように、視野を複数の微小範囲に分割して複数のレンズミラー素子によってカバーするので、レンズミラーアレイ４ａを構成するレンズミラー素子のサイズを小さくすることができ、広い視野と光学系の小型化を両立することができる。

レンズミラーアレイ４ａは、配列されたレンズミラー素子の光軸間ピッチがスケール３の格子周期の自然数倍となるように形成される。レンズミラーアレイ４ａを透過して受光部５に結像するスケール像は、アレイを構成するレンズミラー素子の視野範囲を単位として像が反転するが、レンズミラー素子の光軸間ピッチをスケール３の格子周期の自然数倍とすることにより、受光部５に結像されるスケール像のパターンは維持される。したがって、レンズミラーアレイ４ａを用いた第２実施形態の構成はインクリメンタル型光学式エンコーダに適用することができる。

インクリメンタル型の光学式エンコーダに適用する場合、受光部５は、レンズミラーアレイ４ａの光軸間のピッチに対応する長さを周期としてフォトダイオードを配置するとよい。例えば、光軸間のピッチの１周期の中に複数のフォトダイオードを配置した構造として、複数の周期について共通の位置のフォトダイオードの受光強度を平均することでＳＮ比を高めることができる。

また、レンズミラーアレイ４ａにより反転された像を、電気的又は光学的に再反転することにより、像の全体形状を維持することができ、このような構成によればアブソリュート型の光学式エンコーダにも第２実施形態の構成を適用することができる。

本願発明における光学系に相当するレンズミラーアレイ４ａは、光学的に透明なプラスチック、ガラス等により一体的に形成されるとよい。一体的に形成されることで、組み立て時に光学系のアライメントが不要となり、組み立てが容易となる。特に、レンズミラーアレイ４ａでは多数のレンズとミラーを備えるので、一体形成により組み立て時のアライメントが不要となる効果は極めて大きい。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、光学系としてスケール３と受光部５との間に配置されるレンズミラー素子４またはレンズミラーアレイ４ａにおいて、２つの平板ミラー面（第１平板ミラー面４２と第２平板ミラー面４３）により、両側テレセントリック光学系の光路を折り畳んだ光学系を採用したが、光学系により多くのミラーを配置して多段に光路を折り畳むように構成してもよい。例えば、図４に示した変形例におけるレンズミラー素子４’におけるＹ−Ｚ平面での光路断面の模式図に示されるように、平板ミラー面を４つ設け、光路を４回折り返すことにより、光学系のＺ軸方向のサイズを抑制しつつ、十分な光路長を確保できるように構成するとよい。長い光路長を確保することにより、レンズ面の焦点距離を長くすることが可能となり、収差の少ない高精度なスケール像を受光部５に結像させ、エンコーダの精度を高めることが可能となる。また、第２実施形態に倣い、図４に示したレンズミラー素子４’をＸ軸方向に沿って配列させたレンズミラーアレイを構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明は、光電式エンコーダに好適に利用できる。

１、１ａ 光電式エンコーダ
２ 光源部
３ スケール
４、４’ レンズミラー素子
４ａ レンズミラーアレイ
５ 受光部

Claims (5)

1. 平行光線を出射する光源部と、
   前記光源部が出射した平行光線が入射するスケールと、
   前記スケールを透過した前記平行光線が入射し、当該入射した光を平行光線として出射する光学系と、
   前記光学系が出射した平行光線を受光する受光部と
   を備える光電式エンコーダであって、
   前記光学系は、
   前記スケールを透過した平行光線を集光する第１レンズと、
   前記第１レンズが集光した光を反射する第１平板ミラーと、
   前記第１平板ミラーにより反射された光をさらに反射する第２平板ミラーと、
   前記第２平板ミラーにより反射された光を平行光線として出射する第２レンズと
   を有し、前記第１平板ミラー及び前記第２平板ミラーにより光路が折り畳まれた両側テレセントリック光学系を構成することを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 前記第１レンズへの入射光の光軸と前記第２レンズからの出射光の光軸は平行であ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。
3. 前記第１レンズから前記第１平板ミラーまでの光路長、前記第１平板ミラーから前記第２平板ミラーまでの光路長、及び前記第２平板ミラーから前記第２レンズまでの光路長は略等し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。
4. 前記第１レンズ、前記第１平板ミラー、前記第２平板ミラー、及び前記第２ミラーはレンズミラー素子として一体形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光電式エンコーダ。
5. 前記光学系は、複数の前記レンズミラー素子が前記スケールの周期の自然数倍の配設ピッチで配設されたレンズミラーアレイとして一体形成されることを特徴とする請求項４に記載の光電式エンコーダ。