JP4953660B2

JP4953660B2 - 光電式エンコーダ

Info

Publication number: JP4953660B2
Application number: JP2006055402A
Authority: JP
Inventors: 都水谷
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2026-03-01
Also published as: JP2006284563A

Description

本発明は、光電式エンコーダに係る。特に、メインスケールと受光素子の間に、レンズとアパーチャが挿入されたテレセントリック光学系を持つ光電式エンコーダの改良に関する。

特許文献１に記載されているように、図１に示す如く、メインスケール２０と、受光部３０を構成する例えば受光素子アレイ３４の間に、レンズ４２、及び、テレセントリック光学絞りとしてのアパーチャ４４からなるレンズ光学系（テレセントリック光学系）４０を挿入して、図２に示す如く、レンズ４２とメインスケール２０のスケール２１及び受光素子アレイ３４上の受光素子３５間の距離ａ、ｂを調整することにより、倍率設定ができるようにされた光電式エンコーダが考えられている。図１において、１０は光源、ｆはレンズ４２の焦点距離である。

このテレセントリック光学系４０を用いた光電式エンコーダでは、メインスケール２０上の像をレンズ光学系（４２、４４）を通して受光素子アレイ３４上に投影させる。ここで、アパーチャ４４をレンズ４２の焦点位置に配置することで、メインスケール２０とレンズ４２間の距離（ギャップ）が変動しても、レンズ４２とアパーチャ４４と受光素子アレイ３４の位置関係が変動しなければ、受光素子アレイ３４上に結像される像の倍率変動を抑えることができる。特に、前記レンズ４２として、図３（光路図）及び図４（斜視図）に示す如く、レンズアレイ４６を用いた場合には、小型化、及び、スケール上視野（ＦＯＶ）の拡大を図ることができる。

特開２００４−２６４２９５号公報

しかしながら、このようなレンズアレイ４６で光電式エンコーダを構成した場合、図３及び図５に示す如く、一つのレンズ光学系毎に、像が分割され、反転してしまうという問題点を有していた。

この問題点は、特に、像のパターンだけでなく、正確な形状を再現する必要があるアブソリュート型で大きな問題となる。

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、光学系を複雑化することなく、像のパターンと形状を維持することができ、インクリメンタル型だけでなく、アブソリュート型にも使用可能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、メインスケールと受光素子の間にレンズアレイが挿入された光学系を持つ光電式エンコーダにおいて、前記受光素子アレイ出力の接続を入換えて、前記レンズアレイにより分割・反転された像を電気的に再反転させることにより、前記課題を解決したものである。

又、前記レンズアレイを二次元レンズアレイとして、二次元測定を可能としたものである。

又、各レンズアレイの焦点位置にアパーチャを設けることにより、となりのレンズからの光を遮断することができる。

本発明によれば、レンズアレイにより反転された像を、電気的に再反転させることにより、光学系を複雑化することなく、像のパターンと形状を維持することができ、インクリメンタル型だけでなく、アブソリュート型にも使用できる。

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。

第１の参考形態は、図６に示す如く、レンズアレイ４６を持つインクリメンタル型の光電式エンコーダにおいて、レンズアレイ４６を構成する各レンズの配設ピッチ（レンズピッチと称する）Ｐｌを、メインスケール２０の周期Ｐｓの自然数倍と一致させたものである。

本参考形態においては、図７に示す如く、個々のレンズ毎に像が分割されて反転しても、パターンは保障されるため、インクリメンタル型として用いる限り、支障は無い。

また、図８に示す変形例のように、レンズアレイ４６を構成する個々のレンズの焦点位置にアパーチャ４４を配設したテレセントリック光学系４０にすることもできる。

次に、図９（光路図）及び図１０（斜視図）を参照して、第２の参考形態を詳細に説明する。

本参考形態は、レンズアレイ４６（第１のレンズアレイとも称する）と同じ第２のレンズアレイ４８を、その焦点が第１のレンズアレイの焦点に来るように逆向きに挿入して、光学系５０としたものである。

本参考形態においては、レンズアレイ４６と４８が同じ物であるため、入側の第１のレンズアレイ４６で発生する収差を出側の第２のレンズアレイ４８でほぼ完全に逆補正することができ、安価であるが収差が大きなレンズアレイを用いた場合でも、収差をほぼ完全にキャンセルして、信号検出効率を大きく改善することができる。

又、図１１と図１２に示す変形例のように、光学系５０を、レンズアレイ４６と４８を構成する個々のレンズの焦点位置にアパーチャ４４を配設した両側テレセントリック光学系５１にすることもできる。

次に、図１３を参照して、本発明の第１実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、レンズアレイ４６を持つアブソリュート型の光電式エンコーダにおいて、受光素子アレイ３４の出力の接続をピクセル単位で入換えることにより、像を電気的に再反転させたものである。

又、図１４に示す変形例のように、レンズアレイ４６を構成する個々のレンズの焦点位置にアパーチャ４４を配設したテレセントリック光学系４０にすることもできる。

次に、図１５を参照して、本発明の第２実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、レンズアレイ４６、４８から成る光学系５０を持つアブソリュート型の光電式エンコーダにおいて、受光素子アレイ３４の出力の接続をピクセル単位で入換えることにより、像を電気的に再反転させたものである。

本発明によれば、光学系を複雑化することなく、アブソリュート型を実現できる。

又、図１６に示す変形例のように、光学系５０を、レンズアレイ４６と４８を構成する個々のレンズの焦点位置にアパーチャ４４を配設した両側テレセントリック光学系５１にすることもできる。

次に、図１７を参照して、本発明の第３の参考形態を詳細に説明する。

本参考形態は、レンズアレイ４６、４８から成る光学系５０を持つアブソリュート型の光電式エンコーダにおいて、第１、第２のレンズアレイ４６、４８と同じ第３のレンズアレイ５２を光学系５０の出側に設けて、像を光学的に再反転させたものである。

又、図１８に示す変形例のように、光学系５０を、レンズアレイ４６と４８を構成する個々のレンズの焦点位置にアパーチャ４４を配設した両側テレセントリック光学系５１にして、且つ、レンズアレイ５２を構成する個々のレンズの焦点位置にアパーチャ５４を配設することもできる。

次に、図１９を参照して、第４の参考形態を詳細に説明する。

本参考形態は、レンズアレイ４６、４８から成る光学系５０を持つアブソリュート型の光電式エンコーダにおいて、光学系５０と同じ構成の、第３のレンズアレイ５２、及び第４のレンズアレイ５６を含む光学系６０を、その出側に設けて、像を再反転させたものである。

本参考形態においては、入側と出側で同じ光学系を用いているので、部品を共通化できる。

又、図２０に示す変形例のように、光学系５０をレンズアレイ４６と４８を構成する個々のレンズの焦点位置にアパーチャ４４を配設した両側テレセントリック光学系５１にして、且つ、光学系６０をレンズアレイ５２と５６を構成する個々のレンズの焦点位置にアパーチャ５４を配設した両側テレセントリック光学系６１にすることもできる。

次に、図２１を参照して、第５の参考形態を詳細に説明する。

本参考形態は、図１８に示した第３の参考形態と同様の光電式エンコーダにおいて、第３のレンズアレイ５２の焦点距離ｆ’を第１、第２のレンズアレイ４６、４８の焦点距離ｆより小として、光学全長を短くし、メインスケール２０と入側レンズアレイ４６間のエアギャップを確保しつつ小型化を可能としたものである。

即ち、メインスケール２０と入側レンズアレイ４６間の距離（エアギャップに相当）＝入側レンズアレイ４６の焦点距離ｆとすると、第３の参考形態のように、第１〜第３レンズアレイを同じレンズで構成すると光学全長Ｌ≒８ｆとなるのに対し、本参考形態では光学全長Ｌ’＝４ｆ＋４ｆ’＜８ｆとなり、光学全長を短くすることができる。

次に、図２２を参照して、第６の参考形態を詳細に説明する。

本参考形態は、図２０に示した第４の参考形態と同様の光電式エンコーダにおいて、第３、第４のレンズアレイ５２、５６の焦点距離ｆ’を第１、第２のレンズアレイ４６、４８の焦点距離ｆより小として、光学全長を短くし、メインスケール２０と入側レンズアレイ４６間のエアギャップを確保しつつ小型化を可能としたものである。

即ち、メインスケール２０と入側レンズアレイ４６間の距離（エアギャップに相当）＝入側レンズアレイ４６の焦点距離ｆとすると、第４の参考形態のように、第１〜第４レンズアレイを同じレンズで構成すると光学全長Ｌ≒８ｆとなるのに対し、本参考形態では光学全長Ｌ’＝４ｆ＋４ｆ’＜８ｆとなり、光学全長を短くすることができる。

次に、図２３を参照して、第７の参考形態を詳細に説明する。

本参考形態は、レンズアレイ４６、４８から成る光学系５０を持つアブソリュート型の光電式エンコーダにおいて、配設ピッチが前記レンズアレイ４６、４８の各レンズと同じ小ミラー７０を複数設けて、像を光学的に再反転したものである。

又、図２４に示す変形例のように、光学系５０を、レンズアレイ４６と４８を構成する個々のレンズの焦点位置にアパーチャ４４を配設した両側テレセントリック光学系５１にすることもできる。

次に、図２５を参照して、第８の参考形態を詳細に説明する。

本参考形態は、レンズアレイ４６、４８から成る光学系５０を持つアブソリュート型の光電式エンコーダにおいて、出側のレンズアレイ４８を出た光を前記光学系５０に再入射させるためのミラー８０と、前記光学系５０を２回通った光を受光素子アレイ３４の方向に取り出すためのハーフミラー８２とを備えることにより、像を光学的に再反転させたものである。

又、図２６に示す変形例のように、光学系５０を、レンズアレイ４６と４８を構成する個々のレンズの焦点位置にアパーチャ４４を配設した両側テレセントリック光学系５１にすることもできる。

なお、前記実施形態は、いずれも、アブソリュート型だけでなく、インクリメンタル型にも適用できる。

本発明は、インデックス格子と受光素子が別体とされたもの、両者が一体とされた受光素子アレイを有するもの、どちらにも適用できる。更に、透過型のエンコーダだけでなく、反射型のエンコーダにも適用できる。

テレセントリック光学系を用いた光電式エンコーダの要部構成を示す斜視図同じく平面図従来の問題点を示す光路図同じく斜視図同じく平面図第１の参考形態の要部構成を示す光路図第１の参考形態の原理を示す図第１の参考形態の変形例を示す図第２の参考形態の要部構成を示す光路図同じく斜視図第２の参考形態の変形例を示す図同じく斜視図本発明の第１実施形態の要部構成を示す光路図第１実施形態の変形例を示す図本発明の第２実施形態の要部構成を示す光路図第２実施形態の変形例を示す図第３の参考形態の要部構成を示す光路図第３の参考形態の変形例を示す図第４の参考形態の要部構成を示す光路図第４の参考形態の変形例を示す図第５の参考形態の要部構成を示す光路図第６の参考形態の要部構成を示す光路図第７の参考施形態の要部構成を示す光路図第７の参考形態の変形例を示す図第８の参考形態の要部構成を示す光路図第８の参考形態の変形例を示す図

符号の説明

１０…光源
２０…メインスケール
３０…受光部
３１…受光面
３４…受光素子アレイ
４０…テレセントリック光学系
４４、５４…アパーチャ
４６、４８、５２、５６…レンズアレイ
５０、６０…光学系
５１、６１…両側テレセントリック光学系
７０…小ミラー
８０…ミラー
８２…ハーフミラー

Claims

メインスケールと受光素子の間にレンズアレイが挿入された光学系を持つ光電式エンコーダにおいて、
前記受光素子アレイの出力の接続を入換えて、前記レンズアレイにより分割・反転された像を電気的に再反転させたことを特徴とする光電式エンコーダ。
前記レンズアレイを構成するレンズのうちの、少なくとも一つのレンズの焦点位置に、アパーチャを更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の光電式エンコーダ。
前記レンズアレイが二次元レンズアレイ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。