JP5069364B2 - 光電式インクリメンタル型エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、３格子型の第３格子面上、又は、２格子型の第２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、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格子が一体化された受光素子アレイを備え、メイン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）のピッチには制限がある。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しまって、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という問題点を有する。

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３格子で生じるモアレ縞を受光素子に投影するためのレンズ光学系を備え、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し、前記スケール上に、第２格子に隣接して原点パターンを形成すると共に、前記第３格子に隣接して、該原点パターンの透過部を設け、主信号検出用受光素子に隣接して配設された原点信号検出用受光素子により、主信号と原点信号を同時に検出可能とし、前記原点パターン形成面と、レンズ光学系の中心面と、受光素子面とが１点で交差するシャインプルーフ光学系を構成することにより、前記課題を解決したものである。

前記レンズ光学系を、レンズ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とすることができる。

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格子とを有し、前記第１格子のセルフイメージと第２格子とによって形成されたモアレ縞を検出するようにされた２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、前記スケール上で生じるモアレ縞を受光素子に投影するためのレンズ光学系を備え、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し、前記スケール上に、第２格子に隣接して原点パターンを形成し、主信号検出用受光素子に隣接して配設された原点信号検出用受光素子により、主信号と原点信号を同時に検出可能とし、前記原点パターン形成面と、レンズ光学系の中心面と、受光素子面とが１点で交差するシャインプルーフ光学系を構成することにより、前記課題を解決したものである。

前記レンズ光学系を、レンズ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とすることができる。

本発明によれば、第３格子面上（３格子型の場合）、又は、第２格子面上（２格子型の場合）にモアレ縞を生成させても、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。したがって、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・低価格化が実現できる。

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したので、受光素子アレイをスケール移動方向に伸ばし、スケール上のごみなどによる影響の感度を低減することができる。

更に、３格子型の場合、前記モアレ縞が生じている第３格子面と、レンズ光学系の中心面と、受光素子面とが１点で交差するシャインプルーフ光学系を構成するようにしたので、レンズ光学系の光軸が第３格子面に対して傾いていても、第３格子面で生じているモアレ縞の全面をピントぼけなく検出することができる。

あるいは、２格子型の場合、前記モアレ縞が生じているスケール面と、レンズ光学系の中心面と、受光素子面とが１点で交差するシャインプルーフ光学系を構成するようにしたので、モアレ縞の全面をピントぼけ無く検出することができる。

又、３格子型の場合、前記スケール上に、第２格子に隣接して原点パターンを形成すると共に、前記第３格子に隣接して、該原点パターンの透過部を設けたので、主信号検出用受光素子に隣接して配設した原点信号検出用受光素子により、主信号と原点信号を同時に検出することができる。

あるいは、２格子型の場合、前記スケール上に、第２格子に隣接して原点パターンを形成したので、主信号検出用受光素子に隣接して配設された原点信号検出用受光素子により、主信号と原点信号を同時に検出することができる。

又、前記原点パターン形成面と、レンズ光学系の中心面と、受光素子面とが１点で交差するシャインプルーフ光学系を構成するようにしたので、原点パターン（３格子型の場合）、又は、モアレ縞と原点パターンの両方（２格子型の場合）をピントぼけなく検出することができる。

第１の参考形態の要部構成を示す断面図 第２の参考形態の要部構成を示す断面図 第３の参考形態の要部構成を示す断面図 第４の参考形態の要部構成を示す断面図 本発明の第１実施形態の要部構成を示す断面図 第５の参考形態の要部構成を示す断面図 本発明の第２実施形態の要部構成を示す断面図

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。

第１の参考形態は、図１に示す如く、光源１０からの光を変調するための第１格子１４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２４が投影される第３格子３０とを有する３格子型光電式インクリメンタル型エンコーダにおいて、前記第３格子３０を通過して生じるモアレ縞３２を受光素子アレイ４０に投影するための、レンズ５２を含むレンズ光学系５０を設けたものである。

ここで、第１格子１４のピッチをＰ_１（例えば１μｍ）、第２格子２２のピッチをＰ_２（例えば１μｍ）、第３格子３０のピッチをＰ_３（例えば１．０１μｍ）とし、モアレ縞３２のピッチをＰ_Ｍ（例えば１０１μｍ）とすると、ピッチＰ_１とＰ_３を次式のように定める。

Ｐ_１＝Ｐ_２ ・・・ （１）
Ｐ_３＝（Ｐ_１×Ｐ_Ｍ）／（Ｐ_Ｍ−Ｐ_１） ・・・ （２）

レンズ光学系５０の倍率も、モアレ縞３２のピッチＰ_Ｍが受光素子アレイ４０のピッチに合わせて結像するよう設定する。

そして、第３格子面を通過して生じるピッチＰ_Ｍのモアレ縞３２を、レンズ光学系５０によって受光素子アレイ４０へ導くことにより、スケール２０上の格子ピッチＰ_２が例えば１μｍと細かくても、例えば１０１μｍという長いピッチの受光素子アレイ４０で検出できる。

次に、第２の参考形態を詳細に説明する。

本参考形態は、図２に示す如く、レンズ５２の焦点位置にアパーチャ５４が配設されたテレセントリック光学系６０を用いると共に、第３格子３０を通過したピッチＰ_Ｍのモアレ縞３２のみを検出するように、光学系の開口数ＮＡを規定したものである。

具体的には、モアレ縞ピッチ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 ・・・ （３）
ここで、ｆはモアレ縞３２の空間周波数、λは、光の波長である。

今、レンズ５２の焦点距離をＬ、アパーチャ５４の開口径をＤとすると、次式の関係が成立する。

Ｄ＝２×Ｌ×ＮＡ ・・・ （４）

これにより、光学系６０が第３格子３０のパターンを解像しなくなるので、歪が無い波形の検出が実現できる。

又、テレセントリック光学系６０であるので、受光素子アレイ４０とレンズ５２の間隔の自由度が高い。

次に、第３の参考形態を詳細に説明する。

本参考形態は、図３に示す如く、スケール２０の移動方向（紙面に垂直な方向）に対して横方向から光を入射するようにしたものである。

これにより、受光素子アレイ４０をスケール移動方向に伸ばすことができるので、スケール２０上のごみなどによる影響の感度を低減させることができる。

なお、図３の光学系では、モアレ縞が生じている面がレンズ光学系の光軸に対して傾いているため、光軸から離れたたところにはピントが合わない。

そこで、図４に示す第４の参考形態のように、モアレ縞が生じている面と、レンズ光学系の中心面と、受光素子アレイ面が１点で交差するように配置して、いわゆるシャインプルーフ光学系を採用することにより、第３格子面上で生じているモアレ縞３２の全面をピントぼけ無く検出することが可能となる。なお、各面の角度は同一角度であれば像の大きさは１：１となるが、必ずしも同一である必要は無い。

次に、本発明の第１実施形態を詳細に説明する。

本実施形態においては、図５に示す如く、スケール２０上に、主信号たるインクリメンタルパターン（第２格子２２）のほかに、原点パターン２６が配置されている。

そして、第３格子３０と隣接して格子のない透過部３４を設けると共に、主信号検出用の受光素子アレイ４０に隣接して、原点信号検出用の受光素子アレイ４２を配置する。

更に、原点パターン２６を高精度で検出できるよう、原点パターン２６がある面と、レンズ光学系の中心面と、受光素子アレイ面の交点が１点で交差するようにして、原点パターン２６を精度良く検出できるようにする。この際、第３格子面にはピントが合っていないが、モアレ縞３２のピッチが長いので、同じレンズ光学系（テレセントリック光学系６０）によって検出することができる。

このようにして、主信号と原点信号を同時に検出することができる。

なお、前記実施形態においては、本発明が３格子型のインクリメンタル型エンコーダに適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、図６に示す第５の参考形態のように、２格子型のインクリメンタル型エンコーダにも同様に適用できる。

本参考形態では、光源１０の出側にコリメータレンズ１２を設けて、第１格子１４のセルフイメージをスケール２０上に投影し、該第１格子１４のセルフイメージと第２格子２２とによって形成されたモアレ縞２８を検出するようにされた２格子型のインクリメンタル型エンコーダにおいて、前記スケール２０上で生じるモアレ縞２８を受光素子アレイ４０に投影するためのレンズ５２及びアパーチャ５４を含むテレセントリック光学系６０を設けたものである。

本参考形態によれば、第１格子１４のセルフイメージをスケール２０上の第２格子２２に投影させて、セルフイメージと第２格子２２とのモアレ縞２８を検出することができる。

又、図６に示した２格子型においても、図７に示す本発明の第２実施形態の如く、第１実施形態と同様に原点信号を同時に検出することができる。ここでは、レンズ光学系（テレセントリック光学系６０）のピントをスケール２０（第２格子２２と原点パターン２６が配置されている面）に合わせて、原点パターン２６を直接検出し、又、同時にモアレ縞２８も検出する。これにより主信号と原点信号を同時に検出することができる。

ここでも、第２格子２２及び原点パターン２６がある面と、レンズ５２の中心面と、受光素子アレイ４０、４２の受光面とが１点で交差するシャインプルーフ光学系として、原点信号を検出する受光素子アレイ４２と主信号を検出する受光素子４０の両方にピントが合うようにすることができる。

なお、第２実施形態においても、アパーチャ５４を省略して、第２の参考形態と同様のレンズ５２のみを含む単純なレンズ光学系５０を用いることもできる。

１０…光源
１２…コリメータレンズ
１４…第１格子（ピッチＰ_１）
２０…スケール
２２…第２格子（ピッチＰ_２）
２４…干渉縞
２６…原点パターン
２８、３２…モアレ縞（ピッチＰ_Ｍ）
３０…第３格子（ピッチＰ_３）
３４…透過部
４０、４２…受光素子アレイ
５０…レンズ光学系
５２…レンズ
５４…アパーチャ
６０…テレセントリック光学系

Claims (4)

1. 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３格子で生じるモアレ縞を受光素子に投影するためのレンズ光学系を備え、
   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、
   前記スケール上に、第２格子に隣接して原点パターンが形成されると共に、前記第３格子に隣接して、該原点パターンの透過部が設けられ、
   主信号検出用受光素子に隣接して配設された原点信号検出用受光素子により、主信号と原点信号を同時に検出可能とされ、
   前記原点パターン形成面と、レンズ光学系の中心面と、受光素子面とが１点で交差するシャインプルーフ光学系を構成するようにされてい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。
2. 前記レンズ光学系が、レンズ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とされてい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。
3. 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格子とを有し、前記第１格子のセルフイメージと第２格子とによって形成されたモアレ縞を検出するようにされた２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、
   前記スケール上で生じるモアレ縞を受光素子に投影するためのレンズ光学系を備え、
   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、
   前記スケール上に、第２格子に隣接して原点パターンが形成され、
   主信号検出用受光素子に隣接して配設された原点信号検出用受光素子により、主信号と原点信号を同時に検出可能とされ、
   前記原点パターン形成面と、レンズ光学系の中心面と、受光素子面とが１点で交差するシャインプルーフ光学系を構成するようにされてい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。
4. 前記レンズ光学系が、レンズ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とされていることを特徴とする請求項３に記載の光電式インクリメンタル型エンコーダ。

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