JP6002458B2 - 光学式エンコーダ、及び、そのレンズ固定機構 - Google Patents

光学式エンコーダ、及び、そのレンズ固定機構 Download PDF

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Description

本発明は、光学式エンコーダ、及び、そのレンズ固定機構に係り、特にダブルテレセントリック光学系を備えた光学式エンコーダに用いるのに好適な、スケール上のトラックを、複数のレンズとアパーチャ板を有する結像光学系を用いて受光素子に結像して検出する光学式エンコーダ、及び、このような光学式エンコーダに用いるのに好適なレンズ固定機構に関する。
結像光学系を用いた光学式エンコーダにおいて、図１に例示する如く、検出ヘッド部１の光学系は、スケール２の像３を受光素子４上に結像させる作用を持っている。特に、特許文献１や２に記載されたような、アパーチャ板７の両側にレンズ５、６を有するダブルテレセントリック光学系の場合、スケール２と前側レンズ５の間隔、および後側レンズ６と受光素子４の間のギャップ変動に対して、像の歪が少なく、エンコーダとして有利である。図において、Ｘはスケール長手方向、Ｚは光軸方向である。
また、２トラック用スケールの光学式エンコーダにおいて同一の光学系を並べる場合には、コンパクト化および部品の簡素化を図るため、特許文献３や４に記載されているように、レンズアレイが用いられる。さらに、レンズ数を減らし２枚のレンズのみで各光学収差を除くために、非球面形状のレンズが用いられる。図２は、２トラックスケール１２と、２個のレンズアレイ１３、１４からなる、ダブルテレセントリック光学系を用いた光学式エンコーダの構成模式図であり、図において、Ｘはスケール長手方向、Ｙはラテラル方向である。なお、小型で、高い精度の非球面レンズを作製する場合は、特許文献５や６に記載されているように、プラスチックレンズが適当であり、以下、プラスチックレンズを前提として話を進める。
特開２０１１−１３０９３号公報 特開２０１１−５９０５５号公報 特開２０１２−３２２９５号公報 特開２００８−３０１４号公報 特開２００８−３４２１号公報 特開２００８−３４６６号公報 特開２００４−９３５５６号公報
光学的な性能を達成するために、これらの光学素子を組み立てる際の相対位置精度は、百マイクロメートル程度が必要である。
また、２トラック用スケールの光学式エンコーダにおいて、１つの検出ヘッド内の独立した２つの光学系で、それぞれのトラックを検出する場合、２トラックスケール１２のラテラル方向（Ｙ方向）の軸と、２つの光学系の光軸を結ぶ線とが高い精度で平行である必要がある。平行からのずれ（ヨーイング）は、インクリメンタルエンコーダの信号検出効率低下と、２つのトラック間の位置誤差（トラック間誤差）を起こしてしまう。
図３のようなダブルテレセントリック光学系では、両レンズの焦点をアパーチャ板７の位置に高精度に位置決めすることが要求され、入側レンズアレイ１３を検出ヘッドの金属製の筐体１５に高精度で固定する必要がある。
また、レンズの固定方法として、レンズアレイ１３、１４の光軸中心を結ぶ線上にボス１３Ａ、１４Ａを設け、ボス１３Ａ、１４Ａを接着剤と共に筐体１５のボス孔１５Ａにはめ込み、接着する方法が考えられる。この方法によれば、特許文献７に示唆されているように、レンズ（５又は６）面とボス１３Ａ又は１４Ａを同一金型で一体成型することができ、光学系を高精度に組み立てられ、また、組立も簡単である。図３（Ａ）は入側レンズアレイ１３と、筐体１５を接着した際の断面摸式図である。
しかし、筐体１５に使われるアルミニウムのような金属よりも、レンズアレイ１３、１４に使われるプラスチックの線膨張係数が３倍程度大きい（光学プラスチックレンズは約６０×１０-6、アルミニウムは２３×１０-6ｍＫ-1）ため、周囲の温度が変化すると、図３（Ｂ）に示す如く、入側レンズアレイ１３の接着面１３Ｂに応力が加わる。さらに、接着面１３Ｂの反対側には応力が生じないため、入側レンズアレイ１３は、矢印Ａで示す曲げられるような力を受ける。その結果、入側レンズアレイ１３のレンズ（５）面形状が破線で例示するように歪み、像のコントラスト低下や歪みを起こし、エンコーダ信号の効率低下や、精度悪化に通じてしまうという問題点を有していた。これは出側レンズアレイ１４においても同じである。
なお、特許文献６には、金属板によりプラスチックレンズを機械的に拘束して、温度変化によるレンズ曲率の変化を抑制することが記載されているが、十分ではなかった。
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、光学式エンコーダ用検出ヘッドの光学素子組み立ての容易化及び高精度化を図ると共に、温度変化に対するエンコーダ性能の安定性を向上することを課題とする。
本発明は、スケール上のトラックを、レンズとアパーチャ板を有する結像光学系を用いて受光素子に結像して検出する光学式エンコーダにおいて、光軸を挟んで両側にボスを一体成型したプラスチックレンズと、レンズ用ボス孔と基準ピン用ボス孔とが中心対称面上に設けられ、取り付け部が対称的に設けられた筐体と、アパーチャ開口を挟んで両側に基準ピン用ボス孔が設けられたアパーチャ板と、レンズ用ボス孔と基準ピン用ボス孔が中心対称面上に設けられたレンズホルダと、該レンズホルダ及びアパーチャ板を前記筐体に対して位置決めするための基準ピンとを有し、前記ボス及び基準ピンを基準として、光学系の光軸を合わせるようにされた検出ヘッドを備えると共に、前記プラスチックレンズの筐体又はレンズホルダに対する固定面を、前記プラスチックレンズの体積を２等分する面上に設けることにより、前記課題を解決したものである。
ここで、前記トラックが複数設けられている場合、前記プラスチックレンズを、各トラックに対応する複数のレンズが並設されたレンズアレイとすることができる。
本発明は、また、プラスチックレンズの筐体又はレンズホルダに対する固定面を、前記プラスチックレンズの体積を２等分する面上に設けたことを特徴とする光学式エンコーダのレンズ固定機構を提供するものである。
本発明によれば、プラスチックレンズ及びアパーチャ板を、プラスチックレンズの筐体及びレンズホルダに設けたボス孔を基準として組み立てることで、光学系を精密かつ容易に組み立てることが可能である。また、プラスチックレンズ（以下、単にレンズとも称する）により、レンズ面とボスとを容易に一体成型可能であり、レンズ面とボスとの位置寸法を高精度化できる。更に、筐体に直接レンズを取り付けることで、筐体の機械的基準面と光学系との間の精度を高くできる。そのため、取り付け装置側の基準面に要求する精度を緩和できる。更にまた、筐体の中心対称面上に、筐体のボス孔、レンズのボス、アパーチャ板のボス孔を配置しているため、温度変化による膨張・収縮が起きても、筐体、レンズ、アパーチャ板それぞれのＸ軸方向の偏芯は原理的に起きず、光軸とトラック上の測定位置との間隔は変わらない。したがって、安定した位置検出が可能となる。
また、レンズの筐体又はレンズホルダに対する取り付け面を、レンズの体積を２等分する面上に設けた場合には、コストがかからない簡単な構成で、温度変化によるレンズ面形状の歪みが低減され、像の劣化が抑えられるので、温度変化によるエンコーダ信号出力の低下が抑えられる。
従来のダブルテレセントリック光学系を模式的に示す光路図 従来の２トラックのダブルテレセントリック光学系の光学式エンコーダを模式的に示す分解斜視図 レンズアレイと筐体接着部分を模式的に示す断面図 本発明の第１実施形態の構成を模式的に示す斜視図 同じくレンズアレイと筐体接着部分を模式的に示す断面図
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。
２トラック用エンコーダ検出ヘッドに適用した本発明の第１実施形態の構成を図４に模式的に示す。簡単のため、カバー、固定ネジ等は省略している。
本実施形態は、図４に示すように、２トラックスケール１２上のトラックを、レンズとアパーチャ板を有する結像光学系を用いて受光素子４に結像して検出する光学式エンコーダにおいて、２つの光軸を結ぶ中心線上のボス２２Ａ、２４Ａを一体成型した、例えばプラスチック製の入側レンズアレイ２２及び出側レンズアレイ２４と、入側レンズアレイ２２用ボス孔２６Ａと長穴（以下、ボス孔とも総称する）２６Ｂと基準ピン用ボス孔２６Ｃとが中心対称面Ｐ１上に設けられ、取り付け部２６Ｄが対称的に設けられた筐体２６と、２つのアパーチャ開口を結ぶ中心線上の両側に基準ピン用ボス孔２８Ａ、２８Ｂが設けられたアパーチャ板２８と、出側レンズアレイ２４用ボス孔３０Ａと長穴（以下、ボス孔とも総称する）３０Ｂと基準ピン用ボス孔３０Ｃと長穴（以下、ボス孔とも総称する）３０Ｄが中心対称面Ｐ１上に設けられたレンズホルダ３０と、該レンズホルダ３０及びアパーチャ板２８を前記筐体２６に対して位置決めするための基準ピン３２とを有し、前記ボス２２Ａ、２４Ａ及び基準ピン３２を基準として、光学系の光軸を合わせるようにされた検出ヘッド２０を備えている。
詳細に説明すると、前記検出ヘッド２０の光学系は、筐体２６と、入側レンズアレイ２２及び出側レンズアレイ２４と、レンズホルダ３０と、アパーチャ板２８と、受光センサ基板３４で構成されている。
筐体２６には、該筐体２６をＸ方向に２等分する中心対称面Ｐ１上にボス孔２６Ａ、２６Ｂが設けられている。
入側レンズアレイ２２と出側レンズアレイ２４は同一形状であり、２つの光軸を持っていて、２つの光軸を結ぶ中心線上の枠の上に、それぞれ２本のボス２２Ａ、２４Ａが設けられている。レンズアレイ２２、２４は共にプラスチック製で、ボス２２Ａ、２４Ａが一体成型されている。入側レンズアレイ２２は、筐体２６のボス孔２６Ａ、２６Ｂにボス２２Ａをはめ込み、組み立てられている。
また、筐体２６のアパーチャ板２８を配置する面上には、前記中心対称面Ｐ１上に、２つの基準ピン用ボス孔２６Ｃが設けられており、基準ピン３２がはめ込まれている。アパーチャ板２８には、２つのアパーチャ開口と、アパーチャ光軸中心を結ぶ中心対称線上に基準ピン用ボス孔２８Ａ、２８Ｂが設けられている。このアパーチャ板２８は、基準ピン３２を基準としてはめ込まれる。
また、レンズホルダ３０には、基準ピン用ボス孔３０Ｃ、３０Ｄが設けられ、基準ピン３２と、基準ピン用ボス孔３０Ｃ、３０Ｄをはめ合わせて組み立てられる。
また、出側レンズアレイ２４には、ボス２４Ａが設けられ、該ボス２４Ａをレンズホルダ３０のボス孔３０Ａ、３０Ｂにはめ合わせて組み立てられる。
受光センサ基板３４は、筐体２６と組み合わされる。
検出ヘッド２０全体は、筐体２６に設けられた取り付け部２６Ｄの基準面を相手装置（図示省略）の基準面に合わせて取り付けられる。
図５に、入側レンズアレイ２２を例として、第１実施形態のレンズ固定機構を示す。既に説明したように、ボス孔２６Ａ、２６Ｂを設けたアルミニウム製の検出ヘッド筐体２６と、ボス２２Ａを一体成型した板状のプラスチック製の入側レンズアレイ２２から構成されている。入側レンズアレイ２２は、部品両面にレンズ面２２Ｂと２２Ｃを持っている。入側レンズアレイ２２上のボス２２Ａは、レンズの光軸中心を結んだ線上に設けられている。
また、入側レンズアレイ２２のうち、上下の接着面２３の間で且つ接着面２３を含まない領域２２Ｄを定め、その領域２２Ｄの体積を２等分する面Ｐ２を定める。
接着面２３は、図３に示した従来の構成に比べ、入側レンズ面２２Ｂと出側レンズ面２２Ｃの中間で、かつ体積２等分面Ｐ２上に移動して配置させている。
レンズを組み付ける時は、筐体２６のボス孔２６Ａ、２６Ｂに接着剤を滴下し、ボス２２Ａをボス孔２６Ａ、２６Ｂにはめ込み、固定する。
筐体２６と入側レンズアレイ２２とが接着された状態で、周囲の温度が変化すると、プラスチックと金属の線膨張係数が異なるため、従来と同様に、入側レンズアレイ２２が接着面２３から応力を受ける。しかし、接着面２３が、入側レンズアレイ２２の体積を２等分する面Ｐ２上にあることから、入側レンズ面２２Ｂ側に生じる応力と、出側レンズ面２２Ｃ側に加わる応力が相殺される。そのため、従来生じていたような反りの力が生じず、レンズ面形状の歪みが抑制される。
なお、出側レンズアレイ２４のレンズホルダ３０への固定にも、同様の構成を用いることができる。また、固定方法も接着に限定されない。
以上のような構成では、光学系を精度良く、簡単に組み立てられると同時に、光学系のヨーイングと、光学系に起因するトラック間誤差を抑えることができる。
また、環境の温度変化により部品の膨張、収縮が起きても、これらの光学素子の基準が、Ｘ方向の中心対称上にあることにより、Ｘ方向への光軸のずれは起こらない。そのため、温度変化に対して光軸と測定点の関係が変わらず、安定した位置測定に寄与する。
更に、レンズアレイ化により、２つの光軸間の位置の高精度化と部品点数の削減を図ると共に、光学系に起因するトラック間誤差を低減することもできる。
なお、第１実施形態では、２トラックのスケール１２が用いられていたが、スケールを１トラックとし、光軸を１つとした第２実施形態を構成することもできる。
あるいは、２トラックのスケール１２を３トラック以上のスケールに置き換えて、光軸を３以上とした第３実施形態を構成することもできる。
なお、前記実施形態においては、光学系がダブルテレセントリック光学系とされていたが、光学系はこれに限定されない。
また、前記実施形態においては、入側レンズアレイ２２が筐体２６に固定され、出側レンズアレイ２４がレンズホルダ３０に固定されていたが、前後を逆にして、入側レンズアレイ２２をレンズホルダ３０に固定し、出側レンズアレイ２４を筐体２６に固定しても良い。
４…受光素子
１２…２トラックスケール
２０…検出ヘッド
２２…入側レンズアレイ
２３…接着面
２４…出側レンズアレイ
２６…筐体
３０…レンズホルダ
３２…基準ピン
２２Ａ、２４Ａ…ボス
２６Ａ、３０Ａ…ボス孔
２６Ｂ、３０Ｂ…長穴
２６Ｃ、２８Ａ、２８Ｂ、３０Ｃ…基準ピン用ボス孔
２６Ｄ…取り付け部
３０Ｄ…基準ピン用長穴
Ｐ１…中心対称面
Ｐ２…体積２等分面

Claims (3)

  1. スケール上のトラックを、レンズとアパーチャ板を有する結像光学系を用いて受光素子に結像して検出する光学式エンコーダにおいて、
    光軸を挟んで両側にボスを一体成型したプラスチックレンズと、
    レンズ用ボス孔と基準ピン用ボス孔とが中心対称面上に設けられ、取り付け部が対称的に設けられた筐体と、
    アパーチャ開口を挟んで両側に基準ピン用ボス孔が設けられたアパーチャ板と、
    レンズ用ボス孔と基準ピン用ボス孔が中心対称面上に設けられたレンズホルダと、
    該レンズホルダ及びアパーチャ板を前記筐体に対して位置決めするための基準ピンとを有し、
    前記ボス及び基準ピンを基準として、光学系の光軸を合わせるようにされた検出ヘッドを備えると共に、前記プラスチックレンズの筐体又はレンズホルダに対する固定面を、前記プラスチックレンズの体積を２等分する面上に設けたことを特徴とする光学式エンコーダ。
  2. 前記トラックが複数設けられ、前記プラスチックレンズが、各トラックに対応する複数のレンズが並設されたレンズアレイとされていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
  3. プラスチックレンズの筐体又はレンズホルダに対する固定面を、前記プラスチックレンズの体積を２等分する面上に設けたことを特徴とする光学式エンコーダのレンズ固定機構。
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