(57)【要約】【課題】光電素子において良好な信号出力を得る。【解決手段】送光部７２から上方に出射された平行光は、貫通孔７１に挿入されている第１スリット５を透過した後、第２スリット７３１を透過しフォトダイオードアレイ７３２の４つのフォトダイオードに到達し、電気信号に変換される。第１スリット５と第２スリット７３１のスリットのピッチをp、送光部７２で生成する平行光の波長をλとして、第１スリット５のスリットと第２スリット７３１のスリットのギャップ（間隔）Gは、0.85≦K≦0.92、さらに望ましくは、0.869≦K≦0.913として、G = Kp2/λに設定する。【選択図】図２
2011123021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出ユニットと、前記検出ユニットに対して相対的に移動する、ピッチpのスリットが設けられた第１スリットとを備え、
前記検出ユニットは、
前記第１スリットに対して、波長λの平行光を照射する送光部と、
前記第１スリットと離間して平行に配置された、前記ピッチpのスリットが設けられた第２スリットと、
前記第１スリットと前記第２スリットとを透過した平行光を検出する光電素子とを備え、
前記第１スリットと前記第２スリットとの間隔の大きさGは、0.85≦K≦0.92として、G=Kp2/λであることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
請求項１記載の光学式エンコーダであって、
前記第１スリットと前記第２スリットとの間隔の大きさGは、0.869≦K≦0.913として、G=Kp2/λであることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項３】
請求項１または２記載の光学式エンコーダと、
フレームと、前記第１の方向に移動可能に前記フレームに支持されたシャフトとを有し、
前記検出ユニットは前記フレームに固定され、前記第１スリットは前記シャフトに固定されていることを特徴とするリニアゲージ。
【請求項４】
請求項１または２記載の光学式エンコーダと、
フレームと、前記第１の方向に移動可能に前記フレームに支持されたシャフトとを有し、
前記検出ユニットは前記シャフト固定され、前記第１スリットは前記フレームに固定されていることを特徴とするリニアゲージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被計測物の直動方向の変位を測定するリニアゲージ等に用いられる光学式エンコーダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学式エンコーダとしては、被計測物の移動に伴い移動する第１スリットと、第１のスリットと所定のギャップを持たせて平行に配置した相互に位相の異なる複数の第２スリットを設けると共に、送光光学系で生成した平行光を各スリットに垂直な方向から照射し、各第２スリットの各々に対応して設けた光電素子で、対応する第２スリットと第１スリットとを透過した光を電気信号に変換する光学式エンコーダが知られている（たとえば、特許文献１）。ここで、このような光学式エンコーダを用いることにより、各光電素子で変換した電気信号に基づいて、第１スリットしたがって被計測物の移動速度や移動方向や、これらに基づく変位を測定することができる。
【０００３】
また、このような光学式エンコーダにおいて、第１のスリットと第２のスリットとの間のギャップGを、各スリットのピッチをp、平行光の波長をλ、nを正の整数として、G = n p2/λとすることにより、第２のスリット上に第１のスリットの明瞭な像を結像し、これにより光学式エンコーダの高分解能を実現することも提案されている（同特許文献１、非特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２-２５７５９３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「ロータリエンコーダ用高精度ＬＥＤ光源の開発とその応用」、山田和明、服部昌  梁川敏、「Koyo Engineering Journal No.166 (2004)」、pp64-69
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らの試験、研究によれば、第１のスリットと第２のスリットとの間のギャップGを、各スリットのピッチをp、平行光の波長をλ、nを正の整数として、G = n p2/λとした場合には、光電素子において充分に良好な信号が得られないことが判明した。
そこで、本発明は、光電素子においてより良好な信号が得られる光学式エンコーダを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題達成のために、本発明は、検出ユニットと、前記検出ユニットに対して相対的に移動する、ピッチpのスリットが設けられた第１スリットとを備えた光学式エンコーダを提供する。ここで、前記検出ユニットは、前記第１スリットに対して、波長λの平行光を照射する送光部と、前記第１スリットと離間して平行に配置された、前記ピッチpのスリットが設けられた第２スリットと、前記第１スリットと前記第２スリットとを透過した平行光を検出する光電素子とを備えており、前記第１スリットと前記第２スリットとの間隔の大きさGは、0.85≦K≦0.92として、G = Kp2/λである。また、望ましくは、前記第１スリットと前記第２スリットとの間隔の大きさGは、0.869≦K≦0.913として、G = Kp2/λである。
【０００８】
このような光学式エンコーダによれば、上述のように前記第１スリットと前記第２スリットとの間隔の大きさGを設定することにより、前記第１スリットと前記第２スリットとの間隔の大きさGを上述した理論値G = p2/λとするよりも、より良好に光電素子の出力を得ることができる。
【０００９】
ここで、本発明は、併せて、以上のような光学式エンコーダを用いたリニアゲージも提供する。
すなわち、本発明は、フレームと、前記第１の方向に移動可能に前記フレームに支持されたシャフトとを備え、前記検出ユニットは前記フレームに固定され、前記第１スリットは前記シャフトに固定されているリニアゲージも提供する。
また、本発明は、光学式エンコーダと、フレームと、前記第１の方向に移動可能に前記フレームに支持されたシャフトとを備え、前記検出ユニットは前記シャフト固定され、前記第１スリットは前記フレームに固定されリニアゲージも提供する。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明によれば、光電素子においてより良好な信号が得られる光学式エンコーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るリニアゲージの構造を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るリニアゲージの検出ユニットの構成を示す図である。
【図３】第１スリットと第２スリットのギャップと、フォトダイオードアレイの出力との関係についての実験結果を表す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るリニアゲージの他の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を、被計測物の直動方向の変位を測定するリニアゲージへの適用を例にとり説明する。
図１ａ１-ａ５に、リニアゲージの構造を示す。
前後左右上下方向を図１ａ１、ａ２に示すように定義するものとして、図１ａ１はリニアゲージの上面を、図１ａ２はリニアゲージの右側面を、図１ａ３はリニアゲージを右後上方の視点より見たようすを、図１ａ４はリニアゲージを左前上方の視点より見たようすを、図１ａ５はリニアゲージを右前上方の視点より見たようすを表している。
【００１３】
さて、図示するようにリニアゲージは、フレーム１、軸方向に移動可能にフレーム１に軸受されたシャフト２、シャフト２の一端に固定された測定子３、シャフト２の他端に固定されたホルダ４、ホルダ４に固定された第１スリット５、一端がフレーム１に他端がホルダ４に固定されホルダ４を測定子３の方向に付勢するバネ６、検出ユニット７とを備えている。
【００１４】
なお、リニアゲージには、実際には、図１ａ５に破線で示すようにカバー８で覆われる。
ここで、検出ユニット７には前後方向に貫通した孔７１が設けられており、第１スリット５は、この貫通孔７１に挿入されている。
そして、このような構成において、図１ｂ１、ｂ２に示すように、測定子３が被計測物当接された状態で、シャフト２がフレーム１に対して前後に移動すると、シャフト２にホルダ４を介して固定された第１スリット５が前後に移動することになる。
次に、検出ユニット７の構成を図２に示す。
図２ａに模式的に示すように、検出ユニット７は、第１スリット５が前後方向に挿入されている貫通孔７１の下方に設けられた送光部７２と、貫通孔７１の上方に設けられた受光部７３とを有する。
そして、送光部７２は、下から順に、光源であるＬＥＤ７２１、レンズ７２２を有している。
そして、受光部７３は、下から順に、第２スリット７３１と、フォトダイオードアレイ７３２とを備えている。
フォトダイオードアレイ７３２の下面には、図２ｂ１に示すように、Ａ、Ｂ、invＡ、invＢの４つのフォトダイオードの受光面が形成されており、この４つのフォトダイオードの受光面は２行２列の格子状に配置されている。
また、第２スリット７３１には、図２ｂ２に示すように、９０°スリット領域、１８０°スリット領域、２７０°スリット領域、３６０°スリット領域の４つのスリット領域が２行２列の格子状に設けられている。ここで、第２スリット７３１は透明なガラス製であり、第２スリット７３１の各スリット領域の下面には、各々前後方向に並んだ同ピッチのスリットがクロム蒸着により形成されている。また、３６０°スリット領域のスリットに対して９０°スリット領域のスリットは位相が９０°異なり、３６０°スリット領域のスリットに対して１８０°スリット領域のスリットは位相が１８０°異なり、３６０°スリット領域のスリットに対して２７０°スリット領域のスリットは位相が２７０°異なる。
【００１５】
そして、９０°スリット領域が、フォトダイオードアレイ７３２のＡのフォトダイオードを覆い、２７０°スリット領域が、フォトダイオードアレイ７３２のinvＡのフォトダイオードを覆い、１８０°スリット領域が、フォトダイオードアレイ７３２のＢのフォトダイオードを覆い、３６０°スリット領域が、フォトダイオードアレイ７３２のinvＢのフォトダイオードを覆うように、第２スリット７３１は、フォトダイオードアレイ７３２の下方に重ねて配置される。
【００１６】
なお、貫通孔７１に挿入されている第１スリット５も透明なガラス製であり、その上面には、図２ｂ３に示すように、クロム蒸着により形成された、第２スリット７３１と同じピッチのスリットが前後方向に形成されている
一方、送光部７２において、レンズ７２２は、ＬＥＤ７２１から出射された光を上方に向かう平行光に変換する。
【００１７】
そして、このような検出ユニット７の構成において、送光部７２から上方に出射された平行光は、貫通孔７１に挿入されている第１スリット５を透過した後、第２スリット７３１を透過しフォトダイオードアレイ７３２の４つのフォトダイオードの受光面に到達し、電気信号に変換される。
【００１８】
ここで、第１スリット５が前後方向に移動している場合、第１スリット５と第２スリット７３１の各スリット領域のスリットの作用により、フォトダイオードアレイ７３２では、Ａ、Ｂ、invＡ、invＢの４つのフォトダイオードからは、第１スリット５の移動速度に応じた周期の正弦波の電気信号が出力される。また、第２スリット７３１の各スリット領域のスリットの位相差に応じて、Ａ、Ｂ、invＡ、invＢの４つのフォトダイオードが出力する正弦波の信号の位相は、当該順序で順次９０°ずつ、ずれることになる。また、これにより、（Ａ出力-invＡ出力）により生成したＡ相信号と、（Ｂ出力-invＢ出力）により生成したＢ相信号には、９０°の位相差が生じる。
【００１９】
そこで、このようなＡ相信号とＢ相信号とより、第１スリット５したがってシャフト２、測定子３、測定子３が当接している被計測物の移動速度や移動方向や、これらに基づく変位を測定することができる。
さて、このような検出ユニット７において、本実施形態では、図２ａに示す、第１スリット５のクロム蒸着によって形成されたスリットと、第２スリット７３１の各スリット領域にクロム蒸着によって形成されたスリットとのギャップ（間隔）Gを、第１スリット５と第２スリット７３１のスリットのピッチをp、送光部７２で生成する平行光の波長をλ、0.85≦K≦0.92として、G = Kp2/λに設定する。また、さらに望ましくは、0.869≦K≦0.913とする。
【００２０】
以下に、このようにギャップGを設定する理由について説明する。
図３に、ギャップGと、フォトダイオードアレイ７３２の出力の関係についての実験結果を示す。
図３ａは、平行光の波長λを890nm、第１スリット５と第２スリット７３１のスリットのピッチpを20.0μmとしたときに、ギャップGを50μmから500μmまで、50μm刻みで変化させて、A相信号とB相信号のコントラストと、出力波形形状を観察した結果をまとめたものである。
【００２１】
ここで、A相信号とB相信号は、前述のようにフォトダイオードアレイ７３２のＡ、Ｂ、invＡ、invＢの４つのフォトダイオードが出力から生成されるものであり、Ａ相信号は（Ａ出力-invＡ出力）により、B相信号は（Ｂ出力-invＢ出力）により生成される。
また、A相信号のコントラストはA相信号の振幅の最小値AminとA相信号の振幅の最大値Amaxを用いて（Amax-Amin)/（Amax+Amin)により求め、B相信号のコントラストはB相信号の振幅の最小値BminとB相信号の振幅の最大値Bmaxを用いて（Bmax-Bmin)/（Bmax+Bmin)として求めた。
【００２２】
さて、図３ａに示すように、平行光の波長λを890nm、第１スリット５と第２スリット７３１のスリットのピッチpを20.0μmとした場合には、ギャップGが350μm、400μm、450μmのときに、A相信号とB相信号の出力波形として綺麗な正弦波が観測された。また、他のギャップGの場合には、幾分歪んだ正弦波が観測されたり、A相信号とB相信号の位相差が本来そうあるべき90°とならなかった。
【００２３】
また、ギャップGが350μm、400μm、450μmのときのコントラストは、0.13から0.19と相対的に比較的良好であった。
そこで、本実験結果よりは、ギャップGが350μm、400μm、450μmの中心値となるギャップG=400μm周辺に最適なギャップGの値が存在することが導かれる。ここで、このギャップG=400μmの、従来のギャップGの理論値G = p2/λ=449.4μmに対する比率は、89％となる。
【００２４】
次に、図３ｂは、平行光の波長λを890nm、第１スリット５と第２スリット７３１のスリットのピッチpを25.6μmとしたときに、ギャップGを400μmから700μmまで、50μm刻みで変化させて、A相信号とB相信号のコントラストと、出力波形形状を観察した結果をまとめたものである。
【００２５】
平行光の波長λを890nm、第１スリット５と第２スリット７３１のスリットのピッチpを25.6μmとした場合には、ギャップGが650μmのときに、A相信号とB相信号の出力波形として綺麗な正弦波が観測された。また、他のギャップGの場合には、幾分歪んだ正弦波が観測されたり、A相信号とB相信号の位相差が本来そうあるべき90°とならなかった。
【００２６】
また、ギャップGが650μmのときのコントラストは、0.24から0.25と相対的に比較的良好であった。
そこで、本実験結果よりは、650μm周辺に最適なギャップGの値が存在することが導かれる。ここで、このギャップG=650μmの、従来のギャップGの理論値G = p2/λ=736.4μmに対する比率は、88.3％となる。
したがって、以上の実験結果よりは、ギャップGの理論値G = p2/λの88から89％の値付近に最適なギャップGの値が存在することが推定される。
そこで、さらに、平行光の波長λを890nmとして、第１スリット５と第２スリット７３１のスリットのピッチpが12.8μm、16.0μm、32.0μmの場合のそれぞれについて同様の実験をしたところ、最も良好なA相信号とB相信号の出力が得られるギャップGと、そのギャップGの理論値p2/λに対する比率は以下のようになった。
【００２７】
ピッチpが12.8μmのとき：ギャップG=184.090μm、理論値p2/λに対する比率=86.9％
ピッチpが16.0μmのとき：ギャップG=287.640μm、理論値p2/λに対する比率=86.9％
ピッチpが32.0μmのとき：ギャップG=1150.562μm、理論値p2/λに対する比率=91.3％
以上より、G = Kp2/λとして、最適なギャップGはKが 0.869≦K≦0.913となる範囲内にあり、当該範囲内でKを選択することにより良好なフォトダイオードアレイ７３２の出力が得られることが導かれる。また、当該事項と、図３の実験結果より、K を0.88前後の値、望ましくは、0.85≦K≦0.92の範囲でKを選択することにより、およそ良好なフォトダイオードアレイ７３２の出力が得られることを推認することができる。
【００２８】
以上、本発明の実施形態について説明した。
なお、以上で示した実施形態は、図４ａ、ｂに示すように第１スリット５をフレーム１に固定し、シャフト２に連結した検出ユニット７を移動するように構成したリニアゲージにおいても同様に適用することができる。
また、以上の実施形態では、リニアゲージへの適用を例にとり説明したが、以上で示した第１スリット５と、検出ユニット７からなる光学式エンコーダは、第１スリット５を被計測物と共に回転させるロータリエンコーダなどの、移動速度や移動方向を計測する任意の装置に同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１…フレーム、２…シャフト、３…測定子、４…ホルダ、５…第１スリット、６…バネ、７…検出ユニット、８…カバー、７１…貫通孔、７２…送光部、７３…受光部、７２１…ＬＥＤ、７２２…レンズ、７３１…第２スリット、７３２…フォトダイオードアレイ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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