(57)【要約】【課題】１種類の受光部で、異なるピッチのメインスケールに対応可能とする。【解決手段】少なくともメインスケール（２０、４０）上の格子（２１、４２）によって生じた干渉縞を、前記メインスケールと相対移動する、インデックス格子３１と受光素子３２を組み合わせた受光部（３０、３３）によって検出するようにされた光電式エンコーダにおいて、前記メインスケールと受光部の間にレンズ６０及び／又はアパーチャ６２を挿入し、該レンズ又はアパーチャとメインスケール及び受光部間の距離（ａ、ｂ）又は（ｍ、ｌ）を調整することにより、倍率設定を行なう。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともメインスケール上の格子によって生じた明暗の縞を、前記メインスケールと相対移動する、インデックス格子と受光素子を組み合わせた受光部によって検出するようにされた光電式エンコーダにおいて、
前記メインスケールと受光部の間にレンズを挿入し、該レンズとメインスケール及び受光部間の距離を調整することにより、倍率設定を行なうことを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項２】
前記インデックス格子と受光部が、受光素子アレイで一体化されてい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。
【請求項３】
前記レンズの焦点位置にアパーチャを挿入す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。
【請求項４】
前記レンズとして、レンズアレイを用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光電式エンコーダ。
【請求項５】
前記レンズアレイの焦点位置にアパーチャアレイを挿入す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。
【請求項６】
前記レンズアレイの隣接するレンズ間に仕切り板が設けられていることを特徴とする請求項４又は５に記載の光電式エンコーダ。
【請求項７】
前記メインスケールが反射型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。
【請求項８】
拡散光源を使用し、前記レンズがコリメートレンズも兼ね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。
【請求項９】
少なくともメインスケール上の格子によって生じた明暗の縞を、前記メインスケールと相対移動する、インデックス格子と受光素子を組み合わせた受光部によって検出するようにされた光電式エンコーダにおいて、
前記メインスケールと受光部の間にアパーチャを挿入し、該アパーチャとメインスケール及び受光部間の距離を調整することにより、倍率設定を行なうことを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項１０】
前記インデックス格子と受光部が、受光素子アレイで一体化されていることを特徴とする請求項９に記載の光電式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくともメインスケール上の格子によって生じた明暗の縞を、前記メインスケールと相対移動する、インデックス格子と受光素子を組み合わせた受光部によって検出するようにされた光電式エンコーダに関する。又、インデックス格子と受光素子を組み合わせた受光部の代わりに、インデックス格子と受光素子が一体化された受光素子アレイによって検出する光電式エンコーダに関する。なお、明暗の縞は光学系の設計により干渉縞またはメインスケールの像となるように設定できる。
【背景技術】
【０００２】
従来より、図１に示すような透過型の光電式エンコーダが使用されている。図において、１０は光源、１２は、該光源１０から出射された光を平行光線化するためのコリメートレンズ、２０は、その表面（図では下面）に所定ピッチＰの第１格子２１が形成された透過型のメインスケール、３０は受光部であり、所定ピッチＱのインデックス格子３１と受光素子３２が組み合わされている。
【０００３】
図１の構成では、インデックス格子３１と受光素子３２とが個別部品であるため、それらを組み立てる必要がある。又、方向弁別（Ａ相、Ｂ相）のために複数の受光素子３２Ａ、３２Ｂが必要であるが、光感度特性や温度特性を揃えるために、素子を選別しなければならない。
【０００４】
そこで、特許文献１に記載されているように、図２（正面図）及び図３（図２のIII−III線に沿う平面図）に示す如く、所定ピッチＱのインデックス格子と受光素子３２が一体化された受光素子アレイ３３を受光部に使用した透過型の光電式エンコーダが提案されている。図３において、３４はプリアンプ、３６Ａ、３６Ｂは差動アンプである。
【０００５】
このような受光素子アレイ３３の採用は、小型化や信号安定性の向上といった、多くの利点がある。
【０００６】
又、反射型光電式エンコーダにおいては、特許文献２に記載されている如く、図４に示すように、２枚の格子（インデックススケール５０上の第１格子５１と反射型のメインスケール４０上の第２格子４２）によって生じた明暗の縞の位置を、互いの相対移動によって変化させ、更にその明暗の縞を、インデックススケール５０上の第３格子（インデックス格子）５３によってフィルタリングすることで相対移動量を検出する、３格子原理を応用したものが多くあり、受光素子アレイ３３（図４では下向きに配置）を組み合わせることで、前記の利点を享受している。
【０００７】
【特許文献１】特許第２６１０６２４号公報
【特許文献２】特公昭６０−２３２８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、メインスケール２０、４０の格子ピッチＰにより、受光側の格子ピッチＱも決定されてしまうため、ピッチＰとは異なる格子ピッチを持つメインスケールに対応しようとすると、それに併せて受光部側を作り換えなければならない。又、メインスケール２０、４０の格子２１、４１の面から、その格子ピッチＰと光波長λによって決まる距離にしか明暗の縞が生じないため、受光素子アレイ３３の採用／不採用に拘わらず、ギャップが変動した場合の信号出力の低下が大きいという問題がある。
【０００９】
又、３格子原理を利用したエンコーダでは、図４に示したように、通常、メインスケール４０上に第２格子４２を形成しているが、図５に示す如く、メインスケール４０の表面にうねりが存在する場合には、光の反射角変化の影響により測定誤差が発生するという問題点も有していた。
【００１０】
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、１種類の受光部を採用しながらも、異なるピッチのメインスケールに対応することができ、且つ、構成が簡単な光電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】
【００１１】
本発明は、少なくともメインスケール上の格子によって生じた明暗の縞を、前記メインスケールと相対移動する、インデックス格子と受光素子を組み合わせた受光部によって検出するようにされた光電式エンコーダにおいて、前記メインスケールと受光部の間にレンズを挿入し、該レンズとメインスケール及び受光部間の距離を調整することにより、倍率設定を行なうようにして、前記課題を解決したものである。なお、明暗の縞は光学系の設計により干渉縞またはメインスケールの像となるように設定できる。
【００１２】
又、前記インデックス格子と受光素子を、受光素子アレイで一体化して、構成を簡略化したものである。
【００１３】
又、前記レンズの焦点位置にアパーチャを挿入するか、又は、前記レンズとしてレンズアレイを用いることにより、ギャップ変動特性を向上したものである。
【００１４】
又、前記レンズアレイの焦点位置にアパーチャアレイを挿入するようにしたものである。
【００１５】
又、前記レンズアレイの隣接するレンズ間に仕切り板を設けて、隣りのレンズからの迷光の入射を防止したものである。
【００１６】
又、前記メインスケールが反射型であるときの、スケール表面のうねりの影響を低減したものである。
【００１７】
又、拡散光源を使用し、前記レンズがコリメートレンズも兼ねるようにして、構成を簡略化したものである。
【００１８】
本発明は、又、少なくともメインスケール上の格子によって生じた明暗の縞を、前記メインスケールと相対移動する、インデックス格子と受光素子を組み合わせた受光部によって検出するようにされた光電式エンコーダにおいて、前記メインスケールと受光部の間にアパーチャを挿入し、該アパーチャとメインスケール及び受光部間の距離を調整することにより、倍率設定を行なうようにして、前記課題を解決したものである。
【００１９】
又、前記インデックス格子と受光素子を、受光素子アレイで一体化して、構成を簡略化したものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、１種類の受光部で異なる格子ピッチのスケールに対応可能となる。
【００２１】
特に、アパーチャを挿入した場合には、ギャップ変動の影響を低減して、安定性に優れた信号を得ることができる。
【００２２】
又、反射型では、スケールのうねりの影響を低減することができる。
【００２３】
又、レンズを省略した場合は、レンズが不用であるので、コストを下げて且つより小型化が可能で倍率設定が自由にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
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。
【００２５】
本発明の第１実施形態は、図１に示した従来例と同様の透過型光電式エンコーダにおいて、図６（斜視図）及び図７（光路図）に示す如く、メインスケール２０の第１格子２１と受光部３０の間にレンズ６０とアパーチャ６２を挿入し、前記レンズ６０と第１格子２１及びインデックス格子３１間の距離ａ、ｂを調整することにより、倍率設定を行なうようにしたものである。
【００２６】
本実施形態において、光源１０から出た光は、メインスケール２０の第１格子２１を通過してレンズ６０に入射する。レンズ６０から出た光のうち、レンズの焦点に設けられたアパーチャ６２を通過する光軸に沿ったものだけが、インデックス格子３１に到達し、第１格子２１のイメージ像を形成する。
【００２７】
ここで、メインスケール２０の第１格子２０のピッチｐ1と、インデックス格子３１上のイメージ像ピッチｐ2の関係から、拡大率
Ｍ＝ｐ2／ｐ1＝ｂ／ａ                    …（１）
が求まり、且つ、像を得るために、
１／ｆ＝（１／ａ）＋（１／ｂ）          …（２）
ここで、ｆ：レンズの焦点距離
を満たすように、各デバイスの間隔を決定する。例えば、表１のようになる。
【００２８】
【表１】
2004264295.tif 000003
【００２９】
このようなエンコーダ構成のギャップ変動特性は、レンズ光学系の焦点深度ＤＯＦに大きく関係しており、焦点深度ＤＯＦが大きいほどギャップ変動許容範囲も広くなる。焦点深度ＤＯＦは、次の（３）式で表わされる。
【００３０】
ＤＯＦ＝λ／（２×Ｎ.Ａ.2）          …（３）
ここで、λ：光源波長
【００３１】
焦点深度ＤＯＦ、即ちエアギャップ変動許容範囲は、エンコーダの用途によってそれぞれ必要な値があるので、それに合致するようにＮ．Ａ．を規定すればよい。従って、
ＤＯＦ＜λ／（２×Ｎ.Ａ.2）
Ｎ．Ａ．＜√｛λ／（２×ＤＯＦ）｝                  …（４）
【００３２】
ここで、焦点深度ＤＯＦとして１００μｍが必要であるとすると、Ｎ．Ａ．は（４）式で求められる値よりも小さくなければならない。ここで、光源波長λは８８０ｎｍとする。
【００３３】
Ｎ．Ａ．＜√｛λ／（２×ＤＯＦ）｝
＝√｛８８０ｎｍ／（２×１００μｍ）｝
＝０．０６６
【００３４】
一方、光学系のＮ．Ａ．は次の（５）式で求められる。
【００３５】
Ｎ.Ａ.＝（１／２）×（ｅ／ａ）
＝（１／２）×ｄ／（ｂ−ｆ）×Ｍ
＝ｄ／（２×ｆ）                          …（５）
ここで、ｄ：アパーチャサイズ
ｅ：レンズ上でのビーム径
【００３６】
このように、２０μｍというインデックス格子ピッチｐ2を持っている受光部によって、メインスケールピッチｐ1が１０μｍと２０μｍのそれぞれに対応することができる。
【００３７】
又、第２実施形態として、図８のように受光部３０を、図２と同様の受光素子アレイ３３に置き換えることもできる。
【００３８】
第１及び第２実施形態では、光軸が１つしか無かったが、第３、第４実施形態として、レンズアレイとアパーチャアレイを用いて、複数の光軸からなる光学系で検出する構成を、以下に説明する。
【００３９】
先に挙げた第１、第２実施形態では、レンズの焦点距離が３ｍｍであったので、メインスケール−レンズ−インデックス格子を結ぶ距離が１２〜１３．５ｍｍであり、更なる小型化を進めるためには、レンズの焦点距離を小さくする必要がある。
【００４０】
しかしながら、レンズの焦点距離を小さくすると、一般的に入手できるレンズでは、その直径が小さくなる（エドモンド・オプティクス・ジャパン株式会社で扱っている平凸レンズのリストと、焦点距離ｆとレンズ直径の関係図を図９に示す）。レンズの直径が小さくなってしまうと、検出できるメインスケール上の視野が狭くなってしまう。
【００４１】
そこで、レンズアレイ７０とアパーチャアレイ７２を用いた第３実施形態を図１０に示す。図１０においても、メインスケールの第１格子２１、レンズアレイ７０、アパーチャアレイ７２及びインデックス格子３１の間の距離の決定方法は、前記第１実施形態と同じであり、例えば表２のようになる。
【００４２】
【表２】
2004264295.tif 000004
【００４３】
図１１に、受光部３０を受光素子アレイ３３に変更した第４実施形態を示す。
【００４４】
レンズアレイにした場合、隣りのレンズからの迷光が入射してくる可能性がある。そこで、図１２に示す第５実施形態のように、レンズアレイ７０とアパーチャアレイ７２との間に仕切り板７４を設けることによって、迷光を防止することができる。
【００４５】
又、レンズアレイ７０のＮ．Ａ．が小さくてアパーチャが必要ないときは、図１３に示す第６実施形態のようにアパーチャアレイを省略することができる。
【００４６】
なお、以上は透過型について述べたが、反射型においても、図１４に示す第７実施形態の如く、基本的には同一の構成となる。但し、この実施形態では、斜めから入射された平行光が反射型メインスケール４０の第１格子４１において散乱した光のうち、アパーチャ６２によって制限される、結果的にＮ．Ａ．が制限されている光が受光部３０に導かれる。
【００４７】
第７実施形態に示したような、反射型メインスケール４０にレンズ６０からなる光学系を相対させた構成のときは、メインスケール上のある点から出射された光が、メインスケールの表面うねりによってずれたとしても、図１５に透過型で模式的に示しているように、レンズ６０によってある一点に集光されるようになっている。従って、メインスケールの表面うねりが±Ｎ．Ａ．以内であれば、表面うねりの影響を受けることがない。
【００４８】
又、図１６には、コリメートレンズを兼ねたレンズ６０の焦点に拡散光源１１を配置した第８実施形態を示す。図１６では、ビームスプリッタ６１を介して、レンズ６０の焦点位置に拡散光源１１が配置されている。従って、レンズ６０からメインスケール４０に照射される光は平行光となり、メインスケール４０の第１格子４１において反射された光が、レンズ６０とビームスプリッタ６１を通過してアパーチャ６２に導かれている。発光源たる拡散光源１１もアパーチャ６２も、レンズ６０の焦点位置に配置されているので、光を有効に利用することができる。
【００４９】
図１７に、反射型で拡散光源１１を用いた第９実施形態を示す。光源以外は、図１４に示した第７実施形態と同じであるので、詳細な説明は省略する。
【００５０】
なお、前記実施形態においては、いずれもレンズが用いられていたが、レンズを省略することも可能である。
【００５１】
受光部にインデックス格子３１と受光素子３２Ａ、３２Ｂを用いた第１実施形態（図７参照）でレンズを省略した第１０実施形態を図１８に示す。
【００５２】
又、受光部に受光素子アレイ３３を用いた第２実施形態（図８参照）でレンズを省略した第１１実施形態を図１９に示す。
【００５３】
レンズを省略した第１０、第１１実施形態の倍率Ｍは、次式で求められる。
【００５４】
Ｍ＝ｍ／ｌ                                    …（６）
ここで、ｍ、ｌは、それぞれ、アパーチャ６２と第１格子２１及びインデックス格子３１間の距離である。
【００５５】
この第１０、第１１実施形態では、光量が少なく、ギャップが変動すると像倍率Ｍが変動してしまうが、レンズが不用であるので、コストを下げて且つより小型化が可能で倍率設定が自由にできる。
【００５６】
前記実施形態のうち、アパーチャを用いているものは、ギャップ変動の影響を低減して、安定性に優れた信号を得ることができる。なお、ギャップ変動が問題にならない場合には、第６実施形態のように、アパーチャを省略することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】従来の透過型光電式エンコーダの一例の構成を示す正面図
【図２】受光素子アレイを使用した従来の透過型光電式エンコーダの一例の構成を示す正面図
【図３】図２のIII−III線に沿う受光素子アレイの平面図
【図４】３格子原理を利用した従来の反射型光電式エンコーダの一例の構成を示す斜視図
【図５】図４の従来例の問題点を説明するための略示正面図
【図６】本発明の第１実施形態の要部構成を示す斜視図
【図７】同じく光学系を示す光路図
【図８】発光素子アレイを使用した本発明の第２実施形態の光学系を示す光路図
【図９】平凸レンズの焦点距離とレンズ直径の関係図
【図１０】レンズアレイを使用した本発明の第３実施形態の光学系を示す光路図
【図１１】レンズアレイに受光素子アレイを組み合わせた本発明の第４実施形態の光学系を示す光路図
【図１２】レンズアレイ間に仕切り板を配置した本発明の第５実施形態の光学系を示す光路図
【図１３】アパーチャを使用しない本発明の第６実施形態の光学系を示す光路図
【図１４】反射型として構成した本発明の第７実施形態の光学系を示す光路図
【図１５】スケールうねりによる角度変化に対して不感であることの説明図
【図１６】ビームスプリッタを使用して構成した本発明の第８実施形態の斜視図
【図１７】反射型で拡散光源を使用して構成した本発明の第９実施形態の光学系を示す光路図
【図１８】レンズを省略した本発明の第１０実施形態の光学系を示す光路図
【図１９】受光素子アレイを使用してレンズを省略した本発明の第１１実施形態の光学系を示す光路図
【符号の説明】
【００５８】
１０…光源
１１…拡散光源
１２…コリメートレンズ
２０…透過型メインスケール
２１…第１格子
３０…受光部
３１…インデックス格子
３２…受光素子
３３…受光素子アレイ
４０…反射型メインスケール
４２…第２格子
６０…レンズ
６２…アパーチャ
７０…レンズアレイ
７２…アパーチャアレイ
７４…仕切り板
【図１】
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【図２】
2004264295.tif 000006
【図３】
2004264295.tif 000007
【図４】
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【図５】
2004264295.tif 000009
【図６】
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【図７】
2004264295.tif 000011
【図８】
2004264295.tif 000012
【図９】
2004264295.tif 000013
【図１０】
2004264295.tif 000014
【図１１】
2004264295.tif 000015
【図１２】
2004264295.tif 000016
【図１３】
2004264295.tif 000017
【図１４】
2004264295.tif 000018
【図１５】
2004264295.tif 000019
【図１６】
2004264295.tif 000020
【図１７】
2004264295.tif 000021
【図１８】
2004264295.tif 000022
【図１９】
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