(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体の回転軸に平行なバイナリ光学格子が、前記回転体の回転軸に平行な外側表面に円弧状に配置された円弧スケールを備えた光電式ロータリエンコーダであって、
前記円弧スケールの半径に対応して集光点が受光光学系の光軸方向にずれる球面収差を有する集光レンズを備えた集光光源から前記光学格子に光を斜めに入射して、受光光学系の検出範囲全体に平行な光を得るとともに、
前記光学格子を、ピンホールの物体側にレンズを備えた物体側テレセントリック光学系と受光素子の組合せを有する受光光学系で検出するようにしたことを特徴とする光電式ロータリエンコーダ。
【請求項２】
前記テレセントリック光学系が、ピンホールの物体側と受光素子側の両方にレンズを備えた両側テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項１に記載の光電式ロータリエンコーダ。
【請求項３】
前記光学格子に、ハーフミラーを通して、光源からの光を入射するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光電式ロータリエンコーダ。
【請求項４】
前記回転体外側表面の物体面、前記テレセントリック光学系の中心、前記受光素子の受光面が一点で交わるシャインプルーフの関係を満足するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光電式ロータリエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体の側面に配置される円弧状の光学格子を備えた光電式ロータリエンコーダに係り、特に、真円度測定機、ワイヤボンダ、ビルトインモータ等に用いるのに好適な、円筒側面に形成された、格子ピッチで明暗があることだけが特徴のバイナリ光学格子であっても、簡便な検出系で検出可能な光電式ロータリエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に示す如く、回転軸や回転テーブル等の回転体１０の側面に形成された円弧状の光学格子（円弧スケールとも称する）１２を、これに対向配置した検出部１４により検出して、回転体１０の回転運動や速度を計測する光電式ロータリエンコーダが知られている。
【０００３】
一方、リニアエンコーダに利用されている、例えば特許文献１に記載されたような、いわゆる３格子原理では、３枚の光学格子（図２（Ａ）に示す透過型の場合は、メインスケールとしての第２格子２０とインデックススケールとしての第１、第３格子２２、２４、図２（Ｂ）（Ｃ）に示す反射型の場合は、共通化された第１（第３）格子２２を光が２回通過）が空間フィルタとなるので、正弦波に近い信号が検出でき、高精度の補間が可能であるが、光学格子が平面状に形成されている必要がある。図において、２６は光源、２８は、例えばコリメータレンズでなる光学系、３０は受光素子、３２は反射型で用いられるハーフミラー、３４は同じくミラー、３６は同じく集光レンズである。
【０００４】
もし３格子原理のままで、回転体１０の側面の光学格子１２を検出しようとすると、特許文献２に記載されている如く、図３に示すような複雑な光学格子が必要になる。図において、１２ａ、１２ｂはメインスケールとしての第２格子、１６、１８ａ、１８ｂはインデックススケールとしての第１、第３格子である。
【０００５】
そこで、特許文献３に記載されているように、図４に示す如く、回転体１０の側面の光学格子１２をＶ字形又は凹字形として、コントラストを明瞭化した検出方法も提案されている。
【０００６】
又、特許文献４には、シャインプルーフの条件を利用して、レクチル光学系の側方の隙間からウエハ上に入射することが記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６３−３３６０４号公報（図１、図２）
【特許文献２】特開平７−２１８２２１号公報（図１、図２）
【特許文献３】特開２００３−１４９００６号公報（図１）
【特許文献４】特開平１０−８２６１１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、特許文献２、３のいずれの方法によっても、円弧スケールと検出部間のギャップ変動に弱いだけでなく、格子ピッチで明暗があることだけの特徴のバイナリ光学格子を用いることができず、立体的で複雑な光学格子を製造する必要があり、製造コストが高くなってしまうという問題点を有していた。
【０００９】
又、特許文献４に記載されたシャインプルーフの条件をテレセントリック光学系を用いた光電式エンコーダに用いることは、考えられていなかった。
【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、回転体の側面に形成されたバイナリ光学格子であっても、簡便な検出系で検出でき、低価格化が実現可能な光電式ロータリ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、回転体の回転軸に平行なバイナリ光学格子が、前記回転体の回転軸に平行な外側表面に円弧状に配置された円弧スケールを備えた光電式ロータリエンコーダであって、前記円弧スケールの半径に対応して集光点が受光光学系の光軸方向にずれる球面収差を有する集光レンズを備えた集光光源から前記光学格子に光を斜めに入射して、受光光学系の検出範囲全体に平行な光を得るとともに、前記光学格子を、ピンホールの物体側にレンズを備えた物体側テレセントリック光学系と受光素子の組合せを有する受光光学系で検出するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１２】
又、前記テレセントリック光学系を、ピンホールの物体側と受光素子側の両方にレンズを備えた両側テレセントリック光学系としたものである。
【００１３】
又、前記光学格子に、ハーフミラーを通して、光源からの光を入射するようにしたものである。
【００１７】
又、前記回転体外側表面の物体面、前記テレセントリック光学系の中心、前記受光素子の受光面が一点で交わるシャインプルーフの関係を満足するように配置したものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明においては、光学格子を、物体側の焦点深度が大きい物体側テレセントリック光学系と受光素子の組合せで検出するようにしたので、簡単に製造できるバイナリ光学格子であっても、円筒側面の光学格子を検出でき、低価格化が実現できる。
【００１９】
特に、両側テレセントリック光学系を用いれば、受光素子の取り付け許容度を拡大することができる。
【００２０】
又、ハーフミラーを用いることにより、反射型検出部が構成できる。
【００２１】
又、光学格子に、光源からの光を斜めに入射するようにして、光源系光軸と受光側光軸が円弧スケール面上において正反射になるように構成することにより、光の利用効率を向上することができる。
【００２２】
又、集光光源を用いることにより、光の利用効率を向上することができる。
【００２３】
特に、集光光源を構成する集光レンズに、円弧スケールの半径に対応して集光点が受光光学系の光軸方向にずれる球面収差があると、受光光学系の検出範囲全体に平行光を入射することができる。
【００２４】
更に、特許文献４にも記載されたシャインプルーフ原理を導入することにより、斜め光軸による像のボケを解消して良好な信号を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。
【００２６】
第１の参考形態は、図５に示す如く、円弧スケール１２の光学格子をバイナリ光学格子４０とすると共に、該バイナリ光学格子４０を、少なくともピンホール５２の物体側にレンズ５４を備えた物体側テレセントリック系５０と、受光素子（図では第３格子と受光素子を組み合わせて一体的に形成された受光素子アレイ）６０の組合せで検出するようにしたものである。
【００２７】
本参考形態によれば、物体側テレセントリック光学系５０の物体（円弧スケール１２）側（図の左側）では焦点深度が大きいので、徐々にレンズ５４からの距離が変化してしまう円弧スケール１２であっても、円弧スケール１２上の光学格子パターン４０を受光素子アレイ６０で検出することができる。
【００２８】
次に、図６を参照して、第２の参考形態を説明する。
【００２９】
本参考形態は、第１の参考形態と同様の構成において、物体側テレセントリック光学系５０の代りに、ピンホール５２の物体側と受光素子側の両方にレンズ（第１レンズとも称する）５４及び第２レンズ５６を備えた両側テレセントリック光学系５８を設け、該両側テレセントリック光学系５８と受光素子６０の組合せで検出するようにしたものである。他の構成については、第１の参考形態と同様であるので、説明は省略する。
【００３０】
本参考形態によれば、円弧スケール１２側だけでなく、受光素子６０側の取付許容度も拡大することができる。
【００３１】
次に、図７を参照して、第３の参考形態を詳細に説明する。
【００３２】
本参考形態は、第２の参考形態と同様の構成において、円弧スケール１２と第１レンズ５４の間にハーフミラー８０を挿入し、光源７０からの光を、集光レンズ７２により平行光とした後、該ハーフミラー８０により円弧スケール１２の表面に照射するようにしたものである。他の構成については、第２の参考形態と同様であるので、説明は省略する。
【００３３】
本参考形態によれば、ハーフミラー８０を通して光を入射することで、反射型の検出部が構成できる。
【００３４】
なお、第３の参考形態のように、円弧スケール１２に平行光を投射すると、図８に示す如く、円弧面によって拡散してしまい、受光側の光学系に戻ってくる光量が少なくなってしまう。そこで、本発明の第１実施形態では、図９に示す如く、光源７０からの光を平行光とするための集光レンズ（第１集光レンズとも称する）７２に第２集光レンズ７４を加えて、入射光を円弧面による拡散を考慮に入れた集光光とし、照明光の集光点Ａが、円弧表面と円弧中心０の中央にくるようにして、円弧スケール１２からの戻り光が平行光になるようにしている。
【００３５】
ここで、照明光学系に球面収差Ｓ．Ａ．があると、図１０に示す如く、受光光学系の検出範囲ＦＯＶ（Ｆｉｅｌｄ  Ｏｆ  Ｖｉｅｗ）全体に平行光を入射することができる。図において、Ｒは円弧スケール１２の半径、Ａは、球面収差Ｓ．Ａ．による集光点ＡのＲ／２からのずれである。
【００３６】
なお、図１１に示す第２実施形態のように、第１実施形態の第１と第２の集光レンズ７２と７４を一体化して、１枚の集光レンズ７６で照明光を集光することも可能である。
【００３７】
次に、図１２を参照して、本発明の第３実施形態を詳細に説明する。
【００３８】
本実施形態は、光源７０からの光を円弧スケール１２に斜めに入射すると共に、光源側光軸と受光側光軸を、円弧スケール表面で正反射するように配置したものである。
【００３９】
又、図１３に示す第４実施形態のように、集光レンズ７６に、図１２に示した円弧スケール１２の表面と平行な方向には平行光を作り、これと垂直な方向には集光光を作るシリンドリカル・レンズ７８を加えることができる。
【００４０】
本実施形態によれば、ハーフミラーを使用しないので、光の利用効率が高い。
【００４１】
なお、図１４に示す第５実施形態のように、集光レンズとして、２枚のシリンドリカル・レンズ７８、７９を用いることもできる。
【００４２】
一方、第３乃至第５実施形態のように、受光光学系を斜めに配置すると、テレセントリック光学系５８の焦点深度が深いとは言え、円弧スケール面を斜めから観測することによる像のボケが発生する。そこで、図１５に示す第６実施形態では、円弧スケール１２の側面である物体面と、テレセントリック光学系の中心（図に示した両側テレセントリック光学系５８ではピンホール面）と、受光素子６０の受光面とを一点Ｂで交差させるシャインプルーフ原理を組合せることで、光源７０からの光を正面から受光できるようにしている。
【００４３】
本実施形態によれば、像のボケも解消することができる。
【００４４】
なお、前記実施形態の両側テレセントリック光学系５８は、いずれも、物体側テレセントリック光学系５０であっても良い。この場合、シャインプルーフの条件を満足させるための光学系の中心は、ピンホール面でなく、レンズ５４の主面となる。
【００４５】
又、前記実施形態においては、いずれも受光素子として、受光素子と第３格子が一体化された受光素子アレイが用いられていたが、受光素子と第３格子が別体化されたものを用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の対象である回転体の側面に配置された円弧スケールを有するロータリエンコーダの基本的な構成を示す斜視図
【図２】特許文献１に記載された３格子原理のリニアエンコーダの基本的な構成を示す図
【図３】特許文献２に記載された光学格子を示す斜視図
【図４】特許文献３に記載された光学格子を示す断面図
【図５】第１の参考形態の構成を示す断面図
【図６】第２の参考形態の構成を示す断面図
【図７】第３の参考形態の構成を示す断面図
【図８】第３の参考形態の問題点を説明するための断面図
【図９】本発明の第１実施形態の要部構成を示す断面図
【図１０】第１実施形態の原理を示す光路図
【図１１】本発明の第２実施形態の要部構成を示す断面図
【図１２】本発明の第３実施形態の構成を示す正面図
【図１３】本発明の第４実施形態の構成を示す正面図
【図１４】本発明の第５実施形態の構成を示す正面図
【図１５】本発明の第６実施形態の構成を示す断面図
【符号の説明】
【００４７】
１０…回転体
１２…円弧スケール
４０…バイナリ光学格子
５０…物体側テレセントリック光学系
５２…ピンホール
５４、５６…レンズ
５８…両側テレセントリック光学系
６０…受光素子アレイ
７０…光源
７２、７４、７６…集光レンズ
７８…シリンドリカル・レンズ
８０…ハーフミラー
【図１】
0004791811.tif 000002
【図２】
0004791811.tif 000003
【図３】
0004791811.tif 000004
【図４】
0004791811.tif 000005
【図５】
0004791811.tif 000006
【図６】
0004791811.tif 000007
【図７】
0004791811.tif 000008
【図８】
0004791811.tif 000009
【図９】
0004791811.tif 000010
【図１０】
0004791811.tif 000011
【図１１】
0004791811.tif 000012
【図１２】
0004791811.tif 000013
【図１３】
0004791811.tif 000014
【図１４】
0004791811.tif 000015
【図１５】
0004791811.tif 000016