JP5113018B2 - リニアエンコーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、フライス盤などの工作機械や半導体製造装置の位置計測に利用することが出来るリニアエンコーダ装置に関し、特に光学式のリニアエンコーダ装置の内部の光源装置に関する。

従来の光学式のリニアエンコーダ装置について図７を使用し説明する。図７は、一般的な光学式リニアエンコーダ装置の信号検出部の一例を表す斜視図である。工作機械などの移動軸等の位置検出に適用される従来のリニアエンコーダ装置５０は、周期的なピッチＰの主格子目盛１６を形成した第１のスケール１０と、主格子目盛１６とほぼ等しいピッチの４つの副格目盛を田の字型に形成した光透過性の第２スケール１３、４つの副格子目盛に対応した４つの受光素子から構成される受光部１４、発光素子１２、および発光素子１２から発せられた光を平行光にするコリメータレンズ１１を含むスライダ１５とから構成されている。

上記のように、第１スケール１０は、予め設定されたピッチで所定配置方向に沿って配置された主格子目盛１６を有し、通常、図７に示すように、主格子目盛１６は等ピッチで配置される。ここで、所定配置方向とは、第１スケール１０の長手方向であって、図７のＸ軸方向である。なお、スライダ１５に設置された第２スケール１３は、この所定配置方向に沿って第１スケール１０に対し相対変位する。

このスライダ１５の動作は、発光素子１２から発せられた光をコリメータレンズ１１が平行光とし、この平行光を第１スケール１０の等間隔の格子と、第２スケール１３の位相が異なる４つのパターンの格子を透過させ、受光部１４により光電変換することにより、４つの信号ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２が得られる。また、スケール１０とスライダ１５との相対移動動作によって生ずる光量変化によって、４つの信号ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は、周期が同一で位相が異なる正弦波が得られる。

スライダ１５の第１スケール１０上での位置ＰＯＳは、この４つの信号ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２に対し以下の演算を行うことにより求める。Ａ＝ａ１−ａ２およびＢ＝ｂ１−ｂ２の演算によりオフセットが無い信号Ａ、および信号Ａに対し位相が９０度進んだ信号Ｂを得る。さらに、ＰＯＳ＝Ｐ×ｔａｎ^-1(Ａ／Ｂ)／２πの内挿演算により位置ＰＯＳを導出する。ここで、Ｐは主格子目盛１６の格子ピッチである。本従来例では、主格子目盛（以下目盛）を１トラック持つ場合を図示したが、図示しないピッチの異なる目盛を複数もつ場合もある。一般にこれらの光学系は、光学的効率を重視するため、第１スケール１０と第２スケール１３は平行とされる。また、平行光の第１スケール１０への入射角は直角である。

しかしながら、上述の方法を採用した従来のリニアエンコーダ装置５０においては、次のような問題が生ずる。上記の信号Ａ，Ｂは、位置検出を高精度に行うために、従来のリニアエンコーダ装置５０のストローク上どこにいても、同一の信号が得られる必要がある。しかしながら、実際には、信号Ａ，Ｂのオフセット、振幅が第１スケール１０の長手方向の位置により変化し、位置検出精度を悪化させている。例えば、信号ａ１の理想的な状態は、図６に示す正弦波であったとする。実際に得られる信号は、図５に示すとおり、第１スケール１０の長手方向の位置により、オフセットあるいは振幅が正常値から変位しＨあるいはＪとなることがある。この部分では、内挿演算により求める位置に誤差が発生する。

このように、第１スケール１０の位置によりオフセットあるいは振幅が正常値から変位する原因としては、スケール格子の幅精度の変化、格子にまれに発生するエッチングホールの有無、スケールの透過部分のガラス物性による透過率の変化、あるいはスケール表面のよごれ等の性状による透過率・反射率の変化等が挙げられる。また、この影響をさらに倍加させる要因が、光源装置９から出力された平行光の一部が第１スケール１０の表面で反射した戻り光が、再度光源装置９内へ侵入し、さらにコリメータレンズ１１で再反射し、この再反射光が第１スケール１０の表面で集光され微小スポットとなる迷光成分である。

このような状況に鑑みて、検出精度を改良したリニアエンコーダ装置が幾つか提案されている。例えば、特許文献１には、比較的長さの短いメインスケールを変位方向に複数並べ、２つの位置情報を出力できるように構成された１つのスライダで位置検出するようにしたリニアエンコーダ装置が開示されており、移動ストロークが長い場合にも位置検出を容易にできると述べられている。

特開平６−１３７８９９号公報

しかしながら、特許文献１のリニアエンコーダ装置では、上記迷光による影響を低減することはできない。迷光成分のできる光路を図４を用いて説明する。発光素子１２から出力された光は、コリメータレンズ１１Ｂ、１１Ａにより平行光となり、第１スケール１０に照射される。位置検出に使用される平行光は、第１スケール１０と第２スケール１３を透過し、受光部１４により受光されるが、この主成分とは別に、第１スケール１０の表面で反射する平行光成分が存在する。

この光は、光源装置９から出力された平行光が、第１スケール１０の表面、あるいは第２スケール１３の表面で反射して戻り光４０となる。この戻り光４０が、コリメータレンズ１１に戻り、コリメータレンズ１１Ａ表面での屈折により、光路が集光され、また再度コリメータレンズ１１Ｂ内の平面によって再反射され再反射光４１となる。この再反射光４１が、第１スケール１０の表面近傍で結像し、領域２０に集光する。また、この集光される光は、第１スケール１０の表面の性状による透過率・反射率の変化に対して大きな影響を受け、正常な信号成分に重畳し、図５に示すように、オフセットあるいは振幅値が正常値から変位する。

例えば、受光部１４の面積を５．７ｍｍ×１．８ｍｍとし、また第１スケール１０にφ０．１ｍｍのエッチングホールが有り、上記の反射により集光される光成分がない場合、第１スケール１０を透過する平行光の面積はおおよそ受光部１４の面積の１／２とし、エッチングホールによる影響度合いは単純に面積比として評価すると、異常な成分は正常光に対し、約０．１５％である。ところが、第１スケール１０の表面で反射し、戻り光となる成分を平行光の４５％とし、コリメータレンズ内の再反射により再反射光となる成分を約３％とすると、第1スケール１０の表面のφ０．１ｍｍのエッチングホールに集光する光は、正常光に対し面積比により影響度合いを評価すると、約２．７％の影響度となり、先に計算した約０．１５％と比較して１８倍の影響が発生する。即ち、信号の振幅・オフセットの大きな変化となる。この様に従来方式による光学設計では、スケール表面性状のごくわずかな変化に大きく影響されるため、信号精度を悪化させ、また、位置検出精度を悪化させるとの問題がある。

本発明の目的は、スケール表面性状のごくわずかな変化に影響されることがなく、位置検出精度を向上させることが可能なリニアエンコーダ装置を提供することである。

以上の目的を達成するために、本発明に係るリニアエンコーダ装置は、光を発する発光素子とその光を平行光にするコリメータレンズとを含む光源装置と、予め設定されたピッチで所定配置方向に沿って配置される主格子目盛を有する第１スケールと、副格子目盛を有し、所定配置方向に沿って第１スケールに対し相対変位する第２スケールと、第１スケールおよび第２スケールを隔てて光源装置の反対側に設置され、光源装置から発せられ第１スケールおよび第２スケールを透過した光を受光して、電気信号に変換する光電変換手段と、を備え、光源装置が発する平行光が第１スケールに入射する入射角度は、第１スケールの平面に垂直である垂直入射方向から所定配置方向に直交する方向へ所定角度傾いた角度であり、前記所定角度は前記コリメータレンズの光軸が前記光変換手段を通過する範囲で、かつ前記第１スケールでの反射光が前記コリメータレンズに入射する範囲で決定されることを特徴とする。

また、無反射加工を行った面が設けられた構造体を備え、光源装置が発する平行光が第１スケールに入射する入射角度は、第１スケールの表面で反射する反射光が、構造体の無反射加工を行った面に入射するように設定されていることが好ましい。

本発明に係るリニアエンコーダ装置によれば、平行光の第１スケールに対する入射角度に傾きを持たすことにより、再反射により発生する迷光が第１スケールの表面に集光する事を防止する事ができ、第１スケールの表面性状による影響を減少させ得るため、第１スケールの位置検出信号に対する影響を減少させる事ができる。また、この平行光の向きを第１スケールの長手方向に対して直交する方向に傾けることにより、光源装置ユニットと第１スケール間のギャップ変化が発生しても、位置誤差とならないとの効果が得られる。

また、第１スケールによる反射により発生する光を、スライダ等の無反射加工を実施した方向に向けることにより、さらなる反射を防止し、その影響を最小限とする事ができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に従って説明するが、上記図４、図７に示す構成要素と同様の構成要素には、同一符号を付し、説明を省略する。また、スライダから位置を読みとる場合の位置演算方法も従来例と同様である部分は説明を省略する。なお、図１は、本発明の一実施例に係るリニアエンコーダ装置の要部構成を示す模式図である。図２は、本発明の一実施例に係るリニアエンコーダ装置の全体構成を示す模式図であり、図３は、本発明の一実施例に係るリニアエンコーダ装置の光路を示す図である。なお、図２及び図３において、第１スケール１０および第２スケール１３（スライダ１５）の相対変位方向は、図面に垂直な方向である。

リニアエンコーダ装置８は、光源装置９が発する平行光が第１スケール１０に入射する入射角度が、第１スケール１０の平面に垂直である垂直入射方向から所定配置方向（第１スケール１０及び第２スケール１３の相対変位方向）に直交する方向へ所定角度傾いた角度であることを特徴とする。即ち、図１に示すように、傾きの方向は、第1スケール１０に対し直角となるＺ１（垂直入射方向）の方向に対し、Ｙ方向に傾きをもつＺ２の方向である。ここで、Ｚ２の方向に平行光を傾ける方法としては、例えば、第１スケール１０に対して光源装置９の全体を傾けて配置する、或いはコリメータレンズ１１の光軸を、第１スケール１０の平面（表面）に対して垂直から所定角度傾けて各部材を配置する方法が挙げられる。

ここで、上記所定角度とは、少なくとも、第１スケール１０の表面性状による影響を減少させるという効果を奏することが可能な大きさであって、その角度が大きいほどその効果は顕著に現れる。一方、所定角度が大きくなりすぎると、受光部１４への入射光量の減少などを引き起こすおそれがある。具体的に、所定角度は、コリメータレンズ１１の光軸が受光部１４を通過する範囲内で決定される。

上記構成を有するリニアエンコーダ装置８における平行光に関する光路を、図３により説明する。発光素子１２から出力された光は、コリメータレンズ１１Ｂ、１１Ａを通して平行光となり、第1スケール１０に照射される。第1スケール１０の表面では、一部の平行光が反射して戻り光４０となり、コリメータレンズ１１Ａへ戻る。戻り光４０は、平行光に平行な方向には戻らず、光源装置９が傾いた方向にずれてコリメータレンズ１１Ａに戻ることになる。コリメータレンズ内では、従来例と同様の再反射がコリメータレンズを構成する１１Ｂの平面により発生し、この再反射による再反射光４１は、図３中の領域２１に結像する。この結像する面積は、従来例図４の集光するスポットの領域２０に対して十分大きな面積を持つ。このため、例えば、第１スケール１０にある微小な反射率・透過率の変化をもたらすエッチングホール等の影響は集光している場合に比較して相対的に低くなる。

次に、図２により、平行光に関する光路を説明する。図２に示すように、第１スケール１０は、スケールハウジング３０および３１によって取り囲まれ、スケールハウジング３０に上端部が固定されている。また、スライダ１５は、上記のように、第１スケール１０に対し平行光を照射するための発光素子１２とコリメータレンズ１１とを含む光源装置９、第２スケール１３、受光部１４、および各部材を結合するスライダ構造体１７から構成されている。第１スケール１０の表面に対してコリメータレンズ１１の光軸に傾きを持たせると、第１スケール１０の表面での反射による戻り光２２は、スライダ構造体１７の一部に照射される。スライダ構造体１７には、無反射加工を施すことができ、そのような無反射加工を行った面に照射された戻り光２２は再反射しない。このため、不要な迷光を発生させないという利点がある。この無反射処理加工は、公知の無反射処理法によって行うことができ、例えば、スライダ構造体１７の材質がアルミであれば、アルマイトクロ（黒色のアルマイト処理）の様な簡便な表面処理で十分な効果を発揮する。

図２において、光軸を上側に傾きを持たせると、第1スケール１０の表面で反射した戻り光は、スケールハウジング３１の内壁に照射される。このスケールハウジング３１は、第1スケール１０での長尺製造を容易とするため、一般にアルミ引き抜き材となっている。このため、非常に反射率が高くなっており、光が照射されれば、再反射し、迷光となる。また場合によっては、再度受光部１４に入る可能性もあり、信号を劣化させる可能性がある。このため、光軸を上側に傾きを持たせる方式は不利である。ただし、スケールハウジング３１に無反射処理などを行うことにより、上向きであっても同等の効果が得られる事は自明である。

本発明の一実施例に係るリニアエンコーダ装置の要部構成を示す模式図である。 本発明の一実施例に係るリニアエンコーダ装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の一実施例に係るリニアエンコーダ装置の光路を示す図である。 従来技術によるリニアエンコーダ装置の光路を示す図である。 従来技術によるリニアエンコーダ装置の理想的な信号を示す図である。 従来技術によるリニアエンコーダ装置の実際の信号を示す図である。 従来技術によるリニアエンコーダ装置の要部構成を示す模式図である。

符号の説明

８ リニアエンコーダ装置、９ 光源装置、１０ 第１スケール、１１ コリメータレンズ、１２ 発光素子、１３ 第２スケール、１４ 受光部、１５ スライダ、１６ 主格子目盛、１７ スライダ構造体、３０，３１ スケールハウジング、５０ 従来のリニアエンコーダ装置。

Claims (2)

1. 光を発する発光素子とその光を平行光にするコリメータレンズとを含む光源装置と、
   予め設定されたピッチで所定配置方向に沿って配置される主格子目盛を有する第１スケールと、
   副格子目盛を有し、所定配置方向に沿って第１スケールに対し相対変位する第２スケールと、
   第１スケールおよび第２スケールを隔てて光源装置の反対側に設置され、光源装置から発せられ第１スケールおよび第２スケールを透過した光を受光して、電気信号に変換する光電変換手段と、
   を備えるリニアエンコーダ装置において、
   光源装置が発する平行光が第１スケールに入射する入射角度は、第１スケールの平面に垂直である垂直入射方向から所定配置方向に直交する方向へ所定角度傾いた角度であり、前記所定角度は前記コリメータレンズの光軸が前記光変換手段を通過する範囲で、かつ前記第１スケールでの反射光が前記コリメータレンズに入射する範囲で決定されることを特徴とするリニアエンコーダ装置。
2. 請求項１に記載のリニアエンコーダ装置において、
   無反射加工を行った面が設けられた構造体を備え、
   光源装置が発する平行光が第１スケールに入射する入射角度は、
   第１スケールの表面で反射する反射光が、構造体の無反射加工を行った面に入射するように設定されていることを特徴とするリニアエンコーダ装置。

Images