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JP2011099869A - Optical encoder - Google Patents

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JP2011099869A
JP2011099869A JP2011007093A JP2011007093A JP2011099869A JP 2011099869 A JP2011099869 A JP 2011099869A JP 2011007093 A JP2011007093 A JP 2011007093A JP 2011007093 A JP2011007093 A JP 2011007093A JP 2011099869 A JP2011099869 A JP 2011099869A
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JP
Japan
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scale
reflection
pitch
light
light receiving
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Pending
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JP2011007093A
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Japanese (ja)
Inventor
Masahiko Igaki
正彦 井垣
Akio Atsuta
暁生 熱田
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problems wherein, when loading an optical encoder in a small space of a lens barrel or the like, a transmission type constitution which is unsuitable for miniaturization requires a large number of components and has poor work efficiency for assembly, and although a constitution for detecting a cylindrical scale by a reflection sensor is preferable, a scale curvature problem makes highly accurate detection difficult, and a method for improving an illumination system of the sensor is unsuitable for miniaturization, because a sensor size becomes large. <P>SOLUTION: In this encoder, a reflection type scale having a cylindrical shape is irradiated with a point light source, and a pitch of the reflection scale is set at a proper value so that a pitch of an interference fringe formed by reflected diffracted light flux from the reflection scale agrees with a light receiving element pitch on a desired gap setting position. A detection sensor and the scale therefor are also provided. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、移動体の変位を検出する変位検出装置に関し、光学的に角度を検出する角度検出装置に関するものであり、例えば、一眼レフカメラ用交換レンズ、デジタルビデオ及びデジタルカメラに搭載されるレンズ鏡筒等に好適な変位検出機構に関するものである。   The present invention relates to a displacement detection device that detects displacement of a moving body, and more particularly to an angle detection device that optically detects an angle. For example, an interchangeable lens for a single-lens reflex camera, a digital video, and a lens mounted on a digital camera The present invention relates to a displacement detection mechanism suitable for a lens barrel and the like.

従来、一眼レフカメラ用交換レンズ、ビデオカメラもしくはデジタルカメラに搭載されているオートフォーカス機構のレンズ位置検出手段や、手動操作手段、例えばマニュアルリングの回転変位を検出する変位検出機構として、エンコーダを用いたもの(例えば、特許文献1参照。)がある。   Conventionally, an encoder is used as an interchangeable lens for a single-lens reflex camera, a lens position detection unit of an autofocus mechanism mounted on a video camera or a digital camera, or a manual operation unit, for example, a displacement detection mechanism for detecting a rotational displacement of a manual ring. (For example, refer to Patent Document 1).

図17は、一眼レフカメラ用の交換レンズに搭載されたロータリエンコーダの主要部構成を示す図である。図17(A)において、中心線Zは交換レンズのレンズ光軸である。   FIG. 17 is a diagram showing a configuration of main parts of a rotary encoder mounted on an interchangeable lens for a single-lens reflex camera. In FIG. 17A, the center line Z is the lens optical axis of the interchangeable lens.

メインスケール620は不図示のレンズ直進駆動用カムと間接的に接続されており、メインスケール620の回転角度を検出することでレンズの直進位置を検出できる構造になっている。   The main scale 620 is indirectly connected to a lens straight drive cam (not shown), and has a structure in which the straight position of the lens can be detected by detecting the rotation angle of the main scale 620.

同図17(B)は(A)の主要部Vの拡大図である。メインスケール620と対向してインデックススケール630が配置され、この二つのスケールを挟み込むように配置された発光素子601と受光素子604を備えたフォトインタラプタでメインスケール620の回転角度を検出している。   FIG. 17B is an enlarged view of the main part V of FIG. An index scale 630 is disposed opposite to the main scale 620, and a rotation angle of the main scale 620 is detected by a photo interrupter including a light emitting element 601 and a light receiving element 604 disposed so as to sandwich the two scales.

その他の従来例として、円筒体に反射式スケールを配設して回転角度を検出しようとしたものがある。円筒体の外側にセンサを配置したもの(例えば、特許文献1参照。)。もしくは、円筒体の内側に検出センサを配置したもの(例えば、特許文献2参照。)がある。   As another conventional example, there is one that attempts to detect a rotation angle by providing a reflection scale on a cylindrical body. A sensor is arranged outside a cylindrical body (for example, see Patent Document 1). Or there exists what has arrange | positioned the detection sensor inside the cylindrical body (for example, refer patent document 2).

以下、図18(A)、(B)によりそれらについて説明する。   Hereinafter, they will be described with reference to FIGS.

図18(A)では、回転変化量の測定対象となる回転体701の表面に、光の反射率が大きい強反射部702aと反射率が小さい弱反射部702bとからなる格子状パターン702が連続的に形成されている。その格子状パターン702は、回転体701にパターンを直接印刷する、あるいは、パターンを形成した薄膜部材を回転体701に接着すること等によって設けられている。図18(B)では、円筒体の内部に検出センサが配置された例で、光源715、おおび受光部716を含む検出部およびインデックススケール713が円筒の内側に配置されている。   In FIG. 18A, a lattice pattern 702 composed of a strong reflection portion 702a having a high light reflectivity and a weak reflection portion 702b having a low reflectivity is continuously formed on the surface of a rotating body 701 whose rotation change amount is to be measured. Is formed. The lattice pattern 702 is provided by directly printing a pattern on the rotating body 701 or by adhering a thin film member on which the pattern is formed to the rotating body 701. FIG. 18B shows an example in which a detection sensor is arranged inside a cylindrical body. A detection unit including a light source 715, a light receiving unit 716, and an index scale 713 are arranged inside the cylinder.

また、円筒の外側にセンサを配置したもので高精度検出を目的に検出光学系の改良を試みたもの(例えば、特許文献3参照。)がある。   In addition, there is an apparatus in which a sensor is arranged outside a cylinder and an attempt is made to improve the detection optical system for the purpose of high-precision detection (for example, see Patent Document 3).

以下、図19により、その構成を説明する。図19は右半分と左半部で別々の光学構成を1つの図に並べて図面配置されており、2通りの光学構成が示されている。   The configuration will be described below with reference to FIG. In FIG. 19, separate optical configurations are arranged in one drawing in the right half and the left half, and two optical configurations are shown.

まず、左半分の構成を説明する。光源L2から出射した光線はコリメータレンズKによって平行光線にされ、平らな固定格子AT2を通過する。そして、円筒状格子WT2で反射してから再び、固定格子AT2を通過して、光電要素P2(不図示)上に反射される。   First, the configuration of the left half will be described. The light beam emitted from the light source L2 is collimated by the collimator lens K and passes through the flat fixed grating AT2. Then, after being reflected by the cylindrical grating WT2, it passes through the fixed grating AT2 again and is reflected on the photoelectric element P2 (not shown).

円筒状格子支持体T2の表面M2が湾曲しているため、光軸OA2に対して平行な光線の内、光軸OA2の両側部分の光線は、図平面内においては円筒状格子WT2の面上に垂直でない状態で入射する。その後、図平面内で反射し、固定格子AT2上の有効領域外に反射されることになる。   Since the surface M2 of the cylindrical lattice support T2 is curved, among the light rays parallel to the optical axis OA2, the light rays on both sides of the optical axis OA2 are on the surface of the cylindrical lattice WT2 in the drawing plane. Incident in a state not perpendicular to. Thereafter, the light is reflected in the drawing plane and reflected outside the effective area on the fixed grating AT2.

一方、図19の右半分の構成では、円筒状格子支持体T2の中心B2に光線が向かうようにコリメータレンズKが設定されているので、円筒状格子支持体T2の回転軸D2に関してラジアル方向に向かう光線となるので有効領域外に光線が反射されることはない。   On the other hand, in the configuration of the right half of FIG. 19, the collimator lens K is set so that the light beam is directed to the center B2 of the cylindrical grid support T2, so that the radial direction is relative to the rotation axis D2 of the cylindrical grid support T2. Since the light beam is directed to the outside, the light beam is not reflected outside the effective area.

左側の構成のように円筒状格子WT2を平行光束で照明した場合に対して、右側の構成では照明光束が円筒体の中心に向かうようにコリメータレンズKを用いているので、円筒状の格子に垂直で且つ正しい位置に光線が入射する。   In contrast to the case where the cylindrical grating WT2 is illuminated with a parallel light beam as in the configuration on the left side, the collimator lens K is used so that the illumination light beam is directed toward the center of the cylindrical body in the configuration on the right side. Light rays are incident at the right position.

右側の構成例では固定格子AT2の格子ピッチはラジアル方向の光線のために円筒状格子WT2の格子定数R2に対してR2+a2の比率に設定される。ここで、a2は円筒状格子WT2と固定格子AT2のギャップを表している。   In the configuration example on the right side, the grating pitch of the fixed grating AT2 is set to a ratio of R2 + a2 with respect to the grating constant R2 of the cylindrical grating WT2 for the rays in the radial direction. Here, a2 represents the gap between the cylindrical lattice WT2 and the fixed lattice AT2.

この従来例では光源からの照明手段に改良を加えて(右側の構成)で円筒の曲面に垂直に光束が照射され、所望の反射位置に光束が戻るように最適化されている。また固定格子においても円筒格子ピッチに対して固定格子側のピッチが読み取り半径位置の差分を考慮して固定格子のピッチを設定している。   In this conventional example, the illumination means from the light source is improved (right side configuration) so that the light beam is irradiated perpendicularly to the curved surface of the cylinder and the light beam is optimized to return to a desired reflection position. Also in the fixed grating, the fixed grating pitch is set in consideration of the difference in the reading radial position of the pitch on the fixed grating side with respect to the cylindrical grating pitch.

特許 第270401号公報Japanese Patent No. 270401 特開平5−203465号公報JP-A-5-203465 特開昭59−061711号公報JP 59-061711 A 特許 第2610680号公報Japanese Patent No. 2610680

近年、デジタル一眼レフカメラ用交換レンズ、デジタルビデオ及びデジタルカメラに搭載されるレンズ鏡筒等に搭載される位置検出センサにおいて、ミクロンオーダーの高分解能、高精度の要求とともに、且つ、超小型化が強く求められている。   In recent years, position detection sensors mounted on interchangeable lenses for digital single-lens reflex cameras, lens barrels mounted on digital video and digital cameras, etc., have been required to have high resolution and high accuracy on the order of micron, and have been miniaturized. There is a strong demand.

こうした背景において、図17の従来構成では、透過式エンコーダの構成であるため、発光素子と受光素子を支持するコの字型のホルダ部材や2枚のスケールを挟み込む構成となっていたので、レンズ光軸方向の寸法が大きくなってしまい小型化には不向きであった。また、部品点数も多く、組み立て作業性が悪かった。   In such a background, since the conventional configuration of FIG. 17 is a configuration of a transmissive encoder, the U-shaped holder member that supports the light emitting element and the light receiving element and the two scales are sandwiched between the lenses. The size in the direction of the optical axis is increased, which is not suitable for downsizing. In addition, the number of parts was large and the assembly workability was poor.

図18や図19の従来構成のように、円柱もしくは円筒体に反射スケールを取り付けて反射型センサで検出する構成が好ましい。   A configuration in which a reflective scale is attached to a columnar or cylindrical body and detected by a reflective sensor is preferable, as in the conventional configuration of FIGS.

しかし、汎用的な反射センサでは必要とする分解能が得られない。   However, the necessary resolution cannot be obtained with a general-purpose reflection sensor.

また、それらは平面反射スケールを前提に設計されているので、反射面の曲面の影響による光線の振れによる光量ロス、検出ピッチズレ、ギャップ特性敏感度等に対しては考慮されていない。従って曲率半径によって出力信号特性誤差が生じてしまい、所望の性能は得られない。   In addition, since they are designed on the assumption of a flat reflection scale, no consideration is given to the light amount loss due to the shake of the light beam due to the influence of the curved surface of the reflection surface, the detection pitch deviation, the sensitivity of the gap characteristics, and the like. Therefore, an output signal characteristic error occurs due to the radius of curvature, and desired performance cannot be obtained.

特に、高精度で高分解能な位置検出に用いることは実質的には不可能であった。   In particular, it was practically impossible to use for position detection with high accuracy and high resolution.

近年のレンズシステムはミクロン以下の位置検出分解能を要求している。   Recent lens systems require submicron position detection resolution.

円筒状の格子を反射センサで検出するためには、当然、スケール反射面の曲率の影響を考慮した検出センサが必要である。図19に示した従来技術では、このようなスケール反射面の曲率による誤差を回避することを目的としている。検出センサの照明手段を平行照明から収束性照明に変更することで、光量ロス無く、高精度な位置検出が可能となっている。   In order to detect the cylindrical grating with the reflection sensor, naturally, a detection sensor in consideration of the influence of the curvature of the scale reflection surface is necessary. The prior art shown in FIG. 19 aims to avoid such an error due to the curvature of the scale reflecting surface. By changing the illumination means of the detection sensor from parallel illumination to convergent illumination, high-accuracy position detection is possible without loss of light quantity.

しかし、収束性照明系を得るためにレンズKの共役長が大きくなり、検出センサの厚み(ラジアル方向の寸法光源L2から円筒状格子表面M2までの距離)が増大してしまう。従って、所望のレンズシステムには搭載でそうな大きさではない。   However, in order to obtain a convergent illumination system, the conjugate length of the lens K increases, and the thickness of the detection sensor (the distance from the radial dimension light source L2 to the cylindrical grating surface M2) increases. Therefore, it is not so large as to be mounted on the desired lens system.

本発明の目的は、上述の課題を解消し、円筒、円柱等の一定の曲率半径を有した曲面形状反射スケールの曲率半径を考慮し、超小型で且つ高精度、高分解能な検出を可能とし、従来の平面形状のスケールにも適用可能な光学式エンコーダを提供することにある。   The object of the present invention is to eliminate the above-mentioned problems and to enable the detection with a small size, high accuracy, and high resolution in consideration of the curvature radius of the curved reflection scale having a constant curvature radius such as a cylinder or a cylinder. Another object of the present invention is to provide an optical encoder applicable to a conventional scale having a planar shape.

以上の点から上記課題を解決するために、請求項1に記載の光学式エンコーダは、回折格子として作用する格子状パターンが曲面に形成され、回転軸を中心に回転可能である反射式スケールと、前記反射式スケールを発散光束で照明するための光源と、前記反射式スケールで反射した光束を受光する為の複数の受光素子と、を有する光学式エンコーダにおいて、
前記反射式スケールに対して、前記反射式スケールの回転軸が前記光源および前記受光素子と同じ側に位置していることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems from the above points, the optical encoder according to claim 1 includes a reflective scale having a grating-like pattern acting as a diffraction grating formed on a curved surface and rotatable about a rotation axis. In an optical encoder having a light source for illuminating the reflective scale with a divergent light beam and a plurality of light receiving elements for receiving the light beam reflected by the reflective scale,
With respect to the reflective scale, the rotational axis of the reflective scale is located on the same side as the light source and the light receiving element.

以上の様に、本発明では、円筒形状の反射式スケールを点光源で照射し、反射スケールから反射回折光束で形成される干渉縞のピッチが所望のギャップ設定位置において受光素子ピッチと合致するように反射スケールのピッチを適正な値に設定した。その結果、高精度でかつ高分解能に適した信号が得られるようになった。   As described above, in the present invention, a cylindrical reflective scale is irradiated with a point light source, and the pitch of interference fringes formed by the reflected diffracted light beam from the reflective scale matches the light receiving element pitch at a desired gap setting position. The pitch of the reflection scale was set to an appropriate value. As a result, a signal with high accuracy and high resolution can be obtained.

特に、検出センサとして光源からの発散光束をそのまま反射スケールに照射しているのでレンズが不要で極端に薄いセンサが得られる。   In particular, since a divergent light beam from a light source is directly applied to the reflection scale as a detection sensor, a lens is unnecessary and an extremely thin sensor can be obtained.

また、従来の平面反射スケールとの組み合わせでは得られなかった特徴として検出センサに変更を加えることなく反射スケールのピッチと設定ギャップを関係式に従って、適宜選択設定することにより検出分解能を変更することが可能となる。   In addition, the detection resolution can be changed by appropriately selecting and setting the pitch of the reflection scale and the setting gap according to the relational expression without changing the detection sensor as a feature that could not be obtained in combination with the conventional flat reflection scale. It becomes possible.

平板状の反射スケールでは単一の分解能しか得られなかったが、曲面反射スケールと組み合わせることである範囲で分解能を選択可能とすることができる。   Although only a single resolution can be obtained with the flat reflection scale, the resolution can be selected within a range that is combined with the curved reflection scale.

また、円筒状反射スケールの内部に検出センサを配置した場合には波面変換の結果、光の利用効率を高める作用もあり、目的に応じてその構成を選択することも可能である。   Further, when the detection sensor is arranged inside the cylindrical reflection scale, there is an effect of improving the light utilization efficiency as a result of wavefront conversion, and the configuration can be selected according to the purpose.

円筒状の反射スケールの手段としてはフィルム等の可撓性部材を用いることで安価に円筒状格子が実現できる。   A cylindrical lattice can be realized at low cost by using a flexible member such as a film as a means of the cylindrical reflection scale.

又特に、高効率に光束を受光素子へ導くにあたり、光源手段として指向性のよい半導体レーザを用いることにより、外巻きタイプでは高分解能な検出が可能となる。   In particular, when a light beam is guided to the light receiving element with high efficiency, a semiconductor laser with good directivity is used as the light source means, so that high-resolution detection is possible with the external winding type.

本発明の第1の実施例を説明するための斜視図The perspective view for demonstrating the 1st Example of this invention 検出センサの構成を説明するための図The figure for demonstrating the structure of a detection sensor 円筒状のフィルム反射スケールを説明するための図Diagram for explaining cylindrical film reflection scale 平面反射スケールの場合の光学系配置図Optical system layout for the flat reflection scale 発散光束での干渉像を説明するための等価光学系の図Diagram of equivalent optical system for explaining interference image with divergent beam 本発明の光学配置を説明するための図The figure for demonstrating the optical arrangement | positioning of this invention 本発明の光学配置を説明するための拡大図The enlarged view for demonstrating the optical arrangement | positioning of this invention 模式的な光線光路図Schematic ray path diagram 本発明での曲面反射スケールでの等価光学系の図Diagram of equivalent optical system with curved reflection scale in the present invention 本発明の第2の実施例を説明するための図The figure for demonstrating the 2nd Example of this invention 本発明の光学配置を説明するための拡大図The enlarged view for demonstrating the optical arrangement | positioning of this invention 本発明の光学配置のバリエーションを説明するための拡大図Enlarged view for explaining variations of the optical arrangement of the present invention 第3の実施例の説明図Explanatory drawing of the third embodiment 第4の実施例の説明図Explanatory drawing of 4th Example 第4の実施例の説明図 従来構成主要部拡大Explanatory drawing of 4th Example Expansion of main part of conventional configuration 第4の実施例の説明図 本発明の構成主要部拡大Explanatory drawing of 4th Example Expansion of the principal part of a structure of this invention 従来技術説明の図Illustration of prior art 従来技術説明の図Illustration of prior art 従来技術説明の図Illustration of prior art

本発明を図1〜図16に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。   The present invention will be described in detail based on the embodiment shown in FIGS.

図1は本発明による光学式反射型エンコーダの実施例1の構成を示す斜視図である。反射スケール20は、リング状のスケール支持体21の内側面に両面テープで接着固定されている。スケール支持体21の内側に反射スケール21に対向するように検出ヘッド40が配置されている。検出ヘッド40は、LEDチップから成る光源10、受光部及び信号処理回路を内蔵したフォトICチップから成る受光素子30の半導体素子を主体として検出ヘッド40が構成されている。   FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of a first embodiment of an optical reflective encoder according to the present invention. The reflection scale 20 is bonded and fixed to the inner side surface of the ring-shaped scale support 21 with a double-sided tape. A detection head 40 is disposed inside the scale support 21 so as to face the reflective scale 21. The detection head 40 is composed mainly of a semiconductor element of a light receiving element 30 composed of a light source 10 composed of an LED chip, a photo IC chip incorporating a light receiving section and a signal processing circuit.

はじめに、LEDチップおよびフォトICチップについて説明する。   First, the LED chip and the photo IC chip will be described.

図2(A)〜(C)は本発明の検出ヘッド40の詳細を説明するための図である。   2A to 2C are views for explaining the details of the detection head 40 of the present invention.

図2(A)においてLEDチップとフォトICチップの詳細を示す。LEDチップ10は電流狭窄構造を有している点発光LEDで有効発光領域11はφ70μm程度の円形発光窓を有している。発光波長は650nmの赤色LEDである。同(A)LEDチップの下側にはフォトICチップ30が配置されている。フォトICチップ30は、LED10に近い側に受光素子部31と、信号処理回路部から成る。受光素子部31は、同図水平方向に、16個のフォトダイオードが等間隔に配列され、左から順番に32a、32b、32d、32d、・・・・35a、35b、35c、35dである。   FIG. 2A shows details of the LED chip and the photo IC chip. The LED chip 10 is a point light emitting LED having a current confinement structure, and the effective light emitting region 11 has a circular light emitting window having a diameter of about 70 μm. The emission wavelength is a red LED of 650 nm. The photo IC chip 30 is disposed below the LED chip (A). The photo IC chip 30 includes a light receiving element portion 31 and a signal processing circuit portion on the side close to the LED 10. In the light receiving element portion 31, 16 photodiodes are arranged at equal intervals in the horizontal direction of the figure, and are 32a, 32b, 32d, 32d,... 35a, 35b, 35c, 35d in order from the left.

この実施例1では、受光素子面に投影される光の強度分布として256μmの基本空間周波数成分を検出できるように配列されている。この周期をヘッドの検出基本周期と呼び、以降、記号Pで表す。16個の受光素子はこの検出基本周期Pに対してP/4ピッチ(この場合は64μm)で配列されており、これにより90°位相のずれたA,B相の出力を得る2個のフォトダイオードと、これらと180°位相のずれたAB,BB相の出力を得る2個のフォトダイオードからなる4個のフォトダイオードを1セットとして、複数セット配設されている。この実施例では32、33,34、35の4セットである。   In the first embodiment, the fundamental spatial frequency component of 256 μm is arranged to be detected as the intensity distribution of the light projected on the light receiving element surface. This period is called the basic detection period of the head, and is represented by the symbol P hereinafter. The 16 light receiving elements are arranged at a P / 4 pitch (in this case, 64 μm) with respect to the detection basic period P, and thereby two photos that obtain outputs of A and B phases that are 90 ° out of phase. A plurality of sets of four photodiodes each including a diode and two photodiodes that obtain outputs of AB and BB phases that are 180 ° out of phase with each other are arranged. In this embodiment, there are four sets of 32, 33, 34, and 35.

即ちスケール移動に伴って、90°ずつ位相のずれたA,AB,B,BB相の出力電流が得られ、これらを電流電圧変換器で電圧値に変換した後、差動増幅器によりそれぞれA相とAB相の差動、B相とBB相の差動をとって、90°位相のずれたA,B相変位出力信号を得るようになっている。   That is, as the scale is moved, A, AB, B, and BB phase output currents that are shifted in phase by 90 ° are obtained. These currents are converted into voltage values by a current-voltage converter, and then each of the A phase is output by a differential amplifier. A and B phase displacement output signals having a 90 ° phase shift are obtained by taking the differential between A and B phases and the differential between B and BB phases.

図2(B)および(C)では、上記の半導体素子の封止するパッケージを説明した図である。図2(B)では、光源10の発光領域11から光が受光素子31に直接入らないように配設された遮光壁48を示している。図2(C)では、検出ヘッドおよび反射スケール断面と簡単な光線光路を示している。検出ヘッド40は、光源10、受光素子30の他に、配線基板44と光源10と受光素子30を覆うように封止した透光性の封止樹脂45と、この封止樹脂45上に配設された透明ガラス46から成っている。   2B and 2C are diagrams illustrating a package for sealing the semiconductor element. FIG. 2B shows a light shielding wall 48 disposed so that light does not enter the light receiving element 31 directly from the light emitting region 11 of the light source 10. FIG. 2C shows a cross section of a detection head and a reflection scale and a simple light beam path. In addition to the light source 10 and the light receiving element 30, the detection head 40 is disposed on the wiring substrate 44, a light-transmitting sealing resin 45 sealed so as to cover the light source 10 and the light receiving element 30, and the sealing resin 45. It consists of a transparent glass 46 provided.

次に、反射スケールについて図3を用いて説明する。本実施例では同図(B)の平面反射スケールを図3(A)のごとく、リング状の支持体21の内側面に両面テープ(不図示)で貼付けて固定している。その他の手段で、反射式のスケールを円筒内側面に直接形成してもよい。   Next, the reflection scale will be described with reference to FIG. In this embodiment, as shown in FIG. 3A, the planar reflection scale of FIG. 3B is fixed to the inner surface of the ring-shaped support 21 with a double-sided tape (not shown). The reflective scale may be formed directly on the inner surface of the cylinder by other means.

反射フィルムスケール20は、図3(C)に示すように、パターン形成シート23と反射層形成部シート24から構成されている。パターン形成シート23は例えば工業用写真製版フィルム用の透明なPETフィルムであって、0.1〜0.2mm程度の厚みを有し、工業用写真製版フィルムの乳剤層により露光・現像工程を経て必要なパターンが形成されている。パターン形成シート23の基材部23a上には、光吸収部分の非反射部23bと光線透過部23cから成るパターンが交互に設けられている。   As shown in FIG. 3C, the reflective film scale 20 includes a pattern forming sheet 23 and a reflective layer forming portion sheet 24. The pattern forming sheet 23 is, for example, a transparent PET film for industrial photoengraving film, has a thickness of about 0.1 to 0.2 mm, and is subjected to an exposure / development step by an emulsion layer of the industrial photoengraving film. Necessary patterns are formed. On the base material portion 23a of the pattern forming sheet 23, a pattern composed of a non-reflecting portion 23b and a light transmitting portion 23c of a light absorbing portion is alternately provided.

一方、反射層形成シート24においては、基材とするPETフィルムから成る反射層24aの下面に蒸着膜から成る反射層24bが形成されている。反射スケール22は、これらのパターン形成シート23と反射層形成シート24を図3(D)に示すように透明な接着剤から成る接着層25で接合した構造とされている。   On the other hand, in the reflection layer forming sheet 24, a reflection layer 24b made of a vapor deposition film is formed on the lower surface of the reflection layer 24a made of a PET film as a base material. The reflective scale 22 has a structure in which the pattern forming sheet 23 and the reflective layer forming sheet 24 are joined by an adhesive layer 25 made of a transparent adhesive as shown in FIG.

このような反射スケール22は、厚み0.2mm前後で可撓性を有しており、図3(A)に示すように長尺の平板状の反射式リニアスケール(B)を円筒内側面に湾曲させて装着することが可能である。   Such a reflective scale 22 has flexibility with a thickness of about 0.2 mm, and a long flat reflective linear scale (B) is formed on the inner surface of the cylinder as shown in FIG. It is possible to wear it curved.

[平面反射スケールの場合]
次に、本発明である曲面形状の反射スケールの光学特性を説明するにあたり、本発明の検出センサで平面状の反射スケールを検出する場合の原理について説明する。
[For flat reflection scale]
Next, in describing the optical characteristics of the curved reflection scale according to the present invention, the principle for detecting a planar reflection scale with the detection sensor of the present invention will be described.

平板状の反射スケールを発散光束で照射した場合の光学的な作用について図4で考える。図4は、反射式のエンコーダの構成図である。反射スケール20はここでは平板上の反射スケールとして取り扱う。光源10からの発散光束で平板状の反射スケール20は照射され、反射スケール20からの反射回折光によりフォトICチップ30の受光素子31上に干渉縞が形成される。受光素子31と反射スケール20はギャップGで配置されている。この構成においては反射スケール20のピッチをPsとすると受光素子面上には反射スケール20のピッチPsの2倍周期にあたる干渉縞(周期P)が形成される。   The optical action when a flat reflection scale is irradiated with a divergent light beam is considered in FIG. FIG. 4 is a configuration diagram of a reflective encoder. Here, the reflection scale 20 is treated as a reflection scale on a flat plate. The flat reflection scale 20 is irradiated with a divergent light beam from the light source 10, and interference fringes are formed on the light receiving element 31 of the photo IC chip 30 by the reflected diffracted light from the reflection scale 20. The light receiving element 31 and the reflection scale 20 are arranged with a gap G. In this configuration, if the pitch of the reflection scale 20 is Ps, interference fringes (period P) corresponding to a period twice the pitch Ps of the reflection scale 20 are formed on the light receiving element surface.

このことを図4の構成の等価光学系を図5に示し説明する。図5において中央の反射スケール20の移動方向軸をX0、受光素子31面上をX2、光源10をX1軸上に配置したもので、光源10の発光点11は座標L0に配置されている。前図5で示した反射スケール20と受光素子31のギャップGに相当するのは、この図5においては、X0−X2および X0−X1間の距離(G)に相当する。光源座標L0の位置から発散光束がX0軸上に配置された反射スケール20に照射され、その光線が回折格子面で回折した光線図が描かれている。L0から反射スケール面上の原点(0,0)に届いた光は回折角θ1で回折して受光素子31に届いている。この回折した光束の方向を光線の進行方向とは逆の方向に延長し、原点を(0.0)にもつ半径Gの円と交わる点をL+1とすると回折光線はあたかもこのL+1に光源を配置した光波と同様の波面を形成する。   This will be described with reference to FIG. 5 showing an equivalent optical system having the configuration shown in FIG. In FIG. 5, the movement axis of the central reflection scale 20 is X0, the surface of the light receiving element 31 is X2, and the light source 10 is arranged on the X1 axis. The light emitting point 11 of the light source 10 is arranged at the coordinate L0. The gap G between the reflection scale 20 and the light receiving element 31 shown in FIG. 5 corresponds to the distance (G) between X0-X2 and X0-X1 in FIG. A ray diagram in which a divergent light beam is irradiated from the position of the light source coordinate L0 onto the reflection scale 20 arranged on the X0 axis and the light ray is diffracted on the diffraction grating surface is drawn. The light reaching the origin (0, 0) on the reflection scale surface from L0 is diffracted at the diffraction angle θ1 and reaches the light receiving element 31. When the direction of the diffracted light beam is extended in the direction opposite to the traveling direction of the light beam, and the point where the origin intersects with a circle of radius G having (0.0) as L is L + 1, the diffracted light beam has a light source arranged at L + 1. A wavefront similar to the light wave formed is formed.

そこで各次数の回折光束がこのような仮想光源点L+1、L−1・・・のように回折次数に応じてこの半径G上の円周上に配置し、各仮想光源点からの発散光束の重ね合わせとして干渉像の光の強度分布を計算することができる。   Therefore, the diffracted light beams of the respective orders are arranged on the circumference on the radius G according to the diffraction orders as in such virtual light source points L + 1, L-1,. The light intensity distribution of the interference image can be calculated as superposition.

受光素子面上に投影される干渉縞の強度分布はこの関係から反射スケール20のピッチPsの2倍周期にあたる干渉縞(周期P)が形成されることが示される。   From this relationship, the intensity distribution of the interference fringes projected on the light receiving element surface indicates that an interference fringe (period P) corresponding to a period twice the pitch Ps of the reflection scale 20 is formed.

次に本発明の対象としている曲面反射スケールの場合を考えてみる。   Next, consider the case of a curved reflection scale, which is the subject of the present invention.

図6は円筒状支持体21、および検出ヘッド内の主要部品以外を省略し、円筒状に形状固定された反射スケール20と光源10とフォトIC30を本実施例の構成にレイアウトした図である。同図において円筒状の反射スケール20の中心は回転角検出軸Y0軸にセットされ、Y0軸を回転軸とする反射スケールの回転変位が検出ヘッド40(不図示)で検出される。ここで、円筒状の反射スケールの反射面とその中心までの距離(=半径)をRとする。図7は、図6の主要部の拡大図である。この図を用いて光源10、受光素子30、反射スケール20の配置に関する関係を説明する。   FIG. 6 is a diagram in which the cylindrical support 21 and the main components in the detection head are omitted, and the reflection scale 20, the light source 10, and the photo IC 30 fixed in a cylindrical shape are laid out in the configuration of this embodiment. In the figure, the center of the cylindrical reflection scale 20 is set to the rotation angle detection axis Y0 axis, and the rotational displacement of the reflection scale with the Y0 axis as the rotation axis is detected by a detection head 40 (not shown). Here, let R be the distance (= radius) between the reflection surface of the cylindrical reflection scale and its center. FIG. 7 is an enlarged view of a main part of FIG. The relationship regarding the arrangement of the light source 10, the light receiving element 30, and the reflection scale 20 will be described with reference to FIG.

はじめに、座標系を定めると、光源10の発光領域11の中心を原点(0,0,0)とする座標系を(x1、y1、z1)とし、図6に示した円筒状形状の反射スケール20の中心軸Y0と光源の発光中心(=座標系の原点)を結ぶ軸をz1とし、回転軸Y0と平行な軸をy1とする。回転変位検出の接線方向がx1軸となる。また、反射スケール20の格子条は、回転軸Y0と平行に形成されている。光源10の発光面と反射スケール20の実質的な反射面位置(=中心軸Y0から距離R)までの距離をギャップと呼びGで表す。そして、受光素子の16個にエレメントはy1軸について対象に8個ずつ配置される。受光素子の中心座標は発光素子と受光素子の中心間距離をDsとして(0,−Ds、0)と表される。   First, when the coordinate system is determined, the coordinate system having the origin (0, 0, 0) at the center of the light emitting region 11 of the light source 10 is (x1, y1, z1), and the cylindrical reflection scale shown in FIG. The axis connecting the 20 central axis Y0 and the light emission center of the light source (= the origin of the coordinate system) is z1, and the axis parallel to the rotation axis Y0 is y1. The tangential direction for rotational displacement detection is the x1 axis. Moreover, the lattice strip of the reflective scale 20 is formed in parallel with the rotation axis Y0. The distance from the light emitting surface of the light source 10 to the substantial reflecting surface position (= the distance R from the central axis Y0) of the reflecting scale 20 is called a gap and is represented by G. Then, eight of the 16 light receiving elements are arranged on the target about the y1 axis. The center coordinates of the light receiving element are expressed as (0, −Ds, 0), where Ds is the distance between the centers of the light emitting element and the light receiving element.

また、反射スケール20上の反射位置座標は(x、y、G)となる。   The reflection position coordinates on the reflection scale 20 are (x, y, G).

以上の位置関係において、ピッチPs=1/2Pの関係の反射スケールを円筒状に形状固定して用いた場合を考えてみると、光源10の発光領域11から出射した発散光束は発散波面のまま反射スケール20に入射し、反射波の一部が受光素子30に到達する。先の図4で示した平面反射スケールと異なり、反射スケールは円筒凹面形状なので受光素子ピッチPの1/2ピッチスケールをこの曲面反射スケールとして用いて場合には、受光素子ピッチPよりも周期の小さい干渉縞が受光面上に形成されてしまう。具体的な数字でみると、今回の実施例では受光素子の検出基本周期Pは256μmで、この検出ヘッドとこのように平板反射スケール20を用いたい場合での適正ピッチである128μmの反射スケールを円筒形状に形状固定して図1のように用いた場合には、受光素子面状には256μm周期よりも小さな周期の光強度分布となる。   Considering the case where the reflection scale having the relationship of pitch Ps = 1 / 2P is fixed in a cylindrical shape in the above positional relationship, the divergent light beam emitted from the light emitting region 11 of the light source 10 remains the divergent wave surface. The light enters the reflection scale 20 and part of the reflected wave reaches the light receiving element 30. Unlike the planar reflection scale shown in FIG. 4, the reflection scale has a cylindrical concave shape. Therefore, when a 1/2 pitch scale of the light receiving element pitch P is used as the curved reflection scale, the period is longer than the light receiving element pitch P. A small interference fringe is formed on the light receiving surface. Specifically, in this embodiment, the detection basic period P of the light receiving element is 256 μm, and a reflection scale of 128 μm, which is an appropriate pitch when using this detection head and the flat plate reflection scale 20 in this way, is used. When the shape is fixed to a cylindrical shape and used as shown in FIG. 1, the light receiving element surface has a light intensity distribution with a period smaller than a period of 256 μm.

図8は円筒スケールを半円部分のみ表した軸Y0から見た図である。この図は受光素子にピッチPに光源からの光束が反射するように反射スケールのピッチPsを変更し、いわば強制的に干渉縞のピッチを合わせ込むようにしたものである。受光素子面上には一様にピッチを合致させることはできないが、受光面上で平均的なピッチ寸法として合わせ込むことで十分実用に値する特性がえられることが確かめられた。   FIG. 8 is a view of the cylindrical scale as viewed from the axis Y0 representing only the semicircular portion. In this figure, the pitch Ps of the reflection scale is changed so that the light beam from the light source is reflected at the pitch P on the light receiving element, so that the pitch of the interference fringes is forcibly adjusted. Although it is impossible to make the pitch uniform on the light receiving element surface, it has been confirmed that a characteristic that is practically sufficient can be obtained by adjusting the average pitch size on the light receiving surface.

干渉縞の基本周期の変化については、先の図5の発散光束での等価光学系と同様に考えてみる。   The change in the basic period of the interference fringes is considered in the same manner as in the equivalent optical system with the divergent light beam in FIG.

この曲面での反射により光源からの発散光束は波面変更を受けている。この場合には凹形状の円筒面の影響で発散波面の広がりが押さえられているので図9での等価光学系に示したように波面変換の結果、反射スケール20から受光面までの各回折光束の波面は先の図5での仮想光源点L0、L+、L− の位置から図のZ‘の位置に移動したと考えればよい。その結果、反射スケール回折面から、受光素子までの距離Zは変わらないが、仮想光源点L0、L+、L−等の光源位置はZ’となり干渉像の形成ピッチが変化したと解釈できる。平面の場合には光源点と反射スケール、および、反射スケールと受光面まで距離が等しくその結果、反射スケール20ピッチPsと干渉縞のピッチPの間には、2×Ps=Pの関係があった。すなわち、同図で倍率は、(Z+Z)/Zが平面の場合、今回の実施例では(Z‘+Z)/Z’となり干渉縞の倍率は反射スケールピッチの2倍にはならない。また、逆の波面変換を受けた場合、すなわち、円筒面が凸の場合、これは円筒状反射スケールの外部側面に反射スケールを設けて、検出ヘッド40をスケール反射面に対向配置した場合に対応し、そのときには図9のZ‘’の位置に仮想光源点が移り、倍率は2倍より大きくなることがわかる。   Due to the reflection at the curved surface, the divergent light beam from the light source has undergone a wavefront change. In this case, since the spread of the divergence wavefront is suppressed by the influence of the concave cylindrical surface, each diffracted light beam from the reflection scale 20 to the light receiving surface is obtained as a result of wavefront conversion as shown in the equivalent optical system in FIG. It can be considered that the wavefront has moved from the position of the virtual light source points L0, L +, L− in FIG. 5 to the position of Z ′ in the figure. As a result, although the distance Z from the reflection scale diffractive surface to the light receiving element does not change, the light source positions of the virtual light source points L0, L +, L−, etc. become Z ′, and it can be interpreted that the formation pitch of the interference image has changed. In the case of a flat surface, the distance between the light source point and the reflection scale and the reflection scale and the light receiving surface are equal. As a result, there is a relationship of 2 × Ps = P between the reflection scale 20 pitch Ps and the interference fringe pitch P. It was. That is, in the figure, when (Z + Z) / Z is a plane, the magnification is (Z ′ + Z) / Z ′ in the present embodiment, and the interference fringe magnification does not become twice the reflection scale pitch. In addition, when the wavefront conversion is reversed, that is, when the cylindrical surface is convex, this corresponds to the case where a reflection scale is provided on the outer side surface of the cylindrical reflection scale and the detection head 40 is disposed opposite to the scale reflection surface. At that time, it can be seen that the virtual light source point moves to the position Z ″ in FIG. 9 and the magnification is larger than two times.

さて、ここでこのような円筒状スケール20の内側に検出ヘッド40を配置した構成において検出センサの検出基本周期Pのセンサを適用した場合の反射スケールピッチ補正値の導出を考える。   Now, let us consider the derivation of the reflection scale pitch correction value when the sensor having the detection basic period P of the detection sensor is applied to the configuration in which the detection head 40 is disposed inside the cylindrical scale 20.

受光面上で所望の干渉縞ピッチを得るために計算方法としてはいろいろなアプローチがあるがここでは最短光路の原理(Fermatの原理)を用いて光源10と反射スケール20の光路長L1と反射スケール20と受光素子31中心の光路長の和(下記数式f(x、y))が最小となる反射スケール面上の座標点(x、y、G)を求め、そのx座標値から円筒状スケールに装着するスケールピッチを決定できるようにした。   There are various approaches as a calculation method for obtaining a desired interference fringe pitch on the light receiving surface. Here, the optical path length L1 of the light source 10 and the reflection scale 20 and the reflection scale are used by using the principle of the shortest optical path (Fermat's principle). 20 and a coordinate point (x, y, G) on the reflection scale surface where the sum of the optical path lengths at the center of the light receiving element 31 (the following formula f (x, y)) is minimized, and the cylindrical scale is obtained from the x coordinate value. The scale pitch to be attached to the can be determined.

Figure 2011099869
Figure 2011099869

ただし、
円筒状反射スケールの半径:R
光源と反射スケールの距離:G
発光中心と受光中心の距離:Ds
検出ヘッドの基本検出ピッチ:P
However,
Radius of cylindrical reflection scale: R
Distance between light source and reflection scale: G
Distance between light emission center and light reception center: Ds
Basic detection pitch of detection head: P

この場合に算出される補正ピッチは光軸近傍では成立するが離れた部分ではピッチズレが生じるので受光素子全体で平均的にピッチが合致するように受光素子エレメント数を考慮し、決定する必要がある。   The correction pitch calculated in this case is established in the vicinity of the optical axis, but a pitch shift occurs in a distant portion. Therefore, it is necessary to determine the correction pitch in consideration of the number of light receiving element elements so that the average pitch is matched in the entire light receiving element. .

以上のように、円筒状の反射スケールを用いた場合には、反射面曲率半径Rを考慮し、反射スケールに対してセンサを設置するギャップ寸法値Gと検出ヘッドの基本検出ピッチ(=受光素子が検出可能な干渉縞ピッチ)Pおよび光源と受光素子間距離Dsより最適な反射スケールのピッチが決定でき、それにより円筒形状でありながらほぼ平板の反射スケール同様に精度の高い位置検出が可能である。   As described above, in the case where a cylindrical reflection scale is used, the gap surface radius G is set in consideration of the reflection surface radius of curvature R, and the basic detection pitch of the detection head (= light receiving element). The optimum reflection scale pitch can be determined from the interference fringe pitch P) and the distance Ds between the light source and the light receiving element, thereby enabling highly accurate position detection similar to a flat plate reflection scale despite being cylindrical. is there.

ここで、実施例1の構成を「内巻きタイプ」と呼ぶことにする。   Here, the configuration of the first embodiment is referred to as an “inner winding type”.

実施例2では、この内巻きタイプでのギャップ値Gと円筒状反射スケール20の半径Rの関係について説明する。図12は内巻きタイプで7つの場合について光路の様子を示し、反射スケールのピッチの大きさ具合を表現している。
(A)は比較的ギャップが小さい場合、(B)はG=R/2の場合で、このときには反射スケールのピッチPsは検出ヘッドの検出基本周期P=受光素子ピッチと等しくなる。
(Ps=P)の関係となる。(C)では反射スケールのピッチを大きくとらなくてはならなくなり、ロータリエンコーダとしての分解能は低く、あまり価値がない。
(D)では光束は受光面の一部に集光し、縞は形成されない。(E)の状態では縞の移動方向が変転し、その結果、AB相信号位相が反転する。(F)、(A)とほぼ同等のピッチで縞の移動方向反転が生じる。
In the second embodiment, the relationship between the gap value G and the radius R of the cylindrical reflection scale 20 in this inner winding type will be described. FIG. 12 shows the state of the optical path for seven cases of the inner winding type, and expresses the degree of the pitch of the reflection scale.
(A) shows a case where the gap is relatively small, and (B) shows a case where G = R / 2. In this case, the pitch Ps of the reflection scale is equal to the detection basic period P of the detection head = the light receiving element pitch.
The relationship is (Ps = P). In (C), the pitch of the reflection scale must be increased, and the resolution as a rotary encoder is low, so it is not very valuable.
In (D), the light beam is condensed on a part of the light receiving surface, and no stripes are formed. In the state (E), the moving direction of the fringe changes, and as a result, the AB phase signal phase is inverted. Inversion of the moving direction of the stripe occurs at a pitch substantially equal to (F) and (A).

既に、先の実施例1で示したが円筒状反射スケールとして円筒の外側面に反射スケールを設け、検出ヘッド40をスケール反射面に対向配置した場合を取りあげる。   As already described in the first embodiment, the case where the reflection scale is provided on the outer surface of the cylinder as the cylindrical reflection scale and the detection head 40 is disposed opposite to the scale reflection surface will be described.

図10および図11は円筒の外側面に反射スケールを設け、検出ヘッド40をスケール反射面に対向配置した実施例を説明するための図である。   10 and 11 are diagrams for explaining an embodiment in which a reflection scale is provided on the outer surface of the cylinder and the detection head 40 is disposed opposite to the scale reflection surface.

検出センサ40が円筒状スケールの内側であるか外側にあるかの差なので詳細の説明は実施例1とほぼ同様なので省略する。ここで、この構成を「外巻きタイプ」、実施例1の構成を「内巻きタイプ」と呼ぶことにする。   Since the difference between the detection sensor 40 being inside or outside the cylindrical scale is the same as in the first embodiment, the detailed description thereof is omitted. Here, this configuration is referred to as an “outer winding type”, and the configuration of the first embodiment is referred to as an “inner winding type”.

この外巻きタイプでの特徴は、すでに実施例1でも触れたが反射スケール20のピッチPsを小さな値に補正することになるので半径Rを一定で考えると分解能をあげる方向に向かう。   Although the feature of the external winding type has already been described in the first embodiment, the pitch Ps of the reflection scale 20 is corrected to a small value, so that the resolution increases when the radius R is considered constant.

具体的には図13のように円筒状スケール径を一定で考えるとギャップを離す設定でピッチの補正値を選べば高分解能な回転検出となる。   Specifically, as shown in FIG. 13, when the cylindrical scale diameter is considered to be constant, high-resolution rotation detection can be achieved by selecting a pitch correction value with a setting for separating the gap.

図13で(A)〜(C)の順にギャップ寸法G増していくにしたがって反射スケールのピッチは小さな値にする必要があり、その結果、回転角度検出分解能は向上する。   As the gap dimension G increases in the order of (A) to (C) in FIG. 13, the pitch of the reflection scale needs to be reduced, and as a result, the rotation angle detection resolution is improved.

通常、検出センサはある固有の検出ピッチしか読み取ることができない。   Usually, the detection sensor can read only a specific detection pitch.

すなわち、受光素子配置ピッチでその受光素子面状に投射される干渉縞(周期的な強度分布を有する光強度分布)の基本波空間周波数を読み取る。従って、さまざまな分解能に対応するためには、受光素子の配列ピッチを個別に対応させなければならない。   That is, the fundamental wave spatial frequency of the interference fringes (light intensity distribution having a periodic intensity distribution) projected on the surface of the light receiving element at the light receiving element arrangement pitch is read. Therefore, in order to cope with various resolutions, it is necessary to individually correspond to the arrangement pitch of the light receiving elements.

受光素子は近年では増幅回路、デジタル化回路や電気分割回路等の電子回路を一体化したいわゆるフォトICチップで構成されることが主流となりつつある。   In recent years, the light receiving element has been mainly composed of a so-called photo IC chip in which electronic circuits such as an amplifier circuit, a digitizing circuit, and an electric dividing circuit are integrated.

様々な分解能への対応を考えた場合には、電気分割で分割数を任意に変える。等により対応をはかっている。   When considering the correspondence to various resolutions, the number of divisions is arbitrarily changed by electric division. We are trying to cope with this.

フォトICを製造するためのICのマスク費用がかかり、要求分解能に併せて受光素子ピッチの品揃えは経済的ではない。   An IC mask cost for manufacturing the photo IC is required, and the assortment of the light receiving element pitch in accordance with the required resolution is not economical.

ロータリエンコーダではエンコーダのスケール直径を変更させることで1回転あたりの分解能は変更可能であり、今回の円筒格子タイプでも同様に直径を変えることで分解能は変更できる。しかし、実施例2,3で示したように、本発明によれば、円筒格子直径を変更せずに分解能を変えることも可能となる。   In the rotary encoder, the resolution per rotation can be changed by changing the scale diameter of the encoder, and the resolution can be changed by changing the diameter in the same manner in the cylindrical lattice type of this time as well. However, as shown in Examples 2 and 3, according to the present invention, the resolution can be changed without changing the diameter of the cylindrical lattice.

実施例2のように、円筒内部にセンサを配置した場合には平面スケール時に読み取るピッチよりも粗くすることが可能である。   When the sensor is arranged inside the cylinder as in the second embodiment, it can be made coarser than the pitch read at the time of the plane scale.

実施例3のように、外側に配置した場合には高分解能にすることが可能となる。   As in the third embodiment, when it is arranged outside, it is possible to achieve high resolution.

一例として、円筒格子直径φ10mmmの円筒スケールを分解能は4倍以上とることも可能となるが、この場合には、ギャップを広くとる必要があり、発散光束でも主光線近傍にエネルギーが集中する半導体レーザ(面発光レーザ)等が有効な光源となる。   As an example, a cylindrical scale with a cylindrical lattice diameter of φ10 mm can be made to have a resolution of 4 times or more. In this case, however, a gap needs to be widened, and a semiconductor laser in which energy is concentrated near the chief ray even with a divergent light beam (Surface emitting laser) is an effective light source.

(カメラ搭載例 光軸方向寸法の削減例)
以下に図面を参照して本発明によるセンサ、および、スケールをレンズ鏡筒へ搭載した一実施例を説明する。
(Camera mounting example Optical axis direction dimension reduction example)
An embodiment in which a sensor and a scale according to the present invention are mounted on a lens barrel will be described below with reference to the drawings.

図14は従来レンズ鏡筒の断面図であり、図15は図14のレンズ鏡筒内に組み込まれている駆動力発生ユニット35の断面図、図16は本発明のセンサおよびスケールが組み込まれたユニット35の断面図である。   14 is a sectional view of a conventional lens barrel, FIG. 15 is a sectional view of a driving force generating unit 35 incorporated in the lens barrel of FIG. 14, and FIG. 16 is incorporated with the sensor and scale of the present invention. 4 is a cross-sectional view of a unit 35. FIG.

図14、図15および、図16において、501はレンズ鏡筒の外筒、502は外筒501の内側に配置されマウントにビス固定されている固定筒、503,504は駆動力発生ユニット535のフレームもしくは地板となっている固定筒である。固定筒504は固定筒503にビス固定され、固定筒503は固定筒502にビス固定されている。   14, 15, and 16, reference numeral 501 denotes an outer cylinder of the lens barrel, 502 denotes a fixed cylinder that is disposed inside the outer cylinder 501 and is screwed to the mount, and 503 and 504 denote the driving force generation unit 535. It is a fixed cylinder that is a frame or a base plate. The fixed cylinder 504 is screw-fixed to the fixed cylinder 503, and the fixed cylinder 503 is screw-fixed to the fixed cylinder 502.

505は、外筒501の前方に配置される外筒部分505aと固定筒503、固定筒504の内側に配置される内筒部分505bとを有する。   505 has an outer cylinder portion 505 a disposed in front of the outer cylinder 501, a fixed cylinder 503, and an inner cylinder portion 505 b disposed inside the fixed cylinder 504.

固定筒503、固定筒504にビス固定される固定筒、506は固定筒505の外筒部分505aの外周面に形成された周方向溝と外筒501の外周面に形成された周方向溝に嵌装されてレンズの中心軸線(すなわち光軸Z)を中心として回転可能である。   A fixed cylinder 503, a fixed cylinder fixed to the fixed cylinder 504 with screws, 506 are circumferential grooves formed on the outer peripheral surface of the outer cylinder portion 505 a of the fixed cylinder 505 and circumferential grooves formed on the outer peripheral surface of the outer cylinder 501. It is fitted and can be rotated around the center axis of the lens (ie, the optical axis Z).

かつ光軸方向に移動可能に支持されているマニュアル操作環で外筒501の爪部501aとマニュアル操作環506の内周部に設けられた溝部506bとにより光軸方向移動時のクリック感を出すと共に光軸方向に移動させた後のそれぞれの位置で保持される。   In addition, the manual operation ring supported so as to be movable in the optical axis direction provides a click feeling when moving in the optical axis direction by the claw portion 501a of the outer cylinder 501 and the groove portion 506b provided in the inner peripheral portion of the manual operation ring 506. At the same time, it is held at each position after being moved in the optical axis direction.

固定筒503の外周面には、図15に示すように振動波モータ533の全構成部品(512〜520)と該振動波モータ533のロータ518と一体的に回転する回転筒520と、該回転筒520に接触するモータ軸受け兼出力部材534と前記マニュアル操作環506の回転トルクを入力させるためのマニュアル操作力入力リング523とが搭載されている。   On the outer peripheral surface of the fixed cylinder 503, as shown in FIG. 15, all the components (512 to 520) of the vibration wave motor 533, the rotary cylinder 520 that rotates integrally with the rotor 518 of the vibration wave motor 533, and the rotation A motor bearing / output member 534 that contacts the cylinder 520 and a manual operation force input ring 523 for inputting the rotational torque of the manual operation ring 506 are mounted.

従来の光学式エンコーダのメインスケール(以降パルス板と呼ぶ)524は、この出力部材534(以降コロリングと呼ぶ。図中ハッチングを施した部品を示す)と結合している。   A main scale (hereinafter referred to as a pulse plate) 524 of a conventional optical encoder is coupled to an output member 534 (hereinafter referred to as a coro ring. In the figure, hatched parts are shown).

図15において、525はインタラプターで、パルス板524の角度位置に応じた信号をLENSCPUに出力する。530はビスによって前記リング522に固定されたレンズホルダー駆動キーである。   In FIG. 15, 525 is an interrupter that outputs a signal corresponding to the angular position of the pulse plate 524 to the LENS CPU. Reference numeral 530 denotes a lens holder driving key fixed to the ring 522 with a screw.

該駆動キー530は固定筒503に貫設された穴503aを通して組み込まれ、該駆動キー530に設けられた溝部530aにレンズホルダー532に固設されたコロ529(不図示)が嵌合している。   The drive key 530 is incorporated through a hole 503a penetrating the fixed cylinder 503, and a roller 529 (not shown) fixed to the lens holder 532 is fitted into a groove 530a provided in the drive key 530. .

次に前記の如き構造を有する本実施例のレンズ鏡筒の動作を説明する。   Next, the operation of the lens barrel of the present embodiment having the above structure will be described.

まず、レンズ鏡筒の使用者が前記レンズホルダー532を前記振動波モータ533の力で駆動させようとする時には、前記不図示のフォーカシングスイッチを操作する(オートフォーカス)か、あるいは前記マニュアル操作環506を回動操作する。   First, when the user of the lens barrel tries to drive the lens holder 532 with the force of the vibration wave motor 533, the focusing switch (not shown) is operated (autofocus) or the manual operation ring 506 is operated. Rotate.

前記フォーカジングスイッチを操作した場合、前記不図示の制御回路が動作されて前記電歪素子515に電圧が印加される。   When the focusing switch is operated, the control circuit (not shown) is operated to apply a voltage to the electrostrictive element 515.

その結果、円周方向に進行する振動が前記ステータ516に生じ、該ステータ516の振動によって前記ロータ518及び前記ゴム環519並びに前記回転筒520が光軸Zを中心として回転される。   As a result, vibration that travels in the circumferential direction occurs in the stator 516, and the rotor 518, the rubber ring 519, and the rotating cylinder 520 are rotated about the optical axis Z by the vibration of the stator 516.

これらの回転によって前記中空ローラー521は該回転筒520から回転トルクを受ける。然し、前記マニュアル操作力入力リング523は前記フリクションリング526との摩擦により回転しない。従って、該ローラー521は前記ローラー支持軸522aのまわりを回転しつつ該マニュアル操作力入力リング523の端面に沿って転動する。   By these rotations, the hollow roller 521 receives rotational torque from the rotating cylinder 520. However, the manual operation force input ring 523 does not rotate due to friction with the friction ring 526. Accordingly, the roller 521 rolls along the end surface of the manual operation force input ring 523 while rotating around the roller support shaft 522a.

該ローラー支持軸522aを介して前記リング522が光軸Zを中心として回転されるので、前記レンズホルダー532は前記レンズホルダー駆動キー530によって光軸Zを中心として回転されつつ前記カム505aに沿って光軸方向に移動してオートフォーカシングが行われる。   Since the ring 522 is rotated around the optical axis Z via the roller support shaft 522a, the lens holder 532 is rotated along the cam 505a while being rotated about the optical axis Z by the lens holder driving key 530. Auto focusing is performed by moving in the optical axis direction.

図15の囲み部分VEにおいて、従来の透過型のエンコーダの構成を説明する。フォトインタラプタ525、とパルス板524の図中のように構成され、パルス板524の回転角度を検出している。   The structure of a conventional transmissive encoder will be described in the encircled portion VE in FIG. The photo interrupter 525 and the pulse plate 524 are configured as shown in the figure, and the rotation angle of the pulse plate 524 is detected.

パルス板524に対してコの字形状のフォトインタラプタ525は鏡筒内側面から組み入れるように組み立てられ作業性がよくない。   The U-shaped photo interrupter 525 is assembled to the pulse plate 524 so as to be incorporated from the inner surface of the lens barrel, and the workability is not good.

また、フォトインタラプタ525の光軸方向Zに沿った方向の寸法が大きいためにレイアウトの自由度が低く、図15において駆動ユニット535の光軸方向範囲にこのエンコーダ部を納めることができない。   Further, since the dimension of the photo interrupter 525 in the direction along the optical axis direction Z is large, the degree of freedom in layout is low, and this encoder unit cannot be accommodated in the optical axis direction range of the drive unit 535 in FIG.

同図の囲み部分VFで示した空間すなわち固定筒503とロータ部材518の間に隙間があるためこの部分にエンコーダ部がいられることにより大幅な光軸方向の寸法削減が可能となる。図16に示した寸法Lが削減寸法である。   Since there is a space between the fixed cylinder 503 and the rotor member 518, the space shown by the encircled portion VF in the figure, and the encoder portion is provided in this portion, so that the size in the optical axis direction can be greatly reduced. The dimension L shown in FIG. 16 is a reduced dimension.

図16で、本発明のセンサとスケールによりこの領域VG(図15の領域VFと同じ)に搭載が可能となったことを示す。   FIG. 16 shows that mounting in this region VG (same as region VF in FIG. 15) is possible by the sensor and scale of the present invention.

図16の囲み領域VGで示されるように反射センサ540および反射スケール541が配置された。コロリング534の内側面にフィルム製の反射スケール541が両面テープで貼付けられている。このスケールの厚みは0.3mm程度である。   The reflection sensor 540 and the reflection scale 541 are arranged as indicated by the enclosed region VG in FIG. A reflective scale 541 made of film is attached to the inner side surface of the roller ring 534 with a double-sided tape. The thickness of this scale is about 0.3 mm.

一方、反射センサ540は固定筒503の一部を切り欠き、フレキシブル基板に実装された反射センサ540が装着されている。反射センサの厚みは1.56mm程度で反射スケール541と検出センサ540の空隙は≒0.85mm程度設けている。厚み寸法(ラジアル方向寸法)を積み上げた値は0.3+1.56+0.85=2.71mmとなり、センサ搭載部分の厚みはトータルでも5mm以内のラジアル方向の寸法に収まっている。   On the other hand, the reflection sensor 540 has a part of the fixed cylinder 503 cut out, and the reflection sensor 540 mounted on the flexible substrate is mounted. The thickness of the reflection sensor is about 1.56 mm, and the gap between the reflection scale 541 and the detection sensor 540 is about 0.85 mm. The value obtained by accumulating the thickness dimension (radial dimension) is 0.3 + 1.56 + 0.85 = 2.71 mm, and the total thickness of the sensor mounting portion is within the radial dimension within 5 mm.

この例では、検出センサ540の基本検出ピッチは128μmのものを用いた。   In this example, the basic detection pitch of the detection sensor 540 is 128 μm.

コロリング534の内側面(内面のスケール貼付け面の直径φ60.9)に貼付けられる。   It is affixed to the inner surface of the roller ring 534 (the diameter φ60.9 of the scale affixing surface on the inner surface).

フィルム反射スケールの実質的な厚み方向の反射位置、やフィルムの光学的な厚み寸法、また、検出センサ内の光学パスの光路長等を考慮して光源から反射スケールまでの光路L1と反射スケールから受光面までの光路L2の和の最小値をとる反射ポイントをf(x,y)座標を求める。その結果反射スケールピッチPsを決定した。   Considering the reflection position in the thickness direction of the film reflection scale, the optical thickness dimension of the film, the optical path length of the optical path in the detection sensor, etc., from the light path L1 from the light source to the reflection scale and the reflection scale The f (x, y) coordinates are obtained for the reflection point that takes the minimum value of the sum of the optical paths L2 to the light receiving surface. As a result, the reflection scale pitch Ps was determined.

本発明の関係式:   Relational expression of the present invention:

Figure 2011099869
Figure 2011099869

反射センサを内面配置したので本発明による配置条件とスケールピッチ補正の結果、設計空隙(ギャップ)を考慮して、スケールピッチは134μmと定められた。   Since the reflection sensor is disposed on the inner surface, the scale pitch is determined to be 134 μm in consideration of the design gap (gap) as a result of the arrangement condition and scale pitch correction according to the present invention.

レンズ内ではこの134μm周期のアナログ信号を用いて電気的な分割(32分割)を実施し、最終的な分解能として、134/32≒4.2μmの分解能を得ている。   In the lens, electrical division (32 divisions) is performed using the analog signal with a period of 134 μm, and a final resolution of 134 / 32≈4.2 μm is obtained.

本発明の超小型の反射式検出センサとフィルム製の反射スケールにより、このわずかなスペースに搭載が可能となった。本発明が課題としていた、超小型でしかも高分解能化に対応した高精度な光学式エンコーダが実現できている。   The ultra-small reflective detection sensor of the present invention and the reflective scale made of film enable mounting in this small space. The high-precision optical encoder that is the subject of the present invention and that is ultra-compact and that supports high resolution can be realized.

10 光源
11 発光領域
20 反射スケール
21 リング状円筒支持体
22 PET基材
23 感光層
24 反射層
30 フォトIC
31 受光部
32〜35 受光素子エレメント群
40 検出ヘッド
44 半導体チップ実装基板
45 透明樹脂
46 透明硝子
48 遮光壁
R 円筒状反射スケールの半径
G 光源発光点と反射スケールの反射面の距離
P 検出ヘッド内の受光素子が検出するピッチ
Ps 反射スケールのピッチ
Ds 光源の発光領域中心と受光素子の受光エリアの中心間距離
L0 0次回折光の仮想光源点
L+ +1次回折光の仮想光源点
L− −1次回折光の仮想光源点
540 検出センサ
541 反射スケール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Light source 11 Light emission area 20 Reflection scale 21 Ring-shaped cylindrical support body 22 PET base material 23 Photosensitive layer 24 Reflective layer 30 Photo IC
31 Photodetector 32 to 35 Light-receiving element element group 40 Detection head 44 Semiconductor chip mounting substrate 45 Transparent resin 46 Transparent glass 48 Light-shielding wall R Radius of cylindrical reflection scale G Distance between light source emission point and reflection scale reflection surface P within detection head Ps Detected pitch Ps Reflection scale pitch Ds Distance between the center of the light emitting area of the light source and the center of the light receiving area of the light receiving element L0 Virtual light source point of 0th order diffracted light L + Virtual light source point of + 1st order diffracted light L− −1st order diffracted light Virtual light source point 540 detection sensor 541 reflection scale

Claims (1)

回折格子として作用する格子状パターンが曲面に形成され、回転軸を中心に回転可能である反射式スケールと、前記反射式スケールを発散光束で照明するための光源と、前記反射式スケールで反射した光束を受光する為の複数の受光素子と、を有する光学式エンコーダにおいて、A reflective pattern that is formed on a curved surface and functions as a diffraction grating and is rotatable about a rotation axis, a light source for illuminating the reflective scale with a divergent light beam, and reflected by the reflective scale In an optical encoder having a plurality of light receiving elements for receiving a light beam,
前記反射式スケールに対して、前記反射式スケールの回転軸が前記光源および前記受光素子と同じ側に位置していることを特徴とする光学式エンコーダ。An optical encoder, wherein a rotational axis of the reflective scale is located on the same side as the light source and the light receiving element with respect to the reflective scale.
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