(57)【要約】【課題】相対変位する２つの物体の変位を検出する光学式エンコーダにおいて、構造を簡易にする。  【解決手段】  相対変位する図示しない一方の部材に固定される、表面に主格子１２が形成され裏面に反射手段１８形成された透明材料からなるメインスケール１１と、相対変位する図示しない他方の部材に固定される、照射光を射出する光源１３と、光源１３から照射され主格子１２によって制限された光をさらに制限するための位相が互いに異なる複数の受光格子１５が形成されたインデックススケール１６と、主格子１２および受光格子１５によって制限された照明光を検出する複数の受光素子１７とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対変位する一方の部材に固定され透明材料からなるメインスケールと、相対変位するもう一方の部材に固定され前記メインスケールを照射する光源と、前記メインスケールによって制限された光をさらに制限するための位相が互いに異なる複数の受光格子が形成されたインデックススケールと、前記メインスケールおよび受光格子によって制限された照射光を検出する複数の受光素子と、を備えた光学式エンコーダにおいて、
前記メインスケールは表面に主格子が、裏面に反射手段が形成され、前記インデックススケールは、前記光源からの照明光を前記メインスケールに照射する光学的開口部が形成されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記主格子は透過部と非透過部からなる周期的パターンが形成され、前記非透過部は低反射材料で構成されることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
【請求項３】
前記主格子は透過部と非透過部からなる周期的パターンが形成され、前記非透過部は高反射材料で構成されることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】
前記主格子は透過部と非透過部からなる周期的パターンが形成され、前記非透過部の前記光源側の面が低反射材料で、前記反射手段側の面が高反射材料で構成されることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相対変位する２つの物体の機械的変位を電気的信号に変換する光学的変位検出器に関し、特に３種類の格子によって制限された光の強度の変化から２つの物体の機械的相対変位を検出する光学式エンコーダに関する。  
【背景技術】
【０００２】
従来、相対変位する２つの物体の機械的変位を３種類の格子によって制限された光の強度の変化から検出する光学式リニアエンコーダが開示されている。（例えば、実用新案文献１参照）。
図８は従来の光学式リニアエンコーダの側断面図である。
図８において、１１はガラス製メインスケールであり、相対変位する図示しない一方の部材に固定されている。１２はメインスケール１１の上面に形成された主格子であり、ピッチＰ１の反射パターンが形成されている。１０はセンサヘッドであり、相対変位する図示しない他方の部材に固定されている。１３は光源であり、照明光を照射する発光ダイオード（ＬＥＤ）またはランプ等からなる。１４は光源格子であり、光源１３からの照明光を一部遮断して、主格子１２を照明するためのピッチＰ２の透過パターンが形成されている。１５は受光格子であり、光源格子１４および主格子１２によって制限された照明光を更に制限するための、光源格子１４と独立したピッチＰ３のパターンが形成されている。１６はガラス製インデックススケールであり、光源格子１４と受光格子１５が形成されている。１７は受光素子であり、光源格子１４、主格子１２、受光格子１５によって制限された照明光を検出する。
【０００３】
また、１９は光源１３と受光素子１７の間に設けられた光絶縁手段であり、光源１３から射出された照射光が光源格子１４で乱反射し、受光素子１７に入射することを防ぐようになっている。なお、センサヘッド１０内には光源１３、インデックススケール１６、受光素子１７、光絶縁手段１９が収められている。
【０００４】
図９はメインスケール１１の上面図、図１０はメインスケール１１の側面図である。
図において１２ａは主格子１２の非透過部で１２ｂは透過部で、ピッチＰ１の縦縞目盛りパターン形成されている。通常、非透過部１２ａはメインスケール裏面部からの乱反射光による多重反射の影響を低減するために、ガラス表面上に一旦、酸化クロム膜１２１ａを形成し、その上に反射用のクロム膜１２２ａを形成している(図１０)。
また、図１１は、インデックススケール１６の上面図である。インデックススケール１６の中央に、複数の線光源を形成するためのピッチＰ２の光源格子１４が形成され、その両側に位相が互いに９０°ずつずれたピッチＰ３の＋ａ相、＋ｂ相、−ａ相、−ｂ相の４つの受光格子１５が形成されており、その周囲は外乱光等の防止のため、酸化クロム蒸着面となっている。各格子のピッチの関係は、幾何光学的システムまたは回折効果的システムを用いた設定になっている。
【０００５】
次に、動作について説明する。
光源１３からの照明光は光源格子１４を照射する。光源格子１４を透過した光は線光源列となってメインスケール１１上の主格子１２を照射し、その反射光は受光格子上に干渉縞を形成する。メインスケール１１が取り付けられた一方の部材（図示せず）が、光源１３、インデックススケール１６、受光素子１７が取り付けられた他方の部材（図示せず）に対して相対変位すると、干渉縞が移動し受光格子１５の＋ａ相、＋ｂ相、−ａ相、−ｂ相を通過し、各受光素子１７に入射する光量が変化する。その光量変化を各受光素子１７で電気信号に変換することにより、２つの部材の変位の方向と変位量を検出する。
このように、従来の光学式リニアエンコーダは、１次元方向に相対変位する２つの物体の変位を検出していた。
【特許文献１】実公平６−１７０４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の光学式エンコーダは、光源から射出された照射光が光源格子で乱反射し、受光素子に直接入射し、Ｓ／Ｎが低下することを防ぐように、光源と受光素子の間に光絶縁手段を設ける必要があり、センサヘッドの構造が複雑になり、組立が困難であるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、センサヘッドの構造が簡易であり、組立が容易な光学式エンコーダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、相対変位する一方の部材に固定され透明材料からなるメインスケールと、相対変位するもう一方の部材に固定され前記メインスケールを照射する光源と、前記メインスケールによって制限された光をさらに制限するための位相が互いに異なる複数の受光格子が形成されたインデックススケールと、前記メインスケールおよび受光格子によって制限された照射光を検出する複数の受光素子と、を備えた光学式エンコーダにおいて、前記メインスケールは表面に主格子が、裏面に反射手段が形成され、前記インデックススケールは、前記光源からの照明光を前記メインスケールに照射する光学的開口部が形成されていることを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の光学式エンコーダにおいて、前記主格子は透過部と非透過部からなる周期的パターンが形成され、前記非透過部は低反射材料で構成されることを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１記載の光学式エンコーダにおいて、前記主格子は透過部と非透過部からなる周期的パターンが形成され、前記非透過部は高反射材料で構成されることを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１記載の光学式エンコーダにおいて、前記主格子は透過部と非透過部からなる周期的パターンが形成され、前記非透過部の前記光源側の面が低反射材料で、前記反射手段側の面が高反射材料で構成されることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によると、光源格子を持たないので、光源格子による乱反射光が受光素子に入射することが無い。従って光絶縁手段が不要となり、センサヘッドの構造が簡単で組み立てが容易な光学式エンコーダが得られる。
また、請求項２に記載の発明によると、主格子の非透過部を低反射材料で構成したので、光源から照射された光が、主格子表面で反射し直接受光格子に入射することがない。従ってＳＮ比の高い検出信号がえられる。
また、請求項３に記載の発明によると、主格子の非透過部を高反射材料で構成したので、主格子の透過部を通過して、メインスケール内部に入射した光が、再び主格子を通過するまで、メインスケール内部で何度も反射する。したがって、再び主格子を通過し、インデックススケールに到達する光量が増えるので振幅の大きい検出信号が得られる。
また、請求項４に記載の発明によると、主格子の非透過部の光源側の面を低反射材料で構成したので光源からの照明光が、主格子表面で反射し直接受光格子に入射することがなく、また、反射手段側の面を高反射材料で構成したので、主格子を通過してインデックススケールに到達する光量が増える。従って、ＳＮ比が高く、振幅の大きい検出信号が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明の光学式エンコーダの側面図である。
図１において、１１はガラス製メインスケールであり、相対変位する一方の部材（図示せず）に固定されている。１２はメインスケール１１の上面に形成された主格子であり、ピッチＰ１の反射パターンが形成されている。１０はセンサヘッドであり、相対変位する図示しない他方の部材に固定されている。１３は光源であり、照明光を照射する発光ダイオード（ＬＥＤ）またはランプ等からなる。２０は開口穴であり、光源１３からの照明光を主格子１２に照射するための光学的開口である。
１５は受光格子であり、スリットパターンが形成されている。１６はガラス製インデックススケールであり、開口穴２０と受光格子１５が形成されている。また、１７は受光素子であり、主格子１２と受光格子１５によって制限された光を検出する。
【００１１】
図２はインデックススケール１６の上面図である。
インデックススケール１６は、中央に開口穴２０を設け、開口穴２０の両側に位相が互いに９０°ずつずれたピッチＰ１の＋ａ相、＋ｂ相、−ａ相、−ｂ相の４つの受光格子１５が形成されており、受光格子１５の周囲は外乱光防止のため、酸化クロム蒸着面となっている。開口穴２０には、図１のように光源のケースの一部が挿入されている。
【００１２】
図３はメインスケールの側面図である。
主格子１２の非透過部１２ａは低反射材料で構成してある。低反射材料としては、酸化クロムや樹脂性材料を用いることができる。本実施例では、酸化クロム膜を用いている。１８はメインスケール１１の裏面に形成された反射手段であり、ガラス表面上にクロム膜等の反射作用のある金属薄膜で形成している。
本発明が従来技術と異なる部分は、光源１３の前面から光源格子１４を取り除き開口穴２０とした点と、メインスケール１１の裏面に反射手段１８を備えた点である。
【００１３】
次に、動作について説明する。光源１３から射出した照明光は、開口穴２０を通過し、メインスケール１１を照射する。主格子１２を通過した光は、複数の線光源となり、反射手段１８によりメインスケール１１の表面側に反射され、再び主格子１２を通過する際に複数の回折光が生じる。インデックススケール１６上で、前記回折光が干渉することにより、光の強度分布を持つ干渉縞が生じる。この干渉縞を受光格子１５により制限した後、受光素子１７で検出する。
【００１４】
センサヘッド１０が固定された一方の部材と、メインスケール１１が固定されていた他方の部材とが相対変位すると、その変位量に応じて前記干渉縞も移動する。よって、受光素子１７で検出される光量にも変化が生じる。したがって、受光素子１７で、その光量変化を電気的信号に変換することにより、２つの部材の相対変位量を検出できる。
【００１５】
このように、インデックススケール上に光源格子を用いていないので、受光素子１７は光源格子による反射光の影響を受けない。したがって、光絶縁手段が不要であり、センサヘッドの構造が簡単になり、その組立が容易である。また、光源格子が不要であり、インデックススケールの格子パターン構成も簡易になる。
【実施例２】
【００１６】
図４は、本発明の光学式エンコーダの第２実施例を示す側面図、図５はインデックススケールの上面図である。
図５において２１は透明ガラス部である。
本実施例が第１実施例と異なる点は、第１実施例では光学的開口部として、図２のように開口穴２０をインデックススケール１６に設けたが、本実施例では実施例１における開口穴２０をスリットなしの透過ガラス部２１として、穴を開けずに光学的開口部を形成した点である。スリットがなくガラスのみであれば光源からの光が照射されても乱反射は生じないので、図５のように光源をできるだけ透明ガラス部に接するように固定すれば、特に光絶縁手段を設ける必要はない。
【００１７】
このように本実施例では、インデックススケール上に透明ガラス部を設け光学的開口部を形成したので、インデックススケール上に開口部を加工する必要が無く、製作が簡単になる。
【実施例３】
【００１８】
図６は第３実施例を示すメインスケールの側面図である。
図６において１２ｃは高反射材料で構成した主格子の非透過部である。
本発明が実施例１と異なる部分は、主格子１２の非透過部１２ｃを高反射材料で構成した点である。高反射材料としては、クロム膜を用いることができる。
【００１９】
次に動作について説明する。
メインスケール１１を照明した照明光の内、主格子１２の透過部１２ｂを通過した光は、非透過部１２ａと反射手段１８の間で反射を繰り返し、再び主格子１２の透過部１２ｂを通過して、インデックススケール１６（図示せず）に到達する。
【００２０】
このように本実施例では、主格子を高反射材料で構成したのでメインスケール内での光量の減衰が小さく、振幅の大きい検出信号得ることができる。
【実施例４】
【００２１】
図７は第４実施例を示すメインスケールの側面図である。
図において１２ｄおよび１２ｅは主格子１２の非透過部を形成するスリットパターンで、メインスケール上に高反射材料でスリットパターン１２ｄを形成し、さらにその上に低反射材料でスリットパターン１２ｅを形成した。従って本実施例では主格子１２の反射手段１８側の面が高反射材料で光源１３側の面が低反射材料で構成されたことになる。
本発明が実施例１と異なる部分は、第１実施例では主格子１２は低反射材料で構成されているが、本実施例では主格子１２の光源側の面を低反射材料で、反射手段側の面を高反射材料で構成した点である。具体的には、光源側の面にはクロム膜を、反射手段側の面には酸化クロム膜の多層膜を用いた。
【００２２】
次に動作について説明する。
本実施例においても第２実施例と同様に、メインスケール１１を照明した照明光の内、主格子１２の透過部１２ｂを通過した光は、スリットパターン１２ｄと反射手段１８の間で反射を繰り返し、再び主格子１２の透過部１２ｂを通過してメインスケール１１の内部を抜け出し、インデックススケール１６（図示せず）に到達する。また、メインスケール１１を照明した照明光の内、スリットパターン１２ｅを照射した光は反射せず低反射材料で吸収される。
【００２３】
このように本実施例では主格子の反射手段側の面を高反射材料で形成したので、振幅の大きい検出信号が得られる。また、主格子の光源側の面を低反射材料で構成したので、主格子で光が反射して直接受光格子に入射し、ノイズとなることがないのでＳ／Ｎの良い検出信号を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、相対変位する２つの物体の変位を検出することができる光学式エンコーダの基本光学系に関するものであり、ロータリエンコーダにも同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施例を示す光学式エンコーダの側面図
【図２】本発明の第１実施例を示すインデックススケールの上面図
【図３】本発明の第１実施例を示すメインスケールの側面図
【図４】本発明の第２実施例を示す光学式エンコーダの側面図
【図５】本発明の第２実施例のインデックススケールの上面図
【図６】本発明の第３実施例のメインスケールの側面図
【図７】本発明の第４実施例のメインスケールの側面図
【図８】従来の光学式リニアエンコーダの側断面図
【図９】従来の光学式リニアエンコーダのメインスケールの上面図
【図１０】従来の光学式リニアエンコーダのメインスケールの側面図
【図１１】従来の光学式リニアエンコーダのインデックススケール上面図
【符号の説明】
【００２６】
１０  センサヘッド
１１  メインスケール
１２  主格子
１３  光源
１４  光源格子
１５  受光格子
１６  インデックススケール
１７  受光素子
１８  反射手段
１９  光絶縁手段
２０  開口穴
２１  透明ガラス部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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