(57)【要約】【課題】従来に比べて高精度検出が可能で光利用効率が高い光学式エンコーダ用センサ、及び光学式エンコーダを提供する。【解決手段】発光素子１と、発光素子の出射光が通過する第１回折格子３と、第１回折格子を通過し光学式スケール３０にて反射した特定の周波数の反射光が透過する第２回折格子４と、第２回折格子を通過した光を受光する受光素子２と、上記発光素子、上記受光素子、上記第１回折格子、及び上記第２回折格子を一体的に形成するセンサユニット６と、を備え、センサユニットは、発光素子と第１回折格子との光路間に発光素子の出射光を偏向する光偏向素子５を一体に有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、
上記発光素子の出射光が通過し上記出射光から周期的な光量分布を生成する第１回折格子と、
上記第１回折格子を通過した光の内、光学式スケールにて反射した特定の周波数の反射光が透過する第２回折格子と、
上記第２回折格子を通過した光を受光する受光素子と、
上記発光素子、上記受光素子、上記第１回折格子、及び上記第２回折格子を一体的に形成するセンサユニットと、を備え、
上記センサユニットは、上記発光素子と上記第１回折格子との光路間に、上記発光素子の出射光を偏向する光偏向素子を一体に有することを特徴とする光学式エンコーダ用センサ。
【請求項２】
上記光偏向素子は、上記第１回折格子及び上記第２回折格子を形成したインデックス基板と一体に成型され、上記センサユニットは、上記発光素子及び上記受光素子を実装したパッケージと上記インデックス基板とが合体されて形成される、請求項１記載の光学式エンコーダ用センサ。
【請求項３】
上記パッケージは、上記発光素子及び上記受光素子を実装するときの基準となるパッケージ側位置合わせパターンを有し、上記インデックス基板は、上記第１回折格子及び上記第２回折格子を成型するときの基準となるインデックス側位置合わせパターンを有し、
上記センサユニットは、上記パッケージ側位置合わせパターンと上記インデックス側位置合わせパターンとを位置合わせして合体される、請求項２記載の光学式エンコーダ用センサ。
【請求項４】
上記光偏向素子は、上記発光素子の出射光を上記第１回折格子へ集光する集光部を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ用センサ。
【請求項５】
上記光偏向素子は、上記発光素子の出射光を拡散する拡散部を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ用センサ。
【請求項６】
上記光偏向素子は、上記発光素子の出射光を上記第１回折格子へ集光する集光部と、上記発光素子の出射光を拡散する拡散部とを有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ用センサ。
【請求項７】
上記光偏向素子は、上記発光素子の光軸に対して対称に配置した二つのレンズを有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ用センサ。
【請求項８】
上記集光部及び上記拡散部の少なくとも一方は、球面、非球面の凹レンズ又は凸レンズの一部で構成された、請求項６記載の光学式エンコーダ用センサ。
【請求項９】
上記集光部及び上記拡散部の少なくとも一方は、非球面のフレネルレンズ又はフレネルゾーンプレートの一部で構成された、請求項６記載の光学式エンコーダ用センサ。
【請求項１０】
上記集光部は、斜面で構成された、請求項４、６、８、９のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ用センサ。
【請求項１１】
上記光偏向素子は、シリンドリカル形状で構成された、請求項１から１０のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ用センサ。
【請求項１２】
上記発光素子及び上記光偏向素子は、上記発光素子の光軸と上記光偏向素子の光軸とをずらして配置される、請求項１から１１のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ用センサ。
【請求項１３】
上記センサユニットは、上記発光素子と上記受光素子との間に遮光板を有する、請求項１から１２のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ用センサ。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ用センサと、
上記光学式エンコーダ用センサに備わる第１回折格子を通過した光の内、特定の周波数の光を取り出し上記光学式エンコーダ用センサへ反射させる光学式スケールと、
上記光学式エンコーダ用センサに備わる受光素子と電気的に接続され、当該光学式エンコーダ用センサと上記光学式スケールとの相対的な移動を検出する検出部と、
を備えたことを特徴とする光学式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式スケール上のパターンを光学的に検出する光学式エンコーダ用センサ及び該光学式エンコーダ用センサを備えた光学式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に光学式エンコーダとして、透過型エンコーダ及び反射型エンコーダが知られている。透過型エンコーダは、明暗のパターンが刻まれた光学式スケール上に光を照射する発光素子と、受光する受光素子とが光学式スケールを挟み込むように配置され、受光素子は光学式スケールを透過した光を受光するように構成されている。反射型エンコーダは、発光素子及び受光素子が光学式スケールの片側に配置され、発光素子から出射され光学式スケールにて反射した反射光を受光素子にて受光するように構成されている。
【０００３】
反射型エンコーダは、上述のように発光素子と受光素子とが光学式スケールに対して同じ側に配置されるため、センサヘッドサイズの薄型化に貢献できる。また、反射型エンコーダでは、発光素子に面発光レーザ等のＬＤ（レーザーダイオード）を用いたものが知られている。しかしながら、例えば、光学式スケール上に形成された複数の光学式パターンを検出する場合、ＬＤはＬＥＤ（発光ダイオード）に比べて指向性が高いため、各光学式パターン用に複数の発光素子が必要となり、コストアップとなる。さらに、一つ一つの光学式パターン上に投影される光の領域も狭いため、異物等への耐性が低くなる。また、一般にＬＤはＬＥＤよりも寿命が短く、動作温度範囲も狭い。よって、発光素子には、ＬＥＤを使用することが望ましいが、ＬＥＤは拡散光源であるため、光利用効率が低く、光量が十分に得られないという欠点がある。
【０００４】
これに対し、発光素子にＬＥＤを使用し、光利用効率を向上させるように構成した反射型光学式エンコーダとして、例えば、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に開示されるものが挙げられる。
【０００５】
特許文献１では、球面または非球面で構成された第１反射部材の焦点位置にＬＥＤチップを配置して、ＬＥＤから拡散して出射される光線を、第１反射部材でコリメートし、さらに第２反射部材によってスケール上に４５度の角度で入射させ、スケールからの反射光を受光素子で検出する、という構成が開示されている。このような構成により、上記スケールの移動量を検知することができる。
【０００６】
特許文献２では、光源と、第１格子と、第２格子に相当するスケールと、アレイ状に形成された受光素子とを有し、光源の直後に集光用レンズを設けることで、光源から出射される光ビームを効率的に第１格子及びスケールに導く、という構成が開示されている。このような構成により、スケールからの反射光をアレイ状の受光素子で検出して、スケールの移動量を検知することができる。
【０００７】
特許文献３では、光源と、第１及び第２の各スケールと、受光素子とを有し、受光素子の直前に固定された回折格子を配置する構成を有し、スケールと固定回折格子との相対移動を受光素子での受光量によって検出することを開示する。このような構成によれば、回折格子とスケールとの間に結像レンズを挿入することで、第１スケールと第２スケールとの間のギャップが変動した場合でも、上記ギャップは結像レンズの被写界深度以内に収まっている。よって、変位に強い構成となっている。また、光源直後にて、第１スケールに斜面を形成することで、光源からの光線を偏向できるため、光強度の強い光軸付近を有効に利用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１０６８７１号公報
【特許文献２】特開２００５−４９３４５号公報
【特許文献３】特開２００５−１０６６０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１の光学式エンコーダには以下のような問題点がある。即ち、球面或いは非球面で構成された反射部材を用いることで、ＬＥＤから出射された光線の利用効率を向上させることができるが、２枚の反射部材を使用しており、反射部材の反射率によって光量が低下してしまうという問題がある。また、２枚の反射部材と、光源及び受光素子とがそれぞれ独立して配置されており、各光学部品の位置ずれによる検出精度への影響が大きくなるという問題がある。また、反射部材を２枚使用することで、コストが高くなるという問題もある。
【００１０】
特許文献２の光学式エンコーダには以下のような問題点がある。即ち、光源の直後に集光用レンズを挿入しているため、光源から出射された光線の利用効率を向上させることができるが、レンズ、第１格子、アレイ状受光素子が全て別個に取り付けられているため、各光学部品の位置ずれによる検出精度への影響が大きくなるという問題がある。また、光源が取り付けられている基板面とスケールとは平行であり、スケールの光学パターン上に照射される光線は、光源の光軸から傾いた角度の光線を利用している。よって、強度の高い光軸中心付近の光線が使用されていないという問題がある。
【００１１】
また、特許文献３の光学式エンコーダには以下のような問題点がある。即ち、光線を偏向するための斜面と、結像レンズと、回折格子が一体となっているため、組み付けは容易であるが、ＬＥＤを使用する場合、光線の一部しかスケール上に照射されないため、光利用効率が低いという問題点がある。
【００１２】
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、従来に比べて高精度検出が可能で光利用効率が高い光学式エンコーダ用センサ、及び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】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における光学式エンコーダ用センサは、発光素子と、上記発光素子の出射光が通過し上記出射光から周期的な光量分布を生成する第１回折格子と、上記第１回折格子を通過した光の内、光学式スケールにて反射した特定の周波数の反射光が透過する第２回折格子と、上記第２回折格子を通過した光を受光する受光素子と、上記発光素子、上記受光素子、上記第１回折格子、及び上記第２回折格子を一体的に形成するセンサユニットと、を備え、上記センサユニットは、上記発光素子と上記第１回折格子との光路間に、上記発光素子の出射光を偏向する光偏向素子を一体に有することを特徴とする。
【００１４】
又、上記光学式エンコーダ用センサは、以下のように構成してもよい。
即ち、光を出射するための発光素子と、上記発光素子からの光を周期的な光量分布を生成するための第１回折格子と、上記第１回折格子からの光のうち、ある特定の周波数を取り出すための光学式スケールと、上記光学式スケールからの光を透過させるための第２回折格子と、上記第２回折格子からの光を受光するための受光素子とを備えた光学式エンコーダにおいて、上記発光素子と、上記第１回折格子との間に光偏向素子を設け、上記発光素子からの光線のうち、光軸付近の光線は光軸に対して発散する向きに光線を曲げるための拡散部と、光軸から遠い外周光は光軸に対して内側に光線を曲げるための集光部が形成され、上記光偏向素子は、第１回折格子と第２回折格子が形成されたインデックス基板上に一体で成型されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一態様における光学式エンコーダ用センサによれば、光偏向素子を備えたことにより、発光素子の出射光の内、光軸付近の光線は、光軸に対して発散する向きに光線を曲げられ、光軸から遠い外周光は光軸に対して内側に光線を曲げられる。よって、強度の強い光軸付近の光線と、光軸に対して発散角度の大きな光線の両方を利用することが可能となるため、従来に比べて光利用効率を向上することができる。さらに、発光素子、受光素子、第１回折格子、第２回折格子、及び光偏向素子は、センサユニットとして一体的に形成されることから、位置ズレ等の、検出精度への影響を従来に比べて低減できる。このように本発明の一態様における光学式エンコーダ用センサは、従来に比べて光学式スケールの検出精度を高めることができ、かつ光利用効率を向上することができる。
【００１６】
また、本発明の一態様における光学式エンコーダ用センサは、反射型であり、薄型化されているが、さらに、上述のように発光素子、受光素子、第１回折格子、第２回折格子、及び光偏向素子をセンサユニットとして一体的に形成したので、より薄型化が図られている。また、該一体化により、光偏向素子は、第１回折格子と第２回折格子との位置合わせが不要となり、組み立てが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１における光学式エンコーダの構成を示す図である。
【図２】図１に示す光学式エンコーダを構成する光学式エンコーダ用センサに備わる光偏向素子の拡大図である。
【図３】図２に示す光偏向素子の変形例を示す斜視図である。
【図４】図２に示す光偏向素子の別の変形例を示す断面図である。
【図５】図２に示す光偏向素子の他の変形例を示す断面図である。
【図６Ａ】図１に示す光学式エンコーダ用センサに備わるパッケージの平面図である。
【図６Ｂ】図１に示す光学式エンコーダ用センサに備わるインデックス基板の平面図である。
【図７】図１に示す光学式エンコーダに備わる光学式スケールの斜視図である。
【図８】図７に示す光学式スケールの変形例を示す斜視図である。
【図９】図７に示す光学式スケールの別の変形例を示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施の形態２における光学式エンコーダの構成を示す図である。
【図１１】図１０に示す光学式エンコーダを構成する光学式エンコーダ用センサに備わる光偏向素子の拡大図である。
【図１２】図１１に示す光偏向素子の変形例を示す断面図である。
【図１３】図１１に示す光偏向素子の別の変形例を示す断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態３における光学式エンコーダの構成を示す図である。
【図１５】図１４に示す光学式エンコーダを構成する光学式エンコーダ用センサに備わる光偏向素子の拡大図である。
【図１６】本発明の実施の形態４における光学式エンコーダの構成を示す図である。
【図１７】図１６に示す光学式エンコーダを構成する光学式エンコーダ用センサに備わる光偏向素子の拡大図である。
【図１８】図１７に示す光偏向素子の変形例を示す断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態５における光学式エンコーダを構成する光学式エンコーダ用センサに備わる光偏向素子の拡大図である。
【図２０】本発明の実施の形態６における光学式エンコーダの構成を示す図である。
【図２１】図２０に示す光学式エンコーダの変形例における構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態である光学式エンコーダ用センサ、及び該光学式エンコーダ用センサを備えた光学式エンコーダについて、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
【００１９】
実施の形態１．
図１には、本実施の形態１による光学式エンコーダ１０１の構成を示している。光学式エンコーダ１０１は、基本的構成部分として、光学式エンコーダ用センサ１０Ａと、光学式スケール３０と、移動量検出部７０とを備えている。以下に、これらの構成部分について順次説明する。
【００２０】
光学式エンコーダ用センサ１０Ａは、発光素子１、受光素子２、第１回折格子３、第２回折格子４、及び光偏向素子５を備え、さらに、これらの発光素子１、受光素子２、第１回折格子３、第２回折格子４、及び光偏向素子５を一体的に形成するセンサユニット６を備える。センサユニット６は、発光素子１及び受光素子２を実装したパッケージ６ａと、第１回折格子３、第２回折格子４、及び光偏向素子５を形成したインデックス基板６ｂとを合体したものである。
【００２１】
パッケージ６ａは、本実施形態では凹状の断面を有する非透光性の部材であり、凹部６ａ−１の底面６ａ−２の中央部に、図６Ａに示すように、発光素子１が一つ配置され、底面６ａ−２における発光素子１を挟んだ両側に２つの受光素子２がそれぞれ配置される。尚、本実施形態では発光素子１は一つとしたが，発光素子１、受光素子２、及び２種類の光学パターン３１（図７）を１セットとして、２セット以上を並列に並べることも可能である。この場合、上記光学パターンを長周期のピッチから短周期のピッチまで全て異なるピッチにすることで、より高分解能化が可能となる。
【００２２】
発光素子１は、後述する第１回折格子３を通して光学式スケール３０へ投光するための光源であり、例えば、ＬＥＤ等が使用可能である。尚、上述したようにＬＥＤがより好ましい。
受光素子２は、光学式スケール３０にて反射し、後述する第２回折格子４を通過した光を検出するための光検出手段であり、例えば、ＰＤ（フォトダイオード）等の受光素子が採用される。
【００２３】
インデックス基板６ｂは、例えば、ポリカーボネート等の透明な樹脂で成型された板状部材で、図６Ｂに示すように、パッケージ６ａと同じ平面形状にてなり、パッケージ６ａの凹部６ａ−１を形成する脚部６ａ−３に固定されて凹部６ａ−１を閉塞する部材である。尚、インデックス基板６ｂの材質は、透明な樹脂であれば特に限定されない。
上記凹部６ａ−１側に位置するインデックス基板６ｂの内面６ｂ−１には、発光素子１に対応した位置に、以下に説明する光偏向素子５がインデックス基板６ｂと一体成型されている。また、内面６ｂ−１に対向する、インデックス基板６ｂの外面６ｂ−２には、以下に説明する第１回折格子３及び第２回折格子４が形成されている。
【００２４】
上記光偏向素子５は、発光素子１の出射光を偏向するための手段であり、本実施形態では図２に示すように、インデックス基板６ｂの平坦な内面６ｂ−１に対して発光素子１側へ凸状に成形され、本実施形態では図６Ｂに示すように円形の平面形状で形成される。よって、光偏向素子５は、本実施形態では、インデックス基板６ｂの内面６ｂ−１においてほぼ半円球状にて形成される。このような光偏向素子５は、凸レンズ状の球面或いは非球面の一部からなる集光部５ａと、凸状の頂上部分に形成され平坦な平坦部５ｂとから構成される。平坦部５ｂの中心位置は、発光素子１における光軸１ａの位置に対応する。
【００２５】
このような光偏向素子５では、発光素子１の出射光線のうち、平坦部５ｂに入射した光線は、光線の向きを変えずそのまま光偏向素子５を通過し、第１回折格子３へと照射される。一方、発光素子１の出射光線のうち、集光部５ａに入射した光線は、光線の向きを光軸１ａに対して内側（光軸１ａ側）に変え、第１回折格子３へと照射される。
【００２６】
本実施の形態では、光偏向素子５は、上述のように集光部５ａ及び平坦部５ｂを有するほぼ半円球状であるが、例えば長円状の平面形状であり、図２の紙面に平行な方向、つまり図６Ｂに示す矢印３０ａの方向には集光部５ａ及び平坦部５ｂを形成し、一方、図２の紙面に垂直な方向、つまり図６Ｂに示す矢印３０ｂの方向における両端部では集光部５ａのみを形成した形状であってもよい。尚、矢印３０ｂの方向は、図６Ｂに示され後述の第１回折格子３及び第２回折格子４の配列方向である（よって、以後、「配列方向３０ｂ」と記す）。また、図６Ｂに示すように、配列方向３０ｂに直角な方向を矢印３０ａとする。また、図３に示すように、矢印３０ａの方向には集光部５ａ及び平坦部５ｂを形成し、一方、配列方向３０ｂにおける端面を平坦面５ｃとしたシリンドリカル形状であっても良い。シリンドリカル形状とすることで、一方向のみに集光することが可能となる。
また、集光部５ａは、光学式スケール３０の移動方向（上記配列方向３０ｂ）と、該移動方向に直交する直交方向（上記矢印３０ａの方向）とにおいて、異なる球面或いは非球面であっても良い。
【００２７】
さらにまた、図４に示す光偏向素子５Ａのように、集光部５ａは球面或いは非球面ではなく、単なる斜面５ｄであっても良い。また、図５に示す光偏向素子５Ｂのように、インデックス基板６ｂの内面６ｂ−１に対して凹状であってもよい。図５に示す形態では、光偏向素子５Ｂは、平坦部５ｂと斜面５ｄとから形成されている。尚、光偏向素子５Ａ、５Ｂの平面形状は、上述した円形、長円形、シリンドリカル状等とすることができる。
図４及び図５に示すような斜面５ｄを有する光偏向素子５Ａ、５Ｂでは、集光部５ａを球面或いは非球面とする場合に比べて、作製が容易となる。また、インデックス基板６ｂの薄型化を図ることができる。
また、図５に示す光偏向素子５Ｂにおける斜面５ｄについて、凹レンズ状の球面或いは非球面の一部から形成してもよい。
【００２８】
次に、第１回折格子３及び第２回折格子４について説明する。
インデックス基板６ｂの外面６ｂ−２において、第１回折格子３は、光偏向素子５を通過した発光素子１の出射光が照射される位置に形成され、発光素子１の出射光から周期的な光量分布を生成するための光学素子であり、第２回折格子４は、光学式スケール３０にて反射した反射光が照射される位置に形成され、該反射光を透過させるための光学素子である。このような第１回折格子３及び第２回折格子４は、図６Ｂに示すように、その全体形状が方形状にて形成され、光透過部と光遮光部とから構成される。具体的には、リソグラフィー技術によって、光遮光部が金属でパターニングされて形成されても良いし、後述する光学式スケール３０と同様にＶ突起形状、或いはＶ溝形状によって光透過部と光遮光部が形成されてもよい。
【００２９】
上述のように、また図６Ｂに示すように、インデックス基板６ｂは、第１回折格子３、第２回折格子４、及び光偏向素子５を一体に形成した。よって、光学式エンコーダ用センサ１０Ａの薄型化を図ることができ、かつ光偏向素子５と、第１回折格子及び第２回折格子との位置合わせは不要となり、従来に比べて検出精度の向上を図ることができ、また、組み立てが容易となる。
【００３０】
尚、第１回折格子と第２回折格子は、光透過部と光遮光部とが形成されていれば、特にその形状、及び製造方法は限定されない。また、インデックス基板６ｂに反射防止膜を施せば、よりＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００３１】
また、パッケージ６ａは、図６Ａに示すように、凹部６ａ−１の底面６ａ−２に発光素子１及び受光素子２を実装するときの基準となるパッケージ側位置合わせパターン７ａを底面６ａ−２に有するのが好ましい。また、インデックス基板６ｂは、図６Ｂに示すように、外面６ｂ−２に、第１回折格子３及び第２回折格子４をインデックス基板６ｂに成型するときの基準となるインデックス側位置合わせパターン７ｂを有するのが好ましい。そしてパッケージ６ａとインデックス基板６ｂとを合体させるときには、それぞれの位置合わせパターン７ａ，７ｂが重なるようにパッケージ６ａとインデックス基板６ｂとの位置合せが行われる。
このように位置合わせパターン７ａ，７ｂを有することで、発光素子１の光軸１ａに対して、インデックス基板６ｂを、特に光偏向素子５の中心を、容易に位置決めすることが可能となる。よって、この点からも、本実施形態の光学式エンコーダ１０４は、従来に比べて検出精度の向上を図ることができる。
【００３２】
このように位置合わせを行い、パッケージ６ａとインデックス基板６ｂとを合体させることで、光学式エンコーダ用センサ１０Ａが作製される。
【００３３】
以上説明したように、センサユニット６を構成する、パッケージ６ａには発光素子１及び受光素子２が実装され、インデックス基板６ｂには第１回折格子３、第２回折格子４、及び光偏向素子５が形成されている。よって、パッケージ６ａとインデックス基板６ｂとを上述のように合体させることで、容易に、光学式エンコーダ用センサ１０Ａを形成することができ、かつ光学式エンコーダ用センサの、より薄型化を図ることができる。また、光偏向素子５を挿入したことから、従来に比べ受光量を稼ぐことができ、より低消費電力で発光素子を駆動することが可能となる。よって省エネルギー化を図ることが可能である。また、光偏向素子５をインデックス基板６ｂに一体成型したことから、光偏向素子５と第１回折格子３との生産工程における光軸合わせが不要となり、組み立てが容易となる。
【００３４】
次に、光学式スケール３０について説明する。
光学式スケール３０は、上記第１回折格子３から照射される光からある特定の周波数の光を取り出す、つまり反射する部材である。このような光学式スケール３０は、図７に示すように、第１回折格子３から照射される光を反射する反射部３１ａと、反射しない非反射部３１ｂとから形成された光学パターン３１を有し、移動量を検出したい被検出体に取り付けられる。尚、本実施形態では、光学式スケール３０は、第１回折格子３及び第２回折格子４の配列方向３０ｂ（図６Ｂ）に沿って移動するもので、例えば図１において、光学式スケール３０は、紙面に垂直な方向に沿って移動する。
【００３５】
光学式スケール３０の反射部３１ａは、例えば、透明なガラスや樹脂基板上に、リソグラフィー等により光反射性の膜を形成することで形成可能である。非反射部３１ｂは、光学式スケール３０の素材そのままで形成可能であり、さらに、上記素材に反射防止膜を形成しＳ／Ｎ比の向上を図ってもよい。
また光学式スケール３０は、光反射性基板上に、例えば、光吸収膜を形成することで、あるいはレーザ照射による粗面化により非反射部３１ｂを形成してもよい。このように、光学式スケール３０は、反射部３１ａと非反射部３１ｂとが形成されていれば、その基材や、反射部３１ａ及び非反射部３１ｂの形成方法及び形状は、特に限定するものでは無い。
【００３６】
さらに、光学式スケール３０は、図８に示すように、スケール基材の光照射面にＶ字状の突起形状を、又は図９に示すようにＶ字状の溝形状を形成することで非反射部３１ｂを形成し、上記光照射面の内、非反射部３１ｂ以外の平坦部分には金属或いは誘電体多層膜を施すことにより反射部３１ａを形成してもよい。
図８及び図９に示す光学式スケール３０では、平坦な反射部３１ａに入射した光は、正反射によって受光素子２方向へ向かい、Ｖ突起形状又はＶ溝形状の非反射部３１ｂでは、反射方向が変化し、受光素子２以外の方向へと向かう。
【００３７】
また、スケール基材が透明素材の場合には、非反射部３１ｂのＶ突起形状又はＶ溝形状は、スケール基材の表裏、つまり、光照射面及びその対向面のいずれに加工しても良い。尚、図８及び図９では、非反射部３１ｂのＶ突起形状又はＶ溝形状の傾斜角度は４５度の場合を示しているが、Ｖ突起形状又はＶ溝形状で反射した光線が受光素子２に入射しない角度であれば、特に傾斜角度は限定されない。
【００３８】
次に、移動量検出部７０は、受光素子２と電気的に接続され、受光素子２で受光した光の強度を電気信号に変換し、光学式スケール３０の移動量を検出するための手段である。
【００３９】
次に、本実施の形態１における光学式エンコーダの動作、つまり光学式スケール３０の移動検出原理について説明する。
発光素子１、例えばＬＥＤ等の可干渉性の低い光源からの光線は、上述したように光偏向素子５を通過し、つまり集光部５ａにて偏向され、及び平坦部５ｂでは偏向されずにそのまま通過し、１枚目の回折格子に相当する第１回折格子３に照射され、第１回折格子３上で２次光源分布が生成される。
【００４０】
２枚目の回折格子に相当する光学式スケール３０上の光学パターン３１は、ある光学的伝達関数（Optical Transfer Function）を持った空間周波数フィルターとして働き、第１回折格子３上に生成された２次光源分布のうち、特定の空間周波数成分のみを抽出し、その光を反射する。この反射光は、３枚目の回折格子に相当する第２回折格子４上に結像される。
【００４１】
ここで、１枚目の回折格子と２枚目の回折格子との光学的なギャップをＺ１、２枚目の回折格子と３枚目の回折格子との光学的なギャップをＺ２、発光素子１の出射光の波長をλ、第１回折格子３のピッチをＰ１、光学式スケール３０上の光学パターン３１のピッチをＰ２とすると、次式を満たす場合に第２回折格子４上にピッチＰ１を有する光学パターンが形成される。
【００４２】
（１／Ｚ１）＋（１／Ｚ２）＝λ／（ｎ×（Ｐ２）２）      （１）
【００４３】
ｍ×Ｐ１＝Ｐ２×（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ１                   （２）
【００４４】
ここでｎ、ｍは自然数である。
【００４５】
第２回折格子４を透過した光は、受光素子２によって電気信号に変換される。第１回折格子３、つまり光学式エンコーダ用センサ１０Ａと、光学式スケール３０とが上記配列方向３０ｂに沿って相対的に移動すると、受光素子２で検出される受光量が変化する。この受光量の変化を移動量検出部７０が検出し、これにより、光学式エンコーダ用センサ１０Ａと、光学式スケール３０との相対的な位置を検出することができる。
【００４６】
以上説明したように、実施の形態１の光学式エンコーダ１０１によれば、発光素子１から出射された光は、光偏向素子５に入射する。このとき光偏向素子５の集光部５ａによって、発光素子１から出射された光線のうち、光軸に対して角度の大きな外周光についても、第１回折格子３上への照射が可能となる。よって、発光素子１の出射光の利用効率を向上させることができる。
また、既に説明したように、光偏向素子５は、第１回折格子３及び第２回折格子４が形成されたインデックス基板６ｂに一体で成型されているため、第１回折格子３及び第２回折格子４と、光偏向素子５との位置合わせが不要となり、従来に比べて検出精度の向上を図ることができ、さらに組み立てが容易となる。
【００４７】
実施の形態２．
図１０は、本実施の形態２による光学式エンコーダ１０２を示す断面図である。光学式エンコーダ１０２の基本的構成は、実施の形態１における光学式エンコーダ１０１と同じであるが、光学式エンコーダ用センサ１０Ａにおける光偏向素子５の集光部５ａを、本実施形態の光学式エンコーダ１０２における光学式エンコーダ用センサ１０Ｂではフレネルレンズで形成した点が異なる。その他の構成、及び検出原理については、実施の形態１の場合と同様であり、以下では相違する構成部分についてのみ説明し、同一部分については説明を省略する。
【００４８】
図１１は、本実施の形態２の光学式エンコーダ１０２における光学式エンコーダ用センサ１０Ｂに備わる光偏向素子５１の拡大図である。光偏向素子５１は、フレネルレンズの一部から成る集光部５１ａと、平坦部５１ｂから構成されている。ここで、集光部５１ａは、実施の形態１の光学式エンコーダ用センサ１０Ａにおける光偏向素子５の集光部５ａに相当し、平坦部５１ｂは、光偏向素子５の平坦部５ｂに相当する。つまり、発光素子１からの光線のうち、平坦部５１ｂに入射した光線は、光線の向きを変えずにそのまま光偏向素子５１を通過し、第１回折格子３上へと照射される。また、発光素子１からの光線のうち、集光部５１ａに入射した光線は、光線の向きを光軸に対して内側に変え、第１回折格子３上へと照射される。
【００４９】
以上のように、実施の形態２の光学式エンコーダ１０２によれば、発光素子１から出射された光線の内、光軸に対して角度の大きな外周光も光偏向素子５１により第１回折格子３上に照射することが可能となり、発光素子１の出射光の利用効率を向上させることができる。また、実施の形態１の光学式エンコーダ１０１が奏する効果は、実施の形態２の光学式エンコーダ１０２においても奏することができる。さらに、光偏向素子５１をフレネルレンズにて形成し、集光部５１ａをフレネルレンズの一部としたことで、実施の形態１の光学式エンコーダ用センサ１０Ａに比べて、光学式エンコーダ用センサ１０Ｂは、より薄型化が可能となる。
【００５０】
また、本実施の形態２では、光偏向素子５１の集光部５１ａをフレネルレンズの一部としたが、フレネルゾーンプレートであっても良い。また、図１２に示す光偏向素子５１Ａ、及び図１３に示す光偏向素子５１Ｂのように、プリズムアレイであっても良い。
【００５１】
また、図３等を参照して上述したように、光偏向素子５１、５１Ａ，５１Ｂについても、例えば長円状の平面形状であり、上記矢印３０ａの方向には集光部５１ａ及び平坦部５１ｂを形成し、配列方向３０ｂにおける両端部においては集光部５１ａのみを形成した形状であってもよい。また、矢印３０ａの方向には集光部５１ａ及び平坦部５１ｂを形成し、配列方向３０ｂにおける両端部の面は平坦面５１ｃとしたシリンドリカル形状であっても良い。また、集光部５１ａは、上記両端部と、矢印３０ａの方向とにおいて、異なる球面、或いは非球面であっても良い。
【００５２】
実施の形態３．
図１４は、本実施の形態３による光学式エンコーダ１０３を示す断面図である。光学式エンコーダ１０３の基本的構成は、実施の形態１における光学式エンコーダ１０１と同じであるが、光学式エンコーダ用センサ１０Ａにおける光偏向素子５を、本実施形態３の光学式エンコーダ１０３における光学式エンコーダ用センサ１０Ｃでは、凹レンズ形状の光偏向素子５２で形成した点で異なる。光学式エンコーダ１０３におけるその他の構成、及び検出原理については、実施の形態１の場合と同様であるため、以下では相違する構成部分についてのみ説明し、同一部分については説明を省略する。
【００５３】
図１５は、本実施の形態３の光学式エンコーダ１０３に備わる光学式エンコーダ用センサ１０Ｃにおける光偏向素子５２の拡大図である。光偏向素子５２は、球面或いは非球面の凹レンズの一部から成る拡散部５２ｃから構成されている。尚、本実施形態において、拡散部５２ｃの平面形状は円形である。発光素子１の出射光線のうち、光軸付近の光線は拡散部５２ｃに入射し、光軸に対して発散するように光線の向きを変えて第１回折格子３上へと照射される。一方、発光素子１の出射光線のうち、拡散部５２ｃに入射しない、光軸から遠い光線は、インデックス基板６ｂの平坦な内面６ｂ−１を通過してそのまま第１回折格子３へと照射される。
【００５４】
以上のように、実施の形態３における光学式エンコーダ用センサ１０Ｃによれば、発光素子１から出射された光のうち、光軸付近の光線は、拡散部５２ｃに入射し、光軸に対して発散するように光線の向きを変えることが可能となる。よって、光強度の強い光軸中心付近の光線を利用することができ、光利用効率を向上させることができる。また、その他、実施の形態１の光学式エンコーダ１０１が奏する効果は、実施の形態３の光学式エンコーダ１０３においても奏することができる。
【００５５】
また、光偏向素子５２を形成する凹レンズは、フレネルレンズや、フレネルゾーンプレートの一部であっても良い。この場合、インデックス全体の厚さを薄型にすることが可能となる。また、光偏向素子５２についても、例えば長円状の平面形状であり、上記配列方向３０ｂの方向に沿って凹形状の集光部５２ｃを形成し、配列方向３０ｂにおける両端部に位置し矢印３０ａに平行な面は平面としたシリンドリカル形状であっても良いし、上記両端部においても凹形状面としてもよい。
【００５６】
実施の形態４．
図１６は、本実施の形態４における光学式エンコーダ１０４を示す断面図である。光学式エンコーダ１０４の基本的構成は、実施の形態１における光学式エンコーダ１０１と同じであるが、光学式エンコーダ用センサ１０Ａにおける光偏向素子５を、本実施形態の光学式エンコーダ１０４における光学式エンコーダ用センサ１０Ｄでは、光偏向素子５３で形成した点で異なる。光偏向素子５３は、球面或いは非球面の凹レンズから形成された拡散部５３ｃと、フレネルレンズの一部から形成された集光部５３ａとで形成されている。尚、本実施形態では、光偏向素子５３の平面形状は円形状である。光学式エンコーダ１０４におけるその他の構成、及び検出原理については、実施の形態１の場合と同様であるため、以下では相違する構成部分についてのみ説明し、同一部分については説明を省略する。
【００５７】
図１７は、本実施の形態４による光偏向素子５３の拡大図である。光偏向素子５３において、発光素子１の出射光線のうち、光軸付近の光線は、凹レンズ状の拡散部５３ｃに入射し、光軸に対して発散するように光線の向きを変えて第１回折格子３上へと照射される。また、発光素子１の出射光線のうち、フレネルレンズ状の集光部５３ａに入射した光線は、光線の向きを光軸に対して内側に変え、第１回折格子３上へと照射される。
【００５８】
以上のように、実施の形態４の光学式エンコーダ１０４によれば、発光素子１の出射光のうち、光軸付近の光線は、拡散部５３ｃにて、光軸に対して発散するように光線の向きを変え、光軸に対して角度の大きな外周光は、集光部５３ａにより、光軸に対して内側に向きを変えることが可能となる。よって、実施の形態４では、第１回折格子３へ照射される光量が実施の形態１〜３の場合に比べて多くなり、より光利用効率を向上させることが可能となる。また、その他、実施の形態１の光学式エンコーダ１０１が奏する効果は、実施の形態４の光学式エンコーダ１０４においても奏することが可能である。
【００５９】
また、本実施形態４では、光偏向素子５３の拡散部５３ｃは、球面或いは非球面の凹レンズから構成され、集光部５３ａは、フレネルレンズの一部から構成されているが、それぞれ同じ機能を有するレンズであれば、拡散部５３ｃ及び集光部５３ａは、単なるレンズであっても、フレネルレンズ或いは、フレネルゾーンプレートであっても構わない。拡散部５３ｃ及び集光部５３ａの全てを、フレネルレンズ、或いはフレネルゾーンプレートにて構成することで、インデックス基板６ｂの厚さを薄型にすることが可能となる。
【００６０】
また、光偏向素子５３では、発光素子１の光軸に対して同心円状にレンズ系を構成しているが、例えば長円状の平面形状であり、上記矢印３０ａの方向には拡散部５３ｃ及び集光部５３ａを形成し、上記配列方向３０ｂにおける端面は平面としたシリンドリカル形状であっても良いし、配列方向３０ｂにおける端部でも集光部５３ａのみから構成してもよい。
【００６１】
また、上述の実施の形態４では、光偏向素子５３は、発光素子１の光軸に対して同心円状にレンズ系を構成しているとしたが、図１８に示す光偏向素子５３Ａのように、発光素子１の光軸１ａに対して対称となるように形成した、つまり光軸１ａ部分を凹ませた凸レンズ５３ｄで構成しても良い。もちろん，凸レンズ５３ｄは、フレネルレンズやフレネルゾーンプレートで構成しても良い。
【００６２】
このように発光素子１の光軸１ａに対して対称としてレンズを配置することで、光軸１ａ付近の強度の強い光と、光軸１ａに対して発散角度の大きな外周光との両方を第１回折格子３へ照射することが可能となる。よって、光利用効率の向上を図ることができる。
【００６３】
実施の形態５．
図１９は、本実施の形態５による光学式エンコーダ１０５に備わる光偏向素子５３を示す拡大図である。光学式エンコーダ１０５の基本的構成は、実施の形態４における光学式エンコーダ１０４と同じであり、光学式エンコーダ１０５の光学式エンコーダ用センサ１０Ｄにおける光偏向素子５３についても実施の形態４における光学式エンコーダ１０４の光偏向素子５３と同じ構成を採る。しかしながら、実施の形態５による光学式エンコーダ１０４Ａでは、発光素子１の光軸１ａに対して、光偏向素子５３の中心軸つまり光軸５３ｅが、第１回折格子３及び第２回折格子４の矢印３０ａの方向に位置ずれしている点でのみ異なる。光学式エンコーダ１０５におけるその他の構成、及び検出原理については、実施の形態４の場合と同様である。
【００６４】
このように構成することで、光強度の強い中心付近の光線を２つの受光素子４のどちらか一方に集めることが可能となる。よって、受光素子４の面積を縮小することができるため、コストダウンを図ることができる。例えば、光学式スケール３０の２つの光学パターン３１のうち、一方を、第１回折格子３が不要なＭ系列等のランダム符号パターンや、原点用パターンが構成された光学パターンとし、他方を、３枚回折格子によるインクリメンタル信号検出用光学パターンとした場合、ランダム符号パターンや、原点用パターンが形成された一方の光学パターンでは、第１回折格子３が不要なことから、上記一方の光学パターンでの反射光を受光する受光素子４では、十分な光量を得ることができる。これに対して、上記他方のインクリメンタル信号検出用光学パターンでの反射光を受光する受光素子４では、光量不足が問題となる。よって、このような場合には、光偏向素子５３の中心軸５３ｅに対して発光素子１の光軸１ａを上記インクリメンタル信号検出用光学パターン側にずらすことで、上記インクリメンタル信号検出用光学パターンでの反射光を受光する受光素子４における受光量を増すことが可能となる。
【００６５】
尚、本実施の形態５における構成は、上述した各実施の形態１から４のいずれにも適用することが可能である。
【００６６】
実施の形態６．
図２０は、本実施の形態６における光学式エンコーダ１０６を示す断面図である。光学式エンコーダ１０６の基本的構成は、上述した実施の形態４における光学式エンコーダ１０４の構成と同じであるが、本実施形態６の光学式エンコーダ１０６に備わる光学式エンコーダ用センサ１０Ｅは、パッケージ６ａにおいて、発光素子１と受光素子２との間に遮光板６ａ−４を設けた点で異なる。光学式エンコーダ１０６におけるその他の構成、及び検出原理については、実施の形態４の場合と同様である。
【００６７】
尚、遮光板６ａ−４は、パッケージ６ａの底面６ａ−２に、例えば、発光素子１を中心に円形に形成しても良いし、直線状の遮光板を２つ並設してもよい。
【００６８】
このように構成することで、発光素子１の出射光線のうち、インデックス基板６ｂの表面で反射して、直接受光素子２へ入射する光線を、遮光板６ａ−４で遮光することができ、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることが可能となる。
【００６９】
また、実施の形態６では、パッケージ６ａに遮光板６ａ−４を設ける構成としたが、図２１に示す光学式エンコーダ用センサ１０Ｆのように、インデックス基板６ｂの内面６ｂ−１に遮光板６ｂ−４を立設してもよい。ここで、遮光板６ｂ−４は、上述の遮光板６ａ−４に相当する部分であり、インデックス基板６ｂは透明部材であるので、発光素子１側の遮光板６ｂ−４の内面には光吸収膜６ｂ−５を施しても良い。
【００７０】
図２０に示す光学式エンコーダ用センサ１０Ｅの構成では、パッケージ６ａの遮光板６ａ−４と、インデックス基板６ｂの内面６ｂ−１との間にわずかな隙間ができてしまい、その隙間から、光が直接受光素子２へ入射してしまう可能性がある。図２１に示す光学式エンコーダ用センサ１０Ｆの構成においても、インデックス基板６ｂに立設した遮光板６ｂ−４と、パッケージ６ａの底面６ａ−２との間には若干の隙間ができる。しかしながら、図２１に示す光学式エンコーダ用センサ１０Ｆの構成では、上記隙間に比べて発光素子１の光出射面が底面６ａ−２より遙かに高い場所に位置し、かつ出射光の進行方向とは逆方向に上記隙間が位置することから、直接、受光素子２へ入射する光を完全に防ぐことができる。
尚、本実施の形態６における構成は、上述した各実施の形態１から５のいずれにも適用することが可能である。
【００７１】
尚、以上、説明した実施の形態１から６の光学式エンコーダ１０１〜１０６では、光学式スケール３０は直線的に移動し該移動及び移動量を検出するリニアエンコーダでの具体例を示した。しかしながら、光学式エンコーダ１０１〜１０６は、光学式スケール３０が回転軸を中心に回転しその回転及び回転量を検出するロータリーエンコーダとして構成することも可能であり、その場合でも上述と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７２】
１  発光素子、１ａ  光軸、２  受光素子、３  第１回折格子、４  第２回折格子、
５  光偏向素子、５ａ  集光部、６  センサユニット、
６ａ  パッケージ、６ｂ  インデックス基板、６ａ−４，６ｂ−４  遮光板、
７ａ  パッケージ側位置合わせパターン、
７ｂ  インデックス基板側位置合わせパターン、
１０Ａ〜１０Ｆ  光学式エンコーダ用センサ、
３０  光学式スケール、
５１、５２  光偏向素子、５２ｃ  拡散部、５３  光偏向素子、
５３ａ  集光部、５３ｃ  拡散部、
７０  移動量検出部、
１０１〜１０６  光学式エンコーダ。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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