(57)【要約】【課題】受光素子が十分な光量を得ることができる小型光学式エンコーダを提供すること。【解決手段】光学式エンコーダ１はスケールトラック２’を有するスケール２と、スケールトラック２’に光を出射する光源３１と、光源３１からスケールトラック２’に出射される光を透過するスケール側レンズ３２と、スケール側レンズ３２を介してスケールトラック２’によって反射された光を受光する受光素子３３とを有する読取ヘッド３とを有する。光源３１は、スケール側レンズ３２と受光素子３３との間に配設される。光源３１の光軸Ｌｓｒｃは、スケール２の読取方向においてスケール側レンズ３２の光軸と一致し、スケール２の読取方向に直交する方向において、スケール側レンズ３２の光軸Ｌｓから所定距離Ｄだけ離隔されている。【選択図】図１
2011227068.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
読取方向に延設されかつ目盛りを備えるスケールトラックを有するスケールと、前記スケールトラックに光を出射する光源と前記スケールトラックによって反射された前記光を受光する受光素子とを備えた読取ヘッドとを備え、前記スケールに対する前記読取ヘッドの位置を前記受光素子によって受光された前記光に基づき測定する光学式エンコーダであって、
前記読取ヘッドは、前記光源から前記スケールトラックに出射された前記光を透過し、かつ前記スケールトラックによって反射された前記光をスケールトラック画像光として前記受光素子に向けて透過する第１レンズを備え、
前記光源は、前記第１レンズの平面と前記受光素子の平面との間に配された光源平面上に配置され、前記光源の中心は、前記第１レンズの光軸から前記スケールトラックの読取方向に直交する方向に照射軸ずれ距離Ｄｓｒｃだけ離間され、
前記第１レンズの平面と前記受光素子の平面との間のアパーチャ平面に配されたアパーチャを有し、
前記アパーチャの中心は、前記第１レンズの光軸から前記読取方向に直交する方向にアパーチャ軸ずれ距離Ｄａｐ１だけ離間されるとともに、前記スケールトラック画像光が前記受光素子に到達する第１レンズ軸ずれ結像パスであって前記第１レンズ軸ずれ結像パスを含む前記第１レンズの一部を介して前記スケールトラック画像光を前記アパーチャが受けるようにした第１レンズ軸ずれ結像パスを規定し、
前記アパーチャと前記光源とが前記第１レンズの光軸と前記読取方向とを含む平面の反対側に配されることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
請求項１に記載の光学式エンコーダにおいて、
０．８＊Ｄａｐ１＜Ｄｓｒｃ＜１．２＊Ｄａｐ１であることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項３】
請求項２に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記アパーチャ平面は、前記第１レンズの前記光軸の方向に沿って前記第１レンズの平面から距離ＡＰ１に配され、前記光源平面は距離ＬＳＰに配され、かつＬＳＰ＜１．２＊ＡＰ１であることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項４】
請求項３に記載の光学式エンコーダにおいて、
０．７＊ＡＰ１＜ＬＳＰ＜ＡＰ１であることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項５】
請求項１に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記第１レンズは前記第１レンズの前記光軸の方向に沿って前記第１レンズの平面から距離ｆｓに配される第１焦点平面を規定する第１焦点距離を有し、前記アパーチャ平面は、前記第１レンズの前記光軸の方向に沿って前記第１レンズの平面から距離ＡＰ１に配され、１．２＊ｆｓ＞ＡＰ１＞０．８＊ｆｓであることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項６】
請求項５に記載の光学式エンコーダにおいて、
ＡＰ１＞１．０３＊ｆｓであることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項７】
請求項１に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記アパーチャ平面と前記受光素子の平面との間に配された第２レンズ平面に配された第２レンズを有し、前記第２レンズは前記アパーチャを透過する前記スケールトラック画像光を受光し、前記受光されたスケールトラック画像光を前記受光素子上に結像し、
前記第２レンズは前記第１レンズと同様に構成され、第１及び第２レンズの同様な形状を有する表面がその光軸方向に沿って反対方向を向くように配置され、前記アパーチャの中心が、前記第２レンズの光軸から前記読取方向に直交する方向にアパーチャ軸ずれ距離Ｄａｐ２離間され、かつ前記アパーチャが前記第１レンズ軸ずれ結像パスを含む前記第２レンズの一部を介して前記スケールトラック画像光を通過させるように前記受光素子に到達する前記スケールトラック画像光の第２レンズ軸ずれ結像パスを規定することを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項８】
請求項７に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記第１レンズの前記光軸と前記第２レンズの前記光軸は、前記読取方向に直交する方向に沿って距離ＤＬ１Ｌ２離間され、前記アパーチャの中心は前記第１及び第２レンズの前記光軸の間に前記距離ＤＬ１Ｌ２に沿って配置されることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項９】
請求項８に記載の光学式エンコーダにおいて、
Ｄａｐ２とＤａｐ１は設計上、同一であることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項１０】
請求項８に記載の光学式エンコーダにおいて、
０．８＊Ｄａｐ１＜Ｄｓｒｃ＜１．２＊Ｄａｐ１であることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項１１】
請求項８に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記第１レンズはその光軸の方向に沿って前記第１レンズの平面から距離ｆｓに配される第１焦点平面を規定する第１焦点距離を有し、前記第２レンズはその光軸の方向に沿って前記第２レンズの平面から距離ｆｐに配される第２焦点平面を規定する第２焦点距離を有し、前記アパーチャ平面は前記第１レンズの平面からその光軸の方向に沿って距離ＡＰ１に配され、かつ前記第２レンズの平面からその光軸の方向に沿って距離ＡＰ２に配され、１．２＊ｆｓ＞ＡＰ１＞０．８＊ｆｓであることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記アパーチャ平面は、前記第１焦点平面より前記第１レンズの平面からより遠くに配されることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項１３】
請求項１１に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記アパーチャ平面は、前記第１及び第２焦点平面の間に配されることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項１４】
請求項１１に記載の光学式エンコーダにおいて、
１．２＊ｆｐ＞ＡＰ２＞０．８＊ｆｐであることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項１５】
請求項１１に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記光源平面は、前記第１レンズの前記光軸の方向に沿って前記第１レンズの平面から距離ＬＳＰに配され、ＬＳＰ＜１．２＊ＡＰ１であることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項１６】
請求項１５に記載の光学式エンコーダにおいて、
０．７＊ＡＰ１＜ＬＳＰ＜ＡＰ１であることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項１７】
請求項１１に記載の光学式エンコーダにおいて、
ＡＰ１＞１．０３＊ｆｓであることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項１８】
請求項８に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記第１レンズと前記第２レンズとは、それぞれ非球面レンズを備え、前記第１レンズと前記第２レンズの第１非球面は当該レンズの光軸近傍で凸であり、かつ径方向に沿って当該レンズの光軸から径に応じて単調に増加する傾斜面を有する曲面であり、
前記第１レンズと前記第２レンズの第２非球面は当該レンズの光軸近傍で凸であり、かつ径方向に沿って当該レンズの光軸から当該レンズの光軸を含む第１径範囲にわたって径に応じて増加し、前記第１径範囲を囲む第２径範囲にわたって径に応じて減少する傾斜面を有する曲面であることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項１９】
請求項１８に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記第１レンズの前記第１非球面は、前記スケールトラックから遠い側に配置され、前記第１レンズの前記第２非球面は前記スケールトラックに近い側に配置されることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２０】
請求項１８に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記第１及び第２レンズは、前記受光素子上の前記スケールトラック画像の拡大率Ｍが、０．７５＜Ｍ＜１．２５とされ、その光軸近くの前記第２非球面の半径Ｒ２とその光軸近くの前記第１非球面の半径Ｒ１との割合が１．１＜［Ｒ２／Ｒ１］＜１．７であり、第１及び第２非球面の間のそれぞれの光軸に沿った厚みＴのそれぞれのレンズの焦点距離Ｆに対する割合が０．７＜［Ｔ／Ｆ］＜１．１であることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２１】
請求項８に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記スケールはさらに前記読取方向に沿って延び、目盛りを備え、前記第１スケールトラックから前記読取方向に直交する方向に沿ってオフセットされた第２スケールトラックを有し、前記読取ヘッドは、
前記光源、前記第１レンズ、前記アパーチャ、前記第２レンズ、及び前記受光素子を有する第１構造と、第２光源、前記第１レンズと同様の第３レンズ、第２アパーチャ、前記第２レンズと同様の第４レンズ、及び第２受光素子を備えて前記第１構造と同様に動作するよう構成された第２構造とを有し、
前記第２構造は、前記第２スケールトラックを前記第２受光素子上に結像するように、前記読取方向に直交する方向に沿って前記第１構造からオフセットされることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２２】
請求項１に記載の光学式エンコーダにおいて、
前記スケールトラック画像が形成される前記受光素子の部分から反射される光を受光するように位置決めされ、前記受光素子の部分から反射された光を吸収するように構成された光吸収体を有する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】
本発明は光学式エンコーダに関する。より具体的に、本発明は、主照明光線がエンコーダの読取方向に直交する方向にレンズ軸からオフセットされた光学式エンコーダの小型「軸ずれ」読取ヘッドに利用するのに適したレンズ設計及び構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、格子状又は縞状目盛りを有するスケールと、読取ヘッドとを有する光学式エンコーダが知られている。読取ヘッドは、スケールに光を出射する光源とスケールによって反射された光を受光する受光素子とを備え、スケールに対する読取ヘッドの位置を受光素子によって受光された光に基づき測定する。この光学式エンコーダの例は特許文献１及び特許文献２に開示される。
特許文献１に開示された光学式エンコーダは、目盛り（スケール）と、発光ダイオード（光源）、対物レンズ、及び受光部（受光素子）を有する反射型光学リ―ダ（読取ヘッド）とを備えている。加えて、この反射型光学リーダは、発光ダイオードと対物レンズとの間に、発光ダイオードから出射され対物レンズを介して目盛りに向けられる光の光路と、目盛りによって反射され対物レンズを介して受光素子に向けられた光の光路とが分離されるように配置されたハーフミラーを有する。
【０００３】
特許文献１に開示される光学式エンコーダでは、受光部がハーフミラーを介して光を受けることとなるため、十分な光が得られない可能性がある。加えて、発光ダイオードから出射される光の量を増やして十分な量の光を得ようとすると、発光ダイオードの消費電力が増大し、発光ダイオードの寿命が短くなる。
これに対し、特許文献２に記載の光電式エンコーダ（光学式エンコーダ）は、スケールと、光源と、レンズと、受光素子とを備えている。この光電式エンコーダにおいては、光源から出射されスケールに向かう光の光路と、スケールによって反射され、レンズを介して受光素子に向かう光の光路とが分離され、スケール、レンズ、及び受光素子をシャインプルーフの関係に配設され、これによって、十分な光量の光が得られるようにされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３０７４４０号公報
【特許文献２】特開２００６−２８４５６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２に記載の光電式エンコーダでは、スケールと受光素子とを平行に配設することができない。従って、光電式エンコーダが大型化するという問題がある。
加えて、特許文献２の第５実施形態に記載の光電式エンコーダでは、４つのレンズをスケールと受光素子との間に配設することによって、スケールと受光素子とを平行に配設している。しかしながら、この光電式エンコーダでは、４つのレンズがスケールと受光素子との間に配設され得ることから、光電式エンコーダが大型化するという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、受光素子に十分な光量とスケールトラックのクリアかつ歪みのない画像とを確保させて、高解像度測定を提供することができる小型光学式エンコーダを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる光学式エンコーダは、スケールの読取(すなわち測定)方向に沿って延設された一つ以上のスケールトラックを有する。このスケールトラックは、あるパターンの目盛りを有し、当業種では各種のパターンが公知である。スケールトラックは、例えば、格子状ないし縞状の目盛り、ないし絶対位置コードなどを有してよい。
光学式エンコーダは、スケールトラックに光を出射する光源を有する読取ヘッドを有してもよい。この読取ヘッドは、スケールと平行に配設されスケールによって反射された光を受光する受光素子とを備え、スケールに対する読取ヘッドの位置を受光素子によって受光された光に基づき測定し、読取ヘッドは、光源からスケールトラックに出射される光を透過しスケールトラックからスケールトラック画像光として受光素子に反射される光を透過するスケール側レンズを有する。この光源は、スケール側レンズの平面と受光素子の平面との間に配された光源平面に配置され、または光源平面を形成する。光源の中心は、スケール側レンズの光軸からスケールトラックの読取（すなわち測定）方向に直交する方向に照射軸ずれ距離Ｄｓｒｃ離間される。
【０００８】
この構造では、光源の光軸がスケールトラックの読取方向に直交する方向（以下、スケールトラックに直交する方向とする）においてスケール側レンズの光軸から所定距離離隔されることから、光源から出射される光は、スケール側レンズの第１部分を通ってスケールトラックに透過され、この光は、スケールトラックによってスケールトラック画像光として反射され、スケールトラックに直交する方向にレンズ軸に対して第１部分と反対側のスケール側レンズの第２部分を通って受光素子によって受光される。
従って、本発明によれば、ハーフミラーを用いることなく、スケール側レンズを介して、光源から出射されスケールトラックに向かう光の光路をスケールによって反射され受光素子に向かう光の光路と離隔することができる。従って、受光素子が十分な光量を得ることができる。
加えて、スケールと受光素子とが平行に配設され、単一のスケール側レンズがスケールと受光素子との間に配設される。
光源が、スケール側レンズと受光素子との間に配設されることから、光学式エンコーダを小型化できる。
【０００９】
本発明の各種実施形態において、光源、スケール側レンズ、スケール及び受光素子は、スケールトラックの読取方向に物体（スケール）側テレセントリック光学系を形成するように構成され配設され、これにより読取ヘッドの焦点深度を大きくする。従って、スケール及び読み取りヘッドの間で許容可能な間隔、すなわち「間隔公差」を大きくすることができる。
本発明のいくつかの実施形態において、読取ヘッドが、スケールによってスケールトラック画像光として反射されスケール側レンズの第２部分を受光素子に向けて通過した光を透過するスケール側レンズの平面と受光素子の平面との間のアパーチャ平面にある、またはアパーチャ平面を形成するアパーチャを有するのが好ましい。このアパーチャの中心は、スケール側レンズの光軸からスケールトラックの読取方向に直交する方向にアパーチャ軸ずれ距離Ｄａｐ１だけ離間され、受光素子に到達するスケールトラック画像光の第１レンズ軸ずれ結像パスを規定する。アパーチャと光源とは、スケール側レンズの光軸と読取方向とを含む平面の反対側に配される。
ここで、本発明にかかる光学式エンコーダが光源の幅ないし位置のみに依存するよう構成される場合には、光学式エンコーダの光学系の性能が光源の位置ずれの影響によって変化するという問題がある。
【００１０】
前記本発明の実施形態によれば、光学式エンコーダはスケールによって反射されスケール側レンズの第２部分を通過した光を透過するアパーチャを有することから、光源の幅ないし位置を設計することと同様に、アパーチャの幅ないし位置を設計することにより物体（スケール）側テレセントリック光学系を設けることが可能である。アパーチャの設計ないし位置決めは、光源の設計ないし位置決めより相対的に容易であることから、光学式エンコーダの光学系の性能のばらつきをより容易に抑制できる。
【００１１】
本発明のさらに別の実施形態によれば、光学式エンコーダは、さらにアパーチャ平面と受光素子の平面との間に配置された第２レンズ平面に配置された受光素子側レンズを有する。この受光素子側レンズは、スケール側レンズの第２部分とアパーチャとを介して透過されたスケールトラック画像光を受光して、受光したスケールトラック画像光を受光素子上に投影するよう配設される。この受光素子側レンズは、スケール側レンズと同様に構成され、これら二つのレンズの同様な形状の表面がそれぞれの光軸方向に沿って反対方向に対向するように向けられる。さらに、受光素子側レンズの光軸は、スケール側レンズの光軸の反対方向に、アパーチャの中心からスケールトラックの読取方向に直交する方向にアパーチャ軸ずれ距離Ｄａｐ２だけ離間される。従って、アパーチャは、スケールトラックによって反射されスケール側レンズの第２部分を介して透過されたスケールトラック画像光を、スケール側レンズの第２部分と同様の形状の受光素子側レンズの第１部分、及び受光素子に向けて透過するよう配設される。
【００１２】
各種実施形態において、光学式エンコーダは、光源とアパーチャとがスケール側レンズの光軸からスケールトラックの読取方向に直交する方向に離隔される「軸ずれ」投影構造を用い、光の中心光束がスケール側レンズの光軸に対して「軸ずれ」した光路に沿ってスケールトラックに与えられ、特に、スケールトラックから反射されて受光素子にスケールトラック画像を与えるスケールトラック画像光の中心光束が、スケール側レンズの光軸に対してスケールトラックの読取方向に直交する方向に対して（光源に対してレンズの光軸の反対側において）「軸ずれ」した光路に同様に沿うものとされてもよい。
さらに、いくつかの実施形態では、光学式エンコーダは、「二重軸ずれ」投影構造を用いて、スケール側レンズを通って前述の軸ずれ光路をたどった後、スケールトラック画像光の中心光束の光路がスケールトラックの読取方向に直交する方向に沿って受光素子側レンズの光軸から同様にずれるものとされてもよい。「軸ずれ」構造は、小型光学式エンコーダを実現できる点で有利であり、特に有利な実施形態ではほぼテレセントリック設計とされる。「二重軸ずれ」設計は、受光素子上のスケールトラック画像の光学歪みを低減ないし解消できる点で有利であり、特に有利な実施形態ではほぼ二重にテレセントリック設計とされる。
【００１３】
具体的に、反対方向を向くスケール側レンズと受光素子側レンズの双方が、アパーチャの両側（これはスケールトラックの法線方向にそったアパーチャの中心軸と理解可能である）で前述のようにそれぞれアパーチャ軸ずれ距離Ｄａｐ１及びＤａｐ２だけ離隔されることから、アパーチャを通過した光は、同一形状であるものの光軸に沿ってかつ光軸を中心として互いに対して逆向きのレンズの一部を通過する。この結果、「二重軸ずれ」光学式エンコーダは、受光素子でのスケールトラック画像の個別のレンズ収差の影響を低減ないしキャンセルする（例えば、レンズ収差、コマ収差、及び光軸に沿った歪みを互いにキャンセルする）のに用いることができ、従って正確な測定が得られる。
【００１４】
いくつかの実施形態において、アパーチャが、スケール側レンズの第１焦点平面と受光素子側レンズの第２焦点平面との間に配置される。いくつかの実施形態において、光源の光源平面は、レンズの光軸方向に沿ってアパーチャのアパーチャ平面からオフセットされる。特に、光源はアパーチャには投影されず、これによりスケールトラックによって反射されアパーチャを通過する光の強度を略均一にするのが容易となる。
いくつかの実施形態において、スケール側レンズと受光素子側レンズは、それぞれ軸ずれ投影構造中で光学収差をさらに低減し又は解消するように構成された非球面を有する。
【００１５】
いくつかの実施形態において、読取ヘッドは二つの光源と、二つのスケール側レンズと、二つのアパーチャを有し、スケールトラックのＸ読取方向に直交するＹＺ平面内で、各光源、各スケール側レンズ、及び各アパーチャの光軸が、受光素子側レンズのＺ光軸方向について互いに軸対称とされる。
この構成において、それぞれスケールトラック目盛りを有する二つのスケールトラックによって反射される光束（すなわち、スケールトラック画像光）は、一つの受光素子または最もコンパクトな空間に配設される複数の受光素子によって受光可能である。従って、例えば光学式エンコーダは、スケールトラック目盛りの一つのトラックをスケールと読取ヘッドの移動量を検出するのに用い、スケールトラック目盛りの別のトラックをスケールと読取ヘッドの原点を検出するのに用い、これら二つのスケールトラック目盛りのトラック双方からの光を一つの受光素子によって受光することが可能である。結果として、光学式エンコーダが二つの受光素子によって光束を受光するよう構成される場合と比較して部品の点数及び大きさを低減することができる。
【００１６】
しかしながら、いくつかの場合、単一の受光素子を使って二つのスケールトラックから光束を受光するのは不便であり、または実際的ではない。例えば、いくつかのケースでは、スケールトラックに対する動作間隔が変わることにより、二つのスケールトラックからの光束の間で光学的クロストークや相容れない画像変位が生じる可能性がある。
従って、いくつかの実施形態において、読取ヘッドは二つのセットの光源と、スケール側レンズと、アパーチャと、受光素子側レンズと、（精細な測定解像度用のインクリメンタルエンコーダ信号を与える一方のセットと、エンコーダの測定範囲にわたって絶対位置決定用の絶対エンコーダ信号を与える他方のセット等の）受光素子とを有するものとする。これら二つのセットは、ほぼ同一の構造（その光路の対応する部分は、ＹＺ平面において互いにほぼ平行とされる等）に構成され、スケールトラックの読取方向に直交する方向に沿って互いに隣接配置される。結果として、この実施形態は、いくつかの用途で、より実際に実現しやすく、及び／又は間隔変化に対してより堅牢に動作可能である。
【００１７】
本発明の一実施形態において、光源は、光を発する発光体と、発光体から出射される光路の後段に配されて発光体から出射された光を拡散する拡散板を有してもよい。この構成によれば、光源の幅を拡散板の幅と置き換え可能であることから、光学式エンコーダをより容易に設計できる。
本発明の一実施形態において、光源は、光を発する発光体と、発光体から出射される光路の後段に配される発光体レンズとを有し、スケール側レンズと発光体レンズとがケーラー照明を構成してもよい。この構成によれば、光源から出射されスケール側レンズを介してスケールに向かう光の不均一性を低減可能であることから、測定の正確性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる光学式エンコーダを示すスケールのＸ読取方向に沿って見た模式図である。
【図２】図１の光学式エンコーダを示すスケールのＸ読取方向に直交するＹ方向に沿って見た模式図である。
【図３】本発明の第２実施形態にかかる光学式エンコーダを示すスケールのＸ読取方向に沿って見た模式図である。
【図４】図３の光学式エンコーダを示すスケールのＸ読取方向に直交するＹ方向に沿って見た模式図である。
【図５】本発明の第３実施形態にかかる光学式エンコーダを示すスケールのＸ読取方向に沿って見た模式図である。
【図６】図５の光学式エンコーダを示すスケールのＸ読取方向に直交するＹ方向に沿って見た模式図である。
【図７】本発明の第４実施形態にかかる光学式エンコーダを示すスケールのＸ読取方向に沿って見た模式図である。
【図８】本発明の第５実施形態にかかる光学式エンコーダを示すスケールのＸ読取方向に沿って見た模式図である。
【図９】本発明の第６実施形態にかかる光学式エンコーダの光源を示す模式図である。
【図１０】本発明の第７実施形態にかかる光学式エンコーダの光源を示す模式図である。
【図１１】本発明の別の実施形態にかかる光学式エンコーダを示すスケールのＸ読取方向に沿って見た模式図である。
【図１２】図１１の光学式エンコーダを示すスケールのＸ読取方向に直交するＹ方向に沿って見た模式図である。
【図１３】図１１の光学式エンコーダの概略斜視図である。
【図１４】本発明の他の実施形態にかかる光学式エンコーダを示すスケールのＸ読取方向に沿って見た模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態にかかる光学式エンコーダ１を示す模式図である。図１では、Ｘ軸は紙面の法線方向の軸を指し、より一般的に他の図では、スケール２上のスケールトラック２’の読取または測定方向に沿った軸を指す。Ｙ軸は水平方向の軸を指し、より一般的に他の図では、Ｘ軸に直交しスケールトラック２’の平面に略平行な方向に沿った軸を指す。Ｘ及びＹ軸またはこれに平行な任意の平面によってこれを含んで定義される平面（以下ＸＹ平面とする）は、スケールトラック２’を含む平面と一致または平行となる。Ｚ軸は垂直方向に延びる軸を指し、より一般的に他の図では、ＸＹ平面に直交し及び／又はスケールトラック２’の平面の略法線する方向に沿った軸を指す。Ｘ及びＺ軸（かつこれを含む）またはこれに平行な任意の平面によって定義される平面をＸＺ平面とし、Ｙ及びＺ軸（かつこれを含む）またはこれに平行な任意の平面によって定義される平面をＹＺ平面とする。図１に示されるように、各スケールトラック２’は複数の目盛り２１を有してもよい。すなわち、目盛り２１は光学式エンコーダの読取ヘッド３によってＸ軸方向に沿って読み取られる。
【００２０】
図１及び図２を参照すると、光学式エンコーダ１はＸ軸方向に沿って読み取り可能な格子状又は縞状の目盛り２１を備えるスケールトラック２’を有するスケール２と、スケールトラック２’に光を出射する光源３１と、光源３１からスケールトラック２’への光を透過するスケール側レンズ３２と、スケールトラック２’と平行に配設されスケールトラック２’によって反射されスケール側レンズ３２を通過した光を受光する受光素子３３とを備える読取ヘッド３を有し、スケールトラック２’に対する読取ヘッド３の位置が受光素子３３によって受光される光に基づき測定される。すなわち、スケール側レンズ３２は、スケールトラック２’によって反射された光を受光素子３３に透過する。
スケール２は矩形板状を有し、その長手方向はＸ軸方向に沿って揃えられ、横方向はＹ軸方向に揃えられる。図１は、Ｘ軸方向に沿って、すなわち、スケールトラック２’の読取方向から見た光学式エンコーダ１を示す。
図２は、Ｙ軸方向に沿って、すなわち、スケールトラック２’の読取方向に直交する方向から見た光学式エンコーダ１を示す模式図である。本明細書において、スケールトラック２’の読取方向に直交する方向（Ｙ軸方向）は、単にスケールトラック２’に直交する方向と呼ばれることもある。
【００２１】
図１及び図２に示されるように、光源３１はスケール側レンズ３２と受光素子３３との間に配設され、光源３１とスケール側レンズ３２との間の距離はスケール側レンズ３２の焦点距離ｆｓとなるように設定される。
光源３１の光軸Ｌｓｒｃは、スケールトラック２’のＸ読取方向においてスケール側レンズ３２の光軸Ｌｓと一致し（図２参照）、スケールトラック２’に直交するＹ方向において、スケール側レンズ３２の光軸Ｌｓから所定距離離隔される。ここで、所定距離Ｄは、スケールトラック２’に直交するＹ方向において光源３１の幅Ｗｓｒｃｙ（開口数）の１／２以上に設定される。
光源３１の光軸Ｌｓｒｃがスケールトラック２’に直交するＹ方向においてスケール側レンズ３２の光軸Ｌｓから所定距離Ｄだけ離隔されることから、光源３１から出射される光について、スケールトラック２’に直交するＹ方向において光源３１側の光は、図１に示されるように、スケールトラック２’に直交するＹ方向においてスケール側レンズ３２の光源３１側を通ってスケールトラック２’に透過する。この光は、スケールトラック２’によって反射され、スケールトラック２’に直交するＹ方向のスケール側レンズ３２の光源３１側の反対側を通って受光素子３３に受光される。
【００２２】
図１及び図２において、受光素子３３によって受光される光の光路は実線で示され、光のその他の光路は省略される。以下の図面でも、同様の表示が用いられる。
この点について、光源３１とスケール側レンズ３２との距離がスケール側レンズ３２の焦点距離ｆｓに設定されることから、光学式エンコーダ１を使って、図２に示されるように、（少なくとも略）スケールトラック２’の読取方向の物体（スケールトラック２’）側テレセントリック光学系を構成することが可能となり、スケールトラック２’の拡大率を変更することなく反射光の読取方向に沿った焦点深度を大きくすることが可能であり、これにより測定精度が維持される。
具体的に、スケール側レンズ３２の開口数ＮＡは以下の式（１）によって表すことができる。
【００２３】
【数１】
2011227068.tif 000003
【００２４】
以上において、Ｗｓｒｃｘはスケールトラック２’の読取方向の光源３１の幅であり、Ｄｓ（図示略）は、スケールトラック２’の目盛り２１からスケール側レンズ３２までの距離であり、Ｄｐ（図示略）は、スケール側レンズ３２から受光素子３３までの距離である。
さらに、光学式エンコーダ１の焦点深度ＤＯＦは以下の式（２）によって表すことができる。
【００２５】
【数２】
2011227068.tif 000004
【００２６】
以上において、λは光源３１から出射される光の波長である。
従って、光源３１の幅Ｗｓｒｃｘを小さくすることにより焦点深度ＤＯＦを大きくすることができる。
【００２７】
本実施形態においては、以下の効果を得ることができる。
（１）この光電式エンコーダにおいては、光源３１から出射されスケールトラック２’に向かう光の光路と、スケールトラック２’によって反射され、ハーフミラーを介することなくスケール側レンズ３２を通って受光素子に向かう光の光路とを分離可能であることから、受光素子３３が十分な光量の光を得ることができる。
（２）スケールトラック２’と受光素子３３とは互いに平行に配設され、単一のスケール側レンズ３２がスケールトラック２’と受光素子３３との間に配設される。さらに、光源３１が、スケール側レンズ３２と受光素子３３との間に配設される。従って、光学式エンコーダ１を小型化できる。
【００２８】
（３）光学式エンコーダ１を用いて、スケールトラック２’の読取方向の物体（スケールトラック２’）側テレセントリック光学系を構成できることから、焦点深度を大きくすることができる。従って、スケール２及び読み取りヘッド３の間の許容可能な間隔を大きくすることができる。
（４）光源３１の光軸Ｌｓｒｃとスケール側レンズ３２の光軸Ｌｓとの間のスケールトラック２’に直交する方向の所定距離Ｄが光源３１のスケールトラック２’に直交する方向の幅Ｗｓｒｃｙの１／２以上に設定されることから、光源３１から出射される光の利用効率を向上することができる。具体的に、所定距離Ｄが光源３１の幅Ｗｓｒｃｙの１／２よりも小さい場合には、光源３１の一部がスケール側レンズ３２の光軸Ｌｓからスケールトラック２’に直交する方向に突出し、この部分からの光が受光素子３３によって受光されなくなり、これにより光源３１から出射される光の利用効率が低下する。これに対し、所定距離Ｄを、幅Ｗｓｒｃｙの１／２以下に設定することにより、光源３１から出射された光の利用効率が向上する。
【００２９】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を添付の図面を参照して説明する。以下の説明において、同様の符号は前記実施形態で述べた同様の要素を指すものとし、その説明を省略する。
図３は、本発明の第２実施形態にかかる光学式エンコーダ１Ａを示すスケールトラック２’の読取方向（Ｘ方向）から見た模式図である。図４は、スケールトラック２’に直交するＹ方向から見た光学式エンコーダ１Ａを示す模式図である。
【００３０】
前記第１実施形態では、光学式エンコーダ１は、光源３１と、スケール側レンズ３２と受光素子３３とを有する読取ヘッド３を有していた。これに対し、本実施形態では、光学式エンコーダ１Ａの読取ヘッド３Ａは、図３及び図４に示されるように、光源３１と、スケール側レンズ３２と受光素子３３とに加えて、アパーチャ３４を備える。
このアパーチャ３４は、スケールトラック２’によって反射されスケール側レンズ３２を透過した光を通過させるために設けられる。アパーチャ３４とスケール側レンズ３２との間の距離は、スケール側レンズ３２の焦点距離ｆｓないしそれに近い値に設定される。
【００３１】
さらに、スケールトラック２’の読取方向に直交する方向の平面（すなわち、図３の紙面）内において、アパーチャ３４の光軸Ｌａと光源３１の光軸Ｌｓｒｃは、スケール側レンズ３２の光軸に対して互いに軸対称とされる。具体的に、アパーチャ３４の光軸Ｌａは、スケールトラック２’のＸ読取方向において（図４参照）スケール側レンズ３２の光軸と一致する一方、アパーチャ３４の光軸Ｌａは、スケールトラック２’に直交するＹ方向において、スケール側レンズ３２の光軸Ｌｓから所定距離Ｄだけ離隔される。
ここで、スケールトラック２’に直交するＹ方向においてアパーチャ３４の幅Ｗａｙ（図３参照）は、以下の式（３）に示される値に設定され、スケールトラック２’と直交するＹ方向の光源３１の位置決め誤差δのみが許容されるようにされる。
【００３２】
【数３】
2011227068.tif 000005
【００３３】
この設定において、スケールトラック２’に直交するＹ方向に光源３１の位置決め誤差が生じた場合であっても、位置決め誤差がδ以下であればアパーチャ３４を用いて光源３１からの光を制限することが可能である。従って、光源３１の位置ずれによる光学式エンコーダ１Ａの光学系の性能のばらつきを抑えることができる。
アパーチャ３４とスケール側レンズ３２との間の距離は、スケール側レンズ３２の焦点距離ｆｓないしそれに近い値に設定されるため、図４に示されるように光学式エンコーダ１Ａを用いてスケールトラック２’のＸ読取方向の物体（スケールトラック２’）側テレセントリック光学系を構成するのに利用することができる。従って、焦点深度を大きくすることができる。
具体的に、スケール側レンズ３２の開口数ＮＡは以下の式（４）によって表すことができる。
【００３４】
【数４】
2011227068.tif 000006
【００３５】
以上において、Ｗａｘはスケールトラック２’の読取方向のアパーチャ３４の幅であり、Ｄｓ（図示略）は、スケールトラック２’の目盛り２１からスケール側レンズ３２までの距離であり、Ｄｐ（図示略）は、スケール側レンズ３２から受光素子３３までの距離である。
さらに、光学式エンコーダ１Ａの焦点深度ＤＯＦは以下の式（５）によって表すことができる。
【００３６】
【数５】
2011227068.tif 000007
【００３７】
以上において、λは光源３１から出射される光の波長である。
従って、アパーチャ３４の幅Ｗａｘを小さくすることにより焦点深度ＤＯＦを大きくすることができる。
【００３８】
本実施形態によれば、第１実施形態の前記機能及び効果に加え、以下の機能と効果を得ることができる。
（５）光学式エンコーダ１Ａはスケールトラック２’によって反射されスケール側レンズ３２を通過した光を透過するアパーチャ３４を有することから、光源３１の幅ないし位置を設定することによって光学系を提供するのと同様に、アパーチャ３４の幅ないし位置を設定することにより光学系を得ることができる。
（６）アパーチャ３４の設計ないし位置決めは、光源３１の設計ないし位置決めより相対的に容易であることから、光学式エンコーダ１Ａの光学系の性能のばらつきをより容易に抑制できる。
【００３９】
〔第３実施形態〕
図５は、スケールトラック２’のＸ読取方向に沿って見た本発明の第３実施形態にかかる光学式エンコーダ１Ｂを示す模式図である。図６は、スケールトラック２’に直交するＹ方向から見た光学式エンコーダ１Ｂを示す模式図である。
前記第２実施形態では、光学式エンコーダ１Ａは、光源３１と、スケール側レンズ３２と受光素子３３と、アパーチャ３４を有する読取ヘッド３Ａを有していた。これに対し、本実施形態では、光学式エンコーダ１Ｂは、図５及び６に示されるように、光源３１と、スケール側レンズ３２と、受光素子３３と、アパーチャ３４とに加え、受光素子側レンズ３５を有する読取ヘッド３Ｂを備える。
受光素子側レンズ３５は、アパーチャ３４と受光素子３３との間に配設される。アパーチャ３４と受光素子側レンズ３５との間の距離は、受光素子側レンズ３５の焦点距離ｆｐないしそれに近い値に設定される。
加えて、受光素子側レンズ３５の光軸Ｌｐは、スケール側レンズ３２の光軸Ｌｓと一致する。
【００４０】
本実施形態によれば、第２実施形態の前記機能及び効果に加え、以下の機能と効果を得ることができる。
（７）光学式エンコーダ１Ｂを用いて、スケールトラック２’の読取方向の二方向テレセントリック光学系を構成することができることから、焦点深度を大きくすることができる。従って、受光素子３３と受光素子側レンズ３５との間の許容可能な間隔を大きくすることができる。
【００４１】
〔第４実施形態〕
図７は、スケールトラック２’のＸ読取方向に沿って見た本発明の第４実施形態にかかる光学式エンコーダ１Ｃを示す模式図である。
前記第３実施形態では、光学式エンコーダ１Ｂは読取ヘッド３Ｂを有し、読取ヘッド３Ｂの受光素子側レンズ３５の光軸Ｌｐは、スケール側レンズ３２の光軸Ｌｓと一致していた。これに対し、本実施形態では、図７に示すように、光学式エンコーダ１Ｃは読取ヘッド３Ｃを有し、読取ヘッド３Ｃの受光素子側レンズ３５の光軸Ｌｐは、スケールトラック２’のＸ読取方向においてスケール側レンズ３２の光軸Ｌｓと一致する一方、Ｌｐはスケールトラック２’に直交するＹ方向において、スケール側レンズ３２の光軸Ｌｓから所定距離Ｄの２倍離隔される。
【００４２】
本実施形態によれば、第３実施形態の前記機能及び効果に加え、以下の機能と効果を得ることができる。
（８）スケールトラック２’に直交するＹ方向において、スケール側レンズ３２と受光素子側レンズ３５の光軸ＬｓとＬｐの双方は、両側でアパーチャ３４の光軸Ｌａと所定距離Ｄ離隔される。従って、アパーチャ３４を通過した光は、それぞれの光軸に沿って、かつ光軸を中心として逆向きで同一形状を有するスケール側レンズ３２と受光素子側レンズ３５の一部を透過する。この結果、光学式エンコーダ１Ｃを用いて、各レンズにおけるレンズ収差の影響を低減ないしキャンセルする（例えば、個別のレンズ収差を互いにキャンセルする）ことができる。
【００４３】
〔第５実施形態〕
図８は、スケールトラック２’のＸ読取方向に沿って見た本発明の第５実施形態にかかる光学式エンコーダ１Ｄを示す模式図である。
前記図７の第４実施形態では、光学式エンコーダ１Ｃは読取ヘッド３Ｃを有し、読取ヘッド３Ｃは、単一の光源３１と、単一のスケール側レンズ３２と、単一のアパーチャ３４とを有していた。これに対し、本実施形態では、図８に示すように、光学式エンコーダ１Ｄは読取ヘッド３Ｄを有し、読取ヘッド３Ｄは、二つの光源３１と、二つのスケール側レンズ３２と、二つのアパーチャ３４とを有する。加えて、二つのアパーチャ３４は単一の部材に形成される。
【００４４】
前記図７の第４実施形態では、光学式エンコーダ１Ｃは格子状又は縞状目盛り２１を有するスケールトラック２’を有していた。これに対し、本実施形態においては、スケール２Ｄは、（例えば、精細なインクリメンタルスケールトラックと、絶対コードスケールトラックとを設けるために）互いに異なってもよいそれぞれ一連の目盛り２１を有する第１スケールトラック２’と第２スケールトラック２”とを有する。
さらに、本実施形態においては、目盛り２１’のＸ読取方向に直交する方向の平面（図８の紙面）内において、光源３１、スケール側レンズ３２、及びアパーチャ３４の光軸Ｌｓｒｃ、Ｌｓ及びＬａは、受光素子側レンズ３５の光軸Ｌｐに対して互いに軸対称とされる。
【００４５】
本実施形態によれば、第４実施形態の前記機能及び効果に加え、以下の機能と効果を得ることができる。
（９）光学式エンコーダ１Ｄでは、目盛り２１の二つのトラックによって反射された光束を、単一の受光素子３３または受光素子の最もコンパクトな構造によって受光可能であることから、光学式エンコーダが二つの別個の受光素子を用いて光束を受光するように構成された場合に比べて部品を小型化し及び／又は部品数を少なくすることができる。
【００４６】
〔第６実施形態〕
図９は、本発明の第６実施形態にかかる光学式エンコーダ１Ｅの光源３１Ｅを示す模式図である。
前述した実施形態では、各光学式エンコーダ１−１Ｄは、光源３１を有していた。これに対し、本実施形態においては、光学式エンコーダ１Ｅは光源３１Ｅを有し、光源３１Ｅは図９に示されるように、光を発する発光体３１１と、発光体３１１から出射される光の光路の後段に配され発光体３１１から出射される光を拡散する拡散板３１２とを有する。
図示されないものの、スケール側レンズ３２側（図９の下側）の拡散板３１２の平面と、スケール側レンズ３２との間の距離は、スケール側レンズ３２の焦点距離ｆｓに設定される。
本実施形態によれば、前記機能及び効果に加え、以下の機能と効果を得ることができる。
（１０）光源３１Ｅの幅を拡散板３１２の幅に置き換え可能であることから、光学式エンコーダ１Ｅを容易に設計できる。
【００４７】
〔第７実施形態〕
図１０は、本発明の第７実施形態にかかる光学式エンコーダ１Ｆの光源３１Ｆを示す模式図である。
前記第１から第５実施形態では、各光学式エンコーダ１から１Ｄは、光源３１を有していた。これに対し、本実施形態においては、光学式エンコーダ１Ｆは、図１０に示されるように光源３１Ｆを有し、光源３１Ｆは光を発する発光体３１１と、発光体３１１から出射される光の光路の後段に配される発光体レンズ３１３とを有し、スケール側レンズ３２と発光体レンズ３１３とがケーラー照明を構成する。
本実施形態によれば、前記機能及び効果に加え、以下の機能と効果を得ることができる。
（１１）光源３１Ｆから出射されスケール側レンズ３２を通ってスケールトラック２’に向かう光の不均一性を低減可能であることから、正確な測定を行うことができる。
【００４８】
〔実施形態の変形〕
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において各種の変形を含みうるものである。
例えば、前記各実施形態において、所定距離Ｄはスケールトラック２’に直交するＹ方向において光源３１、３１Ｅまたは３１Ｆの幅Ｗｓｒｃｙの１／２以上に設定されるものの、これは他の値であってもよい。
さらに、前述の実施形態のいくつかは、光源またはアパーチャのいずれか、又は双方がレンズから焦点距離またはその近くに配されることでテレセントリックとされているものの、当然のことながら、このようなテレセントリックという特徴を、軸ずれ照明及び／又は軸ずれ投影構造に適用することは一般的ではない。特に、当然ながら、軸ずれ投影は比較的一般的ではなく、「理想的な」軸上近似もいくつかの実施形態では期待するよりはよく動作しない。読取ヘッドからスケールトラック２’までの合理的な間隔の変化によらず、スケールトラック２’の読取方向に沿って一定の拡大率とクリアな像が得られるのが特に望ましい。これに対し、以下に詳細に述べるように、スケールトラック２’に直交するＹ方向のみについての合理的なレベルの拡大率変化及び画像ボケは重大ではない。というのは、Ｙ方向は測定方向ではなく、受光素子はＹ方向に沿って光学画像信号を結合可能だからである。
【００４９】
以下に概説される実施形態においては、この事実を用いて軸ずれ画像のテレセントリシティ（例えば、合理的な物体ないし画像距離変化と独立な拡大率一貫性）及び画像のクリアさを、特にスケールトラックの読取方向に沿って向上させる。特に、以下に概説するように、いくつかの実施形態では、非球面レンズ形状が用いられた時、かつ特にこのようなレンズが光源及び／又はアパーチャを非球面レンズの焦点距離以外の場所に配置して従来のテレセントリック構造とやや異なる軸ずれ投影構造とすることによって最も有利な読取方向に沿った軸ずれ照明及び画像が得られる。
【００５０】
〔別の実施形態〕
図１１、図１２及び図１３は、本発明にかかる光学式エンコーダ１Ｇの別実施形態を示す。図１１は、スケールトラック２’のＸ読取方向に沿って見た光学式エンコーダ１Ｇを示す。図１２はスケールトラック２’に直交するＹ方向に沿って見た同一の光学式エンコーダ１Ｇを示す。図１３は光学式エンコーダ１Ｇの概略斜視図である。
光学式エンコーダ１Ｇは、それぞれ複数の目盛り２１を有する一つ以上のスケールトラック２’を有するスケール２と、読取ヘッド３とを有するスケール２と読取ヘッド３とはスケール−読取ヘッドギャップＧだけ離隔される。読取ヘッド３は、光源３１と、スケール側レンズ３２と、アパーチャ３４と、受光素子側レンズ３５と、受光素子３３とを有する。光源３１は、スケール側レンズ３２の主平面などのスケール側レンズ３２の平面３２’と、スケール２に最も近い受光素子３３の平面などの受光素子３３の平面３３Ｐとの間に配設される。
【００５１】
光源３１は、光源平面３１’に配設されてもよく、または光源平面３１’を規定してもよい。例えば、光源平面３１’は比較的小さな光源の発光点源を含む平面でもよい。あるいは、光源３１が光源からの発散光を出射するレンズを含む場合、光源平面３１’はこれらの光がその最も小さな断面にさかのぼる、ないし収束する位置と略一致してもよい。一般に、動作中、スケール側レンズ３２は光源３１から出射される光をその第１軸ずれ部３２ａを通してスケールトラック２’に向けて透過させ、スケールトラック２’によって反射された光をその第２軸ずれ部３２ｂを通してスケールトラック画像光３６として透過させる。スケールトラック画像光３６は、スケール側レンズ３２の第２軸ずれ部３２ｂを介して受光素子３３に伝えられる。特に、図１１−１３に示される実施形態では、以下により詳細に述べるように、スケール側レンズ３２はアパーチャ３４、及び受光素子側レンズ３５の軸ずれ部３５ａを介して受光素子３３にスケールトラック画像光３６を透過させる。
光源３１の実効中心（例えば、動作中のスケールトラック画像光に実際に寄与する光によって規定されるもの）によってその光軸Ｌｓｒｃを規定することができ、これはスケールトラック２’のＸ読取方向に直交する方向（Ｙ）に照明軸ずれ距離Ｄｓｒｃだけスケール側レンズ３２の光軸Ｌｓから離隔される。
【００５２】
アパーチャ３４は、図１１から図１３に示される実施形態について、スケール側レンズ３２の平面３２’と受光素子３３の平面３３Ｐとの間、より具体的には、スケール側レンズ３２の平面３２’と受光素子側レンズ３５の平面３５’との間に配されたアパーチャ平面３４’（例えば、スケール２に最も近いアパーチャ３４の平面）に配され、またはこれを規定する。光軸Ｌａとして規定可能なアパーチャ３４の中心は、Ｙ方向にアパーチャ軸ずれ距離Ｄａｐ１だけスケール側レンズ３２の光軸Ｌｓから離隔され、受光素子３３に達するスケールトラック画像光３６の第１レンズ軸ずれ結像パス３８（図１１に中心光束として示される）を規定する。すなわち、アパーチャ３４は第１レンズ軸ずれ結像パス３８を含むスケール側レンズ３２の軸ずれ部３２ｂ（図１３中の部分３２ｂ参照）を介してスケールトラック画像光３６を受光するよう配置される。
アパーチャ３４は、スケール側レンズ３２を通る所望の第１レンズ軸ずれ結像パス３８の位置を規定し、かつ当該光路に沿って視準するないし略視準する画像光束を選択するような大きさに配設され、これによりスケールトラック２’のＸ読取方向に所望のレベルの物体（スケール）側テレセントリシティを確保する。すなわち、アパーチャ３４は、受光素子３３に到達する画像光束を制約し、スケール側レンズ３２の物体側及び受光素子側レンズ３５の画像側に互いに略平行となる（視準される）ようにされて、受光素子３３に形成されるスケールトラック画像が、予測されるギャップＧの変化に関わりなくおよそ一定の拡大率を示すようにされる。アパーチャ３４の大きさは、スケールトラック２’を投影する所望の深度を与える光学系のアパーチャ数を決定するように選択されてもよい。
【００５３】
図１１に示されるいくつかの実施形態では、スケールトラック画像光３６に基づき、スケールトラック画像が形成される受光素子３３の一部から反射される光４２を受光する位置に光吸収体４１が設けられてもよい。
図示される実施形態において、光吸収体４１はアパーチャ３４を規定する構造上に設けられ、スケールトラック画像が形成される受光素子３３に向けて光４２を再反射することなく受光素子３３によって反射される光４２を吸収する素材によって構成され形成される。従って、この吸収体４１により、吸収体４１がなければ受光素子３３から反射される光４２により生じる可能性のあるノイズを低減可能であり、従って、受光素子３３上に形成されるスケールトラック画像のコントラストが低減するのを防止するのに役立つ。
図１１に示される実施形態では、光源３１の光軸Ｌｓｒｃとアパーチャ３４の光軸Ｌａとは、スケール側レンズ３２の光軸Ｌｓについてほぼ、または完全に軸対称に配設される。より一般的に、アパーチャ３４と光源３１とは、スケール側レンズ３２の光軸Ｌｓを含むＸＺ平面の反対側に配置され、光源光がアパーチャ３４を通してスケール画像光として有効に反射されるようにされる。スケール側レンズ軸Ｌｓに対する光源３１の照明軸ずれ距離Ｄｓｒｃは、いくつかの実施形態においてスケール側レンズ軸Ｌｓに対するアパーチャ３４のアパーチャ軸ずれ距離Ｄａｐ１に応じて規定可能である。例えば、Ｄｓｒｃは、第１レンズ軸ずれ結像パス３８に沿って反射されるスケールトラック画像光の量を適切に最適化するために、０．８×Ｄａｐ１より大きく１．２×Ｄａｐ１より小さく規定されてよい。いくつかの実施形態において、第１レンズ軸ずれ結像パス３８に沿って反射されるスケールトラック画像光の量を最大化するため、ＤｓｒｃをＤａｐ１と同じにし、光源３１とアパーチャ３４とをスケール側レンズ３２の光軸Ｌｓを中心として軸対称に配置してもよい。
【００５４】
いくつかの実施形態において、光源３１の平面とアパーチャ３４の平面とは、スケール側レンズ３２の動作に関しておよそ共役関係に設けられてもよい。本発明のいくつかの実施形態において、図１１−１３に示されるように、光源は、光源平面３１’とアパーチャ平面３４’とが一致しないように配設される。この構成は、光源３１のコアの内部構造（例えばワイヤボンド）及び／又は強度変化がアパーチャ平面３４’に投影されないようにするのに有利となりうる。これにより、スケールトラック２’によって反射されアパーチャ３４を透過するスケールトラック画像光がアパーチャ３４においてほぼ均一な強度を有することが可能となり、これによりアパーチャでより望ましいスケールトラック画像光の空間的フィルタリング、及び受光素子３３上でのより好ましいスケールトラック画像が得られる。これは、光学式エンコーダ１Ｇによって正確な測定を行うために重要な特徴の一つである。
【００５５】
最も一般的なケースにおいて、光源平面３１’が、アパーチャ平面３４’よりもスケール側レンズ３２から遠い側に配されることでこの効果が得られる。しかしながら、光源平面３１’が、スケール側レンズ３２により近いほど（例えば、図１１−１３に示されるように、アパーチャ平面３４’よりも近い場合）、スケールトラック２’での光強度が一般により高いことから有利である。例えば、光源平面３１’がスケール側レンズ３２の平面３２’から距離ＬＳＰに配置され、アパーチャ平面３４’がスケール側レンズ３２の平面３２’から距離ＡＰ１に配置されるものとすると、ＬＳＰはＡＰ１によって定義可能であり、いくつかの実施形態においては、ＬＳＰが１．２×ＡＰ１よりも小さいのが有利である。別の実施形態においては、ＬＳＰがＡＰ１よりも小さくされてより高い光強度となるのがより有利である。ＬＳＰが０．７×ＡＰ１よりも大きいことがより有利であり、これにより光源３１とアパーチャ３４とが距離ＡＰ１とＬＳＰとに配置され、ほぼテレセントリック照明及び／又は画像が得られ、これにより前述した利点が得られる。
例えば、いくつかの実施形態において、距離ＡＰ１（すなわち、スケール側レンズ３２の平面３２’に対するアパーチャ平面３４’の位置）は、所望の物体側画像テレセントリシティを得るため、スケール側レンズ３２の焦点距離によって定義可能である。図１１及び１２に示されるように、スケール側レンズ３２は、Ｚ方向に沿ってスケール側レンズ３２の平面３２’から焦点距離ｆｓに配置された第１焦点平面３９を規定する焦点距離を有する。いくつかの実施形態では、ＡＰ１が０．８×ｆｓよりも大きく１．２×ｆｓよりも小さいのが有利である。非球面レンズと軸ずれ投影を用いる各種実施形態において、ＡＰ１が０．８×ｆｓではなくｆｓよりも大きい（例えばＡＰ１はいくつかの実施形態では少なくとも１．０３×ｆｓとなるよう設計されてもよい）方がより有利であることがわかっている。
【００５６】
同様に、図１１及び図１２に示されるように、受光素子側レンズは、Ｚ方向に沿って受光素子側レンズ３５の平面３５’から焦点距離ｆｐに配置された第２焦点平面４０を規定する焦点距離を有する。アパーチャ平面３４’は平面３５’から距離ＡＰ２に配置される。いくつかの実施形態においては、距離ＡＰ２（すなわち、受光素子側レンズ３５の平面３５’に対するアパーチャ平面３４’の位置）は、所望の画像側画像テレセントリシティを得るため、焦点距離ｆｐによって規定可能である。例えば、いくつかの実施形態では、ＡＰ２が０．８×ｆｐよりも大きく１．２×ｆｐよりも小さく設計される。非球面レンズと軸ずれ投影を用いる各種実施形態において、ＡＰ２が０．８×ｆｐではなくｆｐよりも大きい（例えばＡＰ２はいくつかの実施形態では少なくとも１．０３×ｆｓとなるよう設計されてもよい）方がより有利であることがわかっている。いくつかの実施形態では、前述した望ましい関係の少なくとも一つを満たせばよく、加えてアパーチャ平面３４’を二つのレンズの第１焦点平面３９と第２焦点平面４０との間に配置してもよい（例えば、アパーチャ３４の物体側と像側とで対称的な光路が得られるように）。
【００５７】
先に概説したように、ほぼ物体（スケール）側テレセントリシティが、目盛り２１の投影拡大率をスケールトラック２’とスケール側レンズ３２との間のギャップＧに影響されないようにするのに好ましい。同様に、ほぼ像側テレセントリシティが、目盛り２１の投影拡大率を受光素子３３と受光素子側レンズ３５との間の間隔に影響されないようにするために好ましい。しかしながら、目盛り２１のＸ読取方向にテレセントリシティであることが好ましいものの、Ｙ方向にテレセントリシティであることは必要ではない。すなわち、単一の目盛り２１に沿ってＹ方向に反射される画像光は、Ｙ方向に沿って受光素子３３内の単一の検出手段によって受光される（集光される）ことから、画像はＹ方向にずれても影響はなく、Ｙ方向に沿ってテレセントリシティを達成すること、あるいはより一般的に歪みを低減し、またはなくすことは必要ではない。
【００５８】
従って、光学的歪みは、主としてＸ読取方向に沿って低減され、または無くされる必要がある。従って、図１２及び図１３に示されるように、光源３１、スケール側レンズ３２、アパーチャ３４、受光素子側レンズ３５の光軸はＸ読取方向に沿って同一平面位置に揃えられる。言い方を変えれば、スケール側レンズ３２の第２軸ずれ部３２ｂは、ＸＺ平面のＹ軸に直交する方向に沿ってスケール側レンズ３２の光軸Ｌｓに対して対称的に配置される。これにより、Ｘ読取方向に沿った画像歪みが最小化される。それは、この方向に沿って各レンズの光軸を含む平面に対して対称的なレンズの部分を用いて投影が行われ、かつ一般にレンズはその光軸に近い対称的な画像光を用いる時によりよい投影が得られるからである。
【００５９】
一方、光源３１、スケール側レンズ３２、アパーチャ３４、受光素子側レンズ３５の光軸はＹ方向に沿って同一平面位置には整列されない。言い方を変えれば、図１３に示されるように、スケールトラック２’によって反射されるスケールトラック画像光３６が透過するスケール側レンズ３２の第２軸ずれ部３２ｂは、ＸＹ平面のＺ軸に直交する方向に沿ってスケール側レンズ３２の光軸Ｌｓを中心として対称的に配置されない。付随するスケール側レンズ３２と受光素子側レンズ３５とを通る「軸ずれ」及び「二重軸ずれ」Ｙ方向結像パスは、Ｙ方向の歪みを低減するのに理想的ではなく、光学式エンコーダ１Ｇ全体を小型化するのに望ましい。さらに、スケール側レンズ３２の第１の軸ずれ部３２ａ及び／又は第２の軸ずれ部３２ｂは、スケール側レンズ３２のそれぞれ第１及び第２の軸ずれ部３２ａ，３２ｂを介した照明光と画像光とのクロストークを低減ないし無くすためにスケール側レンズ３２の光軸Ｌｓを含まない。
【００６０】
光学的歪みを主にＸ読取方向に沿って低減ないし無くす必要があることから、いくつかの実施形態では、Ｙ方向に沿ったアパーチャ幅ＷａｙがＸ方向にそったアパーチャ幅Ｗａｘよりも長くされるのが好ましい。一般に、より大きなアパーチャがより大きな光スループット（これにより受光素子３３上により大きな信号が生成される）を得るのに好ましいが、これによって被写界深度が小さくなり、及び／又はより大きな光学収差が許容されることになる。本発明の各種実施形態において、しかしながら、Ｙ方向に沿って光学収差を最小化する必要がないことから、Ｙ方向に沿ったアパーチャ幅Ｗａｙをより大きくしてより多くの光を透過しつつ、Ｘ方向に沿ったアパーチャ幅Ｗａｘをより小さくしてＸ読取方向に沿った被写界深度とテレセントリシティを好ましい程度まで大きくすることが可能である。
【００６１】
光学式エンコーダ１Ｇは、光源３１が軸ずれ部３２ａを通して光を透過し、及び／又はスケールトラック画像光がＹ方向に沿ってスケール側レンズ３２の光軸Ｌｓから離隔されたレンズの軸ずれ部３２ｂを介して透過されることから「軸ずれ」構造として特徴付けることができる（図１１及び１３参照）。
さらに、光学式エンコーダ１Ｇは、スケールトラック画像光が、さらにＹ方向に沿って受光素子側レンズ３５の光軸Ｌｐから離隔された軸ずれ部３５ａを通して透過されることから「二重軸ずれ」構造として特徴付けることができる（図１１及び１３参照）。前述のように、「軸ずれ」構造は光学式エンコーダ１Ｇを小型化するのに有利である。「二重軸ずれ」構造は、単独の「軸ずれ」構造に付随する光学歪みを低減する点で有利である。
【００６２】
図１１から図１３に示される具体的な二重軸ずれ構造において、その利点を最大化するため、スケール側レンズ３２と受光素子側レンズ３５とは、同様に形成されかつその同様に形成された表面がその各々の光軸Ｌｓ、Ｌｐに沿って互いに反対方向を向くように配置される。例えば、図１１に示された実施形態において、レンズ３２と３５の双方は、全体的に凸の第１非球面Ｓ１（Ｓ１’）と第２非球面Ｓ２（Ｓ２’）とを有し、その各々の全体的に凸の表面Ｓ１（Ｓ１’）が互いに対向するように構成される。さらに、受光素子側レンズ３５の光軸Ｌｐはスケール側レンズの光軸ＬｓとＹ方向にＤＬ１Ｌ２（図１１）だけ離隔され、スケールトラック２’によって反射されスケール側レンズ３２の第２軸ずれ部３２ｂとアパーチャ３４とを通過したスケールトラック画像光３６が第２軸ずれ部３２ｂとほぼ、または全く同様の形状を有し光軸Ｌｓ、Ｌｐの方向を中心として事実上１８０度回転された受光素子側レンズ３５（図１３）の第１部分（軸ずれ部）３５ａを通過するようにされる。別の言い方をすると、アパーチャ３４とレンズ３２及び３５は、前述のようにスケール側レンズ３２の第２軸ずれ部３２ｂを補完する受光素子側レンズの所望の部分３５ａを通る第２レンズ軸ずれ結像パス３８’をアパーチャによって規定するように配設される。
【００６３】
この構造により、コマ収差などの収差及び、各レンズ３２及び３５を通した軸ずれ投影及び大きな画角により導入される歪みが設計上キャンセルされる。別の言い方をすると、これらのスケール側レンズ３２の第２軸ずれ部３２ｂを介した軸ずれ投影及び大きな画角により生ずる収差は、前述の受光素子側レンズ３５の第１部分３５ａを設けたことによって設計上キャンセル可能である。この構造により、レンズ欠陥が双方のレンズにおいて同一であることを条件として、レンズ欠陥（表面形状のムラなど）も補償可能である。従って、多くの実際の、及び／又はわずかに欠陥のあるレンズについて、図１１から図１３に示される二重軸ずれ実施形態は、図５に示される実施形態よりも優れている。
【００６４】
図１１に示されるように、アパーチャ３４の光軸Ｌａは二つのレンズ３２、３５の光軸Ｌｓ、Ｌｐの間の距離Ｄｌ１Ｌ２に沿って配置されている。一般に、ＤＬ１Ｌ２＝Ｄａｐ１＋Ｄａｐ２である。ある有利な実施形態において、距離Ｄａｐ１と距離Ｄａｐ２とは、設計上同一であり、部分３２ｂ，３５ａの形状がほぼ同一とされてもよい。
前述の各種設計関係は、光学式エンコーダ１Ｇの二重軸ずれ構造に関して記載されているものの、必要に応じてより一般的に前述の開示事項及び設計関係はここに開示されるその他の各種エンコーダ実施形態（ここに開示される「軸ずれ」及び「二重軸ずれ」構造等）に適合及び適用可能である。
【００６５】
以下の表１は、光学式エンコーダ１Ｇの実施形態に使用可能な設計上の寸法の一例を示す。
これらの寸法は、例えばスケールトラック２’のＹ方向高さが１〜２ｍｍであるときに適切である。スケールトラック２’は、インクリメンタルな目盛り２１（例えば格子）ないし絶対目盛り２１を有してよい。球面レンズが用いられる場合、Ｘ方向ピッチを有するおよそ１４０〜１００ミクロンの目盛り２１（例えば格子ピッチ）が投影されても結果として認容可能である。適切に設計された非球面レンズが用いられる場合、Ｘ方向ピッチ（格子ピッチなど）を有する２０ミクロン（又はそれ以上）の目盛り２１が投影されても、以下に詳述するように結果として認容可能である。光源３１から出射された光の波長は、いくつかの実施形態においては約６００〜９００ｎｍであってよい。この一連の設計寸法によりＺ方向に沿って約２１ミリという小型の読取ヘッド寸法が得られ、かつおよそ±２００ミクロンのギャップ許容値が得られる。
【００６６】
【表１】
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【００６７】
「ＦＯＶＸ」と「ＦＯＶＹ」の値（Ｘ方向とＹ方向それぞれに沿った受光素子３３に投影されるスケールトラック２’の視野）は、望ましい組み立て及び照準許容誤差を得るため、スケールトラック２’ないしその他の光学素子ではなく受光素子の大きさによって制限可能である。小型の読取ヘッドを実現するため、比較的短い焦点距離が望ましい。一つの実施形態では、このような短い焦点距離、及び０．７５から１．２５の拡大率において、歪みのない画像を得るため、比較的厚いレンズ設計が望ましい。例えば、表１は、４．５ｍｍの焦点距離について、４．０ｍｍのレンズ厚みＴにより許容可能な性能が得られることを示す。
いくつかの実施形態において、０．７から１．１の範囲のレンズ厚みＴ／焦点距離の比率が０．７から１．１であれば許容可能な性能が得られる。
【００６８】
前述の本発明にかかる「二重軸ずれ」設計は「軸ずれ」設計と大きな画角とにより生ずる光学歪みとコマ収差とを低減するのに有利であるものの、その他の光学収差は残る可能性がある。スケール側レンズ３２と受光素子側レンズ３５の双方が適切に設計された非球面Ｓ１（Ｓ１’）とＳ２（Ｓ２’）とを有する場合、少なくともＸ読取方向に沿って残りの光学収差は実質的に解消されることが判明している。図１１−１２に示される非球面Ｓ１（及び同様の表面Ｓ１’）とＳ２（及び同様の表面Ｓ２’）とは、一連の表面の例示的なセットを近似して示す。
いくつかの実施形態において、望ましい性能が得られるのは、表面Ｓ１が当該レンズの光軸近傍で凸でありレンズの光軸からの半径「ｒ」に応じて単調増加する径方向に沿った斜面を有する第１非球面であり、表面Ｓ２が当該レンズの光軸近傍で凸であり当該レンズの光軸を含む第１半径範囲ＲＲ１にわたってレンズの光軸からの半径「ｒ」に応じて増加し、第１半径範囲ＲＲ１（図１２参照）を囲む第２半径範囲ＲＲ２にわたり半径「ｒ」に応じて小さくなる径方向に沿った斜面を有する第２非球面である時であることがわかっている。
【００６９】
スケール側レンズ３２と受光素子側レンズ３５とが受光素子３３上のスケールトラック画像の拡大率Ｍが０．７５より大きく１．２５より小さくなるよう構成される場合、いくつかの実施形態では、レンズの光軸に近い第２非球面Ｓ２の半径Ｒ２と、レンズの光軸に近い第１非球面Ｓ１の半径Ｒ１との比率、すなわちＲ２／Ｒ１が１．１より大きく１．７よりも小さい場合に望ましい性能が得られることがわかっている。
また、前述したように、いくつかの実施形態では、レンズの光軸に沿った第１非球面Ｓ１と第２非球面Ｓ２との間のレンズ厚み「Ｔ」とレンズの焦点距離Ｆ（ｆｓ、ｆｐ）との比率、すなわち、Ｔ／Ｆが０．７より大きく１．１より小さい時に望ましい性能が得られる。これらのガイドラインの一つ以上により示される設計範囲に該当する非球面の各種セットは、分析ないし実験に基づき当業者によって決定可能である。
【００７０】
当然のことながら、これらのガイドラインは例示的なものにすぎず、限定的ではない。例えば、前述の特性を有するスケール側レンズ３２の第１非球面Ｓ１がスケール２からより遠く配置され、前述の特性を有するスケール側レンズ３２の第２非球面Ｓ２がスケール２により近く配置される場合（例えば、図１２に示される場合）に優れた性能が得られ、このような構造がいくつかの実施形態では好まれるものの、表面Ｓ１とＳ２の表面形状が逆にされても（例えば、その光軸方向に沿ってレンズ３２と３５を逆にした場合のように）、合理的な性能がいくつかの用途では得られることがわかっている。
【００７１】
スケール側レンズ３２と受光素子側レンズ３５とは、比較的安価、軽量かつ加工が容易（例えば射出成形）である一方、温度変化及び湿気などの環境的条件に比較的敏感なプラスチックから形成されてもよい。あるいは、レンズは環境的条件により影響を受けにくい光学ガラスから形成されてもよい。
【００７２】
図１４は本発明の特徴を組み込んださらに他の実施形態の光学式エンコーダ１Ｈを示し、この光学式エンコーダは、スケールトラック２’を読み取る第１構造１Ｈ−１と、スケールトラック２”を読み取るための第２構造１Ｈ−Ａとを有する。一つの実施形態において、第１スケールトラック２’は、受光素子３３に投影されるインクリメンタル目盛りと、絶対受光素子３３’上に投影される絶対目盛りを有する第２スケールトラック２”とを有する。別の言い方をすると、読取ヘッドは二つのセットの光源と、スケール側レンズと、アパーチャと、受光素子側レンズと、（精細な測定解像度用のインクリメンタルエンコーダ信号を与える一方のセットと、エンコーダの測定範囲にわたって絶対位置決定用の絶対エンコーダ信号を与える他方のセット等の）受光素子とを有する。
【００７３】
これら二つのセットは、ほぼ同一の構造（その光路の対応する部分は、ＹＺ平面において互いにほぼ平行とされる等）に構成されていてもよく、スケールトラックの読取方向に直交する方向に沿って互いに隣接配置されてもよい。図示されるように、第２構造１Ｈ−Ａと第１構造１Ｈ−１は、図１１−１３に示される光学式エンコーダに関して前述された二重軸ずれ構造である。第１及び第２トラック２’，２”はＸ読取方向に直交するＹ方向に沿って互いにオフセットされている。インクリメンタル受光素子３３と絶対受光素子３３’も、同様にＹ方向に沿って互いにオフセットされている。本実施形態によれば、インクリメンタルエンコーダ１Ｈ−１と絶対エンコーダ１Ｈ−Ａをコンパクトに組み合わせることができる。
【００７４】
図８の二つのスケールトラックの実施形態のいくつかの用途では、単一の受光素子を使って二つのスケールトラックから光束を受けるのは不便かつ実際的ではない。例えば、いくつかのケースでは、スケールトラックに対する動作間隔が変わることにより、この実施形態での二つのスケールトラックからの光束の間で光学的クロストークや相容れない画像変位が生じる可能性がある。このような用途では、平行な光路に付随する利点のため、図１４のスケールトラックを有する光学式エンコーダ１Ｈを作るのがより実際的であり、かつ／又は間隔変化に関してより堅牢に動作する。
【符号の説明】
【００７５】
１，１Ａ〜１Ｈ…光学式エンコーダ
１Ｈ−１…第１構造
１Ｈ−Ａ…第２構造
２，２Ｄ…スケール
２’，２”…スケールトラック
３，３Ａ〜３Ｄ…読取ヘッド
３１，３１Ｅ，３１Ｆ…光源
３１’…光源平面
３２…スケール側レンズ
３２’…スケール側レンズの平面
３２ａ，３２ｂ…軸ずれ部
３３…受光素子
３３Ｐ…受光素子の平面
３４…アパーチャ
３４’…アパーチャ平面
３５…受光素子側レンズ
３５’…受光素子側レンズの平面
３５ａ，３５ｂ…軸ずれ部
３９，４０…焦点平面
４１…光吸収体
３１１…発光体
３１２…拡散板
３１３…発光体用レンズ
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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