(57)【要約】【課題】スケールの移動リミットを検出し得る小型の光学式エンコーダを提供する。【解決手段】光学式エンコーダは、三つの可干渉光源１１、１２、１３と、それらから射出される光ビームを横切って移動するスケール４０を有している。スケール４０は移動検出用光学パターン４０ａに加えて原点検出用集光パターン４１とリミット検出用集光パターン４２を有している。可干渉光源の光ビーム射出部はスケール４０で生じるゼロ次回折光が戻る領域に位置している。光学式エンコーダは更に、可干渉光源１１からの光ビーム１４によりスケール４０の移動を検出する光検出器２１と、可干渉光源１２からの光ビーム１５によりスケール４０の基準点を検出する光検出器２２と、可干渉光源１３からの光ビーム１６によりスケール４０の移動リミットを検出する光検出器２３とを有している。【選択図】　　図１
2004037166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光ビームを射出する光源または光源群と、
前記光ビームを横切るように移動し、所定周期の光学パターン及び基準点検出パターン（原点検出用パターンまたはリミット検出用パターン）を形成したスケールと、
前記複数の光ビームの少なくとも一部が前記所定周期の光学パターンを経由したことによって形成される第１の回折干渉パターンを受光し、前記スケールの移動量を検出する複数の受光エリアを有する第１の光検出器と、
前記複数の光ビームの少なくとも一部が前記基準点検出パターン（原点検出用パターンまたはリミット検出用パターン）を経由したことによって形成される第２の回折干渉パターンを受光し、前記スケールの基準点（原点または移動リミット）を検出する第２の光検出器と、を具備する光学式エンコーダであって、
前記光源または光源群、並びに前記第１及び第２の光検出器が同一基板上に配置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】
前記複数の光ビームを射出する光源または光源群のそれぞれの射出部は、前記スケールにより反射された前記複数の光ビームそれぞれのゼロ次回折反射光が戻ってくる領域に配置されていることを特徴とする請求項第１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項３】
前記基板は、前記第１及び第２の光検出器と一体的に加工されたシリコン材であることを特徴とする請求項第１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】
前記スケールに形成された所定周期の光学パターンのピッチをＰｓ、前記第１の光検出器と第２の光検出器の中心間距離をＬ、前記第１の光検出器と第２の光検出器の前記スケールの移動方向中心軸のズレをΔＸ、前記第１の光検出器と第２の光検出器の前記スケールの移動方向中心軸と前記スケール間との角度ズレ許容をΔθとしたときに、
Ｌ−（Ｌ２＋ΔＸ２）１／２×ｃｏｓ（Δθ＋α）＜Ｐｓ／４
但し、ｔａｎα＝ΔＸ／Ｌ
を満たす光検出器の配置としたことを特徴とする請求項第１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項５】
第１（１１）、第２（１２）及び第３（１３）の光源と、
前記第１、第２及び第３の光源から射出された光ビーム（１４，１５，１６）を横切るように移動し、且つ、前記光ビームを照射する所定周期の光学パターン、原点検出用パターン（４１）及びリミット検出用パターン（４２）を形成したスケール（４０）と、
前記第１の光源から前記スケールの光学パターンを経由した第１の光学パターンを受光し、前記スケールの移動量を検出する複数の受光エリアを有する第１の光検出器（２１）と、
前記第２の光源から前記スケールの光学パターン（４１）を経由した第２の光学パターンを受光し、前記スケールの基準位置を検出する第２の光検出器（２２）と、
前記第３の光源から前記スケールの光学パターン（４２）を経由した第３の光学パターンを受光し、前記スケールの移動リミットを検出する第３の光検出器（２３）とを具備する光学式エンコーダであって、
前記第１、第２、第３の光源、並びに前記第１、第２、第３の光検出器が同一基板（１０）上に配置されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項６】
前記第１、第２及び第３の光源それぞれの光ビーム射出部は、前記スケールにより反射された前記それぞれの光源からのゼロ次回折反射光が戻ってくる領域に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の光学式エンコーダ。
【請求項７】
前記基板は、前記第１、第２及び第３の光検出器と一体的に加工されたシリコン材であることを特徴とする請求項５に記載の光学式エンコーダ。
【請求項８】
前記スケール（４０）に形成された所定周期の光学パターンのピッチをＰｓ、前記第１の光検出器と第２の光検出器の中心間距離をＬ、前記第１の光検出器と第２の光検出器の前記スケールの移動方向中心軸のズレをΔＸ、前記第１の光検出器と第２の光検出器の前記スケールの移動方向中心軸と前記スケール間との角度ズレ許容をΔθとしたときに、
Ｌ−（Ｌ２＋ΔＸ２）１／２×ｃｏｓ（Δθ＋α）＜Ｐｓ／４
但し、ｔａｎα＝ΔＸ／Ｌ
を満たす光検出器の配置としたことを特徴とする請求項５に記載の光学式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開２０００−２０５８１９号公報は、図１３に示される構成の光学式エンコーダを開示している。
【０００３】
この光学式エンコーダでは、可干渉光源５００である半導体レーザ（又は面発光レーザ）から射出されたレーザビームは、回折パターンを生成する所定周期の光学パターン（図では透過型又は反射型の回折格子）が形成されたスケール５０２，５０２’に照射され、これにより生成される回折パターンの特定部分が光検出器５０４’のいずれかにより検出される。
【０００４】
可干渉光源５００と光検出器５０４がスケール５０２に対して同じ側に配置される場合には、可干渉光源５００である半導体レーザ（又は面発光レーザ）は、可干渉光源５００から射出された光ビームの主軸５０６、５０８が、スケール５０２面の垂線に対して角度φだけ傾斜するように傾斜台５１０に配置される。
【０００５】
次に、この光学式エンコーダによるセンシング動作を説明する。図１３において、可干渉光源５００からスケール５０２上の光学パターンを形成した面に至る距離を光ビームの主軸上で測った長さをＺ１、スケール５０２上の光学パターン（光変調領域）を形成した面から光検出器５０４の受光面に至る距離を光ビームの主軸上で測った長さをＺ２、スケール５０２上の光変調領域における光学パターンのピッチをＰｓ、光検出器５０４の受光面上の回折パターンのピッチをＰｄｉｆ、スケール５０２上の回折格子のピッチ方向に対する可干渉光源５００からの光ビームの拡がり角をθｘ、θｘに対して垂直方向の可干渉光源５００からの光ビームの拡がり角をθｙとする。
【０００６】
ここで、光ビームの拡がり角は、光ビーム強度がピークとなる方向に対して１／２となる一対の境界線５１２、５１２’のなす角を示す。また、「スケール上の光変調領域における光学パターンのピッチ」とは、スケール上に形成された光学特性が変調されたパターンの空間的な周期を意味する。また、「光検出器の受光面上の回折パターンのピッチ」とは、受光面上に生成された回折パターンの強度分布の空間的な周期を意味する。
【０００７】
光の回折理論によると、Ｚ１、Ｚ２が下記の（１）式に示す関係を満たすような特定の関係にあるとき、スケール５０２の回折パターンと略相似な強度パターン５１４、５１６が光検出器５０４の受光エリア面に生成される。
【０００８】
（１／Ｚ１）＋（１／Ｚ２）＝（λ／ｎＰｓ２）　　…（１）
ここで、λは可干渉光源５００の波長、ｎは整数である。
【０００９】
また、光検出器５０４の受光面上の回折パターンのピッチＰｄｉｆは他の構成パラメータを用いて下記の（２）式で表すことができる。
【００１０】
Ｐｄｉｆ＝Ｐｓ（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ１　　…（２）
可干渉光源５００に対してスケール５０２が回折格子のピッチ方向に変位すると、同じ空間周期を保った状態で回折パターンの強度分布がスケール５０２の変位する方向に移動する。
【００１１】
光検出器５０４の受光エリアの空間周期Ｐ２は、Ｐｄｉｆと同じ値に設定されている。このため、スケール５０２がピッチ方向にＰｓだけ移動するごとに、光検出器５０４から周期的な強度を有する振幅曲線（強度パターン５１４，５１６）が出力される。振幅曲線（強度パターン５１４，５１６）に基づいて、スケール５０２のピッチ方向の変位量が求められる。
【００１２】
図１３において、振幅曲線（強度パターン５１４，５１６）は、光軸を特定方向に傾斜させた反射型の構成において、スケールと可干渉光源及び光検出器のギャップ距離が変化した場合の受光エリア面上の光の振幅曲線を示している。これら二つの振幅曲線（強度パターン５１４，５１６）から、反射型の構成においては、ギャップ距離が変化しても、光の振幅曲線の位相（又はピーク位置）が変化しないことが分かる。
【００１３】
上記の説明は可干渉光源５００からスケール５０２に至る光ビームが一定の拡がり角を持つ場合を想定して記載したが、可干渉光源５００からの射出ビームがレンズ（図示せず）により平行光にコリメートされてスケール５０２に照射される場合は、上記の（１）式と（２）式において、Ｚ１→∞として考えれば良い。
【００１４】
この場合、上記（２）式は、
Ｐｄｉｆ＝Ｐｓ　　…（２）’
になる。
【００１５】
さらに、実用においては、光検出器５０４の空間周期Ｐｄｉｆの受光素子群をＰｄｉｆ／４の間隔でずらせて、交互に配置した４群の受光素子群を形成し、これら各群の受光素子からの出力をそれぞれ、Ｖａ＋、Ｖｂ＋、Ｖａ−、Ｖｂ−とし、Ｖａ＋−Ｖａ−とＶｂ＋−Ｖｂ−をエンコーダのいわゆるＡ相（正弦波）、Ｂ相（余弦波）出力として利用する。
【００１６】
スケール５０２と可干渉光源５００の相対的な変位ｘは、例えば、Ａ相、Ｂ相の信号によりリサージュ図形をプロットし、このリサージュ図形のプロット点が１回転するとスケール５０２上の周期的な反射又は透過率の光学パターンの１ピッチ分の移動として検出され、さらに、リサージュ図形のプロット点の位相角により、前述の所定周期の光学パターンの１ピッチより細かな変位を検出することができる。
【００１７】
また、前述の公報に開示された光学式エンコーダでは、Ｖａ＋、Ｖｂ＋、Ｖａ−、Ｖｂ−の各出力の演算和をとることによりレーザービームの強度をモニタすることができるため、環境変化や経時変化などによるレーザビームの強度変化を一定にするようにフィードバックしたり、あるいは、Ａ相、Ｂ相出力信号とＶａ＋、Ｖｂ＋、Ｖａ−、Ｖｂ−の各出力の演算和の信号との演算により、環境変化や経時変化などによるレーザビームの強度変化の影響をある程度、補正することが可能である。
【００１８】
従って、このような光学式エンコーダにおいては、スケールとヘッドとのギャップ変動の影響を殆ど受けないで、スケールのＸ方向の位相変位を正確に検出できる。
【００１９】
しかしながら、上記構成の光学式エンコーダでは、そのエンコーダ出力はいわゆるＡ相、Ｂ相が得られるのみであるため、相対的な変位量の検出は可能であるが、絶対的な位置検出ができない。
【００２０】
特開２００１−１７４２９１号公報絶対的な位置検出ができるように改善された、図１４に示される構成の光学式エンコーダを開示している。
【００２１】
この光学式エンコーダでは、スケール６０２上の回折格子トラック（光学パターン６１８）のピッチ方向と平行して、別のトラックが形成されており、そこに、基準点（基準位置）検出用のパターン６２０が配置されている。各トラックのパターン６１８、６２０に対して、傾斜台６１０上に配置された可干渉光源６００としての面発光レーザのビーム射出部６２２、６２４から光ビームが射出され、その反射・回折パターンが光検出器６０４、６０４’により検出される。
【００２２】
ここで、回折格子トラック（光学パターン６１８）による反射光６２６は、受光素子アレイ群として構成された光検出器６０４により検出され、上述と同様にＡ相、Ｂ相の信号が出力される。
【００２３】
一方、基準点検出用のパターン６２０による反射光６２８は、光強度検出用の受光素子として構成された光検出器６０４’により検出される。
【００２４】
このような構成によれば、例えば、基準点検出用のパターン６２０で示した領域が周辺部より反射率が大きい場合には、ビーム射出窓からの光ビームがその基準点検出用のパターン６２０に照射されたときだけ、光検出器６０４’の出力が所定値を上回るために、基準点を検出することができる。
【００２５】
このように図１４に示される光学式エンコーダは、単にスケールの移動量を測定できるだけでなく、スケールの基準点を検出することもできる。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１３に示される光学式エンコーダも図１４に示される光学式エンコーダも、スケールの移動リミット検出機能を有していないため、スケールの移動リミット検出を必要とする場合には、それ専用のセンサを別に取付ける必要があり、そのためのスペースが必要となると共にそれを取り付ける手間が掛かってしまう。
【００２７】
また、原点位置から移動リミット位置までの距離は、原点検出用光検出器と移動リミットセンサの間隔以上に設定する必要がある。このため、スケール内の原点検出用パターンとリミット検出用パターンの間の距離は、原点検出用光検出器と移動リミットセンサの間隔以上となる。従って、上述した従来の光学式エンコーダはいずれも、原点位置と移動リミット位置の間隔を短くしたいというニーズに応えることができない。
【００２８】
さらに、原点位置と移動リミット位置の間の距離は、別体のセンサによる検出なので、それらの取付公差などに依存した値となり、良好な精度が得られない。
【００２９】
本発明は、このような実状を鑑みてなされたものであり、その目的は、スケールの移動リミット検出機能を有する小型光学式エンコーダを提供することである。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学式エンコーダは、複数の光ビームを射出する光源または光源群と、前記光ビームを横切るように移動し、所定周期の光学パターン及び基準点検出パターン（原点検出用パターンまたはリミット検出用パターン）を形成したスケールと、前記複数の光ビームの少なくとも一部が前記所定周期の光学パターンを経由したことによって形成される第１の回折干渉パターンを受光し、前記スケールの移動量を検出する複数の受光エリアを有する第１の光検出器と、前記複数の光ビームの少なくとも一部が前記基準点検出パターン（原点検出用パターンまたはリミット検出用パターン）を経由したことによって形成される第２の回折干渉パターンを受光し、前記スケールの基準点（原点または移動リミット）を検出する第２の光検出器とを具備する光学式エンコーダであって、前記光源または光源群、並びに前記第１及び第２の光検出器が同一基板上に配置されていることを特徴とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００３２】
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態の光学式エンコーダが図１と図２に示される。
【００３３】
第１の実施の形態の光学式エンコーダは、図１と図２に示されるように、第１、第２、第３の可干渉光源１１、１２、１３と、第１、第２、第３の可干渉光源１１、１２、１３から射出された光ビーム１４、１５、１６を横切るように移動するスケール４０とを有している。スケール４０は、移動検出のための所定周期の光学パターン４０ａに加えて、基準点検出パターン（原点検出用集光回折格子パターン４１とリミット検出用集光回折格子パターン４２）を有している。原点検出用集光回折格子パターン４１とリミット検出用集光回折格子パターン４２は共に、所定周期の光学パターン４０ａとは異なっており、照射された光を反射し集光させる働きを有している。
【００３４】
光学式エンコーダは更に、第１の可干渉光源１１から射出されスケール４０の光学パターン４０ａを経由した光ビーム１４に基づいてスケール４０の移動（その量と方向）を検出するための第１の光検出器２１と、第２の可干渉光源１２から射出されスケール４０を経由した光ビーム１５に基づいてスケール４０の基準点を検出するための第２の光検出器２２と、第３の可干渉光源１３から射出されスケール４０を経由した光ビーム１６に基づいてスケール４０の移動リミットを検出するための第３の光検出器２３とを有している。
【００３５】
第１の光検出器２１は複数の受光エリアを有しており、複数の受光エリアはスケール４０の移動方向に沿って並んでいる。スケール４０の光学パターン４０ａを経由した光ビーム１４は第１の光検出器２１の受光エリア面上に干渉回折パターンを形成する。第１の光検出器２１の複数の受光エリアは、このように形成される干渉回折パターンのピッチの１／４のピッチで並んでいる。
【００３６】
第２の光検出器２２は一つの受光エリアを有している。同様に、第３の光検出器２３は一つの受光エリアを有している。
【００３７】
光学式エンコーダは更に、第２の可干渉光源１２から射出される光ビーム１５の強度を検出するための一対の第４の光検出器２４と、第３の可干渉光源１３から射出される光ビーム１６の強度を検出するための一対の第５の光検出器２５とを有している。
【００３８】
一対の第４の光検出器２４は、スケール４０の移動方向に沿って、第２の光検出器２２を間に挟んで並んでおり、第２の光検出器２２に近接して配置されている。第４の光検出器２４の各々は一つの受光エリアを有している。
【００３９】
一対の第５の光検出器２５は、スケール４０の移動方向に沿って、第３の光検出器２３を間に挟んで並んでおり、第３の光検出器２３に近接して配置されている。第５の光検出器２５の各々は一つの受光エリアを有している。
【００４０】
第１、第２、第３、第４、第５の光検出器２１、２２、２３、２４、２５はシリコン基板１０に一体的に加工形成されており、このシリコン基板１０に第１、第２、第３の可干渉光源１１、１２、１３が実装されている。シリコン基板１０とスケール４０は互いに平行に配置されている。スケール４０は、ガラスやフィルムなどからなり、所定周期の光学パターン４０ａと原点検出用集光回折格子パターン４１とリミット検出用集光回折格子パターン４２とが一体的に形成されている。
【００４１】
第１、第２、第３の可干渉光源１１、１２、１３の光ビーム射出部は、それぞれ、それらの光源から射出された光ビームがスケール４０で回折されることにより生じたゼロ次回折反射光が戻って来る領域に配置されている。
【００４２】
第１の可干渉光源１１から射出された光ビーム１４は、スケール４０に形成された光学パターン４０ａにより回折され、第１の光検出器２１の受光エリア面に拡がり領域３１を持って照射され、拡がり領域３１内に回折干渉パターンを形成する。第１の光検出器２１は、複数の受光エリアを有しており、光学パターン４０ａにより形成された回折干渉パターンを検出し、従来技術において説明したように、スケール４０の移動量を検出する。
【００４３】
スケール４０が初期位置等の基準位置に位置しているとき、図１に示されるように、第２の可干渉光源１２から射出された光ビーム１５の拡がり領域３４が照射される位置に、基準点検出のための原点検出用集光回折格子パターン４１が位置する。この場合、第２の可干渉光源１２から射出された光ビーム１５は、原点検出用集光回折格子パターン４１により、集光境界曲線３５を持って集光され、第２の光検出器２２の受光エリア面に集光領域３６を持って照射され、回折干渉パターンを形成する。
【００４４】
第２の光検出器２２は、その受光エリアに照射される光量に対応した電気信号を出力する。第２の光検出器２２から出力される電気信号は、スケール４０からの光ビーム１５が拡がり領域３２を持って照射されているときは比較的低く、集光領域３６を持って照射されているときは比較的高い。従って、第２の光検出器２２から出力される電気信号を、予め決められた所定のしきい値と比較することにより、スケール４０が基準位置に位置しているか否かが分かる。つまり、第２の光検出器２２の出力に基づいてスケール４０の基準点が検出され得る。
【００４５】
スケール４０が初期位置等の基準位置近くに位置するときを除いては、図２に示されるように、第２の可干渉光源１２から射出された光ビーム１５の拡がり領域３４が照射される位置には、移動検出のための所定周期の光学パターン４０ａが位置する。この場合、第２の可干渉光源１２から射出された光ビーム１５は、スケール４０に形成された光学パターン４０ａにより回折され、拡がり領域３２を持って基板１０に照射され、拡がり領域３２内に回折干渉パターンを形成する。
【００４６】
拡がり領域３２は、第２の光検出器２２と第４の光検出器２４の受光エリアと部分的に重なっている。従って、第２の可干渉光源１２から射出され光学パターン４０ａにより回折された光ビーム１５は、その一部が第２の光検出器２２に入射し、他の一部が第４の光検出器２４に入射する。
【００４７】
第４の光検出器２４は、第２の光検出器２２と同様、その受光エリアに照射される光量に対応した電気信号を出力する。第２の光検出器２２から出力される電気信号と第４の光検出器２４から出力される電気信号の和を求めることにより、第２の可干渉光源１２から射出される光ビーム１５の強度が分かる。
【００４８】
スケール４０が移動リミットに位置しているとき、図２に示されるように、第３の可干渉光源１３から射出された光ビーム１６の拡がり領域３７が照射される位置に、スケール移動リミット検出のためのリミット検出用集光回折格子パターン４２が位置する。この場合、第３の可干渉光源１３から射出された光ビーム１６は、リミット検出用集光回折格子パターン４２により、集光境界曲線３８を持って集光されて、第３の光検出器２３の受光エリア面に集光領域３９を持って照射され、回折干渉パターンを形成する。
【００４９】
第３の光検出器２３は、その受光エリアに照射される光量に対応した電気信号を出力する。第３の光検出器２３から出力される電気信号は、スケール４０からの光ビーム１６が拡がり領域３３を持って照射されているときは比較的低く、集光領域３９を持って照射されているときは比較的高い。従って、第３の光検出器２３から出力される電気信号を、予め決められた所定のしきい値と比較することにより、スケール４０が移動リミットに位置しているか否かが分かる。つまり、第３の光検出器２３の出力に基づいてスケール４０の移動リミットが検出され得る。
【００５０】
スケール４０が初期位置等の移動リミット近くに位置するときを除いては、図１に示されるように、第３の可干渉光源１３から射出された光ビーム１６の拡がり領域が照射される位置には、移動検出のための所定周期の光学パターン４０ａが位置している。この場合、第３の可干渉光源１３から射出された光ビーム１６は、スケール４０に形成された光学パターン４０ａにより回折され、第３の光検出器２３の受光エリア面に拡がり領域３３を持って照射され、拡がり領域３３内に回折干渉パターンを形成する。
【００５１】
拡がり領域３３は、第３の光検出器２３と第５の光検出器２５の受光エリアと部分的に重なっている。従って、第３の可干渉光源１３から射出され光学パターン４０ａにより回折された光ビーム１６は、その一部が第３の光検出器２３に入射し、他の一部が第５の光検出器２５に入射する。
【００５２】
第５の光検出器２５は、第３の光検出器２３と同様、その受光エリアに照射される光量に対応した電気信号を出力する。第３の光検出器２３から出力される電気信号と第５の光検出器２５から出力される電気信号の和を求めることにより、第３の可干渉光源１３から射出される光ビーム１６の強度が分かる。
【００５３】
以上の説明から分かるように、本実施形態の光学式エンコーダは、小型であると共に、スケールの移動リミットも良好に検出し得る。しかも、原点位置から移動リミットまでの距離を任意に設定可能である。
【００５４】
尚、上記光源は可干渉光源に限らず、光学パターンを形成したスケールで回折干渉を生じるＬＥＤなどの光源も適用可能である。
【００５５】
また、スケール４０内に一体的に形成された原点検出用集光回折格子パターン４１とリミット検出用集光回折格子パターン４２は、集光回折格子パターンに限定されるものではなく、光検出器２２、２３で検出できさえすれば、どのような光学パターンであってもよい。
【００５６】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態の光学式エンコーダが図３と図４に示される。図３と図４において、図１や図２と同一の参照符号で示された要素は、その参照符号で指摘された第１の実施の形態の要素と同様の要素を示している。
【００５７】
第２の実施の形態の光学式エンコーダは、第１の実施の形態の光学式エンコーダとほぼ同じ構成を有しているが、図３と図４に示されるように、第１の実施の形態の光学式エンコーダとは異なり、第１の光検出器２１は第１の可干渉光源１１に対して片側に位置しており、第１の光検出器２１と第２の光検出器２２が、加えて第４の光検出器２４が、スケール４０の移動方向に沿って、ほぼ一直線状に位置している。
【００５８】
さらに、図５に示されるように、第１の光検出器２１と第２の光検出器２２の中心間距離をＬ、第１の光検出器２１と第２の光検出器２２のスケール４０の移動方向中心軸のズレをΔＸ、第１の光検出器２１と第２の光検出器２２のスケール４０の移動方向中心軸とスケール４０との間の角度ズレ許容をΔθとし、スケール４０の所定周期のピッチをＰｓとして、第１の光検出器２１と第２の光検出器２２が下記の（３）式を満たすように配置されている。
【００５９】
Ｌ−（Ｌ２＋ΔＸ２）１／２×ｃｏｓ（Δθ＋α）＜Ｐｓ／４　　…（３）
但し、ｔａｎα＝ΔＸ／Ｌ
本実施形態の光学式エンコーダは、第１の光検出器２１と第２の光検出器２２が下記の（３）式を満たすように配置されているため、Ａ相信号もしくはＢ相信号に同期させて基準点を再現性良く検出し得る。以下、これについて図６〜図８を参照しながら説明する。
【００６０】
例えば図６に示されるように、第２の光検出器２２からの出力が所定のレベルＳに達したとき、すなわち０点において、Ａ相信号のスケール位置がａー１とａ０の中間、すなわちａー１／２であるものとし、この場合に、Ａ相信号が次にＧＮＤレベルとなる位置ａ０を基準点とするものとする。
【００６１】
簡単のため、まず、第１の光検出器２１の中心を通りスケール４０の移動方向に平行な軸と第２の光検出器２２の中心を通りスケール４０の移動方向に平行な軸とのずれΔＸを０として考える。
【００６２】
この場合において、第１の光検出器２１の中心と第２の光検出器２２の中心を結ぶ軸とスケール４０の軸との間に角度ずれΔθが発生すると、Ａ相信号のスケール位置は、図７にから分かるように、下記の（４）式で表されるΔＹだけ、ａー１あるいはａ０の方向に移動する。
【００６３】
Ｌ−Ｌｃｏｓ（Δθ）＝ΔＹ・・・（４）
ΔＹ＞Ｐｓ／４であると、第２の光検出器２２からの出力が０点に達したとき、Ａ相信号のスケール位置はａー１よりもマイナス側あるいはａ０よりもプラス側となる。その結果、Ａ相信号の基準点位置はａー１あるいはａ１となる。結局、基準点位置がＰｓ／２ずれる。
【００６４】
次に、第１の光検出器２１の中心を通りスケール４０の移動方向に平行な軸と第２の光検出器２２の中心を通りスケール４０の移動方向に平行な軸とのずれΔＸを考慮する。
【００６５】
この場合において、第１の光検出器２１の中心と第２の光検出器２２の中心を結ぶ軸とスケール４０の軸との間に角度ずれΔθが発生すると、Ａ相信号のスケール位置は、図８にから分かるように、下記の（５）式で表されるΔＹだけ、ａー１あるいはａ０の方向に移動する。
【００６６】
Ｌ−（Ｌ２＋ΔＸ２）１／２×ｃｏｓ（Δθ＋α）＝ΔＹ・・・（５）
但し、ｔａｎα＝ΔＸ／Ｌ
ΔＹ＞Ｐｓ／４であると、第２の光検出器２２からの出力が０点に達したとき、Ａ相信号のスケール位置はａー１よりもマイナス側あるいはａ０よりもプラス側となる。その結果、Ａ相信号の基準点位置はａー１あるいはａ１となる。結局、基準点位置がＰｓ／２ずれる。
【００６７】
ΔＹ＜Ｐｓ／４であれば、すなわち、上記の（３）式を満たしていれば、第１の光検出器２１の中心と第２の光検出器２２の中心を結ぶ軸とスケール４０の軸との間に角度ずれΔθが発生しても、基準点は常にａ０として検出される。つまり、位置検出が安定して行なわれる。
【００６８】
もし、上述したようなＡ相信号あるいはＢ相信号に同期させずに、第２の光検出器２２からの出力０点を基準点とした場合には、スケール４０と第２の光検出器２２の間のギャップがずれたり、環境温度変化によって光源の光ビーム強度が変化したりすることが原因で、第２の光検出器２２からの出力カーブが変化することにより、０点もずれることになり、安定した基準点検出を行なえない。
【００６９】
以上の説明から分かるように、本実施形態の光学式エンコーダは、第１の光検出器２１と第２の光検出器２２が前述の（３）式を満たすように配置されているので、第１の実施の形態で述べた利点に加えて、第１の光検出器２１の中心と第２の光検出器２２の中心を結ぶ軸とスケール４０の軸との間に角度ずれΔθが発生した場合においても、スケール４０の基準点すなわち原点や移動リミットを精度良く検出し得る。
【００７０】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態の光学式エンコーダが図９と図１０に示される。
【００７１】
第３の実施の形態の光学式エンコーダは、図９と図１０に示されるように、第１、第２の可干渉光源１１、１２と、第１、第２の可干渉光源１１、１２から射出された光ビーム１４、１５を横切るように移動するスケール４０とを有している。スケール４０は、移動検出のための所定周期の光学パターン４０ａに加えて、基準点検出パターン（原点検出用集光回折格子パターン４１とリミット検出用集光回折格子パターン４２）を有している。原点検出用集光回折格子パターン４１とリミット検出用集光回折格子パターン４２は共に、所定周期の光学パターン４０ａとは異なっており、照射された光を反射し集光させる働きを有している。
【００７２】
光学式エンコーダは更に、第１の可干渉光源１１から射出されスケール４０の光学パターン４０ａを経由した光ビーム１４に基づいてスケール４０の移動（その量と方向）を検出するための第１の光検出器２１と、第２の可干渉光源１２から射出されスケール４０の光学パターン４０ａを経由した光ビーム１５に基づいてスケール４０の基準点を検出するための第２の光検出器２２と、第２の可干渉光源１２から射出されスケール４０を経由した光ビーム１５に基づいてスケール４０の移動リミットを検出するための第３の光検出器２３とを有している。
【００７３】
第１の光検出器２１は複数の受光エリアを有しており、複数の受光エリアはスケール４０の移動方向に沿って並んでいる。スケール４０の光学パターン４０ａを経由した光ビーム１４は第１の光検出器２１の受光エリア面上に干渉回折パターンを形成する。第１の光検出器２１の複数の受光エリアは、このように形成される干渉回折パターンのピッチの１／４のピッチで並んでいる。
【００７４】
第２の光検出器２２は一つの受光エリアを有している。同様に、第３の光検出器２３は一つの受光エリアを有している。
【００７５】
光学式エンコーダは更に、第２の可干渉光源１２から光学パターン４０ａを経由した光ビーム１５の強度を検出するための一対の第４の光検出器２４を有している。一対の第４の光検出器２４は、スケール４０の移動方向に沿って、第２の光検出器２２を間に挟んで並んでおり、第２の光検出器２２に近接して配置されている。第４の光検出器２４の各々は一つの受光エリアを有している。
【００７６】
第１、第２、第３、第４の光検出器２１、２２、２３、２４はシリコン基板１０内に一体的に加工形成されており、このシリコン基板１０に第１、第２の可干渉光源１１、１２が実装されている。シリコン基板１０とスケール４０は互いに平行に配置されている。スケール４０は、ガラスやフィルムなどからなり、所定周期の光学パターン４０ａと原点検出用集光回折格子パターン４１とリミット検出用集光回折格子パターン４２が一体的に形成されている。
【００７７】
第１、第２の可干渉光源１１、１２の光ビーム射出部は、それぞれ、それらの光源から射出された光ビームがスケール４０で反射・回折されることにより生じたゼロ次回折反射光が戻って来る領域に配置されている。
【００７８】
第１の可干渉光源１１から射出された光ビーム１４は、スケール４０上に形成された光学パターン４０ａにより回折され、第１の光検出器２１の受光エリア面に拡がり領域３１を持って照射され、拡がり領域３１内に回折干渉パターンを形成する。第１の光検出器２１は、複数の受光エリアを有しており、光学パターン４０ａにより形成された回折干渉パターンを検出し、従来技術において説明したように、スケール４０の移動量を検出する。
【００７９】
スケール４０が初期位置等の基準位置に位置しているとき、図９に示されるように、第２の可干渉光源１２から射出された光ビーム１５の拡がり領域３４が照射される位置に、基準点検出のための原点検出用集光回折格子パターン４１が位置する。この場合、第２の可干渉光源１２から射出された光ビーム１５は、原点検出用集光回折格子パターン４１により、集光境界曲線３５を持って集光されて、第２の光検出器２２の受光エリア面に集光領域３６を持って照射され、回折干渉パターンを形成する。
【００８０】
第２の光検出器２２は、この回折干渉パターンを検出して、スケールの基準点又は絶対位置を検出する。
【００８１】
第２の光検出器２２は、その受光エリアに照射される光量に対応した電気信号を出力する。第２の光検出器２２から出力される電気信号は、スケール４０からの光ビーム１５が拡がり領域３２を持って照射されているときは比較的低く、集光領域３６を持って照射されているときは比較的高い。従って、第２の光検出器２２から出力される電気信号を、予め決められた所定のしきい値と比較することにより、スケール４０が基準位置に位置しているか否かが分かる。つまり、第２の光検出器２２の出力に基づいてスケール４０の基準点が検出され得る。
【００８２】
スケール４０が初期位置等の基準位置近くに位置するときを除いては、図１０に示されるように、第２の可干渉光源１２から射出された光ビーム１５の拡がり領域３４が照射される位置には、移動検出のための所定周期の光学パターン４０ａが位置する。この場合、第２の可干渉光源１２から射出された光ビーム１５は、スケール４０に形成された光学パターン４０ａにより回折され、拡がり領域３２を持って基板１０に照射され、拡がり領域３２内に回折干渉パターンを形成する。
【００８３】
拡がり領域３２は、第２の光検出器２２と第４の光検出器２４の受光エリアと部分的に重なっている。従って、第２の可干渉光源１２から射出され光学パターン４０ａにより回折された光ビーム１５は、その一部が第２の光検出器２２に入射し、他の一部が第４の光検出器２４に入射する。
【００８４】
第４の光検出器２４は、第２の光検出器２２と同様、その受光エリアに照射される光量に対応した電気信号を出力する。第２の光検出器２２から出力される電気信号と第４の光検出器２４から出力される電気信号の和を求めることにより、第２の可干渉光源１２から射出される光ビーム１５の強度が分かる。
【００８５】
また、スケール４０が移動リミットに位置しているときは、図１０に示されるように、第２の可干渉光源１２から射出された光ビーム１６の拡がり領域３４が照射される位置に、スケール移動リミット検出のためのリミット検出用集光回折格子パターン４２が位置する。この場合、第２の可干渉光源１２から射出された光ビーム１６は、リミット検出用集光回折格子パターン４２により、集光境界曲線３８を持って集光されて、第３の光検出器２３の受光エリア面に集光領域３９を持って照射され、回折干渉パターンを形成する。
【００８６】
第３の光検出器２３は、その受光エリアに照射される光量に対応した電気信号を出力する。第３の光検出器２３から出力される電気信号は、スケール４０からの光ビーム１６が拡がり領域３３を持って照射されているときは比較的低く、集光領域３９を持って照射されているときは比較的高い。従って、第３の光検出器２３から出力される電気信号を、予め決められた所定のしきい値と比較することにより、スケール４０が移動リミットに位置しているか否かが分かる。つまり、第３の光検出器２３の出力に基づいてスケール４０の移動リミットが検出され得る。
【００８７】
以上の説明から分かるように、本実施形態の光学式エンコーダは、小型であると共に、スケールの移動リミットも良好に検出し得る。しかも、原点位置から移動リミットまでの距離を任意に設定可能である。
【００８８】
尚、上記光源は可干渉光源に限らず、ＬＥＤなどの光源も適用可能である。
【００８９】
また、スケール４０内に一体的に形成された原点検出用集光回折格子パターン４１とリミット検出用集光回折格子パターン４２は、集光回折格子パターンに限定されるものではなく、光検出器２２、２３で検出できさえすれば、どのような光学パターンであってもよい。
【００９０】
［第４の実施の形態］
第４の実施の形態の光学式エンコーダが図１１と図１２に示される。図１１と図１２において、図９や図１０と同一の参照符号で示された要素は、その参照符号で指摘された第３の実施の形態の要素と同様の要素を示している。
【００９１】
第４の実施の形態の光学式エンコーダは、第３の実施の形態の光学式エンコーダとほぼ同じ構成を有しているが、図１１と図１２に示されるように、第３の実施の形態の光学式エンコーダとは異なり、第１の光検出器２１は第１の可干渉光源１１に対して片側に位置しており、第１の光検出器２１と第２の光検出器２２が、加えて第４の光検出器２４が、スケール４０の移動方向に沿って、ほぼ一直線状に位置している。
【００９２】
さらに、第１の光検出器２１と第２の光検出器２２は、第２の実施の形態と同様に、前述の（３）式を満たすように配置されている。
【００９３】
従って、本実施形態の光学式エンコーダは、第３の実施の形態で述べた利点に加えて、第１の光検出器２１の中心と第２の光検出器２２の中心を結ぶ軸とスケール４０の軸との間に角度ずれΔθが発生した場合においても、スケール４０の基準点すなわち原点や移動リミットを精度良く検出し得る。
【００９４】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
【００９５】
本発明は以下の各項に記す光学式エンコーダを含んでいる。
【００９６】
１．　第１（１１）、及び第２（１２）の光源と、前記第１及び第２の光源から射出された光ビーム（１４，１５）を横切るように移動し、且つ、前記光ビームを照射する所定周期の光学パターン、原点検出用パターン（４１）及びリミット検出パターン（４２）を形成したスケール（４０）と、前記第１の光源から前記スケールの光学パターンを経由し第１の光学パターンを形成する光ビームを受光し、前記スケールの移動量を検出する複数の受光エリアを有する第１の光検出器（２１）と、前記第２の光源から前記スケールの光学パターン（４１）を経由し第２の光学パターンを形成する光ビームを受光し、前記スケールの基準点を検出する第２の光検出器（２２）と、前記第２の光源から前記スケールの光学パターン（４２）を経由し第３の光学パターンを形成する光ビームを受光し、前記スケールの移動リミットを検出する第３の光検出器（２３）とを具備する光学式エンコーダにおいて、前記第１乃至２の光源、前記第１乃至３の光検出器が同一基板（１０）上に配置されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
【００９７】
２．　第１（１１）、及び第２（１２）の光源と、前記第１及び第２の光源から射出された光ビーム（１４，１５）を横切るように移動し、且つ、前記光ビームを照射する所定周期の光学パターン、原点検出用パターン（４１）及びリミット検出パターン（４２）を形成したスケール（４０）と、前記第１の光源から前記スケールの光学パターンを経由し第１の光学パターンを形成する光ビームを受光し、前記スケールの移動量を検出する複数の受光エリアを有する第１の光検出器（２１）と、前記第１の光源から前記スケールの光学パターン（４１）を経由し第２の光学パターンを形成する光ビームを受光し、前記スケールの基準点を検出する第２の光検出器（２２）と、前記第２の光源から前記スケールの光学パターン（４２）を経由し第３の光学パターンを形成する光ビームを受光し、前記スケールの移動リミットを検出する第３の光検出器（２３）とを具備する光学式エンコーダにおいて、前記第１乃至２の光源、前記第１乃至３の光検出器が同一基板（１０）上に配置されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
【００９８】
【発明の効果】
本発明によれば、スケールの移動リミット検出機能を有する小型光学式エンコーダが提供される。さらに、本発明の小型光学式エンコーダは、原点位置から移動リミットまでの距離を任意に設定可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の光学式エンコーダの斜視図であり、スケールが原点位置に位置している状態が描かれている。
【図２】本発明の第１の実施の形態の光学式エンコーダの斜視図あり、スケールが移動リミットに位置している状態が描かれている。
【図３】本発明の第２の実施の形態の光学式エンコーダの斜視図であり、スケールが原点位置に位置している状態が描かれている。
【図４】本発明の第２の実施の形態の光学式エンコーダの斜視図あり、スケールが移動リミットに位置している状態が描かれている。
【図５】第１の光検出器と第２の光検出器の相互間およびスケールに対する位置関係を示している。
【図６】Ａ相信号の出力波形と第２の光検出器の出力波形とを示している。
【図７】第１の光検出器の中心軸と第２の光検出器の中心軸のずれが０の場合において、第１の光検出器の中心と第２の光検出器の中心を結ぶ軸に対してスケールの軸の角度ずれΔθが発生したときの、Ａ相信号のスケール位置の移動量ΔＹを図解して示している。
【図８】第１の光検出器の中心軸と第２の光検出器の中心軸のずれがΔＸの場合において、第１の光検出器の中心と第２の光検出器の中心を結ぶ軸に対してスケールの軸の角度ずれΔθが発生したときの、Ａ相信号のスケール位置の移動量ΔＹを図解して示している。
【図９】本発明の第３の実施の形態の光学式エンコーダの斜視図であり、スケールが原点位置に位置している状態が描かれている。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の光学式エンコーダの斜視図あり、スケールが移動リミットに位置している状態が描かれている。
【図１１】本発明の第４の実施の形態の光学式エンコーダの斜視図であり、スケールが原点位置に位置している状態が描かれている。
【図１２】本発明の第４の実施の形態の光学式エンコーダの斜視図あり、スケールが移動リミットに位置している状態が描かれている。
【図１３】光学式エンコーダの従来例を示している。
【図１４】光学式エンコーダの別の従来例を示している。
【符号の説明】
１１　第１の可干渉光源
１２　第２の可干渉光源
１３　第３の可干渉光源
２１　第１の光検出器
２２　第２の光検出器
２３　第３の光検出器
４０　スケール
４０ａ　光学パターン
４１　原点検出用集光回折格子パターン
４２　リミット検出用集光回折格子パターン
【図１】
2004037166.tif 000003
【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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