(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定型と可動型により成形される光学スケールであって、
発光素子から発光される光束を反射し、反射光束を受光手段に導くための反射部と、
軸を保持し、スケールを回転させるための軸保持部と、を有し、
前記反射部は前記軸保持部と同一面側に配置され、前記軸保持部は前記固定型または可動型の一方により一体的に成形され、他方面側に型のスケールの中央部に対応する位置に注入ゲートを有し、透明樹脂を前記注入ゲートから注入することにより成形されることを特徴とする光学スケール。
【請求項２】
前記軸保持部は前記光学スケールを回転させるための前記軸に取り付けるための有底凹形状部を有し、前記有底形状部の反対面に前記注入ゲートを設けたことを特徴とする請求項１に記載の光学スケール。
【請求項３】
発光素子と、
受光素子とを有し、
前記発光素子から投光された光束を請求項１または２に記載の光学スケールにて反射させ、前記受光素子にて受光した光束の変化に基いて前記スケールの移動量を検出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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高精度に移動情報を検出する光学式エンコーダ、及びそれに用いる光学スケール、及びこれを成形するための成形用金型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より知られている移動体の位置や速度を検出する方法としては、大別すると磁気式エンコーダによる方法と、光学式エンコーダによる方法がある。このうち、光学式エンコーダは、主として投光部と受光部とスケールとで構成される。スケールは、薄いＳＵＳ（ステンレス）材が使用され、精密プレス打抜き、あるいはエッチングによって製作されるのが一般的であり、実開昭６３−３３４０９号公報記載のものもこれに相当する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術によって製作されたスケールは、モーターシャフトに固定するために必要なハブ部が別部品で構成されるために、スケールスリット部とハブ部の同軸度を保証するため、スケールとハブを接着する際に調整を行う必要があり、製作に手間がかかるという問題点があった。
【０００４】
また、従来より光学式ロータリエンコーダ用スケールとしては、板厚０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度の金属板をエッチング等の手法で、スリット部を形成した金属スケール、あるいは、厚み０．２ｍｍ程度の写真製版用フィルムに光透過部と光吸収部を写真現像等の手段でスリットを形成したフィルムスケール、精度を要求される分野で用いられる高精度なスケールとしては、ガラス基板に金属薄膜を蒸着してスリット部をフォトエッチング等の手法で形成したガラス製のスケール等がしられている。
【０００５】
しかしながら、上述のいずれのスケールも回転軸との結合部分はハブ部材を介して間接的に結合されるため、スケールに形成されたスリット部の中心と回転軸との間の偏芯精度を高精度に保ちながら固定することが困難で、高度の調整を要していた。また、同様に上述の構成のため、回転に伴うスケールの面振れについても回転軸との直角度を高精度に保つことが困難である。さらには、金属スケールやフィルムスケールではスケールの厚みが０．２ｍｍ以下であるため、その平面度が劣り、面の振れ（ばたつき）が大きく、角度検知精度の劣化要因となっている。平面度が比較的高精度に得られるガラス製スケールでは直角度精度を高めることは比較的容易であるが、衝撃に弱く、また高価であるという欠点を有していた。
【０００６】
また、こうした精度劣化要因を回避しようと試みた施策が結果的に、エンコーダユニットの小型化、ローコスト化の妨げになるという問題点を招いている。たとえば、エンコーダの厚み方向（軸スラスト方向）の寸法に関しては、面の振れを極力抑えるためにスケール取り付けハブの寸法を長くとることが求められ、エンコーダユニット全体のスラスト方向の寸法が増大し、エンコーダの薄型化の妨げとなったり、同軸度、直角度を高精度に維持しながら結合組立を行うため、高度な調整工程が必要となりコストが増大していた。
【０００７】
従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、製作が容易でありながら、高精度な移動信号の出力を可能とする光学スケール及びその成形用金型及び光学式エンコーダを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる光学スケールは、固定型と可動型により成形される光学スケールであって、発光素子から発光される光束を反射し、反射光束を受光手段に導くための反射部と、軸を保持し、スケールを回転させるための軸保持部と、を有し、前記反射部は前記軸保持部と同一面側に配置され、前記軸保持部は前記固定型または可動型の一方により一体的に成形され、他方面側に型のスケールの中央部に対応する位置に注入ゲートを有し、透明樹脂を前記注入ゲートから注入することにより成形されることを特徴とする。
【０００９】
また、この発明に係わる光学スケールにおいて、前記軸保持部は前記光学スケールを回転させるための前記軸に取り付けるための有底凹形状部を有し、前記有底形状部の反対面に前記注入ゲートを設けたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係わる光学式エンコーダは、発光素子と、受光素子とを有し、前記発光素子から投光された光束を上記の光学スケールにて反射させ、前記受光素子にて受光した光束の変化に基いて前記スケールの移動量を検出することを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の光学スケールを製造するための金型の断面図であり、図２は従来例を示す図である。
【００２６】
図２のように、光学スケール３のスリット部１１を形成する金型部１２とシャフト取り付け穴３ｆを形成する金型部１３が可動側の型７と固定側の型８のそれぞれに配置されている場合、可動型７と固定型８の合わせによりスリット部１１とシャフト取り付け穴３ｆの位置関係は変動する。これにより図２の金型構成によって製作された光学スケールを光学式エンコーダに用いた際、その出力信号における累積精度は、ばらつきを大きく持つこととなり、高精度な速度制御や位置決め制御を行うことが困難となる。
【００２７】
これに対して、図１に示すようなスリット部１１を形成する金型部１２とシャフト取り付け穴３ｆを形成する金型部１３の両金型部が固定型８のみに配置されている場合は、これら２つの金型部の位置関係は加工時の嵌合精度に依存するため、安定した同軸度を得ることが可能となる。このことにより、光学スケールの出力信号における累積精度ばらつきを低減させることが可能となり、さらにその累積精度からスリット部１１とシャフト取り付け穴３ｆの偏芯を算出し、その値をもとに偏芯を補正することにより、さらに高精度の出力信号を検出することが可能となる。なお、図１において、１０は樹脂材料を金型内に射出するためのゲートであり、９は可動型７と固定型８を分離するパーテーションラインである。
【００２８】
次に、図１に示した金型構造によって製作された光学スケールを光学式ロータリーエンコーダに用いた場合の出力信号における累積精度について説明する。
【００２９】
図３は光学系の要部斜視図、図４は光学系の要部断面図、図５は光学スケールの説明と、光学スケールの格子部と受光部からの信号の説明のための図、図６は光学スケールの要部断面図である。
【００３０】
図中、１は光源であり、例えばＬＥＤや半導体レーザで構成し、波長λ（６３２．８ｎｍ）の可干渉性光束を発している。２はレンズ系であり、球面レンズ又は非球面レンズより成り、光源１からの光束を集光して、後述する光学スケール３に導光している。
【００３１】
光源１とレンズ系２は、光照射部ＬＲの一要素を構成している。３は位相差検出機能と振幅型の回折格子機能とを有する光学スケールであり、図３に示すように円板状の基板の表面上に一定周期の複数の放射状格子より成る格子部３ｄを設けて構成されている。光学スケール３の基板は透光性の光学材料（樹脂材料）より成り、回転体（不図示）の一部に取り付けられており、その回転体と一体的に回転軸３ｅを中心に矢印６方向に回転する。
【００３２】
図５（Ａ），（Ｂ）は光学スケール３の格子部３ｄの詳細図であり、Ｖ溝部を構成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２と１つの平面部３０ａが所定のピッチＰで交互に配列されて格子部３ｄを形成している。Ｖ溝幅は（１／２）Ｐであり、またＶ溝を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２は各々（１／４）Ｐの幅を有し、各々の傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２は、平坦部３０ａに対し各々臨界角以上、本実施形ではθ＝４５°で傾いている。
【００３３】
本実施形態では、光学スケール３の材質をポリカーボネイトとし、射出成形もしくは圧縮成形等の製法によって作成している。この時、光学スケールを成形する金型は、図１のような固定型８と可動型７からなる成形金型であり、光学スケール３のシャフト取り付け穴３ｆを形成する金型部１３とスリット部１１を形成する金型部１２の両金型部が可動型７もしくは固定型８のどちらか一方に構成され、両金型部の位置関係が高精度に保たれている。
【００３４】
図６にその光学スケール３の断面図を示す。この光学スケール３は、モーターのシャフトに組付けるためのボス３ｇとフランジ３ｈが一体成形されている。このボス３ｇの軸中心から図１のようにピンゲート１０で樹脂を流入させ、樹脂の流れを軸中心から放射状にすることにより素材内の配向や内部歪みが均一になり高精度の光学スケールを得ている。これは、光学スケール３のＶ溝の形状を忠実に成形で再現しなければＳ／Ｎの良い信号を得ることができないため、Ｖ溝の溝方向と平行に樹脂が流れるようにするものである。４は凹面ミラーであり、球面ミラー、楕円ミラー、放物ミラー、非球面ミラー等から成っている。凹面ミラー４は格子部３ｄのフーリエ変換面に一致している。
【００３５】
本実施形態では図３，図４に示すように、レンズ系２で集光され、光学スケール３の第１領域３ａに入射した光束が光学スケール３の格子部で回折し、このときｎ次の回折光（０次と±１次の回折光）が凹面ミラー４の面又はその近傍（凹面ミラー４の瞳位置又はその近傍）に集光するように各要素を設定している。
【００３６】
凹面ミラー４の光軸と入射光束の中心光線（主光線）は図４に示すように偏心量Δだけ偏心している。凹面ミラー４は、光学スケール３で回折し、集光してきた収束光束（３つの回折光束）を反射させ、光学スケール３の面上の第２領域３ｂに３つの回折光に基づく干渉パターン像（像）を再結像させている。このとき光学スケール３が回転方向６に移動すると再結像した像は回転方向６とは反対の方向に移動する。即ち、格子部と干渉パターン像は相対的に光学スケール３の移動量の２倍の値で相対変位する。本実施形態では、これにより光学スケール３に構成されている格子部の２倍の分解能の回転情報を得ている。
【００３７】
５は受光部であり、光学スケール３の格子部３ｄの第２領域３ｂ近傍に形成した干渉パターンと格子部のＶ溝との位相関係に基づく光束が第２領域３ｂで幾何学的に屈折され、射出した３つの光束を各々受光するための３つのフォトディテクタ（受光素子）５ａ，５ｂ，５ｃを有している。この受光部５からの信号をパルスカウント回路や回転方向の判別回路を有する信号処理回路によって処理し、これより回転情報を得ている。なお、光源１、レンズ系２、そして受光部５は筐体ＰＫ内に固定保持されている。
【００３８】
次に本実施形態における光学スケール（回転体）３の回転情報の検出方法について説明する。
【００３９】
光照射部の一要素であるＬＥＤ１からの光束をレンズ系２により凹面ミラー面上４の反射面又はその近傍に集光するようにしている。この収束光を図３に示すように光学スケール３の格子部３ｄ上の第１領域３ａに入射させる。第１領域３ａに入射した収束光のうち図５に示す格子部３ｄの平面部３０ａに到達した光線は該平面部３０ａを通過して凹面ミラー４に進み、その面上に結像する。またＶ溝を構成する傾斜面３０ｂ−１に到達した光線は、傾斜面３０ｂ−１の傾斜角が臨界角以上に設定されているため、図に示すように全反射してＶ溝を構成する他方の傾斜面３０ｂ−２に向けられ、傾斜面３０ｂ−２においても全反射する。
【００４０】
このように最終的に格子部３ｄの傾斜面３０ｂ−１へ到達した光線は、光学スケール３の内部に進入することなく、入射方向に戻されることになる。同様にＶ溝を構成する他方の傾斜面３０ｂ−２に到達した光線も全反射を繰り返して戻される。従って第１領域３ａにおいてＶ溝を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２の範囲に到達する光束は、光学スケール３内に進入することなく反射され、平面部３０ａに到達した光線のみが光学スケール３を進むことになる。
【００４１】
即ち、第１領域３ａにおいて、Ｖ溝型の格子部３ｄは透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有する。この第１領域３ａの格子部３ｄで光束は回折され、格子部の作用により０次、±１次、±２次‥‥の回折光が生じ、凹面ミラー４の面上にその回折光が集光する。集光した回折光は、主光線１０１ａに対して偏芯している凹面ミラー４によって反射し、光学スケール３の第２領域３ｂ部で再結像し、光学スケール３の面上に像（放射状の溝の像）を再結像する。
【００４２】
ここで第１領域３ａと第２領域３ｂは光学スケール３の面の放射状格子の格子部３ｄに対して半径方向に異なった（一部が重複していても良い）領域である。このとき、光学スケール３は放射状の格子部３ｄを有するため、第１領域３ａと第２領域３ｂの格子ピッチが異なる。さらに、第２領域３ｂの照射領域においても光学スケール３の内周側と外周側のピッチが異なっている。
【００４３】
そこで本実施形態では、格子部３ｄ上の第２領域３ｂに第１領域３ａの格子部を拡大投影し、光学スケール３の放射状の格子部３ｄのピッチと同様の像（反転像）を形成するようにしている。そのために本実施形態では凹面ミラー４を所望の曲率半径Ｒに設定し、入射光束の主光線に対して偏心配置するとともに入射光軸に対するずれ量Δも最適な値にしている。
【００４４】
これによって第１領域３ａの格子部の像が凹面ミラー４によって第２領域３ｂ面上に再結像するとき放射状格子の一部のピッチが合致するようにしてＳ／Ｎ比の良い検出信号を得ている。
【００４５】
本実施形態では凹面ミラー４で反射し、格子部３ｄの第２領域３ｂ上に再結像した３つの光束のうち、今度は格子部３ｄで幾何学的に屈折する光束のみを用いている。
【００４６】
第２領域３ｂにおいて平面部３０ａに入射した光束は、図５（Ｂ）に示すように直線透過し、受光部５の中央部のフォトディテクタ５ｃに到着する。また、Ｖ溝面を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１及び３０ｂ−２に到達した光線は、各々の面に４５°の入射角を持って入射するため、それぞれ異なる方向に大きく屈折して受光部５の両側のフォトデイテクタ５ａ及び５ｂに到達する。
【００４７】
このように第２領域３ｂにおいて、入射光束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２及びＶ溝の間の平面部３０ａの合計３種の傾き方向の異なる面により、光束は３つの方向に別れて進み、各々の面に対応した位置に設けられた各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに到達する。即ち第２領域３ｂにおいてＶ溝の格子部３ｄは光波波面分割素子として機能する。
【００４８】
即ち第２領域３ｂの格子部と、その面上に結像した干渉パターン像との位相関係に基づく光束が３方向に偏向され、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに入射している。
【００４９】
ここで光学スケール３が回転すると、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃで検出される光量が変化する。格子部３ｄの位置と像の位置の相対的変位に応じ、各フォトディテクタに入射する光量バランスが変化し、その結果、光学スケール３が反時計廻りに回転したとすると、図５（Ｃ）に示すような光学スケール３の回転に伴う光量変化が得られる。ここで横軸は光学スケール３の回転量、縦軸は受光光量である。
【００５０】
信号ａ，ｂ，ｃはそれぞれフォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに対応している。なお、逆に光学スケール３が時計廻りに回転した場合は、信号ａはフォトディテクタ５ｂ、信号ｂはフォトディテクタ５ａ、信号ｃはフォトディテクタ５ｃの出力となる。これらの信号を基に光学スケール３の回転角度や回転量あるいは回転速度や回転加速度等の回転情報を得ている。
【００５１】
なお、図５（Ｃ）は第２領域３ｂに形成される像のコントラストが非常に高く理想に近い場合の理論的な光量変化の様子を示している。
【００５２】
図７は本光学系における累積精度で、横軸は光学スケール３の回転量、縦軸はスケールピッチの読み取り誤差の累積値である。図７の累積精度において、本実施形態の光学スケールを５個測定した結果、累積精度の個体差が非常に小さく、スリット部とシャフト取り付け穴との位置関係が成形時に保たれていることが分かる。更に光学スケール３内に不均一な樹脂の流れが無くＶ溝の転写性も良好であるため、光学スケール一周に対する１次の偏芯成分以外の高次成分がほどんど存在していない。
【００５３】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図８は、第２の実施形態の金型構成を示す図である。
【００５４】
図８のようにスリット部１１を形成する金型部１２とシャフト取り付け穴３ｆを形成する金型部１３の両金型部が可動型７のみに配置されているため、これら２つの金型部の位置関係は加工時の嵌合精度に依存しており、安定した同軸度を得ている。この場合、ゲート１０は輪体状に構成されている。効果は、第１の実施形態と同等である。
【００５５】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図９は、第３の実施形態の金型構成を示す図である。
【００５６】
図９のようにスリット部１１を形成する金型部１２とシャフト取り付け穴３ｆを形成する金型部１２が一体で構成されており、その金型部が固定型８に配置されているため、スリット部１１とシャフト取り付け穴３ｆは安定した同軸度を得ている。効果は、第１の実施形態と同等である。
【００５７】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。図１０は、第４の実施形態の金型構成を示す図である。
【００５８】
図１０のようにスリット部１１を形成する金型部１２とシャフト取り付け穴３ｆを形成する金型部１２が一体で構成されており、その金型部が可動型７に配置されているため、スリット部１１とシャフト取り付け穴３ｆは安定した同軸度を得ている。効果は、第１の実施形態と同等である。
【００５９】
（第５乃至第８の実施形態）
図１１乃至図１４の金型構成図は、スケール３がディスク形状の場合であり、効果は第１の実施形態と同等である。
【００６０】
（第９乃至第１３の実施形態）
図１５乃至図１９は、スリット部の形状図である。図１５乃至図１９の形状は、全て波面分割機能を有しており、第１の実施形態と同様に複数の受光素子に波面を分割し、その光強度から移動体の位置もしくは速度を検出する。このようなスリット部をスケール面上に形成させる際、図１、図８乃至図１４の金型構成にて製作する。これに対する効果は、第１の実施形態と同等である。
【００６１】
以上説明したように、上記の実施形態によれば、光学スケールをプラスチック製とし、さらに光学スケールのシャフト取り付け穴を形成する金型部とスリット部を形成する金型部の両金型部が可動型もしくは固定型のどちらか一方に構成され、シャフト取り付け穴とスリット部の同軸度が安定して得られているため、高精度の移動情報を出力することが可能な光学スケールとその成形に直接使用される成形金型とを提供することができる。
【００６２】
（第１４の実施形態）
上記の第１乃至第１３の実施形態では、光透過型の光学スケール（エンコーダ）について説明したが、この第１４の実施形態では、光反射型の光学スケール（エンコーダ）について説明する。
【００６３】
図２０は、光学式反射型エンコーダスケールのスケール反射部の斜視図である。
【００６４】
図中、１０３は反射部ＯＥが含まれる反射体（反射スケール）である。本実施形態において反射部ＯＥは斜視図のほぼ中央に位置する複数のＶ字型溝群を指す。１０３ａ，１０３ｂはＶ字型溝を構成する２つの傾斜面である。この反射部ＯＥが形成された反射体１０３の基板は、透過性部材ＴＴ１からなり、ポリメチルメタリクレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ノルボルネン（ＰＣＰＤ）系の透明耐熱樹脂「アートン」（熱変形温度１７０℃の耐熱性）等の透過製樹脂からなる。
【００６５】
本実施形態の反射体は、２つの反射面１０３ａ，１０３ｂを所定の角度（８５°〜９５°）で対向配置したルーフミラーを複数個、一次元方向に配列した反射部（マイクロルーフミラーアレイ）を透明基板（透光性樹脂）の面に設けて構成されている。
【００６６】
ここで、ルーフミラー面は、透光性樹脂の内部全反射による反射作用を用いるか、又は金属鏡面反射面を用いる。
【００６７】
まず本実施形態の反射体の光学作用を従来の反射体と対比して説明する。
【００６８】
図２６は従来の反射体２０３の説明図である。
【００６９】
図２６は光源２０１からの発散光束が反射体２０３の入射面２０３Ｆより入射し、平面より成る反射面２０３Ｒで反射して、光束の広がり角度が維持されたまま受光部２０２側へ導かれる様子を示している。
【００７０】
図２７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は反射体３に１つのルーフミラーを用いた場合の光路図である。
【００７１】
図２７は、２つの反射面３０３ａ，３０３ｂを所定の角度で対向配置したルーフミラーの１個で光束を反射させるように配置した場合を示している。
【００７２】
図２７（Ａ）では光源１から全方向に反射された光束が先の図２６で示したのとほぼ同等の広がり角度をもって受光部３０２側へ導かれる。
【００７３】
２つの反射面３０３ａ，３０３ｂで分割された光源３０１からの発散光束は重なり合うことなく受光部２側へ進行する。
【００７４】
図２７（Ｂ），（Ｃ）は光源３０１からの反射された発散光束が２つの光束に分割されることを示している。
【００７５】
図２７（Ｂ），（Ｃ）では、光源３０１から片方に放射された光束がルーフミラーを構成する２つの傾斜３０３ａ，３０３ｂで分割分離されている。
【００７６】
例えば図２７（Ｂ）では光源３０１から右側に放射された光束が受光部３０２側で左方に導光されている。ルーフミラーにより分割、分離後の光束は重なることなく受光部３０２側へ進んでいる。
【００７７】
図２８は本実施形態の反射体１０３の光学作用の説明図である。
【００７８】
２つの反射面１０３ａ，１０３ｂを所定の角度で対向配置したルーフミラーを複数個、一次元方向に配列した反射部ＯＥを透明基板１０３ｅの一面に設けている。
【００７９】
光源１０１からの発散光束は反射体１０３の反射部ＯＥで反射した後、任意の位置（受光部１０２又はその近傍）で互いに重なっている。
【００８０】
光源１０１からの発散光束は受光部１０３の面内に略収まり、光源１０１から広がり角度を持って発光した光束は受光面１０２に略収まり、受光部１０２面上の光束の光線密度が上がっている。
【００８１】
図２９（Ａ）〜（Ｄ）は、光源１０１から種々の方向に発散した光束が反射体１０３に入射し、複数のルーフミラーによって複数の光束に分割されルーフミラーで反射した後に、各ルーフミラーで反射した光束が任意の位置（受光部１０２又はその近傍）で互いに重なり合う状態を示している。
【００８２】
いずれの場合も反射体１０３からの反射光は受光部１０２又はその近傍で光束が互いに重なり合っている。
【００８３】
各ルーフミラーの傾斜面ごとの光束が分割分離するが、図２９（Ａ）と（Ｄ）の反射光束は受光面１０２上で重なり合い、又、図２９（Ｂ）と（Ｃ）の反射光束は受光面１０２上の同じ領域で重なり合っている。
【００８４】
図３０（Ａ），（Ｂ）は反射体１０３の基板となる透過性部材の材質の屈折率の違いによる光線作用の違いを説明するための図である。
【００８５】
図３０（Ａ）は透過性部材１０３ｅの材質の屈折率が１．６９の場合、図３０（Ｂ）は屈折率が１．５３の場合である。
【００８６】
材質の屈折率が高いと臨界角が小さくなり、全反射するための光線入射角度が緩和される。本実施形態の反射体では、高屈折率の透過性部材を用いており（屈折率１．６５以上）これにより光の利用効率を高めている。
【００８７】
図３１、図３２は、反射部を構成するルーフミラーの数による反射光束の集光状態を示した図である。
【００８８】
図３１（Ａ）〜（Ｃ）において、ルーフミラーの数が増すごとに傾斜面１面当りの反射面が光源１０１を見込む角度：θｒは小さくなり、同時に、分割された光束の１光束の光量は減少するが、受光面１０２へ導かれる反射光束の受光面上の照射領域も小さくなる。
【００８９】
ルーフミラーの数が増えることで光量の減少分は打ち消され、トータル光量は変わらず、受光面１０２への照射面積が小さくなる効果のみが有効となる。
【００９０】
図３２（Ａ）〜（Ｃ）は、同一の発散角度を持って光源１０１から出射した光束が反射体１０３に入射して、しかも光源との距離を同一にした時を示している。図３２（Ａ）〜（Ｃ）において受光面１０２上へ導かれる光束の光線密度はルーフミラーのピッチが小さくなるほど高くなっている。
【００９１】
本実施形態における反射部位は以上の構成を基本としている。
【００９２】
図３３は、この反射部位を有したロータリスケールを含むロータリエンコーダの構成の概要を示す斜視図である。
【００９３】
図３４は放射状に配置された反射部位の構成を示す斜視図である。
【００９４】
図３５、および図３６は図３４における矢視Ａ、Ｂから見た図である。
【００９５】
次に図２０を用いて、本実施形態の反射素子（反射体）の光学作用を説明する。
【００９６】
フォトセンサを構成するセンサ光源からの光束（不図示）は、図２０の反射体１０３の下方（Ｖ字型溝を設けた面と対向する面）より反射体１０３に照射され、透光性部材ＴＴ１の内部を光束が進行する。そのうち、Ｖ字型溝部へ到達した光束は、内部全反射の作用により２回の全反射を繰り返して、再びフォトセンサの光源１０１側の空間へ戻され、フォトセンサを構成するセンサ受光部へ導かれる。なお、図中、Ｓａは反射体１０３の変位方向を示している。
【００９７】
反射体１０３の反射部分は、複数の連続したＶ字型溝よりなり、この複数のＶ字型溝が連続して配列された、「Ｖ字型溝群」ＯＥを一体的な光学エレメントとしての反射部としている。
【００９８】
本実施形態において、図中Ｌａは不図示の反射式エンコーダにおける光源の発光面に立てた法線で、この法線Ｌａは光源から反射体１０３に照射される光束の主光線と一致し、その主光線と反射スケール（反射体１０３）はほぼ垂直に交わっている。
【００９９】
図２１は、第１４の実施形態の反射式リニアエンコーダ用スケールとしての反射体１０３を上面（Ｚ軸方向）から見た図である。
【０１００】
本実施形態の反射素子ＯＥは、変位測定方向Ｓａに沿って図中、Ｐ１で示される間隔（ピッチ）で配列されている。このピッチＰ１は、反射式エンコーダ用スケールのスケールピッチに相当し、センサによる変位測定の際の測定分解能を決定する。
【０１０１】
さらに図２１中のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図にてこの反射体１０３の特徴を説明する。
【０１０２】
図２２、図２３は、それぞれ図２１のＡ−Ａ断面およびＢ−Ｂ断面を表している。以下、図２２、図２３での図中記号を説明する。
【０１０３】
１０３ａ，１０３ｂ：Ｖ字型溝ＯＥを構成する２つの傾斜面
Ｒａ：２つの傾斜面１０３ａ（１０３ａ１，１０３ａ２…），１０３ｂ（１０３ｂ１，１０３ｂ２…）のなす角度（Ｖ字型溝の開き角）
Ｐｍ：Ｖ字型溝の配列ピッチ
ｄ：Ｖ字型の溝深さ
Ｐ１：反射素子ＯＥの配列周期（＝エンコーダスケールピッチ）
上記の形状パラメータに対して、本実施形態での具体的な設計値例としては、
Ｐ１≒１６９μｍ
Ｐｍ≒１００〜２００μｍ
Ｒａ≒９５°
Ｗｒｍａ≒８５μｍ
ｄ２≒Ｐｍ／２＋１０μｍ
ｄ≒Ｐｍ／２  （５０〜１００μｍ）
また、図２２中、ｎは、光源からの主光線Ｌａと平行な直線をあらわし、本実施形態ではＶ字型溝のなす角を２等分する。
【０１０４】
図２３において、面１０３ｃは平面平坦部で、Ｖ字型溝群の間に存在しており、この部分への裏面ＴＴ１ｂから照射された光束は、全反射せず透過して、エンコーダ側の受光素子部へ入射しない。
【０１０５】
図２３において、面１０３ｃと面１０３ｃとの間の凹部の斜面３１０ｄと、面１０３ｃの法線１０３ｅとのなす角度Ｒｂは射出成形技術で反射スケール１０３を製造する際に必要な金型の抜き勾配としての角度を設けており、具体的にはＲｂ≒３°〜５°程度である。
【０１０６】
以上、第１４及び１５の実施形態では、複数の連続したＶ字型溝群による透光性部材の内部全反射の作用を利用している。このため反射体１０３は、その基板の表面にアルミ反射膜などを施さずに、実質的な光束の反射機能を果たしている。
【０１０７】
本実施形態の反射体１０３は内部全反射の作用を利用した透光性部材である。
Ｒａ＝９０度の設定でしかもピッチＰｍを問題ない寸法に設定した場合に、実現可能なフォトセンサ側の構成例として、図２４の構成が適用できる。
【０１０８】
図２４において、反射スケール１０３は透光性部材からなり角度Ｒａ＝９０度の設定である。
【０１０９】
この場合には、受光素子１０２のシリコンフォトダイオードのチップ上にＬＥＤ１０１のチップを載せて実装し、上述の問題を回避することが可能である。実装密度が高い点では好ましい構成ともいえるがＬＥＤ１０１の発熱を考慮する必要がある。
【０１１０】
実装面から考えると角度オフセットを与え（９０度よりも大きな角度に設定し）図２５のように同一の実装面にシリコンフォトダイオード１０２と、ＬＥＤチップ１０１を並べて実装するのが好ましい。
【０１１１】
そこで有効な手段としては、この角度Ｒａを９０度より大きい角度に設定することが良い。
【０１１２】
これまでスケールの光学的な作用について説明してきたが、このような溝形状を施すことにより、光学式反射型エンコーダスケールとしての機能が実現可能となる。
【０１１３】
次に、このスケールを高精度に成形するための成形金型の構造、および、このスケールをエンコーダユニットとして被回転角度検出軸に組み付けた場合の検出ヘッドとの関係について説明する。
【０１１４】
図３７は、本実施形態のスケールを成形するための金型構造を示す図である。
【０１１５】
軸取付け部１０３ｆと光線反射機能部（Ｖ字型溝）１１１を同一の金型部材から形成し、可動側型１１２と、１点ピンディスクゲート１１０を有する固定側型１０７とを用いて、本実施形態のスケール１０３は成形される。このことにより、溶融樹脂はセンターに位置するピンゲートを中心に放射方向に均一に流動し、応力分布や寸法精度の面で周方向において均一な特性、精度が得られる。さらに、反射部位と軸嵌合部が同一駒型に配置されることで、得られる成形品形状は図３８のような形状となる。そのため、モータ等の回転軸に装着する場合に、図３９に示したように、反射部が軸受け近傍に位置することとなり、軸受けガタ、遊びに起因する軸の旋回（振れまわり）が発生した場合においても、偏芯誤差及び反射面の軸方向の上下動を小さく抑えることが可能となるとともに、検出ヘッドの配置もスケールの嵌合長を確保するための凸形状部の高さｈの寸法内に収めることが可能となり、ユニットの薄型化への効果が大きい。
【０１１６】
図４０は他の実施例のスケール形状を示す図で、図３７と同様の金型構造をとるが、図４１に示したカッティングラインＣＬにて切断して、貫通穴としている。この場合には、エンコーダユニットとしては、図４２のように、スケール１０３およびヘッドが配置される。先の実施例に対して、ユニットとして占有する体積は膨らむが、検知ヘッド１０１，１０２と軸受け部材とが同一部材上に配置されヘッド１０１，１０２、スケール１０３間の位置決め精度の面で有利なレイアウトが実現可能となる。この場合においても先の例と同様に、軸嵌合部１０３ｆと反射部１１１が同一の金型駒で成形されるため、部品単体での反射部パターンセンターと軸嵌合穴との関係は高精度に保たれる。
【０１１７】
図４３は、先の例と異なり、ピンディスクゲート１０のゲート位置をディスクのセンターにレイアウトせずに、たとえば図のようなハブ部位端部に配置している。このようにすることで先の実施例での軸の貫通穴をあけるための２次加工をなくすことが可能で成形品形状としては、図４４のように軸保持部として貫通した穴形状１０３ｆが得られる。ここでも先の例と同様に、軸嵌合部１０３ｆと反射部１１１が同一の金型駒で成形されるため、部品単体での反射部パターンセンターと軸嵌合穴との関係は高精度に保たれる。
【０１１８】
図４５は、さらに先の例と異なり、回転角度検出軸との結合部分が凸形状、軸側が凹形状として結合された構成となっている。ピンディスクゲートのゲート位置は図の上側のディスクのセンターにレイアウトさせている（不図示）。
【０１１９】
ここでも先の例と同様に、軸嵌合部１０３ｆと反射部１１１が同一の金型駒で成形されるため、部品単体での反射部パターンセンターと軸嵌合穴との関係は高精度に保たれる。
【０１２０】
また、ヘッド、スケールの配置に関しても最小のスペースに収まっており薄型化の効果が大きい。
【０１２１】
図４６もほぼ同様の構成であるが先程のスケールの軸結合部凸形状部分が回転軸と結合せず、ベアリングの内輪に結合された構成となっている。
【０１２２】
この場合の効果も図４５と同様である。
【０１２３】
以上のように、第１４の実施形態によれば、測定、観測対象となる反射体に設ける反射素子を適切に構成することにより、フォトセンサにレンズを用いなくても高い光伝達効率が得られ、又、反射体とフォトセンサ間の相対的な位置ずれに対しても感度の鈍い特性となり、反射体の有無や移動状態を高精度に検出することができる反射体及びそれを用いたエンコーダ等の光学装置を達成することができる。
【０１２４】
また、反射体を光学センサ用の標識部材、光学スケールとして用いることで、発光、受光間で高い光伝達効率が得られ、また、反射体、センサ間の相対的な位置ずれに対しても感度の鈍い特性にすることができ、レンズが不要なためセンサの小型化、薄型化が可能となる。又、反射膜等を施すことなくインジェクションモールドやプレス技術で製造可能なため、加工コストもかからずローコスト化に有効となる。
【０１２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、製作が容易でありながら、高精度な移動信号の出力を可能とする光学スケールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の光学スケールを製造するための金型の断面図である。
【図２】従来の金型構造を示す断面図である。
【図３】ロータリーエンコーダの光学系の要部斜視図である。
【図４】ロータリーエンコーダの光学系の要部断面図である。
【図５】光学スケールの説明と、光学スケールの格子部と受光部からの信号の説明のための図である。
【図６】光学スケールの断面図である。
【図７】ロータリーエンコーダの累積精度を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態の金型の断面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態の金型の断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態の金型の断面図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態の金型の断面図である。
【図１２】本発明の第６の実施形態の金型の断面図である。
【図１３】本発明の第７の実施形態の金型の断面図である。
【図１４】本発明の第８の実施形態の金型の断面図である。
【図１５】本発明の第９の実施形態のスケールの断面図である。
【図１６】本発明の第１０の実施形態のスケールの断面図である。
【図１７】本発明の第１１の実施形態のスケールの断面図である。
【図１８】本発明の第１２の実施形態のスケールの断面図である。
【図１９】本発明の第１３の実施形態のスケールの断面図である。
【図２０】１次元収束性反射素子で、リニアエンコーダ用スケールとして用いたときの斜視図である。
【図２１】図２０のリニアエンコーダ用スケールを光源光軸方向からみた上面図である。
【図２２】図２０のリニアエンコーダ用スケールのＹ−Ｚ断面図（図２１の矢視Ａ−Ａ図）である。
【図２３】図２０のリニアエンコーダ用スケールのＸ−Ｚ断面図（図２１の矢視Ｂ−Ｂ図）である。
【図２４】第１４の実施形態の反射スケールの反射光路を表すオフセットなしでの図である。
【図２５】第１４の実施形態の反射スケールの反射光路を表すオフセットありでの図である。
【図２６】従来の反射体の光路を示す概略図である。
【図２７】２つのＶ溝を有する反射体の光路を示す概略図である。
【図２８】第１４の実施形態の反射体の光路を示す概略図である。
【図２９】第１４の実施形態の反射体の光路を示す概略図である。
【図３０】第１４の実施形態の反射体の光路を示す概略図である。
【図３１】第１４の実施形態の反射体の光路を示す概略図である。
【図３２】第１４の実施形態の反射体の光路を示す概略図である。
【図３３】第１４の実施形態のロータリエンコーダの構成を示す概略図である。
【図３４】第１４の実施形態のロータリエンコーダスケールの構成を示す概略図である。
【図３５】第１４の実施形態の反射体の光路を示す概略図である。
【図３６】第１４の実施形態の反射体の光路を示す概略図である。
【図３７】第１４の実施形態のスケール用金型断面図である。
【図３８】第１４の実施形態のロータリエンコーダスケールの製品断面図である。
【図３９】第１４の実施形態のロータリエンコーダの構成を示す概略図である。
【図４０】第１４の実施形態の他の例のスケール用金型断面図である。
【図４１】第１４の実施形態の他の例のロータリエンコーダスケールの製品断面図である。
【図４２】第１４の実施形態の他の例のロータリエンコーダの構成を示す概略図である。
【図４３】第１４の実施形態のさらに他の例のスケール用金型断面図である。
【図４４】第１４の実施形態のさらに他の例のロータリエンコーダスケールの製品断面図である。
【図４５】第１４の実施形態のさらに他の例のロータリエンコーダの構成を示す概略図である。
【図４６】第１４の実施形態のさらに他の例のロータリエンコーダの構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１  光照射部
２  レンズ
３  光学スケール
３ａ  第１領域
３ｂ  第２領域
３ｄ  格子部
３ｅ  回転中心
４  凹面ミラー
５  受光素子
５ａ，５ｂ，４ｃ  受光素子
６  回転方向
７  可動型
８  固定型
９  パーテーションライン
１０  ゲート
１１  スリット部
１２  スリット駒
１３  スケール勘合穴用ピン
１４  ロータリースケール
３０ａ  平坦部
３０ｂ−１，３０ｂ−２  Ｖ溝
１０３  信号処理回路
ａ  受光素子４ａで得られる信号
ｂ  受光素子４ａで得られる信号
ｃ  受光素子４ａで得られる信号
１０１  光源
１０２  受光素子
１０３  反射スケール
１０３ａ，１０３ｂ  Ｖ溝を形成する斜面
１０３ｃ１，１０３ｃ２  平坦面
Ｐ１  スケールピッチ
Ｐｍ  Ｖ溝のピッチ
Ｒａ  Ｖ溝の角度
ｄ  Ｖ溝の深さ
Ｌ  光源ポイント
Ｐ  受光ポイント
Ｌａ  光源から立てた法線
Ｓａ  センサと反射体の相対変位方向
Ｗｒｍａ  Ｖ溝群の相対変位方向（Ｘ軸方向）の幅
【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】
0004726168.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0004726168.tif 000012
【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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