(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に光を照射する発光素子と、
前記対象物において反射、透過又は回折された前記発光素子からの光を検出する光検出器と、
前記発光素子から前記対象物を経由し前記光検出器に至る光路中に配置された、第１及び第２の透光部材とを有し、
前記第１の透光部材及び前記第２の透光部材によって、前記発光素子の射出面から前記対象物の被照射部分までの光学距離と前記対象物の被照射部分から前記光検出器の検出面までの光学距離とが略等しくなるように構成されていることを特徴とする光学式検出装置。
【請求項２】
対象物に光を照射する発光素子と、
前記対象物において反射、透過又は回折された前記発光素子からの光を検出する光検出器と、
前記発光素子から前記対象物を経由し前記光検出器に至る光路中に配置された第１及び第２の透光部材とを備え、
ここで、ｎ１０は、前記発光素子から前記対象物に至る光路中における前記第１の透光部材の屈折率、
ｔ１０は、前記発光素子から前記対象物に至る光路中における前記第１の透光部材の光主軸方向厚さ、
ｎ２０は、前記発光素子から前記対象物に至る光路中における前記第２の透光部材の屈折率、
ｔ２０は、前記発光素子から前記対象物に至る光路中における前記第２の透光部材の光主軸方向厚さ、
ｎ１１は、前記対象物から前記光検出器に至る光路中における前記第１の透光部材の屈折率、
ｔ１１は、前記対象物から前記光検出器に至る光路中における前記第１の透光部材の光主軸方向厚さ、
ｎ２１は、前記対象物から前記光検出器に至る光路中における前記第２の透光部材の屈折率、
ｔ２１は、前記対象物から前記光検出器に至る光路中における前記第２の透光部材の光主軸方向厚さであり、
前記ｔ１０とｔ１１の一方はゼロでもよく、前記ｔ２０とｔ２１の一方はゼロでもよいものとするとき、次式
ｎ１０・ｔ１０＋ｎ２０・ｔ２０＝ｎ１１・ｔ１１＋ｎ２１・ｔ２１
の関係が略成立するように構成されていることを特徴とする光学式検出装置。
【請求項３】
前記第１の透光部材と前記第２の透光部材は、互いに嵌合可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光学式検出装置。
【請求項４】
前記発光素子の射出面と前記光検出器の検出面が略同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学式検出装置。
【請求項５】
前記第１の透光部材と前記第２の透光部材がともに前記発光素子と一体化されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光学式検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式検出装置に係り、例えば、対象物に取り付けられた反射物の動きを検出するような光学式検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
対象物に取り付けられた反射物の動きを検出するような光学式検出装置の構成に関する第１の従来例を図１０及び図１１により説明する。
【０００３】
まず、光源１部分の従来構成から説明する。
【０００４】
小型のセンサ用光源としては、例えば、図１０の（ａ），（ｂ）に示すような構成の発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）などの半導体光源１が使用される。
【０００５】
図１０の（ａ）に示す光源１は、ＬＥＤチップ２１の裏面電極をヒートシンク２２の表面に形成された電極プレート２８上に張り付け、さらにＬＥＤの上面の電極を配線ワイヤ２７およびバンプ２６で接続しており、絶縁材２９でヒートシンクと電気的に絶縁されたリード線２３，２４から電力が供給される構造になっている。
【０００６】
このような図１０の（ａ）の光源１の構成では、光源の機械的強度の確保、及びＬＥＤチップ２１やワイヤ２７の封止などの目的で、全体を光透過性の樹脂などによる封止部材２５で封止した構造になっている。
【０００７】
また、図１０の（ｂ）の例では、封止部材２５の代わりに、側面には金属などによる側面封止部材３０で、光が通過する部分には透明封止部材３１で全体が封止されている。
【０００８】
図１１は、図１０の（ａ），（ｂ）に示した光源１を利用した光学式検出装置の第１の従来例を示している。
【０００９】
この図１１の光学式検出装置は、検出対象に取り付けた凹面ミラーレンズ９０の変位を光源１と光検出器３により検出するものである。
【００１０】
図１１において、光源１から出射した光ビームは一対の線分９で示した領域に拡がって出射されており、このビーム拡がりのうち一対の線分９′で示した領域が前述の凹面ミラーレンズ９０に照射されており、この反射光がスリット部材６５のピンホール付近でビームウェストになるように集光され、さらに、スリット部材６５と共に光検出器３を構成する受光部３３により検出される。
【００１１】
ここで、光源１の光ビーム出射面から凹面ミラーレンズ９０に至るｚ方向の距離をＬ１、凹面ミラーレンズ９０からスリット部材６５のピンホールに至るｚ方向の距離をＬ２で示している。
【００１２】
今、検出対象に取り付けた凹面ミラーレンズ９０が、例えば、ｚ方向に移動したとすると、凹面ミラーレンズ９０からの反射光のビームウェストの位置がずれるため、スリット部材６５と、受光部３３とでなる光検出器３により検出される光量が変化することにより、対象の変位を検出することができる。
【００１３】
このような原理による検出装置においては、あらかじめ設定した基準位置では光源１の光ビーム出射部分とスリット部材６５のピンホールは、互いに共焦点の関係なるように設計される。
【００１４】
このためには、あらかじめ設定した基準位置では、前述のＬ２の値は、凹面ミラーレンズ９０の焦点距離ｆの２倍になるように設定されるが、光源１の封止部材２５又は封止部材３１の屈折率が周りの空間と異なるため、Ｌ１の値に対してその屈折率分を補正した値が凹面ミラーレンズ９０の焦点距離ｆの２倍と一致するように設定する必要がある。
【００１５】
すなわち、２ｆ＝Ｌ２≠Ｌ１となる。
【００１６】
このＬ１を正確に求めるには、前述の封止部材２５又は封止部材３１の厚さや屈折率を正確に知る必要があるが、実際の応用場面においては、
（１）光源１の封止部材２５又は封止部材３１の屈折率分を補正したＬ１を正確に知ることは難しい、
（２）Ｌ１の値を正確に把握した場合でも、Ｌ１，Ｌ２が所定の値になるように光源１、スリット部材６５を配置するのが難しい、
（３）光源１の構造的なばらつきにより、Ｌ１の値が異なる、
などの問題があった。
【００１７】
また、光学式検出装置の第２の従来例として、スケールの移動を検出するエンコーダの構成に関する従来例（特願２０００−２３３３５１号）を図１２により説明する。
【００１８】
この光学式検出装置は、可干渉のある光源１（半導体レーザ、ＬＥＤ、面発光レーザなどが想定されている）から出射した光ビームを所定周期のトラックパターン４（図１２では透過型または反射型の回折格子スケール）が形成されたスケール２に照射し、これにより生成される回折パターンの動きが光検出器３に形成されている受光素子アレイ６により検出されるように構成されている。
【００１９】
図１２の光学式検出装置は、可干渉光源１と光検出器３がスケール２に対して同じ側に配置される場合を示している。
【００２０】
ここで、光源１から出射する光ビームの主軸を線分８、ビーム拡がりを一対の線分９、スケール２により反射した光ビームの拡がりを一対の線分１１で示している。
【００２１】
また、スケール２面上の光ビームの拡がり領域を参照符号１０、スケール２から反射した光ビームの受光面上における拡がり領域を参照符号１２で示す。
【００２２】
図１２においては、さらに、スケール２が基準位置にあるときには、光源１から出射した光ビームの一部は、第２のトラックパターン５に形成された基準位置検出用のパターンにも照射され、ここで回折された光が集光され、第２の光検出器として機能する基準位置検出用の受光素子７で検出される。
【００２３】
ここで、スケール２上のトラックパターン４の移動方向（これをｘ方向とする）のピッチをＰ１、光源１の光波長をλ、光源１の光ビーム出射面とスケール２上のトラックパターン４が形成された面の距離をＺ１、スケール２上のトラックパターン４が形成された面と光検出器３の受光面の距離をＺ２とする。
【００２４】
また、基準位置検出用のパターン５の焦点距離をｆ、受光素子アレイ６の受光面上に形成された回折パターンのｘ方向の強度分布の周期をＰｄｉｆとする。
【００２５】
上述のような検出原理に基づいてエンコーダが最適に機能するためには、まず、受光素子アレイ６の受光面上に形成される回折パターンの強度分布がスケールの模様を反映したクリアな強度分布になる必要があり、このためには、光の回折干渉に関する光学理論的によると、以下の（１）式を満たす必要がある。
【００２６】
（１／Ｚ１）＋（１／Ｚ２）＝λ／（ｎＰ１２）                …（１）
ここで、ｎはゼロ以外の整数である。
【００２７】
なお、このときの受光素子アレイ６の受光面上に形成された回折パターンのｘ方向の強度分布の周期をＰｄｉｆとすると、（２）式のようになる。
【００２８】
Ｐｄｉｆ＝Ｐ１（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ１                          …（２）
したがって、受光面上に形成された回折パターンのｘ方向の強度分布の特定の位相部分の強度を検出するためには、受光素子アレイ６の形成される受光素子の配列周期（又は感度分布の周期）Ｐ２は、以下の（３）式で決定される。
【００２９】
Ｐ２＝Ｐｄｉｆ                                              …（３）
さらに、常に、Ｚ１＝Ｚ２が保たれているような配置関係が満たされれば、
Ｐｄｉｆ＝２Ｐ１                                            …（４）
となり、光源１、スケール２、光検出器３の受光面の間隔が全体として変化しても受光面上に形成された回折パターンの周期Ｐｄｉｆが変化しない。
【００３０】
従って、このようなエンコーダの構成では、常に、Ｚ１＝Ｚ２が保たれているような配置関係が望ましいが、図１２に示した従来例においては、光源１の光ビーム出射面と光検出器３の受光面の高さが異なるため、受光素子アレイ６の周期Ｐ２を正確に設定することが難しい。
【００３１】
また、光源として、図１０の（ａ），（ｂ）のような構造の光源１を使用する場合には、（１）、（２）式におけるＺ１の値を透光性部材でなる封止部材２５，３１の屈折率分を考慮して補正する必要がある。
【００３２】
従って、このような第２の従来例において、実際の応用場面においては、
（４）封止部材２５，３１の屈折率分を考慮して補正したＺ１を正確に知ることは難しい、
（５）上記（４）の理由及び光ビーム出射と光検出器の受光面の高さの差の問題によりにより、（１）〜（３）式を満たすように光源１、スケール２、受光面を正確に配置することが難しい、
（６）上記（５）の理由により光源１、スケール２、受光面の配置ギャッが変化したときにＰｄｉｆが変化するので、あらかじめ設定した受光素子アレイ６の配列周期（または感度分布の周期）Ｐ２と受光面上に形成された回折パターンの周期Ｐｄｉｆのズレが生じて移動量の検出に誤差が生じたり、あるいは、信号の乱れが生じることが避けられない、
などの問題があった。
【００３３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、第１の従来例において、実際の応用場面においては、
（１）光源１の封止部材２５又は封止部材３１の屈折率分を補正したＬ１を正確に知ることが難しい、
（２）Ｌ１の値を正確に把握した場合でも、Ｌ１，Ｌ２が所定の値になるように光源１、スリット部材６５を配置するのが難しい、
（３）光源１の構造的なばらつきにより、Ｌ１の値が異なる、
などの問題があった。
【００３４】
また、第２の従来例において、実際の応用場面においては、
（４）封止部材２５又は封止部材３１の屈折率を考慮して補正したＺ１を正確に知ることは難しい、
（５）上記（４）の理由及び光ビーム出射面と光検出器の受光面の高さの差の問題によりにより、（１）〜（３）式を満たすように光源１、スケール２、受光面を正確に配置することが難しい、
（６）上記（５）の理由により光源１、スケール２、受光面の配置ギャップが変化したときにＰｄｉｆが変化するので、あらかじめ設定した受光素子アレイ６の配列周期（または感度分布の周期）Ｐ２と、受光面上に形成された回折パターンの周期Ｐｄｉｆのズレが生じて移動量の検出に誤差が生じたり、あるいは、信号の乱れが生じることが避けられない、
などの問題があった。
【００３５】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、例えば、対象物に取り付けられた反射物の動きを検出するような光学式検出装置において、上記（１）乃至（６）のような従来技術の問題点を解消し、移動量等の検出に誤差が生じたり、検出信号の乱れが生じないようにした光学式検出装置を提供することを目的とする。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、上記課題を解決するために、
（１）  対象物に光を照射する発光素子と、前記対象物において反射、透過又は回折された前記発光素子からの光を検出する光検出器と、前記発光素子から前記対象物を経由し前記光検出器に至る光路中に配置された、第１及び第２の透光部材とを有し、前記第１の透光部材及び前記第２の透光部材によって、前記発光素子の射出面から前記対象物の被照射部分までの光学距離と前記対象物の被照射部分から前記光検出器の検出面までの光学距離とが略等しくなるように構成されていることを特徴とする光学式検出装置が提供される。
【００３８】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
（２）  対象物に光を照射する発光素子と、前記対象物において反射、透過又は回折された前記発光素子からの光を検出する光検出器と、前記発光素子から前記対象物を経由し前記光検出器に至る光路中に配置された第１及び第２の透光部材とを備え、ここで、ｎ１０は、前記発光素子から前記対象物に至る光路中における前記第１の透光部材の屈折率、ｔ１０は、前記発光素子から前記対象物に至る光路中における前記第１の透光部材の光主軸方向厚さ、ｎ２０は、前記発光素子から前記対象物に至る光路中における前記第２の透光部材の屈折率、ｔ２０は、前記発光素子から前記対象物に至る光路中における前記第２の透光部材の光主軸方向厚さ、ｎ１１は、前記対象物から前記光検出器に至る光路中における前記第１の透光部材の屈折率、ｔ１１は、前記対象物から前記光検出器に至る光路中における前記第１の透光部材の光主軸方向厚さ、ｎ２１は、前記対象物から前記光検出器に至る光路中における前記第２の透光部材の屈折率、ｔ２１は、前記対象物から前記光検出器に至る光路中における前記第２の透光部材の光主軸方向厚さであり、前記ｔ１０とｔ１１の一方はゼロでもよく、前記ｔ２０とｔ２１の一方はゼロでもよいものとするとき、次式
ｎ１０・ｔ１０＋ｎ２０・ｔ２０＝ｎ１１・ｔ１１＋ｎ２１・ｔ２１
の関係が略成立するように構成されていることを特徴とする光学式検出装置が提供される。
【００３９】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
（３）  前記第１の透光部材と前記第２の透光部材は、互いに嵌合可能に構成されていることを特徴とする（１）又は（２）記載の光学式検出装置が提供される。
【００４０】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
（４）  前記発光素子の射出面と前記光検出器の検出面が略同一平面上に配置されていることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の光学式検出装置が提供される。
【００４２】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
（５）  前記第１の透光部材と前記第２の透光部材がともに前記発光素子と一体化されていることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の光学式検出装置が提供される。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００５１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態による光学式検出装置の構成を示す断面図である。
【００５２】
すなわち、図１は、光学式検出装置を光ビームの主軸を含む面で切断したときの断面図である。
【００５３】
そして、この第１の実施の形態による光学式検出装置は、次のように構成されている。
【００５４】
光ビームの光源１としては、特に、限定されないが、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）などの半導体光源を使用しており、以下では、光源１をＬＥＤとした場合について説明する。
【００５５】
この光源１は、ＬＥＤチップ２１の裏面電極をヒートシンク２２の表面に形成された電極プレート２８上に張り付け、さらにＬＥＤの上面の電極を配線ワイヤ２７で接続しており、絶縁材２９でヒートシンクと電気的に絶縁されたリード線２３，２４から電力が供給される構造になっている。
【００５６】
光源１から出射する光ビームの拡がりを一対の線分９で示すと共に、この光ビームのうち、対象物に取り付けられた凹面ミラーレンズ９０に照射される部分を線分９′で示す。
【００５７】
ここで、光源１の光ビーム出射面から凹面ミラーレンズ９０に至る光路上のｚ方向の距離をＬ１、凹面ミラーレンズ９０からスリット部材６５のピンホールに至る光路上のｚ方向の距離をＬ２で示している。
【００５８】
この例では、光検出器３は、スリット部材６５と受光素子３３により構成されている。
【００５９】
また、光源１と光検出器３は基板７０の上に固定されている。
【００６０】
この実施の形態では、透光部材２５は樹脂材料などで形成されており、光源１を覆うとともに、スリット部材６５の上面も覆う配置になっている。
【００６１】
さらに、この例では、透光部材２５の屈折率が一様であるため、光源１の出射面上の厚さとスリット部材６５を覆う厚さはともに同じ厚さになっている。
【００６２】
次に、この第１の実施の形態の作用を説明する。
【００６３】
光源１から出射した光ビームは一対の線分９で示した領域に拡がって出射されており、このビーム拡がりのうち一対の線分９′で示した領域が前述の凹面ミラーレンズ９０に照射されている。
【００６４】
そして、この凹面ミラーレンズ９０からの反射光が、スリット６５のピンホール付近でビームウェストになるように集光され、さらに、光検出器３により検出される。
【００６５】
今、検出対象に取り付けた凹面ミラーレンズ９０が、例えば、ｚ方向に移動したとすると、凹面ミラーレンズ９０からの反射光のビームウェストの位置がずれ、また、スリット面上のビームの大きさも変化するため、光検出器３により検出される光量が変化することにより、対象の変位を検出することができる。
【００６６】
このような原理による検出装置においては、あらかじめ設定した基準位置では光源の光ビーム出射部分とスリット６５のピンホールは互いに共焦点の関係なるように設計されることが望ましい。
【００６７】
図９で示した第１の従来例の場合には、透光部材２５が光源１だけを覆っているため、単に、Ｌ１＝Ｌ２としても互いが共焦点の関係にならないが、この第１の実施の形態では、光源１を覆う透光部材とスリット部材６５を覆う透光部材が同一の透光部材２５で、その厚さが等しいため、２ｆ＝Ｌ２＝Ｌ１となるように配置するだけで、互いに共焦点の関係にすることができる。
【００６８】
なお、本実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【００６９】
本実施の形態では、スリット部材６５は、ｘ方向に遮光した構造例を記載したが、このスリット部材６５を紙面の奥行き方向（ｙ方向）に対して遮光してもよい。
【００７０】
この場合、凹面ミラーレンズ９０が、例えば、ｚ方向に移動した場合には、スリット部材６５面上のビームの大きさの変化だけを検出することができる。
【００７１】
本実施の形態では、光源１と光検出器３が凹面ミラーレンズ９０に対して、同じ側に配置されるいわゆる「反射型の構成」を示したが、凹面ミラーレンズ９０を透過型のレンズに置き換え、光源１と光検出器３がこの透過型のレンズに対して、反対側に配置されるいわゆる「透過型の構成」としてもよい。
【００７２】
また、光源１については、半導体レーザやＬＥＤに限定されるものではなく、例えば、スリット付きランプ、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子なども含まれる。
【００７３】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態による光学式検出装置として光学式エンコーダの構成について、図２の（ａ）乃至（ｄ）、図３の（ａ）及び図４の（ａ）を参照して説明する。
【００７４】
ここで、図２の（ａ）は、全体の斜視図、図２の（ｂ）は、スケール２の詳細な拡大図、図２の（ｃ）は、透光部材６０の詳細な拡大図、図２の（ｄ）は光源１及び光検出器３の詳細な拡大図を示している。
【００７５】
また、図３の（ａ）は、光源１部分及び透光部材６０部分の断面図である。
【００７６】
そして、図４の（ａ）は、光源１と光検出器３と、透光部材６０及び透光部材２５の組み合わせ構成について示す、光ビームの主軸を含む面における断面図である。
【００７７】
なお、本実施の形態において、前述した第１の実施の形態と同様な部分については説明を省略する。
【００７８】
この光学式検出装置として光学式エンコーダでは、光源１から出射した光ビームは、スケール２に形成された所定周期のパターンを有する第１のトラック４と、基準位置検出用のパターンとして形成された第２のトラック５の両方に拡がるように照射される。
【００７９】
この状態を、図２の（ａ）おいては、出射した光ビームの拡がり範囲を一対の線分９で示し、また、図２の（ｂ）ではスケール面上の光ビームの拡がり範囲を曲線１０で示している。
【００８０】
光ビームが第１のトラック４に照射されることにより、第１の光検出器３として機能する受光素子アレイ６の受光面上に回折パターンが形成される。
【００８１】
この受光面上の回折パターン１２は、前述の（１）式で示す条件がほぼ満たされる配置状態では、第１のトラック４の所定周期のパターンとほぼ相似な光強度分布のパターンとなり、その光強度分布の周期は前述の（２）式で表されたものとなる。
【００８２】
光検出器３として機能する受光素子アレイ６の形成される受光素子の配列周期Ｐ２は前述の（３）式に従って決められる。
【００８３】
この実施の形態においては、受光素子アレイ６は、空間周期Ｐ２の受光素子アレイ６をＰ２／４の間隔でずらせて、交互に配置した４群の受光素子アレイ５１，５２，５３，５４で構成されている。
【００８４】
一方、第２のトラック５に照射される光ビームは、スケール２が基準位置近傍に移動すると、基準位置検出用のパターンに照射される。
【００８５】
この実施の形態では、基準位置検出用のパターンをｘ方向に集光作用を有するホログラムで形成している。
【００８６】
光源１部分および透光部材６０部分の断面構成は図３の（ａ）及び図４の（ａ）に示すようになっており、発光素子２１の出射面と、発光素子２１を封止している透光部材２５の厚さがｔ１であり、これと別体に形成された第２の透光部材６０の形状は、発光素子２１からスケール２に向かう光路上の厚さよりスケール２から受光面に戻る光の光路上の厚さがｔ２だけ厚く形成されている。
【００８７】
さらに、これら二つの透光部材２５，６０の屈折率が同じであれば、ｔ１＝ｔ２に設定されている。
【００８８】
なお、図２の（ａ）において、参照符号７０は受光素子アレイ６と光源１を固定する基板であり、参照符号７１は電極パッドである。
【００８９】
受光素子アレイ６の電極パッド５８と基板の電極パッド７１は導電性のワイヤ２７で接続されている。
【００９０】
また、受光素子アレイ６が形成されている基板上には、電子回路５６，５７が集積されている。
【００９１】
次に、この第２の実施の形態の作用を説明する。
【００９２】
スケール２がｘ方向に変位すると、受光素子アレイ６の受光面上の回折パターン１２もｘ方向に変位し、この回折パターン１２の動きを受光素子アレイ６で検出することにより、スケール２の動きを検出することができる。
【００９３】
なお、詳細には、受光面上の回折パターン１２の特定の空間位相部分に相当する光強度が、交互に配置した４群の受光素子アレイ５１，５２，５３，５４によった検出される。
【００９４】
以後は、これらの各検出信号を、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖａ′，Ｖｂ′と記載することにする。
【００９５】
そして、Ｖａ−Ｖａ′と、Ｖｂ−Ｖｂ′とはエンコーダのいわゆるＡ相（正弦波）、Ｂ相（余弦波）出力として利用される。
【００９６】
またＶａ，Ｖｂ，Ｖａ′，Ｖｂ′の各出力の総和をとることにより、レーザ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適当な演算により、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まで補正することが可能である。
【００９７】
従って、この実施の形態においては、スケール２と光源１（エンコーダヘッド部）のギャップ変動の影響および周囲環境の影響を殆ど受けないで、スケール２のｘ方向の変位を正確に検出することができる。
【００９８】
一方、スケール２と光源１の位置関係があらかじめ設定した基準位置近傍になるようにスケール２がｘ方向に相対移動したときには、光ビームの一部は、基準位置検出用のパターンに照射され、スケール２が基準位置近傍にないときには、基準位置検出用のパターン以外の領域に照射される。
【００９９】
この実施の形態では、基準位置検出用のパターンをｘ方向に集光作用を有するレンズ作用を有するホログラムで形成している。
【０１００】
スケール２が基準位置近傍に移動すると、光ビームの一部は、基準位置検出用のパターンに照射され、ここでｘ方向に対して集光され、第２の光検出器３′として機能する受光素子５５にて検出されることにより、基準位置の検出がなされる。
【０１０１】
ここで、第２の光検出器３′上に集光された光の拡がりを参照符号１８で示している。
【０１０２】
また、光源１から出射した光ビームの透光部材６０上の拡がりを参照符号１４、スケール２面上の拡がりを参照符号１０、スケール２で反射された光の透光部材６０上の拡がりを参照符号１５、スケール２で反射された光の受光面上の拡がりを参照符号１２、スケール２上の基準位置検出用のパターンで集光された光の透光部材６０上の拡がりを参照符号１７で示している。
【０１０３】
この実施の形態では、透光部材６０は、全体として発光素子２１の出射面からスケール２に向かう光路上の光学的厚さと、スケール２により反射、透過又は、回折された前記光ビームがスケール２の反射面、透過面又は回折面から光検出器３の検出面に向かう光路上の光学的厚さとが等しくなるように形成されているため、
（１）前述の（１）式を満たすように、光源１、スケール２、光検出器３を配置することが容易である。
【０１０４】
（２）特に、Ｚ１＝Ｚ２とする配置が、図３の（ａ）に示すように、光検出器３の受光面と発光素子２１の発光面の高さを同じにするような簡単な配置で可能になる。
【０１０５】
もし、光源１とスケール２の間隔が前述の（１）式からずれたとしても、前述の（２）式で示されるように、回折パターンの拡大倍率は変化しないので、安定なセンシングが可能である。
【０１０６】
なお、この第２の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【０１０７】
例えば、受光素子アレイ６を形成した半導体基板上に発光素子２１を直に組み立てるようにしてもよい。
【０１０８】
この場合も、透光部材６０は、全体として発光素子２１の出射面からスケール２に向かう光路上の光学的厚さと、スケール２により反射、透過又は、回折された前記光ビームがスケール２の反射面、透過面又は、回折面から光検出器３の検出面に向かう光路上の光学的厚さとが等しくなるように形成される。
【０１０９】
また、図２の（ａ）に示した光源１と透光部材６０及び光検出器３の組を複数配置して、各々の組に対して第１、第２のトラックパターンを設ける構成も可能である。
【０１１０】
この場合、各々の組に対して、第１、第２のトラックパターンを異なるパターンにすれば、例えば、スケール２の変位をアブソリュートに検出することができる。
【０１１１】
また、各々の組の第１、第２のトラックパターンの一部を同じパターンにすれば、スケール２上のゴミや欠陥、あるいは、システム全体の誤動作に対して安定な検出が可能である。
【０１１２】
また、光源１については、半導体レーザやＬＥＤに限定されるものではなく、例えば、スリット付きランプ、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子なども含まれる。
【０１１３】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態による光学式検出装置としての光源１と光検出器３と、透光部材６０の組み合わせ構成について、光ビームの主軸を含む面における断面構成を図３の（ｂ）に示す。
【０１１４】
この図３の（ｂ）では、前述した第２の実施の形態として図３の（ａ）で示した第２の透光部材６０を光源１の上面、又は、受光素子面の少なくともいずれかに接触した配置を示している。
【０１１５】
この透光部材６０の屈折率が一様であれば、ｔ１＝ｔ２となるように形成される点は同じである。
【０１１６】
このようにすることにより、光源１、光検出器３、透光部材６０を付き当てにより組み立てることができるので、組立作業が容易になる。
【０１１７】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【０１１８】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態による光学式検出装置としての光源１と光検出器３と透光部材６０の組み合わせ構成について、光ビームの主軸を含む面における断面構成を図３の（ｃ）に示す。
【０１１９】
この図３の（ｃ）では、前述した第２の実施の形態として図３の（ａ）で示した第２の透光部材６０を光源１の上に配置しない構成である。
【０１２０】
この透光部材６０の屈折率が一様であれば、ｔ１＝ｔ２となるように形成される点は同じである。
【０１２１】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【０１２２】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態による光学式検出装置としての光源１と光検出器３と透光部材２５の組み合わせ構成について、光ビームの主軸を含む面における断面構成を図４の（ｂ）に示す。
【０１２３】
この図４（ｂ）では、透光部材２５が光源１を覆う封止部材だけで形成された構成である。
【０１２４】
光源１と光検出器３を組み上げ後には、受光面上の透光部材２５の厚さは、発光素子２１上の透光部材２５の厚さと同じである。
【０１２５】
このように、光源１を覆う封止部材としての透光部材２５の形状を適切に設計するだけで、前述のような第２の透光部材６０を作成したり、組み立てたりする必要がない。
【０１２６】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【０１２７】
（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態による光学式検出装置としての光源１と光検出器３、透光部材２５の組み合わせ構成について，光ビームの主軸を含む面における断面構成を図５の（ａ）に示す。
【０１２８】
この図５（ａ）では、光検出器３の受光面が発光素子２１の出射面より低く設定されているが、受光面上の透光部材２５の厚さｔ１と、発光素子２１上の透光部材２５の厚さｔ２を異なる値にすることにより、全体として発光素子２１の出射面からスケール２に向かう光路上の光学的厚さと、スケール２により反射、透過又は、回折された前記光ビームがスケール２の反射面、透過面又は、回折面から光検出器３の検出面に向かう光路上の光学的厚さとが等しくなるように形成されている。
【０１２９】
この場合も、光源１、光検出器３を付き当てにより組立できるので、組立作業が容易になる。
【０１３０】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【０１３１】
（第７の実施の形態）
本発明の第７の実施の形態による光学式検出装置としての光源１と光検出器３、透光部材２５の組み合わせ構成について、光ビームの主軸を含む面における断面構成を図５の（ｂ）に示す。
【０１３２】
この図５の（ｂ）では、光検出器３の受光面が発光素子２１の光ビーム出射面より高く設定されている点を除き、図５の（ａ）の場合と同様である。
【０１３３】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【０１３４】
（第８の実施の形態）
本発明の第８の実施の形態による光学式検出装置としての光学式エンコーダの構成について、図６の（ａ）乃至（ｃ）に示す。
【０１３５】
図６の（ａ）は、スケール２の詳細な拡大図、図６の（ｂ）は、透光部材６０の詳細な拡大図、図６の（ｃ）は、光源１及び光検出器３の詳細な拡大図を示している。
【０１３６】
この第８の実施の形態による光学式エンコーダの全体の配置図は、前述した第２の実施の形態と同様である。
【０１３７】
本実施の形態において、第２の実施の形態と同様な部分については説明を省略する。
【０１３８】
光源１から出射した光ビームは透光部材６０上で領域１４で示された範囲に光ビームが拡がっており、この光ビームの拡がり領域１４の一部には、透光部材６０上に光学機能素子としての回折格子６１が形成されている。
【０１３９】
また、光源１から出射した光ビームの一部が回折格子６１により回折された光を検出するための第３の光検出器として受光素子５９が、前述の第２の光検出器３′として機能する受光素子５５と同じ基板上に形成されている。
【０１４０】
次に、この第８の実施の形態の作用を説明する。
【０１４１】
光源１から出射した光ビームの一部が回折格子６１により回折され、第３の光検出器である受光素子５９により検出される。
【０１４２】
この第３の光検出器５９の出力は光源１の出力に比例しているため、該第３の光検出器５９の出力をフィードバックして光源の出力を一定にしたり、あるいは、前述の第１、第２の光検出器３，３′の出力信号を光源１の出力状態に応じて補正する等のことが可能になり、安定かつ高精度な検出が可能となる。
【０１４３】
なお、この実施の形態の各構成は、当然、各種の変形・変更が可能である。
【０１４４】
例えば、透光部材６０上に形成される光学機能素子は回折格子６１に限定されるものではない。
【０１４５】
また、光学機能素子を集積する目的も、光出力のモニタ機能に限定されるものではなく、多様な目的で使用される。
【０１４６】
従って、これらの目的にに応じて、光学機能素子として、例えば、ミラー、ホログラム位相板などが形成される。
【０１４７】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【０１４８】
（第９の実施の形態）
本発明の第９の実施の形態による光学式検出装置としての光学式エンコーダの構成について、図７の（ａ）乃至（ｄ）に示す。
【０１４９】
図７の（ａ）は、全体の断面図、図７の（ｂ）は、スケール２の詳細な拡大図、図７の（ｃ）は、透光部材６０の詳細な拡大図、図７の（ｄ）は、光源１及び光検出器３の詳細な拡大図を示している。
【０１５０】
なお、本実施の形態において、前述した第２の実施の形態と同様な部分については説明を省略する。
【０１５１】
光源１から出射した光ビームは透光部材６０上で領域１４で示された範囲に光ビームが拡がっており、この光ビームの拡がり領域１４には、透光部材６０上に分岐光学素子として機能する回折格子６３が形成されている。
【０１５２】
また、この回折格子６３の両側には、さらに、二つの回折格子６３ａ，６３ｂが同じ透光部材６０上に分岐光学素子として機能する回折格子６３と同じピッチでかつ、同じ方向にビーム回折機能を有するように形成されている。
【０１５３】
次に、この第９の実施の形態の作用を説明する。
【０１５４】
光源１から出射した光ビームが透光部材６０上に形成された回折格子６３により分岐され、スケール上の第１のトラックパターン４と第２のトラックパターン５に照射され、各々、スケール２面にて光ビームが反射されて再度、透光部材６０上に形成された回折格子６３ａ，６３ｂにより光ビームの方向を出射ビームの方向と平行に修正され、各々の光ビームが第１の光検出器３として機能する受光素子アレイ６及び、第２の光検出器３′として機能する受光素子５５に入射される。
【０１５５】
ここで、光源１から出射した光ビームの透光部材６０上の拡がりを参照符号１４、スケール２面上の拡がりを参照符号１０、スケール２で反射された光の透光部材６０上の拡がりを参照符号１５、スケール２で反射された光の受光面上の拡がりを参照符号１２、スケール２上の基準位置検出用のパターンで集光された光の透光部材６０上の拡がりを参照符号１８で示している。
【０１５６】
なお、この第９の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【０１５７】
例えば、透光部材６０上に形成された３つの回折格子６３，６３ａ，６３ｂは共通のものとして形成されてもよい。
【０１５８】
また、これらの３つの回折格子６３，６３ａ，６３ｂは必ずしも、同じピッチや同じ方向にビーム回折機能を有するような必要はない。
【０１５９】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【０１６０】
（第１０の実施の形態）
本発明の第１０の実施の形態による光学式検出装置としての光学式エンコーダの構成について、図８の（ａ）乃至（ｃ）に示す。
【０１６１】
図８の（ａ）は、スケール２の詳細な拡大図、図８の（ｂ）は、透光部材６０の詳細な拡大図、図８の（ｃ）は、光源１及び光検出器３の詳細な拡大図を示している。
【０１６２】
この第１０の実施の形態による光学式エンコーダの全体の配置図は、前述した第２の実施の形態と同様である。
【０１６３】
なお、本実施の形態において、前述した第２の実施の形態と同様な部分については説明を省略する。
【０１６４】
光源１から出射した光ビームがスケール２上の第２のトラックパターン５により反射され、第２の光検出器３′に至る光路上には、光透過部材６０にホログラムレンズ６２が一体形成されている。
【０１６５】
第２のトラックパターン５には、基準位置検出用の所定幅の反射パターン６４が形成されている。
【０１６６】
次に、この第１０の実施の形態の作用を説明する。
【０１６７】
光源１から出射した光ビームの一部は、透光部材６０を通過した後、スケール２上の第２のトラックパターン５に照射され、スケール２面にて光ビームが反射されて再度、透光部材６０上に形成されたホログラムレンズ６２により集光され、スケール２と光源１は基準位置の配置関係になると、第２の光検出器３′として機能する受光素子５５に入射する。
【０１６８】
この実施の形態では、基準位置検出のために使うレンズをスケール２面上ではなく、光透過部材６０上に形成した点に特徴がある。
【０１６９】
通常のエンコーダの動作においては、スケール２と光源１及び光検出器３の位置関係が僅かに変動するため、レンズにより集光した光のビームウェストを正確に受光面上に設定することは難しいが、この実施の形態では、光源１、光透過部材６０、光検出器３の３者を互いに固定することにより、このような不具合を解消することができる。
【０１７０】
なお、この第１０の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【０１７１】
例えば、透光部材６０上に形成されたホログラムレンズ６２は、シリンドリカルなホログラムレンズに限定されるものではなく、集光作用や一定の光学パターンを生成するものであればよい。
【０１７２】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【０１７３】
（第１１の実施の形態）
本発明の第１１の実施の形態による光学式検出装置としての光学式エンコーダの構成について、全体の斜視図を図９に示す。
【０１７４】
なお、本実施の形態において、前述した第２の実施の形態と同様な部分については説明を省略する。
【０１７５】
本実施の形態では、第２の実施の形態と比較して、スケール２上の第１、第２のトラックパターン４，５に照射される光ビームの光源を第１の光源１及び第２の光源１′として別に配置した点が異なる。
【０１７６】
次に、この第１１の実施の形態の作用を説明する。
【０１７７】
第１の光源１及び第２の光源１，１′から出射した光ビームの一部は、各々、透光部材６０を通過した後、スケール２上の第１、第２のトラックパターン４，５に照射され、スケール２面にて光ビームが反射されて再度、透光部材６０を通過した後に、第１及び第２の光検出器３，３′に入射する以外は、第２の実施の形態と同様である。
【０１７８】
第１及び第２の光源１，１′の間隔、また、これに対応した第１及び第２のトラックパターン４，５の間隔を光ビームの拡がりに関わらず大きく設定することが可能であるため、スケール２と光源１，１′の図示ｙ方向の配置許容度を大きく設定することができる。
【０１７９】
なお、この第１１の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【０１８０】
例えば、光源１，１′及びトラックパターン４，５の組は２組に限定されず、３組以上の複数組の構成にすることもできる。
【０１８１】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【０１８２】
【発明の効果】
従って、以上説明したように、本発明によれば、例えば、対象物に取り付けられた反射物の動きを検出するような光学式検出装置において、移動量等の検出に誤差が生じたり、あるいは、検出信号の乱れが生じることがないようにした光学式検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態による光学式検出装置の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の第２の実施の形態による光学式検出装置の要部の構成を示すもので、図２の（ａ）は、全体の分解斜視図、図２の（ｂ）は、スケール２の詳細な拡大図、図２の（ｃ）は、透光部材６０の詳細な拡大図、図２の（ｄ）は、光源１及び光検出器３の詳細な拡大図を示している。
【図３】図３の（ａ）は、本発明の第２の実施の形態による光学式検出装置の要部の構成を示すもので、光源１部分及び透光部材６０部分の断面図である。
図３の（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態による光学式検出装置としての光源１と光検出器３と、透光部材６０の組み合わせ構成について示す、光ビームの主軸を含む面における断面図である。
図３の（ｃ）は、本発明の第４の実施の形態による光学式検出装置としての光源１と光検出器３と、透光部材６０の組み合わせ構成について示す、光ビームの主軸を含む面における断面図である。
【図４】図４の（ａ）は、本発明の第２の実施の形態による光学式検出装置としての光源１と光検出器３と、透光部材６０及び透光部材２５の組み合わせ構成について示す、光ビームの主軸を含む面における断面図である。
図４の（ｂ）は、本発明の第５の実施の形態による光学式検出装置としての光源１と光検出器３と、透光部材２５の組み合わせ構成について示す、光ビームの主軸を含む面における断面図である。
【図５】図５の（ａ）は、本発明の第６の実施の形態による光学式検出装置としての光源１と光検出器３と、透光部材２５の組み合わせ構成について示す、光ビームの主軸を含む面における断面図である。
図５の（ｂ）は、本発明の第７の実施の形態による光学式検出装置としての光源１と光検出器３と、透光部材２５の組み合わせ構成について示す、光ビームの主軸を含む面における断面図である。
【図６】図６は、本発明の第８の実施の形態による光学式検出装置の要部の構成を示すもので、図６の（ａ）は、スケール２の詳細な拡大図、図６の（ｂ）は、透光部材６０の詳細な拡大図、図６の（ｃ）は、光源１及び光検出器３の詳細な拡大図を示している。
【図７】図７は、本発明の第９の実施の形態による光学式検出装置の要部の構成を示すもので、図７の（ａ）は、全体の断面図、図７の（ｂ）は、スケール２の詳細な拡大図、図７の（ｃ）は、透光部材６０の詳細な拡大図、図７の（ｄ）は、光源１及び光検出器３の詳細な拡大図を示している。
【図８】図８は、本発明の第１０の実施の形態による光学式検出装置の要部の構成を示すもので、図８の（ａ）は、スケール２の詳細な拡大図、図８の（ｂ）は、透光部材６０の詳細な拡大図、図８の（ｃ）は、光源１及び光検出器３の詳細な拡大図を示している。
【図９】図９は、本発明の第１１の実施の形態による光学式検出装置としての光学式エンコーダの構成について示す全体の分解斜視図である。
【図１０】図１０の（ａ），（ｂ）は、光学式検出装置の構成に関する第１の従来例に使用される小型のセンサ用光源１を示す断面図である。
【図１１】図１１は、図１０の（ａ），（ｂ）に示した光源１を利用した光学式検出装置の第１の従来例を示す断面図である。
【図１２】図１２は、光学式検出装置の第２の従来例として、スケールの移動を検出するエンコーダの構成に関する従来例を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１…光源、
２１…ＬＥＤチップ、
２…スケール、
２２…ヒートシンク、
３…光検出器、
２３…リード線、
４…スケール上の移動量検出用トラックパターン、
２４…リード線、
５…スケール上の基準位置検出用トラックパターン、
２５…透光部材、
６…受光素子アレイ、
２６…ワイヤボンドバンプ、
７…基準位置検出用受光素子、
２７…（配線）ワイヤ、
８…出射ビームの主軸、
２８…電極プレート、
９…出射ビーム拡がり、
２９…絶縁材、
９′…光源から凹面鏡レンズに向かう光ビームの拡がり、
３０…側面封止部材、
１０…スケール面における出射ビームの拡がり、
３１…透明封止部材、
１１…出射ビームが対象物またはスケールにより反射又は透過、回折された後の光ビーム拡がり、
５１…受光素子アレイのうちＡ相信号検出部、
５２…受光素子アレイのうちＢ相信号検出部、
１１′…凹面鏡レンズから光検出器に向かう光ビームの拡がり、
５３…受光素子アレイのうちＡ−相信号検出部、
５４…受光素子アレイのうちＢ−相信号検出部、
１２…出射ビームが対象物又はスケールにより反射又は透過、回折された後の光検出器の受光面上における光ビーム拡がり、
５５…基準位置検出用受光素子、
５６…集積回路、
５７…集積回路、
１３…ビーム出射窓、
５８…受光素子、
１４…光源から対象物又はスケールに向かう光ビームの透光部材上における拡がり、
５９…受光素子、
６０…透光部材、
１５…出射ビームが対象物またスケールにより反射又は透過、回折された後の透光部材上における光ビーム拡がり、
６１…回折格子、
６２…集光用ホログラム、
６３，６３ａ，６３ｂ…分岐光学素子または回折格子、
６４…所定幅の反射パターン、
１７…出射ビームがスケール上の基準位置検出用トラックパターンにより反射又は透過、回折された後の透光部材上における光ビーム拡がり、
６５…スリット部材、
７０…基板、
７１…電極パッド、
１８…出射ビームがスケール上の基準位置検出用トラックパターンにより反射又は透過、回折された後の光検出器の受光面上における光ビーム拡がり、
８０…出射ビームが透光部材に作りつけられた分岐光学素子により分岐された後の光ビームの主軸、
８１…出射ビームが透光部材に作りつけられた分岐光学素子により分岐された後の光ビームの主軸、
９０…対象物に取り付けられた凹面鏡レンズ。
【図１】
0004812189.tif 000002
【図２】
0004812189.tif 000003
【図３】
0004812189.tif 000004
【図４】
0004812189.tif 000005
【図５】
0004812189.tif 000006
【図６】
0004812189.tif 000007
【図７】
0004812189.tif 000008
【図８】
0004812189.tif 000009
【図９】
0004812189.tif 000010
【図１０】
0004812189.tif 000011
【図１１】
0004812189.tif 000012
【図１２】
0004812189.tif 000013