(57)【要約】    【課題】  高分解能で低消費電力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、光を出射する発光部と、発光部からの光をコリメートするレンズと、レンズ側とは反対側の表面にＶ字状の突起または溝によるパターンが形成されたスケールと、レンズによりコリメートされ、スケールを透過した光を受光する受光部と、レンズに対して発光部の側に設けられ、スケールからレンズ方向に反射されて発光部近傍に進む光をレンズの方向に反射する反射手段とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する発光部と、
発光部からの光をコリメートするレンズと、
レンズ側とは反対側の表面にＶ字状の突起または溝によるパターンが形成されたスケールと、
レンズによりコリメートされ、スケールを透過した光を受光する受光部と、
レンズに対して発光部の側に設けられ、スケールからレンズ近傍方向に反射されて発光部近傍に進む光をレンズの方向に反射する反射手段と
を備えた光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記のスケールのＶ字状の突起または溝の傾斜角度を４５°以外とし、かつ、反射手段の大きさをＶ字状の突起または溝の傾斜角度とレンズの焦点距離により決まる大きさよりも大とすることを特徴とする請求項１に記載された光学式エンコーダ。
【請求項３】
前記のスケールは、隣接して配置された複数のＶ字状の突起または溝を備え、かつ、前記の反射手段の大きさはＶ字状の突起または溝の間隔と発光部の出力光の特徴により決まる大きさよりも大とすることを特徴とする請求項１に記載された光学式エンコーダ。
【請求項４】
前記の反射手段４は、前記の発光部をそのうえに配置する反射面を備える板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された光学式エンコーダ。
【請求項５】
ガラスまたは樹脂の平板の表面に、Ｖ字状の突起または溝によるパターンを、Ｖ字状の突起または溝の傾斜角度を４５°以外として設けた光学式エンコーダ用のスケール。
【請求項６】
ガラスまたは樹脂の平板の表面に、隣接して配置された複数のＶ字状の突起または溝によるパターンを設け、前記の複数のＶ字状の突起または溝の大きさが入射光を回折する大きさである光学式エンコーダ用のスケール。
【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ものである。
【背景技術】
【０００２】
光学式エンコーダは、サーボシステムなどにおいて、モータなどの物体の回転運動や並進運動を光学的に検出して、位置や速度を求めるために用いられる。光学式エンコーダは、発光部（発光ダイオードなど）、受光部（フォトダイオードなど）および両者の間を移動する可動コード板を含む。可動コード板には、遮光部と透過部などの２種の領域が交互に設けられる。遮光部は、たとえば、ガラス板にＣｒ蒸着で作成したパターンである。たとえば光学式ロータリーエンコーダでは、モータの回転軸に可動コード板である回転板が取りつけられる。２種の領域からなる部分はスケールとして動作する。モータが回転し、発光部から出射する光が透過部を通ったとき、受光部に入射した光が検出され、受光部からの信号を基に、回転板の位置や速度が検出される。
【０００３】
また、従来の光学式ロータリーエンコーダ（特開平１１−２８７６７１号公報）には、可動コード板に、遮光部の代わりに、凹凸形状（たとえばＶ字状形状、梨子地形状）を配置した領域を反射部として設けたものがある。凹凸形状に入射した光は反射、屈折、散乱などにより受光部には入射しないが、凹凸形状を配置しない領域に入射した光は受光部に入射する。これによって出力光を強度変調し、この出力光を受光部で電気変換した信号を処理することにより、位置や速度を検出している。
【特許文献１】特開平１１−２８７６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
コード板（光学スケール）に凹凸形状を配置した領域と配置しない領域を設けた上述の光学式ロータリーエンコーダにおいては、凹凸形状により反射、屈折または散乱された光は、受光部に入射することなく利用されないままである。このように透過光を選択的に受光するため、光の利用効率が悪いという問題点があった。光学式エンコーダを高分解能化するためには、コード板を通過して受光素子に入射する光量を多くする必要がある。発光部の出射する光を強くするためには発光素子（たとえば発光ダイオード）の消費電力を増やす必要があるので、消費電力が増大するという問題点があった。
【０００５】
この発明の目的は、高分解能で低消費電力の光学式エンコーダを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る光学式エンコーダは、光を出射する発光部と、発光部からの光をコリメートするレンズと、レンズ側とは反対側の表面にＶ字状の突起または溝によるパターンが形成されたスケールと、レンズによりコリメートされ、スケールを透過した光を受光する受光部と、レンズに対して発光部の側に設けられ、スケールからレンズ方向に反射されて発光部近傍に進む光をレンズの方向に反射する反射手段とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
レンズに対して発光部の側に反射手段を配置したことにより、その他の光学系を変更することなく、Ｖ字状の溝または突起により反射された光を再反射して、レンズによりスケールに再入射させることが可能になる。このため、発光部からの出射光を効率的に利用でき、消費電流を上げることなく、Ｓ／Ｎ比の優れたエンコーダを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図面において、同じ参照記号は同一または同等のものを示す。
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による光学式ロータリーエンコーダの光学系の全体構成を示す。ＬＥＤなどの発光部１から出射された光は、レンズ２によりコリメートされ、スケール３に入射する。一方、スケール３は、回転軸に取りつけられ、その回りを回転する可動円板であり、樹脂またはガラスにより形成される。スケール３の受光部側の表面の一部分には、スケール３の移動方向（図１では円周方向）にＶ字状突起が必ずしも一様でない間隔に並べられたＶ字パターン６が形成されている。スケール３に対して発光部と反対側に配置されたフォトダイオードなどの受光部５は、スケール３を透過した光を受光する。さらに、発光部１の近傍に反射手段４が設けられる。
【００１０】
図２に模式的に示すように、Ｖ字状突起は、スケール３の面の垂直方向に対し、４５°からわずかに異なる角度の傾斜角を有する。すなわち、Ｖ字状突起の２つの傾斜面は、スケールの表面に垂直な面に対して（すなわちレンズ２によりコリメートされた光の入射方向に対して）対称的に設けられるが、傾斜面の光の入射方向に対する角度は４５°以外である。レンズ２によりコリメートされた光は、Ｖ字パターン６に入射すると、Ｖ字状突起がある箇所では臨界角以上で内部全反射により反射されるが、Ｖ字状突起がない箇所では透過する。図１に示されるように、スケール３が移動すると（図１では軸を中心として回転すると）、Ｖ字パターン６を通過した光は、強度変調された光信号として受光部５に入射し、光電変換されて電気信号となり、当該電気信号を基にスケールの移動位置が検出される。
【００１１】
図３は、この光学式ロータリーエンコーダの要素部分の構成と動作を模式的に示す。この光学式ロータリーエンコーダの第１の特徴は、レンズ２に対して発光部１の側に反射手段４を設けたことである。反射手段４は、たとえば、発光部１を取り付ける板の表面に設けた金または金合金製のダイパッドなどである。この場合、ダイパッドの上に発光部１が配置される。これにより、発光部１と反射手段４を一体化した配置ができる。この例の場合、発光部１と反射手段４が同一平面内にある。Ｖ字状突起における反射光成分の主要部分を再利用するため、反射手段４の大きさをＶ字状突起の傾斜面の角度とレンズの焦点距離により決まる大きさよりも大とする。発光部１から出射された光は、レンズ２で集光され、スケール３に入射する。スケール３を透過した光は受光部５により検出される。反射手段４により、Ｖ字状突起における反射光成分の主要部分を再利用できるため、光の利用効率がさらに向上する。なお、この例では、受光部５は、１列に並べた３個の受光素子（フォトダイオード）５１〜５３からなる。
【００１２】
この光学式ロータリーエンコーダの第２の特徴は、Ｖ字状突起は２つの傾斜面からなっているが、Ｖ字パターン６の傾斜角がスケールの表面に垂直な方向に対し４５°とはわずかに異なる角度であることである。すなわち、傾斜角は４５°近傍であるが、４５°以外の角度である。スケール３のＶ字パターン６からの反射光は、Ｖ字パターン６のＶ字状突起の傾斜角が４５°ならば、レンズ２を通過後に、Ｖ字状突起の２つの傾斜面で反射されて、発光素子１の発光点に再入射する。これに対し、傾斜角が４５°と異なる場合には、Ｖ字状突起に入射した光は、Ｖ字状突起の２つの傾斜面で順次反射されて発光器１の方向に反射されるが、反射光は入射光とは平行でない。従って、反射光は発光点からずれた位置に集光され、再反射される。４５°からの角度ずれをΔθ、レンズ２の焦点距離をｆとすると、発光点と同一面内における集光点（再反射点）と発光点の距離ΔＬは、次の式（１）で表わされる。
ΔＬ＝ｆ×ｔａｎθ
ただし、θ＝４×Δθ
たとえば、Δθが１°、レンズの焦点距離ｆが３ｍｍならば、再反射点と発光点との距離は２１０μｍである。反射手段４の大きさは、距離ΔＬを考慮して決定する。なお、反射手段４の位置は、発光部１と同一面内のほか、発光部１に対してレンズ２の反対側、あるいは、発光部１の光束を妨げない範囲で発光部１とレンズ２の間にあってもよい。そのような場合も、反射手段の寸法は、スケールから反射される光の位置を考慮して設定すればよい。
【００１３】
スケール３から反射された光は、反射手段４により反射され、発光部１からの出射光と同様に、レンズ２によりコリメートされて、スケール３にＶ字状突起以外の部分に入射される。このようなスケール３への再入射成分７が存在すると、発光部１からの出射光が増加した場合と同様に、受光部５で受光する光強度の振幅が増大し、Ｓ／Ｎ特性が向上する。図３は、この様子を図式的に示す。
【００１４】
このように、Ｖ字パターン６の角度を４５°からわずかに異なる角度とし、かつ、レンズに対して発光部１の側に反射手段４を配置したことにより、反射手段４による再反射光７をレンズ２によりスケール３に再入射させることが可能になる。このスケール３への再入射によって入射光の平均レベルが上がることにより、発光部１からの出射光を増加させなくても（すなわち、発光部１の光源の駆動電流を上げることなく）、光の利用効率が上がる。このため、スケール３への入射光を増加させることにより、Ｓ／Ｎ比を改善できる。このように、消費電流を上げることなく発光部１からの出射光を効率的に利用でき、Ｓ／Ｎ比の優れたエンコーダを実現できる。これにより高分解能で低消費電力のエンコーダが実現できる。
【００１５】
なお、スケール３のＶ字パターン６は、上述の例では、図１の受光部１に近い側の面でのＶ字状突起であるが、一般的には、スケール３の受光部側の表面に形成したＶ字の突起または溝であってもよい。
【００１６】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２の光学式ロータリーエンコーダの要素部分の構成と動作を模式的に示す。この光学式ロータリーエンコーダは、実施の形態１の光学式ロータリーエンコーダと同様の構成を備え、反射手段をレンズに対して発光部の側に設け、スケールからレンズ近傍方向に反射されて発光部近傍に進む光をレンズの方向に反射する。この光学式ロータリーエンコーダは、さらに、スケール１３に、光を回折する微細な複数のＶ字状突起を並べたＶ字パターン１６を設けるという特徴がある。すなわち、スケール１３は、ガラスまたは樹脂の平板の表面に、隣接して配置された複数のＶ字状の突起によるパターンを必ずしも一定でない間隔で設けたものであり、複数のＶ字状の突起の大きさが入射光を回折する大きさである。なお、Ｖ字状突起の２つの傾斜面の角度は、スケールの表面に垂直な方向に対し４５°であるものとする。このＶ字パターン１６に入射した光は、回折されるとともに、発光部の方に反射される。また、この光学式ロータリーエンコーダでは、レンズに対して発光部１の側に設けた反射手段４の大きさを、Ｖ字パターン６で反射した光の回折成分の主要部を再度反射可能な大きさにする。これにより、反射手段４に入射した回折光がスケール１３に再び入射する。
【００１７】
さらに説明すると、発光部１から出射した光がレンズ２を介して、スケール１３に入射する。その後、Ｖ字パターン１６で回折光が反射される。この反射光の回折角度θｄは、以下の式（２）で表わされる。
θｄ＝ｓｉｎ−１（λ／ｄ）×ｍ
ここに、ｍ＝±１，±２，・・・であり、λは波長であり、ｄはＶ字状突起のピッチ間隔である。たとえば、ピッチ間隔ｄが２０μｍ、波長λが８５０ｎｍならば、回折角度θｄは、２．４×ｍ°である。反射された回折光は、反射手段４でさらに反射されて、レンズ２の方向に進行する。回折角度に対応する再反射点の発光点からの距離Ｌは上の式で表わされるため、回折光の再反射点は発光点から±１２６μｍの整数倍の距離にある点であり、反射手段４は、１次回折光を反射するためには、発光部と同一面内に設ける場合、少なくとも２５２μｍ以上の幅が必要である。このように、反射手段４の大きさをＶ字状突起のピッチ間隔ｄと波長λとレンズの焦点距離に対応した大きさ以上にして、Ｖ字状突起における反射光の回折光の主要部を反射手段４により再反射する。なお、反射手段４の位置は、発光部１と同一面内だけでなく、実施の形態１と同様に、発光部１に対してレンズ２と反対側、または発光部１とレンズ２の間でかつ発光部１からの光束を妨げない位置であってもよい。これにより、発光部１からの出射光を増加させなくても、光の利用効率が上がり、スケール１３への入射光を増加させ、Ｓ／Ｎ特性を改善することが可能となる。また、Ｖ字状突起の角度を４５°からずらす必要がないので、屈折率が小さく、臨界角が４５°に近い材料の場合、有効である。なお、この実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、Ｖ字状突起の代わりにＶ字状溝を用いてもよい。
【００１８】
図５は、スケール１３が図の右方向に移動するときに、再反射光がない場合（比較例）と再反射光がある場合とにそれぞれ検出される光強度を左側と右側に示す。図５に示されるように、再反射光が利用できると、光の利用効率が上がり、光強度の振幅が増加する。これにより、Ｓ／Ｎ特性が改善される。
【００１９】
なお、上述の実施の形態１，２は光学式ロータリーエンコーダについて説明したが、直線状のスケールを用いれば、上述の説明は光学式リニアエンコーダにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】光学式ロータリーエンコーダの光学系の全体構成を図式的に示す斜視図
【図２】スケールにおける光の反射を示す図
【図３】実施の形態１の光学式ロータリーエンコーダの要素部分の構成と動作を模式的に示す図
【図４】実施の形態２の光学式ロータリーエンコーダの要素部分の構成と動作を模式的に示す図
【図５】再反射光がある場合とない場合の光強度を示す図
【符号の説明】
【００２１】
１  発光部、    ２  レンズ、    ３  スケール、    ４  反射手段、    ５  受光部、    ６  Ｖ字スケール、    １３  スケール。
【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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