(57)【要約】【課題】スケールと受光素子との間隔が本来の移動方向と異なる方向に変化した場合であっても、検出誤差を最小限に抑えること。【解決手段】面発光レーザ１が数式（１）に示す強度分布Ｉを持つ発散光を放射し、面発光レーザ１と受光素子２とを数式（２）を満たすように配置し、発光面１１及び受光素子２の受光面を含む平面とスケール表面との間隔を基準値ｙの０．７５倍から１．４倍の範囲に設定する。Ｉ（ｒ）＝I０・ｅｘｐ｛−２（ｒ／ｗ）２｝  （１）  ここで、Ｉ（ｒ）は面発光レーザ１の光軸に対して直交し光源から距離ｄにある平面上で光軸からの距離ｒにおける強度、Ｉ０は面発光レーザ１からの距離ｄにある平面上で光軸上の光強度、ｗは面発光レーザ１から距離ｄにある平面で規定される定数である。  （∂／∂ｘ）ｅｘｐ｛−（ｄｘ／ｗｙ）２｝／｛２ｙ(４ｙ２+ｘ２)１／２｝＝０  （２）【選択図】図１
2007183115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射光として発散光を放射する光源と、前記照射光の入射面に格子パターンが形成されたスケールと、前記スケールの格子パターンで反射した反射光が入射する受光素子とを備えた光学式エンコーダであって、
前記光源は、以下の数式（１）で表される強度分布Ｉ（ｒ）の発散光を放射し、
前記光源の発光面と前記受光素子の受光面とを同一平面上に配置する一方、当該平面と前記スケールの格子パターン形成面とを平行に配置し、
前記光源の発光面と前記受光素子の受光面との距離ｘを、前記光源の発光面と前記受光素子の受光面とを含む平面と前記スケールの格子パターン形成面との距離の基準値ｙに対して、以下の数式（２）を満足するように前記光源と前記受光素子とを配置し、
前記光源の発光面と前記受光素子の受光面とを含む平面と前記スケールの格子パターン形成面との距離を、前記基準値ｙの０．７５倍から１．４倍の範囲に設定することを特徴とする光学式エンコーダ。
Ｉ（ｒ）＝I０・ｅｘｐ｛−２（ｒ／ｗ）２｝  ・・・（１）
ここで、Ｉ（ｒ）は光源の光軸に対して直交し、光源から距離ｄにある平面上で、光軸からの距離ｒにおける強度であり、Ｉ０は光源の光軸に直交し、光源からの距離ｄにある平面上で、光軸上の光強度であり、ｗは光源の光軸に直交し、光源から距離ｄにある平面で規定される定数である。
（∂／∂ｘ）ｅｘｐ｛−（ｄｘ／ｗｙ）２／２｝／｛２ｙ(４ｙ２+ｘ２)１／２｝＝０
・・・（２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサとスケールとの相対位置の移動量を検出する光学式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
位置情報（反射パターン）を形成したスケールと受光面にスリット列を形成した受光素子とを対向配置し、発光素子からスケールに照射した照射光の反射光を受光素子で検出する光学式エンコーダが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は従来の光学式エンコーダにおける光学系の構成例を示す図である。同図に示すように、センサ１００とスケール１１０とが対向配置され、センサ１００側に配置された発光ダイオード１０１から出射した照射光がスケール１１０の表面に形成された格子目盛１１１で反射し、受光素子１０２の入射面に形成したスリット列１０３に入射するように構成されている。発光ダイオード１０１は透明樹脂でモールドされていて、そこから出射した照射光の大部分は光軸に対して平行に進む平行光となる。格子目盛１１１は反射面と遮光面とが格子状に形成されており、当該格子目盛１１１の反射光は周期的に明暗を繰り返す強度分布となる。受光素子１０２に形成されたスリット列１０３は、格子目盛１１１と同じ周期に設定されている。
【０００４】
上記光学式エンコーダにおいて、図５に示すように格子目盛１１１の反射面で反射した反射光の明るい部分が受光素子１０２のスリット列１０３における開口に入射する状態が受光強度最大となる。また、図６に示すように格子目盛１１１の遮光面で反射した反射光の暗い部分が受光素子１０２のスリット列１０３における開口に入射する状態が受光強度最小となる。センサ１００（受光素子１０２）とスケール１１０とのＸ方向の相対距離が変化するのに応じて変化する受光素子１０２での受光強度を検出することで移動量を検出することができる。
【特許文献１】特開２００３−２７９３８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の光学式エンコーダは、図７に示すようにスケールと受光素子との間隔が、本来の移動方向であるＸ方向ではなく、Ｘ方向と直交するＹ方向へ変化した場合には検出誤差が発生するという問題がある。
【０００６】
図７に示すように、スケール１１０と受光素子１０２との間隔がＹ方向へ変化した場合にも受光素子１０２の受光強度分布が同様に変化するため、Ｘ方向の移動の検出に対する誤差要因となる。
【０００７】
本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたもので、スケールと受光素子との間隔が本来の移動方向と異なる方向に変化した場合であっても、検出誤差を最小限に抑えることのできる光学式エンコーダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光学式エンコーダは、照射光としての発散光を放射する光源と、前記照射光の入射面に格子パターンが形成されたスケールと、前記スケールの格子パターンで反射した反射光が入射する受光素子とを備えた光学式エンコーダであって、前記光源は、数式（１）で表される強度分布Ｉ（ｒ）の発散光を放射し、前記光源の発光面と前記受光素子の受光面とを同一平面上に配置する一方、当該平面と前記スケールの格子パターン形成面とを平行に配置し、前記光源の発光面と前記受光素子の受光面との距離ｘを、前記光源の発光面と前記受光素子の受光面とを含む平面と前記スケールの格子パターン形成面との距離の基準値ｙに対して、数式（２）を満足するように前記光源と前記受光素子とを配置し、前記光源の発光面と前記受光素子の受光面とを含む平面と前記スケールの格子パターン形成面との距離を、前記基準値ｙの０．７５倍から１．４倍の範囲に設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、スケールと受光素子との間隔が本来の移動方向と異なる方向に変化した場合であっても、検出誤差を最小限に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施の形態に係る光学式エンコーダは、センサ１０とスケール２０とを備える。センサ１０は、発散光を出射する光源としての面発光レーザ１と、受光面にスリット列１２が形成された受光素子２と、図示していないＣＰＵを搭載した回路基板とを備えて構成される。スケール２０は図５に示すスケール１１０と同様に構成されており、センサ１０との対向面に格子目盛２１が形成されている。格子目盛２１は、短冊状をなす反射面と遮光面とが所定周期で交互に形成されている。図１では短冊状をなす反射面及び遮光面の短辺側の端面が示されている。
【００１１】
本実施の形態では、面発光レーザ１は、直径数μｍから１０μｍ程度の発光面１１を持ち、その発光面１１から出射される発散光は数式（１）で表される強度分布を持つものとする。
Ｉ（ｒ）＝I０・ｅｘｐ｛−２（ｒ／ｗ）２｝  ・・・（１）
ここで、Ｉ（ｒ）は光源（面発光レーザ１）の光軸に対して直交し、光源から距離ｄにある平面上で、光軸からの距離ｒにおける光強度である。Ｉ０は光源の光軸に直交し、光源からの距離ｄにある平面上で、光軸上の光強度である。ｗは光源の光軸に直交し、光源から距離ｄにある平面で規定される定数である。
【００１２】
受光素子２の受光面に形成したスリット列１２は、スケール２０の格子目盛２１の２倍の周期に設定されている。センサ１０において、面発光レーザ１の発光面１１と受光素子２の受光面とは同一平面上に配置されている。また、発光面１１と受光素子２の受光面とを含む平面と、スケール２０における格子目盛形成面とは平行に配置される。
【００１３】
また、センサ１０における面発光レーザ１と受光素子２との間隔は、数式（２）で表される距離となるように設定されている。
（∂／∂ｘ）ｅｘｐ｛−（ｄｘ／ｗｙ）２／２｝／｛２ｙ(４ｙ２+ｘ２)１／２｝＝０
・・・（２）
ここで、ｘは光源（面発光レーザ１）の発光面１１と受光素子２の受光面との距離である。ｙは光源の発光面１１と受光素子２の受光面を含む面と、格子目盛１１１を設けたスケール２０の表面との距離の基準値である。ｗ、ｄは上記数式（１）と同様である。
【００１４】
また、格子目盛２１からの反射光による明暗の繰り返し周期が、受光素子２の受光面上で格子目盛２１の周期の２倍の周期になるように設定する。受光素子２のスリット列１２は格子目盛２１の周期の２倍の周期に設定しているので、格子目盛２１の反射面からの光がスリット列１２の開口に入射する位置で受光強度が最大となり、格子目盛２１の遮光面からの光がスリット列１２の開口に入射する位置で受光強度が最小になる。すなわち、受光素子２とスケール２０とのＸ方向の相対位置と受光素子における受光強度との関係を、従来の光学式エンコーダと同じに設定にすることができる。
【００１５】
以上のように構成された本実施の形態では、面発光レーザ１から出射した照射光がスケール２０の格子目盛２１に入射する。格子目盛２１からの反射光は格子目盛２１にしたがって周期的に明暗を繰り返す強度分布を持つと共に、面発光レーザ１の出射光は発散光であるので、格子目盛２１からの反射光による明暗の繰り返し周期が受光素子２の受光面上で格子目盛２１の周期の２倍の周期になって投影される。この結果、受光素子２のスリット列１２と同一周期を有する明暗が受光素子２の受光面に投影される。
【００１６】
ここで、センサ１０とスケール２０との間隔が本来の移動方向とは異なる方向に変化した場合について説明する。図２に示すように、センサ１０とスケール２０との間隔が本来の移動方向（Ｘ方向）とは異なるＹ方向に変化したとしても、面発光レーザ１と受光素子２の受光面とは同一面上にあるので、上記の関係は保たれることとなり、受光素子２の受光面上における反射光の強度分布の周期は一定で、かつ受光面上における反射光の強度分布の移動も生じない。すなわち、センサ１０とスケール２０との間隔がＹ方向へ変化した場合であっても、スケール２０が本来のスケール移動方向（Ｘ方向）へ移動した場合と同等の受光強度変化は生じないこととなる。
【００１７】
ところで、センサ１０とスケール２０との間隔が変化すると、受光素子２の受光面に達する光が面発光レーザ１から放射される際の方位角θは変化する。図３は面発光レーザ１とスケール２０との間隔ｙと方位角θとの関係並びに方位角θと光強度Ｉとの関係を示す図である。同図に示すように、方位角θが大きくなると、数式（１）で表される照射光の強度Ｉは減少する。また、間隔ｙが短くなると、面発光レーザ１から見た受光素子２の受光面の見かけの大きさ、すなわち受光素子２の受光面が面発光レーザ１に対して張る立体角ωは増加する。立体角ωは数式（３）で表すことができる。
ω（ｙ）＝Ｓ・ｃｏｓθ／（２ｙ）２
＝Ｓ／｛２ｙ(４ｙ２+ｘ２)１／２｝        ・・・（３）
ここで、ω（ｙ）は光源（面発光レーザ１）から見た受光素子２の受光面の張る立体角である。Ｓは受光素子２の受光面の面積である。ｘ、ｙは数式（２）と同様である。
【００１８】
また、受光素子２の受光強度Ｐは、数式（４）に示すように光強度Ｉと立体角ωの積に比例すると近似的に見ることができる。
Ｐ（ｙ）∝Ｉ０・ｅｘｐ｛−（ｄｘ／ｗｙ）２／２｝
・Ｓ／｛２ｙ（４ｙ２＋ｘ２）１／２｝        ・・・（４）
ここで、Ｐ（ｙ）は受光素子２の受光強度である。ｄ、ｗ、ｘ、ｙは数式（１）〜（３）と同様である。
【００１９】
図４は、面発光レーザ１とスケール２０とのＹ方向の間隔（ｙ）に応じた受光強度Ｐ、照射光の強度Ｉ、立体角ωの変化を示す図である。同図において、受光強度Ｐが最大となる間隔ｙ０を、発光面１１及び受光素子２の受光面を含む面と格子目盛２１の形成されたスケール表面との距離の基準値とする。同図より、発光面１１及び受光素子２の受光面を含む平面とスケール表面との間隔ｙが、基準値ｙ０の０．７５倍から１．４倍の範囲において受光強度Ｐの間隔ｙの変化に対する変動が小さく、かつ受光強度Ｐが大きいことが判る。したがって、発光面１１及び受光素子２の受光面を含む平面とスケール表面との間隔ｙを、基準値ｙ０の０．７５倍から１．４倍の範囲に設定することが望ましい。
【００２０】
よって、面発光レーザ１の発光面１１とスケール２０の格子目盛２１の形成面との間隔ｙと、面発光レーザ１の発光面１１と受光素子２の受光面との間隔ｘとが、数式（２）を満たすように各部品を配置することにより、間隔ｙの変化に対する受光強度Ｐの変化を小さく抑えることができ、間隔ｙの変化に起因した検出誤差を抑制できる。
【００２１】
例えば、数式１において距離ｄ＝１ｍｍのときに、定数ｗ＝１ｍｍとなる強度分布を持つ面発光レーザ１を用い、面発光レーザ１の発光面１１と受光素子２の受光面との間隔ｘ＝２ｍｍで配置する。このような配置において、スケール２０とセンサ１０との間隔ｙが０．９３ｍｍから１．７４ｍｍの範囲で変化しても、受光強度Ｐの変化は間隔ｙが１．２４ｍｍの場合（基準値）に比べて１０％以内の減少に抑えることができる。
【００２２】
このように本実施の形態によれば、面発光レーザ１が数式（１）に示す強度分布Ｉを持つ発散光を放射し、面発光レーザ１と受光素子２とを数式（２）を満たすように配置し、発光面１１及び受光素子２の受光面を含む平面とスケール表面との間隔を、基準値ｙの０．７５倍から１．４倍の範囲に設定したので、発光面１１及び受光素子２の受光面を含む平面とスケール表面との間隔の変化に対する受光強度の変化を小さく抑えることができ、検出すべきでない方向への移動による位置検出誤差を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、光源と受光素子とを備えたセンサとスケールとを対向配置してセンサとスケールとの相対移動量を検出する光学式エンコーダに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光学式エンコーダの光学系の構成図
【図２】上記一実施の形態においてセンサ−スケール間の間隔が変化した光学系を示す図
【図３】面発光レーザとスケールとの間隔と方位角との関係並びに方位角と光強度との関係を示す図
【図４】センサ−スケール間の間隔に応じた受光強度、照射光強度、立体角の変化を示す図
【図５】従来の光学式エンコーダの光学系の構成図
【図６】図５の光学式エンコーダにおいてスケールがＸ方向に移動した状態を示す図
【図７】図５の光学式エンコーダにおいてスケールがＹ方向に移動した状態を示す図
【符号の説明】
【００２５】
１  面発光レーザ
２  受光素子
１０  センサ
１１  発光面
１２  スリット列
２０  スケール
２１  格子目盛
θ  方位角
ω  立体角
Ｐ  受光強度
Ｉ（ｒ）  強度分布
【図１】
2007183115.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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