光学式エンコーダ
【課題】検出ヘッド内部の迷光等の影響を受けず、かつ信頼性を確保して小型化・薄型化を図ること。
【解決手段】光源４とスケール９との間の光路上、又はスケール９と光検出器６との間の光路上に配置に光透過部材５を配置し、この光透過部材５の表面にエンコーダ信号の発生に寄与しない迷光を少なくとも低減する迷光低減機能要素を形成する。
【解決手段】光源４とスケール９との間の光路上、又はスケール９と光検出器６との間の光路上に配置に光透過部材５を配置し、この光透過部材５の表面にエンコーダ信号の発生に寄与しない迷光を少なくとも低減する迷光低減機能要素を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被変位検出体の変位を検出する光学式変位センサ等に用いられる光学式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンコーダの小型化・薄型化が進んできている。このエンコーダの普及品では、一辺が例えば１０ｍｍ〜２０ｍｍに形成された検出ヘッドのサイズに対して数ｍｍ角のサイズのものも市場に出始めてきている。こうした小型化の流れの中でエンコーダは、パッケージングにおいても小型化を意識した形状・形態となっていくと考えられる。例えば、従来の金属やセラミクスを用いたパッケージは、より厚みを薄くし、さらに従来のパッケージを樹脂モールド等のパッケージング技術を用いたもので置き換えるようになっていくと考えられる。
【０００３】
検出ヘッドのサイズが小さくなると、当該検出ヘッド内部に設けられている発光部と受光部との間隔も狭くなる。そのため、検出ヘッド内部での迷光などによって、発光部から出射されて検出ヘッド内部を経由して受光部へ入る光の検出光量に占める割合が大きくなる可能性が高くなる。
【０００４】
エンコーダにおける検出ヘッド上部は、素子保護の為にガラス板で覆ったり、透明樹脂で封止したりすることが多い。このような場合、光源から出た光は、検出ヘッド上部の内面で反射して受光部へ入る可能性がある。特に、検出ヘッドを小さくするために検出ヘッドの厚みを薄くすると、当該検出ヘッド内面での反射角が大きくなる。このため、検出ヘッド内面での反射角が全反射角を超えると、受光部へ入る光量が急激に増える。
又、検出ヘッド内部を多重反射するなどした光についても、小型化により従来よりも多くの光量が受光部へ入り易くなる。
【０００５】
これらの検出ヘッド内部の反射光等の迷光は、位置検出信号（エンコーダ信号）を生成する際のノイズ成分となる。迷光によるノイズ成分は、位置検出信号のＳＮ比を極端に劣化させる原因となりうる。位置検出信号の振幅等の出力レベルを保つために所定の信号増幅を行うと、大きなノイズ成分の影響で位置検出信号のレベルが飽和してしまう可能性がある。
もし、ノイズ成分による位置検出信号の飽和を避けようとすると、ノイズ成分を除去する処理を余分に追加する必要が生じたり、ノイズ成分除去処理に起因する信号劣化の対策をしなければならなくなる可能性も出てくる。
【０００６】
このような小型化・薄型化を意識した光学式エンコーダの従来技術の一例としては、例えば特許文献１に開示されている光学式エンコーダが挙げられる。この特許文献１は、図１６に示すように発光素子としてのＬＥＤ４０２と光電変換素子アレイとしての受光素子アレイ４０３、４０４とをヘッド側に有する反射型の光学式エンコーダを開示する。この光学式エンコーダは、アブソリュートパターン１００及びインクリメンタルパターン１０１と対向するようにセンサ光学部１１４を設け、ＬＥＤ４０２の光を各インクリメンタルパターン１００、１０１で反射して受光素子アレイ４０３、４０４により受光する。この光学式エンコーダは、ＬＥＤ４０２と受光素子アレイ４０３、４０４が透明光学部材に覆われ、この透明光学部材がそのままパッケージング部材となっている。
【０００７】
このような特許文献１では、以下のような条件が加えられている。即ち、発光部から受光面の一番遠いところまでの距離をＤ、発光面と受光面から透明光学部材表面までの距離をＧ、透明光学部材表面内部で反射率が１０％となる角度をθとすると、以下の式が成り立つように厚みＧを設定する。
Ｇ≧Ｄ／（２・ｔａｎθ）
検出ヘッドに発光素子と受光素子とを透明部材によりモールドするなどして小型化を図った際に、保護部材である透明光学部材の厚みを薄くすると、発光素子から出射された光は、透明光学部材内面で反射し、この反射光が受光部に入る。このため、位置検出信号（エンコーダ信号）を生成する際のノイズ成分となり、位置検出信号のＳＮ比が劣化してしまう。しかるに、特許文献１は、透明光学部材の厚みを一定値以上に厚くして透明光学部材への内部からの反射率を１０％以下となるようにしている。
このように特許文献１に開示されている光学式エンコーダは、透明光学部材の厚みを大きく取ることで、透明光学部材内部での反射光の問題を回避しようとしている。
【特許文献１】特開２００５−１５６５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光学式エンコーダの小型化・薄型化に合わせて検出ヘッドのサイズが小さくなると、検出ヘッド内部の発光部と受光部の間隔が狭くなる。このため、検出ヘッド内部での迷光などによって、発光部から出射されてヘッド内部を経由して受光部に入射する光の検出光量に占める割合が大きくなる可能性が高くなる。
【０００９】
光学式エンコーダの検出ヘッド上部は、素子保護の為にガラス板で覆ったり、透明樹脂で封止したりすることが多い。このような場合、光源から出射された光は、検出ヘッド上部の内面で反射して受光部へ入射する可能性がある。特に、検出ヘッドを小さくするために当該検出ヘッドの厚みを薄くすると、検出ヘッド内面での反射角が大きくなり、この反射角が全反射角を超えると、受光部に入射する光量が急激に増える。
又、検出ヘッド内部を多重反射するなどした光についても、小型化により従来よりも多くの光量が受光部へ入り易くなる。
【００１０】
これら検出ヘッド内部の反射光等の迷光は、位置検出信号を生成する際のノイズ成分となる。迷光によるノイズ成分は、位置検出信号のＳＮ比を極端に劣化させる原因と成り得る。位置検出信号の振幅等の出力レベルを保つために所定の信号増幅を行うと、大きなノイズ成分の影響で位置検出信号のレベルが飽和してしまう可能性がある。
もし、ノイズ成分による信号飽和を避けようとすると、ノイズ成分を除去する処理を余分に追加する必要が生じたり、ノイズ成分除去処理に起因する信号劣化の対策をしなければならなくなる可能性も出てくる。
【００１１】
特許文献１に開示されている光学式エンコーダでは、透明光学部材の厚みを厚く取ることで、光学ヘッド内部の反射光の問題を回避しようとしている。しかしながら、検出ヘッドのサイズに対する樹脂の厚みの比を一定以上にするため、薄型化を満足しない可能性がある。また、透明光学部材の厚みを厚く取ることで、検出系のワーキングディスタンスを大きく取る必要が生じ、設計の自由度が損なわれる可能性がでてくる。
【００１２】
さらに、検出ヘッドのパッケージングにモールド樹脂を採用した場合、モールド樹脂では温度変化による熱膨張・収縮や硬度の大きな変化がある。このため、樹脂厚を大きくすることで例えば図１７に示すようにワイヤ配線５０６の断線や、樹脂クラックＧ１、ガラス割れＧ２等の発生などの問題が生じやすくなる。なお、５００は基板、５０１は受光素子、５０２はＬＥＤ光源、５０３はガラス部材、５０４は電極、５０５は樹脂、５０６はワイヤ配線、５０７はスケール、５０８は第１格子、５０９は第２格子、５１０は第３格子である。
【００１３】
ワイヤ配線５０６の断線や、樹脂クラックＧ１、ガラス割れＧ２等が発生するため、検出ヘッドのパッケージングにモールド樹脂を採用した場合、信頼性を確保することが困難になったり、設計・製造上の対策にコストがかかったりするようになる可能性が出てくる。
【００１４】
本発明の目的は、検出ヘッド内部の迷光等の影響を受けず、かつ信頼性を確保して小型化・薄型化を図ることができる光学式エンコーダを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の主要な局面に係る光学式エンコーダは、被変位検出体としての一方の部材に取り付けられたスケールと、一方の部材に対して相対移動する他方の部材に取り付けられ、かつスケールに対向して配置された検出ヘッドとを有し、エンコーダ信号を発生する光学式エンコーダにおいて、スケールは、相対移動する方向に所定の光学パタンが設けられ、検出ヘッドは、スケールに所定の光を照射する発光部と、発光部からスケールに照射され、光学パタンを経た光を受光する受光面を有し、当該受光面上に形成される光分布を検出する光検出部と、発光部とスケールとの間の光路上、又はスケールと光検出部との間の光路上に配置される光透過部材と、エンコーダ信号の発生に寄与しない迷光を少なくとも低減する迷光低減機能要素とを備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、検出ヘッド内部の迷光等の影響を受けず、かつ信頼性を確保して小型化・薄型化を図ることができる光学式エンコーダを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１Ａは光学式エンコーダの概略構成図を示し、図１Ｂは同エンコーダにおけるスケールの移動方向の断面構成図を示す。この光学式エンコーダ１は、反射型である。なお、以下の実施の形態及びその各変形例では、反射型のエンコーダの例について説明するが、これに限られるものでない。
【００１８】
光学式エンコーダ１は、センサヘッド２と、このセンサヘッド２に対向して配置されたスケール９とから構成される。センサヘッド２は、配線基板３を備え、この配線基板３上に光源４と光検出器６とを別体で配置している。光検出器６は、受光素子アレイから成る受光領域６１を内部に有する。なお、スケール９は、図１Ａにおいてｙ方向の長さが図１Ｂに示すスケール９のｙ方向の長さに比較して短くなっているが、これは図１Ａにおいてセンサヘッド２側の構成を分かり易くするためである。
【００１９】
光源４は、面実装用のチップタイプのモールドＬＥＤであり、その上面は平坦に形成されている。
この光源４の出射面上には、光透過部材５が光透過性接着剤によって貼り付けられている。この光透過部材５の光源４側の面には、第１格子５１が形成されている。この第１格子５１は、ｘ方向にピッチｐ１を有する光学パタンである。なお、第１格子５１に必要な領域以外の部分には遮光パタンを形成してもよい。
【００２０】
光透過部材５は、ガラスの平行平板から加工して切り出した部材を用いており、上面と下面とが平坦な研磨面に形成されている。この光透過部材５は、直方体の形状を有する。この光透過部材５の側面は、特に光学的な処理を施していなくても良いが、光を遮断又は光を減衰させたり、透過光を散乱させたり、光検出器側へとは異なる特定の方向へ光を逸らす等、迷光低減機能を有するものであっても良い。迷光低減機能を具体的に実現する処理としては、例えば、遮光膜形成、回折格子パタン形成、磨りガラス処理、ＡＲコート処理等が挙げられる。ここでは、光透過部材５の側面に遮光パタンが形成されているものとする。
この光透過部材５は、その上面と、光源４と接する底面、又は光検出器６に接する部分を除いて、共にセンサヘッド保護用の光透過性の樹脂材８により囲まれている。なお、光透過部材５、光透過部材５の側面に形成された遮光パタン等の光遮光部材、及び光透過性の接着剤の材質の熱的特性は、光検出器を構成するＳｉ系半導体材料と同じ特性を有する部材を用いている。また、図１Ｂにおいて、光透過部材５が光源４から光検出器６へ若干はみ出して取り付けられているが、光透過性の樹脂材８を形成する際にクラック等が発生しないよう、はみ出し量が抑えられている。
【００２１】
スケール９は、センサヘッド２と相対的に変位する光学パタンである第２格子９１を有する。第２格子９１は、スケール９とセンサヘッド２とが相対的に移動する方向に所定のピッチｐ２で形成された光学パタンである。
【００２２】
次に光学系の配置について説明する。
光透過部材５上の第１格子５１からスケール９上の第２格子９１までの光学的距離をｚ１、スケール９上の第２格子９１から光検出器６の受光面までの光学距離をｚ２、光源４の発光波長をλとすると、
１/ｚ１＋１/ｚ２＝λ/（ｎ・ｐ２２） …（１）
を満足する自然数ｎが存在するように光源４とスケール９と光検出器６とを配置する構成とする。
これにより、スケール９の回折拡大イメージパタンが光検出器６の受光素子上に転写されたイメージを現すことができる。所定の位置に光検出器６を配置すれば、スケール９の変位量を検出可能であることが知られている。
【００２３】
但し、上記式（１）において、第１格子５１と第２格子９１との間のｉ（自然数）番目の物質、又は空間の屈折率ｎｉ、厚みｔｉとし、第２格子９１と光検出器６の受光面との間のｊ（自然数）番目の物質、又は空間の屈折率ｎｊ、厚みｔｊとし、第１格子５１と第２格子９１との間の光学距離をｚ１＝Σｔｉ／ｎｉ、第２格子９１と光検出器６の受光面と間の光学距離をｚ２＝Σｔｊ／ｎｊと定義する。
【００２４】
本光学式エンコーダの構成では、小型化のためにｎ＝１を満たすｚ１とｚ２とを採用している。上記式（１）を満たすｚ１とｚ２の組み合わせにおいて、値の最も小さいものとしている。さらに、上記式（１）において、ｚ１＝ｚ２を満たす配置構成を取っている。このとき、拡大倍率は２倍となり、ｐ１＝ｐ３＝２ｐ２となる。
【００２５】
次に、光検出器６の構成について説明する。
第２図は光検出器６上に形成されている受光素子アレイから成る受光領域６１の拡大図を示す。光検出器６は、矩形状の４つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４を組み合わせて１組とし、この組み合わせを複数組配置して成る。これら複数組のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４の出力は、４つ置きの各ＰＤ出力を共通結合して４つの電気信号の出力を得るようになっている。４つの電気信号は、４つの電極パッドＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２から出力される。接続された４つ置きのＰＤのピッチは、ｐ３であり、隣り合うＰＤとはｐ３／４だけずれて配置されている。
【００２６】
次に、光学的な配置について説明する。
図３において、光源４の光出射部から出射された光は、光透過部材５内を伝播し、当該光透過部材５と外界（一般に空気）との界面上の点Ｃから出射される。この外界との界面上の点Ｃにおいて、外界の媒質の屈折率をｎ１、光透過部材５の屈折率をｎ２、樹脂材８の屈折率をｎ３、外界に伝播する屈折光の屈折角度θ１、界面の法線となす角度をθ２、ｎ３＝ｎ２、とする。
【００２７】
このとき、スネルの法則により、以下の式が成り立つ。なお、一般的な説明を行っているが、本実施の形態では、外界の媒質を空気と想定しており、ｎ１＝１である。
ｎ１・sinθ１＝ｎ２・sinθ２ …（２）
光透過部材５は、光透過樹脂又はガラスなど光検出器６や図示しない信号処理回路等を構成するＳｉ半導体と熱的特性が同じか又は近い材質で構成されており、ｎ２＞ｎ１である。光ビームが光透過部材５の表面で全反射する臨界角度θｃとすると、次の式が成り立つ。
θｃ＝sin−１（ｎ１/ｎ２） …（３）
光源４の出射部内の任意の１点と光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１内の任意の１点を取り、各点の位置を変化させた場合、光源４の出射部内の１点から光検出器６の受光領域６１内の１点までの距離のスケールに平行な成分が取りうる最大値をＤ、最小値をｄとする。
光源４から光透過部材５の光が出射する表面までの厚さをＧ、光透過部材５の表面からスケール９の第２格子９１までの距離をＧ０、スケール９の第２格子９１から樹脂材８の表面までの距離をＧ０’、樹脂材８の表面から光検出器６までの厚さをＧ’とする。又、光透過部材５の表面から光検出器６までの厚さをＧ’’とする。
【００２８】
このとき、本実施の形態は、次式を満足する構成となっている。
【００２９】
（Ｇ＋Ｇ”）＜Ｄ／tanθｃ …（４）
上記式（４）を満たすＤは、光透過部材５が広い領域に形成されていた場合、光源４から出射する光の内、Ｆ点近傍に入射する光が全反射し、その反射光が光検出器６に直接入射するような光透過部材５の厚みである。
【００３０】
従来のように光透過部材５と光検出器６との間が連結された構成の場合、センサ内部の反射光が直接光検出器６の受光領域６１に入射し、図４Ａに示すように変位信号に占めるＤＣ成分が上昇する。
【００３１】
上記式（４）は、必ずしも光透過部材５の表面と樹脂材８の表面との高さが一致してなく、厚さＧ≠＝Ｇ’、Ｇ０＝Ｇ０’でない場合を想定している。
図５に示すように光透過部材５の表面と樹脂材８の表面との高さが一致し、かつＧ＝Ｇ’、Ｇ０＝Ｇ０’である場合、上記式（４）は以下のように置き換えられる。
Ｇ＜（Ｄ／２）／tanθｃ …（５）
樹脂材８は、センサヘッド２内の部材の保護を主たる目的としたものである。この樹脂材８は、例えば光に対して透明なクリアモールド樹脂を用いている。従って、樹脂材８は、センサヘッド２内の部材の保護の観点からすると、当該センサヘッド２内部の電気配線部や電極の周囲のみを保護するようにしてもよい。又、樹脂材８は、場合によって全て除去してしまっても構わない。
【００３２】
樹脂材８は、光検出器６の電極３２及び電極ボンディングワイヤ３３を埋め込んでいる。本構成において、電極ボンディングワイヤ３３は、樹脂材８により埋め込まれる部材のうちで光透過部材５と樹脂材８とを除くと最も高い位置まで配置される部材であり、この最も高くにある部材が完全に樹脂材８で埋め込まれている。
なお、図１Ａ、図１Ｂにおいて光透過部材５の上面は、樹脂材８よりも高くなっている。この樹脂材８は、光透過性であるので、信頼性向上の観点から光透過部材５を樹脂材８で完全に埋め込んでしまっても構わない。又、光透過部材５と樹脂材８との高さを一致させても構わない。
【００３３】
本実施の形態では、センサヘッド２内の光源４側に第１格子５１を配置し、光源４と、受光素子アレイから成る受光領域６１を内部に有する光検出器６とを別体で配置するなどしているが、発光部と受光部を有する反射型のセンサヘッドの構成を有していれば、どのような光学式エンコーダでも上記式（２）〜（５）を適用することが可能であり、本実施の形態を含めた本発明の迷光防止の作用や効果が当てはまる。
樹脂材８は、光透過性の樹脂を用いているが、光透過性であれば色や素材を限定するものではない。また、樹脂材８は、受光素子アレイから成る受光領域６１を覆わず、光検出に影響を与えないのであれば、光透過性でなくてもよい。また、樹脂材８は、複数の素材を組み合わせたり、複数層にしても構わない。
【００３４】
光透過部材５の側面は、光透過部材５の側面から出て光検出器６の受光素子アレイへ到達する光を遮断、又は低減するような形状や、表面の微視的な形状である表面状態や側面形状と配置の組合せを併用してもよい。具体的に光透過部材５の側面は、光を発散させるような表面状態・表面形状としたり、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１から光を逸らすような表面形状と配置の組合せとしたりしてもよい。
本実施の形態では、上記式（４）を満足するようにセンサヘッド２の厚みを薄くしているが、（なお、薄型化は、迷光防止による副次的な効果）必ずしも薄くなくても構わない。
【００３５】
光学式エンコーダ１は、原理的に上記式（１）を満足するタイプであるが、検出ヘッドに発光部と受光部を有する構成で有れば、検出ヘッド内の迷光防止機能は、必ずしもエンコーダの検出原理には限定されない。例えば、光学式エンコーダ１は、光干渉を用いない、反射強度のみを検出するタイプや特定の次数の回折光のみを用いたタイプでもよい。
【００３６】
次に、上記の如く構成された光学式エンコーダ１の動作について説明する。
光学式エンコーダ１は、上記式（１）の条件を満たすような位置に光検出器６を配置されているので、発光部である光源４から出射された光がスケール９上の第２格子９１により反射又は回折され、この第２格子９１のパタンの拡大された明暗像が受光素子アレイから成る受光領域６１上に形成される。この受光素子アレイから成る受光領域６１上の拡大像パタンは、センサヘッド２とスケール９との相対移動に応じて移動し、この移動を光検出部６で検出する。
【００３７】
上記式（１）において、ｚ１＝ｚ２を満たす配置構成であることから受光素子アレイから成る受光領域６１上には、スケール９のピッチの２倍のピッチを持つ明暗の回折パタンが形成される。スケール９がセンサヘッド２に対して相対移動すると、図２に示す４つの電極パッドＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２から出力される電気信号は、互いに１/４周期だけ位相が異なる擬似正弦波信号となる。
【００３８】
センサヘッド２から出力される検出信号について図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明する。
図４Ａ及び図４Ｂは、縦軸を電圧とし、横軸を位置としている。光学式エンコーダ１のセンサヘッド２とスケール９とが一定の速度で相対的に移動している場合、横軸は時間と見なしても良い。
図４Ａは、互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの信号の内、互いに１８０°位相差の逆相となる２組の信号の差をとって得た擬似正弦波信号であるＡ相信号とＢ相信号を表す。同図に示す例では、迷光による検出信号の飽和の影響は出ていない。
図４Ｂは、互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの電極パッドＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２から出力される電気信号の１つの波形を表している。同図に示す例では、迷光が大きいためにＤＣ成分が大きくなり、そのため、検出信号が飽和している。
【００３９】
電流電圧変換後に検出信号に含まれるＤＣ成分や同相ノイズを除去したり、さらにゲインを掛けるために、センサヘッド２は、互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの信号の内、互いに逆相となる２組の信号の差をとり、２つの９０°位相差の擬似正弦波信号である、Ａ相信号とＢ相信号を得る。
【００４０】
この擬似正弦波信号をセンサヘッド２内部又は外部において２値化して変位検出する。または、擬似正弦波信号を内挿処理回路で信号処理し、さらに高分解能な変位量を検出できる。
【００４１】
図４Ｂに示すように飽和した信号を用いると、図４Ａに示すＡＢ相信号にも飽和の影響が現れ、正弦波からの歪みが大きくなる。特に、ＤＣ成分が極めて大きくなり、図４Ｂに示す信号が常に飽和した状態となると、図４Ａに示すＡＢ相信号の振幅が０となってしまう。
【００４２】
光透過部材５の側面の形状や表面形状は、当該光透過部材５の側面から出て光検出器６の受光領域６１へ到達する光を遮断又は低減するようになっている。すなわち、光透過部材５の側面の形状や表面形状は、光透過部材５の側面を通過する光の光量を低減したり、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１の方向へ向かう光の光量を低減されたりする、すなわち迷光低減機能要素としての形状を備えている。
【００４３】
具体的に光源４の光出射部と光検出器６の受光部とは、共通の光透過性部材に接しておらず、光透過部材５と樹脂材８に面している。即ち、光透過部材５の表面及び樹脂材８又は空間が迷光低減機能要素として形成されている。このため、迷光低減機能要素としての光透過部材５の上面内部で反射して光検出器６の受光部へ向かう迷光の光量は大幅に減少する。
又、光源４の光出射部と光検出器６の受光部の高さ位置とが合っているので、光透過部材５の側面から出る光は、基本的に斜め上に向かう。斜め上方向に向かう光は、基本的には直接光検出器６の受光部６へは向かはない。
【００４４】
又、光透過部材５は、直方体の形状を有したガラスにより形成されており、屈折率は約１．５である。センサヘッド２の周囲は、屈折率１の大気など光透過部材５よりも屈折率の低い物質、又は空間となっている。この場合、光透過部材５の側面のような平らな面から屈折率の低い物質又は空間へ出る光は、出射角が入射角よりも大きくなり、発散光となる。そのため、光透過部材５の側面から出て光検出器６の受光領域６１へ到達する光の光量は、センサヘッド２のスケール９側に光透過部材５又は他の光透過性部材が一体的に配置されている場合に比べて小さくなる。即ち、信号検出に寄与しない迷光が光検出器６へ入る量を低減することができる。
光透過部材５の側面に特に光学的な処理を必ずしも施していなくても上記作用を実現できるが、さらに、遮光・散乱等の機能を追加することで、迷光低減機能を向上させることができる。
【００４５】
本実施の形態と従来技術とを対比すると、光透過部材がセンサヘッド２のスケール９側の面全体に拡がっており、その表面で反射した光が光検出器６上の受光領域６１に直接入射された場合を考えると、従来の光学式エンコーダでは、各相の信号が図４Ａに示すようにＤＣ成分レベルが増大し、各相の信号振幅がＤＣ成分の大きさに比べて相対的に小さくなる。そして、従来の光学式エンコーダでは、信号の飽和傾向が強くなり、実際に信号が飽和すると変位量検出に誤動作が生じる。また、従来の光学式エンコーダでは、実際に信号が飽和していなくても、ＤＣ成分レベルが大きいために信号増幅に制限が生じることで、検出したい擬似正弦波信号のレベルやそのＳＮ比が低下してしまう可能性がある。
【００４６】
これに対して本実施の形態は、光伝達経路を限定している。すなわち、本実施の形態によれば、光源４とスケール９との間の光路上、又はスケール９と光検出器６との間の光路上に配置に光透過部材５を配置し、この光透過部材５の表面にエンコーダ信号の発生に寄与しない迷光を少なくとも低減する迷光低減機能要素を形成している。具体的に本実施の形態は、光透過部材５を光源４とスケール９の間で、かつ光検出器６には掛からないよう配置している。これにより、光透過部材５のスケール９側の面からの反射光が光透過部材５内部では光検出器６へ入ることがない。
【００４７】
又、光透過部材５の側面は、センサヘッド２内において光透過部材５の側面から光検出器６の受光領域６１へ伝達する光の光量を低減するように配置されているので、途中の部材や空間を経て光検出器６へ入射する光の光量も低減される。
これにより、光透過部材５は、センサヘッド２のスケール９側の面全体に拡がっていて、光透過部材５の表面で反射した光が光検出器６上の受光領域６１に直接入射された場合と比較すると、ＤＣ成分が低減される。これにより、信号飽和の可能性が低減し、より大きなゲインで信号増幅することが可能となる。その結果、ＤＣ成分レベルが低い場合に本来得られるべき、所望の検出信号レベルや問題無いＳＮ比を得ることが可能となる。
【００４８】
次に、光透過部材５の側面の形状の効果について説明する。
光透過部材５の表面にエンコーダ信号の発生に寄与しない迷光を少なくとも低減する迷光低減機能要素は、光透過部材５の表面の光学的機能により迷光を低減する。すなわち、光透過部材５の側面は、迷光低減機能要素として、光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を遮断又は低減するような光透過部材５の側面の形状や表面状態となっている。これにより、光透過部材５の側面を通過する光の光量は低減されたり、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１の方向へ向かう光の光量が低減される。その結果、光検出器６が検出する信号について高いＳＮ比を得ることが可能となる。
【００４９】
次に、光透過部材５の側面の形状と光源４や光検出器６を含めた配置の組合せの効果について説明する。
光透過部材５の側面は、迷光低減機能要素として、光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を遮断又は低減するような光透過部材５の側面の形状と光源４や光検出器６を含めた配置の組み合わせである。これにより、光透過部材５の側面を通過する光の光量が低減されたり、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１の方向へ向かう光の光量が低減されたりする。その結果、光検出器６が検出する信号について高いＳＮ比を得ることが可能となる。
【００５０】
以下、光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１へ到達する光の光量が十分低減される光透過部材５の側面の形状と配置の組み合わせについて具体的に示す。
光透過部材５は、直方体の形状を有している。光透過部材５の側面は、特に光学的な処理を施していない。光源４の光出射部と光検出器６の受光部とが共通の光透過性部材に接しておらず、別体の光透過部材５と樹脂材８とに面している。これにより、光透過部材５の上面の面積は絞られ、光透過部材５の上面内部で反射角が抑えられる。しかるに、光透過部材５の上面内部で反射して光検出器６に向かう迷光の光量は大幅に減少する。又、光源４の光出射部と光検出器６の受光部の高さ位置が合っているので、光透過部材５の上面を経ずに側面から出る光は基本的には斜め上に向かう。これにより、光透過部材５の側面から出る光は、基本的には直接受光部へは向かわない。
【００５１】
光透過部材５はガラスで形成されており、その屈折率は約１．５である。センサヘッド２の周囲は、屈折率１の大気などの光透過部材５よりも屈折率の低い物質又は空間となっている。この場合、平らな面から屈折率の低い物質又は空間へ出る光は、出射角が入射角よりも大きくなり、発散光となる。これにより、光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１へ到達する光の光量は、光透過部材５で一体的に覆われている場合に比べて小さくなる。
以上の事から光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１の側面へ向かう光を低減する作用やそれに伴う効果を有する。
【００５２】
光透過部材５の表面に形成される迷光低減機能要素は、スケール９等の被変位検出体の変位検出に全く寄与しない部分にのみ配置又は形成される。しかるに、光学式エンコーダ１の信号検出に用いられる光は、光透過部材５の上下の面を通過する。少なくとも光透過部材５の上下の面を通らない光は、エンコーダが本来検出すべき信号とはならないよう設計・配置されている。
一方、光透過部材５の側面は、センサヘッド２内において光透過部材５側面から光検出器６上の受光領域６１へ伝達する光の光量を低減するように配置されている。これにより、迷光低減機構要素は、光透過部材５の上下の面を通過する光を低減させることはない。従って、迷光によるＤＣ成分のみを低減するようになっている。この事から検出すべき信号は、維持したまま、ＳＮ比の改善が可能となる。
【００５３】
光透過部材５の表面は、エンコーダ信号の発生に関与する光が経由する部分を含む１つ以上の面と、当該面以外のエンコーダ信号の発生に関与しない１つ以上の面から形成され、迷光低減機能要素は、光透過部材５における少なくとも１つ以上の面に配置又は形成した。すなわち、光透過部材５は、上下の面と直方体型の側面から形成されている。光透過部材５の上下の面を通過する光がエンコーダの信号検出に用いられ、迷光低減要素は、これら上下以外の側面に配置・形成している。このように信号検出用の面と迷光低減に用いる面とが分離されているので、迷光低減機能要素の配置・形成位置が明確となる。これにより、迷光低減機能要素の配置・形成が容易となると共に、検査時等における確認が容易となる。
【００５４】
光透過部材５は、光源４とスケール９との間に配置される。これにより、光透過部材５は、第１格子５１の機能と迷光低減機能要素の機能とを１部材で兼用できる。これにより、部材点数を削減でき、省スペース、構成の単純化、コスト削減などの効果を生む。又、センサヘッド２全体として実装精度が向上することにより性能向上ができたり、若しくは実装精度を緩めることができたりするといったメリットが生まれる可能性がある。
【００５５】
光透過部材５は、実装前に予め形状が決まっている。すなわち、部材を実装してから形状や表面状態を加工すると、一連の実装工程との兼ね合いで、加工方法や加工出来る形状や形状精度に制約が出来やすい。
これに対して光透過部材５は、ガラスの平行平板から切り出し、必要に応じて表面の処理をしたものであり、光源４及び光検出器６上への実装前に予め形状が決まっている。これにより、事前に必要十分な加工によって、所望の形状や形状精度としておくことが可能である。特に、光透過部材５の上面と下面が平行平板ガラスの研磨面となっており、樹脂だけを用いた場合や光路上に樹脂が介在する場合と比べて表面の光学特性が良好であり、高精度な信号検出が可能となる。
【００５６】
光透過部材５は、実装時に塑性変形しない材料から成る。又、光透過部材５は、実装時に溶融しない材料から成る。しかるに、光透過部材５は、例えばガラスにより形成されており、実装時に塑性変形は起こらない。この光透過部材５は、特に樹脂封止する際に必要な２００℃前後の温度では溶融は起こらない。これにより、光透過部材５は、事前に加工した形状や表面状態を維持することが可能となる。
光透過部材５は、実装時に位置調整可能である。光透過部材５は、実装時にハンドリング可能である。すなわち、光透過部材５は、例えばガラスにより形成されており、上下の面は平行平板の一部となっている。これにより、光透過部材５は、平行平板となった上下の面や側面を保持して実装時にハンドリングすることも可能である。
【００５７】
しかるに、光透過部材５は、所望の配置に持っていき実装することが可能となる。さらに、同じ理由により、光透過部材５は、センサヘッド２内での位置調整も実装時に可能となる。これにより、光透過部材５は、高精度な位置決めと形状や形状精度の組合せにより、理想的な設計に近い信号検出効率や迷光低減効果が期待出来る。 本実施形態では、発光部４と光検出部５のスケール９側の面が、光透過部材５で、光透過部材５のスケール側の面と同じ高さで検出ヘッド２全体にかつ一体的に埋設されていると仮定した場合に、発光部４から光透過部材５の表面を経て光検出部６へ至る光の経路について、光透過部材５から外界への界面での反射角が全反射臨界角よりも大きくなる光の経路が存在する構成となっている。また、式４と式５を満足する構成でもある。従って、光透過部材５が無ければ、全反射光した光が光検出部６に入射し、検出信号レベル飽和やＳＮ比劣化といった問題が生じうる。発光部４は光検出器６に近接した光源であり、この全反射光が発生させるエンコーダ信号のＤＣ成分は他の迷光に比べて特に大きなものとなりうる。光透過部材５による迷光低減効果により、ＤＣ成分が抑えられ、エンコーダ信号が安定して検出されるようになることで、検出ヘッドの薄型化・小型化が可能となる。なお、光透過部材５の代わりに光透過性の樹脂材８で、光透過部材５のスケール側の面と同じ高さで検出ヘッド２全体にかつ一体的に埋設されていると仮定した場合にも、光透過部材５の屈折率ｎ２の代わりに光透過性の樹脂材８の屈折率ｎ３を式３に代入することで、式４と式５を満足するような薄型の構成でも信号検出が可能となる。そのため、同様に検出ヘッドの薄型化・小型化の効果が期待出来る。
【００５８】
上記第１の実施の形態の特有の効果として以下の点が挙げられる。
光透過部材５は、光源４のスケールに対向する面に直接積層されている。これにより、信号検出と迷光低減を行いつつ、センサヘッド２を特に厚み方向にコンパクトにまとめることが可能となる。特に、上記式（４）や上記式（５）を満たす構成、即ち、光源４からの全反射光が光検出器６に直接入射するような薄型の光学構成であっても、光源４に面実装用のチップタイプのモールドＬＥＤを用いることで、ＬＥＤ上面にワイヤ配線をする必要がなく、第１格子５１を有する光透過基板３を実装することが容易となる。
【００５９】
さらに、モールドＬＥＤは、封止されているので、ベアＬＥＤ等に比べると汎用性・信頼性が高い。これにより、取扱いも容易でエンコーダの実装が容易となるメリットがある。
光検出器６に受光素子アレイを用いているが、受光素子アレイでは、検出エリア内の信号効率が高く、所定の検出信号を得るのにコンパクトな構成が可能となる。
【００６０】
センサヘッド２内において、光透過部材５以外の部材は全て光透過性の樹脂材８に覆われており、前光源４と光検出器６と電極ボンディングワイヤ３３とが樹脂材８からはみ出さないように実装されている。これにより、樹脂材８が保護部材として機能し、封止による信頼性の向上が図られている。
特に、光源４側に迷光低減機能要素を持つ光透過部材５を配置するので、光透過部材５の迷光低減機能要素によっては、光検出器６上の受光領域６１へ伝達する迷光のみならず、センサヘッドから外部へ、少なくとも特定の方向へ漏れる迷光を低減することが可能となる。
【００６１】
次に、上記第１の実施の形態の第１の変形例について図６を参照して説明する。
この第１の変形例は、上記第１の実施の形態において、光透過性の樹脂材８の形成方法を変えたものである。
実装の手順は、以下の通りである。配線基板３上に、光源４と、光検出器６と、光源４上の光透過部材５と、配線等とを実装する。その後に、配線基板３上の部材を光透過性の樹脂材８により埋め込む。埋め込みにはモールド等の製法を用いる。
製造方法以外の構成・作用・効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
このような加工方法を取ることで、光透過性の樹脂材８による埋め込みの際に、光透過部材５上部に光透過性の樹脂材８がかからないよう配慮する必要が無くなり、実装が容易となる。
【００６２】
次に、上記第１の実施の形態の第２の変形例について図７を参照して説明する。
この第２の変形例は、上記第１の実施の形態において、上記第１の変形例と同様に光透過性の樹脂材８の形成方法を変えたものである。
実装の手順は、以下の通りである。配線基板３上に、光源４と、光検出器６と、光源４上の光透過部材５と、配線等とを実装する。その後に、配線基板３上の部材を光透過性の樹脂材８により埋め込む。埋め込みにはモールド等の製法を用いる。
その後、樹脂材８の上面を研磨し、当該樹脂材８と光透過部材５との各上面が揃うようにする。
【００６３】
光透過部材５の上面の高さは、埋め込み前に揃えておいて樹脂材８のみ研磨してもよいし、研磨時に光透過部材５と樹脂材８の高さを一緒に研磨によって揃えても良い。又、研磨の際、樹脂材８のみを研磨して、光透過部材５の表面は加工されないようにしても良い。
又、加工により樹脂材８と光透過部材５との各上面の高さを揃えたり、その高さを調整したりすることが出来るようになり、製造時の汎用性が向上する。
製造方法以外の構成・作用・効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００６４】
このような加工方法を取ることで、光透過性の樹脂材８による埋め込みの際に、光透過部材５上部に光透過性の樹脂材８がかからないよう配慮する必要が無くなり、実装が容易となる。
さらに、センサヘッド２から樹脂材８に比べて形状精度の高い光透過部材５が表面に出てくる分、エンコーダとしての光学性能が上記第１の変形例に比べて向上する。又、迷光の観点でも、光透過部材５上部から樹脂材８を伝達して光検出器６へ至る光の経路が無くなるため、迷光低減効果も上記第１の変形例に比べて向上する。
【００６５】
次に、上記第１の実施の形態の第３の変形例について図８を参照して説明する。
第３の変形例は、主に、上記第１の実施の形態において、光透過部材５を円筒状に形成し、樹脂材８を光遮光部材８ａに置き換え、かつ当該光遮光部材８は、光検出器６上の受光領域６１には掛からないように構成した。
光透過部材５は、円筒形状の形成されている。光透過部材５の側面には、特に光学的な処理を施していない。この光透過部材５は、上記第１の実施の形態における第１格子５１と同様の第１格子５１を備えている。
光遮光部材８ａは、迷光低減効果を有するので、光透過部材５の側面には、当該光透過部材５の側面から出射される全ての方向へ向かう光を低減する構成・作用やそれに伴う効果は必ずしも必要ない。上記変更点以外の構成・作用・効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００６６】
第３の変形例においては、光透過部材５の側面から出射して光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を遮断するように光遮光部材８ａを光透過部材５の側面の大半を埋め尽くすように配置している。
光遮光部材８ａが光検出器６上の受光領域６１に掛からないようにするには、一旦、受光領域６１に他の部材をあてがい、光遮光部材８ａをつけた後にこの他部材を外しても良いし、光遮光部材８ａを全面に付けた後に、取り除いたり、押し退けたりしてもよい。
【００６７】
又、光遮光部材８ａが完全には不透明でなくて光がある程度透過する場合、若しくは埋め込んだ光遮光部材８ａから上に出た光透過部材５の側面を通して光検出器６へ到達する光の経路が存在しうる場合、光透過部材５の側面から出射して光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を遮断又は低減するような光透過部材５の側面の形状や表面の微視的な形状である表面状態や側面形状と配置の組合せを併用してもよい。具体的には、光を発散させるような表面状態・表面形状としたり、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１から光を逸らすような表面形状と配置の組合せとしたりしてもよい。
【００６８】
迷光低減機能要素は、光透過部材５に隣接して配置された部材であり、当該部材の光学的機能により前記迷光を低減する光遮光部材８ａである。図８に示すように光遮光部材８ａは、光透過部材５の側面から出射される光を遮断するので、光透過部材５の表面での内部反射光を含めて、光源４から出てセンサヘッド２内部を伝達する迷光は光検出器６で検出されにくくなる。
【００６９】
従って、上記２つの理由により、光検出器６が検出する信号について高いＳ／Ｎ比を確保できる。さらに、光源４から出射される光の内、光透過部材５のサイド領域を介して外部へ出射する漏れ光も低減することができる。
【００７０】
第３の変形例では、光透過部材５の側面に特別な光学的な処理を施していないが、光透過部材５の形状に伝達する光の低減機能を持たせてもよいし、これらの表面に光散乱効果や特定の方向に光を誘導させるようにしてもよい。
【００７１】
次に、上記第１の実施の形態の第４の変形例について図９を参照して説明する。
第４の変形例は、上記第１の実施の形態において、光遮光部材８ｂを光透過部材５と光検出器６上の受光領域６１の間隙にのみ迷光低減機能要素としてのポッティングなどの製造方法で配置している。
光透過部材５の側面で光遮光部材８ｂに接していない領域や光遮光部材８の周囲は、光透過性の樹脂等で充填してもよい。
光遮光部材８ｂの配置される部分以外の構成・作用・効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００７２】
このような構成の第４の変形例によれば、光遮光部材８ｂの配置部分を限定することで光遮光部材８ｂの使用量を低減することができる。これにより、光遮光部材８ｂが使われていない光透過部材５の周囲のうち、光遮光部材８ｂが使われていない部分ついては、そのままにするか、他の部材で封止するなど設計の自由度が高まる。
【００７３】
なお、図９に示す第４の変形例においては、光遮光部材８ｂを光透過部材５と光検出器６上の受光領域６１の間隙を埋めるように樹脂等を成分として配置しているが、光遮光部材８ｂを光透過部材５の中間部に、例えば、迷光低減機能を有する衝立状の迷光低減部材（迷光低減機能要素）を配置しても構わない。
迷光低減部材は、不透明な部材でもよいし、光源４側の面が光吸収体であったり、反射面であったりしても構わない。迷光低減部材は、透過光を光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１とは異なる方向へ逸らす機能を有していても構わない。
【００７４】
迷光低減部材の側面形状は、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１に光が直接入射させない限り、どのようなものでも構わない。又、迷光低減部材の側面から反射光が発生する場合、側面形状により、迷光低減部材は、例えば四方又は所定の方向に一様に、所謂万遍なく反射光を発散させたり、所定の方向、例えば、光源４などへは行かないようにさせたりしても構わない。
具体的には、上記条件を満たせば、迷光低減部材は、平面状・円筒面状・球面状であったり、Ｚ軸上方から見て波状であったりしても良い。
【００７５】
迷光低減部材の作用と効果について説明する。
光透過部材５の中間部に配置した迷光低減部材の光源側の側面に、光源４から出射した光が直接、又は光透過部材５を経て入射する。この入射光は、迷光低減部材の光源側の側面の形状を含めた光学特性と配置により、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１へ到達しないようになっている。その結果、高いＳＮ比を得ることが可能となる。
【００７６】
次に、上記第１の実施の形態の第５の変形例について図１０を参照して説明する。
この第５の変形例は、上記第１の実施の形態において光遮光部材６０を光透過部材５の側面にのみ配置した。光透過部材５の断面形状は、任意でよく、例えば、四角でも丸でもよい。
光透過部材５の表面のうち、光遮光部材６０に接していない領域は、光透過性樹脂等で充填してもよい。光遮光部材６０の配置以外の構成・作用・効果は、上記第３の変形例と同様である。
【００７７】
このような第５の変形例の構成においては、光遮光部材６０の配置部分を特に光透過部材５の外周に限定することで、光遮光部材６０の使用量を最低限に留めることができる。これにより、光遮光部材６０が使われていない光透過部材５の周囲の部分ついては、そのままにするか、他の部材で封止するなど設計の自由度が高まる。
【００７８】
又、製造も容易である。例えば、光透過部材５をセンサヘッド２に実装する前に、その側面に光遮光部材６０を付けておくことが可能である。さらには、長い棒状の光透過部材５の側面に光遮光部材８を付けておき、そこから光透過部材５を切り出していくことも可能である。こうした製法により、量産性が向上させることができる。
【００７９】
図１１（ａ）（ｂ）は光遮光部材６０が覆う部分についてのバリエーションを示す図で、同図（ａ）は上方から見た図、同図（ｂ）は側面図を示す。光遮光部材６０により覆う部分は、四角い光透過部材５の側面における光検出器６側のみとしている。
光源４と光検出器６との間の面を遮光することで、ＳＮ比向上の観点から大きな効果が得られる一方、必ずしも光透過部材５の側面全体に光遮光部材６０を形成しなくても良いという効果がある。これにより、製造方法によっては工程が容易となる。
【００８０】
なお、光遮光部材６０により覆う部分のバリエーションは、例えば図１２に示すように光透過部材５の側面のみならず、発光部側面も覆ってもよい。これにより、光源４の側面からの漏れ光も遮断、又は低減出来る。
【００８１】
次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１３Ａは点光源と配線基板３へのワイヤ配線と配線基板３上の電極パッド１１を示す。図１３Ｂは上記図１３Ａにおいて、点光源を線状光源に置き換えたものを示す。図１３Ｃは光学式エンコーダの側面図を示す。
この実施の形態は、上記第１の実施の形態において、光源４をベアチップ光源４ａに変え、光透過部材５の第１格子５１を除去した。
【００８２】
本実施の形態は、いわゆるタルボット干渉を利用した光学式エンコーダであり、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように光出射部４１のスケール長手方向の幅Ｗ１は十分小さい、点光源又は線状光源であり、光透過部材５に第１格子は形成されていない。ベアチップ光源としては、出射光の出射窓を絞った面発光レーザやＬＥＤを用いることができる。
【００８３】
ところで、光出射部４１のスケール長手方向の幅がスケールピッチに比較して十分小さくない場合、具体的には１／２程度以上の場合、光透過部材５にピンホールや細い１本のスリットを形成すれば、上記第１の実施の形態と同様に機能させることが可能である。
【００８４】
光出射部４１が所望の形状を有するベアチップ光源４ａの光出射面に対応する面には、電極ボンディングワイヤ３４の領域を避けて、光透過部材５が光透過性接着剤によりベアチップ光源に貼り付けられている。しかるに、本光学式エンコーダは、光透過性の樹脂材８により電極ボンディングワイヤ３４を埋め込み、光透過部材５を取り囲んで充填した構成としている。
光源４は、点状又は線状であり、第１格子の位置や向きを合わせる必要が無く、実装が容易でありながら、良好な信号検出が可能となる。
【００８５】
なお、本実施の形態は、上記図６及び図７に示すように光透過部材５を光透過性の樹脂材８で覆うような構造や、研磨等により、光透過部材５と光透過性の樹脂材８の表面が同じ高さになるように配置しても良い。
さらに、本実施の形態は、上記図８及び図９に示すように光透過部材５の周囲に迷光防止手段を設けても良い。
【００８６】
次に、上記第２の実施の形態の第１の変形例について図１４を参照して説明する。
この第１の変形例は、上記第２の実施の形態において、光透過部材５を無くして光透過部材７を追加した。光検出器６の構造と光透過部材７以外の構成・作用・効果は、上記第２の実施の形態と同様である。
【００８７】
特に、光検出器６側に迷光低減機能要素を有する光透過部材７を配置するので、光透過部材７の迷光低減機能要素によっては、光検出器６上の受光領域６１へ伝達する迷光のみならず、外部から少なくとも特定の方向から光検出器６上の受光領域６１へ入射する迷光を低減することが可能となる。
【００８８】
次に、上記第２の実施の形態の第２の変形例について図１５Ａ及び図１５Ｂを参照して説明する。
図１５Ａは光検出器６と、この光検出器６上に実装された光透過部材７を示す。図１５Ｂは本光学式エンコーダの側面図を示す。
この第２の変形例は、上記第２の実施の形態の第１の変形例において、光検出器６の構造を変更し、かつ光透過部材７に第３格子７１を形成追加した。
【００８９】
光検出器６は、４つの受光部を有する。光透過部材７の光検出器６側の面には、４つの受光部に対応したピッチｐ３に形成された第３格子７１が形成されている。この第３格子７１は、光透過部材７の光検出器６側の面をほぼ４等分する形で４つの格子群から成り、格子群ごとにｐ３／４だけ位相が異なるよう配置されている。光検出器６の各受光部から検出される信号は、互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの擬似正弦波信号が得られる。
光検出器６の構造と光透過部材７以外の構成・作用・効果は、上記第２の実施の形態の第１の変形例と同様である。
【００９０】
このような構成の第２の変形例によれば、光検出器６側のピッチｐ３を有する第３格子７１が光透過部材７に形成されている。これにより、受光部の形状は単純な構造であり、製造が容易である。さらに、第３格子７１のピッチｐ３や配置の変更などの設計変更を光透過部材７のみの変更で対応可能であり、設計の汎用性が高い構成となっている。
【００９１】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１Ａ】本発明に係る光学式エンコーダの第１の実施の形態を示す概略構成図。
【図１Ｂ】同光学式エンコーダにおけるスケールの移動方向の断面構成図。
【図２】同光学式エンコーダにおける光検出器上に形成されている受光領域の受光素子アレイを示す拡大図。
【図３】同光学式エンコーダにおける光検出器の光学的な配置について説明するための図。
【図４Ａ】同光学式エンコーダと対比する従来のエンコーダにおける変位信号に占めるＤＣ成分の上昇を示す図。
【図４Ｂ】同光学式エンコーダにおける互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの電極パッドから出力される電気信号の１つの波形を示す図。
【図５】同光学式エンコーダにおける光透過部材の表面と樹脂材の表面との高さが一致していることを示す図。
【図６】同光学式エンコーダの第１の変形例を示す構成図。
【図７】同光学式エンコーダの第２の変形例を示す構成図。
【図８】同光学式エンコーダの第３の変形例を示す構成図。
【図９】同光学式エンコーダの第４の変形例を示す構成図。
【図１０】同光学式エンコーダの第５の変形例を示す構成図。
【図１１】同光学式エンコーダにおける光遮光部材が覆う部分についてのバリエーションを示す図。
【図１２】同光学式エンコーダにおける光遮光部材が覆う部分についての他のバリエーションを示す図。
【図１３Ａ】本発明に係る光学式エンコーダの第２の実施の形態における点光源及びその周辺構成を示す図。
【図１３Ｂ】同光学式エンコーダにおける点光源を線状光源に置き換えた構成を示す図。
【図１３Ｃ】同光学式エンコーダの側面を示す図。
【図１４】同光学式エンコーダの第１の変形例を示す構成図。
【図１５Ａ】同光学式エンコーダの第２の変形例の光検出器上に実装された光透過部材を示す図。
【図１５Ｂ】同光学式エンコーダの側面を示す図。
【図１６】従来における反射型の光学式エンコーダを示す構成図。
【図１７】従来の光学式エンコーダに発生するワイヤ配線の断線や樹脂クラック、ガラス割れ等を示す図。
【符号の説明】
【００９３】
１：光学式エンコーダ、２：センサヘッド、３：配線基板、４：光源、４１：光出射部、６：光検出器、６１：受光領域、５：光透過部材、５１：第１格子、７：光透過部材、７１：第３格子、８：樹脂材、９：スケール、９１：第２格子、ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４：フォトダイオード、Ａ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２：電極パッド、３２：電極、３３：電極ボンディングワイヤ、８ａ：光遮光部材、８ｂ：光遮光部材、４ａ：ベアチップ光源、６０：光遮光部材、３４：電極ボンディングワイヤ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被変位検出体の変位を検出する光学式変位センサ等に用いられる光学式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンコーダの小型化・薄型化が進んできている。このエンコーダの普及品では、一辺が例えば１０ｍｍ〜２０ｍｍに形成された検出ヘッドのサイズに対して数ｍｍ角のサイズのものも市場に出始めてきている。こうした小型化の流れの中でエンコーダは、パッケージングにおいても小型化を意識した形状・形態となっていくと考えられる。例えば、従来の金属やセラミクスを用いたパッケージは、より厚みを薄くし、さらに従来のパッケージを樹脂モールド等のパッケージング技術を用いたもので置き換えるようになっていくと考えられる。
【０００３】
検出ヘッドのサイズが小さくなると、当該検出ヘッド内部に設けられている発光部と受光部との間隔も狭くなる。そのため、検出ヘッド内部での迷光などによって、発光部から出射されて検出ヘッド内部を経由して受光部へ入る光の検出光量に占める割合が大きくなる可能性が高くなる。
【０００４】
エンコーダにおける検出ヘッド上部は、素子保護の為にガラス板で覆ったり、透明樹脂で封止したりすることが多い。このような場合、光源から出た光は、検出ヘッド上部の内面で反射して受光部へ入る可能性がある。特に、検出ヘッドを小さくするために検出ヘッドの厚みを薄くすると、当該検出ヘッド内面での反射角が大きくなる。このため、検出ヘッド内面での反射角が全反射角を超えると、受光部へ入る光量が急激に増える。
又、検出ヘッド内部を多重反射するなどした光についても、小型化により従来よりも多くの光量が受光部へ入り易くなる。
【０００５】
これらの検出ヘッド内部の反射光等の迷光は、位置検出信号（エンコーダ信号）を生成する際のノイズ成分となる。迷光によるノイズ成分は、位置検出信号のＳＮ比を極端に劣化させる原因となりうる。位置検出信号の振幅等の出力レベルを保つために所定の信号増幅を行うと、大きなノイズ成分の影響で位置検出信号のレベルが飽和してしまう可能性がある。
もし、ノイズ成分による位置検出信号の飽和を避けようとすると、ノイズ成分を除去する処理を余分に追加する必要が生じたり、ノイズ成分除去処理に起因する信号劣化の対策をしなければならなくなる可能性も出てくる。
【０００６】
このような小型化・薄型化を意識した光学式エンコーダの従来技術の一例としては、例えば特許文献１に開示されている光学式エンコーダが挙げられる。この特許文献１は、図１６に示すように発光素子としてのＬＥＤ４０２と光電変換素子アレイとしての受光素子アレイ４０３、４０４とをヘッド側に有する反射型の光学式エンコーダを開示する。この光学式エンコーダは、アブソリュートパターン１００及びインクリメンタルパターン１０１と対向するようにセンサ光学部１１４を設け、ＬＥＤ４０２の光を各インクリメンタルパターン１００、１０１で反射して受光素子アレイ４０３、４０４により受光する。この光学式エンコーダは、ＬＥＤ４０２と受光素子アレイ４０３、４０４が透明光学部材に覆われ、この透明光学部材がそのままパッケージング部材となっている。
【０００７】
このような特許文献１では、以下のような条件が加えられている。即ち、発光部から受光面の一番遠いところまでの距離をＤ、発光面と受光面から透明光学部材表面までの距離をＧ、透明光学部材表面内部で反射率が１０％となる角度をθとすると、以下の式が成り立つように厚みＧを設定する。
Ｇ≧Ｄ／（２・ｔａｎθ）
検出ヘッドに発光素子と受光素子とを透明部材によりモールドするなどして小型化を図った際に、保護部材である透明光学部材の厚みを薄くすると、発光素子から出射された光は、透明光学部材内面で反射し、この反射光が受光部に入る。このため、位置検出信号（エンコーダ信号）を生成する際のノイズ成分となり、位置検出信号のＳＮ比が劣化してしまう。しかるに、特許文献１は、透明光学部材の厚みを一定値以上に厚くして透明光学部材への内部からの反射率を１０％以下となるようにしている。
このように特許文献１に開示されている光学式エンコーダは、透明光学部材の厚みを大きく取ることで、透明光学部材内部での反射光の問題を回避しようとしている。
【特許文献１】特開２００５−１５６５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光学式エンコーダの小型化・薄型化に合わせて検出ヘッドのサイズが小さくなると、検出ヘッド内部の発光部と受光部の間隔が狭くなる。このため、検出ヘッド内部での迷光などによって、発光部から出射されてヘッド内部を経由して受光部に入射する光の検出光量に占める割合が大きくなる可能性が高くなる。
【０００９】
光学式エンコーダの検出ヘッド上部は、素子保護の為にガラス板で覆ったり、透明樹脂で封止したりすることが多い。このような場合、光源から出射された光は、検出ヘッド上部の内面で反射して受光部へ入射する可能性がある。特に、検出ヘッドを小さくするために当該検出ヘッドの厚みを薄くすると、検出ヘッド内面での反射角が大きくなり、この反射角が全反射角を超えると、受光部に入射する光量が急激に増える。
又、検出ヘッド内部を多重反射するなどした光についても、小型化により従来よりも多くの光量が受光部へ入り易くなる。
【００１０】
これら検出ヘッド内部の反射光等の迷光は、位置検出信号を生成する際のノイズ成分となる。迷光によるノイズ成分は、位置検出信号のＳＮ比を極端に劣化させる原因と成り得る。位置検出信号の振幅等の出力レベルを保つために所定の信号増幅を行うと、大きなノイズ成分の影響で位置検出信号のレベルが飽和してしまう可能性がある。
もし、ノイズ成分による信号飽和を避けようとすると、ノイズ成分を除去する処理を余分に追加する必要が生じたり、ノイズ成分除去処理に起因する信号劣化の対策をしなければならなくなる可能性も出てくる。
【００１１】
特許文献１に開示されている光学式エンコーダでは、透明光学部材の厚みを厚く取ることで、光学ヘッド内部の反射光の問題を回避しようとしている。しかしながら、検出ヘッドのサイズに対する樹脂の厚みの比を一定以上にするため、薄型化を満足しない可能性がある。また、透明光学部材の厚みを厚く取ることで、検出系のワーキングディスタンスを大きく取る必要が生じ、設計の自由度が損なわれる可能性がでてくる。
【００１２】
さらに、検出ヘッドのパッケージングにモールド樹脂を採用した場合、モールド樹脂では温度変化による熱膨張・収縮や硬度の大きな変化がある。このため、樹脂厚を大きくすることで例えば図１７に示すようにワイヤ配線５０６の断線や、樹脂クラックＧ１、ガラス割れＧ２等の発生などの問題が生じやすくなる。なお、５００は基板、５０１は受光素子、５０２はＬＥＤ光源、５０３はガラス部材、５０４は電極、５０５は樹脂、５０６はワイヤ配線、５０７はスケール、５０８は第１格子、５０９は第２格子、５１０は第３格子である。
【００１３】
ワイヤ配線５０６の断線や、樹脂クラックＧ１、ガラス割れＧ２等が発生するため、検出ヘッドのパッケージングにモールド樹脂を採用した場合、信頼性を確保することが困難になったり、設計・製造上の対策にコストがかかったりするようになる可能性が出てくる。
【００１４】
本発明の目的は、検出ヘッド内部の迷光等の影響を受けず、かつ信頼性を確保して小型化・薄型化を図ることができる光学式エンコーダを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の主要な局面に係る光学式エンコーダは、被変位検出体としての一方の部材に取り付けられたスケールと、一方の部材に対して相対移動する他方の部材に取り付けられ、かつスケールに対向して配置された検出ヘッドとを有し、エンコーダ信号を発生する光学式エンコーダにおいて、スケールは、相対移動する方向に所定の光学パタンが設けられ、検出ヘッドは、スケールに所定の光を照射する発光部と、発光部からスケールに照射され、光学パタンを経た光を受光する受光面を有し、当該受光面上に形成される光分布を検出する光検出部と、発光部とスケールとの間の光路上、又はスケールと光検出部との間の光路上に配置される光透過部材と、エンコーダ信号の発生に寄与しない迷光を少なくとも低減する迷光低減機能要素とを備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、検出ヘッド内部の迷光等の影響を受けず、かつ信頼性を確保して小型化・薄型化を図ることができる光学式エンコーダを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１Ａは光学式エンコーダの概略構成図を示し、図１Ｂは同エンコーダにおけるスケールの移動方向の断面構成図を示す。この光学式エンコーダ１は、反射型である。なお、以下の実施の形態及びその各変形例では、反射型のエンコーダの例について説明するが、これに限られるものでない。
【００１８】
光学式エンコーダ１は、センサヘッド２と、このセンサヘッド２に対向して配置されたスケール９とから構成される。センサヘッド２は、配線基板３を備え、この配線基板３上に光源４と光検出器６とを別体で配置している。光検出器６は、受光素子アレイから成る受光領域６１を内部に有する。なお、スケール９は、図１Ａにおいてｙ方向の長さが図１Ｂに示すスケール９のｙ方向の長さに比較して短くなっているが、これは図１Ａにおいてセンサヘッド２側の構成を分かり易くするためである。
【００１９】
光源４は、面実装用のチップタイプのモールドＬＥＤであり、その上面は平坦に形成されている。
この光源４の出射面上には、光透過部材５が光透過性接着剤によって貼り付けられている。この光透過部材５の光源４側の面には、第１格子５１が形成されている。この第１格子５１は、ｘ方向にピッチｐ１を有する光学パタンである。なお、第１格子５１に必要な領域以外の部分には遮光パタンを形成してもよい。
【００２０】
光透過部材５は、ガラスの平行平板から加工して切り出した部材を用いており、上面と下面とが平坦な研磨面に形成されている。この光透過部材５は、直方体の形状を有する。この光透過部材５の側面は、特に光学的な処理を施していなくても良いが、光を遮断又は光を減衰させたり、透過光を散乱させたり、光検出器側へとは異なる特定の方向へ光を逸らす等、迷光低減機能を有するものであっても良い。迷光低減機能を具体的に実現する処理としては、例えば、遮光膜形成、回折格子パタン形成、磨りガラス処理、ＡＲコート処理等が挙げられる。ここでは、光透過部材５の側面に遮光パタンが形成されているものとする。
この光透過部材５は、その上面と、光源４と接する底面、又は光検出器６に接する部分を除いて、共にセンサヘッド保護用の光透過性の樹脂材８により囲まれている。なお、光透過部材５、光透過部材５の側面に形成された遮光パタン等の光遮光部材、及び光透過性の接着剤の材質の熱的特性は、光検出器を構成するＳｉ系半導体材料と同じ特性を有する部材を用いている。また、図１Ｂにおいて、光透過部材５が光源４から光検出器６へ若干はみ出して取り付けられているが、光透過性の樹脂材８を形成する際にクラック等が発生しないよう、はみ出し量が抑えられている。
【００２１】
スケール９は、センサヘッド２と相対的に変位する光学パタンである第２格子９１を有する。第２格子９１は、スケール９とセンサヘッド２とが相対的に移動する方向に所定のピッチｐ２で形成された光学パタンである。
【００２２】
次に光学系の配置について説明する。
光透過部材５上の第１格子５１からスケール９上の第２格子９１までの光学的距離をｚ１、スケール９上の第２格子９１から光検出器６の受光面までの光学距離をｚ２、光源４の発光波長をλとすると、
１/ｚ１＋１/ｚ２＝λ/（ｎ・ｐ２２） …（１）
を満足する自然数ｎが存在するように光源４とスケール９と光検出器６とを配置する構成とする。
これにより、スケール９の回折拡大イメージパタンが光検出器６の受光素子上に転写されたイメージを現すことができる。所定の位置に光検出器６を配置すれば、スケール９の変位量を検出可能であることが知られている。
【００２３】
但し、上記式（１）において、第１格子５１と第２格子９１との間のｉ（自然数）番目の物質、又は空間の屈折率ｎｉ、厚みｔｉとし、第２格子９１と光検出器６の受光面との間のｊ（自然数）番目の物質、又は空間の屈折率ｎｊ、厚みｔｊとし、第１格子５１と第２格子９１との間の光学距離をｚ１＝Σｔｉ／ｎｉ、第２格子９１と光検出器６の受光面と間の光学距離をｚ２＝Σｔｊ／ｎｊと定義する。
【００２４】
本光学式エンコーダの構成では、小型化のためにｎ＝１を満たすｚ１とｚ２とを採用している。上記式（１）を満たすｚ１とｚ２の組み合わせにおいて、値の最も小さいものとしている。さらに、上記式（１）において、ｚ１＝ｚ２を満たす配置構成を取っている。このとき、拡大倍率は２倍となり、ｐ１＝ｐ３＝２ｐ２となる。
【００２５】
次に、光検出器６の構成について説明する。
第２図は光検出器６上に形成されている受光素子アレイから成る受光領域６１の拡大図を示す。光検出器６は、矩形状の４つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４を組み合わせて１組とし、この組み合わせを複数組配置して成る。これら複数組のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４の出力は、４つ置きの各ＰＤ出力を共通結合して４つの電気信号の出力を得るようになっている。４つの電気信号は、４つの電極パッドＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２から出力される。接続された４つ置きのＰＤのピッチは、ｐ３であり、隣り合うＰＤとはｐ３／４だけずれて配置されている。
【００２６】
次に、光学的な配置について説明する。
図３において、光源４の光出射部から出射された光は、光透過部材５内を伝播し、当該光透過部材５と外界（一般に空気）との界面上の点Ｃから出射される。この外界との界面上の点Ｃにおいて、外界の媒質の屈折率をｎ１、光透過部材５の屈折率をｎ２、樹脂材８の屈折率をｎ３、外界に伝播する屈折光の屈折角度θ１、界面の法線となす角度をθ２、ｎ３＝ｎ２、とする。
【００２７】
このとき、スネルの法則により、以下の式が成り立つ。なお、一般的な説明を行っているが、本実施の形態では、外界の媒質を空気と想定しており、ｎ１＝１である。
ｎ１・sinθ１＝ｎ２・sinθ２ …（２）
光透過部材５は、光透過樹脂又はガラスなど光検出器６や図示しない信号処理回路等を構成するＳｉ半導体と熱的特性が同じか又は近い材質で構成されており、ｎ２＞ｎ１である。光ビームが光透過部材５の表面で全反射する臨界角度θｃとすると、次の式が成り立つ。
θｃ＝sin−１（ｎ１/ｎ２） …（３）
光源４の出射部内の任意の１点と光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１内の任意の１点を取り、各点の位置を変化させた場合、光源４の出射部内の１点から光検出器６の受光領域６１内の１点までの距離のスケールに平行な成分が取りうる最大値をＤ、最小値をｄとする。
光源４から光透過部材５の光が出射する表面までの厚さをＧ、光透過部材５の表面からスケール９の第２格子９１までの距離をＧ０、スケール９の第２格子９１から樹脂材８の表面までの距離をＧ０’、樹脂材８の表面から光検出器６までの厚さをＧ’とする。又、光透過部材５の表面から光検出器６までの厚さをＧ’’とする。
【００２８】
このとき、本実施の形態は、次式を満足する構成となっている。
【００２９】
（Ｇ＋Ｇ”）＜Ｄ／tanθｃ …（４）
上記式（４）を満たすＤは、光透過部材５が広い領域に形成されていた場合、光源４から出射する光の内、Ｆ点近傍に入射する光が全反射し、その反射光が光検出器６に直接入射するような光透過部材５の厚みである。
【００３０】
従来のように光透過部材５と光検出器６との間が連結された構成の場合、センサ内部の反射光が直接光検出器６の受光領域６１に入射し、図４Ａに示すように変位信号に占めるＤＣ成分が上昇する。
【００３１】
上記式（４）は、必ずしも光透過部材５の表面と樹脂材８の表面との高さが一致してなく、厚さＧ≠＝Ｇ’、Ｇ０＝Ｇ０’でない場合を想定している。
図５に示すように光透過部材５の表面と樹脂材８の表面との高さが一致し、かつＧ＝Ｇ’、Ｇ０＝Ｇ０’である場合、上記式（４）は以下のように置き換えられる。
Ｇ＜（Ｄ／２）／tanθｃ …（５）
樹脂材８は、センサヘッド２内の部材の保護を主たる目的としたものである。この樹脂材８は、例えば光に対して透明なクリアモールド樹脂を用いている。従って、樹脂材８は、センサヘッド２内の部材の保護の観点からすると、当該センサヘッド２内部の電気配線部や電極の周囲のみを保護するようにしてもよい。又、樹脂材８は、場合によって全て除去してしまっても構わない。
【００３２】
樹脂材８は、光検出器６の電極３２及び電極ボンディングワイヤ３３を埋め込んでいる。本構成において、電極ボンディングワイヤ３３は、樹脂材８により埋め込まれる部材のうちで光透過部材５と樹脂材８とを除くと最も高い位置まで配置される部材であり、この最も高くにある部材が完全に樹脂材８で埋め込まれている。
なお、図１Ａ、図１Ｂにおいて光透過部材５の上面は、樹脂材８よりも高くなっている。この樹脂材８は、光透過性であるので、信頼性向上の観点から光透過部材５を樹脂材８で完全に埋め込んでしまっても構わない。又、光透過部材５と樹脂材８との高さを一致させても構わない。
【００３３】
本実施の形態では、センサヘッド２内の光源４側に第１格子５１を配置し、光源４と、受光素子アレイから成る受光領域６１を内部に有する光検出器６とを別体で配置するなどしているが、発光部と受光部を有する反射型のセンサヘッドの構成を有していれば、どのような光学式エンコーダでも上記式（２）〜（５）を適用することが可能であり、本実施の形態を含めた本発明の迷光防止の作用や効果が当てはまる。
樹脂材８は、光透過性の樹脂を用いているが、光透過性であれば色や素材を限定するものではない。また、樹脂材８は、受光素子アレイから成る受光領域６１を覆わず、光検出に影響を与えないのであれば、光透過性でなくてもよい。また、樹脂材８は、複数の素材を組み合わせたり、複数層にしても構わない。
【００３４】
光透過部材５の側面は、光透過部材５の側面から出て光検出器６の受光素子アレイへ到達する光を遮断、又は低減するような形状や、表面の微視的な形状である表面状態や側面形状と配置の組合せを併用してもよい。具体的に光透過部材５の側面は、光を発散させるような表面状態・表面形状としたり、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１から光を逸らすような表面形状と配置の組合せとしたりしてもよい。
本実施の形態では、上記式（４）を満足するようにセンサヘッド２の厚みを薄くしているが、（なお、薄型化は、迷光防止による副次的な効果）必ずしも薄くなくても構わない。
【００３５】
光学式エンコーダ１は、原理的に上記式（１）を満足するタイプであるが、検出ヘッドに発光部と受光部を有する構成で有れば、検出ヘッド内の迷光防止機能は、必ずしもエンコーダの検出原理には限定されない。例えば、光学式エンコーダ１は、光干渉を用いない、反射強度のみを検出するタイプや特定の次数の回折光のみを用いたタイプでもよい。
【００３６】
次に、上記の如く構成された光学式エンコーダ１の動作について説明する。
光学式エンコーダ１は、上記式（１）の条件を満たすような位置に光検出器６を配置されているので、発光部である光源４から出射された光がスケール９上の第２格子９１により反射又は回折され、この第２格子９１のパタンの拡大された明暗像が受光素子アレイから成る受光領域６１上に形成される。この受光素子アレイから成る受光領域６１上の拡大像パタンは、センサヘッド２とスケール９との相対移動に応じて移動し、この移動を光検出部６で検出する。
【００３７】
上記式（１）において、ｚ１＝ｚ２を満たす配置構成であることから受光素子アレイから成る受光領域６１上には、スケール９のピッチの２倍のピッチを持つ明暗の回折パタンが形成される。スケール９がセンサヘッド２に対して相対移動すると、図２に示す４つの電極パッドＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２から出力される電気信号は、互いに１/４周期だけ位相が異なる擬似正弦波信号となる。
【００３８】
センサヘッド２から出力される検出信号について図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明する。
図４Ａ及び図４Ｂは、縦軸を電圧とし、横軸を位置としている。光学式エンコーダ１のセンサヘッド２とスケール９とが一定の速度で相対的に移動している場合、横軸は時間と見なしても良い。
図４Ａは、互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの信号の内、互いに１８０°位相差の逆相となる２組の信号の差をとって得た擬似正弦波信号であるＡ相信号とＢ相信号を表す。同図に示す例では、迷光による検出信号の飽和の影響は出ていない。
図４Ｂは、互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの電極パッドＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２から出力される電気信号の１つの波形を表している。同図に示す例では、迷光が大きいためにＤＣ成分が大きくなり、そのため、検出信号が飽和している。
【００３９】
電流電圧変換後に検出信号に含まれるＤＣ成分や同相ノイズを除去したり、さらにゲインを掛けるために、センサヘッド２は、互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの信号の内、互いに逆相となる２組の信号の差をとり、２つの９０°位相差の擬似正弦波信号である、Ａ相信号とＢ相信号を得る。
【００４０】
この擬似正弦波信号をセンサヘッド２内部又は外部において２値化して変位検出する。または、擬似正弦波信号を内挿処理回路で信号処理し、さらに高分解能な変位量を検出できる。
【００４１】
図４Ｂに示すように飽和した信号を用いると、図４Ａに示すＡＢ相信号にも飽和の影響が現れ、正弦波からの歪みが大きくなる。特に、ＤＣ成分が極めて大きくなり、図４Ｂに示す信号が常に飽和した状態となると、図４Ａに示すＡＢ相信号の振幅が０となってしまう。
【００４２】
光透過部材５の側面の形状や表面形状は、当該光透過部材５の側面から出て光検出器６の受光領域６１へ到達する光を遮断又は低減するようになっている。すなわち、光透過部材５の側面の形状や表面形状は、光透過部材５の側面を通過する光の光量を低減したり、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１の方向へ向かう光の光量を低減されたりする、すなわち迷光低減機能要素としての形状を備えている。
【００４３】
具体的に光源４の光出射部と光検出器６の受光部とは、共通の光透過性部材に接しておらず、光透過部材５と樹脂材８に面している。即ち、光透過部材５の表面及び樹脂材８又は空間が迷光低減機能要素として形成されている。このため、迷光低減機能要素としての光透過部材５の上面内部で反射して光検出器６の受光部へ向かう迷光の光量は大幅に減少する。
又、光源４の光出射部と光検出器６の受光部の高さ位置とが合っているので、光透過部材５の側面から出る光は、基本的に斜め上に向かう。斜め上方向に向かう光は、基本的には直接光検出器６の受光部６へは向かはない。
【００４４】
又、光透過部材５は、直方体の形状を有したガラスにより形成されており、屈折率は約１．５である。センサヘッド２の周囲は、屈折率１の大気など光透過部材５よりも屈折率の低い物質、又は空間となっている。この場合、光透過部材５の側面のような平らな面から屈折率の低い物質又は空間へ出る光は、出射角が入射角よりも大きくなり、発散光となる。そのため、光透過部材５の側面から出て光検出器６の受光領域６１へ到達する光の光量は、センサヘッド２のスケール９側に光透過部材５又は他の光透過性部材が一体的に配置されている場合に比べて小さくなる。即ち、信号検出に寄与しない迷光が光検出器６へ入る量を低減することができる。
光透過部材５の側面に特に光学的な処理を必ずしも施していなくても上記作用を実現できるが、さらに、遮光・散乱等の機能を追加することで、迷光低減機能を向上させることができる。
【００４５】
本実施の形態と従来技術とを対比すると、光透過部材がセンサヘッド２のスケール９側の面全体に拡がっており、その表面で反射した光が光検出器６上の受光領域６１に直接入射された場合を考えると、従来の光学式エンコーダでは、各相の信号が図４Ａに示すようにＤＣ成分レベルが増大し、各相の信号振幅がＤＣ成分の大きさに比べて相対的に小さくなる。そして、従来の光学式エンコーダでは、信号の飽和傾向が強くなり、実際に信号が飽和すると変位量検出に誤動作が生じる。また、従来の光学式エンコーダでは、実際に信号が飽和していなくても、ＤＣ成分レベルが大きいために信号増幅に制限が生じることで、検出したい擬似正弦波信号のレベルやそのＳＮ比が低下してしまう可能性がある。
【００４６】
これに対して本実施の形態は、光伝達経路を限定している。すなわち、本実施の形態によれば、光源４とスケール９との間の光路上、又はスケール９と光検出器６との間の光路上に配置に光透過部材５を配置し、この光透過部材５の表面にエンコーダ信号の発生に寄与しない迷光を少なくとも低減する迷光低減機能要素を形成している。具体的に本実施の形態は、光透過部材５を光源４とスケール９の間で、かつ光検出器６には掛からないよう配置している。これにより、光透過部材５のスケール９側の面からの反射光が光透過部材５内部では光検出器６へ入ることがない。
【００４７】
又、光透過部材５の側面は、センサヘッド２内において光透過部材５の側面から光検出器６の受光領域６１へ伝達する光の光量を低減するように配置されているので、途中の部材や空間を経て光検出器６へ入射する光の光量も低減される。
これにより、光透過部材５は、センサヘッド２のスケール９側の面全体に拡がっていて、光透過部材５の表面で反射した光が光検出器６上の受光領域６１に直接入射された場合と比較すると、ＤＣ成分が低減される。これにより、信号飽和の可能性が低減し、より大きなゲインで信号増幅することが可能となる。その結果、ＤＣ成分レベルが低い場合に本来得られるべき、所望の検出信号レベルや問題無いＳＮ比を得ることが可能となる。
【００４８】
次に、光透過部材５の側面の形状の効果について説明する。
光透過部材５の表面にエンコーダ信号の発生に寄与しない迷光を少なくとも低減する迷光低減機能要素は、光透過部材５の表面の光学的機能により迷光を低減する。すなわち、光透過部材５の側面は、迷光低減機能要素として、光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を遮断又は低減するような光透過部材５の側面の形状や表面状態となっている。これにより、光透過部材５の側面を通過する光の光量は低減されたり、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１の方向へ向かう光の光量が低減される。その結果、光検出器６が検出する信号について高いＳＮ比を得ることが可能となる。
【００４９】
次に、光透過部材５の側面の形状と光源４や光検出器６を含めた配置の組合せの効果について説明する。
光透過部材５の側面は、迷光低減機能要素として、光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を遮断又は低減するような光透過部材５の側面の形状と光源４や光検出器６を含めた配置の組み合わせである。これにより、光透過部材５の側面を通過する光の光量が低減されたり、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１の方向へ向かう光の光量が低減されたりする。その結果、光検出器６が検出する信号について高いＳＮ比を得ることが可能となる。
【００５０】
以下、光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１へ到達する光の光量が十分低減される光透過部材５の側面の形状と配置の組み合わせについて具体的に示す。
光透過部材５は、直方体の形状を有している。光透過部材５の側面は、特に光学的な処理を施していない。光源４の光出射部と光検出器６の受光部とが共通の光透過性部材に接しておらず、別体の光透過部材５と樹脂材８とに面している。これにより、光透過部材５の上面の面積は絞られ、光透過部材５の上面内部で反射角が抑えられる。しかるに、光透過部材５の上面内部で反射して光検出器６に向かう迷光の光量は大幅に減少する。又、光源４の光出射部と光検出器６の受光部の高さ位置が合っているので、光透過部材５の上面を経ずに側面から出る光は基本的には斜め上に向かう。これにより、光透過部材５の側面から出る光は、基本的には直接受光部へは向かわない。
【００５１】
光透過部材５はガラスで形成されており、その屈折率は約１．５である。センサヘッド２の周囲は、屈折率１の大気などの光透過部材５よりも屈折率の低い物質又は空間となっている。この場合、平らな面から屈折率の低い物質又は空間へ出る光は、出射角が入射角よりも大きくなり、発散光となる。これにより、光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１へ到達する光の光量は、光透過部材５で一体的に覆われている場合に比べて小さくなる。
以上の事から光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１の側面へ向かう光を低減する作用やそれに伴う効果を有する。
【００５２】
光透過部材５の表面に形成される迷光低減機能要素は、スケール９等の被変位検出体の変位検出に全く寄与しない部分にのみ配置又は形成される。しかるに、光学式エンコーダ１の信号検出に用いられる光は、光透過部材５の上下の面を通過する。少なくとも光透過部材５の上下の面を通らない光は、エンコーダが本来検出すべき信号とはならないよう設計・配置されている。
一方、光透過部材５の側面は、センサヘッド２内において光透過部材５側面から光検出器６上の受光領域６１へ伝達する光の光量を低減するように配置されている。これにより、迷光低減機構要素は、光透過部材５の上下の面を通過する光を低減させることはない。従って、迷光によるＤＣ成分のみを低減するようになっている。この事から検出すべき信号は、維持したまま、ＳＮ比の改善が可能となる。
【００５３】
光透過部材５の表面は、エンコーダ信号の発生に関与する光が経由する部分を含む１つ以上の面と、当該面以外のエンコーダ信号の発生に関与しない１つ以上の面から形成され、迷光低減機能要素は、光透過部材５における少なくとも１つ以上の面に配置又は形成した。すなわち、光透過部材５は、上下の面と直方体型の側面から形成されている。光透過部材５の上下の面を通過する光がエンコーダの信号検出に用いられ、迷光低減要素は、これら上下以外の側面に配置・形成している。このように信号検出用の面と迷光低減に用いる面とが分離されているので、迷光低減機能要素の配置・形成位置が明確となる。これにより、迷光低減機能要素の配置・形成が容易となると共に、検査時等における確認が容易となる。
【００５４】
光透過部材５は、光源４とスケール９との間に配置される。これにより、光透過部材５は、第１格子５１の機能と迷光低減機能要素の機能とを１部材で兼用できる。これにより、部材点数を削減でき、省スペース、構成の単純化、コスト削減などの効果を生む。又、センサヘッド２全体として実装精度が向上することにより性能向上ができたり、若しくは実装精度を緩めることができたりするといったメリットが生まれる可能性がある。
【００５５】
光透過部材５は、実装前に予め形状が決まっている。すなわち、部材を実装してから形状や表面状態を加工すると、一連の実装工程との兼ね合いで、加工方法や加工出来る形状や形状精度に制約が出来やすい。
これに対して光透過部材５は、ガラスの平行平板から切り出し、必要に応じて表面の処理をしたものであり、光源４及び光検出器６上への実装前に予め形状が決まっている。これにより、事前に必要十分な加工によって、所望の形状や形状精度としておくことが可能である。特に、光透過部材５の上面と下面が平行平板ガラスの研磨面となっており、樹脂だけを用いた場合や光路上に樹脂が介在する場合と比べて表面の光学特性が良好であり、高精度な信号検出が可能となる。
【００５６】
光透過部材５は、実装時に塑性変形しない材料から成る。又、光透過部材５は、実装時に溶融しない材料から成る。しかるに、光透過部材５は、例えばガラスにより形成されており、実装時に塑性変形は起こらない。この光透過部材５は、特に樹脂封止する際に必要な２００℃前後の温度では溶融は起こらない。これにより、光透過部材５は、事前に加工した形状や表面状態を維持することが可能となる。
光透過部材５は、実装時に位置調整可能である。光透過部材５は、実装時にハンドリング可能である。すなわち、光透過部材５は、例えばガラスにより形成されており、上下の面は平行平板の一部となっている。これにより、光透過部材５は、平行平板となった上下の面や側面を保持して実装時にハンドリングすることも可能である。
【００５７】
しかるに、光透過部材５は、所望の配置に持っていき実装することが可能となる。さらに、同じ理由により、光透過部材５は、センサヘッド２内での位置調整も実装時に可能となる。これにより、光透過部材５は、高精度な位置決めと形状や形状精度の組合せにより、理想的な設計に近い信号検出効率や迷光低減効果が期待出来る。 本実施形態では、発光部４と光検出部５のスケール９側の面が、光透過部材５で、光透過部材５のスケール側の面と同じ高さで検出ヘッド２全体にかつ一体的に埋設されていると仮定した場合に、発光部４から光透過部材５の表面を経て光検出部６へ至る光の経路について、光透過部材５から外界への界面での反射角が全反射臨界角よりも大きくなる光の経路が存在する構成となっている。また、式４と式５を満足する構成でもある。従って、光透過部材５が無ければ、全反射光した光が光検出部６に入射し、検出信号レベル飽和やＳＮ比劣化といった問題が生じうる。発光部４は光検出器６に近接した光源であり、この全反射光が発生させるエンコーダ信号のＤＣ成分は他の迷光に比べて特に大きなものとなりうる。光透過部材５による迷光低減効果により、ＤＣ成分が抑えられ、エンコーダ信号が安定して検出されるようになることで、検出ヘッドの薄型化・小型化が可能となる。なお、光透過部材５の代わりに光透過性の樹脂材８で、光透過部材５のスケール側の面と同じ高さで検出ヘッド２全体にかつ一体的に埋設されていると仮定した場合にも、光透過部材５の屈折率ｎ２の代わりに光透過性の樹脂材８の屈折率ｎ３を式３に代入することで、式４と式５を満足するような薄型の構成でも信号検出が可能となる。そのため、同様に検出ヘッドの薄型化・小型化の効果が期待出来る。
【００５８】
上記第１の実施の形態の特有の効果として以下の点が挙げられる。
光透過部材５は、光源４のスケールに対向する面に直接積層されている。これにより、信号検出と迷光低減を行いつつ、センサヘッド２を特に厚み方向にコンパクトにまとめることが可能となる。特に、上記式（４）や上記式（５）を満たす構成、即ち、光源４からの全反射光が光検出器６に直接入射するような薄型の光学構成であっても、光源４に面実装用のチップタイプのモールドＬＥＤを用いることで、ＬＥＤ上面にワイヤ配線をする必要がなく、第１格子５１を有する光透過基板３を実装することが容易となる。
【００５９】
さらに、モールドＬＥＤは、封止されているので、ベアＬＥＤ等に比べると汎用性・信頼性が高い。これにより、取扱いも容易でエンコーダの実装が容易となるメリットがある。
光検出器６に受光素子アレイを用いているが、受光素子アレイでは、検出エリア内の信号効率が高く、所定の検出信号を得るのにコンパクトな構成が可能となる。
【００６０】
センサヘッド２内において、光透過部材５以外の部材は全て光透過性の樹脂材８に覆われており、前光源４と光検出器６と電極ボンディングワイヤ３３とが樹脂材８からはみ出さないように実装されている。これにより、樹脂材８が保護部材として機能し、封止による信頼性の向上が図られている。
特に、光源４側に迷光低減機能要素を持つ光透過部材５を配置するので、光透過部材５の迷光低減機能要素によっては、光検出器６上の受光領域６１へ伝達する迷光のみならず、センサヘッドから外部へ、少なくとも特定の方向へ漏れる迷光を低減することが可能となる。
【００６１】
次に、上記第１の実施の形態の第１の変形例について図６を参照して説明する。
この第１の変形例は、上記第１の実施の形態において、光透過性の樹脂材８の形成方法を変えたものである。
実装の手順は、以下の通りである。配線基板３上に、光源４と、光検出器６と、光源４上の光透過部材５と、配線等とを実装する。その後に、配線基板３上の部材を光透過性の樹脂材８により埋め込む。埋め込みにはモールド等の製法を用いる。
製造方法以外の構成・作用・効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
このような加工方法を取ることで、光透過性の樹脂材８による埋め込みの際に、光透過部材５上部に光透過性の樹脂材８がかからないよう配慮する必要が無くなり、実装が容易となる。
【００６２】
次に、上記第１の実施の形態の第２の変形例について図７を参照して説明する。
この第２の変形例は、上記第１の実施の形態において、上記第１の変形例と同様に光透過性の樹脂材８の形成方法を変えたものである。
実装の手順は、以下の通りである。配線基板３上に、光源４と、光検出器６と、光源４上の光透過部材５と、配線等とを実装する。その後に、配線基板３上の部材を光透過性の樹脂材８により埋め込む。埋め込みにはモールド等の製法を用いる。
その後、樹脂材８の上面を研磨し、当該樹脂材８と光透過部材５との各上面が揃うようにする。
【００６３】
光透過部材５の上面の高さは、埋め込み前に揃えておいて樹脂材８のみ研磨してもよいし、研磨時に光透過部材５と樹脂材８の高さを一緒に研磨によって揃えても良い。又、研磨の際、樹脂材８のみを研磨して、光透過部材５の表面は加工されないようにしても良い。
又、加工により樹脂材８と光透過部材５との各上面の高さを揃えたり、その高さを調整したりすることが出来るようになり、製造時の汎用性が向上する。
製造方法以外の構成・作用・効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００６４】
このような加工方法を取ることで、光透過性の樹脂材８による埋め込みの際に、光透過部材５上部に光透過性の樹脂材８がかからないよう配慮する必要が無くなり、実装が容易となる。
さらに、センサヘッド２から樹脂材８に比べて形状精度の高い光透過部材５が表面に出てくる分、エンコーダとしての光学性能が上記第１の変形例に比べて向上する。又、迷光の観点でも、光透過部材５上部から樹脂材８を伝達して光検出器６へ至る光の経路が無くなるため、迷光低減効果も上記第１の変形例に比べて向上する。
【００６５】
次に、上記第１の実施の形態の第３の変形例について図８を参照して説明する。
第３の変形例は、主に、上記第１の実施の形態において、光透過部材５を円筒状に形成し、樹脂材８を光遮光部材８ａに置き換え、かつ当該光遮光部材８は、光検出器６上の受光領域６１には掛からないように構成した。
光透過部材５は、円筒形状の形成されている。光透過部材５の側面には、特に光学的な処理を施していない。この光透過部材５は、上記第１の実施の形態における第１格子５１と同様の第１格子５１を備えている。
光遮光部材８ａは、迷光低減効果を有するので、光透過部材５の側面には、当該光透過部材５の側面から出射される全ての方向へ向かう光を低減する構成・作用やそれに伴う効果は必ずしも必要ない。上記変更点以外の構成・作用・効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００６６】
第３の変形例においては、光透過部材５の側面から出射して光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を遮断するように光遮光部材８ａを光透過部材５の側面の大半を埋め尽くすように配置している。
光遮光部材８ａが光検出器６上の受光領域６１に掛からないようにするには、一旦、受光領域６１に他の部材をあてがい、光遮光部材８ａをつけた後にこの他部材を外しても良いし、光遮光部材８ａを全面に付けた後に、取り除いたり、押し退けたりしてもよい。
【００６７】
又、光遮光部材８ａが完全には不透明でなくて光がある程度透過する場合、若しくは埋め込んだ光遮光部材８ａから上に出た光透過部材５の側面を通して光検出器６へ到達する光の経路が存在しうる場合、光透過部材５の側面から出射して光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を遮断又は低減するような光透過部材５の側面の形状や表面の微視的な形状である表面状態や側面形状と配置の組合せを併用してもよい。具体的には、光を発散させるような表面状態・表面形状としたり、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１から光を逸らすような表面形状と配置の組合せとしたりしてもよい。
【００６８】
迷光低減機能要素は、光透過部材５に隣接して配置された部材であり、当該部材の光学的機能により前記迷光を低減する光遮光部材８ａである。図８に示すように光遮光部材８ａは、光透過部材５の側面から出射される光を遮断するので、光透過部材５の表面での内部反射光を含めて、光源４から出てセンサヘッド２内部を伝達する迷光は光検出器６で検出されにくくなる。
【００６９】
従って、上記２つの理由により、光検出器６が検出する信号について高いＳ／Ｎ比を確保できる。さらに、光源４から出射される光の内、光透過部材５のサイド領域を介して外部へ出射する漏れ光も低減することができる。
【００７０】
第３の変形例では、光透過部材５の側面に特別な光学的な処理を施していないが、光透過部材５の形状に伝達する光の低減機能を持たせてもよいし、これらの表面に光散乱効果や特定の方向に光を誘導させるようにしてもよい。
【００７１】
次に、上記第１の実施の形態の第４の変形例について図９を参照して説明する。
第４の変形例は、上記第１の実施の形態において、光遮光部材８ｂを光透過部材５と光検出器６上の受光領域６１の間隙にのみ迷光低減機能要素としてのポッティングなどの製造方法で配置している。
光透過部材５の側面で光遮光部材８ｂに接していない領域や光遮光部材８の周囲は、光透過性の樹脂等で充填してもよい。
光遮光部材８ｂの配置される部分以外の構成・作用・効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００７２】
このような構成の第４の変形例によれば、光遮光部材８ｂの配置部分を限定することで光遮光部材８ｂの使用量を低減することができる。これにより、光遮光部材８ｂが使われていない光透過部材５の周囲のうち、光遮光部材８ｂが使われていない部分ついては、そのままにするか、他の部材で封止するなど設計の自由度が高まる。
【００７３】
なお、図９に示す第４の変形例においては、光遮光部材８ｂを光透過部材５と光検出器６上の受光領域６１の間隙を埋めるように樹脂等を成分として配置しているが、光遮光部材８ｂを光透過部材５の中間部に、例えば、迷光低減機能を有する衝立状の迷光低減部材（迷光低減機能要素）を配置しても構わない。
迷光低減部材は、不透明な部材でもよいし、光源４側の面が光吸収体であったり、反射面であったりしても構わない。迷光低減部材は、透過光を光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１とは異なる方向へ逸らす機能を有していても構わない。
【００７４】
迷光低減部材の側面形状は、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１に光が直接入射させない限り、どのようなものでも構わない。又、迷光低減部材の側面から反射光が発生する場合、側面形状により、迷光低減部材は、例えば四方又は所定の方向に一様に、所謂万遍なく反射光を発散させたり、所定の方向、例えば、光源４などへは行かないようにさせたりしても構わない。
具体的には、上記条件を満たせば、迷光低減部材は、平面状・円筒面状・球面状であったり、Ｚ軸上方から見て波状であったりしても良い。
【００７５】
迷光低減部材の作用と効果について説明する。
光透過部材５の中間部に配置した迷光低減部材の光源側の側面に、光源４から出射した光が直接、又は光透過部材５を経て入射する。この入射光は、迷光低減部材の光源側の側面の形状を含めた光学特性と配置により、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１へ到達しないようになっている。その結果、高いＳＮ比を得ることが可能となる。
【００７６】
次に、上記第１の実施の形態の第５の変形例について図１０を参照して説明する。
この第５の変形例は、上記第１の実施の形態において光遮光部材６０を光透過部材５の側面にのみ配置した。光透過部材５の断面形状は、任意でよく、例えば、四角でも丸でもよい。
光透過部材５の表面のうち、光遮光部材６０に接していない領域は、光透過性樹脂等で充填してもよい。光遮光部材６０の配置以外の構成・作用・効果は、上記第３の変形例と同様である。
【００７７】
このような第５の変形例の構成においては、光遮光部材６０の配置部分を特に光透過部材５の外周に限定することで、光遮光部材６０の使用量を最低限に留めることができる。これにより、光遮光部材６０が使われていない光透過部材５の周囲の部分ついては、そのままにするか、他の部材で封止するなど設計の自由度が高まる。
【００７８】
又、製造も容易である。例えば、光透過部材５をセンサヘッド２に実装する前に、その側面に光遮光部材６０を付けておくことが可能である。さらには、長い棒状の光透過部材５の側面に光遮光部材８を付けておき、そこから光透過部材５を切り出していくことも可能である。こうした製法により、量産性が向上させることができる。
【００７９】
図１１（ａ）（ｂ）は光遮光部材６０が覆う部分についてのバリエーションを示す図で、同図（ａ）は上方から見た図、同図（ｂ）は側面図を示す。光遮光部材６０により覆う部分は、四角い光透過部材５の側面における光検出器６側のみとしている。
光源４と光検出器６との間の面を遮光することで、ＳＮ比向上の観点から大きな効果が得られる一方、必ずしも光透過部材５の側面全体に光遮光部材６０を形成しなくても良いという効果がある。これにより、製造方法によっては工程が容易となる。
【００８０】
なお、光遮光部材６０により覆う部分のバリエーションは、例えば図１２に示すように光透過部材５の側面のみならず、発光部側面も覆ってもよい。これにより、光源４の側面からの漏れ光も遮断、又は低減出来る。
【００８１】
次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１３Ａは点光源と配線基板３へのワイヤ配線と配線基板３上の電極パッド１１を示す。図１３Ｂは上記図１３Ａにおいて、点光源を線状光源に置き換えたものを示す。図１３Ｃは光学式エンコーダの側面図を示す。
この実施の形態は、上記第１の実施の形態において、光源４をベアチップ光源４ａに変え、光透過部材５の第１格子５１を除去した。
【００８２】
本実施の形態は、いわゆるタルボット干渉を利用した光学式エンコーダであり、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように光出射部４１のスケール長手方向の幅Ｗ１は十分小さい、点光源又は線状光源であり、光透過部材５に第１格子は形成されていない。ベアチップ光源としては、出射光の出射窓を絞った面発光レーザやＬＥＤを用いることができる。
【００８３】
ところで、光出射部４１のスケール長手方向の幅がスケールピッチに比較して十分小さくない場合、具体的には１／２程度以上の場合、光透過部材５にピンホールや細い１本のスリットを形成すれば、上記第１の実施の形態と同様に機能させることが可能である。
【００８４】
光出射部４１が所望の形状を有するベアチップ光源４ａの光出射面に対応する面には、電極ボンディングワイヤ３４の領域を避けて、光透過部材５が光透過性接着剤によりベアチップ光源に貼り付けられている。しかるに、本光学式エンコーダは、光透過性の樹脂材８により電極ボンディングワイヤ３４を埋め込み、光透過部材５を取り囲んで充填した構成としている。
光源４は、点状又は線状であり、第１格子の位置や向きを合わせる必要が無く、実装が容易でありながら、良好な信号検出が可能となる。
【００８５】
なお、本実施の形態は、上記図６及び図７に示すように光透過部材５を光透過性の樹脂材８で覆うような構造や、研磨等により、光透過部材５と光透過性の樹脂材８の表面が同じ高さになるように配置しても良い。
さらに、本実施の形態は、上記図８及び図９に示すように光透過部材５の周囲に迷光防止手段を設けても良い。
【００８６】
次に、上記第２の実施の形態の第１の変形例について図１４を参照して説明する。
この第１の変形例は、上記第２の実施の形態において、光透過部材５を無くして光透過部材７を追加した。光検出器６の構造と光透過部材７以外の構成・作用・効果は、上記第２の実施の形態と同様である。
【００８７】
特に、光検出器６側に迷光低減機能要素を有する光透過部材７を配置するので、光透過部材７の迷光低減機能要素によっては、光検出器６上の受光領域６１へ伝達する迷光のみならず、外部から少なくとも特定の方向から光検出器６上の受光領域６１へ入射する迷光を低減することが可能となる。
【００８８】
次に、上記第２の実施の形態の第２の変形例について図１５Ａ及び図１５Ｂを参照して説明する。
図１５Ａは光検出器６と、この光検出器６上に実装された光透過部材７を示す。図１５Ｂは本光学式エンコーダの側面図を示す。
この第２の変形例は、上記第２の実施の形態の第１の変形例において、光検出器６の構造を変更し、かつ光透過部材７に第３格子７１を形成追加した。
【００８９】
光検出器６は、４つの受光部を有する。光透過部材７の光検出器６側の面には、４つの受光部に対応したピッチｐ３に形成された第３格子７１が形成されている。この第３格子７１は、光透過部材７の光検出器６側の面をほぼ４等分する形で４つの格子群から成り、格子群ごとにｐ３／４だけ位相が異なるよう配置されている。光検出器６の各受光部から検出される信号は、互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの擬似正弦波信号が得られる。
光検出器６の構造と光透過部材７以外の構成・作用・効果は、上記第２の実施の形態の第１の変形例と同様である。
【００９０】
このような構成の第２の変形例によれば、光検出器６側のピッチｐ３を有する第３格子７１が光透過部材７に形成されている。これにより、受光部の形状は単純な構造であり、製造が容易である。さらに、第３格子７１のピッチｐ３や配置の変更などの設計変更を光透過部材７のみの変更で対応可能であり、設計の汎用性が高い構成となっている。
【００９１】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１Ａ】本発明に係る光学式エンコーダの第１の実施の形態を示す概略構成図。
【図１Ｂ】同光学式エンコーダにおけるスケールの移動方向の断面構成図。
【図２】同光学式エンコーダにおける光検出器上に形成されている受光領域の受光素子アレイを示す拡大図。
【図３】同光学式エンコーダにおける光検出器の光学的な配置について説明するための図。
【図４Ａ】同光学式エンコーダと対比する従来のエンコーダにおける変位信号に占めるＤＣ成分の上昇を示す図。
【図４Ｂ】同光学式エンコーダにおける互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの電極パッドから出力される電気信号の１つの波形を示す図。
【図５】同光学式エンコーダにおける光透過部材の表面と樹脂材の表面との高さが一致していることを示す図。
【図６】同光学式エンコーダの第１の変形例を示す構成図。
【図７】同光学式エンコーダの第２の変形例を示す構成図。
【図８】同光学式エンコーダの第３の変形例を示す構成図。
【図９】同光学式エンコーダの第４の変形例を示す構成図。
【図１０】同光学式エンコーダの第５の変形例を示す構成図。
【図１１】同光学式エンコーダにおける光遮光部材が覆う部分についてのバリエーションを示す図。
【図１２】同光学式エンコーダにおける光遮光部材が覆う部分についての他のバリエーションを示す図。
【図１３Ａ】本発明に係る光学式エンコーダの第２の実施の形態における点光源及びその周辺構成を示す図。
【図１３Ｂ】同光学式エンコーダにおける点光源を線状光源に置き換えた構成を示す図。
【図１３Ｃ】同光学式エンコーダの側面を示す図。
【図１４】同光学式エンコーダの第１の変形例を示す構成図。
【図１５Ａ】同光学式エンコーダの第２の変形例の光検出器上に実装された光透過部材を示す図。
【図１５Ｂ】同光学式エンコーダの側面を示す図。
【図１６】従来における反射型の光学式エンコーダを示す構成図。
【図１７】従来の光学式エンコーダに発生するワイヤ配線の断線や樹脂クラック、ガラス割れ等を示す図。
【符号の説明】
【００９３】
１：光学式エンコーダ、２：センサヘッド、３：配線基板、４：光源、４１：光出射部、６：光検出器、６１：受光領域、５：光透過部材、５１：第１格子、７：光透過部材、７１：第３格子、８：樹脂材、９：スケール、９１：第２格子、ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４：フォトダイオード、Ａ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２：電極パッド、３２：電極、３３：電極ボンディングワイヤ、８ａ：光遮光部材、８ｂ：光遮光部材、４ａ：ベアチップ光源、６０：光遮光部材、３４：電極ボンディングワイヤ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被変位検出体としての一方の部材に取り付けられたスケールと、前記一方の部材に対して相対移動する他方の部材に取り付けられ、かつ前記スケールに対向して配置された検出ヘッドとを有し、エンコーダ信号を発生する光学式エンコーダにおいて、
前記スケールは、前記相対移動する方向に所定の光学パタンが設けられ、
前記検出ヘッドは、前記スケールに所定の光を照射する発光部と、
前記発光部から前記スケールに照射され、前記光学パタンを経た前記光を受光する受光面を有し、当該受光面上に形成される光分布を検出する光検出部と、
前記発光部と前記スケールとの間の光路上、又は前記スケールと前記光検出部との間の光路上に配置される光透過部材と、
前記エンコーダ信号の発生に寄与しない迷光を少なくとも低減する迷光低減機能要素と、
を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記迷光低減機能要素は、前記光透過部材の表面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
【請求項３】
前記迷光低減機能要素は、前記光透過部材に隣接することを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】
前記迷光低減機能要素は、前記光透過部材の表面の光学的機能により前記迷光を低減することを特徴とする請求項１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項５】
前記迷光低減機能要素は、前記光透過部材に隣接して配置された部材であり、当該部材の光学的機能により前記迷光を低減することを特徴とする請求項１又は３に記載の光学式エンコーダ。
【請求項６】
前記迷光低減機能要素は、前記被変位検出体の変位検出に全く寄与しない部分にのみ配置又は形成されることを特徴とする請求項１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項７】
前記光透過部材の表面は、前記エンコーダ信号の発生に関与する前記光が経由する部分を含む１つ以上の面と、当該面以外の前記エンコーダ信号の発生に関与しない１つ以上の面から形成され、
前記迷光低減機能要素は、前記光透過部材における少なくとも前記１つ以上の面に配置又は形成する、
ことを特徴とする請求項２項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項８】
前記光透過部材は、前記発光部と前記スケールとの間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項９】
前記光透過部材は、前記スケールと前記光検出部との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１０】
前記光透過部材は、実装前に予め形状が決まっていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１１】
前記光透過部材は、実装時に塑性変形しない材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１２】
前記光透過部材は、実装時に溶融しない材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１３】
前記光透過部材は、実装時に位置調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１４】
前記光透過部材は、実装時にハンドリング可能であることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１５】
前記発光部と前記光検出部の前記スケール側の面が、前記光透過部材で、前記光透過部材のスケール側の面と同じ高さで前記検出ヘッド全体にかつ一体的に埋設されていると仮定した場合に、前記発光部から前記光透過部材の表面を経て前記光検出部へ至る光の経路について、前記光の経路を通る光の少なくとも一部が前記光透過部材の表面に入射する角度が前記光透過部材から外界への界面での全反射臨界角よりも大きくなる光の経路が存在することを特徴とする請求項１乃至１４のうちいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１６】
前記発光部と前記光検出部の前記スケール側の面はそれぞれ前記光透過部材により全体的かつ一体的に、前記光透過部材のスケール側の面と同じ高さで覆われるとともに、前記光透過部材の上面は略平坦であり、
前記発光部から前記第１の光透過部分の表面までの距離をｔ１、
前記光検出部から前記第２の光透過部分の表面までの距離をｔ２、
前記発光部上の位置と前記光検出部上の位置との間で最も遠くなる位置間の距離のうち前記スケールの表面に平行な方向の成分をＬ、
外界の屈折率をｎ１、
前記光透過部材の屈折率をｎ２とそれぞれしたとき、
ＡｒｃＴａｎ［Ｌ／（ｔ１＋ｔ２）］≧ＡｒｃＳｉｎ（ｎ１／ｎ２）
を満足することを特徴とする請求項１乃至１４のうちいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１】
被変位検出体としての一方の部材に取り付けられたスケールと、前記一方の部材に対して相対移動する他方の部材に取り付けられ、かつ前記スケールに対向して配置された検出ヘッドとを有し、エンコーダ信号を発生する光学式エンコーダにおいて、
前記スケールは、前記相対移動する方向に所定の光学パタンが設けられ、
前記検出ヘッドは、前記スケールに所定の光を照射する発光部と、
前記発光部から前記スケールに照射され、前記光学パタンを経た前記光を受光する受光面を有し、当該受光面上に形成される光分布を検出する光検出部と、
前記発光部と前記スケールとの間の光路上、又は前記スケールと前記光検出部との間の光路上に配置される光透過部材と、
前記エンコーダ信号の発生に寄与しない迷光を少なくとも低減する迷光低減機能要素と、
を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記迷光低減機能要素は、前記光透過部材の表面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
【請求項３】
前記迷光低減機能要素は、前記光透過部材に隣接することを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】
前記迷光低減機能要素は、前記光透過部材の表面の光学的機能により前記迷光を低減することを特徴とする請求項１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項５】
前記迷光低減機能要素は、前記光透過部材に隣接して配置された部材であり、当該部材の光学的機能により前記迷光を低減することを特徴とする請求項１又は３に記載の光学式エンコーダ。
【請求項６】
前記迷光低減機能要素は、前記被変位検出体の変位検出に全く寄与しない部分にのみ配置又は形成されることを特徴とする請求項１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項７】
前記光透過部材の表面は、前記エンコーダ信号の発生に関与する前記光が経由する部分を含む１つ以上の面と、当該面以外の前記エンコーダ信号の発生に関与しない１つ以上の面から形成され、
前記迷光低減機能要素は、前記光透過部材における少なくとも前記１つ以上の面に配置又は形成する、
ことを特徴とする請求項２項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項８】
前記光透過部材は、前記発光部と前記スケールとの間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項９】
前記光透過部材は、前記スケールと前記光検出部との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１０】
前記光透過部材は、実装前に予め形状が決まっていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１１】
前記光透過部材は、実装時に塑性変形しない材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１２】
前記光透過部材は、実装時に溶融しない材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１３】
前記光透過部材は、実装時に位置調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１４】
前記光透過部材は、実装時にハンドリング可能であることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１５】
前記発光部と前記光検出部の前記スケール側の面が、前記光透過部材で、前記光透過部材のスケール側の面と同じ高さで前記検出ヘッド全体にかつ一体的に埋設されていると仮定した場合に、前記発光部から前記光透過部材の表面を経て前記光検出部へ至る光の経路について、前記光の経路を通る光の少なくとも一部が前記光透過部材の表面に入射する角度が前記光透過部材から外界への界面での全反射臨界角よりも大きくなる光の経路が存在することを特徴とする請求項１乃至１４のうちいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１６】
前記発光部と前記光検出部の前記スケール側の面はそれぞれ前記光透過部材により全体的かつ一体的に、前記光透過部材のスケール側の面と同じ高さで覆われるとともに、前記光透過部材の上面は略平坦であり、
前記発光部から前記第１の光透過部分の表面までの距離をｔ１、
前記光検出部から前記第２の光透過部分の表面までの距離をｔ２、
前記発光部上の位置と前記光検出部上の位置との間で最も遠くなる位置間の距離のうち前記スケールの表面に平行な方向の成分をＬ、
外界の屈折率をｎ１、
前記光透過部材の屈折率をｎ２とそれぞれしたとき、
ＡｒｃＴａｎ［Ｌ／（ｔ１＋ｔ２）］≧ＡｒｃＳｉｎ（ｎ１／ｎ２）
を満足することを特徴とする請求項１乃至１４のうちいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１４】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６】
【図１７】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１４】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−２２３６２９（Ｐ２０１０−２２３６２９Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６８８８４（Ｐ２００９−６８８８４）
【出願日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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