光学式エンコーダ
【課題】所謂３重格子エンコーダの第１格子と第３格子との高さずれを抑える、すなわち第１格子と第３格子に相当するＰＤアレイを含む受光素子面との高さずれを抑えること。
【解決手段】変位検出される一方の部材に取り付けられたスケール９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、スケール９に対向して配置されるセンサヘッド２と、スケール９に設けられ、相対移動する方向に形成された第２格子９１の光学パタンとを備え、センサヘッド２は、スケール９に光を照射する光源４と、この光源４からスケール９に照射されて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器６と、光源４とスケール９との間の光路上に配置される第１の光透過部５０と、スケール９と光検出器６との間の光路上に配置される第２の光透過部７０と、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間を繋ぐ接続部１００とを有する光透過部材５とから成る。
【解決手段】変位検出される一方の部材に取り付けられたスケール９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、スケール９に対向して配置されるセンサヘッド２と、スケール９に設けられ、相対移動する方向に形成された第２格子９１の光学パタンとを備え、センサヘッド２は、スケール９に光を照射する光源４と、この光源４からスケール９に照射されて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器６と、光源４とスケール９との間の光路上に配置される第１の光透過部５０と、スケール９と光検出器６との間の光路上に配置される第２の光透過部７０と、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間を繋ぐ接続部１００とを有する光透過部材５とから成る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部材の変位検出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、光学式エンコーダの小型化・低コスト化のためにモールド樹脂を用いる例がある。例えば、反射型の３重格子エンコーダは、光源側に第１格子、スケール上に第２格子、受光素子側に第３格子の３つの光学格子をそれぞれ配置している。この３重格子エンコーダは、第３格子上に形成されるスケール上の第２格子パタンの拡大像の動きを検出するものであり、比較的高精度であるのでよく使われている。
【０００３】
反射型の３重格子エンコーダは、第１格子と第３格子から第２格子までの距離をほぼ等しくなるように設計することが多い。第１格子から第２格子までの光学的な距離と第１格子から第２格子を経て第３格子に至るまでの光学的な距離との比によって第３格子上に形成される第２格子の拡大像の像倍率が決まる。第１格子と第３格子から第２格子までの距離がほぼ等しくなるように設計すると、第１格子と第３格子とを含むエンコーダヘッドと第２格子を含むスケールの間隔が変動しても拡大倍率がほとんど変化しない。これにより、拡大倍率の変化による検出不良が起きにくい。
【０００４】
所謂３重格子エンコーダにおける第１格子と第３格子とを一体のガラス基板等の同一面に形成して樹脂封止したタイプや、第３格子に相当するＰＤアレイを含む受光素子を有するエンコーダにおける第１格子をガラス基板等の表面に形成して同一面をＰＤアレイに合わせて樹脂封止したタイプの１例としては、例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１は、光源であるＬＥＤと光検出器とをヘッド側に有する反射型の３重格子タイプの光学式エンコーダであって、ＬＥＤ上に第１格子を形成した光透過性基板と、光検出器上に第３格子を形成した光透過性基板とが配置され、ヘッドを光透過樹脂で覆っていることを開示する。
【０００５】
具体的に、特許文献１は、図１２に示すように反射型の３重スリット方式の光学式エンコーダ１０００であって、投光部は、ベアチップＬＥＤ１４１０と、第１のピッチｐ１の第１格子１１００とが組み合わされて所定の光を照射し、光検出部１５００は、光検出器１５００と、第３のピッチｐ３の第３格子１３００とが組み合わされてセルフイメージの動きを検出し、第１格子１１００と第３格子１３００とは、それぞれスケール１２１０に対して略平行に配置され、検出ヘッドの表面の所定部分には、略平行かつ略平坦な光透過領域が形成され、検出ヘッドの表面と、第１格子１１００及び第３格子１３００との間の空間に光透過性部材１９００が配置されていることを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３１７２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
モールド樹脂は、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、モールド樹脂は、小型化のために薄いガラスを用いてガラス両面に樹脂が回り込むような構成にすると、温度変化によってクラックや割れが生じることがある。また、狭い隙間があると、樹脂が入り込みにくくなって気泡が残り、信頼性上、問題となることがある。
【０００８】
すなわち、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、上記のように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１３に示すようにワイヤ配線５０６０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、５０００は基板、５０１０は受光素子、５０２０はＬＥＤ光源、５０３０はガラス部材、５０４０は電極、５０５０は樹脂、５０６０はワイヤ配線、５０７０はスケール、５０８０は第１格子、５０９０は第２格子、５１００は第３格子である。ワイヤ配線５０６０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。
【０００９】
かかる問題を解決するために一体のガラス基板を第１格子側と第３格子側に分離すると、第１格子と第３格子の高さを合わせ込むことが難しくなる。具体的には、一体のガラス基板では第１格子と第３格子の高さの差が１０μｍ程度以下だったものが、実装公差によっては１００μｍ程度まで拡大する可能性がある。このため、第２格子の拡大像の像倍率が設計値から乖離しやすくなる。この場合、第１格子や第３格子の有効幅を小さくすることで有効幅内での拡大像のずれを抑えることが可能であるが、有効幅を小さくすると格子を経て検出される光量が減少して検出信号が小さくなるためＳＮ比が劣化しやすい。
【００１０】
このような問題は、３重格子エンコーダだけでなく、スケール上の格子パタンの拡大像の動きを検出するタイプのエンコーダに共通するものである。
【００１１】
即ち、検出ヘッドの発光部から、出射光のスケール移動方向の出射幅が限定された発散光を出射して、スケールに所定の光を照射し、スケールに設けられた格子により反射し、回折した光が光検出部の格子機能面上に形成するイメージの動きを受光部で検出し、スケールの相対移動量に応じて周期的な検出信号を出力するような光学式エンコーダにおいては、モールド樹脂を用いる際に、説明してきたような、割れ・クラックや気泡、断線などの信頼性上の問題が発生する可能性がある。また、発光部側の発散光の出射幅を限定する位置と受光部側の光検出部の格子機能面までの高さのずれが検出信号の劣化、ひいては、ＳＮの劣化につながる可能性がある。
【００１２】
本発明の目的は、所謂３重格子エンコーダの第１格子と第３格子との高さずれを抑える、すなわち第１格子と第３格子に相当するＰＤアレイを含む受光素子面との高さずれを抑える、さらには、スケール上の格子パタンの拡大像の動きを検出するタイプのエンコーダにおいて、発光部側の発散光の出射幅を限定する位置と受光部側の光検出部の格子機能面までの高さのずれを抑える、といったことができる小型化・低コスト化を図った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】
【００１３】
本発明の主要な局面に係る光学式エンコーダは、変位検出される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、スケールに対向して配置される検出ヘッドと、スケールに設けられ、相対移動する方向に形成された所定のピッチを有する光学パタンからなる格子とを備え、検出ヘッドは、発光部と、光検出部と、光透過部材とを備え、発光部は、出射光のスケール移動方向の出射幅が限定された発散光を出射し、スケールに所定の光を照射し、光検出部は、所定の位置に配置された所定のピッチを有する格子機能面と受光部とを有し、発光部の限定された出射幅を有する出射面から出射される光が、スケールに照射されてスケールに設けられた格子により反射し、回折し、格子機能面を経た光を受光部で受光することで、格子機能面上に形成される、スケールに設けられた格子のイメージの動きを検出して、スケールの相対移動量に応じて周期的な検出信号を出力し、光透過部材は、第１の光透過部分と、第２の光透過部分と、これら２つの部分との間を繋ぐ接続部分とを有し、第１の光透過部分は、発光部とスケールとの間の光路上に配置され、第２の光透過部分は、スケールと光検出部との間の光路上に配置され、第１の光透過部分と前記第２の光透過部分は所定の構造を有し、所定の配置関係にある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、所謂３重格子エンコーダの第１格子と第３格子との高さずれを抑える、すなわち第１格子と第３格子に相当するＰＤアレイを含む受光素子面との高さずれを抑えることができる小型化・低コスト化を図った光学式エンコーダを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】本発明に係る光学式エンコーダの第１の一実施の形態を示す構成図。
【図１Ｂ】同光学式エンコーダにおけるスケールの移動方向を示す断面構成図。
【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素子アレイから成る受光領域を示す拡大図。
【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６Ａ】同光学式エンコーダにおける光透過部材をスケール側であるＺ方向の上方から見た図。
【図６Ｂ】同光学式エンコーダにおける光透過部材の変形例を示す図。
【図６Ｃ】同光学式エンコーダにおける光透過部材の変形例を示す図。
【図６Ｄ】同光学式エンコーダにおける光透過部材の変形例を示す図。
【図７】本発明に係る光学式エンコーダの第１の実施の形態の第１の変形例を示す概略構成図。
【図８】本発明に係る光学式エンコーダの第１一実施の形態の第２の変形例を示す概略構成図。
【図９Ａ】本発明に係る光学式エンコーダの第１の一実施の形態の第３の変形例を示す概略構成図。
【図９Ｂ】同光学式エンコーダにおけるスケールの移動方向を示す断面構成図。
【図１０Ａ】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と配線基板へのワイヤ配線と配線基板上の電極パッドを示す構成図。
【図１０Ｂ】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図。
【図１０Ｃ】同光学式エンコーダを示す側面図。
【図１１Ａ】本発明に係る光学式エンコーダの第２の実施の形態の第１の変形例における光検出器とこの光検出器上に実装された光透過部材を示す構成図。
【図１１Ｂ】同光学式エンコーダの第１の変形例を示す側面図。
【図１２】従来の３重スリット方式の光学式エンコーダを示す構成図。
【図１３】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。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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は反射型の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。本光学式エンコーダ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には、光源４と、受光素子アレイから成る受光領域６１を有する光検出器６と、光透過部材５と、樹脂材８とを配線基板３上に配置している。
【００１７】
光源４は、面実装用のチップタイプのモールドＬＥＤであり、上面は平坦に形成されている。この光源４の出射面と光検出器６の受光素子アレイの受光面とは、Ｚ方向に高さがほぼ同一高さ位置に揃っている。これら光源４の出射面と光検出器６の受光素子アレイの受光面とには、光透過部材５が配線基板３にほぼ平行に光透過性接着剤により貼り付けられている。
【００１８】
光透過部材５の光源４の出射面に対向する部分は、第１の光透過部５０である。光検出器６の受光素子アレイに対向する部分は、第２の光透過部７０である。第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とは、接続部１００により連結されている。光透過部材５は、例えば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。光透過部材５の第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とは、直方体の形状を有している。接続部１００は、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とよりもＸ方向に細い幅となっている。
【００１９】
ここでは、光検出器６の受光素子アレイの受光面は、光源４の出射面よりも僅かにＺ方向に高く設けられている。又、光透過部材５は、光検出器６の受光素子アレイの面に合わせて配線基板３に平行に貼り付けられている。光源４の出射面との隙間は、光透過性接着剤により埋められている。
このように光源４の出射面と光検出器６の受光素子アレイの受光面との間には、若干の段差が形成されている。この若干の段差によって配線基板３に平行に光透過部材５を貼り付けたときにできる隙間については、光透過性接着剤で埋めても良いし、略平行が保てて光学的に問題無ければ、隙間が無いように段差の分だけ傾斜させて光透過部材５を貼り付けてもよい。
【００２０】
光透過部材５における第１の光透過部５０の光源４に対向する面には、Ｘ方向にピッチｐ１を有する光学パタンである第１格子５０１が形成されている。なお、第１格子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。
なお、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くても良いが、本実施の形態では、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との両方の部分の側面に、光を遮断、又は減衰させたり、透過光を散乱させたり、光検出器６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るとする。
【００２１】
光透過部材５は、スケール９に対向する上面と、底面の光源４又は光検出器６に接する面部分とを除いて、センサヘッド保護用の樹脂材８により囲まれている。この光透過部材５、樹脂材８及び光透過性の接着剤の材質の熱的特性は、光検出器６を構成するＳｉ系半導体材料に近い特性を有することが望ましい。また、図１Ｂにおいて、光透過部材５の第１の光透過部５０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に、はみ出し量が抑えられている。接続部１００の断面も同様にクラック等が発生しないように断面積を小さく抑えている。
【００２２】
又、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を有している。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対して所定のピッチｐ２で形成された光学パタンである。
【００２３】
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５０１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的距離をｚ２、光源４の発光波長をλとすると、
１/ｚ１＋１/ｚ２＝λ/（ｎｐ２２） …（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との配置した構成とすることで、スケール９の回折拡大イメージパタンが受光素子上に転写されたイメージを現すことができ、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。
但し、上記式（１）において、第１格子・第２格子間の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・受光面間の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・第２格子間の光学距離をｚ１＝Σｔｉ／ｎｉ、第２格子・受光面間の光学距離をｚ２＝Σｔｊ／ｎｊと定義する。
【００２４】
本光学式エンコーダ１の構成では、小型化のためにｎ＝１を満たす光学的距離ｚ１と光学的距離ｚ２を採用している。本光学式エンコーダ１は、上記式（１）を満たす各光学的距離ｚ１、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、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。
図２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、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。
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。
（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、点Ｆ近傍において光源４から入射した光が全反射し、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。
【００２８】
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場合には、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。
上記式（４）は、Ｇ＝Ｇ’でない場合を想定している。
【００２９】
Ｇ＝Ｇである場合、即ち、第５図に示す場合には、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。
【００３０】
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。
本実施の形態においては、センサヘッド２内の光源４側に第１格子６０１を配置し、かつ光源４と受光領域６１を内部に有する光検出器６とを別体で配置する等しているが、光源４等の発光部と光検出器６等の受光部とを有する反射型のセンサヘッド２を構成するのであれば、どのような光学式エンコーダでも上記式（２）〜式（７）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を奏することができる。
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。
【００３１】
光透過部材５の側面は、光透過部材５の第１の光透過部５０の側面から出射して第２の光透過部７０へ到達する光を遮断、又は低減するような形状や、当該側面の表面の微視的な形状である表面状態や側面形状との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６１から光を逸らすような表面形状との配置の組合せとしたりしてもよい。
【００３２】
又、光透過部材５の接続部１００は、第１の光透過部５０から第２の光透過部７０へ光透過部材５の内部を伝達する光の光量を低減するために幅を狭く形成している。さらに、光透過部材５の接続部１００は、光の伝達率を低減するために幅を狭くする方向を図１Ａ及び図１Ｂに示すようにＺ方向に変えたり、湾曲部を持たせるなど、形状を工夫している。又、光透過部材５は、光を遮断したり、減衰するために、接続部１００を第１の光透過部５０や第２の光透過部７０とは別の素材により形成したり、不純物を入れる等、伝達光量を減衰する材料を用いてもよい。また、光透過部材５は、かかる各光量低減のための手法を組み合わせても良い。
【００３３】
図６Ａは上記図１Ａ及び図１Ｂに示す光透過部材５をスケール９側、すなわちＺ方向の上方から見た図を示し、図６Ｂ乃至図６Ｄは光透過部材５の変形例を示す。図６Ａに示す光透過部材５は、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間を１つの接続透過部２００により接続している。この接続透過部２００は、例えば板状で、かつＸ方向における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間の中間位置（中央部）に設けられ、Ｘ方向に狭く形成されている。
【００３４】
図６Ｂは光透過部材５の他の変形例を示す。この光透過部材５は、第１と第２の光透過部５０、７０との間を接続する接続透過部２００を、第１と第２の光透過部５０、７０との間の中央部から端部側に設け、かつ角度９０°の各屈曲部２００−１、２００−２を設けた。これにより、第１と第２の光透過部５０、７０との間の中央部の光の内部伝達を避け、かつ角度９０°の各屈曲部２００−１、２００−２を設けることで、光がより内部伝達しにくくなる。これにより、接続透過部２００の厚さを大きめに形成することにより光透過部材５の強度を向上させることが可能である。
【００３５】
図６ＣはＸ方向から見た光透過部材５の形状を示す。この光透過部材５は、接続透過部２００のＺ方向の厚みを第１の光透過部５０及び第２の光透過部７０の厚みよりも薄く形成する。このような光透過部材５であれば、Ｘ方向における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間の中間位置（中央部）の上部に内部伝達する光を無くすことができる。
【００３６】
図６Ｄは光遮光部材１１０が覆う部分についてのバリエーションを示し、同図上部に平面図、同図下部に断面図を示す。この光遮光部材１１０は、四角形状の光透過部材５に対して覆う部分を当該光透過部材５の第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との向かい合った側面のみとしている。
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８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。
【００３７】
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、必ずしも薄くなくても構わない。なお、センサヘッド２の薄型化は、迷光防止による副次的な効果である。
本光学式エンコーダ１は、上記式（１）と、上記各光学的距離ｚ１、ｚ２の条件、すなわちｚ１＝ｚ２の条件を満足するタイプであるが、本実施の形態は、モールド樹脂により覆っても割れにくい光透過部材を用いて光学式エンコーダ１を実現することが主たる目的であり、ｚ１＝ｚ２の条件は、副次的な効果を目的としたものである。本実施の形態は、必ずしもｚ１＝ｚ２でなくてもモールド樹脂でも割れにくい光透過部材を実現することは可能であり、こうした変形を行っても構わない。
【００３８】
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を配置しているので、発光部である光源４から出射された光は、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により検出する。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
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。
【００４２】
図４Ｂに示すように飽和した信号を用いると、図４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。
【００４３】
次に、上記光学式エンコーダ１の作用について説明する。
＜樹脂等のクラック・変形＞
モールド樹脂によるパッケージングの際には、通常、樹脂に熱を加えて硬化させ、室温まで冷却する。樹脂封止する部材の形状が複雑であれば、樹脂が細部まで行き渡らず、気泡が発生したり、樹脂硬化の際に樹脂の収縮によって樹脂、又は樹脂封止する部材にクラック・変形等が生じたりしやすい。
【００４４】
モールド樹脂によってパッケージングされたセンサヘッド２においてクラック・変形等が発生すると、配置が換わることによる光学特性の変化や、光路内のクラックによる光の散乱がおき、設計通りに機能しなくなったり、ＳＮが劣化したりする。さらには、信頼性上もクラックや変形が進んで機能が低下したり、隙間を通して異物や湿気などが入り込んだりする問題につながる可能性がある。
【００４５】
光透過部材５は、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とが幅の細い接続部１００を介して繋がった構成である。第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とが一体の直方体で出来ている場合に比べ、接続部１００の幅は細くなっている。この光透過部材５の周囲は、樹脂材８により覆われている。従って、樹脂封止する冷却の際に、光透過部材５は、直方体状の光透過部材に比べて樹脂の流動性が高まる。これにより、樹脂や光透過部材５のクラック・変形等は、より生じにくくなる。
【００４６】
＜光透過部材の形状精度・配置＞
光透過部材５は、樹脂封止前に形状が決まっている。第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との各表面の段差は、１０μｍ程度以下の精度になっている。光透過部材５は、樹脂封止後にも厚みや段差・配置が設計通りとなる。
この光透過部材５は、光検出器６のＰＤアレイの面に貼り付けられている。これにより、第１の光透過部５０の下面に形成された第１格子５０１とＰＤアレイとのＺ方向の高さは、１０μｍ程度以下に抑えられている。この結果、光検出器６のＰＤアレイ上に形成されるスケール９の第２格子９１の拡大倍率は、ほぼ２倍となり、拡大倍率誤差による検出信号の劣化が殆ど生じない。
【００４７】
＜光学的な特性＞
本光学式エンコーダ１は、上記式（１）の条件を満たすように光検出器６を含めた光学系が配置されている。発光部４から出射された光は、スケール９上の第２格子９１により反射、かつ回折され、第２格子パタンの拡大された明暗像が受光領域６１上に形成される。センサヘッド２とスケール９との相対移動に応じて当該拡大された明暗像のパタンが移動し、この移動を光検出部６は検出する。
【００４８】
本光学式エンコーダ１は、上記式（１）に示すように、上記各光学的距離ｚ１、ｚ２の条件、すなわちｚ１＝ｚ２の条件を満たす配置構成である。これにより、光検出部６の受光領域６１上には、スケールピッチの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、４つの電極パッドＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２から出力される電気信号は、上記の通り互いに１/４周期だけ位相が異なる擬似正弦波信号となる。
【００４９】
光透過部材５の側面の形状や表面形状は、光透過部材５の第１の光透過部５０の側面から出射し、第２の光透過部７０へ到達する光を遮断又は低減するように形成されている。これにより、光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０の側面とを通過する光の光量は、低減され、この結果、光透過部材５の側面を経由して光検出器６の受光素子アレイ６１の方向へ向かう光の光量は低減される。すなわち、光透過部材５における第１の光透過部５０の表面又は第２の光透過部７０の表面は、エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光を低減する迷光低減機能要素としての形状を備える。
【００５０】
具体的に、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である光透過部材５に接しているものの、光透過部材５の接続部１００以外では内部を光が伝達できない。すなわち、エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光を低減する迷光低減機能要素として、光透過部材５の第１の光透過部５０の表面、第２の光透過部７０の表面及び樹脂材８、又は空間が形成されている。
光透過部材５の接続部１００は、光透過部材５の第１の光透過部５０や第２の光透過部７０に比べて図１Ａ、図１Ｂに示すようにＸ方向に細く形成されている。すなわち、接続部１００も迷光低減機能要素として作用する。
しかるに、迷光低減機能要素としての光透過部材５の第１の光透過部５０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。
【００５１】
さらに、図６Ｂ乃至図６Ｄに示す光透過部材５の変形例を含めて、光透過部材５の接続部１００の内部伝達光の光量を低減する対策を実施することで、光透過部材５の上面内部で反射したり、内部を伝達して光検出器６の受光部へ向かう迷光の光量は大幅に減少することができる。
【００５２】
光源４の光出射部と光検出器６の受光部との高さが一致しているので、光透過部材５における第１の光透過部５０の側面から出射される光は、基本的に斜め上方に向かう。斜め上方に向かう光は、基本的に直接光検出器６の受光部へは向かはない。
【００５３】
光透過部材５は、直方体の形状を有するガラスにより形成され、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よりも屈折率の小さい物質、又は空間となっている。この場合、第１の光透過部５０の側面のような平らな面から屈折率の小さい物質、又は空間へ出射する光は、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の側面から出射して光検出器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。すなわち、エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光が第２の光透過部７０へ入る量を低減することができる。
【００５４】
光透過性の樹脂材８の屈折率を光透過部材５の屈折率よりも小さくとれば、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。光透過部材５の側面に遮光・散乱等の機能を追加することで、さらに迷光低減機能を向上させることができる。光透過性の樹脂材８の屈折率が光透過部材５の屈折率に近いか、大きい場合には、光透過部材５の側面に遮光・散乱等の機能を追加することが必要となる。
【００５５】
このように上記第１の実施の形態によれば、変位検出される一方の部材に取り付けられたスケール９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、スケール９に対向して配置されるセンサヘッド２と、スケール９に設けられ、相対移動する方向に形成された第２格子９１の光学パタンとを備え、センサヘッド２は、スケール９に光を照射する光源４と、この光源４からスケール９に照射されて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器６と、光源４とスケール９との間の光路上に配置される第１の光透過部５０と、スケール９と光検出器６との間の光路上に配置される第２の光透過部７０と、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間を繋ぐ接続部１００とを有する光透過部材５とから成る。
第１の光透過部５０における表面の１つに第１格子５０１が形成されている。
【００５６】
光源４とスケール９との間に介在し、スケール９の相対移動方向に第１のピッチｐ１を有する光学パタンが形成された第１格子５０１と、スケール９に設けられ、当該スケール９の相対変位方向に第２のピッチｐ２を有する光学パタンが形成された第２格子９１と、光検出器６に設けられ、スケール９の相対変位方向に第３のピッチｐ３を有する第３格子としての受光素子アレイ（フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４）とを備え、光源４から出射された光は、第１格子５０１、第２格子９１を経由し、当該第２格子９１に形成された光学パタンによって所定倍率で拡大されたセルフイメージとして受光素子アレイを配列して成る第３格子上に結像し、この受光素子アレイは、スケール９の相対変位量に応じた周期信号を検出する。
第１格子５０１から第２格子９１までの光学的距離と、第２格子９１からアレイ状受光素子までの光学的距離とは、等しく設定されている。
【００５７】
しかるに、本光学式エンコーダ１は、光透過部材５の第１の光透過部５０の下面に第１格子５０１が形成されている。この第１格子５０１とスケール９の第２格子９１と光検出器６の受光素子アレイ（フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４：ＰＤアレイ）とで上記式（１）を満足する構成である。この結果、高精度な位置検出が可能となっている。
【００５８】
光透過部材５は、光検出器６のＰＤアレイの面に貼り付けられ、第１の光透過部５０の下面に形成された第１格子５０１と光検出器６のＰＤアレイとのＺ方向の高さは、１０μｍ程度以下に抑えられている。これにより、光学的距離ｚ１と光学的距離ｚ２とがほぼ等しく、センサヘッド２とスケール９との間隔が変動しても、光検出器６のＰＤアレイ上に形成されるスケール９の第２格子９１の拡大倍率がほぼ２倍となり、拡大倍率誤差による検出信号の劣化がほとんど生じない。これにより、安定したエンコーダ信号が得られる。
【００５９】
本光学式エンコーダ１は、センサヘッド２におけるスケール９側の面に光透過部材５を配置、すなわち樹脂を用いてパッケージングをしているので、セラミックパッケージやカン封止をしたパッケージに比べて安価で量産に向いた構造である。
【００６０】
センサヘッド２内において、少なくとも光源４と光検出器６と光検出器６等に対する配線を行う配線部材とを光透過部材５により覆うので、すなわちセンサヘッド２内において、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０と以外の部材は全て樹脂材８に覆われており、光源４と光検出器６と配線とが樹脂材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を果たし、封止による信頼性の向上が図られる。
【００６１】
光透過部材５におけるスケール９に対向する面は、光透過部材５により覆われないので、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、センサヘッド２のスケール９に対向する面を樹脂材８が覆っている場合に比べて本光学式エンコーダ１としての光学性能が後述する第１の実施の形態の第１の変形例に比べて向上する。
【００６２】
光透過部材５の接続部１００の形状は、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とにおける幅又は厚みよりも少なくとも一方が小さく形成されている。これにより、樹脂封止する冷却の際に、光透過部材５は、直方体状の光透過部材に比べて樹脂の流動性が高まる。この結果、樹脂や光透過部材５のクラック・変形等がより生じにくくなる。
モールド樹脂によってパッケージングされた本光学式エンコーダ１のセンサヘッド２内においてクラック・変形等が発生しにくくなるため、配置が換わることによる光学特性の変化や、光路内のクラックによる光の散乱によって、設計通りに機能しなくなったり、ＳＮが劣化したりする可能性が低減される。さらには、本光学式エンコーダ１は、信頼性上もクラックや変形が進んで機能が低下したり、隙間を通して異物や湿気などが入り込んだりする問題につながる可能性も低減される。
【００６３】
光透過部材５は、予め形状が決まっている。これにより、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。
一方、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。しかるに、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。
【００６４】
光透過部材５は、実装時に変形せず、かつ実装時に溶融しない材質により形成されている。すなわち、光透過部材５は、ガラスで形成されており、実装時に塑性変形は起こらない。特に樹脂封止する際に必要な２００℃前後の温度では、光透過部材５は、溶融が起こらない。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。
【００６５】
光透過部材５は、実装時に位置調整可能であり、かつ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、ガラスにより形成されており、その上面及び下面は、それぞれ平行平板の一部となっている。これにより、平行平板となった上面及び下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。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、光透過部材５は、上記同様の理由により、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。
【００６６】
＜迷光低減効果＞
従来の光学式エンコーダのように光透過部材がセンサヘッド２のスケール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、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。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、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。
【００６７】
これに対して上記実施の形態では、光伝達経路を限定している。光透過部材５を光源４と光検出器６とスケール９との間に配置しているが、光源４と光検出器６とには、それぞれ光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とが面している。光透過部材５内部での光伝達は、幅を細めた接続部１００に限定される。この結果、光源４と光検出器６とには、別体に近い光透過部材が面することになる。これにより、光透過部材５のスケール９側の面での反射光は、光透過部材５内部において光検出器６に入射することはない、若しくは低減される。
【００６８】
光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との側面は、エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光を低減する迷光低減機能要素として光透過部材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状態となっている。
【００６９】
さらに、光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との側面は、上記同様の迷光低減機能要素として光透過部材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の側面の形状と光源４や光検出器６を含めた配置の組合せになっている。
【００７０】
以上のように光透過部材５がセンサヘッド２のスケール９側の面全体に拡がっていて、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。
【００７１】
一方、センサヘッド２の内部から外部へ、外部から内部へと伝達する迷光については、以下のことが分かる。すなわち、光源４側の第１の光透過部５０に迷光防止機能を持つ光透過部材５を配置するので、光透過部材５の迷光防止機能によって光検出器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２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。
【００７２】
また、光検出器６側と第２の光透過部７０とに迷光防止機能を持つ光透過部材５を配置するので、光透過部材５の迷光防止機能によって光検出器６上の受光領域６１へ伝達する迷光のみならず、外部から光検出器６上の受光領域６１へ、少なくとも特定の方向からの迷光を低減することが可能となる。
【００７３】
本実施の形態に特有の効果としては、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９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とを行いつつ、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。
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５０１を有する光透過基板３を実装することが容易となる。
さらに、モールドＬＥＤは封止されているため、ベアＬＥＤ等に比べると汎用性・信頼性が高い。そのため、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ので、この受光素子アレイは、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。
【００７４】
次に、上記第１の実施の形態の第１の変形例について図７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。この後、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ディング等の製法を用いる。
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。
【００７５】
次に、上記第１の実施の形態の第２の変形例について図８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。
【００７６】
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。
なお、樹脂材８は、光透過部材５のスケール９に対向する面に掛からないので、樹脂材８は、必ずしも光透過性である必要はなく、遮光性を有していても良い。樹脂材８は、遮光性を有することで迷光低減効果が向上する。
【００７７】
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。
【００７８】
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における第１の光透過部５０上部から樹脂材８を伝達して第２の光透過部７０へ至る光の経路が無くなるので、迷光低減効果も上記第１の変形例に比べて向上する。
【００７９】
次に、上記第１の実施の形態の第３の変形例について図９Ａ、図９Ｂを参照して説明する。図９Ａは光学式エンコーダの概略構成図を示し、図９Ｂ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８ａ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。
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。
【００８０】
この第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。
【００８１】
図９Ａ及び図９Ｂに示すように光遮光部材８は、光透過部材５の側面から出射す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から出射してセンサヘッド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。従って、光検出器６から出力される検出信号は、高いＳ／Ｎ比を確保できる。
【００８２】
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１０Ａ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１０Ｂは上記図１０Ａにおいて、点光源を線状光源に置き換えたものを示す。図１０Ｃ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６０１を除去した。
【００８３】
本実施の形態は、いわゆるタルボット干渉を利用したエンコーダであり、３重格子エンコーダと同様に、図１０Ｃに示す各光学的距離ｚ１、ｚ２について上記式（１）が成り立つ。また、光学的距離ｚ１とｚ２について、ｚ１＝ｚ２が成り立つ。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４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。
【００８４】
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。
【００８５】
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１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５０１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。
【００８６】
このように上記第２の実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と同様に、上記式（１）が成り立つので、上記第１の実施の形態と同様の光学的な効果が得られる。
【００８７】
又、上記第２の実施の形態によれば、タルボット干渉を利用したエンコーダを採用するので、３重格子エンコーダと同様に、高精度な位置検出が可能である。さらに、光源４は、点又は線状であり、第１格子５０１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。
光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との厚みが等しい。従って、両側に異なる屈折率又は厚みの部材が存在する場合に比べて、光学的距離ｚ１とｚ２について、ｚ１＝ｚ２を成り立たせることが容易となる。
又、樹脂よりも形状精度の高い光透過部材５がスケール対向面に上面に出るので、樹脂に覆われている場合に比べて高精度な位置検出信号を得ることが可能となる。
【００８８】
次に、上記第２の実施の形態の第１の変形例について図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して説明する。
図１１Ａ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５における第２の光透過部７０を示し、図１１Ｂ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の実施の形態において、光検出器６の構造を変更し、光透過部材５における第２の光透過部７０に第３格子７０１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７０１が形成されている。この第３格子７０１は、第２の光透過部材７０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の構造と第２の光透過部７０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。
【００９０】
このような構成の第１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が第２の光透過部７０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第２の光透過部７０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。
【符号の説明】
【００９１】
１：光学式エンコーダ、２：センサヘッド、９：スケール、４：光源、６１：受光領域、６：光検出器、５：光透過部材、８：樹脂材、３：配線基板、５０：第１の光透過部、７０：第２の光透過部、１００：接続部、
５０１：第１格子、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、３３：電極ボンディングワイヤ、６０１：第１格子、２００：接続透過部、２００−１，２００−２：屈曲部、１１０：光遮光部材、８ａ：光遮光部材、４ａ：ベアチップ光源、４１：光出射部、３４：電極ボンディングワイヤ、７０１：第３格子、７１：第３格子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部材の変位検出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、光学式エンコーダの小型化・低コスト化のためにモールド樹脂を用いる例がある。例えば、反射型の３重格子エンコーダは、光源側に第１格子、スケール上に第２格子、受光素子側に第３格子の３つの光学格子をそれぞれ配置している。この３重格子エンコーダは、第３格子上に形成されるスケール上の第２格子パタンの拡大像の動きを検出するものであり、比較的高精度であるのでよく使われている。
【０００３】
反射型の３重格子エンコーダは、第１格子と第３格子から第２格子までの距離をほぼ等しくなるように設計することが多い。第１格子から第２格子までの光学的な距離と第１格子から第２格子を経て第３格子に至るまでの光学的な距離との比によって第３格子上に形成される第２格子の拡大像の像倍率が決まる。第１格子と第３格子から第２格子までの距離がほぼ等しくなるように設計すると、第１格子と第３格子とを含むエンコーダヘッドと第２格子を含むスケールの間隔が変動しても拡大倍率がほとんど変化しない。これにより、拡大倍率の変化による検出不良が起きにくい。
【０００４】
所謂３重格子エンコーダにおける第１格子と第３格子とを一体のガラス基板等の同一面に形成して樹脂封止したタイプや、第３格子に相当するＰＤアレイを含む受光素子を有するエンコーダにおける第１格子をガラス基板等の表面に形成して同一面をＰＤアレイに合わせて樹脂封止したタイプの１例としては、例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１は、光源であるＬＥＤと光検出器とをヘッド側に有する反射型の３重格子タイプの光学式エンコーダであって、ＬＥＤ上に第１格子を形成した光透過性基板と、光検出器上に第３格子を形成した光透過性基板とが配置され、ヘッドを光透過樹脂で覆っていることを開示する。
【０００５】
具体的に、特許文献１は、図１２に示すように反射型の３重スリット方式の光学式エンコーダ１０００であって、投光部は、ベアチップＬＥＤ１４１０と、第１のピッチｐ１の第１格子１１００とが組み合わされて所定の光を照射し、光検出部１５００は、光検出器１５００と、第３のピッチｐ３の第３格子１３００とが組み合わされてセルフイメージの動きを検出し、第１格子１１００と第３格子１３００とは、それぞれスケール１２１０に対して略平行に配置され、検出ヘッドの表面の所定部分には、略平行かつ略平坦な光透過領域が形成され、検出ヘッドの表面と、第１格子１１００及び第３格子１３００との間の空間に光透過性部材１９００が配置されていることを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３１７２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
モールド樹脂は、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、モールド樹脂は、小型化のために薄いガラスを用いてガラス両面に樹脂が回り込むような構成にすると、温度変化によってクラックや割れが生じることがある。また、狭い隙間があると、樹脂が入り込みにくくなって気泡が残り、信頼性上、問題となることがある。
【０００８】
すなわち、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、上記のように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１３に示すようにワイヤ配線５０６０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、５０００は基板、５０１０は受光素子、５０２０はＬＥＤ光源、５０３０はガラス部材、５０４０は電極、５０５０は樹脂、５０６０はワイヤ配線、５０７０はスケール、５０８０は第１格子、５０９０は第２格子、５１００は第３格子である。ワイヤ配線５０６０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。
【０００９】
かかる問題を解決するために一体のガラス基板を第１格子側と第３格子側に分離すると、第１格子と第３格子の高さを合わせ込むことが難しくなる。具体的には、一体のガラス基板では第１格子と第３格子の高さの差が１０μｍ程度以下だったものが、実装公差によっては１００μｍ程度まで拡大する可能性がある。このため、第２格子の拡大像の像倍率が設計値から乖離しやすくなる。この場合、第１格子や第３格子の有効幅を小さくすることで有効幅内での拡大像のずれを抑えることが可能であるが、有効幅を小さくすると格子を経て検出される光量が減少して検出信号が小さくなるためＳＮ比が劣化しやすい。
【００１０】
このような問題は、３重格子エンコーダだけでなく、スケール上の格子パタンの拡大像の動きを検出するタイプのエンコーダに共通するものである。
【００１１】
即ち、検出ヘッドの発光部から、出射光のスケール移動方向の出射幅が限定された発散光を出射して、スケールに所定の光を照射し、スケールに設けられた格子により反射し、回折した光が光検出部の格子機能面上に形成するイメージの動きを受光部で検出し、スケールの相対移動量に応じて周期的な検出信号を出力するような光学式エンコーダにおいては、モールド樹脂を用いる際に、説明してきたような、割れ・クラックや気泡、断線などの信頼性上の問題が発生する可能性がある。また、発光部側の発散光の出射幅を限定する位置と受光部側の光検出部の格子機能面までの高さのずれが検出信号の劣化、ひいては、ＳＮの劣化につながる可能性がある。
【００１２】
本発明の目的は、所謂３重格子エンコーダの第１格子と第３格子との高さずれを抑える、すなわち第１格子と第３格子に相当するＰＤアレイを含む受光素子面との高さずれを抑える、さらには、スケール上の格子パタンの拡大像の動きを検出するタイプのエンコーダにおいて、発光部側の発散光の出射幅を限定する位置と受光部側の光検出部の格子機能面までの高さのずれを抑える、といったことができる小型化・低コスト化を図った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】
【００１３】
本発明の主要な局面に係る光学式エンコーダは、変位検出される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、スケールに対向して配置される検出ヘッドと、スケールに設けられ、相対移動する方向に形成された所定のピッチを有する光学パタンからなる格子とを備え、検出ヘッドは、発光部と、光検出部と、光透過部材とを備え、発光部は、出射光のスケール移動方向の出射幅が限定された発散光を出射し、スケールに所定の光を照射し、光検出部は、所定の位置に配置された所定のピッチを有する格子機能面と受光部とを有し、発光部の限定された出射幅を有する出射面から出射される光が、スケールに照射されてスケールに設けられた格子により反射し、回折し、格子機能面を経た光を受光部で受光することで、格子機能面上に形成される、スケールに設けられた格子のイメージの動きを検出して、スケールの相対移動量に応じて周期的な検出信号を出力し、光透過部材は、第１の光透過部分と、第２の光透過部分と、これら２つの部分との間を繋ぐ接続部分とを有し、第１の光透過部分は、発光部とスケールとの間の光路上に配置され、第２の光透過部分は、スケールと光検出部との間の光路上に配置され、第１の光透過部分と前記第２の光透過部分は所定の構造を有し、所定の配置関係にある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、所謂３重格子エンコーダの第１格子と第３格子との高さずれを抑える、すなわち第１格子と第３格子に相当するＰＤアレイを含む受光素子面との高さずれを抑えることができる小型化・低コスト化を図った光学式エンコーダを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】本発明に係る光学式エンコーダの第１の一実施の形態を示す構成図。
【図１Ｂ】同光学式エンコーダにおけるスケールの移動方向を示す断面構成図。
【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素子アレイから成る受光領域を示す拡大図。
【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６Ａ】同光学式エンコーダにおける光透過部材をスケール側であるＺ方向の上方から見た図。
【図６Ｂ】同光学式エンコーダにおける光透過部材の変形例を示す図。
【図６Ｃ】同光学式エンコーダにおける光透過部材の変形例を示す図。
【図６Ｄ】同光学式エンコーダにおける光透過部材の変形例を示す図。
【図７】本発明に係る光学式エンコーダの第１の実施の形態の第１の変形例を示す概略構成図。
【図８】本発明に係る光学式エンコーダの第１一実施の形態の第２の変形例を示す概略構成図。
【図９Ａ】本発明に係る光学式エンコーダの第１の一実施の形態の第３の変形例を示す概略構成図。
【図９Ｂ】同光学式エンコーダにおけるスケールの移動方向を示す断面構成図。
【図１０Ａ】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と配線基板へのワイヤ配線と配線基板上の電極パッドを示す構成図。
【図１０Ｂ】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図。
【図１０Ｃ】同光学式エンコーダを示す側面図。
【図１１Ａ】本発明に係る光学式エンコーダの第２の実施の形態の第１の変形例における光検出器とこの光検出器上に実装された光透過部材を示す構成図。
【図１１Ｂ】同光学式エンコーダの第１の変形例を示す側面図。
【図１２】従来の３重スリット方式の光学式エンコーダを示す構成図。
【図１３】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。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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は反射型の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。本光学式エンコーダ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には、光源４と、受光素子アレイから成る受光領域６１を有する光検出器６と、光透過部材５と、樹脂材８とを配線基板３上に配置している。
【００１７】
光源４は、面実装用のチップタイプのモールドＬＥＤであり、上面は平坦に形成されている。この光源４の出射面と光検出器６の受光素子アレイの受光面とは、Ｚ方向に高さがほぼ同一高さ位置に揃っている。これら光源４の出射面と光検出器６の受光素子アレイの受光面とには、光透過部材５が配線基板３にほぼ平行に光透過性接着剤により貼り付けられている。
【００１８】
光透過部材５の光源４の出射面に対向する部分は、第１の光透過部５０である。光検出器６の受光素子アレイに対向する部分は、第２の光透過部７０である。第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とは、接続部１００により連結されている。光透過部材５は、例えば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。光透過部材５の第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とは、直方体の形状を有している。接続部１００は、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とよりもＸ方向に細い幅となっている。
【００１９】
ここでは、光検出器６の受光素子アレイの受光面は、光源４の出射面よりも僅かにＺ方向に高く設けられている。又、光透過部材５は、光検出器６の受光素子アレイの面に合わせて配線基板３に平行に貼り付けられている。光源４の出射面との隙間は、光透過性接着剤により埋められている。
このように光源４の出射面と光検出器６の受光素子アレイの受光面との間には、若干の段差が形成されている。この若干の段差によって配線基板３に平行に光透過部材５を貼り付けたときにできる隙間については、光透過性接着剤で埋めても良いし、略平行が保てて光学的に問題無ければ、隙間が無いように段差の分だけ傾斜させて光透過部材５を貼り付けてもよい。
【００２０】
光透過部材５における第１の光透過部５０の光源４に対向する面には、Ｘ方向にピッチｐ１を有する光学パタンである第１格子５０１が形成されている。なお、第１格子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。
なお、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くても良いが、本実施の形態では、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との両方の部分の側面に、光を遮断、又は減衰させたり、透過光を散乱させたり、光検出器６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るとする。
【００２１】
光透過部材５は、スケール９に対向する上面と、底面の光源４又は光検出器６に接する面部分とを除いて、センサヘッド保護用の樹脂材８により囲まれている。この光透過部材５、樹脂材８及び光透過性の接着剤の材質の熱的特性は、光検出器６を構成するＳｉ系半導体材料に近い特性を有することが望ましい。また、図１Ｂにおいて、光透過部材５の第１の光透過部５０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に、はみ出し量が抑えられている。接続部１００の断面も同様にクラック等が発生しないように断面積を小さく抑えている。
【００２２】
又、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を有している。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対して所定のピッチｐ２で形成された光学パタンである。
【００２３】
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５０１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的距離をｚ２、光源４の発光波長をλとすると、
１/ｚ１＋１/ｚ２＝λ/（ｎｐ２２） …（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との配置した構成とすることで、スケール９の回折拡大イメージパタンが受光素子上に転写されたイメージを現すことができ、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。
但し、上記式（１）において、第１格子・第２格子間の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・受光面間の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・第２格子間の光学距離をｚ１＝Σｔｉ／ｎｉ、第２格子・受光面間の光学距離をｚ２＝Σｔｊ／ｎｊと定義する。
【００２４】
本光学式エンコーダ１の構成では、小型化のためにｎ＝１を満たす光学的距離ｚ１と光学的距離ｚ２を採用している。本光学式エンコーダ１は、上記式（１）を満たす各光学的距離ｚ１、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、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。
図２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、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。
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。
（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、点Ｆ近傍において光源４から入射した光が全反射し、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。
【００２８】
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場合には、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。
上記式（４）は、Ｇ＝Ｇ’でない場合を想定している。
【００２９】
Ｇ＝Ｇである場合、即ち、第５図に示す場合には、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。
【００３０】
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。
本実施の形態においては、センサヘッド２内の光源４側に第１格子６０１を配置し、かつ光源４と受光領域６１を内部に有する光検出器６とを別体で配置する等しているが、光源４等の発光部と光検出器６等の受光部とを有する反射型のセンサヘッド２を構成するのであれば、どのような光学式エンコーダでも上記式（２）〜式（７）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を奏することができる。
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。
【００３１】
光透過部材５の側面は、光透過部材５の第１の光透過部５０の側面から出射して第２の光透過部７０へ到達する光を遮断、又は低減するような形状や、当該側面の表面の微視的な形状である表面状態や側面形状との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６１から光を逸らすような表面形状との配置の組合せとしたりしてもよい。
【００３２】
又、光透過部材５の接続部１００は、第１の光透過部５０から第２の光透過部７０へ光透過部材５の内部を伝達する光の光量を低減するために幅を狭く形成している。さらに、光透過部材５の接続部１００は、光の伝達率を低減するために幅を狭くする方向を図１Ａ及び図１Ｂに示すようにＺ方向に変えたり、湾曲部を持たせるなど、形状を工夫している。又、光透過部材５は、光を遮断したり、減衰するために、接続部１００を第１の光透過部５０や第２の光透過部７０とは別の素材により形成したり、不純物を入れる等、伝達光量を減衰する材料を用いてもよい。また、光透過部材５は、かかる各光量低減のための手法を組み合わせても良い。
【００３３】
図６Ａは上記図１Ａ及び図１Ｂに示す光透過部材５をスケール９側、すなわちＺ方向の上方から見た図を示し、図６Ｂ乃至図６Ｄは光透過部材５の変形例を示す。図６Ａに示す光透過部材５は、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間を１つの接続透過部２００により接続している。この接続透過部２００は、例えば板状で、かつＸ方向における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間の中間位置（中央部）に設けられ、Ｘ方向に狭く形成されている。
【００３４】
図６Ｂは光透過部材５の他の変形例を示す。この光透過部材５は、第１と第２の光透過部５０、７０との間を接続する接続透過部２００を、第１と第２の光透過部５０、７０との間の中央部から端部側に設け、かつ角度９０°の各屈曲部２００−１、２００−２を設けた。これにより、第１と第２の光透過部５０、７０との間の中央部の光の内部伝達を避け、かつ角度９０°の各屈曲部２００−１、２００−２を設けることで、光がより内部伝達しにくくなる。これにより、接続透過部２００の厚さを大きめに形成することにより光透過部材５の強度を向上させることが可能である。
【００３５】
図６ＣはＸ方向から見た光透過部材５の形状を示す。この光透過部材５は、接続透過部２００のＺ方向の厚みを第１の光透過部５０及び第２の光透過部７０の厚みよりも薄く形成する。このような光透過部材５であれば、Ｘ方向における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間の中間位置（中央部）の上部に内部伝達する光を無くすことができる。
【００３６】
図６Ｄは光遮光部材１１０が覆う部分についてのバリエーションを示し、同図上部に平面図、同図下部に断面図を示す。この光遮光部材１１０は、四角形状の光透過部材５に対して覆う部分を当該光透過部材５の第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との向かい合った側面のみとしている。
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８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。
【００３７】
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、必ずしも薄くなくても構わない。なお、センサヘッド２の薄型化は、迷光防止による副次的な効果である。
本光学式エンコーダ１は、上記式（１）と、上記各光学的距離ｚ１、ｚ２の条件、すなわちｚ１＝ｚ２の条件を満足するタイプであるが、本実施の形態は、モールド樹脂により覆っても割れにくい光透過部材を用いて光学式エンコーダ１を実現することが主たる目的であり、ｚ１＝ｚ２の条件は、副次的な効果を目的としたものである。本実施の形態は、必ずしもｚ１＝ｚ２でなくてもモールド樹脂でも割れにくい光透過部材を実現することは可能であり、こうした変形を行っても構わない。
【００３８】
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を配置しているので、発光部である光源４から出射された光は、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により検出する。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
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。
【００４２】
図４Ｂに示すように飽和した信号を用いると、図４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。
【００４３】
次に、上記光学式エンコーダ１の作用について説明する。
＜樹脂等のクラック・変形＞
モールド樹脂によるパッケージングの際には、通常、樹脂に熱を加えて硬化させ、室温まで冷却する。樹脂封止する部材の形状が複雑であれば、樹脂が細部まで行き渡らず、気泡が発生したり、樹脂硬化の際に樹脂の収縮によって樹脂、又は樹脂封止する部材にクラック・変形等が生じたりしやすい。
【００４４】
モールド樹脂によってパッケージングされたセンサヘッド２においてクラック・変形等が発生すると、配置が換わることによる光学特性の変化や、光路内のクラックによる光の散乱がおき、設計通りに機能しなくなったり、ＳＮが劣化したりする。さらには、信頼性上もクラックや変形が進んで機能が低下したり、隙間を通して異物や湿気などが入り込んだりする問題につながる可能性がある。
【００４５】
光透過部材５は、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とが幅の細い接続部１００を介して繋がった構成である。第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とが一体の直方体で出来ている場合に比べ、接続部１００の幅は細くなっている。この光透過部材５の周囲は、樹脂材８により覆われている。従って、樹脂封止する冷却の際に、光透過部材５は、直方体状の光透過部材に比べて樹脂の流動性が高まる。これにより、樹脂や光透過部材５のクラック・変形等は、より生じにくくなる。
【００４６】
＜光透過部材の形状精度・配置＞
光透過部材５は、樹脂封止前に形状が決まっている。第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との各表面の段差は、１０μｍ程度以下の精度になっている。光透過部材５は、樹脂封止後にも厚みや段差・配置が設計通りとなる。
この光透過部材５は、光検出器６のＰＤアレイの面に貼り付けられている。これにより、第１の光透過部５０の下面に形成された第１格子５０１とＰＤアレイとのＺ方向の高さは、１０μｍ程度以下に抑えられている。この結果、光検出器６のＰＤアレイ上に形成されるスケール９の第２格子９１の拡大倍率は、ほぼ２倍となり、拡大倍率誤差による検出信号の劣化が殆ど生じない。
【００４７】
＜光学的な特性＞
本光学式エンコーダ１は、上記式（１）の条件を満たすように光検出器６を含めた光学系が配置されている。発光部４から出射された光は、スケール９上の第２格子９１により反射、かつ回折され、第２格子パタンの拡大された明暗像が受光領域６１上に形成される。センサヘッド２とスケール９との相対移動に応じて当該拡大された明暗像のパタンが移動し、この移動を光検出部６は検出する。
【００４８】
本光学式エンコーダ１は、上記式（１）に示すように、上記各光学的距離ｚ１、ｚ２の条件、すなわちｚ１＝ｚ２の条件を満たす配置構成である。これにより、光検出部６の受光領域６１上には、スケールピッチの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、４つの電極パッドＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２から出力される電気信号は、上記の通り互いに１/４周期だけ位相が異なる擬似正弦波信号となる。
【００４９】
光透過部材５の側面の形状や表面形状は、光透過部材５の第１の光透過部５０の側面から出射し、第２の光透過部７０へ到達する光を遮断又は低減するように形成されている。これにより、光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０の側面とを通過する光の光量は、低減され、この結果、光透過部材５の側面を経由して光検出器６の受光素子アレイ６１の方向へ向かう光の光量は低減される。すなわち、光透過部材５における第１の光透過部５０の表面又は第２の光透過部７０の表面は、エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光を低減する迷光低減機能要素としての形状を備える。
【００５０】
具体的に、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である光透過部材５に接しているものの、光透過部材５の接続部１００以外では内部を光が伝達できない。すなわち、エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光を低減する迷光低減機能要素として、光透過部材５の第１の光透過部５０の表面、第２の光透過部７０の表面及び樹脂材８、又は空間が形成されている。
光透過部材５の接続部１００は、光透過部材５の第１の光透過部５０や第２の光透過部７０に比べて図１Ａ、図１Ｂに示すようにＸ方向に細く形成されている。すなわち、接続部１００も迷光低減機能要素として作用する。
しかるに、迷光低減機能要素としての光透過部材５の第１の光透過部５０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。
【００５１】
さらに、図６Ｂ乃至図６Ｄに示す光透過部材５の変形例を含めて、光透過部材５の接続部１００の内部伝達光の光量を低減する対策を実施することで、光透過部材５の上面内部で反射したり、内部を伝達して光検出器６の受光部へ向かう迷光の光量は大幅に減少することができる。
【００５２】
光源４の光出射部と光検出器６の受光部との高さが一致しているので、光透過部材５における第１の光透過部５０の側面から出射される光は、基本的に斜め上方に向かう。斜め上方に向かう光は、基本的に直接光検出器６の受光部へは向かはない。
【００５３】
光透過部材５は、直方体の形状を有するガラスにより形成され、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よりも屈折率の小さい物質、又は空間となっている。この場合、第１の光透過部５０の側面のような平らな面から屈折率の小さい物質、又は空間へ出射する光は、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の側面から出射して光検出器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。すなわち、エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光が第２の光透過部７０へ入る量を低減することができる。
【００５４】
光透過性の樹脂材８の屈折率を光透過部材５の屈折率よりも小さくとれば、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。光透過部材５の側面に遮光・散乱等の機能を追加することで、さらに迷光低減機能を向上させることができる。光透過性の樹脂材８の屈折率が光透過部材５の屈折率に近いか、大きい場合には、光透過部材５の側面に遮光・散乱等の機能を追加することが必要となる。
【００５５】
このように上記第１の実施の形態によれば、変位検出される一方の部材に取り付けられたスケール９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、スケール９に対向して配置されるセンサヘッド２と、スケール９に設けられ、相対移動する方向に形成された第２格子９１の光学パタンとを備え、センサヘッド２は、スケール９に光を照射する光源４と、この光源４からスケール９に照射されて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器６と、光源４とスケール９との間の光路上に配置される第１の光透過部５０と、スケール９と光検出器６との間の光路上に配置される第２の光透過部７０と、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間を繋ぐ接続部１００とを有する光透過部材５とから成る。
第１の光透過部５０における表面の１つに第１格子５０１が形成されている。
【００５６】
光源４とスケール９との間に介在し、スケール９の相対移動方向に第１のピッチｐ１を有する光学パタンが形成された第１格子５０１と、スケール９に設けられ、当該スケール９の相対変位方向に第２のピッチｐ２を有する光学パタンが形成された第２格子９１と、光検出器６に設けられ、スケール９の相対変位方向に第３のピッチｐ３を有する第３格子としての受光素子アレイ（フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４）とを備え、光源４から出射された光は、第１格子５０１、第２格子９１を経由し、当該第２格子９１に形成された光学パタンによって所定倍率で拡大されたセルフイメージとして受光素子アレイを配列して成る第３格子上に結像し、この受光素子アレイは、スケール９の相対変位量に応じた周期信号を検出する。
第１格子５０１から第２格子９１までの光学的距離と、第２格子９１からアレイ状受光素子までの光学的距離とは、等しく設定されている。
【００５７】
しかるに、本光学式エンコーダ１は、光透過部材５の第１の光透過部５０の下面に第１格子５０１が形成されている。この第１格子５０１とスケール９の第２格子９１と光検出器６の受光素子アレイ（フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４：ＰＤアレイ）とで上記式（１）を満足する構成である。この結果、高精度な位置検出が可能となっている。
【００５８】
光透過部材５は、光検出器６のＰＤアレイの面に貼り付けられ、第１の光透過部５０の下面に形成された第１格子５０１と光検出器６のＰＤアレイとのＺ方向の高さは、１０μｍ程度以下に抑えられている。これにより、光学的距離ｚ１と光学的距離ｚ２とがほぼ等しく、センサヘッド２とスケール９との間隔が変動しても、光検出器６のＰＤアレイ上に形成されるスケール９の第２格子９１の拡大倍率がほぼ２倍となり、拡大倍率誤差による検出信号の劣化がほとんど生じない。これにより、安定したエンコーダ信号が得られる。
【００５９】
本光学式エンコーダ１は、センサヘッド２におけるスケール９側の面に光透過部材５を配置、すなわち樹脂を用いてパッケージングをしているので、セラミックパッケージやカン封止をしたパッケージに比べて安価で量産に向いた構造である。
【００６０】
センサヘッド２内において、少なくとも光源４と光検出器６と光検出器６等に対する配線を行う配線部材とを光透過部材５により覆うので、すなわちセンサヘッド２内において、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０と以外の部材は全て樹脂材８に覆われており、光源４と光検出器６と配線とが樹脂材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を果たし、封止による信頼性の向上が図られる。
【００６１】
光透過部材５におけるスケール９に対向する面は、光透過部材５により覆われないので、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、センサヘッド２のスケール９に対向する面を樹脂材８が覆っている場合に比べて本光学式エンコーダ１としての光学性能が後述する第１の実施の形態の第１の変形例に比べて向上する。
【００６２】
光透過部材５の接続部１００の形状は、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とにおける幅又は厚みよりも少なくとも一方が小さく形成されている。これにより、樹脂封止する冷却の際に、光透過部材５は、直方体状の光透過部材に比べて樹脂の流動性が高まる。この結果、樹脂や光透過部材５のクラック・変形等がより生じにくくなる。
モールド樹脂によってパッケージングされた本光学式エンコーダ１のセンサヘッド２内においてクラック・変形等が発生しにくくなるため、配置が換わることによる光学特性の変化や、光路内のクラックによる光の散乱によって、設計通りに機能しなくなったり、ＳＮが劣化したりする可能性が低減される。さらには、本光学式エンコーダ１は、信頼性上もクラックや変形が進んで機能が低下したり、隙間を通して異物や湿気などが入り込んだりする問題につながる可能性も低減される。
【００６３】
光透過部材５は、予め形状が決まっている。これにより、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。
一方、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。しかるに、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。
【００６４】
光透過部材５は、実装時に変形せず、かつ実装時に溶融しない材質により形成されている。すなわち、光透過部材５は、ガラスで形成されており、実装時に塑性変形は起こらない。特に樹脂封止する際に必要な２００℃前後の温度では、光透過部材５は、溶融が起こらない。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。
【００６５】
光透過部材５は、実装時に位置調整可能であり、かつ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、ガラスにより形成されており、その上面及び下面は、それぞれ平行平板の一部となっている。これにより、平行平板となった上面及び下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。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、光透過部材５は、上記同様の理由により、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。
【００６６】
＜迷光低減効果＞
従来の光学式エンコーダのように光透過部材がセンサヘッド２のスケール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、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。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、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。
【００６７】
これに対して上記実施の形態では、光伝達経路を限定している。光透過部材５を光源４と光検出器６とスケール９との間に配置しているが、光源４と光検出器６とには、それぞれ光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とが面している。光透過部材５内部での光伝達は、幅を細めた接続部１００に限定される。この結果、光源４と光検出器６とには、別体に近い光透過部材が面することになる。これにより、光透過部材５のスケール９側の面での反射光は、光透過部材５内部において光検出器６に入射することはない、若しくは低減される。
【００６８】
光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との側面は、エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光を低減する迷光低減機能要素として光透過部材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状態となっている。
【００６９】
さらに、光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との側面は、上記同様の迷光低減機能要素として光透過部材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の側面の形状と光源４や光検出器６を含めた配置の組合せになっている。
【００７０】
以上のように光透過部材５がセンサヘッド２のスケール９側の面全体に拡がっていて、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。
【００７１】
一方、センサヘッド２の内部から外部へ、外部から内部へと伝達する迷光については、以下のことが分かる。すなわち、光源４側の第１の光透過部５０に迷光防止機能を持つ光透過部材５を配置するので、光透過部材５の迷光防止機能によって光検出器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２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。
【００７２】
また、光検出器６側と第２の光透過部７０とに迷光防止機能を持つ光透過部材５を配置するので、光透過部材５の迷光防止機能によって光検出器６上の受光領域６１へ伝達する迷光のみならず、外部から光検出器６上の受光領域６１へ、少なくとも特定の方向からの迷光を低減することが可能となる。
【００７３】
本実施の形態に特有の効果としては、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９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とを行いつつ、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。
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５０１を有する光透過基板３を実装することが容易となる。
さらに、モールドＬＥＤは封止されているため、ベアＬＥＤ等に比べると汎用性・信頼性が高い。そのため、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ので、この受光素子アレイは、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。
【００７４】
次に、上記第１の実施の形態の第１の変形例について図７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。この後、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ディング等の製法を用いる。
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。
【００７５】
次に、上記第１の実施の形態の第２の変形例について図８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。
【００７６】
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。
なお、樹脂材８は、光透過部材５のスケール９に対向する面に掛からないので、樹脂材８は、必ずしも光透過性である必要はなく、遮光性を有していても良い。樹脂材８は、遮光性を有することで迷光低減効果が向上する。
【００７７】
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。
【００７８】
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における第１の光透過部５０上部から樹脂材８を伝達して第２の光透過部７０へ至る光の経路が無くなるので、迷光低減効果も上記第１の変形例に比べて向上する。
【００７９】
次に、上記第１の実施の形態の第３の変形例について図９Ａ、図９Ｂを参照して説明する。図９Ａは光学式エンコーダの概略構成図を示し、図９Ｂ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８ａ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。
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。
【００８０】
この第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。
【００８１】
図９Ａ及び図９Ｂに示すように光遮光部材８は、光透過部材５の側面から出射す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から出射してセンサヘッド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。従って、光検出器６から出力される検出信号は、高いＳ／Ｎ比を確保できる。
【００８２】
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１０Ａ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１０Ｂは上記図１０Ａにおいて、点光源を線状光源に置き換えたものを示す。図１０Ｃ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６０１を除去した。
【００８３】
本実施の形態は、いわゆるタルボット干渉を利用したエンコーダであり、３重格子エンコーダと同様に、図１０Ｃに示す各光学的距離ｚ１、ｚ２について上記式（１）が成り立つ。また、光学的距離ｚ１とｚ２について、ｚ１＝ｚ２が成り立つ。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４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。
【００８４】
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。
【００８５】
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１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５０１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。
【００８６】
このように上記第２の実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と同様に、上記式（１）が成り立つので、上記第１の実施の形態と同様の光学的な効果が得られる。
【００８７】
又、上記第２の実施の形態によれば、タルボット干渉を利用したエンコーダを採用するので、３重格子エンコーダと同様に、高精度な位置検出が可能である。さらに、光源４は、点又は線状であり、第１格子５０１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。
光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との厚みが等しい。従って、両側に異なる屈折率又は厚みの部材が存在する場合に比べて、光学的距離ｚ１とｚ２について、ｚ１＝ｚ２を成り立たせることが容易となる。
又、樹脂よりも形状精度の高い光透過部材５がスケール対向面に上面に出るので、樹脂に覆われている場合に比べて高精度な位置検出信号を得ることが可能となる。
【００８８】
次に、上記第２の実施の形態の第１の変形例について図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して説明する。
図１１Ａ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５における第２の光透過部７０を示し、図１１Ｂ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の実施の形態において、光検出器６の構造を変更し、光透過部材５における第２の光透過部７０に第３格子７０１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７０１が形成されている。この第３格子７０１は、第２の光透過部材７０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の構造と第２の光透過部７０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。
【００９０】
このような構成の第１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が第２の光透過部７０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第２の光透過部７０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。
【符号の説明】
【００９１】
１：光学式エンコーダ、２：センサヘッド、９：スケール、４：光源、６１：受光領域、６：光検出器、５：光透過部材、８：樹脂材、３：配線基板、５０：第１の光透過部、７０：第２の光透過部、１００：接続部、
５０１：第１格子、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、３３：電極ボンディングワイヤ、６０１：第１格子、２００：接続透過部、２００−１，２００−２：屈曲部、１１０：光遮光部材、８ａ：光遮光部材、４ａ：ベアチップ光源、４１：光出射部、３４：電極ボンディングワイヤ、７０１：第３格子、７１：第３格子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位検出される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、前記スケールに対向して配置される検出ヘッドと、
前記スケールに設けられ、前記相対移動する方向に形成された所定のピッチを有する光学パタンからなる格子と、
を備え、
前記検出ヘッドは、発光部と、光検出部と、光透過部材とを備え、
前記発光部は、出射光のスケール移動方向の出射幅が限定された発散光を出射し、前記スケールに所定の光を照射し、
前記光検出部は、所定の位置に配置された所定のピッチを有する格子機能面と受光部とを有し、前記発光部の限定された出射幅を有する出射面から出射される光が、前記スケールに照射されて前記スケールに設けられた格子により反射し、回折し、前記格子機能面を経た光を前記受光部で受光することで、前記格子機能面上に形成される、前記スケールに設けられた格子のイメージの動きを検出して、前記スケールの相対移動量に応じて周期的な検出信号を出力し、
前記光透過部材は、第１の光透過部分と、第２の光透過部分と、これら２つの部分との間を繋ぐ接続部分とを有し、
前記第１の光透過部分は、前記発光部と前記スケールとの間の光路上に配置され、
前記第２の光透過部分は、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、
前記第１の光透過部分と前記第２の光透過部分は所定の構造を有し、所定の配置関係にある、
ことを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記検出ヘッドにおける前記スケール側の面に光透過性樹脂部材を配置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３】
前記検出ヘッド内において、少なくとも前記発光部と前記光検出部と前記光検出部に対する配線を行う配線部材とを前記光透過性樹脂部材により覆うことを特徴とする請求項２記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】
前記光透過部材における前記スケールに対向する面は、前記光透過性樹脂部材により覆われていないことを特徴とする請求項３項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項５】
前記第１の光透過部分における表面の１つに光学格子パタンを形成した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６】
前記第２の光透過部分における表面の１つに光学格子パタンを形成した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７】
前記接続部分の形状は、前記第１の光透過部分と前記第２の光透過部分とにおける幅又は厚みよりも少なくとも一方が小さい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８】
前記発光部側の発散光の出射幅を限定する位置から前記スケールの格子までの光学的距離ｚ１と、前記受光部側のスケールの格子から前記光検出部の格子機能面までの光学的距離ｚ２とが等しく設定され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９】
前記発光部の限定された出射幅を有する出射面が第１のピッチを有する第１格子で構成され、前記スケール上の光学パタンである格子が第２のピッチを有する第２格子であり、前記光検出部の格子機能面が第３のピッチを有する第３格子で構成される、請求項１記載の光学式エンコーダ。
【請求項１０】
前記発光部の限定された出射幅を有する出射面が、発光幅が限定された点状光源、線状光源、または、シングルスリットであるような請求項１記載の光学式エンコーダ。
【請求項１１】
前記光透過部材は、予め形状が決まっ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１２】
前記光透過部材は、実装時に変形しない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１３】
前記光透過部材は、実装時に溶融しない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１４】
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記載の光学式エンコーダ。
【請求項１５】
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記載の光学式エンコーダ。
【請求項１】
変位検出される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、前記スケールに対向して配置される検出ヘッドと、
前記スケールに設けられ、前記相対移動する方向に形成された所定のピッチを有する光学パタンからなる格子と、
を備え、
前記検出ヘッドは、発光部と、光検出部と、光透過部材とを備え、
前記発光部は、出射光のスケール移動方向の出射幅が限定された発散光を出射し、前記スケールに所定の光を照射し、
前記光検出部は、所定の位置に配置された所定のピッチを有する格子機能面と受光部とを有し、前記発光部の限定された出射幅を有する出射面から出射される光が、前記スケールに照射されて前記スケールに設けられた格子により反射し、回折し、前記格子機能面を経た光を前記受光部で受光することで、前記格子機能面上に形成される、前記スケールに設けられた格子のイメージの動きを検出して、前記スケールの相対移動量に応じて周期的な検出信号を出力し、
前記光透過部材は、第１の光透過部分と、第２の光透過部分と、これら２つの部分との間を繋ぐ接続部分とを有し、
前記第１の光透過部分は、前記発光部と前記スケールとの間の光路上に配置され、
前記第２の光透過部分は、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、
前記第１の光透過部分と前記第２の光透過部分は所定の構造を有し、所定の配置関係にある、
ことを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記検出ヘッドにおける前記スケール側の面に光透過性樹脂部材を配置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３】
前記検出ヘッド内において、少なくとも前記発光部と前記光検出部と前記光検出部に対する配線を行う配線部材とを前記光透過性樹脂部材により覆うことを特徴とする請求項２記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】
前記光透過部材における前記スケールに対向する面は、前記光透過性樹脂部材により覆われていないことを特徴とする請求項３項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項５】
前記第１の光透過部分における表面の１つに光学格子パタンを形成した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６】
前記第２の光透過部分における表面の１つに光学格子パタンを形成した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７】
前記接続部分の形状は、前記第１の光透過部分と前記第２の光透過部分とにおける幅又は厚みよりも少なくとも一方が小さい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８】
前記発光部側の発散光の出射幅を限定する位置から前記スケールの格子までの光学的距離ｚ１と、前記受光部側のスケールの格子から前記光検出部の格子機能面までの光学的距離ｚ２とが等しく設定され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９】
前記発光部の限定された出射幅を有する出射面が第１のピッチを有する第１格子で構成され、前記スケール上の光学パタンである格子が第２のピッチを有する第２格子であり、前記光検出部の格子機能面が第３のピッチを有する第３格子で構成される、請求項１記載の光学式エンコーダ。
【請求項１０】
前記発光部の限定された出射幅を有する出射面が、発光幅が限定された点状光源、線状光源、または、シングルスリットであるような請求項１記載の光学式エンコーダ。
【請求項１１】
前記光透過部材は、予め形状が決まっ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１２】
前記光透過部材は、実装時に変形しない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１３】
前記光透過部材は、実装時に溶融しない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１４】
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記載の光学式エンコーダ。
【請求項１５】
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６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−２２３６３６（Ｐ２０１０−２２３６３６Ａ）
【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２００９−６９０５５（Ｐ２００９−６９０５５）
【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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