光学式エンコーダ
【課題】第１格子と第２格子までの光学的距離と第２格子から第３格子までの光学的距離の設計値からのずれによる性能劣化を抑制することにより、安定した性能を有し、小型で量産に向いた光学式エンコーダを提供すること。
【解決手段】３重スリット方式の光学式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からスケールの格子までの光学的距離ｚ１と、受光部側のスケールの格子から光検出部の格子機能面までの光学的距離ｚ２と、の少なくとも一方の値を増減させることによって、検出信号の振幅レベルの劣化を低減させる信号劣化低減手段を備える
【解決手段】３重スリット方式の光学式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からスケールの格子までの光学的距離ｚ１と、受光部側のスケールの格子から光検出部の格子機能面までの光学的距離ｚ２と、の少なくとも一方の値を増減させることによって、検出信号の振幅レベルの劣化を低減させる信号劣化低減手段を備える
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダなどの変位検出に用いられる光学式変位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術による光学式エンコーダの一般的な例として、３重スリット方式と呼ばれるものが挙げられる。これは、ＬＥＤ等の光源と該光源からの光の光路に配置された第１格子と、第１格子からの光を受けるスケール上に配置された第２格子と、第２格子を透過、または、反射した光が入射する第３格子と、第３格子の直後に配置された光検出器と、から構成している。また、第２格子を有するスケールを除いた構成要素は検出ヘッドを構成している。
【０００３】
反射型の３重スリット方式としては、特開２００３−１６６８５６号公報で示されるものがある。図２０に示すように、第１格子が形成された透明部材と第３格子が形成された透明部材を別体に形成し、第１格子と第３格子の高さを揃えて検出ヘッド内に配置する構成が示されている。この構成において、第１格子から第２格子までの距離と第２格子から第３格子までの距離が等しくなるように設定されている。
【０００４】
３重スリット方式のエンコーダの検出原理は以下のようになる。第１格子から出た光が第２格子で回折され、第２格子の拡大像が第３格子上に形成され、第３格子を透過した光が光検出器で検出される。第２格子の拡大像と第３格子は同じピッチを持つように設計されている。そして、スケールの動きに応じて光検出で検出される光の強度の変化により変位量を検出する。
【０００５】
３重スリット方式のエンコーダにおいて、第１格子と第３格子の高さを設定値通りに揃えることは重要なポイントである。その理由は、設定値から僅かに外れただけで第３格子上に形成される像の拡大倍率が変化して第３格子を透過して光検出器で検出される光の信号振幅が下がってしまうためである。
【０００６】
特開２００３−１６６８５６号公報に示すような反射型の３重スリット方式においては、スケールと検出ヘッドの間隔に影響されにくい検出を行うために、検出ヘッドに含まれる第２格子と第３格子を同一面上に配置する構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１６６８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一方、エンコーダの現状として、ロボットの関節部の隙間に組み込むなど小型・薄型な物が求められている。従来のエンコーダは、高精度なものほど光源や受光素子にカンパッケージタイプの物を用いるなど各部材のサイズが大きく、検出ヘッドのサイズも一辺が１０ｍｍ〜２０ｍｍ程ある。
【０００９】
光源や受光素子をベアチップタイプや面実装タイプの物に置き換えるだけでかなり小型化・薄型化が図れる。しかしながら、３重スリット方式のエンコーダでは、第１格子、第３格子を形成したスリット部材の大きさや厚みがエンコーダのサイズに大きく効くようになる。そのため、スリット部材の小型化・省スペース化を図る必要がある。
【００１０】
第１格子、第３格子を分離した特開２００３−１６６８５６号公報に示すような構成の３重スリット方式のエンコーダでは、第１格子と第３格子の段差量が設計値からずれると、３重スリット方式のエンコーダでは信号振幅が大幅に低下する可能性がある。
【００１１】
また、厚さムラの少ない特定の部材で設計してもロットが変わったり、部材を換えたりした場合に第１格子と第３格子の段差量が大きく変化する可能性がある。
３重スリットではない構成のエンコーダについても、高精度タイプには検出ヘッド側に第１格子、第３格子の少なくとも一方に相当する格子を有しているものが多い。出射側として光源または第１格子の高さと、受光側として受光部または第３格子の高さとが所定の関係に無いと、検出信号レベルや検出信号レベルに含まれるＤＣ成分量が設計通りに制御しにくい、または、制御できないものがある。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、第１格子と第２格子までの光学的距離と第２格子から第３格子までの光学的距離の設計値からのずれによる性能劣化を抑制することにより、安定した性能を有し、小型で量産に向いた光学式エンコーダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、相対的に移動する固定体と移動体の内のいずれか一方に取り付けられた検出ヘッドと、
他方に前記検出ヘッドに対向して取り付けられた、相対移動する方向に所定ピッチの光学パタンを有する格子が設けられたスケールと、を備え、
前記検出ヘッドは、
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する発光部と、格子機能面と受光部を有する光検出部と、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前記スケールに照射されて前記スケールに設けられた前記格子により反射し、回折した光が前記光検出部の前記格子機能面に形成するイメージの動きを検出するよう配置された前記光検出部が設けられ、前記スケールの相対移動量に応じて前記光検出部から周期的な検出信号が出力されるような光学式エンコーダにおいて、
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前記格子までの光学的距離ｚ１と、
前記受光部側の前記スケールの前記格子から前記光検出部の前記格子機能面までの光学的距離ｚ２と、の少なくとも一方の値を増減させることによって、検出信号の振幅レベルの劣化を低減させる信号劣化低減手段を備えることを特徴とする光学式エンコーダを提供できる。
【００１４】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は部材、または、空間であり、
前記部材、または、空間の光路上の厚み、または、間隔と屈折率のいずれかを変化させることによって光学的距離を調整することが望ましい。
【００１５】
また、本発明の好ましい態様によれば、また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は部材、または、空間であり、
前記信号劣化低減手段により、前記発光部側の出射面と、前記光検出部の前記格子機能面との少なくとも一方の位置を移動させることが望ましい。
【００１６】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記発光部と、前記光検出部とを一体的に覆う保護部材を備えることが望ましい。
【００１７】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記保護部材は光透過性樹脂であることが望ましい。
【００１８】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は、前記保護部材のスケール側の表面形状を所定の形に成形してなることが望ましい。
【００１９】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は、前記保護部材のスケール側表面に貼り付ける光透過部材であることが望ましい。
【００２０】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は、前記保護部材の表面よりもヘッド内部の光路上に配置されることが望ましい。
【００２１】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は、前記保護部材の表面よりもヘッド内部の光路外に配置されることが望ましい。
【００２２】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は、光路上に光屈折率の境界面を少なくとも１つ備えるよう配置される部材、または、空間であることが望ましい。
【００２３】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は、発光部、または、光検出器のスケール側の面に接するように実装される部材であることが望ましい。
【００２４】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は、前記発光部側の出射面から前記スケールの格子までの光学的距離と、前記受光部側のスケールの格子から前記光検出部の前記格子機能面までの光学的距離とのいずれか一方の光学的距離のみを調整することが望ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明よれば、第１格子と第２格子までの光学的距離と第２格子から第３格子までの光学的距離の設計値からのずれによる性能劣化を抑制することにより、安定した性能を有し、小型で量産に向いた光学式エンコーダを提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光学式エンコーダの斜視構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る光学式エンコーダの光検出器を置き換えた例の斜視構成を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る光学式エンコーダの光検出器を置き換えた例の断面構成を示す図である。
【図５】ＰＤアレイの構成と結線を説明する図である。
【図６】点光源の例を説明する図である。
【図７】１スリットの例を説明する図である。
【図８】従来の光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図９】従来の光学式エンコーダの断面構成を示す他の図である。
【図１０】第１の実施形態の変形例１に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図１１】第１の実施形態の変形例２に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図１２】第１の実施形態の変形例１に係る光学式エンコーダの断面構成を示す他の図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る光学式エンコーダの斜視構成を示す図である。
【図１４】第２の実施形態の変形例１に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図１５】第２の実施形態の変形例２に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図１６】第２の実施形態の変形例３に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図１７】第２の実施形態の変形例４に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図１８】本発明の第３の実施形態に係る光学式エンコーダの斜視構成を示す図である。
【図１９】第３の実施形態に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図２０】従来の光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、本発明にかかる光学式エンコーダの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【００２８】
まず、第１の実施形態に係る光学式エンコーダついて、図１、図２、図３を用いて説明する。また、調整部材や調整空間を含まない従来の形態について、図８、図９を用いて説明する。
【００２９】
図１は、本実施形態の光学式エンコーダの斜視図である。図２は、その断面図である。なお、図１中に示すようにｘ、ｙ、ｚの直交３軸座標系を設定している。
【００３０】
図１において、光学式エンコーダは、大きく分けて、基板１、ベアチップであるベアＬＥＤ２、ピッチｐ１の第１格子３１を有する光透過基板３、４つの受光部を有する光検出器４、ピッチｐ３の第３格子５１を有する光透過基板５、光透過樹脂６、ピッチｐ２の第２格子７１を有するスケール７、の７つの部分から構成されている。
【００３１】
基板１、基板１上に配置されたベアＬＥＤ２、ベアＬＥＤ２上にｘ方向、および、ｙ方向にはみ出して配置された光透過基板３、基板１上に配置された光検出器４、光検出器４上に配置された光透過基板５は検出ヘッドとして一体に構成されている。そして、検出ヘッド上部は屈折率ｎの光透過樹脂６に埋め込まれている。
【００３２】
第１格子３１と、第２格子７１と、第３格子５１とは、図中ｘ方向の向きに互いに平行に配置されている。光透過樹脂６上部の面については、少なくとも光源であるベアＬＥＤ２からの光がスケール７で反射されて光検出器４に入射する際に通過する部分は平坦であり、３つの格子３１、７１、５１と平行に形成されている。
【００３３】
スケール７は、第２格子７１が第１格子３１と第３格子５１に平行になる状態でｘ方向にのみ相対的に変位が可能となっている。
基板１、ベアＬＥＤ２、光透過基板３、光検出器４、光透過基板５は平行平板状になっている。これらの厚み公差は±２０μｍ程度以下となっている。そして、図１、図２に示すように、基板１の上に順次直接貼り付けられている。これらの部材の接着固定に用いる接着剤の厚みムラについても、±１０μｍ程度以下となっている。
【００３４】
また、光透過樹脂６の上面には中央に段差が形成されている。この段差を除けばほぼ平坦な形状となっている。図２に示すように、段差は、ベアＬＥＤ２と光検出器４の中間部で、かつヘッドからスケール７へ出射する光と、スケール７からヘッドへ戻って入射する光には大きな影響を与えない位置に設けられている。
【００３５】
後述する式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、後述する式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせるようにする際に、その段差の大きさ（高さ）と光源側と受光側のどちらが高いかということが決められる。
【００３６】
この段差形状は、Δｚｄの絶対値が大きく、もし段差形状が無い場合には信号検出レベルが低下して所望の信号やＳＮ比が得られない、もしくは、そうなる可能性がある場合に適用する。
この段差は、図１、図２、および、図８、図９に示すような平坦な光透過樹脂６の表面形状を切削・加圧による変形・モールド型の修正によるモールディングといった加工により実現することができる。なお、ここに示した以外の加工法や加熱等による加工性向上の手段などを用いても構わない。
【００３７】
光透過基板３において、第１格子３１は光透過基板３の片側の面ほぼ全面にパターニングされており、第１格子３１が光透過基板３のＬＥＤ側の面になるように配置されている。第１格子３１によって、スケール移動方向の出射幅が狭められたスリットが複数並んだ光出射部となっている。
【００３８】
第１格子３１の有効幅Ｗ１は、開口部のうち、第３格子上へのセルフイメージパタン形成に実質的に寄与する部分の幅である。従って、第１格子３１の有効幅Ｗ１は必ずしも開口部の幅とは一致せず、開口部が大きい場合にはＷ１は開口部の幅より小さくなる。この場合、有効幅は理論的、または、実験的に求めることが可能である。
【００３９】
光透過基板５において、第３格子５１は光透過基板５の片側の面をほぼ４等分する形で４つの格子群から成り、各格子群のスケール移動方向の有効幅Ｗ３は、光透過基板５のスケール移動方向の幅の約１／２となっている。第３格子５１が光透過基板５の光検出器側の面になるように配置されている。
【００４０】
電気的な配線については、ＬＥＤ２と光検出器４が基板１と電気的に接続されており、ベアＬＥＤ２と光検出器４の動作を可能としている。ベアＬＥＤ２の上面、及び下面に電極が形成されている。上面の電極と基板１上の電極とは導電ワイヤ８にて接続されている。また、下面の電極と基板１の電極間は導電ペーストにて接続されている。光検出器４と基板１との間にも導電ワイヤでの接続があるが、ここでは詳細は省略する。
【００４１】
（原理説明）
次に、本発明の光学式エンコーダの測定原理について説明する。以下において、像の拡大倍率の変化と、第３格子を透過して光検出器で検出される光の信号振幅の関係を式を用いて説明する。
【００４２】
第１格子３１と第２格子７１の光学的な距離をｚ１、第２格子７１と第３格子５１の光学的な距離をｚ２、第１格子のピッチをｐ１、第２格子のピッチをｐ２、第３格子のピッチをｐ３、光源の波長をλとする。
【００４３】
この場合、以下の条件を満たすときに第３格子５１上にピッチｐ３ｉの周期を持つ干渉パタンが形成されることが知られている。なお、ここで用いている「光学的な距離」の定義については、式６、式７に示す。
【００４４】
【数１】
【００４５】
また、干渉パタンのピッチｐ３ｉは以下の通りである。
【数２】
【００４６】
第３格子５１のピッチｐ３を干渉パタンのピッチｐ３ｉに合致させれば、最適な信号検出が行える。
ｐ３＝ｐ３ｉ （式３）
【００４７】
なお、エンコーダでは複数の位相差信号を検出することが多い。この場合、第３格子５１は個々の位相差信号ごとに設けられたり、織り交ぜて配置されたりすることがある。このとき、ピッチｐ３は１つの位相信号検出に用いられる第３格子５１のピッチを指す。
【００４８】
ところで、検出ヘッド内の第１格子３１と第３格子５１の実装配置がずれることによってｚ１とｚ２が最適な値から若干ずれた場合、式２より拡大倍率が変化する。その結果、式３の関係が厳密には成り立たなくなり、これによって光検出器４で検出される干渉パタンの強度が変化していく。
【００４９】
以下の式に示すように、第１格子３１から第２格子７１までの光学的な距離ｚ１と第２格子から第３格子５１までの光学的な距離ｚ２の差をΔｚとすると、
Δｚ＝ｚ２−ｚ１＝Δｚ０＋Δｚｄ （式４）
｜Δｚｄ｜≦Δｚｔ （式５）
ただし、Δｚ０は設計に基づく差、
Δｚｄはばらつきにより生じる実際の偏差、
Δｚｔは公差、即ち、最大許容値である。
【００５０】
なお、ここで表記されている距離は全て光学的な距離である。
光路が全て大気中の場合にはそのまま実際の距離を用いて良い。また、通常、検出ヘッドはパッケージに入れられることが多く、ガラスや光透過樹脂の中を光が通ることがある。この場合、光学的な距離とは、光路の構成する空間、または、物質ごとに実際の長さを個々の屈折率で割ったものの総和とする。
【００５１】
即ち、第１格子３１・第２格子間７１のｉ（自然数）番目の物質、または、空間の屈折率ｎｉ・厚みｔｉとし、
第２格子７１・第３格子５１間のｊ（自然数）番目の物質の屈折率ｎｊ・厚みｔｊとしたときに、第１格子３１・第２格子７１間の光学的な距離をΣｔｉ／ｎｉ、第２格子・第３格子間の光学的な距離をΣｔｊ／ｎｊとする。
【００５２】
【数３】
【００５３】
従って、式４・式５において、Δｚｄを光学的な距離ではなく、実際の距離で表現するには、第１格子３１の高さの変化により第１格子３１・第２格子７１間で厚みが変化する部材、または、空間の屈折率をｎとして、式４、または、式５で得られたΔｚｄの結果をｎ倍すればよいことになる。
以上で、原理の説明を終了する。
【００５４】
ここで、第１格子３１・第２格子７１間、および、第２格子７１・第３格子５１間に介在する物質、または、空間の厚みと屈折率を説明する。
第１格子３１・第２格子７１間においては、光透過基板３の屈折率がｎ１、厚みがｔ１、光透過樹脂６の屈折率がｎ２、厚みがｔ２、ヘッドとスケール７間の空気の屈折率がｎ３、厚みがｔ３である。
【００５５】
第２格子７１・第３格子間５１においては、ヘッドとスケール７間の空気の屈折率がｎ３、厚みがｔ３、光透過樹脂６の屈折率がｎ２、厚みがｔ５、光透過基板５の屈折率がｎ１、厚みがｔ４、である。
【００５６】
光透過基板３と光透過基板５は共通の素材を用いているため屈折率は約１．５、光透過樹脂６の屈折率は約１．５、空気の屈折率はほぼ１である。光透過基板３、光透過基板５、光透過樹脂の屈折率は、比較的入手しやすい部材の屈折率を適用しているが、これ以外の値をとっても良いし、光透過基板３と光透過基板５に別素材を用いて屈折率に差があっても良い。
【００５７】
以上の設定において、ｚ１とｚ２は以下のように表される。
ｚ１＝ｔ１／ｎ１＋ｔ２／ｎ２＋ｔ３／ｎ３
ｚ２＝ｔ４／ｎ１＋ｔ５／ｎ２＋ｔ３／ｎ３
【００５８】
本例では、ｚ１＝ｚ２となるような設計を行っている。これは、ヘッド／スケール間のギャップが変化してｚ１とｚ２が等しい値だけ変化した場合、式３の拡大倍率（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１の値が変化せず、検出に有利なためである。このとき、ｐ１＝ｐ３となり、式２・式３と併せて、各格子のピッチについては以下の関係が成り立つ。
【００５９】
ｐ１＝ｐ３＝２×ｐ２
【００６０】
各格子間の光学的な距離ｚ１とｚ２については、式６、式７を用いて求める。式４におけるΔｚの成分のうち、Δｚ０の設計値は本例においては０であり、図中のΔｚｄのみ存在する。なお、Δｚｄは第１格子３１と第３格子５１の幾何学的な段差ではなく、光学的な距離であるｚ１とｚ２の差である。
【００６１】
第３格子５１は、４つの格子群からなる。各格子群はピッチｐ３であるが、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４には４つの図示しない受光部がある。各受光部は第３格子の各格子群に対応する面に形成されている。
【００６２】
光検出器４についても同様な置き換えが可能である。例えば、図３に示すように、第３格子と受光部とを一体化したフォトダイオードアレイ４１（以下、適宜「ＰＤアレイ」とする。）を含む光検出器を構成要素に用いても良い。
【００６３】
図３、図４に示す例では、フォトダイオードアレイ４１（以下ＰＤアレイとする）を有する平行平板状の光検出器４が用いられている。第１格子３１と第２格子７１とＰＤアレイの受光面は図中ｘ方向の向きに互いに平行に配置されている。
【００６４】
光検出器４において、ＰＤアレイ４１は光検出器４のスケール側上面に光検出器４の一部のエリアを占めるように形成されている。図５に示すように、ＰＤアレイ４１には、同形状の受光要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４がピッチｐ３／４で並んでいる。そして、これらを４つごとに電気的に接続することで位相がｐ３／４ずつ異なる４つの位相の異なる信号を生成する。
【００６５】
各位相群のピッチはすべてｐ３であり、スケール移動方向の有効幅Ｗ３は、ＰＤアレイ４１の長さに等しくなっている。ＰＤアレイ４１は光検出器と第３格子を一体化したものであり、「従来の技術」において説明した３重スリットの機能がそのまま成立する。ｚ２の算出に当たっては、第３格子の代わりにＰＤアレイ４１の面からスケール７の第２格子７１までの光学的距離を算出すればよい。
【００６６】
なお、この発明の実施の形態の各構成要素については、各種の変形、置き換えが可能である。
光源にはベアＬＥＤ２の例を示したが、面発光レーザ等、回折イメージが形成可能なものであれば、ベアチップタイプでもモールドタイプでもカン封止したタイプでもよい。第１格子３１を有する光透過部材３の素材としてガラスが一般的であるが、ＰＥＴやポリイミド等の樹脂を用いてもよい。第３格子５１は検出位相の異なる４つの格子群に個別に受光部を用いた例を示したが、２群、または、１群の格子群を用いたタイプであってもよい。
【００６７】
光源側のベアＬＥＤと第１格子３１の組合せについては、図６に示すような点光源２１、または、線状光源、もしくは、図７に示すような１スリットの第１格子３１を用いても良い。この場合、点光源２１や線状光源、または、１スリット３１の幅Ｗ１は所定の値以下であることが必要である。原理説明に用いた式を適用することを可能とするために、本例では、少なくともＷ１≦ｐ３であることが望ましい。
【００６８】
この出射部はスケール移動方向の出射幅が狭められている場合、点光源２１や線状光源、または、１スリット３１の出射部の位置からスケール７の格子面までの光学的距離をｚ１とする。
【００６９】
ＰＤアレイを用いる場合に関して、図５の例では検出位相の異なる４つの位相群を一カ所に入れ込んだ例を示したが、２群、または、４群のＰＤアレイ群を用いる構成でもよい。
【００７０】
本実施携帯の構成は相対移動量を検出するものであるが、検出ヘッドおよびスケール上に基準位置検出用の部材、特に、光源・検出部・光学パタンなどを追加して配置することも可能である。
【００７１】
さらに、本実施形態の第１から第３までの格子、または、この一部を複数配置することで、同一方向の変位を複数の検出系で検出、または、直交する複数の方向の変位を同時に検出する構成にすることも可能である。ＰＤアレイを用いる場合には、本例の第１、第２までの格子とＰＤアレイ、または、この一部を複数配置することで同様の目的を達成するための構成とすることが可能である。
【００７２】
次に、本実施形態の作用について説明する。
光源であるベアＬＥＤ２から光が出射される。この光は光透過基板３に形成された第１格子３１を通り、スケール７上の第２回折格子７１に照射される。さらに、光は第２格子７１で反射、回折され、光透過基板５に形成された第３格子５１上に第２格子の回折イメージが形成される。光検出器４にＰＤアレイを用いる場合にも、同様にしてＰＤアレイ４１上に第２格子７１の回折イメージが形成される。
【００７３】
この回折イメージは、第２格子７１を２倍に拡大した像であり、第３格子５１を通った回折イメージの光は光検出器４の受光部で検出される。スケール７が検出ヘッドに対してｘ方向に相対移動するとこの回折イメージが第３格子５１上でｘ方向に移動する。このため、光検出器４から周期的な疑似正弦波信号が得られる。
【００７４】
光源に点光源・線状光源や１スリットの第１格子３１を用いた場合も同様である。光検出器４からは９０°位相差の４つの信号が得られる。必要に応じて２組の１８０°位相差の信号ごとに差分を取り、９０°位相差の２信号が得ることができる。
【００７５】
光透過樹脂６表面の段差調整が無い場合には、Δｚｄが変化することによって、第１格子３１から第２格子７１までの光学的な距離ｚ１と、第２格子７１から第３格子５１までの光学的な距離ｚ２が最適な値から若干ずれる。これにより、第３格子５１上にできる第２格子７１のセルフイメージの拡大倍率が変化して光検出器で検出される干渉パタンの強度が変化する。
【００７６】
光検出器４がＰＤアレイであれば、Δｚｄが変化することによって、第１格子３１から第２格子７１までの光学的な距離ｚ１と、第２格子７１からＰＤアレイまでの光学的な距離ｚ２が最適な値から若干ずれる。これにより、ＰＤアレイ上にできる第２格子７１のセルフイメージの拡大倍率が変化して光検出器で検出される干渉パタンの強度が変化する。
【００７７】
次に、信号調整部の作用について説明する。
これに対して、光透過樹脂６表面の段差調整によって拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれる。このことによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
また、効果を説明する。段差を設けなければ信号検出レベルが低下して所望の信号やＳＮ比が得られなかったエンコーダについて、段差による拡大倍率の調整でほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。これによって、不良品の発生率を低下させることができる。
【００７８】
さらに、Δｚｄによる拡大倍率のずれを打ち消すことが出来ることで、設計の自由度が向上し、使用部材の公差の緩いもの、従って通常はコストの安いものや、実装公差の緩い実装機を採用することも可能となる。
【００７９】
また、量産時に使用する部材のロットごとのばらつきや部材変更によって発生する平均的なΔｚｄの値による拡大倍率のずれを打ち消すように段差を設けることで、まとまった数量単位での信号調整が可能となる。
【００８０】
上述の効果以外にも、使用部材と構成により、以下のような効果がある。
通常、ベアチップ部品の厚さ公差は高々±２０μｍ程度であり、Δｚｄの実装公差を小さく抑えることが出来る構成となっている。そのため、Ｗ１やＷ３を大きくとることができ、エンコーダ信号の振幅が大きく取れ、ＳＮ比が向上する。
【００８１】
また、第１格子３１と第３格子５１が光透過基板３と光透過基板５の下側になるよう配置されているため、Δｚｄの実装公差に光透過基板３と光透過基板５の厚み公差はΔｚｄに影響を与えない。このため、Δｚｄの実装公差をより小さく抑えることが出来る。
【００８２】
光源であるベアＬＥＤ２上面の光出射部に光透過基板３を直接貼り付け、さらにベアＬＥＤ上面の光透過基板３が貼られていない部分に通電のための配線を行うことで、第１格子の機能とベアＬＥＤへの電流印可機能をコンパクトな形で実現している。
【００８３】
光源、および、受光部にベアチップ部品を用いていることで、実装面積、及び、厚みを抑えることができる。さらにベアＬＥＤを用いることで発光部の光出射部分の長さが数１０μｍ〜２００μｍ程度に小さくすることができ、この上に配置する光透過基板３の面積も小さくすることができる。このため、小型化・薄型化において有利である。
【００８４】
ベアＬＥＤ２の小さな発光部に第１格子３１を密着させることで、第１格子３１の必要本数を最小限に抑えることができる。このことによって、Ｗ１の長さを小さくすることができ、Δｚｄの実装公差が大きくとれる、または、Δｚｄの同じ実装公差でもエンコーダの信号振幅の低減が少なく抑えられるという利点が得られる。
また、小型化・薄型化によって樹脂封止における、クラックやワイヤ配線の断線といった点においても信頼性の向上が期待できる。
さらに樹脂で封止したことで大気圧の影響を受けにくくなり、真空中や高圧下での使用が可能となる。
【００８５】
本実施形態ではベアＬＥＤを用いているが、モールドＬＥＤを用いることも可能である。この場合、ＬＥＤ上面にワイヤ配線をする必要がなくなり、第１格子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に比べると汎用性・信頼性が高い。そのため、エンコーダの実装が容易となるメリットがある。
【００８６】
（第１の実施形態の変形例１）
次に、本発明における第１の実施形態の変形例１について説明する。
【００８７】
（構成）
図４における光透過樹脂６の形状を変えて、図１０に示すように傾斜を設けている。なお、図２の上面に同様の傾斜を持たせた構成でも同様の作用・効果が期待出来る。
【００８８】
式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせ込むように、その傾斜の大きさ（高さ）と光源側と受光側のどちらが高いかということが求められる。
【００８９】
この傾斜形状は、Δｚｄの絶対値が大きく、もし段差形状が無い場合には信号検出レベルが低下して所望の信号やＳＮ比が得られない、もしくは、そうなる可能性がある場合に適用する。
【００９０】
この傾斜は、図８、または、図９に示す平坦な光透過樹脂６の表面形状を切削・加圧による変形・モールド型の修正によるモールディングといった加工により実現することができる。なお、ここに示した以外の加工法や加熱等による加工性向上の手段などを用いても構わない。
【００９１】
（作用）
拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれることによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
【００９２】
（効果）
本変形例では、上述した第１の実施形態と同様な効果を有する。
【００９３】
（第１の実施形態の変形例２）
次に、本発明における第１の実施形態の変形例２について説明する。
図４おける光透過樹脂６のスケール側の表面の段差の代わりに、図１１、または、図１２に示すように新たな光透過部材６１を設けている。なお、図４の光透過樹脂６のスケール側の表面を段差形状から図１０の光透過樹脂６に示すような傾斜を持たせた形状に置き換えても同様の作用・効果が期待出来る。
【００９４】
式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせ込むように、その光透過部材６１の厚みと光源側と受光側のどちら側に設けるかということが決められる。
【００９５】
光透過部材６１は、Δｚｄの絶対値が大きく、もし段差形状が無い場合には信号検出レベルが低下して所望の信号やＳＮ比が得られない、もしくは、そうなる可能性がある場合に適用する。
【００９６】
光透過部材６１は、図８、および、図９に示すような平坦な光透過樹脂６の表面に薄膜を実装したり、フォトリソグラフィ技術により形成したりすることにより実現することができる。なお、ここに示した以外の実装・形成方法を用いても構わない。
【００９７】
さらに、本例では１つの光透過部材６１を光源側と受光側のいずれか一方に設けているが、複数の部材を用いること、または両方に同時に設けること等、所望の拡大倍率の調整が出来さえすれば、その構成は問わない。
【００９８】
（作用）
光透過部材６１を設けることで、ｚ１とｚ２の少なくとも一方が調整される。拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれることによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
【００９９】
（効果）
本変形例では、第１の実施形態と同様な効果を有する。
さらに、表面への別部材である光透過部材６１の配置で実現可能であることから、以下のような効果も有する。
薄膜の貼付であれば作業が比較的容易である。さらに再調整等のために部材を除去したり、貼り替えたりすることも比較的容易である。
また、薄膜パタンをリソグラフィ技術で形成する場合には、多数のエンコーダを並べて同時に調整できる可能性がある。
【０１００】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る光学式エンコーダについて説明する。
図３、図４における光透過樹脂６の表面の段差の代わりに、光透過樹脂６の内部に、図１３に示すように光透過部材５を設けている。図１、図２における光透過樹脂６の表面の段差の代わりに光透過樹脂６の内部に、図１３に示すように光透過部材５を設けても、同様の作用・効果が期待出来る。
【０１０１】
式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせ込むように、光透過部材５のスケール方向（図中ｚ方向）の厚みと屈折率と光源側か受光側かの配置が決められる。
【０１０２】
光透過部材５は、Δｚｄの絶対値が大きく、もし段差形状が無い場合には信号検出レベルが低下して所望の信号やＳＮ比が得られない、もしくは、そうなる可能性がある場合に適用する。
また、本例では光透過部材を用いているが、大気を含めた気体や真空を配置する空間であっても構わない。
【０１０３】
（作用）
光透過性樹脂６の一部を屈折率の異なる光透過部材５に置き換えることでｚ１とｚ２の少なくとも一方が調整される。
拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれることによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
【０１０４】
（効果）
本実施形態では、第１の実施形態と同様な効果を有する。
【０１０５】
（第２の実施形態の変形例１）
本発明における第２の実施形態の変形例１について説明する。
図１４に示すように、図３、図４における光透過部材３の第１格子３１がスケール側に位置するように配置している。図１、図２における光透過部材３の第１格子３１がスケール側に位置するように配置しても、同様の作用・効果が期待出来る。
【０１０６】
また、光透過部材３のスケール方向（図中ｚ方向）の厚みは、式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせ込むように決められる。
【０１０７】
（作用）
光透過部材３の厚みを変更することでｚ１が調整される。
拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれることによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
【０１０８】
（効果）
本変形例では、第１の実施形態と同様な効果を有する。
【０１０９】
さらに、この構成によると、第１格子３１がスケール側である上側になっている。このため、第１格子３１から樹脂表面までの厚みが一定の場合、第１格子３１が下側である場合に比べて樹脂厚が厚いため、光透過基板３と樹脂の線膨張係数の違いにより、製造時に高温から低温に下げて樹脂を固めていく際に表面の平坦性がよくなり、その結果光学特性がよくなる。
【０１１０】
（第２の実施形態の変形例２）
次に、本発明の第２の実施形態の変形例２について説明する。
図１５に示すように、図２、図３における光透過部材３を、第１格子を設けた光遮光部材３に置き換えている。図１、図２における光透過部材３を第１格子を設けた光遮光部材３に置き換えても、同様の作用・効果が期待出来る。
【０１１１】
光遮光部材３のスケール方向（図中ｚ方向）の厚みは、式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせ込むように決められる。
【０１１２】
光遮光部材３の少なくとも表面は導電性を持ち、ベアＬＥＤ光源の電極と金線ワイヤ８とを電気的に接続する役割を果たす。
本変形例では、第１格子を形成した光遮光部材を用いているが、光透過部材に内部まで光を通さないパタンで第１格子を形成したものを用いても構わない。
【０１１３】
（作用）
光遮光部材３の厚みを変更することでｚ１が調整される。
拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれることによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
【０１１４】
（効果）
本変形例では、第１の実施形態と同様な効果を有する。
さらに、光遮光部材３が電気的配線の一部となることで、光源２の上に光遮光部材３以外に金線ワイヤ８をボンディングするパッドを設ける必要がなくなる。従って実装が容易となり、小型化も図れる。
【０１１５】
（第２の実施形態の変形例３）
次に、本発明の第２の実施形態の変形例３について説明する。
図１６に示すように、図３、図４における光透過部材５を、第３格子５１がスケール側に位置するように配置している。
光透過部材５のスケール方向（図中ｚ方向）の厚みは、式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせ込むように決められる。
【０１１６】
（作用）
光透過部材５の厚みを変更することでｚ２が調整される。
拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれることによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
【０１１７】
（効果）
本変形例では、第１の実施形態と同様な効果を有する。
さらに、この構成によると、第３格子がスケール側である上側になっているため、第３格子から樹脂表面までの厚みが一定の場合、第３格子が下側である場合に比べて樹脂厚が厚くなる。このため、光透過基板５と樹脂の線膨張係数の違いにより、製造時に高温から低温に下げて樹脂を固めていく際に表面の平坦性がよくなり、その結果光学特性がよくなる。
【０１１８】
（第２の実施形態の変形例４）
次に、本発明の第２の実施形態の変形例４について説明する。
図１７に示すように、図３、図４における光透過部材５を、第３格子を設けた光遮光部材５に置き換えている。
光遮光部材５のスケール方向（図中ｚ方向）の厚みは、式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせ込むように決められる。
本変形例では、第３格子を形成した光遮光部材を用いているが、光透過部材に内部まで光を通さないパタンで第１格子を形成したものを用いても構わない。
【０１１９】
（作用）
光遮光部材５の厚みを変更することでｚ２が調整される。
拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれることによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
【０１２０】
（効果）
本変形例では、第１の実施形態と同様な効果を有する。
【０１２１】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施形態に係る光学式エンコーダについて説明する。
図１１では、図３、図４における光源２と基板１の間にスペーサ２２を配置し、図１９では、図１、図２における光検出器４と基板１の間にスペーサ４２を配置している。
【０１２２】
スペーサ４２のスケール方向（図中ｚ方向）の厚みは、式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせ込むように決められる。
本実施形態では、光源側と受光側の一方にスペーサ４２を配置しているが、両方に配置しても構わない。また、光源側や光検出側の格子の形状には何を用いても良い。即ち、点光源や第１格子、ＰＤアレイや第３格子には特に制約は無い。
【０１２３】
（作用）
スペーサ４２の厚みを変更することでｚ１とｚ２の少なくとも一方が調整される。拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれることによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
【０１２４】
（効果）
本実施形態では、第１の実施形態と同様な効果を有する。
このようにスペーサ４２を用いることで、第１格子と第３格子（ＰＤアレイ）の高さ合わせにおいて、ベアＬＥＤ２と光透過基板３と光検出器４の厚みの調整が可能となる。具体的には、個々の部材の厚みが予め決まっているためにスペーサ無しで第１格子と第３格子（ＰＤアレイ）の高さを合わせることが出来ない場合に有効である。
【０１２５】
また、部材の厚みが極端にばらついたときや、部材を別の物に交換するときなど、スペーサの厚みを変えることで調整ができるメリットがある。また、スペーサ４２は厚み公差が小さいものを用いることにより、ｚ１とｚ２の差であるΔｚｄへの影響も極力小さく抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
以上のように、本発明は、小型で量産に向いた光学式エンコーダに有用である。
【符号の説明】
【０１２７】
２ ベアＬＥＤ
４ 光検出器
５ 光透過基板
６ 光透過樹脂
７ スケール
３１ 第１格子
７１ 第２格子
５１ 第３格子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダなどの変位検出に用いられる光学式変位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術による光学式エンコーダの一般的な例として、３重スリット方式と呼ばれるものが挙げられる。これは、ＬＥＤ等の光源と該光源からの光の光路に配置された第１格子と、第１格子からの光を受けるスケール上に配置された第２格子と、第２格子を透過、または、反射した光が入射する第３格子と、第３格子の直後に配置された光検出器と、から構成している。また、第２格子を有するスケールを除いた構成要素は検出ヘッドを構成している。
【０００３】
反射型の３重スリット方式としては、特開２００３−１６６８５６号公報で示されるものがある。図２０に示すように、第１格子が形成された透明部材と第３格子が形成された透明部材を別体に形成し、第１格子と第３格子の高さを揃えて検出ヘッド内に配置する構成が示されている。この構成において、第１格子から第２格子までの距離と第２格子から第３格子までの距離が等しくなるように設定されている。
【０００４】
３重スリット方式のエンコーダの検出原理は以下のようになる。第１格子から出た光が第２格子で回折され、第２格子の拡大像が第３格子上に形成され、第３格子を透過した光が光検出器で検出される。第２格子の拡大像と第３格子は同じピッチを持つように設計されている。そして、スケールの動きに応じて光検出で検出される光の強度の変化により変位量を検出する。
【０００５】
３重スリット方式のエンコーダにおいて、第１格子と第３格子の高さを設定値通りに揃えることは重要なポイントである。その理由は、設定値から僅かに外れただけで第３格子上に形成される像の拡大倍率が変化して第３格子を透過して光検出器で検出される光の信号振幅が下がってしまうためである。
【０００６】
特開２００３−１６６８５６号公報に示すような反射型の３重スリット方式においては、スケールと検出ヘッドの間隔に影響されにくい検出を行うために、検出ヘッドに含まれる第２格子と第３格子を同一面上に配置する構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１６６８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一方、エンコーダの現状として、ロボットの関節部の隙間に組み込むなど小型・薄型な物が求められている。従来のエンコーダは、高精度なものほど光源や受光素子にカンパッケージタイプの物を用いるなど各部材のサイズが大きく、検出ヘッドのサイズも一辺が１０ｍｍ〜２０ｍｍ程ある。
【０００９】
光源や受光素子をベアチップタイプや面実装タイプの物に置き換えるだけでかなり小型化・薄型化が図れる。しかしながら、３重スリット方式のエンコーダでは、第１格子、第３格子を形成したスリット部材の大きさや厚みがエンコーダのサイズに大きく効くようになる。そのため、スリット部材の小型化・省スペース化を図る必要がある。
【００１０】
第１格子、第３格子を分離した特開２００３−１６６８５６号公報に示すような構成の３重スリット方式のエンコーダでは、第１格子と第３格子の段差量が設計値からずれると、３重スリット方式のエンコーダでは信号振幅が大幅に低下する可能性がある。
【００１１】
また、厚さムラの少ない特定の部材で設計してもロットが変わったり、部材を換えたりした場合に第１格子と第３格子の段差量が大きく変化する可能性がある。
３重スリットではない構成のエンコーダについても、高精度タイプには検出ヘッド側に第１格子、第３格子の少なくとも一方に相当する格子を有しているものが多い。出射側として光源または第１格子の高さと、受光側として受光部または第３格子の高さとが所定の関係に無いと、検出信号レベルや検出信号レベルに含まれるＤＣ成分量が設計通りに制御しにくい、または、制御できないものがある。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、第１格子と第２格子までの光学的距離と第２格子から第３格子までの光学的距離の設計値からのずれによる性能劣化を抑制することにより、安定した性能を有し、小型で量産に向いた光学式エンコーダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、相対的に移動する固定体と移動体の内のいずれか一方に取り付けられた検出ヘッドと、
他方に前記検出ヘッドに対向して取り付けられた、相対移動する方向に所定ピッチの光学パタンを有する格子が設けられたスケールと、を備え、
前記検出ヘッドは、
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する発光部と、格子機能面と受光部を有する光検出部と、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前記スケールに照射されて前記スケールに設けられた前記格子により反射し、回折した光が前記光検出部の前記格子機能面に形成するイメージの動きを検出するよう配置された前記光検出部が設けられ、前記スケールの相対移動量に応じて前記光検出部から周期的な検出信号が出力されるような光学式エンコーダにおいて、
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前記格子までの光学的距離ｚ１と、
前記受光部側の前記スケールの前記格子から前記光検出部の前記格子機能面までの光学的距離ｚ２と、の少なくとも一方の値を増減させることによって、検出信号の振幅レベルの劣化を低減させる信号劣化低減手段を備えることを特徴とする光学式エンコーダを提供できる。
【００１４】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は部材、または、空間であり、
前記部材、または、空間の光路上の厚み、または、間隔と屈折率のいずれかを変化させることによって光学的距離を調整することが望ましい。
【００１５】
また、本発明の好ましい態様によれば、また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は部材、または、空間であり、
前記信号劣化低減手段により、前記発光部側の出射面と、前記光検出部の前記格子機能面との少なくとも一方の位置を移動させることが望ましい。
【００１６】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記発光部と、前記光検出部とを一体的に覆う保護部材を備えることが望ましい。
【００１７】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記保護部材は光透過性樹脂であることが望ましい。
【００１８】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は、前記保護部材のスケール側の表面形状を所定の形に成形してなることが望ましい。
【００１９】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は、前記保護部材のスケール側表面に貼り付ける光透過部材であることが望ましい。
【００２０】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は、前記保護部材の表面よりもヘッド内部の光路上に配置されることが望ましい。
【００２１】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は、前記保護部材の表面よりもヘッド内部の光路外に配置されることが望ましい。
【００２２】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は、光路上に光屈折率の境界面を少なくとも１つ備えるよう配置される部材、または、空間であることが望ましい。
【００２３】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は、発光部、または、光検出器のスケール側の面に接するように実装される部材であることが望ましい。
【００２４】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記信号劣化低減手段は、前記発光部側の出射面から前記スケールの格子までの光学的距離と、前記受光部側のスケールの格子から前記光検出部の前記格子機能面までの光学的距離とのいずれか一方の光学的距離のみを調整することが望ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明よれば、第１格子と第２格子までの光学的距離と第２格子から第３格子までの光学的距離の設計値からのずれによる性能劣化を抑制することにより、安定した性能を有し、小型で量産に向いた光学式エンコーダを提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光学式エンコーダの斜視構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る光学式エンコーダの光検出器を置き換えた例の斜視構成を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る光学式エンコーダの光検出器を置き換えた例の断面構成を示す図である。
【図５】ＰＤアレイの構成と結線を説明する図である。
【図６】点光源の例を説明する図である。
【図７】１スリットの例を説明する図である。
【図８】従来の光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図９】従来の光学式エンコーダの断面構成を示す他の図である。
【図１０】第１の実施形態の変形例１に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図１１】第１の実施形態の変形例２に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図１２】第１の実施形態の変形例１に係る光学式エンコーダの断面構成を示す他の図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る光学式エンコーダの斜視構成を示す図である。
【図１４】第２の実施形態の変形例１に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図１５】第２の実施形態の変形例２に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図１６】第２の実施形態の変形例３に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図１７】第２の実施形態の変形例４に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図１８】本発明の第３の実施形態に係る光学式エンコーダの斜視構成を示す図である。
【図１９】第３の実施形態に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【図２０】従来の光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、本発明にかかる光学式エンコーダの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【００２８】
まず、第１の実施形態に係る光学式エンコーダついて、図１、図２、図３を用いて説明する。また、調整部材や調整空間を含まない従来の形態について、図８、図９を用いて説明する。
【００２９】
図１は、本実施形態の光学式エンコーダの斜視図である。図２は、その断面図である。なお、図１中に示すようにｘ、ｙ、ｚの直交３軸座標系を設定している。
【００３０】
図１において、光学式エンコーダは、大きく分けて、基板１、ベアチップであるベアＬＥＤ２、ピッチｐ１の第１格子３１を有する光透過基板３、４つの受光部を有する光検出器４、ピッチｐ３の第３格子５１を有する光透過基板５、光透過樹脂６、ピッチｐ２の第２格子７１を有するスケール７、の７つの部分から構成されている。
【００３１】
基板１、基板１上に配置されたベアＬＥＤ２、ベアＬＥＤ２上にｘ方向、および、ｙ方向にはみ出して配置された光透過基板３、基板１上に配置された光検出器４、光検出器４上に配置された光透過基板５は検出ヘッドとして一体に構成されている。そして、検出ヘッド上部は屈折率ｎの光透過樹脂６に埋め込まれている。
【００３２】
第１格子３１と、第２格子７１と、第３格子５１とは、図中ｘ方向の向きに互いに平行に配置されている。光透過樹脂６上部の面については、少なくとも光源であるベアＬＥＤ２からの光がスケール７で反射されて光検出器４に入射する際に通過する部分は平坦であり、３つの格子３１、７１、５１と平行に形成されている。
【００３３】
スケール７は、第２格子７１が第１格子３１と第３格子５１に平行になる状態でｘ方向にのみ相対的に変位が可能となっている。
基板１、ベアＬＥＤ２、光透過基板３、光検出器４、光透過基板５は平行平板状になっている。これらの厚み公差は±２０μｍ程度以下となっている。そして、図１、図２に示すように、基板１の上に順次直接貼り付けられている。これらの部材の接着固定に用いる接着剤の厚みムラについても、±１０μｍ程度以下となっている。
【００３４】
また、光透過樹脂６の上面には中央に段差が形成されている。この段差を除けばほぼ平坦な形状となっている。図２に示すように、段差は、ベアＬＥＤ２と光検出器４の中間部で、かつヘッドからスケール７へ出射する光と、スケール７からヘッドへ戻って入射する光には大きな影響を与えない位置に設けられている。
【００３５】
後述する式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、後述する式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせるようにする際に、その段差の大きさ（高さ）と光源側と受光側のどちらが高いかということが決められる。
【００３６】
この段差形状は、Δｚｄの絶対値が大きく、もし段差形状が無い場合には信号検出レベルが低下して所望の信号やＳＮ比が得られない、もしくは、そうなる可能性がある場合に適用する。
この段差は、図１、図２、および、図８、図９に示すような平坦な光透過樹脂６の表面形状を切削・加圧による変形・モールド型の修正によるモールディングといった加工により実現することができる。なお、ここに示した以外の加工法や加熱等による加工性向上の手段などを用いても構わない。
【００３７】
光透過基板３において、第１格子３１は光透過基板３の片側の面ほぼ全面にパターニングされており、第１格子３１が光透過基板３のＬＥＤ側の面になるように配置されている。第１格子３１によって、スケール移動方向の出射幅が狭められたスリットが複数並んだ光出射部となっている。
【００３８】
第１格子３１の有効幅Ｗ１は、開口部のうち、第３格子上へのセルフイメージパタン形成に実質的に寄与する部分の幅である。従って、第１格子３１の有効幅Ｗ１は必ずしも開口部の幅とは一致せず、開口部が大きい場合にはＷ１は開口部の幅より小さくなる。この場合、有効幅は理論的、または、実験的に求めることが可能である。
【００３９】
光透過基板５において、第３格子５１は光透過基板５の片側の面をほぼ４等分する形で４つの格子群から成り、各格子群のスケール移動方向の有効幅Ｗ３は、光透過基板５のスケール移動方向の幅の約１／２となっている。第３格子５１が光透過基板５の光検出器側の面になるように配置されている。
【００４０】
電気的な配線については、ＬＥＤ２と光検出器４が基板１と電気的に接続されており、ベアＬＥＤ２と光検出器４の動作を可能としている。ベアＬＥＤ２の上面、及び下面に電極が形成されている。上面の電極と基板１上の電極とは導電ワイヤ８にて接続されている。また、下面の電極と基板１の電極間は導電ペーストにて接続されている。光検出器４と基板１との間にも導電ワイヤでの接続があるが、ここでは詳細は省略する。
【００４１】
（原理説明）
次に、本発明の光学式エンコーダの測定原理について説明する。以下において、像の拡大倍率の変化と、第３格子を透過して光検出器で検出される光の信号振幅の関係を式を用いて説明する。
【００４２】
第１格子３１と第２格子７１の光学的な距離をｚ１、第２格子７１と第３格子５１の光学的な距離をｚ２、第１格子のピッチをｐ１、第２格子のピッチをｐ２、第３格子のピッチをｐ３、光源の波長をλとする。
【００４３】
この場合、以下の条件を満たすときに第３格子５１上にピッチｐ３ｉの周期を持つ干渉パタンが形成されることが知られている。なお、ここで用いている「光学的な距離」の定義については、式６、式７に示す。
【００４４】
【数１】
【００４５】
また、干渉パタンのピッチｐ３ｉは以下の通りである。
【数２】
【００４６】
第３格子５１のピッチｐ３を干渉パタンのピッチｐ３ｉに合致させれば、最適な信号検出が行える。
ｐ３＝ｐ３ｉ （式３）
【００４７】
なお、エンコーダでは複数の位相差信号を検出することが多い。この場合、第３格子５１は個々の位相差信号ごとに設けられたり、織り交ぜて配置されたりすることがある。このとき、ピッチｐ３は１つの位相信号検出に用いられる第３格子５１のピッチを指す。
【００４８】
ところで、検出ヘッド内の第１格子３１と第３格子５１の実装配置がずれることによってｚ１とｚ２が最適な値から若干ずれた場合、式２より拡大倍率が変化する。その結果、式３の関係が厳密には成り立たなくなり、これによって光検出器４で検出される干渉パタンの強度が変化していく。
【００４９】
以下の式に示すように、第１格子３１から第２格子７１までの光学的な距離ｚ１と第２格子から第３格子５１までの光学的な距離ｚ２の差をΔｚとすると、
Δｚ＝ｚ２−ｚ１＝Δｚ０＋Δｚｄ （式４）
｜Δｚｄ｜≦Δｚｔ （式５）
ただし、Δｚ０は設計に基づく差、
Δｚｄはばらつきにより生じる実際の偏差、
Δｚｔは公差、即ち、最大許容値である。
【００５０】
なお、ここで表記されている距離は全て光学的な距離である。
光路が全て大気中の場合にはそのまま実際の距離を用いて良い。また、通常、検出ヘッドはパッケージに入れられることが多く、ガラスや光透過樹脂の中を光が通ることがある。この場合、光学的な距離とは、光路の構成する空間、または、物質ごとに実際の長さを個々の屈折率で割ったものの総和とする。
【００５１】
即ち、第１格子３１・第２格子間７１のｉ（自然数）番目の物質、または、空間の屈折率ｎｉ・厚みｔｉとし、
第２格子７１・第３格子５１間のｊ（自然数）番目の物質の屈折率ｎｊ・厚みｔｊとしたときに、第１格子３１・第２格子７１間の光学的な距離をΣｔｉ／ｎｉ、第２格子・第３格子間の光学的な距離をΣｔｊ／ｎｊとする。
【００５２】
【数３】
【００５３】
従って、式４・式５において、Δｚｄを光学的な距離ではなく、実際の距離で表現するには、第１格子３１の高さの変化により第１格子３１・第２格子７１間で厚みが変化する部材、または、空間の屈折率をｎとして、式４、または、式５で得られたΔｚｄの結果をｎ倍すればよいことになる。
以上で、原理の説明を終了する。
【００５４】
ここで、第１格子３１・第２格子７１間、および、第２格子７１・第３格子５１間に介在する物質、または、空間の厚みと屈折率を説明する。
第１格子３１・第２格子７１間においては、光透過基板３の屈折率がｎ１、厚みがｔ１、光透過樹脂６の屈折率がｎ２、厚みがｔ２、ヘッドとスケール７間の空気の屈折率がｎ３、厚みがｔ３である。
【００５５】
第２格子７１・第３格子間５１においては、ヘッドとスケール７間の空気の屈折率がｎ３、厚みがｔ３、光透過樹脂６の屈折率がｎ２、厚みがｔ５、光透過基板５の屈折率がｎ１、厚みがｔ４、である。
【００５６】
光透過基板３と光透過基板５は共通の素材を用いているため屈折率は約１．５、光透過樹脂６の屈折率は約１．５、空気の屈折率はほぼ１である。光透過基板３、光透過基板５、光透過樹脂の屈折率は、比較的入手しやすい部材の屈折率を適用しているが、これ以外の値をとっても良いし、光透過基板３と光透過基板５に別素材を用いて屈折率に差があっても良い。
【００５７】
以上の設定において、ｚ１とｚ２は以下のように表される。
ｚ１＝ｔ１／ｎ１＋ｔ２／ｎ２＋ｔ３／ｎ３
ｚ２＝ｔ４／ｎ１＋ｔ５／ｎ２＋ｔ３／ｎ３
【００５８】
本例では、ｚ１＝ｚ２となるような設計を行っている。これは、ヘッド／スケール間のギャップが変化してｚ１とｚ２が等しい値だけ変化した場合、式３の拡大倍率（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１の値が変化せず、検出に有利なためである。このとき、ｐ１＝ｐ３となり、式２・式３と併せて、各格子のピッチについては以下の関係が成り立つ。
【００５９】
ｐ１＝ｐ３＝２×ｐ２
【００６０】
各格子間の光学的な距離ｚ１とｚ２については、式６、式７を用いて求める。式４におけるΔｚの成分のうち、Δｚ０の設計値は本例においては０であり、図中のΔｚｄのみ存在する。なお、Δｚｄは第１格子３１と第３格子５１の幾何学的な段差ではなく、光学的な距離であるｚ１とｚ２の差である。
【００６１】
第３格子５１は、４つの格子群からなる。各格子群はピッチｐ３であるが、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４には４つの図示しない受光部がある。各受光部は第３格子の各格子群に対応する面に形成されている。
【００６２】
光検出器４についても同様な置き換えが可能である。例えば、図３に示すように、第３格子と受光部とを一体化したフォトダイオードアレイ４１（以下、適宜「ＰＤアレイ」とする。）を含む光検出器を構成要素に用いても良い。
【００６３】
図３、図４に示す例では、フォトダイオードアレイ４１（以下ＰＤアレイとする）を有する平行平板状の光検出器４が用いられている。第１格子３１と第２格子７１とＰＤアレイの受光面は図中ｘ方向の向きに互いに平行に配置されている。
【００６４】
光検出器４において、ＰＤアレイ４１は光検出器４のスケール側上面に光検出器４の一部のエリアを占めるように形成されている。図５に示すように、ＰＤアレイ４１には、同形状の受光要素ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４がピッチｐ３／４で並んでいる。そして、これらを４つごとに電気的に接続することで位相がｐ３／４ずつ異なる４つの位相の異なる信号を生成する。
【００６５】
各位相群のピッチはすべてｐ３であり、スケール移動方向の有効幅Ｗ３は、ＰＤアレイ４１の長さに等しくなっている。ＰＤアレイ４１は光検出器と第３格子を一体化したものであり、「従来の技術」において説明した３重スリットの機能がそのまま成立する。ｚ２の算出に当たっては、第３格子の代わりにＰＤアレイ４１の面からスケール７の第２格子７１までの光学的距離を算出すればよい。
【００６６】
なお、この発明の実施の形態の各構成要素については、各種の変形、置き換えが可能である。
光源にはベアＬＥＤ２の例を示したが、面発光レーザ等、回折イメージが形成可能なものであれば、ベアチップタイプでもモールドタイプでもカン封止したタイプでもよい。第１格子３１を有する光透過部材３の素材としてガラスが一般的であるが、ＰＥＴやポリイミド等の樹脂を用いてもよい。第３格子５１は検出位相の異なる４つの格子群に個別に受光部を用いた例を示したが、２群、または、１群の格子群を用いたタイプであってもよい。
【００６７】
光源側のベアＬＥＤと第１格子３１の組合せについては、図６に示すような点光源２１、または、線状光源、もしくは、図７に示すような１スリットの第１格子３１を用いても良い。この場合、点光源２１や線状光源、または、１スリット３１の幅Ｗ１は所定の値以下であることが必要である。原理説明に用いた式を適用することを可能とするために、本例では、少なくともＷ１≦ｐ３であることが望ましい。
【００６８】
この出射部はスケール移動方向の出射幅が狭められている場合、点光源２１や線状光源、または、１スリット３１の出射部の位置からスケール７の格子面までの光学的距離をｚ１とする。
【００６９】
ＰＤアレイを用いる場合に関して、図５の例では検出位相の異なる４つの位相群を一カ所に入れ込んだ例を示したが、２群、または、４群のＰＤアレイ群を用いる構成でもよい。
【００７０】
本実施携帯の構成は相対移動量を検出するものであるが、検出ヘッドおよびスケール上に基準位置検出用の部材、特に、光源・検出部・光学パタンなどを追加して配置することも可能である。
【００７１】
さらに、本実施形態の第１から第３までの格子、または、この一部を複数配置することで、同一方向の変位を複数の検出系で検出、または、直交する複数の方向の変位を同時に検出する構成にすることも可能である。ＰＤアレイを用いる場合には、本例の第１、第２までの格子とＰＤアレイ、または、この一部を複数配置することで同様の目的を達成するための構成とすることが可能である。
【００７２】
次に、本実施形態の作用について説明する。
光源であるベアＬＥＤ２から光が出射される。この光は光透過基板３に形成された第１格子３１を通り、スケール７上の第２回折格子７１に照射される。さらに、光は第２格子７１で反射、回折され、光透過基板５に形成された第３格子５１上に第２格子の回折イメージが形成される。光検出器４にＰＤアレイを用いる場合にも、同様にしてＰＤアレイ４１上に第２格子７１の回折イメージが形成される。
【００７３】
この回折イメージは、第２格子７１を２倍に拡大した像であり、第３格子５１を通った回折イメージの光は光検出器４の受光部で検出される。スケール７が検出ヘッドに対してｘ方向に相対移動するとこの回折イメージが第３格子５１上でｘ方向に移動する。このため、光検出器４から周期的な疑似正弦波信号が得られる。
【００７４】
光源に点光源・線状光源や１スリットの第１格子３１を用いた場合も同様である。光検出器４からは９０°位相差の４つの信号が得られる。必要に応じて２組の１８０°位相差の信号ごとに差分を取り、９０°位相差の２信号が得ることができる。
【００７５】
光透過樹脂６表面の段差調整が無い場合には、Δｚｄが変化することによって、第１格子３１から第２格子７１までの光学的な距離ｚ１と、第２格子７１から第３格子５１までの光学的な距離ｚ２が最適な値から若干ずれる。これにより、第３格子５１上にできる第２格子７１のセルフイメージの拡大倍率が変化して光検出器で検出される干渉パタンの強度が変化する。
【００７６】
光検出器４がＰＤアレイであれば、Δｚｄが変化することによって、第１格子３１から第２格子７１までの光学的な距離ｚ１と、第２格子７１からＰＤアレイまでの光学的な距離ｚ２が最適な値から若干ずれる。これにより、ＰＤアレイ上にできる第２格子７１のセルフイメージの拡大倍率が変化して光検出器で検出される干渉パタンの強度が変化する。
【００７７】
次に、信号調整部の作用について説明する。
これに対して、光透過樹脂６表面の段差調整によって拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれる。このことによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
また、効果を説明する。段差を設けなければ信号検出レベルが低下して所望の信号やＳＮ比が得られなかったエンコーダについて、段差による拡大倍率の調整でほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。これによって、不良品の発生率を低下させることができる。
【００７８】
さらに、Δｚｄによる拡大倍率のずれを打ち消すことが出来ることで、設計の自由度が向上し、使用部材の公差の緩いもの、従って通常はコストの安いものや、実装公差の緩い実装機を採用することも可能となる。
【００７９】
また、量産時に使用する部材のロットごとのばらつきや部材変更によって発生する平均的なΔｚｄの値による拡大倍率のずれを打ち消すように段差を設けることで、まとまった数量単位での信号調整が可能となる。
【００８０】
上述の効果以外にも、使用部材と構成により、以下のような効果がある。
通常、ベアチップ部品の厚さ公差は高々±２０μｍ程度であり、Δｚｄの実装公差を小さく抑えることが出来る構成となっている。そのため、Ｗ１やＷ３を大きくとることができ、エンコーダ信号の振幅が大きく取れ、ＳＮ比が向上する。
【００８１】
また、第１格子３１と第３格子５１が光透過基板３と光透過基板５の下側になるよう配置されているため、Δｚｄの実装公差に光透過基板３と光透過基板５の厚み公差はΔｚｄに影響を与えない。このため、Δｚｄの実装公差をより小さく抑えることが出来る。
【００８２】
光源であるベアＬＥＤ２上面の光出射部に光透過基板３を直接貼り付け、さらにベアＬＥＤ上面の光透過基板３が貼られていない部分に通電のための配線を行うことで、第１格子の機能とベアＬＥＤへの電流印可機能をコンパクトな形で実現している。
【００８３】
光源、および、受光部にベアチップ部品を用いていることで、実装面積、及び、厚みを抑えることができる。さらにベアＬＥＤを用いることで発光部の光出射部分の長さが数１０μｍ〜２００μｍ程度に小さくすることができ、この上に配置する光透過基板３の面積も小さくすることができる。このため、小型化・薄型化において有利である。
【００８４】
ベアＬＥＤ２の小さな発光部に第１格子３１を密着させることで、第１格子３１の必要本数を最小限に抑えることができる。このことによって、Ｗ１の長さを小さくすることができ、Δｚｄの実装公差が大きくとれる、または、Δｚｄの同じ実装公差でもエンコーダの信号振幅の低減が少なく抑えられるという利点が得られる。
また、小型化・薄型化によって樹脂封止における、クラックやワイヤ配線の断線といった点においても信頼性の向上が期待できる。
さらに樹脂で封止したことで大気圧の影響を受けにくくなり、真空中や高圧下での使用が可能となる。
【００８５】
本実施形態ではベアＬＥＤを用いているが、モールドＬＥＤを用いることも可能である。この場合、ＬＥＤ上面にワイヤ配線をする必要がなくなり、第１格子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に比べると汎用性・信頼性が高い。そのため、エンコーダの実装が容易となるメリットがある。
【００８６】
（第１の実施形態の変形例１）
次に、本発明における第１の実施形態の変形例１について説明する。
【００８７】
（構成）
図４における光透過樹脂６の形状を変えて、図１０に示すように傾斜を設けている。なお、図２の上面に同様の傾斜を持たせた構成でも同様の作用・効果が期待出来る。
【００８８】
式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせ込むように、その傾斜の大きさ（高さ）と光源側と受光側のどちらが高いかということが求められる。
【００８９】
この傾斜形状は、Δｚｄの絶対値が大きく、もし段差形状が無い場合には信号検出レベルが低下して所望の信号やＳＮ比が得られない、もしくは、そうなる可能性がある場合に適用する。
【００９０】
この傾斜は、図８、または、図９に示す平坦な光透過樹脂６の表面形状を切削・加圧による変形・モールド型の修正によるモールディングといった加工により実現することができる。なお、ここに示した以外の加工法や加熱等による加工性向上の手段などを用いても構わない。
【００９１】
（作用）
拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれることによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
【００９２】
（効果）
本変形例では、上述した第１の実施形態と同様な効果を有する。
【００９３】
（第１の実施形態の変形例２）
次に、本発明における第１の実施形態の変形例２について説明する。
図４おける光透過樹脂６のスケール側の表面の段差の代わりに、図１１、または、図１２に示すように新たな光透過部材６１を設けている。なお、図４の光透過樹脂６のスケール側の表面を段差形状から図１０の光透過樹脂６に示すような傾斜を持たせた形状に置き換えても同様の作用・効果が期待出来る。
【００９４】
式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせ込むように、その光透過部材６１の厚みと光源側と受光側のどちら側に設けるかということが決められる。
【００９５】
光透過部材６１は、Δｚｄの絶対値が大きく、もし段差形状が無い場合には信号検出レベルが低下して所望の信号やＳＮ比が得られない、もしくは、そうなる可能性がある場合に適用する。
【００９６】
光透過部材６１は、図８、および、図９に示すような平坦な光透過樹脂６の表面に薄膜を実装したり、フォトリソグラフィ技術により形成したりすることにより実現することができる。なお、ここに示した以外の実装・形成方法を用いても構わない。
【００９７】
さらに、本例では１つの光透過部材６１を光源側と受光側のいずれか一方に設けているが、複数の部材を用いること、または両方に同時に設けること等、所望の拡大倍率の調整が出来さえすれば、その構成は問わない。
【００９８】
（作用）
光透過部材６１を設けることで、ｚ１とｚ２の少なくとも一方が調整される。拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれることによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
【００９９】
（効果）
本変形例では、第１の実施形態と同様な効果を有する。
さらに、表面への別部材である光透過部材６１の配置で実現可能であることから、以下のような効果も有する。
薄膜の貼付であれば作業が比較的容易である。さらに再調整等のために部材を除去したり、貼り替えたりすることも比較的容易である。
また、薄膜パタンをリソグラフィ技術で形成する場合には、多数のエンコーダを並べて同時に調整できる可能性がある。
【０１００】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る光学式エンコーダについて説明する。
図３、図４における光透過樹脂６の表面の段差の代わりに、光透過樹脂６の内部に、図１３に示すように光透過部材５を設けている。図１、図２における光透過樹脂６の表面の段差の代わりに光透過樹脂６の内部に、図１３に示すように光透過部材５を設けても、同様の作用・効果が期待出来る。
【０１０１】
式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせ込むように、光透過部材５のスケール方向（図中ｚ方向）の厚みと屈折率と光源側か受光側かの配置が決められる。
【０１０２】
光透過部材５は、Δｚｄの絶対値が大きく、もし段差形状が無い場合には信号検出レベルが低下して所望の信号やＳＮ比が得られない、もしくは、そうなる可能性がある場合に適用する。
また、本例では光透過部材を用いているが、大気を含めた気体や真空を配置する空間であっても構わない。
【０１０３】
（作用）
光透過性樹脂６の一部を屈折率の異なる光透過部材５に置き換えることでｚ１とｚ２の少なくとも一方が調整される。
拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれることによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
【０１０４】
（効果）
本実施形態では、第１の実施形態と同様な効果を有する。
【０１０５】
（第２の実施形態の変形例１）
本発明における第２の実施形態の変形例１について説明する。
図１４に示すように、図３、図４における光透過部材３の第１格子３１がスケール側に位置するように配置している。図１、図２における光透過部材３の第１格子３１がスケール側に位置するように配置しても、同様の作用・効果が期待出来る。
【０１０６】
また、光透過部材３のスケール方向（図中ｚ方向）の厚みは、式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせ込むように決められる。
【０１０７】
（作用）
光透過部材３の厚みを変更することでｚ１が調整される。
拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれることによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
【０１０８】
（効果）
本変形例では、第１の実施形態と同様な効果を有する。
【０１０９】
さらに、この構成によると、第１格子３１がスケール側である上側になっている。このため、第１格子３１から樹脂表面までの厚みが一定の場合、第１格子３１が下側である場合に比べて樹脂厚が厚いため、光透過基板３と樹脂の線膨張係数の違いにより、製造時に高温から低温に下げて樹脂を固めていく際に表面の平坦性がよくなり、その結果光学特性がよくなる。
【０１１０】
（第２の実施形態の変形例２）
次に、本発明の第２の実施形態の変形例２について説明する。
図１５に示すように、図２、図３における光透過部材３を、第１格子を設けた光遮光部材３に置き換えている。図１、図２における光透過部材３を第１格子を設けた光遮光部材３に置き換えても、同様の作用・効果が期待出来る。
【０１１１】
光遮光部材３のスケール方向（図中ｚ方向）の厚みは、式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせ込むように決められる。
【０１１２】
光遮光部材３の少なくとも表面は導電性を持ち、ベアＬＥＤ光源の電極と金線ワイヤ８とを電気的に接続する役割を果たす。
本変形例では、第１格子を形成した光遮光部材を用いているが、光透過部材に内部まで光を通さないパタンで第１格子を形成したものを用いても構わない。
【０１１３】
（作用）
光遮光部材３の厚みを変更することでｚ１が調整される。
拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれることによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
【０１１４】
（効果）
本変形例では、第１の実施形態と同様な効果を有する。
さらに、光遮光部材３が電気的配線の一部となることで、光源２の上に光遮光部材３以外に金線ワイヤ８をボンディングするパッドを設ける必要がなくなる。従って実装が容易となり、小型化も図れる。
【０１１５】
（第２の実施形態の変形例３）
次に、本発明の第２の実施形態の変形例３について説明する。
図１６に示すように、図３、図４における光透過部材５を、第３格子５１がスケール側に位置するように配置している。
光透過部材５のスケール方向（図中ｚ方向）の厚みは、式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせ込むように決められる。
【０１１６】
（作用）
光透過部材５の厚みを変更することでｚ２が調整される。
拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれることによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
【０１１７】
（効果）
本変形例では、第１の実施形態と同様な効果を有する。
さらに、この構成によると、第３格子がスケール側である上側になっているため、第３格子から樹脂表面までの厚みが一定の場合、第３格子が下側である場合に比べて樹脂厚が厚くなる。このため、光透過基板５と樹脂の線膨張係数の違いにより、製造時に高温から低温に下げて樹脂を固めていく際に表面の平坦性がよくなり、その結果光学特性がよくなる。
【０１１８】
（第２の実施形態の変形例４）
次に、本発明の第２の実施形態の変形例４について説明する。
図１７に示すように、図３、図４における光透過部材５を、第３格子を設けた光遮光部材５に置き換えている。
光遮光部材５のスケール方向（図中ｚ方向）の厚みは、式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせ込むように決められる。
本変形例では、第３格子を形成した光遮光部材を用いているが、光透過部材に内部まで光を通さないパタンで第１格子を形成したものを用いても構わない。
【０１１９】
（作用）
光遮光部材５の厚みを変更することでｚ２が調整される。
拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれることによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
【０１２０】
（効果）
本変形例では、第１の実施形態と同様な効果を有する。
【０１２１】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施形態に係る光学式エンコーダについて説明する。
図１１では、図３、図４における光源２と基板１の間にスペーサ２２を配置し、図１９では、図１、図２における光検出器４と基板１の間にスペーサ４２を配置している。
【０１２２】
スペーサ４２のスケール方向（図中ｚ方向）の厚みは、式２の（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１で表される拡大倍率が、式４におけるΔｚｄによって設計値からずれた分を、元の設計値に合わせ込むように決められる。
本実施形態では、光源側と受光側の一方にスペーサ４２を配置しているが、両方に配置しても構わない。また、光源側や光検出側の格子の形状には何を用いても良い。即ち、点光源や第１格子、ＰＤアレイや第３格子には特に制約は無い。
【０１２３】
（作用）
スペーサ４２の厚みを変更することでｚ１とｚ２の少なくとも一方が調整される。拡大倍率が設計値にほぼ合わせこまれることによって、ほぼ最適な信号検出ができ、良好なＳＮ比が得られる。
【０１２４】
（効果）
本実施形態では、第１の実施形態と同様な効果を有する。
このようにスペーサ４２を用いることで、第１格子と第３格子（ＰＤアレイ）の高さ合わせにおいて、ベアＬＥＤ２と光透過基板３と光検出器４の厚みの調整が可能となる。具体的には、個々の部材の厚みが予め決まっているためにスペーサ無しで第１格子と第３格子（ＰＤアレイ）の高さを合わせることが出来ない場合に有効である。
【０１２５】
また、部材の厚みが極端にばらついたときや、部材を別の物に交換するときなど、スペーサの厚みを変えることで調整ができるメリットがある。また、スペーサ４２は厚み公差が小さいものを用いることにより、ｚ１とｚ２の差であるΔｚｄへの影響も極力小さく抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
以上のように、本発明は、小型で量産に向いた光学式エンコーダに有用である。
【符号の説明】
【０１２７】
２ ベアＬＥＤ
４ 光検出器
５ 光透過基板
６ 光透過樹脂
７ スケール
３１ 第１格子
７１ 第２格子
５１ 第３格子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的に移動する固定体と移動体の内のいずれか一方に取り付けられた検出ヘッドと、
他方に前記検出ヘッドに対向して取り付けられた、相対移動する方向に所定ピッチの光学パタンを有する格子が設けられたスケールと、を備え、
前記検出ヘッドは、
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する発光部と、格子機能面と受光部を有する光検出部と、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前記スケールに照射されて前記スケールに設けられた前記格子により反射し、回折した光が前記光検出部の前記格子機能面に形成するイメージの動きを検出するよう配置された前記光検出部が設けられ、前記スケールの相対移動量に応じて前記光検出部から周期的な検出信号が出力されるような光学式エンコーダにおいて、
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前記格子までの光学的距離ｚ１と、
前記受光部側の前記スケールの前記格子から前記光検出部の前記格子機能面までの光学的距離ｚ２と、の少なくとも一方の値を増減させることによって、検出信号の振幅レベルの劣化を低減させる信号劣化低減手段を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記信号劣化低減手段は部材、または、空間であり、
前記部材、または、空間の光路上の厚み、または、間隔と屈折率のいずれかを変化させることによって光学的距離を調整す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３】
前記信号劣化低減手段は部材、または、空間であり、
前記信号劣化低減手段により、前記発光部側の出射面と、前記光検出部の前記格子機能面との少なくとも一方の位置を移動させることにより光学的距離を調整す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４】
前記発光部と、前記光検出部とを一体的に覆う保護部材を備え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５】
前記保護部材は光透過性樹脂であることを特徴とする請求項４に記載の光学式エンコーダ。
【請求項６】
前記信号劣化低減手段は、前記保護部材のスケール側の表面形状を所定の形に成形してなることを特徴とする請求項４に記載の光学式エンコーダ。
【請求項７】
前記信号劣化低減手段は、前記保護部材のスケール側表面に貼り付ける光透過部材であることを特徴とする請求項４に記載の光学式エンコーダ
【請求項８】
前記信号劣化低減手段は、前記保護部材の表面よりもヘッド内部の光路上に配置されることを特徴とする請求項４に記載の光学式エンコーダ
【請求項９】
前記信号劣化低減手段は、前記保護部材の表面よりもヘッド内部の光路外に配置されることを特徴とする請求項４に記載の光学式エンコーダ
【請求項１０】
前記信号劣化低減手段は、光路上に光屈折率の境界面を少なくとも１つ備えるよう配置される部材、または、空間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１１】
前記信号劣化低減手段は、発光部、または、光検出器のスケール側の面に（接するように）実装される部材であることを特徴とする請求項１０に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１２】
前記信号劣化低減手段は、前記発光部側の出射面から前記スケールの格子までの光学的距離と、前記受光部側のスケールの格子から前記光検出部の前記格子機能面までの光学的距離とのいずれか一方の光学的距離のみを調整す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１】
相対的に移動する固定体と移動体の内のいずれか一方に取り付けられた検出ヘッドと、
他方に前記検出ヘッドに対向して取り付けられた、相対移動する方向に所定ピッチの光学パタンを有する格子が設けられたスケールと、を備え、
前記検出ヘッドは、
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する発光部と、格子機能面と受光部を有する光検出部と、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前記スケールに照射されて前記スケールに設けられた前記格子により反射し、回折した光が前記光検出部の前記格子機能面に形成するイメージの動きを検出するよう配置された前記光検出部が設けられ、前記スケールの相対移動量に応じて前記光検出部から周期的な検出信号が出力されるような光学式エンコーダにおいて、
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前記格子までの光学的距離ｚ１と、
前記受光部側の前記スケールの前記格子から前記光検出部の前記格子機能面までの光学的距離ｚ２と、の少なくとも一方の値を増減させることによって、検出信号の振幅レベルの劣化を低減させる信号劣化低減手段を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記信号劣化低減手段は部材、または、空間であり、
前記部材、または、空間の光路上の厚み、または、間隔と屈折率のいずれかを変化させることによって光学的距離を調整す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３】
前記信号劣化低減手段は部材、または、空間であり、
前記信号劣化低減手段により、前記発光部側の出射面と、前記光検出部の前記格子機能面との少なくとも一方の位置を移動させることにより光学的距離を調整す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４】
前記発光部と、前記光検出部とを一体的に覆う保護部材を備え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５】
前記保護部材は光透過性樹脂であることを特徴とする請求項４に記載の光学式エンコーダ。
【請求項６】
前記信号劣化低減手段は、前記保護部材のスケール側の表面形状を所定の形に成形してなることを特徴とする請求項４に記載の光学式エンコーダ。
【請求項７】
前記信号劣化低減手段は、前記保護部材のスケール側表面に貼り付ける光透過部材であることを特徴とする請求項４に記載の光学式エンコーダ
【請求項８】
前記信号劣化低減手段は、前記保護部材の表面よりもヘッド内部の光路上に配置されることを特徴とする請求項４に記載の光学式エンコーダ
【請求項９】
前記信号劣化低減手段は、前記保護部材の表面よりもヘッド内部の光路外に配置されることを特徴とする請求項４に記載の光学式エンコーダ
【請求項１０】
前記信号劣化低減手段は、光路上に光屈折率の境界面を少なくとも１つ備えるよう配置される部材、または、空間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１１】
前記信号劣化低減手段は、発光部、または、光検出器のスケール側の面に（接するように）実装される部材であることを特徴とする請求項１０に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１２】
前記信号劣化低減手段は、前記発光部側の出射面から前記スケールの格子までの光学的距離と、前記受光部側のスケールの格子から前記光検出部の前記格子機能面までの光学的距離とのいずれか一方の光学的距離のみを調整す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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１０−２４３３２３（Ｐ２０１０−２４３３２３Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９１８９２（Ｐ２００９−９１８９２）
【出願日】平成２１年４月６日（２００９．４．６）
【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２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月６日（２００９．４．６）
【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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