JP2001343256A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、光検出器からの出力信号を理想的な
出力波形となるように出力信号波形を制御するととも
に、小型で低コストに製造できる光学式エンコーダを提
供する。 【解決手段】本発明の一態様によると、光源と、上記光
源から射出する光ビームを横切るように変位し、かつ、
前記光ビームに照射される所定周期の光学パターンを形
成したスケールと、前記光学パターンを経由した前記光
ビームを受光して、前記光学パターンによって生じた明
暗パターンを検出する光検出器とを具備し、前記光検出
器は受光エリアの実効的な受光感度分布が不均一である
ことを特徴とする光学式エンコーダが提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学式エンコーダに
係り、特に、光学的手段を用いて光学的に変位をセンシ
ングする光学式エンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、工作機械のステージや３次元計測
定器などにおいては、直線方向変位量を検出するため
の、また、サーボモータなどにおいては、回転角を検出
するための、光学式や磁気式などのいわゆるエンコーダ
が利用されている。

【０００３】光学式エンコーダは、一般的に、ステージ
等変位を検出しようとする部材に固定されたスケール
と、このスケールの変位を検出するためのセンサヘッド
とによって構成されている。

【０００４】センサヘッドは、スケールに光を照射する
発光部と、スケールにより透過、回折または反射された
光ビームを検出するための受光エリアとを有しており、
受光した光信号の変化によってスケールの移動を検出し
ている。

【０００５】第１の従来技術として、代表的な光学式エ
ンゴーダについて、図１を用いて説明する。

【０００６】図１は、レンズなどの光学部品を必要とし
ない小型・低コストなエンコーダの一例として、面発光
レーザと反射型スケールを用いた従来技術によるレーザ
エンコーダを示す構成図である。

【０００７】この面発光レーザと反射型スケールを用い
たレーザエンコーダについては、例えば、論文「面発光
型半導体レーザーを用いたマイクロエンコーダー」（山
本英二，〜光学２７巻６号（１９９８））に記載されて
いる。

【０００８】このエンコーダは、図１に示すように、反
射型のスケール２０とセンサヘッド３０とで構成されて
いる。

【０００９】スケール２０の表面には、光源である面発
光レーザ３２から出射される光ビームの反射率が周期的
に変化するようにパターンが形成されている。

【００１０】このパターンは、例えば、ガラス等の透明
な部材の表面にアルミニウム等反射率の高い部材をパタ
ーニングすることにより形成されている。

【００１１】センサヘッド３０は、光源３２と光検出器
３４が共に基材３６に固定されて構成されており、光源
３２と光検出器３４の相対的な位置関係は一定に保たれ
ている。

【００１２】スケール２０は、ステージ（図示せず）等
と連動してセンサヘッド３０に対して、相対的に、図１
の紙面に垂直な方向に往復運動し、センサヘッド３０は
この移動をスケール２０からの反射光の強度変化から検
出する。

【００１３】面発光レーサ３２から出射された光ビーム
は、スケール２０により反射され、この反射光が光検出
器３４により受光される。

【００１４】スケール２０上のパタ一ンは、その反射率
が周期的に変化するように形成されているため、光検出
器３４により受光される反射光の強度変化からスケール
の変位量を検出することができる。

【００１５】次に、第２の従来技術として、コヒーレン
ト光源と回折格子スケールを用いた従来技術によるレ一
ザエンコーダについて説明する。

【００１６】図２は、レンズなどの光学部品を必要とし
ない小型・低コストなエンコーダの一例であるレーザエ
ンコーダを示す構成図である。

【００１７】このコヒーレント光源と回折格子スケール
を用いたレーザエンコーダについては、例えば、「コパ
ル：ロータリエンコーダカタログ」に記載されている。

【００１８】すなわち、このレーザエンコーダは、図２
に示すように、コヒーレント光源１である半導体レーザ
から出射したレーザビームを透過型の回折格子スケール
２に照射し、これにより生成される回折干渉パターン１
３の特定部分が一定間隔ｐ２の透過スリット５３を通過
して光検出器３により検出されるように構成されてい
る。

【００１９】この第２の従来例の動作について、図３を
用いて説明する。

【００２０】図３に示すように、各構成パラメータを以
下のように定義する。

【００２１】ｚ１：光源と、スケール上の回折格子を形
成した面の間隔、 ｚ２：スケール上の回折格子を形成した面と、光検出器
の間隔、 ｐ１：スケール上の回折格子のピッチｐ２：光検出器の
受光面上の、回折干渉バターンのピッチ。

【００２２】なお、「スケール上の回折格子のピッチ」
とは、スケール上に形成される光学特性が変調されたパ
ターンの空間的な周期を意味する。

【００２３】また、「光検出器の受光面上の回折パター
ンのピッチ」とは、受光面上に生成された回折パターン
の強度分布の空間的な周期を意味する。

【００２４】ところで、光の回折理論によると、上記の
ように定義されるｚ１、ｚ２が以下の（１）式に示す関
係を満たすような特定の関係にあるときには、スケール
の回折格子パターンと相似な強度パターンが光検出器の
受光面上に生成される。

【００２５】 （１／ｚ１）＋（１／ｚ２）＝λ／ｋｐ１² …（１） ここで、λは光源から出射される光ビームの波長、ｋは
整数である。

【００２６】このときには、受光面上の回折干渉パター
ンのピッチｐ２は、他の構成パラメータを用いて以下の
（２）式に示すように表すことができる。

【００２７】 ｐ２＝ｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１ …（２） 前記光源に対して、前記スケールが回折格子のピッチ方
向に変位すると、同じ空間周期を保った状態で、回折干
渉パターンの強度分布がスケールの変位する方向に移動
する。

【００２８】従って、光検出器の受光エリア４の空間周
期ｐ２０をｐ２と同じ値に設定すれば、スケールがピッ
チ方向にｐ１だけ移動する毎に光検出器から周期的な強
度信号が得られるので、スケールのピッチ方向の変位量
を検出することができる。

【００２９】次に、これら従来技術における、出力信号
の分割による、分解能の向上方法について以下に述べ
る。

【００３０】上記、第１、第２の従来技術を含め、一般
のエンコーダでは、図４の（ｂ）に示すように、移動量
に加えて変位方向の検出を行う目的で、９０度の位相差
を有する２つの信号である、Ａ相、Ｂ相の信号を出力す
るのが普通である。

【００３１】これら２つの信号をｘ，ｙ表示すると、図
４の（ａ）に示すようなリサージュ図形を形成すること
ができる。

【００３２】スケールの変位に伴い、Ａ、Ｂ両相の信号
により決定されるリサージュ図形上の一点Ｐは、スケー
ルの移動方向に従い右回り、もしくは左回りに、このリ
サージュ図形上を移動する。

【００３３】そして、この点Ｐが、リサージュ円の円周
上を一周すると、スケールの１ピッチ分の移動を示す。

【００３４】従って、点Ｐの、このリサージュ図形上の
位置を検出することにより、スケールピッチより小さい
移動量を検出することができる。

【００３５】このような方法は、リサージュ図形を用い
た位相分割法または内挿法などと呼ばれるもので、例え
ば、スケールピッチの４分の１の分解能でスケールの移
動を検出したい場合には、リサージュ図形を、中心角９
０度ずつの４つの部分に分割し、点Ｐがこの４つの部分
のどこに属するかを検出することによって、その位置を
検出することができる。

【００３６】さらに分解能を向上させたい場合、例え
ば、スケールピッチの３６０分の１の移動量を検出した
い場合には、リサージュ図形を中心角１度ずつの３６０
の部分に分割すればよいし、さらに多くの分割を用いた
位相分割法も旧来より利用されている。

【００３７】また、別の方法による、出力信号の分割方
法について以下に述べる。

【００３８】一般に、エンコーダからの出力信号は、図
６に示すようなアナログ信号として出力される。

【００３９】そして、この出力信号を出力信号のスライ
スレベルにより分割する分割方法も知られている。

【００４０】すなわち、出力信号をいくつかのスライス
範囲に分割し、検出された出力信号のスライスレベルが
どのスライス範囲に属するかを検出することにより、ス
ケールピッチ以下の移動量の検出が可能となる。

【００４１】ここでは、これをスライスレベルによる位
相分割法と呼ぶことにする。

【００４２】光学式エンコーダは、高精度、高分解能、
非接触式であり、かつ、電磁波障害耐性に優れるなどの
特徴を有しているため、様々な分野で利用されており、
特に、高精度、高分解能を要するエンコーダにおいて
は、光学式エンコーダが主流となっている。

【００４３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光学式エンコーダに用いられるスケール２０上に形成さ
れるパターン２２は、図７に示すような矩形のパターン
２２をスケール２０の変位方向に周期的に並ベて形成さ
れており、また、スケール２０からの反射光、透過光ま
たは回折光を受光する光検出器３４の受光エリア３５
も、例えば、図９に示すように、矩形に形成されてい
た。

【００４４】このため、光検出器から得られる信号は原
理的には、図５の（ｂ）に示すように三角波となり、実
際も図４のように三角波に近い周期信号となっていた。

【００４５】この、三角波に近い周期信号を用いて、分
解能を向上させるためにリサージュ図形による位相分割
法、もしくはスライスレベルによる分割法を用いて行お
うとした場合、以下のような問題点を有していた。

【００４６】すなわち、リサージュ図形による位相分割
法を行う場合においては、図４の（ａ）に示すようなリ
サージュ図形を、単純に等しい中心角で分割してしまう
と、リサージュ図形上の点Ｐの移動距離はリサージュ図
形上の位置によって変化してしまい、これが検出誤差と
なって現れる。

【００４７】例えば、図５の（ａ）に示されるような、
三角波のリサージュ図形を３６０分割した場合、等しい
中心角、すなわち、１度であっても、最も大きな変位部
分（菱形の頂点部分）と最も小さな変位部分（菱形の辺
の中央部分）とでは約２倍も異なってしまうことにな
る。

【００４８】リサージュ図形による位相分割法によっ
て、分解能の向上を試みる場合においては、リサージュ
図形は、図２４の（ａ）に示すように、円形であること
が望ましい。

【００４９】一方、スライスレベルによる位相分割を行
う場合において、図４の（ａ）に示すようなリサージュ
図形を一定の幅のスライスレベルで分割してしまうと、
等しい出力信号の変化であっても、スケールの移動量が
一定でなくなるという問題点を有している。

【００５０】すなわち、出力信号が小さい範囲において
は、小さな変位であっても大きく出力信号が変化するの
に対し、出力信号が大きい場合、すなわち、各周期のピ
ーク近傍においては、大きな変位であっても出力信号の
変化は小さい。

【００５１】この、スライスレベルによる分割方法を用
いる場合には、出力信号は三角波であることが望まし
い。

【００５２】このため、従来方法においては、例えば、
スケールの周期パターンの反射部に分布を持たせる方法
などにより、エンコーダ出力信号の波形を制御しようと
する試みがなされてきた。

【００５３】しかし、この方法では、スケールの作製に
コストが大きくなってしまうという問題を有している。

【００５４】また、微細なスケールを作製しようとする
場合には、スケール作製技術の点から限界があった。

【００５５】また、光検出器の手前に固定スリットを用
いる方式のエンコーダにおいては、図８に小すように、
固定スリットのみをｓｉｎ関数で表される輪郭を有する
ように設計し、光検出器の出力信号を理想的な正弦波に
近づける方法が、例えば、特開平１１−３５１９１１号
公報に記載されている。

【００５６】しかしながら、この方法では、固定スリッ
トを用いたエンコーダのみにしか適用できず、ヘッドの
小型化が困難であり、また、組立調整も厳密に行う必要
があるため、低価格化は極めて困難であつた。

【００５７】さらに、また、別の従来方法では、個々の
リサージュ図形に合わせて校正曲線を作成し、それによ
り補正を行って位相分割を行い分解能を向上させる方法
も知られている。

【００５８】しかし、この方法では、個々のエンコーダ
に毎に、位相分割用の演算回路を調整する必要があり、
また、演算を行うために応答時間が増大したり、さらに
は、故障などの原因によりエンコーダを交換する場合
に、位相分割回路も含めて交換もしくは調整する必要が
あるなど、高価でしかも使用時に制限の多い構成となっ
ていた。

【００５９】そこで、本発明は、上記の事情に鑑みてな
されたもので、上記光検出器からの出力信号を理想的な
出力波形となるように出力信号波形を制御するととも
に、小型で低コストに製造できる光学式エンコーダを提
供することを目的とする。

【００６０】

【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題を解決するために、（１） 光源と、上記光源から射
出する光ビームを横切るように変位し、かつ、前記光ビ
ームに照射される所定周期の光学パターンを形成したス
ケールと、前記光学パターンを経由した前記光ビームを
受光して、前記光学パターンによって生じた明暗パター
ンを検出する光検出器とを具備し、前記光検出器は受光
エリアの実効的な受光感度分布が不均一であることを特
徴とする光学式エンコーダが提供される。

【００６１】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（２） 前記光検出器の受光エリアの実効的
な受光感度分布は、前記スケールの移動にともなう出力
信号の変化が、略正弦波の形状となるように設定されて
いることを特徴とする（１）記載の光学式エンコーダが
提供される。

【００６２】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（３） 光源と、上記光源から射出する光ビ
ームを横切るように変位し、かつ、前記光ビームに照射
される所定周期の光学パターンを形成したスケールと、
前記光学パターンを経由した前記光ビームを受光して、
前記光学パターンによって生じた明暗パターンを検出す
る光検出器とを具備し、前記光検出器の受光エリアが、
前記スケールの移動方向において、中心部分が他の部分
より幅が広いことを特徴とする光学式エンコーダが提供
される。

【００６３】

【発明の実施の形態】本発明による光学式エンコーダの
第１の出力信号波形の改善方法は移動スケールからの反
射、透過または回折光を受光する光検出器上の受光エリ
アの実効的な感度に分布を設けることによって、出力の
信号波形を制御可能とすることを特徴とする。

【００６４】また、第２の出力信号改善方法としては、
光源から出射された光ビームが移動スケールによって反
射、透過または回折され、光検出器上の受光エリアに入
射するときの光軸上に光を拡散する光学素子を設け、光
検出器の受光面上に形成される明暗パターンの光強度分
布のプロフアイルを調整することによって、光検出器か
らの出力の信号波形を制御可能とすること特徴とする。

【００６５】まず、上記本発明による光学式エンコーダ
の第１の出力信号波形の改善方法に関わる光学式エンコ
ーダの原理について、図９乃至図１４を参照しながら説
明する。

【００６６】図９に示すような、反射型のレーザエンコ
ーダについて考える。

【００６７】すなわち、このレーザエンコーダは、コヒ
ーレント光源である面発光レーザ３２から出射したレー
ザビームを反射型の回折格子スケール２０に照射し、こ
れにより生成される面折干渉パターンの特定部分が光検
出器３４により検出されるように構成されている。

【００６８】図９に示すエンコーダは反射型であるた
め、ｚ１＝ｚ２より、ｐ２＝２Ｐ１、すなわち、スケー
ル上の回折格子のピッチＰ１の２倍のピッチの明暗パタ
ーンが受光面上に現れる。

【００６９】図１０は、光検出器３４の受光面上に形成
される、スケール２０からの反射光による回折干渉パタ
ーンの光強度分布を示している。

【００７０】ここで、図９の光検出器３４上の一つの受
光エリア３５に注目して考える。

【００７１】スケール２０がエンコーダヘッドに対して
相対的に移動すると、光検出器３４の受光面上の回折干
渉パターン４４は、図１１の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）の順に移動する。

【００７２】このときの光検出器３４の出力信号の例
を、受光エリア３５が実効的な感度分布を持たない場合
を図１２に示す。

【００７３】このような方式の場合、一般に、三角波に
近い出力波形が出力される。

【００７４】次に、光検出器３４の受光エリア３５が、
正弦波で表されるような外形を有する場合について、光
検出器３４の受光面上の回折干渉パターン４４の動き
を、同様に図１３の（ａ）・（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に
示す。

【００７５】そして、このときの光検出器３４の出力信
号の例を図１４に示す。

【００７６】スケール２０からの反射光により生成され
る回折干渉パターンは、図１２に示されるようなプロフ
ァイルを有しているが、光検出器３４の受光エリア３５
の外形を正弦波で表されるように構成することで、光検
出器３４の実効的な受光感度が、スケール移動方向に対
して受光エリア３５の端部で小さく中央部で大きく構成
されているため、光検出器３４からの出力信号は図１４
に示すように略正弦波として出力される。

【００７７】上記のように、光検出器３４の受光エリア
３５を所定の形状にすることで、光検出器３４からの出
力信号を所望の形状に制御することが可能である。

【００７８】次に、上記本発明による光学式エンコーダ
の第２の出力信号波形の改善方法にに関わる光学式エン
コーダの原理について、図１５および図１６を用いて説
明する。

【００７９】図１５に示すように、スケール２０から光
検出器３４へ向かう光軸上に光ビームを拡散させる光学
素子として拡散板４０を設ける。

【００８０】スケール２０からの反射光による回折干渉
パターンは、この光を拡散する光学素子４０を通過して
光検出器３４の受光面上に形成される。

【００８１】この回折干渉パターンは、光を拡散する光
学素子４０を設けていない場合には、図１０に示すよう
なプロファイルを有しているが、スケール２０から光検
出器３４に向かう光軸上に、光を拡散する光学素子４０
を設けた場合には、図１６に示すようなプロファイルと
なる。

【００８２】このとき、スケール２０がへッド３０に対
して相対的に移動すると、光検出器３４の受光面上に投
影される回折干渉パターン４４は、図２１の（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に移動する。

【００８３】この結果として、光検出器３４からの出力
は、図１４に示すように、略正弦波とすることが可能と
なる。

【００８４】（第１の実施の形態）次に、本発明による
光学式エンコーダの第１の実施の形態について図９を参
照しながら説明する。

【００８５】図９に示す反射型レーザエンコーダは、コ
ヒーレント光源である面発光レーザ３２から出射した光
ビームを反射型の回折格子スケール２０に照射し、これ
により生成される回折干渉パターンの所定部分が光検出
器３４の受光エリア３５により検出されるように構成さ
れている。

【００８６】面発光レーザ３２は出射する光ビームのビ
ーム広がりを、レンズ等の光学部材を用いずに制御する
ことが可能なコヒーレント光源である。

【００８７】面発光レーザ３２から出射された光ビーム
により、スケール２０のパターン面に所望する大きさの
ビームスポットを形成する。

【００８８】スケール２０からの反射光は回折干渉パタ
ーンを形成し、光検出器３４の受光面上に、スケール２
０のパターンと相似な回折干渉パターンを形成する。

【００８９】本実施の形態では、反射型の光学式エンコ
ーダであるため、図２における、ｚ１とｚ２が等しいた
め、式（２）より、ｐ２＝２Ｐ１、すなわち、スケール
上の回折格子のピッチＰ１の２倍のピッチの回折干渉パ
ターンが受光面上に形成される。

【００９０】言い換えると、スケール２０のスケールパ
ターンが２倍に拡大されて光検出器３４の受光面上に投
影される構成となっている。

【００９１】この光検出器３４の受光面上に投影される
回折干渉パターンの光強度のプロファイルは、図１０に
示されているような強度分布となっている。

【００９２】本実施の形態においては、光検出器３４の
受光面上の、受光エリア３５のパターンは、図１７に示
すように形成されている。

【００９３】図１７に示すように、光検出器３４の受光
面上の受光エリア３５を、ｐ２すなわち受光面上に現れ
る回折干渉パターンの周期の、４分の１ピッチで形成
し、周期ｐ２ずつの４つのグループに分けられており、
各グループごとに４種類の信号を出力するように構成さ
れている。

【００９４】４つのグループの信号はそれぞれ、Ａ、
Ｂ、Ａ、Ｂと呼ばれ、Ａ相信号は、Ａのグループの出力
からＡのグループの出力を減じて出力されるように、ま
た、Ｂ相信号はＢのグループの出力からＢのグループの
出力を引いて出力されるように構成されており、これら
の信号処理を行う信号処理回路（図示せず）が光検出器
３４上に集積されている。

【００９５】このようにしてＡ相、Ｂ相の信号を出力す
ることで、外光等の影響により信号レベルが変化するこ
とを抑制し、安定した信号出力が得られるように構成さ
れている。

【００９６】また、Ａ相、Ｂ相信号出力用の受光エリア
３５の各グループを本実施の形態のように同一面内に、
櫛の歯状に組み合わせて形成することで、光検出器３４
を小型化すると共に、回折干渉パターンの同一部分から
出力信号を得ることができるため、より安定な信号を得
ることが可能となっている。

【００９７】光検出器３４の受光面上の受光エリア３５
は図１７に示す通り、それぞれ隣り合った受光エリアと
その凹凸部分をかみ合わせた配置とされている。

【００９８】従来技術による光検出器３４は、図１８に
示すように構成されている。

【００９９】図１９の（ａ）、（ｂ）は、このような受
光エリア群による出力信号の例を示している。

【０１００】このように、従来技術による光検出器３４
では、リサージュ信号の形状が方形となってしまうた
め、いずれの方法による信号分割にも適さなかった。

【０１０１】−方、図１７に示すように光検出器を構成
した場合、隣合う受光エリア間の境界部の信号が両受光
エリアによって出力されるため、図２４の（ａ）、
（ｂ）に示すように略正弦波状の信号を出力することが
可能である。

【０１０２】さらに、本実施の形態においては、隣合う
受光エリア間の境界部が交互に凹部と凸部を組み合わせ
るように構成されているため、光検出器３４の受光面上
に投影された回折干渉パターンを効率よく受光エリアか
ら取り入れることができるため、出力信号強度を向上さ
せることができる。

【０１０３】また、図１７に示されるように、各受光エ
リア３５の凹凸の数が複数形成されているため、例え
ば、スケールとへッド間の配置が相対的に変化したり、
スケールとエンコーダヘッド間のギャップが変化するな
どの理由により、光検出器３４の受光面上に形成される
回折干渉パターンの投影される位置が図１７における上
下方向に移動した場合においても、出力信号の形状が変
化しない構成となっている。

【０１０４】つまり、光検出器３４上の、スケールから
の反射光のスポットが、図１７の（１）から（２）の位
置に移動した場合でも、出力信号の形状が変化すること
はなく、略正弦波形状を維持する構成となっている。

【０１０５】上記のように構成することで、光検出器か
らの出力信号の形状を略正弦波とすることが可能であ
り、光検出器の受光面上の回折干渉バターンの位置が変
化しても光検出器からの出力信号の形状が変化すること
がなく、かつ、スケールからの回折干渉パターンを効率
よく受光することが可能であるような光検出器を有する
光学式エンコーダを構成することが可能となる。

【０１０６】従って、位相分割法等による信号分割時の
誤差を最小限にするように構成された光学式エンコーダ
を提供する事が可能となる。

【０１０７】（第２の実施の形態）次に、本発明による
光学式エンコーダの第２の実施の形態について図２０を
用いて説明する。

【０１０８】本実施の形態においては、各部材の構成は
図９に示されるような、本発明の第１の実施の形態と同
様に構成されており、基本的な動作についても、第１の
実施の形態と同様である。

【０１０９】この第２の実施の形態においては、図９の
光検出器３４の受光エリア３５が図２０に示されるよう
に構成されている。

【０１１０】すなわち、各受光エリア３５の受光エリア
ユニット３７の形状を、スケール２０の移動方向につい
て正弦波によって表されるような形状とし、この受光エ
リアユニット３７を光検出器３４の受光面内において、
スケール２０の移動方向とは垂直に併設するように構成
されている。

【０１１１】このように構成することにより、スケール
２０からの、光検出器３４の受光面上に形成される回折
千渉パターンが図１０に示すような強度分布を有してい
る場合において、より正弦波に近い出力信号形状を形成
することが可能となる。

【０１１２】さらに、隣合う受光エリア間の境界部が交
互に凹部と凸部を組み合わせるように構成されているた
め、光検出器３４の受光面上に投影された回折干渉パタ
ーンを効率よく受光エリアから取り入れることができる
ため、出力信号強度を向上させることが可能となる。

【０１１３】また、各受光エリア３５の凹凸の数が複数
形成されているため、例えば、スケールとへッド間の配
置が相対的に変化したり、また、スケールとエンコーダ
ヘッド間のギャップが変化するなどの理由により、光検
出器３４の受光面上に形成される回折干渉パターンの投
影される位置が図２０における上下方向に移動した場合
においても、出力信号の形状が変化しない構成となって
いる。

【０１１４】上記のように構成することで、光検出器か
らの出力信号の形状をより正弦波に近い外形とすること
が可能であり、光検出器の受光面上の回折干渉パターン
の位置が変化しても光検出器からの出力信号の形状が変
化することがなく、かつ、スケールからの回折干渉パタ
ーンを効率よく受光することが可能であるような光検出
器を有する光学式エンコーグを構成することが可能とな
る。

【０１１５】従って、位相分割法等による信号分割時の
誤差を最小限にするように構成された光学式エンコーダ
を提供することが可能となる。

【０１１６】（第３の実施の形態）次に、本発明による
光学式エンコーダの第３の実施の形態について、図２
２、２３、２５および２６を用いて説明する。

【０１１７】なお、本実施の形態においては、各部材の
構成は図９に示されるような、本発明の第１の実施の形
態と同様に構成されており、基本的な動作についても、
第１の実施の形態に記されているため、ここでは、主
に、第１の実施の形態との相違点について記す。

【０１１８】図２２では、光検出器３４の受光エリア３
５は矩形を有しており、その表面に遮光部４２が以下の
ルールに従い形成されている。

【０１１９】すなわち、遮光部４２はスケールの移動方
向について、受光エリア３５の端部ではより多くの光を
遮るように、また、中心部では端部に比してより少なく
遮光するように形成されており、受光エリア３５の実効
的な光感度が、略正弦波で表されるような割合いで遮光
部４２が形成されている。

【０１２０】この遮光部４２は金属など完全に光を遮る
部材を受光面上に形成し、端部と中心部の遮光面積を調
整して構成してもよいし、光源から出射される光ビーム
の一部を吸収するような部材を用いてもよい。

【０１２１】また、図２３は光検出器３４の受光エリア
３５上に、スケールからの反射光の一部を透過するよう
な部材を一体形成することで、光検出器３４の受光エリ
ア３５に実効的な感度分布を持たせた例を示している。

【０１２２】すなわち、光検出器３４の受光エリア３５
を、スケールの移動方向、すなわち図のｘ方向に５つの
エリア４８、４７、４６、４７、４８に分割し、それぞ
れの光透過率を目的とする出力信号波形を形成するよう
に調整される。

【０１２３】図２３における、受光エリア３５の断面
は、図２５および図２６に示されている。

【０１２４】すなわち、図２５の（ａ）では、光検出器
２４の受光エリア３５上に、第１の遮光部材７０が形成
されており、さらに、この第１の遮光部材７０上に第２
の遮光部材７２が形成されている。

【０１２５】このとき、第１、第２の遮光部材の光透過
率は、光検出器３４からの出力信号の波形をどのような
形状に制御するかにより選択される。

【０１２６】また、図２５の（ｂ）においては、光検出
器３４の受光エリア３５上に、第１、第２の遮光部材７
０，７２が形成されている。

【０１２７】ここで、第１の遮光部材７０の光透過率
は、第２の遮光部材７２の光透過率よりも大きく、すな
わち、より多くの光を透過させるように設定されてい
る。

【０１２８】図２５に示すように形成することで、光検
出器３４からの出力信号の形状を略正弦波にすることが
可能である。

【０１２９】また、図２６の（ａ）では、光検出器２４
の受光エリア３５上に、第１の遮光部材７０が形成され
ており、さらに、この第１の遮光部材７０上に第２の遮
光部材７２が形成されている。

【０１３０】このとき、第１、第２の遮光部材の光透過
率は、光検出器３４からの出力信号の波形をどのような
形状に制御するかにより選択される。

【０１３１】また、図２５の（ｂ）においては、光検出
器３４の受光エリア３５上に、第１、第２の遮光部材７
０，７２が形成されている。

【０１３２】ここで、第１の遮光部材７０の光透過率
は、第２の遮光部材７２の光透過率よりも大きく、すな
わち、より多くの光を透過させるように設定されてい
る。

【０１３３】また、これらを図２６に示すように形成す
ることで、光検出器３４からの出力信号の形状を略三角
波にする事が可能である。

【０１３４】本実施の形態においては、受光エリア３５
を５つのエリア４８、４７、４６、４７、４８に分割し
て出力信号波形の制御を行う例を示したが、５つより多
くのエリアに分割しても横わないし、少ないエリアに分
割しても構わない。

【０１３５】また、本実施の形態においては、受光エリ
ア３５の実効的な受光感度、すなわち遮光部材の光透過
率の分布は図のｘ方向に対称とした例を示したが、左右
非対称な透過率分布であっても構わない。

【０１３６】本実施の形態のように光検出器３４の受光
エリア３５を形成することで、光検出器からの出力信号
の形状を制御することが可能となるため、信号分割時の
誤差を最小限にするように構成された光学式エンコーダ
を超小型、高分解能で、しかも安価に提供することが可
能となる。

【０１３７】（第４の実施の形態）次に、本発明による
光学式エンコーダの第４の実施の形態について、図１５
を用いて説明する。

【０１３８】図１５中、第１の実施の形態で説明した部
材と同質の部材は同じ符号で示してある。

【０１３９】これらの部材の詳細は第１の実施の形態の
説明を参照することにし、以下では第１の実施の形態と
の相違点に重点をおいて説明する。

【０１４０】本実施の形態においては、図１５に示され
るように、スケール２０からの反射光の光軸上に光を拡
散する光学素子４０を設けており、スケール２０からの
反射光による回折干渉パターンは、この光を拡散する光
学素子４０を通って光検出器３４の受光面上に投影され
る。

【０１４１】このときの光検出器３４の受光面上の回折
干渉パターンの光強度分布は、図１６に示されるような
プロファイルを形成する。

【０１４２】スケール２０からの反射光の光軸上に光を
拡散する光学素子４０が設けられていない場合の回折干
渉パターンの強度分布（図１０）に比して、明部、すな
わち、検出される光強度が強い部分と、暗部、すなわ
ち、検出される光強度が弱い部分の境界が緩やかに変化
するようになる。

【０１４３】このとき、前記光を拡散する光学素子４０
の光を拡散する割合いを適当に選択することで、光検出
器３４からの出力信号を、図２４に示すような略正弦波
として形成することが可能となる。

【０１４４】なお、本実施の形態において、光を拡散す
る部材４０は、受光素子３４の受光面上に配置すること
により、小型化が容易であり、光を拡散する部材４０を
受光素子３４と一体形成することが可能な光学式エンコ
ーダを構成することが可能となる。

【０１４５】また、エンコーダヘッド３０が搭載される
筐体（図示せず）の、スケール２０からの回折干渉パタ
ーンが光検出器３４の受光面に投影されるときに通過す
る窓部近傍に配置することにより、エンコーダヘッドの
組立最終工程において、光を拡散する光学素子４０を搭
載することが可能となる。

【０１４６】このように構成することにより、出力信号
をチエックしながら光を拡散する光学素子４０を選択す
ることが可能となる。

【０１４７】さらには、スケール２０の表面近傍に設け
ることも可能である。

【０１４８】このようなスケールとすることにより、ス
ケールを交換するだけで、光検出器４０からの出力信号
の波形を制御することが可能となる。

【０１４９】上記のように構成することで、光検出器か
らの出力信号の形状を略正弦波とすることが可能となる
ため、位相分割法等による信号分割時の誤差を最小限に
するように構成された光学式子ンコーダを超小型、高分
解能で、しかも安価に提供することが可能となる。

【０１５０】本発明の上記実施の形態について、光源３
２、光検出器３４は同一チップ上に形成することも可能
である。

【０１５１】また、信号処理回路や面発光レーザのドラ
イブ電源、出力信号のアナログデジタル変換回路等は光
検出器３２もしくは光検出器３４上に集積することも可
能である。

【０１５２】よた、本実施の形態においては、図９を用
いて面発光レ−ザ３２と光検出器３４がスケール２０の
同一面側に位置している場合、すなわち反射型の光学式
エンコーダを例にとつて説明したが、透過型の場合にお
いても同様の効果を得ることができる。

【０１５３】さらに、本発明の実施の形態においては、
主に、光検出器からの出力信号を略正弦波とする方式に
ついて説明したが、ほぼ同様の手法を用いて、光検出器
の実効的な光感度を所定の分布とすることで、略三角波
を形成したり、または信号処理方法に応じて所望の形状
に制御することが可能である。

【０１５４】本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲内
に置いて種々多くの変形や修整が可能であり、上に説明
した実施の形態はその一例に過ぎない。

【０１５５】そして、上述したような実施の形態で示し
た本明細書には、特許請求の範囲に示した請求項１乃至
３以外にも、以下に付記１乃至付記１３として示すよう
な発明が含まれている。

【０１５６】（付記１） 光源と、上記光源から射出す
る光ビームを横切るように変位し、かつ、前記光ピーム
に照射される所定周期の光学パターンを形成したスケー
ルと、前記光学パターンを経由した前記光ビームを受光
して、前記光学パターンによつて生じた明暗パターンを
検出する光検出器とを具備し、前記光検出器は複数の受
光エリアが前記スケールの移動方向に並列に配置してお
り、各受光エリアの形状において隣接する受光エリアが
ある辺は略波線であり、隣接する受光エリア間で前記略
波線の凹凸が噛み合わされていることを特徴とする光学
式エンコーダ。

【０１５７】（効果）スケールの移動にともなう光検出
器の出力変化が略正弦波となり、リサージュ図形による
位相分割法に好適な光学式エンコーダを提供することが
できる。

【０１５８】（付記２） 光源と、上記光源から射出す
る光ビームを横切るように変位し、かつ、前記光ビーム
に照射される所定周期の光学パターンを形成したスケー
ルと、前記光学パターンを経由した前記光ビームを受光
して、前記光学パターンによつて生じた明暗パターンを
検出する光検出器とを具備し、前記光検出器の受光エリ
アの形状が、前記スケールの移動方向において、略正弦
波関数の輪郭であることを特徴とする光学式エンコー
ダ。

【０１５９】（効果）スケールの移動にともなう光検出
器の出力変化が略正弦波となり、リサージュ図形による
位相分割法に好適な光学式エンコーダを提供することが
できる。

【０１６０】（付記３） 光源と、上記光源から射出す
る光ビームを横切るように変位し、かつ、前記光ビーム
に照射される所定周期の光学パターンを形成したスケー
ルと、前記光学パターンを経由した前記光ビームを受光
して、前記光学パターンによつて生じた明暗パターンを
検出する光検出器とを具備し、前記光検出器は、前記ス
ケールの移動方向において略正弦波の輪郭をもつ受光エ
リアユニットを、前記スケールの移動方向と直文する方
向に複数設けていることを特徴とする光学式エンコー
ダ。

【０１６１】（効果）スケールの移動にともなう光検出
器の出力変化が略正弦波となり、リサージュ図形による
位相分割法に好適であり、信号の強度が強く、アライン
メントの変動に対する影譬の少ない光学式エンコーダを
提供することができる。

【０１６２】（付記４） 光源と、上記光源から射出す
る光ビームを横切るように変位し、かつ、前記光ビーム
に照射される所定周期の光学パターンを形成したスケー
ルと、前記光学パターンを経由した前記光ビームを受光
して、前記光学パターンによつて生じた明暗パターンを
検出する光検出器とを具備し、前記光検出器は、前記ス
ケールの移動方向において、受光エリアの実効的透過率
分布が不均一であることを特徴とする光学式エンコー
ダ。

【０１６３】（効果）受光エリアの実効的透過率分布の
選択により、スケールの移動による光検出器からの出力
信号の変化を所望の形状にできる。

【０１６４】（付記５） 光源と、上記光源から射出す
る光ビームを横切るように変位し、かつ、前記光ビーム
に照射される所定周期の光学パターンを形成したスケー
ルと、前記光学パターンを経由した前記光ビームを受光
して、前記光学パターンによつて生じた明暗パターンを
検出する光検出器とを具備し、前記光検出器は、受光エ
リアの前に遮光部材を有することにより、前記スケール
の移動方向において、受光エリアの実効的受光感度分布
を不均−にしていることを特徴とする光学式エンコー
ダ。

【０１６５】（効果）遮光部歳による受光エリアの実効
的透過率分布の選択により、スケールの移動による光検
出器からの出力信号の変化を所望の形状にできる。

【０１６６】（付記６） 光源と、上記光源から射出す
る光ビームを横切るように変位し、かつ、前記光ビーム
に照射される所定周期の光学パターンを形成したスケー
ルと、前記光学パターンを経由した前記光ビームを受光
して、前記光学パターンによって生じた明暗パターンを
検出する光検出器とを具備し、前記光検出器は、受光エ
リアの前に反射又は透過率の分布を有する光学薄膜を有
することにより、前記スケールの移動方向において、受
光エリアの実効的受光感度分布を不均一にしていること
を特徴とする光学式エンコーダ。

【０１６７】（効果）光学薄膜による受光エリアの実効
的透過率分布の選択により、スケールの移動による光検
出器からの出力信号の変化を所望の形状にできる。

【０１６８】（付記７） 光源と、上記光源から射出す
る光ビームを横切るように変位し、かつ、前記光ビーム
に照射される所定周期の光学パターンを形成したスケー
ルと、前記光学パターンを経由した前記光ビームを受光
して、前記光学パターンによつて生じた明暗パターンを
検出する光検出器とを具備し、前記光検出器は、前記ス
ケールの移動方向において、受光エリアの周辺部が中心
部より光が遮光されるような受光エリアの実効的受光感
度分布をもっていることを特徴とする光学式エンコー
ダ。

【０１６９】（効果）スケールの移動にともなう光検出
器の出力変化が略正弦波となり、リサージュ図形による
位相分割法に好適な光学式エンコーダを提供することが
できる。

【０１７０】（付記８） 光源と、上記光源から射出す
る光ビームを横切るように変位し、かつ、前記光ビーム
に照射される所定周期の光学パターンを形成したスケー
ルと、前記光学パターンを経由した前記光ビームを受光
して、前記光学パターンによつて生じた明暗パターンを
検出する光検出器とを具備し、前記スケールから前記光
検出器に至る前記光ビームの光路中に、光を拡散する光
学素子を設けたことを特徴とする光学式エンコーダ。

【０１７１】（効果）スケールの移動にともなう光検出
器の出力変化が略正弦波となり、リサージュ図形による
位相分割法に好適な光学式エンコーダを提供することが
できる。

【０１７２】（付記９） 前記光を拡散する素子は前記
光検出器の受光エリアに固定されていることを特徴とす
る付記８記載の光学式エンコーダ。

【０１７３】（効果）光学式エンコーダを小型にでき、
あるいは、低価格で提供できる。

【０１７４】（付記１０） 前記光を拡散する素子は前
記スケールのパターン面の近傍に配置されていることを
特徴とする請求項８記載の光学式エンコーダ。

【０１７５】（効果）低コストの光学式エンコーダを提
供できる、又は様々なエンコーダヘッドに適応可能であ
る、又はスケールを交換するだけで光検出器からの出力
信号の波形を制御できる。

【０１７６】（付記１１） 前記光源と前記光検出器は
同一の筐体に固定されており、この筐体には前記スケー
ルを経由した前記光ビームが透過する窓部があり、この
窓部近傍に前記光を拡散する光学素子が配置されている
ことを特徴とする付記８記載の光学式エンコーダ。

【０１７７】（効果）エンコーダの組み立て最終工程出
で光を拡散する光学素子を搭載できるので、出力信号を
チェックしながら素子を選択できる。

【０１７８】（付記１２） 前記光源は面発光レーザで
あることを特徴とする請求項１乃至３付記１乃至８記載
の光学式エンコーダ。

【０１７９】（効果）レンズ等の部品を用いることな
く、ビームスポットの形状を制御できる。

【０１８０】（付記１３） 前記光源が可干渉光源であ
り、前記光検出器の検出する明暗パターンは回折干渉パ
ターンであり、前記レーザ光源の射出面と前記光学パタ
ーンの形成されている面までの距離をｚ１、前記光学パ
ターンの形成されている面から前記光検出器の受光エリ
アまでの距離をｚ２、前記光学パターンのピッチをｐ
１、ｎを自然数としたときに、前記光検出器は受光エリ
アは、前記回折干渉パターンのピッチ方向に、 ｎｐ１（ｚ１＋ｚ２）／ｚ１ の間隔で形成された複数の群になっていることを特徴と
する請求項１乃至３付記１乃至１５に記載の光学式エン
コーダ。

【０１８１】（効果）小型、高分解能、低コストの光学
式エンコーダを提供することができる。

【０１８２】

【発明の効果】従って、以上詳述したように、請求項１
に記載の本発明によれば、受光感度の分布の選択によ
り、スケールの移動による光検出器からの出力信号の変
化を所望の形状にできるので、様々な信号処理方法に適
したエンコーダ信号を出力することが可能な光学式エン
コーダを、極めて簡単な構成を有し、高分解能で、かつ
安価で提供することができる。

【０１８３】また、以上詳述したように、請求項２に記
載の本発明によれば、リサージュ図形による位相分割法
に好適な光学式エンコーダを提供することができる。

【０１８４】また、以上詳述したように、請求項２に記
載の本発明によれば、スケールの移動にともなう光検出
器の出力変化が略正弦波となり、リサージュ図形による
位相分割法に好適な光学式エンコーダを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、レンズなどの光学部品を必要としない
小型・低コストなエンコーダの一例として、面発光レー
ザと反射型スケールを用いた第１の従来技術によるレー
ザエンコーダを示す構成図である。

【図２】図２は、レンズなどの光学部品を必要としない
小型・低コストなエンコーダの一例である第２の従来技
術によるレーザエンコーダを示す構成図である。

【図３】図３は、第２の従来技術によるレーザエンコー
ダの動作を説明するために示した図である。

【図４】図４は、９０度の位相差を有する従来技術によ
るＡ相、Ｂ相の信号と、これら２つのＡ相、Ｂ相の信号
をｘ，ｙ表示することによって得られるリサージュ図形
を示した図である。

【図５】図５は、９０度の位相差を有する従来技術によ
るＡ相、Ｂ相の信号と、これら２つのＡ相、Ｂ相の信号
をｘ，ｙ表示することによって得られるリサージュ図形
を示した図である。

【図６】図６は、他の従来技術として、エンコーダから
のアナログ出力信号をスライスレベルにより分割する分
割方法を説明するために示した図である。

【図７】図７は、従来の光学式エンコーダに用いられる
スケール２０上に形成されるパターン２２が、矩形のパ
ターン２２をスケール２０の変位方向に周期的に並ベて
形成されていることを説明するために示した図である。

【図８】図８は、他の従来技術として、光検出器の手前
に固定スリットを用いる方式のエンコーダにおいて、光
検出器の出力信号を理想的な正弦波に近づける方法とし
て、固定スリットのみをｓｉｎ関数で表される輪郭を有
するように設計する例を説明するために示した図であ
る。

【図９】図９は、本発明による光学式エンコーダの第１
の出力信号波形の改善方法に関わる光学式エンコーダの
原理および本発明による光学式エンコーダの第１の実施
形態を説明するために示した図である。

【図１０】図１０は、図９の光検出器３４の受光面上に
形成されるスケール２０からの反射光による回折干渉パ
ターンの光強度分布として、光検出器３４の受光面上に
光を拡散する光学素子４０を設けていない場合について
説明するために示した図である。

【図１１】図１１の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）
は、図９のスケール２０がエンコーダヘッドに対して相
対的に移動するときに、光検出器３４の受光面上の回折
干渉パターン４４が移動する順序を説明するために示し
た図である。

【図１２】図１２は、このときの光検出器３４の出力信
号の例を、受光エリア３５が実効的な感度分布を持たな
い場合について説明するために示した図である。

【図１３】図１３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）
は、図９の光検出器３４の受光エリア３５が、正弦波で
表されるような外形を有する場合について、光検出器３
４の受光面上の回折干渉パターン４４の動きを説明する
ために示した図である。

【図１４】図１４は、このときの光検出器３４の出力信
号の例を説明するために示した図である。

【図１５】図１５は、本発明による光学式エンコーダの
第２の出力信号波形の改善方法にに関わる光学式エンコ
ーダの原理および本発明による光学式エンコーダの第４
の実施の形態について説明するために示した図である。

【図１６】図１６は、図１５の光検出器３４の受光面上
に形成されるスケール２０からの反射光による回折干渉
パターンの光強度分布を、光検出器３４の受光面上に光
を拡散する光学素子４０を設けた場合について説明する
ために示した図である。

【図１７】図１７は、図１５の光検出器３４の受光面上
の受光エリア３５とが、それぞれ隣り合った受光エリア
とその凹凸部分をかみ合わせた配置とされていることを
説明するために示した図である。

【図１８】図１８は、従来技術による光検出器３４の構
成を説明するために示した図である。

【図１９】図１９の（ａ）、（ｂ）は、図１７に示すよ
うな受光エリア群による出力信号の例を説明するために
示した図である。

【図２０】図２０は、本発明による光学式エンコーダの
第２の実施の形態における光検出器３４の受光エリア３
５の構成を説明するために示した図である。

【図２１】図２１の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）
は、本発明による光学式エンコーダの第２の実施の形態
におけるスケール２０がエンコーダヘッドに対して相対
的に移動するときに、光検出器３４の受光面上の回折干
渉パターン４４が移動する順序を説明するために示した
図である。

【図２２】図２２は、本発明による光学式エンコーダの
第３の実施の形態における光検出器３４の受光エリア３
５およびその表面に形成される遮光部４２の構成を説明
するために示した図である。

【図２３】図２３は本発明による光学式エンコーダの第
３の実施の形態における光検出器３４の受光エリア３５
上に、スケールからの反射光の一部を透過するような部
材を一体形成することで、光検出器３４の受光エリア３
５に実効的な感度分布を持たせた例を説明するために示
した図である。

【図２４】図２４は、本発明による光学式エンコーダに
おいて、９０度の位相差を有する正弦波状のＡ相、Ｂ相
の信号と、これら２つのＡ相、Ｂ相の信号をｘ，ｙ表示
することによって得られるリサージュ図形を示した図で
ある。

【図２５】図２５は、図２３における、受光エリア３５
の断面形状を説明するために示した図である。

【図２６】図２６は、図２３における、受光エリア３５
の別の断面形状を説明するために示した図である。

【符号の説明】

２０…反射型の回折格子スケール、 ３０…センサ（エンコーダ）ヘッド、 ３２…コヒーレント光源である面発光レーザ、 ３４…光検出器、 ３５…光検出器３４の受光エリア、 ３６…基材、 ４０…光を拡散する光学素子、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 羽根 潤 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 Ｆターム(参考） 2F103 BA00 BA31 BA37 CA03 CA08 DA01 DA12 EA02 EA15 EB02 EB07 EB15 EB21 EB32 FA11

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、 上記光源から射出する光ビームを横切るように変位し、
   かつ、前記光ビームに照射される所定周期の光学パター
   ンを形成したスケールと、 前記光学パターンを経由した前記光ビームを受光して、
   前記光学パターンによって生じた明暗パターンを検出す
   る光検出器とを具備し、 前記光検出器は受光エリアの実効的な受光感度分布が不
   均一であることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 【請求項２】 前記光検出器の受光エリアの実効的な受
   光感度分布は、前記スケールの移動にともなう出力信号
   の変化が、略正弦波の形状となるように設定されている
   ことを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
3. 【請求項３】 光源と、 上記光源から射出する光ビームを横切るように変位し、
   かつ、前記光ビームに照射される所定周期の光学パター
   ンを形成したスケールと、 前記光学パターンを経由した前記光ビームを受光して、
   前記光学パターンによって生じた明暗パターンを検出す
   る光検出器とを具備し、 前記光検出器の受光エリアが、前記スケールの移動方向
   において、中心部分が他の部分より幅が広いことを特徴
   とする光学式エンコーダ。