JP2002005694A

JP2002005694A - 光学スケール及びその成形用金型及び光学式エンコーダ

Info

Publication number: JP2002005694A
Application number: JP2001104997A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Igaki; 正彦井垣; Manabu Takayama; 学高山
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-04-17
Filing date: 2001-04-03
Publication date: 2002-01-09
Anticipated expiration: 2021-04-03
Also published as: US6891150B2; JP4726168B2; US20020000515A1

Abstract

(57)【要約】【課題】製作が容易でありながら、高精度な移動信号の
出力を可能とする光学スケールを製造するための成形用
金型を提供する。【解決手段】固定型８と可動型７を有し、光学スケール
３を成形するための成形用金型であって、光学スケール
３のシャフト取り付け穴３ｆを成形する第１の金型部１
３と、光学スケール３のスリット部１１を成形する第２
の金型部１２の双方が、固定型８あるいは可動型７のど
ちらか一方に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高精度に移動情報を
検出する光学式エンコーダ、及びそれに用いる光学スケ
ール、及びこれを成形するための成形用金型に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来より知られている移動体の位置や速
度を検出する方法としては、大別すると磁気式エンコー
ダによる方法と、光学式エンコーダによる方法がある。
このうち、光学式エンコーダは、主として投光部と受光
部とスケールとで構成される。スケールは、薄いＳＵＳ
（ステンレス）材が使用され、精密プレス打抜き、ある
いはエッチングによって製作されるのが一般的であり、
実開昭６３−３３４０９号公報記載のものもこれに相当
する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術によって製作されたスケールは、モーターシャフ
トに固定するために必要なハブ部が別部品で構成される
ために、スケールスリット部とハブ部の同軸度を保証す
るため、スケールとハブを接着する際に調整を行う必要
があり、製作に手間がかかるという問題点があった。

【０００４】また、従来より光学式ロータリエンコーダ
用スケールとしては、板厚０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程
度の金属板をエッチング等の手法で、スリット部を形成
した金属スケール、あるいは、厚み０．２ｍｍ程度の写
真製版用フィルムに光透過部と光吸収部を写真現像等の
手段でスリットを形成したフィルムスケール、精度を要
求される分野で用いられる高精度なスケールとしては、
ガラス基板に金属薄膜を蒸着してスリット部をフォトエ
ッチング等の手法で形成したガラス製のスケール等がし
られている。

【０００５】しかしながら、上述のいずれのスケールも
回転軸との結合部分はハブ部材を介して間接的に結合さ
れるため、スケールに形成されたスリット部の中心と回
転軸との間の偏芯精度を高精度に保ちながら固定するこ
とが困難で、高度の調整を要していた。また、同様に上
述の構成のため、回転に伴うスケールの面振れについて
も回転軸との直角度を高精度に保つことが困難である。
さらには、金属スケールやフィルムスケールではスケー
ルの厚みが０．２ｍｍ以下であるため、その平面度が劣
り、面の振れ（ばたつき）が大きく、角度検知精度の劣
化要因となっている。平面度が比較的高精度に得られる
ガラス製スケールでは直角度精度を高めることは比較的
容易であるが、衝撃に弱く、また高価であるという欠点
を有していた。

【０００６】また、こうした精度劣化要因を回避しよう
と試みた施策が結果的に、エンコーダユニットの小型
化、ローコスト化の妨げになるという問題点を招いてい
る。たとえば、エンコーダの厚み方向（軸スラスト方
向）の寸法に関しては、面の振れを極力抑えるためにス
ケール取り付けハブの寸法を長くとることが求められ、
エンコーダユニット全体のスラスト方向の寸法が増大
し、エンコーダの薄型化の妨げとなったり、同軸度、直
角度を高精度に維持しながら結合組立を行うため、高度
な調整工程が必要となりコストが増大していた。

【０００７】従って、本発明は上述した課題に鑑みてな
されたものであり、その目的は、製作が容易でありなが
ら、高精度な移動信号の出力を可能とする光学スケール
及びその成形用金型及び光学式エンコーダを提供するこ
とである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決し、
目的を達成するために、本発明に係わる光学スケールの
成形用金型は、固定型と可動型を有し、光学スケールを
成形するための成形用金型であって、前記光学スケール
のシャフト取り付け穴を成形する第１の金型部と、前記
光学スケールのスリット部を成形する第２の金型部の双
方が、前記固定型あるいは可動型のどちらか一方に配置
されていることを特徴としている。

【０００９】また、この発明に係わる光学スケールの成
形用金型において、前記光学スケールは、移動体の位置
あるいは速度を光学的に検出するエンコーダに用いられ
ることを特徴としている。

【００１０】また、この発明に係わる光学スケールの成
形用金型において、前記第１の金型部は、前記第２の金
型部に形成された嵌合穴に嵌合した状態で取り付けられ
ていることを特徴としている。

【００１１】また、この発明に係わる光学スケールの成
形用金型において、前記第１の金型部と前記第２の金型
部とは、一体に構成されていることを特徴としている。

【００１２】また、この発明に係わる光学スケールの成
形用金型において、前記光学スケールは、波面分割機能
を有することを特徴としている。

【００１３】また、この発明に係わる光学スケールの成
形用金型において、前記光学スケールは、Ｖ溝構造を有
することを特徴としている。

【００１４】また、本発明に係わる光学スケールは、上
記の成形用金型により製造されたことを特徴としてい
る。

【００１５】また、この発明に係わる光学スケールにお
いて、前記光学スケールは、波面分割機能を有すること
を特徴としている。

【００１６】また、この発明に係わる光学スケールにお
いて、前記光学スケールは、Ｖ溝構造を有することを特
徴としている。

【００１７】また、本発明に係わる光学式エンコーダ
は、光照射手段と、該光照射手段に対向して配置された
受光手段とを備え、前記光照射手段と前記受光手段との
間に上記の光学スケールを配置したことを特徴としてい
る。

【００１８】また、本発明に係わる光学式エンコーダ
は、光照射手段からの光束を光学スケールに入射させ、
その光束をミラーもしくは光学素子によって反射させて
前記光学スケールに戻し、該光学スケールの格子部を介
した光束を受光手段で受光することにより、移動体の位
置あるいは速度を光学的に検出する光学式エンコーダに
おいて、前記光学スケールに上記の光学スケールを用い
たことを特徴としている。

【００１９】また、本発明に係わる光学スケールは、発
光部と受光部とを有するセンサの前記発光部から出射さ
れた光を反射して前記受光部に戻すための反射部を有す
る光学スケールであって、前記光学スケールの、該光学
スケールを回転させるための軸を保持するための軸保持
部と、前記反射部とを樹脂により一体的に成形するとと
もに、前記軸保持部と前記反射部とを前記光学スケール
の同一面側に成形したことを特徴としている。

【００２０】また、この発明に係わる光学スケールにお
いて、前記軸保持部は、前記光学スケールを回転させる
ための軸と嵌合する有底凹形状部を有し、該有底凹形状
部に樹脂材料のゲートを配置したことを特徴としてい
る。

【００２１】また、この発明に係わる光学スケールにお
いて、前記軸保持部は、前記光学スケールを回転させる
ための軸と嵌合する凸形状部を有し、該凸形状部に樹脂
材料のゲートを配置したことを特徴としている。

【００２２】また、この発明に係わる光学スケールにお
いて、前記軸保持部と、前記光学スケールを回転支持す
るための軸受け内輪部とを結合したことを特徴としてい
る。

【００２３】また、本発明に係わる光学式エンコーダ
は、上記の光学スケールを用いた光学式エンコーダであ
って、前記センサを、前記光学スケールを回転支持する
ための軸受けと同一保持部材上に配置したことを特徴と
している。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて、添付図面を参照して詳細に説明する。

【００２５】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態の光学スケールを製造するための金型の断面
図であり、図２は従来例を示す図である。

【００２６】図２のように、光学スケール３のスリット
部１１を形成する金型部１２とシャフト取り付け穴３ｆ
を形成する金型部１３が可動側の型７と固定側の型８の
それぞれに配置されている場合、可動型７と固定型８の
合わせによりスリット部１１とシャフト取り付け穴３ｆ
の位置関係は変動する。これにより図２の金型構成によ
って製作された光学スケールを光学式エンコーダに用い
た際、その出力信号における累積精度は、ばらつきを大
きく持つこととなり、高精度な速度制御や位置決め制御
を行うことが困難となる。

【００２７】これに対して、図１に示すようなスリット
部１１を形成する金型部１２とシャフト取り付け穴３ｆ
を形成する金型部１３の両金型部が固定型８のみに配置
されている場合は、これら２つの金型部の位置関係は加
工時の嵌合精度に依存するため、安定した同軸度を得る
ことが可能となる。このことにより、光学スケールの出
力信号における累積精度ばらつきを低減させることが可
能となり、さらにその累積精度からスリット部１１とシ
ャフト取り付け穴３ｆの偏芯を算出し、その値をもとに
偏芯を補正することにより、さらに高精度の出力信号を
検出することが可能となる。なお、図１において、１０
は樹脂材料を金型内に射出するためのゲートであり、９
は可動型７と固定型８を分離するパーテーションライン
である。

【００２８】次に、図１に示した金型構造によって製作
された光学スケールを光学式ロータリーエンコーダに用
いた場合の出力信号における累積精度について説明す
る。

【００２９】図３は光学系の要部斜視図、図４は光学系
の要部断面図、図５は光学スケールの説明と、光学スケ
ールの格子部と受光部からの信号の説明のための図、図
６は光学スケールの要部断面図である。

【００３０】図中、１は光源であり、例えばＬＥＤや半
導体レーザで構成し、波長λ（６３２．８ｎｍ）の可干
渉性光束を発している。２はレンズ系であり、球面レン
ズ又は非球面レンズより成り、光源１からの光束を集光
して、後述する光学スケール３に導光している。

【００３１】光源１とレンズ系２は、光照射部ＬＲの一
要素を構成している。３は位相差検出機能と振幅型の回
折格子機能とを有する光学スケールであり、図３に示す
ように円板状の基板の表面上に一定周期の複数の放射状
格子より成る格子部３ｄを設けて構成されている。光学
スケール３の基板は透光性の光学材料（樹脂材料）より
成り、回転体（不図示）の一部に取り付けられており、
その回転体と一体的に回転軸３ｅを中心に矢印６方向に
回転する。

【００３２】図５（Ａ），（Ｂ）は光学スケール３の格
子部３ｄの詳細図であり、Ｖ溝部を構成する２つの傾斜
面３０ｂ−１，３０ｂ−２と１つの平面部３０ａが所定
のピッチＰで交互に配列されて格子部３ｄを形成してい
る。Ｖ溝幅は（１／２）Ｐであり、またＶ溝を形成する
２つの傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２は各々（１／４）
Ｐの幅を有し、各々の傾斜面３０ｂ−１，３０ｂ−２
は、平坦部３０ａに対し各々臨界角以上、本実施形では
θ＝４５°で傾いている。

【００３３】本実施形態では、光学スケール３の材質を
ポリカーボネイトとし、射出成形もしくは圧縮成形等の
製法によって作成している。この時、光学スケールを成
形する金型は、図１のような固定型８と可動型７からな
る成形金型であり、光学スケール３のシャフト取り付け
穴３ｆを形成する金型部１３とスリット部１１を形成す
る金型部１２の両金型部が可動型７もしくは固定型８の
どちらか一方に構成され、両金型部の位置関係が高精度
に保たれている。

【００３４】図６にその光学スケール３の断面図を示
す。この光学スケール３は、モーターのシャフトに組付
けるためのボス３ｇとフランジ３ｈが一体成形されてい
る。このボス３ｇの軸中心から図１のようにピンゲート
１０で樹脂を流入させ、樹脂の流れを軸中心から放射状
にすることにより素材内の配向や内部歪みが均一になり
高精度の光学スケールを得ている。これは、光学スケー
ル３のＶ溝の形状を忠実に成形で再現しなければＳ／Ｎ
の良い信号を得ることができないため、Ｖ溝の溝方向と
平行に樹脂が流れるようにするものである。４は凹面ミ
ラーであり、球面ミラー、楕円ミラー、放物ミラー、非
球面ミラー等から成っている。凹面ミラー４は格子部３
ｄのフーリエ変換面に一致している。

【００３５】本実施形態では図３，図４に示すように、
レンズ系２で集光され、光学スケール３の第１領域３ａ
に入射した光束が光学スケール３の格子部で回折し、こ
のときｎ次の回折光（０次と±１次の回折光）が凹面ミ
ラー４の面又はその近傍（凹面ミラー４の瞳位置又はそ
の近傍）に集光するように各要素を設定している。

【００３６】凹面ミラー４の光軸と入射光束の中心光線
（主光線）は図４に示すように偏心量Δだけ偏心してい
る。凹面ミラー４は、光学スケール３で回折し、集光し
てきた収束光束（３つの回折光束）を反射させ、光学ス
ケール３の面上の第２領域３ｂに３つの回折光に基づく
干渉パターン像（像）を再結像させている。このとき光
学スケール３が回転方向６に移動すると再結像した像は
回転方向６とは反対の方向に移動する。即ち、格子部と
干渉パターン像は相対的に光学スケール３の移動量の２
倍の値で相対変位する。本実施形態では、これにより光
学スケール３に構成されている格子部の２倍の分解能の
回転情報を得ている。

【００３７】５は受光部であり、光学スケール３の格子
部３ｄの第２領域３ｂ近傍に形成した干渉パターンと格
子部のＶ溝との位相関係に基づく光束が第２領域３ｂで
幾何学的に屈折され、射出した３つの光束を各々受光す
るための３つのフォトディテクタ（受光素子）５ａ，５
ｂ，５ｃを有している。この受光部５からの信号をパル
スカウント回路や回転方向の判別回路を有する信号処理
回路によって処理し、これより回転情報を得ている。な
お、光源１、レンズ系２、そして受光部５は筐体ＰＫ内
に固定保持されている。

【００３８】次に本実施形態における光学スケール（回
転体）３の回転情報の検出方法について説明する。

【００３９】光照射部の一要素であるＬＥＤ１からの光
束をレンズ系２により凹面ミラー面上４の反射面又はそ
の近傍に集光するようにしている。この収束光を図３に
示すように光学スケール３の格子部３ｄ上の第１領域３
ａに入射させる。第１領域３ａに入射した収束光のうち
図５に示す格子部３ｄの平面部３０ａに到達した光線は
該平面部３０ａを通過して凹面ミラー４に進み、その面
上に結像する。またＶ溝を構成する傾斜面３０ｂ−１に
到達した光線は、傾斜面３０ｂ−１の傾斜角が臨界角以
上に設定されているため、図に示すように全反射してＶ
溝を構成する他方の傾斜面３０ｂ−２に向けられ、傾斜
面３０ｂ−２においても全反射する。

【００４０】このように最終的に格子部３ｄの傾斜面３
０ｂ−１へ到達した光線は、光学スケール３の内部に進
入することなく、入射方向に戻されることになる。同様
にＶ溝を構成する他方の傾斜面３０ｂ−２に到達した光
線も全反射を繰り返して戻される。従って第１領域３ａ
においてＶ溝を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１，３０
ｂ−２の範囲に到達する光束は、光学スケール３内に進
入することなく反射され、平面部３０ａに到達した光線
のみが光学スケール３を進むことになる。

【００４１】即ち、第１領域３ａにおいて、Ｖ溝型の格
子部３ｄは透過型の振幅回折格子と同様の光学作用を有
する。この第１領域３ａの格子部３ｄで光束は回折さ
れ、格子部の作用により０次、±１次、±２次‥‥の回
折光が生じ、凹面ミラー４の面上にその回折光が集光す
る。集光した回折光は、主光線１０１ａに対して偏芯し
ている凹面ミラー４によって反射し、光学スケール３の
第２領域３ｂ部で再結像し、光学スケール３の面上に像
（放射状の溝の像）を再結像する。

【００４２】ここで第１領域３ａと第２領域３ｂは光学
スケール３の面の放射状格子の格子部３ｄに対して半径
方向に異なった（一部が重複していても良い）領域であ
る。このとき、光学スケール３は放射状の格子部３ｄを
有するため、第１領域３ａと第２領域３ｂの格子ピッチ
が異なる。さらに、第２領域３ｂの照射領域においても
光学スケール３の内周側と外周側のピッチが異なってい
る。

【００４３】そこで本実施形態では、格子部３ｄ上の第
２領域３ｂに第１領域３ａの格子部を拡大投影し、光学
スケール３の放射状の格子部３ｄのピッチと同様の像
（反転像）を形成するようにしている。そのために本実
施形態では凹面ミラー４を所望の曲率半径Ｒに設定し、
入射光束の主光線に対して偏心配置するとともに入射光
軸に対するずれ量Δも最適な値にしている。

【００４４】これによって第１領域３ａの格子部の像が
凹面ミラー４によって第２領域３ｂ面上に再結像すると
き放射状格子の一部のピッチが合致するようにしてＳ／
Ｎ比の良い検出信号を得ている。

【００４５】本実施形態では凹面ミラー４で反射し、格
子部３ｄの第２領域３ｂ上に再結像した３つの光束のう
ち、今度は格子部３ｄで幾何学的に屈折する光束のみを
用いている。

【００４６】第２領域３ｂにおいて平面部３０ａに入射
した光束は、図５（Ｂ）に示すように直線透過し、受光
部５の中央部のフォトディテクタ５ｃに到着する。ま
た、Ｖ溝面を形成する２つの傾斜面３０ｂ−１及び３０
ｂ−２に到達した光線は、各々の面に４５°の入射角を
持って入射するため、それぞれ異なる方向に大きく屈折
して受光部５の両側のフォトデイテクタ５ａ及び５ｂに
到達する。

【００４７】このように第２領域３ｂにおいて、入射光
束に対して異なる方向に傾斜した２つの傾斜面３０ｂ−
１，３０ｂ−２及びＶ溝の間の平面部３０ａの合計３種
の傾き方向の異なる面により、光束は３つの方向に別れ
て進み、各々の面に対応した位置に設けられた各フォト
ディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃに到達する。即ち第２領域
３ｂにおいてＶ溝の格子部３ｄは光波波面分割素子とし
て機能する。

【００４８】即ち第２領域３ｂの格子部と、その面上に
結像した干渉パターン像との位相関係に基づく光束が３
方向に偏向され、各フォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃ
に入射している。

【００４９】ここで光学スケール３が回転すると、各フ
ォトディテクタ５ａ，５ｂ，５ｃで検出される光量が変
化する。格子部３ｄの位置と像の位置の相対的変位に応
じ、各フォトディテクタに入射する光量バランスが変化
し、その結果、光学スケール３が反時計廻りに回転した
とすると、図５（Ｃ）に示すような光学スケール３の回
転に伴う光量変化が得られる。ここで横軸は光学スケー
ル３の回転量、縦軸は受光光量である。

【００５０】信号ａ，ｂ，ｃはそれぞれフォトディテク
タ５ａ，５ｂ，５ｃに対応している。なお、逆に光学ス
ケール３が時計廻りに回転した場合は、信号ａはフォト
ディテクタ５ｂ、信号ｂはフォトディテクタ５ａ、信号
ｃはフォトディテクタ５ｃの出力となる。これらの信号
を基に光学スケール３の回転角度や回転量あるいは回転
速度や回転加速度等の回転情報を得ている。

【００５１】なお、図５（Ｃ）は第２領域３ｂに形成さ
れる像のコントラストが非常に高く理想に近い場合の理
論的な光量変化の様子を示している。

【００５２】図７は本光学系における累積精度で、横軸
は光学スケール３の回転量、縦軸はスケールピッチの読
み取り誤差の累積値である。図７の累積精度において、
本実施形態の光学スケールを５個測定した結果、累積精
度の個体差が非常に小さく、スリット部とシャフト取り
付け穴との位置関係が成形時に保たれていることが分か
る。更に光学スケール３内に不均一な樹脂の流れが無く
Ｖ溝の転写性も良好であるため、光学スケール一周に対
する１次の偏芯成分以外の高次成分がほどんど存在して
いない。

【００５３】（第２の実施形態）次に、第２の実施形態
について説明する。図８は、第２の実施形態の金型構成
を示す図である。

【００５４】図８のようにスリット部１１を形成する金
型部１２とシャフト取り付け穴３ｆを形成する金型部１
３の両金型部が可動型７のみに配置されているため、こ
れら２つの金型部の位置関係は加工時の嵌合精度に依存
しており、安定した同軸度を得ている。この場合、ゲー
ト１０は輪体状に構成されている。効果は、第１の実施
形態と同等である。

【００５５】（第３の実施形態）次に、第３の実施形態
について説明する。図９は、第３の実施形態の金型構成
を示す図である。

【００５６】図９のようにスリット部１１を形成する金
型部１２とシャフト取り付け穴３ｆを形成する金型部１
２が一体で構成されており、その金型部が固定型８に配
置されているため、スリット部１１とシャフト取り付け
穴３ｆは安定した同軸度を得ている。効果は、第１の実
施形態と同等である。

【００５７】（第４の実施形態）次に、第４の実施形態
について説明する。図１０は、第４の実施形態の金型構
成を示す図である。

【００５８】図１０のようにスリット部１１を形成する
金型部１２とシャフト取り付け穴３ｆを形成する金型部
１２が一体で構成されており、その金型部が可動型７に
配置されているため、スリット部１１とシャフト取り付
け穴３ｆは安定した同軸度を得ている。効果は、第１の
実施形態と同等である。

【００５９】（第５乃至第８の実施形態）図１１乃至図
１４の金型構成図は、スケール３がディスク形状の場合
であり、効果は第１の実施形態と同等である。

【００６０】（第９乃至第１３の実施形態）図１５乃至
図１９は、スリット部の形状図である。図１５乃至図１
９の形状は、全て波面分割機能を有しており、第１の実
施形態と同様に複数の受光素子に波面を分割し、その光
強度から移動体の位置もしくは速度を検出する。このよ
うなスリット部をスケール面上に形成させる際、図１、
図８乃至図１４の金型構成にて製作する。これに対する
効果は、第１の実施形態と同等である。

【００６１】以上説明したように、上記の実施形態によ
れば、光学スケールをプラスチック製とし、さらに光学
スケールのシャフト取り付け穴を形成する金型部とスリ
ット部を形成する金型部の両金型部が可動型もしくは固
定型のどちらか一方に構成され、シャフト取り付け穴と
スリット部の同軸度が安定して得られているため、高精
度の移動情報を出力することが可能な光学スケールとそ
の成形に直接使用される成形金型とを提供することがで
きる。

【００６２】（第１４の実施形態）上記の第１乃至第１
３の実施形態では、光透過型の光学スケール（エンコー
ダ）について説明したが、この第１４の実施形態では、
光反射型の光学スケール（エンコーダ）について説明す
る。

【００６３】図２０は、光学式反射型エンコーダスケー
ルのスケール反射部の斜視図である。

【００６４】図中、１０３は反射部ＯＥが含まれる反射
体（反射スケール）である。本実施形態において反射部
ＯＥは斜視図のほぼ中央に位置する複数のＶ字型溝群を
指す。１０３ａ，１０３ｂはＶ字型溝を構成する２つの
傾斜面である。この反射部ＯＥが形成された反射体１０
３の基板は、透過性部材ＴＴ１からなり、ポリメチルメ
タリクレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（Ｐ
Ｃ）、ノルボルネン（ＰＣＰＤ）系の透明耐熱樹脂「ア
ートン」（熱変形温度１７０℃の耐熱性）等の透過製樹
脂からなる。

【００６５】本実施形態の反射体は、２つの反射面１０
３ａ，１０３ｂを所定の角度（８５°〜９５°）で対向
配置したルーフミラーを複数個、一次元方向に配列した
反射部（マイクロルーフミラーアレイ）を透明基板（透
光性樹脂）の面に設けて構成されている。

【００６６】ここで、ルーフミラー面は、透光性樹脂の
内部全反射による反射作用を用いるか、又は金属鏡面反
射面を用いる。

【００６７】まず本実施形態の反射体の光学作用を従来
の反射体と対比して説明する。

【００６８】図２６は従来の反射体２０３の説明図であ
る。

【００６９】図２６は光源２０１からの発散光束が反射
体２０３の入射面２０３Ｆより入射し、平面より成る反
射面２０３Ｒで反射して、光束の広がり角度が維持され
たまま受光部２０２側へ導かれる様子を示している。

【００７０】図２７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は反射体３
に１つのルーフミラーを用いた場合の光路図である。

【００７１】図２７は、２つの反射面３０３ａ，３０３
ｂを所定の角度で対向配置したルーフミラーの１個で光
束を反射させるように配置した場合を示している。

【００７２】図２７（Ａ）では光源１から全方向に反射
された光束が先の図２６で示したのとほぼ同等の広がり
角度をもって受光部３０２側へ導かれる。

【００７３】２つの反射面３０３ａ，３０３ｂで分割さ
れた光源３０１からの発散光束は重なり合うことなく受
光部２側へ進行する。

【００７４】図２７（Ｂ），（Ｃ）は光源３０１からの
反射された発散光束が２つの光束に分割されることを示
している。

【００７５】図２７（Ｂ），（Ｃ）では、光源３０１か
ら片方に放射された光束がルーフミラーを構成する２つ
の傾斜３０３ａ，３０３ｂで分割分離されている。

【００７６】例えば図２７（Ｂ）では光源３０１から右
側に放射された光束が受光部３０２側で左方に導光され
ている。ルーフミラーにより分割、分離後の光束は重な
ることなく受光部３０２側へ進んでいる。

【００７７】図２８は本実施形態の反射体１０３の光学
作用の説明図である。

【００７８】２つの反射面１０３ａ，１０３ｂを所定の
角度で対向配置したルーフミラーを複数個、一次元方向
に配列した反射部ＯＥを透明基板１０３ｅの一面に設け
ている。

【００７９】光源１０１からの発散光束は反射体１０３
の反射部ＯＥで反射した後、任意の位置（受光部１０２
又はその近傍）で互いに重なっている。

【００８０】光源１０１からの発散光束は受光部１０３
の面内に略収まり、光源１０１から広がり角度を持って
発光した光束は受光面１０２に略収まり、受光部１０２
面上の光束の光線密度が上がっている。

【００８１】図２９（Ａ）〜（Ｄ）は、光源１０１から
種々の方向に発散した光束が反射体１０３に入射し、複
数のルーフミラーによって複数の光束に分割されルーフ
ミラーで反射した後に、各ルーフミラーで反射した光束
が任意の位置（受光部１０２又はその近傍）で互いに重
なり合う状態を示している。

【００８２】いずれの場合も反射体１０３からの反射光
は受光部１０２又はその近傍で光束が互いに重なり合っ
ている。

【００８３】各ルーフミラーの傾斜面ごとの光束が分割
分離するが、図２９（Ａ）と（Ｄ）の反射光束は受光面
１０２上で重なり合い、又、図２９（Ｂ）と（Ｃ）の反
射光束は受光面１０２上の同じ領域で重なり合ってい
る。

【００８４】図３０（Ａ），（Ｂ）は反射体１０３の基
板となる透過性部材の材質の屈折率の違いによる光線作
用の違いを説明するための図である。

【００８５】図３０（Ａ）は透過性部材１０３ｅの材質
の屈折率が１．６９の場合、図３０（Ｂ）は屈折率が
１．５３の場合である。

【００８６】材質の屈折率が高いと臨界角が小さくな
り、全反射するための光線入射角度が緩和される。本実
施形態の反射体では、高屈折率の透過性部材を用いてお
り（屈折率１．６５以上）これにより光の利用効率を高
めている。

【００８７】図３１、図３２は、反射部を構成するルー
フミラーの数による反射光束の集光状態を示した図であ
る。

【００８８】図３１（Ａ）〜（Ｃ）において、ルーフミ
ラーの数が増すごとに傾斜面１面当りの反射面が光源１
０１を見込む角度：θｒは小さくなり、同時に、分割さ
れた光束の１光束の光量は減少するが、受光面１０２へ
導かれる反射光束の受光面上の照射領域も小さくなる。

【００８９】ルーフミラーの数が増えることで光量の減
少分は打ち消され、トータル光量は変わらず、受光面１
０２への照射面積が小さくなる効果のみが有効となる。

【００９０】図３２（Ａ）〜（Ｃ）は、同一の発散角度
を持って光源１０１から出射した光束が反射体１０３に
入射して、しかも光源との距離を同一にした時を示して
いる。図３２（Ａ）〜（Ｃ）において受光面１０２上へ
導かれる光束の光線密度はルーフミラーのピッチが小さ
くなるほど高くなっている。

【００９１】本実施形態における反射部位は以上の構成
を基本としている。

【００９２】図３３は、この反射部位を有したロータリ
スケールを含むロータリエンコーダの構成の概要を示す
斜視図である。

【００９３】図３４は放射状に配置された反射部位の構
成を示す斜視図である。

【００９４】図３５、および図３６は図３４における矢
視Ａ、Ｂから見た図である。

【００９５】次に図２０を用いて、本実施形態の反射素
子（反射体）の光学作用を説明する。

【００９６】フォトセンサを構成するセンサ光源からの
光束（不図示）は、図２０の反射体１０３の下方（Ｖ字
型溝を設けた面と対向する面）より反射体１０３に照射
され、透光性部材ＴＴ１の内部を光束が進行する。その
うち、Ｖ字型溝部へ到達した光束は、内部全反射の作用
により２回の全反射を繰り返して、再びフォトセンサの
光源１０１側の空間へ戻され、フォトセンサを構成する
センサ受光部へ導かれる。なお、図中、Ｓａは反射体１
０３の変位方向を示している。

【００９７】反射体１０３の反射部分は、複数の連続し
たＶ字型溝よりなり、この複数のＶ字型溝が連続して配
列された、「Ｖ字型溝群」ＯＥを一体的な光学エレメン
トとしての反射部としている。

【００９８】本実施形態において、図中Ｌａは不図示の
反射式エンコーダにおける光源の発光面に立てた法線
で、この法線Ｌａは光源から反射体１０３に照射される
光束の主光線と一致し、その主光線と反射スケール（反
射体１０３）はほぼ垂直に交わっている。

【００９９】図２１は、第１４の実施形態の反射式リニ
アエンコーダ用スケールとしての反射体１０３を上面
（Ｚ軸方向）から見た図である。

【０１００】本実施形態の反射素子ＯＥは、変位測定方
向Ｓａに沿って図中、Ｐ１で示される間隔（ピッチ）で
配列されている。このピッチＰ１は、反射式エンコーダ
用スケールのスケールピッチに相当し、センサによる変
位測定の際の測定分解能を決定する。

【０１０１】さらに図２１中のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断
面図にてこの反射体１０３の特徴を説明する。

【０１０２】図２２、図２３は、それぞれ図２１のＡ−
Ａ断面およびＢ−Ｂ断面を表している。以下、図２２、
図２３での図中記号を説明する。

【０１０３】１０３ａ，１０３ｂ：Ｖ字型溝ＯＥを構成
する２つの傾斜面Ｒａ：２つの傾斜面１０３ａ（１０３ａ１，１０３ａ２
…），１０３ｂ（１０３ｂ１，１０３ｂ２…）のなす角
度（Ｖ字型溝の開き角）Ｐｍ：Ｖ字型溝の配列ピッチｄ：Ｖ字型の溝深さＰ１：反射素子ＯＥの配列周期（＝エンコーダスケール
ピッチ）上記の形状パラメータに対して、本実施形態での具体的
な設計値例としては、Ｐ１≒１６９μｍＰｍ≒１００〜２００μｍＲａ≒９５° Ｗｒｍａ≒８５μｍｄ２≒Ｐｍ／２＋１０μｍｄ≒Ｐｍ／２（５０〜１００μｍ）また、図２２中、ｎは、光源からの主光線Ｌａと平行な
直線をあらわし、本実施形態ではＶ字型溝のなす角を２
等分する。

【０１０４】図２３において、面１０３ｃは平面平坦部
で、Ｖ字型溝群の間に存在しており、この部分への裏面
ＴＴ１ｂから照射された光束は、全反射せず透過して、
エンコーダ側の受光素子部へ入射しない。

【０１０５】図２３において、面１０３ｃと面１０３ｃ
との間の凹部の斜面３１０ｄと、面１０３ｃの法線１０
３ｅとのなす角度Ｒｂは射出成形技術で反射スケール１
０３を製造する際に必要な金型の抜き勾配としての角度
を設けており、具体的にはＲｂ≒３°〜５°程度であ
る。

【０１０６】以上、第１４及び１５の実施形態では、複
数の連続したＶ字型溝群による透光性部材の内部全反射
の作用を利用している。このため反射体１０３は、その
基板の表面にアルミ反射膜などを施さずに、実質的な光
束の反射機能を果たしている。

【０１０７】本実施形態の反射体１０３は内部全反射の
作用を利用した透光性部材である。Ｒａ＝９０度の設定
でしかもピッチＰｍを問題ない寸法に設定した場合に、
実現可能なフォトセンサ側の構成例として、図２４の構
成が適用できる。

【０１０８】図２４において、反射スケール１０３は透
光性部材からなり角度Ｒａ＝９０度の設定である。

【０１０９】この場合には、受光素子１０２のシリコン
フォトダイオードのチップ上にＬＥＤ１０１のチップを
載せて実装し、上述の問題を回避することが可能であ
る。実装密度が高い点では好ましい構成ともいえるがＬ
ＥＤ１０１の発熱を考慮する必要がある。

【０１１０】実装面から考えると角度オフセットを与え
（９０度よりも大きな角度に設定し）図２５のように同
一の実装面にシリコンフォトダイオード１０２と、ＬＥ
Ｄチップ１０１を並べて実装するのが好ましい。

【０１１１】そこで有効な手段としては、この角度Ｒａ
を９０度より大きい角度に設定することが良い。

【０１１２】これまでスケールの光学的な作用について
説明してきたが、このような溝形状を施すことにより、
光学式反射型エンコーダスケールとしての機能が実現可
能となる。

【０１１３】次に、このスケールを高精度に成形するた
めの成形金型の構造、および、このスケールをエンコー
ダユニットとして被回転角度検出軸に組み付けた場合の
検出ヘッドとの関係について説明する。

【０１１４】図３７は、本実施形態のスケールを成形す
るための金型構造を示す図である。

【０１１５】軸取付け部１０３ｆと光線反射機能部（Ｖ
字型溝）１１１を同一の金型部材から形成し、可動側型
１１２と、１点ピンディスクゲート１１０を有する固定
側型１０７とを用いて、本実施形態のスケール１０３は
成形される。このことにより、溶融樹脂はセンターに位
置するピンゲートを中心に放射方向に均一に流動し、応
力分布や寸法精度の面で周方向において均一な特性、精
度が得られる。さらに、反射部位と軸嵌合部が同一駒型
に配置されることで、得られる成形品形状は図３８のよ
うな形状となる。そのため、モータ等の回転軸に装着す
る場合に、図３９に示したように、反射部が軸受け近傍
に位置することとなり、軸受けガタ、遊びに起因する軸
の旋回（振れまわり）が発生した場合においても、偏芯
誤差及び反射面の軸方向の上下動を小さく抑えることが
可能となるとともに、検出ヘッドの配置もスケールの嵌
合長を確保するための凸形状部の高さｈの寸法内に収め
ることが可能となり、ユニットの薄型化への効果が大き
い。

【０１１６】図４０は他の実施例のスケール形状を示す
図で、図３７と同様の金型構造をとるが、図４１に示し
たカッティングラインＣＬにて切断して、貫通穴として
いる。この場合には、エンコーダユニットとしては、図
４２のように、スケール１０３およびヘッドが配置され
る。先の実施例に対して、ユニットとして占有する体積
は膨らむが、検知ヘッド１０１，１０２と軸受け部材と
が同一部材上に配置されヘッド１０１，１０２、スケー
ル１０３間の位置決め精度の面で有利なレイアウトが実
現可能となる。この場合においても先の例と同様に、軸
嵌合部１０３ｆと反射部１１１が同一の金型駒で成形さ
れるため、部品単体での反射部パターンセンターと軸嵌
合穴との関係は高精度に保たれる。

【０１１７】図４３は、先の例と異なり、ピンディスク
ゲート１０のゲート位置をディスクのセンターにレイア
ウトせずに、たとえば図のようなハブ部位端部に配置し
ている。このようにすることで先の実施例での軸の貫通
穴をあけるための２次加工をなくすことが可能で成形品
形状としては、図４４のように軸保持部として貫通した
穴形状１０３ｆが得られる。ここでも先の例と同様に、
軸嵌合部１０３ｆと反射部１１１が同一の金型駒で成形
されるため、部品単体での反射部パターンセンターと軸
嵌合穴との関係は高精度に保たれる。

【０１１８】図４５は、さらに先の例と異なり、回転角
度検出軸との結合部分が凸形状、軸側が凹形状として結
合された構成となっている。ピンディスクゲートのゲー
ト位置は図の上側のディスクのセンターにレイアウトさ
せている（不図示）。

【０１１９】ここでも先の例と同様に、軸嵌合部１０３
ｆと反射部１１１が同一の金型駒で成形されるため、部
品単体での反射部パターンセンターと軸嵌合穴との関係
は高精度に保たれる。

【０１２０】また、ヘッド、スケールの配置に関しても
最小のスペースに収まっており薄型化の効果が大きい。

【０１２１】図４６もほぼ同様の構成であるが先程のス
ケールの軸結合部凸形状部分が回転軸と結合せず、ベア
リングの内輪に結合された構成となっている。

【０１２２】この場合の効果も図４５と同様である。

【０１２３】以上のように、第１４の実施形態によれ
ば、測定、観測対象となる反射体に設ける反射素子を適
切に構成することにより、フォトセンサにレンズを用い
なくても高い光伝達効率が得られ、又、反射体とフォト
センサ間の相対的な位置ずれに対しても感度の鈍い特性
となり、反射体の有無や移動状態を高精度に検出するこ
とができる反射体及びそれを用いたエンコーダ等の光学
装置を達成することができる。

【０１２４】また、反射体を光学センサ用の標識部材、
光学スケールとして用いることで、発光、受光間で高い
光伝達効率が得られ、また、反射体、センサ間の相対的
な位置ずれに対しても感度の鈍い特性にすることがで
き、レンズが不要なためセンサの小型化、薄型化が可能
となる。又、反射膜等を施すことなくインジェクション
モールドやプレス技術で製造可能なため、加工コストも
かからずローコスト化に有効となる。

【０１２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
製作が容易でありながら、高精度な移動信号の出力を可
能とする光学スケールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の光学スケールを製造
するための金型の断面図である。

【図２】従来の金型構造を示す断面図である。

【図３】ロータリーエンコーダの光学系の要部斜視図で
ある。

【図４】ロータリーエンコーダの光学系の要部断面図で
ある。

【図５】光学スケールの説明と、光学スケールの格子部
と受光部からの信号の説明のための図である。

【図６】光学スケールの断面図である。

【図７】ロータリーエンコーダの累積精度を示す図であ
る。

【図８】本発明の第２の実施形態の金型の断面図であ
る。

【図９】本発明の第３の実施形態の金型の断面図であ
る。

【図１０】本発明の第４の実施形態の金型の断面図であ
る。

【図１１】本発明の第５の実施形態の金型の断面図であ
る。

【図１２】本発明の第６の実施形態の金型の断面図であ
る。

【図１３】本発明の第７の実施形態の金型の断面図であ
る。

【図１４】本発明の第８の実施形態の金型の断面図であ
る。

【図１５】本発明の第９の実施形態のスケールの断面図
である。

【図１６】本発明の第１０の実施形態のスケールの断面
図である。

【図１７】本発明の第１１の実施形態のスケールの断面
図である。

【図１８】本発明の第１２の実施形態のスケールの断面
図である。

【図１９】本発明の第１３の実施形態のスケールの断面
図である。

【図２０】１次元収束性反射素子で、リニアエンコーダ
用スケールとして用いたときの斜視図である。

【図２１】図２０のリニアエンコーダ用スケールを光源
光軸方向からみた上面図である。

【図２２】図２０のリニアエンコーダ用スケールのＹ−
Ｚ断面図（図２１の矢視Ａ−Ａ図）である。

【図２３】図２０のリニアエンコーダ用スケールのＸ−
Ｚ断面図（図２１の矢視Ｂ−Ｂ図）である。

【図２４】第１４の実施形態の反射スケールの反射光路
を表すオフセットなしでの図である。

【図２５】第１４の実施形態の反射スケールの反射光路
を表すオフセットありでの図である。

【図２６】従来の反射体の光路を示す概略図である。

【図２７】２つのＶ溝を有する反射体の光路を示す概略
図である。

【図２８】第１４の実施形態の反射体の光路を示す概略
図である。

【図２９】第１４の実施形態の反射体の光路を示す概略
図である。

【図３０】第１４の実施形態の反射体の光路を示す概略
図である。

【図３１】第１４の実施形態の反射体の光路を示す概略
図である。

【図３２】第１４の実施形態の反射体の光路を示す概略
図である。

【図３３】第１４の実施形態のロータリエンコーダの構
成を示す概略図である。

【図３４】第１４の実施形態のロータリエンコーダスケ
ールの構成を示す概略図である。

【図３５】第１４の実施形態の反射体の光路を示す概略
図である。

【図３６】第１４の実施形態の反射体の光路を示す概略
図である。

【図３７】第１４の実施形態のスケール用金型断面図で
ある。

【図３８】第１４の実施形態のロータリエンコーダスケ
ールの製品断面図である。

【図３９】第１４の実施形態のロータリエンコーダの構
成を示す概略図である。

【図４０】第１４の実施形態の他の例のスケール用金型
断面図である。

【図４１】第１４の実施形態の他の例のロータリエンコ
ーダスケールの製品断面図である。

【図４２】第１４の実施形態の他の例のロータリエンコ
ーダの構成を示す概略図である。

【図４３】第１４の実施形態のさらに他の例のスケール
用金型断面図である。

【図４４】第１４の実施形態のさらに他の例のロータリ
エンコーダスケールの製品断面図である。

【図４５】第１４の実施形態のさらに他の例のロータリ
エンコーダの構成を示す概略図である。

【図４６】第１４の実施形態のさらに他の例のロータリ
エンコーダの構成を示す概略図である。

【符号の説明】

１光照射部２レンズ３光学スケール３ａ第１領域３ｂ第２領域３ｄ格子部３ｅ回転中心４凹面ミラー５受光素子５ａ，５ｂ，４ｃ受光素子６回転方向７可動型８固定型９パーテーションライン１０ゲート１１スリット部１２スリット駒１３スケール勘合穴用ピン１４ロータリースケール３０ａ平坦部３０ｂ−１，３０ｂ−２Ｖ溝１０３信号処理回路ａ受光素子４ａで得られる信号ｂ受光素子４ａで得られる信号ｃ受光素子４ａで得られる信号１０１光源１０２受光素子１０３反射スケール１０３ａ，１０３ｂＶ溝を形成する斜面１０３ｃ１，１０３ｃ２平坦面Ｐ１スケールピッチＰｍＶ溝のピッチＲａＶ溝の角度ｄＶ溝の深さＬ光源ポイントＰ受光ポイントＬａ光源から立てた法線Ｓａセンサと反射体の相対変位方向ＷｒｍａＶ溝群の相対変位方向（Ｘ軸方向）の幅

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F103 BA00 CA01 CA02 CA03 CA04 DA01 DA13 EA02 EA05 EA12 EA19 EA21 EA22 EB02 EB06 EB12 EB32 EC11 FA01 4F202 AG05 AG28 AH73 AH81 AP07 AQ01 CA09 CA11 CB01 CK11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定型と可動型を有し、光学スケールを
成形するための成形用金型であって、前記光学スケールのシャフト取り付け穴を成形する第１
の金型部と、前記光学スケールのスリット部を成形する
第２の金型部の双方が、前記固定型あるいは可動型のど
ちらか一方に配置されていることを特徴とする光学スケ
ールの成形用金型。
【請求項２】前記光学スケールは、移動体の位置ある
いは速度を光学的に検出するエンコーダに用いられるこ
とを特徴とする請求項１に記載の光学スケールの成形用
金型。
【請求項３】前記第１の金型部は、前記第２の金型部
に形成された嵌合穴に嵌合した状態で取り付けられてい
ることを特徴とする請求項１に記載の光学スケールの成
形用金型。
【請求項４】前記第１の金型部と前記第２の金型部と
は、一体に構成されていることを特徴とする請求項１に
記載の光学スケールの成形用金型。
【請求項５】前記光学スケールは、波面分割機能を有
することを特徴とする請求項１に記載の光学スケールの
成形用金型。
【請求項６】前記光学スケールは、Ｖ溝構造を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の光学スケールの成形
用金型。
【請求項７】請求項１乃至４のいずれか１項に記載の
成形用金型により製造されたことを特徴とする光学スケ
ール。
【請求項８】前記光学スケールは、波面分割機能を有
することを特徴とする請求項７に記載の光学スケール。
【請求項９】前記光学スケールは、Ｖ溝構造を有する
ことを特徴とする請求項７に記載の光学スケール。
【請求項１０】光照射手段と、該光照射手段に対向し
て配置された受光手段とを備え、前記光照射手段と前記
受光手段との間に請求項７に記載の光学スケールを配置
したことを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項１１】光照射手段からの光束を光学スケール
に入射させ、その光束をミラーもしくは光学素子によっ
て反射させて前記光学スケールに戻し、該光学スケール
の格子部を介した光束を受光手段で受光することによ
り、移動体の位置あるいは速度を光学的に検出する光学
式エンコーダにおいて、前記光学スケールに請求項７に
記載の光学スケールを用いたことを特徴とする光学式エ
ンコーダ。
【請求項１２】発光部と受光部とを有するセンサの前
記発光部から出射された光を反射して前記受光部に戻す
ための反射部を有する光学スケールであって、前記光学スケールの、該光学スケールを回転させるため
の軸を保持するための軸保持部と、前記反射部とを樹脂
により一体的に成形するとともに、前記軸保持部と前記
反射部とを前記光学スケールの同一面側に成形したこと
を特徴とする光学スケール。
【請求項１３】前記軸保持部は、前記光学スケールを
回転させるための軸と嵌合する有底凹形状部を有し、該
有底凹形状部に樹脂材料のゲートを配置したことを特徴
とする請求項１２に記載の光学スケール。
【請求項１４】前記軸保持部は、前記光学スケールを
回転させるための軸と嵌合する凸形状部を有し、該凸形
状部に樹脂材料のゲートを配置したことを特徴とする請
求項１２に記載の光学スケール。
【請求項１５】前記軸保持部と、前記光学スケールを
回転支持するための軸受け内輪部とを結合したことを特
徴とする請求項１２に記載の光学スケール。
【請求項１６】請求項１２に記載の光学スケールを用
いた光学式エンコーダであって、前記センサを、前記光
学スケールを回転支持するための軸受けと同一保持部材
上に配置したことを特徴とする光学式エンコーダ。