JP2003337052A - 光学式エンコーダ、光センサ等の変位測定装置 - Google Patents
光学式エンコーダ、光センサ等の変位測定装置Info
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/36—Forming the light into pulses
- G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
- G01D5/34707—Scales; Discs, e.g. fixation, fabrication, compensation
- G01D5/34715—Scale reading or illumination devices
Abstract
(57)【要約】
【課題】 反射式光学エンコーダにおいて超小型でかつ
低消費電力に有利な高効率の反射スケールを得る。 【解決手段】 マイクロルーフアレイ・ルーフプリズム
アレイを規則的に配置した反射面４４ａ、４４ｂを所定
の角度で対向配置した複数個のルーフミラーでは、一次
元方向に配列した反射面４４ａ、４４ｂが透光性基板４
４ｃの一面に設けられている。光源手段３１からの発散
光束は反射体４４の反射面４４ａ、４４ｂで反射した後
に、受光面４１又はその近傍の任意の位置で互いに重な
っている。複数の発光領域を有する光源手段３１からの
発散光束は反射体４４の面内にほぼ収まり、光源手段３
１から広がり角度を持って発光した光束は受光面４１に
ほぼ収まり、受光面４１の面上の光束の光線密度が向上
する。
低消費電力に有利な高効率の反射スケールを得る。 【解決手段】 マイクロルーフアレイ・ルーフプリズム
アレイを規則的に配置した反射面４４ａ、４４ｂを所定
の角度で対向配置した複数個のルーフミラーでは、一次
元方向に配列した反射面４４ａ、４４ｂが透光性基板４
４ｃの一面に設けられている。光源手段３１からの発散
光束は反射体４４の反射面４４ａ、４４ｂで反射した後
に、受光面４１又はその近傍の任意の位置で互いに重な
っている。複数の発光領域を有する光源手段３１からの
発散光束は反射体４４の面内にほぼ収まり、光源手段３
１から広がり角度を持って発光した光束は受光面４１に
ほぼ収まり、受光面４１の面上の光束の光線密度が向上
する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、移動物体の移動量
や移動速度そして回転速度等の変位情報を反射面を用い
て検出するようにした光学式エンコーダ、光センサ等の
変位測定装置に関するものである。
や移動速度そして回転速度等の変位情報を反射面を用い
て検出するようにした光学式エンコーダ、光センサ等の
変位測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来から移動物体の変位情報を３枚の光
学スケールを利用して行う変位測定装置が知られてお
り、３枚の格子を用いたエンコーダについて説明する。
学スケールを利用して行う変位測定装置が知られてお
り、３枚の格子を用いたエンコーダについて説明する。
【０００３】図４４は第１の従来例の変位測定装置の光
学系の要部概略図である。第１スケール１、第２スケー
ル２、第３スケール３はそれぞれ一定のピッチＰ１、Ｐ
２、Ｐ３で光の透過部と不透過部を設けた格子を有し、
それぞれ変位検出方向Ａに略平行となるように対向して
配置している。光源４は受光素子５に向けて発光中心波
長λmの光束を放射している。第２スケール２、第３ス
ケール３、光源４、受光素子５は、一体的に１つの筐体
内に収納されている。一方、第１スケール１は図示しな
い移動体に関して設けられており、矢印Ａ方向に移動可
能とされている。
学系の要部概略図である。第１スケール１、第２スケー
ル２、第３スケール３はそれぞれ一定のピッチＰ１、Ｐ
２、Ｐ３で光の透過部と不透過部を設けた格子を有し、
それぞれ変位検出方向Ａに略平行となるように対向して
配置している。光源４は受光素子５に向けて発光中心波
長λmの光束を放射している。第２スケール２、第３ス
ケール３、光源４、受光素子５は、一体的に１つの筐体
内に収納されている。一方、第１スケール１は図示しな
い移動体に関して設けられており、矢印Ａ方向に移動可
能とされている。
【０００４】光源４からの光束は第２スケール２に入射
し、光変調されて第１スケール１に入射する。そして、
第１スケール１で光変調した光束は第３スケール３に入
射して光変調された後に受光素子５に入射し検出され
る。
し、光変調されて第１スケール１に入射する。そして、
第１スケール１で光変調した光束は第３スケール３に入
射して光変調された後に受光素子５に入射し検出され
る。
【０００５】いま、図４４に示すように、第２スケール
２と第１スケール１との間隔をＵ、第１スケール１と第
３スケール３との間隔をＶ、自然数をｎとすると、光学
系が幾何学に従う場合には、次の式（１）〜（３）が成
立する。 Ｐ１／Ｐ２＝Ｖ（Ｕ＋Ｖ） ・・・・・・（１） Ｐ１／Ｐ３＝Ｕ（Ｕ＋Ｖ） ・・・・・・（２） １／Ｕ＋１／Ｖ＝λm／（ｎ・Ｐ１2） ・・・（３）
２と第１スケール１との間隔をＵ、第１スケール１と第
３スケール３との間隔をＶ、自然数をｎとすると、光学
系が幾何学に従う場合には、次の式（１）〜（３）が成
立する。 Ｐ１／Ｐ２＝Ｖ（Ｕ＋Ｖ） ・・・・・・（１） Ｐ１／Ｐ３＝Ｕ（Ｕ＋Ｖ） ・・・・・・（２） １／Ｕ＋１／Ｖ＝λm／（ｎ・Ｐ１2） ・・・（３）
【０００６】光学系が回折光学的な場合には、次の式
（４）、（５）が成立する。 Ｐ１／Ｐ２＝２・Ｖ（Ｕ＋Ｖ） ・・・・・・（４） Ｐ１／Ｐ３＝２・Ｕ（Ｕ＋Ｖ） ・・・・・・（５）
（４）、（５）が成立する。 Ｐ１／Ｐ２＝２・Ｖ（Ｕ＋Ｖ） ・・・・・・（４） Ｐ１／Ｐ３＝２・Ｕ（Ｕ＋Ｖ） ・・・・・・（５）
【０００７】式（４）、（５）が成立する場合であれ
ば、第２スケール２と第１スケール１で光変調した光束
により、第３スケール３の位置に第１スケール１の格子
に関する幾何学的な実像又は回折光学的な実像つまり格
子像を形成する。
ば、第２スケール２と第１スケール１で光変調した光束
により、第３スケール３の位置に第１スケール１の格子
に関する幾何学的な実像又は回折光学的な実像つまり格
子像を形成する。
【０００８】また、格子像は第３スケール３の格子ピッ
チＰ３と同じピッチＰ３の周期的な明暗を有したものと
なる。このとき、第１スケール１が矢印Ａ方向に移動す
ると、第３スケール３に形成した格子像も移動する。こ
の結果、第３スケール３を通過する光量は格子像の移動
と共に変化し、受光素子５からは第１スケール１の移動
情報に関する周期的な変位信号が得られる。図４４に示
す変位測定装置は、受光素子５から得られる変位信号を
用いて、第１スケール１つまり移動体の移動情報を検出
している。
チＰ３と同じピッチＰ３の周期的な明暗を有したものと
なる。このとき、第１スケール１が矢印Ａ方向に移動す
ると、第３スケール３に形成した格子像も移動する。こ
の結果、第３スケール３を通過する光量は格子像の移動
と共に変化し、受光素子５からは第１スケール１の移動
情報に関する周期的な変位信号が得られる。図４４に示
す変位測定装置は、受光素子５から得られる変位信号を
用いて、第１スケール１つまり移動体の移動情報を検出
している。
【０００９】図４５は第２の従来例の変位測定装置にお
ける光学系の要部概略図である。図４４の変位測定装置
に比べて検出方向Ｂに移動する第１スケール６を反射型
とし、第２スケール７が図４４の第３スケール３として
の作用を併用している点が異なっているが、光学的な変
位検出原理は同じである。
ける光学系の要部概略図である。図４４の変位測定装置
に比べて検出方向Ｂに移動する第１スケール６を反射型
とし、第２スケール７が図４４の第３スケール３として
の作用を併用している点が異なっているが、光学的な変
位検出原理は同じである。
【００１０】この図４５の構成では、光源８からの光束
をハーフミラー９を介して第２スケール７に照射し、第
２スケール７からの光変調した光束を第１スケール６に
入射し、第１スケール６で光変調した反射光を第２スケ
ール７に入射している。そして、第２スケール７からの
光変調した光束を、ハーフミラー９を介して受光素子１
０で検出している。
をハーフミラー９を介して第２スケール７に照射し、第
２スケール７からの光変調した光束を第１スケール６に
入射し、第１スケール６で光変調した反射光を第２スケ
ール７に入射している。そして、第２スケール７からの
光変調した光束を、ハーフミラー９を介して受光素子１
０で検出している。
【００１１】３格子型の構成による変位検出方式として
は、上述のように透過式、反射式が知られているが、透
過式よりも反射式に利点が多い。図４４における３枚の
スケール１〜３は図４５に示すように実質的には２枚の
スケール６、７で済み、また透過式に比べれば小型化と
いう面でも利点がある。
は、上述のように透過式、反射式が知られているが、透
過式よりも反射式に利点が多い。図４４における３枚の
スケール１〜３は図４５に示すように実質的には２枚の
スケール６、７で済み、また透過式に比べれば小型化と
いう面でも利点がある。
【００１２】例えば、図４５の反射式について更に詳し
くその特性を説明すると、図４５では図４４の第２スケ
ール２、第３スケール３が同一体に構成されたスケール
７として配置されているため、上記においてＵ＝Ｖの関
係が成り立つ。
くその特性を説明すると、図４５では図４４の第２スケ
ール２、第３スケール３が同一体に構成されたスケール
７として配置されているため、上記においてＵ＝Ｖの関
係が成り立つ。
【００１３】そこで、式（３）は次の式（６）に変形さ
れる。 Ｖ＝Ｕ＝２・ｎ・Ｐ１2／λm・・・・（６）
れる。 Ｖ＝Ｕ＝２・ｎ・Ｐ１2／λm・・・・（６）
【００１４】この式(６)は第１スケール６と第２スケー
ル（＝第３スケール）７の間隔が、Ｖの値にあるとき
に、光学的なコントラストの高い縞模様が第２スケール
７の面上に形成されることを表しており、実用上もこの
ような位置関係に２枚のスケール６、７を配置し利用さ
れる。この式（６）は３格子型の検出原理において、特
に反射式の構成における実質的な最適な配置関係を与え
る一般的な式である。
ル（＝第３スケール）７の間隔が、Ｖの値にあるとき
に、光学的なコントラストの高い縞模様が第２スケール
７の面上に形成されることを表しており、実用上もこの
ような位置関係に２枚のスケール６、７を配置し利用さ
れる。この式（６）は３格子型の検出原理において、特
に反射式の構成における実質的な最適な配置関係を与え
る一般的な式である。
【００１５】次に、図４６は第３の従来例の変位測定装
置の光学系の要部概略図である。第１スケール１１、第
２スケール１２、第３スケール１３ａ、１３ｂ、光源１
４、受光素子１５ａ、１５ｂが用いられている。
置の光学系の要部概略図である。第１スケール１１、第
２スケール１２、第３スケール１３ａ、１３ｂ、光源１
４、受光素子１５ａ、１５ｂが用いられている。
【００１６】第１スケール１１は反射型スケールから成
り、図示しない移動体に関して設けられており、矢印方
向Ｃに移動可能となっている。第１スケール１１の変位
情報の検出原理は、図４４で説明した変位測定装置と同
様である。
り、図示しない移動体に関して設けられており、矢印方
向Ｃに移動可能となっている。第１スケール１１の変位
情報の検出原理は、図４４で説明した変位測定装置と同
様である。
【００１７】即ち、光源１４からの光束は発散的に第２
スケール１２に入射し、光変調され第１スケール１１に
入射する。そして、第１スケール１１の変位により光変
調された２つの反射光を第２スケール１２と略同一平面
上に隣接して設けた第３スケール１３ａ、１３ｂを介し
て受光素子１５ａ、１５ｂで検出している。このとき、
受光素子１５ａ、１５ｂからは図４４の変位測定装置と
同様に、第１スケール１１の矢印方向Ｃの移動情報に関
する変位信号が得られる。
スケール１２に入射し、光変調され第１スケール１１に
入射する。そして、第１スケール１１の変位により光変
調された２つの反射光を第２スケール１２と略同一平面
上に隣接して設けた第３スケール１３ａ、１３ｂを介し
て受光素子１５ａ、１５ｂで検出している。このとき、
受光素子１５ａ、１５ｂからは図４４の変位測定装置と
同様に、第１スケール１１の矢印方向Ｃの移動情報に関
する変位信号が得られる。
【００１８】図４４〜図４６に示すスケールとしては、
一般に金属基板に多数のスリット開口部を形成した金属
エッチングスケールやガラス基板にＣｒ等を蒸着してエ
ッチングにより多数のスリット開口部を形成したガラス
スケール等が用いられている。
一般に金属基板に多数のスリット開口部を形成した金属
エッチングスケールやガラス基板にＣｒ等を蒸着してエ
ッチングにより多数のスリット開口部を形成したガラス
スケール等が用いられている。
【００１９】このように、従来例の何れも所謂３枚格子
の理論を変位計測へ応用したものである。このような３
枚格子の理論に基づく構成において、例えば図４４で説
明した変位測定装置では、更に受光素子５と第３スケー
ル３が一体化されたアレイ状受光素子（感光性素子
列）、及び光源４と第２スケール２とが一体化されたア
レイ状光源（発光素子列）が知られている。
の理論を変位計測へ応用したものである。このような３
枚格子の理論に基づく構成において、例えば図４４で説
明した変位測定装置では、更に受光素子５と第３スケー
ル３が一体化されたアレイ状受光素子（感光性素子
列）、及び光源４と第２スケール２とが一体化されたア
レイ状光源（発光素子列）が知られている。
【００２０】更に、反射式の他の方式としてレンズを用
いて光量不足を補おうとする構成や、反射体として直接
反射光を用いて、反射体と光源をより近接させて光量不
足を回避する構成が知られている。
いて光量不足を補おうとする構成や、反射体として直接
反射光を用いて、反射体と光源をより近接させて光量不
足を回避する構成が知られている。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、先の幾
つかの従来例における３枚格子を原理とする反射方式
や、その他の従来例、レンズを設けたもの、光源−スケ
ール間を近接配置したもの等の方式では、次のような欠
点がある。
つかの従来例における３枚格子を原理とする反射方式
や、その他の従来例、レンズを設けたもの、光源−スケ
ール間を近接配置したもの等の方式では、次のような欠
点がある。
【００２２】図４５に示す反射式の変位測定装置におい
ては、ハーフミラー９を用いているため装置全体が大型
化し、それが介在するために光源光量の損失はかなり大
きくなる。従って、光源８の発光量を大きくする必要が
あるため消費電力が大きくなる。
ては、ハーフミラー９を用いているため装置全体が大型
化し、それが介在するために光源光量の損失はかなり大
きくなる。従って、光源８の発光量を大きくする必要が
あるため消費電力が大きくなる。
【００２３】図４６に示す変位測定装置においては、発
光量の大きい光源１４の光軸方向の光は受光素子１５
ａ、１５ｂに入射せず、光源方向に反射され実質的に有
効な光束とならず、同様に消費電力を増大させる。
光量の大きい光源１４の光軸方向の光は受光素子１５
ａ、１５ｂに入射せず、光源方向に反射され実質的に有
効な光束とならず、同様に消費電力を増大させる。
【００２４】更に、一般にエンコーダ等の変位測定装置
において、移動体の変位情報として変位方向を検出する
ために、位相が異なる複数相の変位信号を得ることが必
要となる。このような位相の異なる複数の変位信号を得
るために、第１スケール１１、第２スケール１２、第３
スケール１３ａ、１３ｂ、受光素子１５ａ、１５ｂ等を
図４６に示すようにレイアウトする必要があるが、図４
７はその具体的な配置図である。
において、移動体の変位情報として変位方向を検出する
ために、位相が異なる複数相の変位信号を得ることが必
要となる。このような位相の異なる複数の変位信号を得
るために、第１スケール１１、第２スケール１２、第３
スケール１３ａ、１３ｂ、受光素子１５ａ、１５ｂ等を
図４６に示すようにレイアウトする必要があるが、図４
７はその具体的な配置図である。
【００２５】図４４、図４５、図４６に示す変位測定装
置においては、何れも位相の異なる複数の変位信号を得
るには、スケールの格子を必要な信号の数に分別し、互
いに所定の位相差分だけずらして配置し、かつそれぞれ
の信号を得るために複数の受光素子を設ける必要があ
り、装置全体が複雑化し、またスケール及び装置全体が
大型化する。
置においては、何れも位相の異なる複数の変位信号を得
るには、スケールの格子を必要な信号の数に分別し、互
いに所定の位相差分だけずらして配置し、かつそれぞれ
の信号を得るために複数の受光素子を設ける必要があ
り、装置全体が複雑化し、またスケール及び装置全体が
大型化する。
【００２６】図４８のレンズ１６を設けた構成では、光
量不足の問題に対しては好結果が得られるが、小型化に
対しては難点が生ずる。小型化・薄型化しようとしてレ
ンズ１６と光源１４間の寸法を縮め、レンズ１４の曲率
を小さくすると光軸合わせの精度が要求され、或る程度
の大きさ、厚み以下にはならない。高精度化、高分解能
化に当たっては、より高精度なレンズ性能が要求され低
価格化の妨げとなる。
量不足の問題に対しては好結果が得られるが、小型化に
対しては難点が生ずる。小型化・薄型化しようとしてレ
ンズ１６と光源１４間の寸法を縮め、レンズ１４の曲率
を小さくすると光軸合わせの精度が要求され、或る程度
の大きさ、厚み以下にはならない。高精度化、高分解能
化に当たっては、より高精度なレンズ性能が要求され低
価格化の妨げとなる。
【００２７】図４９、図５０の構成については、実用的
な構成では発光素子２１、受光素子２２等の電気素子を
何らかの保護材で覆う必要があり、極端な近接配置は不
可能である。また、発光素子２１の光軸上光線は受光素
子２２には入射されず、光利用効率は十分とは云えな
い。特に、この構成は３格子型の検出原理としては稍々
異なるが、発光素子２１側に配置される反射スケール２
３のスリットが複数ではなく、１個のみの構成と等価で
ある。この場合に、反射スケール２３の変位方向におけ
る光源の発光領域の寸法は、３格子型の原理に従えば反
射スリットピッチの１／２程度の寸法が好ましい。
な構成では発光素子２１、受光素子２２等の電気素子を
何らかの保護材で覆う必要があり、極端な近接配置は不
可能である。また、発光素子２１の光軸上光線は受光素
子２２には入射されず、光利用効率は十分とは云えな
い。特に、この構成は３格子型の検出原理としては稍々
異なるが、発光素子２１側に配置される反射スケール２
３のスリットが複数ではなく、１個のみの構成と等価で
ある。この場合に、反射スケール２３の変位方向におけ
る光源の発光領域の寸法は、３格子型の原理に従えば反
射スリットピッチの１／２程度の寸法が好ましい。
【００２８】従って、微小発光領域のみを発光する発光
デバイスが必要となり、この構成で必要な受光光量を得
るために、発光素子２１への注入電流を増大させると、
発光領域が微小であるために電流密度が上がり、発光素
子２１の破壊につながってしまうので注入電流を制限せ
ざるを得ない。
デバイスが必要となり、この構成で必要な受光光量を得
るために、発光素子２１への注入電流を増大させると、
発光領域が微小であるために電流密度が上がり、発光素
子２１の破壊につながってしまうので注入電流を制限せ
ざるを得ない。
【００２９】上述したように、３格子型の原理に従った
反射式のエンコーダにおいて、反射手段の構成として
は、ハーフミラー等を用いると装置が大型化し、従来よ
りも小型化が困難となる。また、小型化を実現しようと
すると、図４６、図４７、図４９、図５０に示すよう
に、光源の軸上光線を有効に使えず光量不足となる。ま
た、光量アップへの施策としてレンズの使用が考えられ
るが、３格子型の本来の検出原理から外れ、位置検出機
能への問題点が生ずる。
反射式のエンコーダにおいて、反射手段の構成として
は、ハーフミラー等を用いると装置が大型化し、従来よ
りも小型化が困難となる。また、小型化を実現しようと
すると、図４６、図４７、図４９、図５０に示すよう
に、光源の軸上光線を有効に使えず光量不足となる。ま
た、光量アップへの施策としてレンズの使用が考えられ
るが、３格子型の本来の検出原理から外れ、位置検出機
能への問題点が生ずる。
【００３０】本発明は、上述の問題点を解消し、３格子
型の原理に従い、特に反射式の構成によってギャップ特
性の良好な光学式エンコーダ等を得ると共に、上述の技
術課題である装置の小型化、低消費電力化を実現するこ
とを主たる目的とし、更にその解決手段は同時に機器へ
の組み込みを容易とし、高分解能な位置検出を可能と
し、その位置検出精度が高精度とすることなどを同時に
満足する光学式エンコーダ、光センサ等の変位測定装置
を提供することにある。
型の原理に従い、特に反射式の構成によってギャップ特
性の良好な光学式エンコーダ等を得ると共に、上述の技
術課題である装置の小型化、低消費電力化を実現するこ
とを主たる目的とし、更にその解決手段は同時に機器へ
の組み込みを容易とし、高分解能な位置検出を可能と
し、その位置検出精度が高精度とすることなどを同時に
満足する光学式エンコーダ、光センサ等の変位測定装置
を提供することにある。
【００３１】また本発明の目的は、反射スケールの格子
部の形状やピッチ、そしてその反射スケールと光源の発
光素子、受光素子の配置等を適切に設定することによ
り、装置全体の簡素化、小型化及び低消費電力化を図り
ながら、位相の異なる複数の変位信号を得るようにし
て、移動体の移動方向を含む変位情報を高精度・高分解
能に検出することが可能な光学式エンコーダ、光センサ
等の変位測定装置を提供することにある。
部の形状やピッチ、そしてその反射スケールと光源の発
光素子、受光素子の配置等を適切に設定することによ
り、装置全体の簡素化、小型化及び低消費電力化を図り
ながら、位相の異なる複数の変位信号を得るようにし
て、移動体の移動方向を含む変位情報を高精度・高分解
能に検出することが可能な光学式エンコーダ、光センサ
等の変位測定装置を提供することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の請求項１に係る本発明は、光源手段と、該光源手段に
対向配置した反射手段と、該反射手段からの反射光束を
受光する受光手段とを具備し、前記反射手段は、前記光
源手段からの発散性光束が２回以上の反射を繰り返すた
めの複数の分割した波面を有し、該波面により分割した
各光束を前記受光手段の任意の位置に重ね合わせる光学
特性を有することを特徴とする光学式エンコーダであ
る。
の請求項１に係る本発明は、光源手段と、該光源手段に
対向配置した反射手段と、該反射手段からの反射光束を
受光する受光手段とを具備し、前記反射手段は、前記光
源手段からの発散性光束が２回以上の反射を繰り返すた
めの複数の分割した波面を有し、該波面により分割した
各光束を前記受光手段の任意の位置に重ね合わせる光学
特性を有することを特徴とする光学式エンコーダであ
る。
【００３３】請求項２に係る本発明は、前記光源手段は
複数の発光領域を有する電流狭窄型のＬＥＤとし、前記
受光手段は複数の受光窓を持つ光電変換素子を有すると
共に、前記光電変換素子及び信号増幅手段、電気分割内
挿手段、前記光源手段の光量補償回路を一体的に集積化
したことを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコー
ダである。
複数の発光領域を有する電流狭窄型のＬＥＤとし、前記
受光手段は複数の受光窓を持つ光電変換素子を有すると
共に、前記光電変換素子及び信号増幅手段、電気分割内
挿手段、前記光源手段の光量補償回路を一体的に集積化
したことを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコー
ダである。
【００３４】請求項３に係る本発明は、前記光源手段の
発光面と前記反射手段の反射面までの空気換算光路長を
ｇＬ、前記受光手段の受光面位置と前記反射手段の反射
面までの実質的な空気換算光路長をｇＰ、前記光源手段
の複数の発光領域の間隔をＰ２、前記受光手段の複数の
光電変換素子の基本ピッチをＰ２、前記反射手段のピッ
チをＰ１、前記光源手段から出射する光束の出力ピーク
値の中心波長又は分光分布を積分したときの中央値の波
長をλとしたとき、 Ｐ２＝２・Ｐ１ ｇＰ＝ｇＬ＝２・ｎ・Ｐ１2／λ の関係において、ｎ＜１の範囲で決定される前記空気換
算光路長ｇＬ、ｇＰにギャップ設定すると共に、前記受
光手段の受光光量のピーク位置を前記範囲に合致させた
ことを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダで
ある。
発光面と前記反射手段の反射面までの空気換算光路長を
ｇＬ、前記受光手段の受光面位置と前記反射手段の反射
面までの実質的な空気換算光路長をｇＰ、前記光源手段
の複数の発光領域の間隔をＰ２、前記受光手段の複数の
光電変換素子の基本ピッチをＰ２、前記反射手段のピッ
チをＰ１、前記光源手段から出射する光束の出力ピーク
値の中心波長又は分光分布を積分したときの中央値の波
長をλとしたとき、 Ｐ２＝２・Ｐ１ ｇＰ＝ｇＬ＝２・ｎ・Ｐ１2／λ の関係において、ｎ＜１の範囲で決定される前記空気換
算光路長ｇＬ、ｇＰにギャップ設定すると共に、前記受
光手段の受光光量のピーク位置を前記範囲に合致させた
ことを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダで
ある。
【００３５】請求項４に係る本発明は、前記光源手段の
発光領域と実質的な前記反射手段の反射面までの空気換
算光路長をｇＬとし、前記受光手段の受光面位置と前記
反射手段の反射面までの空気換算光路長をｇＰ、前記光
源手段の複数の発光領域の間隔をＰ２、前記発光手段の
複数の光電変換素子の基本ピッチをＰ２、前記反射手段
のピッチをＰ１、前記光源手段から出射する光束の出力
ピーク値の中心波長又は分光分布を積分したときの中央
値の波長をλとしたとき、 Ｐ２＝２・Ｐ１ ｇＰ＝ｇＬ＝２・ｎ・Ｐ１2／λ の関係において、１．５＜ｎ＜２．５の範囲で決定され
る前記空気換算光路長ｇＬ、ｇＰにギャップ設定すると
共に、前記受光手段の受光光量のピーク位置を前記範囲
に合致させたことを特徴とする請求項２に記載の光学式
エンコーダである。
発光領域と実質的な前記反射手段の反射面までの空気換
算光路長をｇＬとし、前記受光手段の受光面位置と前記
反射手段の反射面までの空気換算光路長をｇＰ、前記光
源手段の複数の発光領域の間隔をＰ２、前記発光手段の
複数の光電変換素子の基本ピッチをＰ２、前記反射手段
のピッチをＰ１、前記光源手段から出射する光束の出力
ピーク値の中心波長又は分光分布を積分したときの中央
値の波長をλとしたとき、 Ｐ２＝２・Ｐ１ ｇＰ＝ｇＬ＝２・ｎ・Ｐ１2／λ の関係において、１．５＜ｎ＜２．５の範囲で決定され
る前記空気換算光路長ｇＬ、ｇＰにギャップ設定すると
共に、前記受光手段の受光光量のピーク位置を前記範囲
に合致させたことを特徴とする請求項２に記載の光学式
エンコーダである。
【００３６】請求項５に係る本発明は、光源手段と、該
光源手段に対向配置した反射手段と、該反射手段からの
反射光束を受光する受光手段とを具備し、前記反射手段
は、前記光源手段からの発散性光束が２回以上の反射を
繰り返すための複数の分割した波面を有し、該波面によ
り分割した各光束を任意の位置に重ね合わせる光学特性
を有すると共に、２つの反射面を所定の角度で対向配置
した複数個のルーフミラーと、一方向に配置したマイク
ロルーフミラーアレイとから形成し、前記反射面を曲面
としたことを特徴とする光センサである。
光源手段に対向配置した反射手段と、該反射手段からの
反射光束を受光する受光手段とを具備し、前記反射手段
は、前記光源手段からの発散性光束が２回以上の反射を
繰り返すための複数の分割した波面を有し、該波面によ
り分割した各光束を任意の位置に重ね合わせる光学特性
を有すると共に、２つの反射面を所定の角度で対向配置
した複数個のルーフミラーと、一方向に配置したマイク
ロルーフミラーアレイとから形成し、前記反射面を曲面
としたことを特徴とする光センサである。
【００３７】請求項６に係る本発明は、前記反射手段に
おける反射領域は、透光性部材から成る内部全反射作用
又は表面反射を用いることを特徴とする請求項５に記載
の光センサである。
おける反射領域は、透光性部材から成る内部全反射作用
又は表面反射を用いることを特徴とする請求項５に記載
の光センサである。
【００３８】請求項７に係る本発明は、前記反射手段に
おける反射領域は、金属鏡面反射を用いることを特徴と
する請求項５又は６に記載の光センサである。
おける反射領域は、金属鏡面反射を用いることを特徴と
する請求項５又は６に記載の光センサである。
【００３９】請求項８に係る本発明は、前記反射手段に
おける反射領域は、透光性部材から成る内部全反射作用
を用い、入射面側にシリンドリカルレンズを設けたこと
を特徴とする請求項５〜７の何れか１つの請求項に記載
の光センサである。
おける反射領域は、透光性部材から成る内部全反射作用
を用い、入射面側にシリンドリカルレンズを設けたこと
を特徴とする請求項５〜７の何れか１つの請求項に記載
の光センサである。
【００４０】請求項９に係る本発明は、請求項１〜８の
何れか１つの請求項に記載の光学式エンコーダ又は光セ
ンサを用い、物体の有無又は移動情報を求めることを特
徴とする光学機器である。
何れか１つの請求項に記載の光学式エンコーダ又は光セ
ンサを用い、物体の有無又は移動情報を求めることを特
徴とする光学機器である。
【００４１】請求項１０に係る本発明は、２つの反射面
を所定の角度で対向配置した複数個のルーフミラー又は
ミラールーフプリズムを一方向に配置した反射手段を有
し、該反射手段は、入射光束を前記複数個のルーフミラ
ー又はルーフプリズムによってそれぞれ複数の光束に分
割すると共に、前記各ルーフミラーの２つの反射面で順
次に反射した光束が、任意の位置で前記他のルーフミラ
ー又はルーフプリズムからの反射光と互いに重なり合う
光学特性を有することを特徴とする反射体である。
を所定の角度で対向配置した複数個のルーフミラー又は
ミラールーフプリズムを一方向に配置した反射手段を有
し、該反射手段は、入射光束を前記複数個のルーフミラ
ー又はルーフプリズムによってそれぞれ複数の光束に分
割すると共に、前記各ルーフミラーの２つの反射面で順
次に反射した光束が、任意の位置で前記他のルーフミラ
ー又はルーフプリズムからの反射光と互いに重なり合う
光学特性を有することを特徴とする反射体である。
【００４２】請求項１１に係る本発明は、前記複数個の
ルーフミラー又はルーフプリズムの２つの反射面が成す
角度は、前記複数個のルーフミラー又はルーフプリズム
において全て同一であることを特徴とする請求項１０に
記載の反射体である。
ルーフミラー又はルーフプリズムの２つの反射面が成す
角度は、前記複数個のルーフミラー又はルーフプリズム
において全て同一であることを特徴とする請求項１０に
記載の反射体である。
【００４３】請求項１２に係る本発明は、前記複数個の
ルーフミラー又はルーフプリズムの２つの反射面が成す
角度は、前記複数個のルーフミラー又はルーフプリズム
において連続的に異なっていることを特徴とする請求項
１０に記載の反射体である。
ルーフミラー又はルーフプリズムの２つの反射面が成す
角度は、前記複数個のルーフミラー又はルーフプリズム
において連続的に異なっていることを特徴とする請求項
１０に記載の反射体である。
【００４４】請求項１３に係る本発明は、前記反射手段
はシリンドリカル面又は球面に形成したことを特徴とす
る請求項１１又は１２に記載の反射体である。
はシリンドリカル面又は球面に形成したことを特徴とす
る請求項１１又は１２に記載の反射体である。
【００４５】請求項１４に係る本発明は、前記反射手段
の光入射面にシリンドリカルレンズを設けたことを特徴
とする請求項１０又は１１又は１２に記載の反射体であ
る。
の光入射面にシリンドリカルレンズを設けたことを特徴
とする請求項１０又は１１又は１２に記載の反射体であ
る。
【００４６】請求項１５に係る本発明は、前記反射手段
はフレネルゾーンプレートを形成したことを特徴とする
請求項１０又は１１又は１２に記載の反射体である。
はフレネルゾーンプレートを形成したことを特徴とする
請求項１０又は１１又は１２に記載の反射体である。
【００４７】請求項１６に係る本発明は、前記反射手段
は入射光を一次元方向に収束することを特徴とする請求
項１０又は１１又は１２に記載の反射体である。
は入射光を一次元方向に収束することを特徴とする請求
項１０又は１１又は１２に記載の反射体である。
【００４８】請求項１７に係る本発明は、前記２つの反
射面の成す角は８０〜１００度であることを特徴とする
請求項１０に記載の反射体である。
射面の成す角は８０〜１００度であることを特徴とする
請求項１０に記載の反射体である。
【００４９】請求項１８に係る本発明は、請求項１０〜
１７の何れか１つの請求項に記載の反射体を原点出力用
の反射標識部に用いたことを特徴とするエンコーダであ
る。
１７の何れか１つの請求項に記載の反射体を原点出力用
の反射標識部に用いたことを特徴とするエンコーダであ
る。
【００５０】請求項１９に係る本発明は、請求項１０〜
１７の何れか１つの請求項に記載の反射体を、モータ制
御用エンコーダのコミュテーション信号検知用の反射標
識部に用いたことを特徴とするエンコーダである。
１７の何れか１つの請求項に記載の反射体を、モータ制
御用エンコーダのコミュテーション信号検知用の反射標
識部に用いたことを特徴とするエンコーダである。
【００５１】請求項２０に係る本発明は、請求項１〜１
７の何れか１つの請求項に記載の光学式エンコーダ又は
光センサ又は光学機器又は反射体を、インクジェットプ
リンタの印字ヘッド移動位置検知用リニアエンコーダと
して用いたことを特徴とするプリンタ装置である。
７の何れか１つの請求項に記載の光学式エンコーダ又は
光センサ又は光学機器又は反射体を、インクジェットプ
リンタの印字ヘッド移動位置検知用リニアエンコーダと
して用いたことを特徴とするプリンタ装置である。
【００５２】請求項２１に係る本発明は、請求項１〜１
７の何れか１つの請求項に記載の光学式エンコーダ又は
光センサ又は光学機器又は反射体を、インクジェットプ
リンタの紙搬送量を検知するためのロータリエンコーダ
として用いたことを特徴とするプリンタ装置である。
７の何れか１つの請求項に記載の光学式エンコーダ又は
光センサ又は光学機器又は反射体を、インクジェットプ
リンタの紙搬送量を検知するためのロータリエンコーダ
として用いたことを特徴とするプリンタ装置である。
【００５３】請求項２２に係る本発明は、請求項１〜１
７の何れか１つの請求項に記載の光学式エンコーダ又は
光センサ又は光学機器又は反射体を、ビデオカメラの自
動合焦レンズの位置検知用リニアエンコーダとして用い
たことを特徴とするビデオカメラ装置である。
７の何れか１つの請求項に記載の光学式エンコーダ又は
光センサ又は光学機器又は反射体を、ビデオカメラの自
動合焦レンズの位置検知用リニアエンコーダとして用い
たことを特徴とするビデオカメラ装置である。
【００５４】
【発明の実施の形態】本発明を図１〜図４３に図示の実
施の形態に基づいて詳細に説明する。図１は第１の実施
の形態である光学式反射式リニアスケールを用いた光学
系要部構成を示す斜視図である。光源手段３１は半導体
基板上に複数の発光領域が設けられたマルチポイント発
光の電流狭窄型ＬＥＤであり、制限された発光領域のみ
に電流集中させて無効電流を減らし、光を取り出すよう
に構成された電流狭窄構造を有する発光ダイオードから
成っている。光源手段３１は２つの発光領域３１ａ、３
１ｂとを有し、出力ピーク値の中心波長又は分光分布を
積分したときの中央値の波長λm＝０．６５μｍの光束
を放射している。なお、Ｌａは光源手段３１の発光領域
ｌａから放射される光束の中心軸つまり光源光軸であ
る。
施の形態に基づいて詳細に説明する。図１は第１の実施
の形態である光学式反射式リニアスケールを用いた光学
系要部構成を示す斜視図である。光源手段３１は半導体
基板上に複数の発光領域が設けられたマルチポイント発
光の電流狭窄型ＬＥＤであり、制限された発光領域のみ
に電流集中させて無効電流を減らし、光を取り出すよう
に構成された電流狭窄構造を有する発光ダイオードから
成っている。光源手段３１は２つの発光領域３１ａ、３
１ｂとを有し、出力ピーク値の中心波長又は分光分布を
積分したときの中央値の波長λm＝０．６５μｍの光束
を放射している。なお、Ｌａは光源手段３１の発光領域
ｌａから放射される光束の中心軸つまり光源光軸であ
る。
【００５５】図２は電流狭窄構造を説明するための光源
手段３１の断面図である。基板３２上に、第１クラッド
層３３、活性層３４、第２クラッド層３５及びブロック
層３６を順次に結晶成長させた後に、基板３２の下面及
びブロック層３６の上面に、下部電極３２及び上部電極
３８がそれぞれ蒸着されている。
手段３１の断面図である。基板３２上に、第１クラッド
層３３、活性層３４、第２クラッド層３５及びブロック
層３６を順次に結晶成長させた後に、基板３２の下面及
びブロック層３６の上面に、下部電極３２及び上部電極
３８がそれぞれ蒸着されている。
【００５６】基板３２は例えば１５０〜２５０μｍ程度
の厚さの化合物半導体であり、基板３２と第２クラッド
層３５との間の所定の範囲に動作電流が通電されること
によって、活性層３４内で発生した光を第２クラッド層
３５側から取り出すような電流狭窄構造を備えている。
なお、活性層３４で発生した基板３２の底面側に向かう
光を第２クラッド層３５側に導き、高効率化を図るため
に多層反射膜層を備えることも有効である。
の厚さの化合物半導体であり、基板３２と第２クラッド
層３５との間の所定の範囲に動作電流が通電されること
によって、活性層３４内で発生した光を第２クラッド層
３５側から取り出すような電流狭窄構造を備えている。
なお、活性層３４で発生した基板３２の底面側に向かう
光を第２クラッド層３５側に導き、高効率化を図るため
に多層反射膜層を備えることも有効である。
【００５７】１つの半導体基板上に複数形成した電流狭
窄構造のＬＥＤは、従来からの図４６に示す光源１４及
び第２スケール１２の代替として用いることで小型化で
き、一方で低消費電力化の手段としても、光源手段３１
に注入した電気エネルギを光に変換し、高効率に第１ス
ケールに照射させるための手段として考えられる。
窄構造のＬＥＤは、従来からの図４６に示す光源１４及
び第２スケール１２の代替として用いることで小型化で
き、一方で低消費電力化の手段としても、光源手段３１
に注入した電気エネルギを光に変換し、高効率に第１ス
ケールに照射させるための手段として考えられる。
【００５８】また、図１において、光源手段３１に並ん
で受光面４１としてフォトダイオードアレイ及び信号処
理回路、電気分割回路を載せた半導体基板４２が設けら
れている。光源手段３１及び受光面４１は、図３に示す
ように検出ヘッドとして同一のガラスエポキシ基板から
成る半導体基板４２上に実装され、一体的に構成された
投光受光ユニットとされている。複数の発光領域及びフ
ォトダイオードアレイは、変位計測方向Ｓａに沿って配
列されている。光源手段３１の発光領域３１ａ、３１ｂ
は、図４に示す反射スケール４３に設けられた変位検出
のための形状ピッチＰ１（＝８４μｍ）の２倍にあたる
Ｐ２（＝１６８μｍ）で配置されている。
で受光面４１としてフォトダイオードアレイ及び信号処
理回路、電気分割回路を載せた半導体基板４２が設けら
れている。光源手段３１及び受光面４１は、図３に示す
ように検出ヘッドとして同一のガラスエポキシ基板から
成る半導体基板４２上に実装され、一体的に構成された
投光受光ユニットとされている。複数の発光領域及びフ
ォトダイオードアレイは、変位計測方向Ｓａに沿って配
列されている。光源手段３１の発光領域３１ａ、３１ｂ
は、図４に示す反射スケール４３に設けられた変位検出
のための形状ピッチＰ１（＝８４μｍ）の２倍にあたる
Ｐ２（＝１６８μｍ）で配置されている。
【００５９】一方、受光面４１に設けられているフォト
ダイオードアレイ部は、３つのセグメントＳ１、Ｓ２、
Ｓ３から成り、セグメントＳ１は４個の受光エレメント
Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ１ｃ、Ｓ１ｄの集まり、同様にセグ
メントＳ２は４個の受光エレメントＳ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ
２ｃ、Ｓ２ｄの集まり、セグメントＳ３は４個の受光エ
レメントＳ３ａ、Ｓ３ｂ、Ｓ３ｃ、Ｓ３ｄの集まりを示
している。
ダイオードアレイ部は、３つのセグメントＳ１、Ｓ２、
Ｓ３から成り、セグメントＳ１は４個の受光エレメント
Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ１ｃ、Ｓ１ｄの集まり、同様にセグ
メントＳ２は４個の受光エレメントＳ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ
２ｃ、Ｓ２ｄの集まり、セグメントＳ３は４個の受光エ
レメントＳ３ａ、Ｓ３ｂ、Ｓ３ｃ、Ｓ３ｄの集まりを示
している。
【００６０】受光エレメントＳ１ａ、Ｓ２ａ、Ｓ３ａは
先の発光領域３１ａ、３１ｂの配列ピッチと同様に、反
射スケール４３に設けられた変位検出のための形状ピッ
チＰ１（＝８４μｍ）の２倍に相当するピッチＰ２（＝
１６８μｍ）で配列されている。その他のエレメントも
同様に配列され、最小の受光領域である１２個の受光エ
レメントＳ１ａ〜Ｓ３ｄは、それぞれ受光幅としてピッ
チＰ２の約１／４の幅を有している。
先の発光領域３１ａ、３１ｂの配列ピッチと同様に、反
射スケール４３に設けられた変位検出のための形状ピッ
チＰ１（＝８４μｍ）の２倍に相当するピッチＰ２（＝
１６８μｍ）で配列されている。その他のエレメントも
同様に配列され、最小の受光領域である１２個の受光エ
レメントＳ１ａ〜Ｓ３ｄは、それぞれ受光幅としてピッ
チＰ２の約１／４の幅を有している。
【００６１】半導体基板４２には、更にフォトダイオー
ドからの信号を増幅するための増幅器、２値化するため
のコンパレータ、更に電気分割のための内挿回路、光源
の光量を安定化させるための光量補償回路等が実装され
ている。
ドからの信号を増幅するための増幅器、２値化するため
のコンパレータ、更に電気分割のための内挿回路、光源
の光量を安定化させるための光量補償回路等が実装され
ている。
【００６２】図４に示す反射スケール４３は、ポリメチ
ルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（Ｐ
Ｃ）、好ましくはノルボルネン（ＰＣＰＤ）系の透明耐
熱樹脂「アートン」（熱変形温度１７０℃の耐熱性）等
の透光性樹脂の基板から成り、その一方の面には一定周
期（ピッチＰ１≒８４μｍ）の凹凸部、及び連続したＶ
溝形状（ピッチＰｍ≒１００μｍ）が形成されている。
ここで、Ｓａは変位計測方向を示している。
ルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（Ｐ
Ｃ）、好ましくはノルボルネン（ＰＣＰＤ）系の透明耐
熱樹脂「アートン」（熱変形温度１７０℃の耐熱性）等
の透光性樹脂の基板から成り、その一方の面には一定周
期（ピッチＰ１≒８４μｍ）の凹凸部、及び連続したＶ
溝形状（ピッチＰｍ≒１００μｍ）が形成されている。
ここで、Ｓａは変位計測方向を示している。
【００６３】図５は反射スケール４３の凹凸部が形成さ
れている面側から見たときの斜視図、図６、図７はそれ
ぞれ反射スケール４３のＹ−Ｚ断面図、Ｘ−Ｚ断面図で
ある。図６において、Ｌａは光源手段３１の発光領域３
１ａの発光面から立てた光軸である法線であり、ｎは法
線Ｌａに平行である。
れている面側から見たときの斜視図、図６、図７はそれ
ぞれ反射スケール４３のＹ−Ｚ断面図、Ｘ−Ｚ断面図で
ある。図６において、Ｌａは光源手段３１の発光領域３
１ａの発光面から立てた光軸である法線であり、ｎは法
線Ｌａに平行である。
【００６４】反射スケール４３の反射部は鋸歯状のマイ
クロルーフミラーアレイ（Micro Roof Mirror Array、
ＭＲＡ）とされ、２種類の反射傾斜面群と各平面群によ
り構成され、２つの反射面のなす角はそれぞれＲａとな
っている。ここでは、頂角Ｒａは約９５度に設定されて
いる。ＭＲＡのピッチＰｍは、本実施の形態では略１０
０μｍ程度とされている。
クロルーフミラーアレイ（Micro Roof Mirror Array、
ＭＲＡ）とされ、２種類の反射傾斜面群と各平面群によ
り構成され、２つの反射面のなす角はそれぞれＲａとな
っている。ここでは、頂角Ｒａは約９５度に設定されて
いる。ＭＲＡのピッチＰｍは、本実施の形態では略１０
０μｍ程度とされている。
【００６５】図７において、上下２つの平面は光軸Ｌａ
に対して直交しており、先のＭＲＡを構成する連続した
Ｖ溝群は、この断面図において示すようにピッチＰ１で
配列され、ＭＲＡを構成する連続したＶ溝群の幅Ｗｍ
は、次のようにＭＲＡのピッチＰ１の約半分の幅であ
る。Ｗｍ≒（１／２）・Ｐ１本実施の形態の場合に、反
射スケール４３はプラスティックインジェクションモー
ルド等の製造手段により実現でき、本断面図での角度Ｒ
ｂは金型からの抜き勾配程度の大きさとされている。
に対して直交しており、先のＭＲＡを構成する連続した
Ｖ溝群は、この断面図において示すようにピッチＰ１で
配列され、ＭＲＡを構成する連続したＶ溝群の幅Ｗｍ
は、次のようにＭＲＡのピッチＰ１の約半分の幅であ
る。Ｗｍ≒（１／２）・Ｐ１本実施の形態の場合に、反
射スケール４３はプラスティックインジェクションモー
ルド等の製造手段により実現でき、本断面図での角度Ｒ
ｂは金型からの抜き勾配程度の大きさとされている。
【００６６】ここで、本発明の反射体の光学作用を従来
の反射体と対比し、図８〜図１４を用いて説明する。図
８（ａ）は従来例に相当する斜視図、図８（ｂ）はその
断面図である。光源手段３１から出射された発散光束が
反射体４４の入射面４４Ｆから入射し、平面から成る反
射面４４Ｒで反射して、光束の広がり角度が維持された
まま受光面４１側に導かれる様子を示している。
の反射体と対比し、図８〜図１４を用いて説明する。図
８（ａ）は従来例に相当する斜視図、図８（ｂ）はその
断面図である。光源手段３１から出射された発散光束が
反射体４４の入射面４４Ｆから入射し、平面から成る反
射面４４Ｒで反射して、光束の広がり角度が維持された
まま受光面４１側に導かれる様子を示している。
【００６７】図９は反射体４４において、ハーフミラー
を構成する２つの反射面４４ａ、４４ｂを所定の角度で
対向配置し、光束を反射させるようにした場合を示し、
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は反射体４４に１つのルーフミ
ラーを用いた場合の光路図である。
を構成する２つの反射面４４ａ、４４ｂを所定の角度で
対向配置し、光束を反射させるようにした場合を示し、
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は反射体４４に１つのルーフミ
ラーを用いた場合の光路図である。
【００６８】図９（ａ）では光源手段３１から全方向に
放射された光束が、先の図８で示した場合とほぼ同等の
広がり角度を持って受光面４１側に導かれる。２つの反
射面４４ａ、４４ｂで分割された光源手段３１からの発
散光束は、重なり合うことなく受光面４１の側に進行す
る。
放射された光束が、先の図８で示した場合とほぼ同等の
広がり角度を持って受光面４１側に導かれる。２つの反
射面４４ａ、４４ｂで分割された光源手段３１からの発
散光束は、重なり合うことなく受光面４１の側に進行す
る。
【００６９】図９（ｂ）、（ｃ）は光源手段３１から放
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。図９（ｂ）、（ｃ）では２つの反射面４４
ａ、４４ｂのそれぞれに向かって光源手段３１から放射
された光束が、２つの反射面４４ａ、４４ｂでその発散
光束は分割分離されている。
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。図９（ｂ）、（ｃ）では２つの反射面４４
ａ、４４ｂのそれぞれに向かって光源手段３１から放射
された光束が、２つの反射面４４ａ、４４ｂでその発散
光束は分割分離されている。
【００７０】例えば、図９（ｂ）では光源手段３１から
右側に放射された光束が、受光面４１側で左方に導光さ
れている。反射面４４ａ、４４ｂ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、受光面４１側に進
んでいる。この場合に、受光面４１に入射する光束、光
量は図８における従来の反射体４４と変わらない結果と
なる。
右側に放射された光束が、受光面４１側で左方に導光さ
れている。反射面４４ａ、４４ｂ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、受光面４１側に進
んでいる。この場合に、受光面４１に入射する光束、光
量は図８における従来の反射体４４と変わらない結果と
なる。
【００７１】図１０は反射体４４の光学作用の説明図で
ある。２つの反射面４４ａ、４４ｂを所定の角度で対向
配置した複数個のルーフミラーでは、一次元方向に配列
した反射面４４ａ、４４ｂが透光性基板４４ｃの一面に
設けられている。光源手段３１からの発散光束は反射体
４４の反射面４４ａ、４４ｂで反射した後に、受光面４
１又はその近傍の任意の位置で互いに重なっている。
ある。２つの反射面４４ａ、４４ｂを所定の角度で対向
配置した複数個のルーフミラーでは、一次元方向に配列
した反射面４４ａ、４４ｂが透光性基板４４ｃの一面に
設けられている。光源手段３１からの発散光束は反射体
４４の反射面４４ａ、４４ｂで反射した後に、受光面４
１又はその近傍の任意の位置で互いに重なっている。
【００７２】光源手段３１からの発散光束は反射体４４
の面内にほぼ収まり、光源手段３１から広がり角度を持
って発光した光束は受光面４１にほぼ収まり、受光面４
１の面上の光束の光線密度が向上している。
の面内にほぼ収まり、光源手段３１から広がり角度を持
って発光した光束は受光面４１にほぼ収まり、受光面４
１の面上の光束の光線密度が向上している。
【００７３】更に、図１１（ａ）〜（ｄ）は図１０にお
いて光源手段３１から種々の方向に発散した光束が反射
体４４に入射し、複数個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受光面４１又はその近傍の任意
の位置で互いに重なり合う状態を示している。何れの場
合も反射体４４からの反射光は、受光面４１又はその近
傍で光束が互いに重なり合っている。
いて光源手段３１から種々の方向に発散した光束が反射
体４４に入射し、複数個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受光面４１又はその近傍の任意
の位置で互いに重なり合う状態を示している。何れの場
合も反射体４４からの反射光は、受光面４１又はその近
傍で光束が互いに重なり合っている。
【００７４】各ルーフミラーは傾斜面ごとに光束を分割
分離するが、図１１（ａ）と（ｃ）の反射光束は受光面
４１上の片側の領域で重なり合い、また図１１（ｂ）と
（ｄ）の反射光束は受光面４１上の反対側の領域で重な
り合っている。
分離するが、図１１（ａ）と（ｃ）の反射光束は受光面
４１上の片側の領域で重なり合い、また図１１（ｂ）と
（ｄ）の反射光束は受光面４１上の反対側の領域で重な
り合っている。
【００７５】図１２（ａ）、（ｂ）は反射体４４の透光
性基板４４ｃの屈折率の違いによる光線作用の差異の説
明図である。図１２（ａ）は透光性基板４４ｃの材質の
屈折率が１．６９の場合、図１２（ｂ）は屈折率が１．
５３の場合を示している。
性基板４４ｃの屈折率の違いによる光線作用の差異の説
明図である。図１２（ａ）は透光性基板４４ｃの材質の
屈折率が１．６９の場合、図１２（ｂ）は屈折率が１．
５３の場合を示している。
【００７６】図８〜図１２の一連の説明図により、反射
体４４に相当する反射スケール４３は発散光束を収束性
光束に変換して効率良く光束を受光部に導くことが理解
できる。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。本実施の形
態の反射体４４は屈折率１．６５以上の高屈折率の透光
性基板４４ｃを用いており、これにより光の利用効率を
高めている。
体４４に相当する反射スケール４３は発散光束を収束性
光束に変換して効率良く光束を受光部に導くことが理解
できる。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。本実施の形
態の反射体４４は屈折率１．６５以上の高屈折率の透光
性基板４４ｃを用いており、これにより光の利用効率を
高めている。
【００７７】図１３、図１４はルーフミラーの数による
反射光束の集光状態を示し、図１３（ａ）〜（ｃ）にお
いて、ルーフミラーの数が増すごとに１つの傾斜面当り
の反射面が光源手段３１を見込む角度は小さくなり、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４１に導かれる反射光束の受光面上の照射領域も小さ
くなる。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４１へ
の照射面積が小さくなる効果のみが有効となる。
反射光束の集光状態を示し、図１３（ａ）〜（ｃ）にお
いて、ルーフミラーの数が増すごとに１つの傾斜面当り
の反射面が光源手段３１を見込む角度は小さくなり、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４１に導かれる反射光束の受光面上の照射領域も小さ
くなる。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４１へ
の照射面積が小さくなる効果のみが有効となる。
【００７８】図１４（ａ）〜（ｃ）は同一の発散角度を
持って、光源手段３１から受光した光束が反射体４４に
入射して、しかも光源手段３１との距離を同一にした場
合を示している。受光面４１上に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。
持って、光源手段３１から受光した光束が反射体４４に
入射して、しかも光源手段３１との距離を同一にした場
合を示している。受光面４１上に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。
【００７９】このような第１の実施の形態では、先に説
明した反射体４４としてＭＲＡを用いた反射スケール４
３を用いている。その反射面は一定周期（ピッチＰ１＝
８４μｍ）であり、図示しない移動体に関して設けられ
ており、図１に示すように矢印Ｓａで示す移動方向に移
動可能となっている。この反射スケール４３の反射面
は、受光面４１の受光素子列に対して距離ｇＰが約１．
５〜２．５ｍｍ程度隔てて対向配置されている。なお、
反射スケール４３と受光素子列は移動方向Ｓａに対して
略平行となっている。ここで、距離ｇＬ及び後述するｇ
Ｐは光学的な空気換算距離を表している。
明した反射体４４としてＭＲＡを用いた反射スケール４
３を用いている。その反射面は一定周期（ピッチＰ１＝
８４μｍ）であり、図示しない移動体に関して設けられ
ており、図１に示すように矢印Ｓａで示す移動方向に移
動可能となっている。この反射スケール４３の反射面
は、受光面４１の受光素子列に対して距離ｇＰが約１．
５〜２．５ｍｍ程度隔てて対向配置されている。なお、
反射スケール４３と受光素子列は移動方向Ｓａに対して
略平行となっている。ここで、距離ｇＬ及び後述するｇ
Ｐは光学的な空気換算距離を表している。
【００８０】光源手段３１から射出した発散光束は、距
離ｇＬにある反射スケール４３の反射面に入射する。図
１５（ａ）、（ｂ）はこのときの反射スケール４３のＶ
溝と平面の凹凸部に入射する光束の光路説明図である。
（ａ）に示すように、Ｖ溝に入射する光束はＶ溝の傾斜
面に臨界角以上の角度で入射し、傾斜面で２回の全反射
を繰り返し光源手段３１側へ戻る。また、（ｂ）に示す
ように平面に入射する光束はそのまま反射スケール４３
を通過する。同様にして、他の傾斜面においても、２回
の全反射を繰り返し入射光束は光源手段３１側に戻るこ
とになる。
離ｇＬにある反射スケール４３の反射面に入射する。図
１５（ａ）、（ｂ）はこのときの反射スケール４３のＶ
溝と平面の凹凸部に入射する光束の光路説明図である。
（ａ）に示すように、Ｖ溝に入射する光束はＶ溝の傾斜
面に臨界角以上の角度で入射し、傾斜面で２回の全反射
を繰り返し光源手段３１側へ戻る。また、（ｂ）に示す
ように平面に入射する光束はそのまま反射スケール４３
を通過する。同様にして、他の傾斜面においても、２回
の全反射を繰り返し入射光束は光源手段３１側に戻るこ
とになる。
【００８１】図１６（ａ）、（ｂ）は反射スケール４３
のＶ溝を形成する２面の傾斜面の角度Ｒａを変えた場合
の光路を示しており、この角度を適宜に変更することに
より、光源手段３１からの発散光束を図１の受光面４１
上のＹ軸方向に関する任意の位置に導くことが可能とな
る。
のＶ溝を形成する２面の傾斜面の角度Ｒａを変えた場合
の光路を示しており、この角度を適宜に変更することに
より、光源手段３１からの発散光束を図１の受光面４１
上のＹ軸方向に関する任意の位置に導くことが可能とな
る。
【００８２】図１７（ａ）、（ｂ）は図１５（ａ）、
（ｂ）の光学作用を分かり易く説明するための等価光学
系である。先ず、図１７（ａ）は反射スケール４３と検
出ヘッドの相対変位を横から見た等価光路図である。反
射スケール４３に対して、複数の発光体を有する光源手
段３１とフォトダイオードアレイを含む受光面４１が、
それぞれ距離ｇＬ、ｇＰの位置に配置されている。
（ｂ）の光学作用を分かり易く説明するための等価光学
系である。先ず、図１７（ａ）は反射スケール４３と検
出ヘッドの相対変位を横から見た等価光路図である。反
射スケール４３に対して、複数の発光体を有する光源手
段３１とフォトダイオードアレイを含む受光面４１が、
それぞれ距離ｇＬ、ｇＰの位置に配置されている。
【００８３】図１７（ａ）と従来の技術として示した図
４４、図４７、図４８とは、ほぼ同様の光学配置であ
る。ただし、図１７（ｂ）の等価光路図では、光源手段
３１からの発散光束は収束性光束として受光面４１に導
かれる。
４４、図４７、図４８とは、ほぼ同様の光学配置であ
る。ただし、図１７（ｂ）の等価光路図では、光源手段
３１からの発散光束は収束性光束として受光面４１に導
かれる。
【００８４】従来の３格子型の光線作用と対比すると、
従来構成では光源から射出した発散光束は、そのままの
広がりを持って受光部に導かれるのに対して、本実施の
形態では収束性光束となって受光面４１に入射する。収
束性の実質的な光線作用は図８〜図１４において、既に
説明した通りであり、従来例とはこの点で大きく異な
る。このように第１の実施の形態では、従来構成に比べ
て光源手段３１から発した光束の利用効率が高いことが
容易に推測できる。
従来構成では光源から射出した発散光束は、そのままの
広がりを持って受光部に導かれるのに対して、本実施の
形態では収束性光束となって受光面４１に入射する。収
束性の実質的な光線作用は図８〜図１４において、既に
説明した通りであり、従来例とはこの点で大きく異な
る。このように第１の実施の形態では、従来構成に比べ
て光源手段３１から発した光束の利用効率が高いことが
容易に推測できる。
【００８５】図１７（ａ）において、反射スケール４３
が移動方向Ｓａに移動すると、それに伴い受光面４１の
フォトダイオードアレイ部のセグメントＳ１〜Ｓ３上に
形成した格子像も同方向に移動する。この結果、各受光
エレメントからは反射スケール４３の移動状態に基づく
干渉縞の明部、暗部が周期的に変化し、光電変換の後に
位相が異なる４相の変位信号が出力される。
が移動方向Ｓａに移動すると、それに伴い受光面４１の
フォトダイオードアレイ部のセグメントＳ１〜Ｓ３上に
形成した格子像も同方向に移動する。この結果、各受光
エレメントからは反射スケール４３の移動状態に基づく
干渉縞の明部、暗部が周期的に変化し、光電変換の後に
位相が異なる４相の変位信号が出力される。
【００８６】本実施の形態では、このときの受光面４１
から得られる変位信号を用いて、反射スケール４３と受
光面４１及び光源手段３１を含む検出ヘッドとの相対的
な変位情報を検出している。
から得られる変位信号を用いて、反射スケール４３と受
光面４１及び光源手段３１を含む検出ヘッドとの相対的
な変位情報を検出している。
【００８７】次に、本実施の形態における信号処理回路
部分の説明をすると、図１の構成の光学系において、光
源手段３１から射出した光束は、その光路途中に位置す
る反射スケール４３の変位に伴い複数の反射回折光束を
発生すると共に、直接光である０次回折光束以外の各反
射回折光束は位相変調され、フォトダイオードアレイ及
び信号処理回路、電気分割回路を搭載した半導体基板４
２に上下方向に移動する干渉縞模様形成する。具体的に
は、受光面４１上では、図１８、図１９に示すような光
量分布の縞が図の上下方向に移動する。
部分の説明をすると、図１の構成の光学系において、光
源手段３１から射出した光束は、その光路途中に位置す
る反射スケール４３の変位に伴い複数の反射回折光束を
発生すると共に、直接光である０次回折光束以外の各反
射回折光束は位相変調され、フォトダイオードアレイ及
び信号処理回路、電気分割回路を搭載した半導体基板４
２に上下方向に移動する干渉縞模様形成する。具体的に
は、受光面４１上では、図１８、図１９に示すような光
量分布の縞が図の上下方向に移動する。
【００８８】図１８はフォトダイオードアレイから成る
受光面４１、信号処理回路、電気分割回路とを載せた半
導体基板４２の構成図である。本実施の形態の構成で
は、フォトダイオードアレイ、信号処理回路と共に、電
気分割回路を一体化することにより、このような小さな
サイズの半導体基板４２でありながら、高分解能な出力
信号が得られるようにしている。
受光面４１、信号処理回路、電気分割回路とを載せた半
導体基板４２の構成図である。本実施の形態の構成で
は、フォトダイオードアレイ、信号処理回路と共に、電
気分割回路を一体化することにより、このような小さな
サイズの半導体基板４２でありながら、高分解能な出力
信号が得られるようにしている。
【００８９】図１８のセグメントＳ１〜Ｓ３で得られる
パターンは、光学式エンコーダのフォトダイオードアレ
イパターンと検出される光の明暗パターンとの関係を示
している。図１８では明暗パターンの１周期の１／４の
幅のフォトダイオードのそれぞれが０度、９０度、１８
０度、２７０度の関係になるように配置され、有効な受
光エレメントとして合計１２個の受光エレメントＳ１
ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ１ｃ、Ｓ１ｄ、Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２
ｃ、Ｓ２ｄ、Ｓ３ａ、Ｓ３ｂ、Ｓ３ｃ、Ｓ３ｄが含ま
れ、それ以外に両端部には各１個ずつのダミーフォトダ
イオードから成る受光エレメントが配置されている。
パターンは、光学式エンコーダのフォトダイオードアレ
イパターンと検出される光の明暗パターンとの関係を示
している。図１８では明暗パターンの１周期の１／４の
幅のフォトダイオードのそれぞれが０度、９０度、１８
０度、２７０度の関係になるように配置され、有効な受
光エレメントとして合計１２個の受光エレメントＳ１
ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ１ｃ、Ｓ１ｄ、Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２
ｃ、Ｓ２ｄ、Ｓ３ａ、Ｓ３ｂ、Ｓ３ｃ、Ｓ３ｄが含ま
れ、それ以外に両端部には各１個ずつのダミーフォトダ
イオードから成る受光エレメントが配置されている。
【００９０】ダミーフォトダイオードは有効部の両端部
に位置する受光エレメントＳ１ａ及びＳ３ｄが周りの素
子から受けるクロストークの影響について、他の有効受
光エレメントの特性と同じ特性に揃えるために設けられ
ている。また、同位相のフォトダイオード群は図１９に
示すように、電気的に接続され出力信号Ｅａ、Ｅｂ、Ｅ
ｃ、Ｅｄを発生する。
に位置する受光エレメントＳ１ａ及びＳ３ｄが周りの素
子から受けるクロストークの影響について、他の有効受
光エレメントの特性と同じ特性に揃えるために設けられ
ている。また、同位相のフォトダイオード群は図１９に
示すように、電気的に接続され出力信号Ｅａ、Ｅｂ、Ｅ
ｃ、Ｅｄを発生する。
【００９１】図２０は１２個の受光エレメントから得ら
れる信号を処理する信号処理回路である。Ｉ−Ｖ変換回
路５１〜５４は各受光エレメントＳ１ａ〜Ｓ３ｄの同位
相の信号の和である信号Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｃ、ＥｄをＩ−
Ｖ（電流−電圧）変換する。
れる信号を処理する信号処理回路である。Ｉ−Ｖ変換回
路５１〜５４は各受光エレメントＳ１ａ〜Ｓ３ｄの同位
相の信号の和である信号Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｃ、ＥｄをＩ−
Ｖ（電流−電圧）変換する。
【００９２】出力信号ＡはＥｃ−Ｅａの差動増幅結果に
一定電圧（Ｖｆ２）を重畳して得ている。同様に、出力
信号ＢはＥｄ−Ｅｂ、出力信号ＣはＥａ−Ｅｃから得ら
れる。このとき、出力信号Ａ、Ｂ、Ｃは０度、９０度、
１８０度の位相関係で、かつＤＣ電圧は同様にＶｆ２と
なっている。
一定電圧（Ｖｆ２）を重畳して得ている。同様に、出力
信号ＢはＥｄ−Ｅｂ、出力信号ＣはＥａ−Ｅｃから得ら
れる。このとき、出力信号Ａ、Ｂ、Ｃは０度、９０度、
１８０度の位相関係で、かつＤＣ電圧は同様にＶｆ２と
なっている。
【００９３】ＡＣ電圧もほぼ同じ位置にある受光エレメ
ントＳ１ａ〜Ｓ３ｄからの検出電圧であるから、それぞ
れのレベルは等しく、かつ光量をフィードバック制御を
しているので、光量変動や取付誤差の影響も少ない一定
の振幅が得られる。
ントＳ１ａ〜Ｓ３ｄからの検出電圧であるから、それぞ
れのレベルは等しく、かつ光量をフィードバック制御を
しているので、光量変動や取付誤差の影響も少ない一定
の振幅が得られる。
【００９４】中心電圧をゼロからＶｆ２に上げているた
め、片電源の回路でも動作できる。差動増幅器５５〜５
７の信号が直接抵抗連鎖に電気分割回路５８に入力され
ている。また、この電気分割回路５８は片電源でも動作
する構成にされており、このように片電源の回路構成で
も、簡便に精度良い電気分割回路を含んだエンコーダ信
号が得られる利点がある。
め、片電源の回路でも動作できる。差動増幅器５５〜５
７の信号が直接抵抗連鎖に電気分割回路５８に入力され
ている。また、この電気分割回路５８は片電源でも動作
する構成にされており、このように片電源の回路構成で
も、簡便に精度良い電気分割回路を含んだエンコーダ信
号が得られる利点がある。
【００９５】図２１は光の明暗パターンが受光エレメン
トＳ１ａ〜Ｓ３ｄ上を移動し、かつ光量変動があるとき
のＩ−Ｖ変換回路５１〜５４の出力信号波形のタイムチ
ャート図を示している。Ｉ−Ｖ変換回路５１〜５４から
は位相は異なるが、同じような信号波形が得られる。信
号Ｅａ、Ｅｂは１８０度位相がずれているので、信号Ｅ
ａ、Ｅｃの加算した結果から、光源手段３１の発光量を
フィードバックするための参照信号を得ることができ
る。
トＳ１ａ〜Ｓ３ｄ上を移動し、かつ光量変動があるとき
のＩ−Ｖ変換回路５１〜５４の出力信号波形のタイムチ
ャート図を示している。Ｉ−Ｖ変換回路５１〜５４から
は位相は異なるが、同じような信号波形が得られる。信
号Ｅａ、Ｅｂは１８０度位相がずれているので、信号Ｅ
ａ、Ｅｃの加算した結果から、光源手段３１の発光量を
フィードバックするための参照信号を得ることができ
る。
【００９６】ここまでの説明に示すように、反射スケー
ル４３は従来の反射式スケールでは得られない発散光束
を収束性光束に変換する機能を有している。一方で、光
透過部と光反射部とを一定周期で設けることにより、従
来の反射式光学スケールと同じ振幅型の回折格子と同様
の光学作用を有する。その結果、従来技術で公知の３格
子型の光学原理に従った回折干渉の現象を示す。
ル４３は従来の反射式スケールでは得られない発散光束
を収束性光束に変換する機能を有している。一方で、光
透過部と光反射部とを一定周期で設けることにより、従
来の反射式光学スケールと同じ振幅型の回折格子と同様
の光学作用を有する。その結果、従来技術で公知の３格
子型の光学原理に従った回折干渉の現象を示す。
【００９７】公知の性質を表す式（１）〜（５）から、
本実施の形態の反射方式の構成では、次の関係式が成り
立つ。 Ｐ２＝２・Ｐ１、ｇＰ＝ｇＬ＝２・ｎ・Ｐ１2／λ・・・・（６）
本実施の形態の反射方式の構成では、次の関係式が成り
立つ。 Ｐ２＝２・Ｐ１、ｇＰ＝ｇＬ＝２・ｎ・Ｐ１2／λ・・・・（６）
【００９８】ここで、Ｐ１は反射スケール４３のピッ
チ、Ｐ２はアレイ状光源の配列ピッチ、及び受光面４１
のセグメントＳ１、Ｓ２、Ｓ３間のピッチ、ｇＬ、ｇＰ
は空気換算光路長である。
チ、Ｐ２はアレイ状光源の配列ピッチ、及び受光面４１
のセグメントＳ１、Ｓ２、Ｓ３間のピッチ、ｇＬ、ｇＰ
は空気換算光路長である。
【００９９】上記の関係から、光源手段３１から射出し
反射スケール４３を介して反射・回折・干渉した光束
は、受光面４１のセグメントＳ１〜Ｓ３上に反射スケー
ル４３の格子ピッチＰ１、複数の発光領域の配列間隔Ｐ
２、及び光源手段３１の発光中心波長λにより決定付け
られた回折干渉像である格子像を形成する。
反射スケール４３を介して反射・回折・干渉した光束
は、受光面４１のセグメントＳ１〜Ｓ３上に反射スケー
ル４３の格子ピッチＰ１、複数の発光領域の配列間隔Ｐ
２、及び光源手段３１の発光中心波長λにより決定付け
られた回折干渉像である格子像を形成する。
【０１００】この格子像ピッチはＰ２（≒１６８μｍ）
で、ピッチＰ１の２倍の値を示し、この格子像のピッチ
Ｐ２と重なるように、受光面４１のセグメントピッチは
Ｐ２で配列されている。
で、ピッチＰ１の２倍の値を示し、この格子像のピッチ
Ｐ２と重なるように、受光面４１のセグメントピッチは
Ｐ２で配列されている。
【０１０１】先に説明した従来例では、条件式（６）の
ｎの値は自然数とし、この値の近傍にギャップ設定する
ことを説明している。ところが、この第１の実施の形態
では、条件式（６）での配置は実用上は成立しない。
ｎの値は自然数とし、この値の近傍にギャップ設定する
ことを説明している。ところが、この第１の実施の形態
では、条件式（６）での配置は実用上は成立しない。
【０１０２】ここで、具体的に本実施の形態の主要な数
値を用いて算出してみると、反射スケール４３のピッチ
Ｐ１、アレイ状光源の配列ピッチＰ２、受光面４１のセ
グメントＳ１、Ｓ２、Ｓ３間のピッチＰ２は次のように
なる。 Ｐ１≒８４μｍ Ｐ２≒１６８μｍ λ≒０．６５μｍ（光源の発光波長の中心値）
値を用いて算出してみると、反射スケール４３のピッチ
Ｐ１、アレイ状光源の配列ピッチＰ２、受光面４１のセ
グメントＳ１、Ｓ２、Ｓ３間のピッチＰ２は次のように
なる。 Ｐ１≒８４μｍ Ｐ２≒１６８μｍ λ≒０．６５μｍ（光源の発光波長の中心値）
【０１０３】空気換算での最適な干渉縞コントラストが
得られるギャップＶ（＝Ｕ）は、開示されている関係式
によれば、ｎは自然数とされ、例えばｎ＝１の場合にお
いて次式となる。 Ｕ＝Ｖ＝２・ｎ・Ｐ１2／λ ＝２・８４・８４／０．６５ ≒２１７１１（μｍ）
得られるギャップＶ（＝Ｕ）は、開示されている関係式
によれば、ｎは自然数とされ、例えばｎ＝１の場合にお
いて次式となる。 Ｕ＝Ｖ＝２・ｎ・Ｐ１2／λ ＝２・８４・８４／０．６５ ≒２１７１１（μｍ）
【０１０４】また、ｎ＝２では次式となる。
Ｕ＝Ｖ＝２・ｎ・Ｐ１2／λ
＝２・８４・８４／０．６５
≒４３４２１（μｍ）
【０１０５】即ち、３格子型の原理に従い、反射スケー
ル４３、光源手段３１、受光面４１等の配置を決定する
条件式（６）に従えば、約２１．７ｍｍ或いは４３．４
ｍｍの位置でコントラストの高い干渉縞が得られること
になり、ギャップの変化に対して、コントラスト特性は
図２２のグラフ図に示すような特性を示すとされてい
る。
ル４３、光源手段３１、受光面４１等の配置を決定する
条件式（６）に従えば、約２１．７ｍｍ或いは４３．４
ｍｍの位置でコントラストの高い干渉縞が得られること
になり、ギャップの変化に対して、コントラスト特性は
図２２のグラフ図に示すような特性を示すとされてい
る。
【０１０６】ところが実際には、この寸法で配置した場
合には実用的な信号は全く得られない。即ち、ギャップ
位置２１．７ｍｍ或いは４３．４ｍｍの位置では、光源
手段３１と反射スケール４３との距離が大き過ぎ、受光
面４１への入射光量が不足して有効な信号振幅が得られ
ない。
合には実用的な信号は全く得られない。即ち、ギャップ
位置２１．７ｍｍ或いは４３．４ｍｍの位置では、光源
手段３１と反射スケール４３との距離が大き過ぎ、受光
面４１への入射光量が不足して有効な信号振幅が得られ
ない。
【０１０７】図２３は受光光量とギャップの関係を示
し、約２ｍｍ程度の位置で受光光量のピークを示し、５
ｍｍ以上の距離では実用的な光量を確保することは殆ど
困難である。このように反射方式では、検出ヘッドと反
射スケールが或る距離以上離れた場合は、極端な光量の
不足の問題が生ずる。先に示した３格子型の反射式での
条件式（６）から求められる最適ギャップ位置２１．７
ｍｍでは、到底有効な信号は得られない。
し、約２ｍｍ程度の位置で受光光量のピークを示し、５
ｍｍ以上の距離では実用的な光量を確保することは殆ど
困難である。このように反射方式では、検出ヘッドと反
射スケールが或る距離以上離れた場合は、極端な光量の
不足の問題が生ずる。先に示した３格子型の反射式での
条件式（６）から求められる最適ギャップ位置２１．７
ｍｍでは、到底有効な信号は得られない。
【０１０８】そこで、このような場合に図２２のグラフ
図において、ギャップ＝０の近傍で用いることが有効で
ある。図２４は実際の実験結果から得られた出力信号振
幅の特性図を示している。本実施の形態では、ギャップ
値としては反射光光量がピークを示すほぼ２．０ｍｍ前
後の位置で出力信号振幅が最大となり、良好な特性が得
られる。
図において、ギャップ＝０の近傍で用いることが有効で
ある。図２４は実際の実験結果から得られた出力信号振
幅の特性図を示している。本実施の形態では、ギャップ
値としては反射光光量がピークを示すほぼ２．０ｍｍ前
後の位置で出力信号振幅が最大となり、良好な特性が得
られる。
【０１０９】このように、従来では３格子型の変位検出
原理に従う反射方式の構成では、条件式（６）の関係を
満たす位置に、反射スケールを配置することが好ましい
とされてきた。しかし、第１の実施の形態においては、
自然数と規定されている条件式（６）中のｎに対して、
ｎ＜１の範囲で、反射スケールを配置することが有効で
あり、条件式（６）の関係で決定される位置よりも、受
光光量のピーク位置に反射スケールを配置することが好
ましい配置と云える。
原理に従う反射方式の構成では、条件式（６）の関係を
満たす位置に、反射スケールを配置することが好ましい
とされてきた。しかし、第１の実施の形態においては、
自然数と規定されている条件式（６）中のｎに対して、
ｎ＜１の範囲で、反射スケールを配置することが有効で
あり、条件式（６）の関係で決定される位置よりも、受
光光量のピーク位置に反射スケールを配置することが好
ましい配置と云える。
【０１１０】次の第２の実施の形態においては、先の第
１の実施の形態と異なる点は下記の寸法関係のみであ
る。下記のピッチＰ１、Ｐ２のみが異なり、他は全く同
じで、次の値を与えることにする。 Ｐ１≒４２μｍ Ｐ２≒８４μｍ
１の実施の形態と異なる点は下記の寸法関係のみであ
る。下記のピッチＰ１、Ｐ２のみが異なり、他は全く同
じで、次の値を与えることにする。 Ｐ１≒４２μｍ Ｐ２≒８４μｍ
【０１１１】ここで、具体的に先の第１の実施の形態と
同様に、第２の実施の形態の主要な数値を用いて、好ま
しいギャップ設定位置を算出してみる。空気換算での最
適な干渉縞コントラストが得られるギャップＶ（＝Ｕ）
は、開示されている関係式によればｎは自然数とされ、
ｎ＝１の場合において、次式となる。 Ｕ＝２・ｎ・Ｐ１2／λ ＝２・４２・４２・０．６５ ≒５４２８μｍ
同様に、第２の実施の形態の主要な数値を用いて、好ま
しいギャップ設定位置を算出してみる。空気換算での最
適な干渉縞コントラストが得られるギャップＶ（＝Ｕ）
は、開示されている関係式によればｎは自然数とされ、
ｎ＝１の場合において、次式となる。 Ｕ＝２・ｎ・Ｐ１2／λ ＝２・４２・４２・０．６５ ≒５４２８μｍ
【０１１２】図２５はこの第２の実施の形態での実験結
果を示している。ギャップが５．４ｍｍの位置では受光
光量は僅かで、この第２の実施の形態においても先の第
１の実施の形態と同様に、ｎ＜１の範囲に出力信号のピ
ークが得られ、この場合では約１．０ｍｍ前後に最大振
幅が存在している。この第２の実施の形態では、３格子
型での条件式（６）から求められる最適ギャップ位置
５．４ｍｍ近傍でも、かなり有効な信号振幅が得られて
はいるが、図２５に示すように１ｍｍ付近に、より大き
な信号振幅が得られるギャップが存在している。
果を示している。ギャップが５．４ｍｍの位置では受光
光量は僅かで、この第２の実施の形態においても先の第
１の実施の形態と同様に、ｎ＜１の範囲に出力信号のピ
ークが得られ、この場合では約１．０ｍｍ前後に最大振
幅が存在している。この第２の実施の形態では、３格子
型での条件式（６）から求められる最適ギャップ位置
５．４ｍｍ近傍でも、かなり有効な信号振幅が得られて
はいるが、図２５に示すように１ｍｍ付近に、より大き
な信号振幅が得られるギャップが存在している。
【０１１３】先の第１の実施の形態では、受光光量ピー
ク位置が約２ｍｍ近傍で最大振幅が存在しているが、こ
の第２の実施の形態では、受光光量のピーク位置付近に
コントラスト値の谷間が存在しているために、最大振幅
位置が受光光量のピークからずれ、１ｍｍ近傍に信号振
幅ピークが生じている。
ク位置が約２ｍｍ近傍で最大振幅が存在しているが、こ
の第２の実施の形態では、受光光量のピーク位置付近に
コントラスト値の谷間が存在しているために、最大振幅
位置が受光光量のピークからずれ、１ｍｍ近傍に信号振
幅ピークが生じている。
【０１１４】この第２の実施の形態での最大振幅発生位
置は、条件式のｎの値に置き換えると、ｎ＜０．５の範
囲が有効なギャップ位置を与える。
置は、条件式のｎの値に置き換えると、ｎ＜０．５の範
囲が有効なギャップ位置を与える。
【０１１５】第３の実施の形態は、第２の実施の形態と
同様に下記の寸法関係のみが異なる。下記のピッチＰ
１、Ｐ２のみが異なり他は全く同じで、次の値を与える
ことにする。 Ｐ１≒２１μｍ Ｐ２≒４２μｍ
同様に下記の寸法関係のみが異なる。下記のピッチＰ
１、Ｐ２のみが異なり他は全く同じで、次の値を与える
ことにする。 Ｐ１≒２１μｍ Ｐ２≒４２μｍ
【０１１６】ここで、具体的に先の第１の実施の形態と
同様に、第２の実施の形態の主要な数値を用いて好まし
いギャップ設定位置を算出してみる。空気換算での最適
な干渉縞コントラストが得られるギャップＶ（＝Ｕ）
は、開示されている関係式によれば、ｎを自然数とし、
ｎ＝１の場合において次のようになる。 Ｕ＝２・ｎ・Ｐ１2／λ ＝２・２１・２１／０．６５ ≒１３５７μｍ
同様に、第２の実施の形態の主要な数値を用いて好まし
いギャップ設定位置を算出してみる。空気換算での最適
な干渉縞コントラストが得られるギャップＶ（＝Ｕ）
は、開示されている関係式によれば、ｎを自然数とし、
ｎ＝１の場合において次のようになる。 Ｕ＝２・ｎ・Ｐ１2／λ ＝２・２１・２１／０．６５ ≒１３５７μｍ
【０１１７】図２６はこの第３の実施の形態での実験結
果をに示し、１．３５７ｍｍの位置では、この位置に出
力信号のピークが得られる。３格子型での条件式（６）
から求められる最適ギャップ位置の１．３５７ｍｍ近傍
で有効な信号振幅が得られている。これは受光光量のピ
ーク位置と条件式（６）から得られる最適位置の値が近
接し、条件が合致したことによる。
果をに示し、１．３５７ｍｍの位置では、この位置に出
力信号のピークが得られる。３格子型での条件式（６）
から求められる最適ギャップ位置の１．３５７ｍｍ近傍
で有効な信号振幅が得られている。これは受光光量のピ
ーク位置と条件式（６）から得られる最適位置の値が近
接し、条件が合致したことによる。
【０１１８】従って、この第３の実施の形態でのこの最
大振幅発生位置は条件式のｎの値に置き換えれば、０．
５＜ｎ＜１．５の範囲が有効なギャップ位置を与える。
大振幅発生位置は条件式のｎの値に置き換えれば、０．
５＜ｎ＜１．５の範囲が有効なギャップ位置を与える。
【０１１９】最適なギャップ設定位置に関しては、これ
まで３格子型の反射式構成では条件式（６）が好ましい
とされてきた。しかし、実質的な信号振幅で考えた場合
には、必ずしもこの条件式（６）から導かれる配置が最
適であるとは限らない。
まで３格子型の反射式構成では条件式（６）が好ましい
とされてきた。しかし、実質的な信号振幅で考えた場合
には、必ずしもこの条件式（６）から導かれる配置が最
適であるとは限らない。
【０１２０】受光光量のピーク位置が重要であり、条件
式（６）で得られるコントラストピーク位置とこの受光
光量のピーク位置の関係において最適な配置が決定され
る。
式（６）で得られるコントラストピーク位置とこの受光
光量のピーク位置の関係において最適な配置が決定され
る。
【０１２１】実施の形態では、３格子型の反射式構成に
おける最適なギャップ位置を与える関係式を示すもので
ある。その際に、受光光量のピーク位置がコントラスト
ピーク位置と合致するように、受光ピーク位置を光源手
段３１、受光面４１の配置関係で操作することで、双方
のピーク位置を合致させる最大振幅の出力信号を得よう
とするものであり、上述の手段で実現可能である。
おける最適なギャップ位置を与える関係式を示すもので
ある。その際に、受光光量のピーク位置がコントラスト
ピーク位置と合致するように、受光ピーク位置を光源手
段３１、受光面４１の配置関係で操作することで、双方
のピーク位置を合致させる最大振幅の出力信号を得よう
とするものであり、上述の手段で実現可能である。
【０１２２】また、これまで条件式（６）において、ｎ
は自然数の範囲で考えられていたが、第１又は第２の実
施の形態で採用した反射スケール４３のピッチ８４μｍ
又は４２μｍ程度では、ｎ＜１、ｎ＜０．５の範囲に最
良な位置が存在し、コントラストピーク位置よりも受光
光量のピーク位置が支配的である。また、第３の実施の
形態で採用したピッチ２１μｍ程度では、コントラスト
のピーク位置と受光光量のピーク位置が合致するような
関係を実現することが好ましい。
は自然数の範囲で考えられていたが、第１又は第２の実
施の形態で採用した反射スケール４３のピッチ８４μｍ
又は４２μｍ程度では、ｎ＜１、ｎ＜０．５の範囲に最
良な位置が存在し、コントラストピーク位置よりも受光
光量のピーク位置が支配的である。また、第３の実施の
形態で採用したピッチ２１μｍ程度では、コントラスト
のピーク位置と受光光量のピーク位置が合致するような
関係を実現することが好ましい。
【０１２３】図２７のグラフ図は第１〜第３の実施の形
態までの結果を纏めて示している。
態までの結果を纏めて示している。
【０１２４】図２８は第４の実施の形態の構成図を示
し、Ｒａ＝９０度の設定で、しかもピッチＰｍを問題な
い寸法に設定する。実現可能な光源手段３１と受光面４
１の配置構成例を示している。反射スケール４３は透光
性部材から成り、角度Ｒａ＝９０度の設定とされてい
る。この場合には、受光面４１のシリコンフォトダイオ
ードのチップである半導体基板４２上に光源手段３１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云
え、光源手段３１の発光ダイオードの発熱の影響を考慮
する必要がある。実装面から考えると、角度を９０度よ
りも大きく設定し、同一の実装面に受光面４１のシリコ
ンフォトダイオードと、光源手段３１の発光ダイオード
を並べて実装することが好ましい。
し、Ｒａ＝９０度の設定で、しかもピッチＰｍを問題な
い寸法に設定する。実現可能な光源手段３１と受光面４
１の配置構成例を示している。反射スケール４３は透光
性部材から成り、角度Ｒａ＝９０度の設定とされてい
る。この場合には、受光面４１のシリコンフォトダイオ
ードのチップである半導体基板４２上に光源手段３１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云
え、光源手段３１の発光ダイオードの発熱の影響を考慮
する必要がある。実装面から考えると、角度を９０度よ
りも大きく設定し、同一の実装面に受光面４１のシリコ
ンフォトダイオードと、光源手段３１の発光ダイオード
を並べて実装することが好ましい。
【０１２５】図２９〜図３７は反射手段としての反射ス
ケール４３の他の実施の形態の説明図である。これらの
実施の形態では、光源手段３１（Ｌ）からの光線で反射
体４４を介した光束をより効率良く受光面４１（Ｐ）に
導くための幾つかの例を示している。
ケール４３の他の実施の形態の説明図である。これらの
実施の形態では、光源手段３１（Ｌ）からの光線で反射
体４４を介した光束をより効率良く受光面４１（Ｐ）に
導くための幾つかの例を示している。
【０１２６】図２９（ａ）は第５の実施の形態の基本形
として、反射体４４の反射面の角度Ｒａを９５度に設定
した場合の構成図である。この第５の実施の形態では、
図２９（ｂ）はシリンドリカルつまり円筒面の一部の面
ＣＬに沿ってＶ字型の溝を配列した反射体４４が使用さ
れている。反射体４４として透光性部材を用いた場合に
は有効で、全反射の条件に対して制約を受け易い図２９
（ａ）の構成に対して、Ｖ字型溝の面への光線の入射角
度許容範囲が広く取れる。
として、反射体４４の反射面の角度Ｒａを９５度に設定
した場合の構成図である。この第５の実施の形態では、
図２９（ｂ）はシリンドリカルつまり円筒面の一部の面
ＣＬに沿ってＶ字型の溝を配列した反射体４４が使用さ
れている。反射体４４として透光性部材を用いた場合に
は有効で、全反射の条件に対して制約を受け易い図２９
（ａ）の構成に対して、Ｖ字型溝の面への光線の入射角
度許容範囲が広く取れる。
【０１２７】図３０は第６の実施の形態の構成図であ
り、図２９（ｂ）におけるそれぞれのＶ字型溝の一点鎖
線の角度方向を維持しながら、Ｖ字型溝が直線状に配置
されている。図２９（ｂ）では湾曲した分だけ反射体４
４の厚さが大きくなるが、この例ではその点を改善して
いる。
り、図２９（ｂ）におけるそれぞれのＶ字型溝の一点鎖
線の角度方向を維持しながら、Ｖ字型溝が直線状に配置
されている。図２９（ｂ）では湾曲した分だけ反射体４
４の厚さが大きくなるが、この例ではその点を改善して
いる。
【０１２８】この第６の実施の形態の概念はＶ字型溝の
みならず、図３１の第７の実施の形態又はその変形例、
図３２の第８の実施の形態も適用できる。図３１におい
て、シリンドリカル面ＣＬにアルミニウム蒸着等の反射
膜を形成した一次元収束性反射素子の例である。これま
でのＶ字型溝の場合と同様に、従来の技術課題を解決可
能である。
みならず、図３１の第７の実施の形態又はその変形例、
図３２の第８の実施の形態も適用できる。図３１におい
て、シリンドリカル面ＣＬにアルミニウム蒸着等の反射
膜を形成した一次元収束性反射素子の例である。これま
でのＶ字型溝の場合と同様に、従来の技術課題を解決可
能である。
【０１２９】図３２においては、厚みが増す問題点を回
避するために、シリンドリカル面ＣＬを分割して異なる
曲率の曲面を組み合わせている。そして、分割したシリ
ンドリカル面ＣＬには、それぞれ反射膜が施されてい
る。
避するために、シリンドリカル面ＣＬを分割して異なる
曲率の曲面を組み合わせている。そして、分割したシリ
ンドリカル面ＣＬには、それぞれ反射膜が施されてい
る。
【０１３０】図３１、図３２の実施の形態では、或る厚
みの中にこの一次元収束性反射素子の閉じ込めることを
条件として比較すると、同じ厚みでは光源手段３１から
の光束を広い受光面４１に導くことが可能な範囲は、シ
リンドリカル曲面を分割した図３１では１０度近く広が
る。このような変形で光量の利用効率は更に向上する。
みの中にこの一次元収束性反射素子の閉じ込めることを
条件として比較すると、同じ厚みでは光源手段３１から
の光束を広い受光面４１に導くことが可能な範囲は、シ
リンドリカル曲面を分割した図３１では１０度近く広が
る。このような変形で光量の利用効率は更に向上する。
【０１３１】図３３は反射体４４として反射型のフレネ
ルゾーンプレートを用いた第９の実施の形態である。こ
こでは、反射部にＶ字型溝の内部の全反射の作用を用い
て反射面を形成している。
ルゾーンプレートを用いた第９の実施の形態である。こ
こでは、反射部にＶ字型溝の内部の全反射の作用を用い
て反射面を形成している。
【０１３２】図３４は第１０の実施の形態を示し、先の
図３２の構成を更に改良して分割したシリンドリカル面
ＣＬにはアルミ反射膜を施さずに、Ｖ字型溝の内部全反
射の作用を用いて同様に反射面を形成している。
図３２の構成を更に改良して分割したシリンドリカル面
ＣＬにはアルミ反射膜を施さずに、Ｖ字型溝の内部全反
射の作用を用いて同様に反射面を形成している。
【０１３３】図３５は先に説明した図３０の一次元収束
性反射素子を有する反射体４４を、リニアエンコーダ用
の反射スケール４３として適用した場合の構成図であ
る。
性反射素子を有する反射体４４を、リニアエンコーダ用
の反射スケール４３として適用した場合の構成図であ
る。
【０１３４】図３６、図３７は透光性部材ＴＴ１にＶ字
型溝群を周期的に設けた第１１の実施の形態の反射型リ
ニアエンコーダの反射スケール４３を示し、第１の実施
の形態の構成において、透明基板の裏面にシリンドリカ
ル面ＣＬを一体的に又は独立して設けて光の利用効率を
高めている。そのＹ−Ｚ断面、Ｘ−Ｚ断面を図３７、図
３８に示している。光源手段３１からの発散光束はシリ
ンドリカル面ＣＬでほぼ平行光束へ変換され、Ｖ字型溝
面での２回の内部全反射を繰り返し、再びシリンドリカ
ル面ＣＬを通過する際に収束光束に変換され、図示しな
い受光面４１へ導かれる。
型溝群を周期的に設けた第１１の実施の形態の反射型リ
ニアエンコーダの反射スケール４３を示し、第１の実施
の形態の構成において、透明基板の裏面にシリンドリカ
ル面ＣＬを一体的に又は独立して設けて光の利用効率を
高めている。そのＹ−Ｚ断面、Ｘ−Ｚ断面を図３７、図
３８に示している。光源手段３１からの発散光束はシリ
ンドリカル面ＣＬでほぼ平行光束へ変換され、Ｖ字型溝
面での２回の内部全反射を繰り返し、再びシリンドリカ
ル面ＣＬを通過する際に収束光束に変換され、図示しな
い受光面４１へ導かれる。
【０１３５】図３９はこれまで説明してきた一次元収束
性反射素子を有する反射体４４を、例えばエンコーダ等
に用いた場合のフォトセンサと反射体間の距離と、フォ
トセンサから成の受光面４１が光を検出したときに発生
する光電流の値との関係を従来の平板にアルミ蒸着した
反射体を用いた場合と比較して示した説明図である。一
次元収束性反射素子を用いた場合には受光可能が絶対光
量が増し、その結果として多くの光電流が得られ、光電
流ピークが増大する。
性反射素子を有する反射体４４を、例えばエンコーダ等
に用いた場合のフォトセンサと反射体間の距離と、フォ
トセンサから成の受光面４１が光を検出したときに発生
する光電流の値との関係を従来の平板にアルミ蒸着した
反射体を用いた場合と比較して示した説明図である。一
次元収束性反射素子を用いた場合には受光可能が絶対光
量が増し、その結果として多くの光電流が得られ、光電
流ピークが増大する。
【０１３６】一方、距離特性においても、従来では１／
（距離）2に対して、本実施の形態では１／距離の特性
となるために優れた特性が得られる。
（距離）2に対して、本実施の形態では１／距離の特性
となるために優れた特性が得られる。
【０１３７】なお、本実施の形態はリニア型エンコーダ
を例に説明してきたが、反射型のロータリエンコーダ用
のスケールとしても同様に適用可能である。
を例に説明してきたが、反射型のロータリエンコーダ用
のスケールとしても同様に適用可能である。
【０１３８】図４０はボイスコイルアクチュエータを用
いて、ビデオレンズシステムを形成した第１２の実施の
形態を示し、変倍用バリエーターレンズのレンズ群６１
とフォーカスレンズのレンズ群６２をボイスコイルアク
チュエータを用いて駆動する構成を示し、レンズ群６１
とレンズ群６２の絶体位置を検出するためのズーム用エ
ンコーダ６３、６４、オートフォーカス用エンコーダ６
５、６６が取り付けられている。
いて、ビデオレンズシステムを形成した第１２の実施の
形態を示し、変倍用バリエーターレンズのレンズ群６１
とフォーカスレンズのレンズ群６２をボイスコイルアク
チュエータを用いて駆動する構成を示し、レンズ群６１
とレンズ群６２の絶体位置を検出するためのズーム用エ
ンコーダ６３、６４、オートフォーカス用エンコーダ６
５、６６が取り付けられている。
【０１３９】６３、６５はそれぞれ本実施の形態による
リニアエンコーダスケールであり、６４、６６は検出ヘ
ッドである。エンコーダ６４、６６からの出力は、それ
ぞれの読取回路６７、６８で読み取られ、ＣＰＵ６９に
送られる。また、撮像用ＣＣＤ７０からのビデオ信号に
よって、ピント状態に関する情報も読取回路７１を介し
てＣＰＵ６９に送られる。
リニアエンコーダスケールであり、６４、６６は検出ヘ
ッドである。エンコーダ６４、６６からの出力は、それ
ぞれの読取回路６７、６８で読み取られ、ＣＰＵ６９に
送られる。また、撮像用ＣＣＤ７０からのビデオ信号に
よって、ピント状態に関する情報も読取回路７１を介し
てＣＰＵ６９に送られる。
【０１４０】ＣＰＵ６９では、これらの情報とＲＯＭ７
２中に予め記憶された情報を基に各ボイスコイルに流す
べき電流値或いはその波形を決定し、それぞれのドライ
バ７３、７４を介してコイルに通電する。このシステム
によって、レンズ群６１とレンズ群６２は常に合焦が保
たれるような位置に保持される。
２中に予め記憶された情報を基に各ボイスコイルに流す
べき電流値或いはその波形を決定し、それぞれのドライ
バ７３、７４を介してコイルに通電する。このシステム
によって、レンズ群６１とレンズ群６２は常に合焦が保
たれるような位置に保持される。
【０１４１】この搭載例に示すように、ボイスコイルア
クチュエータを用いてビデオレンズシステムを成立させ
るには、超小型で高精度なレンズ位置検出用のエンコー
ダが必要となり、検出ヘッド６４、６６が搭載され、小
型化に伴い光学系の位置決め感度が上がってゆく傾向に
あり、高分解能で高精度なエンコーダが求められる。ま
た、低消費電力が求められるこれらの機器において、本
実施の形態による低省電力なエンコーダは、上記の特長
に加え重要な搭載上の効果である。
クチュエータを用いてビデオレンズシステムを成立させ
るには、超小型で高精度なレンズ位置検出用のエンコー
ダが必要となり、検出ヘッド６４、６６が搭載され、小
型化に伴い光学系の位置決め感度が上がってゆく傾向に
あり、高分解能で高精度なエンコーダが求められる。ま
た、低消費電力が求められるこれらの機器において、本
実施の形態による低省電力なエンコーダは、上記の特長
に加え重要な搭載上の効果である。
【０１４２】従来、この検出ヘッド６４、６６はリニア
タイプのボリュームや、グレーコードパターンが形成さ
れた電極をブラシでなぞるタイプのものや、レンズ保持
枠と共に動く等の光学素子とＰＳＤ等の光電変換素子と
で位置検出を行うタイプのものが用いられている。
タイプのボリュームや、グレーコードパターンが形成さ
れた電極をブラシでなぞるタイプのものや、レンズ保持
枠と共に動く等の光学素子とＰＳＤ等の光電変換素子と
で位置検出を行うタイプのものが用いられている。
【０１４３】この光学式エンコーダを搭載することによ
り、非接触な位置検出が可能で、かつ大幅な装着スペー
スが削減でき、鏡筒設計の自由度が向上する。
り、非接触な位置検出が可能で、かつ大幅な装着スペー
スが削減でき、鏡筒設計の自由度が向上する。
【０１４４】図４１は第１３の実施の形態として、光学
式反射エンコーダスケール及びヘッドどをインクジェッ
トプリンタの印字ヘッドの駆動制御用として用いた例で
ある。ここで、８１は筐体、８２は印字ヘッド、インク
タンク等を抱えるキャリッジユニットで、８３は案内
棒、８４は紙搬送用の駆動モータ、８５駆動軸上ギア、
８６はアイドラギア、８７は主搬送ローラ軸上の装着さ
れたギアで、この軸上に回転角度検出のためのエンコー
ダが装着されている。
式反射エンコーダスケール及びヘッドどをインクジェッ
トプリンタの印字ヘッドの駆動制御用として用いた例で
ある。ここで、８１は筐体、８２は印字ヘッド、インク
タンク等を抱えるキャリッジユニットで、８３は案内
棒、８４は紙搬送用の駆動モータ、８５駆動軸上ギア、
８６はアイドラギア、８７は主搬送ローラ軸上の装着さ
れたギアで、この軸上に回転角度検出のためのエンコー
ダが装着されている。
【０１４５】一端が筺体８１に固定されたリニアエンコ
ーダスケール８８は、案内棒８３と平行に延在され、そ
の他端は図示しない板ばねを介して筺体８１に固定され
ている。スケール８８は透明なポリカーボネートの透明
フィルムに所定間隔で微細溝形状が設けられている。
ーダスケール８８は、案内棒８３と平行に延在され、そ
の他端は図示しない板ばねを介して筺体８１に固定され
ている。スケール８８は透明なポリカーボネートの透明
フィルムに所定間隔で微細溝形状が設けられている。
【０１４６】図４２はキャリッジに装着されたエンコー
ダの説明図である。リニアエンコーダスケール８８は図
４１に示された筐体８１に装着された検出ヘッド８９
は、キャリッジ９０に取り付けられた基板９１にインク
ジェットヘッドを駆動するめたの駆動回路等などと共に
搭載されている。
ダの説明図である。リニアエンコーダスケール８８は図
４１に示された筐体８１に装着された検出ヘッド８９
は、キャリッジ９０に取り付けられた基板９１にインク
ジェットヘッドを駆動するめたの駆動回路等などと共に
搭載されている。
【０１４７】特に、このインクジェットプリンタのキャ
リッジ駆動制御用のリニアエンコーダにおいては、エン
コーダ検出ヘッドの装着スペースが限られ、超小形な検
出ヘッドは搭載が容易である。また、従来の透過形のエ
ンコーダに比べてプリンタへの組み込みが容易であり、
低消費電力という観点ではモバイルプリンタ等への搭載
は更に有効な手段となる。
リッジ駆動制御用のリニアエンコーダにおいては、エン
コーダ検出ヘッドの装着スペースが限られ、超小形な検
出ヘッドは搭載が容易である。また、従来の透過形のエ
ンコーダに比べてプリンタへの組み込みが容易であり、
低消費電力という観点ではモバイルプリンタ等への搭載
は更に有効な手段となる。
【０１４８】インクジェットプリンタではキャリッジの
位置制御用のリニアエンコーダだけでなく、ペーパーフ
ィード用ローラの回転角度検出のためのロータリエンコ
ーダも必要とされている。図４３はその場合の第１４の
実施の形態のプリンタの側面図である。主紙搬送ローラ
駆動ギアの背後に隠れて装着されたロータリエンコーダ
スケール９２、検出ヘッド９３及び検出ヘッド９３を実
装した基板９４が設けられている。
位置制御用のリニアエンコーダだけでなく、ペーパーフ
ィード用ローラの回転角度検出のためのロータリエンコ
ーダも必要とされている。図４３はその場合の第１４の
実施の形態のプリンタの側面図である。主紙搬送ローラ
駆動ギアの背後に隠れて装着されたロータリエンコーダ
スケール９２、検出ヘッド９３及び検出ヘッド９３を実
装した基板９４が設けられている。
【０１４９】本実施の形態では、高分解能かつ高精度な
電気分割が可能となるため、角度検出のためのロータリ
エンコーダスケールは小径化が可能となり、これまで高
分解能に紙送り位置を検出するために大直径のエンコー
ダスケールが用いられていたが、図４３に示すように駆
動のためのギアの直径よりも小さくすることが可能とな
る。特に、モバイルプリンタ等の超小型化設計が必要と
される装置等では効果は多大である。先のリニアエンコ
ーダでの実施の形態と同様に、低消費電力という観点で
も、モバイルプリンタ等への搭載は更に有効な手段とな
る。
電気分割が可能となるため、角度検出のためのロータリ
エンコーダスケールは小径化が可能となり、これまで高
分解能に紙送り位置を検出するために大直径のエンコー
ダスケールが用いられていたが、図４３に示すように駆
動のためのギアの直径よりも小さくすることが可能とな
る。特に、モバイルプリンタ等の超小型化設計が必要と
される装置等では効果は多大である。先のリニアエンコ
ーダでの実施の形態と同様に、低消費電力という観点で
も、モバイルプリンタ等への搭載は更に有効な手段とな
る。
【０１５０】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る光学式
エンコーダ、光センサ等の変位測定装置は、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、光源手段及び受光手段にレンズを用いなくて
も高い光伝達効率が得られ、また、反射体と受光手段間
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。
エンコーダ、光センサ等の変位測定装置は、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、光源手段及び受光手段にレンズを用いなくて
も高い光伝達効率が得られ、また、反射体と受光手段間
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。
【０１５１】また、本発明によれば、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、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。
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、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。
【０１５２】更に、反射スケール、反射表標識体に反射
膜等を施すことなく、インジェクションやプレス技術で
製造可能なため加工コストもかからず、低価格化に有効
となる等の効果が得られる。
膜等を施すことなく、インジェクションやプレス技術で
製造可能なため加工コストもかからず、低価格化に有効
となる等の効果が得られる。
【０１５３】また、各種情報機器、映像機器等へ本発明
のセンサを搭載することで装置全体の簡素化、小型化及
び低消費電力化を図りながら、移動体の移動方向を含む
変位情報を高精度に検出することが可能となる。
のセンサを搭載することで装置全体の簡素化、小型化及
び低消費電力化を図りながら、移動体の移動方向を含む
変位情報を高精度に検出することが可能となる。
【図１】第１の実施の形態の光学系の概略図である。
【図２】発光手段の断面図である。
【図３】発光手段及び受光面を同一基板上に実装した平
面図である。
面図である。
【図４】反射スケールの平面図である。
【図５】反射スケールの斜視図である。
【図６】反射スケールのＹ−Ｚ断面図である。
【図７】反射スケールのＸ−Ｚ断面図である。
【図８】従来例に相当する反射体の光路説明図である。
【図９】２つのＶ溝を有する反射体の光路説明図であ
る。
る。
【図１０】反射体の光路説明図である。
【図１１】反射体の光路説明図である。
【図１２】反射体の光路説明図である。
【図１３】反射体の光路説明図である。
【図１４】反射体の光路説明図である。
【図１５】反射体の光路説明図である。
【図１６】反射体の光路説明図である。
【図１７】図１５の等価光路図である。
【図１８】受光手段の平面図である。
【図１９】受光手段で得られる変位信号の説明図であ
る。
る。
【図２０】信号処理回路図である。
【図２１】受光手段からの出力信号のタイムチャート図
である。
である。
【図２２】実施の形態でのギャップ特性のグラフ図であ
る。
る。
【図２３】実施の形態でのギャップ特性のグラフ図であ
る。
る。
【図２４】実施の形態でのギャップ特性のグラフ図であ
る。
る。
【図２５】実施の形態でのギャップ特性のグラフ図であ
る。
る。
【図２６】実施の形態でのギャップ特性のグラフ図であ
る。
る。
【図２７】実施の形態でのギャップ特性のグラフ図であ
る。
る。
【図２８】他の実施の形態の光学系の概略図である。
【図２９】反射体の光路説明図である。
【図３０】反射体の光路説明図である。
【図３１】反射体の光路説明図である。
【図３２】反射体の光路説明図である。
【図３３】反射体の光路説明図である。
【図３４】反射体の光路説明図である。
【図３５】更に他の実施の形態の光学系の概略図であ
る。
る。
【図３６】反射スケールの斜視図である。
【図３７】反射スケールのＹ−Ｚ断面図である。
【図３８】反射スケールのＸ−Ｚ断面図である。
【図３９】反射体と従来の反射体の受光光量の差のグラ
フ図である。
フ図である。
【図４０】本発明のエンコーダを自動合焦ビデオレン
ズ、及びズーム部のエンコーダとして搭載した構成図で
ある。
ズ、及びズーム部のエンコーダとして搭載した構成図で
ある。
【図４１】本発明のエンコーダをインクジェットプリン
タに搭載した構成図である。
タに搭載した構成図である。
【図４２】本発明のエンコーダをインクジェットプリン
タの印字ヘッドの送り制御部のエンコーダとして搭載し
た構成図である。
タの印字ヘッドの送り制御部のエンコーダとして搭載し
た構成図である。
【図４３】本発明のエンコーダをインクジェットプリン
タの紙搬送の制御部のエンコーダとして搭載した構成図
である。
タの紙搬送の制御部のエンコーダとして搭載した構成図
である。
【図４４】従来の第１の変位測定装置の光学系の要部概
略図である。
略図である。
【図４５】従来の第２の変位測定装置の光学系の要部概
略図である。
略図である。
【図４６】従来の第３の変位測定装置の光学系の要部概
略図である。
略図である。
【図４７】従来の変位測定装置の光学系の具体的配置図
である。
である。
【図４８】従来の変位測定装置の光学系の具体的配置図
である。
である。
【図４９】従来の変位測定装置の光学系の具体的配置図
である。
である。
【図５０】従来の変位測定装置の光学系の具体的配置図
である。
である。
【符号の説明】
３１ 光源
３１ａ、３１ｂ 発光領域
４１ 受光面
４２ 半導体基板
４３ 反射スケール
２００ 検出ヘッド回路基板
ｄ Ｖ溝の深さ
ｄ２ Ｖ溝底部までの深さ
Ｌａ 光源から立てた法線
Ｐ１ スケールピッチ
Ｐ２ セグメントピッチ、発光領域ピッチ
Ｐｍ Ｖ溝のピッチ
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ セグメント
Ｓａ センサと反射体の相対変位方向
Ｗｍ Ｖ溝群の相対変位方向の幅
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｇ０２Ｂ 5/10 Ｇ０２Ｂ 5/124
5/124 7/08 Ｚ
7/08 Ｇ０１Ｄ 5/34 Ｄ
Ｆターム(参考） 2F065 AA07 AA09 AA20 BB02 BB18
BB25 DD01 DD02 FF16 FF18
FF23 FF41 FF51 GG07 GG13
HH02 HH13 JJ02 JJ05 JJ09
JJ25 LL18 PP12 QQ04 QQ25
2F103 BA13 BA37 BA43 CA03 CA08
DA01 DA12 EA03 EA05 EA15
EA18 EA19 EA20 EB06 EB08
EB12 EB16 EB27 EB32 EB35
EC11 ED01 ED06 FA01 FA11
2H042 DA02 DD05 DE09 EA10 EA15
2H044 DA02 DE06
Claims (22)
- 【請求項１】 光源手段と、該光源手段に対向配置した
反射手段と、該反射手段からの反射光束を受光する受光
手段とを具備し、前記反射手段は、前記光源手段からの
発散性光束が２回以上の反射を繰り返すための複数の分
割した波面を有し、該波面により分割した各光束を前記
受光手段の任意の位置に重ね合わせる光学特性を有する
ことを特徴とする光学式エンコーダ。 - 【請求項２】 前記光源手段は複数の発光領域を有する
電流狭窄型のＬＥＤとし、前記受光手段は複数の受光窓
を持つ光電変換素子を有すると共に、前記光電変換素子
及び信号増幅手段、電気分割内挿手段、前記光源手段の
光量補償回路を一体的に集積化した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】 前記光源手段の発光面と前記反射手段の
反射面までの空気換算光路長をｇＬ、前記受光手段の受
光面位置と前記反射手段の反射面までの実質的な空気換
算光路長をｇＰ、前記光源手段の複数の発光領域の間隔
をＰ２、前記受光手段の複数の光電変換素子の基本ピッ
チをＰ２、前記反射手段のピッチをＰ１、前記光源手段
から出射する光束の出力ピーク値の中心波長又は分光分
布を積分したときの中央値の波長をλとしたとき、 Ｐ２＝２・Ｐ１ ｇＰ＝ｇＬ＝２・ｎ・Ｐ１2／λ の関係において、ｎ＜１の範囲で決定される前記空気換
算光路長ｇＬ、ｇＰにギャップ設定すると共に、前記受
光手段の受光光量のピーク位置を前記範囲に合致させた
ことを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ。 - 【請求項４】 前記光源手段の発光領域と実質的な前記
反射手段の反射面までの空気換算光路長をｇＬとし、前
記受光手段の受光面位置と前記反射手段の反射面までの
空気換算光路長をｇＰ、前記光源手段の複数の発光領域
の間隔をＰ２、前記発光手段の複数の光電変換素子の基
本ピッチをＰ２、前記反射手段のピッチをＰ１、前記光
源手段から出射する光束の出力ピーク値の中心波長又は
分光分布を積分したときの中央値の波長をλとしたと
き、 Ｐ２＝２・Ｐ１ ｇＰ＝ｇＬ＝２・ｎ・Ｐ１2／λ の関係において、１．５＜ｎ＜２．５の範囲で決定され
る前記空気換算光路長ｇＬ、ｇＰにギャップ設定すると
共に、前記受光手段の受光光量のピーク位置を前記範囲
に合致させたことを特徴とする請求項２に記載の光学式
エンコーダ。 - 【請求項５】 光源手段と、該光源手段に対向配置した
反射手段と、該反射手段からの反射光束を受光する受光
手段とを具備し、前記反射手段は、前記光源手段からの
発散性光束が２回以上の反射を繰り返すための複数の分
割した波面を有し、該波面により分割した各光束を任意
の位置に重ね合わせる光学特性を有すると共に、２つの
反射面を所定の角度で対向配置した複数個のルーフミラ
ーと、一方向に配置したマイクロルーフミラーアレイと
から形成し、前記反射面を曲面としたことを特徴とする
光センサ。 - 【請求項６】 前記反射手段における反射領域は、透光
性部材から成る内部全反射作用又は表面反射を用いるこ
とを特徴とする請求項５に記載の光センサ。 - 【請求項７】 前記反射手段における反射領域は、金属
鏡面反射を用いることを特徴とする請求項５又は６に記
載の光センサ。 - 【請求項８】 前記反射手段における反射領域は、透光
性部材から成る内部全反射作用を用い、入射面側にシリ
ンドリカルレンズを設けたことを特徴とする請求項５〜
７の何れか１つの請求項に記載の光センサ。 - 【請求項９】 請求項１〜８の何れか１つの請求項に記
載の光学式エンコーダ又は光センサを用い、物体の有無
又は移動情報を求めることを特徴とする光学機器。 - 【請求項１０】 ２つの反射面を所定の角度で対向配置
した複数個のルーフミラー又はミラールーフプリズムを
一方向に配置した反射手段を有し、該反射手段は、入射
光束を前記複数個のルーフミラー又はルーフプリズムに
よってそれぞれ複数の光束に分割すると共に、前記各ル
ーフミラーの２つの反射面で順次に反射した光束が、任
意の位置で前記他のルーフミラー又はルーフプリズムか
らの反射光と互いに重なり合う光学特性を有することを
特徴とする反射体。 - 【請求項１１】 前記複数個のルーフミラー又はルーフ
プリズムの２つの反射面が成す角度は、前記複数個のル
ーフミラー又はルーフプリズムにおいて全て同一である
ことを特徴とする請求項１０に記載の反射体。 - 【請求項１２】 前記複数個のルーフミラー又はルーフ
プリズムの２つの反射面が成す角度は、前記複数個のル
ーフミラー又はルーフプリズムにおいて連続的に異なっ
ていることを特徴とする請求項１０に記載の反射体。 - 【請求項１３】 前記反射手段はシリンドリカル面又は
球面に形成したことを特徴とする請求項１１又は１２に
記載の反射体。 - 【請求項１４】 前記反射手段の光入射面にシリンドリ
カルレンズを設けたことを特徴とする請求項１０又は１
１又は１２に記載の反射体。 - 【請求項１５】 前記反射手段はフレネルゾーンプレー
トを形成したことを特徴とする請求項１０又は１１又は
１２に記載の反射体。 - 【請求項１６】 前記反射手段は入射光を一次元方向に
収束することを特徴とする請求項１０又は１１又は１２
に記載の反射体。 - 【請求項１７】 前記２つの反射面の成す角は８０〜１
００度であることを特徴とする請求項１０に記載の反射
体。 - 【請求項１８】 請求項１０〜１７の何れか１つの請求
項に記載の反射体を原点出力用の反射標識部に用いたこ
とを特徴とするエンコーダ。 - 【請求項１９】 請求項１０〜１７の何れか１つの請求
項に記載の反射体を、モータ制御用エンコーダのコミュ
テーション信号検知用の反射標識部に用いたことを特徴
とするエンコーダ。 - 【請求項２０】 請求項１〜１７の何れか１つの請求項
に記載の光学式エンコーダ又は光センサ又は光学機器又
は反射体を、インクジェットプリンタの印字ヘッド移動
位置検知用リニアエンコーダとして用いたことを特徴と
するプリンタ装置。 - 【請求項２１】 請求項１〜１７の何れか１つの請求項
に記載の光学式エンコーダ又は光センサ又は光学機器又
は反射体を、インクジェットプリンタの紙搬送量を検知
するためのロータリエンコーダとして用いたことを特徴
とするプリンタ装置。 - 【請求項２２】 請求項１〜１７の何れか１つの請求項
に記載の光学式エンコーダ又は光センサ又は光学機器又
は反射体を、ビデオカメラの自動合焦レンズの位置検知
用リニアエンコーダとして用いたことを特徴とするビデ
オカメラ装置。
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