JP2009244042A

JP2009244042A - エンコーダ用スケール

Info

Publication number: JP2009244042A
Application number: JP2008089963A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Yoshihisa; 靖彦吉久; Tetsuya Miyagawa; 哲也宮川; Shintaro Yajima; 慎太郎矢島
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-22

Abstract

【課題】光透過性部材を用い遮光部を斜面の全反射を利用して構成したエンコーダ用ス
ケールを低分解能とすると底の厚みが十分なものでなくなる。
【解決手段】平面状の光透過部材１に光透過部と遮光部とが交互に形成され、平面の一
面方向から光が入射されるエンコーダ用スケールにおいて、遮光部は、光の入射面の他面
に平面に対して光透過部材および空気の屈折率から決まる全反射の臨界角以上の角度から
なる斜面が少なくとも２以上隣接することにより溝１２を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータリエンコーダあるいはリニアエンコーダに用いられる符号板として使
用されるエンコーダ用スケールに関する。

図４に、一般的なロータリエンコーダの構成例を示す。光源２から照射された光を光透
過部と遮光部とが交互に設けられた符号板であるスケール１を介して受光部（ＰＤ）３で
受光し、この受光部３で受光した信号を信号処理部４で処理した後、出力部５を介して、
インクリメントおよびアブソリュートのエンコーダ出力として出力される。スケール１は
、回転符号板として構成されており、エンコーダに要求される分解能に応じて遮光部と光
透過部とが設けられている。光源２は、ＬＥＤなどの光源からの光を平行光に変換してス
ケール１に入射する。受光部３は、複数のフォトトランジスタあるいはフォトダイオード
などの受光素子からなり、スケール１の光透過部を透過した光源２からの光を検出し、検
出信号として信号処理部４に出力する。

高い分解能で高精度の分解能が求められるエンコーダのスケールでは、ガラス等のもの
にコーティングを施し、このコーティングにスリットを設けて光透過部を形成することで
スケールを製造している。

このようなガラス等の材料を用い、コーティング、スリットの形成等の工程を経るよう
なスケールでは、高精度であって高い分解能が得られるが高価なものとなる。このため、
高精度のものが要求されないエンコーダのスケールとして、光透過性の樹脂をスケールと
して用いるものがある。このような光透過性樹脂を用いたスケールでは、樹脂の屈折率を
利用して、光源からの光を全反射させて遮光部として形成する。その従来の光透過性樹脂
を用いたスケールの断面構造の模式図の例を図５に示す。この図５に示す例のスケール１
は、光源３からの平行光が、面１０側から入射して平面１１側から出射して受光部３で受
光する構成である。ここで、スケール１には、光透過部と遮光部とを交互に形成する構造
として、受光側の面１１に台形状のくぼみが設けられている。この台形状のくぼみ構造は
、スケール１の受光部（ＰＤ）３側の面が、斜めの斜面１１ａ、平坦部１１ｂ、斜めの斜
面１１ｃ、平坦部１１ｄという構造となっている。ここで、斜面１１ａ、１１ｃの平面１
１となす傾斜角度θが、このスケール１である光透過性樹脂の屈折率と空気の屈折率との
比から決まる全反射の臨界角以上である場合には、光源２からの平行光線は、この斜面１
１ａ、１１ｃの表面で全反射してしまい、受光部３側の面には出射されない。このため、
斜面１１ａ、１１ｃの傾斜角度を光透過性樹脂の屈折率からきまる臨界角以上にすれば、
光源からの平行光はすべて遮光されるので、斜面をエンコーダの遮光部として用いること
ができる。

この図５に示す構造のスケールは、単に光透過性樹脂に台形状のくぼみを交互に設けれ
ばよく、遮光部のコーティングや、光透過部のスリットを設けるためにコーティングを取
り除く工程は必要なく、光透過性樹脂の成型加工のみでエンコーダのスケールを製造でき
るので、エンコーダ用のスケールを安価に製造できる利点がある。
特開２００７−３７３２８号公報

エンコーダの受光部３は、二つの位相信号を検出する構造であり、一つの受光部のユニ
ットとして、少なくともＡ^＋、Ｂ⁻、Ａ⁻、Ｂ^＋の４つの信号を取り出すための光検出素
子（例えばフォトトランジスタあるいはフォトダイオードなど）が必要である。実際には
、この４つの光検出素子からなるユニットを４つ並列して一つの受光部３を形成している
。

例えばスキャナのラインセンサを移動させるモータに設けるようなエンコーダの場合、
モータの回転速度として高速性は必要ではなく、また、人が認識できるドット解像度も限
度があるため、極端な高精度は必要ではない。このため、必要に応じて低分解能のエンコ
ーダを用いても、スキャナとしての性能を満たすことは可能である。また、受光部３の受
光素子を高密度にすることは受光部３のコストを高めることにつながるから、その大きさ
の制限を緩やかにできれば、受光部３自体を安価にすることも可能である。

しかし、このような要望によって、分解能を低下させて、スケールの一つの遮光部の幅
が従来の倍とするスケールを光透過性樹脂で構成しようとすると、スケールの厚さが十分
でない問題が生じてくる。すなわち、遮光部となる斜面１１ａ、１１ｃが長くなり、台形
状くぼみの底の平坦部１１ｂの厚みが十分ではなく、スケールの強度が足りなくなる可能
性がある。例えば、臨界角が４２度程度となるポリカーボネートあるいはアクリル樹脂を
用い、スケール１の厚さを０．５ｍｍとし、全反射を満足するように、遮光部の角度を例
えば４５度とした場合、遮光と透過との１ピッチが０．１４ｍｍであり、遮光部あるいは
透過部の幅がそれぞれ０．０７ｍｍであると、傾斜部（斜面１１ａ）の幅は０．０７ｍｍ
となり、くぼみの深さは０．０７ｍｍであるから、底面の厚みは、０．４３ｍｍは確保で
きる。ところが、１ピッチを０．５６ｍｍとし、遮光部の幅を０．２８ｍｍとした場合、
傾斜部の深さは０．２８ｍｍになるから、スケール１の厚み０．５ｍｍに対して、底面の
厚みは、０．２２ｍｍしか確保できないことになる。このように、光透過性樹脂を用いた
スケールを低分解能化しようとすると、スケール１の厚みを確保できず、強度が十分では
なくなる問題がある。

本発明はこのような問題を解決するために、低分解能のスケールであっても、スケール
のくぼみの厚みが十分あり、またその加工が簡単であり、安価にエンコーダを構成できる
エンコーダ用スケールを提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明は、平面状の光透過部材に光透過部と遮光部とが交
互に形成されたエンコーダ用スケールにおいて、遮光部は、光の入射される面とは反対の
面に平面に対して光透過部材および空気の屈折率から決まる全反射の臨界角以上の角度か
らなる斜面が少なくとも２つ以上隣接することにより溝が構成されていることを特徴とす
る。

このように構成した場合、光源からの平行光は、溝の表面への入射角が臨界角以上とな
るので全反射されて透過せずに遮光部となる。このため、遮光部のみが溝で構成され、そ
の深さが従来の台形状のくぼみに比べて浅くなり、スケールの溝底の厚みを確保でき、強
度も満足することができる。

また、他の発明は、溝は、Ｖ字状であり、光透過部材は、光透過性樹脂であることを特
徴とする。

このように構成した場合には、Ｖ字溝の加工が容易であり、製造コストを低減できる。

光透過部材の臨界角は、４５度以下であり、遮光部は、複数の溝が設けられたことを特
徴とする。

このように構成した場合には、遮光部の溝の深さがさらに浅くなり、スケールの強度を
さらに十分に確保できる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の第一の実施の形態のスケールの断面構造を示す模式図である。スケー
ル１の受光部側の面１１には、Ｖ字状の溝１２と、平坦部１１ｄとが交互に設けられてお
り、Ｖ字状の溝が遮光部を、平坦部１１ｄが光透過部を構成する。遮光部の溝１２は、Ｖ
字状の溝の二つの斜面で一つの遮光部を構成する。ここで、溝１２と平坦部１１ｄとは図
１のＸ方向に沿う幅寸法は等しく設けられている。すなわち、溝１２を構成する二つの斜
面のうちそれぞれの斜面のＸ方向の投射面の長さは平坦部１１ｄのＸ方向の長さの半分と
なっている。

次に、図２を参照して、Ｖ字状溝１２による遮光の原理を説明する。Ｖ字状溝の平面に
対する傾斜角θは、スケール１の光透過性樹脂の屈折率ｎ₁と空気の屈折率ｎ₂との比率で
決まる全反射の臨界角より大きな角度となっている。この傾斜角θが臨界角より大きけれ
ば、光源２から平行光として入射された入射光は、Ｖ字状溝の表面への入射角が臨界角以
上となるので全反射して、このＶ字状溝１２を透過しないので、Ｖ字状溝１２は受光部３
には遮光部となる。例えばスケール１の光透過性樹脂がポリカーボネートあるいはアクリ
ル樹脂であれば、臨界角は、ほぼ４２度であるから、それより大きい傾斜角となる斜面の
Ｖ字状溝１２を形成すればＶ字状溝１２はエンコーダの遮光部となる。

この図１、２に示す実施例の効果について考察する。Ｖ字状溝１２の傾斜角を仮に４５
度としたとき、透過部と遮光部とから構成される１ピッチを０．５６ｍｍにした場合、遮
光部の幅は０．２８ｍｍであるから、溝１２の深さは０．１４ｍｍとなる。スケールの厚
さを０．５ｍｍとすると、溝の底から光源側の面までの厚みは、０．５ｍｍ−０．１４ｍ
ｍ＝０．３６ｍｍとなり、従来の台形状のくぼみで構成するもの（０．２２ｍｍ）と比べ
ると、充分な厚みを確保できる。

なお、光透過性樹脂としては、ポリカーボネートやアクリル樹脂であれば、その屈折率
からして、ほぼ４５度の傾斜角のＶ字状溝を設ければよい。

図３は、別の実施の形態を示すもので、遮光部として、複数のＶ字溝１２ａ、１２ｂを
設けたものである。このとき、１ピッチ当たりの遮光部は、二つのＶ字溝１２ａ、１２ｂ
で構成されているので、それぞれのＶ字溝１２ａ、１２ｂを構成する斜面のＸ方向の投射
面の長さは、平坦部１１ｄのＸ方向の１／４となっている。例えば、空気との臨界角が４
５度以下となる屈折率の光透過性樹脂であれば、平面１１ｄとの角度が４５度となるＶ溝
１２ａ、１２ｂの双方の傾斜面では、光源２からの入射する平行光は、Ｖ字溝１２ａ、１
２ｂの表面ですべて全反射するから受光部３側には透過しない。また、このような複数の
溝を用いる場合は、一つのＶ字溝１２ａ、１２ｂの深さは、図１のものに比べて２つの溝
であれば半分になるから、Ｖ字溝の底の厚みをさらに確保できる利点がある。一つの遮光
部に、多数のＶ字溝を用いると溝の深さをさらに浅くでき、スケールの強度を保つことが
可能である。また、図３では、溝の角度を４５度としたが、臨界角以上の角度であれば、
複数の溝の面から透過する光はほとんどないため、受光部３の受光素子で透過部と遮光部
との検出は可能である。

上記実施の形態では、Ｖ字状溝の例で説明したが、その変形も可能である。遮光部の溝
は、光源２からの平行光が全反射する条件を満たせばよいため、平行光が溝の面に入射す
る角度が全反射する臨界角以上の角度の面が形成されていればよい。例えば、溝が平行光
に対して全反射する角度となる曲面で形成されてもよい。また、曲面とＶ字溝との組み合
わせの形状でもよい。

なお、上記実施の形態は、ロータリエンコーダの例で説明したが、リニアエンコーダの
スケールであっても同様である。

また、本実施の形態のエンコーダ用スケールは、スキャナ、インクジェット方式を始め
とするプリンタ等の機器に用いることが可能となり、ロータリエンコータとして用いる場
合には、給紙や紙送り、あるいはスキャナのキャリッジ駆動のためのモータに適用するこ
とが可能である。

本発明の第一の実施例のエンコーダ用スケールの構造を説明する模式図である。第一の実施例の遮光の原理を説明する図である。本発明の他の実施例のエンコーダ用スケールの構造を説明する模式図である。ロータリエンコーダの構成を説明する図である。従来のエンコーダ用スケールの構造を説明する図である。

符号の説明

１スケール
２光源
３受光部
１０光の入射面
１１光の出射面
１２Ｖ字状溝

Claims

平面状の光透過部材に光透過部と遮光部とが交互に形成されたエンコーダ用スケールに
おいて、
上記遮光部は、光の入射される面とは反対の面に平面に対して上記光透過部材および空
気の屈折率から決まる全反射の臨界角以上の角度からなる斜面が少なくとも２つ以上隣接
することにより溝が構成されている
ことを特徴とするエンコーダ用スケール。
前記溝は、Ｖ字状であり、前記光透過部材は、光透過性樹脂であることを特徴とする請
求項１のエンコーダ用スケール。
前記光透過部材の臨界角は、４５度以下であり、前記遮光部は、複数の溝が設けられて
いることを特徴とする請求項１記載のエンコーダ用スケール。