JP2010127658A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】エンコーダにおいて、光学式センサを用いた簡素な構成でも高分解能を有する位置検出を行うことができるようにする。
【解決手段】光源部と、この光源部の光軸に交差する移動方向Ｍに沿って相対移動可能に設けられ、移動方向Ｍに沿って開口幅および遮光幅が等しいスリットパターンからなる周期的な光透過部１１ｂを有するスケール部材１１と、スケール部材１１を挟んで光源部に対向する位置において、受光素子１２Ａ、１２Ｂが、それぞれの中心Ｏ_Ａ、Ｏ_Ｂを移動方向Ｍに開口幅の半分の距離だけずらして配置され、移動方向Ｍに沿って開口幅以下の受光幅を有するとともにそれぞれの受光領域が移動方向Ｍに沿う隙間がない状態で移動方向Ｍに直交する方向に並列配置された受光側基板１２ｂとを備えるエンコーダを用いる。
【選択図】図１１

Description

本発明はエンコーダに関する。例えば、ビデオカメラ、デジタルスチールカメラ（ＤＳＣ）、携帯電話等に搭載される撮像装置のフォーカス調整機構やズーム移動機構、あるいはリニアアクチュエータなどに好適に用いることができる光学式のエンコーダに関する。

従来、撮像装置のフォーカス調整機構やズーム移動機構、あるいはリニアアクチュエータなど高分解能で位置検出を行うリニアエンコーダでは、一定ピッチで多極着磁されたマグネットに対向させて、磁気センサを配置した磁気式のエンコーダが用いられることが多い。
例えば、特許文献１には、磁気センサとして磁気抵抗素子（ＭＲ素子）を用いた位置検出装置が記載されている。この位置検出器では、ＭＲ素子とマグネットとが相対移動すると、ＭＲ素子から互いに位相が９０°ずれた正弦波状のＡ相信号およびＢ相信号が出力され、これらＡ相信号、Ｂ相信号と、Ａ相信号、Ｂ相信号の振幅をそれぞれ反転させた信号とからなる４つの信号から略三角波状の信号を生成して位置検出に用いている。
また、一方、光学式のエンコーダでは、光源に対向させて、複数の受光素子を離間して配置し、光源と受光素子との間に周期的な光透過部を有するスリットを有するスケールを移動可能に設けることで、複数の受光素子で生成される位相差を有するパルス信号によって、位置検出を行っている（例えば、特許文献２、３参照）。
特開２００６−１６２４１１号公報 特開２００７−９３３３２号公報 特開２００１−１８３１７７号公報

しかしながら、上記のような従来のエンコーダでは、以下のような問題がある。
特許文献１に記載の技術では、ＭＲ素子の感度が、マグネットとの距離に敏感であるため、マグネットとＭＲ素子との距離が変化すると信号出力が大きく変化して、良好な位置検出精度が得られなくなる。そのため、ＭＲ素子とマグネットとの間のギャップを正確に管理する必要があり、製造に手間がかかり、製造コストが増大してしまうという問題がある。また、ＭＲ素子やマグネットは、例えば光学式センサや光学式センサの光を遮る遮光部材などに比べて高価であるため、部品コストも増大してしまうという問題がある。
また、特許文献２、３に記載の技術では、光学式センサを用いるため安価な構成とすることができるものの、位置検出分解能が信号のパルス幅で決まってしまうため、磁気センサを用いる場合に比べて位置検出の分解能が低くなってしまうという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、光学式センサを用いた簡素な構成でも高分解能を有する位置検出を行うことができるエンコーダを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のエンコーダは、光源部と、該光源部の光軸に交差する移動方向に沿って相対移動可能に設けられ、前記移動方向に沿って開口幅および遮光幅が等しいスリットパターンからなる周期的な光透過部を有するスケール部材と、前記スケール部材を挟んで前記光源部に対向する位置において、前記移動方向に沿って前記開口幅以下の受光幅を有する２つの受光素子が、それぞれの受光中心を前記移動方向に前記開口幅の半分の距離だけずらされるとともに、それぞれの受光領域が前記移動方向に沿う隙間がない状態で前記移動方向に直交する方向に並列配置された受光部とを備える構成とする。
この発明によれば、光源部に対して、スケール部材が移動方向に移動すると、光源部に対向する位置に配置された２つの受光素子によって、スケール部材の光透過部を透過した光が受光され、それぞれの受光素子に光量に応じた出力値が発生する。それぞれ相対移動位置と出力値との関係は、周期的な台形状または三角波状の波形で表され、これらの波形の位相はスケール部材の開口幅の半分だけずれることになる。
また、各受光素子の移動方向に沿う受光幅は、それぞれスケール部材の光透過部の開口幅以下の受光領域が、移動方向に沿う隙間がない状態で並列配置されているため、スケール部材の開口端が各受光素子上を移動したときに、それぞれの受光素子うちのいずれかは、スケール部材の相対移動距離と受光素子の出力値とが線形に変化する領域を有する。
このため、２つの受光素子のいずれかの出力値が線形に変化する範囲で、スリット部材と受光素子との間の相対位置関係を精度よく算出することが可能となる。

また、本発明のエンコーダは、光源部と、該光源部の光軸に交差する移動方向に沿って相対移動可能に設けられ、前記移動方向に沿って全振幅ｈがピッチｗ_ｔで山形状に変化する遮光部とその間に形成される光透過部を有するスケール部材と、
前記スケール部材を挟んで前記光源部に対向する位置において、前記移動方向に沿う方向の幅がａ、前記移動方向に直交する幅がｂとなる矩形状の受光領域を有する２つの受光素子が、それぞれの受光中心を前記スケール部材の遮光部の山形の振幅の中心線上に前記移動方向に沿って配列ピッチｐ（ただし、ｐ＞ａ）だけずらして配置された受光部とを備え、
前記スケール部材の前記遮光部の全振幅ｈ、ピッチｗ_ｔ、前記各受光素子の幅ａ、ｂ、配列ピッチｐとの間に、次式を満足する構成とする。
ｐ＝ｗ_ｔ／４ ・・・（１）
ｈ＜２・ｐ・ｂ／（ｐ−ａ） ・・・（２）
この発明によれば、光源部に対して、スケール部材が移動方向に移動すると、光源部に対向する位置に配置された２つの受光素子によって、スケール部材の光透過部を透過した光が受光され、それぞれの受光素子に光量に応じた出力値が発生する。それぞれの相対移動位置と出力値との関係は、遮光部のピッチｗ_ｔに対応する相対移動量に対応して、出力値が最大値から最小値を経て最大値に戻り、最大値と最小値との間で相対移動量に対する出力値が緩やかなＳ字状に単調に変化するような、全体として略正弦波状、あるいは角部が滑らかに変化する略台形波状の波形で表され、これらの波形は、受光素子の配列ピッチｐだけずれることになる。
また、上記式（１）、（２）が成り立つため、スケール部材が各受光素子上を移動したときに、それぞれの受光素子うちのいずれかは、スケール部材の移動量と受光素子の出力値とが、近似的に線形とみなしうる単調なＳ字状に変化する領域を有する。
このため、２つの受光素子のいずれかの出力変化から、受光素子の配列ピッチｐの間を細分して、スリット部材と受光素子との位置関係を近似的に算出することが可能となる。

本発明のエンコーダによれば、スケール部材が相対移動されることで２つの受光素子で発生される各出力値の変化のうちのいずれかは、スケール部材の相対移動量に対して線形もしくは近似的に線形に変化するため、光学式センサを用いた簡素な構成でも高分解能を有する位置検出を行うことができるという効果を奏する。

以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係るエンコーダについて説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るエンコーダの概略構成を示す模式的な斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＸ視の正面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係るエンコーダに用いるフォトインタラプタの模式的な斜視図である。図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第１の実施形態に用いるフォトインタラプタの光源部および受光部の配置を示す配置図である。図４は、図１（ａ）における模式的なＹ−Ｙ断面図である。図５（ａ）、（ｂ）は、スケール部材の移動位置と受光素子の出力値との関係を説明するための原理説明図、およびその関係の模式的なグラフである。図６は、本発明の第１の実施形態のエンコーダのスケール部材の相対移動位置に対する受光素子の出力値の一例を示す模式的なグラフである。横軸は相対移動位置、縦軸は出力を表す（以下のグラフも同様）。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態のエンコーダ３は、例えば、ビデオカメラ、ＤＳＣ、携帯電話等に搭載される撮像装置のフォーカス調整機構やズーム移動機構などのレンズ機構に好適に用いることができる光学式のリニアエンコーダである。
以下では、一例として、レンズユニット６をレンズ６ａの光軸方向に沿う方向を移動方向Ｍに沿って移動するレンズ移動機構に用いた場合の例で説明する。
このレンズ移動機構は、レンズユニット６を中心に保持する円板状のレンズ保持部５と、レンズ保持部５の外周部に移動方向Ｍに沿って延ばして設けられたロッドガイド部材４と、移動方向Ｍに沿って平行に延ばして配置された丸棒状の２本のガイドロッド８ａ、８ｂと、レンズ保持部５を移動方向Ｍに沿って移動させるため、例えばボイスコイルモータ（ＶＣＭ）およびその駆動制御回路などからなる不図示の駆動手段を備える。
ロッドガイド部材４の移動方向Ｍ側の両端部には、ガイドロッド８ａを摺動可能に挿通させるガイド孔４ａがそれぞれ設けられている。
また、レンズ保持部５の外周部において、ロッドガイド部材４の取付位置に対する径方向反対側には、ガイドロッド８ｂを挿通させるガイド穴５ａが設けられている。
なお、本実施形態のレンズ保持部５およびロッドガイド部材４は、遮光性を有する合成樹脂材料を用いた一体成形により製作されている。

エンコーダ３の概略構成は、フォトインタラプタ２およびスケール部材１からなる。
フォトインタラプタ２は、図２に示すように、断面が矩形状の貫通溝２ｄが中心に形成された門型のハウジング２ｃと、この貫通溝２ｄを溝幅方向Ｗに挟んで対向するハウジング２ｃの側面に、それぞれ受光側基板２ｂおよび発光側基板２ａが取り付けられている。
フォトインタラプタ２は、ロッドガイド部材４の側方（図１（ｂ）の上側）に位置するように、レンズ移動機構の不図示の筐体または支持部材に固定されている。フォトインタラプタ２の姿勢は、図１（ａ）に示すように、貫通溝２ｄの溝長さ方向Ｌがレンズ移動機構の移動方向Ｍに一致され、貫通溝２ｄの溝幅方向Ｗが移動方向Ｍと直交するような姿勢とされている。

図３（ａ）に示すように、発光側基板２ａには、溝長さ方向Ｌの中央、かつ溝深さ方向Ｄにおいて貫通溝２ｄの開口寄り（図３（ａ）の下側）の位置に、受光側基板２ｂに向かう溝幅方向Ｗに照度分布が略均一な略平行光を、溝長さ方向Ｌに長い矩形状の領域に投射する光源部２Ｃが設けられている。すなわち、光源部２Ｃの光軸は、移動方向Ｍに直交する方向に向けられている。
光源部２Ｃの構成としては、例えば、ＬＥＤ、集光レンズ、および遮光板の組合せからなる構成などを採用することができる。

図３（ｂ）に示すように、受光側基板２ｂには、溝長さ方向Ｌの中央、かつ溝深さ方向Ｄにおいて貫通溝２ｄの開口寄り（図３（ｂ）の下側）の位置において発光側基板２ａの光源部２Ｃによる略平行光が照射される領域に、溝長さ方向Ｌに沿って、光源部２Ｃからの光を受光する受光素子２Ａ、２Ｂが設けられている。
受光素子２Ａは、受光量に応じた電圧変化を出力するため、溝長さ方向Ｌ方向の幅がａ、溝深さ方向Ｄ方向の幅がｂの矩形状の受光面（受光領域）を有するフォトセンサである。以下では、受光素子２Ａの出力をＡ相出力と称する。
受光素子２Ｂは、受光量に応じた電圧変化を出力するため、受光素子２Ａと同様に、溝長さ方向Ｌ方向の幅がａ、溝深さ方向Ｄ方向の幅がｂの矩形状の受光面を有するフォトセンサからなる。以下では、受光素子２Ｂの出力をＢ相出力と称する。
受光素子２Ａ、２Ｂの各受光面は、各受光面の中心Ｏ_Ａ、Ｏ_Ｂが溝長さ方向Ｌに沿う線上にピッチｐ（ただし、ｐ＞ａ）だけ離間された位置関係に配置されている。

スケール部材１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、二等辺三角形の山形状の繰り返しパターンを有する端面１ａが、レンズユニット６の移動可能範囲よりも長い範囲にわたって延ばして形成された細長の遮光板である。
本実施形態のスケール部材１は、フォトインタラプタ２の貫通溝２ｄの溝内側において、移動方向Ｍに沿ってスケール部材１の長手方向に移動可能となるように、ロッドガイド部材４の側面に固定されている。本実施形態では、一例として、貫通溝２ｄの溝幅方向Ｗの中心面、およびスケール部材１の板厚中心面が、ロッドガイド部材４の各ガイド孔４ａの中心軸を含む位置関係に整列して配置されている。
これにより、スケール部材１の端面１ａは、貫通溝２ｄの溝底からの高さが、移動方向Ｍに沿って周期的な山形状に変化する遮光板となっており、スケール部材１の端面１ａと貫通溝２ｄの溝底の間に、スケール部材１の端面１ａの形状を反転した逆の山形状の光透過部１ｂが形成されている。
スケール部材１の材質は、フォトインタラプタ２の光源部２Ｃから照射される光を遮光できれば適宜の材質を採用することができる。本実施形態では、ロッドガイド部材４の一部として同材質の樹脂で一体成形することで、部品数、部品コストを低減している。

次に、スケール部材１の詳細の形状、配置について図４を用いて説明する。
本実施形態のスケール部材１の端面１ａは、底辺がｗ_ｔ、高さｈの二等辺三角形が、ピッチｗ_ｔで周期的に配置された山形状とされている。すなわち、端面１ａは、全振幅がｈ（片振幅ｈ／２）、ピッチがｗ_ｔの周期的な三角波形状を有している。この山形の高さ方向の中心は、受光側基板２ｂ上の受光素子２Ａ、２Ｂの受光面の中心Ｏ_Ａ、Ｏ_Ｂを結ぶ直線Ｎと高さ方向（フォトインタラプタ２の溝深さ方向Ｄ）において整列されている。
そして本実施形態では、ピッチｗ_ｔは、受光素子２Ａ、２Ｂの配列ピッチｐと次式（１）を満足させる。
また、受光素子２Ａ、２Ｂの幅ａ、ｂ、配列ピッチｐとスケール部材１の全振幅ｈとは、次式（２）の関係を満足させる。

ｐ＝ｗ_ｔ／４ ・・・（１）
ｈ＜２・ｐ・ｂ／（ｐ−ａ） ・・・（２）

これにより、光源部２Ｃから光が照射されると、光透過部１ｂを透過した光が、受光素子２Ａ、２Ｂに到達し、それぞれの受光量に比例したＡ相出力、Ｂ相出力が出力される。

ここで、式（２）の条件の持つ意味にについて説明する。
スケール部材１の移動量に対するＡ相出力、Ｂ相出力は、スケール部材１が周期的な山形のため、出力値が最大値から最小値を経て最大値に戻り、最大値と最小値との間で相対移動量に対する出力値が緩やかなＳ字状に単調に変化するような、全体として正弦波状、あるいは角部が滑らかに変化する略台形波状の波形で表され、これらの波形は、受光素子の配列ピッチｐだけずれることになる。
ここで、最大出力値と最小出力値との間で単調に変化する部分（以下、単調部分）は、線形の場合には出力値が移動位置を表すことになり、線形でない場合には出力値が移動位置の近似値となるため、ｗ_ｔ／２以下の距離の移動位置の検出に寄与できる部分である。
一方、略台形状の波形の場合のように、スケール部材１が移動しても最大出力値、または最小出力値が変化しない部分（以下、平坦部分）を有する場合、この平坦部分は移動位置の検出に寄与できない部分である。
このため、Ａ相出力、Ｂ相出力が、スケール部材１の移動位置の検出に利用できるようにするには、スケール部材１の移動量と出力値との関係が、平坦部分を有する場合にＡ相出力、Ｂ相出力の平坦部分が重ならないことが必要になる。

移動量と出力値との関係に平坦部分が発生するのは、受光素子２Ａ、２Ｂの受光面が相対的に小さくなる場合である。このような場合、スケール部材１と受光素子２Ａとの関係は、図５（ａ）に示すような関係にある。
スケール部材１の端面１ａが受光素子２Ａから離れた位置Ｘ_０から図示右側から左側に向かって移動すると、端面１ａが受光素子２Ａを斜めに覆って遮光していく。端面１ａが受光素子２Ａの外形の４つの頂点を順次通過する位置を、位置Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３、Ｘ_４と表す。ここで、Ｘ_３−Ｘ_１＝ａである
図５（ｂ）に曲線１００で示すように、位置Ｘ_０からＸ_１までは、受光素子２Ａは遮光されないため、出力値は最大値Ｙ_０となる。
位置Ｘ_０からＸ_１までは、端面１ａが受光素子２Ａの角部を形成する２辺を横断して遮光していくため、遮光面積が移動量の２乗に比例して増大するので、出力値はＹ_０からＹ_２まで減少率を増大させながら徐々に単調減少する。
位置Ｘ_１からＸ_２までは、端面１ａが受光素子２Ａの幅ａの平行な２辺を横断して遮光していくため、遮光面積が移動量に比例して増大するので、出力値はＹ_２からＹ_３まで直線を描いて単調減少する。
位置Ｘ_３からＸ_４までは、端面１ａが受光素子２Ａの角部を形成する２辺を横断して遮光していくため、位置Ｘ_０からＸ_１までの減少傾向と逆に出力値はＹ_３から減少率を徐々に減少させながら、０となるまで単調減少する。
このように、位置Ｘ_１からＸ_４までの変化は単調部分を構成しており、位置Ｘ_０からＸ_１までの変化は平坦部分の一部を構成している。以上が繰り返されることで、曲線１０１は、単調部分と平坦部分とが交替し、全体として角部が滑らかに変化する略台形波状の波形が描かれる。

また、受光素子２Ｂでは、図５（ｂ）の曲線１００と移動量が配列ピッチｐの分だけずれただけで、同様の波形を有する曲線１０１のような変化を示す。
ここで、Ａ相出力、Ｂ相出力の平坦部分が重ならない条件は、図５（ｂ）における曲線１００と曲線１０１とが交点Ｑ_１、Ｑ_２のように、互いに単調部分において交わることを意味する。すなわち、次式（Ａ）が成り立つ必要がある。
図５（ａ）に示すように、端面１ａの山形の頂角を２θとすれば、次式（Ｂ）、（Ｃ）が成り立つ。そこで、式（Ｂ）、（Ｃ）を用いて上記式（Ａ）を変形すると、上記の式（２）が得られる。

Ｘ_４―Ｘ_１＞ｐ ・・・（Ａ）
Ｘ_４―Ｘ_１＝ａ＋ｂ・ｔａｎθ ・・・（Ｂ）
ｔａｎθ＝２・ｐ／ｈ ・・・（Ｃ）

次に、平坦部を有しない場合の相対移動位置と出力値との関係の例を図６に示す。
本例は、図４に示す位置関係から、スケール部材１を、移動方向Ｍに沿って受光素子２Ａから受光素子２Ｂに向かう方向（図５の矢印Ｍ_１方向）に距離ｗ_ｔだけ移動させたときのものである。
ここで、ａ＝０．５・ｐ、ｂ＝０．５・ｐ、ｈ＝０．９０９・ｐである。これらの寸法関係は、上記式（２）を満足している。
Ａ相出力を示す曲線１１０の出力値は、相対移動位置０で最大光量に対応して、Ｉ_０となり、相対移動量が増大するにつれてＩ_０から０までの間で緩やかなＳ字状を描いて、減少、増加を繰り返す単調部分のみからなり、全体として正弦波に類似した波形を示す。
Ｂ相出力を示す曲線１１１の出力値は、相対移動位置０で、最大光量の半分に対応して、Ｉ_０／２となり、相対移動量が増大するにつれて、Ａ相出力の曲線１１０と移動方向にｐ／２＝ｗ_ｔ／４だけずれた状態で同様の変化を示す。
このため、曲線１１０、１１１は、出力値がＩ_＋＝０．８７５・Ｉ_０となる点Ａ_１２と、およびＩ₋＝０．１２５・Ｉ_０となる点Ｂ_１２で交差している。

曲線１１０、１１１は、いずれも出力値Ｉ_０／２を中心とした単調部分の中間部で、相対移動量と出力値との関係が略線形であり、出力値が増大または減少するにつれて、徐々に線形性が失われ、出力値の最大値および最小値の近傍で急激に線形性が失われる変化を示す。
このため、エンコーダ３を用いて、配列ピッチｐ以下の位置検出を精度よく行うには、出力値の大きさに応じて、Ａ相出力とＢ相出力とを切り換えて用い、曲線１１０、１１１の線形性の良好な部分から、位置検出情報を取得することが好ましい。

次に、このようなエンコーダ３の使用方法の一例について説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態に係るエンコーダの使用方法の一例を説明するための模式的なグラフである。図８は、本発明の第１の実施形態に係るエンコーダの使用方法の一例における相対移動位置と出力値との対応関係を示す模式的なグラフである。

本方法は、Ａ相出力およびＢ相出力の使用範囲をＩ_＋、Ｉ₋に制限する。
例えば、図７に示すように、Ａ相出力およびＢ相出力からそれぞれの振幅を反転した出力値をとると、それぞれ曲線１２０、１２１が得られる。ここで、振幅を反転するとは、Ａ相出力およびＢ相出力の出力値をそれぞれ、Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂとしたとき、Ｉ_Ａ’＝Ｉ_０−Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ’＝Ｉ_０−Ｉ_Ｂを算出することを意味する。

曲線１１０、１１１、１２０、１２１は、出力値Ｉ_＋に対応して、点Ａ_１２、Ａ_２３、Ａ_３４、Ａ_４１で、出力値Ｉ₋に対応して、それぞれ、点Ｂ_３４、Ｂ_４１、Ｂ_１２、Ｂ_２３で交差する。
ここでＡ_ｉｊ、Ｂ_ｉｊにおける添字ｉ、ｊは、交わる曲線を意味しており、曲線１１０、１１１、１２０、１２１にそれぞれ１、２、３、４を対応させている。例えば、点Ａ_１２は、相対移動位置ｗ_ｔ／８で曲線１１０、１１１がＩ_＋となる出力値で交わる交点であり、点Ｂ_３４は、相対移動位置ｗ_ｔ／８で曲線１２０、１２１がＩ₋となる出力値で交わる交点である。また、点Ｂ_４１は、相対移動位置３・ｗ_ｔ／８で曲線１１０、１２１がＩ₋となる出力値で交わる交点である。これらの隣り合う交点の相対移動量は、ｗ_ｔ／４＝ｐである。

これらの交点のうち、隣り合う点Ａ_ｉｊから点Ｂ_ｍｎ（ここで、ｉ、ｊ、ｍ、ｎは、１〜４までの整数）の間は、出力値がＩ_＋〜Ｉ₋の範囲にあるため、線形性がきわめて良好な単調部分となっている。
したがって、例えば、出力値Ｉ_０を２５６段階でＡ／Ｄ変換すれば、例えば、波形Ａ_１２Ｂ_４１（他の同様な単調部分も同様）は、１９２（＝０．７５・２５６）段階で、ｗ_ｔ／４＝ｐの相対移動量を略等間隔に分割するために用いることができる。
このため、エンコーダ３を用いれば、ｗ_ｔ／４＝ｐ以下の位置であっても高精度に位置を検出することができる。

このように、エンコーダ３は、ＭＲ素子とマグネットスケールとからなるエンコーダに比べて安価な機構であるフォトインタラプタ２とスケール部材１との組合せにより、高精度に位置を検出することができる。
また、必要な位置検出分解能を得るために受光素子２Ａ、２Ｂの配列ピッチｐを小さくしなくてもよいので、汎用的で安価なフォトインタラプタ２を採用することができる。さらに、受光素子２Ａ、２Ｂの受光面の面積の低下による感度低下もないため、高精度な位置検出を行うことができる。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係るエンコーダについて説明する。
図９（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係るエンコーダの概略構成を示す模式的な斜視図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＵ視の正面図である。図１０（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第２の実施形態に用いるフォトインタラプタの光源部および受光部の配置を示す配置図である。図１１は、図９（ａ）における模式的なＶ−Ｖ断面図である。図１２は、本発明の第２の実施形態のエンコーダのスケール部材の相対移動位置に対する受光素子の出力値の一例を示す模式的なグラフである。

図９（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態のエンコーダ１３は、上記第１の実施形態のエンコーダ３と同様に、例えば、ビデオカメラ、ＤＳＣ、携帯電話等に搭載される撮像装置のフォーカス調整機構やズーム移動機構などのレンズ機構に好適に用いることができる光学式のリニアエンコーダである。
エンコーダ１３の構成は、上記第１の実施形態のエンコーダ３のフォトインタラプタ２、スケール部材１に代えて、それぞれフォトインタラプタ１２、スケール部材１１を備える。
以下では、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。

フォトインタラプタ１２は、図３に示すように、上記第１の実施形態のフォトインタラプタ２の発光側基板２ａ、受光側基板２ｂに代えて、それぞれ発光側基板１２ａ、受光側基板１２ｂを備える。

発光側基板１２ａには、上記第１の実施形態の発光側基板２ａの光源部２Ｃに代えて、同様の位置において同様の構成を備え、光投射領域の範囲のみを後述する受光側基板１２ｂの受光側基板１２ｂの受光素子１２Ａ、１２Ｂの配置範囲を覆うように変えた光源部１２Ｃが設けられている。

受光側基板１２ｂには、溝長さ方向Ｌの中央、かつ溝深さ方向Ｄにおいて貫通溝２ｄの開口寄りの位置において発光側基板１２ａの光源部１２Ｃによる略平行光が照射される領域に、溝長さ方向Ｌに沿って、光源部１２Ｃからの光を受光する受光素子１２Ａ、１２Ｂが設けられている。
受光素子１２Ａは、受光量に応じた電圧変化を出力するため、溝長さ方向Ｌ方向の幅がｘ、溝深さ方向Ｄ方向の幅がｙの矩形状の受光面を有するフォトセンサである。
受光素子１２Ｂは、受光量に応じた電圧変化を出力するため、受光素子１２Ａと同様に、溝長さ方向Ｌ方向の幅がｘ、溝深さ方向Ｄ方向の幅がｙの矩形状の受光面を有するフォトセンサからなる。
受光素子１２Ａ、１２Ｂの各受光面は、各受光面の中心Ｏ_Ａ、Ｏ_Ｂが溝長さ方向Ｌに沿ってピッチＰだけ離間されるとともに、溝深さ方向Ｄに沿ってピッチｄだけ離間された位置関係に配置されている。
ただし、ピッチＰ、ｄは、受光面との大きさの関係において次式を満足する。

０＜Ｐ≦ｘ ・・・（３）
ｄ≧ｙ ・・・（４）

これにより、受光素子１２Ａ、１２Ｂの各受光面は、溝長さ方向Ｌには（ｘ−Ｐ）の範囲で受光面が重なる領域を有しつつ、溝深さ方向Ｄには受光面の重なりが生じないようにずらして並列配置されている。すなわち、受光素子１２Ａ、１２Ｂの受光領域は、移動方向Ｍに沿う隙間がない状態に配置されている。
なお、溝深さ方向Ｄにおける受光素子１２Ａ、１２Ｂの位置関係は図１０（ｂ）では、受光素子１２Ｂが図示上側に描かれているが、これと逆の位置関係であってもよい。

スケール部材１１は、図９（ｂ）に示すように、移動方向Ｍに沿って一定幅ｗ_ｓ／２とされ、移動方向Ｍと直交する方向に延ばされた遮光部１１ａが、幅ｗ_ｓ／２の間隔を空けてレンズユニット６の移動可能範囲よりも長い範囲にわたって設けられた櫛歯状の遮光板である。
本実施形態のスケール部材１１は、フォトインタラプタ１２の貫通溝２ｄの溝内側において、移動方向Ｍに沿って移動可能となるように、ロッドガイド部材４の側面に固定されている。本実施形態では、一例として、貫通溝２ｄの溝幅方向Ｗの中心面、およびスケール部材１１の各遮光部１１ａの板厚中心面が、ロッドガイド部材４の各ガイド孔４ａの中心軸を含む位置関係に整列して配置されている。
これにより、スケール部材１１では、移動方向Ｍに沿って、各遮光部１１ａの間に幅ｗ_ｓ／２の光透過部１１ｂが配列ピッチｗ_ｓで形成されている。このため、スケール部材１１は、光源部１２Ｃの光軸に交差する移動方向Ｍに沿って相対移動可能に設けられ、移動方向Ｍに沿って開口幅および遮光幅が等しいスリットパターンからなる周期的な光透過部１１ｂを有するものとなっている。

スケール部材１１の材質は、フォトインタラプタ１２の光源部１２Ｃから照射される光を遮光できれば適宜の材質を採用することができる。
本実施形態では、後述するように、光透過部１１ｂの幅ｗ_ｓ／２を細分化したステップで位置検出を行うことができるので、必要な位置検出分解能に比べて遮光部１１ａの幅を大きく設定することができる。このため、スケール部材１１は、樹脂成形でも製作可能である。
本実施形態では、ロッドガイド部材４の一部として同材質の樹脂で一体成形することで、部品数、部品コストを低減している。

次に、スケール部材１１の詳細の形状、配置について図１１を用いて説明する。
本実施形態のスケール部材１１の遮光部１１ａは、ロッドガイド部材４の側面から、受光素子１２Ａ、１２Ｂのいずれの受光面をも覆うことができる高さＨまで、幅ｗ_ｓ／２で延ばされた矩形板である。このため、スケール部材１１が、移動方向Ｍに沿って移動すると、遮光部１１ａの側面１１ｃ、１１ｄが、受光素子１２Ａ、１２Ｂの各受光面の溝深さ方向Ｄに沿う方向の外形線と平行、かつ溝長さ方向Ｌに沿う方向の外形線と直交する状態で、受光素子１２Ａ、１２Ｂに重なるようになっている。
これにより、光源部１２Ｃから光が照射されると、光透過部１１ｂを透過した光が、受光素子１２Ａ、１２Ｂに到達し、それぞれの受光量に比例した電圧が出力される（以下、それぞれをＡ相出力、Ｂ相出力と称する）。
スケール部材１１は、受光素子１２Ａ、１２Ｂの溝長さ方向Ｌに沿って延びる外形線に直交する状態で溝深さ方向Ｄに延びる外形線に対して平行に遮光していくため、受光素子１２Ａ、１２Ｂに均一な照度分布の光が照射されれば溝長さ方向Ｌ方向における光透過部１１ｂの重なり量に比例して線形の出力値が得られる。このため、スケール部材１１の相対移動量と出力値との関係は、周期的な台形状または三角波状の波形で表される。
本実施形態では、遮光部１１ａの配列ピッチｗ_ｓが次式を満足するように設定する。これにより、これらの波形は、受光素子の配列ピッチｐだけずれることになる。

ｗ_ｓ＝４・Ｐ ・・・（５）

本実施形態のエンコーダ１３におけるＡ相出力、Ｂ相出力の相対移動位置と出力値との関係の一例について、図１２に示す。
本例は、ｘ＝１．４７・Ｐ、ｙ＝０．８１７・Ｐ、ｗ_ｓ＝４・Ｐとした場合に、スケール部材１１を、受光素子１２Ａ上に光透過部１１ｂの側面１１ｃが受光素子１２Ａの受光素子１２Ｂと反対側の端面に位置する状態から、移動方向Ｍに沿って受光素子１２Ａから受光素子１２Ｂに向かう方向（図１１の矢印Ｍ_１方向）に距離ｗ_ｓだけ移動させたときのものである。
Ａ相出力の出力値は折れ線１３０に示すように、相対移動位置０で最大光量に対応して、Ｊ_０となり、相対移動量が増大するにつれてＪ_０から０までの間で相対移動量に比例して減少し、受光素子１２Ａの受光面が、遮光部１１ａに重なる相対移動位置で０となり、側面１１ｄ側から光透過部１１ｂに重なるにつれて、相対移動量に比例して０からＪ_０まで増大する。このため、折れ線１３０は周期的な台形状の波形を有する。
Ｂ相出力の出力値は折れ線１３１に示すように、相対移動位置０で受光面が光透過部１１ｂに重なる面積に応じて、約０．３２・Ｊ_０となり、相対移動量が増大するにつれて、折れ線１３０と移動方向にｐ／２＝ｗ_ｓ／４だけずれた状態で同様の変化を示す。
本例では、折れ線１３０、１３１は、出力値がＪ₋（＝０．１６・Ｊ_０）となる点Ｄ_２１と、出力値がＪ_＋（＝０．８４・Ｊ_０）となる点Ｃ_２１で交差している。すなわち、上記式（３）を満足しているため、波形の平坦部分が重なることはない。

本実施形態では、遮光部１１ａの側面１１ｃ、１１ｄは、受光素子１２Ａ、１２Ｂの移動方向Ｍに沿う方向の外形線と直交するため、スケール部材１１が溝深さ方向Ｄに相対移動しても、受光面が溝深さ方向Ｄにおいて遮光部１１ａの外側にはみ出さない限りは、相対移動量とＡ相出力、Ｂ相出力の関係は変化しない。このため、スケール部材１１がある程度溝深さ方向Ｄの相対移動する場合でも、位置検出精度には影響しない。
また、同様に、遮光部１１ａの高さＨおよびピッチｄを適宜に設定しておけば、受光素子１２Ａ、１２Ｂの受光面の溝深さ方向Ｄの幅ｙの大きさは自由に設定できる。このため、幅ｘの制約によって受光面積の不足するような場合には幅ｙを大きくすることで補うことができる。

次に、エンコーダ１３の使用方法の一例について説明する。上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
図１３は、本発明の第２の実施形態に係るエンコーダの使用方法の一例を説明するための模式的なグラフである。

本例では、折れ線１３０、１３１は、出力値０からＪ_０の間で単調部分が線形になるので、Ａ相出力、Ｂ相出力は、それぞれの単調部分をどのように組み合わせても、出力値を相対移動量を等間隔に分割するために用いることができる。
一例としては、上記第１の実施形態と同様の使用方法が挙げられる。
図１３に示すように、Ａ相出力およびＢ相出力からそれぞれの振幅を反転した出力値をとると、それぞれ折れ線１４０、１４１が得られる。ここで、振幅を反転するとは、Ａ相出力およびＢ相出力の出力値をそれぞれ、Ｊ_Ａ、Ｊ_Ｂとしたとき、Ｊ_Ａ’＝Ｊ_０−Ｊ_Ａ、Ｊ_Ｂ’＝Ｊ_０−Ｊ_Ｂを算出することを意味する。

折れ線１３０、１３１、１４０、１４１は、出力値Ｊ_＋に対応して、点Ｃ_１４、Ｃ_４３、Ｃ_３２、Ｃ_２１で、出力値Ｊ₋に対応して、それぞれ、点Ｄ_３２、Ｄ_２１、Ｄ_１４、Ｄ_３２で交差する。
ここでＣ_ｉｊ、Ｄ_ｉｊにおける添字ｉ、ｊは、交わる折れ線を意味しており、折れ線１３０、１３１、１４０、１４１にそれぞれ１、２、３、４を対応させている。これらの隣り合う交点に対応する相対移動距離は、ｗ_ｓ／４＝Ｐであり、受光素子１２Ａ、１２Ｂの中心Ｏ_Ａ、Ｏ_Ｂの間の距離に対応する。

これらの交点のうち、隣り合う点Ｃ_ｉｊからＤ_ｍｎ（ここで、ｉ、ｊ、ｍ、ｎは、１〜４までの整数）の間は、受光素子１２Ａ、１２Ｂの各受光面の溝長さ方向Ｌにおける中間部分で検出した出力値である。このため、受光素子１２Ａ、１２Ｂの受光感度のバラツキや製作誤差や、受光側基板１２ｂでの散乱光などの影響などによって、誤差が発生しやすい受光面の端部での出力値ではないため、このような受光面端部に比べて、より良好、かつ安定した線形性を有するに単調部分となっている。
したがって、例えば、出力値Ｊ_０を２５６段階でＡ／Ｄ変換すれば、例えば、波形Ｃ_１４Ｄ_２１（他の同様な単調部分も同様）は、１７４（＝０．６８・２５６）段階で、ｗ_ｓ／４＝Ｐの相対移動量を略等間隔に分割するために用いることができる。
このため、エンコーダ１３を用いれば、ｗ_ｓ／４＝Ｐ以下の位置であっても高精度に位置を検出することができる。

このように、エンコーダ１３によれば、ＭＲ素子とマグネットスケールとからなるエンコーダに比べて安価な機構であるフォトインタラプタ１２とスケール部材１１との組合せにより、高精度に位置を検出することができる。
また、必要な位置検出分解能を得るために受光素子１２Ａ、１２Ｂの配列ピッチＰを小さくしなくてもよい。さらに、受光素子１２Ａ、１２Ｂの受光面の位置を溝深さ方向Ｄ方向にずらして並列配置するため、配列ピッチＰが、第１の実施形態のフォトインタラプタ２の配列ピッチｐと等しい場合、受光面の面積をより大きくとることができるため、受光面積の低下による感度低下が少なくなる。そのため、より高精度な位置検出を行うことができる。

次に、スケール部材１１の寸法と、受光素子１２Ａ、１２Ｂの位置関係を変えた第１および第２変形例のエンコーダ１３におけるＡ相出力、Ｂ相出力の相対移動位置と出力値との関係について簡単に説明する。
図１４は、本発明の第２の実施形態の受光部とスケール部材との寸法関係の第１変形例を説明するための図９（ａ）における模式的なＶ−Ｖ断面図である。図１５は、本発明の第２の実施形態の第１変形例のエンコーダのスケール部材の相対移動位置に対する受光素子の出力値の例を示す模式的なグラフである。図１６は、本発明の第２の実施形態の第１変形例のエンコーダの使用方法の一例を示す模式的なグラフである。図１７は、本発明の第２の実施形態の受光部とスケール部材との寸法関係の第２変形例を説明するための図９（ａ）における模式的なＶ−Ｖ断面図である。図１８は、本発明の第２の実施形態の第２変形例のエンコーダのスケール部材の相対移動位置に対する受光素子の出力値の例を示す模式的なグラフである。図１９は、本発明の第２の実施形態の第２変形例エンコーダの使用方法の一例を示す模式的なグラフである。

本実施形態の第１変形例は、図１４に示すように、スケール部材１１の寸法と、受光素子１２Ａ、１２Ｂの位置関係を、ｘ＝Ｐ、ｗ_ｓ＝４・Ｐとした場合の例である。すなわち、本変形例は、受光素子１２Ａ、１２Ｂの受光領域が移動方向Ｍに沿って重なることはないが、隙間もない状態となるように溝深さ方向Ｄ方向に並列配置されている。
この場合、図１５に示すように、Ａ相出力を示す折れ線１３０、Ｂ相出力を示す折れ線１３１は、上記第２の実施形態と同様台形波状であるが、出力値０およびＪ_０でのみ交わる関係にある。すなわち、Ｊ₋＝０、Ｊ_＋＝Ｊ_０である。このため、上記と同様なエンコーダ１３の使用方法の例としては、図１６に折れ線１５０で示すように、出力値が０からＪ_０までの間のすべての単調部分を用いる。

本実施形態の第２変形例は、図１７に示すように、スケール部材１１の寸法と、受光素子１２Ａ、１２Ｂの位置関係を、ｘ＝２・Ｐ、ｗ_ｓ＝４・Ｐとした場合の例である。
この場合、図１８に示すように、Ａ相出力を示す折れ線１３０、Ｂ相出力を示す折れ線１３１は二等辺三角形状の三角波となり、出力値が、Ｊ_＋＝０．７５・Ｊ_０、Ｊ₋＝０．２５・Ｊ_０で交わる。したがって、この場合でも、上記第２の実施形態と同様に、図１８に折れ線１５０で示すように、出力値がＪ₋からＪ_＋までの間の単調部分を用いることができる。
本変形例は、Ａ相出力、Ｂ相出力が、台形波でなく三角波であっても同様に位置検出を行うことができるという例となっている。

なお、上記の説明では、エンコーダの光源部は、平行光を投射するとして説明したが、スケール部材が、移動方向に一定幅となる光束を横切るように、スケール部材、光源部、受光部の位置関係を設定すれば、非平行光を投射する光源部を採用してもよい。

また、上記の第２の実施形態の説明では、エンコーダ１３は、複数の遮光部１１ａを等ピッチで配置した櫛歯状の構成としたが、スケール部材のスリットパターンはこれには限定されない。
例えば、上記第１の実施形態のスケール部材１の端面１ａの谷部をコ字状の溝に変えて、ロッドガイド部材４側に連続する板部を有する１部品で形成してもよい。
また、１枚の遮光板の複数の矩形状の開口が等ピッチで形成してもよい。
また、スケール部材の光透過部は、貫通孔には限定されず、例えば、ガラス板で光透過部を形成し、遮光部に対応する領域に遮光膜を形成したスケール部材としてもよい。

また、上記の説明では、エンコーダのスケール部材を移動方向に沿って全体的に直線上に形成また配列した場合の例で説明したが、移動方向が曲率半径の大きな円弧に沿う場合でも同様に適用することができる。したがって、直線上の位置検出に限定されず、円弧上の位置検出にも用いることができる。
この場合、スケール部材の光透過部の開口幅、および配置ピッチは、円弧の周方向に沿う等角度幅、および等角度ピッチに読み替えるものとする。

また、上記の説明では、互いに対向配置された光源部および受光部を備えるフォトインタラプタが固定され、スケール部材が移動する場合の例で説明したが、スケール部材が固定され、互いに対向配置された光源部および受光部が移動する相対移動を行うようにしてもよい。

また、上記の説明では、レンズ移動機構に用いる場合の例で説明したが、これは一例であって、本発明のエンコーダは、例えば、リニアアクチュエータなどにも好適に用いることができる。

また、本明細書に説明されたすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせて実施することができる。

ここで、上記各実施形態の用語と特許請求の範囲の用語との対応関係について名称が異なる場合について説明する。
受光側基板２ｂ、１２ｂは、それぞれ受光部の一実施形態である。中心Ｏ_Ａ、Ｏ_Ｂは、それぞれ受光素子の受光中心に対応する。

本発明の第１の実施形態に係るエンコーダの概略構成を示す模式的な斜視図、およびそのＸ視の正面図である。 本発明の第１の実施形態に係るエンコーダに用いるフォトインタラプタの模式的な斜視図である。 本発明の第１の実施形態に用いるフォトインタラプタの光源部および受光部の配置を示す配置図である。 図１における模式的なＹ−Ｙ断面図である。 スケール部材の移動位置と受光素子の出力値との関係を説明するための原理説明図、およびその関係の模式的なグラフである。 本発明の第１の実施形態のエンコーダのスケール部材の相対移動位置に対する受光素子の出力値の一例を示す模式的なグラフである。 本発明の第１の実施形態に係るエンコーダの使用方法の一例を説明するための模式的なグラフである。 本発明の第１の実施形態に係るエンコーダの使用方法の一例における相対移動位置と出力値との対応関係を示す模式的なグラフである。 本発明の第２の実施形態に係るエンコーダの概略構成を示す模式的な斜視図、およびそのＵ視の正面図である。 本発明の第２の実施形態に用いるフォトインタラプタの光源部および受光部の配置を示す配置図である。 図９における模式的なＶ−Ｖ断面図である。 本発明の第２の実施形態の受光素子の出力信号の一例を示す模式的なグラフである。 図１３は、本発明の第２の実施形態に係るエンコーダの使用方法の一例を説明するための模式的なグラフである。 本発明の第２の実施形態の受光部とスケール部材との寸法関係の第１変形例を説明するための図９における模式的なＶ−Ｖ断面図である。 本発明の第２の実施形態の第１変形例のエンコーダのスケール部材の相対移動位置に対する受光素子の出力値の例を示す模式的なグラフである。 本発明の第２の実施形態の第１変形例のエンコーダの使用方法の一例を示す模式的なグラフである。 本発明の第２の実施形態の受光部とスケール部材との寸法関係の第２変形例を説明するための図９における模式的なＶ−Ｖ断面図である。 本発明の第２の実施形態の第２変形例のエンコーダのスケール部材の相対移動位置に対する受光素子の出力値の例を示す模式的なグラフである。 本発明の第２の実施形態の第２変形例エンコーダの使用方法の一例を示す模式的なグラフである。

符号の説明

１、１１ スケール部材
１ａ 端面
１ｂ、１１ｂ 光透過部
２、１２ フォトインタラプタ
２Ａ、２Ｂ、１２Ａ、１２Ｂ 受光素子
２Ｃ、１２Ｃ 光源部
２ａ、１２ａ 発光側基板
２ｂ、１２ｂ 受光側基板（受光部）
２ｄ 貫通溝
３、１３ エンコーダ
７ 信号処理部
７ａ Ａ／Ｄ変換手段
７ｂ 反転信号生成手段
７ｃ 信号合成手段
１１ａ 遮光部
１１ｃ、１１ｄ 側面
Ｍ 移動方向
Ｏ_Ａ、Ｏ_Ｂ 中心（受光中心）

Claims (2)

1. 光源部と、
   該光源部の光軸に交差する移動方向に沿って相対移動可能に設けられ、前記移動方向に沿って開口幅および遮光幅が等しいスリットパターンからなる周期的な光透過部を有するスケール部材と、
   前記スケール部材を挟んで前記光源部に対向する位置において、前記移動方向に沿って前記開口幅以下の受光幅を有する２つの受光素子が、それぞれの受光中心を前記移動方向に前記開口幅の半分の距離だけずらされるとともに、それぞれの受光領域が前記移動方向に沿う隙間がない状態で前記移動方向に直交する方向に並列配置された受光部とを備えるエンコーダ。
2. 光源部と、
   該光源部の光軸に交差する移動方向に沿って相対移動可能に設けられ、前記移動方向に沿って全振幅ｈがピッチｗ_ｔで山形状に変化する遮光部とその間に形成される光透過部を有するスケール部材と、
   前記スケール部材を挟んで前記光源部に対向する位置において、前記移動方向に沿う方向の幅がａ、前記移動方向に直交する幅がｂとなる矩形状の受光領域を有する２つの受光素子が、それぞれの受光中心を前記スケール部材の遮光部の山形の振幅の中心線上に前記移動方向に沿って配列ピッチｐ（ただし、ｐ＞ａ）だけずらして配置された受光部とを備え、
   前記スケール部材の前記遮光部の全振幅ｈ、ピッチｗ_ｔ、前記各受光素子の幅ａ、ｂ、配列ピッチｐとの間に、次式を満足することを特徴とするエンコーダ。
   ｐ＝ｗ_ｔ／４ ・・・（１）
   ｈ＜２・ｐ・ｂ／（ｐ−ａ） ・・・（２）

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