JP2012202952A

JP2012202952A - 光学式エンコーダ

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Publication number: JP2012202952A
Application number: JP2011070575A
Authority: JP
Inventors: Makoto Tojo; 良東條; Jun Hane; 潤羽根; Hiromasa Fujita; 浩正藤田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2012-10-22
Anticipated expiration: 2031-03-28
Also published as: JP5635439B2

Abstract

【課題】投光部とスケールと受光部の配置の自由度が高い光学式エンコーダを提供する。
【解決手段】光学式エンコーダ１００は、スケール１１０と、スケール１１０に向けて光を投光する投光部１４２と、投光部１４２から投光されスケール１１０を経由した光を受光する受光部１７２を有している。スケール１１０は、受光部１７２に対して移動可能である。スケール１１０はまた、投光部１４２に対向した光入射部１１８から入射した光を受光部１７２に対向した光出射部１２０へ導光する導光部を有している。光出射部１２０には、スケール１１０の移動方向に沿って光学的特性が周期的に変化しているスケールスリット１２４が設けられている。光入射部１１８には、スケール１１０の移動方向に垂直な平面に対して、平行成分の光に対する斜め成分の光の相対強度を低減する働きをする斜め光低減スリット１２２が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、変位センサなどに用いられる光学式エンコーダに関する。

小型で比較的単純な構成により位置や角度を検出できる光学式エンコーダとして、タルボットエンコーダや三重格子エンコーダが知られている。

たとえば特開平９−１９６７０６は三重格子エンコーダの一例を開示している。このエンコーダは、透過型の光源用スケールを備えた光源と、メインスケールと、受光素子のフォトダイオードアレイとで構成され、光源とフォトダイオードアレイに対して、メインスケールは、相対的に変位する測定対象に配置されている。また、光源およびフォトダイオードアレイと、メインスケールの間には干渉パターンが結像する位置として、一定の間隔が設けられている。

光源から出射した光は、光源用スケールと通り、メインスケールで反射される。反射された光は、フォトダイオードアレイ面で干渉パターンを結像する。光源とフォトダイオードアレイと、メインスケールとが相対的に移動すると、フォトダイオードアレイに結像した干渉パターンが変化するため、干渉パターンの変化から相対位置を検出する。

これにより、高分解能な変位測定を行っている。

特開平９−１９６７０６号公報

タルボットエンコーダや三重格子エンコーダは、他の方式エンコーダと比較して精度が良い等の利点があるが、光を投光する投光部からの光をスケールで反射または透過し、干渉パターンが結像する位置に光を受光する受光部を配置する必要がある。そのため、投光部とスケールと受光部は、それぞれの配置が限定されてしまい、配置の自由度が低くなるという課題がある。投光部とスケールと受光部の配置の自由度が低いと、例えば、スケールと、投光部と受光部との間隔を狭くすることができないため、さらなる薄型化を妨げるという課題もある。

本発明の目的は、投光部とスケールと受光部の配置の自由度が高い光学式エンコーダを提供することにある。

光学式エンコーダは、スケールと、前記スケールに向けて光を投光する投光部と、前記投光部から投光され前記スケールを経由した光を受光する受光部を備えている。前記スケールは、前記受光部に対して移動可能である。前記スケールは、前記スケールの移動方向に沿って光学的特性が周期的に変化しているスケールスリットと、前記投光部に対向した光入射部から入射した光を前記受光部に対向した光出射部へ導光する導光部を有している。前記スケールはさらに、前記スケールの移動方向に垂直な平面に対して平行に進む前記投光部から投光された光の平行成分の光に対する、前記スケールの移動方向に垂直な面に対して斜めに進む前記投光部から投光された光の斜め成分の光の相対強度を低減する斜め光低減手段を有している。

本発明によれば、投光部とスケールと受光部の配置の自由度が高い光学式エンコーダが提供される。

第１実施形態による光学式エンコーダの一例を示す斜視図である。スケールを破断して示した図１の光学式エンコーダの側面図である。受光部のＰＤアレイとスケールのスケールスリットのピッチの関係を示している。図１の光学式エンコーダから斜め光低減スリットを省いた、投光部のスケール移動方向の長さが短い構成の透過型モデルを示している。図１の光学式エンコーダから斜め光低減スリットを省いた、投光部のスケール移動方向の長さが長い構成の透過型モデルを示している。図１のスケールにおいて、斜め光低減スリットによって斜め成分の光の一部が遮光される様子を示している。図１のスケールから斜め光低減スリットを省いた構成における光の進行を示している。図１のスケールにおいて、斜め光低減スリットによって平行成分の光が遮光される様子を示している。図１の受光部から出力される二相の検出信号を示している。四つの受光素子とヘッド側透過スリットの組合せで構成された受光部を示している。第１実施形態の光学式エンコーダの別の構成例を示している。第１実施形態の光学式エンコーダのまた別の構成例を示している。図１２のスケールにおける光の進行を示している。第１実施形態の光学式エンコーダのまたさらに別の構成例の透過型モデルを示している。第２実施形態による光学式エンコーダの一例を示す斜視図である。図１５に示した光学式エンコーダの断面構造を示している。図１５の光学式エンコーダの透過型モデルを示している。斜め光低減スリットが受光部の上に配置された構成例を示している。斜め光低減スリットがスケールに固定された構成例を示している。４つの受光素子と４つのヘッド側透過スリットを有する構成の受光部の断面構造を示している。第２実施形態の光学式エンコーダのさらに別の構成例の透過型モデルを示している。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
［構成・作用］
図１は、第１実施形態による光学式エンコーダの一例を示す斜視図である。また図２は、スケールを破断して示した図１の光学式エンコーダの側面図である。

図１と図２に示すように、光学式エンコーダ１００は、スケール１１０と、スケール１１０に向けて光を投光する投光部１４２を有する投光ユニット１４０と、投光部１４２から投光されスケール１１０を経由した光を受光する受光部１７２を有する受光ユニット１７０を有している。

投光ユニット１４０と受光ユニット１７０は、相対的な位置が変わらないように配置されている。たとえば、投光ユニット１４０と受光ユニット１７０は共に基板１９２に搭載されてヘッド１９０を構成している。たとえば、投光部１４２と受光部１７２は同一平面上に位置する配置されている。図示していないが、ヘッド１９０つまり投光ユニット１４０と受光ユニット１７０は、一方向に相対移動する固定体と移動体の一方に取り付けられ、他方にスケール１１０が取り付けられる。その結果、スケール１１０は、投光部１４２と受光部１７２に対して一方向たとえば図中のＸ方向に移動可能である。実際には投光部１４２と受光部１７２が移動される場合もスケール１１０が移動される場合もあるが、以下の説明では、投光部１４２と受光部１７２に対するスケール１１０の相対的な移動を単にスケール１１０の移動と呼ぶ。

〔投光部〕
投光ユニット１４０の投光部１４２は、例えば、ＬＥＤやＬＤ等の発光素子で構成されている。しかし投光部１４２は、これに限らず、広く光を投光する箇所を意味しており、例えば光ファイバー等によって導光された光を出射する箇所も含んでいる。投光部１４２は、スケール１１０の移動方向に沿って適度な長さを有している。例えば、投光ユニット１４０は、投光部１４２がスケール１１０の光入射部１１８と接触または近接するように配置されている。図１と図２では、説明のために、投光部１４２とスケール１１０を離して図示している。投光部１４２は、スケール１１０の光入射部１１８に向かって投光する。

〔受光部〕
受光ユニット１７０の受光部１７２は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）アレイ等の受光素子で構成されている。しかし受光部１７２は、これに限らず、広く光を受光する箇所を意味しており、例えば光ファイバー等によって受光素子へ導光される光を受光する箇所を含んでいる。例えば、受光ユニット１７０は、受光部１７２がスケール１１０の光出射部１２０に接触または近接するように配置されている。図１と図２では、説明のために、受光部１７２とスケール１１０を離して図示している。

受光部１７２は、スケール１１０に対して投光部１４２と同じ側に位置し、相対位置の測定方向とスケール１１０の厚さ方向に垂直な方向に投光部１４２から所定の間隔を置いている。図３に示すように、受光部１７２のＰＤアレイは、例えば矩形状の４種類のフォトダイオードＡ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢを含み、それらがスケール１１０の移動方向に沿って繰り返し並べられている。フォトダイオードＡ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢは、それぞれ、スケール１１０の後述するスケールスリット１２４の遮光部１２４ａと光透過部１２４ｂのピッチの周期の１／４ずつ、すなわち９０°ずつ、ずらして櫛歯状に配置されている。

〔スケール〕
スケール１１０は、板状の形状をしており、その最も大きい平面が、投光部１４２の投光面と受光部１７２の受光面に平行になるように配置されている。スケール１１０は、投光部１４２と受光部１７２に対向した平面上に光入射部１１８と光出射部１２０を有している。光入射部１１８は投光部１４２に対向しており、光出射部１２０は受光部１７２に対向している。スケール１１０はまた、光入射部１１８から入射した光を光出射部１２０へ導光する導光部を有している。光入射部１１８には斜め光低減スリット１２２が設けられており、光出射部１２０にはスケールスリット１２４が設けられている。

スケール１１０は、ガラス板等の板状の透明部材１１２と、光入射部１１８と光出射部１２０を除いて透明部材１１２の表面を覆っている反射膜１１４，１１６を有している。反射膜１１４，１１６は、例えばアルミニウム膜等で構成されており、高い反射率を有している。反射膜１１６は、投光部１４２と受光部１７２に対向した透明部材１１２の平面上に位置し、スケール１１０の移動方向に沿って帯状に延びている。反射膜１１４は、透明部材１１２の残りの平面の全体を覆っている。

〔光入射部〕
光入射部１１８は、投光部１４２からの光が投光部１４２とスケール１１０の相対位置を変化させた場合に、スケール１１０の表面上において、光が入射することを想定し得る範囲全体を指している。従って、光入射部１１８は、相対位置の測定方向に測定範囲とほぼ同等の長さを有している。投光部１４２が投光した光は、この光入射部１１８から透明部材１１２の内部に入射する。ただし、実際の使用において、光入射部１１８には、そこに光が入射しない箇所があってもよい。

〔導光部〕
導光部は、光入射部１１８から入射した光が光出射部１２０に到達するまでの経路上に存在する物質と空間を指している。本実施形態では、導光部は、透明部材１１２と反射膜１１４，１１６から構成されている。光入射部１１８から透明部材１１２に入射した光は、透明部材１１２の表面に設けられた反射膜１１４，１１６によって反射されながら透明部材１１２内部を進行し、少なくとも一部は光出射部１２０に導光される。ここで、通常の光学設計とは異なり、光入射部１１８から光出射部１２０までの間には、具体的な光路は想定していない、もしくは、複数の光路が同時に存在することを想定している。そのため、スケール１１０内部での反射は、主に、１回反射を含む多重反射を想定している。多重反射は、１回以上で特定回数の反射のみが起きる場合と、１回以上で反射回数が異なる反射が同時に起きる場合を想定している。検出に寄与する反射としては、特定回数の反射、例えば、１回反射の比重が大きくても構わない。また、導光部による光の伝達距離が長くなるほど具体的な光路を想定せず、決められた光入射部１１８から光出射部１２０までの間を光が伝達可能な構成・配置を狙った設計を行うものとする。

〔光出射部〕
なお、光出射部１２０は、スケール１１０と受光部１７２の相対位置を変化させた場合に、スケールスリット１２４の遮光部１２４ａで遮光される部分を含めた、スケール１１０からの光を受光部１７２へ向けて出射することを想定し得る範囲全体を指している。光出射部１２０は、光入射部１１８と異なる位置に設けられており、相対位置の測定方向に測定範囲とほぼ同等の長さを有している。光出射部１２０に導光された光は、光出射部１２０からスケールスリット１２４を通して受光部１７２へ出射される。ただし、実際の使用において、光出射部１２０には、そこから光が出射しない箇所があってもよい。

光出射部１２０にはスケールスリット１２４が設けられている。スケールスリット１２４は、スケール１１０の移動方向に沿って光学的特性が一定のピッチで周期的に変化している。スケールスリット１２４は、スケール１１０の移動方向に沿って周期的に配列された複数の矩形状の遮光部１２４ａで構成されている。言い換えれば、スケールスリット１２４は、スケール１１０の移動方向に沿って交互に配列された複数の矩形状の遮光部１２４ａと光透過部１２４ｂを有している。スケールスリット１２４の遮光部１２４ａと光透過部１２４ｂのピッチは、受光部１７２のＰＤアレイのフォトダイオードＡ、Ｂ、ＡＢ、ＢＢの１周期に一致している。

〔斜め光低減スリット〕
光入射部１１８には斜め光低減スリット１２２が設けられている。斜め光低減スリット１２２は、投光部１４２からスケール１１０を経由して受光部１７２に至る光路中に、スケール１１０との相対的な位置が変わらないように配置されている。

斜め光低減スリット１２２は、スケール１１０の移動方向に沿って周期的に配列された複数の矩形状の遮光部１２２ａで構成されている。言い換えれば、斜め光低減スリット１２２は、スケール１１０の移動方向に沿って交互に配列された複数の矩形状の遮光部１２２ａと光透過部１２２ｂを有している。斜め光低減スリット１２２の遮光部１２２ａと光透過部１２２ｂのピッチは、受光部１７２のＰＤアレイのフォトダイオードＡ、Ｂ、ＡＢ、ＢＢの１周期に一致している。例えば、斜め光低減スリット１２２は、反射膜１１６とともに、スケールスリット１２４と一体化されている。斜め光低減スリット１２２とスケールスリット１２４と反射膜１１６は、例えば蒸着によって一体で形成される。

斜め光低減スリット１２２は、スケール１１０の移動方向に垂直な平面に対して平行に進む投光部１４２から投光された光の平行成分の光に対する、スケール１１０の移動方向に垂直な面に対して斜めに進む投光部１４２から投光された光の斜め成分の光の相対強度を低減する働きをする。以下の説明では、投光部１４２から投光された光のうち、スケール１１０の移動方向に垂直な平面に対して平行に進む光を平行成分の光と呼び、スケール１１０の移動方向に垂直な面に対して斜めに進む光を斜め成分の光と呼ぶ。

斜め光低減スリット１２２の遮光部１２２ａと光透過部１２２ｂの位相は、それぞれ、スケールスリット１２４の遮光部１２４ａと光透過部１２４ｂの位相と一致している。ここで位相が一致しているとは、スケール１１０の移動方向において、斜め光低減スリット１２２によって作られる平行成分の光の周期的明暗パターンと、スケールスリット１２４によって作られる平行成分の光の周期的明暗パターンの位相が一致することをいう。本実施形態では、スケール１１０の移動方向の座標軸において、斜め光低減スリット１２２の遮光部１２２ａとスケールスリット１２４の遮光部１２４ａが同じ座標に位置し、斜め光低減スリット１２２の光透過部１２２ｂとスケールスリット１２４の光透過部１２４ｂが同じ座標に位置することをいう。

投光部１４２から投光され光入射部１１８に入射した光は、反射膜１１４による１回反射または反射膜１１４と反射膜１１６による多重反射を介して少なくとも一部の光が光出射部１２０に導光され、導光された光は光出射部１２０から受光部１７２に向けて出射し、受光部１７２によって受光される。

図４と図５は、光学式エンコーダ１００から斜め光低減スリットを省いた構成の透過型モデルを示している。受光部１７２のＰＤアレイの１周期のピッチはスケールスリット１２４のピッチと同じであるため、スケール１１０から出射した光により受光部１７２に投影される光の明暗パターンＰ_１’，Ｐ_１は、破線で示すように、スケールスリット１２４と同じピッチであることが望ましい。

しかし、例えば図４に示すようにスケール１１０の移動方向の投光部１４２’の長さが短い場合、スケール１１０と受光部１７２の間にギャップがない場合には、スケールスリット１２４と同じピッチの明暗パターンＰ_１’が受光部１７２に結像されるが、スケール１１０と受光部１７２の間にギャップがある場合には、スケールスリット１２４のピッチよりも拡大されたピッチの明暗パターンＰ_２’が受光部１７２に結像されてしまう。その拡大倍率はギャップが広がるにつれて増える。なお、スケール１１０と受光部１７２を非接触に配置する場合や、スケール１１０と受光部１７２の位置ずれが発生する場合、電気接続用の部材が入る場合等が実際の使用時に想定され、これらの場合には、スケール１１０と受光部１７２の間にギャップが生じる。

また、図５に示すように、投光部１４２のスケール１１０の移動方向の長さが長い場合は、スケール１１０と受光部１７２の間にギャップがない場合には、図４の場合と同様にスケールスリット１２４と同じピッチの明暗パターンＰ_１が受光部１７２に結像されるが、スケール１１０と受光部１７２の間にギャップがある場合には、スケール１１０の移動方向に関して投光部１４２の異なる位置から発光された光がスケール１１０を介して受光部１７２に入射するため、受光部１７２に結像する光の明暗パターンＰ_２のピッチは拡大されにくくなる。一方、図５に破線で示した斜め成分の光は、ギャップがない場合の明暗パターンＰ_２’では暗くなる位置にも光が入り込むため、受光部１７２に結像する光の明暗パターンＰ_２は振幅が小さくなってしまう。

このように、斜め成分の光の影響により、受光部１７２に結像する光の明暗パターンのピッチが拡大したり、振幅が小さくなったりする。さらには、受光部１７２とスケール１１０にギャップ変動が生じると、光の明暗パターンのピッチや振幅も変動し、受光部１７２の検出信号が不安定となる。

投光部１４２から投光された光は光入射部１１８に入射する。このとき、図７に示すように光入射部１１８の全面が光透過部である場合には、全ての方向の光Ｌ_１，Ｌ_２がスケール１１０に入射するため、光出射部１２０から斜め成分の光Ｌ_２が多く出射してしまう。一方、図６に示すように、光入射部１１８に斜め光低減スリット１２２を設けた場合には、斜め光低減スリット１２２が斜め成分の光Ｌ_２の一部を遮光する。斜め光低減スリット１２２は、図８に示すように、投光部１４２からの光の平行成分の光Ｌ_１の一部も遮断するが、斜め光低減スリット１２２の位相とスケールスリット１２４の位相は一致しているため、ここで遮断される平行成分の光Ｌ_１は、斜め光低減スリット１２２がない場合でもスケールスリット１２４で遮光される光である。そのため、斜め光低減スリット１２２があることで、光出射部１２０から出る平行成分の光の量は変わらない。従って、光出射部１２０から出射する光は、選択的に斜め成分の光Ｌ_２の一部を低減した光となる。

スケールスリット１２４が受光部１７２のＰＤアレイに対して相対移動すると、ＰＤアレイが検出する光量が変動し、図９に示すように、フォトダイオードＡ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢから互いに９０°位相が異なる擬似正弦波信号が得られる。なお、図９では、その内の互いに９０°異なる２つの信号を図示している。この擬似正弦波信号の変化から、受光部１７２に対するスケール１１０の移動量と移動方向が検出され得る。

受光部１７２はまた、図１０に示すように、四つの受光素子１８４Ａ，１８４Ｂ，１８４Ｃ，１８４Ｄと、１枚の部材に設けられた四つのヘッド側透過スリット１８２Ａ，１８２Ｂ，１８２Ｃ，１８２Ｄの組合せで構成されてもよい。ヘッド側透過スリット１８２Ａ〜１８２Ｄは、それぞれ、受光素子１８４Ａ〜１８４Ｄの受光面に配置されている。図１０では、説明のために、受光素子１８４Ａ〜１８４Ｄとヘッド側透過スリット１８２Ａ〜１８２Ｄを離して図示している。ヘッド側透過スリット１８２Ａ〜１８２Ｄは、スケールスリット１２４と同様に、スケール１１０の移動方向に沿って交互に配列された複数の矩形状の遮光部と光透過部を有している。各ヘッド側透過スリット１８２Ａ〜１８２Ｄの遮光部と光透過部のピッチは、それぞれ、スケールスリット１２４の遮光部１２４ａと光透過部１２４ｂのピッチと同じである。四つのヘッド側透過スリット１８２Ａ〜１８２Ｄの遮光部と光透過部は互いに位相が９０°ずれている。受光素子１８４Ａ〜１８４Ｄが受光する光量は、スケール１１０のスケールスリット１２４とヘッド側透過スリット１８２Ａ〜１８２Ｄの位置関係で変化し、図９に示すように、受光素子１８４Ａ〜１８４Ｄから互いに９０°位相が異なる擬似正弦波信号が得られる。図９では、その内の互いに９０°異なる２つの信号を図示している。この擬似正弦波信号の変化から、受光部１７２に対するスケール１１０の移動量と移動方向が検出され得る。

［効果］
本実施形態に係る光学式エンコーダ１００によれば、スケール１１０が光入射部１１８と導光部と光出射部１２０を有しているため、投光部１４２から投光され光入射部１１８に入射した光は、スケール１１０の内部を導光されて光出射部１２０から出射する。これにより、従来のように投光部１４２から投光された光がスケール１１０で反射された後に結像する位置に受光部１７２がくるように、スケール１１０に対して投光部１４２と受光部１７２を配置する必要がなくなる。すなわち、投光部１４２と受光部１７２の位置は、スケール１１０が導光可能な範囲で任意に決めることができるので、設計の自由度が向上される。

また、斜め光低減スリット１２２の遮光部１２２ａと光透過部１２２ｂの位相がスケールスリット１２４の遮光部１２４ａと光透過部１２４ｂの位相と一致しているので、光出射部１２０から出射する光から斜め成分の光が平行成分の光よりも大幅に低減されるため、受光部１７２に投影される光の明暗パターンの拡大が低減され、振幅の低下が低減される。

また、受光部１７２に入射する光が主に平行成分の光となるため、スケール１１０と受光部１７２のギャップが変動しても、平行成分の光が入射する受光部１７２上の位置はほとんど変化しない。すなわち、受光部１７２に投影される光の明暗パターンのピッチが変化しにくい。従って、スケール１１０と受光部１７２のギャップ変動が起きても、受光部１７２が検出する信号に影響しにくい。

また、斜め光低減スリット１２２をスケール１１０の光入射部１１８にスケール１１０と相対的な位置が変わらないように配置し、さらに、斜め光低減スリット１２２とスケールスリット１２４の位相を一致させていることで、投光部１４２から投光される光の成分のうち、斜め光低減スリット１２２によって遮光される平行成分の光は、斜め光低減スリット１２２がない場合でもスケールスリット１２４で遮光される光であるため、光出射部１２０から出る平行成分の光の量は変わらない。

また、スケール１１０に斜め光低減スリット１２２を配置することで、受光部１７２が配置されている固定体や移動体に追加の部材を設ける必要がない。

また、投光部１４２と受光部１７２を相対的な位置が変わらないように配置する、すなわち、投光部１４２と受光部１７２を固定体と移動体の一方に配置することにより、電気的部材や光学的部材を投光部１４２と受光部１７２を配置した側に集約することができる。また、スケール１１０を配置した側を、スケール１１０のみの最小構成とすることができる。

また、斜め光低減スリット１２２とスケールスリット１２４と反射膜１１６が一体で形成されていることで、例えばガラスにアルミの蒸着を適用して斜め光低減スリット１２２とスケールスリット１２４と反射膜１１６を１つの工程で作製することができる。

また、投光部１４２と受光部１７２をスケール１１０に接触または近接させた構成にすることにより、薄型の光学式エンコーダ１００を実現できる。

また、９０°異なる位相差信号を生成するＰＤアレイの構成について説明したが、９０°に限定する必要はなく、任意の位相差にしてもよい。

また、スケール１１０のスケールスリット１２４が透過型の構成について説明しているが、スケールスリット１２４は透過型に限らず反射型であってもよい。

さらに、スケール１１０のスケールスリット１２４と、光入射部１１８と導光部と光出射部１２０は一体でなくてもよく、受光部１７２に対して同一の相対移動をする構成であれば、分かれていてもよい。

また、スケールスリット１２４と斜め光低減スリット１２２の位相は、完全に一致していしなくてもよく、斜め成分の光が低減可能な範囲であれば、位相がずれていてもかまわない。

斜め光低減スリット１２２は、スケール１１０の光入射部１１８に配置した構成を説明したが、投光部１４２からスケール１１０を経由して受光部１７２に至る光路中で、スケール１１０と相対的な位置が変わらないように配置しさえすれば他の場所に配置してもよい。また、斜め光低減スリット１２２は、１箇所とは限らず、複数の箇所に配置してもよい。斜め光低減スリット１２２を複数の箇所に配置することで、低減させる斜め成分の光の範囲を広げることができる。

［別の構成例］
図１１は、本実施形態の光学式エンコーダの別の構成例を示している。図１１に示すように、この光学式エンコーダ１００Ａの構成は、投光ユニット１４０Ａを除いては、図１に示した光学式エンコーダ１００と同様である。投光ユニット１４０Ａは、相対位置の測定方向に、スケール１１０とほぼ同等の長さを有しており、投光部１４２Ａは、相対位置の測定方向に測定範囲とほぼ同等の長さを有している。投光ユニット１４０Ａは、例えば、スケール１１０に固定されており、投光部１４２Ａとスケール１１０は、相対的な位置が変わらないように配置されている。

このような光学式エンコーダ１００Ａでは、受光部１７２が配置される固定体または移動体に設けられる電気的部材や光学的部材が低減される。

また、スケール１１０側に斜め光低減スリット１２２を配置することで、受光部１７２が配置されている固定体または移動体に追加の部材を設ける必要がない。

斜め光低減スリット１２２は、スケール１１０と相対的な位置が変わらなければ、スケール１１０の表面に限らず、投光部１４２からスケール１１０を経由して受光部１７２に至る光路中のどこに配置されてもよい。例えば、スケール１１０の内部に配置されてもよい。

また、斜め光低減スリット１２２は、スケール１１０から受光部１７２の間の光路中に、受光部１７２と相対的な位置が変わらないように配置されてもよい。これにより、斜め光低減スリット１２２は、スケール１１０から受光部１７２に入射する光の範囲の大きさがあればよいので、斜め光低減スリット１２２を小型にすることができる。

［また別の構成例］
図１２は、本実施形態の光学式エンコーダのまた別の構成例を示している。図１２において、図１に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。つまり、以下の説明で触れない部分は、図１に示した光学式エンコーダ１００と同様である。

図１２に示すように、この光学式エンコーダ１００Ｂの構成は、スケール１１０Ａを除いては、図１に示した光学式エンコーダ１００と同様である。スケール１１０Ａは、投光部１４２と受光部１７２に対向した平面上にスケールスリット１２４を有し、その反対側の平面上に斜め光低減スリット１２６を有している。

スケールスリット１２４は、スケール１１０の移動方向に沿って周期的に配列された複数の矩形状の遮光部１２４ａで構成されている。

斜め光低減スリット１２６は、スケール１１０Ａの移動方向に沿って周期的に配列された複数の矩形状の反射部１２６ａで構成されている。言い換えれば、斜め光低減スリット１２６は、スケール１１０Ａの移動方向に沿って交互に配列された複数の矩形状の反射部１２６ａと光透過部１２６ｂを有している。斜め光低減スリット１２６の反射部１２６ａの位相は、スケールスリット１２４の光透過部１２４ｂの位相と一致している。

図１３に示すように、光入射部１１８から入射した光は、斜め光低減スリット１２６の反射部１２６ａが主に平行成分の光Ｌ_１を光出射部１２０に向けて反射する。一方、斜め光低減スリット１２６の光透過部１２６ｂは、斜め成分の光Ｌ_２の一部を透過してスケール１１０Ａの外部へ逃がす。

斜め光低減スリット１２６は、投光部１４２から投光された光の平行成分の光Ｌ_１の一部も透過して外部へ逃がすが、斜め光低減スリット１２６の光透過部の位相とスケールスリット１２４の遮光部１２４ａの位相は一致しているため、ここでスケール１１０の外部へ逃げる光は、斜め光低減スリット１２６がない場合でもスケールスリット１２４で遮光される光である。そのため、斜め光低減スリット１２６があることで、出射部から出る平行成分の光Ｌ_１の量は変わらない。従って、光出射部１２０から出射する光は、選択的に斜め成分の光Ｌ_２の一部を低減した光となる。

ここでは、斜め光低減スリット１２６は、反射部１２６ａと光透過部１２６ｂの組合せで説明したが、反射部１２６ａと吸収部の組合せであってもよい。

光入射部１１８の反対側の平面上に反射部１２６ａを配置して斜め光低減スリット１２６を構成することで、斜め光低減スリットを光入射部１１８に設けた場合とは異なる角度の斜め成分の光を低減し得る。また、斜め光低減スリット１２６に加えて、光入射部１１８に透過型の斜め光低減スリット１２２を設けてもよい。２つの斜め光低減スリット１２２，１２６を設けることで、斜め成分の光を低減する効果が向上する。

［そのほかの構成例］
これまで、投光部１４２は、受光部１７２またはスケール１１０と相対的な位置が変わらない例を説明したが、投光部１４２は、スケール１１０の光入射部１１８に向けて光を投光しさえすればよく、受光部１７２やスケール１１０と独立して位置が変化してもよい。

図１４に示す様に斜め光低減スリットは複数設けてもよい。以下、第１の斜め光低減スリット１３２と第２の斜め光低減スリット１３４の２枚の構成で説明する。第１の斜め光低減スリット１３２の遮光部１３２ａと光透過部１３２ｂの位相は、それぞれ、第２の斜め光低減スリット１３４の遮光部１３４ａと光透過部１３４ｂの位相と一致する構成とする。ここで位相が一致しているとは、スリットの配列方向において、第１の斜め光低減スリット１３２によって作られる平行成分の光の周期的明暗パターンと、第２の斜め光低減スリット１３４によって作られる平行成分の光の周期的明暗パターンの位相が一致することをいう。斜め光低減スリットを位相が一致するように複数設けることで、斜め光低減スリットが１枚の場合より、低減可能な斜め成分の光の角度が増える。すなわち斜め成分の光を低減する効果が向上する。

＜第２実施形態＞
［構成・作用］
図１５は、第２実施形態による光学式エンコーダの一例を示す斜視図である。

図１５に示すように、光学式エンコーダ２００は、スケール２１０と、スケール２１０に向けて光を投光する投光部を有する投光ユニット２４０と、投光部から投光されスケール２１０を経由した光を受光する受光部２７２を有する受光ユニット２７０を有している。

スケール２１０は、第１実施形態のスケール１１０から斜め光低減スリット１２２を省いた構成をしている。つまり、スケール２１０は、光出射部にスケールスリット２２４を有し、さらに、投光ユニット２４０と受光ユニット２７０に対向した平面を部分的に覆っている反射膜２１６と、図示いていないが、それ以外の平面を覆っている反射膜を有している。投光ユニット２４０と受光ユニット２７０の構成は、それぞれ、第１実施形態の投光ユニット１４０と受光ユニット１７０と同様である。投光ユニット２４０と受光ユニット２７０は、基板２９２に搭載されてヘッド２９０を構成しており、相対的な位置が変わらないように配置されている。

〔斜め光低減スリット〕
図１６は、図１５に示した光学式エンコーダ２００の断面構造を示している。図１６に示すように、投光部２４２の光が出射する面に、斜め光低減スリット２５０が設けられている。斜め光低減スリット２５０は、第１実施形態の斜め光低減スリット１２２と同様に、投光部２４２から投光された光の平行成分の光に対する斜め成分の光の相対強度を低減する働きをする。斜め光低減スリット２５０は、投光部２４２と相対的な位置が変わらないように配置されている。図１６の例では、斜め光低減スリット２５０は、投光部２４２の上に配置されているが、これに限らず、斜め光低減スリット２５０は、投光部２４２からスケール２１０を経由して受光部２７２に至る光路中に配置されていればよい。

斜め光低減スリット２５０は、スケール２１０の移動方向に沿って交互に配列された複数の光透過部２５２と遮光部２５４を有している。光透過部２５２の形状は円柱型等、立方体以外の構造となっていても良いし、光透過部２５２と遮光部２５４は、周期的な配列となっていなくてもよいが、本実施形態では光透過部２５２と遮光部２５４が立方体で、周期的に配列している例を説明する。遮光部２５４は、好ましくは、入射する光を良好に吸収する特性を有している。斜め光低減スリット２５０は光の透過方向に厚みを有している。光透過部２５２から入射した光は、複数の遮光部２５４の、複数の光透過部２５２との境界となる複数の側面２５６で、斜め成分の光の少なくとも一部が吸収される。

図１７は、投光部２４２から出射した光が、スケール２１０を通り受光部２７２で受光されるまでを透過モデルで示した図である。図１７に示すように、斜め光低減スリット２５０の厚さｂは、光透過部２５２の配列方向の長さａに対してオーダーが同等またはそれ以上である。例えば、スリットを蒸着で作製すると、厚さは通常０．１μｍ程度となるが、ａ＝５０μｍ、ｂ＝５０μｍ以上のような厚さを持つ構成とする。

これにより、投光部２４２から出射した光は、光の進む角度θ＝ａｔａｎ（ａ／ｂ）［ｒａｄ］以上の角度の光は遮光部２５４に入射するため、斜め光低減スリット２５０を通過しない。一方、θ＝ａｔａｎ（ａ／ｂ）［ｒａｄ］以下の角度の光は遮光部２５４には入射しないため、斜め光低減スリット２５０を通過する。

また、受光部２７２は、複数相の検出信号を出力する複数の受光素子を有し、斜め光低減スリット２５０の光透過部２５２は、各相の受光素子が光を受光し得る位置に配置されている。例えば、斜め光低減スリット２５０の光透過部２５２は、受光部２７２のＡ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢの全ての相に好ましくは平行成分の光が入射し得る位置に配置されている。斜め光低減スリット２５０のピッチは、スケールスリット２２４のピッチの１／ｍである。ここで、ｍは、受光部２７２が出力する検出信号の相数をｎとして、ｍ≧ｎを満たす整数である。これにより、受光部２７２の各相の受光素子が光を受光し得る。

［効果］
斜め光低減スリット２５０がスケール２１０の移動方向に沿って一定のピッチで交互に配列された光透過部２５２と遮光部２５４を有し、斜め光低減スリット２５０は光の透過方向に厚みを有している。そして、複数の遮光部２５４の、複数の光透過部２５２との境界となる複数の側面２５６は、斜め成分の光の少なくとも一部を吸収するので、投光部２４２から出射した光の斜め成分の光が選択的に低減される。よって、受光部２７２に投影される光の明暗パターンの拡大を低減したり、振幅の低下を低減したりできる。

また、受光部２７２に入射する光が主に平行成分の光となるため、スケール２１０と受光部２７２のギャップが変動しても、平行成分の光が入射する受光部２７２上の位置はほとんど変化しない。すなわち、受光部２７２に投影される光の明暗パターンのピッチが変化しにくい。従って、スケール２１０と受光部２７２のギャップ変動が起きても、受光部２７２が検出する信号に影響しにくい。

また、光透過部２５２の配列方向の長さと、光透過部２５２の厚さ方向の長さの比を変えることで、低減する斜め成分の光の角度を変えることができる。

また、斜め光低減スリット２５０の光透過部２５２が受光部２７２の全ての相に平行成分の光が入射し得る位置に配置されているので、受光部２７２において光が効率良く検出され、各相に入射する光の量のばらつきが抑えられる。

また、投光部２４２と受光部２７２を相対的な位置が変わらないように配置する、すなわち、投光部２４２と受光部２７２を固定体と移動体の一方に配置することにより、電気的部材や光学的部材を投光部２４２と受光部２７２を配置した側に集約することができる。また、スケール２１０を配置した側を、スケール２１０のみの最小構成とすることができる。

また、斜め光低減スリット２５０は、投光部２４２の光が出射する面に、投光部２４２と相対的な位置が変わらないように配置されているので、投光部２４２からスケール２１０に入射する光の範囲の大きさがあればよく、斜め光低減スリットを小型にすることができる。また、スケール１１０に追加の部材を設ける必要がない。

［別の構成例］
斜め光低減スリット２５０は、投光部２４２の上に限らず、投光部２４２からスケール２１０を経由して受光部２７２に至る光路中のどこかに、例えば投光部２４２からスケール２１０までの光路中またはスケール２１０から受光部２７２までの光路中のどこかに、投光部２４２と受光部２７２に対する相対的な位置が変わらないように配置されていればよい。例えば、図１８に示すように、受光部２７２の上に配置されてもよい。この場合、斜め光低減スリット２５０は、スケール２１０から受光部に入射する光の範囲の大きさがあればいいため、斜め光低減スリット２５０を小型にすることができる。

［また別の構成例］
斜め光低減スリット２５０は、投光部２４２からスケール２１０を経由して受光部２７２に至る光路中に、スケール２１０と相対的な位置が変わらないように配置されていてもよい。例えば、図１９に示すように、斜め光低減スリット２５０は、スケール２１０に固定されていてもよい。

スケール２１０側に斜め光低減スリット２５０を配置することにより、受光部２７２が配置されている固定体または移動体に追加の部材を設ける必要がない。

また、投光部２４２と受光部２７２の相対的な位置が変わらない構成で説明したが、投光部２４２とスケール２１０の相対的な位置が変わらない構成としてもよい。これにより、受光部２７２が配置されている固定体または移動体の構成を少なくすることができる。

また、斜め光低減スリット２５０は、スケール２１０と相対的な位置が変わらない構成を取ることができればよい。例えば、スケール２１０の表面に形成されてもよいし、投光部２４２からスケール２１０を経由して受光部２７２に至る光路中に離れて配置されてもよい。また、スケール２１０の内部に配置されてもよい。

［そのほかの構成例］
これまで、投光部２４２は、受光部２７２またはスケール２１０と相対的な位置が変わらない例を説明したが、投光部２４２は、スケール２１０に向けて光を投光しさえすればよく、受光部２７２やスケール２１０と独立して位置が変化してもよい。

また、第１実施形態の図１０に示した例と同様に、受光部２７２は、４つの受光素子と、１枚の部材に設けられた４つのヘッド側透過スリットの組合せで構成されてもよい。図２０は、そのような構成の受光部の断面構造を示している。図２０には、二つの受光素子２８４Ａ，２８４Ｃだけが図示されている。受光素子２８４Ａ，２８４Ｃの上には、それぞれ、斜め光低減スリット２５０Ａ，２５０Ｃが配置されている。各斜め光低減スリット２５０Ａ，２５０Ｃは、複数相の検出信号を得るために受光部２７２に設けられるヘッド側透過スリットの機能を兼ねている。つまり、斜め光低減スリット２５０Ａ，２５０Ｃは、斜め成分の光を低減する機能とヘッド側透過スリットの機能を有するため、受光部２７２の部材の個数が低減される。

斜め光を低減する機能体として、斜め光低減スリット２５０の光透過部２５２の形状が立方体の例について説明したが、光透過部と遮光部を有し、遮光部はスケールの移動方向に対して垂直な平面に平行な方向に厚さを有する構造体であればよく、光透過部が円柱型等、立方体以外の構造となっていてもよい。また、斜め光を低減する機能体の光透過部と遮光部は、周期的な配列となっていなくてもよく、例えば光透過部がランダムに配置されていてもよい。

また、斜め光低減スリット２５０は厚みを持ち、複数の遮光部２５４の、複数の光透過部２５２との境界となる複数の側面２５６は、斜め成分の光の少なくとも一部を吸収するとしたが、図２１に示すように、スリットを光路中の複数の箇所に設けても良い。以下、第１の斜め光低減スリット２６２と第２の斜め光低減スリット２６４の２枚の構成で説明する。第１の斜め光低減スリット２６２の遮光部２６２ｂと光透過部２６２ａの位相は、それぞれ、第２の斜め光低減スリット２６４の遮光部２６４ｂと光透過部２６４ａの位相と一致する構成とする。ここで位相が一致しているとは、スリットの配列方向において、第１の斜め光低減スリット２６２によって作られる平行成分の光の周期的明暗パターンと、第２の斜め光低減スリット２６４によって作られる平行成分の光の周期的明暗パターンの位相が一致することをいう。また、ここでのスリットは、遮光部２６２ｂ，２６４ｂの、それぞれ光透過部２６２ａ，２６４ａとの境界となる側面が、斜め成分の光を吸収しなくてもかまわない。斜め光低減スリットを位相が一致するように複数設けることで、斜め光低減スリットが１枚の場合より、低減可能な斜め成分の光の角度が増える。すなわち斜め成分の光を低減する効果が向上する。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。

１００，１００Ａ，１００Ｂ…光学式エンコーダ、１１０，１１０Ａ…スケール、１１２…透明部材、１１４，１１６…反射膜、１１８…光入射部、１２０…光出射部、１２２…斜め光低減スリット、１２２ａ…遮光部、１２２ｂ…光透過部、１２４…スケールスリット、１２４ａ…遮光部、１２４ｂ…光透過部、１２６…斜め光低減スリット、１２６ａ…反射部、１２６ｂ…光透過部、１３２…第１の斜め光低減スリット、１３２ａ…遮光部、１３２ｂ…光透過部、１３４…第２の斜め光低減スリット、１３４ａ…遮光部、１３４ｂ…光透過部、１４０，１４０Ａ…投光ユニット、１４２，１４２’，１４２Ａ…投光部、１７０…受光ユニット、１７２…受光部、１８２Ａ〜１８２Ｄ…ヘッド側透過スリット、１８４Ａ〜１８４Ｄ…受光素子、１９０…ヘッド、１９２…基板、２００…光学式エンコーダ、２１０…スケール、２１６…反射膜、２２４…スケールスリット、２４０…投光ユニット、２４２…投光部、２５０，２５０Ａ，２５０Ｃ…斜め光低減スリット、２５２…光透過部、２５４…遮光部、２６２…第１の斜め光低減スリット、２６２ａ…光透過部、２６２ｂ…遮光部、２６４…第２の斜め光低減スリット、２６４ａ…光透過部、２６４ｂ…遮光部、２７０…受光ユニット、２７２…受光部、２８４Ａ，２８４Ｃ…受光素子、２９０…ヘッド、２９２…基板、Ｌ_１…平行成分の光、Ｌ_２…斜め成分の光、Ｐ_１，Ｐ_１’，Ｐ_２，Ｐ_２’…明暗パターン。

Claims

投光部と受光部と前記受光部に対して移動可能なスケールを備え、
前記受光部は、前記投光部から前記スケールに向けて投光され前記スケールを経由した光を受光する光学式エンコーダにおいて、
前記スケールは、
前記投光部に対向した光入射部と、
前記受光部に対向した光出射部と、
前記光入射部から入射した光を前記受光部に対向した光出射部へ導光する導光部と、
光路中に配置され、前記スケールの移動方向に沿って光学的特性が周期的に変化しているスケールスリットを有し、
前記光学式エンコーダはさらに、前記スケールの移動方向に垂直な平面に対して平行に進む前記投光部から投光された光の平行成分の光に対する、前記スケールの移動方向に垂直な面に対して斜めに進む前記投光部から投光された光の斜め成分の光の相対強度を低減する斜め光低減手段を有していることを特徴とする、光学式エンコーダ。
前記斜め光低減手段は、前記投光部から前記スケールを経由して前記受光部に至る光路中に、前記スケールとの相対的な位置が変わらないように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の光学式エンコーダ。
前記斜め光低減手段は、前記スケールの移動方向に沿って交互に配列された複数の光透過部と遮光部を有する斜め光低減スリットで構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の光学式エンコーダ。
前記スケールスリットは、前記スケールの移動方向に沿って周期的に配列された複数の光透過部と遮光部を有し、
前記斜め光低減スリットは前記光透過部と遮光部が周期的に配列し、
前記斜め光低減スリットの光透過部と遮光部の位相は、それぞれ、前記スケールスリットの光透過部と遮光部の位相と一致していることを特徴とする、請求項３に記載の光学式エンコーダ。
前記斜め光低減スリットは、前記スケールスリットと一体化されている、請求項３に記載の光学式エンコーダ。
前記斜め光低減スリットは光の透過方向に厚みを有し、
複数の前記遮光部の、複数の前記光透過部との境界となる複数の側面が、前記斜め成分の光の少なくとも一部を吸収することを特徴とする、請求項３に記載の光学式エンコーダ。
前記受光部は、複数相の検出信号を出力する複数の受光素子を有し、前記斜め光低減スリットの光透過部は、各相の受光素子が光を受光し得る位置に配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の光学式エンコーダ。
前記斜め光低減スリットのピッチは、スケールスリットのピッチの１／ｍであり、ｍは、前記受光部が出力する検出信号の相数をｎとして、ｍ≧ｎを満たす整数であることを特徴とする、請求項７に記載の光学式エンコーダ。
前記斜め光低減スリットは、複数の斜め光低減スリットで構成され、
前記斜め光低減スリットの光透過部と遮光部の位相は、それぞれ、他の前記斜め光低減スリットの光透過部と遮光部の位相と一致していることを特徴とする、請求項３に記載の光学式エンコーダ。
前記斜め光低減手段は、前記スケールの移動方向に沿って周期的に配列された複数の反射部で構成された斜め光低減スリットで構成されている、請求項２に記載の光学式エンコーダ。
前記スケールスリットは、前記スケールの移動方向に沿って周期的に配列された複数の光透過部と遮光部を有し、
前記斜め光低減スリットの反射部の位相は、前記スケールスリットの光透過部の位相と一致している、請求項１０に記載の光学式エンコーダ。
前記投光部と前記受光部は、相対的な位置が変わらないように配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の光学式エンコーダ。
前記投光部と前記スケールは、相対的な位置が変わらないように配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の光学式エンコーダ。
前記斜め光低減手段は、前記投光部から前記スケールを経由して前記受光部に至る光路中に、前記受光部と相対的な位置が変わらないように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の光学式エンコーダ。
前記斜め光低減手段は、前記スケールの移動方向に沿って交互に配列された複数の光透過部と遮光部を有する斜め光低減スリットで構成されていることを特徴とする、請求項１４に記載の光学式エンコーダ。
前記斜め光低減スリットは光の透過方向に厚みを有し、
複数の前記遮光部の、複数の前記光透過部との境界となる複数の側面が、前記斜め成分の光の少なくとも一部を吸収することを特徴とする、請求項１５に記載の光学式エンコーダ。
前記受光部は、複数相の検出信号を出力する複数の受光素子を有し、前記斜め光低減スリットの光透過部は、各相の受光素子が光を受光し得る位置に配置されていることを特徴とする、請求項１６に記載の光学式エンコーダ。
前記斜め光低減スリットのピッチは、スケールスリットのピッチの１／ｍであり、ｍは、前記受光部が出力する検出信号の相数をｎとして、ｍ≧ｎを満たす整数であることを特徴とする、請求項１７に記載の光学式エンコーダ。
前記斜め光低減スリットは、前記受光部に設けられる透過スリットの機能を兼ねている、請求項１６に記載の光学式エンコーダ。
前記斜め光低減スリットは、複数の斜め光低減スリットで構成され、
前記斜め光低減スリットの光透過部と遮光部の位相は、それぞれ、他の前記斜め光低減スリットの光透過部と遮光部の位相と一致していることを特徴とする、請求項１５に記載の光学式エンコーダ。
前記投光部と前記受光部は、相対的な位置が変わらないように配置されていることを特徴とする、請求項１４に記載の光学式エンコーダ。
前記投光部と前記スケールは、相対的な位置が変わらないように配置されていることを特徴とする、請求項１４に記載の光学式エンコーダ。