JP4724496B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、移動体の変位を検出する変位検出装置に関し、光学的に角度を検出する角度検出装置に関するものであり、例えば、一眼レフカメラ用交換レンズ、デジタルビデオ及びデジタルカメラに搭載されるレンズ鏡筒等に好適な変位検出機構に関するものである。

従来、一眼レフカメラ用交換レンズ、ビデオカメラもしくはデジタルカメラに搭載されているオートフォーカス機構のレンズ位置検出手段や、手動操作手段、例えばマニュアルリングの回転変位を検出する変位検出機構として、エンコーダを用いたもの（例えば、特許文献１参照。）がある。

図１７は、一眼レフカメラ用の交換レンズに搭載されたロータリエンコーダの主要部構成を示す図である。図１７（Ａ）において、中心線Ｚは交換レンズのレンズ光軸である。

メインスケール６２０は不図示のレンズ直進駆動用カムと間接的に接続されており、メインスケール６２０の回転角度を検出することでレンズの直進位置を検出できる構造になっている。

同図１７（Ｂ）は（Ａ）の主要部Ｖの拡大図である。メインスケール６２０と対向してインデックススケール６３０が配置され、この二つのスケールを挟み込むように配置された発光素子６０１と受光素子６０４を備えたフォトインタラプタでメインスケール６２０の回転角度を検出している。

その他の従来例として、円筒体に反射式スケールを配設して回転角度を検出しようとしたものがある。円筒体の外側にセンサを配置したもの（例えば、特許文献１参照。）。もしくは、円筒体の内側に検出センサを配置したもの（例えば、特許文献２参照。）がある。

以下、図１８（Ａ）、（Ｂ）によりそれらについて説明する。

図１８（Ａ）では、回転変化量の測定対象となる回転体７０１の表面に、光の反射率が大きい強反射部７０２ａと反射率が小さい弱反射部７０２ｂとからなる格子状パターン７０２が連続的に形成されている。その格子状パターン７０２は、回転体７０１にパターンを直接印刷する、あるいは、パターンを形成した薄膜部材を回転体７０１に接着すること等によって設けられている。図１８（Ｂ）では、円筒体の内部に検出センサが配置された例で、光源７１５、おおび受光部７１６を含む検出部およびインデックススケール７１３が円筒の内側に配置されている。

また、円筒の外側にセンサを配置したもので高精度検出を目的に検出光学系の改良を試みたもの（例えば、特許文献３参照。）がある。

以下、図１９により、その構成を説明する。図１９は右半分と左半部で別々の光学構成を１つの図に並べて図面配置されており、２通りの光学構成が示されている。

まず、左半分の構成を説明する。光源Ｌ２から出射した光線はコリメータレンズＫによって平行光線にされ、平らな固定格子ＡＴ２を通過する。そして、円筒状格子ＷＴ２で反射してから再び、固定格子ＡＴ２を通過して、光電要素Ｐ２（不図示）上に反射される。

円筒状格子支持体Ｔ２の表面Ｍ２が湾曲しているため、光軸ＯＡ２に対して平行な光線の内、光軸ＯＡ２の両側部分の光線は、図平面内においては円筒状格子ＷＴ２の面上に垂直でない状態で入射する。その後、図平面内で反射し、固定格子ＡＴ２上の有効領域外に反射されることになる。

一方、図１９の右半分の構成では、円筒状格子支持体Ｔ２の中心Ｂ２に光線が向かうようにコリメータレンズＫが設定されているので、円筒状格子支持体Ｔ２の回転軸Ｄ２に関してラジアル方向に向かう光線となるので有効領域外に光線が反射されることはない。

左側の構成のように円筒状格子ＷＴ２を平行光束で照明した場合に対して、右側の構成では照明光束が円筒体の中心に向かうようにコリメータレンズＫを用いているので、円筒状の格子に垂直で且つ正しい位置に光線が入射する。

右側の構成例では固定格子ＡＴ２の格子ピッチはラジアル方向の光線のために円筒状格子ＷＴ２の格子定数Ｒ２に対してＲ２＋ａ２の比率に設定される。ここで、ａ２は円筒状格子ＷＴ２と固定格子ＡＴ２のギャップを表している。

この従来例では光源からの照明手段に改良を加えて（右側の構成）で円筒の曲面に垂直に光束が照射され、所望の反射位置に光束が戻るように最適化されている。また固定格子においても円筒格子ピッチに対して固定格子側のピッチが読み取り半径位置の差分を考慮して固定格子のピッチを設定している。
特許 第２７０４０１号公報 特開平５−２０３４６５号公報 特開昭５９−０６１７１１号公報 特許 第２６１０６８０号公報

近年、デジタル一眼レフカメラ用交換レンズ、デジタルビデオ及びデジタルカメラに搭載されるレンズ鏡筒等に搭載される位置検出センサにおいて、ミクロンオーダーの高分解能、高精度の要求とともに、且つ、超小型化が強く求められている。

こうした背景において、図１７の従来構成では、透過式エンコーダの構成であるため、発光素子と受光素子を支持するコの字型のホルダ部材や２枚のスケールを挟み込む構成となっていたて、レンズ光軸方向の寸法が大きくなってしまい小型化には不向きであった。また、部品点数も多く、組み立て作業性が悪かった。

図１８や図１９の従来構成のように、円柱もしくは円筒体に反射スケールを取り付けて反射型センサで検出する構成が好ましい。

しかし、汎用的な反射センサでは必要とする分解能が得られない。

また、それらは平面反射スケールを前提に設計されているので、反射面の曲面の影響による光線の振れによる光量ロス、検出ピッチズレ、ギャップ特性敏感度等に対しては考慮されていない。従って曲率半径によって出力信号特性誤差が生じてしまい、所望の性能は得られない。

特に、高精度で高分解能な位置検出に用いることは実質的には不可能であった。

近年のレンズシステムはミクロン以下の位置検出分解能を要求している。

円筒状の格子を反射センサで検出するためには、当然、スケール反射面の曲率の影響を考慮した検出センサが必要である。図１９に示した従来技術では、このようなスケール反射面の曲率による誤差を回避することを目的としている。検出センサの照明手段を平行照明から収束性照明に変更することで、光量ロス無く、高精度な位置検出が可能となっている。

しかし、収束性照明系を得るためにレンズＫの共役長が大きくなり、検出センサの厚み（ラジアル方向の寸法光源Ｌ２から円筒状格子表面Ｍ２までの距離）が増大してしまう。従って、所望のレンズシステムには搭載でそうな大きさではない。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、円筒、円柱等の一定の曲率半径を有した曲面形状反射スケールの曲率半径を考慮し、超小型で且つ高精度、高分解能な検出を可能とし、従来の平面形状のスケールにも適用可能な光学式エンコーダを提供することにある。

以上の点から上記課題を解決するために、請求項１に記載の光学式エンコーダは、回折格子として作用する格子状パターンが曲面に形成され、前記曲面の曲率中心を通る回転軸を中心に回転可能である反射式スケールと、前記反射式スケールを発散光束で照明するための光源と、前記反射式スケールで反射した光束を受光する為の複数の受光素子と、を有する光学式エンコーダにおいて、
前記反射式スケールと前記光源の発光面の間の距離と、前記反射式スケールと前記複数の受光素子の受光面の間の距離が等しく、
前記反射式スケールに対して、前記反射式スケールの回転軸が前記光源および前記受光素子と同じ側に位置しており、
前記受光素子の検出基本周期＜２×前記反射式スケールのピッチ
を満たすことを特徴とする。

以上の様に、本発明では、円筒形状の反射式スケールを点光源で照射し、反射スケールから反射回折光束で形成される干渉縞のピッチが所望のギャップ設定位置において受光素子ピッチと合致するように反射スケールのピッチを適正な値に設定した。その結果、高精度でかつ高分解能に適した信号が得られるようになった。

特に、検出センサとして光源からの発散光束をそのまま反射スケールに照射しているのでレンズが不要で極端に薄いセンサが得られる。

また、従来の平面反射スケールとの組み合わせでは得られなかった特徴として検出センサに変更を加えることなく反射スケールのピッチと設定ギャップを関係式に従って、適宜選択設定することにより検出分解能を変更することが可能となる。

平板状の反射スケールでは単一の分解能しか得られなかったが、曲面反射スケールと組み合わせることである範囲で分解能を選択可能とすることができる。

また、円筒状反射スケールの内部に検出センサを配置した場合には波面変換の結果、光の利用効率を高める作用もあり、目的に応じてその構成を選択することも可能である。

円筒状の反射スケールの手段としてはフィルム等の可撓性部材を用いることで安価に円筒状格子が実現できる。

又特に、高効率に光束を受光素子へ導くにあたり、光源手段として指向性のよい半導体レーザを用いることにより、外巻きタイプでは高分解能な検出が可能となる。

本発明を図１〜図１６に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明による光学式反射型エンコーダの実施例１の構成を示す斜視図である。反射スケール２０は、リング状のスケール支持体２１の内側面に両面テープで接着固定されている。スケール支持体２１の内側に反射スケール２１に対向するように検出ヘッド４０が配置されている。検出ヘッド４０は、ＬＥＤチップから成る光源１０、受光部及び信号処理回路を内蔵したフォトＩＣチップから成る受光素子３０の半導体素子を主体として検出ヘッド４０が構成されている。
本実施例において、光源１０の光源点と光源１０の発光点は同一の意味である。

はじめに、ＬＥＤチップおよびフォトＩＣチップについて説明する。

図２（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の検出ヘッド４０の詳細を説明するための図である。

図２（Ａ）においてＬＥＤチップとフォトＩＣチップの詳細を示す。ＬＥＤチップ１０は電流狭窄構造を有している点発光ＬＥＤで有効発光領域１１はφ７０μｍ程度の円形発光窓を有している。発光波長は６５０ｎｍの赤色ＬＥＤである。同（Ａ）ＬＥＤチップの下側にはフォトＩＣチップ３０が配置されている。フォトＩＣチップ３０は、ＬＥＤ１０に近い側に受光素子部３１と、信号処理回路部から成る。受光素子部３１は、同図水平方向に、１６個のフォトダイオードが等間隔に配列され、左から順番に３２ａ、３２ｂ、３２ｄ、３２ｄ、・・・・３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄである。

この実施例１では、受光素子面に投影される光の強度分布として２５６μｍの基本空間周波数成分を検出できるように配列されている。この周期をヘッドの検出基本周期と呼び、以降、記号Ｐで表す。１６個の受光素子はこの検出基本周期Ｐに対してＰ／４ピッチ（この場合は６４μｍ）で配列されており、これにより９０°位相のずれたＡ，Ｂ相の出力を得る２個のフォトダイオードと、これらと１８０°位相のずれたＡＢ，ＢＢ相の出力を得る２個のフォトダイオードからなる４個のフォトダイオードを１セットとして、複数セット配設されている。この実施例では３２、３３，３４、３５の４セットである。

即ちスケール移動に伴って、９０°ずつ位相のずれたＡ，ＡＢ，Ｂ，ＢＢ相の出力電流が得られ、これらを電流電圧変換器で電圧値に変換した後、差動増幅器によりそれぞれＡ相とＡＢ相の差動、Ｂ相とＢＢ相の差動をとって、９０°位相のずれたＡ，Ｂ相変位出力信号を得るようになっている。

図２（Ｂ）および（Ｃ）では、上記の半導体素子の封止するパッケージを説明した図である。図２（Ｂ）では、光源１０の発光領域１１から光が受光素子３１に直接入らないように配設された遮光壁４８を示している。図２（Ｃ）では、検出ヘッドおよび反射スケール断面と簡単な光線光路を示している。検出ヘッド４０は、光源１０、受光素子３０の他に、配線基板４４と光源１０と受光素子３０を覆うように封止した透光性の封止樹脂４５と、この封止樹脂４５上に配設された透明ガラス４６から成っている。

次に、反射スケールについて図３を用いて説明する。本実施例では同図（Ｂ）の平面反射スケールを図３（Ａ）のごとく、リング状の支持体２１の内側面に両面テープ（不図示）で貼付けて固定している。その他の手段で、反射式のスケールを円筒内側面に直接形成してもよい。

反射フィルムスケール２０は、図３（Ｃ）に示すように、パターン形成シート２３と反射層形成部シート２４から構成されている。パターン形成シート２３は例えば工業用写真製版フィルム用の透明なＰＥＴフィルムであって、０．１〜０．２ｍｍ程度の厚みを有し、工業用写真製版フィルムの乳剤層により露光・現像工程を経て必要なパターンが形成されている。パターン形成シート２３の基材部２３ａ上には、光吸収部分の非反射部２３ｂと光線透過部２３ｃから成るパターンが交互に設けられている。

一方、反射層形成シート２４においては、基材とするＰＥＴフィルムから成る反射層２４ａの下面に蒸着膜から成る反射層２４ｂが形成されている。反射スケール２２は、これらのパターン形成シート２３と反射層形成シート２４を図３（Ｄ）に示すように透明な接着剤から成る接着層２５で接合した構造とされている。

このような反射スケール２２は、厚み０．２ｍｍ前後で可撓性を有しており、図３（Ａ）に示すように長尺の平板状の反射式リニアスケール（Ｂ）を円筒内側面に湾曲させて装着することが可能である。

［平面反射スケールの場合］
次に、本発明である曲面形状の反射スケールの光学特性を説明するにあたり、本発明の検出センサで平面状の反射スケールを検出する場合の原理について説明する。

平板状の反射スケールを発散光束で照射した場合の光学的な作用について図４で考える。図４は、反射式のエンコーダの構成図である。反射スケール２０はここでは平板上の反射スケールとして取り扱う。光源１０からの発散光束で平板状の反射スケール２０は照射され、反射スケール２０からの反射回折光によりフォトＩＣチップ３０の受光素子３１上に干渉縞が形成される。受光素子３１と反射スケール２０はギャップＧで配置されている。この構成においては反射スケール２０のピッチをＰｓとすると受光素子面上には反射スケール２０のピッチＰｓの２倍周期にあたる干渉縞（周期Ｐ）が形成される。

このことを図４の構成の等価光学系を図５に示し説明する。図５において中央の反射スケール２０の移動方向軸をＸ０、受光素子３１面上をＸ２、光源１０をＸ１軸上に配置したもので、光源１０の発光点１１は座標Ｌ０に配置されている。前図５で示した反射スケール２０と受光素子３１のギャップＧに相当するのは、この図５においては、Ｘ０−Ｘ２ および Ｘ０−Ｘ１間の距離（Ｇ）に相当する。光源座標Ｌ０の位置から発散光束がＸ０軸上に配置された反射スケール２０に照射され、その光線が回折格子面で回折した光線図が描かれている。Ｌ０から反射スケール面上の原点（０，０）に届いた光は回折角θ１で回折して受光素子３１に届いている。この回折した光束の方向を光線の進行方向とは逆の方向に延長し、原点を（０．０）にもつ半径Ｇの円と交わる点をＬ＋１とすると回折光線はあたかもこのＬ＋１に光源を配置した光波と同様の波面を形成する。

そこで各次数の回折光束がこのような仮想光源点Ｌ＋１、Ｌ−１・・・のように回折次数に応じてこの半径Ｇ上の円周上に配置し、各仮想光源点からの発散光束の重ね合わせとして干渉像の光の強度分布を計算することができる。

受光素子面上に投影される干渉縞の強度分布はこの関係から反射スケール２０のピッチＰｓの２倍周期にあたる干渉縞（周期Ｐ）が形成されることが示される。

次に本発明の対象としている曲面反射スケールの場合を考えてみる。

図６は円筒状支持体２１、および検出ヘッド内の主要部品以外を省略し、円筒状に形状固定された反射スケール２０と光源１０とフォトＩＣ３０を本実施例の構成にレイアウトした図である。同図において円筒状の反射スケール２０の中心は回転角検出軸Ｙ０軸にセットされ、Ｙ０軸を回転軸とする反射スケールの回転変位が検出ヘッド４０（不図示）で検出される。ここで、円筒状の反射スケールの反射面とその中心までの距離（＝半径）をＲとする。図７は、図６の主要部の拡大図である。この図を用いて光源１０、受光素子３０、反射スケール２０の配置に関する関係を説明する。

はじめに、座標系を定めると、光源１０の発光領域１１の中心を原点（０，０，０）とする座標系を（ｘ１、ｙ１、ｚ１）とし、図６に示した円筒状形状の反射スケール２０の中心軸Ｙ０と光源の発光中心（＝座標系の原点）を結ぶ軸をｚ１とし、回転軸Ｙ０と平行な軸をｙ１とする。回転変位検出の接線方向がｘ１軸となる。また、反射スケール２０の格子条は、回転軸Ｙ０と平行に形成されている。光源１０の発光面と反射スケール２０の実質的な反射面位置（＝中心軸Ｙ０から距離Ｒ）までの距離をギャップと呼びＧで表す。そして、受光素子の１６個にエレメントはｙ１軸について対象に８個ずつ配置される。受光素子の中心座標は発光素子と受光素子の中心間距離をＤｓとして（０，−Ｄｓ、０）と表される。

また、反射スケール２０上の反射位置座標は（ｘ、ｙ、Ｇ）となる。

以上の位置関係において、ピッチＰｓ＝１／２Ｐの関係の反射スケールを円筒状に形状固定して用いた場合を考えてみると、光源１０の発光領域１１から出射した発散光束は発散波面のまま反射スケール２０に入射し、反射波の一部が受光素子３０に到達する。先の図４で示した平面反射スケールと異なり、反射スケールは円筒凹面形状なので受光素子ピッチＰの１／２ピッチスケールをこの曲面反射スケールとして用いて場合には、受光素子ピッチＰよりも周期の小さい干渉縞が受光面上に形成されてしまう。具体的な数字でみると、今回の実施例では 受光素子の検出基本周期Ｐは２５６μｍで、この検出ヘッドとこのように平板反射スケール２０を用いたい場合での適正ピッチである１２８μｍの反射スケールを円筒形状に形状固定して図１のように用いた場合には、受光素子面状には２５６μｍ周期よりも小さな周期の光強度分布となる。

図８は円筒スケールを半円部分のみ表した軸Ｙ０から見た図である。この図は受光素子にピッチＰに光源からの光束が反射するように反射スケールのピッチＰｓを変更し、いわば強制的に干渉縞のピッチを合わせ込むようにしたものである。受光素子面上には一様にピッチを合致させることはできないが、受光面上で平均的なピッチ寸法として合わせ込むことで十分実用に値する特性がえられることが確かめられた。

干渉縞の基本周期の変化については、先の図５の発散光束での等価光学系と同様に考えてみる。

この曲面での反射により光源からの発散光束は波面変更を受けている。この場合には凹形状の円筒面の影響で発散波面の広がりが押さえられているので図９での等価光学系に示したように波面変換の結果、反射スケール２０から受光面までの各回折光束の波面は先の図５での仮想光源点Ｌ０、Ｌ＋、Ｌ− の位置から図のＺ‘の位置に移動したと考えればよい。その結果、反射スケール回折面から、受光素子までの距離Ｚは変わらないが、仮想光源点Ｌ０、Ｌ＋、Ｌ−等の光源位置はＺ’となり干渉像の形成ピッチが変化したと解釈できる。平面の場合には光源点と反射スケール、および、反射スケールと受光面まで距離が等しくその結果、反射スケール２０ピッチＰｓと干渉縞のピッチＰの間には、２×Ｐｓ＝Ｐの関係があった。すなわち、同図で倍率は、（Ｚ＋Ｚ）／Ｚが平面の場合、今回の実施例では（Ｚ‘＋Ｚ）／Ｚ’となり干渉縞の倍率は反射スケールピッチの２倍にはならない。また、逆の波面変換を受けた場合、すなわち、円筒面が凸の場合、これは円筒状反射スケールの外部側面に反射スケールを設けて、検出ヘッド４０をスケール反射面に対向配置した場合に対応し、そのときには図９のＺ‘’の位置に仮想光源点が移り、倍率は２倍より大きくなることがわかる。

さて、ここでこのような円筒状スケール２０の内側に検出ヘッド４０を配置した構成において検出センサの検出基本周期Ｐのセンサを適用した場合の反射スケールピッチ補正値の導出を考える。

受光面上で所望の干渉縞ピッチを得るために計算方法としてはいろいろなアプローチがあるがここでは最短光路の原理（Ｆｅｒｍａｔの原理）を用いて光源１０と反射スケール２０の光路長Ｌ１と反射スケール２０と受光素子３１中心の光路長の和（下記数式ｆ（ｘ、ｙ））が最小となる反射スケール面上の座標点（ｘ、ｙ、Ｇ）を求め、そのｘ座標値から円筒状スケールに装着するスケールピッチを決定できるようにした。

数式−１

ただし、
円筒状反射スケールの半径：Ｒ
光源と反射スケールの距離：Ｇ
発光中心と受光中心の距離：Ｄｓ
検出ヘッドの基本検出ピッチ：Ｐ

この場合に算出される補正ピッチは光軸近傍では成立するが離れた部分ではピッチズレが生じるので受光素子全体で平均的にピッチが合致するように受光素子エレメント数を考慮し、決定する必要がある。

以上のように、円筒状の反射スケールを用いた場合には、反射面曲率半径Ｒを考慮し、反射スケールに対してセンサを設置するギャップ寸法値Ｇと検出ヘッドの基本検出ピッチ（＝受光素子が検出可能な干渉縞ピッチ）Ｐおよび光源と受光素子間距離Ｄｓより最適な反射スケールのピッチが決定でき、それにより円筒形状でありながらほぼ平板の反射スケール同様に精度の高い位置検出が可能である。

ここで、実施例１の構成を「内巻きタイプ」と呼ぶことにする。

実施例２では、この内巻きタイプでのギャップ値Ｇと円筒状反射スケール２０の半径Ｒの関係について説明する。図１２は内巻きタイプで７つの場合について光路の様子を示し、反射スケールのピッチの大きさ具合を表現している。

（Ａ）は比較的ギャップが小さい場合、（Ｂ）はＧ＝Ｒ／２の場合で、このときには反射スケールのピッチＰｓは検出ヘッドの検出基本周期Ｐ＝受光素子ピッチと等しくなる。

（Ｐｓ＝Ｐ）の関係となる。（Ｃ）では反射スケールのピッチを大きくとらなくてはならなくなり、ロータリエンコーダとしての分解能は低く、あまり価値がない。

（Ｄ）では光束は受光面の一部に集光し、縞は形成されない。（Ｅ）の状態では縞の移動方向が変転し、その結果、ＡＢ相信号位相が反転する。（Ｆ）、（Ａ）とほぼ同等のピッチで縞の移動方向反転が生じる。

既に、先の実施例１で示したが円筒状反射スケールとして円筒の外側面に反射スケールを設け、検出ヘッド４０をスケール反射面に対向配置した場合を取りあげる。

図１０および図１１は円筒の外側面に反射スケールを設け、検出ヘッド４０をスケール反射面に対向配置した実施例を説明するための図である。

検出センサ４０が円筒状スケールの内側であるか外側にあるかの差なので詳細の説明は実施例１とほぼ同様なので省略する。ここで、この構成を「外巻きタイプ」、実施例１の構成を「内巻きタイプ」と呼ぶことにする。

この外巻きタイプでの特徴は、すでに実施例１でも触れたが反射スケール２０のピッチＰｓを小さな値に補正することになるので半径Ｒを一定で考えると分解能をあげる方向に向かう。

具体的には図１３のように円筒状スケール径を一定で考えるとギャップを離す設定でピッチの補正値を選べば高分解能な回転検出となる。

図１３で（Ａ）〜（Ｃ）の順にギャップ寸法Ｇ増していくにしたがって反射スケールのピッチは小さな値にする必要があり、その結果、回転角度検出分解能は向上する。

通常、検出センサはある固有の検出ピッチしか読み取ることができない。

すなわち、受光素子配置ピッチでその受光素子面状に投射される干渉縞（周期的な強度分布を有する光強度分布）の基本波空間周波数を読み取る。従って、さまざまな分解能に対応するためには、受光素子の配列ピッチを個別に対応させなければならない。

受光素子は近年では増幅回路、デジタル化回路や電気分割回路等の電子回路を一体化したいわゆるフォトＩＣチップで構成されることが主流となりつつある。

様々な分解能への対応を考えた場合には、電気分割で分割数を任意に変える。等により対応をはかっている。

フォトＩＣを製造するためのＩＣのマスク費用がかかり、要求分解能に併せて受光素子ピッチの品揃えは経済的ではない。

ロータリエンコーダではエンコーダのスケール直径を変更させることで１回転あたりの分解能は変更可能であり、今回の円筒格子タイプでも同様に直径を変えることで分解能は変更できる。しかし、実施例２，３で示したように、本発明によれば、円筒格子直径を変更せずに分解能を変えることも可能となる。

実施例２のように、円筒内部にセンサを配置した場合には平面スケール時に読み取るピッチよりも粗くすることが可能である。

実施例３のように、外側に配置した場合には高分解能にすることが可能となる。

一例として、円筒格子直径φ１０ｍｍｍの円筒スケールを分解能は４倍以上とることも可能となるが、この場合には、ギャップを広くとる必要があり、発散光束でも主光線近傍にエネルギーが集中する半導体レーザ（面発光レーザ）等が有効な光源となる。

（カメラ搭載例 光軸方向寸法の削減例）
以下に図面を参照して本発明によるセンサ、および、スケールをレンズ鏡筒へ搭載した一実施例を説明する。

図１４は従来レンズ鏡筒の断面図であり、図１５は図１４のレンズ鏡筒内に組み込まれている駆動力発生ユニット３５の断面図、図１６は本発明のセンサおよびスケールが組み込まれたユニット３５の断面図である。

図１４、図１５および、図１６において、５０１はレンズ鏡筒の外筒、５０２は外筒５０１の内側に配置されマウントにビス固定されている固定筒、５０３，５０４は駆動力発生ユニット５３５のフレームもしくは地板となっている固定筒である。固定筒５０４は固定筒５０３にビス固定され、固定筒５０３は固定筒５０２にビス固定されている。

５０５は、外筒５０１の前方に配置される外筒部分５０５ａと固定筒５０３、固定筒５０４の内側に配置される内筒部分５０５ｂとを有する。

固定筒５０３、固定筒５０４にビス固定される固定筒、５０６は固定筒５０５の外筒部分５０５ａの外周面に形成された周方向溝と外筒５０１の外周面に形成された周方向溝に嵌装されてレンズの中心軸線（すなわち光軸Ｚ）を中心として回転可能である。

かつ光軸方向に移動可能に支持されているマニュアル操作環で外筒５０１の爪部５０１ａとマニュアル操作環５０６の内周部に設けられた溝部５０６ｂとにより光軸方向移動時のクリック感を出すと共に光軸方向に移動させた後のそれぞれの位置で保持される。

固定筒５０３の外周面には、図１５に示すように振動波モータ５３３の全構成部品（５１２〜５２０）と該振動波モータ５３３のロータ５１８と一体的に回転する回転筒５２０と、該回転筒５２０に接触するモータ軸受け兼出力部材５３４と前記マニュアル操作環５０６の回転トルクを入力させるためのマニュアル操作力入力リング５２３とが搭載されている。

従来の光学式エンコーダのメインスケール（以降パルス板と呼ぶ）５２４は、この出力部材５３４（以降コロリングと呼ぶ。図中ハッチングを施した部品を示す）と結合している。

図１５において、５２５はインタラプターで、パルス板５２４の角度位置に応じた信号をＬＥＮＳＣＰＵに出力する。５３０はビスによって前記リング５２２に固定されたレンズホルダー駆動キーである。

該駆動キー５３０は固定筒５０３に貫設された穴５０３ａを通して組み込まれ、該駆動キー５３０に設けられた溝部５３０ａにレンズホルダー５３２に固設されたコロ５２９（不図示）が嵌合している。

次に前記の如き構造を有する本実施例のレンズ鏡筒の動作を説明する。

まず、レンズ鏡筒の使用者が前記レンズホルダー５３２を前記振動波モータ５３３の力で駆動させようとする時には、前記不図示のフォーカシングスイッチを操作する（オートフォーカス）か、あるいは前記マニュアル操作環５０６を回動操作する。

前記フォーカジングスイッチを操作した場合、前記不図示の制御回路が動作されて前記電歪素子５１５に電圧が印加される。

その結果、円周方向に進行する振動が前記ステータ５１６に生じ、該ステータ５１６の振動によって前記ロータ５１８及び前記ゴム環５１９並びに前記回転筒５２０が光軸Ｚを中心として回転される。

これらの回転によって前記中空ローラー５２１は該回転筒５２０から回転トルクを受ける。然し、前記マニュアル操作力入力リング５２３は前記フリクションリング５２６との摩擦により回転しない。従って、該ローラー５２１は前記ローラー支持軸５２２ａのまわりを回転しつつ該マニュアル操作力入力リング５２３の端面に沿って転動する。

該ローラー支持軸５２２ａを介して前記リング５２２が光軸Ｚを中心として回転されるので、前記レンズホルダー５３２は前記レンズホルダー駆動キー５３０によって光軸Ｚを中心として回転されつつ前記カム５０５ａに沿って光軸方向に移動してオートフォーカシングが行われる。

図１５の囲み部分ＶＥにおいて、従来の透過型のエンコーダの構成を説明する。フォトインタラプタ５２５、とパルス板５２４の図中のように構成され、パルス板５２４の回転角度を検出している。

パルス板５２４に対してコの字形状のフォトインタラプタ５２５は鏡筒内側面から組み入れるように組み立てられ作業性がよくない。

また、フォトインタラプタ５２５の光軸方向Ｚに沿った方向の寸法が大きいためにレイアウトの自由度が低く、図１５において駆動ユニット５３５の光軸方向範囲にこのエンコーダ部を納めることができない。

同図の囲み部分ＶＦで示した空間すなわち固定筒５０３とロータ部材５１８の間に隙間があるためこの部分にエンコーダ部がいられることにより大幅な光軸方向の寸法削減が可能となる。図１６に示した寸法Ｌが削減寸法である。

図１６で、本発明のセンサとスケールによりこの領域ＶＧ（図１５の領域ＶＦと同じ）に搭載が可能となったことを示す。

図１６の囲み領域ＶＧで示されるように反射センサ５４０および反射スケール５４１が配置された。コロリング５３４の内側面にフィルム製の反射スケール５４１が両面テープで貼付けられている。このスケールの厚みは０．３ｍｍ程度である。

一方、反射センサ５４０は固定筒５０３の一部を切り欠き、フレキシブル基板に実装された反射センサ５４０が装着されている。反射センサの厚みは１．５６ｍｍ程度で反射スケール５４１と検出センサ５４０の空隙は≒０．８５ｍｍ程度設けている。厚み寸法（ラジアル方向寸法）を積み上げた値は０．３＋１．５６＋０．８５＝２．７１ｍｍとなり、センサ搭載部分の厚みはトータルでも５ｍｍ以内のラジアル方向の寸法に収まっている。

この例では、検出センサ５４０の基本検出ピッチは１２８μｍのものを用いた。

コロリング５３４の内側面（内面のスケール貼付け面の直径φ６０．９）に貼付けられる。

フィルム反射スケールの実質的な厚み方向の反射位置、やフィルムの光学的な厚み寸法、また、検出センサ内の光学パスの光路長等を考慮して光源から反射スケールまでの光路Ｌ１と反射スケールから受光面までの光路Ｌ２の和の最小値をとる反射ポイントをｆ（ｘ，ｙ）座標を求める。その結果反射スケールピッチＰｓを決定した。

本発明の関係式：

反射センサを内面配置したので本発明による配置条件とスケールピッチ補正の結果、設計空隙（ギャップ）を考慮して、スケールピッチは１３４μｍと定められた。

レンズ内ではこの１３４μｍ周期のアナログ信号を用いて電気的な分割（３２分割）を実施し、最終的な分解能として、１３４／３２≒４．２μｍの分解能を得ている。

本発明の超小型の反射式検出センサとフィルム製の反射スケールにより、このわずかなスペースに搭載が可能となった。本発明が課題としていた、超小型でしかも高分解能化に対応した高精度な光学式エンコーダが実現できている。

本発明の第１の実施例を説明するための斜視図 検出センサの構成を説明するための図 円筒状のフィルム反射スケールを説明するための図 平面反射スケールの場合の光学系配置図 発散光束での干渉像を説明するための等価光学系の図 本発明の光学配置を説明するための図 本発明の光学配置を説明するための拡大図 模式的な光線光路図 本発明での曲面反射スケールでの等価光学系の図 本発明の第２の実施例を説明するための図 本発明の光学配置を説明するための拡大図 本発明の光学配置のバリエーションを説明するための拡大図 第３の実施例の説明図 第４の実施例の説明図 第４の実施例の説明図 従来構成主要部拡大 第４の実施例の説明図 本発明の構成主要部拡大 従来技術説明の図 従来技術説明の図 従来技術説明の図

符号の説明

１０ 光源
１１ 発光領域
２０ 反射スケール
２１ リング状円筒支持体
２２ ＰＥＴ基材
２３ 感光層
２４ 反射層
３０ フォトＩＣ
３１ 受光部
３２〜３５ 受光素子エレメント群
４０ 検出ヘッド
４４ 半導体チップ実装基板
４５ 透明樹脂
４６ 透明硝子
４８ 遮光壁
Ｒ 円筒状反射スケールの半径
Ｇ 光源発光点と反射スケールの反射面の距離
Ｐ 検出ヘッド内の受光素子が検出するピッチ
Ｐｓ 反射スケールのピッチ
Ｄｓ 光源の発光領域中心と受光素子の受光エリアの中心間距離
Ｌ０ ０次回折光の仮想光源点
Ｌ＋ ＋１次回折光の仮想光源点
Ｌ− −１次回折光の仮想光源点
５４０ 検出センサ
５４１ 反射スケール

Claims (8)

1. 回折格子として作用する格子状パターンが曲面に形成され、前記曲面の曲率中心を通る回転軸を中心に回転可能である反射式スケールと、前記反射式スケールを発散光束で照明するための光源と、前記反射式スケールで反射した光束を受光する為の複数の受光素子と、を有する光学式エンコーダにおいて、
   前記反射式スケールと前記光源の発光面の間の距離と、前記反射式スケールと前記複数の受光素子の受光面の間の距離が等しく、
   前記反射式スケールに対して、前記反射式スケールの回転軸が前記光源および前記受光素子と同じ側に位置しており、
   前記受光素子の検出基本周期＜２×前記反射式スケールのピッチを満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 回折格子として作用する格子状パターンが曲面に形成され、前記曲面の曲率中心を通る回転軸を中心に回転可能である反射式スケールと、前記反射式スケールを発散光束で照明するための光源と、前記反射式スケールで反射した光束を受光する為の複数の受光素子と、を有する光学式エンコーダにおいて、
   前記反射式スケールと前記光源の発光面の間の距離と、前記反射式スケールと前記複数の受光素子の受光面の間の距離が等しく、
   前記反射式スケールに対して、前記反射式スケールの回転軸が前記光源および前記受光素子の反対側に位置しており、
   前記受光素子の検出基本周期＞２×前記反射式スケールのピッチを満たすことを特徴とする光学式エンコーダ。
3. 回折格子として作用する格子状パターンが曲面に形成され、前記曲面の曲率中心を通る回転軸を中心に回転可能である反射式スケールと、前記反射式スケールを発散光束で照明するための光源と、前記反射式スケールで反射した光束を受光する為の複数の受光素子と、を有する光学式エンコーダにおいて、
   前記反射式スケールと前記光源の発光面の間の距離と、前記反射式スケールと前記複数の受光素子の受光面の間の距離が等しく、
   前記反射式スケールの曲率半径をＲ、前記光源の発光中心と前記反射式スケールとの間の距離をＧ、前記光源の発光中心と前記受光素子の中心との間の距離をＤｓ、前記受光素子の検出基本周期をＰ、前記反射式スケールの回転方向の座標をｘ、前記回転軸と平行な方向の座標をｙ、前記光源の発光中心の座標（ｘ＝０、ｙ＝０）、前記反射式スケールの反射面の座標（ｘ、ｙ）とするとき、数式ｆ（ｘ、ｙ）
   
   が最小値を取るときのｘ座標値に基づいて前記反射式スケールのピッチが設定されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
4. 前記反射式スケールは、可撓性部材であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の光学式エンコーダ。
5. 前記光源が、半導体レーザであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の光学式エンコーダ。
6. 前記光源と前記複数の受光素子は、同一基板に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の光学式エンコーダ。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の光学式エンコーダをレンズ位置制御用センサーとして用いたことを特徴とするレンズ鏡筒。
8. 請求項７に記載のレンズ鏡筒を有することを特徴とするカメラ。