JP5253138B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は被検出体の位置等を検出する光学式エンコーダに関する。

光学式エンコーダでは、格子パターンを有するスケールがセンサヘッドと相対移動することにより、センサヘッドから変位信号が得られる。ここで、変位信号とは、スケールとセンサヘッド間の相対移動に応じて周期的に変化する位相が９０度ずれた２相のアナログ信号か、このアナログ信号を信号処理回路で変換したデジタル信号のことである。良好な変位信号を得るためにはセンサヘッドとスケールの位置関係を精度よく配置しなければならない。光学式エンコーダの分解能が高くなるほど、より高い配置精度が要求される。

ここで、光源と、光源から出射した光を透過または反射する格子パターンを有するスケールと、スケールを透過したかスケールで反射された光を受光する光検出器から構成される小型の光学式エンコーダの代表例として、特許第３９６３８８５号明細書に開示された反射型光学式エンコーダを図２０に示す。この光学式エンコーダは、図２０に示すように、移動検出対象物に固定される反射型のスケール１１０と、スケール１１０の移動を検出するためのセンサヘッド１２０とで構成されている。センサヘッド１２０は、スケール１１０に照射される光ビームを射出する光源１２１と、スケール１１０によって反射され変調された光ビームを検出する光検出器１２３と、光源１２１と光検出器１２３を内包するパッケージとを有している。パッケージは、外側底面が平らな箱状の筐体１３０と、光を透過する部位を有する蓋部材１２９とからなる。光源１２１は筐体１３０の内側の空間内に固定されている。光検出器１２３は半導体基板１２５に形成されており、半導体基板１２５は内面に固定されている。

この光学式エンコーダはタルボットイメージを利用している。タルボットイメージ回折理論によれば、光源として光出射口が点構造からなる点光源を用い、光源の光出射面から格子パターンが形成されたスケールの面までの距離をＺ１、格子パターンが形成されたスケールの面から光検出器の光検出面までの距離をＺ２とし、スケールの格子パターンのピッチをｐ、点光源の波長をλ、ｎを整数とすると、Ｚ１とＺ２がおおよそ次の（１）式を満たす関係にあるときに、スケールの格子パターンと相似の明暗が光検出器の光検出面上に生成される。

（１／Ｚ１）＋（１／Ｚ２）＝λ／（ｎｐ^２） …（１）
ここでＺ１＝Ｚ２＝Ｚとすると（２）式となる。

Ｚ＝２ｎｐ^２／λ …（２）
従って、図２０に示したような、センサヘッド１２０内において光源１２１の光出射面（蓋部材１２９に形成した光源スリット１２７）と光検出器１２３の光検出面とを揃えた光学式エンコーダでは、上記（２）式を満たすようにセンサヘッド１２０と格子パターンが形成されたスケール１１０の面との間の配置を調整する必要がある。図２０の光学式エンコーダでは、スケール１１０とセンサヘッド１２０の位置関係を精密に調整可能なように箱状の筐体１３０の底面を平らな当て付け面とすることにより小型でありながら良好なエンコーダ信号を得ることができるようにしている。
特許第３９６３８８５号明細書

図２０に示した光学式エンコーダでは、光源１２１と光検出器１２３が形成された半導体基板１２５とが、箱状の筐体１３０と蓋部材１２９とからなるパッケージ内に内包されている。このため、格子パターンが形成されたスケール１１０の面に対向する蓋部材１２９の面に垂直な方向をセンサヘッド１２０の高さ方向としたときに、センサヘッド１２０の高さ方向の寸法は、箱状の筐体１３０の底面部の厚みと、光源１２１または半導体基板１２５のどちらか厚い方の厚みと、蓋部材１２９の厚みの少なくとも三つの部材の厚みの足し合わせとなる。

また、スケール１１０の移動方向に平行な方向をセンサヘッド１２０の縦方向とし、また格子パターンが形成されたスケール１１０の面に対向する蓋部材１２９の面に平行かつスケール１１０の移動方向に垂直な方向をセンサヘッド１２０の横方向としたときに、筐体１３０は縦および横方向に関して四方を取り囲む四つの側壁を有しているので、センサヘッド１２０の縦方向の寸法および横方向の寸法はいずれも筐体１３０の二つの側壁の厚みを含んでいる。

現在、光学式エンコーダを必要とする各種装置の小型化に伴い、光学式エンコーダのより一層の小型化が望まれる。しかし、図２０に示した光学式エンコーダでは、センサヘッド１２０の高さ寸法は、少なくとも三つの部材の厚みの足し合わせとなるので、センサヘッド１２０の薄型化すなわち高さ寸法の低減には限界がある。また、センサヘッド１２０の縦寸法および横寸法は、いずれも筐体１３０の二つの側壁の厚みを含むので、センサヘッド１２０の縦寸法および横寸法の低減にも限界がある。

本発明の目的は、センサヘッドが小型化された光学式エンコーダを提供することである。

本発明による光学式エンコーダは、センサヘッドと、前記センサヘッドに対して変位し得るスケールとから構成されている。前記センサヘッドは、平行平板状の光透過材と、光源と、光検出器と、複数の高さ規定部材とを有している。前記光透過材は、一つの面に複数の導電配線パターンを備えている。前記光源と前記光検出器と前記高さ規定部材は前記導電配線パターンに電気的に接続されて前記光透過材に固定されている。前記高さ規定部材は互いに離れて配置されている。前記高さ規定部材のおのおのは前記センサヘッドを取り付けるための平坦な当て付け面を有している。前記高さ規定部材の前記当て付け面から前記光透過材までの距離が均一である。

本発明によれば、センサヘッドが小型化された光学式エンコーダが提供される。

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。

＜第一実施形態＞
本発明の第一実施形態による光学式エンコーダを図１〜図３に示す。図１〜図３に示す光学式エンコーダは反射型光学式エンコーダである。

図１に示すように、光学式エンコーダ１０は、センサヘッド３０と、センサヘッド３０に対して変位し得るスケール２０とから構成されている。

スケール２０は、センサヘッド３０に対して直線的に変位可能である。スケール２０は、スケール２０の移動方向に一定のピッチで光学的特性が変化する格子パターン２４を有している。格子パターン２４は、例えば反射パターンであり、スケール２０の移動方向沿って一定のピッチで並んだ複数の反射部と複数の透過部とを有している。格子パターン２４は、例えばクロムやアルミニウムなどから作られている。

図１と図２に示すように、センサヘッド３０は、一つの光源４０と、一つの光検出器５０と、平行平板状の光透過材６０と、四つの高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄとを有している。光透過材６０は、一つの面に、五つの導電配線パターン６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄ，６２Ｅを備えている。高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄはいずれも導電性を有している。

続く説明において、四つの高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄは、それらを区別せずに示すときには、代表的に単に高さ規定部材７０で示す。また、５つの導電配線パターン６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄ，６２Ｅは、それらを区別せずに示すときには、代表的に単に導電配線パターン６２で示す。

また、格子パターン２４が形成されたスケール２０の面に対向する光透過材６０の面に垂直な方向をセンサヘッド３０の高さ方向とし、スケール２０の移動方向に平行な方向をセンサヘッド３０の縦方向とし、センサヘッド３０の高さ方向と縦方向の両方に垂直な方向をセンサヘッド３０の横方向とする。

光源４０は、例えば、光出射口が点構造からなるＬＥＤや、半導体レーザなどで構成されている。光検出器５０は、例えば、フォトディテクタ（ＰＤ）アレイ５２を有する半導体集積回路（ＩＣ）から構成されている。光透過材６０は、例えば、ガラスやプラスチックなどから構成されている。導電配線パターン６２は、例えば、クロムや導電性金属酸化物（例えば一般的なＩＴＯ）などから作られている。

光源４０と光検出器５０は、例えばチップオングラス（ＣＯＧ）によって光透過材６０に実装されている。光源４０は、金などの導電材６４を介して導電配線パターン６２Ｅに電気的に接続されて光透過材６０に固定されている。また光検出器５０は、金などの導電材６４を介して導電配線パターン６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄ，６２Ｅに電気的に接続されて光透過材６０に固定されている。導電配線パターン６２Ａは、光検出器５０に電力を供給するための電源配線を構成し、導電配線パターン６２Ｂは、接地のためのグランド配線を構成し、導電配線パターン６２Ｃ，６２Ｄは、それぞれ、二つのエンコーダ信号を出力するための出力配線を構成している。光検出器５０から出力される二つのエンコーダ信号は、位相が互いに異なっている。例えば二つのエンコーダ信号は、位相が互いに９０度ずれているいわゆるＡ，Ｂ相エンコーダ信号である。また導電配線パターン６２Ｅは、光検出器５０から光源４０に電流を供給するための光源電流配線を構成している。光検出器５０は、光源４０を駆動するための電流源回路を内蔵しており、この電流源回路は導電配線パターン６２Ｅを介して光源４０に電気的に接続されている。

光源４０は小型化を考慮すると半導体チップで構成されることが好ましい。その場合、光源４０の両面から電気的接続をとる必要がある。このため、光透過材６０と光源４０との接合面の反対側の光源４０の面が金やアルミニウムなどの導電ワイヤ４２を介して光透過材６０の導電配線パターン６２Ｂと電気的に接続されている。

高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄは、それぞれ、金などの導電材６４を介して導電配線パターン６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄに電気的に接続されて光透過材６０に固定されている。高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄは互いに離れて配置されている。

図２に示すように、光透過材６０は四角形の輪郭を有している。導電配線パターン６２が形成された光透過材６０の面への投影において、二つの高さ規定部材７０Ａ，７０Ｃは光透過材６０の対角線ＤＬ１上に位置し、二つの高さ規定部材７０Ｂ，７０Ｄは光透過材６０の対角線ＤＬ２上に位置している。言い換えれば、高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄは、導電配線パターン６２が形成された光透過材６０の面への投影において、光透過材６０の一方の対角線ＤＬ１上の二個所と他方の対角線ＤＬ２上の二個所との合計四個所上に位置している。簡単に言えば、高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄはそれぞれ光透過材６０の四隅に位置している。

光透過材６０は、光検出器５０の縦寸法とほぼ等しい縦寸法を有している。高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄはいずれも光検出器５０の横方向に位置している。高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂは、それぞれ、横方向に関して、高さ規定部材７０Ｄ，７０Ｃと整列している。また、高さ規定部材７０Ａ，７０Ｄは、それぞれ、縦方向に関して、高さ規定部材７０Ｂ，７０Ｃと整列している。また高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂはいずれも光源４０の縦方向に位置している。従って、光透過材６０は、光源４０と光検出器５０の全体の幅に一つ分の高さ規定部材７０の横寸法を加えた寸法にほぼ等しい横寸法を有している。

高さ規定部材７０は、アルミニウムや銅などの電気抵抗が小さい材料で作られている。また高さ規定部材７０は直方体または立方体であり、光透過材６０に対向する高さ規定部材７０の面の面積は、光透過材６０に対向する光源４０や光検出器５０の面の面積よりも小さい。高さ規定部材７０は導電材６４を介して光透過材６０の導電配線パターン６２と電気的に接続されている。より詳しくは、高さ規定部材７０Ａは、電源配線を構成する導電配線パターン６２Ａと電気的に接続され、高さ規定部材７０Ｂは、グランド配線を構成する導電配線パターン６２Ｂと電気的に接続され、高さ規定部材７０Ｃは、Ａ相エンコーダ信号の出力配線を構成する導電配線パターン６２Ｃと電気的に接続され、高さ規定部材７０Ｄは、Ｂ相エンコーダ信号の出力配線を構成する導電配線パターン６２Ｄと電気的に接続されている。従って、高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄは、それぞれ、導電配線パターン６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄを介して光検出器５０に電気的に接続されている。

高さ規定部材７０はさらに、センサヘッド３０を取り付けるための平坦な当て付け面７２を有している。当て付け面７２から光透過材６０までの距離は均一である。つまり。高さ規定部材７０は同一の高さ寸法を有している。

図３に示すように、光源４０と光検出器５０はエポキシやシリコンなどの樹脂８０で覆われている。

図１に示すように、スケール２０に対向する光透過材６０の面は、格子パターン２４が形成されたスケール２０の面に対して平行である。センサヘッド３０は、光源４０から射出されスケール２０で反射された光を光検出器５０によって検出してスケール２０の変位を反映した変位信号を出力する。

次にセンサヘッドの製造方法を図４〜図７を参照しながら説明する。

まず、ガラスやプラスチックなどの大判の光透過材６０’にクロムやＩＴＯなどからなる導電材を蒸着やスパッタなどの製法で薄膜状に成膜し、その後フォトリソ法などで導電配線パターン６２をマトリックス状に並べて形成する（図４）。

次に、半導体チップ状のＬＥＤまたは半導体レーザなどの光源４０と、ＰＤアレイ５２を有するＩＣからなる半導体チップ状の光検出器５０とを、金などの導電材６４を介して導電配線パターン６２に電気的に接続し固定する。その後、大判の光透過材６０’と光源４０との接合面の反対側の光源４０の面と光透過材６０’の導電配線パターン６２とを、金などの金属の導電ワイヤ４２でワイヤボンディングする（図５）。

続いて、アルミニウムや銅などの高さ規定部材７０’を、金などの導電材６４を介して導電配線パターン６２に電気的に接続し固定する。その後、光源４０と光検出器５０を覆うように、エポキシやシリコンなどの樹脂８０をモールドまたはポッティング法などによって形成する（図６）。

最後に、大判の光透過材６０’および高さ規定部材７０’を切断線６８に沿って切断して、個々のセンサヘッド３０が完成する（図７）。

ここでは、大判の光透過材６０’を用いて多数のセンサヘッド３０を製作する多数個取り法について説明したが、単体のセンサヘッド３０を製作する手法も可能である。また、高さ規定部材７０’を光透過材６０’に電気的に接続し固定した後に、光源４０と光検出器５０を電気的に接続し固定してもよい。さらに、高さ規定部材７０を切断線６８よりもセンサヘッドの内側に配置して、高さ規定部材７０を切断しない手法を採用してもよい。

次に、以上のように製作したセンサヘッド３０と、格子パターン２４を有するスケール２０の取り付けについて説明する。タルボットイメージを利用した方式において、本実施形態のようにセンサヘッド３０内において光源４０の光出射面と光検出器５０の光検出面とを揃えた構成では、格子パターン２４が形成されたスケール２０の面と光透過材６０のスケール側の面とを平行に配置し、光源４０の光出射面および光検出器５０の光検出面と格子パターン２４が形成されたスケール２０の面との間隔を（２）式を満たすように調整する必要がある。従って、図８に示すように、センサヘッド３０を取り付ける取り付け基板９０と格子パターン２４が形成されたスケール２０の面との間隔を一定間隔Ｔとしたときに（２）式を満たすようなＺを確保する必要がある。

このため、本実施形態のセンサヘッド３０では、高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄが同一の高さ寸法ｔを有するとともに、取り付け基板９０に当て付けられる平坦な当て付け面７２を底面に有している。さらに、高さ規定部材７０は、導電配線パターン６２が形成された光透過材６０の面への投影において、光透過材６０の一方の対角線ＤＬ１上の二個所と他方の対角線ＤＬ２上の二個所との合計四個所上に位置している。これにより、光源４０の光出射面および光検出器５０の光検出面と格子パターン２４が形成されたスケール２０の面との間隔を所望の間隔Ｚに調整してセンサヘッド３０を取り付け基板９０に取り付けることが容易である。その結果、高分解能な光学式エンコーダ１０が得られる。

図２０の光学式エンコーダでは、センサヘッド１２０の高さ寸法は、蓋部材１２９とこれに取り付けられる箱状の筐体１３０とによって決まる。これに対して本実施形態の光学式エンコーダ１０では、例えば図３から分かるように、センサヘッド３０の高さ寸法は、光透過材６０とこれに取り付けられる直方体または立方体で構成された高さ規定部材７０とによって決まる。このため、本実施形態のセンサヘッド３０は、図２０のセンサヘッド１２０とは異なり、箱状の筐体１３０の底面部に対応する部材を有していない。従って、本実施形態のセンサヘッド３０は、図２０の光学式エンコーダと比較して、高さ寸法が、箱状の筐体１３０の底面部の厚み分だけ確実に低減されている。

また、図９に示されるように、本実施形態のセンサヘッド３０では、高さ規定部材７０が、筐体１３０の四隅と比較して、光源４０と光検出器５０に近づけて配置されている。具体的には、高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂは、縦方向および横方向の両方に関して筐体１３０の内側に配置されており、高さ規定部材７０Ｃ，７０Ｄは、縦方向に関しては筐体１３０の内側に配置されている。このため、本実施形態のセンサヘッド３０は、図２０の光学式エンコーダと比較して、縦寸法が、筐体１３０の二つの側壁の厚み分だけ低減され、横寸法が、筐体１３０の一つの側壁の厚み分だけ低減されている。

従って、センサヘッド３０の高さ寸法と縦および横寸法とが従来に比べて低減された超小型の光学式エンコーダが得られる。

さらに、半導体チップ状の光源４０と光検出器５０を用いることによりセンサヘッド３０のさらなる薄型化が図られている。

［第一変形例］
第一実施形態の第一変形例によるセンサヘッドを図１０に示す。この変形例のセンサヘッドは、高さ規定部材７０Ｃ，７０Ｄに代えて単一の高さ規定部材７０ＣＤを有している。高さ規定部材７０ＣＤは、母材が非導電性材料で構成されており、導電配線パターン６２Ｃ，６２Ｄに対向する面から当て付け面７２まで延びている二つの導電パターン７４を有している。これらの導電パターン７４は、高さ規定部材７０ＣＤの表面上を側面を経由して形成してもよいし、貫通孔を設けて内部に導電材料を充填するように形成してもよい。

図１０に示すように、導電配線パターン６２が形成された光透過材６０の面への投影において、高さ規定部材７０Ａは光透過材６０の対角線ＤＬ１上に位置し、高さ規定部材７０Ｂは光透過材６０の対角線ＤＬ２上に位置し、高さ規定部材７０ＣＤは光透過材６０の二本の対角線ＤＬ１，ＤＬ２上に位置している。言い換えれば、高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂ，７０ＣＤは、導電配線パターン６２が形成された光透過材６０の面への投影において、光透過材６０の一方の対角線ＤＬ１上の二個所と他方の対角線ＤＬ２上の二個所との合計四個所上に位置している。

本変形例のセンサヘッドでは、高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂが、縦方向および横方向の両方に関して筐体１３０の内側に配置されており、高さ規定部材７０ＣＤが、縦方向に関しては筐体１３０の内側に配置されている。このため、本変形例のセンサヘッドは、図２０の光学式エンコーダと比較して、縦寸法が、筐体１３０の二つの側壁の厚み分だけ低減され、横寸法が、筐体１３０の一つの側壁の厚み分だけ低減されている。従って、本変形例においても、センサヘッドの高さ寸法と縦および横寸法とが従来に比べて低減された超小型の光学式エンコーダが得られる。

［第二変形例］
第一実施形態の第二変形例によるセンサヘッドを図１１に示す。この変形例のセンサヘッドは、高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂに代えて単一の高さ規定部材７０ＡＢを有し、高さ規定部材７０Ｃ，７０Ｄに代えて単一の高さ規定部材７０ＣＤを有している。二つの高さ規定部材７０ＡＢ，７０ＣＤはいずれも、母材が非導電性材料で構成されており、導電配線パターン６２に対向する面から当て付け面７２まで延びている二つの導電パターン７４をそれぞれ有している。これらの導電パターン７４は、高さ規定部材７０ＡＢ，７０ＣＤの表面上を側面を経由して形成してもよいし、貫通孔を設けて内部に導電材料を充填するように形成してもよい。

図１１に示すように、二つの高さ規定部材７０ＡＢ，７０ＣＤはいずれも光透過材６０の二本の対角線ＤＬ１，ＤＬ２上に位置している。言い換えれば、高さ規定部材７０ＡＢ，７０ＣＤは、導電配線パターン６２が形成された光透過材６０の面への投影において、光透過材６０の一方の対角線ＤＬ１上の二個所と他方の対角線ＤＬ２上の二個所との合計四個所上に位置している。

本変形例のセンサヘッドでは、高さ規定部材７０ＡＢ，７０ＣＤがいずれも縦方向に関して筐体１３０の内側に配置されている。このため、本変形例のセンサヘッドは、図２０の光学式エンコーダと比較して、縦寸法が、筐体１３０の二つの側壁の厚み分だけ低減されている。従って、センサヘッドの高さ寸法と縦寸法とが従来に比べて低減された超小型の光学式エンコーダが得られる。本実施形態では、特にスケール２０の移動方向に平行なセンサヘッド３０の縦寸法が良好に低減されている。

なお、本実施形態およびその変形例の各構成は、当然、各種の変形や変更が施されてもよい。

光源４０と光検出器５０の個数はそれぞれ一つに限らず多数であってもよい。スケール２０の格子パターン２４も一種類に限らず多種類であってもよい。

光検出器５０は、ＰＤアレイ５２のみならず他にアナログ信号をデジタル信号に変換する回路や、内挿分割回路、光源４０のドライバーなどを搭載していてもよい。

樹脂８０は透明樹脂や黒樹脂など用途に応じた材料が使用されてよい。また樹脂８０は、例えば、熱伝導性が高い樹脂や熱伝導性が高い材料を添加した樹脂で構成されていてもよい。これにより、光源４０や光検出器５０が発する熱が良好に拡散され、光源４０や光検出器５０の熱による破損や特性変化が抑制されるため、安定したエンコーダ信号が得られる。

光透過材６０に形成される導電配線パターン６２は遮光性のあるクロムやアルミなどで構成され、導電配線としての機能に加えて、エンコーダ信号成分に不要な光を遮光する遮光パターンの機能が持たされてもよい。

＜第二実施形態＞
本発明の第二実施形態による光学式エンコーダのセンサヘッドを図１２〜図１４に示す。図１２〜図１４に示すセンサヘッドは、図１〜図３に示したセンサヘッドに代えて使用可能である。図１２〜図１４において、図１〜図３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。

本実施形態のセンサヘッド３０の構成は、第一実施形態とほぼ同様であり、光透過材６０の形状および高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄの配置が第一実施形態と相違している。

図１２と図１３に示すように、本実施形態のセンサヘッド３０は、第一実施形態と同様に、一つの光源４０と、一つの光検出器５０と、平行平板状の光透過材６０と、四つの高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄとを有している。光透過材６０は、一つの面に、五つの導電配線パターン６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄ，６２Ｅを備えている。高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄはいずれも導電性を有している。

図１３に示すように、導電配線パターン６２が形成された光透過材６０の面への投影において、高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄはそれぞれ光透過材６０の四隅に位置しており、二つの高さ規定部材７０Ａ，７０Ｃは光透過材６０の対角線ＤＬ１上に位置し、二つの高さ規定部材７０Ｂ，７０Ｄは光透過材６０の対角線ＤＬ２上に位置している。

光透過材６０は、光源４０と光検出器５０の全体の幅とほぼ等しい横寸法を有している。高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂは光源４０の縦方向に位置している。高さ規定部材７０Ｃ，７０Ｄはいずれも光検出器５０の縦方向に位置している。高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂは、それぞれ、横方向に関して、高さ規定部材７０Ｄ，７０Ｃと整列している。また、高さ規定部材７０Ａ，７０Ｄは、それぞれ、縦方向に関して、高さ規定部材７０Ｂ，７０Ｃと整列している。光源４０と光検出器５０では、光検出器５０の方が縦寸法が長い。従って、光透過材６０は、光検出器５０の縦寸法に二つ分の高さ規定部材７０の縦寸法を加えた寸法にほぼ等しい縦寸法を有している。

本実施形態の光学式エンコーダ１０においても、例えば図１３から分かるように、第一実施形態と同様に、センサヘッド３０の高さ寸法は、光透過材６０とこれに取り付けられる直方体または立方体で構成された高さ規定部材７０とによって決まる。このため、本実施形態のセンサヘッド３０は、図２０のセンサヘッド１２０とは異なり、箱状の筐体１３０の底面部に対応する部材を有していない。従って、本実施形態のセンサヘッド３０は、図２０の光学式エンコーダと比較して、高さ寸法が、箱状の筐体１３０の底面部の厚み分だけ確実に低減されている。

また、図１５に示されるように、本実施形態のセンサヘッド３０では、高さ規定部材７０が、筐体１３０の四隅と比較して、光源４０と光検出器５０に近づけて配置されている。具体的には、高さ規定部材７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄはいずれも、横方向に関して筐体１３０の内側に配置されている。このため、本実施形態のセンサヘッド３０は、図２０の光学式エンコーダと比較して、横寸法が、筐体１３０の二つの側壁の厚み分だけ低減されている。

従って、センサヘッド３０の高さ寸法と横寸法とが従来に比べて低減された超小型の光学式エンコーダが得られる。本実施形態では、特にスケール２０の移動方向に垂直なセンサヘッド３０の横寸法が良好に低減されている。

［変形例］
第二実施形態の変形例によるセンサヘッドを図１６に示す。この変形例のセンサヘッドは、高さ規定部材７０Ａ，７０Ｄに代えて単一の高さ規定部材７０ＡＤを有し、高さ規定部材７０Ｃ，７０Ｂに代えて単一の高さ規定部材７０ＢＣを有している。二つの高さ規定部材７０ＡＤ，７０ＢＣはいずれも、母材が非導電性材料で構成されており、導電配線パターン６２に対向する面から当て付け面７２まで延びている二つの導電パターン７４を有している。これらの導電パターン７４は、高さ規定部材７０ＡＤ，７０ＢＣの表面上を側面を経由して形成してもよいし、貫通孔を設けて内部に導電材料を充填するように形成してもよい。

図１６に示すように、二つの高さ規定部材７０ＡＤ，７０ＢＣはいずれも光透過材６０の二本の対角線ＤＬ１，ＤＬ２上に位置している。言い換えれば、高さ規定部材７０ＡＤ，７０ＢＣは、導電配線パターン６２が形成された光透過材６０の面への投影において、光透過材６０の一方の対角線ＤＬ１上の二個所と他方の対角線ＤＬ２上の二個所との合計四個所上に位置している。

本変形例のセンサヘッドでは、高さ規定部材７０ＡＤ，７０ＢＣがいずれも横方向に関して筐体１３０の内側に配置されている。このため、本変形例のセンサヘッドは、図２０の光学式エンコーダと比較して、横寸法が、筐体１３０の二つの側壁の厚み分だけ低減されている。従って、センサヘッドの高さ寸法と横寸法とが従来に比べて低減された超小型の光学式エンコーダが得られる。

本実施形態およびその変形例の各構成は、第一実施形態と同様な各種の変形や変更が施されてもよい。

＜第三実施形態＞
本発明の第三実施形態による光学式エンコーダのセンサヘッドを図１７に示す。図１７に示すセンサヘッドは、図１〜図３に示したセンサヘッドに代えて使用可能である。

本実施形態のセンサヘッドでは、図１７に示すように、光透過材６０と光源４０との接合面と反対側の光源４０の面と光透過材６０の導電配線パターン６２とが導電性フィルム４４によって電気的に接続されている。導電性フィルム４４は、例えば、アルミニウムやクロムや金などの金属薄膜または一般的な導電性金属酸化物であるＩＴＯ薄膜などを表面に有するプラスチック材などで構成されてよいが、導電性を有するフィルムであればよく、これに限るものではない。導電性フィルム４４を除いたセンサヘッドの構造、作製方法、センサヘッド３０とスケール２０の取り付けについては、前述した第一実施形態と同様なので説明を省略する。導電性フィルム４４の厚みは０．１ｍｍ程度が可能なので、可撓性を有しており、従って導電ワイヤ４２のような突き出し構造にはならず、導電ワイヤ４２を使用した第一実施形態と第二実施形態よりもさらに薄型化された高分解能な光学式エンコーダを得ることが可能となる。

本実施形態の各構成は、第一実施形態と同様な各種の変形や変更が施されてもよい。

＜第四実施形態＞
本発明の第四実施形態による光学式エンコーダのセンサヘッドを図１８に示す。図１８に示すセンサヘッドは、図１〜図３に示したセンサヘッドに代えて使用可能である。

本実施形態では、図１８に示すように、光透過材６０と光源４０との接合面と反対側の光源４０の面と、光透過材６０と光検出器５０との接合面と反対側の光検出器５０の面とが導電性フィルム４４によって電気的に接続されており、グランド電位が光検出器５０から光源４０に供給される。導電性フィルム４４は、例えば、アルミニウムやクロムや金などの金属薄膜または一般的な導電性金属酸化物であるＩＴＯ薄膜などを表面に有するプラスチック材などで構成されてよいが、導電性を有するフィルムであればよく、これに限るものではない。導電性フィルム４４を除いたセンサヘッドの構造、作製方法、センサヘッド３０とスケール２０の取り付けについては、前述した第一実施形態と同様なので説明を省略する。導電性フィルム４４の厚みは０．１ｍｍ程度が可能なので、可撓性を有しており、従って導電ワイヤ４２のような突き出し構造にはならず、導電ワイヤ４２を使用した第一実施形態と第二実施形態よりもさらに薄型化された高分解能な光学式エンコーダを得ることが可能となる。さらに、導電性フィルム４４が曲げられることなくほぼ平面状態で保持されるので、環境変化による断線などが発生しづらく信頼性が高い高分解能な光学式エンコーダを得ることが可能となる。

本実施形態の各構成は、第一実施形態と同様な各種の変形や変更が施されてもよい。

＜第五実施形態＞
本発明の第五実施形態による光学式エンコーダのセンサヘッドを図１９に示す。図１９に示すセンサヘッドは、図１〜図３に示したセンサヘッドに代えて使用可能である。

本実施形態では、光透過材６０が、光源４０に対向する領域に光源スリット６６を有している。光源スリット６６は、スケール２０の移動方向沿って一定の間隔を置いて並んだ複数の光学的開口（光学的な周期構造）で構成されている。例えば、光源スリット６６は、導電配線パターン６２と同じ材料から作られ、導電配線パターン６２が形成された光透過材６０の面に形成されている。これにより、光源スリット６６は、導電配線パターン６２を形成する際に、導電配線パターン６２と一緒に形成され得る。さらに、光源スリット６６を、クロムやアルミニウムなどの遮光性と導電性とを有する金属で構成すると、導電配線パターン６２と兼用可能である。図１９では、導電配線パターン６２Ｅ’が光源スリット６６を有している。一方、光源スリット６６は、導電配線パターン６２の材料と異なる、黒樹脂などで構成されてもかまわない。

回折理論によると、光源４０上の光源スリット６６のピッチをＰｓｌｉｔとし、光源スリット６６面から格子パターン２４が形成されたスケール２０の面までの距離をＺ１、格子パターン２４が形成されたスケール２０の面から光検出器５０のＰＤアレイ５２面までの距離をＺ２とし、スケール２０の格子パターン２４のピッチをｐとすると、（３）式を満たす関係にあるときに、スケール２０の格子パターン２４と相似の明暗であるタルボットイメージがＰＤアレイ５２上に生成される。

Ｐｓｌｉｔ＝ｐ×（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ２ …（３）
ここでＺ１＝Ｚ２＝Ｚとすると（４）式となる。

Ｐｓｌｉｔ＝２ｐ …（４）
従って、格子パターン２４が形成されたスケール２０の面と光透過材６０のスケール側の面とを平行に配置し、（４）を満たす光源スリット６６のピッチで、（２）式を満たすように、光源４０の光出射面および光検出器５０の光検出面と格子パターン２４が形成されたスケール２０の面との間隔を調整することにより良好なエンコーダ信号を得ることができる。

これ以外のセンサヘッドの構造、製作方法、センサヘッド３０とスケール２０の取り付けについては、前述した第一実施形態と同様なので説明を省略する。

本実施形態では、第一実施形態と同様なセンサヘッド３０の小型化が可能であるとともに、光源４０は光出射口が点構造である必要がないので、光源４０の選択自由度が広がり、安価な光源の使用が可能となる。従って安価で高分解能な光学式エンコーダを得ることができる。

本実施形態の各構成は、第一実施形態と同様な各種の変形や変更が施されてもよい。

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。

上述した実施形態では、光検出器５０に電力を供給するための電源配線と光源４０に電流を供給するための光源電流配線とがそれぞれ別々の導電配線パターン６２Ａ,６２Ｅで構成されているが、これらは一体化されて電源配線と光源電流配線に兼用されてもよい。

本発明の第一実施形態による光学式エンコーダの斜視図である。 図１に示したセンサヘッドの平面図である。 図２に示したセンサヘッドの部分断面図である。 図１に示したセンサヘッドの製造方法の最初の工程を示している。 図１に示したセンサヘッドの製造方法の図４に続く工程を示している。 図１に示したセンサヘッドの製造方法の図５に続く工程を示している。 図１に示したセンサヘッドの製造方法の図６に続く最後の工程を示している。 図１に示した光学式エンコーダの部分断面図である。 図１に示したセンサヘッドにおける光源と光検出器と高さ規定部材の配置関係を従来の光学式エンコーダのセンサヘッドの筐体と比較して示している。 第一実施形態の第一変形例によるセンサヘッドにおける光源と光検出器と高さ規定部材の配置関係を従来の光学式エンコーダのセンサヘッドの筐体と比較して示している。 第一実施形態の第二変形例によるセンサヘッドにおける光源と光検出器と高さ規定部材の配置関係を従来の光学式エンコーダのセンサヘッドの筐体と比較して示している。 本発明の第二実施形態による光学式エンコーダの斜視図である。 図１２に示したセンサヘッドの平面図である。 図１３に示したセンサヘッドの部分断面図である。 図１２に示したセンサヘッドにおける光源と光検出器と高さ規定部材の配置関係を従来の光学式エンコーダのセンサヘッドの筐体と比較して示している。 第二実施形態の変形例によるセンサヘッドにおける光源と光検出器と高さ規定部材の配置関係を従来の光学式エンコーダのセンサヘッドの筐体と比較して示している。 本発明の第三実施形態による光学式エンコーダのセンサヘッドの部分断面図である。 本発明の第四実施形態による光学式エンコーダのセンサヘッドの部分断面図である。 本発明の第五実施形態による光学式エンコーダのセンサヘッドの平面図である。 特許第３９６３８８５号明細書に開示された従来の光学式エンコーダを示している。

符号の説明

１０…光学式エンコーダ、２０…スケール、２４…格子パターン、３０…センサヘッド、４０…光源、４２…導電ワイヤ、４４…導電性フィルム、５０…光検出器、５２…ＰＤアレイ、６０，６０’…光透過材、６２，６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄ，６２Ｅ，６２Ｅ’…導電配線パターン、６４…導電材、６６…光源スリット、６８…切断線、７０，７０’，７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄ，７０ＡＢ，７０ＡＤ，７０ＢＣ，７０ＣＤ…高さ規定部材、７２…当て付け面、７４…導電パターン、８０…樹脂、９０…取り付け基板、ＤＬ１，ＤＬ２…対角線、１１０…スケール、１２０…センサヘッド、１２１…光源、１２３…光検出器、１２５…半導体基板、１２７…光源スリット、１２９…蓋部材、１３０…筐体。

Claims (14)

1. センサヘッドと、
   前記センサヘッドに対して変位し得るスケールとから構成された光学式エンコーダであり、
   前記センサヘッドは、平行平板状の光透過材と、光源と、光検出器と、複数の高さ規定部材とを有しており、
   前記光透過材は、一つの面に複数の導電配線パターンを備えており、
   前記光源と前記光検出器と前記高さ規定部材は前記導電配線パターンに電気的に接続されて前記光透過材に固定されており、
   前記高さ規定部材は互いに離れて配置されており、前記高さ規定部材のおのおのは前記センサヘッドを取り付けるための平坦な当て付け面を有し、前記高さ規定部材の前記当て付け面から前記光透過材までの距離が均一である、光学式エンコーダ。
2. 前記光透過材は四角形の輪郭を有しており、前記高さ規定部材は、前記導電配線パターンが形成された前記光透過材の面への投影において、前記光透過材の一方の対角線上の二個所と他方の対角線上の二個所との合計四個所に位置している、請求項１に記載の光学式エンコーダ。
3. 前記導電配線パターンの個数は少なくとも四つである、請求項１に記載の光学式エンコーダ。
4. 前記導電配線パターンは、それぞれ、前記光検出器に電力を供給するための電源配線と、接地のためのグランド配線と、二つのエンコーダ信号を出力するための出力配線とを構成している、請求項３に記載の光学式エンコーダ。
5. 前記導電配線パターンの個数は五つであり、前記光検出器は、前記光源を駆動するための電流源回路を内蔵しており、この電流源回路は前記導電配線パターンの一つを介して前記光源に電気的に接続されており、前記光検出器は、前記導電配線パターンの残り四つを介して前記高さ規定部材に電気的に接続されている、請求項３に記載の光学式エンコーダ。
6. 前記高さ規定部材の個数は四つであり、前記高さ規定部材はいずれも導電性を有している、請求項３に記載の光学式エンコーダ。
7. 前記高さ規定部材の個数は三つであり、前記高さ規定部材の一つが、前記導電配線パターンに対向する面から前記当て付け面まで延びている少なくとも二つの導電パターンを有し、前記高さ規定部材の残りが導電性を有している、請求項３に記載の光学式エンコーダ。
8. 前記高さ規定部材の個数は二つであり、前記高さ規定部材のおのおのが、前記導電配線パターンに対向する面から前記当て付け面まで延びている少なくとも二つの導電パターンを有している、請求項３に記載の光学式エンコーダ。
9. 前記光透過材と前記光源との接合面の反対側の前記光源の面が導電性フィルムを介して前記導電配線パターンの一つに電気的に接続されている、請求項１に記載の光式エンコーダ。
10. 前記光透過材と前記光源との接合面の反対側の前記光源の面が導電性フィルムを介して前記光透過材と前記光検出器との接合面の反対側の前記光検出器の面に電気的に接続されている、請求項１に記載の光式エンコーダ。
11. 前記光源と前記光検出器とが樹脂で覆われている、請求項１に記載の光学式エンコーダ。
12. 前記光透過材は、前記光源に対向する領域に光源スリットを有している、請求項１に記載の光式エンコーダ。
13. 前記光源スリットは、前記導電配線パターンと同じ材料から作られている、請求項１２に記載の光式エンコーダ。
14. 前記スケールは、前記スケールの移動方向に一定のピッチで光学的特性が周期的に変化する格子パターンを有し、前記スケールに対向する前記光透過材の面は、前記格子パターンが形成された前記スケールの面に対して平行である、請求項１〜１３のいずれかひとつに記載の光学式エンコーダ。

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