光学式エンコーダ
【課題】検出ヘッド内部の迷光等の影響を受けず、かつ信頼性を確保して小型化・薄型化を図ること。
【解決手段】光源４とスケール９との間の光路上に配置される第１の光透過部５０と、スケール９と光検出器６との間の光路上に配置される第２の光透過部７０と、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とを繋ぐ接続透過部２００とを有する光透過部材５を備え、第１の光透過部５０の表面と第２の光透過部７０の表面との間に介在し、エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光を低減する迷光低減機能要素を備えた。
【解決手段】光源４とスケール９との間の光路上に配置される第１の光透過部５０と、スケール９と光検出器６との間の光路上に配置される第２の光透過部７０と、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とを繋ぐ接続透過部２００とを有する光透過部材５を備え、第１の光透過部５０の表面と第２の光透過部７０の表面との間に介在し、エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光を低減する迷光低減機能要素を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被変位検出体の変位を検出する光学式変位センサ等に用いられる光学式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンコーダの小型化・薄型化が進んできている。このエンコーダの普及品では、一辺が例えば１０ｍｍ〜２０ｍｍに形成された検出ヘッドのサイズに対して数ｍｍ角のサイズのものも市場に出始めてきている。こうした小型化の流れの中でエンコーダは、パッケージングにおいても小型化を意識した形状・形態となっていくと考えられる。例えば、従来の金属やセラミクスを用いたパッケージは、より厚みを薄くし、さらに従来のパッケージを樹脂モールド等のパッケージング技術を用いたもので置き換えるようになっていくと考えられる。
【０００３】
検出ヘッドのサイズが小さくなると、当該検出ヘッド内部に設けられている発光部と受光部との間隔も狭くなる。そのため、検出ヘッド内部での迷光などによって、発光部から出射されて検出ヘッド内部を経由して受光部へ入る光の検出光量に占める割合が大きくなる可能性が高くなる。
【０００４】
エンコーダにおける検出ヘッド上部は、素子保護の為にガラス板で覆ったり、透明樹脂で封止したりすることが多い。このような場合、光源から出た光は、検出ヘッド上部の内面で反射して受光部へ入る可能性がある。特に、検出ヘッドを小さくするために検出ヘッドの厚みを薄くすると、当該検出ヘッド内面での反射角が大きくなる。このため、検出ヘッド内面での反射角が全反射角を超えると、受光部へ入る光量が急激に増える。
又、検出ヘッド内部を多重反射するなどした光についても、小型化により従来よりも多くの光量が受光部へ入り易くなる。
【０００５】
これらの検出ヘッド内部の反射光等の迷光は、位置検出信号（エンコーダ信号）を生成する際のノイズ成分となる。迷光によるノイズ成分は、位置検出信号のＳＮ比を極端に劣化させる原因となりうる。位置検出信号の振幅等の出力レベルを保つために所定の信号増幅を行うと、大きなノイズ成分の影響で位置検出信号のレベルが飽和してしまう可能性がある。
もし、ノイズ成分による位置検出信号の飽和を避けようとすると、ノイズ成分を除去する処理を余分に追加する必要が生じたり、ノイズ成分除去処理に起因する信号劣化の対策をしなければならなくなる可能性も出てくる。
【０００６】
このような小型化・薄型化を意識した光学式エンコーダの従来技術の一例としては、例えば特許文献１に開示されている光学式エンコーダが挙げられる。この特許文献１は、図１６に示すように発光素子としてのＬＥＤ４０２と光電変換素子アレイとしての受光素子アレイ４０３、４０４とをヘッド側に有する反射型の光学式エンコーダを開示する。この光学式エンコーダは、アブソリュートパターン１００及びインクリメンタルパターン１０１と対向するようにセンサ光学部１１４を設け、ＬＥＤ４０２の光を各インクリメンタルパターン１００、１０１で反射して受光素子アレイ４０３、４０４により受光する。この光学式エンコーダは、ＬＥＤ４０２と受光素子アレイ４０３、４０４が透明光学部材に覆われ、この透明光学部材がそのままパッケージング部材となっている。
【０００７】
このような特許文献１では、以下のような条件が加えられている。即ち、発光部から受光面の一番遠いところまでの距離をＤ、発光面と受光面から透明光学部材表面までの距離をＧ、透明光学部材表面内部で反射率が１０％となる角度をθとすると、以下の式が成り立つように厚みＧを設定する。
Ｇ≧Ｄ／（２・ｔａｎθ）
検出ヘッドに発光素子と受光素子とを透明部材によりモールドするなどして小型化を図った際に、保護部材である透明光学部材の厚みを薄くすると、発光素子から出射された光は、透明光学部材内面で反射し、この反射光が受光部に入る。このため、位置検出信号（エンコーダ信号）を生成する際のノイズ成分となり、位置検出信号のＳＮ比が劣化してしまう。しかるに、特許文献１は、透明光学部材の厚みを一定値以上に厚くして透明光学部材への内部からの反射率を１０％以下となるようにしている。
このように特許文献１に開示されている光学式エンコーダは、透明光学部材の厚みを大きく取ることで、透明光学部材内部での反射光の問題を回避しようとしている。
【特許文献１】特開２００５−１５６５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光学式エンコーダの小型化・薄型化に合わせて検出ヘッドのサイズが小さくなると、検出ヘッド内部の発光部と受光部の間隔が狭くなる。このため、検出ヘッド内部での迷光などによって、発光部から出射されてヘッド内部を経由して受光部に入射する光の検出光量に占める割合が大きくなる可能性が高くなる。
【０００９】
光学式エンコーダの検出ヘッド上部は、素子保護の為にガラス板で覆ったり、透明樹脂で封止したりすることが多い。このような場合、光源から出射された光は、検出ヘッド上部の内面で反射して受光部へ入射する可能性がある。特に、検出ヘッドを小さくするために当該検出ヘッドの厚みを薄くすると、検出ヘッド内面での反射角が大きくなり、この反射角が全反射角を超えると、受光部に入射する光量が急激に増える。
又、検出ヘッド内部を多重反射するなどした光についても、小型化により従来よりも多くの光量が受光部へ入り易くなる。
【００１０】
これら検出ヘッド内部の反射光等の迷光は、位置検出信号を生成する際のノイズ成分となる。迷光によるノイズ成分は、位置検出信号のＳＮ比を極端に劣化させる原因と成り得る。位置検出信号の振幅等の出力レベルを保つために所定の信号増幅を行うと、大きなノイズ成分の影響で位置検出信号のレベルが飽和してしまう可能性がある。
もし、ノイズ成分による信号飽和を避けようとすると、ノイズ成分を除去する処理を余分に追加する必要が生じたり、ノイズ成分除去処理に起因する信号劣化の対策をしなければならなくなる可能性も出てくる。
【００１１】
特許文献１に開示されている光学式エンコーダでは、透明光学部材の厚みを厚く取ることで、光学ヘッド内部の反射光の問題を回避しようとしている。しかしながら、検出ヘッドのサイズに対する樹脂の厚みの比を一定以上にするため、薄型化を満足しない可能性がある。また、透明光学部材の厚みを厚く取ることで、検出系のワーキングディスタンスを大きく取る必要が生じ、設計の自由度が損なわれる可能性がでてくる。
【００１２】
さらに、検出ヘッドのパッケージングにモールド樹脂を採用した場合、モールド樹脂では温度変化による熱膨張・収縮や硬度の大きな変化がある。このため、樹脂厚を大きくすることで例えば図１７に示すようにワイヤ配線５０６の断線や、樹脂クラックＧ１、ガラス割れＧ２等の発生などの問題が生じやすくなる。なお、５００は基板、５０１は受光素子、５０２はＬＥＤ光源、５０３はガラス部材、５０４は電極、５０５は樹脂、５０６はワイヤ配線、５０７はスケール、５０８は第１格子、５０９は第２格子、５１０は第３格子である。
【００１３】
ワイヤ配線５０６の断線や、樹脂クラックＧ１、ガラス割れＧ２等が発生するため、検出ヘッドのパッケージングにモールド樹脂を採用した場合、信頼性を確保することが困難になったり、設計・製造上の対策にコストがかかったりするようになる可能性が出てくる。
【００１４】
本発明の目的は、検出ヘッド内部の迷光等の影響を受けず、かつ信頼性を確保して小型化・薄型化を図ることができる光学式エンコーダを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の主要な局面に係る光学式エンコーダは、被変位検出体としての一方の部材に取り付けられたスケールと、一方の部材に対して相対移動する他方の部材に取り付けられ、かつスケールに対向して配置された検出ヘッドとを有し、エンコーダ信号を発生する光学式エンコーダにおいて、スケールは、相対移動する方向に所定の光学パタンが設けられ、検出ヘッドは、スケールに所定の光を照射する発光部と、発光部からスケールに照射され、光学パタンを経た光を受光する受光面を有し、当該受光面上に形成される光分布を検出する光検出部と、発光部とスケールとの間の光路上に配置される第１の光透過部分と、スケールと光検出部との間の光路上に配置される第２の光透過部分と、第１の光透過部分と第２の光透過部分とを繋ぐ接続透過部分とを有する光透過部材と、第１の光透過部分の表面と第２の光透過部分の表面との間に介在し、エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光を低減する迷光低減機能要素とを備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、検出ヘッド内部の迷光等の影響を受けず、かつ信頼性を確保して小型化・薄型化を図ることができる光学式エンコーダを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１Ａは光学式エンコーダの概略構成図を示し、図１Ｂは同エンコーダにおけるスケールの移動方向の断面構成図を示す。この光学式エンコーダ１は、反射型である。なお、以下の実施の形態及びその各変形例では、反射型のエンコーダの例について説明するが、これに限られるものでない。
【００１８】
光学式エンコーダ１は、センサヘッド２と、このセンサヘッド２に対向して配置されたスケール９とから構成される。センサヘッド２は、配線基板３を備え、この配線基板３上に光源４と光検出器６と光透過部材５と樹脂材８とを配置している。光検出器６は、受光素子アレイから成る受光領域６１を内部に有する。なお、スケール９は、図１Ａにおいてｙ方向の長さが図１Ｂに示すスケール９のｙ方向の長さに比較して短くなっているが、これは図１Ａにおいてセンサヘッド２側の構成を分かり易くするためである。
【００１９】
光源４は、面実装用のチップタイプのモールドＬＥＤであり、その上面は平坦に形成されている。
光源４の出射面と光検出器６の受光素子アレイの受光面とは、図中Ｚ方向に高さ位置がほぼ揃っている。これら光源４の出射面と光検出器６の受光素子アレイの受光面とには、光透過部材５が配線基板３にほぼ平行に光透過性接着剤により貼り付けられている。
光透過部材５における光源４の出射面に対向する部分が第１の光透過部５０であり、光検出器６における受光素子アレイに対向する部分が第２の光透過部７０である。第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とは、光透過性の部材から成る接続透過部２００を介して接続されている。この接続透過部２００は、第１の光透過部５０及び第２の光透過部７０と同一部材から成る。
【００２０】
光透過部材５は、ガラスの平行平板から加工して切り出した部材を用いており、上面と下面が平坦な研磨面に形成されている。
光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とは、それぞれ直方体の形状に形成されている。又、接続透過部２００は、第１の光透過部５０及び第２の光透過部７０よりも図中Ｘ方向に細い幅に形成されている。
【００２１】
光検出器６における受光素子アレイの受光面は、光源４の出射面よりも僅かにＺ方向に高い位置に設けられている。光透過部材５は、光検出器６の受光素子アレイの面に合わせて配線基板３に平行に貼り付け、かつ光透過部材５と光源４の出射面との隙間に光透過性接着剤が埋められている。
このように光源４の出射面と光検出器６の受光素子アレイの受光面との若干の段差によって、配線基板３に平行に光透過部材５を貼り付けたときにできる隙間は、光透過性接着剤を用いて埋めても良いし、ほぼ平行度が保てて光学的に問題無ければ、隙間が無いように段差の分だけ傾斜させて光透過部材５を貼り付けてもよい。
【００２２】
光透過部材５における第１の光透過部５０の光源４に対向する面には、第１格子６０１が形成されている。この第１格子６０１は、ｘ方向にピッチｐ１を有する光学パタンである。なお、第１格子６０１に必要な領域以外の部分には遮光パタンを形成してもよい。
【００２３】
光透過部材５の側面に特に光学的な処理を施していなくても良いが、本実施の形態は、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との両方の部分の側面に迷光低減機能要素を設ける。この迷光低減機能要素は、例えば光を遮断又は減衰させたり、透過光を散乱させたり、光検出器６側へとは異なる特定の方向へ光を逸らす等の機能を有する。迷光低減機能を具体的に実現する処理としては、例えば、遮光膜形成、回折格子パタン形成、磨りガラス処理、ＡＲコート処理等が挙げられる。
【００２４】
光透過部材５は、スケール９に対向する上面と、光源４と接する底面部分と、光検出器６と接する底面部分とを除いてその他の部分がセンサヘッド保護用の樹脂材８により囲まれている。なお、光透過部材５、樹脂材８及び光透過性の接着剤の材質の熱的特性は、光検出器６を構成するＳｉ系半導体材料に近い特性を有することが望ましい。また、図１Ｂにおいて、光透過部材５の第１の光透過部５０が光源４から光検出器６へ若干はみ出して取り付けられているが、光透過性の樹脂材８を形成する際にクラック等が発生しないように、はみ出し量が抑えられている。接続部２００の断面も同様にクラック等が発生しないように断面積を小さく抑えている。
スケール９は、センサヘッド２と相対的に変位する光学パタンである第２格子９１を有する。この第２格子９１は、スケール９とセンサヘッド２とが相対的に移動する方向に所定のピッチｐ２の光学パタンに形成されている。
【００２５】
次に光学系の配置について説明する。
光透過部材５上の第１格子６０１からスケール９上の第２格子９１までの光学的距離をｚ１、スケール９上の第２格子９１から光検出器６の受光面までの光学距離をｚ２、光源４の発光波長をλとすると、
１/ｚ１＋１/ｚ２＝λ/（ｎｐ２２） …（１）
を満足する自然数ｎが存在するように、光源４とスケール９と光検出器６とを配置する。これにより、スケール９の回折拡大イメージパタンが光検出器６の受光素子上に転写されたイメージを現すことができる。そして、所定の位置に光検出器６を配置すれば、スケール９の変位量を検出可能であることが知られている。
【００２６】
但し、上記式（１）において、第１格子６０１と第２格子９１との間のｉ（自然数）番目の物質、又は空間の屈折率ｎｉ、厚みｔｉとし、第２格子９１と光検出器６の受光面との間のｊ（自然数）番目の物質、又は空間の屈折率ｎｊ、厚みｔｊとし、第１格子６０１と第２格子９１との間の光学距離をｚ１＝Σｔｉ／ｎｉ、第２格子９１と光検出器６の受光面との間の光学距離をｚ２＝Σｔｊ／ｎｊと定義する。
【００２７】
本光学式エンコーダの構成では、小型化のためにｎ＝１を満たすｚ１とｚ２とを採用している。上記式（１）を満たすｚ１とｚ２の組み合わせにおいて、値の最も小さいものとしている。さらに、上記式（１）において、ｚ１＝ｚ２を満たす配置構成を取っている。このとき、拡大倍率は２倍となり、ｐ１＝ｐ３＝２ｐ２となる。
【００２８】
次に、光検出器６の構成について説明する。
第２図は光検出器６上に形成されている受光素子アレイから成る受光領域６１の拡大図を示す。光検出器６は、矩形状の４つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４を組み合わせて１組とし、この組み合わせを複数組配置して成る。これら複数組のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４の出力は、４つ置きの各ＰＤ出力を共通結合して４つの電気信号の出力を得るようになっている。４つの電気信号は、４つの電極パッドＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２から出力される。接続された４つ置きのＰＤのピッチは、ｐ３であり、隣り合うＰＤとはｐ３／４だけずれて配置されている。
【００２９】
次に、光学的な配置について説明する。
図３において、光源４の光出射部から出射された光は、光透過部材５内を伝播し、当該光透過部材５と外界（一般に空気）との界面上の点Ｃから出射される。この外界との界面上の点Ｃにおいて、外界の媒質の屈折率をｎ１、光透過部材５の屈折率をｎ２、樹脂材８の屈折率をｎ３、外界に伝播する屈折光の屈折角度θ１、界面の法線となす角度をθ２、ｎ３＝ｎ２、とする。
【００３０】
このとき、スネルの法則により、以下の式が成り立つ。なお、一般的な説明を行っているが、本実施の形態では、外界の媒質を空気と想定しており、ｎ１＝１である。
ｎ１・sinθ１＝ｎ２・sinθ２ …（２）
光透過部材５は、光透過樹脂又はガラスなど光検出器６や図示しない信号処理回路等を構成するＳｉ半導体と熱的特性が同じか又は近い材質で構成されており、ｎ２＞ｎ１である。光ビームが光透過部材５の表面で全反射する臨界角度θｃとすると、次の式が成り立つ。
θｃ＝sin−１（ｎ１/ｎ２） …（３）
光源４の出射部内の任意の１点と光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１内の任意の１点を取り、各点の位置を変化させた場合、光源４の出射部内の１点から光検出器６の受光領域６１内の１点までの距離のスケールに平行な成分が取りうる最大値をＤ、最小値をｄとする。
光源４から光透過部材５の光が出射する表面までの厚さをＧ、光透過部材５の表面からスケール９の第２格子９１までの距離をＧ０、光透過部材５の表面から光検出器６までの厚さをＧ’とする。
このとき、本実施の形態は、次式を満足する構成となっている。
（Ｇ＋Ｇ’）＜Ｄ／tanθｃ …（４）
上記式（４）を満たすＤは、光透過部材５が広い領域に形成されていた場合、点Ｆ近傍において光源４から入射した光が全反射し、その反射光が光検出器６に直接入射するような光透過部材５の厚みである。
従来のように光透過部材５と光検出器６との間が連結された場合には、センサ内部の反射光が直接光検出器６の受光領域６１に入射し、図４Ａに示すように変位信号に占めるＤＣ成分が上昇する。
【００３１】
上記式（４）は、Ｇ＝Ｇ’でない場合を想定している。
【００３２】
Ｇ＝Ｇである場合、即ち、第５図に示す場合には、上記式（４）は、以下のように置き換えられる。
Ｇ＜（Ｄ／２）／tanθｃ …（５）
樹脂材８は、センサヘッド２内の部材の保護を主たる目的としたものである。この樹脂材８は、例えば光に対して透明なクリアモールド樹脂を用いている。従って、樹脂材８は、センサヘッド２内の部材の保護の観点からすると、当該センサヘッド２内部の電気配線部や電極の周囲のみを保護するようにしてもよい。又、樹脂材８は、場合によって全て除去してしまっても構わない。
【００３３】
樹脂材８は、光検出器６の電極３２及び電極ボンディングワイヤ３３を埋め込んでいる。本構成において、電極ボンディングワイヤ３３は、樹脂材８により埋め込まれる部材のうちで光透過部材５と樹脂材８とを除くと最も高い位置まで配置される部材であり、この最も高くにある部材が完全に樹脂材８で埋め込まれている。
本実施の形態においては、センサヘッド２内の光源４側に第１格子６０１を配置し、かつ光源４と受光領域６１を内部に有する光検出器６とを別体で配置する等しているが、光源４等の発光部と光検出器６等の受光部とを有する反射型のセンサヘッド２を構成するのであれば、どのような光学式エンコーダでも上記式（２）〜式（７）を適用することが可能であり、本実施の形態を含めた本発明の迷光防止の作用や効果を奏することができる。
【００３４】
樹脂材８は、光透過性の樹脂を用いているが、光透過性であれば色や素材を限定するものではない。また、樹脂材８は、受光素子アレイから成る受光領域６１を覆わず、光検出に影響を与えないのであれば、光透過性でなくてもよい。また、樹脂材８は、複数の素材を組み合わせたり、複数層にしても構わない。
光透過部材５の側面は、光透過部材５の側面から出て光検出器６の受光素子アレイへ到達する光を遮断、又は低減するような形状や、表面の微視的な形状である表面状態や側面形状と配置の組合せを併用してもよい。具体的に光透過部材５の側面は、光を発散させるような表面状態・表面形状としたり、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１から光を逸らすような表面形状と配置の組合せとしたりしてもよい。
【００３５】
光透過部材５の接続透過部２００は、光透過部材５の内部における第１の光透過部５０から第２の光透過部７０に向かって伝達する光の光量を低減するよう幅を狭く形成している。さらに、接続透過部２００は、光の伝達を低減するために、幅を狭くする方向を図１Ａ、図１Ｂに示すＺ方向に変えたり、又は湾曲部を持たせる等の形状に工夫を施す。又、光透過部材５は、光を遮断したり、減衰するために、第１の光透過部５０や第２の光透過部７０と別素材により形成したり、不純物を入れる等、伝達光量を減衰する材料を用いてもよい。光透過部材５は、当該光量低減のための方法を組み合わせても良い。
【００３６】
光透過部材５の形状の具体例について図６Ａ〜図６Ｄを参照して説明する。
図６Ａは上記図１Ａ及び図１Ｂに示す光透過部材５をスケール９側、すなわちＺ方向の上方から見た図を示し、図６Ｂ乃至図６Ｄは光透過部材５の変形例を示す。図６Ａに示す光透過部材５は、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間を１つの接続透過部２００により接続している。この接続透過部２００は、例えば板状で、かつＸ方向における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間の中間位置（中央部）に設けられ、Ｘ方向に狭く形成されている。
【００３７】
図６Ｂに示す光透過部材５は、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０と間の外周側の２カ所にそれぞれ第１の接続透過部２００ａと第２の接続透過部２００ｂとを接続している。これら第１と第２の接続透過部２００ａ、２００ｂは、それぞれ角度９０°の各屈曲部２００ｃ、２００ｄが設けられている。
このような光透過部材５であれば、Ｘ方向における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間の中間位置（中央部）における光の内部伝達を避け、かつ角度９０°の各屈曲部２００ｃ、２００ｄを設けることで光が内部伝達しにくくなり、さらに接続透過部２００を２カ所に設けることで光透過部材５の強度を向上させることができる。
【００３８】
一方、図６Ｃ及び図６ＤはＸ方向から見た光透過部材５の形状を示す。光透過部材５は、図６Ｃに示すように接続透過部２００のＺ方向の厚みを第１の光透過部５０及び第２の光透過部７０の厚みよりも薄く形成する。このような光透過部材５であれば、Ｘ方向における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間の中間位置（中央部）の上部に内部伝達する光を無くすことができる。
【００３９】
光透過部材５は、図６Ｄに示すように第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間のＺ方向における上部と下部との２カ所にそれぞれ上部接続透過部２００ｅ、下部接続透過部２００ｆを設ける。このような光透過部材５であれば、上部で光路が屈曲しているので、多重反射無しに上部を内部伝達する光が無く、かつＺ方向の上部と下部とに上部接続透過部２００ｅ、下部接続透過部２００ｆを２カ所に設けることで、光透過部材５の強度を向上させることができる。
【００４０】
本実施の形態では、上記式（４）を満足するようにセンサヘッド２の厚みを薄くしているが、必ずしも薄くなくても構わない。なお、センサヘッド２の厚みの薄型化は、迷光防止による副次的な効果である。
光学式エンコーダ１は、原理的に上記式（１）を満足するタイプである。センサヘッド２に光源４等の発光部と光検出器６とを有する構成で有れば、センサヘッド２内の迷光防止機能は、必ずしもエンコーダの検出原理には限定されない。例えば、光干渉を用いない、反射強度のみを検出するタイプや特定の次数の回折光のみを用いたタイプでもよい。
【００４１】
次に、上記の如く構成された光学式エンコーダ１の動作について説明する。
光学式エンコーダ１は、上記式（１）の条件を満たすような位置に光検出器６を配置されているので、発光部である光源４から出射された光がスケール９上の第２格子９１により反射又は回折され、この第２格子９１のパタンの拡大された明暗像が受光素子アレイから成る受光領域６１上に形成される。この受光素子アレイから成る受光領域６１上の拡大像パタンは、センサヘッド２とスケール９との相対移動に応じて移動し、この移動を光検出部６で検出する。
【００４２】
上記式（１）において、ｚ１＝ｚ２を満たす配置構成であることから受光素子アレイから成る受光領域６１上には、スケール９のピッチの２倍のピッチを持つ明暗の回折パタンが形成される。スケール９がセンサヘッド２に対して相対移動すると、図２に示す４つの電極パッドＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２から出力される電気信号は、互いに１/４周期だけ位相が異なる擬似正弦波信号となる。
【００４３】
センサヘッド２から出力される検出信号について図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明する。
図４Ａ及び図４Ｂは、縦軸を電圧とし、横軸を位置としている。光学式エンコーダ１のセンサヘッド２とスケール９とが一定の速度で相対的に移動している場合、横軸は時間と見なしても良い。
図４Ａは、互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの信号の内、互いに１８０°位相差の逆相となる２組の信号の差をとって得た擬似正弦波信号であるＡ相信号とＢ相信号を表す。同図に示す例では、迷光による検出信号の飽和の影響は出ていない。
図４Ｂは、互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの電極パッドＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２から出力される電気信号の１つの波形を表している。同図に示す例では、迷光が大きいためにＤＣ成分が大きくなり、そのため、検出信号が飽和している。
【００４４】
電流電圧変換後に検出信号に含まれるＤＣ成分や同相ノイズを除去したり、さらにゲインを掛けるために、センサヘッド２は、互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの信号の内、互いに逆相となる２組の信号の差をとり、２つの９０°位相差の擬似正弦波信号である、Ａ相信号とＢ相信号を得る。
【００４５】
この擬似正弦波信号をセンサヘッド２内部又は外部において２値化して変位検出する。または、擬似正弦波信号を内挿処理回路で信号処理し、さらに高分解能な変位量を検出できる。
【００４６】
図４Ｂに示すように飽和した信号を用いると、図４Ａに示すＡＢ相信号にも飽和の影響が現れ、正弦波からの歪みが大きくなる。特に、ＤＣ成分が極めて大きくなり、図４Ｂに示す信号が常に飽和した状態となると、図４Ａに示すＡＢ相信号の振幅が０となってしまう。
【００４７】
光透過部材５の側面の形状及び表面形状は、光透過部材５における第１の光透過部５０の側面から出射して第２の光透過部７０へ到達する光を遮断又は低減するようになっている。これにより、光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０の側面とを通過する光の光量は低減される。この結果として光透過部材５の側面を経由して光検出器６の受光素子アレイ６１の方向へ向かう光の光量は、低減される。すなわち、光透過部材５における第１の光透過部５０の表面又は第２の光透過部７０の表面は、迷光低減機能要素としての形状を備える。
【００４８】
具体的に、光源４の光出射部と光検出器６の受光部とは、共通の光透過性部材である光透過部材５に接しているものの、当該光透過部材５における接続透過部２００以外では内部を光が伝達出来ない。すなわち、光透過部材５における第１の光透過部５０の表面、又は第２の光透過部７０の表面、樹脂材８、又は空間が迷光低減機能要素として形成されている。これにより、光透過部材５の側面を経由して光検出器６の受光素子アレイ６１の方向へ向かう迷光の光量は、減少する。
又、光透過部材５における接続透過部２００は、光透過部材５における第１の光透過部５０や第２の光透過部７０に比べて図１Ａ、図１ＢにおけるＸ方向に細く形成されている。これにより、接続透過部２００も迷光低減機能要素となっている。
しかるに、迷光低減機能要素としての光透過部材５における第１の光透過部５０の上面内部で反射して光検出器６へ向かう迷光の光量は大幅に減少する。さらに、光透過部材５は、例えば上記図６Ｂ乃至図６Ｄに示すような形状に形成することが可能であり、これら光透過部材５の形状を含めて、光透過部材５における接続透過部２００の内部伝達光の光量を低減する対策を実施することで、光透過部材５の上面内部で反射したり、当該光透過部材５の内部を伝達して光検出器６へ向かう迷光の光量は大幅に減少させたりすることができる。
【００４９】
又、光源４の光出射部と光検出器６の受光部の高さ位置とが合っているので、光透過部材５における第１の光透過部５０の側面から出る光は、基本的に斜め上に向かう。斜め上方向に向かう光は、基本的には直接光検出器６の受光部へ向かない。
又、光透過部材５は、直方体の形状を有したガラスにより形成されており、屈折率は約１．５である。センサヘッド２の周囲は、屈折率１の大気など光透過部材５よりも屈折率の低い物質、又は空間となっている。この場合、第１の光透過部５０の側面のような平らな面から屈折率の低い物質又は空間へ出る光は、出射角が入射角よりも大きくなり、発散光となる。そのため、光透過部材５の側面から出て光検出器６の受光領域６１へ到達する光の光量は、センサヘッド２のスケール９側に光透過部材５又は他の光透過性部材が一体的に配置されている場合に比べて小さくなる。即ち、エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光が光検出器６へ入る量を低減することができる。
【００５０】
光透過性の樹脂材８の屈折率を光透過部材５の屈折率よりも小さくとれば、光透過部材５の側面に特に光学的な処理を必ずしも施していなくても上記作用を実現できる。光透過部材５の側面に遮光・散乱等の機能を追加することで、さら迷光低減機能要素の効果を向上させることができる。光透過性の樹脂材８の屈折率が光透過部材５の屈折率に近いか、大きい場合には、光透過部材５の側面に遮光・散乱等の機能を追加することが必要となる。
【００５１】
本実施の形態と従来技術とを対比すると、光透過部材がセンサヘッド２のスケール９側の面全体に拡がっており、その表面で反射した光が光検出器６上の受光領域６１に直接入射された場合を考えると、従来の光学式エンコーダでは、各相の信号が図４Ａに示すようにＤＣ成分レベルが増大し、各相の信号振幅がＤＣ成分の大きさに比べて相対的に小さくなる。そして、従来の光学式エンコーダでは、信号の飽和傾向が強くなり、実際に信号が飽和すると変位量検出に誤動作が生じる。また、従来の光学式エンコーダでは、実際に信号が飽和していなくても、ＤＣ成分レベルが大きいために信号増幅に制限が生じることで、検出したい擬似正弦波信号のレベルやそのＳＮ比が低下してしまう可能性がある。
【００５２】
これに対して本実施の形態によれば、光源４とスケール９との間の光路上に配置される第１の光透過部５０と、スケール９と光検出器６との間の光路上に配置される第２の光透過部７０と、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とを繋ぐ接続透過部２００とを有する光透過部材５を備え、第１の光透過部５０の表面と第２の光透過部７０の表面との間に介在し、エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光を低減する迷光低減機能要素を備えた。これにより、光伝達経路を限定している。
【００５３】
すなわち、本実施の形態によれば、光透過部材５を光源４と光検出器６とスケール９の間に配置し、かつ光源４と光検出器６にそれぞれ光透過部材５の第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とを面している。これにより、光透過部材５内部での光伝達は、その光伝達経路を狭めた、若しくは光の伝達量を低減する接続透過部２００に限定される。すなわち、光源４と光検出器６とには、別体に近い光透過部材５が面することになる。しかるに、光透過部材５のスケール９側の面での反射光が光透過部材５内部で光検出部６へ入ることはない、若しくは低減される。
【００５４】
又、センサヘッド２内において光透過部材５の側面から光検出器６の受光領域６１へ伝達する光の光量を低減するように光透過部材５の側面が配置されており、途中の部材や空間を経て光検出部６へ入射する光の光量も低減される。すなわち、光透過部材５の側面が迷光低減機能要素になっている。
【００５５】
これにより、光透過部材５は、センサヘッド２のスケール９側の面全体に拡がっていて、光透過部材５の表面で反射した光が光検出器６上の受光領域６１に直接入射された場合と比較すると、ＤＣ成分が低減される。これにより、信号飽和の可能性が低減し、より大きなゲインで信号増幅することが可能となる。その結果、ＤＣ成分レベルが低い場合に本来得られるべき、所望の検出信号レベルや問題無いＳＮ比を得ることが可能となる。
【００５６】
次に、光透過部材５の側面の形状の効果について説明する。
光透過部材５の表面にエンコーダ信号の発生に寄与しない迷光を少なくとも低減する迷光低減機能要素は、第１の光透過部５０の表面と第２の光透過部７０の表面とのうちの少なくとも１つの表面であり、当該表面の光学的機能により迷光を低減する。すなわち、光透過部材５の側面は、迷光低減機能要素として、光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を遮断又は低減するような光透過部材５の側面の形状や表面状態となっている。これにより、光透過部材５の側面を通過する光の光量は低減されたり、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１の方向へ向かう光の光量が低減される。その結果、光検出器６が検出する信号について高いＳＮ比を得ることが可能となる。
【００５７】
次に、光透過部材５の側面の形状と光源４や光検出器６を含めた配置の組合せの効果について説明する。
光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０の側面は、迷光低減機能要素として、光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を遮断又は低減するような光透過部材５の側面の形状と光源４や光検出器６を含めた配置の組合せになっている。これにより、光透過部材５の側面を通過する光の光量が低減されたり、光検出器６の受光素子アレイ６１の方向へ向かう光の光量が低減されたりする。その結果、光検出器６が検出する信号について高いＳＮ比を得ることが可能となる。
【００５８】
以下、光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１へ到達する光の光量が十分低減される光透過部材５の側面の形状と配置の組み合わせについて具体的に示す。
光透過部材５は、直方体の形状を有している。光源４の光出射部と光検出器６の受光部とが共通の光透過性部材である光透過部材５に接しているものの、接続透過部２００以外では内部を光が伝達出来ない。又は、接続透過部２００は、光透過部材５における第１の光透過部５０及び第２の光透過部７０に比べ、図１Ａ、図１Ｂに示すようにＸ方向に細く形成されている。すなわち、光源４と光検出器６とには、別体に近い光透過部材５が面することになる。これにより、光透過部材５の上面内部で反射して光検出器６の受光部へ向かう迷光の光量は減少する。さらに、光透過部材５における接続透過部２００の内部伝達光の光量を低減する対策を実施することで、光透過部材５の上面内部で反射したり、内部を伝達して光検出器６の受光部へ向かう迷光の光量を大幅に減少させたりすることができる。
【００５９】
又、光源４の光出射部と光検出器６の受光部とのＺ方向の高さ位置が合っているので、光透過部材５の上面を経ずに側面から出る光は基本的には斜め上に向かう。これにより、光透過部材５の側面から出る光は、基本的には直接光検出器６の受光部へは向かわない。
【００６０】
光透過部材５はガラスで形成されており、その屈折率は約１．５である。センサヘッド２の周囲は、屈折率１の大気などの光透過部材５よりも屈折率の低い物質又は空間となっている。この場合、平らな面から出る光は、出射角が入射角よりも大きくなり発散光となる。これにより、光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１へ到達する光の光量は、センサヘッド２のスケール９側が光透過部材５で一体的に覆われている場合に比べて小さくなる。
以上の事から光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１の側面へ向かう光を低減する作用やそれに伴う効果を有する。
【００６１】
光透過部材５の表面に形成される迷光低減機能要素は、スケール９等の被変位検出体の変位検出に全く寄与しない部分にのみ配置又は形成される。しかるに、光学式エンコーダ１の信号検出に用いられる光は、光透過部材５の上下の面を通過する。少なくとも光透過部材５の上下の面を通らない光は、エンコーダが本来検出すべき信号とはならないよう設計・配置されている。
一方、光透過部材５の側面及び接続透過部２００は、センサヘッド２内において光透過部材５側面から光検出器６上の受光領域６１へ伝達する光の光量を低減するように配置されている。これにより、迷光低減機構要素は、光透過部材５の上下の面を通過する光を低減させることはない。従って、迷光によるＤＣ成分のみを低減するようになっている。この事から検出すべき信号は、維持したまま、ＳＮ比の改善が可能となる。
【００６２】
第１と第２の光透過部５０、７０の各表面は、エンコーダ信号の検出に関与する光が経由する部分を含む１つ以上の面と、当該面以外のエンコーダ信号の検出に関与しない１つ以上の面とから成り、第１と第２の光透過部５０、７０における少なくとも一方のエンコーダ信号の検出に関与しない表面に迷光低減機能要素を配置又は形成する。すなわち、光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とは、上下の面と直方体型の側面から形成されている。第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との上下の面を通過する光がエンコーダの信号検出に用いられ、迷光低減機構要素がこれら上下以外の第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との側面に配置・形成されている。このように信号検出用の面と迷光低減に用いる面とが分離されているので、迷光低減機構要素の配置・形成位置が明確となる。これにより、迷光低減機構要素の配置・形成が容易となると共に、検査時等における確認が容易となる。
【００６３】
又、光透過部材５は、光源４とスケール９との間に配置されている。これにより、光透過部材５は、第１格子６０１の機能と迷光低減機構要素の機能とを１部材で兼用できる。部材点数が削減されることにより、省スペース、構成の単純化、コスト削減などの効果を奏することができる。又、センサヘッド２全体として実装精度が向上することにより性能向上ができ、さらに実装精度を緩めることができたりするといったメリットが生まれる可能性がある。
【００６４】
センサヘッド２内において、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とを除いて少なくとも発光部として光源４と光検出部６と配線部材とは、迷光低減機能要素により覆われて当該迷光低減機能要素からはみ出さない。すなわち、センサヘッド２内において、第１の光透過部５０及び第２の光透過部７０以外の部材は全て樹脂材８に覆われ、光源４と光検出器６と配線とが樹脂材８からはみ出さないように実装されている。これにより、迷光低減機能要素である樹脂材８が保護部材として機能し、封止による信頼性向上が図られる。
【００６５】
接続透過部２００は、光伝達抑制機能を有する。すなわち、光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とを接続する接続透過部２００は、光伝達抑制機能を有している。光伝達抑制機能は、具体的には、接続透過部２００の断面が光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０の断面よりも小さいことや、光が減衰する材料を用いたり、曲げを有する形状こと等によって実現される。そのため、光源４から光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を低減、又は遮断する作用を持つ。この結果、ＤＣ成分レベルが低い場合に本来得られるべき、所望の検出信号レベルを得ることが可能になり、ＳＮ比を改善することができる。
【００６６】
光透過部材５全体に同一部材を用いることで製造が容易となる利点がある。さらに接続透過部２００の断面が光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０の断面よりも小さいことによって、断面が大きいままの場合に比べて光透過性の樹脂８を形成する際の応力を低減することが出来、製造が容易となる利点がある。また、複数の接続透過部２００を設けることで光透過部材５全体の機械的強度を上げることができる。
光透過部材５は、実装前に予め形状が決まっている。すなわち、部材を実装してから形状や表面状態を加工すると、一連の実装工程との兼ね合いで、加工方法や加工出来る形状や形状精度に制約が出来やすい。
一方、光透過部材５は、ガラスの平行平板から切り出し、必要に応じて表面の処理を施して形成される。これにより、光源４及び光検出器６上への実装前に予め形状が決まっている。しかるに、光透過部材５は、事前に必要十分な加工によって、所望の形状や形状精度としておくことが可能である。特に、光透過部材５の上面と下面とが平行平板ガラスの研磨面となっており、樹脂だけを用いた場合や光路上に樹脂が介在する場合と比べて表面の光学特性が良好であり、高精度な信号検出が可能となる。
【００６７】
光透過部材５は、実装時に塑性変形しない材料から成る、又は実装時に溶融しない材料から成る。すなわち、光透過部材５は、ガラスにより形成されており、実装時に塑性変形が起こらない。この光透過部材５は、特に樹脂封止する際に必要な２００℃前後の温度では溶融は起こらない。これにより、光透過部材５は、事前に加工した形状や表面状態を維持することが可能となる。
【００６８】
光透過部材５は、実装時に位置調整可能である、又は実装時にハンドリング可能である。すなわち、光透過部材５は、ガラスにより形成されており、上下の面が平行平板の一部になっている。これにより、光透過部材５は、平行平板に形成された上下の面や側面を保持して実装時にハンドリングすることが可能である。しかるに、光透過部材５は、所望の位置に配置して実装することが可能となり、かつセンサヘッド２内での位置調整も実装時に可能となる。従って、光透過部材５の高精度な位置決めと形状や形状精度の組合せとにより理想的な設計に近い信号検出効率や迷光低減効果が期待出来る。
【００６９】
本実施形態では、発光部４と光検出部５のスケール９側の面が、光透過部材５で、光透過部材５の第１の光透過部分５０のスケール側の面と同じ高さで検出ヘッド２全体にかつ一体的に埋設されていると仮定した場合に、発光部４から光透過部材５の表面を経て光検出部６へ至る光の経路について、光透過部材５から外界への界面での反射角が全反射臨界角よりも大きくなる光の経路が存在する構成となっている。また、式４と式５を満足する構成でもある。従って、光透過部材５が無ければ、全反射光した光が光検出部６に入射し、検出信号レベル飽和やＳＮ比劣化といった問題が生じうる。発光部４は光検出器６に近接した光源であり、この全反射光が発生させるエンコーダ信号のＤＣ成分は他の迷光に比べて特に大きなものとなりうる。光透過部材５による迷光低減効果により、ＤＣ成分が抑えられ、エンコーダ信号が安定して検出されるようになることで、検出ヘッドの薄型化・小型化が可能となる。なお、光透過部材５の代わりに光透過性の樹脂材８で、光透過部材５のスケール側の面と同じ高さで検出ヘッド２全体にかつ一体的に埋設されていると仮定した場合にも、光透過部材５の屈折率ｎ２の代わりに光透過性の樹脂材８の屈折率ｎ３を式３に代入することで、式４と式５を満足するような薄型の構成でも信号検出が可能となる。そのため、同様に検出ヘッドの薄型化・小型化の効果が期待出来る。 上記第１の実施の形態の特有の効果として以下の点が挙げられる。
光透過部材５は、光源４のスケールに対向する面に直接積層されている。これにより、信号検出と迷光低減を行いつつ、センサヘッド２を特に厚み方向にコンパクトにまとめることが可能となる。光源４に面実装用のチップタイプのモールドＬＥＤを用いることで、ＬＥＤ上面にワイヤ配線をする必要がなく、第１格子５１を有する光透過基板３を実装することが容易となる。
【００７０】
さらに、モールドＬＥＤは、封止されているので、ベアＬＥＤ等に比べると汎用性・信頼性が高い。これにより、取扱いも容易でエンコーダの実装が容易となるメリットがある。
光検出器６に受光素子アレイを用いているが、受光素子アレイでは、検出エリア内の信号効率が高く、所定の検出信号を得るのにコンパクトな構成が可能となる。
【００７１】
光源４側の第１の光透過部５０に迷光低減機能要素を持つ光透過部材５を配置するので、当該光透過部材５の迷光低減機能要素により光検出器６上の受光領域６１へ伝達する迷光のみならず、センサヘッド２から外部へなどの少なくとも特定の方向へ漏れる迷光を低減することが可能となる。
又、光検出器６側の第２の光透過部７０に迷光低減機能要素を持つ光透過部材５を配置するので、当該光透過部材５の迷光低減機能要素により光検出器６上の受光領域６１へ伝達する迷光のみならず、外部から光検出器６上の受光領域６１へなどの少なくとも特定の方向からの迷光を低減することが可能となる。
【００７２】
次に、上記第１の実施の形態の第１の変形例について図７を参照して説明する。
この第１の変形例は、上記第１の実施の形態において、光透過性の樹脂材８の形成方法を変えたものである。実装の手順は、以下の通りである。配線基板３上に光源４と、光検出器６と、光源４上の光透過部材５と、配線等とを実装する。この後、配線基板３上の部材を光透過性の樹脂材８により埋め込む。埋め込みにはモールディング等の製法を用いる。
製造方法以外の構成・作用・効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
このような加工方法を取ることで、光透過性の樹脂材８による埋め込みの際に、光透過部材５上部に光透過性の樹脂材８がかからないよう配慮する必要が無くなり、実装が容易となる。
【００７３】
次に、上記第１の実施の形態の第２の変形例について図８を参照して説明する。
この第２の変形例は、上記第１の実施の形態において、上記第１の変形例と同様に光透過性の樹脂材８の形成方法を変えたものである。
実装の手順は、以下の通りである。配線基板３上に、光源４と、光検出器６と、光源４上の光透過部材５と、配線等とを実装する。その後に、配線基板３上の部材を光透過性の樹脂材８により埋め込む。埋め込みにはモールド等の製法を用いる。
その後、樹脂材８の上面を研磨し、当該樹脂材８と光透過部材５との各上面が揃うようにする。
【００７４】
光透過部材５の上面の高さは、埋め込み前に揃えておいて樹脂材８のみ研磨してもよいし、研磨時に光透過部材５と樹脂材８の高さを一緒に研磨によって揃えても良い。又、研磨の際、樹脂材８のみを研磨して、光透過部材５の表面は加工されないようにしても良い。
又、加工により樹脂材８と光透過部材５との各上面の高さを揃えたり、その高さを調整したりすることが出来るようになり、製造時の汎用性が向上する。
製造方法以外の構成・作用・効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００７５】
このような加工方法を取ることで、光透過性の樹脂材８による埋め込みの際に、光透過部材５上部に光透過性の樹脂材８がかからないよう配慮する必要が無くなり、実装が容易となる。
さらに、センサヘッド２から樹脂材８に比べて形状精度の高い光透過部材５が表面に出てくる分、エンコーダとしての光学性能が上記第１の変形例に比べて向上する。又、迷光の観点でも、光透過部材５における第１の光透過部５０上部から樹脂材８を伝達して第２の光透過部７０へ至る光の経路が無くなるので、迷光低減効果も上記第１の変形例に比べて向上する。
【００７６】
次に、上記第１の実施の形態の第３の変形例について図９Ａ、図９Ｂを参照して説明する。図９Ａは光学式エンコーダの概略構成図を示し、図９Ｂは同エンコーダにおけるスケールの移動方向の断面構成図を示す。
この第３の変形例は、主に、上記第１の実施の形態において、光透過部材５を円筒状に形成し、樹脂材８を光遮光部材８ａに置き換え、かつ当該光遮光部材８ａは、光検出器６上の受光領域６１には掛からないように構成した。
光透過部材５は、円筒形状の形成されている。光透過部材５の側面には、特に光学的な処理を施していない。
光遮光部材８ａは、迷光低減効果を有するので、光透過部材５の側面には、当該光透過部材５の側面から出射される全ての方向へ向かう光を低減する構成・作用やそれに伴う効果は必ずしも必要ない。上記変更点以外の構成・作用・効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００７７】
第３の変形例においては、光透過部材５の側面から出射して光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を遮断するように光遮光部材８ａを光透過部材５の側面の大半を埋め尽くすように配置している。
光遮光部材８ａが光検出器６上の受光領域６１に掛からないようにするには、一旦、受光領域６１に他の部材をあてがい、光遮光部材８ａをつけた後にこの他部材を外しても良いし、光遮光部材８ａを全面に付けた後に、取り除いたり、押し退けたりしてもよい。
【００７８】
又、光遮光部材８ａが完全には不透明でなくて光がある程度透過する場合、若しくは埋め込んだ光遮光部材８ａから上に出た光透過部材５の側面を通して光検出器６へ到達する光の経路が存在しうる場合、光透過部材５の側面から出射して光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を遮断又は低減するような光透過部材５の側面の形状や表面の微視的な形状である表面状態や側面形状と配置の組合せを併用してもよい。具体的には、光を発散させるような表面状態・表面形状としたり、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１から光を逸らすような表面形状と配置の組合せとしたりしてもよい。
【００７９】
迷光低減機能要素は、第１と第２の光透過部５０、７０との間に配置される部材であり、当該部材の光学的機能により迷光を低減し、光学式エンコーダ格子を有する第１格子（格子部材）５０１を光源４の発光部のスケール９側に配置すると共に、第１格子６０１のスケール９側の面に第２の光透過部７０を配置する。すなわち、図９Ａ及び図９Ｂに示すように光遮光部材８ａは、光透過部材５の側面から出射される光を遮断するので、光透過部材５の表面での内部反射光を含めて、光源４から出てセンサヘッド２内部を伝達する迷光は光検出器６で検出されにくくなる。
【００８０】
従って、上記２つの理由により、光検出器６が検出する信号について高いＳ／Ｎ比を確保できる。さらに、光源４から出射される光の内、光透過部材５のサイド領域を介して外部へ出射する漏れ光も低減することができる。
【００８１】
第３の変形例では、光透過部材５の側面に特別な光学的な処理を施していないが、光透過部材５の形状に伝達する光の低減機能を持たせてもよいし、これらの表面に光散乱効果や特定の方向に光を誘導させるようにしてもよい。
【００８２】
なお、光透過部材５は、変形例の１つとして上記図６Ｂ乃至図６Ｄ以外にも、例えば図１０に示すような形状に形成してもよい。この光透過部材５は、第１と第２の光透過部５０、７０との間を接続する接続透過部２００を、第１と第２の光透過部５０、７０との間の中央部から端部側に設け、かつ角度９０°の各屈曲部２００−１、２００−２を設けた。これにより、第１と第２の光透過部５０、７０との間の中央部の光の内部伝達を避け、かつ角度９０°の各屈曲部２００−１、２００−２を設けることで、光がより内部伝達しにくくなる。これにより、接続透過部２００の厚さを大きめに形成することにより光透過部材５の強度を向上させることが可能である。
【００８３】
次に、上記第１の実施の形態の第４の変形例について図１１を参照して説明する。
第４の変形例は、上記第１の実施の形態において、光遮光部材８を光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０の間隙にのみ迷光低減機能要素としてのポッティングなどの製造方法で配置している。
光透過部材５の側面で光遮光部材８ｂに接していない領域や光遮光部材８の周囲は、光透過性の樹脂等で充填してもよい。
光遮光部材８ｂの配置される部分以外の構成・作用・効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００８４】
このような構成の第４の変形例によれば、光遮光部材８ｂの配置部分を限定することで光遮光部材８ｂの使用量を低減することができる。これにより、光遮光部材８ｂが使われていない光透過部材５の周囲のうち、光遮光部材８ｂが使われていない部分ついては、そのままにするか、他の部材で封止するなど設計の自由度が高まる。
【００８５】
なお、図１１に示す第４の変形例においては、光遮光部材８を光透過部材５の間隙を埋めるように樹脂等を成分とする光遮光部材８を配置しているが、光遮光部材８を光透過部材５の中間部に、例えば迷光低減機能要素を有する衝立状の迷光低減部材（迷光低減機能要素）を配置しても構わない。
迷光低減部材は、不透明な部材でもよいし、光源４側の面が光吸収体であったり、反射面であったりしても構わない。迷光低減部材は、透過光を光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１とは異なる方向へ逸らす機能を有していても構わない。
【００８６】
迷光低減部材の側面形状は、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１に光が直接入射させない限り、どのようなものでも構わない。又、迷光低減部材の側面から反射光が発生する場合、側面形状により、迷光低減部材は、例えば四方又は所定の方向に一様に、所謂万遍なく反射光を発散させたり、所定の方向、例えば、光源４などへは行かないようにさせたりしても構わない。
具体的には、上記条件を満たせば、迷光低減部材は、平面状・円筒面状・球面状であったり、Ｚ軸上方から見て波状であったりしても良い。
【００８７】
迷光低減部材の作用と効果について説明する。
光透過部材５の中間部に配置した迷光低減部材の光源側の側面に、光源４から出射した光が直接、又は光透過部材５を経て入射する。この入射光は、迷光低減部材の光源側の側面の形状を含めた光学特性と配置により、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１へ到達しないようになっている。その結果、高いＳＮ比を得ることが可能となる。
【００８８】
次に、上記第１の実施の形態の第５の変形例について図１２を参照して説明する。
この第５の変形例は、上記第１の実施の形態において光遮光部材１１０を光透過部材５の側面にのみ配置した。光透過部材５の断面形状は、任意でよく、例えば、四角でも丸でもよい。
光透過部材５の表面のうち、光遮光部材６０に接していない領域は、光透過性樹脂等で充填してもよい。光遮光部材１１０の配置以外の構成・作用・効果は、上記第３の変形例と同様である。
【００８９】
このような第５の変形例の構成においては、光遮光部材１１０の配置部分を特に光透過部材５の外周に限定することで、光遮光部材１１０の使用量を最低限に留めることができる。これにより、光遮光部材１１０が使われていない光透過部材５の周囲の部分ついては、そのままにするか、他の部材で封止するなど設計の自由度が高まる。
又、製造も容易である。例えば、光透過部材５をセンサヘッド２に実装する前に、その側面に光遮光部材１１０を付けておくことが可能である。さらには、長い棒状の光透過部材５の側面に光遮光部材８を付けておき、そこから光透過部材５を切り出していくことも可能である。こうした製法により、量産性が向上させることができる。
【００９０】
図１３は光遮光部材１１０が覆う部分についてのバリエーションを示し、同図上部に平面図、同図下部に断面図を示す。この光遮光部材１１０は、四角形状の光透過部材５に対して覆う部分を当該光透過部材５の第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との向かい合った側面のみとしている。
光源４と光検出器６との間の面を遮光することで、ＳＮ比向上の観点から大きな効果が得られる一方、必ずしも光透過部材５の側面全体に光遮光部材８を形成しなくても良いという効果がある。これにより、製造方法によっては工程が容易となる。
【００９１】
次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１４Ａは点光源と配線基板３へのワイヤ配線と配線基板３上の電極パッド１１を示す。図１４Ｂは上記図１４Ａにおいて、点光源を線状光源に置き換えたものを示す。図１４Ｃは光学式エンコーダの側面図を示す。
この実施の形態は、上記第１の実施の形態において、光源４をベアチップ光源４ａに変え、光透過部材５の第１格子６０１を除去した。
【００９２】
本実施の形態は、いわゆるタルボット干渉を利用した光学式エンコーダであり、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように光出射部４１のスケール長手方向の幅Ｗ１は十分小さい、点光源又は線状光源であり、光透過部材５に第１格子は形成されていない。ベアチップ光源としては、出射光の出射窓を絞った面発光レーザやＬＥＤを用いることができる。
【００９３】
ところで、光出射部４１のスケール長手方向の幅がスケールピッチに比較して十分小さくない場合、具体的には１／２程度以上の場合、光透過部材５にピンホールや細い１本のスリットを形成すれば、上記第１の実施の形態と同様に機能させることが可能である。
【００９４】
光出射部４１が所望の形状を有するベアチップ光源４ａの光出射面に対応する面には、電極ボンディングワイヤ３４の領域を避けて、光透過部材５が光透過性接着剤によりベアチップ光源に貼り付けられている。しかるに、本光学式エンコーダは、光透過性の樹脂材８により電極ボンディングワイヤ３４を埋め込み、光透過部材５を取り囲んで充填した構成としている。
光源４は、点状又は線状であり、第１格子の位置や向きを合わせる必要が無く、実装が容易でありながら、良好な信号検出が可能となる。
【００９５】
なお、本実施の形態は、上記図６Ａ及び図６Ｂに示すように光透過部材５を光透過性の樹脂材８で覆うような構造や、研磨等により、光透過部材５と光透過性の樹脂材８の表面が同じ高さになるように配置しても良い。
さらに、本実施の形態は、上記図９Ａ及び図９Ｂに示すように光透過部材５の周囲に迷光防止手段を設けても良い。
【００９６】
次に、上記第２の実施の形態の第１の変形例について図１５Ａ及び図１５Ｂを参照して説明する。
図１５Ａは光検出器６とこの光検出器６上に実装された光透過部材５における第２の光透過部７０を示し、図１５Ｂは本光学式エンコーダの側面図を示す。
この第２の変形例は、上記第２の実施の形態において、光検出器６の構造を変更し、光透過部材５における第２の光透過部７０に第３格子７０１を形成追加した。
【００９７】
光検出器６は、４つの受光部を有する。光透過部材７の光検出器６側の面には、４つの受光部に対応したピッチｐ３に形成された第３格子７０１が形成されている。この第３格子７０１は、第２の光透過部材７０の光検出器６側の面をほぼ４等分する形で４つの格子群から成り、格子群ごとにｐ３／４だけ位相が異なるよう配置されている。光検出器６の各受光部から検出される信号は、互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの擬似正弦波信号が得られる。
光検出器６の構造と第２の光透過部７０以外の構成・作用・効果は、上記第２の実施の形態と同様である。
【００９８】
このような構成の第１の変形例によれば、光検出器６側のピッチｐ３を有する第３格子７１が第２の光透過部７０に形成されている。これにより、受光部の形状は単純な構造であり、製造が容易である。さらに、第３格子７１のピッチｐ３や配置の変更などの設計変更を第２の光透過部７０のみの変更で対応可能であり、設計の汎用性が高い構成となっている。
【００９９】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１Ａ】本発明に係る光学式エンコーダの第１の実施の形態を示す概略構成図。
【図１Ｂ】同光学式エンコーダにおけるスケールの移動方向の断面構成図。
【図２】同光学式エンコーダにおける光検出器上に形成されている受光領域の受光素子アレイを示す拡大図。
【図３】同光学式エンコーダにおける光検出器の光学的な配置について説明するための図。
【図４Ａ】同光学式エンコーダと対比する従来のエンコーダにおける変位信号に占めるＤＣ成分の上昇を示す図。
【図４Ｂ】同光学式エンコーダにおける互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの電極パッドから出力される電気信号の１つの波形を示す図。
【図５】同光学式エンコーダにおける光透過部材の表面と樹脂材の表面との高さが一致していることを示す図。
【図６Ａ】同光学式エンコーダにおける光透過部材をスケール側から見た図。
【図６Ｂ】同光学式エンコーダにおける光透過部材の変形例を示す図。
【図６Ｃ】同光学式エンコーダにおける光透過部材の変形例を示す図。
【図６Ｄ】同光学式エンコーダにおける光透過部材の変形例を示す図。
【図７】同光学式エンコーダの第１の変形例を示す構成図。
【図８】同光学式エンコーダの第２の変形例を示す構成図。
【図９Ａ】同光学式エンコーダの第３の変形例を示す概略構成図。
【図９Ｂ】同光学式エンコーダの第３の変形例におけるスケールの移動方向の断面構成図。
【図１０】同光学式エンコーダにおける光透過部材の変形例の１つを示す構成図。
【図１１】同光学式エンコーダの第４の変形例を示す構成図。
【図１２】同光学式エンコーダの第５の変形例を示す構成図。
【図１３】同光学式エンコーダにおける光遮光部材が覆う部分についてのバリエーションを示す図。
【図１４Ａ】本発明に係る光学式エンコーダの第２の実施の形態における点光源と配線基板へのワイヤ配線と配線基板上の電極パッドを示す構成図。
【図１４Ｂ】同光学式エンコーダにおける点光源を線状光源に置き換えた図。
【図１４Ｃ】同光学式エンコーダを示す側面図。
【図１５Ａ】同光学式エンコーダの第１の変形例における光検出器とこの光検出器上に実装された光透過部材を示す構成図。
【図１５Ｂ】同光学式エンコーダの第１の変形例を示す側面図。
【図１６】従来における反射型の光学式エンコーダを示す構成図。
【図１７】従来の光学式エンコーダに発生するワイヤ配線の断線や樹脂クラック、ガラス割れ等を示す図。
【符号の説明】
【０１０１】
１：光学式エンコーダ、２：センサヘッド、９：スケール、３：配線基板、４：光源、６：光検出器、５：光透過部材、８：樹脂材、６１：光検出器の受光領域、５０：第１の光透過部、７０：第２の光透過部、２００：接続透過部、６０１：第１格子、９１：第２格子、ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４：フォトダイオード、Ａ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２：電極パッド、３２：光検出器の電極、３：電極ボンディングワイヤ、２００ａ：第１の接続透過部、２００ｂ：第２の接続透過部、２００ｃ，２００ｄ：屈曲部、２００ｅ：上部接続透過部、２００ｆ：下部接続透過部、８ａ：光遮光部材、２００−１，２００−２：屈曲部、１１０：光遮光部材、４ａ：ベアチップ光源、４１：光出射部、３４：電極ボンディングワイヤ、７０１：第３格子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被変位検出体の変位を検出する光学式変位センサ等に用いられる光学式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンコーダの小型化・薄型化が進んできている。このエンコーダの普及品では、一辺が例えば１０ｍｍ〜２０ｍｍに形成された検出ヘッドのサイズに対して数ｍｍ角のサイズのものも市場に出始めてきている。こうした小型化の流れの中でエンコーダは、パッケージングにおいても小型化を意識した形状・形態となっていくと考えられる。例えば、従来の金属やセラミクスを用いたパッケージは、より厚みを薄くし、さらに従来のパッケージを樹脂モールド等のパッケージング技術を用いたもので置き換えるようになっていくと考えられる。
【０００３】
検出ヘッドのサイズが小さくなると、当該検出ヘッド内部に設けられている発光部と受光部との間隔も狭くなる。そのため、検出ヘッド内部での迷光などによって、発光部から出射されて検出ヘッド内部を経由して受光部へ入る光の検出光量に占める割合が大きくなる可能性が高くなる。
【０００４】
エンコーダにおける検出ヘッド上部は、素子保護の為にガラス板で覆ったり、透明樹脂で封止したりすることが多い。このような場合、光源から出た光は、検出ヘッド上部の内面で反射して受光部へ入る可能性がある。特に、検出ヘッドを小さくするために検出ヘッドの厚みを薄くすると、当該検出ヘッド内面での反射角が大きくなる。このため、検出ヘッド内面での反射角が全反射角を超えると、受光部へ入る光量が急激に増える。
又、検出ヘッド内部を多重反射するなどした光についても、小型化により従来よりも多くの光量が受光部へ入り易くなる。
【０００５】
これらの検出ヘッド内部の反射光等の迷光は、位置検出信号（エンコーダ信号）を生成する際のノイズ成分となる。迷光によるノイズ成分は、位置検出信号のＳＮ比を極端に劣化させる原因となりうる。位置検出信号の振幅等の出力レベルを保つために所定の信号増幅を行うと、大きなノイズ成分の影響で位置検出信号のレベルが飽和してしまう可能性がある。
もし、ノイズ成分による位置検出信号の飽和を避けようとすると、ノイズ成分を除去する処理を余分に追加する必要が生じたり、ノイズ成分除去処理に起因する信号劣化の対策をしなければならなくなる可能性も出てくる。
【０００６】
このような小型化・薄型化を意識した光学式エンコーダの従来技術の一例としては、例えば特許文献１に開示されている光学式エンコーダが挙げられる。この特許文献１は、図１６に示すように発光素子としてのＬＥＤ４０２と光電変換素子アレイとしての受光素子アレイ４０３、４０４とをヘッド側に有する反射型の光学式エンコーダを開示する。この光学式エンコーダは、アブソリュートパターン１００及びインクリメンタルパターン１０１と対向するようにセンサ光学部１１４を設け、ＬＥＤ４０２の光を各インクリメンタルパターン１００、１０１で反射して受光素子アレイ４０３、４０４により受光する。この光学式エンコーダは、ＬＥＤ４０２と受光素子アレイ４０３、４０４が透明光学部材に覆われ、この透明光学部材がそのままパッケージング部材となっている。
【０００７】
このような特許文献１では、以下のような条件が加えられている。即ち、発光部から受光面の一番遠いところまでの距離をＤ、発光面と受光面から透明光学部材表面までの距離をＧ、透明光学部材表面内部で反射率が１０％となる角度をθとすると、以下の式が成り立つように厚みＧを設定する。
Ｇ≧Ｄ／（２・ｔａｎθ）
検出ヘッドに発光素子と受光素子とを透明部材によりモールドするなどして小型化を図った際に、保護部材である透明光学部材の厚みを薄くすると、発光素子から出射された光は、透明光学部材内面で反射し、この反射光が受光部に入る。このため、位置検出信号（エンコーダ信号）を生成する際のノイズ成分となり、位置検出信号のＳＮ比が劣化してしまう。しかるに、特許文献１は、透明光学部材の厚みを一定値以上に厚くして透明光学部材への内部からの反射率を１０％以下となるようにしている。
このように特許文献１に開示されている光学式エンコーダは、透明光学部材の厚みを大きく取ることで、透明光学部材内部での反射光の問題を回避しようとしている。
【特許文献１】特開２００５−１５６５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光学式エンコーダの小型化・薄型化に合わせて検出ヘッドのサイズが小さくなると、検出ヘッド内部の発光部と受光部の間隔が狭くなる。このため、検出ヘッド内部での迷光などによって、発光部から出射されてヘッド内部を経由して受光部に入射する光の検出光量に占める割合が大きくなる可能性が高くなる。
【０００９】
光学式エンコーダの検出ヘッド上部は、素子保護の為にガラス板で覆ったり、透明樹脂で封止したりすることが多い。このような場合、光源から出射された光は、検出ヘッド上部の内面で反射して受光部へ入射する可能性がある。特に、検出ヘッドを小さくするために当該検出ヘッドの厚みを薄くすると、検出ヘッド内面での反射角が大きくなり、この反射角が全反射角を超えると、受光部に入射する光量が急激に増える。
又、検出ヘッド内部を多重反射するなどした光についても、小型化により従来よりも多くの光量が受光部へ入り易くなる。
【００１０】
これら検出ヘッド内部の反射光等の迷光は、位置検出信号を生成する際のノイズ成分となる。迷光によるノイズ成分は、位置検出信号のＳＮ比を極端に劣化させる原因と成り得る。位置検出信号の振幅等の出力レベルを保つために所定の信号増幅を行うと、大きなノイズ成分の影響で位置検出信号のレベルが飽和してしまう可能性がある。
もし、ノイズ成分による信号飽和を避けようとすると、ノイズ成分を除去する処理を余分に追加する必要が生じたり、ノイズ成分除去処理に起因する信号劣化の対策をしなければならなくなる可能性も出てくる。
【００１１】
特許文献１に開示されている光学式エンコーダでは、透明光学部材の厚みを厚く取ることで、光学ヘッド内部の反射光の問題を回避しようとしている。しかしながら、検出ヘッドのサイズに対する樹脂の厚みの比を一定以上にするため、薄型化を満足しない可能性がある。また、透明光学部材の厚みを厚く取ることで、検出系のワーキングディスタンスを大きく取る必要が生じ、設計の自由度が損なわれる可能性がでてくる。
【００１２】
さらに、検出ヘッドのパッケージングにモールド樹脂を採用した場合、モールド樹脂では温度変化による熱膨張・収縮や硬度の大きな変化がある。このため、樹脂厚を大きくすることで例えば図１７に示すようにワイヤ配線５０６の断線や、樹脂クラックＧ１、ガラス割れＧ２等の発生などの問題が生じやすくなる。なお、５００は基板、５０１は受光素子、５０２はＬＥＤ光源、５０３はガラス部材、５０４は電極、５０５は樹脂、５０６はワイヤ配線、５０７はスケール、５０８は第１格子、５０９は第２格子、５１０は第３格子である。
【００１３】
ワイヤ配線５０６の断線や、樹脂クラックＧ１、ガラス割れＧ２等が発生するため、検出ヘッドのパッケージングにモールド樹脂を採用した場合、信頼性を確保することが困難になったり、設計・製造上の対策にコストがかかったりするようになる可能性が出てくる。
【００１４】
本発明の目的は、検出ヘッド内部の迷光等の影響を受けず、かつ信頼性を確保して小型化・薄型化を図ることができる光学式エンコーダを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の主要な局面に係る光学式エンコーダは、被変位検出体としての一方の部材に取り付けられたスケールと、一方の部材に対して相対移動する他方の部材に取り付けられ、かつスケールに対向して配置された検出ヘッドとを有し、エンコーダ信号を発生する光学式エンコーダにおいて、スケールは、相対移動する方向に所定の光学パタンが設けられ、検出ヘッドは、スケールに所定の光を照射する発光部と、発光部からスケールに照射され、光学パタンを経た光を受光する受光面を有し、当該受光面上に形成される光分布を検出する光検出部と、発光部とスケールとの間の光路上に配置される第１の光透過部分と、スケールと光検出部との間の光路上に配置される第２の光透過部分と、第１の光透過部分と第２の光透過部分とを繋ぐ接続透過部分とを有する光透過部材と、第１の光透過部分の表面と第２の光透過部分の表面との間に介在し、エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光を低減する迷光低減機能要素とを備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、検出ヘッド内部の迷光等の影響を受けず、かつ信頼性を確保して小型化・薄型化を図ることができる光学式エンコーダを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１Ａは光学式エンコーダの概略構成図を示し、図１Ｂは同エンコーダにおけるスケールの移動方向の断面構成図を示す。この光学式エンコーダ１は、反射型である。なお、以下の実施の形態及びその各変形例では、反射型のエンコーダの例について説明するが、これに限られるものでない。
【００１８】
光学式エンコーダ１は、センサヘッド２と、このセンサヘッド２に対向して配置されたスケール９とから構成される。センサヘッド２は、配線基板３を備え、この配線基板３上に光源４と光検出器６と光透過部材５と樹脂材８とを配置している。光検出器６は、受光素子アレイから成る受光領域６１を内部に有する。なお、スケール９は、図１Ａにおいてｙ方向の長さが図１Ｂに示すスケール９のｙ方向の長さに比較して短くなっているが、これは図１Ａにおいてセンサヘッド２側の構成を分かり易くするためである。
【００１９】
光源４は、面実装用のチップタイプのモールドＬＥＤであり、その上面は平坦に形成されている。
光源４の出射面と光検出器６の受光素子アレイの受光面とは、図中Ｚ方向に高さ位置がほぼ揃っている。これら光源４の出射面と光検出器６の受光素子アレイの受光面とには、光透過部材５が配線基板３にほぼ平行に光透過性接着剤により貼り付けられている。
光透過部材５における光源４の出射面に対向する部分が第１の光透過部５０であり、光検出器６における受光素子アレイに対向する部分が第２の光透過部７０である。第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とは、光透過性の部材から成る接続透過部２００を介して接続されている。この接続透過部２００は、第１の光透過部５０及び第２の光透過部７０と同一部材から成る。
【００２０】
光透過部材５は、ガラスの平行平板から加工して切り出した部材を用いており、上面と下面が平坦な研磨面に形成されている。
光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とは、それぞれ直方体の形状に形成されている。又、接続透過部２００は、第１の光透過部５０及び第２の光透過部７０よりも図中Ｘ方向に細い幅に形成されている。
【００２１】
光検出器６における受光素子アレイの受光面は、光源４の出射面よりも僅かにＺ方向に高い位置に設けられている。光透過部材５は、光検出器６の受光素子アレイの面に合わせて配線基板３に平行に貼り付け、かつ光透過部材５と光源４の出射面との隙間に光透過性接着剤が埋められている。
このように光源４の出射面と光検出器６の受光素子アレイの受光面との若干の段差によって、配線基板３に平行に光透過部材５を貼り付けたときにできる隙間は、光透過性接着剤を用いて埋めても良いし、ほぼ平行度が保てて光学的に問題無ければ、隙間が無いように段差の分だけ傾斜させて光透過部材５を貼り付けてもよい。
【００２２】
光透過部材５における第１の光透過部５０の光源４に対向する面には、第１格子６０１が形成されている。この第１格子６０１は、ｘ方向にピッチｐ１を有する光学パタンである。なお、第１格子６０１に必要な領域以外の部分には遮光パタンを形成してもよい。
【００２３】
光透過部材５の側面に特に光学的な処理を施していなくても良いが、本実施の形態は、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との両方の部分の側面に迷光低減機能要素を設ける。この迷光低減機能要素は、例えば光を遮断又は減衰させたり、透過光を散乱させたり、光検出器６側へとは異なる特定の方向へ光を逸らす等の機能を有する。迷光低減機能を具体的に実現する処理としては、例えば、遮光膜形成、回折格子パタン形成、磨りガラス処理、ＡＲコート処理等が挙げられる。
【００２４】
光透過部材５は、スケール９に対向する上面と、光源４と接する底面部分と、光検出器６と接する底面部分とを除いてその他の部分がセンサヘッド保護用の樹脂材８により囲まれている。なお、光透過部材５、樹脂材８及び光透過性の接着剤の材質の熱的特性は、光検出器６を構成するＳｉ系半導体材料に近い特性を有することが望ましい。また、図１Ｂにおいて、光透過部材５の第１の光透過部５０が光源４から光検出器６へ若干はみ出して取り付けられているが、光透過性の樹脂材８を形成する際にクラック等が発生しないように、はみ出し量が抑えられている。接続部２００の断面も同様にクラック等が発生しないように断面積を小さく抑えている。
スケール９は、センサヘッド２と相対的に変位する光学パタンである第２格子９１を有する。この第２格子９１は、スケール９とセンサヘッド２とが相対的に移動する方向に所定のピッチｐ２の光学パタンに形成されている。
【００２５】
次に光学系の配置について説明する。
光透過部材５上の第１格子６０１からスケール９上の第２格子９１までの光学的距離をｚ１、スケール９上の第２格子９１から光検出器６の受光面までの光学距離をｚ２、光源４の発光波長をλとすると、
１/ｚ１＋１/ｚ２＝λ/（ｎｐ２２） …（１）
を満足する自然数ｎが存在するように、光源４とスケール９と光検出器６とを配置する。これにより、スケール９の回折拡大イメージパタンが光検出器６の受光素子上に転写されたイメージを現すことができる。そして、所定の位置に光検出器６を配置すれば、スケール９の変位量を検出可能であることが知られている。
【００２６】
但し、上記式（１）において、第１格子６０１と第２格子９１との間のｉ（自然数）番目の物質、又は空間の屈折率ｎｉ、厚みｔｉとし、第２格子９１と光検出器６の受光面との間のｊ（自然数）番目の物質、又は空間の屈折率ｎｊ、厚みｔｊとし、第１格子６０１と第２格子９１との間の光学距離をｚ１＝Σｔｉ／ｎｉ、第２格子９１と光検出器６の受光面との間の光学距離をｚ２＝Σｔｊ／ｎｊと定義する。
【００２７】
本光学式エンコーダの構成では、小型化のためにｎ＝１を満たすｚ１とｚ２とを採用している。上記式（１）を満たすｚ１とｚ２の組み合わせにおいて、値の最も小さいものとしている。さらに、上記式（１）において、ｚ１＝ｚ２を満たす配置構成を取っている。このとき、拡大倍率は２倍となり、ｐ１＝ｐ３＝２ｐ２となる。
【００２８】
次に、光検出器６の構成について説明する。
第２図は光検出器６上に形成されている受光素子アレイから成る受光領域６１の拡大図を示す。光検出器６は、矩形状の４つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４を組み合わせて１組とし、この組み合わせを複数組配置して成る。これら複数組のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４の出力は、４つ置きの各ＰＤ出力を共通結合して４つの電気信号の出力を得るようになっている。４つの電気信号は、４つの電極パッドＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２から出力される。接続された４つ置きのＰＤのピッチは、ｐ３であり、隣り合うＰＤとはｐ３／４だけずれて配置されている。
【００２９】
次に、光学的な配置について説明する。
図３において、光源４の光出射部から出射された光は、光透過部材５内を伝播し、当該光透過部材５と外界（一般に空気）との界面上の点Ｃから出射される。この外界との界面上の点Ｃにおいて、外界の媒質の屈折率をｎ１、光透過部材５の屈折率をｎ２、樹脂材８の屈折率をｎ３、外界に伝播する屈折光の屈折角度θ１、界面の法線となす角度をθ２、ｎ３＝ｎ２、とする。
【００３０】
このとき、スネルの法則により、以下の式が成り立つ。なお、一般的な説明を行っているが、本実施の形態では、外界の媒質を空気と想定しており、ｎ１＝１である。
ｎ１・sinθ１＝ｎ２・sinθ２ …（２）
光透過部材５は、光透過樹脂又はガラスなど光検出器６や図示しない信号処理回路等を構成するＳｉ半導体と熱的特性が同じか又は近い材質で構成されており、ｎ２＞ｎ１である。光ビームが光透過部材５の表面で全反射する臨界角度θｃとすると、次の式が成り立つ。
θｃ＝sin−１（ｎ１/ｎ２） …（３）
光源４の出射部内の任意の１点と光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１内の任意の１点を取り、各点の位置を変化させた場合、光源４の出射部内の１点から光検出器６の受光領域６１内の１点までの距離のスケールに平行な成分が取りうる最大値をＤ、最小値をｄとする。
光源４から光透過部材５の光が出射する表面までの厚さをＧ、光透過部材５の表面からスケール９の第２格子９１までの距離をＧ０、光透過部材５の表面から光検出器６までの厚さをＧ’とする。
このとき、本実施の形態は、次式を満足する構成となっている。
（Ｇ＋Ｇ’）＜Ｄ／tanθｃ …（４）
上記式（４）を満たすＤは、光透過部材５が広い領域に形成されていた場合、点Ｆ近傍において光源４から入射した光が全反射し、その反射光が光検出器６に直接入射するような光透過部材５の厚みである。
従来のように光透過部材５と光検出器６との間が連結された場合には、センサ内部の反射光が直接光検出器６の受光領域６１に入射し、図４Ａに示すように変位信号に占めるＤＣ成分が上昇する。
【００３１】
上記式（４）は、Ｇ＝Ｇ’でない場合を想定している。
【００３２】
Ｇ＝Ｇである場合、即ち、第５図に示す場合には、上記式（４）は、以下のように置き換えられる。
Ｇ＜（Ｄ／２）／tanθｃ …（５）
樹脂材８は、センサヘッド２内の部材の保護を主たる目的としたものである。この樹脂材８は、例えば光に対して透明なクリアモールド樹脂を用いている。従って、樹脂材８は、センサヘッド２内の部材の保護の観点からすると、当該センサヘッド２内部の電気配線部や電極の周囲のみを保護するようにしてもよい。又、樹脂材８は、場合によって全て除去してしまっても構わない。
【００３３】
樹脂材８は、光検出器６の電極３２及び電極ボンディングワイヤ３３を埋め込んでいる。本構成において、電極ボンディングワイヤ３３は、樹脂材８により埋め込まれる部材のうちで光透過部材５と樹脂材８とを除くと最も高い位置まで配置される部材であり、この最も高くにある部材が完全に樹脂材８で埋め込まれている。
本実施の形態においては、センサヘッド２内の光源４側に第１格子６０１を配置し、かつ光源４と受光領域６１を内部に有する光検出器６とを別体で配置する等しているが、光源４等の発光部と光検出器６等の受光部とを有する反射型のセンサヘッド２を構成するのであれば、どのような光学式エンコーダでも上記式（２）〜式（７）を適用することが可能であり、本実施の形態を含めた本発明の迷光防止の作用や効果を奏することができる。
【００３４】
樹脂材８は、光透過性の樹脂を用いているが、光透過性であれば色や素材を限定するものではない。また、樹脂材８は、受光素子アレイから成る受光領域６１を覆わず、光検出に影響を与えないのであれば、光透過性でなくてもよい。また、樹脂材８は、複数の素材を組み合わせたり、複数層にしても構わない。
光透過部材５の側面は、光透過部材５の側面から出て光検出器６の受光素子アレイへ到達する光を遮断、又は低減するような形状や、表面の微視的な形状である表面状態や側面形状と配置の組合せを併用してもよい。具体的に光透過部材５の側面は、光を発散させるような表面状態・表面形状としたり、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１から光を逸らすような表面形状と配置の組合せとしたりしてもよい。
【００３５】
光透過部材５の接続透過部２００は、光透過部材５の内部における第１の光透過部５０から第２の光透過部７０に向かって伝達する光の光量を低減するよう幅を狭く形成している。さらに、接続透過部２００は、光の伝達を低減するために、幅を狭くする方向を図１Ａ、図１Ｂに示すＺ方向に変えたり、又は湾曲部を持たせる等の形状に工夫を施す。又、光透過部材５は、光を遮断したり、減衰するために、第１の光透過部５０や第２の光透過部７０と別素材により形成したり、不純物を入れる等、伝達光量を減衰する材料を用いてもよい。光透過部材５は、当該光量低減のための方法を組み合わせても良い。
【００３６】
光透過部材５の形状の具体例について図６Ａ〜図６Ｄを参照して説明する。
図６Ａは上記図１Ａ及び図１Ｂに示す光透過部材５をスケール９側、すなわちＺ方向の上方から見た図を示し、図６Ｂ乃至図６Ｄは光透過部材５の変形例を示す。図６Ａに示す光透過部材５は、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間を１つの接続透過部２００により接続している。この接続透過部２００は、例えば板状で、かつＸ方向における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間の中間位置（中央部）に設けられ、Ｘ方向に狭く形成されている。
【００３７】
図６Ｂに示す光透過部材５は、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０と間の外周側の２カ所にそれぞれ第１の接続透過部２００ａと第２の接続透過部２００ｂとを接続している。これら第１と第２の接続透過部２００ａ、２００ｂは、それぞれ角度９０°の各屈曲部２００ｃ、２００ｄが設けられている。
このような光透過部材５であれば、Ｘ方向における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間の中間位置（中央部）における光の内部伝達を避け、かつ角度９０°の各屈曲部２００ｃ、２００ｄを設けることで光が内部伝達しにくくなり、さらに接続透過部２００を２カ所に設けることで光透過部材５の強度を向上させることができる。
【００３８】
一方、図６Ｃ及び図６ＤはＸ方向から見た光透過部材５の形状を示す。光透過部材５は、図６Ｃに示すように接続透過部２００のＺ方向の厚みを第１の光透過部５０及び第２の光透過部７０の厚みよりも薄く形成する。このような光透過部材５であれば、Ｘ方向における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間の中間位置（中央部）の上部に内部伝達する光を無くすことができる。
【００３９】
光透過部材５は、図６Ｄに示すように第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との間のＺ方向における上部と下部との２カ所にそれぞれ上部接続透過部２００ｅ、下部接続透過部２００ｆを設ける。このような光透過部材５であれば、上部で光路が屈曲しているので、多重反射無しに上部を内部伝達する光が無く、かつＺ方向の上部と下部とに上部接続透過部２００ｅ、下部接続透過部２００ｆを２カ所に設けることで、光透過部材５の強度を向上させることができる。
【００４０】
本実施の形態では、上記式（４）を満足するようにセンサヘッド２の厚みを薄くしているが、必ずしも薄くなくても構わない。なお、センサヘッド２の厚みの薄型化は、迷光防止による副次的な効果である。
光学式エンコーダ１は、原理的に上記式（１）を満足するタイプである。センサヘッド２に光源４等の発光部と光検出器６とを有する構成で有れば、センサヘッド２内の迷光防止機能は、必ずしもエンコーダの検出原理には限定されない。例えば、光干渉を用いない、反射強度のみを検出するタイプや特定の次数の回折光のみを用いたタイプでもよい。
【００４１】
次に、上記の如く構成された光学式エンコーダ１の動作について説明する。
光学式エンコーダ１は、上記式（１）の条件を満たすような位置に光検出器６を配置されているので、発光部である光源４から出射された光がスケール９上の第２格子９１により反射又は回折され、この第２格子９１のパタンの拡大された明暗像が受光素子アレイから成る受光領域６１上に形成される。この受光素子アレイから成る受光領域６１上の拡大像パタンは、センサヘッド２とスケール９との相対移動に応じて移動し、この移動を光検出部６で検出する。
【００４２】
上記式（１）において、ｚ１＝ｚ２を満たす配置構成であることから受光素子アレイから成る受光領域６１上には、スケール９のピッチの２倍のピッチを持つ明暗の回折パタンが形成される。スケール９がセンサヘッド２に対して相対移動すると、図２に示す４つの電極パッドＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２から出力される電気信号は、互いに１/４周期だけ位相が異なる擬似正弦波信号となる。
【００４３】
センサヘッド２から出力される検出信号について図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明する。
図４Ａ及び図４Ｂは、縦軸を電圧とし、横軸を位置としている。光学式エンコーダ１のセンサヘッド２とスケール９とが一定の速度で相対的に移動している場合、横軸は時間と見なしても良い。
図４Ａは、互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの信号の内、互いに１８０°位相差の逆相となる２組の信号の差をとって得た擬似正弦波信号であるＡ相信号とＢ相信号を表す。同図に示す例では、迷光による検出信号の飽和の影響は出ていない。
図４Ｂは、互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの電極パッドＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２から出力される電気信号の１つの波形を表している。同図に示す例では、迷光が大きいためにＤＣ成分が大きくなり、そのため、検出信号が飽和している。
【００４４】
電流電圧変換後に検出信号に含まれるＤＣ成分や同相ノイズを除去したり、さらにゲインを掛けるために、センサヘッド２は、互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの信号の内、互いに逆相となる２組の信号の差をとり、２つの９０°位相差の擬似正弦波信号である、Ａ相信号とＢ相信号を得る。
【００４５】
この擬似正弦波信号をセンサヘッド２内部又は外部において２値化して変位検出する。または、擬似正弦波信号を内挿処理回路で信号処理し、さらに高分解能な変位量を検出できる。
【００４６】
図４Ｂに示すように飽和した信号を用いると、図４Ａに示すＡＢ相信号にも飽和の影響が現れ、正弦波からの歪みが大きくなる。特に、ＤＣ成分が極めて大きくなり、図４Ｂに示す信号が常に飽和した状態となると、図４Ａに示すＡＢ相信号の振幅が０となってしまう。
【００４７】
光透過部材５の側面の形状及び表面形状は、光透過部材５における第１の光透過部５０の側面から出射して第２の光透過部７０へ到達する光を遮断又は低減するようになっている。これにより、光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０の側面とを通過する光の光量は低減される。この結果として光透過部材５の側面を経由して光検出器６の受光素子アレイ６１の方向へ向かう光の光量は、低減される。すなわち、光透過部材５における第１の光透過部５０の表面又は第２の光透過部７０の表面は、迷光低減機能要素としての形状を備える。
【００４８】
具体的に、光源４の光出射部と光検出器６の受光部とは、共通の光透過性部材である光透過部材５に接しているものの、当該光透過部材５における接続透過部２００以外では内部を光が伝達出来ない。すなわち、光透過部材５における第１の光透過部５０の表面、又は第２の光透過部７０の表面、樹脂材８、又は空間が迷光低減機能要素として形成されている。これにより、光透過部材５の側面を経由して光検出器６の受光素子アレイ６１の方向へ向かう迷光の光量は、減少する。
又、光透過部材５における接続透過部２００は、光透過部材５における第１の光透過部５０や第２の光透過部７０に比べて図１Ａ、図１ＢにおけるＸ方向に細く形成されている。これにより、接続透過部２００も迷光低減機能要素となっている。
しかるに、迷光低減機能要素としての光透過部材５における第１の光透過部５０の上面内部で反射して光検出器６へ向かう迷光の光量は大幅に減少する。さらに、光透過部材５は、例えば上記図６Ｂ乃至図６Ｄに示すような形状に形成することが可能であり、これら光透過部材５の形状を含めて、光透過部材５における接続透過部２００の内部伝達光の光量を低減する対策を実施することで、光透過部材５の上面内部で反射したり、当該光透過部材５の内部を伝達して光検出器６へ向かう迷光の光量は大幅に減少させたりすることができる。
【００４９】
又、光源４の光出射部と光検出器６の受光部の高さ位置とが合っているので、光透過部材５における第１の光透過部５０の側面から出る光は、基本的に斜め上に向かう。斜め上方向に向かう光は、基本的には直接光検出器６の受光部へ向かない。
又、光透過部材５は、直方体の形状を有したガラスにより形成されており、屈折率は約１．５である。センサヘッド２の周囲は、屈折率１の大気など光透過部材５よりも屈折率の低い物質、又は空間となっている。この場合、第１の光透過部５０の側面のような平らな面から屈折率の低い物質又は空間へ出る光は、出射角が入射角よりも大きくなり、発散光となる。そのため、光透過部材５の側面から出て光検出器６の受光領域６１へ到達する光の光量は、センサヘッド２のスケール９側に光透過部材５又は他の光透過性部材が一体的に配置されている場合に比べて小さくなる。即ち、エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光が光検出器６へ入る量を低減することができる。
【００５０】
光透過性の樹脂材８の屈折率を光透過部材５の屈折率よりも小さくとれば、光透過部材５の側面に特に光学的な処理を必ずしも施していなくても上記作用を実現できる。光透過部材５の側面に遮光・散乱等の機能を追加することで、さら迷光低減機能要素の効果を向上させることができる。光透過性の樹脂材８の屈折率が光透過部材５の屈折率に近いか、大きい場合には、光透過部材５の側面に遮光・散乱等の機能を追加することが必要となる。
【００５１】
本実施の形態と従来技術とを対比すると、光透過部材がセンサヘッド２のスケール９側の面全体に拡がっており、その表面で反射した光が光検出器６上の受光領域６１に直接入射された場合を考えると、従来の光学式エンコーダでは、各相の信号が図４Ａに示すようにＤＣ成分レベルが増大し、各相の信号振幅がＤＣ成分の大きさに比べて相対的に小さくなる。そして、従来の光学式エンコーダでは、信号の飽和傾向が強くなり、実際に信号が飽和すると変位量検出に誤動作が生じる。また、従来の光学式エンコーダでは、実際に信号が飽和していなくても、ＤＣ成分レベルが大きいために信号増幅に制限が生じることで、検出したい擬似正弦波信号のレベルやそのＳＮ比が低下してしまう可能性がある。
【００５２】
これに対して本実施の形態によれば、光源４とスケール９との間の光路上に配置される第１の光透過部５０と、スケール９と光検出器６との間の光路上に配置される第２の光透過部７０と、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とを繋ぐ接続透過部２００とを有する光透過部材５を備え、第１の光透過部５０の表面と第２の光透過部７０の表面との間に介在し、エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光を低減する迷光低減機能要素を備えた。これにより、光伝達経路を限定している。
【００５３】
すなわち、本実施の形態によれば、光透過部材５を光源４と光検出器６とスケール９の間に配置し、かつ光源４と光検出器６にそれぞれ光透過部材５の第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とを面している。これにより、光透過部材５内部での光伝達は、その光伝達経路を狭めた、若しくは光の伝達量を低減する接続透過部２００に限定される。すなわち、光源４と光検出器６とには、別体に近い光透過部材５が面することになる。しかるに、光透過部材５のスケール９側の面での反射光が光透過部材５内部で光検出部６へ入ることはない、若しくは低減される。
【００５４】
又、センサヘッド２内において光透過部材５の側面から光検出器６の受光領域６１へ伝達する光の光量を低減するように光透過部材５の側面が配置されており、途中の部材や空間を経て光検出部６へ入射する光の光量も低減される。すなわち、光透過部材５の側面が迷光低減機能要素になっている。
【００５５】
これにより、光透過部材５は、センサヘッド２のスケール９側の面全体に拡がっていて、光透過部材５の表面で反射した光が光検出器６上の受光領域６１に直接入射された場合と比較すると、ＤＣ成分が低減される。これにより、信号飽和の可能性が低減し、より大きなゲインで信号増幅することが可能となる。その結果、ＤＣ成分レベルが低い場合に本来得られるべき、所望の検出信号レベルや問題無いＳＮ比を得ることが可能となる。
【００５６】
次に、光透過部材５の側面の形状の効果について説明する。
光透過部材５の表面にエンコーダ信号の発生に寄与しない迷光を少なくとも低減する迷光低減機能要素は、第１の光透過部５０の表面と第２の光透過部７０の表面とのうちの少なくとも１つの表面であり、当該表面の光学的機能により迷光を低減する。すなわち、光透過部材５の側面は、迷光低減機能要素として、光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を遮断又は低減するような光透過部材５の側面の形状や表面状態となっている。これにより、光透過部材５の側面を通過する光の光量は低減されたり、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１の方向へ向かう光の光量が低減される。その結果、光検出器６が検出する信号について高いＳＮ比を得ることが可能となる。
【００５７】
次に、光透過部材５の側面の形状と光源４や光検出器６を含めた配置の組合せの効果について説明する。
光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０の側面は、迷光低減機能要素として、光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を遮断又は低減するような光透過部材５の側面の形状と光源４や光検出器６を含めた配置の組合せになっている。これにより、光透過部材５の側面を通過する光の光量が低減されたり、光検出器６の受光素子アレイ６１の方向へ向かう光の光量が低減されたりする。その結果、光検出器６が検出する信号について高いＳＮ比を得ることが可能となる。
【００５８】
以下、光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１へ到達する光の光量が十分低減される光透過部材５の側面の形状と配置の組み合わせについて具体的に示す。
光透過部材５は、直方体の形状を有している。光源４の光出射部と光検出器６の受光部とが共通の光透過性部材である光透過部材５に接しているものの、接続透過部２００以外では内部を光が伝達出来ない。又は、接続透過部２００は、光透過部材５における第１の光透過部５０及び第２の光透過部７０に比べ、図１Ａ、図１Ｂに示すようにＸ方向に細く形成されている。すなわち、光源４と光検出器６とには、別体に近い光透過部材５が面することになる。これにより、光透過部材５の上面内部で反射して光検出器６の受光部へ向かう迷光の光量は減少する。さらに、光透過部材５における接続透過部２００の内部伝達光の光量を低減する対策を実施することで、光透過部材５の上面内部で反射したり、内部を伝達して光検出器６の受光部へ向かう迷光の光量を大幅に減少させたりすることができる。
【００５９】
又、光源４の光出射部と光検出器６の受光部とのＺ方向の高さ位置が合っているので、光透過部材５の上面を経ずに側面から出る光は基本的には斜め上に向かう。これにより、光透過部材５の側面から出る光は、基本的には直接光検出器６の受光部へは向かわない。
【００６０】
光透過部材５はガラスで形成されており、その屈折率は約１．５である。センサヘッド２の周囲は、屈折率１の大気などの光透過部材５よりも屈折率の低い物質又は空間となっている。この場合、平らな面から出る光は、出射角が入射角よりも大きくなり発散光となる。これにより、光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１へ到達する光の光量は、センサヘッド２のスケール９側が光透過部材５で一体的に覆われている場合に比べて小さくなる。
以上の事から光透過部材５の側面から出て光検出器６上の受光領域６１の側面へ向かう光を低減する作用やそれに伴う効果を有する。
【００６１】
光透過部材５の表面に形成される迷光低減機能要素は、スケール９等の被変位検出体の変位検出に全く寄与しない部分にのみ配置又は形成される。しかるに、光学式エンコーダ１の信号検出に用いられる光は、光透過部材５の上下の面を通過する。少なくとも光透過部材５の上下の面を通らない光は、エンコーダが本来検出すべき信号とはならないよう設計・配置されている。
一方、光透過部材５の側面及び接続透過部２００は、センサヘッド２内において光透過部材５側面から光検出器６上の受光領域６１へ伝達する光の光量を低減するように配置されている。これにより、迷光低減機構要素は、光透過部材５の上下の面を通過する光を低減させることはない。従って、迷光によるＤＣ成分のみを低減するようになっている。この事から検出すべき信号は、維持したまま、ＳＮ比の改善が可能となる。
【００６２】
第１と第２の光透過部５０、７０の各表面は、エンコーダ信号の検出に関与する光が経由する部分を含む１つ以上の面と、当該面以外のエンコーダ信号の検出に関与しない１つ以上の面とから成り、第１と第２の光透過部５０、７０における少なくとも一方のエンコーダ信号の検出に関与しない表面に迷光低減機能要素を配置又は形成する。すなわち、光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とは、上下の面と直方体型の側面から形成されている。第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との上下の面を通過する光がエンコーダの信号検出に用いられ、迷光低減機構要素がこれら上下以外の第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との側面に配置・形成されている。このように信号検出用の面と迷光低減に用いる面とが分離されているので、迷光低減機構要素の配置・形成位置が明確となる。これにより、迷光低減機構要素の配置・形成が容易となると共に、検査時等における確認が容易となる。
【００６３】
又、光透過部材５は、光源４とスケール９との間に配置されている。これにより、光透過部材５は、第１格子６０１の機能と迷光低減機構要素の機能とを１部材で兼用できる。部材点数が削減されることにより、省スペース、構成の単純化、コスト削減などの効果を奏することができる。又、センサヘッド２全体として実装精度が向上することにより性能向上ができ、さらに実装精度を緩めることができたりするといったメリットが生まれる可能性がある。
【００６４】
センサヘッド２内において、第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とを除いて少なくとも発光部として光源４と光検出部６と配線部材とは、迷光低減機能要素により覆われて当該迷光低減機能要素からはみ出さない。すなわち、センサヘッド２内において、第１の光透過部５０及び第２の光透過部７０以外の部材は全て樹脂材８に覆われ、光源４と光検出器６と配線とが樹脂材８からはみ出さないように実装されている。これにより、迷光低減機能要素である樹脂材８が保護部材として機能し、封止による信頼性向上が図られる。
【００６５】
接続透過部２００は、光伝達抑制機能を有する。すなわち、光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０とを接続する接続透過部２００は、光伝達抑制機能を有している。光伝達抑制機能は、具体的には、接続透過部２００の断面が光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０の断面よりも小さいことや、光が減衰する材料を用いたり、曲げを有する形状こと等によって実現される。そのため、光源４から光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を低減、又は遮断する作用を持つ。この結果、ＤＣ成分レベルが低い場合に本来得られるべき、所望の検出信号レベルを得ることが可能になり、ＳＮ比を改善することができる。
【００６６】
光透過部材５全体に同一部材を用いることで製造が容易となる利点がある。さらに接続透過部２００の断面が光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０の断面よりも小さいことによって、断面が大きいままの場合に比べて光透過性の樹脂８を形成する際の応力を低減することが出来、製造が容易となる利点がある。また、複数の接続透過部２００を設けることで光透過部材５全体の機械的強度を上げることができる。
光透過部材５は、実装前に予め形状が決まっている。すなわち、部材を実装してから形状や表面状態を加工すると、一連の実装工程との兼ね合いで、加工方法や加工出来る形状や形状精度に制約が出来やすい。
一方、光透過部材５は、ガラスの平行平板から切り出し、必要に応じて表面の処理を施して形成される。これにより、光源４及び光検出器６上への実装前に予め形状が決まっている。しかるに、光透過部材５は、事前に必要十分な加工によって、所望の形状や形状精度としておくことが可能である。特に、光透過部材５の上面と下面とが平行平板ガラスの研磨面となっており、樹脂だけを用いた場合や光路上に樹脂が介在する場合と比べて表面の光学特性が良好であり、高精度な信号検出が可能となる。
【００６７】
光透過部材５は、実装時に塑性変形しない材料から成る、又は実装時に溶融しない材料から成る。すなわち、光透過部材５は、ガラスにより形成されており、実装時に塑性変形が起こらない。この光透過部材５は、特に樹脂封止する際に必要な２００℃前後の温度では溶融は起こらない。これにより、光透過部材５は、事前に加工した形状や表面状態を維持することが可能となる。
【００６８】
光透過部材５は、実装時に位置調整可能である、又は実装時にハンドリング可能である。すなわち、光透過部材５は、ガラスにより形成されており、上下の面が平行平板の一部になっている。これにより、光透過部材５は、平行平板に形成された上下の面や側面を保持して実装時にハンドリングすることが可能である。しかるに、光透過部材５は、所望の位置に配置して実装することが可能となり、かつセンサヘッド２内での位置調整も実装時に可能となる。従って、光透過部材５の高精度な位置決めと形状や形状精度の組合せとにより理想的な設計に近い信号検出効率や迷光低減効果が期待出来る。
【００６９】
本実施形態では、発光部４と光検出部５のスケール９側の面が、光透過部材５で、光透過部材５の第１の光透過部分５０のスケール側の面と同じ高さで検出ヘッド２全体にかつ一体的に埋設されていると仮定した場合に、発光部４から光透過部材５の表面を経て光検出部６へ至る光の経路について、光透過部材５から外界への界面での反射角が全反射臨界角よりも大きくなる光の経路が存在する構成となっている。また、式４と式５を満足する構成でもある。従って、光透過部材５が無ければ、全反射光した光が光検出部６に入射し、検出信号レベル飽和やＳＮ比劣化といった問題が生じうる。発光部４は光検出器６に近接した光源であり、この全反射光が発生させるエンコーダ信号のＤＣ成分は他の迷光に比べて特に大きなものとなりうる。光透過部材５による迷光低減効果により、ＤＣ成分が抑えられ、エンコーダ信号が安定して検出されるようになることで、検出ヘッドの薄型化・小型化が可能となる。なお、光透過部材５の代わりに光透過性の樹脂材８で、光透過部材５のスケール側の面と同じ高さで検出ヘッド２全体にかつ一体的に埋設されていると仮定した場合にも、光透過部材５の屈折率ｎ２の代わりに光透過性の樹脂材８の屈折率ｎ３を式３に代入することで、式４と式５を満足するような薄型の構成でも信号検出が可能となる。そのため、同様に検出ヘッドの薄型化・小型化の効果が期待出来る。 上記第１の実施の形態の特有の効果として以下の点が挙げられる。
光透過部材５は、光源４のスケールに対向する面に直接積層されている。これにより、信号検出と迷光低減を行いつつ、センサヘッド２を特に厚み方向にコンパクトにまとめることが可能となる。光源４に面実装用のチップタイプのモールドＬＥＤを用いることで、ＬＥＤ上面にワイヤ配線をする必要がなく、第１格子５１を有する光透過基板３を実装することが容易となる。
【００７０】
さらに、モールドＬＥＤは、封止されているので、ベアＬＥＤ等に比べると汎用性・信頼性が高い。これにより、取扱いも容易でエンコーダの実装が容易となるメリットがある。
光検出器６に受光素子アレイを用いているが、受光素子アレイでは、検出エリア内の信号効率が高く、所定の検出信号を得るのにコンパクトな構成が可能となる。
【００７１】
光源４側の第１の光透過部５０に迷光低減機能要素を持つ光透過部材５を配置するので、当該光透過部材５の迷光低減機能要素により光検出器６上の受光領域６１へ伝達する迷光のみならず、センサヘッド２から外部へなどの少なくとも特定の方向へ漏れる迷光を低減することが可能となる。
又、光検出器６側の第２の光透過部７０に迷光低減機能要素を持つ光透過部材５を配置するので、当該光透過部材５の迷光低減機能要素により光検出器６上の受光領域６１へ伝達する迷光のみならず、外部から光検出器６上の受光領域６１へなどの少なくとも特定の方向からの迷光を低減することが可能となる。
【００７２】
次に、上記第１の実施の形態の第１の変形例について図７を参照して説明する。
この第１の変形例は、上記第１の実施の形態において、光透過性の樹脂材８の形成方法を変えたものである。実装の手順は、以下の通りである。配線基板３上に光源４と、光検出器６と、光源４上の光透過部材５と、配線等とを実装する。この後、配線基板３上の部材を光透過性の樹脂材８により埋め込む。埋め込みにはモールディング等の製法を用いる。
製造方法以外の構成・作用・効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
このような加工方法を取ることで、光透過性の樹脂材８による埋め込みの際に、光透過部材５上部に光透過性の樹脂材８がかからないよう配慮する必要が無くなり、実装が容易となる。
【００７３】
次に、上記第１の実施の形態の第２の変形例について図８を参照して説明する。
この第２の変形例は、上記第１の実施の形態において、上記第１の変形例と同様に光透過性の樹脂材８の形成方法を変えたものである。
実装の手順は、以下の通りである。配線基板３上に、光源４と、光検出器６と、光源４上の光透過部材５と、配線等とを実装する。その後に、配線基板３上の部材を光透過性の樹脂材８により埋め込む。埋め込みにはモールド等の製法を用いる。
その後、樹脂材８の上面を研磨し、当該樹脂材８と光透過部材５との各上面が揃うようにする。
【００７４】
光透過部材５の上面の高さは、埋め込み前に揃えておいて樹脂材８のみ研磨してもよいし、研磨時に光透過部材５と樹脂材８の高さを一緒に研磨によって揃えても良い。又、研磨の際、樹脂材８のみを研磨して、光透過部材５の表面は加工されないようにしても良い。
又、加工により樹脂材８と光透過部材５との各上面の高さを揃えたり、その高さを調整したりすることが出来るようになり、製造時の汎用性が向上する。
製造方法以外の構成・作用・効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００７５】
このような加工方法を取ることで、光透過性の樹脂材８による埋め込みの際に、光透過部材５上部に光透過性の樹脂材８がかからないよう配慮する必要が無くなり、実装が容易となる。
さらに、センサヘッド２から樹脂材８に比べて形状精度の高い光透過部材５が表面に出てくる分、エンコーダとしての光学性能が上記第１の変形例に比べて向上する。又、迷光の観点でも、光透過部材５における第１の光透過部５０上部から樹脂材８を伝達して第２の光透過部７０へ至る光の経路が無くなるので、迷光低減効果も上記第１の変形例に比べて向上する。
【００７６】
次に、上記第１の実施の形態の第３の変形例について図９Ａ、図９Ｂを参照して説明する。図９Ａは光学式エンコーダの概略構成図を示し、図９Ｂは同エンコーダにおけるスケールの移動方向の断面構成図を示す。
この第３の変形例は、主に、上記第１の実施の形態において、光透過部材５を円筒状に形成し、樹脂材８を光遮光部材８ａに置き換え、かつ当該光遮光部材８ａは、光検出器６上の受光領域６１には掛からないように構成した。
光透過部材５は、円筒形状の形成されている。光透過部材５の側面には、特に光学的な処理を施していない。
光遮光部材８ａは、迷光低減効果を有するので、光透過部材５の側面には、当該光透過部材５の側面から出射される全ての方向へ向かう光を低減する構成・作用やそれに伴う効果は必ずしも必要ない。上記変更点以外の構成・作用・効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００７７】
第３の変形例においては、光透過部材５の側面から出射して光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を遮断するように光遮光部材８ａを光透過部材５の側面の大半を埋め尽くすように配置している。
光遮光部材８ａが光検出器６上の受光領域６１に掛からないようにするには、一旦、受光領域６１に他の部材をあてがい、光遮光部材８ａをつけた後にこの他部材を外しても良いし、光遮光部材８ａを全面に付けた後に、取り除いたり、押し退けたりしてもよい。
【００７８】
又、光遮光部材８ａが完全には不透明でなくて光がある程度透過する場合、若しくは埋め込んだ光遮光部材８ａから上に出た光透過部材５の側面を通して光検出器６へ到達する光の経路が存在しうる場合、光透過部材５の側面から出射して光検出器６上の受光領域６１へ到達する光を遮断又は低減するような光透過部材５の側面の形状や表面の微視的な形状である表面状態や側面形状と配置の組合せを併用してもよい。具体的には、光を発散させるような表面状態・表面形状としたり、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１から光を逸らすような表面形状と配置の組合せとしたりしてもよい。
【００７９】
迷光低減機能要素は、第１と第２の光透過部５０、７０との間に配置される部材であり、当該部材の光学的機能により迷光を低減し、光学式エンコーダ格子を有する第１格子（格子部材）５０１を光源４の発光部のスケール９側に配置すると共に、第１格子６０１のスケール９側の面に第２の光透過部７０を配置する。すなわち、図９Ａ及び図９Ｂに示すように光遮光部材８ａは、光透過部材５の側面から出射される光を遮断するので、光透過部材５の表面での内部反射光を含めて、光源４から出てセンサヘッド２内部を伝達する迷光は光検出器６で検出されにくくなる。
【００８０】
従って、上記２つの理由により、光検出器６が検出する信号について高いＳ／Ｎ比を確保できる。さらに、光源４から出射される光の内、光透過部材５のサイド領域を介して外部へ出射する漏れ光も低減することができる。
【００８１】
第３の変形例では、光透過部材５の側面に特別な光学的な処理を施していないが、光透過部材５の形状に伝達する光の低減機能を持たせてもよいし、これらの表面に光散乱効果や特定の方向に光を誘導させるようにしてもよい。
【００８２】
なお、光透過部材５は、変形例の１つとして上記図６Ｂ乃至図６Ｄ以外にも、例えば図１０に示すような形状に形成してもよい。この光透過部材５は、第１と第２の光透過部５０、７０との間を接続する接続透過部２００を、第１と第２の光透過部５０、７０との間の中央部から端部側に設け、かつ角度９０°の各屈曲部２００−１、２００−２を設けた。これにより、第１と第２の光透過部５０、７０との間の中央部の光の内部伝達を避け、かつ角度９０°の各屈曲部２００−１、２００−２を設けることで、光がより内部伝達しにくくなる。これにより、接続透過部２００の厚さを大きめに形成することにより光透過部材５の強度を向上させることが可能である。
【００８３】
次に、上記第１の実施の形態の第４の変形例について図１１を参照して説明する。
第４の変形例は、上記第１の実施の形態において、光遮光部材８を光透過部材５における第１の光透過部５０と第２の光透過部７０の間隙にのみ迷光低減機能要素としてのポッティングなどの製造方法で配置している。
光透過部材５の側面で光遮光部材８ｂに接していない領域や光遮光部材８の周囲は、光透過性の樹脂等で充填してもよい。
光遮光部材８ｂの配置される部分以外の構成・作用・効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００８４】
このような構成の第４の変形例によれば、光遮光部材８ｂの配置部分を限定することで光遮光部材８ｂの使用量を低減することができる。これにより、光遮光部材８ｂが使われていない光透過部材５の周囲のうち、光遮光部材８ｂが使われていない部分ついては、そのままにするか、他の部材で封止するなど設計の自由度が高まる。
【００８５】
なお、図１１に示す第４の変形例においては、光遮光部材８を光透過部材５の間隙を埋めるように樹脂等を成分とする光遮光部材８を配置しているが、光遮光部材８を光透過部材５の中間部に、例えば迷光低減機能要素を有する衝立状の迷光低減部材（迷光低減機能要素）を配置しても構わない。
迷光低減部材は、不透明な部材でもよいし、光源４側の面が光吸収体であったり、反射面であったりしても構わない。迷光低減部材は、透過光を光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１とは異なる方向へ逸らす機能を有していても構わない。
【００８６】
迷光低減部材の側面形状は、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１に光が直接入射させない限り、どのようなものでも構わない。又、迷光低減部材の側面から反射光が発生する場合、側面形状により、迷光低減部材は、例えば四方又は所定の方向に一様に、所謂万遍なく反射光を発散させたり、所定の方向、例えば、光源４などへは行かないようにさせたりしても構わない。
具体的には、上記条件を満たせば、迷光低減部材は、平面状・円筒面状・球面状であったり、Ｚ軸上方から見て波状であったりしても良い。
【００８７】
迷光低減部材の作用と効果について説明する。
光透過部材５の中間部に配置した迷光低減部材の光源側の側面に、光源４から出射した光が直接、又は光透過部材５を経て入射する。この入射光は、迷光低減部材の光源側の側面の形状を含めた光学特性と配置により、光検出器６の受光素子アレイから成る受光領域６１へ到達しないようになっている。その結果、高いＳＮ比を得ることが可能となる。
【００８８】
次に、上記第１の実施の形態の第５の変形例について図１２を参照して説明する。
この第５の変形例は、上記第１の実施の形態において光遮光部材１１０を光透過部材５の側面にのみ配置した。光透過部材５の断面形状は、任意でよく、例えば、四角でも丸でもよい。
光透過部材５の表面のうち、光遮光部材６０に接していない領域は、光透過性樹脂等で充填してもよい。光遮光部材１１０の配置以外の構成・作用・効果は、上記第３の変形例と同様である。
【００８９】
このような第５の変形例の構成においては、光遮光部材１１０の配置部分を特に光透過部材５の外周に限定することで、光遮光部材１１０の使用量を最低限に留めることができる。これにより、光遮光部材１１０が使われていない光透過部材５の周囲の部分ついては、そのままにするか、他の部材で封止するなど設計の自由度が高まる。
又、製造も容易である。例えば、光透過部材５をセンサヘッド２に実装する前に、その側面に光遮光部材１１０を付けておくことが可能である。さらには、長い棒状の光透過部材５の側面に光遮光部材８を付けておき、そこから光透過部材５を切り出していくことも可能である。こうした製法により、量産性が向上させることができる。
【００９０】
図１３は光遮光部材１１０が覆う部分についてのバリエーションを示し、同図上部に平面図、同図下部に断面図を示す。この光遮光部材１１０は、四角形状の光透過部材５に対して覆う部分を当該光透過部材５の第１の光透過部５０と第２の光透過部７０との向かい合った側面のみとしている。
光源４と光検出器６との間の面を遮光することで、ＳＮ比向上の観点から大きな効果が得られる一方、必ずしも光透過部材５の側面全体に光遮光部材８を形成しなくても良いという効果がある。これにより、製造方法によっては工程が容易となる。
【００９１】
次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１４Ａは点光源と配線基板３へのワイヤ配線と配線基板３上の電極パッド１１を示す。図１４Ｂは上記図１４Ａにおいて、点光源を線状光源に置き換えたものを示す。図１４Ｃは光学式エンコーダの側面図を示す。
この実施の形態は、上記第１の実施の形態において、光源４をベアチップ光源４ａに変え、光透過部材５の第１格子６０１を除去した。
【００９２】
本実施の形態は、いわゆるタルボット干渉を利用した光学式エンコーダであり、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように光出射部４１のスケール長手方向の幅Ｗ１は十分小さい、点光源又は線状光源であり、光透過部材５に第１格子は形成されていない。ベアチップ光源としては、出射光の出射窓を絞った面発光レーザやＬＥＤを用いることができる。
【００９３】
ところで、光出射部４１のスケール長手方向の幅がスケールピッチに比較して十分小さくない場合、具体的には１／２程度以上の場合、光透過部材５にピンホールや細い１本のスリットを形成すれば、上記第１の実施の形態と同様に機能させることが可能である。
【００９４】
光出射部４１が所望の形状を有するベアチップ光源４ａの光出射面に対応する面には、電極ボンディングワイヤ３４の領域を避けて、光透過部材５が光透過性接着剤によりベアチップ光源に貼り付けられている。しかるに、本光学式エンコーダは、光透過性の樹脂材８により電極ボンディングワイヤ３４を埋め込み、光透過部材５を取り囲んで充填した構成としている。
光源４は、点状又は線状であり、第１格子の位置や向きを合わせる必要が無く、実装が容易でありながら、良好な信号検出が可能となる。
【００９５】
なお、本実施の形態は、上記図６Ａ及び図６Ｂに示すように光透過部材５を光透過性の樹脂材８で覆うような構造や、研磨等により、光透過部材５と光透過性の樹脂材８の表面が同じ高さになるように配置しても良い。
さらに、本実施の形態は、上記図９Ａ及び図９Ｂに示すように光透過部材５の周囲に迷光防止手段を設けても良い。
【００９６】
次に、上記第２の実施の形態の第１の変形例について図１５Ａ及び図１５Ｂを参照して説明する。
図１５Ａは光検出器６とこの光検出器６上に実装された光透過部材５における第２の光透過部７０を示し、図１５Ｂは本光学式エンコーダの側面図を示す。
この第２の変形例は、上記第２の実施の形態において、光検出器６の構造を変更し、光透過部材５における第２の光透過部７０に第３格子７０１を形成追加した。
【００９７】
光検出器６は、４つの受光部を有する。光透過部材７の光検出器６側の面には、４つの受光部に対応したピッチｐ３に形成された第３格子７０１が形成されている。この第３格子７０１は、第２の光透過部材７０の光検出器６側の面をほぼ４等分する形で４つの格子群から成り、格子群ごとにｐ３／４だけ位相が異なるよう配置されている。光検出器６の各受光部から検出される信号は、互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの擬似正弦波信号が得られる。
光検出器６の構造と第２の光透過部７０以外の構成・作用・効果は、上記第２の実施の形態と同様である。
【００９８】
このような構成の第１の変形例によれば、光検出器６側のピッチｐ３を有する第３格子７１が第２の光透過部７０に形成されている。これにより、受光部の形状は単純な構造であり、製造が容易である。さらに、第３格子７１のピッチｐ３や配置の変更などの設計変更を第２の光透過部７０のみの変更で対応可能であり、設計の汎用性が高い構成となっている。
【００９９】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１Ａ】本発明に係る光学式エンコーダの第１の実施の形態を示す概略構成図。
【図１Ｂ】同光学式エンコーダにおけるスケールの移動方向の断面構成図。
【図２】同光学式エンコーダにおける光検出器上に形成されている受光領域の受光素子アレイを示す拡大図。
【図３】同光学式エンコーダにおける光検出器の光学的な配置について説明するための図。
【図４Ａ】同光学式エンコーダと対比する従来のエンコーダにおける変位信号に占めるＤＣ成分の上昇を示す図。
【図４Ｂ】同光学式エンコーダにおける互いに１/４周期だけ位相が異なる４つの電極パッドから出力される電気信号の１つの波形を示す図。
【図５】同光学式エンコーダにおける光透過部材の表面と樹脂材の表面との高さが一致していることを示す図。
【図６Ａ】同光学式エンコーダにおける光透過部材をスケール側から見た図。
【図６Ｂ】同光学式エンコーダにおける光透過部材の変形例を示す図。
【図６Ｃ】同光学式エンコーダにおける光透過部材の変形例を示す図。
【図６Ｄ】同光学式エンコーダにおける光透過部材の変形例を示す図。
【図７】同光学式エンコーダの第１の変形例を示す構成図。
【図８】同光学式エンコーダの第２の変形例を示す構成図。
【図９Ａ】同光学式エンコーダの第３の変形例を示す概略構成図。
【図９Ｂ】同光学式エンコーダの第３の変形例におけるスケールの移動方向の断面構成図。
【図１０】同光学式エンコーダにおける光透過部材の変形例の１つを示す構成図。
【図１１】同光学式エンコーダの第４の変形例を示す構成図。
【図１２】同光学式エンコーダの第５の変形例を示す構成図。
【図１３】同光学式エンコーダにおける光遮光部材が覆う部分についてのバリエーションを示す図。
【図１４Ａ】本発明に係る光学式エンコーダの第２の実施の形態における点光源と配線基板へのワイヤ配線と配線基板上の電極パッドを示す構成図。
【図１４Ｂ】同光学式エンコーダにおける点光源を線状光源に置き換えた図。
【図１４Ｃ】同光学式エンコーダを示す側面図。
【図１５Ａ】同光学式エンコーダの第１の変形例における光検出器とこの光検出器上に実装された光透過部材を示す構成図。
【図１５Ｂ】同光学式エンコーダの第１の変形例を示す側面図。
【図１６】従来における反射型の光学式エンコーダを示す構成図。
【図１７】従来の光学式エンコーダに発生するワイヤ配線の断線や樹脂クラック、ガラス割れ等を示す図。
【符号の説明】
【０１０１】
１：光学式エンコーダ、２：センサヘッド、９：スケール、３：配線基板、４：光源、６：光検出器、５：光透過部材、８：樹脂材、６１：光検出器の受光領域、５０：第１の光透過部、７０：第２の光透過部、２００：接続透過部、６０１：第１格子、９１：第２格子、ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４：フォトダイオード、Ａ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２：電極パッド、３２：光検出器の電極、３：電極ボンディングワイヤ、２００ａ：第１の接続透過部、２００ｂ：第２の接続透過部、２００ｃ，２００ｄ：屈曲部、２００ｅ：上部接続透過部、２００ｆ：下部接続透過部、８ａ：光遮光部材、２００−１，２００−２：屈曲部、１１０：光遮光部材、４ａ：ベアチップ光源、４１：光出射部、３４：電極ボンディングワイヤ、７０１：第３格子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被変位検出体としての一方の部材に取り付けられたスケールと、前記一方の部材に対して相対移動する他方の部材に取り付けられ、かつ前記スケールに対向して配置された検出ヘッドとを有し、エンコーダ信号を発生する光学式エンコーダにおいて、
前記スケールは、前記相対移動する方向に所定の光学パタンが設けられ、
前記検出ヘッドは、前記スケールに所定の光を照射する発光部と、
前記発光部から前記スケールに照射され、前記光学パタンを経た前記光を受光する受光面を有し、当該受光面上に形成される光分布を検出する光検出部と、
前記発光部と前記スケールとの間の光路上に配置される第１の光透過部分と、前記スケールと前記光検出部との間の光路上に配置される第２の光透過部分と、前記第１の光透過部分と前記第２の光透過部分とを繋ぐ接続透過部分とを有する光透過部材と、
前記第１の光透過部分の表面と前記第２の光透過部分の表面との間に介在し、前記エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光を低減する迷光低減機能要素と、
を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記迷光低減機能要素は、前記第１の光透過部分の表面と前記第２の光透過部分の表面とのうちの少なくとも１つの前記表面であり、当該表面の光学的機能により前記迷光を低減することを特徴とする請求項１項に記載の光学式エンコーダ
【請求項３】
前記迷光低減機能要素は、前記第１と第２の光透過部分との間に配置される部材であり、当該部材の光学的機能により前記迷光を低減し、
光学式エンコーダ格子を有する格子部材を前記発光部の前記スケール側に配置すると共に、前記格子部材の前記スケール側の面に前記第２の光透過部分を配置する、
ことを特徴とする請求項１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】
前記迷光低減機能要素は、前記第１と第２の光透過部分との間に配置された部材であり、当該部材の光学的機能と配置との組合せにより前記迷光を低減することを特徴とする請求項１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項５】
前記迷光低減機能要素は、前記被変位検出体の変位検出に全く寄与しない部分のみに配置又は形成されることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項６】
前記第１と第２の光透過部分の前記各表面は、前記エンコーダ信号の検出に関与する光が経由する部分を含む１つ以上の面と、当該面以外の前記エンコーダ信号の検出に関与しない１つ以上の面とから成り、
前記第１と第２の光透過部分における少なくとも一方の前記エンコーダ信号の検出に関与しない前記表面に前記迷光低減機能要素を配置又は形成する、
ことを特徴とする請求項２項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項７】
前記検出ヘッド内において、前記第１の光透過部分と前記第２の光透過部分とを除いて少なくとも前記発光部と前記光検出部と配線部材とは、前記迷光低減機能要素により覆われて当該迷光低減機能要素からはみ出さないことを特徴とする請求項３項に記載の光学式エンコーダ
【請求項８】
前記接続部分は、光伝達抑制機能を有する請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項９】
前記光透過部材は、実装前に予め形状が決まっ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。
【請求項１０】
前記光透過部材は、実装時に塑性変形しない材料から成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。
【請求項１１】
前記光透過部材は、実装時に溶融しない材料から成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。
【請求項１２】
前記光透過部材は、実装時に位置調整可能であ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。
【請求項１３】
前記光透過部材は、実装時にハンドリング可能であ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。
【請求項１４】
前記発光部と前記光検出部の前記スケール側の面が、前記光透過部材で、前記光透過部材の第１の光透過部分のスケール側の面と同じ高さで前記検出ヘッド全体にかつ一体的に埋設されていると仮定した場合に、前記発光部から前記光透過部材の表面を経て前記光検出部へ至る光の経路について、前記光の経路を通る光の少なくとも一部が前記光透過部材の表面に入射する角度が前記光透過部材から外界への界面での全反射臨界角よりも大きくなる光の経路が存在することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１５】
前記発光部と前記光検出部の前記スケール側の面はそれぞれ前記光透過部材により全体的かつ一体的に覆われるとともに、前記光透過部材の上面は略平坦であり、
前記発光部から前記第１の光透過部分の表面までの距離をｔ１、
前記光検出部から前記第２の光透過部分の表面までの距離をｔ２、
前記発光部上の位置と前記光検出部上の位置との間で最も遠くなる位置間の距離のうち前記スケールの表面に平行な方向の成分をＬ、
外界の屈折率をｎ１、
前記光透過部材の屈折率をｎ２とそれぞれしたとき、
ＡｒｃＴａｎ［Ｌ／（ｔ１＋ｔ２）］≧ＡｒｃＳｉｎ（ｎ１／ｎ２）
を満足することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１６】
接続透過部分の断面が前記第１の光透過部分、および、前記第２の光透過部分の断面よりも小さいことを特徴とする請求項８に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１】
被変位検出体としての一方の部材に取り付けられたスケールと、前記一方の部材に対して相対移動する他方の部材に取り付けられ、かつ前記スケールに対向して配置された検出ヘッドとを有し、エンコーダ信号を発生する光学式エンコーダにおいて、
前記スケールは、前記相対移動する方向に所定の光学パタンが設けられ、
前記検出ヘッドは、前記スケールに所定の光を照射する発光部と、
前記発光部から前記スケールに照射され、前記光学パタンを経た前記光を受光する受光面を有し、当該受光面上に形成される光分布を検出する光検出部と、
前記発光部と前記スケールとの間の光路上に配置される第１の光透過部分と、前記スケールと前記光検出部との間の光路上に配置される第２の光透過部分と、前記第１の光透過部分と前記第２の光透過部分とを繋ぐ接続透過部分とを有する光透過部材と、
前記第１の光透過部分の表面と前記第２の光透過部分の表面との間に介在し、前記エンコーダ信号の検出に寄与しない迷光を低減する迷光低減機能要素と、
を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記迷光低減機能要素は、前記第１の光透過部分の表面と前記第２の光透過部分の表面とのうちの少なくとも１つの前記表面であり、当該表面の光学的機能により前記迷光を低減することを特徴とする請求項１項に記載の光学式エンコーダ
【請求項３】
前記迷光低減機能要素は、前記第１と第２の光透過部分との間に配置される部材であり、当該部材の光学的機能により前記迷光を低減し、
光学式エンコーダ格子を有する格子部材を前記発光部の前記スケール側に配置すると共に、前記格子部材の前記スケール側の面に前記第２の光透過部分を配置する、
ことを特徴とする請求項１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】
前記迷光低減機能要素は、前記第１と第２の光透過部分との間に配置された部材であり、当該部材の光学的機能と配置との組合せにより前記迷光を低減することを特徴とする請求項１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項５】
前記迷光低減機能要素は、前記被変位検出体の変位検出に全く寄与しない部分のみに配置又は形成されることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項６】
前記第１と第２の光透過部分の前記各表面は、前記エンコーダ信号の検出に関与する光が経由する部分を含む１つ以上の面と、当該面以外の前記エンコーダ信号の検出に関与しない１つ以上の面とから成り、
前記第１と第２の光透過部分における少なくとも一方の前記エンコーダ信号の検出に関与しない前記表面に前記迷光低減機能要素を配置又は形成する、
ことを特徴とする請求項２項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項７】
前記検出ヘッド内において、前記第１の光透過部分と前記第２の光透過部分とを除いて少なくとも前記発光部と前記光検出部と配線部材とは、前記迷光低減機能要素により覆われて当該迷光低減機能要素からはみ出さないことを特徴とする請求項３項に記載の光学式エンコーダ
【請求項８】
前記接続部分は、光伝達抑制機能を有する請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項９】
前記光透過部材は、実装前に予め形状が決まっ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。
【請求項１０】
前記光透過部材は、実装時に塑性変形しない材料から成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。
【請求項１１】
前記光透過部材は、実装時に溶融しない材料から成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。
【請求項１２】
前記光透過部材は、実装時に位置調整可能であ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。
【請求項１３】
前記光透過部材は、実装時にハンドリング可能であ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。
【請求項１４】
前記発光部と前記光検出部の前記スケール側の面が、前記光透過部材で、前記光透過部材の第１の光透過部分のスケール側の面と同じ高さで前記検出ヘッド全体にかつ一体的に埋設されていると仮定した場合に、前記発光部から前記光透過部材の表面を経て前記光検出部へ至る光の経路について、前記光の経路を通る光の少なくとも一部が前記光透過部材の表面に入射する角度が前記光透過部材から外界への界面での全反射臨界角よりも大きくなる光の経路が存在することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１５】
前記発光部と前記光検出部の前記スケール側の面はそれぞれ前記光透過部材により全体的かつ一体的に覆われるとともに、前記光透過部材の上面は略平坦であり、
前記発光部から前記第１の光透過部分の表面までの距離をｔ１、
前記光検出部から前記第２の光透過部分の表面までの距離をｔ２、
前記発光部上の位置と前記光検出部上の位置との間で最も遠くなる位置間の距離のうち前記スケールの表面に平行な方向の成分をＬ、
外界の屈折率をｎ１、
前記光透過部材の屈折率をｎ２とそれぞれしたとき、
ＡｒｃＴａｎ［Ｌ／（ｔ１＋ｔ２）］≧ＡｒｃＳｉｎ（ｎ１／ｎ２）
を満足することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項１６】
接続透過部分の断面が前記第１の光透過部分、および、前記第２の光透過部分の断面よりも小さいことを特徴とする請求項８に記載の光学式エンコーダ。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１４Ｃ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６】
【図１７】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１４Ｃ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−２２３６３０（Ｐ２０１０−２２３６３０Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６８８８５（Ｐ２００９−６８８８５）
【出願日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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