反射型光学式エンコーダー
【課題】光検出器からの発生する熱を良好に放熱する光学式エンコーダーを提供する。
【解決手段】反射型光学式エンコーダー１００は光源１１０とスケール１２０と光検出器１３０と支持基板１４０と光源スリット１５０とを備えている。光源１１０はスケール１２０に向けて光ビームを射出し、スケール１２０は光源１１０に対して移動する。スケール１２０は周期的な光学パターン１２４を有し、照射される光ビームを反射・変調する。光検出器１３０はフォトディテクターアレイ１３２を有し、スケール１２０によって反射・変調された光ビームによる結像イメージを検出する。光源１１０と光検出器１３０は共に支持基板１４０に取り付けられている。光源スリット１５０はスリットパターン１５４を有し、スリットパターン１５４が光源１１０の上にひさし状に張り出すように、フォトディテクターアレイ１３２が形成された光検出器１３０の面に取り付けられている。
【解決手段】反射型光学式エンコーダー１００は光源１１０とスケール１２０と光検出器１３０と支持基板１４０と光源スリット１５０とを備えている。光源１１０はスケール１２０に向けて光ビームを射出し、スケール１２０は光源１１０に対して移動する。スケール１２０は周期的な光学パターン１２４を有し、照射される光ビームを反射・変調する。光検出器１３０はフォトディテクターアレイ１３２を有し、スケール１２０によって反射・変調された光ビームによる結像イメージを検出する。光源１１０と光検出器１３０は共に支持基板１４０に取り付けられている。光源スリット１５０はスリットパターン１５４を有し、スリットパターン１５４が光源１１０の上にひさし状に張り出すように、フォトディテクターアレイ１３２が形成された光検出器１３０の面に取り付けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学式エンコーダーに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、工作機械のステージや三次元計測定器などにおいて直線方向の変位量を検出するために、またサーボモーターなどにおいて回転角を検出するために、光学式や磁気式のエンコーダーが利用されている。
【０００３】
光学式エンコーダーは一般的に、ステージなどの変位検出対象物に固定されるスケールと、スケールの変位を検出するためのセンサーヘッドとによって構成されている。センサーヘッドは、スケールに光を照射する発光部と、スケールによって変調された光ビームを検出するための受光部とを有しており、検出された光ビームの強度変化に基づいてスケールの移動が算出される。
【０００４】
例えば特開平９−１９６７０６号公報は、代表的な反射型光学式エンコーダーを開示している。この反射型光学式エンコーダーについて図１３を用いて説明する。
【０００５】
この反射型光学式エンコーダーは、図１３に示されるように、光源４０と光源スリットＧ２とスケールＧ１と光検出器ＰＤＡとから構成されている。光源スリットＧ２は光源４０とスケールＧ１の間に配置されている。スケールＧ１は周期的な光学パターンを有している。光源スリットＧ２は周期的なスリット開口部を有している。スケールＧ１と光源スリットＧ２は、スケールＧ１のピッチ方向と光源スリットＧ２のピッチ方向がほぼ平行になるように配置されている。光源スリットＧ２とスケールＧ１と光検出器ＰＤＡは互いに平行となっている。光検出器ＰＤＡは、所定周期の明暗パターンを検出するためのフォトディテクターアレイを有している。フォトディテクターアレイは一次元配列された複数のフォトディテクター６２を有している。また光検出器ＰＤＡは、スリット開口部が形成された光源スリットＧ２の面と受光部（フォトディテクターアレイ）が形成された光検出器ＰＤＡの面とが互いに対向するように、光源スリットＧ２に固定されている。
【０００６】
次にこの反射型光学式エンコーダーの動作について説明する。光源４０から射出された光ビームは光源スリットＧ２を経由してスケールＧ１に照射される。光源スリットＧ２を通過した光ビームはスケールＧ１により反射・変調されて光検出器ＰＤＡ上に照射される。このとき、光源スリットＧ２のピッチＰａ、スケールＧ１のピッチＰｓ、光検出器ＰＤＡ上のフォトディテクターアレイのピッチＰｂ、光源スリットＧ２とスケールＧ１との間の距離Ｚ１、光検出器ＰＤＡとスケールＧ１との間の距離Ｚ２、光源から射出される光ビームの波長λが式（１）と式（２）と式（３）を満足する場合、スケールＧ１上に形成された周期パターンと相似な明暗パターンが結像イメージとして光検出器ＰＤＡ上に投影される。
【０００７】
（１／Ｚ１）＋（１／Ｚ２）＝λ／ｎＰｓ２ … （１）
Ｐｂ＝ｐｓ×（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ１ … （２）
Ｐａ＝ｐｓ×（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ２ … （３）
ここで、ｎは任意の自然数である。
【０００８】
この反射型光学式エンコーダーでは、Ｚ１とＺ２は図１３に示した通りほぼ等しいので、上記の三つの式は、Ｚ１＝Ｚ２＝Ｚとして、以下のように書き直せる。
【０００９】
２／Ｚ＝λ／ｎＰｓ２ … （４）
Ｐｂ＝２Ｐｓ … （５）
Ｐａ＝２Ｐｓ … （６）
この従来例の反射型光学式エンコーダーは、式（４）と式（５）と式（６）を満足しているため、スケールＧ１上に形成された周期パターンと相似な明暗パターンが光検出器ＰＤＡ上に投影される。この明暗パターンはスケールＧ１の移動に伴って光検出器ＰＤＡ上を移動する。このため、この明暗パターンの動きを検出することによって、スケールＧ１の動きを求めることができる。
【００１０】
光学式エンコーダーは高精度・高分解能・非接触式であり、さらに電磁波障害耐性に優れるなどの特徴を有しているため、さまざまな分野で利用されている。特に高精度・高分解能が要求されるエンコーダーは光学式が主流となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平９−１９６７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本実施形態では、光検出器ＰＤＡは光源スリットＧ２にのみ取り付けられており、光源スリットはこれを支える図示しない基材とのみ接触している。すなわち、光検出器ＰＤＡを動作させることにより発生する熱の逃げ場がほとんどない。光検出器ＰＤＡは温度によってその特性が変化することが知られており、従来技術によるエンコーダーの場合、光検出器ＰＤＡの自己の発熱は光検出器ＰＤＡの感度特性を変化させ、検出信号に悪影響を与えてしまう。この影響は、信号処理などを行なう電気回路を搭載した光検出器ＰＤＡの場合、特に顕著となる。
【００１３】
本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、光検出器からの発生する熱を良好に放熱する光学式エンコーダーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は反射型光学式エンコーダーに向けられている。反射型光学式エンコーダーは、光源と、光源に対して相対的に移動するスケールとを備えている。光源はスケールに向けて光ビームを射出する。スケールは周期的な光学パターンを有し、光学パターンは光源から照射される光ビームを反射・変調する。反射型光学式エンコーダーはさらに、光源から射出されスケールによって反射・変調された光ビームによる結像イメージを検出する光検出器と、光源と光検出器が平坦な面にじかに共に取り付けられた支持基板と、光源から射出されスケールに到達する光ビームの光路上に配置された光源スリットとを備えている。光源スリットは、複数の開口を有するスリットパターンを有している。光検出器は、光ビームを受けるフォトディテクターアレイを有している。光源スリットは、スリットパターンが少なくとも光源の上に張り出すように、フォトディテクターアレイが形成された光検出器の面に取り付けられている。反射型光学式エンコーダーは、スケールの光学パターンのピッチをＰｓ、光源スリットのスリットパターンのピッチをＰａ、光検出器のフォトディテクターアレイのピッチをＰｂ、スリットパターンが形成された光源スリットの面と光学パターンが形成されたスケールの面との間の距離をＺ１、光学パターンが形成されたスケールの面とフォトディテクターアレイが形成された光検出器の面との間の距離をＺ２、光源から射出される光ビームの波長をλとしたとき、ｎを任意の自然数として、（１／Ｚ１）＋（１／Ｚ２）＝λ／ｎＰｓ２，Ｐｂ＝Ｐｓ×（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ１，Ｐａ＝Ｐｓ×（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ２を満足している。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光検出器から発生する熱を良好に放熱する光学式エンコーダーが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第一実施形態による反射型光学式エンコーダーの斜視図である。
【図２】図１に示された反射型光学式エンコーダーの上面図である。
【図３】反射型光学式エンコーダーの側面図である。
【図４】図１に示されたスケールの上面図である。
【図５】図１に示されたフォトディテクターアレイの上面図である。
【図６】本発明の第一実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダーの上面図である。
【図７】本発明の第二実施形態による反射型光学式エンコーダーの側面図である。
【図８】本発明の第二実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダーの側面図である。
【図９】本発明の第三実施形態による反射型光学式エンコーダーの側面図である。
【図１０】本発明の第三実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダーの側面図である。
【図１１】本発明の第四実施形態による反射型光学式エンコーダーの側面図である。
【図１２】本発明の第四実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダーの側面図である。
【図１３】特開平９−１９６７０６号公報に開示されている反射型光学式エンコーダーを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
［第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態による反射型光学式エンコーダーの斜視図である。図２は、図１に示された反射型光学式エンコーダーの上面図である。図３は、反射型光学式エンコーダーの側面図である。図４は、図１に示されたスケールの上面図である。なお図２ではスケールの図示は省かれている。
【００１９】
反射型光学式エンコーダー１００は、図１と図３に示されるように、光源１１０と、光源１１０に対して相対的に移動するスケール１２０とを備えている。
【００２０】
光源１１０は、例えば、波長λの光ビームを射出するベアチップのＬＥＤである。光源１１０は、図３に示されるように、スケール１２０に向けて光ビームを射出する。
【００２１】
スケール１２０は、図４に示されるように、ガラス基板１２２と、ガラス基板１２２の表面に形成された周期的な光学パターン１２４を有している。光学パターン１２４は、例えば、スケール１２０の移動方向すなわちＸ方向に周期Ｐ１で一次元配列された複数の金属薄膜からなる反射パターンである。光学パターン１２４は、光源１１０から照射される光ビームを反射・変調する。
【００２２】
図１〜図３に示されるように、反射型光学式エンコーダー１００はさらに、光源１１０から射出されスケール１２０によって反射・変調された光ビームによる結像イメージを検出する光検出器１３０と、光源１１０と光検出器１３０が共に取り付けられた支持基板１４０と、光源１１０から射出されスケール１２０に到達する光ビームの光路上に配置された光源スリット１５０とを備えている。
【００２３】
光検出器１３０は、フォトディテクターアレイ１３２と、電気回路１３４と、電極パッド１３６と、これらの電気素子が形成された半導体基板１３８とを有している。フォトディテクターアレイ１３２は、スケール１２０によって反射・変調された光ビームを受ける受光部を構成している。電気回路１３４は、フォトディテクターアレイ１３２から出力される電流信号を処理する処理回路や、光源１１０を駆動する駆動回路などを含んでいる。電極パッド１３６は、電気回路１３４を介して、フォトディテクターアレイ１３２や光源１１０と電気的に接続されている。電極パッド１３６は光源スリット１５０によって覆われていない。
【００２４】
光源１１０と光検出器１３０が共に取り付けられる支持基板１４０の面は平坦であり、光源１１０と光検出器１３０はじかに支持基板１４０に固定されている。支持基板１４０には電気配線や電極パッド１４６が形成されている。支持基板１４０に形成された電極パッド１４６はボンディングワイヤー１４８を介して半導体基板１３８に形成された電極パッド１３６と電気的に接続されている。
【００２５】
光源１１０の厚さは光検出器１３０の厚さよりも薄い。すなわち、光源１１０と光学パターン１２４が形成されたスケール１２０の面との間の距離をＺ０、光学パターン１２４が形成されたスケール１２０の面とフォトディテクターアレイ１３２が形成された光検出器１３０の面との間の距離をＺ２としたとき、Ｚ０＞Ｚ２である。
【００２６】
光源スリット１５０は、光源１１０から射出される光ビームに対して透光性を有する透光部材であるガラス板１５２と、ガラス板１５２の表面に形成されたスリットパターン１５４とを有している。スリットパターン１５４は、図２に示されるように、Ｘ方向に周期Ｐｓで配列された複数の開口を有する開口パターンである。スリットパターン１５４は、例えば、ガラス板１５２の表面にクロム膜を形成し、これをパターニングして作製される。
【００２７】
スリットパターン１５４は本実施形態では複数の開口を有しているが、ただ一つの開口を有していてもよい。つまり光源スリット１５０は少なくとも一つの開口を有してればよい。
【００２８】
図３に示されるように、光源スリット１５０は、スリットパターン１５４が形成された光源スリット１５０の領域が光源１１０の上にひさし状に張り出すように、フォトディテクターアレイ１３２が形成された光検出器１３０の面に取り付けられている。スリットパターン１５４が形成された光源スリット１５０の面とフォトディテクターアレイ１３２が形成された光検出器１３０の面は対向している。図２に示されるように、光源スリット１５０のガラス板１５２はフォトディテクターアレイ１３２の全体を覆っている。
【００２９】
図２に示されるように、光検出器１３０のフォトディテクターアレイ１３２と光源スリット１５０のスリットパターン１５４はＹ方向に離れている。また図３に示されるように、光源１１０と光検出器１３０はほぼＹ方向に離れている。より詳しくは、図２から分かるように、光検出器１３０のフォトディテクターアレイ１３２の中心と光源スリット１５０のスリットパターン１５４とがほぼ一直線上に位置している。
【００３０】
次に図５を参照してフォトディテクターアレイ１３２についてさらに詳しく説明する。フォトディテクターアレイ１３２は、図５に示されるように、一次元的に配列された複数のフォトディテクター１３２ａを有している。フォトディテクター１３２ａは、フォトディテクターアレイ１３２に投影される周期ｐ２の明暗パターンの９０度ずつ異なる四つの位相部分を検出できるように、周期ｐ２ごとに電気的に接続された四つのグループ＋Ａと＋Ｂと−Ａと−Ｂに分けられている。これら四つのグループから出力信号は位相が互いに９０度ずつ異なる。例えば＋Ａグループの出力信号と−Ａグループの出力信号とは位相が１８０度異なる反転信号の関係になっている。これらの四つのグループの出力信号Ｓ（＋Ａ）とＳ（＋Ｂ）とＳ（−Ａ）とＳ（−Ｂ）は、図２に示される電気回路１３４に出力される。電気回路１３４は、内部の信号処理回路によって、Ａ相信号＝Ｓ（＋Ａ）−Ｓ（−Ａ）とＢ相信号＝Ｓ（＋Ｂ）−Ｓ（−Ｂ）を計算して出力する。
【００３１】
次に本実施形態の反射型光学式エンコーダー１００の動作について説明する。光源１１０から射出された光ビームは光源スリット１５０を通ってスケール１２０に照射され、光学パターン１２４によって反射・変調される。スケール１２０によって反射・変調された光ビームはフォトディテクターアレイ１３２に入射する。
【００３２】
反射型光学式エンコーダー１００は前述の式（１）と式（２）と式（３）を満足している。このため、スケール１２０の光学パターン１２４と相似な明暗パターンがフォトディテクターアレイ１３２に投影される。この明暗パターンはスケール１２０の動きに応じてフォトディテクターアレイ１３２上を動くため、この明暗パターンの動きを検出することによりスケール１２０の動きを求めることができる。
【００３３】
本実施形態においては、フォトディテクターアレイ１３２と光源スリット１５０のスリットパターン１５４とが、図３に示されるように、Ｙ方向すなわちスケール１２０の移動方向であるＸ方向に対して光学パターン１２４が形成された面上において直交する方向に離れて配置されており、この方向において重なり部分を有していない。
【００３４】
光源１１０から射出された光ビームはスケール１２０によって反射・変調されてフォトディテクターアレイ１３２に照射されるが、このように構成されているため、スケール１２０がＺ方向に変位した場合、図３から容易に想像できるように、フォトディテクターアレイ１３２上に形成される明暗パターンはＹ方向に移動する。この移動方向はスケール１２０の移動方向であるＸ方向に直交しているので、スケール１２０がＺ方向に移動したのかＸ方向に移動したのかを混同する心配がない。
【００３５】
図１３に示される従来技術では、光源スリットＧ２とフォトディテクターアレイＰＤＡとがＸ方向に離れて配置されており、Ｙ方向において重なり部分を有している。このため、スケール１２０がＺ方向に変位した場合もＸ方向に移動した場合も、明暗パターンはＸ方向に移動する。従って、スケール１２０がＺ方向に変位したのかＸ方向に移動したのかを明暗パターンの移動から判別することができない。
【００３６】
これに対して本実施形態では、フォトディテクターアレイ１３２とスリットパターン１５４がＹ方向に離れているため、スケール１２０がＸ方向に移動したときだけフォトディテクターアレイ１３２からの出力信号が変化する。このため、スケール１２０のＺ方向の変位をＸ方向の移動として誤検出することはない。
【００３７】
また本実施形態では、図３に示されるように、光源スリット１５０のガラス板１５２はフォトディテクターアレイ１３２全体を覆うように取り付けられている。このため、光源１１０からスケール１２０に到達するまでの光ビームの光路１０４と、スケール１２０からフォトディテクターアレイ１３２に到達するまでの光ビームの光路１０６は、同じ厚さで同じ材質のガラス板を通過する。このため、式（１）におけるＺ１とＺ２とがほぼ等しいという条件をより正確に満足する。従って、Ｚ１＝Ｚ２がより安定に実現でき、結果として式（４）と式（５）と式（６）をより満足しやすい。
【００３８】
本実施形態の反射型光学式エンコーダー１００では、フォトディテクターアレイ１３２と電気回路１３４などが形成された半導体基板１３８から発生する熱は、光源スリット１５０を経由して空気中に、また支持基板１４０を経由して外部に放熱される。このとき、支持基板１４０の底面すなわち半導体基板１３８が配置された面と反対側の面を、ステージなどの変位検出対象物への取り付け面とすることにより、より効果的に放熱を促すことができる。
【００３９】
さらに本実施形態の反射型光学式エンコーダー１００は、支持基板１４０の上面が平坦であり、部品点数もスケール１２０を除けば光源１１０と支持基板１４０と光源スリット１５０と半導体基板１３８だけと少なく抑えられているため、低コスト化や小型化に向いた構造となっている。
【００４０】
本実施形態では、光検出器１３０とスリットパターン１５４がＹ方向に離れているが、両者の位置関係はこれに限定されるものではなく、Ｘ方向に離れていてもよい。図６は、本実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダーの上面図である。なお図６ではスケールの図示は省かれている。図６に示されるように、本変形例の反射型光学式エンコーダー１００Ａでは、光検出器１３０とスリットパターン１５４はＸ方向に離れて配置されている。このように構成することにより、支持基板１４０のＹ方向の幅を小さくすることが可能となるため、より狭いスペースで使用可能な光学式エンコーダーを構成することが可能となる。
【００４１】
［第二実施形態］
図７は、本発明の第二実施形態による反射型光学式エンコーダーの側面図であり、図３に示された第一実施形態の反射型光学式エンコーダーの側面図に相当する図である。図７において、図３に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００４２】
本実施形態は、光源の厚さが光検出器の厚さよりも厚い事態に対応する構成に向けられている。一般に光源は透明な樹脂やキャンなどにパッケージングされており、光検出器の厚さより厚いことが多い。
【００４３】
図７に示されるように、本実施形態の反射型光学式エンコーダー２００では、光源２１０の厚さが光検出器２３０の厚さよりも厚い。このため、光検出器２３０は、Ｚ０＞Ｚ２となるように、高さ調整部材２６０を介して支持基板１４０に取り付けられている。
【００４４】
これにより、光検出器１３０よりも厚い光源１１０を用いながらも、第一実施形態と同様の利点を得ることができる。
【００４５】
図８は、本発明の第二実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダーの側面図である。図８において、図７に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００４６】
図８に示されるように、本変形例の反射型光学式エンコーダー２００Ａは、平坦な支持基板１４０に代えて、階段状部分を有する支持基板２４０を有している。光源２１０と光検出器２３０は、Ｚ０＞Ｚ２となるように、それぞれ高さが異なる段に取り付けられている。言い換えれば、支持基板２４０は、光源２１０と光検出器２３０の厚さの差より大きい段差を有しており、低い段に光源２１０が取り付けられ、高い段に光検出器２３０が取り付けられる。
【００４７】
本変形例によれば、高さ調整部材を必要とすることなく、光源２１０と光検出器２３０の高さ調整を行なうことができる。
【００４８】
本実施形態では、光源２１０が光検出器２３０よりも厚い例を示したが、本実施形態の手法は、逆に光源２１０が光検出器２３０よりも非常に薄い場合に適用されてもよい。その場合、光源２１０と支持基板２４０との間に高さ調整部材２６０を設けたり、支持基板２４０の段差の高い段に光源２１０を取り付けたりして、光源２１０と光検出器２３０が所望の高低差になるように高さ調整を行なってもよい。
【００４９】
このように構成することにより、光源２１０や光検出器２３０の厚さに関係なく、光検出器２３０から発生する熱を効率良く放熱させることができる反射型光学式エンコーダーを構成することができる。
【００５０】
本実施形態においても、光検出器２３０とスリットパターン１５４はＹ方向に離れているが、図６に示される第一実施形態の変形例のように、光検出器２３０とスリットパターン１５４はＸ方向に離れていてもよい。
【００５１】
［第三実施形態］
図９は、本発明の第三実施形態による反射型光学式エンコーダーの側面図であり、図３に示された第一実施形態の反射型光学式エンコーダーの側面図に相当する図である。図９において、図３に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００５２】
図９に示されるように、本実施形態の反射型光学式エンコーダー３００では、光検出器１３０と、光検出器１３０と支持基板１４０を電気的に接続している電気要素（すなわちボンディングワイヤー１４８と電極パッド）が樹脂３７０によって封止されている。これにより、光検出器１３０が樹脂３７０によって保護されるため、衝撃などによる破壊の恐れが少ない。また、ボンディングワイヤー１４８が樹脂３７０によって保護されるため、ボンディングワイヤー１４８が断線する危険が少ない。さらに、半導体基板１３８上の電気回路１３４と電極パッド１３６と支持基板１４０上の電極パッド１４６とが樹脂３７０によって保護されるため（図２参照）、外気などの影響による電気回路１３４と電極パッド１３６と電極パッド１４６の経時変化が少ない。
【００５３】
また、光源１１０と、スケール１２０に対向する光源スリット１５０の上面と、スリットパターン１５４とが、樹脂３７０によって封止されることなく露出している。従って、光源１１０から射出されスケール１２０を経由してフォトディテクターアレイ１３２に入射する光ビームの光路上には樹脂３７０がない。このため、変位検出に用いられる光ビームが樹脂３７０の影響を受けることがなく、より安定で高精度の検出が可能となる。また、光源１１０から射出される光ビームに対して不透明な樹脂を樹脂３７０に適用することも可能である。さらに、スケール１２０とフォトディテクターアレイ１３２とスリットパターン１５４とのＺ方向の距離を正確に合わせる際に、光源スリット１５０のガラス板１５２の上面を基準としてスケール１２０との間の距離を調整することが可能であり、位置調整が容易となる。
【００５４】
これまでの説明から分かるように、本実施形態の反射型光学式エンコーダー３００は、第一実施形態と同様の利点に加えて、光検出器１３０やボンディングワイヤー１４８が良好に保護されるという利点を有する。
【００５５】
図１０は、本発明の第三実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダーの側面図である。図１０において、図９に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００５６】
本変形例の反射型光学式エンコーダー３００Ａでは、図１０に示されるように、支持基板１４０上の素子のすべてが、光源スリット１５０の上面を除いて、樹脂３７０Ａによって封止されている。すなわち、光検出器１３０と、光検出器１３０と支持基板１４０を電気的に接続している電気要素（すなわちボンディングワイヤー１４８と電極パッド）と、光源１１０と、光源スリット１５０のスリットパターン１５４の部分とが、樹脂３７０Ａによって封止されている。樹脂３７０Ａは、光源１１０から射出される光ビームに対して透光性を有している。
【００５７】
本変形例の反射型光学式エンコーダー３００Ａでは、光検出器１３０とボンディングワイヤー１４８に加え、光源１１０もが樹脂３７０Ａによって保護される。また、樹脂３７０Ａが設けられる領域は、図９に示された反射型光学式エンコーダー３００において樹脂３７０が設けられる領域に比べて大きく、支持基板１４０上のほぼ全面となっている。このため、樹脂３７０Ａによる封止が容易になり、製造コストが低減される。
【００５８】
本実施形態および本実施形態の変形例において、光源１１０と半導体基板１３８の高さがそのままでは不適切な場合には、第二実施形態と同様に、高さ調整部材２６０が付加されたり、支持基板１４０が段差状部分を有する支持基板２４０に変更されたりしてよい。
【００５９】
本実施形態においても、光検出器１３０とスリットパターン１５４はＹ方向に離れているが、図６に示される第一実施形態の変形例のように、光検出器１３０とスリットパターン１５４はＸ方向に離れていてもよい。
【００６０】
［第四実施形態］
図１１は、本発明の第四実施形態による反射型光学式エンコーダーの側面図であり、図３に示された第一実施形態の反射型光学式エンコーダーの側面図に相当する図である。図１１において、図３に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００６１】
図１１に示されるように、本実施形態の反射型光学式エンコーダー４００では、支持基板１４０上の素子のすべてが樹脂３７０Ａによって封止されている。すなわち、光検出器１３０と、光検出器１３０と支持基板１４０を電気的に接続している電気要素（すなわちボンディングワイヤー１４８と電極パッド）と、光源１１０と、光源スリット１５０とが、樹脂３７０Ａによって封止されている。樹脂３７０Ａは、光源１１０から射出される光ビームに対して透光性を有している。
【００６２】
本実施形態の反射型光学式エンコーダー４００では、樹脂３７０Ａを部分的に設ける必要がないため、樹脂３７０Ａによる封止が容易になり、製造コストが低減される。
【００６３】
本実施形態の変形例を図１２に示す。
【００６４】
図１２は本発明の第四実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダーの側面図であり、図１１に示された第四実施形態の側面図に相当する図である。図１２において、図１１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００６５】
図１２に示されるように本実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダー４００Ａでは、支持基板１４０上の素子のすべてが樹脂３７０Ａと３７０Ｂによって封止されている。光源１１０から出射され光検出器１３０に向かう光路上には、光源１１０から出射される光ビームに対して透光性を有する樹脂３７０Ａにより封止されている。また、それ以外の領域の一部は光源１１０から出射される光ビームに対して遮光性を有する樹脂３７０Ｂによって封止されている。
【００６６】
本実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダー４００Ａでは、光源１１０から出射された光ビームのうちスケールを経由しないで光検出器に入射するものや外光等を軽減することが可能となる。
【００６７】
本実施形態では、光源１１０から射出されスケール１２０を経由してフォトディテクターアレイ１３２に入射する光ビームの光路上に樹脂３７０Ａが存在するため、樹脂３７０Ａは、光ビームが通過する部分がなるべく平坦となるように整形されることが望まれる。平坦化の一例としては、樹脂３７０Ａを硬化させる際にガラス板などの平坦な部材を押し当てて樹脂３７０Ａを硬化させる、樹脂３７０Ａの硬化後に表面を研磨する、などの手法が適用可能である。
【００６８】
本実施形態においても、光検出器１３０とスリットパターン１５４はＹ方向に離れているが、図６に示される第一実施形態の変形例のように、光検出器１３０とスリットパターン１５４はＸ方向に離れていてもよい。
【００６９】
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さまざまな変形や変更が施されてもよい。
【００７０】
上述したすべての実施形態において、光源は、ベアチップのＬＥＤまたは樹脂モールドされたＬＥＤであるとして説明したが、これに何ら限定されるものではなく、キャンパッケージされたＬＥＤやランプ形のＬＥＤであってもよい。また、ストライプレーザーや面発光レーザーなどの半導体レーザーが適用されてもよい。半導体レーザーを用いる場合、射出される光ビームのスペクトル線幅が狭くなるため、フォトディテクターアレイ上に形成される明暗パターンの単位光出力あたりの強度が大きくなるため、より効率的にエンコーダーを動作させることが可能となり、また、エンコーダーとしての特性を特に向上させることが可能となる。上述した光源のほかにも、ＲＣ−ＬＥＤやＳＬＤ、電流狭窄型のＬＥＤなどのさまざまな光源を使用することにより、性能や価格などの目的に応じたエンコーダーを提供することが可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１００…反射型光学式エンコーダー、１００Ａ…反射型光学式エンコーダー、１１０…光源、１２０…スケール、１２２…ガラス基板、１２４…光学パターン、１３０…光検出器、１３２…フォトディテクターアレイ、１３２ａ…フォトディテクター、１３４…電気回路、１３６…電極パッド、１３８…半導体基板、１４０…支持基板、１４６…電極パッド、１４８…ボンディングワイヤー、１５０…光源スリット、１５２…ガラス板、１５４…スリットパターン、２００…反射型光学式エンコーダー、２００Ａ…反射型光学式エンコーダー、２１０…光源、２３０…光検出器、２４０…支持基板、２６０…高さ調整部材、３００…反射型光学式エンコーダー、３００Ａ…反射型光学式エンコーダー、３７０…樹脂、３７０Ａ…樹脂、４００…反射型光学式エンコーダー。
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学式エンコーダーに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、工作機械のステージや三次元計測定器などにおいて直線方向の変位量を検出するために、またサーボモーターなどにおいて回転角を検出するために、光学式や磁気式のエンコーダーが利用されている。
【０００３】
光学式エンコーダーは一般的に、ステージなどの変位検出対象物に固定されるスケールと、スケールの変位を検出するためのセンサーヘッドとによって構成されている。センサーヘッドは、スケールに光を照射する発光部と、スケールによって変調された光ビームを検出するための受光部とを有しており、検出された光ビームの強度変化に基づいてスケールの移動が算出される。
【０００４】
例えば特開平９−１９６７０６号公報は、代表的な反射型光学式エンコーダーを開示している。この反射型光学式エンコーダーについて図１３を用いて説明する。
【０００５】
この反射型光学式エンコーダーは、図１３に示されるように、光源４０と光源スリットＧ２とスケールＧ１と光検出器ＰＤＡとから構成されている。光源スリットＧ２は光源４０とスケールＧ１の間に配置されている。スケールＧ１は周期的な光学パターンを有している。光源スリットＧ２は周期的なスリット開口部を有している。スケールＧ１と光源スリットＧ２は、スケールＧ１のピッチ方向と光源スリットＧ２のピッチ方向がほぼ平行になるように配置されている。光源スリットＧ２とスケールＧ１と光検出器ＰＤＡは互いに平行となっている。光検出器ＰＤＡは、所定周期の明暗パターンを検出するためのフォトディテクターアレイを有している。フォトディテクターアレイは一次元配列された複数のフォトディテクター６２を有している。また光検出器ＰＤＡは、スリット開口部が形成された光源スリットＧ２の面と受光部（フォトディテクターアレイ）が形成された光検出器ＰＤＡの面とが互いに対向するように、光源スリットＧ２に固定されている。
【０００６】
次にこの反射型光学式エンコーダーの動作について説明する。光源４０から射出された光ビームは光源スリットＧ２を経由してスケールＧ１に照射される。光源スリットＧ２を通過した光ビームはスケールＧ１により反射・変調されて光検出器ＰＤＡ上に照射される。このとき、光源スリットＧ２のピッチＰａ、スケールＧ１のピッチＰｓ、光検出器ＰＤＡ上のフォトディテクターアレイのピッチＰｂ、光源スリットＧ２とスケールＧ１との間の距離Ｚ１、光検出器ＰＤＡとスケールＧ１との間の距離Ｚ２、光源から射出される光ビームの波長λが式（１）と式（２）と式（３）を満足する場合、スケールＧ１上に形成された周期パターンと相似な明暗パターンが結像イメージとして光検出器ＰＤＡ上に投影される。
【０００７】
（１／Ｚ１）＋（１／Ｚ２）＝λ／ｎＰｓ２ … （１）
Ｐｂ＝ｐｓ×（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ１ … （２）
Ｐａ＝ｐｓ×（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ２ … （３）
ここで、ｎは任意の自然数である。
【０００８】
この反射型光学式エンコーダーでは、Ｚ１とＺ２は図１３に示した通りほぼ等しいので、上記の三つの式は、Ｚ１＝Ｚ２＝Ｚとして、以下のように書き直せる。
【０００９】
２／Ｚ＝λ／ｎＰｓ２ … （４）
Ｐｂ＝２Ｐｓ … （５）
Ｐａ＝２Ｐｓ … （６）
この従来例の反射型光学式エンコーダーは、式（４）と式（５）と式（６）を満足しているため、スケールＧ１上に形成された周期パターンと相似な明暗パターンが光検出器ＰＤＡ上に投影される。この明暗パターンはスケールＧ１の移動に伴って光検出器ＰＤＡ上を移動する。このため、この明暗パターンの動きを検出することによって、スケールＧ１の動きを求めることができる。
【００１０】
光学式エンコーダーは高精度・高分解能・非接触式であり、さらに電磁波障害耐性に優れるなどの特徴を有しているため、さまざまな分野で利用されている。特に高精度・高分解能が要求されるエンコーダーは光学式が主流となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平９−１９６７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本実施形態では、光検出器ＰＤＡは光源スリットＧ２にのみ取り付けられており、光源スリットはこれを支える図示しない基材とのみ接触している。すなわち、光検出器ＰＤＡを動作させることにより発生する熱の逃げ場がほとんどない。光検出器ＰＤＡは温度によってその特性が変化することが知られており、従来技術によるエンコーダーの場合、光検出器ＰＤＡの自己の発熱は光検出器ＰＤＡの感度特性を変化させ、検出信号に悪影響を与えてしまう。この影響は、信号処理などを行なう電気回路を搭載した光検出器ＰＤＡの場合、特に顕著となる。
【００１３】
本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、光検出器からの発生する熱を良好に放熱する光学式エンコーダーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は反射型光学式エンコーダーに向けられている。反射型光学式エンコーダーは、光源と、光源に対して相対的に移動するスケールとを備えている。光源はスケールに向けて光ビームを射出する。スケールは周期的な光学パターンを有し、光学パターンは光源から照射される光ビームを反射・変調する。反射型光学式エンコーダーはさらに、光源から射出されスケールによって反射・変調された光ビームによる結像イメージを検出する光検出器と、光源と光検出器が平坦な面にじかに共に取り付けられた支持基板と、光源から射出されスケールに到達する光ビームの光路上に配置された光源スリットとを備えている。光源スリットは、複数の開口を有するスリットパターンを有している。光検出器は、光ビームを受けるフォトディテクターアレイを有している。光源スリットは、スリットパターンが少なくとも光源の上に張り出すように、フォトディテクターアレイが形成された光検出器の面に取り付けられている。反射型光学式エンコーダーは、スケールの光学パターンのピッチをＰｓ、光源スリットのスリットパターンのピッチをＰａ、光検出器のフォトディテクターアレイのピッチをＰｂ、スリットパターンが形成された光源スリットの面と光学パターンが形成されたスケールの面との間の距離をＺ１、光学パターンが形成されたスケールの面とフォトディテクターアレイが形成された光検出器の面との間の距離をＺ２、光源から射出される光ビームの波長をλとしたとき、ｎを任意の自然数として、（１／Ｚ１）＋（１／Ｚ２）＝λ／ｎＰｓ２，Ｐｂ＝Ｐｓ×（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ１，Ｐａ＝Ｐｓ×（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ２を満足している。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光検出器から発生する熱を良好に放熱する光学式エンコーダーが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第一実施形態による反射型光学式エンコーダーの斜視図である。
【図２】図１に示された反射型光学式エンコーダーの上面図である。
【図３】反射型光学式エンコーダーの側面図である。
【図４】図１に示されたスケールの上面図である。
【図５】図１に示されたフォトディテクターアレイの上面図である。
【図６】本発明の第一実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダーの上面図である。
【図７】本発明の第二実施形態による反射型光学式エンコーダーの側面図である。
【図８】本発明の第二実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダーの側面図である。
【図９】本発明の第三実施形態による反射型光学式エンコーダーの側面図である。
【図１０】本発明の第三実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダーの側面図である。
【図１１】本発明の第四実施形態による反射型光学式エンコーダーの側面図である。
【図１２】本発明の第四実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダーの側面図である。
【図１３】特開平９−１９６７０６号公報に開示されている反射型光学式エンコーダーを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
［第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態による反射型光学式エンコーダーの斜視図である。図２は、図１に示された反射型光学式エンコーダーの上面図である。図３は、反射型光学式エンコーダーの側面図である。図４は、図１に示されたスケールの上面図である。なお図２ではスケールの図示は省かれている。
【００１９】
反射型光学式エンコーダー１００は、図１と図３に示されるように、光源１１０と、光源１１０に対して相対的に移動するスケール１２０とを備えている。
【００２０】
光源１１０は、例えば、波長λの光ビームを射出するベアチップのＬＥＤである。光源１１０は、図３に示されるように、スケール１２０に向けて光ビームを射出する。
【００２１】
スケール１２０は、図４に示されるように、ガラス基板１２２と、ガラス基板１２２の表面に形成された周期的な光学パターン１２４を有している。光学パターン１２４は、例えば、スケール１２０の移動方向すなわちＸ方向に周期Ｐ１で一次元配列された複数の金属薄膜からなる反射パターンである。光学パターン１２４は、光源１１０から照射される光ビームを反射・変調する。
【００２２】
図１〜図３に示されるように、反射型光学式エンコーダー１００はさらに、光源１１０から射出されスケール１２０によって反射・変調された光ビームによる結像イメージを検出する光検出器１３０と、光源１１０と光検出器１３０が共に取り付けられた支持基板１４０と、光源１１０から射出されスケール１２０に到達する光ビームの光路上に配置された光源スリット１５０とを備えている。
【００２３】
光検出器１３０は、フォトディテクターアレイ１３２と、電気回路１３４と、電極パッド１３６と、これらの電気素子が形成された半導体基板１３８とを有している。フォトディテクターアレイ１３２は、スケール１２０によって反射・変調された光ビームを受ける受光部を構成している。電気回路１３４は、フォトディテクターアレイ１３２から出力される電流信号を処理する処理回路や、光源１１０を駆動する駆動回路などを含んでいる。電極パッド１３６は、電気回路１３４を介して、フォトディテクターアレイ１３２や光源１１０と電気的に接続されている。電極パッド１３６は光源スリット１５０によって覆われていない。
【００２４】
光源１１０と光検出器１３０が共に取り付けられる支持基板１４０の面は平坦であり、光源１１０と光検出器１３０はじかに支持基板１４０に固定されている。支持基板１４０には電気配線や電極パッド１４６が形成されている。支持基板１４０に形成された電極パッド１４６はボンディングワイヤー１４８を介して半導体基板１３８に形成された電極パッド１３６と電気的に接続されている。
【００２５】
光源１１０の厚さは光検出器１３０の厚さよりも薄い。すなわち、光源１１０と光学パターン１２４が形成されたスケール１２０の面との間の距離をＺ０、光学パターン１２４が形成されたスケール１２０の面とフォトディテクターアレイ１３２が形成された光検出器１３０の面との間の距離をＺ２としたとき、Ｚ０＞Ｚ２である。
【００２６】
光源スリット１５０は、光源１１０から射出される光ビームに対して透光性を有する透光部材であるガラス板１５２と、ガラス板１５２の表面に形成されたスリットパターン１５４とを有している。スリットパターン１５４は、図２に示されるように、Ｘ方向に周期Ｐｓで配列された複数の開口を有する開口パターンである。スリットパターン１５４は、例えば、ガラス板１５２の表面にクロム膜を形成し、これをパターニングして作製される。
【００２７】
スリットパターン１５４は本実施形態では複数の開口を有しているが、ただ一つの開口を有していてもよい。つまり光源スリット１５０は少なくとも一つの開口を有してればよい。
【００２８】
図３に示されるように、光源スリット１５０は、スリットパターン１５４が形成された光源スリット１５０の領域が光源１１０の上にひさし状に張り出すように、フォトディテクターアレイ１３２が形成された光検出器１３０の面に取り付けられている。スリットパターン１５４が形成された光源スリット１５０の面とフォトディテクターアレイ１３２が形成された光検出器１３０の面は対向している。図２に示されるように、光源スリット１５０のガラス板１５２はフォトディテクターアレイ１３２の全体を覆っている。
【００２９】
図２に示されるように、光検出器１３０のフォトディテクターアレイ１３２と光源スリット１５０のスリットパターン１５４はＹ方向に離れている。また図３に示されるように、光源１１０と光検出器１３０はほぼＹ方向に離れている。より詳しくは、図２から分かるように、光検出器１３０のフォトディテクターアレイ１３２の中心と光源スリット１５０のスリットパターン１５４とがほぼ一直線上に位置している。
【００３０】
次に図５を参照してフォトディテクターアレイ１３２についてさらに詳しく説明する。フォトディテクターアレイ１３２は、図５に示されるように、一次元的に配列された複数のフォトディテクター１３２ａを有している。フォトディテクター１３２ａは、フォトディテクターアレイ１３２に投影される周期ｐ２の明暗パターンの９０度ずつ異なる四つの位相部分を検出できるように、周期ｐ２ごとに電気的に接続された四つのグループ＋Ａと＋Ｂと−Ａと−Ｂに分けられている。これら四つのグループから出力信号は位相が互いに９０度ずつ異なる。例えば＋Ａグループの出力信号と−Ａグループの出力信号とは位相が１８０度異なる反転信号の関係になっている。これらの四つのグループの出力信号Ｓ（＋Ａ）とＳ（＋Ｂ）とＳ（−Ａ）とＳ（−Ｂ）は、図２に示される電気回路１３４に出力される。電気回路１３４は、内部の信号処理回路によって、Ａ相信号＝Ｓ（＋Ａ）−Ｓ（−Ａ）とＢ相信号＝Ｓ（＋Ｂ）−Ｓ（−Ｂ）を計算して出力する。
【００３１】
次に本実施形態の反射型光学式エンコーダー１００の動作について説明する。光源１１０から射出された光ビームは光源スリット１５０を通ってスケール１２０に照射され、光学パターン１２４によって反射・変調される。スケール１２０によって反射・変調された光ビームはフォトディテクターアレイ１３２に入射する。
【００３２】
反射型光学式エンコーダー１００は前述の式（１）と式（２）と式（３）を満足している。このため、スケール１２０の光学パターン１２４と相似な明暗パターンがフォトディテクターアレイ１３２に投影される。この明暗パターンはスケール１２０の動きに応じてフォトディテクターアレイ１３２上を動くため、この明暗パターンの動きを検出することによりスケール１２０の動きを求めることができる。
【００３３】
本実施形態においては、フォトディテクターアレイ１３２と光源スリット１５０のスリットパターン１５４とが、図３に示されるように、Ｙ方向すなわちスケール１２０の移動方向であるＸ方向に対して光学パターン１２４が形成された面上において直交する方向に離れて配置されており、この方向において重なり部分を有していない。
【００３４】
光源１１０から射出された光ビームはスケール１２０によって反射・変調されてフォトディテクターアレイ１３２に照射されるが、このように構成されているため、スケール１２０がＺ方向に変位した場合、図３から容易に想像できるように、フォトディテクターアレイ１３２上に形成される明暗パターンはＹ方向に移動する。この移動方向はスケール１２０の移動方向であるＸ方向に直交しているので、スケール１２０がＺ方向に移動したのかＸ方向に移動したのかを混同する心配がない。
【００３５】
図１３に示される従来技術では、光源スリットＧ２とフォトディテクターアレイＰＤＡとがＸ方向に離れて配置されており、Ｙ方向において重なり部分を有している。このため、スケール１２０がＺ方向に変位した場合もＸ方向に移動した場合も、明暗パターンはＸ方向に移動する。従って、スケール１２０がＺ方向に変位したのかＸ方向に移動したのかを明暗パターンの移動から判別することができない。
【００３６】
これに対して本実施形態では、フォトディテクターアレイ１３２とスリットパターン１５４がＹ方向に離れているため、スケール１２０がＸ方向に移動したときだけフォトディテクターアレイ１３２からの出力信号が変化する。このため、スケール１２０のＺ方向の変位をＸ方向の移動として誤検出することはない。
【００３７】
また本実施形態では、図３に示されるように、光源スリット１５０のガラス板１５２はフォトディテクターアレイ１３２全体を覆うように取り付けられている。このため、光源１１０からスケール１２０に到達するまでの光ビームの光路１０４と、スケール１２０からフォトディテクターアレイ１３２に到達するまでの光ビームの光路１０６は、同じ厚さで同じ材質のガラス板を通過する。このため、式（１）におけるＺ１とＺ２とがほぼ等しいという条件をより正確に満足する。従って、Ｚ１＝Ｚ２がより安定に実現でき、結果として式（４）と式（５）と式（６）をより満足しやすい。
【００３８】
本実施形態の反射型光学式エンコーダー１００では、フォトディテクターアレイ１３２と電気回路１３４などが形成された半導体基板１３８から発生する熱は、光源スリット１５０を経由して空気中に、また支持基板１４０を経由して外部に放熱される。このとき、支持基板１４０の底面すなわち半導体基板１３８が配置された面と反対側の面を、ステージなどの変位検出対象物への取り付け面とすることにより、より効果的に放熱を促すことができる。
【００３９】
さらに本実施形態の反射型光学式エンコーダー１００は、支持基板１４０の上面が平坦であり、部品点数もスケール１２０を除けば光源１１０と支持基板１４０と光源スリット１５０と半導体基板１３８だけと少なく抑えられているため、低コスト化や小型化に向いた構造となっている。
【００４０】
本実施形態では、光検出器１３０とスリットパターン１５４がＹ方向に離れているが、両者の位置関係はこれに限定されるものではなく、Ｘ方向に離れていてもよい。図６は、本実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダーの上面図である。なお図６ではスケールの図示は省かれている。図６に示されるように、本変形例の反射型光学式エンコーダー１００Ａでは、光検出器１３０とスリットパターン１５４はＸ方向に離れて配置されている。このように構成することにより、支持基板１４０のＹ方向の幅を小さくすることが可能となるため、より狭いスペースで使用可能な光学式エンコーダーを構成することが可能となる。
【００４１】
［第二実施形態］
図７は、本発明の第二実施形態による反射型光学式エンコーダーの側面図であり、図３に示された第一実施形態の反射型光学式エンコーダーの側面図に相当する図である。図７において、図３に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００４２】
本実施形態は、光源の厚さが光検出器の厚さよりも厚い事態に対応する構成に向けられている。一般に光源は透明な樹脂やキャンなどにパッケージングされており、光検出器の厚さより厚いことが多い。
【００４３】
図７に示されるように、本実施形態の反射型光学式エンコーダー２００では、光源２１０の厚さが光検出器２３０の厚さよりも厚い。このため、光検出器２３０は、Ｚ０＞Ｚ２となるように、高さ調整部材２６０を介して支持基板１４０に取り付けられている。
【００４４】
これにより、光検出器１３０よりも厚い光源１１０を用いながらも、第一実施形態と同様の利点を得ることができる。
【００４５】
図８は、本発明の第二実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダーの側面図である。図８において、図７に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００４６】
図８に示されるように、本変形例の反射型光学式エンコーダー２００Ａは、平坦な支持基板１４０に代えて、階段状部分を有する支持基板２４０を有している。光源２１０と光検出器２３０は、Ｚ０＞Ｚ２となるように、それぞれ高さが異なる段に取り付けられている。言い換えれば、支持基板２４０は、光源２１０と光検出器２３０の厚さの差より大きい段差を有しており、低い段に光源２１０が取り付けられ、高い段に光検出器２３０が取り付けられる。
【００４７】
本変形例によれば、高さ調整部材を必要とすることなく、光源２１０と光検出器２３０の高さ調整を行なうことができる。
【００４８】
本実施形態では、光源２１０が光検出器２３０よりも厚い例を示したが、本実施形態の手法は、逆に光源２１０が光検出器２３０よりも非常に薄い場合に適用されてもよい。その場合、光源２１０と支持基板２４０との間に高さ調整部材２６０を設けたり、支持基板２４０の段差の高い段に光源２１０を取り付けたりして、光源２１０と光検出器２３０が所望の高低差になるように高さ調整を行なってもよい。
【００４９】
このように構成することにより、光源２１０や光検出器２３０の厚さに関係なく、光検出器２３０から発生する熱を効率良く放熱させることができる反射型光学式エンコーダーを構成することができる。
【００５０】
本実施形態においても、光検出器２３０とスリットパターン１５４はＹ方向に離れているが、図６に示される第一実施形態の変形例のように、光検出器２３０とスリットパターン１５４はＸ方向に離れていてもよい。
【００５１】
［第三実施形態］
図９は、本発明の第三実施形態による反射型光学式エンコーダーの側面図であり、図３に示された第一実施形態の反射型光学式エンコーダーの側面図に相当する図である。図９において、図３に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００５２】
図９に示されるように、本実施形態の反射型光学式エンコーダー３００では、光検出器１３０と、光検出器１３０と支持基板１４０を電気的に接続している電気要素（すなわちボンディングワイヤー１４８と電極パッド）が樹脂３７０によって封止されている。これにより、光検出器１３０が樹脂３７０によって保護されるため、衝撃などによる破壊の恐れが少ない。また、ボンディングワイヤー１４８が樹脂３７０によって保護されるため、ボンディングワイヤー１４８が断線する危険が少ない。さらに、半導体基板１３８上の電気回路１３４と電極パッド１３６と支持基板１４０上の電極パッド１４６とが樹脂３７０によって保護されるため（図２参照）、外気などの影響による電気回路１３４と電極パッド１３６と電極パッド１４６の経時変化が少ない。
【００５３】
また、光源１１０と、スケール１２０に対向する光源スリット１５０の上面と、スリットパターン１５４とが、樹脂３７０によって封止されることなく露出している。従って、光源１１０から射出されスケール１２０を経由してフォトディテクターアレイ１３２に入射する光ビームの光路上には樹脂３７０がない。このため、変位検出に用いられる光ビームが樹脂３７０の影響を受けることがなく、より安定で高精度の検出が可能となる。また、光源１１０から射出される光ビームに対して不透明な樹脂を樹脂３７０に適用することも可能である。さらに、スケール１２０とフォトディテクターアレイ１３２とスリットパターン１５４とのＺ方向の距離を正確に合わせる際に、光源スリット１５０のガラス板１５２の上面を基準としてスケール１２０との間の距離を調整することが可能であり、位置調整が容易となる。
【００５４】
これまでの説明から分かるように、本実施形態の反射型光学式エンコーダー３００は、第一実施形態と同様の利点に加えて、光検出器１３０やボンディングワイヤー１４８が良好に保護されるという利点を有する。
【００５５】
図１０は、本発明の第三実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダーの側面図である。図１０において、図９に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００５６】
本変形例の反射型光学式エンコーダー３００Ａでは、図１０に示されるように、支持基板１４０上の素子のすべてが、光源スリット１５０の上面を除いて、樹脂３７０Ａによって封止されている。すなわち、光検出器１３０と、光検出器１３０と支持基板１４０を電気的に接続している電気要素（すなわちボンディングワイヤー１４８と電極パッド）と、光源１１０と、光源スリット１５０のスリットパターン１５４の部分とが、樹脂３７０Ａによって封止されている。樹脂３７０Ａは、光源１１０から射出される光ビームに対して透光性を有している。
【００５７】
本変形例の反射型光学式エンコーダー３００Ａでは、光検出器１３０とボンディングワイヤー１４８に加え、光源１１０もが樹脂３７０Ａによって保護される。また、樹脂３７０Ａが設けられる領域は、図９に示された反射型光学式エンコーダー３００において樹脂３７０が設けられる領域に比べて大きく、支持基板１４０上のほぼ全面となっている。このため、樹脂３７０Ａによる封止が容易になり、製造コストが低減される。
【００５８】
本実施形態および本実施形態の変形例において、光源１１０と半導体基板１３８の高さがそのままでは不適切な場合には、第二実施形態と同様に、高さ調整部材２６０が付加されたり、支持基板１４０が段差状部分を有する支持基板２４０に変更されたりしてよい。
【００５９】
本実施形態においても、光検出器１３０とスリットパターン１５４はＹ方向に離れているが、図６に示される第一実施形態の変形例のように、光検出器１３０とスリットパターン１５４はＸ方向に離れていてもよい。
【００６０】
［第四実施形態］
図１１は、本発明の第四実施形態による反射型光学式エンコーダーの側面図であり、図３に示された第一実施形態の反射型光学式エンコーダーの側面図に相当する図である。図１１において、図３に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００６１】
図１１に示されるように、本実施形態の反射型光学式エンコーダー４００では、支持基板１４０上の素子のすべてが樹脂３７０Ａによって封止されている。すなわち、光検出器１３０と、光検出器１３０と支持基板１４０を電気的に接続している電気要素（すなわちボンディングワイヤー１４８と電極パッド）と、光源１１０と、光源スリット１５０とが、樹脂３７０Ａによって封止されている。樹脂３７０Ａは、光源１１０から射出される光ビームに対して透光性を有している。
【００６２】
本実施形態の反射型光学式エンコーダー４００では、樹脂３７０Ａを部分的に設ける必要がないため、樹脂３７０Ａによる封止が容易になり、製造コストが低減される。
【００６３】
本実施形態の変形例を図１２に示す。
【００６４】
図１２は本発明の第四実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダーの側面図であり、図１１に示された第四実施形態の側面図に相当する図である。図１２において、図１１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００６５】
図１２に示されるように本実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダー４００Ａでは、支持基板１４０上の素子のすべてが樹脂３７０Ａと３７０Ｂによって封止されている。光源１１０から出射され光検出器１３０に向かう光路上には、光源１１０から出射される光ビームに対して透光性を有する樹脂３７０Ａにより封止されている。また、それ以外の領域の一部は光源１１０から出射される光ビームに対して遮光性を有する樹脂３７０Ｂによって封止されている。
【００６６】
本実施形態の変形例による反射型光学式エンコーダー４００Ａでは、光源１１０から出射された光ビームのうちスケールを経由しないで光検出器に入射するものや外光等を軽減することが可能となる。
【００６７】
本実施形態では、光源１１０から射出されスケール１２０を経由してフォトディテクターアレイ１３２に入射する光ビームの光路上に樹脂３７０Ａが存在するため、樹脂３７０Ａは、光ビームが通過する部分がなるべく平坦となるように整形されることが望まれる。平坦化の一例としては、樹脂３７０Ａを硬化させる際にガラス板などの平坦な部材を押し当てて樹脂３７０Ａを硬化させる、樹脂３７０Ａの硬化後に表面を研磨する、などの手法が適用可能である。
【００６８】
本実施形態においても、光検出器１３０とスリットパターン１５４はＹ方向に離れているが、図６に示される第一実施形態の変形例のように、光検出器１３０とスリットパターン１５４はＸ方向に離れていてもよい。
【００６９】
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さまざまな変形や変更が施されてもよい。
【００７０】
上述したすべての実施形態において、光源は、ベアチップのＬＥＤまたは樹脂モールドされたＬＥＤであるとして説明したが、これに何ら限定されるものではなく、キャンパッケージされたＬＥＤやランプ形のＬＥＤであってもよい。また、ストライプレーザーや面発光レーザーなどの半導体レーザーが適用されてもよい。半導体レーザーを用いる場合、射出される光ビームのスペクトル線幅が狭くなるため、フォトディテクターアレイ上に形成される明暗パターンの単位光出力あたりの強度が大きくなるため、より効率的にエンコーダーを動作させることが可能となり、また、エンコーダーとしての特性を特に向上させることが可能となる。上述した光源のほかにも、ＲＣ−ＬＥＤやＳＬＤ、電流狭窄型のＬＥＤなどのさまざまな光源を使用することにより、性能や価格などの目的に応じたエンコーダーを提供することが可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１００…反射型光学式エンコーダー、１００Ａ…反射型光学式エンコーダー、１１０…光源、１２０…スケール、１２２…ガラス基板、１２４…光学パターン、１３０…光検出器、１３２…フォトディテクターアレイ、１３２ａ…フォトディテクター、１３４…電気回路、１３６…電極パッド、１３８…半導体基板、１４０…支持基板、１４６…電極パッド、１４８…ボンディングワイヤー、１５０…光源スリット、１５２…ガラス板、１５４…スリットパターン、２００…反射型光学式エンコーダー、２００Ａ…反射型光学式エンコーダー、２１０…光源、２３０…光検出器、２４０…支持基板、２６０…高さ調整部材、３００…反射型光学式エンコーダー、３００Ａ…反射型光学式エンコーダー、３７０…樹脂、３７０Ａ…樹脂、４００…反射型光学式エンコーダー。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
光源に対して相対的に移動するスケールとを備えており、光源はスケールに向けて光ビームを射出し、スケールは周期的な光学パターンを有し、光学パターンは光源から照射される光ビームを反射・変調し、さらに、
光源から射出されスケールによって反射・変調された光ビームによる結像イメージを検出する光検出器と、
光源と光検出器が共に平坦な面にじかに取り付けられた支持基板と、
光源から射出されスケールに到達する光ビームの光路上に配置された光源スリットとを備えており、光源スリットは、複数の開口を有するスリットパターンを有し、光検出器は、光ビームを受けるフォトディテクターアレイを有し、光源スリットは、スリットパターンが光源の上に張り出すように、フォトディテクターアレイが形成された光検出器の面に取り付けられており、
スケールの光学パターンのピッチをＰｓ、光源スリットのスリットパターンのピッチをＰａ、光検出器のフォトディテクターアレイのピッチをＰｂ、スリットパターンが形成された光源スリットの面と光学パターンが形成されたスケールの面との間の距離をＺ１、光学パターンが形成されたスケールの面とフォトディテクターアレイが形成された光検出器の面との間の距離をＺ２、光源から射出される光ビームの波長をλとしたとき、ｎを任意の自然数として、
（１／Ｚ１）＋（１／Ｚ２）＝λ／ｎＰｓ２，
Ｐｂ＝Ｐｓ×（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ１，
Ｐａ＝Ｐｓ×（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ２
を満足している、反射型光学式エンコーダー。
【請求項２】
スケールの移動方向をＸ方向、光学パターンが形成されたスケールの面上においてＸ方向に直交する方向をＹ方向、光学パターンが形成されたスケールの面に垂直な方向をＺ方向としたとき、光検出器のフォトディテクターアレイと光源スリットのスリットパターンはＹ方向に離れており、光源と光検出器はほぼＹ方向に離れている、請求項１に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項３】
光検出器のフォトディテクターアレイの中心と光源スリットのスリットパターンの中心とがほぼ一直線上に位置している、請求項２に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項４】
光源と光学パターンが形成されたスケールの面との間の距離をＺ０としたとき、Ｚ０＞Ｚ２である、請求項２に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項５】
光源スリットは、光源から射出される光ビームに対して透光性を有する透光部材と、透光部材に形成されたスリットパターンとを備えており、スリットパターンが形成された光源スリットの面とフォトディテクターアレイの形成された光検出器の面とが互いに対向している、請求項４に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項６】
光源スリットの透光部材は光検出器のフォトディテクターアレイを覆っている、請求項５に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項７】
光検出器は、フォトディテクターアレイに加えて、フォトディテクターアレイと電気的に接続された電極パッドと、フォトディテクターアレイと電極パッドが形成された半導体基板とを有し、フォトディテクターアレイは、半導体基板に一次元配列された複数のフォトディテクターを有し、電極パッドは半導体基板上に形成されていて、光源スリットによって覆われていない、請求項５に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項８】
光源と光検出器の少なくとも一方が高さ調整部材を介して支持基板に取り付けられている、請求項４または請求項５に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項９】
支持基板は階段状部分を有しており、光源と光検出器がそれぞれ高さが異なる段に取り付けられている、請求項４または請求項５に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項１０】
光検出器は、フォトディテクターアレイに加えて、フォトディテクターアレイと電気的に接続された電極パッドを有し、支持基盤は外部回路へ接続可能な電極パッドを有し、光検出器の有する電極パッドと支持基盤の有する電極パッドは電気要素により電気的に接続されており、光検出器の有する電極パッド、支持基盤の有する電極パッド、電気要素を封止する樹脂部材をさらに備えている、請求項４または請求項５に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項１１】
樹脂部材は光源から射出される光ビームに対して透光性を有し、光源スリットと光源が共に樹脂部材によって封止されている、請求項１０に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項１２】
光源から射出されスケールを経由して光検出器のフォトディテクターアレイに到達する光ビームの光路上を除いた樹脂部材の領域の少なくとも一部は、光源から射出される光ビームに対して遮光性を有している、請求項１０に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項１】
光源と、
光源に対して相対的に移動するスケールとを備えており、光源はスケールに向けて光ビームを射出し、スケールは周期的な光学パターンを有し、光学パターンは光源から照射される光ビームを反射・変調し、さらに、
光源から射出されスケールによって反射・変調された光ビームによる結像イメージを検出する光検出器と、
光源と光検出器が共に平坦な面にじかに取り付けられた支持基板と、
光源から射出されスケールに到達する光ビームの光路上に配置された光源スリットとを備えており、光源スリットは、複数の開口を有するスリットパターンを有し、光検出器は、光ビームを受けるフォトディテクターアレイを有し、光源スリットは、スリットパターンが光源の上に張り出すように、フォトディテクターアレイが形成された光検出器の面に取り付けられており、
スケールの光学パターンのピッチをＰｓ、光源スリットのスリットパターンのピッチをＰａ、光検出器のフォトディテクターアレイのピッチをＰｂ、スリットパターンが形成された光源スリットの面と光学パターンが形成されたスケールの面との間の距離をＺ１、光学パターンが形成されたスケールの面とフォトディテクターアレイが形成された光検出器の面との間の距離をＺ２、光源から射出される光ビームの波長をλとしたとき、ｎを任意の自然数として、
（１／Ｚ１）＋（１／Ｚ２）＝λ／ｎＰｓ２，
Ｐｂ＝Ｐｓ×（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ１，
Ｐａ＝Ｐｓ×（Ｚ１＋Ｚ２）／Ｚ２
を満足している、反射型光学式エンコーダー。
【請求項２】
スケールの移動方向をＸ方向、光学パターンが形成されたスケールの面上においてＸ方向に直交する方向をＹ方向、光学パターンが形成されたスケールの面に垂直な方向をＺ方向としたとき、光検出器のフォトディテクターアレイと光源スリットのスリットパターンはＹ方向に離れており、光源と光検出器はほぼＹ方向に離れている、請求項１に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項３】
光検出器のフォトディテクターアレイの中心と光源スリットのスリットパターンの中心とがほぼ一直線上に位置している、請求項２に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項４】
光源と光学パターンが形成されたスケールの面との間の距離をＺ０としたとき、Ｚ０＞Ｚ２である、請求項２に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項５】
光源スリットは、光源から射出される光ビームに対して透光性を有する透光部材と、透光部材に形成されたスリットパターンとを備えており、スリットパターンが形成された光源スリットの面とフォトディテクターアレイの形成された光検出器の面とが互いに対向している、請求項４に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項６】
光源スリットの透光部材は光検出器のフォトディテクターアレイを覆っている、請求項５に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項７】
光検出器は、フォトディテクターアレイに加えて、フォトディテクターアレイと電気的に接続された電極パッドと、フォトディテクターアレイと電極パッドが形成された半導体基板とを有し、フォトディテクターアレイは、半導体基板に一次元配列された複数のフォトディテクターを有し、電極パッドは半導体基板上に形成されていて、光源スリットによって覆われていない、請求項５に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項８】
光源と光検出器の少なくとも一方が高さ調整部材を介して支持基板に取り付けられている、請求項４または請求項５に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項９】
支持基板は階段状部分を有しており、光源と光検出器がそれぞれ高さが異なる段に取り付けられている、請求項４または請求項５に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項１０】
光検出器は、フォトディテクターアレイに加えて、フォトディテクターアレイと電気的に接続された電極パッドを有し、支持基盤は外部回路へ接続可能な電極パッドを有し、光検出器の有する電極パッドと支持基盤の有する電極パッドは電気要素により電気的に接続されており、光検出器の有する電極パッド、支持基盤の有する電極パッド、電気要素を封止する樹脂部材をさらに備えている、請求項４または請求項５に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項１１】
樹脂部材は光源から射出される光ビームに対して透光性を有し、光源スリットと光源が共に樹脂部材によって封止されている、請求項１０に記載の反射型光学式エンコーダー。
【請求項１２】
光源から射出されスケールを経由して光検出器のフォトディテクターアレイに到達する光ビームの光路上を除いた樹脂部材の領域の少なくとも一部は、光源から射出される光ビームに対して遮光性を有している、請求項１０に記載の反射型光学式エンコーダー。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１５９５１８（Ｐ２０１２−１５９５１８Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１２１１５１（Ｐ２０１２−１２１１５１）
【出願日】平成２４年５月２８日（２０１２．５．２８）
【分割の表示】特願２００４−３６７９４０（Ｐ２００４−３６７９４０）の分割
【原出願日】平成１６年１２月２０日（２００４．１２．２０）
【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２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年５月２８日（２０１２．５．２８）
【分割の表示】特願２００４−３６７９４０（Ｐ２００４−３６７９４０）の分割
【原出願日】平成１６年１２月２０日（２００４．１２．２０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]