JPH11183200A - 光学式エンコーダ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スケールの移動方向と垂直な方向へのスケー
ルの多少の移動があっても、スケールあるいは光ヘッド
に傾きが多少はあっても受光して移動量の検出が可能な
光ヘッドの光学式エンコーダ装置を提供する。 【解決手段】 光源１１と、光の散乱部と非散乱部によ
る周期的な位置情報が記録されたスケール１３と、前記
光源と前記スケールの相対的な位置の変化に伴う前記ス
ケールからの散乱光の強度の変化を検出する受光手段１
５と、前記受光手段の検出結果から前記スケールの相対
的な位置の変化を検出する位置変化検出手段を、光の遮
断状態と透過光や反射光の受光状態を検出するのではな
く、散乱光の受光状態と光の透過状態か反射状態を検出
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、位置の変化により
長さや移動量等を検出するための光学式エンコーダ装置
に関し、さらに詳しくは、発光部からの光を、位置の変
化に伴ってスケールにより周期的に変化する光が受光部
で受光され、その光量変化により位置の変化を検出する
光学式エンコーダ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、各種の測長機器、計測装置、
工作機械、複写機等の装置の分野では、位置の変化によ
り長さや移動を検出可能な光学式エンコーダ装置が知ら
れている。以下に、図１８を用いて、そのような従来の
光学式エンコーダ装置のうちの透過式のものについて説
明する。図１８において、光源１は、ライトやＬＥＤ等
の発光部であり、安定した光を供給する部分である。コ
リメートレンズ２は、光源からの出力光を平行光線とし
てスケールに投射するためのものである。スケール３
は、一定の格子定数を有する光学格子からなるスケール
である。インデックススケール４は、上記スケール３の
移動方向を識別するために１／４波長ずらされた２つの
上記スケール３と同じ格子定数を有するスケールであ
る。光検出器５は、上記インデックススケール４の１／
４波長ずらされた２つの光学格子の通過光をそれぞれ検
出可能な検出器である。移動方向６は、スケール３の移
動方向を示す矢印である。上記の構成において、通常
は、コリメートレンズ２とインデックススケール４の間
にスケール３の移動が可能なスリット等を有し、そのコ
リメートレンズ２とインデックススケール４の他の光源
１と光検出器５を含んで遮光されたケースに入った一体
の光ヘッドを構成するようにしている。そして、スケー
ル３を光ヘッドの光源部と受光部が挟むような位置関係
で、スケール３の移動により光源部からの光が通過か遮
断されスケール３の移動が検出されるので、スケール３
を移動量の確認が必要な部分に設置することで、その部
分の移動が確認できる。検出時には、光源１が点灯さ
れ、コリメートレンズ２で平行光線化したビーム光は、
スケール３とインデックススケール４を通過してあるい
は遮断され、通過光が光検出器５で受光され、遮断光は
光検出器５では受光されないことになる。そして、その
受光のオン／オフの数量を不図示のカウンタ等で計数す
ることで長さや位置又は移動量を検出することが可能と
なる。インデックススケール４は、スケール３の移動方
向を知るために受光部の光検出器５とスケール３の間に
設置される１／４波長ずれた２つのスケール３と同周期
の格子定数の光学格子であるので、そのそれぞれの光学
格子の通過光を光検出器５で検出し、それぞれの光学格
子をＡ相とＢ相とすると、そのＡ相とＢ相の検出間隔
は、１／４波長ずれた短い検出間隔の場合と３／４波長
ずれた長い検出間隔の場合が交互に発生し、例えば、長
い検出間隔の後にどちらの光学格子の通過光が検出され
るかで、移動方向を決定することができる。図１９は、
従来の光学式エンコーダ装置のうちの反射式のものを示
す図である。反射式の場合には、光源１からの出力光
は、反射物７で反射されて光検出器５で検出されるが、
その場合の角度反射率特性８は図１９中に図示したよう
に指向性の強い急峻なビーム形状を示している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の透過式の構成では、ノイズ成分となる外部から
の光と区別して通過光を検出するので、高分解能を得よ
うとすると、少なくともスケール３とインデックススケ
ール４の間隔を微少化する必要があり、スケール３とイ
ンデックススケール４を含む光ヘッド（のスリット等）
は微少間隔で、非接触の平行な間隔が維持されるように
配置されることになる。スケール３に対して、スケール
３が移動した場合にも、常時、微少間隔を保つように光
ヘッドを取り付けることは、通常は取付時にスキューや
ヨーイングといった角度を有して取り付けられてしまう
ことから、難易度の高い工数の多く必要な作業である。
又、反射式の場合でも、上記のように角度反射率特性８
は指向性の強いビーム形状であることから、光検出器５
の設置位置や受光面の角度にずれが生じると、光検出器
５の検出感度は非常に変動することになる。本発明は、
上記課題に鑑みて、スケールの移動方向と垂直な方向へ
のスケールの多少の移動があっても、スケールあるいは
光ヘッドに傾きが多少はあっても受光して移動量の検出
が可能な光ヘッドの光学式エンコーダ装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために請求項１の本発明では、光源と、光の散乱部と非
散乱部による周期的な位置情報が記録されたスケール
と、前記光源と前記スケールの相対的な位置の変化に伴
う前記スケールからの散乱光の強度の変化を検出する受
光手段と、前記受光手段の検出結果から前記スケールの
相対的な位置の変化を検出する位置変化検出手段を備え
たことを特徴とし、光の遮断状態と透過光や反射光の受
光状態を検出するのではなく、散乱光の受光状態光の遮
断状態を検出するようにした。請求項２の本発明では、
前記光源と前記スケールの間の光路には、前記光源から
の光を前記スケール上に集光する投光レンズを備えたこ
とを特徴とし、投光部から発散しようとする光が集光さ
れる。請求項３の本発明では、前記スケールと前記受光
手段の間の光路には、前記散乱光を前記受光手段上に集
光する受光レンズを備えたことを特徴とし、スケールか
らの散乱光を受光レンズで集光する。請求項４の本発明
では、前記光源の出射光の前記スケールへ光路と、前記
スケールの散乱光の一部の受光手段への光路を一致させ
るための光分割手段を備えたことを特徴とし、出射光の
光路と受光手段への光路を一致させる。請求項５の本発
明では、前記投光レンズと前記受光レンズを兼ねる１つ
のレンズを備えたことを特徴とし、投光と受光のレンズ
を１つにできる。請求項６の本発明では、前記光源と前
記スケールの間の光路には、前記光源から出射した光が
前記スケール上に前記スケールの周期的な位置情報の略
半周期に相当する短辺を有する少なくとも１つの長方形
状の光ビームとして前記スケール上に投射されるように
整形するスリットマスクを備えたことを特徴とし、光ビ
ームをスリットマスクにより長方形に整形する。請求項
７の本発明では、前記光源と前記スケールの間の光路に
は、前記光源から出射した光が前記スケール上に前記ス
ケールの周期的な位置情報の略半周期に相当する短辺を
有する少なくとも１つの長方形状の光ビームが前記スケ
ール上に投射されるように整形するシリンドリカルレン
ズ手段を備えたことを特徴とし、光ビームをシリンドリ
カルレンズにより長方形に整形する。請求項８の本発明
では、前記受光手段へ入射する光ビームの形状を円形に
整形するシリンドリカルレンズ手段又はウエッジ手段を
備えたことを特徴とし、受光手段への入射光を円形に整
形する。請求項９の本発明では、前記スケールの周期的
な位置情報は、全反射部と散乱部により形成されること
を特徴とし、スケールを全反射部と散乱部とする。請求
項１０の本発明では、前記スケールの周期的な位置情報
は、吸収部と散乱部により形成されることを特徴とし、
スケールを吸収部と散乱部とする。請求項１１の本発明
では、前記スケールの散乱部は、２次元又は３次元のレ
リーフ格子により形成されることを特徴とし、レリーフ
格子からの反射光量は一定となる。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態につい
て図を用いて説明する。尚、以下の全ての図において、
一度説明した実施形態における部分と同様な内容の部分
が他の実施形態に現れた場合には、その部分に同じ番号
を付して記載し、その説明は省略する。図１は、本発明
の光学式エンコーダ装置の第１の実施形態を示す斜視図
である。光源１１は、半導体レーザを含む様々なレーザ
光源やＬＥＤ等使用が可能であるが、高分解能を得る場
合には、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザのようなレーザ光を
用いるか、他の光源の場合には集光スポットを小径化す
るために集光レンズ等の使用が望ましい。又、ＬＥＤを
用いる場合には、なるべく発光面積の小さいもの、反射
板構造の無いものが望ましい。スケール１３は、通常の
光学式エンコーダ装置で用いられている透過部と非透過
部で構成され、透過部が矩形の周期構造の光学格子とな
っているスケールと同様なパターンで良いが、非透過部
は全反射や吸収ではなく、散乱部となっていることが必
要になる。又、散乱部の構造については、材質や形状等
は任意であるが、高分解能を必要とする場合には、散乱
部の散乱パターンも微少化する必要がある。光検出器１
５は、通常の光学式エンコーダ装置で用いられているフ
ォトダイオードと同様な光検出器の使用が可能である。
ビーム照射位置１６は、光源１１からのビームのスケー
ル１３における照射位置であり、その位置の散乱光が光
検出器１５で受光される。光源１１から照射されたビー
ムは、スケール１３上のビーム照射位置１６で散乱され
て、散乱されたビームの一部が光検出器１５によりの検
出され、その検出結果によりスケール１３の位置の移動
が検出される。尚、光検出器１５の検出結果である散乱
部の検出信号と透過部の検出信号から、スケールの相対
的な位置の変化を検出する位置変化検出装置について
は、従来の検出装置と同様にして、例えば、散乱光の検
出レベルと透過光の検出レベルの間にしきい値を設定し
て、光検出器１５の検出値がそのしきい値より上になっ
たか下になったかにより移動を検出することが可能であ
る。

【０００６】図２は、図１の実施形態の散乱光を説明す
るための側面図である。図２において、光源１１からの
ビームは、ビーム照射位置１６に達すると、そのビーム
照射位置１６は散乱部であるので、散乱パターンにより
ビームは散乱して散乱光１７になり、光検出部１５でそ
の散乱光１７が検出される。次に、スケール１３が移動
して、光源１１’のビームがビーム照射位置１６’に達
する位置関係の場合には、光源１１’のビームは、スケ
ール１３の透過部を透過してしまうので、光検出部１
５’では散乱光１７が検出されない。図３は、図２にお
ける散乱光１７の角度反射率特性を説明するための図で
あり、図１９の従来の反射式のものにおける角度反射率
特性８に対応するものである。図３の角度反射率特性９
は、図１９の急峻な角度反射率特性８とは異なり、図示
したように円形に近い特性を示している。スケール１３
上の散乱部は、光利用効率と検出安定性の面から理想的
には完全拡散反射面を用いることが望ましい。完全拡散
反射面とは、光強度Ｉ＝Ｉｎｃｏｓθで、反射率は１で
ある散乱面であり、その場合のＩｎは法線方向の光強
度、θは法線方向を０°としたときの角度である。完全
拡散反射面の例としては、光学曇りガラス、液晶用反射
板、石膏面等が近い特性を示す。尚、上記のように完全
拡散反射面が理想的ではあるものの、本発明の効果を得
るためには必ずしも完全拡散反射面である必要な無い。
本発明は、従来の図１９におけるような光の全反射の急
峻な角度特性を避けるために散乱面を利用しているから
である。従って、例えば、反射率が９０％以上有るよう
なアルミ面等の高反射率の面に代えて反射率５０％程度
の吸収の少ない面を用いて、受光器を反射光ではなく、
散乱光を受光するような配置で用いることで本発明の効
果を得ることができる。

【０００７】図４は、図１と図２のビーム照射位置の変
化の様子を示す上から見た平面図である。図４におい
て、スケール１３は、矢印の方に動くと、ビーム照射位
置１６は、実線の円で示された散乱部から点線の円で示
された透過部の方へ移動し、図４では不図示の光検出部
１５で散乱光１７の検出が行われていたのが、検出でき
なくなる。図５は、図４のスケールに進行方向を特定す
るためのインデックススケールの機能を持たせた場合を
示す図である。図５（ａ）においては、スケール１４の
透過部と散乱部が、例えば、従来のインデックススケー
ルと同様にスケールの進行方向に平行な線により２つの
分割されたスケールが１／４周期ずれて形成されてお
り、光検出器１５で読み取った位相は、Ａ相とＢ相に分
かれて検出される。ビーム照射位置１６は、透過部と散
乱部の２分割された両方にほぼ均等にビームが配分され
て照射されるような中間位置に照射され、スケール１４
の移動により、ビームが２分割された透過部と散乱部を
区切る中間線上を移動するようになる。図５（ｂ）にお
いては、図５（ａ）におけるスケール１４の分割された
スケールに合わせて、光検出器１５におけるフォトダイ
オードが、それぞれの位相（Ａ相とＢ相）を検出できる
ように２分割された２分割フォトダイオード１８とな
る。尚、位相による移動方向の検出は、従来と同様の方
法で検出することが可能である。

【０００８】図６は、本発明の光学式エンコーダ装置の
第２の実施形態を示す斜視図である。第１の実施形態
と、本第２の実施形態の構成上の違いは、光源１１から
照射される光を集光して所望のビーム径をスケール１３
上に形成するための投光レンズ１２を有していることで
ある。投光レンズ１２は、光利用効率の面から光源１１
の発散角以上の開口を持つレンズが望ましい。又、分解
能の向上という面からは、スケール１３上でなるべく小
さいスポットを形成するようなレンズを選択することが
望まれる。第２の実施形態のように投光レンズを用いる
ことで、スケール１３上のビーム照射位置１６のビーム
径を小型化できるので、光学式エンコーダとしての分解
能を高めることができる。又、光源１１として、発散性
のＬＥＤや半導体レーザを使用しても集光してスケール
１３上に小径のビームスポットを形成できるので、光学
式エンコーダ装置の小型化や低価格化が可能になるとい
う効果が得られる。尚、この第２の実施形態の動作は第
１の実施形態と同様となる。

【０００９】図７は、本発明の光学式エンコーダ装置の
第３の実施形態を示す斜視図である。第１の実施形態、
及び、第２の実施形態と、本第３の実施形態の構成上の
違いは、第２の実施形態の光源１１から照射される光を
集光して所望のビーム径をスケール１３上に形成するた
めの投光レンズ１２を有していることに加えて、スケー
ル１３からの散乱光についても光を集光して所望のビー
ム径を光検出器１５の受光部に形成するための受光レン
ズ１４を有していることである。この受光レンズ１４の
開口は、通常のスケールからの反射光を検出するタイプ
の光学式エンコーダ装置に用いられる受光レンズの開口
よりも大きい開口のレンズが望ましい。一般的なスケー
ル反射光タイプの受光レンズでは、例えば、スケールに
投光されるビームの焦点位置がスケール上のビーム照射
位置である場合には、受光側には投光レンズの開口と同
程度のビーム径の光が反射光として検出されることにな
り、投光レンズ程度の開口のレンズがあれば十分と考え
られる。ところが、本発明の場合には、スケール１３上
には反射パターンではなく散乱パターンが形成されてい
るので、反射パターンにおける反射光と散乱パターンに
おける散乱光では光の強さが異なっており、散乱光は反
射光に比べて非常に弱いのことになる。この弱い散乱光
を効率よく検出するためには、反射光の検出タイプに比
べると比較的大きな開口の受光レンズが必要になる。
又、この受光レンズの開口を大きくすることでは、光ヘ
ッドのアライメント誤差やスケールの取り付けの傾き等
に対しても許容量が増加しする。

【００１０】図８は、本発明の光学式エンコーダ装置の
第４の実施形態を示す側面図である。第４の実施形態と
第３の実施形態との構成上の違いは、光源１１から照射
される光と、スケール１３からの散乱光の光軸を一致さ
せて、投射光と散乱光（反射光）の光軸をスケール１３
と垂直にするためのビームスプリッタ１９が光路上に挿
入されていることである。ビームスプリッタ１９は、図
８示されるように、光源１１からの出射光軸と光検出器
１５への入射光軸が直角となるように交わるように配設
される。投光部１１から出射したビームは、投光レンズ
１２を経て、ビームスプリッタ１９により光量の約５０
％が直角に曲げられてスケール１３に垂直に照射され
る。スケール１３上の散乱部で散乱したビームは、投光
と同じ経路で戻り、ビームスプリッタ１９を通過して受
光レンズ１４で集光されて光検出器１５により受光され
る。ここで、本実施形態において、出射光と散乱光（反
射光）の光軸が同じ経路でスケール１３に垂直にする理
由としては、スケール１３の散乱部における光の散乱
は、一般的に全反射方向を０°とすると、（ｃｏｓθ）
² に比例した散乱強度分布になるので、散乱光を検出す
る場合には全反射方向から検出することが望ましいこと
が挙げられる。又、本実施形態では、上記した光ヘッド
のアライメント誤差やスケールの取り付けの傾き等に対
しても許容量が増加することに加え、投光と受光の直角
配置により、光ヘッドの小型化が可能であり、投光部と
受光部を個別に配設する場合に比べて調整の容易化が可
能になる。

【００１１】図９は、本発明の光学式エンコーダ装置の
第５の実施形態を示す側面図である。第５の実施形態と
第４の実施形態との構成上の違いは、光源１１から照射
される光を集光する投光レンズ１２と、スケール１３か
らの散乱光を集光する受光レンズを共用するようにして
１枚の投・受光レンズ２０としたことである。この図９
ように光源１１、光検出器１５及びビームスプリッタ１
９を配置することで、投光と受光のレンズを１枚にする
ことが可能となり、その結果、光ヘッドの小型化や調整
の容易化がさらに可能であり、部品点数の削減もさらに
可能となる。

【００１２】図１０は、本発明の光学式エンコーダ装置
の第６の実施形態を示す側面図（ａ）と、スケール１３
の上面図（ｂ）である。第６の実施形態と第５の実施形
態との構成上の違いは、光源１１とビームスプリッタ１
９の間に長方形のスリットを有するスリットマスク２１
を挿入した点である。このスリットマスク２１は、他の
実施形態も考慮して挿入位置を説明すれば、光源１１と
投光レンズ１２の間、又は、投光レンズ１２とスケール
１３の間で、且つ、ビームスプリッタ１９を用いている
場合には、その光源１１側に挿入される。スリットマス
ク２１により、スケール１３上のビーム形状２２が長方
形になり、このようにスケール上のビーム形状をスケー
ルの移動方向と直角に長いパターンとすることで、スケ
ールの一部に欠陥があったとしても光量変化が少なく安
定した検出が可能となる。図１１は、図１０の単一の矩
形ビームを形成するスリットマスクを複数のビーム形成
する第７の実施形態を示すスリットマスクの上面図
（ａ）と、スケール１３の上面図（ｂ）である。図１１
の場合には、スリットマスク２３には、複数のスリット
が形成されているため、スケール１３上に形成されるビ
ーム照射も複数となる。このようにスリットマスク２３
により複数のビームを形成することで光源１１から放射
される光の利用効率が高くなり、又、スケール１３の一
部の透過部や散乱部に欠陥が有る場合にも他のビームで
補償できるため検出の安定性が向上する。

【００１３】図１２は、図１０のスリットマスクをシリ
ンドリカルレンズとした本発明の第８の実施形態を示す
側面図である。シリンドリカルレンズ２５は、円筒形の
側面を切り取った形状のレンズであるので、形成される
ビームの縦と横の集光角が異なることから細長いビーム
が得られ、結果的に図１０のスリットマスクで形成した
ビームと同様なビーム形状が得られる。図１２では、ス
リットマスク２１に代えて、シリンドリカルレンズ２５
を用いているので、スリットマスクの場合に遮られて無
駄になっていた光も利用することができ、光源１１から
放射される光の利用効率が高くなる。又、図１２のよう
に投光レンズ１２を用いる場合には、投光レンズ１２と
シリンドリカルレンズ２５を一体化することで部品点数
の削減や小型化が可能である。更に、複数のシリンドリ
カルレンズ２５を用いて、図１１のように複数のビーム
を形成することも可能である。

【００１４】図１３は、図１０〜図１２の矩形や細長い
ビームを受光する第９の実施形態を示す光検出器の受光
面の平面図である。図１３では、図示されていない受光
レンズ１４がシリンドリカルレンズに変更されるかウエ
ッジが光検出器１５の手前に挿入されて、矩形ビームの
長辺や細長いビームの長辺の短縮化が行われてからビー
ムが光検出器１５に入射される。従って、第９の実施形
態の受光面は、受光面形状２６の中の円形ビーム２８の
ように小さくなる。それに対し、従来のスリットマスク
２１やシリンドリカルレンズ２５等で細長い形状になっ
て受光面上に照射されるビームは細長ビーム２７として
受光される。又、受光面の形状は、一般的に正方形か円
形であるので、従来の細長ビームを受光するために必要
な受光面は受光面形状２５のようになる。受光面形状２
５のように受光面積が大きい面積の場合には、検知スピ
ードが低下し、外乱光の誤検知の原因となり、検出信号
のＳ／Ｎ比が悪化するが、本実施形態では逆にそれらが
向上する。図１４は、図１２の第８の実施形態の光検出
器１５の入射光を図１３のように短くするためにシリン
ドリカルレンズを挿入した図である。この図１４（ａ）
のように構成することで、本来は図１４（ｂ）のビーム
形状２２のような長方形のビームが光検出器１５に入射
されるところを、シリンドリカルレンズ２９により長方
形ビームの長辺を短縮して図１３のような円形ビーム２
８を得ることができる。

【００１５】図１５は、図１２の第８の実施形態の光検
出器１５の入射光を図１３のように短くするためにウエ
ッジ３０を挿入した図である。この図１５（ａ）のよう
に構成することで、本来は図１５（ｂ）のビーム形状２
２のような長方形のビームが光検出器１５に入射される
ところを、ウエッジ３０により長方形ビームの長辺を短
縮して図１３のような円形ビーム２８を得ることができ
る。但し、ウエッジ３０を挿入する場合には、図示した
ように長方形ビームの長辺の光軸は曲がるので、光検出
器１５をオフセットして設置する必要がある。図１６
は、図７の第３の実施形態のスケールにおける透過部を
反射部に代えた第１０の実施形態を示す。尚、他の実施
形態の透過部を反射部に代える場合も、本実施形態と同
様にすることで可能である。図１６のスケール３１で
は、散乱部１６の散乱光１７については、他の実施形態
と同様であるが、他の実施形態では透過部としていた部
分を反射部３２として反射光３３を得ている。この反射
部３２の部材としては、なるべく散乱が少なく反射率の
高いものが望ましいが、一般的な金属膜や誘電体多層膜
等が利用可能である。この散乱部１６と反射部３２でス
ケール３１を構成するようにした場合には、他の透過部
と散乱部の場合に比べて、透過部の基材の材質にもよる
が光の散乱や反射によるノイズ成分が発生しやすかった
ことを解消することができる。その結果として、Ｓ／Ｎ
比を高く確保することができる。又、散乱光を検出する
実施形態で、反射光を全て受光するようにすると受光光
量が多すぎになる場合には、受光部と投光部の配置を変
えて全反射光が受光部に入射しないようにする必要があ
る。更に、同様な図になるため特に図示はしないが、反
射部３２を吸収部に代えた場合にも、ノイズ成分が発生
しやすかったことを解消することができ、その結果とし
て、Ｓ／Ｎ比を高く確保することができる。吸収部の部
材としては、なるべく散乱が少ないものが望ましいが、
同一散乱物で濃度が高く反射が少ないものであれば利用
が可能である。例えば、紙に黒いラインを周期的に形成
したようなものであっても利用できる。その場合には、
紙や通常の散乱体の濃度変化でスケールを形成するので
安価で取り扱いが容易となる。

【００１６】図１７は、スケール上の散乱部を正弦波状
のレリーフ格子とした第１１の実施形態を示す図であ
る。図１７では、スケール３４において、ノイズ成分を
除去してＳ／Ｎ比の高い検出を可能とするために正弦波
状に２次元もしくは３次元のレリーフ格子により正弦波
状散乱物３６を形成している。照射光３５は、スケール
３４上に形成された各正弦波状散乱物３６の表面の曲面
で反射することで散乱されて散乱光３７となる。各各正
弦波状散乱物３６は、正弦波状で同様に形成されている
ことから、垂直入射から鋭角入射までのあらゆる方向に
一定の反射光量の散乱光の反射が得られる。この正弦波
パターンの作成方法としては、通常の回折格子を形成す
る２光束干渉露光法、ルーリングエンジン、マスク露光
等のプロセスを利用することができる。尚、本実施形態
の正弦波状のレリーフ格子を散乱部として利用する場合
には、散乱部以外のスケール３４の表面は全反射部とす
ることが望ましい。本実施形態のように散乱パターンと
して線状ではなく３次元のレリーフ構造の正弦波状散乱
物３６とすることで、むらの少ない安定した信号検知が
可能となる。上記のように、散乱光を検出するようにし
て、上記の各実施形態を用いることで、光学式エンコー
ダ装置における光ヘッドやスケールの柔軟で容易な配置
が可能になり、光源の光の利用効率を上げることが可能
で、小型化や低価格化が促進され、安定した信号の検知
が可能となる。尚、本実施形態では、直線移動の検出と
して記載したが、本発明はこれに限られるものではな
く、散乱光を検出することにより位置の移動を検出する
他の移動、例えば、回転移動の検出等にも利用すること
ができる。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の本発明
では、光の遮断状態と透過光や反射光の受光状態を検出
するのではなく、散乱光の受光状態と光の遮断状態とを
検出するようにしたことから、投光部と受光部あるいは
スケールとのアライメントのずれに強く、従来の光ヘッ
ドの設置困難なヘッドを傾けて取り付ける場合やスケー
ルとヘッドの距離が必要な場合にも対応が可能になっ
た。請求項２の本発明では、投光部の光が集光されるこ
とから、投光される光の利用効率が向上し、ＬＥＤや半
導体レーザ等の発散性の光源の利用が可能になる。その
結果、さらに、小型化や低価格化が可能になる。請求項
３の本発明では、スケール散乱光を受光レンズで集光す
ることで効率の良い受光となる。請求項４の本発明で
は、出射光の光路と受光手段への光路を一致させたこと
で、光利用効率が向上し、安定した計測が可能になり、
光ヘッドの小型化ができきる。請求項５の本発明では、
投光と受光のレンズを１つにできることから、部品点数
の削減及び装置の小型化が可能になる。請求項６の本発
明では、光ビームをスリットマスクにより長方形に整形
するようにしたので、スケールの一部に欠陥があったと
しても、その欠陥による光量の変化が少なくなり、安定
した検出が可能となる。請求項７の本発明では、光ビー
ムをシリンドリカルレンズにより長方形に整形するよう
にしたので、スケールの一部に欠陥があったとしても、
その欠陥による光量の変化が少なくなり、安定した検出
が可能となる。請求項８の本発明では、受光手段への入
射光を円形に整形したので、光検出器を小面積化できる
ので、信号検出スピードの向上を図ることができる。請
求項９の本発明では、スケールを全反射部と散乱部とす
ることで、透過部を有する場合に比べて高いＳ／Ｎ比を
得ることができる。請求項１０の本発明では、スケール
を吸収部と散乱部とすることで、光の散乱を一定量に設
定でき、ノイズ成分が除去しやすく、安価で取り扱いが
容易なスケールを提供できる。請求項１１の本発明で
は、レリーフ格子からの反射光量は一定となるので、安
定した信号検知が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学式エンコーダ装置の第１の実施形
態を示す斜視図である。

【図２】図１の実施形態の散乱光を説明するための側面
図である。

【図３】図２における散乱光１７の角度反射率特性を説
明するための図である。

【図４】図１と図２のビーム照射位置の変化の様子を示
す上から見た平面図である。

【図５】（ａ）及び（ｂ）は、図４のスケールに進行方
向を特定するためのインデックススケールの機能を持た
せた場合を示す図である。

【図６】本発明の光学式エンコーダ装置の第２の実施形
態を示す斜視図である。

【図７】本発明の光学式エンコーダ装置の第３の実施形
態を示す斜視図である。

【図８】本発明の光学式エンコーダ装置の第４の実施形
態を示す側面図である。

【図９】本発明の光学式エンコーダ装置の第５の実施形
態を示す側面図である。

【図１０】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の光学式エンコ
ーダ装置の第６の実施形態を示す側面図である。

【図１１】（ａ）及び（ｂ）は、図１０の単一の矩形ビ
ームを形成するスリットマスクを複数のビーム形成する
スリットマスクとした第７の実施形態を示す上面図であ
る。

【図１２】図１０のスリットマスクをシリンドリカルレ
ンズとした本発明の第８の実施形態を示す側面図であ
る。

【図１３】図１０〜図１２の矩形や細長いビームを受光
する第９の実施形態を示す光検出器の受光面の平面図で
ある。

【図１４】(a) 及び(b) は図１２の第８の実施形態の光
検出器１５の入射光を図１３の第９の実施形態のように
短くするためにシリンドリカルレンズを挿入した図であ
る。

【図１５】(a) 及び(b) は図１２の第８の実施形態の光
検出器１５の入射光を図１３の第９の実施形態のように
短くするためにウエッジを挿入した図である。

【図１６】図７の第３の実施形態のスケールにおける透
過部を反射部に代えた第１０の実施形態を示す。

【図１７】スケール上の散乱部を正弦波状のレリーフ格
子とした第１１の実施形態を示す図である。

【図１８】従来の光学式エンコーダ装置のうちの透過式
のものを示す斜視図である。

【図１９】従来の光学式エンコーダ装置のうちの反射式
のものを示す図である。

【符号の説明】

１、１１、１１’・・・光源、２・・・コリメートレン
ズ、３、１３、３１、３４・・・スケール、４・・・イ
ンデックススケール、５、１５、１５’・・・光検出
器、６・・・スケールの移動方向、７・・・反射物、
８、９・・・角度反射特性、１２・・・投光レンズ、１
４・・・受光レンズ、１６、１６’・・・ビームの照射
位置、１７、３７・・・散乱光、１８・・・２分割フォ
トダイオード、１９・・・ビームスプリッタ、２０・・
・投・受光レンズ、２１・・・スリットマスク、２２・
・・スケール上ビーム形状、２２’・・・スケール上複
数ビーム形状、２３・・・複数スリットマスク、２４、
２９・・・シリンドリカルレンズ、２５・・・細長ビー
ム時受光面形状、２６・・・円形ビーム時受光面形状、
２７・・・細長ビーム、２８・・・円形ビーム、３０・
・・ウエッジ、３３・・・全反射光、３５・・・照射
光、３６・・・正弦波状散乱物

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、光の散乱部と非散乱部による周
   期的な位置情報が記録されたスケールと、前記光源と前
   記スケールの相対的な位置の変化に伴う前記スケールか
   らの散乱光の強度の変化を検出する受光手段と、前記受
   光手段の検出結果から前記スケールの相対的な位置の変
   化を検出する位置変化検出手段を備えたことを特徴とす
   る光学式エンコーダ装置。
2. 【請求項２】 前記光源と前記スケールの間の光路に
   は、前記光源からの光を前記スケール上に集光する投光
   レンズを備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学
   式エンコーダ装置。
3. 【請求項３】 前記スケールと前記受光手段の間の光路
   には、前記散乱光を前記受光手段上に集光する受光レン
   ズを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光
   学式エンコーダ装置。
4. 【請求項４】 前記光源の出射光の前記スケールへ光路
   と、前記スケールの散乱光の一部の受光手段への光路を
   一致させるための光分割手段を備えたことを特徴とする
   請求項１〜３の何れか１項に記載の光学式エンコーダ装
   置。
5. 【請求項５】 前記投光レンズと前記受光レンズを兼ね
   る１つのレンズを備えたことを特徴とする請求項４に記
   載の光学式エンコーダ装置。
6. 【請求項６】 前記光源と前記スケールの間の光路に
   は、前記光源から出射した光が前記スケール上に前記ス
   ケールの周期的な位置情報の略半周期に相当する短辺を
   有する少なくとも１つの長方形状の光ビームとして前記
   スケール上に投射されるように整形するスリットマスク
   を備えたことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に
   記載の光学式エンコーダ装置。
7. 【請求項７】 前記光源と前記スケールの間の光路に
   は、前記光源から出射した光が前記スケール上に前記ス
   ケールの周期的な位置情報の略半周期に相当する短辺を
   有する少なくとも１つの長方形状の光ビームが前記スケ
   ール上に投射されるように整形するシリンドリカルレン
   ズ手段を備えたことを特徴とする請求項１〜５の何れか
   １項に記載の光学式エンコーダ装置。
8. 【請求項８】 前記受光手段へ入射する光ビームの形状
   を円形に整形するシリンドリカルレンズ手段又はウエッ
   ジ手段を備えたことを特徴とする請求項１〜５の何れか
   １項に記載の光学式エンコーダ装置。
9. 【請求項９】 前記スケールの周期的な位置情報は、全
   反射部と散乱部により形成されることを特徴とする請求
   項１〜８の何れか１項に記載の光学式エンコーダ装置。
10. 【請求項１０】 前記スケールの周期的な位置情報は、
    吸収部と散乱部により形成されることを特徴とする請求
    項１〜８の何れか１項に記載の光学式エンコーダ装置。
11. 【請求項１１】 前記スケールの散乱部は、２次元又は
    ３次元のレリーフ格子により形成されることを特徴とす
    る請求項９又は１０に記載の光学式エンコーダ装置。