JP3743426B2

JP3743426B2 - 光学式エンコーダ

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Publication number: JP3743426B2
Application number: JP2003014476A
Authority: JP
Inventors: 裕司井口; 郁夫武田; 宏和矢内; 新中村
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2023-01-23
Also published as: US7071461B2; JP2003307440A; CN1204450C; CN2630895Y; CN1438532A; US20030209658A1; DE10304854A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光学式エンコーダに係り、特に、テレセントリック光学系を採用することにより、高い組付精度を不要として低コスト製作を可能とした光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の如く、この種の光学式エンコーダは、所定の移動方向に沿って目盛り線が刻まれた目盛り板と、目盛り板上の目盛り線を光学的に読み取る光学読取器とを含んでいる。検出対象物の動きと連動して、目盛り板と光学読取器とが相対移動すると、光学読取器からは対応する電気信号が出力される。
【０００３】
目盛り板の形態は、ロータリエンコーダの場合とリニアエンコーダの場合とでは相違する。ロータリエンコーダの場合、目盛り板としては回転ディスクが採用され、目盛り板と光学読取器とは円周方向に相対移動可能に支持される。リニアエンコーダの場合、目盛り板としては細長い板（『スケール』等と呼ばれる）が使用され、目盛り板と光学読取器とは直線方向に相対移動可能に支持される。
【０００４】
目盛り板上に刻まれる目盛り線の有する意味は、インクリメント式エンコーダの場合とアブソリュート式エンコーダの場合とでは相違する。インクリメント式エンコーダの場合、目盛り板上には等ピッチで１若しくは２列以上に亘り目盛り線が刻まれる。目盛り板と光学読取器とが相対移動すると、光学読取器からは移動距離または回転角度に対応する個数の単相又は多相パルス列が出力される。一般的な例においては、光学読取器からは９０°の位相差を有する２相パルス列が出力される。アブソリュート式エンコーダの場合、目盛り板上の各列にはその絶対位置を示す多ビットコードに相当する目盛り線が刻まれる。目盛り板と光学読取器とが相対移動すると、光学読取器からは移動位置または回転角を直接的に示す多ビットコードが出力される。一般的な例においては、目盛り板上に刻まれる多ビットコードとしてはグレイコードが採用される。
【０００５】
目盛り板上に目盛り線を刻む手法は、光学読取器の形式が透過式か反射式かにより相違する。光学読取器の形式が透過式の場合、金属等の遮光性板にスリットをエッチングによって抜いたり、遮光性被膜を有するガラス板にエッチング処理を行って線状透明部を出現させる等により、目盛り線が目盛り板に刻まれる。光学読取器の形式が反射式の場合、金属製被膜をガラス板に蒸着して鏡面反射部を形成し、その後エッチング処理を行って線状透明部を出現させたり、素材板表面にコントラストの高い印刷処理を行う等により、目盛り線が目盛り板に刻まれる。高精度の位置検出が要求される用途の場合、目盛り線の刻みピッチは数１０μｍ〜数１００μｍとなる。
【０００６】
光学読取器は、投光用光源からの光を目盛り板に照射する投光用光学系と、目盛板からの光を受光部へと結像させる受光用光学系とを有する。透過型光学読取器の場合、投光用光源を含む投光用光学系と受光部を含む受光用光学系とは目盛り板を挟んで対向配置される。反射型光学読取器の場合、投光用光源を含む投光用光学系と受光部を含む受光用光学系とは目盛り板の一方の側にまとめて配置される。
【０００７】
なお、目盛り板上の目盛り線ピッチと投光用光源となる半導体レーザの光波長との間に一定の相関のある高精細検出領域にあっては、回折干渉を利用した検出方式も採用される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この種の光学式エンコーダにおいて、高精度の位置計測を可能とするためには、目盛り板と光学読取器とが相対的に移動する過程において、受光用光学系を介して受光面上に常に明瞭な目盛り線像を結像させ続けなければならない。
【０００９】
しかし、透過型光学式エンコーダの受光用光学系としては比較的に被写界深度の浅いレンズが使用されるため、ロータリエンコーダにおいて過大な軸負荷がかかったり、回転ディスクがバタツキを起こして、目盛り板と光学読取器との距離が変動すると、直ちに、受光面上に結像される目盛り線像の明瞭度や大きさも変動して、光学読取器の出力信号中にノイズ成分が現れ、その結果、アブソリュート式又はインクリメント式のいずれを問わず、検出精度が低下する。
【００１０】
また、透過型光学読取器を採用したインクリメント式エンコーダの場合、目盛り板上の隣接スリット（目盛り線）からの迷光の影響を排除するためには、目盛り板と遮光板との間隙を厳密に管理せねばならず、高い組付精度が必要となってコストアップが招来される。
【００１１】
図２１は、従来用いられていた透過型ロータリエンコーダの構造を示す図であり、図２２は図２１中にて一点鎖線の円Ｙにより示される要部を説明の便宜上拡大したものである。それらの図において、８０２は発光ダイオード（ＬＥＤ）、８０１は発光ダイオード（ＬＥＤ）のケース、８０３は回転ディスク、８０４は遮光板、８０５は受光素子、８０６は受光素子を搭載するための基板、そして８０７はロータリエンコーダのケースをそれぞれ表している。
【００１２】
図２２の拡大図にて示されるように、目盛り板（回転ディスク８０３）と遮光板８０４との間隙Ｃが極めて狭いため、上述するような問題に加えて、ロータリエンコーダの場合には、過大な軸負荷がかかって回転ディスク８０３が傾いたりすると、回転ディスク８０３が受光部（遮光板８０４及び受光素子８０５）に擦れて破損が生じてしまう。
【００１３】
一方、反射型光学読取器を採用したエンコーダとしては回折干渉反射型のリニアエンコーダが存在するが、その検出原理から目盛り線のピッチはレーザの波長との関係で細かくせざるを得ず、多様なピッチ（分解能）に対応できない。加えて、特殊なスケールが必要となり、汎用性に欠ける。
【００１４】
他方、投光用光軸と受光用光軸とを独立に有する反射型光学読取器を採用したエンコーダの場合には、それら２本の光軸は目盛り板の法線に対して対称的に傾斜するため、目盛り板のバタツキや傾きによる目盛り線像の明瞭度や大きさの変動が激しく、高精度検出用途には実用に供し得ない。
【００１５】
この発明は、上述の問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、高い組付精度を不要として低コストに製作できるようにした光学式エンコーダを提供することにある。
【００１６】
この発明の他の目的とするところは、目盛り板と光学読取器との距離が多少変動しても、光学読取器からの出力信号は安定に維持されるようにした光学式エンコーダを提供することにある。
【００１７】
この発明の他の目的とするところは、使用される目盛り板の目盛り線ピッチに合わせて僅かの部品を交換するだけで、様々な目盛り線ピッチを有する目盛り板に対応した反射型光学読取器を容易に実現できるようにした汎用性の高い反射型光学読取器モジュールを提供することにある。
【００１８】
この発明の他の目的とするところは、使用される目盛り板の目盛り線ピッチに合わせて僅かの部品を交換するだけで、様々な目盛り線ピッチを有する目盛り板に対応した透過型光学式読取器を容易に実現することができるようにした透過型光学読取器モジュールを提供することにある。
【００１９】
この発明の他の目的とするところは、上述の光学式エンコーダや反射型光学読取器モジュールに好適であり、高精細ピッチに容易に対応が可能な目盛り板を提供することにある。
【００２０】
この発明のさらに他の目的並びに作用効果については、以下の明細書の記載を参照することにより、当業者であれば容易に理解されるであろう。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
この発明の光学式エンコーダは、所定方向に沿って目盛り線が刻まれた目盛り板と、目盛り板上の目盛り線を光学的に読み取る光学読取器とを含み、目盛り板と光学読取器との相対移動に伴って、光学読取器から対応する電気信号が出力される。光学読取器は、投光用光源からの光を目盛り板に照射する投光用光学系と、目盛板からの光を受光部へと結像させる受光用光学系とを有する。さらに、本発明の要点であるが、受光用光学系がテレセントリック光学系で構成される。
【００２２】
斯かる構成は、透過型／反射型、ロータリ式／リニア式、インクリメント式／アブソリュート式の別を問わず、様々な形式の光学式エンコーダに適用が可能である。ここで、『テレセントリック光学系』とは、周知の如く、レンズの焦点位置にピンホール板を配置することにより、レンズに入射する平行光のみが結像に寄与するようにした光学系である。
【００２３】
以上の構成によれば、受光用光学系としてテレセントリック光学系が採用されているため、目盛り板と光学読取器との相対移動の過程で、例えばロータリエンコーダにおいて過大な軸負荷がかかったり、回転ディスクがバタツキを起こして、目盛り板と光学読取器との距離が多少変動したとしても、受光面上に結像される目盛り線像は常に一定の明瞭な状態に維持され、光学読取器から出力される電気信号にノイズ成分が含まれることがないため、この電気信号に基づいて信頼性の高い位置検出が可能となる。
【００２４】
本発明の光学式エンコーダは透過型として実施してもよい。その場合には、目盛り板上の目盛り線は透光性を有するものとされ、かつ光学読取器としては投光用光学系と受光用光学系とを目盛り板を挟んで同軸に対向配置してなる透過型光学読取器が採用される。また、投光用光学系には、投光用光源からの光を目盛り板の一方側の面に、一群の目盛り線が含まれるようにスポット照射するものが含まれ、さらに、受光用光学系には、目盛り板の他方側の面に透過する光を集光する受光側レンズと、受光側レンズ前方の焦点位置に配置されるピンホール板と、ピンホール板通過後の光線の結像位置に配置され、一群の目盛り線像に対応する受光アレイパターンを有する受光部とが含まれる。ここで、『受光アレイパターン』とは、よく知られているように、微小な線状受光領域を、目盛り板上の目盛り線配列に整合するように、複数個一連に配列してなるパターンのことである。
【００２５】
このような構成によれば、受光用光学系には、目盛り板の他方側の面に透過する光を集光する受光側レンズと、受光側レンズ前方の焦点位置に配置されるピンホール板とからなるテレセントリック光学系が組み込まれているため、目盛り板と光学読取器との相対移動の過程で、例えばロータリエンコーダにおいて過大な軸負荷がかかったり、回転ディスクがバタツキを起こして、目盛り板と光学読取器との距離が多少変動したとしても、先に述べたテレセントリック光学系の作用により、信頼性の高い位置検出が可能となる。また、上記ピンホール板はモジュールケースとは別部材で構成し組み込んでも、モジュールケースの一部として一体化させて構成しても、どちらでもよい。
【００２６】
加えて、目盛り板を透過する光線のうちで、光軸と平行でない迷光成分についてはテレセントリック光学系の作用によって受光面への結像には寄与しなくなるため、受光用光学系と目盛り板との間隙を厳密に管理せずとも、迷光が出力電気信号に与える影響を排除することができる。その結果、製造に当たっての組付精度の要求が緩和されることにより、その分だけコストダウンが可能となる。
【００２７】
上記の透過型光学式エンコーダにおいては、受光部が、一群の目盛り線像に対応するスリットパターンを有する遮光板と、遮光板の背後にあってスリットパターンを透過した光線を受光する受光素子とを含み、スリットパターンから受光素子を露出させることで受光アレイパターンが形成されるようにしてもよい。
【００２８】
このような構成によれば、製品毎に目盛り板上の目盛り線パターンが異なるような場合にも、各目盛り板の目盛り線パターンに合致したスリットパターンを有する遮光板を用意すれば、遮光板を取り替えるだけで、様々な製品仕様に対応することができ、部品点数の減少により一層のコストダウンが可能となる。
【００２９】
本発明の光学式エンコーダは反射型として実施してもよい。その場合には、目盛り板上の目盛り線は反射性を有するものとされ、かつ光学読取器としては同軸型光学系を含む反射型光学読取器が採用される。また、同軸型光学系には、投光用光源と、投光用光源からの光を平行光として目盛り板に、一群の目盛り線が含まれるようにスポット照射すると共に、目盛り板からの反射光を集光する投受光兼用の対物レンズと、前記対物レンズから戻る復路光の結像位置に配置され、一群の目盛り線像に対応する受光アレイパターンを有する受光部と、前記投光用光源からの往路光を前記対物レンズに向かわせるとともに、前記対物レンズから戻る復路光を前記受光アレイパターンを有する受光部に向かわせる光分離器と、前記光分離器を経由して分離された復路光の光路前方の対物レンズ焦点位置に配置されるピンホール板と、が含まれる。
【００３０】
このような構成によれば、同軸型光学系には、投光用光源からの光を平行光線として目盛り板に一群の目盛り線が含まれるようにスポット照射すると共に、目盛り板からの反射光を集光する投受光兼用の対物レンズと、投光用光源から対物レンズに向かう往路光と対物レンズから戻る復路光とを分離する光分離器と、光分離器を経由して分離された復路光の光路前方の対物レンズ焦点位置に配置されるピンホール板とからなるテレセントリック光学系が組み込まれているため、目盛り板と光学読取器との相対移動の過程で、例えばロータリエンコーダにおいて過大な軸負荷がかかったり、回転ディスクがバタツキを起こして、目盛り板と光学読取器との距離が多少変動したとしても、先に述べたテレセントリック光学系の作用により、信頼性の高い位置検出が可能となる。また、上記ピンホール板はモジュールケースとは別部材で構成し組み込んでも、モジュールケースの一部として一体化させて構成しても、どちらでもよい。
【００３１】
加えて、目盛り板から反射する光線のうちで、光軸と平行でない迷光成分についてはテレセントリック光学系の作用によって受光面への結像には寄与しなくなるため、反射型光学読取器と目盛り板との間隙を厳密に管理せずとも、迷光が出力電気信号に与える影響を排除することができる。その結果、製造に当たっての組付精度の要求が緩和されることにより、その分だけコストダウンが可能となる。また、投光用光源についても、平行光を発することが不要となる。従って、従来の透過型エンコーダで必要であった点光源ＬＥＤ、レンズ付きＬＥＤ、或いはレーザダイオード（ＬＤ）と言った高価な発光部品を使用せずとも、普通のＬＥＤの使用が可能となり、この点からもコストダウンが可能となる。さらに、投受光兼用の対物レンズ並びに光分離器（ハーフミラー等）による光軸折曲構造を採用したことにより、光学読取器の小型化を実現することができる。
【００３２】
上記の反射型光学式エンコーダにおいても、受光部が、一群の目盛り線像に対応するスリットパターンを有する遮光板と、遮光板の背後にあってスリットパターンを透過した光線を受光する受光素子とを含み、スリットパターンから受光素子を露出させることで受光アレイパターンが形成されるようにしてもよい。
【００３３】
このような構成によれば、製品毎に目盛り板上の目盛り線パターンが異なるような場合にも、各目盛り板の目盛り線パターンに合致したスリットパターンを有する遮光板を用意すれば、遮光板を取り替えるだけで、様々な製品仕様に対応することができ、部品点数の減少により一層のコストダウンが可能となる。
【００３４】
上記の反射型光学式エンコーダにおいては、目盛り板上の目盛り線領域は鏡面とされかつ目盛り線と目盛り線との間領域は粗面としてもよい。
【００３５】
このような構成によれば、同軸型光学系を採用した光学読取器に適用した場合、テレセントリック光学系の作用により、目盛り板の鏡面部分で正反射した反射光以外は、受光面への結像には寄与しないため、目盛り板上の粗面部分と鏡面部分とに対応して、極めて明瞭な目盛り線像を受光面に結像させることができる。目盛り板の素材として薄い金属板を使用するような場合、その表面を鏡面部分を残して選択的にエッチングで粗面化することで、さほど素材板の強度を損ねることなく、所望の目盛り線パターンを形成することができる。そのため、この鏡面と粗面との組み合わせによる目盛り板によれば、従前の打ち抜き加工による目盛り板の場合に比べてより精細な目盛り線ピッチへの対応が可能となる利点がある。
【００３６】
尚、上記目盛り板に鏡面部と粗面部を形成するにあたり、上述したように鏡面金属板の表面にエッチングを行うことにより粗面部を形成してもよいし、鏡面金属板をレーザハーフ加工することにより粗面部を形成してもよい。
【００３７】
上記の透過型又は反射型光学式エンコーダにおいては、目盛り板と光学読取器とが相対的に直線運動可能に支持される、ようにしてもよい。このような構成によれば、小型、高精度、高信頼性を有するリニアエンコーダを低コストに実現することでができる。
【００３８】
上記の透過型又は反射型光学式エンコーダにおいては、目盛り板と光学読取器とが相対的に回転運動可能に支持される、ようにしてもよい。このような構成によれば、小型、高精度、高信頼性を有するロータリエンコーダを低コストに実現することでができる。
【００３９】
上述の反射型光学式エンコーダを構成する反射型光学読取器はモジュール化して汎用部品とすることができる。すなわち、本発明の反射型光学読取器モジュールは、投光用光源と、投光用光源からの光を平行光として目盛り板に、一群の目盛り線が含まれるようにスポット照射すると共に、目盛り板からの反射光を集光する投受光兼用の対物レンズと、前記対物レンズから戻る戻る復路光の結像位置に配置され、一群の目盛り線像に対応する受光アレイパターンを有する受光部と、前記投光用光源からの往路光を前記対物レンズに向かわせるとともに、前記対物レンズから戻る復路光を前記受光アレイパターンを有する受光部に向かわせる光分離器と、光分離器を経由して分離された復路光の光路前方の対物レンズ焦点位置に配置されるピンホール板と、を投受光兼用窓を有するケース内に一体的に収容してなり、光学式エンコーダに組み込み可能とされる。
【００４０】
このような構成によれば、ケース内において各光学部品が所定位置に位置決めされていれば、ケースと回転ディスクやスケールとの位置決めは比較的にラフでよいため、反射型光学読取器モジュールをケースごと取り付けるだけで、所望の反射型光学式エンコーダを容易かつ迅速に製作することができる。
【００４１】
上記の反射型光学読取器モジュールにおいては、受光部が、一群の目盛り線像に対応するスリットパターンを有する遮光板と、遮光板の背後にあってスリットパターンを透過した光線を受光する受光素子とを含み、スリットパターンから受光素子を露出させることで受光アレイパターンが形成される、ようにしてもよい。
【００４２】
このような構成によれば、投光用光源、対物レンズ、光分離器、ピンホール板、受光素子等は共通のままで、遮光板を対応するスリットパターンを有するものに変更するだけで、様々な精度、検出レンジ、サイズを有する反射型光学式エンコーダへの対応が可能となる。
【００４３】
上述の透過型光学式エンコーダを構成する透過型光学読取器はモジュール化して汎用部品とすることができる。すなわち、本発明の透過型光学読取器モジュールは、投光用光源と、投光用光源からの光を目盛り板の一方側の面に、一群の透光性目盛り線が含まれるようにスポット照射する投光側レンズとを含む投光用光学系と、目盛り板の他方側の面に透過する光を集光する受光側レンズと、受光側レンズの光軸前方の焦点位置に配置されるピンホール板と、ピンホール板通過後の光線の結像位置に配置され、一群の目盛り線像に対応する受光アレイパターンを有する受光部とを含む受光用光学系とを、目盛り板が挿入される空隙部を挟んで投光用光学系収容部と受光用光学系収容部とが対向配置されるケース内に一体的に収容してなり、光学式エンコーダに組み込み可能とされる。
【００４４】
このような構成によれば、ケース内において各光学部品が所定位置に位置決めされていれば、ケースと回転ディスクやスケールとの位置決めは比較的にラフでよいため、透過型光学読取器モジュールをケースごと取り付けるだけで、所望の透過型光学式エンコーダを容易かつ迅速に製作することができる。
【００４５】
上記の透過型光学読取器モジュールにおいては、受光部が、一群の目盛り線像に対応するスリットパターンを有する遮光板と、遮光板の背後にあってスリットパターンを透過した光線を受光する受光素子とを含み、スリットパターンから受光素子を露出させることで受光アレイパターンが形成される、ようにしてもよい。
【００４６】
このような構成によれば、投光用光源、受光側レンズ、ピンホール板、受光素子等は共通のままで、遮光板を対応するスリットパターンを有するものに変更するだけで、様々な精度、検出レンジ、サイズを有する透過型光学式エンコーダへの対応が可能となる。
【００４７】
上述の透過型光学式エンコーダを構成する透過型光学読取器は受光用光学系のみをモジュール化して汎用部品とすることもできる。すなわち、本発明の受光用光学系モジュールは、透光性目盛り線が刻まれた目盛り板を透過する光を集光する受光側レンズと、受光側レンズの光軸前方の焦点位置に配置されるピンホール板と、ピンホール板通過後の光線の結像位置に配置され、一群の目盛り線像に対応する受光アレイパターンを有する受光部とを、受光用窓を有するケース内に一体的に収容してなり、光学式エンコーダに投光用光学系と共に組み込むことで、透過型読取器を構成可能とされる。
【００４８】
このような構成よれば、ケース内において各光学部品が所定位置に位置決めされていれば、ケースと回転ディスクやスケールとの位置決め、並びに、ケースと投光用光学系との位置決めは比較的にラフでよいため、受光用光学系モジュールをケースごと取り付け、併せて投光用光学系を組み合わせるだけで、所望の透過型光学式エンコーダを容易かつ迅速に製作することができる。
【００４９】
上記の受光用光学系モジュールにおいても、受光部が、一群の目盛り線像に対応するスリットパターンを有する遮光板と、遮光板の背後にあってスリットパターンを透過した光線を受光する受光素子とを含み、スリットパターンから受光素子を露出させることで受光アレイパターンが形成される、ようにしてもよい。このとき、上述の各モジュールにおいて、受光部を構成する遮光板を受光素子から分離して着脱可能とすれば、汎用性並びに組立容易性が向上する。
【００５０】
本発明の光学式エンコーダ用目盛り板は、投受光兼用レンズを物体側テレセントリックレンズで構成してなる同軸型光学系を含む反射型光学読取器に適用されるエンコーダ用目盛り板であって、目盛り線が鏡面反射面とされかつ目盛り線間領域が粗面とされている、または、目盛り線が粗面とされかつ目盛り線間領域が鏡面反射面とされている。
【００５１】
このような構成によれば、同軸型光学系を採用した光学読取器に適用した場合、テレセントリック光学系の作用により、目盛り板の鏡面部分で正反射した反射光以外は、受光面への結像には寄与しないため、目盛り板上の粗面部分と鏡面部分とに対応して、極めて明瞭な目盛り線像を受光面に結像させることができる。目盛り板の素材として薄い金属板を使用するような場合、その表面を鏡面部分を残して選択的にエッチングで粗面化することで、さほど素材板の強度を損ねることなく、所望の目盛り線パターンを形成することができる。そのため、この鏡面と粗面との組み合わせによる目盛り板によれば、素材板の強度を損ねることなくより精細な目盛り線ピッチへの対応が可能となる利点がある。
【００５２】
上記の光学式エンコーダ用目盛り板において、目盛り線が円に沿って刻まれるようにすれば、ロータリエンコーダに好適である。また、上記の光学式エンコーダ用目盛り板において、目盛り線が直線に沿って刻まれるようにすれば、リニアエンコーダに好適である。
【００５３】
光学式エンコーダにおいて、テレセントリック光学系として１枚ものの非球面レンズが使用され、レンズの厚さ（Ｔ）と焦点距離（Ｆ）との間には、Ｔ>１．２Ｆの関係が規定されているようにすれば、受光面上に結像される目盛り線パターンの鮮明度が良好となる。
【００５４】
光学式エンコーダにおいて、テレセントリック光学系として１枚ものの非球面レンズが使用され、レンズの厚さ（Ｔ）とレンズと目盛り板との距離（Ｓ）との関係には、１．２Ｔ>Ｓ>０．８Ｔの間が規定されているようにすれば、受光面上に結像される目盛り線パターンの鮮明度が良好となる。
【００５５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る光学式エンコーダの好適な実施の一形態を添附図面を参照して詳細に説明する。
【００５６】
先に述べたように、本発明の光学式エンコーダは、所定方向に沿って目盛り線が刻まれた目盛り板と、目盛り板上の目盛り線を光学的に読み取る光学読取器とを有する。目盛り板と光学読取器とが相対的に移動すると、光学読取器からは対応する電気信号が出力される。光学読取器は、投光用光源からの光を目盛り板に照射する投光用光学系と、目盛り板からの光を受光部へと結像させる受光用光学系とを含んでいる。加えて、重要な点であるが、受光用光学系にはテレセントリック光学系が採用される。
【００５７】
光学読取器としては、透過型のものと反射型のものとが存在する。特に、この実施形態にあっては、光学読取器を構成する各種の光学部品等を一体的にケースに組み込んだ光学読取器モジュールが採用される。後述するように、この光学読取器モジュールは、僅かな部品を交換するだけで、様々な製品仕様を有する光学式エンコーダに共用可能とされている。
【００５８】
光学読取器モジュールの一例である反射型光学読取器モジュール１の外観斜視図が図１に示されている。同図に示されるように、反射型光学読取器モジュール１は合成樹脂製のモジュールケース１０１を有する。モジュールケース１０１の外形は略矩形とされ、その左右両側面１０１ａ，１０１ｂにはネジ孔１０３ａ，１０３ｂを有する鍔状の取付用ブラケット１０２ａ，１０２ｂが一体的に形成されている。モジュールケース１０１の目盛り板と対向する先端面１０１ｃには、投受光兼用窓１０４が明けられており、この投受光兼用窓１０４からはモジュールケース１０１に内蔵された後述する対物レンズ１０６が臨んでいる。なお、矩形の窪み１０５は樹脂成型品のヒケ止めの肉盗み部である。
【００５９】
反射型光学読取器モジュール１の構造を示す説明図が図２に示されている。なお、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は同図（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図、同図（ｃ）は平面図である。
【００６０】
主として図２（ｂ）に示されるように、反射型光学読取器モジュール１のモジュールケース１０１内には、光学読取器として機能する同軸型光学系の各構成部品が組み込まれている。すなわち、モジュールケース１０１の内部には、モジュールケース１０１を前後方向（図中上下方向）に貫通する空所が形成され、この空所は前部室１１３と中間部室１１４と後部室１１５とに分割されている。そして、前部室１１３には対物レンズ１０６が、中間部室１１４には光分離器として機能するハーフミラー１０８が、後部室１１５には投光用光源として機能する発光ダイオード（ＬＥＤ）１０７がそれぞれ所定の姿勢で収容されている。また、中間部室１１４の側方には、モジュールケース１０１側面に抜ける別の空所が形成され、この空所は内側室１１６と外側室１１７とに分割されている。中間部室１１４と側方通路上の内側室１１６との境界部分には、中央にピンホールを有するピンホール板１０９が配置され、さらに外側室１１７には受光部を構成する遮光板１１０と受光素子であるフォトダイオード（ＰＤ）１１１との重ね合せ体が収容される。なお、図において、符号１０７ａが付されているのは発光ダイオード１０７を搭載する基板、符号１１１ａが付されているのは受光素子１１１を搭載する基板である。
【００６１】
対物レンズ１０６はこの例では合成樹脂にて製作された一枚ものの非球面レンズが使用され、前部室１１３内に圧入、接着等の手法にて固定される。投光用光源として機能する発光ダイオード１０７としては、レンズ付き等ではない安価な普通の発光ダイオードを使用することができる。この発光ダイオード１０７は、後部室１１５内に挿入された状態で基板１０７ａを介してモジュールケース１０１に固定される。中間部室１１４内に収容されたハーフミラー１０８は、発光ダイオード１０７から対物レンズ１０６へ向かう光は通過させるものの、対物レンズ１０６から発光ダイオード１０７へと戻る光については反射する性質を有する。このハーフミラー１０８の反射面は、発光ダイオード１０７と対物レンズ１０６とを結ぶ光軸に対して４５度の傾きを有している。ピンホール板１０９は、対物レンズ１０６の焦点位置に配置されている。そのため、対物レンズ１０６に入射する光線のうちで、対物レンズ１０６の光軸に対して平行な成分のみが、ピンホール板１０９のピンホールを通過することができる。換言すれば、対物レンズ１０６に入射する光のうちで、その光軸に対して傾斜した成分については、ピンホール板１０９のピンホールを通過できないから、受光面上への結像には寄与しない。遮光板１１０には、スリット列パターンが形成されている。このスリット列パターンのスリットピッチは、図示しない目盛り板上の目盛り線配列パターンにおける目盛り線ピッチに対応する。遮光板１１０の背後に位置する受光素子１１１の受光面は、遮光板１１０のスリット列パターンに対応して露出されるから、これにより受光部を構成する受光アレイパターンが具現化される。受光素子１１１の受光面は遮光板１１０の背面と対面した状態で外側室１１７に収容され、基板１１１ａを介してケース１０１に固定される。受光素子搭載基板１１１ａとケース１０１との固定は、この例では、基板１１１ａに明けられた嵌合孔にケース側の突起１１２ａ，１１２ｂを嵌入することで行われる。
【００６２】
このような構成であるから、上述の反射型光学読取器モジュール１によれば、任意の目盛り線ピッチを有する目盛り板に対しては、基板１１１ａごと受光素子１１１を取り除いたのち、外側室１１７から遮光板１１０を取り出して、これを対応するスリットピッチを有するものと交換するだけで対応することができるから、様々な製品仕様を有する光学式エンコーダに対して、殆どの部品を共用してコストダウンを図ることができる。
【００６３】
上述の反射型光学読取器モジュール１において、ピンホール板１０９はモジュールケース１０１とは別体として構成され反射型光学読取器モジュール内に組み込まれているが、本発明の反射型光学読取器モジュールの他の実施形態として、ピンホール板１０９をモジュールケース１０１の一部として一体化させて構成してもよい。その実施例が図３に示されている。尚、同図において、反射型光学読取器モジュールの構成要素は図２（ｂ）とほぼ同じであるため、同じ符号を用いて説明は省略する。図３にて示される反射型光学読取器モジュール１と図２（ｂ）における反射型光学読取器モジュール１との違いは、ピンホール１１９がモジュールケース１０１の一部として一体化されて構成されていることである。
【００６４】
次に、上記反射型光学読取器モジュール１の光学系全体のみを取り出して示す構成図が図４に示されている。同図に示されるように、この反射型光学読取器は同軸型光学系を含んでいる。この同軸型光学系は、投光用光源として機能する発光ダイオード１０７と、発光ダイオード１０７からの光を平行光線として目盛り板２に一群の目盛り線が含まれるようにスポット照射すると共に、目盛り板２からの反射光を集光する投受光兼用の対物レンズ１０６と、発光ダイオード１０７から対物レンズ１０６に向かう往路光と対物レンズ１０６から戻る復路光とを分離する光分離器として機能するハーフミラー１０８と、ハーフミラー１０８を経由して分離された復路光の光路前方の対物レンズ焦点位置に配置されるピンホール板１０９と、ピンホール板通過後の復路光の結像位置に配置され一群の目盛り線像に対応する受光アレイパターンを有する受光部１１８とを含んでいる。ここで、先に述べたように、受光部１１８は、一群の目盛り線像に対応するスリット列パターンを有する遮光板１１０と、遮光板１１０の背後にあってスリットパターンを透過した光線を受光する受光素子１１１とを含んでいる。スリットパターンから受光素子１１１を露出させることで受光アレイパターンが形成される。なお、受光アレイパターンは、微小な受光素子を複数個基板上に配列しても形成することができる。
【００６５】
尚、上述した図４にて示される反射型光学読取器の光学系において、図示しないが、発光ダイオード１０７と、ピンホール板１０９及び受光部１１８との位置関係を入れ替えて設置することも可能である。そのような構成にしても、光分離器としてのハーフミラー１０８の周知の特性により、発光ダイオード１０７から対物レンズ１０６に向かう往路光を反射させ対物レンズに照射し、対物レンズ１０６から戻る復路光を通過させピンホール板１０９を介して受光部１１８に結像させ、同様の結果を得ることが可能である。
【００６６】
周知の如く、目盛り板２の具体的な形態は、ロータリエンコーダかリニアエンコーダかにより相違する。目盛り板２の構成を示す説明図が図１４に示されている。同図（ａ）に示されるように、ロータリエンコーダに使用される回転ディスク２ａの場合、目盛り線は１列若しくは２列以上に亘り、同心円に沿って放射状に配列される。同図（ｂ）に示されるように、リニアエンコーダに使用されるスケール２ｂの場合、目盛り線は１列若しくは２列以上に亘り、直線に沿って平行に配列される。
【００６７】
なお、先に説明したように、目盛り板上に目盛り線を刻む手法は、光学読取器の形式が透過式か反射式かにより相違する。光学読取器の形式が透過式の場合、金属等の遮光性板にスリットを打ち抜いたり、遮光性被膜を有するガラス板にエッチング処理を行って線状透明部を出現させる等により、目盛り線が目盛り板に刻まれる。光学読取器の形式が反射式の場合、金属製被膜をガラス板に蒸着して鏡面反射部を形成し、その後エッチング処理を行って線状透明部を出現させたり、素材板表面にコントラストの高い印刷処理を行う等により、目盛り線が目盛り板に刻まれる。高精度の位置検出が要求される用途の場合、目盛り線の刻みピッチは数１０μｍ〜数１００μｍとなる。
【００６８】
本発明者等は、テレセントリック式光学系を採用した反射型光学読取器に好適な反射読取用の目盛り板を開発した。図１４（ｃ）に示されるように、この目盛り板８にあっては、目盛り線領域８ａの表面は鏡面とされ、投光用光源からの光を正反射する。一方、相隣接する目盛り線領域８ａと目盛り線領域８ａとの中間領域８ｂは粗面とされ、投光用光源からの光を乱反射する。目盛り板８の素材としては、表面が鏡面状態とされた金属薄板が使用され、その表面を目盛り線領域８ａを残して選択的にエッチング加工することにより粗面化させる。
【００６９】
このような構造の目盛り板８によれば、垂直に照射される光は目盛り線領域８ａからは正反射して光軸に平行な光線として戻されるので、テレセントリック光学系の作用により、受光面への結像に寄与する。これに対して、目盛り線間領域８ｂから戻される光は、乱反射により光軸に平行な成分は極めて少ないので、テレセントリック光学系の作用により、受光面への結像には殆ど寄与しない。その結果、反射型光学読取器モジュール１と目盛り板８との距離変動に拘わらず、受光面上には、常に明瞭な目盛り線像が結像され、これにより信頼性の高い電気信号が得られる。加えて、この目盛り板８によれば、素材板の強度を大きく損ねることがないため、目盛り線ピッチのより一層の微細化に対応することができる。
【００７０】
また、目盛り板８に目盛り線領域８ａ及び相隣接する目盛り線領域８ａと目盛り線領域８ａとの中間領域８ｂを形成するにあたり、上述したように、目盛り線領域８ａを鏡面、中間領域８ｂを粗面として形成しても、また、目盛り線領域８ａを粗面、中間領域８ｂを鏡面としてもよい。更に、目盛り板として用いられる表面が鏡面状態とされた金属薄板に粗面部を形成する際には、鏡面部をエッチングすることにより所定領域に粗面部を形成しても、また、鏡面金属板にレーザ加工を施すことにより所定領域に粗面部を形成してもよい。
【００７１】
図１及び図２に示される反射型光学読取器モジュール１は、幾つかの方法により、ロータリエンコーダのケースに組み込むことができる。第１のモジュール取付方法を採用したロータリエンコーダの構造を示す説明図が図５に、ケースを取り外した状態を示す斜視図が図６にそれぞれ示されている。なお、図５（ａ）は左側面図、図５（ｂ）は正面図、図５（ｃ）はＡ−Ａ線断面図である。
【００７２】
図５（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）において、３はインクリメント式の反射型光学式ロータリエンコーダ、３０１は金属製円筒状のケース、３０１ａはケース端面板、３０２及び３０３は軸受け、３０４は回転軸、３０５は電気コード、３０６は金属製のエンコーダ本体部、３０７は出力回路基板である。また、図６においては図１、図２、及び図５の対応部と同一の符号を付与し説明を省略する。
【００７３】
主として図５（ｃ）から明らかなように、回転軸３０４の突出量を幾分長めとすることにより、回転ディスク２ａとエンコーダ本体３０６との間には空所３０８が設けられ、この空所３０８に収まるようにして、反射型光学読取器モジュール１がエンコーダ本体部３０６にビス等により固定される。本体部３０６は金属製であるから位置決め精度が良好となり、温度変化による検出部の位置関係の変動も抑制される。このとき、回転ディスク２ａの目盛り線表示面はエンコーダ本体３０６側（図中左側）へと向けられ、反射型光学読取器モジュール１の投受光軸の向きは回転ディスク２ａに対して垂直とされる。反射型光学読取器モジュール１の光学系にはテレセントリック光学系が採用されているので、反射型光学読取器モジュール１と回転ディスク２ａとの距離については、さほど注意を払う必要はなく、高い組付精度は要求されないから低コストに製作することができる。
【００７４】
第２のモジュール取付方法を採用したロータリエンコーダの構造を示す説明図が図７に、ケースを取り外した状態を示す斜視図が図８にそれぞれ示されている。なお、図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は右側面図、図７（ｃ）はＡ−Ａ線断面図である。
【００７５】
図７（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）において、上述した図５（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）にて示される構成要素と同一であるため、同一の符号を付与し説明を省略する。また、図８においては図１、図２、及び図７の対応部と同一の符号を付与し説明を省略する。
【００７６】
主として図７（ｃ）から明らかなように、回転軸３０４の突出量を短めとすることにより、回転ディスク２ａとケース端面板３０１ａとの間には空所３０８が設けられ、この空所３０８に収まるようにして、反射型光学読取器モジュール１が支持板３０７にビス等により固定される。このとき、回転ディスク２ａの目盛り線表示面はケース端面板３０１ａ側（図中右側）へと向けられ、反射型光学読取器モジュール１の投受光軸の向きは回転ディスク２ａに対して垂直とされる。この場合にも、反射型光学読取器モジュール１の光学系にはテレセントリック光学系が採用されているので、反射型光学読取器モジュール１と回転ディスク２ａとの距離については、さほど注意を払う必要はなく、高い組付精度は要求されないから低コストに製作することができる。
【００７７】
本発明は光学式リニアエンコーダにも適用することができる。リニアエンコーダ用の反射型光学読取器モジュールの構造を示す説明図が図９に、リニアエンコーダに対するモジュール取付状態を概略的に示す説明図が図１０にそれぞれ示されている。なお、図９（ａ）は正面図、図９（ｂ）はＡ−Ａ線断面図、図９（ｃ）は平面図である。
【００７８】
それらの図において、２ｂは目盛り板であるリニアスケール、４は反射型光学読取器モジュール、４０１は合成樹脂製のモジュールケース、４０２ａ，４０２ｂは取付用ブラケット、４０３ａ，４０３ｂはビス孔、４０４は投受光兼用窓、４０５は樹脂成型品のヒケ止めの肉盗み部、４０６は対物レンズ、４０７は発光ダイオード（ＬＥＤ）、４０７ａは発光ダイオード搭載基板、４０８はハーフミラー、４０９はピンホール板、４１０は遮光板、４１１は受光素子であるフォトダイオード（ＰＤ）、４１１ａはフォトダイオード搭載基板、４１２は電気コードである。
【００７９】
主として、図９（ｂ）並びに図１０から明らかなように、リニアエンコーダに適用する場合であっても、モジュールケース４０１内の光学部品配置はロータリエンコーダに適用する場合とほぼ同様であり、こうして製作された反射型光学読取器モジュール４はリニアスケール２ｂと対向しつつ相対移動可能に支持される。このときも、反射型光学読取器モジュール４とリニアスケール２ｂとの距離は、テレセントリック光学系の作用により比較的にラフに決定することができる。
【００８０】
本発明は、透過型光学読取器モジュールとしても具現化することができる。透過型光学読取器モジュールの光学系全体を取り出して示す構成図が図１１に示されている。同図に示されるように、この光学系には、投光用光学系と受光用光学系とが含まれている。投光用光学系には、目盛り板（この例では目盛り線はスリット列で構成される）２の一方側の面に一群の目盛り線が含まれるようにスポット光を照射する投光用発光ダイオード（ＬＥＤ）５０１が含まれている。受光用光学系には、目盛り板２の他方側の面にスリット列を通して透過する光を集光する受光側レンズ５０２と、受光側レンズ５０２前方の焦点位置に配置されるピンホール板５０３と、ピンホール板５０３通過後の光線の結像位置に配置され一群の目盛り線像に対応する受光アレイパターンを有する受光部５０６とが含まれている。この例にあっても、受光部５０６は、一群の目盛り線像に対応するスリットパターンを有する遮光板５０４と、遮光板５０４の背後にあってスリットパターンを透過した光線を受光する受光素子５０５とを含み、遮光板５０４のスリットパターンから受光素子５０５を露出させることで受光アレイパターンが形成される。
【００８１】
このような構成によれば、受光用光学系には、目盛り板２の他方側の面に透過する光を集光する受光側レンズ５０２と、受光側レンズ５０２前方の焦点位置に配置されるピンホール板５０３とからなるテレセントリック光学系が組み込まれているため、目盛り板２と光学読取器との相対移動の過程で、例えばロータリエンコーダにおいて過大な軸負荷がかかったり、回転ディスクがバタツキを起こして、目盛り板２と光学読取器との距離が多少変動したとしても、先に述べたテレセントリック光学系の作用により、信頼性の高い位置検出が可能となる。
【００８２】
加えて、目盛り板２を透過する光線のうちで、光軸と平行でない迷光成分についてはテレセントリック光学系の作用によって受光面への結像には寄与しなくなるため、受光用光学系と目盛り板との間隙を厳密に管理せずとも、迷光が出力電気信号に与える影響を排除することができる。その結果、製造に当たっての組付精度の要求が緩和されることにより、その分だけコストダウンが可能となる。
【００８３】
図１１の光学系を採用した透過型光学読取器モジュールの構造を概略的に示す説明図が図１２に示されている。同図に示されるように、この透過型光学読取器モジュール５は、目盛り板２の一方側の面に一群のスリット列が含まれるようにスポット光を照射する投光用発光ダイオード（ＬＥＤ）５０１を含む投光用光学系と、目盛り板２の他方側の面に透過する光を集光する受光側レンズ５０２と、受光側レンズ５０２の光軸前方の焦点位置に配置されるピンホール板５０３と、ピンホール板５０３通過後の光線の結像位置に配置され一群の目盛り線像に対応する受光アレイパターンを有する受光部５０６とを含む受光用光学系とを有する。上述の投光用光学系と受光用光学系とはケース５００に収容される。ケース５００は、目盛り板２が挿入される空隙部５０７を挟んで投光用光学系収容部５０８と受光用光学系収容部５０９とを対向配置させた構造を有する。なお、５０７ａは投光用窓、５０７ｂは受光用窓である。先程の例と同様に、受光部５０６は、一群の目盛り線像に対応するスリットパターンを有する遮光板５０４と、遮光板５０４の背後にあってスリットパターンを透過した光線を受光する受光素子５０５とを含み、スリットパターンから受光素子５０５を露出させることで受光アレイパターンが形成される。
【００８４】
このような構成によれば、目盛り板（回転ディスク２ａ又はリニアスケール２ｂ）２のスリットピッチに対応するスリットピッチを有する遮光板５０４を選択するだけで、大部分の部品は共用して様々な製品仕様に対応できるから、コストダウンを図ることができる他、投光系光学系と受光系光学系とを一体的に結合しているため、その取り扱いが容易となる。
【００８５】
本発明においては、図１１に示される光学系のうちの受光用光学系のみをモジュール化することもできる。こうして得られる受光用光学系モジュール６の構造を概略的に示す説明図が図１３に示されている。
【００８６】
同図において、２は回転ディスクやリニアスケール等の目盛り板、６は受光用光学系モジュール、７は発光ダイオード（ＬＥＤ）、６０１は合成樹脂製のモジュールケース、６０２は受光用窓、６０３は光軸折り曲げ用のミラー、６０４は受光側レンズ、６０５はピンホール板、６０６は遮光板、６０７は受光素子、６０８は受光部である。
【００８７】
図から明らかなように、この受光用光学系モジュール６は、透光性目盛り線が刻まれた目盛り板２を透過する光を集光する受光側レンズ６０４と、受光側レンズ６０４の光軸前方の焦点位置に配置されるピンホール板６０５と、ピンホール板６０５通過後の光線の結像位置に配置され一群の目盛り線像に対応する受光アレイパターンを有する受光部６０８とを、受光用窓６０２を有するケース６０１内に一体的に収容してなり、光学式エンコーダに投光用光学系と共に組み込むことで、透過型読取器を構成可能としている。また、受光部６０８は、一群の目盛り線像に対応するスリットパターンを有する遮光板６０６と、遮光板６０６の背後にあってスリットパターンを透過した光線を受光する受光素子６０７とを含み、スリットパターンから受光素子６０７を露出させることで受光アレイパターンが形成される。
【００８８】
この受光用光学系モジュール６によれば、前述と同様の理由により、様々な製品仕様を有する透過型光学式エンコーダに柔軟に対応できることに加えて、ミラー６０３により光軸を折り曲げているため、モジュールの薄型化を実現することができる。
【００８９】
次に、図１５、１６、及び１７を参照して反射型光学読取器において、遮光板を反射型光学読取器モジュールに組み込み、目盛り板との位置決めを行う際に好適な手段を説明する。それらの図において、７０１は反射型光学読取器モジュール、７０２は位置決め板、７０３は回転ディスクの回転軸、７０４は発光ダイオード（ＬＥＤ）、７０５は受光素子、７０６はピンホール、７０７はレンズ、７０８はハーフミラー、そして７０９は目盛り板（回転ディスク）である。
【００９０】
図１７は位置決め板７０２の外観を示す図であり、同図にて示されるように、位置決め板７０２は遮光板７１１である部分と回転軸７０３を挿入し、嵌合するための挿入孔７１０を備えた部分が一体化して構成されたものである。この挿入孔７１０に回転軸７０３を嵌号することによって図１５にて示されるように、遮光板７１１を反射型光学読取器モジュール７０１に組み込む際の目盛り板７０９との位置決めを容易に行うことができる。そして、位置決めが完了した後に、図１７にて点線Ｓ−Ｓにて示される切断線に沿って不要部分を切断し、遮光板７１１のみが反射型光学読取器モジュール７０１に組み込まれる。位置決め板７０２の不要部分を切断し、遮光板７１１のみが反射型光学読取器モジュール７０１に組み込まれている状態が図１６にて示されている。
【００９１】
このような位置決め手段を用いることにより、反射型光学読取器モジュールの出力線からの電気信号を見ながら反射型光学読取器モジュール７０１と目盛り板７０９との位置決めを行う必要がなくなる。従って、遮光板７１１を組み込んだ反射型光学読取器モジュール７０１と目盛り板７０９との位置決めを回転軸７０３を介して正確かつ容易に行うことができる。
【００９２】
尚、上述の遮光板と目盛り板との位置決め手段は便宜上、反射型光学読取器モジュールに適用したものとして説明したが、もちろん透過型光学読取器モジュールに適用する遮光板と目盛り板との位置決め手段として具現化することが可能であることは言うまでもない。
【００９３】
次に、光学読取器を構成する受光素子の出力信号に対する電気的な処理について簡単に説明する。周知の如く、例えば、インクリメント式エンコーダの場合、受光素子から出力される単相又は多相パルス列は、増幅処理並びに波形整形処理されて、矩形パルス列に変換され、これを適宜にカウント等することにより、移動量や位置に相当する情報が得られる。
【００９４】
光学式エンコーダ（この例では透過型）の電気的構成を概略的に示す回路図の一例が図１８に示されている。投光用光源である発光ダイオード（ＬＥＤ）９からの光は、目盛り板１０上のスリット列及び遮光板１１上のスリット列を透過したのち、受光素子であるフォトダイオード（ＰＤ）の受光面に照射される。この例では、目盛り板１０上には、互いに平行若しくは同心円状の６列のスリット列が形成されている。最初の２列は、Ａ相に対応するもので、互いに１８０度の位相差を有する２列のスリット列にて構成される。次の２列は、Ｂ相に対応するもので、これも互いに１８０度の位相差を有する２列のスリット列にて構成される。最後の２列は、Ｚ相に対応するもので、これについても互いに１８０度の位相差を有する。Ａ相を構成する２列のスリット列の透過光はそれぞれフォトダイオード２５ａ，２５ｂにより受光される。Ｂ相を構成する２列のスリット列の透過光はそれぞれフォトダイオード２６ａ，２６ｂにより受光される。Ｚ相を構成する２列のスリット列の透過光はそれぞれフォトダイオード２７ａ，２７ｂにより受光される。Ａ相を分担する２個のフォトダイオード２５ａ，２５ｂの出力電流は、それぞれＩ／Ｖ変換器１２ａ，１２ｂにてＩ／Ｖ変換されたのち、差動増幅器１５を介して変化分が強調される。Ｂ相を分担する２個のフォトダイオード２６ａ，２６ｂの出力電流は、それぞれＩ／Ｖ変換器１３ａ，１３ｂにてＩ／Ｖ変換されたのち、差動増幅器１６を介して変化分が強調される。Ｚ相を分担する２個のフォトダイオード２７ａ，２７ｂの出力電流は、それぞれＩ／Ｖ変換器１４ａ，１４ｂにてＩ／Ｖ変換されたのち、差動増幅器１７を介して変化分が強調される。差動増幅器１５，１６，１７の各出力は、その後段に配置されたコンパレータ１８，１９，２０にてそれぞれ二値化されたのち、出力回路２１，２２，２３を介してドライブレベルに調整され、Ａ相信号、Ｂ相信号、Ｚ相信号として外部へと出力される。なお、符号２４は各回路へ電源を供給する電源回路である。
【００９５】
最後に、本発明のエンコーダ用光学読取器に好適なテレセントリック光学系の具体例を開示する。光学系にとって最も重要な点は、目盛り板上の目盛り線パターンを受光面上に鮮明に結像させることである。受光面上の目盛り線パターンの鮮明度は、受光素子からの出力電気信号波形に基づいてモジュレーション値Ｍを求めることで、定性的な評価が可能となる。すなわち、モジュレーション値Ｍの値が大きい（最大は『１』）ほど、鮮明度が高いと言える。ここで、受光素子からの出力電気信号波形のピーク値をＥｍａｘ、ボトム値をＥｍｉｎと置くと、モジュレーション値Ｍは次式で表すことができる。
【００９６】
Ｍ＝（Ｅｍａｘ−Ｅｍｉｎ）／（Ｅｍａｘ＋Ｅｍｉｎ）
【００９７】
図１９（ａ）の光学モデルに示されるように、レンズとして一枚ものの非球面レンズ（倍率＝１）を採用することを前提とし、レンズとピンホールとの距離（焦点距離）をＦ、レンズの厚さをＴ、レンズと目盛り板との距離をＳと置いて、焦点距離Ｆとモジュレーション値Ｍとの関係を考察する。
【００９８】
すると、図１９（ｂ）の表並びに図１９（ｃ）のグラフに示されるように、レンズと目盛り板との距離Ｓ並びにレンズ厚さＴを５ｍｍに固定したまま、焦点距離Ｆを３．２，３．６，４．０，５．０と増加させてゆくと、モジュレーション値Ｍの値は、焦点距離Ｆがある程度までは一定であるが、Ｆ＝３．６辺りを越えると低下することが判る。
【００９９】
図２０（ａ）の光学モデルに示されるように、レンズとして一枚ものの非球面レンズ（倍率＝１）を採用することを前提とし、レンズとピンホールとの距離（焦点距離）をＦ、レンズの厚さをＴ、レンズと目盛り板との距離をＳと置いて、レンズ厚さＴとモジュレーション値Ｍとの関係を考察する。
【０１００】
すると、図２０（ｂ）の表並びに図２０（ｃ）のグラフに示されるように、レンズと目盛り板との距離Ｓを５ｍｍ、焦点距離を４．７ｍｍにそれぞれ固定したまま、レンズ厚さＴを４．０，５．０，６．０と増加させてゆくと、モジュレーション値Ｍの値は、レンズ厚さＴ＝５．０辺りで最大となることが判る。
【０１０１】
図１〜図４に示される同軸型光学系を採用する光学読取器モジュール１を想定すると、ハーフミラー１０８の配置スペースとの関係で、焦点距離Ｆはあまり小さくすることはできない。
【０１０２】
以上からすると、図１〜図４に示される同軸型光学系を採用する光学読取器モジュール１を実現し、しかもレンズとして一枚ものの非球面レンズ（倍率＝１）を使用することを前提とすると、Ｆ＝３．６、すなわち、Ｓ＝Ｔ＝１．４Ｆが最適条件であることが結論づけられた。
【０１０３】
また、図１９における考察によりＳ及びＴが５ｍｍである場合、Ｆ≦４ｍｍが好適であることが判る。従って、光学式エンコーダにおいて、テレセントリック光学系として１枚ものの非球面レンズが使用され、レンズの厚さ（Ｔ）と焦点距離（Ｆ）との関係には、Ｔ>１．２Ｆの関係が規定されているようにすれば、受光面上に結像される目盛り線パターンの鮮明度が良好となる。
【０１０４】
更に、図２０における考察によりＳが５ｍｍであり、Ｆが４．７ｍｍである場合、Ｔは５ｍｍが好適であると判る。従って、光学式エンコーダにおいて、テレセントリック光学系として１枚ものの非球面レンズが使用され、レンズの厚さ（Ｔ）とレンズと目盛り板との距離（Ｓ）との関係には、１．２Ｔ>Ｓ>０．８Ｔの関係が規定されているようにすれば、受光面上に結像される目盛り線パターンの鮮明度が良好となる。
【０１０５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、高い組付精度を不要として低コストに製作できるようにした光学式エンコーダを提供することができる。
【０１０６】
また、本発明によれば、目盛り板と光学読取器との距離が多少変動しても、光学読取器からの出力信号は安定に維持されるようにした光学式エンコーダを提供することができる。
【０１０７】
また、本発明によれば、投光用光源として平行光を不要とすることにより、点光源ＬＥＤ、レンズ付きＬＥＤ、或いはレーザダイオード（ＬＤ）と言った高価な発光部品を使用せずとも、普通のＬＥＤを使用して低コストに製作することができるようにした反射型の光学式エンコーダを提供することができる。
【０１０８】
また、本発明によれば、使用される目盛り板の目盛り線ピッチに合わせて僅かの部品を交換するだけで、様々な目盛り線ピッチを有する目盛り板に対応した光学読取器を容易に実現できるようにした汎用性の高い反射型光学読取器モジュールを提供することができる。
【０１０９】
また、本発明によれば、使用される目盛り板の目盛り線ピッチを有する目盛り板に合わせて僅かの部品を交換するだけで、様々な目盛り線ピッチに対応した透過型光学式読取器を容易に実現することができるようにした透過型光学読取器モジュールを提供することができる。
【０１１０】
また、本発明によれば、使用される目盛り板の目盛り線ピッチを有する目盛り板に合わせて僅かの部品を交換するだけで、様々な目盛り線ピッチに対応した透過型光学式読取器を容易に実現することができるようにした受光用光学系モジュールを提供することができる。
【０１１１】
さらに、本発明によれば、上述の光学式エンコーダや反射型光学読取器モジュールに好適であり、高精細ピッチに容易に対応が可能な目盛り板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】反射型光学読取器モジュールの外観斜視図である。
【図２】反射型光学読取器モジュールの構造を示す説明図である。
【図３】反射型光学読取器モジュールの他の実施形態の構造を示す説明図である。
【図４】反射型光学読取器の光学系全体を示す構成図である。
【図５】第１のモジュール取付方法を採用したロータリエンコーダの構造を示す説明図である。
【図６】第１のモジュール取付方法を採用したロータリエンコーダのケースを取り外した状態を示す斜視図である。
【図７】第２のモジュール取付方法を採用したロータリエンコーダの構造を示す説明図である。
【図８】第２のモジュール取付方法を採用したロータリエンコーダのケースを取り外した状態を示す斜視図である。
【図９】リニアエンコーダ用の反射型光学読取器モジュールの構造を示す説明図である。
【図１０】リニアエンコーダに対するモジュール取付状態を概略的に示す説明図である。
【図１１】透過型光学読取器の光学系全体を示す構成図である。
【図１２】透過型光学読取器モジュールの構造を概略的に示す説明図である。
【図１３】受光用光学系モジュールの構造を概略的に示す説明図である。
【図１４】目盛り板の構成を示す説明図である。
【図１５】遮光板と目盛り板との好適な位置決め手段を説明する図（その１）である。
【図１６】遮光板と目盛り板との好適な位置決め手段を説明する図（その２）である。
【図１７】遮光板と目盛り板との好適な位置決め手段を説明する図（その３）である。
【図１８】光学式エンコーダの電気的構成を概略的に示す回路図である。
【図１９】テレセントリック光学系の各種設計値を示す図（その１）である。
【図２０】テレセントリック光学系の各種設計値を示す図（その２）である。
【図２１】従来用いられていた透過型ロータリエンコーダの構造を示す説明図である。
【図２２】従来用いられていた透過型ロータリエンコーダの要部を拡大した説明図である。
【符号の説明】
１反射型光学読取器モジュール
２目盛り板
２ａ回転ディスク
２ｂリニアスケール
３光学式ロータリエンコーダ
４反射型光学読取器モジュール（光学式リニアエンコーダ用）
５透過型光学読取器モジュール
６受光用光学系モジュール
７発光ダイオード（ＬＥＤ）
８目盛り板
８ａ鏡面である目盛り線領域
８ｂ粗面である目盛り線間領域
９発光ダイオード（ＬＥＤ）
１０目盛り板
１１遮光板
１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂＩ／Ｖ変換器
１５，１６，１７差動増幅器
１８，１９，２０コンパレータ
２１，２２，２３出力回路
２４電源回路
１０１モジュールケース
１０２ａ，１０２ｂ取付用ブラケット
１０３ａ，１０３ｂ取付用ネジ孔
１０４投受光兼用窓
１０５樹脂成型品のヒケ止めの肉盗み部
１０６対物レンズ
１０７発光ダイオード（ＬＥＤ）
１０７ａ発光素子搭載基板
１０８ハーフミラー
１０９ピンホール板
１１０遮光板
１１１受光素子（フォトダイオード（ＰＤ））
１１１ａ受光素子搭載基板
１１２ａ，１１２ｂ突起
１１３前部室
１１４中間部室
１１５後部室
１１６内側室
１１７外側室
１１８受光部
１１９ピンホール
３０１ケース
３０１ａケース端面板
３０２，３０３軸受
３０４回転軸
３０５電気コード
３０６エンコーダ本体部
３０７支持板
３０８空所
４０１モジュールケース
４０２ａ，４０２ｂ取付用ブラケット
４０３ａ，４０３ｂ取付用ネジ孔
４０４投受光兼用窓
４０５樹脂成型品のヒケ止めの肉盗み部
４０６対物レンズ
４０７投光用発光ダイオード（ＬＥＤ）
４０７ａ発光素子搭載基板
４０８ハーフミラー
４０９ピンホール板
４１０遮光板
４１１受光用フォトダイオード（ＰＤ）
４１２電気コード
５００モジュールケース
５０１投光用発光ダイオード（ＬＥＤ）
５０２受光側レンズ
５０３ピンホール板
５０４遮光板
５０５受光用フォトダイオード（ＰＤ）
５０６受光部
５０７間隙
５０７ａ投光用窓
５０７ｂ受光用窓
５０８投光用光学系収容部
５０９受光用光学系収容部
６０１モジュールケース
６０２受光用窓
６０３反射用ミラー
６０４受光側レンズ
６０５ピンホール板
６０６遮光板
６０７受光用フォトダイオード（ＰＤ）
６０８受光部
７０１反射型光学読取器モジュール
７０２位置決め板
７０３回転ディスクの回転軸
７０４発光ダイオード（ＬＥＤ）
７０５受光素子
７０６ピンホール
７０７レンズ
７０８ハーフミラー
７０９目盛り板
７１０挿入孔
７１１遮光板
８０１発光ダイオード（ＬＥＤ）用ケース
８０２発光ダイオード（ＬＥＤ）
８０３回転ディスク
８０４遮光板
８０５受光素子
８０６受光素子搭載用基板
８０７ロータリエンコーダのケース

Claims

所定方向に沿って反射性を有する目盛り線が刻まれた目盛り板と、目盛り板上の目盛り線を光学的に読み取る光学読取器とを含み、目盛り板と光学読取器との相対移動に伴って、光学読取器から対応する電気信号が出力されるようにした光学式エンコーダであって、
光学読取器が、同軸型光学系を含んでおり、
同軸型光学系が、
投光用光源と、
投光用光源からの光を平行光として目盛り板に、一群の目盛り線が含まれるようにスポット照射すると共に、目盛り板からの反射光を集光する投受光兼用の対物レンズと、
前記対物レンズから戻る復路光の結像位置に配置され、一群の目盛り線像に対応する受光アレイパターンを有する受光部と、
前記投光用光源からの往路光を前記対物レンズに向かわせるとともに、前記対物レンズから戻る復路光を前記受光アレイパターンを有する受光部に向かわせる光分離器と、
前記光分離器を経由して分離された復路光の光路前方の対物レンズ焦点位置に配置されるピンホール板と、
を含む、ことを特徴とする光学式エンコーダ。
受光部が、一群の目盛り線像に対応するスリットパターンを有する遮光板と、遮光板の背後にあってスリットパターンを透過した光線を受光する受光素子とを含み、スリットパターンから受光素子を露出させることで受光アレイパターンが形成される、請求項１に記載の光学式エンコーダ。
目盛り板上の目盛り線領域は鏡面とされかつ目盛り線と目盛り線との間領域は粗面とされている、請求項１又は２に記載の光学式エンコーダ。
目盛り板と光学読取器とは相対的に直線運動可能に支持され、目盛り板上には移動直線に沿って目盛り線が刻まれている、請求項１〜３のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
目盛り板と光学読取器とは相対的に回転運動可能に支持され、目盛り板上には移動円周に沿って目盛り線が刻まれている、請求項１〜３のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
投光用光源と、
投光用光源からの光を平行光として目盛り板に、一群の目盛り線が含まれるようにスポット照射すると共に、目盛り板からの反射光を集光する投受光兼用の対物レンズと、
前記対物レンズから戻る復路光の結像位置に配置され、一群の目盛り線像に対応する受光アレイパターンを有する受光部と、
前記投光用光源からの往路光を前記対物レンズに向かわせるとともに、前記対物レンズから戻る復路光を前記受光アレイパターンを有する受光部に向かわせる光分離器と、
光分離器を経由して分離された復路光の光路前方の対物レンズ焦点位置に配置されるピンホール板と、
を、投受光兼用窓を有するケース内に一体的に収容してなり、光学式エンコーダに組み込み可能とした反射型光学読取器モジュール。
受光部が、一群の目盛り線像に対応するスリットパターンを有する遮光板と、遮光板の背後にあってスリットパターンを透過した光線を受光する受光素子とを含み、スリットパターンから受光素子を露出させることで受光アレイパターンが形成される、請求項６に記載の反射型光学読取器モジュール
。
受光部を構成する遮光板は受光素子から分離して着脱可能とされている、請求項７に記載の反射型光学読取器モジュール。
テレセントリック光学系として１枚ものの非球面レンズが使用され、レンズの厚さ（Ｔ）と焦点距離（Ｆ）との間には、Ｔ＞１．２Ｆの関係が規定されている、請求項１に記載の光学式エンコーダ。
テレセントリック光学系として１枚ものの非球面レンズが使用され、レンズの厚さ（Ｔ）とレンズと目盛り板との距離（Ｓ）との間には、１．２Ｔ＞Ｓ＞０．８Ｔの関係が規定されている、請求項９に記載の光学式エンコーダ。