JP2011059055A - 光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】結像光学系を用いて、スケール上の光学格子の解像が必要な方向（測定軸方向）の精度、特性を維持したまま、当該解像の必要のない方向（測定軸方向に直交する方向）における光源と開口の幅を広げることで、受光素子で受光する光量を増大させる。
【解決手段】光源１０２から出射された光を、スケール１０６に設けられた光学格子１１０で変調させて、変調された光を受光素子１２２で検出する光電式エンコーダ１００において、光学格子１１０で変調された光を結像する両側テレセントリック光学系１１４を備え、両側テレセントリック光学系１１４は、光学格子１１０で変調された光の一部を透過させると共に、方向Ｘの開口１１８Ａの幅ａよりも方向Ｙで広い幅ｂの開口１１８Ａを備え、方向Ｙの光源１０２の幅ｄｙによる光源側開口数ＮＡ_{ｌｉｇｈｔｙ}が、方向Ｘの開口１１８Ａの幅ａによる検出側開口数ＮＡ_ｏｐｔｘよりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源から出射された光を、スケールに設けられた光学格子で変調させて、該変調された光を受光素子で検出する光電式エンコーダに係り、特に、結像光学系を用いたとき、スケール上の光学格子の解像が必要な方向（測定軸方向）の精度、特性を維持したまま、当該解像の必要のない方向（測定軸方向に直交する方向）における光源と開口の幅を広げることで、受光素子で受光する光量を増大させることを可能とする光電式エンコーダに関する。

従来、光源から出射された光を、スケールに設けられた光学格子で変調させて、該変調された光を受光素子で検出する光電式エンコーダが、各種の工作機械や測定装置などで用いられてきた。

例えば、特許文献１に示される光電式エンコーダでは、結像光学系として結像レンズの焦点位置に開口板を配置させたテレセントリック光学系を用いて光学格子の像を受光素子の受光面に結像することで、受光素子に対するスケールの相対的な位置変化を求めている。

特開２００４−２６４２９５号公報

しかしながら、特許文献１で示されるようなテレセントリック光学系では、その結像光学系に設けられる開口板の開口により、光源から出射される光の多くが遮断される。図１７に示すような両側テレセントリック光学系１４を例にとると、結像レンズ１６を通った光であっても開口板１８によって多くの光Ｒｌが遮られてしまう。このため、照明効率（受光素子２２に入射するワット数÷光源の照明ワット数）が悪く、且つ受光素子２２に入射する光量が少ないという問題があった。同時に、開口板１８により遮断された光Ｒｌが反射したり、開口板１８の開口を通過した光であっても受光素子２２と開口板１８との間で反射を繰り返したりして、最終的には受光素子２２の受光面における像質の低下を招くおそれもあった。

本発明は、前記問題点を解決するべくなされたもので、結像光学系を用いて、スケール上の光学格子の解像が必要な方向（測定軸方向）の精度、特性を維持したまま、当該解像の必要のない方向（測定軸方向に直交する方向）における光源と開口の幅を広げることで、受光素子で受光する光量を増大させることが可能な光電式エンコーダを提供することを課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、光源から出射された光を、スケールに設けられた光学格子で変調させて、該変調された光を受光素子で検出する光電式エンコーダにおいて、前記光学格子で変調された光を結像する結像光学系を備え、該結像光学系は、該光学格子で変調された光の一部を透過させると共に、前記スケールの相対移動方向である測定軸方向の開口の幅よりも該測定軸方向に直交する方向で広い幅の開口を備え、該測定軸方向に直交する方向の前記光源の幅による光源側開口数を、前記結像光学系における該測定軸方向の開口の幅による検出側開口数よりも大きくしたことにより、前記課題を解決したものである。

本願の請求項２に係る発明は、更に、前記光源から出射した光を前記スケールに照射する照明光学系を備え、該照明光学系に、該光源から出射された光を拡散させる拡散板を備えるようにしたものである。

本願の請求項３に係る発明は、更に、前記光源から出射した光を前記スケールに照射する照明光学系を備え、該照明光学系に、前記光源から出射された光の一部を透過させる前段開口が設けられた前段開口板を備えるようにしたものである。

本願の請求項４に係る発明は、更に、前記光源から出射した光を前記スケールに照射する照明光学系を備え、該照明光学系に、前記光源から出射された光を屈折させる照明レンズを備えるようにしたものである。

本願の請求項５に係る発明は、前記照明光学系を、前記光源から前記光学格子までの照明光軸上において１つの前記照明レンズを前記光源が該照明レンズの焦点位置になるように配置させる片側テレセントリック光学系としたものである。

本願の請求項６に係る発明は、前記照明光学系を、前記光源から前記光学格子までの照明光軸上において２つの前記照明レンズの間の焦点位置に１つの前段開口板の開口を配置させる両側テレセントリック光学系としたものである。

本願の請求項７に係る発明は、前記照明レンズを、前記測定軸方向にのみ曲率をもつシリンドリカルレンズとしたものである。

本願の請求項８に係る発明は、前記光源を前記スケールに対して前記結像光学系と同じ側に配置し、該結像光学系で該スケールから反射された光を結像するようにしたものである。

本願の請求項９に係る発明は、前記光源から前記光学格子までの照明光軸と該光学格子から前記受光素子までの検出光軸とを前記測定軸方向に直交させると共に、該照明光軸と該検出光軸とを各経路全てで不一致とした配置としたものである。

本願の請求項１０に係る発明は、前記結像光学系に、前記開口が設けられた開口板を備えるようにしたものである。

本願の請求項１１に係る発明は、前記結像光学系に、前記光学格子で変調された光を屈折させる結像レンズを備えるようにしたものである。

本願の請求項１２に係る発明は、前記結像レンズを、前記測定軸方向にのみ曲率をもつシリンドリカルレンズとしたものである。

本願の請求項１３に係る発明は、前記光源を前記スケールに対して前記結像光学系と同じ側に配置し、該結像光学系で該スケールで反射された光を結像し、該光源から前記光学格子までの照明光軸と該光学格子から前記受光素子までの検出光軸とを前記測定軸方向に直交させると共に、該照明光軸と該検出光軸とを各経路全てで不一致とした配置とし、前記結像光学系に、前記光学格子で変調された光を屈折させる結像レンズを備え、該結像レンズを前記測定軸方向にのみ曲率をもつシリンドリカルレンズとして、該結像レンズと前記照明レンズとを兼用としたものである。

本願の請求項１４に係る発明は、更に、前記照明レンズに、前記測定軸方向に直交する方向にのみ曲率をもつシリンドリカルレンズを組み合わせて、前記光源から出射された光を前記光学格子に照射するようにしたものである。

本願の請求項１５に係る発明は、前記結像光学系を、前記光学格子から検出素子までの検出光軸上の１つの前記結像レンズの焦点位置に１つの前記開口板の開口を配置させる片側テレセントリック光学系としたものである。

本願の請求項１６に係る発明は、前記結像光学系を、前記光学格子から検出素子までの検出光軸上の２つの前記結像レンズの間の焦点位置に１つの前記開口板の開口を配置させる両側テレセントリック光学系としたものである。

本願の請求項１７に係る発明は、前記光源で光を出射しない不発光領域を前記光源から前記光学格子までの照明光軸上から前記測定軸方向に外して配置するようにしたものである。

本発明によれば、結像光学系を用いて、スケール上の光学格子の解像が必要な方向（測定軸方向）の精度、特性を維持したまま、当該解像の必要のない方向（測定軸方向に直交する方向）における光源と開口の幅を広げることで、受光素子で受光する光量を増大させることができる。

本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダの全体斜視図 同じく全体模式図 同じく照明光学系を示す模式図 第１実施形態に係る開口板と従来の開口板の模式図 第１実施形態に係る開口板の効果を示す模式図 光源の大きさと開口板の開口の幅との関係を説明する模式図 本発明の第２実施形態に係る光電式エンコーダの全体斜視図 本発明の第３実施形態に係る光電式エンコーダの全体斜視図 本発明の第４実施形態に係る光電式エンコーダの全体斜視図 本発明の第５実施形態に係る光電式エンコーダの全体斜視図 本発明の第６実施形態に係る光源の一例を示す模式図 本発明の第７実施形態に係る光電式エンコーダの全体斜視図 本発明の第８実施形態に係る光電式エンコーダの全体斜視図 本発明の第９実施形態に係る光電式エンコーダの全体斜視図 本発明の第１０実施形態に係る光電式エンコーダの全体斜視図 本発明の第１１実施形態に係る光電式エンコーダの全体斜視図 従来のテレセントリック光学系の開口板における遮光の様子を示す模式図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

最初に、第１実施形態に係る光電式エンコーダの構成について、図１〜図４を用いて説明する。

光電式エンコーダ１００は、図１、図２に示す如く、光源１０２と、照明光学系としてのコリメータレンズ１０４と、スケール１０６と、結像光学系としての両側テレセントリック光学系１１４と、受光素子１２２と、を備える。即ち、光電式エンコーダ１００は、光源１０２から出射された光を、スケール１０６に設けられた光学格子１１０で変調させて、変調された光を受光素子１２２で検出することができる。

光源１０２は、図１〜図３に示す如く、受光素子１２２に対するスケール１０６の相対移動方向である測定軸方向Ｘと直交するＹ方向に長い長方形形状をなしている。光源１０２は、図２、図３に示す如く、測定軸方向（解像に必要な向きとなるスケール１０６の長手方向）Ｘには幅ｄｘが短く、方向Ｙ（解像の必要のない方向、ラテラル方向とも称する）に長い幅ｄｙを備えている（ｄｘ＜ｄｙ）。具体的な光源１０２として、例えば、表面発光型のＬＥＤで形状が長方形のものや、長方形の部分を光源とするものを使用することができる。

コリメータレンズ１０４（照明レンズ）は、図１〜図３に示す如く、光軸Ｏ上において方向Ｘ、Ｙの両方向に曲率を有するレンズ（丸レンズと称する）である。コリメータレンズ１０４は、その焦点距離ｆの位置に配置された光源１０２から出射された光を屈折させてスケール１０６に照射する（片側テレセントリック光学系）。

ここで、図２、図３に示す如く、光源１０２からコリメータレンズ１０４までの距離ｆと光源１０２の大きさとに基づく開口数ＮＡ_light（光源側開口数と称する）は、式（１）、式（２）で定義される。なお、ＮＡ_lightxは方向Ｘ、ＮＡ_lightｙは方向Ｙのそれぞれの光源側開口数を示す。

ＮＡ_lightｘ＝ｄｘ／（２＊ｆ） （１）
ＮＡ_lightｙ＝ｄｙ／（２＊ｆ） （２）

ここで、ｄｘ＜ｄｙであるから、式（３）が求められる。

ＮＡ_lightｘ＜ＮＡ_lightｙ （３）

スケール１０６は、図１〜図３に示す如く、図示せぬスケール基材上の方向Ｘに一定間隔で設けられた光学格子１１０を有する（必ずしも一定間隔でなくてもよい）。スケール基材は、例えばガラスなどの光学的に透明な材質からできている。光学格子１１０は、例えばスケール基材上に成膜されたクロムなどの光に不透明な金属薄膜をリソグラフィ加工することにより成形されている。このため、光がスケール１０６に照射されると、光がスケール基材を進み光学格子１１０の隙間を透過する（光学格子１１０で光は変調される）こととなる。なお、光源１０２から光学格子１１０までの光軸Ｏを照明光軸Ｏｌと称する。

両側テレンセントリック光学系１１４は、図１、図２に示す如く、結像レンズ１１６、１２０と開口板１１８とを有する。結像レンズ１１６、１２０は共に、方向Ｘ、Ｙに曲率を有する丸レンズである。結像レンズ１１６は、光学格子１１０で変調された光を屈折させる。開口板１１８は、方向Ｘに幅ａが狭く、方向Ｙに幅ｂが広い長方形形状の開口１１８Ａを備えている（図４（Ａ））。開口１１８Ａは、光学格子１１０で変調された光で、且つ結像レンズ１１６で屈折した光の一部を透過させる。そして、結像レンズ１２０は、開口１１８Ａを通過した光を屈折させて、受光素子１２２の受光面に結像させる。なお、開口１１８Ａは、光軸Ｏ上の結像レンズ１１６、１２０の焦点距離Ｆの位置に配置されている。このため、両側テレセントリック光学系１１４では、結像レンズ１１６と光学格子１１０との距離が多少変動しても、結像レンズ１１６、１２０で結像される像の倍率は変動しない。同時に、結像レンズ１２０と受光素子１２２の受光面との距離が多少変動しても、結像レンズ１１６、１２０で結像される像の倍率は変動しない。即ち、結像レンズ１１６とスケール１０６との距離が取り付けの際に多少変動して、更に、受光素子１２２と結像レンズ１２０との取り付けが多少変動しても、高精度な位置計測を保つことができる。なお、光学格子１１０から受光素子１２２までの光軸Ｏを検出光軸Ｏｏと称する。

ここで、図２に示す如く、光学格子１１０から結像レンズ１１６までの距離Ｆと開口１１８Ａの幅ａ、ｂとに基づく開口数ＮＡ_opt（検出側開口数と称する）は、式（４）、式（５）に示される。なお、ＮＡ_optxは方向Ｘ、ＮＡ_optｙは方向Ｙのそれぞれの検出側開口数を示す。

ＮＡ_optｘ＝ａ／（２＊Ｆ） （４）
ＮＡ_optｙ＝ｂ／（２＊Ｆ） （５）

つまり、図４（Ａ）に示す本実施形態で採用する開口板１１８は、方向Ｙに開口１１８Ａの幅ｂが広いため、図４（Ｂ）に示す従来の開口板１８に比べて、図５に示すようにより多くの光を透過させて受光素子１２２に導くことが可能となる。

受光素子１２２は、少なくとも方向Ｘに並んだ複数の受光領域を有するアレイセンサである。受光素子１２２としては、例えばフォトダイオードアレイなどを使用することができる。このため、受光素子１２２の受光領域を方向Ｘに掃引することで、受光素子１２２の受光面に結像した光学格子１１０の像を少なくとも方向Ｘでの像として認識することができる。この結果、方向Ｘにおいて受光素子１２２に対するスケール１０６の位置を高精度に計測することができる。なお、受光素子１２２は、方向Ｙについては、長い受光領域を備えてもよいし、方向Ｙに複数の受光領域を備えてもよい（この場合には、図示せぬ処理回路で、方向Ｙで得られた信号を積算して方向Ｘにおける信号強度を大きくすることとなる）。

次に、光源１０２の大きさと開口板１１８の開口１１８Ａの大きさとの関係について説明する。

図５に示す如く、開口板１１８の開口１１８Ａの幅を方向Ｙに広くすることで、解像の必要のない方向で光量を増大させることが可能となる。しかし、開口板１１８に届く光は光源１０２の状態によって大きく影響を受ける。

例えば、図６に示す如く、光源２が方向Ｘ、Ｙで共に幅をｄとするとき、方向Ｘにおいてはスケール１０６に照射される光量を効率よく受光素子１２２に伝播させるのに、光源側開口数ＮＡ_lightｘと検出側開口数ＮＡ_optｘとをほぼ同じとすることが望ましい（光源側開口数ＮＡ_lightｘが極端に検出側開口数ＮＡ_optｘよりも大きいと光源から出射された光の多くが開口板によって遮られてしまい、伝播効率（光源側開口数ＮＡ_lightから検出側開口数ＮＡ_optに引き継がれる効率）が悪いためである）。即ち、以下に示す式（６）の関係が成立する。

ＮＡ_lightｘ＝ＮＡ_lightｙ＝ＮＡ_optｘ （６）

このときには、図６（Ｂ）に示す如く、方向Ｙにおいて開口板１１８の開口１１８Ａの幅ｂがａ＜ｂであっても、ｂ＝ａのときと光量がほとんど変化しないこととなる。即ち、本実施形態では光量の増加を図るべく、以下に示す式（７）の要件を満たす必要がある。

ＮＡ_lightｙ＞ＮＡ_optｘ （７）

言い換えれば、方向Ｙにおける伝播効率を考慮して、方向Ｙの光源１０２の幅ｄｙによる光源側開口数ＮＡ_lightｙを、両側テレセントリック光学系１１４における方向Ｘの開口１１８Ａの幅ａによる検出側開口数ＮＡ_optｘよりも大きくする必要がある。

次に、本実施形態に係る光電式エンコーダ１００の動作について、図１に基づいて説明する。

まず、光源１０２から出射した光は、コリメータレンズ１０４で屈折して光源１０２の大きさｄｘ、ｄｙに従う発散角を備えた光（拡散光源）となる。そして、スケール１０６に入射して、光学格子１１０で変調される。変調された光は、両側テレセントリック光学系１１４の結像レンズ１１６に入射して屈折される。屈折された光は、開口板１１８の開口１１８Ａを通過する。通過した光は、更に結像レンズ１２０に入射して屈折されて受光素子１２２の受光面で結像する。受光面において、方向Ｘでは、解像に必要な開口１１８Ａの幅ａにより、十分な解像度で結像されている。そして、方向Ｙでは、光源１０２の幅ｄｙと開口１１８Ａの幅ｂをそれぞれ幅ｄｘ、幅ａよりも広くしているので、光量を増大させることができる。即ち、幅ｄｙ、幅ｂを広くすることで、光学格子１１０の像である明暗パターンのコントラスト拡大に寄与しないＤＣ成分が増加しても、コントラスト拡大に寄与する明暗パターン信号（ＰＰ成分）も大きくすることができる。このため、受光素子１２２で検出される明暗パターン信号（ＰＰ成分）の増加により、スケール１０６の位置が高精度に算出されることとなる。

即ち、両側テレセントリック光学系１１４を用いて、スケール１０６上の光学格子１１０の方向Ｘの分解能などの精度、コントラストなどの特性を維持したまま、当該解像の必要のない方向である方向Ｙにおける光源１０２の幅ｄｙと開口１１８の幅ｂを広げることで、受光素子１２２で受光する光量を増大させることができる。このため、スケール１０６の位置を安定して高精度に計測することができる。

本実施形態では、照明光学系として片側テレセントリック光学系を用いたので、コリメータレンズ１０４とスケール１０６との距離が取り付けの際に多少変動しても、スケール１０６への照明の光を均質に制御することができる。

又、本実施形態では、結像光学系が両側テレセントリック光学系１１４であるので、結像レンズ１１６とスケール１０６との距離が取り付けの際に多少変動して、更に、受光素子１２２と結像レンズ１２０との取り付けが多少変動しても、高精度な位置計測を保つことができる。

又、本実施形態では、コリメータレンズ１０４と結像レンズ１１６、１２０とが丸レンズであるので、方向Ｙにおいて光学格子１１０の照明に寄与する光量を増大させ、且つ光学格子１１０で変調された光を受光素子１２２の受光面に多く集光させることができるので、受光素子１２２で受光する光量を極めて増大させることができる。

又、本実施形態は、光電式エンコーダ１００が透過型であり、光源１０２から出射された光の利用効率が高いので、より安定した位置計測が可能である。

次に、本発明の第２実施形態について、図７を用いて説明する。

第１実施形態の光電式エンコーダ１００では結像レンズ１１６、１２０が方向Ｘ、Ｙそれぞれに曲率を持つ丸レンズであったのに対して、本実施形態の光電式エンコーダ２００では結像レンズ２１６、２２０が測定軸方向Ｘにのみ曲率を有するシリンドリカルレンズであることが異なる。このため、結像光学系である両側テレセントリック光学系２１４の光軸合せが容易となる。又、結像レンズ２１６、２２０をより高い形状精度とすることも容易であるので、受光素子２２２への光量を相応に増大させながら、高精度な位置計測が可能となる。

次に、本発明の第３実施形態について、図８を用いて説明する。

第２実施形態の光電式エンコーダ２００が透過型であったのに対して、本実施形態の光電式エンコーダ３００は反射型であることが異なる。即ち、光源３０２がスケール３０６に対して両側テレセントリック光学系３１４と同じ側に配置され、両側テレセントリック光学系３１４はスケール３０６で反射された光を結像している。

本実施形態では、更に、光源３０２から光学格子３０６までの照明光軸Ｏｌと光学格子３０６から受光素子３２２までの検出光軸Ｏｏとを測定軸方向Ｘに直交させると共に、照明光軸Ｏｌと検出光軸Ｏｏとが各経路全てで不一致とされた配置である。言い換えれば、解像しない方向Ｙから斜めにスケール３０６を照射する構成である。

なお、スケール３０６は、スケール基材と方向Ｘに設けられた光学格子とを有する。スケール基材は、例えば金属などの光学的に不透明な材質からできている。光学格子は、例えばスケール基材上に成膜されたクロムなどの光に不透明で光の反射率が高い金属薄膜をリソグラフィ加工することにより成形されている。このため、光がスケール３０６に照射されると、光学格子の表面（即ちスケール）で反射される（光学格子で変調された光となる）こととなる。

本実施形態では、上述の如く、照明光軸Ｏｌと検出光軸Ｏｏとが各経路全てで不一致とされていることから、スケール３０６の照射のためのハーフミラーを不要とすることができる。このため、本実施形態は反射型でありながら、部品点数の削減と、光量の増大を図ることができる。又、方向Ｘに対しては照明光軸Ｏｌと検出光軸Ｏｏとがスケール３０６に対して直交しているので、スケール３０６上の光学格子の解像においてはその解像特性を損なうことを回避している。

又、本実施形態の光電式エンコーダ３００は反射型なので、相手機械への取り付けに自由度が大きい。更に、本実施形態では、両側テレセントリック光学系３１４を採用しているので、スケール３０６の相手機械への取り付けに厳密さを要求しない利点を有する。

次に、本発明の第４実施形態について、図９を用いて説明する。

第３実施形態の光電式エンコーダ３００ではコリメータレンズ３０４が丸レンズで、結像レンズ３１６がシリンドリカルレンズであったのに対して、本実施形態の光電式エンコーダ４００ではコリメータレンズ４０４もシリンドリカルレンズで、結像レンズ４１６とコリメータレンズ４０４とが兼用とされていることが異なる。

このため、本実施形態において、長方形形状の光源４０２と長方形の開口を備える開口板４１８とを採用することで受光素子４２２へ到達する光量を相応に増大させると共に、コリメータレンズ４０４の兼用化で更に部品点数を少なくすることができる。同時に、方向Ｙにおいて照明光軸Ｏｌと検出光軸Ｏｏとを容易に一致させることができるので、組立て工数を低減して、より低コストの光電式エンコーダ４００を提供することが可能となる。

次に、本発明の第５実施形態について、図１０を用いて説明する。

第４実施形態の光電式エンコーダ４００では結像レンズ４１６とコリメータレンズ４０４とがシリンドリカルレンズとされると共に兼用とされていた。これに対して、本実施形態の光電式エンコーダ５００では、コリメータレンズ５０４が、結像レンズ５１６と兼用のシリンドリカルレンズに、方向Ｙに曲率を有するシリンドリカルレンズ５０４Ａを組み合わせたものであることが異なる。

このため、コリメータレンズ５０４は方向Ｙに対しても曲率を有することとなり、方向Ｙにおいても光を均一化すると共にスケール５０６に照射する光を増大させることができる。即ち、本実施形態ではスケール５０６に照射される光が均一化され増大することで、受光素子５２２が受光する光量の増大を可能とする。つまり、第４実施形態よりも高精度な位置計測を可能とする。又、本実施形態では、シリンドリカルレンズ５０４Ａを直接的に結像レンズ５１６に貼付けているので、シリンドリカルレンズ５０４Ａの取り付けのための冶具も最小限とすることができ、光軸合せを容易にすることができる。なお、第３〜第５実施形態ではハーフミラーを用いていなかったが、ハーフミラーを用いて照明光軸Ｏｌと検出光軸Ｏｏとの経路の一部を一致させてもよい。

本発明について上記実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、光源として方向Ｙに幅の広い長方形形状を採用していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図１１に示す第６実施形態の光源６０２の如く、光源６０２が方向Ｘの幅Ｌに対して方向Ｙの幅Ｍが等しい若しくはそれ以上の場合やいずれの方向にも十分大きな幅の大きな発光面を備える場合であってもよい。方向Ｘにおける光源６０２の幅Ｌは、原則的に方向Ｘで要求される精度から定められる結像光学系の開口の幅によって制限される。このため、実質的な光源の大きさとしては方向Ｘに幅の狭い（方向Ｙに幅の広い）長方形形状となる。つまり、原理的には光源６０２の位置において発光領域を発光位置で制限しなくてもよい。なお、本実施形態では、光源６０２としてチップＬＥＤを想定したものである。ここでは、光源６０２の中心ＯｐにチップＬＥＤを動作させるためのボンディングエリアＢＡが設けてあり、そこが光を出射しない不発光領域（直径Ｂ）となっている。このため、その不発光領域を避けるように光源６０２の中心Ｏｐからオフセット値ＯＦ分だけ方向Ｘに外して照明光軸Ｏｌを配置している。その際に、解像の必要のある方向Ｘにおいて、結像光学系の開口の幅から伝播効率を最大とするように求められる光源の幅をＳとすると、式（８）、式（９）を満たすことがより望ましい。

（Ｌ−Ｂ）／２≧Ｓ （８）
（Ｂ＋Ｓ）／２≦ＯＦ≦（Ｌ−Ｓ）／２ （９）

即ち、式（８）、式（９）を満たすように光源６０２が照明光軸Ｏｌ上に配置されることで、受光素子に入射する光量を最も増大させることができる。

又、上記実施形態においては、結像光学系として、両側テレセントリック光学系を用いていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、結像光学系が、検出光軸Ｏｏ上の１つの結像レンズの焦点位置に１つの開口板の開口を配置させる片側テレセントリック光学系とされていてもよい。その場合には、結像レンズが１つのみとなるので、光軸合せが容易となり、且つ低コスト化を実現することができる。なお、この場合において、結像レンズから開口板までの距離をＦ、開口板の開口の幅をＤとすると、検出側開口数ＮＡ_ｏｐｔは式（１０）で求めることができる。なお、方向Ｘの開口数は方向Ｘにおける幅を代入することで求められる（以下においても同様である）。

ＮＡ_ｏｐｔ＝Ｄ／（２＊Ｆ） （１０）

なお、上記実施形態において、開口板を焦点位置に配置したが、必ずしも開口板を焦点位置に配置する必要もなく、且つ開口板を必要とするものではない。開口板がなくても、結像レンズを用いることで、開口が制限されるので、実質上開口の大きさが定められる。

又、結像光学系として、結像レンズを用いずに開口板だけとすることも可能である。開口板だけであっても、その開口により結像作用が得られ、光学格子の像を受光素子の受光面に結像させることができる。この場合には、上記いずれよりも低コスト化が実現でき、より光軸合せのための工数を少なくすることができる。なお、この場合において、光学格子から開口板までの距離をＦ、開口板の開口の幅をＤとすると、検出側開口数ＮＡ_ｏｐｔは同じく式（１０）で求めることができる。

又、上記実施形態においては、照明光学系として、片側テレセントリック光学系を用いていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、照明光学系がなく、単に照明光軸Ｏｌ上に光源を配置した場合であってもよい。この場合には、光源とスケールとの配置を容易に定めることができ（許容誤差が大きくてよい）、部品点数を削減でき、より低コスト化を実現することができる。なお、この場合において、光源からスケールまでの距離をｆ、光源の大きさをｄとすると、光源側開口数ＮＡ_{ｌｉｇｈｔ}は式（１１）で求めることができる。

ＮＡ_{ｌｉｇｈｔ}＝ｄ／（２＊ｆ） （１１）

又、照明光学系を用いた場合であっても、その機能として、結像光学系の開口板で反射して迷光となる光を減少させることや、スケールを照射する光の質（拡散光・平行光）を制御することや、光源の輝度むらなどの緩和のために光源側開口数を規定することなどを行うものであればよい。

例えば、照明光学系として、光源とスケールとの間に光源から出射された光を拡散させる拡散板を備えるようにしてもよい。この場合には、拡散板により、スケールを均一に照射することが可能となる（単に、拡散板だけの場合には光源側開口数は、上述した式（１１）をそのまま用いることにより求めることができる）。

或いは、照明光学系として、光源とスケールとの間に光源から出射された光の一部を透過させる前段開口が設けられた前段開口板を用いてもよい。この場合にも、部品点数が少なく、照明光学系をより低コストとでき、且つその光軸合せを容易に行うことができる。この場合は、光源から前段開口板までの距離をｆ、光源の大きさをｄとすると、光源側開口数ＮＡ_{ｌｉｇｈｔ}は同じく式（１１）で求めることができる。

或いは、照明光学系として、光源から光学格子までの照明光軸Ｏｌ上において２つの照明レンズの間の焦点位置に１つの前段開口板の開口を配置させた両側テレセントリック光学系を用いてもよい。その場合には、光源の取り付けが多少変動しても（多少の位置誤差があっても）、均一な照明を実現することができる。この場合は、光源から照明レンズまでの距離をｆ、光源の大きさをｄとすると、光源側開口数ＮＡ_{ｌｉｇｈｔ}は同じく式（１１）で求めることができる。

又、上記実施形態においては、光電式エンコーダはリニア型エンコーダであったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えばロータリ型エンコーダや円弧エンコーダであっても構わない。その場合の構成の一例を、第２〜第５実施形態で示されたリニア型エンコーダに代り、図１２〜図１５で示される第７〜第１０実施形態のロータリ型エンコーダでそれぞれ示す。なお、ロータリ型エンコーダの測定軸方向は、それぞれの円板状のスケールの円周方向となる（円弧エンコーダは、円板状のスケールの一部を用いるものなので、ロータリ型エンコーダと同様）。なお、ロータリ型エンコーダや円弧エンコーダであっても、上記実施形態のスケールとは異なり、側面に光学格子を設けた円筒形状のスケールであってもよい。例えば、一例として、図１３の第８実施形態の円板状のスケール８０６に代り、図１６で示される第１１実施形態の円筒形状のスケール１１０６であってもよい（円筒状のスケールは、図１２、図１４、図１５で示されるスケールの代りに同様に使用可能）。なお、その場合の測定軸方向は、スケール１１０６の側面に沿う円周方向となる。

又、上記実施形態においてはそれぞれ、別個の発明として説明したが、本発明はこれに限定されずにどの構成要素も適宜組み合わせることができる。

又、上記実施形態においては焦点距離ｆ、Ｆを全ての実施形態で共通としていたが、実施形態毎に変更してもよい。

２、１０２〜１１０２…光源
６、１０６〜５０６、７１６〜１１０６…スケール
１４、１１４〜５１４、７１４〜１１１４…両側テレセントリック光学系
１６、２０、１１６〜５１６、１２０〜５２０、７１６〜１１１６、７２０〜１１２０…結像レンズ
１８、１１８〜５１８、７１８〜１１１８…開口板
２２、１２２〜５２２、７２２〜１１２２…受光素子
１００〜５００、７００〜１１００…光電式エンコーダ
１０４〜５０４、７０４〜１１０４…コリメータレンズ
１１０、７１０、１１１０…光学格子
１１８Ａ…開口

Claims (17)

1. 光源から出射された光を、スケールに設けられた光学格子で変調させて、該変調された光を受光素子で検出する光電式エンコーダにおいて、
   前記光学格子で変調された光を結像する結像光学系を備え、
   該結像光学系は、該光学格子で変調された光の一部を透過させると共に、前記スケールの相対移動方向である測定軸方向の開口の幅よりも該測定軸方向に直交する方向で広い幅の開口を備え、
   該測定軸方向に直交する方向の前記光源の幅による光源側開口数が、前記結像光学系における該測定軸方向の開口の幅による検出側開口数よりも大きい
   ことを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 更に、前記光源から出射した光を前記スケールに照射する照明光学系を備え、
   該照明光学系は、該光源から出射された光を拡散させる拡散板を備えることを特徴とする請求項１に記載の光電式エンコーダ。
3. 更に、前記光源から出射した光を前記スケールに照射する照明光学系を備え、
   該照明光学系は、前記光源から出射された光の一部を透過させる前段開口が設けられた前段開口板を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電式エンコーダ。
4. 更に、前記光源から出射した光を前記スケールに照射する照明光学系を備え、
   該照明光学系は、前記光源から出射された光を屈折させる照明レンズを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
5. 前記照明光学系は、前記光源から前記光学格子までの照明光軸上において１つの前記照明レンズを前記光源が該照明レンズの焦点位置になるように配置させる片側テレセントリック光学系とされていることを特徴とする請求項４に記載の光電式エンコーダ。
6. 前記照明光学系は、前記光源から前記光学格子までの照明光軸上において２つの前記照明レンズの間の焦点位置に１つの前段開口板の開口を配置させる両側テレセントリック光学系とされていることを特徴とする請求項４に記載の光電式エンコーダ。
7. 前記照明レンズが、前記測定軸方向にのみ曲率をもつシリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項５又は６に記載の光電式エンコーダ。
8. 前記光源は前記スケールに対して前記結像光学系と同じ側に配置され、該結像光学系は該スケールから反射された光を結像することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
9. 前記光源から前記光学格子までの照明光軸と該光学格子から前記受光素子までの検出光軸とを前記測定軸方向に直交させると共に、該照明光軸と該検出光軸とが各経路全てで不一致とされた配置であることを特徴とする請求項８に記載の光電式エンコーダ。
10. 前記結像光学系は、前記開口が設けられた開口板を備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
11. 前記結像光学系は、前記光学格子で変調された光を屈折させる結像レンズを備えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
12. 前記結像レンズが、前記測定軸方向にのみ曲率をもつシリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１１に記載の光電式エンコーダ。
13. 前記光源は前記スケールに対して前記結像光学系と同じ側に配置され、該結像光学系は該スケールで反射された光を結像し、
    該光源から前記光学格子までの照明光軸と該光学格子から前記受光素子までの検出光軸とを前記測定軸方向に直交させると共に、該照明光軸と該検出光軸とが各経路全てで不一致とされた配置であり、
    前記結像光学系が、前記光学格子で変調された光を屈折させる結像レンズを備え、該結像レンズが前記測定軸方向にのみ曲率をもつシリンドリカルレンズであり、
    該結像レンズと前記照明レンズとが兼用とされたことを特徴とする請求項７に記載の光電式エンコーダ。
14. 更に、前記照明レンズに、前記測定軸方向に直交する方向にのみ曲率をもつシリンドリカルレンズを組み合わせて、前記光源から出射された光を前記光学格子に照射することを特徴とする請求項１３に記載の光電式エンコーダ。
15. 前記結像光学系は、前記光学格子から検出素子までの検出光軸上の１つの前記結像レンズの焦点位置に１つの前記開口板の開口を配置させる片側テレセントリック光学系とされていることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
16. 前記結像光学系は、前記光学格子から検出素子までの検出光軸上の２つの前記結像レンズの間の焦点位置に１つの前記開口板の開口を配置させる両側テレセントリック光学系とされていることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれかに記載の光電式エンコーダ。
17. 前記光源で光を出射しない不発光領域を前記光源から前記光学格子までの照明光軸上から前記測定軸方向に外して配置することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載の光電式エンコーダ。

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