JP7248504B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、光学式エンコーダなどの測定機器における原点検出装置に関する。

従来、測定方向に沿って設けられるスケールパターンを有するスケールと、スケールと対向して測定方向に沿って相対移動するヘッドと、スケールとヘッドとの相対移動に基づく演算をする演算手段と、を備える光学式エンコーダが知られている。この際、ヘッドは、スケールに光を照射する光源と、スケールを介した光源からの光を受光する受光面を有する受光手段と、を備えている。
このような光学式エンコーダにおける演算手段は、スケールから原点位置を検出し、検出した原点位置に基づいてスケールとヘッドとの相対移動量を演算する。
原点位置の検出方法としては、例えば特許文献１に記載の原点検出装置（光学式エンコーダ）による方法がある。

原点検出装置は、コリメータレンズを介して平行光線を照射する発光素子（光源）と、平行光線を任意の明暗パターンで通過させるスケールと、スケールを通過した光線の光量を検出する受光素子（受光手段）と、を備える。スケールは、透明薄膜にて成型される位相シフト層と、位相シフト層の縁である段差と、を備える。スケールを介した光は、位相シフト層の段差により光干渉を引き起し、受光素子にて受光される明暗パターンにおいて受光素子が検出する光量が最低レベル領域にある暗領域、すなわち、最も高コントラストな暗領域を形成する。原点検出装置は、この最も高コントラストな暗領域の位置を原点位置として検出する。

具体的には、スケールを介した平行光線からは、位相シフト層のない部分を透過する基準光線と、位相シフト層を透過する位相シフト光線と、が生じる。位相シフト光線は、スケールと異なる屈折率を有する位相シフト層を介すことから基準光線と比べて光速度が遅くなる。このため、基準光線と位相シフト光線には、位相差が生じる。この位相差により、基準光線と位相シフト光線は、段差にて回折することで干渉を引き起こし、段差の直下の受光素子にて最も高コントラストな暗領域を生じさせる。ここで、この暗領域は、基準光線と位相シフト光線との位相差が発光素子の光の波長λに対して半波長λ／２であるとき、最も高コントラストに形成される。このため、位相シフト層の厚みは、基準光線と位相シフト光線との位相差が半波長λ／２となるように設定されている。

原点検出装置は、最も高コントラストな暗領域を原点位置として検出するため、先ず、発光素子を発光させ平行光線をスケールに向かって照射し、スケールを発光素子および受光素子に対して相対移動させる。次に、スケールを移動させると段差に平行光線が照射される。この際、受光素子は、受光した干渉光による信号の出力レベルを観察し続ける。平行光線が段差に照射されると、受光素子は最も高コントラストな暗領域を検出する。原点検出装置は、この最も高コントラストな暗領域を原点位置として検出するため、位相シフト層および段差により、簡単に原点位置を検出することができる。

特開平１０－２７１７号公報

ここで、明暗パターンのコントラストは、基準光線と位相シフト光線（以降、２光波ということがある）との位相差によって変動する。また、２光波の位相差は、基準光線の光路長と位相シフト光線の光路長との差や光源の波長の変化により変動する。特許文献１に記載の原点検出装置は、位相シフト層の厚みを調節することで、基準光線と位相シフト光線との位相差が半波長λ／２となるよう設定し、最も高コントラストな暗領域が形成されるようにしていた。
しかしながら、位相シフト層の厚みを調節しても、例えば位相シフト層の厚みの製造誤差や、スケール材質の屈折率の誤差、熱などの環境変化によるスケール材質の変形、光源の光の波長の変化などにより、２光波の位相差は変動する。この２光波の位相差の変動は、明暗パターンのコントラストを劣化させ、原点位置の検出精度を劣化させることがあるという問題がある。

本発明の目的は、位相差の変動によるコントラストの劣化を抑制し、高精度に原点位置を検出できる光学式エンコーダを提供することである。

本発明の光学式エンコーダは、測定方向に沿って設けられるスケールパターンを有するスケールと、スケールと対向して測定方向に沿って相対移動するヘッドと、スケールとヘッドとの相対移動に基づく演算をする演算手段と、を備える。ヘッドは、スケールに光を照射する光源と、スケールを介した光源からの光を受光する受光面を有する受光手段と、を備える。スケールは、光源または受光手段の少なくともいずれか一方と対向するスケール面において高低差のある段差として形成される段差部を備える。段差部は、光源から光が照射されることで、受光面に明暗パターンを有する干渉光を生じさせるとともに、明暗パターンにおいて最も暗いパターンである最暗部を生じさせる。光源は、スケール面と直交する方向に対し、傾斜して段差部に光を照射する。演算手段は、段差部を介して受光手段にて受光された干渉光における明暗パターンから最暗部を特定し、特定した最暗部をスケールとヘッドとの相対移動の基準となる原点位置として算出する原点算出部を備える。

このような本発明によれば、光学式エンコーダにおける光源は、スケール面と直交する方向に対し、傾斜して段差部に光を照射することで、段差部の厚みの製造誤差や、環境変化によるスケールの変形、光源の波長の変化などがあったとしても、２光波間の位相差に及ぼす影響を小さくすることができる。演算手段における原点算出部は、２光波間の位相差の変動が抑制された干渉光により生じる高コントラストの明暗パターンから最暗部を特定し、特定した最暗部を原点位置として算出する。
したがって、光学式エンコーダは、位相差の変動によるコントラストの劣化を抑制し、高精度に原点位置を検出することができる。

この際、光源は、測定方向と直交する平面に沿って傾斜して段差部に光を照射することが好ましい。

ここで、光源がスケール面と直交する方向に対し、任意の方向に傾斜して段差部に光を照射する場合、光の当たり具合により、段差部に相当する位置に生じる最暗部の位置が移動してしまうことがある。最暗部の位置が移動すると、原点算出部が算出する原点位置にズレが生じ、誤差の原因となることがある。
しかしながら、このような構成によれば、光源は、測定方向と直交する平面に沿って傾斜して段差部に光を照射することで、最暗部の位置の移動を抑制し、段差部に相当する位置に最暗部を生じさせることができる。したがって、光学式エンコーダは、段差部への光の照射角度による原点位置のズレを抑制することができる。

この際、段差部は、スケール面において低い位置に設けられる下段部と、スケール面において高い位置に設けられる上段部と、下段部と上段部とを接続する接続面と、を備え、光源は、接続面に沿って傾斜して段差部に光を照射することが好ましい。

このような構成によれば、光源は、接続面に沿って傾斜して段差部に光を照射することで、前述の最暗部の位置の移動を抑制し、段差部もしくは接続面に相当する位置に最暗部を生じさせる光源の配置などを容易に設計することができる。

この際、接続面は、測定方向と直交する平面に形成されていることが好ましい。

このような構成によれば、接続面は、測定方向と直交する平面に形成されていることで、より狭い範囲を最暗部とすることができる。例えば、段差部がスケール面において階段状に形成されている場合、最暗部は、接続面に相当する位置にて直線状に形成される。したがって、光学式エンコーダは、接続面に相当する位置に形成される最暗部を線もしくは点として形成することができるため、原点位置を高精度に生成することができる。

この際、段差部は、明暗パターンが擬似ランダムとなるようにスケール面に形成されていることが好ましい。

このような構成によれば、段差部は、明暗パターンが擬似ランダムとなるようにスケール面に形成されていることで、受光手段における明暗パターンの明暗の差を顕著にすることができる。したがって、光学式エンコーダは、位相差の変動による明暗パターンのコントラストの劣化の要因があったとしても、高精度、かつ、容易に検出をすることができる。

この際、段差部は、光源からの光を受光手段に向かって反射することが好ましい。

このような構成によれば、段差部が光源からの光を透過する場合と比較して、光源からの光を受光手段に向かって反射する方が、段差部の厚みを薄く形成することができる。したがって、光学式エンコーダは、段差部が光源からの光を透過する場合と比較してコスト削減および小型化を図ることができる。

第１実施形態に係る光学式エンコーダを示す斜視図 前記光学式エンコーダを示すブロック図 前記光学式エンコーダを示す概略図 前記光学式エンコーダにおける２光波間の位相差の変化を示すグラフ 第２実施形態に係る光学式エンコーダを示す斜視図 前記光学式エンコーダを示す概略図 第３実施形態に係る光学式エンコーダを示す概略図 第４実施形態に係る光学式エンコーダを示す斜視図

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図１から図４に基づいて説明する。
各図において、スケール２の長手方向をＸ方向とし、短手方向をＹ方向とし、高さ方向をＺ方向として示す。これらを以下では単にＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向として説明することがある。
図１は、第１実施形態に係る光学式エンコーダ１を示す斜視図である。
図１に示すように、光学式エンコーダ１は、長尺状のスケール２と、スケール２と対向して測定方向であるＸ方向に沿って相対移動するヘッド３と、を備える。

光学式エンコーダ１は、図示しない測定機器であるリニアスケールに用いられるリニアエンコーダである。光学式エンコーダ１は、リニアスケールの内部に設けられている。リニアスケールは、スケール２に対してヘッド３を測定方向であるＸ方向に沿って相対移動させることでスケール２に対するヘッド３の位置を検出し、検出結果を図示しない液晶ディスプレイといった表示手段などに出力する。
ヘッド３は、スケール２に光を照射する光源４と、スケール２を介した光源４からの光を受光する受光面５０を有する受光手段５と、を備える。ヘッド３は、スケール２に対してＸ方向に進退可能に設けられている。

スケール２は、例えばガラス等で形成され、一面には測定方向であるＸ方向に沿ってスケールパターン２０が設けられている。
スケールパターン２０は光源４からの光を反射する反射型であり、光源４からの光を反射する反射部２１と光を反射しない非反射部２２とを有する。スケールパターン２０は、Ｘ方向に沿って反射部２１および非反射部２２を所定のピッチで交互に並設する、いわゆるインクリメンタルパターンである。インクリメンタルパターンを介した光からは、インクリメンタル信号である正弦波信号が生成される。光学式エンコーダ１は、この正弦波信号を解析することでスケール２とヘッド３との相対移動量を算出する。

また、スケール２は、光源４と受光手段５と対向するスケール面２００において高低差のある段差として形成される段差部６を備える。
段差部６は、スケールパターン２０に並設して設けられ、スケール面２００において低い位置に設けられる下段部６１と、スケール面２００において高い位置に設けられる上段部６２と、下段部６１と上段部６２とを接続する接続面６３と、を備える。接続面６３は、測定方向であるＸ方向と直交する平面に形成されている。すなわち、本実施形態では、接続面６３は、Ｙ－Ｚ平面内に形成されている。スケールパターン２０と段差部６は、光源４からの光を受光手段５に向かって反射する。
段差部６は、光源４から光が照射されることで、受光手段５の受光面５０に明暗パターンを有する干渉光を生じさせるとともに、明暗パターンにおいて最も暗いパターンである図示しない最暗部を生じさせる。

光源４は、一定の幅を有する平行光を照射する例えば半導体レーザである。光源４は、スケール２に光を照射する適切な角度で設置されている。なお、光源４は半導体レーザに限らず、任意の光源を用いてもよい。また、光源４は、原点位置を検出するための光源４ａと、スケール２とヘッド３との相対移動量を検出するための光源４ｂと、を備えている。
光源４ａは、スケール面２００と直交する方向に対し、傾斜して段差部６に光を照射する。具体的には、光源４ａは、接続面６３に沿って傾斜して段差部６に光を照射する。すなわち、光源４ａは、Ｙ－Ｚ平面に沿って、スケール面２００から、もしくはスケール面２００と直交する方向から角度を有して、Ｙ－Ｚ平面と平行に光を照射する。
光源４ｂは、スケール２のスケールパターン２０に向かって光を照射する。

受光手段５は、原点位置を検出するための受光手段５ａと、スケール２とヘッド３との相対移動量を検出するための受光手段５ｂと、を備えている。受光手段５は、ＰＤＡ(Photo Diode Array)が用いられる。なお、受光手段５はＰＤＡに限らず、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）やＣＣＤ（Charge-Coupled Device）等の任意の検出器を用いてもよい。
受光手段５ａは、スケール２を介した光源４ａからの光を受光できる位置に設置され、受光手段５ｂは、スケール２のスケールパターン２０を介した光源４ｂからの光を受光できる位置に設置されている。受光手段５ｂは、測定方向であるＸ方向に沿って配置ピッチｐにて並設される受光素子５１を備える。受光素子５１は、スケールパターン２０を介した光から、スケール２とヘッド３との相対移動量を検出する。

図２は、光学式エンコーダ１を示すブロック図である。
図２に示すように、光学式エンコーダ１は、スケール２とヘッド３との相対移動に基づく演算をする演算手段７をさらに備える。演算手段７は、例えばマイコン等である。
演算手段７は、段差部６を介して受光手段５ａにて受光された干渉光における明暗パターンから最暗部を特定し、特定した最暗部をスケール２とヘッド３との相対移動の基準となる原点位置として算出する原点算出部７１を備える。

図３は、光学式エンコーダ１を示す概略図である。具体的には、図３（Ａ）は、スケール２における段差部６を示す斜視図であり、図３（Ｂ）は、段差部６をＸ方向からみた図であり、図３（Ｃ）は、段差部６をＹ方向からみた図である。
以下、段差部６に光源４ａから傾斜させて光を照射することで、２光波の位相差の変動による明暗パターンのコントラストの劣化を抑制し、高コントラストな最暗部が形成される原理を説明する。なお、以降の図において、説明の都合上、光源４ａからの光の光路を実線矢印で表すことがある。また、段差部６に光源４ａから傾斜させて光を照射することについて、光源４ａが段差部６に対してＹ－Ｚ平面に沿ってスケール面２００と直交する方向からスケール面２００に向かって角度を有して光を照射する、と説明することがある。

図３（Ａ）に示すように、光源４ａは、段差部６に対してＹ－Ｚ平面に沿ってスケール面２００と直交する方向からスケール面２００に向かって角度θを有してＹ－Ｚ平面と平行に光を照射する。この際、下段部６１から上段部６２までのＺ方向への高さであり、下段部６１から上段部６２までの接続面６３の長さを距離ｄとする。また、段差部６を介した光源４ａからの光は、下段部６１を反射する第１光１００と、上段部６２を反射する第２光１０１と、が生じる。第１光１００と第２光１０１とは、それぞれ段差部６の下段部６１と上段部６２とを介すことから、一方の光速度が遅くなる。このため、第１光１００と第２光１０１には、位相差が生じる。

ここで、前述の通り、第１光１００と第２光１０１による明暗パターンのコントラストは、位相差によって変動する。また、この位相差は、第１光１００の光路長と第２光１０１の光路長との差や光源４ａからの光の波長λ、接続面６３における距離ｄの変化により変動する。
図３（Ｂ）に示すように、光源４ａがＹ－Ｚ平面に沿って角度θを有して光を照射する場合、第１光１００と第２光１０１とのそれぞれの光路長の差は、２ｄ×ｃｏｓθにて表すことができ、第１光１００と第２光１０１との位相差は、式（１）にて表される。

２π×（２ｄ×ｃｏｓθ）÷λ＝２π×（２ｄ／λ）×ｃｏｓθ・・・（１）

第１光１００と第２光１０１との位相差の変動の要素は、式（１）の右式における２ｄ／λである。そして、光源４ａによる光の照射の角度θが大きくなるに従い、ｃｏｓθの値は小さくなる。すなわち、光源４ａによる照射の角度θを大きくすることで、ｃｏｓθの値が小さくなり、それにともない、位相差の変動の要素である２ｄ／λの値も小さくなる。したがって、接続面６３における距離ｄや光源４ａからの光の波長λが変化したとしても、段差部６に対して光源４ａが角度θを有して光を照射することで、位相差に及ぼす影響を小さくすることができる。
そして、図３（Ｃ）に示すように、第１光１００は下段部６１で反射し、第２光１０１は上段部６２で反射することで受光手段５ａの受光面５０（図１参照）にて干渉を引き起こし、明暗パターンにおいて接続面６３に相当する部分に高コントラストな最暗部を生じさせる。

光学式エンコーダ１は、原点位置として検出するため、先ず、光源４ａを発光させスケール面２００に向かって平行光を照射し、スケール２とヘッド３とを相対移動させる。次に、スケール２とヘッド３とを相対移動させると、段差部６に平行光が照射される。この際、原点算出部７１は、受光手段５ａを介して得られる受光面５０に生成された干渉光による信号の出力レベルを観察し続ける。平行光が段差部６に照射されると、受光手段５ａは明暗パターンにおける最も高コントラストな最暗部を検出する。原点算出部７１は、受光手段５ａにて検出された最暗部の位置を特定し、特定した最暗部の位置をスケール２とヘッド３との相対移動の基準となる原点位置として算出する。

図４は、光学式エンコーダ１における２光波間の位相差の変化を示すグラフである。具体的には、図４（Ａ）は、縦軸を位相差の変化、横軸を入射角（光が有する角度）とした接続面６３における距離ｄが変化したときの位相差の変化を表すグラフであり、図４（Ｂ）は、縦軸を位相差の変化、横軸を入射角（光が有する角度）とした光源４ａからの光の波長λが変化したときの位相差の変化を表すグラフである。

図４に示すように、（Ａ），（Ｂ）どちらのグラフにおいても、光源４ａによる光の傾斜の角度θが３０度のときは、スケール面２００に対して直交する方向から照射する場合と比較して、位相差による明暗パターンのコントラストの劣化の影響が８６．６％まで低減する。また、角度θが６０度のときは、スケール面２００に対して直交する方向から照射する場合と比較して、位相差による明暗パターンのコントラストの劣化の影響が５０％まで低減する。このことから、光学式エンコーダ１を設計する際は、光源４ａの照射の角度θを３０度から４５度とすることが好ましい。なお、光源４ａの照射の角度θは、３０度から４５度に限定されるものではなく、任意の角度で設計されていてもよい。

このような本実施形態によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
（１）光源４ａは、スケール面２００と直交する方向に対し、傾斜して段差部６に光を照射することで、段差部６の厚みである接続面６３の距離ｄの製造誤差や、環境変化によるスケール２の変形、光源４ａの光の波長λの変化などがあったとしても、第１光１００と第２光１０１との位相差に及ぼす影響を小さくすることができる。原点算出部７１は、位相差の変動が抑制された干渉光により生じる高コントラストの明暗パターンから最暗部を特定し、特定した最暗部を原点位置として算出する。
したがって、光学式エンコーダ１は、位相差の変動によるコントラストの劣化を抑制し、高精度に原点位置を検出することができる。

（２）光源４ａは、接続面６３に沿って傾斜して段差部６に光を照射することで、段差部６への任意の方向からの光の当たり具合により生じる最暗部の位置の移動を抑制し、接続面６３に相当する位置に最暗部を生じさせることができる。したがって、光学式エンコーダ１は、段差部６への光の照射角度による原点位置のズレを抑制することができる。
（３）光源４ａは、接続面６３に沿って傾斜して段差部６に光を照射することで、最暗部の位置の移動を抑制し、接続面６３に相当する位置に最暗部を生じさせる光源４ａの配置などを容易に設計することができる。

（４）接続面６３が測定方向と直交する平面であるＹ－Ｚ平面内に形成されていることで、最暗部は、明暗パターンにおける接続面６３に相当する位置において直線状に形成される。したがって、光学式エンコーダ１は、原点位置を高精度に生成することができる。
（５）スケールパターン２０と段差部６とは、光源４からの光を受光手段５に向かって反射するため、スケールが光を透過する場合と比較して、段差部６の厚みである接続面６３の距離ｄを薄く形成することができる。したがって、光学式エンコーダ１は、透過型である場合と比較してコスト削減および小型化を図ることができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図５および図６に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

図５は、第２実施形態に係る光学式エンコーダ１Ａを示す斜視図であり、図６は、光学式エンコーダ１Ａを示す概略図である。具体的には、図６（Ａ）は、スケール２における段差部６を示す斜視図であり、図６（Ｂ）は、段差部６をＸ方向からみた図であり、図６（Ｃ）は、段差部６をＹ方向からみた図である。

前記第１実施形態では、光源４ａは、測定方向と直交する平面であるＹ－Ｚ平面内に形成される接続面６３に沿って傾斜して段差部６に光を照射していた。
第２実施形態では、図５および図６に示すように、ヘッド３Ａにおける光源４ａＡは、スケール面２００と直交し、かつ、測定方向と平行な平面であるＸ－Ｚ平面に沿って傾斜して段差部６に光を照射する点で前記第１実施形態と異なる。

図６（Ａ）に示すように、光源４ａＡは、段差部６に対してＸ－Ｚ平面に沿って角度Ψに傾斜し、Ｘ－Ｚ平面と平行に光を照射する。図６（Ｂ）に示すように、光源４ａＡがＸ－Ｚ平面に沿って角度Ψに傾斜して光を照射する場合、第１光１００Ａと第２光１０１Ａとのそれぞれの光路長の差は、２ｄ×ｃｏｓΨにて表すことができ、その位相差は、式（２）にて表される。

２π×（２ｄ×ｃｏｓΨ）÷λ＝２π×（２ｄ／λ）×ｃｏｓΨ・・・（２）

第１実施形態の光学式エンコーダ１と同様に、位相差の変動の要素は、式（２）の右式における２ｄ／λである。そして、光源４ａＡによる照射の角度Ψを大きくすることで、ｃｏｓΨの値が小さくなり、それにともない、位相差の変動の要素である２ｄ／λの値も小さくなる。したがって、接続面６３における距離ｄや光源４ａＡからの光の波長λが変化したとしても、光源４ａＡが角度Ψに傾斜して光を照射することで、位相差に及ぼす影響を小さくすることができる。そして、図６（Ｃ）に示すように、第１光１００Ａは下段部６１で反射し、第２光１０１Ａは上段部６２で反射することで受光手段５ａの受光面５０（図１参照）にて干渉を引き起こし、明暗パターンにおいて接続面６３に相当する部分に高コントラストな最暗部を生じさせる。

このような第２実施形態においても、前記第１実施形態における（１），（４），（５）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（６）光学式エンコーダ１Ａは、光源４ａＡがスケール面２００と直交し、かつ、測定方向と平行な平面であるＸ－Ｚ平面に沿って傾斜して段差部６に光を照射したとしても、位相差の変動によるコントラストの劣化が抑制された光に基づいて最暗部を生じさせることができるため、設計の自由度を向上させることができる。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態を図７に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

図７は、第３実施形態に係る光学式エンコーダを示す概略図である。具体的には、図７（Ａ）は、スケール２Ｂにおける段差部６Ｂを示す斜視図であり、図７（Ｂ）は、段差部６ＢをＸ方向からみた図である。
前記第１実施形態では、スケール２における段差部６は、光源４ａからの光を反射し、受光手段５ａは、段差部６を反射した光を受光していた。
第３実施形態では、図７に示すように、スケール２Ｂにおける段差部６Ｂは、光源４ａ（図１参照）からの光を透過し、図示しない受光手段５ａは、段差部６Ｂを透過した光を受光する点で前記第１実施形態と異なる。

図７（Ａ）に示すように、光源４ａ（図１参照）は、段差部６Ｂに対してＹ－Ｚ平面に沿ってスケール面２００Ｂと直交する方向からスケール面２００Ｂに向かって角度αを有して、Ｙ－Ｚ平面と平行に光を照射する。そして、図７（Ｂ）に示すように、段差部６Ｂに照射された光は、スケール２Ｂを透過し、段差部６Ｂが設けられたスケール面２００Ｂとは反対側のスケール面６４から角度αを有して出射される。
光源４ａがＹ－Ｚ平面に沿って角度αを有して光を照射する場合、第１光１００Ｂと第２光１０１Ｂとのそれぞれの光路長の差は、スケール２Ｂの屈折率をｎとし、屈折率ｎがｎ＝ｓｉｎα÷ｓｉｎβであることを条件として、ｎｄｃｏｓβ－ｄｃｏｓαにて表すことができる。

第３実施形態における光学式エンコーダ１Ｂも第１実施形態の光学式エンコーダ１と同様に、光源４ａによる照射の角度αを大きくすることで、ｃｏｓαの値が小さくなり、それにともない、位相差の変動の要素も小さくなる。したがって、接続面６３における距離ｄや光源４ａからの光の波長λが変化したとしても、光源４ａが角度αを有して光を照射することで、位相差に及ぼす影響を小さくすることができる。

このような第３実施形態においても、前記第１実施形態における（１）～（４）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（７）光学式エンコーダ１Ｂは、段差部６Ｂが光源４ａからの光を透過する場合であっても、位相差の変動によるコントラストの劣化が抑制された光に基づいて最暗部を生じさせることができるため、設計の自由度を向上させることができる。

〔第４実施形態〕
以下、本発明の第４実施形態を図８に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

図８は、第４実施形態に係る光学式エンコーダを示す斜視図である。
前記各実施形態では、段差部６は、光源４ａ，４ａＡから光が照射されることで、受光手段５ａの受光面５０に明暗パターンを有する干渉光を生じさせるとともに、明暗パターンにおいて最も暗いパターンである最暗部を生じさせ、原点位置に相当する位置に形成されていた。
第４実施形態では、図８に示すように、スケール２Ｃにおける段差部６Ｃは、ヘッド３Ｃにおける受光手段５ａＣにおける明暗パターンが擬似ランダムとなるようにスケール面２００Ｃに形成されている点で、前記各実施形態と異なる。

ここで、光学式エンコーダにおけるスケールとヘッドとの相対移動量の検出方式は、前記各実施形態のようなインクリメンタル方式（以下、ＩＮＣ方式と呼ぶことがある）と、アブソリュート方式（以下、ＡＢＳ方式と呼ぶことがある）と、が知られている。
ＩＮＣ方式は、スケールに一定のピッチで配置されたスケールパターンであるインクリメンタルパターン（以下、ＩＮＣパターンと呼ぶことがある）を連続的に検出し、検出したＩＮＣパターンの目盛の数をカウントアップまたはカウントダウンすることで、相対位置を検出する方式である。
ＡＢＳ方式は、スケールに目盛がランダムに配置されたスケールパターンであるアブソリュートパターン（以下、ＡＢＳパターンと呼ぶことがある）を適宜なタイミングで検出し、ＡＢＳパターンを解析することで、絶対位置を検出する方式である。

ＡＢＳ方式には、光学式エンコーダにおけるスケールの全長に亘って、例えば、２準位化された擬似ランダム符号であるＭ系列符号に基づいてＡＢＳパターンの目盛を配置し、受光手段で受光されたＡＢＳパターンから絶対位置を検出する方法がある。具体的には、例えば複数の「１」と「０」からなる信号の「１」と「０」の組み合わせである擬似ランダム符号を解析することで絶対位置を算出する。擬似ランダム符号は、解析方法および符号の種類により、Ｍ系列符号やゴールド系列符号、バーカー系列符号などがある。

第４実施形態では、光学式エンコーダ１Ｃにおける段差部６Ｃは、スケール面２００Ｃにおいて、擬似ランダム符号にしたがって絶対位置を表現するように配置されている。段差部６Ｃを介した明暗パターンは、複数の「１」と「０」からなる信号として受光手段５ａＣにて受光される。明暗パターンの「１」と「０」の組み合わせは、１つのトラックの各位置でそれぞれ異なる。このため、光学式エンコーダ１Ｃは、複数の「１」と「０」からなる信号における「１」と「０」の組み合わせを解析することでスケールに対するヘッドの絶対位置を算出し、所定の絶対位置を原点位置として特定することができる。

そして、ＩＮＣ方式およびＡＢＳ方式の両方の検出方式を併用することで、検出精度の向上を図ることができる。ＡＢＳ方式のみを用いた場合、ＩＮＣパターンと比較するとスケールパターンを構成する目盛の数が少ないため、ＩＮＣ方式と比較して検出精度が及ばないことがあるからである。
光学式エンコーダ１Ｃのスケール２Ｃは、ＩＮＣパターン２０ａＣを含むインクリメンタルトラックＴ１（以下、ＩＮＣトラックと呼ぶことがある）と、ＡＢＳパターン２０ｂＣを含むアブソリュートトラックＴ２（以下、ＡＢＳトラックと呼ぶことがある）と、が設けられたダブルトラック形式である。光学式エンコーダ１Ｃは、光源４ａ，４ｂからＩＮＣトラックＴ１およびＡＢＳトラックＴ２に向かって光を照射し、各トラックＴ１，Ｔ２を介した光をそれぞれ受光手段５ａＣ，５ｂで受光してＩＮＣパターン２０ａＣおよびＡＢＳパターン２０ｂＣを検出し、各パターン２０ａＣ，２０ｂＣに基づいて位置情報を算出する。

このような第４実施形態においても、前記第１実施形態における（１）～（４）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（８）段差部６Ｃは、明暗パターンが擬似ランダムとなるようにスケール面２００Ｃに形成されていることで、受光手段５ａＣにおける明暗パターンの明暗の差を顕著にすることができる。したがって、光学式エンコーダ１Ｃは、位相差の変動による明暗パターンのコントラストの劣化の要因があったとしても、高精度、かつ、容易に検出をすることができる。
〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、光学式エンコーダ１，１Ａ～１Ｃは、測定機器としてのリニアスケールに用いられていたが、ダイヤルゲージ（テストインジケータ）やマイクロメータ等の他の測定機器に用いられていてもよい。すなわち、光学式エンコーダは、用いられる測定機器の形式や方式などについて特に限定されるものではなく、その他の測定機器などにおいても利用可能であり、本発明の光学式エンコーダを何に実装するかについては、特に限定されるものではない。また、光学式エンコーダは、センサ等の測定機器以外のものに用いられていてもよい。

前記各実施形態では、光学式エンコーダ１，１Ａ～１Ｃはリニアエンコーダであったが、ロータリーエンコーダであってもよい。また、前記各実施形態では、演算手段７はマイコン等であったが、マイコンでなくともよく、外部接続されたパソコン等であってもよく、演算手段が演算することができれば、どのようなもので構成されていてもよい。
前記各実施形態では、光源４は、原点位置を検出するための光源４ａ，４ａＡと、スケール２とヘッド３との相対移動量を検出するための光源４ｂと、を備えていたが、光源４ａ，４ａＡと、光源４ｂとは同一の光源であってもよい。また、光源に対応して、受光手段５は受光手段５ａ，５ａＣ，５ｂを備えていたが、受光手段は単一の受光手段であってもよい。要するに、光源はスケールに光を照射することができればよく、受光手段は、スケールを介した光源からの光を受光することができればよい。

前記第３実施形態を除く前記各実施形態では、スケールパターン２０，２０ａＣ，２０ｂＣは、光を反射していたが、光を透過してもよい。この際、スケールは、第１実施形態と第２実施形態と第４実施形態とのスケール２，２Ｃのように、光を反射するスケールパターン２０，２０ａＣ，２０ｂＣと段差部６，６Ｃを備えていてもよいし、第３実施形態のスケール２Ｂのように光を透過するスケールパターンと段差部６Ｂを備えていてもよいし、スケールパターンおよび段差部の一方を光を反射するものとし、他方を光を透過するものとして組み合わせて備えていてもよい。要するに段差部は、光源から光が照射されることで、明暗パターンを有する干渉光を生じさせるとともに、明暗パターンにおいて最も暗いパターンである最暗部を生じさせることができればよい。

前記第１実施形態では、光源４ａは、測定方向と直交する平面に形成されているＹ－Ｚ平面内の接続面６３に沿って傾斜して段差部６に光を照射し、前記第２実施形態では、光源４ａＡは、測定方向と平行な平面であるＸ－Ｚ平面に沿って傾斜して段差部６に光を照射していたが、光源は、スケール面と直交する方向に対し、傾斜して段差部に光を照射することができれば、どのように傾斜して光を照射してもよい。

前記各実施形態では、スケールパターン２０，２０ａＣはインクリメンタルパターンであったが、アブソリュートパターンやその他のパターンであってもよく、パターンの種類について限定されるものではない。
前記各実施形態では、段差部６，６Ｂは、スケール２，２Ｂにおいてスケールパターン２０に並設されていたが、段差部は、スケールパターンに並設されていなくてもよく、原点位置とする位置に設けられていれば、スケールの端部やスケールの中間部など、任意の位置に設置可能である。

前記各実施形態では、接続面６３は、測定方向と直交する平面に形成されていたが、接続面は、測定方向と直交する平面に形成されていなくてもよく、傾斜を有していても良いし、曲面状や波状に形成されていてもよい。要するに、接続面は、下段部と上段部とを接続していればよい。また、段差部は、接続面を有していなくてもよく、光源から光が照射されることで、受光面に明暗パターンを有する干渉光を生じさせるとともに、明暗パターンにおいて最も暗いパターンである最暗部を生じさせることができれば、どのように形成されていてもよい。

以上のように、本発明は、光学式エンコーダに好適に利用できる。

１，１Ａ～１Ｃ 光学式エンコーダ
２，２Ｂ，２Ｃ スケール
２０，２０ａＣ，２０ｂＣ スケールパターン
２００，２００Ｂ，２００Ｃ スケール面
３，３Ａ，３Ｃ ヘッド
４，４ａＡ 光源
５，５ａＣ 受光手段
６，６Ｂ，６Ｃ 段差部
７ 演算手段
７１ 原点算出部

Claims (4)

1. 測定方向に沿って設けられるスケールパターンを有するスケールと、前記スケールと対向して測定方向に沿って相対移動するヘッドと、前記スケールと前記ヘッドとの相対移動に基づく演算をする演算手段と、を備え、前記ヘッドは、前記スケールに光を照射する光源と、前記スケールを介した前記光源からの光を受光する受光面を有する受光手段と、を備える光学式エンコーダであって、
   前記スケールは、
   前記光源または前記受光手段の少なくともいずれか一方と対向するスケール面において高低差のある段差として形成される段差部を備え、
   前記段差部は、
   前記光源から光が照射されることで、前記受光面に明暗パターンを有する干渉光を生じさせるとともに、前記明暗パターンにおいて最も暗いパターンである最暗部を生じさせ、
   前記光源は、前記スケール面と直交し、かつ、前記測定方向と平行な平面に沿って傾斜して前記段差部に光を照射し、
   前記演算手段は、
   前記段差部を介して前記受光手段にて受光された前記干渉光における前記明暗パターンから前記最暗部を特定し、特定した前記最暗部を前記スケールと前記ヘッドとの相対移動の基準となる原点位置として算出する原点算出部を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 請求項１に記載された光学式エンコーダにおいて、
   前記段差部は、前記スケール面において低い位置に設けられる下段部と、前記スケール面において高い位置に設けられる上段部と、前記下段部と前記上段部とを接続する接続面と、を備え、
   前記接続面は、前記測定方向と直交する平面に形成されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
3. 測定方向に沿って設けられるスケールパターンを有するスケールと、前記スケールと対向して測定方向に沿って相対移動するヘッドと、前記スケールと前記ヘッドとの相対移動に基づく演算をする演算手段と、を備え、前記ヘッドは、前記スケールに光を照射する光源と、前記スケールを介した前記光源からの光を受光する受光面を有する受光手段と、を備える光学式エンコーダであって、
   前記スケールは、
   前記光源または前記受光手段の少なくともいずれか一方と対向するスケール面において高低差のある段差として形成される段差部を備え、
   前記段差部は、
   前記光源から光が照射されることで、前記受光面に明暗パターンを有する干渉光を生じさせるとともに、前記明暗パターンにおいて最も暗いパターンである最暗部を生じさせるとともに、前記明暗パターンが擬似ランダム符号となるように前記スケール面に形成され、
   前記光源は、前記スケール面と直交し、かつ、前記測定方向と平行な平面に沿って傾斜して前記段差部に光を照射し、
   前記光学式エンコーダは、
   前記光源から前記段差部に向かって光を照射し、前記段差部を介した光を受光手段で受光して前記明暗パターンを検出し、前記明暗パターンに基づいて絶対位置を算出し、所定の絶対位置を原点位置として特定することを特徴とする光学式エンコーダ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載された光学式エンコーダにおいて、
   前記段差部は、前記光源からの光を前記受光手段に向かって反射することを特徴とする光学式エンコーダ。

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