JP2018072184A - エンコーダーおよびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト化を図りつつ、光源部の出力の安定化を図ることができるエンコーダーを提供すること、また、かかるエンコーダーを備えるロボットを提供すること。【解決手段】光学スケールと、前記光学スケールに向けて光を出射する光源部と、前記光学スケールからの光を受光する受光部と、前記光学スケールと前記光源部との間に配置されている部分を有するレンズと、前記光源部と前記レンズとの間に配置されている部分を有し、屈折率が１よりも大きくかつ前記レンズの屈折率の２乗よりも小さい光透過性の透光部材と、を備えることを特徴とするエンコーダー。【選択図】図１

Description

本発明は、エンコーダーおよびロボットに関するものである。

エンコーダーの一種として光学式のロータリーエンコーダーが一般に知られている（例えば特許文献１参照）。ロータリーエンコーダーは、例えば、回動可能な関節部を有するロボットアームを備えるロボットに用いられ、関節部の回転角度、回転位置、回転数、回転速度等の回転状態を検出する。

例えば、特許文献１に記載の反射式光学エンコーダーは、コード・スケール（光学スケール）と、発光体（光源部）と、光検出器（受光部）と、を備え、発光体から放射された光がコード・スケールで反射されて光検出器によって検出される。また、特許文献１に記載の反射式光学エンコーダーは、単一ドーム・レンズをさらに備えており、単一ドーム・レンズが発光体からコード・スケールに向けて、またそこから光検出器に戻すように成形および構成されている。

特開２０１０−１５１８１７号公報

しかし、特許文献１に記載の反射式光学エンコーダーでは、単一ドーム・レンズと発光体との間にエアギャップが存在しないようにするために、単一ドーム・レンズに対する特殊な加工が必要となり、その結果、製造コストが高くなるという問題がある。単一ドーム・レンズと発光体との間にエアギャップが存在すると、発光体から放射された光の一部がレンズの発光体側の面で反射し、戻り光として発光体に入射してしまう。例えば発光体として半導体レーザーを用いた場合、この戻り光は、不要な共振モードを発生させ、発光体の出力強度または出力波長の変動を招く。

本発明の目的は、低コスト化を図りつつ、光源部の出力の安定化を図ることができるエンコーダーを提供すること、また、かかるエンコーダーを備えるロボットを提供することにある。

上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のエンコーダーは、光学スケールと、
前記光学スケールに向けて光を出射する光源部と、
前記光学スケールからの光を受光する受光部と、
レンズと、
光透過性を有し、屈折率が１よりも大きくかつ前記レンズの屈折率の２乗よりも小さい透光部材と、を備え、
前記レンズは、前記光学スケールと前記光源部との間に少なくとも一部が配置されていて、
前記透光部材は、前記光源部と前記レンズとの間に少なくとも一部が配置されていることを特徴とする。

このような特徴を有するエンコーダーによれば、光源部とレンズとの間に配置されている部分を有する光透過性の透光部材の屈折率が１よりも大きくかつ前記レンズの屈折率の２乗よりも小さいため、光源部とレンズとの間に単に空気が介在している場合に比べて、光源部からの光がレンズの光源部側の面で反射するのを低減することができる。そのため、当該反射による光が戻り光として光源部に入射することを低減し、当該戻り光による光源部の出力変動を低減することができる。ここで、透光部材がレンズとは別体であるため、レンズの特殊な加工工程を削減し、透光部材をレンズに対して接触させるかまたは光源部からの光の波長よりも小さい隙間で近接させ、光源部からの光がレンズの光源部側の面で反射するのを容易に低減することができる。そのため、低コスト化を図りつつ、光源部の出力の安定化を図ることができる。

なお、ここで、「屈折率」とは、光としてナトリウムのＤ線（波長５８９．３ｎｍ）を用い、真空の屈折率を１としたときの屈折率（絶対屈折率）を言う。

本発明のエンコーダーでは、前記レンズは、前記光学スケールと前記受光部との間に少なくとも一部が配置されていることが好ましい。

これにより、光学スケールからの光の放射角度を調整して当該光を受光部に入射させることができる。

本発明のエンコーダーでは、前記透光部材は、前記受光部と前記レンズとの間に少なくとも一部が配置されていることが好ましい。

これにより、透光部材の形成が容易となる。また、透光部材を受光部に対して接触させるかまたは光源部からの光の波長よりも小さい隙間で近接させておくことで、受光部の受光面での光の反射を低減し、光源部への戻り光を低減することができる。そのため、光源部の出力の安定化をより効果的に図ることができる。

本発明のエンコーダーでは、前記透光部材は、樹脂材料を含んで構成されていることが好ましい。
これにより、透光部材を光源部およびレンズの双方に容易に密着させることができる。

本発明のエンコーダーでは、前記透光部材は、前記光源部と前記レンズとを接続していることが好ましい。

これにより、透光部材と光源部およびレンズとの間の隙間を無くし、これらの界面での光の反射を的確に低減することができる。そのため、光源部の出力の安定化をより効果的に図ることができる。

本発明のエンコーダーでは、前記透光部材は、前記光源部を覆っていることが好ましい。
これにより、透光部材により光源部を保護することができる。

本発明のエンコーダーでは、前記光源部は、半導体レーザーを有することが好ましい。
これにより、小型で高精度なエンコーダーを実現することができる。また、レーザー（特に半導体レーザー）は、戻り光が入射すると、出力強度や出力波長が変動してしまう。したがって、光源部に半導体レーザーを用いた場合、戻り光を低減することは、光源部の出力変動を低減する上で特に有効である。

本発明のエンコーダーでは、前記光源部と前記受光部とは、前記光学スケールに対して同じ面側に配置されていることが好ましい。

これにより、反射型の光学式エンコーダーを実現することができる。また、光源部および受光部を同一面上に配置することができ、透光部材により光源部および受光部を一括して覆うことが容易となる。

本発明のエンコーダーでは、前記光学スケールは、偏光特性を有する偏光部を備えることが好ましい。
これにより、偏光方式の光学式エンコーダーを実現することができる。

本発明のエンコーダーでは、前記透光部材は、複屈折性を有しない材料で構成されていることが好ましい。

これにより、偏光方式の光学式エンコーダーにおいて、直線偏光の光を用いたとき、その光が複屈折により検出精度に悪影響を与えることを低減することができる。

本発明のロボットは、本発明のエンコーダーを備えることを特徴とする。
このような特徴を有するロボットによれば、エンコーダーが備える光源部の出力の安定化を図ることができ、それにより、エンコーダーの検出精度を向上させることができる。そのため、例えば、このようなエンコーダーの検出結果を用いることで、ロボットの動作制御を高精度に行うことができる。

本発明の第１実施形態に係るエンコーダーを示す模式図である。 図１に示すエンコーダーが備える光学スケールの平面図である。 図１に示すエンコーダーが備える光源部および受光部の平面図である。 図３に示す光源部および受光部を説明するための模式的断面図である。 図１に示すエンコーダーの光学スケールの回転角度と受光部で発生する電流値（ＰＤ電流値）との関係を示すグラフである。 図１に示すエンコーダーが備えるセンサー部（光源部、受光部、レンズおよび透光部材）を説明するための断面図である。 図６に示すセンサー部が備えるレンズの斜視図である。 図６に示すセンサー部の側面図（図６中右側から見た図）である。 本発明の第２実施形態に係るエンコーダーが備える光源部、受光部、レンズおよび透光部材を説明するための断面図である。 本発明の第３実施形態に係るエンコーダーが備える光源部、受光部、レンズおよび透光部材を説明するための断面図である。 本発明の第４実施形態に係るエンコーダーが備える光源部、受光部、レンズおよび透光部材を説明するための断面図である。 本発明の第５実施形態に係るエンコーダーが備える光源部、受光部、レンズおよび透光部材を説明するための断面図である。 本発明の第６実施形態に係るエンコーダーが備える光源部、受光部、レンズおよび透光部材を説明するための断面図である。 本発明の実施形態に係るロボットを示す側面図である。

以下、本発明のエンコーダーおよびロボットを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。

１．エンコーダー
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るエンコーダーを示す模式図である。

図１に示すエンコーダー１は、反射型の光学式のロータリーエンコーダーである。このエンコーダー１は、回動軸ａｘまわりに回動する光学スケール２と、光学スケール２に対向して固定設置されるセンサーユニット３と、センサーユニット３に電気的に接続されている演算部６と、を備える。

光学スケール２は、基板２１と、基板２１の一方の面上に設けられている偏光部２２および１８０°判別用トラック２３と、を有する。また、センサーユニット３は、基板３１と、基板３１の光学スケール２側に設けられているセンサー部３０と、を有する。センサー部３０は、３つのセンサー部３０ａ、３０ｂ、３０ｃからなり、センサー部３０ａ、３０ｂは、それぞれ、発光素子３２、受光素子３４、レンズ３６および透光部材３８を有し、センサー部３０ｃは、発光素子３３、受光素子３５、レンズ３７および透光部材３９を有する。ここで、発光素子３２、３３は、光学スケール２に向けて光を出射する光源部１１を構成し、受光素子３４、３５は、光学スケール２からの光を受光する受光部１２を構成している。

このエンコーダー１では、発光素子３２が透光部材３８およびレンズ３６を介して光学スケール２の偏光部２２に光を照射し、発光素子３３が透光部材３９およびレンズ３７を介して１８０°判別用トラック２３に光を照射する。そして、受光素子３４が偏光部２２での反射光をレンズ３６および透光部材３８を介して受光し、受光素子３５が１８０°判別用トラック２３での反射光をレンズ３７および透光部材３９を介して受光する。演算部６は、受光素子３４、３５からの信号（電流値）に基づいて、光学スケール２の回動状態を判断する。

ここで、センサー部３０ａ、３０ｂのうちの一方が有する受光素子３４からの信号は、Ａ相信号であり、センサー部３０ａ、３０ｂのうちの他方が有する受光素子３４からの信号は、Ａ相信号とは４５°位相のずれたＢ相信号である。そして、演算部６は、Ａ相信号およびＢ相信号を用いて、回動角度１８０°範囲内での光学スケール２の回動位置を判断する。また、センサー部３０ｃが有する受光素子３５からの信号は、Ａ相信号またはＢ相信号を１８０°回動した状態と判別（区別）するための１８０°回動判別用信号である。

以下、エンコーダー１の各部について詳述する。
（光学スケール）
図２は、図１に示すエンコーダーが備える光学スケールの平面図である。

図２に示すように、光学スケール２は、円板状をなし、その中央部には、厚さ方向に貫通している孔２１１が設けられている。この光学スケール２は、回動軸ａｘまわりに回動する部材（図示せず）に取り付けられる。前述したように、光学スケール２は、基板２１と、基板２１の一方の面上に設けられている偏光部２２および１８０°判別用トラック２３と、を有する。

基板２１は、発光素子３２、３３からの光に対する透過性を有する。基板２１の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、ガラス材料、樹脂材料等が挙げられる。このような基板２１の一方の面上には、基板２１の中心側から外周側に向けて、偏光部２２および１８０°判別用トラック２３がこの順に並んで配置されている。なお、偏光部２２および１８０°判別用トラック２３を一体で構成する場合、基板２１は、省略することが可能である。

偏光部２２は、選択的にＰ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する偏光特性を有する。この偏光部２２は、例えば、発光素子３２からの光に対する反射性を有する複数のワイヤーを互いに間隔を隔てて平行に並べて構成されている偏光パターンを有する。この偏光パターンの構成材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）、鉄（Ｆｅ）、白金（Ｐｔ）またはこれらの合金等の金属材料、ヨウ素等が挙げられる。すなわち、偏光部２２が直線状に延びている複数の金属線を有する。このような偏光部２２は、例えば、公知の成膜方法を用いて形成してもよいし、シート状または板状の部材をエッチング等により加工して形成してもよい。

１８０°判別用トラック２３は、回動軸ａｘを中心とする円に沿って設けられ、回動軸ａｘに沿った方向から見たとき（以下、「平面視」とも言う）、回動軸ａｘを通る線分ａにより二分（図２中左右に二分）される２つの領域２３１、２３２で構成されている。すなわち、１８０°判別用トラック２３の周方向における３６０°の全範囲のうち、１８０°の範囲に領域２３１が設けられ、残りの１８０°の範囲に領域２３２が設けられている。

この２つの領域２３１、２３２は、互いに反射率が異なる。具体的には、２つの領域２３１、２３２のうち、一方の領域２３１は、発光素子３３からの光に対する反射性を有し、他方の領域２３２は、発光素子３３からの光に対する透過性を有する。したがって、発光素子３３からの光に対する領域２３１の反射率は、発光素子３３からの光に対する領域２３２の反射率よりも高い。

ここで、領域２３１には、発光素子３３からの光に対する反射性を有する薄膜が設けられ、一方、領域２３２には、当該薄膜が設けられていない。領域２３１に設けられる薄膜の構成材料としては、例えば、前述した偏光部２２の偏光パターンと同様の金属材料が挙げられる。このような領域２３１の薄膜は、例えば、公知の成膜方法を用いて形成することができ、また、前述した偏光部２２の偏光パターンと一括して形成することもできる。なお、領域２３２には、領域２３１に設けられている薄膜よりも発光素子３３からの光に対する反射率が低い薄膜を設けてもよい。

（センサーユニット）
図３は、図１に示すエンコーダーが備える光源部および受光部の平面図である。図４は、図３に示す光源部および受光部を説明するための模式的断面図である。

センサーユニット３は、回動軸ａｘまわりに回動しない部材（図示せず）に取り付けられる。前述したように、センサーユニット３は、基板３１と、基板３１の光学スケール２側に設けられているセンサー部３０と、を有する。

基板３１は、回動軸ａｘまわりに回動しない部材（図示せず）に取り付けられる。基板３１は、例えば、配線基板であり、センサー部３０を支持するとともに、これらと電気的に接続されている。そして、基板３１は、図１に示す演算部６に図示しない配線を介して電気的に接続されている。

センサー部３０は、３つのセンサー部３０ａ、３０ｂ、３０ｃで構成されている。なお、３つのセンサー部３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、図示では平面視で互いに近接して配置されているが、光学スケール２の回動状態を検出可能であれば、図示の配置に限定されない。

センサー部３０ａ、３０ｂは、それぞれ、図４に示すように、発光素子３２、受光素子３４、レンズ３６および透光部材３８を有し、発光素子３２が透光部材３８およびレンズ３６を介して光学スケール２の偏光部２２へ光ＬＬ１を照射し、偏光部２２で反射した光ＬＬ１を受光素子３４がレンズ３６および透光部材３８を介して受光する。一方、センサー部３０ｃは、発光素子３３、受光素子３５、レンズ３７および透光部材３９を有し、発光素子３３が透光部材３９およびレンズ３７を介して光学スケール２の１８０°判別用トラック２３に光ＬＬ２を照射し、１８０°判別用トラック２３で反射した光ＬＬ２を受光素子３５がレンズ３７および透光部材３９を介して受光する。なお、図示では、受光素子３４は、発光素子３２に隣接して配置され、同様に、受光素子３５は、発光素子３３に隣接して配置されているが、受光素子３４、３５の配置は、前述したように受光素子３４、３５が光学スケール２での反射光を受光することができれば、図示の配置に限定されない。

センサー部３０ａ、３０ｂがそれぞれ有する発光素子３２は、例えば、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）であり、直線偏光した光を出射する機能を有する。ただし、センサー部３０ａが有する発光素子３２から出射される光の偏光方向Ｅ１と、センサー部３０ｂが有する発光素子３２から出射される光の偏光方向Ｅ２とは、互いに４５°異なる。これにより、センサー部３０ａ、３０ｂが有する発光素子３２から出力された信号を互いに４５°位相がずれたＡ相信号およびＢ相信号とすることができる。なお、「直線偏光」とは、電磁波（光）の振動面が一平面内にある光であり、言い換えれば、電場（または磁場）の振動方向が一定な光である。また、発光素子３２が出射する光は、直線偏光成分以外の成分が含まれていたり、偏光方向が変動したりしてもよいが、その場合、直線偏光成分以外の成分および偏光方向の変動のそれぞれができるだけ少ないこと（所望の直線偏光成分に対する他の成分量および偏光方向の変動角度のそれぞれが５％以下とすること）が好ましい。

一方、センサー部３０ｃが有する発光素子３３は、例えば、面発光レーザーまたは発光ダイオードであり、出射する光は偏光されていてもいなくてもよい。

受光素子３４、３５は、それぞれ、例えば、ＧａＡｓまたはＳｉを用いたフォトダイオードである。そして、受光素子３４は、偏光部２２で反射した光を受光し、その受光強度に応じた電流を検出信号として出力する機能を有する。受光素子３５は、１８０°判別用トラック２３で反射した光を受光し、その受光強度に応じた電流を検出信号として出力する機能を有する。

センサー部３０ａ、３０ｂがそれぞれ有するレンズ３６は、平面視で発光素子３２および受光素子３４の双方に重なって配置されており、発光素子３２から出射された光ＬＬ１の放射角度を小さくする機能と、偏光部２２で反射した光ＬＬ１を受光素子３４に向けて集光する機能と、を有する。図示では、レンズ３６は、光学スケール２側に凸面、発光素子３２側に平面を有する平凸レンズである。なお、レンズ３６については、後に詳述する。

また、センサー部３０ｃが有するレンズ３７は、レンズ３６と同様の構成を有する。すなわち、レンズ３７は、平面視で発光素子３３および受光素子３５の双方に重なって配置されており、発光素子３３から出射された光ＬＬ２の放射角度を小さくする機能と、１８０°判別用トラック２３で反射した光ＬＬ２を受光素子３５に向けて集光する機能と、を有する。

センサー部３０ａ、３０ｂがそれぞれ有する透光部材３８は、発光素子３２および受光素子３４とレンズ３６との間にこれらに接触して配置（例えば充填）され、透光性を有する。本実施形態では、透光部材３８は、平面視で発光素子３２および受光素子３４の双方に重なって配置されている。この透光部材３８は、発光素子３２から出射された光ＬＬ１をレンズ３６に向けて透過させる機能と、偏光部２２で反射してレンズ３６を通過した光ＬＬ１を受光素子３４に向けて透過させる機能と、を有する。特に、透光部材３８は、その屈折率が１よりも大きくかつレンズ３６の屈折率の２乗よりも小さい。これにより、前述したように透光部材３８がレンズ３６と接触していることと相まって、発光素子３２から出射した光ＬＬ１がレンズ３６の発光素子３２側の面（図４中下面）で反射することを低減することができる。なお、透光部材３８については、レンズ３６とともに後に詳述する。

また、センサー部３０ｃが有する透光部材３９は、透光部材３８と同様の構成を有する。すなわち、透光部材３９は、発光素子３３とレンズ３７との間にこれらに接触して配置され、透光性を有する。本実施形態では、透光部材３９は、平面視で発光素子３３および受光素子３５の双方に重なって配置されている。この透光部材３９は、発光素子３３から出射された光ＬＬ２をレンズ３７に向けて透過させる機能と、１８０°判別用トラック２３で反射してレンズ３７を通過した光ＬＬ２を受光素子３５に向けて透過させる機能と、を有する。特に、透光部材３９は、その屈折率が１よりも大きくかつレンズ３７の屈折率の２乗よりも小さい。

図１に示す演算部６は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）を含んで構成され、受光素子３４、３５からの信号を用いて、光学スケール２の回動状態を判断する機能を有する。この回動状態としては、例えば、回動位置、回動角度、回動速度、回動方向等が挙げられる。

図５は、図１に示すエンコーダーの光学スケールの回転角度と受光部で発生する電流値（ＰＤ電流値）との関係を示すグラフである。

前述したように、発光素子３２が出射する光は、一方向に直線偏光されている。そして、発光素子３２からの光が照射される偏光部２２は、選択的にＰ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する偏光特性を有する。

このような偏光部２２により、偏光部２２に照射された光は、光学スケール２の回動角度に応じて、偏光部２２での反射率が変化する。そして、センサー部３０ａ、３０ｂがそれぞれ有する受光素子３４からの信号の電流値（ＰＤ電流値）は、光学スケール２の回動角度（回転角度）に応じて、図５に示すように、正弦波に沿って変化する。ここで、センサー部３０ａ、３０ｂのうちの一方が有する受光素子３４からの信号は、Ａ相信号であり、センサー部３０ａ、３０ｂのうちの他方が有する受光素子３４からの信号は、Ａ相信号とは４５°位相のずれたＢ相信号である。このようなＡ相信号およびＢ相信号を組み合わせて用いることで、光学スケールの回動角度が０〜πまたはπ〜２πの範囲内における角度の判別を行うことができる。

また、受光素子３４からの信号の電流値は、０〜πの範囲とπ〜２πの範囲とが互いに同じ波形となる。そのため、受光素子３４からの信号（Ａ相信号およびＢ相信号）のみでは、光学スケール２の回動角度が０〜πであるときとπ〜２πであるときの区別ができない。

そこで、受光素子３５からの信号（１８０°回転判別信号）を用いて、光学スケール２の回動角度が０〜πであるときとπ〜２πであるときとの判断を行う。前述したように、１８０°判別用トラック２３の周方向における３６０°の範囲のうち、１８０°の範囲に領域２３１が設けられ、残りの１８０°の範囲に領域２３２が設けられており、発光素子３３からの光に対する領域２３１の反射率が領域２３２よりも高い。

このような領域２３１、２３２により、１８０°判別用トラック２３に照射された光は、光学スケール２の回動角度に応じて、１８０°判別用トラック２３の反射率が二値的に変化する。そして、受光素子３５からの信号（１８０°回転判別信号）の電流値（ＰＤ電流値）は、光学スケール２の回動角度（回転角度）に応じて、図５に示すように、二値的に変化する。ここで、受光素子３５からの信号の電流値は、０〜πの範囲とπ〜２πの範囲とで互いに異なる値となる。したがって、受光素子３５からの信号を用いることで、光学スケール２の回動角度が０〜πであるときとπ〜２πであるときとの判別を行うことができる。

以上、エンコーダー１の概略を説明した。以下、レンズ３６および透光部材３８について詳述する。なお、以下では、レンズ３６および透光部材３８について代表的に説明するが、レンズ３７および透光部材３９についても同様である。

図６は、図１に示すエンコーダーが備えるセンサー部（光源部、受光部、レンズおよび透光部材）を説明するための断面図である。図７は、図６に示すセンサー部が備えるレンズの斜視図である。図８は、図６に示すセンサー部の側面図（図６中右側から見た図）である。なお、以下では、説明の便宜上、図４、図６〜図８中の上側を「上」、下側を「下」という。

前述したように、エンコーダー１は、光学スケール２と、光学スケール２に向けて光を出射する光源部１１（発光素子３２）と、光学スケール２からの光を受光する受光部１２（受光素子３４）と、光学スケール２と光源部１１との間に配置されている部分を有するレンズ３６と、を備える。

ここで、光学スケール２は、偏光特性を有する偏光部２２を備える。これにより、偏光方式の光学式エンコーダーを実現することができる。

また、光源部１１は、「半導体レーザー」である発光素子３２を有する。これにより、小型で高精度なエンコーダー１を実現することができる。また、レーザー（特に半導体レーザー）は、戻り光が入射すると、出力強度や出力波長が変動してしまう。したがって、光源部１１に半導体レーザーを用いた場合、戻り光を低減することは、光源部１１の出力変動を低減する上で特に有効である。

そこで、エンコーダー１は、図６に示すように、光源部１１とレンズ３６との間に配置されている部分を有する光透過性の透光部材３８を備える。この透光部材３８の屈折率は、１よりも大きくかつレンズ３６の屈折率の２乗よりも小さい範囲内にある。

このようなエンコーダー１によれば、光源部１１とレンズ３６との間に配置されている部分を有する光透過性の透光部材３８の屈折率が１よりも大きくかつレンズ３６の屈折率の２乗よりも小さいため、光源部１１とレンズ３６との間に単に空気のみが介在している場合に比べて、光源部１１からの光がレンズ３６の光源部１１側の面（以下、「レンズ３６の下面」とも言う）で反射するのを低減することができる。そのため、当該反射による光が戻り光として光源部１１に入射することを低減し、当該戻り光による光源部１１の出力変動を低減することができる。

ここで、透光部材３８がレンズ３６とは別体であるため、レンズ３６の特殊な加工を要することなく（加工工程を削減し）、透光部材３８をレンズ３６に対して接触させるかまたは光源部１１からの光の波長よりも小さい隙間で近接させ、光源部１１からの光がレンズ３６の光源部１１側の面で反射するのを容易に低減することができる。そのため、低コスト化を図りつつ、光源部１１の出力の安定化を図ることができる。

ここで、光源部１１および受光部１２は、光学スケール２に対して同じ面側（下面側）に配置されている。これにより、反射型の光学式エンコーダーであるエンコーダー１を実現することができる。また、光源部１１および受光部１２を同一面上に配置することができ、透光部材３８により光源部１１および受光部１２を一括して覆うことが容易となる。

本実施形態では、前述したように、レンズ３６は、平面視で発光素子３２だけでなく受光素子３４にも重なって配置されている。すなわち、レンズ３６は、光学スケール２と受光部１２との間に配置されている部分を有する。これにより、光学スケール２からの光の放射角度を調整して当該光を受光部１２に入射させることができる。

同様に、透光部材３８は、前述したように、平面視で発光素子３２だけでなく受光素子３４にも重なって配置されている。すなわち、透光部材３８は、受光部１２とレンズ３６との間に配置されている部分を有する。これにより、発光素子３２とレンズ３６との間にのみに部分的に透光部材３８を形成する場合に比べて、透光部材３８の形成が容易となる。また、透光部材３８を受光部１２に対して接触させるかまたは光源部１１からの光の波長よりも小さい隙間で近接させておくことで、受光部１２の受光面での光の反射を低減し、光源部１１への戻り光を低減することができる。そのため、光源部１１の出力の安定化をより効果的に図ることができる。

以下、透光部材３８の屈折率を前述したような範囲内とする理由について説明する。

発光素子３２からの光がレンズ３６の下面で反射するのを低減するには、透光部材３８からレンズ３６へ光が入射するときのレンズ３６での反射率Ｒが、空気からレンズ３６へ光が入射するときのレンズ３６での反射率Ｒ_Ａよりも小さくなればよい。

したがって、レンズ３６の屈折率をｎ_Ｌとし、透光部材３８の屈折率をｎとしたとき、下記式（１）を満たせばよい。なお、空気の屈折率は、真空の屈折率（＝１）にほぼ等しい。

この式（１）から、ｎ＜ｎ_Ｌ ^２なる関係が得られる。また、透光部材３８の屈折率ｎは、空気の屈折率（≒１）よりも大きくなる。したがって、下記式（２）が得られる。

以上より、透光部材３８の屈折率を１よりも大きくかつレンズ３６の屈折率の２乗よりも小さくすることで、光源部１１とレンズ３６との間に単に空気が介在している場合に比べて、光源部１１からの光がレンズ３６の下面で反射するのを低減することができる。

ここで、光源部１１からの光がレンズ３６の下面で反射するのを低減するには、透光部材３８をレンズ３６に対して接触させるかまたは光源部１１からの光の波長よりも小さい隙間で近接させることが必要である。

本実施形態では、前述したように、透光部材３８は、発光素子３２とレンズ３６との間にこれらに接触して配置（例えば充填）されている。すなわち、透光部材３８は、光源部１１とレンズ３６とを接続している。これにより、透光部材３８と光源部１１およびレンズ３６との間の隙間を無くし、これらの界面での光の反射を的確に低減することができる。そのため、光源部１１の出力の安定化をより効果的に図ることができる。なお、透光部材３８と光源部１１との間、および、透光部材３８とレンズ３６との間のうちの少なくとも一方に隙間が形成されていても、当該隙間が光源部１１からの光ＬＬ１の波長よりも小さい隙間であれば、これらの界面での光の反射を低減することが可能である。

このような透光部材３８の構成材料としては、前述したような屈折率を有し、かつ、光透過性を有する材料であればよく、樹脂材料、ガラス材料、結晶材料等の各種光学材料を用いることができるが、透光材料３８は、樹脂材料を含んで構成されていることが好ましい。これにより、レンズ３６を光源部１１との間に隙間を形成した状態で設置した後に、当該隙間に液状の樹脂材料またはその前駆体を流し込んだ後（必要に応じて減圧による脱泡処理を行った後）に硬化または固化させることにより、光源部１１およびレンズ３６の双方に密着した状態の透光部材３８を容易に形成することができる。そのため、透光部材３８が樹脂材料を含んで構成されていることにより、透光部材３８を光源部１１およびレンズ３６の双方に容易に密着させることができる。

ここで、透光部材３８の構成材料として用いる樹脂材料としては、特に限定されないが、例えば、ウレタン系エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アモルファスフッ素樹脂等が挙げられる。なお、透光部材３８の構成材料として樹脂材料を用いる場合において、透光部材３８の構成材料は、樹脂材料の他に、透光部材３８の光学特性に悪影響を与えない範囲で、例えば、無機フィラー等の無機材料が含まれていてもよい。

また、透光部材３８は、複屈折性を有しない材料で構成されていることが好ましい。これにより、偏光方式の光学式エンコーダーであるエンコーダー１において、直線偏光の光を用いたとき、その光が複屈折により検出精度に悪影響を与えることを低減することができる。

図７に示すように、レンズ３６は、レンズ部３６１と、レンズ部３６１から下方に向かって突出している２つの脚部３６２と、を有する。レンズ部３６１は、平凸レンズの形状をなしている。そして、２つの脚部３６２は、レンズ部３６１の下面に形成されている平坦面の外周部から突出している。このようなレンズ３６は、図８に示すように、２つの脚部３６２を基板３１側にして基板３１上に設置することで、レンズ部３６１と基板３１との間に、脚部３６２の長さ（高さ）に応じた隙間を容易に形成することができる。このようなレンズ３６の構成材料としては、光透過性を有する材料であればよく、特に限定されず、樹脂材料、ガラス材料、結晶材料等の各種光学材料を用いることができるが、前述した透光部材３８と同様の観点から、複屈折性を有しない材料を用いることが好ましい。

なお、レンズ３６は、脚部３６２と基板３１とを接着剤等により接合してもよいが、前述したようにレンズ部３６１と基板３１との間に液状の樹脂材料または前駆体を流し込んで透光部材３８を形成することで、透光部材３８によりレンズ３６と基板３１とを接着（接合）することもできる。また、脚部３６２は、図示の形状、配置等に限定されないことは言うまでもない。また、脚部３６２を省略してもよく、この場合、レンズ３６とは別体の部材によりレンズ３６を基板３１に対して固定してもよいし、透光部材３８のみでレンズ３６を支持してもよい。

ここで、レンズ３６と発光素子３２との間の隙間Ｌ１、および、レンズ３６と受光素子３４との間の隙間Ｌ２は、それぞれ、前述したような透光部材３８を形成するための液状の樹脂材料またはその前駆体が毛細管現象により流れ込む大きさであることが好ましい。これにより、液状の樹脂材料またはその前駆体をレンズ３６と光源部１１または受光部１２との間の隙間に容易に流し込むことができる。

なお、透光部材３８を形成するための液状の樹脂材料または前駆体を光源部１１および受光部１２上に配置（塗布）した後にレンズ３６を設置し、その後、当該樹脂材料または前駆体の硬化または固化を行ってもよい。

また、図６に示すように、透光部材３８は、光源部１１を覆っている。すなわち、透光部材３８は、発光素子３２を基板３１とともに気密的または液密的に封止している。このように透光部材３８が光源部１１（より具体的には発光素子３２の上面および側面）を覆っていることにより、透光部材３８により光源部１１を水分、酸素等から保護することができる。

＜第２実施形態＞
図９は、本発明の第２実施形態に係るエンコーダーが備える光源部、受光部、レンズおよび透光部材を説明するための断面図である。

以下、第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、図９において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

本実施形態に係るセンサー部３０Ａは、前述した第１実施形態のセンサー部３０の発光素子３２（光源部１１）に代えて、発光素子３２Ａ（光源部１１Ａ）および偏光素子４０を備える以外は、前述したセンサー部３０と同様である。発光素子３２Ａは、発光ダイオードである。偏光素子４０は、受光素子３４の受光面上に配置されている。この偏光素子４０は、光学スケール２の回動に対して非回転となるように固定配置され、特定方向の偏光成分のみを透過させる。

このように、受光素子３４と偏光部２２との間に偏光素子４０を設けることにより、発光素子３２Ａからの光が無偏光であっても、前述した実施形態と同様、受光素子３４からの信号の電流値は、光学スケール２の回動角度に応じて、正弦波に沿って変化する。なお、偏光素子４０は、図示では透光部材３８と受光素子３４との間に設けられているが、受光素子３４と偏光部２２との間、または、発光素子３２Ａと偏光部２２との間に設けられていればよく、例えば、レンズ３６と透光部材３８との間に設けられていてもよい。

また、本実施形態においても、発光素子３２Ａとレンズ３６との間、および、受光素子３４とレンズ３６との間に、透光部材３８が配置されている。

以上のような第２実施形態によっても、低コスト化を図りつつ、光源部１１Ａの出力の安定化を図ることができる。

＜第３実施形態＞
図１０は、本発明の第３実施形態に係るエンコーダーが備える光源部、受光部、レンズおよび透光部材を説明するための断面図である。

以下、第３実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、図１０において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

本実施形態に係るセンサー部３０Ｂは、前述したセンサー部３０の透光部材３８に代えて、透光部材３８Ｂを備える以外は、前述したセンサー部３０と同様である。透光部材３８Ｂは、発光素子３２とレンズ３６との間に配置されている部分を有するが、受光素子３４とレンズ３６との間に配置されている部分を有しない。すなわち、透光部材３８Ｂは、平面視で、発光素子３２およびレンズ３６には重なっているが、受光素子３４に重なっていない。

以上のような第３実施形態によっても、低コスト化を図りつつ、光源部１１の出力の安定化を図ることができる。

＜第４実施形態＞
図１１は、本発明の第４実施形態に係るエンコーダーが備える光源部、受光部、レンズおよび透光部材を説明するための断面図である。

以下、第４実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、図１１において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

本実施形態に係るセンサー部３０Ｃは、前述した第３実施形態のセンサー部３０Ｂの発光素子３２（光源部１１）に代えて、発光素子３２Ａ（光源部１１Ａ）および偏光素子４０を備える以外は、前述したセンサー部３０Ｂと同様である。すなわち、センサー部３０Ｃは、前述した第２実施形態のセンサー部３０Ａの透光部材３８に代えて、前述した第３実施形態の透光部材３８Ｂを備える以外は、前述したセンサー部３０Ａと同様である。

以上のような第４実施形態によっても、低コスト化を図りつつ、光源部１１Ａの出力の安定化を図ることができる。

＜第５実施形態＞
図１２は、本発明の第５実施形態に係るエンコーダーが備える光源部、受光部、レンズおよび透光部材を説明するための断面図である。

以下、第５実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、図１２において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

本実施形態に係るセンサー部３０Ｄは、レンズ３６と透光部材３８との間に反射防止膜４１を設けた以外は、前述した第１実施形態のセンサー部３０と同様である。反射防止膜４１は、例えば、二酸化ケイ素膜、タンタルオキサイド膜等の誘電体膜が積層された誘電体多層膜で構成されている。この反射防止膜４１は、誘電体多層膜の各層の厚さや層数を適宜設定されており、光源部１１からの光の反射を低減する機能を有する。

以上のような第５実施形態によっても、低コスト化を図りつつ、光源部１１の出力の安定化を図ることができる。

＜第６実施形態＞
図１３は、本発明の第６実施形態に係るエンコーダーが備える光源部、受光部、レンズおよび透光部材を説明するための断面図である。

以下、第６実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、図１３において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

本実施形態に係るセンサー部３０Ｅは、前述した第５実施形態のセンサー部３０Ｄの発光素子３２（光源部１１）に代えて、発光素子３２Ａ（光源部１１Ａ）および偏光素子４０を備える以外は、前述したセンサー部３０Ｄと同様である。すなわち、センサー部３０Ｅは、レンズ３６と透光部材３８との間に反射防止膜４１を設けた以外は、前述した第２実施形態のセンサー部３０Ａと同様である。

以上のような第６実施形態によっても、低コスト化を図りつつ、光源部１１Ａの出力の安定化を図ることができる。

２．ロボット
図１４は、本発明の実施形態に係るロボットを示す側面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１４中の上側を「上」、下側を「下」と言う。また、図１４中の基台側を「基端」、その反対側（エンドエフェクター側）を「先端」と言う。また、図１４の上下方向を「鉛直方向」とし、左右方向を「水平方向」とする。

図１４に示すロボット１００は、いわゆる水平多関節ロボット（スカラロボット）であり、例えば、精密機器等を製造する製造工程等で用いられ、精密機器や部品等の把持や搬送等を行うことができる。

図１４に示すように、ロボット１００は、基台１１０と、第１アーム１２０と、第２アーム１３０と、作業ヘッド１４０と、エンドエフェクター１５０と、配線引き回し部１６０と、を有している。以下、ロボット１００の各部を順次簡単に説明する。

基台１１０は、例えば、図示しない床面にボルト等によって固定されている。基台１１０の上端部には、第１アーム１２０が連結している。第１アーム１２０は、基台１１０に対して鉛直方向に沿う第１軸である回動軸Ｊ１（回動軸ａｘ）まわりに回動可能となっている。

基台１１０内には、第１アーム１２０を回動させる駆動力を発生させる第１モーターであるモーター１１１と、モーター１１１の駆動力を減速する第１減速機である減速機１１２とが設置されている。減速機１１２の入力軸は、モーター１１１の回転軸に連結され、減速機１１２の出力軸は、第１アーム１２０に連結されている。そのため、モーター１１１が駆動し、その駆動力が減速機１１２を介して第１アーム１２０に伝達されると、第１アーム１２０が基台１１０に対して回動軸Ｊ１まわりに水平面内で回動する。また、基台１１０および第１アーム１２０には、基台１１０に対する第１アーム１２０の回転状態（回動状態）を検出する第１エンコーダーであるエンコーダー１が設けられている。

第１アーム１２０の先端部には、第２アーム１３０が連結している。第２アーム１３０は、第１アーム１２０に対して鉛直方向に沿う第２軸Ｊ２まわりに回動可能となっている。図示しないが、第２アーム１３０内には、第２アーム１３０を回動させる駆動力を発生させる第２モーターと、第２モーターの駆動力を減速する第２減速機とが設置されている。そして、第２モーターの駆動力が第２減速機を介して第２アーム１３０に伝達されることにより、第２アーム１３０が第１アーム１２０に対して第２軸Ｊ２まわりに水平面内で回動する。また、図示しないが、第２モーターには、第１アーム１２０に対する第２アーム１３０の回転状態を検出する第２エンコーダーが設けられている。

第２アーム１３０の先端部には、作業ヘッド１４０が配置されている。作業ヘッド１４０は、第２アーム１３０の先端部に同軸的に配置されたスプラインナットおよびボールネジナット（ともに図示せず）に挿通されたスプラインシャフト１４１を有している。スプラインシャフト１４１は、第２アーム１３０に対して、その軸Ｊ３まわりに回転可能であり、かつ、上下方向に移動（昇降）可能となっている。

図示しないが、第２アーム１３０内には、回転モーターおよび昇降モーターが配置されている。回転モーターの駆動力は、図示しない駆動力伝達機構によってスプラインナットに伝達され、スプラインナットが正逆回転すると、スプラインシャフト１４１が鉛直方向に沿う軸Ｊ３まわりに正逆回転する。また、図示しないが、回転モーターには、第２アーム１３０に対するスプラインシャフト１４１の回転状態を検出する第３エンコーダーが設けられている。

一方、昇降モーターの駆動力は、図示しない駆動力伝達機構によってボールネジナットに伝達され、ボールネジナットが正逆回転すると、スプラインシャフト１４１が上下に移動する。昇降モーターには、第２アーム１３０に対するスプラインシャフト１４１の移動量を検出する第４エンコーダーが設けられている。

スプラインシャフト１４１の先端部（下端部）には、エンドエフェクター１５０が連結されている。エンドエフェクター１５０としては、特に限定されず、例えば、被搬送物を把持するもの、被加工物を加工するもの等が挙げられる。

第２アーム１３０内に配置された各電子部品（例えば、第２モーター、回転モーター、昇降モーター、第２〜第４エンコーダー等）に接続される複数の配線は、第２アーム１３０と基台１１０とを連結する管状の配線引き回し部１６０内を通って基台１１０内まで引き回されている。さらに、かかる複数の配線は、基台１１０内でまとめられることによって、モーター１１１およびエンコーダー１に接続される配線とともに、基台１１０の外部に設置され、ロボット１００を統括制御する図示しない制御装置まで引き回される。

以上のようなロボット１００は、エンコーダー１を備える。これにより、エンコーダー１が備える光源部１１の出力の安定化を図ることができ、それにより、エンコーダー１の検出精度を向上させることができる。そのため、例えば、このようなエンコーダー１の検出結果を用いることで、ロボット１００の動作制御を高精度に行うことができる。なお、ロボット１００において、第２〜第４エンコーダーのうちの少なくとも１つを、エンコーダー１と同様のものとすることができる。

以上、本発明のエンコーダーおよびロボットを図示の好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物が付加されていてもよい。

また、前述した実施形態では、３つのセンサー部のそれぞれにレンズおよび透光部材を設けた場合を例に説明したが、少なくとも１つのセンサー部にレンズおよび透光部材が設けられていればよい。また、レンズおよび透光部材のうちの少なくとも一方は、複数のセンサー部にわたって（共通して）設けられていてもよい。また、センサー部の数は、３つに限定されず、２つ以下または４つ以上であってもよい。また、発光素子の数は、受光素子の数と同数である必要はなく、例えば、複数の受光素子に対して１つの発光素子を共用してもよい。

また、前述した実施形態のレンズの形状は、一例であり、発光素子および受光素子の数や配置等に応じて適宜変更してもよい。また、レンズは、発光素子と光学スケールとの間に設けられていればよく、受光素子と光学スケールとの間に設けられていなくてもよい。

また、透光部材は、レンズと発光素子（光源部）との間であって、発光素子からの光の通過領域の少なくとも一部に設けられていればよい。

また、エンコーダーの設置箇所は、基台と第１アームとの関節部に限定されず、相対的に回動する任意の２つのアームの関節部であってもよい。また、エンコーダーの設置箇所は、ロボットが有する関節部に限定されない。

また、前述した実施形態では、ロボットアームの数は、１つであったが、ロボットアームの数は、これに限定されず、例えば、２つ以上でもよい。すなわち、本発明のロボットは、例えば、双腕ロボット等の複数腕ロボットであってもよい。

また、前述した実施形態では、ロボットが有するアームの数は、２つであったが、アームの数は、これに限定されず、例えば、１つまたは３つ以上でもよい。

また、前述した実施形態では、本発明のロボットの設置箇所は、床面に限定されず、例えば、天井面や側壁面等でもよい。また、本発明のロボットは、建物等の構造物に固定設置されるものに限定されず、例えば、脚部を有する脚式歩行（走行）ロボットであってもよい。

また、前述した実施形態では、本発明のロボットの一例として、水平多関節ロボットを例に説明したが、本発明のロボットは、相対的に回動する２つの部材を有すれば、垂直多関節ロボット等の他の形式のロボットであってもよい。

また、本発明のエンコーダーは、前述したロボットに限定されず、回転部を有する産業用プリンター、民生用プリンター等の各種プリンターにも用いることができる。また、本発明のエンコーダーをプリンターに用いる場合、エンコーダーの設置箇所としては、特に限定されないが、例えば、紙送り機構等が挙げられる。

また、前述した実施形態では、ロータリーエンコーダーに本発明を適用した場合を例に説明したが、これに限定されず、本発明は、リニアエンコーダーにも適用可能である。また、前述した実施形態では、偏向方式の光学式エンコーダーに本発明を適用した場合を例に説明したが、これに限定されず、本発明は、他の各種光学式エンコーダー（例えば光学スケールとしてスリット板を用いたもの）にも適用可能である。また、本発明は、インクリメンタル形およびアブソリュート形のいずれのエンコーダーにも適用可能である。

１…エンコーダー、２…光学スケール、３…センサーユニット、６…演算部、１１…光源部、１１Ａ…光源部、１２…受光部、２１…基板、２２…偏光部、２３…１８０°判別用トラック、３０…センサー部、３０Ａ…センサー部、３０Ｂ…センサー部、３０Ｃ…センサー部、３０Ｄ…センサー部、３０Ｅ…センサー部、３０ａ…センサー部、３０ｂ…センサー部、３０ｃ…センサー部、３１…基板、３２…発光素子、３２Ａ…発光素子、３３…発光素子、３４…受光素子、３５…受光素子、３６…レンズ、３７…レンズ、３８…透光部材、３８Ｂ…透光部材、３９…透光部材、４０…偏光素子、４１…反射防止膜、１００…ロボット、１１０…基台、１１１…モーター、１１２…減速機、１２０…第１アーム、１３０…第２アーム、１４０…作業ヘッド、１４１…スプラインシャフト、１５０…エンドエフェクター、１６０…配線引き回し部、２１１…孔、２３１…領域、２３２…領域、３６１…レンズ部、３６２…脚部、Ｅ１…偏光方向、Ｅ２…偏光方向、Ｊ１…回動軸、Ｊ２…第２軸、Ｊ３…軸、Ｌ１…隙間、Ｌ２…隙間、ＬＬ１…光、ＬＬ２…光、ａ…線分、ａｘ…回動軸

Claims (11)

1. 光学スケールと、
   前記光学スケールに向けて光を出射する光源部と、
   前記光学スケールからの光を受光する受光部と、
   レンズと、
   光透過性を有し、屈折率が１よりも大きくかつ前記レンズの屈折率の２乗よりも小さい透光部材と、を備え、
   前記レンズは、前記光学スケールと前記光源部との間に少なくとも一部が配置されていて、
   前記透光部材は、前記光源部と前記レンズとの間に少なくとも一部が配置されていることを特徴とするエンコーダー。
2. 前記レンズは、前記光学スケールと前記受光部との間に少なくとも一部が配置されている請求項１に記載のエンコーダー。
3. 前記透光部材は、前記受光部と前記レンズとの間に少なくとも一部が配置されている請求項２に記載のエンコーダー。
4. 前記透光部材は、樹脂材料を含んで構成されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載のエンコーダー。
5. 前記透光部材は、前記光源部と前記レンズとを接続している請求項１ないし４のいずれか１項に記載のエンコーダー。
6. 前記透光部材は、前記光源部を覆っている請求項１ないし５のいずれか１項に記載のエンコーダー。
7. 前記光源部は、半導体レーザーを有する請求項１ないし６のいずれか１項に記載のエンコーダー。
8. 前記光源部と前記受光部とは、前記光学スケールに対して同じ面側に配置されている請求項１ないし７のいずれか１項に記載のエンコーダー。
9. 前記光学スケールは、偏光特性を有する偏光部を備える請求項１ないし８のいずれか１項に記載のエンコーダー。
10. 前記透光部材は、複屈折性を有しない材料で構成されている請求項１ないし９のいずれか１項に記載のエンコーダー。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のエンコーダーを備えることを特徴とするロボット。

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