JP4694677B2

JP4694677B2 - 光学式エンコーダ

Info

Publication number: JP4694677B2
Application number: JP2000204622A
Authority: JP
Inventors: 利洋小見
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2000-07-06
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2020-07-06
Also published as: JP2002022496A

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、特に発光素子と受光素子を搭載したセンサヘッドを持つ反射型の光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学式エンコーダには、透過型と反射型とがある。これらのうち、反射型の光学式エンコーダは、スケールの一方側に配置される発光素子と受光素子を一体にセンサヘッドに搭載することができるため、透過型より小型化が可能である。しかし現在のところ、実用されている反射型の光学式エンコーダは、受光素子や発光素子の精密位置精度が求められる搭載構造を必要とし、信号配線を形成する配線基板を必要とする等、複雑であり、小型化が十分ではない。また、例えば、小型のＸ−Ｙテーブルに組み込んで用いるといった用途では、更に小型のエンコーダが求められている。更に、従来の構造では、エンコーダ組立の自動化や量産化も難しい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これに対して、本出願人は先に、樹脂ブロックを用いてセンサヘッドを小型化する技術を提案している（米国特許第５，９９５，２２９号）。
この発明は、本出願人により先に提案された技術を改良して、一層の小型化及び薄型化を可能とした反射型の光学式エンコーダを提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、測定軸に沿って光学格子が形成された反射型のスケールと、このスケールに光照射し、スケールからの反射光を受光して変位信号を出力するセンサヘッドとを有する光学式エンコーダにおいて、前記センサヘッドは、リードフレームに前記スケールの光学格子面と直交する発光面を持つように搭載された側面発光型の発光素子チップと、前記リードフレームに前記発光素子チップと離れて搭載されて、前記スケールからの反射光を受光して変位信号を出力する受光素子チップと、前記発光素子チップ及び受光素子チップとを前記リードフレームと共にシールするようにモールドしてなり且つ、前記発光素子チップの発光面に対向する側端面に凸面を形成してなる透明樹脂体と、この透明樹脂体の前記側端面に形成された反射膜とを有することを特徴とする。
【０００５】
この発明によると、発光素子を側面発光型としてこれを透明樹脂体にモールドし、透明樹脂体の発光面に対向する面には凹面ミラーを形成してスケールに光照射するセンサヘッドを構成している。発光素子の上面から出る光をスケールに戻すように凹面ミラーを形成するには、透明樹脂モールドの上部に、発光素子から所定距離離れた状態で凸面を形成することが必要となる。これに対して、この発明のように、発光素子から横方向に出力する光をスケールに斜め方向から戻すように、透明樹脂体に凹面ミラー（例えば、スケールと平行な光軸を持つものとする）を形成すると、センサヘッドをより薄型化することができる。
【０００６】
この発明において好ましくは、透明樹脂体の側端面は、透明樹脂体のスケールに対向する面上に光軸を持つ球面又は放物面であり、発光素子は、球面又は放物面の焦点位置から光軸から外れる方向に所定距離ずれて配置されるように透明樹脂体に埋め込まれているものとする。
【０００７】
更にこの発明において、必要に応じて、発光素子の発光面側に、マイクロレンズを設けもよいし、或いは出力光を絞るスリット窓が形成されたマスク材を設けてもよい。これにより、スケールの照射面の照度分布がほぼ均等になるような測定軸方向の幅を最適調整することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。
図１は、一実施の形態による反射型の光学式エンコーダの断面図である。光学式エンコーダは、スケール１とこれに所定ギャップをもって対向配置されたセンサヘッド２とから構成される。スケール１は、ガラス等のスケール基板１１に、測定軸ｘ方向に反射部と非反射部をピッチλで配列形成してなる光学格子１２が形成された反射型スケールである。
【０００９】
センサヘッド２は、半導体発光素子（ＬＥＤ）チップ３と受光素子チップ５とをシールするようにモールドしてなる透明樹脂体４を有する。透明樹脂体４は、薄型の略直方体に成形されている。ＬＥＤチップ３は、図５に拡大した斜視図を示したように、２本のフレーム８の一方に搭載された側面発光型ＬＥＤである。即ちＬＥＤチップ３は側面３１を発光面として、上下面に電極３２，３３を有し、下部電極３２を下にして一方のフレーム８にマウントされ、上部電極３３はワイヤボンディングにより他方のフレーム８に接続されている。この様にＬＥＤチップ３は、フレーム８に搭載された状態で透明樹脂体４にモールドされている。
【００１０】
透明樹脂体４のＬＥＤチップ３の発光面に対向する側端面４１は凸面に形成されており、この面に反射膜４２が形成されている。この側端面４１の凸面は、底面（スケール１に対向する面）４３上に光軸を持つ球面又は放物面であって、球面の場合図１に示す位置に中心Ｏを持つ。即ち、ＬＥＤチップ３は、側端面４１と反射膜４２により形成される凹面ミラーの焦点位置から、光軸から外れる方向に所定距離離れた位置に配置されている。これにより、ＬＥＤチップ３から所定開口で出力される光が側端面４１で反射され、スケール１のある程度の長さ範囲を、斜め方向（スケール面に対して約４５°方向）からほぼ均等に照射することができる。
【００１１】
この実施の形態の場合、リードフレーム８として、予め受光素子チップ搭載部を持つものを用意している。そして、図３に示すように、受光素子チップ５を受光面を上向きにしてリードフレーム８に搭載し、受光素子チップ５の端子とリードフレーム８の間はボンディングワイヤにより接続する。ＬＥＤチップ３は、別のリードフレーム８の受光素子チップ５とは反対側の面に搭載する。この様にリードフレーム８に受光素子チップ５とＬＥＤチップ３を搭載した状態で、樹脂モールドする。
【００１２】
図２は、図１のセンサヘッド２をスケール１側から見た平面図（透視図）である。受光素子チップ５には、受光素子アレイＰＤＡと、原点検出用受光素子ＯＰＤが形成されている。受光素子アレイＰＤＡは、例えば図４に示すように、スケール１の光学格子ピッチλに対して、３λ／４のピッチで４個を１セットとして、少なくとも１セットのフォトダイオードＰＤを配列形成したものである。この受光素子アレイＰＤＡにより、スケール変位に伴って、図４に示すように、２７０°ずつずれたＡ，ＢＢ，ＡＢ，Ｂ相の変位信号が得られることになる。
【００１３】
この実施の形態によると、側面発光型のＬＥＤチップを透明樹脂体にモールドし、その透明樹脂体の側端面でＬＥＤチップの光を斜め方向に反射させてスケールを照射するようにしている。従って、センサヘッドを極めて薄型に構成することができる。具体的に、センサヘッドの厚みは、約３．５ｍｍ程度に収めることができる。センサヘッドとスケールとの間のエアギャップを２ｍｍ、スケールの厚みを１ｍｍとして、エンコーダ全体として、厚みを６．５ｍｍ程度に薄型化することができる。また、センサヘッドのスケール長手方向の長さは、約１３ｍｍ、幅は約６．５ｍｍに抑えることができ、全体として小型化が図られる。
【００１４】
この実施の形態によると、側面発光型のＬＥＤチップを受光素子チップと共に透明樹脂体にモールドし、その透明樹脂体の側端面でＬＥＤチップの光を斜め方向に反射させてスケールを照射するようにしている。従って、センサヘッドを極めて薄型に構成することができる。具体的に、センサヘッドの厚みは、約３．５ｍｍ程度に収めることができる。センサヘッドとスケールとの間のエアギャップを２ｍｍ、スケールの厚みを１ｍｍとして、エンコーダ全体として、厚みを６．５ｍｍ程度に薄型化することができる。また、センサヘッドのスケール長手方向の長さは、約１３ｍｍ、幅は約６．５ｍｍに抑えることができ、全体として小型化が図られる。
また、受光素子チップがＬＥＤチップと共に樹脂モールドされるため、センサヘッドの組立工数の削減、品質の安定化等が図られる。
【００１５】
上記実施の形態では、ＬＥＤチップ３の側面発光光をそのまま透明樹脂体４の側端面に形成した凹面ミラーで反射させるようにしたが、ＬＥＤチップ３の出力光の拡がり角をその出力部で調整するようにしてもよい。これは、照射されるスケール１の測定軸方向の照度分布をどの程度の範囲で均等化するかにかかわってくるので、その最適調整のために必要となる場合がある。その様なＬＥＤチップ３の出力光の拡がり角度調整の例をいくつか説明する。
【００１６】
図６は、ＬＥＤチップ３の側面発光面側に円柱状のマイクロレンズ９１を配置した例である。これにより、図７Ａに示すように、ＬＥＤチップ３の出力光を集光させることができる。或いは図７Ｂに示すように、マイクロレンズ９１とＬＥＤチップ３の間を透明樹脂９２で充填することもできる。この場合、透明樹脂９２とマイクロレンズ９１の屈折率がほぼ同じであるとすると、図７Ｂに示したようにマイクロレンズ９１への入力部では屈折せず、平行光に近い出力光を得ることができる。図７Ｂでは、透明樹脂９１を充填した部分を、更に遮光膜９３で覆って、外光の影響を低減した例を示している。
【００１７】
図８は、ＬＥＤチップ３の側面発光面に半円柱状のマイクロレンズ１００を貼り付けた例である。この場合も、ＬＥＤチップ３からの出力光を集光させることができる。
【００１８】
図９は、ＬＥＤチップ３の発光面側に、出力光を絞るスリット窓１１２が形成されたマスク材１１０を設けた例である。マスク材１１０は透明樹脂ブロックであり、図１０に示すように、そのＬＥＤチップ３の発光面に対向する面には遮光膜１１１によって、スリット窓１１２が形成されている。このスリット窓１１２の幅によりＬＥＤチップ３の出力光を絞ると、実質的に線光源に近いものとなり、このスリット窓１１２を通った光の拡がり角は大きいものとなる。
【００１９】
図６〜図１０で示した光ビームの拡がり角調整手段は、透明樹脂体４のＬＥＤチップ３の位置から凸面成形された側端面４１までの距離及びその側端面４１の曲率に応じて、最適のものを選択すればよい。これにより、照射されるスケール１の測定軸方向の照度分布をどの程度の範囲で均等化するか決定される。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、発光素子を側面発光型としてこれを受光素子チップと共に透明樹脂体にモールドし、透明樹脂体の発光面に対向する面には凹面ミラーを形成してスケールに光照射するセンサヘッドを構成している。これにより、反射型光学式エンコーダの薄型化及び小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態による光学式エンコーダの断面図である。
【図２】同エンコーダのセンサヘッドの底面図（透視図）である。
【図３】同エンコーダのモールド前の組立状態を示す斜視図である。
【図４】同エンコーダの受光素子チップの斜視図である。
【図５】同エンコーダのＬＥＤチップの搭載構造を示す斜視図である。
【図６】ＬＥＤチップ出力端にマイクロレンズを配置した例を示す図である。
【図７Ａ】図６の構成により光ビーム拡がり角が調整される様子を示す図である。
【図７Ｂ】ＬＥＤチップとマイクロレンズの間に透明樹脂を充填した例を示す図である。
【図８】ＬＥＤチップ出力端にマイクロレンズを配置した他の例を示す図である。
【図９】ＬＥＤチップ出力端にマスク材を配置した例を示す図である。
【図１０】図９の構成により光ビーム拡がり角が調整される様子を示す図である。
【符号の説明】
１…スケール、２…センサヘッド、３…ＬＥＤチップ、４…透明樹脂体、５…受光素子チップ、６…透明基板、８…リードフレーム、４１…側端面（凸面）、４２…反射膜、９１，１００…マイクロレンズ、９２…透明樹脂、９３…遮光膜、１１０…マスク材、１１２…スリット窓。

Claims

測定軸に沿って光学格子が形成された反射型のスケールと、このスケールに光照射し、スケールからの反射光を受光して変位信号を出力するセンサヘッドとを有する光学式エンコーダにおいて、
前記センサヘッドは、
前記スケールと平行な同一面上に配置された複数のリードフレームと、
前記複数のリードフレームのうちの１つのリードフレームの前記スケールとは反対側の面に前記スケールの光学格子面と直交する発光面を持つように搭載された側面発光型の発光素子チップと、
前記複数のリードフレームのうち他のリードフレームの前記スケール側の面に前記発光素子チップと離れて搭載されて、前記スケールからの反射光を受光して変位信号を出力する受光素子チップと、
前記発光素子チップ及び受光素子チップを前記リードフレームと共にシールするようにモールドしてなり且つ、前記発光素子チップの発光面に対向する側端面に凸面を形成してなる透明樹脂体と、
この透明樹脂体の前記側端面に形成された反射膜と、
を有することを特徴とする光学式エンコーダ。
前記透明樹脂体の側端面は、前記透明樹脂体のスケールに対向する面上に光軸を持つ球面又は放物面であり、前記発光素子は、前記球面又は放物面の焦点位置から前記光軸から外れる方向に所定距離ずれて配置されるように前記透明樹脂体に埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
前記発光素子の発光面側にマイクロレンズが設けられていることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
前記発光素子の発光面側に、出力光を絞るスリット窓が形成されたマスク材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。