JP4812189B2 - 光学式検出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式検出装置に係り、例えば、対象物に取り付けられた反射物の動きを検出するような光学式検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
対象物に取り付けられた反射物の動きを検出するような光学式検出装置の構成に関する第1の従来例を図10及び図11により説明する。
【0003】
まず、光源1部分の従来構成から説明する。
【0004】
小型のセンサ用光源としては、例えば、図10の(a),(b)に示すような構成の発光ダイオード(LED)や半導体レーザ(LD)などの半導体光源1が使用される。
【0005】
図10の(a)に示す光源1は、LEDチップ21の裏面電極をヒートシンク22の表面に形成された電極プレート28上に張り付け、さらにLEDの上面の電極を配線ワイヤ27およびバンプ26で接続しており、絶縁材29でヒートシンクと電気的に絶縁されたリード線23,24から電力が供給される構造になっている。
【0006】
このような図10の(a)の光源1の構成では、光源の機械的強度の確保、及びLEDチップ21やワイヤ27の封止などの目的で、全体を光透過性の樹脂などによる封止部材25で封止した構造になっている。
【0007】
また、図10の(b)の例では、封止部材25の代わりに、側面には金属などによる側面封止部材30で、光が通過する部分には透明封止部材31で全体が封止されている。
【0008】
図11は、図10の(a),(b)に示した光源1を利用した光学式検出装置の第1の従来例を示している。
【0009】
この図11の光学式検出装置は、検出対象に取り付けた凹面ミラーレンズ90の変位を光源1と光検出器3により検出するものである。
【0010】
図11において、光源1から出射した光ビームは一対の線分9で示した領域に拡がって出射されており、このビーム拡がりのうち一対の線分9′で示した領域が前述の凹面ミラーレンズ90に照射されており、この反射光がスリット部材65のピンホール付近でビームウェストになるように集光され、さらに、スリット部材65と共に光検出器3を構成する受光部33により検出される。
【0011】
ここで、光源1の光ビーム出射面から凹面ミラーレンズ90に至るz方向の距離をL1、凹面ミラーレンズ90からスリット部材65のピンホールに至るz方向の距離をL2で示している。
【0012】
今、検出対象に取り付けた凹面ミラーレンズ90が、例えば、z方向に移動したとすると、凹面ミラーレンズ90からの反射光のビームウェストの位置がずれるため、スリット部材65と、受光部33とでなる光検出器3により検出される光量が変化することにより、対象の変位を検出することができる。
【0013】
このような原理による検出装置においては、あらかじめ設定した基準位置では光源1の光ビーム出射部分とスリット部材65のピンホールは、互いに共焦点の関係なるように設計される。
【0014】
このためには、あらかじめ設定した基準位置では、前述のL2の値は、凹面ミラーレンズ90の焦点距離fの2倍になるように設定されるが、光源1の封止部材25又は封止部材31の屈折率が周りの空間と異なるため、L1の値に対してその屈折率分を補正した値が凹面ミラーレンズ90の焦点距離fの2倍と一致するように設定する必要がある。
【0015】
すなわち、2f=L2≠L1となる。
【0016】
このL1を正確に求めるには、前述の封止部材25又は封止部材31の厚さや屈折率を正確に知る必要があるが、実際の応用場面においては、
(1)光源1の封止部材25又は封止部材31の屈折率分を補正したL1を正確に知ることは難しい、
(2)L1の値を正確に把握した場合でも、L1,L2が所定の値になるように光源1、スリット部材65を配置するのが難しい、
(3)光源1の構造的なばらつきにより、L1の値が異なる、
などの問題があった。
【0017】
また、光学式検出装置の第2の従来例として、スケールの移動を検出するエンコーダの構成に関する従来例(特願2000−233351号)を図12により説明する。
【0018】
この光学式検出装置は、可干渉のある光源1(半導体レーザ、LED、面発光レーザなどが想定されている)から出射した光ビームを所定周期のトラックパターン4(図12では透過型または反射型の回折格子スケール)が形成されたスケール2に照射し、これにより生成される回折パターンの動きが光検出器3に形成されている受光素子アレイ6により検出されるように構成されている。
【0019】
図12の光学式検出装置は、可干渉光源1と光検出器3がスケール2に対して同じ側に配置される場合を示している。
【0020】
ここで、光源1から出射する光ビームの主軸を線分8、ビーム拡がりを一対の線分9、スケール2により反射した光ビームの拡がりを一対の線分11で示している。
【0021】
また、スケール2面上の光ビームの拡がり領域を参照符号10、スケール2から反射した光ビームの受光面上における拡がり領域を参照符号12で示す。
【0022】
図12においては、さらに、スケール2が基準位置にあるときには、光源1から出射した光ビームの一部は、第2のトラックパターン5に形成された基準位置検出用のパターンにも照射され、ここで回折された光が集光され、第2の光検出器として機能する基準位置検出用の受光素子7で検出される。
【0023】
ここで、スケール2上のトラックパターン4の移動方向(これをx方向とする)のピッチをP1、光源1の光波長をλ、光源1の光ビーム出射面とスケール2上のトラックパターン4が形成された面の距離をZ1、スケール2上のトラックパターン4が形成された面と光検出器3の受光面の距離をZ2とする。
【0024】
また、基準位置検出用のパターン5の焦点距離をf、受光素子アレイ6の受光面上に形成された回折パターンのx方向の強度分布の周期をPdifとする。
【0025】
上述のような検出原理に基づいてエンコーダが最適に機能するためには、まず、受光素子アレイ6の受光面上に形成される回折パターンの強度分布がスケールの模様を反映したクリアな強度分布になる必要があり、このためには、光の回折干渉に関する光学理論的によると、以下の(1)式を満たす必要がある。
【0026】
(1/Z1)+(1/Z2)=λ/(nP12) …(1)
ここで、nはゼロ以外の整数である。
【0027】
なお、このときの受光素子アレイ6の受光面上に形成された回折パターンのx方向の強度分布の周期をPdifとすると、(2)式のようになる。
【0028】
Pdif=P1(Z1+Z2)/Z1 …(2)
したがって、受光面上に形成された回折パターンのx方向の強度分布の特定の位相部分の強度を検出するためには、受光素子アレイ6の形成される受光素子の配列周期(又は感度分布の周期)P2は、以下の(3)式で決定される。
【0029】
P2=Pdif …(3)
さらに、常に、Z1=Z2が保たれているような配置関係が満たされれば、
Pdif=2P1 …(4)
となり、光源1、スケール2、光検出器3の受光面の間隔が全体として変化しても受光面上に形成された回折パターンの周期Pdifが変化しない。
【0030】
従って、このようなエンコーダの構成では、常に、Z1=Z2が保たれているような配置関係が望ましいが、図12に示した従来例においては、光源1の光ビーム出射面と光検出器3の受光面の高さが異なるため、受光素子アレイ6の周期P2を正確に設定することが難しい。
【0031】
また、光源として、図10の(a),(b)のような構造の光源1を使用する場合には、(1)、(2)式におけるZ1の値を透光性部材でなる封止部材25,31の屈折率分を考慮して補正する必要がある。
【0032】
従って、このような第2の従来例において、実際の応用場面においては、
(4)封止部材25,31の屈折率分を考慮して補正したZ1を正確に知ることは難しい、
(5)上記(4)の理由及び光ビーム出射と光検出器の受光面の高さの差の問題によりにより、(1)〜(3)式を満たすように光源1、スケール2、受光面を正確に配置することが難しい、
(6)上記(5)の理由により光源1、スケール2、受光面の配置ギャッが変化したときにPdifが変化するので、あらかじめ設定した受光素子アレイ6の配列周期(または感度分布の周期)P2と受光面上に形成された回折パターンの周期Pdifのズレが生じて移動量の検出に誤差が生じたり、あるいは、信号の乱れが生じることが避けられない、
などの問題があった。
【0033】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、第1の従来例において、実際の応用場面においては、
(1)光源1の封止部材25又は封止部材31の屈折率分を補正したL1を正確に知ることが難しい、
(2)L1の値を正確に把握した場合でも、L1,L2が所定の値になるように光源1、スリット部材65を配置するのが難しい、
(3)光源1の構造的なばらつきにより、L1の値が異なる、
などの問題があった。
【0034】
また、第2の従来例において、実際の応用場面においては、
(4)封止部材25又は封止部材31の屈折率を考慮して補正したZ1を正確に知ることは難しい、
(5)上記(4)の理由及び光ビーム出射面と光検出器の受光面の高さの差の問題によりにより、(1)〜(3)式を満たすように光源1、スケール2、受光面を正確に配置することが難しい、
(6)上記(5)の理由により光源1、スケール2、受光面の配置ギャップが変化したときにPdifが変化するので、あらかじめ設定した受光素子アレイ6の配列周期(または感度分布の周期)P2と、受光面上に形成された回折パターンの周期Pdifのズレが生じて移動量の検出に誤差が生じたり、あるいは、信号の乱れが生じることが避けられない、
などの問題があった。
【0035】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、例えば、対象物に取り付けられた反射物の動きを検出するような光学式検出装置において、上記(1)乃至(6)のような従来技術の問題点を解消し、移動量等の検出に誤差が生じたり、検出信号の乱れが生じないようにした光学式検出装置を提供することを目的とする。
【0036】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、上記課題を解決するために、
(1) 対象物に光を照射する発光素子と、前記対象物において反射、透過又は回折された前記発光素子からの光を検出する光検出器と、前記発光素子から前記対象物を経由し前記光検出器に至る光路中に配置された、第1及び第2の透光部材とを有し、前記第1の透光部材及び前記第2の透光部材によって、前記発光素子の射出面から前記対象物の被照射部分までの光学距離と前記対象物の被照射部分から前記光検出器の検出面までの光学距離とが略等しくなるように構成されていることを特徴とする光学式検出装置が提供される。
【0038】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
(2) 対象物に光を照射する発光素子と、前記対象物において反射、透過又は回折された前記発光素子からの光を検出する光検出器と、前記発光素子から前記対象物を経由し前記光検出器に至る光路中に配置された第1及び第2の透光部材とを備え、ここで、n10は、前記発光素子から前記対象物に至る光路中における前記第1の透光部材の屈折率、t10は、前記発光素子から前記対象物に至る光路中における前記第1の透光部材の光主軸方向厚さ、n20は、前記発光素子から前記対象物に至る光路中における前記第2の透光部材の屈折率、t20は、前記発光素子から前記対象物に至る光路中における前記第2の透光部材の光主軸方向厚さ、n11は、前記対象物から前記光検出器に至る光路中における前記第1の透光部材の屈折率、t11は、前記対象物から前記光検出器に至る光路中における前記第1の透光部材の光主軸方向厚さ、n21は、前記対象物から前記光検出器に至る光路中における前記第2の透光部材の屈折率、t21は、前記対象物から前記光検出器に至る光路中における前記第2の透光部材の光主軸方向厚さであり、前記t10とt11の一方はゼロでもよく、前記t20とt21の一方はゼロでもよいものとするとき、次式
n10・t10+n20・t20=n11・t11+n21・t21
の関係が略成立するように構成されていることを特徴とする光学式検出装置が提供される。
【0039】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
(3) 前記第1の透光部材と前記第2の透光部材は、互いに嵌合可能に構成されていることを特徴とする(1)又は(2)記載の光学式検出装置が提供される。
【0040】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
(4) 前記発光素子の射出面と前記光検出器の検出面が略同一平面上に配置されていることを特徴とする(1)乃至(3)のいずれかに記載の光学式検出装置が提供される。
【0042】
また、本発明によると、上記課題を解決するために、
(5) 前記第1の透光部材と前記第2の透光部材がともに前記発光素子と一体化されていることを特徴とする(1)乃至(4)のいずれかに記載の光学式検出装置が提供される。
【0050】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【0051】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態による光学式検出装置の構成を示す断面図である。
【0052】
すなわち、図1は、光学式検出装置を光ビームの主軸を含む面で切断したときの断面図である。
【0053】
そして、この第1の実施の形態による光学式検出装置は、次のように構成されている。
【0054】
光ビームの光源1としては、特に、限定されないが、例えば、発光ダイオード(LED)や半導体レーザ(LD)などの半導体光源を使用しており、以下では、光源1をLEDとした場合について説明する。
【0055】
この光源1は、LEDチップ21の裏面電極をヒートシンク22の表面に形成された電極プレート28上に張り付け、さらにLEDの上面の電極を配線ワイヤ27で接続しており、絶縁材29でヒートシンクと電気的に絶縁されたリード線23,24から電力が供給される構造になっている。
【0056】
光源1から出射する光ビームの拡がりを一対の線分9で示すと共に、この光ビームのうち、対象物に取り付けられた凹面ミラーレンズ90に照射される部分を線分9′で示す。
【0057】
ここで、光源1の光ビーム出射面から凹面ミラーレンズ90に至る光路上のz方向の距離をL1、凹面ミラーレンズ90からスリット部材65のピンホールに至る光路上のz方向の距離をL2で示している。
【0058】
この例では、光検出器3は、スリット部材65と受光素子33により構成されている。
【0059】
また、光源1と光検出器3は基板70の上に固定されている。
【0060】
この実施の形態では、透光部材25は樹脂材料などで形成されており、光源1を覆うとともに、スリット部材65の上面も覆う配置になっている。
【0061】
さらに、この例では、透光部材25の屈折率が一様であるため、光源1の出射面上の厚さとスリット部材65を覆う厚さはともに同じ厚さになっている。
【0062】
次に、この第1の実施の形態の作用を説明する。
【0063】
光源1から出射した光ビームは一対の線分9で示した領域に拡がって出射されており、このビーム拡がりのうち一対の線分9′で示した領域が前述の凹面ミラーレンズ90に照射されている。
【0064】
そして、この凹面ミラーレンズ90からの反射光が、スリット65のピンホール付近でビームウェストになるように集光され、さらに、光検出器3により検出される。
【0065】
今、検出対象に取り付けた凹面ミラーレンズ90が、例えば、z方向に移動したとすると、凹面ミラーレンズ90からの反射光のビームウェストの位置がずれ、また、スリット面上のビームの大きさも変化するため、光検出器3により検出される光量が変化することにより、対象の変位を検出することができる。
【0066】
このような原理による検出装置においては、あらかじめ設定した基準位置では光源の光ビーム出射部分とスリット65のピンホールは互いに共焦点の関係なるように設計されることが望ましい。
【0067】
図9で示した第1の従来例の場合には、透光部材25が光源1だけを覆っているため、単に、L1=L2としても互いが共焦点の関係にならないが、この第1の実施の形態では、光源1を覆う透光部材とスリット部材65を覆う透光部材が同一の透光部材25で、その厚さが等しいため、2f=L2=L1となるように配置するだけで、互いに共焦点の関係にすることができる。
【0068】
なお、本実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【0069】
本実施の形態では、スリット部材65は、x方向に遮光した構造例を記載したが、このスリット部材65を紙面の奥行き方向(y方向)に対して遮光してもよい。
【0070】
この場合、凹面ミラーレンズ90が、例えば、z方向に移動した場合には、スリット部材65面上のビームの大きさの変化だけを検出することができる。
【0071】
本実施の形態では、光源1と光検出器3が凹面ミラーレンズ90に対して、同じ側に配置されるいわゆる「反射型の構成」を示したが、凹面ミラーレンズ90を透過型のレンズに置き換え、光源1と光検出器3がこの透過型のレンズに対して、反対側に配置されるいわゆる「透過型の構成」としてもよい。
【0072】
また、光源1については、半導体レーザやLEDに限定されるものではなく、例えば、スリット付きランプ、エレクトロルミネッセンス(EL)素子なども含まれる。
【0073】
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態による光学式検出装置として光学式エンコーダの構成について、図2の(a)乃至(d)、図3の(a)及び図4の(a)を参照して説明する。
【0074】
ここで、図2の(a)は、全体の斜視図、図2の(b)は、スケール2の詳細な拡大図、図2の(c)は、透光部材60の詳細な拡大図、図2の(d)は光源1及び光検出器3の詳細な拡大図を示している。
【0075】
また、図3の(a)は、光源1部分及び透光部材60部分の断面図である。
【0076】
そして、図4の(a)は、光源1と光検出器3と、透光部材60及び透光部材25の組み合わせ構成について示す、光ビームの主軸を含む面における断面図である。
【0077】
なお、本実施の形態において、前述した第1の実施の形態と同様な部分については説明を省略する。
【0078】
この光学式検出装置として光学式エンコーダでは、光源1から出射した光ビームは、スケール2に形成された所定周期のパターンを有する第1のトラック4と、基準位置検出用のパターンとして形成された第2のトラック5の両方に拡がるように照射される。
【0079】
この状態を、図2の(a)おいては、出射した光ビームの拡がり範囲を一対の線分9で示し、また、図2の(b)ではスケール面上の光ビームの拡がり範囲を曲線10で示している。
【0080】
光ビームが第1のトラック4に照射されることにより、第1の光検出器3として機能する受光素子アレイ6の受光面上に回折パターンが形成される。
【0081】
この受光面上の回折パターン12は、前述の(1)式で示す条件がほぼ満たされる配置状態では、第1のトラック4の所定周期のパターンとほぼ相似な光強度分布のパターンとなり、その光強度分布の周期は前述の(2)式で表されたものとなる。
【0082】
光検出器3として機能する受光素子アレイ6の形成される受光素子の配列周期P2は前述の(3)式に従って決められる。
【0083】
この実施の形態においては、受光素子アレイ6は、空間周期P2の受光素子アレイ6をP2/4の間隔でずらせて、交互に配置した4群の受光素子アレイ51,52,53,54で構成されている。
【0084】
一方、第2のトラック5に照射される光ビームは、スケール2が基準位置近傍に移動すると、基準位置検出用のパターンに照射される。
【0085】
この実施の形態では、基準位置検出用のパターンをx方向に集光作用を有するホログラムで形成している。
【0086】
光源1部分および透光部材60部分の断面構成は図3の(a)及び図4の(a)に示すようになっており、発光素子21の出射面と、発光素子21を封止している透光部材25の厚さがt1であり、これと別体に形成された第2の透光部材60の形状は、発光素子21からスケール2に向かう光路上の厚さよりスケール2から受光面に戻る光の光路上の厚さがt2だけ厚く形成されている。
【0087】
さらに、これら二つの透光部材25,60の屈折率が同じであれば、t1=t2に設定されている。
【0088】
なお、図2の(a)において、参照符号70は受光素子アレイ6と光源1を固定する基板であり、参照符号71は電極パッドである。
【0089】
受光素子アレイ6の電極パッド58と基板の電極パッド71は導電性のワイヤ27で接続されている。
【0090】
また、受光素子アレイ6が形成されている基板上には、電子回路56,57が集積されている。
【0091】
次に、この第2の実施の形態の作用を説明する。
【0092】
スケール2がx方向に変位すると、受光素子アレイ6の受光面上の回折パターン12もx方向に変位し、この回折パターン12の動きを受光素子アレイ6で検出することにより、スケール2の動きを検出することができる。
【0093】
なお、詳細には、受光面上の回折パターン12の特定の空間位相部分に相当する光強度が、交互に配置した4群の受光素子アレイ51,52,53,54によった検出される。
【0094】
以後は、これらの各検出信号を、Va,Vb,Va′,Vb′と記載することにする。
【0095】
そして、Va−Va′と、Vb−Vb′とはエンコーダのいわゆるA相(正弦波)、B相(余弦波)出力として利用される。
【0096】
またVa,Vb,Va′,Vb′の各出力の総和をとることにより、レーザビームの強度をモニタすることができるため、環境変化や経時変化などによるレーザビームの強度変化を一定にするようにフィードバックしたり、あるいは、A相、B相出力信号とVa,Vb,Va′,Vb′の各出力の演算和の信号との適当な演算により、環境変化や経時変化などによるレーザビームの強度変化の影響をある程度まで補正することが可能である。
【0097】
従って、この実施の形態においては、スケール2と光源1(エンコーダヘッド部)のギャップ変動の影響および周囲環境の影響を殆ど受けないで、スケール2のx方向の変位を正確に検出することができる。
【0098】
一方、スケール2と光源1の位置関係があらかじめ設定した基準位置近傍になるようにスケール2がx方向に相対移動したときには、光ビームの一部は、基準位置検出用のパターンに照射され、スケール2が基準位置近傍にないときには、基準位置検出用のパターン以外の領域に照射される。
【0099】
この実施の形態では、基準位置検出用のパターンをx方向に集光作用を有するレンズ作用を有するホログラムで形成している。
【0100】
スケール2が基準位置近傍に移動すると、光ビームの一部は、基準位置検出用のパターンに照射され、ここでx方向に対して集光され、第2の光検出器3′として機能する受光素子55にて検出されることにより、基準位置の検出がなされる。
【0101】
ここで、第2の光検出器3′上に集光された光の拡がりを参照符号18で示している。
【0102】
また、光源1から出射した光ビームの透光部材60上の拡がりを参照符号14、スケール2面上の拡がりを参照符号10、スケール2で反射された光の透光部材60上の拡がりを参照符号15、スケール2で反射された光の受光面上の拡がりを参照符号12、スケール2上の基準位置検出用のパターンで集光された光の透光部材60上の拡がりを参照符号17で示している。
【0103】
この実施の形態では、透光部材60は、全体として発光素子21の出射面からスケール2に向かう光路上の光学的厚さと、スケール2により反射、透過又は、回折された前記光ビームがスケール2の反射面、透過面又は回折面から光検出器3の検出面に向かう光路上の光学的厚さとが等しくなるように形成されているため、
(1)前述の(1)式を満たすように、光源1、スケール2、光検出器3を配置することが容易である。
【0104】
(2)特に、Z1=Z2とする配置が、図3の(a)に示すように、光検出器3の受光面と発光素子21の発光面の高さを同じにするような簡単な配置で可能になる。
【0105】
もし、光源1とスケール2の間隔が前述の(1)式からずれたとしても、前述の(2)式で示されるように、回折パターンの拡大倍率は変化しないので、安定なセンシングが可能である。
【0106】
なお、この第2の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【0107】
例えば、受光素子アレイ6を形成した半導体基板上に発光素子21を直に組み立てるようにしてもよい。
【0108】
この場合も、透光部材60は、全体として発光素子21の出射面からスケール2に向かう光路上の光学的厚さと、スケール2により反射、透過又は、回折された前記光ビームがスケール2の反射面、透過面又は、回折面から光検出器3の検出面に向かう光路上の光学的厚さとが等しくなるように形成される。
【0109】
また、図2の(a)に示した光源1と透光部材60及び光検出器3の組を複数配置して、各々の組に対して第1、第2のトラックパターンを設ける構成も可能である。
【0110】
この場合、各々の組に対して、第1、第2のトラックパターンを異なるパターンにすれば、例えば、スケール2の変位をアブソリュートに検出することができる。
【0111】
また、各々の組の第1、第2のトラックパターンの一部を同じパターンにすれば、スケール2上のゴミや欠陥、あるいは、システム全体の誤動作に対して安定な検出が可能である。
【0112】
また、光源1については、半導体レーザやLEDに限定されるものではなく、例えば、スリット付きランプ、エレクトロルミネッセンス(EL)素子なども含まれる。
【0113】
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態による光学式検出装置としての光源1と光検出器3と、透光部材60の組み合わせ構成について、光ビームの主軸を含む面における断面構成を図3の(b)に示す。
【0114】
この図3の(b)では、前述した第2の実施の形態として図3の(a)で示した第2の透光部材60を光源1の上面、又は、受光素子面の少なくともいずれかに接触した配置を示している。
【0115】
この透光部材60の屈折率が一様であれば、t1=t2となるように形成される点は同じである。
【0116】
このようにすることにより、光源1、光検出器3、透光部材60を付き当てにより組み立てることができるので、組立作業が容易になる。
【0117】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【0118】
(第4の実施の形態)
本発明の第4の実施の形態による光学式検出装置としての光源1と光検出器3と透光部材60の組み合わせ構成について、光ビームの主軸を含む面における断面構成を図3の(c)に示す。
【0119】
この図3の(c)では、前述した第2の実施の形態として図3の(a)で示した第2の透光部材60を光源1の上に配置しない構成である。
【0120】
この透光部材60の屈折率が一様であれば、t1=t2となるように形成される点は同じである。
【0121】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【0122】
(第5の実施の形態)
本発明の第5の実施の形態による光学式検出装置としての光源1と光検出器3と透光部材25の組み合わせ構成について、光ビームの主軸を含む面における断面構成を図4の(b)に示す。
【0123】
この図4(b)では、透光部材25が光源1を覆う封止部材だけで形成された構成である。
【0124】
光源1と光検出器3を組み上げ後には、受光面上の透光部材25の厚さは、発光素子21上の透光部材25の厚さと同じである。
【0125】
このように、光源1を覆う封止部材としての透光部材25の形状を適切に設計するだけで、前述のような第2の透光部材60を作成したり、組み立てたりする必要がない。
【0126】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【0127】
(第6の実施の形態)
本発明の第6の実施の形態による光学式検出装置としての光源1と光検出器3、透光部材25の組み合わせ構成について,光ビームの主軸を含む面における断面構成を図5の(a)に示す。
【0128】
この図5(a)では、光検出器3の受光面が発光素子21の出射面より低く設定されているが、受光面上の透光部材25の厚さt1と、発光素子21上の透光部材25の厚さt2を異なる値にすることにより、全体として発光素子21の出射面からスケール2に向かう光路上の光学的厚さと、スケール2により反射、透過又は、回折された前記光ビームがスケール2の反射面、透過面又は、回折面から光検出器3の検出面に向かう光路上の光学的厚さとが等しくなるように形成されている。
【0129】
この場合も、光源1、光検出器3を付き当てにより組立できるので、組立作業が容易になる。
【0130】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【0131】
(第7の実施の形態)
本発明の第7の実施の形態による光学式検出装置としての光源1と光検出器3、透光部材25の組み合わせ構成について、光ビームの主軸を含む面における断面構成を図5の(b)に示す。
【0132】
この図5の(b)では、光検出器3の受光面が発光素子21の光ビーム出射面より高く設定されている点を除き、図5の(a)の場合と同様である。
【0133】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【0134】
(第8の実施の形態)
本発明の第8の実施の形態による光学式検出装置としての光学式エンコーダの構成について、図6の(a)乃至(c)に示す。
【0135】
図6の(a)は、スケール2の詳細な拡大図、図6の(b)は、透光部材60の詳細な拡大図、図6の(c)は、光源1及び光検出器3の詳細な拡大図を示している。
【0136】
この第8の実施の形態による光学式エンコーダの全体の配置図は、前述した第2の実施の形態と同様である。
【0137】
本実施の形態において、第2の実施の形態と同様な部分については説明を省略する。
【0138】
光源1から出射した光ビームは透光部材60上で領域14で示された範囲に光ビームが拡がっており、この光ビームの拡がり領域14の一部には、透光部材60上に光学機能素子としての回折格子61が形成されている。
【0139】
また、光源1から出射した光ビームの一部が回折格子61により回折された光を検出するための第3の光検出器として受光素子59が、前述の第2の光検出器3′として機能する受光素子55と同じ基板上に形成されている。
【0140】
次に、この第8の実施の形態の作用を説明する。
【0141】
光源1から出射した光ビームの一部が回折格子61により回折され、第3の光検出器である受光素子59により検出される。
【0142】
この第3の光検出器59の出力は光源1の出力に比例しているため、該第3の光検出器59の出力をフィードバックして光源の出力を一定にしたり、あるいは、前述の第1、第2の光検出器3,3′の出力信号を光源1の出力状態に応じて補正する等のことが可能になり、安定かつ高精度な検出が可能となる。
【0143】
なお、この実施の形態の各構成は、当然、各種の変形・変更が可能である。
【0144】
例えば、透光部材60上に形成される光学機能素子は回折格子61に限定されるものではない。
【0145】
また、光学機能素子を集積する目的も、光出力のモニタ機能に限定されるものではなく、多様な目的で使用される。
【0146】
従って、これらの目的にに応じて、光学機能素子として、例えば、ミラー、ホログラム位相板などが形成される。
【0147】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【0148】
(第9の実施の形態)
本発明の第9の実施の形態による光学式検出装置としての光学式エンコーダの構成について、図7の(a)乃至(d)に示す。
【0149】
図7の(a)は、全体の断面図、図7の(b)は、スケール2の詳細な拡大図、図7の(c)は、透光部材60の詳細な拡大図、図7の(d)は、光源1及び光検出器3の詳細な拡大図を示している。
【0150】
なお、本実施の形態において、前述した第2の実施の形態と同様な部分については説明を省略する。
【0151】
光源1から出射した光ビームは透光部材60上で領域14で示された範囲に光ビームが拡がっており、この光ビームの拡がり領域14には、透光部材60上に分岐光学素子として機能する回折格子63が形成されている。
【0152】
また、この回折格子63の両側には、さらに、二つの回折格子63a,63bが同じ透光部材60上に分岐光学素子として機能する回折格子63と同じピッチでかつ、同じ方向にビーム回折機能を有するように形成されている。
【0153】
次に、この第9の実施の形態の作用を説明する。
【0154】
光源1から出射した光ビームが透光部材60上に形成された回折格子63により分岐され、スケール上の第1のトラックパターン4と第2のトラックパターン5に照射され、各々、スケール2面にて光ビームが反射されて再度、透光部材60上に形成された回折格子63a,63bにより光ビームの方向を出射ビームの方向と平行に修正され、各々の光ビームが第1の光検出器3として機能する受光素子アレイ6及び、第2の光検出器3′として機能する受光素子55に入射される。
【0155】
ここで、光源1から出射した光ビームの透光部材60上の拡がりを参照符号14、スケール2面上の拡がりを参照符号10、スケール2で反射された光の透光部材60上の拡がりを参照符号15、スケール2で反射された光の受光面上の拡がりを参照符号12、スケール2上の基準位置検出用のパターンで集光された光の透光部材60上の拡がりを参照符号18で示している。
【0156】
なお、この第9の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【0157】
例えば、透光部材60上に形成された3つの回折格子63,63a,63bは共通のものとして形成されてもよい。
【0158】
また、これらの3つの回折格子63,63a,63bは必ずしも、同じピッチや同じ方向にビーム回折機能を有するような必要はない。
【0159】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【0160】
(第10の実施の形態)
本発明の第10の実施の形態による光学式検出装置としての光学式エンコーダの構成について、図8の(a)乃至(c)に示す。
【0161】
図8の(a)は、スケール2の詳細な拡大図、図8の(b)は、透光部材60の詳細な拡大図、図8の(c)は、光源1及び光検出器3の詳細な拡大図を示している。
【0162】
この第10の実施の形態による光学式エンコーダの全体の配置図は、前述した第2の実施の形態と同様である。
【0163】
なお、本実施の形態において、前述した第2の実施の形態と同様な部分については説明を省略する。
【0164】
光源1から出射した光ビームがスケール2上の第2のトラックパターン5により反射され、第2の光検出器3′に至る光路上には、光透過部材60にホログラムレンズ62が一体形成されている。
【0165】
第2のトラックパターン5には、基準位置検出用の所定幅の反射パターン64が形成されている。
【0166】
次に、この第10の実施の形態の作用を説明する。
【0167】
光源1から出射した光ビームの一部は、透光部材60を通過した後、スケール2上の第2のトラックパターン5に照射され、スケール2面にて光ビームが反射されて再度、透光部材60上に形成されたホログラムレンズ62により集光され、スケール2と光源1は基準位置の配置関係になると、第2の光検出器3′として機能する受光素子55に入射する。
【0168】
この実施の形態では、基準位置検出のために使うレンズをスケール2面上ではなく、光透過部材60上に形成した点に特徴がある。
【0169】
通常のエンコーダの動作においては、スケール2と光源1及び光検出器3の位置関係が僅かに変動するため、レンズにより集光した光のビームウェストを正確に受光面上に設定することは難しいが、この実施の形態では、光源1、光透過部材60、光検出器3の3者を互いに固定することにより、このような不具合を解消することができる。
【0170】
なお、この第10の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【0171】
例えば、透光部材60上に形成されたホログラムレンズ62は、シリンドリカルなホログラムレンズに限定されるものではなく、集光作用や一定の光学パターンを生成するものであればよい。
【0172】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【0173】
(第11の実施の形態)
本発明の第11の実施の形態による光学式検出装置としての光学式エンコーダの構成について、全体の斜視図を図9に示す。
【0174】
なお、本実施の形態において、前述した第2の実施の形態と同様な部分については説明を省略する。
【0175】
本実施の形態では、第2の実施の形態と比較して、スケール2上の第1、第2のトラックパターン4,5に照射される光ビームの光源を第1の光源1及び第2の光源1′として別に配置した点が異なる。
【0176】
次に、この第11の実施の形態の作用を説明する。
【0177】
第1の光源1及び第2の光源1,1′から出射した光ビームの一部は、各々、透光部材60を通過した後、スケール2上の第1、第2のトラックパターン4,5に照射され、スケール2面にて光ビームが反射されて再度、透光部材60を通過した後に、第1及び第2の光検出器3,3′に入射する以外は、第2の実施の形態と同様である。
【0178】
第1及び第2の光源1,1′の間隔、また、これに対応した第1及び第2のトラックパターン4,5の間隔を光ビームの拡がりに関わらず大きく設定することが可能であるため、スケール2と光源1,1′の図示y方向の配置許容度を大きく設定することができる。
【0179】
なお、この第11の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【0180】
例えば、光源1,1′及びトラックパターン4,5の組は2組に限定されず、3組以上の複数組の構成にすることもできる。
【0181】
なお、本実施の形態は、光学式エンコーダに限らず、一般の光学式検出装置に適用できる。
【0182】
【発明の効果】
従って、以上説明したように、本発明によれば、例えば、対象物に取り付けられた反射物の動きを検出するような光学式検出装置において、移動量等の検出に誤差が生じたり、あるいは、検出信号の乱れが生じることがないようにした光学式検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の第1の実施の形態による光学式検出装置の構成を示す断面図である。
【図2】図2は、本発明の第2の実施の形態による光学式検出装置の要部の構成を示すもので、図2の(a)は、全体の分解斜視図、図2の(b)は、スケール2の詳細な拡大図、図2の(c)は、透光部材60の詳細な拡大図、図2の(d)は、光源1及び光検出器3の詳細な拡大図を示している。
【図3】図3の(a)は、本発明の第2の実施の形態による光学式検出装置の要部の構成を示すもので、光源1部分及び透光部材60部分の断面図である。
図3の(b)は、本発明の第3の実施の形態による光学式検出装置としての光源1と光検出器3と、透光部材60の組み合わせ構成について示す、光ビームの主軸を含む面における断面図である。
図3の(c)は、本発明の第4の実施の形態による光学式検出装置としての光源1と光検出器3と、透光部材60の組み合わせ構成について示す、光ビームの主軸を含む面における断面図である。
【図4】図4の(a)は、本発明の第2の実施の形態による光学式検出装置としての光源1と光検出器3と、透光部材60及び透光部材25の組み合わせ構成について示す、光ビームの主軸を含む面における断面図である。
図4の(b)は、本発明の第5の実施の形態による光学式検出装置としての光源1と光検出器3と、透光部材25の組み合わせ構成について示す、光ビームの主軸を含む面における断面図である。
【図5】図5の(a)は、本発明の第6の実施の形態による光学式検出装置としての光源1と光検出器3と、透光部材25の組み合わせ構成について示す、光ビームの主軸を含む面における断面図である。
図5の(b)は、本発明の第7の実施の形態による光学式検出装置としての光源1と光検出器3と、透光部材25の組み合わせ構成について示す、光ビームの主軸を含む面における断面図である。
【図6】図6は、本発明の第8の実施の形態による光学式検出装置の要部の構成を示すもので、図6の(a)は、スケール2の詳細な拡大図、図6の(b)は、透光部材60の詳細な拡大図、図6の(c)は、光源1及び光検出器3の詳細な拡大図を示している。
【図7】図7は、本発明の第9の実施の形態による光学式検出装置の要部の構成を示すもので、図7の(a)は、全体の断面図、図7の(b)は、スケール2の詳細な拡大図、図7の(c)は、透光部材60の詳細な拡大図、図7の(d)は、光源1及び光検出器3の詳細な拡大図を示している。
【図8】図8は、本発明の第10の実施の形態による光学式検出装置の要部の構成を示すもので、図8の(a)は、スケール2の詳細な拡大図、図8の(b)は、透光部材60の詳細な拡大図、図8の(c)は、光源1及び光検出器3の詳細な拡大図を示している。
【図9】図9は、本発明の第11の実施の形態による光学式検出装置としての光学式エンコーダの構成について示す全体の分解斜視図である。
【図10】図10の(a),(b)は、光学式検出装置の構成に関する第1の従来例に使用される小型のセンサ用光源1を示す断面図である。
【図11】図11は、図10の(a),(b)に示した光源1を利用した光学式検出装置の第1の従来例を示す断面図である。
【図12】図12は、光学式検出装置の第2の従来例として、スケールの移動を検出するエンコーダの構成に関する従来例を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
1…光源、
21…LEDチップ、
2…スケール、
22…ヒートシンク、
3…光検出器、
23…リード線、
4…スケール上の移動量検出用トラックパターン、
24…リード線、
5…スケール上の基準位置検出用トラックパターン、
25…透光部材、
6…受光素子アレイ、
26…ワイヤボンドバンプ、
7…基準位置検出用受光素子、
27…(配線)ワイヤ、
8…出射ビームの主軸、
28…電極プレート、
9…出射ビーム拡がり、
29…絶縁材、
9′…光源から凹面鏡レンズに向かう光ビームの拡がり、
30…側面封止部材、
10…スケール面における出射ビームの拡がり、
31…透明封止部材、
11…出射ビームが対象物またはスケールにより反射又は透過、回折された後の光ビーム拡がり、
51…受光素子アレイのうちA相信号検出部、
52…受光素子アレイのうちB相信号検出部、
11′…凹面鏡レンズから光検出器に向かう光ビームの拡がり、
53…受光素子アレイのうちA−相信号検出部、
54…受光素子アレイのうちB−相信号検出部、
12…出射ビームが対象物又はスケールにより反射又は透過、回折された後の光検出器の受光面上における光ビーム拡がり、
55…基準位置検出用受光素子、
56…集積回路、
57…集積回路、
13…ビーム出射窓、
58…受光素子、
14…光源から対象物又はスケールに向かう光ビームの透光部材上における拡がり、
59…受光素子、
60…透光部材、
15…出射ビームが対象物またスケールにより反射又は透過、回折された後の透光部材上における光ビーム拡がり、
61…回折格子、
62…集光用ホログラム、
63,63a,63b…分岐光学素子または回折格子、
64…所定幅の反射パターン、
17…出射ビームがスケール上の基準位置検出用トラックパターンにより反射又は透過、回折された後の透光部材上における光ビーム拡がり、
65…スリット部材、
70…基板、
71…電極パッド、
18…出射ビームがスケール上の基準位置検出用トラックパターンにより反射又は透過、回折された後の光検出器の受光面上における光ビーム拡がり、
80…出射ビームが透光部材に作りつけられた分岐光学素子により分岐された後の光ビームの主軸、
81…出射ビームが透光部材に作りつけられた分岐光学素子により分岐された後の光ビームの主軸、
90…対象物に取り付けられた凹面鏡レンズ。
Claims (5)
- 対象物に光を照射する発光素子と、
前記対象物において反射、透過又は回折された前記発光素子からの光を検出する光検出器と、
前記発光素子から前記対象物を経由し前記光検出器に至る光路中に配置された、第1及び第2の透光部材とを有し、
前記第1の透光部材及び前記第2の透光部材によって、前記発光素子の射出面から前記対象物の被照射部分までの光学距離と前記対象物の被照射部分から前記光検出器の検出面までの光学距離とが略等しくなるように構成されていることを特徴とする光学式検出装置。 - 対象物に光を照射する発光素子と、
前記対象物において反射、透過又は回折された前記発光素子からの光を検出する光検出器と、
前記発光素子から前記対象物を経由し前記光検出器に至る光路中に配置された第1及び第2の透光部材とを備え、
ここで、n10は、前記発光素子から前記対象物に至る光路中における前記第1の透光部材の屈折率、
t10は、前記発光素子から前記対象物に至る光路中における前記第1の透光部材の光主軸方向厚さ、
n20は、前記発光素子から前記対象物に至る光路中における前記第2の透光部材の屈折率、
t20は、前記発光素子から前記対象物に至る光路中における前記第2の透光部材の光主軸方向厚さ、
n11は、前記対象物から前記光検出器に至る光路中における前記第1の透光部材の屈折率、
t11は、前記対象物から前記光検出器に至る光路中における前記第1の透光部材の光主軸方向厚さ、
n21は、前記対象物から前記光検出器に至る光路中における前記第2の透光部材の屈折率、
t21は、前記対象物から前記光検出器に至る光路中における前記第2の透光部材の光主軸方向厚さであり、
前記t10とt11の一方はゼロでもよく、前記t20とt21の一方はゼロでもよいものとするとき、次式
n10・t10+n20・t20=n11・t11+n21・t21
の関係が略成立するように構成されていることを特徴とする光学式検出装置。 - 前記第1の透光部材と前記第2の透光部材は、互いに嵌合可能に構成されていることを特徴とする請求項1又は2記載の光学式検出装置。
- 前記発光素子の射出面と前記光検出器の検出面が略同一平面上に配置されてい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学式検出装置。
- 前記第1の透光部材と前記第2の透光部材がともに前記発光素子と一体化されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の光学式検出装置。
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