JP5192717B2

JP5192717B2 - フラットトップ反射型光エンコーダ

Info

Publication number: JP5192717B2
Application number: JP2007100468A
Authority: JP
Inventors: テオン・スウィー・タン; プレクマル・エス・ラマチャンドラン; イー・ルーン・チン; チェン・ホワイ・タン; ウェン・フェイ・ウォン
Original assignee: アバゴ・テクノロジーズ・ジェネラル・アイピー（シンガポール）プライベート・リミテッド
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2007-04-06
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2027-04-06
Also published as: US7495583B2; KR101256236B1; JP2007286050A; US20070241943A1; KR20070102412A; CN101055194B; CN101055194A

Description

本発明は、位置、及び／又は動きを検出する光エンコーダデバイスに関する。

光エンコーダは、何らかの基準に対する物体の位置、及び／又は動きを判定する種々の用途で使用される。光エンコーダは、機械系において、可動部品間の動きを測定、及び追跡するための安価で信頼性のある手段としてしばしば使用される。例えば、プリンタ、スキャナ、複写機、ファクシミリ、プロッタ等の撮像装置はしばしば、画像を紙のような媒体上に印刷したり、媒体から画像を読み取るときに、光エンコーダを使用して、撮像媒体の動きを追跡する。

一般に、光エンコーダは、「コードホイール」や「コードストリップ」と連携して動作する何らかの形をした対を成す発光体と光検出器を含む。コードホイールは一般に円形であり、プリンタや複写機の用紙フィーダの動きのような回転運動の検出に使用することができる。これに対してコードストリップは通常、直線的な形をしていて、プリンタのプリントヘッドの位置や速度のような直線運動の検出に使用することが出来る。こうしたコードホイールやコードストリップは一般に、光エンコーダの形によって異なる規則的なパターンを成すスロット、及びバーを有する。

光エンコーダは、信頼性の高い技術であることが判明しているが、実際には、製造手順を単純化し、製造工程の数を減らし、部品数を減らし、動作空間を最小限に抑えたいという産業上の圧力も存在している。したがって、光エンコーダに関する新たな技術が望まれている。

第１の意味において、機械的デバイスの位置、及び／又は動きを検出する反射型光エンコーダ装置は、少なくとも１つの反射性部分を有するエンコード媒体と、内部に発光源及び光検出センサが組み込まれたエンコーダハウジングとを含み、該エンコーダハウジングは、前記発光源から前記エンコード媒体の少なくとも１つの反射性部分を介して前記光検出センサまで有効光路が確立されるように前記エンコード媒体に近接して配置される。前記エンコーダハウジングは、前記発光源と前記エンコード媒体との間に配置された第１の平坦なファセット（小平面）を有し、該第１の平坦なファセットは、共通の幾何学平面に対して第１の角度を成し、前記発光源から前記エンコード媒体へ透過される光を第１の傾斜光路に沿って屈折させ、屈折された光が、前記エンコード媒体の所望の位置に当たるように構成される。

第２の意味において、機械的装置の位置、及び／又は動きを検出する反射型光エンコーダ装置は、少なくとも１つの反射性部分を有するエンコード媒体と、内部に発光源及び光検出センサが組み込まれたエンコーダハウジングとを含み、該エンコーダハウジングは、前記発光源から前記エンコード媒体の少なくとも１つの反射性部分を介して前記光検出センサまで有効光路が確立されるように前記エンコード媒体に近接して配置される。前記エンコーダハウジングは、前記光検出センサと前記エンコード媒体との間に配置された第１の平坦なファセットを有し、該第１の平坦なファセットは、前記エンコード媒体の所望の位置から渡される光を傾斜光路に沿って屈折させ、屈折された光が前記光検出センサへ導かれるような角度を有する。

第３の意味において、機械的デバイスの位置、及び／又は動きを検出する反射型光エンコーダ装置は、少なくとも１つの反射性部分を有するエンコード媒体と、内部に発光源及び光検出センサが組み込まれたエンコーダハウジングとを含み、該エンコーダハウジングは、前記発光源から前記エンコード媒体の少なくとも１つの反射性部分、及び第１の屈折手段を介して前記光検出センサまで有効光路が確立されるように前記エンコード媒体に近接して配置され、前記第１の屈折手段は、エンコーダ本体と前記エンコード媒体との間に配置され、前記有効光路を確立するために、光を傾斜光路に沿って有効に屈折させる。

実施例は、添付の図面と併せて下記の説明を読むと最もよく理解できる。なお、種々の特徴は、必ずしも原寸通りに描かれてはいないことに注意して欲しい。実際、説明を分かり易くするために、寸法は、任意に拡大縮小されている場合がある。可能な限り、同じ参照符号は、同様の構成要素を示している。

下記の詳細な説明では、本明細書の教示による実施形態を完全に理解してもらうために、制限の目的ではなく図示説明の目的で、特定の詳細を開示した例示的実施形態について説明する。ただし、本明細書の開示の恩恵を受けた当業者であれば、本明細書に開示した特定の詳細から外れた本明細書の教示による他の実施形態も、添付の特許請求の範囲に含まれることは明らかであろう。また、実施形態の説明が不明瞭にならないように、既知の装置、及び方法に関する説明は省略している。

光エンコーダは一般に、２つのカテゴリに分類される。すなわち、透過型光エンコーダと反射型光エンコーダである。

図１は、透過型光エンコーダ１００を示している。図１に示すように、透過型光エンコーダ１００は、ハウジング１０４の中に入った発光体１０１及び光検出器１０２を含む。光学レンズ１０６は、ハウジング１０４内の発光体１０１の下に組み込まれ、発光体１０１によって放出された光を平行光１０５としてコリメート（平行化）する。発光体１０１と光検出器１０２との間には空き空間１０７が設けられ、コードホイール／コードストリップ１０３は、空き空間１０７の中で自由に回転、又は運動することができる。

動作時には、発光体１０１によって放出された光が、光学レンズ１０６によってコリメートされ、空き空間１０７、及びコードホイール／コードストリップ１０３を通して透過される。透過光の光路上にスロット／開口が存在するような位置にコードホイール／コードストリップ１０３がある場合、その光は、光検出器１０２に透過され、そこで光が検出される。透過光の光路上にスロット／開口が存在しないような位置にコードホイール／コードストリップ１０３がある場合、透過光は遮断され、光検出器１０２は、光が存在しないことを検出する。

図１が透過型装置を示しているのに対し、図２は、反射型光エンコーダ２００を示している。反射型光エンコーダ２００は、リードフレーム２０７に搭載され、光ハウジング２０４の中に入った発光体２０１及び光検出器２０２を有する。光ハウジング２０４は通常、何らかの形の樹脂、又はガラスから作成される。図示の光学素子２０４は、２つのドーム形表面を有している。第１のドーム形表面２０５は、発光体２０１の直ぐ上にあり、第２のドーム形表面２０６は、光検出器２０２の直ぐ上にある。

動作時には、発光体２０１によって放出された光が、第１のドーム形表面２０５（これはレンズとして機能する）によって集束され、又はコリメートされ、コードホイール／コードストリップ２０３へと透過される。透過光の光路上に反射性スロット／バーが存在するような位置にコードホイール／コードストリップ２０３がある場合、透過光は第２のドーム形表面２０６（これはレンズもレンズとして機能する）によって反射され、光検出器２０２上に集束され、そこで検出される。透過光の光路上に反射性スロット／バーが存在しないような位置にコードホイール／コードストリップ２０３がある場合、透過光は実質的に遮断され、光検出器２０２は、光が存在しないことを検出する。

図３は、新規なフラットトップ反射型光エンコーダ３００を示している。図３に示すように、光エンコーダ３００は、発光体３０１、及び光検出器３０２を含み、それらはいずれも基板３０７上に搭載され、光ハウジング３０４の中に入っている。光ハウジング３０４は、発光体３０１、及び光検出器３０２の両方の上に配置された単一の平坦な表面／ファセット３０５を有し、ファセット３０５は基板３０７に対して平行になっている。コードホイール／コードストリップ３０３は、ファセット３０５の上に適当な距離で配置される。

動作時には、発光体３０１によって放出された光が、ファセット３０５を通過するときに屈折され、通過した光は、図３に示した種々の光路３０８に沿って更に伝搬する。光路３０８上に反射性ストリップ／スロット／バーが存在しないような位置にコードホイール／コードストリップ３０３がある場合、透過光は、位置３１３で捕捉され、エンコーダハウジング３０４へと反射され、ファセット３０５の境界を通過するときに２度目の屈折を受け、光検出器３０２へと伝送され、そこでセンス／検出される。光路３０８上に反射性ストリップ／スロット／バーが存在しないような位置にコードホイール／コードストリップ３０３がある場合、位置３１３において光は実質的に遮断され、光検出器３０２は光が存在しないことを検出する。また、光路３０８上に反射性バーと非反射性バーの組み合わせが同時に存在するような位置にコードホイール／コードストリップ３０３がある場合、位置３１３においてコードホイール／コードストリップ２０３は、反射性バーと非反射性バーのパターンに対応する光を反射し、そのパターンを光検出器３０１上に実質的に投影する。

上で述べたように、光は、光ハウジング３０４と空気の境界を通過するときに、空気とハウジングの境界で、すなわちファセット３０５で屈折される。この屈折は、ハウジング３０４の材料の屈折率Ｉ_Ｆ１、空気の屈折率Ｉ_ＦＡ、及び光がファセット３０５を通過するときの角度の関数となる。したがって、当然ながら、ハウジング３０４の材料の選択や、発光体３０１と光検出器３０２との間の相対位置（並びに、種々の他の特別な距離、及び幾何配置）の選択は、光エンコーダ３００全体の所望の能力に影響を与える可能性がある。したがって、望ましい、又は有用であると判明した場合、材料、幾何配置／隙間に関する種々の設計上の選択肢は、実施形態によって変更してもよい。

フラットトップ光検出器の利点は、パッケージの高さに制限を課し、エンコーダが物理的アライメントの影響を受けやすくなる原因となる余計なドームが不要になることである。フラットトップエンコーダパッケージを組み込むことによって、パッケージの高さを減らし、アライメント問題を軽減し、製造を単純化することができる。フラットトップ光学部品では通常、ドーム形レンズの理論上の分解能を達成することはできない。しかしながら、それでも、フラットトップ本体を使用する光エンコーダは、１インチ当たり７５ラインを超える分解能のコードストリップ／コードホイールに使用することができ、こうしたコードストリップ／コードホイールは、多量の産業上のニーズを満たす。

図４は、図３の新規な反射型光エンコーダの第１の変形を示している。図４に示すように、変形光エンコーダ４００は、図３の光エンコーダ３００と似たような構造を有しているが、本体構造は異なっている。すなわち、エンコーダハウジング４００はトレンチ４１０を有し、トレンチ４１０は実質的に、２つの独立したファセット４０５、及び４０６を形成し、それらを通して光を透過させることができる。トレンチ４１０は、発光体３０１と検出器３０２との間の分離を向上させる働きをする分離構造体であり、コードホイール／コードストリップ３０３で反射された光ではない光が、発光体３０１から光検出器３０２へ伝搬される確率を低減する働きをする。

図３、及び図４に示したフラットトップエンコーダ２００／３００の光検出器２０２／３０２、及び発光体２０１／３０１は、共通の基板上に搭載されるものとして描かれているが、当然ながら、種々の状況における必要性、又は利便性に応じて、光検出器や発光体が異なる基板上に搭載される種々の実施形態も可能であり、検出器側のファセットと発光体側のファセットは、同じ平面上、又は平行な平面上に配置にしてもよいし、そうでなくてもよい。

図５は、図３の新規な反射型光エンコーダの更に別の変形を示している。図５に示すように、変形光エンコーダ５００は、発光体３０１、及び光検出器３０２を含み、それらはいずれも基板３０７上に搭載され、ハウジング５０４の中に入っている。ハウジング５０４は、発光体３０１と光検出器３０２のそれぞれの上に配置された２つの平坦なファセット５０５、及び５０６を有する。ファセット５０５、及び５０６はそれぞれ、基板３０７に対して角度θ_１／θ_２を成している。発光体３０１と光検出器３０２の間には光分離トレンチ５１０が設けられ、コードホイール／コードストリップ３０３は、ファセット３０５の上に適当な距離で配置される。

図５の光エンコーダ５００の動作は、前述の例と実質的に同じである。ただし、光がファセット５０５、及び５０６を通過する際に、その光が、θ_１、及びθ_２、並びに、種々の屈折率Ｉ_Ｆ１／Ｉ_ＦＡ、及び、エミッタ３０１、光検出器３０２、及び他の構成部品の間の空間的距離や幾何配置の関数に従って屈折される点が異なる。多くの実施形態では、角度θ_１とθ_２は等しいものとして設計されるが、光エンコーダの実施形態によっては、角度θ_１とθ_２が異なる非対称光構成にする場合もある。また、光エンコーダの実施形態によっては、一方の角度を０度にし、他方の角度を０度以外にする場合もある。

傾きのあるファセットを使用すると、図３や図４に示した光エンコーダに比べて光エンコーダの分解能を向上させることができる場合があることが、分析から分かっている。ただし、傾きのあるファセットは、特定の光エンコーダにとって最良の設計上の選択であるか否かに関わらず、他の設計事項によっても異なる場合がある。

図６は、図５の光エンコーダの変形を示している。図６に示すように、変形光エンコーダ６００は、多数の独立した相違点を有する。第１の相違点は、分離を更に向上させるために、図５のトレンチ５１０が、光学的に不透明な構造体６１０によって置き換えられている点である。第２の相違点は、エンコーダ６００の本体は、発光体側６０４−１と検出器側６０４−２とに分離されている点である。場合によっては、発光体側本体６０４−１、及び検出器側本体６０４−２は、異なる屈折率ＩＦ１／ＩＦ２を有する異なる材料から作成することができ、また、図５に関連して上で述べたように、θ_１とθ_２は互いに異ならせることができ、それに応じて、発光体３０１、及び／又は検出器３０２の位置のような他の設計上の基準も変更される場合がある。

本発明の例示的実施形態を以下に列挙する。
１．機械的装置の位置、及び／又は動きを検出する反射型光エンコーダ装置であって、
少なくとも１つの反射性部分を有するエンコード媒体と、
内部に発光源及び光検出センサが組み込まれ、前記発光源から前記エンコード媒体の少なくとも１つの反射性部分を介して前記光検出センサまで有効光路が確立されるように前記エンコード媒体に近接して配置されたエンコーダハウジングと
を含み、前記エンコーダハウジングが、前記発光源と前記エンコード媒体との間に配置された第１の平坦なファセットを有し、該第１の平坦なファセットが、共通の幾何平面に対して第１の角度を成し、前記発光源から前記エンコード媒体へと通過する光が、前記エンコード媒体の所望の位置へ向けて第１の傾斜光路に沿って屈折されるように構成される、反射型光エンコーダ装置。
２．前記エンコーダハウジングは第２の平坦なファセットを更に含み、該第２の平坦なファセットは、前記光検出センサと前記エンコード媒体との間に配置され、前記共通の幾何平面に対して第２の角度を成し、前記エンコード媒体の所望の位置から反射された光が、前記光検出センサへ向けて第２の傾斜光路に沿って屈折されるように構成される、１に記載の反射型光エンコーダ装置。
３．前記エンコーダハウジングは、前記発光源と前記光検出センサとの間に配置された光分離構造体を有する、２に記載の反射型光エンコーダ装置。
４．前記エンコーダハウジングは一体構造である、３に記載の反射型光エンコーダ装置。
５．前記発光源と前記光検出センサが、共通の基板上に搭載される、４に記載の反射型光エンコーダ。
６．前記共通の幾何平面に対する前記第１のファセットの第１の角度と、前記共通の幾何平面に対する前記第２のファセットの第２の角度とが実質的に等しい、２に記載の反射型光エンコーダ装置。
７．前記第１のファセットと前記第２のファセットがいずれも、前記共通の幾何平面に対して実質的に平行である、６に記載の反射型光エンコーダ装置。
８．前記第１のファセットと前記第２のファセットがいずれも、前記共通の幾何平面に対して実質的に平行ではない、６に記載の反射型光エンコーダ装置。
９．前記共通の幾何平面に対する前記第１のファセットの第１の角度と、前記共通の幾何平面に対する第２のファセットの第２の角度が、実質的に等しくない、２に記載の反射型光エンコーダ装置。
１０．前記第１のファセットと前記第２のファセットのうちの少なくとも一方が、前記共通の幾何平面に対して平行ではない、９に記載の反射型光エンコーダ装置。
１１．前記第１のファセットと前記第２のファセットがいずれも、前記共通の幾何平面に対して平行ではない、９に記載の反射型光エンコーダ装置。
１２．前記エンコード媒体が、コードホイール、及びコードストリップのうちの少なくとも一方である、１に記載の反射型光エンコーダ装置。
１３．機械的装置の位置、及び／又は動き検出する光エンコーダ装置であって、
少なくとも１つの反射性部分を有するエンコード媒体と、
内部に発光源及び光検出センサが組み込まれ、前記発光源から前記エンコード媒体の前記少なくとも１つの反射性部分を介して前記光検出センサまで有効光路が確立されるように前記エンコード媒体に近接して配置されたエンコーダハウジングと
を含み、前記エンコーダハウジングが、前記光検出センサと前記エンコード媒体との間に配置された第１の平坦なファセットを有し、該第１の平坦なファセットが、前記エンコード媒体の所望の位置から反射された光が、前記光検出センサへ向けて第１の傾斜光路に沿って屈折されるように構成される、光エンコーダ装置。
１４．機械的装置の位置、及び／又は動きを検出する光エンコーダ装置であって、
少なくとも１つの反射性部分を有するエンコード媒体と、
内部に発光源及び光検出センサが組み込まれ、前記発光源から前記エンコード媒体の少なくとも１つの反射性部分を介して前記光検出センサまで有効光路が確立されるように前記エンコード媒体に近接して配置されたエンコーダハウジングと、
前記エンコーダ本体と前記エンコード媒体との間に配置され、前記有効光路を確立するために、光を傾斜光路に沿って有効に屈折させる第１の屈折手段と
を含む、光エンコーダ装置。
１５．前記第１の屈折手段は、前記発光源と前記エンコード媒体との間に配置される、１４に記載の光エンコーダ装置。
１６．前記第１の屈折手段は、平坦なファセットである、１５に記載の光エンコーダ装置。
１７．前記エンコーダ本体と前記エンコード媒体との間に配置され、前記有効光路を確立するために光を傾斜光路に沿って有効に屈折させる第２の屈折手段を更に含む、１５に記載の光エンコーダ装置。
１８．前記第１の屈折手段は、前記光検出手段と前記エンコード媒体との間に配置される、１７に記載の光エンコーダ装置。
１９．前記光検出センサと前記発光源との間に配置された分離手段を更に含む、１４に記載の光エンコーダ装置。

本明細書では、幾つかの例示的実施形態を開示しているが、当業者であれば、本明細書の開示に従った多数の変形が可能であり、それらも添付の特許請求の範囲内であることは明らかであろう。したがって、それらの実施形態は、添付の特許請求の範囲の外を制限するものではない。

従来技術による透過型光エンコーダを示す図である。従来技術による反射型光エンコーダを示す図である。新規なフラットトップ反射型光エンコーダを示す図である。図３の新規な反射型光エンコーダの第１の変形を示す図である。図３の新規な反射型光エンコーダの第２の変形を示す図である。図５の新規な反射型光エンコーダの変形を示す図である。

符号の説明

３０１発光体
３０２光検出器
３０３コードホイール／コードストリップ
３０４、４０４、５０４ハウジング
３０５、４０５、４０６ファセット
３０７基板
４１０、５１０トレンチ

Claims

機械的装置の位置、及び／又は動きを検出する反射型光エンコーダ装置(300,500,600)であって、
少なくとも１つの反射性部分を有するエンコード媒体(303)と、
発体源(301)、及び光センサ(302)が搭載された基板(307)と、
内部に前記発光源(301)及び前記光検出センサ(302)が組み込まれ、前記発光源(301)から前記エンコード媒体(303)の少なくとも１つの反射性部分を介して前記光検出センサ(302)まで有効光路が確立されるように前記エンコード媒体(303)に近接して配置されたエンコーダハウジング(304,404,504,604)と
を含み、前記エンコーダハウジング(304,404,504,604)が、前記発光源(301)と前記エンコード媒体(303)との間に配置された第１の平坦なファセット(305,405,505)を有し、該第１の平坦なファセット(305,405,505)が、前記基板(307)に対して第１の角度を成し、前記発光源(301)から前記エンコード媒体(303)へと透過される光を前記エンコード媒体(303)の所望の位置(313)に向けて第１の傾斜光路に沿って屈折させるように構成され、
前記エンコーダハウジング(304,404,504,604)は第２の平坦なファセット(406,506)を更に有し、該第２の平坦なファセット(406,506)は、前記光検出センサ(302)と前記エンコード媒体(303)との間に配置され、前記基板に対して第２の角度を成し、前記エンコード媒体の前記所望の位置(313)から渡される光を第２の角度に沿って前記光検出センサ(302)へと屈折させるように構成され、
前記第１の平坦なファセット(405,505)と前記第２の平坦なファセット(406,506)のうちの少なくとも一方が、前記基板に対して平行ではない、反射型光エンコーダ装置(300,500,600)。
前記エンコーダハウジング(304,404,504,604)は、前記発光源(301)と前記光検出センサ(302)との間に配置された光分離構造体(410,510,610)を有する、請求項１に記載の反射型光エンコーダ装置(300,500,600)。
前記エンコーダハウジング(304,404,504,604)は一体構造である、請求項２に記載の反射型光エンコーダ装置(300,500,600)。
前記基板に対する前記第１の平坦なファセット(405,505)の第１の角度と、前記基板に対する前記第２の平坦なファセット(406,506)の第２の角度とが、実質的に等しい、請求項１に記載の反射型光エンコーダ装置(300,500,600)。
前記第１の平坦なファセット(405,505)と前記第２の平坦なファセット(406,506)がいずれも、前記基板に対して実質的に平行ではない、請求項４に記載の反射型光エンコーダ装置(300,500,600)。
前記基板に対する前記第１の平坦なファセット(405,505)の第１の角度と、前記基板に対する前記第２の平坦なファセット(406,506)の第２の角度とが、実質的に等しくない、請求項１に記載の反射型光エンコーダ装置(300,500,600)。
前記第１の平坦なファセット(405,505)と前記第２の平坦なファセット(406,506)が、前記基板に対して実質的に平行ではない、請求項６に記載の反射型光エンコーダ装置(300,500,600)。