JPWO2008126836A1 - 光学式エンコーダ - Google Patents
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Abstract
Description
発光部42から光電変換素子アレイ43、44の受光面の一番遠いところまでの距離をD、
発光部42の発光面と光電変換素子アレイ43、44の受光面から透明光学部材45の表面までの距離をG、
透明光学部材45の表面内部で反射率が10%となる角度をθとそれぞれすると、以下の式が成り立つように厚みGを設定する。
G≧D/(2・tanθ)
ArcTan[L/(t1+t2)]≧ArcSin(n1/n2)
を満足するような薄さにすることも可能である。
スケールの光学パタンは、第2のピッチp2を有する光学格子によって構成される第2の格子であり、光検出部は、光検出器と、光検出器の受光面に配置された第3格子とが組み合わされて第2の格子の動きを検出するように構成されており、第3格子は、相対移動方向に対して第3のピッチp3で形成された所定の光学格子で構成されており、第3格子の形成面は、スケールに対して略平行に配置されていることが望ましい。
110 基板
120 ベアLED
130 光透過基板
131 第1格子
140 光検出器
141 PDアレイ
150 光透過基板
151 第3格子
160 光透過樹脂
161 光学パタン
162 光学パタン
170 スケール
171 第2格子
180 導電ワイヤ
p1=p3=2×p2
第3格子151は4つの格子群からなる。各格子群はピッチp3であるが、格子群ごとにp3/4だけ位相が異なるよう配置されている。
ここで、光透過基板130と光透過基板150と光透過樹脂160の屈折率は全てnであり、t1とt2とLは少なくとも以下の式を満たすように配置されている。
式4は、光透過樹脂160の表面での入射・出射光についてのスネルの法則に基づくものである。
Lmax<2G・tanθ1a+(t1+t2)・tanθ2a ・・・(式6)
即ち、前記光検出部は、前記相対移動方向に対して第3のピッチp3を有する所定の光学格子機能を有し、前記相対移動に基づいて前記第2格子が所定倍率で拡大されて結像した拡大投影イメージの動きを検出し、前記スケールの相対変位量に応じた周期信号を出力するように構成されている。
以上のことから、検出ヘッド上面に形成された光学パタンにより、安価で量産に向いていて適用・変更が容易でありながら、検出信号レベル飽和の回避やSN比の改善や検出ヘッドの薄型化・小型化や漏れ光の影響低減が可能となる。
面実装タイプのモールドLED120にすることで、配線は基板110上にまとまるため、金線ワイヤ等による接続は不要となる。
PDアレイを用いた本例においても、前記光検出部は、前記相対移動方向に対して第3のピッチp3を有する所定の光学格子機能を有し、前記相対移動に基づいて前記第2格子が所定倍率で拡大されて結像した拡大投影イメージの動きを検出し、前記スケールの相対変位量に応じた周期信号を出力するように構成されている。
モールドLEDは信頼性が高く、ハンドリングも容易であるという利点もある。
本例においても、前記光検出部は、前記相対移動方向に対して第3のピッチp3を有する所定の光学格子機能を有し、前記相対移動に基づいて前記第2格子が所定倍率で拡大されて結像した拡大投影イメージの動きを検出し、前記スケールの相対変位量に応じた周期信号を出力するように構成されている。
3重格子エンコーダと同様に高精度な位置検出が可能である。しかも、3重格子エンコーダと比べて第1格子を必要としないため、部材点数が減り、第1格子の位置や角度等の配置、特に回転ずれを抑える必要が無くなるため、製造が容易となり、歩留まり向上が期待出来る。
また、図18に示すように、光検出器であるPDアレイを実施例1のような第3格子を有する光透過基板と4つの受光部を有する光検出器に置き換えても同様な効果を発揮出来る。
さらに、実装時に変形しないガラス平行平板である光透過基板130の面実装タイプのモールドLED120側の面に第1格子131が形成されている。ガラス平行平板で検出ヘッドが封止されると共に、封止用の光透過基板130に光学格子としての機能を持たせることが出来、部材点数を削減することが可能となる。
実施例1〜4と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図16、図17は、それぞれ本実施例の光学式エンコーダの斜視構成、断面構成を示している。
本実施例は、実施例1において、樹脂160上面の光学パタンを無くし、その上に光学パタンを有するガラス平行平板である光透過基板190を実装した形態となっている。
平行平板である光透過基板190は共通基板である基板110の底面にほぼ平行に配置されている。樹脂160と光透過基板190の間に隙間がない様に実装されている。
本実施例のバリエーションとして、光検出器140と第3格子151を有する光透過基板150をPDアレイ141を有する光検出器140に置き換えたものとしてもよい。また、平行平板である光透過基板190を光源側とPDアレイ側の2つに分離してもよい。
ってしまう。
[0015]
また、エンコーダの外部環境が光に敏感な場合には、漏れ光が放出されることが問題となる可能性がある。この場合、漏れ光対策を講じる必要が生じる可能性がある。
[0016]
上述の特許文献1に示すエンコーダでは透明光学部材の厚みを大きく取ることで、このような問題を回避しようとしている。しかし、必ずしも小型化を満足しないものとなる。また、透明光学部材の厚みを大きく取ることで検出系のワーキング・ディスタンス(作動距離)を大きく取る必要が生じる。このため、設計の自由度が損なわれる可能性がでてくる。
[0017]
さらにモールド樹脂では温度変化による熱膨張・収縮や硬度の大きな変化がある。そのため、樹脂モールドのパッケージングを採用した場合に、サイズを大きくすることで配線ワイヤの断線やクラック発生などの問題が生じやすくなる。このため、信頼性を確保することが困難になったり、コストがかかったりするようになる可能性が出てくる。
[0018]
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ヘッド内部の迷光や外部からの光や外部への漏れ光等、直接信号検出に関係の無い光の影響を受けにくい、または、外部への影響を抑える小型薄型のエンコーダを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0019]
上述した課題を解決し、目的を達成するために、第1の側面において本発明によれば、変位検出される一方の部材に取り付けられたスケールと、
前記一方の部材に対して相対移動する他方の部材に取り付けられ、かつ、前記スケールに対向して配置された検出ヘッドと、を備えた光学式エンコーダであって、
前記スケールには、相対移動する方向に対して所定の光学パタンが設けられており、
前記検出ヘッドには、
前記スケールに所定の光を照射する発光部と、
前記発光部から前記スケールに照射されて前記光学パタンにより反射した光を受光する受光面を備え、その受光面上に形成される光分布を検出する光検出部と、
前記発光部と前記光検出部の前記スケール側の面上に配置された光透過部材と、が設けられており、
前記光透過部材の、前記スケールに対向する表面の少なくとも一部には、前記発光部からの前記光検出部に至る光の反射による伝播を抑制するための光伝播抑制パタンが配置されていることを特徴とする光学式エンコーダを提供できる。
[0020]
また、第2の側面において本発明によれば、
変位検出される一方の部材に取り付けられたスケールと、
前記一方の部材に対して相対移動する他方の部材に取り付けられ、かつ、前記スケールに対向して配置された検出ヘッドと、を備えた光学式エンコーダであって、
前記スケールには、相対移動する方向に対して所定の光学パタンが設けられており、
前記検出ヘッドには、
前記スケールに所定の光を照射する発光部と、
前記発光部から前記スケールに照射されて前記光学パタンにより反射した光を受光する受光面を備え、その受光面上に形成される光分布を検出する光検出部と、
前記発光部と前記光検出部の前記スケール側の面上に配置された光透過部材と、が設けられており、
前記光透過部材の、前記スケールに対向する表面の少なくとも一部には、光の伝播を抑制するための光伝播抑制パタンが配置されており、
前記光伝播抑制パタンは、前記光透過部材の表面のうちエンコーダ信号に直接寄与しない部分に配置されていることを特徴とする光学式エンコーダを提供できる。
[0021]
また、本発明の好ましい態様によれば、変位検出に関わる光路のうち、前記光透過部材の表面において、前記発光部から前記スケール表面へ至る光路の部分と前記スケール表面から前記光検出部へ至る光路の部分とが、前記光透過部材の表面と交差する2部分の中間部分に前記光伝播抑制パタンが配置されていることが望ましい。
[0022]
また、第3の側面において本発明によれば、変位検出される一方の部材に取り付けられたスケールと、
前記一方の部材に対して相対移動する他方の部材に取り付けられ、かつ、前記スケールに対向して配置された検出ヘッドと、を備えた光学式エンコーダであって、
前記スケールには、相対移動する方向に対して所定の光学パタンが設けられており、
前記検出ヘッドには、
前記スケールに所定の光を照射する発光部と、
前記発光部から前記スケールに照射されて前記光学パタンにより反射した光を受光する受光面を備え、その受光面上に形成される光分布を検出する光検出部と、
前記発光部と前記光検出部の前記スケール側の面上に配置された光透過部材と、が設けられており、
前記光透過部材の、前記スケールに対向する表面の少なくとも一部には、光の伝播を抑制するための光伝播抑制パタンが配置されており、
前記光伝播抑制パタンは少なくとも反射による光の伝播を抑制するパタンであって、
前記発光部から前記光透過部材の表面の前記光伝播抑制パタンを経て前記光検出部へ至る光の経路について、前記光の経路を通る光の少なくとも一部が前記光透過部材の表面に入射する角度が前記光伝播抑制パタンが存在しない場合に、前記光透過部材から外界への界面での全反射臨界角よりも大きくなることを特徴とする光学式エンコーダを提供できる。
[0023]
また、本発明の好ましい態様によれば、前記発光部と前記光検出部の前記スケール側の面はそれぞれ前記光透過部材により全体的かつ一体的に覆われるとともに、前記光透過部材の上面は略平坦であり、
前記発光部から前記光透過部材の表面までの距離をt1、
前記光検出部から前記光透過部材の表面までの距離をt2、
前記発光部上の位置と前記光検出部上の位置との間で最も遠くなる位置間の距離のうち前記スケールの表面に平行な方向の成分をL、
外界の屈折率n1、
前記光透過部材の屈折率をn2とそれぞれしたとき、
ArcTan[L/(t1+t2)]≧ArcSin(n1/n2)
を満足することが望ましい。
[0024]
また、本発明の好ましい態様によれば、前記光透過部材は、前記検出ヘッドを実装する際に充填される樹脂であることが望ましい。
[0025]
また、本発明の好ましい態様によれば、前記光透過部材は、前記検出ヘッドを実装する際に変形しない平行平板であることが望ましい。
[0026]
また、本発明の好ましい態様によれば、前記光透過部材は、2つ以上の部材からなることが望ましい。
[0027]
また、本発明の好ましい態様によれば、前記検出ヘッドは、前記スケールに対して最も遠い側に基板を有し、基板上に前記光源と光検出部と光透過性部材が一体的に配置・構成されていることが望ましい。
[0028]
また、第4の側面において本発明によれば、変位検出される一方の部材に取り付けられたスケールと、
前記一方の部材に対して相対移動する他方の部材に取り付けられ、かつ、前記スケールに対向して配置された検出ヘッドと、を備えた光学式エンコーダであって、
前記スケールには、相対移動する方向に対して所定の光学パタンが設けられており、
前記検出ヘッドには、
前記スケールに所定の光を照射する発光部と、
前記発光部から前記スケールに照射されて前記光学パタンにより反射した光を受光する受光面を備え、その受光面上に形成される光分布を検出する光検出部と、
前記発光部と前記光検出部の前記スケール側の面上に配置された光透過部材と、が設けられており、
前記光透過部材の、前記スケールに対向する表面の少なくとも一部には、高反射、光吸収、透過方向曲げのいずれかによって光の透過による伝播を抑制するための光伝播抑制パタンが配置されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
[0029]
図面の簡単な説明
[0030]
[図1]本発明の実施例1に係る光学式エンコーダの斜視構成を示す図である。
[図2]実施例1に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
[図3]実施例1の変形例に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
[図4]実施例1の他の変形例に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
[図5]実施例1のさらに他の変形例に係る光学式エンコーダの断面構成を示す図である。
[図6]光学パタンとDC成分との関係を示す図である。
Claims (18)
- 変位検出される一方の部材に取り付けられたスケールと、
前記一方の部材に対して相対移動する他方の部材に取り付けられ、かつ、前記スケールに対向して配置された検出ヘッドと、を備えた光学式エンコーダであって、
前記スケールには、相対移動する方向に対して所定の光学パタンが設けられており、
前記検出ヘッドには、
前記スケールに所定の光を照射する発光部と、
前記発光部から前記スケールに照射されて前記光学パタンにより反射した光を受光する受光面を備え、その受光面上に形成される光分布を検出する光検出部と、
前記発光部と前記光検出部の前記スケール側の面上に配置された光透過部材と、が設けられており、
前記光透過部材の、前記スケールに対向する表面の少なくとも一部には、光の伝播を抑制するための光伝播抑制パタンが配置されていることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 前記光伝播抑制パタンは、前記光透過部材の表面のうちエンコーダ信号に直接寄与しない部分に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。
- 変位検出に関わる光路のうち、前記光透過部材の表面において、前記発光部から前記スケール表面へ至る光路の部分と前記スケール表面から前記光検出部へ至る光路の部分とが、前記光透過部材の表面と交差する2部分の中間部分に前記光伝播抑制パタンが配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。
- 前記発光部から前記光透過部材の表面の前記光伝播抑制パタンを経て前記光検出部へ至る光の経路について、前記光の経路を通る光の少なくとも一部が前記光透過部材の表面に入射する角度が前記光伝播抑制パタンが存在しない場合に、前記光透過部材から外界への界面での全反射臨界角よりも大きくなることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。
- 前記発光部と前記光検出部の前記スケール側の面はそれぞれ前記光透過部材により全体的かつ一体的に覆われるとともに、前記光透過部材の上面は略平坦であり、
前記発光部から前記光透過部材の表面までの距離をt1、
前記光検出部から前記光透過部材の表面までの距離をt2、
前記発光部上の位置と前記光検出部上の位置との間で最も遠くなる位置間の距離のうち前記スケールの表面に平行な方向の成分をL、
外界の屈折率をn1、
前記光透過部材の屈折率をn2とそれぞれしたとき、
ArcTan[L/(t1+t2)]≧ArcSin(n1/n2)
を満足することを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。 - 前記光透過部材は、前記検出ヘッドを実装する際に充填される樹脂であることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。
- 前記光透過部材は、前記検出ヘッドを実装する際に変形しない平行平板であることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。
- 前記光透過部材は、2つ以上の部材からなることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。
- 前記検出ヘッドを実装する際に変形しない平行平板を前記光透過部材として有することを特徴とする請求項8に記載の光学式エンコーダ。
- 前記平行平板には光学格子が形成されていることを特徴とする請求項7、または、請求項9に記載の光学式エンコーダ。
- 前記検出ヘッドの前記スケールに対向する面が樹脂に覆われ、さらに、樹脂の前記スケール側に平行平板が配置されていることを特徴とする請求項8に記載の光学式エンコーダ。
- 前記検出ヘッドは、前記スケールに対して最も遠い側に基板を有し、基板上に前記光源と光検出部と光透過性部材が一体的に配置・構成されていることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。
- 前記発光部は、光源と、前記光源の前記スケールに対向する側に配置された、第1格子とが組み合わされて前記所定の光を照射するように構成され、
前記第1格子は、前記相対移動方向に対して第1のピッチp1を有する所定の光学格子で構成されており、
前記スケールの光学パタンは、第2のピッチp2を有する光学格子によって構成される第2格子であり、
前記光検出部は、光検出器と、前記光検出器の受光面に配置された、第3の格子とが組み合わされて前記第2格子の動きを検出するように構成されており、
前記第3格子は、前記相対移動方向に対して第3のピッチp3を有する所定の光学格子で構成されており、
前記第1格子の形成面と前記第3格子の形成面は、前記スケールに対して略平行に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。 - 前記発光部は、光源と、前記光源の前記スケールに対向する側に配置された、第1格子とが組み合わされて前記所定の光を照射するように構成され、
前記第1格子は、前記相対移動方向に対して第1のピッチp1で形成された所定の光学格子で構成されており、
前記スケールの光学パタンは、第2のピッチp2を有する光学格子によって構成される第2格子であり、
前記光検出部は、前記相対移動方向に対して第3のピッチp3を有するアレイ状光検出器で構成されており、
前記第1格子の形成面とアレイ状光検出器の検出面は、前記スケールに対して略平行に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。 - 前記発光部は、点状または(前記相対移動方向に対して垂直な方向に)線状の光源を備え、
前記スケールの光学パタンは、第2のピッチp2を有する光学格子によって構成される第2格子であり、
前記光検出部は、光検出器と、前記光検出器の受光面に配置された第3格子とが組み合わされて第2格子の動きを検出するように構成されており、
前記第3格子は、前記相対移動方向に対して第3のピッチp3で形成された所定の光学格子で構成されており、
前記第3格子の形成面は、前記スケールに対して略平行に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。 - 前記発光部は、点状または(前記相対移動方向に対して垂直な方向に)線状の光源を備え、
前記スケールの光学パタンは、第2のピッチp2を有する光学格子によって構成される第2格子であり、
前記光検出部は、前記相対移動方向に対して第3のピッチp3を有するアレイ状光検出器で構成されており、
前記アレイ状光検出器の検出面は、前記スケールに対して略平行に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。 - 前記発光部は、光源と、前記光源の前記スケールに対向する側に配置された、第1格子とが組み合わされて前記所定の光を照射するように構成され、
前記第1格子は、前記相対移動方向に対して第1のピッチp1を有する所定の光学格子で構成されており、
前記スケールの光学パタンは、第2のピッチp2を有する光学格子によって構成される第2格子であり、
前記光検出部は、前記相対移動方向に対して第3のピッチp3を有する所定の光学格子機能を有し、前記相対移動に基づいて前記第2格子が所定倍率で拡大されて結像した拡大投影イメージの動きを検出し、前記スケールの相対変位量に応じた周期信号を出力するように構成されており、
前記第1格子の形成面と前記光検出部の形成面は、前記スケールに対して略平行に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。 - 点状または(前記相対移動方向に対して垂直な方向に)線状の光源を備え、
前記スケールの光学パタンは、第2のピッチp2を有する光学格子によって構成される第2格子であり、
前記光検出部は、前記相対移動方向に対して第3のピッチp3を有する所定の光学格子機能を有し、前記相対移動に基づいて前記第2格子が所定倍率で拡大されて結像した拡大投影イメージの動きを検出し、前記スケールの相対変位量に応じた周期信号を出力するように構成されており、
前記光検出部の形成面は、前記スケールに対して略平行に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光学式エンコーダ。
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