JP2007003209A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＣ成分を小さくすることで、変位信号の飽和を防止し、ＤＣ成分に対して変位信号振幅が大きい安価な光学式エンコーダを提供すること。
【解決手段】反射型の光学式エンコーダ１００において、光源１０４の光出射部１４１の任意の点１４１ｐから放出された光のうち、光透過樹脂１０５と外界との界面で全反射する光が、光検出器１０３の受光部１３１の一部に入射するように、または受光部１３１とは異なる領域に入射するように、光源１０４の光出射部１４１と光検出器１０３の受光部１３１とが配置されていること及び光透過樹脂１０５の形状が形成されていること及び光透過樹脂１０５の光学特性が設定されていることの少なくとも何れか一つを満足することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被検出体の位置等を検出する光学式エンコーダに関する。

従来、光源と光検出器を光透過樹脂で一体化した小型のセンサヘッドを有する光学式エンコーダが、例えば特許文献１に提案されている。図１８の（ａ）、（ｂ）は、特許文献１に開示されている光学式エンコーダの構成を示す。光源であるチップ状の発光素子２４と、光検出器であるチップ状の受光素子２６をリードフレーム３０の同一面にダイボンデイングする。そして、受光素子２４と受光素子２６とを光透過性樹脂でモールドする。同時に、光透過性材料からなる部材を貼り付けて一体化したセンサヘッドを構成する。この構成により、部品点数が少なく製造コストの低減を図ることができる。

特開昭６４−７４４１５号公報

しかしながら、上述の従来例のように発光素子と受光素子をリードフレームに搭載した状態において光透過樹脂でモールドして一体化したセンサヘッド、または光透過樹脂上に光透過材料を貼り付けた構成では、次に述べるような不具合が生じてしまう。例えば図１５に示すように光源７０の光出射部から出射した光Ｌａが、光透過樹脂６０と外界（一般的には空気）との界面８０において、界面８０の法線Ｎに沿った方向と角度θ２をなす場合を考える。外界の媒質の屈折率をｎ１、光透過樹脂６０の屈折率をｎ２、及び外界に向かう屈折光Ｌｂ１の屈折角度θ１とそれぞれした時、スネルの法則により次式（１）の関係が成立する。
ｎ１・ｓｉｎθ１＝ｎ２・ｓｉｎθ２ ・・・・（１）

また、外界の媒質は、一般的に空気である。このため、外界の媒質の屈折率は、おおよそｎ１≒１である。さらに、光透過樹脂またはガラスなどの光透過材料の屈折率は、ｎ２＞１である。このため、光透過樹脂６０と外界との界面８０で光Ｌａが全反射する臨界角度θｃｒが存在する。臨界角度θｃｒは式（１）においてθ１＝９０度の時であり、式（２）で表すことができる。
θｃｒ＝ｓｉｎ^−１（ｎ１／ｎ２）・・・・（２）

式（３）で示すような臨界角度θｃｒより大きい角度θ２の範囲では、光源７０の光出射部から出射した光Ｌａは、光透過樹脂と外界との界面で全反射する。
θ２≧ｓｉｎ^−１（ｎ１／ｎ２）・・・・（３）

一方、図１６の（ａ）に示す光学式エンコーダでは、ピッチＰ２の格子パターンを有するスケール９１がセンサヘッド９２と相対移動する。これにより、光源から出射した光がスケール９１に形成された格子パターンの影響を受けて回折する。このため、センサヘッド９２から周期Ｐ２の変位信号が得られる。

ここで、「変位信号」とは、スケール９１とセンサヘッド９２との間の相対移動に応じて周期的に変化する位相が一定角度ずれた複数相のアナログ信号またはこのアナログ信号を信号処理して変換したデジタル信号のことである。９０度位相がずれたＡ相、Ｂ相の２相のアナログ信号の例を図１６の(ｂ)に、またデジタル信号の例を図１６の(ｃ)にそれぞれ示す。

例えば、図１５に示す光源７０の光出射部から出射した光Ｌａが、光透過樹脂６０と外界との界面８０で全反射した光Ｌｂ２が、光検出器９０の受光部に入射する場合がある。この場合、図１７の（ａ）に示すようにアナログ信号のＤＣ成分Ａｄｃ、Ｂｄｃが増加する。図１７の（ａ）に示したアナログの変位信号は、光検出器９０の受光部で受光した光電流を電圧に変換した電圧である。そして、変位信号のＳ／Ｎ比を上げて、位置検出の高精度化を図るためには変位信号の振幅をできるだけ大きくすることが望ましい。

これに対して、ＤＣ成分が大きくなり、図１７の（b）に示したように変位信号の処理回路の動作電圧以上の変位信号電圧になると、変位信号の飽和という問題が生じてくる。特に、低電圧駆動の処理回路が望まれる場合は、飽和なく振幅が大きい変位信号を得るためにＤＣ成分を小さくすることが必要である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、上述したＤＣ成分を小さくすることで、変位信号の飽和を防止し、ＤＣ成分に対して変位信号振幅が大きい安価な光学式エンコーダを提供することを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、第１の本発明によれば、少なくとも１つの光源と少なくとも１つの光検出器を、光透過樹脂で一体化したパッケージからなるセンサヘッドと、センサヘッドと相対的に変位するスケールとから構成され、光源の光出射部から出射した光をスケールで反射及び回折し、反射及び回折した光を光検出器の受光部で受光してセンサヘッドから変位信号を出力する光学式エンコーダにおいて、光源の光出射部の任意の点から放出された光のうち、光透過樹脂と外界との界面で全反射する光が、光検出器の受光部の一部に入射するように、または受光部とは異なる領域に入射するように、光源の光出射部と光検出器の受光部とが配置されていること及び光透過樹脂の形状が形成されていること及び光透過樹脂の光学特性が設定されていることの少なくとも何れか一つを満足することを特徴とする光学式エンコーダを提供できる。

また、本発明の好ましい態様によれば、光透過樹脂のスケールに対向する表面は、略平坦であることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、光源の光出射部の任意の点から放出された光のうち、光透過樹脂と外界との界面で全反射する光が、光検出器の受光部の一部に入射するように、または受光部とは異なる領域に入射するように、光検出器の受光部と光源の光出射部とが配置されており、かつ光透過樹脂の厚みが設定されていることが望ましい。なお、「形状」には、厚み（厚さ）も含まれる。

また、本発明の好ましい態様によれば、光透過樹脂のスケールに対向する表面と、光源の光出射部の表面と、光検出器の受光部の表面とが略平行であり、
光源の光出射部の表面から光透過樹脂のスケールに対向する表面までの厚みをｔ１１と、
光検出器の受光部の表面から光透過樹脂のスケールに対向する表面までの厚みをｔ２１と、
光源の光出射部の任意の点から光検出器の受光部の中心までの光透過樹脂の表面に対して平行な方向の距離をｄｃと、
外界の媒質の屈折率をｎ１と、
光透過樹脂の屈折率をｎ２とそれぞれしたとき、
ｔａｎ^−１（ｄｃ／（ｔ１１＋ｔ２１））＜ｓｉｎ^−１（ｎ１／ｎ２）
の条件式を満足することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、光透過樹脂のスケールに対向する表面と、光源の光出射部の表面と、光検出器の受光部の表面とが略平行であり、
光源の光出射部の表面から光透過樹脂のスケールに対向する表面までの厚みをｔ１１１と、
光検出器の受光部面から光透過樹脂のスケールに対向する表面までの厚みをｔ２１１と、
光源の光出射部の任意の点から光検出器の受光部までの光透過樹脂の表面に対して平行な方向の距離のうち最も長い距離をｄｅと、
外界の媒質の屈折率をｎ１と、
光透過樹脂の屈折率をｎ２とそれぞれしたとき、
ｔａｎ^−１（ｄｅ／（ｔ１１１＋ｔ２１１））＜ｓｉｎ^−１(ｎ１／ｎ２）
の条件式を満足することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、光透過樹脂のスケールに対向する表面のうち光源の光出射部と光検出器の受光部との間の少なくとも一部の表面は、凸状部を有していることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、光透過樹脂のスケールに対向する表面のうち凸状部の表面と、光源の光出射部の表面と、光検出器の受光部の表面とが略平行であり、
光源の光出射部の表面から光透過樹脂の凸状部のスケールに対向する表面までの厚みをｔ１２と、
光検出器の受光部の表面から光透過樹脂の凸状部のスケールに対向する表面までの厚みをｔ２２と、
光源の光出射部の任意の点から光検出器の受光部の中心までの光透過樹脂の表面に対して平行な方向の距離をｄｃと、
外界の媒質の屈折率をｎ１と、
光透過樹脂の屈折率をｎ２とそれぞれしたとき、
ｔａｎ^−１（ｄｃ／（ｔ１２＋ｔ２２））＜ｓｉｎ^−１（ｎ１／ｎ２）
の条件式を満足することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、光透過樹脂のスケールに対向する表面のうち凸状部の表面と、光源の光出射部の表面と、光検出器の受光部の表面とが略平行であり、
光源の光出射部の面から光透過樹脂の凸状部のスケールに対向する表面までの厚みをｔ１２２と、
光検出器の受光部の表面から光透過樹脂の凸状部のスケールに対向する表面までの厚みをｔ２２２と、
光源の光出射部の任意の点から光検出器の受光部までの光透過樹脂の表面に対して平行な方向の距離のうち最も長い距離をｄｅと、
外界の媒質の屈折率をｎ１と、
光透過樹脂の屈折率をｎ２とそれぞれしたとき、
ｔａｎ^−１（ｄｅ／（ｔ１２２＋ｔ２２２））＜ｓｉｎ^−１（ｎ１／ｎ２）
の条件式を満足することが望ましい。

また、第２の本発明によれば、少なくとも１つの光源と少なくとも１つの光検出器を、光透過樹脂で一体化したパッケージからなるセンサヘッドと、センサヘッドと相対的に変位するスケールとから構成され、光源の光出射部から出射した光をスケールで反射及び回折し、その反射及び回折した光を光検出器の受光部で受光してセンサヘッドから変位信号を出力する光学式エンコーダにおいて、光透過樹脂のスケールに対向する表面のうち光源の光出射部と光検出器の受光部との間の少なくとも一部の表面は、凹状部を有していることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、光透過樹脂のスケールに対向する表面のうち凹状部の表面と、光源の光出射部の表面と、光検出器の受光部の表面とが略平行であり、
光源の光出射部の表面から光透過樹脂の凹状部のスケールに対向する表面までの厚みをｔ１３と、
光検出器の受光部の表面から光透過樹脂の凹状部のスケールに対向する表面までの厚みをｔ２３と、
光源の光出射部の任意の点から光検出器の受光部までの光透過樹脂の表面に対して平行な方向の距離のうち最も短い距離をｄｓと、
外界の媒質の屈折率をｎ１と、
光透過樹脂の屈折率をｎ２とそれぞれしたとき、
１．７３×（ｔ１３＋ｔ２３）＜ｄｓ
の条件式を満足することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、光源上に、少なくとも１つのスリットパターンを有する光学部材を配置したことが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、スリットパターンを有する光学部材は、光源に直接貼付されていることが望ましい。

本発明に係る光学式エンコーダは、いわゆる反射型の光学式エンコーダにおいて、光源の光出射部の任意の点から放出された光のうち、光透過樹脂と外界との界面で全反射する光が、光検出器の受光部の一部に入射するように、または受光部とは異なる領域に入射するように、光源の光出射部と光検出器の受光部とが配置されていること及び光透過樹脂の形状が形成されていること及び光透過樹脂の光学特性が設定されていることの少なくとも何れか一つを満足することを特徴とする。これにより、光透過樹脂と外界との界面で全反射する光は、受光部の一部または受光部とは異なる領域に入射する。このため、信号の全反射した光による信号のＤＣ成分を小さくできる、この結果、変位信号の飽和を防止し、ＤＣ成分に対して変位信号振幅が大きい光学式エンコーダを提供できる。また、本発明では、センサヘッドを、例えばモールド等により構成できる。この結果、部品点数及び製造工程が少なくて良いため、安価な光学式エンコーダを提供できる。

以下に、本発明に係る光学式エンコーダの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１に本発明の実施例１に係る光学式エンコーダ１００の概略構成を示す。光学式エンコーダ１００は、センサヘッド１０１と、センサヘッド１０１に対向して配置されているスケール１１０とから構成されている。センサヘッド１０１には、配線基板１０２上に光出射部１４１を有する光源１０４と、受光部１３１を内部に有した光検出器１０３とを別体で配置している。そして、光源１０４と光検出器１０３とは、外界との界面１５１が平坦な形状の光透過樹脂１０５で一体化したパッケージとして構成されている。また、スケール１１０は、センサヘッド１０１と相対的に変位する格子パターン１１１を有している。格子パターン１１１は、スケール１１０とセンサヘッド１０１とが相対移動する方向に対して所定のピッチで形成されている光学パターンである。

スケール１１０は、光源１０４の光出射部１４１から出射した光Ｌｓを格子パターン１１１で反射及び回折する。ここで、光源１０４としては、例えばＬＥＤ等のような点光源を用いることができる。光検出器１０３の受光部１３１は、その反射及び回折した光Ｌｓｒを受光する。換言すると、光検出器１０３は、格子パターン１１１により反射及び回折した光により受光部１３１上に形成されるセルフイメージの動きを検出する。そして、センサヘッド１０１は、図１６の（ｂ）、（ｃ）に示したようなアナログまたはデジタルの変位信号を出力する。

図３は、光検出器１０３上に形成されている受光部１３１の受光素子アレイを拡大して示す。受光素子アレイは、例えば矩形状の４つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４が複数組み合わされて構成されている。

フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４は、それぞれ１／４×ｐ１ずつずらして櫛歯状に配置されている。そして、それぞれのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４からの電気信号を４つの電極パッドＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２より出力する。

スケール１１０が相対移動すると、４つの電極パッドＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２から互いに１／４周期だけ位相が異なる疑似正弦波信号が得られる。これにより、変位の向き（移動方向の判別）の検出が可能になる。さらに、出力信号の内挿処理（変位量の内挿処理）を行うことで、スケール１１０に形成されている格子パターン１１１のピッチよりも大幅に細かい分解能で変位量を検出することが可能である。このように、光学式エンコーダ１００は、いわゆる反射型の光学式エンコーダである。

また、図１に示すように光源１０４の光出射部１４１の表面と、光検出器１０３の受光部１３１の表面と、光透過樹脂１０５の外界との界面１５１とが平行になるように構成されている。

ここで、
センサヘッド１０１の光透過樹脂１０５の屈折率をｎ２、
外界の媒質の屈折率をｎ１（一般的に、媒質は空気なのでｎ１≒１）、
光透過樹脂１０５のスケール１１０に対向する表面（界面１５１）から光出射部１４１面までの厚みをｔ１１と、
表面（界面１５１）から光検出器１０３の受光部１３１の表面までの厚みをｔ２１と、
光源１０４の光出射部１４１の任意の点から光検出器１０３の受光部１３１の中心までの表面（界面１５１）に対して平行な方向の間隔（距離）をｄｃと、
間隔ｄｃの中で光源１０４の光出射部１４１の任意の点１４１ｐから出射した光Ｌａが光透過樹脂１０５の表面（界面１５１）で反射し、光検出器１０３の受光部１３１の中心１３１ａに入射する光Ｌｂ２の光透過樹脂１０５の表面（界面１５１）での反射点１０７までの法線１０６に沿った方向の間隔をｄ１１、
間隔ｄｃの中で光検出器１０３の受光部１３１の中心１３１ａから光透過樹脂１５１の表面（界面１５１）での反射点１０７までの法線１０６に沿った方向の間隔をｄ２１とそれぞれする。

また、光源１０４の光出射部１４１から出射した光Ｌａが、光透過樹脂１０５の表面と外界の媒質である空気との界面１５１において、界面１５１の法線１０６との角度がθ２とする。このとき、光透過樹脂１０５の界面１５１で反射する光Ｌｂ２は、光透過樹脂１０５の界面１５１の法線１０６との角度がθ２となる。

従って、幾何学的に次式（４）を満足する関係となる。
ｔａｎθ２＝ｄ１１／ｔ１１
＝ｄ２１／ｔ２１・・・・（４）

また、ｄｃ＝ｄ１１＋ｄ２１なので（４）式より次のようになる。
ｄｃ＝（ｔ１１＋ｔ２１）・ｔａｎθ２
θ２＝ｔａｎ^−１（ｄｃ／（ｔ１１＋ｔ２１））・・・・（５）

ここで、光透過樹脂１０５の屈折率ｎ２は、空気（ｎ１≒１）より大きい（ｎ２＞ｎ１）。このため、上述したように（３）式を満たす角度θ２の範囲では、光透過樹脂１０５の表面（界面１５１）で光Ｌａは、全反射する。そこで、次の（６）式を満たす光検出器１０３の受光部１３１と光源１０４の光出射部１４１との配置及び光透過樹脂１０５の厚さｔ１１、ｔ２１とする。これにより、光源１０４の光出射部１４１から出射した光Ｌａのうち光透過樹脂１０５の表面（界面１５１）で全反射した光は、受光部１３１中心から光源１０４とは反対側の受光部１３１だけに入射する。この結果、図２に示すように、光源１０４側の受光部１３１の領域１５０（斜線部）への全反射光の入射を防ぐことができる。図２は、光検出器１０３と光源１０４との平面図である。なお、以下全ての平面図において、便宜上、反射点１０７を通る直線にも法線１０６の符号を付して説明する。
ｔａｎ^−１（ｄｃ／（ｔ１１＋ｔ２１）)＜ｓｉｎ^−１（ｎ１／ｎ２）・・・・（６）

光源１０４から出射した光の強度は、一般的には距離の２乗に反比例して小さくなる。このため、光透過樹脂１０５の表面（界面１５１）で全反射して受光部１３１に入射する光の強度は、スケール１１０の格子パターン１１１で反射し、受光部１３１に入射して変位信号に寄与する光に比べて非常に大きい。そこで、光源１０４側に近い受光部１３１の領域１５０への光透過樹脂１０５の表面（界面１５１）からの全反射光入射を防止することにより、上述したＤＣ成分を低減できる。

このように、本実施例では、光源１０４の光出射部１４１の任意の点１４１ｐから放出された光のうち、光透過樹脂１０５と外界との界面１５１で全反射する光が、光検出器１０３の受光部１３１の一部に入射するように、または受光部１３１とは異なる領域に入射するように、以下の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のうち少なくとも何れか一つを満足することが望ましい。
（ａ）光源１０４の光出射部１４１と光検出器１０３の受光部１３１とが配置されていること
（ｂ）光透過樹脂１５１の形状が形成されていること
（ｃ）光透過樹脂１５１の光学特性、例えば屈折率が設定されていること

本実施例では、界面１５１で全反射する光が、光検出器１０３の受光部１３１の一部に入射するように、全反射する光が、光検出器１０３の受光部１３１の一部に入射するように、光源１０４の光出射部１４１と光検出器１０３の受光部１３１とが配置され、かつ光透過樹脂１５１の形状、例えば厚さを有している。これにより、上述したように変位信号のＤＣ成分を低減できる。

次に、実施例の作用を説明する。式（６）を満たすように光検出器１０３の受光部１３１と光源１０４の光出射部１４１との配置、及び光透過樹脂１５１の厚さｔ１１、ｔ１２とする。これにより、光源１０４の光出射部１４１から出射した光Ｌａのうち、光透過樹脂１０５の表面（界面１５１）で全反射する光が、受光部１３１の中心１３１ａから光源１４１側の略半分の受光部１３１の領域１５０への入射を防ぐ構成としている。このため、変位信号のＤＣ成分を低減して信号の飽和を防止できる。この結果、動作電圧が低電圧の信号処理回路でもＤＣ成分に対して振幅が大きい変位信号が得られる。また、本実施例のセンサヘッド構成は、配線基板１０２上の光源１０４と光検出器１０３とを同一の光透過樹脂１０５により、モールドなどの方法で覆う構成である。このため、部品点数及び製造工程が少なくて良いため、安価に光学式エンコーダを製造できる。

なお、実施例の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。光源１０４及び光検出器１０３は、１個に限らず多数配置しても良い。スケール１１０の格子パターン１１１も１種に限らず多種形成しても良い。また、光検出器１０３には、受光部１３１の他にアナログ信号をデジタル信号に変換する回路、内挿分割回路、光源１０４のドライバ−などを搭載しても良い。さらに、光検出器１０３の配線基板１０２への電気的接続方法として導電ワイヤによる接続の他に、光検出器１０３に裏面配線を施して半田などで配線基板１０２に接続しても良い。また、光透過樹脂１０５の形成方法はモールドに限らずポッティングなどの方法でも良いし、多数個のセンサヘッドが得られるような集合配線基板に光透過樹脂を一括で形成した後に、配線基板と光透過樹脂を同時に切出してセンサヘッド１０１を得る方法でも良い。

図４、図５を参照して本発明の実施例２に係る光学式エンコーダ２００を説明する。実施例１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。光学式エンコーダ２００は、センサヘッド１０１とスケール１１０とから構成されている。センサヘッド１０１は、配線基板１０２上に光出射部１４１を有する光源１０４と受光部１３１を内部に有した光検出器１０３を別体で配置して外界との界面が平坦な光透過樹脂１０５で一体化したパッケージから構成されている。また、スケール１１０は、センサヘッド１０１と相対的に変位する格子パターン１１１を有している。

光源１０４の光出射部１４１から出射した光Ｌｓをスケール１１０で反射及び回折し、その反射及び回折した光Ｌｓｒを光検出器１０３の受光部１３１で受光する。そして、センサヘッド１０１から図１６の（ｂ）、（ｃ）に示したようなアナログまたはデジタルの変位信号を出力する反射型の光学式エンコーダである。

本実施例が実施例１と相違する点は、光Ｌａのうち光透過樹脂１０５の表面（界面１５１）で全反射した光が受光部１３１の全面に亘って入射することを防止するように、光源１０４と光検出器１０３との配置、及び光透過樹脂１０５の厚さｔ１１１、ｔ２１１としていることである。換言すると、界面１５１で全反射した光は、受光部１３１とは異なる領域に入射するように構成されている。

光源１０４の光出射部１４１の任意の点１４１ｐから光検出器１０３の受光部１３１までの距離のうち、光出射部１４１から最も離れた受光部１３１までの表面（界面１５１）に対して平行な方向の間隔をｄｅとする。

また、間隔ｄｅの中で、光源１０４の光出射部１４１の任意の点１４１ｐから出射した光Ｌａは、光透過樹脂１０５の表面（界面１５１）で反射する。そして、光Ｌｂ２は、光検出器１０３の受光部１３１の光出射部１４１から最も離れた位置１３１ｂに入射する。ここで、任意の点１４１ｐから光透過樹脂１０５の表面（界面１５１）での反射点１０７までの法線１０６に沿った方向の間隔をｄ１１１とする。

また、間隔ｄｅの中で、反射点１０７から光検出器１０３の受光部１３１の光出射部１４１より最も離れた位置１３１ｂまでの法線１０６に沿った方向の間隔をｄ２１１とする。

光源１０４の光出射部１４１の任意の点１４１ｐから出射した光Ｌａが、光透過樹脂１０５の表面と外界である空気との界面１５１において、その界面の法線１０６に沿った方向との角度がθ２とする。この時、光透過樹脂１０５の表面で反射する光Ｌｂ２は、光透過樹脂１０５の表面（界面１５１）の法線１０６に沿った方向との角度がθ２となる。従って、幾何学的に次の関係となる。
ｔａｎθ２＝ｄ１１１／ｔ１１１
＝ｄ２１１／ｔ２１１・・・・（７）

また、ｄｅ＝ｄ１１１＋ｄ２１１なので（７）式から次のようになる。
ｄｅ＝（ｔ１１１＋ｔ２１１）・ｔａｎθ２
θ２＝ｔａｎ^−１（ｄｅ／（ｔ１１１＋ｔ２１１））・・・・（８）

ここで、光透過樹脂１０５の屈折率ｎ２は、空気（ｎ１≒１）より大きい（ｎ２＞ｎ１）。このため、上述したように（３）式を満たすθ２の範囲では、光透過樹脂１０５の表面（界面１５１）で光Ｌａは、全反射する。

そこで、次の（９）式を満たす光検出器１０３の受光部１３１と光源１０４の光出射部１４１との配置及び光透過樹脂厚ｔ１１１、ｔ２１１とする。これにより、光源１０４の光出射部１４１の任意の点１４１ｐから出射した光Ｌａが、光透過樹脂１０５の表面（界面１５１）で全反射して、受光部１３１へ入射することを防ぐことができる。
ｔａｎ^−１（ｄｅ／（ｔ１１１＋ｔ２１１））＜ｓｉｎ^−１（ｎ１／ｎ２）・・・（９）

このような構成にすることにより、実施例１で説明したように変位信号のＤＣ成分を少なくして信号の飽和を防止し、低電圧動作の信号処理回路でもＤＣ成分に対して振幅が大きい変位信号が得られる。

さらに、本実施例では、光Ｌａの中で光透過樹脂１０５の表面（界面１５１）で全反射する光が受光部１３１の全面に亘って入射することを防ぐ構成となっている。このため、ＤＣ成分の揺らぎなどを防止でき、変位信号のＳ/Ｎ比が向上する。従って、アナログ信号の逓倍回路を用いた高分割化が可能となり高分解能、高精度な光学式エンコーダを得ることができる。

本実施例は、実施例１と同様な作用を有すると共に、変位信号のＳ／Ｎ比が向上するので高分解能、高精度なエンコーダを得ることができる。なお、本実施例の各構成は、実施例１と同様な各種の変形、変更が可能である。

図６、図７を参照して本発明の実施例３に係る光学式エンコーダ３００を説明する。実施例１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。光学式エンコーダ３００は、実施例１と同様に配線基板１０２上に光出射部１４１を有する光源１０４と受光部１３１を内部に有した光検出器１０３とを別体で配置して光透過樹脂１０５で一体化したパッケージからなるセンサヘッド１０１と、センサヘッド１０１と相対的に変位する格子パターンを有するスケール１１０とから構成されている。

光源１０４の光出射部１４１から出射した光Ｌｓをスケール１１０で反射及び回折し、その反射及び回折した光Ｌｓｒを光検出器１０３の受光部１３１で受光する。そして、センサヘッド１０１から図１６の（ｂ）、（ｃ）に示したようなアナログまたはデジタルの変位信号を出力する反射型の光学式エンコーダである。

本実施例が実施例１と相違する点は、光源１０４の光出射部１４１と光検出器１０３の受光部１３１との間の一部の光透過樹脂１０５の厚みを厚く（大きく）して凸状部を形成している点である。

例えば、光透過樹脂１０５の表面を平坦にした時（即ち、凸状部が存在しない時）に、光源１０４の光出射部１４１の任意の点１４１ｐから出射した光Ｌａが、光透過樹脂１０５の表面１５５（図８において点線で示す）で全反射（角度θｃｒ以上）して光Ｌｂ２となる場合を考える。この場合、光Ｌｂ２が光検出器１０３の受光部１３１に入射するような光源１０４及び光検出器１０３の配置となっている。

本実施例では、このような場合において、光透過樹脂１０５の表面１５２の樹脂厚みに関して式（１０）を満たすような光透過樹脂１０５の厚みとする。これにより、光源１０４の光出射部１４１から出射した光Ｌａのうち、光透過樹脂１０５の表面１５２で全反射する光の受光部１３１の領域への入射を防ぐことができる。
θ２＜ｓｉｎ^−１（ｎ１／ｎ２）・・・・（１０）

そこで、実施例１と同様に次の（１１）式を満たす光検出器１０３の受光部１３１と光源１０４の光出射部１４１との配置及び光透過樹脂１０５の厚さｔ１２、ｔ２２とする。これにより、光源１０４の光出射部１４１から出射した光Ｌａが、光透過樹脂１０５の表面１５２で全反射して受光部１３１の中心１３１ａから光源１０４側の略半分の受光部１３１の領域１５０への入射を防ぐことができる。
ｔａｎ^−１（ｄｃ／（ｔ１２＋ｔ２２）)＜ｓｉｎ^−１(ｎ１／ｎ２)・・・・（１１）

本実施例の作用は、実施例１と同様な作用を有すると共に、光検出器１０３と光源１０４の配置の設計自由度が実施例１よりも大きくできる。なお、本実施例の各構成は、実施例１と同様な各種の変形、変更が可能である。また、凸状部の断面形状は、矩形形状に限られない。例えば、凸状部の断面形状は、台形形状や、段差部分が曲率を有する形状等でも良い。

図８、図９を参照して、本発明の実施例４に係る光学式エンコーダ４００を説明する。実施例１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８に示す光学式エンコーダ４００は、配線基板１０２上に光出射部１４１を有する光源１０４と受光部１３１を内部に有した光検出器１０３を別体で配置して光透過樹脂１０５で一体化したパッケージからなるセンサヘッド１０１と、センサヘッド１０１と相対的に変位する格子パターンを有するスケール１１０とから構成されている。

光源１０４の光出射部１４１から出射した光Ｌｓをスケール１１０で反射及び回折し、その反射及び回折した光Ｌｓｒを光検出器１０３の受光部１３１で受光する。そして、センサヘッド１０１から図１６の（ｂ）、（ｃ）に示したようなアナログまたはデジタルの変位信号を出力する反射型の光学式エンコーダである。

本実施例が実施例３と相違する点は、光Ｌａの中で光透過樹脂１０５の表面１５２で全反射した光が、受光部１３１の全面に亘って入射することを防ぐように、光源１０４と光検出器１０３とを配置すること、及び光透過樹脂１０５の厚さｔ１２２、ｔ２２２としている点である。換言すると、本実施例では、表面１５２で全反射した光は、受光部１３１とは異なる領域に入射するように構成されている。

このため、実施例２と実施例３で説明したように次の関係式を満たす光検出器１０３の受光部１３１と光源１０４の光出射部１４１との配置及び光透過樹脂１０５の厚さｔ１２２、ｔ２２２としている。これにより、光源１０４の光出射部１４１の任意の点１４１ｐから出射した光Ｌａが、光透過樹脂１０５の表面（界面１５１）で全反射した後、受光部１３１へ入射することを防ぐことができる。
ｔａｎ^−１（ｄｅ／（ｔ１２２＋ｔ２２２））＜ｓｉｎ^−１（ｎ１／ｎ２）・・（１２）

本実施例の作用は、実施例２、実施例３と同様な作用を有する。なお、本実施例の各構成は、実施例１と同様な各種の変形、変更が可能である。

図１０、図１１を参照して、本発明の実施例５に係る光学式エンコーダ５００を説明する。実施例１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。光学式エンコーダ５００は、実施例１と同様に配線基板１０２上に光出射部１４１を有する光源１０４と受光部１３１を内部に有した光検出器１０３を別体で配置して光透過樹脂１０５で一体化したパッケージからなるセンサヘッド１０１と、センサヘッド１０１と相対的に変位する格子パターンを有するスケール１１０とから構成されている。

光源１０４の光出射部１４１から出射した光Ｌｓをスケール１１０で反射及び回折し、その反射及び回折光Ｌｓｒを光検出器１０３の受光部１３１で受光する。そして、センサヘッド１０１から図１６の（ｂ）、（ｃ）に示したようなアナログまたはデジタルの変位信号を出力する反射型の光学式エンコーダである。

本実施例が実施例１と相違する点は、光源１０４の光出射部１４１と光検出器１０３の受光部１３１の間の一部の光透過樹脂１０５の厚みを薄くし、凹状部を形成している点である。

図１２は、一般的な光源、例えばＬＥＤにおいて、レンズなどの光学的部材を使用しない場合の放射角度方向の概略光強度をベクトル長で示すものである。ここで、９０度方向、即ち光出射部１４１の出射面に対して法線方向の光強度を１．０とする。放射強度が半値の約５０％となる放射角度は、約３０度となる。一般的に光強度が半値以下の光は、半値以上の光より十分に弱い光である。このため、光強度が半値以下の光が受光部１３１に入射しても、ＤＣ成分に大きく寄与しない。

光源１０４の光出射部１４１の任意の点１４１ｐから光検出器１０３の受光部１３１に最も近い(小さい）間隔をｄｓとした時、
ｄｓ＝ｄ１３＋ｄ２３
となる。

また、
ｔａｎ６０°＝ｔ１３／ｄ１３
＝ｔ２３／ｄ２３より
１．７３≒ｔ１３／ｄ１３
≒ｔ２３／ｄ２３
となる。

このため、式（１３）を満たす構成にすれば良いことになる。
ｄｓ＞１．７３（ｔ１３＋ｔ２３）・・・・（１３）

本実施例の作用は、実施例３と同様な作用を有する。本実施例では、放射角度が小さく、全反射した光が受光部１３１に入射している。しかしながら、上述したように、放射角度が小さく、光強度が半値以下の光が受光部１３１に入射しても、ＤＣ成分に大きく寄与しない。このため、ＤＣ成分を小さくすることで、変位信号の飽和を防止できる。なお、本実施例の各構成は、実施例１と同様な各種の変形、変更が可能である。

図１３、図１４を参照して、本発明の実施例６に係る光学式エンコーダ６００を説明する。実施例１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。光学式エンコーダ６００は、配線基板１０２上に受光部１３１を内部に有した光検出器１０３と、少なくとも光出射部１４１上にスリットパターン１８１を有する光学部材１０８を配置した光源１０４を別体で配置して光透過樹脂１０５で一体化したパッケージからなるセンサヘッド１０１と、センサヘッド１０１と相対的に変位する格子パターン１１１を有するスケール１１０とから構成されている。光源１０４の光出射部１４１から出射した光Ｌｓをスケール１１０で反射及び回折し、その反射及び回折した光Ｌｓｒを光検出器１０３の受光部１３１で受光する。そして、センサヘッド１０１から図１６の（ｂ）、（ｃ）に示したようなアナログまたはデジタルの変位信号を出力する反射型の光学式エンコーダである。

本実施例が実施例１と相違する点は、光出射部１４１上にスリットパターン１８１を有する光学部材１０８を配置した構成となっている点である。光学部材１０８に光透過樹脂１０５とほぼ同じ屈折率を有するガラス材などを使用すれば、光学部材１０８と光透過樹脂１０５との界面での屈折はほとんど発生しない。

従って、本実施例の構成でも実施例１と同様に（６）式の関係式を満たす光検出器１０３の受光部１３１と光源１４１の光出射部１４１との配置及び光透過樹脂１０５の厚さｔ１１、ｔ２１とする。これにより、光源１０４の光出射部１４１から出射した光Ｌａが、光透過樹脂１０５の界面１５１で全反射して、受光部１３１の中心１３１ａから光源１４１側の略半分の受光部１３１の領域１５０へ入射することを防ぐことができる。

また、光学部材１０８に形成するスリットパターン１８１は、良好なエンコーダ信号を得るために、スケール１１０の格子パターン１１１、スケール１１０とスリットパターン１８１または受光部１３１との間隔などに応じた形状にすることが望ましい。

本実施例の作用は、実施例１と同様な作用を有する。また、良好なエンコーダ信号を得るためには光学部材１０８に形成するスリットパターン形状１８１で決まる。このため、光源１０４の光出射部１４１の形状に依存しない。従って、光源１０４の選択肢が広がる。

なお、本実施例の各構成は、実施例１と同様な各種の変形、変更が可能である。また実施例３、実施例５のような光透過樹脂１０５の表面１５２を有する凸状部、表面１５３を有する凹状部のような構成としても良い。

さらに好ましくは、光学部材１０８は光源１０４に直接貼りつける構成または光透過樹脂１０５が光源１０４との間に介在する構成が望ましい。また、スリットパターン１８１は、光学部材１０８の光源１０４側または光源１０４とは反対側のどちらの面に形成しても良い。加えて、光学部材１０８は薄板でスリット開口を有する形状でも良い。

さらに厳密には、光学部材１０８と光透過樹脂１０５の屈折率の差を考慮して、実施例１で説明した幾何学的方法と同様な考え方で（６）式の左辺を修正することが望ましい。

また、上記各実施例において、光透過樹脂１０５と外界との界面で全反射する光が、光検出器１０３の受光部１３１の一部に入射するような、または受光部１３１とは異なる領域に入射するような、光学特性、例えば屈折率ｎ２を有する光透過樹脂１０５を用いても良い。このときは、屈折率ｎ２を可変なパラメータとして、さらに光透過樹脂１０５の厚さ、光源１０４と光検出器１０３との距離を設定することが望ましい。このように、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

以上のように、本発明に係る光学式エンコーダは、安価な反射型の光学式エンコーダに有用である。

実施例１に係る光学式エンコーダの概略構成を示す図である。 実施例１の光源と光検出部との平面図である。 実施例１の受光部の構成を拡大して示す平面図である。 実施例２に係る光学式エンコーダの概略構成を示す図である。 実施例２の光源と光検出部との平面図である。 実施例３に係る光学式エンコーダの概略構成を示す図である。 実施例３の光源と光検出部との平面図である。 実施例４に係る光学式エンコーダの概略構成を示す図である。 実施例４の光源と光検出部との平面図である。 実施例５に係る光学式エンコーダの概略構成を示す図である。 実施例５の光源と光検出部との平面図である。 実施例５の光源の放射光の強度を示す図である。 実施例６に係る光学式エンコーダの概略構成を示す図である。 実施例６の光源と光検出部との平面図である。 スネルの法則を説明する図である。 （ａ）は光学式エンコーダの概略構成、（ｂ）はアナログ信号、（ｃ）はデジタル信号をそれぞれ示す図である。 （ａ）はＤＣ成分を説明する図、（ｂ）は変位信号の飽和を説明する図である。 (ａ）、（ｂ）は従来技術の光学式エンコーダの概略構成を示す図である。

符号の説明

１００、２００、３００、４００、５００、６００ 光学式エンコーダ
１０１ センサヘッド
１０２ 配線基板
１０３ 光検出器
１０４ 光源
１０５ 光透過樹脂
１０６ 法線
１０７ 反射点
１１０ スケール
１１１ 格子パターン
１３１ 受光部
１３１ａ 受光部の中心
１３１ｂ 最も離れた受光部の位置
１３１ｃ 最も近い受光部の位置
１４１ 光出射部
１４１ｐ 任意の点
１５０ 領域
１５１ 表面
１５５ 界面
ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４ フォトダイオード
ｔ２１、ｔ１１、ｔ１１、ｔ１２、ｔ２３、ｔ１３、ｔ２１１、ｔ１１１ 厚さ
ｄ１１、ｄ１２、ｄ２２、ｄ１２、ｄ２３、ｄ１３、ｄ２１１、ｄ１１１ 距離
ｎ１ 外界の媒質の屈折率
ｎ２ 光透過樹脂の屈折率
Ｌｓ、Ｌｓｒ、Ｌａ、Ｌｂ１、Ｌｂ２ 光
６０ 光透過樹脂
７０ 光源
７５ 光検出器
８０ 界面
９０ エンコーダ
９１ スケール
９２ センサヘッド
２４ 発光素子
２６ 受光素子
２８ 反射鏡
３０ リードフレーム

Claims (12)

1. 少なくとも１つの光源と少なくとも１つの光検出器を、光透過樹脂で一体化したパッケージからなるセンサヘッドと、前記センサヘッドと相対的に変位するスケールとから構成され、前記光源の光出射部から出射した光を前記スケールで反射及び回折し、反射及び回折した光を前記光検出器の受光部で受光して前記センサヘッドから変位信号を出力する光学式エンコーダにおいて、
   前記光源の光出射部の任意の点から放出された光のうち、前記光透過樹脂と外界との界面で全反射する光が、前記光検出器の前記受光部の一部に入射するように、または前記受光部とは異なる領域に入射するように、前記光源の前記光出射部と前記光検出器の前記受光部とが配置されていること及び前記光透過樹脂の形状が形成されていること及び前記光透過樹脂の光学特性が設定されていることの少なくとも何れか一つを満足することを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記光透過樹脂の前記スケールに対向する表面は、略平坦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。
3. 前記光源の前記光出射部の任意の点から放出された光のうち、前記光透過樹脂と外界との前記界面で全反射する光が、前記光検出器の前記受光部の一部に入射するように、または前記受光部とは異なる領域に入射するように、前記光検出器の前記受光部と前記光源の前記光出射部とが配置されており、かつ前記光透過樹脂の厚みが設定されていることを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ。
4. 前記光透過樹脂の前記スケールに対向する表面と、前記光源の前記光出射部の表面と、前記光検出器の前記受光部の表面とが略平行であり、
   前記光源の前記光出射部の表面から前記光透過樹脂の前記スケールに対向する表面までの厚みをｔ１１と、
   前記光検出器の前記受光部の表面から前記光透過樹脂の前記スケールに対向する表面までの厚みをｔ２１と、
   前記光源の前記光出射部の任意の点から前記光検出器の前記受光部の中心までの前記光透過樹脂の表面に対して平行な方向の距離をｄｃと、
   外界の媒質の屈折率をｎ１と、
   前記光透過樹脂の屈折率をｎ２とそれぞれしたとき、
   ｔａｎ^−１（ｄｃ／（ｔ１１＋ｔ２１））＜ｓｉｎ^−１（ｎ１／ｎ２）
   の条件式を満足することを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ。
5. 前記光透過樹脂の前記スケールに対向する表面と、前記光源の前記光出射部の表面と、前記光検出器の前記受光部の表面とが略平行であり、
   前記光源の前記光出射部の表面から前記光透過樹脂の前記スケールに対向する表面までの厚みをｔ１１１と、
   前記光検出器の前記受光部面から前記光透過樹脂の前記スケールに対向する表面までの厚みをｔ２１１と、
   前記光源の前記光出射部の任意の点から前記光検出器の前記受光部までの前記光透過樹脂の表面に対して平行な方向の距離のうち最も長い距離をｄｅと、
   外界の媒質の屈折率をｎ１と、
   前記光透過樹脂の屈折率をｎ２とそれぞれしたとき、
   ｔａｎ^−１（ｄｅ／（ｔ１１１＋ｔ２１１））＜ｓｉｎ^−１(ｎ１／ｎ２）
   の条件式を満足することを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ。
6. 前記光透過樹脂の前記スケールに対向する表面のうち前記光源の前記光出射部と前記光検出器の前記受光部との間の少なくとも一部の表面は、凸状部を有し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。
7. 前記光透過樹脂の前記スケールに対向する表面のうち前記凸状部の表面と、前記光源の前記光出射部の表面と、前記光検出器の前記受光部の表面とが略平行であり、
   前記光源の前記光出射部の表面から前記光透過樹脂の前記凸状部の前記スケールに対向する表面までの厚みをｔ１２と、
   前記光検出器の前記受光部の表面から前記光透過樹脂の前記凸状部の前記スケールに対向する表面までの厚みをｔ２２と、
   前記光源の前記光出射部の任意の点から前記光検出器の前記受光部の中心までの前記光透過樹脂の表面に対して平行な方向の距離をｄｃと、
   外界の媒質の屈折率をｎ１と、
   前記光透過樹脂の屈折率をｎ２とそれぞれしたとき、
   ｔａｎ^−１（ｄｃ／（ｔ１２＋ｔ２２））＜ｓｉｎ^−１（ｎ１／ｎ２）
   の条件式を満足することを特徴とする請求項６に記載の光学式エンコーダ。
8. 前記光透過樹脂の前記スケールに対向する表面のうち前記凸状部の表面と、前記光源の前記光出射部の表面と、前記光検出器の前記受光部の表面とが略平行であり、
   前記光源の前記光出射部の面から前記光透過樹脂の前記凸状部の前記スケールに対向する表面までの厚みをｔ１２２と、
   前記光検出器の前記受光部の表面から前記光透過樹脂の前記凸状部の前記スケールに対向する表面までの厚みをｔ２２２と、
   前記光源の前記光出射部の任意の点から前記光検出器の前記受光部までの前記光透過樹脂の表面に対して平行な方向の距離のうち最も長い距離をｄｅと、
   外界の媒質の屈折率をｎ１と、
   前記光透過樹脂の屈折率をｎ２とそれぞれしたとき、
   ｔａｎ^−１（ｄｅ／（ｔ１２２＋ｔ２２２））＜ｓｉｎ^−１（ｎ１／ｎ２）
   の条件式を満足することを特徴とする請求項６に記載の光学式エンコーダ。
9. 少なくとも１つの光源と少なくとも１つの光検出器を、光透過樹脂で一体化したパッケージからなるセンサヘッドと、前記センサヘッドと相対的に変位するスケールとから構成され、前記光源の光出射部から出射した光を前記スケールで反射及び回折し、その反射及び回折した光を前記光検出器の受光部で受光して前記センサヘッドから変位信号を出力する光学式エンコーダにおいて、
   前記光透過樹脂の前記スケールに対向する表面のうち前記光源の前記光出射部と前記光検出器の前記受光部との間の少なくとも一部の表面は、凹状部を有していることを特徴とする光学式エンコーダ。
10. 前記光透過樹脂の前記スケールに対向する表面のうち前記凹状部の表面と、前記光源の前記光出射部の表面と、前記光検出器の前記受光部の表面とが略平行であり、
    前記光源の前記光出射部の表面から前記光透過樹脂の前記凹状部の前記スケールに対向する表面までの厚みをｔ１３と、
    前記光検出器の前記受光部の表面から前記光透過樹脂の前記凹状部の前記スケールに対向する表面までの厚みをｔ２３と、
    前記光源の前記光出射部の任意の点から前記光検出器の前記受光部までの前記光透過樹脂の表面に対して平行な方向の距離のうち最も短い距離をｄｓと、
    外界の媒質の屈折率をｎ１と、
    前記光透過樹脂の屈折率をｎ２とそれぞれしたとき、
    １．７３×（ｔ１３＋ｔ２３）＜ｄｓ
    の条件式を満足することを特徴とする請求項９に記載の光学式エンコーダ。
11. 前記光源上に、少なくとも１つのスリットパターンを有する光学部材を配置したことを特徴とする請求項１または９記載の光学式エンコーダ。
12. 前記スリットパターンを有する前記光学部材は、前記光源に直接貼付されていることを特徴とする請求項１１に記載の光学式エンコーダ。

Images