JP2015072177A - 導光路を有する透過型光学式エンコーダ - Google Patents
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Abstract
【課題】検出精度を損ねることなく小型化された透過型光学式エンコーダを提供する。【解決手段】透過型光学式エンコーダは、発光素子と、受光素子と、スリットが形成されていて検出対象物と一緒に回転可能な回転ディスクと、発光素子に向けられた入口及び受光素子に向けられた出口を有する導光路と、を具備する。発光素子及び受光素子は、回転ディスクに対して同じ側に配置されている。導光路は、回転ディスクの回転動作から独立して固定される。【選択図】図１
Description
本発明は透過型光学式エンコーダに関する。
一般的な透過型光学式エンコーダは、発光素子と、受光素子と、所定のピッチで配列されたスリットを有する回転ディスクと、を具備する。透過型光学式エンコーダにおいては、発光素子から発せられた光が回転ディスクに照射され、それにより、スリットを通過する光と、スリットが形成されていない部分によって遮断される光とによって明暗のパターンが生成される。そして、回転ディスクが回転する際の明暗のパターンの変化が受光素子によって検出される。それにより、回転ディスクと連動する検出対象の角度位置及び回転速度が得られるようになっている。
このような光学式エンコーダにおいて、発光素子及び受光素子が回転ディスクに対して互いに反対側に設けられていてそれらの間に回転ディスクが位置する構成が採用されることがある。この場合、発光素子及び受光素子並びにそれらの実装部品などによって、光学系が占める空間が大型化する傾向がある。
それに対し、発光素子及び受光素子が回転ディスクに対して同じ側に設けられる構成を有する回転ディスクが提案されている。例えば特許文献１には、周方向に沿って一定のピッチで配列されたスリットを有する移動板と、第１の領域において移動板に対向して設けられる発光素子と、第２の領域において移動体に対向して設けられる受光素子と、第１の領域及び第２の領域の間において、移動体に対して発光素子及び受光素子とは反対側に設けられる投影手段と、を具備する光学式エンコーダが開示されている。
また、特許文献２には、スリットを含む複数のトラックが形成された回転ディスクと、各トラックに向けて配置された発光素子と、回転ディスクに対して発光素子と同じ側に設けられていて回転ディスクの回転軸線上に設けられる受光素子と、回転ディスクと一体的に回転する回転導光ディスクと、を具備する光学式エンコーダが開示されている。
また、特許文献３には、一端が光源に向けられるとともに他端が光位置検知素子に向けられた光ファイバを導光手段として備える、光学式回転角度検出装置が開示されている。光ファイバは、回転軸に連結される回動部材によって支持されていて回転軸と一緒に回転するようになっている。
しかしながら、特許文献１に記載された光学式エンコーダにおいては、投影手段が等倍反転光学系を形成するようになっている。そのため、光学系の構成が複雑化するとともに、十分な検出精度を保証するために光学系の各部品が正確に位置決めされる必要がある。したがって、エンコーダの製造コストが増大する。また、光学系の各部品の位置関係が変化しないことが要求されるので、エンコーダの用途が自ずと制限される。
また、特許文献２及び特許文献３に記載された光学式エンコーダにおいては、発光素子と受光素子との間を光学的に接続する導光手段が、機械的に回転する回転部と連動するようになっている。とりわけ産業用機械に使用される電動機の動作を検出するためにエンコーダが使用される場合、高速動作する電動機に起因して比較的大きな機械的振動が発生する。そして、その振動が連結部を介して導光手段に伝達されることがある。そのため、導光手段と受光素子との間のギャップが変動し、それにより、エンコーダの検出精度が損なわれる虞がある。
したがって、検出精度を損ねることなく小型化された透過型光学式エンコーダが望まれている。
本願に係る１番目の発明によれば、発光素子と、受光素子と、スリットが形成されていて検出対象物と一緒に回転可能な回転ディスクと、前記発光素子に向けられた入口及び前記受光素子に向けられた出口を有する導光路と、を具備する透過型光学式エンコーダにおいて、前記発光素子及び前記受光素子は、前記回転ディスクに対して同じ側に配置されており、前記導光路は、前記回転ディスクの回転動作から独立して固定される、透過型光学式エンコーダが提供される。
本願に係る２番目の発明によれば、１番目の発明に係る透過型光学式エンコーダにおいて、前記導光路が、該導光路の内部に進入した光を全反射させるように形成される。
本願に係る３番目の発明によれば、１番目の発明に係る透過型光学式エンコーダにおいて、前記導光路が鏡面によって形成される内部構造を有していて、該導光路の内部に進入した光を鏡面反射させるように形成される。
本願に係る４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかに係る透過型光学式エンコーダが、前記導光路の前記入口及び前記出口のうちの少なくともいずれか一方に設けられていて、通過する光の向きを変化させる光学要素をさらに具備する。
本願に係る５番目の発明によれば、１番目から４番目のいずれかに係る透過型光学式エンコーダにおいて、前記導光路は、前記入口及び前記出口のうちの少なくともいずれか一方において、該導光路の断面積が徐々に拡大する拡大部を有する。
本願に係る２番目の発明によれば、１番目の発明に係る透過型光学式エンコーダにおいて、前記導光路が、該導光路の内部に進入した光を全反射させるように形成される。
本願に係る３番目の発明によれば、１番目の発明に係る透過型光学式エンコーダにおいて、前記導光路が鏡面によって形成される内部構造を有していて、該導光路の内部に進入した光を鏡面反射させるように形成される。
本願に係る４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかに係る透過型光学式エンコーダが、前記導光路の前記入口及び前記出口のうちの少なくともいずれか一方に設けられていて、通過する光の向きを変化させる光学要素をさらに具備する。
本願に係る５番目の発明によれば、１番目から４番目のいずれかに係る透過型光学式エンコーダにおいて、前記導光路は、前記入口及び前記出口のうちの少なくともいずれか一方において、該導光路の断面積が徐々に拡大する拡大部を有する。
本発明によれば、エンコーダの光学系をコンパクトな空間に収容できるので、小型化されたエンコーダが提供されるようになる。また、導光路を比較的簡易な構成にすることができるので、安価なエンコーダが提供される。さらに、導光路をエンコーダの回転部分から独立した構成にすることによって、外的要因によってもたらされうるエンコーダの検出精度の低下を防止できる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図示される実施形態の構成要素は、本発明の理解を助けるためにそれらの縮尺が適宜変更されている。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学式エンコーダ１０を示す図である。透過型光学式エンコーダ（以下、単に「エンコーダ」と称する。）１０は、ハウジング１２と、回転軸線Ｏの回りに回転可能な回転シャフト１４と、回転シャフト１４と一体的に回転する回転ディスク１６と、発光素子１８と、受光素子２０と、導光路２２と、を備えている。
エンコーダ１０のハウジング１２は、回転ディスク１６に対して概ね平行に延在する第１のハウジング部品２４と、第１のハウジング部品２４から直立するように設けられていてハウジング１２の周壁を形成する第２のハウジング部品２６と、を備えている。ハウジング１２には、第１のハウジング部品２４に対向する面において開口部２８が形成されている。ハウジング１２の開口部２８は、発光素子１８及び受光素子２０が実装されるプリント回路基板３０によって閉塞されている。
回転シャフト１４は、図示されない回転体に連結されていて回転体とともに回転軸線Ｏの回りに回転する。ここで、回転体は、エンコーダ１０によってその回転運動に関する情報、すなわち角度位置、回転速度などが検出されるべき検出対象である。回転体は、例えば供給される電力を回転動力に変換する電動機でありうる。回転シャフト１４の一端には回転ディスク１６が連結されている。回転ディスク１６は、周方向に間隔を空けて形成される複数のスリット（図示せず）を有する円盤状の部材である。したがって、回転ディスク１６は、回転シャフト１４とともに回転体と一緒に回転可能に形成されている。
発光素子１８は、公知の形態を有する発光素子、例えば発光ダイオード、レーザダイオードなどである。一実施形態において、発光素子１８は、発光素子１８から発せられる光を概ね平行光に変換するレンズ３２を備えていてもよい。発光素子１８から発せられた光は、後述するように導光路２２を通って回転ディスク１６に照射される。
導光路２２は、第１のハウジング部材２４の内部を通って発光素子１８と受光素子２０との間を光学的に接続するように作用する。導光路２２は、例えばポリカーボネート、アクリルなどのプラスチック製の導光部材、又は光ファイバなどによって形成される。導光路２２は、一端において入口２２ａを有するとともに、他端において出口２２ｂを有している。導光路２２は、第１のハウジング部材２４によって、概ねＵ字状の形態を有するように固定されている。図示されるように、導光路２２の入口２２ａは発光素子１８に向けられており、導光路２２の出口２２ｂは、回転ディスク１６を介在させて受光素子２０に向けられている。なお、図中においてハッチングが施された部位は、各部材間を進む光を表している。
発光素子１８から発せられた光は、導光路２２の入口２２ａから導光路２２の内部に進入する。一実施形態において、導光路２２が鏡面からなる内部構造を有していてもよい。この場合、入口２２ａから入射された光が導光路２２内部において鏡面反射を繰り返しながら進むので、平行性の高い光が出口２２ｂから出射されるようになる。
導光路２２の出口２２ｂから出た光は、回転ディスク１６の所定の領域に向けられる。光は、回転ディスク１６に形成されたスリットを通ってその一部が回転ディスク１６を通過する。また、スリットが形成されていない部位に照射された光は、回転ディスク１６によって遮断される。このようにして、回転ディスク１６によって明暗のパターンが形成される。そして、この明暗のパターンは受光素子２０によって検出されるようになっている。
受光素子２０は、公知の形態を有する受光素子、例えばフォトダイオード、フォトトランジスタなどである。受光素子２０は、回転ディスク１６によって生成される明暗のパターンを検出して回転体（例えば電動機）の回転運動の状況を検出する目的で使用される。すなわち、回転体が回転すると、それに連動して回転ディスク１６が回転する。それにより、回転ディスク１６によって生成される明暗パターンが変化する。受光素子２０は、この明暗パターンの変化に応じて電気信号を出力する。受光素子２０から出力された電気信号は、図示されない処理装置によって、回転体の角度位置及び回転速度などを表す情報に変換される。なお、発光素子１８及び受光素子２０は、それぞれ複数の発光素子及び受光素子をマトリクス状に配列させた集合体でありうる。
本実施形態において、発光素子１８及び受光素子２０は、回転ディスク１６に対して同じ側にそれぞれ設けられている。図示された実施形態において、発光素子１８及び発光素子２０は、回転ディスク１６に対して第１のハウジング部品２４とは反対側にそれぞれ設けられている。また、図示されるように、発光素子１８及び受光素子２０は、共通のプリント回路基板３０において互いに離間して実装される。このような構成によれば、プリント回路基板３０と外部の電源との間を接続する図示されないリード線も必要に応じて共通化できる。このように光学系の部品の一部が共通化されることによって、光学系をコンパクトな空間に収容できるようになる。したがって、エンコーダ１０を小型化させられる。
また、導光路２２が、エンコーダ１０の構成部品のうちの回転部分、すなわち回転シャフト１４及び回転ディスク１６の回転運動から独立して固定されるハウジング１２に設けられている。それにより、回転ディスク１６が回転している間、発光素子１８、導光路２２及び受光素子２０からなる光学系は静止したままである。このように、本実施形態においては光学系が、回転部分が回転する際に発生しうる機械的振動から実質的に隔離されている。それにより、外部要因によって発生しうる振動によってエンコーダ１０の検出精度が低下することを防止できる。
続いて、本発明の他の実施形態について説明する。以下の説明において、既に述べた内容と重複する事項については説明を適宜省略する。また、同一又は対応する構成要素には同一の参照符号が使用される。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る光学式エンコーダ１０の変形例を示す図である。本変形例に係るエンコーダ１０’においては、発光素子１８及び受光素子２０の位置が互いに置換されている。それにより、エンコーダ１０’においては、導光路２２の入口２２ａ及び出口２２ｂが互いに置き換えられる。すなわち、発光素子１８が回転ディスク１６の一部領域に向けられるようにプリント回路基板３０に実装される。また、受光素子２０は、発光素子１８から離間した位置において共通のプリント回路基板３０に実装される。エンコーダ１０’は、光の進む向きが逆になる以外は、前述した第１の実施形態に係るエンコーダ１０と同様の態様で動作し、同様の利点を享受しうる。
図３は、本発明の第２の実施形態に係るエンコーダ４０を示す図である。本実施形態に係るエンコーダ４０においては、導光路４２の内部構造が、入口４２ａから進入する光を全反射させるように所定の曲率を有している。この場合、入口４２ａから入射された光が導光路４２内部において全反射を繰り返しながら進むので、平行性の高い光が出口４２ｂから出射されるようになる。
図４は、本発明の第３の実施形態に係るエンコーダ５０を示す図である。本実施形態に係るエンコーダ５０においては、レンズ５２，５４が導光路２２の入口２２ａ及び出口２２ｂにそれぞれ設けられている。レンズ５２，５４は、それらを通過する光の向きを調整し、平行光を生成するように作用する光学要素である。このように導光路２２の入口２２ａ及び出口２２ｂにレンズ５２，５４を設けることによって、それらレンズ５２，５４を通過した光が平行光に変わる。なお、このようなレンズは、導光路２２の入口２２ａ及び出口２２ｂのいずれか一方のみに設けられていてもよい。
図５は、本発明の第４の実施形態に係るエンコーダ６０を示す図である。本実施形態に係るエンコーダ６０においては、導光路６２の入口６２ａ及び出口６２ｂにおいて、導光路６２の断面積（光軸に対して直交する方向に切った断面の面積）が拡大するようにラッパ型の形状を有する拡大部６４，６６が形成されている。拡大部６４，６６は導光路６２の断面積が入口６２ａ又は出口６２ｂに向かって徐々に拡大されるようになっている。
発光素子１８から発せられる光の平行性が高くない場合、発光素子１８と導光路６２との間のギャップが大きくなるのに従って、導光路６２に入射されずに外部に漏れる光の量が増大する。それに対し、導光路６２の入口６２ａに拡大部６４を形成することによって、より大量の光が導光路６２の内部に確実に導かれるようになる。
また、受光素子２０の受光部の有効面積が、導光路６２から出射される光の幅に比べて大きい場合、受光素子２０がその有効面積のうちの十分な範囲にわたって受光できなくなる場合がある。それに対し、導光路６２の出口６２ｂに拡大部６６を形成することによって、受光素子２０に対してより広範囲にわたって光を照射できるようになる。このように、拡大部６４，６６を設けることによって光学系の光損失を防止できる。なお、このような拡大部は、導光路６２の入口６２ａ及び出口６２ｂのうちのいずれか一方のみに設けられてもよい。
以上、本発明の種々の実施形態及び変形例を説明したが、他の実施形態及び変形例によっても本発明の意図される作用効果を奏することができることは当業者に自明である。特に、本発明の範囲を逸脱することなく前述した実施形態及び変形例の構成要素を削除ないし置換することが可能であるし、公知の手段をさらに付加することが可能である。また、本明細書において明示的又は暗示的に開示される複数の実施形態の特徴を任意に組合せることによっても本発明を実施できることは当業者に自明である。
例えば、図２を参照して、発光素子１８及び受光素子２０の配置を置き換える変形例について説明したものの、このような変更は他の実施形態に対しても同様に適用されうる。また、図４を参照して説明したレンズ５２，５４を、図５に示される拡大部６４，６６と組合せて使用してもよい。
１０ エンコーダ
１０’ エンコーダ
１２ ハウジング
１４ 回転シャフト
１６ 回転ディスク
１８ 発光素子
２０ 受光素子
２２ 導光路
２２ａ 導光路の入口
２２ｂ 導光路の出口
２４ 第１のハウジング部品
２６ 第２のハウジング部品
２８ 開口部
３０ プリント回路基板
３２ 発光素子のレンズ
４０ エンコーダ
４２ 導光路
４２ａ 導光路の入口
４２ｂ 導光路の出口
５０ エンコーダ
５２ 導光路入口のレンズ
５４ 導光路出口のレンズ
６０ エンコーダ
６２ 導光路
６２ａ 導光路の入口
６２ｂ 導光路の出口
６４ 導光路入口の拡大部
６６ 導光路出口の拡大部
Ｏ 回転軸線
１０’ エンコーダ
１２ ハウジング
１４ 回転シャフト
１６ 回転ディスク
１８ 発光素子
２０ 受光素子
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２２ａ 導光路の入口
２２ｂ 導光路の出口
２４ 第１のハウジング部品
２６ 第２のハウジング部品
２８ 開口部
３０ プリント回路基板
３２ 発光素子のレンズ
４０ エンコーダ
４２ 導光路
４２ａ 導光路の入口
４２ｂ 導光路の出口
５０ エンコーダ
５２ 導光路入口のレンズ
５４ 導光路出口のレンズ
６０ エンコーダ
６２ 導光路
６２ａ 導光路の入口
６２ｂ 導光路の出口
６４ 導光路入口の拡大部
６６ 導光路出口の拡大部
Ｏ 回転軸線
Claims (5)
- 発光素子と、受光素子と、スリットが形成されていて検出対象物と一緒に回転可能な回転ディスクと、前記発光素子に向けられた入口及び前記受光素子に向けられた出口を有する導光路と、を具備する透過型光学式エンコーダにおいて、
前記発光素子及び前記受光素子は、前記回転ディスクに対して同じ側に配置されており、
前記導光路は、前記回転ディスクの回転動作から独立して固定される、透過型光学式エンコーダ。 - 前記導光路が、該導光路の内部に進入した光を全反射させるように形成される、請求項１に記載の透過型光学式エンコーダ。
- 前記導光路が鏡面によって形成される内部構造を有していて、該導光路の内部に進入した光を鏡面反射させるように形成される、請求項１に記載の透過型光学式エンコーダ。
- 前記導光路の前記入口及び前記出口のうちの少なくともいずれか一方に設けられていて、通過する光の向きを変化させる光学要素をさらに具備する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の透過型光学式エンコーダ。
- 前記導光路は、前記入口及び前記出口のうちの少なくともいずれか一方において、該導光路の断面積が徐々に拡大する拡大部を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の透過型光学式エンコーダ。
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