JP2019211311A - 反射型光センサ及びそれを用いた反射型エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】クロストークによる影響を低減でき、かつ低コストで製造することができる反射型光センサ及びそれを用いた反射型エンコーダを提供する。【解決手段】所定位置にある対象物に対して光を出射する光源と、前記光源と同じ方向を向き、前記対象物で反射した反射光をセンシングする受光素子と、前記光源と前記受光素子とを封止し、前記光源から出た光が出射する出射面と、前記対象物で反射した反射光が入射する入射面とがその表面に形成された透光部材とを備えるものであり、前記入射面と前記出射面の間に段部が設けられており、前記出射面が前記入射面よりも低い反射型光センサ及びそれを用いた反射型エンコーダである。【選択図】図３

Description

本発明は、反射型光センサ及びそれを用いた反射型エンコーダに関する。

従来、例えば光学エンコーダ等に用いられる反射型光センサとして、特許文献１に開示されているような、基板の一面に光源と受光素子とを設け、これらを透明の樹脂（封止樹脂）で封止したものが知られている。この反射型光センサは、光源から出射された光をスケール等の対象物に照射し、この対象物で反射した反射光を受光素子でセンシングするようにしている。

ところでこの種の反射型光センサでは、光源から出射された光の一部が、対象物に照射されることなく封止樹脂内で反射して受光素子に検出されてしまう、クロストークが少なからず生じてしまう。クロストークは受光センサのＳＮ比を低下させ、センシング精度を悪化させる一因であるので、クロストークによる影響を低減することが求められている。

例えば特許文献２には、光源を含む発光部と受光素子を含む光検出部との間に遮光体を設けることで、クロストークによる影響を低減することが開示されている。これによれば、光源から出射されて封止樹脂内を伝搬して光検出素子に向かう光を遮光体で遮断することができ、クロストークによる影響を低減できる。

しかしながら、特許文献２に開示されている反射型光センサは、発光部と光検出部とが遮光体により分断されているので、光源と受光素子とを封止するのに複数回の工程に分けて樹脂成型を行う必要がある。そのため製造工程において工数が増加し、製造コストが増加してしまう。

特開平６−２２１８７４号公報 特開２００６−０３８５７２号公報

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、クロストークによる影響を低減でき、かつ低コストで製造することができる反射型光センサ及びそれを用いた反射型エンコーダを提供することを目的とする。

すなわち本発明に係る反射型光センサは、所定位置にある対象物に対して光を出射する光源と、前記光源と同じ方向を向き、前記対象物で反射した反射光をセンシングする受光素子と、前記光源と前記受光素子とを封止し、前記光源から出た光が出射する出射面と、前記対象物で反射した反射光が入射する入射面とがその表面に形成された透光部材とを備えるものであり、前記入射面と前記出射面の間に段部が設けられており、前記出射面が前記入射面よりも低いことを特徴とする。

このようなものであれば、前記入射面と前記出射面の間に段部が設けられており、前記出射面が前記入射面よりも低くなっているので、出射面と入射面との間に段部がない場合に透光部材内で反射して受光素子に到達していた光であるクロストーク光が、段部によってその光路を変更され、受光素子に到達できなくなる。これにより、受光素子に到達するクロストーク光の量を減らし、クロストークによる影響を低減することができる。
また、光源と受光素子との間に遮光体等を設ける必要がないので、光源と受光素子を覆う透光部材を一度の成型工程で設けることができ、製造にかかる工数を削減し、低コストで製造できる。

前記入射面と段部との境界が、前記光源及び前記受光素子から等距離にある仮想的な面よりも受光素子側に位置することが好ましい。
このようなものであれば、光源と受光素子から等距離にある仮想的な面上に入射面が形成されていないので、出射面から出射されて対象物で反射されることなく段部から透光部材内に入射した光が、入射面で正反射して受光素子に到達するのを抑制できる。これにより、出射面から出射された光に起因するクロストークによる影響を低減することができる。

前記段部が、傾斜面からなることが好ましい。
このようなものであれば、段部が垂直な壁状である場合に比べて、出射面から出射されて対象物で反射されることなく段部に到達する光の入射角度を大きくすることができる。そのため、クロストークを引き起こす一因となるこのような光が透光部材内に再び入ることなく全反射されやすくなり、出射面から出射された光に起因するクロストークによる影響をより一層低減することができる。

前記反射型光センサは、前記受光素子を複数個備え、前記仮想的な面は、前記複数の受光素子のうち前記光源に最も近い受光素子と、前記光源から等距離にあるものであることが好ましい。
このようなものであれば、複数の受光素子のいずれにおいても、クロストークによる影響を低減することができる。

前記段部の透光部材の態様として、前記出射面と前記入射面とが互いに平行であるものを挙げることができる。

前記出射面には、前記光源から出た光を透過させる出射レンズが形成されており、前記入射面には、前記対象物で反射した反射光を透過させる入射レンズが形成されていることが好ましい。
このようなものであれば、光を対象物に向けて効率的に出射できるとともに、反射光を受光素子に向けて効率的に集光できる。

また本発明の反射型エンコーダは、前記した反射型光センサと、前記対象物であり、光を反射しやすい反射領域と、光を反射しにくい非反射領域とが交互に並ぶ光反射パターンが形成されたエンコーダスケールとを備え、前記エンコーダスケールは、前記光源から出射された光の主光線の光路を含め面を、前記反射領域と前記非反射領域が交互に通過するように直線又は回転運動し、前記光源が前記エンコーダスケールに対して光を出射し、前記受光素子が前記反射領域で反射した反射光をセンシングするものである。
このような反射型エンコーダであれば、前記した反射型光センサと同様の作用効果を得ることができる。

このようにした本発明によれば、クロストークによる影響を低減でき、かつ低コストで製造することができる反射型光センサ及びそれを用いた反射型エンコーダを提供することができる。

本実施形態の反射型光センサを用いた反射型エンコーダの構成を模式的に示す側面図。 同実施形態の反射型光センサを用いた反射型エンコーダの構成を模式的に示す斜視図。 同実施形態の反射型光センサの構成を模式的に示すＡ−Ａ’線断面図。 同実施形態の反射型光センサの構成を模式的に示す平面図。 同実施形態の反射型光センサにおける、光源から出射された光の光路を説明する図。 同実施形態の反射型光センサにおける、光源から出射された光の光路を説明する図。 同実施形態の反射型光センサの構成を模式的に示すＢ−Ｂ’線断面図、Ｃ−Ｃ’線断面図及びＤ−Ｄ’線断面図。

以下に、本発明の一実施形態に係る反射型エンコーダについて図面を参照して説明する。
なお、各図面が示す部材の大きさ、位置関係、光の光路等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。

本実施形態に係る反射型エンコーダ１００は、モータに取り付けられて、当該モータの回転数、回転角度、回転方向等を検出する、インクリメンタル形のロータリーエンコーダである。図１に示すように、反射型エンコーダ１００は、図示しないモータの回転軸Ｍと同軸回転可能に接続された円板状のスケール２（本発明の「対象物」に相当）と、スケール２の裏面２１に対して光を出射するとともに、裏面２１からの反射光をセンシングする反射型光センサ１とを備えている。

図２に示すように、センシング対象面であるスケール２の裏面２１には、所定の光反射パターンが形成されている。この光反射パターンは、光を反射しやすい反射領域２１１と、光を反射しにくい非反射領域（具体的にはスリット）２１２とが、円周方向に沿って交互に並んで形成されたものである。反射型光センサ１は、モータの回転軸Ｍと共に回転するスケール２の光反射パターンに光を出射し、反射領域２１１で反射した反射光をセンシングすることで、モータの回転数、回転角度、回転方向等を検出することができるようになっている。
以下において、反射型光センサ１の構成を詳細に説明する。

図３に示すように、反射型光センサ１は、基板１１と、センシング対象面２１に対して光を出射する光源１２と、反射領域２１１で反射した反射光をセンシングする受光素子１３と、光源１２と受光素子１３とを封止する透光部材１４とを備えている。ここで、光源１２と受光素子１３はともに、基板１１の表面１１１上の異なる位置に搭載されている。
以下において、表面１１１と平行であって、かつ光源１２と受光素子１３とを結ぶ方向をｘ方向とし、表面１１１と平行であって、かつｘ方向と垂直な方向をｙ方向とし、表面１１１と垂直な方向をｚ方向として説明する。

基板１１は、ｚ方向から視て概略矩形板状のものであり、例えば紙フェノール、ガラスコンポジット、ガラスエポキシ等の材料から成るものである。ここでは、表面１１１が、スケール２の裏面２１と平行になるように構成されている。

光源１２は、具体的には発光ダイオードである。光源１２は、出射した光の主光線の光路がｚ方向と平行になるように、表面１１１上に１つ搭載されている。なお、ここでいう光源１２が出射した光の主光線とは、光源１２から出射された光のうち、透光部材１４の内側を通過する光における主光線を意味する。

受光素子１３は、光起電力効果を利用するものであり、具体的にはフォトダイオードである。受光素子１３は、反射光を受光する受光面を有しており、この受光面で受光した光量に比例した信号を出力するように構成されている。受光素子１３は、その受光面がｚ方向と直交するように表面１１１上に搭載されており、ｚ方向からの反射光を受光できるように構成されている。

本実施形態の反射型光センサ１は、複数個（具体的には２つ）の受光素子１３ａ及び１３ｂ備えており、これらがｘ方向に沿って、光源１２側から順に設けられている。ｘ方向における光源１２に近い位置にある受光素子１３ａは、分割された複数の受光面を有しており、この複数の受光面がそれぞれ別の信号を出力するようになっている（Ａ相及びＢ相）。この複数の受光面は、ｙ方向に沿って並んで設けられている。
ｘ方向における光源１２から遠い位置にある受光素子１３ｂは、互いに分割された複数（具体的には３つ）の受光面を有しており、スケール２が１回転する毎に信号を出力するようになっている（Ｚ相）。

透光部材１４は、光源１２と受光素子１３を覆うように、基板１１の表面１１１に設けられている。透光部材１４は、エポキシ樹脂等の透光性を有する樹脂材料からなる樹脂成型物であり、光源１２から出射された光や、反射領域２１１で反射した反射光が、その内部を透過できるようになっている。

図３及び図４に示すように、透光部材１４は基板１１の表面１１１上に設けられており、センシング対象面２１に対向するその表面には、光源１２から出た光を出射する出射面１４１と、反射領域２１１で反射した反射光が入射する入射面１４３とが形成されている。出射面１４１と入射面１４３はいずれも、ｘ方向及びｙ方向と平行になるように形成されており、互いに平行となっている。

出射面１４１には、光源１２から出射された光をセンシング対象面２１に効率的に導くよう、１つの出射レンズ１４２が形成されている。出射レンズ１４２は、センシング対象面２１に向かって膨出するように形成された軸対称レンズであり、より具体的には球面レンズである。出射レンズ１４２は、出射面１４１において、光源１２が出射した光の主光線と交わるように形成されている。

入射面１４３には、反射領域２１１で反射した反射光を受光素子１３に導く入射レンズ１４４が形成されている。入射レンズ１４４は、受光素子１３とセンシング対象面２１との間に位置するように形成されており、反射光を効率よく受光素子１３に導くことができるようになっている。入射レンズ１４４の表面には、反射光を透過させる反射光透過面１４５が形成されている。この反射光透過面１４５は、センシング対象面２１に面するとともに、光源１２側を向くように曲面状に膨出するように形成されている。

なお、本実施形態の光センサ１の入射面１４３には、ｘ方向に沿って複数（具体的には２つ）の入射レンズ１４４ａ及び１４４ｂが形成されている。入射レンズ１４４ａ及び１４４ｂはそれぞれ、複数の受光素子１３ａ及び１３ｂに対応しており、入射レンズ１４４ａは受光素子１３ａに反射光を導き、入射レンズ１４４ｂは受光素子１３ｂに反射光を導くようになっている。ここでは、複数の入射レンズ１４４ａ、１４４ｂは同様の形状になるように形成されている。

しかして、本実施形態の反射型光センサ１は、図３及び図４に示すように、透光部材１４の表面において出射面１４１と入射面１４３との間に段部１４６が形成されており、出射面１４１が入射面１４３よりも低くなっている。すなわち、基板１１と出射面１４１との間のｚ方向に沿った距離が、基板１１と入射面１４３との間のｚ方向に沿った距離よりも短くなるように構成されている。段部１４６はｙ方向に沿って延びるように形成されている。段部１４６のｙ方向に沿った長さは、出射面１４１及び入射面１４３のｙ方向に沿った長さと同じになるように形成されている。すなわち、出射面１４１と入射面１４３とは、段部１４６によって互いに分離されている。

段部１４６は、出射面１４１と入射面１４３との間に形成された面からなるものである。より具体的には、ｘ方向に沿って光源１２側から受光素子１３側に向かうにつれて、基板１１からのｚ方向に沿った距離が長くなる傾斜面からなる。段部１４６は、出射面１４１との境界が仮想的な面Ｓ_ｖよりも受光素子１３側に位置するように形成されている。この仮想的な面Ｓ_ｖは、光源１２と受光素子１３（より具体的には、光源に近い位置にある受光素子１３ａ）から等距離にある仮想的な面である。ここでは、段部１４６は、入射面１４３との境界が、仮想的な面Ｓ_ｖよりも受光素子１３ａ側に位置するように形成されている。すなわち、入射面１４３は仮想的な面Ｓ_ｖよりも受光素子１１３側に形成されている。

また、本実施形態の反射型光センサ１の入射レンズ１４４は、センシング対象面２１において、ｘ方向から視て同じ位置であって、かつｘ方向とは別の方向から視て異なる複数の位置で反射した反射光が、受光素子１３の受光面において、ｘ方向から視て同じ位置であって、かつｘ方向とは別の方向から視て異なる位置に導かれるように、その表面が形成されている。
以下において、入射レンズ１４４の構成について、入射レンズ１４４ａを代表にして説明するが、当該説明は入射レンズ１４４ｂについても適用できる。

図５及び図６を参照して、光源１２から出射された光の光路について説明する。図５及び図６は、センシング対象面２１において、ｘ方向から視て同じ位置であって、ｘ方向とは異なる方向（ここではｙ方向）から視て異なる位置で反射する３つの光線Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３の光路を模式的に示している。なお、ここでは、説明を容易にするため受光素子１３ａを省略している。また、反射光が基板１１の表面１１１においてｙ方向から視て異なる位置であるものの、ｘ方向から視て同じ位置に導かれる場合にも、反射光が受光素子１３の受光面において、ｙ方向から視て異なる位置であるものの、ｘ方向から視て同じ位置に導かれるとみなすことができる。

図５は、光源１２を通り、かつｙ方向に垂直な断面を示す図である。図５に示すように、光線Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３は、センシング対象面２１において、それぞれ反射点Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_３で反射し、入射レンズ１４４ａの表面において、それぞれ入射点Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３から入射する。反射点Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_３は、ｘ方向に沿って、光源１２側から受光素子１３ａ側に向かってこの順に並んでいる。

図６は、ｘ方向と垂直な断面を示す図であり、光源１２側から受光素子１３ａ側を視た図である。ここでは、入射点Ｐ_１を含む入射レンズ１４４ａの表面Ｓ_１を通る断面と、入射点Ｐ_２を含む入射レンズ１４４ａの表面Ｓ_２を通る断面と、入射点Ｐ_３を含む入射レンズ１４４ａの表面Ｓ_３を通る断面とを重ねて図示している。なおここでは、説明を容易にするため出射レンズ１４２を省略している。

図６に示すように、反射点Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_３はｘ方向から視ると同じ位置である。本実施形態の光センサ１では、このような反射点Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_３で反射した光線Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３は、入射点Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３からそれぞれ異なる入射角で入射して、基板１１の表面１１１において、ｙ方向から視て異なる位置であるものの、ｘ方向から視て同じ位置に導かれるようになっている。

次にこのような入射レンズ１４４ａの構造について説明する。
入射レンズ１４４ａは非球面レンズであり、具体的には、反射光透過面１４５がトロイダル面を成すトロイダルレンズである。その形状をより具体的に説明すると、入射レンズ１４４ａの反射光透過面１４５ａは、図３及び図４に示すように、ｚ方向から視て所定の第１曲率半径Ｒ_１を有する曲線形状をなすとともに、ｙ方向から視て、第１曲率半径Ｒ_１と異なる所定の第２曲率半径Ｒ_２を有する曲線形状をなしている。ここでは、第１曲率半径Ｒ_１が第２曲率半径Ｒ_２よりも大きくなるように形成されている。

図７は、入射レンズ１４４ａにおけるｘ方向と垂直な断面を示す図であって、ｘ方向における位置が異なる３つの断面を示す図である。図７に示すように、本実施形態の入射レンズ１４４ａは、ｘ方向と垂直な断面における表面形状が、光源１２側から受光素子１３ａ側に向かうにつれて、加速度的に平坦になるように形成されている。ここで、「加速度的に平坦になる」とは、断面の表面形状が平坦になっていく度合（又は変化率）が、球面レンズである場合に比べて大きいことを意味する。また、当該一断面における入射レンズ１４４ａの表面は、その曲率が一様ではない。具体的には、ｙ方向に沿って、受光素子１３ａに近づくほど曲率が小さくなるように形成されている。すなわち、受光素子１３ａに近づくほど平坦になるように形成されている。

入射レンズ１４４ａのｘ方向と垂直な断面における表面形状がこのように、光源１２側から受光素子１３ａ側に向かうにつれて、加速度的に平坦になるように形成されていることにより、入射レンズ１４４ａにおける光源１２に近い側から入射した反射光の屈折角よりも、光源１２から遠い側から入射した反射光の屈折角を小さくできる。これにより、センシング対象面２１においてｘ方向から視て同じ位置であって、かつ別方向から視て異なる複数の位置で反射した反射光について、センシング対象面２１のより受光素子１３ａ側で反射した反射光の基板１１上での到達位置を、センシング対象面２１のより光源１２側で反射した反射光の基板１１上での到達位置に近づけることができる。これにより反射光の歪みを低減することができる。

このように構成された本実施形態の反射型光センサ１によれば、出射面１４１と入射面１４３の間に段部１４６が設けられており、出射面１４１が入射面１４３よりも低くなっているので、出射面１４１と入射面１４３との間に段部１４６がない場合に透光部材１４内で反射して受光素子１３に到達していた光であるクロストーク光が、段部１４６によってその光路を変更され、受光素子１３に到達できなくなる。これにより、受光素子１３に到達するクロストーク光の量を減らし、クロストークによる影響を低減することができる。
また、光源１２と受光素子１３との間に遮光体等を設ける必要がないので、光源１２と受光素子１３を覆う透光部材１４を一度の成型工程で設けることができ、製造にかかる工数を削減し、低コストで製造できる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

前記実施形態では、透光部材１４に形成された段部１４６は傾斜面であったが、これに限定されない。他の実施形態では、例えば、基板１１の表面に垂直な壁状に形成されていてもよい。

前記実施形態では、段部１４６は仮想的な面Ｓ_ｖよりも受光素子１３側に形成されていたが、これに限らず仮想的な面Ｓ_ｖよりも光源１２側に形成されてよく、また仮想的な面Ｓ_ｖに跨って形成されてもよい。

前記実施形態では、ｙ方向において、段部１４６の長さは出射面１４１及び入射面１４３の長さと同じであったが、これに限定されない。他の実施形態では、ｙ方向において、段部１４６の長さは出射面１４１及び入射面１４３の長さよりも短くてもよい。これにより、出射面１４１と入射面１４３とが、部分的に互いに分離されていてもよい。この場合、段部１４６は、光源１２と受光素子１３ａとを結ぶ仮想的な線上に形成されていることが好ましい。

前記実施形態において反射型光センサ１は、スケール２は、その半径方向がｘ方向に沿うように設けられていたがこれに限定されない。他の実施形態では、スケール２は、その周方向がｘ方向に沿うように設けられてもよい。

前記実施形態の反射型光センサ１は、ロータリ―エンコーダ１００に適用されるものであったが、これに限らず、スケール２が直線板状に形成されたリニアエンコーダに適用されてもよい。また、インクリメンタル型に限らず、アブソリュート型のエンコーダに適用されてもよい。また、光学エンコーダに適用されるものに限らず、例えばバーコードリーダ用の光センサ、コピー機の原稿感知センサ、近接センサ、人感センサ等に適用されてもよい。

前記実施形態の反射型光センサ１は入射レンズ１４４と受光素子１３とを２つずつ有するものであったが、これに限定されない。他の実施形態では、入射レンズ１４４と受光素子１３とを１つずつ有していてもよい。また、入射レンズ１４４の数と受光素子１３の数とが同じでなく、異なっていてもよい。

前記実施形態では、入射レンズ１４４はトロイダルレンズであったがこれに限定されない。例えば、球面レンズなどの任意の形状を有するレンズであってよい。

前記実施形態の反射型光センサ１は、出射レンズ１４２と入射レンズ１４４とを有するものであったが、これに限定されない。他の実施形態では、これらを片方のみ有してもよいし、両方を有さなくてもよい。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００ ・・・反射型エンコーダ
１ ・・・反射型光センサ
１１ ・・・基板
１２ ・・・光源
１３ ・・・受光素子
１４ ・・・透光部材
１４１ ・・・出射面
１４３ ・・入射面
１４６ ・・・段部（傾斜面）
２ ・・・スケール（対象物）
２１ ・・・センシング対象面

Claims (7)

1. 所定位置にある対象物に対して光を出射する光源と、
   前記光源と同じ方向を向き、前記対象物で反射した反射光をセンシングする受光素子と、
   前記光源と前記受光素子とを封止するものであり、その表面に、前記光源から出た光を出射する出射面と、前記対象物で反射した反射光が入射する入射面とが形成された透光部材と
   を備え、
   前記入射面と前記出射面の間に段部が形成されており、
   前記出射面が前記入射面よりも低いことを特徴とする、反射型光センサ。
2. 前記出射面と段部との境界が、前記光源及び前記受光素子から等距離にある仮想的な面よりも前記受光素子側に位置する、請求項１記載の反射型光センサ。
3. 前記段部が傾斜面からなる、請求項２記載の反射型光センサ。
4. 前記受光素子を複数備え、
   前記仮想的な面は、前記複数の受光素子のうち前記光源に最も近い受光素子と、前記光源から等距離にあるものである、請求項２又は３記載の反射型光センサ。
5. 前記出射面と前記入射面とが互いに平行である請求項１〜４のいずれか記載の反射型光センサ。
6. 前記出射面には、前記光源から出た光を透過させる出射レンズが形成されており、
   前記入射面には、前記対象物で反射した反射光を透過させる入射レンズが形成されている、請求項１〜５のいずれか記載の反射型光センサ。
7. 請求項１〜６のいずれか記載の反射型光センサと、
   前記対象物であり、光を反射しやすい反射領域と、光を反射しにくい非反射領域とが交互に並ぶ光反射パターンが形成されたエンコーダスケールと
   を備え、
   前記エンコーダスケールは、前記光源から出射された光の主光線の光路を含め面を、前記反射領域と前記非反射領域が交互に通過するように直線又は回転運動し、
   前記光源が前記エンコーダスケールに対して光を出射し、前記受光素子が前記反射領域で反射した反射光をセンシングする、反射型エンコーダ。