JP2690680B2 - 光電式エンコーダ - Google Patents

光電式エンコーダ

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    • G01D5/34715—Scale reading or illumination devices

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、受光部にフォトダイオ
ードアレイを用いる光電式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】光電式エンコーダは一般に、相対移動す
るメインスケールとインデックススケールに対してその
一方側に光源、他方側に受光素子を配置して構成され
る。光源からの光はコリメートされてメインスケールに
照射される。メインスケールとインデックススケールの
透過部と不透過部の重なり状態が両スケールの相対移動
により変化する結果として得られる明暗パターンの変化
を電気信号として検出することにより、スケールの変位
量を測定することができ、測長や測角ができる。
【０００３】この種の光電式エンコーダにおいて、イン
デックススケールと受光素子を一体化して、小型化と低
コスト化を図る技術が提案されている（例えば、特開昭
６４−５７１２０号公報参照）。図８は、そのような光
電式エンコーダの基本構成を示す。光源としての発光ダ
イオード４の出力光は凹面鏡レンズ２によりコリメート
されてスケール１に照射される。スケール１の後方には
受光素子としてフォトダイオードアレイ３が配置されて
いる。フォトダイオードアレイ３は、スケールのピッチ
との関係で複数のフォトダイオードを所定ピッチで配列
形成したものでこれが、通常のインデックススケールの
役目をも持つ。
【０００４】フォトダイオードアレイ３からは、スケー
ル１のピッチとフォトダイオードアレイ３のピッチの関
係で、４相の出力信号Ａ，Ｂ，／Ａ，／Ｂが得られるよ
うになっている。信号ＡとＢとは、互いに９０°位相が
ずれた信号である。この検出信号を処理することによ
り、スケールの移動方向と変位量を検出することができ
る。
【０００５】フォトダイオードアレイ３を例えば、シリ
コン基板を用いてこれに数十μｍピッチでフォトダイオ
ードを配列形成して得た場合、隣接するフォトダイオー
ド間でのクロストークが避けられない。このクロストー
クは、ＤＣ電流の増大をもたらし、相対的に信号電流の
低下をもたらす。クロストークの影響を低減して、実用
レベルの信号電流／ＤＣ電流比を得るためには、受光面
での明暗比がシャープで且つ充分なパワーを持つ光源が
必要になる。つまり、パワーの大きな発光素子を用いる
ことと、良好なコリメート光を得ることが必要になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】照射光のコリメート性
をよくするには、光源の大きさに対してコリメートレン
ズの焦点距離を長くするか、または光源を小さくればよ
い。しかしこれは、受光面の単位面積当たりの光量減少
をもたらす。これを補償する方法としては、フォトダイ
オードアレイの受光面積を大きくするか、あるいは発光
ダイオードの注入電流を大きくすることが考えられる。
フォトダイオードの配列ピッチはインデックススケール
として定められているから、受光面積を大きくするには
図８において紙面に直交する方向にフォトダイオードを
長くすることになる。しかし、受光面積の増大は応答速
度の低下をもたらし、光源の注入電流の増大は発熱増大
を招く。また、図８において、発光ダイオー４が凹面鏡
レンズ２の光軸上にあって、コリメート光がダイオード
４やそのリードフレームにより遮られてフォトダイオー
ドアレイ３上に影ができるとすると、受光光量の不均一
や受光量低下の原因となる。
【０００７】本発明は、受光光量の均一性を保って単位
面積当たりの受光光量を増大させ、もって小型で優れた
応答速度を得ることができる光電式エンコーダを提供す
ることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明にかかる光電式エ
ンコーダは、発光素子と、この発光素子の出力光をコリ
メートするための、光軸近傍で切断したときの切断面に
相当する光軸と平行な平坦面を持つ凹面鏡レンズと、こ
の凹面鏡レンズから得られた光ビームが照射される、透
過部と不透過部とが交互に配列された光学格子が形成さ
れたスケールと、このスケールの透過光ビームを受光す
るフォトダイオードが所定ピッチで配列形成されたフォ
トダイオードアレイとを有することを特徴としている。
【０００９】本発明の一例においては、凹面鏡レンズは
その平坦面がスケールの移動方向に直交するように配置
され、発光素子は、その影がフォトダイオードアレイ上
に投影されないようにフォトダイオードアレイに対して
偏在させて凹面鏡レンズ内部の平坦面に隣接する位置に
配置される。本発明の他の例においては、凹面鏡レンズ
はその平坦面がスケールの移動方向に平行になるように
配置され、発光素子は、その影がフォトダイオードアレ
イ上に投影されないようにフォトダイオードアレイに対
して偏在させて凹面鏡レンズ内部の平坦面に隣接する位
置に配置される。
【００１０】
【作用】上述のように本発明では、通常の凹面鏡レンズ
をほぼ光軸に沿って（厳密には光軸からわずかにずれた
位置で）切断したときの切断面に相当する平坦面を持つ
特殊形状の凹面鏡レンズが用いられる。このとき凹面鏡
レンズの内側の平坦面に隣接する焦点位置に発光素子が
配置されると、発光素子からの出力光は、直接レンズ曲
面に向かって進むだけでなく、これに平坦面で全反射さ
れてレンズ曲面に進む成分が重なる。換言すれば、発光
素子の平坦面による鏡像からの光が発光素子の直接の出
力光成分に重なり、これらがレンズ曲面で反射されてス
ケールに照射されることになる。従って、凹面鏡レンズ
は通常のそれを半分に切断した形ではあるが、その切断
面に向かう光も有効に活かされて、スケール及びフォト
ダイオードアレイ上で大きな光量が得られる。このこと
は言い換えれば、発光素子の効率が高くなったと等価で
あるから、従来と同じ光量を得るためには発光素子を小
さくすることができ、従って優れたコリメート性が得ら
れる。また単位面積当たりの受光光量が増すので、フォ
トダイオードアレイの受光面積を小さくして、応答速度
の向上を図ることができる。
【００１１】更に、発光素子の影がフォトダイオードア
レイ上に投影されないように、発光素子をフォトダイオ
ードアレイに対して偏在させて凹面鏡レンズ内部の平坦
面に隣接する位置に配置することにより、フォトダイオ
ードアレイ上での光量分布の均一性が良好になる。
【００１２】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を説
明する。図１は、本発明の一実施例にかかる光電式エン
コーダの平面図であり、図２はその分解斜視図である。
また図３（ａ），（ｂ）は、それぞれ図１のＡ−Ａ′，
Ｂ−Ｂ′断面を示す。この光電式エンコーダは、光源と
しての発光ダイオード４、この発光ダイオード４の出力
光をコリメートするための凹面鏡レンズ２、コリメート
された光が照射されるスケール１、及びスケール１の透
過光を受光するフォトダイオードアレイ３により構成さ
れる。その基本構成は図８と変わらない。スケール１
は、透明板１０に光透過部１１と不透過部１２とを所定
ピッチで交互に配列形成した光学格子である。フォトダ
イオードアレイ３は、シリコン基板３０に細長いフォト
ダイオード３１をスケール１との関係で所定ピッチで配
列形成したものである。
【００１３】凹面鏡レンズ２は、透明レンズ材２０にレ
ンズ曲面２１を加工して得られるが、通常の凹面鏡レン
ズを光軸に沿って切断した形を有する。即ち図３（ｂ）
に示すように、光軸２４の近傍で切断した切断面に相当
する光軸２４に平行な平坦面２２を有する。この実施例
ではレンズ曲面２１と同時にこの平坦面も、Ａｌ膜２３
により鏡面とされている。またこの実施例の場合、凹面
鏡レンズ２は、その平坦面２２がスケール１の移動方向
（矢印で示す）と直交するように配置されている。発光
ダイオード４は、凹面鏡レンズ２の焦点位置、即ち平坦
面２２の最下端部に平坦面２２に隣接して配置されてい
る。発光ダイオード４は、一つのリードフレーム４１上
に搭載され、もう一つのリードフレーム４２との間はボ
ンディング接続されている。図１の平面で見ると、発光
ダイオード４はフォトダイオードアレイ３と重ならず、
フォトダイオードアレイ３に対して偏在させて配置した
状態になる。
【００１４】スケール１の格子ピッチとフォトダイオー
ドアレイ３の配列ピッチの具体例を示せば、図４の通り
である。図示のように、スケール１は１０μm の透過部
１１と１０μm の不透過部１２とが交互に配列されてい
る。これに対して、フォトダイオードアレイ３は、１０
μm 幅のフォトダイオード３１が５μm 間隔で配列され
ている。これにより、フォトダイオードアレイ３から
は、位相が互いに９０°ずれた出力信号Ａ，Ｂと、これ
らと逆相の出力信号／Ａ，／Ｂとからなる４相出力信号
が得られる。
【００１５】この実施例において、スケール１の長手方
向に沿う図３（ｂ）の断面で、発光ダイオード４の出力
光がコリメートされる様子は、次のようになる。発光ダ
イオード４からの出力光は、直接レンズ曲面２１に向か
う成分ａは通常通りレンズ曲面２１で反射されてコリメ
ート光となり、スケール１に照射される。平坦面２２に
向かう成分ｂは、平坦面２２で反射されてレンズ曲面２
１に向かい、レンズ曲面２１で反射されてやはりコリメ
ート光としてスケール１に照射される。即ちこの実施例
では、１回反射成分と２回反射成分とが重なってスケー
ル１に照射されることになる。２回反射成分は、図３
（ｂ）に破線で示すように、発光ダイオード４の平坦面
２２による鏡像からの出力光と等価である。
【００１６】スケール１の長手方向と直交する図３
（ａ）の断面には、破線で示したように発光ダイオード
は現れないが、この面では通常の凹面鏡レンズによる場
合と同様に発光ダイオードの出力光がコリメートされ
る。但し原理上コリメート性が要求されるのは、スケー
ル１の長手方向についてであって、図３（ａ）の断面で
は必ずしもコリメートされなくてもよい。即ちこの実施
例では、凹面鏡レンズ２がスケール１の長手方向及びこ
れに直交する方向のいずれもコリメートする球面レンズ
の場合を示しているが、スケール１の長手方向について
のみコリメートする円筒レンズでもよい。この場合、図
３（ａ）の断面では円を描いているレンズ曲面２１は直
線になる。
【００１７】この実施例によれば、凹面鏡レンズ２が通
常のものを半分に切断した形となっているが、その切断
面に相当する平坦面２２からの反射光も有効に利用され
て、スケール１に対して大きな照射光量が得られる。即
ち凹面鏡レンズの大きさが従来と同じであれば、従来よ
り約２倍の光量が得られる。光量が従来と同じでよいと
すると、発光ダイオード４は従来より小さいものとする
ことができ、優れたコリメート性が得られる。また、単
位面積当たりの光量増大に伴ってフォトダイオードアレ
イ３の受光面積を小さくすることができ、応答速度が上
がる。更に、発光ダイオード４やこれにつながるリード
フレーム４１，４２の影がフォトダイオードアレイ３上
に投影されないように、発光ダイオード４を偏在させて
いるから、フォトダイオードアレイ３上での受光光量の
不均一も生じない。
【００１８】図５は、本発明の別の実施例の光電式エン
コーダの平面図であり、図６はその分解斜視図、図７
（ａ），（ｂ）はそれぞれ図５のＡ−Ａ′，Ｂ−Ｂ′断
面図である。先の実施例と対応する部分には、先の実施
例と同一符号を付して詳細な説明は省く。先の実施例で
は凹面鏡レンズ２の平坦面２２をスケール１の長手方向
に直交させたのに対して、この実施例では平坦面２２が
スケール１の長手方向に平行になるように配置してい
る。その他、基本構成は先の実施例と同様である。先の
実施例で説明したと同様にこの実施例でも、球面レンズ
に代わって円筒レンズを用いることができる。その場
合、スケール１の長手方向に直交する図７（ａ）の断面
において、円弧を描いているレンズ曲面２１は直線にな
る。この実施例によっても先の実施例と同様の効果が得
られる。
【００１９】本発明は、上記実施例に限られない。例え
ば実施例では、凹面鏡レンズの平坦面にもＡｌ膜を形成
したが、このＡｌ膜は必ずしも設けなくてもよい。発光
ダイオードは平坦面に隣接して配置されるため、Ａｌ膜
がなくても平坦面の大部分で全反射条件を満たすからで
ある。
【００２０】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、特殊
な凹面鏡レンズ形状を採用し、発光素子配置を選択する
ことにより、受光光量の均一性を保って単位面積当たり
の受光光量を増大させ、もって小型で優れた応答速度を
得ることができる光電式エンコーダを実現することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例の光電式エンコーダの平面
図である。
【図２】 同実施例の分解斜視図である。
【図３】 図１のＡ−Ａ′及びＢ−Ｂ′断面図である。
【図４】 同実施例のスケールとフォトダイオードアレ
イの寸法関係の具体例を示す。
【図５】 本発明の他の実施例の光電式エンコーダの平
面図である。
【図６】 同実施例の分解斜視図である。
【図７】 図５のＡ−Ａ′及びＢ−Ｂ′断面図である。
【図８】 従来の光電式エンコーダの構成例である。
【符号の説明】
１…スケール、２…凹面鏡レンズ、３…フォトダイオー
ドアレイ、４…発光ダイオード、２１…レンズ曲面、２
２…平坦面、２３…Ａｌ膜、２４…光軸。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 発光素子と、 この発光素子の出力光をコリメートするための、光軸近
    傍で切断したときの切断面に相当する光軸と平行な平坦
    面を持つ凹面鏡レンズと、 この凹面鏡レンズから得られた光ビームが照射される、
    透過部と不透過部とが交互に配列された光学格子が形成
    されたスケールと、 このスケールの透過光ビームを受光するフォトダイオー
    ドが所定ピッチで配列形成されたフォトダイオードアレ
    イとを有することを特徴とする光電式エンコーダ。
  2. 【請求項２】 前記凹面鏡レンズは、その平坦面が前記
    スケールの移動方向に直交するように配置され、前記発
    光素子は、その影が前記フォトダイオードアレイ上に投
    影されないように前記フォトダイオードアレイに対して
    偏在させて前記凹面鏡レンズ内部の前記平坦面に隣接す
    る位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記
    載の光電式エンコーダ。
  3. 【請求項３】 前記凹面鏡レンズは、その平坦面が前記
    スケールの移動方向に平行になるように配置され、前記
    発光素子は、その影が前記フォトダイオードアレイ上に
    投影されないように前記フォトダイオードアレイに対し
    て偏在させて前記凹面鏡レンズ内部の前記平坦面に隣接
    する位置に配置されていることを特徴とする請求項１に
    記載の光電式エンコーダ。
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