JP3604574B2

JP3604574B2 - 光学式エンコーダ

Info

Publication number: JP3604574B2
Application number: JP02942599A
Authority: JP
Inventors: 裕彦園木; ▲広▼康野口; 慎小田島
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Copal Corp
Priority date: 1999-02-08
Filing date: 1999-02-08
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2019-02-08
Also published as: JP2000227346A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直線変位あるいは回転変位などを検出する光学式エンコーダに関する。詳しくは、レンズアレイが形成された移動板の同一面側に発光素子及び受光素子を配置したコンパクトな光学式エンコーダの構造に関する。より詳しくは、移動板の移動方向を検出する為の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動板の同一面側に発光素子及び受光素子を配置した光学式エンコーダは、例えば特開平８−２３３６０８号公報に開示されており、図１３に概略の構成を示す。図示する様に、本光学式エンコーダは発光素子１と受光素子２と移動板３とから構成されている。移動板３は所定の移動方向に沿って直線変位する。発光素子１は移動板３の表側に対面し、且つ移動方向と略直交する幅方向にある第１定点に配置されている。受光素子２は同じく移動板３の表側に対面し、且つ幅方向に沿って第１定点から離間した第２定点に配置されている。移動板３の表側には移動方向に沿って一定のピッチＰで配列した複数のシリンドリカルレンズ４が形成されている。個々のシリンドリカルレンズ４の円筒軸は幅方向と平行である。個々のシリンドリカルレンズ４は第１定点と第２定点を通過し且つ両者をカバーする為に十分な幅寸法Ｗを有している。一方、移動板３の裏側には第１定点を通過する様に移動方向に連続した入射反射面５Ｓと、第２定点を通過する様に移動方向に連続し且つ入射反射面５Ｓに対向した出射反射面５Ｔとが形成されている。一対の入射反射面５Ｓ及び出射反射面５Ｔは山型プリズム５を構成する。かかる構成において、発光素子１は第１定点を通過するシリンドリカルレンズ４を介して強度変調された光束を入射反射面５Ｓに照射する。一方、受光素子２は出射反射面５Ｔから放射された光束を同時に第２定点を通過するシリンドリカルレンズ４を介して受光し、移動板３の移動量を表わす検出信号を出力する。
【０００３】
次に、図１４を参照して図１３に示した従来の光学式エンコーダの動作を簡単に説明する。図１４の（Ｂ）は幅方向に沿って移動板３を切断した断面形状を表わしている。図１４の（Ａ）は矢視Ａから見た側面図であり、（Ｃ）は矢視Ｃから見た側面図である。先ず（Ｂ）に示す様に、一対の発光素子１及び受光素子２は所定の光軸に沿って互いに光学的に接続されている。この光軸は発光素子１から出発しレンズ４を通過した後入射反射面５Ｓにより９０°折り返され、さらに出射全反射面５Ｔにより９０°折り返され、その後レンズ４を通って受光素子２に到達する。次に（Ａ）に示す様に、発光素子１から放射した光束はシリンドリカルレンズ４により集光され入射反射面５Ｓに進入する。この後（Ｂ）に示す様に光束は入射反射面５Ｓにより９０°折り返され出射反射面５Ｔに進入する。最後に（Ｃ）に示す様に、光束は出射反射面５Ｔにより移動板３の表側に折り返され、再びレンズ４により集光された後受光素子２により受光される。この様に、発光素子１から放射した光束は一対の反射面５Ｓ，５Ｔからなる山型プリズム５により１８０°折り返され受光素子２に戻る。シリンドリカルレンズ４の頂部が丁度発光素子１及び受光素子２の組に整合した時、シリンドリカルレンズ４の二度に渡る集光作用により光束の最大量が受光素子２により受光される。即ち、受光素子２は検出信号の最大値を出力する。
【０００４】
図１５は、図１４に示した位置から移動板３が半ピッチ（Ｐ／２）分変位した状態を表わしている。この時、互いに隣り合うシリンドリカルレンズ４Ｌ，４Ｒの間の谷部が発光素子１及び受光素子２に整合している。（Ａ）に示す様に、発光素子１から放射した光束は谷部により発散される。（Ｂ）に示す様に発散した光束は入射反射面５Ｓにより折り返され出射反射面５Ｔに進入する。（Ｃ）に示す様に、発散光束は出射反射面５Ｔで表側に折り返された後、再びシリンドリカルレンズ４Ｌ，４Ｒにより発散される。この結果、受光素子２は最小の受光量になる。従って、受光素子２は最小レベルの検出信号を出力する。即ち、移動板３が半ピッチ分変位すると検出信号は最大値から最小値まで変化する。再び移動板３が半ピッチ分変位すると検出信号は最小値から最大値に復帰する。この様に、シリンドリカルレンズ４の通過により光束は繰り返し集光及び発散を受け、これに応じて受光素子２は１ピッチ分に相当する周期で変動する検出信号を出力する。検出信号の周期を計数する事により移動板３の変位量が分かる。
【０００５】
図１６は、図１３に示した従来の光学式エンコーダを、ロータリエンコーダに応用した従来例を表わしている。移動板３は円盤形状に加工され、回転軸６に取り付けられている。従って、移動板３は周方向に沿って回転変位する。発光素子１は移動板３の表側に対面し、且つ移動方向（周方向）と直交する幅方向（即ち径方向）にある第１定点（内側定点）に配置される。受光素子２は同じく移動板３の表側に対面し、且つ径方向に沿って内側定点から離間した外側定点（第２定点）に配置される。移動板３の表側には周方向に沿って一定のピッチで放射状に配列した複数のシリンドリカルレンズ４が形成されている。個々のレンズ４は内側定点と外側定点をカバーする為に十分な幅寸法（径方向寸法）を有している。移動板３の裏側には、内側定点を通過する様に周方向に連続した内側の入射反射面５Ｓと、外側定点を通過する様に周方向に連続し且つ入射反射面５Ｓに対向した外側出射反射面５Ｔとが形成されている。なお、移動板３はレンズ４及び入射反射面５Ｓ、出射反射面５Ｔも含め、透明樹脂を材料にした一体成形（モールド）により製造できる。以上の構成により、発光素子１は内側定点を通過するレンズ４を介して強度変調された光束を入射反射面５Ｓに照射し、受光素子２は出射反射面５Ｔから放射された光束を同時に外側定点を通過するレンズ４を介して受光し、移動板の移動量を表わす検出信号を出力する。換言すると、レンズ４は移動体３を通過する光束を繰り返し集光／発散させる事により、その強度変調を行っている。
【０００６】
図１７は、図１６に示した従来のロータリエンコーダの具体的な構成を示す模式的な断面図である。図示する様に、移動板３はケース７に収納され、且つ回転軸６に装着されている。回転軸６の端部６ａはケース７から外部に突出している。移動板３の表側に対面して回路基板８が組み込まれている。回路基板８の内側面にはフォトリフレクタユニット９が取り付けられている。このフォトリフレクタユニット９はＬＥＤ等からなる発光素子１とフォトトランジスタ等からなる受光素子２とを一体的に組み込んだものである。回路基板８の外側面には受光素子２から出力された検出信号を処理する為のＩＣ１０等が搭載されている。回路基板８の外側面はカバー１１により覆われている。カバー１１の側面から外部接続用のコネクタ１２が突出している。かかる構成を有するロータリエンコーダは、例えば計測器の調整つまみ等に応用できる。回転軸６の端部６ａを手動で回動すると、その回動量に応じて検出信号がコネクタ１２を介し計測器本体に入力される。この検出信号に応じて計測器の電気的な調節もしくは較正を行なう。
【０００７】
図１８は、図１７に示したロータリエンコーダの平面図であり、回路基板８の外側面が表われている。点線で示す様に、回路基板８の内側面には一対のフォトリフレクタユニット（受発光素子対）９Ａ，９Ｂが取り付けられている。フォトリフレクタユニット９Ａ，９Ｂは空間位相が互いに実効的にＰ／４だけシフトしている為、これに応じて検出信号も位相がπ／２だけシフトしている。移動方向により位相のシフト方向が逆になるので、これを検出することにより移動板３の移動方向が分かる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１８に示した従来構造では、フォトリフレクタユニット（受発光素子対）同志が互いに接近していると、互いに干渉し合い、適切な検出信号が得られない為、実用上は一対のフォトリフレクタユニット（受発光素子対）を互いにある程度隔てて配置する必要があった。この点に付き、図１９を参照して簡潔に説明する。（Ａ）は従来の光学式エンコーダの模式的な平面図であり、（Ｂ）は同じく模式的な断面図である。基本的には、図１８に示した従来例と同様である。回転方向を検出する場合において、位相差を得る為には、フォトリフレクタユニット９Ａ，９Ｂの位置を回転方向にθずらし、周方向に（（１／４）＋ｎ））・Ｐ離す必要がある。各フォトリフレクタユニット９Ａ，９Ｂは通常同一基板上に配置されるが、その基板が一方のフォトリフレクタユニット９Ｂの位置に対し接線方向にｄｓ変位した場合、フォトリフレクタユニット９Ｂ，９Ａの接線方向のずれは、夫々ｄｓ、ｄｓ・ｃｏｓθとなる。このずれ量を位相差の変化で表わすと、（１−ｃｏｓθ）ｄｓ・Ｒｅ／２πｒとなる。ここで、Ｒｅは分解能を表わし、ｒは各フォトリフレクタユニットの半径距離を表わしている。上記式から明らかな様に、位相ずれはフォトリフレクタユニット９Ａ，９Ｂが互いに１８０°離れて配置された場合に最悪の２ｄｓ／Ｐとなり、逆にフォトリフレクタユニット９Ａ，９Ｂが同じ半径方向の線上に並んだ時角度差が０°となり位相ずれが最も小さくなる。しかし、一対のフォトリフレクタユニット９Ａ，９Ｂを同じ半径方向の線上に配することは構造的に困難である。従って、現実には、光学式エンコーダの組立て誤差などの為に、位相ずれが生じ、解決すべき課題となっている。又、図１９に示した従来構造の場合、フォトリフレクタユニット９Ａ，９Ｂを周方向に沿って互いに離して配置している。この為、各フォトリフレクタユニット９Ａ，９Ｂは各々、発光素子と受光素子を備えていなければならない。両方のフォトリフレクタユニット９Ａ，９Ｂで発光素子を一個として共用を図る場合、発光素子からの光を効率よく使用する為に光学的な配光手段が必要となり、製造コストの上昇につながるという課題がある。
【０００９】
【課題を解決する為の手段】
上述した従来の技術の課題を解決する為に以下の手段を講じた。即ち、本発明に係る光学式エンコーダは基本的な構成として移動板と発光素子と受光素子とを備えている。移動板は所定の移動方向に沿って変位する。発光素子は該移動板の表側に対面して配置されている。受光素子は同じく該移動板の表側に対面し且つ該移動方向と略直交する幅方向に発光素子から離間して配置されている。前記移動板の表側には該移動方向に沿って一定のピッチで配列した複数のレンズが形成されている。前記移動板の裏側には移動方向に連続した反射手段が形成されている。前記発光素子は該移動板の変位に伴って通過する該レンズを介して強度変調された光束を該反射手段に入射する。前記受光素子は同じく該移動板の変位に伴って通過する該レンズを介して該反射手段から出射した該光束を受光して該移動板の移動量を表わす検出信号を出力する。特徴事項として、前記移動板は幅方向に分かれ且つ移動方向に伸びた二本のトラックを有し、前記移動板の表側に形成された該レンズは幅方向に沿った円筒軸を有するシリンドリカルレンズである。前記反射手段は該二本のトラックに対応して二列形成されている。各反射手段は該発光素子から入射した光束を該幅方向に反射する入射反射面と、該反射された光束を再度反射して該受光素子に指向させる出射反射面とを有する山型プリズムからなる。前記山型プリズムの入射反射面及び出射反射面は光束に対してレンズ作用を奏する内側に凹の湾曲面を有している。該発光素子から出た光束は該入射反射面の湾曲面及び該出射反射面の湾曲面のレンズ作用を受けて該受光素子に向かって収束し、該発光素子及び受光素子がともに該トラックの幅方向片側にずれたとき、該山型プリズムの入射反射面及び出射反射面に設けた該湾曲面のレンズ作用により、該山型プリズムに入射した光束及び該山型プリズムから出射した光束も該発光素子及び受光素子のずれと同方向にずれ、以って該受光素子が受ける光束量の変化を抑制可能である。ここで前記発光素子は二本のトラックに渡って共用されている。これに対し前記受光素子は該二本のトラックに対応して二個該発光素子を間にして幅方向に分かれて配されており、該二本のトラックから別々に出射した該光束を夫々受光して該移動板の移動量に加え移動方向も表わす検出信号の出力を可能にしている。一態様では、前記複数のレンズは、二本のトラックに渡って共通に一定のピッチで該移動方向に沿って一列に配されているのに対し、前記二個の受光素子は、該移動方向に沿って互いに四分の一ピッチ分だけ離間して配されている。他の態様では、前記複数のレンズは、二本のトラックに対応して二列形成されており該移動方向に沿って互いに四分の一ピッチ分だけ位相がずれているのに対し、前記二個の受光素子は、該幅方向に沿って同一直線上に配されている。場合によっては、該移動板の各トラックに形成された前記反射手段は該移動方向及び幅方向に平行な指向性反射面を有し、該発光素子から入射した光束を該受光素子に向けて反射する。
【００１０】
図２０を参照して、図１９に示した従来構造と対比しながら、本発明に係る光学式エンコーダの作用を説明する。図２０に示したロータリ型のエンコーダでは、移動板３の周方向に沿って二本のトラックを設けている。外側のトラックに複数のレンズ４Ａの列が所定のピッチＰで形成され、内側のトラックにも複数のレンズ４Ｂが所定のピッチＰで配列されている。外側のレンズ４Ａの列と内側のレンズ４Ｂの列とではピッチＰは等しいが位相が互いにＰ／４だけシフトしている。これに対し、外側のトラックに配されたフォトリフレクタユニット９Ａと内側のトラックに配されたフォトリフレクタユニット９Ｂは同一直線上にあり、両者の位相差は０である。尚、これに代えてレンズの列を両トラックで共用にする一方、フォトリフレクタユニット９Ａ，９Ｂを互いにＰ／４だけ周方向にずらしてもよい。この場合でも、一対のフォトリフレクタユニット９Ａ，９Ｂはほぼ互いに近い位置にあり、図１９に示した従来例の様に両者が大きく離れることはない。図２０に示す様に、フォトリフレクタユニット９Ａ，９Ｂの配置をトラックの幅方向（移動板３の径方向）に沿って一直線とすることで、これらのフォトリフレクタユニット９Ａ，９Ｂを搭載した基板が接線方向にｄｓだけずれた時、両リフレクタユニット９Ａ，９Ｂの間の位相ずれは、ｄｓ・Ｒｅ（ｒｏ−ｒｉ）／２π・ｒｉ・ｒ０となる。ここで、ｒ０は外側トラックに配されたフォトリフレクタユニット９Ａの中心までの半径距離を表わし、ｒｉは内側トラックに配されたフォトリフレクタユニット９Ｂの中心までの半径距離を示している。ここで、図２０に示した本発明に係る二本トラック方式と図１９に示した従来の一本トラック方式とで位相ずれを比較すると、（一本トラックの場合の位相ずれ）／（二本トラックの場合の位相ずれ）＝（（１−ｃｏｓθ）ｄｓ・Ｒｅ／２πｒ）／（（ｄｓ・Ｒｅ（ｒｏ−ｒｉ）／２π・ｒｉ・ｒ０））＝（１−ｃｏｓθ）ｒｉ・ｒｏ／ｒとなる。位相ずれに対する有利不利は、一本トラック方式におけるｒ，θと、二本トラック方式におけるｒｉ，ｒｏで決まり、（１−ｃｏｓθ）ｒｉ・ｒｏ／ｒ＞１の関係が成立する場合、二本トラック方式が有利である。小型の光学式エンコーダに関しては、一本トラック方式ではお互いの光束の干渉を防ぐ為、二個のフォトリフレクタユニット間の角度差θを小さくすることは困難である。仮にθ＝９０°とした場合、ｒｉ・ｒｏ／ｒ＜１なる関係を成立させることも又困難であり、結果として二本トラックにした方が有利となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る光学式エンコーダの第一実施形態を示す模式的な斜視図である。図示する様に、本光学式エンコーダは発光素子と受光素子と移動板とから構成されている。移動板３は双頭の矢印で示す移動方向に沿って変位する。発光素子１Ａ，１Ｂは移動板３の表側に対面して配置されている。受光素子２Ａ，２Ｂも同じく移動板３の表側に対面し且つ移動方向とほぼ直交する幅方向に沿って互いに離間している。移動板３の表側には移動方向に沿って一定のピッチＰで配列した複数のレンズ４が形成されている。移動板３の裏側には移動方向に連続した反射手段が形成されている。発光素子１Ａは移動板３の変位に伴って通過するレンズ４を介して強度変調された光束を反射手段に入射する。対応する受光素子２Ａは同じく移動板３の変位に伴って通過するレンズ４を介して反射手段から出射した光束を受光して移動板３の移動量を表わす検出信号を出力する。発光素子１Ｂと受光素子２Ｂの対も同様に動作する。移動量を検出する基本動作は、図１３に示した従来例と同様である。
【００１２】
本発明の特徴事項として、移動板３は幅方向に分かれ且つ移動方向に伸びた二本のトラックを有している。この二本のトラックに対応して、前述した反射手段は二列形成されている。又、受光素子２Ａ，２Ｂは二本のトラックに対応して二個幅方向に分かれて配されており、二本のトラックから別々に出射した光束を夫々受光して移動板３の移動量に加え移動方向も表わす検出信号の出力を可能にしている。本実施形態では、複数のレンズ４は二本のトラックに渡って共通に一定のピッチＰで移動方向に沿って一列に配されているのに対し、二本の受光素子２Ａ，２Ｂは移動方向に沿って１／４ピッチ分（Ｐ／４）だけ互いに離間して配されている。二本の受光素子２Ａ，２Ｂに対応して、二個の発光素子１Ａ，１Ｂが設けられている。場合によっては、発光素子１Ａ，１Ｂについてはこれを一個として二本のトラックに渡って共用することも可能である。本実施形態では、移動板３の二本のトラックの各々に形成された反射手段は、夫々山型プリズム５Ａ，５Ｂからなる。山型プリズム５Ａは発光素子１Ａから入射した光束を幅方向に反射する入射反射面５Ｓと、反射された光束を再度反射して受光素子２Ａに指向させる出射反射面５Ｔとを有する。他方の山型プリズム５Ｂも同様の構成を有し、発光素子１Ｂから入射した光束を幅方向に反射する入射反射面５Ｓと、反射された光束を再度反射して受光素子２Ｂに指向させる出射反射面５Ｔとを有する。好ましくは、各山型プリズム５Ａ，５Ｂの入射反射面５Ｓ及び出射反射面５Ｔは光束に対してレンズ作用を奏する湾曲面を有している。移動板３の表側に形成されたレンズ４は幅方向に沿った円筒軸を有するシリンドリカルレンズである。
【００１３】
以上に説明した様に、第一実施形態に係る光学式エンコーダは、二対の受発光素子１Ａ，２Ａ，１Ｂ，２Ｂと移動板３とにより構成されている。移動板３の裏側に形成された山型プリズム５Ａ，５Ｂは２トラックとし、移動板３の表側に設けられたシリンドリカルレンズ４は１トラックになっている。移動板３の移動方向を判別する為に必要な検出信号の位相差は、受発光素子の対を夫々異なる山型プリズムのトラック上で移動板３の移動方向にＰ／４ずらすことにより得られる。
【００１４】
図２は、従来の光学式エンコーダに形成される山型プリズム５の断面形状を示す模式図である。図から明らかな様に、従来構造では、入射反射面５Ｓ及び出射反射面５Ｔ共に移動方向と垂直な断面形状が直線となっている。断面が直線の場合は、受発光素子対が断面と平行にずれると、入射反射面５Ｓ及び出射反射面５Ｔで折り返ってきた光束は逆方向にずれ、受光素子が受ける光束の量が減少する。入射光のずれ１０６と出射光のずれ１０７が逆方向となっている。
【００１５】
図３は、図１に示した本発明に係る光学式エンコーダの山型プリズム５Ａの断面形状を模式的に表わしている。図から明らかな様に、入射反射面５Ｓ及び出射反射面５Ｔ共に湾曲面（例えば円弧面）を有している。断面が円弧の場合、受発光素子をある高さに設定すると、光束が発光素子のずれと同方向で同じずれ量の位置に戻ってくる。入射光のずれ１０６と出射光のずれ１０７が等しくなる。断面形状は円弧以外に放物曲線も考えられるが、必要となる受発光素子の高さに応じ使い分ければよい。入射反射面５Ｓと出射反射面５Ｔの移動方向と垂直な断面形状を夫々曲面にした上で、山型プリズム５Ａ，５Ｂを二本トラックとし、受発光素子対の配置をトラックの幅方向にほぼ一直線とすることで、受発光素子を搭載した基板がずれ、トラックの幅方向に受発光素子が変位した場合、入射光のずれ（方向と量）と出射光のずれ（方向と量）が一致する受発光素子の高さ位置が存在し、受光素子が受ける光束量の変化を抑えることが可能である。
【００１６】
図４は、図２に示した従来の山型プリズム５の入射反射面５Ｓ及び出射反射面５Ｔにおける反射又は屈折の様子を示す。各反射面の断面が直線の場合、入射反射面５Ｓで反射した光束は、出射反射面５Ｔでは一部の光束の入射角が臨界角より小さくなり、そのほとんどが屈折（透過）してしまう。入射反射面５Ｓと出射反射面５Ｔの挾角を９０°より大きくすれば透過量は削減できるが、受光素子へ戻る光束の散乱幅も増加する。
【００１７】
図５は、図３に示した本発明に係る山型プリズム５Ａの各反射面における反射又は屈折の様子を示す。入射反射面５Ｓ及び出射反射面５Ｔの断面形状が湾曲している場合は、入射反射面５Ｓで反射した光束は出射反射面５Ｔですべて反射し、光束を効率よく使用可能である。断面を湾曲面とした場合、出射反射面での屈折を抑えることが可能である。この様に、本発明では山型プリズム５の入射反射面５Ｓ及び出射反射面５Ｔは光束に対してレンズ作用を奏する湾曲面となっている。
【００１８】
図６は、図１に示した本発明の第一実施形態に係る光学式エンコーダの変形例を示す模式的な斜視図である。図１に示した先の例と対応する部分には対応する参照番号を付して理解を容易にしている。本例では、発光素子１を二つの山型プリズム５Ａ，５Ｂの境界に配置し、二つの受光素子２Ａ，２Ｂを移動板３の移動方向で発光素子１からお互いに離れる側へＰ／８づつずらすことにより、適切な位相差が得られるとともに、部品点数を削減することが可能である。即ち、本例では発光素子１が二本のトラックに渡って共用されている。
【００１９】
図７は、本発明に係る光学式エンコーダの第二実施形態を示す模式的な斜視図である。図１に示した第一実施形態と対応する部分には対応する参照番号を付して理解を容易にしている。本実施形態では、シリンドリカルレンズ４Ａ，４Ｂが、二本のトラックに対応して二列形成されており、移動板３の移動方向に沿って互いにＰ／４だけ位相がずれている。これに対し、二個の受光素子２Ａ，２Ｂは移動板３の幅方向に沿って同一直線上に配されており、両者の位相差は０となっている。本実施形態では、移動板３の裏側に形成された山型プリズム５Ａ，５Ｂと、移動板３の表側に設けられたシリンドリカルレンズ４Ａ，４Ｂを共に二本トラック構造としている。一方、二対の受発光素子（１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ）は移動板３の移動方向とほぼ直角な幅方向に一直線で且つ夫々異なるトラック上に配されている。シリンドリカルレンズ４Ａ，４Ｂは移動板３の移動方向に沿ってトラック間でＰ／４ずらしてあり、移動板３の移動方向を判別する為に必要な検出信号に位相差を生じさせる。
【００２０】
図８は、図７に示した第二実施形態に係る光学式エンコーダの変形例を示す模式的な斜視図である。本例では、単独の発光素子１を二本のトラックに夫々形成されたシリンドリカルレンズ４Ａ，４Ｂの境界上に配置し、二つの受光素子２Ａ，２Ｂは夫々対応するトラック上に配置することにより、部品点数を削減することができる。
【００２１】
図９は、図８に示したリニア型の光学式エンコーダの構造を、ロータリエンコーダに応用した例を示す模式図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は断面図である。円形の移動板３の外周に沿って第一のトラックが形成され、内周に沿って第二のトラックが形成されている。外側のトラックに形成されたシリンドリカルレンズ４Ａと内側のトラックに形成されたシリンドリカルレンズ４Ｂは同一の配列ピッチＰを有するが、位相が互いにＰ／４だけずれている。単独の発光素子１が外側トラックと内側トラックの間の境界に配され、一方の受光素子２Ａが外側トラック上に配され、他方の受光素子２Ｂが内側トラック上に配されている。
【００２２】
図１０は、図９に示したロータリエンコーダの改良版を示しており、対応する部分には対応する参照番号を付して理解を容易にしている。本例では、移動板３の各トラックに形成された反射手段が、移動方向及び幅方向に平行な指向性反射面５０からなる。この指向性反射面５０は発光素子１から入射した光束を各受光素子２Ａ，２Ｂに向けて選択的に反射することが可能である。尚、指向性反射面５０に代えて、外付けの指向性反射板５１を取り付ける様にしてもよい。指向性反射面５０は、移動板３の裏側に指向性反射を促す膜を形成する方法により得られる。場合によっては、指向性反射面を有する反射板５１を接合してもよい。入射光の折り返しに指向性反射面５０を用いた場合、互いに交差した入射反射面及び出射反射面を有する山型プリズムと比較し、入射光がトラックの幅方向に拡散して受光素子側に戻ってくる。トラックの幅方向への光束の拡散により、受発光素子がトラック幅方向にずれた場合でも、受光素子が受ける光束量の変化を抑えることが可能である。
【００２３】
最後に、ロータリエンコーダの様に回転変位を検出する場合において、移動板の偏芯ρによる位相差への影響を考察する。図１１に示した従来の一本トラック方式の場合、二個の受発光素子対９Ａ，９Ｂのセンタ１１２、移動板３の回転中心１１４、移動板中心１１３が記述した順で一直線上にある時、位相ずれΔＰｈ１（−）が−側最大となり、以下の数式１で表わすことができる。
【数１】

又、二個の受発光素子９Ａ，９Ｂのセンタ１１２、移動板中心１１３、回転中心１１４の順でこれらが一直線上にある時、位相ずれΔＰｈ１（＋）が＋側最大となり、以下の数式２で表わされる。
【数２】

位相ずれ量を絶対値で考えた場合、＋側の方が−側より大きい。
【００２４】
二本トラック方式の場合の位相ずれΔＰｈ２は、図１２に示す様に、＋側と−側のずれ量が等しく、二個の受発光素子９Ａ，９Ｂのセンタ、移動板中心１１３、回転中心１１４が直角を成す時に最大となり、以下の数式３で表わすことができる。
【数３】

仮に、ｒ＝５．５、θ＝９０°、ｒ０＝６、ｒｉ＝５、ρ＝０．１、Ｐ＝１４．４°とした場合、ΔＰｈ１（＋）とΔＰｈ２は夫々以下の数式４の通りとなり、二本トラック方式の方が有利である。
【数４】

【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、移動板の同一面側に発光素子と受光素子を配置できる点に加え、移動板の反射面を二本トラック構成にすることで、受発光素子を移動板の移動方向に直交する幅方向に沿ってほぼ同一直線上に配置でき、受発光素子を搭載する基板の位置ずれによる位相差の変化を最小限に抑えることが可能である。更に、単独の発光素子を二本のトラックの境界上に配置することにより、部品点数を削減することが可能である。以上により、安価で光軸全長が小さく高性能な光学式エンコーダを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学式エンコーダの第一実施形態を示す斜視図である。
【図２】従来の光学式エンコーダに形成される山型プリズムの断面形状を示す模式図である。
【図３】本発明に係る光学式エンコーダに形成される山型プリズムの断面形状を示す模式図である。
【図４】図２に示した山型プリズムの動作説明に供する模式図である。
【図５】図３に示した山型プリズムの動作説明に供する模式図である。
【図６】図１に示した光学式エンコーダの変形例を示す斜視図である。
【図７】本発明に係る光学式エンコーダの第二実施形態を示す斜視図である。
【図８】図７に示した光学式エンコーダの変形例を示す斜視図である。
【図９】図８に示した光学式エンコーダをロータリエンコーダに応用した例を示す模式図である。
【図１０】図９に示した光学式エンコーダの変形例を示す模式図である。
【図１１】従来の光学式エンコーダの移動板に偏芯があった場合を示す平面図である。
【図１２】本発明に係る光学式エンコーダにおいて、移動板に偏芯があった場合を示す平面図である。
【図１３】従来の光学式エンコーダを示す斜視図である。
【図１４】図１３に示した従来の光学式エンコーダの動作説明に供する模式図である。
【図１５】同じく、図１３に示した従来の光学式エンコーダの動作説明に供する模式図である。
【図１６】従来の光学式エンコーダの他の例を示す斜視図である。
【図１７】図１６に示した光学式エンコーダの具体的な構成を示す断面図である。
【図１８】図１７に示した光学式エンコーダの平面図である。
【図１９】従来の光学式エンコーダを示す平面図及び断面図である。
【図２０】本発明に係る光学式エンコーダの作用説明図である。
【符号の説明】
１Ａ・・・発光素子、１Ｂ・・・発光素子、２Ａ・・・受光素子、２Ｂ・・・受光素子、３・・・移動板、４・・・シリンドリカルレンズ、５Ｓ・・・入射反射面、５Ｔ・・・出射反射面

Claims

所定の移動方向に沿って変位する移動板と、該移動板の表側に対面して配置された発光素子と、同じく該移動板の表側に対面し且つ該移動方向と略直交する幅方向に離間して配置された受光素子とからなり、
前記移動板の表側には該移動方向に沿って一定のピッチで配列した複数のレンズが形成されており、前記移動板の裏側には移動方向に連続した反射手段が形成されており、前記発光素子は該移動板の変位に伴って通過する該レンズを介して強度変調された光束を該反射手段に入射し、前記受光素子は同じく該移動板の変位に伴って通過する該レンズを介して該反射手段から出射した該光束を受光して該移動板の移動量を表わす検出信号を出力する光学式エンコーダにおいて、
前記移動板は幅方向に分かれ且つ移動方向に伸びた二本のトラックを有し、
前記移動板の表側に形成された該レンズは幅方向に沿った円筒軸を有するシリンドリカルレンズであり、
前記反射手段は該二本のトラックに対応して二列形成されており、
各反射手段は、該発光素子から入射した光束を該幅方向に反射する入射反射面と、該反射された光束を再度反射して該受光素子に指向させる出射反射面とを有する山型プリズムからなり、
前記山型プリズムの入射反射面及び出射反射面は光束に対してレンズ作用を奏する内側に凹の湾曲面を有しており、該発光素子から出た光束は該入射反射面の湾曲面及び該出射反射面の湾曲面のレンズ作用を受けて該受光素子に向かって収束し、
該発光素子及び受光素子がともに該トラックの幅方向片側にずれたとき、該山型プリズムの入射反射面及び出射反射面に設けた該湾曲面のレンズ作用により、該山型プリズムに入射した光束及び該山型プリズムから出射した光束も該発光素子及び受光素子のずれと同方向にずれ、以って該受光素子が受ける光束量の変化を抑制可能であり、
前記発光素子は二本のトラックに渡って共用されており、
前記受光素子は該二本のトラックに対応して二個該発光素子を間にして幅方向に分かれて配されており、該二本のトラックから別々に出射した該光束を夫々受光して該移動板の移動量に加え移動方向も表わす検出信号の出力を可能にした事を特徴とする光学式エンコーダ。
前記複数のレンズは、二本のトラックに渡って共通に一定のピッチで該移動方向に沿って一列に配されているのに対し、前記二個の受光素子は、該移動方向に沿って互いに四分の一ピッチ分だけ離間して配されている事を特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
前記複数のレンズは、二本のトラックに対応して二列形成されており該移動方向に沿って互いに四分の一ピッチ分だけ位相がずれているのに対し、前記二個の受光素子は、該幅方向に沿って同一直線上に配されている事を特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。
該移動板の各トラックに形成された前記反射手段は該移動方向及び幅方向に平行な指向性反射面を有し、該発光素子から入射した光束を該受光素子に向けて反射する事を特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。