JP3978445B2 - 反射形エンコーダおよびそれを用いた電子機器 - Google Patents

Description

この発明は、反射形エンコーダおよびそれを用いた電子機器に関し、物体の直線移動位置または直線変位量や軸の角位置または角変位量を表す電気信号を生成する光学式エンコーダおよびそれを用いた電子機器に関する。

従来より、反射形エンコーダとして、その概略を図８に示すように、１つの透過性媒体中に発光装置と光検出器とを封入したものがある(特開平６‐２２１８７４号公報(特許文献１))。

この反射形エンコーダは、透明領域と不透明領域とが交番するコードホイール等の被検出体４における反射領域で反射された変調光を検出するカプセル状の反射形センサ１を備えている。そして、この反射形センサ１には、被検出体４の反射領域および非反射領域を照射する発光素子２と、被検出体４で反射された変調光(ａ)を検出すると共に発光素子２と同一基板上に配列された少なくとも一つの受光素子３とが含まれている。

また、上記反射形センサ１には、封止用のエポキシ樹脂と空気との境界面で反射された不所望の光(ｂ)が直接受光素子３に到達するのを防ぐために、発光素子２と被検出体４との間に適切に配置された界浸レンズ５が設けられている。この界浸レンズ５は、発光素子２を覆う発光用レンズとして機能するようになっており、受光素子３を覆う検出用レンズ６とは別体に構成されている。そして、発光素子２と受光素子３とは、発光素子２から出射された光が被検出体４の方向に発光用レンズ５によって拡大・集光され、さらに、被検出体４で反射された変調光が受光素子３の方向に拡大・集光されるように、適切な位置に配置されている。

上述したような小型で安価な構成部品で成る二重のレンズ構造は、高い正確度を維持する限り使用することができる。

このように、上記従来の反射形エンコーダは、比較的安い費用で且つ比較的小型に形成できるという幾つかの利点を有している。しかしながら、このような同一透過性媒体中に発光素子２と受光素子３とを備えた反射形エンコーダには、以下のような問題がある。

すなわち、検出系を構成する主要素となる発光素子２と受光素子３とは、被検出体４に対して並列状態で対向して配置されている。特に、被検出体４からの反射光に基づいて検出信号を生成する反射形エンコーダにおいては、光源である発光素子２と光検出部を構成する受光素子３との相対的な位置関係が、検出信号の高いＳＮ比を得る上で強い影響を与える。そのため、発光素子２と受光素子３とには、高精度な搭載精度が求められると言う問題がある。

また、上記発光素子２からの照射光が、同一透過性媒体内に配置された受光素子３に対して、被検出体４の状態に関与せずに直接入射され、または、上記透過性媒体内での反射によって間接的に回り込んで入射されて、上記ＳＮ比を低下させるノイズ光となることを抑制するために、被検出体４側(つまり、発光用レンズ５側)に照射方向が限定された構造の発光チップを採用することが必要となる。このことは、搭載チップの選定が限定されてしまい、検出系の価格を低減することを目的とした場合に障害となり易いと言う問題がある。
特開平６‐２２１８７４号公報

そこで、この発明の課題は、光源と光検出部との相対的な位置関係を高精度に設定することができ且つノイズ光を抑制できる反射形エンコーダおよびそれを用いた電子機器を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の反射形エンコーダは、
可動物体に対して光を照射する発光素子が搭載された発光チップと、
上記可動物体で反射された上記発光素子からの光を受光する受光素子が搭載された１つの受光チップと
を備え、
上記発光素子の照射面と上記受光素子の受光面とは上記可動物体側を向いて配置されており、
上記受光チップは、平面状の受光側フレームに搭載されており、
上記発光チップは、中央部に設けられた屈曲部よりも先端側と上記屈曲部よりも基端側とが、上記先端側の方が上記基端側よりも低く且つ互いに略平行な平面を構成すると共に、上記屈曲部よりも上記基端側は上記受光側フレームと略同一平面上に在る発光側フレームの先端部に搭載されており、
上記発光側フレームに搭載された上記発光チップと上記受光側フレームに搭載された上記受光チップとは、所定の間隔を有する互いに異なる層に設けられて２層構造を成しており、
上記受光チップが設けられた層の方が、上記発光チップが設けられた層よりも上記可動物体に近い位置に配置されており、
上記受光チップに、上記発光素子の照射面からの光を上記可動物体に導く光路となる貫通穴を設けると共に、上記受光側フレームには、上記発光素子の照射面からの光を上記受光チップに設けられた貫通穴に導く光路となる貫通穴を設けており、
上記受光側フレームに設けられた上記貫通穴の径は、上記受光チップに設けられた貫通穴の径よりも大きく設定されている
ことを特徴としている。

上記構成によれば、上記発光素子の照射面と上記受光素子の受光面とは上記可動物体側を向いて配置されると共に、上記発光チップと上記受光チップとは２層構造を成しているため、上記可動物体の片面に検出系を配置することができる。

さらに、上記受光チップが設けられた層の方が、上記発光チップが設けられた層よりも上記可動物体に近い位置に配置されているので、上記発光チップの発光素子からの照射光が、上記可動物体で反射されないで直接的に上記受光チップに入射することのない検出系を構成することができる。

さらに、上記受光チップに、上記発光素子の照射面からの光を上記可動物体に導く光路となる貫通穴を設けているので、上記貫通穴は光源窓として機能するため、上記受光チップ上に光源を配置したと見なすことができる。したがって、上記貫通穴と上記受光素子との相対位置をＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems：マイクロマシン)等によって精度良く設定することによって、上記光源と受光素子との相対位置を高い精度で設定することができる。その際に、上記発光チップと上記受光チップとには、特に高精度な搭載精度が要求されることはない。さらに、上記発光チップの発光素子からの照射光のうち上記貫通穴を通過しない光は、上記受光チップが設けられた層の裏面で反射されるため、直接的に上記受光チップに入射することがない。そのために、上記発光チップとして、必ずしも、集光レンズ側に照射方向が限定された構造の発光チップを採用する必要がない。以上のことにより、検出系の価格を低減することができるのである。

さらに、上記受光側フレームに設けられた上記貫通穴の径は上記受光チップに設けられた貫通穴の径よりも大きく設定されているので、上記受光側フレームの貫通穴の干渉を受けずに、上記受光チップの貫通穴の形状によって光源の大きさを制御することができる。

また、１実施の形態の反射形エンコーダでは、
上記受光チップに設けられた上記貫通穴のサイズによって、上記発光素子の照射面からの光の絞り率が設定されている。

この実施の形態によれば、上記受光チップの貫通穴のサイズを変更することによって、上記可動物体の変調パターンおよび上記受光素子の位置に応じて、照射光および入射光を任意に制御することができる。

また、１実施の形態の反射形エンコーダでは、
上記受光チップ上には、上記受光素子として複数のフォトダイオードアレイが形成されている。

この実施の形態によれば、上記可動物体の分解能が上がって精細な受光パターンが必要となった場合には、複数の同位相フォトダイオードを配置して受光量を保持することが可能になる。さらに、上記可動物体で反射された変調光に基づいて複数の位相信号を発生させることができる。

また、１実施の形態の反射形エンコーダでは、
上記複数のフォトダイオードアレイは上記貫通穴に対して対象に配置されている。

この実施の形態によれば、上記可動物体で反射された変調光をバランス良く効率的に上記各フォトダイオードに入射させることができる。

また、１実施の形態の反射形エンコーダでは、
上記受光チップに設けられた貫通穴の形状を楕円あるいは小判形としている。

この実施の形態によれば、上記受光チップと上記可動物体との間に受発光集光用のレンズを設けた場合に、このレンズの透過光の平行光化に対して方向性を持たせることができる。したがって、上記可動物体の移動方向(変調方向)に直交する方向への照射光の平行度を高めることができる。

また、１実施の形態の反射形エンコーダでは、
上記発光チップと受光チップとを、所定の形状を有する樹脂によって一体に封止している。

この実施の形態によれば、上記発光チップと上記受光チップとの相対的な位置関係を高い精度で保持し、且つ、小型で安価な検出系を構成することができる。

また、１実施の形態の反射形エンコーダでは、
上記受光チップは、受光側フレームに搭載されて保持されており、
上記受光側フレームは上記封止樹脂の平面形状に近似した平面形状を有して、上記発光素子の照射面からの光が上記受光チップ側に回り込まないようになっている。

この実施の形態によれば、上記発光素子の照射面からの光が上記受光チップ側に回り込まないようになっているため、上記可動物体の状態に関与していないノイズ光の上記受光素子への入射を抑制することができる。

また、１実施の形態の反射形エンコーダでは、
上記樹脂は、可視光カット透光性樹脂である。

この実施の形態によれば、モールド樹脂として可視光カット透光性樹脂を用いたことによって、検出系外からの可視光照射によるノイズ成分を抑制することができる。

また、１実施の形態の反射形エンコーダでは、
上記樹脂における上記可動物体側の面には受発光集光用レンズが形成されており、
上記受発光集光用レンズは、上記発光チップと受光チップとを上記樹脂によって封止する際に同一金型を用いて成形されている。

この実施の形態によれば、樹脂封止時に同一金型を用いて上記受発光集光用レンズを成形するので、光学要素である上記受発光集光用レンズと上記発光素子および受光素子との相対的位置を高精度に設定することが可能になる。

また、この発明の電子機器は、
この発明の反射形エンコーダを用いたことを特徴としている。

上記構成によれば、上記受光チップを上記発光チップよりも上記可動物体に近い位置に配置し、上記受光チップに上記発光素子の照射面からの光を上記可動物体に導く光路となる貫通穴を設けることによって、上記貫通穴は光源窓として機能するため、上記貫通穴と上記受光素子との相対位置を精度良く設定することによって、上記光源と受光素子との相対位置を高い精度で設定することができる。したがって、上記可動物体の移動位置または変位量を高い精度で得ることができる。

以上より明らかなように、この発明の反射形エンコーダは、発光素子の照射面と受光素子の受光面とは可動物体側を向いて配置されると共に、発光チップと受光チップとは２層構造を成しているため、上記可動物体の片面に検出系を配置することができる。

さらに、上記受光チップが設けられた層の方を上記発光チップが設けられた層よりも上記可動物体に近い位置に配置し、上記受光チップに上記発光素子の照射面からの光を上記可動物体に導く光路となる貫通穴を設けたので、上記貫通穴は光源窓として機能するため、上記貫通穴と上記受光素子との相対位置を精度良く設定することによって、上記光源と受光素子との相対位置を高い精度で設定することができる。加えて、上記発光チップの発光素子からの照射光が、直接的に上記受光チップに入射しないような検出系を構成することができる。さらに、上記受光チップが搭載された受光側フレームには上記発光素子の照射面からの光を上記受光チップに設けられた貫通穴に導く光路となる貫通穴を設け、上記受光側フレームに設けられた貫通穴の径を上記受光チップに設けられた貫通穴の径よりも大きく設定したので、上記受光側フレームの貫通穴の干渉を受けずに、上記受光チップの貫通穴の形状によって光源の大きさを制御することができる。

また、この発明の電子機器は、この発明の反射形エンコーダを用いたので、可動物体の片面に検出系を配置することができると共に、上記光源と受光素子との相対位置を高い精度で設定することが可能になる。したがって、高い精度で、上記可動物体の移動位置または変位量を得ることができる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。図１は、本実施の形態の反射形エンコーダの検出系における断面図である。また、図２は、図１に示す反射形エンコーダの検出系における被検出体側から見た平面図である。

図１および図２において、例えばレーザ素子が搭載されて成る発光チップ１１は、発光側フレーム１３の先端部に搭載されている。この発光側フレーム１３は、中央部に屈曲部１３aが設けられており、屈曲部１３aよりも先端側と屈曲部１３aよりも基端側とは上記先端側の方が低く且つ互いに平行な平面を構成している。また、受光チップ１２は、受光側フレーム１４の先端部に搭載されている。そして、発光側フレーム１３における屈曲部１３aよりも基端側は受光側フレーム１４と同一平面上に在り、屈曲部１３aよりも先端側は受光側フレーム１４と所定の間隔を有するように、発光側フレーム１３の上記先端部と受光側フレーム１４の先端部とが配置され、一つに金型によって可視光カット透光性樹脂１５で一体にモールドされてモールドパッケージ１７を構成している。

その際に、上記発光チップ１１の光放出面と受光チップ１２上の受光素子であるフォトダイオード１２bとは、コードホイール等で成る被検出体１６側に向くように配置されている。こうして、上記発光側フレーム１３に屈曲部１３aを設けることによって、発光チップ１１と受光チップ１２とが２層に配置された２層構造の反射形エンコーダを形成している。したがって、上記被検出体１６の片面側に対して検出系を設けることができるのである。

また、上記発光チップ１１と受光チップ１２との２層構造において、被検出体１６に対して発光チップ１１よりも受光チップ１２の方がより近い位置に配置されている。したがって、発光チップ１１からの放出光のうちの信号光に寄与しない放出光Ｘは、受光チップ１２を搭載している受光側フレーム１４の裏面で反射され、フォトダイオード１２b側に回り込むことが防止される。こうして、発光チップ１１からの照射光が受光チップ１２に直接的に入射されることがない検出系を構成することができるのである。すなわち、本実施の形態においては、必ずしも、被検出体１６側(つまり、受発光集光用レンズ１５a側)に照射方向が限定された構造の発光チップを採用する必要がなく、検出系の価格を低減することができるのである。

さらに、上記受光チップ１２に設けられたフォトダイオード１２bは、複数のフォトダイオード１２bずつ２つの群に分けて形成されており、受光チップ１２における２つのフォトダイオード１２bの群の間の位置には、上記ＭＥＭＳ等によって貫通穴１２aが形成されている。さらに、受光側フレーム１４における受光チップ１２の貫通穴１２aの位置には、貫通穴１４aが形成されている。そして、受光側フレーム１４に対して所定の間隔を有して下側にある発光側フレーム１３に搭載された発光チップ１１は、その光出射点の位置が受光側フレーム１４の貫通穴１４aの直下に位置するように配置されている。

したがって、上記発光チップ１１からの放出光のうちの信号光として用いられる光Ｙ1は、受光側フレーム１４の貫通穴１４aと受光チップ１２の貫通穴１２aとを通過して、被検出体１６に向かって放出されるのである。こうして、受光チップ１２の貫通穴１２aを光路として用いることによって貫通穴１２aは実質的に光源窓となるため、貫通穴１２aと光検出部としてのフォトダイオード１２bとの相対位置を上記ＭＥＭＳ等によって精度よく設定することによって、受光チップ１２上における光源とフォトダイオード１２bとの相対位置を高い精度で設定することができるのである。そして、その際に、発光チップ１１と受光チップ１２とには特に高精度な搭載精度は要求されないのである。

さらに加えて、上記発光チップ１１、それを搭載する発光側フレーム１３、受光チップ１２、および、それを搭載する受光側フレーム１４は、一つに金型によって可視光カット透光性樹脂１５で一体にモールドされる。さらに、その際に、上記金型によって受発光集光用レンズ１５aが上記モールドと同時に形成される。そのために、上記各光学系要素１１,１３,１２,１４,１５aの相対的な位置関係は、高い精度で設定される。また、その際のモールド樹脂として可視光カット透光性樹脂１５を用いている。したがって、可視光カット透光性樹脂１５で一体にモールドされて成るモールドパッケージ(検出系)１７外からの可視光照射によって、検出信号に混入するノイズ成分を抑制することができる。こうして、小型で安価な検出系を構成することができるのである。

図３は、上記受光チップ１２が搭載される受光側フレーム１４の平面図である。図２および図３に示すように、上記受光チップ１２を搭載する受光側フレーム１４は、モールドパッケージ１７に近似した平面形状に形成されている。こうすることによって、受光側フレーム１４よりも下層に配置された発光チップ１１からの放出光のうちの受光チップ１２の貫通穴１２aを通過した光Ｙ1'以外の光(被検出体１６の状態に関与しないノイズ光Ｘ)が、受光側フレーム１４を回り込んでフォトダイオード１２bに入射されるのを防止することができるのである。

図４は、上記受光側フレーム１４上に受光チップ１２が搭載された状態を示す平面図である。また、図５は、図４におけるＡ‐Ａ'矢視断面図である。図４に示すように、受光チップ１２上において、被検出体１６からの反射光を受けて複数の位相信号に変換するために、または、上記反射光の受光量を効率良く増幅するために、複数の受光素子であるフォトダイオード１２bが並列に、且つ、延在方向と被検出体１６の移動方向とを直交させて配置されている。その際に、被検出体１６で反射された変調光をバランス良く効率的に入射させるために、フォトダイオード１２bは光源窓となる貫通穴１２aに対して対象に配列されている。このように、受光チップ１２上に複数のフォトダイオード１２bのアレイを設けることによって、被検出体１６の分解能が上がって精細な受光パターンが必要となった場合であっても、複数のフォトダイオード１２bを同位相に配列することによって受光量を保持することが可能になる。また、変調光に対して複数の位相信号を発生させることができる。

さらに、上記光源窓となる受光チップ１２の貫通穴１２aは、照射光におけるフォトダイオード１２bの延在方向への平行度を高めるために、フォトダイオード１２bの配列方向に短径(狭い方の幅)を有する楕円(あるいは小判形)の形状に形成されている。

また、図５に示すように、上記受光側フレーム１４に設けられた上記貫通穴１４aの幅Ｓ2は、受光チップ１２の貫通穴１２aの幅Ｓ1よりも大きく(Ｓ2＞Ｓ1)なっており、受光側フレーム１４の貫通穴１４aの干渉を受けることなく受光チップ１２の貫通穴１２aの形状・サイズＳ1によって発光チップ１１からの放出光の絞りが設定されるようになっている。したがって、貫通穴１２aのサイズＳ1を変更することによって、被検出体１６の変調パターンおよびフォトダイオード１２bの位置に応じて照射光および入射光を任意に制御することができるのである。

図６は、上記発光チップ１１が発光側フレーム１３に搭載された状態を示す平面図である。また、図７は、図６における側面図である。図６に示すように、２本の発光側フレーム１３,１３が平行に配列されており、夫々における屈曲部１３aよりも先端側が途中で直角に内側に曲がって先端が近接している。そして、この近接している発光側フレーム１３,１３の先端１３b,１３bの一方には、発光チップ１１がその一方の端子を電気的に接続させて搭載されており、他方の端子は他方の先端１３bと金線１８で電気的に接続されている。

上記構成において、上記発光チップ１１の発光面から放出された光Ｙ1は、受光側フレーム１４に形成された貫通穴１４aおよび受光チップ１２に形成された貫通穴１２aを通過した後、受発光集光用レンズ１５aによって集光されて被検出体１６に向かって照射される。そして、被検出体１６上における反射部１６aと非反射部１６bとに光Ｙ1'が当たり、反射部１６aに当たった光Ｙ1'は反射され、非反射部１６bに当たった光Ｙ1'は殆ど反射されない。

その結果、上記被検出体６で反射され、再度受発光集光用レンズ１５aによって集光されて、受光チップ１２上に複数配置されたフォトダイオード１２bを照射する光Ｙ2は、明暗を持つことになる。そして、その明暗を有する光Ｙ2が複数のフォトダイオード１２bに当たることによって、各フォトダイオード１２bからの出力信号に基づいて被検出体１６の移動情報(移動速度や移動方向等)が分かるのである。

尚、上記実施の形態においては、上記受光素子を複数のフォトダイオード１２bを併設して構成しているが、１つのフォトダイオードを複数に等分割して成る分割フォトダイオードで構成しても差し支えない。

また、上記実施の形態においては、上記発光チップ１１と受光チップ１２との２層構造において、被検出体１６に対して発光チップ１１よりも受光チップ１２の方をより近い位置に配置して、受光チップ１２と受光側フレーム１４とに貫通穴１２a,１４aを設けている。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、被検出体１６に対して発光チップ１１の方を近い位置に配置して、発光側フレーム１３の方に貫通穴を設けることも可能である。

この発明の反射形エンコーダの検出系における断面図である。 図１に示す反射形エンコーダにおける被検出体側から見た平面図である。 図１における受光側フレームの平面図である。 図３に示す受光側フレーム上に受光チップが搭載された状態を示す平面図である。 図４におけるＡ‐Ａ'矢視断面図である。 図１における発光側フレームに発光チップが搭載された状態を示す平面図である。 図６の側面図である。 従来の反射形エンコーダにおける概略を示す断面図である。

符号の説明

１１…発光チップ、
１２…受光チップ、
１２a…受光チップの貫通穴、
１２b…フォトダイオード、
１３…発光側フレーム、
１３a…屈曲部、
１３b…発光側フレームの先端、
１４…受光側フレーム、
１４a…受光側フレームの貫通穴、
１５…可視光カット透光性樹脂、
１５a…受発光集光用レンズ、
１６…被検出体、
１６a…反射部、
１６b…非反射部、
１７…モールドパッケージ、
１８…金線。

Claims (10)

1. 可動物体に対して光を照射する発光素子が搭載された発光チップと、
   上記可動物体で反射された上記発光素子からの光を受光する受光素子が搭載された１つの受光チップと
   を備え、
   上記発光素子の照射面と上記受光素子の受光面とは上記可動物体側を向いて配置されており、
   上記受光チップは、平面状の受光側フレームに搭載されており、
   上記発光チップは、中央部に設けられた屈曲部よりも先端側と上記屈曲部よりも基端側とが、上記先端側の方が上記基端側よりも低く且つ互いに略平行な平面を構成すると共に、上記屈曲部よりも上記基端側は上記受光側フレームと略同一平面上に在る発光側フレームの先端部に搭載されており、
   上記発光側フレームに搭載された上記発光チップと上記受光側フレームに搭載された上記受光チップとは、所定の間隔を有する互いに異なる層に設けられて２層構造を成しており、
   上記受光チップが設けられた層の方が、上記発光チップが設けられた層よりも上記可動物体に近い位置に配置されており、
   上記受光チップに、上記発光素子の照射面からの光を上記可動物体に導く光路となる貫通穴を設けると共に、上記受光側フレームには、上記発光素子の照射面からの光を上記受光チップに設けられた貫通穴に導く光路となる貫通穴を設けており、
   上記受光側フレームに設けられた上記貫通穴の径は、上記受光チップに設けられた貫通穴の径よりも大きく設定されている
   ことを特徴とする反射形エンコーダ。
2. 請求項１に記載の反射形エンコーダにおいて、
   上記受光チップに設けられた上記貫通穴のサイズによって、上記発光素子の照射面からの光の絞り率が設定されていることを特徴とする反射形エンコーダ。
3. 請求項１に記載の反射形エンコーダにおいて、
   上記受光チップ上には、上記受光素子として複数のフォトダイオードアレイが形成されていることを特徴とする反射形エンコーダ。
4. 請求項３に記載の反射形エンコーダにおいて、
   上記複数のフォトダイオードアレイは、上記受光チップに設けられた上記貫通穴に対して対象に配置されていることを特徴とする反射形エンコーダ。
5. 請求項１に記載の反射形エンコーダにおいて、
   上記受光チップに設けられた貫通穴の形状を楕円あるいは小判形としたことを特徴とする反射形エンコーダ。
6. 請求項１に記載の反射形エンコーダにおいて、
   上記発光チップと受光チップとを所定の形状を有する樹脂によって一体に封止したことを特徴とする反射形エンコーダ。
7. 請求項６に記載の反射形エンコーダにおいて、
   上記受光チップは、受光側フレームに搭載されて保持されており、
   上記受光側フレームは上記封止樹脂の平面形状に近似した平面形状を有して、上記発光素子の照射面からの光が上記受光チップ側に回り込まないようになっている
   ことを特徴とする反射形エンコーダ。
8. 請求項６に記載の反射形エンコーダにおいて、
   上記樹脂は、可視光カット透光性樹脂であることを特徴とする反射形エンコーダ。
9. 請求項６に記載の反射形エンコーダにおいて、
   上記樹脂における上記可動物体側の面には受発光集光用レンズが形成されており、
   上記受発光集光用レンズは、上記発光チップと受光チップとを上記樹脂によって封止する際に同一金型を用いて成形されている
   ことを特徴とする反射形エンコーダ。
10. 請求項１乃至請求項９の何れか一つに記載の反射形エンコーダを用いたことを特徴とする電子機器。

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