JP4101700B2 - 光電式ロータリーエンコーダ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転体の回転角、回転速度等を検出する光電式ロータリーエンコーダに関し、特に装置を小型化し、組立精度を向上させた光電式ロータリーエンコーダを提供することに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光電式ロータリーエンコーダは、回転体の回転角、回転数、回転速度等をディジタル量として検出するために用いられるセンサの一種である。特に、モータの位置、速度を検出して制御部に情報を伝達するセンサとして、ロボット、工作機械などの各種産業機械の分野での幅広い利用が期待されている。
【０００３】
従来の折返し型ロータリーエンコーダは、円板を挟んで、投光部と受光部を一方のサイドに配置し、投光部からの出射光を受光部へ戻す折り返し部を他方のサイドに配置し、折り返し部を経由せずに投光部から漏れてくる迷光を除去するための遮光板を備えることを特徴としている。このような折返し型ロータリーエンコーダは、例えば、特許文献１に示されている。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第４,１５２,５８９号明細書（第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術に示される折返し型ロータリーエンコーダにあっては、投光部と受光部とを一方のサイドに近接して配置させているため、投光部から直接受光部に漏れる迷光を発生させないように投光部のビームを広げることができず、したがって投光部と折り返し部との距離を小さくすることに限界があり、装置の小型化に対する制約があった。また、折り返し部を経由せずに投光部から漏れてくる迷光を除去するための遮光板（従来技術ではステータが該当）が必要となり、部品点数が増えるという欠点を有していた。さらに、投光部と受光部が部品レベルで別々であるため、投光部、受光部、折り返し部の間のアライメント精度が厳しいという欠点も存在していた。
【０００６】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、投光部から漏れる迷光を除去することができ、部品点数の限定かつ実装精度の向上による設計の容易性を確保した光電式ロータリーエンコーダを得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、投光素子から発生した光線を折り返し光学部材によって光線の投光方向と逆方向に折り返し、折り返した光線を検出パターン部を有する円板を介して、投光素子と同じ基板上に配設された受光素子で受光し、この受光信号に基づいて円板の回転変位を検出する光電式ロータリーエンコーダにおいて、前記投光素子および受光素子が配設された基板の前方側に透明素材で形成され、裏面側の前記投光素子と対向する部位に凹部が形成された光学エレメントを配設し、この光学エレメントが前記投光素子からの光線の迷光成分を前記光学エレメントに取り込み、内部全反射により伝播させて、光学エレメント側面部より前記受光素子の受光範囲外の方向に迷光成分を排出するように構成したことを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、光学エレメントは、投光素子および受光素子が配設された基板の前方に、光学エレメントと基板の位置関係が変化しないように機械的に固定される形で一体化される。そして、基板の前方側に透明素材で形成された光学エレメントの裏面側の投光素子と対向する部位に形成された円筒形の凹部によって、投光素子からの光線の迷光成分が、この光学エレメントの側面部を介して外部に逃がされる。
【００１１】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記光学エレメントは、表面側の前記凹部が形成される部位に前記凹部を介して入射された光線を集光する前記凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部が形成されることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、円筒形の凹部が形成される表面側部位に形成された、この円筒形の凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部によって、入射された光線が集光される。
【００１３】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記光学エレメントは、光線を集光する第２のレンズ形状部が前記凹部の底面に形成されることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、光学エレメントの円筒形の凹部が形成される表面側部位に形成された、この円筒形の凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部と、光学エレメントの円筒形の凹部の底面に形成された第２のレンズ形状部とによって、ビーム光の平行度がさらに向上される。
【００１５】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記光学エレメントは、ビーム成形を行うための遮光パターンが前記凹部の底面に形成されることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、光学エレメントの円筒形の凹部の底面に形成された遮光パターンによって、ビーム成形が行われる。
【００１７】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記光学エレメントは、裏面側の前記受光素子と対向する部位に、Ｖ溝によりスリットが形成された固定スリット部材を備えることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、光学エレメントの裏面側の受光素子と対向する部位に形成されたＶ溝の固定スリット部材によって、遮光、回折等のビーム成形が行われる。
【００１９】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記折り返し光学部材は、その入射面に、光線を集光する第３のレンズ形状部を備えることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、折り返し光学部材の入射面に備えられた第３のレンズ形状部によって、光線が集光される。
【００２１】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記折り返し光学部材は、その出射面に、ビーム成形を行うための遮光パターンが形成されることを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、折り返し光学部材の出射面に備えられた遮光パターンによって、ビーム成形が行われる。
【００２３】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記基板に凹部を形成し、この凹部の底面に前記投光素子を配設したことを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、基板に凹部を形成し、この凹部の底面に投光素子を配設することによって、投光素子から受光素子に向かう光線の迷光成分が遮光される。
【００２５】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、投光素子から発生した光線を折り返し光学部材によって光線の投光方向と逆方向に折り返し、折り返した光線を折り返し光学部材の表面に形成した位相格子によって２つに分岐し、分岐した光線を検出パターン部を有する円板を介して、投光素子と同じ基板上に配設された２つの受光素子で受光し、これらの受光信号に基づいて円板の回転変位を検出する光電式ロータリーエンコーダにおいて、前記投光素子および受光素子が配設された基板の前方側に透明素材で形成され、裏面側の前記投光素子と対向する部位に凹部が形成された光学エレメントを配設し、この光学エレメントが前記投光素子からの光線の迷光成分を前記光学エレメントに取り込み、内部全反射により伝播させて、光学エレメント側面部より前記受光素子の受光範囲外の方向に迷光成分を排出するように構成したことを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、投受光モジュールは、第１の受光素子および第２の受光素子と、折り返し部に第１の位相格子および第２の位相格子とを設ける。そして、基板の前方側に透明素材で形成された光学エレメントの裏面側の投光素子と対向する部位に形成された円筒形の凹部によって、投光素子からの光線の迷光成分が、この光学エレメントの側面部を介して外部に逃がされる。
【００２７】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記光学エレメントは、裏面側の前記投光素子と対向する部位に円筒形の凹部が形成され、表面側の前記凹部が形成される部位に前記凹部を介して入射された光線を集光する、前記凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部が形成されることを特徴とする。
【００２８】
この発明によれば、光学エレメントの裏面側の投光素子と対向する部位に形成された円筒形の凹部によって、投光素子から受光素子に向かう光線の迷光成分が光学エレメントの側面部を介して外部に逃がされる。また、円筒形の凹部が形成される表面側部位に形成された、この円筒形の凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部によって、入射された光線が集光される。
【００２９】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記基板に２つの凹部を形成し、これら各凹部の底面に前記投光素子および受光素子を配設することを特徴とする。
【００３０】
この発明によれば、基板に形成された各凹部によって、投光素子から受光素子に向かう光線の迷光成分が遮光される。
【００３１】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、前記光学エレメントとして、屈折率１．５８のポリカーボネートを用いたことを特徴とする。
【００３２】
この発明によれば、光学エレメントを屈折率１．５８のポリカーボネートで構成し、この光学エレメントが有する形状とポリカーボネートと空気との屈折率差とを利用することによって、投光素子から受光素子に向かう光線の迷光成分が光学エレメントの側面部を介して外部に逃がされる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光電式ロータリーエンコーダの好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００３４】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。同図において、１は投受光モジュールであり、基板１３に投光素子１１と受光素子１２が実装され、光学エレメント１４が投光素子１１と受光素子１２を覆うように基板１３に取り付けられている。また、光学エレメント１４の表面には、周囲との屈折差を利用した第１レンズ２１が、また、裏面には、第１レンズ２１より外径が小さくかつ開口面２６と側面２７を持つ円筒形空洞部２５が設けられている。なお、基板１３と光学エレメント１４とは、両者の位置関係が変化しないように機械的に固定される形で一体化されている。
【００３５】
さらに、図１において、５は折り返し部であり、第１レンズ２１によって集光された投光素子１１からの出射光であるビーム１０１を反射させる反射面２２と、この反射面２２によって反射されたビーム１０２を投受光モジュール１に向かって反射する反射面２３とを備えている。ここで、反射面２２はビーム１０１の入射角が４５度となるように配置され、ビーム１０１を反射面２３へ全反射させる。反射面２３も同様に入射角が４５度となるように配置され、ビーム１０２を全反射させる。したがって、これらの反射面２２および反射面２３によって反射されたビーム１０３は、ビーム１０１の到来方向に向かって反射されることになる。第１レンズ２１によって集光されたビーム１０１が平行光であれば、反射面２３によって反射されるビーム１０３も平行光となる。また、６は円板であり、この円板６は回転角度等を検出するための特長化された検出パターン部２４を有している。折り返し部５からの入射されたビーム１０３が、回転する円板６に照射されると、円板６上の検出パターン部２４がビーム１０３を変調し、この変調されたビーム１０３が光学エレメント１４を介して投受光モジュール１の受光素子１２で受光され、回転角度、回転速度、回転数等の必要な情報を抽出することができる。
【００３６】
図２は、図１の投受光モジュールにおいて、ビームの迷光成分が反射を繰り返しながら投受光モジュールの外に逃げていく様子を模式的に示した説明図である。同図において、屈折率１．５８（ｄ線における数値）のポリカーボネートにて構成した光学エレメント１４の開口面２６が、投光素子１１の４５度方向と一致するように配置され、第１レンズ２１の径を図２に示すように円筒形空洞部２５より若干大きく設計している。このような設計にすれば、投光素子１１からの出射光のうち光軸とのなす角が４５度以下の成分は、円筒形空洞部２５の開口面２６から第１レンズ２１を通過して図示しない折り返し部の方へ向かう。一方、投光素子１１からの出射光のうち光軸とのなす角が４５度以上の成分は、円筒形空洞部２５の側面２７で屈折し、側面２７と直角に配置された光学エレメント１４の上面と下面との間を全反射を繰り返し、投受光モジュール１の外部に抜けていく。
【００３７】
例えば、ビーム１０４は、光軸とのなす角が４５度以下の成分であり、第１レンズ２１へ入射し、折り返し部５の方に向かう。また、ビーム１０５は、光軸とのなす角が４５度以上の成分であり、円筒形空洞部２５の側面２７から第１レンズ２１を通過せずに光学エレメント１４の外部に向かう。このビーム１０５は、折り返し部５に向かうことはない。さらに、光軸とのなす角が５０度で受光素子１２側へ向かうビーム１０６を考える。このビーム１０６は、側面２７から見れば入射角が４０度であり、入射面で屈折し、その屈折角は約２４度となる。このビーム１０６は、光学エレメント１４の下面に入射角約６６度で入射するが、屈折率１．５８のポリカーボネートで構成された光学エレメント１４の下面での臨界角は３９．３度であるから、全反射される。同様に、光学エレメント１４の上面でも全反射され、光学エレメント１４の側面から抜けることになり、受光素子１２には到達することはない。このようにして、投光素子１１から受光素子１２に向かう迷光成分が除去されることになる。
【００３８】
また、光学エレメント１４に第１レンズ２１を形成し、光学エレメント１４と投光素子１１と受光素子１２とを一体化構成としたので、従来技術に比べエンコーダサイズを大幅に小さくすることができる。また、投光素子１１と受光素子１２とを一体化したので、両者を一体で動かしながら光軸調整ができ、組み立て調整を簡略化かつ容易にすることができる。なお、この実施の形態１では、反射面２２および反射面２３を全反射面としたが、全反射面だけでなくミラー等による反射面としても同様の構成ができる。
【００３９】
このように、実施の形態１によれば、光学エレメントと基板とを、両者の位置関係が変化しないように機械的に固定する形で一体化し、この光学エレメントに第１レンズを形成したので、光ビームを容易に成形することができ、また、この第１レンズより外径が小さくかつ開口面と側面を持つ円筒形空洞部を形成したので、レンズを経由せずに受光素子側へ向かう迷光成分を、周囲との屈折率差を利用して全反射により光学エレメントの内部に閉じ込めながら投受光モジュールの外へ逃がし、受光素子への入射を防ぐことができる光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。また、光学エレメントと投光素子と受光素子とを一体化し、光学エレメントに第１レンズを形成したので、より小型化した投受光モジュールを有し、投・受光素子間の調整の簡略化による設計の容易性を確保した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００４０】
なお、実施の形態１では、周囲との屈折率差を利用して迷光成分を除去するために光学エレメントに設けた空洞部の形状を円筒形状としたが、この形状は、円筒形に限定されるものではなく、迷光成分を全反射により光学エレメントの内部に閉じ込めながら投受光モジュールの外へ逃がすことができる構造であればどんな形状でもよく、同様の効果が得られる。
【００４１】
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。図２の実施の形態１と比較して、投光素子１１だけを光学エレメント１７で覆い、シリコン部２８で受光素子１２を封止している。なお、折り返し部５、円板６等の構成については図１と同様であるため、図示していない。この構成によれば、光学エレメントの形状をより小さくできるため投受光モジュール１をさらに小型化できるという利点を有している。
【００４２】
このように、実施の形態２によれば、投光素子を光学エレメントで覆い、シリコンで受光素子を封止したので、さらに小型化した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００４３】
実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１において、光学エレメント１４の受光素子１２と対向する部分に、折り返し部側からの入射光の入射角が４５度になるようなＶ溝にて作成した固定スリット５１を設け、入射光を選択的に遮光させている。なお、折り返し部５、円板６等の構成については図１と同様であるため、図示していない。
【００４４】
例えば、屈折率１．５８のポリカーボネートにて光学エレメント１４を成形した場合、臨界角は３９．３度となるので、固定スリット５１のＶ溝部に入射した平行光は全て全反射し、遮光される。この構成によれば、光学エレメントにＶ溝の加工を施すだけで簡単に遮光スリットを形成することが可能である。また、Ｖ溝の大きさと配列周期を小さくすれば、振幅格子型の回折格子を構成することもできる。また、Ｖ溝の間隔を狭くして、入射光を完全に遮光することも可能である。
【００４５】
このように、実施の形態３によれば、光学エレメント上の受光素子と対向する部分に、Ｖ溝の固定スリット５１を設ける構成としたので、簡単な加工により、遮光スリット、振幅格子型の回折格子等を形成した、光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００４６】
実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１において、光学エレメント１４の第１レンズ２１の裏面に、裏面レンズ２９を設けている。なお、図２と同様に、折り返し部５、円板６等の構成については図１と同様であるため、図示していない。
【００４７】
この構成によれば、１枚のレンズで構成する場合に比べて、光学エレメントからの出射光の平行度を向上させることができるとともに、光学エレメントの複数の面に、レンズだけでなく凹凸、Ｖ溝等による回折格子を構成することも可能であり光学的な機能・性能を向上させることも可能である。
【００４８】
このように、実施の形態４によれば、光学エレメント１４の第１レンズ２１の裏面に、裏面レンズ２９を設ける構成としたので、光学エレメントからの出射光の平行度をさらに向上させるとともに光学的な機能・性能を向上させた光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００４９】
実施の形態５．
図６は、この発明の実施の形態５である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１と比較して、折り返し部５に第２レンズ３０を設けた点が相違する。その他については、実施の形態１と同様であり、同一部分には同一符号を付して示している。実施の形態１と同様に、投光素子１１から出射され、第１レンズ２１および第２レンズ３０の２枚のレンズにて集光されたビーム１０２が、折り返し部５の反射面２２と反射面２３で全反射され、回転する円板６上の検出パターン部２４によってビーム１０３が変調され、光学エレメント１４を介して投受光モジュール１の受光素子１２で受光される。
【００５０】
この構成によれば、複数枚のレンズで構成できるので、レンズ間の距離を調整することで、照射径の拡大や平行度の向上などの光学性能を向上することができる。また、複数枚のレンズを組み合わせることで、各レンズの曲率も緩和できるため、第１レンズ２１の実装精度、折り返し部５の組み立て精度とのトレードオフが可能となり、設計の容易性を確保することができる。
【００５１】
このように、実施の形態５によれば、折り返し部５に第２レンズ３０を設ける構成としたので、照射径の拡大や平行度の向上などの光学性能を向上させ、かつ、構成部分間の組み立て精度とのトレードオフによる設計の容易性を確保した、光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００５２】
実施の形態６．
図７は、この発明の実施の形態６である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１と比較して、投受光モジュール１の受光素子として、第１の受光素子１８および第２の受光素子１９を有している点、折り返し部５のビーム入射面上および出射面上にそれぞれ光学距離差λ／２の凹凸面による第１の位相格子３１および第２の位相格子３２を有している点が相違する。また、図８（ａ）は図７の矢印Ａから折り返し部５を見た側面図であり、図８（ｂ）は図７の矢印Ｂから折り返し部５を見た側面図を示している。なお、図７および図８ともに、実施の形態１と同一部分には同一符号を付して示している。
【００５３】
図８（ａ）、（ｂ）において、第１レンズ２１から出射され、折り返し部５の位相格子３１に入射されたビーム１０１は、回折により、＋１つぎのビーム１１１と−１つぎのビーム１１２に分岐される。ビーム１１１とビーム１１２に関し、図７における紙面平面上の入射角が４５度となるように反射面２２を構成し、全反射により両ビームを反射面２３へ反射させ、反射面２３でも同様に入射角が４５度となるように構成し、これらのビーム１１１とビーム１１２を全反射させる。折り返し部５の位相格子３２は、ビーム１１１の−１次光であるビーム１１３と、ビーム１１２の＋１次光であるビーム１１４を円板６へ偏向させ、円板６の回転角度を検出するために特長化された検出パターン部２４を照射する。この検出パターン部２４によりビーム１１３とビーム１１４は変調され、それぞれ第１の受光素子１８および第２の受光素子１９にて受光される。
【００５４】
この構成によれば、ビーム１０１が位相格子３１を照射さえしていれば、ビーム１０１を均等に分割することができるので、投光素子１１と折り返し部５の光学アライメントが容易になるとともに、組み立て精度を向上させることができる。また、２枚の位相格子３１と位相格子３２との間の光学距離が、折り返し部５の形状にて制御できることから、２枚の格子間距離の管理も容易になる。さらに、位相格子の代わりに、Ｖ溝による固定スリットを設け、選択的なビームの遮光、Ｖ溝の振幅型の回折格子によるビームの回折や分岐等の機能を付加することも可能である。
【００５５】
このように、実施の形態６によれば、投受光モジュールに第１の受光素子１８および第２の受光素子１９と、折り返し部５に第１の位相格子３１および第２の位相格子３２とを設ける構成としたので、光学アライメントの容易性と、組み立て精度とを向上させた光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。また、ビームの選択的な遮光、回折、複数への分岐等を可能とする多機能な光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００５６】
実施の形態７．
図９は、この発明の実施の形態７である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１と比較して、光学エレメント１４の内側の面に、第１レンズ２１より径の小さい円形クロムパターン３３を施したところが相違している。その他については、実施の形態１と同様であり、同一部分には同一符号を付して示している。また、図１０は円形クロムパターンを投光素子側から見た図である。同図において、３３は光学エレメントに施した円形クロムパターンを、３４は円形クロムパターン３３の内側エッジを示している。
【００５７】
この構成によれば、光学エレメント１４に円形クロムパターン３３を設けることで、容易に円形クロムパターン３３の内側エッジ３４により円形のビーム成形を行うことができる。また、円形以外のクロムパターンを用いることも可能であり、所望のビーム成形を行うことも可能となる。さらに、ビーム成形以外にも迷光の除去などにも適用することが可能であり、クロムパターンにて受光素子１２上の光学エレメント１４の表面に、固定スリットを設け、選択的に遮光を行うこともできる。
【００５８】
このように、実施の形態７によれば、光学エレメント１４の内側の面に、第１レンズより径の小さい円形クロムパターン３３を施す構成としたので、ビームの成形、ビームの選択的な遮光、迷光の除去を可能とする多機能な光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００５９】
実施の形態８．
図１１は、この発明の実施の形態８である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１と比較して、折り返し部５の円板６に向かう出射面にクロムパターン３５による固定スリットを設けたことが相違する点である。その他については、実施の形態１と同様であり、同一部分には同一符号を付して示している。
【００６０】
この構成によれば、投受光モジュールだけでなく、折り返し部５でもクロムパターン３５によって、固定スリットを構成できる。クロムパターン３５の形状は固定スリットに限らず、例えば回折格子を形成し、光を回折させたりビームを分岐させることも可能である。また、円形のクロムパターンを構成すれば、平行光のビーム形状を簡単に円形へ成形することもできる。
【００６１】
このように、実施の形態８によれば、折り返し部の出射面にクロムパターンによる固定スリットを施す構成としたので、ビームの成形、ビームの分岐等を可能とする多機能な光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００６２】
実施の形態９．
図１２は、この発明の実施の形態９である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１と比較して、基板４１に投光素子１１と受光素子１２を実装し、第１レンズ２１を有する光学エレメント１５を取り付け、基板４１には、投光素子１１と受光素子１２との間に遮光部を設けている点が相違しているが、特に光学エレメント１５が円筒形空洞部を有さない点が大きく相違している。その他については、実施の形態１と同様であり、同一部分には同一符号を付して示している。なお、図２と同様に、折り返し部５、円板６等の構成については図１と同様であるため、図示していない。
【００６３】
この構成によれば、例えばビーム１２１のような第１レンズ２１を経由せずに投光素子１１から受光素子１２へ向かう迷光成分を、基板４１の形状にて簡単に遮光することができる。このため、実施の形態１等で示したように、光学エレメント内に円筒形空洞部を設ける必要がない。
【００６４】
このように、実施の形態９によれば、投光素子と受光素子を実装した基板の投光素子と受光素子との間に遮光部を設けるように構成したので、投光素子から受光素子へ向かう迷光成分を除去した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。また、光学エレメント１５内に円筒形空洞部を設ける必要がないので、光学エレメントの設計を容易にすることができる。
【００６５】
実施の形態１０．
図１３は、この発明の実施の形態１０である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１と比較して、基板４２の投光素子１１と受光素子１２との間に段差を設け、受光素子１２の実装位置を投光素子１１より若干円板６へ近づけている点が相違するところである。その他については、実施の形態１と同様であり、同一部分には同一符号を付して示している。
【００６６】
この構成によれば、例えばビーム１２２のような投光素子１１から受光素子１２へ向かう迷光成分を、基板４２の位置、深さ、形状を調整することにより簡単に遮光することができる。また、ビーム１２３のような投光素子１１から受光素子１２へ向かう迷光成分を、光学エレメント１４内の円筒形空洞部２５の側面に入射させ、光学エレメント１４の内部に閉じ込めながら投受光モジュールの外へ逃がすことができる。さらに、光学特性上重要な円板６上の検出パターン部２４と受光素子１２との距離を、基板４２の形状にて調整することも可能である。
【００６７】
このように、実施の形態１０によれば、投光素子と受光素子との間に段差を設け、受光素子の実装位置を投光素子より若干円板へ近づけるように構成したので、レンズを経由せずに投光素子から受光素子へ向かう迷光成分を遮光または投受光モジュールの外へ逃がすことができ、円板上の検出パターン部と受光素子との距離を任意に調整できる光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００６８】
実施の形態１１．
図１４は、この発明の実施の形態１１である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１と比較して、光学エレメント１４の表面の第１レンズを削除し、折り返し部５に第２レンズ３０を設けている点が相違するところである。その他については、実施の形態１と同様であり、同一部分には同一符号を付して示している。
【００６９】
このように、実施の形態１１によれば、光学エレメント１４の表面を平面とし、折り返し部５に第２レンズ３０を設ける構成としたので、照射径の拡大や平行度の向上等の光学性能を向上させ、かつ、構成部分間の組み立て精度とのトレードオフによる設計の容易性を確保した、光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００７０】
なお、実施の形態１１では、光学エレメント１４の表面部を平面とし、折り返し部５に第２レンズ３０を設ける構成としたが、レンズを設ける個所は折り返し部５に限定されるものではなく、例えば光学エレメント１４の円筒形空洞部２５の開口面２６等に設けても同様の効果が得られる。
【００７１】
また、実施の形態１１では、光学エレメント１４の表面部を平面とし、折り返し部５に第２レンズ３０を設ける構成としたが、この光学エレメント１４の表面部を平面とし、折り返し部５に第２レンズ３０を設ける構成を実施の形態３、７、８〜１０の何れか一つに適用することもでき、この場合も実施の形態１１と同様の効果が得られる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、投光素子および受光素子が配設された基板の前方に、この基板を覆うように配設かつ一体化され、裏面側の前記投光素子と対向する部位に凹部が形成された光学エレメントによって、投光素子からの光線の迷光成分を、この光学エレメントの側面部を介して外部に逃がすことができる構成としたので、不要なビーム光を遮光するための遮光板を必要とすることなく除去することができ、部品点数を削減した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。また、投光素子と受光素子とが同一基板に実装されることにより小型化した投受光モジュールを有し、投・受光素子間の調整の簡略化による設計の容易性を確保した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００７４】
つぎの発明によれば、円筒形の凹部が形成される表面側部位に形成された、この円筒形の凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部によって、入射された光線が集光される構成としたので、不要なビーム光の遮光板を必要とすることなく除去することができ、部品点数を削減した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００７５】
つぎの発明によれば、光学エレメントの円筒形の凹部が形成される表面側部位に形成された、この円筒形の凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部と、光学エレメントの円筒形の凹部の底面に形成された第２のレンズ形状部とによってビーム光の平行度をさらに向上させるとともに、光学的な機能・性能を向上させた光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００７６】
つぎの発明によれば、光学エレメントの円筒形の凹部の底面に形成された遮光パターンによって、ビーム成形が行われる構成としたので、ビームの成形、ビームの選択的な遮光、迷光の除去を可能とする多機能な光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００７７】
つぎの発明によれば、光学エレメントの裏面側の受光素子と対向する部位に形成されたＶ溝の固定スリット部材によって、簡単な加工により、ビーム光の遮光、回折等を行うことができる光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００７８】
つぎの発明によれば、折り返し光学部材の入射面に備えられた第３のレンズ形状部によって、光線が集光されるので、照射径の拡大や平行度の向上などの光学性能を向上させ、かつ、構成部分間の組み立て精度とのトレードオフによる設計の容易性を確保した、光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００７９】
つぎの発明によれば、折り返し光学部材の出射面に備えられた遮光パターンによってビーム成形が行われる構成としたので、ビームの成形、ビームの分岐等を可能とする多機能な光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００８０】
つぎの発明によれば、基板に凹部を形成し、この凹部の底面に投光素子を配設することによって、投光素子から受光素子に向かう光線の迷光成分が光学エレメントの側面部を介して外部に逃がされる構成としたので、不要なビーム光の遮光板を必要とすることなく除去することができ、部品点数を削減した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００８１】
つぎの発明によれば、投受光モジュールは、第１の受光素子および第２の受光素子と、折り返し部に第１の位相格子および第２の位相格子とを設ける構成としたので、光学アライメントの容易性と、組み立て精度とを向上させた光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。また、ビームの選択的な遮光、回折、複数への分岐等を可能とする多機能な光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。また、投光素子と受光素子とが同一基板に実装されることにより小型化した投受光モジュールを有し、投・受光素子間の調整の簡略化による設計の容易性を確保した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００８２】
つぎの発明によれば、光学エレメントの裏面側の投光素子と対向する部位に形成された円筒形の凹部によって、投光素子から受光素子に向かう光線の迷光成分が光学エレメントの側面部を介して外部に逃がされ、また、円筒形の凹部が形成される表面側部位に形成された、この円筒形の凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部によって、入射された光線が集光される構成としたので、不要なビーム光を遮光板を必要とすることなく除去することができ、部品点数を削減した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００８３】
つぎの発明によれば、基板に形成された各凹部によって投光素子から受光素子に向かう光線の迷光成分が遮光される構成としたので、不要なビーム光を遮光板を必要とすることなく除去することができ、部品点数を削減した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。また、投光素子と受光素子とが同一基板に実装されることにより、小型化した投受光モジュールを有し、投・受光素子間の調整の簡略化による設計の容易性を確保した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００８４】
つぎの発明によれば、光学エレメントを屈折率１．５８のポリカーボネートで構成し、この光学エレメントが有する形状とポリカーボネートと空気との屈折率差とを利用することによって、投光素子から受光素子に向かう光線の迷光成分を光学エレメントの側面部を介して外部に逃がすことができる構成としたので、不要なビーム光を遮光板を必要とすることなく除去することができ、部品点数を削減した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。
【図２】 図１の投受光モジュールにおいて、ビームの迷光成分が反射を繰り返しながら投受光モジュールの外に逃げていく様子を模式的に示した説明図である。
【図３】 この発明の実施の形態２である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。
【図４】 この発明の実施の形態３である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。
【図５】 この発明の実施の形態４である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。
【図６】 この発明の実施の形態５である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。
【図７】 この発明の実施の形態６である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。
【図８】（ａ）は図７の矢印Ａから折り返し部を見た側面図であり、図８（ｂ）は図７の矢印Ｂから折り返し部を見た側面図を示している。
【図９】 この発明の実施の形態７である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。
【図１０】 円形クロムパターンを投光素子側から見た図である。
【図１１】 この発明の実施の形態８である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。
【図１２】 この発明の実施の形態９である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。
【図１３】 この発明の実施の形態１０である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。
【図１４】 この発明の実施の形態１１である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。
【符号の説明】
１ 投受光モジュール、５ 折り返し部、６ 円板、１１ 投光素子、１２，１８，１９ 受光素子、１３，４１，４２ 基板、１４，１５，１７ 光学エレメント、２１，３０ レンズ、２２，２３ 反射面、２４ 検出パターン部、２５ 円筒形空洞部、２６ 開口面、２７ 側面、２８ シリコン部、２９ 裏面レンズ、３１，３２ 位相格子、３３ 円形クロムパターン、３４ 内側エッジ、３５ クロムパターン、５１ 固定スリット、１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１１１，１１２，１１３，１１４，１２０，１２１，１２２，１２３ ビーム。
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転体の回転角、回転速度等を検出する光電式ロータリーエンコーダに関し、特に装置を小型化し、組立精度を向上させた光電式ロータリーエンコーダを提供することに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光電式ロータリーエンコーダは、回転体の回転角、回転数、回転速度等をディジタル量として検出するために用いられるセンサの一種である。特に、モータの位置、速度を検出して制御部に情報を伝達するセンサとして、ロボット、工作機械などの各種産業機械の分野での幅広い利用が期待されている。
【０００３】
従来の折返し型ロータリーエンコーダは、円板を挟んで、投光部と受光部を一方のサイドに配置し、投光部からの出射光を受光部へ戻す折り返し部を他方のサイドに配置し、折り返し部を経由せずに投光部から漏れてくる迷光を除去するための遮光板を備えることを特徴としている。このような折返し型ロータリーエンコーダは、例えば、特許文献１に示されている。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第４,１５２,５８９号明細書（第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術に示される折返し型ロータリーエンコーダにあっては、投光部と受光部とを一方のサイドに近接して配置させているため、投光部から直接受光部に漏れる迷光を発生させないように投光部のビームを広げることができず、したがって投光部と折り返し部との距離を小さくすることに限界があり、装置の小型化に対する制約があった。また、折り返し部を経由せずに投光部から漏れてくる迷光を除去するための遮光板（従来技術ではステータが該当）が必要となり、部品点数が増えるという欠点を有していた。さらに、投光部と受光部が部品レベルで別々であるため、投光部、受光部、折り返し部の間のアライメント精度が厳しいという欠点も存在していた。
【０００６】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、投光部から漏れる迷光を除去することができ、部品点数の限定かつ実装精度の向上による設計の容易性を確保した光電式ロータリーエンコーダを得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、投光素子から発生した光線を折り返し光学部材によって光線の投光方向と逆方向に折り返し、折り返した光線を検出パターン部を有する円板を介して、投光素子と同じ基板上に配設された受光素子で受光し、この受光信号に基づいて円板の回転変位を検出する光電式ロータリーエンコーダにおいて、前記投光素子および受光素子が配設された基板の前方側に透明素材で形成され、裏面側の前記投光素子と対向する部位に凹部が形成された光学エレメントを配設し、この光学エレメントが前記投光素子からの光線の迷光成分を前記光学エレメントに取り込み、内部全反射により伝播させて、光学エレメント側面部より前記受光素子の受光範囲外の方向に迷光成分を排出するように構成したことを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、光学エレメントは、投光素子および受光素子が配設された基板の前方に、光学エレメントと基板の位置関係が変化しないように機械的に固定される形で一体化される。そして、基板の前方側に透明素材で形成された光学エレメントの裏面側の投光素子と対向する部位に形成された円筒形の凹部によって、投光素子からの光線の迷光成分が、この光学エレメントの側面部を介して外部に逃がされる。
【００１１】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記光学エレメントは、表面側の前記凹部が形成される部位に前記凹部を介して入射された光線を集光する前記凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部が形成されることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、円筒形の凹部が形成される表面側部位に形成された、この円筒形の凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部によって、入射された光線が集光される。
【００１３】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記光学エレメントは、光線を集光する第２のレンズ形状部が前記凹部の底面に形成されることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、光学エレメントの円筒形の凹部が形成される表面側部位に形成された、この円筒形の凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部と、光学エレメントの円筒形の凹部の底面に形成された第２のレンズ形状部とによって、ビーム光の平行度がさらに向上される。
【００１５】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記光学エレメントは、ビーム成形を行うための遮光パターンが前記凹部の底面に形成されることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、光学エレメントの円筒形の凹部の底面に形成された遮光パターンによって、ビーム成形が行われる。
【００１７】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記光学エレメントは、裏面側の前記受光素子と対向する部位に、Ｖ溝によりスリットが形成された固定スリット部材を備えることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、光学エレメントの裏面側の受光素子と対向する部位に形成されたＶ溝の固定スリット部材によって、遮光、回折等のビーム成形が行われる。
【００１９】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記折り返し光学部材は、その入射面に、光線を集光する第３のレンズ形状部を備えることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、折り返し光学部材の入射面に備えられた第３のレンズ形状部によって、光線が集光される。
【００２１】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記折り返し光学部材は、その出射面に、ビーム成形を行うための遮光パターンが形成されることを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、折り返し光学部材の出射面に備えられた遮光パターンによって、ビーム成形が行われる。
【００２３】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記基板に凹部を形成し、この凹部の底面に前記投光素子を配設したことを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、基板に凹部を形成し、この凹部の底面に投光素子を配設することによって、投光素子から受光素子に向かう光線の迷光成分が遮光される。
【００２５】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、投光素子から発生した光線を折り返し光学部材によって光線の投光方向と逆方向に折り返し、折り返した光線を折り返し光学部材の表面に形成した位相格子によって２つに分岐し、分岐した光線を検出パターン部を有する円板を介して、投光素子と同じ基板上に配設された２つの受光素子で受光し、これらの受光信号に基づいて円板の回転変位を検出する光電式ロータリーエンコーダにおいて、前記投光素子および受光素子が配設された基板の前方側に透明素材で形成され、裏面側の前記投光素子と対向する部位に凹部が形成された光学エレメントを配設し、この光学エレメントが前記投光素子からの光線の迷光成分を前記光学エレメントに取り込み、内部全反射により伝播させて、光学エレメント側面部より前記受光素子の受光範囲外の方向に迷光成分を排出するように構成したことを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、投受光モジュールは、第１の受光素子および第２の受光素子と、折り返し部に第１の位相格子および第２の位相格子とを設ける。そして、基板の前方側に透明素材で形成された光学エレメントの裏面側の投光素子と対向する部位に形成された円筒形の凹部によって、投光素子からの光線の迷光成分が、この光学エレメントの側面部を介して外部に逃がされる。
【００２７】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記光学エレメントは、裏面側の前記投光素子と対向する部位に円筒形の凹部が形成され、表面側の前記凹部が形成される部位に前記凹部を介して入射された光線を集光する、前記凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部が形成されることを特徴とする。
【００２８】
この発明によれば、光学エレメントの裏面側の投光素子と対向する部位に形成された円筒形の凹部によって、投光素子から受光素子に向かう光線の迷光成分が光学エレメントの側面部を介して外部に逃がされる。また、円筒形の凹部が形成される表面側部位に形成された、この円筒形の凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部によって、入射された光線が集光される。
【００２９】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、上記の発明において、前記基板に２つの凹部を形成し、これら各凹部の底面に前記投光素子および受光素子を配設することを特徴とする。
【００３０】
この発明によれば、基板に形成された各凹部によって、投光素子から受光素子に向かう光線の迷光成分が遮光される。
【００３１】
つぎの発明にかかる光電式ロータリーエンコーダは、前記光学エレメントとして、屈折率１．５８のポリカーボネートを用いたことを特徴とする。
【００３２】
この発明によれば、光学エレメントを屈折率１．５８のポリカーボネートで構成し、この光学エレメントが有する形状とポリカーボネートと空気との屈折率差とを利用することによって、投光素子から受光素子に向かう光線の迷光成分が光学エレメントの側面部を介して外部に逃がされる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光電式ロータリーエンコーダの好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００３４】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。同図において、１は投受光モジュールであり、基板１３に投光素子１１と受光素子１２が実装され、光学エレメント１４が投光素子１１と受光素子１２を覆うように基板１３に取り付けられている。また、光学エレメント１４の表面には、周囲との屈折差を利用した第１レンズ２１が、また、裏面には、第１レンズ２１より外径が小さくかつ開口面２６と側面２７を持つ円筒形空洞部２５が設けられている。なお、基板１３と光学エレメント１４とは、両者の位置関係が変化しないように機械的に固定される形で一体化されている。
【００３５】
さらに、図１において、５は折り返し部であり、第１レンズ２１によって集光された投光素子１１からの出射光であるビーム１０１を反射させる反射面２２と、この反射面２２によって反射されたビーム１０２を投受光モジュール１に向かって反射する反射面２３とを備えている。ここで、反射面２２はビーム１０１の入射角が４５度となるように配置され、ビーム１０１を反射面２３へ全反射させる。反射面２３も同様に入射角が４５度となるように配置され、ビーム１０２を全反射させる。したがって、これらの反射面２２および反射面２３によって反射されたビーム１０３は、ビーム１０１の到来方向に向かって反射されることになる。第１レンズ２１によって集光されたビーム１０１が平行光であれば、反射面２３によって反射されるビーム１０３も平行光となる。また、６は円板であり、この円板６は回転角度等を検出するための特長化された検出パターン部２４を有している。折り返し部５からの入射されたビーム１０３が、回転する円板６に照射されると、円板６上の検出パターン部２４がビーム１０３を変調し、この変調されたビーム１０３が光学エレメント１４を介して投受光モジュール１の受光素子１２で受光され、回転角度、回転速度、回転数等の必要な情報を抽出することができる。
【００３６】
図２は、図１の投受光モジュールにおいて、ビームの迷光成分が反射を繰り返しながら投受光モジュールの外に逃げていく様子を模式的に示した説明図である。同図において、屈折率１．５８（ｄ線における数値）のポリカーボネートにて構成した光学エレメント１４の開口面２６が、投光素子１１の４５度方向と一致するように配置され、第１レンズ２１の径を図２に示すように円筒形空洞部２５より若干大きく設計している。このような設計にすれば、投光素子１１からの出射光のうち光軸とのなす角が４５度以下の成分は、円筒形空洞部２５の開口面２６から第１レンズ２１を通過して図示しない折り返し部の方へ向かう。一方、投光素子１１からの出射光のうち光軸とのなす角が４５度以上の成分は、円筒形空洞部２５の側面２７で屈折し、側面２７と直角に配置された光学エレメント１４の上面と下面との間を全反射を繰り返し、投受光モジュール１の外部に抜けていく。
【００３７】
例えば、ビーム１０４は、光軸とのなす角が４５度以下の成分であり、第１レンズ２１へ入射し、折り返し部５の方に向かう。また、ビーム１０５は、光軸とのなす角が４５度以上の成分であり、円筒形空洞部２５の側面２７から第１レンズ２１を通過せずに光学エレメント１４の外部に向かう。このビーム１０５は、折り返し部５に向かうことはない。さらに、光軸とのなす角が５０度で受光素子１２側へ向かうビーム１０６を考える。このビーム１０６は、側面２７から見れば入射角が４０度であり、入射面で屈折し、その屈折角は約２４度となる。このビーム１０６は、光学エレメント１４の下面に入射角約６６度で入射するが、屈折率１．５８のポリカーボネートで構成された光学エレメント１４の下面での臨界角は３９．３度であるから、全反射される。同様に、光学エレメント１４の上面でも全反射され、光学エレメント１４の側面から抜けることになり、受光素子１２には到達することはない。このようにして、投光素子１１から受光素子１２に向かう迷光成分が除去されることになる。
【００３８】
また、光学エレメント１４に第１レンズ２１を形成し、光学エレメント１４と投光素子１１と受光素子１２とを一体化構成としたので、従来技術に比べエンコーダサイズを大幅に小さくすることができる。また、投光素子１１と受光素子１２とを一体化したので、両者を一体で動かしながら光軸調整ができ、組み立て調整を簡略化かつ容易にすることができる。なお、この実施の形態１では、反射面２２および反射面２３を全反射面としたが、全反射面だけでなくミラー等による反射面としても同様の構成ができる。
【００３９】
このように、実施の形態１によれば、光学エレメントと基板とを、両者の位置関係が変化しないように機械的に固定する形で一体化し、この光学エレメントに第１レンズを形成したので、光ビームを容易に成形することができ、また、この第１レンズより外径が小さくかつ開口面と側面を持つ円筒形空洞部を形成したので、レンズを経由せずに受光素子側へ向かう迷光成分を、周囲との屈折率差を利用して全反射により光学エレメントの内部に閉じ込めながら投受光モジュールの外へ逃がし、受光素子への入射を防ぐことができる光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。また、光学エレメントと投光素子と受光素子とを一体化し、光学エレメントに第１レンズを形成したので、より小型化した投受光モジュールを有し、投・受光素子間の調整の簡略化による設計の容易性を確保した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００４０】
なお、実施の形態１では、周囲との屈折率差を利用して迷光成分を除去するために光学エレメントに設けた空洞部の形状を円筒形状としたが、この形状は、円筒形に限定されるものではなく、迷光成分を全反射により光学エレメントの内部に閉じ込めながら投受光モジュールの外へ逃がすことができる構造であればどんな形状でもよく、同様の効果が得られる。
【００４１】
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。図２の実施の形態１と比較して、投光素子１１だけを光学エレメント１７で覆い、シリコン部２８で受光素子１２を封止している。なお、折り返し部５、円板６等の構成については図１と同様であるため、図示していない。この構成によれば、光学エレメントの形状をより小さくできるため投受光モジュール１をさらに小型化できるという利点を有している。
【００４２】
このように、実施の形態２によれば、投光素子を光学エレメントで覆い、シリコンで受光素子を封止したので、さらに小型化した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００４３】
実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１において、光学エレメント１４の受光素子１２と対向する部分に、折り返し部側からの入射光の入射角が４５度になるようなＶ溝にて作成した固定スリット５１を設け、入射光を選択的に遮光させている。なお、折り返し部５、円板６等の構成については図１と同様であるため、図示していない。
【００４４】
例えば、屈折率１．５８のポリカーボネートにて光学エレメント１４を成形した場合、臨界角は３９．３度となるので、固定スリット５１のＶ溝部に入射した平行光は全て全反射し、遮光される。この構成によれば、光学エレメントにＶ溝の加工を施すだけで簡単に遮光スリットを形成することが可能である。また、Ｖ溝の大きさと配列周期を小さくすれば、振幅格子型の回折格子を構成することもできる。また、Ｖ溝の間隔を狭くして、入射光を完全に遮光することも可能である。
【００４５】
このように、実施の形態３によれば、光学エレメント上の受光素子と対向する部分に、Ｖ溝の固定スリット５１を設ける構成としたので、簡単な加工により、遮光スリット、振幅格子型の回折格子等を形成した、光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００４６】
実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１において、光学エレメント１４の第１レンズ２１の裏面に、裏面レンズ２９を設けている。なお、図２と同様に、折り返し部５、円板６等の構成については図１と同様であるため、図示していない。
【００４７】
この構成によれば、１枚のレンズで構成する場合に比べて、光学エレメントからの出射光の平行度を向上させることができるとともに、光学エレメントの複数の面に、レンズだけでなく凹凸、Ｖ溝等による回折格子を構成することも可能であり光学的な機能・性能を向上させることも可能である。
【００４８】
このように、実施の形態４によれば、光学エレメント１４の第１レンズ２１の裏面に、裏面レンズ２９を設ける構成としたので、光学エレメントからの出射光の平行度をさらに向上させるとともに光学的な機能・性能を向上させた光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００４９】
実施の形態５．
図６は、この発明の実施の形態５である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１と比較して、折り返し部５に第２レンズ３０を設けた点が相違する。その他については、実施の形態１と同様であり、同一部分には同一符号を付して示している。実施の形態１と同様に、投光素子１１から出射され、第１レンズ２１および第２レンズ３０の２枚のレンズにて集光されたビーム１０２が、折り返し部５の反射面２２と反射面２３で全反射され、回転する円板６上の検出パターン部２４によってビーム１０３が変調され、光学エレメント１４を介して投受光モジュール１の受光素子１２で受光される。
【００５０】
この構成によれば、複数枚のレンズで構成できるので、レンズ間の距離を調整することで、照射径の拡大や平行度の向上などの光学性能を向上することができる。また、複数枚のレンズを組み合わせることで、各レンズの曲率も緩和できるため、第１レンズ２１の実装精度、折り返し部５の組み立て精度とのトレードオフが可能となり、設計の容易性を確保することができる。
【００５１】
このように、実施の形態５によれば、折り返し部５に第２レンズ３０を設ける構成としたので、照射径の拡大や平行度の向上などの光学性能を向上させ、かつ、構成部分間の組み立て精度とのトレードオフによる設計の容易性を確保した、光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００５２】
実施の形態６．
図７は、この発明の実施の形態６である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１と比較して、投受光モジュール１の受光素子として、第１の受光素子１８および第２の受光素子１９を有している点、折り返し部５のビーム入射面上および出射面上にそれぞれ光学距離差λ／２の凹凸面による第１の位相格子３１および第２の位相格子３２を有している点が相違する。また、図８（ａ）は図７の矢印Ａから折り返し部５を見た側面図であり、図８（ｂ）は図７の矢印Ｂから折り返し部５を見た側面図を示している。なお、図７および図８ともに、実施の形態１と同一部分には同一符号を付して示している。
【００５３】
図８（ａ）、（ｂ）において、第１レンズ２１から出射され、折り返し部５の位相格子３１に入射されたビーム１０１は、回折により、＋１つぎのビーム１１１と−１つぎのビーム１１２に分岐される。ビーム１１１とビーム１１２に関し、図７における紙面平面上の入射角が４５度となるように反射面２２を構成し、全反射により両ビームを反射面２３へ反射させ、反射面２３でも同様に入射角が４５度となるように構成し、これらのビーム１１１とビーム１１２を全反射させる。折り返し部５の位相格子３２は、ビーム１１１の−１次光であるビーム１１３と、ビーム１１２の＋１次光であるビーム１１４を円板６へ偏向させ、円板６の回転角度を検出するために特長化された検出パターン部２４を照射する。この検出パターン部２４によりビーム１１３とビーム１１４は変調され、それぞれ第１の受光素子１８および第２の受光素子１９にて受光される。
【００５４】
この構成によれば、ビーム１０１が位相格子３１を照射さえしていれば、ビーム１０１を均等に分割することができるので、投光素子１１と折り返し部５の光学アライメントが容易になるとともに、組み立て精度を向上させることができる。また、２枚の位相格子３１と位相格子３２との間の光学距離が、折り返し部５の形状にて制御できることから、２枚の格子間距離の管理も容易になる。さらに、位相格子の代わりに、Ｖ溝による固定スリットを設け、選択的なビームの遮光、Ｖ溝の振幅型の回折格子によるビームの回折や分岐等の機能を付加することも可能である。
【００５５】
このように、実施の形態６によれば、投受光モジュールに第１の受光素子１８および第２の受光素子１９と、折り返し部５に第１の位相格子３１および第２の位相格子３２とを設ける構成としたので、光学アライメントの容易性と、組み立て精度とを向上させた光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。また、ビームの選択的な遮光、回折、複数への分岐等を可能とする多機能な光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００５６】
実施の形態７．
図９は、この発明の実施の形態７である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１と比較して、光学エレメント１４の内側の面に、第１レンズ２１より径の小さい円形クロムパターン３３を施したところが相違している。その他については、実施の形態１と同様であり、同一部分には同一符号を付して示している。また、図１０は円形クロムパターンを投光素子側から見た図である。同図において、３３は光学エレメントに施した円形クロムパターンを、３４は円形クロムパターン３３の内側エッジを示している。
【００５７】
この構成によれば、光学エレメント１４に円形クロムパターン３３を設けることで、容易に円形クロムパターン３３の内側エッジ３４により円形のビーム成形を行うことができる。また、円形以外のクロムパターンを用いることも可能であり、所望のビーム成形を行うことも可能となる。さらに、ビーム成形以外にも迷光の除去などにも適用することが可能であり、クロムパターンにて受光素子１２上の光学エレメント１４の表面に、固定スリットを設け、選択的に遮光を行うこともできる。
【００５８】
このように、実施の形態７によれば、光学エレメント１４の内側の面に、第１レンズより径の小さい円形クロムパターン３３を施す構成としたので、ビームの成形、ビームの選択的な遮光、迷光の除去を可能とする多機能な光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００５９】
実施の形態８．
図１１は、この発明の実施の形態８である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１と比較して、折り返し部５の円板６に向かう出射面にクロムパターン３５による固定スリットを設けたことが相違する点である。その他については、実施の形態１と同様であり、同一部分には同一符号を付して示している。
【００６０】
この構成によれば、投受光モジュールだけでなく、折り返し部５でもクロムパターン３５によって、固定スリットを構成できる。クロムパターン３５の形状は固定スリットに限らず、例えば回折格子を形成し、光を回折させたりビームを分岐させることも可能である。また、円形のクロムパターンを構成すれば、平行光のビーム形状を簡単に円形へ成形することもできる。
【００６１】
このように、実施の形態８によれば、折り返し部の出射面にクロムパターンによる固定スリットを施す構成としたので、ビームの成形、ビームの分岐等を可能とする多機能な光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００６２】
実施の形態９．
図１２は、この発明の実施の形態９である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１と比較して、基板４１に投光素子１１と受光素子１２を実装し、第１レンズ２１を有する光学エレメント１５を取り付け、基板４１には、投光素子１１と受光素子１２との間に遮光部を設けている点が相違しているが、特に光学エレメント１５が円筒形空洞部を有さない点が大きく相違している。その他については、実施の形態１と同様であり、同一部分には同一符号を付して示している。なお、図２と同様に、折り返し部５、円板６等の構成については図１と同様であるため、図示していない。
【００６３】
この構成によれば、例えばビーム１２１のような第１レンズ２１を経由せずに投光素子１１から受光素子１２へ向かう迷光成分を、基板４１の形状にて簡単に遮光することができる。このため、実施の形態１等で示したように、光学エレメント内に円筒形空洞部を設ける必要がない。
【００６４】
このように、実施の形態９によれば、投光素子と受光素子を実装した基板の投光素子と受光素子との間に遮光部を設けるように構成したので、投光素子から受光素子へ向かう迷光成分を除去した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。また、光学エレメント１５内に円筒形空洞部を設ける必要がないので、光学エレメントの設計を容易にすることができる。
【００６５】
実施の形態１０．
図１３は、この発明の実施の形態１０である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１と比較して、基板４２の投光素子１１と受光素子１２との間に段差を設け、受光素子１２の実装位置を投光素子１１より若干円板６へ近づけている点が相違するところである。その他については、実施の形態１と同様であり、同一部分には同一符号を付して示している。
【００６６】
この構成によれば、例えばビーム１２２のような投光素子１１から受光素子１２へ向かう迷光成分を、基板４２の位置、深さ、形状を調整することにより簡単に遮光することができる。また、ビーム１２３のような投光素子１１から受光素子１２へ向かう迷光成分を、光学エレメント１４内の円筒形空洞部２５の側面に入射させ、光学エレメント１４の内部に閉じ込めながら投受光モジュールの外へ逃がすことができる。さらに、光学特性上重要な円板６上の検出パターン部２４と受光素子１２との距離を、基板４２の形状にて調整することも可能である。
【００６７】
このように、実施の形態１０によれば、投光素子と受光素子との間に段差を設け、受光素子の実装位置を投光素子より若干円板へ近づけるように構成したので、レンズを経由せずに投光素子から受光素子へ向かう迷光成分を遮光または投受光モジュールの外へ逃がすことができ、円板上の検出パターン部と受光素子との距離を任意に調整できる光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００６８】
実施の形態１１．
図１４は、この発明の実施の形態１１である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。図１の実施の形態１と比較して、光学エレメント１４の表面の第１レンズを削除し、折り返し部５に第２レンズ３０を設けている点が相違するところである。その他については、実施の形態１と同様であり、同一部分には同一符号を付して示している。
【００６９】
このように、実施の形態１１によれば、光学エレメント１４の表面を平面とし、折り返し部５に第２レンズ３０を設ける構成としたので、照射径の拡大や平行度の向上等の光学性能を向上させ、かつ、構成部分間の組み立て精度とのトレードオフによる設計の容易性を確保した、光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００７０】
なお、実施の形態１１では、光学エレメント１４の表面部を平面とし、折り返し部５に第２レンズ３０を設ける構成としたが、レンズを設ける個所は折り返し部５に限定されるものではなく、例えば光学エレメント１４の円筒形空洞部２５の開口面２６等に設けても同様の効果が得られる。
【００７１】
また、実施の形態１１では、光学エレメント１４の表面部を平面とし、折り返し部５に第２レンズ３０を設ける構成としたが、この光学エレメント１４の表面部を平面とし、折り返し部５に第２レンズ３０を設ける構成を実施の形態３、７、８〜１０の何れか一つに適用することもでき、この場合も実施の形態１１と同様の効果が得られる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、投光素子および受光素子が配設された基板の前方に、この基板を覆うように配設かつ一体化され、裏面側の前記投光素子と対向する部位に凹部が形成された光学エレメントによって、投光素子からの光線の迷光成分を、この光学エレメントの側面部を介して外部に逃がすことができる構成としたので、不要なビーム光を遮光するための遮光板を必要とすることなく除去することができ、部品点数を削減した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。また、投光素子と受光素子とが同一基板に実装されることにより小型化した投受光モジュールを有し、投・受光素子間の調整の簡略化による設計の容易性を確保した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００７４】
つぎの発明によれば、円筒形の凹部が形成される表面側部位に形成された、この円筒形の凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部によって、入射された光線が集光される構成としたので、不要なビーム光の遮光板を必要とすることなく除去することができ、部品点数を削減した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００７５】
つぎの発明によれば、光学エレメントの円筒形の凹部が形成される表面側部位に形成された、この円筒形の凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部と、光学エレメントの円筒形の凹部の底面に形成された第２のレンズ形状部とによってビーム光の平行度をさらに向上させるとともに、光学的な機能・性能を向上させた光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００７６】
つぎの発明によれば、光学エレメントの円筒形の凹部の底面に形成された遮光パターンによって、ビーム成形が行われる構成としたので、ビームの成形、ビームの選択的な遮光、迷光の除去を可能とする多機能な光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００７７】
つぎの発明によれば、光学エレメントの裏面側の受光素子と対向する部位に形成されたＶ溝の固定スリット部材によって、簡単な加工により、ビーム光の遮光、回折等を行うことができる光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００７８】
つぎの発明によれば、折り返し光学部材の入射面に備えられた第３のレンズ形状部によって、光線が集光されるので、照射径の拡大や平行度の向上などの光学性能を向上させ、かつ、構成部分間の組み立て精度とのトレードオフによる設計の容易性を確保した、光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００７９】
つぎの発明によれば、折り返し光学部材の出射面に備えられた遮光パターンによってビーム成形が行われる構成としたので、ビームの成形、ビームの分岐等を可能とする多機能な光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００８０】
つぎの発明によれば、基板に凹部を形成し、この凹部の底面に投光素子を配設することによって、投光素子から受光素子に向かう光線の迷光成分が光学エレメントの側面部を介して外部に逃がされる構成としたので、不要なビーム光の遮光板を必要とすることなく除去することができ、部品点数を削減した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００８１】
つぎの発明によれば、投受光モジュールは、第１の受光素子および第２の受光素子と、折り返し部に第１の位相格子および第２の位相格子とを設ける構成としたので、光学アライメントの容易性と、組み立て精度とを向上させた光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。また、ビームの選択的な遮光、回折、複数への分岐等を可能とする多機能な光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。また、投光素子と受光素子とが同一基板に実装されることにより小型化した投受光モジュールを有し、投・受光素子間の調整の簡略化による設計の容易性を確保した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００８２】
つぎの発明によれば、光学エレメントの裏面側の投光素子と対向する部位に形成された円筒形の凹部によって、投光素子から受光素子に向かう光線の迷光成分が光学エレメントの側面部を介して外部に逃がされ、また、円筒形の凹部が形成される表面側部位に形成された、この円筒形の凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部によって、入射された光線が集光される構成としたので、不要なビーム光を遮光板を必要とすることなく除去することができ、部品点数を削減した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００８３】
つぎの発明によれば、基板に形成された各凹部によって投光素子から受光素子に向かう光線の迷光成分が遮光される構成としたので、不要なビーム光を遮光板を必要とすることなく除去することができ、部品点数を削減した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。また、投光素子と受光素子とが同一基板に実装されることにより、小型化した投受光モジュールを有し、投・受光素子間の調整の簡略化による設計の容易性を確保した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【００８４】
つぎの発明によれば、光学エレメントを屈折率１．５８のポリカーボネートで構成し、この光学エレメントが有する形状とポリカーボネートと空気との屈折率差とを利用することによって、投光素子から受光素子に向かう光線の迷光成分を光学エレメントの側面部を介して外部に逃がすことができる構成としたので、不要なビーム光を遮光板を必要とすることなく除去することができ、部品点数を削減した光電式ロータリーエンコーダを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。
【図２】 図１の投受光モジュールにおいて、ビームの迷光成分が反射を繰り返しながら投受光モジュールの外に逃げていく様子を模式的に示した説明図である。
【図３】 この発明の実施の形態２である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。
【図４】 この発明の実施の形態３である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。
【図５】 この発明の実施の形態４である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。
【図６】 この発明の実施の形態５である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。
【図７】 この発明の実施の形態６である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。
【図８】（ａ）は図７の矢印Ａから折り返し部を見た側面図であり、図８（ｂ）は図７の矢印Ｂから折り返し部を見た側面図を示している。
【図９】 この発明の実施の形態７である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。
【図１０】 円形クロムパターンを投光素子側から見た図である。
【図１１】 この発明の実施の形態８である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。
【図１２】 この発明の実施の形態９である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。
【図１３】 この発明の実施の形態１０である光電式ロータリーエンコーダの投受光モジュールを模式的に示した構成図である。
【図１４】 この発明の実施の形態１１である光電式ロータリーエンコーダの主要部を模式的に示した構成図である。
【符号の説明】
１ 投受光モジュール、５ 折り返し部、６ 円板、１１ 投光素子、１２，１８，１９ 受光素子、１３，４１，４２ 基板、１４，１５，１７ 光学エレメント、２１，３０ レンズ、２２，２３ 反射面、２４ 検出パターン部、２５ 円筒形空洞部、２６ 開口面、２７ 側面、２８ シリコン部、２９ 裏面レンズ、３１，３２ 位相格子、３３ 円形クロムパターン、３４ 内側エッジ、３５ クロムパターン、５１ 固定スリット、１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１１１，１１２，１１３，１１４，１２０，１２１，１２２，１２３ ビーム。
Claims (12)
- 投光素子から発生した光線を折り返し光学部材によって光線の投光方向と逆方向に折り返し、折り返した光線を検出パターン部を有する円板を介して、投光素子と同じ基板上に配設された受光素子で受光し、この受光信号に基づいて円板の回転変位を検出する光電式ロータリーエンコーダにおいて、
前記投光素子および受光素子が配設された基板の前方側に透明素材で形成され、裏面側の前記投光素子と対向する部位に凹部が形成された光学エレメントを配設し、この光学エレメントが前記投光素子からの光線の迷光成分を前記光学エレメントに取り込み、内部全反射により伝播させて、光学エレメント側面部より前記受光素子の受光範囲外の方向に迷光成分を排出するように構成したことを特徴とする光電式ロータリーエンコーダ。 - 前記光学エレメントは、表面側の前記凹部が形成される部位に前記凹部を介して入射された光線を集光する前記凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の光電式ロータリーエンコーダ。
- 前記光学エレメントは、光線を集光する第２のレンズ形状部が前記凹部の底面に形成されることを特徴とする請求項２に記載の光電式ロータリーエンコーダ。
- 前記光学エレメントは、ビーム成形を行うための遮光パターンが前記凹部の底面に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の光電式ロータリーエンコーダ。
- 前記光学エレメントは、裏面側の前記受光素子と対向する部位に、Ｖ溝によりスリットが形成された固定スリット部材を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光電式ロータリーエンコーダ。
- 前記折り返し光学部材は、その入射面に、光線を集光する第３のレンズ形状部を備えることを特徴とする請求項２に記載の光電式ロータリーエンコーダ。
- 前記折り返し光学部材は、その出射面に、ビーム成形を行うための遮光パターンが形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の光電式ロータリーエンコーダ。
- 前記基板に凹部を形成し、この凹部の底面に前記投光素子を配設したことを特徴とする請求項１または２に記載の光電式ロータリーエンコーダ。
- 投光素子から発生した光線を折り返し光学部材によって光線の投光方向と逆方向に折り返し、折り返した光線を折り返し光学部材の表面に形成した位相格子によって２つ以上に分岐し、分岐した光線を検出パターン部を有する円板を介して、投光素子と同じ基板上に配設された２つの受光素子で受光し、これらの受光信号に基づいて円板の回転変位を検出する光電式ロータリーエンコーダにおいて、
前記投光素子および受光素子が配設された基板の前方側に透明素材で形成され、裏面側の前記投光素子と対向する部位に凹部が形成された光学エレメントを配設し、この光学エレメントが前記投光素子からの光線の迷光成分を前記光学エレメントに取り込み、内部全反射により伝播させて、光学エレメント側面部より前記受光素子の受光範囲外の方向に迷光成分を排出するように構成したことを特徴とする光電式ロータリーエンコーダ。 - 前記光学エレメントは、裏面側の前記投光素子と対向する部位に円筒形の凹部が形成され、表面側の前記凹部が形成される部位に前記凹部を介して入射された光線を集光する、前記凹部の径より径が大きな第１のレンズ形状部が形成されることを特徴とする請求項９に記載の光電式ロータリーエンコーダ。
- 前記基板に２つの凹部を形成し、これら各凹部の底面に前記投光素子および受光素子を配設することを特徴とする錆求項１に記載の光電式ロータリーエンコーダ。
- 前記光学エレメントとして、屈折率１．５８のポリカーボネートを用いたことを特徴とする請求項１〜１１の何れか一つに記載の光電式ロータリーエンコーダ。
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