JP4847031B2 - Optical encoder - Google Patents
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Description
本発明は、弯曲形状又はV字形状を有する反射スケールを備えた光学式エンコーダに関するものである。 The present invention relates to an optical encoder provided with a reflective scale having a curved shape or a V-shape.
図21は従来の光学式の反射型エンコーダの斜視図、図22は変位検出軸(座標系におけるX軸)と直交するYZ断面図を示している。LEDチップから成る光源1からの放射光束のうちの反射スケール2からの反射光束を、受光部及び信号処理回路を内蔵したフォトICチップから成る受光素子3で受光する。光源1及び受光素子3の半導体素子は基板4上にダイボンディングされ、更に透光性の樹脂5と透明ガラス6により覆われており、これらの光源1、受光素子3、基板4、樹脂5、透明ガラス6から検出ヘッド7は構成されている。一方、反射スケール2は反射スケール基材8と反射層9と反射層10を含む反射層形成部11から成っている。このような反射型エンコーダは例えば特許文献1に開示されている。
FIG. 21 is a perspective view of a conventional optical reflective encoder, and FIG. 22 is a YZ sectional view orthogonal to the displacement detection axis (X axis in the coordinate system). Of the radiated light beam from the
このような構成の反射式エンコーダでは、図23の変位検出軸を含むXZ断面図において、角度θ1が光源1から反射スケール2を介して受光素子3の受光領域に導かれる有効光束となる。この場合に、光源1から放射される光束のうちの僅かな光量しか使われておらず、殆どの光束は無効な成分となり、光の利用効率が極めて悪いという問題点がある。
In the reflective encoder having such a configuration, in the XZ sectional view including the displacement detection axis in FIG. 23, the angle θ1 is an effective light beam guided from the
有効光束を拡大するために、受光素子3の受光面積を拡大する手段が容易に考えられるが、受光素子3のサイズアップにより検出ヘッド7全体が大きくなってしまい、またコストアップにもつながり経済的でない。僅かな受光素子3に届く光量を補うために、光源1の発光量を増大させることも容易に考えられるが、この場合には消費電力の増大と光源1に過剰な電流を流すことになり、光源1の寿命が短くなってしまうという問題が発生する。
In order to expand the effective luminous flux, means for expanding the light receiving area of the light receiving
更に、信号処理回路内で信号増幅する手段も考えられるが、この方法もノイズ成分も増大させ実質的に有効な手段とならず、検出精度へ影響を与え、好ましい手段ではない。 Further, although means for amplifying the signal in the signal processing circuit is conceivable, this method also increases the noise component and does not become a substantially effective means, which affects the detection accuracy and is not a preferable means.
安価な可撓性反射スケールも考えられているが、変形が生じ易く、この変形により位置検出誤差が発生し易いという欠点もある。 Inexpensive flexible reflective scales are also considered, but there is also a drawback that deformation is likely to occur and position detection errors are likely to occur due to this deformation.
本発明の目的は、上述の課題を解消し、変形等に対して、反射スケール自体の形状に改良を加え、検出誤差を大幅に低減する光学式エンコーダを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an optical encoder that solves the above-described problems, improves the shape of the reflection scale itself against deformation, etc., and greatly reduces detection errors.
上記目的を達成するための本発明に係る光学式エンコーダの技術的特徴は、光源と受光素子を同一基板上に備えた検出ヘッドと、前記検出ヘッドに対して相対変位する可撓性を有する反射スケールと、を備えた光学式エンコーダにおいて、
前記反射スケールの相対変位の検出方向と直交する断面形状の少なくとも一部に弯曲形状又は略V字状を含み、前記反射スケールの固定は、前記反射スケール自体の弾性的な曲げ変形の反力を用いていることにある。
Technical characteristics of the optical encoder according to the present invention for achieving the above object, the reflection having a detection head having on the same substrate as the light receiving element light source, a flexible displaced relative to the detection head An optical encoder with a scale,
The reaction force of at least a portion seen including a curved shape or a substantially V-shaped, fixed of the reflective scale, elastic bending deformation of the reflective scale itself sectional shape perpendicular to the detection direction of the relative displacement of the reflective scale It is in using .
本発明に係る光学式エンコーダによれば、価格面で有利でありながら、精度面で課題があった可撓性を有するフィルムスケールや金属スケール等を高精度に用いることが可能となり、同時に光の利用効率を大幅に向上させることができ、低価格かつ高精度、低消費電力となる。 According to the optical encoder of the present invention, it is possible to use a flexible film scale, metal scale, etc., which has a problem in terms of accuracy, while being advantageous in terms of price, and at the same time, Utilization efficiency can be greatly improved, resulting in low price, high accuracy, and low power consumption.
本発明を図1〜図20に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。 The present invention will be described in detail based on the embodiment shown in FIGS.
図1は本発明による光学式反射型エンコーダの実施例1の構成を示す斜視図である。LEDチップから成る光源21、受光部及び信号処理回路を内蔵したフォトICチップから成る受光素子22の半導体素子を主体として検出ヘッド23が構成されている。検出ヘッド23は、光源21、受光素子22の他に、配線基板24と光源21と受光素子22を覆うように封止した透光性の封止樹脂25と、この封止樹脂25上に配設された透明ガラス26から成っている。
FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of a first embodiment of an optical reflective encoder according to the present invention. The
検出ヘッド23の上方に配置された反射スケール31は、図2に示すようにX軸に直交するYZ断面形状により、検出ヘッド23を覆うように弯曲されており、この実施例1では円筒体の母線X0と平行にその一部を切り出した立体形状とされている。また、YZ断面での円弧状断面の曲率半径は略検出ヘッド23と反射スケール31間の距離となっていて、その曲率中心線は光源21と受光素子22の略中間に位置している。
The
反射スケール31は図3に示すように、パターン形成シート32と反射層形成シート33から構成されている。パターン形成シート32は例えば工業用写真製版フィルム用の透明なPETフィルムであって、0.1〜0.2mm程度の厚みを有し、工業用写真製版フィルムの乳剤層により露光・現像工程を経て必要なパターンが形成されている。パターン形成シート32の基材部32a上には、光吸収部分の非反射部32bと光線透過部32cから成るパターンが交互に設けられている。
As shown in FIG. 3, the
一方、反射層形成シート33においては、基材とするPETフィルムから成る反射層33aの下面に蒸着膜から成る反射層33bが形成されている。反射スケール31は、これらのパターン形成シート32と反射層形成シート33を図4に示すように透明な接着剤から成る接着層34で接合した構造とされている。
On the other hand, in the reflection
このような反射スケール31は、厚み0.2mm前後で可撓性を有しており、図5(a)に示すようにY軸方向から力を加えて弯曲させ、(b)に示すように弯曲させたままの状態で、箱状の取付部材35に挿入する。弯曲変形させたまま、(c)に示すように取付部材35の突き当て位置まで押し込んでY軸方向の力を解放し、反射スケール31自体の弾性的な曲げ変形の反力Fによって、反射スケール31は取付部材35に対して固定される。この場合に、突き当て部位に補助的に接着剤を併用してもよい。
Such a
図6は上記のように取付部材35に取り付けられ弯曲した反射スケール31を示している。図7は検出ヘッド23との反射スケール31が組み合わされた実施例1のYZ断面図である。取付部材35の一部は光源21からの放射光束を制限する役割も兼ねており、取付部材35の底部に設けた枠体部35aが光学的な絞りの役割を果たしている。
FIG. 6 shows the
光源21から放射された光束は、図4に示すように光線Laとして反射スケール31のパターン形成シート32を透過し、パターン形成シート32の非反射部32bでその光束の一部が吸収される。一方、光線Lbは光線透過部32cを透過して反射層33bで反射する。この反射光線は再び光線透過部32cを通過し、更に基材部32aを透過して、検出ヘッド23内の受光素子22に入射する。反射型のエンコーダでは、検出ヘッド23と反射スケール31の相対変位に伴って発生する反射パターン部からの反射光束の光強度の変化を電気信号に変換し、図示しない演算手段を用いて相対変位量が計測可能となる。
The light beam emitted from the
図8は実施例1での光源21〜反射スケール31〜受光素子22までの経路の光線追跡の様子を示し、各状態(a)〜(f)は、検出ヘッド23から反射スケール31までの距離、所謂センサとスケール間ギャップを次第に遠去かるように変化させたものである。YZ断面での円弧状断面の曲率半径をほぼ検出ヘッド23と反射スケール31間の距離とし、更にその曲率中心線を光源21と受光素子22の間に位置しているので、光源21からの放射光束は殆ど受光素子22の面上に収束性光束として導くことが可能となる。
FIG. 8 shows the state of ray tracing of the path from the
本実施例1での光線光路を示す図8と、YZ断面形状を弯曲させていない従来の反射スケール2を用いた場合の光線追跡の図9とを比較してみると、図9では光源21からの放射光束の内、θ3(≒6°〜10°前後)の角度範囲の光量のみが受光素子22に導かれている。これに対して本実施例1では、図8のθ2(≒12°〜20°)の角度範囲の光量が受光素子22に導かれ、従来の約2倍程度受光光量が向上しており、検出ヘッド23と反射スケール31の間のギャップが広範囲で変動しても、センサとして利用可能となる。
Comparing FIG. 8 showing the light beam path in the first embodiment with FIG. 9 of ray tracing using the
図10はその様子を示すグラフ図であり、従来の平面スケールでは検出ヘッドの近傍に反射スケールを配置する必要があったが、本実施例1ではかなりの広範囲で有効な信号を得ることができる。 FIG. 10 is a graph showing the situation. In the conventional planar scale, it is necessary to arrange a reflection scale in the vicinity of the detection head. However, in the first embodiment, an effective signal can be obtained over a considerably wide range. .
このように実施例1では、反射スケール31のYZ断面形状を検出ヘッド23を覆うような円弧状断面としたことによって、光源21からの放射光束を従来の平面反射スケールの場合に比べてより多く受光素子22に導くことになる。特に本実施例1では、YZ断面での円弧状断面の曲率半径を検出ヘッド23と反射スケール31の距離と略等しくし、更にその曲率中心線が光源21と受光素子22の間に位置しているので、光源21から発散する放射光束は、受光素子22の面上に収束性光束として変換され、光源21からの光量を効率良く受光素子22に取り込むことが可能となる。
As described above, in the first embodiment, the YZ cross-sectional shape of the
反射スケール31では、円筒体の母線X0の方向と変位検出方向を一致させていることが重要であり、円筒体において母線X0の方向の曲げ強度は平板時に比べて増大し、反射スケール31の反射面の変位検出軸X方向に沿った変形は殆ど発生しない。このことは、変位検出軸Xの方向を円筒体の母線X0の方向と平行に配置し、反射型エンコーダに適用したとき、変位検出方向成分の直線性が向上し、反射スケール31での反射光束の振れが抑えられる。
In the
更に、反射スケール31自体の弾性的な曲げ変形の反力によって取付部材35に固定支持すると、従来の反射スケールで問題となる基準平面に貼り合わせる際の接着層34の厚みむらや、異物の挟み込みなどが発生することはない。
Furthermore, if the
図11は実施例2の反射型エンコーダのYZ断面図である。主要構成は実施例1と同じなのでその説明は省略するが、実施例1と異なる点は、反射スケール31を取り付ける取付部材41の形状と取付方法にある。実施例1では、反射スケール31はそれ自体の弾性的な曲げ変形の反力によって取付部材35に固定支持したが、この実施例2では反射スケール31は取付部材41に対して接着層42によって固定されている。
FIG. 11 is a YZ sectional view of the reflective encoder of the second embodiment. Since the main configuration is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted. However, the difference from the first embodiment is in the shape and mounting method of the mounting
反射スケール31を弯曲形状とするために、図12にも示すように取付部材41のYZ断面の反射スケール31の貼合部が弯曲形状となっていて、この弯曲面に沿うように反射スケール31は貼り付けられている。従って、取付部材41の貼り合わせ面形状によって、反射スケール31の弯曲形状を或る程度、所望の形状とすることができる。
In order to make the
この実施例2においても先の実施例1と同様に、変位検出軸X方向を弯曲部の母線X0の方向と平行配置し、反射型エンコーダに適用したとき、変位検出方向成分の直線性が向上し、反射スケール31での反射光束の振れが抑えられる効果がある。
In the second embodiment, similarly to the first embodiment, when the displacement detection axis X direction is arranged in parallel with the direction of the generatrix X0 and applied to the reflective encoder, the linearity of the displacement detection direction component is improved. In addition, there is an effect that the fluctuation of the reflected light beam on the
更に、反射スケール31の裏面全面が接着固定されるのではなく、反射スケール31の光学有効範囲Dに対応する部分41aのみ、取付部材41が形状的に逃げていて、実際には接着固定支持されず、接着層42での面変形、接着層42の厚みむら、貼り合わせ時の異物の挟み込みを避け、弯曲形状の母線X0の剛性が向上する効果により、実質的に変形の少ない取り付けが可能となる。
Further, the entire back surface of the
図13(a)〜(c)は実施例2の反射面断面形状が弯曲形状で、特に円弧の場合の光線光路を示し、検出ヘッド23と弯曲した反射スケール31の間隔を2.5mm、3.0mm、3.5mmとした場合の光路図である。円弧の曲率中心は光源21と受光素子22の略中間位置に存在し、曲率半径Rが3.0mmであるような反射円筒面とした場合の説明図である。
FIGS. 13A to 13C show the light beam path in the case where the reflecting surface sectional shape of the second embodiment is a curved shape, in particular, an arc, and the distance between the detecting
図14(a)〜(c)は反射面断面形状が弯曲形状で、特に放物線の場合の光線光路を示し、検出ヘッド23と弯曲した反射スケール31の間隔を2.5mm、3.0mm、3.5mmとした場合の光路図である。放物面の軸nは光源21と受光素子22の略中間位置とし、光源21からの放射光束をより多く受光素子22に導かれるように形状を最適化した場合で、その光束はθ4≒60°に達する。平行平板状態の従来の反射スケールに比べて5倍前後、光源光量の利用効率が向上している。
14A to 14C show the light beam path in the case where the reflecting surface has a curved cross section, particularly a parabola, and the distance between the
図15(a)〜(c)は反射面断面形状が弯曲形状で特に楕円の場合の光線光路を示し、検出ヘッド23と弯曲した反射スケール31の間隔を2.5mm、3.0mm、3.5mmとした場合の光路図である。楕円の短軸nは光源21と受光素子22の略中間位置とし、反射スケール31からの反射光束を略平行光束として受光素子22に入射させている。
15 (a) to 15 (c) show light beam paths when the reflecting surface has a curved cross-sectional shape, particularly an ellipse, and the intervals between the
上述のように実施例2として、弯曲面は円弧だけでなく、放物線、楕円、その他の双曲線などの形状を与えることにより、様々な反射光路の設計が可能であることを示している。何れの場合も、図10に示すように、従来の平板状反射スケールと比べて光の利用効率は大幅に改善されている。更に、この実施例2においても先の実施例1と同様に、何れの面形状の場合も変位検出軸方向を弯曲部の母線X0の方向と平行配置し、反射型エンコーダに適用したとき、変位検出方向成分の直線性が向上し、反射スケール31での反射光束の振れが抑えられる。
As described above, as Example 2, it is shown that various reflection light paths can be designed by giving the curved surface not only a circular arc but also a parabola, an ellipse, and other hyperbola. In any case, as shown in FIG. 10, the light utilization efficiency is greatly improved as compared with the conventional flat reflection scale. Further, in the second embodiment, similarly to the first embodiment, in any surface shape, the displacement detection axis direction is arranged in parallel with the direction of the generatrix X0 and applied to the reflective encoder. The linearity of the detection direction component is improved, and the fluctuation of the reflected light beam at the
図16は実施例3の光線光路図を示している。この実施例3では、反射スケール31のYZ断面形状として、略V字状に折り曲げた構造を備えた形状であり、この場合に2つの反射平面からの光束が重なるように、V字型の折り曲げ角度が選択されていて、光源21の光量の利用効率が改善されている。
FIG. 16 shows a ray path diagram of the third embodiment. In the third embodiment, the YZ cross-sectional shape of the
実際の曲げ加工では、屈曲部において若干のRが生ずることになるので、実施例2における双曲線断面として扱うことも可能である。図17はこの反射スケール31を取付部材51の外側に貼り付けた場合を示している。反射スケール31に対して先のV字型の折曲部以外に、その両側にそれぞれ曲げ加工が施され、ブロック状の取付部材51に接着層52により固定されている。
In actual bending, a slight amount of R is generated in the bent portion, so that it can be handled as a hyperbolic section in the second embodiment. FIG. 17 shows a case where the
この実施例3においても、先の実施例1と同様に変位検出軸X方向を折り曲げ構造の屈曲部稜線方向と平行配置し、反射型エンコーダに適用したとき、変位検出方向成分の直線性が向上し、反射スケール31での反射光束の振れが抑えられる。
Also in the third embodiment, the linearity of the displacement detection direction component is improved when the displacement detection axis X direction is arranged in parallel with the bending portion ridge line direction of the bending structure and applied to the reflection type encoder as in the first embodiment. Thus, the fluctuation of the reflected light beam at the
図18〜図20は実施例4を示し、特に弯曲スケールの製造方法を示している。図18においては、先に図3で示したパターン形成シート32及び反射層形成シート33は、予めそれぞれ単独で弯曲形状に成形されている。所定の曲率半径を有する断面円弧状の反射パターン形成シート32と反射層形成シート33とを別個に製作し、図19に示すように接着層61により接合されている。
18 to 20 show a fourth embodiment, in particular, a method for manufacturing a fold scale. In FIG. 18, the
接合手段としては、接着層61以外にも多くの手段が考えられるが、接合する方法として、例えば図20に示すようにパターン形成シート32と反射層形成シート33の間に接着層61を介在させて積み重ね、上ダイス62と下ダイス63により、これらの積層物を加熱加圧して圧着して製造することができる。
As a joining means, many means other than the
上記全ての実施例の構成に関する説明では、主に反射型フィルムスケールの場合について説明したが、反射型の金属スケールやその他の可撓性を有しない反射スケールに対しても、実質的に適用可能である。 In the description of the configuration of all the above embodiments, the case of the reflective film scale has been mainly described. However, the present invention can be substantially applied to a reflective metal scale and other reflective scales having no flexibility. It is.
21 光源
22 受光素子
23 検出ヘッド
31 反射スケール
32 パターン形成シート
33 反射層形成シート
34、42、52、61 接着層
35、41、51 取付部材
62 上ダイス
63 下ダイス
21
Claims (6)
前記反射スケールの相対変位の検出方向と直交する断面形状の少なくとも一部に弯曲形状又は略V字状を含み、
前記反射スケールの固定は、前記反射スケール自体の弾性的な曲げ変形の反力を用いていることを特徴とする光学式エンコーダ。 In an optical encoder comprising a detection head provided with a light source and a light receiving element on the same substrate, and a reflective scale having flexibility for relative displacement with respect to the detection head,
Look including a curved shape or a substantially V-shaped in at least a portion of the cross section perpendicular to the detection direction of the relative displacement of the reflective scale,
The reflection scale is fixed using an elastic bending deformation reaction force of the reflection scale itself .
前記反射スケールの相対変位の検出方向と直交する断面形状の少なくとも一部に弯曲形状を含み、Including a curved shape in at least a part of a cross-sectional shape orthogonal to the detection direction of the relative displacement of the reflective scale;
前記反射スケールの弯曲形状は、所定の曲率半径を有する円弧状の反射層形成シートと所定の曲率半径を有する円弧状の反射パターン形成シートとをそれぞれ別個に弯曲形状に製作し、前記反射層形成シートと前記反射パターン形成シートとの間に接着層を介在させて上ダイスと下ダイスにより加熱加圧して前記反射層形成シートと前記反射パターン形成シートを圧着して形成されていることを特徴とする光学式エンコーダ。The curved shape of the reflective scale is produced by separately forming an arc-shaped reflective layer forming sheet having a predetermined radius of curvature and an arc-shaped reflective pattern forming sheet having a predetermined radius of curvature, respectively, and forming the reflective layer An adhesive layer is interposed between the sheet and the reflective pattern forming sheet, and is formed by pressure-bonding the reflective layer forming sheet and the reflective pattern forming sheet by heating and pressing with an upper die and a lower die. An optical encoder.
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