JP5085001B2 - 光エンコーダモジュール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光デバイスに関し、更に詳しくは、光エンコーダモジュールで使用する、コリメータレンズを有する発光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光エンコーダモジュールは、通常、発光デバイス（即ち、発光器）と光検出デバイス（即ち、検出器）を有している。これらの発光器及び検出器は、互いに間隔を置いて配置され、シャフトに装着されたコードホイールが発光器と検出器の間の間隙において回転できるように相互に位置合せ（アライメント）されている。コードホイールは、発光器が放出した光がコードホイールによって遮断又は透過された後に検出器によって検出されるよう、交互に変化する不透明及び透明の領域を有している。このような種類の光エンコーダモジュールは、特許文献１に詳細に開示されている。又、このようなエンコーダモジュールの設計は、特許文献２にも開示されている。
【０００３】
図１は、ハウジング２と、互いにアライメントされた関係で対向している発光器９、１１及び検出器７と、を有する既存の光エンコーダモジュール１を示している。これらの発光器９、１１及び検出器７は、間隔をおいて配置されており、コードホイール３がこれらの間の間隙で回転できるようになっている。発光器は、発光ダイオード（ＬＥＤ）９と、このＬＥＤ上に位置しＬＥＤからの光を受光して検出器７の方向に平行光ビーム１７を生成する別個のレンズから構成されている。検出器７は、平行光ビーム１７の異なる部分の光を受光するべく、コードホイールに対して異なる角位置に並べて配列された４つの細長い光検出素子を含んでいる。この結果、このエンコーダモジュールは、コードホイールの回転の速度と方向の両方を正確に検出することができる。
【０００４】
発光器９、１１からの検出器への平行光ビームの生成は、エンコーダの正確な動作を保証する重要な機能である。平行ビームから光が逸脱するのは問題であり、エンコーダにおける視差及び光検出素子の稼動ダイナミックレンジの劣化の原因となる。
【０００５】
発光ダイオード９は、例えば、ＧａＰ（ガリウム、リン）やＧａＡｓＰ（ガリウム、ヒ素、リン）などの半導体のダイから構成されており、金属リードフレーム１２に直接又はワイヤボンディングによって取り付けられ電気的に接続されている。更に、ＬＥＤ９は、透明なエポキシ材料によって密閉されていてもよい。別個のコリメータレンズ１１は、プラスチック材料から型成形されており、ＬＥＤ９と適切にアライメントされた状態でハウジング２上に取り付けられている。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第４，６９１，１０１号明細書
【特許文献２】
米国意匠特許第３２９，１９３号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンコーダモジュールの上述の設計には、様々な制限が存在する。
【０００８】
コリメータレンズ１１は、底部面（bottom planar surface）を介してＬＥＤ９から光を受光し、上部の湾曲面から放出するときに光を集束する。即ち、これらの上部及び底部面の両方がＬＥＤ９からの光の平行化をもたらす屈折面になっている。従って、光を正確に平行化するコリメータレンズの能力は、上部面及び底部面の作成における製作公差及び不正確性によってのみ制限されるわけではなく、上部及び底部面の相対的な位置及び方向によっても制限される。
【０００９】
又、ＬＥＤ９に対するコリメータレンズ１１の位置も、平行光ビームの生成における発光器の性能にとって極めて重要である。ＬＥＤ９上でのレンズの正確な位置決めは時間のかかるプロセスであり、エンコーダモジュールの組み立てにおけるコスト上昇要因となる。
【００１０】
小型のエンコーダ設計に対する要求が市場において増大している。しかしながら、このようなコリメータレンズをエンコーダのハウジング上に取り付ける形態では、製造業者による小さなエンコーダの設計に限界がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面によれば、発光素子と、この発光素子を密閉すると共に発光素子から受光した光を略平行なビームに集束するべく成形された凸状で非球面の外部表面を備える透明媒体と、を有する発光デバイスが提供される。
【００１２】
本発明による発光デバイスは、平行光ビームを生成する小型のデバイスを提供するという利点を有している。この発光デバイスは、発光器によって生成される平行光ビームが、特に有用な光エンコーダモジュールの発光器として有効に使用可能である。又、この発光デバイスは、平行光の小型光源を必要とするその他のアプリケーションにおいても有効に使用できる。
【００１３】
本発明によるこの発光デバイスの更なる利点は、単一の屈折インターフェイスによって光を平行化していることである。即ち、この発光素子からの各光線が屈折するのは、平行ビームになる前の一回だけである。この単一の光学インターフェイスにより、光路が単純になり、この結果、平行ビームに伝達される光の強度が増大する。
【００１４】
理想的なことに、凸状で非球面の外部表面が光軸を中心に放射状に対称であり、発光素子がこの凸状で非球面の外部表面の光軸上に略位置している。
【００１５】
好適な実施例においては、この凸状で非球面の外部表面は次の式によって規定される。
【００１６】
【数２】

【００１７】
ここで、Ｒは非球面表面上の点と光軸間の距離であり、Ｚはその点の光軸上への投影と光軸及び非球面表面の交差点間の距離であり、ｍは３以上の整数のグループから選択され、ｒは次の式によって規定される。
【００１８】
ｒ＝ｆ＊（ｎ−１）／ｎ
【００１９】
ここで、ｎは透明媒体の屈折率であり、ｆは発光素子と光軸及び非球面表面の交差点間の距離である。
【００２０】
透明密閉媒体はエポキシ化合物であることが望ましい。更に、凸状で非球面の外部表面は、エポキシ化合物などの透明密閉媒体を型成形することによって製作可能である。従って、この発光デバイスは、大量生産技術によって高精度で製造できるという利点を有している。
【００２１】
発光素子としては、発光ダイオードが適している。
【００２２】
好適な実施例において、発光素子はリードフレームに電気的に接続されており、このリードフレームは透明媒体によって部分的に密閉されている。
【００２３】
本発明の第２の側面によれば、可動部材を介した伝播によって変調された光を検出する光エンコーダモジュールであって、発光素子と、この発光素子を密閉し発光素子から受光した光を可動部材を照射する略平行光ビームに集束するべく成形された凸状で非球面の外部表面を備える透明媒体と、を有する発光器と、
この発光器と対向しており可動部材を介して伝播した平行ビームの変調光を検出する検出器と、
を有する光エンコーダモジュールが提供される。
【００２４】
図１の従来技術による光エンコーダに比べ、本発明による光エンコーダモジュールは様々な利点を有している。
【００２５】
凸状で非球面の外部表面は、発光素子から光を直接受光しその光を平行ビームに集束する。即ち、製造を要する高精度屈折面は、図１のコリメータレンズの場合には２面であるのに対し、本発明の場合は１面のみである。この結果、本発明による光エンコーダモジュールの製作は単純且つ安価である。
【００２６】
発光素子は、エンコーダモジュールの組み立ての前に、密閉し発光器のレンズ構造体と位置的に設定してアライメントすることが可能である。従って、図１のエンコーダの場合に必要となる組立中のコリメータレンズの正確な位置決めが不要となる。
【００２７】
発光素子は、発光器のレンズ構造体と共に密閉されている。従って、本発明による発光器は、図１の従来技術による発光器の構造と比べ、薄型の高集積構造を備えている。更に、この高集積構造により、材料コストも削減される。
【００２８】
添付図面を参照し、例として本発明の好適な実施例について説明する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図２及び図３に示すごとく、本発明の好適な実施例による光エンコーダモジュールは、プラスチック材料から一体で製作され、上下に配列された２つの凹部を有するハウジング１００を有しており、各凹部は、開放端と、この開放端の反対側に位置する閉鎖端を備えている。又、ハウジング１００のこれらの凹部間には、ハウジング１００の一端に向かって開放された間隙６が形成されている。この間隙開口部は、凹部の閉鎖端に隣接している。
【００３０】
密閉された発光器８０が１つの凹部内に収容されており、密閉された光検出器９０が他方の凹部内に収容されている。発光器８０の密閉容器と、検出器９０の密閉容器の各々は、それぞれのロック用開口部５と係合して発光器８０及び検出器９０を、それぞれの凹部内のロック位置にロックするロック用突起１０を備えている。これら発光器８０及び検出器９０の密閉容器は、光に対して透明なエポキシ材料で製作されている。
【００３１】
発光器８０と検出器９０は、間隔を置いて配置されており、コードホイールが発光器８０及び検出器９０の間の間隙６において回転し、これを光エンコーダモジュールで検出し読み取ることができるよう、互いに位置合せ（アライメント）されている。このアライメントが図２のＡ−Ａ軸によって示されている。発光器８０によって放出された光は、コードホイールによって透過又は遮断された後に検出器９０によって検出される。発光器８０と検出器９０は、互いに正確にアライメントされており（即ち、発光器８０と検出器９０は正確にオーバーラップする位置で互いに対向するように配列されており）、光エンコーダモジュールの確実な動作が保証されている。
【００３２】
発光器８０は、金属リードフレーム１１０、発光ダイオードチップ１２０、及び型成形されたエポキシ密閉材１３０を有している。ＬＥＤチップ１２０は、ワイヤボンディングなどの当業者には周知の適切な技術によって金属リードフレーム１１０の２つのリード線に取り付けられ電気的に接続されている。これらの２つのリード線は、発光器８０の発光素子として機能できるよう、電力をＬＥＤチップ１２０に供給する。
【００３３】
ＬＥＤチップ１２０全体とＬＥＤチップ１２０に接続されているリードフレーム１１０の一部が、型成形されたエポキシ樹脂化合物１３０によって密閉されている。この密閉材は、ＬＥＤチップ１２０上に非球面レンズ１３５を提供するべく型成形されている。非球面レンズ１３５は、Ａ−Ａ軸に沿う光軸を有しており、ＬＥＤチップ１２０によって放出された光を平行ビームに屈折するべく成形されている。この非球面レンズ１３５は、単一のレンズ表面１４０によって規定されており、レンズ１３５に隣接する面１５０は、内部反射を防止し平行光ビームから逸脱する光線を削減するために粗面加工されている。
【００３４】
凸状で非球面の外部表面（convex aspherical external surface）１４０のプロファイル（外形、縦断面）は、次の式によって規定される。
【００３５】
【数３】

【００３６】
ここで、Ｒは非球面表面上の点と光軸間の距離であり、Ｚはこの点の光軸上への投影と光軸及び非球面表面の交差点間の距離であり、ｍは３以上の整数のグループから選択され、ｃ及びｋ_nは定数であり、ｒは次の式によって規定される。
【００３７】
ｒ＝ｆ＊（ｎ−１）／ｎ
【００３８】
ここで、ｎは透明媒体の屈折率であり、ｆは発光素子と光軸及び非球面表面の交差点間の距離である。エポキシ密閉材の場合には、ｎの値は略１．５である。レンズ構造体の上端とＬＥＤチップ１２０間の距離は、例えば、３ｍｍであり、レンズの最大半径Ｒは、例えば、１．３ｍｍである。検出器における平行ビームの幅は、ターゲット照射スポットサイズと呼ばれている。
【００３９】
レンズ面の形状は、定数ｃ及びｋ_nによって決定される。この式は複雑であり、定数ｃ及びｋ_nを求めるには、数学や計算による方法は不適である。この代わりに、これらの定数は、図４Ａ及び図４Ｂに示すシステマチックな方法によって経験的に決定する。
【００４０】
アリゾナ州タクソン（Ｔｕｃｓｏｎ）に所在するブロートリサーチオーガニゼーションインコーポレーテッド（Ｂｒｅａｕｌｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｒｇａｎｉｓａｔｉｏｎ， Ｉｎｃ．）が提供しているＡＳＡＰ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｐｒｏｇｒａｍ）などの光学シミュレーションプログラムを使用すれば、Ｒの２０次（即ち、ｎ＝１０）までの定数を決定することができる。
【００４１】
図４Ａを参照すれば、本発明による非球面レンズ面１４０のプロファイルの設計に適した４００〜４６０の一連の段階がフローチャートで示されている。最初の段階４００において、光エンコーダモジュールの目標とする特性に関する情報を収集する必要がある。具体的には、密閉された発光器８０の目標とする高さｈ、密閉された光検出器９０上での照射スポットサイズｗ、及び型成形されたエポキシ密閉材１３０の屈折率ｎ₁を決定する必要がある。
【００４２】
段階４１０において、発光素子１２０と光軸Ａ−Ａ及び非球面レンズ面１４０の交差点間の目標とする距離を発光器８０の高さｈよりも小さな値に設定する。
【００４３】
この距離ｆと屈折率ｎ₁の値から、段階４２０において、レンズの曲率半径ｒの値を算出する。
【００４４】
そして段階４３０において、円座標Ｚ及びＲを使用し、レンズのプロファイルを所定の式によって算出する。尚、式中の係数は、光学シミュレーションプログラムを使用して経験的に決定する。この経験的な計測を実行する段階が図４Ｂのチャート２に示されている。
【００４５】
段階４４０及び４５０では、内部反射光線を削減するために側壁１５０を艶消しにするかどうか、及び、その場合に艶消し壁１５０は吸収被覆を含むかどうかに関する選択肢が設計者に提供されている。そして最後に段階４６０に、この設計を製造用に送る段階が示されている。
【００４６】
次に図４Ｂを参照すれば、経験的な計測プロセスの最初の段階４７０には、５つの要素を規定するためのシミュレーションプログラムのプログラミング方法が示されている。図５をも参照すれば、第１の要素は、係数ｄ、ｅ、ｆ、ｇ．．．をゼロ、係数Ｃをゼロ以外の値に設定することによって段階４３０の所定の式で決定される非球面レンズ面５４である。第２の要素は、ＬＥＤの側壁（即ち開口部を規定する発光器の本体）５２である。第３の要素は、レンズ面の頂点から距離ｆの位置にある等方性点光源５０（第４の要素）の基部をなすＬＥＤの基部である。第５の要素は、検出器９０に対応する距離に位置する検出器面５６である。
【００４７】
図５に示すごとく、０〜１８０度の単一面において点光源５０から放出される光線を固定の角度間隔で光学シミュレーションプログラムによってシミュレートしている。
【００４８】
チャート２の段階４８０においては、光線が可能な限り光軸に近づき光線が最大限に平行化されるまで値を調整することにより、まず係数Ｃを最適化する。この段階では、その他の係数や定数はゼロに設定しておく。
【００４９】
次に段階４９１〜４９９において、各定数を最適化する（これは、光ビームが略平行光ビームとして最適化されるまでｎを増やすことによって実行する）。１つの定数を大きく調整すると、段階４９３及び４９７に示すごとく、以前の定数の再最適化が必要になる場合がある。
【００５０】
最後の段階５００において、検出器面上での光線の分布を分析し、指定されたスポットサイズｗ上に大部分が均等に分布しているかどうかを評価する。そして、均等に分布している場合は、係数の最適化に成功している。
【００５１】
図５は、ｃの値の最適化前の光線のシミュレーション結果を示しており、図６は、ｃの値の最適化後の光線のシミュレーション結果を示しており、図７は、ｄの値の最適化後の光線を示しており、図８は、すべての定数をｎ＝１０まで最適化した光線を示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 既存の光エンコーダモジュールの断面図である。
【図２】 本発明の好適な実施例による光エンコーダモジュールの概略断面図である。
【図３】 図２の光エンコーダモジュールの透視断面図である。
【図４Ａ】 本発明による発光デバイスを設計可能な手順を示すフローチャートである。
【図４Ｂ】 本発明による発光デバイスを設計可能な手順を示すフローチャートである。
【図５】 本発明による発光デバイスの特定の設計段階における光線の屈折を示すコンピュータシミュレーションのプロットである。
【図６】 本発明による発光デバイスの特定の設計段階における光線の屈折を示すコンピュータシミュレーションのプロットである。
【図７】 本発明による発光デバイスの特定の設計段階における光線の屈折を示すコンピュータシミュレーションのプロットである。
【図８】 本発明による発光デバイスの特定の設計段階における光線の屈折を示すコンピュータシミュレーションのプロットである。
【符号の説明】
３ 可動部材
９、１２０ 発光素子
１７ 平行光ビーム
８０ 発光器
９０ 検出器
１１０ リードフレーム
１３０ 透明密閉媒体
１４０ 凸状で非球面の外部表面

Claims (10)

1. 発光デバイスであって、
   発光素子と、
   前記発光素子を密閉し前記発光素子から受光した光を略平行なビームに集束するべく成形された凸状で非球面の外部表面を有するレンズ用の透明媒体
   とを備え、
   前記非球面レンズの周囲に隣接する面が粗面加工されており、及び、
   前記非球面レンズの曲率半径ｒの値が、次式すなわち、
   ｒ＝ｆ＊（ｎ−１）／ｎ
   により設定されており、ここで、ｎは、前記透明媒体の屈折率であり、ｆは、光軸と前記非球面表面との交差点と、前記発光素子との間の距離であることからなる、発光デバイス。
2. 前記凸状で非球面の外部表面は、前記光軸を中心に放射状に対称である、請求項１に記載の発光デバイス。
3. 前記発光素子は、前記凸状で非球面の外部表面の光軸上に略位置する、請求項２に記載の発光デバイス。
4. 前記凸状で非球面の外部表面は、次式によって規定され、
   

   

   ここで、Ｒは非球面表面上の点と光軸間の距離であり、Ｚは前記点の前記光軸上への投影と前記光軸及び前記非球面表面の交差点間の距離であり、ｍは３以上の整数のグループから選択され、ｃ及びｋｎは経験的に決定される定数であることからなる、請求項３に記載の発光デバイス。
5. 前記透明密閉媒体はエポキシ化合物である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光デバイス。
6. 前記凸状で非球面の外部表面は前記透明密閉媒体を型成形することによって製作される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光デバイス。
7. 前記発光素子は発光ダイオードである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光デバイス。
8. 前記発光素子はリードフレームに電気的に接続されており、該リードフレームは前記透明媒体によって部分的に密閉されていることからなる、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発光デバイス。
9. 可動部材を介した伝播によって変調された光を検出する光エンコーダモジュールであって、
   発光素子と、該発光素子を密閉し前記発光素子から受光した光を前記可動部材を照射する略平行なビームに集束するべく成形された凸状で非球面の外部表面を有するレンズ用の透明媒体とを含む、発光器と、
   前記発光器と対向しており、前記可動部材を介して伝播した平行ビームの変調光を検出する検出器
   とを備え、
   前記非球面レンズの周囲に隣接する面が粗面加工されており、及び、
   前記非球面レンズの曲率半径ｒの値が、次式すなわち、
   ｒ＝ｆ＊（ｎ−１）／ｎ
   により設定されており、ここで、ｎは、前記透明媒体の屈折率であり、ｆは、光軸と前記非球面表面との交差点と、前記発光素子との間の距離であることからなる、光エンコーダモジュール。
10. 前記可動部材はコードホイールである請求項９に記載の光エンコーダモジュール。

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