JP6855203B2 - 発光ユニットおよび光電式エンコーダ - Google Patents

Description

本件は、発光ユニットおよび光電式エンコーダに関する。

コリメート光を生成するための光源およびコリメートレンズを備える光電式エンコーダが開示されている（例えば特許文献１）。また、コリメート光を生成するための光源および放物面ミラーを備える光電式エンコーダが開示されている（例えば特許文献２）。

特開２０１１−０５９０５５号公報 特開平７−１５１５６５号公報

光源としてチップＬＥＤ等の発光素子を用いる場合、パッケージの基板に発光素子が接着剤等によって固定される。この場合、パッケージにおける発光素子の位置にばらつきが生じる。その結果、パッケージと、コリメートレンズもしくはリフレクタとが位置合わせされていても、光電式エンコーダの性能が劣化するおそれがある。

１つの側面では、本発明は、性能の劣化を抑制することができる発光ユニットおよび光電式エンコーダを提供することを目的とする。

１つの態様では、発光ユニットは、発光面を有する光源と、前記発光面からの光からコリメート光を生成するレンズと、前記コリメート光が入射され、前記コリメート光の光軸と直交する第１軸に沿って複数の格子が形成されたスケールと、を備え、前記発光面は、前記レンズの焦点を通りかつ前記第１軸と直交して前記格子が延びる第２軸と前記レンズの光軸とで張られる平面上に位置し、かつ、前記焦点から前記第２軸方向にズレていることを特徴とする。

１つの態様では、発光ユニットは、発光面を有する光源と、焦点を有する反射面を備え、前記発光面からの光を前記反射面で反射することでコリメート光を生成するリフレクタと、を備え、前記発光面は、前記反射面の焦点を通りかつ前記コリメート光の光軸に平行な軸と、前記コリメート光の光軸と直交する第１軸と直交し前記発光面から前記反射面に入射する光の光軸方向の第２軸と、で張られる平面上に位置し、かつ、前記焦点から前記第２軸方向にズレていることを特徴とする。

上記発光ユニットにおいて、前記反射面は、部分放物面としてもよい。

上記発光ユニットにおいて、前記コリメート光が入射され、前記第１軸に沿って複数の格子が形成され、前記第２軸に前記格子が延びるスケールを備えていてもよい。前記発光ユニットにおいて、前記光源は、略円筒形状を有し、前記発光面は、前記略円筒形状の一方の略円形の端面に設けられ、当該端面の中心からズレて配置されていてもよい。

上記発光ユニットにおいて、前記コリメート光の光軸において前記スケールよりも後段に設けられ、前記スケールの像を結像する結像光学系を備えていてもよい。

前記結像光学系は、２つのレンズ間の焦点位置に開口板の開口を配置させた両側テレセントリック光学系としてもよい。

１つの態様では、光電式エンコーダは、上記いずれかの発光ユニットと、前記結像光学系によって結像された前記スケールの像を受光する受光素子と、を備えることを特徴とする。

性能の劣化を抑制することができる発光ユニットおよび光電式エンコーダを提供することができる。

第１実施形態に係る光電式エンコーダの斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は光源ブロックの断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は光源を例示する図である。 発光素子の発光面の配置箇所を例示する図である。 発光素子の発光面の配置箇所を例示する図である。 コリメートレンズの他の例を表す図である。 第２実施形態に係る光電式エンコーダの斜視図である。 （ａ）および（ｂ）はリフレクタを例示する図である。 発光素子の発光面の配置箇所を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）はリフレクタの他の例を表す図である。

以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光電式エンコーダ１００の斜視図である。図１で例示するように、光電式エンコーダ１００は、光源１０、光源ブロック２０、コリメートレンズ３０、スケール４０、検出光学系５０、および受光素子６０を備える。以下の説明において、スケール４０に形成された各格子の配列方向をＸ軸とする。光源１０の発光面がコリメートレンズ３０の焦点に配置された場合にコリメートレンズ３０から出射されるコリメート光の光軸方向をＺ軸とする。Ｘ軸およびＺ軸と直交する方向をＹ軸とする。第１実施形態においては、Ｘ軸が第１軸に相当し、Ｙ軸が第２軸に相当する。なお、第１実施形態においては、光源１０、コリメートレンズ３０およびスケール４０が発光ユニットの一例として機能する。当該発光ユニットは、検出光学系５０などを備えていてもよい。

光源１０は、例えば、発光ダイオード等の発光素子を備える。光源１０は、Ｚ軸方向に光軸を有し、発光素子の発光面からＺ軸プラス方向に光を出射する。光源ブロック２０は、例えば、立方体、直方体などの６面体である。図２（ａ）は、光源ブロック２０の断面図である。図２（ａ）で例示するように、光源ブロック２０の対向する２面の一方には、光源１０が配置される孔部２１が形成されている。当該２面の他方には、コリメートレンズ３０が配置される孔部２２が形成されている。光源ブロック２０は、孔部２１から孔部２２にかけて中空となっている。図２（ｂ）で例示するように、光源１０は、孔部２１に接着剤等によって固定されている。なお、図２（ｂ）において、光源１０のハッチは省略してある。コリメートレンズ３０は、孔部２２に接着剤等によって固定されている。光源１０の発光素子の発光面（発光領域）は、コリメートレンズ３０の焦点に位置している。それにより、コリメートレンズ３０は、光源１０の出射光をコリメート光に変換することができる。

スケール４０は、Ｘ軸方向に沿った所定のスケール周期の格子を備えている。すなわち、スケール４０は、Ｘ軸方向に格子の配列方向を有する。したがって、スケール４０の測定軸は、Ｘ軸である。各格子は、Ｙ軸方向に延びている。すなわち、各格子は、Ｙ軸方向に長さ方向を有する。検出光学系５０は、スケール４０を透過したコリメート光の光路に配置されている。スケール４０を透過したコリメート光は、スケール４０の格子によって生じた明暗を伴いつつ、後段の検出光学系５０に入射する。

検出光学系５０は、入射したコリメート光を受光素子６０に結像する結像光学系である。検出光学系５０は、例えば、両側テレセントリック光学系である。両側テレセントリック光学系では、検出光学系５０は、第１結像レンズ５１と、開口板５２と、第２結像レンズ５３とが光路方向に順に配置された構成を有する。開口板５２の開口は、第１結像レンズ５１と第２結像レンズ５３との２つのレンズ間の焦点位置に配置されている。スケール４０を透過した回折光は、第１結像レンズ５１を透過し、開口板５２の開口を通過し、第２結像レンズ５３で集光され、受光素子６０において結像することで受光する。

受光素子６０は、例えば、フォトダイオードアレイである。受光素子６０には、受光領域が設けられている。受光領域においては、複数のフォトダイオードが所定の周期でＸ軸方向に並べて配置されている。検出光学系５０は、スケール４０を透過する回折光を受光素子６０の受光領域に結像する。すなわち、スケール４０の像が受光素子６０で結像される。受光領域は、複数のフォトダイオードの出力を用いて、スケール４０の格子に応じた明暗を検出する。それにより、スケール４０と受光素子６０との相対的な位置変動を検出することができる。具体的には、複数のフォトダイオードが検出した受光強度に基づいて、位置変動の量を求めることができる。

コリメート光を生成するための光源１０およびコリメートレンズ３０にミスアライメント（相互的な位置および姿勢誤差）が生じると、コリメート光が光学系の光軸から傾き、あるいは拡散的となり、あるいは収束的な光線となるような誤差が生じる。特に、両側テレセントリック光学系を用いる場合には、開口板５２によって測定軸方向（Ｘ軸方向）の結像系のＮ．Ａ．（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）が非常に小さくなるために、コリメート光の測定軸方向（Ｘ軸方向）の傾きに対する感度が高くなり、受光光量の低下、あるいは受光範囲の均一度の劣化が起きてしまう。これらは、例えば受光素子６０の出力のＳＮ比の低下を引き起こし、最終的に位置検出誤差の増大につながる。

光源１０の発光素子は、パッケージ（ＣＡＮパッケージや樹脂パッケージ）の部品として備わっている。この場合、発光素子は、パッケージ基板上に接着剤等によって固定されるため、パッケージ内部での発光素子の位置のばらつきが比較的大きくなる。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は、光源１０を例示する図である。図３（ａ）は、光源１０の斜視図である。図３（ａ）で例示するように、光源１０は、軸対象形状を有している。本実施形態においては、光源１０は、一例として、円筒形状を有し、いずれかの端面の中心付近に発光素子１１を備えている。発光素子１１は、例えば、大きさが約２００μｍ４辺の矩形状の発光面（発光領域）を有している。

発光素子１１は、ＣＡＮパッケージ、樹脂パッケージ等のパッケージ１２の部品として備わっている。図３（ｂ）は、パッケージ１２において発光素子１１が備わっている端面を例示する図である。図３（ｂ）で例示するように、発光素子１１は、パッケージ１２の端面の中心付近に位置している。しかしながら、発光素子１１は、パッケージ１２の基板上に接着材等によって固定されている。この場合、図３（ｃ）で例示するように、個体差に起因してパッケージ１２内部での発光素子１１の位置にばらつきが生じやすくなる。

したがって、たとえパッケージ１２を基準として光源１０を光源ブロック２０に誤差なく挿入したとしても、パッケージ１２内部の発光素子１１の位置のばらつきだけミスアライメントが生じてしまう。すなわち、コリメートレンズ３０と光源１０とを組み立てる場合にはそれらの外形が組立基準となるが、パッケージ１２内部の発光素子１１の位置のばらつきが残ってしまう。以上のことから、発光素子１１およびコリメートレンズ３０を備える光源系を利用する場合、光電式エンコーダ１００の性能が劣化し得る。

光電式エンコーダ１００における受光側の特性は、特に測定軸（Ｘ軸）方向に対する光線の角度に対して敏感である一方、測定軸に垂直な方向（Ｙ軸）に対する光線の角度に対しては、スケール４０の目盛および開口、ならびに受光素子６０の構造が一様であるため鈍感である。そこで、図４で例示するように、発光素子１１の発光面は、コリメートレンズ３０の焦点を通りかつＸ軸と直交してスケール４０の格子が延びる軸上に配置される。本実施形態においては、発光素子１１の発光面がコリメートレンズ３０の焦点を通るＹ軸方向のいずれかの箇所に位置するように、光源１０を光源ブロック２０に固定する。この構成によれば、受光特性が敏感なＸ軸方向の影響を抑制しつつ、発光素子１１の位置のばらつきを許容することができる。また、スケール４０を透過する回折光の光量の低下、不均一度の増加を抑制でき、エンコーダ信号効率のＳ／Ｎ比を増加させることができ、誤差を抑制することができる。なお、発光素子１１の発光面は、コリメートレンズ３０の焦点を通るＹ軸上においてパッケージ１２の端面のＹ軸方向の範囲内に配置させることができる。

特に、検出光学系５０として両側テレセントリック光学系を用いる場合、スケール４０からの出射光が開口板５２の開口を通過する必要があるため、光電式エンコーダ１００における受光側の特性は、測定軸（Ｘ軸）方向に対する光線の角度に対して特に敏感である。したがって、本実施形態は、両側テレセントリック光学系を備える光電式エンコーダに適用することで、特に効果を発揮する。なお、開口板５２の開口は、Ｙ軸方向に長さ方向を有するため、発光素子１１の発光面がコリメートレンズ３０の焦点からＹ軸方向にずれていても問題にはならない。

例えば、スケール４０から受光素子６０までの第１結像レンズ５１、開口板５２、第２結像レンズ５３の各間隔、すなわちレンズの焦点距離が約１ｍｍであり、開口板５２の開口全幅（Ｘ方向）が約０．０６ｍｍのとき、両側テレセントリック光学系のＮ．Ａ．は約０．０３となる。この場合、この両側テレセントリック光学系が入射光線に対して許容できる角度（Ｘ軸方向）は光軸に対して１．７°しか無いため、Ｘ軸方向のずれに対して特に敏感である。

また、光電式エンコーダ１００における受光側の特性は、測定軸（Ｘ軸）方向に対する光線の角度に対して敏感である一方、光源１０のＺ軸方向における位置ずれに対しては鈍感である。そこで、図５で例示するように、発光素子１１の発光面が、コリメートレンズ３０の焦点を通りかつＸ軸と直交してスケール４０の格子が延びる軸と、コリメートレンズ３０の光軸とで張られる平面Ｐ（ＹＺ平面）のいずれかの箇所に位置するように、光源１０を光源ブロックに固定してもよい。この構成によれば、受光特性が敏感なＸ軸方向の影響を抑制しつつ、発光素子１１の位置のばらつきを許容することができる。また、スケール４０を透過する回折光の光量の低下、不均一度の増加を抑制でき、エンコーダ信号効率のＳ／Ｎ比を増加させることができ、誤差を抑制することができる。なお、発光素子１１の発光面は、コリメートレンズ３０の焦点を通るＹＺ平面Ｐ上においてパッケージ１２のＺ軸方向の範囲内に配置させることができる。

（変形例１）
本実施形態においては、光源ブロック２０に光源１０およびコリメートレンズ３０を固定したが、それに限られない。例えば、図６で例示するように、中実のコリメートレンズ３０に光源１０の挿入穴を形成し、当該挿入穴に光源１０を挿入してもよい。この構成においては、コリメートレンズ３０の材料は、光源１０の出力波長に対して透明な媒質である。この構成によれば、光源ブロック２０が不要となるため、部品点数を削減することができる。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係る光電式エンコーダ１００ａの斜視図である。図７で例示するように、光電式エンコーダ１００ａが図１の光電式エンコーダ１００と異なる点は、光源ブロック２０およびコリメートレンズ３０の代わりに、リフレクタ７０が設けられている点である。リフレクタ７０は、光源１０の出力光をコリメート光に変換するための部分放物面を備える凹面鏡反射体である。リフレクタ７０の部分放物面の係数は、当該部分放物面の焦点が光源１０の発光素子１１の発光面（発光領域）に位置するように設定されている。それにより、部分放物面の内面は、光源１０の出力光を反射する際にコリメート光に変換する。なお、第２実施形態においては、光源１０およびリフレクタ７０が発光ユニットの一例として機能する。当該発光ユニットは、スケール４０、検出光学系５０などを備えていてもよい。

本実施形態においては、図８（ａ）で例示するように、光源１０は、リフレクタ７０のＹ軸プラス側の孔部に接着剤等で固定され、リフレクタ７０の中空領域を通ってＹ軸マイナス側に（リフレクタ７０の反射面に対して）光を出射する。図８（ｂ）で例示するように、光源１０の発光面がリフレクタ７０の焦点に配置された場合にリフレクタ７０からスケール４０に対して出射される光の光軸方向がＺ軸である。

次に、リフレクタ７０の部分放物面の詳細について説明する。部分放物面は、回転放物面の一部をなす。部分放物面は、焦点Ｏを原点として、下記式（１）のように表すことができる。なお、ａは、ａ＞０を満たす係数である。
ｚ＋ａ＝（ｘ^２＋ｙ^２）／４ａ （１）

また、上記式（１）で表される部分放物面は、焦点Ｏ＝原点を中心とする理想的な球面波に対しては完全に平行光化可能である形状である。しかし、実際に焦点に光源デバイスを配置する（例えばＬＥＤパッケージ部品をリフレクタ部品に接合する）場合は、光源デバイスとリフレクタの間に存在する屈折率の異なる媒質や空気との界面で光の屈折が生じるため、光源１０から発した波面には前記理想的な球面波からのずれ（収差）が生じ、反射光の平行性が劣化し得る。このような収差は光源１０から部分放物面までの構造によって決まるので、一般的に下記式（２）のように補正項を加えることにより収差を打消して平行性を改善することが可能である。
ｚ＋ａ＝（ｘ^２＋ｙ^２）／４ａ＋ｃ_{（ｘ，ｙ）} （２）
ここでｃ_{（ｘ，ｙ）}は、部分放物面上の座標に応じて加える任意の補正項である。補正項の設計方法としては、例えば補正項をｘとｙに関する高次多項式関数で表現して係数を最適化設計させる方法などがある。

光電式エンコーダ１００ａにおける受光側の特性は、特に測定軸（Ｘ軸）方向に対する光線の角度に対して敏感である一方、測定軸に垂直な方向（Ｙ軸）に対する光線の角度に対しては、スケール４０の目盛および開口、ならびに受光素子６０の構造が一様であるため鈍感である。そこで、発光素子１１の発光面は、部分放物面の焦点を通りかつコリメート光の光軸に平行な部分放物面の回転軸上に配置される。本実施形態においては、発光素子１１の発光面がリフレクタ７０の焦点を通るＺ軸方向のいずれかの箇所に位置するように、光源１０をリフレクタ７０に固定する。この構成によれば、受光特性が敏感なＸ軸方向の影響を抑制しつつ、発光素子１１の位置のばらつきを許容することができる。また、スケール４０を透過する回折光の光量の低下、不均一度の増加を抑制でき、エンコーダ信号効率のＳ／Ｎ比を増加させることができ、誤差を抑制することができる。なお、レンズ面の屈折角は波長依存性を有するのに対してリフレクタの反射角には波長依存性が無いため、光源波長に関して設計自由度が高くなるという効果も得られる。発光素子１１の発光面は、リフレクタ７０の部分放物面の焦点を通るＺ軸上においてパッケージ１２の端面のＺ軸方向の範囲内に配置させることができる。

また、光電式エンコーダ１００ａにおける受光側の特性は、測定軸（Ｘ軸）方向に対する光線の角度に対して敏感である一方、光源１０のＹ軸方向における位置ずれに対しては鈍感である。そこで、図９で例示するように、発光素子１１の発光面は、部分放物面の焦点を通る部分放物面の回転軸と、スケール４０の格子が延びる方向とで張られる平面Ｐ´（ＹＺ平面）のいずれかの箇所に位置するように、光源１０をリフレクタ７０に固定してもよい。この構成によれば、受光特性が敏感なＸ軸方向の影響を抑制しつつ、発光素子１１の位置のばらつきを許容することができる。また、スケール４０を透過する回折光の光量の低下、不均一度の増加を抑制でき、エンコーダ信号効率のＳ／Ｎ比を増加させることができ、誤差を抑制することができる。なお、レンズ面の屈折角は波長依存性を有するのに対してリフレクタの反射角には波長依存性が無いため、光源波長に関して設計自由度が高くなるという効果も得られる。なお、発光素子１１の発光面は、リフレクタ７０の部分放物面の焦点を通るＹＺ平面Ｐ´においてパッケージ１２のＹ軸方向の範囲内に配置させることができる。

なお、本実施形態においては、焦点を有する反射面として部分放物面を用いたが、焦点を有しかつコリメート光を生成できれば他の反射面を用いてもよい。例えば、凹球面鏡などの、焦点を有しかつコリメート光を生成可能な反射面を用いてもよい。

（変形例２）
本実施形態においては、中空のリフレクタ７０を用いたが、それに限られない。例えば、図１０（ａ）で例示するように、中実のリフレクタ７０に光源１０の挿入穴を形成し、当該挿入穴に光源１０を挿入してもよい。図１０（ｂ）で例示するように、光源１０の発光面がリフレクタ７０の焦点に配置された場合にリフレクタ７０からスケール４０に対して出射される光の光軸方向がＺ軸である。この構成においては、リフレクタ７０の材料は、光源１０の出力波長に対して透明な媒質である。この構成によれば、リフレクタ７０を小型化することができるという効果が得られる。

なお、上記各例において、コリメート光生成部の一例として凸レンズやリフレクタを用いたが、それに限られない。例えば、球面レンズなどを用いてもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 光源
１１ 発光素子
１２ パッケージ
２０ 光源ブロック
３０ コリメートレンズ
４０ スケール
５０ 検出光学系
６０ 受光素子
７０ リフレクタ
１００ 光電式エンコーダ

Claims (8)

1. 発光面を有する光源と、
   前記発光面からの光からコリメート光を生成するレンズと、
   前記コリメート光が入射され、前記コリメート光の光軸と直交する第１軸に沿って複数の格子が形成されたスケールと、を備え、
   前記発光面は、前記レンズの焦点を通りかつ前記第１軸と直交して前記格子が延びる第２軸と前記レンズの光軸とで張られる平面上に位置し、かつ、前記焦点から前記第２軸方向にズレていることを特徴とする発光ユニット。
2. 発光面を有する光源と、
   焦点を有する反射面を備え、前記発光面からの光を前記反射面で反射することでコリメート光を生成するリフレクタと、を備え、
   前記発光面は、前記反射面の焦点を通りかつ前記コリメート光の光軸に平行な軸と、前記コリメート光の光軸と直交する第１軸と直交し前記発光面から前記反射面に入射する光の光軸方向の第２軸と、で張られる平面上に位置し、かつ、前記焦点から前記第２軸方向にズレていることを特徴とする発光ユニット。
3. 前記反射面は、部分放物面であることを特徴とする請求項２に記載の発光ユニット。
4. 前記コリメート光が入射され、前記第１軸に沿って複数の格子が形成され、前記第２軸に前記格子が延びるスケールを備えることを特徴とする請求項２または３に記載の発光ユニット。
5. 前記光源は、略円筒形状を有し、
   前記発光面は、前記略円筒形状の一方の略円形の端面に設けられ、当該端面の中心からズレて配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光ユニット。
6. 前記コリメート光の光軸において前記スケールよりも後段に設けられ、前記スケールの像を結像する結像光学系を備えることを特徴とする請求項１または４に記載の発光ユニット。
7. 前記結像光学系は、２つのレンズ間の焦点位置に開口板の開口を配置させた両側テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項６に記載の発光ユニット。
8. 請求項６または７に記載の発光ユニットと、
   前記結像光学系によって結像された前記スケールの像を受光する受光素子と、を備えることを特徴とする光電式エンコーダ。

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