JP7012057B2 - 反射型センサおよびこれを備える光学式エンコーダ - Google Patents

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Description

本発明は、反射型センサおよびこれを備える光学式エンコーダに関する。
従来、発光素子から光を照射された測定対象物からの反射光を受光素子で受光し、その光量変化によって測定対象物の変位を検出する反射型センサが知られている。反射型センサでは、発光素子から射出された光のうち発光素子および受光素子を覆う透明部材で全反射して受光素子に入射した光が、ノイズ光としてセンサ信号光に重畳してしまうという問題がある。特許文献１には、透明部材の上面で全反射した光よりも発光素子の側に受光素子の受光領域を設けた反射型センサが開示されている。
特開２０１３－７００７８号公報
しかしながら、特許文献１の反射型センサでは、透明部材の上面で全反射した後、透明部材の側面で全反射して受光素子に入射した光が、ノイズ光としてセンサ信号光に重畳してしまうおそれがある。
本発明は、小型であると共に、内部反射光の影響を低減可能な反射型センサおよびこれを備える光学式エンコーダを提供することを目的とする。
本発明の一側面としての反射型センサは、光を射出する発光素子と、パターンが形成されているスケールからの反射光を受光する受光素子と、発光素子および受光素子を覆う透明部材とを有し、発光素子の発光部から透明部材の上面までの距離をＧ、受光素子の受光部から上面までの距離をＪとし、発光部から射出された光が透明部材の該上面に角度θ１で入射し全反射する場合、
Ｒ＝（Ｇ＋Ｊ）×ｔａｎθ１
なる式で決定される距離Ｒだけ離れた位置までの間に配置され、発光部の第１の端部に対向する第２の端部から透明部材の側面までの距離をＤ１とし、該上面で全反射された光が角度θ２で該側面に入射し全反射するとした場合、
Ｄ１＞（Ｇ＋Ｊ）／ｔａｎθ２
なる条件式を満足することを特徴とする。
本発明によれば、小型であると共に、内部反射光の影響を低減可能な反射型センサおよびこれを備える光学式エンコーダを提供することができる。
実施例１の光学式エンコーダの外観図である。 実施例１の反射型センサの外観図である。 実施例１の反射型センサの側面図である。 実施例１のスケールの側面図である。 実施例１の反射型センサの主要部品の平面図である。 実施例１の反射型センサの上面図である。 実施例１の反射型センサの側面図である。 図６のＡ－Ａ線断面図である。 図６のＢ－Ｂ線断面図である。 条件式（２）を満足しない場合の図６のＢ－Ｂ線断面図に対応する断面図である。 条件式（２）を満足する場合の図７のＰＬ－ＰＬ線断面での照度分布図である。 図１１の受光素子における各受光セルでの受光量グラフ図である。 条件式（２）を満足しない場合の図７のＰＬ－ＰＬ線断面での照度分布図である。 図１３の受光素子における各受光セルでの受光量グラフ図である。 実施例２の反射型センサの上面図である。 実施例２の反射型センサの側面図である。 図１５のＡ－Ａ線断面図である。 条件式（３）を満足しない場合の図１６のＡ－Ａ線断面図に対応する断面図である。 条件式（３）を満足する場合の図１６のＰＬ－ＰＬ線断面での照度分布図である。 図１９の受光素子における各受光セルでの受光量グラフ図である。 条件式（３）を満足しない場合の図１６のＰＬ－ＰＬ線断面での照度分布図である。 図２１の受光素子における各受光セルでの受光量グラフ図である。 実施例３の反射型センサの上面図である。 実施例３の反射型センサの側面図である。 条件式（２）を満足する場合の図２４のＰＬ－ＰＬ線断面での照度分布図である。 図２５の受光素子における各受光セルでの受光量グラフ図である。 図２５の受光素子における各受光セルでの受光量グラフ図である。 条件式（２）を満足しない場合の図２４のＰＬ－ＰＬ線断面での照度分布図である。 図２８の受光素子における各受光セルでの受光量グラフ図である。 図２８の受光素子における各受光セルでの受光量グラフ図である。
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
各実施例で説明する光学式エンコーダは、光学機器等の各種装置に用いられ、該装置内の可動部材の移動に応じたスケールと反射型センサとの相対移動に伴って可動部材の位置を検出可能である。
図１は、本実施例の光学式エンコーダ１００の外観図である。光学式エンコーダ１００は、反射型センサ１０とスケール５０を有する。反射型センサ１０およびスケール５０は、互いに対向するように設けられている。スケール５０は、可動部材（不図示）に固定され、Ｘ軸方向へ移動可能である。
図２および図３はそれぞれ、本実施例の反射型センサ１０の外観図および側面図である。反射型センサ１０は、発光素子１１、受光素子１２，１３、透明部材１４および非反射部材１５を有する。発光素子１１は、光を射出する発光部１１ａを備える。発光部１１ａから射出された光は、スケール５０により受光素子１２，１３はそれぞれ、発光部１１ａから照射され、スケール５０で反射された光を受光する受光部１２ａ，１３ａを備える。発光素子１１および受光素子１２，１３は、非反射部材１５の上に配置されている。なお、本実施例では、反射型センサ１０は、２つの受光素子１２，１３を有するが、受光素子の数はこれに限定されない。受光素子を１つだけ有していてもよいし、３つ以上有していてもよい。
透明部材１４は、透明樹脂１４ａおよび透明樹脂１４ａ上に配置された透明ガラス１４ｂから構成され、発光素子１１および受光素子１２，１３を覆っている。透明樹脂１４ａと透明ガラス１４ｂは、屈折率がほぼ同じ値であるため、光学的には実質的に一体的な部材とみなすことができ、これらの間の境界線は無視できる。なお、透明部材１４は、透明樹脂１４ａのみで構成されていてもよい。
図４は、スケール５０の側面図である。スケール５０は、一定の周期（ピッチ）で交互に配置された反射部（図中、黒色部分）および非反射部（図中、白色部分）を含むパターン（格子）５１が形成されている透明部材５２と、非反射部材５４とが接着剤５３により接合されて構成されている。
図５は、反射型センサ１０の主要部品である発光素子１１と受光素子１２の平面図である。受光部１２ａには、図の水平方向に沿って受光セルａ，ｂ，ｃ，ｄ，・・・，ｉｗ，ｉｘ，ｉｙ，ｉｚが等間隔に配列されている。
図６および図７はそれぞれ、反射型センサ１０の上面図および側面図である。図８および図９はそれぞれ、図６のＡ－Ａ線断面図およびＢ－Ｂ線断面図である。
発光素子１１の発光部１１ａは、透明部材１４の上面１４ｃから距離Ｇを隔てて配置されている。受光素子１２（１３）の受光部１２ａ（１３ａ）は、上面１４ｃから距離Ｊを隔てて配置されている。なお、発光部１１ａから上面１４ｃまでの距離Ｇは、受光部１２ａ（１３ａ）から上面１４ｃまでの距離Ｊと等しいことが好ましい。ここで、等しいとは、厳密に等しい場合だけでなく、実質的に等しい（略等しい）場合も含まれている。すなわち、本実施例では、発光部１１ａの発光面と受光部１２ａの受光面の高さの差が十分に小さくなるように構成されている。
以下、発光部１１ａから射出された光が透明部材１４で全反射する角度θで上面１４ｃに入射された場合について説明する。この場合、図８および図９に示されるように、発光部１１ａから射出された光は、上面１４ｃで全反射し、反射型センサ１０内を伝搬する。このとき、上面１４ｃで全反射した光は、発光部１１ａの端部（第１の端部）から以下の式（１）で決定される距離Ｒだけ離れた位置より内側の領域（発光部１１ａの端部を中心とする距離（半径）Ｒの円内の領域）に入射しない。
Ｒ＝（Ｇ＋Ｊ）×ｔａｎθ （１）
上面１４ｃで全反射した光は、センサ信号光とは無関係なノイズ光である。そこで、本実施例では、受光部１２ａ，１３ａを発光部１１ａの端部から距離Ｒだけ離れた位置までの間に配置している。これにより、上面１４ｃで全反射したノイズ光が受光部１２ａ，１３ａに入射することを抑制することができる。また、発光部１１ａの端部（第１の端部）に対向する端部（第２の端部）は、発光部１１ａの端部（第１の端部）から距離Ｒだけ離れた位置までの間に配置されている。
透明部材１４の側面１４ｄを発光部１１ａの側に近づけることで、透明部材１４を小型化し、反射型センサ１０を小型化することができる。しかしながら、側面１４ｄを発光部１１ａの側に近づけ過ぎると、図１０に示されるように上面１４ｃで全反射した後、側面１４ｄで全反射した光が、受光部１２ａ，１３ａに入射するおそれがある。そこで、本実施例では、発光部１１ａの端部（第２の端部）から側面１４ｄまでの距離Ｄ１が以下の条件式（２）を満足するように構成されている。
Ｄ１＞（Ｇ＋Ｊ）／ｔａｎθ （２）
条件式（２）を満足することで、上面１４ｃおよび側面１４ｄを全反射した光が受光部１２ａ，１３ａに入射することを抑制することができる。
図１１は、条件式（２）を満足する場合のスケール５０が取り除かれた状態における図７のＰＬ－ＰＬ線断面での上面１４ｃからの反射光線の照度分布図である。図１２は、図１１の受光素子１２における各受光セルでの受光量グラフ図である。図１３は、条件式（２）を満足しない場合のスケール５０が取り除かれた状態における図７のＰＬ－ＰＬ線断面での上面１４ｃからの反射光線の照度分布図である。図１４は、図１３の受光素子１２における各受光セルでの受光量グラフ図である。
図１１および図１３において、中央の黒い四角で示した位置に発光素子１１が位置する。発光素子１１の左側に受光素子１２および受光部１２ａに対応する位置が点線で示されている。また、発光素子１１の右側に受光素子１３および受光部１３ａに対応する位置が点線で示されている。白色に近い色ほど上面１４ｃからの反射光線による照度の高い部分を示し、黒色に近い色ほど照度が低い部分を示している。
条件式（２）を満足しない場合、前述したように上面１４ｃで全反射した後、側面１４ｄで全反射した光が、受光部１２ａ，１３ａに入射してしまう。図１３の条件式（２）を満足しない場合に比べて、条件式（２）を満足することで、図１１に示されるように、受光部１２ａ，１３ａにおける照度を低くすることができる。そのため、図１４の条件式（２）を満足しない場合に比べて、図１２に示されるように、いずれの受光セルに対する受光量も小さくすることができる。すなわち、本実施例の構成によれば、内部反射光の受光部１２ａ，１３ａへの入射を抑制することができる。
以上説明したように、本実施例の構成により、小型であると共に、内部反射光の影響を低減可能な反射型センサ１０およびこれを備える光学式エンコーダ１００を提供することができる。
本実施例の光学式エンコーダ１００の基本的な構成は、実施例１の光学式エンコーダ１００と同様である。本実施例では、実施例１の光学式エンコーダ１００と異なる構成について説明する。本実施例の光学式エンコーダ１００は、実施例１とは異なる構成を有する反射型センサ２０を有する。
図１５および図１６はそれぞれ、本実施例の反射型センサ２０の上面図および側面図である。図１７は、図１５のＡ－Ａ線断面図である。
反射型センサ２０は、発光素子２１、受光素子２２、透明部材２３および非反射部材２４を有する。実施例１では反射型センサ１０は複数の受光素子を有するが、本実施例では反射型センサ２０は１つの受光素子２２を有する。発光素子２１は、光を射出する発光部２１ａを備える。受光素子２２は、スケール５０からの反射光を受光する受光部２２ａを備える。発光素子２１および受光素子２２は、非反射部材２４の上に配置されている。
本実施例では、実施例１と同様に、受光部２２ａを発光部２１ａの端部（第１の端部）から距離Ｒだけ離れた位置までの間に配置している。これにより、透明部材２３の上面２３ａで全反射したノイズ光が受光部２２ａに入射することを抑制することができる。また、実施例１と同様に、発光部２１ａの端部（第１の端部）に対向する端部（第２の端部）は、発光部２１ａの端部（第１の端部）から距離Ｒだけ離れた位置までの間に配置されている。
また、本実施例では、実施例１と同様に、発光部２１ａの端部（第２の端部）から透明部材２３の受光素子２２が配置されている側の側面２３ｂまでの距離Ｄ１が条件式（２）を満足するように構成されている。これにより、透明部材２３の上面２３ａおよび側面２３ｂを全反射した光が受光部２２ａに入射することを抑制することができる。
本実施例では、１つの受光素子２２のみが設けられているため、受光素子２２が配置されている側とは反対側の側面２３ｃを他の側面２３ｂに比べて発光部２１ａの側に近づけることができる。これにより、透明部材２３を実施例１の透明部材１４よりも小型化することができる。しかしながら、側面２３ｃを発光部２１ａの側に近づけ過ぎると、図１８に示されるように側面２３ｃで全反射した後、上面２３ａで全反射した光が、受光部２２ａに入射するおそれがある。そこで、本実施例では、発光部２１ａの端部から最も近い側面２３ｃまでの距離Ｄ２が以下の条件式（３）を満足するように構成されている。
Ｄ２＞Ｇ／ｔａｎθ （３）
条件式（３）を満足することで、発光部２１ａの端部から最も近い側面２３ｃおよび上面２３ａを全反射した光が受光部２２ａに入射することを抑制することができる。
図１９は、条件式（３）を満足する場合のスケール５０が取り除かれた状態における図１６のＰＬ－ＰＬ線断面での上面２３ａからの反射光線の照度分布図である。図２０は、図１９の受光素子２２における各受光セルでの受光量グラフ図である。図２１は、条件式（３）を満足しない場合のスケール５０が取り除かれた状態における図１６のＰＬ－ＰＬ線断面での上面２３ａからの反射光線の照度分布図である。図２２は、図２１の受光素子２２における各受光セルでの受光量グラフ図である。
図１９および図２１において、黒い四角で示した位置に発光素子２１が位置する。発光素子２１の左側に受光素子２２および受光部２２ａに対応する位置が点線で示されている。実施例１と同様に、白色に近い色ほど上面２３ａからの反射光線による照度の高い部分を示し、黒色に近い色ほど照度が低い部分を示している。
条件式（３）を満足しない場合、前述したように発光部２１ａの端部から最も近い側面２３ｃで全反射した後、上面２３ａで全反射した光が、受光部２２ａに入射してしまう。図２１の条件式（３）を満足しない場合に比べて、条件式（３）を満足することで、図１９に示されるように、受光部２２ａにおける照度を低くすることができる。そのため、図２２の条件式（３）を満足しない場合に比べて、図２０に示されるように、いずれの受光セルに対する受光量も小さくすることができる。すなわち、本実施例の構成によれば、内部反射光の受光部２２ａへの入射を抑制することができる。
以上説明したように、本実施例の構成により、実施例１に比べてより小型であると共に、内部反射光の影響を低減可能な反射型センサ２０およびこれを備える光学式エンコーダ１００を提供することができる。
本実施例の光学式エンコーダ１００の基本的な構成は、実施例１の光学式エンコーダ１００と同様である。本実施例では、実施例１の光学式エンコーダ１００と異なる構成について説明する。本実施例の光学式エンコーダ１００は、実施例１とは異なる構成を有する反射型センサ３０を有する。
図２３および図２４はそれぞれ、本実施例の反射型センサ３０の上面図および側面図である。
反射型センサ３０は、発光素子３１、受光素子３２，３３，３４、透明部材３５および非反射部材３６を有する。本実施例の反射型センサ３０は、実施例１，２とは異なり、３つの受光素子３２，３３，３４を有する。発光素子３１は、光を射出する発光部３１ａを備える。受光素子３２，３３，３４はそれぞれ、スケール５０からの反射光を受光する受光部３２ａ，３３ａ，３４ａを備える。発光素子３１および受光素子３２，３３，３４は、非反射部材３６の上に配置されている。
本実施例では、実施例１，２と同様に、受光部３２ａ，３３ａ，３４ａを発光部３１ａの端部（第１の端部）から距離Ｒだけ離れた位置までの間に配置している。これにより、透明部材３５の上面３５ａで全反射したノイズ光が受光部３２ａ，３３ａ，３４ａに入射することを抑制することができる。また、実施例１，２と同様に、発光部３１ａの端部（第１の端部）に対向する端部（第２の端部）は、発光部３１ａの端部（第１の端部）から距離Ｒだけ離れた位置までの間に配置されている。
また、本実施例では、実施例１，２と同様に、発光部３１ａの端部（第２の端部）から透明部材３５の側面３５ｂまでの距離Ｄ１が条件式（２）を満足するように構成されている。これにより、上面３５ａおよび側面３５ｂを全反射した光が受光部３２ａ，３３ａ，３４ａに入射することを抑制することができる。
図２５は、条件式（２）を満足する場合のスケール５０が取り除かれた状態における図２４のＰＬ－ＰＬ線断面での上面３５ａからの反射光線の照度分布図である。図２６および図２７はそれぞれ、図２５の受光素子３２，３４における各受光セルでの受光量グラフ図である。図２８は、条件式（２）を満足しない場合のスケール５０が取り除かれた状態における図２４のＰＬ－ＰＬ線断面での上面３５ａからの反射光線の照度分布図である。図２９および図３０はそれぞれ、図２８の受光素子３２，３４における各受光セルでの受光量グラフ図である。
図２５および図２８において、黒い四角で示した位置に発光素子３１が位置する。発光素子３１の左側に受光素子３２および受光部３２ａに対応する位置が点線で示されている。また、発光素子３１の右側に受光素子３３および受光部３３ａに対応する位置が点線で示されている。発光部３１の下側に受光素子３４および受光部３４ａに対応する位置が点線で示されている。実施例１，２と同様に、白色に近い色ほど上面３５ａからの反射光線による照度の高い部分を示し、黒色に近い色ほど照度が低い部分を示している。
条件式（２）を満足しない場合、上面３５ａで全反射した後、側面３５ｂで全反射した光が、受光部３２，３３，３４に入射してしまう。図２８の条件式（２）を満足しない場合に比べて、条件式（２）を満足することで、図２５に示されるように、受光部２２ａにおける照度を低くすることができる。そのため、図２９，３０の条件式（２）を満足しない場合に比べて、図２６，２７に示されるように、いずれの受光セルに対する受光量も小さくすることができる。すなわち、本実施例の構成によれば、内部反射光の受光部３２ａ，３３ａ，３４ａへの入射を抑制することができる。
以上説明したように、本実施例の構成により、小型であると共に、内部反射光の影響を低減可能な反射型センサ３０およびこれを備える光学式エンコーダ１００を提供することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
１０，２０，３０ 反射型センサ
１１，２１，３１ 発光素子
１１ａ，２１ａ，３１ａ 発光部
１２，１３，２２，３２，３３，３４ 受光素子
１２ａ，１３ａ，２２ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ 受光部
１４，２３，３５ 透明部材
１４ｃ，２３ａ，３５ａ 上面
１４ｄ，２３ｂ，３５ｂ 側面
５０ スケール
５１ パターン

Claims (9)

  1. 光を射出する発光素子と、
    パターンが形成されているスケールからの反射光を受光する受光素子と、
    前記発光素子および前記受光素子を覆う透明部材とを有し、
    前記発光素子の発光部から前記透明部材の上面までの距離をＧ、前記受光素子の受光部から前記上面までの距離をＪとし、前記発光部から射出された光が前記透明部材の該上面に角度θ１で入射し全反射する場合、
    前記受光部は、前記発光部の第１の端部から
    Ｒ＝（Ｇ＋Ｊ）×ｔａｎθ１
    なる式で決定される距離Ｒだけ離れた位置までの間に配置され、
    前記発光部の前記第１の端部に対向する第２の端部から前記透明部材の側面までの距離をＤ１とし、該上面で全反射された光が角度θ２で該側面に入射し全反射するとした場合、
    Ｄ１＞（Ｇ＋Ｊ）／ｔａｎθ２
    なる条件式を満足することを特徴とする反射型センサ。
  2. 前記第２の端部は、前記第１の端部と前記距離Ｒだけ離れた位置までの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の反射型センサ。
  3. 前記受光素子は、１つの受光素子から構成され、
    前記発光部の端部から最も近い前記透明部材の側面までの距離をＤ２とし、前記発光部から射出された光が角度θ３で該側面に入射し全反射するとした場合、
    Ｄ２＞Ｇ／ｔａｎθ３
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の反射型センサ。
  4. 前記受光素子は、複数の受光素子から構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の反射型センサ。
  5. 前記透明部材は、透明ガラスと透明樹脂から構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の反射型センサ。
  6. 前記透明部材は、透明樹脂から構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の反射型センサ。
  7. 前記発光素子および前記受光素子は、非反射部材の上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の反射型センサ。
  8. 前記発光部から前記上面までの距離は、前記受光部から前記上面までの距離と等しいことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の反射型センサ。
  9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の反射型センサと、
    前記反射型センサからの光を反射するスケールとを有することを特徴とする光学式エンコーダ。
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