JPH05340765A - 光学式エンコーダ - Google Patents

光学式エンコーダ

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JPH05340765A
JPH05340765A JP14916692A JP14916692A JPH05340765A JP H05340765 A JPH05340765 A JP H05340765A JP 14916692 A JP14916692 A JP 14916692A JP 14916692 A JP14916692 A JP 14916692A JP H05340765 A JPH05340765 A JP H05340765A
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JP
Japan
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opening
light emitting
emitting means
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Application number
JP14916692A
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English (en)
Inventor
Tomokazu Tokunaga
知一 徳永
Keizo Ishiguro
敬三 石黒
Ryuichiro Kuga
龍一郎 久我
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 LEDから平行光を得ることによって、高出
力化を図り、機構的無調整化が可能な高精度で小型の光
学式エンコーダを提供する。 【構成】 LEDの発光部表面をマスキングすることに
より、見かけの発光形状を点光源に近づけ、PDの高出
力化が可能になった。さらに、固定マスクを直接受光素
子上に形成したことにより、従来固定マスクからの透過
光の広がりを考慮して受光領域を拡大する必要が無いた
め、受光素子を必要最小限に小さく構成できる。さら
に、従来受光素子とマスクの位置合わせに特別な考慮が
必要であったが、半導体プロセスで固定マスクを形成す
るため非常に精度よく位置合わせできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、エンコーダに係わり、
特に光学式エンコーダに関する。
【0002】
【従来の技術】以下に従来の光学式エンコーダについて
説明する。
【0003】図4は従来の光学式エンコーダの側断面図
である。LED100,フォトダイオード(以下PDと
称す)101,固定マスク102は固定枠103に固定
されている。スリット板104は可動部(図示せず)に
取り付けられ、LED100と固定マスク102の間に
移動自在に保持されている。スリット板104と、固定
マスク102には光を透過する3スリット部が等間隔で
形成されている。
【0004】ここで各構成要素について説明する。図5
は従来の光学式エンコーダのLEDの斜視図である。発
光ダイオード105の裏面はリードフレームA106に
固着され、発光源となる表面には中央に表面電極108
が配置されている。この表面電極108とリードフレー
ムB107が金属細線109でワイヤボンディングさ
れ、さらにエポキシ樹脂等の透明樹脂110で成形され
ている。以上のように発光素子は発光源のほぼ中央部に
電極が配置されているため、中心部が光らず周辺部のみ
が発光しているのが一般的である。
【0005】図6はPDと固定マスク、スリット板を示
す斜視図である。スリット板104には、PD101と
の相対位置を検出するために設けられた一定ピッチの複
数の開口部からなる第1のスリット111と、PD10
1との基準位置を検出する第2のスリット112が形成
されている。
【0006】固定マスク102はPD101を覆うよう
に固定枠103に固着されており、スリット板104と
同一ピッチのスリットを有する開口部A119、開口部
B120、開口部C121、開口部D122と、光量モ
ニター用開口部123、原点検出用開口部124が形成
されている。また開口部A119、開口部B120、開
口部C121、開口部D122に設けられたスリットは
それぞれ0度,90度,270度,180度の位相関係
にある。PD101には固定マスク102に形成された
6つの開口部から透過する光をそれぞれに独立に受光す
る受光部113〜118が形成されている。したがっ
て、LED100からの光はスリット104の開口部を
透過した後、固定マスク102の6つの開口部119〜
124を透過し、PD101の各々の受光部113〜1
18に入射することになる。受光部A113,受光部B
114,受光部C115,受光部D116はスリット板
104に設けられた第1のスリット111の透過光を受
光することによってスリット板104との相対位置を検
出する。光量モニター117はその出力を光量調整回路
(図示せず)に伝達しており、LED光量が経時変化な
どにより、初期設定値かわ変化した場合LEDに入力す
る電流値を制御することで、常に一定光量になるよう監
視されている。基準位置検出部118はスリット板10
4の第2のスリット112の透過光を受光することによ
ってスリット板104との基準位置を検出する。
【0007】次に従来のエンコーダの動作を図7〜図9
を用いて説明する。図7は光学式エンコーダの動作原理
図である。図7(a)に示すように、スリット板104
と固定マスク102の透過部が重なると光が透過し、P
D出力は図8(a)に示す出力振幅の最大値Eaにな
る。スリット板104がX方向に移動して行くと少しず
つ透過光は減ってゆき、ついに図7(c)に示すよう
に、スリット板104の透過部と固定マスク102の不
透過部が重なると光は遮断され、PD出力は図8(a)
に示す出力振幅の最小値Ecになる。光源が点光源で収
差のない理想光源であれば、図8(a)のように三角波
になるが、実際は収差などの影響で同図(b)のような
近似正弦波になる。
【0008】図9に様々な光源の光線追跡を示す。同図
(a)は点光源で収差のない理想光源の光線追跡を示
す。このような光源からは完全平行光が得られるため、
漏れ込みのない完全な遮光/透過が可能であるから、P
D出力は図8(a)にような三角波になる。図9(b)
は収差を有する光源の光線追跡を示す。このような光源
からは収束または発散の光線が発生するため、これらの
漏れ込み光によりPD出力は近似正弦波となる。図9
(c)は有限の大きさを持つ光源の光軸外の斜め入射光
を示す。これらの斜め入射光により隣接する固定マスク
102透過部への漏れ込みが発生するので実際のPD出
力は図8(b)のような近似正弦波の形で出力される。
さらにこの斜め入射光の入射角θが大きくなるほど、漏
れ込み量は多くなり近似正弦波の振幅は小さくなるの
で、信号精度やS/N等信号処理上不都合を生じること
になる。斜め入射光の入射角θと光源の大きさhの関係
は θ=tan-1(h/f) で表され、光源が大きいほど入射角θが大きくなる。但
し、fはレンズ焦点距離である。したがって、発光素子
の中心に電極を配置した構成では、光軸外の光線がより
多く発生するため斜め入射光が増え、得られる近似正弦
波の振幅は小さくなることがわかる。
【0009】さらに、PD振幅出力Wと固定マスクース
リット板間ギャップgの関係は、 W∞1/g で表され、ギャップgが大きくなるほどPD振幅出力W
は小さくなる。
【0010】このように、従来の光学式エンコーダはL
ED光源の斜め入射角、収差等により振幅出力が小さく
なり、これをカバーするために固定マスクとスリット板
のギャップはできるだけ小さく設定する必要があった。
そのための調整機構も必要であった。
【0011】図6に示すように、LED100からの光
はスリット板104の第1のスリット部111,第2の
スリット部112を透過した後、固定マスク102の開
口部119〜124を透過する。さらにそれぞれの透過
光はPD101のそれぞれ対応する受光部113〜11
8に入射する。前述のように光源は斜め入射光を含んで
いるため、固定マスク102を透過する光も、ある程度
広がってPD101に入射する。したがって、固定マス
ク102の開口部119〜124間の間隔はそれぞれの
透過光が干渉しないよう十分余裕をもって大きく取らね
ばならないし、PD101の受光部113〜118もそ
れに対応して大きくする必要がある。
【0012】このように固定マスク102とPD101
が離れているために、受光面積を大きく取らねばなら
ず、装置の小型化を阻害していた。
【0013】以上のような経過で出力されたPD信号の
4つの正弦波信号は図10(a)〜(d)に示すように
電気角で0度,180度,90度,270度の位相関係
にある。これを0度と180度、90度と270度の信
号をそれぞれ差動をとって得られた0度と90度の信号
を用いてPD信号処理回路(図示せず)にて移動量、移
動方向の判別を行うための処理が行われている。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、 光源が中心が光らず周辺が光る構成になっているた
め、斜め入射光のために出力振幅が小さくなる。さらに
出力を確保するため、固定マスクとスリット板とのギャ
ップを小さく設定する必要があり、そのための調整機構
が必要となり、使い勝手が非常に悪かった。 LEDのレンズ部の光軸から離れるほど収差が大きく
なり、斜め入射光による出力低下や位相差が発生する、 通常の光源から得られる光は完全平行光ではなくある
広がりを持っている。従って、固定マスクを透過する光
を受光するためには固定マスクより大きな面積をもつ受
光部が必要となり、装置の小型化の障害になっていた。 相対位置を検出する4つの受光部は互いに近接して配
置した方が、透過光の入射角のほぼそろった光線が入射
するので各信号の所定位相差に狂いの少ない信号が得ら
れる。しかしながら、従来の近似正弦波を出力する4つ
の受光部の中に光量モニターが配置されて、互いに離れ
ているため、所定位相に対し位相差を生じ易い。 固定マスクの光量モニター用開口部からの透過光は、
光量が一定の場合、スリット板が走査しても常に一定に
ならねばならない。しかしながら、スリット板走査方向
の長さがスリットピッチPの整数倍でないとき、透過光
量はピッチP周期で脈動するため、PD出力も脈動す
る。光量調整回路(図示せず)にて、この脈動を打ち消
そうとLED光量を調整するから、他のPD出力が脈動
することになり、相対位置検出誤差や基準位置検出誤差
等が発生する。 といった課題があった。
【0015】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、機構的無調整化が可能で、しかも高精度で小型の光
学式エンコーダを提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の光学式エンコーダは発光手段と、この発光手
段から発光した光を受光する複数の受光素子を有する受
光手段と、この受光手段と前記発光手段の間に配置し、
前記受光手段の受光素子に対応した位置に1個の開口部
または一定ピッチPで複数の開口部を形成した固定マス
クと、この固定マスクと前記発光手段の間に配置し、前
記固定マスクと同一ピッチPの開口部を複数個有する移
動板とから成る光学式エンコーダにおいて、前記発光手
段は、発光素子の表面に、発光素子からの光が透過し得
る開口部を形成した表面電極を設けたものである。
【0017】
【作用】本発明は、上記した構成により、LEDから平
行光が得られるので、PD出力信号が拡大し、これまで
要求されていたきびしい取付精度を緩めることが可能に
なった。その結果、機構的無調整化が可能となり、しか
も高精度で小型の光学式エンコーダを実現できた。
【0018】
【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
しながら説明する。図1は本発明の実施例における光学
式エンコーダの断面図、図2は同光学式エンコーダの構
成要素であるLEDの斜視図、図3は同光学式エンコー
ダの構成要素であるスリット板とPDの斜視図である。
【0019】図1において、LED1はフレーム3の円
筒部4に挿入され、円筒部に形成された傾斜面5にLE
Dレンズ部を当接させることにより位置決めされ、接着
剤6によりフレーム3に固着されている。傾斜面5の先
端の開口部5aは絞りの役割を果たしており、レンズ有
効径外の有害光を遮光している。同様にPD2もフレー
ム3に形成された位置決め壁7に当接させることにより
位置決めし、接着剤8によりフレーム3に固着されてい
る。スリット板9はLED1とPD2の隙間に移動可能
に配置されている。
【0020】次に各構成要素について説明する。LED
は図2に示すように、発光ダイオード10の裏面はリー
ドフレームA11に固着され、発光源となる表面には円
形の開口部13が形成された表面電極12が配置されて
いる。この表面電極12とリードフレームB14が金属
細線15でワイヤーボンディングされ、さらにエポキシ
樹脂などの透明樹脂16で成形されている。
【0021】以上のようにLEDは円形の開口部13か
ら発光するよう構成されており、光軸外の光線による漏
れ込みによるPD出力の低下を抑えることが可能とな
る。
【0022】図3はPDとスリット板を示す斜視図であ
る。スリット板9はPD2の樹脂パッケージ近傍に位置
し、X方向に移動可能に配置されている。スリット板9
にはPD2との相対位置を検出するために設けられた一
定ピッチの複数の開口部からなる第1のスリット22
と、PD2との基準位置を検出する第2のスリット23
が形成されている。
【0023】PD2は複数の受光素子24〜29がフレ
ーム19に固着されている。また受光素子24〜29は
複数のリードフレーム21とともにエポキシ樹脂等の透
明樹脂で成形されている。
【0024】受光素子24〜29表面には遮光マスク1
8が設置されている。遮光マスク18にはスリット板9
の第1のスリット部22と同一ピッチのスリットを有す
る開口部A30,開口部B31,開口部C32,開口部
D33と、スリット板9の走査方向の長さがスリットピ
ッチの整数倍に設定された光量モニター用開口部34,
原点検出用開口部35が形成されている。また開口部A
30,開口部B31,開口部C32,開口部D33に設
けられたスリットはそれぞれ0度,90度,270度,
180度の位相関係にある。したがって、LED1から
の光はスリット9の開口部を透過した後、遮光マスク1
8の6つの開口部30〜35を透過し、PD2の各々の
受光部24〜29に直接入射することになる。受光部A
24,受光部B25,受光部C26,受光部D27は互
いに近接して配置されており、透過光の入射角のほぼそ
ろった光線が入射するので各信号の所定位相差に狂いの
少ない信号が得られる。これら4つの受光素子24〜2
7はスリット板9に設けられた第1のスリット22の透
過光を受光することによってスリット板9との相対位置
を検出し、光量モニター28はその出力を光量調整回路
(図示せず)に伝達しており、ここで常に一定光量にな
るよう監視されている。基準位置検出部29はスリット
板9の第2のスリット23の透過光を受光することによ
ってスリット板9との基準位置を検出する。
【0025】このように受光素子上に従来の固定マスク
に相当する遮光マスクを直接形成したので、入射光が広
がっていても受光面積は大きくする必要はない。
【0026】以上のような経過で出力されたPD信号の
4つの正弦波信号は図10(a)〜(d)に示すように
電気角で0度,180度,90度,270度の位相関係
にある。これを0度と180度、90度と270度の信
号をそれぞれ差動をとって得られた0度と90度の信号
を用いてPD信号処理回路(図示せず)にて移動量,移
動方向の判別を行うための処理が行われている。
【0027】以上のように本実施例によれば、LEDの
発光部表面をマスキングすることにより、見かけの発光
形状をより点光源に近づけることが可能であり、PDの
高出力化が可能になった。
【0028】また、LEDにはレンズ部に有効径外の有
害光線を遮光する絞りを設けたので、レンズの収差の影
響でレンズ外周部から受光領域へ入射する有害光を遮断
できる。
【0029】また、固定マスクを直接受光素子上に形成
したことにより、従来固定マスクからの透過光の広がり
を考慮して受光領域を拡大する必要が無いため、受光素
子を必要最小限に小さく構成できる。したがって、PD
コストが下げられ、しかもPDそのものを小型化でき
る。さらに、従来受光素子とマスクの位置合わせに特別
な考慮が必要であったが、半導体プロセスで固定マスク
を形成するため非常に精度よく位置合わせできる。な
お、固定マスクは半導体プロセスで形成可能であり、コ
ストアップも非常に小さい。
【0030】また、受光素子のうち、相対位置の検出に
寄与する4つの受光素子を互いに近接した配置であり、
出力の振幅,位相など精度よく検出できる。
【0031】また、固定マスクの光量モニター用開口部
は、スリット板の走査方向の長さをスリットピッチPの
整数倍としたことにより、スリット板が走査しても、開
口部の透過光量は常に一定になり、相対位置や基準位置
の検出精度に影響を及ぼすことなく、安定した信号処理
動作が確保できる。
【0032】
【発明の効果】以上のように本発明のレンズ位置検出装
置は、発光手段と、この発光手段から発光した光を受光
する複数の受光素子を有する受光手段と、この受光手段
と前記発光手段の間に配置し、前記受光手段の受光素子
に対応した位置に1個の開口部または一定ピッチPで複
数の開口部を形成した固定マスクと、この固定マスクと
前記発光手段の間に配置し、前記固定マスクと同一ピッ
チPの開口部を複数個有する移動板とから成る光学式エ
ンコーダにおいて、前記発光手段は、発光素子の表面
に、発光素子からの光が透過し得る開口部を形成した表
面電極を設けたことにより、機構的無調整化が可能で、
しかも高精度で小型の光学式エンコーダを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例における光学式エンコーダの
断面図
【図2】同光学式エンコーダのLEDの斜視図
【図3】同光学式エンコーダのスリット板とPDの斜視
【図4】従来の光学式エンコーダの側断面図
【図5】同光学式エンコーダのLEDの斜視図
【図6】同光学式エンコーダのPDと固定マスク,移動
スリット板を示す斜視図
【図7】光学式エンコーダの動作原理図
【図8】PD出力図
【図9】LEDの光線追跡図
【図10】PDの出力信号
【符号の説明】
1 LED 2 PD 9 スリット板 10 発光素子 12 表面電極 18 固定マスク

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 発光手段と、この発光手段から発光した
    光を受光する複数の受光素子を有する受光手段と、この
    受光手段と前記発光手段の間に配置し、前記受光手段の
    受光素子に対応した位置に1個の開口部または一定ピッ
    チPで複数の開口部を形成した固定マスクと、この固定
    マスクと前記発光手段の間に配置し、前記固定マスクと
    同一ピッチPの開口部を複数個有する移動板とから成る
    光学式エンコーダにおいて、前記発光手段は、発光素子
    の表面に、前記発光素子と同形状でかつ発光素子からの
    光が透過し得る開口部を形成した表面電極を設けたこと
    を特徴とする光学式エンコーダ。
  2. 【請求項2】 表面電極の開口部を略々円形とした請求
    項1記載の光学式エンコーダ。
  3. 【請求項3】 発光手段と、この発光手段から発光した
    光を受光する複数の受光素子を有する受光手段と、この
    受光手段と前記発光手段の間に配置し、前記受光手段の
    受光素子に対応した位置に1個の開口部または一定ピッ
    チPで複数の開口部を形成した固定マスクと、この固定
    マスクと前記発光手段の間に配置し、前記固定マスクと
    同一ピッチPの開口部を複数個有する移動板とから成る
    光学式エンコーダにおいて、前記発光手段はコリメータ
    レンズを備え、このコリメータレンズと前記移動板の間
    に有効径外からの有害光を遮光する遮光手段とを具備し
    たことを特徴とする光学式エンコーダ。
  4. 【請求項4】 発光手段と、この発光手段から発光した
    光を受光する複数の受光素子を有する受光手段と、この
    受光手段と前記発光手段の間に配置し、前記受光手段の
    受光素子に対応した位置に1個の開口部または一定ピッ
    チPで複数の開口部を形成した固定マスクと、この固定
    マスクと前記発光手段の間に配置し、前記固定マスクと
    同一ピッチPの開口部を複数個有する移動板とから成る
    光学式エンコーダにおいて、前記固定マスクを前記受光
    手段の受光面上に直接形成し、前記固定マスクと前記受
    光手段は透明樹脂で一体的に封止したことを特徴とする
    光学式エンコーダ。
  5. 【請求項5】 発光手段と、この発光手段から発光した
    光を受光する複数の受光素子を有する受光手段と、この
    受光手段と前記発光手段の間に配置し、前記受光手段の
    受光素子に対応した位置に1個の開口部または一定ピッ
    チPで複数の開口部を形成した固定マスクと、この固定
    マスクと前記発光手段の間に配置し、前記固定マスクと
    同一ピッチPの開口部を複数個有する移動板とから成る
    光学式エンコーダにおいて、前記固定マスクは、ピッチ
    Pで形成された複数の開口部から透過光が受光素子へ入
    射することによって、前記移動板と前記受光手段との相
    対位置を検出し得る第1及び第2,第3,第4の開口部
    と、開口部からの透過光が受光素子へ入射することによ
    って、前記発光手段の光量をモニターし得る第5の開口
    部と、開口部からの透過光が受光素子へ入射することに
    よって、前記移動板の基準位置を検出し得る第6の開口
    部とを有し、前記第2の開口部は前記移動板の走差方向
    に前記第1の開口部と隣接する位置であって、かつ前記
    第1の開口部と1/2Pずらして配置し、前記第3の開
    口部は前記第1の開口部と隣接する位置であって、かつ
    前記第2の開口部と1/2Pずらして配置し、前記第4
    の開口部は前記第2及び第3の開口部と隣接する位置で
    あって、かつ前記第1の開口部と1/2Pずらした位置
    に配置し、前記第5の開口部は前記第1及び第2の開口
    部に隣接する位置に配置し、前記第6の開口部は前記第
    3及び第4の開口部と隣接する位置に配置したことを特
    徴とする光学式エンコーダ。
  6. 【請求項6】 発光手段と、この発光手段から発光した
    光を受光する複数の受光素子を有する受光手段と、この
    受光手段と前記発光手段の間に配置し、前記受光手段の
    受光素子に対応した位置に1個の開口部または一定ピッ
    チPで複数の開口部を形成した固定マスクと、この固定
    マスクと前記発光手段の間に配置し、前記固定マスクと
    同一ピッチPの開口部を複数個有する移動板とから成る
    光学式エンコーダにおいて、前記固定マスクの1個の開
    口部は、前記移動板の走査方向の長さをピッチPの整数
    倍としたことを特徴とする光学式エンコーダ。
JP14916692A 1992-06-09 1992-06-09 光学式エンコーダ Pending JPH05340765A (ja)

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