JPH08233608A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 光学式エンコーダの小型化を図り且つ光の利
用効率を高める。 【構成】 光学式エンコーダは発光素子１と受光素子２
と移動板３とを備えている。移動板３は所定の移動方向
に沿って変位する。発光素子１は移動板３の表側に対面
し、且つ移動方向と直交する幅方向にある第１定点に配
置されている。受光素子２は同じく移動板３の表側に対
面し、且つ幅方向に沿って第１定点から離間した第２定
点に配置されている。移動板３の表側には移動方向に沿
って一定のピッチＰで配列した複数のレンズ４が形成さ
れており、個々のレンズ４は第１定点と第２定点をカバ
ーする為に十分な幅寸法Ｗを有している。移動板３の裏
側には第１定点を通過する様に移動方向に連続した入射
全反射面５Ｓと、第２定点を通過する様に移動方向に連
続し且つ入射全反射面５Ｓに対向した出射全反射面５Ｔ
とが形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は直線変位あるいは回転変
位等を検出する光学式エンコーダに関する。より詳しく
は、レンズアレイが形成された移動板の同一面側に発光
素子及び受光素子を配置した光学式エンコーダの構造に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光学式エンコーダの一例を図１１
に示す。この光学式エンコーダは発光素子１０１、受光
素子１０２、移動板１０７、固定板１０８等から構成さ
れている。発光素子１０１と受光素子１０２は移動板１
０７及び固定板１０８を挟んで、光学的に対向して配置
されている。移動板１０７には光が通過する透過部１０
９と光を遮断する非透過部１１１が一定のピッチで形成
されている。同様に、固定板１０８にも透過部１１０と
非透過部１１２が一定のピッチで形成されている。移動
板１０７が移動すると、その透過部１０９と固定板１０
８の透過部１１０との重なり方が変化する。これに応じ
て、発光素子１０１から放射され且つ受光素子１０２に
より受光される光量が変化する。受光素子１０２は光量
変化を電気信号に変換して移動板１０７の変位量を検出
する事ができる。

【０００３】上記実施例では移動板１０７にスリットを
形成して透過部１０９と非透過部１１１を交互に配列し
ている。スリットに代えて複数のレンズを一定のピッチ
で配列した移動板を用いる光学式エンコーダも知られて
おり、例えば実開昭５７−２６００８号公報に開示され
ている。さらには、レンズとしてシリンドリカルレンズ
を採用した光学式エンコーダが知られており、例えば特
開平２−７１１１８号公報に開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１１に示した従来の
光学式エンコーダは移動板１０７に加え固定板１０８が
必要であり、この為構造が複雑化するという課題があ
る。又、移動板１０７や固定板１０８に設ける透過部及
び非透過部はエッチングあるいは蒸着で形成されてい
た。この為、これらの部材の生産性が悪いという課題が
あった。さらに、移動板１０７や固定板１０８には透過
部に加えて光を遮断する非透過部が含まれている為、発
光素子１０１から放射された光束を有効に利用する事が
できないという課題がある。加えて、発光素子１０１と
受光素子１０２が移動板１０７及び固定板１０８を挟ん
で互いに対向配置している為、光学式エンコーダの全長
が光軸方向に大きくなり、且つ各部材の支持機構も別々
に必要な為、構造が複雑化するという課題があった。

【０００５】実開昭５７−２６００８号公報や特開平２
−７１１１８号公報に開示された光学式エンコーダはス
リットに代えてレンズを移動板に形成している。しかし
ながら、この構造でも発光素子と受光素子を移動板の両
側に対向して配置する必要がある為、図１１に示した従
来のエンコーダと同様全長が大きく且つ構造が複雑化す
るという課題がある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題を解決する為以下の手段を講じた。即ち、本発明にか
かる光学式エンコーダは基本的な構成として移動板と発
光素子と受光素子とを備えている。移動板は所定の移動
方向に沿って直線変位もしくは回転変位する。発光素子
は移動板の表側に対面し、且つ移動方向と略直交する幅
方向にある第１定点に配置されている。受光素子も同じ
く移動板の表側に対面し、且つ幅方向に沿って第１定点
から離間した第２定点に配置されている。特徴事項とし
て、前記移動板の表側には移動方向に沿って一定のピッ
チで配列した複数のレンズが形成されている。個々のレ
ンズは第１定点と第２定点を夫々通過する様に配されて
いる。前記移動板の裏側には第１定点及び第２定点を通
過する様に移動方向に連続した反射面が形成されてお
り、第１定点側から入射した光束を反射して第２定点側
に指向させる。かかる構成において、前記発光素子は第
１定点を通過するレンズを介して強度変調された光束を
該反射面に照射する。これに対し、前記受光素子は該反
射面から放射された光束を第２定点を通過するレンズを
介して受光し、移動板の移動量を表わす検出信号を出力
する。具体的には、前記移動板の表側に形成されたレン
ズは幅方向に沿った円筒軸を有するシリンドリカルレン
ズからなり、前記移動板の裏側に形成された該反射面
は、第１定点側から入射した光束を幅方向に反射する入
射全反射面と、該反射された光束を再度反射して第２定
点側に指向させる出射全反射面とを有する。

【０００７】好ましくは、第１定点及び第２定点に配置
した発光素子及び受光素子に加え、移動方向に沿って実
効的に１／４ピッチ分シフトした位置に追加の発光素子
及び受光素子を配置している。これにより、移動量に加
え移動方向も表わす検出信号の出力が可能になる。又、
一定ピッチで配列した複数のレンズに加え、移動板の基
準位置に配置した基準レンズを含んでいる。さらに、基
準位置の通過領域に整合して追加の発光素子及び受光素
子の組が備えられている。これにより、移動量とは別に
基準位置を表わす検出信号を出力する。さらに好ましく
は、前記移動板には表側と裏側とに挟まれた側端面に沿
って所定のピッチで度決め用の凹凸が移動方向に形成さ
れており、クリック感が得られる様にしている。

【０００８】

【作用】本発明によれば、移動方向と直交する幅方向に
発光素子と受光素子の組が並んで配置されている。その
近傍に発光素子と受光素子の組に対向する位置で相対的
に移動可能な移動板が配置されている。移動板には発光
素子と受光素子の組に向き合う表側に幅方向に延在した
シリンドリカルレンズが形成され、且つ裏側には移動方
向と平行に一対の入射全反射面及び出射全反射面を備え
た山形プリズムを設ける。移動体に設けたシリンドリカ
ルレンズにより発光素子から放射した光束が集光及び拡
散を繰り返す。これにより、何等固定板を設ける事なく
移動板の変位に応じて発光素子から放射した光束を強度
変調できる。この光束は全てシリンドリカルレンズによ
り集光／拡散される為、光束を有効に活用できる。又、
一対の入射全反射面及び出射全反射面を裏側に設け、入
射光束の方向を１８０°変換して出射光束としている。
これにより、発光素子と受光素子を同一の方向に配置す
る事が可能である。

【０００９】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は、本発明にかかる光学式エンコ
ーダの第１実施例を示す模式的な斜視図である。図示す
る様に、本光学式エンコーダは発光素子１と受光素子２
と移動板３とから構成されている。移動板３は所定の移
動方向に沿って直線変位する。発光素子１は移動板３の
表側に対面し、且つ移動方向と略直交する幅方向にある
第１定点に配置されている。受光素子２は同じく移動板
３の表側に対面し、且つ幅方向に沿って第１定点から離
間した第２定点に配置されている。移動板３の表側には
移動方向に沿って一定のピッチＰで配列した複数のシリ
ンドリカルレンズ４が形成されている。個々のシリンド
リカルレンズ４の円筒軸は幅方向と平行である。個々の
シリンドリカルレンズ４は第１定点と第２定点を通過し
且つ両者をカバーする為に十分な幅寸法Ｗを有してい
る。一方、移動板３の裏側には第１定点を通過する様に
移動方向に連続した入射全反射面５Ｓと、第２定点を通
過する様に移動方向に連続し且つ入射全反射面５Ｓに対
向した出射全反射面５Ｔとが形成されている。一対の入
射全反射面５Ｓ及び出射全反射面５Ｔは凹型反射面５を
構成する。かかる構成において、発光素子１は第１定点
を通過するシリンドリカルレンズ４を介して強度変調さ
れた光束を入射全反射面５Ｓに照射する。一方、受光素
子２は出射全反射面５Ｔから放射された光束を同時に第
２定点を通過するシリンドリカルレンズ４を介して受光
し、移動板３の移動量を表わす検出信号を出力する。

【００１０】次に、図２を参照して図１に示した光学式
エンコーダの動作を詳細に説明する。図２の（Ｂ）は幅
方向に沿って移動板３を切断した断面形状を表わしてい
る。図２の（Ａ）は矢視Ａから見た側面図であり、
（Ｃ）は矢視Ｃから見た側面図である。先ず（Ｂ）に示
す様に、一対の発光素子１及び受光素子２は所定の光軸
に沿って互いに光学的に接続されている。この光軸は発
光素子１から出発しレンズ４を通過した後入射全反射面
５Ｓにより９０°折り返され、さらに出射全反射面５Ｔ
により９０°折り返され、その後レンズ４を通って受光
素子２に到達する。次に（Ａ）に示す様に、発光素子１
から放射した光束はシリンドリカルレンズ４により集光
され入射全反射面５Ｓに進入する。この後（Ｂ）に示す
様に光束は入射全反射面５Ｓにより９０°折り返され出
射全反射面５Ｔに進入する。最後に（Ｃ）に示す様に、
光束は出射全反射面５Ｔにより移動板３の表側に折り返
され、再びレンズ４により集光された後受光素子２によ
り受光される。この様に、発光素子１から放射した光束
は一対の全反射面５Ｓ，５Ｔからなる凹型反射面５によ
り１８０°折り返され受光素子２に戻る。シリンドリカ
ルレンズ４の頂部が丁度発光素子１及び受光素子２の組
に整合した時、シリンドリカルレンズ４の二度に渡る集
光作用により光束の最大量が受光素子２により受光され
る。即ち、受光素子２は検出信号の最大値を出力する。

【００１１】図３は、図２に示した位置から移動体３が
半ピッチ（Ｐ／２）分変位した状態を表わしている。こ
の時、互いに隣り合うシリンドリカルレンズ４Ｌ，４Ｒ
の間の谷部が発光素子１及び受光素子２に整合してい
る。（Ａ）に示す様に、発光素子１から放射した光束は
谷部により発散される。（Ｂ）に示す様に発散した光束
は入射全反射面５Ｓにより折り返され出射全反射面５Ｔ
に進入する。（Ｃ）に示す様に、発散光束は出射全反射
面５Ｔで表側に折り返された後、再びシリンドリカルレ
ンズ４Ｌ，４Ｒにより発散される。この結果、受光素子
２は最小の受光量になる。従って、受光素子２は最小レ
ベルの検出信号を出力する。即ち、移動板３が半ピッチ
分変位すると検出信号は最大値から最小値まで変化す
る。再び移動板３が半ピッチ分変位すると検出信号は最
小値から最大値に復帰する。この様に、シリンドリカル
レンズ４の通過により光束は繰り返し集光及び発散を受
け、これに応じて検出信号は１ピッチ分に相当する周期
で変動する検出信号を出力する。検出信号の周期を計数
する事により移動板３の変位量が分かる。

【００１２】図４は本発明にかかる光学式エンコーダの
第２実施例を示す模式的な斜視図である。本例では、移
動板３が移動方向と平行に２本のトラックＭ，Ｚに分割
されている。トラックＭには一定ピッチＰで複数のレン
ズ４が配列している。又、トラックＭに整合して一対の
発光素子１及び受光素子２が配置されている。トラック
Ｍの裏側には一対の入射全反射面５Ｓ及び出射全反射面
５Ｔが形成されている。従って、このトラックＭは図１
に示した第１実施例と同一の構成を有し、受光素子２は
移動板３の移動量を表わす検出信号を出力する。一方、
追加のトラックＺには移動板３の基準位置に配置した基
準レンズ４Ｚが含まれている。本例では、この基準レン
ズ４Ｚは１個のシリンドリカルレンズ４をトラックＭと
トラックＺの両者に渡って延在させたものである。トラ
ックＺの裏側には一対の入射全反射面５ＳＺ及び出射全
反射面５ＴＺが形成されている。トラックＺの表側には
追加の発光素子１Ｚ及び受光素子２Ｚが設けられてい
る。即ち、この追加された発光素子１Ｚ及び受光素子２
Ｚの組は基準位置の通過領域に整合している。かかる構
成により、受光素子２Ｚは移動量とは別に基準位置を表
わす検出信号を出力する事が可能である。さらに、第１
定点及び第２定点に配置した発光素子１及び受光素子２
の組から移動方向に沿って実効的に１／４ピッチ分（Ｐ
／４）シフトした位置に別の発光素子及び受光素子の組
を配置すれば移動量に加え移動方向も検出できる。

【００１３】図５は、本発明にかかる光学式エンコーダ
の第３実施例を示す模式的な斜視図である。図示する様
に、移動板３は移動方向と平行に中央のトラックＡＢと
両側のトラックＺＳ，ＺＴとに分割されている。トラッ
クＡＢには一定のピッチで複数のシリンドリカルレンズ
４が配列している。外側トラックＺＳ，ＺＴには基準レ
ンズ４Ｚが配置している。一方の外側トラックＺＳには
発光素子１Ｚが対応し、他方の外側トラックＺＴには受
光素子２Ｚが対応している。かかる構成により移動板３
の基準位置を検出できる。これに対し、内側トラックＡ
Ｂには第１定点及び第２定点に配置した発光素子１Ａ及
び受光素子２Ａに加え、移動方向に沿って実効的に１／
４ピッチ分シフトした位置に追加の発光素子１Ｂ及び受
光素子２Ｂを配置している。これにより、移動量に加え
移動方法も表わす検出信号の出力が可能になる。受光素
子２Ａと２Ｂは空間位相がＰ／４だけシフトしている
為、これに応じて検出信号も位相がπ／２だけシフトし
ている。移動方向により位相のシフト方向が逆になるの
で、これを検出する事により移動板３の移動方向が分か
る。

【００１４】図６は、本発明にかかる光学式エンコーダ
の第４実施例を示しており、ロータリエンコーダに応用
した例を表わしている。移動板３は円盤形状に加工さ
れ、回転軸６に取り付けられている。従って、移動板３
は周方向に沿って回転変位する。発光素子１は移動板３
の表側に対面し、且つ移動方向（周方向）と直交する幅
方向（即ち径方向）にある第１定点（内側定点）に配置
される。受光素子２は同じく移動板３の表側に対面し、
且つ径方向に沿って内側定点から離間した外側定点（第
２定点）に配置される。移動板３の表側には周方向に沿
って一定のピッチで放射状に配列した複数のシリンドリ
カルレンズ４が形成されている。個々のレンズ４は内側
定点と外側定点をカバーする為に十分な幅寸法（径方向
寸法）を有している。移動板３の裏側には、内側定点を
通過する様に周方向に連続した内側の入射全反射面５Ｓ
と、外側定点を通過する様に周方向に連続し且つ入射全
反射面５Ｓに対向した外側出射全反射面５Ｔとが形成さ
れている。なお、移動板３はレンズ４及び入射全反射面
５Ｓ、出射全反射面５Ｔも含め、透明樹脂を材料にした
一体成形（モールド）により製造できる。以上の構成に
より、発光素子１は内側定点を通過するレンズ４を介し
て強度変調された光束を入射全反射面５Ｓに照射し、受
光素子２は出射全反射面５Ｔから放射された光束を同時
に外側定点を通過するレンズ４を介して受光し、移動板
の移動量を表わす検出信号を出力する。換言すると、レ
ンズ４は移動体３を通過する光束を繰り返し集光／発散
させる事により、その強度変調を行っている。

【００１５】図７は、図６に示したロータリエンコーダ
の具体的な構成例を示す模式的な断面図である。図示す
る様に、移動板３はケース７に収納され、且つ回転軸６
に装着されている。回転軸６の端部６ａはケース７から
外部に突出している。移動板３の表側に対面して回路基
板８が組み込まれている。回路基板８の内側面にはフォ
トリフレクタユニット９が取り付けられている。このフ
ォトリフレクタユニット９はＬＥＤ等からなる発光素子
１とフォトトランジスタ等からなる受光素子２とを一体
的に組み込んだものである。回路基板８の外側面には受
光素子２から出力された検出信号を処理する為のＩＣ１
０等が搭載されている。回路基板８の外側面はカバー１
１により覆われている。カバー１１の側面から外部接続
用のコネクタ１２が突出している。かかる構成を有する
ロータリエンコーダは、例えば計測器の調整つまみ等に
応用できる。回転軸６の端部６ａを手動で回動すると、
その回動量に応じて検出信号がコネクタ１２を介し計測
器本体に入力される。この検出信号に応じて計測器の電
気的な調節もしくは較正を行なう。

【００１６】図８は、図７に示したロータリエンコーダ
の平面形状を示しており、表面に移動板３が現われてい
る。移動板３は円筒型のケース７に収納され、回転軸６
を中心にして回転変位する。移動板３の表側には等角度
ピッチＰでレンズ４が放射状に配列されている。移動板
３の表側と裏側とに挟まれた側端面に沿って、所定のピ
ッチで度決め用の凹凸４ａが移動方向（周方向）に形成
されている。この凹凸４ａと係合する様に、クリック部
材１３がケース７の内面に固着されている。クリック部
材１３はバネ１３ａにより径方向内側に付勢されてい
る。移動板３の回動に伴なってクリック部材１３が凹凸
４ａを逐次乗り超える為、所望のクリック感が得られ
る。

【００１７】図９は、同じく図７に示したロータリエン
コーダの平面図であり、回路基板８の外側面が現われて
いる。点線で示す様に、回路基板８の内側面には一対の
フォトリフレクタユニット９Ａ，９Ｂが取り付けられて
いる。前述した様に、１個のフォトリフレクタユニット
には１組の発光素子及び受光素子が組み込まれている。
図示する様に、一方のフォトリフレクタユニット９Ｂは
他方のフォトリフレクタユニット９Ａに対し、（１／４
＋ｎ）Ｐだけ空間位相がシフトして配置されている。但
し、ｎは任意の整数を表わしている。この様に、実効的
に１／４ピッチ分シフトした一対のフォトリフレクタユ
ニット９Ａ，９Ｂを用いる事により、移動板３の回転量
に加え回転方向を表わす検出信号の出力が可能になる。

【００１８】最後に、図１０を参照して本発明にかかる
光学式エンコーダの様々な変形例を示す。なお、図１に
示した第１実施例と対応する部分には同一の参照符号を
用いて理解を容易にしている。（Ａ）に示した変形例で
は、移動板３に互いに分離したシリンドリカルレンズ４
Ｓ，４Ｔが形成されている。一方のレンズ４Ｓは入射光
束を横切る様に通過し、他方のレンズ４Ｔは出射光束を
横切る様に通過する。（Ｂ）に示した変形例では、個々
のレンズ４Ｓ，４Ｔがシリンドリカルレンズではなく、
球面レンズ又は非球面レンズからなる。これらのレンズ
４Ｓ，４Ｔも入射光束及び出射光束を集束及び発散可能
である。（Ｃ）に示した変形例では、凹型反射面５が多
面体からなる。第１実施例に示したＶ字型の反射面（プ
リズム反射面）と同様に、入射光束を１８０°折り返し
て出射光束に変換できる。（Ｄ）に示した変形例では、
凹型反射面５が円筒体からなる。これも、入射光束を１
８０°折り返して出射光束に変換できる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、移
動方向と直交する幅方向に沿って発光素子と受光素子が
並んで配置され、その近傍に発光素子と受光素子に対向
する位置で相対的に移動可能な移動体が配置されてい
る。移動体には発光素子と受光素子に向き合う側に一定
のピッチでシリンドリカルレンズが配列され、且つ裏側
には移動方向と平行に一対の入射全反射面及び出射全反
射面が設けられている。移動板に設けたシリンドリカル
レンズにより発光素子から放射した光束が集光／発散を
繰り返し強度変調される。従って、従来の様に固定板が
不要となり、且つ同一面側に発光素子と受光素子を配置
できるので、各素子の支持部材を共通化する事により構
造が簡単となり、光軸長も縮小化できる。又、移動板を
モールド等で一体成形できるので生産性が良くなる。さ
らに、発光素子から放射した光束を従来の様に非透過部
で遮断する事なく、レンズにより集光するので光束を効
率的に利用できる。従って、安価で光軸全長が小さく高
性能な光学式エンコーダを提供する事が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる光学式エンコーダの第１実施例
を示す斜視図である。

【図２】図１に示した第１実施例の動作説明に供する断
面図及び側面図である。

【図３】同じく第１実施例の動作説明に供する断面図及
び側面図である。

【図４】本発明にかかる光学式エンコーダの第２実施例
を示す斜視図である。

【図５】本発明にかかる光学式エンコーダの第３実施例
を示す斜視図である。

【図６】本発明にかかる光学式エンコーダの第４実施例
を示す断面図である。

【図７】図６に示した第４実施例の具体的な構成例を示
す縦断面図である。

【図８】同じく第４実施例の具体的な構成を示す平面図
である。

【図９】同じく第４実施例の具体的な構成を示す平面図
である。

【図１０】本発明にかかる光学式エンコーダの様々な変
形例を示す模式的な斜視図である。

【図１１】従来の光学式エンコーダの一例を示す斜視図
である。

【符号の説明】

１ 発光素子 ２ 受光素子 ３ 移動板 ４ レンズ ５Ｓ 入射全反射面 ５Ｔ 出射全反射面 ６ 回転軸

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の移動方向に沿って変位する移動板
   と、該移動板の表側に対面し、且つ該移動方向と略直交
   する幅方向にある第１定点に配置された発光素子と、同
   じく該移動板の表側に対面し且つ該幅方向に沿って第１
   定点から離間した第２定点に配置された受光素子とから
   なる光学式エンコーダであって、 前記移動板の表側には該移動方向に沿って一定のピッチ
   で配列した複数のレンズが形成されており、個々のレン
   ズは第１定点と第２定点を夫々通過する様に配されてお
   り、 前記移動板の裏側には第１定点及び第２定点を通過する
   様に移動方向に連続した反射面が形成されており、第１
   定点側から入射した光束を反射して第２定点側に指向さ
   せ、 前記発光素子は第１定点を通過するレンズを介して強度
   変調された光束を該反射面に照射し、 前記受光素子は該反射面から放射された該光束を第２定
   点を通過するレンズを介して受光し、該移動板の移動量
   を表わす検出信号を出力する事を特徴とする光学式エン
   コーダ。
2. 【請求項２】 前記移動板の表側に形成された該レンズ
   は幅方向に沿った円筒軸を有するシリンドリカルレンズ
   である事を特徴とする請求項１記載の光学式エンコー
   ダ。
3. 【請求項３】 前記移動板の裏側に形成された該反射面
   は第１定点側から入射した光束を幅方向に反射する入射
   全反射面と、該反射された光束を再度反射して第２定点
   側に指向させる出射全反射面とを有する事を特徴とする
   請求項１記載の光学式エンコーダ。
4. 【請求項４】 第１定点及び第２定点に配置した発光素
   子及び受光素子に加え、該移動方向に沿って実効的に１
   ／４ピッチ分シフトした位置に追加の発光素子及び受光
   素子を配置し、移動量に加え移動方向も表わす検出信号
   の出力を可能にした事を特徴とする請求項１記載の光学
   式エンコーダ。
5. 【請求項５】 一定ピッチで配列した複数のレンズに加
   え移動板の基準位置に配置した基準レンズを含み、且つ
   該基準位置の通過領域に整合して追加の発光素子及び受
   光素子の組を備えており、移動量とは別に基準位置を表
   わす検出信号を出力する事を特徴とする請求項１記載の
   光学式エンコーダ。
6. 【請求項６】 前記移動板には、表側と裏側とに挟まれ
   た側端面に沿って所定のピッチで度決め用の凹凸が移動
   方向に形成されている事を特徴とする請求項１記載の光
   学式エンコーダ。