JP3205680B2 - 反射型光学式エンコーダ - Google Patents
反射型光学式エンコーダInfo
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Description
位等を検出する反射型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反射型光学式エンコ
ーダの構造に関する。
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。
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。
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。
−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。
題を解決する為以下の手段を講じた。即ち、本発明にか
かる反射型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
のピッチで配列し且つ頂部と谷部を有する複数のレンズ
が谷部を介して互いに隣り合う様に形成されている。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該レンズ
と一体的に形成されており、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の頂部
を介して集光した光束を該反射面に照射し、又第1定点
を通過するレンズの谷部を介して発散した光束を該反射
面に照射する。これに対し、前記受光素子は該反射面か
ら該集光された光束を第2定点を通過するレンズの頂部
を介し再び集光して受光し、又該反射面から該発散され
た光束を第2定点を通過するレンズの谷部を介し再び発
散して受光し、該集光された光束に対応した最大レベル
及び該発散された光束に対応した最少レベルを有し該移
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、互
いに隣り合う様に配列されて該頂部と該谷部が交互に形
成されている。又、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。
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。
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。
詳細に説明する。図1は、本発明にかかる反射型光学式
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、本反射型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。
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。
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。
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2Z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。
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Z
S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AB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。
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。
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。
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。
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。
反射型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4S,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180°折り返して出射光束に変換できる。
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
性能な反射型光学式エンコーダを提供する事が可能にな
る。
実施例を示す斜視図である。
面図及び側面図である。
び側面図である。
実施例を示す斜視図である。
実施例を示す斜視図である。
実施例を示す断面図である。
す縦断面図である。
である。
である。
々な変形例を示す模式的な斜視図である。
である。
Claims (6)
- 【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
なる反射型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
で配列し且つ頂部と谷部を有する複数のレンズが谷部を
介して互いに隣り合う様に形成されており、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該レンズと一体的に形
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の頂部を介し
て集光した光束を該反射面に照射し、又第1定点を通過
するレンズの谷部を介して発散し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該集光された光束を第2定
点を通過するレンズの頂部を介し再び集光して受光し、
又該反射面から該発散された光束を第2定点を通過する
レンズの谷部を介し再び発散して受光し、 該集光された光束に対応した最大レベル及び該発散され
た光束に対応した最少レベルを有し 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反射型光学式
エンコーダ。 - 【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
であり、互いに隣り合う様に配列されて、該頂部と該谷
部が交互に形成されている事を特徴とする請求項1記載
の反射型光学式エンコーダ。 - 【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記載の反射型光学式エンコーダ。 - 【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記載の反射
型光学式エンコーダ。 - 【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
反射型光学式エンコーダ。 - 【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記載の反
射型光学式エンコーダ。
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Families Citing this family (8)
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