(57)【要約】【課題】反射スケール自体の形状に改良を加え、検出誤差を大幅に低減する。【解決手段】光源２１〜反射スケール３１〜受光素子２２までの経路の光線追跡の様子を示し、円弧状断面の曲率半径をほぼ検出ヘッド２３と反射スケール３１間の距離とし、曲率中心線を光源２１と受光素子２２の間に位置とし、検出ヘッド２３から反射スケール３１までの距離を変化させると、光源２１からの放射光束は殆ど受光素子２２の面上に収束性光束として導くことが可能となる。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と受光素子を同一基板上に備えた検出ヘッドと、該検出ヘッドに対して相対変位可能な反射スケールとを備えた光学反射型のエンコーダにおいて、前記反射スケールの相対変位検出方向と直交する断面形状の少なくとも一部に弯曲形状又は略Ｖ字形状を含むことを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記反射スケールの前記弯曲形状の母線方向と前記変位検出方向を平行に配置したことを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項３】
前記弯曲形状の曲率半径は前記検出ヘッドまでの距離と略等しく、曲率中心線は前記発光素子と受光素子との中間内に位置するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】
前記反射スケールの前記略Ｖ字形状の曲げ稜線方向と前記変位検出方向を平行に配置したことを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項５】
前記反射スケールは可撓性部材であることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項６】
前記反射スケールの固定は前記反射スケール自体の弾性的な曲げ変形の反力を用いることを特徴とする請求項５に記載の光学式エンコーダ。
【請求項７】
前記反射スケールの光線反射有効領域外の裏面部位のみを直接支持して固定したことを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項８】
所定の曲率半径を有する断面円弧状の反射膜形成シートと反射パターン形成シートとをそれぞれ別個に弯曲成形し、前記両シート内に接着剤シートを介在させて上下ダイスにより加熱加圧して圧着して製造したことを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弯曲形状又はＶ字形状を有する反射スケールを備えた光学式エンコーダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図２１は従来の光学式の反射型エンコーダの斜視図、図２２は変位検出軸（座標系におけるＸ軸）と直交するＹＺ断面図を示している。ＬＥＤチップから成る光源１からの放射光束のうちの反射スケール２からの反射光束を、受光部及び信号処理回路を内蔵したフォトＩＣチップから成る受光素子３で受光する。光源１及び受光素子３の半導体素子は基板４上にダイボンディングされ、更に透光性の樹脂５と透明ガラス６により覆われており、これらの光源１、受光素子３、基板４、樹脂５、透明ガラス６から検出ヘッド７は構成されている。一方、反射スケール２は反射スケール基材８と反射層９と反射層１０を含む反射層形成部１１から成っている。このような反射型エンコーダは例えば特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３３７０５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような構成の反射式エンコーダでは、図２３の変位検出軸を含むＸＺ断面図において、角度θ１が光源１から反射スケール２を介して受光素子３の受光領域に導かれる有効光束となる。この場合に、光源１から放射される光束のうちの僅かな光量しか使われておらず、殆どの光束は無効な成分となり、光の利用効率が極めて悪いという問題点がある。
【０００５】
有効光束を拡大するために、受光素子３の受光面積を拡大する手段が容易に考えられるが、受光素子３のサイズアップにより検出ヘッド７全体が大きくなってしまい、またコストアップにもつながり経済的でない。僅かな受光素子３に届く光量を補うために、光源１の発光量を増大させることも容易に考えられるが、この場合には消費電力の増大と光源１に過剰な電流を流すことになり、光源１の寿命が短くなってしまうという問題が発生する。
【０００６】
更に、信号処理回路内で信号増幅する手段も考えられるが、この方法もノイズ成分も増大させ実質的に有効な手段とならず、検出精度へ影響を与え、好ましい手段ではない。
【０００７】
安価な可撓性反射スケールも考えられているが、変形が生じ易く、この変形により位置検出誤差が発生し易いという欠点もある。
【０００８】
本発明の目的は、上述の課題を解消し、変形等に対して、反射スケール自体の形状に改良を加え、検出誤差を大幅に低減する光学式エンコーダを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係る光学式エンコーダの技術的特徴は、発光素子と受光素子を同一基板上に備えた検出ヘッドと、該検出ヘッドに対して相対変位可能な反射スケールとを備えた光学反射型のエンコーダにおいて、前記反射スケールの相対変位検出方向と直交する断面形状の少なくとも一部に弯曲形状又は略Ｖ字形状を含むことにある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る光学式エンコーダによれば、価格面で有利でありながら、精度面で課題があった可撓性を有するフィルムスケールや金属スケール等を高精度に用いることが可能となり、同時に光の利用効率を大幅に向上させることができ、低価格かつ高精度、低消費電力となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明を図１〜図２０に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明による光学式反射型エンコーダの実施例１の構成を示す斜視図である。ＬＥＤチップから成る光源２１、受光部及び信号処理回路を内蔵したフォトＩＣチップから成る受光素子２２の半導体素子を主体として検出ヘッド２３が構成されている。検出ヘッド２３は、光源２１、受光素子２２の他に、配線基板２４と光源２１と受光素子２２を覆うように封止した透光性の封止樹脂２５と、この封止樹脂２５上に配設された透明ガラス２６から成っている。
【００１３】
検出ヘッド２３の上方に配置された反射スケール３１は、図２に示すようにＸ軸に直交するＹＺ断面形状により、検出ヘッド２３を覆うように弯曲されており、この実施例１では円筒体の母線Ｘ０と平行にその一部を切り出した立体形状とされている。また、ＹＺ断面での円弧状断面の曲率半径は略検出ヘッド２３と反射スケール３１間の距離となっていて、その曲率中心線は光源２１と受光素子２２の略中間に位置している。
【００１４】
反射スケール３１は図３に示すように、パターン形成シート３２と反射層形成シート３３から構成されている。パターン形成シート３２は例えば工業用写真製版フィルム用の透明なＰＥＴフィルムであって、０．１〜０．２ｍｍ程度の厚みを有し、工業用写真製版フィルムの乳剤層により露光・現像工程を経て必要なパターンが形成されている。パターン形成シート３２の基材部３２ａ上には、光吸収部分の非反射部３２ｂと光線透過部３２ｃから成るパターンが交互に設けられている。
【００１５】
一方、反射層形成シート３３においては、基材とするＰＥＴフィルムから成る反射層３３ａの下面に蒸着膜から成る反射層３３ｂが形成されている。反射スケール３１は、これらのパターン形成シート３２と反射層形成シート３３を図４に示すように透明な接着剤から成る接着層３４で接合した構造とされている。
【００１６】
このような反射スケール３１は、厚み０．２ｍｍ前後で可撓性を有しており、図５（ａ）に示すようにＹ軸方向から力を加えて弯曲させ、（ｂ）に示すように弯曲させたままの状態で、箱状の取付部材３５に挿入する。弯曲変形させたまま、（ｃ）に示すように取付部材３５の突き当て位置まで押し込んでＹ軸方向の力を解放し、反射スケール３１自体の弾性的な曲げ変形の反力Ｆによって、反射スケール３１は取付部材３５に対して固定される。この場合に、突き当て部位に補助的に接着剤を併用してもよい。
【００１７】
図６は上記のように取付部材３５に取り付けられ弯曲した反射スケール３１を示している。図７は検出ヘッド２３との反射スケール３１が組み合わされた実施例１のＹＺ断面図である。取付部材３５の一部は光源２１からの放射光束を制限する役割も兼ねており、取付部材３５の底部に設けた枠体部３５ａが光学的な絞りの役割を果たしている。
【００１８】
光源２１から放射された光束は、図４に示すように光線Ｌａとして反射スケール３１のパターン形成シート３２を透過し、パターン形成シート３２の非反射部３２ｂでその光束の一部が吸収される。一方、光線Ｌｂは光線透過部３２ｃを透過して反射層３３ｂで反射する。この反射光線は再び光線透過部３２ｃを通過し、更に基材部３２ａを透過して、検出ヘッド２３内の受光素子２２に入射する。反射型のエンコーダでは、検出ヘッド２３と反射スケール３１の相対変位に伴って発生する反射パターン部からの反射光束の光強度の変化を電気信号に変換し、図示しない演算手段を用いて相対変位量が計測可能となる。
【００１９】
図８は実施例１での光源２１〜反射スケール３１〜受光素子２２までの経路の光線追跡の様子を示し、各状態（ａ）〜（ｆ）は、検出ヘッド２３から反射スケール３１までの距離、所謂センサとスケール間ギャップを次第に遠去かるように変化させたものである。ＹＺ断面での円弧状断面の曲率半径をほぼ検出ヘッド２３と反射スケール３１間の距離とし、更にその曲率中心線を光源２１と受光素子２２の間に位置しているので、光源２１からの放射光束は殆ど受光素子２２の面上に収束性光束として導くことが可能となる。
【００２０】
本実施例１での光線光路を示す図８と、ＹＺ断面形状を弯曲させていない従来の反射スケール２を用いた場合の光線追跡の図９とを比較してみると、図９では光源２１からの放射光束の内、θ３（≒６°〜１０°前後）の角度範囲の光量のみが受光素子２２に導かれている。これに対して本実施例１では、図８のθ２（≒１２°〜２０°）の角度範囲の光量が受光素子２２に導かれ、従来の約２倍程度受光光量が向上しており、検出ヘッド２３と反射スケール３１の間のギャップが広範囲で変動しても、センサとして利用可能となる。
【００２１】
図１０はその様子を示すグラフ図であり、従来の平面スケールでは検出ヘッドの近傍に反射スケールを配置する必要があったが、本実施例１ではかなりの広範囲で有効な信号を得ることができる。
【００２２】
このように実施例１では、反射スケール３１のＹＺ断面形状を検出ヘッド２３を覆うような円弧状断面としたことによって、光源２１からの放射光束を従来の平面反射スケールの場合に比べてより多く受光素子２２に導くことになる。特に本実施例１では、ＹＺ断面での円弧状断面の曲率半径を検出ヘッド２３と反射スケール３１の距離と略等しくし、更にその曲率中心線が光源２１と受光素子２２の間に位置しているので、光源２１から発散する放射光束は、受光素子２２の面上に収束性光束として変換され、光源２１からの光量を効率良く受光素子２２に取り込むことが可能となる。
【００２３】
反射スケール３１では、円筒体の母線Ｘ０の方向と変位検出方向を一致させていることが重要であり、円筒体において母線Ｘ０の方向の曲げ強度は平板時に比べて増大し、反射スケール３１の反射面の変位検出軸Ｘ方向に沿った変形は殆ど発生しない。このことは、変位検出軸Ｘの方向を円筒体の母線Ｘ０の方向と平行に配置し、反射型エンコーダに適用したとき、変位検出方向成分の直線性が向上し、反射スケール３１での反射光束の振れが抑えられる。
【００２４】
更に、反射スケール３１自体の弾性的な曲げ変形の反力によって取付部材３５に固定支持すると、従来の反射スケールで問題となる基準平面に貼り合わせる際の接着層３４の厚みむらや、異物の挟み込みなどが発生することはない。
【実施例２】
【００２５】
図１１は実施例２の反射型エンコーダのＹＺ断面図である。主要構成は実施例１と同じなのでその説明は省略するが、実施例１と異なる点は、反射スケール３１を取り付ける取付部材４１の形状と取付方法にある。実施例１では、反射スケール３１はそれ自体の弾性的な曲げ変形の反力によって取付部材３５に固定支持したが、この実施例２では反射スケール３１は取付部材４１に対して接着層４２によって固定されている。
【００２６】
反射スケール３１を弯曲形状とするために、図１２にも示すように取付部材４１のＹＺ断面の反射スケール３１の貼合部が弯曲形状となっていて、この弯曲面に沿うように反射スケール３１は貼り付けられている。従って、取付部材４１の貼り合わせ面形状によって、反射スケール３１の弯曲形状を或る程度、所望の形状とすることができる。
【００２７】
この実施例２においても先の実施例１と同様に、変位検出軸Ｘ方向を弯曲部の母線Ｘ０の方向と平行配置し、反射型エンコーダに適用したとき、変位検出方向成分の直線性が向上し、反射スケール３１での反射光束の振れが抑えられる効果がある。
【００２８】
更に、反射スケール３１の裏面全面が接着固定されるのではなく、反射スケール３１の光学有効範囲Ｄに対応する部分４１ａのみ、取付部材４１が形状的に逃げていて、実際には接着固定支持されず、接着層４２での面変形、接着層４２の厚みむら、貼り合わせ時の異物の挟み込みを避け、弯曲形状の母線Ｘ０の剛性が向上する効果により、実質的に変形の少ない取り付けが可能となる。
【００２９】
図１３（ａ）〜（ｃ）は実施例２の反射面断面形状が弯曲形状で、特に円弧の場合の光線光路を示し、検出ヘッド２３と弯曲した反射スケール３１の間隔を２．５ｍｍ、３．０ｍｍ、３．５ｍｍとした場合の光路図である。円弧の曲率中心は光源２１と受光素子２２の略中間位置に存在し、曲率半径Ｒが３．０ｍｍであるような反射円筒面とした場合の説明図である。
【００３０】
図１４（ａ）〜（ｃ）は反射面断面形状が弯曲形状で、特に放物線の場合の光線光路を示し、検出ヘッド２３と弯曲した反射スケール３１の間隔を２．５ｍｍ、３．０ｍｍ、３．５ｍｍとした場合の光路図である。放物面の軸ｎは光源２１と受光素子２２の略中間位置とし、光源２１からの放射光束をより多く受光素子２２に導かれるように形状を最適化した場合で、その光束はθ４≒６０°に達する。平行平板状態の従来の反射スケールに比べて５倍前後、光源光量の利用効率が向上している。
【００３１】
図１５（ａ）〜（ｃ）は反射面断面形状が弯曲形状で特に楕円の場合の光線光路を示し、検出ヘッド２３と弯曲した反射スケール３１の間隔を２．５ｍｍ、３．０ｍｍ、３．５ｍｍとした場合の光路図である。楕円の短軸ｎは光源２１と受光素子２２の略中間位置とし、反射スケール３１からの反射光束を略平行光束として受光素子２２に入射させている。
【００３２】
上述のように実施例２として、弯曲面は円弧だけでなく、放物線、楕円、その他の双曲線などの形状を与えることにより、様々な反射光路の設計が可能であることを示している。何れの場合も、図１０に示すように、従来の平板状反射スケールと比べて光の利用効率は大幅に改善されている。更に、この実施例２においても先の実施例１と同様に、何れの面形状の場合も変位検出軸方向を弯曲部の母線Ｘ０の方向と平行配置し、反射型エンコーダに適用したとき、変位検出方向成分の直線性が向上し、反射スケール３１での反射光束の振れが抑えられる。
【実施例３】
【００３３】
図１６は実施例３の光線光路図を示している。この実施例３では、反射スケール３１のＹＺ断面形状として、略Ｖ字状に折り曲げた構造を備えた形状であり、この場合に２つの反射平面からの光束が重なるように、Ｖ字型の折り曲げ角度が選択されていて、光源２１の光量の利用効率が改善されている。
【００３４】
実際の曲げ加工では、屈曲部において若干のＲが生ずることになるので、実施例２における双曲線断面として扱うことも可能である。図１７はこの反射スケール３１を取付部材５１の外側に貼り付けた場合を示している。反射スケール３１に対して先のＶ字型の折曲部以外に、その両側にそれぞれ曲げ加工が施され、ブロック状の取付部材５１に接着層５２により固定されている。
【００３５】
この実施例３においても、先の実施例１と同様に変位検出軸Ｘ方向を折り曲げ構造の屈曲部稜線方向と平行配置し、反射型エンコーダに適用したとき、変位検出方向成分の直線性が向上し、反射スケール３１での反射光束の振れが抑えられる。
【実施例４】
【００３６】
図１８〜図２０は実施例４を示し、特に弯曲スケールの製造方法を示している。図１８においては、先に図３で示したパターン形成シート３２及び反射層形成シート３３は、予めそれぞれ単独で弯曲形状に成形されている。所定の曲率半径を有する断面円弧状の反射パターン形成シート３２と反射層形成シート３３とを別個に製作し、図１９に示すように接着層６１により接合されている。
【００３７】
接合手段としては、接着層６１以外にも多くの手段が考えられるが、接合する方法として、例えば図２０に示すようにパターン形成シート３２と反射層形成シート３３の間に接着層６１を介在させて積み重ね、上ダイス６２と下ダイス６３により、これらの積層物を加熱加圧して圧着して製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
上記全ての実施例の構成に関する説明では、主に反射型フィルムスケールの場合について説明したが、反射型の金属スケールやその他の可撓性を有しない反射スケールに対しても、実質的に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施例１の反射型エンコーダ構成の斜視図である。
【図２】実施例１の変位検出方向軸に直交する断面図である。
【図３】実施例１の反射スケールの接着前の断面図である。
【図４】実施例１の反射スケールの断面図である。
【図５】実施例１の反射スケールの取付方法を示す図である。
【図６】実施例１の反射スケールを固定部材に取り付けた状態の斜視図である。
【図７】実施例１の固定された反射スケールのＹＺ断面図である。
【図８】ＹＺ断面での光路図である。
【図９】平面状の反射スケールの光路図である。
【図１０】検出ヘッドと反射スケールの距離に対する受光光量のグラフ図である。
【図１１】実施例２の変位検出方向軸に直交する断面図である。
【図１２】実施例２の固定部材の斜視図である。
【図１３】反射スケールが円弧形状の場合の光路図である。
【図１４】反射スケールが放物線形状の場合の光路図である。
【図１５】反射スケールが楕円形状の場合の光路図である。
【図１６】実施例３のＹＺ断面での光路図である。
【図１７】実施例３の変位検出方向軸に直交する断面図である。
【図１８】実施例４の反射スケールの製造方法の説明図である。
【図１９】実施例４の反射スケールの製造方法の説明図である。
【図２０】実施例４の反射スケールの製造方法の説明図である。
【図２１】従来の反射型エンコーダの斜視図である。
【図２２】従来の反射型エンコーダのＸＺ断面図である。
【図２３】従来の反射型エンコーダのＹＺ断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
２１  光源
２２  受光素子
２３  検出ヘッド
３１  反射スケール
３２  パターン形成シート
３３  反射層形成シート
３４、４２、５２、６１  接着層
３５、４１、５１  取付部材
６２  上ダイス
６３  下ダイス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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