(57)【要約】【課題】光学式エンコーダに用いる、高精度で小型化可能な光結合装置を提供すること。【解決手段】光源から放射状に光を発する発光素子及びこの発光素子の前方に設けられ頂上が曲率ｒのレンズ体であって前記発光素子に一体成形された屈折率ｎの樹脂とにより構成された光学部品と、前記発光素子から発した光の方向に対して相対的に垂直方向に運動するスケールと、このスケールを介して前記光を受ける複数の受光素子から成る受光素子アレイと、位相の異なる２つの出力信号を得る出力回路を有する光結合装置であって、前記発光素子から前記レンズ体中心までの距離をｆ、このレンズ中心から前記頂上までの距離をｄとすると、前記ｄ＋ｆが２．０ｍｍ以下で、前記光学部品から発射される光線の第１の収斂係数Σ＝ｒ／｛（１−ｎ）（ｄ＋ｆ）＋ｎｒ｝の値が３より大きく９より小さい範囲に入るようにした。【選択図】  図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、この発光素子の前方に一体に成形され頂上が曲率ｒのレンズ体とにより構成された光学部品と、
前記光学部品から発した光線の方向に対して相対的に垂直方向に運動するスケールと、
このスケールを介して前記光線を受ける複数の受光素子から成る受光素子アレイと、
位相の異なる２つの出力信号を得る出力回路を有する光結合装置であって、
前記レンズ体の屈折率をｎ、前記発光素子から前記レンズ体のレンズ中心までの距離をｆ、このレンズ中心から前記頂上までの距離をｄとすると、前記ｄ＋ｆが２ｍｍ以下であり、前記光学部品から発射される光線の第１の収斂係数Σ＝ｒ／｛（１−ｎ）（ｄ＋ｆ）＋ｎｒ｝の値が３より大きく９より小さい範囲に入るようにしたことを特徴とする光結合装置。
【請求項２】
前記発光素子の発光部ピッチをｇとすると、光学部品から発射される光線の第２の収斂係数（１／ｒ）ｇΣ４の値が６より大きく、５００より小さい範囲に入ることを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
【請求項３】
前記レンズ体の表面が球面形状をして成ることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光結合装置。
【請求項４】
前記レンズ体の表面が楕円形状をして成ることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光結合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタ、複写機などの可動部の位置・角度・速度を制御する光エンコーダに用いる光結合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリンタ、コピー機、プロッタ、ハードディスクなどの可動部分の位置・角度・速度を光学的に制御する装置として光学式エンコーダが知られている。この種の光学式エンコーダに用いる光結合装置の外形は、図１（ａ）（ｂ）に示すような形状をしている。図１（ａ）はこの光学式エンコーダの正面図、図１（ｂ）は側面図である。１１は外囲器であり、この中の発光部１２と受光部１３との間に矢印１４の方向に往復運動可能なリニアスケール１５が配置された構造になっている。リニアスケール１５は、図１（ｃ）に示すように、ピッチＰで光遮断部１６ａと光透過部１６ｂを交互に有する構造を有している。
【０００３】
このような、光学式エンコーダに用いる従来の光結合装置は図２に示すような構成を有し、図３に示す電気回路により信号を処理する。
【０００４】
即ち、従来の光結合装置は、所定ピッチのリニアスケール１５を挟んで、発光部１２と受光部１３に分けられ、発光部では、１個の発光ダイオード（ＬＥＤ）２１から発した光を外付けレンズ２２により平行光線２３とし、この光線を受光ＩＣ２４で受ける。発光部１２と受光部１３の間隔をＧａｐとし、リニアスケール１５を発光部１２からＺだけ離れた位置に配置する。
【０００５】
受光ＩＣ２４は、フォトダイオード２５が２個１対、４個で１組となったフォトダイオードアレイと、これらのフォトダイオードアレイの２対で得られた信号をＡ相，Ｂ相の信号として処理する信号処理回路２７と、上記出力回路のＡ相，Ｂ相の信号（Ａ，Ｂ）及びその反転信号（ａ，ｂ）を各々比較するＡ相比較回路２８ａ，Ｂ相比較回路２８ｂとから成っている。
【０００６】
そして、受光ＩＣ２４のフォトダイオード２５は、図１（ｃ）に示すリニアスケール１５のピッチＰを１組当りのフォトダイオードの数で割った間隔で配置される。即ち、今の場合、リニアスケール１５の１ピッチの間に４個、半ピッチ間に２個のフォトダイオードが配置される。このようなピッチを有するリニアスケール１５を発光部１２と受光部１３の間で、その垂直方向即ち矢印１４方向に往復運動させることにより、図４に示すように互いに９０度位相の異なるＡ相出力信号４１ａとＢ相出力信号４１ｂを得る。
【０００７】
上記リニアスケール１５の代わりに、図５に示すようなコードホイールを用いることもできる。コードホイールは、円形状にピッチＰで均一に複数の開口部５１を設けた円板５２であり、これらの開口部５１を図１のリニアスケールの位置で回転移動させるようにして、光の透過及び遮断を繰り返すようにすることもできる。
【０００８】
なお、発光ダイオード２１から発する光をそのままリニアスケール１５あるいはコードホイールに入れると、受光ＩＣのフォトダイオードに当たる光がずれて、Ａ相，Ｂ相の出力信号の位相が９０度から外れ、良好な特性を得ることができない。そこで従来の光学式エンコーダでは、外付けレンズ２２を介在させることにより、受光ＩＣに入射する光を平行光線にしなければならなかった。
【０００９】
しかし、外付けレンズを設けると、部品点数が増え、大型化せざるを得ない。また、図１に示すように発光部１２と受光部１３の間隔Ｇａｐを小さくすることも考えられるが、この間隔を狭くすると、機構設計上のマージンが少なくなり好ましくない。
【００１０】
上記のような光学式エンコーダは、ほかにも知られている（特許文献１、２参照）がいずれも小型化が困難である。
【００１１】
このように、従来の光学式エンコーダは、外付けレンズが必須であることその他の理由で、大型化してしまうという問題点があった。
【００１２】
【特許文献１】
・特開２００２−２５７５９３号公報
・特開２００２−１９８５６８号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の光学式エンコーダに用いる光結合装置では、大型化することが避けられないという問題点があった。本発明は、このような従来の光結合装置の問題点に鑑みてなされたもので、精度が高くしかも、小型化可能な光結合装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１によれば、発光素子と、この発光素子の前方に一体に成形され頂上が曲率ｒのレンズ体とにより構成された光学部品と、前記光学部品から発した光線の方向に対して相対的に垂直方向に運動するスケールと、このスケールを介して前記光を受ける複数の受光素子から成る受光素子アレイと、位相の異なる２つの出力信号を得る出力回路を有する光結合装置であって、前記レンズ体の屈折率をｎ、前記発光素子から前記レンズ体のレンズ中心までの距離をｆ、このレンズ中心から前記頂上までの距離をｄとすると、前記ｄ＋ｆが２．０ｍｍ以下であり、前記光学部品から発射される光線の第１の収斂係数Σ＝ｒ／｛（１−ｎ）（ｄ＋ｆ）＋ｎｒ｝の値が３より大きく９より小さい範囲に入るようにしたことを特徴とする光結合装置を提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴の１つは、光源からの光を外付けレンズを介することなく受光部に放射してもＡ相、Ｂ相の出力信号の位相を互いにほぼ９０度にできるように、発光素子とレンズ体を一体成形した構造にある。
【００１６】
詳しくは、埋め込み距離（ｄ＋ｆ）が２．０ｍｍ以下の場合であっても、第１の収斂係数及び第２の収斂係数を一定の範囲に入るようにすることにより、高精度を維持したまま小型化できる点にある。
【００１７】
図６は従来の、発光部に外付けレンズを設けた構成の光学式エンコーダにおいて、発光部と受光部の間隔Ｇａｐを変えた場合の配光特性を示す図である。実線はＧａｐが２．７ｍｍの場合、点線はＧａｐが１．５ｍｍの場合であり、破線はＧａｐが０．５ｍｍの場合の配光特性を示す。この図において、横軸は発光ダイオード（ＬＥＤ）の走査距離（ｍｍ）であり、縦軸は相対短絡電流を表わす。
【００１８】
同図において、ほぼ１〜２．７５ｍｍの範囲にフォトダイオードの受光幅があり、この範囲で相対短絡電流は１に近くなるが、この範囲から外れると、急激に小さくなる。そして、発光部と受光部の間隔Ｇａｐを上記のように変えた場合にも、この配光特性はほとんど変わらない。
【００１９】
一方、外付けレンズを除いて、上記間隔Ｇａｐを２．７ｍｍ、１．５ｍｍ及び０．５ｍｍと変えた場合の配光特性を図７に示す。この配光特性図でも、実線はＧａｐが２．７ｍｍの場合、点線はＧａｐが１．５ｍｍの場合であり、破線はＧａｐが０．５ｍｍの場合を示す。
【００２０】
この場合、発光部は、中央のＡｕ電極部を除く全面発光の発光ダイオードの前面に、エポキシ樹脂で作られ曲率半径０．７５ｍｍの集光レンズを有するよう一体成型した発光素子を用い、この発光素子のレンズトップまでの寸法を３ｍｍになるように設計した。この特性図では、発光部と受光部の間隔Ｇａｐが狭くなるほど、指向性が鋭くなることを示している。これは、発光部から発射される光線が、平行光線か、放射状光線かの違いに基づく。
【００２１】
図８に、本願発明の実施の形態に基づくリニアスケールとフォトダイオードの受光部の関係を示す。４個のフォトダイオード８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄで１つのフォトダイオードアレイ８１を構成し、同様な構成のフォトダイオードアレイ８２，８３がその左右に設けられる場合もある。上記フォトダイオード８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄの受光部は幅Ｗｄで、各々８５ａ，８５ｂ，８５ｃ，８５ｄとする。これらのフォトダイオードは間隔Ｗｅをおいて配列され、そのピッチはＰｄである。即ちＰｄ＝Ｗｄ＋Ｗｅである。上記フォトダイオードの受光部に対して、リニアスケール８６の光遮断部８７ａと光透過部８７ｂは図に示すような関係にあり、矢印８８の方向に往復運動する。
【００２２】
この場合、リニアスケール８６のピッチＰは次のように表わすことができる。
【００２３】
Ｐ＝２５．４／分解能ＬＰＩ（ｍｍ）
ここでＬＰＩとは、１インチ当りのパルス数であり、１５０ＬＰＩとすると、上記ピッチＰ＝２５．４／１５０＝１６９μｍとなる。
【００２４】
この１ピッチの中にフォトダイオード４個１組のフォトダイオードアレイが配列されている場合に、Ｐ＝１６９μｍを４分割すると、フォトダイオード毎のピッチＰｄが算出される。この場合、Ｐｄ＝４２μｍとなる。
【００２５】
図９に本発明の実施の形態の原理的な構成を示す。発光部９１は集光レンズ機能を有するように一体成形された発光ブロック９２が配置されてモジュールとなっており、受光部９３はその前面にフォトダイオード９４を配置し、発光部９１と受光部９３の間にリニアスケール９５が配置される。発光部９１と受光部９３の間隔、即ち厳密には発光素子９６とフォトダイオードアレイまでの距離をＬ１（＝Ｇａｐ）とする。ここで発光素子９６は発光チップ（ＬＥＤ）であり、発光ブロック９２はこの発光素子９６をエポキシ樹脂で封止したものである。
【００２６】
発光素子９６からリニアスケール９５までの距離をＬ２、発光素子９６からレンズトップまでの距離をＬ３、レンズトップからリニアスケール９５までの距離をＬ４、リニアスケール９５からフォトダイオードアレイまでの距離をＬ５とする。
【００２７】
図１０に、図９に示した発光部９１及び発光ブロック９２から発射される光線の詳細を示す。図１０において発光素子９６の面からレンズ部９７の球の中心(レンズ中心)までの距離（埋め込み深さ）をｆ、レンズ中心からレンズ部９７の頂点までの距離をｄ、この球の曲率をｒ、レンズ部の屈折率をｎ、発光素子９６の発光サイズの１／２（発光部ピッチ）をｇとする。
【００２８】
すると、第１の収斂係数Σは、Σ＝ｒ／｛（１−ｎ）（ｄ＋ｆ）＋ｎｒ｝と表現され、また第２の収斂係数は（１／ｒ）ｇΣ４と表わされる。
【００２９】
＜実施例＞
なお、本発明において、屈折率ｎ＝１．４５〜１．５７、曲率半径ｒ＝０．５〜２．０、ｄ＋ｆ＝１．０〜２．０、ｇ＝０．０２５〜０．２の範囲で実験した。
【００３０】
外付けレンズ（従来）の場合ｄ＋ｆ＝３ｍｍであったが、本願の実施例では一体成形されたレンズを用いることにより、ｄ＋ｆ≦２ｍｍとすることが可能になった。そこで、ｄ＋ｆ≦２ｍｍの条件の下でｎ，ｒ，ｄ，ｆの値をいろいろ変えて、そのときの収斂係数値と平行光係数との関係を調べた。その結果を図１１，図１２に示す。
【００３１】
平行光係数δＩＶは精度の関係から０．１５以下を目安にする。その理由は、平行係数が０．１５を超えた場合、受光アレイの隣接するＰＤの光学的なクロストークが発生し、出力がなまってしまう。また出力波形の低レベル電流がクロストーク分だけ底上げされてしまい、変調（スケールの明暗を判別）ができなくなる。要するに、受光ＩＣの低レベル出力電流と高レベル出力電流の差が約４倍程度あることが望ましい。つまり高レベル出力電流の相対値が１．０とした場合、低レベル出力電流は０．２が理想である。この場合に出力される平行係数が０．１である。しかし、高レベル出力電流の相対値が１．０とした場合に、低レベル出力電流は０．３でも実験値から光エンコーダとして動作する。これが平行係数でいう０．１５である。  ここで、平行光係数δＩＶは、光軸中心の半径１ｍｍの範囲の光度ＩＶのばらつきを示しており、あくまで、半径１ｍｍの範囲におけるδＩＶ＝（ＩＶＭａｘ−ＩＶＭｉｎ）／ＩＶＭａｘで算出される。
【００３２】
ｎ、ｒ、ｄ、ｆの値をいろいろ変えた場合に、第１および第２の収斂係数は図１１，１２に示すような傾向を示す。例えば、屈折率ｎ＝１．５４、曲率半径ｒ＝０．５５ｍｍ、距離ｄ＝０．５５ｍｍ、ｇ＝０．０５ｍｍ、ｆ＝０．７０ｍｍとしたとき、第１の収斂係数Σ＝３．１９８、第２の収斂係数（１／ｒ）ｇΣ４  ＝９．５となる。このとき、半値角θ１／２＝３．３°と指向性が狭く、しかも発光素子表面からレンズトップまでの距離（ｄ＋ｆ）は１．２５ｍｍとなり、薄型化が可能となる。
【００３３】
図１において、横軸には第１の収斂係数Σを取り、縦軸には平行光係数（δＩＶ）をとっているが、図から分かるように第１の収斂係数Σの１．６〜９．０の範囲の変化に対して平行光係数（δＩＶ）は図示するように変化している。
【００３４】
更に、上記の条件で、第２の収斂係数（１／ｒ）ｇΣ４  と平行光係数（δＩＶ）は図１２に示すようになった。第２の収斂係数（１／ｒ）ｇΣ４  の０〜１０００の範囲の変化に対して平行光係数（δＩＶ）は図示するように変化している。
【００３５】
図１１、図１２のデータから、ｄ＋ｆが２ｍｍ以下で第１の収斂係数Σを３とり大きく９より小さい範囲の値とすれば、指向性が狭くしかも、小型化できることが理解される。
【００３６】
第２の収斂係数（１／ｒ）ｇΣ４  を６より大きく５００より小さくすれば、更に好ましい。
【００３７】
なお、上記実施形態ではレンズ体の表面は球面形状をしているものとして説明した。しかし、水平方向と垂直方向と曲率が異なる楕円形状の場合も、本発明を適用することが可能である。
【００３８】
また、上記実施形態では、発光部と受光部の間にリニアスケールを設けた場合について説明したが、本発明では、リニアスケールの代わりに、円板状のコードホイールを用いることもでき、本発明では両者を含めて、スケールという。また、このスケールを往復運動又はあるいは回転させて動かすだけでなく発光部と受光部の方を移動させてもよく、両者が光の方向と垂直な方向に相対的に運動していればよい。
【００３９】
上述の実施形態では、光を受ける素子としてフォトダイオードの場合について説明したが、光を検出できればフォトダイオード以外の素子を用いることもでき、本発明では一般に受光素子という。
【００４０】
本発明で用いる発光素子は、集光レンズ機能を有するように発光源と一体成形したものでもよく、また集光レンズ機能を有しないＬＥＤ発光面に対して平面状のフラットパッケージを一体成形したものを用いることもできる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、精度が高くしかも、小型化可能な光結合装置を得ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】光エンコーダに用いる光結合装置の構成を示す図。
【図２】従来の光結合装置の構造を説明するための図。
【図３】光結合装置における信号処理を説明するための図。
【図４】光結合装置の出力信号であるＡ相出力とＢ相出力の位相関係を説明するための図。
【図５】光結合装置に用いるコードホイールの外形を示す図。
【図６】従来の場合の配光特性を示す図。
【図７】本発明の場合における配光特性を示す図。
【図８】本発明において、リニアスケールと、フォトダイオードの受光幅の関係を説明するための図。
【図９】本発明における構成の寸法の関係を説明するための図。
【図１０】本発明の発光部における寸法の関係を説明するための図。
【図１１】本発明の一実施形態において第１の収斂係数と平行光係数の関係を示す図。
【図１２】本発明の一実施形態において第２の収斂係数と平行光係数の関係を示す図。
【符号の説明】
１１・・・外囲器、１２，９１・・・発光部、１３，９３・・・受光部、１５，９５・・・リニアスケール、２４・・・受光ＩＣ、２５，９４・・・フォトダイオード、５２・・・コードホイール、８１，８２，８３・・・フォトダイオードアレイ、９２・・・発光ブロック、９６・・・発光素子。
【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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