JP2004053333A - Encoder device - Google Patents
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Abstract
【課題】対向する2つの物体の相対位置の変化を光によって検出するエンコーダ装置の薄型化を図る。
【解決手段】エンコーダ装置は、一方の物体に設けられ、反射面(11)の列を有する反射部(10)と、他方の物体に設けられ、反射部を照明して反射光を検出する照明検出部(20)より成る。照明検出部は、発光素子(21)と、受光素子(22)と、板状の導光素子(30)と、遮光面(41)の列を有する遮光部(40)を備える。導光素子は反射部に対向して配置され、端面(33)より与えられる発光素子からの光を、2つの表面で全反射して内部を進行させながら、表面(32)に設けられた溝(35)の列によって向きを変えて、反射部側の表面(31)から出射させる。受光素子は、導光素子を間にして反射部に対向し、導光素子を透過した反射部からの光を検出する。
【選択図】 図1To reduce the thickness of an encoder device that detects a change in the relative position of two opposing objects by light.
An encoder device is provided on one object and has a reflection section (10) having a row of reflection surfaces (11), and an illumination is provided on the other object and illuminates the reflection section to detect reflected light. It comprises a detection unit (20). The illumination detection unit includes a light emitting element (21), a light receiving element (22), a plate-shaped light guide element (30), and a light shielding unit (40) having a row of light shielding surfaces (41). The light guide element is arranged to face the reflecting portion, and the groove provided on the surface (32) while totally reflecting light from the light emitting element provided from the end face (33) on the two surfaces and traveling inside the light guide element. The light is emitted from the surface (31) on the side of the reflecting section, with the direction changed according to the row of (35). The light receiving element is opposed to the reflecting part with the light guiding element therebetween, and detects light from the reflecting part transmitted through the light guiding element.
[Selection diagram] Fig. 1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、2つの物体の相対位置の変化を光を用いて検出するエンコーダ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
直線運動や回転運動をする部分を含む多くの機器に、2つの物体の相対位置の変化を光を用いて検出するエンコーダ装置が備えられている。従来のエンコーダ装置の構成を図14に示す。このエンコーダ装置は、ピッチが一定の反射面71の列を有する反射部70と、これを照明して反射光を検出する照明検出部80より成る。反射部70は、反射面71の列の方向が相対位置の変化の方向(矢印Aで示す)に一致するように一方の物体に設けられ、照明検出部80は、反射部70に対向するように他方の物体に設けられる。
【0003】
照明検出部80は、照明光を発する発光素子81、反射部70からの反射光を受けて受光量を検出する受光素子82、および、ピッチが一定の遮光面91の列を有する遮光部90より成る。装置の小型化のために、発光素子81としては発光ダイオードを用い、受光素子82としてはフォトダイオードを用いるのが一般的である。発光素子81および受光素子82は開口を有する筐体85に収容され、遮光部90は筐体85の開口に取り付けられる。筐体85は、遮光部90が反射部70と平行になり、かつ反射部70に近接するように配置される。反射部70の反射面71と遮光部90の遮光面91の列方向の大きさは、共に列のピッチの略1/2である。
【0004】
発光素子81が発する光は、遮光部90の2つの遮光面91の間隙を通って、反射部70に入射する。その入射部位に反射面71が位置していれば光は反射され、入射部位に2つの反射面71の間隙が位置していれば光は吸収されるか透過する。反射面71によって反射された光は、反射部70に向かった時と同じ遮光部90の間隙を通って受光素子82に入射する。矢印A方向の相対位置の変化により、反射部70の入射部位には反射面71と2つの反射面71の間隙とが交互に位置し、これにより受光素子82によって検出される受光量が周期的に変化する。受光量が変化することにより2つの物体の相対位置に変化が生じたことが判り、受光量の変化の周期と反射面71のピッチより、相対位置の変化量が判る。
【0005】
反射面71および遮光面91の列のピッチは、相対位置の変化の方向についての受光素子82の大きさの数分の1程度である。また、発光素子81が発する光は発散光である。したがって、発光素子81からの光は、遮光部90の複数の間隙を通って、反射部70の複数の反射面71に入射し、受光素子82は、複数の反射面71からの光を受ける。反射面71および遮光面91の列のピッチと受光素子82の大きさをこのような関係にすることで、受光素子82の受光量の変化幅を大きくして相対位置の変化の検出を容易にすることと、受光量の変化の周期を小さくして相対位置の検出精度(分解能)を高めることの両立が可能になる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記のエンコーダ装置においては、発光素子81と受光素子82が並べて配置されており、発光素子81からの光は反射部70に対して斜めに入射することになる。反射面71に入射した光は入射角と同じ反射角で反射されるため、反射面71からの反射光には、遮光部90の間隙を通過するものだけでなく、遮光面91に入射して遮られるものも存在する。遮光面91によって遮られる光が多いと、受光素子82の受光量の変化幅が小さくなり、変化の検出が難しくなるという不都合をもたらす。
【0007】
これを避けるためには、発光素子81および受光素子82から遮光部90までの距離Dを大きくして、反射部70への光の入射角と反射部70から光の反射角を小さくする必要があり、したがって、照明検出部80の薄型化には限界がある。このため、従来の構成では、小型化、薄型化の要請に応えることができなくなっている。
【0008】
また、反射面71からの反射光は、発散光であるから、受光素子82が設けられている平面上で遮光部90の間隙以上に広がるが、受光素子82の両端に対向する反射面71からの反射光の広がりは、受光量の変化に鈍化をもたらして、受光量の変化の検出を困難にする。反射面71からの反射光の広がりは距離Dにおおよそ比例するから、距離Dが大きい従来のエンコーダ装置では、検出する相対位置の分解能にも限界がある。
【0009】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、薄型のエンコーダ装置、特に、薄型でありながら高い分解能で相対位置を検出し得るエンコーダ装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、対向する第1の物体と第2の物体の相対位置の変化を検出するエンコーダ装置であって、第1の物体に設けられ、相対位置の変化を検出する方向に一定のピッチで列を成す複数の反射面を有する反射部と、第2の物体に設けられ、反射部を照明して反射部からの反射光を検出する照明検出部より成るものにおいて、照明検出部が、一方の表面に偏向構造を有し、与えられる光を2つの表面で全反射して内部を進行させながら、偏向構造によって向きを変えて一方の表面より出射させる板状の導光素子と、導光素子に与える光を発する発光素子と、光を受けて受光量を検出する受光素子とを含み、導光素子の光を出射させる表面が反射部に対向し、発光素子が導光素子にその端面より光を与え、受光素子が導光素子を間にして反射部に対向する構成とする。
【0011】
このエンコーダ装置は、発光素子と受光素子に加えて板状の導光素子を照明検出部に有しており、導光素子は反射部に対向し、受光素子は導光素子を介して反射部に対向する。発光素子が発した光は、端面より導光素子の内部に入り、偏向構造によって向きを変えられて反射部側の表面より出射して、反射部を照明する照明光となる。受光素子は、反射部の反射面で反射され、導光素子を透過した光を検出する。導光素子は薄く、また、導光素子と受光素子を近接させることが可能であり、したがって、薄型のエンコーダ装置となる。
【0012】
導光素子の偏向構造は、単なる反射面としてもよいし、回折格子としてもよい。偏向構造を回折格子とすると、その凹凸は光の波長程度の大きさであって導光素子の厚さには影響しないから、導光素子を薄くすることがきわめて容易になる。偏向構造は反射部側の表面に設けることもできるし、その反対側の表面に設けることもできる。回折格子は、反射部側の表面に設けるときは回折光を透過させる設定とすればよく、反対側の表面に設けるときは回折光を反射する設定とすればよい。
【0013】
相対位置の変化を検出する方向について、反射部の反射面の列のピッチが受光素子の大きさの半分以下であり、導光素子が偏向構造を複数有し、導光素子の偏向構造が、相対位置の変化を検出する方向に、反射部の反射面と略同じピッチで列を成すようにするとよい。このようにすると、反射部の複数の反射面からの光が受光素子に入射して、受光量の変化幅が大きくなる上、受光量の変化の周期が、受光素子の大きさではなく反射面の列のピッチで定まって、小さくなる。したがって、相対位置の変化を確実に、かつ高い分解能で検出することが可能である。しかも、導光素子が薄いため、受光素子が位置する平面上における反射面からの光の広がりは僅かになり、反射面の列のピッチで定まる高い分解能を容易に実現することができる。
【0014】
ここで、照明検出部が、導光素子の光を出射させる表面に近接し、相対位置を検出する方向に、反射部の反射面と同じピッチで列を成す複数の遮光面を有する遮光部を含むようにしてもよい。反射部から導光素子に至る光路を規制することができて、発光素子が発する光の発散の度合いが大きいときでも、受光素子に入射する光の量の変化が明確になり、確実に相対位置の変化を検出することができる。
【0015】
また、照明検出部が受光素子を2つ含み、導光素子が偏向構造のピッチが不連続になっている不連続部位を有して、2つの受光素子が導光素子の不連続部位を挟む2つの部位の一方と他方を間にして反射部に対向するようにしてもよい。このようにすると、2つの受光素子で検出される受光量の変化に位相差を生じさせることができて、その位相差から相対位置の変化の方向を知ることが可能になる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。第1の実施形態のエンコーダ装置1の構成を図1に示す。エンコーダ装置1は、第1の物体に設けられる反射部10と、第2の物体に設けられる照明検出部20より成る。第1の物体と第2の物体は、いずれか一方が移動するものでも、双方が移動するものでもよい。
【0017】
反射部10は、一定のピッチで列を成す複数の反射面11を有する。反射面11は、高い反射率を有する材料、例えばアルミニウムで作製されており、光を吸収しまたは透過させる薄い基板12の表面に設けられている。個々の反射面11は反射面11の列に対して垂直方向に長い帯状であり、その幅は反射面11の列のピッチの略1/2に設定されている。
【0018】
反射部10は、反射面11の列の方向が第1の物体と第2の物体の相対位置が変化する方向(矢印Aで示す)に一致するように、第1の物体に取り付けられる。第1の物体と第2の物体の相対位置が直線に沿って変化するときは、反射面11の列は直線状とし、一方の物体が回動するときのように相対位置が円周に沿って変化するときは、反射面11の列は円状とする。なお、反射面11を第1の物体の表面に直接設けて、基板12を省略してもよい。
【0019】
照明検出部20は反射部10を照明して反射光を検出する。照明検出部20は、発光素子21、受光素子22、導光素子30、および遮光部40を有する。発光素子21は反射部10を照明するための光を発し、受光素子22は反射部10からの反射光を受けて受光量を検出する。エンコーダ装置1の小型軽量化のために、発光素子21としては発光ダイオードを用いており、受光素子22としてはフォトダイオードを用いている。
【0020】
導光素子30は板状であり、ガラス等の透明な光学材料で作製されている。導光素子30の一方の表面31は平面であり、他方の表面32は巨視的に見て表面31に平行な平面である。ただし、表面32には、複数の溝35が反射部10の反射面11の列と同じピッチで列を成すように形成されている。
【0021】
導光素子30は、溝35の列の方向に対して垂直な2つの端面33、34を有しており、発光素子21は一方の端面33に対向して配置されている。発光素子21が発した光は端面33を透過して導光素子30の内部に入り、2つの表面31、32で全反射されて他方の端面34に向かって進行する。導光素子30の内部を進行する間に、光の一部は表面32の溝35に入射する。
【0022】
溝35は光の向きを変える偏向構造として機能する。溝35を拡大して図2に示す。溝35は、端面33側の表面35aと端面34側の表面35bを有し、表面35bが表面32全体に対して略垂直な鋸歯状である。端面33側の表面35aが表面32全体に対して成す角Φは、35°〜55°の範囲内に設定されている。この表面35aは入射した光を表面32全体に対して垂直に近い方向に反射する。発光素子21が発する光は発散光であり、導光素子30の2つの表面31、32や溝35の表面35aに対する光の入射角には広がりがあるが、角Φを上記のように設定したことで、表面35aによる反射光の中心の光線は表面31、32に対して略垂直になる。溝35の表面35aで反射された光は、表面31を透過する。
【0023】
このような構成により、導光素子30は、発光素子21からの光を内部を進行させながら、一部ずつ表面31より出射させていく。導光素子30は、溝35の深さの2倍程度の厚さを有していればよく、1mm程度またはそれ以下の厚さに作製することができる。
【0024】
遮光部40は、反射部10の反射面11と同じピッチで列を成す複数の遮光面41より成る。遮光面41は導光素子30の表面31に設けられている。遮光面41の幅は遮光面41の列のピッチの略1/2である。遮光部40は、導光素子30の溝35の表面35aが遮光面41の間隙の中央に対向するように設けられている。なお、遮光面41を導光素子30の表面31に直接設けることに代えて、透明な基板の表面に設けて、これを遮光部40とすることもできる。
【0025】
導光素子30は、遮光部40が設けられている表面31が反射部10に対向するように配置されている。また、受光素子22は、導光素子30を間にして、反射部10に対向するように配置されている。反射部10、受光素子22、導光素子30、および遮光部40は全て平行である。
【0026】
発光素子21が発した光は導光素子30の内部を進行する間に、溝35の表面35aによって反射され、表面31のうち遮光面41の間隙の部位を通って略垂直に出射して、反射部10を照明する照明光となる。この光は反射部40に略垂直に入射する。その入射部位に反射面11が位置していれば光は反射され、入射部位に反射面11の間隙が位置していれば光は吸収されるか透過する。反射面11によって反射された光は、反射部10に向かった時と同じ遮光部40の間隙を通って導光素子30に略垂直に入射し、導光素子30を透過して受光素子22に入射する。
【0027】
第1の物体と第2の物体の矢印A方向の相対位置の変化により、反射部10の入射部位には反射面11と2つの反射面11の間隙とが交互に位置し、これにより受光素子22によって検出される受光量が周期的に変化する。受光量が変化することにより2つの物体の相対位置に変化が生じたことが判り、受光量の変化の周期と反射面11のピッチより、相対位置の変化量が判る。
【0028】
光は反射部10に略垂直に入射して略垂直に反射されるので、反射部10によって反射された光のうち遮光部40の遮光面41によって遮られるものは少ない。また、反射部10の反射面11、導光素子30の溝35、および遮光部40の遮光面41の列のピッチは、相対位置の変化の方向についての受光素子22の大きさの数分の1程度であり、受光素子22には複数の反射面11からの光が入射する。したがって、受光素子22によって検出される受光量の変化幅は大きく、相対位置の変化の検出は容易であり、また、検出される受光量の変化の周期は小さく、相対位置の検出精度(分解能)も高い。さらに、導光素子30が薄いため、受光素子22が位置する平面上における反射面11からの光の広がりはごく僅かに抑えられ、反射面11の列のピッチで定まる高い分解能が確実に実現される。
【0029】
なお、遮光部40の遮光面41は、光を遮る性質を有するアルミニウム、クロム、酸化クロム等の材料で作製すればよい。ただし、分解能を特に高くするために、反射面11、溝35および遮光面41の列のピッチを特に小さくする場合は、遮光面41の反射率が高いと、溝35の表面35aからの光が遮光面41に入射して反射される可能性が生じ、遮光面41によって反射された光は受光素子22に入射して、検出される受光量の変化幅を減少させることになる。この点を考慮すると、遮光面41は反射率の低い(吸収率の高い)材料で作製するのが望ましい。例えば、クロムが適する。
【0030】
前述のように導光素子30は薄く、また、受光素子22は導光素子30の表面32から僅かに離間しているに過ぎないので、照明検出部20は全体として薄い。したがって、相対位置の検出のために必要な第1の物体と第2の物体の離間距離は小さくてよく、エンコーダ装置1は小型化が必要な機器に好適である。
【0031】
図示しないが、照明検出部20は、開口を有する薄い筐体を有しており、発光素子21および受光素子22は筐体に収容され、導光素子30は筐体の開口に取り付けられている。また、照明検出部20は、発光素子21や受光素子22に電力を供給する電源回路、および受光素子22の出力信号を増幅して信号強度の変化を検出する信号処理回路を備えている。これらの回路は筐体に取り付けられており、照明検出部20は全体が1つのユニットとなっている。
【0032】
第2の実施形態のエンコーダ装置2の照明検出部20を図3に示す。このエンコーダ装置2は、導光素子30の表面32を変更して、前述の溝35の表面35bをなくし、表面35aと表面35aの間を傾斜した表面35cとしたものである。表面32は、2つの表面35a、35cより成るプリズム状の凸部の繰り返しとなっており、巨視的に見て表面31と平行である。表面35aが導光素子30の内部を進行する光の向きを変えて表面31より略垂直に出射する照明光とするのは、エンコーダ装置1と同様である。
【0033】
第3の実施形態のエンコーダ装置3の照明検出部20を図4に示す。本実施形態のエンコーダ装置3は、導光素子30の表面32をさらに変更して、表面35cの傾斜を小さくし、溝35の表面35bの一部を残したものである。光の向きを大きく変える表面35aに対する光の入射角は比較的小さく、表面35aを透過する光も生じるが、第1の実施形態や本実施形態では、表面35aを透過した光を表面35bから導光素子30に再入射させることができて、光の利用効率が高い。
【0034】
再入射した光の進行方向は、表面35bの傾斜角によって調節することができる。ここでは、導光素子30の内部を進行する光が、傾斜した表面35cで全反射されるごとに、表面31、32に対して平行に近づいていくことを考慮して、これを補償すべく表面35bをやや傾斜させている。したがって、溝35はV字状となっている。
【0035】
第4の実施形態のエンコーダ装置4の構成を図5に示す。上記第1〜第3の実施形態においては、光を単に反射する表面35aを偏向構造として用いたが、本実施形態のエンコーダ装置4では、表面32に複数の回折格子37を形成し、これを偏向構造として用いる。回折格子37は、入射した光を反射しつつ回折させる反射型である。回折格子37は、反射部10の反射面11および遮光部40の遮光面41と同じピッチで列を成すように形成されているが、多少異なるピッチとしてもよい。
【0036】
回折格子37の設定について、図6を参照して説明する。図6に示すように、回折格子37の凹凸のピッチをΛ、光の波長をλ、回折格子37への光の入射角をθ1、回折格子37による光の回折角をθ2、導光素子30の屈折率をnで表すと、式1が成り立つ。
sin(θ1)+sin(θ2)=λ/(Λ・n) … 式1
【0037】
ここで、例えば、λ=0.55μm、θ1=80°、θ2=0°、n=1.5とする。この設定では、式1より、凹凸のピッチはΛ=0.37μmとなる。これは、ステッパーを露光系に採用したフォトリソグラフィーで容易に作製することができる大きさである。
【0038】
回折格子37の凹凸の高低差は光の波長程度またはそれ以下であり、ある程度の機械的強度をもたせるために必要な導光素子30の厚さに比べれば無視し得る。したがって、偏向構造として回折格子37を用いる本実施形態では、偏向構造として傾斜した表面35aを用いる上記の各実施形態よりも、導光素子30をさらに薄くすることが可能である。
【0039】
第5の実施形態のエンコーダ装置5の構成を図7に示す。本実施形態のエンコーダ装置5は、第1の実施形態のエンコーダ装置1の変形例であり、導光素子30の反射部10側の表面31に複数の溝36を形成するとともに、遮光部40を省略したものである。溝36は、反射部10の反射面11の列と同じピッチで列を成すように形成されている。
【0040】
溝36を拡大して図8に示す。溝36は、端面33側の表面36aと端面34側の表面36bを有し、表面36aが表面31全体に対して略垂直な鋸歯状である。端面34側の表面36bが表面31全体に対して成す角Φは、第1の実施形態の表面35aと同様、35°〜55°の範囲内に設定されている。表面36aは入射した光を透過させ、表面36bは表面36aを透過した光を表面31全体に対して垂直に近い方向に反射する。表面36bに対する光の入射角には広がりがあるが、角Φを上記のように設定したことで、表面36bによる反射光の中心の光線は表面31に対して略垂直になる。
【0041】
第6の実施形態のエンコーダ装置6の構成を図9に示す。本実施形態のエンコーダ装置6は、導光素子30の表面31に回折格子38を形成して、これを偏向構造としたものである。上記の第5の実施形態のエンコーダ装置5と同様に、遮光部40は省略している。回折格子38は、入射した光を透過させつつ回折させる透過型である。回折格子38は、反射部10の反射面11と同じピッチで列を成すように形成されているが、多少異なるピッチとしてもよい。
【0042】
回折格子38の設定について、図10を参照して説明する。図10に示すように、回折格子38の凹凸のピッチをΛ、光の波長をλ、回折格子38への光の入射角をθ1、回折格子38による光の回折角をθ2、導光素子30の屈折率をnで表すと、式2が成り立つ。
n・sin(θ1)+sin(θ2)=λ/Λ … 式2
【0043】
ここで、例えば、λ=0.55μm、θ1=80°、θ2=0°、n=1.5とする。この設定では、式2より、凹凸のピッチはΛ=0.37μmとなり、ステッパーを露光系に採用したフォトリソグラフィーで容易に作製することができる。
【0044】
第5、第6の実施形態のように遮光部40を省略することは、第1〜第4の実施形態のように偏向構造を導光素子30の表面32に設ける構成においても採用することができる。ただし、発光素子21として、発する光の発散の度合いが比較的大きいものを用いる場合には、受光素子22が位置する平面上での光の広がりを抑えるために、遮光部40を備えることが好ましい。
【0045】
第7の実施形態のエンコーダ装置7の照明検出部20を図11に示す。本実施形態のエンコーダ装置7は、導光素子30の端面34に対向する反射部50を備えたものである。導光素子30は、第1の実施形態のエンコーダ装置1と同様に、表面32に溝35を有する。端面33から入射して導光素子30の内部を進行する発光素子21からの光には、途中で出射することなく、端面34に達するものもあるが、反射部50を備えることで、そのような光を失うことなく反射部10の照明に利用することが可能になる。
【0046】
溝35の2つの表面35a、35bは共に、表面32に対する角度を35゜〜55゜の範囲内に設定されており、表面35aが発光素子21からの直接の光を反射し、表面35bが反射部50によって反射された光を反射して、表面31から略垂直に出射する照明光を生じさせる。なお、反射部50は、導光素子30と別体としてもよいし、導光素子30の端面34に直接設けてもよい。
【0047】
第8の実施形態のエンコーダ装置8の構成を図12に示す。本実施形態のエンコーダ装置8は、受光素子22を2つ備える。導光素子30は、第1の実施形態のエンコーダ装置1のものと同様に、偏向構造として表面32に溝35を有するが、溝35の列はピッチが不連続な部位Bを有する。この部位Bのピッチは他の部位のピッチよりも1/4だけ大きく設定されている。遮光部40も、溝35の列に対応して、遮光面41の列のピッチが不連続な部位を有する。反射部10の反射面11の列にはピッチが不連続な部位は存在しない。
【0048】
2つの受光素子22のうち、一方は、溝35および遮光面41の列のピッチが不連続な部位Bよりも端面33側に位置し、他方は、部位Bよりも端面34側に位置する。2つの受光素子22の受光量は、図13に示すように、第1の物体と第2の物体の相対位置の変化に応じて同じ周期τで変化するが、それらの周期τには(1/4)τの位相差が生じる。また、その位相差の符号は、相対位置が1方向に変化するかその逆方向に変化するかによって変わる。したがって、2つの受光素子22の出力信号に現れる位相差から、第1の物体と第2の物体の相対位置の変化の方向を知ることができる。
【0049】
なお、ここでは、溝35および遮光面41の列の不連続な部位Bの他の部位とのピッチの差を1/4にしているが、1/2の整数倍を除く他の値としてもよい。
【0050】
上記の各実施形態においては、相対位置の変化を高い分解能で検出するために反射部10の反射面11の列のピッチを受光素子22の大きさの数分の1に設定したが、あまり高い分解能が必要でない場合は、反射部10の反射面11の列のピッチを受光素子22の大きさと同程度にすることができる。その場合、遮光部40は不要である。また、導光素子30の偏向構造は、少なくとも1つあればよくなるが、受光素子の受光量を多くするために、複数設けるのが望ましい。
【0051】
導光素子30の材料としては、ガラスのほかに、樹脂を用いることができる。樹脂を用いれば、射出成形やコンプレッション成形によって作製することが可能であり、製造効率が向上する。材料は、透明性、屈折率等の光学的特性を考慮して選択すればよく、例えば、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、メチルメタクリレートと他のメタクリレートまたはアクリレートとの共重合体、ポリカーボネート(PC)、シクロオレフィンポリマーが適する。
【0052】
特に、シクロオレフィンポリマーは、比重が1.0と他の樹脂に比べて小さく(例えばPMMAは比重1.2)、屈折率も1.53と他の樹脂に比べて大きく(例えばPMMAは屈折率1.49)、したがって光閉じ込め効果が高いので、軽量化および薄型化の点で好ましい。しかも、固化前の流動性が高いので射出成形に適しており、吸湿性が低く高湿条件下でも変形し難いので、薄型とする導光素子に好適である。
【0053】
【発明の効果】
対向する第1の物体と第2の物体の相対位置の変化を検出するエンコーダ装置であって、第1の物体に設けられ、相対位置の変化を検出する方向に一定のピッチで列を成す複数の反射面を有する反射部と、第2の物体に設けられ、反射部を照明して反射部からの反射光を検出する照明検出部より成るものにおいて、本発明のように、照明検出部が、一方の表面に偏向構造を有し、与えられる光を2つの表面で全反射して内部を進行させながら、偏向構造によって向きを変えて一方の表面より出射させる板状の導光素子と、導光素子に与える光を発する発光素子と、光を受けて受光量を検出する受光素子とを含み、導光素子の光を出射させる表面が反射部に対向し、発光素子が導光素子にその端面より光を与え、受光素子が導光素子を間にして反射部に対向する構成とすると、薄い導光素子を反射部に近接させ、受光素子を導光素子に近接させることが可能になり、薄型のエンコーダ装置となる。
【0054】
導光素子の偏向構造を回折格子とすると、導光素子を薄くすることがきわめて容易になる。
【0055】
相対位置の変化を検出する方向について、反射部の反射面の列のピッチが受光素子の大きさの半分以下であり、導光素子が偏向構造を複数有し、導光素子の偏向構造が、相対位置の変化を検出する方向に、反射部の反射面と略同じピッチで列を成すようにすると、反射部の複数の反射面からの光が受光素子に入射して、受光量の変化幅が大きくなる上、受光量の変化の周期が、受光素子の大きさではなく反射面の列のピッチで定まって、小さくなる。したがって、相対位置の変化を確実に、かつ高い分解能で検出することができる。しかも、導光素子が薄いため、受光素子が位置する平面上における反射面からの光の広がりは僅かになり、反射面の列のピッチで定まる高い分解能を容易に実現すること可能である。
【0056】
さらに、照明検出部が、導光素子の光を出射させる表面に近接し、相対位置を検出する方向に、反射部の反射面と同じピッチで列を成す複数の遮光面を有する遮光部を含むようにすると、反射部から導光素子に至る光路を規制することができて、発光素子が発する光の発散の度合いが大きいときでも、受光素子に入射する光の量の変化が明確になり、確実に相対位置の変化を検出することができる。
【0057】
照明検出部が受光素子を2つ含み、導光素子が偏向構造のピッチが不連続になっている不連続部位を有して、2つの受光素子が導光素子の不連続部位を挟む2つの部位の一方と他方を間にして反射部に対向するようにすると、2つの受光素子で検出される受光量の変化に位相差を生じさせることができて、相対位置の変化の速度だけでなく、相対位置の変化の方向も知ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態のエンコーダ装置の模式的断面図。
【図2】第1の実施形態のエンコーダ装置の導光素子に設けられた溝の模式的断面図。
【図3】第2の実施形態のエンコーダ装置の照明検出部の模式的断面図。
【図4】第3の実施形態のエンコーダ装置の照明検出部の模式的断面図。
【図5】第4の実施形態のエンコーダ装置の模式的断面図。
【図6】第4の実施形態のエンコーダ装置の導光素子に設けられた回折格子の模式的断面図。
【図7】第5の実施形態のエンコーダ装置の模式的断面図。
【図8】第5の実施形態のエンコーダ装置の導光素子に設けられた溝の模式的断面図。
【図9】第6の実施形態のエンコーダ装置の模式的断面図。
【図10】第6の実施形態のエンコーダ装置の導光素子に設けられた回折格子の模式的断面図。
【図11】第7の実施形態のエンコーダ装置の照明検出部の模式的断面図。
【図12】第8の実施形態のエンコーダ装置の模式的断面図。
【図13】第8の実施形態のエンコーダ装置における相対位置の変化と2つの受光素子の受光量との関係を示す図。
【図14】従来のエンコーダ装置の模式的断面図。
【符号の説明】
1〜8 エンコーダ装置
10 反射部
11 反射面
20 照明検出部
21 発光素子
22 受光素子
30 導光素子
31、32 導光素子表面
33、34 導光素子端面
35、36 溝
35a、35b、36a、36b 溝表面
37、38 回折格子
40 遮光部
41 遮光面
50 反射部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an encoder device that detects a change in the relative position of two objects using light.
[0002]
[Prior art]
Many devices including a portion that performs a linear motion or a rotary motion include an encoder device that detects a change in the relative position of two objects using light. FIG. 14 shows the configuration of a conventional encoder device. This encoder device includes a reflecting
[0003]
The
[0004]
The light emitted by the
[0005]
The pitch of the rows of the reflection surface 71 and the light-shielding surface 91 is about a fraction of the size of the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the encoder device described above, the
[0007]
In order to avoid this, it is necessary to increase the distance D from the
[0008]
Further, since the reflected light from the reflecting surface 71 is a divergent light, it spreads beyond the gap between the light shielding portions 90 on the plane on which the
[0009]
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a thin encoder device, particularly, an encoder device that is thin but can detect a relative position with high resolution.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided an encoder device for detecting a change in a relative position between a first object and a second object facing each other. A reflecting section having a plurality of reflecting surfaces arranged in a row at a constant pitch in a detection direction; and an illumination detecting section provided on the second object and illuminating the reflecting section to detect light reflected from the reflecting section. In the above, the illumination detection unit has a deflecting structure on one surface, and while the reflected light is totally reflected on the two surfaces and travels through the inside, the direction is changed by the deflecting structure and emitted from one surface. A light guide element, a light emitting element that emits light to be given to the light guide element, and a light receiving element that detects the amount of light received by receiving the light, the surface of the light guide element that emits light faces the reflective portion, and emits light. The element gives light to the light guide element from its end face, There a configuration facing to the reflecting portion and between the light guide element.
[0011]
This encoder device has a plate-shaped light guide element in the illumination detection unit in addition to the light-emitting element and the light-receiving element. The light guide element faces the reflection unit, and the light-receiving element is a reflection unit via the light guide element. Oppose. The light emitted from the light emitting element enters the light guide element from the end face, is redirected by the deflecting structure, is emitted from the surface on the reflection part side, and becomes illumination light for illuminating the reflection part. The light receiving element detects light reflected by the reflection surface of the reflection section and transmitted through the light guide element. The light guide element is thin, and the light guide element and the light receiving element can be brought close to each other, thus providing a thin encoder device.
[0012]
The deflecting structure of the light guide element may be a simple reflection surface or a diffraction grating. If the deflecting structure is a diffraction grating, the unevenness is approximately the size of the wavelength of light and does not affect the thickness of the light guide element, so that it is extremely easy to make the light guide element thin. The deflecting structure can be provided on the surface on the reflection portion side, or can be provided on the surface on the opposite side. The diffraction grating may be set to transmit diffracted light when provided on the surface on the reflection portion side, and may be set to reflect diffracted light when provided on the opposite surface.
[0013]
Regarding the direction in which the change in the relative position is detected, the pitch of the rows of the reflecting surfaces of the reflecting portions is equal to or less than half the size of the light receiving element, the light guide element has a plurality of deflection structures, and the deflection structure of the light guide element is It is preferable to form a row at substantially the same pitch as the reflection surface of the reflection section in the direction in which the change in the relative position is detected. In this way, light from a plurality of reflecting surfaces of the reflecting portion is incident on the light receiving element, the width of change in the amount of received light increases, and the cycle of the change in the amount of received light is not the size of the light receiving element but the reflecting surface. It is determined by the pitch of the row, and becomes smaller. Therefore, it is possible to reliably detect a change in the relative position and at a high resolution. Moreover, since the light guide element is thin, the spread of light from the reflecting surface on the plane where the light receiving element is located is small, and a high resolution determined by the pitch of the rows of the reflecting surface can be easily realized.
[0014]
Here, the light detection unit is a light-shielding unit having a plurality of light-shielding surfaces arranged in a row at the same pitch as the reflection surface of the reflection unit in the direction of detecting the relative position, in the direction of detecting the relative position of the light guide element. It may be included. The optical path from the reflecting section to the light guide element can be regulated, and even when the degree of divergence of light emitted from the light emitting element is large, the change in the amount of light incident on the light receiving element becomes clear, and the relative position can be reliably determined. Can be detected.
[0015]
Further, the illumination detection unit includes two light receiving elements, the light guide element has a discontinuous portion where the pitch of the deflection structure is discontinuous, and the two light receiving elements sandwich the discontinuous portion of the light guide element. You may make it oppose a reflection part with one and the other of two parts interposed. In this way, a phase difference can be caused in the change in the amount of light detected by the two light receiving elements, and the direction of the change in the relative position can be known from the phase difference.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of the
[0017]
The reflecting
[0018]
The
[0019]
The
[0020]
The
[0021]
The
[0022]
The
[0023]
With such a configuration, the
[0024]
The light-shielding
[0025]
The
[0026]
The light emitted by the
[0027]
Due to a change in the relative position of the first object and the second object in the direction of arrow A, the
[0028]
Since the light is substantially perpendicularly incident on the reflecting
[0029]
The light-shielding
[0030]
As described above, since the
[0031]
Although not shown, the
[0032]
FIG. 3 shows the
[0033]
FIG. 4 shows the
[0034]
The traveling direction of the re-entered light can be adjusted by the inclination angle of the
[0035]
FIG. 5 shows the configuration of the
[0036]
The setting of the
sin (θ1) + sin (θ2) = λ / (Λ · n)
[0037]
Here, for example, λ = 0.55 μm, θ1 = 80 °, θ2 = 0 °, and n = 1.5. In this setting, from
[0038]
The difference in height of the unevenness of the
[0039]
FIG. 7 shows the configuration of an
[0040]
The
[0041]
FIG. 9 shows the configuration of an
[0042]
The setting of the
n · sin (θ1) + sin (θ2) = λ /
[0043]
Here, for example, λ = 0.55 μm, θ1 = 80 °, θ2 = 0 °, and n = 1.5. In this setting, from
[0044]
The omission of the light-shielding
[0045]
FIG. 11 shows an
[0046]
The two
[0047]
FIG. 12 shows the configuration of an
[0048]
One of the two
[0049]
Note that, here, the pitch difference from the other portion of the discontinuous portion B in the row of the
[0050]
In each of the above embodiments, the pitch of the row of the reflecting
[0051]
As a material of the
[0052]
In particular, the cycloolefin polymer has a specific gravity of 1.0, which is smaller than other resins (for example, PMMA of 1.2), and a refractive index of 1.53, which is larger than other resins (for example, PMMA has a refractive index of 1.49), and hence a high light confinement effect, which is preferable in terms of weight reduction and thickness reduction. In addition, since it has high fluidity before solidification, it is suitable for injection molding, and has low hygroscopicity and is hardly deformed even under high humidity conditions, so that it is suitable for thin light guide elements.
[0053]
【The invention's effect】
An encoder device for detecting a change in a relative position between a first object and a second object facing each other, the plurality of encoder devices being provided on the first object and forming a line at a constant pitch in a direction for detecting a change in the relative position. And a lighting unit provided on the second object and illuminating the reflecting unit to detect reflected light from the reflecting unit. As in the present invention, the lighting detecting unit includes A plate-shaped light guide element having a deflecting structure on one surface, while reflecting the given light on the two surfaces and traveling inside, while changing the direction by the deflecting structure and emitting from the one surface, The light-emitting element includes a light-emitting element that emits light to be given to the light-guiding element, and a light-receiving element that receives the light and detects the amount of received light. Light is given from the end face, and the light receiving element interposes the light guide element When a configuration facing the morphism portion, a thin light guiding element is close to the reflective portion, it is possible to close the light-receiving element to the light guide element, a thin encoder device.
[0054]
If the deflection structure of the light guide element is a diffraction grating, it becomes very easy to make the light guide element thin.
[0055]
Regarding the direction in which the change in the relative position is detected, the pitch of the rows of the reflecting surfaces of the reflecting portions is equal to or less than half the size of the light receiving element, the light guide element has a plurality of deflection structures, and the deflection structure of the light guide element is If rows are formed at substantially the same pitch as the reflecting surface of the reflecting portion in the direction in which the change in the relative position is detected, light from the plurality of reflecting surfaces of the reflecting portion is incident on the light receiving element, and the variation width of the received light amount is changed. Becomes larger, and the cycle of the change in the amount of received light is determined not by the size of the light receiving element but by the pitch of the rows of the reflecting surfaces, and becomes smaller. Therefore, a change in the relative position can be reliably detected with high resolution. In addition, since the light guide element is thin, the spread of light from the reflecting surface on the plane where the light receiving element is located becomes small, and high resolution determined by the pitch of the array of reflecting surfaces can be easily realized.
[0056]
Further, the illumination detection unit includes a light-shielding unit having a plurality of light-shielding surfaces arranged in a row at the same pitch as the reflection surface of the reflection unit, in a direction to detect the relative position, in the direction of detecting the relative position of the light guide element. By doing so, it is possible to regulate the optical path from the reflecting portion to the light guide element, even when the degree of divergence of light emitted from the light emitting element is large, the change in the amount of light incident on the light receiving element becomes clear, A change in the relative position can be reliably detected.
[0057]
The illumination detection unit includes two light receiving elements, the light guiding element has a discontinuous portion where the pitch of the deflection structure is discontinuous, and the two light receiving elements sandwich the discontinuous portion of the light guiding element. When one part and the other part are interposed and opposed to the reflection part, a phase difference can be generated in the change in the amount of light detected by the two light receiving elements, and not only the speed of the relative position change but also , It is also possible to know the direction of the change in the relative position.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of an encoder device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a groove provided in a light guide element of the encoder device according to the first embodiment.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an illumination detection unit of an encoder device according to a second embodiment.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an illumination detector of an encoder device according to a third embodiment.
FIG. 5 is a schematic sectional view of an encoder device according to a fourth embodiment.
FIG. 6 is a schematic sectional view of a diffraction grating provided in a light guide element of an encoder device according to a fourth embodiment.
FIG. 7 is a schematic sectional view of an encoder device according to a fifth embodiment.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a groove provided in a light guide element of an encoder device according to a fifth embodiment.
FIG. 9 is a schematic sectional view of an encoder device according to a sixth embodiment.
FIG. 10 is a schematic sectional view of a diffraction grating provided in a light guide element of an encoder device according to a sixth embodiment.
FIG. 11 is a schematic sectional view of an illumination detector of an encoder device according to a seventh embodiment.
FIG. 12 is a schematic sectional view of an encoder device according to an eighth embodiment.
FIG. 13 is a diagram illustrating a relationship between a change in a relative position and the amount of light received by two light receiving elements in the encoder device according to the eighth embodiment.
FIG. 14 is a schematic sectional view of a conventional encoder device.
[Explanation of symbols]
1-8 Encoder device
10 Reflector
11 Reflective surface
20 Illumination detector
21 Light-emitting element
22 Light receiving element
30 Light guide element
31, 32 Light guide element surface
33, 34 Light guide element end face
35, 36 groove
35a, 35b, 36a, 36b Groove surface
37, 38 Diffraction grating
40 Shading part
41 Shading surface
50 Reflector
Claims (5)
照明検出部が、一方の表面に偏向構造を有し、与えられる光を2つの表面で全反射して内部を進行させながら、偏向構造によって向きを変えて一方の表面より出射させる板状の導光素子と、導光素子に与える光を発する発光素子と、光を受けて受光量を検出する受光素子とを含み、
導光素子の光を出射させる表面が反射部に対向し、発光素子が導光素子にその端面より光を与え、受光素子が導光素子を間にして反射部に対向することを特徴とするエンコーダ装置。An encoder device for detecting a change in a relative position between a first object and a second object facing each other, comprising: a plurality of encoder devices provided on the first object and arranged in a line at a constant pitch in a direction for detecting a change in the relative position. And a lighting detection unit provided on the second object and illuminating the reflection unit to detect light reflected from the reflection unit.
The illumination detector has a deflecting structure on one surface, and a plate-like guide that changes the direction by the deflecting structure and emits the light from one surface while totally reflecting the given light on the two surfaces and traveling inside. An optical element, a light emitting element that emits light to be given to the light guide element, and a light receiving element that receives light and detects the amount of light received,
The surface of the light guide element from which light is emitted faces the reflector, the light emitting element gives light to the light guide element from its end face, and the light receiving element faces the reflector with the light guide element in between. Encoder device.
導光素子が偏向構造を複数有し、
導光素子の偏向構造が、相対位置の変化を検出する方向に、反射部の反射面と略同じピッチで列を成すことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のエンコーダ装置。Regarding the direction in which the change in the relative position is detected, the pitch of the rows of the reflecting surfaces of the reflecting portions is equal to or less than half the size of the light receiving element,
The light guide element has a plurality of deflection structures,
3. The encoder device according to claim 1, wherein the deflection structure of the light guide element forms a line at substantially the same pitch as the reflection surface of the reflection portion in a direction in which a change in the relative position is detected.
導光素子が偏向構造のピッチが不連続になっている不連続部位を有して、2つの受光素子が導光素子の不連続部位を挟む2つの部位の一方と他方を間にして反射部に対向することを特徴とする請求項3に記載のエンコーダ装置。The illumination detection unit includes two light receiving elements,
The light guide element has a discontinuous portion where the pitch of the deflecting structure is discontinuous, and the two light receiving elements have a reflecting portion between one and the other of the two portions sandwiching the discontinuous portion of the light guide element. The encoder device according to claim 3, wherein the encoder device is opposed to.
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