反射型センサ
【課題】 遮光手段を用いずに光源からの発散光がパッケージの外界との境界面で全反射して、受光素子に入射することを防止する。
【解決手段】 光線Ｌ０は発光素子２３から出射した光線のうち、境界面５３で屈折して透過し反射スケール２１で反射し、最後に受光領域Ｓ２に導かれる光線群であり、この光路がセンサ信号を得るための有効光となる。光線Ｌａは境界面５３で全反射してパッケージ内を伝搬する光線であり、この光線Ｌａはセンサ信号光とは無関係なノイズ光であり、受光すべきでない光線である。この光線Ｌａが受光領域Ｓ２に入射すると、センサ信号のＳ／Ｎが低下してしまうことになる。また、光線Ｌｂは境界面５３を挿通し反射スケール２１に至ることなく、外方に出射してしまうので、精度等に対する影響は殆どない。不要な光線Ｌａが受光素子２４の受光領域Ｓ２に入射しないように、発光素子２３の発光領域Ｓ１を基準として、受光領域Ｓ２を決定する。
【解決手段】 光線Ｌ０は発光素子２３から出射した光線のうち、境界面５３で屈折して透過し反射スケール２１で反射し、最後に受光領域Ｓ２に導かれる光線群であり、この光路がセンサ信号を得るための有効光となる。光線Ｌａは境界面５３で全反射してパッケージ内を伝搬する光線であり、この光線Ｌａはセンサ信号光とは無関係なノイズ光であり、受光すべきでない光線である。この光線Ｌａが受光領域Ｓ２に入射すると、センサ信号のＳ／Ｎが低下してしまうことになる。また、光線Ｌｂは境界面５３を挿通し反射スケール２１に至ることなく、外方に出射してしまうので、精度等に対する影響は殆どない。不要な光線Ｌａが受光素子２４の受光領域Ｓ２に入射しないように、発光素子２３の発光領域Ｓ１を基準として、受光領域Ｓ２を決定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子から投光される光を測定対象物に投射し、反射光を受光素子で受光して、その光量変化によって測定対象物の変位を検知する反射型センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図２３は従来の反射型エンコーダの斜視図、図２４はそのＸＺ断面図、図２５はＸ軸である変位検出軸と直交するＹＺ断面図を示している。ＬＥＤチップから成る発光素子１からの放射光線のうちの反射スケール２からの反射光線を、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。発光素子１及び受光素子３の半導体素子はプリント基板４上にダイボンディングされ、更に透光性の樹脂５と透明ガラス基板６による透明部材で覆われている。これらの発光素子１、受光素子３、基板４、樹脂５、透明ガラス基板６により検出ヘッド７が構成されている。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から成り、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】
図２６は特許文献２に開示された従来の他の反射型エンコーダの検出ヘッド部の斜視図、図２７は断面図である。基板１２上には、所定形状の回路パターン１２ａが形成され、回路パターン１２ａには、発光領域１３ａを有する発光素子１３、受光領域１４ａを有し信号処理回路を内蔵した受光素子１４がダイボンディングされている。そして、発光素子１３、受光素子１４の各端子はワイヤ１５により接続されている。
【０００４】
発光素子１３、受光素子１４、ワイヤ１５は透明樹脂材で形成した包囲部材１６、透明ガラス基板１７によって覆われている。包囲部材１６は図２７に示すように、最低でも発光素子１３、受光素子１４の部品の高さ以上が必要で、更にワイヤ１５のループ高さ、光半導体部品の基板１２への接合代を考慮して、包囲部材１６の厚みが決定されている。
【０００５】
図２６、図２７に示すように、発光素子１３と受光素子１４のほぼ中間位置には遮光壁１８が形成され、この遮光壁１８の直下には回路パターン１２ａが配置されている。図２７に示すように、遮光壁１８は幅Ｗのきり通しの溝に遮光性の樹脂を充填して形成され、遮光樹脂充填前の溝の深さは、包囲部材１６と透明ガラス基板１７の厚みよりも若干浅くされ、基板１２上の回路パターン１２ａが保護されている。
【０００６】
この遮光壁１８を設けることにより、発光素子１３の発光領域１３ａから放射された光が、包囲部材１６の内部を伝搬して受光素子１４の受光領域１４ａに入射することが防止されている。
【０００７】
また、このような発光素子１３、受光素子１４間の遮光手段については、汎用的に用いられる反射型センサや反射型フォトインタラプタ等において、様々な方法が提案され、例えば特許文献３〜５に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−３３７０５２号公報
【特許文献２】特開２００４−６７５３号公報
【特許文献３】特開２０００−２７７７９６号公報
【特許文献４】特許３７８２４８９号公報
【特許文献５】特許３２６１２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の反射型エンコーダや反射型センサにおける光半導体パッケージにおいては、次のような問題がある。例えば、図２５において、角度θ１に含まれる光線は、発光素子１の発光領域から反射スケール２を介して受光素子３の受光領域に導かれる有効光線である。この場合に、発光素子１の最大強度を示す主光線軸ａ１からθ２の角度で大きく傾いていると、傾いた光線を中心とした角度範囲θ１の光線は、発光素子１が放出する全放射光線の内のごく僅かである。従って、殆どの光線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がある。
【００１０】
この図２５の一部を拡大して示す図２８において、パッケージ内の発光素子１と受光素子３間の光線の作用に注目すると、発光素子１から出射し、透明ガラス基板６の表面部６ａにおいて反射した光線Ｌで代表されるような光線パスが存在する。角度θ３が臨界角（＝θｉ）を超えた場合には、光線Ｌは全反射して受光素子３に入射することになり、大きなバイアス成分の光となって、センサ信号に重畳してしまうという問題が発生する。
【００１１】
このような場合には、有効反射光線が僅かで、一方でバイアス成分の光線が大きいという関係から、センサ信号の実質的なＳ／Ｎは大きく低下する。有効光線を拡大するためには、レンズを用いて有効光線を得ることができるが、レンズを用いると、レンズの光軸と発光素子１、受光素子３の位置ずれによりセンサとしての特性がばらついてしまうことになる。
【００１２】
また、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、同時に透明ガラス基板６の表面部６ａからの全反射光も多く受光してしまうことになり、センサ信号として実質的なＳ／Ｎの改善効果は殆どない。また、検出ヘッド７全体が大きくなってしまい、更にコストアップにもつながり経済的な不利がある。
【００１３】
受光素子３に届く僅かな光量を補うために、発光素子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発光素子１に過剰な電流を流すことになり、発光素子１の寿命が短くなるという問題が生ずる。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、この方法も電気ノイズ成分が増大してしまい、実質的に有効な手段とならず、位置検出精度に影響を与え、好ましくない。
【００１４】
上述のレンズの採用、受光面積の拡大、発光素子１の光量アップ、そして受光素子３上の信号回路部での信号増幅率の向上等の何れの手段も、大幅な特性改善には至らないか、或いは特性のばらつきが大きくなる。
【００１５】
次に、図２６、図２７の遮光手段を用いる方法は、上述した従来技術における課題の１つであったバイアス成分の光を防止したもので、その改善効果は大きい。しかし、これらの遮光手段を用いた場合において、図２９のグラフ図に示すようにアナログ出力の反射型センサの出力電圧Ｖは、反射型センサと被測定対象となる反射試料との距離Ｇに対応して、変化する。
【００１６】
即ち、個々の反射型センサは、発光素子１３、受光素子１４の実装位置及びこれらの中間に配設される遮光壁１８の位置ばらつき、或いは受光感度のばらつきによって、図２７に示す反射試料までの距離ｄに対する出力電圧Ｖは等しくならない。つまり、固体差により得られる出力電圧は、図２９の縦軸に示すようにｖ１、ｖ２、ｖ３のようなばらついた値となる。
【００１７】
また、距離Ｇ１以下の領域で使用した場合には、反射型センサと反射試料との距離感度が高くなるために、このような近接距離領域での使用は実用上避けなければならず、その分だけ余分な空間領域を必要とすることになる。
【００１８】
更に、発光素子１３と受光素子１４の中間位置に遮光手段としての遮光体を配設することになるので、発光素子１３と受光素子１４の間隔を必然的に広げなければならず、素子の実装面積が増大し、反射型センサの小型化の妨げとなる。また、遮光手段を用いることでのコストアップも避けられない。
【００１９】
本発明の目的は、上述の課題を解消し、遮光手段を使用せずに光源からの発散光がパッケージの外界との境界面で全反射して、受光素子に入射することを防止する反射型センサを提供することにある。
【００２０】
本発明の他の目的は、被測定対象からの有効反射光線の光強度を増加することで、センサ信号としてのＳ／Ｎの向上を図る反射型センサを提供することにある。
【００２１】
本発明の更に他の目的は、被測定物との近接距離領域での信号特性を改善し、特性のばらつきが少ない安定した品質と信頼性を確保する反射型センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するための本発明に係る反射型センサの技術的特徴は、基板上に配設した発光素子と受光素子とを透明部材で覆った反射型センサであって、前記発光素子から出射した光線のうち、前記透明部材の外界との境界面で全反射して前記透明部材内に戻る光線よりも前記発光素子寄りに前記受光素子による受光領域を設けたことにある。
【００２３】
また、本発明に係る反射型センサの技術的特徴は、基板上に発光素子と受光素子を並置して透明部材で覆った反射型センサであって、前記基板に平行な外界との境界面を有する前記透明部材の屈折率をＮｉ、外界の媒質の屈折率をＮｏ、前記発光素子の発光領域から前記境界面までの距離をＤ１、前記受光素子の受光領域から前記境界面までの距離をＤ２としたとき、
Ｒ＝Ｄ１／ｔａｎ｛ｓｉｎ−１（Ｎｏ／Ｎｉ）｝＋Ｄ２／ｔａｎ｛ｓｉｎ−１（Ｎｏ／Ｎｉ）｝上記式で決定する半径Ｒの前記発光領域を中心とする円の内側に、前記受光領域を配置したことにある。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る反射型センサによれば、次に列挙するような効果が得られる。
（１）発光素子と受光素子の間の遮光部材が不要となるので、発光素子と受光素子を近接して実装することが可能で、実装面積が削減され小型化され、遮光手段に起因していた特性のばらつきがなくなる。
（２）遮光機能形成工程が減少され、更にパッケージが小型化になることで生産効率が大幅に向上し、製造コストが削減でき、品質及び信頼性が大幅に向上する。
（３）発光素子と受光素子を近接して実装することにより、発光素子からの光線の内、光軸近傍の発光光線を受光することができるので、センサ信号のＳ／Ｎが向上する。また、光の利用効率が向上し、発光素子の駆動電流が少なくなり、低消費電力に効果がある。
（４）遮光手段を用いていた従来方式に比べて、ギャップ特性が大幅に向上し、被測定対象物に近接した状態でも有効なセンサ信号が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施例１の反射型エンコーダの概略構成図である。
【図２】反射スケールの接合前の断面図である。
【図３】反射スケールの断面図である。
【図４】検出ヘッドの主要部品の平面図である。
【図５】電流狭窄型発光素子の説明図である。
【図６】反射型エンコーダの信号処理回路図である。
【図７】光線光路の説明図である。
【図８】光線からの距離に対するＰＬ断面での照度分布図と照度グラフ図である。
【図９】シミュレーションモデルの断面図である。
【図１０】照度分布図である。
【図１１】反射型エンコーダのギャップの違いによる光路の説明図である。
【図１２】発光素子のギャップをパラメータとした場合の照度のグラフ図である。
【図１３】内部反射光と有効光の関係のグラフ図である。
【図１４】実施例の反射型エンコーダのギャップ特性と従来方式のギャップ特性を比較したグラフ図である。
【図１５】実施例２のシュミレーションモデルの断面図である。
【図１６】照度分布図である。
【図１７】実施例３のシュミレーションモデルの断面図である。
【図１８】光路の説明図である。
【図１９】照度分布図である。
【図２０】実施例４のシュミレーションモデルの断面図である。
【図２１】照度分布図である。
【図２２】実施例５の照度分布図である。
【図２３】従来の反射型エンコーダの斜視図である。
【図２４】そのＸＺ断面図である。
【図２５】そのＹＺ断面図である。
【図２６】別の従来の反射型エンコーダの斜視図である。
【図２７】その断面図である。
【図２８】図２５の一部を拡大した断面図である。
【図２９】別の従来の反射型エンコーダのギャップに対する出力電圧のグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明を図１〜図２２に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２７】
図１は実施例の概略構成図であり、等間隔の格子が形成された反射スケール２１は、移動する被測定対象物に固定され、格子配列方向であるＸ軸方向に移動可能であり、この反射スケール２１に対向して、検出ヘッド２２が配置されている。
【００２８】
検出ヘッド２２は、ＬＥＤチップから成る発光素子２３、受光部分としてフォトダイオードアレイを有する受光素子２４、信号処理回路部２５を内蔵したフォトＩＣチップ２６から成る半導体素子、及びそれらを実装した基板２７等により構成されている。
【００２９】
反射スケール２１は図２に示すように、パターン形成シート３１と反射層形成部シート３２から構成されている。パターン形成シート３１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３１の基材部３１ａ上には、光吸収部分の非反射部３１ｂと光線透過部３１ｃから成るパターンが交互に設けられている。
【００３０】
一方、反射層形成シート３２では、基材であるＰＥＴフィルムから成る反射層３２ａの下面に、蒸着膜から成る反射層３２ｂが形成されている。反射スケール２１はこれらのパターン形成シート３１と反射層形成シート３２とを、図３に示すように透明な接着剤から成る接着層３３により接合した構造とされている。
【００３１】
図４は検出ヘッド２２の主要部品である発光素子２３と受光素子２４の平面図である。発光素子２３は電流狭窄構造を有している点発光ＬＥＤであり、有効発光領域Ｓ１はφ８０μｍ程度の円形発光窓を有し、発光波長は６５０ｎｍの赤色ＬＥＤである。
【００３２】
発光素子２３からの光が直接受光素子２４の受光領域に入射することを防止する１つの対策として、発光素子２３としてエピタキシャル成長により形成した通常のＬＥＤチップを使用せずに、電流狭窄型のＬＥＤチップを使用している。図５に示すように、（ａ）に示す通常のＬＥＤチップＴと、（ｂ）に示す電流狭窄型の発光素子２３とでは出射する光の強度分布が全く異なり、通常のＬＥＤチップＴでは、横方向に出射する光の量が多く、受光領域に直接光が入射する可能性が高い。これに対して、電流狭窄型の発光素子２３では、光線を前方の一方向に集中して出射し、受光領域に直接光が入射する可能性は低い。
【００３３】
図４に示すように、発光素子２３の近傍にはフォトＩＣチップ２６が配置されている。フォトＩＣチップ２６は発光素子２３に近い側に配設された受光素子２４による受光領域Ｓ２と信号処理回路部２５から成る。受光領域Ｓ２には水平方向に、受光素子２４として１６個のフォトダイオード２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、・・・・、２４ｍ、２４ｎ、２４ｏ、２４ｐが等間隔に配列されている。
【００３４】
フォトダイオード２４ａ、２４ｅ、２４ｉ、２４ｍは電気的に接続されていて、この組をａ相、フォトダイオード２４ｂ、２４ｆ、２４ｊ、２４ｎの組をｂ相、以下同様にｃ相、ｄ相としている。
【００３５】
ａ相、ｂ相、ｃ相、ｄ相の各フォトダイオード群は光を受けると、その光量に応じた光電流を出力する。反射スケール２１の移動と共にａ相〜ｄ相のフォトダイオード群はａ相を基準に、ｂ相は９０度、ｃ相は１８０度、ｄ相は２７０度の位相関係で変動する電流が出力される。
【００３６】
フォトＩＣチップ２６上の信号処理回路部２５では、この出力電流を電流電圧変換器で電圧値に変換した後に、差動増幅器によりそれぞれａ相とｃ相の差動成分、及びｂ相とｄ相の差動成分を求め、９０°位相のずれたＡ、Ｂ相変位出力信号を出力する。
【００３７】
図６はその信号処理回路部２５を示し、発光素子２３の発光回路４１、アナログ信号処理部４２により構成されている。アナログ信号処理部４２からのＡ、Ｂ相のアナログ信号を基に、反射スケール２１の移動量を算出して測定対象物の位置を求める位置演算部４３が設けられている。
【００３８】
初段増幅器４４、４５、４６、４７は、ａ相、ｂ相、ｃ相、ｄ相の各フォトダイオード群で発生したフォト電流を電流電圧変換するためのＩ／Ｖ増幅器であり、Ｖｆ１の電位を基準として、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４の電位を発生する。
【００３９】
ａ相とｃ相のフォトダイオード群から、出力Ｖ１とＶ３の差動を求める差動出力増幅器４８により、Ｖｆ２をバイアス電位としたＡ相信号を得る。同様に、ｂ相とｄ相のフォトダイオード群から出力Ｖ２とＶ４を差動出力増幅器４９により差動増幅してＢ相信号を得ている。
【００４０】
アナログ信号処理部４２からの出力信号ＶＡ、ＶＢは、交流成分Ｖａ、Ｖｂにそれぞれ直流成分Ｖｆ２を重畳し、位置演算部４３に出力する。位置演算部４３はＡ相（ＶＡ＝Ｖａ＋Ｖｆ２）又はＢ相（ＶＢ＝Ｖｂ＋Ｖｆ２）の出力信号から、信号のピークを計数して、反射スケール２１からの反射回折光により受光領域Ｓ２上に形成された干渉縞の通過した本数を得る。干渉縞のピッチに計数した本数を乗ずれば、反射スケール２１の移動量が算出される。
【００４１】
更に、Ａ相及びＢ相の出力信号の交流成分に基づいて、Ａ相とＢ相間の位相角を算出することによって、干渉縞ピッチ以下の移動量の算出ができる。
【００４２】
図７は図１に示すＳ平面でカットした状態における光線の光路の説明図である。検出ヘッド２２は発光素子２３、受光素子２４の他に、基板２７と発光素子２３と受光素子２４を覆うように封止した透光性の封止樹脂５１と、この封止樹脂５１上に配設された透明ガラス５２から成っている。封止樹脂５１と透明ガラス５２は、屈折率がほぼ同じ値であるので、光学的には実質的に一体的な部材と見倣すことができ、これらの間の境界線は無視できる。
【００４３】
発光素子２３からの発散光線により平板状の反射スケール２１は照射され、反射スケール２１からの反射回折光により、フォトＩＣチップ２６の受光領域Ｓ２上に干渉縞が形成される。
【００４４】
図７に示すように、検出ヘッド２２と反射スケール２１はギャップＧを隔てて配置されている。反射スケール２１のピッチをＰｓとすると、ピッチＰｓの２倍の周期（Ｐｆ＝２×Ｐｓ）の干渉縞が受光領域Ｓ２上に形成される。反射スケール２１の移動に伴う干渉縞の移動を、先に説明した信号処理回路部２５により変位信号としてＡ相、Ｂ相のアナログ信号を得る。
【００４５】
図７は発光素子２３から放射される光線のうち、本実施例に関係する代表的な光線Ｌ０、Ｌａ、Ｌｂを示している。光線Ｌ０は発光素子２３から出射した光線のうち、境界面５３で屈折して透過し反射スケール２１で反射し、最後に受光領域Ｓ２に導かれる光線群を示していて、この光路がセンサ信号を得るための有効光となる。
【００４６】
一方、光線Ｌａは発光素子２３から出射して境界面５３で全反射してパッケージ内を伝搬する光線を示している。この光線Ｌａは先に示した光線Ｌ０のセンサ信号に対応する有効光に対して、センサ信号光とは無関係なノイズ光であり、受光すべきでない光線であり、この光線Ｌａが受光領域Ｓ２に入射すると、センサ信号のＳ／Ｎが低下してしまうことになる。また、光線Ｌｂは境界面５３を通過し反射スケール２１に至ることなく、外方に出射してしまうので、測定精度等に対する影響は殆どない。
【００４７】
本実施例では、不要な光線Ｌａが受光素子２４に入射しないように、発光素子２３の発光領域Ｓ１を基準位置にして、受光素子２４の受光領域Ｓ２の位置を決定している。
【００４８】
図８は受光領域Ｓ２を含む広い平面を図７に示すＰＬ断面において、境界面５３からの反射光線の照度分布をシミュレーションした結果を示している。このシミュレーションでは、反射スケール２１からの有効光線成分が、観察平面（ＰＬ断面）に重畳しないように、反射スケール２１を取り除いている。
【００４９】
図８（ａ）において、照度分布中央の白抜きの四角で示した位置に発光領域Ｓ１が位置し、その左側の受光領域Ｓ２に対応する位置が点線で示されている。この照度分布図において、白色部である輪帯状の明部は境界面５３からの反射光線により照度の高い部分を示し、黒色部である暗部は照度が低いことを示している。特に、高い照度を示す領域が、発光素子２３の発光領域Ｓ１を中心として輪帯状に分布している。
【００５０】
図８（ｂ）は発光素子２３及び受光素子２４のそれぞれの中心を含むＸＺでの照度プロファイルを示している。この照度プロファイルから発光領域Ｓ１を基準とした半径Ｒｉの内側領域においては低照度領域が存在し、この領域に受光領域Ｓ２を配置することにより、遮光手段を用いることなく、不要な光線の影響を受けないセンサ信号を得ることが可能となる。このように、従来のような遮光手段を用いずに、上記の低照度領域に受光領域Ｓ２を設置して、被測定対象物からの有効反射光線を高いＳ／Ｎで得ることができる。
【００５１】
なお、図８（ｂ）において、境界面５３での高強度の全反射光が形成する輪帯領域を避け、その内側（＜Ｒｉ）だけでなく、高強度の反射光による高照度領域の外側（＞Ｒｏ）に受光領域Ｓ２を配置することも可能である。
【００５２】
受光領域Ｓ２の配置条件をパッケージ主要寸法から数式化する。図７における封止樹脂５１の屈折率をＮｉ、パッケージ外界の屈折率をＮｏ、発光領域Ｓ１から境界面５３までの距離をＤ１、受光領域Ｓ２から境界面５３までの距離をＤ２、全反射領域の半径をＲｍａｘとする。半径Ｒｍａｘは式（１）のように、境界面５３において臨界角を超えて反射する全反射光線が、照射する位置を発光領域Ｓ１の基準とした半径位置で決定される。
Ｒｍａｘ＝Ｄ１／ｔａｎ｛ｓｉｎ−１（Ｎｏ／Ｎｉ）｝＋Ｄ２ｔａｎ｛ｓｉｎ−１（Ｎｏ／Ｎｉ）｝・・・（１）
この半径Ｒｍａｘで、照度は最大値を示すので，受光領域Ｓ２の配置条件としてはその照度ピーク位置よりも内側の位置をとる。反射光の強度レベルが全反射光強度の１５％前後を閾値として配置可能は領域を決定すると、受光領域Ｓ２の配置可能な円領域の半径Ｒｉは式（２）となる。
Ｒｉ≒Ｒｍａｘ×０．８５ ・・・（２）
一方、有効光線Ｌ０に注視すると、この有効光線Ｌ０は図７に対する角度θ０で最大強度を示す主光線から傾いているので、その分だけ有効な反射光線強度は低い値となる。反射スケール２１からの有効光としてより強度を得ようとすれば、発光素子２３の主光線軸により近い光線を使うことが有利である。そのためには、受光領域Ｓ２を発光領域Ｓ１に近接させることによって、角度θ０の値を小さくすることができるので、センサ信号のＳ／Ｎの向上につながる。
【００５３】
このように、本実施例において適用した手段は、上記の理由から発光領域Ｓ１と受光領域Ｓ２を極力近接して配置し、かつ高照度領域を示す輪帯領域を避けて半径Ｒｉに収まるように、次のような条件を定めている。（ａ）発光素子２３、受光素子２４に対する境界面５３の高さＤ１、Ｄ２、（ｂ）受光素子２４の実装位置、（ｃ）受光素子２４上における受光領域Ｓ２の配置、（ｄ）受光領域Ｓ２の形状、受光面積、及び（ｅ）境界面５３の材質の屈折率を適宜に決定する。
【００５４】
なお、本実施例での具体的な数値例としては、Ｄ１＝Ｄ２＝０．７０ｍｍ、Ｎｉ＝１．５４（エポキシ樹脂）、Ｎｏ＝１．００（空気）であり、これらの値からＲｉ≒１．０５ｍｍとなる。また、受光領域Ｓ２の形状は矩形形状０．５×１．０ｍｍ、発光素子２３と受光素子２４のチップ間隔は０．２ｍｍである。
【００５５】
図９は先に示したシミュレーションモデルの断面図で、図１０は反射スケール２１からの有効反射光と境界面５３からの反射光とを重畳させて、観察平面ＰＬでの照度分布図を示している。高照度領域の輪帯内に反射スケール２１のスケールパターンが投影され、センサ信号が高いＳ／Ｎで得られることが分かる。
【００５６】
図１１においては、本実施例での反射スケール２１と検出ヘッド２２とのギャップＧについて、（ａ）Ｇ＝１．５ｍｍ、（ｂ）１．０ｍｍ、（ｃ）０．５ｍｍ、（ｄ）０．２ｍｍの値に設置した場合の光路を示している。（ａ）〜（ｄ）何れの状態においても、境界面５３における全反射光線は受光領域Ｓ２に入射していないので、良好なＳ／Ｎのセンサ信号が得られている。
【００５７】
図１２は発光領域Ｓ１と受光素子２４を結ぶライン上の照度分布を示している。横軸は発光素子２３の位置を原点として、受光素子２４方向の距離を示している。ライン上の照度分布について、（１）反射スケールからの有効光、（２）境界面５３からの反射光及び全反射光について２種類をプロットしたものである。それぞれ、反射スケール２１と検出ヘッド２２とのギャップＧをパラメータとした結果を示している。
【００５８】
距離の自乗則から、ギャップＧの値が大きくなるにつれて、有効反射光による照度は低下する。一方、境界面５３からの反射、全反射光は当然のことながら、反射スケール２１のギャップパラメータとは無関係で、ギャップＧの変化に対して変化することはない。
【００５９】
図１３は図１２の結果から、センサ信号の光学的なＳ／Ｎをこれまでと同様に「有効光／ノイズ光」で表し、ギャップ変化をパラメータとしてそのＳ／Ｎの変動を示している。ここで注目すべき特性として、従来の遮光手段を用いた反射型センサでは、Ｇ＝０．２ｍｍにおいては、有効光線が遮光手段によって蹴られてしまうために、実用上は利用可能な領域ではない。本実施例での反射型センサでは、この近接ギャップ領域において、極めて高い光学的なＳ／Ｎでセンサ信号が得られることが分かる。また、Ｇ＝２．０ｍｍにおいても、Ｓ／Ｎ値として、３以上の値が得られているので、有効信号が得られるギャップ変動の有効範囲が広いことが分かる。
【００６０】
図１４はこのような従来の遮光手段を用いた反射型センサのギャップ特性と本実施例でのギャップ特性の違いを示している。図１４（ａ）の従来例のグラフ図を見ると、従来では近接ギャップ領域で使用した場合には、反射型センサと反射試料との距離感度が高くなる。従って、このような近接距離領域での使用は実用上避けなければならず、その分だけ余分な空間領域を必要としている。
【００６１】
しかし、図１４（ｂ）に示す本実施例による反射型センサでは、受発光間の素子間隔が詰められ、発光素子２３の光軸近傍の光線が利用されているために、光の利用効率が従来方式よりも改善されている。従来方式での遮光手段に起因して発生する蹴られ特性がないので、近接ギャップ領域での有効信号範囲が広がり、取付公差が緩和される。また、近接ギャップでの利用が可能なため、小型化、省スペース化に有利な特性となっている。
【００６２】
本実施例１は、反射型エンコーダにおいて、遮光手段を用いることなく、高いＳ／Ｎのセンサ信号を得ることが可能となり、反射スケール２１と検出ヘッド２２の近接ギャップ領域での特性が大幅に改善される。また、発光素子２３と受光素子２４とを従来に比べて近接実装することで光の利用効率が改善し、発光素子２３の消費電流が削減できる。更に、小型化に寄与し、品質の安定と低価格化も同時に実施できる。
【実施例２】
【００６３】
図１５は実施例２のシュミレーションモデルの断面図であり、先の実施例１に対して境界面５３の高さを大きくして、全反射光による高照度領域を示す輪帯半径Ｒｍａｘを大きくしている。具体的には、Ｄ１＝Ｄ２＝０．９０ｍｍ、Ｎｉ＝１．５４（エポキシ樹脂）、Ｎｏ＝１．００（空気）であり、これらの値からＲｉ≒１．４５ｍｍとなる。
【００６４】
その結果、図１６の照度分布図で示すように、配置可能な許容円が拡大し、先の実施例１の場合よりも受光領域Ｓ２の受光部面積については大きくすることが可能となる。例えば、この場合には矩形形状で、０．７×１．４ｍｍ程度まで拡大できる。
【実施例３】
【００６５】
図１７は実施例３のシュミレーションモデルの断面図であり、先の実施例１に対して境界面５３の高さについて、発光素子２３側の高さＤ１と受光素子２４側の高さＤ２の値を異なる値にしている。具体的には、Ｄ１＝０．３ｍｍ、Ｄ２＝０．７ｍｍ、Ｎｉ＝１．５４（エポキシ樹脂）、Ｎｏ＝１．００（空気）であり、これらの値からＲｉ≒０．８５ｍｍとなる。
【００６６】
この実施例３では、発光素子２３の上部０．３ｍｍの高さまで封止樹脂５１、透明ガラス５２により覆われているが、更にその上部はφ０．６ｍｍ、深さ０．４ｍｍの円柱形での肉抜き形状となっている。
【００６７】
図１８は実施例３の有効反射光と内部全反射光の光路図である。受光領域Ｓ２は全反射光が入射しない位置に配置されている。
【００６８】
図１９の照度分布図で示すように、配置可能な許容円は縮小し、先の実施例１、２のように許容円の内部に受光領域Ｓ２を配置することが困難になる。しかし、この場合にはこの円の外側に受光領域Ｓ２を配置することで、実施例１、２と同様の効果が得られる。
【００６９】
実装面積が大きくなるために、小型化には不利な構成ではあるが、受光素子２４上の受光領域Ｓ２の配置位置の自由度が上がり、受光部サイズも制約が少ない。このような点では、実施例１、２での許容円の内側に配置する場合には、不可能な配置が可能となる。
【実施例４】
【００７０】
図２０は実施例４のシュミレーションモデルの断面図であり、先の実施例３と同様に境界面５３の高さについて、発光素子２３側の高さＤ１と受光素子２４側の高さＤ２の値を異なる値にしている。具体的には、Ｄ１＝０．３ｍｍ、Ｄ２＝０．７ｍｍ、Ｎｉ＝１．５４（エポキシ樹脂）、Ｎｏ＝１．００（空気）であり、これらの値からＲｉ≒０．８５ｍｍとなる。
【００７１】
図２１の照度分布図で示すように、この場合は複雑な照度分布となるが、点線で示した位置に受光領域Ｓ２を配置することで、実施例１と同等の効果が得られる。
【実施例５】
【００７２】
図２２は実施例５の照度分布図であり、先の実施例１に対して受光領域Ｓ２の受光形状を変更したものである。境界面５３の高さについて、発光素子２３側の高さＤ１と、受光素子２４側の高さＤ２の値を同じ値にした場合のモデルによっている。具体的には、Ｄ１＝０．７ｍｍ、Ｄ２＝０．７ｍｍ、Ｎｉ＝１．５４（エポキシ樹脂）、Ｎｏ＝１．００（空気）であり、これらの値からＲｉ≒１．０５ｍｍとなる。
【００７３】
この半径Ｒｉよりも内側に、光領域を最大限有効に受光領域Ｓ２を配置する場合に、許容円に沿うような扇形或いは円弧状に受光領域Ｓ２の形状を形成している。これにより、実質的に反射スケール２１からの有効な反射光線をより多く受光領域Ｓ２に取り込むことができる。その結果として、センサ信号のＳ／Ｎを向上することが可能となる。
【００７４】
また、本実施例における境界面５３の面形状は様々な変形が考えられるが、境界面５３の面形状によらず、境界面５３での全反射光が受光領域Ｓ２に入射しないように、発光素子２３に対する受光素子２４の位置と境界面５３の高さを変更することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
実施例に関する上述の説明では、主に反射型エンコーダの場合について説明したが、反射式フォトインタラプタ等に対しても実質的に適用可能である。
【符号の説明】
【００７６】
２１ 反射スケール
２２ 検出ヘッド
２３ 発光素子
２４ 受光素子
２５ 信号処理回路部
２６ フォトＩＣチップ
２７ 基板
５１ 封止樹脂
５２ 透明ガラス
５３ 境界面
Ｓ１ 発光領域
Ｓ２ 受光領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子から投光される光を測定対象物に投射し、反射光を受光素子で受光して、その光量変化によって測定対象物の変位を検知する反射型センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図２３は従来の反射型エンコーダの斜視図、図２４はそのＸＺ断面図、図２５はＸ軸である変位検出軸と直交するＹＺ断面図を示している。ＬＥＤチップから成る発光素子１からの放射光線のうちの反射スケール２からの反射光線を、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。発光素子１及び受光素子３の半導体素子はプリント基板４上にダイボンディングされ、更に透光性の樹脂５と透明ガラス基板６による透明部材で覆われている。これらの発光素子１、受光素子３、基板４、樹脂５、透明ガラス基板６により検出ヘッド７が構成されている。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から成り、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】
図２６は特許文献２に開示された従来の他の反射型エンコーダの検出ヘッド部の斜視図、図２７は断面図である。基板１２上には、所定形状の回路パターン１２ａが形成され、回路パターン１２ａには、発光領域１３ａを有する発光素子１３、受光領域１４ａを有し信号処理回路を内蔵した受光素子１４がダイボンディングされている。そして、発光素子１３、受光素子１４の各端子はワイヤ１５により接続されている。
【０００４】
発光素子１３、受光素子１４、ワイヤ１５は透明樹脂材で形成した包囲部材１６、透明ガラス基板１７によって覆われている。包囲部材１６は図２７に示すように、最低でも発光素子１３、受光素子１４の部品の高さ以上が必要で、更にワイヤ１５のループ高さ、光半導体部品の基板１２への接合代を考慮して、包囲部材１６の厚みが決定されている。
【０００５】
図２６、図２７に示すように、発光素子１３と受光素子１４のほぼ中間位置には遮光壁１８が形成され、この遮光壁１８の直下には回路パターン１２ａが配置されている。図２７に示すように、遮光壁１８は幅Ｗのきり通しの溝に遮光性の樹脂を充填して形成され、遮光樹脂充填前の溝の深さは、包囲部材１６と透明ガラス基板１７の厚みよりも若干浅くされ、基板１２上の回路パターン１２ａが保護されている。
【０００６】
この遮光壁１８を設けることにより、発光素子１３の発光領域１３ａから放射された光が、包囲部材１６の内部を伝搬して受光素子１４の受光領域１４ａに入射することが防止されている。
【０００７】
また、このような発光素子１３、受光素子１４間の遮光手段については、汎用的に用いられる反射型センサや反射型フォトインタラプタ等において、様々な方法が提案され、例えば特許文献３〜５に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−３３７０５２号公報
【特許文献２】特開２００４−６７５３号公報
【特許文献３】特開２０００−２７７７９６号公報
【特許文献４】特許３７８２４８９号公報
【特許文献５】特許３２６１２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の反射型エンコーダや反射型センサにおける光半導体パッケージにおいては、次のような問題がある。例えば、図２５において、角度θ１に含まれる光線は、発光素子１の発光領域から反射スケール２を介して受光素子３の受光領域に導かれる有効光線である。この場合に、発光素子１の最大強度を示す主光線軸ａ１からθ２の角度で大きく傾いていると、傾いた光線を中心とした角度範囲θ１の光線は、発光素子１が放出する全放射光線の内のごく僅かである。従って、殆どの光線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がある。
【００１０】
この図２５の一部を拡大して示す図２８において、パッケージ内の発光素子１と受光素子３間の光線の作用に注目すると、発光素子１から出射し、透明ガラス基板６の表面部６ａにおいて反射した光線Ｌで代表されるような光線パスが存在する。角度θ３が臨界角（＝θｉ）を超えた場合には、光線Ｌは全反射して受光素子３に入射することになり、大きなバイアス成分の光となって、センサ信号に重畳してしまうという問題が発生する。
【００１１】
このような場合には、有効反射光線が僅かで、一方でバイアス成分の光線が大きいという関係から、センサ信号の実質的なＳ／Ｎは大きく低下する。有効光線を拡大するためには、レンズを用いて有効光線を得ることができるが、レンズを用いると、レンズの光軸と発光素子１、受光素子３の位置ずれによりセンサとしての特性がばらついてしまうことになる。
【００１２】
また、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、同時に透明ガラス基板６の表面部６ａからの全反射光も多く受光してしまうことになり、センサ信号として実質的なＳ／Ｎの改善効果は殆どない。また、検出ヘッド７全体が大きくなってしまい、更にコストアップにもつながり経済的な不利がある。
【００１３】
受光素子３に届く僅かな光量を補うために、発光素子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発光素子１に過剰な電流を流すことになり、発光素子１の寿命が短くなるという問題が生ずる。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、この方法も電気ノイズ成分が増大してしまい、実質的に有効な手段とならず、位置検出精度に影響を与え、好ましくない。
【００１４】
上述のレンズの採用、受光面積の拡大、発光素子１の光量アップ、そして受光素子３上の信号回路部での信号増幅率の向上等の何れの手段も、大幅な特性改善には至らないか、或いは特性のばらつきが大きくなる。
【００１５】
次に、図２６、図２７の遮光手段を用いる方法は、上述した従来技術における課題の１つであったバイアス成分の光を防止したもので、その改善効果は大きい。しかし、これらの遮光手段を用いた場合において、図２９のグラフ図に示すようにアナログ出力の反射型センサの出力電圧Ｖは、反射型センサと被測定対象となる反射試料との距離Ｇに対応して、変化する。
【００１６】
即ち、個々の反射型センサは、発光素子１３、受光素子１４の実装位置及びこれらの中間に配設される遮光壁１８の位置ばらつき、或いは受光感度のばらつきによって、図２７に示す反射試料までの距離ｄに対する出力電圧Ｖは等しくならない。つまり、固体差により得られる出力電圧は、図２９の縦軸に示すようにｖ１、ｖ２、ｖ３のようなばらついた値となる。
【００１７】
また、距離Ｇ１以下の領域で使用した場合には、反射型センサと反射試料との距離感度が高くなるために、このような近接距離領域での使用は実用上避けなければならず、その分だけ余分な空間領域を必要とすることになる。
【００１８】
更に、発光素子１３と受光素子１４の中間位置に遮光手段としての遮光体を配設することになるので、発光素子１３と受光素子１４の間隔を必然的に広げなければならず、素子の実装面積が増大し、反射型センサの小型化の妨げとなる。また、遮光手段を用いることでのコストアップも避けられない。
【００１９】
本発明の目的は、上述の課題を解消し、遮光手段を使用せずに光源からの発散光がパッケージの外界との境界面で全反射して、受光素子に入射することを防止する反射型センサを提供することにある。
【００２０】
本発明の他の目的は、被測定対象からの有効反射光線の光強度を増加することで、センサ信号としてのＳ／Ｎの向上を図る反射型センサを提供することにある。
【００２１】
本発明の更に他の目的は、被測定物との近接距離領域での信号特性を改善し、特性のばらつきが少ない安定した品質と信頼性を確保する反射型センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するための本発明に係る反射型センサの技術的特徴は、基板上に配設した発光素子と受光素子とを透明部材で覆った反射型センサであって、前記発光素子から出射した光線のうち、前記透明部材の外界との境界面で全反射して前記透明部材内に戻る光線よりも前記発光素子寄りに前記受光素子による受光領域を設けたことにある。
【００２３】
また、本発明に係る反射型センサの技術的特徴は、基板上に発光素子と受光素子を並置して透明部材で覆った反射型センサであって、前記基板に平行な外界との境界面を有する前記透明部材の屈折率をＮｉ、外界の媒質の屈折率をＮｏ、前記発光素子の発光領域から前記境界面までの距離をＤ１、前記受光素子の受光領域から前記境界面までの距離をＤ２としたとき、
Ｒ＝Ｄ１／ｔａｎ｛ｓｉｎ−１（Ｎｏ／Ｎｉ）｝＋Ｄ２／ｔａｎ｛ｓｉｎ−１（Ｎｏ／Ｎｉ）｝上記式で決定する半径Ｒの前記発光領域を中心とする円の内側に、前記受光領域を配置したことにある。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る反射型センサによれば、次に列挙するような効果が得られる。
（１）発光素子と受光素子の間の遮光部材が不要となるので、発光素子と受光素子を近接して実装することが可能で、実装面積が削減され小型化され、遮光手段に起因していた特性のばらつきがなくなる。
（２）遮光機能形成工程が減少され、更にパッケージが小型化になることで生産効率が大幅に向上し、製造コストが削減でき、品質及び信頼性が大幅に向上する。
（３）発光素子と受光素子を近接して実装することにより、発光素子からの光線の内、光軸近傍の発光光線を受光することができるので、センサ信号のＳ／Ｎが向上する。また、光の利用効率が向上し、発光素子の駆動電流が少なくなり、低消費電力に効果がある。
（４）遮光手段を用いていた従来方式に比べて、ギャップ特性が大幅に向上し、被測定対象物に近接した状態でも有効なセンサ信号が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施例１の反射型エンコーダの概略構成図である。
【図２】反射スケールの接合前の断面図である。
【図３】反射スケールの断面図である。
【図４】検出ヘッドの主要部品の平面図である。
【図５】電流狭窄型発光素子の説明図である。
【図６】反射型エンコーダの信号処理回路図である。
【図７】光線光路の説明図である。
【図８】光線からの距離に対するＰＬ断面での照度分布図と照度グラフ図である。
【図９】シミュレーションモデルの断面図である。
【図１０】照度分布図である。
【図１１】反射型エンコーダのギャップの違いによる光路の説明図である。
【図１２】発光素子のギャップをパラメータとした場合の照度のグラフ図である。
【図１３】内部反射光と有効光の関係のグラフ図である。
【図１４】実施例の反射型エンコーダのギャップ特性と従来方式のギャップ特性を比較したグラフ図である。
【図１５】実施例２のシュミレーションモデルの断面図である。
【図１６】照度分布図である。
【図１７】実施例３のシュミレーションモデルの断面図である。
【図１８】光路の説明図である。
【図１９】照度分布図である。
【図２０】実施例４のシュミレーションモデルの断面図である。
【図２１】照度分布図である。
【図２２】実施例５の照度分布図である。
【図２３】従来の反射型エンコーダの斜視図である。
【図２４】そのＸＺ断面図である。
【図２５】そのＹＺ断面図である。
【図２６】別の従来の反射型エンコーダの斜視図である。
【図２７】その断面図である。
【図２８】図２５の一部を拡大した断面図である。
【図２９】別の従来の反射型エンコーダのギャップに対する出力電圧のグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明を図１〜図２２に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２７】
図１は実施例の概略構成図であり、等間隔の格子が形成された反射スケール２１は、移動する被測定対象物に固定され、格子配列方向であるＸ軸方向に移動可能であり、この反射スケール２１に対向して、検出ヘッド２２が配置されている。
【００２８】
検出ヘッド２２は、ＬＥＤチップから成る発光素子２３、受光部分としてフォトダイオードアレイを有する受光素子２４、信号処理回路部２５を内蔵したフォトＩＣチップ２６から成る半導体素子、及びそれらを実装した基板２７等により構成されている。
【００２９】
反射スケール２１は図２に示すように、パターン形成シート３１と反射層形成部シート３２から構成されている。パターン形成シート３１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３１の基材部３１ａ上には、光吸収部分の非反射部３１ｂと光線透過部３１ｃから成るパターンが交互に設けられている。
【００３０】
一方、反射層形成シート３２では、基材であるＰＥＴフィルムから成る反射層３２ａの下面に、蒸着膜から成る反射層３２ｂが形成されている。反射スケール２１はこれらのパターン形成シート３１と反射層形成シート３２とを、図３に示すように透明な接着剤から成る接着層３３により接合した構造とされている。
【００３１】
図４は検出ヘッド２２の主要部品である発光素子２３と受光素子２４の平面図である。発光素子２３は電流狭窄構造を有している点発光ＬＥＤであり、有効発光領域Ｓ１はφ８０μｍ程度の円形発光窓を有し、発光波長は６５０ｎｍの赤色ＬＥＤである。
【００３２】
発光素子２３からの光が直接受光素子２４の受光領域に入射することを防止する１つの対策として、発光素子２３としてエピタキシャル成長により形成した通常のＬＥＤチップを使用せずに、電流狭窄型のＬＥＤチップを使用している。図５に示すように、（ａ）に示す通常のＬＥＤチップＴと、（ｂ）に示す電流狭窄型の発光素子２３とでは出射する光の強度分布が全く異なり、通常のＬＥＤチップＴでは、横方向に出射する光の量が多く、受光領域に直接光が入射する可能性が高い。これに対して、電流狭窄型の発光素子２３では、光線を前方の一方向に集中して出射し、受光領域に直接光が入射する可能性は低い。
【００３３】
図４に示すように、発光素子２３の近傍にはフォトＩＣチップ２６が配置されている。フォトＩＣチップ２６は発光素子２３に近い側に配設された受光素子２４による受光領域Ｓ２と信号処理回路部２５から成る。受光領域Ｓ２には水平方向に、受光素子２４として１６個のフォトダイオード２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、・・・・、２４ｍ、２４ｎ、２４ｏ、２４ｐが等間隔に配列されている。
【００３４】
フォトダイオード２４ａ、２４ｅ、２４ｉ、２４ｍは電気的に接続されていて、この組をａ相、フォトダイオード２４ｂ、２４ｆ、２４ｊ、２４ｎの組をｂ相、以下同様にｃ相、ｄ相としている。
【００３５】
ａ相、ｂ相、ｃ相、ｄ相の各フォトダイオード群は光を受けると、その光量に応じた光電流を出力する。反射スケール２１の移動と共にａ相〜ｄ相のフォトダイオード群はａ相を基準に、ｂ相は９０度、ｃ相は１８０度、ｄ相は２７０度の位相関係で変動する電流が出力される。
【００３６】
フォトＩＣチップ２６上の信号処理回路部２５では、この出力電流を電流電圧変換器で電圧値に変換した後に、差動増幅器によりそれぞれａ相とｃ相の差動成分、及びｂ相とｄ相の差動成分を求め、９０°位相のずれたＡ、Ｂ相変位出力信号を出力する。
【００３７】
図６はその信号処理回路部２５を示し、発光素子２３の発光回路４１、アナログ信号処理部４２により構成されている。アナログ信号処理部４２からのＡ、Ｂ相のアナログ信号を基に、反射スケール２１の移動量を算出して測定対象物の位置を求める位置演算部４３が設けられている。
【００３８】
初段増幅器４４、４５、４６、４７は、ａ相、ｂ相、ｃ相、ｄ相の各フォトダイオード群で発生したフォト電流を電流電圧変換するためのＩ／Ｖ増幅器であり、Ｖｆ１の電位を基準として、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４の電位を発生する。
【００３９】
ａ相とｃ相のフォトダイオード群から、出力Ｖ１とＶ３の差動を求める差動出力増幅器４８により、Ｖｆ２をバイアス電位としたＡ相信号を得る。同様に、ｂ相とｄ相のフォトダイオード群から出力Ｖ２とＶ４を差動出力増幅器４９により差動増幅してＢ相信号を得ている。
【００４０】
アナログ信号処理部４２からの出力信号ＶＡ、ＶＢは、交流成分Ｖａ、Ｖｂにそれぞれ直流成分Ｖｆ２を重畳し、位置演算部４３に出力する。位置演算部４３はＡ相（ＶＡ＝Ｖａ＋Ｖｆ２）又はＢ相（ＶＢ＝Ｖｂ＋Ｖｆ２）の出力信号から、信号のピークを計数して、反射スケール２１からの反射回折光により受光領域Ｓ２上に形成された干渉縞の通過した本数を得る。干渉縞のピッチに計数した本数を乗ずれば、反射スケール２１の移動量が算出される。
【００４１】
更に、Ａ相及びＢ相の出力信号の交流成分に基づいて、Ａ相とＢ相間の位相角を算出することによって、干渉縞ピッチ以下の移動量の算出ができる。
【００４２】
図７は図１に示すＳ平面でカットした状態における光線の光路の説明図である。検出ヘッド２２は発光素子２３、受光素子２４の他に、基板２７と発光素子２３と受光素子２４を覆うように封止した透光性の封止樹脂５１と、この封止樹脂５１上に配設された透明ガラス５２から成っている。封止樹脂５１と透明ガラス５２は、屈折率がほぼ同じ値であるので、光学的には実質的に一体的な部材と見倣すことができ、これらの間の境界線は無視できる。
【００４３】
発光素子２３からの発散光線により平板状の反射スケール２１は照射され、反射スケール２１からの反射回折光により、フォトＩＣチップ２６の受光領域Ｓ２上に干渉縞が形成される。
【００４４】
図７に示すように、検出ヘッド２２と反射スケール２１はギャップＧを隔てて配置されている。反射スケール２１のピッチをＰｓとすると、ピッチＰｓの２倍の周期（Ｐｆ＝２×Ｐｓ）の干渉縞が受光領域Ｓ２上に形成される。反射スケール２１の移動に伴う干渉縞の移動を、先に説明した信号処理回路部２５により変位信号としてＡ相、Ｂ相のアナログ信号を得る。
【００４５】
図７は発光素子２３から放射される光線のうち、本実施例に関係する代表的な光線Ｌ０、Ｌａ、Ｌｂを示している。光線Ｌ０は発光素子２３から出射した光線のうち、境界面５３で屈折して透過し反射スケール２１で反射し、最後に受光領域Ｓ２に導かれる光線群を示していて、この光路がセンサ信号を得るための有効光となる。
【００４６】
一方、光線Ｌａは発光素子２３から出射して境界面５３で全反射してパッケージ内を伝搬する光線を示している。この光線Ｌａは先に示した光線Ｌ０のセンサ信号に対応する有効光に対して、センサ信号光とは無関係なノイズ光であり、受光すべきでない光線であり、この光線Ｌａが受光領域Ｓ２に入射すると、センサ信号のＳ／Ｎが低下してしまうことになる。また、光線Ｌｂは境界面５３を通過し反射スケール２１に至ることなく、外方に出射してしまうので、測定精度等に対する影響は殆どない。
【００４７】
本実施例では、不要な光線Ｌａが受光素子２４に入射しないように、発光素子２３の発光領域Ｓ１を基準位置にして、受光素子２４の受光領域Ｓ２の位置を決定している。
【００４８】
図８は受光領域Ｓ２を含む広い平面を図７に示すＰＬ断面において、境界面５３からの反射光線の照度分布をシミュレーションした結果を示している。このシミュレーションでは、反射スケール２１からの有効光線成分が、観察平面（ＰＬ断面）に重畳しないように、反射スケール２１を取り除いている。
【００４９】
図８（ａ）において、照度分布中央の白抜きの四角で示した位置に発光領域Ｓ１が位置し、その左側の受光領域Ｓ２に対応する位置が点線で示されている。この照度分布図において、白色部である輪帯状の明部は境界面５３からの反射光線により照度の高い部分を示し、黒色部である暗部は照度が低いことを示している。特に、高い照度を示す領域が、発光素子２３の発光領域Ｓ１を中心として輪帯状に分布している。
【００５０】
図８（ｂ）は発光素子２３及び受光素子２４のそれぞれの中心を含むＸＺでの照度プロファイルを示している。この照度プロファイルから発光領域Ｓ１を基準とした半径Ｒｉの内側領域においては低照度領域が存在し、この領域に受光領域Ｓ２を配置することにより、遮光手段を用いることなく、不要な光線の影響を受けないセンサ信号を得ることが可能となる。このように、従来のような遮光手段を用いずに、上記の低照度領域に受光領域Ｓ２を設置して、被測定対象物からの有効反射光線を高いＳ／Ｎで得ることができる。
【００５１】
なお、図８（ｂ）において、境界面５３での高強度の全反射光が形成する輪帯領域を避け、その内側（＜Ｒｉ）だけでなく、高強度の反射光による高照度領域の外側（＞Ｒｏ）に受光領域Ｓ２を配置することも可能である。
【００５２】
受光領域Ｓ２の配置条件をパッケージ主要寸法から数式化する。図７における封止樹脂５１の屈折率をＮｉ、パッケージ外界の屈折率をＮｏ、発光領域Ｓ１から境界面５３までの距離をＤ１、受光領域Ｓ２から境界面５３までの距離をＤ２、全反射領域の半径をＲｍａｘとする。半径Ｒｍａｘは式（１）のように、境界面５３において臨界角を超えて反射する全反射光線が、照射する位置を発光領域Ｓ１の基準とした半径位置で決定される。
Ｒｍａｘ＝Ｄ１／ｔａｎ｛ｓｉｎ−１（Ｎｏ／Ｎｉ）｝＋Ｄ２ｔａｎ｛ｓｉｎ−１（Ｎｏ／Ｎｉ）｝・・・（１）
この半径Ｒｍａｘで、照度は最大値を示すので，受光領域Ｓ２の配置条件としてはその照度ピーク位置よりも内側の位置をとる。反射光の強度レベルが全反射光強度の１５％前後を閾値として配置可能は領域を決定すると、受光領域Ｓ２の配置可能な円領域の半径Ｒｉは式（２）となる。
Ｒｉ≒Ｒｍａｘ×０．８５ ・・・（２）
一方、有効光線Ｌ０に注視すると、この有効光線Ｌ０は図７に対する角度θ０で最大強度を示す主光線から傾いているので、その分だけ有効な反射光線強度は低い値となる。反射スケール２１からの有効光としてより強度を得ようとすれば、発光素子２３の主光線軸により近い光線を使うことが有利である。そのためには、受光領域Ｓ２を発光領域Ｓ１に近接させることによって、角度θ０の値を小さくすることができるので、センサ信号のＳ／Ｎの向上につながる。
【００５３】
このように、本実施例において適用した手段は、上記の理由から発光領域Ｓ１と受光領域Ｓ２を極力近接して配置し、かつ高照度領域を示す輪帯領域を避けて半径Ｒｉに収まるように、次のような条件を定めている。（ａ）発光素子２３、受光素子２４に対する境界面５３の高さＤ１、Ｄ２、（ｂ）受光素子２４の実装位置、（ｃ）受光素子２４上における受光領域Ｓ２の配置、（ｄ）受光領域Ｓ２の形状、受光面積、及び（ｅ）境界面５３の材質の屈折率を適宜に決定する。
【００５４】
なお、本実施例での具体的な数値例としては、Ｄ１＝Ｄ２＝０．７０ｍｍ、Ｎｉ＝１．５４（エポキシ樹脂）、Ｎｏ＝１．００（空気）であり、これらの値からＲｉ≒１．０５ｍｍとなる。また、受光領域Ｓ２の形状は矩形形状０．５×１．０ｍｍ、発光素子２３と受光素子２４のチップ間隔は０．２ｍｍである。
【００５５】
図９は先に示したシミュレーションモデルの断面図で、図１０は反射スケール２１からの有効反射光と境界面５３からの反射光とを重畳させて、観察平面ＰＬでの照度分布図を示している。高照度領域の輪帯内に反射スケール２１のスケールパターンが投影され、センサ信号が高いＳ／Ｎで得られることが分かる。
【００５６】
図１１においては、本実施例での反射スケール２１と検出ヘッド２２とのギャップＧについて、（ａ）Ｇ＝１．５ｍｍ、（ｂ）１．０ｍｍ、（ｃ）０．５ｍｍ、（ｄ）０．２ｍｍの値に設置した場合の光路を示している。（ａ）〜（ｄ）何れの状態においても、境界面５３における全反射光線は受光領域Ｓ２に入射していないので、良好なＳ／Ｎのセンサ信号が得られている。
【００５７】
図１２は発光領域Ｓ１と受光素子２４を結ぶライン上の照度分布を示している。横軸は発光素子２３の位置を原点として、受光素子２４方向の距離を示している。ライン上の照度分布について、（１）反射スケールからの有効光、（２）境界面５３からの反射光及び全反射光について２種類をプロットしたものである。それぞれ、反射スケール２１と検出ヘッド２２とのギャップＧをパラメータとした結果を示している。
【００５８】
距離の自乗則から、ギャップＧの値が大きくなるにつれて、有効反射光による照度は低下する。一方、境界面５３からの反射、全反射光は当然のことながら、反射スケール２１のギャップパラメータとは無関係で、ギャップＧの変化に対して変化することはない。
【００５９】
図１３は図１２の結果から、センサ信号の光学的なＳ／Ｎをこれまでと同様に「有効光／ノイズ光」で表し、ギャップ変化をパラメータとしてそのＳ／Ｎの変動を示している。ここで注目すべき特性として、従来の遮光手段を用いた反射型センサでは、Ｇ＝０．２ｍｍにおいては、有効光線が遮光手段によって蹴られてしまうために、実用上は利用可能な領域ではない。本実施例での反射型センサでは、この近接ギャップ領域において、極めて高い光学的なＳ／Ｎでセンサ信号が得られることが分かる。また、Ｇ＝２．０ｍｍにおいても、Ｓ／Ｎ値として、３以上の値が得られているので、有効信号が得られるギャップ変動の有効範囲が広いことが分かる。
【００６０】
図１４はこのような従来の遮光手段を用いた反射型センサのギャップ特性と本実施例でのギャップ特性の違いを示している。図１４（ａ）の従来例のグラフ図を見ると、従来では近接ギャップ領域で使用した場合には、反射型センサと反射試料との距離感度が高くなる。従って、このような近接距離領域での使用は実用上避けなければならず、その分だけ余分な空間領域を必要としている。
【００６１】
しかし、図１４（ｂ）に示す本実施例による反射型センサでは、受発光間の素子間隔が詰められ、発光素子２３の光軸近傍の光線が利用されているために、光の利用効率が従来方式よりも改善されている。従来方式での遮光手段に起因して発生する蹴られ特性がないので、近接ギャップ領域での有効信号範囲が広がり、取付公差が緩和される。また、近接ギャップでの利用が可能なため、小型化、省スペース化に有利な特性となっている。
【００６２】
本実施例１は、反射型エンコーダにおいて、遮光手段を用いることなく、高いＳ／Ｎのセンサ信号を得ることが可能となり、反射スケール２１と検出ヘッド２２の近接ギャップ領域での特性が大幅に改善される。また、発光素子２３と受光素子２４とを従来に比べて近接実装することで光の利用効率が改善し、発光素子２３の消費電流が削減できる。更に、小型化に寄与し、品質の安定と低価格化も同時に実施できる。
【実施例２】
【００６３】
図１５は実施例２のシュミレーションモデルの断面図であり、先の実施例１に対して境界面５３の高さを大きくして、全反射光による高照度領域を示す輪帯半径Ｒｍａｘを大きくしている。具体的には、Ｄ１＝Ｄ２＝０．９０ｍｍ、Ｎｉ＝１．５４（エポキシ樹脂）、Ｎｏ＝１．００（空気）であり、これらの値からＲｉ≒１．４５ｍｍとなる。
【００６４】
その結果、図１６の照度分布図で示すように、配置可能な許容円が拡大し、先の実施例１の場合よりも受光領域Ｓ２の受光部面積については大きくすることが可能となる。例えば、この場合には矩形形状で、０．７×１．４ｍｍ程度まで拡大できる。
【実施例３】
【００６５】
図１７は実施例３のシュミレーションモデルの断面図であり、先の実施例１に対して境界面５３の高さについて、発光素子２３側の高さＤ１と受光素子２４側の高さＤ２の値を異なる値にしている。具体的には、Ｄ１＝０．３ｍｍ、Ｄ２＝０．７ｍｍ、Ｎｉ＝１．５４（エポキシ樹脂）、Ｎｏ＝１．００（空気）であり、これらの値からＲｉ≒０．８５ｍｍとなる。
【００６６】
この実施例３では、発光素子２３の上部０．３ｍｍの高さまで封止樹脂５１、透明ガラス５２により覆われているが、更にその上部はφ０．６ｍｍ、深さ０．４ｍｍの円柱形での肉抜き形状となっている。
【００６７】
図１８は実施例３の有効反射光と内部全反射光の光路図である。受光領域Ｓ２は全反射光が入射しない位置に配置されている。
【００６８】
図１９の照度分布図で示すように、配置可能な許容円は縮小し、先の実施例１、２のように許容円の内部に受光領域Ｓ２を配置することが困難になる。しかし、この場合にはこの円の外側に受光領域Ｓ２を配置することで、実施例１、２と同様の効果が得られる。
【００６９】
実装面積が大きくなるために、小型化には不利な構成ではあるが、受光素子２４上の受光領域Ｓ２の配置位置の自由度が上がり、受光部サイズも制約が少ない。このような点では、実施例１、２での許容円の内側に配置する場合には、不可能な配置が可能となる。
【実施例４】
【００７０】
図２０は実施例４のシュミレーションモデルの断面図であり、先の実施例３と同様に境界面５３の高さについて、発光素子２３側の高さＤ１と受光素子２４側の高さＤ２の値を異なる値にしている。具体的には、Ｄ１＝０．３ｍｍ、Ｄ２＝０．７ｍｍ、Ｎｉ＝１．５４（エポキシ樹脂）、Ｎｏ＝１．００（空気）であり、これらの値からＲｉ≒０．８５ｍｍとなる。
【００７１】
図２１の照度分布図で示すように、この場合は複雑な照度分布となるが、点線で示した位置に受光領域Ｓ２を配置することで、実施例１と同等の効果が得られる。
【実施例５】
【００７２】
図２２は実施例５の照度分布図であり、先の実施例１に対して受光領域Ｓ２の受光形状を変更したものである。境界面５３の高さについて、発光素子２３側の高さＤ１と、受光素子２４側の高さＤ２の値を同じ値にした場合のモデルによっている。具体的には、Ｄ１＝０．７ｍｍ、Ｄ２＝０．７ｍｍ、Ｎｉ＝１．５４（エポキシ樹脂）、Ｎｏ＝１．００（空気）であり、これらの値からＲｉ≒１．０５ｍｍとなる。
【００７３】
この半径Ｒｉよりも内側に、光領域を最大限有効に受光領域Ｓ２を配置する場合に、許容円に沿うような扇形或いは円弧状に受光領域Ｓ２の形状を形成している。これにより、実質的に反射スケール２１からの有効な反射光線をより多く受光領域Ｓ２に取り込むことができる。その結果として、センサ信号のＳ／Ｎを向上することが可能となる。
【００７４】
また、本実施例における境界面５３の面形状は様々な変形が考えられるが、境界面５３の面形状によらず、境界面５３での全反射光が受光領域Ｓ２に入射しないように、発光素子２３に対する受光素子２４の位置と境界面５３の高さを変更することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
実施例に関する上述の説明では、主に反射型エンコーダの場合について説明したが、反射式フォトインタラプタ等に対しても実質的に適用可能である。
【符号の説明】
【００７６】
２１ 反射スケール
２２ 検出ヘッド
２３ 発光素子
２４ 受光素子
２５ 信号処理回路部
２６ フォトＩＣチップ
２７ 基板
５１ 封止樹脂
５２ 透明ガラス
５３ 境界面
Ｓ１ 発光領域
Ｓ２ 受光領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配設した発光素子と受光素子とを透明部材で覆った反射型センサであって、前記発光素子から出射した光線のうち、前記透明部材の外界との境界面で全反射して前記透明部材内に戻る光線よりも前記発光素子側に前記受光素子による受光領域を設けたことを特徴とする反射型センサ。
【請求項２】
前記発光素子は電流狭窄構造のＬＥＤとしたことを特徴とする請求項１に記載の反射型センサ。
【請求項３】
前記透明部材は透明樹脂と透明ガラスとを併設したことを特徴とする請求項１に記載の反射型センサ。
【請求項４】
前記境界面の前記発光素子と前記受光素子の中間位置に段差を設けたことを特徴とする請求項１に記載の反射型センサ。
【請求項５】
前記受光領域の形状を扇形又は円弧形状としたことを特徴とする請求項１に記載の反射型センサ。
【請求項６】
基板上に発光素子と受光素子を並置して透明部材で覆った反射型センサであって、前記基板に平行な外界との境界面を有する前記透明部材の屈折率をＮｉ、外界の媒質の屈折率をＮｏ、前記発光素子の発光領域から前記境界面までの距離をＤ１、前記受光素子の受光領域から前記境界面までの距離をＤ２としたとき、
Ｒ＝Ｄ１／ｔａｎ｛ｓｉｎ−１（Ｎｏ／Ｎｉ）｝＋Ｄ２／ｔａｎ｛ｓｉｎ−１（Ｎｏ／Ｎｉ）｝上記式で決定する半径Ｒの前記発光領域を中心とする円の内側に、前記受光領域を配置したことを特徴とする反射型センサ。
【請求項７】
前記受光素子は受光部分をフォトダイオードアレイとし、複数の初段増幅器と差動増幅器から成る信号処理部と共にフォトＩＣにより構成したことを特徴とする請求項６に記載の反射型センサ。
【請求項１】
基板上に配設した発光素子と受光素子とを透明部材で覆った反射型センサであって、前記発光素子から出射した光線のうち、前記透明部材の外界との境界面で全反射して前記透明部材内に戻る光線よりも前記発光素子側に前記受光素子による受光領域を設けたことを特徴とする反射型センサ。
【請求項２】
前記発光素子は電流狭窄構造のＬＥＤとしたことを特徴とする請求項１に記載の反射型センサ。
【請求項３】
前記透明部材は透明樹脂と透明ガラスとを併設したことを特徴とする請求項１に記載の反射型センサ。
【請求項４】
前記境界面の前記発光素子と前記受光素子の中間位置に段差を設けたことを特徴とする請求項１に記載の反射型センサ。
【請求項５】
前記受光領域の形状を扇形又は円弧形状としたことを特徴とする請求項１に記載の反射型センサ。
【請求項６】
基板上に発光素子と受光素子を並置して透明部材で覆った反射型センサであって、前記基板に平行な外界との境界面を有する前記透明部材の屈折率をＮｉ、外界の媒質の屈折率をＮｏ、前記発光素子の発光領域から前記境界面までの距離をＤ１、前記受光素子の受光領域から前記境界面までの距離をＤ２としたとき、
Ｒ＝Ｄ１／ｔａｎ｛ｓｉｎ−１（Ｎｏ／Ｎｉ）｝＋Ｄ２／ｔａｎ｛ｓｉｎ−１（Ｎｏ／Ｎｉ）｝上記式で決定する半径Ｒの前記発光領域を中心とする円の内側に、前記受光領域を配置したことを特徴とする反射型センサ。
【請求項７】
前記受光素子は受光部分をフォトダイオードアレイとし、複数の初段増幅器と差動増幅器から成る信号処理部と共にフォトＩＣにより構成したことを特徴とする請求項６に記載の反射型センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１７】
【図１８】
【図２０】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図８】
【図１０】
【図１６】
【図１９】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１７】
【図１８】
【図２０】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図８】
【図１０】
【図１６】
【図１９】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１３−７００７８（Ｐ２０１３−７００７８Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２５５４０６（Ｐ２０１２−２５５４０６）
【出願日】平成２４年１１月２１日（２０１２．１１．２１）
【分割の表示】特願２００６−１９７０４１（Ｐ２００６−１９７０４１）の分割
【原出願日】平成１８年７月１９日（２００６．７．１９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１１月２１日（２０１２．１１．２１）
【分割の表示】特願２００６−１９７０４１（Ｐ２００６−１９７０４１）の分割
【原出願日】平成１８年７月１９日（２００６．７．１９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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