JP2007202382A - 小型モータの光学式エンコーダ装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板にデッドスペースとなる切り欠き部を設けることなく、コードホイールをシャフト軸方向に取り付け可能にする。
【解決手段】ホトセンサモジュールは受光素子を収容した受光素子モジュールと発光素子を収容した発光素子モジュールとが一対の別部品にて構成され、一方の受光素子モジュール或いは発光素子モジュールをプリント基板に取り付けた基板ユニットをモータ端面に固定する。コードホイールをモータシャフトにシャフト軸方向に取り付けて固定した後、他方の発光素子モジュール或いは受光素子モジュールを収容した略Ｌ字形状を有するモジュールホルダを基板ユニットに取り付ける。発光素子と受光素子とがコードホイールの光学変調トラック部を介して互いに対向するように位置決めされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータシャフトに取り付けられたコードホイールが、発光素子と受光素子の間の間隙に位置決め配置されて、モータシャフトの回転を光学的に検出する小型モータの光学式エンコーダ装置及びその製造方法に関する。

小型モータには、モータの回転速度や位置を検知するための装置を一体に組み付けることが求められている。このような検知装置には、磁石及びホール素子を用いて磁気的に検出するもの、或いは１対のブラシ間の電気的導電を機械的にオンオフする機械式のもの、或いは発光素子（発光ダイオード等）及び受光素子（ホトトランジスタ等）を用いて光を検出する光学式のものが知られているが、本発明は、この光学式エンコーダ装置に関する。このような光学式エンコーダ装置を組み付けた小型モータは、回転制御が必要な、例えばプリンター等のＯＡ機器において用いることができる。

図１１は、光学式エンコーダのモータへの取り付けを例示する第１の従来技術を示す図である（例えば、特許文献１参照）。図１１（Ａ）は、基板ユニットを一体に組み立てた状態の小型モータを示し、（Ｂ）は、基板ユニットを単独で示す図である。このモータは、基板ユニットを形成するプリント基板にＵ字状の切り欠き部を設け、そして、この切り欠き部を設けた基板ユニットを、コードホイールをモータシャフトに取り付けた後に横から挿入する構成としていた。図１１（Ａ）に示す組立完了状態に見られるように、発光素子と受光素子を対向し構成したホトセンサモジュールの間隙に、光学変調トラックを持つコードホイールが配置されて、モータシャフトの回転に伴う信号を得るようになっている。ここに示したホトセンサモジュールは、後述する第２の従来技術（図１２（Ｂ）参照）と同様に、発光素子と受光素子を対向させて一体に構成したものである。

このような一体構成のホトセンサモジュールの間隙に、コードホイールを配置する必要があるために、先に、モータシャフト先端部にコードホイールを取り付け、その後、（Ｂ）に示すホトセンサモジュールを取り付けた基板ユニットを、それに設けた切り欠き部に被固定部が入るようにして、モータシャフトと直交する方向から挿入、位置決め、固定する。

このように、図示の構成は、モータシャフトと直交する方向から挿入位置決め固定できるので、取り付け時に、ホトセンサモジュールがコードホイールに触れてコードホイールを損傷することなく、ホトセンサモジュールを所定の位置に取り付け、固定することができるという効果がある。

しかし、プリント基板に切り欠き部を設けると、その部位はデッドスペースとなり、プリント基板上に形成されるパターンの集積度を上げられず、基板のサイズを大きくしなければならない。

また、図１２は、光学式エンコーダのモータへの取り付けを例示する第２の従来技術を示す図である。（Ａ）は、基板ユニットを取り付けた小型モータの斜視図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ、ホトセンサモジュール及びコードホイールを単独で示し、（Ｄ）は、組立を完了した状態の小型モータの斜視図である。（Ｂ）に示すように、従来のホトセンサモジュールは、発光素子と受光素子を対向して一体に構成したものであり、これら素子からの端子が、基板ユニットに半田付けで固定される。その他のコネクタ等の素子も固定して、基板ユニットは単独に組立を完成させる。

組立に際して、（Ａ）に示すように、最初に、モータに対して基板ユニットが取り付けられる。基板ユニットは、モータに設けられている被固定部及びモータ端子に対応する穴が開けられていて、シャフト軸方向から取り付けることができる。そして、モータシャフトには、コードホイール固定用のハブを固定する。その後、（Ｃ）に例示したようなコードホイールを横から挿入し、ハブに両面テープで貼り付ける。

このように、コードホイールは横から撓ませて挿入するため、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂フィルム等の弾性を有する材質である必要があり、このような弾性を有する透明な材質にてコードホイールを構成する場合、その表面に光学変調トラックを形成可能な高価な特殊フィルムを用いる必要があった。また、コードホイールをホトセンサモジュールの間隙へ撓ませて挿入させる際の寸法的な制約により、コードホイールとハブ（モータシャフトへの固定部）を別体にしなければならず、それらを接合するための両面テープも必要となった。このように本従来技術の構成は、各種部品費や多くの組立工数の影響で非常に高コストな構造になっていた。
特開２００２−３５７４５７号公報

本発明は、係る問題点を解決して、基板にデッドスペースとなる切り欠き部を設けることなく、コードホイールをシャフト軸方向に取り付け可能にすることを目的としている。これによって、ハブと一体に組み立てられている安価な硬質コードホイールを使用可能にする。

本発明の小型モータの光学式エンコーダ装置及びその製造方法は、モータ外部に延長するモータシャフトにコードホイールを取り付けて、該コードホイールの光学変調トラック部の回転を読み取るためのホトセンサモジュールを備える。このホトセンサモジュールは受光素子を収容した受光素子モジュールと発光素子を収容した発光素子モジュールとが一対の別部品にて構成され、この一対の別部品の一方の受光素子モジュール或いは発光素子モジュールは基板ユニットのプリント基板に取り付けられる。基板ユニットは、この基板ユニットに挿通した一対のモータ端子をプリント基板のプリント配線部に半田付けすることにより、モータ端面に固定される。コードホイールをモータシャフトにシャフト軸方向に取り付けて固定した後、一対の別部品の他方の発光素子モジュール或いは受光素子モジュールを収容した略Ｌ字形状を有するモジュールホルダが基板ユニットに取り付けられる。発光素子と受光素子は、コードホイールの光学変調トラック部を介して互いに対向するように位置決めされる。基板に取り付けた受光素子モジュール或いは発光素子モジュールに対するモジュールホルダの位置決めは、モジュールホルダに設けたフック部及び浮き止め部をプリント基板に設けた該当する穴に係合させることにより行われる。

一対の素子モジュールの相互の位置決めは、前後方向には、一方の素子モジュールとモジュールホルダをそれぞれプリント基板に対して固定することによって行い、高さ方向には、モジュールホルダに設けたモジュール係合部に一方の素子モジュールを係合させることによって行い、そして、左右方向には、モジュールホルダの両側に設けたモジュール固定部で一方の素子モジュールの両側面を両側から挟むようにして行われる。

本発明は、プリント基板に切り欠き部を備える必要がないので、プリントパターンの集積度を上げられるため、基板のサイズを小さくして小型化を達成することができる。

また、本発明によれば、コードホイールはシャフト軸方向に装着できるので、取り付け用のハブを一体にした安価なコードホイールを使用できる。さらに、エンコーダ装置の組立を、一方向で積上げるように行うことができるため、生産性が良くなる。

以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、組立を完成させた光学式エンコーダ付モータの全体構成を示す斜視図である。最初に、受光素子（ホトトランジスタ）モジュールは取り付けられているが、発光素子（ＬＥＤ）モジュールを収容した発光素子モジュールホルダは未だ取り付けられていない基板ユニットが、モータに対して取り付けられる。その後、コードホイールがモータシャフトに取り付けられ、最後に、発光素子モジュールホルダが取り付けられ、半田付けされて、組立が完成する。このように、発光素子モジュールホルダ取り付け前に、コードホイールが取り付けられるので、光学変調トラックを有するディスク部と中央に位置するフランジ部とが一体型の安価な硬質コードホイールを使用して、シャフト軸方向に装着することができる。発光素子モジュールホルダは、受光素子モジュールの上方からスラスト方向に組み込めるよう略L字形状をしており、フックを用いて基板ユニットに取り付けられている。このように、別部品にて構成されている受光素子モジュールと発光素子モジュールとを基板ユニット上で一体に組み立てることにより、本発明のホトセンサモジュールは構成される。

以下、図１に例示の光学式エンコーダ付モータの組立について順を追って説明する。図２は、基板ユニット取り付け前の小型モータ単独の図を示している。図示省略しているが、モータケース内部には、固定子側磁極となるマグネットが取り付けられる一方、モータシャフト上に積層コアと巻線によって構成される回転子磁極と、整流子とを一体に組み付けて構成される回転子が回転可能に取り付けられている。有底中空円筒状のモータケースの開口から、モータシャフト上に一体に組み立てられた回転子を挿入した後、モータケースの開口を閉じるように、エンドベルが嵌着される。モータシャフトは、モータケースの底部中央と、エンドベルの中央にそれぞれ位置する軸受によって支持されている。エンドベル側の軸受は、エンドベルと一体に形成された軸受保持部内に収容されている。整流子に接触する一対のブラシは、エンドベルの外部に導出される一対のモータ端子にそれぞれ接続されている。このような小型モータ自体は、通常構成のものである。

図３（Ａ）（Ｂ）はそれぞれ、プリント基板の裏面（モータエンドベル対向面）及びおもて（表）面のプリント配線部を例示する図である。例示したプリント基板は、表裏両面にプリント配線部を有するタイプのものである。図４は、この基板に受光素子モジュール等の素子を取り付けて半田付けして完成させた基板ユニットのおもて面側から見た斜視図である。

プリント基板には、軸受保持部嵌合穴、一対のモータ端子用穴、コネクタ用穴、発光素子及び受光素子モジュール用穴などが開けられており、ここに該当する素子の端子などが挿入、固定される。この基板ユニットには、受光素子モジュール、コネクタなどの素子が取り付けられているが、未だ、発光素子モジュールを収容した発光素子モジュールホルダは取り付けられていない。図示の例において、モータに電源を供給する一対の端子と、発光素子に電源を供給する一対の端子と、受光素子から信号を取り出す一対の端子等を収容したコネクタは、基板ユニットの裏面側に取り付けられている。このような基板ユニットは、図２に例示したようなモータ端面に対して取り付け固定される。取り付けに際しては、モータ端子及び軸受保持部を、基板ユニットに設けた該当の穴に挿入した後、モータ端子と基板ユニットおもて面の該当するプリント配線部を半田付けすることにより固定する。

図５は、コードホイールを例示する図である。上記したように、基板ユニットを装着して固定した後のモータに対して、コードホイールをシャフト軸方向から取り付け、固定する。取り付けに際して、エンドベル側軸受保持部を通して、さらに基板ユニットを通してモータ外方向に伸びるモータシャフト延長部にコードホイールが、圧入等により位置決め固定される。なお圧入する場合はコードホイール（例えば、ステンレス製）の中央に位置するフランジ部に樹脂を使うことが望ましい。他に強度を考慮して、フランジ部に鉄や真鍮やアルミニウムを使うことも考えられる。いずれの場合も、コードホイール（のディスク部）とフランジ部を一体に固定した安価なコードホイールの使用が可能となる。コードホイール自体は通常のものであり、図５に例示したように、円周上に等間隔に複数のスリットが設けられている光学変調トラックを有して、モータシャフトの回転に伴ない、例えば５０パルス／回転程度の信号を得るようになっている。コードホイールの一方の面側からの発光を、他方の面側で受光する際、回転するコードホイールのスリット部と非スリット部によって受光をオンオフすることにより、回転速度及び位置を検出することができる。

図６は、発光素子（ＬＥＤ）モジュールホルダの構成を例示する図であり、（Ａ）と（Ｂ）はそれぞれ異なる方向から見た同一構成の発光素子モジュールホルダの斜視図である。また、図７は、既に受光素子を収容した受光素子モジュールが取り付けられている基板ユニットに対して、発光素子モジュールを収容した発光素子モジュールホルダの取り付ける方法を説明する図であり、（Ａ）は受光素子モジュールを単独で示し、（Ｂ）は受光素子モジュールを基板ユニットのプリント基板に固定した状態を示し、（Ｃ）は受光素子モジュール及び発光素子モジュールホルダの両者を取り付けた状態を示す部分断面図である。受光素子モジュール或いは発光素子モジュールは、それぞれ、受光素子或いは発光素子を収容したモジュールを意味し、さらに、この発光素子モジュールを収容したホルダを、発光素子モジュールホルダと表している。略Ｌ字形状の発光素子モジュールホルダは、発光素子と受光素子が対向するように受光素子モジュールと組み合わされて位置決め配置される。この対向する発光素子と受光素子の間の間隙に、コードホイールの光学変調トラック部が位置決め配置される。この位置決めは、プリント基板に設けた受光素子モジュール及び発光素子モジュールホルダのそれぞれの取り付け用の穴を適切に位置決めすることにより行うことができる。

受光素子モジュールの取り付けは、位置決め突起をプリント基板に設けた位置決め穴（図３参照）に係合させると共に、その端子をプリント基板の該当する穴に通して、裏面側でプリント配線部に半田付けすることにより位置決め、固定される。

受光素子モジュールよりも大きな発光素子モジュールホルダは、フック部による固定、端子の半田付けに加えて、浮き止め部を用いて位置決めし、固定することができる。図示の浮き止め部は、プリント基板の位置決め穴に挿入してその先端爪部を基板裏側に係合させることにより、発光素子モジュールホルダの前側を位置決めするだけでなく、プリント基板からの浮き上がりも防止している。基板の位置決め穴（図３参照）の長さは受光素子モジュールの幅よりも大きく、受光素子モジュールの位置決め突起をプリント基板の位置決め穴に係合すると、受光素子モジュールの両脇に位置決め穴が余る（図４参照）。その余っている位置決め穴端部に浮き止め部を係合させることにより、受光素子モジュールの横方向が、発光素子モジュールホルダのモジュール固定部により確実に位置決め固定される。

発光素子モジュールホルダは、全体的に略Ｌ字形状（図７（Ｃ）に示す側面から見た状態）に形成したことにより、受光素子モジュールの高さ方向上方（モータスラスト方向）から、挿入するのみで組み込むことができる。発光素子モジュールホルダの前側（発光及び受光検出側と同じ側）の左右に設けた一対の浮き止め部を、プリント基板に設けた位置決め穴に係合させて、後側の左右に設けた一対のフック部を、プリント基板に設けた固定穴に係合させる。フック部は、短い作用長で基板へプレスフィットできるよう、先端を三角形状にしている。プレスフィットしたときに、フック部自体の弾性力により基板に係合して、フック部に設けた係合段差部が、プリント基板の裏面側に当接する。フック部は、発光素子モジュールホルダを前側から見たときに浮き止め部の足と重ならない位置に形成したため、一方向開きの金型で成形可能となる。浮き止め部は、発光素子モジュールホルダの浮きを防止する。フック部を含めて一体成型の発光素子モジュールホルダの材質は曲げ強度の高い樹脂、例えばポリカーボネートが望ましい。

受光素子モジュールと発光素子モジュールホルダ相互の間の位置決めは、上述したように、プリント基板に対して適切に位置決め固定することにより行うことができるが、さらに、図７に示すように、受光素子モジュールの上後側が、発光素子モジュールホルダに設けたモジュール係合部に当接させることにより、受光素子モジュール及び発光素子モジュールホルダは互いに高さ方向に対して位置決めされることになる。発光素子モジュールホルダに対する受光素子モジュールの前後方向の位置決めは、基板における位置決め穴によって行われる。受光素子モジュールの高さ方向（上下方向）の位置決めは、発光素子モジュールホルダのモジュール係合部によって行われる。さらに、左右方向（モータシャフトを中心とした周方向）には、図８に示すように、受光素子モジュールの両側面を、発光素子モジュールホルダの前両側に設けたモジュール固定部で両側から挟むようにして相互の位置決めをする。ホトセンサモジュールにおいて発光素子と受光素子の相対的な位置決めを高精度で行うことは、センサとしての用途上非常に重要な事である。前述の相対位置決め構成により、ホトセンサモジュールを一対の別部品で構成しながらも発光素子と受光素子の相対的な配置に関して高精度な位置決めが可能となる。

図８は、受光素子モジュールと発光素子モジュールホルダの相対的位置関係を示す斜視図である。発光素子モジュールホルダの前両側に位置する２つのモジュール固定部の間隔は、受光素子モジュールの幅とほぼ同等の幅になっていて、その間に受光素子モジュールが収容される。受光素子モジュールが収容された際の受光素子モジュール側面とモジュール固定部との間隔（隙間）は、ホトセンサとしての信号の発信及び受信に影響が無い範囲であればわずかの隙間（例えば、片側で0.2mm以下）が空いていても問題は無い。要は、そのような寸法となるように受光素子モジュールに対してモジュール固定部の間隔寸法を設計する必要がある。図示したように、受光素子モジュールは、高さ方向からはモジュール係合部により、また、左右方向からはモジュール固定部により押さえるようにして、発光素子モジュールホルダに対する相互の位置決めがなされる。このようにして、発光素子モジュールホルダは、接着レスでスラスト方向（高さ方向）から組み込み可能となる。

図９は、発光素子モジュールホルダの別の例を示す図である。上述の例では、発光素子モジュールホルダのプリント基板に対する固定は、浮き止め部とフック部にて行っているが、発光素子モジュールホルダは、フック部のみによっても十分に浮き上がりを防ぐ構成にすることができるので、図８に示したような浮き止め部は必ずしも必要ではない。図９に示す発光素子モジュールホルダには、上述した浮き止め部に代えて、係止部が設けられている。この係止部は、上述の浮き止め部と同様に、受光素子モジュールの両脇に余っている位置決め穴端部に挿入されて、位置決めを行うが、基板裏側に係合するような爪部を備えていない。

図１０は、発光素子モジュールホルダのさらに別の例を示す図である。図示の例においては、図９の発光素子モジュールホルダに備えられていた係止部も存在しない。フック部の幅（前後方向長さ）を大きくして強度を増したり、或いは、図１０に示すように、フック部位置を発光素子モジュールホルダの最後端から中央よりに移動させることにより、上述した浮き止め部或いは係止部が有していた固定及び位置決め機能を、フック部のみで果たすことが可能になる。

但し、図９或いは図１０に示すいずれの発光素子モジュールホルダにも、受光素子モジュールを高さ方向から係合するモジュール係合部、及び左右方向から挟むようにして位置決めする両側のモジュール固定部は備えられている。このように、必要な大きさのフック部（基本的には図６における前後方向の長さ）が、発光素子モジュールホルダの後端部とは限らないホルダ側面中央よりのような適当な位置に構成する事ができれば、浮き止め部（爪部）或いは係止部は無くても確実に固定することができる。

また、発光素子モジュールホルダのフック部の幅を前方向に広げて伸ばし、フック部の内側をモジュール固定部として機能させることもできる。この場合には、基板の位置決め穴と固定穴が干渉しないようにする必要があり、このためには、例えば、受光素子モジュールの位置決め突起の幅を狭くする（受光素子モジュールの位置決め突起の幅を狭くする事により位置決め穴の長さも短くできる）。

図１３は、図７（Ｃ）に示した例とは異なる受光素子モジュール及び発光素子モジュールの配置を示す部分断面図である。図１３において、略Ｌ字形状のモジュールホルダに取り付けられているのは受光素子モジュールであり、基板ユニットのプリント基板に取り付けられているのは発光素子モジュールである。図７と同様に、発光素子と受光素子は対向するように配置され、この対向する発光素子と受光素子の間の間隙に、コードホイールの光学変調トラック部が位置決め配置される。発光素子と受光素子の配置が逆になっているのを除いて、図７を参照して説明したとおりであるので、その詳細な説明は省略する。

組立を完成させた光学式エンコーダ付モータの全体構成を示す斜視図である。 基板ユニット取り付け前の小型モータ単独の図を示している。 （Ａ）（Ｂ）はそれぞれ、プリント基板の裏面及びおもて面のプリント配線部を例示する図である。 基板ユニットのおもて面側から見た斜視図である。 コードホイールを例示する図である。 発光素子（ＬＥＤ）モジュールホルダの構成を例示する図であり、（Ａ）と（Ｂ）はそれぞれ異なる方向から見た同一構成の発光素子モジュールホルダの斜視図である。 受光素子モジュールが取り付けられている基板ユニットに対する発光素子モジュール内蔵の発光素子モジュールホルダの取り付けを説明する図である。 受光素子モジュールと発光素子モジュールホルダの相対的位置関係を示す斜視図である。 発光素子モジュールホルダの別の例を示す図である。 発光素子モジュールホルダのさらに別の例を示す図である。 光学式エンコーダのモータへの取り付けを例示する第１の従来技術を示す図である。 光学式エンコーダのモータへの取り付けを例示する第２の従来技術を示す図である。 図７（Ｃ）に示した例とは異なる受光素子モジュール及び発光素子モジュールの配置を示す部分断面図である。

Claims (6)

1. モータ外部に延長するモータシャフトにコードホイールを取り付けて、該コードホイールの光学変調トラック部の回転を読み取るためのホトセンサモジュールを備える小型モータの光学式エンコーダ装置において、
   前記ホトセンサモジュールは受光素子を収容した受光素子モジュールと発光素子を収容した発光素子モジュールとが一対の別部品にて構成され、
   前記一対の別部品の一方の受光素子モジュール或いは発光素子モジュールをプリント基板に取り付けた基板ユニットをモータ端面に固定し、
   コードホイールを前記モータシャフトにシャフト軸方向に取り付けて固定した後、前記一対の別部品の他方の発光素子モジュール或いは受光素子モジュールを収容した略Ｌ字形状を有するモジュールホルダを前記基板ユニットに取り付け、
   前記発光素子と前記受光素子とが前記コードホイールの光学変調トラック部を介して互いに対向するように位置決めされることを特徴とする小型モータの光学式エンコーダ装置。
2. 前記一対の素子モジュールの相互の位置決めは、前後方向には、一方の素子モジュールと前記モジュールホルダをそれぞれプリント基板に対して固定することによって行い、高さ方向には、前記モジュールホルダに設けたモジュール係合部に前記一方の素子モジュールを係合させることによって行い、そして、左右方向には、前記モジュールホルダの両側に設けたモジュール固定部で前記一方の素子モジュールの両側面を両側から挟むようにして行う請求項１に記載の小型モータの光学式エンコーダ装置。
3. 前記モジュールホルダのプリント基板に対する固定は、前記モジュールホルダに設けたフック部を前記プリント基板に設けた該当する穴に係合させることにより行う請求項２に記載の小型モータの光学式エンコーダ装置。
4. 前記モジュールホルダに設けたフック部に加えて浮き止め部を設けて、フック部と浮き止め部のそれぞれを前記プリント基板に設けた該当する穴に係合させることにより前記モジュールホルダをプリント基板に対して固定する請求項３に記載の小型モータの光学式エンコーダ装置。
5. 前記フック部は前記モジュールホルダを前側から見たときに浮き止め部の足と重ならない位置で先端を三角形状にして形成され、フック部自体の弾性力により基板に係合させ、かつ、一対設けたフック部の係合段差部をプリント基板の裏面側に当接させることにより固定される請求項４に記載の小型モータの光学式エンコーダ装置。
6. モータ外部に延長するモータシャフトにコードホイールを取り付けて、該コードホイールの光学変調トラック部の回転を読み取るためのホトセンサモジュールを備える小型モータの光学式エンコーダ装置の製造方法において、
   前記ホトセンサモジュールは受光素子を収容した受光素子モジュールと発光素子を収容した発光素子モジュールとが一対の別部品にて構成され、
   前記一対の別部品の一方の受光素子モジュール或いは発光素子モジュールをプリント基板に取り付けた基板ユニットをモータ端面に固定し、
   コードホイールを前記モータシャフトにシャフト軸方向に取り付けて固定し、前記一対の別部品の他方の発光素子モジュール或いは受光素子モジュールを収容した略Ｌ字形状を有するモジュールホルダを前記基板ユニットに取り付け、
   前記発光素子と前記受光素子とが前記コードホイールの光学変調トラック部を介して互いに対向するように位置決めされることを特徴とする小型モータの光学式エンコーダ装置の製造方法。

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