JP2009053102A - 光学式ロータリーエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】パルス円板の位置検出用パターン部の反り量を低減させることにより、検出精度の低下を抑えた光学式ロータリーエンコーダを得ること。
【解決手段】位置検出用パターンが形成されたパルス円板７と、ハウジング１に回転自在に保持され、前記パルス円板７を頂部２ｔに接着して保持する回転軸２と、前記パルス円板７の位置検出用パターンに光を照射する発光素子８と、前記発光素子８からの光を前記パルス円板７の位置検出用パターンを介して受光する受光素子１１と、を備える光学式ロータリーエンコーダ１００において、前記パルス円板７を前記回転軸２の頂部２ｔに接着する接着剤層の中央部の厚さを、前記中央部の周囲の厚さより薄くした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学式ロータリーエンコーダに関するものであり、特に、サーボシステムの回転位置検出に用いられ、超高分解能を有し、工作機械等の絶対位置を高精度で検出する光学式ロータリーエンコーダに関する。

従来、中央部に軸穴の無い回転コード盤（パルス円板）の裏面中央部と回転軸の頂部の載置面とが、該載置面の凹部内の接着剤を介して固定された光学式ロータリーエンコーダが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特公平８−１２０８６号公報

しかしながら、上記従来の光学式ロータリーエンコーダでは、凹部内の接着剤が硬化してパルス円板を回転軸の頂部の載置面に接着固定するとき、接着剤が軸方向に収縮する。接着剤の軸方向収縮により、パルス円板の中央部が凹部内に引き込まれ、中央部が、凹部の縁部に当接している部分よりも凹部内に変位する。

パルス円板の中央部の凹部内への変位により、パルス円板の外周部の位置検出用パターンが、反対側に浮き上がるように反ってしまい、パルス円板の位置検出用パターンとインデックススケールとの間の設定ギャップ（例えば、１６０μｍ）が狂い、パルス円板を透過（又は反射）する光強度の変調率が低下（変化）して光学式ロータリーエンコーダの検出精度が低下する、という問題があった。

また、光学式ロータリーエンコーダの温度変化により、接着剤が軸方向に収縮又は膨張してパルス円板の外周部の反り量が変動し、パルス円板の位置検出用パターンとインデックススケールとの間のギャップが変動し、同様に、光学式ロータリーエンコーダの検出精度が低下する、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、凹部内の接着剤の軸方向の収縮量又は膨張量を低減させてパルス円板の外周部の位置検出用パターンの反り量を低減させることにより、検出精度の低下を抑えた光学式ロータリーエンコーダを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、位置検出用パターンが形成されたパルス円板と、ハウジングに回転自在に保持され、前記パルス円板を頂部に接着して保持する回転軸と、前記パルス円板の位置検出用パターンに光を照射する発光素子と、前記発光素子からの光を前記パルス円板の位置検出用パターンを介して受光する受光素子と、を備える光学式ロータリーエンコーダにおいて、前記パルス円板を前記回転軸の頂部に接着する接着剤層の中央部の厚さを、前記中央部の周囲の厚さより薄くしたことを特徴とする。

この発明によれば、パルス円板を回転軸の頂部に接着する接着剤層の中央部の厚さを、前記接着剤層の中央部の周囲の厚さより薄くしたので、薄くした中央部の接着剤層の軸方向の収縮量又は膨張量が小さくなり、パルス円板の外周部の位置検出用パターンの反り量を低減させ、検出精度の低下を抑える、という効果を奏する。また、パルス円板の中央部は、薄くした接着剤層により接着されているので、パルス円板の接着強度が低下することもない。

以下に、本発明にかかる光学式ロータリーエンコーダの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる光学式ロータリーエンコーダの実施の形態１を示す縦断面図であり、図２は、実施の形態１の光学式ロータリーエンコーダの回転軸とパルス円板とを接着剤で接着した状態を示す縦断面図である。

図１に示すように、実施の形態１の光学式ロータリーエンコーダ１００は、軸直角平面であるモジュール設置部１ａが形成されたハウジング１と、ハウジング１の同軸の第１、第２の軸受孔１ｂ、１ｃに夫々嵌合される第１、第２の軸受３、４と、第１、第２の軸受３、４の内輪３ｂ、４ｂに保持され回転自在な回転軸２と、回転軸２の回転入力部としてのハブ嵌合部２ｄに嵌合するハブ６と、回転軸２の頂部としての円盤状の円板保持部２ａに接着されて保持されるパルス円板７と、モジュール設置部１ａの段上に設置、保持される発光素子モジュール（ＬＥＤモジュール）８と、発光素子モジュール８の頂部８ａに設置されたインデックススケール９と、ハウジング１に立設された支柱１ｄに取付けられた回路基板（制御基板）１０に保持されてパルス円板７の外周部と対向する受光素子１１と、を備えている。発光素子モジュール８は、インデックススケール９を介してパルス円板７に光を照射する。なお、インデックススケール９は、必須のものではなく、設置しなくてもよい。

次に、実施の形態１の光学式ロータリーエンコーダ１００の組立方法及び各部の詳細な構造について説明する。まず、回転軸２の軸受嵌合部２ｃに接着剤を塗布し、第１の軸受３の内輪３ｂを軸受嵌合部２ｃに嵌合し、円板保持部２ａの下側に第１の軸受３の内輪３ｂを当接させ、第１の軸受３を回転軸２に位置決めして装着する。接着剤は、すぐに固化しないように、熱硬化型又は一定時間後に硬化するものを用いる。

上記の工程と前後して、ハウジング１のモジュール設置部１ａの段上に発光素子モジュール８を設置する（ネジで固定する）。また、ハウジング１の第１の軸受孔１ｂ側の内フランジ１ｅ上に予圧バネ５を配置する。また、第１の軸受孔１ｂに接着剤を塗布する。

次に、第１の軸受３を装着した回転軸２を、回転入力部（ハブ嵌合部）２ｄ側から第１、第２の軸受孔１ｂ、１ｃに挿入し、第１の軸受孔１ｂに第１の軸受３の外輪３ａを嵌合させる。次に、第２の軸孔１ｃ及び回転軸２の軸受嵌合部２ｃに接着剤を塗布し、第２の軸受４の外輪４ａを第２の軸受孔１ｃに、内輪４ｂを回転軸２の軸受嵌合部２ｃに嵌合させる。

その後、円板保持部２ａの頂部２ｔを押圧し、予圧バネ５を第１の軸受３の外輪３ａで圧縮し、第１の軸受３に予圧をかけながら、回転軸２を下方へ押し込み、円板保持部２ａの頂部２ｔと発光素子モジュール８の頂部８ａとの軸方向ギャップを精密調整する。

次に、回転軸２のハブ嵌合部（回転入力部）２ｄに、ハブ６の頂部を第２の軸受４の内輪４ｂに当接させ、接着剤が硬化していない状態で、ハブ６を焼嵌め固定し、高精度寸法に調整された軸方向ギャップを維持する。その後、接着剤を硬化させ、回転軸２と第１、第２の軸受３、４の内輪３ｂ、４ｂ、及び、第１、第２の軸受孔１ｂ、１ｃと第１、第２の軸受３、４の外輪３ａ、４ａとを固定する。

次に、図２を参照して、実施の形態１の光学式ロータリーエンコーダ１００の特徴的な構成である回転軸２とパルス円板７の接着部の構造について説明する。図２に示すように、回転軸２の頂部としての円板保持部２ａの頂部２ｔの中央部には、円形の凹部２ａａが設けられている。凹部２ａａの中央部に、凹部２ａａの底面からの高さが凹部２ａａの深さより低い凸部２ａｂが設けられている。

凹部２ａａの深さｄは、ｄ≒１５０μｍとされ、凸部２ａｂの深さｔは、ｔ＝１０〜５０μｍとされている。円板保持部２ａの頂部２ｔへのガラス製のパルス円板７の接着固定は、凹部２ａａの外側の頂部２ｔをパルス円板７との当て面とし、凸部２ａｂ上を含む凹部２ａａ内に、ＵＶ硬化型接着剤等の光硬化型接着剤１５を、接着剤１５の上面が当て面より高くならないように充填し、中央部が薄い接着剤層１５を形成し、接着剤層１５により、パルス円板７を、回転軸２の円板保持部２ａの頂部２ｔに、回転軸２の回転中心にパルス円板７の中心マークを合わせるように精密位置決めし、光硬化型接着剤１５を光硬化させて行なう。接着剤層１５の中央部の厚さは、接着剤層１５の中央部の周囲の厚さの略１／１５〜１／３の厚さとなる。

光硬化型接着剤１５の硬化の過程において、接着剤１５硬化前は、当て面と凹部２ａａの接着剤１５上面は同じ高さでパルス円板７に接しているが、接着剤１５は、硬化するに従って軸方向に収縮し、パルス円板７の中央部が接着剤１５の収縮方向に引張られて変形するので、パルス円板７外周部（位置検出用パターン形成部）は、収縮方向と逆向きに反る。

また、当て面から遠い接着中心部ほど当て面の支えがないので接着剤１５の接着硬化収縮による変形量が大きく、中心部を基点に反るほど、パルス円板７の外周部に形成された位置検出用パターンの径と反り量とは比例するので、位置検出用パターンが形成されたパルス円板７の外周側ほど反り量（正規の位置からのずれ）が大きくなり、その結果としてエンコーダ１００の位置検出精度が低下することになる。

従って、パルス円板７の反り量を低減させることが重要であり、上記のように、接着剤層１５中央部の厚さ（１０〜５０μｍ）をその周囲の厚さ（１５０μｍ）よりも薄くするのがよい。これにより、接着剤層１５の中央部では、硬化収縮量や温度変化による膨張・収縮量が減少し、パルス円板７の反り量を減少させることができる。

接着剤層１５中央部の厚さをその周囲の厚さより薄くする具体的な手段として、ひとつは、接着剤１５を充填する凹部２ａａの中央部（φ４）に、凹部２ａａの外側の当て面よりも高くならないほどの凸の段差（凸部）を設ければよい（接着強度の観点から、接着剤層１５外周部の厚さが１５０μｍ程度の部分が必要であり、全体を薄くすることはできない。）。

例えば、接着剤層１５外周部（外径φ１２）の厚さ１５０μｍに対し、接着剤層１５中央部（外径φ４）の厚さを１０μｍ〜５０μｍ（外周部の厚さに対して１／１５〜１／３）の厚さにすると、パルス円板７（厚さ１ｍｍ、外径φ５０）外周部の反り量は、薄くなっていない場合に比べて１／６〜１／２程度に低減される。

次に、図１に示すように、発光素子モジュール８の頂部８ａにインデックススケール９を精密位置決めして接着剤等により固定する。最後に、ハウジング１に立設された支柱１ｄに、受光素子１１を取付けた回路基板１０を固定し、実施の形態１の光学式ロータリーエンコーダ１００を完成させる。完成した光学式ロータリーエンコーダ１００は、図示しないサーボモータのハウジングに取付けられ、ハブ６がサーボモータの出力軸の後端に連結され、光学式ロータリーエンコーダ１００を備えるサーボモータとなる。

サーボモータの出力軸の回転位置は、次のようにして検出される。電源を投入し、発光素子モジュール８に設置された発光素子（ＬＥＤ）を発光させると、光は、インデックススケール９に形成されたスリット窓群を通過し、その後、パルス円板７のスリット窓（位置検出用パターン）を通過し、光信号となって受光素子１１に照射される。受光素子１１は、照射された光量に比例した電流を発生する。

サーボモータの出力軸が回転して光学式ロータリーエンコーダ１００の回転軸２が回転すると、発光素子８から発光された光は、回転スケールであるパルス円板７と固定スケールであるインデックススケール９のパターン相対位置変化により強度変調され、受光素子１１へ到達する光量が正弦波状に振幅変化する光信号となる。この光信号による発光電流を波形整形回路で電圧に変換し、パルス波形に整形して外部に出力する。

以上説明した実施の形態１の光学式ロータリーエンコーダ１００によれば、回転軸２の頂部２ｔの中央部に凹部２ａａを設け、凹部２ａａの中央部に、凹部２ａａの底面からの高さが凹部２ａａの深さより低い凸部２ａｂを設け、凸部２ａｂ上を含む凹部２ａａ内に接着剤１５を充填して中央部が薄い接着剤層１５を形成し、接着層１５によりパルス円板７を回転軸２の頂部２ｔに接着したので、凹部２ａａ内の中央部の接着剤１５の収縮量又は膨張量を低減してパルス円板７の外周部の位置検出用パターン部の反り量を低減させ、光学式ロータリーエンコーダ１００の検出精度の低下を抑えることができる。

実施の形態２．
図３は、本発明にかかる光学式ロータリーエンコーダの実施の形態２の要部である回転軸とパルス円板とを接着剤で接着した状態を示す縦断面図である。実施の形態２の光学式ロータリーエンコーダ２００は、図３に示す回転軸２２とパルス円板２７の形態のみが、実施の形態１の光学式ロータリーエンコーダ１００と異なっているので、異なる部分について説明し、他の部分の説明は省略する。

図３に示すように、回転軸２２の頂部としての円板保持部２２ａの頂部２２ｔの中央部には、円形の凹部２２ａａが設けられている。透明樹脂製のパルス円板２７の下側の凹部２２ａａに対向する領域の中央部に、パルス円板２７の凹部２２ａａに対向する領域の表面（下面）からの高さが凹部２２ａａの深さより低い凸部２７ａｂが設けられている。

凹部２２ａａの深さｄは、ｄ≒１５０μｍとされ、凸部２７ａｂと凹部２２ａａ底面との軸方向距離ｓは、ｓ＝１０〜５０μｍとされている。凸部２７ａｂ下を含む凹部２２ａａ内に光硬化型接着剤２５を充填して中央部が薄い接着剤層２５を形成し、接着剤層２５によりパルス円板２７を回転軸２２の円板保持部２２ａの頂部２２ｔに、回転軸２２の回転中心にパルス円板２７の中心マークを合わせるように精密位置決めして接着する。接着剤層２５の中央部の厚さは、接着剤層２５の周辺部の厚さの１／１５〜１／３の厚さとなる。

薄くなっている中央部の接着剤層２５の軸方向の収縮量又は膨張量は、凸部２７ａｂが設けられていないときに比べて小さくなり、パルス円板２７の外周部の反り量を低減させている。

以上説明した実施の形態２の光学式ロータリーエンコーダ２００によれば、回転軸２２の頂部２２ｔの中央部に凹部２２ａａを設け、パルス円板２７の凹部２２ａａに対向する領域の中央部に、パルス円板２７の凹部２２ａａに対向する領域の表面（下面）からの高さが凹部２２ａａの深さより低い凸部２７ａｂを設け、凸部２７ａｂ下を含む凹部２２ａａ内に接着剤２５を充填し、凹部２２ａａ内に凸部２７ａｂを嵌入させて中央部が薄い接着剤層２５を形成して、接着剤層２５によりパルス円板２７を回転軸２２の頂部２２ｔに接着したので、凹部２２ａａ内の中央部の接着剤２５の収縮量又は膨張量を低減してパルス円板２７の外周部の反り量を低減させ、光学式ロータリーエンコーダ２００の検出精度の低下を抑えることができる。

実施の形態３．
図３は、本発明にかかる光学式ロータリーエンコーダの実施の形態３の要部である回転軸とパルス円板とを接着剤で接着した状態を示す縦断面図である。実施の形態３の光学式ロータリーエンコーダ３００は、図４に示す回転軸３２の形態のみが、実施の形態１の光学式ロータリーエンコーダ１００と異なっているので、異なる部分について説明し、他の部分の説明は省略する。

図４に示すように、回転軸３２の頂部としての円板保持部３２ａの頂部３２ｔの中央部には、円形の凹部３２ａａが設けられ、凹部３２ａａの中央部に凹部３２ａａの深さより低い凸部３２ａｂが設けられている。凹部３２ａａの外周部には、環状溝３２ａｃが形成されている。

凹部３２ａａの深さｄは、ｄ≒１５０μｍとされ、凸部３２ａｂの深さｔは、ｔ＝１０〜５０μｍとされている。環状溝３２ａｃの深さは、凹部３２ａａの深さよりも深くても、浅くしても、同じでもよい。凸部３２ａｂ上を含む凹部３２ａａ内に光硬化型接着剤３５を充填して中央部が薄い接着剤層３５を形成し、接着剤層３５によりパルス円板７を回転軸３２の円板保持部３２ａの頂部３２ｔに精密位置決めして接着する。

凹部３２ａａに充填された接着剤３５が多めになり、表面張力により多少山盛りになったとき、パルス円板７が接着されると、山盛り余剰分が環状溝３２ａｃ内に流入し、環状溝３２ａｃに収容される。それ故、接着剤３５が円板保持部３２ａの頂部３２ｔとパルス円板７との間に浸入してパルス円板７の精密位置決めを妨げるようなことはない。なお、凹部３２ａａ内に凸部３２ａｂを設ける替わりに、パルス円板７の下面に凸部を設けてもよい。

以上説明した実施の形態３の光学式ロータリーエンコーダ３００によれば、回転軸３２の頂部３２ｔの中央部に凹部３２ａａを設け、凹部３２ａａの中央部に凹部３２ａａの深さより低い凸部３２ａｂを設け、凸部３２ａｂ上を含む凹部３２ａａ内に接着剤３５を充填して中央部が薄い接着剤層３５を形成し、接着層３５によりパルス円板７を回転軸３２の頂部３２ｔに接着し、接着剤３５の余剰分を環状溝３２ａｃに収容したので、パルス円板７が回転軸３２に精密位置決めされるとともに、凹部３２ａａ内の中央部の接着剤３５の収縮量又は膨張量を低減してパルス円板７の外周部の反り量を低減し、光学式ロータリーエンコーダ３００の検出精度の低下を抑えることができる。

以上のように、本発明にかかる光学式ロータリーエンコーダは、サーボシステムの回転位置検出に用いられ、超高分解能を有し、工作機械等の絶対位置を高精度で検出するエンコーダとして有用である。

本発明にかかる光学式ロータリーエンコーダの実施の形態１を示す縦断面図である。 実施の形態１の光学式ロータリーエンコーダの回転軸とパルス円板とを接着剤で接着した状態を示す縦断面図である。 本発明にかかる光学式ロータリーエンコーダの実施の形態２の要部を示す縦断面図である。 本発明にかかる光学式ロータリーエンコーダの実施の形態３の要部を示す縦断面図である。

符号の説明

１ ハウジング
１ａ モジュール設置部
１ｂ 第１の軸受孔
１ｃ 第２の軸受孔
１ｄ 支柱
１ｅ 内フランジ
２，２２，３２ 回転軸
２ａ，２２ａ，３２ａ 円板保持部
２ａａ，２２ａａ，３２ａａ 凹部
２ａｂ，３２ａｂ 凸部
２ｄ ハブ嵌合部（回転入力部）
２ｔ，２２ｔ，３２ｔ 頂部
３ 第１の軸受
４ 第２の軸受
５ 予圧バネ
７，２７ パルス円板
２７ａｂ 凸部
８ 発光素子モジュール（発光素子）
８ａ 頂部
９ インデックススケール
１０ 回路基板（制御基板）
１１ 受光素子
１５，２５，３５ 光硬化型接着剤（接着剤層）
１００，２００，３００ 光学式ロータリーエンコーダ

Claims (5)

1. 位置検出用パターンが形成されたパルス円板と、
   ハウジングに回転自在に保持され、前記パルス円板を頂部に接着して保持する回転軸と、
   前記パルス円板の位置検出用パターンに光を照射する発光素子と、
   前記発光素子からの光を前記パルス円板の位置検出用パターンを介して受光する受光素子と、
   を備える光学式ロータリーエンコーダにおいて、
   前記パルス円板を前記回転軸の頂部に接着する接着剤層の中央部の厚さを、前記中央部の周囲の厚さより薄くしたことを特徴とする光学式ロータリーエンコーダ。
2. 前記回転軸の頂部の中央部に凹部を設け、前記凹部の中央部に、前記凹部の底面からの高さが前記凹部の深さより低い凸部を設け、前記凸部上を含む前記凹部内に接着剤を充填して、前記接着剤層を形成したことを特徴とする請求項１に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
3. 前記回転軸の頂部の中央部に凹部を設け、前記パルス円板の前記凹部に対向する領域の中央部に、前記パルス円板の前記凹部に対向する領域の表面からの高さが前記凹部の深さより低い凸部を設け、前記凸部下を含む前記凹部内に接着剤を充填して、前記接着剤層を形成したことを特徴とする請求項１に記載の光学式ロータリーエンコーダ。
4. 前記接着剤層の中央部の厚さが、１０〜５０μｍの厚さであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光学式ロータリーエンコーダ。
5. 前記回転軸の頂部の凹部の外周部に、前記凹部に充填された接着剤の余剰分が流入する環状溝が形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の光学式ロータリーエンコーダ。

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