JP2016031266A - Optical encoder and method for manufacturing optical encoder - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ガルバノスキャナなどの高速位置決めモータシステムに用いられる光学式エンコーダ、およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an optical encoder used in a high-speed positioning motor system such as a galvano scanner, and a manufacturing method thereof.
近年、レーザ加工機のようなガルバノスキャナの応用製品では、加工効率向上への要求が益々高くなっており、ガルバノスキャナにも高速応答が求められている。ガルバノスキャナのようなサーボシステムでは、モータの回転角度(回転位置)などを検出するために光学式エンコーダが用いられている。 In recent years, galvano scanner applied products such as laser processing machines are increasingly required to improve processing efficiency, and galvano scanners are also required to have a high-speed response. In a servo system such as a galvano scanner, an optical encoder is used to detect a rotation angle (rotation position) of a motor.
例えば特許文献1に開示された光学式エンコーダでは、回転軸の頂面に凹部が設けられ、この凹部内に設けられた接着剤を介して、光学パターンを有するディスクが回転軸に接着されている。また、凹部の周面には溝が形成されている。 For example, in the optical encoder disclosed in Patent Document 1, a concave portion is provided on the top surface of the rotating shaft, and a disk having an optical pattern is bonded to the rotating shaft through an adhesive provided in the concave portion. . A groove is formed on the peripheral surface of the recess.
一方、特許文献2には、ガラススケールとその固定治具とを備えた位置測定装置が開示されている。ガラススケールと固定治具との間には、予め高温にした接着剤により形成された弾性層が設けられており、ガラススケールと固定治具との線膨張係数の差に起因して生じる熱応力を、弾性層の撓みにより吸収するようになっている。 On the other hand, Patent Document 2 discloses a position measuring device including a glass scale and a fixing jig thereof. Between the glass scale and the fixing jig, there is an elastic layer formed by a preheated adhesive, and thermal stress caused by the difference in linear expansion coefficient between the glass scale and the fixing jig Is absorbed by the bending of the elastic layer.
特許文献1に開示された光学式エンコーダによれば、凹部の周面に形成された溝から接着剤を逃がすことができるので有効である。しかしこの構造では、ディスク、接着剤層および回転軸の線膨張係数の差に起因して生じる熱応力が考慮されていない。環境温度が大きく変化したとき、例えば輸送時に環境温度が大きく低下したときには、過大な熱応力が作用してディスクと回転軸との間に剥がれが生じてしまい、温度変化に対する信頼性の点で問題が生じる。 According to the optical encoder disclosed in Patent Document 1, the adhesive can be released from the groove formed on the peripheral surface of the recess, which is effective. However, this structure does not take into account the thermal stress caused by the difference in linear expansion coefficient between the disk, the adhesive layer, and the rotating shaft. When the environmental temperature changes greatly, for example, when the environmental temperature drops significantly during transportation, excessive thermal stress acts and peeling occurs between the disk and the rotating shaft, which is a problem in terms of reliability against temperature changes. Occurs.
一方、特許文献2に開示された接着方法によれば、確かに熱応力は緩和されるものの、接着工程が複雑であり、製造コストが高くなるという問題がある。 On the other hand, according to the bonding method disclosed in Patent Document 2, although the thermal stress is certainly relieved, there is a problem that the bonding process is complicated and the manufacturing cost increases.
また一般に、光学式エンコーダには高い検出精度が求められている。 In general, optical encoders are required to have high detection accuracy.
本発明の目的は、温度変化に対する高い信頼性と高い検出精度を有する、低コストで製造可能な光学式エンコーダおよびその製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide an optical encoder that has high reliability and high detection accuracy with respect to a temperature change and can be manufactured at low cost, and a manufacturing method thereof.
上記目的を達成するために、本発明は、一定の角度範囲内で回転する回転体の回転を検出する光学式エンコーダに関するものである。
この光学式エンコーダは、中空の本体部および本体部から半径方向に延出した座部を有するハブと、この座部に弾性接着剤層を介して接着されたグレーティング板と、このグレーティング板に対して光を照射する投光部と、グレーティング板からの光を受光する受光部とを備える。ハブの座部は、弾性接着剤層が設けられた接着面と、この接着面の外周部の上に設けられてグレーティング板を3点以上の点で支持する1つまたは複数の突起部とを有する。
In order to achieve the above object, the present invention relates to an optical encoder that detects the rotation of a rotating body that rotates within a certain angular range.
This optical encoder includes a hollow main body and a hub having a seat extending in the radial direction from the main body, a grating plate bonded to the seat via an elastic adhesive layer, and the grating plate. A light projecting unit that emits light and a light receiving unit that receives light from the grating plate. The seat portion of the hub includes an adhesive surface provided with an elastic adhesive layer, and one or a plurality of protrusions provided on the outer peripheral portion of the adhesive surface to support the grating plate at three or more points. Have.
この光学式エンコーダは、例えば、接着面の上に弾性接着剤を塗布する工程と、突起部に対してグレーティング板を押し付ける工程と、弾性接着剤を硬化させて弾性接着剤層を形成する工程とを含む方法により製造される。 The optical encoder includes, for example, a step of applying an elastic adhesive on the bonding surface, a step of pressing a grating plate against the protrusion, and a step of curing the elastic adhesive to form an elastic adhesive layer. It is manufactured by the method containing.
好ましくは、接着剤硬化温度での弾性接着剤層の厚さは、弾性接着剤層とグレーティング板との間に作用する引張応力およびせん断応力が、予め測定された引張り接着強さおよびせん断接着強さよりそれぞれ小さくなる範囲内の値である。 Preferably, the thickness of the elastic adhesive layer at the adhesive curing temperature is such that the tensile stress and shear stress acting between the elastic adhesive layer and the grating plate are measured in advance. It is a value within a range smaller than each.
本発明によれば、ハブの座部に対してグレーティング板を接着する際に突起部がグレーティング板を支持し、光学系(投光部および受光部)とグレーティング板との間のギャップを均一にする。これにより、回転時の位置に応じた検出誤差の発生が防止される。
また、本発明の接着構造では、突起部の高さにより弾性接着剤層の厚さが規定される。グレーティング板と弾性接着剤層との間で作用する熱応力(引張応力、せん断応力)は弾性接着剤層の変形により吸収、低減されるところ、突起部の高さを好適な範囲に設定することで、グレーティング板の剥がれを容易かつ確実に防止できる。
また、この光学式エンコーダにおける接着構造と接着工程は、従来のものに比べて非常に単純である。
According to the present invention, when the grating plate is bonded to the seat portion of the hub, the projection portion supports the grating plate, and the gap between the optical system (light projecting portion and light receiving portion) and the grating plate is made uniform. To do. Thereby, generation | occurrence | production of the detection error according to the position at the time of rotation is prevented.
In the adhesive structure of the present invention, the thickness of the elastic adhesive layer is defined by the height of the protrusion. The thermal stress (tensile stress, shear stress) acting between the grating plate and the elastic adhesive layer is absorbed and reduced by the deformation of the elastic adhesive layer, and the height of the protrusion should be set within a suitable range. Thus, peeling of the grating plate can be easily and reliably prevented.
Further, the bonding structure and bonding process in this optical encoder are very simple compared to the conventional one.
以上のようにして、温度変化に対する高い信頼性と高い検出精度を有する、低コストで製造可能な光学式エンコーダおよびその製造方法が実現する。 As described above, an optical encoder that has high reliability with respect to temperature change and high detection accuracy and can be manufactured at low cost and a manufacturing method thereof are realized.
以下、本発明の実施の形態に係る光学式エンコーダについて、図面を参照しながら説明する。各図において、同一または同様の構成部分には同一の符号を付している。また、方向を表す用語「上」、「下」などは、図面中の方向を特定するための便宜的なものであり、装置の設置方向などを限定するものではない。 Hereinafter, an optical encoder according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, the same or similar components are denoted by the same reference numerals. Further, the terms “upper” and “lower” indicating the direction are for the purpose of specifying the direction in the drawing, and do not limit the installation direction of the apparatus.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る光学式エンコーダであって、グレーティング板30の接着前の状態を示す斜視図である。図2は、光学式エンコーダを示す側面図である。
光学式エンコーダ100(以下、単にエンコーダ100と称す)は、シャフト10の回転(回転角度、回転方向)を検出する。エンコーダ100は、グレーティング板30をシャフト10に固定するためのハブ20、表面に光学パターン31が形成されたグレーティング板30、弾性接着剤層40(以下、単に接着剤層40と称す)、投光部50、受光部60を備える。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a perspective view showing the optical encoder according to the first embodiment of the present invention before the
Optical encoder 100 (hereinafter simply referred to as encoder 100) detects the rotation (rotation angle, rotation direction) of
シャフト10は、一定の角度範囲内で回転する回転体の一例であって、例えばサーボモータのシャフトである。シャフト10は、一方向に回転することもあるし、両方向に回転(揺動)することもある。
The
ハブ20は、アルミニウム、ステンレスなどからなる。ハブ20は、シャフト10に挿入されて固定される中空の本体部21と、シャフト10の回転軸(図1に一点鎖線で示す)に対して垂直な半径方向(Y軸方向)に本体部21から延出した座部22とを有する。座部22は、底面23と、平坦な接着面24と、接着面24の上に設けられた複数の突起部25と、位置決め基準面26,27とを有する。接着面24は、底面23から段差を介して上方に位置している。
The
突起部25は3つ以上存在し、グレーティング板30を3点以上の点で支持する。後述するように、複数の突起部25間の距離が大きいほど熱応力(引張応力)が小さくなるので、接着面24の中央部には突起部25を配置せず、接着面24の外周部に突起部25を配置することが好ましい。接着面24のうち、突起部25が設けられていない部分には接着剤層40が存在する。この接着剤層40を介して、グレーティング板30の下面と座部22とが接着されている。また、突起部25は、接着剤層40の厚さに等しい高さを有し、グレーティング板30に接してこれを支持している。座部22の位置決め基準面26,27は、接着面24に対して垂直な方向に立設されている。それゆえ図1では、位置決め基準面26はYZ平面に平行であり、位置決め基準面27はXZ平面に平行である。座部22におけるグレーティング板30のX軸方向、Y軸方向、Z軸方向の位置決めは、それぞれ、位置決め基準面26、位置決め基準面27、突起部25により行われる。
There are three or
接着剤層40を構成する接着剤(弾性接着剤)の例は、シリコン系接着剤、ウレタン系接着剤、アクリル系接着剤などである。特に、熱応力を緩和する観点では、常温で700[MPa]以下のヤング率を有するウレタン系接着剤が好ましく、このウレタン系接着剤を使用することにより、接着面24の中央部におけるグレーティング板30の剥がれを防止できる。
Examples of the adhesive (elastic adhesive) constituting the
投光部50は、レーザダイオード、LED(発光ダイオード)などであり、グレーティング板30に対して光を照射する。受光部60は、フォトダイオードなどの受光素子であり、グレーティング板30から反射された光を受光して光電変換する。投光部50と受光部60は、グレーティング板30の表面に対して同じ側に、この表面から所定のギャップを介して配置されている。すなわち、エンコーダ100は、いわゆる反射型の光学式エンコーダである。
The
次に、図3を用いて、グレーティング板30の構造を説明する。
図3(a)は回転ディスクを示す。回転ディスクは、シャフト10の周囲360度のドーナツ円板であり、中央にシャフト10が通る穴(シャフト穴)32が開いている。図3(b)は、図3(a)に示す回転ディスクから回転角度の一部を切り出したグレーティング板30を示す。グレーティング板30はシャフト穴がない構造であり、その厚さは小さく均一である。図示しているグレーティング板30の形状は長方形であるが、座部22の構成によっては他の形状であってもよく、例えばシャフト穴のない円板であってもよい。
Next, the structure of the
FIG. 3A shows a rotating disk. The rotating disk is a donut disk of 360 degrees around the
グレーティング板30の表面には、光学パターン31が、一定の角度範囲内に、所定間隔で放射状に設けられている。グレーティング板30はガラス板であってもよい。光学パターン31は、アルミニウムなどの金属薄膜を蒸着して形成される。アルミニウムなどの代わりに誘電体多層膜を蒸着させてもよい。
On the surface of the
次に、図4を用いて、ハブ20における突起部25の配置例について説明する。
図4に示すように、ハブ20の接着面24は長方形に近い形状を有するが、長方形の四辺のうち、シャフト10の回転中心から見てY軸方向に遠い位置にある一辺が若干湾曲している。図4(a)では、接着面24の外周部の4箇所に突起部25a〜25dが設けられている。突起部25aと25bは湾曲辺の両隅部に設けられ、突起部25cと25dは湾曲辺に対向する辺の両隅部に設けられている。図4(b)では、接着面24の外周部の3箇所に突起部25a,25b,25eが設けられている。突起部25a,25bについては図4(a)と同様であり、突起部25eについては湾曲辺に対向する辺の中央に設けられている。
Next, the example of arrangement | positioning of the
As shown in FIG. 4, the
本実施形態1での突起部25の配置例によれば、突起部25どうしが接続されておらず、壁を構成していないので、余剰な接着剤が接着面24から底面23へ流れやすく、接着剤層40の厚さをより均一にすることができる。また、接着剤が接着面24の外へ流れやすいので、接着時にグレーティング板30に対する押付け荷重を小さくすることができる。また、複数の突起部25どうしがつながっていないため、グレーティング板30と接着剤層40の接着面積を大きくとって接着強度を向上させることができる。
According to the arrangement example of the
次に、エンコーダ100の動作について簡単に説明する。
投光部50から出射した光は、グレーティング板30の表面の光学パターン31に照射されて反射される。反射された光は、受光部60により受光され、電気信号として検出される。このとき、シャフト10が回転し、これに伴ってハブ20とグレーティング板30が回転すると、受光部60に達して検出される光量が周期的に変化し、これにより電気信号も周期的に変化することになる。それゆえ、この電気信号の変化を測定することにより、シャフト10の回転角度などを検出できる。
Next, the operation of the
The light emitted from the
次に、エンコーダ100の製造方法に含まれる工程S1〜S4について簡単に説明する。
(S1)接着面24に接着剤を塗布する。
(S2)グレーティング板30の端面を位置決め基準面26,27に押し当てた状態で、上側からグレーティング板30に押し付け加重をかけ、突起部25に対してグレーティング板30を押し付ける。これにより、ハブ20の座部22とグレーティング板30とを接着する。
(S3)接着剤を硬化させて接着剤層40を形成する。
(S4)シャフト10にハブ20の本体部21を圧入する。
Next, steps S1 to S4 included in the method for manufacturing the
(S1) An adhesive is applied to the
(S2) With the end face of the
(S3) The
(S4) The
工程S2で、グレーティング板30は、位置決め基準面26,27に押し当てられてX軸方向とY軸方向に位置決めされ、突起部25の上に支持されることによりZ軸方向に位置決めされる。これにより、工程S3の後、接着剤層40の厚さが突起部25の高さに一致することになる。換言すると、接着剤層40の厚さは突起部25の高さにより規定される。工程S2で、余剰な接着剤は、突起部25間の隙間を介して接着面24から底面23に移動する。
In step S <b> 2, the
ここで、光学系(投光部50および受光部60)とグレーティング板30との間のギャップの精度は、座部22に対するグレーティング板30のZ軸方向の位置決め精度に依存する。座部22に対してグレーティング板30がZ軸方向から傾いて接着されてしまうと、光学パターン31が形成されたグレーティング板30の表面が、シャフト10の軸方向に対して精確に直角にならない。それゆえ、回転時の位置に応じて光学系と光学パターン31との間のギャップが変動し、検出誤差が生じてしまう。
Here, the accuracy of the gap between the optical system (the
本実施形態1では、突起部25がグレーティング板30を支持した状態で接着が行われ、さらに余剰な接着剤が接着面24の外へ逃げるように構成されているので、接着剤層40の厚さが均一となって、シャフト10の回転軸方向(Z軸方向)とグレーティング板30の表面とが精確に直交することになる。これにより、光学系とグレーティング板30との間のギャップがグレーティング板30の表面全体にわたって均一になり、回転時の位置に応じた検出誤差が防止される。
In the first embodiment, the bonding is performed in a state in which the protruding
なお、説明した方法では、工程S1〜S3を工程S4の前段で実施したが、後段で実施してもよい。すなわち、シャフト10に対して本体部21を圧入してからグレーティング板30をハブ20に接着してもよい。
In the method described above, steps S1 to S3 are performed before the step S4, but may be performed after the step. That is, the
次に、グレーティング板30と接着剤層40との間で作用する熱応力について検討する。
Next, thermal stress acting between the
エンコーダ100の環境温度は、輸送時などにマイナス数十度程度まで下がることがある一方、モータからの発熱などにより80度程度まで上がることがある。環境温度が、接着剤硬化温度(典型的には25度)からこうした低温側環境温度または高温側環境温度へ変化すると、ハブ20、接着剤層40およびグレーティング板30の線膨張係数の差に起因して熱応力が発生する。
The environmental temperature of the
接着剤層40とハブ20との接着面積は、接着剤層40とグレーティング板30との接着面積よりも大きい。それゆえ、接触する面積がより小さい接着剤層40とグレーティング板30との界面における熱応力に起因して生じる剥がれが問題となる。ここで一般に、熱応力は引張応力(または圧縮応力)とせん断応力とで表される。
The bonding area between the
接着剤層40の厚さが大きい場合、接着剤層40に作用する引張応力(圧縮応力)が大きくなり、引張剥がれが生じることが考えられる。接着剤層40は、高温時にはZ軸方向に膨張し、低温時にはZ軸方向に収縮する。グレーティング板30はZ軸方向に拘束されていないため、高温時の接着剤層40の膨張に対しては自由に変形できる。一方、低温時の接着剤層40の収縮に対しては、突起部25によりグレーティング板30の端が支持されているため、接着剤層40がグレーティング板30を引っ張る力(引張応力)が生じる。すなわち、本実施形態1によれば、高温側環境温度で作用する圧縮応力に起因する剥がれは問題とならない。それゆえ以下では、低温側環境温度で作用する引張応力に起因する剥がれについてのみ検討する。
When the thickness of the
一方、接着剤層40の厚さが小さい場合、接着剤層40に作用するせん断応力が大きくなり、せん断剥がれが生じることが考えられる。ハブ20およびグレーティング30と比較して接着剤層40の縦弾性係数(ヤング率)は小さいため、接着剤層40が変形することになる。この接着剤層40の変形により、せん断応力が緩和される。
On the other hand, when the thickness of the
まとめると、接着剤層40の厚さを好適な範囲内の値とすることで、グレーティング板30と接着剤層40との界面における引張剥がれとせん断剥がれが防止されると考えられる。なお、前述の通り接着剤層40の厚さは突起部25の高さに一致する。
In summary, it is considered that tensile peeling and shear peeling at the interface between the
本発明者らは、被着部材の剥がれが、グレーティング板30と接着剤層40との界面で生じる熱応力(引張応力、せん断応力)に起因していることに着眼した。また、説明しているように、引張応力は、低温側環境温度下でグレーティング板30が撓むことにより引張応力が緩和されることを見出した。さらに、撓み量は微少なため、ギャップ精度に影響を与えないことを見出した。
以下、引張応力とせん断応力に分けて、好適な突起部25の高さの範囲について詳細に検討する。
The inventors noticed that the peeling of the adherend was caused by thermal stress (tensile stress, shear stress) generated at the interface between the
Hereinafter, a suitable range of the height of the
まず、以下のように記号を定義する。
・ΔT[℃]:接着剤硬化温度と低温側環境温度との差
・H0[mm]:突起部25の高さ(Z軸方向の長さ)
・αm[1/℃]:ハブ20の線膨張係数
・L0A[mm]:接着領域内の最大距離
・L0T[mm]:突起部25間の最小距離
・L0TV[mm]:距離L0Tに垂直な直線の接着領域内での距離
・Hg[mm]:グレーティング板30の厚さ(Z軸方向の長さ)
・Eg[MPa]:グレーティング板30の縦弾性係数
・αg[1/℃]:グレーティング板30の線膨張係数
・Ig[mm4]:グレーティング板30の断面2次モーメント
・A0[mm2]:接着剤層40とグレーティング板30の下面との接着面積
・Ea[MPa]:接着剤層40の縦弾性係数
・Ga[MPa]:接着剤層40の横弾性係数
・αa[1/℃]:接着剤層40の線膨張係数
First, symbols are defined as follows.
ΔT [° C.]: Difference between adhesive curing temperature and low temperature environment temperature H 0 [mm]: Height of protrusion 25 (length in the Z-axis direction)
Α m [1 / ° C.] Coefficient of linear expansion of the hub 20 L 0A [mm]: Maximum distance in the bonding area L 0T [mm]: Minimum distance between the protrusions 25 L 0TV [mm]: Distance Distance in the linear adhesion region perpendicular to L0T , H g [mm]: Thickness of the grating plate 30 (length in the Z-axis direction)
E g [MPa]: Longitudinal elastic modulus of the
1.引張応力
低温側環境温度での接着剤層40の収縮に対しては、突起部25によりグレーティング板30の端部が支持されているため、接着剤層40がグレーティング板30を引っ張る力(引張応力)が生じる。接着剤層40の厚さが大きくグレーティング板30の板厚が充分に薄いときには、グレーティング板30が撓むことで引張応力が緩和される。このとき、グレーティング板30の撓み量は微少であるため、ギャップの精度に影響を与えない。すなわち、光学系とグレーティング板30との間には、グレーティング板30の撓みに起因して回転時の位置に応じたギャップの変動が生じるところ、この変動は検出精度にとっては問題にならないレベルである。
1. Tensile stress Since the end portion of the
図5は、接着剤層に作用する引張応力を説明するための図である。
図5(a)は、接着剤硬化温度での接着剤層40の周辺部を示す。接着剤硬化温度は、上記工程S3で接着剤を硬化させる際の温度である。接着剤硬化温度では、接着剤層40の厚さは突起部25の高さ(Z軸方向の長さ)に等しくH0[mm]である。
図5(b)は、低温側環境温度での接着剤層40の周辺部を示す。低温側環境温度では、突起部25の高さはHm[mm]に収縮し、接着剤層40の厚さはHa1[mm]に収縮する。実際には、接着剤層40にはグレーティング板30が接着されているので、グレーティング板30は接着剤層40に引っ張られて撓む。最も撓んだ箇所(本実施形態1では中央部)の接着剤層40の厚さをHa[mm]で示す。Hm[mm]、Ha1[mm]は、それぞれ式(1)、式(2)で表される。
FIG. 5 is a diagram for explaining the tensile stress acting on the adhesive layer.
FIG. 5A shows the periphery of the
FIG.5 (b) shows the peripheral part of the
以下、グレーティング板30と接着剤層40との界面における引張応力の釣り合いを、等分布荷重が作用した両端支持梁により簡略的にモデル化する。
接着面24の長さ(Y軸方向の長さ)L0T[mm]の両端が支持され、接着剤層40に等分布引張荷重w[N/mm]が作用するとする。収縮後の接着剤層40の伸び(Z軸方向)をΔHa[mm]とすると、Ha、Ha1、ΔHaの間の関係は式(3)で表される。
Hereinafter, the balance of the tensile stress at the interface between the
It is assumed that both ends of the length (length in the Y-axis direction) L 0T [mm] of the
グレーティング板30と接着剤層40の界面における引張応力の釣り合いを式(4)に示す。なお、式(4)において、W[N]は接着剤層40に加わる総荷重であり、W[N]=w[N/mm]×L0T[mm]で表される。L0T[mm]は、低温側環境温度で収縮したときの支持部25間の長さL0m[mm]である。L0m[mm]が数十ミリメートル程度以下の場合、L0m[mm]の収縮量はわずかであるため、L0T[mm]をL0m[mm]で近似して問題ない。グレーティング板30の幅(X軸方向の長さ)をL0TV[mm]とする。L0T[mm]と同様に、低温側環境温度での収縮量はわずかであるため、収縮前の長さで近似して問題ない。A0[mm2]は接着面の面積であり、A0[mm2]=L0T[mm]×L0TV[mm]で表される。同様に、A0[mm2]の低温側環境温度での収縮量はわずかであるため、収縮前の面積で近似して問題ない。
The balance of the tensile stress at the interface between the
このモデルでは一般に、グレーティング板30の最大撓み量(Z軸方向)をδ[mm]として、等分布引張荷重w[N/mm]は式(5)で表される。ただし、最大撓み量δ[mm]は、式(6)で表され、グレーティング板30の断面2次モーメントIg[mm4]は式(7)で表される。
In this model, generally, the maximum amount of deflection (Z-axis direction) of the
式(5)と式(6)を式(4)に代入し、ΔHa[mm]について解くと式(8)が得られる。ただし、式(8)中のK1は式(9)で表される。 Substituting Equation (5) and Equation (6) into Equation (4) and solving for ΔH a [mm] yields Equation (8). However, K 1 in the formula (8) is expressed by Equation (9).
接着剤層40に作用する引張応力σ[MPa]は、フックの法則より式(10)で表される。
The tensile stress σ [MPa] acting on the
式(10)から判るように、接着剤層40に作用する引張応力σ[MPa]は突起部25の高さH0[mm]の関数で表され、H0[mm]が大きくなる程大きくなる。なお、式(10)からは、突起部25間の距離L0T[mm]が長いほど引張応力σが小さくなることも判る。
As can be seen from equation (10), a tensile stress acts on the
グレーティング板30が接着剤層40から剥がれないようにするために、引張応力σ[MPa]には、引張り接着強さσc[MPa]より小さい(σ<σc)という条件が課される。引張り接着強さσcは、例えばJISK6849(1994)により測定可能な値である。この条件(σ<σc)に式(10)を代入して、Hgについての不等式(11)が得られる。式(11)を変形して、H0についての不等式(12)が得られる。ただし、式(11)、式(12)中のK2は式(13)で表される。
In order to prevent the
グレーティング板30の厚さHg[mm]が式(11)を満たし、または、突起部25の高さH0[mm]が式(12)を満たす場合には、引張応力に起因してグレーティング板30が接着剤層40から剥がれることがない。
When the thickness H g [mm] of the
なお、式(12)、式(13)の右辺が最も小さくなるときが、Hg[mm]、H0[mm]についての最も厳しい条件である。それゆえ上記の通り、L0T[mm]を「突起部25間の最小距離」と定義し、L0TV[mm]を「距離L0Tに垂直な直線の接着領域内での距離」と定義している。
Incidentally, formula (12), when the right side of equation (13) becomes minimum is, H g [mm], the most severe condition for H 0 [mm]. Therefore, as described above, L 0T [mm] is defined as “minimum distance between the
2.せん断応力
温度変化ΔT[℃]が生じたときには、ハブ20とグレーティング板30はそれぞれ膨張または収縮する。低温側環境温度では、接着面24の長さL0[mm]はL0A[mm]に収縮し、グレーティング板30の裏面の接着剤層40と接する部分の長さ(Y軸方向の長さ)はL0[mm]からLg[mm]に収縮する。L0A[mm]、Lg[mm]は、それぞれ式(14)、式(15)で表される。
2. Shear stress When the temperature change ΔT [° C.] occurs, the
接着剤層40の縦弾性係数はハブ20、グレーティング30の縦弾性係数と比較して小さいため、接着剤層40が変形する。接着剤層40のY軸方向の変形量λ[mm]は、式(16)で表される。
Since the longitudinal elastic modulus of the
温度変化に起因する被着部材の伸び(縮み)によるせん断応力τ[MPa]は、フックの法則に式(16)を代入して式(17)で表される。 The shear stress τ [MPa] due to the elongation (shrinkage) of the adherend due to the temperature change is expressed by the equation (17) by substituting the equation (16) into the Hooke's law.
式(16)から判るように、接着剤層40に作用するせん断応力τ[MPa]は突起部25の高さH0[mm]の関数で表され、H0[mm]が小さくなる程大きくなる。
引張応力の場合と同様に、グレーティング板30が接着剤層40から剥がれないようにするために、せん断応力τ[MPa]には、せん断接着強さτc[MPa]より小さい(τ<τc)という条件が課される。せん断接着強さτcは、例えばJISK6850(1999)により測定可能な値である。この条件(τ<τc)に式(17)を代入して、H0についての不等式(18)が得られる。
As can be seen from equation (16), the shear stress acting on the
As in the case of tensile stress, the shear stress τ [MPa] is smaller than the shear bond strength τ c [MPa] (τ <τ c ) so that the
突起部25の高さH0[mm]が式(18)を満たす場合には、せん断応力に起因してグレーティング板30が接着剤層40から剥がれることがない。
When the height H 0 [mm] of the
なお、式(18)の右辺が最も小さくなるときが、H0[mm]についての最も厳しい条件である。それゆえ上記の通り、L0A[mm]を「接着領域内の最大距離」と定義している。 Note that the time when the right side of Expression (18) is the smallest is the most severe condition for H 0 [mm]. Therefore, as described above, L 0A [mm] is defined as “the maximum distance in the adhesion region”.
以上より、突起部25の高さH0[mm]が式(12)と式(18)を同時に満たす、すなわちH0[mm]が式(19)を満たす場合には、熱応力(引張応力、せん断応力)に起因してグレーティング板30が接着剤層40から剥がれることがない。
From the above, when the height H 0 [mm] of the
(実施例)
一例として、ハブ20の材料にアルミニウムを用い、グレーティング板30の材料にガラスを用い、接着剤層40を構成する接着剤にウレタン系接着剤を用いた場合の、突起部25の高さH0[mm]の好適な範囲を計算した。
(Example)
As an example, the height H 0 of the
典型的な条件を以下に挙げる。
・温度変化量ΔT[℃]=55
・ハブ20の線膨張係数αm[1/℃]=2.3×10−5
・突起部25間の最小距離L0T[mm]=3.0
・距離L0Tに垂直な直線の接着領域内での距離L0TV[mm]=4.0
・接着領域内の最大距離L0A[mm]=5.0
・グレーティング板30の縦弾性係数Eg[MPa]=7.1×104
・グレーティング板30の線膨張係数αg[1/℃]=8.5×10−6
・接着剤層40とグレーティング板30の下面との接着面積A0[mm2]=13
・接着剤層40の縦弾性係数Ea[MPa]=7.0×102
・接着剤層40の横弾性係数Ga[MPa]=2.3×102
・接着剤層40の線膨張係数αa[1/℃]=2.5×10−4
・引張接着強度σc[MPa]=7.0
・せん断接着強度τc[MPa]=16
Typical conditions are listed below.
・ Temperature change ΔT [° C.] = 55
The linear expansion coefficient α m [1 / ° C.] = 2.3 × 10 −5 of the
-Minimum distance L 0T [mm] = 3.0 between the
And distance L 0T a distance L 0TV in adhesion area of the line vertical [mm] = 4.0
・ Maximum distance L 0A [mm] in the adhesion area = 5.0
The longitudinal elastic modulus E g [MPa] = 7.1 × 10 4 of the grating
The linear expansion coefficient α g of the grating plate 30 [1 / ° C.] = 8.5 × 10 −6
-Adhesion area A 0 [mm 2 ] = 13 between the
The longitudinal elastic modulus E a [MPa] of the
The transverse elastic modulus G a [MPa] of the
The linear expansion coefficient α a [1 / ° C.] = 2.5 × 10 −4 of the
・ Tensile bond strength σ c [MPa] = 7.0
Shear bond strength τ c [MPa] = 16
上記値を式(18)に代入すると、突起部25の高さH0[mm]>5.8×10−2が得られる。一例としてH0[mm]=6.0×10−2とし、この値を式(11)に代入すると、グレーティング板30の厚さHg[mm]<2.0が得られた。一例としてHg[mm]=1.5とした。Hg[mm]≦1.5であれば、引張応力が作用したときにグレーティング板30が撓み、引張応力が緩和されるといえる。
By substituting the above value into the equation (18), the height H 0 [mm]> 5.8 × 10 −2 of the
式(10)を基に接着剤層40に作用する引張応力σを算出し、式(17)を基に接着剤層40に作用するせん断応力τを算出し、それぞれ突起部25の高さ(接着剤層40の厚さ)の関数としてプロットしてグラフを作成した。このグラフを図6に示す。
図6から、引張剥がれ、せん断剥がれが生じない突起部25の高さH0[mm]の範囲は、約0.06[mm]〜約0.15[mm]であると判った。また、式(6)を基に算出した最大撓み量δは1.0×10−3[mm]未満であってギャップの精度について無視できる程度の微少な値である。
The tensile stress σ acting on the
From FIG. 6, it was found that the range of the height H 0 [mm] of the
実施の形態2.
図7は、本発明の実施の形態2におけるハブの突起部の配置例を示す平面図である。
本実施形態2は、突起部25の構成が上記実施形態1と異なる。エンコーダ100のその他の構成は実施形態1と同じであり、図面において同一の符号を付して説明を省略する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 7 is a plan view showing an arrangement example of the protrusions of the hub according to the second embodiment of the present invention.
The second embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the
図7(a)は、接着面24の外周部の4箇所に突起部25a〜25dが設けられた図4(a)に対応する。シャフト10の回転中心から見てY軸方向に遠い位置にある(湾曲辺側の)2つの突起部25a,25bがつながって、接着面24の外周部の一部を覆う壁状の突起部25fが形成されている。
FIG. 7A corresponds to FIG. 4A in which the
ここで、グレーティング数が多いほど、エンコーダの分解能を向上させることができる。それゆえ、分解能を向上させる観点では、シャフト10の回転中心から見てY軸方向にできるだけ遠い位置に光学パターン31が形成されることが好ましい。またこのとき、光学系とグレーティング板30との間のギャップの精度を向上させるために、壁状の突起部25fは、光学パターン31にわたって延びてその全域を支持していることが好ましい。
Here, as the number of gratings increases, the resolution of the encoder can be improved. Therefore, from the viewpoint of improving the resolution, it is preferable that the
またここで、作業性を考慮すると、座部22からはみ出る接着剤の量はできるだけ少ないことが望ましい。本実施形態2では、壁状の突起部25fにより接着剤が湾曲辺側に流れにくくなり、座部22からはみ出る接着剤の量を少なくして作業性を向上させることができる。
Here, considering workability, it is desirable that the amount of the adhesive protruding from the
図7(b)では、接着面24の外周部全体を覆う壁状の突起部25gが設けられている。この突起部25gの構造は非常に単純であり、加工が簡単なため低コストで製造可能である。また、図7(b)の構造によれば、図7(a)と同様に、光学系とグレーティング板30との間のギャップの精度を向上させることができる。
In FIG. 7B, a wall-
以上、上記実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、さらに上記実施形態には、種々の変形、改良が加えられてよい。 The present invention has been described with reference to the above embodiment, but the present invention is not limited to this embodiment, and various modifications and improvements may be added to the above embodiment.
例えば、上記実施形態では反射型の光学式エンコーダについて説明したが、本発明はこれに限定されることなく、グレーティング板30に対して投光部50と受光部60とが反対側に位置する透過型の光学式エンコーダであってもよい。この場合、グレーティング板30は、接着面24の外周部から光学パターン31が外側へ飛び出すような形状を有し、またはそのように配置される。これにより、光学パターン31の下面側に座部22が存在しない状態となる。また、投光部50と受光部60は、グレーティング板30の表面に対して反対側に配置される。これにより、投光部50から射出された光は光学パターンを透過して受光部60で検出されることになる。
For example, although the reflection type optical encoder has been described in the above embodiment, the present invention is not limited to this, and the
10 シャフト、 20 ハブ、 21 本体部、 22 座部、 23 底面、 24 接着面、 25(25a〜25g) 突起部、 26,27 位置決め基準面、 30 グレーティング板、 31 光学パターン、 40 弾性接着剤層、 50 投光部、 60 受光部、 100 光学式エンコーダ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
中空の本体部および該本体部から半径方向に延出した座部を有するハブと、
前記座部に弾性接着剤層を介して接着されたグレーティング板と、
前記グレーティング板に対して光を照射する投光部と、
前記グレーティング板からの光を受光する受光部とを備え、
前記座部は、前記弾性接着剤層が設けられた接着面と、該接着面の外周部の上に設けられて前記グレーティング板を3点以上の点で支持する1つまたは複数の突起部とを有することを特徴とする
光学式エンコーダ。 An optical encoder that detects the rotation of a rotating body that rotates within a certain angular range,
A hub having a hollow body and a seat extending radially from the body;
A grating plate bonded to the seat through an elastic adhesive layer;
A light projecting unit that irradiates light to the grating plate;
A light receiving portion for receiving light from the grating plate,
The seat includes an adhesive surface on which the elastic adhesive layer is provided, and one or a plurality of protrusions provided on an outer peripheral portion of the adhesive surface to support the grating plate at three or more points. An optical encoder characterized by comprising:
請求項1に記載の光学式エンコーダ。 The one or more protrusions include a wall-like protrusion that covers at least a part of the outer peripheral portion of the bonding surface.
The optical encoder according to claim 1.
請求項1または2に記載の光学式エンコーダ。 The adhesive surface is located above the bottom surface of the seat,
The optical encoder according to claim 1 or 2.
請求項1から3のいずれか1項に記載の光学式エンコーダ。 The elastic adhesive layer is made of a urethane adhesive,
The optical encoder according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から4のいずれか1項に記載の光学式エンコーダ。 The thickness of the grating plate is 1.5 [mm] or less,
The optical encoder according to any one of claims 1 to 4.
前記接着面の上に弾性接着剤を塗布する工程と、
前記1つまたは複数の突起部に対してグレーティング板を押し付ける工程と、
前記弾性接着剤を硬化させて弾性接着剤層を形成する工程とを含み、
前記1つまたは複数の突起部の高さH0[mm]は、弾性接着剤の硬化温度と低温側環境温度との差ΔT[℃]に応じて変化する、前記弾性接着剤層に作用する引張応力およびせん断応力が、予め測定された引張り接着強さσc[MPa]およびせん断接着強さτc[MPa]よりそれぞれ小さくなる範囲内の値であることを特徴とする
光学式エンコーダの製造方法。 A method for manufacturing the optical encoder according to claim 1,
Applying an elastic adhesive on the adhesive surface;
Pressing a grating plate against the one or more protrusions;
Curing the elastic adhesive to form an elastic adhesive layer,
The height H 0 [mm] of the one or more protrusions acts on the elastic adhesive layer that changes according to the difference ΔT [° C.] between the curing temperature of the elastic adhesive and the low-temperature environment temperature. Production of optical encoder, wherein tensile stress and shear stress are values within a range smaller than the previously measured tensile bond strength σ c [MPa] and shear bond strength τ c [MPa], respectively. Method.
を満たし、
ここで、
ΔT[℃]は、接着剤硬化温度と低温側環境温度との差、
αm[1/℃]は、ハブの線膨張係数、
L0A[mm]は、接着領域内の最大距離、
L0T[mm]は、突起部間の最小距離、
L0TV[mm]は、距離L0Tに垂直な直線の接着領域内での距離、
Hg[mm]は、グレーティング板の厚さ、
Eg[MPa]は、グレーティング板の縦弾性係数、
αg[1/℃]は、グレーティング板の線膨張係数、
A0[mm2]は、接着剤層とグレーティング板の下面との接着面積、
Ea[MPa]は、接着剤層の縦弾性係数、
Ga[MPa]は、接着剤層の横弾性係数、
αa[1/℃]は、接着剤層の線膨張係数であることを特徴とする、
請求項6に記載の光学式エンコーダの製造方法。 The height H 0 [mm] of the one or more protrusions is expressed by the following formulas (1) and (2).
The filling,
here,
ΔT [° C.] is the difference between the adhesive curing temperature and the low-temperature environment temperature,
α m [1 / ° C] is the linear expansion coefficient of the hub,
L 0A [mm] is the maximum distance in the bonded area,
L 0T [mm] is the minimum distance between the protrusions,
L 0TV [mm] is a distance in a straight adhesion region perpendicular to the distance L 0T ,
H g [mm] is the thickness of the grating plate,
E g [MPa] is the longitudinal elastic modulus of the grating plate,
α g [1 / ° C.] is the coefficient of linear expansion of the grating plate,
A 0 [mm 2 ] is an adhesion area between the adhesive layer and the lower surface of the grating plate,
E a [MPa] is the longitudinal elastic modulus of the adhesive layer,
G a [MPa] is the transverse elastic modulus of the adhesive layer,
α a [1 / ° C.] is a linear expansion coefficient of the adhesive layer,
A method for manufacturing the optical encoder according to claim 6.
前記1つまたは複数の突起部に対してグレーティング板を押し付ける工程では、前記グレーティング板の端面を位置決め基準面に押し当てた状態でグレーティング板を押し付けることを特徴とする、
請求項6または7に記載の光学式エンコーダの製造方法。 The seat has a positioning reference surface that is erected in a direction perpendicular to the adhesive surface;
In the step of pressing the grating plate against the one or more protrusions, the grating plate is pressed in a state where an end surface of the grating plate is pressed against a positioning reference surface,
A method for manufacturing the optical encoder according to claim 6 or 7.
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