JP2020030157A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化できるエンコーダを提供する。【解決手段】エンコーダ１０は、測定対象物と一緒に回転するシャフト１２と、シャフト１２の一端側に設けられ、シャフト１２の回転角度の変位を検出するためのパターンが形成された回転部材１４と、回転部材１４と対向するように配置され、回転部材１４の変位を測定する回路基板１８と、シャフト１２と一緒に回転する磁石１６と、磁石１６の回転によって電力を発電する発電素子２０と、を備える。磁石１６は、回転部材１４に形成された貫通孔１５を貫通するように設けられ、発電素子２０は、回路基板１８の回転部材１４側の面とは、反対側の面に設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、シャフトの回転角度を検出するエンコーダに関する。

特許文献１には、回路基板と回転ディスク（回転部材）とが互いに対向して配置されたエンコーダが開示されている。このエンコーダでは、回路基板の回転ディスク側の面とは反対側の面に発電装置が搭載され、回転ディスクの回路基板側の面に永久磁石が搭載されている。

特開２００８−１４７９９号公報

特許文献１では、薄型化が困難な永久磁石が回転ディスクの回路基板側の面に搭載されるので、回転ディスクと回路基板との間隔を大きくする必要があり、エンコーダを薄型化できない問題があった。

そこで、本発明は、薄型化できるエンコーダを提供することを目的とする。

本発明は、測定対象物と一緒に回転するシャフトと、前記シャフトの一端側に設けられ、前記シャフトの回転角度の変位を検出するためのパターンが形成された回転部材と、前記回転部材と対向するように配置され、前記回転部材の変位を測定する回路基板と、を備える、エンコーダであって、前記シャフトと一緒に回転する磁石と、前記磁石の回転によって電力を発電する発電素子と、を備え、前記磁石は、前記回転部材に形成された貫通孔を貫通するように設けられ、前記発電素子は、前記回路基板の回転部材側の面とは、反対側の面に設けられている、エンコーダである。

本発明によれば、エンコーダを薄型化できる。

本発明の実施の形態に係るエンコーダの構成の一例を示す縦断面図である。 実施の形態に係るエンコーダにおけるシャフトに対する回転部材及び磁石の接合構造を説明するための図である。 図３Ａは、比較例１のエンコーダの構成を示す図である。図３Ｂは、比較例２のエンコーダの構成を示す図である。図３Ｃは、比較例３のエンコーダの構成を示す図である。 変形例２のエンコーダにおけるシャフト、回転部材、磁石及び非磁性体を示す図である。 変形例３のエンコーダにおけるシャフト、回転部材、磁石及び非磁性体を示す図である。

本発明に係るエンコーダについて、好適な実施の形態を掲げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。

〔実施の形態〕
図１は、エンコーダ１０の構成の一例を示す縦断面図である。エンコーダ１０は、シャフト１２の回転角度を光学的に検出するロータリーエンコーダである。以下、図１等に示されるようにシャフト１２が延びる方向をＺ方向として説明する。なお、図１に示すＺ方向の矢印が指す方向を＋Ｚ方向、矢印が指す方向と逆の方向を−Ｚ方向と呼ぶ場合がある。

エンコーダ１０は、図１に示されるように、シャフト１２、回転部材１４、磁石１６、回路基板１８、発電素子２０、光照射部２２及び受光部２４を備えている。

シャフト１２は、不図示のハウジングにベアリングを介して回転可能に支持されている。シャフト１２は、測定対象物に連結され該測定対象物と一緒に回転する。これにより、エンコーダ１０は、測定対象物の回転角度を検出することができる。シャフト１２の一端側（＋Ｚ方向側）には、凹部１３が形成されている。詳述すると、凹部１３は、シャフト１２の＋Ｚ方向側の端面の、シャフト１２の回転軸線上の位置に形成されている。凹部１３の中心は、シャフト１２の回転軸線上にあることが好ましい。ここでは、シャフト１２は、磁性体からなる。

回転部材１４には、シャフト１２の回転角度の変位を検出するための光学パターン（パターン）が形成されている。回転部材１４は、シャフト１２の一端側（＋Ｚ方向側）に設けられている。回転部材１４は、円板形状を有する。回転部材１４は、シャフト１２と同軸になるようにシャフト１２に固定されている。回転部材１４は、シャフト１２と共にシャフト１２の回転軸線回りに回転する。回転部材１４には、シャフト１２の回転軸線上に貫通孔１５が形成されている。貫通孔１５の中心は、シャフト１２の回転軸線上にあることが好ましい。回転部材１４の貫通孔１５の周囲部とシャフト１２の＋Ｚ方向側の端面の凹部１３の周囲部とが接触している。

なお、上記光学パターンは、回転部材１４の外周部に形成された、シャフト１２の回転角度を検出するためのパターンである。この光学パターンは、シャフト１２の回転軸線回り（Ｚ方向回り）に交互に並ぶ光通過部と遮光部を含む。光通過部としては、例えばスリット等が挙げられる。

磁石１６は、永久磁石である。磁石１６は、貫通孔１５を貫通するように設けられている。詳述すると、磁石１６は、貫通孔１５に挿通され、且つ、嵌合している。磁石１６は、シャフト１２の回転軸線上に設置されている。磁石１６は、回転部材１４からシャフト１２側（−Ｚ方向側）に向けて突出した部分が凹部１３に収容されている（詳しくは嵌合している）。すなわち、磁石１６は、貫通孔１５及び凹部１３に嵌合した状態でシャフト１２に固定されている。これにより、磁石１６は、シャフト１２と一緒に回転する。なお、磁石１６の＋Ｚ方向側の端部は、回転部材１４から＋Ｚ方向側に向けて突出している。

このように、磁石１６と凹部１３が嵌合することにより、磁石１６とシャフト１２の芯出しがなされる。凹部１３に嵌め込まれた磁石１６と貫通孔１５が嵌合することにより、回転部材１４とシャフト１２の芯出しがなされる。

なお、回転部材１４とシャフト１２の芯出しをした後に、磁石１６を貫通孔１５に嵌合させて、磁石１６とシャフト１２の芯出しをするようにしてもよい。先に回転部材１４とシャフト１２の芯出しをすることで、回転部材１４は、磁石１６と凹部１３との嵌合の隙間による誤差の影響を受けない。このため、磁石１６と凹部１３の嵌合の隙間を大きく取ることができて組み立てが容易になる。すなわち、磁石１６は貫通孔１５との嵌合によってシャフト１２との芯出しがなされるので、磁石１６と凹部１３の嵌合の隙間をより大きく取ることができる。

回路基板１８は、回転部材１４と対向するように配置され、回転部材１４の変位を測定する。回路基板１８は、回転部材１４の＋Ｚ方向側で、Ｚ方向に略直交するように配置されている。回路基板１８の＋Ｚ方向側の面上に、信号処理部２６と、光照射部２２及び受光部２４を駆動するドライバ回路２３とが設けられている。

光照射部２２は、例えば発光ダイオード等の発光素子を含む。光照射部２２は、回転部材１４における光学パターンの−Ｚ方向側に配置されている。光照射部２２は、射出方向が＋Ｚ方向となるように不図示のハウジングに固定されている。ドライバ回路２３は、エンコーダ１０の検出動作中、光照射部２２の発光素子を絶えず発光させる。

受光部２４は、例えばフォトダイオード等の受光素子を含む。受光部２４は、回転部材１４における光学パターンの＋Ｚ方向側に配置されている。つまり、光照射部２２と受光部２４は、回転部材１４の光学パターンを挟むように配置されている。受光部２４は、回路基板１８の−Ｚ方向側の面上に設けられている。

受光部２４は、光照射部２２から射出され上記光学パターンを通過した光を受光する。受光部２４は、受光により得られた信号を信号処理部２６に出力する。

信号処理部２６は、受光部２４からの信号に基づいて、シャフト１２の回転角度を検出する。

発電素子２０は、回路基板１８の＋Ｚ方向側の面上であって、シャフト１２の回転軸線上に設けられている。発電素子２０は、磁石１６が発生させる磁界内の位置に配置されている。発電素子２０は、コイルを有し、磁石１６の回転によって電力を発電する。発電素子２０と磁石１６との間隔が小さいほど、発電素子２０のコイルを通る磁束密度が大きくなるので、発電素子２０が発電する電力が大きくなる。エンコーダ１０へ電力を供給する主電源がオフの場合に、測定対象物が回転してシャフト１２が回転した場合であっても、発電素子２０が電力を発電する。したがって、発電素子２０が発生させた電力を用いて、信号処理部２６及びドライバ回路２３を駆動することができる。これにより、エンコーダ１０は、主電源がオフのときも、シャフト１２の回転角度を検出することができる。

以下に、図２を参照して、シャフト１２に対する磁石１６及び回転部材１４の接合構造について詳しく説明する。凹部１３は、磁石１６を位置決めするための基準穴１９と、開口部側において基準穴１９より径の大きい接着剤溜まり２１とを有する。接着剤溜まり２１は、接着剤を溜める（入れる）ためのものである。接着剤溜まり２１の径は、貫通孔１５の径より大きい。この接着剤溜まり２１に溜まった接着剤によって、磁石１６と回転部材１４とシャフト１２とが互いに接着される。

接合の手順の一例を簡単に述べる。最初に、磁石１６を基準穴１９に挿入する（嵌め込む）。次に、接着剤溜まり２１に接着剤を注入する（充填する）。このとき、接着剤溜まり２１内の接着剤が磁石１６の外周に接触する。最後に、磁石１６の接着剤溜まり２１から回路基板１８側（＋Ｚ方向側）に突き出た部分を貫通孔１５に挿通して回転部材１４の貫通孔１５の周囲部をシャフト１２の＋Ｚ方向側の端面に突き当てる。このとき、接着剤溜まり２１内の接着剤が回転部材１４の貫通孔１５の周囲部に接触する。このようにして、シャフト１２に対して磁石１６及び回転部材１４が接合される。

接合の手順の別の例を簡単に述べる。最初に、回転部材１４の貫通孔１５の周囲部を、回転部材１４の中心がシャフト１２の中心に一致するようにシャフト１２の＋Ｚ方向側の端面に突き当てる。次に、磁石１６を貫通孔１５及び基準穴１９に挿入する。最後に、接着剤溜まり２１に接着剤を注入する。このとき、接着剤溜まり２１内の接着剤が回転部材１４の貫通孔１５の周囲部及び磁石１６の外周に接触する。このようにして、シャフト１２に対して磁石１６及び回転部材１４が接合される。なお、接着剤の注入は、例えば貫通孔１５と磁石１６との隙間を利用してもよいし、シャフト１２に接着剤注入用の経路を形成して該経路を利用してもよい。

以下に、比較例（従来例）のエンコーダの構成及びその問題点について説明する。

図３Ａに示される比較例１のエンコーダ１００では、発電素子１０２が回路基板１０４の−Ｚ方向側の面上に設けられ、且つ、磁石１０８がシャフト１１０に埋没状態で設けられている。発電素子１０２は薄型化が困難なため、比較例１では、回路基板１０４と回転部材１０６との間隔を大きくする必要があり、エンコーダ１００が厚型化していた。回路基板１０４と回転部材１０６との間隔を大きくすると、回転部材１０６に形成された光学パターンを介した光の広がり角が大きくなるので、受光素子１１２を大型化する必要もある。比較例１では、磁性体からなるシャフト１１０に磁石１０８が埋没しているので、磁石１０８が発生させる磁界にシャフト１１０が与える影響が大きくなる。

図３Ｂに示される比較例２のエンコーダ２００では、磁石１０８が回転部材１０６の＋Ｚ方向側の面上に設けられ、且つ、発電素子１０２が回路基板１０４の＋Ｚ方向側の面上に設けられている。磁石１０８は検出に必要な磁界を発生させる必要があり薄型化が困難なため、比較例２では、回路基板１０４と回転部材１０６との間隔を大きくする必要があり、エンコーダ２００が厚型化していた。回路基板１０４と回転部材１０６との間隔を大きくすると、回路基板１０４に形成された光学パターンを介した光の広がり角が大きくなるので、受光素子１１２を大型化する必要もある。

図３Ｃに示される比較例３のエンコーダ３００では、発電素子１０２が回路基板１０４の＋Ｚ方向側の面上に設けられ、且つ、磁石１０８がシャフト１１０に埋没状態で設けられている。比較例３では、発電素子１０２と磁石１０８との距離が長くなり、発電素子１０２が発生させる電力が低下したり、その低下を抑制するために磁石１０８を大型化する必要がある。さらに、比較例３では、磁性体からなるシャフト１１０に磁石１０８が埋没しているので、磁石１０８が発生させる磁界にシャフト１１０が与える影響が大きくなる。

本実施の形態では、発電素子２０が回路基板１８の＋Ｚ方向側の面上に配置され、且つ、磁石１６が回転部材１４の貫通孔１５に挿通されている。これにより、磁石１６が発生させる磁界にシャフト１２が与える影響を小さくしつつ、回路基板１８と回転部材１４との間隔を小さくできる。すなわち、磁石１６が発生させる磁界にシャフト１２が与える影響を小さくしつつ、エンコーダ１０の薄型化を図ることができる。

［変形例］
上記実施の形態で説明したエンコーダ１０の構成は、適宜変更可能である。

（変形例１）
上記実施の形態では、磁石１６は貫通孔１５に嵌合しているが、嵌合しなくてもよい。要は、磁石１６が貫通するような貫通孔１５を形成すればよい。つまり、貫通孔１５の径を磁石１６の径より大きくしてもよい。磁石１６が貫通孔１５に嵌合しない場合には、回転部材１４の貫通孔１５を磁石１６が貫通する状態で磁石１６及び回転部材１４をシャフト１２に載せて、磁石１６と貫通孔１５の側面との隙間から接着剤を注入することができる。

（変形例２）
例えば図４に示される変形例２のエンコーダ１０Ａのように、凹部１３の底面に基準穴１９より径の小さい凹部２５を形成し、該凹部２５に非磁性体３０を配置してもよい。すなわち、磁石１６の回路基板１８と反対側（−Ｚ方向側）に、磁石１６に接触する非磁性体３０が配置されてもよい。この場合、磁性体であるシャフト１２Ｂが、磁石１６が発生させる磁界に及ぼす影響をさらに低減することができる。

（変形例３）
例えば図５に示される変形例３のエンコーダ１０Ｂのように、シャフト１２Ｃの＋Ｚ方向側の端部の内周側の部分を非磁性体３５で構成してもよい。シャフト１２Ｃの非磁性体３５以外の部分は磁性体からなる。非磁性体３５には、磁石１６の貫通孔１５から−Ｚ方向側に突き出た部分が収容される凹部１３が形成されている。この場合、磁性体であるシャフト１２Ｃが、磁石１６が発生させる磁界に及ぼす影響を格段に低減することができる。なお、凹部１３は、磁石１６を位置決めするための基準穴１９と、開口部側において基準穴１９より径の大きい接着剤溜まり２１とを有する。

（変形例４）
シャフト１２と共に磁石１６が回転すると、磁石１６の磁界の向きが変化し、その変化に応じて、発電素子２０から出力される電圧信号の位相が変化する。そこで、変形例４では、発電素子２０の出力信号（電圧信号）を信号処理部２６に送り、信号処理部２６は、発電素子２０の出力信号に基づいてシャフト１２の回転数を検出する。詳述すると、信号処理部２６に内蔵されたメモリに、シャフト１２（磁石１６）が１回転する間の発電素子２０の出力信号の位相変化パターンを予め記憶させる。信号処理部２６は、その位相変化パターンの繰り返し回数をカウントすることにより、シャフト１２の回転数を検出することができる。

（変形例５）
上記実施の形態及び各変形例で説明したシャフト１２、１２Ｂ、１２Ｃの回転角度を光学的に検出する構成は、適宜変更可能である。例えば、複数の光通過部を含む光通過型の光学パターンが形成された回転部材１４に代えて、複数の反射部（ミラー部）を含む光反射型の光学パターンが形成された回転部材を用いてもよい。この場合、光照射部２２を回路基板１８の−Ｚ方向側の面上に配置し、該光照射部２２から射出され光学パターンの反射部で反射された光を回路基板１８の−Ｚ方向側の面上に配置された受光部２４で受光することができる。

（変形例６）
上記実施の形態及び各変形例では、シャフト１２、１２Ｂ、１２Ｃの回転角度を光学的に検出しているが、これに限らない。例えばシャフト１２、１２Ｂ、１２Ｃの回転角度を磁気的に検出してもよい。

（変形例７）
変形例１〜６を矛盾しない範囲内で任意に組み合わせてもよい。

［実施の形態及び変形例１〜７から把握しうる発明］
本発明は、エンコーダ（１０、１０Ａ、１０Ｂ）であって、測定対象物と一緒に回転するシャフト（１２、１２Ｂ、１２Ｃ）と、シャフト（１２、１２Ｂ、１２Ｃ）の一端側に設けられ、シャフト（１２、１２Ｂ、１２Ｃ）の回転角度の変位を検出するためのパターンが形成された回転部材（１４）と、回転部材（１４）と対向するように配置され、回転部材（１４）の変位を測定する回路基板（１８）と、を備える。エンコーダ（１０、１０Ａ、１０Ｂ）は、シャフト（１２、１２Ｂ、１２Ｃ）と一緒に回転する磁石（１６）と、磁石（１６）の回転によって電力を発電する発電素子（２０）と、をさらに備える。磁石（１６）は、回転部材（１４）に形成された貫通孔（１５）を貫通するように設けられ、発電素子（２０）は、回路基板（１８）の回転部材（１４）側の面とは、反対側の面に設けられている。

これにより、発電素子（２０）と磁石（１６）との距離を短くすると共に、回転部材（１４）と回路基板（１８）との距離を短くすることができる。この結果、エンコーダ（１０）を薄型化できる。

シャフト（１２、１２Ｂ、１２Ｃ）の一端側には、回転部材（１４）からシャフト（１２、１２Ｂ、１２Ｃ）側に向けて突出した磁石（１６）を収容する凹部（１３）が形成されていてもよい。これにより、磁石（１６）をシャフト（１２、１２Ｂ、１２Ｃ）に強固に固定できる。

凹部（１３）は、磁石（１６）及び回転部材（１４）をシャフト（１２、１２Ｂ、１２Ｃ）に接続するための接着剤が入る接着剤溜まり（２１）を有し、接着剤溜まり（２１）に溜まった接着剤によって、磁石（１６）及び回転部材（１４）がシャフト（１２、１２Ｂ、１２Ｃ）に接着されていてもよい。これにより、磁石（１６）及び回転部材（１４）をシャフト（１２、１２Ｂ、１２Ｃ）に対して突き当てた状態で接着することができる。

凹部（１３）は、磁石（１６）を位置決めするための基準穴（１９）と、開口部側において基準穴（１９）より径の大きい接着剤溜まり（２１）とを有し、貫通孔（１５）の径は、接着剤溜まり（２１）の径より小さくてもよい。これにより、磁石（１６）をシャフト（１２、１２Ｂ、１２Ｃ）に対して簡単に位置決めすることができ、且つ、磁石（１６）及び回転部材（１４）をシャフト（１２、１２Ｂ、１２Ｃ）に対して確実に接着することができる。

シャフト（１２、１２Ｂ）は、磁性体であってもよい。これにより、シャフト（１２、１２Ｂ）に磁石（１６）を埋没させる場合に比べて、磁石（１６）が発生させる磁界にシャフト（１２、１２Ｂ）が与える影響を小さくできる。

磁石（１６）の回路基板（１８）と反対側には、磁石（１６）に接触する非磁性体（３０、３５）が配置されてもよい。これにより、磁性体からなるシャフト（１２Ｂ、１２Ｃ）が、磁石（１６）が発生させる磁界に及ぼす影響を低減することができる。

発電素子（２０）及び磁石（１６）は、シャフト（１２、１２Ｂ、１２Ｃ）の回転軸線上に設置されていてもよい。これにより、発電素子（２０）による発電効率を向上させることができる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ…エンコーダ １２、１２Ｂ、１２Ｃ…シャフト
１３…凹部 １４…回転部材
１５…貫通孔 １６…磁石
１８…回路基板 １９…基準穴
２０…発電素子 ２１…接着剤溜まり
３０、３５…非磁性体

Claims (7)

1. 測定対象物と一緒に回転するシャフトと、
   前記シャフトの一端側に設けられ、前記シャフトの回転角度の変位を検出するためのパターンが形成された回転部材と、
   前記回転部材と対向するように配置され、前記回転部材の変位を測定する回路基板と、
   を備える、エンコーダであって、
   前記シャフトと一緒に回転する磁石と、
   前記磁石の回転によって電力を発電する発電素子と、
   を備え、
   前記磁石は、前記回転部材に形成された貫通孔を貫通するように設けられ、
   前記発電素子は、前記回路基板の回転部材側の面とは、反対側の面に設けられている、エンコーダ。
2. 請求項１に記載のエンコーダであって、
   前記シャフトの前記一端側には、前記回転部材から前記シャフト側に向けて突出した前記磁石を収容する凹部が形成されている、エンコーダ。
3. 請求項２に記載のエンコーダであって、
   前記凹部は、前記磁石及び前記回転部材を前記シャフトに接続するための接着剤が入る接着剤溜まりを有し、
   前記接着剤溜まりに溜まった接着剤によって、前記磁石及び前記回転部材が前記シャフトに接着されている、エンコーダ。
4. 請求項２又は３に記載のエンコーダであって、
   前記凹部は、前記磁石を位置決めするための基準穴と、開口部側において前記基準穴より径の大きい前記接着剤溜まりとを有し、
   前記貫通孔の径は、前記接着剤溜まりの径より小さい、エンコーダ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンコーダであって、
   前記シャフトは、磁性体である、エンコーダ。
6. 請求項５に記載のエンコーダであって、
   前記磁石の前記回路基板と反対側には、前記磁石に接触する非磁性体が配置される、エンコーダ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のエンコーダであって、
   前記発電素子及び前記磁石は、前記シャフトの回転軸線上に設置されている、エンコーダ。

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