JP3730232B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばモータの回転軸等に結合されて使用される光学式エンコーダに関し、更に詳しく言えば、樹脂材料を材質に用いたコード板を使用する光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高精度が要求される光学式エンコーダのコード板には、透明ガラスにクロム蒸着・エッチングによるパターンを形成したものが使用されてきた。しかし、近年は、成形・転写技術の向上により、ガラス材料に代わって無色で透明な光学用樹脂が使用される傾向が強まっている。これは、一般に樹脂材料がガラスに比べて成形が容易で量産性にすぐれ、コスト的に有利であることが主な理由である。透明樹脂を用いたコード板の構造には種々のものが知られており、その一例を図１に示した。
【０００３】
同図に示すように、樹脂製のコード板のコードパターンは、光源部（図示省略）から供給される光をそのまま透過させる透過部として平坦部を持ち、非透過部（反射部）としてＶ溝列部を有している。Ｖ溝列部の各Ｖ溝は、コード板の内部側から入射した光が全反射するような傾斜角度を持つように形成されている。このようなコードパターンを持つ樹脂製のコード板は、透過光・反射光いずれを検出部で検出するタイプの光学式エンコーダにおいても使用可能である。透過光を検出部で検出するケースでは、透過光によりいわゆる「明部」が形成され、Ｖ溝列部（反射部）に対応していわゆる「暗部」が形成されることになる。また、反射光を検出部で検出するケースでは、その逆で、反射光によりいわゆる「明部」が形成され、透光部に対応していわゆる「暗部」が形成されることになる。
【０００４】
検出に用いられる光を発する光源としては、主として赤外ＬＥＤが使用され、それに応じて検出用受光素子としては波長８００〜１０００nm程度の赤外光で高い感度を有するものが便用される。そして、透明樹脂としては、通常、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などが用いられている。これらの材料は、後述するように、青色〜赤外光にいたる広い波長領域で高い分光透過率を有し、実質的に無色透明であり、また、成形転写性にも優れている。このような材料特性は、これら材料が、樹脂コード板だけでなく、ＣＤやＤＶＤなどの光学ディスクあるいは光学レンズ等の光学部品の材料として幅広く使用される理由ともなっている。
【０００５】
しかし、ポリメチルメタクリレートやポリカーボネートなど、従来よりコード板の材質に用いられている樹脂には、耐熱性、耐油性（油性物質に対する耐性）に大きな難点がある。光学式エンコーダの最も一般的な適用個所である産業用のモータの回転軸周辺は、かなりの高温になり易く、また、高温蒸気や切削油などが触れるおそれもあるため、この難点は無視できない。ポリメチルメタクリレート製あるいはポリカーボネート製のコード板をこのような厳しい環境下で使用すると、高温蒸気や切削油による表面相の変質・白濁が起ったり、表面が溶解してＶ溝の表面形状が変化し、十分な明暗コントラストが得られなくなる等の問題が生じるからである。
【０００６】
樹脂製のコード板を用いた光学式エンコーダの開示例としては、例えば下記特許文献１〜特許文献４がある。特許文献１には、回転円板（コード板）の変形を防止するために、プラスチック樹脂を基材とした透明な２つのフィルム円板を張合わせ、一方の面に感光材料を塗布して円周方向に複数のスリットを有するスリット面を形成し、他方の面には、スリット面と同一の材料からなる透明面を形成した回転円板が開示されている。
【０００７】
特許文献２には、光を透過する合成樹脂製の板上に複数の凹凸を設け、前記凹部を光を透過しない物体で埋めた構造を持つコード板を採用したロータリエンコーダが開示されている。また、特許文献３には、プラスチック成形によりレンズ要素配列からなる変換部（コードパターン）を形成したコード板が開示されている。更に、特許文献４には、互いに異なる光路をもつ第１種の出力光と第２種の出力光を生成するために第１種と第２種の帯状領域に区分けされ、少なくともいずれかの領域に光路変更機能を持たせたアクリル樹脂製のコード板が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−２７０１８５号公報
【特許文献２】
特開平１０−１７０３０８号公報
【特許文献３】
特開平１０−２３９１０８号公報
【特許文献４】
特開平１１−２０１７７９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例のいずれもコード板の構成材料にプラスチックを使用するものであるが、有色の樹脂材料を使用することについては記載がない。これは、従来技術の水準では、検出光の波長について十分な分光透過率を有する限り有色であっても構わないということに気付いておらず、光学式エンコーダのコード板に用いる材料は当然無色透明であるべきであるという常識が存在していたことを意味する。その結果として、高温蒸気や切削油等に強い耐性を有する材料を自由に選択し得ていなかった。
【００１０】
上記特許文献１では、変形に対する対策は一応とられているが、検出光の波長について十分な分光透過率を有すれば着色していても構わないという考え方には立っておらず、２枚張り合わせ構造で問題を解決しようとしている。しかし、このような張り合わせ構造は、コスト面で有利ではなく、また、張り合わせ部が剥がれてくるということも起り得る。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、光学式エンコーダのコード板に用いる材料は無色透明であるべきであるという常識的な枠に縛られずに樹脂材料の選択を行えるようにして、光学式エンコーダのコード板（特に、そのコードパターン）に、高温蒸気や切削油等に優れた耐性を持つ材料を自由に採用できるようにすることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、検出のための光源部、受光部及びコード板を備えた光学式エンコーダについて、樹脂材料で構成された透光部と非透光部からなるコードパターンを設け、同樹脂材料の材料に関し、コードパターンの透光部において、検出に使用する波長の光に対して７０％以上の分光透過率を有するとともに、検出に使用する波長とは異なる波長を有し且つ可視波長領域に属する光の少なくとも一部に対し、５０％以下の分光透過率を有しているという条件で選択を行なうことで上記課題を解決したものである。
【００１３】
ここで、検出に使用する波長の光は、典型的には赤外光である。また、５０％以下の分光透過率は例えば青色の可視光について成立する。具体的な材料としては、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、もしくはポリフェニルサルホンを選択することができる。これら材料は、８００〜１０００nmの領域で高い分光透過率を示し、且つ、高温蒸気や切削油等に優れた耐性を有している。
【００１４】
但し、その成形品を肉眼で観察すると、飴色に黄ばんで見え、従来は上記のような常識にとらわれていたために、採用候補の圏外に位置していたものである。このような一見、精密さを要求される光学部品には適さないと思われる性質を有していても、上記条件を満たせば支障はなく、材料選択の幅を拡げ、現実に上記のような、耐環境性に優れた具体的な材料（ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、もしくはポリフェニルサルホン）の採用が可能になるという点に、本発明の重要な意義がある。
【００１５】
なお、本発明で、「検出光に対して７０％以上の分光透過率」を指定したのは、実用上好適な検出光に対する分光透過率の条件を選択したものである。また、「検出に使用する波長とは異なる波長を有し且つ可視波長領域に属する光の少なくとも一部に対し、５０％以下の分光透過率」を指定したのは、「例えば黄ばんでいても良い」とする趣旨による。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明が適用される光学式エンコーダの概略構造の一例を示す図である。同図に示すように、本例の光学式エンコーダは、基本構成要素として、コード板１、回転軸２、固定スリット３、受光部４並びに光源部５を備えたロータリエンコーダである。光源部５には、１個または２個以上の発光素子の他、必要に応じてビーム平行化のためのレンズなどが組み込まれている。発光素子として、ここでは８００nm〜１０００nmの領域に発光波長を持つ赤外ＬＥＤが採用されている。コード板１は、後述する態様のコードパターンを有し、回転軸２に取り付けられたコード板１は、このコードパターンが発光部５と受光部４の間に常時介挿されるような位置関係で配置される。
【００１７】
発光部５から供給されるこの赤外光は、受光部４に至る光路中に介在するコード板１のコードパターンで変調され、固定スリット３を通過して受光部４で検出され、周知の電気回路（図示省略）で処理され、モータ等の回転位置あるいは回転速度の検出に利用される。
【００１８】
図３は、図２に示した光学式エンコーダで使用されるコード板１のコードパターンを、固定スリット３並びに受光部４とともに示した部分断面図である。コード板１は、コードパターン１１を含む全体が、肉眼で観察して有色の樹脂材料、例えばポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、もしくはポリフェニルサルホンで構成され、同図に示したように、コードパターン１１には、コード板１の周方向に沿うように、所定のコードパターンに従って、非透光部（遮光部）１２と透光部１３が形成されている。
【００１９】
コードパターン１１は、周期的に非透光部（遮光部）１２と透光部１３を交番的に繰り返す部分を有している。固定スリット部３は、例えば基板３１上に遮光層３２を所定ピッチで形成して、その間を透光開口部３３としたものである。受光部４には、開口部３３に対応して、検出光（ここでは赤外光）に検出感度を有する検出素子４２が受光部４の基板４１上に設けられている。
【００２０】
光源部５から出射された検出光（ここでは赤外光）Ｌの内、コード板１の透光部１３を通過した成分は、コード板１を離れ、固定スリット部３の開口部３３を通り、各検出素子４２で検出され、電気信号に変換される。
【００２１】
コードパターン１１の非透光部（反射部）１２は、図３中に符号１２ａ（太線）で示した表面部分に、図１で示したと同様のＶ字溝を多数形成された形態を有している。図４はその様子を示すために、コードパターン１１の一部を抽出して示した断面図である。同図に示したように、コードパターン１１の透光部１３は表裏両面を平坦面とした部分で構成される一方、非透光部（反射部）１２は、検出光が入力される面とは反対側の面に多数のＶ字状の溝列１２ａを形成した部分で構成される。
【００２２】
各溝列１２ａの断面形状は、突起部に形成される各プリズム列の頂角θが、そこに内部入射した検出光がほぼ全反射されるように設計される。その具体的な条件は、周知の光学基礎理論により、（９０゜−θ／２）＞θc となる。ここで、θc は、非透光部（反射部）１２の材料の屈折率と空気の屈折率の関係で決まる臨界角である。
【００２３】
図２、図３で示したように、透過光を受光部で検出するタイプのエンコーダでは、図中、符号Ａ１、Ａ２で示した領域がいわゆる「明部」を形成し、符号Ｂ１で示した領域がいわゆる「暗部」を形成する。もし、反射光を受光部で検出するタイプのエンコーダであれば、図中、符号Ｄ１で示した領域がいわゆる「明部」を形成し、符号Ｃ１、Ｃ２で示した領域がいわゆる「暗部」を形成する。
【００２４】
さて、既述のように、本例では光源部５は８００nm〜１０００nmの領域に発光波長を持つ赤外ＬＥＤが採用され、受光部４には同発光波長に高い検出感度を有する検出素子が使用される一方、コード板の材質、特に、コードパターンの材質には、樹脂材料として、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、もしくはポリフェニルサルホンが採用されている。これら材料は、８００〜１０００nmの領域で高い分光透過率（８０％以上）を示す一方、可視波長領域の少なくとも一部（特に青色光の波長領域）で低い分光透過率（５０％以下）を示す。
【００２５】
ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、もしくはポリフェニルサルホンのいずれを採用した場合でも、コード板の通常の厚さは１mm〜２mm程度であり、検出光波長（８００〜１０００nm）の光に対して８０％以上の分光透過率を示せば、実用上全く問題はない。図５には、一例として、ポリエーテルイミドの分光透過率曲線（透過スペクトル曲線）を、従来より用いられている無色透明な材料（ＰＣ、ガラスなど）の概略の分光透過率曲線（透過スペクトル曲線）とともにグラフで示した。
【００２６】
同グラフにおいて、横軸は波長（単位；nm）を表わし、縦軸は分光透過率（単位；％）を表わしている。なお、透過厚の条件は、「１mm」としてある。図５から判るように、先ず破線で示した無色透明な材料（ＰＣ、ガラスなど）の概略の分光透過率曲線は、４００nm付近から１０００nmにわたる波長領域でほぼ一定の高い分光透過率を示しており、無色透明であることを裏付けるスぺクトルとなっている。
【００２７】
これに対して、ポリエーテルイミドは６００nm付近から１０００nmにわたる波長領域でほぼ一定の高い分光透過率（８０％以上）を示すが、それより短波長側では分光透過率が低下し、特に青色領域では分光透過率が急落している。例えば青色の代表波長である４３５nm付近では、５０％をかなり下回る分光透過率を示している。ポリエーテルイミドが黄ばんで見えるのは、明らかにこの青色領域における分光透過率の低さが原因と考えられる。ここでは図示を省略したが、ポリエーテルスルホンやポリフェニルサルホンの分光透過率曲線も同様の特徴を有し、それを反映して、黄色（飴色）に着色している。
【００２８】
このように、本発明で典型的に採用される樹脂材料は、黄色（飴色）に着色しているために、コード板の材料としては候補圏外であったものであるが、上記の実施形態のように、検出光の波長（ここでは８００nm〜１０００nmの赤外領域）との組合せを工夫すれば、光学作用上全く問題がない。そして、それに伴って材料選択の自由度が増し、現実に、上記のような耐高温性、耐水性、耐油性等に優れた具体的な材料も見つかる。
【００２９】
即ち、上記例に挙げた材料、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルサルホンはエンジニアリングプラスチックであり、いずれも耐熱性、耐薬品性に優れ、切削油等に対する耐性も高い。従って、これら材料をコード板、特にコードパターンに用いることで、高温蒸気や切削油に対する表面相の変質・白濁や溶解等による表面形状の変化が抑制され、検出性能への悪影響が回避される。そのため、従来のように、ＰＭＭＡやＰＣを材質としたコード板を使用した場合と比較して、悪環境下での耐性に優れた光学式エンコーダを提供することができる。
【００３０】
以上、図１〜図４に示した透過光検出型の光学式ロータリエンコーダを例にとっ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るものではない。例えば、図４に関連して言及したように、反射検出型の光学式エンコーダのコード板への適用も可能あり、また、コードパターンの種類についても特に制限はない。更に、固定スリットの無い構造のものや、固定スリットをコード板と光源部の間に配置するタイプの光学式エンコーダもあり、本発明の適用に際してこれらの構造に関連する制限は特に存在しない。
【００３１】
光学式リニアエンコーダについても、コード板、特にコードパターンに、上記のような材料を使用して、同様の作用効果が得られることは特に説明を要しないであろう。また、検出に使用する波長について、上記実施形態では赤外領域（８００nm〜１０００nm）のケースを説明したが、これはあくまで例示である。例えば、赤外ＬＥＤに代えて赤色の発光波長を持つＬＥＤを発光部５に採用し、上述の材料（ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、もしくはポリフェニルサルホン）でコードパタンを構成した場合でも、図５のグラフから理解されるように、実用上問題はない。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、光学式エンコーダのコード板に用いる材料の選択自由度が増し、外見上は光学部品の材質に適さないと思われるような材料であっても、高温蒸気や切削油等に優れた耐性を持つ材料を自由に採用できるようになる。その結果、厳しい環境で長期間使用しても白濁や表面形状の変化による性能劣化を起こし難い光学式エンコーダを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】透明樹脂を用いたコード板の構造の一例を示した図である。
【図２】本発明が適用される光学式エンコーダの概略構造の一例を示す図である。
【図３】図２に示した光学式エンコーダで使用されるコード板のコードパターンを、固定スリット３並びに受光部４とともに示した部分断面図である。
【図４】図４は、図２に示した光学式エンコーダで使用されるコード板のコードパターンの一部を抽出して示した断面図である。
【図５】ポリエーテルイミド及びポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）の分光透過率曲線を、従来より用いられている無色透明な材料（ＰＣ、ガラスなど）の概略の分光透過率曲線とともに示したグラフである。
【符号の説明】
１ コード板
２ 回転軸
３ 固定スリット部
４ 受光部
５ 発光部
１１ コードパターン
１２ 遮光部（反射部）
１２ａ Ｖ字状溝列
１３ 透光部
３１ 固定スリットの基板
３２ 遮光層
３３ 透光開口部
４１ 受光部の基板
４２ 検出素子

Claims (4)

1. 検出のための光源部、受光部及びコード板を備えた光学式エンコーダであって、
   前記コード板は、樹脂材料で構成されたコードパターンを含み、
   前記コードパターンは透光部と非透光部で構成されており、
   前記樹脂材料は、検出に使用する波長の光に対し、前記透光部において、７０％以上の分光透過率を有するとともに、前記検出に使用する波長とは異なる波長を有し且つ可視波長領域に属する光の少なくとも一部に対し、５０％以下の分光透過率を有している、光学式エンコーダ。
2. 前記検出に使用する波長の光が赤外光である、請求項１に記載された光学式エンコーダ。
3. 前記樹脂材料は、青色の可視光に対し、５０％以下の分光透過率を有している、請求項１又は請求項２に記載された光学式エンコーダ。
4. 前記樹脂材料が、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、もしくはポリフェニルサルホンである、請求項１又は請求項２に記載された光学式エンコーダ。

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