JP4035640B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、受光素子の受光面にフォトエッチング等により、スリットが直接、形成された固定側素子を有する光学式エンコーダに関する。

従来、円周方向に複数のスリットを配置した回転ディスクと空隙を介して対向する固定側素子を基板に固定した光学式エンコーダの場合、基板の固定側素子を取り付けた面と固定側素子を取り付けた反対側の面の両面に他のチップ部品を配設し、かつ固定側素子と回転ディスクの間の空隙を小さく維持するために、固定側素子と基板の間にスペーサを挿入し、固定側素子の基板平面からの高さが、他のチップ部品の基板平面からの高さよりも高くなるようにしたものが開示されている（例えば、非特許文献１参照）。この場合、固定側素子と基板に設けたパターンとの間をワイヤボンディングによって接続している。
実開昭６２−２４３１５号公報（図１）

従来技術では、固定側素子以外のチップ部品は半田付けにより基板設けたパターンと接続しているので、チップに故障が生じたような場合は、半田を加熱することによって簡単に取り外しができるが、固定側素子の電極と基板に設けたパターンとの接続はアルミなどのワイヤボンディングで行うため、固定側素子が故障したり接続不良が生じたりしたとき、半田で接続した時のように加熱などにより容易に取り外しをすることができないという問題があった。したがって、固定側素子の接続を外すときは機械的に切断する方法があるが、接続部分が極めて微細であるため、固定側素子の取り替え作業のために多くの時間がかかったり、時には固定側素子を取り付けた部品全体を廃棄することになる場合も生じるなどの問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、固定側素子とその他の部品の接続作業条件が同一接続条件となるようにして、品質が安定し、作業時間の短い光学式エンコーダを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明によると、複数の受光素子と受光素子電極とを備えた固定側素子と、前記固定側素子を接続する基板と、複数の端面スルーホールと前記基板の基準穴に対応した位置決め部とを備えたサブ基板と、前記固定側素子に空隙を介して対向する回転ディスクと、前記回転ディスクを挟んで前記受光素子に対向するＬＥＤと、を備えた光学式エンコーダにおいて、前記サブ基板が、前記端面スルーホールの上端と下端の周囲の面のみに設けた、上端ランド部および下端ランド部と、前記サブ基板の前記固定側素子が取り付けられる面に設けた、前記固定側素子の共通電極に接続する前記固定側素子と同一寸法のパターンと、前記サブ基板の前記固定側素子が取り付けられる面の周縁に設けた、前記受光素子電極に電気的に接続する複数のパターン電極と、前記パターン電極に設けた、前記サブ基板の前記基板に取り付けられる面に貫通するスルーホールと、前記サブ基板の前記基板に取り付けられる面の前記スルーホールと前記下端ランド部とを接続する導体と、を備え、前記サブ基板が、前記固定側素子と前記回転ディスクとの空隙調整と、前記固定側素子と前記基板との電気的接続および機械的固定と、を兼ねるものである。

請求項１に記載の発明によると、ワイヤボンディング作業が容易になると共に、固定側素子と回転ディスクとの空隙調整を容易にすることができ、また、サブ基板と基板との接続状態を目視確認できると共に、固定側素子が故障や接続不良が生じた際に、加熱などにより容易に取り外しすることができる。また、基板とサブ基板、固定側素子とサブ基板の各位置決め作業が容易になると共に、半田時の振動や半田の吸着などの原因でサブ基板が動いて、基板とサブ基板の相対的位置が狂うことがなくなる。また、固定側素子と同じ側に部品を実装することができ、エンコーダ自体の小形化を図ることができる。また、固定側素子とサブ基板を一組の部品として、基板の部品実装とは別工程で並行して製造することができ、エンコーダ組み立て時間の短縮を図ることができる。また、固定側素子が不良になった場合、固定側素子とサブ基板との一組の部品のみを交換すれば良いので、従来のように基板を含めた全ての部品を廃棄する必要がないという経済効果も図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施例を示す側断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面に沿う正断面図である。図において、１はエンコーダケース、２はエンコーダケース１に固定されたベース、３はベース２に固定された基板で、両面に配線パターンを設けてある。３１は位置決めピン３２を挿入する基準穴である。４は基板３を挟んでベース２に固定されたＬＥＤケース、４１はＬＥＤケース４に固定されたＬＥＤ、５は円周方向に複数のスリットを配列した回転ディスクで、回転軸５１にディスクハブ５２を介して固定されている。６は固定側素子で、空隙を介して回転ディスク５に対向している。７は固定側素子６と基板３との間に設けたサブ基板、８は基板３の両面に取り付けられたチップ部品である。なお、サブ基板７と固定側素子６とを重ねた高さは、チップ部品８の高さより高くなるようにしてある。

固定側素子６は、図４（ｂ）に示すように、フォトダイオードＡ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−からなる受光素子６１、６２、６３、６４が表面に設けられ、それぞれ電極Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４に接続されている。また、裏面には共通電極（図示しない）が設けられている。なお、共通電極を受光素子のカソードにする場合は電極Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４はアノードとなるが、その極性を逆にしてもよい。
本発明が非特許文献１と異なる部分は、固定側素子と前記回転ディスクとの空隙調整と、位置決めを確実にした後固定した状態での固定側素子と基板との電気的な接続を兼ねたサブ基板を備えた部分である。

サブ基板７は、図３（ａ）に示すように、固定側素子６の外形より僅かに大きい形状を備え、固定側素子６が取り付けられる面には、固定側素子６の受光素子電極Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４に電気的に接続するためのパターン電極７１、７２、７３、７４と、固定側素子６の共通電極に接続するためのパターン７５とを設け、それぞれのパターン電極にスルーホールＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５と、端面スルーホールＴ１１，Ｔ２１，Ｔ３１，Ｔ４１，Ｔ５１と、各端面スルーホールの上端と下端の周囲の面にそれぞれ半円形状のランド部７７とを設けてある。ここで、端面スルーホールとは、従来のスルーホールを約半分になるようにサブ基板の側面でカットしたものである。

サブ基板７の基板３に取り付けられる面には、図３（ｂ）に示すように、スルーホールＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４と端面スルーホールＴ１１，Ｔ２１，Ｔ３１，Ｔ４１をそれぞれ接続する導体Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４をプリント配線により設けてある。７６は両側面に半円形の凹部の位置決め部で、基板３に設けた基準穴３１に挿入した位置決めピン３２を通して、サブ基板７が基板３と相対的位置が正確に決まるようにしてある。なお、位置決めピン３２を使用して基板３にサブ基板７を位置決めする理由は、固定側素子６のフォトダイオードと回転ディスクのスリット部の機械的寸法を正確に一致させるためである。

つぎに、図４に基づいて、固定側素子６とサブ基板７と基板３の固定方法について説明する。まず、図４（ａ）に示すサブ基板７のパターン７５に導電性接着剤（図示せず）を塗布し、図４（ｂ）に示す固定側素子６を、図４（ｃ）に示すように、サブ基板７に載
せて固定する。したがって、固定側素子６の共通電極とパターン７５とが電気的に接続される。この場合、パターン７５と固定側素子６の寸法は同一寸法にしてあるため、これらを合わせることにより、固定側素子６とサブ基板７の位置決めが行われる。

次に、固定側素子６の受光素子電極Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４とパターン電極７１、７２、７３、７４とをアルミワイヤボンディングにより電気的に接続する。なお、各パターン電極はワイヤボンディングが確実に行われるように、ニッケルメッキと金メッキが施されている。

つぎに、図４（ｄ）に示すように、基板３に他のチップ部品と同様に、固定側素子６を搭載したサブ基板７を基板３に載せ、サブ基板７の位置決め部７６を基板３に設けた基準穴３１に合わせ、位置決め部７６に沿って位置決めピン３２を基準穴３１に挿入し、固定する。この状態で半田槽（図示しない）に通して、サブ基板７の端面スルーホールＴ１１，Ｔ２１，Ｔ３１，Ｔ４１，Ｔ５１と基板３のパターン（図示しない）とを電気的に接続する。半田槽を通した後、基板３から位置決めピン３２を引き抜くことより固定作業が完成する。

図５は本発明の第２の実施例を示す斜視図である。この場合、サブ基板７の側面には、第１の実施例のスルーホールＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５を設けず、図５（ａ）に示すように、端面スルーホールＴ１１，Ｔ２１，Ｔ３１，Ｔ４１とパターン７５を設け、パターン７５は直接端面スルーホールＴ５１に接続し、各端面スルーホールの上端と下端の周囲の面にそれぞれ半円形状のランド部７７を設けてある。
固定側素子６の受光素子電極Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の位置は、図５（ｂ）に示すように、端面スルーホールＴ１１，Ｔ２１，Ｔ３１，Ｔ４１の近くに設け、ボンディングの長さが短くなるようにしてある。

固定側素子６とサブ基板７と基板３の固定方法は、図５（ｃ）に示すように、受光素子電極Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４と端面スルーホールＴ１１，Ｔ２１，Ｔ３１，Ｔ４１のランド部７７とをアルミボンディングにより電気的に接続し、それ以外の工程は第１の実施例と同様である。
したがって、各端面スルーホールＴ１１，Ｔ２１，Ｔ３１，Ｔ４１のランド部７７を電極としてそれぞれ受光素子電極Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４と直接ワイヤボンディングできるようにすることにより、サブ基板７の外形寸法をより小形にすることができる。

図６はサブ基板７と基板３とを固定する他の実施例を示す斜視図である。この場合、正確に加工した直角面３３と２本の位置決めピン３４とを備えた位置決め治具３５を準備し、位置決めピン３４を基準位置となる基準穴３１に挿入する。この状態で、正確に外形が加工されている四角形状のサブ基板７の対角線上の２か所の角に、直角面３３を当てて位置決めする。このような方法により、サブ基板７の側面に位置決め部７６を設ける必要がなくなる。

なお、サブ基板７の材質として、基板３の熱膨張係数（ガラスエポキシ基板の材質の場合、約22×10- 6 / ℃）と固定側素子６の熱膨張係数（シリコンの場合、約2.5 ×10- 6 / ℃）の間の熱膨張係数を有する材質、例えばセラミック基板（熱膨張係数、約6.8 ×10- 6 / ℃）を使用すれば、熱応力による歪みが緩和され、熱によりシリコンフォトダイオードが割れるなどの恐れがなくなる。

また、サブ基板７に基板３と同一の材質の基板を使用し、サブ基板７と固定側素子６の間に、サブ基板７と固定側素子６との間の熱膨張係数を有する導電材料（例えば、銅、熱膨張係数、約16.6×10- 6 / ℃）のスペーサを挿入することにより、上記実施例と同一の効果を持たせることができる。

以上述べたように、本発明によれば、固定側素子と基板の間にスペーサ機能を有するサブ基板を配設し、サブ基板には固定側素子の各受光素子電極と対応するパターン電極、スルーホールおよび端面スルーホールを設けて、端面スルーホールと基板の間の接続を半田によって行うので、接続状態を目で確認できると共に、固定側素子が故障したり接続不良が生じたりしたとき、加熱などにより容易に取り外しをすることができる。

また、サブ基板を使用することにより、あらかじめ固定側素子とサブ基板のワイヤボンディングを別の工程で製造することができ、他のチップ部品と同様に「フォトダイオード組みチップ部品」として取扱ができるため、万一、固定側素子が不良になった場合でも、「フォトダイオード組みチップ部品」のみを交換すれば良いので、従来のようにすべての部品を廃棄する必要がないという経済効果も発生してくる。

さらに、サブ基板に位置決め部を設け、基板に設けた基準位置に合わせて、位置決め部材を基準位置に位置決めしたあと、半田槽で各スルーホールの半田付けを行うので、半田時の振動や半田の吸着などの原因でサブ基板が動いて、基板とサブ基板の相対的位置が狂うことがなくなるという効果がある。

なお、上記実施例は回転ディスクを備えたロータリ形の光学式エンコーダについて説明したが、回転ディスクに代えて、直線的に移動する方向に複数のスリットを有するスリット板を備えたリニア形の光学式エンコーダについても適用が可能である。

本発明の第１の実施例を示す側断面図である。 本発明の第１の実施例を示す図１のＡ−Ａ断面に沿う正断面図である。 本発明の第１の実施例をのサブ基板を示す斜視図である。 本発明の第１の実施例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施例を示す斜視図である。 本発明の位置決め治具を示す斜視図である。

符号の説明

１ エンコーダケース
２ ベース
３ 基板
３１ 基準穴
３２、３４ 位置決めピン
３３ 直角面
３５ 位置決め治具
４ ＬＥＤケース
５ 回転ディスク
５１ 回転軸
５２ ディスクハブ
６１、６２、６３、６４ 受光素子
６ 固定側素子
７ サブ基板
８ チップ部品
７１、７２、７３、７４ パターン電極
７５ パターン
７６ 位置決め部
７７ ランド部
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５ スルーホール
Ｔ１１，Ｔ２１，Ｔ３１，Ｔ４１，Ｔ５１ 端面スルーホール

Claims (1)

1. 複数の受光素子と受光素子電極とを備えた固定側素子と、前記固定側素子を接続する基板と、複数の端面スルーホールと前記基板の基準穴に対応した位置決め部とを備えたサブ基板と、前記固定側素子に空隙を介して対向する回転ディスクと、前記回転ディスクを挟んで前記受光素子に対向するＬＥＤと、を備えた光学式エンコーダにおいて、
   前記サブ基板が、前記端面スルーホールの上端と下端の周囲の面のみに設けた、上端ランド部および下端ランド部と、
   前記サブ基板の前記固定側素子が取り付けられる面に設けた、前記固定側素子の共通電極に接続する前記固定側素子と同一寸法のパターンと、
   前記サブ基板の前記固定側素子が取り付けられる面の周縁に設けた、前記受光素子電極に電気的に接続する複数のパターン電極と、
   前記パターン電極に設けた、前記サブ基板の前記基板に取り付けられる面に貫通するスルーホールと、
   前記サブ基板の前記基板に取り付けられる面の前記スルーホールと前記下端ランド部とを接続する導体と、を備え、
   前記サブ基板が、前記固定側素子と前記回転ディスクとの空隙調整と、前記固定側素子と前記基板との電気的接続および機械的固定と、を兼ねるものであることを特徴とする光学式エンコーダ。

Images