JP4478490B2 - 光学式ロータリエンコーダの組み立て方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学式ロータリエンコーダの光軸調整が可能な構造に関する。

光学式ロータリエンコーダは、回転検出対象である被検出軸に連結される回転軸に形成されたフランジ部に、回転角（回転位置）を表示する多数のスリットを形成した回転スリット板が取り付けられている。この回転スリット板には、上記スリットと同一ピッチのスリットを形成した固定スリットを挾んで発光部（ＬＥＤなど）と受光部（フォトトランジスタなど）とを配置し、回転検出対象である被検出軸に連結した回転軸１を介して回転スリット板を回転させることによって、透過する光を検出して回転角を測定するものであり、スリットの形態により絶対的な回転角を検出するアブソリュート型と相対的な回転角を検出するインクリメンタル型とがある。

このような光学式ロータリエンコーダの構成は、例えば、特開２０００−１４６６２６号公報（特許文献１）に示されている。この特許文献１に記載の光学式ロータリエンコーダについて、図６に基づいて説明する。スピンドル１００は略円環状に形成され、軸方向に形成された中心孔１０１の上下には一対のボールベアリング１０２が配設されている。このボールベアリング１０２は、図示しない被検出軸に連結される回転軸１０３が回転自在に支持されている。さらに、回転軸１０３の一端には、回転スリット板１０４が取り付けられている。また、スピンドル１００の上面には、回転スリット板１０４に対応する位置に固定スリット板１０５が固定され、この固定スリット板１０５の下方には、ＬＥＤからなる発光素子１０６が、スピンドル１００に形成された凹所１０７に配設されている。さらに、上記回転スリット板１０４には、配線基板１０８に配設された受光素子１０９を対向させて、上記固定スリット板１０５および回転スリット板１０４を透過した光を受光している。

この光学式ロータリエンコーダは、次のように組み立てられる。まず、凹所１０７の内部に発光素子１０６を挿入して配設する。その後、凹所１０７を塞ぐ位置に固定スリット板１０５を固定する。さらに、回転軸１０３の一端に回転スリット板１０４を取り付け、固定スリット板１０５に対向させる。また、配線基板１０８に受光素子１０９をはんだ付けによって取り付けて、受光素子１０９を回転スリット板１０４に対向させるように、配線基板１０８をスピンドル１００に取り付ける。そして、このように組み立てられた後に、受光素子１０９から出力される信号を確認して、この信号が所定の波形および出力レベルとなるように、配線基板１０８の位置を変えながら上記発光素子１０６を調整して光軸を調整する。この調整によって所定の出力信号が得られたときは、図６に示すように、略カップ状のカバー１１０を被冠する。

ところが、受光素子１０９の取り付け位置、回転スリット板１０４の取り付け位置、および、固定スリット板１０５の取り付け位置のばらつき、或いは相対的な位置にはばらつきがあることから、上記発光素子１０６の位置を調整しても、光軸が大きくずれたときには受光素子１０９から所定の出力信号が得られない場合がある。このような場合には、上述した部品、或いはその組み合わせを変えながら再度組み立てた後に、再度調整を行っていた。このために、組み立てから調整を行うためには多大な時間が必要であり、しかも、高精度に調整するためには相当の熟練が必要であった。この結果、組立工数の増大に伴ってコストが高くなる問題がある。
特開２０００−１４６６２６号公報

本発明が解決しようとする課題は、回転スリット板や固定スリット板に対する受光素子の位置を確認しながら精度良く組み立てることができ、しかも、組立工数を短縮することができる光学式ロータリエンコーダを提供することにある。

本発明に係る光学式ロータリエンコーダの組み立て方法は、スピンドルに回転自在に支持されると共に被検出軸に連結される回転軸に配設された回転スリット板と、スピンドルに軸方向に貫通して設けられ、回転スリット板と対向する反対側の内部に段部を有する透孔と、透孔の回転スリット板と対向する上部を覆うようにスピンドルに固定された固定スリット板と、透孔内の段部に当接して固定された第１の基板に配設され、固定スリット板に向けて発光する発光素子と、発光素子から固定スリット板および回転スリット板を透過した光を受光する受光素子が配設され、スピンドルから突出し回転スリット板の外周より外側で回転スリット板の面を超えて延びる支柱に支持された第２の基板とを備えた光学式ロータリエンコーダの組み立て方法であって、
スピンドルに設けられた透孔の上部に固定スリット板を固定し、スピンドルに回転自在に支持された回転軸に回転スリットを取り付け、透孔内に発光素子を配設する前に、その透孔内を通して固定スリット板から受光素子に至る光軸が一致するように第２の基板の位置を調整して第２の基板を支柱に固定し、その後、発光素子が透孔内に配置されるように、第１の基板を透孔内に挿入して段部に当接させて固定する。

また、本発明に係る光学式ロータリエンコーダの組み立て方法は、スピンドルの回転スリット板と対向する面の反対側の面にフランジを接合させて透孔の固定スリット板の反対側の開口を閉塞する。

さらに、本発明に係る光学式ロータリエンコーダの組み立て方法は、略カップ状に形成されたカバー内に上記スピンドル側から嵌挿させてカバー内を上記フランジの外周に設けられた封止手段で封止させ、少なくとも上記発光素子から上記受光素子に至る光学系部品を密閉状態にする。

本発明によれば、スピンドルに設けられた透孔の上部に固定スリット板を固定し、スピンドルに回転自在に支持された回転軸に回転スリットを取り付け、スピンドルに形成された透孔内に発光素子を配設する前に、その透孔内を通して固定スリット板から受光素子に至る光軸が一致するように第２の基板の位置を調整して第２の基板を支柱に固定し、その後、発光素子が透孔内に配置されるように、第１の基板を透孔内に挿入して段部に当接させて固定するようにしたので、光学系を高精度に組み立てることが可能になり、また、透孔を通して光学系が確認できることから、組み立ておよび調整工数を短縮することができ、コストを低減することが可能となる。

また、本発明によれば、スピンドルの回転スリット板と対向する面の反対側の面にフランジを接合させたので、透孔の固定スリット板の反対側の開口を閉塞することが可能となる。

さらに、本発明によれば、略カップ状に形成されたカバー内に上記スピンドル側から嵌挿させてカバー内を上記フランジの外周に設けられた封止手段で封止させるようにしたので、そのカバーによって発光素子から受光素子に至る光学系部品を密閉状態で被冠することができ、エンコーダを高保護構造にすることが可能となる。

光学式ロータリエンコーダは、スピンドルに回転自在に支持されると共に被検出軸に連結される回転軸に配設した回転スリット板と、この回転スリット板に対向させて上記スピンドルに固定した固定スリット板と、この固定スリット板および上記回転スリット板を照射するように上記スピンドルに配設した発光素子と、上記固定スリット板および上記回転スリット板を透過した光を受光する受光素子とを少なくとも有している。上記スピンドルには上記発光素子の配設位置に軸方向に貫通する透孔が形成され、この透孔内には、上記発光素子が配設されている。そして、固定スリット板および回転スリット板の取り付けた後に、透孔を通して配線基板に取り付けた受光素子の位置を確認し、その後、透孔内に発光素子を挿入して配設することにより、光軸を一致させた状態で組み立てられる。

図１は、本発明にかかる光学式ロータリエンコーダを示している。略円環状に形成されたスピンドル１は、軸方向に貫通した中心孔１ａが形成され、この中心孔１ａの内部の上下には一対のボールベアリング２、３からなる軸受が配設されている。このボールベアリング２、３によって、図示しない被検出軸に連結される回転軸４が回転自在に支持されている。さらに、回転軸４の一端には、図２に示すように、周方向に所定のピッチでスリット５ａが形成された回転スリット板５が取り付けられている。また、スピンドル１の上面には、回転スリット板５のスリット５ａと等間隔にスリット６ａが形成された固定スリット板６が接着固定されている。

この固定スリット板６の下方のスピンドル１には、軸方向に貫通する透孔１ｂが形成されていて、この透孔１ｂの内部にはＬＥＤからなる発光素子７が配設されている。すなわち、透孔１ｂの下方側には段部１ｃが形成され、この段部１ｃに発光素子７をはんだ付け固定した配線基板８を当接させて固定している。段部１ｃは下方側が配線基板８を挿入できる大きさに形成されていて、配線基板８は、スピンドル１の下方側から挿入するように構成している。

一方、回転スリット板５の上方には、受光素子９を対向させている。受光素子９は、信号処理回路等が構成された配線基板１０にはんだ付け固定されている。配線基板１０は、スピンドル１の上方から突出形成した支柱１ｄによって支持されている。そして、上記発光素子７から発光させた光は、固定スリット板６と回転スリット板５の各スリットを通過して受光素子９が受光することによって、受光素子９からは被検出軸の回転状態に応じた出力信号が得られる。

また、スピンドル１の下面にはフランジ１１が接合されている。このフランジ１１は、スピンドル１とほぼ同じ外形寸法を有する略円環状に形成され、中央から回転軸４を突出させている。また、フランジ１１の内面をスピンドル１の下面に同軸に接合することによって、上記透孔１ｂの下方側が閉塞される。さらに、フランジ１１の外周面には、環状の溝１１ａが形成され、この溝１１ａには、封止手段としてのＯリング１２が装着されている。そして、図１に示すように、略カップ状に形成されたカバー１３の開口側をフランジ１１に嵌挿すると、カバー１３の内面にＯリング１２が圧接し、カバー１３内に配設された上記光学系各種部品が密閉状態で保護される。カバー１３の底部近傍には貫通孔１３ａが形成され、上述した配線基板１０に一端が接続されたケーブル１４が導出される。このとき、ケーブル１４とカバー１３との間を封止するために、パッキン１５を介在させている。

次に、上述した光学式ロータリエンコーダの組み立て方法を図３によって説明する。まず、図３（Ａ）に示すように、スピンドル１に形成された透孔１ｂの上方側の所定位置に、固定スリット板６を接着等の固定手段によって固定する。この状態では、透孔１ｂに発光素子７は配設されていない。その後、回転軸４の一端に回転スリット板５を取り付ける。このとき、回転スリット板５を回転軸４に対して原点位置とセンタリングを一致させた状態で精度良く取り付ける必要があり、後述する取り付け方法によって取り付けられる。一方、配線基板１０の所定位置には、受光素子９がはんだ付け固定されている。

図３（Ｂ）に示すように、スピンドル１に固定スリット板６が固定され、回転軸４に回転スリット板５が取り付けられた状態からスピンドル１に配線基板１０を支柱１ｄによって支持する。このとき、回転スリット板５および固定スリット板６と受光素子９との位置精度が、受光素子９から所定の出力信号を得るために重要なことである。本発明においては、スピンドル１に軸方向に貫通する透孔１ｂが形成されていて、この状態では透孔１ｂ内に発光素子７を配設していないので、スピンドル１の下方側から固定スリット板６および回転スリット板５を透過して受光素子９の位置を目視によって確認することができる。従って、固定スリット板６および回転スリット板５に対する発光素子７の位置を確認しながら、矢示のように、配線基板１０の位置を調整した後に、配線基板１０を支柱１ｄに固定することによって支持する。これによって、各スリット板から発光素子７に至る光軸を一致させた状態で組み立てることが可能となる。なお、上述した光軸の調整は、目視の他に光学式透視治具等によって、さらに正確に調整するようにしても良い。

その後、スピンドル１に形成された透孔１ｂに発光素子７を配設する。発光素子７は配線基板８にはんだ付け固定されていて、スピンドル１の下方側から挿入して透孔１ｂ内に形成された段部１ｃに配線基板８を当接させた状態で接着等の固定手段によって固定する。発光素子７は、光が光源からやや拡散して照射されることから、固定位置の許容範囲は比較的大きいので、厳密な取り付け精度は要求されない。このように、光学系の各部品が組み立てられた後に、受光素子９の出力信号を確認すると共に、適正の出力信号波形となるように調整が行われる。このとき、上述した光学系は適正な光軸となっているので、出力信号波形の調整は容易かつ短時間に行うことができる。

このように、組み立てと調整作業が終了した後に、図３（Ｃ）に示すように、スピンドル１の下方にフランジ１１を接合して透孔１ｂの下方側を閉塞すると共に、フランジ１１にカバー１３の開口側を嵌挿して、カバー１３内に配設された上記光学系各種部品が密閉状態で保護する。そして、最終試験を行い光学式ロータリエンコーダが完成する。

次に、回転スリット板５を回転軸４に対して原点位置とセンタリングを一致させた状態で精度良く取り付けるための取り付け方法を、図４および図５によって説明する。回転スリット板５にはスリット５ａが形成されていて、中心部には回転軸４に同軸に取り付けるための中心孔５ｂが形成されている。この中心孔５ｂの内径は回転軸４の外径よりも大きく形成され、回転軸４に対して遊嵌するようになっている。さらに、中心孔５ｂの周縁には、回転スリット板５の原点位置を示すスリット板用原点マーク１５、１５が、９０度の開角度で２個所に設けられている。これらスリット板用原点マーク１５、１５は、中心から放射方向に延びる細線によって形成されている。スリット板用原点マーク１５、１５は、目視可能な程度に細く形成することが望ましい。

一方、回転軸４の端面には、回転軸４の原点位置を示す回転軸用原点マーク１６、１６が、９０度の開角度で２個所に設けられている。この回転軸用原点マーク１６、１６は、図示のような三角形のマークの他に、ダイヤ形、細線、等々の種々の形状に変更しても良いが、高精度にするためには、原点位置が明確となる多角形あるいは線などの形状とすることが望ましい。また、回転軸用原点マーク１６、１６の位置は、少なくとも一方が回転軸４の一端側に形成した連結部４ａのＤカット部からなる基準面に対して一義的に設定されている。

次に、図４および図５により、原点位置の位置決めおよびセンタリングの方法について説明する。まず、ロータリエンコーダの図示下方から突出させた回転軸４の連結部４ａを、図示しない治具に設けた嵌合孔に軽圧入的に挿入して回転軸４を位置決めされた状態で保持される。その後、回転軸４の他端側に回転スリット板５の中心孔５ｂを挿入してフランジ部４ｂに載置する。この状態から回転スリット板５を回転軸４に対して原点位置とセンタリングの調整を行う。この調整作業においては、図示しない調整治具を用いることが望ましい。

原点位置とセンタリングの調整を行うときは、回転軸４に対して回転スリット板５の中心孔５ｂが遊嵌されているので、回転スリット板５を左右上下や斜め方向に移動する。当初は、図５（Ａ）に示すように、回転軸用原点マーク１６、１６に対してスリット板用原点マーク１５、１５が離間しているために、スリット板用原点マーク１５、１５の中心方向に向かう仮想延長線の交点Ｃは、回転軸４の軸心Ｏから離間している。この状態から、回転スリット板５を移動させて、図５（Ｂ）に示すように、スリット板用原点マーク１５、１５の中心方向に向かう仮想延長線と回転軸用原点マーク１６、１６とが一致して、回転軸４に対する回転スリット板５の原点位置とセンタリングが高精度に位置決めされる。

つまり、２個所のスリット板用原点マーク１５、１５の仮想延長線と、２個所の回転軸用原点マーク１６、１６とを一致させた場合のみ原点位置とセンタリングの両者を一致させることができる。しかし、一方のスリット板用原点マーク１５がずれたときには、原点位置を一致させることができても、センタリングを一致させることはできない。なお、２個所のスリット板用原点マーク１５、１５の仮想延長線と、２個所の回転軸用原点マーク１６、１６とが一致するように、調整治具を用いることなく、目視によって調整しても良い。以上のように、回転軸４に対して回転スリット板５を位置決めした後に、回転スリット板５の中心孔５ｂ周縁と回転軸４の間を接着材によって固定することにより、取り付け作業が完了する。この作業によって、回転スリット板５を回転軸４に対して高精度に位置決めして取り付けることができる。

前述した各実施例において、スピンドル或いはフランジ等の形状は、適宜に変更しても良い。また、スピンドルおよび光学系を標準ユニットとし、フランジおよびカバーを適宜の形状に変更して、各種の用途に対応させるようにしても良い。さらに、本発明は、前述した実施例に限定されることなく、本発明を逸脱しない範囲で変形可能である。

本発明は、絶対的な回転角を検出するアブソリュート型、または、相対的な回転角を検出するインクリメンタル型の光学式ロータリエンコーダに適用可能である。

本発明にかかる光学式ロータリエンコーダの実施例を示す断面図である。 本発明にかかる光学式ロータリエンコーダの原理的な構成を示す斜視図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明にかかる光学式ロータリエンコーダの組み立て方法を示す説明図である。 本発明にかかる光学式ロータリエンコーダの構成を示す分解斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）は、原点位置およびセンタリングの調整状態を示す説明図である。 従来の光学式ロータリエンコーダの構成を示す断面図である。

符号の説明

１ スピンドル
１ａ 中心孔
１ｂ 透孔
４ 回転軸
５ 回転スリット板
６ 固定スリット板
７ 発光素子
８ 配線基板
９ 受光素子
１０ 配線基板
１１ フランジ
１１ａ 環状溝
１２ Ｏリング

Claims (3)

1. スピンドルに回転自在に支持されると共に被検出軸に連結される回転軸に配設された回転スリット板と、
   上記スピンドルに軸方向に貫通して設けられ、上記回転スリット板と対向する反対側の内部に段部を有する透孔と、
   上記透孔の上記回転スリット板と対向する上部を覆うように上記スピンドルに固定された固定スリット板と、
   上記透孔内の段部に当接して固定された第１の基板に配設され、上記固定スリット板に向けて発光する発光素子と、
   上記発光素子から上記固定スリット板および上記回転スリット板を透過した光を受光する受光素子が配設され、上記スピンドルから突出し上記回転スリット板の外周より外側で当該回転スリット板の面を超えて延びる支柱に支持された第２の基板と
   を備えた光学式ロータリエンコーダの組み立て方法であって、
   上記スピンドルに設けられた上記透孔の上部に固定スリット板を固定し、
   上記スピンドルに回転自在に支持された回転軸に上記回転スリットを取り付け、
   上記透孔内に上記発光素子を配設する前に、当該透孔内を通して上記固定スリット板から上記受光素子に至る光軸が一致するように上記第２の基板の位置を調整して当該第２の基板を上記支柱に固定し、
   その後、上記発光素子が上記透孔内に配置されるように、上記第１の基板を上記透孔内に挿入して上記段部に当接させて固定することを特徴とする光学式ロータリエンコーダの組み立て方法。
2. 上記スピンドルの上記回転スリット板と対向する面の反対側の面にフランジを接合させて上記透孔の上記固定スリット板の反対側の開口を閉塞することを特徴とする請求項１に記載の光学式ロータリエンコーダの組み立て方法。
3. 略カップ状に形成されたカバー内に上記スピンドル側から嵌挿させてカバー内を上記フランジの外周に設けられた封止手段で封止させ、少なくとも上記発光素子から上記受光素子に至る光学系部品を密閉状態にすることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式ロータリエンコーダの組み立て方法。

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