JP4648685B2 - 光学式エンコーダ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は各種産業機器、機械器具などの回転軸の回転量を検出する光学式ロータリエンコーダ及びその製造方法に関し、詳細には回転スリット板及び固定スリット板を介して発光素子と受光素子を対向させる際の光軸調整の改善に関する。

一般にこの種のエンコーダは各種機器の運動を制御する為、これ等の運動から抽出した回転量を検出するものとして広く用いられ、回転量角度を磁気的に検出する磁気式エンコーダと回転量を光学的に検出する光学式エンコーダが知られている。後者の光学式エンコーダは回転軸に回転スリット板を取付け、このスリット板の一方にＬＥＤなどの発光素子を他方にホトトランジスタなどの光電変換素子を互いに対向するように配置し、スリット板に形成した透光スリットの透過光を電気的に検出する。そしてこの透光スリットのパターン形状によって回転軸（被検出軸）の絶対的な回転角度を検出するアブソリュート型と、相対的な回転角度を検出するインクリメンタル型とが知られている。

その構造は装置フレームを構成するスピンドル基盤に回転軸を軸受支持し、この回転軸に直交度を保って回転スリット板を取付け、この回転スリット板を介して発光素子と受光素子を対向するように配置している。通常はスピンドル基盤側にＬＥＤなどの発光素子を埋設固定し、他方の受光素子は検出信号を処理（波形処理）する回路基板に取付け、この回路基板をスピンドル基盤に設けたステム状突出部に固定している。そして回転スリット板は回転軸に直交度を保って一体形成されたハブに回転中心を合わせて接着などで固定し、また回路基板はこれに取付けた受光素子の位置を回転スリット板のパターン位置に合わせて取付ける。一方発光素子はスピンドル基盤に凹陥溝を穿設し、この凹陥溝にＬＥＤなどの光源を組込んで固定し、この凹陥溝の表面に固定スリット板を取付けている。

かかる構造は例えば特許文献１に開示され、上述のように回転軸、回転スリット板、回路基板がスピンドル基盤に取付けられ、このスピンドル基盤には回転スリット板に面する表面に凹陥溝が設けられ、この凹陥溝内にＬＥＤ光源が埋設されている。そして発光素子と透光スリット、受光素子との光軸合わせは、回転軸を取付けたスピンドル基盤に発光素子、固定スリット板を取付け、次いで回転スリット板、受光素子の順に取付けた後、発光素子に所定の電圧を印加して受光素子からの出力波形を基準波形と比較して受光素子が取り付けられた回路基板などの取付け位置を調整して行う。この調整で所定の波形が得られない場合には分解して再組立を行った後、再度出力波形と基準波形とを比較している。
特開平１１−８３５４２号公報

上述のように回転スリット板を取付けるスピンドル基盤にスリット板に面する側から凹陥溝を設け、この凹陥溝に発光素子（ＬＥＤ光源など）を組込み固定し、次いでこの凹陥溝を覆うように固定スリット板を取付ける従来の構造及び組立手順では、発光素子、固定スリット板、回転スリット板、受光素子の各取付位置を一致させることが困難であり、組立作業が煩雑となる問題があった。

つまり従来の構造及び手順では各部品を作業者の勘で取付位置を探りながら組立てた後、出力波形の調整を行い、調整不能な場合には再度組立て直して再び調整を行っている為この再組立てに時間を要し、また各部品の取付けと調整に熟練を要する問題があった。そこで本発明者は発光素子が取り付けられるスピンドル基盤に回転軸方向の貫通孔を設け、この貫通孔に発光素子と固定スリット板を取付けることにより、回転軸に平行な光軸がスピンドル基盤の上下いずれの方向からも目視可能となり、例えばスピンドル基盤に固定スリット板を仮止め固定し、次いで回転スリット板を取付け、その後両スリット板のスリットパターンを目で確認しながら発光素子と受光素子をそれぞれ組込むことによってより正確な光軸合わせが可能になるとの着想に至った。

この場合、スピンドル基盤に発光素子を取付ける貫通孔を設ける為、外部から塵埃が侵入する恐れがあり、発光素子等、検出光学系を構成する部品に塵埃或いは水分などが付着すると検出精度に影響を及ぼす新たな問題が発生するに至った。

本発明はこのような問題に鑑み、検出光学系を構成する部品をより正確な位置に組込むことが可能であり、組立作業を短時間にかつ容易に行うことが出来、しかも検出光学に塵埃が侵入することがなく、その為の構造が簡素で安価に製造及び組立てることが可能な光学式エンコーダの提供をその主な課題とし、同時にその製造方法を提供することを課題としている。

本発明は上記課題を解決するため以下の構成を採用したものである。
まず本発明の光学式エンコーダは、スピンドル基盤と、このスピンドル基盤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基盤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回転スリット板を照射するように上記スピンドル基盤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備える。そして、上記スピンドル基盤を上記回転軸の軸方向上下に区割した上部基盤と下部基盤とで構成する。例えば上部基盤はアルミ合金などの金属材料で剛性を配慮した強靱なフレーム構造とし、下部基盤は合成樹脂などの加工性に富んだ材料で構成する。

そこで上部基盤に上記回転軸を軸受けを介して固定し、またこの基盤に受光素子を具えた回路基板を取付ける。この回路基盤には受光素子からの信号波形を処理するなどのＩＣチップを搭載する。上記上部基盤には上記受光素子と対向する位置に上記回転軸方向の貫通孔を設け、一方上記下部基盤には上記回転軸との隙間を閉鎖するシーリング部材を一体に設け、上部基盤の貫通孔に上記受光素子を取付けた後、上部基盤に下部基盤を結合し、次いでこの下部基盤に上記検出光学系を構成する部品を覆うケーシングをオイルシールなどのシーリング部材を介して嵌合固定する。かかる構成によって発光素子から固定スリット板、回転スリット板を介して受光素子に至る検出光学系の光軸を簡単に一致させることが出来、前述の課題を達成することとなる。

また、前記下部基盤は合成樹脂で、前記シーリング部材はゴム質材から成るリング状シーリング部材でそれぞれ構成し、このシーリング部材をインサートしてモールド成型で一体成型することによって製作が容易でより機密性に富んだものとなる。更に、前記上部基盤に形成された貫通孔には前記回転スリット板と対向する面に前記発光素子の光を分割する固定スリット板を取付けることによって分解能を向上させることができることは勿論である。

次に本発明の製造方法は、スピンドル基盤（上記装置に於ける上部基盤）に軸承した回転軸に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基盤に固定した固定スリット板を設け、この回転スリット板と固定スリット板を介して発光素子と受光素子とを対向配置した光学式エンコーダの製造方法であって、まず上記スピンドル基盤に軸承した回転軸に上記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基盤に固定した固定スリット板を位置合わせして取付け、この回転スリット板と固定スリット板に対し所定位置に受光素子を有する回路基板を位置決め固定する。

次いで上記スピンドル基盤の貫通孔内に上記発光素子を位置決め固定する。そして上記スピンドル基盤の貫通孔を覆う底部カバー部材に上記回転軸との間を閉塞するシーリング部材を一体に設け、この底部カバー部材（上記装置に於ける下部基盤）を上記スピンドル基盤に固定する。またこの場合、前記スピンドル基盤には前記貫通孔に固定スリット板を設け、この固定スリット板は前記スピンドル基盤に仮止めされた状態で前記受光素子の出力信号を基準に位置合わせした後、接着剤などの固定手段で固定する。

本発明はスピンドル基盤を回転軸方向上下に分割し、上部基盤に検出光学部品を順次組込みその後この上部基盤に下部基盤を取付けたものであり、このとき上部基盤に回転軸方向の検出光軸と一致する貫通孔を設け光軸を目視しながら各部品を正しい位置に組付け、最後に基盤を合体する為、作業者の勘のみに頼っていた組立作業を光軸を目視しながら組立てることにより組付け位置の狂いによる再組立を少なくすることが可能である。

特に本発明はこのように上下２つに分割した基盤を下部側基盤に回転軸との間の間隙を封止するシーリング部材が一体に設けられ、同時にこの基盤にケーシングがシール部材を介して取付けてあるので特別な封止処理を施すことなく、検出光学系を構成する部品に外部から埃塵、水滴などが侵入して付着することがなく、その組立も至って容易である。

以下本発明を図示の好適な実施の形態に基づいて詳述する。
まず本発明を実施した光学式エンコーダについて説明すると図１は光学式エンコーダの基本的な原理の説明図であり、光学式エンコーダは図１に示すように被検出装置の制御運動に連結した回転軸１２０に回転スリット板１３０を取付け、この回転スリット板１３０を挟んで一方に発光素子１７０（ＬＥＤ光源など）を他方に受光素子１４１（ホトトランジスタなど）を配置し、また発光素子１７０と回転スリット板１３０との間には固定スリット板１６０を配置して構成する。

そして回転スリット板１３０は金属板にホトエッチング加工などで少許のスリットを周方向に所定間隔で複数配列するか、或いは透明ガラス板に同様のスリットをマスキング加工して施し、発光素子１７０から照射した光をスリット板１３０の背面側に配置した受光素子１４１で検出する。

上記回転スリット板１３０に形成する透光スリット１３１ａは等間隔に複数配列する場合と、各透光スリット１３１ａが異なる出力波形となるようにスリット板の角度位置を特定するスリット形状に複数配置する場合がある。前者は回転スリット板１３０の回転角度に応じた矩形パルス波を出力するインクリメント式エンコーダを構成し、後者は回転スリット板１３０の回転角度に応じて異なるコード信号を出力するアブソリュート式エンコーダを構成する。勿論本発明はそのいずれであっても良い。

また、発光素子１７０と回転スリット板１３０との間には固定スリット板１６０を配置し、この固定スリット板１６０には１つ若しくは複数の透孔スリットを形成する。図示のものはマルチスリットを示し、等間隔の回転スリット板１３０に対しスリット１６０aとスリット１６０ｂは所定角度異なった位置に配列され位相差を有している。このようにマルチスリットで形成することにより、回転スリット板１３０のスリット数が大きい場合にも光量が得られ、また回転スリット板１３０の回転方向を検出することができる。図示スリット１６０ｃは、回転スリット板１３０に形成した原点スリット１３１ｂに対応する位置に設けられた原点検出用スリットである。なお上述の固定スリット板１６０は図示のように発光素子１７０と回転スリット板１３０との間に設ける代わりに回転スリット板１３０と受光素子１４１との間に回転スリット板を配置することも可能である。この場合は回路基板にステム状の支持柱を設けこれに固定スリット板を取り付けるか、もしくはスピンドル基盤１１０に同様の支持柱を設けこれに取付ければよい。

次に図２に基づいてかかる光学式エンコーダの装置を説明すると、装置フレームを構成するスピンドル基盤１１０と、回転軸１２０と、回転スリット板１３０と、回路基板１４０と、ケーシング１５０で構成される。

スピンドル基盤１１０は円柱状或いは多角形筒状など適宜形状にアルミ合金その他の金属で堅牢に構成し、この基盤１１０の中心には回転軸１２０を嵌合支持する軸孔１１２を設け、ベアリング１１１ａ、１１１ｂで回転軸１２０を回転自在に支持する。回転軸１２０は基端部に被検出部（図示せず）とカップリング継手で連結され、その軸端にはハブ１２１が設けられ、このハブ１２１は回転軸１２０と直交する平坦面を備え、この面に回転スリット板１３０を接合するようになっている。

また回転軸１２０にはベアリング１１１ａのインナーレーサと係合する段差１２２が設けられ、軸端には被検出軸（図示せず）と連結する継手を嵌合するＤカット１２３が設けられている。このＤカット１２３を基準に被検出軸の検出開始位置（角度位置）と回転軸１２０に取付ける回転スリット板１３０の原点位置を位置合わせする。そこで前述の回転スリット板１３０は回転軸１２０のハブ１２１に固定され、後述する方法で回転軸中心と透光スリット１３１ａの回転中心が一致するように調整され接着剤などで取付けられる。

この回転スリット板１３０を介して受光素子１４１と発光素子１７０とが次のようにスピンドル基盤１１０に取付けられる。

まず受光素子１４１はホトトランジスタなどの光電変換素子で構成され、サブ基板１４２に組込まれ、このサブ基板１４２がメイン基板である回路基板１４０に半田付けなどで取付けられている。回路基板１４０には受光素子１４１の検出値を増幅する増幅回路と、出力波形に変換する波形生成回路が組込まれている。この回路基板１４０がスピンドル基盤１１０に設けたステム１１３にビスで固定されている。図示のステム１１３は回転軸１２０の周囲３ヶ所程度に設けられ、回路基板１４０を後述する方法で位置調節可能に固定している。

一方、発光素子１７０はＬＥＤなどの光源ランプをスピンドル基盤１１０に次のように取付けてある。まずスピンドル基盤１１０は回転軸１２０の軸方向上下に上部基盤１１０ａと下部基盤１１０ｂに２分割され、上部基盤１１０ａはアルミ合金など堅牢な材料で構成され、下部基盤１１０ｂは合成樹脂など加工性に富んだ材料で構成されている。そして上部基盤１１０ａには前述の軸孔１１２が穿設され、この軸孔１１２に前述の回転軸１２０が軸受支持されている。またこの上部基盤１１０ａに軸方向の貫通孔１１４が穿設され、発光素子１７０はこの貫通孔１１４に取付けてある。さらに上部基盤１１０ａには貫通孔１１４を覆うように固定スリット板１６０が取付けてある。

下部基盤１１０ｂは中心に回転軸１２０を嵌合する軸孔１１５と外周にシール取付溝１１８が設けてある。この下部基盤１１０ｂは合成樹脂のモールド成形で形成され、軸孔１１５にはシーリング部材１１６がインサート成形によって一体成形されている。つまり下部基盤１１０ｂは上部基盤１１０ａの貫通孔１１４を閉蓋するのと同時にシーリング部材１１６で回転軸１２０との間隙を封止する。このように下部基盤１１０ｂとシーリング部材１１６とを一体に形成すると両者を個別に形成した場合と比べ組立性が向上するのと同時に密閉性も向上し外部から塵埃が侵入することがない。

上述のように構成された下部基盤１１０ｂは上部基盤１１０ａに図示しないビスで固定され両者は一体化される。そしてこの下部基盤１１０ｂに設けられたシール取付溝１１８にはＯリング１１９が取付けられケーシング１５０が嵌合される。ケーシング１５０は回路基板１４０、回転スリット板１３０、固定スリット板１６０、発光素子１７０を覆うキャップ形状に形成され、スピンドル基盤１１０に固定される。

図３は組立分解図を示し、上部基盤１１０ａに固定スリット板１６０、回転スリット板１３０、回路基板１４０の順に取付け、次いでこの上部基盤１１０ａの背面側（図２下側）から発光素子１７０が貫通孔１１４に取り付けられる。各検出光学系の位置調整の後、上部基盤１１０ａに下部基盤１１０ｂを固定し、この両基盤の合体と同時に回転軸１２０と下部基盤１１０ｂとの間の間隙はシーリング部材１１６によって封止される。次いでこの下部基盤１１０ｂにケーシング１５０を嵌合し固定する。するとケーシング１５０と下部基盤１１０ｂとの間はＯリング１１９で封止され、外部から塵埃、水滴などが回転スリット板１３０などの内部に侵入することがない。

次に本発明に係わるエンコーダの製造方法について説明すると、まず、上部基盤１１０ａに形成された透孔１１４の上方側の所定位置に、固定スリット板１６０を接着等の固定手段によって固定する。（図５（ａ）参照）この状態では、透孔１１４に発光素子１７０は配設されていない。その後、回転軸１２０の一端に回転スリット板１３０を取り付ける。（図５（ｂ）参照）このとき、回転スリット板１３０を回転軸１２０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、回路基板１４０の所定位置には、受光素子１４１がはんだ付け固定されている。

［回転軸に回転スリット板取付け］
回転軸１２０のハブ１２１に回転スリット板１６０をセンタリング位置合せして接着剤などで固定する。まず回転軸１２０のＤカット１２３を治具などで固定し、回転軸１２０を静止させる。次いで図６（ａ）（ｂ）に示すように回転スリット板１３０の中心孔１３１を回転軸１２０に嵌合し、回転スリット板１３０の原点位置合わせとセンタリング調整を行う。回転スリット板１３０には原点位置合わせ用の原点マーク１３２が透光スリット１３１ａの形成時に印刷などで施され、原点位置とセンタリングの調整を行うときは、回転軸１２０に対して回転スリット板１３０の中心孔１３１がハブ１２１に遊嵌されているので、回転スリット板１３０を左右上下や斜め方向に移動して位置合わせする。

図６はその調整状態を示し、同図（ａ）は位置合わせ前の状態を、同図（ｂ）は位置合わせ後の状態を示し、回転軸１２０のハブ１２１には回転中心を示すマークOと、軸側原点マーク１２１ａが９０度隔てた２カ所に形成してあり、この原点マーク１２１ａは回転軸１２０のＤカット１２３を基準に設定されている。一方、回転スリット板１３０には透光スリット１３１ａを基準に原点マーク１３２が９０度隔てた２カ所に形成してある。

そこで、回転スリット板１３０側の原点マーク１３２が中心方向に向かう仮想延長線の交点ＣをマークOに一致させ、原点マーク１３２を軸側原点マーク１２１aと一致させる。
これによって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、この調整の後、回転スリット板１３０の中心孔１３１周縁と回転軸１２０の間を接着剤によって固定する。

［回路基板の取付け］
回路基板１４０には受光素子１４１を備えたサブ基板１４２が半田付けなどで取付けられており、図５（ｃ）に示すように、上部基盤１１０ａの貫通孔１１４から目視して、固定スリット板１６０、回転スリット板１３０の各透孔スリットと受光素子１４１との光軸が一施するように回路基板１４０を上部基盤１１０ａのステム１１３に取付ける。このとき回路基板１４０にはビス止め用の長孔１４５が設けてあり、この基板位置を左右前後に位置調整しながら光軸が一施するように貫通孔１１４から見視して固定する。（図５（ｃ）参照）

［上部基盤に発光素子取付け］
その後、スピンドル基盤１１０に形成された貫通孔１１４に発光素子１７０を配設する。発光素子１７０は取付基板１７１に半田付け固定されていて、スピンドル基盤１１０の下方側から挿入して透光スリット内に形成された段部に回路基板１４０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１７０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１４１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。（図５（ｄ）参照）

［スピンドル上下基盤の一体化］
上部基盤１１０ａに下部基盤１１０ｂを図示しないビスによって結合する。前述の各要素部品を上部基盤１１０ａに取付けた後、下部基盤１１０ｂを取付ける。これによって上部基盤１１０ａに穿設した貫通孔１１４は下部基盤１１０ｂで覆われ、この下部基盤１１０ｂにはオイルシールから成るシーリング部材１１６が一体に形成されている為、回転軸１２０との間隙が封止される。（図５（ｅ）参照）

［ケーシングの取付け］
上下一体化された基盤１１０ａ、１１０ｂにケーシング１５０を嵌合し、下部基盤１１０ｂとケーシング１５０との間はＯリング１１９で封止される。（図５（ｆ）参照）

光学式エンコーダの基本的な原理の説明図。 本発明に係わるエンコーダ装置の断面図。 図３の装置の組立分解斜視図。 本発明に係わるエンコーダ装置の組立手順説明図。 エンコーダ装置の組立工程の断面図を示し、基盤に固定スリット板の取付け状態を示す。 エンコーダ装置の組立工程の断面図を示し、回転スリット板の取付け状態を示す。 エンコーダ装置の組立工程の断面図を示し、回路基板の取付け状態を示す。 エンコーダ装置の組立工程の断面図を示し、発光素子の取付け状態を示す。 エンコーダ装置の組立工程の断面図を示し、上下基盤の結合状態を示す。 エンコーダ装置の組立工程の断面図を示し、ケーシングの取付けを示す構成図。 回転スリット板の調整状態を示し、（ａ）は位置合わせ前の状態を、（ｂ）は位置合わせ後の状態を示す。

符号の説明

１１０ スピンドル基盤
１１０ａ 上部基盤
１１０ｂ 下部基盤
１１１ａ、１１１ｂ ベアリング
１１２ 軸孔
１１３ ステム
１１４ 貫通孔
１１５ 軸孔
１１６ シーリング部材
１１８ シール取付溝
１１９ Ｏリング
１２０ 回転軸
１２１ ハブ
１２３ Ｄカット
１３０ 回転スリット板
１３１ 中心孔
１３１ａ 透光スリット
１４０ 回路基板
１４１ 受光素子
１４２ サブ基板
１５０ ケーシング
１６０ 固定スリット板
１７０ 発光素子

Claims (6)

1. スピンドル基盤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基盤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回転スリット板を照射するように上記スピンドル基盤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備え、
   上記スピンドル基盤を上記回転軸の軸方向上下に区割した上部基盤と下部基盤とで構成し、この上部基盤に上記回転軸を軸受支持すると共に上記受光素子を具えた回路基板を取付け、上記上部基盤には上記受光素子と対向する位置に上記回転軸方向の貫通孔を設け、
   上記下部基盤には上記回転軸との隙間を閉鎖するシーリング部材を一体に設け、上記上部基盤に形成した貫通孔に上記受光素子を取付けた後、該上部基盤に下部基盤を結合し、上記検出光学系を構成する部品を覆うケーシングを上記下部基盤にシーリング部材を介して嵌合固定したことを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記下部基盤は合成樹脂のモールド成型で形成され、前記シーリング部材はゴム質材から成るリング状シーリング部材をインサート成型によって一体に成形されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
3. 前記上部基盤に形成された貫通孔には前記回転スリット板と対向する面に前記発光素子の光を分割する固定スリット板が取付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式エンコーダ。
4. スピンドル基盤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基盤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基盤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を配置した光学式エンコーダの製造方法であって、
   上記スピンドル基盤に上記回転軸を嵌合する軸孔と、該基盤の所定位置に回転軸方向の貫通孔を形成し、上記スピンドル基盤に軸承した回転軸に上記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基盤に固定した固定スリット板を位置合わせして取付け、この回転スリット板と固定スリット板に対し所定位置に受光素子を有する回路基板を位置決め固定し、上記スピンドル基盤の貫通孔内に上記発光素子を位置決め固定し、
   次いで上記スピンドル基盤の貫通孔を覆う底部カバー部材に上記回転軸との間を閉塞するシーリング部材を一体に設け、この底部カバー部材を上記スピンドル基盤に固定したことを特徴とするエンコーダの製造方法。
5. 前記スピンドル基盤には前記貫通孔に固定スリット板が設けられ、この固定スリット板は前記スピンドル基盤に仮止めされた状態で前記受光素子の出力信号を基準に位置決めされ、次いで接着剤などの固定手段で固定されることを特徴とする請求項４に記載のエンコーダの製造方法。
6. 前記底部カバー部材とシーリング部材は合成樹脂のインサート成形により一体に形成されることを特徴とする請求項４に記載のエンコーダの製造方法。

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