JP4954621B2 - 光学式ロータリエンコーダおよびその組立て方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学式ロータリエンコーダおよびその組立て方法に係り、詳しくは、回転スリット板と固定スリット板との位置合わせを容易にするための構造と、その構造を利用して適正に調整された光学式ロータリエンコーダを組み立てる組立て方法に関する。

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を備え、この回転軸に、回転角（回転位置）を表示する多数のスリットが形成された回転スリット板を取り付け、この回転スリット板には、同様のスリットが形成された固定スリット板を対置し、これら回転スリット板と固定スリット板とを挟む位置に、ＬＥＤのような発光素子とフォトトランジスタのような受光素子とを配置したもので、被検出軸の回転に伴い回転スリット板が回転するのに応じて、回転スリット板および固定スリット板の両スリットを透過する光を検出して、被検出軸の回転角を測定するようになっている（特許文献１参照）。この光学式ロータリエンコーダには、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。

具体的には、上記従来の光学式ロータリエンコーダは、 図８に示すような構造である。円筒状ハウジングであるスピンドル２１には回転軸２２が一対の転がり軸受２３，２３により回転可能に支持されている。そして、回転軸２２の一端に、回転スリット板２４が取り付けられている。また、スピンドル２１には、回転スリット板２４側の端面に開口する凹所２５が形成され、この凹所２５内に発光素子２６が設けられ、凹所２５の開口に固定スリット板２７が固定されている。さらに、上記回転スリット板２４の反スピンドル２１側には、基板２８が配設されてスピンドル２１の支持部２１ａに固定されている。この基板２８には、受光素子２９が上記発光素子２６に対向するよう設けられており、この受光素子２９が、上記固定スリット板２７および回転スリット板２４を透過した光を受光するようになっている。

上記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。すなわち、図９に示すように、まず、スピンドル２１の凹所２５の内部に発光素子２６を挿入して取り付ける（Ｔ１）。その後、凹所２５を塞ぐ位置に固定スリット板２７を取り付ける（Ｔ２）。さらに、固定スリット板２７に対向するよう、回転スリット板２４を回転軸２２の一端に取り付ける（Ｔ３）。

一方、基板２８には受光素子２９を半田付けによって取り付けておいて（Ｔ４）、この基板２８を、回転スリット板２４と対向する位置でスピンドル２１に取り付けて、受光素子２９を回転スリット板２４に対向させる（Ｔ５）。

上記組立てに当って、回転スリット板２４や固定スリット板２７等の光学系部品が設計値通りに組み付けられていると、所定のエンコーダ出力が得られるのであるが、実際には、各部品には組立て誤差があるので、これらの誤差が重なって所定の性能が得られない場合がある。その場合、既に組立てが済んだ光学系部品については、光源（発光素子２６）の側から改めてその位置を確認したり、位置調整したりすることができないため、従来は、各部品の組み付け状態はそのままにして、電気的な補正により、所定のエンコーダ出力波形を生成するようにしている（Т６）。

こののち、スピンドル２１の基板２８取り付け側にカバーケース３０を外嵌し（Т７）、最終試験を行い（Т８）、完成品とする。

なお、電気的な補正によりエンコーダ出力の調整ができない場合は、各部品を分解して、再度、調整しながら組立てを行うことになる。

上記のように、従来の光学式ロータリエンコーダでは、電気的な調整が不可欠であり、また、基板上には、電気的な調整が可能な電気部品として可変抵抗器を取り付けておく必要があるが、これに対して、本件出願人は、スピンドルに回転軸方向に貫通する貫通孔を設け、この貫通孔に発光素子と固定スリット板とを取り付ける構造を提案している（特許文献２参照）。

上記の構造では、貫通孔を通じて、光源の側から回転スリット板と固定スリット板とのスリットを目視観察することができる。そのため、固定スリット板と回転スリット板との正確な位置合わせをすることができ、電気的な調整が不要になる。上記の光学系部品の位置調整では、電気的な調整の場合よりも出力信号が改善されて、所要の波形に極めて近いエンコーダ出力が得られる。なお、発光素子は、上記の位置合わせを行った後に、貫通孔に反回転スリット板側から挿入固定すればよい。
特開平１１−８３５４２号公報、図３ 特開２００５−２７４４７９号公報

しかしながら、上記のようにスピンドルに貫通孔を形成した構成では、電気的な調整の工程が不要となり、また、電気的な調整に必要であった可変抵抗器を固定抵抗器に替えることができるのであるが、貫通孔がスピンドルの外端側に開口することになり、この貫通孔の開口が開放されたままでは、内部に塵埃が侵入する等、防塵上好ましくない。

本発明は、上記の問題に鑑み、回転スリット板と固定スリット板との位置合わせを正確にできて、しかも、塵埃の侵入を確実に防止しうる光学式ロータリエンコーダの構造と、その組立て方法を提供することを課題とする。

本発明に係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ともに被検出軸に連結される回転軸と、上記回転軸に取り付けられる回転スリット板と、上記回転スリット板に対向する位置に配置される固定スリット板と、上記固定スリット板および上記回転スリット板を照射する発光素子と、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有する光学式ロータリエンコーダであって、上記スピンドルに、回転スリット板側の端面に開口するとともにスピンドルの側面に開口する凹部が形成され、この凹部内に上記発光素子が上記凹部にスピンドルの側方外方から嵌合するホルダに保持された状態で取り付けられ、上記ホルダは割り筒状で、その長さ方向中途位置に上記発光素子が固定されており、上記回転スリット板に対向する位置に、上記受光素子と上記固定スリット板とを設けた基板が配置されていることを特徴とする。

上記構成の光学式ロータリエンコーダでは、その組立て工程中、回転軸に回転スリット板を取り付ける一方、受光素子および固定スリット板を備えた基板を、回転スリット板と対向する位置に配置した段階で、スピンドルの凹部内に側方外方からプリズムや反射鏡等の光学手段を挿入し、この光学手段を介して、回転スリット板と、基板に設けられている固定スリット板とを目視もしくは画像により観察し、この観察を通じて、回転スリット板に対する固定スリット板の位置合わせを正確に行うことができる。

このような光学系部品の位置調整によれば、電気的な調整の場合よりも、出力信号の波形が効果的に改善されて、所要のエンコーダ出力を得ることができる。したがって、電気的に出力波形を補正する調整は不要となり、この調整の工程の省略で、組立て工数が減少するとともに、調整用の部品である可変抵抗器を固定抵抗器に替えることで、コストを削減することができる。

なお、発光素子は、上記の位置合わせの後、スピンドルの凹部内に側方外方から挿入してスピンドルに取り付ければよい。この場合、従来、スピンドルの端面に取付けられる固定スリット板は、基板に設けられており、スピンドルから離れた位置にあるから、発光素子をスピンドルの凹部に挿入する際、その挿入を阻害することがなく、発光素子を支障なくスピンドルに取り付けることができる。

また、スピンドルの凹部は、回転スリット板側の端面と、スピンドルの側面とに開口し、外端面には開口しておらず、スピンドル側面の開口は、スピンドルに外嵌されるカバーケースに覆われるから、外部に露出する開口がなくなり、外部からの塵埃の侵入を確実に防止しうる。

上記構成の光学式ロータリエンコーダにおいて、受光素子は、スリットマスク付きフォトダイオードアレーのように、その受光面側に固定スリット板が一体に設けられているものであることが望ましい。該受光素子には、その生産段階でスリット（固定スリット板）が形成されるから、受光素子に対する固定スリット板の位置決めが極めて正確で、受光素子と固定スリット板とが別に製作される場合に必要となる位置決め工程が一切不要になる。

また、上記構成の光学式ロータリエンコーダでは、発光素子は、スピンドルの凹部にスピンドルの側方外方から嵌合するホルダに保持された状態で、上記凹部内に取り付けられるから、凹部がスピンドルの側面に開口している形状であるにもかかわらず、凹部内に発光素子を確実に固定できるほか、凹部はその内部にホルダが嵌合されるので、比較的開口幅が広いものとなり、そのため、凹部内には比較的大きな光学手段を挿入しうるようになり、目視等の観察に便利である。

本発明に係る光学式ロータリエンコーダの組立て方法は、上記した構成の光学式ロータリエンコーダを組み立てる方法であって、スピンドルの凹部内に発光素子が取り付けられていない状態で、回転軸に回転スリット板を取り付ける工程と、受光面側に固定スリット板を有する受光素子を基板に取り付ける工程と、この受光素子を備えた基板を、回転スリット板と対向するようスピンドルに支持させる工程と、スピンドルの凹部内に側方外方から挿入した光学手段を介しての観察により、回転スリット板に対する固定スリット板の位置合わせをする工程と、その位置合わせ後、スピンドルの凹部内に発光素子をホルダに保持された状態で取り付ける工程とを含むことを特徴するものである。

この組立て方法によれば、光学式ロータリエンコーダについて前述したように、スピンドルの凹部内に挿入した光学手段を介しての目視もしくは画像の観察により、回転スリット板に対する固定スリット板の位置合わせを正確に行うことができ、電気的な調整工程を省略して製品を組み立てることができる。

本発明によれば、回転スリット板に対する固定スリット板の位置合わせを正確に行うことができ、電気的な調整が不要となり、しかも、スピンドルの外端側の開口がなくなるので、塵埃の侵入を確実に防止することができる。

図１ないし図７は、本発明の最良の実施形態を示すもので、図１は、最良の実施形態に係る光学式ロータリエンコーダの断面図、図２は、上記光学式ロータリエンコーダの分解斜視図、図３は、上記光学式ロータリエンコーダの一部である基板の下面側から見た斜視図、図４は、上記光学式ロータリエンコーダの組立て工程図、図５〜７は、いずれも組立て途中の光学式ロータリエンコーダの一部破断した側面図である。

図１および図２に示すように、本実施形態に係る光学式ロータリエンコーダは、ほぼ円筒状のハウジングであるスピンドル１と、回転軸２と、回転スリット板３と、固定スリット板４と、基板５と、ＬEＤのような発光素子６と、フォトダイオードのような受光素子７と、カバーケース８とを備えたものである。

回転軸２は、図示省略した被検出軸に連結されるもので、スピンドル１の中心部に一対の転がり軸受９，９により回転可能に支持されている。回転スリット板３は、回転角（回転位置）を表示する多数のスリット３ａが周方向に形成されたもので、回転軸２の一端（図１および図２では上端）に設けられたフランジ部２ａに取り付けられている。固定スリット板４は、回転スリット板３のスリット３ａに対応したスリット４ａ（図３に図示）を有するものである。

基板５は、回転スリット板３の反スピンドル１側に配置されて、スピンドル１の柱状の支持部１ａに支持固定されている。この基板５の回転スリット板３側の面部には、受光素子７と固定スリット板４とが設けられている。受光素子７は、回転スリット板３と固定スリット板４とを間にして、スピンドル１側に取り付けられた発光素子６と対向する位置にあり、回転スリット板３と固定スリット板４とを透過した発光素子６の照射光を受光するようになっている。

カバーケース８は、スピンドル１の外周に外嵌される有底円筒体で、スピンドル１の一端側にある回転スリット板３や基板５等の部品の外側を覆うとともに、スピンドル１の側面を被覆するようになっている。カバーケース８の開口端は、スピンドル１の外端部（図１および図２では下端部）の外周の環状凹部１ｂに設けられたＯリング１４に圧接し、密閉状態とされる。

上記構成において、被検出軸が回転するのに伴い、回転軸２と回転スリット板３とが回転すると、発光素子６の照射光が回転スリット板３および固定スリット板４の両スリット３ａ，４ａを透過して、受光素子７に断続的に入射する。この断続的な入射光に基づいて、被検出軸の回転角が測定される。

本実施形態では、上記の構成のほかに、回転スリット板３と固定スリット板４との位置調整を容易にするとともに防塵を確実にするための構造が設けられている。すなわち、上記スピンドル１には、回転スリット板３側（図１および図２では上側）の端面に開口するとともにスピンドル１の側面（軸方向に沿う外面）に開口する凹部１０が形成されている。該凹部１０は、スピンドル１の回転スリット板３側の端面から軸方向の途中位置まで切れ込んだ形状で、スピンドル１の外端部（図１および図２では下端部）には開口していない。

上記凹部１０は、後に詳述するように、側方外方からプリズムや反射鏡等の光学手段を挿入するスペースとして機能するほか、発光素子６の取付けスペースとなるもので、凹部１０内には、ホルダ１１を介して、発光素子６が、発光部を回転スリット板３に向けた形で取り付けられる。ホルダ１１は、凹部１０内に側方外方から（図１および図２では、左側から横方向に）嵌挿しうる外側形状で、図２に明示するように、割り筒状の本体の外周面の２個所に取付け片１１ａ，１１ａを一体に有しており、この取付け片１１ａを、凹部１０の軸方向に沿う内面に当接させてねじ１２止めすることで、凹部１０内に嵌合した状態で凹部１０内に固定される。発光素子６は、ホルダ１１の割り筒状本体内に一方側から嵌挿されて、所定の中途位置で固定される。

また、本実施形態では、図３に明示するように、基板５の所定位置に受光素子７が取り付けられ、この受光素子７の受光面側に固定スリット板４が一体に設けられている。この場合、別々に製作した受光素子７と固定スリット板４とを互いに位置決めした上で基板５に取り付けてもよいが、図示の例では、受光素子７は、例えば、スリットマスク付きフォトダイオードアレーのように、その受光面側に固定スリット板４が一体に設けられているものである。したがって、受光素子７を基板５に取り付けることで、基板５には受光素子７と固定スリット板４とが設けられる。

次に、上記構成の光学式ロータリエンコーダの組立て方法を、図４の工程図、および図５〜図７の組立て途中の側面図に基づいて説明する。

まず、図４のＳ１および図５に示すように、回転軸２の一端のフランジ部２ａに回転スリット板３を取り付ける。この場合、フランジ部２ａの端面に付したマークと、回転スリット板３に付したマーク（いずれも図示せず）とを合わせることで、回転軸２には、回転スリット板３が芯ずれのない状態で取り付けられる。

この回転スリット板３の取り付けの際、スピンドル１の凹部１０には、ホルダ１１も発光素子６も設けられておらず、凹部１０は開放されている。

一方、基板５には、固定スリット板４付きの受光素子７を半田付けし（Ｓ２）、この基板５を、スピンドル１の支持部１ａに支持させた状態で、回転スリット板３に対して基板５の位置を調整する（Ｓ３）。

この場合、図６に示すように、開放されている凹部１０には、先端にプリズム１３ｐや反射鏡等を有する光学手段１３を挿入する。光学手段１３は、凹部１０の軸方向外方にある回転スリット板３等の部品の形状を映し出すから、この光学手段１３を介して、回転スリット板３と、基板５に設けられている固定スリット板４とを目視もしくは画像により観察することができ、この観察を通じて、回転スリット板３に対する固定スリット板４の位置合わせを正確に行うことができる。

上記のようにして、固定スリット板４を含む基板５と、回転スリット板３との所定位置への取り付けが済むと、図６に示すように、ホルダ１１に発光素子６を嵌挿し、このホルダ１１を凹部１０に側方外方から挿入して、取付け片１１ａのねじ１２止めにより凹部１０内に固定し、これにより、発光素子６をスピンドル１の凹部１０内に取り付ける（Ｓ４）。

こののち、スピンドル１の外周に、基板５の側からカバーケース８を外嵌して組み付ける（Ｓ５）。これにより、基板５や回転スリット板３等の部品の外側が覆われるとともに、凹部１０のスピンドル１側面側の開口が外部に対して遮蔽され、図１に示した形となる。そして、図１に示した形となってものに対しては、最終試験を行い（Ｓ６）、完成品とする。

本発明の最良の実施形態に係る光学式ロータリエンコーダの断面図。 上記光学式ロータリエンコーダの分解斜視図。 上記光学式ロータリエンコーダの一部である基板の下面側から見た斜視図。 上記光学式ロータリエンコーダの組立て工程図。 組立て途中の光学式ロータリエンコーダの一部破断した側面図。 組立て途中の光学式ロータリエンコーダの一部破断した側面図で、図５の次の状態を示す。 組立て途中の光学式ロータリエンコーダの一部破断した側面図で、図６の次の状態を示す。 従来の光学式ロータリエンコーダの断面図。 従来の上記光学式ロータリエンコーダの組立て工程図。

符号の説明

１ スピンドル
２ 回転軸
３ 回転スリット板
４ 固定スリット板
５ 基板
６ 発光素子
７ 受光素子
１０ 凹部
１１ ホルダ
１３ 光学手段

Claims (3)

1. スピンドルに回転自在に支持されるとともに被検出軸に連結される回転軸と、上記回転軸に取り付けられる回転スリット板と、上記回転スリット板に対向する位置に配置される固定スリット板と、上記固定スリット板および上記回転スリット板を照射する発光素子と、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有する光学式ロータリエンコーダであって、
   上記スピンドルに、回転スリット板側の端面に開口するとともにスピンドルの側面に開口する凹部が形成され、この凹部内に上記発光素子が上記凹部にスピンドルの側方外方から嵌合するホルダに保持された状態で取り付けられ、上記ホルダは割り筒状で、その長さ方向中途位置に上記発光素子が固定されており、上記回転スリット板に対向する位置に、上記受光素子と上記固定スリット板とを設けた基板が配置されていることを特徴とする光学式ロータリエンコーダ。
2. 上記受光素子は、その受光面側に固定スリット板が一体に設けられているものである、請求項１に記載の光学式ロータリエンコーダ。
3. 請求項１または２に記載の光学式ロータリエンコーダを組み立てる方法であって、
   スピンドルの凹部内に発光素子が取り付けられていない状態で、回転軸に回転スリット板を取り付ける工程と、
   受光面側に固定スリット板を有する受光素子を基板に取り付ける工程と、
   この受光素子を備えた基板を、回転スリット板と対向するようスピンドルに支持させる工程と、
   スピンドルの凹部内に側方外方から挿入した光学手段を介しての観察により、回転スリット板に対する固定スリット板の位置合わせをする工程と、
   上記位置合わせの後、スピンドルの凹部内に発光素子をホルダに保持された状態で取り付ける工程と、
   を含むことを特徴とする光学式ロータリエンコーダの組立て方法。

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