WO2020012650A1

WO2020012650A1 - エンコーダ、モータ及びエンコーダの製造方法

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Publication number: WO2020012650A1
Application number: PCT/JP2018/026567
Authority: WO
Inventors: 政範二村; 大輔金森; 雅史大熊; 琢也野口
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2020-01-16
Also published as: CN112384761B; DE112018007830T5; JP6937916B2; DE112018007830B4; TW202006325A; TWI708043B; JPWO2020012650A1; CN112384761A

Abstract

エンコーダ（２０）は、回転可能に支持されて回転軸を中心とする環状に配置された周期構造を有した回転部材（４）と、回転部材（４）の回転にともなう周期構造の変位に基づいて回転部材（４）の回転角度を検出する回転角度検出部を備えた回路基板（７）と、回路基板（７）を支持する円筒状の回路基板支持部材（８）と、回路基板支持部材（８）が固定されるエンコーダブラケット（１）とを有し、回路基板支持部材（８）は、回路基板（７）の周縁部に当接して回路基板支持部材（８）の中心軸と垂直な方向で回路基板（７）を位置決めする位置決め部と、回路基板（７）の周縁部が接着される回路基板接着部と、少なくとも位置決め部の内周側の部分の内筒面に上面側から設けられ、回路基板支持部材（８）の中心軸に沿った方向に回転部材（４）から遠ざかるほど回路基板支持部材（８）の中心軸に近づく傾斜を有する斜面部とを備える。

Description

エンコーダ、モータ及びエンコーダの製造方法

　本発明は、シャフトの回転角度を検出するエンコーダ及びこれを備えたモータ並びにエンコーダの製造方法に関する。

　一般的なモータ用のエンコーダは、シャフトに固定された回転部材の回転を光学的又は磁気的に検出する素子が回路基板に搭載されており、回転を検出する素子の出力を回路基板上の演算装置で処理することによってシャフトの回転角度を検出している。回路基板は、回路基板支持部材によって支持され、回路基板支持部材を介してブラケットといったベース部材に固定される。

　特許文献１には、回路基板を回路基板支持部材である上部基盤にねじで固定し、上部基盤をベース部材である下部基盤に固定した構造のエンコーダが開示されている。

特許第４６４８６８５号公報

　回路基板の位置ずれを防止できる締結力で、ねじにより回路基板を回路基板支持部材に固定するためには、金属製のねじを用いる必要がある。しかし、金属製のねじで回路基板を回路基板支持部材に固定する場合、回路基板に実装した電子部品又は回路基板上のパターンとねじとの距離が短くなると、エレクトロケミカルマイグレーションにより基板電極とねじとの間に短絡が生じる可能性がある。特許文献１に開示されるエンコーダは、回路基板をねじで回路基板支持部材に固定しているため、ねじ固定部の周辺に電子部品又は回路を配置することができない。すなわち、特許文献１に開示されるエンコーダは、回路基板の面積を広くする必要があり、小型化することができなかった。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、エレクトロケミカルマイグレーションを生じさせることなく小型化を図ったエンコーダを得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、回転可能に支持されて回転軸を中心とする環状に配置された周期構造を有した回転部材と、回転部材の回転にともなう周期構造の変位に基づいて回転部材の回転角度を検出する回転角度検出部を備えた回路基板と、回路基板を支持する円筒状の回路基板支持部材と、回路基板支持部材が固定されるベース部材とを有する。回路基板支持部材は、回路基板の周縁部に当接して回路基板支持部材の中心軸と垂直な方向で回路基板を位置決めする位置決め部と、回路基板の周縁部が接着される回路基板接着部と、少なくとも位置決め部の内周側の部分の内筒面に上面側から設けられ、回路基板支持部材の中心軸に沿った方向に回転部材から遠ざかるほど回路基板支持部材の中心軸に近づく傾斜を有する斜面部とを備える。

　本発明によれば、エレクトロケミカルマイグレーションを生じさせることなく小型化を図ったエンコーダを得られるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係るエンコーダの断面図実施の形態１に係るエンコーダの分解斜視図実施の形態１に係るエンコーダの回路基板支持部材の斜視図実施の形態１に係る回路基板支持部材と回路基板との接着部分の断面図実施の形態１に係るエンコーダの回路基板支持部材と回路基板とを固定する処理の流れを示す図実施の形態１に係るエンコーダの回路基板支持部材の変形例を示す図本発明の実施の形態２に係るエンコーダの回路基板支持部材の斜視図実施の形態２に係る回路基板支持部材と回路基板との接着部分の断面図実施の形態２に係るエンコーダの回路基板支持部材の変形例を示す図本発明の実施の形態３に係るエンコーダの回路基板支持部材の斜視図実施の形態３に係る回路基板支持部材と回路基板との接着部分の断面図本発明の実施の形態４に係るモータの断面図

　以下に、本発明の実施の形態に係るエンコーダ、モータ及びエンコーダの製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係るエンコーダの断面図である。図２は、実施の形態１に係るエンコーダの分解斜視図である。実施の形態１に係るエンコーダ２０は、エンコーダシャフト３に固定され、回転可能に支持された回転部材４と、光を発する発光素子５と回転部材４において反射された光を検出する受光素子６とを備えた子基板１０が裏面に実装され、受光素子６の出力に基づいて回転部材４の回転を検出する演算部１７が表面に実装された回路基板７と、回路基板７を支持する回路基板支持部材８と、回路基板７を覆うカバー１３と、カバー１３が固定されるベース部材であるエンコーダブラケット１と、シール部材１２とを有する。回路基板支持部材８は、ねじ１４によってエンコーダブラケット１に固定されている。エンコーダ２０において、発光素子５、受光素子６及び演算部１７は、回転部材４の回転角度を検出する回転角度検出部である。

　実施の形態１に係るエンコーダ２０は、反射式光学式であり、回転部材４の上面には、回転軸を中心に環状に配置された周期構造であるスケールパターンが形成されている。ベアリング１５を介してエンコーダブラケット１に回転可能に支持されたエンコーダシャフト３に回転部材４が接着固定されており、エンコーダシャフト３の回転にともなって、回転部材４が回転する。発光素子５は、回転部材４のスケールパターンに光を照射する。回転部材４の回転にともない、スケールパターンでの反射光の強度の周期的な変化が、回転角度に対応した回数発生する。したがって、受光素子６の出力は、周期的な変化が回転部材４の回転角度に対応した回数発生する。演算部１７は、受光素子６の出力に基づいて演算処理を行うことにより回転部材４の回転角度を検出できる。

　エンコーダシャフト３には、モータシャフトが軸継ぎ手１６を介して連結され、モータの駆動によってモータシャフトが回転するとエンコーダシャフト３とともに回転部材４が回転する。

　エンコーダブラケット１に設けられた溝の平坦な底面にシール部材１２が設置されており、カバー１３の周縁部の平坦な部分がシール部材１２に接している。カバー１３は、エンコーダブラケット１にねじ１１で固定される。ねじ１１の固定後は、カバー１３の平坦な部分とエンコーダブラケット１の溝の平坦な底面との間でシール部材１２が圧縮されており、高い防塵防水効果を得ることができる。なお、ここでの平坦とは、巨視的に平面であることを意味し、微視的な凹凸が存在している場合も平坦に含まれる。シール部材１２は、平坦な面同士の間で圧縮されているため、カバー１３及びエンコーダブラケット１を高精度に加工する必要はなく、製造コストの高騰する要因とはならない。シール部材１２には、ニトリルゴム又はシリコーンゴムからなるＯリングが用いられている。

　カバー１３は、軟磁性体で形成される。カバー１３の材料には、磁界遮蔽効果が高いパーマロイと呼称されるニッケル－鉄合金を用いることもできるし、磁界遮蔽効果はニッケル－鉄合金よりも劣るが、ニッケル－鉄合金よりも安価な一般構造用圧延鋼材又は冷間圧延鋼板を用いることもできる。

　また、カバー１３には、回路基板７への電力供給及び回路基板７とサーボアンプとの通信用リード線をカバー１３の内部から外部に導き出すための気密機能を有したコネクタ１８が取り付けられる。

　カバー１３の固定に、呼び径の大きいねじ１１を使用することができるため、カバー１３を固定する力が不足することに起因する防塵防水性能の低下を抑制できる。実施の形態１に係るエンコーダ２０は、平坦な面同士の間でシール部材１２を圧縮しているため、カバー１３及びエンコーダブラケット１を高精度に加工しなくても、防水防塵性を得ることができる。

　図３は、実施の形態１に係るエンコーダの回路基板支持部材の斜視図である。図４は、実施の形態１に係る回路基板支持部材と回路基板との接着部分の断面図である。回路基板支持部材８は、円筒状であり、強度向上目的の充填剤が配合されたエンジニアリングプラスチックで形成される。強度向上目的の充填剤には、ガラスフィラーを例示できるが、これに限定はされない。回路基板支持部材８は、回路基板７が載置される回路基板接着部８ｃと、回路基板７を位置決めする位置決め部８ａとを有する。回路基板接着部８ｃ及び位置決め部８ａは、回路基板支持部材８の上面の４箇所に設けられている。

　回路基板７は、外形が概ね円形である。位置決め部８ａは、回路基板７の外縁に光硬化性接着剤９を介して当接することによって、エンコーダシャフト３の軸方向と直交する平面の面内方向において回路基板７を位置決めする。回路基板接着部８ｃは、回路基板７の裏面が光硬化性接着剤９を介して接する。回路基板接着部８ｃ以外の部分では、回路基板７の裏面と回路基板支持部材８との間に隙間が空いているため、回路基板７の裏面に電子部品を実装しても回路基板支持部材８と電子部品との干渉は生じない。したがって、回路基板接着部８ｃを部分的に設けることにより、回路基板７の裏面のデッドスペースを低減し、電子部品を実装可能な面積を拡大することができる。

　また、回路基板支持部材８の内筒面には、光硬化性接着剤９が垂れることを防止する斜面部８ｂが形成されている。斜面部８ｂは、回路基板接着部８ｃの内周側の部分に形成されている。斜面部８ｂは、回路基板支持部材８の中心軸に沿った方向に回転部材４から遠ざかるに従って回路基板支持部材８の中心軸に近づく傾斜を有している。斜面部８ｂが設けられていることにより、回路基板７の裏面側から硬化光を照射する際に光が遮断される量が少なくなる。したがって、回路基板７と回路基板支持部材８との間に未硬化の光硬化性接着剤９が残りにくい。光硬化性接着剤９は、光を照射すると速やかに硬化するため、回路基板７を回路基板支持部材８に接着する際に、接着剤が固化するのを待つ必要がなく、回路基板７を回路基板支持部材８に固定する作業に要する時間が長期化することを抑制できる。

　なお、可視光の反射率が２０％以上である白色材料で回路基板支持部材８を形成すれば、斜面部８ｂに入射した光の一部が斜面部８ｂで反射されて光硬化性接着剤９に到達するため、回路基板７と回路基板支持部材８との間に未硬化の光硬化性接着剤９が残りにくくすることができる。

　また、ねじ１４が貫通する穴の内径側には、回路基板支持部材８をエンコーダブラケット１にねじ１４で固定する際にねじ１４が回転部材４を傷つけることを防止する保護壁８ｄが設けられている。

　回路基板７は、光硬化性接着剤９により回路基板支持部材８に固定されており、回路基板７を回路基板支持部材８に固定するねじは存在しない。したがって、実施の形態１に係るエンコーダ２０は、エレクトロケミカルマイグレーションの懸念がなく、回路基板７の面積を縮小しても電子部品又は回路パターンを配置するスペースを確保できる。このため、実施の形態１に係るエンコーダ２０は、小型化が可能である。

　また、光硬化性接着剤９を塗布する回路基板接着部８ｃの内周側には、斜面部８ｂが設けられているため、光硬化性接着剤９が回路基板支持部材８の下まで垂れ落ちにくい。よって、後工程で光硬化性接着剤９が他の構成部品に付着することを防止できる。

　なお、光硬化性接着剤９は、光が照射されなくても経時的に硬化が進行する常温硬化性を備えていれば、回路基板７と回路基板支持部材８とに挟まれて光が届かない範囲の光硬化性接着剤９も硬化させることができる。

　また、光硬化性接着剤９は、光が照射されてから１分から１０分経過後に硬化が開始される遅延硬化性を有していれば、光硬化性接着剤９に光を照射してから回路基板７を回路基板支持部材８に設置できるため、回路基板７と回路基板支持部材８と間の光硬化性接着剤９を全て硬化させることができる。図５は、実施の形態１に係るエンコーダの回路基板支持部材と回路基板とを固定する処理の流れを示す図である。ステップＳ１において、回路基板支持部材８に光硬化性接着剤９を塗布する。ステップＳ２において、光硬化性接着剤９に光を照射する。ステップＳ３において、回路基板７を回路基板支持部材８に接着する。上記の手順で回路基板７を回路基板支持部材８に接着することにより、回路基板７と回路基板支持部材８との間の光硬化性接着剤９を全て硬化させることができ、接着強度を高めることができる。

　図３及び図４に示した回路基板支持部材８は、斜面部８ｂが底面まで到達していないため、回路基板支持部材８の内径を小径化することができる。また、斜面部８ｂが設けられた部分よりも下側では回路基板支持部材８の肉厚が小さくならないため、回路基板支持部材８の強度が低下することを防止できる。したがって、モータの振動が回路基板支持部材８に伝わることにより回路基板７と回転部材４との相対位置が変化し、回転角度が誤検出されることを防止できる。

　図６は、実施の形態１に係るエンコーダの回路基板支持部材の変形例を示す図である。斜面部８ｂは、回路基板支持部材８の底面まで到達してもよい。斜面部８ｂを回路基板支持部材８の底面まで到達させることにより、回路基板支持部材８の底面の面積を大きく取れるため、振動又は衝撃が印加される環境でも回路基板７の変位量が小さくなる。これにより、エンコーダ２０は、回転角度を高精度で計測可能となる。

　なお、上記の説明において、エンコーダ２０は反射光学式であったが、透過光学式であってもよい。エンコーダ２０を透過光学式とする場合は、発光素子５は回転部材４を挟んで受光素子６と対向するように回路基板７の外部に配置し、受光素子６と演算部１７とで回転角度検出部を構成すればよい。また、エンコーダ２０は、磁気式であってもよい。エンコーダ２０を磁気式とする場合は、Ｓ極とＮ極とが交互に配置された環状の磁極の周期構造を回転軸を中心に回転部材４に設け、磁界の変化を検出する磁気センサを回路基板７に実装し、磁気センサの出力に基づいて回転部材４の回転角度を検出すればよい。

実施の形態２．
　本発明の実施の形態２に係るエンコーダ２０は、図１及び図２に示した実施の形態１に係るエンコーダ２０と同様であるが、回路基板支持部材８の形状が異なる。図７は、本発明の実施の形態２に係るエンコーダの回路基板支持部材の斜視図である。図８は、実施の形態２に係る回路基板支持部材と回路基板との接着部分の断面図である。実施の形態２に係るエンコーダ２０の回路基板支持部材８は、回路基板７を位置決めする位置決め部８ａを有する。位置決め部８ａは、回路基板支持部材８の上面の４箇所に設けられている。また、実施の形態２に係るエンコーダ２０の回路基板支持部材８は、回路基板７の外縁全周に光硬化性接着剤９を介して接するように回路基板接着部８ｃが全周にわたって設けられている。

　また、回路基板支持部材８の内筒面には、光硬化性接着剤９が垂れることを防止する斜面部８ｂが形成されている。斜面部８ｂは、回路基板支持部材８の中心軸に沿って回転部材４から遠ざかるに従って回路基板支持部材８の中心軸に近づく傾斜を有している。斜面部８ｂが設けられていることにより、回路基板７の裏面側から硬化光を照射する際に光が遮断される量が少なくなる。実施の形態１に係るエンコーダ２０の回路基板支持部材８とは異なり、斜面部８ｂは、回路基板支持部材８の底面まで達している。斜面部８ｂが回路基板支持部材８の底面まで達していることにより、光硬化性接着剤９を硬化させる光が、斜面部８ｂと内筒面とがなす角に遮られることがなくなり、回路基板７と回路基板支持部材８との間に未硬化の光硬化性接着剤９がより残りにくくなる。

　実施の形態２に係るエンコーダ２０は、回路基板支持部材８の底面の面積を大きく取れるため、振動又は衝撃が印加される環境でも回路基板７の変位量が小さくなり、回転角度を高精度で計測可能である。また、回路基板７の周縁部全体に光硬化性接着剤９を塗布して接着するため、回路基板７と回路基板支持部材８との接着面積を広く確保でき、接着強度を向上させることができる。

　図９は、実施の形態２に係るエンコーダの回路基板支持部材の変形例を示す図である。斜面部８ｂを全周に設ける場合において、斜面部８ｂは、回路基板支持部材８の底面まで達していなくてもよい。斜面部８ｂが回路基板支持部材８の底面まで達しないことにより、実施の形態１に係るエンコーダ２０と同様に、回路基板支持部材８の内径を小径化することができる。また、斜面部８ｂが設けられた部分よりも下側では回路基板支持部材８の肉厚が小さくならないため、回路基板支持部材８の強度が低下することを防止できる。したがって、モータの振動が回路基板支持部材８に伝わることにより回路基板７と回転部材４との相対位置が変化し、回転角度が誤検出されることを防止できる。

実施の形態３．
　本発明の実施の形態３に係るエンコーダ２０は、図１及び図２に示した実施の形態１に係るエンコーダと同様であるが、回路基板支持部材８の形状が異なる。図１０は、本発明の実施の形態３に係るエンコーダの回路基板支持部材の斜視図である。図１１は、実施の形態３に係る回路基板支持部材と回路基板との接着部分の断面図である。実施の形態３に係るエンコーダ２０の回路基板支持部材８は、接着剤溜まり部８ｅが設けられている。また、実施の形態３に係るエンコーダ２０の回路基板支持部材８は、回路基板７の外縁全周に光硬化性接着剤９を介して接するように回路基板接着部８ｃが全周にわたって設けられている。斜面部８ｂは、位置決め部８ａの内周側のみに設けられている。

　光硬化性接着剤９を塗布した回路基板支持部材８に回路基板７を接着する際に、回路基板７と回路基板支持部材８との間から押し出された光硬化性接着剤９は、接着剤溜まり部８ｅに滞留する。したがって、回路基板７と回路基板支持部材８との間から押し出された光硬化性接着剤９が斜面部８ｂまで到達しにくい。光硬化性接着剤９が斜面部８ｂまで達しても、光硬化性接着剤９は、斜面部８ｂに留まりやすく、回路基板支持部材８の下まで垂れ落ちにくい。

　実施の形態３に係るエンコーダ２０は、回路基板７と回路基板支持部材８との間から押し出された光硬化性接着剤９を接着剤溜まり部８ｅに滞留させることができるため、回路基板接着部８ｃに塗布する光硬化性接着剤９を増やすことができ、回路基板７と回路基板支持部材８との接着強度を高めることができる。

実施の形態４．
　図１２は、本発明の実施の形態４に係るモータの断面図である。実施の形態４に係るモータ３０は、モータシャフト３４を回転駆動する駆動部３１とエンコーダ部３２とを備えるエンコーダ一体型である。エンコーダ部３２の構造は、実施の形態１に係るエンコーダ２０と同様である。ただし、エンコーダ部３２は、エンコーダブラケット１を備えておらず、カバー１３は、モータブラケット３３に固定される。すなわち、実施の形態４において、カバー１３が固定されるベース部材はモータブラケット３３である。また、回転部材４は、モータシャフト３４に接着固定されている。

　実施の形態４に係るモータ３０は、製造コストを高騰させることなく、エンコーダ部３２の耐衝撃性を実現できる。また、エンコーダ部３２の小型化をできるため、モータ３０全体でも小型化を実現することが可能となる。

　なお、上記の説明において、モータ３０は、実施の形態１に係るエンコーダ２０と同様の構造のエンコーダ部３２を備えているが、実施の形態２又は実施の形態３に係るエンコーダ２０と同様のエンコーダ部３２を備えてもよい。

　以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

　１　エンコーダブラケット、３　エンコーダシャフト、４　回転部材、５　発光素子、６　受光素子、７　回路基板、８　回路基板支持部材、８ａ　位置決め部、８ｂ　斜面部、８ｃ　回路基板接着部、８ｄ　保護壁、８ｅ　接着剤溜まり部、９　光硬化性接着剤、１０　子基板、１１，１４　ねじ、１２　シール部材、１３　カバー、１５　ベアリング、１６　軸継ぎ手、１７　演算部、１８　コネクタ、２０　エンコーダ、３０　モータ、３１　駆動部、３２　エンコーダ部、３３　モータブラケット、３４　モータシャフト。

Claims

　回転可能に支持されて回転軸を中心とする環状に配置された周期構造を有した回転部材と、
　前記回転部材の回転にともなう前記周期構造の変位に基づいて前記回転部材の回転角度を検出する回転角度検出部を備えた回路基板と、
　前記回路基板を支持する円筒状の回路基板支持部材と、
　前記回路基板支持部材が固定されるベース部材とを有し、
　前記回路基板支持部材は、前記回路基板の周縁部に当接して前記回路基板支持部材の中心軸と垂直な方向で前記回路基板を位置決めする位置決め部と、
　前記回路基板の周縁部が接着される回路基板接着部と、
　少なくとも前記位置決め部の内周側の部分の内筒面に上面側から設けられ、前記回路基板支持部材の中心軸に沿った方向に前記回転部材から遠ざかるほど前記回路基板支持部材の中心軸に近づく傾斜を有する斜面部とを備えることを特徴とするエンコーダ。
　前記斜面部は、前記回路基板支持部材の内周側に全周にわたって設けられていることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
　前記回路基板支持部材は、前記回路基板接着部を前記位置決め部の内周側に備え、
　前記回路基板接着部に接着された部分以外の部分では、前記回路基板支持部材と前記回路基板の周縁部との間に隙間を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のエンコーダ。
　前記斜面部は、前記回路基板支持部材の底面まで達していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエンコーダ。
　前記斜面部は、前記回路基板支持部材の底面まで達していないことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエンコーダ。
　前記回路基板支持部材は、白色材料で形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のエンコーダ。
　前記位置決め部の内周側に、接着剤を滞留させる接着剤溜まり部が形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のエンコーダ。
　請求項１から７のいずれか１項に記載のエンコーダを用いたエンコーダ部と、モータシャフトを回転駆動する駆動部とを有するモータであって、
　前記モータシャフトに前記回転部材が固定されていることを特徴とするモータ。
　回転部材の回転角度を検出する回転角度検出部を備えた回路基板と、前記回路基板の周縁部を支持する回路基板支持部材とを有するエンコーダの製造方法であって、
　前記回路基板支持部材に遅延硬化性を有する光硬化性接着剤を塗布する工程と、
　前記光硬化性接着剤に光を照射する工程と、
　前記回路基板支持部材に前記光硬化性接着剤を介して前記回路基板を接着する工程とを有することを特徴とするエンコーダの製造方法。
　回転部材の回転角度を検出する回転角度検出部を備えた回路基板と、前記回路基板の周縁部を支持する円筒状であり、内筒面の少なくとも一部に上面側から設けられ、中心軸に沿った方向に前記回転部材から遠ざかるほど前記中心軸に近づく傾斜を有する斜面部を備えた回路基板支持部材とを有するエンコーダの製造方法であって、
　前記回路基板支持部材と前記回路基板との間の光硬化性接着剤に前記回路基板の表裏両側から光を照射する際に、前記回路基板の裏面側からは、前記斜面部に沿って前記光硬化性接着剤に光を照射することを特徴とするエンコーダの製造方法。
　前記光硬化性接着剤が常温硬化性を有することを特徴とする請求項１０に記載のエンコーダの製造方法。