(57)【要約】【課題】  省スペースで高精度の部材加工のコストも抑制され、メンテナンス性にも優れた、流体軸受を用いた光学式ロータリエンコーダ。【解決手段】  回転ディスク１０はディスク支持部材５に対して固定され、流体軸受機構及び光学部材ユニット４とともに円筒状のケース２０内に収容される。光学部材ユニット４と流体軸受機構は、ケース２０とともに回転軸１が回転しても静止した状態を維持する静止系で、開口部５１を利用して、静止系受け入れ部２、３にケース２０ごと嵌め込まれ、ディスク支持部材５と回転ディスク１０が回転軸１に嵌合される。圧搾空気流路６、圧搾空気吹出口７を介して回転ディスク１０の両面に向けて圧搾空気を吹き付け、回転軸１と平行な方向の変位を拘束する。また、圧搾空気を圧搾空気流路６からディスク支持部材５の外周にも吹き付けれ、回転軸１に垂直な方向の変位も拘束される。流体として、ヘリウムや油も使用できる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に取り付けられ、該回転軸の回転角度を検出する光学式ロータリエンコーダであって、
回転角度を光学的に読取るためにコードパターンを形成した回転ディスクと、該回転ディスクを保持して前記回転軸に取り付ける回転ディスク支持部材と、
前記回転ディスクの両表面に流体を供給して該回転ディスクの回転軸方向の変位を拘束する流体軸受と、
前記回転ディスクの回転角度を検出する回転角度検出用光学部材とを備えていることを特徴とする、光学式ロータリエンコーダ。
【請求項２】
前記流体軸受は静圧空気軸受であ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。
【請求項３】
前記流体軸受に代えて、前記回転ディスクの両表面と、前記両表面の夫々に対向する部材の各面との間にすべり軸受を設け、該すべり軸受によって前記回転ディスクの回転軸方向の変位を拘束することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の光学式ロータリエンコーダ。
【請求項４】
前記流体軸受に代えて、前記回転ディスクの両表面と、前記両表面の夫々に対向する部材の各面との間に転がり軸受を設け、該転がり軸受によって前記回転ディスクの回転軸方向の変位を拘束することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の光学式ロータリエンコーダ。
【請求項５】
前記ディスク支持部材の表面を前記回転ディスクの半径方向の変位を拘束し、回転自在に支持する流体軸受を設けたことを特徴とする、請求項１〜請求項４の内の何れか１項に記載の光学式ロータリエンコーダ。
【請求項６】
前記流体軸受は、静圧空気軸受であることを特徴とする、請求項５に記載の光学式ロータリエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ等の回転軸に取り付けられ、該回転軸の回転角度を検出する光学式ロータリエンコーダに関し、更に詳しく言えば、光学式ロータリエンコーダの製造工程、検査工程、メンテナンス等において、同エンコーダが持つ回転ディスクと回転角度検出用光学部材との位置関係のチェック、調整等を行なう際に有用な機構を備えた光学式ロータリエンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばモータの回転軸などの回転角度の検出には、光学式ロータリエンコーダが広く使用されている。回転自在に支持された軸の回転角度の検出に光学式ロータリエンコーダを使用する場合、その回転軸にロータリエンコーダを組み込む必要がある。一般に、光学式ロータリエンコーダは、回転する軸にスリット等からなるコードパターンを設けたガラス製あるいはプラスチック製のディスク（回転コード板）を取り付ける一方、静止系には、回転コード板で軸の回転に応じて変調された光を検出するための諸光学部材が、既に組み立てられたユニット構成で用意される。これら光学部材には、例えばＬＥＤなどの発光体、固定マスク、受光素子等が含まれる。ディスクを回転自在に支持するためには、例えばボールベアリングなどの軸受が広く使用されている。
【０００３】
このような構成を持つ光学式ロータリエンコーダには、回転軸の回転角度位置を高精度で検出することが要求されており、そのために、ディスクを含めた諸光学部材の位置関係が数μｍオーダの高精度で保持される必要がある。特に、超精密位置決めに使われるモータなどでは、角度検出に特に高精度が要求され、ディスクの回転は非常に滑らかなものでなければならない。もしも、エンコーダユニットに摩擦のあるベアリングが組み込まれていると、その角度検出の精度や回転の滑らかさを低下させてしまい、超精密位置決めに支障を来すことになる。
【０００４】
この問題に対処するために、光学式ロータリエンコーダの製造工程、検査工程、メンテナンス等において、同エンコーダが持つ回転ディスクと回転角度検出用光学部材との位置関係を、実際に使用時に回転角度を検出する対象とされる回転軸（例えばモータの回転軸）から回転ディスクを外した状態で回転可能に支持することができる支持機構を光学式ロータリエンコーダに設けることが考えられる。そして、この支持機構には、例えば流体軸受を利用することが考えられるが、従来は、流体軸受のためにエンコーダユニットが大きなスペースを取ってしまうという欠点があった。また、流体軸受を構成する部材は非常に高精度に加工されなければならず、コスト、工数の面でも不利であるという問題もある。流体軸受を用いた光学式ロータリエンコーダについて記載された公知文献としては、下記の特許文献１がある。
【０００５】
この特許文献１には、エンコーダ一体型のエアスピンドル装置が示されているが、エンコーダのスリットを設けるスピンドルを空気軸受として高精度に加工する必要がある。また、メンテナンス性の面から考えて、スピンドルの軸と光学系を含むエンコーダユニット単体で脱着、調整が行えることが有利であるにも関わらず、特許文献１で説明されている構造では、エンコーダがユニット化されておらず、メンテナンス性の点でも不利である。
【０００６】
【特許文献１】実開平３−９４４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の目的は、流体軸受を用いた光学式ロータリエンコーダにおける上記従来技術の欠点を解消することにある。即ち、本発明は、省スペースで高精度の部材加工のコストも抑制され、メンテナンス性にも優れた、流体軸受を用いた光学式ロータリエンコーダを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ロータリエンコーダの回転ディスクは、例えばガラス製あるいはプラスチック製で、その表面は元々平面度数μｍといった高精度で歪みのない滑らかな面に加工されている点に着目し、このディスク表面を、流体軸受け（例えば静圧空気軸受）、あるいはそれに代わるすべり軸受又は転がり軸受の回転軸方向に関する拘束のためのスラスト軸受面として用いるという新規な考え方を導入することで上記課題を解決したものである。
【０００９】
具体的に言えば、本発明に従えば、回転軸に取り付けられ、該回転軸の回転角度を検出する光学式ロータリエンコーダに、回転角度を光学的に読取るためにコードパターンを形成した回転ディスクと、該回転ディスクを保持して前記回転軸に取り付ける回転ディスク支持部材と、前記回転ディスクの両表面に流体を供給して該回転ディスクの回転軸方向の変位を拘束する流体軸受と、前記回転ディスクの回転角度を検出する回転角度検出用光学部材が設けられる。ここで、前記流体軸受として、例えば静圧空気軸受を用いることができる。  
【００１０】
また、前記流体軸受に代えて、前記回転ディスクの両表面と、前記両表面の夫々に対向する部材の各面との間にすべり軸受あるいは転がり軸受を設け、該すべり軸受あるいは転がり軸受によって前記回転ディスクの回転軸方向の変位を拘束するようにしても良い。
なお、前記ディスク支持部材の表面を前記回転ディスクの半径方向の変位を拘束し、回転自在に支持する流体軸受を更に設けることもできる。そのための流体軸受についても、例えば静圧空気軸受を用いることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る光学式ロータリエンコーダにおいては、回転ディスク表面を静圧空気軸受、あるいはそれに代わるすべり軸受又は転がり軸受の回転軸方向に関する拘束のためのスラスト軸受面として用いることで、光学部材との位置関係を高精度で保持しつつ、回転ディスクを軸方向に関して拘束するための軸受を構成するスペースが必要なくなるとともに、軸受の為の高精度な部材加工の必要も無くなる。また、前記特許文献１に記載されたものと比較しても、エンコーダはユニットとして回転軸から取り外せる構造になり、優れたメンテナンス性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図１〜図４を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。先ず図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施形態（流体軸受を採用）について説明する。図１は、第１の実施形態に係る光学式ロータリエンコーダの概略構成と回転軸（実際に使用時に回転角度を検出する対象とされる回転軸；例えばモータの回転軸）への装着と取り外しについて説明する断面図である。また、図２は、図１中のラインＡ−Ａに沿った断面を表わした図である。  
【００１３】
これらの図において、所定のパターンで透光部と遮光部からなるコードパターン（図示省略）を形成した回転ディスクは符号１０で示され、Ｚ−Ｚで示された軸周りで回転する回転軸は符号１で示されている。回転ディスク１０は、固定ネジ等、適宜の固定手段によって該回転ディスク１０を支持するディスク支持部材５に対して固定されている。そして、回転軸１の回転に応じて変調された光を検出するための諸光学部材を含む光学部材ユニット４や後述する流体軸受機構とともに、円筒状のケース２０内に収容されている。
【００１４】
光学部材ユニット４に含まれる光学部材には、例えばＬＥＤなどの発光体、固定マスク、受光素子等がある。なお、このような光学部材ユニット４は周知なので、個々の光学部材の図示と詳細説明は省略する。光学部材ユニット４と流体軸受機構は、ケース２０とともに回転軸１が回転しても静止した状態を維持する静止系を構成する要素で、適宜の固定手段（ネジ止め、接着、一体化など）によりケース２０に対して固定されている。  
また、回転ディスク支持部材５は、回転ディスク１０の延在面と正確に垂直をなす方向に延びる円柱状の開口部５１を有し、ケース２０の底の中央部にも開口部５１と同径の穴が形成されている。
【００１５】
開口部５１はこのケース底部の穴を通して回転軸１に嵌合される部分で、回転軸１の外径と整合する内径を有している。そして、回転軸１の周囲には、符号２、３で示したように、静止系受け入れ部が用意されている。従って、図１中に矢印で示したように、この静止系受け入れ部２、３に静止系（光学部材ユニット４及び空気軸受け機構）をケース２０ごとこの静止系受け入れ部２、３に嵌め込むことができる。静止系受け入れ部２、３は、単なるスペースであっても良いが、静止系受け入れに適したサイズと形状を持つフレーム等が周囲の静止物に対して固定して設けられていても良い。
【００１６】
また、静止系受け入れ部２、３へ静止系の受け入れに伴い、ディスク支持部材５と回転ディスク１０が回転軸１に嵌合される。ディスク支持部材５は、固定ネジ等周知の固定手段を用いて、回転軸１に対して固定される。これにより、回転軸１が回転すれば、同時に同じ回転運動がディスク支持部材５と回転ディスク１０が惹起される。そして、この回転に伴い、光学部材ユニット４内において回転軸１の回転に応じた光信号が生成され、それが周知の態様で電気信号に変換され、回転軸１の回転角度位置が検出される。
【００１７】
このような検出を高精度で安定したものとするには、回転ディスク１０及びディスク支持部材５が回転する際に、光学部材ユニット４内の発光体（例えばＬＥＤ）及び光検出器との間の位置関係が高精度で保持される必要がある。空気軸受け機構は、光学式ロータリエンコーダの製造工程、検査工程、メンテナンス等において、回転ディスク１０と回転角度検出用光学部材（光学部材ユニット４）との位置関係を、回転軸１から外した状態で回転可能に支持することができるようにするために設けられたものである。空気軸受け機構として、ここでは、圧搾空気流路６、圧搾空気吹出口７を介して回転ディスク１０の両面及びディスク支持部材５の外周面に向けて圧搾空気を吹き付ける構成が採用されている。
【００１８】
圧搾空気流路６は、図示を省略した圧搾空気供給源に接続され、そこから適度の高圧に調整された圧搾空気の供給を受けている。図２において、符号Ｃで示したハッチング部分は、静圧軸受面となる回転ディスク１０の表面を例示したもので、符号７は表裏各面への圧搾空気の吹き出しを行なう圧搾空気吹出口の位置を表わしている。圧搾空気吹出口７の大きさ、吹出圧等は、回転ディスク１０の表裏の静圧軸受面が圧搾空気によって受ける力が均等となるように設計されており、それによって、回転軸１の回転中も、回転ディスク１０の「回転軸１に平行な方向の変位」が拘束され、回転軸１に平行な方向に関して、発光体（例えばＬＥＤ）及び光検出器との間の位置関係が高精度で維持される。
【００１９】
また、図１に示したように、圧搾空気は圧搾空気流路６からディスク支持部材５の外周（符号Ｄを参照）にも吹き付けられるようになっており、それによって「回転軸１に垂直な方向（径方向）の変位」についても拘束され、発光体（例えばＬＥＤ）及び光検出器との間の位置関係が高精度で維持されるようになっている。ディスク支持部材５の外周への吹き付け位置と吹き付け圧力については、軸Ｚ−Ｚに関して非対称な力が働かないように設計される。
【００２０】
以上説明したように、図１、図２に示した光学式ロータリエンコーダにおいては、回転ディスク１０の表面を静圧空気軸受の回転軸方向に関して拘束するスラスト軸受面として用いるため、余分なスペースを用意することなく、光学部材との位置関係を高精度で保持する静圧軸受を構成できる。また、元来高精度で加工されている回転ディスク１０の表面を静圧軸受面に利用しているので、新たに高精度な部材加工を行なう必要も無い。また、エンコーダは、図１における矢印と反対方向にユニットとして簡単に回転軸から取り外せる構造になっているため、優れたメンテナンス性が得られる。
【００２１】
なお、流体軸受け機構で流動させる流体としては、上記実施形態で示した空気の他に、他の気体（例えばヘリウム、炭酸ガス）や、例えば油のような液体を採用することも可能である。  
また、上記実施形態で採用した流体軸受に代えて、回転ディスク１０の両表面と、両表面１０の夫々に対向する部材の各面との間にすべり軸受あるいは転がり軸を設けることで回転ディスク１０の回転軸方向の変位を拘束することもできる。そのような例を第２、第３の実施形態として、図３及び図４に断面図で示した。
【００２２】
図３に示した第２、第３の実施形態とは、２を参照して、本発明の第１の実施形態（流体軸受を採用）について説明する。図１は、第１の実施形態に係る光学式ロータリエンコーダの概略構成と回転軸（実際に使用時に回転角度を検出する対象とされる回転軸；例えばモータの回転軸）への装着と取り外しについて説明する断面図である。また、図２は、図１中のラインＡ−Ａに沿った断面を表わした図である。  
【００２３】
これらの図において、所定のパターンで透光部と遮光部からなるコードパターン（図示省略）を形成した回転ディスクは符号１０で示され、Ｚ−Ｚで示された軸周りで回転する回転軸は符号１で示されている。回転ディスク１０は、固定ネジ等、適宜の固定手段によって該回転ディスク１０を支持するディスク支持部材５に対して固定されている。そして、回転軸１の回転に応じて変調された光を検出するための諸光学部材を含む光学部材ユニット４や後述する流体軸受機構とともに、円筒状のケース２０内に収容されている。
【００２４】
光学部材ユニット４に含まれる光学部材には、例えばＬＥＤなどの発光体、固定マスク、受光素子等がある。なお、このような光学部材ユニット４は周知なので、個々の光学部材の図示と詳細説明は省略する。光学部材ユニット４と流体軸受機構は、ケース２０とともに回転軸１が回転しても静止した状態を維持する静止系を構成する要素で、適宜の固定手段（ネジ止め、接着、一体化など）によりケース２０に対して固定されている。  
また、回転ディスク支持部材５は、回転ディスク１０の延在面と正確に垂直をなす方向に延びる円柱状の開口部５１を有し、ケース２０の底の中央部にも開口部５１と同径の穴が形成されている。
【００２５】
開口部５１はこのケース底部の穴を通して回転軸１に嵌合される部分で、回転軸１の外径と整合する内径を有している。そして、回転軸１の周囲には、符号２、３で示したように、静止系受け入れ部が用意されている。従って、図１中に矢印で示したように、この静止系受け入れ部２、３に静止系（光学部材ユニット４及び空気軸受け機構）をケース２０ごとこの静止系受け入れ部２、３に嵌め込むことができる。静止系受け入れ部２、３は、単なるスペースであっても良いが、静止系受け入れに適したサイズと形状を持つフレーム等が周囲の静止物に対して固定して設けられていても良い。
【００２６】
また、静止系受け入れ部２、３へ静止系の受け入れに伴い、ディスク支持部材５と回転ディスク１０が回転軸１に嵌合される。ディスク支持部材５は、固定ネジ等周知の固定手段を用いて、回転軸１に対して固定される。これにより、回転軸１が回転すれば、同時に同じ回転運動がディスク支持部材５と回転ディスク１０が惹起される。そして、この回転に伴い、光学部材ユニット４内において回転軸１の回転に応じた光信号が生成され、それが周知の態様で電気信号に変換され、回転軸１の回転角度位置が検出される。
【００２７】
このような検出を高精度で安定したものとするには、回転ディスク１０及びディスク支持部材５が回転する際に、光学部材ユニット４内の発光体（例えばＬＥＤ）及び光検出器との間の位置関係が高精度で保持される必要がある。空気軸受け機構は、光学式ロータリエンコーダの製造工程、検査工程、メンテナンス等において、回転ディスク１０と回転角度検出用光学部材（光学部材ユニット４）との位置関係を、回転軸１から外した状態で回転可能に支持することができるようにするために設けられたものである。空気軸受け機構として、ここでは、圧搾空気流路６、圧搾空気吹出口７を介して回転ディスク１０の両面及びディスク支持部材５の外周面に向けて圧搾空気を吹き付ける構成が採用されている。
【００２８】
圧搾空気流路６は、図示を省略した圧搾空気供給源に接続され、そこから適度の高圧に調整された圧搾空気の供給を受けている。図２において、符号Ｃで示したハッチング部分は、静圧軸受面となる回転ディスク１０の表面を例示したもので、符号７は表裏各面への圧搾空気の吹き出しを行なう圧搾空気吹出口の位置を表わしている。圧搾空気吹出口７の大きさ、吹出圧等は、回転ディスク１０の表裏の静圧軸受面が圧搾空気によって受ける力が均等となるように設計されており、それによって、回転軸１の回転中も、回転ディスク１０の「回転軸１に平行な方向の変位」が拘束され、回転軸１に平行な方向に関して、発光体（例えばＬＥＤ）及び光検出器との間の位置関係が高精度で維持される。
【００２９】
また、図１に示したように、圧搾空気は圧搾空気流路６からディスク支持部材５の外周（符号Ｄを参照）にも吹き付けられるようになっており、それによって「回転軸１に垂直な方向（径方向）の変位」についても拘束され、発光体（例えばＬＥＤ）及び光検出器との間の位置関係が高精度で維持されるようになっている。ディスク支持部材５の外周への吹き付け位置と吹き付け圧力については、軸Ｚ−Ｚに関して非対称な力が働かないように設計される。
【００３０】
以上説明したように、図１、図２に示した光学式ロータリエンコーダにおいては、回転ディスク１０の表面を静圧空気軸受の回転軸方向に関して拘束するスラスト軸受面として用いるため、余分なスペースを用意することなく、光学部材との位置関係を高精度で保持する静圧軸受を構成できる。また、元来高精度で加工されている回転ディスク１０の表面を静圧軸受面に利用しているので、新たに高精度な部材加工を行なう必要も無い。また、エンコーダは、図１における矢印と反対方向にユニットとして簡単に回転軸から取り外せる構造になっているため、優れたメンテナンス性が得られる。
【００３１】
なお、流体軸受け機構で流動させる流体としては、上記実施形態で示した空気の他に、他の気体（例えばヘリウム、炭酸ガス）や、例えば油のような液体を採用することも可能である。  
また、上記実施形態で採用した流体軸受に代えて、回転ディスク１０の両表面と、両表面１０の夫々に対向する部材の各面との間にすべり軸受あるいは転がり軸を設けることで回転ディスク１０の回転軸方向の変位を拘束することもできる。そのような例を第２、第３の実施形態として、それぞれ図３及び図４に断面図で示した。図３はすべり軸受を採用した例であり、図４は転がり軸受を採用した例である。なお、図３、図４においては、図１における回転軸１及び静止系受入れ部３に対応する部分は図示を省略したが、第２、第３の実施形態でも同部分に特に変わりはないので、以下の説明でも「回転軸１」及び「静止系受入れ部３」を援用する。
【００３２】
第１実施形態（図１、図２）の場合と同じく、所定のパターンで透光部と遮光部からなるコードパターン（図示省略）を形成した回転ディスクは符号１０で示され、回転軸線はＺ−Ｚで示されている。回転ディスク１０は、固定ネジ等、適宜の固定手段によって該回転ディスク１０を支持するディスク支持部材５に対して固定されている。そして、回転軸１の回転に応じて変調された光を検出するための諸光学部材を含む光学部材ユニット４や軸受機構とともに、円筒状のケース２０内に収容されている。光学部材ユニット４については前述した通りであり、繰り返し説明は省略する。光学部材ユニット４と軸受機構は、ケース２０とともに回転軸１が回転しても静止した状態を維持する静止系を構成する要素で、適宜の固定手段（ネジ止め、接着、一体化など）によりケース２０に対して固定されている。  
【００３３】
また、回転ディスク支持部材５は、回転ディスク１０の延在面と正確に垂直をなす方向に延びる円柱状の開口部５１を有し、ケース２０の底の中央部にも開口部５１と同径の穴が形成されている。開口部５１はこのケース底部の穴を通して回転軸１に嵌合される部分で、回転軸１の外径と整合する内径を有している。そして、回転軸１の周囲には、符号２、３で示したように、静止系受け入れ部が用意されている。従って、図１中に矢印で示したように、この静止系受け入れ部２、３に静止系（光学部材ユニット４及び軸受け機構）をケース２０ごとこの静止系受け入れ部２、３に嵌め込むことができる。
【００３４】
ここで、軸受機構は、図３、図４にそれぞれ示されているように、第２の実施形態ではすべり軸受３０であり、第３の実施形態では転がり軸受４０である。これらいずれの軸受３０、４０も、回転ディスク１０の両表面と、それら各表面と対向する部材（各軸受機構の一部を構成する部材）との間に介挿配置され、回転ディスク１０の位置を軸受３０、４０の回転軸方向に関して拘束する。このように、回転ディスク１０の表面は軸受３０、４０の回転軸方向に関して拘束するスラスト軸受面として機能するため、余分なスペースを用意することなく、光学部材との位置関係を高精度で保持する軸受を構成できる。また、元来高精度で加工されている回転ディスク１０の表面を軸受面に利用しているので、新たに高精度な部材加工を行なう必要も無い。また、エンコーダは、図１における矢印と反対方向にユニットとして簡単に回転軸から取り外せる構造になっているため、優れたメンテナンス性か得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光学式ロータリエンコーダの概略構成と回転軸への装着と取り外しについて説明する断面図である。
【図２】図１に示した光学式ロータリエンコーダについて、図１中のラインＡ−Ａに沿った断面を示した図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る光学式ロータリエンコーダの概略構成について説明する断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る光学式ロータリエンコーダの概略構成について説明する断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  回転軸
２、３  静止系受け入れ部
４  光学部材
５  ディスク支持部材
６  圧搾空気流路
７  圧搾空気吹出口
１０  回転ディスク
２０  ケース
３０  すべり軸受
４０  転がり軸受
５１  開口部
Ｃ  軸受面（回転軸に沿った方向の変位を拘束）
Ｄ  軸受面（回転軸に垂直な方向の変位を拘束）
Ｚ−Ｚ  回転軸
【図１】
2005134208.tif 000003
【図２】
2005134208.tif 000004
【図３】
2005134208.tif 000005
【図４】
2005134208.tif 000006