(57)【要約】【課題】本発明は、１００℃〜１３０℃程度の高温下で、蒸気・切削油等にも触れる可能性のある環境下でも、安定した検出精度を維持することのできる光学式エンコーダを提供し、かつ、光学式エンコーダに用いられるコード板の製造において、コード板の金型の十分な寿命と、得られる成形品（コード板）の高い信頼性とを確保することを目的とする。【解決手段】本発明は、投光部と、受光部と、樹脂材料からなるコード板とを備えた光学式エンコーダであって、前記コード板は、Ｖ字溝またはＶ字突起を含むコードパターンを有し、前記樹脂材料は、１３０℃における検出に用いられる波長の光に対する屈折率が１．６以上であり、かつ、ガラス転位点が１９０℃以下であることを特徴とする、光学式エンコーダである。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
投光部と、受光部と、樹脂材料からなるコード板とを備えた光学式エンコーダであって、
前記コード板は、Ｖ字溝またはＶ字突起を含むコードパターンを有し、
前記樹脂材料は、１３０℃における検出に用いられる波長の光に対する屈折率が１．６以上であり、かつ、ガラス転位点が１９０℃以下であることを特徴とする、光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記樹脂材料のガラス転位点が１４０℃以上である、請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項３】
前記樹脂材料は、フルオレン系ポリエステル、ポリスルフォンおよび透明ポリアミドからなる群から選択される少なくとも１種を含む、請求項１または２に記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】
前記検出に用いられる波長の光が、赤外光である、請求項１〜３のいずれかに記載の光学式エンコーダ。
【請求項５】
投光部と、受光部と、樹脂材料からなるコード板とを備えた光学式エンコーダの製造方法であって、
前記コード板は、Ｖ字溝またはＶ字突起を含むコードパターンを有し、
前記樹脂材料は、１３０℃における検出に用いられる波長の光に対する屈折率が１．６以上であり、かつ、ガラス転位点が１９０℃以下であり、
前記樹脂材料を３６０℃以下の温度で成形して、前記コードパターンを有する前記コード板を作製する工程を含むことを特徴とする、光学式エンコーダの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式エンコーダおよびその製造方法に関する。より詳しくは、回転軸・リニアスケールを問わず、樹脂材料から構成されるコード板を用いた光学式エンコーダ、および、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような構成の光学式エンコーダのコード板として、光源から供給される光をそのまま透過させる平坦部と、光源から供給される光を透過させないＶ字突起部またはＶ字溝部を含む樹脂コード板が知られている。Ｖ字突起またはＶ字溝を有する樹脂コード板において、Ｖ字の傾斜角が臨界角以上になると、光源から供給される光の全反射が起きる。光学式エンコーダにおいては、例えば、コード板の透過光を検出する方式の場合、コード板の平坦部が明部、Ｖ字部（Ｖ字突起部またはＶ字溝部）が暗部として検出される。逆に反射光を検出する方式の場合、平坦部が暗部、Ｖ字部が明部として検出される。樹脂コード板の材料としては、一般的に透明樹脂のポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などが用いられていた。
【０００３】
しかし、このような構成の光学式エンコーダの一般的な適用対象としては、産業用モータがあげられる。産業用モータの回転軸周辺は高温になり易く、蒸気・切削油等が触れる恐れがある。その為、コード板に使用される樹脂材には、高い耐熱性・耐油性が要求される。
【０００４】
また、高精度なエンコーダでは、Ｖ字部の幅、高さが数μｍから数十μｍと微細になるため、成形によってＶ字の先端形状まで完全に転写することは困難であり、Ｖ字部の先端はアール形状となる。アール部では、入射光に対する壁面の角度が低下し、臨界角以下になると反射せずに透過する漏れ光が発生する。この漏れ光は、エンコーダの検出精度低下要因となる。樹脂は一般的に高温になると屈折率が低下するため、高温環境下では臨界角が低下し、漏れ光が増加する傾向にある。このため、従来一般的に用いられてきたポリカーボネートでは、ＦＡ機器などの産業用途で用いられるエンコーダで、１００℃を越える高温環境下においては検出精度維持が困難である状況が発生していた。また、産業用途では高温の蒸気・切削油等が触れる恐れがある。その為、ポリカーボネート樹脂を用いたコード板には、コーティングを行う必要があり、コスト増加要因となっている。
【０００５】
特許文献１（特開２００４−３２５２３１号公報）には、このような問題への対策として、耐熱性・耐油性の高いポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルサルホンをコード板の材料に使用することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３２５２３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に記載されたポリエーテルイミド・ポリエーテルスルホン・ポリフェニルサルホンは、ガラス転移点（Ｔｇ）がそれぞれ２１７、２２５、２２０℃であり、熱可塑性樹脂の中で最も高いために、流動性が低くＶ字突起等の微細なコードパターンへの樹脂充填（転写）が難しい。このため、溶解樹脂温度を４００℃以上に上げ、金型温度をＴｇ付近の２１０℃以上の非常に高い温度に上げて成形を行い、材料の転写性を上げる必要があった。
【０００８】
この場合、金型温度、樹脂材の温度が高温になることで、光学部品成形金型に一般的に使用されているニッケルあるいはニッケルリンの鋼材が長時間高温に晒されることとなる。その際、鋼材の結晶化（ニッケルリンの結晶化温度３００〜３７０℃）が進み、鋼材の硬度が高く脆くなってしまう。その結果、成形を重ねる毎に鋼材の剥がれが発生し易くなり、金型の寿命が短くなる。また、設計通りのコードパターンを形成した成形品を得ることが難しくなり、成形品の信頼性が低下する。このため、特許文献１に記載された方法は、量産に向かないという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、１００℃〜１３０℃程度の高温下で、蒸気・切削油等にも触れる可能性のある環境下でも、安定した検出精度を維持することのできる光学式エンコーダを提供し、かつ、光学式エンコーダに用いられるコード板の製造において、コード板の金型の十分な寿命と、得られる成形品（コード板）の高い信頼性とを確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、投光部と、受光部と、樹脂材料からなるコード板とを備えた光学式エンコーダであって、
前記コード板は、Ｖ字溝またはＶ字突起を含むコードパターンを有し、
前記樹脂材料は、１３０℃における検出に用いられる波長の光に対する屈折率が１．６以上であり、かつ、ガラス転位点が１９０℃以下であることを特徴とする、光学式エンコーダである。
【００１１】
前記樹脂材料のガラス転位点が１４０℃以上であることが好ましい。前記樹脂材料は、フルオレン系ポリエステル、ポリスルフォンおよび透明ポリアミドからなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。
【００１２】
前記検出に用いられる波長の光が、赤外光であることが好ましい。
投光部と、受光部と、樹脂材料からなるコード板とを備えた光学式エンコーダの製造方法であって、
前記コード板は、Ｖ字溝またはＶ字突起を含むコードパターンを有し、
前記樹脂材料は、１３０℃における検出に用いられる波長の光に対する屈折率が１．６以上であり、かつ、ガラス転位点が１９０℃以下であり、
前記樹脂材料を３６０℃以下の温度で成形して、前記コードパターンを有する前記コード板を作製する工程を含むことを特徴とする、光学式エンコーダの製造方法にも関する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明においては、１３０℃環境下においても１．６以上の屈折率を維持できる樹脂材料をコード板に使用することにより、高温環境下における漏れ光量を抑えて安定した検出精度を維持することのできる光学式エンコーダが提供される。また、３６０℃以下の樹脂温度で成形することが可能であるため、金型材料（ニッケル、ニッケルリンなど）の劣化（結晶化による脆化）を抑え、コード板の金型の十分な寿命金型の寿命を確保し、得られる成形品（コード板）の高い信頼性を確保することができる。
【００１４】
さらに、ガラス転位点が１４０℃以上かつ薬液耐性に優れる樹脂材料を使用した場合、コーティング無しでも耐久性に優れた光学式エンコーダのコード板を得ることができる。かかるコード板は、蒸気・切削油に接触しても変色・変形が生じない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】コード板の成形時の樹脂温度、金型温度と成形後の金型表面Ｘ解回折プロファイルの関係を表す図である。
【図２】実施の形態１の光学式エンコーダを示す模式図である。
【図３】実施の形態１の光学式エンコーダのコードパターン部の拡大図である。
【図４】実施の形態３の光学式エンコーダを示す模式図である。
【図５】実施の形態４の光学式エンコーダを示す模式図である。
【図６】各樹脂材料とガラス転移温度および屈折率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、コード板の成形時の樹脂温度、金型温度と成形後の金型表面Ｘ解回折プロファイルの関係を表す図である。前記特許文献１をもとにポリエーテルイミドを用いて、コード円板を成形した場合、成形後の金型表面には結晶化物の存在が確認され、金型Ｖ突起部に破損が生じる。一方、本発明にかかる樹脂を用いて成形した後の金型表面には結晶化物は検出されず、損傷も生じない。図１に示すように、コード板の成形時の樹脂温度が３６０℃を超えると、金型寿命が急激に減少することが分かる。本発明は、本発明者らによって得られた、かかる新たな知見に基づいて考案されたものである。すなわち、樹脂材料を３６０℃以下の温度で成形して、コードパターンを有するコード板を作製することで、金型の寿命を十分に維持することが可能となる。
【００１７】
本発明においては、３６０℃以下の温度で成形した場合でも、十分な流動性を有し、Ｖ字突起等の微細なコードパターンへの充填（転写）が可能な樹脂材料として、ガラス転移点が１９０℃以下である樹脂材料が用いられる。また、使用環境下でも高い耐熱性を維持できるコード板を得るためには、ガラス転移点が１４０℃以上である樹脂材料を用いることが好ましい。
【００１８】
また、本発明に用いられる上記樹脂材料は、１３０℃における検出に用いられる波長の光に対する屈折率が１．６以上であることから、高温環境下における漏れ光量を抑えて安定した検出精度を維持することのできる光学式エンコーダが提供される。
【００１９】
（実施の形態１）
図２は、本実施の形態の光学式エンコーダを示す模式図である。このエンコーダは、ロータリ型のエンコーダであり、回転の機械的変位量を電気信号に変換し、この信号を処理して位置・速度などを検出するセンサなどに用いられるものである。図２に示されるように、本実施形態のコード板であるコード円板１は、片面にコードパターン２を有している。コード円板１のコードパターン２側には受光部４が設置され、受光部４の反対側にはレンズ部５と投光部６が設置されている。
【００２０】
図３は、コードパターン２の拡大図である。コードパターン２はＶ字突起３を有している。Ｖ字突起３の傾斜角（図３に示すα）は、材料の屈折率ｎで決まる臨界角θ＝ｓｉｎ−１（１／ｎ）よりも大きい値に設定されている。また、コードパターン２は同心円状に数種類のパターン領域に区分され、パターン領域ごとにＶ字突起幅、ピッチ距離が設定されている。産業用に用いられる高精度光学式エンコーダにおいては、Ｖ字突起幅は５０μｍ以下に設定されていることが多い。コード円板１は、モータなどの回転軸７に取り付けられ、回転軸７の回転と同期して回転する。
【００２１】
投光部４にはＬＥＤなどの発光デバイスが用いられ、例えば、８００ｎｍ〜１０００ｎｍの赤外光８が投光部４から発射される。発射された赤外光は、レンズ部５でコリメートされ、コード円板１に入射する。赤外光８がコードパターン２の平坦部に入射されるとコード円板１を透過して受光部４に到達する。赤外光８がコードパターン２のＶ字突起部３に入射されると全反射が生じ、遮光される。これにより、コード円板１の回転に伴って、透過／遮光のパターンが形成される。Ｖ字突起３の幅あるいはピッチを変更すると、受光部４へ到達する赤外光８の光量は正弦波となり、受光部４で電気信号に変換され、コード円板１の回転位置が検出される。
【００２２】
コード板は射出成形によって、金型内に溶融した樹脂を流し込んで形成される。Ｖ字突起３の傾斜角は、理想的には一様であることが望ましいが、実際は突起先端まで完全に樹脂が充填されることは無く、先端はアール形状になる。アール形状部では、傾斜角が低下し、臨界角以下になると漏れ光が発生する。漏れ光量が変化すると電気信号の正弦波（ＡＣ）成分に対するオフセット量（ＤＣ）が変動するため、位置、速度などの検出特性が劣化する。樹脂材料は、温度が上昇すると屈折率が低下する特性があり、使用環境の温度が上昇すると漏れ光量が増加する。このため、高温になるとエンコーダ特性が劣化する可能性がある。
【００２３】
従来のように、ポリカーボネートを用いてコード円板１を成形する場合、金型に充填される樹脂の温度は２９０℃〜３１０℃に設定され、金型の温度は１３５℃〜１４５℃に設定される。ポリカーボネート製のコード円板１では、Ｖ字突起３の傾斜角が４０°から４５°の間に設定されている場合、光信号のＤＣ成分に対するＡＣ成分の振幅の比率（ＡＣ／ＤＣ比）は、室温において５８〜５９％程度である。なお、光学式エンコーダの位置検出精度を維持するためには、ＡＣ／ＤＣ比が５８％以上であることが望ましい。
【００２４】
しかし、ポリカーボネートの赤外光に対する屈折率は、室温で約１．５７であるが、１３０℃の温度では約１．５６に低下する。このため、使用環境の温度が１３０℃になると、樹脂の屈折率低下に起因する漏れ光量の増加により、ＡＣ／ＤＣ比が５８％未満に低下し、検出精度が劣化する可能性があった。また、ポリカーボネートは高温の蒸気および切削油に触れると変色、変形するため、コード円板１を蒸着などにより透明なコーティング材でコーティングする必要があった。
【００２５】
一方、上記特許文献１に記載されるように、ポリエーテルイミドを用いてコード円板１を成形する場合、成形温度を、樹脂の温度が４００℃以上、金型温度が２１０℃以上となるように設定する必要がある。このため、成形を続ける間に金型材料の結晶化が進み硬度が高く脆くなる。そして、成形を重ねる毎に鋼材の剥がれが発生し易くなるため、設計通りのコードパターンを形成した成形品（コード板）を得ることが難しく、金型の寿命が短くなってしまうという問題があった。
【００２６】
これに対し、本発明では、コード板の材料として、１３０℃における検出に用いられる波長の光（赤外光など）に対する屈折率が１．６以上であり、かつ、ガラス転位点が１９０℃以下である樹脂材料が用いられる。該樹脂材料は、ガラス転位点が１４０℃以上であることがより好ましい。かかる樹脂材料として、例えば、フルオレン系ポリエステル、ポリスルフォン、透明ポリアミドが挙げられる（図６参照）。フルオレン系ポリエステルとしては、例えば、大阪ガスケミカル製のＯＫＰ４、ＯＫＰ４ＨＴが挙げられる。また、ポリスルフォンとしては、ソルベイアドバンストポリマーズ製のＰ−３７００ＨＣが挙げられる。透明ポリアミドとしては、例えば、エムスケミージャパン製ＦＥ５５７７が挙げられる。
【００２７】
例えば、フルオレン系ポリエステルを用いてコード円板１を成形する場合、金型に充填される樹脂の温度は２７０℃〜３００℃に設定され、金型の温度は１３０℃〜１４０℃に設定される。フルオレン系ポリエステル樹脂の赤外光に対する屈折率は、室温において約１．６２であり、１３０℃においても約１．６１である。このため、室温におけるＡＣ／ＤＣ比は６０％以上となり、１３０℃の温度でも５８％以上を維持できる。また、フルオレン系ポリエステルは、高温の蒸気、切削油に触れても変色、変形が生じないため、コード板のコーティングは不要である。更に、成形の温度が、ポリカーボネートの成形温度と近い比較的低温であるため、金型寿命の低下も生じない。
【００２８】
以上のことより、本発明の実施の形態１によれば、高温環境下にでも安定した検出精度を維持することができ、コーティング無しでも耐久性に優れた光学式エンコーダを得ることができる。また、金型の寿命を維持することができ、成形信頼性の高い成形品（コード板）を得ることができる。
【００２９】
（実施の形態２）
本実施の形態では、コード円板１を構成する樹脂材料として、ポリスルフォンまたは透明ポリアミドを用いる。それ以外の形態は、実施の形態１と同様である。ただし、ポリスルフォンを用いる場合、金型に充填される樹脂の温度は３４０℃〜３６０℃に設定され、金型の温度は１６６℃〜１７１℃に設定される。また、透明ポリアミドを用いる場合、金型に充填される樹脂の温度は２９０℃〜３１０℃に設定され、金型の温度は１５５℃〜１７０℃に設定される。本実施の形態では、実施の形態１と同様の特性を有する光学式エンコーダが得られる。
【００３０】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明をコード円板の反射光を検知する方式の光学式エンコーダに用いる。それ以外の形態は、実施の形態１と同様である。
【００３１】
図４は、本実施の形態の光学式エンコーダを示す模式図である。受光部４と投光部６とがコード円板１に対して同じ側（コードパターン２側）に設置されており、受光部４はコード円板１で反射される赤外光８を検出してエンコーダとして機能する。なお、コード円板１を構成する樹脂材料、および、コード円板１の成形方法は、実施の形態１および２と同様である。本実施の形態では、実施の形態１と同様の特性を有する光学式エンコーダが得られる。
【００３２】
（実施の形態４）
本実施の形態の光学式エンコーダは、リニア型のエンコーダであり、直線の機械的変位量を検出するセンサなどに用いられるものである。すなわち、上記実施の形態におけるコード円板１の代わりに、リニアコード板が使用される。
【００３３】
図５に、本実施の形態の光学式エンコーダの模式図を示す。図５に示されるように、リニアコード板９は、その片面にコードパターン２を有している。リニアコード板９のコードパターン２側には受光部４が設置され、受光部４の反対側には投光部６およびレンズ部５が設置されている。光学信号出力方式は、実施の形態１に記載される光学式エンコーダと同じであり、リニアコード板９の水平移動に伴い透過／遮光のパターンが形成され、リニアコード板９の位置が検出される。リニアコード板９を構成する樹脂材料、および、リニアコード板９の成形方法は、実施の形態１と同様である。本実施の形態では、実施の形態１と同様の特性を有する光学式エンコーダが得られる。
【００３４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３５】
１  コード円板、２  コードパターン、３  Ｖ字突起、４  受光部、５  レンズ部、６  投光部、７  回転軸、８  赤外光、９  リニアコード板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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