(57)【要約】      （修正有）【課題】温度変化による熱膨張や収縮が発生しても、変位検出誤差を低減可能な光学式エンコーダを提供する。【解決手段】光をスケール２０に照射する発光部１１と、スケール２０からの光を受光する受光部１２と、備える変位検出部１０と、変位検出部１０を実装する回路基板３０と、回路基板３０を位置調整可能に固定する台座５０と、回路基板３０を台座５０に固定する固定部６０と、を有し、固定部６０は、発光部１１の中心と受光部１２の中心とを結ぶ直線上に配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光をスケールに照射する発光部と、前記スケールからの光を受光する受光部と、を備える変位検出部と、
前記変位検出部を実装する回路基板と、
前記回路基板を位置調整可能に固定する台座と、
前記回路基板を前記台座に固定する少なくとも１つ以上の固定部と、を有し、
前記固定部のうち少なくとも１つ以上の固定部は、前記発光部の中心と前記受光部の中心とを結ぶ直線上に配置されることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記固定部は、第１の締結力で前記回路基板を前記台座に固定する第１の固定部と、前記第１の締結力より小さい第２の締結力で前記回路基板を前記台座に固定する第２の固定部と、を備え、
前記第１の固定部のうち少なくとも１つ以上の第１の固定部は、前記発光部の中心と前記受光部の中心とを結ぶ直線上に配置され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。
【請求項３】
前記第２の固定部のうち少なくとも１つ以上の第２の固定部は、前記発光部の中心と前記受光部の中心とを結ぶ直線上、かつ前記発光部および前記受光部を前記第１の固定部と挟むように配置されることを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】
前記第２の固定部は、前記発光部の中心と前記受光部の中心とを結ぶ直線を基準にして対称に配置されることを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ。
【請求項５】
前記第１の固定部は、前記回路基板が面方向へ変位することを防止する防止手段を備えることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項６】
前記第２の固定部は、前記回路基板を面方向へ変位させるシフト手段を備えることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
【請求項７】
前記回路基板は、前記回路基板の面方向への変位を吸収する吸収手段を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光学式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光学式エンコーダは、自動組み立て装置向けリニアモータなどの直動駆動機構を有する産業機器や、ロボット関節部、ＡＣサーボモータなどの回転駆動機構を有する産業機器に搭載されている。光学式エンコーダは発光部と受光部を備えるセンサを実装する回路基板とセンサ発光部からの光を反射するスケールを有し、これらのうち一方は動作側のベース、他方は不動側のベースに固定される。これらの部材は最適な特性が得られる位置に位置決め調整されるが、機器内のモータ等の自己発熱による昇温または周辺環境の温度変化によって構成部品が膨張または収縮することで特性に変化が生じてしまう。特許文献１では、温度変化による膨張や収縮が発生しても、対象物の線膨張係数と固定部からの距離の比を調整することで、所定位置に留まらせる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５３３４７６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１では固定部から変位検出位置までの距離の相対的なずれを距離と線膨張係数の比で調整しているため、使用する基材によっては開示されている方法を適用できないといった課題が生じる。
【０００５】
このような課題に鑑みて、本発明は、温度変化による熱膨張や収縮が発生しても、変位検出誤差を低減可能な光学式エンコーダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としての光学式エンコーダは、光をスケールに照射する発光部と、前記スケールからの光を受光する受光部と、備える変位検出部と、前記変位検出部を実装する回路基板と、前記回路基板を位置調整可能に固定する台座と、前記回路基板を前記台座に固定する固定部と、を有し、前記固定部は、前記発光部の中心と前記受光部の中心とを結ぶ直線上に配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、温度変化による熱膨張や収縮が発生しても、変位検出誤差を低減可能な光学式エンコーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１の外観図である。
【図２】実施例２の外観図である。
【図３】実施例３の外観図である。
【図４】実施例４の外観図である。
【図５】実施例５の外観図である。
【図６】実施例６の外観図である。
【図７】実施例７の外観図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態では光学式エンコーダの例としてロータリエンコーダについて説明するが、本発明はこれに限定されるものではなくリニアエンコーダにおいても適用可能である。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本実施例の光学式エンコーダ（以下、エンコーダという）の外観図である。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は正面図である。本実施例のエンコーダは、光学式センサ（変位検出部）１０と、反射式のスケール２０を備え、これらを用いて測定対象物の回転角度を検出する。センサ１０は、光をスケール２０に照射する発光素子（発光部）１１と、スケール２０によって反射される光を受光する受光素子（受光部）１２を備える。スケール２０には、光を反射する反射領域と、光を反射しないまたは反射領域よりも反射効率が低い非反射領域が形成されている。反射領域および非反射領域は連続または断続したピッチでパターン配列されており、これらの領域を定量的に読み取ることで、センサ１０とスケール２０の位置を捉えることができる。受光素子１２は、発光素子１１からスケール２０に照射される光のうち、スケール２０の反射領域により反射される光を主に受光する。
【００１１】
センサ１０を実装する回路基板３０は、センサ１０への電源供給とセンサ１０からの電気信号を処理する。回路基板３０は、スケール２０の反射領域が形成されている面と対向し、かつセンサ１０が反射光を受光できる位置に位置調整可能にベース（台座）５０に固定される。回路基板３０をベース５０に固定する際、発光素子１１がスケール２０に照射し、スケール２０によって反射される光を受光素子１２が受光する最適なクリアランスを保持し、調整する目的でスペーサ４０が設けられる。回路基板３０およびスペーサ４０は、ベース５０にねじ６０を用いて固定される。ねじ６０の首下には、ワッシャ７０が設けられる。本実施例では、ねじ６０とワッシャ７０が固定部を構成する。なお、スケール２０は、回転軸８０と同期して回転するハブ９０に接着固定される。
【００１２】
回路基板３０には外部から電源を投入するためのケーブルが接続されているため、ベース５０は可動不可としている。したがって、スケール２０は、ハブ９０とともに回転軸８０を基準に回転する。スケール２０が回転する間、発光素子１１は常時発光し、スケール２０は反射領域と非反射領域の配列に対応する連続または断続の光を反射し、受光素子１２がそれらの光を受光する。センサ１０は、受光素子１２が受光する光を電気信号に変換し、所定の方向成分の変位を読み取りカウントすることでスケール２０の回転角度を検出する。
【００１３】
組み付け対象機器の稼働や環境変化によって部材の温度が変化すると、エンコーダは部品ごとに基材が異なるため、基材物性の１つである線膨張係数差が生じ、各部品の組み付け位置に変位が発生する。一例として、スケール２０が回転せずに停止している状態で室温が変化し、基材温度が１０℃上昇した場合の回路基板３０とスケール２０の関係について説明する。回路基板３０の基材がＦＲ４である場合、回路基板３０の線膨張係数は５０〜７０［ｐｐｍ／℃］、寸法の変位量は５００〜７００［μｍ］である。スケール２０の材質が青板ガラスである場合、スケール２０の線膨張係数は８〜９［ｐｐｍ／℃］、寸法の変位量は８０〜９０［μｍ］である。したがって、これらの変位量の差は、４１０〜６２０［μｍ］になる。このような変位量の差が発生すると、スケール２０に対するセンサ１０の読み取り位置がずれる。以上説明したように、エンコーダでは、機器に組み込まれたモータやヒーターといった熱源によって内部温度がアクティブに変化するため、スケール２０に対するセンサ１０の読み取り位置が変位し、エンコーダの精度が悪化する。
【００１４】
本実施例の構成は、温度変化による光学的特性への影響を低減する、すなわち温度変化時のセンサ読み取り誤差を抑制する。上述したように、本実施例では、センサ１０を実装する回路基板３０は、スペーサ４０とワッシャ７０を介してねじ６０によってベース５０に固定されている。センサ１０は、透明樹脂、不透明樹脂、および金属から構成され、回路基板３０は、ＦＲ４、金属パターン、および表面実装部品から構成され、スペーサ４０、ねじ６０、およびワッシャ７０は、アルミニウムから構成される。
【００１５】
ガラス転移温度より低い温度域では、ＦＲ４製の回路基板３０の線膨張係数は約５０〜７０ｐｐｍ／℃、アルミニウム製のベース５０の線膨張係数は約２３ｐｐｍ／℃である。そのため、温度変化による膨張収縮が発生した場合、スケール２０に対するセンサ１０の読み取り位置がずれる。温度変化による回路基板３０の膨張収縮は、ねじ６０とワッシャ７０による主固定点を中心として影響を及ぼす。センサ１０の光学的読み取り方向はセンサ実装面内において発光素子１１と受光素子１２とを結ぶ直線に対して垂直な方向であるが、発光素子１１と受光素子１２とを結ぶ直線の接線方向に対しては読み取り誤差に対する誤差許容が比較的大きい。そこで、本実施例では、ねじ６０とワッシャ７０による主固定点は、発光素子１１の発光部と受光素子１２の受光部とを結ぶ直線上に配置される。
【００１６】
また、位置決め対象である発光素子１１の発光部と受光素子１２の受光部との中間位置と主固定点との距離が小さい程、温度変化時の膨張収縮量の影響を低減できる。そのため、主固定点は、ねじ６０のねじ頭およびワッシャ７０がセンサ１０の外形と近接するが干渉しない位置に配置される。
【００１７】
なお、本実施例では、エンコーダを構成する全ての部品においてガラス転移温度より低い温度かつ弾性限界を超えない条件としている。
【実施例２】
【００１８】
図２は、本実施例の光学式エンコーダの外観図である。図２（ａ）は上面図であり、図２（ｂ）は正面図である。実施例１では回路基板３０を主固定点６１だけで支えているが、主固定点６１だけで回路基板３０を支えられない場合や、主固定点６１を起点とするたわみや振動が発生する場合がある。そこで、本実施例では、主固定点６１だけでなく副固定点６２を設けて回路基板３０を支える。そうすることで、実施例1に比べて回路基板３０を確実に支えることができるとともに、主固定点６１を起点とするたわみや振動の発生を抑制することができる。副固定点６２は、センサ１０の発光素子１１と受光素子１２とを結ぶ直線上、かつセンサ実装面内において主固定点６１と発光素子１１および受光素子１２を挟むように配置されている。
【００１９】
ねじを等しい締結力で締結した場合であっても組み立て上、ねじ締結力のばらつきが発生する。そのため、温度変化を繰り返すことでより強く締結されている固定箇所を中心に部材は膨張収縮する。そこで、本実施例では、副固定点６２のねじ締結力は、主固定点６１のねじ締結力より弱くしている。そうすることで、ワッシャ７０と回路基板３０のセンサ１０の実装面内における滑りを促すことができるため、回路基板３０の膨張収縮による変位を逃がすことができる。
【００２０】
以上説明したように、本実施例のように副固定点６２を設けることで、回路基板３０を実施例１よりも確実に支持しながら温度変化時の膨張収縮を受け流すことができ、温度変化による誤差を低減することができる。
【実施例３】
【００２１】
図３は、本実施例の光学式エンコーダの外観図である。図３（ａ）は上面図であり、図３（ｂ）は正面図である。実施例２では１つの副固定点を設けたが、センサ１０や回路基板３０のサイズに応じて本実施例のように複数の副固定点６２，６３を設けてもよい。複数の副固定点６２，６３は、センサ１０の発光素子１１と受光素子１２とを結ぶ直線を基準にして対称な位置に配置されている。副固定点６２，６３をこのように配置することで、主固定点６１を基準とする温度変化による膨張収縮によって受けるセンサ実装面内の応力を均一にし、ワッシャ７０と回路基板３０間の滑りを促す。そのため、回路基板３０の膨張収縮による変位を逃がすことができる。また、副固定点６２，６３のねじ締結力は等力であるが、主固定点６１のねじ締結力より弱くしている。なお、副固定点６２，６３の締結力を等力としてもばらつきは発生するため、主固定点６１から受けるセンサ実装面内における応力によって等しく滑るように調整する。
【実施例４】
【００２２】
図４は、本実施例の光学式エンコーダの外観図である。図４（ａ）は上面図であり、図４（ｂ）は正面図である。本実施例では、歯付きワッシャ（防止手段）７１が実施例３の主固定点６１に使用される。ワッシャ７０の座面と回路基板３０との間には、温度変化による膨張収縮によって接触面内において応力による滑りが発生する。また、副固定点６２，６３のねじ締結力がばらつくと、主固定点６１を基準とする回路基板３０とワッシャ７０の接触面内における滑りに差が出て主固定点６１を基準とするセンサ実装面内において回転方向に関する変位が発生する。歯付きワッシャ７１は、接触面積を増やす平座金と違い、取り付け対象面に対して食い込むことで回路基板３０が面方向へ変位することを低減する。
【実施例５】
【００２３】
図５は、本実施例の光学式エンコーダの外観図である。図５（ａ）は上面図であり、図５（ｂ）は正面図である。本実施例では、摩擦係数が低い材料の一つであるテフロン（登録商標）製のテフロンワッシャ（シフト手段）７２が実施例３の副固定点６２，６３に使用される。副固定点６２，６３のねじ締結力がばらつくと、主固定点６１を基準とする回路基板３０とワッシャ７０の接触面内における滑りに差が出て主固定点６１を基準とするセンサ実装面内において回転方向に関する変位が発生する。テフロンワッシャ７２は、副固定点６２、６３のねじと回路基板３０との間の滑りを促すことでセンサ読み取り方向への変位を抑制することができる。
【実施例６】
【００２４】
図６は、本実施例の光学式エンコーダの外観図である。図６（ａ）は上面図であり、図６（ｂ）は正面図である。本実施例では、主固定点６１を基準とするセンサ実装面内の変位を抑制するために、回路基板３０にスリット（吸収手段）１００が設けられる。スリット１００は、主固定点６１が変位せずにセンサ１０との位置関係を保つために、副固定点６２側に設けられる。スリットをこのように設けることで、温度変化時は回路基板３０の実装面内において主固定点６１を基準とする膨張収縮が発生し、副固定点６２側のスリット１００の隙間分、かつスリット１００の先端部の形状による弾性との対抗分の変位を吸収できる。これはスリット１００による弾性変位であるため、温度が元に戻ると追従して温度変化前の状態に戻る。
【実施例７】
【００２５】
図７は、本実施例の光学式エンコーダの外観図である。図７（ａ）は上面図であり、図７（ｂ）は正面図である。本実施例では、センサ実装面内において発光素子１１の発光部と受光素子１２の受光部の中心位置であって、回路基板３０のセンサ実装面の裏面側にナット１１０を設け、ねじ６０でベース５０に固定する。本実施例では、実施例１と異なり、主固定点と、発光素子１１の発光部と受光素子１２の受光部の中間位置との距離が面内においてなくなるため、回路基板実装面内に関する温度変化によって生じる膨張収縮による変位の影響が小さくなる。
【００２６】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。本実施形態では、ねじを用いて部材を固定しているが、リベット、圧入、接着、加締めといった固定方法を用いてもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１０    センサ（変位検出部）
１１    発光素子（発信部）
１２    受光素子（受信部）
２０    スケール
３０    回路基板
５０    ベース（台座）
６０    ねじ（固定部）
７０    ワッシャ（固定部）
７１    歯付きワッシャ（防止手段）
７２    テフロンワッシャ（シフト手段）
１００  スリット（吸収手段）
１１０  ナット（固定部）
【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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【図７】
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