JP5334768B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、光学式エンコーダに関する。

従来、相対変位信号等の主信号を検出するための受光素子および原点信号等の副信号を検出するための受光素子が設けられた検出ヘッドを、反射部または透過部が例えば一定間隔で配置された主信号用の光学格子と、反射部または透過部が例えば所定位置に配置された副信号用（原点信号用）の光学格子とが形成されたスケールに対して相対移動させ、各光学格子にて反射した光または各光学格子を透過した光を各受光素子により受光して主信号および副信号を検出する光学式エンコーダが利用される（例えば、特許文献１）。
このような光学式エンコーダにおいて、主信号検出用の受光素子および副信号検出用の受光素子が設けられる検出ヘッドの構成としては以下の構成が考えられる。

図５は、主信号検出用の受光素子２および副信号検出用の受光素子３が設けられる検出ヘッド１Ｂの構成の一例を示す断面図である。
すなわち、検出ヘッド１Ｂの構成として、主信号検出用の受光素子２を筐体４、具体的には受光素子２をアルミ製の筐体本体４１に固定された透明なガラス基板４２に固定する一方、副信号検出用の受光素子３を、筐体４に固定されたガラスエポキシ製の基板５に固定する構成が考えられる。

特開２００８−１２２３２０公報

しかしながら、このような構成では、筐体４の線膨張係数（ガラス基板４２の線膨張係数は非常に低いので筐体本体４１の線膨張係数）と基板５の線膨張係数との差により、使用温度によっては、筐体４の伸縮量と基板５の伸縮量とに差が生じ、受光素子２、３の位置関係に変化が生じるおそれがある。受光素子２、３の位置関係に変化が生じると、測定精度が低下し、精度保証可能な使用温度範囲が限定されてしまうという問題がある。

本発明の目的は、主信号および副信号を検出可能で、かつ使用温度範囲を拡大できる光学式エンコーダを提供することにある。

本発明の光学式エンコーダは、第１、第２受光素子が設けられた検出ヘッドをスケールに対して相対移動させ、前記第１受光素子により主信号および副信号のうち一方を検出し、前記第２受光素子により主信号および副信号のうち他方を検出する光学式エンコーダであって、前記検出ヘッドは、前記第１受光素子が実装された基板と、前記基板が取り付けられるとともに前記第２受光素子が固定された筐体とを備え、前記基板の所定方向の一端側には、前記筐体に固定される固定部が設けられ、前記基板の所定方向の他端側は、前記所定方向に移動可能に前記筐体に支持され、前記固定部から前記第１受光素子までの前記所定方向に沿った距離と、前記固定部から前記第２受光素子までの前記所定方向に沿った距離との比は、前記筐体の線膨張係数と、前記基板の線膨張係数との比と等しいことを特徴とする。

本発明によれば、第１、第２受光素子により主信号および副信号を検出可能である。第１、第２受光素子のうち、第１受光素子は、基板を介して筐体に固定される。基板は筐体に前記所定方向に移動可能に支持されるので、使用温度変化に対する第１受光素子の所定方向の移動量は、基板の線膨張係数に基づく。一方、第２受光素子は筐体に直接固定されるので、使用温度変化に対する第２受光素子の所定方向の移動量は、筐体の線膨張係数に基づく。

ここで筐体に固定される基板の固定部から第１受光素子までの所定方向に沿った距離をＡ（図５）、固定部から第２受光素子までの所定方向に沿った距離をＢ、第１、第２受光素子間の所定方向に沿った距離をＸ、基板の線膨張係数をＥ_Ａ、筐体の線膨張係数をＥ_Ｂ、使用温度変化をＴとすると、第１、第２受光素子間の距離Ｘの変動量ΔＸは、
ΔＸ＝ΔＢ−ΔＡ
＝Ｂ×Ｅ_Ｂ×Ｔ−Ａ×Ｅ_Ａ×Ｔ
＝（Ｂ×Ｅ_Ｂ−Ａ×Ｅ_Ａ）×Ｔ
と表される。従って、（Ｂ×Ｅ_Ｂ−Ａ×Ｅ_Ａ）＝０の時、すなわちＡ：Ｂ＝Ｅ_Ｂ：Ｅ_Ａの時、使用温度変化Ｔに関係なく第１、第２受光素子間の距離Ｘの変動量ΔＸが０になることが分かる。

そこで、本発明では、Ａ：Ｂ＝Ｅ_Ｂ：Ｅ_Ａとなる位置に第１、第２受光素子を配置し、変動量ΔＸを０とする。これにより、本発明では、使用温度変化による第１、第２受光素子間の位置関係の変化を抑制でき、測定精度を向上できる。そのため、使用温度範囲を拡大できる。

本発明の光学式エンコーダでは、前記筐体における前記他端側との接触面、および前記他端側における前記筐体との接触面のうちいずれか一方には潤滑層が積層されていることが好ましい。
本発明によれば、筐体および基板の接触面のうち一方には潤滑層が積層されるので、両者の摩擦を低減でき、使用温度変化に応じて基板を確実に伸縮させることができる。従って、本発明では、使用温度変化に応じて基板および筐体が伸縮することを前提に第１、第２受光素子が所定の位置に配置されるところ、該前提が守られるので、第１、第２受光素子間の位置関係の変化を確実に抑制できる。

本発明の光学式エンコーダでは、前記他端側には、前記所定方向に沿って延びた貫通孔が形成され、前記筐体は、前記貫通孔を貫通するねじを備え、前記他端側との接触面と前記ねじとで前記他端側を前記所定方向に移動可能に挟持することが好ましい。
本発明によれば、貫通孔が所定方向に沿って延びているので、筐体は、貫通孔を挿通するねじにより、基板の他端側を所定方向に移動可能に挟持できる。従って、筐体は、基板の他端側を挟持するので、基板の他端側を安定して支持できる。また、基板の他端側を所定方向に移動可能に挟持する構成をねじを用いて実現するので、該構成を簡素な構成で実現できる。

本発明の光学式エンコーダでは、前記筐体は、前記所定方向に互いに離間した位置に固定された第１、第２固定部と、前記基板が取り付けられるとともに前記第２受光素子が固定され、一端が前記第１、第２固定部の一方に接続される本体部と、前記所定方向に沿って弾性変形可能に形成され、前記本体部の他端および前記第１、第２固定部の他方を接続する弾性部とを備えることが好ましい。

本発明によれば、筐体の本体部には、基板が取り付けられるとともに第２受光素子が固定される。この本体部の一端は、所定位置に固定された第１、第２固定部の一方に接続され、他端は、他方の第１、第２固定部に弾性部を介して接続される。使用温度変化により本体部が伸縮すると、弾性部により本体部に復元力が付与されるので、該復元力により、本体部が使用温度変化前の伸縮状態に復元することを補助できる。従って、温度に対する再現性を向上できる。

本発明の第１実施形態に係る検出ヘッドを示す断面図。 第１実施形態の検出ヘッドを示す平面図。 本発明の第２実施形態に係る検出ヘッドを示す断面図。 第２実施形態の検出ヘッドを示す平面図。 検出ヘッドの構成の一例を示す断面図。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態に係る光学式エンコーダは、相対変位信号等の主信号を検出するための受光素子および原点信号等の副信号を検出するための受光素子が設けられた検出ヘッドと、検出ヘッドに近接配置され、主信号用の光学格子および副信号用の光学格子が形成されたスケールと、各光学格子に対して光を射出する光源とを備える。検出ヘッドがスケールに対して相対移動すると、光源から出射されて各光学格子にて反射した光または各光学格子を透過した光が各受光素子にて受光される。各受光素子にて検出された主信号および副信号に基づいて、光学式エンコーダに接続されるユーザ側の装置によりスケールの相対移動量が算出される。

主信号用の光学格子としては、反射部または透過部が一定間隔で配置されたインクリメンタルパターンのものが例示される。副信号用の光学格子としては、反射部または透過部が所定位置に配置されて原点を示す信号を発生させるものや、反射部または透過部がランダム間隔で配置されて原点からの絶対距離を示す信号を発生させるアブソリュートパターンのものが例示される。

光学格子としてインクリメンタルパターンが用いられる場合、光学式エンコーダには信号処理部が設けられ、受光素子からの信号は信号処理部にて処理された後、ユーザ側の装置へ出力される。光学格子としてアブソリュートパターンが用いられる場合、光学式エンコーダには演算装置が設けられる。受光素子からの信号に基づいて演算装置により位置情報が算出され、該位置情報がユーザ側の装置へ出力される。これらの信号に基づいて、ユーザ側の装置によりスケールの相対移動量が算出される。
２つの受光素子を用いて主信号および副信号を検出する光学式エンコーダの全体構成は、特許文献１に記載されるように既知であるので、以下では、スケール等の説明は省略し、本発明の特徴的な検出ヘッドの構成について主に説明する。

図１は、検出ヘッド１を示す断面図、図２は、検出ヘッド１を示す平面図である。以下、図１中の上下左右方向を上下左右方向とする。
検出ヘッド１は、第２受光素子としての受光素子２、第１受光素子としての受光素子３、基板５、および筐体４を備える。検出ヘッド１の図１中、下方にスケールが配置される。後述するが、このスケールに対向する筐体４の下面にガラス基板４２が設けられる。
受光素子２は、前記ガラス基板４２の上面に受光面を下に向けた状態で実装される。受光素子２は、スケールに形成された主信号用の光学格子にて反射した光または該光学格子を透過した光をガラス基板４２を介して受光し、相対変位信号等の主信号を検出する。

また、後述するが、筐体４においてガラス基板４２の上方に基板５が設けられる。
受光素子３は、この基板５の下面に受光面を下に向けた状態で実装される。受光素子３は、スケールに形成された副信号用の光学格子にて反射した光または該光学格子を透過した光をガラス基板４２を介して受光し、原点信号等の副信号を検出する。
基板５はガラスエポキシ製であり、左右両端に貫通孔５１、５２が形成される。

筐体４は、筐体本体４１と、ガラス基板４２と、ねじ４３とを備える。
筐体本体４１は、アルミ製とされ、本体部６と、突出端部７１、７２とを備える。
本体部６は、矩形に形成され、左右両端に突出端部７１、７２が接続する。突出端部７１、７２は上方に突出する。突出端部７１、７２は、本実施形態では所定位置に固定されず、筐体４は、使用温度変化により左右方向に伸縮可能とされる。

本体部６の上端面６１には凹部６１１が形成され、下端面６２には、凹部６１１と平面視で重なる位置に凹部６１１よりも小さい凹部６２１が形成される。両凹部６１１、６２１の底部６３は共通する。底部６３には孔６３１が形成され、該孔６３１により両凹部６１１、６２１は連通する。底部６３の下面６３２にはガラス基板４２が取り付けられ、凹部６２１内にガラス基板４２が収納される。ガラス基板４２の孔６３１から露出した上面に受光素子２が実装される。

本体部６の上端面６１には基板５がねじ止めされる。具体的に、基板５の左端側には、ねじ４３により本体部６に固定された固定部５３が設けられる。一方、基板５の右端側に形成された貫通孔５１はねじ４３の軸径より径が僅かに大きいバカ穴とされ、左右方向に遊びがある、すなわち貫通孔５１は左右方向に延びている。このため、基板５の右端側は、ねじ４３により、左右方向に移動可能に本体部６に取り付けられる。本体部６の上端面６１において、基板５の右端側が取り付けられる右側部分には、該上端面６１より摩擦係数の低い潤滑層６４が積層される。潤滑層６４としては、ポリテトラフルオロエチレン層等のフッ素樹脂層やＤＬＣ層（Diamond like Carbon層）が採用される。基板５は、左端側が固定部５３とされ、右端側が左右方向に移動可能とされるので、使用温度が変化すると、固定部５３を基点として左右方向に伸縮する。この際、潤滑層６４により、基板５の右端側と筐体４との摩擦が低減される。

このような本実施形態では、受光素子２は、線膨張係数が非常に低いガラス基板４２を介して本体部６に取り付けられるので、使用温度変化により筐体４（本体部６）が左右方向に伸縮すると、該伸縮に伴い、受光素子２も左右方向に移動する。従って、使用温度変化に対する受光素子２の左右方向の移動量は、筐体４の線膨張係数に基づくこととなる。
一方、受光素子３は、左右方向に伸縮可能とされた基板５に固定されるので、使用温度変化により基板５が左右方向に伸縮すると、該伸縮に伴い受光素子３も左右方向に移動する。従って、使用温度変化に対する受光素子３の左右方向の移動量は、基板５の線膨張係数に基づくこととなる。

ここで、基板５左端の固定部５３から受光素子３までの左右方向に沿った距離をＡ、固定部５３から受光素子２までの左右方向に沿った距離をＢ、受光素子２、３間の左右方向に沿った距離をＸ、ガラスエポキシ製の基板５の線膨張係数をＥ_Ａ（＝６０×１０^−６℃）、アルミ製の筐体４の線膨張係数をＥ_Ｂ（＝２１×１０^−６℃）、使用温度変化をＴとすると、受光素子２、３間の距離Ｘの変動量ΔＸは、
ΔＸ＝ΔＢ−ΔＡ
＝Ｂ×Ｅ_Ｂ×Ｔ−Ａ×Ｅ_Ａ×Ｔ
＝（Ｂ×Ｅ_Ｂ−Ａ×Ｅ_Ａ）×Ｔ
と表される。従って、（Ｂ×Ｅ_Ｂ−Ａ×Ｅ_Ａ）＝０の時、すなわちＡ：Ｂ＝Ｅ_Ｂ：Ｅ_Ａの時、使用温度変化Ｔに関係なく受光素子２、３間の距離Ｘの変動量ΔＸが０になることが分かる。

そこで、本実施形態では、Ａ：Ｂ＝Ｅ_Ｂ（＝２１×１０^−６℃）：Ｅ_Ａ（＝６０×１０^−６℃）＝１：３となる位置に受光素子２、３が配置される。これにより、変動量ΔＸが０とされるので、本実施形態では、使用温度変化Ｔによる受光素子２、３間の位置関係の変化を抑制でき、測定精度を向上できる。従って、使用温度範囲を拡大できる。

以上の本実施形態では、以下の効果を奏することができる。
受光素子２、３により主信号および副信号を検出できる。
筐体４に固定される基板５の固定部５３から受光素子３までの左右方向に沿った距離Ａと、固定部５３から受光素子２までの左右方向に沿った距離Ｂとの比が、筐体４の線膨張係数Ｅ_Ｂ（＝２１×１０^−６℃）と基板５の線膨張係数Ｅ_Ａ（＝６０×１０^−６℃）との比１：３と等しくなる位置に受光素子２、３が配置されるので、使用温度変化による受光素子２、３間の位置関係の変化を抑制でき、測定精度を向上できる。そのため、使用温度範囲を拡大できる。そして、使用温度範囲の拡大により、ユーザの使用温度の多様化への要求に対応できる。

基板５と接触する筐体４の上端面６１には潤滑層６４が積層されるので、該上端面６１と基板５との摩擦を低減でき、使用温度変化に応じて基板５を確実に伸縮させることができる。従って、使用温度変化に応じて基板５および筐体４が伸縮することを前提に受光素子２、３が所定の位置に配置されるところ、該前提が守られるので、受光素子２、３間の位置関係の変化を確実に抑制できる。
筐体４が基板５の右端側を挟持するので、基板５の右端側を安定して支持できる。加えて、基板５の右端側を左右方向に移動可能に挟持する構成をねじ４３を用いて実現するので、該構成を簡素な構成で実現できる。

〔第２実施形態〕
図３は、本実施形態に係る検出ヘッド１Ａの断面図、図４は、検出ヘッド１Ａを示す平面図である。
本実施形態では、突出端部７１、７２（第１、第２固定部）が互いに左右方向に離間した位置に固定され、右方の突出端部７２（第２固定部）と本体部６とが弾性部８により接続される。弾性部８は、平行板ばねであり、平面視クランク形状を有して左右方向に弾性変形可能とされる。本実施形態の他の構成は第１実施形態と同様である。

本実施形態では、第１実施形態と同様の効果を奏することができるうえ、使用温度変化により本体部６が伸縮すると、弾性部８により本体部６に復元力が付与されるので、該復元力により、本体部６が使用温度変化前の伸縮状態に復元することを補助できる。従って、温度に対する再現性を向上できる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記各実施形態では、基板５の右端側は、ねじ４３と筐体４とにより挟持されたが、基板５の右端側は、単に筐体４上に載置されて筐体４に支持されてもよい。
前記各実施形態では、基板５の左端側に設けられた固定部５３は、ねじ４３により筐体４に固定されたが、固定部５３は、接着により筐体４に固定されてもよい。

前記各実施形態では、潤滑層６４は筐体４側に積層されたが、潤滑層６４は基板５側に積層されてもよい。
前記各実施形態では、貫通孔５１はバカ穴とされたが、貫通孔５１は左右方向に延びたスリット状に形成されてもよい。

前記各実施形態では、筐体４はアルミ製、基板５はガラスエポキシ製とされたが、両部材４，５の材料は適宜のものを採用できる。
前記各実施形態では、透明なガラス基板４２とガラスエポキシ製の基板５とは、スケールの法線方向に沿って積層配置されたが、ガラス基板４２と基板５とは、スケールの平面方向に沿って並設されてもよい。
本発明の光学式エンコーダは、リニアエンコーダ、ロータリーエンコーダ、リニアゲージ、円弧エンコーダ等に適用できる。

１，１Ａ 検出ヘッド
２ 受光素子（第２受光素子）
３ 受光素子（第１受光素子）
４ 筐体
５ 基板
６ 本体部
８ 弾性部
４３ ねじ
５１ 貫通孔
５３ 固定部
６１ 上端面（筐体における他端側との接触面）
６４ 潤滑層
７１ 突出端部（第１固定部）
７２ 突出端部（第２固定部）

Claims (4)

1. 第１、第２受光素子が設けられた検出ヘッドをスケールに対して相対移動させ、前記第１受光素子により主信号および副信号のうち一方を検出し、前記第２受光素子により主信号および副信号のうち他方を検出する光学式エンコーダであって、
   前記検出ヘッドは、前記第１受光素子が実装された基板と、前記基板が取り付けられるとともに前記第２受光素子が固定された筐体とを備え、
   前記基板の所定方向の一端側には、前記筐体に固定される固定部が設けられ、前記基板の所定方向の他端側は、前記所定方向に移動可能に前記筐体に支持され、
   前記固定部から前記第１受光素子までの前記所定方向に沿った距離と、前記固定部から前記第２受光素子までの前記所定方向に沿った距離との比は、前記筐体の線膨張係数と、前記基板の線膨張係数との比と等しい
   ことを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 請求項１に記載の光学式エンコーダにおいて、
   前記筐体における前記他端側との接触面、および前記他端側における前記筐体との接触面のうちいずれか一方には潤滑層が積層されている
   ことを特徴とする光学式エンコーダ。
3. 請求項２に記載の光学式エンコーダにおいて、
   前記他端側には、前記所定方向に沿って延びた貫通孔が形成され、
   前記筐体は、前記貫通孔を貫通するねじを備え、前記他端側との接触面と前記ねじとで前記他端側を前記所定方向に移動可能に挟持する
   ことを特徴とする光学式エンコーダ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の光学式エンコーダにおいて、
   前記筐体は、
   前記所定方向に互いに離間した位置に固定された第１、第２固定部と、
   前記基板が取り付けられるとともに前記第２受光素子が固定され、一端が前記第１、第２固定部の一方に接続される本体部と、
   前記所定方向に沿って弾性変形可能に形成され、前記本体部の他端および前記第１、第２固定部の他方を接続する弾性部とを備える
   ことを特徴とする光学式エンコーダ。

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