JP7156687B2

JP7156687B2 - 光学式エンコーダ

Info

Publication number: JP7156687B2
Application number: JP2018211351A
Authority: JP
Inventors: 和雄小金平; 俊司内藤
Original assignee: 帝国通信工業株式会社
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2022-10-19
Anticipated expiration: 2038-11-09
Also published as: JP2020076700A

Description

本発明は、光を用いて電気的出力信号を変化させる光学式エンコーダに関するものである。

従来、光学式エンコーダに用いる回転体は、例えば特許文献１の図１に示す回転体（１１）のように、円板（１３）の下面に形成されたスケール部（１４）の下面に、反射部（１５ａ）と非反射部（１５ｂ）とを交互に円周状に配列するように形成され、このスケール部（１４）に照射した光の反射の状態を光センサ（１６）で検出し、これによって、回転体（１１）の回転の状態を検出するように構成されていた。

そして、上記回転体（１１）への反射部（１５ａ）と非反射部（１５ｂ）の形成は、円板（１３）の下面にアルミなどの金属材料を蒸着によってスケール部（１４）を形成し、このスケール部（１４）の下面をフォトエッチングすることによって行われていた。

また従来、反射部と非反射部の形成方法は、上記方法に限られず、反射面となる回転体の下面に金属板を貼り付け、またはメッキによって金属層を形成し、その後これらをエッチングする方法などもあった。

特開平０７－２０９０２３号公報

しかし、上述のように、回転体の反射面に反射部と非反射部を形成するために、反射面に金属層や金属板を形成したり、これをエッチングしたりする作業は煩雑であり、また製造設備も大掛かりになり、製造コストの増大を招いていた。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、製造が容易で、且つ正確な信号が得られる光学式エンコーダを提供することにある。

本発明は、回転軸を中心に回転自在に軸支され且つ光反射面を設けた回転体と、前記回転体の光反射面に向けて光を発射する発光素子と、前記回転体の光反射面で反射された光を受光する受光素子と、前記回転体の下側に配置され、上面に前記発光素子と前記受光素子を設置してなる回路基板と、を有し、且つ、前記回転体の光反射面に、前記発光素子から受けた光を反射する高反射部及び低反射部を形成し、これら高反射部と低反射部によって反射された光を前記受光素子が受光する受光量に応じて前記回転体の回転状態を検出する光学式エンコーダにおいて、前記高反射部は、前記回転体を構成する合成樹脂自体の面を露出して形成され、前記低反射部は、前記光反射面上に印刷によって形成され、前記回路基板の上面から軸部を立設し、前記回転体の光反射面には凹部からなる軸受け部を設け、前記回転体の軸受け部に、前記回路基板から立設する軸部を回転自在に挿入して当該軸部の上面を当該軸受け部の底面に当接させることを特徴としている。
本発明によれば、高反射部を回転体となる合成樹脂自体の露出面によって形成し、且つ、低反射部を印刷によって形成したので、回転体となる合成樹脂の材料（色彩）として反射し易い材料（色彩）を用い、且つ低反射部を印刷によって形成するだけで、容易に高反射部と低反射部を形成することができる。また印刷に用いる設備は、蒸着やエッチングなどに用いる設備に比べて安価な設備とすることができる。これらのことから、製造コストの削減化を図ることができる。
また本発明は、前記高反射部と前記低反射部は、円周上に交互に形成されており、前記高反射部は、当該高反射部の両側に位置する低反射部と、当該高反射部の外周側を囲む低反射の外輪部と、当該高反射部の内周側を囲む低反射の内輪部によって、その外周が囲まれていることを特徴としている。
また本発明は、上記特徴に加え、前記回路基板の下面側に位置する底部と、前記回路基板の周囲を囲むように立設する側壁部とを有することで、前記回路基板の上面側に収納部を形成したケースと、前記ケースの収納部を覆うと共に、中央に貫通孔を有する軸受部を形成してなるカバーと、を有し、前記回転体は、下面を前記光反射面とした本体部と、当該本体部の上面から突出するつまみ部とを具備し、前記回転体のつまみ部を、前記カバーの軸受部に挿入して回転自在に軸支することを特徴としている。

また本発明は、上記特徴に加え、前記回転体を構成する合成樹脂材料の明度は、前記低反射部を形成するために印刷するインクの明度よりも高いことを特徴としている。
本発明によれば、高反射部で反射する反射光の光量と、低反射部で反射する反射光の光量との差を大きくすることができ、確実（正確）なオンオフ信号を得ることができる。

本発明によれば、光学式エンコーダの製造が容易に行え、また反射部（高反射部と低反射部）による正確な信号を得ることができる。

光学式エンコーダ１の斜視図である。エンコーダ１の分解斜視図である。図１のＡ－Ａ概略断面図である。回路基板３０を示す斜視図である。回転体６０を下側から見た斜視図である。回転体６０の側断面図である。回転体６０の底面図である。フォトセンサ３３（又は３５）と、高反射部６１５ａ及び低反射部６１５ｂの関係を示す概略説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の１実施形態に係る光学式エンコーダ（以下単に「エンコーダ」という）１の斜視図、図２はエンコーダ１の分解斜視図、図３は図１のＡ－Ａ概略断面図である。これらの図に示すように、エンコーダ１は、回路基板３０を収納したケース１０と、回転体６０と、カバー８０とを具備して構成されている。なお以下の説明において、「上」とは回路基板３０から回転体６０を見る方向をいい、「下」とはその反対方向をいうものとする。

図４は回路基板３０を示す斜視図である。同図に示すように回路基板３０は、硬質で略矩形状の絶縁基板３１を有し、この絶縁基板３１の中央に、貫通する位置決め孔３１３を形成し、その周囲を囲む位置に複数（この例では４つ）の貫通孔３１５を設けている。また絶縁基板３１の上側の面（以下「上面」という）３１１の所定位置には、２つのフォトセンサ（受発光素子）３３，３５と、信号処理回路３７とが設置され、また絶縁基板３１の１辺近傍の上面には、複数本（この例では６本）の端子板３９の一端が並列に当接されている。

２つのフォトセンサ３３，３５は、同一形式の反射型フォトセンサ（フォトリフレクタ）であって、それぞれ発光素子３３１，３５１と受光素子３３３，３５３とを有している。発光素子３３１から発射された光を受光素子３３３が受光することで、出力電圧が発生する。同様に、発光素子３５１から発射された光を受光素子３５３が受光することで、出力電圧が発生する。

信号処理回路３７は、前記両フォトセンサ３３，３５からの出力信号を入力し、これらの入力信号（電気信号）を矩形状の電気信号（オンオフ信号）に変換し且つその電流値を増幅して出力する回路（波形整形回路）である。この信号処理回路は、ＩＣ回路や、その他の各種半導体回路などによって構成することができる。この例の場合、フォトセンサ３３，３５からの信号の入力波形の電圧値が所定値を超えるとスイッチがオンし、前記所定値を下回るとスイッチがオフし且つ電流値を増幅するスイッチング回路を設置している。このスイッチング回路は出力信号の電流増幅を行うので、より正確な出力信号を得ることができる。そして、信号処理回路３７の出力信号は、回路基板３０の１辺に並列に設けた図示しない接続パターンに引き出され、その上に当接する各端子板３９に電気的に接続される。

ケース１０は、図２，図３に示すように、合成樹脂を上面が開放された箱形に成形して構成されている。ケース１０の上面側には、矩形凹状の収納部１１が形成されている。収納部１１の底面には、このケース１０内にインサート成形した前記回路基板３０の上面が露出し、さらに回路基板３０の上面中央には、ケース１０の一部を構成する円形で柱状の軸部１３が立設している。軸部１３の中央には円形の貫通する孔１４が形成されている。言い換えれば、ケース１０は、略矩形状の底部１５と、底部１５の周囲を囲むように立設する側壁部１７と、底部１５の中央から回路基板３０を貫通してその上面側に突出する軸部１３とを具備して構成されており、ケース１０の一つの側壁部１７からは、６本の端子板３９の先端側部分をその外方に向けて突出している。各端子板３９の回路基板３０に当接した部分は、ケース１０を構成する合成樹脂によって固定され、回路基板３０の各接続パターンとの接続状態を良好に保持している。また、側壁部１７の２つの角部の上面からは小突起状の位置決め部１９が突出している。

ケース１０を製造するには、ケース１０の形状のキャビティーを有する金型内に、回路基板３０と端子板３９とを収納し、その際、各端子板３９の一端側の部分を回路基板３０の図示しない各接続パターンに当接しておく。そしてこの状態でキャビティー内に溶融した合成樹脂を注入し、合成樹脂が固化した後に金型を取り外せば、回路基板３０と端子板３９をインサート成形したケース１０が完成する。このときケース１０の軸部１３と底部１５は、回路基板３０に設けた４つの貫通孔３１５を通して接続されている。また、孔１４は、回路基板３０の位置決め孔３１３を介してケース１０の底部１５の上下面に貫通するように形成されているが、その理由は以下のとおりである。即ち、上述のように、金型内に回路基板３０などを収納した際、金型から突出する図示しない位置決め突起を回路基板３０の位置決め孔３１３に挿入して回路基板３０を位置決めするが、例えばそのときの金型内の回路基板３０の向きを、図３に示す水平な回路基板３０を紙面に向かって９０度回転して垂直になるような向きとしたような場合でも、この回路基板３０を確実に位置決めできるように（位置決め突起から回路基板３０が外れないように）、金型のキャビティー内を貫通する（即ち、孔１４が貫通孔になる）位置決め突起を設けたのである。

図５は回転体６０を下側から見た斜視図、図６は回転体６０の側断面図（図３の断面より回転方向に９０度回転した位置での断面図）、図７は回転体６０の底面図である。これらの図及び図１～図３に示すように、回転体６０は合成樹脂製（この例ではポリカーボネート樹脂）であり、円板状の本体部６１と、本体部６１の上面中央から突出する円形柱状のつまみ部（シャフト）６３とを一体に成形して構成されている。この回転体６０を構成する合成樹脂の色彩は、白色、即ち光を反射し易い色彩の合成樹脂によって構成されている。本体部６１の下面は、光反射面６２となっている。本体部６１の外径寸法は、前記ケース１０の収納部１１に収納される寸法に形成されている。本体部６１下面の光反射面６２の中央には、円形の凹部からなる軸受け部６１１が形成されている。光反射面６２の軸受け部６１１の周囲を囲む位置には、円周状の反射部６１５が形成されている。

反射部６１５は、複数組の高反射部６１５ａと低反射部６１５ｂを、連続して円周状に等間隔に、エンドレスに交互に形成して構成されており、円周状の反射軌跡面（反射トラック面）となっている。低反射部６１５ｂは、光反射面６２の表面に黒色の塗料を印刷することによって形成されている。高反射部６１５ａは、白色の合成樹脂自体の表面を露出することによって形成されている。即ち、反射部６１５は、回転体６０を構成する合成樹脂自体の色彩（白色）によって形成される高反射部６１５ａと、その表面に黒色の印刷インク（塗料）を印刷することによって形成される低反射部６１５ｂと、を交互に形成することで構成されている。高反射部６１５ａと低反射部６１５ｂは何れも扇形状であり、回転体６０の回転軸Ｌ１（図６，図７参照）から放射状に伸びる線上に高反射部６１５ａと低反射部６１５ｂの左右両側辺が位置するように形成されている。低反射部６１５ｂはさらに、その外周辺をリング状に連結する外輪部（外側連結部）６１５ｂｘと、その内周辺をリング状に連結する内輪部（内側連結部）６１５ｂｙとを有している。即ち、高反射部６１５ａは、その両側に位置する低反射部６１５ｂと外輪部６１５ｘと内輪部６１５ｙによってその外周が囲まれている。

反射部６１５を形成するには、光反射面６２上に、前記回転体６０を構成する合成樹脂の明度よりも低い明度の印刷インク、具体的には上記黒色の印刷インク（塗料）を、前記低反射部６１５ｂと外輪部６１５ｂｘと内輪部６１５ｂｙの形状に印刷（塗布）して着色することによって行われる。この例では、パッド印刷によって印刷が行われている。

また、この回転体６０によれば、この回転体６０の下側を軸支するための突出する軸の代わりに軸受け部６１１となる凹部を設けたので、光反射面６２から突出する部分が無くなる。このため、光反射面６２への上記印刷作業を容易に行うことが可能になる。なお、回転体６０の上側はつまみ部６３によって軸支される。

カバー８０は、金属板製であって、略矩形状で前記ケース１０の収納部１１を覆う寸法形状のカバー本体部８１と、カバー本体部８１の対向する一対の両側辺に接続されて略直角に下方向に折り曲げられる側面部８３，８３とを有して構成されている。カバー本体部８１の中央には、円筒状の軸受部８１１が形成され、その中央は貫通孔となっている。また、カバー本体部８１の２つの角部近傍には、前記ケース１０の位置決め部１９を挿入する小孔からなる位置決め部８１３が形成されている。各側面部８３の下辺の中央部分には、下方向に向かって突出する他部材取付部８３１が形成され、また他部材取付部８３１の両側には、下方向に向かって突出するケース取付部８３３が形成されている。

次に、このエンコーダ１を組み立てるには、前記ケース１０の収納部１１内に回転体６０の本体部６１を収納する。このとき、ケース１０の軸部１３を、回転体６０の軸受け部６１１に挿入し、これによって回転体６０を回転自在に支持すると同時に、本体部６１の下面と、２つのフォトセンサ３３，３５の発光素子３３１，３５１及び受光素子３３３，３５３との間の離間距離を所定の離間距離とする。つまりケース１０の軸部１３と回転体６０の軸受け部６１１によって、回転体６０の回転動作と、発光素子３３１，３５１及び受光素子３３３，３５３と反射部６１５間の離間距離の正確な設定と、を同時に行っている。

次に、前記回転体６０の本体部６１を収納したケース１０の上面にカバー８０のカバー本体部８１を被せてケース１０の収納部１１を塞ぐ。このとき同時に回転体６０のつまみ部６３をカバー８０の軸受部８１１に挿入し、回転体６０を回転自在に軸支する。そして、カバー８０の各ケース取付部８３３を、ケース１０の下面側に折り曲げれば、カバー８０がケース１０に固定され、図１に示すエンコーダ１が完成する。なお上記組立手順はその一例であり、他の各種異なる組立手順を用いて組み立てても良いことはいうまでもない。

以上のように構成されたエンコーダ１において、まず何れかの端子板３９に電圧を印可して回路基板３０上の電気回路を起動しておく。ここで図８は、２つの内の一方のフォトセンサ３３（又は３５）と、高反射部６１５ａ及び低反射部６１５ｂの関係を示す概略説明図である。なお図示の都合上、回転体６０の回転方向Ｅと、フォトセンサ３３（又は３５）に設けた一対の発光素子３３１（又は３５１）と受光素子３３３（又は３５３）の配列方向とを同一に示しているが、実際には両者の方向は直交している。同図に示すように、フォトセンサ３３（又は３５）の発光素子３３１（又は３５１）から回転体６０下面の反射部６１５（６１５ａ，６１５ｂ）に光が照射され、照射された部分が高反射部６１５ａの場合は当該光の多くは反射されてフォトセンサ３３（又は３５）の受光素子３３３（又は３５３）に受光され、一方照射された部分が低反射部６１５ｂの場合は当該光の多くは反射されずフォトセンサ３３（又は３５）の受光素子３３３（又は３５３）に受光されない。従って、回転体６０を回転すると、受光素子３３３（又は３５３）での受光状態に応じて、フォトセンサ３３（又は３５）からの出力信号が変化する。具体的には、高反射部６１５ａと低反射部６１５ｂによる反射状態の相違に応じたオンオフ信号が得られる。

ところで、この実施形態においては、高反射部６１５ａの外周全体を囲むように、低反射部６１５ｂと外輪部６１５ｂｘと内輪部６１５ｂｙが形成されているので、より正確なオンオフ信号を得ることができる。即ち、各高反射部６１５ａは、黒色の低反射部６１５ｂと外輪部６１５ｂｘと内輪部６１５ｂｙによってその外周辺と内周辺を含めて孤立している。このため、フォトセンサ３３（又は３５）の発光素子３３１（又は３５１）から発射された光の一部が外輪部６１５ｂｘ又は内輪部６１５ｂｙに相当する位置に照射されて反射されても、この反射光の光量を小さくでき、当該反射光がさらに他の部材に反射した後に受光素子３３３（又は３５３）に入射して誤動作する虞を確実に防止できる。このことから、より正確なオンオフ信号を得ることができる。

さらに両フォトセンサ３３，３５は、回転体６０の回転軸Ｌ１を中心にした同一円周上に位置し、且つ２つのフォトセンサ３３，３５にそれぞれ対向する位置にある高反射部６１５ａ（または低反射部６１５ｂ）に対して円周方向に少しずれた位置となるように配置されている。このため、回転体６０が回転した際に一方のフォトセンサ３３が対向する位置にある高反射部６１５ａ（または低反射部６１５ｂ）を通過するタイミングと、他方のフォトセンサ３５が対向する位置にある高反射部６１５ａ（または低反射部６１５ｂ）を通過するタイミングとが少しずれる。そしてこの出力信号は、端子板３９に出力される。このようにして得られた出力信号を用いれば、位相がずれた一対のオンオフ波形を解析することで、回転体６０の回転方向や回転速度などを測定することができる。

なお、上記各実施形態では、何れも発光素子と受光素子を一体化したフォトセンサを用いた例を説明したが、発光素子と受光素子は別々の素子として構成し、これらをそれぞれ設置しても良い。

以上説明したように、エンコーダ１は、回転軸Ｌ１を中心に回転自在に軸支され且つ光反射面６２を設けた回転体６０と、回転体６０の光反射面６２に向けて光を発射する発光素子３３１，３５１と、回転体６０の光反射面６２で反射された光を受光する受光素子３３３，３５３と、を有し、且つ、回転体６０の光反射面６２に、発光素子３３１，３５１から受けた光を反射する高反射部６１５ａ及び低反射部６１５ｂを形成し、これら高反射部６１５ａと低反射部６１５ｂによって反射された光を受光素子３３１，３５１が受光する受光量に応じて回転体６０の回転状態を検出する構成であり、前記高反射部６１５ａは、回転体６０を構成する合成樹脂自体の面を露出して形成され、前記低反射部６１５ｂは、光反射面６２上に印刷によって形成されている。このように、高反射部６１５ａを回転体６０となる合成樹脂自体の露出面によって形成し、且つ、低反射部６１５ｂを印刷によって形成したので、回転体６０となる合成樹脂の材料（色彩）として反射し易い材料（色彩）を用い、且つ低反射部６１５ｂを印刷によって形成するだけで、容易に高反射部６１５ａと低反射部６１５ｂを形成することができる。また印刷に用いる設備は、蒸着やエッチングなどに用いる設備に比べて安価な設備とすることができる。これらのことから、製造コストの削減化を図ることができる。

さらに言えば、エンコーダ１は、低反射部６１５ｂを形成するために印刷するインクの明度よりも、回転体６０を構成する合成樹脂材料の明度を高くしたので、高反射部６１５ａで反射する反射光の光量と、低反射部６１５ｂで反射する反射光の光量との差を大きくすることができ、確実（正確）なオンオフ信号を得ることができる。

特にこのエンコーダ１においては、回路基板３０の上面中央から突出するケース１０の軸部１３が、回転体６０の下面中央に設けた凹状の軸受け部６１１に回動自在に軸支されるが、両者の接触面積は小さいので、摩耗の少ない構造となっている。同時にこの軸部１３の上面は軸受け部６１１の底面に当接することで回転体６０を上下方向に支えるので、回路基板３０の上面と回転体６０の下面の間の隙間寸法を正確に所望の寸法とすることができる。これによって、フォトセンサ（発光素子）３３，３５の発光部３３１，３５１から発射された光を反射部６１５で反射してフォトセンサ（受光素子）３３，３５の受光部３３３，３５３に受光する機構を、精度よく構成することができ、精度のよい出力信号を得ることができる。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造や材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。例えば、上記実施形態では、回転体自体の合成樹脂の露出面による高反射部を白色、印刷による低反射部を黒色で構成したが、要は、高反射部の明度が低反射部の明度よりも高いものであれば、どのような色彩であってもよい。例えば、高反射部の色彩として赤色や黄色などを用い、低反射部の色彩として濃い灰色や濃い青色や濃い緑色などを用いてもよい。また上記実施形態では、低反射部６１５ｂの外周側と内周側に外輪部６１５ｂｘと内輪部６１５ｂｙを設けたが、場合によってはこれらの内のいずれか一方又は両方を省略してもよい。また外輪部６１５ｂｘや内輪部６１５ｂｙはその一部を切り欠いた形状、即ち完全なリング状でなくてもよい。

また、上記記載及び各図で示した実施形態は、その目的及び構成等に矛盾がない限り、互いの記載内容を組み合わせることが可能である。また、上記記載及び各図の記載内容は、その一部であっても、それぞれ独立した実施形態になり得るものであり、本発明の実施形態は上記記載及び各図を組み合わせた一つの実施形態に限定されるものではない。

１エンコーダ（光学式エンコーダ）
６０回転体
Ｌ１回転軸
６２光反射面
６１１軸受け部
６１５反射部
６１５ａ高反射部
６１５ｂ低反射部
３０回路基板
３３，３５フォトセンサ
３３１，３５１発光素子
３３３，３５３受光素子

Claims

回転軸を中心に回転自在に軸支され且つ光反射面を設けた回転体と、
前記回転体の光反射面に向けて光を発射する発光素子と、
前記回転体の光反射面で反射された光を受光する受光素子と、
前記回転体の下側に配置され、上面に前記発光素子と前記受光素子を設置してなる回路基板と、
を有し、
且つ、前記回転体の光反射面に、前記発光素子から受けた光を反射する高反射部及び低反射部を形成し、これら高反射部と低反射部によって反射された光を前記受光素子が受光する受光量に応じて前記回転体の回転状態を検出する光学式エンコーダにおいて、
前記高反射部は、前記回転体を構成する合成樹脂自体の面を露出して形成され、
前記低反射部は、前記光反射面上に印刷によって形成され、
前記回路基板の上面から軸部を立設し、
前記回転体の光反射面には凹部からなる軸受け部を設け、
前記回転体の軸受け部に、前記回路基板から立設する軸部を回転自在に挿入して当該軸部の上面を当該軸受け部の底面に当接させることを特徴とする光学式エンコーダ。
請求項１に記載の光学式エンコーダであって、
前記高反射部と前記低反射部は、円周上に交互に形成されており、
前記高反射部は、当該高反射部の両側に位置する低反射部と、当該高反射部の外周側を囲む低反射の外輪部と、当該高反射部の内周側を囲む低反射の内輪部によって、その外周が囲まれていることを特徴とする光学式エンコーダ。
請求項１又は２に記載の光学式エンコーダであって、
前記回路基板の下面側に位置する底部と、前記回路基板の周囲を囲むように立設する側壁部とを有することで、前記回路基板の上面側に収納部を形成したケースと、
前記ケースの収納部を覆うと共に、中央に貫通孔を有する軸受部を形成してなるカバーと、
を有し、
前記回転体は、下面を前記光反射面とした本体部と、当該本体部の上面から突出するつまみ部とを具備し、
前記回転体のつまみ部を、前記カバーの軸受部に挿入して回転自在に軸支することを特徴とする光学式エンコーダ。
請求項１又は２又は３に記載の光学式エンコーダであって、
前記回転体を構成する合成樹脂材料の明度は、前記低反射部を形成するために印刷するインクの明度よりも高いことを特徴とする光学式エンコーダ。