JP2009300240A

JP2009300240A - ロータリーエンコーダ

Info

Publication number: JP2009300240A
Application number: JP2008154724A
Authority: JP
Inventors: Yuji Iguchi; 裕司井口; Kenji Ochiai; 憲司落合
Original assignee: MICROTECH LABORATORY Inc
Current assignee: MICROTECH LABORATORY Inc
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2009-12-24

Abstract

【課題】より少ない部品点数で構成可能な、光学式のロータリーエンコーダの新規な構造を提供する。
【解決手段】本ロータリーエンコーダには、回転する回転スリット板２０１のスリット２０１ａが通過する位置にスリット２０２ａ，２０２ｂが形成された固定スリット板２０２と、受光素子２０４ａ，２０４ｂを有するフォトＩＣ２０４と、回転スリット板側に向けられた裏面２０３Ａに固定スリット板２０２が直接固定されるとともに回転スリット板とは反対側に向けられた部品搭載面２０３ＢにフォトＩＣ２０４がフェースダウン実装されたプリント配線基板２０３と、が設けられている。プリント配線基板２０３には、発光素子１００からの光を通過させるための貫通穴２０３ａが形成されており、フォトＩＣ２０４の受光素子２０４ａ，２０４ｂは、この貫通穴２０３ａを介して固定スリット板２０２のスリット２０２ａ，２０２ｂに対向している。
【選択図】図１

Description

本発明は、より少ない部品点数で構成可能な光学式のロータリーエンコーダの構造に関する。

発光素子と受光素子との間に回転スリット板と固定スリット板とが配置されるロータリーエンコーダとして特許文献１記載の光学式エンコーダが知られている。

この光学式エンコーダにおいては、受光素子を搭載した配線基板が、受光素子の周りを囲む固定台に固定され、この固定台の上端面に固定スリット板が固定されている。これにより、固定スリット板が回転スリット板と受光素子の受光面との間に位置付けられる。
特開２００２−２０６９５３号公報（図２、図３）

ところが、上記従来の光学式エンコーダには、固定スリット板を固定するための固定台が必要となる。

また、上記従来の光学式エンコーダのような構造においては、一般に、受光素子を有するフォトＩＣのパッドと配線基板上のパッドとの間がボンディングワイヤにより接続され、このボンディングワイヤが保護樹脂により封止される。このようなワイヤボンディング接合によれば、この保護樹脂の厚さによって固定台の高さの縮小が制限されるとともに、フォトＩＣの外形よりも広い実装面積が配線基板上に必要となる。このため、光学式エンコーダの小型化に制約が生じる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、光学式のロータリーエンコーダの構成部品の点数を削減することにある。また、本発明の他の目的は、より小型な光学式のロータリーエンコーダの新規な構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、ロータリーエンコーダにおいて、回転スリット板および固定スリット板の双方のスリットを通過した光を通過させるための空間（例えば開口部）を配線基板に形成し、この空間を介して固定スリット板のスリットとフォトＩＣの受光部とが対向するように、配線基板の一方の面に固定スリット板を固定し、配線基板の他方の面にフォトＩＣをフェースダウン実装する。

例えば、本発明は、回転シャフトとともに回転する回転スリット板に向けて光源から照射され、当該回転スリット板のスリットを通過した光を検出して、前記回転シャフトの回転に応じた出力信号を出力するロータリーエンコーダに、
前記回転スリット板の回転により前記スリットを通過する前記光が到達する位置にスリットが形成された固定スリット板と、
前記回転スリット板側の面に前記固定スリット板が固定され、前記回転スリット板のスリットと前記固定スリット板のスリットとを通過した前記光を、前記回転スリット板とは反対側の部品実装面側に通過させる空間が形成された配線基板と、
前記配線基板の前記部品実装面に搭載され、前記配線基板の前記空間を介して前記固定スリット板のスリットに対向する受光部が有するフォトＩＣと、を設ける。

また、このようなロータリーエンコーダに、
前記配線基板への前記フォトＩＣのフリップチップアタッチ（ＦＣＡ）実装によって前記配線基板のパッドと前記フォトＩＣのパッドとの間に形成された電気的接合部を設けてもよい。

本発明によれば、固定スリット板を固定するための固定台を省略することができるため、光学式ロータリーエンコーダの構成部品の点数を削減することができる。また、ＦＣＡ実装を採用することにより、小型な光学式ロータリーエンコーダの小型化を実現することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の一実施の形態について説明する。

図１は、本実施の形態に係る光学式のロータリーエンコーダの内部構造を説明するための部分断面図である。ここでは、二相出力型のロータリーエンコーダを例にあげる。

本実施の形態に係る光学式のロータリーエンコーダの一対のケーシング２０７ａ，２０７ｂのうち、一方のケーシング２０７ａには、ケーシング２０７ａに固定されたプリント配線基板１０１、およびプリント配線基板１０１に搭載された発光素子（例えば、発光ダイオード、レーザダイオード等）１００が収容されている。

他方のケーシング２０７ｂには、円周方向に沿って複数のスリット２０１ａが所定の間隔で形成されたディスク型の回転スリット板２０１、例えば一方の端部に回転スリット板２０１が固定された回転シャフト２０８、回転中の回転スリット板２０１のスリット２０１ａを通過する発光素子１００の出射光が到達する位置に各相（Ａ相、Ｂ相）出力用のスリット２０２ａ，２０２ｂが一対以上形成された固定スリット板２０２、固定スリット板２０２のスリット２０２ａ，２０２ｂに対向する受光素子２０４ａ，２０４ｂと各受光素子２０４ａ，２０４ｂの出力信号を処理する信号処理回路（逓倍回路、波形整形回路等：不図示）とが組み込まれたベアチップ（フォトＩＣ）２０４、および、フォトＩＣ２０４が搭載されるとともに固定スリット板２０２が直接固定されたプリント配線基板２０３が収容されている。なお、プリント配線基板２０３はケーシング２０７ｂに固定されており、回転シャフト２０８は、ケーシング２０７ｂに固定されたベアリング２０９によって回転可能に保持され、外部からの力によって回転することによって回転スリット板２０１を回転させる。

ここで、プリント配線基板２０３には、回転シャフト挿入用の貫通穴２０３ａの他、光通過用の貫通穴２０３ｂが形成されており、固定スリット板２０２は、すべてのスリット２０２ａ，２０２ｂがこの貫通穴２０３ｂの内側に位置するように（貫通穴２０３ｂの内部に面するように）、プリント配線基板２０３の一方の面（回転スリット板側に向けられた面:以下、裏面）２０３Ａに接着剤等によって直接固定されている。

また、フォトＩＣ２０４は、その回路面２０４Ａに形成された各受光素子２０４ａ，２０４ｂが、この貫通穴２０３ｂを介して固定スリット板２０２の各スリット２０２ａ，２０２ｂにそれぞれ対向するように位置付けられた状態で、プリント配線基板２０３の他方の面（回転スリット板２０１とは反対側に向けられた配線パターン形成面：以下、部品実装面）２０３ＢにＦＣＡ（ＦｌｉｐＣｈｉｐＡｔｔａｃｈ）実装されている。具体的には、フォトＩＣ２０４の回路面２０４Ａに形成されたパッド上の金属ボールバンプとプリント配線基板２０３のパッド上のはんだとをリフローさせることによって、フォトＩＣ２０４のパッドとプリント配線基板２０３のパッドとの間にそれぞれ電気的接合部２０５を形成し、これらの電気的接合部２０５をエポキシ保護樹脂等のアンダーフィル２０６によって封止してある。なお、これは、ＦＣＡ実装方法の一例であり、例えばフォトＩＣ２０４のパッド上の金バンプとプリント配線基板２０３の金パッドとを直接接続する等の他のＦＣＡ実装方法を用いてもよい。

このような一対のケーシング２０７ａ，２０７ｂを嵌合させることにより形成される筐体の内部において、発光素子１００は、その出射光が回転スリット板２０１のスリット形成領域を照射するように位置付けられる。回転シャフト２０８の回転によって回転スリット板２０１のスリット２０１ａが固定スリット板２０２のスリット２０２ａ，２０２ｂを通過するごとに、発光素子１００の出射光は、回転スリット板２０１のスリット２０１ａと固定スリット板２０２のスリット２０２ａ，２０２ｂとを通過して、プリント配線基板２０３の貫通穴２０３ｂを介してフォトＩＣ２０４に到達する。そして、フォトＩＣ２０４では、受光素子２０４ａ，２０４ｂが、到達した光を検出し、信号処理回路が、これら受光素子２０４ａ，２０４ｂの出力信号を、例えば整数倍（例えば、２倍、４倍、８倍、１６倍等）に逓倍して波形整形等し、回転シャフト２０８の回転に応じた信号として出力する。

以上の構成を有するロータリーエンコーダによれば、プリント配線基板２０３に形成された光通過用の貫通穴２０３ｂを介して固定スリット板２０２のスリット２０２ａ，２０２ｂとフォトＩＣ２０４の受光素子２０４ａ，２０４ｂとが対向するように、プリント配線基板２０３の裏面２０３Ａに固定スリット板２０２が直接固定され、プリント配線基板２０３の部品実装面２０３ＢにフォトＩＣ２０４がフェースダウン実装されているため、固定スリット板２０２を固定するために特別な固定台を設けなくても、回転スリット板２０１とフォトＩＣ２０４との間の位置に固定スリット板２０２を固定することができる。すなわち、フォトＩＣ２０４が搭載されたプリント配線基板２０３を、固定スリット板２０２の固定台としても利用しているため、従来の光学式エンコーダよりも構成部品の点数を削減することができる。

また、本実施の形態においては、フォトＩＣ２０４をプリント配線基板２０３にＦＣＡ（フリップチップアタッチ）実装しているため、ロータリーエンコーダをより小型化することができる。図２（Ａ）および(Ｂ)は、本発明の一実施形態に係るロータリーエンコーダの光軸方向寸法と、従来のロータリーエンコーダ、すなわちフォトＩＣ３０４がボンディングワイヤ接合されたプリント配線基板３０３が、フォトＩＣ３０４の周りを囲む固定台３０９に固定され、この固定台３０９の上端面に固定スリット板３０２が固定されているタイプのロータリーエンコーダ（以下、比較対象ロータリーエンコーダ）の光軸方向寸法とを比較するための図である。なお、両者の光軸方向寸法の比較のため、両者に同じ厚さ寸法の部品（厚さ寸法ｄのプリント配線基板、厚さ寸法ａの回転スリット板、厚さ寸法ｃの固定スリット板）を用い、かつ、両者における回転スリット板と固定スリット板との間隔ｂを等しくしている。

図２（Ａ）に示すように、本実施の形態に係るロータリーエンコーダにおいて、回転スリット板２０１からフォトＩＣ２０４までの厚さ寸法は、回転スリット板２０１の厚さａ、回転スリット板２０１と固定スリット板２０２との間隔ｂ、固定スリット板２０２の厚さｃ、プリント配線基板２０３の厚さｄ、およびプリント配線基板２０３からのフォトＩＣ２０４の高さｅによって定まる。一方、比較対象ロータリーエンコーダにおいては、図２（Ｂ）に示すように、回転スリット板３０１からプリント配線基板３０３までの厚さ寸法は、回転スリット板３０１の厚さａ、回転スリット板３０１と固定スリット３０２との間隔ｂ、固定スリット板３０２の厚さｃ、固定スリット板３０２とプリント配線基板３０３との間隔Ｅ、およびプリント配線基板３０３の厚さｄによって定まる。

ここで、比較対象ロータリーエンコーダにおいては、ボンディングワイヤを封止している保護樹脂３０６の厚さよりも高い固定台３０９が用いられる必要があるため、固定スリット板３０２とプリント配線基板３０３との間隔Ｅの縮小には、保護樹脂３０６の最小モールド厚さに応じた限界がある。これに対して、本実施の形態に係るロータリーエンコーダにおいては、ＦＣＡによってプリント配線基板２０３とフォトＩＣ２０４との間が短距離で接合されているため、プリント配線基板２０３からのフォトＩＣ２０４の高さｅは、比較対象ロータリーエンコーダにおける固定スリット板３０２とプリント配線基板３０３との間隔Ｅよりも十分に小さくすることができる。

さらに、比較対象ロータリーエンコーダにおいては、プリント配線基板３０３上のパッドをフォトＩＣ３０４の外周領域に形成する必要があるため、フォトＩＣ３０４の外形よりも広い実装面積がプリント配線基板３０３上に必要とされる。これに対して、本実施の形態に係るロータリーエンコーダにおいては、ＦＣＡによってプリント配線基板２０３とフォトＩＣ２０４との間が接合されているため、フォトＩＣ２０４の外形とほぼ同程度の実装面積ををプリント配線基板３０３上に確保しておけば足りる。

このため、本実施の形態に係るロータリーエンコーダによれば、構成部品の点数削減に加え、さらに小型化の実現との効果を得ることができる。このため、医療機器等へ組み込まれるロータリーエンコーダ等の、スペースの制限された部位への取り付けが求められる光学式のロータリーエンコーダに対する小型化の要求を満足することができる。

なお、本実施の形態においては、プリント配線基板２０３にフォトＩＣ２０４をＦＣＡ実装しているが、必ずしも、このようにする必要はない。例えば、フォトＩＣ２０４の配線層につながるスルーホールを形成し、このスルーホールに導体を充填することによって、回路形成面２０４Ａとは反対側の面にパッドを形成し、このパッドを利用して、プリント配線基板２０３とフォトＩＣ２０４とをワイヤボンディング接合してもよい。このようにした場合でも、本実施の形態と同様、ロータリーエンコーダの構成部品の点数の削減を図ることができる。

また、本実施の形態においては、二層出力型の光学式エンコーダを具体例としてあげたが、本実施の形態に係る固定スリット板およびフォトＩＣの搭載構造は、一層出力型の光学式エンコーダにも適用可能である。

また、本実施の形態においては、回転シャフト挿入用の貫通穴２０３ａと光通過用の貫通穴２０３ｂとをプリント配線基板２０３にそれぞれ形成しているが、回転シャフト挿入用および光通過用を双方の用途を兼ねる１つの貫通穴（回転シャフト挿入用の貫通穴２０３ａと光通過用の貫通穴２０３ｂとを連結したパターンの貫通穴）をプリント配線基板２０３に形成してもよい。

また、本実施の形態では、光通過用の空間としてプリント配線基板２０３に貫通穴２０３ｂを設けているが、この光通過用の空間は穴（開口形状）でなくてもよい。例えば貫通穴２０３ｂを設ける代わりに、光通過用の切り欠き部を設けてもよい。

また、本実施の形態では、固定スリット板２０２を用いているが、受光素子上に固定スリットが作り込まれたフォトＩＣを用いてもよい。

図１は、本発明の一実施形態に係る光学式のロータリーエンコーダの内部構造を説明するための部分断面図、および、フォトＩＣおよび固定スリット板の搭載部分のＡ−Ａ断面の拡大図である。図２は、光軸方向寸法を比較するための、本発明の一実施形態に係るロータリーエンコーダおよび比較対象ロータリーエンコーダの部分断面図である。

符号の説明

１００：発光素子、１０１：プリント配線基板、２０１：回転スリット板、２０２：固定スリット板、２０３：プリント配線基板、２０４：フォトＩＣ、２０５：導電性接合部、２０６：アンダーフィル、２０７ａ，２０７ｂ：ケーシング、２０８：回転シャフト、２０９：ベアリング

Claims

回転シャフトとともに回転する回転スリット板に向けて光源から照射され、当該回転スリット板のスリットを通過した光を検出して、前記回転シャフトの回転に応じた出力信号を出力するロータリーエンコーダであって、
前記回転スリット板の回転により前記スリットを通過する前記光が到達する位置にスリットが形成された固定スリット板と、
前記回転スリット板側の面に前記固定スリット板が固定され、前記回転スリット板のスリットと前記固定スリット板のスリットとを通過した前記光を、前記回転スリット板とは反対側の部品実装面側に通過させる空間が形成された配線基板と、
前記配線基板の前記部品実装面に搭載され、前記空間を介して前記固定スリット板のスリットに対向する受光部を有するフォトＩＣと、を有する
ことを特徴とするロータリーエンコーダ。
請求項１記載のロータリーエンコーダであって、
前記配線基板は、前記部品実装面にパッドを有し、
前記フォトＩＣは、前記受光部の形成面にパッドを有し、
当該ロータリーエンコーダは、前記配線基板への前記フォトＩＣのフリップチップアタッチ実装によって前記配線基板の前記パッドと前記フォトＩＣの前記パッドとの間に形成された電気的接合部を有する
ことを特徴とするロータリーエンコーダ。