-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung:
-
Die Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung für einen absoluten Drehwinkel bei Mehrfachdrehung zum Detektieren des Drehwinkels einer Welle und sie betrifft weiterhin ein Zahnrad, welches eingesetzt wird in der Detektionsvorrichtung für einen absoluten Drehwinkel bei Mehrfachdrehung.
-
Zum Stand der Technik:
-
Die offengelegte
japanische Patentanmeldung 2003-065799 beschreibt einen Codierer (Detektionsvorrichtung für einen Drehwinkel), welcher den Drehwinkel einer Drehwelle eines zweiten Zahnrades detektiert, welches mit einem ersten Zahnrad (Reduktionszahnrad) kämmt, welches auf einer gemeinsamen Drehwelle mit einem Rotor abgestützt ist mit einer Mehrzahl von Schlitzen in einem konzentrischen Kreis unter gleichen Abständen. Bei diesem Codierer ist der Rotor am ersten Zahnrad angebracht (der Rotor und das erste Zahnrad sind so angeordnet, dass sie in Richtung der Drehwelle zusammengesteckt sind).
-
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Der Codierer gemäß der offengelegten
japanischen Patentanmeldung 2003-065799 ist verbesserungsfähig, insbesondere hinsichtlich seiner Baugröße.
-
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung enthält eine Detektionsvorrichtung für einen absoluten Drehwelle bei Mehrfachdrehung: eine erste Welle, ein erstes Zahnrad auf der ersten Welle, welches eingerichtet ist, um die Drehachse der ersten Welle zu drehen; eine zweite Welle; ein zweites Zahnrad auf der zweiten Welle, welches eingerichtet ist, um die Drehachse der zweiten Welle zu drehen und mit dem ersten Zahnrad zu kämmen; einen ersten Drehwinkeldetektor, der eingerichtet ist zum Detektieren des Drehwinkels der ersten Welle; und einen zweiten Drehwinkeldetektor, der eingerichtet ist zum Detektieren des Drehwinkels der zweiten Welle, wobei das erste Zahnrad mit einem transparenten Kunststoff hergestellt ist, welcher eine Transmission von Licht ermöglicht, und eine Zielscheibe aufweist, auf welcher ein optisches Muster zum Detektieren des absoluten Drehwinkels innerhalb einer Rotation ausgeformt ist, und eine Mehrzahl von Zähnen auf dem äußeren Umfang der Zielscheibe; und wobei der erste Drehwinkeldetektor einen Lichtemitter aufweist, der eingerichtet ist zum Abgeben von Licht in Richtung auf die Zielscheibe, und einen Lichtempfänger, der eingerichtet ist zum Empfang von Licht, welches durch die Zielscheibe durchgelassen ist.
-
Eine zweite Variante der Erfindung besteht in einem Zahnrad zur Verwendung in einer Detektionsvorrichtung für einen absoluten Drehwinkel bei Mehrfachdrehung, folgendes aufweisend: eine Zielscheibe aus einem transparenten Kunststoff für eine Transmission von Licht und mit einem optischen Muster zum Detektieren des absoluten Drehwinkels innerhalb einer Drehung; und eine Mehrzahl von Zähnen auf dem äußeren Umfang der Zielscheibe.
-
Mit der Erfindung ist es möglich, die Stärke der Detektionsvorrichtung für einen absoluten Drehwinkel bei Mehrfachdrehung zu reduzieren.
-
Obige sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden noch deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung mit Blick auf die Figuren, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind.
-
Figurenliste
-
- 1 ist ein vertikaler Schnitt zur schematischen Darstellung des Aufbaus einer Codiervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 ist eine Draufsicht und zeigt ein erstes Zahnrad, einen Zahnradzug oder dergleichen in der Codiervorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 ist ein Vertikalschnitt und zeigt schematisch den Aufbau einer Codiervorrichtung gemäß einer Abwandlung Nr. 1;
- 4 ist eine Draufsicht auf ein erstes Zahnrad, einen Zahnradzug oder dergleichen der Codiervorrichtung gemäß Abwandlung Nr. 1;
- 5 ist ein Vertikalschnitt und zeigt schematisch den Aufbau einer Codiervorrichtung gemäß Abwandlung Nr. 2; und
- 6 zeigt schematisch den Aufbau einer herkömmlichen Codiervorrichtung.
-
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
Die Detektionsvorrichtung für einen absoluten Drehwinkel bei Mehrfachdrehung und das Zahnrad gemäß der Erfindung werden nunmehr mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele und mit Blick auf die begleitenden Figuren näher beschrieben.
-
[Ausführungsbeispiel]
-
1 ist ein Vertikalschnitt und zeigt schematisch den Aufbau einer Codiervorrichtung 10 als Beispiel für eine Detektionsvorrichtung für einen absoluten Drehwinkel bei Mehrfachdrehung gemäß der Erfindung. Die Codiervorrichtung 10 ist ein optischer absoluter Codierer für eine Mehrfachdrehung (eine Detektionsvorrichtung für den Drehwinkel). Die nachfolgende Beschreibung verwendet das dreidimensionale XYZ-Koordinatensystem mit rechten Winkeln, wie in 1 dargestellt ist.
-
Gemäß 1 hat die Codiervorrichtung 10 eine Codiererwelle 12, ein erstes Zahnrad 14, einen Zahnradzug 16, eine gedruckte Schaltungsplatine 18, einen ersten Sensor 20, einen zweiten Sensor 21, einen dritten Sensor 22 und eine Signalverarbeitungseinheit 23. In 2 sind das erste Zahnrad 14, der Zahnradzug 16 und dergleichen in Draufsicht dargestellt.
-
Die Codiererwelle 12 ist parallel zur Z-Achse ausgerichtet, wie die 1 und 2 zeigen, und sie ist über ein Lager in einem nicht dargestellten Gehäuse drehbar abgestützt. In der Codiervorrichtung 10 ist die Codiererwelle 12 beispielsweise mit einem Drehteil einer Werkzeugmaschine oder eines Roboters gekoppelt oder auch mit der Drehwelle eines Motors, so dass die Codiervorrichtung den Drehwinkel detektieren kann (genauer: die Anzahl der Umdrehungen und den Drehwinkel nach der letzten vollen Umdrehung) bezüglich des drehenden Bauteils oder der Drehwelle. Weiterhin kann dieser Codierer die Distanz einer Bewegung eines sich bewegenden Gegenstandes detektieren unter Verwendung einer Konversion zum Wandeln der Drehbewegung eines Drehteils oder einer Drehwelle in eine Translationsbewegung. Nachfolgend wird die Codiererwelle 12 auch als „erste Welle 12“ bezeichnet. Beispiele für das Material der ersten Welle 12 sind Metalle, Legierungen und Kunststoffe.
-
Das erste Zahnrad 14 ist koaxial an der ersten Welle 12 befestigt. Das heißt, das erste Zahnrad 14 dreht um die Drehachse der ersten Welle 12 zusammen mit der ersten Welle 12. Das erste Zahnrad 14 besteht aus einem strahlungsdurchlässigen Kunststoff (transparenter Kunststoff) und hat eine Zielscheibe 15 und eine Vielzahl von Zähnen 17. Das erste Zahnrad 14 und die erste Welle 12 können integral aus einem strahlungsdurchlässigen Kunststoff gegossen sein.
-
Die Zielscheibe 15 hat beispielsweise einen Bereich 15a mit größerem Durchmesser und einen Bereich 15b mit kleinerem Durchmesser (auch als „Nabenabschnitt“ zu bezeichnen) und hat als Ganzes im Wesentlichen eine Zylinderform (eine achsensymmetrische Form). Der Abschnitt 15a mit größerem Durchmesser hat darin ausgeformt ein optisches Muster LP zum Detektieren des absoluten Drehwinkels (des Absolutwertes des Drehwinkels) innerhalb des Bereiches einer Drehung. Die Zielscheibe 15 hat in ihrem mittleren Bereich ein Loch 13, welches sich in Richtung der Z-Achse erstreckt, so dass die erste Welle 12 eingepasst werden kann. Das heißt, die Zielscheibe 15 ist koaxial auf der ersten Welle 12 angebracht.
-
Der Abschnitt 15a mit größerem Durchmesser hat eine Mehrzahl von bogenförmigen Kerben (beispielsweise im Schnitt V-förmig), die sich um die Rotationsachse der ersten Welle 12 auf der negativen Z-Seitenfläche des äußeren Umfangsabschnittes (des Abschnittes, welcher sich vom Abschnitt 15b mit geringerem Durchmesser wegerstreckt) erstrecken. Diese Kerben sind auf konzentrischen Kreisen willkürlich ausgeformt (die Positionen und Längen um die Rotationsachse sind unregelmäßig) (siehe 2). Jede Kerbe (beispielsweise eine Kerbe mit V-förmigem Schnitt) reflektiert die Strahlung (das Licht) total, das heißt, hat eine lichtblockierende Funktion. Der äußere periphere flache Abschnitt des Abschnittes 15a mit größerem Durchmesser, wo keine Kerbe ausgeformt ist, hat eine strahlungsdurchlässige Funktion, welche also den Durchgang einfallender Strahlung ermöglicht (der Begriff „Strahlung“ umfasst hier insbesondere Licht).
-
Die mehreren Kerben bilden ein optisches Muster LP.
-
Eine Struktureinheit des optischen Musters, welche einer Einheit des absoluten Drehwinkels, welcher innerhalb einer Rotation zu detektieren ist, entspricht und welche gewonnen wird durch gleichmäßige Teilung des optischen Musters LP, wird hier auch als „Einheit des optischen Musters“ bezeichnet. Jede Einheit des optischen Musters lässt durch oder reflektiert zumindest nur einen Teil der einfallenden Strahlung. Wie der vergrößerte Teilausschnitt einer bestimmten Einheit des optischen Musters aus dem optischen Muster LP gemäß 2 insbesondere zeigt, besteht jede Einheit des optischen Musters aus strahlungsdurchlässigen Abschnitten (flachen Abschnitten) und strahlungblockierenden Abschnitten (Kerbungsabschnitten), die in radialer Richtung des Abschnittes 15a mit größerem Durchmesser angeordnet sind. Jede Einheit des optischen Musters hat eine individuelle Anordnung von strahlungsdurchlässigen Abschnitten und strahlungblockierenden Abschnitten in radialer Richtung der Zielscheibe 15, also eine von den anderen Einheiten verschiedene Anordnung. Somit variiert das Muster der durchgelassenen Strahlung (insbesondere des Lichtes), welches erzeugt wird, wenn das Ganze einer jeden Einheit des optischen Musters bestrahlt wird, von Einheit zu Einheit.
-
Wie sich aus obiger Beschreibung ergibt, sind die vielen Kerben, welche das optische Muster LP bilden, so geformt, dass das Muster der bei Bestrahlung der Zielscheibe 15 mit Strahlung durch die Zielscheibe 15 durchgelassenen Strahlung bei jedem Absolutwert des Drehwinkels, der innerhalb einer Rotation zu detektieren ist, verschieden von den anderen Mustern bei anderen Winkeln ist.
-
Das optische Muster LP kann passend abgewandelt werden, solange nur mehrere Einheiten des optischen Musters gegeben sind, die voneinander verschieden sind für jeden in einer Drehung zu detektierenden Drehwinkel.
-
Die mehreren Zähne 17 sind auf dem äußeren Umfang des Abschnittes 15a mit größerem Durchmesser der Zielscheibe 15 mit einem vorgegebenen Teilungsabstand angeordnet.
-
Der Zahnradzug 16 hat ein zweites Zahnrad 26, ein drittes Zahnrad 28 und ein viertes Zahnrad 30. Beispiele für Materialien der Zahnräder des Zahnradzuges 16 sind Metalle, Legierungen und Kunststoffe.
-
Das zweite Zahnrad 26 hat einen größeren Durchmesser als das erste Zahnrad 14 (die Anzahl der Zähne auf dem zweiten Zahnrad ist größer als auf dem ersten Zahnrad), es kämmt mit dem ersten Zahnrad 14 und ist koaxial montiert auf einer zweiten Welle 32, die sich parallel zur ersten Welle 12 erstreckt (parallel zur Z-Achse). Das heißt, das zweite Zahnrad 26 dreht um die Drehachse der zweiten Welle 32 zusammen mit der zweiten Welle 32. Die zweite Welle 32 ist drehbar abgestützt durch das Gehäuse (nicht dargestellt) über ein entsprechendes Lager und sie ist auf der +X-Seite der ersten Welle 12 bei Ansicht von der negativen Seite der Y-Achse.
-
Das dritte Zahnrad 28 hat einen kleineren Durchmesser als das zweite Zahnrad 26 (die Anzahl der Zähne auf dem dritten Zahnrad ist kleiner als die Anzahl der Zähne auf dem zweiten Zahnrad) und es ist koaxial auf der zweiten Welle 32 angeordnet. Das heißt: das dritte Zahnrad 28 dreht um die Drehachse der zweiten Welle 32 zusammen mit der zweiten Welle 32. Das dritte Zahnrad 28 ist am distalen Ende der zweiten Welle 32 (auf der +Z-Seite) in Bezug auf das zweite Zahnrad 26 angeordnet.
-
Das vierte Zahnrad 30 kämmt mit dem dritten Zahnrad 28, hat einen größeren Durchmesser (also eine größere Anzahl an Zähnen) als das dritte Zahnrad 28 und ist koaxial befestigt auf einer dritten Welle 34, die parallel zur ersten Welle 12 und zur zweiten Welle 32 verläuft (parallel zur Z-Achse). Das bedeutet: das vierte Zahnrad 30 dreht um die Drehachse der dritten Welle 34 zusammen mit der dritten Welle 34. Die dritte Welle 34 ist im Gehäuse (nicht dargestellt) drehbar abgestützt über ein Lager und auf der +X-Seite der zweiten Welle 32 angeordnet bei Ansicht von der negativen Seite der Y-Achse.
-
Wird bei der obigen Konfiguration ein Drehmoment auf die erste Welle 12 übertragen, drehen die erste Welle 12 und das erste Zahnrad 14 in einer Richtung um die Drehachse der ersten Welle 12 (um die Z-Achse). Im Ergebnis drehen das zweite Zahnrad 26, das dritte Zahnrad 28 und die zweite Welle 32 in einer Richtung entgegen der Drehrichtung der ersten Welle 12 und des ersten Zahnrades 14, während das vierte Zahnrad 30 und die dritte Welle 34 in der gleichen Richtung drehen wie die erste Welle 12 und das erste Zahnrad 14. Drehen die erste Welle 12 und das erste Zahnrad 14 N-mal, dann drehen das zweite Zahnrad 26, das dritte Zahnrad 28 und die zweite Welle 32 einmal. Drehen das zweite Zahnrad 26, das dritte Zahnrad 28 und die zweite Welle 32 M-mal, dann drehen das vierte Zahnrad 30 und die dritte Welle 34 einmal.
-
Die gedruckte Schaltungsplatine 18 ist im Wesentlichen parallel zur XY-Ebene angeordnet (auf der +Z-Seite des Zahnradzuges 16 und des ersten Zahnrades 14), um so dem ersten Zahnrad 14 und dem Zahnradzug 16 gegenüberzuliegen.
-
Der erste Sensor 20 hat einen Strahlungsemitter 36 und einen Strahlungsempfänger 38, die in Z-Achsenrichtung voneinander entfernt angeordnet sind und so den äußeren Umfangsabschnitt des Abschnittes 15a mit dem größeren Durchmesser des ersten Zahnrades 14 zwischen sich aufzunehmen (der genannte Abschnitt wird nachfolgend der Einfachheit halber mit „äußerer Umfang des ersten Zahnrades 14“ bezeichnet), wo das optische Muster LP ausgeformt ist. Das heißt: der äußere Umfang des ersten Zahnrades 14 ist zwischen dem Strahlungsemitter 36 und dem Strahlungsempfänger 38 angeordnet. Dabei ist der Strahlungsempfänger 38 auf der Oberfläche auf der negativen Z-Seite der gedruckten Schaltungsplatine 18 angeordnet, während der Strahlungsemitter 36 am nicht dargestellten Gehäuse befestigt ist, so dass Strahlung in Richtung auf den Strahlungsempfänger 38 emittiert wird (in der +Z-Richtung).
-
Der Strahlungsemitter 36 enthält eine Mehrzahl (z.B. fünf) strahlungemittierende Elemente 37 (37a, 37b, 37c, 37d, 37e), die senkrecht zur Drehachse der ersten Welle 12 angeordnet sind (in Radialrichtung der Zielscheibe 15), um so fünf zugeordneten Komponenten der Einheit des optischen Musters (siehe 2) (lichtdurchlassenden und lichtblockierenden Abschnitten) gegenüberzuliegen, und eine Steuerschaltung 24 zum Steuern (Einschalten) der einzelnen strahlungemittierenden Elemente 37. Die Steuerschaltung 24 ist beispielsweise auf der gedruckten Schaltungsplatine 18 vorgesehen. Jedes strahlungemittierende Element 37 und die Steuerschaltung 24 sind in einer Weise verdrahtet, die verschieden ist von den sonstigen Verdrahtungspfaden auf der gedruckten Schaltungsplatine 18. Die Steuerschaltung 24 steuert die mehreren strahlungemittierenden Elemente 37 so, dass sie im Detektionsbetrieb der Codiervorrichtung 10 kontinuierlich Strahlung (insbesondere Licht) emittieren.
-
Der Lichtempfänger 38 enthält beispielsweise fünf Lichtempfangselemente 39 (39a, 39b, 39c, 39d, 39e), die senkrecht zur Drehachse der ersten Welle 12 angeordnet sind (in Radialrichtung der Zielscheibe 15), so dass sie fünf entsprechenden Komponenten der Einheit des optischen Musters (strahlungsdurchlassenden und strahlungblockierenden Abschnitten) gegenüberliegen.
-
Hier werden beispielsweise, wie im vergrößerten Abschnitt von 2 dargestellt ist, die fünf Komponenten (strahlungsdurchlassenden und strahlungblockierenden Abschnitte) in jeder der Einheiten des optischen Musters in einer Reihenfolge bezeichnet, die ausgeht von der Komponente, die der ersten Welle 12 am nächsten liegt als der ersten Komponente und dann fortschreitend die zweite Komponente, die dritte Komponente, die vierte Komponente und die fünfte Komponente. Das strahlungemittierende Element 37a und das strahlungempfangende Elemente 39a sind voneinander entfernt in Richtung der Z-Achse angeordnet, um so die erste Komponente zwischen sich aufzunehmen. Das strahlungemittierende Element 37b und das strahlungempfangende Element 39b sind voneinander in Z-Achsenrichtung entfernt angeordnet, um so die zweite Komponente zwischen sich aufzunehmen. Das strahlungemittierende Element 37c und das strahlungempfangende Element 39c sind in Z-Achsenrichtung voneinander entfernt angeordnet, um so die dritte Komponente zwischen sich aufzunehmen. Das strahlungemittierende Element 37d und das strahlungempfangende Element 39d sind in Z-Achsenrichtung voneinander entfernt angeordnet, um so das vierte Element zwischen sich aufzunehmen. Das strahlungemittierende Element 37e und das strahlungempfangende Element 39e sind in Z-Achsenrichtung voneinander entfernt angeordnet, um so die fünfte Komponente zwischen sich aufzunehmen. In der Einheit des optischen Musters, welche in 2 teilweise vergrößert dargestellt ist, sind die erste, dritte und fünfte Komponente jeweils strahlungblockierende Abschnitte, während die zweite und die vierte Komponente jeweils strahlungdurchlassende Abschnitte sind.
-
Somit sind die strahlungemittierenden Elemente 37a bis 37e jeweils einem der strahlungempfangenden Elemente 39a bis 39e zugeordnet.
-
Bei dieser Konfiguration tritt das Licht, welches vom strahlungemittierenden Element 37a emittiert wird und welches auch den strahlungdurchlassenden Abschnitt der Einheit des optischen Musters passiert, in das strahlungempfangende Element 39a ein. Die von dem strahlungemittierenden Element 37a emittierte Strahlung, welche auf den strahlungblockierenden Abschnitt der Einheit des optischen Musters auftrifft und blockiert wird (beispielsweise durch Totalreflexion), tritt hingegen nicht in das strahlungempfangende Element 39a ein. Die vom strahlungemittierenden Element 37b emittierte Strahlung trifft auf den strahlungdurchlassenden Abschnitt der Einheit des optischen Musters auf und passiert diesen und tritt in das strahlungempfangende Element 39b ein. Vom strahlungemittierenden Element 37b emittierte Strahlung trifft auch auf den strahlungblockierenden Abschnitt der Einheit des optischen Musters auf, wird dort blockiert (beispielsweise durch Totalreflexion) und tritt somit nicht in das strahlungempfangende Element 39b ein. Vom strahlungemittierenden Element 37c emittierte Strahlung, die auf den strahlungdurchlassenden Abschnitt der Einheit des optischen Musters auftrifft, passiert diesen und tritt in das strahlungempfangende Element 39c ein. Vom strahlungemittierenden Element 37c emittierte Strahlung trifft auch auf den strahlungblockierenden Abschnitt der Einheit des optischen Musters und wird dort blockiert (beispielsweise durch Totalreflexion) und tritt somit nicht in das strahlungempfangende Element 39c ein. Vom strahlungemittierenden Element 37d emittierte Strahlung trifft auf den strahlungdurchlassenden Abschnitt der Einheit des optischen Musters auf, passiert diesen und tritt in das strahlungempfangende Element 39d ein. Vom strahlungemittierenden Element 37d emittierte Strahlung trifft auch auf den strahlungblockierenden Abschnitt der Einheit des optischen Musters auf, wird dort blockiert (beispielsweise durch Totalreflexion) und tritt somit nicht in das strahlungempfangende Element 39d ein. Vom strahlungemittierenden Element 37e emittierte Strahlung trifft auf den strahlungdurchlassenden Abschnitt der Einheit des optischen Musters auf, passiert diesen und tritt in das strahlungempfangende Element 39e ein. Vom strahlungemittierenden Element 37e emittierte Strahlung trifft auch auf den strahlungblockierenden Abschnitt der Einheit des optischen Musters auf, wird dort blockiert (beispielsweise durch Totalreflexion) und tritt somit nicht in das strahlungempfangende Element 39e ein.
-
Wenn das erste Zahnrad 14 zusammen mit der ersten Welle 12 in einem Zustand rotiert, in dem die mehreren strahlungemittierenden Elemente 37a bis 37e Strahlung emittieren, passieren mehrere Einheiten des optischen Musters nacheinander den optischen Pfad der von den mehreren strahlungemittierenden Elementen 37a bis 37e emittierten Strahlung. Das von einem strahlungemittierenden Element 37 emittierte Licht, welches auf einen entsprechenden lichtdurchlässigen Abschnitt der jeweiligen Einheit des optischen Musters auftrifft, wird durch den lichtdurchlässigen Abschnitt durchgelassen und gelangt so in das entsprechende strahlungempfangende Element 39, so dass ein Signal vom strahlungempfangenden Element 39 ausgegeben wird. Trifft andererseits die von einem strahlungemittierenden Element 37 emittierte Strahlung auf einen entsprechenden strahlungblockierenden Abschnitt der jeweiligen Einheit des optischen Musters, wird die Strahlung blockiert (beispielsweise total reflektiert) und gelangt nicht in das entsprechende strahlungempfangende Element 39, so dass vom strahlungempfangenden Element 39 kein Signal ausgegeben wird. Das bedeutet: wird Strahlung vom Strahlungsemitter 36 in Richtung auf das rotierende optische Muster LP emittiert, wird Strahlung mit einem jeweils unterschiedlichen Muster von dem optischen Muster LP für jeden Absolutwert des Drehwinkels, der innerhalb einer Drehung zu detektieren ist, abgegeben und gelangt so in den Strahlungsempfänger 38. Das Ausgangssignal des jeweiligen strahlungempfangenden Elementes 39 wird zur Signalverarbeitungseinheit 23 übertragen.
-
Für das strahlungemittierende Element 37 können beispielsweise eine LD (Laserdiode), eine LED (strahlungemittierende Diode) oder dergleichen eingesetzt werden. Weiterhin kann beispielsweise für die von dem strahlungemittierenden Element 37 abgegebene Strahlung Infrarotstrahlung eingesetzt werden, jedoch auch andere Strahlung als Infrarotstrahlung (beispielsweise sichtbares Licht). Der Strahlungsemitter 36 kann eine Linse aufweisen (beispielsweise eine Sammellinse), um die Divergenz der Strahlung zu verringern auf dem optischen Weg von dem strahlungemittierenden Element 37 zum äußeren Umfang des ersten Zahnrades 14.
-
Für das strahlungempfangende Element 39 kann beispielsweise eine PD (Fotodiode), ein Fototransistor oder dergleichen eingesetzt werden.
-
Der Strahlungsempfänger 38 kann beispielsweise eine fokussierende Linse aufweisen zum Fokussieren der Strahlung auf das strahlungempfangende Element 39 auf dem optischen Weg von dem äußeren Umfang des ersten Zahnrades 14 zu jedem der strahlungempfangenden Elemente 39.
-
Der zweite Sensor 21 detektiert den Drehwinkel der zweiten Welle 32 und hat einen Magneten 44 und ein Hall-Element 46. Der Magnet 44 ist an einer distalen Stirnfläche (einer Stirnfläche auf der +Z-Seite) der zweiten Welle 32 so angebracht, dass die Richtung einer den N-Pol und den S-Pol verbindenden Linie im Wesentlichen senkrecht steht zur zweiten Welle 32. Das Hall-Element 46 ist an einer Stelle montiert, die dem Magneten 44 gegenüberliegt, und zwar auf der Oberfläche der gedruckten Schaltungsplatine 18 in -Z-Richtung. Dreht der Magnet 44 zusammen mit der zweiten Welle 32, ändert sich die Richtung des Magnetfeldes des Magneten 44 und dementsprechend ändert sich die Phase des Ausgangssignals vom Hall-Element 46. Somit kann mit dem Ausgangssignal des Hall-Elementes 46 der Drehwinkel innerhalb einer Drehung der zweiten Welle 32 detektiert werden. Das Ausgangssignal des Hall-Elementes 46 wird zur Signalverarbeitungseinheit 23 übertragen.
-
Der dritte Sensor 22 detektiert den Drehwinkel der dritten Welle 34 und enthält einen Magneten 48 und ein Hall-Element 50. Der Magnet 48 ist an einer distalen Stirnfläche (einer Oberfläche auf der +Z-Seite) der dritten Welle 34 so angebracht, dass die Richtung einer den N-Pol und den S-Pol verbindenden Linie im Wesentlichen senkrecht steht zur dritten Welle 34. Das Hall-Element 50 ist an einer dem Magneten 48 zugekehrten Stelle auf der Oberfläche der gedruckten Schaltungsplatine 18 auf deren -Z-Seite montiert. Dreht der Magnet 48 zusammen mit der dritten Welle 34, ändert sich die Richtung des Magnetfeldes des Magneten 48 und die Phase des vom Hall-Element 50 ausgegebenen Signals ändert sich entsprechend. Das bedeutet: aus dem Ausgangssignal des Hall-Elementes 50 kann der Drehwinkel innerhalb einer Rotation der dritten Welle 34 abgeleitet werden. Das Ausgangssignal des Hall-Elementes 50 wird zu der Signalverarbeitungseinheit 23 übertragen.
-
Die Signalverarbeitungseinheit 23 ist auf der Oberfläche auf der -Z-Seite der gedruckten Schaltungsplatine 18 angeordnet. Die Signalverarbeitungseinheit 23 identifiziert die mit Strahlung beleuchtete Einheit des optischen Musters auf Basis des Ausgangssignals eines jeden strahlungempfangenden Elementes 39 des ersten Sensors 20, wodurch der absolute Wert des Drehwinkels innerhalb einer Drehung der ersten Welle 12 detektiert wird (der absolute Wert des Drehwinkels entspricht der Einheit des optischen Musters). Weiterhin detektiert die Signalverarbeitungseinheit 23 die Anzahl der Drehungen der ersten Welle 12 auf Basis des Detektionsergebnisses des zweiten Sensors 21 (dem Ausgangssignal des Hall-Elementes 46) und des Detektionsergebnisses des dritten Sensors (22) (dem Ausgangssignal des Hall-Elementes 50).
-
Somit detektiert die Signalverarbeitungseinheit 23 den Drehzustand der ersten Welle 12, d.h. wie viel Mal die erste Welle gedreht hat und den absoluten Drehwinkel innerhalb einer (letzten) Drehung.
-
[Abwandlungen]
-
Die anhand des obigen Ausführungsbeispieles näher beschriebene Codiervorrichtung 10 kann passend abgewandelt werden.
-
(Abwandlung 1)
-
Beim obigen Ausführungsbeispiel wird ein erstes Zahnrad 14 mit einer Mehrzahl von Zähnen 17 am Außenumfang des Abschnittes 15a mit größerem Durchmesser eingesetzt, jedoch ist die Erfindung nicht auf eine solche Ausführung beschränkt. Beispielsweise kann gemäß der in den 3 und 4 gezeigten Abwandlung 1 ein erstes Zahnrad 58 eingesetzt werden, welches eine Zielscheibe 56 aufweist mit einem Abschnitt 56a mit größerem Durchmesser und einen Abschnitt 56b mit kleinerem Durchmesser sowie einer Mehrzahl von Zähnen 54 auf dem Außenumfang des Abschnittes 56b mit kleinerem Durchmesser. In diesem Fall kann die Codiervorrichtung 10A wie beim obigen Ausführungsbeispiel sehr schlank gehalten werden. Auch kann die Codiervorrichtung 10A in Bezug auf die Richtung (X-Achsenrichtung) senkrecht zur Drehachse der ersten Welle 12 kompakt gehalten werden. Insbesondere kann der Abstand zwischen der ersten Welle 12 und der zweiten Welle 32 kurz gestaltet werden (das zweite Zahnrad 26 und das dritte Zahnrad 28 können im Durchmesser klein gehalten werden) und der Abstand zwischen der zweiten Welle 32 und der dritten Welle 34 kann ebenfalls kurz gestaltet werden (das vierte Zahnrad 30 kann im Durchmesser gering gestaltet sein). In 3 ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach 1 die Anordnung des zweiten Zahnrades 26, des dritten Zahnrades 28 und des vierten Zahnrades 30 geändert entsprechend der Ausbildung der Mehrzahl von Zähnen 54 auf dem Außenumfang des Abschnittes 56b mit geringerem Durchmesser der Zielscheibe 56.
-
Insbesondere ist die Positionsbeziehung zwischen dem zweiten Zahnrad 26 und dem dritten Zahnrad 28 umgekehrt und das vierte Zahnrad 30 ist an einer Position angeordnet, wo es mit dem dritten Zahnrad 28 in Eingriff steht, welches in der Stellung geändert ist. Da hierbei der Durchmesser des Abschnittes mit den mehreren Zähnen kleiner ist, kann die Codiervorrichtung 10A in Breitenrichtung (X-Achsenrichtung) kleingehalten werden. Das heißt: unter der Zielvorgabe, die Codiervorrichtung 10A in Breitenrichtung möglichst kompakt zu gestalten, ist es vorzuziehen, an der Zielscheibe die Mehrzahl von Zähnen an einem Abschnitt vorzusehen, welcher einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der größte Durchmesser.
-
(Abwandlung 2)
-
Beim obigen Ausführungsbeispiel ist das erste Zahnrad 14 mit zwei Abschnitten ausgebildet, die unterschiedliche Durchmesser haben in einer Richtung senkrecht zur ersten Welle 12. Bei der Abwandlung 2 gemäß 5 kann das erste Zahnrad mit nur einem Durchmesser ausgeformt werden (z.B. in im Wesentlichen Scheibenform, im Wesentlichen zylindrischer Form etc.), oder andererseits können auch drei oder mehr Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern gebildet werden. Gemäß 5 hat ein erstes Zahnrad 60 im Wesentlichen Scheibenform (eine Scheibenform ohne abgesetzte Nabe) mit einer im Wesentlichen scheibenförmigen Zielscheibe 62 und einer Mehrzahl von Zähnen 64, womit die sich ergebende Dosiervorrichtung 10B noch schlanker gestaltet werden kann.
-
(Abwandlung 3)
-
Bei den obigen Ausführungsbeispielen und Abwandlungen steht der zweistufige Zahnradzug 16 in Eingriff mit dem ersten Zahnrad 14, 58 bzw. 60, jedoch kann der mit der vorliegenden Erfindung angestrebte Effekt auch erreicht werden, solange nur der Zahnradzug mit einer oder mehreren Stufen mit den ersten Zahnrädern 14, 58 bzw. 60 in Eingriff steht. Das heißt: eine Konfiguration kann eingesetzt werden, bei welcher das vierte Zahnrad 30, die dritte Welle 34 und der dritte Sensor 22 des Zahnradzuges 16 aus der Anordnung gemäß den 1, 3 bzw. 5 entfernt ist.
-
Andererseits kann auch zumindest ein Zahnrad hinzugefügt werden mit einem Zahnrad, welches mit dem vierten Zahnrad 30 des Zahnradzuges 16 kämmt, eine Drehwelle für das Zahnrad und ein Sensor zum Detektieren des Drehwinkels der Drehwelle.
-
(Abwandlung 4)
-
Die Gestaltungen bezüglich des zweiten Sensors 21 und des dritten Sensors 22 können variieren, solange nur damit der Drehwinkel der zugehörigen Drehwelle detektiert werden kann.
-
(Abwandlung 5)
-
Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel und den Abwandlungen hat der Strahlungsempfänger 38 mehrere strahlungempfange Elemente 39, jedoch kann es sich auch um ein einzelnes strahlungempfangendes Element 39 handeln. In diesem Falle kann durch Verschiebung oder Verlagerung der Zeitfolge der Strahlungsemission der mehreren strahlungemittierenden Elemente 37 im Strahlungsemitter 36 eine Bestrahlung durch die mehreren strahlungemittierenden Elemente 37 der Einheit des optischen Musters mit einer unterschiedlichen Zeitfolge durchgeführt werden. Damit kann die Signalverarbeitungseinheit 23 das Vorliegen bzw. das Fehlen eines Signalausgangs vom einzelnen strahlungempfangenden Element 39 in Bezug die Strahlungsemission eines jeden strahlungemittierenden Elementes 37 feststellen. Im Ergebnis kann das mit dem Strahlungsemitter 36 bestrahlte optische Muster identifiziert werden.
-
(Abwandlung 6)
-
Der Strahlungsemitter 36 kann eingerichtet sein, ein einziges strahlungemittierendes Element 37 aufzuweisen mit einem Strahlungsablenker (beispielsweise einem Galvano-Spiegel, einem MEMS-Spiegel etc.), um Strahlung des strahlungemittierenden Elementes 37 in radialer Richtung der Zielscheibe 15 zu lenken, so dass die Einheit des optischen Musters abgetastet wird. Da bei einer solchen Anordnung die Zeitfolge des Abtastens einer jeden Komponente (eines strahlungdurchlassenden Abschnittes bzw. eines strahlungblockierenden Abschnittes) der Einheit des optischen Musters verschieden ist, kann ein einziges strahlungempfangendes Element 39 eingesetzt werden in dem Strahlungsempfänger 38, welches alle Komponenten abdeckt, oder es können mehrere strahlungempfangende Elemente 39 entsprechend den jeweiligen Komponenten der Einheit des optischen Musters eingesetzt werden.
-
(Abwandlung 7)
-
Der Strahlungsemitter 36 kann eingerichtet sein, ein einziges strahlungemittierendes Element 37 aufzuweisen und eine Zylinderlinse, welche die Strahlung vom strahlungemittierenden Element 37 in einen linearen, aufgeweiteten Lichtstrahl formt, mit dem das Gesamte der Einheit des optischen Musters angestrahlt wird. Da in diesem Fall alle Komponenten (strahlungsdurchlässige und strahlungblockierende Abschnitte) der Einheit des optischen Musters zur gleichen Zeit bestrahlt werden, ist es erforderlich, mehrere lichtempfangende Elemente 39 entsprechend den jeweiligen mehreren Komponenten der Einheit des optischen Musters vorzusehen.
-
(Abwandlung 8)
-
Die Anzahl der Komponenten (strahlungsdurchlässige und strahlungblockierende Abschnitte) in jeder der Einheiten des optischen Musters, welche die Einheit des optischen Musters LP bilden, ist nicht auf eine bestimmte Anzahl beschränkt (z. B. fünf), wie oben bei dem Ausführungsbeispiel und den Abwandlungen beschrieben ist. Es ist vorzuziehen, die Anzahl der strahlungemittierenden Elemente 37 und der strahlungempfangenden Elemente 39 entsprechend der Anzahl der Komponenten in der Einheit des optischen Musters zu wählen.
-
(Abwandlung 9)
-
Die Abwandlungen 1 bis 9 können wahlweise kombiniert werden, soweit dies technisch Sinn ergibt.
-
[Nachfolgend werden Erfindungen gekennzeichnet, die sich aus dem Ausführungsbeispiel und den Abwandlungen 1 bis 9 ergeben]
-
[Erste Erfindung]
-
Detektionsvorrichtung (10) für einen absoluten Drehwinkel bei Mehrfachdrehung gemäß der ersten erfindungsgemäßen Merkmalskombination weist auf: eine erste Welle (12); ein erstes Zahnrad (14) auf der ersten Welle (12), welches eingerichtet ist, um die Drehachse der ersten Welle (12) zu drehen; eine zweite Welle (32); ein zweites Zahnrad (26) auf der zweiten Welle (32), welches eingerichtet ist, um die Drehachse der zweiten Welle (32) zu drehen und mit dem ersten Zahnrad (14) zu kämmen; einen ersten Drehwinkeldetektor (20), der eingerichtet ist zum Detektieren des Drehwinkels der ersten Welle (12); und einen zweiten Drehwinkeldetektor (21), der eingerichtet ist zum Detektieren des Drehwinkels der zweiten Welle (32). Bei dieser Konfiguration ist das erste Zahnrad (14) aus einem transparenten Kunststoff gefertigt, welcher den Durchgang von Strahlung ermöglicht, und es enthält einen Zielkörper (Zielscheibe) (15), auf oder in dem ein optisches Muster (LP) zum Detektieren der absoluten Drehwinkels innerhalb einer Rotation ausgebildet ist, und eine Mehrzahl von Zähnen (17) auf dem äußeren Umfang des Zielkörpers (15), wobei der erste Drehwinkeldetektor (20) einen Strahlungsemitter (36) aufweist, der eingerichtet ist zum Emittieren von Strahlung in Richtung auf den Zielkörper (15), und einen Lichtempfänger (38), der eingerichtet ist, durch den Zielkörper (15) durchgelassene Strahlung zu empfangen.
-
Die mehreren Zähne (17) sind auf dem Außenumfang des Zielkörpers (15) angeordnet, auf dem oder in dem das optische Muster (LP) ausgebildet ist, so dass es möglich ist, eine schlankere Detektionsvorrichtung (10) für einen absoluten Drehwinkel bei Mehrfachdrehung als im Stand der Technik zu erreichen, bei dem das dem ersten Zahnrad (14) entsprechende Zahnrad und der dem Zielkörper (15) entsprechende Rotor in Richtung der Drehachse übereinander gestapelt sind.
-
Beim Stand der Technik ist es deshalb erforderlich, einen Raum in Richtung der Stärke der Codiervorrichtung vorzusehen, um einen Rotor (Zielkörper) zu installieren und ein Zahnrad, welches damit in Richtung der Drehachse zusammengesteckt ist, weshalb mit der Erfindung eine Verbesserung hinsichtlich der Baugröße der Detektionsvorrichtung (10) für einen absoluten Drehwinkel bei Mehrfachdrehung möglich ist (siehe 6).
-
Mit der Detektionsvorrichtung (10) für einen absoluten Drehwinkel bei Mehrfachdrehung ist es möglich, die Anzahl der Teile im Vergleich zu dem Fall, wo der Rotor entsprechend dem Zielkörper (15) und das Zahnrad entsprechend dem ersten Zahnrad (14) getrennte Bauteile sind, zu reduzieren (d.h. wo im Stand der Technik die Teile getrennt voneinander geformt sind).
-
Vorzugsweise hat der Zielkörper (15) eine Mehrzahl von Abschnitten (15a, 15b), die sich in Richtung der Erstreckung der Drehachse der ersten Welle (12) aneinander anschließen, und die unterschiedliche Durchmesser aufweisen in einer Richtung senkrecht zur Drehachse, wobei die mehreren Zähne (17) auf dem Außenumfang eines Abschnittes (15b) angeordnet sind, der verschieden ist von dem Abschnitt (15a), welcher den größten Durchmesser aufweist unter den mehreren Abschnitten (15a, 15b). Damit kann der Abstand zwischen der ersten Welle (12) und der zweiten Welle (32) kurz gehalten werden, so dass die Detektionsvorrichtung (10) für einen absoluten Drehwinkel bei Mehrfachdrehung schlank gehalten werden kann in Richtung senkrecht zur Drehachse der ersten Welle (12).
-
Vorzugsweise weist die Detektionsvorrichtung für einen absoluten Drehwinkel bei Mehrfachdrehung gemäß der Erfindung weiterhin folgendes auf: ein drittes Zahnrad (28) auf der zweiten Welle (32), welches eingerichtet ist, um die Drehachse der zweiten Welle (32) zu drehen, und mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der des zweiten Zahnrades (26); eine dritte Welle (34); ein viertes Zahnrad (30) auf der dritten Welle (34), welches eingerichtet ist, um die Drehachse der dritten Welle (34) zu drehen und welches mit dem dritten Zahnrad (28) kämmt; und einen dritten Drehwinkeldetektor (22), der eingerichtet ist zum Detektieren des Drehwinkels der dritten Welle (34). Mit einer solchen Detektorvorrichtung (10) für einen absoluten Drehwinkel bei Mehrfachdrehung ist es möglich, eine größere Anzahl von Umdrehungen der ersten Welle (12) zu zählen unter Vermeidung einer Vergrößerung des Systems in Richtung senkrecht zur Drehachse der ersten Welle (12).
-
[Zweite Erfindung]
-
Die zweite Erfindung betrifft ein Zahnrad (14) zur Verwendung in einer Detektionsvorrichtung (10) für einen absoluten Drehwinkel bei Mehrfachdrehung, wobei das Zahnrad enthält: eine Zielscheibe (15) aus einem transparenten Kunststoff, welcher Strahlung durchlässt und auf oder in dem ein optisches Muster (LP) ausgeformt ist zum Detektieren des absoluten Drehwinkels innerhalb einer Drehung; wobei das Zahnrad eine Mehrzahl von Zähnen (17) auf dem Außenumfang der Zielscheibe (15) aufweist.
-
Mit dieser Konfiguration wird ein Zahnrad realisiert, welches integral das optische Muster (LP) und die Mehrzahl von Zähnen (17) enthält und damit ist es möglich, eine Detektorvorrichtung (10) für einen absoluten Drehwinkel bei Mehrfachdrehung mit schmaler Bauweise bereitzustellen.
-
Mit dem Zahnrad (14) kann die Anzahl der Komponenten reduziert werden, da die Zielscheibe (15) und die Mehrzahl der Zähne (17) integriert sind.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 2003065799 [0002, 0003]
