JP2007078459A - 多回転式絶対値エンコーダおよび回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 広範囲に多回転の絶対角度を検出でき、或いは小型化でき、信頼性も高めて実用性の高い多回転式絶対値エンコーダを提供する。
【解決手段】
入力軸１の絶対角度を検出する絶対値エンコーダ（２、３）と、入力軸１と減速機（６、６Ａ、６Ｃ）で連結された減速軸（１Ａ、１Ｃ）の絶対角度を検出する多回転絶対値エンコーダとを備えた多回転式絶対値エンコーダにおいて、減速機（（６、６Ａ）、（６、６Ｃ））と減速軸（１Ａ、１Ｃ）と多回転絶対値エンコーダ（（２Ａ、３Ａ）、（２Ｃ、３Ｃ））が複数個設けられ、少なくとも２つの減速機の減速比を異なるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータや回転機械の回転を制御するときに使われて多回転の絶対角度を検出する多回転式絶対値エンコーダに関する。

多回転に亘って回転位置の制御を必要とするような様々な機械があるため、絶対角度を検出することができる各種の多回転式絶対値エンコーダが開発されている。
そのような多回転式絶対値エンコーダのひとつの例として、検出しようとする回転軸の回転を２段の平歯車で減速し、回転軸と減速された減速軸の絶対角度をそれぞれエンコーダで検出するというものが開発されている（例えば特許文献１を参照）。この例によると、２つのエンコーダの信号を用いて演算しており、回転軸の多回転にわたる絶対角度を検出することができるようになっている。また他の例として、検出しようとする回転軸の回転を磁気ウォームで減速し、減速された減速軸の絶対角度を絶対値エンコーダで検出するというものも開発されている（例えば特許文献２を参照）。この例の場合、全く同じ磁気ウォームと絶対値エンコーダを２組設けることも開示されており、その場合は１つ目の絶対値エンコーダが故障しても２つ目の絶対値エンコーダを使うことができて、検出器としての信頼性向上が図られている。
特開平１０−０１９５９９号公報（５頁、図１） 特開平１０−１８５６２３号公報（４頁、図１）

ところが最初の例では平歯車を用いているため、減速比を大きくするときは減速軸の歯車の直径を大きくして歯数を増やすとか多段にすればよいが、何れによっても多回転式絶対値エンコーダが大きくなるので実用性を高められないという問題があった。
２つ目の例では磁気ウォームを用いているため、回転軸から減速軸までのトルクの伝達力が弱く、信頼性に問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、同じ大きさでありながら従来よりも広範囲に多回転の絶対角度を検出することができるようにし、あるいは同じ範囲の多回転の絶対角度を検出させる場合は小型化することができるようにし、信頼性も高めて多回転絶対値エンコーダの実用性を高めることを目的とする。

そこで本発明は、入力軸の絶対角度を検出する絶対値エンコーダと、その入力軸と減速機で連結された減速軸の絶対角度を検出する多回転絶対値エンコーダと、を備えた多回転式絶対値エンコーダにおいて、減速機と減速軸と多回転絶対値エンコーダを複数個設け、少なくとも２つの減速機の減速比が異なるようにしたのである。
また第２の発明は減速機を平歯車とし、第３の発明は減速機をウォームギアとしたのである。

第１の発明によると、入力軸の絶対角度を絶対値エンコーダが検出し、これとは別に設けた複数の多回転絶対値エンコーダを使い異なる減速比で減速された減速軸の絶対角度を検出するので、小型にして広範囲で多回転の絶対角度を検出することができ、実用性が高められるという効果がある。
また第２の発明によると、減速機が平歯車であるため、作りやすく実用性が高められるという効果がある。
また第３の発明によると、減速機がウォームギアであるため、極めて広範囲で多回転の絶対角度を検出することができ、実用性が飛躍的に高められて信頼性も向上するという効果がある。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の多回転式絶対値エンコーダの構成を説明する側断面図であり、図２はその要部を説明する正断面図である。
図１において、１００はケース、１０１はハウジングであり、これらが作る内部の空間とハウジング１０１の中央に設けられた軸受５によって入力軸１が回転可能に支持されている。ケース１００は円柱状をしており、図１の右側にある底面に対して垂直になるよう入力軸１が設けられている。入力軸１の右側端部には磁石２が設けられており、空隙を介して検出素子３が配置されている。ケース１００の底面には基板９が取付けられており、この基板９に検出素子３が取付けられている。入力軸１が回転すると磁石２が作る磁界も一緒に回転するので、検出素子３がその磁気変化を感知して入力軸１の絶対角度を検出し、その信号を出力する。このように、磁石２と検出素子３とで磁気エンコーダを構成しており、入力軸１の１回転内の絶対角度を検出することができるようになっている。
１Ａ、１Ｃは減速軸であり、ケース１００の内部とハウジング１０１に設けられた軸受５Ａ、５Ｃによって回転可能に支持され、入力軸１と平行になるとともに、入力軸１を中心にして互いに反対側に配置されている。

減速軸１Ａ、１Ｃはいずれも入力軸１と同じように、右側端部に磁石２Ａ、２Ｃが設けられており、空隙を介して検出素子３Ａ、３Ｃが配置されている。検出素子３Ａ、３Ｃは基板９に取付けられている。
減速軸１Ａが回転すると磁石２Ａが作る磁界も一緒に回転するので、検出素子３Ａがその磁気変化を感知して減速軸１Ａの絶対角度を検出し、その信号を出力する。このように、磁石２Ａと検出素子３Ａとで多回転絶対値エンコーダを構成しており、減速軸１Ａの１回転内の絶対角度を検出することができるようになっている。同様に、減速軸１Ｃが回転すると磁石２Ｃが作る磁界も一緒に回転するので、検出素子３Ｃがその磁気変化を感知して減速軸１Ｃの絶対角度を検出し、その信号を出力する。このように、磁石２Ｃと検出素子３Ｃとで第２の多回転絶対値エンコーダを構成しており、減速軸１Ｃの１回転内の絶対角度を検出することができるようになっている。

２つの軸受５の間のところの入力軸１には平歯車６が設けられ、２つの軸受５Ａの間のところの減速軸１Ａには平歯車６Ａが設けられ、２つの軸受５Ｃの間のところの減速軸１Ｃには平歯車６Ｃが設けられている。歯数Ｚの平歯車６と歯数Ｍの平歯車６Ａは係合しており、入力軸１の回転を減速比Ｚ／Ｍ（ただしＭ＞Ｚ）で減速して減速軸１Ａに伝える減速機を構成している。また平歯車６と歯数Ｎの平歯車６Ｃも係合しており、入力軸１の回転を減速比Ｚ／Ｎ（ただしＮ＞Ｍ＞Ｚ）で減速して減速軸１Ｃに伝える減速機を構成している。２つの減速機は減速比がＺ／Ｍ及びＺ／Ｎとなっていて異なっているので、平歯車６Ａと平歯車６Ｃは歯数が異なっており、従って図２に示すように、平歯車６Ａ、６Ｃの直径が異なっている。
図１、図２を用いて説明した本発明の多回転式絶対値エンコーダが従来のものと異なるのは、減速機と多回転絶対値エンコーダを２組備えるとともに、減速機の減速比を異なるようにし、２つの減速軸と入力軸の絶対角度を検出して多回転式絶対値エンコーダを構成した点である。

この多回転式絶対値エンコーダの入力軸１を回転させると、検出素子３が入力軸１の１回転以内の絶対角度を検出し、検出素子３Ａが減速された減速軸１Ａの１回転以内の絶対角度を検出し、検出素子３Ｃが減速された減速軸１Ｃの１回転以内の絶対角度を検出する。減速軸１Ａ、１Ｃはそれぞれ減速比Ｚ／Ｍ、Ｚ／Ｎで減速されているので、入力軸１がＭ回転すると減速軸１ＡがＺ回転し、入力軸１がＮ回転すると減速軸１ＣがＺ回転する。３つの軸がそれぞれの原点とする回転位置にあるときから入力軸１の回転を始め、再度３つの軸が原点とする回転位置に揃うのは入力軸１がＹ（ただし、ＹはＭとＮの最小公倍数）回転したときである。このため入力軸１がＹ回転するまでの間の絶対回転数を検出することができる。３つの検出素子の信号を用いてその絶対回転数を求めるやり方については説明を省略する。

次に別の構成をした本発明の多回転式絶対値エンコーダについて、図３、図４を用いて説明する。図１、図２の多回転式絶対値エンコーダと異なるのは、減速機をウォームギアにした点と、減速軸を４軸にした点である。
図３において、１１０はケース、１１１はハウジングであり、これらが作る内部の空間とハウジング１１１の中央に設けられた軸受１５によって入力軸１１が回転可能に支持されている。ケース１１０は円柱状をしており、図３の右側にある底面に対して垂直になるよう入力軸１１が設けられている。入力軸１１の右側端部には磁石１２が設けられており、空隙を介して検出素子１３が配置されている。ケース１１０の底面には基板１９が取付けられており、この基板１９に検出素子１３が取付けられている。入力軸１１が回転すると磁石１２が作る磁界も一緒に回転するので、検出素子１３がその磁気変化を感知して入力軸１１の絶対角度を検出し、その信号を出力する。このように、入力軸１１と磁石１２と検出素子１３とで磁気エンコーダを構成しており、入力軸１１の１回転内の絶対角度を検出することができるようになっている。

図３、図４において、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは減速軸であり、ケース１１０の内部に設けられた軸受１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄによって回転可能に支持され、基板１９の面に平行になっていて入力軸１１の周囲に配置されている。
減速軸１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄはいずれも入力軸１１と同じように、軸端部に磁石１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが設けられており、空隙を介して検出素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが固定側に配置されている。
減速軸１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが回転すると磁石１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが作る磁界も一緒に回転するので、検出素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄがその磁気変化を感知して減速軸１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの回転角に応じた信号を出力する。このように、磁石１２ａと検出素子１３ａとで多回転絶対値エンコーダを構成しており、減速軸１１ａの１回転内の絶対角度を検出することができるようになっている。同様に、磁石１２ｂと検出素子１３ｂとで多回転絶対値エンコーダを構成し、磁石１２ｃと検出素子１３ｃとで多回転絶対値エンコーダを構成し、磁石１２ｄと検出素子１３ｄとで多回転絶対値エンコーダを構成しており、減速軸１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの１回転内の絶対角度を検出することができるようになっている。

２つの軸受１５の間のところの入力軸１１には条数Ｘのウォーム１７が設けられ、減速軸１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄにはそれぞれ歯数Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓのウォームホイール１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄが設けられている。ウォーム１７とウォームホイール１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄはそれぞれ係合しており、入力軸１１の回転を減速比Ｘ／Ｐ、Ｘ／Ｑ、Ｘ／Ｒ、Ｘ／Ｓ（ただしＰ＞Ｑ＞Ｒ＞Ｓ＞１）で減速して減速軸１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄに伝える減速機すなわちウォームギアを構成している。４つの減速機は減速比が異なっているので、ウォームホイール１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは歯数が異なっている。
減速軸１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄはそれぞれ減速比Ｘ／Ｐ、Ｘ／Ｑ、Ｘ／Ｒ、Ｘ／Ｓで減速されているので、入力軸１１がＰ回転すると減速軸１１ａがＸ回転し、入力軸１１がＱ回転すると減速軸１１ｂがＸ回転し、入力軸１１がＲ回転すると減速軸１１ｃがＸ回転し、入力軸１１がＳ回転すると減速軸１１ｄがＸ回転する。５つの軸がそれぞれの原点とする回転位置にあるときから入力軸１１の回転を始め、再度５つの軸が原点とする回転位置に戻るのは入力軸１１がＴ（ただし、ＴはＰ／ＸとＱ／ＸとＲ／ＸとＳ／Ｘの最小公倍数）回転したときである。このため入力軸１１がＴ回転するまでの間の絶対回転数を検出することができる。特に、条数Ｘが１でＰとＱとＲとＳの最大公約数が１の場合は、Ｐ×Ｑ×Ｒ×Ｓ回転するまでの間の絶対回転数を検出することができる。５つの検出素子の信号を用いてその絶対回転数を求めるやり方については説明を省略する。

次に図３、図４で説明した実施例の変形例について図５を用いて説明する。図５が図３と異なるのは、入力軸２１が中空穴１２をもった中空軸になっているという点である。その他の構成は図３、図４とほぼ同じであるので説明を省略する。この実施例の場合、検出対象の機械やモータ、アクチュエータの軸が中空になっていて中実の軸をもつ検出器では検出できないような制約のある場合であっても適用することができる。また、ウォームの直径が大きくなってもウォームギアの製作が困難になることはなく、中空部の内径が大きくなるような用途にも容易に適用することができる。

以上で３とおりの実施例について説明したが、本発明の趣旨に従えば、図で示した構成に限定されるわけではなく、以下のような形態をとることができる。
入力軸は絶対回転数と絶対角度を検出したい機械やモータ等の軸にカップリング等を使って連結してもよいが、機械やモータ等の軸と一体になっていてもよい。
基板には検出素子が取付けられているのみならず、その信号処理をする回路など、他の要素を搭載されていてもよく、他の用途のものを利用しても構わない。
絶対値エンコーダと多回転絶対値エンコーダに磁石と検出素子を用いたもので説明したが、光透過式や光反射式の角度検出器を用いた構成にしてもよく、レゾルバを用いた構成してもよく、同じ効果が得られることは言うまでもない。
図１、図２では減速軸が２つの場合を説明し、図３、図４では減速軸が４つの場合を説明したが、減速軸は２以上で且つケースに格納できる範囲の数にすることができる。そして少なくとも２つの減速軸の減速比が異なっていればよい。
ケースの形状は円筒でなくともよく、図で説明した要素が収められるのであれば形を問わない。モータや機械の一部の空間に配置できれば専用のケースを必ずしも必要としない。

本発明の多回転式絶対値エンコーダは例えばロボット用アクチュエータに使用することができ、その場合はロボットを小形軽量にでき、また動作範囲を大きくとることができ、バッテリの消耗によるメンテナンスが不要となって信頼性の高いロボットを実現することができる。

本発明の多回転式絶対値エンコーダの側断面図 図１の要部を示す入力軸方向の正断面図 第２の多回転式絶対値エンコーダの側断面図 図３の要部を示す入力軸方向の正断面図 第３の多回転式絶対値エンコーダの側断面図

符号の説明

１、１１、２１ 入力軸
１Ａ、１Ｃ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 減速軸
２、２Ａ、２Ｃ、１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、２２、２２ａ 磁石
３、３Ａ、３Ｃ、１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、２３、２３ａ 検出用素子
５、５Ａ、５Ｃ、１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、２５ 軸受
６、６Ａ、６Ｃ 平歯車
１７ ウォーム
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、２８ａ、２８ｃ ウォームホイール
９、１９、２９ 基板
１００、１１０、１２０ ケース
１０１、１１１、１２１ ハウジング
１２ 中空穴

Claims (14)

1. 入力軸の絶対角度を検出する絶対値エンコーダと、前記入力軸と減速機で連結された減速軸の絶対角度を検出する多回転絶対値エンコーダと、を備えた多回転式絶対値エンコーダにおいて、
   前記減速機と前記減速軸と前記多回転絶対値エンコーダが複数個設けられ、少なくとも２つの前記減速機の減速比が異なることを特徴とする多回転式絶対値エンコーダ。
2. 入力軸の絶対角度を検出する絶対値エンコーダと、前記入力軸と減速機で連結された減速軸の絶対角度を検出する多回転絶対値エンコーダと、を備えた多回転式絶対値エンコーダにおいて、
   前記減速機と前記減速軸と前記多回転絶対値エンコーダが複数個設けられ、前記減速機に平歯車が用いられ、少なくとも２つの前記減速機の減速比が異なることを特徴とする多回転式絶対値エンコーダ。
3. 前記絶対値エンコーダと前記多回転絶対値エンコーダはそれぞれ、前記入力軸に設けられた検出用の磁石と、その磁石と空隙を介して固定側に設けられた検出素子を備えていることを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の多回転式絶対値エンコーダ。
4. 前記検出素子が全て同じ基板に搭載されていることを特徴とする請求項３に記載の多回転式絶対値エンコーダ。
5. 前記入力軸が前記基板に対して垂直になるように前記基板が固定側に固定されたことを特徴とする請求項４に記載の多回転式絶対値エンコーダ。
6. 入力軸の絶対角度を検出する絶対値エンコーダと、前記入力軸と減速機で連結された減速軸の絶対角度を検出する多回転絶対値エンコーダと、を備えた多回転式絶対値エンコーダにおいて、
   前記減速機と前記減速軸と前記多回転絶対値エンコーダが複数個設けられ、前記減速機にウォームギアが用いられ、少なくとも２つの前記減速機の減速比が異なることを特徴とする多回転式絶対値エンコーダ。
7. 前記絶対値エンコーダと前記多回転絶対値エンコーダはそれぞれ、前記入力軸に設けられた検出用の磁石と、その磁石と空隙を介して固定側に設けられた検出素子を備えていることを特徴とする請求項６に記載の多回転式絶対値エンコーダ。
8. 前記絶対値エンコーダの検出素子は基板に搭載されるとともに、前記入力軸が前記基板に対して垂直になるように前記基板が固定側に固定されたことを特徴とする請求項７に記載の多回転式絶対値エンコーダ。
9. 前記入力軸が中空軸であることを特徴とする請求項６に記載の多回転式絶対値エンコーダ。
10. 前記ウオームギアがプラスチックで作られたことを特徴とする請求項６に記載の多回転式絶対値エンコーダ。
11. 請求項１、２、６の何れかに記載の多回転式絶対値エンコーダが組み込まれたことを特徴とする回転機械。
12. 絶対値エンコーダと多回転絶対値エンコーダに光透過式の角度検出器を用いたことを特徴とする請求項１、２、６の何れかに記載の多回転式絶対値エンコーダ。
13. 絶対値エンコーダと多回転絶対値エンコーダに光反射式の角度検出器を用いたことを特徴とする請求項１、２、６の何れかに記載の多回転式絶対値エンコーダ。
14. 絶対値エンコーダと多回転絶対値エンコーダにレゾルバを用いたことを特徴とする請求項１、２、６の何れかに記載の多回転式絶対値エンコーダ。

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