JP2008511823A - マルチターンシャフトエンコーダ - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の特徴として、所定の径軸からのシャフトの角度位置を測定し、また、同時に又は連続して、所定の径データ軸を通るシャフトの完全な回転数を記録するアブソリュートシャフトエンコーダを提供するものであり、エンコーダは、第１の車輪及び信号ピックアップ装置を備え、車輪の回転によって、所定の径データ位置を通る車輪のセクター数を策定する固有のインクリメンタル信号を生成し、シャフトの径位置を記録及び表示する。また、第２の車輪は、その使用中、少なくとも更なる信号ピックアップ手段からの更なる固有の位置信号を供給する。割出機構は、少なくとも第２の車輪、及び、第１及び第２の車輪間で動作し、割出装置の各動作によって、車輪の中央で各セクターによって範囲を決定される角度と同じ角度を回転するように構成される。第１の車輪は、割出機構を操作するために構成されるため、第１の車輪が完全に一回転する毎に、第２の車輪が二回以上割出され、二つ以上の位置信号が第２の車輪のピックアップ装置に供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、シャフト角度位置及びアブソリュートエンコーダの回転数に関する。以下の記載において、“アブソリュート”という語句は、指定データからシャフトの各インクリメンタル角度位置及び回転数が、固有のコード信号によって策定されることを意味する。本発明は、特に流体バルブの操作に必要な、機械的に駆動するアクチュエータに適用されるが、それに限定されるものではない。

上記の種類のアクチュエータにおいて、バブル操作部材の位置は、ほんの少しの回転を伴い、アクチュエータギアボックスのシャフトの回転数を測定することによって決定される。エンコーダは、ディスク又はドラム状の多くの車輪で構成され、列中の第１の車輪は、アクチュエータシャフトによる歯車装置で装着又は駆動される。列中の第２の車輪は、還元駆動機構を用いる第１の車輪によって駆動され、それ以降の車輪が存在する場合も同様に、隣接した車輪の間の、同様の還元駆動機構で駆動される。

還元駆動機構は、通常のインボリュート歯車の歯を有するギア歯車及びピニオンで構成され、割出装置の形態として用いられるので、列中の被駆動輪は、隣接する駆動輪がデータ位置から一回転するまで静的に固定される。駆動輪が一回転を終えて次の回転を始めるまで回転することにより、被駆動輪が開放され、小さな一定の角度移動量によって割出が可能になる。同様の割出装置が、列中の残りの車輪間に装備されており、そのような配置により、被駆動輪の小さな角度移動量が、隣接する各駆動輪の完全な一回転を記録する。

好ましくは、割出機構が駆動輪と被駆動輪との間の減速比駆動としてのみ機能するとき、インボリュート歯車駆動は、駆動輪と被駆動輪との間の減少比又は増加比を与えるのに用いられる。増加比は、低速のギアボックスシャフトを用いたときに必要となり、これは、単独で直接駆動されるエンコーダ車輪よりも、シャフト上の最小識別角度測定値を小さくするためである。

車輪は、角度位置を記録可能な手段を備えている。これは、車輪上にセクターを割り振ることによって実現され、各セクターが小さな一定の割出角度に対応することにより、また、各セクターがコード手段を備えることにより、その角度の範囲が定められるので、エンコーダハウジングに装着されたピックアップ装置は、何れの車輪においても、各セクターがピックアップ位置を横行するセクターとして認識されることを可能とする。各車輪のコードトラックは、通常ピックアップ装置を介して、磁気又は光学的手段を用いてデジタル信号を発するように配置される。しかしながら、本発明の本題である改良点は、どんな信号手段も使用できることにあり、コード信号は、回転可能な車輪を使用したピックアップ装置によって生成され、データ位置からの車輪の回転運動は、ピックアップ装置によって策定されるようになっている。特に、様々な磁界によって生成された信号を使用するとき、既存の配置を変更することにより、非常にコンパクトな構造が可能となる。すなわち、回転する車輪及び永久磁石を回転することによりコード化されたセクターを交換して、磁極をプリント基板搭載チップに組み込まれている静止ホールセンサを避けて配置することができる。

アクチュエータシャフトに装着又は駆動される列中の第１の車輪は、多数の均等なセクターに割り振られる。各セクターのコード手段は、セクターがピックアップ装置の近くを通過するものとして、ピックアップ装置を起動するように配置されているので、この配置により、第１の車輪によって測定及び記録可能な最小角度識別は、各セクターによって生じた小さな一定の回転角度と等しくなる。

上述の種類のマルチ車輪エンコーダにおいて、セクター角度は、各車輪において同じである必要はないが、どの列においても車輪一式が共通の構造であると、便利で経済的である。例えば、シャフトの径位置及び一定のデータからの回転数を記録するエンコーダでは、三個の車輪を使い、それぞれの車輪が１６個の均等なセクターに分配され、第１のインクリメンタル車輪の合計２５６の完全な回転の「カウント」が可能であり、また、第１のインクリメンタル車輪の位置を、一回転の１６分の１又は２２．５度の精度まで識別することができる。従って、この種類の三個の車輪エンコーダでは、合計１６×１６×１６＝４０９６の固有の位置を示すことができる。

上記の例で使用されるエンコーダが、小数表示の形式で固有の位置を示すよう配線される場合、合計「カウント」は表示前に４０９５になるだけで、それからゼロに戻る。これは当然ながら、この文中において、「０」を指定するがゼロデータが、シャフトの本位置を示すことから、４０９６の固有のシャフト位置を示している。

実際には、符号化回路に関連するソフトウェアの二進法の性質から、通常は車輪セクター数において２のべき乗を使用する：標準的な数は、第１のインクリメンタル車輪において５．６２５度の最小の角度識別を行う一個の車輪につき、６４セクターである。

マルチ車輪アブソリュートエンコーダの既存の型では、切り替え期間に、列中の各被駆動輪が、隣接する駆動輪によってカウントされる回転数を記録するデータ軸上を越えて回転するという問題がある。これは特に、シャフトの径位置及び回転数の記録が必要となる状態で発生する。すなわち、シャフトが静止しているとき及び一つ又はそれ以上の車輪と共に停止するようになったときであり、まさに、車輪の回転を記録する又は前列にある駆動輪の回転が記録されるときである。列中の角度公差及びバックラッシュにより、隣接する車輪によって生成された信号間に小さな径隙間が生じることがある。一つ又はそれ以上の車輪の変化がこの径公差隙内に位置する半径以上になってシャフトが車輪と共に停止すると、列中で第１のインクリメンタル車輪を除く何れかの車輪も、一回転の誤差を記録しうるので、記録されたカウントが深刻な誤差となることがある。

もっとも、シャフトが回転すれば、これらの誤差は一過性で、関連のソフトウェアにより、ある程度取り除かれる。以前のシャフト操作データや記録設備が存在しない状態において、静止シャフトの位置読み誤差を減少させる又は取り除く手段は存在するが、これらの手段は、一般的に機械駆動装置の精度を上げること、及び出力手段によって生成され、エンコーダ車輪の単一のセクターに関する実際の信号の形式や作用に関するものである。

本発明の目的は、エンコーダ列において、車輪間の高精度なギアリング又は割出機構の必要性を減少させることにある。本発明のさらなる目的は、出力信号及び関連のソフトウェアの複雑性を減少させることにある。

本発明の第１の特徴によれば、所定の径軸からのシャフトの角度位置を記録し、同時に又は連続して、所定の径データ軸を通るシャフトの完全な回転数を記録するアブソリュートシャフトエンコーダが提供される。エンコーダは、第１の車輪及び信号ピックアップ装置を備え、第１の車輪が回転することにより、所定の径データ位置を通る第１の車輪のセクター数を策定する固有の信号を生成し、シャフトの径位置を記録及び表示する。また、少なくとも第２の車輪及び信号ピックアップ装置を備え、これは、第２の車輪の回転によって、第２の車輪の所定の径データ位置を通る第２の車輪のセクター数を策定する固有の信号を生成する動作を行う。更に、前記第１及び第２の車輪間で動作する駆動機構を備え、これは、径データ位置からの第１の車輪の回転が、第１の車輪の完全な一回転により、第２の車輪が、第２の車輪の少なくとも二つのセクターでできる角度と同じ角度だけ回転するように構成される。

実際には、固有の信号は、一般的にインクリメンタル（及び／又はディクリメンタル）である。

特に好ましい構成の一つとして、本発明は、アブソリュートシャフトエンコーダを提供するものであり、車輪間駆動機構は、前記第１及び第２の車輪間で動作するために供給される割出機構であり、使用時には、割出装置の各割出操作によって、第２の車輪が、車輪の中央で、各セクターによって範囲を決定される角度と同じ角度だけ回転するように構成され、第１の車輪は、割出機構を操作するために、第１の車輪が完全に一回転する毎に、第２の車輪が、少なくとも二回割出されるような方式で構成され、少なくとも二つの位置信号を第２の車輪のピックアップ装置に提供する。

従って、本発明の一つの特徴において、アブソリュートシャフトエンコーダの、駆動される各車輪の二つ以上のセクターは、関連のソフトウェアを通じ、隣接する駆動輪の一回転が完了したことを示す働きをする。

隣接する駆動輪における完全な一回転を表示するためには、各々の被駆動輪において、少なくとも二つのセクターを使用することにより、合計カウントは被駆動輪によって記録され、駆動輪のセクター数のおよそ半分となることを意味するが、我々は、このカウント時におけるロスが、付随する有利点による相殺分以上であることに気づいた。

新しい構造では、信号ピックアップ手段を備えた単一の車輪シャフトエンコーダを多量、かつ個別的に使用し、これら個々のエンコーダを連結して、程ほどに正確な割出又はギアリング手段を可能とした。多量の各エンコーダからの出力は、必要な記録選択肢を有するソフトウェアパッケージに収集及び処理され、これらの選択肢の性質は、各被駆動輪の回転中に時々、各被駆動輪の二つ以上の別のセクターからの、二つ以上の別のコードの組み合わせが、列中の隣接する駆動輪の回転を策定するのに用いられる。

望ましくは、関連する信号ピックアップ装置と合わせた全ての車輪、位置コード手段、及び車輪間駆動機構は、同じ形式及び構造であり、例えば、車輪の場合、全ての６４個のセクター車輪及びそれらに関連の信号ピックアップ装置が共通の型になる。これにより、標準パーツを多量に用いたエンコーダを製造する上で、かなり経済的になる。

回転数のカウントを示す二つ以上のセクターを使用するということは、回転の終了及び開始を策定する二つのセクター間にある割出し径において駆動輪が止まるという、深刻な状況が発生するということを意味するが、上記の径が、データ軸以上の切り替わりのちょうど前又は後ろになってしまうことは避けられる。

更に、説明から分かるように、隣接する駆動輪の回転数のカウントを策定するのに使用される、被駆動輪の二つ以上のセクターで、二つの隣接する車輪間に割出又はギアリング駆動を構成し、それにより、回転数のカウントを完了及び開始する駆動輪の重要なセクターが、信号がピックアップ装置に送られる、円周運動のその部分を通らないとき、駆動輪の回転数のカウントを策定する、被駆動輪からのセクター信号がいつも切り替わることが可能になる。

列中の車輪について説明するときに、“駆動輪（driving wheel）”及び“被駆動輪（driven wheel）”という語句を使用している。車輪の列の性質としては、列中の第１のインクリメンタル車輪及び最後の被駆動輪のみに、固有の説明がなされる。その中間に位置する他の車輪は、駆動輪であり、被駆動輪でもある。この文中においては、列中の一組の車輪の動作について説明する場合、その回転をカウントされる車輪を駆動輪とし、回転のカウントを生成する隣接の車輪を被駆動輪とする。

図１を参照すると、第１のインクリメンタル駆動輪１及びこれに隣接する被駆動輪２は、各々１６個の均等なセクターに分割され、各々のセクターは、その車輪の円周部に、識別角度４の範囲を定めており、各々の車輪に隣接するピックアップ装置５に個別的なコード信号を出力可能となっている。また、第１の車輪１を駆動するシャフト６は、割出機構７を操作し、割出機構７は、図示されたギア車輪８及び９を介して第２の車輪２を割出すように配置される。割出駆動は、二つの車輪間に配置されているので、トリップ機構１０は、車輪１が完全に一回転する毎に、二つの個別の位置にある車輪２の回転動作を供給する。第２の車輪に与えられる角回転は、その車輪のセクター角度４と等しいので、この例において、車輪１の一回転毎に二つの割出操作をするとき、車輪１が完全な８回転をすることによって、車輪２も完全に一回転して、両方の車輪がそれらのデータ位置に戻る。

使用される割出機構は、駆動部材の完全な一回転毎に少なくとも一回以上の割出操作が可能で、かつ、被駆動部材が、機構の一連の割出操作の間で動かない（適切に固定される）のであれば、どんな周知の構造でもよい。

図１において、車輪セクター３に、時計回りに０から１５までの番号が付され、０番号が、各車輪のピックアップ装置に隣接している。これは、各車輪から出力される個々のコード信号を表示する上で都合の良い方法である。数字は必ずしも回転角度の連続測定を示すものではなく、取得された信号の固有の組み合わせを示した図２及び３の表に用いられ、この信号は、関連のソフトウェアにより、第１の車輪のシャフト６による径データから、アブソリュート角度位置及び完了した回転数を抽出できるものである。

図１は、二つの車輪を示しており、それらを連結する割出駆動機構と、図を簡素化するため、車輪毎にセクターの比較的低い数と、を付している。上記のように、より実際的な車輪毎のセクターの数は６４であり、車輪数は三つ又はそれ以上であり、列中の隣接する車輪一組の間に割出及びギア駆動を備える。この実際的な場合、車輪２が搭載されるシャフト１１には、第３の車輪及び、列中の一つ前の車輪一組まで同様に割出するトリップ機構が備えられる。

図２は、図1に示す二つの車輪エンコーダの動作の一覧図であり、第１の車輪が、一回転毎に二回の割出操作を被駆動輪２に付与する。左欄二つは、下方へ読んでいくと、ピックアップ装置の信号区域を通過する各セクターの相対位置を示し、そのため、組み合わせ信号が右欄に示す固有のカウントを登録する。この表では、右覧に示されるように、第１のインクリメンタル車輪の、完了した二回転のみを表示している。

再び図１を参照すると、割出トリップ機構１０は、シャフト６のある車輪１上に配置されているので、車輪１のセクター３及び４、１１及び１２がピックアップ装置５の信号区域を通過するときに、割出操作が行われる。これらの位置により、車輪１の重要なセクター１５及び０が信号区域を通過する間は、シャフト１１のある車輪２で行われる二回の割出操作が確実に行われなくなる。この例で記載されたトリップ位置は、重要なセクター１５と０との間に均等な径距離を与えるものが最適な位置である。しかし、セクター１５及び０が信号区域を通過すると同時に、上記の操作が行われないのであれば、割出操作のためには、他のどんな径位置であってもよいことは理解されよう。

図２に示す例では、ソフトウェアへの切り替え指示が、例えば車輪１のセクター番号７と８の間で行われるように設定されるが、車輪２の機械的割出操作に関するセクターが明確であれば、実際の径位置は重要ではない。ソフトウェア指示の例は、車輪１が８から１５及び車輪２が１又は２の時、組合せカウントは８から１５、車輪１が０から７及び車輪２が２又は３の時、組合せカウントは１６から２３、車輪１が８から１５及び車輪２が３から４の時、組合せカウントは２４から３１となる。

上記の例に使用される二つの車輪について、車輪がそのデータ位置に戻る前の位置読み込み操作の全サイクルを、図３の表に示す。この表は、二つの１６セクター車輪において、インクリメンタル駆動する第１の車輪が回転する毎に、第２の車輪の割出が二回行われることを示し、記録可能な固有のコード位置の合計数は１６×８＝１２８となる。

車輪の第１の組合せに使用される配列は、いかなる追加的な車輪の数にも拡大できることは明らかであり、列中の隣接した車輪の組み合わせは、車輪１及び２のように、割出駆動によって連結される。各車輪及び割出機構は、元の車輪の組に追加されると、使用可能な指定シャフト位置を、追加された車輪のセクターの半分と等しい分だけ増やすことになる。

車輪毎に多数のセクターを使用した小型でコンパクトなマルチ車輪エンコーダアセンブリにとって、割出機構及びギアにおける機械公差が、一つのセクターの正確な信号区域内で被駆動輪を割出すには大きすぎるとき、ステップ毎に一つ以上のセクターによって、駆動される各車輪を進めることは、割出機構を配置するうえで時として便利である。例えば、列中のそのような四つの車輪で標準的な６４セクター車輪を使用した場合、第１のインクリメンタル車輪は、そのセクター位置全てを伝えるのに使用可能であり、また、列中の残りの割出被駆動輪は、割出操作毎に、セクター二つ進められる。第１の車輪の一回転毎に二回の割出操作を行う場合、固有のコード位置の合計数は、６４×１６×１６×１６＝２６２１４４と等しくなる。

三つの一般的な数学的な計算書により、多様な数的配列に及ぶ。これらの計算書は、図２及び３の表に示す特徴を確保するために、また、列に追加された車輪と共に、それを構成する車輪のカウント範囲全体にわたって同じ相対位置に保持するために、通常、適合させる必要がある。

１．各車輪のセクター数は、第１のインクリメンタル車輪を除き、その車輪の各割出操作によって展開されるセクター数の正確な倍数であることが必要である。

２．何れの被駆動輪のセクター数は、各割出操作によって展開されるセクター数、及び隣接する駆動輪が完全に一回転する間に、その駆動輪によって駆動される上記車輪において実行される割出操作数の積の倍数であることが必要である。

３．割出機構の代わりに、ギアによって駆動される車輪のエンコーダ列の場合、どの被駆動輪のセクター数も、ギア比の正確な倍数であることが必要であり、ギア比は、被駆動輪のセクター数と同じ又は半分以下となる上記ギア比の全体数として表される。

三番目の条件の例として、６４セクターの車輪列では、３２：１、１６：１、８：１の率が採用可能である。８：１より低い率は、理論的に可能であるものの、実行不可能である。

記録可能な固有のコード位置を決定する上記の多様な計算書及び条件は、下記のように数学的に記載される：
ｎ＝各エンコーダ車輪のセクター数
ａ＝列中のエンコーダ車輪数
ｂ＝隣接する駆動輪によって操作される割出機構によって、被駆動輪で展開されるセクター数
ｃ＝各駆動輪の一回転で完了する割出操作の数ｙ＝列中の車輪によって記録可能な固有のコード位置の合計数
このとき、ｙ＝ｎ×[ｎ／（ｂ×ｃ）]^{（ａ−１）}

上記の式において、全ての符号は、正数全体を表し、数字ｃ≧２（ｃは２以上の数字）であり、分数ｎ／（ｂ×ｃ）は、整数と同じになる必要があるという条件に従う。

図４は、四つのアブソリュートシャフトエンコーダアセンブリの部分断面図を示す。このアセンブリでは、入力シャフト１２は、下板１３及び中板１５で運ばれるベアリングで支持される。上板１４及び他の二つの板は、ボルト留め、又は、中板１５の各側にあり、間にエンコーダ部品が駆動機構と共に搭載される、二つの空間を形成するスペーサと共にしっかりと組み立てられる。

中板１５は、プリント基板の形式であり、延伸部の片側は、マルチピンプラグ及びソケットコネクタ１６のための基盤を形成する。

図４の部分断面図に示した、特定のアブソリュートシャフトエンコーダは、回転磁石１７を使用する種類であり、回転磁石１７は、エンコーダの車輪を形成し、中板１５の役割をするプリント基板に搭載されたホールセンサーアレイ１８を通り過ぎるものである。プリント基板の両側は、コード化過程のために必要な、関連する電子部品の一部又は全てと共に、ホールセンサーアレイ１８の搭載に用いられる。図４に示すアセンブリでは、四つの車輪の列中にある隣接した回転磁石１７間の駆動は、平歯車１９及び割出装置２０の両方を使用する。四つの回転磁石を連結するのに必要な三つの駆動は、図１に図式的に示したものと同じ形式である。

図５を参照すると、これは、エンコーダアセンブリの任意の二つの車輪間に適合する、改善された割出構成を示す。例示のものは、図４の標準的なアセンブリに含まれる、二つの隣接する車輪の拡張図として描かれている。

二つの磁石１７は、ギア車輪１９と共に中央部２１及び２２で回転される。これらのギア車輪に、二つの円形ペグ２３が搭載され、これらのペグは、図１で図式的に示されたトリップ機構１０に対応している。隆起円形記録部２４は、各ギア車輪１９と一体的又は固定されて、各円形ペグ２３の辺りに、切り欠き部２５が備えられる。

二つのエンコーダ中央部２１及び２２の間には、固定シャフト２６が備えられ、ピニオンギア車輪２８と一体的な、又はそれに装着された割出車輪２７を回転させる。三つの回転する中央部を通過する２本の中央線２９の成す角度は、図５に示すものより小さくても大きくてもよく、特に、二つのギア車輪１９を、図４に示すように異なる面で回転させるのであれば、小さな角度にして、それらのギア車輪１９を重ね合わせることができる。

割出機構の操作の説明及び上記の用語を使用において、中央部２１のギア１９は、駆動するギアであり、中央部２２のギア１９は、駆動されるギアとなる。図示の位置において、割出車輪２７は、隆起円形記録部２４の係合面及び割出車輪２７の凹状面３０の一方によって、所定の径位置に保持される。

この位置から、中央部２１において駆動するギア車輪１９の回転により、円形ペグ２３は割出車輪２７のスロット３１に入る。駆動するシャフトが更に回転することにより、割出車輪が、円形ペグの表面がスロット３１の側面と係合しながら、回転する。ペグ２３の円形路の長さは、スロット３１と係合している間、ピニオンギア車輪が、一つの歯ピッチと同じ角度だけ回転し、中央部２２のかみ合いギア車輪１９を、関連の一つの歯ピッチで駆動するように構成される。記録部２４の切り欠き部２５は、割出車輪２７の角部３２が、割出車輪が円形ペグによって駆動されている間、これらの切り欠き部を通過できるように成形される。

従って、割出機構の完全な操作においては、中央部２１の駆動するギア車輪の一回転によって、二つの別々の割出サイクルが割出車輪２７で行われ、ピニオンギア車輪２８及びかみ合いギア車輪１９を介して、二つの別々の割出操作を中央部２２の回転磁石１７に伝える。

列中の隣接する車輪間のバックラッシュを減らし、割出部品が適度に正確な係合部品のみを使用できるようにする割出機構の特徴は、割出車輪２７の凹状面３０が、隆起円形記録部２４と係合する接触範囲に位置することである。重なる割出車輪２７が割出操作の間に静止保持される、この接触範囲において、係合面間の空間公差が原因で起こる、割出車輪の角度バックラッシュは、割出車輪の外径と、ほぼ直接的な関係がある。二つの車輪１９及び割出車輪２７は、全て別々の面で回転しているため、それらの外径は、重複することが可能である。この重複する特徴は、割出車輪の外径を大きな寸法にし、そのため、非回転時に、駆動される各車輪セクターをピックアップ装置の許容範囲の信号区域内に保持するため、バックラッシュを十分に低い値に制御できるところにある。

（ソフトウェアの更なる特徴）
本出願において、マルチ車輪シャフトエンコーダは、シャフトによって策定された線方向又は放射方向の位置を策定する信号の、固有の組み合わせを取得するのに用いられ、使用するエンコーダアセンブリを構成する個々のギア及び車輪を操作するのに用いられる駆動機構において、機械の故障が起こったことを警告する信号を備える必要がある。これは特に、バルブアクチュエータテクノロジー（Valve Actuator Technology）において、バルブ運動部分の位置が見えない状態であり、機械の故障が、アクチュエータの電源を切ることにより、一つのバブル操作サイクルの終了時又は終了する頃に発生する場合である。

この場合、特にアクチュエータが、危険な位置に設置されたとき、電源が回復したらすぐに、また、コマンド信号が別のバルブ操作サイクルに開始される前に、機械の故障を警告する信号が緊急に必要となることがある。

アブソリュートマルチ車輪シャフトエンコーダに関する電子ソフトウェアは、一連のコード信号を生成するように構成され、コード信号は、シャフトがエンコーダ車輪のゼロデータ位置を横断する一つの位置とは別に、信号が十進法で表示されるならば、通常、プラス又はマイナスといったような対照となる数により差異が設けられる。

列中の二つのエンコーダ車輪を連結する駆動機構において、故障が起こる可能性が最も高いのは、上記の駆動機構が操作されるときである。これにより、一定の一つ又はそれ以上のインクリメンタルカウントの連続性を欠くことになる。従って、基本ソフトウェアに追加することにより、生成されるカウントの連続性を監視し、連続性が阻害されたときには、故障信号を操作できるようになる。アクチュエータに必要なデゥーティの種類によって、信号は、警告の表示にのみ用いられたり、また、アクチュエータをシャットダウンに用いられたり、又は、後者の場合、アクチュエータが現状の操作サイクルを完了させるのに用いられ、又は、次の一サイクルにおいて安全停止位置で終了させて、アクチュエータをシャットダウンさせ、修理注意を要求することができる。

この最後の状態の例は、バルブ操作において起こる。すなわち、制御システムが故障すると、バルブが、通常は閉鎖状態又は開口状態になっている「フェイルセーフ」停止位置に自動的に移動することが必要となり、例え位置カウントが失われた状態であっても、アクチュエータは、トルクリミットスイッチの操作によって、モーターを駆動する電源が切られた状態で、動作位置の終わりまで移動することができる。

インストールにおいて、安全装置は、電源が切られ、いったん警告回路が作動して、アクチュエータを再起動してはならないときに必要となり、新しい操作サイクルの動作に先立って、電源が回復するとすぐに再作動する不揮発性メモリの形態で警告信号を備える必要がある。

生成されたカウントの連続性を確認するのに必要なスキャン信号は、連続的なカウントを行うと共に、合計のカウント値と以前のカウント値を比較する間、すなわち一般に５から１０ミリ秒といった短い時間間隔で動作するように構成される。本願において、シャフトの通常の運動回転によってエンコーダアセンブリ車輪がエンコーダゼロデータ位置を越えると、カウントの連続性をチェックするソフトウェア論理においては、正数カウント（数字の値が増える）で、ゼロ信号に即時先行する固有の数字が不連続を示すわけではないと認識される必要がある。上記のアブソリュートエンコーダアセンブリのためのソフトウェアの特徴は、警告信号が、カウント中に故障が記録されたときだけ動作することである。これは、警告信号の作動によって動作サイクルが直ちに中止されても、動作するシャフトの位置は、特別のメモリ保持機能が、アクチュエータ又は他の機械の外部の制御及び監視システムに追加されなければ、監視回路及びディスプレイでは失われることを意味する。

本発明の特別な特徴は、割出機構の機械故障に起因する記録位置の損失を排除したものであり、これは、エンコーダアセンブリの被駆動輪によって生成される実際の記録カウントが、各割出操作が完了した後、少しの間隔が開いた後に起こることによって実現される。これは、図２に示した例を参照することで理解されよう。すなわち、車輪２の回転により、カウント変更が、車輪１の回転方向に依存して車輪１がデータ位置０から１５又は１５から０を移動するまで遅れても、被駆動輪２の割出操作は、常にインクリメンタル駆動輪１が位置３及び４又は１１及び１２の辺りに位置するときに行われる。

アクチュエータソフトウェア論理に追加するものとして、図２の車輪回転を再び参照すると、「位置３及び４又は１１及び１２にある駆動輪１が、ピックアップ領域を通過すると、被駆動輪２は、車輪２のピックアップによって記録される割出操作を実行しなければならない」ことになっている。これは、三つ以上の車輪から成るマルチ車輪エンコーダによって繰り返し可能であり、列中で隣接する駆動輪及び被駆動輪のどの一組にも当てはまる。これに伴う故障によって、故障信号が作動するように構成してもよく、そのような信号は、実際には、隣接する被駆動輪を割出することができなかった列中の駆動輪が、データ位置を通過するとき、終了する時間間隔に従って、位置カウントが失われることを警告する。重要なことに、上記の間隔は、故障に対処するために必要な他の動作を起動するのと同様、警告が出された位置を記憶するために用いられる。

以下に、本発明の背景技術及び最良の形態について、添付図面を参照し、実施例により説明する。
本発明における、エンコーダの第１及び第２の車輪を示し、割出機構によって、車輪が回転連結される図。 図１に示す、第１の車輪が、データ位置から反時計回りに二回転以上する際の、標準的な関連の車輪セクター位置を示す表。 図１に示す、各々が１６個のセクターを備え、かつ割出駆動によって連結される二つの車輪で可能な、全てのセクター位置の完全な一サイクルを示す集計表。 本発明を具体化した、標準的な四つの車輪エンコーダアセンブリの絵図。 二つ以上の車輪の列中の、任意の二つの車輪間の、改善された割出構成を示す図。

符号の説明

１ 第１の車輪
２ 第２の車輪
３ セクター
４ 識別角度
５ ピックアップ装置
６ シャフト
７ 割出機構
８ ギア車輪
９ ギア車輪
１０ トリップ機構
１１ シャフト
１２ 入力シャフト
１３ 下板
１４ 上板
１５ 中板
１６ ソケットコネクタ
１７ 回転磁石
１８ ホールセンサーアレイ
１９ ギア車輪
２０ 割出装置
２１ 中央部
２２ 中央部
２３ 円形ペグ
２４ 隆起円形記録部
２５ 切り欠き部
２６ 固定シャフト
２７ 割出車輪
２８ ピニオンギア車輪
２９ 中央線
３０ 凹状面
３１ スロット
３２ 角部

Claims (22)

1. 所定の径軸からのシャフトの角度位置を測定し、同時に又は連続して、所定の径データ軸を通るシャフトの完全な回転数を記録するアブソリュートシャフトエンコーダであって、
   前記エンコーダは、第１の車輪及び信号ピックアップ装置と、少なくとも第２の車輪及び信号ピックアップ装置と、前記第１及び第２の車輪間で操作する駆動機構と、を備え、
   前記第１の車輪及び信号ピックアップ装置は、前記第１の車輪の回転によって、所定の径データ位置を通る前記第１の車輪のセクター数を策定する固有の信号を生成し、シャフトの径位置を記録及び表示し、
   前記第２の車輪及び信号ピックアップ装置は、前記第２の車輪の回転によって、前記第２の車輪の所定の径データ位置を通る前記第２の車輪のセクター数を策定する固有の信号を生成し、
   前記第１及び第２の車輪間で操作する駆動機構は、前記第１の車輪が完全に一回転以上する前記径データ位置からの前記第１の車輪の回転によって、前記第２の車輪が、前記第２の車輪の少なくとも二つのセクターで占められる角度と同じ角度だけ回転するように構成されることを特徴とするアブソリュートシャフトエンコーダ。
2. 前記第１及び第２の車輪の各々において、各ピックアップ装置とセクターとの相対的な径位置は、前記第２の径位置を記録する前記ピックアップ装置によってなされる一つのセクターの固有の信号からの連続的な変化が、前記第１の車輪の完全な一回転を策定する前記第１の車輪の前記セクターが前記第１の車輪の前記信号ピックアップ装置の動作区域を通過する間、行われないように構成されることを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートシャフトエンコーダ。
3. 前記駆動機構は、前記第１の車輪が完全に一回転する毎に、前記第２の車輪が二回以上割出される割出機構であり、各割出動作によって、前記第２の車輪が、前記第２の車輪の一つのセクターによって占められる角度と同じ角度だけ回転するため、前記第１の車輪が完全に一回転することによって、前記第２の車輪のピックアップ装置から二つ以上の位置信号が供給されることを特徴とする請求項１又は請求項２の何れかの請求項に記載のアブソリュートシャフトエンコーダ。
4. 前記駆動機構は、ギア列であり、前記第１及び第２の車輪の間のギア比は、整数であり、そのため、前記第１の車輪が完全に一回転することにより、第２の車輪が、その少なくとも二つのセクターによって範囲が決定される角度と同じ角度だけ回転し、前記第２の車輪のピックアップ装置から二つ以上の位置信号を供給することを特徴とする請求項１又は請求項２の何れかの請求項に記載のアブソリュートシャフトエンコーダ。
5. 前記第１及び第２の車輪からの信号を処理するための処理手段を更に備え、
   前記手段は、前記第１の車輪の径位置及び前記第１の車輪の回転数を示す組み合わせ信号において、前記第１の車輪の単一の回転が、前記第２の車輪によって生成され、前記第２の車輪の二つ以上のセクターと等しい一つの車輪のセクター数が、前記ピックアップ装置の前記動作区域内にあることを示す、一つ以上のコード信号によって表示されるように構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかの請求項に記載のアブソリュートシャフトエンコーダ。
6. 追加の車輪及びピックアップ装置一式が、列中のアセンブリに追加され、追加の駆動機構が前記車輪の間に位置することにより、前記第１及び第２の車輪に従う前記列中の各追加の車輪は、前記第１の車輪によって前記第２の車輪が駆動される上述の定義された方法により、前記列中において、すぐ前の車輪によって駆動されることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかの請求項に記載のアブソリュートシャフトエンコーダ。
7. 前記第１及び第２の車輪及び前記追加の何れもの車輪が、ディスクの形式であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかの請求項に記載のアブソリュートシャフトエンコーダ。
8. コード位置信号を生成する前記第１及び第２の車輪及び前記追加の車輪の何れもが、閉鎖ドラム又は開口ドラムの形式であり、前記ドラムの柱面上又はその中に前記コード生成手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかの請求項に記載のアブソリュートシャフトエンコーダ。
9. コード位置信号を生成する前記第１及び第２の車輪及び前記追加の何れもの車輪が、回転磁石の形式であり、ピックアップ装置を通過又はそれに隣接する前記磁石の極は、磁界に対して感受性が高いため、固有の信号が、前記車輪のインクリメンタル(及び／又はディクリメンタル)セクターに対応して生成され、各固有の信号は、前記磁石及びピックアップ装置の相対的な径位置によって決まることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかの請求項に記載のアブソリュートシャフトエンコーダ。
10. 信号ピックアップ装置、位置コード手段及び車輪間駆動機構と一体の全ての車輪は、同じ形式及び構造であることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れかの請求項に記載のアブソリュートシャフトエンコーダ。
11. 個々の信号ピックアップ装置及び位置コード手段とセットになった各車輪は、各々別々のハウジングに納められ、
    車輪が搭載される前記シャフトは、各ハウジングを通過するように伸び、
    前記駆動機構に搭載されたサブフレームに搭載された前記ハウジングは、前記信号車輪シャフトエンコーダが、マルチターン入力シャフトによって、列中で操作されることを特徴とする請求項６に記載のアブソリュートシャフトエンコーダ。
12. 前記車輪、車輪シャフト、及び信号ピックアップ装置のセットは、共通のサブフレームに搭載されることを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れかの請求項に記載のアブソリュートシャフトエンコーダ。
13. 前記共通のサブフレームは、プリント基板であり、前記信号ピックアップ装置は、前記プリント基板に直接搭載される電子チップの形式であることを特徴とする請求項１２に記載のアブソリュートシャフトエンコーダ。
14. 前記プリント基板は、前記エンコーダ車輪によって作られる信号の全て又はいくつかの処理を実行する処理手段を含む、又は搭載することを特徴とする請求項１３に記載のアブソリュートシャフトエンコーダ。
15. 列中において連続するエンコーダ車輪アセンブリを有し、前記連続するエンコーダ車輪アセンブリの各々の間で駆動するアブソリュートシャフトエンコーダであって、
    かみ合いギア車輪の組み合わせ、及び駆動輪と被駆動輪の中央部間の別々のシャフトに搭載される割出機構を備え、
    前記割出機構は、
    被駆動ギア車輪と割出車輪をかみ合わせるギアと、駆動ギア車輪に搭載又は一体化された円形記録部と、を備え、該円形記録部は、少なくとも二つの切り欠き部を備え、前記割出車輪の最外部径の凹状面と係合し、駆動ギア車輪に搭載又は一体化された少なくとも二つの実質的な円形ペグを備え、前記ペグは前記割出車輪の切り欠き部と係合し、
    前記二つの連続するエンコーダギア車輪及び前記割出車輪は、全てほぼ平行な別々の平面で回転し、前記割出車輪と係合する面は、駆動するギア車輪及び駆動されるギア車輪の外径と重なる径上を回転することを特徴とするアブソリュートシャフトエンコーダ。
16. 前記処理手段／ソフトウェアは、シャフトの径位置又は線形位置を設定されるのを決定する、又はエンコーダ車輪を駆動する機構で機械的故障があった場合に、警告回路を作動させるように使用及び構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項１５の何れかの請求項に記載のアブソリュートシャフトエンコーダアセンブリ。
17. 使用時に、一連の数字が増加又は減少する形式で、一連の位置信号を生成し、一連の位置信号間における値の違いは、最小値を有する一定のインクリメンタル（又はディクリメンタル）数であり、スキャン動作は、各カウント操作に従って作動し、次のカウント操作の前に終了する、前記関連の処理手段／ソフトウェアに供給され、前記スキャン動作は、すぐのカウントと最後から二番目のカウントとの間のインクリメント（又はディクリメント）が、前記一定のインクリメンタル（又はディクリメンタル）数と異なるときに、警告回路が作動することを特徴とする請求項１６に記載のアブソリュートシャフトエンコーダアセンブリ。
18. 使用時に、前記シャフトは、前記エンコーダがゼロカウントを記録する位置を移動可能であり、前記関連の処理手段／ソフトウェア論理は、ゼロ数字と前記ゼロ数字の前に来る固有の数字を示す信号間の前記インクリメンタル（又はディクリメンタル）値が、前記処理手段／ソフトウェアによって、他の一連のカウントの何れか一組間の固有の一定のインクリメンタル数と同じ数字と認識されるように構成されることを特徴とする請求項１７に記載のアブソリュートシャフトエンコーダアセンブリ。
19. カウントの不連続性を示す前記警告信号は、シャフトの動作が、不揮発性メモリの形式であることを測定するために生成され、これにより、全出力が前記エンコーダアセンブリに供給され、及び前記シャフトを駆動するモーターのスイッチが切られたときに、前記信号の状況が保持されることを特徴とする請求項１７及び請求項１８に記載のアブソリュートシャフトエンコーダアセンブリ。
20. 先に行われた動作サイクル中に発生した故障を示す前記警告信号は、電源が前記作動システムに復帰するとすぐに再起動し、前記信号は、要求があれば、作動システムのさらなる動作を抑制しうることを特徴とする請求項１９に記載のアブソリュートシャフトエンコーダアセンブリによって監視及び制御される作動システム。
21. 処理手段／ソフトウェアは、前記エンコーダアセンブリの機械的故障による、差し迫ったカウント損失の警告信号を生成するために供給され、前記エンコーダアセンブリは、前記エンコーダアセンブリの車輪列の第１の車輪を駆動する、前記シャフトのデータ位置からの前記径位置及び回転数を策定することを特徴とする請求項１乃至請求項２０の何れかの請求項に記載のアブソリュートマルチ車輪シャフトエンコーダ。
22. 前記駆動機構は、前記列中の隣接する車輪間に供給され、
    位置検出ピックアップ装置及び前記車輪駆動機構は、二つ以上の前記固有の信号が、前記列中の係合する車輪の一組の何れかの前記駆動輪によって開始され、前記信号は、前記車輪の一組の駆動輪の成功した一回転の完了を記録する第２の信号に先立って発生し、
    前記二つ以上の信号と前記第２の信号との間の間隔は、前記二つ以上の信号が一致する動作が完了したかを管理するように構成され、前記動作を完了できなかったことは、前記不成功による位置損失に先立って記録され、関連の処理手段／ソフトウェアは、第１の記録不成功の時点での位置カウントの値を記録するように構成されることを特徴とする請求項２１に記載のアブソリュートマルチ車輪シャフトエンコーダ。

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