JP2015118093A - 角度エンコーダの解像度及び測定精度を向上させる機械装置 - Google Patents

Abstract

【課題】角度エンコーダにおけるコードディスクの回折格子数を増加させることで、角度エンコーダの解像度及び測定精度を向上させる機械装置を提供する。
【解決手段】コードディスク５に接続されたシャフト軸受座１、シャフト軸受３、シャフト４と、コードディスク５と、従動歯車６と、角度エンコーダベース７と、入力軸軸受８と、入力軸９と、駆動歯車１０とを含み、入力軸９は、二つの入力軸軸受８で角度エンコーダベース７に取付けられ、シャフト４は二つのシャフト軸受３でシャフト軸受座１に取付けられ、シャフト軸受座１は角度エンコーダベース７に取付けられ、駆動歯車１０は入力軸９に設けられ、従動歯車６はシャフト４に設けられ、従動歯車６と駆動歯車１０とは噛み合わせており、入力軸は被測定対象に接続され、コードディスク５はシャフト４に設けられている。変速歯車伝動装置を更に備えることで、解像度及び測定精度を大幅に向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は角度エンコーダの解像度及び測定精度を向上させる機械装置に関し、特に、マクロ・ミクロ融合的な発想のもとで、角度エンコーダの回折格子数を増やし、さらに、その測定精度を向上させる機械装置であり、冗長性が高い角度エンコーダの新規技術である。

従来の機械加工分野において、回折格子センサを位置フィードバック装置として用いる場合が多い。格子定規（ｇｒａｔｉｎｇｒｕｌｅｒ）は、システムに対してフルクローズドループ制御を行うことができ、ボールねじの熱変形等の原因による誤差を減らすことができ、加工の精度を向上させることができる。角度エンコーダは、格子定規装置のうちの一種であるため、現在、角度エンコーダを角度フィードバック部品として使用する中高級デジタル制御システムはますます多くなっている。角度エンコーダは、高精度及び高解像度を有するうえ、比較的低い価格を有することで、工作機械分野のみならず、座標測定器、ロボット技術、さらに、各位置・速度の測定及び位置・運動の制御応用分野において、幅広く使用されている。

角度エンコーダは、エンコーダのうちの一種であり、その精度は、コードディスクの平面度、回折格子のエッチング技術、回転時の円心度、全体的な剛度、振動、及び温度によって大きく影響される。角度エンコーダの測定精度を如何に向上させることは、総合的な技術的課題である。その機械構造の設計及び信号回路がかなり成熟している前提条件で、エンコーダのエッチング技術を向上させることは、極めて重要なことである。所定のコードディスク半径の条件下で、回折格子のエッチング数が多ければ多いほど、測定可能な精度が高くなる。回折格子のエッチング技術に限界が存在するため、回折格子数を増やすためには、コードディスクの半径を増大させることしかない。しなしながら、製品のサイズに対する小型化の需要が進むことにつれて、コードディスクの半径は増大するどころか、縮小されることが求められる。これは、角度エンコーダの測定精度の低下をもたらすに違いない。細分化は、角度エンコードの解像度及び測定精度を向上させるための有効な方法の一つであり、測定精度と信号の細分化との間に密接した関係が存在するものの、回路上において収集された信号を細分化するだけでは、細分化はいかに進められたとしても、その解像度を向上したことだけになる。物理的に、最初に発生した信号は、根本的に細分化されていないため、その精度は制約を受けている。そのため、角度エンコーダの精度を向上させるために、種々の方法が検討されており、その需要が高まっている。

従来の角度エンコーダのコードディスクと入力回転シャフトとは直接に接続し、両者は同調的に回転する。コードディスクの半径が決められた場合、回折格子のエッチング精度の向上、すなわち、回折格子を更に細かくエッチングしない限り、回折格子数を増やすことができない。しかしながら、エッチング技術には限界があり、所定半径のコードディスクの場合、当該問題を解決するためには、その他の方法を探るしかない。

上述した問題に鑑みて、本発明の目的は、角度エンコーダにおけるコードディスクの回折格子数を増加させることで、角度エンコーダの解像度及び測定精度を向上させる機械装置を提供することにある。

本発明の技術的構想は、角度エンコーダの解像度及び測定精度を向上させる機械装置であって、コードディスクに接続されたシャフト軸受座と、コードディスクに接続されたシャフト軸受と、コードディスクに接続されたシャフトと、コードディスクと、従動歯車と、角度エンコーダベースと、入力軸軸受と、入力軸と、駆動歯車とを含み、ここで、上記入力軸は、二つの上記入力軸軸受によって上記角度エンコーダベースに取付けられ、上記コードディスクに接続されたシャフトは、二つの上記コードディスクに接続されたシャフト軸受によって上記コードディスクに接続されたシャフト軸受座に取付けられ、上記コードディスクに接続されたシャフト軸受座は上記角度エンコーダベースに取付けられ、上記駆動歯車は入力軸に設けられ、上記従動歯車は、上記コードディスクに接続されたシャフトに設けられ、上記従動歯車と上記駆動歯車とが噛み合わせており、上記入力軸は被測定対象に接続され、上記コードディスクは上記コードディスクに接続されたシャフトが設けられる。

上記従動歯車は外歯車であり、上記駆動歯車は内歯車であり、上記従動歯車は、駆動歯車の内側に設けられている。

上記入力軸の軸心と上記コードディスクに接続されたシャフトの軸心とは共線である。

上記コードディスクに接続されたシャフトが位置する上記コードディスクに接続されたシャフト軸受座の軸受座孔の軸心と上記コードディスクに接続されたシャフト軸受座の軸心とは共線である。

上記コードディスクに接続されたシャフト軸受座の軸心と上記角度エンコーダベースの軸心とは共線である。

上記コードディスクに接続されたシャフト軸受の外径及び内孔は、それぞれ、上記コードディスクに接続されたシャフト軸受座及び上記コードディスクに接続されたシャフトに締まりばめされ、上記コードディスクに接続されたシャフト軸受の軸心と上記コードディスクに接続されたシャフト軸受座及び上記コードディスクに接続されたシャフトの軸心とは、共線であり、上記入力軸軸受の外径及び内孔は、それぞれ、上記角度エンコーダベース及び上記入力軸に締まりばめされる。

本発明は中間伝動装置をさらに備えることにより、機械構造上に、角度エンコードの回転量を拡大させると共に、コードディスクの設計寸法を縮小させることができる。これにより、物理的に、測定信号の細分化が達成され、測定精度を根本的に向上させることができる。さらに、本発明は機械構造により伝動比を変更させ、角度エンコーダの解像度及び測定精度の向上が達成されるため、歯車伝動装置の工程に対する要求が比較的に高く、当該工程における過多な精度損失を回避するべきである。

本発明はその他の従来技術と比較して、下記のメリットを有する。

（１）本発明は、ミクロ・マイクロ融合的な発想のもとで、角度エンコーダ製品の小型化の製造方式及び回折格子のエッチング技術による制約を受けるうえで、その構造中に、変速歯車伝動装置を更に備えることで、角度エンコーダの解像度及び測定精度を向上させる。

（２）同様な解像度及び測定精度を得る場合、本発明は角度エンコーダ全体の寸法を更に縮小させることができる。

本発明は、角度エンコーダコードディスクの寸法が同じである場合、変速歯車伝導装置を更に備えることで、従来の角度エンコーダの解像度及び測定精度を大幅に向上することができる機械装置である。

本発明の角度エンコーダの構造配置を示す模式図である。 本発明の角度エンコーダの機械構造５の外形を示す模式図である。 本発明の角度エンコーダの機械構造を示す底面図である。

（実施例）
本発明の構造模式図は、図１〜図３に示されている。本発明に係る角度エンコーダの解像度及び測定精度を向上させる機械装置は、コードディスクに接続されたシャフト軸受座１と、コードディスクに接続されたシャフト軸受３と、コードディスクに接続されたシャフト４と、コードディスク５と、従動歯車６と、角度エンコーダベース７と、入力軸軸受８と、入力軸９と、駆動歯車１０とを含み、ここで、入力軸９は、二つの入力軸軸受８によって、角度エンコーダベース７に取付けられ、コードディスクに接続されたシャフト４は二つのコードディスクに接続されたシャフト軸受３によってコードディスクに接続されたシャフト軸受座１に取付けられ、コードディスクに接続されたシャフト軸受座１は、角度エンコーダベース７に取付けられ、駆動歯車１０は入力軸９に設けられ、従動歯車６はコードディスクに接続されたシャフト４に設けられ、従動歯車６と駆動歯車１０とは噛み合わせており、入力軸９は被測定対象に接続され、コードディスク５はコードディスクに接続されたシャフト４に設けられている。上記コードディスク５とコードディスクに接続されたシャフト４との連接は、相応する耐振動能力を具備させるために、十分の剛度が要求される。また、コードディスク５とコードディスクに接続されたシャフト４との軸心の同軸度は、角度エンコーダの精度を確保するために、所定の要求を満たす必要がある。

取付けのために、上記コードディスクに接続されたシャフト軸受座１は、ボルト２により、角度エンコーダベース７取付けて係止されている。本実施例において、４つのボルト２を用いて、コードディスクに接続されたシャフト軸受座１を角度エンコーダベース７に係止している。部品の設計加工、及び装着配置工程において、両者の同軸度の確保が要求されている。

本実施例において、上記従動歯車６は外歯車であり、駆動歯車１０は内歯車であり、従動歯車６は、駆動歯車１０の内側に設けられている。

測定精度を更に向上させるために、上記入力軸９の軸心とコードディスクに接続されたシャフト４の軸心とは共線である。上記コードディスクに接続されたシャフト軸受３及び入力軸軸受８はいずれも、高精度の軸受である。上記コードディスクに接続されたシャフト４が位置するコードディスクに接続されたシャフト軸受座１の軸受座孔の軸心とコードディスクに接続されたシャフト軸受座１の軸心とは共線である。

さらに、上記コードディスクに接続されたシャフト軸受座１の軸心と角度エンコーダベース７の軸心とは共線である。上記コードディスクに接続されたシャフト軸受座１と角度エンコーダベース７との間において、位置付け設計により、取付け後の同軸度は、所定の要求を満たすように確保され、これにより、駆動歯車１０と従動歯車６との間の噛み合い度を確保し、中間構造による精度損失を回避する。

さらに、上記コードディスクに接続されたシャフト軸受３の径方向寸法は、入力軸軸受８の径方向寸法より小さい。

本実施例において、上記コードディスクに接続されたシャフト軸受３の外径及び内孔は、それぞれ、コードディスクに接続されたシャフト軸受座１及びコードディスクに接続されたシャフト４に、締まりばめされ、コードディスクに接続されたシャフト軸受３の軸心とコードディスクに接続されたシャフト軸受座１及びコードディスクに接続されたシャフト４の軸心とは共線であり、部品設計及び加工工程、さらに、装着及び配置工程において、三者の同軸度が要求されている。

本実施例において、上記入力軸軸受８の外径及び内孔は、それぞれ、角度エンコーダベース７及び入力軸９に締まりばめされている。上記入力軸９及び二つの高精度の入力軸軸受８と角度エンコーダベース７との軸心は、同じ軸にあるものではなく、歯車伝動比の要求に従い、入力軸９及び二つの高精度の入力軸軸受８が位置する軸孔の軸心と、角度エンコーダベース７の軸心とは、所定の距離を離れており、最終的には、コードディスク５の軸心が角度エンコーダベース７の軸心に一致するように確保されることで、角度エンコーダ全体の寸法の不必要な増加を回避することができる。

装着及び配置工程を減らし、部品の精度を向上させるために、上記従動歯車６とコードディスクに接続されたシャフト４とは一体的に形成され、さらに駆動歯車１０と入力軸９とは一体的に形成される。すなわち、コードディスクに接続されたシャフト４及び入力軸９はいずれも歯車軸構造である。

本発明の作動原理は、角度エンコーダ作動時、入力軸９と被測定対象とが接続し、駆動歯車１０及び従動歯車６の変速によって、その回転量を拡大し、拡大された回転量は、コードディスクに接続されたシャフト４を通じてコードディスク５に伝わり、信号の更なる細分化が実現される。

駆動歯車１０及び従動歯車６の歯数は、それぞれ、Ｚ１、Ｚ２（Ｚ１＞Ｚ２）とすると、それが回転量を拡大する倍数は、ｉ＝Ｚ１／Ｚ２となり、コードディスクにおける回折格子数はＸであり、光学拡大係数はＧであり、回路の細分倍数はＰであり、変速歯車装置を備える場合、及び変速歯車装置を備えない場合の角度エンコーダの精度は、それぞれ、Ｊ１、Ｊ２であり、解像度はそれぞれＦ１、Ｆ２である。

その場合、以下となる。すなわち、
１．解像度は、Ｆ１＝３６０°／（Ｘ＊Ｇ＊Ｐ）、Ｆ２＝３６０°／（Ｘ＊Ｇ＊Ｐ＊ｉ）＝Ｆ１／ｉとなる。

２．その精度関係は、Ｊ２≒Ｊ１／ｉとなる。

ここで、Ｆ及びＰの値が小さいほど、その解像度及び精度が高くなる。

理論上の二つの精度の関係は、Ｊ２＝Ｊ１／ｉとなり、変速歯車装置自身は、運動伝導を行う過程において、誤差による損失を起こすことがあるため、駆動歯車（１０）及び従動歯車（６）の精度に対する要求は比較的高い。従って、その精度関係は、Ｊ２≒Ｊ１／ｉに近づくように限定される。

角度エンコーダ全体寸法とともに、コードディスク（５）の直径も小さくなり、また、回折格子のエッチング技術に限界があるため、コードディスク（５）においてエッチングされる回折格子数が減少されることで、直ちに、角度エンコーダが物理的に、測定信号に対する解像度の低下をもたらす。そのため、角度エンコーダの測定精度が低下する。本発明は角度エンコーダコードディスクの寸法が同一である場合、変速歯車伝動装置を更に備えることで、従来の角度エンコーダの解像度及び測定精度を大幅に向上させることができる機械装置である。

本発明は、マクロ・ミクロ融合的な発想のもとで、角度エンコーダのコードディスク５の回折格子数を増加させる目的を間接的に実現させるものである。すなわち、歯車伝動比がＮであれば、回折格子数が元のＮ倍に増加させることを間接的に実現することができる。これにより、角度エンコーダの測定解像度及び測定精度を向上させることができる。コードディスクにおいて回折格子を直接エッチングすることは、ミクロ上における測定信号に対する細分化となるが、コードディスクの空間及びエッチング技術の制限により、このようなミクロ上の細分化技術は、ネックになり、進まれていない。補助的な機能として、測定信号を更なる細分化する変速歯車伝動装置は、マクロ上の細分化に属する。これらミクロ及びマクロ上における融合によれば、角度エンコーダの測定信号を更なる細分化することができ、その解像度及び測定精度を大幅に向上させることができる。

Claims (10)

1. コードディスクに接続されたシャフト軸受座（１）と、コードディスクに接続されたシャフト軸受（３）と、コードディスクに接続されたシャフト（４）と、コードディスク（５）と、従動歯車（６）と、角度エンコーダベース（７）と、入力軸軸受（８）と、入力軸（９）と、駆動歯車（１０）とを含み、ここで、前記入力軸（９）は、二つの前記入力軸軸受（８）によって前記角度エンコーダベース（７）に取付けられ、前記コードディスクに接続されたシャフト（４）は、二つの前記コードディスクに接続されたシャフト軸受（３）によって前記コードディスクに接続されたシャフト軸受座（１）に取付けられ、前記コードディスクに接続されたシャフト軸受座（１）は前記角度エンコーダベース（７）に取付けられ、前記駆動歯車（１０）は前記入力軸（９）に設けられ、前記従動歯車（６）は、前記コードディスクに接続されたシャフト（４）に設けられ、前記従動歯車（６）と前記駆動歯車（１０）とは噛み合わせており、前記入力軸（９）は被測定対象に接続され、前記コードディスク（５）は前記コードディスクに接続されたシャフト（４）に設けられる、角度エンコーダの解像度及び測定精度を向上させる機械装置。
2. 前記コードディスクに接続されたシャフト軸受座（１）は、ボルト（２）により、前記角度エンコーダベース（７）に係止されている、請求項１に記載の角度エンコーダの解像度及び測定精度を向上させる機械装置。
3. 前記従動歯車（６）は外歯車であり、前記駆動歯車（１０）は内歯車であり、前記従動歯車（６）は、前記駆動歯車（１０）の内側に設けられている、請求項１に記載の角度エンコーダの解像度及び測定精度を向上させる機械装置。
4. 前記入力軸（９）の軸心と前記コードディスクに接続されたシャフト（４）の軸心とは、共線である、請求項１に記載の角度エンコーダの解像度及び測定精度を向上させる機械装置。
5. 前記コードディスクに接続されたシャフト軸受（３）及び前記入力軸軸受（８）は、高精度の軸受である、請求項１に記載の角度エンコーダの解像度及び測定精度を向上させる機械装置。
6. 前記コードディスクに接続されたシャフト（４）が位置する前記コードディスクに接続されたシャフト軸受座（１）の軸受座孔の軸心と前記コードディスクに接続されたシャフト軸受座（１）の軸心とは、共線である、請求項１に記載の角度エンコーダの解像度及び測定精度を向上させる機械装置。
7. 前記コードディスクに接続されたシャフト軸受座（１）の軸心と前記角度エンコーダベース（７）の軸心とは、共線である、請求項１に記載の角度エンコーダの解像度及び測定精度を向上させる機械装置。
8. 前記コードディスクに接続されたシャフト軸受（３）の径方向寸法は、前記入力軸軸受（８）の径方向寸法より小さい、請求項１に記載の角度エンコーダの解像度及び測定精度を向上させる機械装置。
9. 前記コードディスクに接続されたシャフト軸受（３）の外径及び内孔は、それぞれ、前記コードディスクに接続されたシャフト軸受座（１）及び前記コードディスクに接続されたシャフト（４）に締まりばめされ、前記コードディスクに接続されたシャフト軸受（３）の軸心と前記コードディスクに接続されたシャフト軸受座（１）及び前記コードディスクに接続されたシャフト（４）の軸心とは、共線であり、前記入力軸軸受（８）の外径及び内孔は、それぞれ、前記角度エンコーダベース（７）及び前記入力軸（９）に締まりばめされる、請求項１から８のいずれか１項に記載の角度エンコーダの解像度及び測定精度を向上させる機械装置。
10. 前記従動歯車（６）と前記コードディスクに接続されたシャフト（４）とは一体的に形成され、前記駆動歯車（１０）と前記入力軸（９）とは一体的に形成され、前記コードディスクに接続されたシャフト（４）及び前記入力軸（９）は、歯車軸構造である、請求項９に記載の角度エンコーダの解像度及び測定精度を向上させる機械装置。