JP2016118457A

JP2016118457A - ロータリーエンコーダ

Info

Publication number: JP2016118457A
Application number: JP2014257966A
Authority: JP
Inventors: 聡岡林; Satoshi Okabayashi; 一仁岡島; Kazuhito Okajima
Original assignee: Nippon Gear Co Ltd
Current assignee: Nippon Gear Co Ltd
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-06-30
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: JP6270282B2

Abstract

【課題】計数量を大きくしても筐体の長さ寸法が大きくならず、全体としてコンパクトなロータリーエンコーダを提供する。【解決手段】順次回転量を低減するように多段結合された歯車列B0〜B13における所要段の歯車軸に、入力軸B2の回転量をデジタル的に計数するためのエンコード板６を取付け、前記歯車列の適宜の段間の原動車と従動車を、前記段間に要求される回転量の低減比に応じて原動車と従動車の連結部のいずれか適所を欠除して原動車を空転させるような間欠送り手段としたロータリーエンコーダにおいて、各歯車軸の軸支部を歯車部とエンコード板６の外側とし、信号検出素子としての光電変換素子８を実装したプリント基板10を筐体５に側方から固着して前記光電変換素子の光軸8aを歯車軸と平行に配置し、前記歯車列を直線状に複列配置するとともに各歯車列をアイドルギア２で連結して課題を解決する。【選択図】図１

Description

本発明は、多回転型のアブソリュートロータリーエンコーダに関する。

従来、制御用又は動力伝達用回転軸の回転量を計数するロータリーエンコーダの１形式として多回転型のアブソリュートロータリーエンコーダがある（特許文献１参照）。このロータリーエンコーダは、順次回転量を低減するように多段結合された歯車列における所要段の歯車軸に、入力軸の回転量をデジタル的に計数するためのエンコーダを連係し、前記歯車列の適宜の段間の原動車と従動車を、その段間に要求される回転数の低減比に応じて、原動車と従動車の連結部のいずれかの適所を欠除して、原動車を空転させるような間欠送り手段とし、この間欠送り手段における原動車の残存する歯間の谷部を残して、原動車の裏面に前記歯の高さと等しい径のリブを設け、かつ、従動車の歯を１つ置きに前記原動車の歯とほぼ等しい厚さのものと、原動車の歯とリブを加えた厚さのものとし、この薄肉の歯および厚肉の歯の前部を前記原動車の歯と噛合させるとともに、厚肉の歯の後部を原動車のリブに係合させ、原動車の空転時には、原動車を従動車とロックさせるようにして多回転型のアブソリュートロータリーエンコーダを実現している。

特許文献１に開示されたロータリーエンコーダは、性能面では顧客の満足が得られるものの、構成部品数が多い上に、各部品が区々に製作され、最終段階で全部品を組立てる方式をとっていることから、組立工数が多くなり製造コストが高くなるという欠点があった。また、このエンコーダは全体形状を円筒形状とするため、内蔵される歯車の諸元は同一であるにも拘わらず、各歯車軸に組み込まれる歯車相互の位相角を異なるものとしなければならず、プラスチック等の成形において量産化の大きな障害になっていた。

また、図１０に示すようにエンコーダに組み込まれる歯車列を直線状に配置し、全体形状を長箱形状とした多回転型のアブソリュートロータリーエンコーダがある（特許文献２参照）。

特開昭６０−１１５８０７号公報特開２００４−１９８３８０号公報

特許文献２に開示されたロータリーエンコーダは構成部品数が少なく、組立が容易で量産化し易く、製造コストの低い多回転型のアブソリュートエンコーダを実現できるものの、計数量を大きくするため歯車軸を多くすると筐体の長さ寸法が大きくなる。その結果、エンコーダを機器に組み込む際に配置の自由度が低下するという問題があり、現実的な計数量は１２ビット程度が限界であった。

ここで、エンコーダが組み込まれる機器には種々のものがあり、１２ビットの計数量では不十分な場合も少なくない。機器によっては１４ビットや１６ビットが必要となる。

そこで、本発明においては、計数量を大きくすべく歯車軸を増加しても筐体の長さ寸法が大きくならず、全体としてコンパクトなロータリーエンコーダを実現することを目的とする。

請求項１の発明は、順次回転量を低減するように多段結合された歯車列における所要段の歯車軸に、入力軸の回転量をデジタル的に計数するためのエンコード板を取付け、前記歯車列の適宜の段間の原動車と従動車を、前記段間に要求される回転量の低減比に応じて原動車と従動車の連結部のいずれか適所を欠除して、原動車を空転させるような間欠送り手段としたロータリーエンコーダにおいて、各歯車軸の軸支部を歯車部とエンコード板の外側とし、信号検出素子としての光電変換素子を実装したプリント基板を筐体に側方から固着して前記光電変換素子の光軸を歯車軸と平行に配置し、前記歯車列を直線状に複列配置するとともに各歯車列をアイドルギアで連結したことを特徴とするロータリーエンコーダである。

請求項２の発明は、請求項１記載のロータリーエンコーダにおいて、前記複列配置した各歯車列が平行であることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１記載のロータリーエンコーダにおいて、前記プリント基板を歯車列と同数設けたことを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項３記載のロータリーエンコーダにおいて、前記プリント基板間をコネクタで電気的に接続したことを特徴とするものである。

本発明によれば、歯車列を直線状に複列配置し、これら複列配置された各歯車列がアイドルギアを介して連結されるので、計数量を大きくすべく歯車軸を増加しても筐体の長さ寸法が大きくならず、全体としてコンパクトなエンコーダを実現できる。したがって、エンコーダを機器に組み込む際に他の部品と干渉する度合いが低くなり、機器内での配置自由度が高くなる。また、組立が容易で量産化し易く、製造コストの低い多回転型のアブソリュートエンコーダを実現できる。

本発明の実施例を示すロータリーエンコーダの断面図であり、図２におけるＡ−Ａ矢視およびＢ−Ｂ矢視を含む歯車列の展開図である。図１におけるＩ−Ｉ矢視図である。図１におけるＩＩ−ＩＩ矢視図である。図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図である。図１におけるＩＶ−ＩＶ矢視図である。歯車軸B0〜B2の外観図である。歯車軸B3〜B13の外観図である。アイドルギアの外観図である。エンコード板の平面図である。従来技術を示すロータリーエンコーダの断面図である。

以下、本発明の実施例について図１〜図９に基づいて説明する。図１は本発明に係るロータリーエンコーダの断面図であり、図２におけるＡ−Ａ矢視およびＢ−Ｂ矢視を含む歯車列の展開図である。図２は図１におけるＩ−Ｉ矢視図、図３は同ＩＩ−ＩＩ矢視図、図４は同ＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図、図５は同ＩＶ―ＩＶ矢視図である。

また、図６はロータリーエンコーダに組み込まれる歯車軸の外観図であり、(a)は図１の歯車軸B0、B1を示し、(b)は図１の歯車軸B2を示す。図７はロータリーエンコーダに組み込まれる歯車軸の外観図であり、(a)は図１の歯車軸B3、B7、B11、(b)は図１の歯車軸B4、B8、B12、(c)は図１の歯車軸B5、B9、B13、(d)は図１の歯車軸B6、B10を示す。さらに、図８は、アイドルギアの外観図である。各歯車軸とも歯車部と軸部とが高強度樹脂材料であるエンジニアリングプラスチックにより一体成形されている。

図９はエンコード板の平面図であり、(a)は一葉のエンコード板、(b)は二葉のエンコード板を示している。

この実施例で示すロータリーエンコーダ１は１４ビット仕様のエンコーダであり、図１の左半部は図２のＡ−Ａ矢視で示す下位７ビットを、図１の右半部は図２のＢ−Ｂ矢視で示す上位７ビットを展開したものである。図１の中央部にはアイドルギア２が配設されている。すなわち、アイドルギア２は左半部の下位７ビットの歯車列と、右半部の上位７ビットの歯車列を連結するように配設されている。アイドルギア２は直線状に複列配置された左半部の７本の歯車軸と、右半部の７本の歯車軸を連結する機能を有するがエンコーダとしての信号生成には寄与しない。

歯車軸に付した符号 B0、B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10、B11、B12、B13は、バイナリ―信号のビット番号を示しており、B0が最下位桁(LSB)を示し、B1、B2、B3、・・・と順次上位桁を表す。そして、B13が最上位桁(MSB)を表している。これらの信号生成に寄与する１４本の歯車軸は、図２〜図４に示すように下位側の７本と上位側の７本が各別に直線状に配置され、７ビット目と８ビット目を生成する歯車軸の間に配設されたアイドルギア２によって連結されている。このアイドルギア２は、下位７ビットの信号を生成する７本の歯車軸B0〜B6と上位７ビットの信号を生成する歯車軸B7〜B13を平行に配列する役割を担っている。

１４本の歯車軸は基体３と蓋４とからなる筐体たる歯車箱５内に収納され、各歯車軸は入力軸B2を除いて両端の軸支部において歯車箱５内に軸支される。したがって、各歯車軸とエンコード板６を予めサブアッセンブリ品として組み立てておくことができる。入力軸B2は、回転量の被計測対象となる回転軸と結合するための軸端部が歯車箱から突出している。なお、アイドルギア２は基体３に取り付けられる支持部材７により回転可能に支持されている。また、蓋４は各歯車軸を基体３内に組込後、図示していないがビス等により基体３に固着される。

歯車箱５を構成する基体３と蓋４は、ともにＡＢＳ樹脂等の汎用プラスチック材料で製作される。歯車箱５にこのような汎用材料を用いるのは価格が安価であることと、高い強度を必要としないからである。また、歯車軸と歯車箱５との材料を異なる種類の樹脂材料とすることにより、軸受を用いずに歯車軸を歯車箱５内に直接軸支した場合においても、摺動面の磨耗や焼付き限界を高めることができる。

また、各歯車軸には図５に示すように、光電変換素子８の光軸8aをオン・オフして電気信号を得るためのエンコード板６が装着されている。したがって、各１ビットのエンコーダは、１本の歯車軸と、１枚のエンコード板６と、１個の光電変換素子８とで構成されている。

各エンコード板６は、図９に示すように歯車軸に装着するためのボス部6aと光電変換素子８の光軸8aをオン・オフするための平板部6bとからなり、半周を切欠いて残りの半周に平板部6bを有する１葉のエンコード板６と、ほぼ90度ごとに切欠いて２箇所に約90度の平板部6bを有する２葉のエンコード板６とがある。理由は後述するが、最下位桁となる歯車軸B0と最上位桁となる歯車軸B13には２葉のエンコード板６が組み込まれ、それ以外の１２本の歯車軸にはすべて１葉のエンコード板６が組み込まれている。

また、図５に示すように各歯車軸のエンコード板６に対応してプリント基板９上に半田付けされた光電変換素子であるフォトインタラプタ８がエンコード板６を上下から挟み込むように配設されている。図５におけるフォトインタラプタ８では、光軸8aが上下方向に通ることになり、エンコード板６の平板部がフォトインタラプタ８の光軸8aを通過するときに当該ビットの出力をオフとすれば、エンコード板６の切欠部がフォトインタラプタ８の光軸8aを通過するときには、当該ビットの出力はオンに相当することになる。このようにして１４個のフォトインタラプタ８の光軸8aを１４枚のエンコード板６の平板部が通過するか、それとも切欠部が通過するかにより１４ビットの出力信号が得られることになる。

なお、プリント基板９は複列配置された歯車列に対応して歯車列と同数設けられ、これらのプリント基板９は相互にコネクタ10で電気的に接続される。また、プリント基板９上には、光電変換素子であるフォトインタラプタ８の他、外部制御機器と電気的接続を行うための外部端子や、必要に応じて出力信号を処理するためのロジックＩＣが実装される。そして、プリント基板９は、ビス等により歯車箱５に側方から固着されている。

次に、本発明におけるロータリーエンコーダに用いられる歯車列について説明する。図１に示す歯車列は、入力軸である歯車軸B2から上位桁の歯車軸B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10、B11、B12、B13、を間欠駆動するための間欠歯車機構と、入力軸である歯車軸B2から下位桁の歯車軸B1、B0を連続駆動するための歯車列から構成されている。また、上述したように７ビット目と８ビット目との間にはアイドルギア２が配設されている。

先ず、間欠歯車機構に用いられる歯車列について説明する。入力軸であるとともに原動車となる歯車軸B2には、図６(b)に示す歯車軸11が用いられる。原動車B2により間欠駆動され、かつ原動車B2が空転時に適宜ロックされて回転しない第１の従動車B3には、図７(a)に示す歯車軸12が用いられる。さらに、第１の従動車B3の回転を1／2に低減して伝達する第２の従動車B4には、図７(b)に示す歯車軸13が用いられる。

入力軸である原動車11には、図６(b)に示すように２箇所に歯車11a、11bが設けられ、上部歯車11aは16枚の連続歯を有する通常の平歯車である。一方、下部歯車11bは全周に16枚の歯をもつ平歯車のうち、直径方向に対向し、かつ隣接する２枚の歯となる位置にのみ４枚の歯を形成し、残りの12枚の歯に相当する部分には歯を設けず、歯幅の４割程度の厚さを有する半円弧状のリブ11cを一体的に形成した特殊形状の間欠歯車である。

第１の従動車B3である歯車軸12は、図７(a)に示すように原動車B2の下部歯車11bとほぼ同じ歯幅を有し、かつ全周に８枚の歯を持つピニオンにおいて、１枚置きに歯幅を異なる歯幅としたものである。具体的には４枚を全歯幅の歯車12aとし、残り４枚はその歯幅を全歯幅の約5割として下側にのみ狭幅の歯車12bを配したものである。

第２の従動車B4である歯車軸13には、図７(b)に示すように２箇所に歯車13a、13bが設けられ、上部歯車13bは原動車11の下部歯車11bと同一諸元を有する間欠歯車であるが、上下置換した状態で形成されている。一方、下部歯車13aは原動車11の上部歯車11aと同一であり１６枚の歯を有する平歯車である。

第１の従動車B3の狭幅の歯車12bは、原動車B2の間欠歯車11bと噛合し、かつ、従動車B3の全幅歯の歯車12aは、原動車B2のリブ11cと歯面が当接するように配置されている。従って、原動車B2は隣接する２枚の歯をもって、第１の従動車B3を、180度毎に45度分だけ駆動し、残り135度の回転区間は、回転を伝えない間欠駆動機構を実現することができる。

原動車B2の回転を伝えない区間においては、原動車B2のリブ11cと同一平面上で、第１の従動車B3の全幅歯の歯車12aのうち相隣る２枚の歯が、リブ11cの外周面に当接して滑動する。すなわち、この際には、第１の従動車B3における１つ置きをなす全幅歯の歯車12aの歯面は、リブ11cの外周面に当接している。従って、原動車B2は、第１の従動車B3に対して回転自在であるが、第１の従動車B3は、原動車B2に対して、正逆いずれにも回転することはできないことになる。

第１の従動車B3の狭幅の歯車12bは、第２の従動車B4の下部歯車13aと噛合し、第１の従動車B2が間欠的に駆動される90度毎の回転を、45度毎の回転に低減して、第２の従動車B4を間欠駆動する。

上述の如く、原動車B2の１回転は第１の従動車B3を90度ずつ２度に亘って間欠的に180度、すなわち1／2回転させ、かつ、第２の従動車B4を、45度ずつ２度に亘って90度、すなわち1／4回転させる。

このとき、原動車B2の１回の間欠送りにおける回転角度は45度であり、この45度の回転は、第１の従動車B3を90度回転させる増速駆動となっている。そして、第１の従動車B3は、その90度の回転で、第２の従動車B4を45度回転させる減速駆動であるから、原動車B2と第２の従動車B4との速度比は、１:１で等速駆動となる。このようにして間欠駆動を行いつつも回転速度が減衰することのない間欠送り歯車機構を実現している。

さらに、第２の従動車B4の歯車軸に、歯車列の次段歯車軸B5を従動車として結合して、順次多段結合すると、各歯車並びにその軸の回転比は、順次1/2に低減され、かつ、原動車B2と第２の従動車B4の条件を具備する各歯車軸の回転速度比は、すべて等しくなる。このようにして入力軸より上位桁の多数の歯車軸を順次1/2の回転量に低減しつつも、動作減衰のない間欠送り運動を実現することができる。

なお、歯車軸B5には、図７(c)示す歯車軸14が用いられる。この歯車軸14は、図７(a)に示す歯車軸12と殆んど同一の歯車軸であるが、歯車14a、14bの上下関係が逆転している点と歯車軸における歯車14a、14bの位置が相違している。その他の点は同一の歯車である。

また、歯車軸B6には、図７(d)に示す歯車軸15が用いられる。この歯車軸15は、図６(b)に示す歯車軸11と殆んど同一の歯車軸であるが、下部軸端部のみ相違する。すなわち、図６(b)に示す歯車軸11は入力軸B2の役割を有することから、被計測対象となる軸と接続するための軸端部11dを有している点が異なる。

このようして入力軸B2より上位桁となる歯車列B3〜B13は、２種類の小歯車軸12、14と２種類の大歯車軸13、15とによって、理論上は何桁のエンコーダでも構成することができる。即ち、４軸ごとに同一の歯車軸を使用すれば、理論的には何十ビットのエンコーダでも構成することが可能である。なお、各歯車軸にはエンコード板６を挿入して固定するため平行二面部が設けられている。

次に、連続駆動される歯車列B0、B1ついても簡単に説明する。入力軸B2より下位桁となる歯車軸B0、B1は入力軸B2により連続駆動される。これら連続駆動される歯車軸B0、B1には、図６(a)に示す歯車軸16が用いられる。この歯車軸16には、２箇所に歯車16a、16bが設けられており、上部歯車16aは入力軸である歯車軸11の上部歯車11aと噛合し、回転速度比は２倍に増速される。一方、下部歯車16bは相互に噛合し、当然のことながら回転速度比は1：1の等速となる。

以上述べた間欠駆動機構と連続駆動機構とにより、入力軸B2より上位桁となる歯車軸B3〜B13は回転速度比1/2となる間欠送り運動となり、入力軸B2より下位桁となる歯車軸B0、B1は回転速度比２倍の連続送り運動となる。

なお、最下位桁と最上位桁の歯車軸B0、B13に、図９(a)に示す１葉のエンコード板ではなく、図９(b)に示す２葉のエンコード板を用いるのは次のような事情によるものである。すなわち、最下位桁の歯車軸B0に２葉のエンコード板を用いるのは、歯車軸B0とB1の回転速度比が等速であり、下位桁に対応するフォトインタラプタ８の光軸8aのオン・オフ頻度を２倍にする必要があるからであり、最上位桁の歯車軸B13に２葉のエンコード板を用いるのは、入力軸回転方向と出力信号の増減方向の整合をとるためである。

また、本実施例では１４ビット構成のロータリーエンコーダを実現するため、信号生成用として１４本の歯車軸を用いて説明したが、必要に応じて信号数を１４ビット以上に増やすことも可能である。

以上説明したように上記実施例によれば、各歯車軸B0〜B13の歯車部とエンコード板６を予めサブアッセンブリ品として組立てることが可能となり、そのまま歯車箱５内に組み込むことができる。したがって、従来のエンコーダのように各歯車軸B0〜B13を歯車箱内に組み込んだ後にエンコード板を取付け調整する必要がなくなることから、組立て時間を著しく短縮することができる。

また、歯車列を直線状に複列配列したことから、歯車軸ごとに間欠歯車の位相角を異なるものとする必要がなくなる。したがって、部品の種類を大幅に減らすことができる。また、組立が容易となり、コスト低減をも図ることができる。

本発明に係るロータリーエンコーダは各種産業機器や制御機器の回転軸の回転量を計測するセンサとして利用できる。

１ロータリーエンコーダ
２アイドルギア
５筐体（歯車箱）
６エンコード板
８光電変換素子（フォトインタラプタ）
8a 光軸
９プリント基板
10 コネクタ
11 歯車軸（入力軸、原動車、B2）
12 歯車軸（B3、B7、B11）
13 歯車軸（B4、B8、B12）
14 歯車軸（B5、B9、B13）
15 歯車軸（B6、B10）
16 歯車軸（B0、B1）
B0〜B13 歯車列
11a〜16a 歯車
11b〜16b 歯車
11e,12c,13d,14c,15d,16c 軸支部

Claims

順次回転量を低減するように多段結合された歯車列における所要段の歯車軸に、入力軸の回転量をデジタル的に計数するためのエンコード板を取付け、前記歯車列の適宜の段間の原動車と従動車を、前記段間に要求される回転量の低減比に応じて原動車と従動車の連結部のいずれか適所を欠除して、原動車を空転させるような間欠送り手段としたロータリーエンコーダにおいて、各歯車軸の軸支部を歯車部とエンコード板の外側とし、信号検出素子としての光電変換素子を実装したプリント基板を筐体に側方から固着して前記光電変換素子の光軸を歯車軸と平行に配置し、
前記歯車列を直線状に複列配置するとともに各歯車列をアイドルギアで連結したことを特徴とするロータリーエンコーダ。
前記複列配置した各歯車列が平行であることを特徴とする請求項１記載のロータリーエンコーダ。
前記プリント基板を歯車列と同数設けたことを特徴とする請求項１記載のロータリーエンコーダ。
前記プリント基板間をコネクタで電気的に接続したことを特徴とする請求項３記載のロータリーエンコーダ。