JP2018063212A - アブソリュートエンコーダ - Google Patents
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Description
(式1) 主軸の回転量=主軸の回転角+主軸の回転数×360°
本発明は、このような認識に基づきなされたもので、主軸の回転角と回転数とに基づいてその回転量を求めるアブソリュートエンコーダを提供する。
また、第1、第2などの序数を含む用語は多様な構成要素を説明するために用いられるが、この用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ用いられ、この用語によって構成要素が限定されるものではない。
本発明の第1実施形態に係るエンコーダ100について説明する。図2は、エンコーダ100を示す模式図である。図3は、エンコーダ100を示す正面図である。以下、XYZ直交座標系をもとに説明する。X軸方向は水平な左右方向に対応し、Y軸方向は水平な前後方向に対応し、Z軸方向は鉛直な上下方向に対応する。Y軸方向およびZ軸方向はそれぞれX軸方向に直交する。X軸方向は左方向あるいは右方向と、Y軸方向は前方向あるいは後方向と、Z軸方向で正方向を上方向、Z軸方向で負方向を下方向と表記することがある。特に、後述する第1基板126側から視て第2基板128側を上側と、第2基板128側から視て第1基板126側を下側という。このような方向の表記はエンコーダ100の使用姿勢を制限するものではなく、エンコーダ100は任意の姿勢で使用されうる。
(式2) 主軸8の回転量=第1ロータ108の回転角+P1×P2×(第2ロータ109の回転角+P3×第3ロータ110の回転角)
制御部122については後述する。
第1基板126は、エンコーダ100のモータ107側(図3において下側)に設けられる略平板状の部材である。第1基板126は、例えば樹脂材料を用いてモールド成型により形成されてもよい。第1基板126は主軸8が挿通される孔部126hを有する。第1基板126には、中間歯車部115、第2ロータ109および第3ロータ110を回転可能に支持する4本のシャフト(不図示)が設けられており、これら4本のシャフトは第1基板126に対して直交し、且つ第2基板128に向かって延びている。これら4本のシャフトは回転軸を構成する。各ロータ108、109、110の中央部にはこのシャフトを回転可能に支持する軸受(不図示)が設けられる。この軸受には転がり軸受や滑り軸受を用いてもよい。
図3に示すように、第2基板128は、エンコーダ100の第1基板126と反対側に設けられる略平板状の部材である。第2基板128は、第1基板126に設けられた複数のボス(不図示)に固定されてもよい。図6に示すように、第2基板128は、第1角度センサ116と、第2角度センサ118と、第3角度センサ120と、制御部122と、を支持する。第2基板128は、例えば各センサと制御部の配線が設けられたプリント配線板であってもよい。第1角度センサ116の中央部は第1ロータ108の回転軸R1の延長上に配置され、マグネットM1に対向している。第2角度センサ118の中央部は第2ロータ109の回転軸R2の延長上に配置され、マグネットM2に対向している。第3角度センサ120の中央部は第3ロータ110の回転軸R3の延長上に配置される。
第1角度センサ116、第2角度センサ118および第3角度センサ120(以下、各角度センサと表記することがある。)は、1回転に対応する0°〜360°の範囲の絶対的な回転角を検出するセンサである。各角度センサは検出した回転角に応じた信号(例えばデジタル信号)を制御部122に出力する。第1角度センサ116、第2角度センサ118および第3角度センサ120は、一旦通電を停止して再通電をした場合にも、通電停止前と同じ回転角を制御部122に出力する。このためバックアップ電源を備えない構成が可能である。図6に示すように、各角度センサ116、118、120は第2基板128の予め定められた位置又は所定の位置にはんだ付け等の手段によって固定される。図6において第1角度センサ116、第2角度センサ118を囲む円形の破線は、第2基板128に投影したマグネットM1、M2の外形を示す。
マグネットM1およびマグネットM2(以下、各マグネットと表記することがある。)は略円筒形状を有し、例えばNdFeB系の磁石材料から形成されるボンド磁石である。各マグネットの第2基板128側の端部には径方向に2極の磁極が設けられる。言い換えれば、周方向に2つの磁極が並んで設けられている。各マグネットは各ロータ108、109から第2基板128に向かって(上向きに)延在する各支持部108s、109sに形成された各凹部108h、109hに収容され、例えば接着材を用いて固定される。第1角度センサ116は、第1ロータ108に設けられたマグネットM1の磁極を検出して、第1ロータ108の回転角を複数ビット(例えば7ビット)のデジタル信号として出力する。第2角度センサ118は、第2ロータ109に設けられたマグネットM2の磁極を検出して、第2ロータ109の回転角を複数ビット(例えば7ビット)のデジタル信号として出力する。
図3〜5に示すように、第1歯車部112には欠歯ギアが設けられ、中間歯車部115にはゼネバ機構が設けられている。これら第1歯車部112と中間歯車部115は欠歯ギアとゼネバ機構により結合されて変速比がP1である変速部G1を構成する。中間歯車部115と第2歯車部113はギア結合されて変速比がP2である変速部G2を構成する。同様に、第2歯車部113と第3歯車部114は欠歯ギアとゼネバ機構により結合されて変速比がP3である変速部G3を構成する。変速部G1、変速部G2および変速部G3は次第に減速する減速機構を構成する。この減速機構によって、第1ロータ108、中間歯車部115、第2ロータ109および第3ロータ110は、連動して回転する。つまり、第1ロータ108が回転することによって、第2ロータ109および第3ロータ110は予め設定された減速比で減速回転する。なお、第1歯車部112と中間歯車部115は欠歯ギアとゼネバ機構により結合されて、変速比P1の変速部G1を構成している。同様に、第2歯車部113と第3歯車部114は欠歯ギアとゼネバ機構により結合されて変速比P3の変速部G3を構成している。
但し、ゼネバ機構による伝達であるため連続回転ではなく間欠回転による伝達であり、主軸8の回転は連続した回転角度ではなく主軸8の回転数を表す離散的な回転位置として、各ロータ108、109、110へと伝達される。
第1歯車部112は、第2基板128側(上)から順に設けられる駆動歯車112dと、カム部112cと、を含む。駆動歯車とは、駆動する歯車をいう。この駆動歯車により駆動される歯車は従動歯車という。カム部112cおよび駆動歯車112dは、それぞれ外周面に所定の凹凸またはギア歯が設けられる略円筒形状の外形を有する。カム部112cおよび駆動歯車112dは一体に形成され、さらに同じ回転軸を備えていてもよい。駆動歯車112dが中間歯車部115の従動歯車115eと噛み合うことで、第1ロータ108の回転が中間歯車部115に伝達される。カム部112cが中間歯車部115のカム部115cと噛み合うことで中間歯車部115の非正規回転を規制する。ここで非正規回転とは従動歯車が駆動歯車と噛み合うことで正規に伝達される回転以外の回転をいう。以下の従動歯車が駆動歯車と噛み合う部分についても、この概念が同様に適用される。第1歯車部112の駆動歯車112dは、その外周を12等分した位置のうち連続する2箇所に2個の歯を有する部分と、他の箇所に歯が設けられない部分である欠歯部と、を有する欠歯歯車である。つまり、駆動歯車112dは角度が60°であるギア歯を有する欠歯歯車である。このような第1歯車部のカム部112cと中間歯車部のカム部115cは、第1歯車部の駆動歯車112dと中間歯車部の従動歯車115eによって駆動されるゼネバ機構を構成している。
中間歯車部115は、第1ロータ108と第2ロータ109の間で回転を減速して伝達する要素である。中間歯車部115を設けることで、第1ロータ108と第2ロータ109の間の減速比を大きくできる。中間歯車部115は、第2基板128側(上)から順に設けられる従動歯車115eと、カム部115cと、駆動歯車115dと、を含む。カム部115c、従動歯車115eおよび駆動歯車115dは、それぞれ外周面に所定の凹凸またはギア歯が設けられる略円筒形状の外形を有する。カム部115c、従動歯車115eおよび駆動歯車115dは一体に形成され、さらに同じ回転軸を備えてもよい。従動歯車115eが第1歯車部112の駆動歯車112dと噛み合うことで、第1ロータ108の回転が中間歯車部115に伝達される。
第2歯車部113は、第2基板128側(上)から順に設けられる従動歯車113eと、カム部113cと、駆動歯車113dと、を含む。従動歯車113e、駆動歯車113dおよびカム部113cはそれぞれ外周面に所定の凹凸またはギア歯が設けられる略円筒形状の外形を有する。従動歯車113e、駆動歯車113dおよびカム部113cは一体に形成され、さらに同じ回転軸を備えていてもよい。従動歯車113eが中間歯車部115の駆動歯車115dと噛み合うことで、中間歯車部115の回転が第2ロータ109に伝達される。
第3歯車部114は、第2基板128側(上)から順に設けられるカム部114cと、従動歯車114eと、を含む。カム部114cおよび従動歯車114eは、それぞれ外周面に所定の凹凸またはギア歯が設けられる略円筒形状の外形を有する。カム部114cと従動歯車114eは一体に形成され、さらに同じ回転軸を備えていてもよい。第3歯車部114の従動歯車114eは、その外周の44等分した位置に44個のギア歯を有する平歯車である。第3歯車部のカム部114cはその外周を16等分するカムから成るゼネバホイールであり、第2歯車部のカム部113cはその外周に1箇所の前記ゼネバホイールの非正規回転を規制するロック要素を持っており、第2歯車部のカム部113cと第3歯車部のカム部114cは第2歯車部の駆動歯車113dと第3歯車部の従動歯車114eによって駆動される分割比16のゼネバ機構を構成している。つまり、第2歯車部と第3歯車部とは変速比P3が16である変速部G3を構成する。この構成により、第3ロータ110が1回転することで第2ロータ109は変速比P3に対応して16回分回転しており、さらに主軸8は変速比P1と変速比P2の積に対応して1440回分回転している。よって、第3ロータ110の回転角を検出することで主軸の1440回転にわたる回転数を検出することができる。
図2を参照する。制御部122は、第1取得部41と、第2取得部42と、第3取得部43と、回転数特定部45と、回転量特定部44と、出力部46と、を含む。これら各ブロックは、ハードウエア的には、コンピュータのCPU(central processing unit)をはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウエア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウエア、ソフトウエアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、本明細書に触れた当業者に理解されるところである。
(1)モータ107と、シャフト(不図示)を立設した第1基板126と、を準備する。
(2)主軸8を上向きにした姿勢でモータ107を治具に固定する。孔部126hに主軸8を挿通して第1基板126をモータ107の上側に固定する。
(3)第1ロータ108を第2基板128が設けられる側(上)から主軸8に被せて固定する。
(4)第3ロータ110を第1基板126に取付ける。この際、第1基板126のシャフトに第3ロータ110の軸受(不図示)を第2基板128が設けられる側(上)から嵌合する。
(5)第2ロータ109を、第3ロータ110の一部を覆うように第1基板126に取付ける。この際、第1基板126のシャフトに第2ロータ109の軸受(不図示)を第2基板128側(上)から嵌合する。
(6)中間歯車部115を、第2ロータ109の一部を覆うように第1基板126に取付ける。この際、第1基板126のシャフトに中間歯車部115の軸受(不図示)を第2基板128側(上)から嵌合する。
(7)第1角度センサ116、第2角度センサ118、第3角度センサ120および制御部122を取付けた第2基板128を、複数のボス(不図示)等を介して第1基板126に固定する。この際、第3角度センサ120の入力軸120sを第3ロータ110に固定する。
このように各部材を順次上側に重ねるように組み立てることで、個々の作業が単純化され、製造の手間や設備投資額を抑制することができる。
なお、上述の工程は一例であって、必要に応じて工程順を変更したり、別の工程を追加したり、一部の工程を削除してもよい。
第1実施形態のエンコーダ100は、主軸8と一体に回転する第1歯車部112と、第1歯車部112が連続回転するとき間欠回転する歯車であって、第1歯車部112に対して第1減速比で減速回転する第2歯車部113と、主軸8の回転角を検出する第1角度センサ116と、第2歯車部113の回転角を検出する第2角度センサ118と、を備える。この構成によれば、検出した主軸8の回転角と、検出した第2歯車部113の回転角から特定した主軸8の回転数とに基づき、例えば前述の式1により主軸8の複数回転にわたる回転量を特定することができる。一方の角度センサがその分解能の範囲でエンコーダ100から出力されるデジタル信号の下位のビット列を検出し、他方の角度センサがその分解能の範囲で中位または上位のビット列を検出することで、分解能が異なる複数の角度センサを組み合わせた場合でもエンコーダの精度の低下を抑制することができる。ここで、エンコーダ100から出力されるデジタル信号のビット列をその上位側から下位側に向かって区分したとき、上位のビット列を上位のビット列と、その下のビット列を中位のビット列と、さらにその下のビット列を下位のビット列と呼ぶ。なお、各ビット列の幅は、角度センサの分解能に応じて設定することができる。
続いて本発明の第2実施形態について説明する。第2実施形態の図面および説明では、第1実施形態と同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。第1実施形態と重複する説明を適宜省略し、第1実施形態と相違する構成について重点的に説明する。
図7は、エンコーダ200を示す模式図である。図8はエンコーダ200を示す正面図である。エンコーダ200は、エンコーダ100に対して主軸8の回転数を特定するための第3特定要素73の構成が異なり他の構成は共通である。図7に示すように、エンコーダ200は第3特定要素73に代えて第3特定要素74を備える。
(式3) 主軸8の回転数=P1×P2×(第2ロータ109の回転角÷360°+第2ロータ109の回転数)
この主軸8の回転数を前述の式1に代入することで、主軸8の回転量を特定することができる。回転量特定部44は、第1取得部41からの出力データおよび回転数特定部45からの出力データに基づき主軸8の回転量を特定する。出力部46は回転量特定部44によって特定された主軸8の回転量を所定の形式で出力する。
第2実施形態のエンコーダ200は、主軸8と一体に回転する第1歯車部112と、第1歯車部112が連続回転するとき間欠回転する歯車であって第1歯車部112に対して予め設定された減速比で減速回転する第2歯車部113と、第2歯車部113部の回転量を順次半減するように連結されて前段が連続回転するとき前段と同じ回転速度で間欠回転する第1段〜第N(Nは1以上の整数)段の歯車である第4歯車部156および第5歯車部157と、主軸8の回転角を検出する第1角度センサ116と、第2歯車部113の回転角を検出する第2角度センサ118と、第1段〜第N段の歯車それぞれの回転を検出する第4ホール検出器161および第5ホール検出器162と、を備える。この構成によれば、第1角度センサ116および第2角度センサ118からの出力信号と、第4ホール検出器161および第5ホール検出器162からの出力信号とに基づいて主軸8の複数回転にわたる回転量を特定することができる。第4ホール検出器161および第5ホール検出器162を備えることによって主軸8の回転量の特定可能範囲を拡大することができる。また、駆動歯車155d、従動歯車156e、駆動歯車156d、従動歯車157eは同じ歯数(18歯)であり、同じ速度で回転するため、各歯車の回転を検出するタイミングにおける歯車の通過速度の低下を抑制して、第4ホール検出器161および第5ホール検出器162の検出タイミングの変動を軽減することができる。
続いて本発明の第3実施形態について説明する。第3実施形態の図面および説明では、第2実施形態と同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。第2実施形態と重複する説明を適宜省略し、第2実施形態と相違する構成について重点的に説明する。
図12は、エンコーダ300を示す模式図である。図13はエンコーダ300を示す正面図である。エンコーダ300は、エンコーダ200に対して、第3特定要素74が第2特定要素72の前段側に結合される点および歯車列の構成が異なり、他の構成は共通である。
(式4) 主軸8の回転数=4×P10×P11×P12×第2ロータ109の回転角÷360°
この主軸8の回転数を前述の式1に代入することで、主軸8の回転量を特定することができる。回転量特定部44は、第1取得部41からの出力データおよび回転数特定部45からの出力データに基づき主軸8の回転量を特定する。出力部46は回転量特定部44によって特定された主軸8の回転量を所定の形式で出力する。
第3実施形態のエンコーダ300は、主軸8と一体に回転する第1歯車部117と、第1歯車部117の回転量を順次半減するように連結されて前段が連続回転するとき前段と同じ回転速度で間欠回転する第1段〜第N(Nは1以上の整数)段の歯車である第4歯車部151および第5歯車部152と、第N段の歯車である第5歯車部152が連続回転するとき間欠回転する歯車であって、第5歯車部152に対して第1減速比で連結される第2歯車部119と、主軸8の回転角を検出する第1角度センサ116と、第1段〜第N段の歯車それぞれの回転を検出する回転センサである第4ホール検出器161および第5ホール検出器162と、第2歯車部119の回転角を検出する第2角度センサ118と、を備える。この構成によれば、第1角度センサ116および第2角度センサ118からの出力信号と、第4ホール検出器161および第5ホール検出器162からの出力信号とに基づいて主軸8の複数回転にわたる回転量を特定することができる。第4ホール検出器161および第5ホール検出器162を備えたことによって主軸8の回転量の特定可能範囲を拡大することができる。また、同じ歯数(22歯)であり、同じ速度で回転する駆動歯車117d、従動歯車151e、駆動歯車151d、歯車152bにより構成される第4歯車部151および第5歯車部152が第2歯車部119の前段側に設けられることで、各歯車の回転を検出するタイミングにおける歯車の通過速度の低下を抑制して、第4ホール検出器161および第5ホール検出器162の検出タイミングの変動を軽減できるとともにこれらの入力側の周速を大きくしてバックラッシュの影響を抑制することができる。
第1〜第3実施形態では、間欠駆動を実現するために180°、60°あるいは36°だけギア歯を有する欠歯歯車を用いる例について説明したがこれに限られない。間欠駆動は別の原理に基づく機構によって実現されてもよい。例えば、間欠駆動は駆動ピンとカム溝を用いたゼネバ機構によって実現されてもよい。
また第2?第3実施形態で第4ロータおよび第5ロータの変速比を1/2として説明したが、駆動ギアと従動ギアの歯数を同じにして、駆動ギアと従動ギアが同じ回転速度で回転するようにして、ゼネバホイールの分割数を2より大きくしても変速比1/2の場合と同じ効果が得られる。
第2および第3実施形態では、回転センサがホール効果を用いた磁気式センサである例について説明したがこれに限られない。回転センサは回転を検出可能なセンサであれば別の原理に基づくものであってもよい。例えば、回転センサは光学式や静電容量式のセンサであってもよい。
第1〜第3実施形態では、エンコーダ100が5組の歯車部から、エンコーダ200が7組の歯車部から、エンコーダ300が6組の歯車部から、それぞれ構成される例について説明したがこれに限られない。必要に応じて歯車部の構成数は増減してもよい。
第1〜第3実施形態では、各歯車部が直線状に配置される例について説明したがこれに限られない。例えば、各歯車部は環状あるいはらせん状に配置されてもよい。
第1〜第3実施形態では、第1基板126にシャフトを立設し、このシャフトに歯車部に設けた軸受を嵌合する例について説明したがこれに限られない。各歯車部にシャフトを固定し、このシャフトを第1基板126に設けた軸受に嵌合するように構成してもよい。第2、第3実施形態では、Nは1以上の整数として説明したが、Nは2以上の整数であってもよい。
Claims (6)
- 主軸の複数回の回転にわたる回転角の総和である回転量を検出するアブソリュートエンコーダであって、
前記主軸と一体に回転する第1歯車部と、
前記第1歯車部が連続回転するとき間欠回転する歯車部であって、前記第1歯車部に対して予め定められた減速比で減速回転する第2歯車部と、
前記主軸の角度を検出する第1角度センサと、
前記第2歯車部の角度を検出する第2角度センサと、
を備えることを特徴とするアブソリュートエンコーダ。 - 前記第2歯車部が連続回転するとき間欠回転する歯車部であって、前記第2歯車部に対して予め定められた減速比で減速回転する第3歯車部と、
前記第3歯車部の角度を検出する第3角度センサと、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載のアブソリュートエンコーダ。 - 前記第3角度センサは、前記第3歯車部の角度に応じたデジタル信号を出力するスイッチ要素を含むロータリーコードスイッチを有することを特徴とする請求項2に記載のアブソリュートエンコーダ。
- 前記第3角度センサの分解能は前記第2角度センサの分解能より高いことを特徴とする請求項2に記載のアブソリュートエンコーダ。
- 主軸の複数回の回転にわたる回転角の総和である回転量を検出するアブソリュートエンコーダであって、
前記主軸と一体に回転する第1歯車部と、
前記第1歯車部が連続回転するとき間欠回転する歯車部であって、前記第1歯車部に対して予め定められた減速比で減速回転する第2歯車部と、
前記第2歯車部の回転量を順次減少するように連結されて前段が連続回転するとき前段と同じ回転速度で間欠回転する第1段〜第N(Nは1以上の整数)段の歯車と、
前記主軸の角度を検出する第1角度センサと、
前記第2歯車部の角度を検出する第2角度センサと、
前記第1段〜第N段の歯車それぞれの回転を検出する回転センサと、
を備えることを特徴とするアブソリュートエンコーダ。 - 主軸の複数回の回転にわたる回転角の総和である回転量を検出するアブソリュートエンコーダであって、
前記主軸と一体に回転する第1歯車部と、
前記第1歯車部の回転量を順次減少するように連結されて前段が連続回転するとき前段と同じ回転速度で間欠回転する第1段〜第N(Nは1以上の整数)段の歯車と、
前記第N段の歯車が連続回転するとき間欠回転する歯車部であって、前記第N段の歯車に対して予め定められた減速比で連結される第2歯車部と、
前記主軸の角度を検出する第1角度センサと、
前記第1段〜第N段の歯車それぞれの回転を検出する回転センサと、
前記第2歯車部の角度を検出する第2角度センサと、
を備えることを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
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Cited By (4)
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