JP4464637B2 - マルチターン・角度測定器 - Google Patents

Description

マルチターン・角度測定器は複数回転を絶対的に検出する電気機械式センサであり、装置に電源を入れた直後から複数回転にわたって位置解析を行う間、いつでも一意の角度位置が得られる。角度測定器は、回転軸及び軸の測定、工業、特に製造機械・操作機械の電動機のポジショニング及び制御に使用される。

この種のマルチターン・回転センサは、コンパクトな構造でかつ一意に検出可能な高い回転数を有しているのが好適である。例えばドイツ特許公報第28 17 172 C2号には、平歯車式減速歯車装置によって駆動されるマルチターン・測度形成体をシングル・コードディスクの円周領域内に配することによってコンパクトな構造を実現する回転センサが記載されている。この場合、マルチターン測度及びシングルターン測度を検出するための各センサは異なった導体板に配置されている。

ドイツ特許公報第34 29 648 C2号には、光学式シングル・コードディスクと該シングル・コードディスクの円周領域内に配置された更に別な光学式マルチターン・コードディスクとを走査するために１枚の導体板に配置された検出器を使用するマルチターン・回転センサが記載されている。

この場合にも減速のために、入力シャフトと平行な回転軸を有した平歯車装置が使用される。

ドイツ公開特許公報第100 60 574 A1号にも、シングル・コード担体とマルチターン・コード担体とを検出するために１枚の導体板に配置された検出器を使用するマルチターン・回転センサが記載されている。

ドイツ特許公報第100 01 676 C1号に記載された積算回転計では、入力シャフトの円周部に沿って配置されたリード接点が入力軸と共に回転するマグネットによって作動することで、カウントパルスが発生する。ただし、この種の積算式マルチターン・回転センサには、電源断絶状態での計数のためにバッファバッテリーが必要である。更に、リード接点は機械的摩耗にさらされるため、限定された寿命しか有しない。また、上記バッテリーはスペースを必要とすることから、小型のマルチターン・回転センサでは、バッテリーをセンサケーシングの外部に設置するしかない。

ドイツ特許公報第28 17 172 C2号 ドイツ特許公報第34 29 648 C2号 ドイツ公開特許公報第100 60 574 A1号 ドイツ特許公報第100 01 676 C1号

従来の機械式マルチターン・回転センサの減速歯車装置は、入力シャフトと平行な歯車回転軸を有した平歯車装置として形成されている。従って、入力シャフトが大きな直径を有する場合には、これと噛み合うマルチターン第１段の歯車は、減速を実現するため、入力シャフトに取り付けられた歯車よりも更に大きな直径を有していなければならない。しかしながら、そのためには極めて大きなスペースが必要となる。そうでなければ増速が生じ、第１歯車段に入力シャフトの回転数よりも高い回転数がもたらされる。従って、入力シャフトの高回転数によって歯車摩耗が促進すると共に、これによりマルチターン・角度測定器の寿命が低下する。

本発明の目的は、コンパクトな構造でかつ比較的少ないマルチターン段で、入力シャフトの回転数が高い場合及び／又は入力シャフトの直径が大きい場合でも、高い回転数を測定することのできるマルチターン・回転センサを作製することである。

上記目的は、本発明の第１の態様に係るマルチターン・角度測定器によって実現される。
本発明の第１の態様に係るマルチターン・角度測定器は、入力シャフトに回転しないように固定された第１の測度形成体（Massverkoerperung）と、入力シャフトの角度位置を検出するために第１の測度形成体を走査する第１の走査ユニットと、入力シャフトの回転数測定に使用されるその他の測度形成体とを有し、各測度形成体は減速歯車装置によってそれぞれに前置された測度形成体に対して減速されかつ互いに平行に配置され、各測度形成体を走査するためにそれぞれ１つの走査装置が１枚の導体板（Leiterplatte）に配置されているマルチターン・角度測定器において、入力シャフトに結合された入力歯車及び第１の伝動歯車は互いに不平行な回転軸を有し、入力歯車と第１の伝動歯車のホイールの歯の歯すじはそれぞれの歯車の回転軸に対して平行をなさず、入力歯車の歯の数は第１の伝動歯車のホイールの歯の数よりも少なく、爾後の伝動歯車は入力シャフトに対して再び平行に配置され、第１の伝動歯車の駆動側歯車及び第２の伝動歯車のホイールはねじ歯車であることを特徴とする。

本発明の第１の態様に係るマルチターン・角度測定器は、入力シャフトに回転しないように固定された第１の測度形成体と、入力シャフトの角度位置を検出するために第１の測度形成体を走査する第１の走査ユニットと、を有している。その他の測度形成体は、入力シャフトの回転数測定に使用される。その際、各測度形成体は、減速歯車装置によりそれぞれに前置された測度形成体に対して減速されると共に、互いに平行に配置されている。各測度形成体を走査するために、それぞれ１つの走査装置が１枚の導体板に配置されている。本発明により、入力シャフトに結合された入力歯車及び第１の伝動歯車は互いに不平行な回転軸を有し、入力歯車の歯の歯すじと伝動歯車のホイールの歯の歯すじはそれぞれの歯車の回転軸に対して平行をなさない。更に、入力歯車の歯の数は第１の伝動歯車のホイールの歯の数よりも少なく、爾後の伝動歯車は再び入力シャフトに対して平行に配置されている。第１の伝動歯車の駆動側歯車及び第２の伝動歯車のホイールは、ねじ歯車である。

従って、第１の伝動歯車は入力シャフトに結合された入力歯車及び第２の伝動歯車とはす歯によって噛み合っている。このため、第１の伝動歯車は、入力歯車に対して傾斜していると同時に、入力シャフトと平行に配置されている残余の伝動歯車に対しても傾斜して配置することができる。これにより、入力シャフトの直径が大きい場合、例えば中空シャフトの場合でも、十分な減速を達成することが可能である。その際、例えば９０°の角度をなして配置可能な第１の伝動歯車を配置することによりスペースを小さく保持することができ、これにより前記の短所が回避される。

本発明によって達成される利点は特に、マルチターン・回転センサの非常にコンパクトな構造が実現されると同時に、第１歯車段の大幅な減速の実現によって、とりわけ大きな直径を有する入力シャフトの高い回転数も測定することができる点にある。更に、シングル段及びマルチターン段の測度形成体を検出するための走査ユニットを単一の導体板に配置することで、よりコンパクトな構造とすることも可能である。

本発明の第２〜７の態様に係るマルチターン・角度測定器によると、本発明の好適な構成が得られる。

本発明の第２の態様に係るマルチターン・角度測定器では、入力シャフトに結合された歯車と第１の伝動歯車のホイールもねじ歯車である。

本発明の第３の態様に係るマルチターン・角度測定器では、第１の測度形成体の走査ユニットとその他の測度形成体の走査ユニットは単一の導体板に配置される。この場合、かなりの省スペースが達成され、それに応じて回転センサをコンパクトにすることが可能である。

本発明の第４の態様に係るマルチターン・角度測定器では、その他の測度形成体は入力シャフトと平行に延びる回転軸を有する歯車にそれぞれ同心担持され、該歯車の間に更に別の中間歯車が配置される。これらの歯車は、一体式マルチターン・ユニットに配置するようにしてもよい。

本発明の第５の態様に係るマルチターン・角度測定器では、その他の測度形成体は直径方向に対向して磁化された永久磁石である。

本発明の第６の態様に係るマルチターン・角度測定器では、第１の測度形成体は発光器によって照明されて光電式走査ユニットによって検出される透過式モアレ縞コードディスクである。

本発明の第７の態様に係るマルチターン・角度測定器では、第１の測度形成体はセクタ状に磁化されて１つもしくは複数の磁気センサで検出される１個もしくは複数個のマグネットから成る。

発明の実施の形態

以下、本発明の一実施例を図面を参照しながら説明する。

マルチターン・角度測定器１は若干数のモジュール式構造要素から構成されている。マルチターン・角度測定器１は、ケーシング３と、入力シャフト２と、入力シャフト２に結合された測度形成体（コードディスク）９と、マルチターン・ギアユニット５と、導体板６とから成る。導体板６に、コードディスク９及びマルチターン・測度形成体１１，１２，１３を検出するための走査ユニットが配置されている。

１回転内の入力シャフト２の絶対ポジションを測定するため、コードディスク９が発光器７によって照明され、走査ユニット１０によって検出される。発光器７は、発光ダイオードＬＥＤから成るのが好適である。

この場合、光学式コードディスク９は、絶対２進コード、好ましくはグレイコードや、例えば明暗ウィンドウで実現されたシーケンシャルコード等を担持している。コーディングは、透過式走査の場合、例えばホトリソグラフィーによって構造化されたガラス基板上の薄いクロム層によって形成されている。更に、コードディスク９にはできるだけ高いピッチ数から成る増分コードトラックを設けることができる。これにより、マルチターン・角度測定器１の高い角度解像度が得られる。

入力シャフト２は、回転センサ・ケーシング３に対して好ましくは玉軸受け４によって回動自在に支持されると共に、マルチターン・ギアユニット５の第１の歯車４１の減速駆動用の入力歯車４０を有する。この入力歯車４０は、入力シャフト２と平行な回転軸を有するのはもちろんである。ただし、マルチターン段５の第１の歯車４１は、入力歯車４０の回転軸に対して平行でない回転軸を有している。入力シャフト２に結合された入力歯車４０とマルチターン段５の第１の歯車とから成る第１のギア段は、相互の回転軸が９０°をなしているねじ歯車装置とするのが好適である。

入力歯車４０の歯数が第１の伝動歯車４１の歯数よりも多ければ、入力歯車４０の駆動に際して減速が生じて緩速になる。

入力シャフト２に結合された入力歯車４０及び第１の伝動歯車４１は、互いに不平行な回転軸Ｄ_４０，Ｄ_４１を有している。歯車４０の歯Ｚ_４０の歯すじと歯車４１のホイール４１１の歯Ｚ_４１の歯すじは、それぞれの歯車４０，４１の回転軸Ｄ_４０，Ｄ_４１に対して平行を成していない。入力歯車４０の歯Ｚ_４０の数は第１の伝動歯車４１のホイール４１１の歯Ｚ_４１の数よりも少なく、爾後の伝動歯車は入力シャフト２と再び平行に配置されている。第１の伝動歯車４１の駆動側歯車４１２及び第２の伝動歯車３１のホイールは、ねじ歯車として形成されている。

従って、第１の伝動歯車４１は、入力シャフト２に結合された入力歯車４０及び第２の伝動歯車３１とはす歯によって噛み合っている。それゆえ、第１の伝動歯車４１は入力歯車４０に対して傾斜していると同時に、入力シャフト２と平行に配置されている残余の伝動歯車に対しても再び傾斜して配置することができる。

図２は、マルチターン・ギアユニット５を異なる２方向から眺めた姿を表わしたものである。ギアユニット５の第１の歯車４１は、その他の減速歯車３１，３４，３２，３５，３３を駆動する。歯車３１，３２，３３は、入力シャフト２の回転数を測定するためのコードディスク（ポジションコーディング）１１，１２，１３を担持している。この場合、各々のコード歯車３１，３２，３３は、中間歯車３４，３５を介して、それぞれ前置されたコード歯車３１，３２，３３に対して減速されながら駆動される。入力歯車４０とギアユニット５の最後の歯車３３を別として、各々の歯車は回転軸の方向に並列したホイールと称される部分と駆動側歯車と称される部分を有している。各々の歯車の双方の部分は、それぞれ異なった歯形を有している。この場合、ホイールと称される歯車部分は、それぞれ前置された歯車の駆動側歯車の回転運動の受け入れに使用される。

ポジションコーディング１１，１２，１３の検出のため、走査ユニット２１，２２，２３が設けられる。なお、走査ユニット２１，２２は図示していない。コードマグネット１１，１２，１３を担持している歯車３１，３２，３３は、入力シャフト２の回転軸と平行を成す互いに平行な回転軸を有した平歯車装置であるのが好適である。測度形成体１１，１２，１３はその円周に沿ってセクタ状に交互に磁化された、好ましくは直径方向に対向して磁化された永久磁石である。マグネット１１，１２，１３は同一の円筒ジオメトリと同一の磁界強度を有し、１つの共通の面内にあるのが好適である。走査ユニット２１，２２，２３も同じく１つの共通な面内にあり、それぞれ検出対象である磁性測度形成体１１，１２，１３に対向しているのが好適である。

入力シャフト２に結合されたコードディスク９を検出するための走査ユニット１０と、磁性測度形成体１１，１２，１３を検出するためのスキャナ２１，２２，２３は半導体部品であり、導体板６のコードディスク９に対向した側に配置されている。

図２に示したマルチターン・ギアユニット５において、第１の歯車４１の回転軸は入力シャフト２に結合された入力歯車４０の回転軸に対して垂直を成している。測度形成体（ポジションマグネット）１１，１２，１３を担持した歯車３１，３２，３３が入力シャフト２と平行に延びる回転軸を有するようにするため、歯車４１の駆動側歯車と歯車３１のホイールとから成るもう１つのねじ歯車装置によって歯車４１，３１の回転軸は再度９０°ねじられている。その他のすべての歯車３４，３２，３５，３３は、入力シャフト２の回転軸と平行な回転軸を有する平歯車である。

図１及び図４に示したマルチターン・回転センサにおいて、マルチターン・ユニット５のすべての歯車３１，３２，３３，３４，３５，４０，４１は、測度形成体１１，１２，１３を含めて、シングル段用の測度形成体９の円周領域の完全な外部に配置されている。

更に、シングル／マルチターン段用の測度形成体９，１１，１２，１３は、導体板６に対して同一側に配置されている。従って、測度形成体９，１１，１２，１３を検出するための走査ユニット１０，２１，２２，２３はすべて、導体板６の測度形成体に対向した側に配置してよい。このような配置は、走査ユニットが同一の方法で、例えばチップオンボード（CoB）として導体板６とワイヤボンディングで接続される場合に特に好適である。その他の電子デバイスは、例えばSMDデバイス（SMD：surface mounted device。表面実装デバイス）として導体板６に配置されている。

以上に加えて、マルチターン・ユニット用のギア段は部分的又は全面的にシングル段のコードディスク９の円周領域内に配置して、更にコンパクトな構造とすることも可能である。この場合、シングル段の測度形成体９とマルチターン・ギア段の測度形成体１１，１２，１３とを検出するための走査ユニット１０，２１，２２，２３は、単一の導体板６に配置してもよい。

更に別の変形構造では、導体板６は入力シャフト２の角度位置を検出するための第１の測度形成体９とマルチターン・ユニット５との間に配置されている。この場合にも、測度形成体９，１１，１２，１３を検出するための走査ユニットは、導体板６に配置してよい。

図１及び図４に示した実施例では、第１の測度形成体９は透過式コードディスクである。ただし、反射式コードディスクとすることも可能である。この場合、発光器７は走査ユニット１０と同じ側に配置される。発光器７と走査ユニット１０は、１枚の共通の導体板６に配置するのが好適である。

光学式コードディスク９の検出にあっては、走査ユニット１０は測度形成体９上のコーディングに対応して構造化された感光半導体層から成り、該半導体層が１つ又は複数の電気アナログないしデジタル・ポジション信号を発生する。

磁性マルチターン測度形成体１１，１２，１３を検出するための走査ユニット２１，２２，２３は、半導体基板に組み込まれた複数の磁気センサ、例えばホール効果型センサや磁気抵抗（MR）型センサから成るのが好適である。走査ユニット２１，２２，２３にそれぞれ後置された解析評価回路によって生み出される、測度形成体として利用される測度形成体１１，１２，１３の角度位置の解像度は少なくともｎビットである。その際、２^ｎは、測度形成体１１，１２，１３をそれぞれ担持する３つの歯車３１，３２，３３の間の減速率よりも大である。

マルチターン・回転センサの断面図。 異なった方向から眺めたマルチターン・ギアユニットの斜視図。 歯車の構成を示した模式図。 解体されたマルチターン・回転センサの斜視図。

符号の説明

１…回転センサ
２…入力シャフト
３…ケーシング
４…軸受け
５…マルチターン・ギアユニット
６…導体板
７…発光器
８…コリメータレンズ
９…コードディスク／測度形成体
１０，２１，２２，２３…走査ユニット
１１，１２，１３ マグネット／測度形成体
３１，３２，３３ コード歯車
３４，３５ 中間歯車
４０…入力歯車
４１…マルチターンユニット５の入力歯車
４１１…歯車４１のホイール
４１２…歯車４１の駆動側歯車
Ｄ_４０，Ｄ_４１…歯車４０，４１の回転軸
Ｚ_４０，Ｚ_４１…歯車４０と歯車４１のホイール４１１の歯

Claims (7)

1. 入力シャフト（２）に回転しないように固定された第１の測度形成体（９）と、入力シャフト（２）の角度位置を検出するために第１の測度形成体（９）を走査する第１の走査ユニット（１０）と、入力シャフト（２）の回転数測定に使用されるその他の測度形成体（１１，１２，１３）とを有し、各測度形成体（１１，１２，１３）は減速歯車装置によってそれぞれに前置された測度形成体（９，１１，１２）に対して減速されかつ互いに平行に配置され、各測度形成体（１１，１２，１３）を走査するためにそれぞれ１つの走査装置（２１，２２，２３）が１枚の導体板（６）に配置されているマルチターン・角度測定器（１）において、入力シャフト（２）に結合された入力歯車（４０）及び第１の伝動歯車（４１）は互いに不平行な回転軸（Ｄ_４０，Ｄ_４１）を有し、歯車（４０）と歯車（４１）のホイール（４１１）の歯（Ｚ_４０，Ｚ_４１）の歯すじはそれぞれの歯車（４０，４１）の回転軸（Ｄ_４０，Ｄ_４１）に対して平行をなさず、入力歯車（４０）の歯（Ｚ_４０）の数は第１の伝動歯車（４１）のホイール（４１１）の歯（Ｚ_４１）の数よりも少なく、爾後の伝動歯車は入力シャフトに対して再び平行に配置され、第１の伝動歯車（４１）の駆動側歯車（４１２）及び第２の伝動歯車（３１）のホイールはねじ歯車であることを特徴とするマルチターン・角度測定器。
2. 入力シャフト（２）に結合された歯車（４０）と第１の伝動歯車（４１）のホイール（４１１）は、ねじ歯車であることを特徴とする請求項１に記載のマルチターン・角度測定器。
3. 第１の測度形成体（９）の走査ユニット（１０）とその他の測度形成体（１１，１２，１３）の走査ユニット（２１，２２，２３）は、単一の導体板（６）に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチターン・角度測定器。
4. その他の測度形成体（１１，１２，１３）は入力シャフト（２）と平行に延びる回転軸を有した歯車（３１，３２，３３）によって同心担持され、前記歯車の間に更に別の中間歯車（３４，３５）が配置され、歯車（３１，３２，３３，３４，３５，４１）は１つの一体式マルチターン・ユニット（５）に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のマルチターン・角度測定器。
5. その他の測度形成体（１１，１２，１３）は直径方向に対向して磁化された永久磁石であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のマルチターン・角度測定器。
6. 第１の測度形成体（９）は透過式モアレ縞コードディスクであり、該ディスクは発光器（７）によって照明されて光電式走査ユニット（１０）によって検出されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のマルチターン・角度測定器。
7. 第１の測度形成体（９）はセクタ状に磁化されて１つもしくは複数の磁気センサで検出される１個もしくは複数個のマグネットから成ることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のマルチターン・角度測定器。

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