JP4860917B2 - ロータリーエンコーダ - Google Patents

Description

本発明はモータ等の回転体の回転軸に取り付けられ、回転体の回転数および/または回転角度位置を検出するロータリーエンコーダの本体構造に関する。

従来のロータリーエンコーダは、例えば図８，９に示すような構造となっている。ここで、図８はエンコーダ本体とベアリング部分の形状を示す正面図、図９は図８のＡ−Ａ断面矢視相当図で、図８にエンコーダのその他の構成部品も加えた断面図である。なお、図９では本来断面位置にない基板支柱１ａも、構造の理解を容易にするために断面として記載している。

図において、ロータリエンコーダはエンコーダ本体１と、このエンコーダ本体１に取り付けられているベアリング２と、このベアリング２に回転自在に支持されている中空の回転軸３とを有する。回転軸３は、図面左端側の軸端の中空部分に被測定物の回転軸が挿入、装着され、被測定物の回転と連動できるようになっている。回転軸３の右端側には符号板４が取り付けられていて、回転軸の回転と連動して回転し、この回転動作により符号板４の光学スリットが変化するようになっている。

エンコーダ本体１の支柱１ａには、エンコーダ本体１の形状に即した基板５が取り付けられていて、所定位置に固定スリット７を備えた受光素子６が配置されると共に、この受光素子６からの電気信号を処理するための電子部品や回路等も形成、配置されている。エンコーダ本体に形成された発光素子取付用の孔１ｂには、発光素子８が挿入、配置されていて、丁度、符号板４を挟んで受光素子６と対向するようにそれぞれの位置が調整されている。そして、発光素子８からの光が、符号板４に形成されている光学のスリットを透過して固定スリット７を有する受光素子６に入射することにより、そのスリットパターンから符号板４の回転位置、つまり被測定物の回転位置を知ることができる。

図１０，１１は、他のロータリーエンコーダの構成を示したもので、図１０はエンコーダ本体とベアリング部分の形状を示す正面図、図１１は図１０のＡ−Ａ断面矢視相当図で、図１０にエンコーダのその他の構成部品も加えた断面図である。この例では、エンコーダ本体１の外周部１ｇと、ベアリング取付部１ｅの間に、軽量化のための肉薄部分１ｄを形成し、さらに支柱１ａとベアリング取付部１ｅとの間等に、補強のためのリブ１ｃを形成している。その他の構成は、図８，９と同一であり、同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

このような従来のロータリーエンコーダにおいて、次のような問題があった。上記のように、回転軸３は、ベアリング２を介してエンコーダ本体１に取り付けられているが、エンコーダ本体１は、通常アルミニウム等の軽量で加工が容易な金属で形成されているのに対し、ベアリングは鉄で形成されている場合が多い。このため、エンコーダ周囲の温度が変化した場合、両者の材質の違いから熱膨張係数の違いによる応力が発生してしまう。そして、エンコーダ本体１側からの応力でベアリング２が変形し、回転軸３の回転ムラやトルク変動を生じることがあった。

そして、これが被測定物にまで影響を与えることになり、正確な回転速度や回転位置の計測に悪影響を与えたり、位置決め精度に悪影響を及ぼす恐れがあった。また、ベルト等を介して被測定物と接続されている場合には、このベルトに滑りが生じて、測定ミスを生じてしまうこともあった。

なお、このような一般的な構造の光学式ロータリーエンコーダは、例えば特開２００１−０２７５５１号公報を初め種々の文献に記載されているが、エンコーダ本体とベアリングとの熱膨張係数の違いによる影響を検討したものは存在しなかった。
特開２００１−０２７５５１号公報

本発明の目的は、エンコーダ本体とベアリングとの熱膨張係数の違いから生じる応力変形の影響を排除し、温度変化による回転ムラやトルク変動の生じ難い構造のロータリーエンコーダを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は以下に示す構成とした。
（１） 被測定物の回転と連動する回転軸と、この回転軸を回転自在に支持する２つのベアリングと、このベアリングが固定されているエンコーダ本体とを有し、被測定物の回転を検出するエンコーダであって、
前記エンコーダ本体には、ベアリングを固定するベアリング固定部の周囲に所定の深さでベアリング固定部を半周以上囲むように連続して形成された溝部を有し、
前記溝部は、エンコーダ本体の符号板取付側かその反対側の何れかに形成され、
その深さが１つのベアリングの厚み以上であり２つ目のベアリングの取り付け位置にまで達しているエンコーダ。
（２） 前記溝部は、その深さが２個目のベアリング取り付け位置の１／３以上まである上記（１）のエンコーダ。

本発明によれば、エンコーダ本体とベアリングとの熱膨張係数の違いから生じる応力変形の影響を最小に止め、温度変化による回転ムラやトルク変動の生じ難い構造のロータリーエンコーダを提供することができ、より正確で高精度の測定が可能で、しかも被測定物に与える影響も最小にすることができる。

本発明のロータリーエンコーダは、被測定物の回転と連動する回転軸と、この回転軸を回転自在に支持するベアリングと、このベアリングが固定されているエンコーダ本体とを有し、被測定物の回転を検出するエンコーダであって、前記エンコーダ本体には、ベアリングを固定するベアリング固定部の周囲に所定の深さでベアリング固定部を半周以上囲むように連続して形成された溝部を有するものである。

このように、エンコーダ本体１のベアリング固定部周囲に溝を設けることで、少なくともベアリング固定部の一部が肉薄部となって、エンコーダ本体とベアリングとの熱膨張係数の違いにより発生する応力の影響を押さえることができる。つまり、この肉薄部が応力の発生自体を低減させると共に、発生した応力を逃がす機能を有する。

溝部は、肉薄部を形成することが目的であるため、ベアリング固定部の近くに形成することが望ましい。肉薄部の厚みは薄いほど効果的であるが、薄すぎるとベアリングを固定するための強度に不足が生じてしまうため、エンコーダの大きさ、形状、構造、要求される強度等から総合的判断して肉厚を決めるとよい。

溝部の深さは、肉薄部の高さと同じであるから、肉薄部の占める割合が大きいほど、つまり溝の深さが深いほど効果的であるが、これも深すぎると強度面での影響が出てしまうので、上記同様にエンコーダの大きさ、形状、構造、要求される強度等から総合的判断して決めるとよい。通常、ベアリングは２つ用いられるので、好ましくは１つのベアリングの厚み以上、より好ましくは２つ目のベアリングの取り付け位置にかかる程度であり、特に２個目の取り付け位置の１／３以上にかかる深さにまで達する程度とするとよい。

溝部の幅としては、特に規制されるものではなく、任意の大きさとしてよいが、あまり大きすぎるとエンコーダ本体の強度が低下してしまうので、加工が楽に行え、多少の変形を吸収できる程度の大きさとすればよい。通常、小型の汎用エンコーダの場合、数mm〜十数mm程度の範囲内である。

溝部の長さ、つまり肉薄部の長さとしては、長いほど効果的であり、回転軸の全周を囲むようにするとよいが、構造上それが不可能な場合には、なるべく長くするようにすることが望ましい。このため、回転軸の全周を囲む（覆う）ことなく、一部を囲むようにした場合、好ましくは回転軸の半周以上、より好ましくは回転軸の２／３以上であり、全周に近いほど有効である。

さらに、溝部は、エンコーダ本体の外側と内側、つまり符号板取付側とその反対側の何れの側に形成してもよいし、両方に形成してもよい。何れの側とするかは、エンコーダの構造や仕様、求められる強度などに応じて決めればよい。

次に、図を参照しつつ本発明のロータリーエンコーダについてより詳細に説明する。
〔第１の態様〕
図１，２は本発明のロータリエンコーダの第１の態様を示したもので、図１はエンコーダ本体とベアリング部分の形状を示す正面図、図２は図１のＡ−Ａ断面矢視相当図で、図１にエンコーダのその他の構成部品も加えた断面図である。なお、図２では本来断面位置にない基板支柱１ａも、構造の理解を容易にするために断面として記載している。

図において、本発明のロータリエンコーダは、エンコーダ本体１と、このエンコーダ本体１のベアリング取付部１ｅに取り付けられているベアリング２と、このベアリング２に装着され回転自在に支持されている中空の回転軸３とを有する。ベアリング２は、この例では２つ用いられ、僅かに離れて配置されてた２つのベアリングにより回転軸３が２点で支えられている。エンコーダ本体は、これらのベアリングを容易に装着、位置決めできるような構造になっている。

回転軸３は、図面左端側の軸端の中空部分に被測定物の回転軸が挿入、装着され、被測定物の回転と連動できるようになっている。被測定物としては、例えばサーボモータや、パルスモータ等の高精度の位置決め用モータや、各種モータやエンジン、あるいは手動入力機に駆動される構造物等が挙げられる。これらは、回転位置、回転速度、回転数等をエンコーダにより計測される。

回転軸３の右端側には、符号板４が取り付けられていて、回転軸の回転と連動して回転し、この回転動作により符号板４の光学スリットパターンが変化するようになっている。

エンコーダ本体１の支柱１ａには、エンコーダ本体１の形状に即した基板５が取り付けられていて、所定位置に固定スリット７を備えたフォトトランジスタ、フォトダイオード等のような受光素子６が配置されると共に、この受光素子６からの電気信号等を処理したり、外部との通信のための電子部品や回路等も形成、配置されている。なお、受光素子６は複数のセル構造となっていることもある。エンコーダ本体に形成された発光素子取付用の孔１ｂには、発光ダイオードなどのような発光素子８が挿入、配置されていて、丁度、符号板４を挟んで受光素子６と対向するようにそれぞれの位置が調整されている。そして、発光素子８からの光が、符号板４に形成されている光学のスリットを透過して受光素子６に入射することにより、そのスリットパターンから符号板４の回転位置、つまり被測定物の回転位置等を知ることができる。

エンコーダ本体１の回転軸取付部１ｅの近くには、これの一部を囲むように溝部１１がエンコーダ内部、つまり符号板配置側に開口するように形成され、回転軸取付部１ｅの一部が厚みｔの肉薄部１ｆとなっている。また、溝部１１の非連続部分には、発光素子取付用の孔１ｂがあって、丁度これを避けるように溝部１１が形成されている。溝部１１は、この例ではベアリング２の幅よりも僅かに狭い程度の幅であり、深さは１つのベアリングの厚み以上であって、２つ目のベアリング装着されている部分の一部（約１／３以上）にまで達している。また、溝部１１の連続部分は、この例では回転軸１１を囲む角度θで表すと、約３００°程度である。

〔第２の態様〕
図３，４は、本発明のロータリエンコーダの第２の態様を示したもので、図３はエンコーダ本体とベアリング部分の形状を示す正面図、図４は図３のＡ−Ａ断面矢視相当図で、図１にエンコーダのその他の構成部品も加えた断面図である。なお、図４で本来断面位置にない基板支柱１ａも記載しているのは図２と同様の理由からである。

この例では、発光素子８と受光素子６との位置関係を逆転して、発光素子８を基板５に配置し、固定スリット７を有する受光素子６をエンコーダ本体１に基板９を介して配置している。このため、発光素子８の高さに合わせて支柱１ａの長ささも長くなって、符号板４から離れた位置に配置されている。

また、溝部１１は回転軸４を全て囲むように連続して全周に渡り形成されている。このように、強度的に問題のない場合には、溝部を非連続部を設けることなく全周に渡り形成することで、より効果的に作用し、上記応力の影響をさらに抑えることができる。その他の構成要素は図１，２と同様であり、同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

〔第３の態様〕
図５本発明のロータリエンコーダの第３の態様を示したもので、図４の断面図に対応する一部断面図である。この例では、溝部１１がエンコーダ外部、つまり符号板取り付け側とは反対側に開口している。また、溝部１１の幅は前記第１の態様、第２の態様よりも狭く、溝部の外周部分には段差部が形成されて、はめあいに使用するインロー構造に対応している。その他の構成要素は図３，４と同様であり、同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。このように、インロー構造を有するエンコーダにおいても溝部１１を形成することが可能であり、本発明の効果を発揮することができる。

〔第４の態様〕
図６本発明のロータリエンコーダの第４の態様を示したもので、図５と同様な一部断面図である。この例では、図５のような段差構造がないので溝部１１の幅は前記第１の態様、第２の態様と略同様である。その他の構成要素は図５と同様であり、同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。このように、インロー構造が無い場合には溝部１１の幅を広くしてもよい。

〔第５の態様〕
図７本発明のロータリエンコーダの第５の態様を示したもので、図５と同様な一部断面図である。この例では、溝部１１ａ，１１ｂがエンコーダ外部と内部、つまり符号板取り付け側及びその反対側の両側に開口している。また、溝部１１ａ，１１ｂの幅は前記第１の態様、第２の態様と略同様であり、２つのベアリングの間隔が広がっており、そのためにエンコーダ本体の肉厚が厚くなっている。また、溝部１１ａ，１１ｂの深さはベアリング１個分の厚みよりも深くなっていて、ベアリング１個分の厚みの１／３程度余計に深くなっている。その他の構成要素は図５と同様であり、同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。このように、溝部１１ａ，１１ｂをエンコーダ本体の内外双方に開口するように２つ形成し、さらにその深さをベアリングの厚み以上に深くすることも、エンコーダの大きさや加工コストの問題が解決できれば効果的である。

上記に示した第１〜第５の態様は、本発明を実施する上で好ましい態様を例示したものであって、本発明はこれらの態様に限定されるものではなく、種々の変更、応用が可能である。

また、上記各態様により得られる効果の一例として本発明者らの実験では、一般的な小型汎用タイプのエンコーダで、図１のような構成にしたところ、図９，１０に示すような従来の構造では６０℃の温度変化で発生した本体側からの応力によるトルク変動が１．３〜１．６倍あったものが、１．０〜１．２倍に低減された。

以上のように、溝部を形成してベアリング取付部の少なくとも一部に肉薄部を形成することで、ベアリングとエンコーダ本体の材質による熱膨張係数の違いから生じる応力による影響を低減でき、高精度で被測定物にも負担を与えないエンコーダを提供できる。

光学式、磁気式等種々のタイプのエンコーダ、レゾルバの本体とベアリングの取付構造に応用することができる。

本発明のロータリエンコーダの第１の態様を示したもので、エンコーダ本体とベアリング部分の形状を示す正面図である。 本発明のロータリエンコーダの第１の態様を示したもので、図１のＡ−Ａ断面矢視相当図である。 本発明のロータリエンコーダの第２の態様を示したもので、エンコーダ本体とベアリング部分の形状を示す正面図である。 本発明のロータリエンコーダの第２の態様を示したもので、図３のＡ−Ａ断面矢視相当図である。 本発明のロータリエンコーダの第３の態様を示したもので、図２に対応する一部断面図である。 本発明のロータリエンコーダの第４の態様を示したもので、図２に対応する一部断面図である。 本発明のロータリエンコーダの第５の態様を示したもので、図２に対応する一部断面図である。 従来のロータリエンコーダの構造を示したもので、エンコーダ本体とベアリング部分の形状を示す正面図である。 従来のロータリエンコーダの構造を示したもので、図８のＡ−Ａ断面矢視相当図である。 従来のロータリエンコーダの他の構造を示したもので、エンコーダ本体とベアリング部分の形状を示す正面図である。 従来のロータリエンコーダの他の構造を示したもので、図１０のＡ−Ａ断面矢視相当図である。

符号の説明

１ エンコーダ本体
２ ベアリング
３ 回転軸
４ 符号板
５ 基板
６ 受光素子
７ 固定スリット
８ 発光素子
１１ 溝部

Claims (2)

1. 被測定物の回転と連動する回転軸と、この回転軸を回転自在に支持する２つのベアリングと、このベアリングが固定されているエンコーダ本体とを有し、被測定物の回転を検出するエンコーダであって、
   前記エンコーダ本体には、ベアリングを固定するベアリング固定部の周囲に所定の深さでベアリング固定部を半周以上囲むように連続して形成された溝部を有し、
   前記溝部は、エンコーダ本体の符号板取付側かその反対側の何れかに形成され、
   その深さが１つのベアリングの厚み以上であり２つ目のベアリングの取り付け位置にまで達しているエンコーダ。
2. 前記溝部は、その深さが２個目のベアリング取り付け位置の１／３以上まである請求項１のエンコーダ。

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