JP5079470B2 - ロータリエンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１による相対速度位置を決定するためのロータリエンコーダに関する。

このようなロータリエンコーダは、互いに相対的に回転可能な機構部品の角度位置を決定するために度々使用され、かつ例えば誘導性の測定原理に従って作動する。誘導性のロータリエンコーダの場合、励磁コイルと受信コイルは例えば導体パターンの形式で、例えばロータリエンコーダのステータと固く接続している共通のプリント回路基板上に実装される。このプリント回路基板に対して、一定の回転軸方向の間隔をおいて配置されており、コード円板として形成されている別のプリント基板は、周期的な間隔で交番する導電性の面と非導電性の面上で、目盛領域あるいは目盛構造として取付けられている。またこの別のプリント基板はロータリエンコーダのロータと回転不能に接続している。励磁コイルに時間的に交番する電気的励磁場が置かれると、ロータとステータの間の相対回転時の受信コイル内には角度位置に依存した信号が発生する。さらにこの信号は電子モニタでさらに処理される。

電気的に駆動するための測定機器としてのこのようなロータリエンコーダは、対応する駆動軸の絶対角度位置を決定するために使用される。

特許文献１から操作ネジがリングを直接押圧するクランプ継手が知られており、従って円錐形の面を介してクランプ力を生じることができる。公知の装置には、そこで重点的に記載されている幾何学的態様に基づいてクランプ力が比較的小さいという短所がある。
独国実用新案第９２１８３８３号明細書 独国特許出願公開第１９７５１８５３号明細書

本発明の根底をなす課題は、測定されるべき回転軸とロータリエンコーダ回転軸の間のクランプ力を高めることが簡単な方法で達成可能であるロータリエンコーダを提供することである。

この課題は、本発明によれば請求項１の特徴によって解決される。

それに応じて、ロータリエンコーダは第一構成部品群と第二構成部品群とを備えており、その際、これら構成部品群は回転軸線を中心にして相対的に互いに回転可能に設けられている。第一構成部品群は検出機構を備えている。第二構成部品群は中央孔、段付部および外側面を備えたウェブを有している。さらに第二構成部品群は内側面と外側面を備えた環状体ならびに環状体の外側面と内側面の間に設けられた構成部品を有する。この場合、コード円板は両構成部品群の互いに相対角度位置を決定するための検出機構部により走査可能である。環状体の内側面上の点と同様に回転軸の外側面上の点も、回転軸線まで異なる間隔を備えており、従って操作手段により、環状体は構成部品を介して半径方向成分を備えた力が、ウェブに作用するように、段付部に支持されている。従って回転軸の孔内に挿入された機構部材はクランプ可能である。特に回転軸の孔内に挿入された機構部材は、例えばその角度位置が測定されるべきであるモータの回転軸である。

操作手段により、環状体が、環状体内において、回転軸線に対して平行な方向成分を有する反力が、ｙ方向に導入される様式で、段付部に支持されるように、ロータリエンコーダが幾何学的に形成されているのは有利である。その際構成部品は平面の横断面を備えており、この場合、横断面Ｑの平面内で、第一点Ｐは中空回転軸の外側面上で定義可能である。さらに横断面あるいは横断面の平面から出発して、ｙ方向とは逆に、第一点は環状体の内側面上で定義可能である。さらに横断面から出発して、ｙ方向で第二点は環状体の内側面上で、ならびに第二点は回転軸の外側面上で定義可能である。その際内側面上の第一点から回転軸線までの間隔は、内側面上の第二点から回転軸線までの間隔よりも短い。さらに外側面上の第一点から回転軸線までの間隔は、外側面上の第二点から回転軸線までの間隔よりも短い。

環状体の内側面が円錐形に形成されていると、および／または回転軸の外側面が円錐形に形成されていると特に有利である。

このような構造を備えたロータリエンコーダにより、構造に基づいて、クランプされるべき機構部材には比較的大きなクランプ力が作用する。というのも、一方では回転軸線に対して半径方向に作用する力の作用点は、回転軸方向で段付部あるいはウェブの根元部からかなり間隔をおいて設けられており、他方ではウェブは段付部において極めて薄肉であるように形成されていると有利であるからである。相応して、半径方向でウェブの抵抗モーメントが比較的小さいかあるいは低曲げ剛性（Ｂｉｅｇｅｗｅｉｃｈｈｅｉｔ）が高い場合には、このように達成されたてこの作用により、大きな曲げモーメントが構成部品を介して導入される。半径方向でのウェブの低曲げ剛性は、その配向が回転軸方向成分を有する少なくとも一つのスリットにより高めることができる。

回転軸の外側面と環状体の内側面の間に設けられている構成部品はスナップリングであるのは有利である。

本発明の他の構成において、回転軸は構成部品を支持しかつ固定するための、特に取囲んでいる溝を備えている。

ネジあるいは止めネジとしての操作手段が、環状体においてネジあるいはネジ孔と作用接続して形成されているのは有利である。

有利な変形によれば、ロータリエンコーダは誘導性の測定原理に従って作動し、特にプリント回路基板が検出機構としての励磁導体パターンと受信導体パターンを備えているように形成されている。さらにコード円板は交番するように設けられている、導電性の目盛領域と非導電性の目盛領域を備えることができる。

本発明の有利な構成は従属請求項に収容されている。

本発明によるロータリエンコーダの他の詳細事項および長所は、添付した図に基づく実施例の以下の記載から明らかである。

図１には実施例によるロータリエンコーダの断面図が記載してある。従ってロータリエンコーダは、ここではステータ１０の機能の第一構成部品群を備えており、かつここではロータ２０として作用するように第二部品群を備えている。ロータ２０とステータ１０は測定動作において回転軸線Ｘを中心にして互いに対して回転可能に設けられている。

ステータ１０は二つの部分から成るケーシング１１を備えており、このケーシングは図１における上方の第一ケーシング部分１１．１と下方の第二ケーシング部分１１．２から構成されている。孔１１．１１，１１．２１（図５ａ）により、ステータ１０は例えばモータのケーシングに固定される。紹介した実施例において、ロータリエンコーダは誘導性の測定原理に従い機能を果す。相応して、ステータ１０では検出器機構がプリント回路基板１３の形式で設けられており、かつ折り曲げ部１１．２２を介して第二ケーシング部分１１．２と回転不能に接続している。

特許文献２には、例えば誘導式に働くロータリエンコーダの機能原理が説明されている。プリント回路基板１３上には、内側受信トラック内の受信機コイルとして、受信導体パターンが設けられており、外側受信機トラック内では別の受信導体パターンが設けられている。さらに励磁コイルとしてプリント回路基板１３上には励磁導体パターンが設けられており、この励磁導体パターンは内側、中央及び外側受信トラック上に設けられている。プリント回路基板１３自体は、中心を通る孔を有しており、かつ多層に構成されている。

ロータ２０は紹介した実施例では回転軸を備えており、この回転軸は中空シャフト２１として形成されている。ロータリエンコーダにより、モータのケーシングに対するこのモーター回転軸の相対位置を算出するために、中空シャフト２１の中央孔内には、例えばモーター回転軸が挿入され、かつ固定される。中空シャフト２１は回転対称体であり、かつ段付部２１．１と比較的薄壁のウェブ２１．２を有する。段付部２１．１は、その側において溝２１．２１、半径方向に張られた円錐形の外側面２１．２２並びにスロット２１．２３を備えている。

さらにロータ２０、特にその中空シャフト２１には、環状のコード円板２３が回転不能に固定されている。コード円板２３は基体から成り、この基体は示した実施例ではエポキシド樹脂でできており、かつ二つの目盛トラック上に設けられている。目盛トラックは環状に形成されており、かつ回転軸線Ａに対して様々な直径と同心に基体上に設けられている。目盛トラックは両方とも、各々周期的順序から交番するように設けられた導電性のある目盛領域と非導電性の目盛領域から成る。導電性の目盛領域用の材料として、提示した例においては銅が基体上に加えられる。しかしながら非導電性の目盛領域内において、基体は被覆されない。内側の目盛トラックは示した実施例では導電性の材料、ここでは銅を有する第一の半環状の目盛領域、ならびに導電性材料が全く設けられていない半環状の目盛領域から構成されている。目盛トラックに対して半径方向で隣接した状態で、第二目盛トラックは基体上にあり、この場合目盛トラックも多数の導電性目盛領域、ならびにその間に設けられた非導電性目盛領域から成る。異なる目盛領域が、材料的にこの場合全く同様に第一目盛トラックの目盛領域と同じように形成されている。全部合わせて、第二目盛トラックは、示した実施例では３２の周期的に設けられた導電性の目盛領域、ならびに対応するように３２のその間に設けられた非導電性の目盛領域を含んでいる。

コード円板２３とプリント回路基板１３は、互いに回転軸方向で間隔をおいて相対しており、したがって回転軸線Ａはコード円板２３とプリント回路基板１３の中心点を通って延びており、かつコード円板２３とプリント回路基板１３の間で相対回転がある場合、プリント回路基板１３では、その都度の角度位置に依存した信号が誘導効果により生じている。この測定原理によれば、コード円板２３はロータ２０とステータ１０の互いに相対角度位置を決定するためのプリント回路基板１３により測定作業で走査可能である。

相当する信号を形成するための条件は、励起導体パターンが時間的に交番する電磁気的励起場を走査トラックの領域内で、あるいは同時に走査される目盛パターンの領域内で生じさせることである。図示した実施例において、励起導体パターンは、複数の平面平行な電流が流れる個別の導体パターンとして形成されている。導体パターンユニットの励起導体パターンが、同じ方向で全て電流が流れすぎると、各々の導体パターンユニットの周囲では、管状もしくは円筒状に整向された電磁場が形成される。結果として生じる電磁場は、同心円の形状で導体パターンユニットの周囲で延びており、その際電磁場線の方向は公知の技術で導体パターンユニット内の電流方向に依存している。

しかしながら測定運転を行う前に、コード円板２３とプリント回路基板１３の間の回転軸方向間隔をできる限り正確に調節しなければならない。示したロータリエンコーダは、固有の支承部は全く自由に使えず、つまり回転軸受無しで形成されており、従って組立前のコード円板２３とプリント回路基板１３は、モータにおいて、及びモータのケーシングにおいて、互いに回転軸方向に、かつ僅かな範囲内で半径方向でも再配置可能である。他方においては、誘導性測定原理とじかに関連して、正確な回転軸方向間隔と良好な位置決めは、信号増幅の大きさには基準となっており、同時に測定結果の値にとっても基準となっている。この理由から、ロータリエンコーダの製造業者において示された実施例において、コード円板２３とプリント回路基板１３の間の回転軸方向間隔と相対的調心性の最適な調整は、すでに行われ、そのあとコード円板２３とプリント回路基板１３は互いに対して固定され、従って移送時においてもロータリエンコーダの作業者にとって、この調整は必要なくなる。結局ロータリエンコーダを組立てる途中で、ロックは再度解除され、その際、測定作動状態において、最適な回転軸方向間隔と最適な中心決めが得られる。

ロックする目的で、ロータリエンコーダは案内面１２．１，突出部１２．２，半径方向突出部１２．３及び隆起状クリップ１２．４を有する、合成樹脂製のクランプリング１２を備えている。さらに第一ケーシング部分１１．１は彎曲した楔形要素１１．１２を備えており。この楔形要素はウェブ１１．１３を介してケーシング部分１１．１の本体と接続している。彎曲した楔形要素１１．１２は、半径方向で外側に凸状の面と半径方向で内側凹状の面を備えている。スリット１１．１４により、彎曲した楔形要素１１．１２は周囲方向でお互いに間隔をおいて設けられており、かつ半径方向に互いに可動である。全ての構成部品、特に楔形要素１１．１２を備えた第一ケーシング部分１１．１は、合成樹脂製の射出成形部品として形状一体に製造されている

クランプリング１２は図４によれば、製造業者においては、調整前にまず第一ケーシング１１．１においてクリップ接続部と解除可能に接続しており、しかも突出部１２．２が楔形要素１１．１２に半径方向で幅の狭い領域内で接触する状態で接続している（図３）。対応するように、空隙ｓは中空回転軸２１と楔形要素１１．１２の間に設けられており、従ってロータ２０はステータ１０に対して回転可能であり、かつ一定の限度内で回転軸方向で摺動可能である。次の物として中空回転軸２１は、ロータリエンコーダに接続したテスタが最適な信号品質を伝えるまで、ケーシング１１に対して回転軸方向に摺動する。さらに、対応してコード円板２３とプリント回路基板の間の間隔は、最適に調整されている。

次いでこの状態で、図３によるクランプリング１２は、時計の針方向で第一ケーシング１１．１に対して捩られ、その際良好な操作性のために、半径方向の突出部１２．３を使用することができる。この回転運動により、突出部１２．２が半径方向で撓み易く形成されているので、楔形要素１１．１２を半径方向で内側に押圧するという結果になる。楔形要素１１．１２の弾性を高めるために、対応するスリット１１．１４が設けられている。このようにして、空隙ｓはゼロまで減少し、楔形要素１１．１２はステータ１０をロータ２０に沿って挟み付け、従って相対的な回転軸方向の再配置はできない。同時に中空回転軸２１への全方向で対称な力の作用により、プリント回路基板１３に対するコード円板２３の位置決めが行われる。

この関係において、楔形要素１１．１２の凹面の領域が影響を及ぼす中空回転軸２１の領域が、そこに突出部が全く無い円筒形面を示していることを考慮しなければならない。相応するようにして、クランプは摩擦トルクによってのみ得られるにすぎない。クランプの保持力を高めるために、一つあるいは二つの表面、例えば円筒形面および／または楔形要素１１．１２の凹面領域が粗化されている。特にこの目的のために、ナール、または別の粗化された表面構造が設けられている。

従って調整は段階無しに精緻に実施することができる。その他の点で、この状態ではロータ２０はステータ１０に対して、もはや回転可能ではない。製造者側で固定された回転軸方向間隔を調整せずとも、ロータリエンコーダをそれに応じて確実に動かすことができる。

ロータリエンコーダをモータに取付ける途中で、第一にモータ回転軸をロータリエンコーダの中空回転軸２１に挿入する。次いでネジを孔１１．１１，１１．２１に差込み、モータのケーシングの対応するネジ孔内で回すことにより、ケーシング１１をモータのケーシングに固定する。

次に中空回転軸２１をモータ回転軸に固定する。この目的のために、ロータリエンコーダには円錐形の内側面を備えた環状体２４とスナップリング２２が設けられており、この場合、スナップリング２２はウェブ２１．２の外側面２１．２２と環状体２４の内側面２４．３の間に設けられており、ここでは特に溝２１．２１内に設けられている。スナップリング２２により、回転軸線Ａにより直角に突き抜く幾何学的面を固定することができる。この平面は以下、横断面Ｑと呼ぶ。

構造的に図６によれば、幾何学的な構造が提示されており、この機構において、環状体２４の内側面２４．３上の点Ｐ_ｉ１，Ｐ_ｉ２と同様に、中空回転軸２１あるいはウェブ２１．２の外側面２１．２２上の点Ｐ_ａ１，Ｐ_ａ２が定義可能であり、これらの点は回転軸線Ａまで異なる間隔ｒ_ｉ１，ｒ_ｉ２；ｒ_ａ１，ｒ_ａ２を有する。すでに説明したように、スナップリング２２を通って、平面の横断面Ｑが配置されており、この場合、横断面Ｑの平面内では、第一点Ｐ_ａ１は中空回転軸２１の外側面２１．２２上に配置されるかあるいは定義可能である。

ｙ方向と逆の方向（すなわち図６の下に向かう方向）のスナップリング２２の横断面Ｑから出発して、環状体２４の内側面２４．３上には仮想の幾何学的第一点Ｐ_ｉ１が定義可能である。それに対して、ｙ方向（図６で上に向かう方向）では、内側面２４．３上の第二点Ｐ_ｉ２と外側面２１．２２上の第二点Ｐ_ａ２が定義可能であるかあるいは設けられている。内側面２４．３上の第一点Ｐ_ｉ１から回転軸線Ａまでの半径方向の間隔ｒ_ｉ１は、内側面２４．３上の第二点Ｐ_ｉ２から回転軸線Ａまでの半径方向の間隔ｒ_ｉ２よりも短い。その上さらに、外側面２１．２２上の第一点Ｐ_ａ１から回転軸線Ａまでの半径方向の間隔ｒ_ａ１は、外側面２１．２２上の第二点Ｐ_ａ２から回転軸線Ａまでの半径方向の間隔ｒ_ａ２よりも短い。

組立の途中で、止めネジ２４．２は環状体２４のネジ孔２４．１内で回され、従って環状体２４は止めネジ２４．２により段付部２１．１上に支持されている。これにより、環状体２４内において、反力はここでは回転軸線Ａに平行に整向されている方向ｙに導入される。環状体２４はｙ方向に運動し、かつ溝２１．２１内のスナップリング２２を押圧する。その際半径方向で内側に向いた力が作用し、ウェブ２１．２は、半径方向で内側に押圧され、従って中空回転軸２１内に挿入されたモータ回転軸は回転不能にクランプされている。このクランプにより、モータ回転軸に沿って中空回転軸２１も拘束される。この場合、構造に基づいて極めて大きいクランプ力が得られる。というのも一方では溝２１．２１は段付部２１．１から、すなわちウェブ２１．２の発端部すなわち根元部からかなり間隔をおいて設けられており、他方ではウェブ２１．２の円錐形の形状によりウェブは発端部では極めて薄肉に形成されている。相応してウェブ２１．２の抵抗モーメントが比較的小さい場合には、大きな曲げモーメントがスナップリング２２を介して導入される。ウェブ２１．２の抵抗モーメントは、周囲方向で回転軸線Ａに対して平行に移動した状態で整向されているスリット２１．２３によりさらに尚減少する。

ステータ１０がモータのケーシングに固定され、ロータ２０がモータ回転軸に固定された後に、コード円板２３とプリント回路基板１３の間の製造者側で調整された回転軸方向間隔を維持するために行われるブロックは解除することができる。このことは、クランプリング１２がケーシング１１に対して反時計方向に回転されることによって行われる。従って、突出部１２．２は楔要素１１．１２の先細りの領域内に設けられ、第一ケーシング部分１１．１と中空回転軸２１の間のクランプは、再度解除される。空隙ｓは、この位置ではゼロより大きく、測定作業を開始することができる。

実施例によるロータリエンコーダの断面斜視図である。 環状体が無い状態のロータリエンコーダの平面図である。 移送ロック機構の詳細図である。 移送ロック機構の領域の部分断面図である。 ロータリエンコーダの断面図である。 環状体を備えたロータリエンコーダの平面図である。 ロータリエンコーダの部分断面図である。

１０ 第一構成部品群
１３ 検出機構
２０ 第二構成部品群
２１ 回転軸
２１．１ 段付部
２１．２ ウェブ
２１．２２ 外側面
２２ 構成部品
２３ コード円板
２４ 環状体
２４．１ 操作手段
２４．２ 操作手段
２４．３ 内側面

Claims (9)

1. 第一構成部品群（１０）と第二構成部品群（２０）とを備えており、その際、これら構成部品群（１０，２０）が軸線（Ａ）を中心にして相対的に互いに回転可能に設けられているロータリエンコーダであって、
   第一構成部品群（１０）が検出機構（１３）を備えており、
   第二構成部品群（２０）がコード円板（２３）と、
   中央孔、段付部（２１．１）および外側面（２１．２２）を有するウェブ（２１．２）を備えた回転軸（２１）と、
   内側面（２４．３）と操作手段（２４．１，２４．２）を有する環状体（２４）と、
   外側面（２１．２２）と環状体（２４）の内側面（２４．３）の間に設けられた構成部品（２２）とを備えているロータリエンコーダにおいて、
   コード円板（２３）が両構成部品群（１０，２０）の互いに相対的角度位置を決定するための検出機構（１３）により走査可能に構成されており、
   環状体（２４）の内側面（２４．３）上の点（Ｐ_ｉ１，Ｐ_ｉ２）と同様に回転軸（２１）の外側面（２１．２２）上の点（Ｐ_ａ１，Ｐ_ａ２）が、回転軸線（Ａ）まで異なる間隔（ｒ_ｉ１，ｒ_ｉ２；ｒ_ａ１，ｒ_ａ２）を有しており、従って
   操作手段（２４．１，２４．２）により、環状体（２４）が、構成部品（２２）を介して半径方向成分を備えた力がウェブ（２１．２）に作用する様式で段付部（２１．１）に支持され、従って回転軸（２１）の孔内に挿入される機構部材がクランプ可能であるように構成されていることを特徴とするロータリエンコーダ。
2. 操作手段（２４．１，２４．２）により、環状体（２４）が、環状体（２４）内において、回転軸線（Ａ）に対して平行な方向成分を有する反力（Ｆ）がｙ方向に導入される様式で、段付部に支持され、構成部品（２２）が横断面（Ｑ）を有しており、その際、横断面（Ｑ）の平面内では、回転軸（２１）の外側面（２１．２２）上の第一点（Ｐａ１）が定義可能であり、横断面（Ｑ）から出発して、さらに、ｙ方向と逆方向で、環状体（２４）の内側面（２４．３）上の第一点（Ｐｉ１）が定義可能であり、
   ｙ方向で、内側面（２４．３）上の第二点（Ｐ_ｉ２）と外側面（２１．２２）上の第二点（Ｐ_ａ２）が定義可能であり、
   内側面２４．３上の第一点Ｐ_ｉ１から回転軸線Ａまでの半径方向の間隔ｒ_ｉ１は、内側面２４．３上の第二点Ｐ_ｉ２から回転軸線Ａまでの半径方向の間隔ｒ_ｉ２よりも短く、
   外側面２１．２２上の第一点Ｐ_ａ１から回転軸線Ａまでの半径方向の間隔ｒ_ａ１は、外側面２１．２２上の第二点Ｐ_ａ２から回転軸線Ａまでの半径方向の間隔ｒ_ａ２よりも短いことを特徴とする請求項１記載のロータリエンコーダ。
3. 構成部品（２２）がスナップリングであることを特徴とする請求項１または２に記載のロータリエンコーダ。
4. 回転軸（２１）が構成部品（２２）を支持するための溝（２１．２１）を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のロータリエンコーダ。
5. 回転軸（２１）の外側面（２１．２２）が円錐形に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のロータリエンコーダ。
6. 環状体（２４）の内側面（２４．３）が円錐形に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のロータリエンコーダ。
7. ロータリエンコーダが誘導性の測定原理に従って作動するように構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のロータリエンコーダ。
8. 検出機構（１３）が励磁導体パターンと受信導体パターンを備えたプリント回路基板として形成されていることを特徴とする請求項７記載のロータリエンコーダ。
9. コード円板（２３）が交番するように設けられた、導電性および非導電性の目盛領域を備えていることを特徴とする請求項７記載のロータリエンコーダ。

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