JP6054260B2 - ロータリーエンコーダ - Google Patents

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Description

本発明は、工作機械などの産業用機器に装着して、その産業用機器の回転する可動部の回転角度を検出するロータリーエンコーダに関する。
工作機械などの産業用機器に装着して、その産業用機器の回転部の回転角度を精密に検出するロータリーエンコーダが開発されている。すなわち、産業用機器の回転部にロータリーエンコーダの回転軸を取り付け、その回転軸の動作を、ロータリーエンコーダ内の磁気センサや光学センサで検出する。
例えば、磁気センサで回転角度を検出するロータリーエンコーダは、回転軸の周面に、一定間隔の着磁パターンが形成された磁気スケールが取り付けられていて、その回転軸を保持する固定側の磁気スケールと対向した位置に磁気センサ(磁気ヘッド)が配置されている。そして、磁気センサで、磁気スケールの磁化方向の変化の検出に対応した検出波形を得る。この検出波形の位相から、回転軸の回転角度を算出する。
ところで、この種のロータリーエンコーダは、装着される産業用機器の使用状態によっては、過酷な環境で使用される場合があり、防塵対策を施す必要がある。
特許文献1には、光学式スケール方式のロータリーエンコーダにおいて、回転軸とハウジング(ケーシング)との間の隙間を、磁性流体を保持したシーリング材で塞ぐ構成についての開示がある。
特開2006−292036号公報
特許文献1に記載のような光学式スケール方式のロータリーエンコーダの場合、光学センサで検出を行うため、電磁ノイズが発生する可能性がある磁性流体を使用して隙間を塞ぐようにしても、光学センサでの検出そのものには、磁性流体によるノイズの影響が及ばない。しかしながら、磁気スケールを使用したロータリーエンコーダの場合には、磁性流体が磁気センサでの検出結果に何らかの影響を及ぼす恐れがあり、磁気スケールを使用したロータリーエンコーダに、磁性流体を使用したシーリング材を適用するのは好ましくない。
また、ロータリーエンコーダの使用環境によっては、ロータリーエンコーダが取り付けられた箇所の近傍で、冷却液であるクーラントが散布される場合もある。特に工作機械にロータリーエンコーダを組み込む場合にはクーラント(切削液)に切屑が含まれているため、極めて厳しい環境である。このような環境では、クーラントがロータリーエンコーダの内部に侵入しないようにする必要があるが、従来の対策では十分でない場合があった。
本発明は、内部のセンサや回路に電磁的な影響を及ぼすことなく、かつ防塵や防滴が良好に行えるロータリーエンコーダを提供することを目的とする。
本発明のロータリーエンコーダは、少なくとも1つの開口部を有するハウジングと、ハウジングの内部で軸受を介して支持され、ハウジングの開口部からハウジングの外部に突出する突出部を有する回転軸とを備える。ハウジングの内部には、回転軸の回転角を検出する検出部が配置されている。
そして、開口部から突出した回転軸の周囲のハウジングの外面に環状に溝部を形成する。
さらに、回転軸の突出部に固定され、少なくとも回転軸の突出部から溝部までの範囲を覆うカバーを設ける。このカバーは、回転軸の近傍から溝部までハウジングの外面に近づくように傾斜した第1の傾斜面と、溝部から離れるように傾斜した第2の傾斜面とを有する。
本発明によると、少なくとも回転軸の突出部から溝部までの範囲を覆うカバーを回転軸の突出部に固定し、そのカバーと近接したハウジングに溝部を設けて、カバーが回転軸の回転に伴い回転することで、溝部に侵入した塵や液体がカバーで外部に飛散される。それゆえ、ハウジング内への塵や液体を効果的に阻止できる。
本発明の一実施の形態の例によるロータリーエンコーダを示す斜視図である。 図1のI−I線に沿う断面図である。 図1の例のロータリーエンコーダを分解して示す分解斜視図である。 図2の要部を拡大して示す拡大断面図である。 本発明の一実施の形態の例によるロータリーエンコーダの要部を破断して示す一部破断斜視図である。 本発明の一実施の形態の例によるロータリーエンコーダに取り付けられるカバーの変形例(例1)を示す要部の拡大断面図である。 図6の例のロータリーエンコーダのカバーを示す斜視図である。 本発明の一実施の形態の例によるロータリーエンコーダに取り付けられるカバーの変形例(例2)を示すカバーの斜視図である。 図8の例のカバーを組み込んだロータリーエンコーダの要部を拡大して示す拡大断面図である。 本発明の一実施の形態の例によるロータリーエンコーダに取り付けられるカバーの変形例(例3)を示す一部破断斜視図である。
以下、本発明の一実施の形態の例(以下、「本例」と称する)を、添付図面を参照して説明する。本例は、回転軸の回転角度を高い分解能で測定する磁気式のロータリーエンコーダに適用した例である。
[1.ロータリーエンコーダ全体の構成]
まず、図1および図2を参照して、ロータリーエンコーダ全体の構成を説明する。図1は全体構成を示す斜視図であり、図2は図1のI−I線に沿う断面図である。
ロータリーエンコーダ100は、ベース部101の上に接続された円筒形のハウジング部110を備える。ベース部101やハウジング部110は、一例として金属製としている。
図2の断面図に示すように、ハウジング部110の中央には、中空の回転軸120が取り付けられている。回転軸120は、その周囲に配置されたベアリング501を介して固定側に回転可能に支持される。
回転軸120は、回転軸120本体の外周部の一部にその外周部の径よりも大きいドラム部121を有し、そのドラム部121の周面が、磁気パターン形成部122となっている。磁気パターン形成部122には、一定間隔の着磁パターンが形成された磁気スケールが貼り付けられている。磁気パターン形成部122と対向したハウジング部110の内部の径方向の所定位置に、磁気ヘッド102を配置する。なお、本例において「径」あるいは「径方向」と表記する場合、特に記載が無い場合には回転軸120の軸心に対する径あるいは径方向を示している。
そして、回転軸120が回転したとき、磁気ヘッド102で、磁気スケールの磁化方向の変化の検出に対応した検出信号を得る。この磁気ヘッド102の検出信号が、ハウジング部110内に配置された回路基板103,104上に形成された検出信号処理回路に供給され、検出信号の位相から、回転軸120の回転角度の算出処理が行われる。このとき、磁気ヘッド102で検出される位相が変化する方向で、回転方向についても検出される。また、回転角度の変化に基づいて累積回転数を算出することで、移動距離を判断することもできる。なお、図2では、回路基板103,104上の回路部品の記載は省略する。
回転軸120は、ハウジング部110の上面111から突出した突出部124を有し、その突出部124に形成された連結用孔125を使用して、回転角度の検出対象となる機器の回転軸(不図示)が固定される。この突出部124は円周状に形成されている。回転軸120の突出部124の内部には、内径が回転軸120の径より大きい段差部123を有し、その段差部123に当接するように検出対象の機器側の回転軸が挿入された状態で、回転軸120に固定される。
ハウジング部110の上面111には、円形の開口部113を有し、この開口部113から回転軸120の突出部124が外側(図2上方)に突出している。開口部113と回転軸120の突出部124との間には隙間があり、回転軸120がスムーズに回転できるようにしてある。なお、図2の断面で示すように、ハウジング部110の上面111の内側には、補助板105が配置してあり、この補助板105についても、回転軸120の突出部124を通過させるための開口部106を有する。
そして、回転軸120の突出部124の外周面には、環状のシール材130を嵌め込み、シール材130でハウジング部110と回転軸120との間の隙間を埋めるようにしてある。ここでは、シール材130は、例えば断面がV型をしたVリングと称される部材であり、ゴムなどの柔軟性を有する素材よりなるシール材を使用する。
さらに、本例のロータリーエンコーダ100は、シール材130が取り付けられた回転軸120の突出部124の外周部を覆うように、回転軸120にカバー200を取り付ける。カバー200は回転軸120に固定され、回転軸120と一緒に回転する。このカバー200は、ハウジング部110と近接する位置までを覆う構成としてあり、カバー200とほぼ接するハウジング部110の上面111には、環状溝部112が形成されている。本例のカバー200は、金属板よりなる。
ハウジング部110の上面111には、ケーブル取り付け部114が形成され、ケーブル300のコネクタ301が接続される。このケーブル300は、回路基板103,104上に形成された回路での処理で算出された回転角度、あるいは、その回転角度の算出に必要な磁気ヘッド102の検出情報などを、外部に伝送する。ケーブル取り付け部114は、環状溝部112の外周になる位置に形成してある。
なお、図2の断面で示すように、ロータリーエンコーダ100の下側のベース部101と回転軸120との間の隙間についても、Vリングと称されるシール材140を取り付けて塞ぐようにしてある。
[2.シール材及びカバーの取り付け状態]
図3は、シール材130とカバー200をロータリーエンコーダ100から外した状態を分解して示す図である。
Vリングであるシール材130は、内周面131が回転軸120の突出部124の外周面の径とほぼ等しいサイズであり、リップ132が環状に形成され、このリップ132がシール面であるハウジング部110の上面111と接する。
そして、シール材130のリップ132が接する位置よりも外側の上面111に、環状溝部112が形成されている。環状溝部112は、例えば幅、深さともに数mm程度である。
シール材130が取り付けられた回転軸120の突出部124を覆うカバー200は、回転軸120の突出部124の先端面のネジ孔126に取り付けるための透孔211が、上面210の複数箇所に形成され、ネジ401で回転軸120に固定される。上面210は略円環形状である。
また、カバー200の上面210には、回転軸120の突出部124の外径に対応した開口部212が形成されている。
カバー200の上面210の周囲は、傾斜面となってハウジング部110の上面111に近づく(図4参照)。すなわち、円環形状の上面210の外側の縁210aから下側(ハウジング部110側)に所定の角度で傾斜した環状の第1傾斜面220が、カバー200に形成されている。第1傾斜面220の下端部221は、ハウジング部110の上面111よりも若干下側になり、環状溝部112の内部に入るようにしてある。カバー200は、第1傾斜面220の基点となる上面210の縁210aの径よりも、第1傾斜面220の下端部221の径の方が大きい。
さらにカバー200には、第1傾斜面220の下端部221から、外側に折り返すように第2傾斜面230が形成されている。第2傾斜面230は、回転軸120の軸心から径方向に離れるに従いハウジング部110の上面111から離れるように傾斜している。
[3.シール材及びカバーの詳細]
図4は、ロータリーエンコーダ100のハウジング部110の上面111に、シール材130及びカバー200が取り付けられた状態の断面を拡大して示す図であり、図5は、その周辺を斜視図で示した図である。
ここまでの説明と一部重複するが、図4及び図5に示すシール材130及びカバー200について説明する。Vリングであるシール材130は、内周面131が回転軸120の突出部124の外周面と接している。そして、シール材130の下側に環状に突出したリップ132の下端が、シール面であるハウジング部110の上面111と接している。したがって、ハウジング部110の上面111の開口部113は、シール材130により塞がれた状態となる。
そして、カバー200は、シール材130全体を覆うように、取り付けられている。カバー200は、図3で説明したように上面210が回転軸120側にネジ止めされ、回転軸と一緒に回転する。このカバー200が取り付けられた状態では、カバー200の上面210の内面が、シール材130の上面と接触(密着)している。
図4に示した角度θ1は、カバー200の第1傾斜面220が、回転軸120の軸方向となす角度を示し、角度θ2は、カバー200の第2傾斜面230が、回転軸120の軸方向となす角度を示す。この図4から判るように、角度θ1,θ2は回転軸120の軸方向から見て互いに逆の方向の角度であり、いずれも45°以下の鋭角である。但し、この図4に示す角度とするのは1つの例であり、より緩い角度に設定してもよい。
第1傾斜面220の下端部221は、ハウジング部110の上面111よりも下側になり、環状溝部112により形成される空間内に入った状態である。但し、第1傾斜面220の下端部221は、環状溝部112の底面からは若干浮いた状態である。したがって、カバー200が回転軸120と共に回転する際には、カバー200がハウジング部110の上面111と接触することはない。
環状溝部112は、シール材130のリップ132がハウジング部110の上面111と接する箇所よりも多少径方向外側に配置してある。
下端部221から径方向の外側に広がった第2傾斜面230は、高さが数mm程度である。
このように構成されるロータリーエンコーダ100によると、カバー200がハウジング部110の内部への塵や液体の侵入を効果的に防止するようになる。すなわち、ロータリーエンコーダ100は、ハウジング部110の上面111の開口部113と回転軸120の突出部124との間で隙間があり、そのままでは開口部113と回転軸120との間の隙間から塵や液体が侵入してしまう。ここで、Vリングと称されるシール材130を回転軸120に取り付けてあるため、シール材130のリップ132によるシール機能が有効に働いている間は、カバー200がない場合でも、塵や液体の侵入を防ぐことができる。
しかしながら、シール材130はある程度柔軟性を有するゴムなどで製作され、材料の性質上使用状態や使用環境によって劣化する可能性がある。例えば、ロータリーエンコーダ100が使用される環境が、クーラントと称される液体がかかる可能性がある場合、そのクーラントがシール材130に直接触れた場合、シール材130が劣化する可能性がある。また、ロータリーエンコーダ100が切削作業を行う工作機械に取り付けられた場合、その切削作業で生じる切粉などの塵が侵入して、シール材130によるシール性が劣化する可能性がある。
ここで、本例のロータリーエンコーダ100の場合には、カバー200が配置されているため、クーラントなどの液体や切粉などの塵が、環状溝部112より内部に侵入するのが防止される。したがって、シール材130にクーラントなどの液体や塵が付着することがなく、シール材130の劣化が極力防止される。
また、単にカバー200を配置しただけでなく、そのカバー200の第1傾斜面220の下端部221が、ハウジング部110の上面111の環状溝部112と接近していることでも、液体や塵の侵入が効果的に防止される。すなわち、外部からハウジング部110の内部に液体や塵などの異物が侵入しようとしたとき、その液体や塵は、環状溝部112に入る。そして、第1傾斜面220の下端部221が、環状溝部112に溜まった液体に浸るため、外部からの塵等の異物の混入を防ぐことができる。
ここで、環状溝部112にはカバー200の第1傾斜面220の下端部221が近接しており、しかもカバー200は回転軸120と連動して回転する。このため、下端部221についた液体や該液体に混入している塵等が回転した第2傾斜面230によって環状溝部112から外側にはね飛ばされるようになる。したがって、環状溝部112にクーラントなどの液体や切粉などの塵が溜まったとしても、カバー200の内側への侵入が阻止され、結果的にシール材130の劣化が極力防止される。
実験した例では、例えばカバー200の回転速度が1000rpm以上で、環状溝部112内の水滴が、良好にはね飛ばされる効果を確認できた。但し、1000rpm以上というのは1つの例であり、異物をはね飛ばすことができる回転数は、カバー200や環状溝部112の形状によって異なる。
また、本例のカバー200は、シール材130と密着しているため、回転軸120の回転時にシール材130が発熱したとしても、カバー200が放熱板として機能し、シール材130の発熱を効果的に防止できる。したがって、この冷却効果によっても、シール材130の劣化が防止される。
また、本例のカバー200に金属を用いた場合、ハウジング部110の開口部113と回転軸120との間の隙間が、金属カバーで覆われることになり、ハウジング部110の内部の回路基板103,104が、磁気的に完全にシールドされる。したがって、外部から回路基板103,104に電磁波ノイズが混入することが防止され、回路基板103,104に形成された回路で、磁気ヘッド102が検出した磁気パターンから回転角度を検出する処理が、電磁波ノイズの影響を受けることなく高精度に行えるようになる。
実験した例では、本例のカバー200を配置したロータリーエンコーダ100と、カバー200がない従来のロータリーエンコーダとを比較したとき、本例の場合、回路基板103,104に形成された回路に混入する電磁波ノイズを39%抑制することができた。
[4.カバーの変形例(例1)]
図6及び図7は、変形例(例1)のカバー200aを示す図である。この図6及び図7において、図1〜図5に示したロータリーエンコーダ100の各部と同一の部材については同一の符号を付し、その詳細説明は省略する。
図6及び図7に示したカバー200aに関して、上面210と第1傾斜面220の構成は、図1〜図5に示したカバー200と同じである。そして、図6及び図7に示したカバー200aは、第2傾斜面222を、カバー200aに用いた板材の厚みだけで形成される面とした。カバー200aの厚みだけの第2傾斜面222の傾斜角度については、例えば図4で説明したθ2と同様の角度であることが好ましい。
カバー200aのその他の部分については、図1〜図5に示したカバー200と同様に構成する。
この図6及び図7に示すカバー200aを備えたロータリーエンコーダ100の場合にも、上述したカバー200を備えた場合の効果と同様の効果が得られる。
[5.カバーの変形例(例2)]
図8及び図9は、変形例(例2)のカバー200bを示す図である。この図8及び図9においても、図1〜図5に示したロータリーエンコーダ100の各部と同一の部材については同一の符号を付し、その詳細説明は省略する。
図8及び図9に示したカバー200bに関して、上面210と第1傾斜面220の構成は、図1〜図5に示したカバー200と同様であり、第1傾斜面220と第2傾斜面230とを備える。その上で、図8に示すように、第1傾斜面220と第2傾斜面230との境界部である下端部221に対し下側から、周方向に一定間隔で複数の切り欠き部223を配置するようにした。図8の例では、16個の切り欠き部223をほぼ等間隔で配置した。
切り欠き部223は、図9の断面に示すように、貫通した孔にならない程度のサイズに形成する。
このような切り欠き部223を配置したカバー200bによると、毛細管現象によって切り欠き部223に液体などの異物が溜まりやすくなる。また、切り欠き部223が形成された下端部221を有するカバー200bが回転したとき、環状溝部112に溜まった液体の表面が波立ち、液体が下端部221に付着しやすくなるという作用がある。したがって、カバー200bが回転することで、異物を効率よく外部に飛散できるようになる。
また、切り欠き部223があることで、環状溝部112に液体が溜まったとしても、カバー200の内側は密閉状態にはらない。このため、カバー200の内側が回転で減圧されることがなく、クーラントなどの液体が環状溝部112からカバー200の内側に吸い出されることがなく、カバー200の内側への異物の侵入の阻止が効果的に行われるようになる。
なお、図8の例では16個の切り欠き部223をほぼ等間隔で配置した例を示したが、この切り欠き部223は一例であり、その他の数(複数)の切り欠き部223を配置してもよい。また、等間隔でなくてもよい。
また、図6及び図7に示したカバー200aの第1傾斜面220と第2傾斜面222との境界部に、同様の切り欠き部223を複数配置するようにしてもよい。
[6.カバーの変形例(例3)]
図10は、変形例(例3)のカバー200cを示す図である。この図10においても、図1〜図5,図8、図9に示したロータリーエンコーダ100の各部と同一の部材については同一の符号を付し、その詳細説明は省略する。
図10に示すカバー200cは、図8に示すカバー200bの第2傾斜面230に、さらに細溝224を設けたものである。この細溝224は、第2の傾斜面230をそれぞれの切り欠き部223から直線上に上側に伸びるように形成される。この細溝224は、例えば、カバー200bを構成する金属板の厚さが1.0mmであるとき、0.1mm程度の非常に細い幅にする。
このように切り欠き部223に連続した細溝224を配置することで、毛細管現象が働き、環状溝部112に溜まった液体が吸い上げられ、カバー200cが回転したときの液体の飛散が、より効果的に行えるようになる。
なお、図6及び図7に示したカバー200aの第1傾斜面220と第2傾斜面222との境界部に、同様の切り欠き部223を複数配置した場合にも、同様の細溝224を配置してもよい。
[その他の変形例]
なお、上述した実施の形態の例で説明した各例のカバー200,200a,200b,200cは、金属製であることが好ましいが、樹脂製のカバーであってもよい。本実施の形態では磁性流体を用いたシーリング材を用いないので、樹脂製のカバーであっても内部の回路に電磁的な影響を及ぼすことがない。なお、樹脂製のカバーを用いて外部からの電磁波ノイズの侵入を防ぐ場合には、例えば表面又は裏面に、電磁シールド効果がある磁性材の膜を形成させてもよい。あるいは、アルミ製のシートなどをシール材130とカバー200の間に挟むようにして、電磁波ノイズの侵入を防ぐようにしてもよい。また、電磁シールド効果がない、樹脂だけで構成されるカバーでもよい。樹脂だけで構成されるカバーであっても、そのカバー自体が電磁ノイズを発することがないため、ロータリーエンコーダでの検出に悪影響を与えることがなく、ロータリーエンコーダの検出精度の向上に繋がる。
また、上述した実施の形態の例で説明したロータリーエンコーダ100は、回転角度の検出部として、磁気ヘッド102を使用した例とした。これに対して、光学式などのその他の検出部で回転角度や回転数などを検出する構成のロータリーエンコーダに適用してもよい。
また、本実施の形態の例のロータリーエンコーダ100では、ハウジング部110の上側に突出した回転軸120に装着されるシール材130の周囲に取り付けられるカバーに適用した。これに対して、図2に示したような回転軸120の下側に取り付けられるシール材140の配置箇所についても同様の形状として、カバーを取り付けるようにしてもよい。
また、本発明は上述した実施の形態例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りその他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。
100…ロータリーエンコーダ、101…ベース部、102…磁気ヘッド、103,104…回路基板、105…補助板、106…開口部、110…ハウジング部、111…上面、112…環状溝部、113…開口部、114…ケーブル取り付け部、120…回転軸、121…ドラム部、122…磁気パターン形成部、123…段差部、124…突出部、125…連結用孔、126…ネジ孔、130…シール材、131…内周面、132…リップ、140…シール材、200,200a,200b,200c…カバー、210…上面、211…透孔、212…開口部、220…第1傾斜面、221…下端部、222…第2傾斜面、223…切り欠き部、224…細溝、230,231…第2傾斜面、300…ケーブル、301…コネクタ、401…ネジ、501…ベアリング

Claims (5)

  1. 少なくとも1つの開口部を有するハウジングと、
    前記ハウジングの内部で軸受を介して支持され、前記ハウジングの前記開口部から前記ハウジングの外部に突出する突出部を有する回転軸と、
    前記ハウジングの内部に配置され、前記回転軸の回転角を検出する検出部と、
    前記開口部から突出した回転軸の周囲の前記ハウジングの外面に環状に形成された溝部と、
    前記回転軸の前記突出部に固定され、少なくとも前記回転軸の前記突出部から前記溝部までの範囲を覆い、前記回転軸の近傍から前記溝部まで前記ハウジングの外面に近づくように傾斜した第1の傾斜面と、前記溝部から離れるように傾斜した第2の傾斜面とを有するカバーとを備えた
    ロータリーエンコーダ。
  2. 前記カバーの前記第1の傾斜面と前記第2の傾斜面との境界の端部の下側に、複数の切り欠きを有する
    請求項1に記載のロータリーエンコーダ。
  3. 前記カバーの前記第2の傾斜面のハウジングに面した側に、前記第2の傾斜面の回転方向と直交する周方向に延在する複数の細溝を有する
    請求項1又は2に記載のロータリーエンコーダ。
  4. 前記ハウジングの前記開口部を覆うシール材が、前記カバーの内側の前記回転軸に装着された
    請求項1〜3のいずれか1項に記載のロータリーエンコーダ。
  5. 前記カバーが金属で形成されている
    請求項1〜4のいずれか1項に記載のロータリーエンコーダ。
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