JP6177678B2

JP6177678B2 - ロータリーエンコーダー

Info

Publication number: JP6177678B2
Application number: JP2013254665A
Authority: JP
Inventors: 磯田　寛人; 寛人磯田; 充紀三浦
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2017-08-09
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: JP2015114140A

Description

本発明は、ロータリーエンコーダーに関し、特に測定対象物の回転角度または回転方向を検出する小型のロータリーエンコーダーに関する。

モーター等の回転軸を備えた機器では回転軸の回転角度や回転方向を検出する必要がある場合が多く、このためにロータリーエンコーダーが使用されている。従来のロータリーエンコーダーは、回転軸に取り付けられる回転円盤に設ける検出用パターンを、光学的又は磁気的な検出手段を用いて検出するのが一般的である。

図８は従来例におけるロータリーエンコーダー（回転数検出装置）の回路ブロック図である。図８に示すように、従来例におけるロータリーエンコーダーは、回転軸１が回転すればエンコーダ２の回転円盤５１が回転し、フォトインタラプタ５３が通過する回転円盤５１のスリット５２を光学的に検出し、１スリット毎に１パルス出力する。他方のフォトインタラプタ６３も同様にスリット５２を光学的に検出するがフォトインタラプタ５３とは所定角度離して設けていて、スリット５２を検出するタイミング・パルス位相を異にする。この二つのフォトインタラプタのパルス信号が回転方向検出手段３の正逆判別回路５４へ入力され、パルスの位置から正転か逆転か判別し、その正逆の判別信号は分周回路４に入力され、分周した結果を加算又は減算信号いずれかの信号に決定して次のデジタルカウンタ５へ入力する。フォトインタラプタ５３のパルス信号は分周回路４に入力され、１／４０に分周されて回転軸１の回転数の数値に変換され、デジタルカウンタ５に入力され、２進法で加算又は減算される。加算するか減算するかは正逆判別回路５４の出力信号で決定される。

なお、図８には上記の構成要素の他に回転軸１の設定回転数を設定するディップスイッチ６と、デジタルカウンタ５とディップスイッチ６の２進数値を比較し同一か否か判別し、同一であれば設定値到来の信号を出力するデジタル比較回路７と、ドライバー８と、リレー回路９と、ダイオード１０と、電源バックアップ回路５６が記載されているが、これについての説明は省略する。

特開平５−２４８８９２号公報（第２−３頁、第２図）

近年機器の小型化にともないロータリーエンコーダーの小型化が要請されている。しかしながら従来例におけるロータリーエンコーダーは高価格であり、複雑な検出回路を用いるため小型化することが困難であるという問題があった。

（目的）
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、機械式の構造を採用し、低消電化、小型化できるロータリーエンコーダーを低価格で提供することを目的とする。

上記課題を解決ために本発明のロータリーエンコーダーは、それぞれにカム溝を有する上下ケースと、前記上下ケース内に前記カム溝に摺動可能に配置される第１の回転軸と、該第１の回転軸ともに回転する第１の歯車及び円周方向において一定角度で順次設けられた電気的接点を有する回転円盤と、前記第１の歯車と噛み合う第２の歯車と、前記第１の回転軸の前記カム溝内の移動にともない前記回転円盤の電気的接点と選択的に接触する第１、第２の接点機構とを備え、前記第２の歯車の回転方向に応じて前記第１の回転軸を前記カム溝に沿って移動させたて前記回転円盤の電気的接点が前記第１、第２の接点機構のうちいずれの接点機構と接触しているかを判定して前記第１の回転軸の回転方向を検出し、前記回転円盤の回転に伴い前記第１接点機構または前記第２の接点機構が前記回転円盤の電気的接点と接触した接触点の個数を計測して前記第１の回転軸の回転角度を検出することを特徴とする。

また、前記カム溝は、前記第２の歯車の回転中心の同心円上に形成され、円弧状の形状をなすことを特徴とする。

また、前記回転円盤の電気的接点は、前記第１の回転軸が前記カム溝の一方の端部に当接した位置で前記第１の接点機構と接触し、前記第１の回転軸が前記カム溝の他方の端部に当接した位置で前記第２の接点機構と接触するように構成されていることを特徴とする。

また、前記第１、第２の接点機構は、それぞれ上下一対のブラッシュからなり、該ブラッシュは弾性を有する導電性材料からなることを特徴とする。

また、前記ブラッシュは前記第２の歯車を迂回するように湾曲して配置されており、前記回転円盤を厚さ方向に狭持して接触する端部が円弧状形状に形成されていることを特徴とする。

また、前記第２の歯車と噛み合い第３の回転軸とともに回転する第３の歯車と、前記下ケースの底部下面側に設けるプッシュスイッチ用のタクトバネとを有し、前記タクトバネは導電性材料からなり前記第３の回転軸の端部に防塵フィルムを介して当接するように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、低消電かつ小型で低価格のロータリーエンコーダーを実現することができる。

本発明の実施形態におけるロータリーエンコーダーを示し、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）において上ケースを取り外した状態を示す斜視図である。本発明の実施形態におけるロータリーエンコーダーを示す分解斜視図である。本発明の実施形態におけるロータリーエンコーダーを示し、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。発明の本実施形態における第１の歯車体と接点機構とを示し、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は、概略上面図、図４（ｃ）は、概略下面図である。図３（ａ）において上ケースを取り外した状態を示し、図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるカム溝を示す部分拡大概略図である。本発明の実施形態におけるロータリーエンコーダーの回路ブロック図である。本発明の実施形態におけるロータリーエンコーダーの正転・逆転パルス発生回路を示すブロック図である。従来技術におけるロータリーエンコーダーの回路ブロック図である。

図１（ａ）は本実施形態におけるロータリーエンコーダーを示す斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）において上ケースを取り外した状態を示す斜視図である。図２は本実施形態におけるロータリーエンコーダーを示す分解斜視図、図３（ａ）は本実施形態におけるロータリーエンコーダーを示す平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面図、図４は本実施形態におけるロータリーエンコーダーの第１の歯車体と接点機構とを示す部分拡大図である。以下、図１から図４に基づいて本実施形態におけるロータリーエンコーダーについて説明する。

図１から図３示すように、本実施形態におけるロータリーエンコーダー３０は、上ケース１１と、下ケース１７と、上下ケース１１、１７内に配置される第１の歯車体１４と、第１の歯車体１４と噛み合い減速するための第２の歯車体１２と、第２の歯車体１２と噛み合う第３の歯車体１３とを備えている。第１の歯車体１４は、第１の回転軸２４と、第１の回転軸２４とともに回転する第１の歯車３４及び回転円盤４４とを備えている。この回転円盤４４には第１の回転軸２４の回転方向及び回転角度を検出するための電気的接点が設けられている。なお、電気的接点については後述する。第２の歯車体１２は、第２の回転軸２２と、第２の回転軸２２とともに回転する第２の歯車３２とを備え、この第２の歯車３２は大歯車部３２ａと、大歯車部３２ａと比較して外形の小さい小歯車部３２ｂとを有し、大歯車部３２ａが第１の歯車３４と噛み合うように配置されている。また、第３の歯車体１３は、第３の回転軸２３と、第３の回転軸２３とともに回転する第３の歯車３３を備え、第３の歯車３３が第２の歯車３２の小歯車部３２ｂと噛み合うように配置されている。

上下ケース１１、１７には、図３に示すように、それぞれ第２、第３の回転軸２２、３２を回転可能に支持する軸受孔が設けられており、第３の回転軸３２の一方の端部は上ケース１１に設ける軸受孔３１から突出しており、この突出部にモーター等の駆動体を取り付けられるようになっている。さらに下ケース１７の底部における第３の歯車体１３に対応する位置に内側に向かって形成される凹部３７が設けられており、この凹部３７の底部に第３の回転軸３２の他方の端部が貫通する軸受孔４７が設けられている。これにより、第３の回転軸３２は軸方向にスライドすることができるようになっている。

下ケース１７の凹部３７の内部には防塵フィルム１８とプッシュスイッチ用のタクトバネ１９と基板２０とが収納されており、タクトバネ１９の一方の面が防塵フィルム１８を介して第３の回転軸の他方の端部に当接し、他方の面が基板２０の電極と接触するよう配置されている。このタクトバネ１９は例えば燐青銅などの弾性を有する導電性材料からなり、第３の歯車３３の外径より小さい円形形状をなしている。なお、タクトバネ１９の形状は円形形状に限定されるものではなく、例えば凹部３７の内部に配置できる大きさであれば、四辺形形状等でも良い。これにより第３の回転軸２３を軸方向に押圧してスライドさせることにより、駆動電源のＯＮ、ＯＦＦが出来るようになっている。また、基板２０の一部は上下ケース１１、１７の外部に露出されており、電源部と電気的に接続できるようになっている。このように、下ケース１７の一部に凹部３７を設け、タクトバネ１９基板２０等を収納し、第３の回転軸３２のスライドにより駆動電源のＯＮ、ＯＦＦする構造を採用することにより、より小型のロータリーエンコーダー３０を実現することができる。

また、上下ケース１１、１７には、それぞれカム溝２１、２７が設けられており、このカム溝２１、２７に第１の回転軸２４の両端部２４ａ、２４ｂが挿入され、第１の回転軸２４が回転可能で且つ摺動可能に支持されている。このカム溝２１、２７は、第２の歯車３２の回転中心の同心円上に形成される円弧状の形状に形成されている。また、カム溝２１、２７の平面的な位置は互いに同位置に設けられており、形状も同一形状に形成されている。また、上下ケース１１、１７の内部には、第１の歯車体１４の回転円盤４４の電気的接点と選択的に接触する第１、第２の接点機構１５、１６が設けられており、第１の回転軸２４が第２の歯車体１２の回転方向によってカム溝２１、２７内を移動して、カム溝２１、２７の端部のいずれかに位置したとき、第１、第２の接点機構１５、１６のいずれかが回転円盤４４の電気的接点と接触するように配置されている。これにより、回転円盤４４の電気的接点が第１、第２の接点機構１５、１６のいずれの接点機構と接触しているかを判定して第１の回転軸２４の回転方向を検出することができる（回転方向を検出方法については後述する）。

なお、図１においては、第１の回転軸２４が上ケース１１に設けるカム溝２１の他方の端部２１ｂに当接して、第２の接点機構１６が回転円盤４４の電気的接点と接触している状態を示している。また、図３においては、第１の回転軸２４が上ケース１１に設けるカム溝２１の一方の端部２１ａに当接して、第１の接点機構１５が回転円盤４４の電気的接点と接触している状態を示している。なお、このとき、下ケース１７に設けるカム溝２７についても同様に第１の回転軸２４の他方の端部２４ｂがカム溝２７の端部に当接する。

第１の接点機構１５は第１の上ブラッシュ２５と第１の下ブラッシュ３５とかなり、導電性を有するとともに弾性を有する板ばねで形成されている。この第１の上下ブラッシュ２５、３５は、例えば燐青銅などの材料からなり細長い帯状の形状で、その一方の端部２５ａ、３５ａが前述したように回転円盤４４の電気的接点と選択的に接触し、上下ケース１１、１７の内部を互いに電気的に絶縁された状態で第２の歯車３２、第３の歯車３３を迂回するように湾曲して延長され他方の端部２５ｂ、３５ｂが上下ケース１１、１７の外部に露出するように配置されており、この他方の端部２５ｂ、３５ｂから電気信号が取り出せるようになっている。また、第２の接点機構１６も前述の第１の接点機構１５と同様に第２の上ブラッシュ２６と第２の下ブラッシュ３６とからなり、一方の端部２６ａ、３６ａが回転円盤４４の電気的接点と選択的に接触し、第３の歯車３３を迂回するように湾曲して延長され他方の端部２６ｂ、３６ｂが上下ケース１１、１７の外部に露出するように配置されている。

図４は本実施形態における第１の歯車体の回転円盤と第１の接点機構とが接触している状態を示し、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は、概略上面図、図４（ｃ）は、概略下面図である。図４（ａ）に示すように、第１の接点機構１５における第１の上下ブラッシュ２５、３５のそれぞれの一方の端部２５ａ、３５ａが回転円盤４４を厚さ方向に狭持して接触している。この一方の端部２５ａ、３５ａは、互いの隙間が大きくなる方向に円弧状に湾曲した形状をなしている。また、一方の端部２５ａ、３５ａは回転円盤４４の回転方向についても、なだらかな曲線をなす形状に形成されている。この一方の端部２５ａ、３５ａは回転円盤４４が入り込むときに生ずる応力を考慮してＬ字型の形状より湾曲した形状が好ましく、特にアヒル口状の形状が好ましい。

また、図４（ｂ）に示すように、第１の歯車体１４の回転円盤４４の一方の平面部には円周方向の全周に亘って連続して形成されているリング状の第１の電気的接点４４ａが設けられており、この第１の電気的接点４４ａが第１の上ブラッシュ２５の一方の端部２５ａが接触する。また、図４（ｃ）に示すように、回転円盤４４の一方の平面部と反対側の他方の平面部には円周方向において一定角度で順次形成される第２の電気的接点４４ｂが絶縁部４４ｃと交互に設けられており、回転円盤４４の回転にともない第２の電気的接点４４ｂに第１の下ブラッシュ３５の一方の端部３５ａが順次接触する。また、第２の電気的接点４４ｂと絶縁部４４ｃとは凹凸がないように平滑な平面に形成されており、回転円盤４４は第１の上下ブラッシュの一方の端部２５ａ、３５ａが接触している状態においても回転が妨げられることはない。

なお、第２の接点機構１６については、第１の回転軸２４のカム溝２１、２７内の移動にともない回転円盤４４の電気的接点と接触するが、第１の接点機構１５と同様に回転円盤４４の第１の電気的接点４４ａが第２の上ブラッシュ２６の一方の端部２６ａと接触し、第２の電気的接点４４ｂが第２の下ブラッシュ３６の一方の端部３６ａに接触する。この第２の上下ブラッシュの一方の端部２６ａ、３６ａについては、第１の接点機構１５と同様であるため重複を避けて説明は省略する。これにより、回転円盤４４の回転に伴い、第１の下ブラッシュの一方の端部３５ａまたは第２の下ブラッシュの一方の端部３６ａが回転円盤４４の第２の電気的接点４４ｂと接触した接触点の個数を計測して第１の回転軸２４の回転角度を検出することができる。

次に、回転軸の回転方向及び回転角度を検出する方法について説明する。図５は、回転軸の回転方向を検出する方法について説明するための図で、図３（ａ）において上ケースを取り外した状態を示し、図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるカム溝を示す部分拡大図である。また、図６は、本実施形態におけるロータリーエンコーダーの回路ブロック図、図７は、本実施形態におけるロータリーエンコーダーの正転・逆転パルス発生回路を示すブロック図である。

図５（ａ）に示すように、第３の歯車体１３が矢印に示す時計回り（右回転）方向に回転すれば、第２の歯車体１２が矢印に示す反時計回り（左回転）方向に回転する。これに伴い、第１の歯車体１４の第１の回転軸２４がカム溝２７に沿って第２の歯車体１２の回転方向である左回転方向に移動し、図５（ｂ）に示すように、第１の回転軸２４の他方の端部２４ｂがカム溝２７の一方の端部２７ａに当接し、この位置で第１の歯車体１４が矢印で示すように右回転する。このとき第１の接点機構１５が第１の歯車体１４の回転円盤４４と接触し、第１の接点機構１５の上下ブラッシュ２５、３５の一方の端部２５ａ、３５ａが、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示す回転円盤４４の第１、第２の電気的接点４４ａ、４４ｂに接触する。これにより、図６に示すように、正転／逆転パルス発生回路から右回転パルスが発生しカウンター回路に入力する。このカウンター回路でパルスの個数が計測され右回転の回転角度信号が出力される。この右回転の回転角度信号に基づいて、第１の歯車体１４の右回転角度を検出するし、歯車の減速比を加味すれば、第３の歯車体１３の右回転角度を検出することができる。

また、第３の歯車体１３が左回転すれば、第２の歯車体１２が右回転する。これに伴い、第１の歯車体１４の第１の回転軸２４がカム溝２７に沿って右回転方向に移動し、第１の回転軸２４の他方の端部２４ｂがカム溝２７の他方の端部２７ｂに当接し、この位置で第１の歯車体１４が左回転する。このとき第２の接点機構１６が第１の歯車体１４の回転円盤４４と接触し、第２の接点機構１６の上下ブラッシュ２６、３６の一方の端部２６ａ、３６ａが、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示す回転円盤４４の第１、第２の電気的接点４４ａ、４４ｂに接触する。これにより、図６に示すように、正転／逆転パルス発生回路から左回転パルスが発生され、カウンター回路に入力する。このウンター回路でパルスの個数が計測され左回転の回転角度信号が出力される。この左回転についても右回転と同様に左回転の回転角度信号に基づいて、第３の歯車体１３の左回転角度を検出することができる。

次に本実施形態におけるロータリーエンコーダーの正転・逆転パルス発生回路について説明する。図７に示すように、スタートすると、まず第１の接点機構１５の電圧の変化をチェックし、電圧の変化があれば、第２の接点機構１６の電圧の変化をチェックする。この第２の接点機構１６の電圧に変化がなければ、右回転パルスを発生する。以後、第１の接点機構１５の電圧の変化がなくなった時点で右回転パルスの発生を停止する。
また、スタートして第１の接点機構１５の電圧の変化をチェックし、電圧の変化がない場合も第２の接点機構１６の電圧の変化をチェックする。ここで第２の接点機構１６の電圧に変化が有れば、左回転パルスを発生する。以後、第２の接点機構１６の電圧の変化がなくなった時点で左回転パルスの発生を停止する。

以上のように、本実施形態のロータリーエンコーダー３０は、機械式とすることにより、低消電かつ小型で低価格を実現することができる。また、下ケース１７の一部に凹部３７を設け、タクトバネ１９、基板２０等を収納し、第３の回転軸３２のスライドにより駆動電源のＯＮ、ＯＦＦする構造を採用することにより、より小型のロータリーエンコーダー３０を実現することができる。

なお、中間歯車として第２の歯車体１２を用いず、第１の歯車体１４と第３の歯車体１３とを直接噛み合わせる構造としても良いが、回転角度の高い検出精度を得る点を考慮すると、第１の歯車体１４の回転を減速するための第２の歯車体１２を用いる方が好ましい。

この発明によれば、携帯電話や携帯音楽プレーヤなどにおいて、円形状のメニューリストから動作を選択し、決定を行うのに、有用な入力装置に適用できる。

１１上ケース
１２第２の歯車体
１３第３の歯車体
１４第１の歯車体
１５第１の接点機構
１６第２の接点機構
１７下ケース
１８防塵フィルム
１９タクトバネ
２０基板
２１カム溝（上ケースの）
２１ａカム溝の一方の端部
２１ｂカム溝の他方の端部
２２第２の回転軸
２３第３の回転軸
２４第１の回転軸
２４ａ第１の回転軸の一方の端部
２４ｂ第１の回転軸の他方の端部
２５第１の上ブラッシ
２５ａ第１の上ブラッシの一方の端部
２５ｂ第１の上ブラッシの他方の端部
２６第２の上ブラッシ
２６ａ第２の上ブラッシの一方の端部
２６ｂ第２の上ブラッシの他方の端部
２７カム溝（下ケースの）
２７ａカム溝の一方の端部
２７ｂカム溝の他方の端部
３０ロータリーエンコーダー
３１上ケースの軸受孔
３２第２の歯車
３２ａ大歯車部
３２ｂ小歯車部
３３第３の歯車
３４第１の歯車
３５第１の下ブラッシ
３５ａ第１の下ブラッシの一方の端部
３５ｂ第１の下ブラッシの他方の端部
３６第２の下ブラッシ
３６ａ第２の下ブラッシの一方の端部
３６ｂ第２の下ブラッシの他方の端部
３７凹部
４３第３の歯車
４４回転円盤
４４ａ第１の電気的接点
４４ｂ第２の電気的接点
４４ｃ絶縁部
４７下ケース凹部の軸受孔

Claims

それぞれにカム溝を有する上下ケースと、前記上下ケース内に前記カム溝に摺動可能に配置される第１の回転軸と、該第１の回転軸ともに回転する第１の歯車及び円周方向において一定角度で順次設けられた電気的接点を有する回転円盤と、前記第１の歯車と噛み合う第２の歯車と、前記第１の回転軸の前記カム溝内の移動にともない前記回転円盤の電気的接点と選択的に接触する第１、第２の接点機構とを備え、前記第２の歯車の回転方向に応じて前記第１の回転軸を前記カム溝に沿って移動させて前記回転円盤の電気的接点が前記第１、第２の接点機構のうちいずれの接点機構と接触しているかを判定して前記第１の回転軸の回転方向を検出し、前記回転円盤の回転に伴い前記第１接点機構または前記第２の接点機構が前記回転円盤の電気的接点と接触した接触点の個数を計測して前記第１の回転軸の回転角度を検出することを特徴とするロータリーエンコーダー。
前記カム溝は、前記第２の歯車の回転中心の同心円上に形成され、円弧状の形状をなすことを特徴とする請求項１に記載のロータリーエンコーダー。
前記回転円盤の電気的接点は、前記第１の回転軸が前記カム溝の一方の端部に当接した位置で前記第１の接点機構と接触し、前記第１の回転軸が前記カム溝の他方の端部に当接した位置で前記第２の接点機構と接触するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のロータリーエンコーダー。
前記第１、第２の接点機構は、それぞれ上下一対のブラッシュからなり、該ブラッシュは弾性を有する導電性材料からなることを特徴とする請求項１に記載のロータリーエンコーダー。
前記ブラッシュは前記第２の歯車を迂回するように湾曲して配置されており、前記回転円盤を厚さ方向に狭持して接触する端部が円弧状形状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載のロータリーエンコーダー。
前記第２の歯車と噛み合い第３の回転軸とともに回転する第３の歯車と、前記下ケースの底部下面側に設けるプッシュスイッチ用のタクトバネとを有し、前記タクトバネは導電性材料からなり前記第３の回転軸の端部に防塵フィルムを介して当接するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のロータリーエンコーダー。