JP6297287B2 - ロータリエンコーダおよびこれを備えるマイクロメータ - Google Patents

Description

本発明は、アブソリュート式のロータリエンコーダおよびこれを備えるマイクロメータに関する。

従来、入力される回転に応じて中心軸回りに回転するロータを備え、このロータの回転角度を検出するアブソリュート式のロータリエンコーダが知られている。
例えば、特許文献１に記載されたロータリエンコーダは、中心軸回りに回転する円盤状の第１のロータと、この第１のロータの外側に同心状に設けられるとともに、中心軸回りに回転する円盤状の第２のロータと、入力される回転に応じて第１のロータおよび第２のロータを互いに異なる速度で回転させる回転伝達手段としての中継歯車とを備えている。そして、このロータリエンコーダは、第１のロータおよび第２のロータの回転速度の差に基づいて、入力される回転角度の絶対位置を検出している。

特開２０１１−０８５５０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたロータリエンコーダは、中継歯車を介して第１のロータおよび第２のロータを互いに異なる速度で回転させているので、ロータリエンコーダの構造が複雑になってしまうとともに、ロータリエンコーダの大きさが大型化してしまうという問題がある。

本発明の目的は、構造を簡素にすることができるとともに、大きさを小型化することができるロータリエンコーダおよびこれを備えるマイクロメータを提供することである。

本発明のロータリエンコーダは、入力される回転に応じて中心軸回りに回転するロータを備え、ロータの回転角度を検出するアブソリュート式のロータリエンコーダであって、円柱状に形成されたロータの周面を覆うように所定の間隔を隔てて配設されるステータを備え、ロータは、第１の周期で周方向に沿って繰り返すとともに、第１の周期とは異なる第２の周期で軸方向に沿って繰り返すようにして自己の周面に設けられるパターンを有し、自己の回転に伴って軸方向に沿って進退するように構成され、ステータは、ロータに向かって信号を送信する送信機と、送信機にて送信された信号をロータに設けられたパターンを介して受信する受信機とを有し、ロータリエンコーダは、ロータの周方向の回転に伴って第１の周期で受信される第１の信号と、ロータの軸方向の進退に伴って第２の周期で受信される第２の信号とを合成することによって、ロータの回転角度の絶対位置を検出し、ステータは、第１の信号を検出する第１のステータと、第２の信号を検出する第２のステータとを有し、第１のステータおよび第２のステータは、ロータの軸方向の異なる位置にそれぞれ設けられるとともに複数の送信機および受信機の組をそれぞれ有し、第１のステータにおける送信機および受信機の組のそれぞれは、第２の周期とは異なる周期で軸方向に沿って繰り返すようにして設けられ、第２のステータにおける送信機および受信機の組のそれぞれは、第１の周期とは異なる周期で周方向に沿って繰り返すようにして設けられることを特徴とする。

このような構成によれば、円柱状のロータは、第１の周期で周方向に沿って繰り返すとともに、第１の周期とは異なる第２の周期で軸方向に沿って繰り返すようにして自己の周面に設けられるパターンを有し、自己の回転に伴って軸方向に沿って進退するように構成されている。そして、ステータは、ロータの周方向の回転に伴って第１の周期で受信される第１の信号と、ロータの軸方向の進退に伴って第２の周期で受信される第２の信号とをそれぞれ検出することができる。したがって、ロータリエンコーダは、第１の信号と、第２の信号とを合成することによって、ロータの回転角度の絶対位置を検出するので、歯車等の新たな部品を必要とすることはなく、構造を簡素にすることができるとともに、大きさを小型化することができる。

また、第１の信号を検出する第１のステータと、第２の信号を検出する第２のステータとをロータの軸方向の異なる位置にそれぞれ設けているので、第１の信号と、第２の信号との干渉を抑制することができる。したがって、本発明のロータリエンコーダによれば、ロータの回転角度の検出精度を向上させることができる。

ここで、第１のステータにおける送信機および受信機の組のそれぞれを第２の周期で軸方向に沿って繰り返すようにして設けると、ロータに形成されたパターンと対応する位置に送信機および受信機の組がある場合には、受信機にて検出される信号を加算することによって大きな信号を得ることができる。大きな信号を得ることができれば、Ｓ／Ｎ比を高くすることができるので、ロータの回転角度の検出精度を更に向上させることができる。

しかしながら、ロータが軸方向に進退したことによって、ロータに形成されたパターンと対応する位置に送信機および受信機の組がない場合には、受信機にて検出される信号を加算したとしても大きな信号を得ることができないので、ロータの軸方向の位置に応じて信号の強さが異なってしまうという問題がある。
これは、第２のステータにおける送信機および受信機の組のそれぞれを第１の周期で周方向に沿って繰り返すようにして設ける場合も同様であり、ロータの回転角度に応じて信号の強さが異なってしまうという問題がある。

本発明によれば、第１のステータにおける送信機および受信機の組のそれぞれは、第２の周期とは異なる周期で軸方向に沿って繰り返すようにして設けられ、第２のステータにおける送信機および受信機の組のそれぞれは、第１の周期とは異なる周期で周方向に沿って繰り返すようにして設けられるので、ロータの軸方向の位置やロータの回転角度に応じた信号の強さの変動を抑制することができる。したがって、本発明によれば、ロータの軸方向の位置やロータの回転角度に応じた信号の強さの変動を抑制しつつ、ロータリエンコーダの検出精度を向上させることができる。

本発明のマイクロメータは、入力される回転に応じて中心軸回りに回転するとともに、この回転に伴って軸方向に沿って進退するスピンドルを備え、スピンドルの回転角度を検出することによって、スピンドルの軸方向の変位を測定するマイクロメータであって、前述したロータリエンコーダを備え、ロータは、スピンドルに一体的に設けられていることを特徴とする。

このような構成によれば、マイクロメータは、前述したロータリエンコーダを備えているので、前述したロータリエンコーダと同様の作用効果を奏することができる。

本発明では、スピンドルのねじピッチをｐとし、周方向に沿って繰り返すようにしてロータの周面に設けられるパターンの数をＢとし、マイクロメータの測定範囲を基本波長ｐ／Ｂの整数ｎ倍としたとき、第２の周期λを基本波長ｐ／Ｂよりも大きくする場合には、λ＝ｎ／（ｎ−１）・ｐ／Ｂの関係を満たすように第２の周期λを設計し、第２の周期λを基本波長ｐ／Ｂよりも小さくする場合には、λ＝ｎ／（ｎ＋１）・ｐ／Ｂの関係を満たすように第２の周期λを設計することが好ましい。

このような構成によれば、第２の周期λを基本波長ｐ／Ｂよりも大きくする場合には、λ＝ｎ／（ｎ−１）・ｐ／Ｂの関係を満たすように第２の周期λを設計し、第２の周期λを基本波長ｐ／Ｂよりも小さくする場合には、λ＝ｎ／（ｎ＋１）・ｐ／Ｂの関係を満たすように第２の周期λを設計するので、マイクロメータの測定範囲に応じて第２の周期λを適切に設計することができる。
なお、第１の周期は、ロータの径と、パターンの数Ｂとに基づいて設計すればよい。

本発明の一実施形態に係るマイクロメータの内部を示す斜視図 ロータを拡大した斜視図 ロータおよびステータを平面状に展開した模式図 第２のステータを第１の周期で設けた状態を示す図 ロータを周方向に第１の周期の半周期分だけ回転させた状態を示す図 第２のステータを第１の周期の３／２倍の周期で設けた状態を示す図 ロータを周方向に第１の周期の半周期分だけ回転させた状態を示す図

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロメータの内部を示す斜視図である。
マイクロメータ１は、図１に示すように、入力される回転に応じて中心軸回りに回転するとともに、この回転に伴って軸方向に沿って進退するスピンドル２と、スピンドル２を内部に収容するフレーム３とを備えている。このマイクロメータ１は、スピンドル２の回転角度を検出することによって、スピンドル２の軸方向の変位を測定し、スピンドル２と、アンビル（図示略）との間に挟んだ被測定物の寸法を測定する測定器である。
なお、図１は、スピンドル２の近傍のみを図示し、フレーム３の一部を透過させることによって、スピンドル２を露出させた図である。

また、マイクロメータ１は、スピンドル２の回転角度を検出するアブソリュート式のロータリエンコーダ４を備えている。
ロータリエンコーダ４は、スピンドル２に一体的に設けられることによって、入力される回転に応じて中心軸回りに回転するとともに、その回転に伴って軸方向に沿って進退する円筒状のロータ５と、ロータ５の周面を覆うように所定の間隔を隔てて配設されるフレキシブル基板からなるステータ６とを備えている。

図２は、ロータ５を拡大した斜視図である。
ロータ５は、図２に示すように、自己の周面に設けられたパターン５１を有している。換言すれば、パターン５１は、スピンドル２の周面を覆うように巻き付けられたフレキシブル基板からなるロータ５上に形成されている。具体的には、このパターン５１は、ロータ５の周方向および軸方向に沿って格子状に設けられた複数の矩形状のスケールコイルである。

図３は、ロータ５およびステータ６を平面状に展開した模式図である。なお、図３では、紙面上下方向をロータ５およびステータ６の周方向とし、紙面左右方向をロータ５およびステータ６の軸方向としている。
ロータ５は、図３に示すように、第１の周期λ１で周方向に沿って繰り返すとともに、第１の周期λ１とは異なる第２の周期λ２で軸方向に沿って繰り返すようにして設けられるパターン５１を有している。
なお、パターン５１における周方向の長さは、λ１／２であり、軸方向の長さは、λ２／２である。

ここで、第２の周期λ２は、スピンドル２のねじピッチをｐとし、周方向に沿って繰り返すようにしてスピンドル２の周面に設けられるパターン５１の数をＢとし、マイクロメータ１の測定範囲を基本波長ｐ／Ｂの整数ｎ倍としたとき、第２の周期λ２を基本波長ｐ／Ｂよりも大きくする場合には、次式の関係を満たすように設計する。

λ２＝ｎ／（ｎ−１）・ｐ／Ｂ

また、第２の周期λ２を基本波長ｐ／Ｂよりも小さくする場合には、次式の関係を満たすように設計する。

λ２＝ｎ／（ｎ＋１）・ｐ／Ｂ

なお、本実施形態では、第１の周期λ１で周方向に沿って繰り返すようにロータ５の周面に設けられるパターン５１の数Ｂを６としている。換言すれば、本実施形態では、第１の周期λ１を６０度としている。また、本実施形態では、λ１＜λ２としている。

ステータ６は、ロータ５の周方向の回転に伴って第１の周期λ１で受信される第１の信号を検出する第１のステータ６１（紙面左側）と、ロータ５の軸方向の進退に伴って第２の周期λ２で受信される第２の信号を検出する第２のステータ６２（紙面右側）とを備えている。すなわち、第１のステータ６１および第２のステータ６２は、ロータ５の軸方向の異なる位置にそれぞれ設けられている。

第１のステータ６１は、自己の周方向（紙面上下方向）に沿って設けられるとともに、ロータ５に向かって信号を送信する４つの送信機６１Ａ（６１Ａ１〜６１Ａ４）と、送信機６１Ａにて送信された信号をロータ５に設けられたパターン５１を介して受信する４つの受信機６１Ｂ（６１Ｂ１〜６１Ｂ４）とを備えている。
第２のステータ６２は、自己の軸方向（紙面左右方向）に沿って設けられるとともに、ロータ５に向かって信号を送信する４つの送信機６２Ａ（６２Ａ１〜６２Ａ４）と、送信機６２Ａにて送信された信号をロータ５に設けられたパターン５１を介して受信する４つの受信機６２Ｂ（６２Ｂ１〜６２Ｂ４）とを備えている。
なお、送信機６１Ａ，６２Ａは、それぞれ１本の巻線を巻き回すことによって形成される励磁コイル（ワンループコイル）であり、受信機６１Ｂ，６２Ｂは、それぞれ１本の巻線を巻き回すことによって形成される検出コイル（ツイストペアコイル）である。

このように、第１のステータ６１および第２のステータ６２は、複数の送信機６１Ａ，６２Ａおよび受信機６１Ｂ，６２Ｂの組をそれぞれ有している。例えば、送信機６１Ａ１に電流を流すと、ロータ５のパターン５１に起電流が発生し、受信機６１Ｂ１に起電流が発生するといったごとくである。すなわち、本実施形態では、ロータリエンコーダ４は、電磁誘導式のロータリエンコーダとして構成されている。

ここで、第１のステータ６１における送信機６１Ａおよび受信機６１Ｂの組のそれぞれは、第２の周期λ２とは異なる周期で軸方向に沿って繰り返すようにして設けられている。具体的には、第１のステータ６１における送信機６１Ａおよび受信機６１Ｂの組のそれぞれは、第２の周期λ２の３／２倍の周期で軸方向に沿って繰り返すようにして設けられている。なお、第２の周期λ２と異なる周期であれば、これ以外の周期を採用してもよい。

また、第２のステータ６２における送信機６２Ａおよび受信機６２Ｂの組のそれぞれは、第１の周期λ１とは異なる周期で周方向に沿って繰り返すようにして設けられている。具体的には、第２のステータ６２における送信機６２Ａおよび受信機６２Ｂの組のそれぞれは、第１の周期λ１の３／２倍の周期で周方向に沿って繰り返すようにして設けられている。なお、第１の周期λ１と異なる周期であれば、これ以外の周期を採用してもよい。

図４は、第２のステータ６２における送信機６２Ａおよび受信機６２Ｂの組のそれぞれを第１の周期λ１で周方向に沿って繰り返すようにして設けた状態を示す図である。なお、図４では、説明のため、送信機６２Ａおよび受信機６２Ｂの組を２つとしている。以下の図面においても同様である。
第２のステータ６２における送信機６２Ａおよび受信機６２Ｂの組のそれぞれを第１の周期λ１で周方向に沿って繰り返すようにして設けると、図４に示すように、ロータ５に形成されたパターン５１と対応する位置に送信機６２Ａおよび受信機６２Ｂの組がある場合には、受信機６２Ｂにて検出される信号を加算することによって大きな信号を得ることができる。

図５は、ロータ５を周方向に第１の周期λ１の半周期分だけ回転させた状態を示す図である。
これに対して、図５に示すように、ロータ５が周方向に第１の周期λ１の半周期分だけ回転することによって、ロータ５に形成されたパターン５１と対応する位置に送信機６２Ａおよび受信機６２Ｂの組がない場合には、受信機６２Ｂにて検出される信号を加算したとしても大きな信号を得ることができないので、ロータ５の周方向の位置に応じて信号の強さが異なってしまうという問題がある。

図６は、第２のステータ６２における送信機６２Ａおよび受信機６２Ｂの組のそれぞれを第１の周期λ１の３／２倍の周期で周方向に沿って繰り返すようにして設けた状態を示す図である。図７は、ロータ５を周方向に第１の周期λ１の半周期分だけ回転させた状態を示す図である。
本実施形態では、図６に示すように、第２のステータ６２における送信機６２Ａおよび受信機６２Ｂの組のそれぞれは、第１の周期λ１の３／２倍の周期で周方向に沿って繰り返すようにして設けられているので、図７に示すように、ロータ５が周方向に第１の周期λ１の半周期分だけ回転した場合であっても、ロータ５に形成されたパターン５１と対応する位置に送信機６２Ａおよび受信機６２Ｂの組があるようにすることができる。具体的には、図６では、図中下段の送信機６２Ａおよび受信機６２Ｂの組がパターン５１と対応する位置にあり、図７では、図中上段の送信機６２Ａおよび受信機６２Ｂの組がパターン５１と対応する位置にある。

そして、ロータリエンコーダ４は、ロータ５の周方向の回転に伴って第１の周期λ１で受信される第１の信号と、ロータ５の軸方向の進退に伴って第２の周期λ２で受信される第２の信号とを合成することによって、ロータ５の回転角度の絶対位置を検出する。また、ロータリエンコーダ４は、ロータ５の回転角度の絶対位置を検出してスピンドル２の回転角度の絶対位置を検出することによって、スピンドル２の軸方向の変位を測定し、被測定物の寸法を測定する。

このような本実施形態によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
（１）円柱状のロータ５は、第１の周期λ１で周方向に沿って繰り返すとともに、第１の周期λ１とは異なる第２の周期λ２で軸方向に沿って繰り返すようにして自己の周面に設けられるパターン５１を有し、自己の回転に伴って軸方向に沿って進退するように構成されている。そして、ステータ６は、ロータ５の周方向の回転に伴って第１の周期λ１で受信される第１の信号と、ロータ５の軸方向の進退に伴って第２の周期λ２で受信される第２の信号とをそれぞれ検出することができる。したがって、ロータリエンコーダ４は、第１の信号と、第２の信号とを合成することによって、ロータ５の回転角度の絶対位置を検出するので、歯車等の新たな部品を必要とすることはなく、構造を簡素にすることができるとともに、大きさを小型化することができる。

（２）ロータリエンコーダ４は、第１の信号を検出する第１のステータ６１と、第２の信号を検出する第２のステータ６２とをロータ５の軸方向の異なる位置にそれぞれ設けているので、第１の信号と、第２の信号との干渉を抑制することができる。したがって、ロータリエンコーダ４によれば、ロータ５の回転角度の検出精度を向上させることができる。
（３）第１のステータ６１における送信機６１Ａおよび受信機６１Ｂの組のそれぞれは、第２の周期λ２とは異なる周期で軸方向に沿って繰り返すようにして設けられ、第２のステータ６２における送信機６２Ａおよび受信機６２Ｂの組のそれぞれは、第１の周期λ１とは異なる周期で周方向に沿って繰り返すようにして設けられるので、ロータ５の軸方向の位置やロータ５の回転角度に応じた信号の強さの変動を抑制することができる。したがって、ロータリエンコーダ４によれば、ロータ５の軸方向の位置やロータ５の回転角度に応じた信号の強さの変動を抑制しつつ、ロータリエンコーダ４の検出精度を向上させることができる。

（４）ロータリエンコーダ４は、第２の周期λ２を基本波長ｐ／Ｂよりも大きくする場合には、λ２＝ｎ／（ｎ−１）・ｐ／Ｂの関係を満たすように第２の周期λ２を設計し、第２の周期λ２を基本波長ｐ／Ｂよりも小さくする場合には、λ２＝ｎ／（ｎ＋１）・ｐ／Ｂの関係を満たすように第２の周期λ２を設計するので、マイクロメータ１の測定範囲に応じて第２の周期λ２を適切に設計することができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、ロータリエンコーダ４は、電磁誘導式のロータリエンコーダとして構成されていたが、静電容量式のロータリエンコーダとして構成されていてもよい。

前記実施形態では、ステータ６は、第１のステータ６１と、第２のステータ６２とを備え、第１のステータ６１および第２のステータ６２は、ロータ５の軸方向の異なる位置にそれぞれ設けられていたが、第１のステータおよび第２のステータは、重ねるようにしてロータの軸方向の同じ位置にそれぞれ設けられていてもよい。このような構成によれば、第１の信号と、第２の信号との干渉は大きくなるが、ロータリエンコーダの大きさを小型化することができる。

前記実施形態では、第１のステータ６１における送信機６１Ａおよび受信機６１Ｂの組のそれぞれは、第２の周期λ２とは異なる周期で軸方向に沿って繰り返すようにして設けられていたが、同じ周期で軸方向に沿って繰り返すようにして設けられていてもよい。また、前記実施形態では、第２のステータ６２における送信機６２Ａおよび受信機６２Ｂの組のそれぞれは、第１の周期λ１とは異なる周期で周方向に沿って繰り返すようにして設けられていたが、同じ周期で周方向に沿って繰り返すようにして設けられていてもよい。

前記実施形態では、ロータリエンコーダ４は、第２の周期λ２を基本波長ｐ／Ｂよりも大きくする場合には、λ２＝ｎ／（ｎ−１）・ｐ／Ｂの関係を満たすように第２の周期λ２を設計し、第２の周期λ２を基本波長ｐ／Ｂよりも小さくする場合には、λ２＝ｎ／（ｎ＋１）・ｐ／Ｂの関係を満たすように第２の周期λ２を設計していたが、このように設計しなくてもよい。要するに、ロータは、第１の周期で周方向に沿って繰り返すとともに、第１の周期とは異なる第２の周期で軸方向に沿って繰り返すようにして自己の周面に設けられるパターンを有していればよい。

前記実施形態では、第１のステータ６１は、４つの送信機６１Ａおよび４つの受信機６１Ｂを備え、第２のステータ６２は、４つの送信機６２Ａおよび４つの受信機６２Ｂを備えていたが、これ以外の個数の送信機および受信機を備えていてもよい。要するに、ステータは、ロータに向かって信号を送信する送信機と、送信機にて送信された信号をロータに設けられたパターンを介して受信する受信機とを有していればよい。

前記実施形態では、ロータリエンコーダ４をマイクロメータ１に採用していたが、マイクロメータ以外の他の測定器に採用してもよく、測定器以外の他の産業機器に採用してもよい。

以上のように、本発明は、アブソリュート式のロータリエンコーダおよびこれを備えるマイクロメータに好適に利用できる。

１ マイクロメータ
２ スピンドル
３ フレーム
４ ロータリエンコーダ
５ ロータ
６ ステータ
５１ パターン
６１ 第１のステータ
６２ 第２のステータ
６１Ａ，６２Ａ 送信機
６１Ｂ，６２Ｂ 受信機
λ１ 第１の周期
λ２ 第２の周期

Claims (3)

1. 入力される回転に応じて中心軸回りに回転するロータを備え、前記ロータの回転角度を検出するアブソリュート式のロータリエンコーダであって、
   円柱状に形成された前記ロータの周面を覆うように所定の間隔を隔てて配設されるステータを備え、
   前記ロータは、第１の周期で周方向に沿って繰り返すとともに、第１の周期とは異なる第２の周期で軸方向に沿って繰り返すようにして自己の周面に設けられるパターンを有し、自己の回転に伴って軸方向に沿って進退するように構成され、
   前記ステータは、
   前記ロータに向かって信号を送信する送信機と、
   前記送信機にて送信された信号を前記ロータに設けられたパターンを介して受信する受信機とを有し、
   前記ロータリエンコーダは、前記ロータの周方向の回転に伴って前記第１の周期で受信される第１の信号と、前記ロータの軸方向の進退に伴って前記第２の周期で受信される第２の信号とを合成することによって、前記ロータの回転角度の絶対位置を検出し、
   前記ステータは、
   前記第１の信号を検出する第１のステータと、
   前記第２の信号を検出する第２のステータとを有し、
   前記第１のステータおよび前記第２のステータは、前記ロータの軸方向の異なる位置にそれぞれ設けられるとともに複数の前記送信機および前記受信機の組をそれぞれ有し、
   前記第１のステータにおける前記送信機および前記受信機の組のそれぞれは、前記第２の周期とは異なる周期で軸方向に沿って繰り返すようにして設けられ、前記第２のステータにおける前記送信機および前記受信機の組のそれぞれは、前記第１の周期とは異なる周期で周方向に沿って繰り返すようにして設けられることを特徴とするロータリエンコーダ。
2. 入力される回転に応じて中心軸回りに回転するとともに、この回転に伴って軸方向に沿って進退するスピンドルを備え、前記スピンドルの回転角度を検出することによって、前記スピンドルの軸方向の変位を測定するマイクロメータであって、
   請求項１に記載されたロータリエンコーダを備え、
   前記ロータは、前記スピンドルに一体的に設けられていることを特徴とするマイクロメータ。
3. 請求項２に記載されたマイクロメータにおいて、
   前記スピンドルのねじピッチをｐとし、周方向に沿って繰り返すようにして前記ロータの周面に設けられるパターンの数をＢとし、前記マイクロメータの測定範囲を基本波長ｐ／Ｂの整数ｎ倍としたとき、
   前記第２の周期λを前記基本波長ｐ／Ｂよりも大きくする場合には、
   λ＝ｎ／（ｎ−１）・ｐ／Ｂ
   の関係を満たすように前記第１の周期λを設計し、
   前記第２の周期λを前記基本波長ｐ／Ｂよりも小さくする場合には、
   λ＝ｎ／（ｎ＋１）・ｐ／Ｂ
   の関係を満たすように前記第２の周期λを設計することを特徴とするマイクロメータ。

Images