JP6545141B2 - アブソリュートエンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、入力軸の回転量を特定するためのアブソリュートエンコーダに関する。

従来、各種の制御機械装置において、可動要素の位置や角度を検出するために用いられるロータリーエンコーダが知られている。このようなエンコーダには相対的な位置又は角度を検出するインクリメンタル型のエンコーダと、絶対的な位置又は角度を検出するアブソリュート型のエンコーダがある。例えば特許文献１には、自動制御装置やロボット装置等の運動制御用の回転軸やバルブ開閉に用いる動力伝達用の回転軸等の回転量を絶対量としてデジタル的に計測するためのアブソリュート型のロータリーエンコーダが記載されている。

実開平４−９６０１９号公報

特許文献１に記載のアブソリュートエンコーダは、多段連結されたギアそれぞれの回転軸に１ビットの回転センサを取り付けた構成を有する。このギアそれぞれが順次減速して回転することで１ビットのカウンタを構成する。このようなエンコーダでは、カウンタ数を減らすと分解能が低下するから、分解能を確保するためにカウンタの数を増やせば、エンコーダが大型化する問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、分解能を確保しつつ大型化を抑制できるアブソリュートエンコーダを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のアブソリュートエンコーダは、主軸の複数回の回転にわたる回転量を特定するアブソリュートエンコーダであって、主軸の回転に伴い回転する回転体と、回転体と一体に回転するマグネットと、マグネットの磁極を検知して、それぞれ異なる位相の正弦波状の検知信号を出力する複数の回転センサと、を備え、回転体は、主軸と一体に回転する第１回転体と、第１回転体の回転に伴い回転する第３回転体と、を含み、第１回転体の回転角を検知する第１角度センサを備え、マグネットは第３回転体に配置され、回転体は、第１回転体と第３回転体の間に配置される第２回転体を含み、第２回転体の回転角を検知する第２角度センサを備え、第２回転体は、第１回転体に対して第１減速比で減速回転し、第３回転体は、第２回転体に対して第２減速比で減速回転し、第１回転体の回転を第２回転体に伝達する機構は、ウォームギア部とウォームホイール部からなるウォーム機構を含み、第１回転体の回転を第２回転体に伝達する機構は、第１回転体に対して第３減速比で減速回転する中間回転体を含み、第２回転体は中間回転体に対して第４減速比で減速回転する。

この態様によると、アブソリュートエンコーダにおいて、回転センサの異なる位相の正弦波状の検知信号に応じて主軸の複数回の回転にわたる回転量を特定することができる。

本発明の別の態様もまた、アブソリュートエンコーダである。このアブソリュートエンコーダは、主軸の複数回の回転にわたる回転量を特定するアブソリュートエンコーダであって、主軸の回転に伴い回転する回転体と、回転体と一体に回転するマグネットと、マグネットの磁極を検知して、それぞれ異なる位相の正弦波状の検知信号を出力する複数の回転センサと、を備え、回転体は、主軸と一体に回転する第１回転体と、第１回転体の回転に伴い回転する第３回転体と、を含み、第１回転体の回転角を検知する第１角度センサを備え、マグネットは第３回転体に配置され、回転体は、第１回転体と第３回転体の間に配置される第２回転体を含み、第２回転体の回転角を検知する第２角度センサを備え、第２回転体は、第１回転体に対して第１減速比で減速回転し、第３回転体は、第２回転体に対して第２減速比で減速回転し、第２回転体は、当該第２回転体と一体に回転する別のマグネットを含み、空間を、第２回転体の回転軸と直交すると共に第１回転体の回転軸を含む平面によって２つの領域に分けるとき、別のマグネットは、２つの領域のうちマグネットが配置されていない方の領域に配置される。

本発明のさらに別の態様は、回転量を特定する方法である。この方法は、主軸の複数回の回転にわたる回転量を特定する方法であって、主軸と一体に回転する第１回転体の回転角を取得することと、第１回転体に対して第１減速比で減速回転する第２回転体の回転角を取得することと、第２回転体に対して第２減速比で減速回転するマグネットの磁極を検知して、それぞれ位相が異なる複数の正弦波状の検知信号を取得することと、取得された第２回転体の回転角と検知信号とに応じて第１回転体の回転数を特定することと、取得された第１回転体の回転角と特定された第１回転体の回転数とに応じて主軸の回転量を特定することと、を含む。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、分解能を確保しつつ大型化を抑制できるアブソリュートエンコーダを提供することができる。

実施の形態に係るエンコーダを示す斜視図である。 図１のエンコーダを説明するブロック図である。 図１のエンコーダを説明する展開図である。 図１のエンコーダの一部を拡大して示す斜視図である。 図１のエンコーダの一部を拡大して示す別の斜視図である。 図１のエンコーダの対応関係テーブルの動作を説明する説明図である。 図１のエンコーダの一部を拡大して示す正面図である。 図１のエンコーダの一部を拡大して示す背面図である。 図１のエンコーダの一部を拡大して示す平面図である。 第１回転体と中間回転体の周辺を示す断面図である。 第２回転体の周辺を示す断面図である。 ホール素子の周辺を示す正面図である。 第１回転体と中間回転体と第３回転体の周辺を示す断面図である 第１変形例のエンコーダを説明する展開図である。 第１変形例のエンコーダの対応関係テーブルの動作を説明する説明図である。

本発明者は、アブソリュートエンコーダ（以下、単にエンコーダという）について以下のような認識を得た。エンコーダとしては、例えば主軸の１回転内の絶対回転角を検知してデジタル信号として出力する角度センサを複数組み合わせて構成することが考えられる。角度センサを複数組み合わせるエンコーダの一例として、主軸と異なる減速比で回転する第１従軸と第２従軸の３軸それぞれに別々の角度センサを設ける構成が考えられる。この構成では、主軸、第１従軸および第２従軸の３軸から検知した回転角に基づいて主軸の複数回転にわたる回転量をデジタル演算して求める。デジタル演算するとは、例えばＮ進法に変換した量で演算することなどが挙げられる。この構成では、回転角から回転量を算出するから、複数の角度センサで検知された回転角（以下、検知回転角）のいずれかの分解能が低いと、演算して求めた回転量の精度が低下するという課題がある。この精度を改善するために、この３軸すべてに高分解能の角度センサを取付けることも考えられるが、この場合、高価な角度センサを３個備えることでコストダウンに不利になるという課題がある。

また、この構成では、これらの３個の角度センサがそれぞれ検知した回転角（デジタル信号）を、ＣＰＵ（central processing unit）にて複雑なアルゴリズムを用いて演算して回転量を求めることになる。したがって、演算能力の低いＣＰＵを用いると演算が追いつかずに誤動作する懸念がある。このことから、発明者は、複数の回転角を並列的に処理して回転量を特定する構成には、コストアップを抑えつつ精度を向上する観点で改善をする余地があることを認識した。

これらを踏まえ、発明者は、主軸の複数回の回転（以下、複数回転という）にわたる回転量を、主軸の１回転内の回転角と、主軸の回転の回数である回転数とに基づき式１によって特定し得ることを見出した。
（式１） 主軸の回転量＝主軸の回転角＋主軸の回転数×３６０°
このように主軸の回転量を特定することでコストアップを抑えつつ精度を維持可能なアブソリュートエンコーダを提供することができる。
実施の形態は、このような思索に基づいて案出されたもので、以下に具体的な構成を説明する。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに各図面を参照しながら説明する。実施の形態、変形例では、同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
また、第１、第２などの序数を含む用語は多様な構成要素を説明するために用いられるが、この用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ用いられ、この用語によって構成要素が限定されるものではない。

［実施の形態］
本発明の実施の形態に係るエンコーダ１００について説明する。図１は、実施の形態に係るエンコーダ１００を示す斜視図である。以下、ＸＹＺ直交座標系をもとに説明する。Ｘ軸方向は水平な前後方向に対応し、Ｙ軸方向は水平な左右方向に対応し、Ｚ軸方向は鉛直な上下方向に対応する。Ｙ軸方向およびＺ軸方向はそれぞれＸ軸方向に直交する。Ｘ軸方向は前方向あるいは後方向と、Ｙ軸方向は左方向あるいは右方向と、Ｚ軸方向は上方向あるいは下方向と表記することがある。このような方向の表記はエンコーダ１００の使用姿勢を制限するものではなく、エンコーダ１００は任意の姿勢で使用されうる。

エンコーダ１００は、モータ１の主軸１ａの複数回転にわたる回転量を特定して出力するアブソリュート型のエンコーダである。モータ１は、一例として、ステッピングモータやＤＣブラシレスモータであってもよい。一例として、モータ１は波動歯車装置などの減速機構を介して産業用などのロボットを駆動する駆動源として適用されてもよい。エンコーダ１００は特定した主軸１ａの回転量をデジタル信号として出力する。図２はエンコーダ１００を説明するブロック図である。図３はエンコーダ１００を説明する展開図である。図４はエンコーダ１００の一部を拡大して示す斜視図である。図５はエンコーダ１００の一部を拡大して示す別の斜視図である。

図２に示すように、エンコーダ１００は、主軸１ａと、第１回転体２０と、中間回転体２２と、第２回転体２４と、第３回転体２６と、角度センサＡＳ１と、角度センサＡＳ２と、マグネットＭ１と、マグネットＭ２と、マグネットＭ３と、複数の回転センサ３８と、制御部４０と、を含む。

主軸１ａは、モータ１の出力軸であり、エンコーダ１００に回転が入力される入力軸である。第１回転体２０は、主軸１ａに固定され、主軸１ａと一体にモータ１の軸受部材によって回転可能に支持される。中間回転体２２、第２回転体２４および第３回転体２６は後述するシャフトによって回転可能に支持される。中間回転体２２は、第１減速機構２１を介して第１回転体２０に駆動され、第１回転体２０に対して減速比Ｒ１で減速回転する。第２回転体２４は、ウォーム機構１５を介して中間回転体２２に駆動され、中間回転体２２に対して減速比Ｒ２で減速回転する。減速比Ｒ１と減速比Ｒ２の積を減速比Ｒ１２とすると、第２回転体２４は、第１回転体２０に対して減速比Ｒ１２で減速回転する。一例として、減速比Ｒ１は１／２で、減速比Ｒ２は１／５０で、減速比Ｒ１２は１／１００であってもよい。これらの減速比はエンコーダ１００の分解能に応じて設定してもよい。第１回転体２０が１００回転するとき第２回転体２４は１回転する。

第３回転体２６は、第２減速機構２５を介して第２回転体２４に駆動され、第２回転体２４に対して減速比Ｒ２３で減速回転する。一例として、減速比Ｒ２３は１／４であってもよい。第２回転体２４が４回転するとき第３回転体２６は１回転する。第３回転体２６は、第１回転体２０に対して減速比Ｒ１２に減速比Ｒ２３を乗じた減速比（＝１／４００）で減速回転する。第１回転体２０が４００回転するとき第３回転体２６は１回転する。つまり、第３回転体２６の１回転中の回転位置を特定することで第１回転体２０の４００回転分（±２００回転分）の絶対的な回転量を特定することができる。

マグネットＭ１は、第１回転体２０の回転軸方向において角度センサＡＳ１と対向する端面に２極の磁極Ｐ１を有する。マグネットＭ１は第１回転体２０と一体に回転する。角度センサＡＳ１は、磁極Ｐ１から受ける磁束密度に応じて第１回転体２０の回転角（＝主軸１ａの回転角）を検知する。

マグネットＭ２は、第２回転体２４の回転軸方向において角度センサＡＳ２と対向する端面に２極の磁極Ｐ２を有する。マグネットＭ２は第２回転体２４と一体に回転する。角度センサＡＳ２は、磁極Ｐ２から受ける磁束密度に応じて第２回転体２４の回転角を検知する。

複数の回転センサ３８は、ホール素子Ｈ１、Ｈ２（以下、各ホール素子ということがある）を含む。各ホール素子は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）やインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）などの化合物半導体またはシリコン（Ｓｉ）などの単元素半導体の薄膜を含んでもよい。マグネットＭ３は、第３回転体２６の軸方向において各ホール素子と対向する端面に２極の磁極Ｐ３を有する。ホール素子Ｈ１、Ｈ２は、電気角でπ／２離隔された位置に配置される。マグネットＭ３は第３回転体２６と一体に回転するとき、ホール素子Ｈ１とホール素子Ｈ２は、位相差が９０°である正弦波状の検知信号を出力する。なお、正弦波状の信号とは、その称呼に関わらず、振幅が経時的に徐々に変化する波状の信号をいい、振幅が急峻にまたは不連続的に変化する矩形波状の信号を含まない。正弦波状の信号には、例えば三角波と称呼されるものなど、エンコーダの精度に実質的な影響を与えない程度の高調波を含有するものを含む。

制御部４０は、角度センサＡＳ１が検知した第１回転体２０の回転角と、角度センサＡＳ２が検知した第２回転体２４の回転角と、ホール素子Ｈ１、Ｈ２からの検知信号と、とを取得する。制御部４０は、取得したホール素子Ｈ１、Ｈ２からの検知信号に応じて対応関係テーブル４４を参照して第２回転体２４の回転数を特定する。制御部４０は、取得した第２回転体２４の回転角と、特定した第２回転体２４の回転数から第１回転体２０の回転数を特定する。第１回転体２０の回転数は、例えば式２によって特定することができる。
（式２） 第１回転体２０の回転数＝第２回転体２４の回転角／（Ｒ１２×３６０）＋第２回転体２４の回転数／Ｒ１２

制御部４０は、特定した第１回転体２０の回転数と、取得した第１回転体２０の回転角から第１回転体２０の回転量を特定する。第１回転体２０の回転量は、例えば式３によって特定することができる。
（式３） 第１回転体２０の回転量＝第１回転体２０の回転角＋第１回転体２０の回転数×３６０°
主軸１ａの回転量は第１回転体２０の回転量に等しいから、主軸１ａの回転量は例えば式４によって特定することができる。
（式４） 主軸１ａの回転量＝第１回転体２０の回転角＋第１回転体２０の回転数×３６０°

続いて、エンコーダ１００の各要素について説明する。

（制御部）
図２に示すように、制御部４０は、第１回転角取得部４１と、第２回転角取得部４２と、ホール信号取得部４３と、対応関係テーブル４４と、回転数特定部４５と、出力部４６と、を含む。これら各ブロックは、ハードウエア的には、コンピュータのＣＰＵ（central processing unit）をはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウエア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウエア、ソフトウエアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、本明細書に触れた当業者には理解されるところである。

第１回転角取得部４１は、角度センサＡＳ１が検知した第１回転体２０の回転角を取得する。第２回転角取得部４２は、角度センサＡＳ２が検知した第２回転体２４の回転角を取得する。ホール信号取得部４３は、ホール素子Ｈ１、Ｈ２からの正弦波状の検知信号を取得する。ホール信号取得部４３は、例えばＡＤコンバータを含み、アナログ信号であるホール素子Ｈ１、Ｈ２からの検知信号をデジタル検知信号に変換して取得する。

（対応関係テーブル）
図６は対応関係テーブル４４の動作の一例を説明する説明図である。対応関係テーブル４４は、例えば９０°の位相差を有する２つの正弦波状の信号Ｈａ、Ｈｂの振幅の情報と、この２つの信号の振幅に対応する角度θと、この角度θに対応する第２回転体２４の回転数Ｎ２と、をテーブル形式で記憶している。対応関係テーブル４４は、取得したデジタル検知信号の振幅に対応して０°〜３６０°の範囲で角度θを特定する。対応関係テーブル４４は、特定された角度θに対応して０〜３回転の範囲で第２回転体２４の回転数Ｎ２を特定する。図６に示すように、角度θが０°以上で９０°未満の範囲ではＮ２＝０回転、角度θが９０°以上で１８０°未満の範囲ではＮ２＝１回転、角度θが１８０°以上で２７０°未満の範囲ではＮ２＝２回転、角度θが２７０°以上で３６０°未満の範囲ではＮ２＝３回転と特定する。

例えば、角度θが未知であり、信号Ｈａの振幅が０．８７で、信号Ｈａの振幅が−０．５である場合を想定する。信号Ｈａの振幅が０．８７である角度θは６０°（Ａ１）と、１２０°（Ａ２）の２つ存在する。この内、信号Ｈｂの振幅が−０．５である角度θは１２０°（Ｂ２）のみに特定され、振幅が０．５である角度θ＝６０°（Ｂ１）は否定される。特定された角度θ＝１２０°は、９０°以上で１８０°未満の範囲に属するから第２回転体２４の回転数Ｎ２は１回転と特定される。このように、複数の位相の正弦波状の信号の角度および振幅の情報をテーブル化して用いることで、振幅の情報から角度を特定することができる。また、その角度から第２回転体２４の回転数Ｎ２を特定することができる。

回転数特定部４５は、第２回転角取得部４２が取得した第２回転体２４の回転角と、対応関係テーブル４４を参照して特定された第２回転体２４の回転数Ｎ２とから、上述の式２によって第１回転体２０の回転数を特定する。出力部４６は、第１回転角取得部４１が取得した第１回転体２０の回転角と、回転数特定部４５によって特定された第１回転体２０の回転数とから、上述の式４によって主軸１ａの回転量を特定して出力する。

（マグネット）
マグネットＭ１〜Ｍ３（以下、各マグネットと表記することがある。）は略円筒形状を有する。各マグネットは、例えばフェライト系やＮｄＦｅＢ系の磁石材料から形成される。各マグネットは、例えば樹脂バインダを含むゴム磁石やボンド磁石であってもよい。各マグネットの各角度センサに対向する対向面には複数（例えば、２極）の磁極が設けられる。各マグネットの磁化方向は各マグネットの対向面に直交する方向であってもよく、対向面に平行な方向であってもよい。各マグネットの内部で対向面に平行な方向で、対向面付近で対向面に直交する方向であってもよい。実施の形態では、各マグネットの各角度センサに対向する端部には２極の磁極が設けられる。

各マグネットは、各ロータの端部に各角度センサに向かって設けられるマグネットホルダに形成された凹部に収容され、例えば接着やカシメなどによって固定されてもよい。各マグネットは着磁によって磁極が形成される。各マグネットの回転方向の磁束密度分布は台形波形状であってもよく、正弦波状や矩形波形状であってもよい。実施の形態では台形波状に着磁される。各マグネットから角度センサＡＳ１、ＡＳ２および複数の回転センサ３８（以下、各検知素子という。）までの距離を調整することで、各検知素子が受ける磁束密度の分布を変化させることができる。実施の形態では、各検知素子が受ける磁束密度の分布が正弦波状になるように、各マグネットの位置を設定している。例えば、マグネットＭ３を連続回転させるとき、複数の回転センサ３８は正弦波状に変化する検知信号を出力する。

（角度センサ）
角度センサＡＳ１、ＡＳ２（以下、各角度センサと表記することがある。）は、各ロータの１回転に対応する０°〜３６０°の範囲の絶対的な回転角を検知するセンサである。各角度センサは検知した回転角に応じた信号（例えばデジタル信号）を制御部４０に出力する。各角度センサは、一旦通電を停止して再通電をした場合にも、通電停止前と同じ回転角を出力する。このためバックアップ電源を備えない構成が可能である。図４に示すように、角度センサＡＳ１は、第１回転体２０の軸方向端面に設けたマグネットＭ１の磁極と隙間を介して対向する位置にて、センサ支持部に固定される。角度センサＡＳ２は、第２回転体２４の軸方向端面に設けたマグネットＭ２の磁極と隙間を介して対向する位置にてセンサ支持部に固定される。

各角度センサには比較的分解能が高い磁気式角度センサを使用してもよい。磁気式角度センサは、それぞれの回転体の軸方向において、例えばマグネットの２極の磁極と隙間を介して対向配置され、これら磁極の回転に基づいてロータの回転角を特定してデジタル信号を出力する。磁気式角度センサは、一例として、磁極を検知する検知素子と、この検知素子の出力に基づいてデジタル信号を出力する演算回路と、を含む。検知素子は、例えばホールエレメントやＧＭＲ（Giant Magneto Resistive）エレメントなどの磁界検知要素を複数（例えば４つ）含んでもよい。演算回路は、例えば複数の検知素子の出力の差や比をキーとしてルックアップテーブルを用いてテーブル処理によって回転角を特定するようにしてもよい。この検知素子と演算回路とは一つのＩＣチップ上に集積されてもよい。このＩＣチップは薄型の直方体形状の外形を有する樹脂中に埋め込まれてもよい。各角度センサは、図示しない配線部材を介して検知した各ロータの回転角に対応するデジタル信号である角度信号を制御部４０に出力する。

特に、角度センサＡＳ１は、第１回転体２０に設けられたマグネットＭ１の磁極を検知して、第１回転体２０の回転角を複数ビット（例えば７ビット）のデジタル信号として出力する。角度センサＡＳ２は、第２回転体２４に設けられたマグネットＭ２の磁極を検知して、第２回転体２４の回転角を複数ビット（例えば７ビット）のデジタル信号として出力する。

続いて、図７〜１３を参照して、エンコーダ１００の第１回転体２０、中間回転体２２、第２回転体２４および第３回転体２６（以下、各回転体という）とその周辺の構成を説明する。図７はエンコーダ１００の正面図である。図８はエンコーダ１００の背面図である。図９はエンコーダ１００の平面図である。図９は後述するブラケット１０や角度センサＡＳ１などの部材の図示を省いている。図１０は第１回転体２０と中間回転体２２の周辺を示す一部断面図である。図１１は第２回転体２４の周辺を示す一部断面図である。図１２はホール素子Ｈ１，Ｈ２の周辺を示す正面図である。図１２は図７から後述するブラケット１８とブラケット７などの部材の図示を省いている。図１３は第１回転体２０と中間回転体２２と第３回転体２６の周辺を示す一部断面図である。各回転体とその周辺の部材は、モータ１の上側に固定される円盤状のベース２に支持される。

第１回転体２０は、円形部材３と、マグネットＭ１と、を含む。円形部材３は、Ｚ軸方向に延在し、角度センサＡＳ１に近い側から順にマグネットホルダ３ｈと、駆動歯車３ｄと、を有する（特に図１０を参照）。マグネットホルダ３ｈの角度センサＡＳ１に対向する端面には凹部３ｋが形成される。この凹部３ｋは第１回転体２０の回転軸方向に円形に窪む形状を有する。マグネットホルダ３ｈの凹部３ｋはマグネットＭ１を収容して固定する。駆動歯車３ｄは、その外周を２４等分した位置に２４個のギア歯を有する平歯車である。円形部材３のモータ１側の端部には、主軸１ａが挿入固定される孔３ｊが形成される。

中間回転体２２は、第１回転体２０と第２回転体２４の間で回転を減速して伝達する要素である。中間回転体２２を設けることで、第１回転体２０と第２回転体２４の間の減速比Ｒ１２を大きくすることができる。中間回転体２２の回転軸は第１回転体２０の回転軸と平行にＺ軸方向に伸びるように設けられる。中間回転体２２は、外周面に従動歯車５ｅとウォームギア部５ｗが形成される円形部材５を含む（特に図１０を参照）。円形部材５はＺ軸方向に延在する。円形部材５は、ベース２にナット５ｎによって固定されるシャフト５ｓを収容する孔５ｊを有し、シャフト５ｓに回転可能に支持される。従動歯車５ｅは、駆動歯車３ｄとかみ合い、駆動歯車３ｄに駆動される。従動歯車５ｅと駆動歯車３ｄは第１減速機構２１を構成する（特に図９を参照）。従動歯車５ｅは、その外周を４８等分した位置に４８個のギア歯を有する平歯車である。ウォームギア部５ｗは、従動歯車５ｅから上向きに伸びる円筒ウォームである。ウォームギア部５ｗの外周面にはねじ状の溝が例えば１条設けられる。なお、ねじ状の溝は複数条であってもよい。

ウォームギア部５ｗが回転するとき、ウォームの作用により円形部材５には上向きの力が働く場合がある。そこで、実施の形態では円形部材５の上端に設けた半球型突起５ｃを押えるウォーム押え部１９ａを備える（特に図７を参照）。ウォーム押え部１９ａは、半球型突起５ｃに当接して下向きに押圧することで、円形部材５の移動を抑制する。ウォーム押え部１９ａは、一端がブラケット１０に固定されるアングル状の板バネ１９の他端側に設けられる。板バネ１９は、例えばリベットやねじによってブラケット１０に固定される。ブラケット１０については後述する。板バネ１９は、一例として板厚が０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のステンレス鋼板から形成されてもよい。

第２回転体２４は、円形部材６と、マグネットＭ２と、を含む。円形部材６はＹ軸方向に延在する（特に図１１を参照）。円形部材６には、角度センサＡＳ２に近い側から順にマグネットホルダ６ｈと、ウォームホイール部６ｗと、駆動歯車６ｄと、が形成される。マグネットホルダ６ｈは、角度センサＡＳ２に対向する端面に凹部６ｋが形成される。この凹部６ｋは第２回転体２４の回転軸方向に円形に窪む形状を有する。マグネットホルダ６ｈの凹部６ｋはマグネットＭ２を収容して固定する。円形部材６は、シャフト６ｓを収容する孔６ｊを有し、シャフト６ｓに回転可能に支持される。シャフト６ｓは、ブラケット７のベース２から上向きに延在する部分にナット６ｎによって固定される。ブラケット７はベース２の一部が上向きに切り起こされて形成される。ブラケット７はベース２と別体に形成されてもよい。ブラケット７は、例えば一端がベース２に固定されるアングル状の部材であってもよい。シャフト６ｓはベース２に平行なＹ軸方向に延伸する。

ウォームホイール部６ｗは、中間回転体２２のウォームギア部５ｗとかみ合い、ウォームギア部５ｗに駆動される。ウォームホイール部６ｗは、その外周を５０等分した位置に５０個のギア歯を有する。ウォームホイール部６ｗのギア歯は斜歯歯車であってもよい。ウォームギア部５ｗとウォームホイール部６ｗとはウォーム機構１５を構成する（特に図９を参照）。駆動歯車６ｄは、その外周を１５等分した位置に１５個のギア歯を有する平歯車である。第２回転体２４の回転軸は、第１回転体２０や中間回転体２２の回転軸から９０°傾斜して設けられる。

第３回転体２６は、円形部材８と、マグネットＭ３と、を含む（特に図１３を参照）。円形部材８はＹ軸方向に延在する。円形部材８には、ホール素子Ｈ１、Ｈ１に近い側から順にマグネットホルダ８ｈと、従動歯車８ｅと、が形成される。マグネットホルダ８ｈには、ホール素子Ｈ１、Ｈ１に対向する端面に凹部８ｋが形成される。この凹部８ｋは第３回転体２６の回転軸方向に円形に窪む形状を有する。マグネットホルダ８ｈの凹部８ｋはマグネットＭ３を収容して固定する。円形部材８は、シャフト８ｓを収容する孔８ｊを有し、シャフト８ｓに回転可能に支持される。シャフト８ｓは、ブラケット９のベース２から上向きに延在する部分にカシメなどによって固定される。ブラケット９はベース２の一部が上向きに切り起こされて形成される。ブラケット９はベース２と別体に形成されてもよい。ブラケット９は、例えば一端がベース２に固定されるアングル状の部材であってもよい。シャフト８ｓはベース２に平行なＹ軸方向に延伸する。従動歯車８ｅは、その外周を６０等分した位置に６０個のギア歯を有する平歯車である。従動歯車８ｅは、駆動歯車６ｄとかみ合い、駆動歯車６ｄに駆動される。従動歯車８ｅと駆動歯車６ｄは第２減速機構２５を構成する（特に図９を参照）。第３回転体２６は、その回転軸が第２回転体２４の回転軸と平行に設けられる。

続いて、第１センサ支持部１１と、第２センサ支持部１４と、ホール素子支持部１７について説明する（特に図４、図５、図７及び図１３を参照）。第１センサ支持部１１は、ブラケット１０と、センサホルダ１３と、を含む。第２センサ支持部１４は、ブラケット１２と、センサホルダ１６と、を含む。ホール素子支持部１７は、ブラケット１８を含む。ブラケット１０、１２、１８は、アングル状の部材で、一端側がベース２に例えばリベットやねじによって固定される。センサホルダ１３、１６は、ブラケット１０、１２の他端側に形成される支持孔に嵌合する突起部と、角度センサＡＳ１、ＡＳ２を収容する収容部と、を有する。

ホール素子Ｈ１、Ｈ２はブラケット１８の他端側に支持される。ホール素子Ｈ１、Ｈ２は、その中心がマグネットＭ３の輪郭線の近傍に位置するように配置される（特に図５、図８及び図１２を参照）。一例として、ホール素子Ｈ１は１２時の位置に、ホール素子Ｈ２は９時の位置に配置される。

円形部材３、５、６、８は、例えばポリアセタール（Polyacetal）など樹脂材料からモールド成型によって形成されてもよい。シャフト５ｓ、６ｓ、８ｓは、例えばステンレス鋼製の棒材から切削や研削あるいは転造や鍛造によって形成されてもよい。ベース２およびブラケット７、９、１０、１２、１８は、例えば厚み１ｍｍ程度のステンレス鋼板からプレス加工によって形成されてもよい。各歯車部の潤滑には、グリスなどを塗布する湿式潤滑方式を用いてもよいが、実施の形態では乾式潤滑方式を採用している。

続いて、エンコーダ１００の特徴について説明する。
エンコーダは安価な構成で分解能を高められることが望ましい。そこで、実施の形態のエンコーダ１００は、回転体と一体に回転するマグネットＭ３と、マグネットＭ３の磁極Ｐ３を検知して、それぞれ異なる位相の正弦波状の検知信号を出力する複数の回転センサ３８と、を備える。この構成によれば、エンコーダ１００が、複数の回転センサ３８の異なる位相の正弦波状の検知信号を用いて主軸１ａの回転量を特定するから、安価な構成で分解能を高めることができる。

小型化の観点から、角度センサの数は少ない方が望ましい。そこで、実施の形態のエンコーダ１００では、回転体は、主軸１ａと一体に回転する第１回転体２０と、第１回転体２０の回転に伴い回転する第３回転体２６と、を含み、第１回転体２０の回転角を検知する角度センサＡＳ１を備え、マグネットＭ３は第３回転体２６に配置される。この構成によれば、角度センサＡＳ１が検知した第１回転体２０の回転角と、回転センサ３８の検知信号を用いて主軸１ａの回転量を特定できるので、角度センサの数を少なくしても、容易に所望の分解能を得ることができる。

エンコーダは小さいことが望ましい。そこで、実施の形態のエンコーダ１００では、回転体は、第１回転体２０と第３回転体２６の間に配置される第２回転体２４を含み、第２回転体２４の回転角を検知する角度センサＡＳ２を備え、第２回転体２４は、第１回転体２０に対して減速比Ｒ１２で減速回転し、第３回転体２６は、第２回転体２４に対して減速比Ｒ２３で減速回転する。この構成によれば、回転体の数および角度センサの数を少なくできるから、エンコーダ１００の小型化に有利である。エンコーダ１００は、エンコーダ１００をＺ軸方向に投影した投影範囲が、モータ１をＺ軸方向に投影した範囲内に収まるように構成することができる。一例として、エンコーダ１００のＺ軸方向の投影範囲は、１辺が４２ｍｍの正方形や直径が４２ｍｍの円の内側に収まるようにしてもよい。

多数の角度センサを用いて高レベルの計算により回転量を求めるエンコーダでは、高速回転する場合に演算速度が追いつかず誤動作をする懸念がある。そこで、実施の形態のエンコーダ１００では、角度センサＡＳ１の検知結果に応じて第１回転体２０の回転角を特定し、角度センサＡＳ２の検知結果および複数の回転センサ３８からの検知信号に応じて第１回転体２０の回転数を特定し、特定された第１回転体２０の回転角および第１回転体２０の回転数に応じて第１回転体２０の回転量を特定する。この構成によれば、回転量を特定する処理の処理量が少ないので、高速回転する場合の誤動作を減らすことができる。当該処理量が少ないので、制御装置に比較的低速なＣＰＵを採用することが可能になり、消費電力の増大を抑制することができる。高価な角度センサの数を減らすことができるからコストダウンに有利である。

回転方向が反転する際に、伝達機構のギアのバックラッシュに起因して、検知した回転角の誤差が増えることが考えられる。そこで、実施の形態のエンコーダ１００では、第１回転体２０の回転を第２回転体２４に伝達する機構は、ウォームギア部５ｗとウォームホイール部６ｗからなるウォーム機構１５を含む。この構成によれば、バックラッシュを抑制して回転角の誤差を減らすことができる。特に、第１回転体２０と第２回転体２４の間の減速比Ｒ１２を高く設定しても、誤差の発生を抑制することができる。

第１回転体２０にウォームギアを設ける構成では、第１回転体２０の端部を押さえることが望ましく、この場合は第１回転体２０の端部近傍に角度センサＡＳ１を配置しにくくなる。そこで、実施の形態のエンコーダ１００では、第１回転体２０の回転を第２回転体２４に伝達する機構は、第１回転体２０に対して減速比Ｒ１（例えば１／２）で減速回転する中間回転体２２を含み、第２回転体２４は中間回転体２２に対して減速比Ｒ２（例えば１／５０）で減速回転する。この構成によれば、中間回転体２２にウォームギア部５ｗを形成して、その端部にウォーム押え部１９ａを当接させることができるので、第１回転体２０の端部近傍に角度センサＡＳ１を配置し易くなる。

ウォーム機構を高速回転させると耐久性が低下するおそれがある。そこで、実施の形態のエンコーダ１００では、ウォームギア部５ｗは中間回転体２２に設けられる。この構成によれば、ウォームギア部５ｗを第１回転体２０より低速で回転する中間回転体２２に形成するので、ウォーム機構１５の回転速度を小さくして耐久性を改善することができる。

ウォームギア部５ｗが回転すると、中間回転体２２に回転軸方向の力が作用して、中間回転体２２が回転軸方向に移動することがある。そこで、実施の形態のエンコーダ１００では、中間回転体２２を当該中間回転体２２の回転軸方向に押さえるように付勢する付勢部材であるウォーム押え部１９ａを備える。この構成によれば、中間回転体２２の移動を抑制することができる。

エンコーダは小さいことが望ましい。そこで、実施の形態のエンコーダ１００では、第２回転体２４の回転軸は第３回転体２６の回転軸と平行に設けられ、第１回転体２０は、第２回転体２４の回転軸と第３回転体２６の回転軸の間に挟まれるように設けられる。この構成によれば、第２回転体２４と第３回転体２６とを第１回転体２０を囲むように配置することができるから、そうでない構成に比べてエンコーダをコンパクトにすることができる。

複数の磁界が干渉することでセンサの検知精度が低下するおそれがある。例えば、マグネットＭ３の磁界がマグネットＭ２の磁界と干渉すると、角度センサＡＳ２の検知精度が低下する可能性がある。そこで、実施の形態のエンコーダ１００では、第２回転体２４は、当該第２回転体２４と一体に回転する別のマグネットＭ２を含み、空間を、第２回転体２４の回転軸と直交すると共に第１回転体２０の回転軸を含む平面によって、２つの領域に分けるとき、別のマグネットＭ２は、２つの領域のうちマグネットＭ３が配置されていない方の領域に配置される。この構成によれば、一方の領域にマグネットＭ３が、他方の領域にマグネットＭ２が配置されるから、これらのマグネットが離間して角度センサＡＳ２の検知精度の低下を抑制することができる。
それぞれのマグネットは、磁界の向きがそれぞれ異なる方向を向くように配置されてもよい。これにより、角度センサの検知精度の低下を抑制することができる。実施の形態のエンコーダ１００では、マグネットＭ１、Ｍ２、Ｍ３を、磁界の向きがそれぞれ異なる方向を向くように配置しているが、磁界が干渉するおそれのある近接するマグネットについてのみ、磁界の向きがそれぞれ異なる方向を向くように配置してもよい。

エンコーダの構成が複雑になると、信頼性が低下するおそれがある。そこで、実施の形態のエンコーダ１００は、主軸１ａと一体に回転する第１回転体２０の回転角を取得する第１取得機構（マグネットＭ１、角度センサＡＳ１および第１回転角取得部４１を含む）と、第１回転体２０に対して減速比Ｒ１２（例えば１／１００）で減速回転する第２回転体２４の回転角を取得する第２取得機構（マグネットＭ２、角度センサＡＳ２および第２回転角取得部４２を含む）と、第２回転体２４に対して減速比Ｒ２３（例えば１／４）で減速回転するマグネットＭ３の磁極Ｐ３を検知して、それぞれ位相が異なる２つの正弦波状の検知信号を取得する第３取得機構（ホール素子Ｈ１、Ｈ２およびホール信号取得部４３を含む）と、取得された第２回転体２４の回転角と検知信号とに応じて第１回転体２０の回転数を特定する第１特定要素（対応関係テーブル４４と、回転数特定部４５を含む）と、取得された第１回転体２０の回転角と特定された第１回転体２０の回転数とに応じて主軸１ａの回転量を特定する第２特定要素（出力部４６を含む）と、を備える。この構成によれば、回転体の回転角を取得する要素の数が少ないから、エンコーダの構成が簡素になり信頼性の低下を抑制することができる。

高レベルの計算により回転量を特定する方法では、ＣＰＵの処理が高速になり消費電力が増えることがある。そこで、実施の形態のエンコーダ１００に適用される回転量を特定する方法は、主軸１ａと一体に回転する第１回転体２０の回転角を取得することと、第１回転体２０に対して減速比Ｒ１２で減速回転する第２回転体２４の回転角を取得することと、第２回転体２４に対して減速比Ｒ２３で減速回転するマグネットＭ３の磁極Ｐ３を検知して、それぞれ位相が異なる複数の正弦波状の検知信号を取得することと、取得された第２回転体の回転角と検知信号とに応じて第１回転体２０の回転数を特定することと、取得された第１回転体２０の回転角と特定された第１回転体２０の回転数とに応じて主軸１ａの回転量を特定することと、を含む。回転量を特定する処理の処理量を少なくできるので、制御装置に低速のＣＰＵを採用することが可能になり、消費電力の増大を抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求の範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

以下、変形例について説明する。変形例の図面および説明では、実施の形態と同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。実施の形態と重複する説明を適宜省略し、実施の形態と相違する構成について重点的に説明する。

（第１変形例）
実施の形態では、複数の回転センサ３８が２個のホール素子を備える例について説明したが、これに限られない。例えば、複数の回転センサ３８は３個以上のホール素子を備えてもよい。
実施の形態では、中間回転体２２を備え、中間回転体２２にウォームギア部５ｗを形成する例について説明したが、これに限られない。例えば、中間回転体２２を削除し、ウォームギア部を第１回転体２０に形成するようにしてもよい。エンコーダの構成が一層簡素になり小型化に有利になる。

図１４は、第１変形例に係るエンコーダ２００を説明する展開図であり図３に対応する。エンコーダ２００は、後述する部分で実施の形態のエンコーダ１００と相違し、その他の構成は同様である。エンコーダ２００は、中間回転体を削除し、ウォームギア部３ｗを第１回転体２０に形成している。ウォームギア部３ｗとウォームホイール部６ｗとはウォーム機構１５を構成する。エンコーダ２００では、ホール素子Ｈ１、Ｈ２の代わりに３個のホール素子Ｈ３、Ｈ４、Ｈ５を備えている。ホール素子Ｈ３、Ｈ４、Ｈ５は電気角で２π／３離隔された位置に配置される。ホール素子Ｈ３、Ｈ４、Ｈ５は、それぞれ１２０°の位相差を有する３つの正弦波状の検知信号を出力する。ホール信号取得部４３は、アナログ信号であるホール素子Ｈ３、Ｈ４、Ｈ５からの検知信号をデジタル検知信号に変換して取得する。第３回転体２６の第２回転体２４に対する減速比Ｒ２３は１／６に設定される。このように形成されたエンコーダ２００では、第２回転体２４が６回転するとき第３回転体２６は１回転するから、第１回転体２０が６００回転するとき第３回転体２６は１回転する。

図１５は、エンコーダ２００における対応関係テーブル４４の動作の一例を説明する説明図である。図１５は図６に対応する。この対応関係テーブル４４では、１２０°の位相差を有する３つの正弦波状の信号の振幅と、この３つの信号の振幅に対応する角度θと、この角度θに対応する第２回転体２４の回転数Ｎ２と、をテーブル形式で記憶している。対応関係テーブル４４は、ホール信号取得部４３で取得したデジタル検知信号の振幅に対応して０°〜３６０°の範囲で角度θの情報を特定する。対応関係テーブル４４は、特定された角度θに対応して０〜５回転の範囲で第２回転体２４の回転数Ｎ２を特定する。図１５に示すように、角度θが０°以上で６０°未満の範囲ではＮ２＝０回転、角度θが６０°以上で１２０°未満の範囲ではＮ２＝１回転、角度θが１２０°以上で１８０°未満の範囲ではＮ２＝２回転、角度θが１８０°以上で２４０°未満の範囲ではＮ２＝３回転、角度θが２４０°以上で３００°未満の範囲ではＮ２＝４回転、角度θが３００°以上で３５０°未満の範囲ではＮ２＝５回転と特定する。このように第３回転体２６の１回転を６分割して特定することで、第２回転体２４の６回転分をそれぞれ特定することができる。このように構成されたエンコーダ２００は、第１回転体２０の６００回転分（±３００回転分）の絶対的な回転量を特定することができる。

（第２変形例）
実施の形態の説明では、マグネットＭ１〜Ｍ３それぞれが一体の部材である例について説明したがこれに限られない。マグネットＭ１〜Ｍ３それぞれは、複数のピースを組み合わせて構成してもよい。

（第３変形例）
実施の形態の説明では、複数の回転センサ３８がホール素子である例について説明したがこれに限られない。複数の回転センサはマグネットの磁極を検知して正弦波状の検知信号を出力するものであればよく、別の検知原理に基づくセンサであってもよい。

（第４変形例）
実施の形態の説明では、各歯車を形成する円形部材３、５、６、８が樹脂材料から形成される例について説明したがこれに限られない。これらの円形部材の幾つかは金属材料やその他の材料から形成されてもよい。

上述の変形例によれば、実施の形態に係るエンコーダ１００によって奏される作用効果と同様の作用効果が奏される。

上述した実施の形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。

１００・・エンコーダ、 １・・モータ、 １ａ・・主軸、 ２０・・第１回転体、 ２２・・中間回転体、 ２４・・第２回転体、 ２６・・第３回転体、 ３８・・回転センサ、 ４０・・制御部、 ２００・・エンコーダ、 ＡＳ１・・角度センサ、 ＡＳ２・・角度センサ、 Ｈ１・・ホール素子、 Ｈ２・・ホール素子、 Ｈ３・・ホール素子、 Ｍ１・・マグネット、 Ｍ２・・マグネット、 Ｍ３・・マグネット。

Claims (4)

1. 主軸の複数回の回転にわたる回転量を特定するアブソリュートエンコーダであって、
   前記主軸の回転に伴い回転する回転体と、
   前記回転体と一体に回転するマグネットと、
   前記マグネットの磁極を検知して、それぞれ異なる位相の正弦波状の検知信号を出力する複数の回転センサと、
   を備え、
   前記回転体は、前記主軸と一体に回転する第１回転体と、前記第１回転体の回転に伴い回転する第３回転体と、を含み、
   前記第１回転体の回転角を検知する第１角度センサを備え、
   前記マグネットは前記第３回転体に配置され、
   前記回転体は、前記第１回転体と前記第３回転体の間に配置される第２回転体を含み、
   前記第２回転体の回転角を検知する第２角度センサを備え、
   前記第２回転体は、前記第１回転体に対して第１減速比で減速回転し、
   前記第３回転体は、前記第２回転体に対して第２減速比で減速回転し、
   前記第１回転体の回転を前記第２回転体に伝達する機構は、ウォームギア部とウォームホイール部からなるウォーム機構を含み、
   前記第１回転体の回転を前記第２回転体に伝達する機構は、前記第１回転体に対して第３減速比で減速回転する中間回転体を含み、
   前記第２回転体は前記中間回転体に対して第４減速比で減速回転することを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
2. 主軸の複数回の回転にわたる回転量を特定するアブソリュートエンコーダであって、
   前記主軸の回転に伴い回転する回転体と、
   前記回転体と一体に回転するマグネットと、
   前記マグネットの磁極を検知して、それぞれ異なる位相の正弦波状の検知信号を出力する複数の回転センサと、
   を備え、
   前記回転体は、前記主軸と一体に回転する第１回転体と、前記第１回転体の回転に伴い回転する第３回転体と、を含み、
   前記第１回転体の回転角を検知する第１角度センサを備え、
   前記マグネットは前記第３回転体に配置され、
   前記回転体は、前記第１回転体と前記第３回転体の間に配置される第２回転体を含み、
   前記第２回転体の回転角を検知する第２角度センサを備え、
   前記第２回転体は、前記第１回転体に対して第１減速比で減速回転し、
   前記第３回転体は、前記第２回転体に対して第２減速比で減速回転し、
   前記第２回転体は、当該第２回転体と一体に回転する別のマグネットを含み、
   空間を、前記第２回転体の回転軸と直交すると共に前記第１回転体の回転軸を含む平面によって２つの領域に分けるとき、
   前記別のマグネットは、前記２つの領域のうち前記マグネットが配置されていない方の領域に配置されることを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
3. 前記第１角度センサの検知結果に応じて前記第１回転体の回転角を特定し、
   前記第２角度センサの検知結果および前記複数の回転センサからの前記検知信号に応じて前記第１回転体の回転数を特定し、
   特定された前記第１回転体の回転角および前記第１回転体の回転数に応じて前記第１回転体の回転量を特定することを特徴とする請求項１または２に記載のアブソリュートエンコーダ。
4. 前記第２回転体の回転軸は前記第３回転体の回転軸と平行に設けられ、
   前記第１回転体は、前記第２回転体の回転軸と前記第３回転体の回転軸の間に挟まれるように設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアブソリュートエンコーダ。

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