JP2004077214A - 回転角度検出装置及びその回転ディスク - Google Patents
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Abstract
【解決手段】回転ディスクの回転情報記録面を回転ディスクと回転軸との固定店と検出ヘッドの固定位置の中間位置に配置することで熱膨張による変化を軽減させ安定したギャップを得る。また、そのための回転ディスクの取り付け嵌合部形状として第1の嵌合部と第2の嵌合部を備え同軸度を満足させるための第1嵌合部と接着剤等の固定手段を注入するための隙間を有する第2嵌合部を備える。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に合成樹脂製の回転ディスクを備えたロータリエンコーダ等の回転角度検出装置及びその回転ディスクに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のロータリエンコーダの多くには、回転角度情報を光学的に検出する光学式、又は回転角度情報を磁気的に検出する磁気式が使われている。そして、光学式のロータリエンコーダは、光束を回転角度情報記録部に透過させる透過型、又は光束を回転角度情報記録部で反射させる反射型となっている。
【0003】
例えば、図11は従来の透過型のロータリエンコーダを示し、このロータリエンコーダのモータ1は回転軸2を軸受3、4で支持している。回転軸2の上部に金属製取付ハブ5を嵌合し、この取付ハブ5を回転軸2に止めねじ6で固定している。
【0004】
取付ハブ5の上面には回転角度情報記録体であるロータリスケール7を搭載し、回転軸2に固定した止め輪8と接着剤9とでロータリスケール7を取付ハブ5に固定している。そして、モータ1の上面に電気回路基板10を介して透過型のセンサヘッド11を配置している。
【0005】
センサヘッド11は電気回路基板10上にフレーム12を備え、ロータリスケール7の周縁部は、フレーム12の上枠部12aと下枠部12bの間に接触しないように配置している。フレーム12の上枠部12aは発光素子13とコリメータレンズ14を上方から順次に内蔵し、下枠部12bは固定スケール15と受光素子16を上方から順次に内蔵している。
【0006】
取付ハブ5は真鍮、アルミニウム等の切削加工性に優れた材料から成り、回転軸2を嵌合するための嵌合孔5aの内径や、ロータリスケール7を搭載するための受け面5bを高精度に加工している。そして、ロータリスケール7は薄いガラス又は薄い金属板にスリットをエッチング工程或いは写真製版用PETフィルムにより形成している。
【0007】
このロータリエンコーダを組み立てる際には、モータ1の回転軸2に取付ハブ5を嵌合し、取付ハブ5を所定のスラスト高に位置付けて止めねじ6を締め付ける。次に、取付ハブ5の上面にロータリスケール7を搭載し、回転軸2に固定した止め輪8で仮固定する。そして、ロータリスケール7の回転角度情報記録部7aの記録パターンの中心と回転軸2の中心との芯出し調整を行う。その後に、図12に示すように回転軸2と止め輪8を接着剤9で固定すると共に、ロータリスケール7と止め輪8を接着剤9で固定する。最後に、ロータリスケール7の外周部をフレーム12の上枠部12aと下枠部12bの間に挿入するように、センサヘッド11をロータリスケール7に近付け、モータ1の適切な位置に固定する。
【0008】
センサヘッド11の発光素子13から出射した発散光束は、コリメータレンズ14を透過して略平行光束となり、ロータリスケール7の回転角度情報記録部7aを通過し、固定スケール15を通過して受光素子16に入射する。このとき、センサヘッド11は回転角度情報記録部7aと固定スケール15の相対的な角度位置変化に伴って発生するモアレ縞の変化を、受光素子16に入射する光量の変化として光学的に読み取り、ロータリスケール7の回転角度を検出する。
【0009】
図13は従来の反射型のロータリエンコーダを示し、上述のセンサヘッド11の代りに、ロータリスケール7の回転角度情報記録部7aからの反射光束を検出するセンサヘッド17をロータリスケール7の下方に配置している。
【0010】
このように、従来のロータリエンコーダを製造するためには、取付ハブ5、止めねじ6、止め輪8、接着剤9などが必要となる上に、接着剤9を施す部分も多く、更には芯出し調整も必要となって、工数が多く製造コストの削減が困難になっている。また、ロータリスケール7は薄いガラス又は薄い金属板にスリットをエッチング工程或いは写真製版PETフィルムにより形成するので、高い同軸精度や嵌合精度を達成することが困難である。
【0011】
近年では、ロータリエンコーダの製造において、取付ハブ5とロータリスケール7を合成樹脂材料から一体成形し、回転ディスクとして回転軸2に容易に組み込むことにより製造コストを削減する方法が知られている。例えば、本出願人は特開平60−140119号公報、特開昭62−3617号公報、実開平5−84818号公報、特公平5−39410号公報、特公平5−39411号公報などにおいて、V溝格子を用いたロータリスケールを開示し、特許第2810521号、特許第2862417号などにおいて、円筒格子タイプのロータリスケールを提案している。
【0012】
図14は合成樹脂材料から一体成形した回転ディスク18を備えたロータリエンコーダを示し、この回転ディスク18は回転角度情報記録部18aを有している。回転ディスク18は上述と同様なモータ1の回転軸2に嵌合し、回転軸2と回転ディスク18を接着剤19により固着している。
【0013】
このロータリエンコーダは上述の取付ハブ5、止めねじ6、止め輪8などは不要としている。また、回転軸2に対する回転ディスク18の嵌合孔18bの嵌合精度や、回転角度情報記録部18aのパターンと回転ディスク18の嵌合孔18bとの同軸精度を容易に達成している。更には、上述の芯出しという最も煩わしい工程も不要としている。従って、部品点数を低減している上に芯出し調整工程を不要として、製造コストを大幅に削減している。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、合成樹脂材料の熱膨張係数はガラスや金属の熱膨張係数よりも大きいので、回転軸2が金属製で回転ディスク18が合成樹脂製である場合に、環境温度が大きく変化した際に、回転軸2と回転ディスク18の寸法がそれぞれの熱膨張係数に従って変化し、回転軸2と回転ディスク18の間の相対位置が変化する。同様に、センサヘッド11が合成樹脂材料から成る場合には、センサヘッド11が固有の温度特性係数に従って最適位置から外れることがある。
【0015】
特に、回転軸2のスラスト方向に関して、回転ディスク18とセンサヘッド11の寸法が変化した場合には、回転角度情報記録部18aとセンサヘッド11の間の最適間隔が変化し、センサヘッド11の出力信号が変化してセンサヘッド11の検出精度が劣化する。また、最悪の場合には回転ディスク18とセンサヘッド11が機械的に接触し、障害が発生することもある。
【0016】
しかし、これらの問題点を解決するためには、回転ディスク18やセンサヘッド11を取り付ける際のスラスト方向に関する取付公差を可能な限りなく少なくする必要が生じ、製造コストが上昇する。
【0017】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、安価な構成で環境温度の変化に対応し、回転角度を高精度で検出し得る回転角度検出装置及びその回転ディスクを提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る回転角度検出装置は、モータ・ギア・プーリ等の回転要素と、該回転要素の回転軸に固定した合成樹脂製の回転ディスクと、該回転ディスクに設けた回転角度情報記録部から情報を検出するセンサヘッドとから成る回転角度検出装置において、該回転軸と該回転ディスクのスラスト方向の固着点位置と該センサヘッド取り付け部のスラスト方向固着点位置の間に該回転ディスクの回転情報記録部面が配置されていることを特徴とする。
【0019】
また、本発明に係る回転角度検出装置の回転ディスクは、合成樹脂材料から成り、回転角度検出装置の回転軸に固定する固定部と、該固定部の外周縁から前記回転軸の軸線に沿う方向に延在する筒状部と、該筒状部の端部から前記回転軸の軸線と直交する方向に延在するディスク本体部とを有することを特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明を図1〜図10に図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図1は第1の実施の形態の要部断面図であり、この第1の実施の形態の回転角度検出装置は反射型のロータリエンコーダとされている。モータ21では、回転軸22が上部軸受23と下部軸受24を介して回転自在に支持されている。回転軸22の上部には回転ディスク25が嵌合され、回転ディスク25は回転軸22に接着材26により固着されている。回転ディスク25の下面には回転角度情報記録部27が設けられており、この回転角度情報記録部27では図示しない1個又は複数個の反射素子が円周方向に規則的に配列されている。そして、モータ21の取付基準面Aには、反射型のセンサヘッド28が電気回路基板29を介して取り付けられている。
【0021】
回転ディスク25は透光性の合成樹脂材料から一体的に成形されている。回転ディスク25には、回転軸22に固定される円板状の固定部25aと、この固定部25aの外周縁から回転軸22の軸線に沿う方向、つまりスラスト方向の下向きに延在する筒状部25bと、この筒状部25bの下部から回転軸22と直交する方向、つまりラジアル方向の外向きに延在するディスク本体部25cとが設けられている。固定部25aには回転軸22を嵌合する嵌合孔25dが形成されており、回転角度情報記録部27はディスク本体部25cの下面に設けられている。
【0022】
なお、センサヘッド28の集光点をB、モータ21の取付基準面A内における回転軸22と上部軸受23の内輪との固定点をC、回転軸22と回転ディスク25の固定点をD、回転角度情報記録部27内の反射素子が存在している素子存在点をE、回転軸22のスラスト方向に関する固定点Cと固定点Dの距離をL、回転軸22のスラスト方向に関する取付基準面Aと集光点Bの距離をH、回転軸22のスラスト方向に関する固定点Dと素子存在点Eの距離をSとしている。
【0023】
図2に示すように、センサヘッド28は光束を発散するLEDなどの発光素子31、この発光素子31からの光束を集光点Bに集光する第1のコリメータレンズ32、回転角度情報記録部27で反射した発散光束を集光する第2のコリメータレンズ33、この第2のコリメータレンズ33からの光束を検出する受光素子34から構成されている。
【0024】
このロータリエンコーダにおいて、発光素子31から発散した光束は、第1のコリメータレンズ32を透過し、収束光束となって集光点Bに集光する。この集光点Bに収束した光束は、集光点Bに位置する回転角度情報記録部27の素子存在点Eで反射し、発散光束となって第2のコリメータレンズ33を透過し、再び収束光束となって受光素子34に入射する。この際に、回転角度情報記録部27の素子存在点Eを除く部分では、光束は回転ディスク25を透過する。そして、回転ディスク25の回転に伴って回転角度情報記録部27の反射素子が円周方向に移動し、受光素子34から出力する電気信号が変化し、回転角度情報を得る。
【0025】
ここで、集光点Bと素子存在点Eの位置が一致している場合には、センサヘッド28は良好な電気信号を出力する。しかし、モータ21から発生した熱により環境温度が上昇するので、回転軸22、回転ディスク25、センサヘッド28などが熱膨張し、集光点Bと素子存在点Eの位置を変化させようとする。そこで、この第1の実施の形態では、次の関係式(1)、(2)を成立させ、集光点Bと素子存在点Eの位置の変化を防止している。
β×H×ΔT=(α2×L+α1×S)×ΔT …(1)
L=S+H …(2)
【0026】
ただし、回転ディスク25の熱膨張係数をα1、回転軸22の熱膨張係数をα2、センサヘッド28の最適位置での温度特性係数をβ、温度の変化量をΔTとする。また、距離H、Lの符号は取付基準面Aの上方を+とし、距離Sの符号は固定点Dの上方を+とする。更に、回転軸22、回転ディスク25、センサヘッド28などの温度変化は同等とする。
【0027】
そして、温度の変化量ΔTに応じて変化する距離Hの変化量をΔHとし、温度特性係数β=ΔH/Hと定義する。即ち、温度特性係数βは距離Hが温度の変化によって、どの程度の割合で変化するかを定量的に表す係数とする。
【0028】
図3は環境温度が常温20℃で集光点Bと素子存在点Eが一致している状態、即ち回転ディスク25を回転軸22に最適位置関係に固定した状態を示している。ロータリエンコーダを製造する際には、熱膨張係数α1、α2と温度特性係数βは既知であり、センサヘッド28を取り付けた結果として集光点Bの位置、つまり距離Hも先行して決定できるので、関係式(1)に熱膨張係数α1、α2、温度特性係数β、及び距離Hの値を代入し、関係式(2)との連立方程式を解くことにより、距離L、Sを決定する。そして、これらの距離L、Sから回転軸22、回転ディスク25、センサヘッド28などの形状や固定位置を求める。
【0029】
図4は作用説明図であり、温度特性係数β=0として環境温度が大きく変化した場合を示している。そして、回転軸22をステンレス製とし、回転ディスク25をポリカーボネート製としている。従って、熱膨張係数α1≒6.6×10−5となり、熱膨張係数α2≒1.47×10−5となる。このとき、距離Hを7.7mmとすると、関係関係式(1)、(2)から距離Lは+9.9mmとなり、距離Sは−2.2mmとなる。
【0030】
この場合に、温度特性係数β=0としているので、センサヘッド28は温度の影響を受けず、集光点Bの位置は変化しない。しかし、環境温度が大きく上昇するので、回転軸22と回転ディスク25は固有の熱膨張係数α1、α2に従って熱膨張する。回転軸22が熱膨張すると固定点Dが上向きに移動し、上述の距離Lよりも大きい距離L’となる。また、回転ディスク25が固定点Dを基準として下向きに膨張し、上述の距離Sよりも大きい距離S’となる。この際に、回転ディスク25の筒状部25bが主として下向きに膨張し、回転軸22の膨張に伴う素子存在点Eのスラスト方向への移動を相殺する。
【0031】
従って、この第1の実施では、環境温度が大幅に上昇しても、集光点Bと素子存在点Eの双方が不動点となり、安定した信号を出力することが可能となる。
【0032】
図5は第2の実施の形態の要部断面図、図6は作用説明図であり、温度特性係数β=0.50×10−5とし、その他の条件を上述と同様としている。この第2の実施の形態では、距離Lが+9.15mmとなり、距離Sが−1.45mmとなり、第1の実施の形態と同様な効果が得られる。
【0033】
図7は本発明による第3の実施の形態で、第1及び第2の実施の形態での回転軸22と回転ディスク25における他の固定方法、回転ディスクの形状の説明図である。回転ディスク25は射出成型金型により回転情報記録部、第1の嵌合寸法を有する第1嵌合部25d、及び第2の嵌合寸法を有する第2嵌合部25eは一体的に形成される。特に回転ディスクに含まれる回転位置情報記録部のパターン中心と第1の嵌合部25dの同軸度は高い精度で形成され、回転軸22と高精度に結合可能となる。
【0034】
このとき、嵌合部においては同軸精度を確保するために、可能な限り嵌合部の隙間を排除する必要があるため、接着等の結合手段を用いた場合に接着剤が回転軸22と嵌合面の隙間25dに注入困難となるため、嵌合部25dとは別の第2の嵌合寸法を有する第2嵌合部25eにて適当な隙間寸法をとることで必要量の接着剤が注入可能となり、回転ディスク25と回転軸22との固着強度が得られる。
【0035】
図8は第4の実施の形態を説明する図で先の図7同様に第1及び第2の実施の形態での回転軸22と回転ディスク25の他の固定方法、回転ディスクの形状の説明図である。第3の実施例同様に、回転ディスク25は射出成型金型により回転情報記録部、第1の嵌合寸法を有する第1嵌合部25d、及び第2の嵌合寸法を有する第2嵌合部25eは一体的に形成される。特に回転ディスクに含まれる回転位置情報記録部のパターン中心と第1の嵌合部25dの同軸度は高い精度で形成され、回転軸22と高精度に結合可能となる。
【0036】
本実施例では回転ディスクは有底凹形状をしており、有底凹形状部に樹脂材料のゲートを配置することが容易であり、パターン中心にゲートを配置することが可能なため、樹脂流動もパターンに対して点対称な位置であるためパターンの精度よくすることができる。
【0037】
図9は第5の実施の形態の要部断面図であり、モータ51の回転軸52の上端面に、回転ディスク53が接着剤54により固定されている。そして、回転軸52の上端面には、接着剤54が施される溝部52aが形成されている。
【0038】
回転ディスク53には、回転軸52の上端面に配置される固定部53aと、この固定部53aの外周縁から下方に延在する筒状部53bと、この筒状部53bの下部から外方に水平に延在するディスク本体部53cとが設けられている。筒状部53bの内部は回転軸52が嵌合される嵌合孔53dとされ、回転軸52の外周面と嵌合孔53dの内周面の間は微少な隙間とされ、回転角度情報記録部27はディスク本体部53cの下面に配置されている。この第5の実施の形態でも、第1〜第3の実施の形態と同様な効果が得られる。
【0039】
図10は第6の実施の形態の要部断面図であり、モータ61の回転軸62の上端面に回転ディスク63がワッシャ64と止めねじ65により固定されている。そして、回転軸62の上端面には、止めねじ65が螺合されるねじ孔62aが形成されている。
【0040】
回転ディスク63には、回転軸62の上端面に固定される円板状の固定部63aと、この固定部63aの外周縁から下方に延在する筒状部63bと、この筒状部63bの下部から外方に水平に延在するディスク本体部63cとが設けられている。筒状部63bの内部は回転軸62が嵌合される嵌合孔63dとされ、回転軸62の外周面と嵌合孔63dの内周面の間は微少な隙間とされている。固定部63aには止めねじ65が挿通される挿通孔63eが形成され、回転角度情報記録部27はディスク本体部63cの下面に配置されている。この第6の実施の形態でも、第1〜第3の実施の形態と同様な効果が得られる。
【0041】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る回転角度検出装置は、回転ディスクの熱膨張係数、回転軸の熱膨張係数、及びセンサヘッドの温度特性係数に基づいて、回転角度情報記録部とセンサヘッドの相対位置を決定したので、環境温度が変化しても、回転角度情報記録部とセンサヘッドとの最適相対位置を維持することができる。従って、出力信号を安定させて検出誤差を低減させることができる上に、回転軸と回転ディスクとの固定強度を向上させることができる。また、回転角度情報記録部とセンサヘッドの相対的な組込マージンを拡大することが可能となる。
【0042】
そして、使用可能な温度範囲を拡大することができる上に、回転角度の高分解能かつ高精度な検出を実現することができる。
【0043】
また、本発明に係る回転角度検出装置の回転ディスクは、合成樹脂材料から成り、回転角度検出装置のモータの回転軸に固定する固定部と、固定部の外周縁から回転軸の軸線に沿う方向に延在する筒状部と、筒状部の端部から回転軸の軸線と直交する方向に延在するディスク本体部とを有するので、環境温度上昇した際に主として筒状部が軸線に沿う方向に膨張し、回転軸の軸線に沿う方向への膨張を相殺することができる。
【0044】
更に、回転軸と回転ディスクの同軸度を重視し嵌合隙間を極力少なくした第1の嵌合部と回転軸と回転ディスクの固着・固定のための第2嵌合部を設けたことにより、高精度の同軸度を維持しつつ、温度変化に対して安定したセンサヘッドと回転ディスクの位置関係を保つことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態の要部断面図である。
【図2】センサヘッドの詳細図である。
【図3】集光点と素子存在点が一致した状態の説明図である。
【図4】温度が上昇した後の状態の作用説明図である。
【図5】第2の実施の形態の要部断面図である。
【図6】温度が上昇した後の状態の作用説明図である。
【図7】第3の実施の形態の要部断面図である。
【図8】第4の実施の形態の要部断面図である。
【図9】第5の実施の形態の要部断面図である。
【図10】第6の実施の形態の要部断面図である。
【図11】従来例の透過型エンコーダの部分断面図である。
【図12】従来例の部分拡大平面図である。
【図13】従来例の反射型エンコーダの部分断面図である。
【図14】従来例の一体回転ディスクを有する透過型エンコーダの部分断面図である。
【符号の説明】
21、41、51、61 モータ
22、42、52、62 回転軸
23、24 軸受
25、43、53、63 回転ディスク
25a、43a、53a、63a 固定部
25b、43b、53b、63b 筒状部
25c、43c、53c、63c ディスク本体部
25d、43d、53d、63d 嵌合孔
26、54 接着剤
27 回転角度情報記録部
28、46 センサヘッド
29 電気回路基板
31 発光素子
32、33 コリメータレンズ
34 受光素子
A 取付基準面
B 集光点
C、D 固定点
E 素子存在点
H、L、S 距離
Claims (6)
- モータ・ギア・プーリ等の回転要素と、該回転要素の回転軸に固定した合成樹脂製の回転ディスクと、該回転ディスクに設けた回転角度情報記録部から情報を検出するセンサヘッドとから成る回転角度検出装置において、該回転軸と該回転ディスクのスラスト方向の固着点位置と該センサヘッド取り付け部のスラスト方向固着点位置の間に該回転ディスクの回転情報記録部面が配置されていることを特徴とする回転角度検出装置。
- 前記回転ディスクは、前記回転軸に固定する固定部と、該固定部の外周縁から前記回転軸の軸線に沿う方向に延在する筒状部と、該筒状部の端部から前記回転軸の軸線と直交する方向に延在するディスク本体部とを有することを特徴とする請求項1に記載の回転角度検出装置。
- 前記回転角度情報記録部は1個又は複数個の反射素子を円周方向に規則的に配列して成ることを特徴とする請求項1に記載の回転角度検出装置。
- 合成樹脂材料から成り、回転角度検出装置の回転軸に固定する固定部と、該固定部の外周縁から前記回転軸の軸線に沿う方向に延在する筒状部と、該筒状部の端部から前記回転軸の軸線と直交する方向に延在するディスク本体部とを有することを特徴とする回転角度検出装置の回転ディスク。
- 前記回転ディスクは、該回転軸の直径に対して、第一の嵌合隙間を有すると第1嵌合領域と第2の嵌合隙間を有する第2嵌合領域を有していることを特徴とする請求項4に記載の回転角度検出装置の回転ディスク。
- 前記回転ディスクは、前記回転軸を嵌合する有底凹形状を有し、該有底凹形状部に回転軸と該回転ディスクの固着点を設けたことを特徴とする請求項1に記載の回転角度検出装置又は請求項4に記載の回転ディスク。
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