JP2022001860A - 走査ユニットおよびこれを搭載したロータリエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】経済的に製造可能で、コンパクトな構造形で、高い測定精度の走査ユニットを提供する。【解決手段】走査ユニット１に対して相対的に軸の周りを回転可能なスケール要素を走査する走査ユニット１に関する。走査ユニット１はプリント基板１．２を含んでおり、プリント基板１．２は基材１．２１を有しており、第１の面と、第１の面の反対側にある第２の面と、周りを取り巻いている第３の面とを有する。第１の面には検知器構成が配置され、かつ第２の面には電子部品１．２２が取り付けられる。第３の面は複数の凹状のくぼみを有する。走査ユニット１は金属枠１．１をさらに含み、金属枠１．１は、内面によって径方向に画定された一続きの第１の孔を有し、この内面が複数の内側に出っ張った要素１．１２を有する。内側に出っ張った要素１．１２は、基材１．２１が機械的応力を受けて金属枠１．１内で固定されるように、凹状のくぼみに食い込んでいる。【選択図】図５

Description

本発明は、請求項１による、走査ユニットに対して相対的に回転可能なスケール要素を走査するための走査ユニットおよびこのような走査ユニットを搭載したロータリエンコーダに関する。

ロータリエンコーダは、例えば２つの互いに対して相対的に回転可能な機械部分の角度位置を決定するための角度測定機器として使用される。
誘導式ロータリエンコーダではしばしば、励磁導体路と、例えば導体路の形態での受信トラックとが、共通のたいていは多層のプリント基板上に施されており、このプリント基板が、例えばロータリエンコーダの固定子と固定的に結合している。このプリント基板に対向してスケール要素が存在しており、このスケール要素上には目盛構造が施されており、かつスケール要素はロータリエンコーダの回転子と回転不能に結合されている。励磁トラックに、時間と共に交番する励磁電流が印加されると、受信トラック内で、回転子と固定子の相対回転中に角度位置に依存する信号が生成される。この信号はその後、評価電子機器内でさらに処理される。

光学原理に従って働くロータリエンコーダではしばしば、光線が、目盛構造を有する回転可能な円盤で反射され、その後、反射および変調された光が光検出器によって受信される。受信された光強度が、相対角度位置についての情報を内包している。

このようなロータリエンコーダはしばしば、電気駆動装置のための測定機器として、相応の機械部分の相対運動または相対位置の決定に用いられる。この場合には、後続電子機器の生成された角度位置値が、駆動装置の制御のために、相応のインターフェイス構成を介して供給される。

本出願人のＤＥ１０２０１８２０２２３９Ａ１では、角度スケールを走査するためのリング状のプリント基板を含む角度測定機構が説明されている。このプリント基板は、角度測定機構のハウジングの段部に固定されている。

ＤＥ１０２０１８２０２２３９Ａ１

本発明の基礎となる課題は、経済的に製造可能であり、かつコンパクトな構造形を有しており、それにもかかわらず高い測定精度を可能にする走査ユニットを提供することである。

この課題は本発明により、請求項１の特徴によって解決される。
それに従えばこの走査ユニットは、走査ユニットに対して相対的に軸の周りを回転可能なスケール要素を走査するのに適しており、この走査ユニットは、金属枠およびプリント基板を含んでいる。プリント基板は基材を有しており、基材は、第１の面と、第１の面の反対側にある第２の面と、周りを取り巻いている第３の面とを有している。第１の面には検知器構成またはセンサ構成が配置されている。第２の面にはまたは第２の面の上には電子部品が取り付けられている。第３の面は複数の凹状のくぼみを有している。金属枠は、金属枠の内面によって径方向に画定された一続きの第１の孔を有しており、この内面は、複数の内側に出っ張った要素を有している。金属枠の内面は、基材の周りを取り巻いている第３の面のくぼみを包囲している。内側に出っ張った要素は、基材が金属枠内で機械的応力を受けて固定されるように、凹状のくぼみに食い込む。

特に、一続きの第１の孔とは段部を有さない孔のことであり、したがってつまり、孔の内面の軸に平行な各線に沿って、軸に対する径方向の間隔が、１つの同じ線に関して常に同じ大きさである孔のことである。

この関連で、特に機械的応力は径方向に方向づけられた力から、つまり軸の方向への挟持力から結果として生じている。
しばしば基材は、生成された機械的応力による前述の挟持に加え、重複的な接着結合によってさらに固定または保持される。

特に、走査ユニットは４つの、内側に出っ張った要素を有することができ、この内側に出っ張った要素は、プリント基板または基材が機械的応力を受けて金属枠内で固定されるように、凹状のくぼみに食い込む。

内側に出っ張った要素がそれぞれ、軸に平行に走るエッジまたは刃を有することが有利である。
本発明のさらなる一形態によれば、金属枠は、円盤状のまたは一番の近似ではリング状の形を有している。したがって金属枠は、とりわけ、直径が厚さより何倍も大きい中空円筒に近似した形を有している。金属枠はとりわけ平らな板から作り出されており、したがって金属枠のリング状の上面または端面は、張り出した領域を有していない。むしろ金属枠の端面は平らで、互いに対して平行に方向づけられている。金属枠は、周りを取り巻くように閉じて形成されることが好ましい。しかし金属枠は、場合によっては閉じずに実施されていてもよく、つまり隙間を有することができ、その隙間幅は周方向に延びている。

その他の点では、金属枠の端面（リング状の上面）は、軸に直交して配置されている。
金属枠の内面と、金属枠の周りを取り巻いている外面または外輪郭とは互いに対し、１つの同じ点に対して点対称に配置されており、この点は軸上にくることが好ましい。

金属枠は、軸に垂直な方向に第１の広がり（又は、寸法）を有しており、この第１の広がりが直径または最大直径と認識され得ることが有利である。金属枠はこれに加え、軸の方向に第２の広がりを有しており、この第２の広がりは厚さと言ってもよい。第１の広がりは第２の広がりより少なくとも５倍大きく、有利には少なくとも１０倍大きく、とりわけ少なくとも１２倍大きい。

金属枠がほぼ円形の外輪郭を有することが有利である。
プリント基板は金属枠内で、金属枠が基材の第１の面に対して第１の軸方向の突出を有するように配置されることが有利である。

本発明のさらなる形態では、プリント基板が金属枠内で、金属枠が基材の第２の面に対して第２の軸方向の突出を有するように配置されている。ただし電子部品は軸の方向に金属枠の輪郭を越えて突き出ることができる。

金属枠が、機械部分に固定するための、とりわけドリル孔として形成され得る第２の孔を有することが有利である。走査ユニットは固定要素をさらに含むことができ、この固定要素が第２の孔を貫通しており、その際、固定要素はそれぞれ、内側に基材上に張り出した区域を有している。したがって固定要素により、金属枠が固定され得るだけでなく、同時にプリント基板の軸方向の保持も達成され得る。

有利なのは、金属枠が軸の方向に第２の広がり（金属枠の厚さ）を有しており、かつ基材が軸の方向に第３の広がり（基材の厚さ）を有しており、これに関し、第２の広がりが第３の広がりより大きいことである。

さらなる一態様によれば、本発明は、走査ユニットおよびスケール要素を備えたロータリエンコーダも含んでおり、これに関し、基材の第１の面は、スケール要素に対向して、軸の方向に延びている間隔をあけて配置されている。

原理的に、自己軸受部を備えたロータリエンコーダと、自己軸受部なしのロータリエンコーダ（以下に、軸受なしのロータリエンコーダと言う）とが区別される。自己軸受部を備えたロータリエンコーダは、通常は比較的小さな玉軸受を有しており、したがって、当該ロータリエンコーダ内の互いに対して相対的に回転可能な部品群は、互いに対して相対的に規定の軸方向および径方向の位置に配置されている。これに対し軸受なしのロータリエンコーダの場合、機械に取り付ける際に、互いに対して回転可能な部品群が、互いに対して正しい位置に、とりわけ正しい軸方向の間隔をあけて位置規定されるよう注意を払わなければならない。

本ロータリエンコーダが、軸受なしのロータリエンコーダとして形成されることが有利である。
本発明の有利な形成形態は従属請求項から読み取られる。

本発明によるロータリエンコーダのさらなる詳細および利点は、添付の図に基づく１つの例示的実施形態の以下の説明から明らかである。

走査ユニットの金属枠の平面図である。 走査ユニットの金属枠の側面図である。 走査ユニットのプリント基板の平面図である。 図３とは反対側のプリント基板の面での走査ユニットのプリント基板の平面図である。 走査ユニットの平面図である。 スケール要素の平面図である。 組み込まれた状態でのロータリエンコーダの断面図である。 組み込まれた状態でのロータリエンコーダの断面の詳細図である。

本発明が、本発明による走査ユニット１と、相対的に軸Ａの周りを回転可能なスケール要素２またはスケールとの間の角度位置を捕捉（又は、測定）するために決定されたロータリエンコーダ（図７）に基づいて説明される。走査ユニット１は金属枠１．１を有しており、金属枠１．１は、紹介している例示的実施形態ではアルミニウム合金から製造されている。

とりわけ図１および図２に基づいて金属枠１．１の形態を解説することができる。金属枠１．１は、ほぼ円形の外輪郭を有しており、かつ軸に直交して、金属枠１．１の最大外径に相当する第１の広がり（又は、寸法）Ｄ１１を有している。金属枠１．１は、金属枠１．１の第２の広がりＴ１１に相当する厚さをもつ平らな板から切り出されている。軸Ａは、金属枠１．１に直交して、つまり金属枠１．１の端面に直交して方向づけられている。さらに、金属枠１．１は軸方向に一続きの第１の孔１．１１を有しており、したがってつまり、金属枠１．１は一続きの第１の孔１．１１を包囲している。第１の孔１．１１は必然的に、金属枠１．１の内面Ｉによって画定されている。つまり金属枠１．１の内面Ｉは、軸Ａに平行に方向づけられており、かつ軸Ａを取り囲んでいる。この内面Ｉは、軸Ａに向かって径方向に方向づけられた４つの内側に張り出した要素１．１２を有しており、この内側に張り出した要素１．１２はそれぞれ、軸Ａに平行に延びるエッジ１．１２１を有している。内面Ｉは、金属枠１．１の第２の広がりＴ１１の全体、つまり金属枠１．１の厚さ全体にわたっては延びていないであろう段部または突起を有していない。よって、一続きの第１の孔１．１１は例えば打抜きプロセスまたはレーザ切断もしくはウォータージェット切断プロセスによって製造可能である。

金属枠１．１はこれに加え、機械部分に固定するため、紹介している例示的実施形態では固定用ドリル孔として形成された第２の孔１．１３を有している。
金属枠１．１は、したがって円盤状またはリング状の形を有している。これに関し、紹介している例示的実施形態では、第１の広がりＤ１１が第２の広がりＴ１１より１７．５倍大きい。金属枠１．１の内面Ｉにはまたは第１の孔１．１１の縁には、仮想的に軸に平行な線が配置され得る。これらの線の各々が、第２の広がりＴ１１にわたって軸Ａに対する同じ間隔を有している。

走査ユニット１はプリント基板１．２をさらに含んでいる。プリント基板１．２は、とりわけ図３および図４に示されている。それに従えば、プリント基板１．２は基材１．２１を有しており、基材１．２１は、紹介している例示的実施形態では複数の層を有している。基材１．２１は、第１の面１．２１１および第２の面１．２１２を有しており、これに関し、第２の面１．２１２は第１の面１．２１１の反対側に配置されており、ならびに周りを取り巻いている第３の面１．２１３を有しており、第３の面１．２１３は側面とも言える。

第１の面１．２１１には、図３による検知器構成１．２３が配置されている。紹介している例示的実施形態では、ロータリエンコーダは誘導走査原理に基づいており、したがって検知器構成１．２３は、２つの受信トラック１．２３１、１．２３２を有しており、この受信トラック１．２３１、１．２３２の各々が２つの受信導体路１．２３１１、１．２３１２、１．２３２１、１．２３２２を含んでいる。受信導体路１．２３１１、１．２３１２、１．２３２１、１．２３２２は、貫通ビアを有する異なる平面に延びており、これにより交点で望ましくない短絡が回避される。示した例示的実施形態では、プリント基板構造または基材構造内で少なくとも２つの層が設けられている。受信導体路１．２３１１、１．２３１２、１．２３２１、１．２３２２は、実質的に正弦波形にまたは正弦波状に形成された、空間的に周期的な軌道を有している。

同じ受信トラック１．２３１、１．２３２に属する受信導体路１．２３１１、１．２３１２、１．２３２１、１．２３２２は、互いに対して相対的に周方向に沿ってずれて配置されている。紹介している例示的実施形態では、隣接する受信導体路１．２３１１、１．２３１２、１．２３２１、１．２３２２は互いに対し、正弦波周期全体の１／４（第１の方向ｘに沿ってπ／２または９０°）ずれて配置されている。受信導体路１．２３１１、１．２３１２、１．２３２１、１．２３２２は、最終的に周方向での位置決定に対し、９０°移相した信号をもたらし得るように電気的に接続されている。

走査ユニット１は励磁導体路１．２４をさらに含んでおり、励磁導体路１．２４は、同様に第１の面１．２１１に配置されており、かつ受信導体路１．２３１１、１．２３１２、１．２３２１、１．２３２２を包囲している。

励磁導体路１．２４を動作させるために、および受信導体路１．２３１１、１．２３１２、１．２３２１、１．２３２２によって受信された信号を処理するために、電子回路が必要である。プリント基板１．２の、第１の面１．２１１の反対側に配置された第２の面１．２１２には、電子部品１．２２が取り付けられている（図では、例示的に幾つかの少数の電子部品だけが符号を備えている）。これらの電子部品１．２２は、励磁導体路１．２４に給電するために、および受信された信号を処理するために用いられる。第２の面１．２１２にはこれに加え、ケーブルの嵌合コネクタとの差込接続を確立するための電気的なカップリングピース１．２２１が取り付けられている。

プリント基板１．２はこれに加え、側面側で、つまりプリント基板１．２の周りを取り巻いている側面に、４つの凹状のくぼみ１．２１４を有している。
走査ユニット１を取り付ける過程で、プリント基板１．２または基材１．２１が金属枠１．１内に押し込まれ、これにより、張り出した要素１．１２のエッジ１．１２１が、くぼみ１．２１４の領域内の基材１．２１にめり込む（図５）。つまり基材１．２１は、金属枠１．１への接触箇所でオーバーサイズを有している。それに応じて、張り出した要素１．１２は、基材１．２１が機械的応力を受けて金属枠１．１内で固定されるように、凹状のくぼみ１．２１４に食い込む。こうすることで、検知器構成１．２３を備えたプリント基板１．２が、金属枠１．１または第２の孔１．１３に対して相対的にすべての空間方向で厳密に固定され、これが、ロータリエンコーダの測定精度に対して重要である。

図６では、スケール要素２が平面図で示されている。スケール要素２は、図示した例示的実施形態ではエポキシ樹脂から製造された基材２．３から成っており、かつ基材２．３上には２つの目盛トラック２．１、２．２が配置されている。目盛トラック２．１、２．２はリング状に形成されており、かつ基材上で、軸Ａに対して異なる直径で同心に配置されている。両方の目盛トラック２．１、２．２はそれぞれ、交互に配置された導電性目盛領域２．１１、２．２１と非導電性目盛領域２．１２、２．２２の周期的シーケンスから成っている。導電性目盛領域２．１１、２．２１の材料として、示した例では銅が、基材２．３上に施された。これに対して非導電性目盛領域２．１２、２．２２では、基材２．３がコーティングされなかった。

図７では、走査ユニット１およびスケール要素２を含むロータリエンコーダが示されている。走査ユニット１は第１の機械部分４、ここではフランジに、紹介している例示的実施形態ではネジとして形成された固定要素１．３を使って固定されている。固定要素１．３はこのために第２の孔１．１３を貫いて差し込まれており、したがって固定要素１．３は第２の孔１．１３を貫通している。これに加えて固定要素１．３はそれぞれ、内側に基材１．２１上に張り出した区域１．３１を有しており、この張り出した区域１．３１は、紹介している例示的実施形態ではネジの頭部である。

図８によれば、張り出した区域１．３１は、基材１．２１の上に長さＸ１にわたってはみ出している。つまり固定要素１．３は、金属枠１．１をフランジ４に押し付けると同時に、プリント基板１．２を軸方向において保持している。

プリント基板１．２または基材１．２１は、走査ユニット１を取り付ける過程で、軸Ａの方向に正確に、金属枠１．１が基材１．２１の第１の面１．２１１に対して第１の軸方向の突出部Ｈ１を有するように、金属枠１．１内に押し込まれた。基材１．２１の第１の面１．２１１は、プリント基板１．２のうち、検知器構成１．２３および励磁導体路１．２４が配置されている側である。第１の軸方向の突出部Ｈ１は、金属枠の端面および基材１．２１の第１の面１．２１１に対してである。

これに加えて図８では、プリント基板１．２が金属枠１．１内で、金属枠１．１が基材１．２１の第２の面１．２１２に対して第２の軸方向の突出Ｈ２を有するように配置されていることが認識され得る。

したがって金属枠１．１は軸Ａの方向に、基材１．２１より大きな第２の広がりＴ１１を有しており、基材１．２１は軸Ａの方向に第３の広がりＴ１２１を有している。すなわち基材１．２１は、金属枠１．１によって、つまり金属枠１．１の内面Ｉによって完全に取り囲まれており、どの箇所でも軸方向に金属枠１．１の外輪郭を越えて突き出てはいない。

図７による組み立てられた状態では、走査ユニット１とスケール要素２は、軸方向の間隔Ｃ、つまり軸方向の空隙をあけて向かい合っている。軸方向の突出部Ｈ１は、取付の際、例えばストッパを備えた適切な取付装置により、簡単に、しかし非常に精密に調整することができ、これにより所望の間隔Ｃも高い精度で簡単に調整され得る。これがロータリエンコーダの測定精度を高める。

スケール要素２と走査ユニット１が相対的に回転すると、検知器構成１．２３内で、とりわけ受信導体路１．２３１１、１．２３１２、１．２３２１、１．２３２２内で、それぞれの角度位置に依存する信号が誘導効果によって生成される。相応の信号が形成されるための前提条件は、励磁導体路１．２４が、走査される目盛構造の領域内で、時間と共に交番する電磁励起場を生成することである。図示した例示的実施形態では、励磁導体路１．２４が、平行平面で電流に貫流される複数の単一導体路として形成されている。電子部品１．２２を備えた走査ユニット１の電子回路は、評価要素としてだけでなく、励磁コントロール要素としても働き、この励磁コントロール要素のコントロール下で励磁電流が生成され、励磁電流はその後、励磁導体路１．２４を貫流する。

励磁導体路１．２４が通電すると、それぞれの励磁導体路１．２４の周りに管状または円筒形に方向づけられた電磁場が形成される。この生じている電磁場の力線は、同心円の形態で励磁導体路１．２４の周りに延びており、この力線の方向は、既知のように励磁導体路１．２４内の電流方向に依存している。導電性目盛領域２．１１、２．２１の領域で渦電流が誘導され、これにより、角度位置に依存した場の変調が達成される。これに相応して受信トラック１．２３１、１．２３２により、それぞれ、回転軸としての軸Ａに対する相対的な角度位置が測定され得る。ペアの受信導体路１．２３１１、１．２３１２、１．２３２１、１．２３２２はその受信トラック１．２３１、１．２３２内で、それぞれ９０°移相した信号をもたらすように配置されており、これにより回転方向の決定も行われ得る。

１ 走査ユニット
１．１ 金属枠
１．１１ 第１の孔
１．１２ 内側に出っ張った要素
１．１２１ エッジ
１．１３ 第２の孔
１．２ プリント基板
１．２１ 基材
１．２１１ 第１の面
１．２１２ 第２の面
１．２１３ 第３の面
１．２１４ くぼみ
１．２２ 電子部品
１．２３ 検知器構成
１．３ 固定要素
１．３１ 張り出した区域
２ スケール要素
４ 機械部分
Ａ 軸
Ｃ 間隔
Ｄ１１ 第１の広がり
Ｈ１ 第１の軸方向の突出部
Ｈ２ 第２の軸方向の突出部
Ｉ 内面
Ｔ１１ 第２の広がり
Ｔ１２１ 第３の広がり

Claims (11)

1. 走査ユニット（１）に対して相対的に軸（Ａ）の周りを回転可能なスケール要素（２）を走査するための走査ユニット（１）であって、前記走査ユニット（１）が、金属枠（１．１）およびプリント基板（１．２）を含んでおり、
   − 前記プリント基板（１．２）が基材（１．２１）を有しており、前記基材（１．２１）が、
   第１の面（１．２１１）と、
   前記第１の面（１．２１１）の反対側にある第２の面（１．２１２）と、
   周りを取り巻いている第３の面（１．２１３）とを有しており、これに関し、
   前記第１の面（１．２１１）には検知器構成（１．２３）が配置されており、かつ前記第２の面（１．２１２）には電子部品（１．２２）が取り付けられており、かつ前記第３の面（１．２１３）が複数の凹状のくぼみ（１．２１４）を有しており、
   − 前記金属枠（１．１）が、前記金属枠（１．１）の内面（Ｉ）によって径方向に画定された一続きの第１の孔（１．１１）を有しており、前記内面（Ｉ）が、複数の内側に出っ張った要素（１．１２）を有しており、これに関し、
   前記金属枠（１．１）の前記内面（Ｉ）が、前記基材（１．２１）の前記くぼみ（１．２１４）を包囲しており、かつ
   前記内側に出っ張った要素（１．１２）が、前記基材（１．２１）が機械的応力を受けて前記金属枠（１．１）内で固定されるように、前記凹状のくぼみ（１．２１４）に食い込んでいる走査ユニット（１）。
2. 請求項１に記載の走査ユニット（１）であって、前記内側に出っ張った要素（１．１２）がそれぞれ、前記軸（Ａ）に平行に走るエッジ（１．１２１）を有している、走査ユニット（１）。
3. 請求項１または２に記載の走査ユニット（１）であって、前記金属枠（１．１）が円盤状の形を有している、走査ユニット（１）。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の走査ユニット（１）であって、前記金属枠（１．１）が、前記軸（Ａ）に垂直な方向に第１の広がり（Ｄ１１）を有しており、かつ前記軸（Ａ）の方向に第２の広がり（Ｔ１１）を有しており、これに関し、前記第１の広がり（Ｄ１１）が前記第２の広がり（Ｔ１１）より少なくとも５倍大きい、走査ユニット（１）。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の走査ユニット（１）であって、前記プリント基板（１．２）が前記金属枠（１．１）内で、前記金属枠（１．１）が前記基材（１．２１）の前記第１の面（１．２１１）に対して第１の軸方向の突出部（Ｈ１）を有するように配置されている、走査ユニット（１）。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の走査ユニット（１）であって、前記プリント基板（１．２）が前記金属枠（１．１）内で、前記金属枠（１．１）が前記基材（１．２１）の前記第２の面（１．２１２）に対して第２の軸方向の突出部（Ｈ２）を有するように配置されている、走査ユニット（１）。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の走査ユニット（１）であって、前記金属枠（１．１）が、機械部分（４）に固定するための第２の孔（１．１３）を有している、走査ユニット（１）。
8. 請求項７に記載の走査ユニット（１）であって、前記走査ユニット（１）が固定要素（１．３）をさらに含んでおり、前記固定要素（１．３）が前記第２の孔（１．１３）を貫通しており、それにより、前記固定要素（１．３）がそれぞれ、内側に前記基材（１．２１）上に張り出した区域（１．３１）を有している、走査ユニット（１）。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の走査ユニット（１）であって、前記金属枠（１．１）が前記軸（Ａ）の方向に第２の広がり（Ｔ１１）を有しており、かつ前記基材（１．２１）が前記軸（Ａ）の方向に第３の広がり（Ｔ１２１）を有しており、これに関し、前記第２の広がり（Ｔ１１）が前記第３の広がり（Ｔ１２１）より大きい、走査ユニット（１）。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の走査ユニット（１）およびスケール要素（２）を含むロータリエンコーダであって、前記第１の面（１．２１１）が、前記スケール要素（２）に対向して、前記軸（Ａ）の方向に延びている間隔（Ｃ）をあけて配置されているロータリエンコーダ。
11. 請求項１０に記載のロータリエンコーダであって、前記ロータリエンコーダが、軸受なしのロータリエンコーダとして形成されている、ロータリエンコーダ。
    

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