JP6215081B2 - 角度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１による角度測定装置に関する。

しばしばエンコーダとも呼ばれる角度測定装置は、回転可能に支承された物体、特に軸の１回転又は複数回転にわたる回転運動を測定するために使用される。この場合、回転運動は、インクリメンタル式又はアブソリュート式で検出される。ラック及び歯車又はネジ付スピンドルと関係して、角度測定装置によって、直線運動も測定することができる。

しばしば、このような角度測定装置は、電気モータと関係して使用される。支承された、角度測定装置の軸と当該電気モータの軸の間の調整誤差又は軸方向のズレを補償するため、しばしば補正カップリングが使用される。これら補正カップリングは、角度測定装置の軸と電気モータ軸の間に配置することか、いわゆるステータカップリングとして形成することのいずれかが可能である。ステータカップリングは、角度測定装置のステータを、弾性的に電気モータのステータと結合する。回転運動を正確に検出できるようにするために、相応の補正カップリングが、周方向に捩り剛性を有するように形成されている、即ち、捩り負荷時に高い剛性を備える、ことが重要である。一般に、これに関して、ステータカップリングは、ロータカップリングよりも良好な特性を備える。

しかしながら、多くの適用において、振動が角度測定装置に導入されることがある。このような振動は、例えば当該システム内の駆動装置もしくはモータのコントロール性にとって欠点となり得る。このような状況は、共振が生じた時に、特に問題となり得る。結局、導入された振動によって、測定精度が低下させられ得るので、例えば角度測定装置と共に作動する工作機械の場合は、振動に依存して不十分な、加工面の表面品質が認められる。印刷機械において適用する場合は、粗悪な印刷物が、決まった振動の励起時に、角度測定装置の測定精度の低下に由来して生じる。加えて、コントロール機器は、生じたモータ運動である回転振動を誤解することに依存して、過大なモータ電流を出力し得る。これは、更にまた、例えばホイッスリングノイズ又は過剰なモータ加熱を生じさせ、その結果モータ効率の低下を生じさせる。

独国特許第１０ ２００８ ０６０ ８３９号明細書（特許文献１）から、軸方向に捩り剛性を有するように取り付けられた振動キャンセラを有する角度測定装置が公知である。

独国特許第１０ ２００８ ０６０ ８３９号明細書

本発明の根底にある課題は、振動を伴う環境でも、改善された測定特性、特に最適化された測定信号を提供する冒頭で述べた形式の角度測定装置を得ることにある。

この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴を有する角度測定装置を得ることによって解決される。

従って、角度測定装置は、ステータとロータを有し、ロータは、ステータに対して相対的に、中心軸を中心として周方向に回転可能に配置されている。このロータは、コードディスクを回転不能に固定した軸を備える。ステータは、ボディ要素と、コードディスクを走査するための走査装置とを備える。角度測定装置は、振動減衰のために、ボディ要素と結合された振り子マスを備え、この振り子マスは、周方向に対して平行な方向成分によって、ボディ要素に対して相対的に変位可能である。周方向は、中心軸から間隔を置いて配置された１つの点が回転時に中心軸を中心として運動する方向に関する。

振り子マスは、特に遠心力振り子又はキャンセラ振り子として作用する。振り子マスは、ステータだけに固定され、ステータとの結合部は、振り子マスがステータの運動にある程度の遅延をもって従うように柔軟に形成されている。従って、この特性は、減衰をするように作用し、この減衰作用は、大きい周波数領域にわたって保証されている。驚くべきことに、測定すべき軸による振動の励起時でも測定特性の著しい改善が、振り子マスがロータに固定されているかにかかわらず、認められた。加えて、角度測定装置が、振動励起の極めて大きい周波数領域もしくはロータの非常に大きい回転数領域にわたって、測定精度の低減なく作動することがわかった。

コードディスクは、角度測定装置が、インクリメンタル及び／又はアブソリュートの角度位置を出力するように形成することができる。

本発明は、角度測定装置のステータ又はロータが、半径方向及び軸方向に弾性的であるが捩り剛性を有する、機械部分とのステータの結合部を形成するために適した補正カップリングを備える場合、角度測定装置において有利に適用可能である。同様に、角度測定装置は、ステータ又はロータに補正カップリングを備えることができる。

本発明の発展形によれば、ボディ要素に、複数の振り子マスが配置されている。特に、ステータのボディ要素には、２つ又は４つの振り子マスを配置することができる。これに関係して、振り子マスが、特にその重心が、中心軸に対して対称に配置されている場合が有利である。これにより、２つの振り子マスを使用した場合には、振り子マスの重心の間に１８０°の角度差を設けることができ、４つの振り子マスの場合には、隣接する振り子マスの重心の間に９０°の角度差を設けることができる。角度測定装置が、運転中に振動にさらされている場合、振り子マスは、その互いの相対的な周方向の間隔が変化するように、周方向に運動することができる。

本発明の別の形成では、振り子マスが、弾性要素を介して、特にウェブ、バネ又はエラストマ部材を介して、ボディ要素と結合されている。特に、ウェブは、固体ジョイントを備えることができる。固体ジョイントとは、静的弾性の原理に基づいたジョイントと解釈すべきである。ジョイントの機能は、隣接する２つの高い曲げ剛性の領域に対して相対的に低下させた曲げ剛性の領域によって得られる。低下させた曲げ剛性は、局所的な横断面減少又は脆弱箇所によって発生させることができる。

ウェブが、２つの固体ジョイントを備え、中心軸に対するこれら２つの固体ジョイントの結合線が、半径方向に整向されていると有利である。従って、結合線は、中心軸と交差する。

好ましい実施バリエーションでは、角度測定装置は、振り子マスが、２線式の結合部によって、ボディ要素に対して相対的に変位可能であるように構成されている。

振り子マスが、２つのウェブを介してボディ要素と結合されていると有利である。この場合、各ウェブは、２つの固体ジョイントを備えることができ、各ウェブの２つの固体ジョイントの結合線は、中心軸に対して半径方向に整向されている。従って、両結合線は、中心軸と公差する。複数の振り子マスが使用されるのであれば、角度測定装置は、１つのウェブの固体ジョイントの各対の結合線が半径方向に整向されるように構成することができる。

その他、１つ又は複数のウェブがボディ要素と結合されているとの表現は、強制的に、この結合が、直接的に形成されていなければならないことを意味するのではない。むしろ、別の要素を、ウェブに対して付加的に、ボディ要素と振り子マスの間のこの結合部内に配置することもできる。

従って、振り子マスは、ウェブと（別の要素としての）固定フランジとを介してボディ要素と結合することができる。

本発明の別の有利な形成は、従属請求項に記載されている。

本発明の別の特徴及び利点を、図による２つの実施例の説明により明らかにする。

第１の実施例による角度測定装置の断面図 キャンセラ要素の斜視図 第１の実施例によるキャンセラ要素を有する角度測定装置を下から見た図 第２の実施例によるキャンセラ要素を有する角度測定装置を下から見た図 第２の実施例による角度測定装置の断面図 第３の実施例によるキャンセラ要素を有する角度測定装置を下から見た（補正カップリングのない）図 第３の実施例による角度測定装置の断面図

図１に図示した角度測定装置は、ステータ１とロータ２を有する。ロータ２は、測定すべき構造要素、例えばモータ軸に回転不能に接続するための軸２．１を備える。角度測定装置の軸２．１とモータ軸の間の結合部は、例えば、軸２．１を経て突出する固定ネジの形態の結合手段によって実現され、この目的のため、軸２．１の端部が円錐形に形成されている。即ち、角度測定装置により、ステータ１とロータ２の間の相対的な角度位置もしくは回転運動を測定することができる。このような角度測定装置は、しばしばエンコーダとも呼ばれる。

軸２．１は、ステータ１に付設されたボディ要素１．３内に、軸受、ここでは２つの転がり軸受３によって回転可能に支承されている。軸２．１には、角度測定装置の内部に配置されたコードディスク２．２が固定されている。

ステータ１は、ハウジング１．１を有し、このハウジング内に、いわゆる走査装置１．２が存在し、この走査装置は、光源１．２２、コンデンサ１．２３、回路を統合したセンサ要素１．２４、及び、走査ボード１．２１を有する。回路を統合したセンサ要素１．２４は、相応に走査ボード１．２１上に電気的に取り付けられている。回路を統合したセンサ要素１．２４、ここではいわゆるＯｐｔｏ−ＡＳＩＣと、コードディスク２．２との間には、比較的小さい空隙が存在する。ＬＥＤとして形成された光源１．２２は、コンデンサ１．２３を経て、その後コードディスク２．２を経て、光を送る。この場合、光源１．２２、コンデンサ１．２３及び回路を統合したセンサ要素１．２４は、角度測定装置のステータ１に付設されている。これに対して、コードディスク２．２は、既に述べたように、軸２．１に固定されている。即ち光源１．２２とセンサ要素１．２４の間に配置されたコードディスク２．２は、その角度スケーリングによって、入射した光を、軸２．１の角度位置に応じて変調することができる。最後に、変調された光は、センサ要素１．２４のフォトデテクタにぶつかる。この走査により、軸２．１の角度位置に関する情報を含む光電信号が生じる。光電式に発生した信号は、センサ要素１．２４の統合された回路によって次処理される。次処理された位置信号は、最後に、ケーブルを介して別の機器、例えば機械の制御装置に出力される。

角度測定装置のステータ１は、補正カップリング１．２を介して、機械部分、例えば固定のモータハウジングに固定される。補正カップリング１．２は、軸２．１とモータ軸の間のアライメントエラーが、転がり軸受３に許容不能に高い負荷を生じさせないために使用される。

更に、ステータ１は、キャンセラ要素１．４を備え、このキャンセラ要素は、図２によれば、２つの固定穴１．４１１を有する中央のリング１．４１を有する。更に、キャンセラ要素１．４は、４つの振り子マス１．４２を備える。これら振り子マス１．４２もしくはその重心は、互いに９０°の角度差をもって配置されている。ウェブ１．４３を介して、振り子マス１．４２がリング１．４１と結合されている。ウェブ１．４３自身が、それぞれ２つの固体ジョイント１．４３１を備える。キャンセラ要素１．４は、一体的に形成され、特に、金属、特にスチールから製造されている。

ボディ要素１．３は、例えばエラストマ材料から製造された減衰要素１．５が内部に設置される孔を備える。この場合、孔の内径は、（機械的）応力のない状態の減衰要素１．５の外径よりも若干大きい。従って、孔内での周方向の減衰要素１．５のある程度の可動性が与えられている。加えて、減衰要素１．５は、この減衰要素が、それぞれの孔の底に、加えて振り子マス１．４２に接触するように、ボディ要素１．３の孔内に配置されている。これにより、振り子マス１．４２の軸方向の、即ち中心軸Ａに対して平行な運動は、十分抑制することができるが、振り子マス１．４２の周方向Ｕの運動は、可能にされている。

図３には、補正カップリング１．２のない、角度測定装置を軸方向に見た図が示されている。固定穴１．４１１に差し込まれたネジ１．７を使用して、リング１．４１は、角度測定装置のボディ要素１．３に不動に取り付けられている。減衰要素１．５は、それぞれ１つの振り子マス１．４２と接触して、軸方向に若干予荷重を受けている。

ボディ要素１．３のフライス加工に依存して、図１にも図示したように、ボディ要素１．３とそれぞれの振り子マス１．４２の間に、小さい軸方向の空隙が存在する。これに対して、リング１．４１は、ボディ要素１．３に不動に当接するので、ボディ要素１．３からリング１．４１及びその逆の方向に振動が伝達可能である。ウェブ１．４３の固体ジョイント１．４３１の結合線Ｃは、中心軸Ａと交差する。これは、両ウェブ１．４３に当て嵌まるので、即ち、１つの振り子マス１．４２に属する両結合線Ｃが中心軸Ａと交差する。従って、当該振り子マス１．４２の回転中心は、中心軸Ａ上に位置し、この中心軸を中心として、ロータ２が、ステータ１に対して相対的に周方向Ｕに沿って回転可能に配置されている。振り子マス１．４２が、それぞれ、２つのウェブ１．４３によってリングに固定されているのであれば、ここでも２線式の懸架部を話題にすることができるので、振り子マス１．４２は、実質的に、中心軸Ａに対して垂直に整向されたもう１つの平面内でのみ振動することができる。キャンセラ要素１．４は、全ての振り子マス１．４２に対して、付属する結合線Ｃが中心軸Ａと交差するように、形成されている。その他、全ての振り子マス１．４２は、中心軸Ａに対して対称に配置されている。特に、振り子マス１．４２もしくはその重心は、１つの同じ平面内に位置する。

特に、比較的弾性的な補正カップリング１．２を備える角度測定装置の場合、振動、特に回転振動によって測定不精度が生じ得る。特に、ステータとロータの間で振動に依存した相対運動しか行なわれないにもかかわらず、軸回転が行なわれていると思わせる測定信号が出力され得る。

角度測定装置の振動を伴う運転中、振り子要素１，４２は、ある程度の時間遅延をもってボディ要素１．３の運動に従うので、逆位相の運動が生じ得る。この場合、固体ジョイント１．４３１が変形させられるが、これは、十分に内部摩擦なく行なわれる。角度測定装置に対する減衰作用は、本質的に、周方向Ｕの振り子マス１．４２の加速もしくは運動によって、角度測定装置の振動振幅が、全体的に従来の角度測定装置に対して著しく低減されるとの効果から生じる。

図４及び５による第２の実施例によれば、振り子マス１．４２’として球を使用することができる。これら球は、弾性要素１．４３’を介してボディ要素１．３’と機械的に結合されている。更に、ボディ要素１．３’は溝１．３１’を備える。溝１．３１’のそれぞれは、溝が付属する振り子マス１．４２’を両側から案内するが、振り子マス１．４２’が周方向Ｕにしか可動でないように、形成されている。その点で、溝１．３１’の壁は、そのそれぞれの重心が中心軸Ａ上に位置する同軸の円形セグメントラインに沿って延在する。周方向Ｕの振り子マス１．４２’の可動性は、例えばエラストマ部材又はゴム部材又は金属バネとして形成可能な弾性要素１．４３’によって制限される。

第３の実施例として、図６及び７に、リング状の振り子マス１．４２”がウェブ１．４３”を介してボディ要素１．３”と結合された装置が示されている。ここでも、ウェブ１．４３”が、半径方向に整向されている。第３の実施例による角度測定装置が振動にさらされた場合、リング状の振り子マス１．４２”は、中心軸Ａ上の中心点を中心として若干回転振動させられるが、これは、従来の角度測定装置に比べ、当然、角度測定装置の振動振幅の著しい低減を伴う。

１ ステータ
１．１ ハウジング
１．２ 走査装置
１．２１ 走査ボード
１．２２ 光源
１．２３ コンデンサ
１．２４ センサ要素
１．３ ボディ要素
１．４ キャンセラ要素
１．４１ リング
１．４１１ 固定穴
１．４２ 振り子マス
１．４３ ウェブ
１．４３１ 固体ジョイント
１．５ 減衰要素
１．７ ネジ
２ ロータ
２．１ 軸
２．２ コードディスク
３ 転がり軸受
Ａ 中心軸
Ｃ 結合線
Ｕ 周方向

Claims (12)

1. ステータ（１）とロータ（２）を有し、ロータ（２）が、ステータ（１）に対して相対的に、中心軸（Ａ）を中心として周方向（Ｕ）に回転可能に配置され、ロータ（２）が、コードディスク（２．２）を回転不能に固定した軸（２．１）を備え、ステータ（１）が、ボディ要素（１．３；１．３’；１．３”）と、コードディスク（２．２）を走査するための走査装置（１．２）とを備える、角度測定装置において、
   角度測定装置が、振動減衰のために、ボディ要素（１．３；１．３’；１．３”）と結合された振り子マス（１．４２；１．４２’；１．４２”）を備え、この振り子マスが、周方向（Ｕ）に対して平行な方向成分によって、ボディ要素（１．３；１．３’；１．３”）に対して相対的に変位可能であること、を特徴とする角度測定装置。
2. ステータ及び／又はロータ（２）が、半径方向及び軸方向に弾性的であるが捩り剛性を有する、機械部分とのステータ（１）の結合部を形成するために補正カップリング（１．２）を備えること、を特徴とする請求項１に記載の角度測定装置。
3. ボディ要素（１．３；１．３’）に、複数の振り子マス（１．４２；１．４２’）が配置されていること、を特徴とする請求項１又は２に記載の角度測定装置。
4. 振り子マス（１．４２；１．４２’）が、中心軸（Ａ）に対して対称に配置されていること、を特徴とする請求項３に記載の角度測定装置。
5. 振り子マス（１．４２；１．４２’；１．４２”）が、弾性要素（１．４３；１．４３’；１．４３”）を介してボディ要素（１．３；１．３’；１．３”）と結合されていること、を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の角度測定装置。
6. 振り子マス（１．４２’）が、エラストマ部材又はゴム部材又は金属バネ（１．４３’）を介してボディ要素（１．３’）と結合されていること、を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の角度測定装置。
7. 振り子マス（１．４２；１．４２”）が、ウェブ（１．４３；１．４３”）を介してボディ要素（１．３；１．３”）と結合されていること、を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の角度測定装置。
8. ウェブ（１．４３）が、固体ジョイント（１．４３１）を備えること、を特徴とする請求項７に記載の角度測定装置。
9. ウェブ（１．４３）が、２つの固体ジョイント（１．４３１）を備え、中心軸（Ａ）に対するこれら２つの固体ジョイント（１．４３１）の結合線（Ｃ）が、半径方向に整向されていること、を特徴とする請求項７又は８に記載の角度測定装置。
10. 振り子マス（１．４２）が、２線式の結合部によって、ボディ要素（１．３）に対して相対的に変位可能であること、を特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の角度測定装置。
11. 振り子マス（１．４２）が、２つのウェブ（１．４３）を介してボディ要素（１．３）と結合されていること、を特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の角度測定装置。
12. 振り子マス（１．４２）が、ウェブ（１．４３）と固定フランジ（１．４１）とを介してボディ要素（１．３）と結合されていること、を特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の角度測定装置。

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