JP2004004033A - 回転角測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】角度測定誤差をなくすとともに、回転検出器を駆動装置に簡単に取り付けられるようにする。
【解決手段】ケーシング１８とケーシング２８との間にステータ結合部品１４を設け、角度測定誤差を回避し、回転検出器１２を簡単にアクチュエータ２６に取付可能にするために改良された本発明の装置１０は、回転検出器１２がステータ結合部品１４と共にケーシング２８から取り外されたときにはステータ結合部品１４でエンコーダ軸１６をケーシング１８に耐捻転的に固定する一方、ステータ結合部品１４をアクチュエータ２６に固定したときにはエンコーダ軸１６を解放する閂状締め具５２を少なくとも備える。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
本発明は回転角測定装置に関する。
【０００２】
角度測定器（回転検出器又はエンコーダとも呼ばれる）は、ケーシング内に収容された狭義の角度センサの他に、測定対象である駆動系にステータ結合部品で結合されるフランジを有している。回転検出器の回転軸（回転検出軸又はエンコーダ軸とも呼ばれる）は軸継手又はねじ連結器により測定対象である駆動軸に連結される。ねじ連結器は強固な結合を得る上で特に好ましい。
【０００３】
このような機械的インタフェースに加えて、回転検出器はスケールを備えている。スケールは角度単位を具体的に示す役割を担うもので、走査器がこのスケールを検知して位置信号を出力する。この位置信号は信号及びデータ処理部を通過した後、後段に接続された電気的インターフェースにより上位の制御部（モータ制御部等）に伝送され、評価される。上記のような回転検出器は、光、磁気、誘導又は電位差分析等に関する物理的技術を応用して構成することができる。
【０００４】
先に言及したステータ結合部品は、駆動装置と角度測定装置とを耐捻転的に結合する働きをする。更に、角度測定誤差を回避するため、回転検出器のケーシングと駆動装置のケーシングは、前記ステータ結合部品により、捻転が容易に生じないような形で結合されている。ここでは、何よりもまず、ステータ結合部品に起因する測定誤差が回転検出器の測定精度より小さくなるようにしなければならない。
【０００５】
ステータ結合部品により駆動装置のステータに結合可能な測定装置には、角度測定装置の他に、角速度、角加速度又はトルク等といった他の機械的測定量を測定するものもある。この場合、ステータ結合部品はトルクの支点として機能し、軸方向及び半径方向のせん断運動は許容するものの、回転運動は許容しない。
【０００６】
従来より、各種金属製のステータ結合部品や他の弾性材料から成るステータ結合部品が知られている。ドイツ特許公報第ＤＥ　８９　１５　１０９　Ｕ号及び第ＤＥ　１００　２２　５５５　Ａ１号には、接合板が平行四辺形状に構成された結合部品が記載されている。この結合部品では、あわせて４枚の接合板が９０度の角度間隔で耐変形性の高い材料の上に配置されている。対向する（つまり、１８０度だけ互いにずれて配置された）一対の接合板には駆動装置のステータが固定され、他の一対の接合板には回転検出器のケーシングが固定されている。
【０００７】
しかし、限られた組立空間内において上記のような配列の組み立てを行うのは難しい。なぜなら、エンコーダ軸を有する回転検出器、ケーシング（ステータ）及び駆動軸を有する駆動装置、及び、ステータ結合部品という各構成部品を互いに組み合わせなければならないからである。ドイツ特許公報第ＤＥ　３２　０６　８７５　Ａ１号及び第ＤＥ　３３　０１　２０５　Ａ１には、回転検出器のケーシング内に配置されたステータ結合部品が記載されている。しかし、このような構造ではより大きな組立空間が必要になる。
【０００８】
本発明の課題は、回転検出器のケーシングと駆動装置のケーシングとの間にステータ結合部品を備える回転角測定装置において、角度測定誤差をなくすとともに、回転検出器を駆動装置に簡単に取り付けられるようにすることにある。
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明に係る回転角測定装置は、ケーシングに収容されたエンコーダ軸を有する回転検出器、及び、回転検出器のケーシングを測定対象である駆動系のケーシングに耐捻転的に固定するためのステータ結合部品を備え、前記エンコーダ軸は測定対象である駆動系の駆動軸と耐捻転的に結合可能であり、前記駆動軸は回転検出器のエンコーダ軸とともに少なくとも十分に一体となった回転軸を成す、という構成を有する、角度に関する量を測定するための回転角測定装置において、
回転検出器がステータ結合部品とともに駆動装置のケーシングから取り外されたときにはステータ結合部品でエンコーダ軸を回転検出器のケーシングに耐捻転的に固定する一方、ステータ結合部品を駆動装置に固定したときにはエンコーダ軸を解放する閂状締め具、
を少なくとも備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る回転角測定装置は、回転検出器及びステータ結合部品が駆動装置のケーシングから取り外されたときにはエンコーダ軸を回転検出器のケーシングに耐捻転的に固定する一方、ステータ結合部品が駆動装置に固定されたときにはエンコーダ軸を解放する閂状締め具を少なくとも備えている。この構成では、回転検出器の駆動装置への取付時に、まずエンコーダ軸を駆動装置の駆動軸に挿入するか、又は、駆動軸に被せるような形でネジ留めする。これには、回転検出器のケーシングを回転させるという極めて簡単な作業を行うだけでよい。なぜなら、ケーシングはステータ結合部品でエンコーダ軸と強固に結合されているからである。次に、ステータ結合部品を駆動装置のステータ（これは通常、駆動装置のケーシングである）に固定する。本発明では、この固定作業において閂状締め具が緩み、エンコーダ軸を解放する。耐捻転的に軸を固定するために回転検出器のフランジ側に特殊な道具で軸固定手段を設ける必要はない。回転検出器のケーシング全体を簡単に操作するだけで、軸が固定できる。これは、簡単且つ迅速であり、従ってコスト的にも有利である。いわば、回転検出器のケーシングが軸固定具となるのである。
【００１１】
本発明により更に得られる利点として特に言えるのは、軸の連結だけでなく耐捻転性の高いステータ結合部品が得られるということである。また、本発明に係る回転角測定装置は組立空間が小さくて済む。中でもステータ結合部品についてそれが言える。不具合なく高精度に角度を伝達できるようになると同時に、ステータ結合部品で結合されたケーシングの長手方向及び幅方向の相対移動にムラがなくなる。
【００１２】
本発明の構造は、特に、組み立てに非常に限られた空間しか自由に利用できないような小サイズの回転検出器に有利である。また、組み立ての際にステータ結合部品が緊締される結果として、回転角測定装置との作用により生じる結合部品の共鳴の振動数が高くなる。これも本発明の更なる利点である。
【００１３】
本発明の発展形態においては、エンコーダ軸に設けた非円形連結部により前記閂状締め具を構成し、該非円形連結部をステータ結合部品の空白部に嵌め込むことで閂締め状態を得る。この構成によれば、エンコーダ軸の非円形連結部をステータ結合部品の空白部に嵌め合わせるという簡単な作業でエンコーダ軸が閂締め状態になる。エンコーダ軸を解放するにも、ステータ結合部品を外すという簡単な作業だけでよい。
【００１４】
ステータ結合部品が前記空白部を有する取付板を備えるようにすると有利であり、更に、該取付板をトルク支持体と結合させるとよい。取付板はステータ結合部品を駆動装置のステータ（すなわちケーシング）に固定する役割を果たす。トルク支持体は、一方の側で取付板に固定されており、他方の側では回転検出器のケーシングに固定可能である。取付板を駆動装置に固定すると、取付板はエンコーダ軸の非円形連結部から外れ、エンコーダ軸を解放する。その際、トルク支持体の一部領域が変形する必要がある。このため、好ましくは、トルク支持体を弾性材料で作成し、回転検出器のケーシングと駆動装置のケーシングとの間の機械的結合に半径方向及び軸方向の可撓性を付与するようにする。
【００１５】
トルク支持体に、回転検出器が取り付けられていない状態のときには取付板を回転検出器に保持する一方、駆動装置のケーシングへの取付板の取付のためにはそれ自体の弾力に抗して変形可能なばね部を少なくとも設けると、ばね部だけが変形し、トルク支持体の本体は変形しない。この構成は、トルク支持体がいかなる状況にも適応する点で特に好ましい。このことから、トルク支持体を弾力性のある平行四辺形状に構成すると有利である。そのためには、横方向に１８０度の角度をおいて対向配置された一対の接合板を中央のばね状金属板上に形成する。このような接合板は取付板と駆動装置のケーシングとを結合させるための結合部品となる。前記一対の接合板と９０度の角度をおいて配置された別の一対の接合板は、回転検出器のステータ（すなわちケーシング）に耐捻転的に結合される。
【００１６】
弾力のある結合部品としてのステータ結合部品は、ある振動数において共鳴振動を起こす。共鳴の発生を回避するには、共鳴振動数をできるだけ高くし、使用時に生じる回転数がその共鳴振動数より低くなるようにしなければならない。ステータ結合部品の弾性定数をＤ、質量及び慣性モーメントをＪとするとき、共鳴振動数ｆは次の関係式で与えられる。
【数１】

【００１７】
部品の変形を可逆的にし、ステータ結合部品による回転検出器の取付を複数回実施可能にするためには、トルク支持体をばね鋼やゴム等の弾性材料で作製する。このようにすると、取付板が軸方向に移動可能に保持される。
【００１８】
本発明の一形態では、取付板を駆動装置のケーシングにネジ留めする。これにより構造がより簡単になる。
【００１９】
取付時に回転検出器のケーシングを簡単に回転させることができるようにするため、同ケーシングの輪郭は、回転検出器を回転させてエンコーダ軸を駆動軸に挿入又は被せるような形でネジ留めするための工具を当接することを考慮して設計することが好ましい。
【００２０】
取付の際の回転に伴って生じるトルクがトルク支持体だけに伝わることがないようにするため、本発明の発展形態においては、回転検出器のケーシングの、ステータ結合部品に面する端部に、前記空白部に嵌合可能な連結部を設け、駆動装置への回転検出器の取り付けのために回転検出器のケーシングと取付板とを互いに耐捻転的に結合可能にする。
【００２１】
エンコーダ軸と駆動軸との結合をより確実にするためには、エンコーダ軸の先端と駆動軸の先端にそれぞれ、軸連結用の外向き円錐部とこれに対応する内向き円錐部を設けるようにする。
【００２２】
次に、実施例に基づいて図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
【００２３】
図１に示した回転角測定装置１０は、回転検出器１２及びステータ結合部品１４を備えている。回転検出器１２は、ケーシング１８内に収容されたエンコーダ軸１６を含む。前記ケーシング１８には、角度指示部、走査ユニット、電子回路等、エンコーダ軸１６の回転角測定に必要な構成要素が収容されている。エンコーダ軸１６の先端には、測定対象である駆動装置２６（以下、アクチュエータと呼ぶ）の駆動軸２４（図では概略的に示す）と耐捻転的に連結し、力を確実に伝達するため、ネジ部２０及び外向き円錐部２２が設けられている。一方、駆動軸２４には、前記外向き円錐部２２に対応する内向き円錐部が設けられている。アクチュエータ２６は駆動軸２４が収容されたケーシング２８を有している。更に、電子回路がケーシング２８に収容されている場合もある。
【００２４】
駆動軸２４の回転を測定するには、一方でエンコーダ軸１６と駆動軸２４とを結合し、他方で回転検出器１２のケーシング１８とアクチュエータ２６のケーシング２８とを結合する必要がある。ステータ結合部品１４はこのような結合に寄与するものである。その構造及び機能について以下に詳しく説明する。
【００２５】
図２に示したステータ結合部品１４はトルク支持体３０及び取付板３２を含む。トルク支持体３０は、駆動軸２４の回転又は角度位置の測定時に生じるトルクを受ける働きをする。トルク支持体３０は、一方の側で回転検出器１２のケーシング１８に、他方の側で取付板３２にそれぞれ固定されており、これにより、ステータ結合部品１４及びケーシング１８がアクチュエータ２６のケーシング２８に結合されている。
【００２６】
図３に第一の実施例のトルク支持体３０を分離したところを示す。図３のトルク支持体３０は、全体が打ち抜き・曲げ部品として一体成形されている。このトルク支持体３０は、例えばばね鋼のような、耐変形性の高い材料で作成されている。
【００２７】
トルク支持体３０は平行四辺形状の幾何構造にすると有利である。いま、図３に示したように、中央平板部３４がＸＹ平面に含まれ、エンコーダ軸１６がＸＹ平面に垂直なＺ軸に平行になるようにデカルト座標系を定めたとする。回転検出器１２のケーシング１８に結合される第一の曲げ梁部３６の対は、中央平板部３４上でＺ軸の正方向に向くように形成されている。なお、原理的には曲げ梁部３６をＺ軸の負方向に向けてもよい。曲げ梁部３６は中央平板部３４の直径の両端に配置される。
【００２８】
取付板３２に結合される第二の曲げ梁部３８の対は、中央平板部３４の上で第一の曲げ梁部３６から９０度だけずれた角度位置において、Ｚ軸の負方向に立設されている。これにより、弾力性のある平行四辺形構造が得られる。この構造により、測定対象であるアクチュエータ２６への回転検出器１２の結合における角度信頼性が十分に保証される。図３を見ると、第二の曲げ梁部３８はＺ軸の負方向に曲がっているだけでなく、更にその先端部４０に、Ｙ軸方向に引き出された曲折部が設けられている。この曲折部は、図３に示したように内向きに引き出してもよく、逆に外向きに引き出してもよい。
【００２９】
第二の曲げ梁部３８は前記先端部４０において取付板３２に結合される（図示した実施例では溶接による結合）。第一の曲げ梁部３６の自由端においては、トルク支持体３０が回転検出器１２のケーシング１８と結合される（例：図１のネジ４１による結合）。原理的には他の結合方法も利用可能である。例えば、ネジ継手、溶接、締結、鋲留め、その他の固定技術が考えられる。
【００３０】
本実施例の取付板３２はほぼ平らな基板４２として構成されている。この基板４２にはネジ４６のような固定用部品を受けるための受容部４４が外向きに設けられている。取付板３２は図１のネジ４６によりアクチュエータ２６のケーシング２８にネジ留め可能である。
【００３１】
取付板３２は、ほぼ中央に空白部４８を備えている。図１及び図２に示したように、本実施例の空白部４８は長辺５０を有する略長方形状である。
【００３２】
エンコーダ軸１６は空白部４８に合致する非円形連結部５２を備えている。エンコーダ軸１６を空白部４８に挿入すると、非円形連結部５２が空白部４８に嵌まり込み、長辺５０に密着する。このため、エンコーダ軸１６は、空白部４８に挿入された状態では、取付板３２及びステータ結合部品１４に対して回転できない。
【００３３】
以下に、回転検出器１２の取付方法について順を追って説明し、以てステータ結合部品１４の機能を明らかにする。
【００３４】
まず、連結部５２を有するエンコーダ軸１６を取付板３２の空白部４８に挿入した状態で、ステータ結合部品１４を回転検出器１２に固定する。図１に示したように、回転検出器１２のケーシング１８、エンコーダ軸１６、及び、取付板３２を有するステータ結合部品１４は、耐捻転性を有するユニットを構成する。次に、回転検出器１２のケーシング１８及びエンコーダ軸１６を回転させながら、エンコーダ軸１６のネジ部２０をアクチュエータ２６の駆動軸２４にねじ入れる。回転検出器１２を簡単に回転できるようにするため、ケーシング１８の輪郭をスパナやレンチ等の工具が当接可能な形状にしてもよい。更に、回転検出器１２のケーシング１８に突出部５５を設け、その突出部５５も同様に空白部４８に嵌め込むようにすると有利である。これにより、ケーシング１８は、取付板３２に対して、トルク支持部３０を介した間接的な耐捻転性だけでなく、直接的で確実な耐捻転性も持つようになる。このようにすると、エンコーダ軸１６を固く締めるために大きめのトルクをかける必要があったとしても、トルク支持体３０を変形させる恐れがない。
【００３５】
エンコーダ軸１６と駆動軸２４との連結後、ネジ４６で取付板３２をアクチュエータ２６のケーシング２８にネジ留めする。２本の軸１６及び２４の寸法は、取付板３２が取付時に所定距離（少なくともその厚みに相当する距離）だけアクチュエータ２６のケーシング２８の方に移動するように定められている。このとき、トルク支持体３０が締め付けられる。詳しく言えば、各曲げ梁部３６及び３８ならびに中央平板部３４が静止状態から変形して曲がる。軸方向の移動により取付板３２はエンコーダ軸１６の非円形連結部５２から外れ、エンコーダ軸１６は閂締め状態から解放される。これで本発明による回転角測定装置１０の取付は完了し、同装置１０は動作の用意ができた状態になる。
【００３６】
本発明の別の実施例では、トルク支持体３０を図４及び図５に示したように構成する。なお、先の実施例と同一の部分には同一の符号を付与している。図３のトルク支持体３０とは異なり、本実施例では、第二の曲げ梁部３８の先端部４０が取付板３２に溶接又は他の方法で結合されていない。その代わりに、各先端部４０には葉状ばね６０等の締結部が備えられている。葉状ばね６０はトルク支持体３０と一体成形すると有利である。葉状ばね６０は、図６及び図７に示したように、回転検出器１２のケーシング１８側に向いた面３３で取付板３２に接触する。葉状ばね６０はステータ結合部品１４を引き寄せる働きをする。回転検出器１２が非取付状態のときには取付板３２が引き寄せられ、取付板３２の空白部４８にエンコーダ軸１６の非円形連結部５２が収容される。
【００３７】
本実施例（図６）に示したように、非円形連結部５２が別の形状（本実施例では六角形）を有するとともに、取付板３２の空白部４８に隙間なく収容されるようにすることも可能である。
【００３８】
上記実施例には、アクチュエータ２６のケーシング２８に取付板３２を固定した状態のとき、回転検出器１２の動作によりトルク支持体３０のある領域がトルクを受けて曲がったり引っ張られたりすることがない、という利点がある。つまり、前記領域が変形する代わりに、単に葉状ばね６０が平らに押圧されるだけである。これにより、トルク支持体３０の特性をより正しく計算し、用途に適合させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る回転角測定装置及びそのステータ結合部品を示す。
【図２】図１のステータ結合部品を示す。
【図３】図１のステータ結合部品のトルク支持体を示す。
【図４】トルク支持体の別の実施例の斜視図を示す。
【図５】図４の実施例の側面図を示す。
【図６】本発明に係る回転角測定装置であって、図４のトルク支持体を有するステータ結合部品を備えるものの斜視図を示す。
【図７】図６の装置の側面図を示す。

Claims (11)

1. ケーシング（１８）に収容されたエンコーダ軸（１６）を有する回転検出器（１２）、及び、回転検出器（１２）のケーシング（１８）を測定対象である駆動系のケーシング（２８）に耐捻転的に固定するためのステータ結合部品（１４）を備え、前記エンコーダ軸（１６）は測定対象である駆動系の駆動軸（２４）と耐捻転的に結合可能であり、前記駆動軸（２４）は回転検出器（１２）のエンコーダ軸（１６）とともに少なくとも十分に一体となった回転軸を成す、という構成を有する、角度に関する量を測定するための回転角測定装置（１０）において、
   回転検出器（１２）がステータ結合部品（１４）とともに駆動装置（２６）のケーシング（２８）から取り外されたときにはステータ結合部品（１４）でエンコーダ軸（１６）を回転検出器（１２）のケーシング（１８）に耐捻転的に固定する一方、ステータ結合部品（１４）を駆動装置（２６）に固定したときにはエンコーダ軸（１６）を解放する閂状締め具（５２）、
   を少なくとも備えることを特徴とする回転角測定装置（１０）。
2. 閂状締め具（５２）はエンコーダ軸（１６）の非円形連結部（５２）から成り、該非円形連結部（５２）をステータ結合部品（１４）の空白部（４８）に嵌め込むことにより閂締め状態が得られることを特徴とする請求項１に記載の回転角測定装置（１０）。
3. ステータ結合部品（１４）は該ステータ結合部品（１４）を駆動装置（２６）に取り付けるための取付板（３２）を備え、該取付板（３２）が前記空白部（４８）を備えることを特徴とする請求項２に記載の回転角測定装置（１０）。
4. ステータ結合部品（１４）は取付板（３２）と結合されたトルク支持体（３０）を備え、該トルク支持体（３０）は回転検出器（１２）のケーシング（１８）に固定可能であるとともに取付板（３２）に取り付け可能であることを特徴とする請求項３に記載の回転角測定装置（１０）。
5. トルク支持体（３０）は、回転検出器（１２）が取り付けられていない状態のときには取付板（３２）を回転検出器（１２）に保持する一方、駆動装置（２６）のケーシング（２８）への取付板（３２）の取り付けのためにはそれ自体の弾力に抗して変形可能なばね部（６０）を少なくとも備えることを特徴とする請求項４に記載の回転角測定装置（１０）。
6. トルク支持体（３０）がばね鋼等の弾性材料で作成されており、その結果、回転検出器（１２）のケーシング（１８）に取り付けられたトルク支持体（３０）の取付板（３２）が軸方向に移動可能であることを特徴とする請求項４又は５に記載の回転角測定装置（１０）。
7. トルク支持体（３０）が弾力性のある平行四辺形状に構成されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の回転角測定装置（１０）。
8. 取付板（３２）が駆動装置（２６）のケーシング（２８）にネジ留め可能であることを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載の回転角測定装置（１０）。
9. 回転検出器（１２）は、該回転検出器（１２）を回転させてエンコーダ軸（１６）を駆動軸（２４）に挿入又は被せるような形でネジ留めするための工具を当接するための輪郭を有することを特徴とする、先行するいずれかの請求項に記載の回転角測定装置（１０）。
10. 回転検出器（１２）のケーシング（１８）の、ステータ結合部品（１４）に面する端部に、空白部（４８）に嵌合可能な連結部（５５）を設け、駆動装置（２６）への回転検出器（１２）の取り付けのために回転検出器（１２）のケーシング（１８）と取付板（３２）とを互いに耐捻転的に結合可能にしたことを特徴とする請求項３〜９のいずれかに記載の回転角測定装置（１０）。
11. エンコーダ軸（１６）の先端と駆動軸（２４）の先端にそれぞれ、軸連結用の外向き円錐部（２２）とこれに対応する内向き円錐部を設けるようにすることを特徴とする、先行するいずれかの請求項に記載の回転角測定装置（１０）。

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