JP4258376B2 - 多回転式エンコーダ - Google Patents

Description

［技術分野］
本発明は、ロボットや工作機などに使用するサーボモータの多回転量を絶対値角度で検出するバッテリレスの多回転式エンコーダに関する。
［背景技術］
従来の多回転式エンコーダとして、図６に示すようなものがある。図６は、従来の多回転式エンコーダを示す斜視図である。図において、１０は回転機械、２０は第１エンコーダ、４０は第２エンコーダである。この第１エンコーダ２０の回転軸１２に駆動用の歯車３４ａが取り付けられており、歯車３４ａは従動の歯車３４ｂに結合している。歯車３４ｂは回転軸１３を介して第２エンコーダ４０に結合している。
このように構成した多回転式エンコーダは、回転機械１０が回転すると、第２エンコーダ４０には歯車３４ａと歯車３４ｂの歯数比により決定される減速比に応じて減速された回転数が伝達される。すなわち、回転機械１０の回転角度は、第１エンコーダ２０を用いて検出され、多回転量は第２エンコーダ４０を用いて検出される。
ところが、従来技術では機械的な多回転伝達機構を有しているので、減速比を大きくするためには駆動歯車の直径に対し従動歯車の直径を著しく大きくする必要があり、装置の大型化を招くといった問題点や、減速比の小さな歯車の組を多段に構成した場合にも、機構が複雑化し装置の大型化を招くといった問題点があった。また、歯車の噛み合わせでは、バックラッシュや噛み合い面の摩耗により、回転検出器に誤差が生じてしまうといった問題点や信頼性が低下するといった問題点があった。さらには、各段の歯車の歯数をカウントすることによって回転角度を検出しているため、カウント数を記憶しておくための電子部品およびバッテリが必要となり、定期的にバッテリを交換するための費用や時間が必要となるといった問題があった。さらに、１回転から２回転に至る境界を精度よく判定するため、一回転以内の絶対値エンコーダを別途回転軸上に設ける必要があった。
［発明の開示］
そこで、本発明は、従来技術の上記欠点に鑑み、多回転伝達部が高い減速比の場合においても小型で、軸受以外に機械的接触部がなく、かつ信頼性が高く長寿命でバッテリの交換が不要な多回転式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、本発明はつぎの構成にしている。
（１）回転機械の回転軸に取り付けられ一回転以内の絶対値回転角度を検出する第１エンコーダと、前記第１エンコーダの回転軸に結合され第１磁気歯車のラジアル方向に空隙を介して設けられ多極着磁された第２磁気歯車とその回転角度を検出する第１磁界検出手段とからなる第２エンコーダとを備え、磁気カップリングによる減速機構を用いて前記回転軸の多回転量をカウントする多回転式エンコーダにおいて、前記第２エンコーダは、前記第１磁気歯車を、中心軸に対して垂直方向に均等な一方向の磁界を発生するよう２極に着磁したものとし、前記第２磁気歯車を、その内周に設けたリング状の磁気ヨークと、前記磁気ヨークの内周に設けた２極着磁の円筒状磁石と、前記円筒状磁石の内部に少なくとも２個配設した第１磁界検出手段とを設けたものである。
本構成によれば、回転機械の回転により、第１磁気歯車の回転が磁気カップリングを介して第２磁気歯車の極数に応じて減速され、正確に第２磁気歯車の回転として伝達される。したがって、第２磁気歯車の極数を増やすことで減速比を上げることができるので、第２磁気歯車の直径を大きくする必要がなく、減速比を大きくした場合にも装置の大型化を防ぐことができる。また、機械的接触部がなく非接触に回転を伝達することができるので、信頼性が高く長寿命で、バッテリが不要な多回転式エンコーダを実現できる。
また、軸方向の小型化ができ、磁気ヨークを用いることにより減速機構と角度検出機構部の磁気回路が分離されるので、互いの磁気干渉がなく、スムーズな減速ができるとともに回転角度の検出精度も向上する。
（２）前記第２磁気歯車の外周部に空隙を介して磁性体からなる磁気ダンパを配置したものである。
本構成によれば、外部の回転振動を吸収することができるため、外部振動に対しても信頼性の高い多回転式エンコーダを得ることができる。
（３）前記磁気ダンパは、前記第１磁気歯車の中心と前記第２磁気歯車の中心とを結ぶ延長線上に配置したものである。
本構成によれば、磁気ダンパを第１磁気歯車と第２磁気歯車の間で発生する磁気吸引力と反対の方向作用する位置に配置することにより、第１磁気歯車と第２磁気歯車間で発生する磁気吸引力によるベアリングの大きさを小さくでき、小形化できると共に長寿命化することができる。
（４）前記磁気ダンパは、前記回転軸および前記磁気歯車の軸を支える略円筒状のフレームの内周部に一体構造にて配置したものである。
本構成によれば、各磁気歯車が磁気シールドされるので、外部磁界に強い多回転式エンコーダを得ることができる。
［発明を実施するための最良の形態］
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施例）
本発明の第１実施例を図１に示す。図１は、本発明の第１実施例を示す多回転式エンコーダの斜視図である。図において、２０は絶対値角度を検出する第１エンコーダ、３０は第１磁気歯車３１および第２磁気歯車３２からなる減速機構、４０は第２エンコーダ、４１は第１磁界検出手段である。図２に減速機構３０の磁気歯車の模式図を示す。図２（ａ）は、図１の第１磁気歯車３１を、図２（ｂ）は第２磁気歯車３２をそれぞれ示している。図中の矢印が磁化方向を示している。一方、第２磁気歯車３２は、円周方向に多極着磁されている。図において、３５は磁気ヨーク、３６は円筒状磁石である。
第１磁気歯車３１は、直径を５ｍｍのものを回転軸に対して垂直方向に２極着磁している。第２磁気歯車３２は、直径を５ｍｍ、磁極数を１６極とし、磁石間の隙間を０．３ｍｍとした。そして第１磁気歯車３１の周囲にラジアル方向に空隙を介して配置されている。したがって、第１磁気歯車３１と第２磁気歯車３２の異なる極性の部分が対向した時、吸引力が働き、それが伝達力となって、第１磁気歯車３１の回転が第２磁気歯車３２に伝達される。
第２エンコーダ４０は、第２磁気歯車３２の回転角度を検出することにより、回転軸１１の多回転量を検出する。すなわち、第２磁気歯車３２の内周に設けた磁気ヨーク３５と、その内部に配設した円筒磁石３６とさらにその内部に配設した第１磁界検出手段４１とにより構成したことである。減速機構部は、２極に着磁された第１磁気歯車３１と第２磁気歯車３２により構成されている。そして、磁気ヨーク３５と、その内側に設けた回転軸に対して垂直方向に２極着磁した円筒磁石３６と、さらに内側の空間部の配置した第１磁界検出手段４１とから、第２磁気歯車の回転角度検出機構部を構成している。磁気ヨーク３５は、第１磁気歯車３１の多極着磁磁石で構成する磁気減速機構の磁気回路と、円筒磁石３６の磁気回路とを分離し、２つの磁気回路間での磁気干渉の発生を防いでいる。
つぎに、本構成のエンコーダの動作について述べる。第１磁気歯車３１が回転すると、第１磁気歯車３１の回転は減速され第２磁気歯車３２に伝達される。この時の減速比は、第１磁気歯車３１と第２磁気歯車３２の磁極数比により規定される。ここで、第２磁気歯車３２ａ、３２ｂ、３２ｃの第１磁気歯車３１に対する磁極数比をそれぞれ、Ｌ、Ｍ、Ｎとする。第２エンコーダ４０ａ、４０ｂ、４０ｃを用いて、第２磁気歯車３２ａの１／Ｌ周単位の回転角度、第２磁気歯車３２ｂの１／Ｍ周単位の回転角度、第２磁気歯車３２ｃの１／Ｎ周単位の回転角度を検出すると、それぞれの検出器からＬ、Ｍ、Ｎ種類の信号を得ることができる。したがって、Ｌ、Ｍ、Ｎの最小公倍数が組み合わせの数となり、最小公倍数相当の多回転量をカウントすることができる。例えば、Ｌ＝２１、Ｍ＝２２、Ｎ＝２３とすると、１０６２６回の多回転量を検出することができる。
なお、本実施例では第２磁気歯車３２の個数を３個にしたが、１個以上であれば多回転量を検出することができる。
このような構成において、実際に第１磁気歯車３１と第２磁気歯車３２ａを図示しない軸受けで回転自由に支持し、外部より第１磁気歯車３１を回転させて、第２磁気歯車３２が減速するかどうかを測定した。第１磁気歯車を６０００ｒｐｍで回転させ、第１磁気歯車３１と第２磁気歯車３２の回転の様子を比較した。
測定結果を図３に示す。図３は、一定時間における第１磁気歯車３１と第２磁気歯車３２の回転数を比較した波形である。減速比１：８の条件で、第１磁気歯車３１が８回転しているのに対して第２磁気歯車３２は１回転していることを確認した。すなわち、第１磁気歯車３１の磁極ピッチが７．８５ｍｍ、第２磁気歯車３２の磁極ピッチが０．９８ｍｍと約８倍も異なっているにも拘わらず、精度よく減速され伝達されることがわかった。
本構成により、減速機能と回転角度検出機能を同時に備えた薄形減速機構を構成でき、軸方向の小型化が可能となり、超小型の多回転式エンコーダが実現できる。また磁気干渉がないので磁気歯車のスムーズな減速が可能となり、さらに回転角度検出精度が向上する。
（第２実施例）
本発明の第２実施例である磁気歯車部を図４に示す。図において、６０は磁気ダンパ、７０はフレームである。
本実施例は、第２磁気歯車３２の外周部に空隙を介して磁性体の磁気ダンパ６０を配置したもので、磁気ダンパは、第１磁気歯車３１の中心と第２磁気歯車３２の中心とを結ぶ延長線上に配置している。
第２磁気歯車３２が回転すると、磁性体の磁気ダンパ６０に渦電流を発生して振動エネルギーを磁性体内の熱エネルギーに変換する。つまり、粘性制動がかかって、第２磁気歯車３２が回転しないように作用する。したがって、第２磁気歯車３２と磁気ダンパ６０の磁気吸引力が、第１磁気歯車３１と第２磁気歯車３２間の磁気吸引力と反対方向になり、結果的に第１磁気歯車３１と第２磁気歯車のベアリング（図示せず。）に加わるラジアル荷重が低減する。
磁気ダンパ６０を設けることにより、外部から回転軸１１を通して第２磁気歯車３２に加わる回転振動が、吸収されるので振動が伝わることがない。すなわち、外部振動に対して信頼性の高い多回転式エンコーダが得られる。
また、第１磁気歯車３１と第２磁気歯車３２とが微小な空隙（０．１ｍｍ以下）で対向しているため、第１磁気歯車３１と第２磁気歯車３２の磁気吸引力で各磁気歯車を保持するベアリングにラジアル荷重がかかるが、磁気ダンパ６０を設けているので、このラジアル荷重分に相当する分ベアリングを大きくする必要はなく、ラジアル荷重が緩和される。したがって、エンコーダを小形化できると共にベアリングの長寿命化が達成できる。
（第３実施例）
本発明の第３実施例である磁気歯車部を図５に示す。図５は、第２実施例の図４におけるＡ−Ｏ−Ｂ断面と同じ位置の断面図を示している。図において、８０は磁気ダンパ兼用フレーム、９０はベアリングである。
本実施例は、第２実施例のフレーム７０と磁気ダンパ６０とを一体化した磁気ダンパ兼用フレーム８０にしたものである。
磁気ダンパ兼用フレーム８０を設けることにより、部品の使用数を少なくすることができ、また、磁気シールドすることになるので、外部磁気の影響も防止することができる。
［産業上の利用可能性］
本発明によれば、回転軸に直結し多極に着磁された第１磁気歯車と、第１磁気歯車に対向して非接触で配置され第１磁気歯車より磁極数を多く着磁された少なくとも一個の第２磁気歯車とで構成し，第２磁気歯車の回転角度を検出し多回転量をカウントするので、多回転伝達部が高減速比の場合においても小型で、軸受以外に機械的接触部がなく、かつ信頼性が高く長寿命で、バッテリ交換が不要な多回転式エンコーダを得る効果がある。
また、磁気ダンパを配置することにより、外部振動に対しても信頼性のある多回転式エンコーダを得ることができ、小形化できると共に長寿命化することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の第１実施例を示す多回転式エンコーダの斜視図である。図２は本発明の第１実施例における第２磁気歯車の構成を示す模式図である。図３は第１実施例の多回転式エンコーダの測定結果を示す波形図である。図４は本発明の第２実施例を示す多回転式エンコーダの磁気歯車部の平面図である。図５は本発明の第３実施例を示す多回転式エンコーダの磁気歯車部の断面図である。図６は従来の多回転式エンコーダを示す斜視図である。

Claims (4)

1. 回転機械の回転軸に取り付けられ一回転以内の絶対値回転角度を検出する第１エンコーダと、前記第１エンコーダの回転軸に結合され第１磁気歯車のラジアル方向に空隙を介して設けられ多極着磁された第２磁気歯車とその回転角度を検出する第１磁界検出手段とからなる第２エンコーダとを備え、磁気カップリングによる減速機構を用いて前記回転軸の多回転量をカウントする多回転式エンコーダにおいて、
   前記第２エンコーダは、前記第１磁気歯車を、中心軸に対して垂直方向に均等な一方向の磁界を発生するよう２極に着磁したものとし、前記第２磁気歯車を、その内周に設けたリング状の磁気ヨークと、前記磁気ヨークの内周に設けた２極着磁の円筒状磁石と、前記円筒状磁石の内部に少なくとも２個配設した第１磁界検出手段とを設けたことを特徴とする多回転式エンコーダ。
2. 前記第２磁気歯車の外周部に空隙を介して磁性体からなる磁気ダンパを配置したことを特徴とする請求項１に記載の多回転式エンコーダ。
3. 前記磁気ダンパは、前記第１磁気歯車の中心と前記第２磁気歯車の中心とを結ぶ延長線上に配置したことを特徴とする請求項２記載の多回転式エンコーダ。
4. 前記磁気ダンパは、前記回転軸および前記磁気歯車の軸を支える略円筒状のフレームの内周部に一体構造にて配置したことを特徴とする請求項２または３記載の多回転式エンコーダ。

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