(57)【要約】      （修正有）【課題】出力の分解能を向上させるためにスリット数を増やす必要がなく、したがって加工も容易であり、電気的にも信号を捕らえることが容易な、ディスク形状の回転角度検出構造を提供する。【解決手段】ディスクユニット３は、円形検出体１と非円形検出体２ａ、２ｂとが重ねられて回転軸に設けられて形成されており、非円形検出体２ａ、２ｂは、検出すべき回転位置によって回転軸からの距離（径）が相違する形状（不斉形状）に形成されている。また、回転角度検出構造は、かかるディスクユニット３と、その回転により発生する信号を検出するセンサとからなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形検出体と非円形検出体とが重ねられて回転軸に設けられてなるディスクユニットと、該ディスクユニットの回転により発生する信号を検出するセンサとからなる回転角度検出構造であって、該非円形検出体は検出すべき回転位置によって該回転軸からの距離（以下、「径」という。）が相違する形状（以下、「不斉形状」という。）に形成されていることを特徴とする、回転角度検出構造。
【請求項２】
前記不斉形状は数学的に角度を取得できる形状であることを特徴とする、請求項１に記載の回転角度検出構造。
【請求項３】
前記不斉形状は検出すべき角度範囲において回転方向に径が漸増（漸減）する形状であることを特徴とする、請求項１に記載の回転角度検出構造。
【請求項４】
前記不斉形状がインボリュート曲線であることを特徴とする、請求項２または３に記載の回転角度検出構造。
【請求項５】
前記不斉形状が正弦波曲線であることを特徴とする、請求項２または３に記載の回転角度検出構造。
【請求項６】
前記非円形検出体は二枚以上用いられることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の回転角度検出構造。
【請求項７】
前記センサは前記ディスクユニットを構成する検出体の縁部との距離を検出することを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の回転角度検出構造。
【請求項８】
前記センサは複数個設けられ、それにより軸の偏芯検出可能であることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の回転角度検出構造。
【請求項９】
前記偏芯検出に基づく誤差補正手段または故障診断手段の少なくともいずれかが設けられていることを特徴とする、請求項８に記載の回転角度検出構造。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載の回転角度検出構造を備えていることを特徴とする、エンコーダ。
【請求項１１】
円形検出体と非円形検出体とが重ねられて回転軸に設けられてなるディスクユニットであって、請求項１ないし９のいずれかに記載の回転角度検出構造を構成可能であることを特徴とする、ディスクユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転角度検出構造、エンコーダ、およびディスクユニットに係り、特に、スリットを設けたディスクを用いる従来の構造とは異なる、新規な回転角度検出構造、エンコーダ、およびディスクユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のエンコーダは、回転軸の角度、回転数を得るために、スリットを設けたディスク（円板）を用いた構成とすることが一般的である。すなわち、フォトインタラプタ等の検出素子と、歯車状のディスクとを組み合わせた構成である。しかし、ディスク以外の形状をとる回転体を用いる例もある。
【０００３】
たとえば後掲特許文献１には、円筒回転体を用いた構成が開示されている。ｌこれは、分解精度向上および小型化可能な光学式エンコーダとして、円筒回転体に設けた各スケールの目盛部を回転移動させる際、各投光手段からの光を各目盛部へ照射する一方、円筒回転体の回転角度に応じた数だけ各目盛部から反射した反射光を各検出手段へ導き、ここでパルス信号に変換し、これに基づいて回転角度・方向・速度を演算し、その演算結果に基づき被測定体の回転角度、回転方向、回転速度等を測定するという技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０８−２５４４３９号公報「光学式ロータリエンコーダ」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記文献開示技術のような例もあるとはいえ、エンコーダの回転体の主流は、省スペースでもあるディスク形状の回転体である。しかしこの場合、出力の分解能を向上させるためにはスリット数を増やす必要があり、加工の難易度が高くなる。また、電気的にも信号を捕らえることが難しくなる。
【０００６】
そこで本発明が解決しようとする課題は、かかる従来技術の問題点をなくし、出力の分解能を向上させるためにスリット数を増やす必要がなく、したがって加工も容易であり、電気的にも信号を捕らえることが容易な、ディスク形状の回転角度検出構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願発明者は上記課題について検討した結果、使用するディスク形状を数学的に角度が取得できるインボリュートや正弦波を用いて作成し、アナログ量として軸角度を得られるようにすることによって解決できることを見出し、これに基づいて本発明を完成するに至った。すなわち、上記課題を解決するための手段として本願で特許請求される発明、もしくは少なくとも開示される発明は、以下の通りである。
【０００８】
〔１〕  円形検出体と非円形検出体とが重ねられて回転軸に設けられてなるディスクユニットと、該ディスクユニットの回転により発生する信号を検出するセンサとからなる回転角度検出構造であって、該非円形検出体は検出すべき回転位置によって該回転軸からの距離（以下、「径」という。）が相違する形状（以下、「不斉形状」という。）に形成されていることを特徴とする、回転角度検出構造。
〔２〕  前記不斉形状は数学的に角度を取得できる形状であることを特徴とする、〔１〕に記載の回転角度検出構造。
〔３〕  前記不斉形状は検出すべき角度範囲において回転方向に径が漸増（漸減）する形状であることを特徴とする、〔１〕に記載の回転角度検出構造。
〔４〕  前記不斉形状がインボリュート曲線であることを特徴とする、〔２〕または〔３〕に記載の回転角度検出構造。
【０００９】
〔５〕  前記不斉形状が正弦波曲線であることを特徴とする、〔２〕または〔３〕に記載の回転角度検出構造。
〔６〕  前記非円形検出体は二枚以上用いられることを特徴とする、〔１〕ないし〔５〕のいずれかに記載の回転角度検出構造。
〔７〕  前記センサは前記ディスクユニットを構成する検出体の縁部との距離を検出することを特徴とする、〔１〕ないし〔６〕のいずれかに記載の回転角度検出構造。
〔８〕  前記センサは複数個設けられ、それにより軸の偏芯検出可能であることを特徴とする、〔１〕ないし〔７〕のいずれかに記載の回転角度検出構造。
【００１０】
〔９〕  前記偏芯検出に基づく誤差補正手段または故障診断手段の少なくともいずれかが設けられていることを特徴とする、〔８〕に記載の回転角度検出構造。
〔１０〕  〔１〕ないし〔９〕のいずれかに記載の回転角度検出構造を備えていることを特徴とする、エンコーダ。
〔１１〕  円形検出体と非円形検出体とが重ねられて回転軸に設けられてなるディスクユニットであって、〔１〕ないし〔９〕のいずれかに記載の回転角度検出構造を構成可能であることを特徴とする、ディスクユニット。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の回転角度検出構造、エンコーダ、およびディスクユニットは上述のように構成されるため、これらによれば、エンコーダのディスク状回転体において、出力の分解能を向上させるためにスリット数を増やす必要がなく、したがって加工も容易であり、電気的にも信号を捕らえることが容易なエンコーダを提供することができる。特に本発明では、ディスク形状を数学的に検討し、角度を演算できるような形状にすることで、アナログ量として軸角度を得られ、しかも非常に高い分解能が得られる。
【００１２】
また本発明によれば、検出センサを複数個設置する等の構成によって、ディスクを取り付けている軸等の偏芯による影響を取り除くことができ、検出誤差をなくし、検出精度向上を図ることができる。また、検出に用いるセンサを、光学式以外にも圧力式、磁力式のものでも用いることができるため、様々な分野に応用することができる。さらに、本発明に係るディスクユニットは樹脂成型等によって容易に量産できる構成であって実施が容易であり、有用性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明ディスクユニットの構成例に係る分解図である。
【図２】本発明回転角度検出構造の構成例を示す説明図である。
【図３】図２に係る構成例について図２を正面図とした場合の左前方からの斜視図である。
【図４】本発明回転角度検出構造の別の構成例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面により本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明ディスクユニットの構成例に係る分解図である。また、
図２は本発明回転角度検出構造の構成例を示す説明図、図３は同じく左前方からの斜視図である。これらの例に示すように本発明ディスクユニット３は、円形検出体１と非円形検出体２ａ等とが重ねられて回転軸４に設けられて形成されており、非円形検出体２ａ等は、検出すべき回転位置によって該回転軸からの距離（径）が相違する形状（不斉形状）に形成されていることを、主たる構成とする。また、本発明回転角度検出構造１０は、かかるディスクユニッ３トと、その回転により発生する信号を検出するセンサ５とからなることを主たる構成とする。
【００１５】
本発明ディスクユニットでは、一枚の円形検出体と一枚の非円形検出体、および一個のセンサを用いることが最低限必須であるが、構成例として図示するように非円形検出体は複数枚（２ａ、２ｂ）設ける構成とすることができる。図では非円形検出体を二枚（２ａ、２ｂ）設けた構成である。
【００１６】
非円形検出体２ａ等を二枚以上用いる場合、同一形状としても、異なる形状としてもよい。しかしながら、図示するように同一形状とする方が、ディスクの製造も、また回転角度検出構造全体の構成も簡便であり、より望ましい。図示する構成例でも、二枚の非円形検出体２ａ、２ｂは同一形状であり、これをディスクユニット３として形成する際に両者の位置をずらして配置する。ずらして配置することによって、角度検出精度を高めることができる。図では、非円形検出体２ａ、２ｂを１８０°ずらして配置している。
【００１７】
円形検出体１は、円形状とすることによってセンサ５との間の距離を常に一定不変とすることができるため、センサ５のキャリブレーションを行って環境の変化によるセンサ出力の誤差をキャンセルすることに用いられる。なお、図示する構成例では円形検出体１は二枚の非円形検出体２ａ、２ｂの間に設置しているが、これには限定されない。
【００１８】
センサ５はディスクユニット３を構成する各ディスク（各検出体１、２ａ等）の縁部との距離を検出する。つまりセンサ５は、円形検出体１および非円形検出体２ａ等からなるディスクユニットの下に設けられて、各検出体までの距離を計測し、得られた距離から角度を復元する。これは、非円形検出体２ａ等の形状が回転とともに距離が変化する形状であることから、距離から逆に角度情報を求められることによる。
【００１９】
非円形検出体２ａ等における不斉形状、すなわち検出すべき回転位置によって回転軸からの距離（径）が相違する形状としては、検出すべき角度範囲において回転方向に径が漸増する形状（逆方向から見れば漸減する形状）とすることができる。すなわち、一枚の非円形検出体２ａ等によって検出すべき角度範囲が０〜３６０°の場合には、最も径が短い部位（始点）から回転方向に向かって連続的に径が長くなり、ちょうど一回転の部位（終点）において径が最も長くなっている形状である。この例では、隣接する終点と始点との間は不連続であり、漸増していった終極の最長径部位から最短径部位に戻る。
【００２０】
一枚の非円形検出体２ａ等によって検出すべき角度範囲は、０〜３６０°には限定されない。０〜１８０°、０〜１２０°など、必要に応じて設定可能である。しかしながら、利便性、適用範囲の広さから、０〜３６０°とすることが最も望ましい。
【００２１】
非円形検出体２ａ等を不斉形状に形成する、すなわち検出すべき回転位置によって回転軸からの距離（径）が相違する形状に加工、形成するには、数値変換の効率等を鑑み、不斉形状を数学的に角度を取得できる形状とすることが望ましい。たとえばインボリュート曲線を用いた形状や正弦波曲線を用いた形状など、数学的に角度を取得できる適宜の形状を選択でき、原理上は分解能をアナログ的に可変できる。図示する構成例では正弦波曲線を用いているが、これについてさらに説明する。
【００２２】
図１等に示した構成例で、二枚の非円形検出体２ａ、２ｂは同一形状となっているが、これは下記の計算式で生成されている。両非円形検出体２ａ、２ｂは同形状を１８０°［ｄｅｇ］回転させて配置しているため、ｓｉｎ、ｃｏｓが変化している。
Ｄ１＝Ｒ＋Ａｓｉｎθ・・・式１（非円形検出体２ａ） 
Ｄ２＝Ｒ＋Ａｃｏｓθ・・・式２（非円形検出体２ｂ） 
Ｄ：各角度での径（径は、回転軸からの距離）
Ｒ：基準径（基準とする径）
Ａ：倍率（基準径に付加する増減値の増幅程度を決定する任意の数値）
θ：回転角度
【００２３】
図２等に示すように、上記式１、式２に基づき形成した非円形検出体２ａ、２ｂと円形検出体１とを重ねて回転軸４上に設置されたディスクユニット３とし、ディスクユニット３の下部にセンサ５を配置する。センサ５は、回転により各ディスク１、２ａ、２ｂから発生する信号をそれぞれ検知する。すなわちセンサ５は３系統に構成されている。センサ５により各検出体（ディスク）の縁部との距離を計測することによって、回転角度の復元が行われる。
【００２４】
センサ５の検出方式として光学式、超音波式等を用いることができるが、方式はこれらに限定されない。円形検出体１では、どの回転角度でも同じ出力がなされるため、環境変化に対するキャリブレーション用に利用することができる。非円形検出体２ａ等の形状は上記式１、式２に示したとおり特定の計算式で生成されているため、下記計算式を用いることで、回転角度を復元することができる。
θ＝ｔａｎ−１（（Ｄ１−Ｒ）／（Ｄ２−Ｒ））［ｒａｄ］・・・式３
【００２５】
図４は、本発明回転角度検出構造の別の構成例を示す説明図である。図示するように本回転角度検出構造２１０は、ディスクユニット２３の回転により発生する信号を検出するセンサとして、複数個のセンサ２５ａ等が設けられた構成とすることができる。それにより、軸２４の偏芯（各ディスク２２ａ等）を取り付けている回転軸の回転中心がずれていること）を検出とすることができる。
【００２６】
つまり、かかる構成によれば、誤差補正や故障診断等に利用することができ、モータ等の回転軸の偏芯または軸ブレによる影響をキャンセルすることができる。また本発明回転角度検出構造２１０は、偏芯検出に基づく誤差補正手段または故障診断手段の少なくともいずれかを設けた構成とすることができる。
【００２７】
図中、Ｌ１はセンサ２５ａの検出距離、Ｌ２はセンサ２５ｂの検出距離である。偏芯や軸ブレを起こしていない場合、センサ２５ａと検出体までの距離Ｌ１とセンサ２５ｂと検出体までの距離Ｌ２は等しくなる。すなわち；
偏芯や軸ブレしていない：Ｌ１＝Ｌ２
【００２８】
一方、偏芯や軸ブレを起こしている場合、検出体が斜めになるため、Ｌ１とＬ２に相違が生じる。すなわち；
偏芯や軸ブレしている：Ｌ１≠Ｌ２
このように相違が生じている場合は、正常な状態の距離との比率を利用することで、偏芯や軸ブレの度合いを検知することが可能となる。
【００２９】
図４に示す構成例によれば、偏芯や軸ブレが生じている場合においても出力誤差を打ち消すことができるため、検出精度を上げることができる。すなわち、位置検出を行いながら位置検出誤差の原因となる偏芯についても検出および補正ができるため、効率的な角度検出システムを構築することが可能である。
【００３０】
以上説明した本発明回転角度検出構造１０等を備えているエンコーダもまた、本発明の範囲内である。また、同じく本発明回転角度検出構造１０等を構成することのできるディスクユニット３等もまた、本発明の範囲内である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の回転角度検出構造、エンコーダ、およびディスクユニットによれば、エンコーダのディスク状回転体において、出力の分解能を向上させるためにスリット数を増やす必要がなく、したがって加工も容易であり、電気的にも信号を捕らえることが容易なエンコーダを提供することができる。したがって、エンコーダ製造分野、ＦＡ等の利用分野、および関連する全分野において、産業上利用性が高い発明である。
【符号の説明】
【００３２】
１、２１…円形検出体
２ａ、２ｂ、２２ａ…非円形検出体
３、２３…ディスクユニット
４、２４…回転軸
５、２５ａ、２５ｂ…センサ
１０、２１０…回転角度検出構造
Ｌ１…センサ２５ａの検出距離
Ｌ２…センサ２５ｂの検出距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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