(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、前記モータの回転軸に固定した合成樹脂製の回転ディスクと、前記回転ディスクに設けた回転角度情報記録部から情報を検出するセンサヘッドと、を有する回転角度検出装置において、
前記回転ディスクの熱膨張係数α１、前記回転軸の熱膨張係数α２、前記センサヘッドの温度特性係数β、前記回転軸の軸線に沿う方向に関する前記モータの取付基準面から前記センサヘッドの集光点までの距離Ｈ、前記回転軸の軸線に沿う方向に関する前記取付基準面から前記回転軸と前記回転ディスクの固定点までの距離Ｌ、前記回転軸の軸線に沿う方向に関する前記固定点から前記回転角度情報記録部までの距離Ｓ、温度の変化量ΔＴ、前記温度の変化量ΔＴに応じて変化する前記距離Ｈの変化量をΔＨ、β＝ΔＨ／Ｈとしたとき、
β×Ｈ×ΔＴ＝（α２×Ｌ＋α１×Ｓ）×ΔＴ、
Ｌ＝Ｈ＋Ｓ、
を満たすことを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
前記回転ディスクは、前記回転軸に固定する固定部と、前記固定部の外周縁から前記回転軸の軸線に沿う方向に延在する筒状部と、前記筒状部の外周縁から前記回転軸の軸線と直交する方向に延在するディスク本体部とを有することを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
【請求項３】
前記回転角度情報記録部は１個又は複数個の反射素子を円周方向に規則的に配列して成ることを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に合成樹脂製の回転ディスクを備えたロータリエンコーダ等の回転角度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のロータリエンコーダの多くには、回転角度情報を光学的に検出する光学式、又は回転角度情報を磁気的に検出する磁気式が使われている。そして、光学式のロータリエンコーダは、光束を回転角度情報記録部に透過させる透過型、又は光束を回転角度情報記録部で反射させる反射型となっている。
【０００３】
例えば、図１１は従来の透過型のロータリエンコーダを示し、このロータリエンコーダのモータ１は回転軸２を軸受３、４で支持している。回転軸２の上部に取付ハブ５を嵌合し、この取付ハブ５を回転軸２に止めねじ６で固定している。取付ハブ５の上面には回転角度情報記録体であるロータリスケール７を搭載し、回転軸２に固定した止め輪８と接着剤９とでロータリスケール７を取付ハブ５に固定している。そして、モータ１の上面に電気回路基板１０を介して透過型のセンサヘッド１１を配置している。
【０００４】
センサヘッド１１は電気回路基板１０上にフレーム１２を備え、ロータリスケール７の周縁部は、フレーム１２の上枠部１２ａと下枠部１２ｂの間に接触しないように配置している。フレーム１２の上枠部１２ａは発光素子１３とコリメータレンズ１４を上方から順次に内蔵し、下枠部１２ｂは固定スケール１５と受光素子１６を上方から順次に内蔵している。
【０００５】
取付ハブ５は真鍮、アルミニウム等の切削加工性に優れた材料から成り、回転軸２を嵌合するための嵌合孔５ａの内径や、ロータリスケール７を搭載するための受け面５ｂを高精度に加工している。そして、ロータリスケール７は薄いガラス又は薄い金属板にスリットをエッチング工程或いは写真製版用ＰＥＴフィルムにより形成している。
【０００６】
このロータリエンコーダを組み立てる際には、モータ１の回転軸２に取付ハブ５を嵌合し、取付ハブ５を所定のスラスト高に位置付けて止めねじ６を締め付ける。次に、取付ハブ５の上面にロータリスケール７を搭載し、回転軸２に固定した止め輪８で仮固定する。そして、ロータリスケール７の回転角度情報記録部７ａの記録パターンの中心と回転軸２の中心との芯出し調整を行う。その後に、図１２に示すように回転軸２と止め輪８を接着剤９で固定すると共に、ロータリスケール７と止め輪８を接着剤９で固定する。最後に、ロータリスケール７の外周部をフレーム１２の上枠部１２ａと下枠部１２ｂの間に挿入するように、センサヘッド１１をロータリスケール７に近付け、モータ１の適切な位置に固定する。
【０００７】
センサヘッド１１の発光素子１３から出射した発散光束は、コリメータレンズ１４を透過して略平行光束となり、ロータリスケール７の回転角度情報記録部７ａを通過し、固定スケール１５を通過して受光素子１６に入射する。このとき、センサヘッド１１は回転角度情報記録部７ａと固定スケール１５の相対的な角度位置変化に伴って発生するモアレ縞の変化を、受光素子１６に入射する光量の変化として光学的に読み取り、ロータリスケール７の回転角度を検出する。
【０００８】
図１３は従来の反射型のロータリエンコーダを示し、上述のセンサヘッド１１の代りに、ロータリスケール７の回転角度情報記録部７ａからの反射光束を検出するセンサヘッド１７をロータリスケール７の下方に配置している。
【０００９】
このように、従来のロータリエンコーダを製造するためには、取付ハブ５、止めねじ６、止め輪８、接着剤９などが必要となる上に、接着剤９を施す部分も多く、更には芯出し調整も必要となって、工数が多く製造コストの削減が困難になっている。また、ロータリスケール７は薄いガラス又は薄い金属板にスリットをエッチング工程或いは写真製版ＰＥＴフィルムにより形成するので、高い同軸精度や嵌合精度を達成することが困難である。
【００１０】
近年では、ロータリエンコーダの製造において、取付ハブ５とロータリスケール７を合成樹脂材料から一体成形し、回転ディスクとして回転軸２に容易に組み込むことにより製造コストを削減する方法が知られている。例えば、本出願人は特開平６０−１４０１１９号公報、特開昭６２−３６１７号公報、実開平５−８４８１８号公報、特公平５−３９４１０号公報、特公平５−３９４１１号公報などにおいて、Ｖ溝格子を用いたロータリスケールを開示し、特許第２８１０５２１号、特許第２８６２４１７号などにおいて、円筒格子タイプのロータリスケールを提案している。
【００１１】
図１４は合成樹脂材料から一体成形した回転ディスク１８を備えたロータリエンコーダを示し、この回転ディスク１８は回転角度情報記録部１８ａを有している。回転ディスク１８は上述と同様なモータ１の回転軸２に嵌合し、回転軸２と回転ディスク１８を接着剤１９により固着している。
【００１２】
このロータリエンコーダは上述の取付ハブ５、止めねじ６、止め輪８などは不要としている。また、回転軸２に対する回転ディスク１８の嵌合孔１８ｂの嵌合精度や、回転角度情報記録部１８ａのパターンと回転ディスク１８の嵌合孔１８ｂとの同軸精度を容易に達成している。更には、上述の芯出しという最も煩わしい工程も不要としている。従って、部品点数を低減している上に芯出し調整工程を不要として、製造コストを大幅に削減している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、合成樹脂材料の熱膨張係数はガラスや金属の熱膨張係数よりも大きいので、回転軸２が金属製で回転ディスク１８が合成樹脂製である場合に、環境温度が大きく変化した際に、回転軸２と回転ディスク１８の寸法がそれぞれの熱膨張係数に従って変化し、回転軸２と回転ディスク１８の間の相対位置が変化する。同様に、センサヘッド１１が合成樹脂材料から成る場合には、センサヘッド１１が固有の温度特性係数に従って最適位置から外れることがある。
【００１４】
特に、回転軸２のスラスト方向に関して、回転ディスク１８とセンサヘッド１１の寸法が変化した場合には、回転角度情報記録部１８ａと対向して配置されたセンサヘッド１１の間の最適間隔が変化し、センサヘッド１１の出力信号が変化してセンサヘッド１１の検出精度が劣化する。また、最悪の場合には回転ディスク１８とセンサヘッド１１が機械的に接触し、障害が発生することもある。
【００１５】
しかし、これらの問題点を解決するためには、回転ディスク１８やセンサヘッド１１を取り付ける際のスラスト方向に関する取付公差を可能な限りなく少なくする必要が生じ、製造コストが上昇する。
【００１６】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、安価な構成で環境温度の変化に対応し、回転角度を高精度で検出し得る回転角度検出装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る回転角度検出装置は、モータと、前記モータの回転軸に固定した合成樹脂製の回転ディスクと、前記回転ディスクに設けた回転角度情報記録部から情報を検出するセンサヘッドと、を有する回転角度検出装置において、
前記回転ディスクの熱膨張係数α１、前記回転軸の熱膨張係数α２、前記センサヘッドの温度特性係数β、前記回転軸の軸線に沿う方向に関する前記モータの取付基準面から前記センサヘッドの集光点までの距離Ｈ、前記回転軸の軸線に沿う方向に関する前記取付基準面から前記回転軸と前記回転ディスクの固定点までの距離Ｌ、前記回転軸の軸線に沿う方向に関する前記固定点から前記回転角度情報記録部までの距離Ｓ、温度の変化量ΔＴ、前記温度の変化量ΔＴに応じて変化する前記距離Ｈの変化量をΔＨ、β＝ΔＨ／Ｈとしたとき、
β×Ｈ×ΔＴ＝（α２×Ｌ＋α１×Ｓ）×ΔＴ、
Ｌ＝Ｈ＋Ｓ、
を満たすことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明を図１〜図１０に図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は第１の実施の形態の要部断面図であり、この第１の実施の形態の回転角度検出装置は反射型のロータリエンコーダとされている。モータ２１では、回転軸２２が上部軸受２３と下部軸受２４を介して回転自在に支持されている。回転軸２２の上部には回転ディスク２５が嵌合され、回転ディスク２５は回転軸２２に接着材２６により固着されている。回転ディスク２５の下面には回転角度情報記録部２７が設けられており、この回転角度情報記録部２７では図示しない１個又は複数個の反射素子が円周方向に規則的に配列されている。そして、モータ２１の取付基準面Ａには、反射型のセンサヘッド２８が電気回路基板２９を介して取り付けられている。
【００２０】
回転ディスク２５は透光性の合成樹脂材料から一体的に成形されている。回転ディスク２５には、回転軸２２に固定される円板状の固定部２５ａと、この固定部２５ａの外周縁から回転軸２２の軸線に沿う方向、つまりスラスト方向の下向きに延在する筒状部２５ｂと、この筒状部２５ｂの下部から回転軸２２と直交する方向、つまりラジアル方向の外向きに延在するディスク本体部２５ｃとが設けられている。固定部２５ａには回転軸２２を嵌合する嵌合孔２５ｄが形成されており、回転角度情報記録部２７はディスク本体部２５ｃの下面に設けられている。
【００２１】
なお、センサヘッド２８の集光点をＢ、モータ２１の取付基準面Ａ内における回転軸２２と上部軸受２３の内輪との固定点をＣ、回転軸２２と回転ディスク２５の固定点をＤ、回転角度情報記録部２７内の反射素子が存在している素子存在点をＥ、回転軸２２のスラスト方向に関する固定点Ｃと固定点Ｄの距離をＬ、回転軸２２のスラスト方向に関する取付基準面Ａと集光点Ｂの距離をＨ、回転軸２２のスラスト方向に関する固定点Ｄと素子存在点Ｅの距離をＳとしている。
【００２２】
図２に示すように、センサヘッド２８は光束を発散するＬＥＤなどの発光素子３１、この発光素子３１からの光束を集光点Ｂに集光する第１のコリメータレンズ３２、回転角度情報記録部２７で反射した発散光束を集光する第２のコリメータレンズ３３、この第２のコリメータレンズ３３からの光束を検出する受光素子３４から構成されている。
【００２３】
このロータリエンコーダにおいて、発光素子３１から発散した光束は、第１のコリメータレンズ３２を透過し、収束光束となって集光点Ｂに集光する。この集光点Ｂに収束した光束は、集光点Ｂに位置する回転角度情報記録部２７の素子存在点Ｅで反射し、発散光束となって第２のコリメータレンズ３３を透過し、再び収束光束となって受光素子３４に入射する。この際に、回転角度情報記録部２７の素子存在点Ｅを除く部分では、光束は回転ディスク２５を透過する。そして、回転ディスク２５の回転に伴って回転角度情報記録部２７の反射素子が円周方向に移動し、受光素子３４から出力する電気信号が変化し、回転角度情報を得る。
【００２４】
ここで、集光点Ｂと素子存在点Ｅの位置が一致している場合には、センサヘッド２８は良好な電気信号を出力する。しかし、モータ２１から発生した熱により環境温度が上昇するので、回転軸２２、回転ディスク２５、センサヘッド２８などが熱膨張し、集光点Ｂと素子存在点Ｅの位置を変化させようとする。そこで、この第１の実施の形態では、次の関係式（１）、（２）を成立させ、集光点Ｂと素子存在点Ｅの位置の変化を防止している。
【００２５】
β×Ｈ×ΔＴ＝（α２×Ｌ＋α１×Ｓ）×ΔＴ                  …（１）
Ｌ＝Ｓ＋Ｈ                                                  …（２）
【００２６】
ただし、回転ディスク２５の熱膨張係数をα１、回転軸２２の熱膨張係数をα２、センサヘッド２８の最適位置での温度特性係数をβ、温度の変化量をΔＴとする。また、距離Ｈ、Ｌの符号は取付基準面Ａの上方を＋とし、距離Ｓの符号は固定点Ｄの上方を＋とする。更に、回転軸２２、回転ディスク２５、センサヘッド２８などの温度変化は同等とする。
【００２７】
そして、温度の変化量ΔＴに応じて変化する距離Ｈの変化量をΔＨとし、温度特性係数β＝ΔＨ／Ｈと定義する。即ち、温度特性係数βは距離Ｈが温度の変化によって、どの程度の割合で変化するかを定量的に表す係数とする。
【００２８】
図３は環境温度が常温２０℃で集光点Ｂと素子存在点Ｅが一致している状態、即ち回転ディスク２５を回転軸２２に最適位置関係に固定した状態を示している。ロータリエンコーダを製造する際には、熱膨張係数α１、α２と温度特性係数βは既知であり、センサヘッド２８を取り付けた結果として集光点Ｂの位置、つまり距離Ｈも先行して決定できるので、関係式（１）に熱膨張係数α１、α２、温度特性係数β、及び距離Ｈの値を代入し、関係式（２）との連立方程式を解くことにより、距離Ｌ、Ｓを決定する。そして、これらの距離Ｌ、Ｓから回転軸２２、回転ディスク２５、センサヘッド２８などの形状や固定位置を求める。
【００２９】
図４は作用説明図であり、温度特性係数β＝０として環境温度が大きく変化した場合を示している。そして、回転軸２２をステンレス製とし、回転ディスク２５をポリカーボネート製としている。従って、熱膨張係数α１≒６．６×１０−５となり、熱膨張係数α２≒１．４７×１０−５となる。このとき、距離Ｈを７．７ｍｍとすると、関係関係式（１）、（２）から距離Ｌは＋９．９ｍｍとなり、距離Ｓは−２．２ｍｍとなる。
【００３０】
この場合に、温度特性係数β＝０としているので、センサヘッド２８は温度の影響を受けず、集光点Ｂの位置は変化しない。しかし、環境温度が大きく上昇するので、回転軸２２と回転ディスク２５は固有の熱膨張係数α１、α２に従って熱膨張する。回転軸２２が熱膨張すると固定点Ｄが上向きに移動し、上述の距離Ｌよりも大きい距離Ｌ’となる。また、回転ディスク２５が固定点Ｄを基準として下向きに膨張し、上述の距離Ｓよりも大きい距離Ｓ’となる。この際に、回転ディスク２５の筒状部２５ｂが主として下向きに膨張し、回転軸２２の膨張に伴う素子存在点Ｅのスラスト方向への移動を相殺する。
【００３１】
従って、この第１の実施では、環境温度が大幅に上昇しても、集光点Ｂと素子存在点Ｅの双方が不動点となり、安定した信号を出力することが可能となる。
【００３２】
図５は第２の実施の形態の要部断面図、図６は作用説明図であり、温度特性係数β＝０．５０×１０−５とし、その他の条件を上述と同様としている。この第２の実施の形態では、距離Ｌが＋９．１５ｍｍとなり、距離Ｓが−１．４５ｍｍとなり、第１の実施の形態と同様な効果が得られる。
【００３３】
図７は第３の実施の形態の要部断面図であり、温度特性係数βが大きい場合を示している。モータ４１の回転軸４２の上端面に、回転ディスク４３がワッシャ４４と止めねじ４５により固定されている。回転軸４２の上端面には、止めねじ４５が螺合されるねじ孔４２ａが形成されている。
【００３４】
回転ディスク４３には、回転軸４２に固定される固定部４３ａと、この固定部４３ａの外周縁から上方へ延在する筒状部４３ｂと、この筒状部４３ｂの上部から外方に水平に延在するディスク本体部４３ｃとが設けられている。固定部４３ａには、回転軸４２が嵌合される嵌合孔４３ｄと、止めねじ４５が挿通される挿通孔４３ｅとが形成されており、回転角度情報記録部２７はディスク本体部４３ｃの下面に配置されている。
【００３５】
この第３の実施の形態において、温度特性係数β＝２．６０×１０−５とし、その他の条件を第１の実施の形態と同様とした場合には、距離Ｌが＋６．０ｍｍとなり、距離Ｓが＋１．７ｍｍとなり、第１、第２の実施の形態と同様な効果が得られる。
【００３６】
図８は第４の実施の形態の要部断面図であり、第３の実施の形態のセンサヘッド２８の代りに透過型のセンサヘッド４６が使用されている。この第４の実施の形態においても、第１、第２の実施の形態と同様な効果が得られる。
【００３７】
図９は第５の実施の形態の要部断面図であり、モータ５１の回転軸５２の上端面に、回転ディスク５３が接着剤５４により固定されている。そして、回転軸５２の上端面には、接着剤５４が施される溝部５２ａが形成されている。
【００３８】
回転ディスク５３には、回転軸５２の上端面に配置される固定部５３ａと、この固定部５３ａの外周縁から下方に延在する筒状部５３ｂと、この筒状部５３ｂの下部から外方に水平に延在するディスク本体部５３ｃとが設けられている。筒状部５３ｂの内部は回転軸５２が嵌合される嵌合孔５３ｄとされ、回転軸５２の外周面と嵌合孔５３ｄの内周面の間は微少な隙間とされ、回転角度情報記録部２７はディスク本体部５３ｃの下面に配置されている。この第５の実施の形態でも、第１〜第３の実施の形態と同様な効果が得られる。
【００３９】
図１０は第６の実施の形態の要部断面図であり、モータ６１の回転軸６２の上端面に回転ディスク６３がワッシャ６４と止めねじ６５により固定されている。そして、回転軸６２の上端面には、止めねじ６５が螺合されるねじ孔６２ａが形成されている。
【００４０】
回転ディスク６３には、回転軸６２の上端面に固定される円板状の固定部６３ａと、この固定部６３ａの外周縁から下方に延在する筒状部６３ｂと、この筒状部６３ｂの下部から外方に水平に延在するディスク本体部６３ｃとが設けられている。筒状部６３ｂの内部は回転軸６２が嵌合される嵌合孔６３ｄとされ、回転軸６２の外周面と嵌合孔６３ｄの内周面の間は微少な隙間とされている。固定部６３ａには止めねじ６５が挿通される挿通孔６３ｅが形成され、回転角度情報記録部２７はディスク本体部６３ｃの下面に配置されている。この第６の実施の形態でも、第１〜第３の実施の形態と同様な効果が得られる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る回転角度検出装置は、環境温度が変化しても、回転角度情報記録部とセンサヘッドとの最適相対位置を維持することができ、出力信号を安定させて検出誤差を低減させることができる上に、回転軸と回転ディスクとの固定強度を向上させることができる。また、使用可能な温度範囲を拡大することができる上に、回転角度の高分解能かつ高精度な検出を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の要部断面図である。
【図２】センサヘッドの詳細図である。
【図３】集光点と素子存在点が一致した状態の説明図である。
【図４】温度が上昇した後の状態の作用説明図である。
【図５】第２の実施の形態の要部断面図である。
【図６】温度が上昇した後の状態の作用説明図である。
【図７】第３の実施の形態の要部断面図である。
【図８】第４の実施の形態の要部断面図である。
【図９】第５の実施の形態の要部断面図である。
【図１０】第６の実施の形態の要部断面図である。
【図１１】従来例の透過型エンコーダの部分断面図である。
【図１２】従来例の部分拡大平面図である。
【図１３】従来例の反射型エンコーダの部分断面図である。
【図１４】従来例の一体回転ディスクを有する透過型エンコーダの部分断面図である。
【符号の説明】
２１、４１、５１、６１  モータ
２２、４２、５２、６２  回転軸
２３、２４  軸受
２５、４３、５３、６３  回転ディスク
２５ａ、４３ａ、５３ａ、６３ａ  固定部
２５ｂ、４３ｂ、５３ｂ、６３ｂ  筒状部
２５ｃ、４３ｃ、５３ｃ、６３ｃ  ディスク本体部
２５ｄ、４３ｄ、５３ｄ、６３ｄ  嵌合孔
２６、５４  接着剤
２７  回転角度情報記録部
２８、４６  センサヘッド
２９  電気回路基板
３１  発光素子
３２、３３  コリメータレンズ
３４  受光素子
Ａ  取付基準面
Ｂ  集光点
Ｃ、Ｄ  固定点
Ｅ  素子存在点
Ｈ、Ｌ、Ｓ  距離
【図１】
0004763914.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004763914.tif 000004
【図４】
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【図５】
0004763914.tif 000006
【図６】
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【図７】
0004763914.tif 000008
【図８】
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【図９】
0004763914.tif 000010
【図１０】
0004763914.tif 000011
【図１１】
0004763914.tif 000012
【図１２】
0004763914.tif 000013
【図１３】
0004763914.tif 000014
【図１４】
0004763914.tif 000015