(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線（Ｚ）を中心にして、機械部分（８）の回転位置を測定するための、角度スケール（２）を備えた環状体（１，１’）であって、
環状体がその内周部において半径方向の凹部（３，４，４’）と隆起部分（５，６）を備えており、凹部（３）の少なくとも一つが、機械部分（８）に確実に回転不能に固定するのに適している環状体（１，１’）において、
隆起部分（５，６）の開始点および終点（Ｓεｉ，Ｅεｉ，Ｓεｉ’，Ｅεｉ’）の各々により定義されている中心角（εｉ，εｉ’）の総計が、凹部（３，４，４’）の開始点および終点（Ｓαｉ，Ｅαｉ，Ｓαｉ’，Ｅαｉ’）の各々により定義されている中心角（αｉ，αｉ’）の総計よりも小さいこと、
機械部分（８）に確実に回転不能に固定するための凹部（３）の少なくとも一つが、最小の輪郭半径Ｒｙを備えた幾何学形状を有しており、他の凹部（４，４’）が最小の輪郭半径Ｒｘを備えており、条件Ｒｙ＜Ｒｘが満たされていることを特徴とする角度スケール（２）を備えた環状体（１，１’）。
【請求項２】
凹部（３，４，４’）の開始点および終点（Ｓαｉ，Ｅαｉ，Ｓαｉ’，Ｅαｉ’）の各々により定義されている中心角（αｉ，αｉ’）の総計が、２４０°よりも大きく、特に３００°よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の角度スケール（２）を備えた環状体（１，１’）。
【請求項３】
環状体（１，１’）の機械部分（８）に確実に回転不能に固定するための凹部（３）の底部と軸線（Ｚ）の間の最小間隔（Ｄｆ）は、他の凹部（４，４’）の底部と軸線（Ｚ）の間の最小間隔（Ｒｎ）よりも小さいかあるいは同じであることを特徴とする請求項１または２に記載の角度スケール（２）を備えた環状体（１，１’）。
【請求項４】
環状体（１，１’）の外側半径（Ｒａ）の内側半径（Ｒｉ）に対する比率が、２．２５よりも小さく、特に１．７５よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の角度スケール（２）を備えた環状体（１，１’）。
【請求項５】
角度スケール（２）が環状体（１，１’）の外側周囲面に設けられている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の角度スケール（２）を備えた環状体（１，１’）。
【請求項６】
角度スケール（２）が、独立した環として環状体（１，１’）に固定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の角度スケール（２）を備えた環状体（１，１’）。
【請求項７】
角度スケール（２）が、磁気領域から成ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の角度スケール（２）を備えた環状体（１，１’）。
【請求項８】
環状体（１，１’）の機械部分（８）に確実に回転不能に固定するための凹部（３）が、キー溝として構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の角度スケール（２）を備えた環状体（１，１’）。
【請求項９】
軸（８）の回転位置を測定するための、急速に作動している工作機械の軸（８）における請求項１〜８のいずれか一つに記載の角度スケール（２）を備えた環状体（１，１’）の使用方法。
【請求項１０】
軸（８）に切削工具が結合可能であることを特徴とする請求項９記載の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に角度測定システムにおいて使用可能であるような、請求項１による角度スケールを備えた環状体に関する。さらに本発明は、請求項１０による工作機械の急速に作動する軸の回転位置を測定するための角度スケールを備えた環状体の使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような角度測定システムは、機械部分、例えば角度スケールを備えた環状体が回転不能に固定されている軸の回転運動あるいは回転位置を測定するために使用されている。角度スケールは、例えば相応するように走査することができる、光学的あるいは磁気的目盛を備えている。その際、回転運動は増分的にか、あるいは絶対的に検出され、出力される測定値は、例えば計数パルス、計数値あるいはコード語の連続である。相応する角度測定システムは、特に工作機械において急速に作動しているスピンドルで使用される。このようなスピンドルは、価値の高い加工品の表面を例えば切削工作機械により得るために、
常に高い回転数でもって、例えば４０００ｒ．ｐ．ｍまで運転される。このようなスピンドルに取付けられている回転部分の機械的負荷は、相応するように大きい。特に通常、角度スケール、特に磁気目盛を備えた環状体は、スピンドルと回転不能に接続しており、従って環状体は巨大な遠心力を受ける。確定的目標は、高い回転数に基づく負荷に耐え、かつ特にこの負荷の下で必要な耐疲労性を有する角度スケールを備えた環状体を構成することができる。これらの要求は安全技術的考慮からは結局生じない。
【０００３】
本発明は、例えば特許文献１に開示されているような従来技術から出発している。特許文献１では、回転する部材として確実に軸に固定されている、角度スケールを備えた環状体が示されている。
【０００４】
しかしながら、角度スケールを備えた回転体のこのような形態には、機械部分、特に軸が急速に作動している際に生じるような、回転数が高い場合の回転体の許容最大回転数が、十分高くないか、あるいは回転体の耐疲労性がないという短所がある。
【特許文献１】米国特許第４２５７０４０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の根底をなす課題は、機械部分の回転位置を測定するための角度スケールを備えた、極度に高い最大回転数に適していることを特徴とする環状体を提供することである。
【０００６】
さらに本発明の根底をなす課題は、工作機械の急速に作動している軸８の回転位置を測定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１による角度スケールを備えた環状体を備えること、ならびに請求項１０による環状体の使用方法により解決される。
【０００８】
従って、本発明による角度スケールを備えた環状体は、軸線を中心にして機械部分の回転位置を測定するのに適している。その際、環状体はその内周部において半径方向の凹部と隆起部分を備えている。凹部の少なくとも一つは、機械部分に確実に回転不能に固定するのに適している。さらに、隆起部分の開始点および終点の各々により定義されている中心角の総計は、凹部の開始点および終点の各々により定義されている中心角の総計よりも小さい。
【０００９】
中心角を、以下に環状体内部の軸線上の点を中心にした特に中心点角度と理解することができる。
【００１０】
本発明による角度スケールを備えた環状体により、基本的に高い許容回転数がえられることと、環状体が必要な耐疲労性を回転数が相応して高い場合に備えていることが示してある。
【００１１】
特に、凹部の開始点および終点の各々により定義されている中心角の総計が、２２０°よりも大きく、特に２４０°よりも大きく、好適には２７０°あるいは３００°よりも大きい程度に、角度スケールを備えた環状体が設計されていると有利である。
【００１２】
本発明の別の形態において、機械部分（８）に確実に回転不能に固定するための凹部（３）の少なくとも一つは、最小の輪郭半径Ｒｙを備えた幾何学形状を有している。他の凹部は最小の輪郭半径Ｒｘを備えており、条件Ｒｙ＜Ｒｘは満たされている。他の凹部は、機械部分から環状体へトルクを伝達するためには頻繁に使用されず、設計上、許容回転数を高めるためかあるいは耐疲労性を高めるためにのみ設けられている。
【００１３】
機械部分（８）に確実に回転不能に固定するための関係する凹部が複数の輪郭半径を有している場合、ここでは特に最小輪郭半径Ｒｙが重要である。しかしながら、機械部分（８）に確実に回転不能に固定するための凹部は、例えば関係する凹部が、横断面が丸いピンを収容するために半円形に成形されている場合には、たった一つの輪郭半径Ｒｙを有しているにすぎない。
【００１４】
環状体（１，１’）の機械部分（８）に確実に回転不能に固定するための凹部（３）の底部と軸線（Ｚ）の間の最小間隔（Ｄｆ）は、他の凹部（４，４’）の底部と軸線（Ｚ）の間の最小間隔（Ｒｎ）よりも小さいかあるいは同じである程度に、角度スケールを備えた環状体が構成されていると有利である。最小間隔とは、軸線に対する最短距離であると理解でき、従って軸線から、その間隔が決定される点までの距離は、軸線に対して直交して整向されている。他の凹部の底部は、軸線から凹部内で最も間隔をおいて配置されているその幾何学形状領域である。
【００１５】
環状体の幾何学形状の別の形態において、環状体（１，１’）の外側半径（Ｒａ）の内側半径（Ｒｉ）に対する比率は２よりも小さく、特に２．２５あるいは１．７５よりも小さい。なぜなら、まさにこのように細い環状体の場合にこそ、基本的に材料歪みは特に大きいからである。
【００１６】
角度スケール（２）が環状体（１，１’）のジャケット側に設けられているように、環状体が設計されていると有利である。しかしながら、これと代替え的に本発明は、その端面側に角度スケールが配置されており、この角度スケールは例えば半径方向に整向されたスケール構造あるいは目盛構造を備えている環状体を有する。
【００１７】
環状体が一体式構造で構成されているのは有利である。「一体式構造」の考えとは、以下において、このように示した環状体がユニットから成り、従って環状体は例えば切削工程で、例えば鉄鋼材料から製造することができると理解できる。一体式構造で構成された構造により、許容最大回転数は好影響を受ける。
【００１８】
角度スケールは、独立した環として環状体に固定されているか、あるいは環状体上あるいは環状体に直接付されている。例えば、角度スケールは磁気領域から成り、この磁気領域は環状体の相応する磁化により直接生じる。
【００１９】
環状体に角度スケールを直接付けることは、例えばレーザー除去法（Ｌａｓｅｒ  Ａｂｌａｄｉｅｒ  Ｐｒｏｚｅｓｓ）を用いても行うことができる。この目的のために、環状体の外側ジャケット面は特殊な層で被覆され、その後、個々の目盛のための除去（Ｅｉｎｚｅｌｓｔｒｉｃｈａｂｌａｔｉｏｎ）が行われる。それに応じて、角度スケールは光学的原理を用いて走査することができる。さらに、リソグラフィー法あるいはエンボス法により角度スケールは環状体に直接付けることができる。
【００２０】
特に環に関して特殊な磁気材料が使用され、磁場の強い磁気目盛構造が生じる場合に、角度スケールが代替え的に分離した環として環状体に固定されると有利である。
【００２１】
別の形態において、環状体の機械部分に確実に回転不能に固定するための凹部は、キー溝として、例えばウッドラフキー、挿入キーあるいはフェザーキーのために構成されている。代替え的には、機械部分に確実に回転不能な固定部は多数の溝形状部あるいはピン接続部を用いて製造可能である。
【００２２】
本発明の別の観点によれば、軸の回転位置を測定するための、急速に作動している工作機械の軸における角度スケールを備えた環状体の使用方法が提案される。急速に作動している軸とは、作動中に少なくとも１０００、特に少なくとも２０００、あるいは少なくとも３０００ｒ．ｐ．ｍで回転可能できる軸であると理解できる。この関係において、このような工作機械は、極端に高いスピンドルの回転数を示すことがよくあるので、工作機械が切削機械であると有利である。環状体が固定されている軸が、切削工具に連結可能であると相応するように有利である。
【００２３】
本発明による角度スケールを備えた環状体の有利な実施形態は、請求項１と１０に従属した請求項の中の特徴から読み取ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
その他の長所、ならびに本発明による環状体の詳細は、添付の図を基にした実施例の後に続く明細書からわかる。
【実施例】
【００２５】
図１〜５によれば、相応する環状体１，１’は、実施例において、その内周部において、機械部分、ここでは軸８に確実に回転不能に固定するための二つの凹部を備えている。特にここにおいて、これらの凹部は、ＤＩＮ６８８５によるキー溝３として設計されておりこのキー溝内にはキー７が取付けられる。環状体１，１’あるいは軸８は、中心軸線Ｚを中心に回転可能である。中心軸線Ｚを中心にした軸８の回転位置を測定するために、環状体１はスリーブ側の角度スケール２を備えている。本発明の実施例において、角度スケール２は磁気目盛を備えており、特にここでは、周囲を越えて交番するように磁性化された領域を備えた、分離した強磁性体のリングが使用される。強磁性体のリングは、例えば鉄、クロム、コバルトおよびモリブデンの組成成分を有する合金から成るが、環状体１は高強度の軸受鋼から製造されている。この場合、強磁性体のリングは環状体１，１’と、ろう付け接合によりジャケット側で固定されている。
【００２６】
環状体１，１’それ自体は、約７３．８ｍｍ（Ｒａ＝３６．９ｍｍ）の外径を有しており、その際、強磁性体のリングは０．８ｍｍの肉厚Ｔｓを有する。
【００２７】
角度スケール２は、回転位置が環状体１，１’の軸線Ｚを中心にして検出可能であるように設計されており、すなわち、角度スケール２の磁気標識が軸線Ｚを中心に環状体が回転する際に、周囲方向あるいは回転方向でのずれを有している。示した実施例において角度スケール２は、角度スケール２の磁気走査が感磁性の走査ヘッドにより可能であるように設計されている。
【００２８】
第一実施例（図１〜４）によれば、環状体１はその内周部において、キー溝３と並んで凹部４を備えている。これは軸８に固定するのに役立っているのではなく、環状体１の許容回転数と連続負荷容量を高くする理由から設けられている。従って、環状体１はキー溝３と凹部４の間に隆起部分５を備えており、この隆起部分は環状体１の軸方向に対して位置決めフランジ５．１を有する。この位置決めフランジ５．１は極めて精密に加工されており、かつ軸８のための接触面として使用されている。さらに、内周部において、隆起部分６が個々の凹部４の間に設けられている。これらの隆起部分６も同様に軸方向で中心に精密に加工された位置決めフランジ６．１を備えている。相応するように、軸８は取付けられた状態で、位置決めフランジ５．１，６．１に破断した円周線に沿って当接している。
【００２９】
図３によれば、隆起部分５，６の限定された分割を、キー溝３および凹部４と比較して説明することができる。この考察に関しては、中心角α，εを引合いに出すことができ、この中心角は本発明の場合、軸線Ｚから半径方向で外側へ整向された直線間の角度を示す。これらの直線は、一定の開始点Ｓα１〜Ｓα８，Ｓε１〜Ｓε８あるいは終点Ｅα１〜Ｅα８，Ｅε１〜Ｅε８を通って延びている。一目瞭然であるために、開始点および終点Ｓα１〜Ｓα８，Ｓε１〜Ｓε８，Ｅα１〜Ｅα８，Ｅε１〜Ｅε８の全ての符号を図３には示しておらず、従って図３には開始点Ｓε３，Ｓα３，Ｓε４及びＳα４ならびに終点Ｅα２，Ｅε３，Ｅα３及びＥε５のみを示してある。示した実施例においては、開始点Ｓα１〜Ｓα８，Ｓε１〜Ｓε８は常に終点Ｅα１〜Ｅα８，Ｅε１〜Ｅε８上にある。例えば終点Ｓα２は開始点Ｓε３上にある。
【００３０】
本発明では、二群の中心角α，εが定義されている。第一群は中心角αｉを有しており、この中心角は各々、開始点Ｓαｉと終点Ｅαｉにより、キー溝３と凹部４において定義されている。第二群は中心角εｉを有しており、この中心角は各々、隆起部分５，６の開始点および終点Ｓεｉ，Ｅεｉにより定義されている。特にここでは、開始点Ｓαｉ，Ｓεｉと終点Ｅαｉ，Ｅεｉは同時に同じ点であり、これらの点に沿って、軸８の環状体１での当接及び非当接に関する移行部がある。したがって、キー溝３と凹部４は開始点Ｓαｉと終点Ｅαｉの間にあるが、隆起部分５，６は開始点Ｓεｉと終点Ｅεｉの間にある。既に説明したように、ここでは各開始点Ｓα１〜Ｓα８，Ｓε１〜Ｓε８上には、終点Ｅα１〜Ｅα８，Ｅε１〜Ｅε８もある。したがって、例えば終点Ｅα２は、図３におけるようにＳε３と完全に等しく示してある。
【００３１】
したがって第二群の中心角の大きさは、軸８が隆起部分５，６に当接する湾曲部の各々の長さと内側半径Ｒｉから導き出される。したがって、例えば中心角ε１は位置決めフランジ５．１の周囲長さと内側半径Ｒｉによって規定されており、この場合、本発明の実施例において、ε１＝２°である。対称である理由から、中心角ε２，ε５，ε６は同様に２°の値である。
【００３２】
幅広い隆起部分６．１に関しても同じように有効であり、この場合、各々１２°でもってより大きい中心角ε３，ε４，ε７，ε８が与えられている。というのも内側半径Ｒｉが同じ場合、より長い位置決めフランジ５．１が設けられているからである。
【００３３】
したがって、隆起部分５，６の開始点と終点Ｓαｉ，Ｅαｉの各々により定義されている中心角εｉの総計は、約５６°である。このことから、各々開始点と終点Ｓαｉ，Ｅαｉにより、キー溝３あるいは凹部４において定義されている中心角αｉの総計はすでに決定することができる。実施例において、キー溝３あるいは凹部４は、環状体１の内側円周線に沿った同じ領域であり、この内側円周線は軸８との接触のためには設けられていない。従って、中心角αｉの総計は３６０°−５６°＝３０４°である。
【００３４】
個々において、中心角α１とα５は各々８°であり、中心角α２，α３，α４，α６およびα７は各々４８°である。
【００３５】
したがって結局、Σεｉ＝５６°＜Σαｉ＝３０４°
環状体１に関する十分高い許容された回転数が得られるように、環状体１の幾何学形状は相応するように採寸されている。特に個々の弧度Ｒａ，Ｒｎ，Ｒｉ，ＲｙおよびＲｘの設計は、許容回転数を最適化するためのこの関連で重要である。
【００３６】
本発明は、環状体１が比較的細いと特に有利である。例えば本発明の実施例において、ＲａからＲｉへの結果は約１．３４である。従って、凹部４が環状体１に作られると、許容最大回転数を高めることができるが、それにも関らず環状体の半径方向の拡張は、従来技術による構造に比べて限定される。
【００３７】
さらに示した実施例において、キー溝３の底部と軸線Ｚの間の２９．３ｍｍの間隔Ｄｆは、別の凹部４の底部と軸線Ｚの半径Ｒｎよりも短い。というのもＲｎはここでは３０．１ｍｍだからである。従ってキー溝３は、半径Ｒｎにより内側に区画されている、環状体１の環部領域内には入らない。相応するように、環状体１が作動中の機械的応力は、幾何学形状の環部領域内で推移しており、この環部領域は半径Ｒｎによって内側にきわめて均等に区画されており、したがって応力ピーク値の最大振幅は最小にされている。
【００３８】
キー溝３は、円周方向では平行なウェブにより、半径方向ではキー溝３の底部により区画される。ウェブに対する、キー溝３の底部の間の移行部は２５μｍの荒さＲｚを有しており、かつ比較的小さい輪郭半径Ｒｙを有しており、この輪郭半径は示した実施例では０．１７５ｍｍである。従って、そこでは比較的大きな応力ピーク値を応力集中の結果として予想しなければならない。それにもかかわらず高い許容回転数を可能にするために、凹部４の底部を規定する半径Ｒｒへの移行部に対して比較的大きく採寸する最小の輪郭半径Ｒｘはここでは５ｍｍである。従ってここでは、約２８．６の比率Ｒｘ／Ｒｙが生じる。
【００３９】
図５には、本発明による環状体１’の第二実施例が示してある。第一時指令の対象に対する基本的な相違は、円周方向で比較的長い凹部４’がただ二つだけ設けられていることにある。示した実施例において、凹部４’は両方とも、各々例えば合成樹脂でできているセグメント９で充填されている。セグメント９は軸８を中心合わせするのに効果があり、かつ付加的に緩衝作用を行う効果を発揮する。その反面、実際的な接線方向の応力はセグメント９を通って環状体１’内に伝達され、従ってここでも十分同種の応力変化が、特に、半径Ｒｉにより内側へ向かって区画される、環状体１’のその領域内で推移する。
【００４０】
二つの実施例にとっても中心角に関する顧慮が重要であることは自明である。というのも、隆起部分５の開始点および終点Ｓε１’〜  Ｓε４’，Ｅε１’〜Ｅ  ε４’の各々により定義されている中心角εｉ’の総計が、ここでもキー溝３と凹部４の開始点および終点Ｓα１’〜  Ｓα４’，Ｅα１’〜Ｅα４’の各々により定義されている中心角αｉ’より小さいからである。示した実施例において、総計値（ε１’＋  ε２’＋  ε３’＋  ε４’）が基本的に（α１’＋α２’＋α３’＋α４’）より小さいことは完全に明白であり、従ってここでも、条件Σεｉ’＜Σαｉ’は満たされている。
【００４１】
代替え的実施形態によれば、セグメント９は金属としても設計することができる。この場合同様に、セグメント９により、好ましくない接線方向の応力が、セグメント９を通って、特にセグメント９と環状体１’の間の分割接合部を通って、環状体１’内に伝達するのは防止される。
【００４２】
本発明の別の実施形態において、環状体１’はキー溝３をも備えており、従ってセグメント９は凹部４’をただ一つだけ満たしている。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】角度スケールを備えた、本発明による筐体の斜視図である。
【図２ａ】第一実施形態による角度スケールを備えた筐体の、半径方向で見た横断面図である。
【図２ｂ】第一実施形態による角度スケールを備えた筐体の平面図である。
【図３】相応する中心角に対するデータを備えた、第一実施例による、角度スケールを備えた筐体の平面図である。
【図４】取付けられた状態における、第一実施例による、角度スケールを備えた筐体の平面図である。
【図５】取付けられた状態における、第二実施例による、角度スケールを備えた筐体の平面図である。
【図１】
0005331400.tif 000002
【図２ａ】
0005331400.tif 000003
【図２ｂ】
0005331400.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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