JP3128082B2 - 回転位置検出装置および複合回転位置センサを設けた建設機械の作業機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、建設機械やロボットな
どの回転部分の回転角度を検出する回転位置検出装置に
係り、特に２つのセンサを組み合わせることにより前記
回転位置検出装置の故障を確実に判断できると共に、高
精度・高分解能を有する絶対回転位置を求めることがで
きる回転位置検出装置および回転位置センサを設けた建
設機械の作業機に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転位置検出装置には、回転位置センサ
がアナログ方式のものとディジタル方式のものとがあっ
て、アナログ方式の代表的なものとしてロータリポテン
ショメータがあり、ディジタル方式のものとして光学式
または磁気式のロータリエンコーダがある。そして、ロ
ータリポテンショメータは、一般に直線性や温度特性な
どからロータリエンコーダより検出精度が劣り、使用目
的に応じてそれぞれ単独で使用されている。すなわち、
ロータリポテンショメータはあまり精度を要求されない
場合に使用され、ロータリエンコーダは高精度を要求さ
れる場合に使用される。

【０００３】ロータリポテンショメータは、抵抗値の変
化を電気信号として取り出すようになっているため、検
出対象（制御対象）が停止している場合でも、所定の基
準位置からの回転角度（回転量）が求められ、いわゆる
アブソリュート検出が可能である。一方、ロータリエン
コーダは、円板などの周方向に多数の凹凸やスリットに
よる目盛を形成し、この凹凸やスリットを検出して回転
角度を検出するもので、相対的な回転量しか求めること
ができないインクリメンタル型と絶対回転量が求められ
るアブソリュート型とがある。

【０００４】従って、ロータリエンコーダの検出精度を
高めるには、検出可能な最小角度（分解能）を高める必
要があり、高分解能を得るには目盛のピッチ、幅を小さ
くしなければならない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、アブソリュ
ート型ロータリエンコーダは、１目盛毎に００・・・０
０、００・・・０１、……と番号を付ける必要があり、
分解能を高めると番号を読み取るための素子の配置が困
難になるばかりでなく、建設機械のような振動やほこり
等の多い厳しい環境に耐え得ることができず、またビッ
ト数が多くなるのに伴って周辺機器も複雑になり、装置
が高コストになる。このため、ロータリエンコーダは、
高分解能を要求される場合や建設機械などに使用する場
合、インクリメンタル型が使用される。

【０００６】しかし、インクリメンタル型ロータリエン
コーダは、前記したように回転量しか求めることができ
ず、絶対回転位置（絶対回転角）が求められない。そし
て、インクリメンタル型ロータリエンコーダを用いて絶
対回転位置を求めようとすると、検出対象である建設機
械のブーム等を一度基準位置まで動かす必要があり、大
型の建設機械や装置の場合には極めて面倒で、リセット
に時間もかかる。

【０００７】そこで、絶対回転位置を求めるためにロー
タリポテンショメータを用いると、所望の検出精度が得
られず、制御精度は低下する。すなわち、ロータリポテ
ンショメータは、図４に示したように、例えば検出角度
の範囲が−６０°〜＋６０°であって、この間に出力電
圧が０Ｖ〜５Ｖに変化するものとした場合、理論的なロ
ータリポテンショメータの出力電圧は、一点鎖線に示し
たように、検出回転角度に対して直線的に変化する。と
ころが、ロータリポテンショメータは、製作精度などに
より例えば実線に示したように出力電圧が変動したり、
また、いわゆる温度ドリフトなどが発生し、高い検出精
度を得ることができない。

【０００８】一方、従来の回転位置センサを建設機械等
に使用する場合、回転位置センサを密閉容器に入れ、リ
ード線の取り出し口部にねじ込みタイプのコネクタやグ
ランドシールタイプのコネクタを使用して、密閉容器の
内部に塵埃や水分が浸入するのを防止している。しか
し、ねじ込みタイプのコネクタは高価であり、検出装置
のコストを上昇させる。また、グランドシールタイプの
コネクタは、着脱を繰り返すと防水性が劣化し、密閉容
器内に水分が浸入して誤動作の原因となり、回転位置検
出装置の信頼性を低下させる。

【０００９】本発明は、前記従来技術の欠点を解消する
ためになされたもので、２つのセンサを組み合わせるこ
とにより回転位置検出装置の故障を確実に判断できると
共に、高精度・高分解能を有する絶対回転位置が求めら
れる回転位置検出装置を設けた建設機械の作業機を提供
することを目的とすると共に、安価に密閉容器内への水
分の浸入を防止することができる複合回転位置センサを
設けた建設機械の作業機を提供することを目的としてい
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】 上記の目的を達成するた
めに、 本発明に係る複合回転位置センサに関する請求項
１は、両軸型のロータリポテンショメータと、このロー
タリポテンショメータの一側の回転軸に入力軸を連結し
たロータリエンコーダと、このロータリエンコーダと前
記ロータリポテンショメータとを支持しているベース
と、このベースに固定され、前記ロータリエンコーダを
覆っているキャップと、このキャップ内に充填した密封
用充填材とを有することを特徴としている。

【００１１】同じく請求項２は、ベースには、ロータリ
ポテンショメータを支持するポテンショ支持部とロータ
リエンコーダを支持するエンコーダ支持部とが所定の間
隙を隔てて形成してあり、ロータリポテンショメータの
回転軸とロータリエンコーダの入力軸との連結部が両支
持部間の間隙中に配置されるとともに、この間隙内に配
置した連結部の側方のベースに、両軸を連結するための
窓が形成してある。

【００１２】

【作用】 上記の如く構成した 本発明に係る複合回転位置
センサは、ロータリエンコーダを覆っているキャップ内
に樹脂等の密封用充填材を充填したことにより、キャッ
プ内に水分や塵埃が入るのを防ぐことができる。しか
も、ねじ込みタイプのコネクタなどの高価な部品を必要
とせず、コストの低減が図れる。

【００１３】ベースには、ロータリポテンショメータの
回転軸とロータリエンコーダの入力軸との連結部を配置
する間隙を設け、この間隙内に配置した連結部の側方に
両軸を連結するための窓を形成したことにより、両軸の
連結が容易に行え、迅速なセンサの組立を行うことがで
きる。

【００１４】

【実施例】本発明に係る回転位置検出装置および複合回
転位置センサを設けた建設機械の作業機の好ましい実施
例を、添付図面に従って詳説する。図１は、本発明の実
施例に係る回転位置検出装置のブロック図である。

【００１５】図１において、回転位置検出装置は、複合
回転位置センサ１０とこの複合回転位置センサ１０の出
力信号を受けて絶対回転位置を出力する絶対回転位置演
算器１００とから構成してある。複合回転位置センサ１
０は、詳細を後述するように、インクリメンタル型のロ
ータリエンコーダ１２とロータリポテンショメータ１４
とからなり、ロータリエンコーダ１２の出力信号が絶対
回転位置演算器１００のカウン１０６と、基準点検出回
路１０４とに入力するようになっている。

【００１６】ロータリエンコーダ１２は、図３に示した
ように、歯車７０が回転可能に設けてあり、この歯車７
０に近接して磁気センサからなる検出部７２が配置して
あって、歯車７０が回転すると、検出部７２が前方を通
過する歯車７０の歯７４を検出し、検出信号を出力する
ようになっている。また、歯車７０には、最も頻繁に検
出部７２の前方を通過する部分に、Ｚ相７６と呼ばれる
基準点が設けてある。

【００１７】絶対回転位置演算器１００は、ロータリエ
ンコーダ１２の出力信号を計数するカウンタ１０６、こ
のカウンタ１０６の出力側に接続した回転位置演算回路
１１０と、故障判定回路１１２とにより構成されてい
る。そして、エンジンのキースイッチを投入すると、後
述するようにロータリポテンショメータ１４が検出した
絶対回転角度に相当する計数値が前記カウンタ１０６の
初期値としてプリセットされ、この初期値に前記カウン
タ１０６に入力する前記ロータリエンコーダ１２の出力
信号が加算されて計数される。

【００１８】さらに、絶対回転位置演算器１００は、ロ
ータリポテンショメータ１４の出力信号が入力するアナ
ログ・ディジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）１１４、この
Ａ／Ｄ変換器１１４を介してロータリポテンショメータ
１４の出力信号を受けるポテンショ検出角度演算回路１
１６が設けてある。このポテンショ検出角度演算回路１
１６はカウンタ１０６に接続され、後述するようにＡ／
Ｄ変換器１１４を介して受けたロータリポテンショメー
タ１４の出力信号に基づいて、ロータリポテンショメー
タ１４が検出した回転角度に相当するカウンタ１０６の
計数値を求め、この計数値を初期値としてカウンタ１０
６に出力する。また、ポテンショ検出角度演算回路１１
６の出力信号は故障判定回路１１２に入力する。

【００１９】なお、基準点検出回路１０４は、検出部７
２が出力した信号に基づいて歯車７０のＺ相７６を検出
と、カウンタ１０６にこれまでの計数値をリセットする
リセット信号が出力され、その後はこのカウンタ１０６
は前記Ｚ相７６を基準とする係数を開始する。

【００２０】複合回転位置センサ１０は、図２に示した
ようにインクリメンタル型のロータリエンコーダ１２と
両軸型のロータリポテンショメータ１４とが同軸に配置
してある。そして、ロータリエンコーダ１２の入力軸１
６とロータリポテンショメータ１４の一側の回転軸１８
とは、カップリング２０に挿入してあって、複数のねじ
２２によってカップリング２０に固定され、カップリン
グ２０を介して連結してある。

【００２１】ロータリエンコーダ１２とロータリポテン
ショメータ１４とを支持している固定ベース２４は、外
観が帽子状をなし、鍔部２５の側の中央部に凹部２６が
形成してあり、この凹部２６の底が取り付け孔を設けた
ポテンショ支持部２８となっている。また、固定ベース
２４は、ポテンショ支持部２８に対向した帽子の頂部が
ロータリエンコーダ１２を固定するエンコーダ支持部３
０となっていて、ポテンショ支持部２８とエンコーダ支
持部３０との間に、カップリング２０を配置する間隙３
２が設けてある。

【００２２】ロータリポテンショメータ１４は、回転軸
１８がポテンショ支持部２８に形成した取り付け孔から
間隙３２内に挿入され、取り付けフランジ３４がポテン
ショ支持部２８に密着させられ、周方向に沿って複数を
ポテンショ支持部２８にねじ止めした取り付けプレート
３６によってポテンショ支持部２８に固定されている。
また、ロータリエンコーダ１２は、入力軸１６がエンコ
ーダ支持部３０に形成した取り付け孔から間隙３２内に
挿入され、取り付けフランジ３８が周方向に沿って複数
をエンコーダ支持部３０にねじ止めした取り付けプレー
ト４０によってエンコーダ支持部３０に固定されてい
る。そして、固定ベース２４には、間隙３２に配置した
カップリング２０の側方に、ねじ２２を締めつけて回転
軸１８と入力軸１６とを連結するための窓４２が設けて
あるとともに、この窓４２の反対側に樹脂などの充填材
４４を注入するための流路４６が形成してある。なお、
窓４２は、軸を連結したのち、蓋４８によって塞がれ
る。

【００２３】固定ベース２４に固定されたロータリエン
コーダ１２は、キャップ５０によって覆ってある。キャ
ップ５０は、固定フランジ５２を有し、この固定フラン
ジ５２がねじ５４によって固定ベース２４の鍔部２５に
固定される。また、キャップ５０には、ロータリポテン
ショメータ１４のリード線５６とロータリエンコーダ１
２のリード線５８とを外部に引き出すための取り出し口
６０が突出して形成してある。そして、取り出し口６０
には、リード線５６、５８を貫通させたグロメット６２
が配置してある。このグロメット６２は、取り出し口部
の端部にねじによって固定した押さえ板６４によって固
定され、キャップ５０内に充填した充填材４４が漏出す
るのを防止している。

【００２４】なお、図２に示した符号６６は、回転軸１
８と一体に形成してある入力軸であって、図示しない被
検出部に接続される。また、符号６８は、リード線５
６、５８が接続してあるコネクタを示す。そして、ロー
タリポテンショメータ１４とロータリエンコーダ１２と
のリード線５６、５８は、このコネクタ６８を介して図
１に示した絶対回転位置演算器１００に接続される。

【００２５】上記の如く構成した実施例の作用は、次の
とおりである。回転位置検出装置は、図示しないエンジ
ンのキースイッチが投入された後、まだ検出対象が停止
している場合は、ロータリエンコーダ１２はインクリメ
ンタル型であるために出力しない。

【００２６】一方、絶対回転位置演算器１００のＡ／Ｄ
変換器１１４は、ロータリポテンショメータ１４が出力
する検出対象の絶対回転位置を示すアナログ信号をディ
ジタル信号に変換し、ポテンショ検出角度演算回路１１
６に送出する。ポテンショ検出角度演算回路１１６は、
所定時間毎、例えば０．１ｍｓ毎にＡ／Ｄ変換器１１４
を介してロータリポテンショメータ１４の検出信号を取
り込み、絶対回転角度を表すカウンタ１０６の計数値に
変換し、初期値として最初にカウンタ１０６にプリセッ
トすると共に、故障判定回路１１２には常時出力する。
そして、回転位置演算回路１１０は、カウンタ１０６の
計数値に基づいて絶対回転位置を演算し、図示しない制
御装置や表示装置に出力する。

【００２７】検出対象が回転すると、ロータリエンコー
ダ１２は歯車７０が回転し、歯車７０に形成した歯７４
が次々と検出部７２の前方を通過する。そして、検出部
７２は、歯７４が前方を通過する毎に検出信号をカウン
タ１０６と、基準点検出回路１０４に出力する。従っ
て、カウンタ１０６はポテンショ検出角度演算回路１１
６が出力したロータリポテンショメータ１４の絶対回転
角度信号を初期値とする、計数値を回転位置演算回路１
１０に出力し、この回転位置演算回路１１０から絶対回
転角度として出力される。但し、この場合はロータリポ
テンショメータ１４の絶対回転角度信号を基準にしてい
るため、ロータリエンコーダ１２の高分解能特性はある
が基準点の誤差を含む絶対回転角度が計測される。

【００２８】歯車７０が回転して基準点であるＺ相７６
が検出部７２の前方を通過すると、検出部７２は、Ｚ相
７６が通過したことを示す信号を絶対回転位置演算器１
００に出力する。基準点検出回路１０４は、検出部７２
の出力信号に基づいて、Ｚ相７６が検出部７２の前方を
通過したことを検出すると、カウンタ１０６には基準点
検出回路１０４からカウンタ１０６にこれまでの計数値
をクリヤする信号が出力される。

【００２９】このため、カウンタ１０６は、ロータリエ
ンコーダ１２のＺ相７６検出時に零にクリアされ、以
後、前記ロータリエンコーダ１２の基準点からの出力信
号を計数してこの計数値を回転位置演算回路１１０と故
障判定回路１１２とに送る。一方、ポテンショ検出角度
演算回路１１６の出力信号は、引き続いて故障判定回路
１１２に入力されるため、誤差を除けば等しくなるはず
の前記ポテンショ検出角度演算回路１１６の出力信号と
カウンタ１０６からの計数値との差により複合回転位置
センサ１０の故障を検出することができる。また、ポテ
ンショ検出角度演算回路１１６の出力信号が０であれば
断線、最大であれば短絡していることなどを検出するこ
とができる。一方、回転位置演算回路１１０は、ロータ
リエンコーダ１２の出力信号に基づくカウンタ１０６の
計数値から、Ｚ相７６を起点とする絶対回転角度を演算
して出力するため、ロータリエンコーダ１２の高分解能
特性と共に、基準点の精度も高い絶対回転角度の測定が
可能となる。

【００３０】このように、実施例の回転位置検出装置
は、回転位置演算回路１１０に、ロータリエンコーダ１
２の出力信号を計数するカウンタ１０６の出力信号とロ
ータリポテンショメータ１４の出力信号とを受けて故障
を検知する故障判定回路１１２を設けたことにより、こ
の故障判定回路１１２は、ロータリエンコーダ１２とロ
ータリポテンショメータ１４との出力を監視することに
より、この二つの出力の差が所定値を超えたとき、また
はロータリポテンショメータ１４の出力が０、あるいは
最大値になったとき、ロータリポテンショメータ１４ま
たはロータリエンコーダ１２の故障したことを検知で
き、誤った回転位置信号が制御装置に入力して制御対象
である建設機械などが暴走するのを防止することができ
る。

【００３１】また、始動直後のロータリエンコーダ１２
のＺ相７６が検出されるまでは、基準点に誤差を含むロ
ータリポテンショメータ１４の出力信号を基準とした高
分解能の絶対回転角度を出力し、Ｚ相７６が検出された
後は、高精度のインクリメンタル型ロータリエンコーダ
１２の出力信号に基づく絶対回転角度を出力することが
できる。

【００３２】また、前記実施例においては、磁気式のロ
ータリエンコーダ１２について説明したが、光学式のロ
ータリエンコーダであってもよい。そして、ロータリポ
テンショメータは、１回転型でも多回転型でもよい。

【００３３】なお、複合回転位置センサ１０は、次のよ
うにして組み立てる。まず、ロータリエンコーダ１２の
入力軸１６にカップリング２０の基準点を合わせて固定
し、ロータリポテンショメータ１４とロータリエンコー
ダ１２とを固定ベース２４の各支持部２８、３０に固定
する。その後、入力軸１６と回転軸１８との基準点を合
わせ、固定ベース２４の窓４２からねじ２２を締めて入
力軸１６と回転軸１８とを連結する。

【００３４】各軸を連結したならば窓４２に蓋４８を
し、取り出し口６０からリード線５６、５８を引き出し
ながらキャップ５０をロータリエンコーダ１２に被せ、
固定ベース２４にねじ５４によって固定する。次に、リ
ード線５６、５８をグロメット６２に通し、グロメット
６２を押さえ板６４によって取り出し口６０に固定す
る。その後、流路４６を介してキャップ５０内に充填材
４４を充填し、リード線５６、５８にコネクタ６８を付
けて完成させる。

【００３５】このように、実施例の複合回転位置センサ
１０は、キャップ５０の内部に充填材４４を充填して密
封するようにしたため、高価なねじ込みタイプのコネク
タを使用する必要がなく、また塵埃や水分がキャップ５
０の内部に入ることを完全に防止でき、安価で故障の少
ない回転位置センサを得ることができる。しかも、固定
ベース２４に入力軸１６と回転軸１８とを連結するため
の窓４２を形成したことにより、両軸の連結を容易に行
え、センサの組立を迅速に行うことができる。

【００３６】

【発明の効果】 以上に説明したように、 本発明の複合回
転位置センサによれば、キャップの内部に充填材を充填
して密封したため、高価なねじ込みタイプのコネクタを
使用する必要がなく、また塵埃や水分がキャップの内部
に入ることを完全に防止でき、安価で故障の少ない回転
位置センサを得ることができる。さらに、ベースにロー
タリエンコーダの入力軸とロータリポテンショメータに
回転軸とを連結するための窓を形成したことにより、セ
ンサの組立が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る回転位置検出装置のブロ
ック図である。

【図２】本発明の実施例に係る複合回転位置センサの断
面図である。

【図３】ロータリエンコーダの概略説明図である。

【図４】ロータリポテンショメータの出力特性の説明図
である。

【符号の説明】

１０ 複合回転位置センサ １２ ロータリエンコーダ １４ ロータリポテンショメータ １６ 入力軸 １８ 回転軸 ２０ カップリング ２４ 固定ベース ２８ ポテンショ支持部 ３０ エンコーダ支持部 ４２ 窓 ４４ 充填材 ５０ キャップ ７０ 歯車 ７２ 磁気センサ ７６ 基準点（Ｚ相） １００ 絶対回転位置演算器 １０４ 基準点検出回路 １０６ カウンタ １１０ 回転位置演算回路 １１２ 故障判定回路 １１６ ポテンショ検出角度演算回路

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両軸型のロータリポテンショメータと、こ
   のロータリポテンショメータの一側の回転軸に入力軸を
   連結したロータリエンコーダと、このロータリエンコー
   ダと前記ロータリポテンショメータとを支持しているベ
   ースと、このベースに固定され、前記ロータリエンコー
   ダを覆っているキャップと、このキャップ内に充填した
   密封用充填材とを有することを特徴とする複合回転位置
   センサを設けた建設機械の作業機。
2. 【請求項２】 前記ベースは、前記ロータリポテンショ
   メータを支持するポテンショ支持部と前記ロータリエン
   コーダを支持するエンコーダ支持部とが所定の間隙を隔
   てて形成され、前記ロータリポテンショメータの回転軸
   と前記ロータリエンコーダの入力軸との連結部が前記両
   支持部間の前記間隙中に配置されるとともに、この間隙
   内に配置した前記連結部の側方の前記ベースに、前記両
   軸を連結するための窓が形成してあることを特徴とする
   請求項１に記載の複合回転位置センサを設けた建設機械
   の作業機。