JP5946280B2

JP5946280B2 - ロータリエンコーダ

Info

Publication number: JP5946280B2
Application number: JP2012010911A
Authority: JP
Inventors: 洋志吉越
Original assignee: Ono Sokki Co Ltd
Current assignee: Ono Sokki Co Ltd
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2032-01-23
Also published as: JP2013148534A

Description

本発明は、磁気式のロータリエンコーダに関するものである。

磁気式のロータリエンコーダとしては、回転軸の一端に固定した永久磁石による磁界の磁界強度を検出する磁界検出素子を回転軸と同心円上に複数配置し、各磁界検出素子で検出した磁界強度より、回転軸の回転角度を検出するロータリエンコーダが知られている（特許文献１）。

特開２００１-３３２７７号公報

さて、ロータリエンコーダは、回転軸の回転角度や回転速度を測定する装置であるが、回転角度や回転速度と共に回転軸の軸方向の変位を検出することができれば、より様々な用途にロータリエンコーダを用いることができるようになる。
一方で、ロータリエンコーダに、回転軸の軸方向の変位を検出するための専用のセンサ等を組み込むこととすれば、構成が複雑化し、ロータリエンコーダの大型化や高コスト化などを招くこととなる。
そこで、本発明は、ロータリエンコーダにおいて、回転軸の軸方向の変位を簡易な構成によって測定可能とすることを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、シャフトの回転を検出するロータリエンコーダとして、前記シャフトを、当該シャフトの軸廻りに回動可能かつ、当該シャフトの軸方向に移動可能に支持する支持体と、前記シャフトの一端に固定された永久磁石と、前記シャフトの軸方向に前記永久磁石と離間して当該永久磁石と対向するように配置された複数の前記支持体に対して固定された磁界検出素子を備えたエンコーダと、回転算出部と、変位算出部とを備えたロータリエンコーダを提供する。但し、前記エンコーダは、前記複数の磁界検出素子の出力から、当該エンコーダに前記永久磁石から加わる磁界の強さに応じた振幅を有する、前記永久磁石の前記シャフトの軸廻りの回転角を引数とする周期関数で表される検出信号を生成し出力し、前記回転算出部は、前記検出信号の位相に基づいて前記シャフトの、当該シャフトの軸廻りの回転角を算出し、前記変位算出部は、前記検出信号の振幅の大きさに基づいて前記シャフトの、当該シャフトの軸方向の変位を算出するものである。

このようなロータリエンコーダによれば、シャフトの回転角を検出するためのエンコーダを用いて、シャフトの軸方向の変位も算出することができるようになる。
ここで、このようなロータリエンコーダには、さらに、前記シャフトに当該シャフトの軸方向の力が加わらない状態において、当該シャフトの当該シャフトの軸方向の位置が所定の中立位置に維持されるように、当該シャフトを当該シャフトの軸方向に付勢する付勢部材を備えるようにしてもよい。

また、この場合には、ロータリエンコーダに、さらに、前記変位算出部が算出した変位と前記付勢部材のバネ定数に基づいて、前記シャフトに当該シャフトの軸方向に加わる力の大きさを算出する力算出部を設けることも好ましい。

以上のように、本発明によれば、ロータリエンコーダにおいて、回転軸の軸方向の変位を簡易な構成によって測定可能となる。

本発明の実施形態に係るロータリエンコーダの構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る演算装置の構成を示す図である。本発明の実施形態に係るエンコーダの検出信号を表す。

以下、本発明に係るロータリエンコーダの実施形態について説明する。
図１ａに、本実施形態に係るロータリエンコーダの外観を示す。
図示するようにロータリエンコーダは、本体部２と、本体部２から一端が突出するように本体部２に回転自在に支持されたシャフト１とを備えた装置である。
そして、ロータリエンコーダは、測定対象となる回転体に連結または押しつけられることにより当該回転体の回転に追従して回転するシャフト１の回転角度や回転速度や、シャフト１の軸方向の変位を測定するものである。
次に、図１ｂにロータリエンコーダの内部構成を示す。
図１ｂは、シャフト１の軸を通る平面によるロータリエンコーダの断面を表すものである。
図示するように、ロータリエンコーダの本体部２は、フレーム２１、フレーム２１に対してシャフト１の軸方向に滑動可能に組み込まれた可動ステージ２２、可動ステージ２２に固定されたベアリング２３、可動ステージ２２のシャフト１の軸方向についての両側に配置された二つのコイルバネ２４、エンコーダ２５、演算装置２６を備えている。

そして、シャフト１は、可動ステージ２２に固定されたベアリング２３によって、シャフト１の軸廻りに可動ステージ２２に対して回転可能、かつ、シャフト１の軸方向について可動ステージ２２に対して拘束されて移動しないように軸支されている。
また、可動ステージ２２は、二つのバネによりシャフト１の軸方向について両側から反対方向に付勢されており、この二つのバネから加わる力によって、シャフト１からベアリング２３を介してシャフト１の軸方向の力が加わっていないときには、所定の中立位置に、その位置が維持される。

一方、可動ステージ２２は、シャフト１からベアリング２３を介してシャフト１の軸方向の力が加わると、図１ｃ、ｄに示すように、二つのバネから加わる力に抗して、フレーム２１に対してシャフト１の軸方向に滑動し、シャフト１共々移動する。
次に、シャフト１の本体部２内側の端には永久磁石３が固定されている。そして、シャフト１と共に回転する永久磁石３のシャフト１の軸廻りの回転角と、永久磁石３のシャフト１の軸方向の変位とに応じた値をとる検出信号をエンコーダ２５は出力し、演算装置２６は、この検出信号を用いてシャフト１の回転角度や回転速度やシャフト１の軸方向の変位を算出する。

次に、図２に、このようなエンコーダ２５と演算装置２６の構成例を示す。
図示するように、エンコーダ２５は、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２の４つの磁界検出素子２５１と、Ａ相減算器２５２と、Ｂ相減算器２５３を備えている。
４つの磁界検出素子２５１は、シャフト１の回転中心を中心とする、シャフト１の軸方向と垂直な方向を径方向とする円上に配列されている。また、Ａ１の磁界検出素子２５１とＡ２の磁界検出素子２５１とは180度（π）異なる位相で円上に配置され、Ｂ１の磁界検出素子２５１とＢ２の磁界検出素子２５１とは180度（π）異なる位相で円上に配置され、Ａ１の磁界検出素子２５１とＢ１の磁界検出素子２５１とは90度（π/２）異なる位相で円上に配置されている。

なお、本実施形態では、磁界検出素子２５１としては磁界強度の応じた大きさの電気信号を出力するホール素子を用いるが、磁界強度の応じた大きさの電気信号を出力する素子であれば、ＭＲ素子などの他の素子を用いることもできる。
また、Ａ相減算器２５２は、Ａ１の磁界検出素子２５１の出力からＡ２の磁界検出素子２５１の出力を減算した信号をＡ相検出信号ＶＡとして出力し、Ｂ相減算器２５３は、Ｂ１の磁界検出素子２５１の出力からＢ２の磁界検出素子２５１の出力を減算した信号をＢ相検出信号ＶＢとして出力する。

ここで、シャフト１の端に固定された永久磁石３は、シャフト１の軸と垂直な方向のうちの１方向に磁化されている。
したがって、シャフト１の回転に伴う永久磁石３の回転によって各磁界検出素子２５１に加わる磁界強度は増減し、図３ａに示すように、シャフト１の回転角度を横軸にとって各検出信号を表すとＡ相検出信号ＶＡはサイン波、Ｂ相検出信号ＶＢはコサイン波となる。すなわち、Ａ相検出信号ＶＡとＢ相検出信号ＶＢとは、シャフト１の回転角度を引数とする周期関数によって表される信号となる。

また、永久磁石３と磁界検出素子２５１とのシャフト１の軸方向の距離に応じても磁界検出素子２５１に加わる磁界の強さは変化するので、シャフト１が図１ｂ-ｄに示すように軸方向に変位すると、図３ａ、ｂに示すように、Ａ相検出信号ＶＡ、Ｂ相検出信号ＶＢの振幅の大きさは、シャフト１の軸方向の変位に追従して変化することとなる。なお、図３ｂは、図３ａのときよりも、永久磁石３が磁界検出素子２５１から遠ざかる方向に、シャフト１が軸方向に変位したときのＡ相検出信号ＶＡ、Ｂ相検出信号ＶＢを表しており、図３ｂのＡ相検出信号ＶＡ、Ｂ相検出信号ＶＢの振幅の大きさは、図３ａの場合よりも小さくなっている。

次に、演算装置２６は、回転角度/速度算出部２６１と、変位算出部２６２とを含んでいる。
回転角度/速度算出部２６１は、Ａ相検出信号ＶＡとＢ相検出信号ＶＢの、これら信号を表す、シャフト１の回転角度を引数とする周期関数上の位相よりシャフト１の回転角度として求めると共に、求めた回転角度の変化から回転速度を算出する。
より具体的には、回転角度/速度算出部２６１は、arctan(VA/VB）により、シャフト１の回転角度として求めると共に、求めた回転角度の変化から回転速度を算出する。
一方、変位算出部２６２は、Ａ相検出信号ＶＡやＢ相検出信号ＶＢの振幅の大きさから、シャフト１の中立位置（可動ステージ２２が中立位置にあるときのシャフト１の位置）からの軸方向の変位を求める。より具体的には、たとえば、Ａ相検出信号ＶＡやＢ相検出信号ＶＢの振幅の大きさと変位との対応関係を予め実験的に求めて記憶しておき、記憶しておいた対応関係に従って、Ａ相検出信号ＶＡやＢ相検出信号ＶＢの振幅の大きさより変位を算出する。

以上、本発明の実施形態について説明した。
ところで、以上の実施形態は、変位算出部２６２において、算出したシャフト１の中立位置からの軸方向の変位量を表示したり、算出したシャフト１の変位の変化より求まるシャフト１の軸方向の振動の大きさや周波数を算出したり、算出したシャフト１の中立位置からの軸方向の変位量が所定の値より大きい場合に警告を出力する処理などを行うように構成してもよい。

また、以上の実施形態は、変位算出部２６２において算出したシャフト１の中立位置からの軸方向の変位量に、バネのバネ定数の２倍（バネ二つ分のバネ定数）を乗じて求まるシャフト１にシャフト１の軸方向に加わる力を算出したり、算出した力を出力する力算出部をさらに、ロータリエンコーダに備えるようにしてもよい。

以上のように本実施形態によれば、磁界検出素子２５１を備えたエンコーダ２５を、シャフト１の回転角の検出と、シャフト１の軸方向の変位の検出に共用することができる。よって、回転軸の軸方向の変位を簡易な構成によって測定することができるようになる。

１…シャフト、２…本体部、３…永久磁石、２１…フレーム、２２…可動ステージ、２３…ベアリング、２４…コイルバネ、２５…エンコーダ、２６…演算装置、２５１…磁界検出素子、２６１…回転角度/速度算出部、２６２…変位算出部。

Claims

シャフトの回転を検出するロータリエンコーダであって、
前記シャフトを、当該シャフトの軸廻りに回動可能かつ、当該シャフトの軸方向に移動可能に支持する支持体と、
前記シャフトの一端に固定された永久磁石と、
前記シャフトの軸方向に前記永久磁石と離間して当該永久磁石と対向するように配置された、前記支持体に対して固定された複数の磁界検出素子を備えたエンコーダと、
回転算出部と、
変位算出部とを有し、
前記エンコーダは、前記複数の磁界検出素子の出力から、当該エンコーダに前記永久磁石から加わる磁界の強さに応じた振幅を有する、前記永久磁石の前記シャフトの軸廻りの回転角を引数とする周期関数で表される検出信号を生成し出力し、
前記回転算出部は、前記検出信号の位相に基づいて前記シャフトの、当該シャフトの軸廻りの回転角を算出し、
前記変位算出部は、前記検出信号の振幅の大きさに基づいて前記シャフトの、当該シャフトの軸方向の変位を算出することを特徴とするロータリエンコーダ。
請求項１記載のロータリエンコーダであって、
前記シャフトに当該シャフトの軸方向の力が加わらない状態において、当該シャフトの当該シャフトの軸方向の位置が所定の中立位置に維持されるように、当該シャフトを当該シャフトの軸方向に付勢する付勢部材を有することを特徴とするロータリエンコーダ。
請求項２記載のロータリエンコーダであって、
前記変位算出部が算出した変位と前記付勢部材のバネ定数に基づいて、前記シャフトに当該シャフトの軸方向に加わる力の大きさを算出する力算出部を有することを特徴とするロータリエンコーダ。