編碼器、電動機單元及致動器系統的製作方法

2023-06-21 05:38:11 4

專利名稱：編碼器、電動機單元及致動器系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種編碼器、電動機單元及致動器系統。
背景技術：
在自動化發展先進的工廠等中使用有大量的電動致動器。這些電動致動器中所搭載的電動機單元包括檢測電動機的軸的轉速或旋轉角度(絕對位置)的編碼器。而且，這種編碼器中也大多使用絕對式編碼器。因為絕對式編碼器在接通電源後無需原點回歸動作， 所以可提高工廠設備等的運轉率。絕對式編碼器通常包括電池及存儲器。當供給至絕對式編碼器的電源斷開時，通過備用電池將表示電動機的軸的轉速的值保存至存儲器中。而且，當供給至絕對式編碼器的電源接通時，從存儲器中讀出表示轉速的值。對該表示轉速的值重新加上表示轉速的值。然而，這種絕對式編碼器有可能產生因電池的電壓降而無法正常地工作的不良情況。因此，必須定期地更換電池。另外，當在供給至絕對式編碼器的電源斷開時軸旋轉時， 也有可能在轉速中產生誤差。因此，迫切希望無需從電池供給電源的絕對式編碼器。對於所述問題，在下述專利文獻中公開有不使用電池的絕對式編碼器。[背景技術文獻][專利文獻][專利文獻I]日本專利特公平5-38243號公報[專利文獻2]日本專利特開2010-44055號公報

發明內容
[發明所要解決的問題]上述專利文獻中所記載的編碼器包括用於檢測軸的轉速而與軸一起旋轉的主動齒輪；和用於保持軸的轉速而相應於主動齒輪的旋轉而旋轉的從動齒輪。進而，為擴大軸的轉速的檢測範圍而包括多個從動齒輪。多個從動齒輪是以串聯地傳遞主動齒輪的旋轉力的方式而互相串級連接。因此，為防止齒輪的齒隙的累積而必須使用高精度且高成本的齒輪。 另外，因將多個從動齒輪串級連接，所以會使編碼器大型化。本發明鑑於上述情況下而完成，其目的在於提供一種小型且低成本、高可靠性的編碼器、電動機單元及致動器系統。[解決問題的技術手段]為達成所述目的，本發明提供一種編碼器，檢測旋轉體的轉速，且包括主動齒輪，配置於所述旋轉體的旋轉中心，且形成有表示旋轉角度的圖案的軌道以旋轉軸為中心而形成為環狀；至少2個從動齒輪，以與所述主動齒輪嚙合的方式配置，且形成有表示旋轉角度的圖案的軌道以旋轉軸為中心而形成為環狀；檢測機構，檢測來自所述軌道的調製信號；
絕對位置運算機構，根據來自所述檢測機構的信號，而進行表示所述主動齒輪的旋轉角度的絕對位置及表示所述從動齒輪的旋轉角度的絕對位置的運算；以及轉速運算機構，根據所述主動齒輪的絕對位置及所述從動齒輪的絕對位置，對所述旋轉體的轉速進行運算。所述轉速運算機構也可根據基於所述主動齒輪的絕對位置而算出的對所述主動齒輪的齒部所賦予的齒數編號、及基於所述從動齒輪的絕對位置而算出的對所述從動齒輪的齒部所賦予的齒數編號的組合，來對所述旋轉體的轉速進行運算。 本發明的編碼器也可包括修正運算機構，進行以較所述主動齒輪的齒數更細的間距確定所述主動齒輪的絕對位置的修正、及以較所述從動齒輪的齒數更細的間距確定所述從動齒輪的絕對位置的修正，所述轉速運算機構也可在使根據以較所述主動齒輪的齒數更細的間距確定的所述主動齒輪的絕對位置、及以較所述從動齒輪的齒數更細的間距確定的所述從動齒輪的絕對位置而判別出的所述主動齒輪的嚙合狀態與所述從動齒輪的嚙合狀態互相一致後對所述旋轉體的轉速進行運算。形成於所述主動齒輪及所述從動齒輪的軌道包括絕對標度的光學軌道，其分別使反射率互不相同的2個反射區域根據PN(偽噪聲)碼序列而以旋轉軸為中心配置成環狀的，所述絕對位置運算機構根據來自所述檢測機構所檢測出的所述絕對標度的光學軌道的調製信號，而對所述主動齒輪的絕對位置及所述從動齒輪的絕對位置進行運算。形成於所述主動齒輪及所述從動齒輪的軌道可包括增量標度的光學軌道，其分別使反射率互不相同的2個反射區域以旋轉軸為中心交錯地以等間隔進行配置，所述修正運算機構根據來自所述檢測機構所檢測到的所述增量標度的光學軌道的調製信號而進行所述主動齒輪的絕對位置及所述從動齒輪的絕對位置的修正。所述檢測機構可包括多個分別檢測來自所述絕對標度的光學軌道的光的傳感器， 所述絕對位置運算機構根據選自來自所述絕對標度的光學軌道的多個反射光中的2個反射區域的邊界附近的反射光以外的反射光，而進行所述主動齒輪的絕對位置及所述從動齒輪的絕對位置的運算。所述主動齒輪的齒數與所述從動齒輪的齒數可是互斥的關係。
所述從動齒輪的直徑可小於所述主動齒輪的直徑。
本發明的電動機單元的特徵在於包括
旋轉體；
轉子，設置在所述旋轉體上；
轉；以及定子，通過與所述轉子之間的電磁相互作用，而使所述旋轉體與所述轉子一起旋
本發明的編碼器，檢測所述旋轉體的轉速。
本發明的致動器系統的特徵在於包括
本發明的電動機單元；以及
控制機構，控制所述電動機單元。
[發明的效果]
根據本發明，可根據來自形成於主動齒輪及與該主動齒輪嚙合的至少2個從動齒
輪的各個軌道的調製信號，而判別旋轉體的轉速。因此，由於任一個從動齒輪均直接與主動
5齒輪嚙合，所以可防止由齒輪的齒隙的累積等而導致檢測出現不良情況，並且可使裝置整體小型化。


圖I是表示本發明的第I實施方式的致動器的立體圖；圖2是表示圖I所示的致動器中所搭載的電動機單元的立體圖；圖3是表示圖I所示的致動器中所搭載的電動機單元的XY剖面圖；圖4是表示圖2及圖3所示的電動機單元中所搭載的編碼器單元的剖面圖；圖5是表示圖2及圖3所示的電動機單元中所搭載的編碼器單元的YZ剖面圖；圖6是表示構成圖4及圖5所示的編碼器單元的主動齒輪的圖，圖6(A)是表示主動齒輪的正面的圖，圖6(B)是將主動齒輪的正面的一部分放大表示的圖；圖7是表示構成圖4及圖5所示的編碼器單元的從動齒輪的圖，圖7(A)是表示從動齒輪的正面的圖(其一)，圖7(B)是表示從動齒輪的正面的圖(其二)；圖8是表示構成圖4及圖5所示的編碼器單元的檢測單元的圖，圖8(A)是表示檢測單元的正面的圖，圖8(B)是圖8(A)中所示的檢測單元的B-B剖面圖；圖9是表示圖2及圖3所示的編碼器單元及與編碼器單元相連接的控制器的框圖；圖10是用於說明構成檢測單元的絕對位置運算器的傳感器元件的選擇方法的圖，圖10(A)是以檢測I比特內的相位0°附近的方式配置傳感器元件的圖，圖10(B)是以檢測I比特內的相位180°附近的方式配置傳感器元件的圖；圖11是表示齒數編號與轉速的對應關係的圖；和
圖12是表示編碼器單元的變形例的框圖。
[符號說明]
10電動機單元
20伺服電動機
21夕卜殼
21a切口部
21b安裝部
21c開口
21d開口
22轉子
23定子
24a軸承
24b軸承
30軸(旋轉體)
31小徑部
40編碼器單元(編碼器)
41編碼器基板
42機殼
43編碼器底座
44軸承
46軸
47軸
46a小徑部
47a小徑部
50主動齒輪
51齒部
52開口
53光學軌道(增量標度)
53a高反射率區域
54a高反射率區域
53b低反射率區域
54b低反射率區域
54光學軌道(絕對標度)
60從動齒輪
61齒部
62開口
63光學軌道
64光學軌道
70從動齒輪
71齒部
72開口
73光學軌道
74光學軌道
80檢測單元(檢測機構)
81檢測單元本體
82LED發光部
83光學檢測器
84光學檢測器
85相位運算器
86絕對位置運算器
87修正運算器
88分割器
90檢測單元(檢測機構)
93光學檢測器
94光學檢測器
95相位運算器
96絕對位置運算器
97修正運算器
100檢測單元(檢測機構)
103光學檢測器
104光學檢測器
105相位運算器
106絕對位置運算器
107修正運算器
110轉速運算單元
111轉速運算器
120輸出單元
121多路復用器
122線路驅動器
200致動器
201滑塊
202電纜
300控制器
301控制部
302線路接收器
具體實施例方式以下，對本發明的實施方式的電動機單元10進行說明。此外，為容易理解，設定將 X軸設為電動機單元10的正面方向，將Y軸設為鉛垂方向，將Z軸設為側面方向的XYZ坐標而適當地進行參照。如圖I所示，電動機單元10安裝在包括沿X軸方向進行往返移動的滑塊201的致動器200的內部。在致動器200內部設置有滾珠絲槓、及固定滑塊201的球形螺母。滾珠絲槓的導程為例如10mm。該滾珠絲槓與電動機單元10的旋轉軸連結。而且，通過電動機單元10的旋轉軸的旋轉力而使滾珠絲槓與旋轉軸一起旋轉。另外，球形螺母隨著滾珠絲槓的旋轉而沿X軸方向移動。通過該球形螺母的移動， 滑塊201沿X軸方向移動。電纜202的一端與致動器200連接。電纜202的另一端與下述的控制器連接。如圖2所示，電動機單元10包括伺服電動機20、通過伺服電動機20沿與X軸平行的軸旋轉的軸30、以及用於檢測軸30的旋轉角度(絕對位置)和轉速的編碼器單元40。伺服電動機20具有形成為中空的長方體形狀的外殼21。外殼21的與X軸平行的各角部分分別形成有沿X軸的切口部21a。另外，在外殼21的+X側的端部形成有安裝部 21b，該安裝部21b中形成有貫通孔。通過插入至安裝部21b的貫通孔的螺栓或螺絲而將電動機單元10固定在致動器200的內部。如圖3所示，在外殼21的-X側及+X側分別形成有沿X軸方向貫通的圓形開口 21c、21d。軸30插入至開口 21c、21d。伺服電動機20中收納有固定在軸30的外周面的轉子22、以包圍轉子22的外周的方式而配置的定子23、及支撐軸30的一組軸承24a、24b。
轉子22形成為圓筒形狀。轉子22具有使軸30貫通的貫通孔。轉子22是以沿軸 30為中心的圓周交錯地出現多個N(北)極與S (南)極的方式而被磁化。定子23形成為圓筒形狀。定子23沿以軸30為中心的圓周具有與轉子22對向的多個極。多個極被劃分為幾個組。將構成各組的極的線圈串聯地連接在一起。軸承24a、24b以軸30可旋轉的方式對其進行支撐。軸承24a、24b是以相對於外殼21的開口 21c、21d為同軸的方式配置在外殼21的內部。軸30插入至軸承24a、24b。軸30形成為以X軸方向作為長度方向的圓柱形狀。軸30插入至外殼21的開口 21c、21d、軸承24a、24b。由此，X軸方向的兩端以從外殼21突出至外部的狀態可旋轉地被支撐。圖4及圖5是表示編碼器單元40的剖面圖。圖4是圖5的IV-IV剖面圖。如圖 4及圖5所示，編碼器單元40包括固定在軸30上的主動齒輪50、傳遞主動齒輪50的旋轉的從動齒輪60，70、配置在主動齒輪50的-X側的編碼器基板41、通過軸46，47可支撐從動齒輪60，70旋轉的編碼器底座43、以及收納這些構件的機殼42。軸46、47安裝為經由軸承 44可相對編碼器底座43轉動。如圖6(A)所示，主動齒輪50是作為在外周形成有多個齒部51的正齒輪而構成。 齒部51的數量為任意的數量。本實施方式的主動齒輪50的外周形成有41個齒部51。對各個齒部51依次賦予No. I至No. 41的齒數編號。在主動齒輪50的中央部形成有圓形的開口 52。通過將形成於軸30的-X側的端部的小徑部31嵌入至開口 52中，而將主動齒輪 50固定在軸30上。由此，主動齒輪50與軸30 —起旋轉。在主動齒輪50的-X側的面上，以主動齒輪50的旋轉軸為中心而形成有環狀的光學軌道53。如圖6(B)所示，光學軌道53是交錯地配置有多個形成為扇形的反射率互不相同的2個反射區域，即高反射率區域53a與低反射率區域53b。由此，構成增量標度。光學軌道53是以間距大致為80 y m(高反射率區域53a的間距大致為40 u m,低反射率區域53b 的間距大致為40 ym)的方式而形成。在主動齒輪50的-X側的面上形成有直徑小於光學軌道53的環狀的光學軌道54。 光學軌道54是根據PN(偽噪聲(Pseudo Noise, Pseudo Random Noise (偽隨機噪聲)))石馬序列而配置形成為扇形的反射率互不相同的2個反射區域，即高反射率區域54a與低反射率區域54b。由此，構成絕對標度。光學軌道54是以比特寬度與光學軌道53的角度間距一致且對應的方式而形成。如圖7(A)所示，從動齒輪60上形成有數量少於主動齒輪50的齒部51的多個齒部61。從動齒輪60是作為直徑小於主動齒輪50的正齒輪而構成。齒部61的數量為例如 24個。對各個齒部61依次賦予No. I至No. 24的齒數編號。這些齒數編號是沿與主動齒輪 50的齒部51的齒數編號的賦予方向相反的方向而被賦予。從動齒輪60的中央部具有圓形的開口 62。通過將形成於軸46的-X側的端部的小徑部46a嵌入至開口 62，而將從動齒輪 60固定在軸46上。由此，從動齒輪60與軸46—起旋轉。另外，與主動齒輪50同樣地，在從動齒輪60的-X側的面上形成有作為增量標度而構成的光學軌道63、和作為絕對標度而構成的光學軌道64。如圖7(B)所示，從動齒輪70包括數量少於主動齒輪50的齒部51的多個齒部71。 從動齒輪70是作為直徑小於主動齒輪50的正齒輪而構成。齒部71的數量為例如23個。對各個齒部71依次賦予No. I至No. 23的齒數編號。這些齒數編號是沿與主動齒輪50的齒部51的齒數編號的賦予方向相反的方向而被賦予。從動齒輪70的中央部具有圓形的開口 72。通過將形成於軸47的-X側的端部的小徑部47a嵌入至開口 72，而將從動齒輪70 固定在軸47上。由此，從動齒輪70與軸47 —起旋轉。與主動齒輪50及從動齒輪60同樣地，在從動齒輪70的-X側的面上形成有作為增量標度而構成的光學軌道73、與作為絕對標度而構成的光學軌道74。主動齒輪50的齒部51的齒數(41個)、從動齒輪60的齒部61的齒數(24個)、 及從動齒輪70的齒部71的齒數(23個)為互斥的關係。如圖5所示，編碼器基板41為長方形的部件。編碼器基板41固定在機殼42上。 在編碼器基板41的+X側的面上，安裝有用於檢測軸30的絕對位置(旋轉角度)及轉速的檢測單元80、90、100。3個檢測單元80、90、100是以分別與主動齒輪50、從動齒輪60、70對向的方式而安裝。如圖8(A)所示，檢測單元80包括對主動齒輪50照射光的LED(發光二極體)發光部82、檢測由主動齒輪50的光學軌道53，54所反射的調製光的光學檢測器83，84、以及支撐這些構件的檢測單元本體81。如圖8(B)所示，LED發光部82是配置在檢測單元本體81的中央部附近。LED發光部82對主動齒輪50的各個光學軌道53、54照射光。當從LED發光部82照射的光入射至高反射率區域53a、54a時以高反射率被反射。當從LED發光部82照射的光入射至低反射率區域53b、54b時以低反射率反射或散射或者被吸收。光學檢測器83是配置在LED發光部82的-Y側，且檢測主動齒輪50的光學軌道 53 (增量標度)反射的2個系統的光。在將光學軌道53的間距設為360°時，這2個系統的光的相位差為90° (1/4間距)。光學檢測器83輸出與所檢測的2個系統的反射光的強度相對應的2個系統的電壓信號。光學檢測器83由例如2個或2組光電二極體構成。以下，為方便說明，將從光學檢測器83輸出的2個系統的電壓信號分別定義為A相信號、B相信號。光學檢測器84配置在LED發光部82的+Y側，且檢測在主動齒輪50的光學軌道 54(絕對標度)反射的光。光學檢測器84輸出與所檢測的反射光的強度相對應的電壓信號。光學檢測器84由例如512個CMOS(互補金屬氧化物半導體)影像傳感器元件構成。如圖9所示，檢測單元80還包括相位運算器85、絕對位置運算器86、修正運算器 87、及存儲這些運算器在進行運算時所參照的表格等的信息的存儲部。這些運算器是作為 FPGA(現場可編程門陣列)的一部分而構成。光學軌道54(絕對標度)與光學軌道53(增量標度)的相位具有I : I的關係。 相位運算器85使用從光學檢測器83輸出的A相信號、B相信號，且根據下述式(I)而對光學軌道54的I比特內的相位0進行運算。9 = arc tan-1 (VA/VB)......(I)此處，Va為六相信號中的正弦波信號的輸出值，Vb SB相信號中的正弦波信號的輸出值。相位運算器85輸出與相位0相對應的信號。例如，在根據從光學檢測器83輸出的A相信號、B相信號而運算出I比特內的相位0為45°的情況下，如果I比特為80 ym， 則相位 9 相當於 10 u m( = 80 u mX45/360)。
絕對位置運算器86是用於根據從光學檢測器84輸出的信號來對光學軌道54的比特單位的絕對位置Ztl進行運算。絕對位置Ztl表示比特單位(大致SOym)中的軸30及主動齒輪50的旋轉角度。以下，對絕對位置運算器86的絕對位置Ztl的運算進行說明。首先，絕對位置運算器86從光學檢測器84的512個CMOS影像傳感器元件中僅選擇檢測到穩定的反射光的傳感器元件的輸出。具體來說，絕對位置運算器86根據與來自相位運算器85的相位0相對應的信號，而選擇檢測到高反射率區域54a與低反射率區域54b 之間的邊界附近的不穩定的反射光的傳感器元件以外的傳感器元件的輸出。圖10是表示傳感器元件與光學軌道的位置關係的圖。相對於傳感器元件84-1留出相位120°的間隔而配置傳感器元件84-2，且相對於傳感器元件84-2留出相位120°的間隔而配置傳感器元件84-3。在圖10(A)中，傳感器元件84-1是配置在檢測I比特內的相位0°附近的反射光的位置上。在此情況下，傳感器元件84-1檢測高反射率區域54a與低反射率區域54b之間的邊界附近處的反射光。傳感器元件84-2、84-3是配置在檢測I比特內的相位180° (中央)附近的反射光的位置上。因此，絕對位置運算器86選擇傳感器元件84-2、84-3的輸出。在圖10(B)中，傳感器元件84_1、84_2是配置在檢測I比特內的相位180° (中央)附近的反射光的位置上。傳感器元件84-3是配置在檢測I比特內的相位360°附近的反射光的位置上。在此情況下，傳感器元件84-3檢測高反射率區域54a與低反射率區域54b之間的邊界附近處的反射光。因此，絕對位置運算器86選擇傳感器元件 84-1,84-2的輸出。通過以上敘述，絕對位置運算器86可選擇檢測高反射率區域54a與低反射率區域54b之間的邊界附近的反射光的傳感器元件以外的、檢測到穩定的反射光的傳感器兀件的輸出。下面，絕對位置運算器86參照存儲部中所存儲的表示傳感器元件的輸出信號的組合與絕對位置Ztl的對應關係的表格，根據光學檢測器84的傳感器元件的輸出信號而對絕對位置Ztl進行運算。繼而，絕對位置運算器86輸出與該絕對位置Ztl相對應的信號。返回至圖9，修正運算器87通過對從絕對位置運算器86輸出的絕對位置Ztl加上從相位運算器85輸出的相位e，而對解析度高於絕對位置Ztl的絕對位置Z進行運算。修正運算器87輸出與絕對位置Z相對應的信號。例如，如果I比特內的相位0為45°，則當 I比特寬度為80 ilm時，算出相位0 = IOiI m( = 80 ilmX45/360)，所以通過對絕對位置Ztl 加上相位e = 10 iim，而可對解析度高於I比特的絕對位置Z進行運算。檢測單元90與檢測單元80同樣地包括對從動齒輪60的光學軌道63，64照射光的LED發光部、檢測在光學軌道63,64反射的調製光的光學檢測器93,94、相位運算器95、 絕對位置運算器96、修正運算器97、及存儲表格等的信息的存儲部。相位運算器95、絕對位置運算器96和修正運算器97作為FPGA的一部分而構成。LED發光部對從動齒輪60的各個光學軌道63、64照射光。當從LED發光部照射的光入射至高反射率區域63a、64a時以高反射率被反射，當從LED發光部照射的光入射至低反射率區域63b、64b時以低反射率反射或散射或被吸收。光學檢測器93檢測從動齒輪60的光學軌道63 (增量標度)反射的2個系統的光。在將光學軌道63的間距設為360°時,2個系統的光的相位差為90° (1/4間距)。光學檢測器93輸出與所檢測的2個系統的反射光的強度相對應的2個系統的A相信號、B相信號。光學檢測器93由例如2個光電二極體構成。
光學檢測器94檢測在從動齒輪60的光學軌道64 (絕對標度)反射的光。光學檢測器94輸出與所檢測的反射光的強度相對應的電壓信號。光學檢測器94由例如512個像素的CMOS影像傳感器構成。相位運算器95根據從光學檢測器93輸出的A相信號、B相信號，且根據式(I)而對光學軌道64的I比特內的相位進行運算。相位運算器95輸出與相位相對應的信號。絕對位置運算器96根據從光學檢測器94輸出的信號，對光學軌道64的比特單位的絕對位置a C1進行運算。絕對位置a ^表示比特單位中的從動齒輪60的旋轉角度。絕對位置運算器96例如參照存儲部中所存儲的表示來自光學檢測器94的電壓信號與絕對位置
的對應關係的表格，而對絕對位置進行運算。絕對位置運算器96輸出與絕對位置 a ^相對應的信號。修正運算器97通過對從絕對位置運算器96輸出的絕對位置a 0加上從相位運算器95輸出的相位，而對解析度高於絕對位置的絕對位置a進行運算。修正運算器97 輸出與絕對位置a相對應的信號。檢測單元100與檢測單元80、90同樣地包括對從動齒輪70的光學軌道73，74照射光的LED發光部、檢測在光學軌道73，74反射的調製光的光學檢測器103，104、相位運算器105、絕對位置運算器106、及修正運算器107。絕對位置運算器106根據從光學檢測器 104輸出的信號而對光學軌道74的比特單位的絕對位置進行運算。絕對位置表示比特單位中的從動齒輪70的旋轉角度。修正運算器107通過對從絕對位置運算器106輸出的絕對位置3 0加上從相位運算器105輸出的相位，而對解析度高於絕對位置3 ^的絕對位置P進行運算。修正運算器107輸出與該絕對位置P相對應的信號。如圖9所示，編碼器單元40除包括檢測單元80、90、100以外，還包括轉速運算單元110、輸出單元120。轉速運算單元110包括轉速運算器111、及存儲表示齒數編號與轉速R的對應關係的表格T等信息的存儲部。轉速運算器111根據主動齒輪50的絕對位置及從動齒輪60、70 的絕對位置，而對軸30的轉速進行運算。首先，轉速運算器111根據與來自修正運算器87、 97,107的絕對位置Z、a、^相對應的信號，來判別位於主動齒輪50、從動齒輪60、70各自的-Y側的齒部51、61、71的齒數編號。繼而，轉速運算器111以比主動齒輪50的齒數更細的間距來確定主動齒輪50的絕對位置Z。進而，轉速運算器111根據絕對位置Z來判別主動齒輪50的齒數編號切換為下一個齒數編號的定時。進而，轉速運算器111根據該定時， 以使主動齒輪50的嚙合狀態與從動齒輪60、70的嚙合狀態一致的方式，切換各個從動齒輪 60,70的齒數編號。繼而，轉速運算器111參照表格T，在使主動齒輪50的嚙合狀態與從動齒輪60、70 的嚙合狀態互相一致後，根據這些齒數編號的組合來對軸30的轉速R進行運算。轉速運算器111輸出與轉速R相對應的信號。在圖11中表示表格T的具體例。表格T是在主動齒輪50、從動齒輪60、70的齒數分別為5個、4個、3個時的例子。在圖11所示的表格T中，最左側的第I列表示位於主動齒輪50、從動齒輪60、70各自的-Y側的齒部51、61、71的齒數編號的組合編號。第I列的右側的第2列表不位於主動齒輪50的-Y側的齒部51的齒數編號。同樣地，第3列、第 4列表示位於從動齒輪60的-Y側的齒部61的齒數編號、位於從動齒輪70的-Y側的齒部71的齒數編號。表格T的最右側的第5列表示軸30 (主動齒輪50)的轉速R。參照圖11可知，主動齒輪50、從動齒輪60、70各自的齒數編號的組合的總數為60 種(60 = 5X4X3)。例如，當各自的齒數編號的組合為(No. UNo. 2,No. 3)時，組合編號為 No. 006。在此情況下，轉速運算器111通過參照表格T而運算出軸30 (主動齒輪50)的轉速R= I。另外，當各自的齒數編號的組合為(No. I、No. 2、No. 2)時，組合編號為No. 026。 在此情況下，轉速運算器111通過參照表格T而運算出軸30 (主動齒輪50)的轉速R = 5。然而，所述例子中，在主動齒輪50表示的齒數編號為No. I、從動齒輪60表示的齒數編號為No. I時，從動齒輪70表示的齒數編號為No. 3或No. 2的情況下，即便在齒數編號有一個不同的情況下，轉速運算器111運算出例如轉速為R = I或R = 5的差別較大的轉速R。因此，當由齒輪的齒隙導致齒輪的嚙合狀態產生變化，而使本來應表示齒數編號No. 2 的從動齒輪70表示為齒數編號No. 3時，轉速運算器111也會運算不正確的轉速R。因為本實施方式的從動齒輪60、70分別與主動齒輪50嚙合，所以所有齒輪的嚙合狀態(齒數編號的切換定時)相同。然而，有可能因齒輪的齒隙而導致齒輪彼此的嚙合狀態不同。因此，本實施方式的轉速運算器111檢測並判定主動齒輪50、從動齒輪60、70各自的齒數編號是將要進行切換之前、剛切換過、抑或是從切換後至下一次切換之間。而且，在這些嚙合狀態互相不同的情況下，轉速運算器111使各個從動齒輪60、70的嚙合狀態(齒數編號的切換定時)與主動齒輪50的嚙合狀態(齒數編號的切換定時)一致，而使所有齒輪的嚙合狀態相同。例如，在主動齒輪50的齒數編號的切換定時為剛切換過齒數編號，從動齒輪60、70的齒數編號的切換定時為將要切換齒數編號前的情況下，轉速運算器111使從動齒輪60、70的齒數編號的切換定時與主動齒輪50的齒數編號的切換定時一致，設為剛切換過齒數編號後。如上所述，從檢測單元80、90、100輸出的絕對位置Z、a、0的解析度與主動齒輪 50的齒部51、從動齒輪60的齒部61、從動齒輪70的齒部71相比足夠細。因此，例如，轉速運算器111對於各個齒部51、61、71分割為3個定時(將要進行切換前、剛進行切換後、從剛切換後至下一次切換之間)而進行檢測。而且，轉速運算器111將從動齒輪60、70的嚙合狀態切換為與主動齒輪50相同的嚙合狀態。轉速運算器111參照表格T，且根據這些齒數編號的組合而對軸30的轉速R進行運算。然而，運算方法為任意的方法。例如，在本實施方式中，齒數編號的組合的編號為固定的整數值，各齒輪(主動齒輪50、從動齒輪60、70)的齒數編號為已知的值，各齒輪的轉速為未知的值(變數)。因此，由3個變數構成的一次方程式可為3個。轉速運算器111也可根據這些方程式來對轉速R進行運算。另外，在本實施方式中，主動齒輪50、從動齒輪60、70各自的齒數編號的組合的總數為22，632種(22,632 = 41X24X23) 編碼器單元40的判別上限可為552圈(552 =22，632/41)。因此，由於如上所述致動器200的滾珠絲槓的導程為10mm，所以可判別5， 520mm(5, 520 = 552X 10)的行程的範圍內的滑塊201的位置。如圖9所示，輸出單元120包括切換2組信號({A、B}與{Z、R})的多路復用器121 與線路驅動器122。多路復用器121在接通電源後或進行重置時，首先輸出與從檢測單元80的修正運算器87輸出的絕對位置Z相對應的電壓信號、及與從轉速運算單元110的轉速運算器111輸出的轉速R相對應的電壓信號。下述控制器的控制部根據這些信號而確定當前位置。繼而，多路復用器121將這些信號切換為從檢測單元80的光學檢測器83輸出的A相信號與 B相信號而輸出A相信號與B相信號。控制部根據這些信號進行遞增/遞減計數而將當前位置更新(增量編碼器功能)。線路驅動器122輸出基於從多路復用器121輸出的信號與使該信號的相位反轉所得的信號的差的差動信號。如圖9所示，控制器300連接於包括上述編碼器單元40的電動機單元10。控制器 300包括線路接收器302與控制部301。線路接收器302將從線路驅動器122輸出的差動信號轉換為初始的信號。而且， 將該信號輸入至控制部301。控制部301包括CPU (中央處理器)、主存儲部、輔助存儲部等。控制部301根據來自線路接收器302的信號而確定並識別當前位置，且控制伺服電動機20。參照圖9對如上述構成的電動機單元10的動作進行說明。如果將包括電動機單元10、控制器300等的致動器系統的電源接通，則編碼器單元40的檢測單元80根據來自主動齒輪50的光學軌道54 (絕對標度)的反射光，而對主動齒輪50的絕對位置Ztl進行運算。另外，檢測單元80根據來自光學軌道53(增量標度)的反射光而對光學軌道54的I比特內的相位0進行運算。檢測單元80根據這些絕對位置 Z0及相位e，而對解析度較絕對位置Ztl高的絕對位置z進行運算。檢測單元80將與絕對位置Z相對應的信號輸出至轉速運算單元110及輸出單元120。檢測單元90、100與檢測單元80同樣地，根據來自從動齒輪60、70的光學軌道64、 74 (絕對標度)的反射光，而輸出從動齒輪60、70的絕對位置檢測單元90、100根據來自光學軌道63、73(增量標度)的反射光而對從動齒輪60、70的光學軌道64、74的I 比特內的相位進行運算。檢測單元90、100根據絕對位置a(l、3 C1及相位，而對解析度較絕對位置a。、高的絕對位置a、^進行運算。檢測單元90、100將與絕對位置a、@相對應的信號輸出至轉速運算單元110。轉速運算單元110根據與來自檢測單元80、90、100的絕對位置Z、a相對應的信號，而對主動齒輪50、從動齒輪60、70各自的齒數編號進行運算，且根據這些組合來對軸 30的轉速R進行運算。轉速運算單元110將與轉速R相對應的信號輸出至輸出單元120。輸出單元120在接通電源後或進行重置時，將與絕對位置Z相對應的信號、與轉速 R相對應的信號輸出至控制器300，其後，通過多路復用器121的切換而將主動齒輪50的A 相信號、B相信號持續輸出至控制器300。控制器300根據與來自編碼器單元40的絕對位置Z相對應的信號、與轉速R相對應的信號，而將主動齒輪50的絕對位置Z、轉速R作為軸30的絕對位置Z、轉速R的初始值而加以存儲。控制器300根據主動齒輪50的A相信號、B相信號，對所述初始值進行遞增/ 遞減計數而將當前位置更新。如果存儲絕對位置Z、轉速R，則控制器300使電流流過伺服電動機20的定子23 的線圈。而且，切換流過電流的線圈。由此，使線圈勵磁而在定子23與轉子22之間產生斥力或引力。其結果，軸30與定子23—起旋轉。如果軸30進行旋轉，則主動齒輪50與軸30—起旋轉。另外，通過與主動齒輪50
14嚙合，從動齒輪60及從動齒輪70也沿與主動齒輪50的旋轉方向相反的旋轉方向進行旋轉。當軸30的旋轉速度為勻速時，從檢測單元80的LED發光部82照射的光通過光學軌道53(增量標度)而一邊使其反射強度增減一邊進行反射。檢測單元80將與由光學軌道53所反射的光的強度相對應的A相信號與B相信號輸出至控制器300。A相信號的值是每經過周期T就從高電平變為低電平。B相信號相對於A相信號而提前T/4周期，且每經過周期T就從高電平變為低電平。由此，檢測單元80輸出相位相互僅相差1/4周期的2個信號即A相信號及B相信號。控制器300針對軸30的絕對位置Z、轉速R的初始值，對A相信號或B相信號的脈衝進行計數。通過該計數而求出旋轉的軸30的絕對位置Z、轉速R的當前值。控制器300 根據這些絕對位置Z、轉速R的當前值而控制伺服電動機20。另外，另一方面，即便在執行所設置的初始值重置手段的情況下，控制器300也存儲軸30的絕對位置Z、轉速R的初始值。控制器300對A相信號及B相信號的脈衝進行遞增/遞減計數。控制器300通過該計數而求出旋轉的軸30的絕對位置Z、轉速R的當前值。 控制器300根據這些絕對位置Z、轉速R的當前值而控制伺服電動機20。如以上所說明般，本實施方式的編碼器單元40檢測來自形成於主動齒輪50、及與主動齒輪50嚙合的從動齒輪60及從動齒輪70的各個光學軌道53、54、63、64、73、74的光。 由此，編碼器單元40判別軸30的轉速R的絕對位置Z (旋轉角度)。因此，由於任一個從動齒輪60、70均直接與主動齒輪50嚙合，所以可防止由齒輪的齒隙的累積等所導致的誤檢測，並且可使編碼器單元40等小型化。另外，因為使所有從動齒輪直接連接於主動齒輪,而並非將多個從動齒輪串聯地連接在一起，所以與現有的將多個從屬齒輪串聯地連接在一起的編碼器單元相比，不存在齒輪的齒隙的累積。因此，與具有相同程度的轉速檢測範圍的現有編碼器單元的齒輪相比， 編碼器單元40的齒輪無須那樣精密地形成。其結果，可降低製造成本。另外，因為可僅以主動齒輪50與2個從動齒輪60、70來檢測轉速R，所以可無需電池及存儲器。另外，在本實施方式中，轉速運算器111根據解析度較主動齒輪50的齒數更細的絕對位置Z，而判別主動齒輪50的齒數編號切換為下一個齒數編號的定時。轉速運算器111 根據該定時來切換從動齒輪60、70各自的齒數編號。由此，即便使用齒隙較大的齒輪，也可使主動齒輪50、從動齒輪60、70的所有齒輪的嚙合狀態一致，所以不存在齒數編號讀取錯誤的情況，從而可獲得高可靠性。另外，在本實施方式中，因為從動齒輪60及從動齒輪70直接與主動齒輪50嚙合， 所以可使齒輪的個數非常少，且可使編碼器單元40的厚度(X軸方遞增的尺寸)變薄。由此，可有助於實現電動機單元10的小型化。另外，本實施方式的編碼器單元40是將LED發光部82、檢測單元90，100的LED發光部、及光學檢測器83，84，93，94，103，104安裝在同一編碼器基板41上的反射光學式的編碼器。因此，可使編碼器單元40的厚度變薄。由此，可有助於實現電動機單元10的小型化及低成本化。另外，在本實施方式中，用於輸出A相信號及B相信號的主動齒輪50是以其直徑大於從動齒輪60、70的方式而形成。僅用於對齒數編號進行運算的從動齒輪60、70是以其直徑小於主動齒輪50的方式而形成。由此，能夠以大的直徑形成必需高解析度的光學軌道 53、54，並且可使編碼器單元40的尺寸(Y軸方向及Z軸方向的尺寸)縮小。由此，可有助於實現電動機單元10的小型化。另外，在本實施方式中，絕對位置運算器86從光學檢測器84的512個CMOS影像傳感器元件中，僅選擇檢測出穩定的反射光的傳感器元件的輸出。由此，可運算高可靠性的絕對位置Z。以上，對本發明的實施方式進行了說明，但本發明並不受所述實施方式等的限定。在所述實施方式中，編碼器單元40包括2個從動齒輪60、70，但也可包括3個從動齒輪。例如，在添加有齒數為25個的第3從動齒輪的情況下,各自的齒數編號的組合的總數為565，800種(565, 800 = 41 X 24X 23 X 25)，編碼器單元40的判別上限可為13,800圈 (13,800 = 565,800/41)。因此，可判別 138m(138, 000 = 13,800X10)的行程的範圍內的滑塊201的位置。另外，也可包括4個以上的從動齒輪。另外，在上述實施方式中，主動齒輪50的齒部51的齒數(41個)、從動齒輪60的齒部61的齒數(24個)、從動齒輪70的齒部71的齒數(23個)是以成為互斥的關係的方式而形成。然而，並不限定於此，各自的齒數也可不為互斥的關係。但是，在並非互斥的關係的情況下，相同轉速下的齒數編號的相同組合會增加，且對應的轉換表變大，所以優選的是互斥的關係。另外，在本實施方式中，在將致動器系統的電源接通的情況下，及在執行初始值重置手段的情況下，控制器300存儲有軸30的絕對位置Z、轉速R的初始值。控制器300對A 相信號或B相信號的脈衝進行計數，並通過該計數而求出旋轉的軸30的絕對位置Z、轉速R 的當前值。然而，並不限定於此，也可每隔固定時間就存儲軸30的絕對位置Z、轉速R的初始值。另外，也可始終存儲軸30的絕對位置Z、轉速R的初始值。 另外，在本實施方式中，將與絕對位置Z相對應的信號及與轉速R相對應的信號合而為一所得的信號、及A相信號及B相信號合而為一所得的信號作為並行信號而從線路驅動器122中輸出。然而，並不限定於此，也可作為串行信號而輸出。另外，如圖9所示，上述實施方式的檢測單元80將來自光學檢測器83的A相信號、B相信號直接輸出至輸出單元120。然而，並不限定於此，如圖12所示，也可配置分割器 88 (插值器),並經過該分割器88將A相信號、B相信號輸出至輸出單兀120。在此情況下， 可使A相信號、B相信號的解析度提高。另外，在本實施方式中，絕對位置運算器86、96、106參照表示存儲部中所存儲的傳感器元件的輸出信號的組合與絕對位置4、Q0, 的對應關係的表格，且根據光學檢測器84、94、104的所選擇的傳感器元件的輸出信號而對絕對位置4、a0> Ptl進行運算。然而，並不限定於此，也可使用移位寄存器(LFSR(線性反饋移位寄存器))來對絕對位置4、 a0> ^進行運算。另外，在本實施方式中使用有伺服電動機20，但當然也可代替伺服電動機20而使用脈衝電動機。另外，在本實施方式中使用有光學式的檢測方法，但當然利用靜電電容式或磁力式等也可構成相同的功能。
本發明可在不脫離本發明的廣義的精神與範圍的前提下實施各種實施方式及變形。所述實施方式用以說明本發明而非限定本發明的範圍。
權利要求
1.一種編碼器，檢測旋轉體的轉速，其特徵在於，包括主動齒輪，配置於所述旋轉體的旋轉中心，且形成有表示旋轉角度的圖案的軌道以旋轉軸為中心而形成為環狀；至少2個從動齒輪，以與所述主動齒輪嚙合的方式配置，且形成有表示旋轉角度的圖案的軌道以旋轉軸為中心而形成為環狀；檢測機構，檢測來自所述軌道的調製信號；絕對位置運算機構，根據來自所述檢測機構的信號，而進行表示所述主動齒輪的旋轉角度的絕對位置及表示所述從動齒輪的旋轉角度的絕對位置的運算；以及轉速運算機構，根據所述主動齒輪的絕對位置及所述從動齒輪的絕對位置，對所述旋轉體的轉速進行運算。
2.根據權利要求I所述的編碼器，其特徵在於所述轉速運算機構根據基於所述主動齒輪的絕對位置而算出的所述主動齒輪的齒部所賦予的齒數編號、及基於所述從動齒輪的絕對位置而算出的所述從動齒輪的齒部所賦予的齒數編號的組合，來對所述旋轉體的轉速進行運算。
3.根據權利要求2所述的編碼器，其特徵在於包括修正運算機構，進行以較所述主動齒輪的齒數更細的間距確定所述主動齒輪的絕對位置的修正、及以較所述從動齒輪的齒數更細的間距確定所述從動齒輪的絕對位置的修正，所述轉速運算機構在使得根據以較所述主動齒輪的齒數更細的間距確定的所述主動齒輪的絕對位置、及以較所述從動齒輪的齒數更細的間距確定的所述從動齒輪的絕對位置而判別出的所述主動齒輪的嚙合狀態與所述從動齒輪的嚙合狀態互相一致後，對所述旋轉體的轉速進行運算。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的編碼器，其特徵在於形成於所述主動齒輪及所述從動齒輪的軌道包括絕對標度的光學軌道，其分別使反射率互不相同的2個反射區域根據PN(偽噪聲)碼序列而以旋轉軸為中心配置成環狀的， 所述絕對位置運算機構根據來自所述檢測機構所檢測出的所述絕對標度的光學軌道的調製信號，對所述主動齒輪的絕對位置及所述從動齒輪的絕對位置進行運算。
5.根據權利要求3所述的編碼器，其特徵在於形成於所述主動齒輪及所述從動齒輪的軌道包括增量標度的光學軌道，其分別使反射率互不相同的2個反射區域以旋轉軸為中心交錯地以等間隔進行配置，所述修正運算機構根據來自所述檢測機構所檢測到的所述增量標度的光學軌道的調製信號，進行所述主動齒輪的絕對位置及所述從動齒輪的絕對位置的修正。
6.根據權利要求4所述的編碼器，其特徵在於所述檢測機構包括多個分別檢測來自所述絕對標度的光學軌道的光的傳感器，所述絕對位置運算機構根據選自來自所述絕對標度的光學軌道的多個反射光中的2 個反射區域的邊界附近的反射光以外的反射光，而進行所述主動齒輪的絕對位置及所述從動齒輪的絕對位置的運算。
7.根據權利要求I至6中任一項所述的編碼器，其特徵在於所述主動齒輪的齒數與所述從動齒輪的齒數為互斥的關係。
8.根據權利要求I至7中任一項所述的編碼器，其特徵在於所述從動齒輪的直徑小於所述主動齒輪的直徑。
9.一種電動機單元，其特徵在於，包括旋轉體；轉子，設置在所述旋轉體上；定子，通過與所述轉子之間的電磁相互作用而使所述旋轉體與所述轉子一起旋轉；以根據權利要求I至8中任一項所述的編碼器，檢測所述旋轉體的轉速。
10.一種致動器系統，其特徵在於，包括根據權利要求9所述的電動機單元；以及控制機構，控制所述電動機單元。
全文摘要
編碼器單元(40)根據來自主動齒輪(50)、及與主動齒輪(50)嚙合的從動齒輪(60)、(70)上形成的各個光學軌道(54)、(64)、(74)的光，而檢測軸(30)的轉速。因此，由於任一個從動齒輪(60)、(70)均直接與主動齒輪(50)嚙合，所以可防止因齒輪的齒隙的累積等而導致的可靠性的下降，並且可使編碼器單元(40)及電動機單元(10)小型化。
文檔編號H02K11/00GK102607616SQ201210011130
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月13日 優先權日2011年1月14日
發明者藤永輝明 申請人:株式會社Iai