JPH0743134A - 回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 塵埃などの多い測定条件の悪い場所でも、多
数のセンサを用いることなく、簡単な構成で回転角を正
確に検出できるようにすることを目的とする。 【構成】 回転軸２にカム状の回転子１が取り付けら
れ、当該回転子１のカム輪郭面３までの距離を非接触で
測定する測距センサ４が当該カム輪郭面３に対峙して配
設されると共に、前記カム輪郭面３は測距センサ４との
距離が回転軸２の回転角に応じて変化するように形成さ
れ、前記測距センサ４の出力信号に基づき、カム輪郭面
３までの距離と回転軸２の回転角との関係を予め記憶し
た距離−角度変換テーブル６を参照して回転角を算出す
る演算装置５を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械，ロボット，
搬送装置などを制御するために位置検知装置として使用
される回転角検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転角を検出するものとして、従来より
ロータリーエンコーダが知られているが、例えば、光学
式のロータリーエンコーダにあっては、円周方向に所定
のピッチでスリットを形成した回転円盤を用い、回転量
に応じて発生する光パルスを計数して回転角を検出する
インクリメンタルタイプと、回転角に応じたバイナリー
コードを複数のスリット列で符号化した回転円盤を用
い、そのバイナリーコードを読み取って回転角を検出す
るアブソリュートタイプのものがある。

【０００３】この場合に、インクリメンタルタイプのも
のはスリットパターンが単純で構造が簡単になり価格的
に安価であり、瞬間回転速度を検出するには優れている
という利点があるものの、途中でミスカウントされた場
合にそれが累積されて角度を正確に検出できない場合が
ある。このため、角度を正確に検出する必要があるとき
は、途中のミスカウントが累積されることがなく、ま
た、高速回転に対して光電素子，電気回路の応答性を問
題にする必要のないアブソリュートタイプのロータリー
エンコーダが広く使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アブソ
リュートタイプのものは、例えば１回転を３６０度とい
う比較的粗い精度で検出する場合でも９ビット必要とな
るので、発光受光素子もそのビット数に応じて９組設け
なければならない。したがって、精度を向上させればさ
せるほど発光受光素子の数も多くなり、構造が複雑にな
ってコストが嵩むだけでなく、その分、消費電力も増え
るので停電時に用いるバックアップ用バッテリーとして
大型電池を用いなければならないという問題があった。

【０００５】このため、回転軸に円盤を偏心させて取り
付け，その周面に対峙して配設さたナイフエッジとの隙
間を透過する回折させ、回転角度に応じて変化する光強
度に基づいてその回転角度を検出するものが提案されて
いる（特開昭６２−２４０８１４号公報参照）が、この
場合は、回折光の僅かな光強度を検出するために、各部
品を精度よく組み立てなければならず、また、測定の際
に受光素子面を常に綺麗な状態に維持しなければ精度よ
く検出できないので、塵埃などの多い測定条件の悪い場
所では、結局、上述のアブソリュートタイプのものを使
用せざるを得なかった。そこで、本発明は、塵埃などの
多い測定条件の悪い場所でも多数のセンサを用いること
なく、簡単な構成で回転角を正確に検出できるようにす
ることを技術的課題としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明は、回転軸にカム状の回転子が取り付けら
れ、当該回転子のカム輪郭面までの距離を非接触で測定
する測距センサが当該カム輪郭面に対峙して配設される
と共に、前記カム輪郭面は測距センサとの距離が回転軸
の回転角に応じて変化するように形成され、前記測距セ
ンサの出力信号に基づき、カム輪郭面までの距離と回転
軸の回転角との関係を予め記憶した距離−角度変換テー
ブルを参照して回転角を算出する演算装置を備えたこと
を特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明によれば、回転子のカム輪郭面に対峙し
て測距センサが配設されており、カム輪郭面は測距セン
サとの距離が回転軸の回転角に応じて変化するように形
成されているので、回転軸を回転させると、測距センサ
とカム輪郭面との距離が変化する。したがって、測距セ
ンサでカム輪郭面までの距離を測定し、その測定結果に
基づき、距離−角度変換テーブルを参照するとにより回
転角が算出される。この場合、センサはカム輪郭面まで
の距離を測定する測距センサだけで足り、回転角を検出
するために多数のセンサを設ける必要がなく、また、光
の強度変化に基づいて検出するものではないので、埃な
どの多い測定条件の悪い場所でも精度よく回転各を検出
することができる。なお、同時に回転速度を検出する場
合には、回転子をインクリメンタルタイプのロータリー
エンコーダと同軸的に取り付け、当該ロータリーエンコ
ーダで発生されたパルス信号に基づいて検出すればよ
い。

【０００８】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
具体的に説明する。図１は本発明に係る回転角検出装置
の一例を示すフローシート、図２は回転角と距離の関係
を示すグラフ、図３乃至図５は他の実施例を示す斜視図
である。

【０００９】図中１は、例えば工作機械のテーブルを移
動させる駆動モータ（図示せず）等の回転軸２に取り付
けられたカム状の回転子であって、インクリメンタルタ
イプロータリーエンコーダの回転円盤Ｄと同軸的に取り
付けられ、その外周面がカム輪郭面３となる平板カム状
に形成されて、カム輪郭面３までの距離を非接触で測定
する測距センサ４が当該カム輪郭面３に対峙して取り付
けられている。

【００１０】回転子１のカム輪郭面３は、測距センサ４
との距離が回転軸２の回転角に応じて変化するように形
成され、例えば回転角０度から３６０度に至るまで回転
子の半径方向長さが徐々に短くなるように形成されて、
回転角０度の位置に段差が形成されている。また、測距
センサ４は例えば半導体レーザを用いた光干渉計からな
り、測距センサ４とカム輪郭面３との距離を非接触で、
且つ、ナノメートル単位で精密に測定することができ
る。

【００１１】回転軸２の回転角ｘと、回転子１のカム輪
郭面３までの距離ｙの関係は、例えば図２に示すよう
に、回転角ｘが０度のときの距離ｙを０としたときに、
回転角３６０度に至るまで距離ｙが１０mmまで直線的に
変化する場合、ｙ＝ｘ／３６で表され、回転角と距離と
は１対１に対応し、距離ｙを測定することにより回転角
ｘをｘ＝３６ｙの式から算出することができる。

【００１２】５は、測距センサ４の出力信号に基づいて
回転角を算出する演算装置であって、回転角ｘと距離ｙ
の関係（例えばｘ＝３６ｙ）を予め記憶した距離−角度
変換テーブル６に接続されてなり、測距センサ４で測定
された距離に基づいて前記変換テーブル６を参照し回転
角ｘを算出する。なお、距離−角度変換テーブル６は、
回転角と距離の関係を計算式で記憶する場合に限らず、
データとして記憶している場合であってもよい。

【００１３】また、７は、回転円盤Ｄ上に形成された基
準パルス発生用スリットであって、回転軸２が３６０度
以上回転する場合に回転角０度の位置で基準パルスを出
力するように、当該スリット７を挟んで回転円盤Ｄの両
面側に発光素子８及び受光素子９が対向配設され、受光
素子９で検出された基準パルス数を演算装置５で計数す
ることにより回転軸２が何回転したかをカウントする。

【００１４】さらに、１０は回転角ｘのときの回転速度
を検出するためのパルススケールであって、回転子１の
円周方向に沿って前記回転円盤Ｄ上に所定のピッチのス
リットが形成されてなり、当該パルススケール１０を挟
んで回転円盤Ｄの両面側に発光素子１１及び受光素子１
２が対向配設され、受光素子１２で検出されたパルス１
周期の時間を計測することにより回転速度が検出され
る。

【００１５】以上が本発明の一例構成であって次にその
作用について説明する。まず、回転子１を取り付けた回
転軸２が回転すると、その回転角に応じて測距センサ４
からカム輪郭面３までの距離が変化し、その距離がリア
ルタイムで測定され、測定された距離ｙに基づいて回転
角ｘが算出される。このとき、距離と回転角は１対１の
対応関係にあるので、距離を測定することにより回転角
が一義的に定まることとなり、回転軸２の回転方向など
を考慮する必要は全くない。また、反射光の強度に基づ
いて回転角度を検出するのではなく、測定された距離に
基づいて回転角度を検出するので、塵埃などの多い測定
条件の悪い場所でも測定誤差を生ずることがない。

【００１６】また、回転子１にカム輪郭面３を形成する
だけでよく、複雑なパターンのスリットを設ける必要は
全くないので、極めて簡単な構成で精密な角度検出を行
なうことができ、しかも装置自体を安価に提供すること
ができる。なお、回転子１はパルススケール１０を形成
した回転円盤Ｄと一体に取り付けられているので、必要
があれば、パルススケール１０を透過する光パルスに基
づいて回転速度を検出することができる。

【００１７】さらに、ＮＣ工作機の送りねじのように 3
60度以上回転するような場合でも、回転子１が一回転す
るたびにスリット７から基準パルスが出力されるので、
パルスを計数することにより送りねじの回転量を知るこ
とができる。具体的に説明すると、例えば、ＮＣ工作機
のテーブルが基準位置にあるとき、回転数０，回転角０
度となるように回転子１をテーブルの送りねじの回転軸
２に取り付ける。

【００１８】このとき、送りネジが１回転するとテーブ
ルはそのピッチｐだけ移動するので、テーブルを距離Ｌ
だけ移動させようとする場合、送りネジをＬ／ｐ回転さ
せる必要があり、その位置に達するまでの回転数Ｎと回
転角ｘは、 Ｎ＝ Integer (Ｌ／ｐ） ｘ＝〔（Ｌ−Ｎｐ）／ｐ〕×360 で表せられる。

【００１９】したがって、テーブルを距離Ｌだけ移動さ
せる場合には、送りねじが１回転するごとに出力される
基準パルスを計数し、その値がＮ回になった後に、回転
角が〔（Ｌ−Ｎｐ）／ｐ〕×360 度に達したところで、
駆動モータ（図示せず）を停止させればよい。

【００２０】図３は他の実施例を示す斜視図であって、
本例では、回転子１が円筒カム状に形成され、カム輪郭
面３となる筒端面に対峙して測距センサ４が配設される
と共に、カム輪郭面３は測距センサ４からの距離が回転
角に対して１対１に対応するように回転角０度から３６
０度に至るまで徐々に低くなるように形成され、回転角
０度のところで段差が形成されている。

【００２１】また、回転子１の外周には回転角０度に対
応する位置に反射体２１が形成され、当該反射体２１に
光を照射すると共にその反射光を受光する光センサ２２
が配設されて、回転子１が１回転するたびに基準パルス
を検出するように成され、前述と全く同様に回転角を検
出することができる。

【００２２】図４に示す実施例では、回転子１の回転角
０度と１８０度のところに段差が形成されて、回転角０
度から１８０度に至るまでと、回転角１８０度から３６
０度に至るまで、夫々半径方向長さが徐々に短くなるよ
うに形成されて成る。ただし、この場合は、回転角と距
離が１対１に対応しないので、基準パルスを発生するス
リット２４及び２５を回転角０度と回転角１８０度に対
応する位置に形成しておけばよい。なお、このタイプは
回転子１が回転軸２を中心として点対称形に形成され、
重心が回転軸２上にあり、高速回転しても回転子１が振
動しないので、高速回転される回転軸２の回転角を検出
するのに適している。

【００２３】また、図５に示す実施例では、回転子１の
カム輪郭面３が、回転角０度から１８０度に至るまで徐
々に半径方向長さが短くなり、回転角１８０度から３６
０度に至るまでは徐々に半径方向長さが長くなるように
形成されている。そして、回転角０度から１８０度の範
囲と、回転角１８０度から３６０度の範囲を識別するた
めの透孔部２６が回転子１の円周方向に沿って形成され
ると共に、当該透孔部２６に対して光を照射する発光素
子２７と、その透過光２８を受光する受光素子２８が透
孔部２６を挟んで対向配設されている。

【００２４】なお、実施例の説明では、カム輪郭面３ま
での距離を測定する測距センサ４として、光学的な検出
手段を採用した場合について説明したが、本発明はこれ
に限るものではなく、磁気的な検出手段や、超音波を使
用した検出手段等、非接触で測定する任意の検出手段を
採用することができる。また、距離と回転角が直線的に
変化するようにカム輪郭面３を形成する場合に限らず、
曲線的に変化するように形成してもよい。さらに、回転
子１は、平板カム状，円筒カム状に限るものではなく、
カム輪郭面３から測距センサ４までの距離が回転角に応
じて変化する形状に形成されていれば任意の形状に形成
することができる。

【００２５】なお、カム輪郭面の段差を検出することに
より基準位置を検出すれば、基準パルス発生用のスリッ
トを省略することができる。また、カム輪郭面３の不連
続部分においても連続的に角度を検出しようとする場合
には、一つの回転軸２に、二つの回転子１を任意の位相
差で取り付けて夫々に別々の測距センサ４を設け、一方
の回転子１の不連続部分を他方の回転子１の連続部分で
補うようにすればよい。さらに、測距センサ４で検出さ
れた距離の変化率（増減）によって、回転軸２の回転方
向を知ることもできる。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、カ
ム輪郭面までの距離を測定することにより回転角を検出
するようにしたので、回転子に複雑なスリットパターン
等を形成したり、多数の光学センサを用いることなく、
塵埃などの多い測定条件の悪い場所でも精度よく検出す
ることができるという大変優れた効果を有し、さらに、
構成が極めて簡単で装置全体のコストを低減することが
できるという効果も有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明装置の一例を示すフローシート。

【図２】 距離と回転角の関係を示すグラフ。

【図３】 他の実施例を示す斜視図。

【図４】 他の実施例を示す斜視図。

【図５】 他の実施例を示す斜視図。

【符号の説明】

１・・・回転子 ２・・・回転軸 ３・・・カム輪郭面 ４・・・測距センサ ５・・・演算装置 ６・・・距離−角度変換テ
ーブル ７・・・スリット ８・・・発光素子 ９・・・受光素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸（２）にカム状の回転子（１）が
   取り付けられ、当該回転子（１）のカム輪郭面（３）ま
   での距離を非接触で測定する測距センサ（４）が当該カ
   ム輪郭面（３）に対峙して配設されると共に、前記カム
   輪郭面（３）は測距センサ（４）との距離が回転軸
   （２）の回転角に応じて変化するように形成され、前記
   測距センサ（４）の出力信号に基づき、カム輪郭面
   （３）までの距離と回転軸（２）の回転角との関係を予
   め記憶した距離−角度変換テーブル（６）を参照して回
   転角を算出する演算装置（５）を備えたことを特徴とす
   る回転角検出装置。
2. 【請求項２】 前記回転子（１）が、インクリメンタル
   タイプのロータリーエンコーダの回転円盤（Ｄ）と同軸
   的に取り付けられてなる前記請求項１記載の回転角検出
   装置。