专利名称：编码器、电动机单元及致动器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种编码器、电动机单元及致动器系统。
背景技术：
在自动化发展先进的工厂等中使用有大量的电动致动器。这些电动致动器中所搭载的电动机单元包括检测电动机的轴的转速或旋转角度(绝对位置)的编码器。而且，这种编码器中也大多使用绝对式编码器。因为绝对式编码器在接通电源后无需原点回归动作， 所以可提高工厂设备等的运转率。绝对式编码器通常包括电池及存储器。当供给至绝对式编码器的电源断开时，通过备用电池将表示电动机的轴的转速的值保存至存储器中。而且，当供给至绝对式编码器的电源接通时，从存储器中读出表示转速的值。对该表示转速的值重新加上表示转速的值。然而，这种绝对式编码器有可能产生因电池的电压降而无法正常地工作的不良情况。因此，必须定期地更换电池。另外，当在供给至绝对式编码器的电源断开时轴旋转时， 也有可能在转速中产生误差。因此，迫切希望无需从电池供给电源的绝对式编码器。对于所述问题，在下述专利文献中公开有不使用电池的绝对式编码器。[背景技术文献][专利文献][专利文献I]日本专利特公平5-38243号公报[专利文献2]日本专利特开2010-44055号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]上述专利文献中所记载的编码器包括用于检测轴的转速而与轴一起旋转的主动齿轮；和用于保持轴的转速而相应于主动齿轮的旋转而旋转的从动齿轮。进而，为扩大轴的转速的检测范围而包括多个从动齿轮。多个从动齿轮是以串联地传递主动齿轮的旋转力的方式而互相串级连接。因此，为防止齿轮的齿隙的累积而必须使用高精度且高成本的齿轮。 另外，因将多个从动齿轮串级连接，所以会使编码器大型化。本发明鉴于上述情况下而完成，其目的在于提供一种小型且低成本、高可靠性的编码器、电动机单元及致动器系统。[解决问题的技术手段]为达成所述目的，本发明提供一种编码器，检测旋转体的转速，且包括主动齿轮，配置于所述旋转体的旋转中心，且形成有表示旋转角度的图案的轨道以旋转轴为中心而形成为环状；至少2个从动齿轮，以与所述主动齿轮啮合的方式配置，且形成有表示旋转角度的图案的轨道以旋转轴为中心而形成为环状；检测机构，检测来自所述轨道的调制信号；
绝对位置运算机构，根据来自所述检测机构的信号，而进行表示所述主动齿轮的旋转角度的绝对位置及表示所述从动齿轮的旋转角度的绝对位置的运算；以及转速运算机构，根据所述主动齿轮的绝对位置及所述从动齿轮的绝对位置，对所述旋转体的转速进行运算。所述转速运算机构也可根据基于所述主动齿轮的绝对位置而算出的对所述主动齿轮的齿部所赋予的齿数编号、及基于所述从动齿轮的绝对位置而算出的对所述从动齿轮的齿部所赋予的齿数编号的组合，来对所述旋转体的转速进行运算。 本发明的编码器也可包括修正运算机构，进行以较所述主动齿轮的齿数更细的间距确定所述主动齿轮的绝对位置的修正、及以较所述从动齿轮的齿数更细的间距确定所述从动齿轮的绝对位置的修正，所述转速运算机构也可在使根据以较所述主动齿轮的齿数更细的间距确定的所述主动齿轮的绝对位置、及以较所述从动齿轮的齿数更细的间距确定的所述从动齿轮的绝对位置而判别出的所述主动齿轮的啮合状态与所述从动齿轮的啮合状态互相一致后对所述旋转体的转速进行运算。形成于所述主动齿轮及所述从动齿轮的轨道包括绝对标度的光学轨道，其分别使反射率互不相同的2个反射区域根据PN(伪噪声)码序列而以旋转轴为中心配置成环状的，所述绝对位置运算机构根据来自所述检测机构所检测出的所述绝对标度的光学轨道的调制信号，而对所述主动齿轮的绝对位置及所述从动齿轮的绝对位置进行运算。形成于所述主动齿轮及所述从动齿轮的轨道可包括增量标度的光学轨道，其分别使反射率互不相同的2个反射区域以旋转轴为中心交错地以等间隔进行配置，所述修正运算机构根据来自所述检测机构所检测到的所述增量标度的光学轨道的调制信号而进行所述主动齿轮的绝对位置及所述从动齿轮的绝对位置的修正。所述检测机构可包括多个分别检测来自所述绝对标度的光学轨道的光的传感器， 所述绝对位置运算机构根据选自来自所述绝对标度的光学轨道的多个反射光中的2个反射区域的边界附近的反射光以外的反射光，而进行所述主动齿轮的绝对位置及所述从动齿轮的绝对位置的运算。所述主动齿轮的齿数与所述从动齿轮的齿数可是互斥的关系。
所述从动齿轮的直径可小于所述主动齿轮的直径。
本发明的电动机单元的特征在于包括
旋转体；
转子，设置在所述旋转体上；
转；以及定子，通过与所述转子之间的电磁相互作用，而使所述旋转体与所述转子一起旋
本发明的编码器，检测所述旋转体的转速。
本发明的致动器系统的特征在于包括
本发明的电动机单元；以及
控制机构，控制所述电动机单元。
[发明的效果]
根据本发明，可根据来自形成于主动齿轮及与该主动齿轮啮合的至少2个从动齿
轮的各个轨道的调制信号，而判别旋转体的转速。因此，由于任一个从动齿轮均直接与主动
5齿轮啮合，所以可防止由齿轮的齿隙的累积等而导致检测出现不良情况，并且可使装置整体小型化。
图I是表示本发明的第I实施方式的致动器的立体图；图2是表示图I所示的致动器中所搭载的电动机单元的立体图；图3是表示图I所示的致动器中所搭载的电动机单元的XY剖面图；图4是表示图2及图3所示的电动机单元中所搭载的编码器单元的剖面图；图5是表示图2及图3所示的电动机单元中所搭载的编码器单元的YZ剖面图；图6是表示构成图4及图5所示的编码器单元的主动齿轮的图，图6(A)是表示主动齿轮的正面的图，图6(B)是将主动齿轮的正面的一部分放大表示的图；图7是表示构成图4及图5所示的编码器单元的从动齿轮的图，图7(A)是表示从动齿轮的正面的图(其一)，图7(B)是表示从动齿轮的正面的图(其二)；图8是表示构成图4及图5所示的编码器单元的检测单元的图，图8(A)是表示检测单元的正面的图，图8(B)是图8(A)中所示的检测单元的B-B剖面图；图9是表示图2及图3所示的编码器单元及与编码器单元相连接的控制器的框图；图10是用于说明构成检测单元的绝对位置运算器的传感器元件的选择方法的图，图10(A)是以检测I比特内的相位0°附近的方式配置传感器元件的图，图10(B)是以检测I比特内的相位180°附近的方式配置传感器元件的图；图11是表示齿数编号与转速的对应关系的图；和
图12是表示编码器单元的变形例的框图。
[符号说明]
10电动机单元
20伺服电动机
21夕卜壳
21a切口部
21b安装部
21c开口
21d开口
22转子
23定子
24a轴承
24b轴承
30轴(旋转体)
31小径部
40编码器单元(编码器)
41编码器基板
42机壳
43编码器底座
44轴承
46轴
47轴
46a小径部
47a小径部
50主动齿轮
51齿部
52开口
53光学轨道(增量标度)
53a高反射率区域
54a高反射率区域
53b低反射率区域
54b低反射率区域
54光学轨道(绝对标度)
60从动齿轮
61齿部
62开口
63光学轨道
64光学轨道
70从动齿轮
71齿部
72开口
73光学轨道
74光学轨道
80检测单元(检测机构)
81检测单元本体
82LED发光部
83光学检测器
84光学检测器
85相位运算器
86绝对位置运算器
87修正运算器
88分割器
90检测单元(检测机构)
93光学检测器
94光学检测器
95相位运算器
96绝对位置运算器
97修正运算器
100检测单元(检测机构)
103光学检测器
104光学检测器
105相位运算器
106绝对位置运算器
107修正运算器
110转速运算单元
111转速运算器
120输出单元
121多路复用器
122线路驱动器
200致动器
201滑块
202电缆
300控制器
301控制部
302线路接收器
具体实施例方式以下，对本发明的实施方式的电动机单元10进行说明。此外，为容易理解，设定将 X轴设为电动机单元10的正面方向，将Y轴设为铅垂方向，将Z轴设为侧面方向的XYZ坐标而适当地进行参照。如图I所示，电动机单元10安装在包括沿X轴方向进行往返移动的滑块201的致动器200的内部。在致动器200内部设置有滚珠丝杠、及固定滑块201的球形螺母。滚珠丝杠的导程为例如10mm。该滚珠丝杠与电动机单元10的旋转轴连结。而且，通过电动机单元10的旋转轴的旋转力而使滚珠丝杠与旋转轴一起旋转。另外，球形螺母随着滚珠丝杠的旋转而沿X轴方向移动。通过该球形螺母的移动， 滑块201沿X轴方向移动。电缆202的一端与致动器200连接。电缆202的另一端与下述的控制器连接。如图2所示，电动机单元10包括伺服电动机20、通过伺服电动机20沿与X轴平行的轴旋转的轴30、以及用于检测轴30的旋转角度(绝对位置)和转速的编码器单元40。伺服电动机20具有形成为中空的长方体形状的外壳21。外壳21的与X轴平行的各角部分分别形成有沿X轴的切口部21a。另外，在外壳21的+X侧的端部形成有安装部 21b，该安装部21b中形成有贯通孔。通过插入至安装部21b的贯通孔的螺栓或螺丝而将电动机单元10固定在致动器200的内部。如图3所示，在外壳21的-X侧及+X侧分别形成有沿X轴方向贯通的圆形开口 21c、21d。轴30插入至开口 21c、21d。伺服电动机20中收纳有固定在轴30的外周面的转子22、以包围转子22的外周的方式而配置的定子23、及支撑轴30的一组轴承24a、24b。
转子22形成为圆筒形状。转子22具有使轴30贯通的贯通孔。转子22是以沿轴 30为中心的圆周交错地出现多个N(北)极与S (南)极的方式而被磁化。定子23形成为圆筒形状。定子23沿以轴30为中心的圆周具有与转子22对向的多个极。多个极被划分为几个组。将构成各组的极的线圈串联地连接在一起。轴承24a、24b以轴30可旋转的方式对其进行支撑。轴承24a、24b是以相对于外壳21的开口 21c、21d为同轴的方式配置在外壳21的内部。轴30插入至轴承24a、24b。轴30形成为以X轴方向作为长度方向的圆柱形状。轴30插入至外壳21的开口 21c、21d、轴承24a、24b。由此，X轴方向的两端以从外壳21突出至外部的状态可旋转地被支撑。图4及图5是表示编码器单元40的剖面图。图4是图5的IV-IV剖面图。如图 4及图5所示，编码器单元40包括固定在轴30上的主动齿轮50、传递主动齿轮50的旋转的从动齿轮60，70、配置在主动齿轮50的-X侧的编码器基板41、通过轴46，47可支撑从动齿轮60，70旋转的编码器底座43、以及收纳这些构件的机壳42。轴46、47安装为经由轴承 44可相对编码器底座43转动。如图6(A)所示，主动齿轮50是作为在外周形成有多个齿部51的正齿轮而构成。 齿部51的数量为任意的数量。本实施方式的主动齿轮50的外周形成有41个齿部51。对各个齿部51依次赋予No. I至No. 41的齿数编号。在主动齿轮50的中央部形成有圆形的开口 52。通过将形成于轴30的-X侧的端部的小径部31嵌入至开口 52中，而将主动齿轮 50固定在轴30上。由此，主动齿轮50与轴30 —起旋转。在主动齿轮50的-X侧的面上，以主动齿轮50的旋转轴为中心而形成有环状的光学轨道53。如图6(B)所示，光学轨道53是交错地配置有多个形成为扇形的反射率互不相同的2个反射区域，即高反射率区域53a与低反射率区域53b。由此，构成增量标度。光学轨道53是以间距大致为80 y m(高反射率区域53a的间距大致为40 u m,低反射率区域53b 的间距大致为40 ym)的方式而形成。在主动齿轮50的-X侧的面上形成有直径小于光学轨道53的环状的光学轨道54。 光学轨道54是根据PN(伪噪声(Pseudo Noise, Pseudo Random Noise (伪随机噪声)))石马序列而配置形成为扇形的反射率互不相同的2个反射区域，即高反射率区域54a与低反射率区域54b。由此，构成绝对标度。光学轨道54是以比特宽度与光学轨道53的角度间距一致且对应的方式而形成。如图7(A)所示，从动齿轮60上形成有数量少于主动齿轮50的齿部51的多个齿部61。从动齿轮60是作为直径小于主动齿轮50的正齿轮而构成。齿部61的数量为例如 24个。对各个齿部61依次赋予No. I至No. 24的齿数编号。这些齿数编号是沿与主动齿轮 50的齿部51的齿数编号的赋予方向相反的方向而被赋予。从动齿轮60的中央部具有圆形的开口 62。通过将形成于轴46的-X侧的端部的小径部46a嵌入至开口 62，而将从动齿轮 60固定在轴46上。由此，从动齿轮60与轴46—起旋转。另外，与主动齿轮50同样地，在从动齿轮60的-X侧的面上形成有作为增量标度而构成的光学轨道63、和作为绝对标度而构成的光学轨道64。如图7(B)所示，从动齿轮70包括数量少于主动齿轮50的齿部51的多个齿部71。 从动齿轮70是作为直径小于主动齿轮50的正齿轮而构成。齿部71的数量为例如23个。对各个齿部71依次赋予No. I至No. 23的齿数编号。这些齿数编号是沿与主动齿轮50的齿部51的齿数编号的赋予方向相反的方向而被赋予。从动齿轮70的中央部具有圆形的开口 72。通过将形成于轴47的-X侧的端部的小径部47a嵌入至开口 72，而将从动齿轮70 固定在轴47上。由此，从动齿轮70与轴47 —起旋转。与主动齿轮50及从动齿轮60同样地，在从动齿轮70的-X侧的面上形成有作为增量标度而构成的光学轨道73、与作为绝对标度而构成的光学轨道74。主动齿轮50的齿部51的齿数(41个)、从动齿轮60的齿部61的齿数(24个)、 及从动齿轮70的齿部71的齿数(23个)为互斥的关系。如图5所示，编码器基板41为长方形的部件。编码器基板41固定在机壳42上。 在编码器基板41的+X侧的面上，安装有用于检测轴30的绝对位置(旋转角度)及转速的检测单元80、90、100。3个检测单元80、90、100是以分别与主动齿轮50、从动齿轮60、70对向的方式而安装。如图8(A)所示，检测单元80包括对主动齿轮50照射光的LED(发光二极管)发光部82、检测由主动齿轮50的光学轨道53，54所反射的调制光的光学检测器83，84、以及支撑这些构件的检测单元本体81。如图8(B)所示，LED发光部82是配置在检测单元本体81的中央部附近。LED发光部82对主动齿轮50的各个光学轨道53、54照射光。当从LED发光部82照射的光入射至高反射率区域53a、54a时以高反射率被反射。当从LED发光部82照射的光入射至低反射率区域53b、54b时以低反射率反射或散射或者被吸收。光学检测器83是配置在LED发光部82的-Y侧，且检测主动齿轮50的光学轨道 53 (增量标度)反射的2个系统的光。在将光学轨道53的间距设为360°时，这2个系统的光的相位差为90° (1/4间距)。光学检测器83输出与所检测的2个系统的反射光的强度相对应的2个系统的电压信号。光学检测器83由例如2个或2组光电二极管构成。以下，为方便说明，将从光学检测器83输出的2个系统的电压信号分别定义为A相信号、B相信号。光学检测器84配置在LED发光部82的+Y侧，且检测在主动齿轮50的光学轨道 54(绝对标度)反射的光。光学检测器84输出与所检测的反射光的强度相对应的电压信号。光学检测器84由例如512个CMOS(互补金属氧化物半导体)影像传感器元件构成。如图9所示，检测单元80还包括相位运算器85、绝对位置运算器86、修正运算器 87、及存储这些运算器在进行运算时所参照的表格等的信息的存储部。这些运算器是作为 FPGA(现场可编程门阵列)的一部分而构成。光学轨道54(绝对标度)与光学轨道53(增量标度)的相位具有I : I的关系。 相位运算器85使用从光学检测器83输出的A相信号、B相信号，且根据下述式(I)而对光学轨道54的I比特内的相位0进行运算。9 = arc tan-1 (VA/VB)......(I)此处，Va为六相信号中的正弦波信号的输出值，Vb SB相信号中的正弦波信号的输出值。相位运算器85输出与相位0相对应的信号。例如，在根据从光学检测器83输出的A相信号、B相信号而运算出I比特内的相位0为45°的情况下，如果I比特为80 ym， 则相位 9 相当于 10 u m( = 80 u mX45/360)。
绝对位置运算器86是用于根据从光学检测器84输出的信号来对光学轨道54的比特单位的绝对位置Ztl进行运算。绝对位置Ztl表示比特单位(大致SOym)中的轴30及主动齿轮50的旋转角度。以下，对绝对位置运算器86的绝对位置Ztl的运算进行说明。首先，绝对位置运算器86从光学检测器84的512个CMOS影像传感器元件中仅选择检测到稳定的反射光的传感器元件的输出。具体来说，绝对位置运算器86根据与来自相位运算器85的相位0相对应的信号，而选择检测到高反射率区域54a与低反射率区域54b 之间的边界附近的不稳定的反射光的传感器元件以外的传感器元件的输出。图10是表示传感器元件与光学轨道的位置关系的图。相对于传感器元件84-1留出相位120°的间隔而配置传感器元件84-2，且相对于传感器元件84-2留出相位120°的间隔而配置传感器元件84-3。在图10(A)中，传感器元件84-1是配置在检测I比特内的相位0°附近的反射光的位置上。在此情况下，传感器元件84-1检测高反射率区域54a与低反射率区域54b之间的边界附近处的反射光。传感器元件84-2、84-3是配置在检测I比特内的相位180° (中央)附近的反射光的位置上。因此，绝对位置运算器86选择传感器元件84-2、84-3的输出。在图10(B)中，传感器元件84_1、84_2是配置在检测I比特内的相位180° (中央)附近的反射光的位置上。传感器元件84-3是配置在检测I比特内的相位360°附近的反射光的位置上。在此情况下，传感器元件84-3检测高反射率区域54a与低反射率区域54b之间的边界附近处的反射光。因此，绝对位置运算器86选择传感器元件 84-1,84-2的输出。通过以上叙述，绝对位置运算器86可选择检测高反射率区域54a与低反射率区域54b之间的边界附近的反射光的传感器元件以外的、检测到稳定的反射光的传感器兀件的输出。下面，绝对位置运算器86参照存储部中所存储的表示传感器元件的输出信号的组合与绝对位置Ztl的对应关系的表格，根据光学检测器84的传感器元件的输出信号而对绝对位置Ztl进行运算。继而，绝对位置运算器86输出与该绝对位置Ztl相对应的信号。返回至图9，修正运算器87通过对从绝对位置运算器86输出的绝对位置Ztl加上从相位运算器85输出的相位e，而对分辨率高于绝对位置Ztl的绝对位置Z进行运算。修正运算器87输出与绝对位置Z相对应的信号。例如，如果I比特内的相位0为45°，则当 I比特宽度为80 ilm时，算出相位0 = IOiI m( = 80 ilmX45/360)，所以通过对绝对位置Ztl 加上相位e = 10 iim，而可对分辨率高于I比特的绝对位置Z进行运算。检测单元90与检测单元80同样地包括对从动齿轮60的光学轨道63，64照射光的LED发光部、检测在光学轨道63,64反射的调制光的光学检测器93,94、相位运算器95、 绝对位置运算器96、修正运算器97、及存储表格等的信息的存储部。相位运算器95、绝对位置运算器96和修正运算器97作为FPGA的一部分而构成。LED发光部对从动齿轮60的各个光学轨道63、64照射光。当从LED发光部照射的光入射至高反射率区域63a、64a时以高反射率被反射，当从LED发光部照射的光入射至低反射率区域63b、64b时以低反射率反射或散射或被吸收。光学检测器93检测从动齿轮60的光学轨道63 (增量标度)反射的2个系统的光。在将光学轨道63的间距设为360°时,2个系统的光的相位差为90° (1/4间距)。光学检测器93输出与所检测的2个系统的反射光的强度相对应的2个系统的A相信号、B相信号。光学检测器93由例如2个光电二极管构成。
光学检测器94检测在从动齿轮60的光学轨道64 (绝对标度)反射的光。光学检测器94输出与所检测的反射光的强度相对应的电压信号。光学检测器94由例如512个像素的CMOS影像传感器构成。相位运算器95根据从光学检测器93输出的A相信号、B相信号，且根据式(I)而对光学轨道64的I比特内的相位进行运算。相位运算器95输出与相位相对应的信号。绝对位置运算器96根据从光学检测器94输出的信号，对光学轨道64的比特单位的绝对位置a C1进行运算。绝对位置a ^表示比特单位中的从动齿轮60的旋转角度。绝对位置运算器96例如参照存储部中所存储的表示来自光学检测器94的电压信号与绝对位置
的对应关系的表格，而对绝对位置进行运算。绝对位置运算器96输出与绝对位置 a ^相对应的信号。修正运算器97通过对从绝对位置运算器96输出的绝对位置a 0加上从相位运算器95输出的相位，而对分辨率高于绝对位置的绝对位置a进行运算。修正运算器97 输出与绝对位置a相对应的信号。检测单元100与检测单元80、90同样地包括对从动齿轮70的光学轨道73，74照射光的LED发光部、检测在光学轨道73，74反射的调制光的光学检测器103，104、相位运算器105、绝对位置运算器106、及修正运算器107。绝对位置运算器106根据从光学检测器 104输出的信号而对光学轨道74的比特单位的绝对位置进行运算。绝对位置表示比特单位中的从动齿轮70的旋转角度。修正运算器107通过对从绝对位置运算器106输出的绝对位置3 0加上从相位运算器105输出的相位，而对分辨率高于绝对位置3 ^的绝对位置P进行运算。修正运算器107输出与该绝对位置P相对应的信号。如图9所示，编码器单元40除包括检测单元80、90、100以外，还包括转速运算单元110、输出单元120。转速运算单元110包括转速运算器111、及存储表示齿数编号与转速R的对应关系的表格T等信息的存储部。转速运算器111根据主动齿轮50的绝对位置及从动齿轮60、70 的绝对位置，而对轴30的转速进行运算。首先，转速运算器111根据与来自修正运算器87、 97,107的绝对位置Z、a、^相对应的信号，来判别位于主动齿轮50、从动齿轮60、70各自的-Y侧的齿部51、61、71的齿数编号。继而，转速运算器111以比主动齿轮50的齿数更细的间距来确定主动齿轮50的绝对位置Z。进而，转速运算器111根据绝对位置Z来判别主动齿轮50的齿数编号切换为下一个齿数编号的定时。进而，转速运算器111根据该定时， 以使主动齿轮50的啮合状态与从动齿轮60、70的啮合状态一致的方式，切换各个从动齿轮 60,70的齿数编号。继而，转速运算器111参照表格T，在使主动齿轮50的啮合状态与从动齿轮60、70 的啮合状态互相一致后，根据这些齿数编号的组合来对轴30的转速R进行运算。转速运算器111输出与转速R相对应的信号。在图11中表示表格T的具体例。表格T是在主动齿轮50、从动齿轮60、70的齿数分别为5个、4个、3个时的例子。在图11所示的表格T中，最左侧的第I列表示位于主动齿轮50、从动齿轮60、70各自的-Y侧的齿部51、61、71的齿数编号的组合编号。第I列的右侧的第2列表不位于主动齿轮50的-Y侧的齿部51的齿数编号。同样地，第3列、第 4列表示位于从动齿轮60的-Y侧的齿部61的齿数编号、位于从动齿轮70的-Y侧的齿部71的齿数编号。表格T的最右侧的第5列表示轴30 (主动齿轮50)的转速R。参照图11可知，主动齿轮50、从动齿轮60、70各自的齿数编号的组合的总数为60 种(60 = 5X4X3)。例如，当各自的齿数编号的组合为(No. UNo. 2,No. 3)时，组合编号为 No. 006。在此情况下，转速运算器111通过参照表格T而运算出轴30 (主动齿轮50)的转速R= I。另外，当各自的齿数编号的组合为(No. I、No. 2、No. 2)时，组合编号为No. 026。 在此情况下，转速运算器111通过参照表格T而运算出轴30 (主动齿轮50)的转速R = 5。然而，所述例子中，在主动齿轮50表示的齿数编号为No. I、从动齿轮60表示的齿数编号为No. I时，从动齿轮70表示的齿数编号为No. 3或No. 2的情况下，即便在齿数编号有一个不同的情况下，转速运算器111运算出例如转速为R = I或R = 5的差别较大的转速R。因此，当由齿轮的齿隙导致齿轮的啮合状态产生变化，而使本来应表示齿数编号No. 2 的从动齿轮70表示为齿数编号No. 3时，转速运算器111也会运算不正确的转速R。因为本实施方式的从动齿轮60、70分别与主动齿轮50啮合，所以所有齿轮的啮合状态(齿数编号的切换定时)相同。然而，有可能因齿轮的齿隙而导致齿轮彼此的啮合状态不同。因此，本实施方式的转速运算器111检测并判定主动齿轮50、从动齿轮60、70各自的齿数编号是将要进行切换之前、刚切换过、抑或是从切换后至下一次切换之间。而且，在这些啮合状态互相不同的情况下，转速运算器111使各个从动齿轮60、70的啮合状态(齿数编号的切换定时)与主动齿轮50的啮合状态(齿数编号的切换定时)一致，而使所有齿轮的啮合状态相同。例如，在主动齿轮50的齿数编号的切换定时为刚切换过齿数编号，从动齿轮60、70的齿数编号的切换定时为将要切换齿数编号前的情况下，转速运算器111使从动齿轮60、70的齿数编号的切换定时与主动齿轮50的齿数编号的切换定时一致，设为刚切换过齿数编号后。如上所述，从检测单元80、90、100输出的绝对位置Z、a、0的分辨率与主动齿轮 50的齿部51、从动齿轮60的齿部61、从动齿轮70的齿部71相比足够细。因此，例如，转速运算器111对于各个齿部51、61、71分割为3个定时(将要进行切换前、刚进行切换后、从刚切换后至下一次切换之间)而进行检测。而且，转速运算器111将从动齿轮60、70的啮合状态切换为与主动齿轮50相同的啮合状态。转速运算器111参照表格T，且根据这些齿数编号的组合而对轴30的转速R进行运算。然而，运算方法为任意的方法。例如，在本实施方式中，齿数编号的组合的编号为固定的整数值，各齿轮(主动齿轮50、从动齿轮60、70)的齿数编号为已知的值，各齿轮的转速为未知的值(变数)。因此，由3个变数构成的一次方程式可为3个。转速运算器111也可根据这些方程式来对转速R进行运算。另外，在本实施方式中，主动齿轮50、从动齿轮60、70各自的齿数编号的组合的总数为22，632种(22,632 = 41X24X23) 编码器单元40的判别上限可为552圈(552 =22，632/41)。因此，由于如上所述致动器200的滚珠丝杠的导程为10mm，所以可判别5， 520mm(5, 520 = 552X 10)的行程的范围内的滑块201的位置。如图9所示，输出单元120包括切换2组信号({A、B}与{Z、R})的多路复用器121 与线路驱动器122。多路复用器121在接通电源后或进行重置时，首先输出与从检测单元80的修正运算器87输出的绝对位置Z相对应的电压信号、及与从转速运算单元110的转速运算器111输出的转速R相对应的电压信号。下述控制器的控制部根据这些信号而确定当前位置。继而，多路复用器121将这些信号切换为从检测单元80的光学检测器83输出的A相信号与 B相信号而输出A相信号与B相信号。控制部根据这些信号进行递增/递减计数而将当前位置更新(增量编码器功能)。线路驱动器122输出基于从多路复用器121输出的信号与使该信号的相位反转所得的信号的差的差动信号。如图9所示，控制器300连接于包括上述编码器单元40的电动机单元10。控制器 300包括线路接收器302与控制部301。线路接收器302将从线路驱动器122输出的差动信号转换为初始的信号。而且， 将该信号输入至控制部301。控制部301包括CPU (中央处理器)、主存储部、辅助存储部等。控制部301根据来自线路接收器302的信号而确定并识别当前位置，且控制伺服电动机20。参照图9对如上述构成的电动机单元10的动作进行说明。如果将包括电动机单元10、控制器300等的致动器系统的电源接通，则编码器单元40的检测单元80根据来自主动齿轮50的光学轨道54 (绝对标度)的反射光，而对主动齿轮50的绝对位置Ztl进行运算。另外，检测单元80根据来自光学轨道53(增量标度)的反射光而对光学轨道54的I比特内的相位0进行运算。检测单元80根据这些绝对位置 Z0及相位e，而对分辨率较绝对位置Ztl高的绝对位置z进行运算。检测单元80将与绝对位置Z相对应的信号输出至转速运算单元110及输出单元120。检测单元90、100与检测单元80同样地，根据来自从动齿轮60、70的光学轨道64、 74 (绝对标度)的反射光，而输出从动齿轮60、70的绝对位置检测单元90、100根据来自光学轨道63、73(增量标度)的反射光而对从动齿轮60、70的光学轨道64、74的I 比特内的相位进行运算。检测单元90、100根据绝对位置a(l、3 C1及相位，而对分辨率较绝对位置a。、高的绝对位置a、^进行运算。检测单元90、100将与绝对位置a、@相对应的信号输出至转速运算单元110。转速运算单元110根据与来自检测单元80、90、100的绝对位置Z、a相对应的信号，而对主动齿轮50、从动齿轮60、70各自的齿数编号进行运算，且根据这些组合来对轴 30的转速R进行运算。转速运算单元110将与转速R相对应的信号输出至输出单元120。输出单元120在接通电源后或进行重置时，将与绝对位置Z相对应的信号、与转速 R相对应的信号输出至控制器300，其后，通过多路复用器121的切换而将主动齿轮50的A 相信号、B相信号持续输出至控制器300。控制器300根据与来自编码器单元40的绝对位置Z相对应的信号、与转速R相对应的信号，而将主动齿轮50的绝对位置Z、转速R作为轴30的绝对位置Z、转速R的初始值而加以存储。控制器300根据主动齿轮50的A相信号、B相信号，对所述初始值进行递增/ 递减计数而将当前位置更新。如果存储绝对位置Z、转速R，则控制器300使电流流过伺服电动机20的定子23 的线圈。而且，切换流过电流的线圈。由此，使线圈励磁而在定子23与转子22之间产生斥力或引力。其结果，轴30与定子23—起旋转。如果轴30进行旋转，则主动齿轮50与轴30—起旋转。另外，通过与主动齿轮50
14啮合，从动齿轮60及从动齿轮70也沿与主动齿轮50的旋转方向相反的旋转方向进行旋转。当轴30的旋转速度为匀速时，从检测单元80的LED发光部82照射的光通过光学轨道53(增量标度)而一边使其反射强度增减一边进行反射。检测单元80将与由光学轨道53所反射的光的强度相对应的A相信号与B相信号输出至控制器300。A相信号的值是每经过周期T就从高电平变为低电平。B相信号相对于A相信号而提前T/4周期，且每经过周期T就从高电平变为低电平。由此，检测单元80输出相位相互仅相差1/4周期的2个信号即A相信号及B相信号。控制器300针对轴30的绝对位置Z、转速R的初始值，对A相信号或B相信号的脉冲进行计数。通过该计数而求出旋转的轴30的绝对位置Z、转速R的当前值。控制器300 根据这些绝对位置Z、转速R的当前值而控制伺服电动机20。另外，另一方面，即便在执行所设置的初始值重置手段的情况下，控制器300也存储轴30的绝对位置Z、转速R的初始值。控制器300对A相信号及B相信号的脉冲进行递增/递减计数。控制器300通过该计数而求出旋转的轴30的绝对位置Z、转速R的当前值。 控制器300根据这些绝对位置Z、转速R的当前值而控制伺服电动机20。如以上所说明般，本实施方式的编码器单元40检测来自形成于主动齿轮50、及与主动齿轮50啮合的从动齿轮60及从动齿轮70的各个光学轨道53、54、63、64、73、74的光。 由此，编码器单元40判别轴30的转速R的绝对位置Z (旋转角度)。因此，由于任一个从动齿轮60、70均直接与主动齿轮50啮合，所以可防止由齿轮的齿隙的累积等所导致的误检测，并且可使编码器单元40等小型化。另外，因为使所有从动齿轮直接连接于主动齿轮,而并非将多个从动齿轮串联地连接在一起，所以与现有的将多个从属齿轮串联地连接在一起的编码器单元相比，不存在齿轮的齿隙的累积。因此，与具有相同程度的转速检测范围的现有编码器单元的齿轮相比， 编码器单元40的齿轮无须那样精密地形成。其结果，可降低制造成本。另外，因为可仅以主动齿轮50与2个从动齿轮60、70来检测转速R，所以可无需电池及存储器。另外，在本实施方式中，转速运算器111根据分辨率较主动齿轮50的齿数更细的绝对位置Z，而判别主动齿轮50的齿数编号切换为下一个齿数编号的定时。转速运算器111 根据该定时来切换从动齿轮60、70各自的齿数编号。由此，即便使用齿隙较大的齿轮，也可使主动齿轮50、从动齿轮60、70的所有齿轮的啮合状态一致，所以不存在齿数编号读取错误的情况，从而可获得高可靠性。另外，在本实施方式中，因为从动齿轮60及从动齿轮70直接与主动齿轮50啮合， 所以可使齿轮的个数非常少，且可使编码器单元40的厚度(X轴方递增的尺寸)变薄。由此，可有助于实现电动机单元10的小型化。另外，本实施方式的编码器单元40是将LED发光部82、检测单元90，100的LED发光部、及光学检测器83，84，93，94，103，104安装在同一编码器基板41上的反射光学式的编码器。因此，可使编码器单元40的厚度变薄。由此，可有助于实现电动机单元10的小型化及低成本化。另外，在本实施方式中，用于输出A相信号及B相信号的主动齿轮50是以其直径大于从动齿轮60、70的方式而形成。仅用于对齿数编号进行运算的从动齿轮60、70是以其直径小于主动齿轮50的方式而形成。由此，能够以大的直径形成必需高分辨率的光学轨道 53、54，并且可使编码器单元40的尺寸(Y轴方向及Z轴方向的尺寸)缩小。由此，可有助于实现电动机单元10的小型化。另外，在本实施方式中，绝对位置运算器86从光学检测器84的512个CMOS影像传感器元件中，仅选择检测出稳定的反射光的传感器元件的输出。由此，可运算高可靠性的绝对位置Z。以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不受所述实施方式等的限定。在所述实施方式中，编码器单元40包括2个从动齿轮60、70，但也可包括3个从动齿轮。例如，在添加有齿数为25个的第3从动齿轮的情况下,各自的齿数编号的组合的总数为565，800种(565, 800 = 41 X 24X 23 X 25)，编码器单元40的判别上限可为13,800圈 (13,800 = 565,800/41)。因此，可判别 138m(138, 000 = 13,800X10)的行程的范围内的滑块201的位置。另外，也可包括4个以上的从动齿轮。另外，在上述实施方式中，主动齿轮50的齿部51的齿数(41个)、从动齿轮60的齿部61的齿数(24个)、从动齿轮70的齿部71的齿数(23个)是以成为互斥的关系的方式而形成。然而，并不限定于此，各自的齿数也可不为互斥的关系。但是，在并非互斥的关系的情况下，相同转速下的齿数编号的相同组合会增加，且对应的转换表变大，所以优选的是互斥的关系。另外，在本实施方式中，在将致动器系统的电源接通的情况下，及在执行初始值重置手段的情况下，控制器300存储有轴30的绝对位置Z、转速R的初始值。控制器300对A 相信号或B相信号的脉冲进行计数，并通过该计数而求出旋转的轴30的绝对位置Z、转速R 的当前值。然而，并不限定于此，也可每隔固定时间就存储轴30的绝对位置Z、转速R的初始值。另外，也可始终存储轴30的绝对位置Z、转速R的初始值。 另外，在本实施方式中，将与绝对位置Z相对应的信号及与转速R相对应的信号合而为一所得的信号、及A相信号及B相信号合而为一所得的信号作为并行信号而从线路驱动器122中输出。然而，并不限定于此，也可作为串行信号而输出。另外，如图9所示，上述实施方式的检测单元80将来自光学检测器83的A相信号、B相信号直接输出至输出单元120。然而，并不限定于此，如图12所示，也可配置分割器 88 (插值器),并经过该分割器88将A相信号、B相信号输出至输出单兀120。在此情况下， 可使A相信号、B相信号的分辨率提高。另外，在本实施方式中，绝对位置运算器86、96、106参照表示存储部中所存储的传感器元件的输出信号的组合与绝对位置4、Q0, 的对应关系的表格，且根据光学检测器84、94、104的所选择的传感器元件的输出信号而对绝对位置4、a0> Ptl进行运算。然而，并不限定于此，也可使用移位寄存器(LFSR(线性反馈移位寄存器))来对绝对位置4、 a0> ^进行运算。另外，在本实施方式中使用有伺服电动机20，但当然也可代替伺服电动机20而使用脉冲电动机。另外，在本实施方式中使用有光学式的检测方法，但当然利用静电电容式或磁力式等也可构成相同的功能。
本发明可在不脱离本发明的广义的精神与范围的前提下实施各种实施方式及变形。所述实施方式用以说明本发明而非限定本发明的范围。
权利要求
1.一种编码器，检测旋转体的转速，其特征在于，包括主动齿轮，配置于所述旋转体的旋转中心，且形成有表示旋转角度的图案的轨道以旋转轴为中心而形成为环状；至少2个从动齿轮，以与所述主动齿轮啮合的方式配置，且形成有表示旋转角度的图案的轨道以旋转轴为中心而形成为环状；检测机构，检测来自所述轨道的调制信号；绝对位置运算机构，根据来自所述检测机构的信号，而进行表示所述主动齿轮的旋转角度的绝对位置及表示所述从动齿轮的旋转角度的绝对位置的运算；以及转速运算机构，根据所述主动齿轮的绝对位置及所述从动齿轮的绝对位置，对所述旋转体的转速进行运算。
2.根据权利要求I所述的编码器，其特征在于所述转速运算机构根据基于所述主动齿轮的绝对位置而算出的所述主动齿轮的齿部所赋予的齿数编号、及基于所述从动齿轮的绝对位置而算出的所述从动齿轮的齿部所赋予的齿数编号的组合，来对所述旋转体的转速进行运算。
3.根据权利要求2所述的编码器，其特征在于包括修正运算机构，进行以较所述主动齿轮的齿数更细的间距确定所述主动齿轮的绝对位置的修正、及以较所述从动齿轮的齿数更细的间距确定所述从动齿轮的绝对位置的修正，所述转速运算机构在使得根据以较所述主动齿轮的齿数更细的间距确定的所述主动齿轮的绝对位置、及以较所述从动齿轮的齿数更细的间距确定的所述从动齿轮的绝对位置而判别出的所述主动齿轮的啮合状态与所述从动齿轮的啮合状态互相一致后，对所述旋转体的转速进行运算。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的编码器，其特征在于形成于所述主动齿轮及所述从动齿轮的轨道包括绝对标度的光学轨道，其分别使反射率互不相同的2个反射区域根据PN(伪噪声)码序列而以旋转轴为中心配置成环状的， 所述绝对位置运算机构根据来自所述检测机构所检测出的所述绝对标度的光学轨道的调制信号，对所述主动齿轮的绝对位置及所述从动齿轮的绝对位置进行运算。
5.根据权利要求3所述的编码器，其特征在于形成于所述主动齿轮及所述从动齿轮的轨道包括增量标度的光学轨道，其分别使反射率互不相同的2个反射区域以旋转轴为中心交错地以等间隔进行配置，所述修正运算机构根据来自所述检测机构所检测到的所述增量标度的光学轨道的调制信号，进行所述主动齿轮的绝对位置及所述从动齿轮的绝对位置的修正。
6.根据权利要求4所述的编码器，其特征在于所述检测机构包括多个分别检测来自所述绝对标度的光学轨道的光的传感器，所述绝对位置运算机构根据选自来自所述绝对标度的光学轨道的多个反射光中的2 个反射区域的边界附近的反射光以外的反射光，而进行所述主动齿轮的绝对位置及所述从动齿轮的绝对位置的运算。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的编码器，其特征在于所述主动齿轮的齿数与所述从动齿轮的齿数为互斥的关系。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的编码器，其特征在于所述从动齿轮的直径小于所述主动齿轮的直径。
9.一种电动机单元，其特征在于，包括旋转体；转子，设置在所述旋转体上；定子，通过与所述转子之间的电磁相互作用而使所述旋转体与所述转子一起旋转；以根据权利要求I至8中任一项所述的编码器，检测所述旋转体的转速。
10.一种致动器系统，其特征在于，包括根据权利要求9所述的电动机单元；以及控制机构，控制所述电动机单元。
全文摘要
编码器单元(40)根据来自主动齿轮(50)、及与主动齿轮(50)啮合的从动齿轮(60)、(70)上形成的各个光学轨道(54)、(64)、(74)的光，而检测轴(30)的转速。因此，由于任一个从动齿轮(60)、(70)均直接与主动齿轮(50)啮合，所以可防止因齿轮的齿隙的累积等而导致的可靠性的下降，并且可使编码器单元(40)及电动机单元(10)小型化。
文档编号H02K11/00GK102607616SQ201210011130
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月13日 优先权日2011年1月14日
发明者藤永辉明 申请人:株式会社Iai