专利名称：旋转角度检测装置及其旋转盘的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种旋转角度检测装置及其旋转盘，特别涉及配有合成树脂制的旋转盘的旋转编码器等的旋转角度检测装置及其旋转盘。
背景技术：
在现有技术中的大多数旋转编码器中，采用光学检测旋转角度信息的光学式、或磁性检测旋转角度信息的磁性式。而且，光学式旋转编码器是由光束透过旋转角度信息记录部的透过型、或光束被旋转角度信息记录部反射的反射型。
例如，图11表示现有技术中的透过型旋转编码器，该旋转编码器的马达1的旋转轴2由轴承3、4支承。在旋转轴2的上部嵌入配合有金属制成的安装毂5，该安装毂5被紧固螺栓6固定在旋转轴2上。
在安装毂5的上面装载有作为旋转角度信息记录体的旋转刻度7，利用固定在旋转轴2上的固定轮8和粘结剂9将旋转刻度7固定到安装毂5上。而且，在马达1的上面，经由电路基板10配置有透过型的传感器头11。
传感器头11在电路基板10上配有框架12，旋转刻度7的周边部以不接触的方式配置在框架12的上框部12a和下框部12b之间。框架12的上框部12a从上方起顺次内置有发光元件13和准直透镜14，下框部12b从上方起顺次内置有固定刻度15和光接收元件16。
安装毂5由黄铜、铝等切削加工性良好的材料制成，高精度地对用于嵌入配合旋转轴2的嵌入配合孔5a的内径、和用于装载旋转刻度7的接收面5b进行加工。而且，在薄玻璃或薄金属板上通过蚀刻加工或照相制版用PET薄膜形成狭缝，以此构成旋转刻度7。
在组装该旋转编码器时，将安装毂5嵌入配合到马达1的旋转轴2上，安装毂5定位在规定的止推高度并用紧固螺栓6紧固。然后，在安装毂5的上面装载旋转刻度7，利用固定在旋转轴2上的固定轮8进行临时固定。而且，对旋转刻度7的旋转角度信息记录部7a的记录图形的中心和旋转轴2的中心进行定心、调整。之后，如图12所示，利用粘接剂9固定旋转轴2和固定轮8，同时，利用粘接剂9固定旋转刻度7的固定轮8。最后，以将旋转刻度7的外周部插入到框架12的上框部12a和下框部12b之间的方式，将传感器头11靠近安装在旋转刻度7附近，固定于马达1的适当位置上。
从传感器头11的发光元件13射出的发散光束，透过准直透镜14形成大致的平行光束，通过旋转刻度7的旋转角度信息记录部7a，通过固定刻度15并入射到光接收元件16中。这时，将伴随着旋转角度信息记录部7a和固定刻度15的相对角度位置变化而产生的莫尔条纹变化作为入射到光接收元件16中的光量变化，传感器头11对其进行光学地读�。⒓觳獬鲂潭�7的旋转角度。
图13表示现有技术中的反射型旋转编码器，代替上述传感器11，检测从旋转刻度7的旋转角度信息记录部7a而来的反射光束的传感器头17配置于旋转刻度7的下方。
这样，为了制造现有技术中的旋转编码器，除了必须采用安装毂5、紧固螺栓6、固定轮8、粘结剂9等之外，施加粘结剂9的部分很多，进而还必须进行定心调整，加工步骤多，难以降低制造成本。并且，由于旋转刻度7是通过在薄玻璃或薄金属板上进行利用蚀刻工序或照相制版PET薄膜形成狭缝而制成的，所以难以达到很高的同轴精度和嵌入配合精度。
近年来，在旋转编码器的制造中，已知这样的方法，即，由合成树脂对安装毂5和旋转刻度7进行整体成形，作为旋转盘容易地组装到旋转轴2上，以此降低制造成本。例如，本申请人在日本专利公报特开平60-140119号公报、特开昭62-3617号公报、实开平5-84818号公报、特公平5-39410号公报、特公平5-39411号公报等中，公开了采用V型槽格子的旋转刻度，在专利第2810521号、专利第2862417号等中，提出了圆筒格子型的旋转刻度。
图14表示配有由合成树脂材料整体成形的旋转盘18的旋转编码器，该旋转盘18具有旋转角度信息记录部18a。旋转盘18嵌入配合到与上述一样的马达1的旋转轴2中，利用粘结剂19粘结固定旋转轴2和旋转盘18。
该旋转编码器不需要上述安装毂5、紧固螺栓6、固定轮8等。并且，易于实现相对于旋转轴2的旋转盘18的嵌入配合孔18b的嵌入配合精度、和旋转角度信息记录部18a的图形与旋转盘18的嵌入配合孔18b的同轴精度。进而，不需要上述的定心这样的最为繁琐的工序。从而，除了减少构件数目之外，不需要定心调整工序，可以大幅度地降低制造成本。
但是，由于合成树脂材料的热膨胀系数比玻璃或金属的热膨胀系数大，在用金属制成旋转轴2而用合成树脂制成旋转盘18的情况下，在环境温度变化大的情况下，旋转轴2和旋转盘18的尺寸因各自的热膨胀系数而变化，旋转轴2和旋转盘18之间的相对位置发生变化。同样，在传感器头11由合成树脂材料制成的情况下，传感器头11因固有的温度特性系数而脱离最佳位置。
特别是，在旋转轴2的推力方向，旋转盘18和传感器头11的尺寸发生变化的情况下，旋转角度信息记录部18a和传感器头11之间的最佳间隙发生变化，传感器头11的输出信号变化，从而传感器11的检测精度恶化。并且，在最差的情况下，旋转盘18和传感器头11机械接触，产生故障。
但是，为了解决这些问题，有必要至少对在安装旋转盘18和传感器头11时的推力方向的安装公差尽可能地限制，这样导致制造成本上升。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种以廉价的结构应对环境温度的变化，以高精度检测、获得旋转角度的旋转角度检测装置、及其旋转盘。
为了实现上述目的，在由马达·齿轮·带轮等旋转构件、固定在该旋转构件的旋转轴上的合成树脂制成的旋转盘、从设置在该旋转盘上的旋转角度信息记录部检测出信息的传感器头构成的旋转角度检测装置中，本发明的旋转角度检测装置的特征在于，在该旋转轴和该旋转盘的推力方向的粘结固定点位置和该传感器头安装部的推力方向固定粘结点位置之间，配置该旋转盘的旋转角度信息记录部面。
并且，本发明的旋转角度检测装置的旋转盘，其特征在于，由合成树脂材料制成，具有固定在旋转角度检测装置的旋转轴上的固定部、从该固定部的外周边缘沿着前述旋转轴的轴线的方向延伸的筒状部、从该筒状部的端部沿着与前述旋转轴的轴线垂直相交的方向延伸的盘主体部。
在后面所述的实施方式的说明中，可以理解关于本发明的进一步的目的和结构。
图1是第一个实施方式的主要部分的剖视图。
图2是传感器头的详细图示。
图3是聚光点和元件所在的点一致的状态的说明图。
图4是温度上升之后的状态的作用说明图。
图5是第二个实施方式的主要部分的剖视图。
图6是温度上升之后的状态的作用说明图。
图7是第三个实施方式的主要部分的剖视图。
图8是第四个实施方式的主要部分的剖视图。
图9是第五个实施方式的主要部分的剖视图。
图10是第六个实施方式的主要部分的剖视图。
图11是现有技术的例子的透过型编码器的局部剖视图。
图12是现有技术的例子的局部放大平面图。
图13是现有技术的例子的反射型编码器的局部剖视图。
图14是现有技术的例子的具有成一体的旋转盘的透过型编码器的局部剖视图。
具体实施例方式
根据图1～图10所示的实施方式详细说明本发明。
图1是第一个实施方式的主要部分的剖视图，该第一个实施方式的旋转角度检测装置为反射型的旋转编码器。在马达21中，旋转轴22经由上部轴承23和下部轴承24可自由旋转地被支承。在旋转轴22的上部嵌入配合旋转盘25，旋转盘25被粘结材料26粘结固定到旋转轴22上。在旋转盘25的下面设有旋转角度信息记录部27，在该旋转角度信息记录部27中，沿圆周方向规则地配置图中未示出的1个或多个反射元件。而且，在马达21的安装基准面A上，经由电路基板29安装反射型的传感器头28。
旋转盘25由透光性的合成树脂材料整体成形而成。在旋转盘25上设有固定在旋转轴22上的圆板状的固定部25a，从该固定部25a的外周边缘沿旋转轴22的轴线方向、即推力方向的向下方向延伸的筒状部25b，从该筒状部25b的下部沿与旋转轴22垂直相交的方向、即径向方向的向外方向延伸的盘主体部25c。在固定部25a上形成嵌入配合旋转轴22的嵌入配合孔25d，旋转角度信息记录部27设置在盘主体部25c的下面。
另外，以传感器头28的聚光点为B，以马达21的安装基准面A内的旋转轴22和上部轴承23的内轮的固定点为C，以旋转轴22和旋转盘25的固定点为D，以旋转角度信息记录部27内的反射元件的所在的元件存在点为E，以与旋转轴22的推力方向相关的固定点C和固定点D的距离为L，以与旋转轴22的推力方向相关的安装基准面A和聚光点B的距离为H，以与旋转轴22的推力方向相关的固定点D和元件存在点E的距离为S。
如图2所示，传感器头28的构成包括发散光束的LED等发光元件31、将从该发光元件31而来的光束聚光到聚光点B的第一准直透镜32、对由旋转角度信息记录部27反射的发散光束进行聚光的第二准直透镜33、检测出该第二准直透镜33的光束的光接收元件34。
在该旋转编码器中，从发光元件31发散的光束，透过第一聚光透镜32、形成会聚光束聚光于聚光点B。会聚于聚光点B的光束在位于聚光点B的旋转角度信息记录部27的元件存在点E处反射，形成发散光束并透过第二准直透镜33，再次形成会聚光束，并入射到光接收元件34中。这时，在除旋转角度信息记录部27的元件存在点E之外的部分中，光束透过旋转盘25。而且，伴随着旋转盘25的旋转，旋转角度信息记录部27的反射元件向沿圆周方向移动，从光接收元件34输出的电信号发生变化，获得旋转角度信息。
在此，在聚光点B和元件存在点E的位置一致的情况下，传感器头28输出良好的电信号。但是，由于从马达21产生的热使环境温度上升，所以旋转轴22、旋转盘25、传感器头28等发生热膨胀，使聚光点B和元件存在点E的位置发生变化。因此，在第一个实施方式中，下述关系式(1)、(2)成立，防止聚光点B和元件存在点E的位置发生变化。
β×H×ΔT＝(α2×L+α1×S)×ΔT …(1)L＝S+H…(2)其中，旋转盘25的热膨胀系数为α1、旋转轴22的热膨胀系数α2、传感器头28最佳位置处的温度特性系数为β、温度的变化量为ΔT。并且，距离H、L的符号以安装基准面A的上方为+，距离S的符号以固定点D的上方为+。进而，旋转轴22、旋转盘25、传感器头28等的温度变化相同。
而且，对应于温度变化量ΔT发生变化的距离H的变化量为ΔH，温度特性系数定义为β＝ΔH/H。即，温度特性系数β作为定量表示相对于距离H随温度的变化以何种程度的比例发生变化的系数。
图3表示环境温度为常温20℃时聚光点B和元件存在点E一致的状态、即旋转盘25以最佳位置关系固定在旋转轴22上的状态。在制造旋转编码器时，热膨胀系数α1、α2和温度特性系数β是已知的，作为安装传感器头28的结果，可以先行确定聚光点B的位置、也就是距离H，因而，在关系式(1)中，通过代入热膨胀系数α1、α2、温度特性系数β、以及距离H的值，并求解与关系式(2)连立的方程式，确定距离L、S。而且，从这些距离L、S求出旋转轴22、旋转盘25、传感器头28等的形状和固定位置。
图4是上述构成的作用说明图，表示温度特性系数β＝0而环境温度变大的情况。而且，旋转轴22由不锈钢制成，旋转盘25由聚碳酸酯制成。因而，热膨胀系数α16.6×10-5，热膨胀系数α21.47×10-5。这时，距离H为7.7mm，由关系式(1)、(2)得出距离L为+9.9mm、距离S为-2.2mm。
在这种情况下，由于温度特性系数β＝0，所以传感器头28不受温度的影响，聚光点B的位置不会变化。而且，由于环境温度大大上升，所以旋转轴22和旋转盘25依照固有的热膨胀系数α1、α2发生热膨胀。旋转轴22发生热膨胀时，固定点D向上移动，形成比上述距离L大的距离L’。并且，旋转盘25以固定点D为基准向下膨胀，形成比上述距离S大的距离S’。这时，以旋转盘25的筒状部25b为主向下膨胀，抵消元件存在点E伴随着旋转轴22的膨胀向推力方向的移动。
因而，在第一个实施例中，即使环境温度大幅度上升，聚光点B和元件存在点E两者仍为不动的点，可以输出稳定的信号。
图5是第二个实施方式的主要部分的剖视图，图6是作用说明图，温度特性系数β＝0.50×10-5，其它条件与上述相同。在第二个实施方式中，距离L为+9.15mm，距离S为-1.45mm，获得与第一实施方式相同的效果。
图7是在本发明第三个实施方式中、与第一和第二实施方式中的旋转轴22和旋转盘25中不同的其它固定方法、旋转盘的形状的说明图。旋转盘25由射出成型金属模具成一体地形成旋转信息记录部、具有第一嵌入配合尺寸的第一嵌入配合部25d、以及具有第二嵌入配合尺寸的第二嵌入配合部25e。特别是，包含于旋转盘的旋转位置信息记录部的图形中心和第一嵌入配合部25d的同轴度高精度地形成，可以与旋转轴22高精度地结合。
这时，在嵌入配合部中，为了确保同轴精度，有必要尽可能排除嵌入配合部的间隙，因而，在采用粘结等结合机构的情况下，难以将粘结剂注入到旋转轴22和嵌入配合面的间隙25d之间，从而，可以以嵌入配合部25d与另一个具有第二嵌入配合尺寸的第二嵌入配合部25e具有适当的间隙尺寸注入必要量的粘结剂，获得旋转盘25和旋转轴22的粘结固定强度。
图8是说明第四个实施方式的图示，与前面的图7一样，是在第一和第二个实施方式中的旋转轴22和旋转盘25的另一种固定方法、旋转盘的形状的说明图。与第三个实施例一样，旋转盘25利用射出成型金属模具成一体地形成旋转信息记录部、具有第一嵌入配合尺寸的第一嵌入配合部25d、和具有第二嵌入配合尺寸的第二嵌入配合部25e。特别是，高精度地形成包含于旋转盘的旋转位置信息记录部的图形中心和第一嵌入配合部25d的同轴部，可以与旋转轴22高精度地结合。
在本实施例中，旋转盘成有底的凹形形状，在有底的凹形形状上配置树脂材料的浇口是很容易的，由于在图形中心可以配置浇口，所以树脂的流动相对于图形处于点对称的位置上，因而可以使图形的精度更好。
图9是第五个实施方式的主要部分的剖视图，在马达51的旋转轴52的上端面上，利用粘结剂54固定旋转盘53。而且，在旋转轴52的上端面上形成施加粘结剂54的槽部52a。
在旋转盘53上设有配置在旋转轴52上端面上的固定部53a、从该固定部53a的外边缘向下方延伸的筒状部53b、从该筒状部53b的下部向外侧方向水平延伸的盘主体部53c。圆筒状部53b的内部形成嵌入配合旋转轴52的嵌入配合孔53d，在旋转轴52的外周面和嵌入配合孔53d的内周面之间形成微小的间隙，旋转角度信息记录部27配置在盘主体部53c的下面。在第五个实施方式中，也能获得与第一～第三实施例相同的效果。
图10是第六个实施方式的主要部分的剖视图，利用垫圈64和紧固螺栓65将旋转盘63固定在马达61的旋转轴62的上端面上。而且，在旋转轴62的上端面上形成与紧固螺栓65螺纹配合的螺纹孔62a。
在旋转盘63上设有固定在旋转轴62的上端面上的圆板状的固定部63a、从该固定部63a的外周边缘向下方延伸的筒状部63b、从该筒状部63b的下部向外侧水平延伸的盘主体部63c。筒状部63b的内部形成嵌入配合旋转轴62的嵌入配合孔63d，旋转轴62的外周面和嵌入配合孔63d的内周面之间形成微小的间隙。在固定部63a上形成贯穿插入紧固螺栓65的贯穿插入孔63e，旋转角度信息记录部27配置在盘主体部63c的下面。在该第六个实施方式中，也能获得与第一～第三实施方式相同的效果。
如上所述，本发明的旋转角度检测装置，根据旋转盘的热膨胀系数、旋转轴的热膨胀系数、以及传感器头的温度特性系数，确定旋转角度信息记录部和传感器头的相对位置，因而，即使环境温度发生变化，仍可以保持旋转角度信息记录部和传感器头的最佳相对位置。因而，可以稳定输出信号并降低检测误差，同时，可以提高旋转轴和旋转盘的固定强度。并且，旋转角度信息记录部和传感器头相对的装配余量可以扩大。
而且，在可以扩大可使用的温度范围的基础上，可以实现旋转角度的高分辨能力和高精度的检测。
并且，本发明的旋转角度检测装置的旋转盘，是由合成树脂材料制成的，具有固定在旋转角度检测装置的马达的旋转轴上的固定部、从固定部的外周边缘沿旋转轴的轴线方向延伸的筒状部、从筒状部的端部沿与旋转轴的轴线垂直相交的方向延伸的盘主体部，因而，在环境温度上升时，筒状部主要沿轴线方向膨胀，可以抵消沿旋转轴的轴线方向的膨胀。
进而，重视旋转轴和旋转盘的同轴度，通过设置尽量减少嵌入配合间隙的第一嵌入配合部和用于旋转轴与旋转盘的粘结·固定的的第二嵌入配合部，可以保持高精度的同轴度，相对于温度变化十分稳定地保持传感器头和旋转盘的位置关系。
权利要求
1.一种旋转角度检测装置，其特征在于包括旋转轴，固定在前述旋转轴上的合成树脂制成的旋转盘，检测从设置在该旋转盘上的旋转角度信息记录部而来的信息的传感器头；其中，在前述旋转轴和前述旋转盘的相对于前述旋转轴的推力方向的粘结固定点的位置、和该传感器头的安装部相对于前述旋转轴的推力方向的粘结固定点位置之间，配置该旋转盘的旋转信息记录部面。
2.如权利要求1所述的旋转角度检测装置，其特征在于前述旋转盘具有固定在前述旋转轴上的固定部，从该固定部的外周边缘沿前述旋转轴的轴线方向延伸的筒状部，从该筒状部的端部向与前述旋转轴的轴线垂直相交的方向延伸的盘主体部。
3.如权利要求1所述的旋转角度检测装置，其特征在于前述旋转角度信息记录部通过沿圆周方向配置一个或多个反射元件而构成。
4.一种旋转角度检测装置的旋转盘，它由合成树脂材料构成，其特征在于包括固定在旋转角度检测装置的旋转轴上的固定部，从该固定部的外周边缘沿前述旋转轴的轴线方向延伸的筒状部，从该筒状部的端部沿与前述旋转轴的轴线垂直相交的方向延伸的盘主体部。
5.如权利要求4所述的旋转盘，其特征在于包括相对于该旋转轴的直径具有第一嵌入配合间隙的第一嵌入配合区域，具有第二嵌入配合间隙的第二嵌入配合区域。
6.如权利要求4所述的旋转盘，其特征在于包括具有嵌入配合前述旋转轴的有底凹形形状部，在该有底凹形形状部上有旋转轴和该旋转盘的粘结固定点。
7.旋转角度检测装置，其特征在于包括旋转轴，具有固定在该旋转轴上的合成树脂制成的旋转角度信息记录部的旋转盘，和从前述旋转角度信息记录部检测出信息的传感器部，其中，前述旋转盘的前述旋转角度信息记录部和前述旋转轴，以随温度变化而向前述旋转轴的推力方向移动的方向成为相互抵消的方向的方式，将前述旋转盘安装在前述旋转轴上。
8.如权利要求7所述的旋转角度检测装置，其特征在于前述旋转盘具有固定在前述旋转轴上的固定部，从该固定部的外周边缘沿前述旋转轴的轴线方向延伸的筒状部，从该筒状部的端部沿与前述旋转轴的轴线垂直相交的方向延伸的盘主体部，其中，在前述盘主体部上具有前述旋转角度信息记录部。
全文摘要
通过将旋转盘的旋转信息记录面配置在旋转盘和旋转轴的固定点与检测头的固定位置的中间位置上，获得减小由于热膨胀而造成的变化的稳定的罩。并且，因此，作为旋转盘的安装嵌入配合部形状，配有第一嵌入配合部和第二嵌入配合部，配有用于满足同轴度的第一嵌入配合部和具有用于注入粘结剂等固定机构的间隙第二嵌入配合部。利用这些结构，最佳检测位置(最佳罩位置)不会由于周围温度的变化而产生变动。
文档编号G01D5/26GK1488917SQ03153358
公开日2004年4月14日 申请日期2003年8月11日 优先权日2002年8月13日
发明者井垣正彦, 热田晓生, 生 申请人:佳能株式会社
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
