JP2002340614A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】位置センサと磁極センサをそれぞれ別々に設け
る必要がなく、センサを一台にして位置検出と磁極検出
を行うことができると共に、センサの設置時の調整が容
易で、しかも小型・低コストのエンコーダを提供する。 【解決手段】スケールを構成してなる格子パターン２
１、２２と、スケールと相対的に移動し、格子パターン
２１、２２に対応した複数組の磁気センサ３１、３２
と、位相変調部４と、磁極検出信号生成部５と、位置検
出信号生成部６とを備え、格子パターン２１、２２は等
ピッチのパターンで形成され、磁極検出信号は任意の格
子パターン間におけるバーニア周期のピッチ数がモータ
の磁極対数の整数倍と等しくなるような少なくとも１組
のバーニア周期を持つ位相差信号を基に生成されるよう
にしてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転型モータやリ
ニアモータ用のエンコーダに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、産業用ロボットの回転駆動部分あ
るいは工作機械の直線駆動部分に用いられると共に、永
久磁石をもつ回転型モータあるいはリニアモータの位置
制御や速度制御を行うため、移動体の位置とモータの磁
極位置の情報を制御装置側に伝えるエンコーダが用いら
れている。以下、エンコーダに関して、回転型モータの
場合を例に取って説明する。エンコーダは一般にインク
リメンタルエンコーダとアブソリュートエンコーダに分
けることができる。一方のアブソリュートエンコーダ
は、回転軸位置検出信号から磁極検出信号も生成できる
が、形状が大きくなり、コストも高くなるという問題が
ある。他方のインクリメンタルエンコーダは、アブソリ
ュートエンコーダに対して小型でコストも安いという特
徴をもつが、回転軸位置検出信号の他に、モータの磁極
検出信号生成するためのセンサや回路が必要となる。図
１７は、従来の回転軸位置検出に用いるインクリメンタ
ルエンコーダの斜視図である。図において、９１は回転
ディスク、９２は位置検出用格子パターン、９３は位置
センサ、９４は磁極検出用格子パターンである。磁極検
出用格子パターン９４は、モータの極対数に対応して歯
部９５および切り欠き部９６が形成されており、発光素
子と受光素子で構成された３個の磁極センサ９７、９
８、９９で検出する。３個の磁極センサ９７、９８、９
９は、モータの磁極対ピッチを３６０°としてお互いに
１２０°ずつ離れた位置に配置され、３相の磁極検出信
号Ｕ、Ｖ、Ｗを生成するようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように、インクリ
メンタルエンコーダでは位置検出と磁極検出のため、位
置センサと磁極センサをそれぞれ別々に設けていること
から、センサ毎に設置時の調整が必要となり、調整に時
間や労力などの手間がかかっていた。また、別々の場所
でセンサが複数個必要となるため、結局小型化出来ない
上にコスト高になっていた。本発明は上記課題を解決す
るためになされたものであり、位置センサと磁極センサ
をそれぞれ別々に設ける必要がなく、センサを一台にし
て位置検出と磁極検出を行うことができると共に、セン
サの設置時の調整が容易で、しかも小型・低コストのエ
ンコーダを提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明のエンコーダは、スケールを構成してなる複
数組の格子パターンと、前記スケールと相対的に移動
し、前記複数組の格子パターンに対応した複数組のセン
サと、前記格子パターンに対応した複数組のセンサから
の信号をそれぞれ位相信号に変換する位相変調部と、前
記位相変調部で得られた位相信号間の位相差からモータ
の磁極検出信号を生成する磁極検出信号生成部と、前記
位相変調部で得られた位相信号に基づいてモータの位置
検出信号を生成する位置検出信号生成部と、を備え、前
記複数組の格子パターンは等ピッチのパターンで形成さ
れ、前記磁極検出信号は任意の格子パターン間における
バーニア周期のピッチ数がモータの磁極対数の整数倍と
等しくなるような少なくとも１組のバーニア周期を持つ
１組または複数組の位相差信号を基に生成されるように
したものである。上記手段により、エンコーダの１箇所
にセンサを配置するだけでモータの位置検出信号と磁極
検出信号が出来るため調整が容易で且つ、小型で低コス
トのセンサが実現できる。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、図を用いて本発明の実施例
を説明する。 （第１の実施例）図１は本発明の第１の実施例を示すエ
ンコーダとその信号処理ブロック図である。１は回転デ
ィスク、２は格子パターン、３は磁気センサである。本
エンコーダは検出部Ｄと信号処理部Ｓから構成される。
このうち、検出部Ｄは回転ディスク１および磁気センサ
３から構成されると共に、信号処理部Ｓは位相変調部
４、磁極検出信号生成部５、位置検出信号生成部６、発
信器７および分周器８から構成される。

【０００６】図２は検出部の斜視図であり、図３は、磁
気センサの構成を説明するための断面図である。磁気セ
ンサ３はＭＲ素子（磁気抵抗素子：ＭＲ１〜ＭＲ４）と
バイアス磁石３３で構成され、磁性鋼板でつくられた回
転ディスク１上の格子パターン２に対向して配置されて
いる。すなわち、１つの格子パターン列に対して１組４
個のＭＲ素子ＭＲ１〜ＭＲ４が配置され、バイアス磁界
用永久磁石３３によりバイアス磁界が加えられる。２組
のＭＲ素子組とバイアス磁界用永久磁石がセンサケース
３４内に納められている。格子パターン２がＭＲ素子の
下を移動すると、ＭＲ素子に加わる磁界の強さが変化
し、ＭＲ素子の抵抗が変化する。

【０００７】図４はＭＲ素子組の接続を説明するための
図である。電源端子３７、３８間に直流電圧が加えられ
た場合、格子パターンの移動によってＭＲ素子の抵抗が
変化すると、出力端子３５、３６の電圧が変化し、パタ
ーンピッチ１ピッチに対して１サイクルの２相の正弦波
状の信号が得られる。

【０００８】図５は格子パターンの図を示す。格子パタ
ーン２は、２組のそれぞれ等ピッチの格子パターン２１
および２２を持ち、ピッチ数は回転ディスク１回転あた
り、それぞれ格子パターン２１が１２８、格子パターン
２２が１２４である。両格子パターン間のピッチ数の差
が１となる回転角をバーニア周期とするとバーニア周期
のピッチ数は、両格子間のピッチ数の差（１２８−１２
４）から、１回転あたり４ピッチとなる。

【０００９】図６は本エンコーダが適用されるモータの
断面図を示す。モータは積層コア１０１に電機子巻線１
０２を有する固定子１００と、固定子１００と磁気的空
隙を介して表面に永久磁石１０３を有する回転子１０４
で構成された永久磁石型同期電動機の例を示している。
永久磁石１０３の磁極対数は４（磁極数は８）で、バー
ニア周期のピッチ数はこの値に合わせている。図１にお
いて、磁気センサ３は２組の素子組３１および３２を持
ち、それぞれ格子パターン２１および２２に対応してい
る。素子組３１からは回転ディスク１回転あたり１２８
サイクルの２相の正弦波状のセンサ信号ａ１、ｂ１が得
られ、素子組３２からは回転ディスク１回転あたり１２
４サイクルの２相の正弦波状のセンサ信号ａ２、ｂ２が
得られる。この信号は信号処理部の位相変調部４へ入力
される。位相変調部４では、搬送波信号ｍｓをセンサ信
号で変調することにより２組のセンサ信号ａ１、ｂ１お
よびａ２、ｂ２に対する位相信号φ１及びφ２に変換す
る。

【００１０】次に、位相変調部の動作について説明す
る。位相変調部４は、２組のそれぞれのスリット列に対
応した２組の位相変調回路部４１、４２から構成されて
いる。図７は位相変調回路部４のブロック図である。位
相変調回路部４は、多相変換部４１、マルチプレクサ４
２、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４３、コンパレータ４
４から構成される。多相変換部４１は、２相のセンサ信
号を重み付けして加算することにより、４相や８相とい
った多相信号へ変換する。

【００１１】図８は８相の多相信号ｓ１〜ｓ８の波形を
示す。多相信号は、回転ディスク回転角に対してスリッ
トピッチに等しい周期を持つ正弦波状の波形である。多
相信号は、マルチプレクサ４２により、順次サンプリン
グされる。サンプリングするための搬送波信号ｍｓは、
多相信号が８相の場合、３ビットのバイナリ信号（ｄ
０、ｄ１、ｄ２）で構成され、発信器７を分周して得ら
れる。最も周期の長いｄ２を位相の基準信号φとして用
いる。

【００１２】図９は搬送波信号ｍｓと、サンプリングさ
れた信号（位相変調信号）のタイムチャートを示したも
のである。図９に示した位相変調信号は、回転ディスク
１の回転位置が、図８に示した多相信号の電気角で０度
と４５度の場合のタイムチャートである。高調波成分が
ＬＰＦ４３によって除去され、基本波成分が取り出され
る。さらに、コンパレータ４４で矩形波信号に変換され
る。これが２値化された位相信号で、基準信号φとのエ
ッジ位置の差が回転ディスク１の角度を表す情報にな
る。

【００１３】図１０は位相信号のタイムチャートを示し
たものである。図１０において、回転位置が多相信号の
電気角で０°の場合、位相信号は、多相変換部やＬＰＦ
による位相遅れによるφｄの位相遅れをもつ信号にな
る。次に、回転位置が多相信号の電気角で４５°の場
合、前述の位相遅れφｄに多相信号の位相である４５°
をプラスしたφｄ＋４５°の位相遅れをもつ信号にな
り、位相信号は４５°変化したことになる。すなわち、
位相信号は、センサ信号の位相を表す信号になる。位相
信号φ１とφ２は、磁極信号生成部５へ入力され、基準
信号φと位相信号φ１は位置信号生成部６へ入力され
る。ここでは、磁極信号生成部についてのみ説明する。

【００１４】図１１は磁極信号生成部５のブロック図、
図１２は各部の信号波形を示したものである。図１１に
おいて、５１はフリップフロップであり、φ１の立ち上
がりエッジでセットされφ２の立ち上がりエッジでリセ
ットされる。５２はカウンタであり、セット区間（φ１
の立ち上がりエッジからφ２の立ち上がりエッジまで）
のクロック（ｃｋ）をカウントし、デジタルの位相差信
号φ０１を生成する。５３および５４は加算器である。
φ０１に対して、デジタルのバイアス信号ＢＶおよびＢ
Ｗをφ０１に加算し、図１２に示すようにφ０１に対し
てそれぞれ１２０°および２４０°の位相差をもつデジ
タル信号ＤＶおよびＤＷを生成する。ＤＵにはφ０１を
使用する。加算回路の動作をＤＶの生成を例にして説明
する。

【００１５】図１３は加算器５３の詳細図であって、４
ビットのバイナリ加算器を２個用いて８ビットの加算を
行っている。

【００１６】図１４は加算の動作を説明する図である。
Ｂ１〜Ｂ８はバイアス信号ＢＶで、ＤＶがＤＵに対して
１２０° 遅れの信号となるよう２４０°（３６０°−
１２０°＝２４０°）分に相当する信号を加えている。
位相差３６０°をＦＦ（１６進表示）出力に対応させる
ことにより、φ０１とＢＶの加算結果がＦＦを超える区
間（図１４の区間２）についてもＤＵに対して１２０°
遅れの所要の信号が得られる。５５、５６、５７はデ
ジタルコンパレータで、その出力Ｕ、Ｖ、Ｗはそれぞれ
ＤＵ、ＤＶ、ＤＷが８０（１６進表示）以上になるとＨ
レベルになるよう比較レベルが設定されている。Ｕ、
Ｖ、Ｗは位相１８０° 点で１、０が反転するお互いに
１２０° 位相の異なる２値化された信号となる。これ
らの信号とモータの磁極位置との関係を回転ディスクの
位置調整や位相信号の位相調整によって所定の位置にあ
わせ、磁極検出信号として用いる。

【００１７】したがって、スケールを構成してなる格子
と、スケールと相対的に移動し、格子パターンに対応し
た複数組の磁気センサと、位相変調部と、磁極検出信号
生成部と、位置検出信号生成部とを備えたエンコーダで
あって、複数組の格子パターンを等ピッチのパターンで
形成すると共に、磁極検出信号は任意の格子パターン間
におけるバーニア周期のピッチ数がモータの磁極対数の
整数倍と等しくなるような少なくとも１組のバーニア周
期を持つ１組または複数組の位相差信号を基に生成する
ようにしたため、スケール上に通常の位置検出用として
も用いられる格子パターンと比較的ピッチの近い格子パ
ターンを使うことで、両格子パターン間の位相差信号か
ら磁極検出信号を生成することが可能である。また、セ
ンサを一台にして位置検出と磁極検出の両方が可能なこ
とから、センサの設置時の調整が容易で、しかも小型・
低コストのエンコーダを提供することをできる。

【００１８】（第２の実施例）図１５は本発明の第２の
実施例を示す回転ディスクの格子パターンである。説明
を分かり易くするために角度を直線距離に変換したリニ
アスケールで示している。第１の実施例では格子パター
ン２１および２２は等ピッチのパターンを使用したが、
第２の実施例では、格子パターン２１は第１実施例と同
様に等ピッチの格子パターンであるが、格子パターン２
２は、格子パターン２１に対し、１磁極対ピッチ内に６
０°ずつ位相を変えた６つの位相差（３０°、９０°、
１５０°、２１０°、２７０°、３３０°）をもつパタ
ーンとこれらの間を直線的な位相でつなぐパターンから
構成されている。図１６は両格子パターン間の位相差信
号φ０１および磁極検出信号Ｕの波形を示したものであ
る。位相差信号φ０１は、あるビット数からなるバイナ
リ信号であるが、説明を分かり易くするためにＤ／Ａ変
換器を通して観た波形を示している。磁極検出信号生成
部は、第１の実施例の場合と同じ構成で実現できる。第
１の実施例の場合に比べて、位相差１８０°点における
検出感度が高くなるので、精度の高い磁極信号がつくれ
る。なお、上例では、いずれも回転型モータに用いられ
るロータリエンコーダに対して磁極検出信号生成方法を
説明したが、リニアエンコーダでも同様な磁極検出信号
生成方法が可能であることは明らかである。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、ス
ケールを構成してなる格子パターンと、スケールと相対
的に移動し、格子パターンに対応した複数組の磁気セン
サと、位相変調部と、磁極検出信号生成部と、位置検出
信号生成部とを備え、複数組の格子パターンは等ピッチ
のパターンで形成すると共に、磁極検出信号は任意の格
子パターン間におけるバーニア周期のピッチ数がモータ
の磁極対数の整数倍と等しくなるような少なくとも１組
のバーニア周期を持つ１組または複数組の位相差信号を
基に生成するようにしたので、スケール上に位置検出用
の格子パターンと比較的ピッチの近い格子パターンを使
って、両格子パターン間の位相差信号から磁極検出信号
を生成できる、また、センサを一台にして位置検出と磁
極検出の両方が可能なことから、センサ設置時の調整が
容易で、且つ小型で低コストのエンコーダが実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すエンコーダの信号
処理ブロック図

【図２】第１の実施例における検出部の構成を示す斜視
図

【図３】第１の実施例における磁気センサの断面図

【図４】第１の実施例におけるＭＲ素子組の接続図

【図５】第１の実施例における回転ディスクの格子パタ
ーン図

【図６】第１の実施例に適用されるモータの磁極配置を
説明する図

【図７】位相変調回路各部のブロック図

【図８】多相信号の波形図

【図９】搬送波信号および位相変調信号のタイムチャー
ト

【図１０】位相信号のタイムチャート

【図１１】本発明の実施の形態１の磁極検出信号生成部
のブロック図

【図１２】本発明の実施の形態１の磁極検出信号生成部
の各部の信号波形図

【図１３】加算回路５３の詳細図

【図１４】加算の動作を説明する図

【図１５】本発明の実施の形態２に関する回転ディスク
の格子パターン図

【図１６】本発明の実施の形態２の磁極検出信号生成部
の各部の信号波形図

【図１７】従来の磁極信号検出方式を説明する図

【符号の説明】

１ 回転ディスク ２、２１、２２ 格子パターン ３、３１、３２ 磁気センサ ３３ バイアス磁界用永久磁石 ３４ センサケース ３５、３６ 出力端子 ３７、３８ 電源端子 ４ 位相変調部 ４１ 多相変換部 ４２ マルチプレクサ ４３ ローパスフィルタ（ＬＰＦ） ４４ コンパレータ ５ 磁極検出信号生成部 ５１ フリップフロップ ５２ カウンタ ５３、５４ 加算器 ５５、５６、５７ デジタルコンパレータ ６ 位置検出信号生成部 ７ 発信器 ８ 分周器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F063 AA02 AA35 BA30 CA34 DA01 DB04 DB07 DD05 EA02 EA03 GA52 GA65 GA67 GA71 GA80 KA01 KA04 LA01 LA11 LA19 LA27 ZA01 2F077 AA43 AA49 NN02 NN24 PP14 QQ03 RR04 TT04 TT16 TT21 TT84 UU22 VV21 5H019 AA07 BB01 BB05 BB10 BB26

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スケールを構成してなる複数組の格子パタ
   ーンと、 前記スケールと相対的に移動し、前記複数組の格子パタ
   ーンに対応した複数組の磁気センサと、 前記格子パターンに対応した複数組の磁気センサからの
   信号をそれぞれ位相信号に変換する位相変調部と、 前記位相変調部で得られた位相信号間の位相差からモー
   タの磁極検出信号を生成する磁極検出信号生成部と、 前記位相変調部で得られた位相信号に基づいてモータの
   位置検出信号を生成する位置検出信号生成部と、を備
   え、 前記複数組の格子パターンは等ピッチのパターンで形成
   され、 前記磁極検出信号は任意の格子パターン間におけるバー
   ニア周期のピッチ数がモータの磁極対数の整数倍と等し
   くなるような少なくとも１組のバーニア周期を持つ１組
   または複数組の位相差信号を基に生成されることを特徴
   とするエンコーダ。