JP2003161641A - アブソリュートエンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型でコンパクトな多回転式アブソリュート
エンコーダを提供することを目的とする。 【解決手段】 １回転に２のｎ乗の周期をもつ２相のア
ナログ信号と、１回転に１周期の２相のアナログ信号
と、回転回数を検出する２相の信号の３種類の信号を出
力する原信号出力部１１と、デコード回路１２と、回転
回数を計数するための多回転カウンタ１３、電源ＯＮ／
ＯＦＦ回路１４と、それらのバックアップ回路１５およ
び送信データ変換回路１７で構成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サーボモータに搭
載して回転体の絶対回転角を検出するアブソリュートエ
ンコーダに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】アブソリュートエンコーダは電源投入後
直ちに１回転内の絶対位置が認識できるエンコーダで、
インクリメンタルエンコーダを用いた制御システムにお
いて必要とされる電源投入直後に行う機械位置とコント
ローラとの位置合わせ動作である原点復帰動作が不要で
あることから、多関節ロボットをはじめとするロボット
駆動用モータに搭載され普及している。

【０００３】以下に、従来のアブソリュートエンコーダ
について説明する。

【０００４】図７において、７１はアブソリュート信号
出力部、７２は多回転カウンタ部、７３はバックアップ
回路、７４は変換回路である。

【０００５】以上のように構成されたアブソリュートエ
ンコーダについて、以下その動作について説明する。

【０００６】まず、主電源がオンしているとき、アブソ
リュート信号出力部７１からは１回転アブソリュートデ
ータとして１回転の分解能に対応した２＾０から２＾Ｋ
−１のＫビットの信号を出力する。また、多回転カウン
タ７２はアブソリュート信号出力の上位２ビット２＾Ｋ
−１と２＾Ｋ−２とを用いて回転回数を計数する。変換
回路７４はパラレルデータである１回転アブソリュート
データと、多回転カウントデータとをシリアルデータに
変換してドライバやＮＣシステムに送信する。

【０００７】一方、主電源がオフした場合には、バック
アップ回路７３によりアブソリュート信号出力の上位２
ビット２＾Ｋ−１と２＾Ｋ−２信号の検出と、多回転カ
ウンタ７２とを常に動作している。これにより再度主電
源を投入したときにも回転回数をリセットすることなく
保持し、しかも主電源オフ時に変化した回転回数も検出
することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、絶対位置を決定するためのアブソリュー
ト信号の数が多数必要であり、分解能を上げていくほど
信号数は増加する。

【０００９】この信号数に対応して検出部の数も増やす
必要があり、処理回路の規模も増大してくるので構造的
にも回路規模も大きくなるという問題点を有していた。

【００１０】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、小型でコンパクトな多回転式アブソリュートエンコ
ーダを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明のアブソリュートエンコーダは、互いに９０
度位相差を有し１回転に２のｎ乗の周期をもつ２相のア
ナログ信号とこの２つの信号に１８０°位相差をもつ２
相のアナログ信号の計４つのアナログ信号群と、互いに
９０度位相差を有し１回転に１周期をもつ２相のアナロ
グ信号とこの２つの信号に１８０°位相差をもつ２相の
アナログ信号の計４つのアナログ信号群と、互いに位相
差を有し１回転に１周期をもつ回転回数検出信号の合計
３種類の信号を出力する原信号出力部と、１回転内絶対
位置を上記２のｎ乗の周期をもつアナログ信号からｍビ
ット、１回転に１周期をもつアナログ信号からｎビット
の計ｍ＋ｎビットを出力するデコード回路と、前記回転
回数検出信号より正逆方向の回転回数を計数する多回転
カウンタと、主電源ＯＦＦ時に前記原信号出力部の回転
回数検出信号と多回転カウンタとを動作させるバックア
ップ回路と、主電源の状態を監視する電源ＯＮ／ＯＦＦ
検出回路と、この電源ＯＮ／ＯＦＦ検出回路の出力によ
り前記デコード回路の出力をパラレルデータからシリア
ルデータに変換し出力する変換回路とを備えたもので、
２種類の周期の異なるアナログ信号を信号処理して絶対
位置を得るものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】上記の課題を解決するため請求項
１記載のアブソリュートエンコーダは、互いに９０度位
相差を有し１回転に２のｎ乗の周期をもつ２相のアナロ
グ信号とこの２つの信号に１８０°位相差をもつ２相の
アナログ信号の計４つのアナログ信号群と、互いに９０
度位相差を有し１回転に１周期をもつ２相のアナログ信
号とこの２つの信号に１８０°位相差をもつ２相のアナ
ログ信号の計４つのアナログ信号群と、互いに位相差を
有し１回転に１周期をもつ回転回数検出信号の合計３種
類の信号を出力する原信号出力部と、１回転内絶対位置
を上記２のｎ乗の周期をもつアナログ信号からｍビッ
ト、１回転に１周期をもつアナログ信号からｎビットの
計ｍ＋ｎビットを出力するデコード回路と、前記回転回
数検出信号より正逆方向の回転回数を計数する多回転カ
ウンタと、主電源ＯＦＦ時に前記原信号出力部の回転回
数検出信号と多回転カウンタとを動作させるバックアッ
プ回路と、主電源の状態を監視する電源ＯＮ／ＯＦＦ検
出回路と、この電源ＯＮ／ＯＦＦ検出回路の出力により
前記デコード回路の出力をパラレルデータからシリアル
データに変換し出力する変換回路とを備えたものであ
り、従来のアブソリュートエンコーダより１回転内のア
ブソリュート信号のビット数を少なくすることができ
る。

【００１３】また、請求項２記載のアブソリュートエン
コーダは、１回転に２のｎ乗の周期をもつ２相のアナロ
グ信号、および１回転に１周期をもつ２相のアナログ信
号は、正弦波または三角波で構成したもので、簡単にア
ナログ信号を生成できる。

【００１４】また、請求項３記載のアブソリュートエン
コーダは、１回転内の絶対位置を出力するデコード回路
は、１回転に２のｎ乗の周期をもつ２相のアナログ信号
と１回転に１周期をもつアナログ信号とを各々数値化す
るアナログ／デジタル変換部（Ａ／Ｄ変換部）と、この
数値化された信号より２つの数値間の絶対値と２つの数
値の大小を符号で出力する演算部と、この演算された絶
対値と数値の大小符号より１回転内の位置データに変換
するデコード部と、２のｎ乗の周期をもつ２相のアナロ
グ信号から演算された下位ｍビットと１回転に１周期を
もつ２相のアナログ信号から演算された上位ｎビットを
合成するミキシング部とで構成したもので、アナログ信
号の全振幅に対する比率計算で位置を算出することによ
り、周囲温度が変化してアナログ信号の振幅が変化して
も安定した１回転アブソデータが検出可能となる。

【００１５】さらに、サーボモータに上記のアブソリュ
ートエンコーダを搭載したものでは、サーボモータの小
型化およびアブソデータの信頼性向上が図れる。

【００１６】

【実施例】以下に本発明の一実施例について図を参照し
て説明する。

【００１７】図１において、１１は原信号出力部、１２
はデコード回路、１３は多回転カウンタ、１４は電源Ｏ
Ｎ／ＯＦＦ検出回路、１５はバックアップ回路、１６は
変換回路である。

【００１８】ここで、原信号出力部１１の構成を図２に
示す。２１は発光素子、２２は回転スリット板、２３は
受光素子、２４は波形整形回路、２５は信号増幅回路で
ある。

【００１９】ここでは、２のｎ乗の周期をもつアナログ
信号が５１２パルス、一回転アブソリュートデータが１
７ビットとして以下に説明する。

【００２０】図３は回転スリット板２２の回転に合わせ
て検出される信号を示しており、２＾０ａ，２＾０
ａ′，２＾０ｂ，２＾０ｂ′信号は１回転に１周期の信
号をもつアナログ信号である。

【００２１】ここで、２＾０ａと２＾０ａ′および２＾
０ｂと２＾０ｂ′はそれぞれ１８０°位相差をもち、２
＾０ａと２＾０ｂおよび２＾０ａ′と２＾０ｂ′はそれ
ぞれ９０°位相差をもつ信号である。ａとｂおよびａ′
とｂ′信号はそれぞれ１回転に５１２周期の信号をもつ
アナログ信号である。

【００２２】つまり、ａとａ′およびｂとｂ′はそれぞ
れ１８０°位相差をもち、ａとｂおよびａ′とｂ′はそ
れぞれ９０°位相差をもつ信号である。

【００２３】また、２＾０Ａ，２＾０Ｂは互いに位相差
を有する信号であり１回転中１パルス発生する回転回数
検出信号である。

【００２４】デコード回路１２の構成を図４に示す。こ
こで４１ａ，４１ｂはアナログ信号の電圧を数値化する
アナログ／デジタル変換部（以下Ａ／Ｄ変換部）、４２
ａ，４２ｂはＡ／Ｄ変換部で数値化された信号から２つ
の信号間差の絶対値と２つの信号の大小を符号で出力す
る演算部、４３ａ，４３ｂは演算部で検出した信号の絶
対値と大小符号より１回転中の絶対位置に相当する１回
転アブソデータを出力するデコード部、４４は４３ａの
デコード部より出力された上位ビットと４３ｂのデコー
ド部より出力された下位ビットを合成し高分解能な１回
転アブソリュートデータを出力するミキシング部であ
る。

【００２５】次に、デコード回路１２のＡ／Ｄ変換部と
演算部の動作について説明する。図５（ａ）はＡ／Ｄ変
換部４１ａに入力された信号を数値化したときの出力波
形を示している。図５（ｂ）は数値化された２＾０ａか
ら２＾０ａ′を減算したときの絶対値と減算時の符号を
示している。図５（ｃ）は数値化された２＾０ｂから２
＾０ｂ′を減算したときの絶対値と減算時の符号を示し
ている。また、図５（ａ’）はＡ／Ｄ変換部４１ｂに入
力された信号を数値化したときの出力波形を示してい
る。図５（ｂ’）は数値化されたａからａ′を減算した
ときの絶対値と減算時の符号を示している。図５
（ｃ’）は数値化されたｂからｂ′を減算したときの絶
対値と減算時の符号を示している。

【００２６】また、デコード回路１２のデコード部の動
作について、演算部から出力された絶対値および符号と
絶対位置との関係を図６に示している。

【００２７】以下、上記構成のアブソリュートエンコー
ダについて図１を用いてその動作を説明する。

【００２８】原信号出力部１１からは図３で示したよう
に、２＾０ａ，２＾０ａ′，２＾０ｂ，２＾０ｂ′、
ａ，ａ′，ｂ，ｂ′、２＾０Ａ，２＾０Ｂの１０ヶの信
号が出力される。この中の２＾０Ａ，２＾０Ｂは多回転
カウンタ１５に入り、モータの回転回数をカウントす
る。

【００２９】そして、２＾０Ａ，２＾０Ｂおよび多回転
カウンタ１３は主電源ＯＦＦ時もバックアップ回路１５
にて検出および保持をしている。

【００３０】また、２＾０ａ，２＾０ａ′，２＾０ｂ，
２＾０ｂ′、ａ，ａ′，ｂ，ｂ′はデコード回路１２を
介して１回転アブソデータに変換され変換回路１６に入
る。さらに上記１回転アブソリュートデータの値と上記
多回転カウンタの値は変換回路１６を介してシステム側
へ出力される。

【００３１】次に、図４，図５，図６を用いてデコード
回路１２の動作を説明する。原信号出力部１１からの信
号２＾０ａ，２＾０ａ′，２＾０ｂ，２＾０ｂ′はＡ／
Ｄ変換部４１ａに入り、ａ，ａ′，ｂ，ｂ′はＡ／Ｄ変
換部４１ｂに入り、それぞれアナログ信号の電圧を数値
化する。

【００３２】図５（ａ）に示すようにＡ／Ｄ変換部４１
ａで数値化された信号は演算部４２ａに入り、２つの信
号間の信号差の絶対値と２つの信号の大小を算出する。
図５（ｂ）は、図５（ａ）の２＾０ａから２＾０ａ′を
減算したときの絶対値をＸ１、減算時の符号をＺ１で示
している。Ｚ１の符号で“Ｌ”は２＾０ａ≧２＾０ａ′
を意味し、“Ｈ”は２＾０ａ＜２＾０ａ′を意味する。

【００３３】また、図５（ｃ）は、２＾０ｂから２＾０
ｂ′を減算したときの絶対値をＹ１、減算時の符号をＺ
２で示している。この絶対値Ｘ１，Ｙ１および符号Ｚ
１，Ｚ２はデコード部４３ａに入る。

【００３４】同様に図５（ａ’）は、Ａ／Ｄ変換部４１
ｂの数値化された信号を示しており、数値化された信号
は演算部４２ｂに入り、２つの信号間の信号差の絶対値
と２つの信号の大小を算出する。また、図５（ｂ’）
は、図５（ａ’）のａからａ′を減算したときの絶対値
をＸ２、減算時の符号をＺ３に示している。Ｚ３の符号
で“Ｌ”はａ≧ａ′を意味し、“Ｈ”はａ＜ａ′を意味
する。

【００３５】また、図５（ｃ’）は、ｂからｂ′を減算
したときの絶対値をＹ２、減算時の符号をＺ４で示して
いる。この絶対値Ｘ２，Ｙ２および符号Ｚ３，Ｚ４はデ
コード部４３ｂに入る。

【００３６】図６（ｄ），図６（ｅ），図６（ｆ）は上
記絶対値Ｘ１，Ｙ１および符号Ｚ１，Ｚ２と絶対位置と
の関係を示したもので、同様に図６（ｄ’），図６
（ｅ’），図６（ｆ’）は、上記絶対値Ｘ２，Ｙ２およ
び符号Ｚ３，Ｚ４と絶対位置との関係を示したものであ
る。Ｘ（Ｐ）およびＹ（Ｐ）は位置Ｐの関数となり、図
より任意の位置Ｐに対してＸ（Ｐ）＋Ｙ（Ｐ）は一定
（数式１）の関係が成り立つ。

【００３７】 （数式１） Ｘ（Ｐ）＋Ｙ（Ｐ）＝Ｋ（一定） ここで、停止位置をＰ１およびＰ２としたときの１回転
アブソデータの算出例について説明する。

【００３８】停止位置がＰ１の場合、演算部４２ａから
絶対値ｘ１，ｙ１が得られ、符号はＺ１：“Ｌ”，Ｚ
２：“Ｌ”が得られる。これより停止位置はＤ２の範囲
内（９０〜１８０°）であることが最初にわかる。次
に、 （数式２） ｑｎ＝ｙｎ／Ｋ×９０°（但し、停止位置がＤ２，Ｄ４内の場合 ） ｎ：１，２，… よりｑ１がわかり、Ｐ２内のｑ１であることから、上位
９ビットは９０°＋ｑ１で現在位置が求められる。

【００３９】同様にして、演算部４２ｂから絶対値ｘ
１′，ｙ１′が得られ、符号はＺ３：“Ｌ”，Ｚ４：
“Ｌ”が得られる。これより停止位置はＤ２′の範囲内
（９０〜１８０°／５１２）であることがわかる。次に （数式３） ｑｎ＝ｙｎ／Ｋ×（９０／５１２）° （但し、停止位置がＤ２′，Ｄ４′内の場合） ｎ：１，２，… よりｑ１′がわかり、Ｄ２′内のｑ１′であることか
ら、９０°＋ｑ１＋ｑ１′で現在位置が求められる。

【００４０】停止位置がＰ２の場合、上記と同様にすれ
ば停止位置はＤ３の範囲内（１８０〜２７０°）である
ことがわかる。次に（数式３）よりｑ２がわかりＤ３内
のｑ２であることから１８０°＋ｑ２、かつ（数式４）
よりＤ３′内のｑ２′であることから１８０°＋ｑ２＋
ｑ２′で現在位置が求められ、上記と同様にして１回転
アブソデータが確定する。

【００４１】 （数式４） ｑｎ＝ｘｎ／Ｋ×９０°（但し、停止位置がＤ１，Ｄ３内の場合 ） ｎ：１，２，… （数式５） ｑｎ＝ｘｎ／Ｋ×（９０／５１２）° （但し、停止位置がＤ１′，Ｄ３′内の場合） ｎ：１，２，… 以上のように１回転中のアナログ信号を数値化し、演算
することにより１回転アブソデータの検出が可能とな
る。また、アナログ信号の全振幅に対する比率計算で位
置を算出しているので、アブソリュートエンコーダの周
囲温度が変化してアナログ信号の振幅が変化しても、安
定した１回転アブソデータの検出が可能となる。

【００４２】以上のように、１回転内の２つの異なる周
期のアナログ信号をそれぞれ数値化して演算することに
より、高分解能な多回転アブソリュートエンコーダが実
現できる。

【００４３】なお、本実施例の図１に示す多回転カウン
タ１３、バックアップ回路１５を取り外し、１回転内の
みのアブソリュートエンコーダとしても実施できる。

【００４４】

【発明の効果】上記の実施例から明らかなように請求項
１，２記載の発明によれば、信号源を少なくしても、１
回転中のアナログ信号を数値化して演算することにより
１回転アブソデータの検出が可能となる。したがって、
回転ディスク径を小さくでき、アブソリュートエンコー
ダの小型化が可能となる。

【００４５】また、請求項３記載の発明によれば、アナ
ログ信号の全振幅に対する比率計算で位置を算出するの
で、周囲温度が変化してアナログ信号の振幅が変化して
も安定した１回転アブソデータの検出が可能である。

【００４６】さらに、請求項４記載の発明によれば、サ
ーボモータの小型化、およびアブソデータの信頼性向上
が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるアブソリュートエン
コーダの構成図

【図２】本発明の一実施例における原信号出力部の構成
図

【図３】本発明の一実施例における検出信号のタイミン
グ図

【図４】本発明の一実施例におけるデコード回路の構成
図

【図５】本発明の一実施例におけるデコード回路の動作
説明図

【図６】本発明の一実施例におけるデコード回路の動作
説明図

【図７】従来の多回転式アブソリュートエンコーダのブ
ロック図

【符号の説明】

１１ 原信号出力部 １２ デコード回路 １３ 多回転カウンタ １４ 電源ＯＮ／ＯＦＦ検出回路 １５ バックアップ回路 １６ 変換回路 ４１ａ，４１ｂ Ａ／Ｄ変換部 ４２ａ，４２ｂ 演算部 ４３ａ，４３ｂ デコード部 ４４ ミキシング部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに９０度位相差を有し１回転に２の
   ｎ乗の周期をもつ２相のアナログ信号とこの２つの信号
   に１８０°位相差をもつ２相のアナログ信号の計４つの
   アナログ信号群と、互いに９０度位相差を有し１回転に
   １周期をもつ２相のアナログ信号とこの２つの信号に１
   ８０°位相差をもつ２相のアナログ信号の計４つのアナ
   ログ信号群と、互いに位相差を有し１回転に１周期をも
   つ回転回数検出信号の合計３種類の信号を出力する原信
   号出力部と、１回転内絶対位置を上記２のｎ乗の周期を
   もつアナログ信号からｍビット、１回転に１周期をもつ
   アナログ信号からｎビットの計ｍ＋ｎビットを出力する
   デコード回路と、前記回転回数検出信号より正逆方向の
   回転回数を計数する多回転カウンタと、主電源ＯＦＦ時
   に前記原信号出力部の回転回数検出信号と多回転カウン
   タとを動作させるバックアップ回路と、主電源の状態を
   監視する電源ＯＮ／ＯＦＦ検出回路と、この電源ＯＮ／
   ＯＦＦ検出回路の出力により前記デコード回路の出力を
   パラレルデータからシリアルデータに変換し出力する変
   換回路とを備えたアブソリュートエンコーダ。
2. 【請求項２】 １回転に２のｎ乗の周期をもつ２相のア
   ナログ信号、および１回転に１周期をもつ２相のアナロ
   グ信号は、正弦波または三角波で構成した請求項１記載
   のアブソリュートエンコーダ。
3. 【請求項３】 １回転内の絶対位置を出力するデコード
   回路は、１回転に２のｎ乗の周期をもつ２相のアナログ
   信号と１回転に１周期をもつアナログ信号とを各々数値
   化するアナログ／デジタル変換部（Ａ／Ｄ変換部）と、
   この数値化された信号より２つの数値間の絶対値と２つ
   の数値の大小を符号で出力する演算部と、この演算され
   た絶対値と数値の大小符号より１回転内の位置データに
   変換するデコード部と、２のｎ乗の周期をもつ２相のア
   ナログ信号から演算された下位ｍビットと１回転に１周
   期をもつ２相のアナログ信号から演算された上位ｎビッ
   トを合成するミキシング部とで構成した請求項１記載の
   アブソリュートエンコーダ。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３のいずれか１項記
   載のアブソリュートエンコーダを搭載したサーボモー
   タ。