JP2003315100A - 回転位置検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の回転位置検出器では、ノイズ環境下で
使用した場合に、検出位置を誤検出するという課題があ
ったが、本発明では、ノイズ環境下で使用した場合で
も、位置検出誤差の少ない回転位置検出器を提供する。 【解決手段】 カウンタクリア信号に基づきカウントク
リアされる直前のカウント値をレジスタにラッチし、こ
のレジスタにラッチされたカウント値により基準位置で
のカウントクリアであるか否か判断することができる。
また、ノイズによる基準位置でのカウントクリアでない
場合は、レジスタにラッチされたカウント値を用いて正
確な検出位置を演算できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械の主軸ま
たはモータ等の回転体に装着され、回転体の回転位置を
検出する回転位置検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の位置検出器の動作原理につい
て、図４を用いて説明する。位置検出用歯車１は、モー
タ等の回転体の回転軸等に同軸に取り付けられ、一般的
に鉄などの磁性体で構成されている。図５に位置検出用
歯車１の全体図を示す。第１の磁気センサ４ａは、位置
検出用歯車１の凸部（歯）の間隔のほぼ１／４の距離に
なるように、歯列近傍に配置された２つの磁気抵抗素子
およびバイアスマグネットから成り、位置検出用歯車１
が回転することによって、その歯の凹凸に応じて発生す
る磁束変化が電気信号ＡおよびＢとして出力される。こ
れらの電気信号は一般的にπ／２［ｒａｄ］位相の異な
る２相交流信号であり、次の式（１）および式（２）の
ように表わされる。

【０００３】

【数２】Ａ＝Ｖ・ｓｉｎθ＋Ｖａ ・・・（１） Ｂ＝Ｖ・ｃｏｓθ＋Ｖｂ ・・・（２）

【０００４】ここで、Ｖは２相信号の振幅、Ｖａは信号
Ａに含まれる直流成分であり、Ｖｂは信号Ｂに含まれる
直流成分である。θは２相信号の位相であり、位置検出
用歯車１の回転角度をφ、歯数をｎとすると、位相θは
次の式（３）で表わされる。

【０００５】

【数３】θ＝ｎ・φ ・・・（３）

【０００６】この２相信号ＡおよびＢはコンパレータ５
ａおよび５ｂによってパルス信号化される。パルス信号
化された２相パルス信号ＤＡ、ＤＢは、カウンタ回路７
のアップ／ダウン／クリア信号を生成するアップダウン
信号生成回路６に入力される。このアップダウン信号生
成回路によりアップカウント信号およびダウンカウント
信号が生成される条件を図６に示す。前記アップダウン
信号生成回路の出力するアップ／ダウン信号に基づきカ
ウンタ回路７では、前記パルス信号をカウントすること
によって回転位置が検出される。

【０００７】上述した位置はインクリメンタル（一方的
に増加するのみ）であるため、図４に示される構造のよ
うに通常は、円周１ケ所にのみ凹部（歯溝）３を有した
円板２を位置検出用歯車１と同軸に密着固定して回転体
に取り付ける。円板２の全体図を図７に示す。この円板
近傍に配置された磁気抵抗素子およびバイアスマグネッ
トから成る第２の磁気センサ４ｂにより、円板２の凹部
３での磁界の変動に応じた電気信号Ｚを検出することに
より１回転内の基準位置を検出する。この基準位置を検
出する信号は、センサ４ｂの出力をコンパレータ５ｃで
パルス化しアップダウン信号生成回路６に入力する。前
記センサ４ｂの出力信号であるパルス化信号ＤＺは、前
記アップダウン信号生成回路により１ショットのクリア
パルス信号化され、前記カウンタ回路７に入力される。
前記カウンタ回路７は、前記クリアパルス信号に基づき
カウンタリセットを行い、基準位置からのインクリメン
タル量をもって１回転内のアブソリュート位置（絶対位
置）としている。

【０００８】前記パルス化されたそれぞれの信号を図８
に示す。図８に示すようにＺ相パルス信号ＤＺがＨｉｇ
ｈでＢ相パルス信号ＤＢがＬｏｗのときＡ相パルス信号
ＤＡの信号レベルがＬｏｗからＨｉｇｈに変化した場合
とＨｉｇｈからＬｏｗに変化した場合に前記アップダウ
ン生成回路７からクリア信号が出力されカウンタ回路７
のカウント値がクリアされる。

【０００９】次に、１回転内のアブソルート位置を算出
する例を示す。例えば、位置検出歯車の歯数を３６０と
すると、前記位置検出用回転体がカウントアップ方向に
１回転するとカウント値は最大１４４０（＝３６０×
４）カウントとなる。また、前記位置回転体がカウント
ダウン方向に１回転すると、カウント値はマイナス最大
−１４４０カウントとなる。図４において、前記カウン
タ回路７のカウント値を任意のサンプリング周期でＣＰ
Ｕ１０がサンプリングする。ＣＰＵ１０がサンプリング
したカウント値をｘとすると１回転内のアブソリュート
位置Ｙは、ＣＰＵ１０により次式（４），（５）に基づ
き算出される。

【００１０】

【数４】 ｘ＞０のとき Ｙ＝ｘ／１４４０×２π［ｒａｄ］ ・・・（４） ｘ＜０のとき Ｙ＝（ｘ＋１４４０）／１４４０×２π［ｒａｄ］ ・・・（５）

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述した回転位置検出
器は、主に工作機械の主軸またはモータ等の回転体に装
着され使用される。前記モータは、インバータにより駆
動されるため、インバータを構成するパワー素子のスイ
ッチングノイズがインバータの周りに存在している。近
年、ＣＰＵに代表されるように位置検出器を構成する回
路の電源電圧が低電圧化されている。それに伴い、位置
検出器を構成する回路の出力信号の電圧レベルが低くな
っている。しかし、前記インバータによるスイッチング
ノイズは、低下していないため図４に示した従来の位置
検出器では、Ｓ／Ｎ比が低下しインバータのスイッチン
グノイズの影響を受け易くなった。そのため、Ｚ相パル
ス信号ＤＺがノイズにより誤動作をして基準位置以外で
カウンタをクリアすることがある。基準位置以外でカウ
ンタがクリアされるため、検出位置を誤って算出すると
いう課題があった。

【００１２】本発明は上記実情に鑑みて為されたもの
で、ノイズの影響を受けやすい環境化にて使用された場
合も、誤動作することなく正確に位置検出することがで
きる位置検出器を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、本発明にかかる回転位置検出器は、以下の構成を
有する。

【００１４】被検出体の回転位置が１周において１カ所
定められている基準位置となったときに出力される基準
信号と、被検出体が所定角度回転するごとに出力される
角度信号と、角度信号が出力されるごとに、その出力数
を積算し、基準信号が出力されたときクリアされるカウ
ント値と、クリアされる直前のカウント値をラッチした
値を用いて、被回転体の回転角度位置を算出する。カウ
ント値は、被検体が正方向に回転するときにはカウント
アップし、逆方向に回転するときはカウントダウンされ
る。

【００１５】基準信号が正常に出力されていれば、すな
わち被検出体の回転位置があらかじめ定められた１カ所
（基準位置）となったときに基準信号が出力されていれ
ば、カウント数は、基準位置からの回転角度に１対１で
対応する。そして、基準位置となったときのカウント値
は、所定の値となる。つまり、被検出体が１回転する間
に角度信号が出力される回数をＮ回とすれば、前記正常
な出力状態にあっては、基準信号が出力された時点での
カウント値は、＋Ｎ，−Ｎ，＋１，−１の４個の値のい
ずれかになる。逆に、基準信号が出力されたときにカウ
ント値が上記以外の値となっていれば、この基準信号
は、ノイズなどの誤ったものと考えられる。この誤った
基準信号を判定したときは、これを用いず、前回の基準
信号が出力されたときにラッチしてあるカウント値と、
現在のカウント値を用いて回転角度の算出を行う。

【００１６】基準信号に対するノイズの混入が希である
場合、ラッチするカウント値は１個で十分であるが、ノ
イズの混入が多い環境下では、複数のカウント値を順次
ラッチできるようにすることが好ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照しながら説明する。

【００１８】図１は、本発明の実施の形態を表す図であ
り、図１に示した本実施の形態の回転位置検出器での位
置検出の原理について説明する。図４に示した従来の位
置検出器と同一の構成要素には同一符号を付記してあ
り、その説明は重複するので省略する。

【００１９】図１のレジスタ９は、アップダウン生成回
路６が出力するカウンタクリア信号に基づきカウンタ回
路７のカウント値をラッチするものである。カウンタ７
のカウント値をクリアするためのクリア信号は、遅延回
路８により遅延させられる。よって、レジスタ９には、
カウントクリアされる直前のカウント値がラッチされ
る。

【００２０】図２は、本発明の実施例である図１の各信
号のタイミングチャートである。２相パルス信号ＤＡ，
ＤＢに基づき、回転体が所定角度回転するごとに出力さ
れるアップカウント信号（ｕｐ）またはダウンカウント
信号（ｄｏｗｎ）が生成される。すなわち、これらのカ
ウント信号は角度信号として機能する。Ｚ相のパルス化
信号ＤＺに基づき、カウント値のラッチを指示するラッ
チ信号（ｌａｔｃｈ）およびカウントされていた値をク
リアするクリア信号（ｃｌｅａｒ）が出力される。より
具体的には、カウントクリア部直前のカウンタのカウン
ト値をラッチ信号（latch）の立ち上がりエッジでレジ
スタ９にラッチする。クリア信号は、図１の遅延器９に
よりラッチ信号(latch)を反転しクリア信号（clear）と
して出力される。カウンタ回路７はクリア信号(clear)
の立ち上がりエッジによりカウントクリアを行う。また
アップ(up)／ダウン(down)信号は、カウントクリア信号
とアップ(up)／ダウン(down)信号のタイミングを従来と
同一にするため従来波形（図８）に対して反転してあ
る。

【００２１】次に、基準位置におけるＺ相パルス信号Ｄ
Ｚに基づきクリア信号が出力される場合のレジスタ９に
ラッチされる値について説明する。例えば、位置検出歯
車の歯数を３６０とすると、１歯当たりアップまたはダ
ウンカウント信号は４パルス発生するから、前記位置検
出用回転体が基準位置からカウントアップ方向に１回転
した場合、レジスタ９にラッチされる値は、１４４０
（＝３６０×４）カウントとなる。また、逆に前記位置
回転体がカウントダウン方向に１回転した場合、−１４
４０カウントとなる。また、カウンタアップ回転方向に
一旦回転し、その後カウンタダウン方向に方向反転して
基準位置に戻った場合、レジスタ９にラッチされる値は
１となる。これと逆にカウンタダウン方向からカウンタ
アップ方向に方向反転した場合、レジスタ９にラッチさ
れる値は−１となる。したがって、正常に機能している
場合、測定対象となる回転体が基準位置となったときに
は、レジスタ９にラッチされている値は、１回転したと
きのカウント値（前記の例では±１４４０）、または±
１の４個のいずれかである。

【００２２】しかし、Ｚ相パルス信号ＤＺがノイズによ
り誤動作をして基準位置以外でカウンタをクリアする場
合、前記レジスタ９にラッチされる値は前記の４個以外
の値となる。この場合の１回転内の角度位置を算出する
例を示す。図１において、前記カウンタ回路７のカウン
ト値を任意のサンプリング周期でＣＰＵ１０がサンプリ
ングする。ＣＰＵ１０がサンプリングしたカウント値を
ｘとし１周期前にサンプリングしたカウント値をｘ（ｎ
−１）とする。また、レジスタ９でラッチされた値をｃ
とすると１回転内の角度位置Ｙは、サンプリング周波数
が回転位置検出体の回転周波数の２倍より速いため、Ｃ
ＰＵ１０により次式（６），（７）に基づき算出され
る。さらに、前記レジスタ９にてラッチされた値ｃが１
４４０以上、−１４４０以下（ｃ≧１４４０，ｃ≦−１
４４０）であったとき、アップダウン信号の誤動作と判
断し、１回転内のアブソリュート位置Ｙを前記式
（４），（５）に基づき算出される。

【００２３】

【数５】 （ｃ＋ｘ）≧１４４０のとき、（ｃ＋ｘ）−１４４０＝Ｘ とし、 ０＜（ｃ＋ｘ）＜１４４０のとき、（ｃ+ｘ）＝Ｘ として Ｙ＝Ｘ／１４４０×２π［ｒａｄ］ ・・・（６） または、 （ｃ＋ｘ）≦−１４４０のとき、（ｃ＋ｘ）＋１４４０＝Ｘ とし、 −１４４０＜（ｃ＋ｘ）≦０のとき、（ｃ＋ｘ）＝Ｘ として Ｙ＝（Ｘ＋１４４０）／１４４０×２π［ｒａｄ］ ・・・（７）

【００２４】ここで、前記式（６），（７）は、位置検
出用回転体１回転の位置を２πで表現している。

【００２５】図３は、本発明の別の例を示した図であ
り、図１、図２に示した位置検出器と同一の構成要素に
は同一符号を付記してあり、その説明は重複するので省
略する。図３のラッチ信号生成回路は、ｎ個（ｎは２以
上の整数）のレジスタ９-1〜９-nに対し順次ラッチ信号
を出力する。特にノイズの大きな環境下では、回転位置
検出器が１回転する間にノイズにより複数回カウンタク
リアパルスが発生する。このような場合、複数のレジス
タにラッチされたカウント値をそれぞれｃ-1〜ｃ-nとす
ると１回転内のアブソリュート位置Ｙは、ＣＰＵ１０に
より次式（８），（９）に基づき算出される。

【００２６】

【数６】 ｘ＋ｃー1＋・・・＋ｃ-n≧１４４０のとき （ｘ＋ｃ-1＋・・・＋ｃ-n）−１４４０＝Ｘとして ０＜（ｘ＋ｃ-1＋・・・＋ｃ-n）＜１４４０のとき （ｘ＋ｃー1＋・・・＋ｃ-n）＝Ｘとして Ｙ＝（ｘ＋ｃ-1＋・・・＋ｃ-n）／１４４０×２π［ｒａｄ］ ・・・（８） または （ｘ＋ｃ-1＋・・・＋ｃ-n）≦−１４４０のとき （ｘ＋ｃ-1＋・・・＋ｃ-n）＋１４４０＝Ｘとして −１４４０＜（ｘ＋ｃ-1＋・・・＋ｃ-n）≦０のとき （ｘ＋ｃ-1＋・・・＋ｃ-n）＝Ｘとして Ｙ＝（Ｘ＋１４４０）／１４４０×２π［ｒａｄ］ ・・・（９）

【００２７】このとき、第１〜第ｎレジスタ９-1〜９-n
でラッチしたカウント値とサンプリングしたカウンタ値
の合計（ｘ＋ｃ-1＋・・・＋ｃ-n）が±１４４０または
ゼロのとき基準位置検出となる。基準位置が検出される
と、カウンタおよび各レジスタの値はクリアされる。

【００２８】

【発明の効果】本発明による回転位置検出器の回転体
は、以上説明したように構成されているため、即ち、カ
ウンタクリア信号に基づきカウントクリアされる直前の
カウント値をレジスタにラッチし、このレジスタにラッ
チされたカウント値により基準位置でのカウントクリア
であるか否か判断することができる。また、ノイズによ
る基準位置でのカウントクリアでない場合は、レジスタ
にラッチされたカウント値を用いて正常な検出位置を演
算できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る位置検出器の一実施例を示す図
である。

【図２】 本発明に係る位置検出器の一実施例を示す図
である。

【図３】 従来技術による位置検出器の例を示す図であ
る。

【図４】 本発明に係る各信号のタイミングチャートで
ある。

【図５】 従来技術による各信号のタイミングチャート
である。

【図６】 アップダウン信号生成条件を示す図である。

【図７】 位置検出用歯車を示す図である。

【図８】 位置検出用円板を示す図である。

【符号の説明】

１ 位置検出用歯車、２ 円板、３ 円板基準位置、４
コンパレータ、５カウンタ回路、６ アップダウン信
号生成器、７ アップダウンカウンタ、８遅延器、９
レジスタ、１０ ＣＰＵ、１１ ラッチ信号生成回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F077 AA09 AA21 CC02 NN04 NN21 PP14 TT53 TT62 TT72 5H303 AA01 BB01 BB06 CC03 CC10 DD01 EE03 EE08 EE10 FF10 FF16 GG09 HH05 LL03 LL09

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検出体の回転角度に関する位置を検出
   する回転位置検出器であって、 被検出体の回転位置が、１周において１カ所定められて
   いる基準位置となったときに、基準信号を出力する基準
   信号発生手段と、 被検出体の回転位置が所定角度回転するごとに角度信号
   を出力する角度信号発生手段と、 被検出体の回転方向を検出する回転方向検出手段と、 前記角度信号の出力回数を、被検体の回転方向が正方向
   のときにはカウントアップし、逆方向のときにはカウン
   トダウンし、さらに前記基準信号が出力された場合、そ
   れまでのカウント値をクリアするカウント手段と、 前記カウント値がクリアされる直前に、そのカウント値
   をラッチするレジスタと、 前記基準信号が出力されたときに、前記カウント値に基
   づき当該基準信号の正誤を判定する基準信号正誤判定手
   段と、 前記基準信号が誤判定された後、次回の判定まで、前記
   レジスタにラッチされている値と現在の前記カウント値
   に基づき被検出体の回転位置を算出する、回転位置算出
   手段と、を有する、回転位置検出器。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の回転位置検出器であっ
   て、 前記回転位置算出手段は、前記カウント値をｘとし、前
   記レジスタにラッチされている値をｃとし、１周したと
   きのカウント値をＲとしたとき、被検出体の回転位置Ｙ
   を、 【数１】 （ｃ＋ｘ）≧Ｒのとき、（ｃ＋ｘ）−Ｒ＝Ｘとし、 ０＜（ｃ＋ｘ）＜Ｒのとき、（ｃ＋ｘ）＝Ｘとして、 Ｙ＝Ｘ／Ｒ×２π［ｒａｄ］ または、 （ｃ＋ｘ）≦−Ｒのとき、（ｃ＋ｘ）＋Ｒ＝Ｘとし、 −Ｒ＜（ｃ＋ｘ）≦０のとき、（ｃ＋ｘ）＝Ｘとして Ｙ＝（Ｘ＋Ｒ）／Ｒ×２π［ｒａｄ］ に基づき算出する回転位置検出器。
3. 【請求項３】 被検出体の回転角度に関する位置を検出
   する回転位置検出器であって、 被検出体の回転位置が、１周において１カ所定められて
   いる基準位置となったときに、基準信号を出力する基準
   信号発生手段と、 被検出体の回転位置が所定角度回転するごとに角度信号
   を出力する角度信号発生手段と、 被検出体の回転方向を検出する回転方向検出手段と、 前記角度信号の出力回数を、被検体の回転方向が正方向
   のときにはカウントアップし、逆方向のときにはカウン
   トダウンし、さらに前記基準信号が出力された場合、そ
   れまでのカウント値をクリアするカウント手段と、 前記カウント値がクリアされる直前に、そのときのカウ
   ント値を第１から順にッチする第１〜第ｎレジスタと、 前記基準信号が出力されたときに、前記カウント値と前
   記レジスタにラッチされた値とに基づき当該基準信号の
   正誤を判定する基準信号正誤判定手段と、 前記基準信号が誤判定された後、次回の判定まで前記レ
   ジスタにラッチされている値と現在の前記カウント値に
   基づき被検出体の回転位置を算出する、回転位置算出手
   段と、 前記第１〜第ｎレジスタの値とカウント値の総和を求
   め、この値が所定の値となったときを基準位置と判定す
   る基準位置判定手段と、 前記基準信号が発生されるか、または基準位置が判定さ
   れるかした場合に、前記第１〜第ｎレジスタにラッチさ
   れた値をクリアするレジスタクリア手段と、回転位置検
   出器。