JP2006322764A

JP2006322764A - 絶対角度検出装置

Info

Publication number: JP2006322764A
Application number: JP2005144766A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Fukui; 憲之福井; Koichi Hayashi; 康一林
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2006-11-30

Abstract

【課題】不規則循環コードを利用して絶対角度検出を行う際に、センサの小型化を達成するとともに、検出ミスの少ない絶対角度検出装置を提供する。
【解決手段】回転軸１０３の回転に伴って回転する９次のＭ系列コードを付した磁性材よりなるＭ系列コード円板１０２に対して適当な空隙を介して対向配置された２つの磁気センサ１０４ａ、１０４ｂは、回転軸１０３の回転位相に対して、（２５６／５１１）×３６０°ずれた位置に配置されている。磁気センサ１０４ａ、１０４ｂに内包された複数の磁気抵抗素子は、Ｍ系列コード円板１０２から夫々５ビット分の情報を出力する。この５ビット分の情報を結合して１０ビット分の情報として、予めＲＯＭに格納された１０ビット分の情報と照合判定することにより、一回転絶対位置を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業機械や工作機械等に使用される回転軸の絶対角度検出装置に関し、特に、不規則循環コードを利用して絶対角度を算出する絶対角度検出装置に関する。

近年の産業機械や工作機械分野では、回転軸の高速化、高精度化などを目的としてダイレクトドライブシステムが採用されることが多くなってきた。ダイレクトドライブシステムを採用しない機構では、モータと回転軸との間に歯車やプーリ等の減速機構を介しており、モータにはモータ用の絶対位置検出装置が具備されており、回転軸には絶対角度検出機能のない検出装置が具備されていた。しかし、ダイレクトドライブシステムを採用した場合には、ダイレクトドライブモータの磁極位置を検出するなどの目的から、回転軸の検出装置に絶対角度検出機能が必要であった。

一方で、工作機械等の使用環境は、汚染物質、環境温度、振動・衝撃等の面から劣悪であり、光学式の検出方式を採用した検出装置を使用する場合には細心の注意を払う必要があった。このようなことから、機械的強度が高く、汚染物質に強く、環境温度の影響を受けにくい磁気式検出方式の検出装置の採用が増加している。

図７は、従来のＭ系列（最大長系列）コード円板を利用して絶対角度を検出する絶対角度検出装置の斜視図である。Ｍ系列は、０と１からなる乱数列の一つである。Ｍ系列の最大長、すなわち周期Ｔは、ビット数をＮとしたとき、Ｔ＝２Ｎ−１で表され、この数列中、Ｎ個の０，１の並び方は、それぞれ１度ずつ現れる。ただし、全て０の場合は、１度も現れない。微細な回転角度を検出するための検出用歯車１０１と、Ｍ系列コード円板１０２は、磁性材よりなり、回転軸１０３の回転中心に対して回転振れが極力少なくなるようにボルト１０５ａ〜ｄにて回転軸１０３に固定されている。また、検出用歯車１０１とＭ系列コード円板１０２の最大部分の直径は、ほぼ同じ大きさになっている。検出用歯車１０１は歯数が５１１である。図８は、９次のＭ系列コードを生成するＭ系列コード生成システムを示す図である。図８の状態は初期状態であり、１段目のシフトレジスタ８０２ａと５段目のシフトレジスタ８０２ｅの内容を排他的論理和演算を行うことにより、９段目のシフトレジスタ８０２ｉの内容が生成される。このようにして生成されるａｎは、１番目から５１１番目まで００００００００１００００１０００１１０・・・０１１１０００１００１１０００１０００１の様に変化し、５１１ビットの周期で循環する。図１０の図は、図８のＭ系列生成システムで生成される５１１ビットの情報を、１ビットずつシフトさせた内容を９ビット分ずつ示した図である。本図によると、１番目から５１１番目まで同じ値が含まれていないので、連続した９ビットを検出することによって、５１１の何番目に位置しているのかを特定することができる。図８で示した方法で生成された９次のＭ系列コードが、Ｍ系列コード円板１０２に凹凸形状として付されている。磁気抵抗素子を２６個内包する磁気センサ７０４ａ、７０４ｂは、検出用歯車１０１及びＭ系列コード円板１０２と適当な空隙を介して図示しない固定子側に固定されている。また、磁気センサ７０４ａと同７０４ｂは、回転軸１０３の回転位相にしてほぼ１８０°ずらした位置に固定され向き合っている。

図９は、図７の磁気センサ７０４ａ、７０４ｂに内包された磁気抵抗素子の配置を示す正面図である。検出用歯車１０１から微細な回転角度を検出する磁気抵抗素子９０１ｓ〜ｖ及び９０１ｗ〜ｚは、測定軸方向に検出用歯車１０１の５／４ピッチ分ずらして配置されている。また、磁気抵抗素子９０１ｗと同９０１ｓ、同９０１ｘと同９０１ｔ、同９０１ｙと同９０１ｕ、同９０１ｚと同９０１ｖは、それぞれ測定軸方向に検出用歯車１０１の１／２ピッチ分ずらして配置されている。Ｍ系列コード円板１０２から絶対角度を検出する磁気抵抗素子９０１ａ〜ｒは、磁気センサ７０４ａ、７０４ｂの中心線９０２から測定軸方向に左右に９個ずつ検出用歯車１０１の１／２ピッチごとに配置されている。このように配置すると、磁気抵抗素子９０１ｙ、９０１ｓは正相の正弦波信号を、磁気抵抗素子９０１ｕ、９０１ｗは負相の正弦波信号を、磁気抵抗素子９０１ｖ、９０１ｘは正相の余弦波信号を、磁気抵抗素子９０１ｔ、９０１ｚは負相の余弦波信号を出力する。各波形信号の正相と負相とは、電気的に逆位相としてあり、正弦波信号同士、余弦波信号同士を直列接続することにより、互いに直交する二相信号を出力する。このようにして得られた二相信号を内挿処理することによって、検出用歯車１０１の１ピッチ内の絶対角度を出力する。

磁気抵抗素子９０１ａ〜ｒは、２つで１ビット分の信号を出力する。２つずつ組にしてあるのは、Ｍ系列コード円板１０２の凹凸が、中途半端な位置になったときの読み取りミス防止のためである。読み取りミス防止に関する好適な技術としては、特許第３０５３７１０号に示されたような方法もある。１８個の磁気抵抗素子９０１ａ〜ｒから９ビット分のＭ系列情報が得られる。９ビット分のＭ系列情報は、前述の如く５１１個の異なる値で循環するので、検出用歯車１０１の歯数５１１の内、何番目の回転位置なのかを算出することができる。この何番目という回転位置と、磁気抵抗素子９０１ｓ〜ｚにて得られた検出用歯車１０１の１ピッチ内の絶対角度とを結合することによって、一回転における絶対角度を微細に算出することができる。また、磁気センサ７０４ａ、７０４ｂを一般的に２つ配設するのは、若干残る検出用歯車１０１の回転振れの回転精度への影響や、検出用歯車１０１の歯車誤差の回転精度への影響を平均化するためである。よって、各々の磁気センサ７０４ａ、７０４ｂにて一回転における絶対角度を微細に算出した後、２つの磁気センサ７０４ａ、７０４ｂの検出情報の平均化等の誤差低減処理を行う。

不規則循環コードを利用した絶対角度検出装置は、例えば下記特許文献１および２に記載されている。

特許第３０５８３７１号明細書特許第３３７５７０８号明細書

ここで、Ｍ系列コードを９ビット分認識しようとすれば、磁気抵抗素子９０１ａ〜ｒをＭ系列コード円板１０２の少なくとも９ビット分の長さにわたって配置せねばならず、磁気抵抗素子９０１ａ〜ｒの測定軸方向の長さが大変長くなってしまう。また、磁気抵抗素子９０１ａ〜ｒは、磁気センサ７０４ａ、７０４ｂの中心線９０２から遠い位置に配置されたものほど、Ｍ系列コード円板１０２との空隙量が多く、信号のコントラストが悪くなっている。

以上で示した従来の不規則循環コードを利用した絶対角度検出装置にあっては、検出用歯車１０１の歯数に対応した次数の不規則循環コードを採用すると、検出用歯車１０１を微細に検出する磁気抵抗素子９０１ｓ〜ｚよりも測定軸方向に長くＭ系列コード円板１０２を検出する磁気抵抗素子９０１ａ〜ｒを配置しなければならなかった。これにより、磁気センサ７０４ａ、７０４ｂのサイズを大きくしてしまっていた。また、Ｍ系列コード円板１０２を検出する磁気抵抗素子９０１ａ〜ｒの内、磁気センサ７０４ａ、７０４ｂの中心線９０２から遠い位置に配置される磁気抵抗素子９０１ａ〜ｒは、Ｍ系列コード円板１０２との空隙量が多く、信号のコントラストが悪くなってしまっていた。この信号のコントラストの悪さは、環境温度の変化等の外的要因によって、検出ミスを発生してしまうこともあった。

そこで、本発明では、不規則循環コードを検出するセンサをコンパクトにでき、且つ、信号のコントラストの高い検出をすることによって検出ミスの低減を実現した絶対角度検出装置を提供することを目的とする。

本発明の絶対角度検出装置は、不規則循環コードを検出する磁気センサを、円周上の複数カ所に分離して配置し、複数のセンサの検出したビットの値から、絶対位置を算出する。例えば、２カ所に磁気センサを配置する場合、それぞれのセンサの検出するビット数を、ｍ，ｎとすれば、両者の検出した（ｍ＋ｎ）ビット分のコードを生成し、このコードに基づき絶対位置を得ることができる。ｍ，ｎの値は、ビット数であることから正の整数であり、採用する不規則循環コードの次数をｋとすれば、（ｍ＋ｎ）がｋ以上であることが必要である。また、ｍ，ｎはそれぞれｋ未満でよい。磁気センサの配置については、２個のセンサから得られた（ｍ＋ｎ）ビット分のコードが、絶対角度に対して一意に対応するように定める。

磁気センサを２個に分割した場合の具体的な構成は、ｋ（ｋ≧４）次の不規則循環コードを外周面に形成した磁性材よりなる絶対位置コード円板と、前記絶対位置コード円板の外周面と適当な空隙を介して対向する２つの磁気センサとからなり、前記磁気センサからの不規則循環情報から絶対角度を算出する絶対角度検出装置であって、前記２つの磁気センサは、夫々前記不規則循環コードをｍビット、ｎビット（１≦ｍ、ｎ且つｍ、ｎ＜ｋ且つｍ＋ｎ≧ｋ）分ずつ検出し、前記２つの磁気センサが夫々検出したｍビット分、ｎビット分ずつのコードを結合して（ｍ＋ｎ）ビット分のコードを生成し、前記（ｍ＋ｎ）ビット分のコードから絶対角度を算出する装置とである。

本発明の絶対角度検出装置によれば、ｋ次の不規則循環コードを付した絶対位置コード円板を検出するセンサの一つについては、ｋ次分よりも少ない次数を検出できればよいので、測定軸方向に小型化することができる。また、従来ｋ次分の不規則循環コードを検出するために、センサと絶対位置コード円板との空隙量が大きい部分も検出せねばならなかったが、本発明の絶対角度検出装置にあっては、センサと絶対位置コード円板との空隙量が比較的小さい部分のみ検出すればよいので、信号のコントラストを確保でき、検出ミスが低減される。

図１は、本発明の絶対角度検出装置の一例を示す斜視図であり、図７と同一構成要素には同一符号を付す。検出用歯車１０１及びＭ系列コード円板１０２は、図７の例と同様に回転軸１０３に固定されている。磁気センサ１０４ａ、１０４ｂは、図７の磁気センサ７０４ａ、７０４ｂに比べて測定軸方向に小型化され、回転軸１０３の回転方向の位相にして（２５６／５１１）×３６０°ずれた位置に図示しない固定側に固定されている。図７の磁気センサ７０４ａ、７０４ｂが磁気抵抗素子を２６個ずつ内包していたのに対して、磁気センサ１０４ａ、１０４ｂは磁気抵抗素子を１８個ずつ内包している。図２は、磁気センサ１０４ａ、１０４ｂに内包された磁気抵抗素子の配置を示す正面図である。検出用歯車１０１を検出対象とする磁気抵抗素子２０１ｋ〜ｒは、図９の例と同様の配置となっているので説明を省略する。Ｍ系列コード円板１０２を検出対象とする磁気抵抗素子２０１ａ〜ｊは、磁気センサ１０４ａ、１０４ｂの中心部２０２から左右に５個ずつ検出用歯車１０１の１／２ピッチごとに配置されている。磁気抵抗素子２０１ａ〜ｊは、２つで１ビット分の信号を出力する。２つずつ組にしてあるのは、Ｍ系列コード円板１０２の凹凸が、中途半端な位置になったときの読み取りミス防止のためである。このようにして、１０個の磁気抵抗素子２０１ａ〜ｊから５ビット分の情報が得られる。図３は、磁気センサ１０４ａ、１０４ｂの５ビット分の情報を図にしたものである。磁気センサ１０４ａの１番目の５ビット分の情報と、磁気センサ１０４ｂの２５６番目の５ビット分の情報とは、同じ情報となっている。また、磁気センサ１０４ｂの１番目の５ビット分の情報と、磁気センサ１０４ａの２５７番目の５ビット分の情報とは、同じ情報となっている。これは、磁気センサ１０４ａと同１０４ｂとが、回転軸１０３の回転方向の位相にして（２５６／５１１）×３６０°ずれた位置にあるためである。磁気センサ１０４ａの５ビット分の情報は、１番目から５１１番目までの間に同じ情報が含まれている。同様のことは、磁気センサ１０４ｂの５ビット分の情報でも発生している。

このままでは、本実施の絶対角度検出装置が１番目から５１１番目のどこに位置しているのかが特定できない。そこで、本発明の絶対角度検出装置では、磁気センサ１０４ａの５ビット分の情報と、磁気センサ１０４ｂの５ビット分の情報とを結合して１０ビット分の情報を生成する。図４は、磁気センサ１０４ａの５ビット分の情報と、磁気センサ１０４ｂの５ビット分の情報とを結合した１０ビット分の情報を示す図である。この１０ビット分の情報は、１番目から５１１番目までに同じ情報が含まれていない。本発明の絶対角度検出装置は、この１０ビット分の情報とそれに対応した何番目という情報をＲＯＭに格納してあり、磁気センサ１０４ａの５ビット分の情報と磁気センサ１０４ｂの５ビット分の情報から生成した１０ビット分の情報を、ＲＯＭに格納した情報と照合判定して何番目に回転位置があるのかを算出する。この何番目という情報と、検出用歯車１０１から検出した検出用歯車１０１の１ピッチ内の絶対角度との結合に関しては、従来と同様である。

本実施例の絶対角度検出装置においては、磁気センサ１０４ａと同１０４ｂを回転軸１０３の回転位相にして（２５６／５１１）×３６０°ずらして配置して、１０ビット分の情報を生成した。しかし、このずらし量によっては、１０ビット分の情報が、５１１個の異なった情報を持たない場合がある。よって、磁気センサ１０４ａと同１０４ｂの回転軸１０３の回転位相におけるずらし量を決定する際には、予め１０ビット分の情報が５１１個の異なった情報を有することを確認する作業が必要である。

以上に示した例は、９次のＭ系列コードを利用し、検出用歯車１０１の歯数が５１１についてのものであったが、それ以外の歯数として、歯数を４５１とした場合の例について説明する。図１０の９ビット分のＭ系列情報の図において、８番目から６７番目までの情報を削除すると、図５のように周期４５１で循環する９次のコードが生成される。各磁気センサは、９ビットの内の最初と最後のビットを除いた７ビット分ずつを検出できるように、検出素子群を内包している。一つ目の磁気センサと二つ目の磁気センサとは、回転軸の回転位相にして（２２８／４５１）×３６０°ずれて配置してある。図６は、各磁気センサの検出素子群が検出した７ビット分の情報を結合して生成した１４ビット分の情報を示す図である。この図によれば、１番目から４５１番目までに同じ値が含まれていないので、回転軸の回転位置が何番目にあるのかを特定することができる。

検出センサ１個当たりの検出ビット数が減ったことにより、測定方向のセンサの長さを短縮することができる。また、センサに内包される磁気抵抗素子やコイルを巻装した鉄芯等の検出素子の数量を減らすことができるため、コストダウン効果を呈する。更に、検出素子の数量を減らすことができるということは、検出素子を接続するための配線数の省線化、検出素子情報の処理回路の簡素化が可能となり、配線コストの低減や処理回路コストの低減、センサ内の設計自由度向上といった効果も呈する。また、従来ｋ次分の不規則循環コードを検出するために、センサと絶対位置コード円板との空隙量が大きい部分も検出せねばならなかったが、本発明の絶対角度検出装置にあっては、センサと絶対位置コード円板との空隙量が比較的小さい部分のみ検出すればよいので、信号のコントラストを確保でき、検出ミスが低減される。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の形態に限定されるものではない。例えば、Ｍ系列コード円板を９次のＭ系列コードを有したものについて説明したが、それ以外の次数でも本発明とすることができる。また、磁気抵抗素子を用いて、不規則循環コード円板の凹凸を検出する実施例について述べたが、ステータ極歯にコイルを巻装して、不規則循環コード円板との間のインダクタンス変化を検出するような検出方法であっても、本発明の絶対角度検出装置とすることができる。すなわち、二箇所に配設した磁気センサが、従来不規則循環コードを検出するのに必要としていた次数よりも少ない次数を検出し、２つの磁気センサからの不規則コード情報同士を結合して、不規則循環コードの内の何番目なのかを算出するものであれば、次数、循環周期、検出方式等によらず、本発明とすることができる。さらに、磁気センサを二箇所に配設する例を示したが、これより多くすることもできる。

本発明の絶対角度検出装置の一例を示す斜視図である。図１の磁気センサに内包された磁気抵抗素子の配置を示す正面図である。図１の２つの磁気センサの５ビット分の情報を示す図である。図１の２つの磁気センサの５ビット分の情報を結合して１０ビット分の情報にしたものを示す図である。循環周期４５１の９ビット分の情報を示す図である。循環周期４５１の９ビット分の情報から、（２２８／４５１）×３６０°ずれた２つの磁気センサで検出した７ビットずつの情報を結合して生成した１４ビット分の情報を示す図である。従来の絶対角度検出装置の一例を示す斜視図である。９次のＭ系列コードを生成するＭ系列コード生成システムを示す図である。図７の磁気センサに内包された磁気抵抗素子の配置を示す正面図である。図８のＭ系列コード生成システムから生成される９ビット分のＭ系列情報を並べて示した図である。

符号の説明

２０１ａ〜ｒ，９０１ａ〜ｚ磁気抵抗素子、８０２ａ〜ｉシフトレジスタ。

Claims

対象物の回転に関する絶対角度位置を検出する絶対角度検出装置であって、
循環する所定の２値乱数列からなる循環コードであって、連続するｋビット（ｋは４以上の整数）の２値の配列が全て異なる循環コードに対応した乱数列パターンが付与された符号板と、
符号板に付与された乱数列パターンに対向して配置され、１ビット、または１より多くｋより少ない連続するビットごとの値を検出する複数のセンサであって、これらのセンサ全ての検出するビット数の合計がｋ以上であり、このｋ以上のビットの値が絶対角度位置を一意に特定するように離れて配置される複数のセンサと、
前記複数のセンサの検出した前記ｋ以上のビットの値から絶対角度を算出する絶対角度算出手段と、
を有する、絶対角度検出装置。
請求項１に記載の絶対角度検出装置であって、
前記センサの数は２個であり、
前記絶対角度算出手段は、それぞれのセンサの検出するビット数が、ｍビット、ｎビットであって、これらのビットの値を結合して（ｍ＋ｎ）ビットのコードを生成し、あらかじめ記憶されたコードと絶対値の対応関係に基づき絶対角度を算出する、
絶対角度検出装置。