JP2008039737A - 多回転量算出方法、バッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置およびこれを用いた減速機付アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 第２の絶対値エンコーダの多回転量が検出でき、第１の絶対値エンコーダの多回転量の検出範囲を拡大しつつ、減速機の減速比を低い値にする。
【解決手段】 本発明のバッテリーレス型多回転式絶対値エンコーダ装置は、減速機３と、その入力軸１に設けた第１の絶対値エンコーダ２と、減速機の出力軸４に設けた第２の絶対値エンコーダ５と、第１の絶対値エンコーダおよび第２の絶対値エンコーダの位相から回転軸の多回転量を算出する演算部６とを備え、減速機の減速率を入力軸がＮ回転したとき前記出力軸がＭ回転するＮ／Ｍとし、かつＮがＭより大きい既約分数をとるようにしたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ロボットや工作機などに使用するサーボモータの多回転量を絶対角度で検出する検出装置に関するものであり、特に外部電源が不要なバッテリーレス型多回転式絶対値エンコーダに関する。

従来のバッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置として、被検出回転軸に設けた第１の絶対値エンコーダと、被検出の回転軸に設けた減速機と、減速機の出力軸に設けた第２の絶対値エンコーダにより構成されているものがある（例えば、特許文献１参照）。
図４は、従来の絶対値エンコーダ装置の概念図である。図において、１は入力軸、２は第１の絶対値エンコーダ、３は減速機、４は出力軸、５は第２の絶対値エンコーダ、６は演算部である。
第１の絶対値エンコーダ２は、入力軸１に取り付けられておりその１回転以内の絶対値角度を検出する。第２の絶対値エンコーダ５は、出力軸２に取り付けられており、入力軸１の多回転量を１回転以内の絶対値角度として検出する。減速機３は、入力軸１がＮ回転すると出力軸４が１回転する減速比Ｎのものである。また、第１、第２の絶対値エンコーダは、１回転（３６０°）をｐ分割した分解能を有している。
第２の絶対値エンコーダ５が第１の絶対値エンコーダ２のＮ回転量までの絶対値を１回転以内の絶対角度の値として検出することができる。
このように、従来のバッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置は、入力軸１の多回転量を第２の絶対値エンコーダ５の１回転以内の絶対角度の値として検出するものである。
つぎに、従来の絶対値エンコーダ装置をアクチュエータに用いた例を図５に示す。図において、７はモータ、８はモータ回転軸、９は動力を伝える減速機、１０は出力軸、１１は被駆動部、１２は連結部である。
第１の絶対値エンコーダ２は、モータ回転軸８から連結部１２を介して分岐した入力軸１に取り付けられており、減速機３に結合され出力軸４を出しさらにこれに第２の絶対値エンコーダ５が結合されている。減速機３は前述と同じ減速比Ｎであり、モータ回転軸８の多回転量を前述と同様にして検出している。
特開２００２−１１６０５７号公報（第１−３頁、図１）

ところが、従来のバッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置は、第１の絶対値エンコーダのＮ回転量までの絶対値を第２の絶対値エンコーダ１回転以内の絶対角度の値として検出する構成となっており、第２の絶対値エンコーダの多回転量を検出することができないので、動力伝達用の減速機の出力軸の多回転量を必要とする際はより減速比の高いエンコーダ専用の減速機を必要とするという問題があった。また、Ｎを大きくする場合は第２の絶対値エンコーダの分解能を大きくするとともに、減速機の減速比も大きくする必要があるので、機械系の設計によりＮの大きさが制限されるというような問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、第２の絶対値エンコーダの多回転量を検出することを可能とするとともに第１の絶対値エンコーダの多回転量の検出範囲を拡大しつつ、減速機の減速比を小さい値にすることができるバッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、減速機と、その入力軸に設けた第１の絶対値エンコーダと、前記減速機の出力軸に設けた第２の絶対値エンコーダと、前記第１の絶対値エンコーダおよび第２の絶対値エンコーダの位相から前記回転軸の多回転量を算出する多回転量算出方法において、前記減速機の減速率を前記入力軸がＮ回転したとき前記出力軸がＭ回転するＮ／Ｍとし、ＮがＭより大きくかつ既約分数をとるものとし、検出された入力軸の回転角θ_１および出力軸の回転角θ_２を用いて演算することにより前記出力軸の多回転量Ｘ_２を算出し、つぎにこの多回転量Ｘ_２および前記回転角θ_１、θ_２を用いて演算し前記入力軸の多回転量Ｘ_１を算出するものである。
請求項２に記載の発明は、前記出力軸の多回転量Ｘ_２および前記入力軸の多回転量Ｘ_１は、
Ｘ_２＝ＭＯＤ［Ｋ・ＩＮＴ{（Ｎ・θ_２−Ｍ・θ_１）＋α}，Ｍ］ ・・・（１）
Ｘ_１＝ＩＮＴ［{（Ｎ・θ_２−Ｍ・θ_１）＋α＋Ｎ・Ｘ_２}／Ｍ］ ・・・（２）
の式により算出されるものである。但し、θ_１は３６０°を１とする入力軸の検出角、θ_２は３６０°を１とする出力軸の検出角、Ｋは定数、αはオフセット値、ＭＯＤ［Ａ，Ｂ］は数値Ａを除数Ｂで割ったときの剰余を返す関数、ＩＮＴは端数処理し整数化する関数である。
請求項３に記載の発明は、減速機と、その入力軸に設けた第１の絶対値エンコーダと、前記減速機の出力軸に設けた第２の絶対値エンコーダと、前記第１の絶対値エンコーダおよび第２の絶対値エンコーダの位相から前記回転軸の多回転量を算出する演算部とを備えたバッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置において、前記減速機の減速率を前記入力軸がＮ回転したとき前記出力軸がＭ回転するＮ／Ｍとし、ＮがＭより大きくかつ既約分数をとるようにしたものである。
請求項４に記載の発明は、前記減速機が動力を伝達する減速機としたものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項３記載のバッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置と、前記バッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置の入力軸に接続した駆動用のモータと、前記バッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置の減速機の出力軸に接続された被駆動部とを含む減速機付アクチュエータとしたものである。

請求項１から３に記載の発明によると、減速比を大きくすることなく入力軸の多回転量の検出範囲を拡大することができる。また、減速機の出力軸の多回転量を検出することができる。
請求項４に記載の発明によると、多回転検出用に減速機を追加することなく入力軸の多回転量を検出することが可能となるので、装置が簡単になりかつコストも低減できる。
請求項５に記載の発明によると、回転数を変数とする信頼性の高い減速機付アクチュエータが得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す絶対値エンコーダ装置の概念図である。図１において、１は入力軸、２は第１の絶対値エンコーダ、３ａは減速機、４は出力軸、５は第２の絶対値エンコーダ、６は演算部である。第１の絶対値エンコーダ２は入力軸１に固定され、第２の絶対値エンコーダ５は出力軸４に固定されている。したがって、第１の絶対値エンコーダ２の回転軸は入力軸１であり、第２の絶対値エンコーダ５の回転軸は出力軸４である。
減速機３ａの減速比は、Ｎ／Ｍ（Ｍ、Ｎは自然数）である。すなわち入力軸１がＮ回転するとき出力軸４はＭ回転する。ここで、ＮはＭより大きい値とし、かつＮ／Ｍが既約分数になるように構成している。入力軸１の回転角と出力軸４の回転角とは入力軸１がＮ回転すなわち出力軸４がＭ回転するまで一致しない。また絶対値エンコーダの分解能は１回転（３６０°）をｐ分割できる絶対値エンコーダを使用している。
出力軸４の多回転量Ｘ_２および入力軸１の多回転量Ｘ_１は、次式により算出される。
Ｘ_２＝ＭＯＤ［Ｋ・ＩＮＴ{（Ｎ・θ_２−Ｍ・θ_１）＋α}，Ｍ］ ・・・（１）
Ｘ_１＝ＩＮＴ［{（Ｎ・θ_２−Ｍ・θ_１）＋α＋Ｎ・Ｘ_２}／Ｍ］ ・・・（２）
但し、θ_１は３６０°を１とする入力軸の検出角、θ_２は３６０°を１とする出力軸の検出角、ＫはＮの値とＭの値が設定されれば決まる定数、αは計算上の微小な誤差により整数化した値が変わる不都合をなくすためのオフセット値、ＭＯＤ［Ａ，Ｂ］は数値Ａを除数Ｂで割ったときの剰余を返す関数、ＩＮＴは端数処理し整数化する関数である。
つぎに、具体的数値を設定した場合の多回転量Ｘ_２、Ｘ_１を算出してみる。
減速機３ａの減速比Ｎ／ＭのＮの値を３３、Ｍの値を５とした場合を例にとる。第１の絶対値エンコーダ２および第２の絶対値エンコーダ５から検出された入力軸１および出力軸４の回転角は、図２（ａ）のようになる。また、（１）式および（２）式により算出された多回転量Ｘ_２、Ｘ_１は、図２（ｂ）のようになる。横軸は回転角、縦軸は回転量を示す。
入力軸１の検出角度θ_１をＭ倍し、出力軸４の検出角度θ_２をＮし、両者の差（Ｎ・θ_２−Ｍ・θ_１）を演算すると、入力軸１の１回転分の位相をＭとして、入力出軸の検出角度の差を、整数の階段状の信号として表現できる。
入力軸１が６．６回転（Ｎ／Ｍ）すると出力軸４は１回転する。入力軸１と出力軸４の１回転目の位相が両者ともゼロから始まったとすると、出力軸４の２回転目において、入力軸１は０．６回転分の回転角θ_１を有しているので、（Ｎ・θ_２−Ｍ・θ_１）は、出力軸４の２回転目は（Ｎ・θ_２−Ｍ・θ_１）＝（３３×０―５×０．６）＝−３からスタートすることになる。同様にして出力軸４の３回転目は−１から、４回転目は−４から、５回転目は−２から始まり、出力軸４の５回転までは、（Ｎ・θ_２−Ｍ・θ_１）は全て異なる値をとることになる。
Ｋは１からＭ−１までのいずれかの整数で、出力軸４が２回転目以後において（Ｎ・θ_２−Ｍ・θ_１）をＭで割った剰余が順次１、２、３・・・となるようにするための係数である。また、αはθ_１、θ_２が多少の誤差を有しても剰余の値が変化しないようにするためのバイアス値で、０．５が最大値となる。これによって、θ_２が理想的な検出信号が得られたとすると、θ_１は０．５×１／５×３６０°＝±３６度以内であれば、また、θ_１が理想的な検出信号として得られたとすると、θ_２は０．５×１／３３×３６０°＝±５．４度以内であれば、剰余の値が変化せず安定した演算結果が得られる。
なお、上記のＮ、Ｍの値をこれ以外の値にした場合でも、同じように両軸の回転量が算出できる。例えばＭの値を５に固定し、Ｎの値を５の倍数以外の数値をとり、Ｋの値を１から４の範囲で選べば多回転量Ｘ_２、Ｘ_１は規則的な階段状となり多回転量が算出できるし、Ｍの値を偶数とした場合でも、Ｎの値を奇数としＫの値をＭ−１の奇数の範囲で選べば同様に多回転量Ｘ_２、Ｘ_１を算出できる。

図３は、本発明の第２実施例を示すバッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置を用いた減速機付アクチュエータの概念図である。
図において、７は動力用のモータ、８は絶対値エンコーダ用の入力軸を兼ねたモータ回転軸、９は絶対値エンコーダ用の減速機を兼ねた動力伝達用の減速機、１０は絶対値エンコーダ用の入力軸を兼ねた動力用の出力軸、１１は被駆動部である。
減速機９の減速比をＮ／Ｍ、すなわち、モータ回転軸８の数値をＮ、出力軸１０の数値をＭにしたものである。実施例１と同様にして多回転量Ｘ_２、Ｘ_１を算出することができる。

本発明の第１実施例を示すバッテリーレス型多回転式絶対値エンコーダ装置の概念図 本発明の絶対値エンコーダ装置の動作を示すグラフ 本発明の第２実施例を示す絶対値エンコーダ装置を用いた減速機付アクチュエータの概念図 従来の絶対値エンコーダ装置を示す側断面図 従来の絶対値エンコーダ装置を用いた減速機付アクチュエータを示す概念図

符号の説明

１ 入力軸
２ 第１の絶対値エンコーダ
３、３ａ、９ 減速機
４、１０ 出力軸
５ 第２の絶対値エンコーダ
６ 演算部
７ モータ
８ モータ回転軸
１１ 被駆動部

Claims (5)

1. 減速機と、その入力軸に設けた第１の絶対値エンコーダと、前記減速機の出力軸に設けた第２の絶対値エンコーダと、演算部とを備え前記第１の絶対値エンコーダおよび第２の絶対値エンコーダの位相から前記回転軸の多回転量を算出する多回転量算出方法において、
   前記減速機の減速率を前記入力軸がＮ回転したとき前記出力軸がＭ回転するＮ／Ｍとし、ＮがＭより大きくかつ既約分数をとるものとし、検出された入力軸の回転角θ_１および出力軸の回転角θ_２を演算することにより前記出力軸の多回転量Ｘ_２を算出し、つぎにこの多回転量Ｘ_２および前記回転角θ_１、θ_２を用いて前記入力軸の多回転量Ｘ_１を算出することを特徴とする多回転量算出方法。
2. 前記出力軸の多回転量Ｘ_２および前記入力軸の多回転量Ｘ_１は、
   Ｘ_２＝ＭＯＤ［Ｋ・ＩＮＴ{（Ｎ・θ_２−Ｍ・θ_１）＋α}，Ｍ］ ・・・（１）
   Ｘ_１＝ＩＮＴ［{（Ｎ・θ_２−Ｍ・θ_１）＋α＋Ｎ・Ｘ_２}／Ｍ］ ・・・（２）
   の式により算出されることを特徴とする請求項１記載の多回転量算出方法。
   但し、θ_１は３６０°を１とする入力軸の検出角、θ_２は３６０°を１とする出力軸の検出角、Ｋは定数、αはオフセット値、ＭＯＤ［Ａ，Ｂ］は数値Ａを除数Ｂで割ったときの剰余を返す関数、ＩＮＴは端数処理し整数化する関数である。
3. 減速機と、その入力軸に設けた第１の絶対値エンコーダと、前記減速機の出力軸に設けた第２の絶対値エンコーダと、前記第１の絶対値エンコーダおよび第２の絶対値エンコーダの位相から前記回転軸の多回転量を算出する演算部とを備えたバッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置において、
   前記減速機の減速率を前記入力軸がＮ回転したとき前記出力軸がＭ回転するＮ／Ｍとし、ＮがＭより大きくかつ既約分数をとるようにしたものであることを特徴とするバッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置。
4. 前記減速機は、動力を伝達する減速機としたことを特徴とする請求項３記載のバッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置。
5. 請求項３または請求項４記載のバッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置と、前記バッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置の入力軸に接続した駆動用のモータと、前記バッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置の減速機の出力軸に接続された被駆動部とを含むことを特徴とする減速機付アクチュエータ。

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