JP2011107048A5 - - Google Patents
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Description
本発明は、回転軸に固定され所定枚の歯を持つ歯車と、歯を通る磁束を検出して歯の位置に関係する電気信号を出力する磁気検出素子とを備えた回転検出器を用いた磁気式アブソリュートエンコーダに関するものである。
特開平11−237256号公報(特許文献1)には、磁気式インクリメンタルエンコーダとして利用可能な回転検出装置が開示さている。また特開2008−180698号公報(特許文献2)等には、磁気式インクリメンタルエンコーダの基本構造を利用した磁気式アブソリュートエンコーダが開示されている。
しかしながら従来の磁気式アブソリュートエンコーダでは、小型にした場合に、分解能を高めることが難しいという問題がある。
本発明の目的は、小型にした場合にも、分解能を高めることができる磁気式アブソリュートエンコーダを提供することにある。
本発明の磁気式アブソリュートエンコーダは、回転軸に固定され所定枚の歯を持つ歯車と、この所定枚の歯を通る磁束を検出する磁気検出素子を備えて、歯車の回転位置を検出する第1乃至第3の回転検出器を備えている。より具体的な第1の回転検出器は、回転軸に固定され、導磁性材料により形成されたN1枚の歯を持つ第1の歯車と、バイアス用マグネットから出てN1枚の歯を通る磁束を検出して電気角で90°の位相差を持つ2つの電気信号を出力する2つの磁気検出素子を備えている。また第2の回転検出器も、回転軸に固定され、導磁性材料により形成されたN2枚の歯を持つ第2の歯車と、バイアス用マグネットから出てN2枚の歯を通る磁束を検出して電気角で90°の位相差を持つ電気信号を出力する2つの磁気検出素子を備えている。更に第3の回転検出器も、回転軸に固定され、導磁性材料により形成されたN3枚の歯を持つ第3の歯車と、バイアス用マグネットから出てN3枚の歯を通る磁束を検出して電気角で90°の位相差を持つ電気信号を出力する2つの磁気検出素子を備えている。
また本発明の磁気式アブソリュートエンコーダは、第1乃至第3の回転検出器から出力される電気信号をデジタル値に変換し、1サイクルが所定のデジタル値で表現され且つ歯車の歯数に相当するサイクル数の第1乃至第3の角度データを出力するA/D変換部と、A/D変換部の出力に基づいて、回転軸の1回転中の絶対位置を検出する絶対位置演算部とを備えている。より具体的なA/D変換部は、第1乃至第3の回転検出器に対応した第1乃至第3のA/D変換器を備えている。第1のA/D変換器は、第1の回転検出器から出力される2つの電気信号をMビット(Mは2以上の整数)のデジタル値に変換し、回転軸が1回転する間に、1サイクルが0〜2M−1のデジタル値で表現されるN1サイクルの第1の角度データを出力する。また第2のA/D変換器は、第2の回転検出器から出力される2つの電気信号をMビットのデジタル値に変換し、回転軸が1回転する間に、1サイクルが0〜2M−1のデジタル値で表現されるN2サイクルの第2の角度データを出力する。更に第3のA/D変換器は、第3の回転検出器から出力される2つの電気信号をMビットのデジタル値に変換し、回転軸が1回転する間に、1サイクルが0〜2M−1のデジタル値で表現されるN3サイクルの第3の角度データを出力する。
なおN1はm×nの整数であり(但しm及びnは2以上の整数)、N2はN1+1の整数であり、さらにN3はm×(n―1)の整数である。このような歯の枚数N1〜N3にこのような関係を定めた場合、絶対位置演算部は次のように動作する。すなわち、絶対位置演算部は、事前に、N1サイクルの第1の角度データとN3サイクルの前記第3の角度データとの差から、回転軸が1回転する間に、1サイクルが所定のデジタル値で表現されるmサイクルの第4の角度データを求める。また絶対位置演算部は、N1サイクルの第1の角度データとN2サイクルの第2の角度データとの差から、回転軸が1回転する間に、1サイクルが所定のデジタル値で表現される1サイクルの第5の角度データを演算により求める。絶対位置演算部は、これら第4及び第5の角度データを保存データとして保存する。そして絶対位置演算部は、絶対位置を決定する際には、次のように動作する。まず回転軸が回転して新たに演算された第5の角度データが、第4の角度データのmサイクルの何サイクル中に発生しているかを決定して第1の決定されたサイクルと定める。次に絶対位置演算部は、新たに演算された第5の角度データが、第1の決定サイクル中に発生するnサイクルの第1の角度データの何サイクル中に発生しているかを決定して第2の決定されたサイクルと定める。そして絶対位置演算部は、第1の決定サイクルと第2の決定サイクルとに基づいて、第1の角度データが、第1の角度データのN1サイクルのどのサイクルにおいて発生しているかを決定して第3の決定されたサイクルと定める。最後に、絶対位置演算部は、第3の決定サイクルと第1の角度データのデジタル値とから絶対位置を決定する。
本発明によれば、歯数が1つ違いの第1の回転検出器と第2の回転検出器の出力から、機械角360°と1サイクルが一致する第5の角度データを作る。この第5の角度データを元にして絶対位置を決定する。第5の角度データは、使用する演算手段がMビットの演算手段であれば、1サイクルが0〜2M−1のデジタル値で表現されることになり、このままでは分解能力が低い。そこで回転軸が回転して新たに演算された第5の角度データが、第4の角度データのmサイクルの何サイクル中に発生しているかを決定する(決定したサイクルを第1の決定されたサイクルと定める)。すなわち第5の角度データが、機械角360°の間にmサイクル発生する(1サイクルの機械角が機械角360°/m)第4の角度データの何番目のサイクル中において発生しているかが決定される。次に絶対位置演算部は、新たに演算された第5の角度データが、第1の決定されたサイクル中に発生するnサイクル[1サイクルの機械角が機械角360°/(m×n)]の第1の角度データの何サイクル中に発生しているかを決定する(決定したサイクルを第2の決定されたサイクルと定める)。そして絶対位置演算部は、第1の決定サイクルと第2の決定されたサイクルとに基づいて、発生している第1の角度データが、第1の角度データのN1サイクルのどのサイクルにおいて発生しているかを決定する(決定したサイクルを第3の決定されたサイクルと定める)。1回転でN1サイクルの第1の角度データが発生する場合に、どのサイクルの角度データであるかが決定される。その結果、絶対位置演算部は、例えば、決定した第3の決定サイクルがN番目のサイクルであり、1サイクルのデジタル値が0〜2M−1のデジタル値であるとすると、絶対位置を「(N―1)×2Mのデジタル値)+(その時点に第1の回転検出器から出力されている第1の角度データのデジタル値)」として決定する。その結果、本発明によれば、回転軸に固定された3枚の歯車を使用することにより、分解能を高めることができる。なお本発明は、理論的には、4枚以上の歯車を用いる場合にも適用できる。しかし実用上は、本発明のように3枚の歯車を使用する程度に止まるので、本出願では、4枚以上の歯車を用いる場合を含めていないが、出願人は4枚以上の歯車を用いる場合を放棄するものではない。
以下図面を参照して本発明の磁気式アブソリュートエンコーダの実施の形態の一例を詳細に説明する。図1は、本実施の形態の構成を概略的に示すブロック図である。図2は、回転軸と歯車の組合せの一例を示す図である。図1及び図2において、符号1で示したブロックはモータ等の駆動源によって回転させられる回転軸である。回転軸1に対しては、第1乃至第3の回転検出器3乃至7の一部を構成する第1乃至第3の歯車3A,5A及7Aが固定されている。第1乃至第3の歯車3A,5A及7Aは、鉄等の導磁性材料により形成され、外周部にそれぞれ歯を備えている。以下の説明では、第3の歯車3Aの歯数をN1、第2の歯車5Aの歯数をN2、第1の歯車7Aの歯数をN3とする。本実施の形態では、N1はm×nの整数であり(但しm及びnは2以上の整数)、N2はN1+1の整数であり、さらにN3はm×(n―1)の整数である。なお以下の具体例の説明では、理解を容易にするために、N1=15,N2=16、N3=12、m=3,n=5として説明する。
第1乃至第3の回転検出器3乃至7は、それぞれバイアス用マグネットから出てN1,N2,N3枚の歯を通る磁束を検出して電気角で90°の位相差を持つ2つの電気信号を出力する2つの磁気検出素子3B及び3C,5B及び5C並びに7B及び7Cを備えている。図3には、二つの磁気検出素子3B及び3C,5B及び5C並びに7B及び7Cが出力する電気角で90°の位相差を持つ2つの電気信号の例を示している。なお第1乃至第3の回転検出器3乃至7として利用可能な回転検出器の一例は、前述の特許文献2等に記載されており、第1乃至第3の回転検出器3乃至7としては、公知の構造のものをそのまま利用することができる。
第1乃至第3の回転検出器3〜7から出力される電気信号をデジタル値に変換し、1サイクルが所定のデジタル値で表現され且つ歯の枚数(N1〜N3)に相当するサイクル数の第1乃至第3の角度データを出力するA/D変換部10を備えている。A/D変換部10は、第1乃至第3の回転検出器3乃至7に対応した第1乃至第3のA/D変換器9乃至13を備えている。第1のA/D変換器9は、第1の回転検出器3から出力される2つの電気信号をMビット(Mは2以上の整数)のデジタル値に変換し、回転軸1が1回転する間に、1サイクルが0〜2M−1のデジタル値で表現されるN1サイクルの第1の角度データを出力する。また第2のA/D変換器11は、第2の回転検出器5から出力される2つの電気信号をMビットのデジタル値に変換し、回転軸1が1回転する間に、1サイクルが0〜2M−1のデジタル値で表現されるN2サイクルの第2の角度データを出力する。更に第3のA/D変換器13は、第3の回転検出器7から出力される2つの電気信号をMビットのデジタル値に変換し、回転軸1が1回転する間に、1サイクルが0〜2M−1のデジタル値で表現されるN3サイクルの第3の角度データを出力する。
ここでN1を15、N2を16、N3を12とし、M=10とした場合において、第1乃至第3の角度データを得る場合について説明する。
まず図3に示した二つの電気信号VAとVBは以下のように表すことができる。
VA=k・sin(θ)
VB=k・cos(θ)
但しθ=0度−360度;回転軸の回転角度
二つの値からθを計算で求めると以下のようになる。
VB=k・cos(θ)
但しθ=0度−360度;回転軸の回転角度
二つの値からθを計算で求めると以下のようになる。
θ=arc tan(VA/VB)
=arc tan(k・sin(θ)/k・cos(θ))
=arc tan(sin(θ)/cos(θ))
A/D変換部10を構成する第1乃至第3のA/D変換器9〜13は、具体的には、第1乃至第3の回転検出器3乃至7から出力される電気信号VA、VBを、デジタル値(10bit、0−1023)に変換する。この数値から演算装置(CPUなど)によりθを計算する。回転軸1が1回転する間の角度データPSは、PS=0−1023、10bitの値を取る。但し、PS=θ/360×1024となる。
=arc tan(k・sin(θ)/k・cos(θ))
=arc tan(sin(θ)/cos(θ))
A/D変換部10を構成する第1乃至第3のA/D変換器9〜13は、具体的には、第1乃至第3の回転検出器3乃至7から出力される電気信号VA、VBを、デジタル値(10bit、0−1023)に変換する。この数値から演算装置(CPUなど)によりθを計算する。回転軸1が1回転する間の角度データPSは、PS=0−1023、10bitの値を取る。但し、PS=θ/360×1024となる。
第1乃至第3のA/D変換器9乃至13からは、第1乃至第3の角度データPS15〜PS16が得られる。第1の角度データPS15、第2の角度データPS16及び第3の角度データPS12は、それぞれ1サイクルが0−1023のデジタル値を取る。すなわち第1の角度データPS15は、歯車一回転、すなわち機械角360度でN1サイクル(具体的例では15サイクル)出現する。これを図に示すと図4の通りである。また第2の角度データPS16は、歯車一回転、すなわち機械角360度でN2サイクル(具体例では16サイクル)出現する。これを図に示すと図5の通りである。そして第3の角度データPS12は、歯車一回転、すなわち機械角360度でN3サイクル(具体例では12サイクル)出現する。これを図に示すと図6の通りである。
次に絶対位置演算部14について説明する。絶対位置演算部14に含まれる第1の差分演算部15は、N1サイクル(具体例では15サイクル)の第1の角度データとN2サイクル(具体例では16サイクル)の第2の角度データとの差から、回転軸が1回転する間に、1サイクルが所定のデジタル値(具体例では210)で表現される1サイクルの第5の角度データを演算により求める。また第2の差分演算部17は、N1サイクル(具体例では、15サイクル)の第1の角度データとN3サイクル(具体例では12サイクル)の第3の角度データとの差から、回転軸1が1回転する間に、1サイクルが所定のデジタル値(具体例では210)で表現されるmサイクル(具体例では3サイクル)の第4の角度データを求める。事前に回転軸1を少なくとも1回転させて求められた第4及び第5の角度データは、それぞれ第4の角度データ保存部23と第5の角度データ保存部21とに保存される。またこのときに得る第1の角度データも第1の角度データ保存部19に保存される。これらのデータは、絶対位置の決定の際に利用される。
具体的に第2の差分演算部17の動作と、第1の角度データPS15と第3の角度データPS12の関係について以下に説明する。図4に示した第1の角度データPS15と図6に示した第3の角度データPS12とを比較する。図4に示すように、第1の角度データPS15は、歯車が一回転する間に0−1023の変化を15回繰り返す。一方図6に示すように、第3の角度データPS12は、歯車が一回転する間に0−1023の変化を12回繰り返す。ここで15と12の公約数を計算すると、15=3×5、12=3×4であるため、公約数は3になる。このことから、第1の角度データPS15の5回の繰り返しと、第3の角度データPS12の繰り返し4回は、360度/3=120度(機械角)で同じ角度になる。図7は、第1の角度データPS15と第3の角度データPS12とが120度毎に一致する状態を示す。そしてこの一致は三回繰り返される。
この状況を利用して、第2の差分演算部17は、第1の角度データPS15における5歯の判別をするために、第2の角度データPS12と第1の角度データPS15との差分を計算する。ここで回転軸の回転角度θを、θe:電気角、θm:機械角、と表すことにする。
第1の歯車3A(歯数15)の電気角θe15は、θe15 =15×θmと表すことができる。同様にして、第3の歯車7A(歯数12)の電気角θe12は、θe12=12×θmと表すことができる。よって、第1の角度データPS15及び第3の角度データPS12はそれぞれ、
PS15=θe15/360×1024
=15×θm/360×1024 、
PS12=θe12/360×1024
=12×θm/360×1024 、
となる。
PS15=θe15/360×1024
=15×θm/360×1024 、
PS12=θe12/360×1024
=12×θm/360×1024 、
となる。
この二つから差を計算すると、第4の角度データΔPS1512は以下のようになる。
ΔPS1512=PS15−PS12
=15×θm/360×1024−12×θm/360×1024
=3×θm/360×1024
=θm/120×1024
となる。
=15×θm/360×1024−12×θm/360×1024
=3×θm/360×1024
=θm/120×1024
となる。
すなわち、第1の角度データPS15と第3の角度データPS12との差、即ち第4の角度データΔPS1512は、歯車が120度回転する毎に、0−1023まで変化して、歯車が一回転360度回転するとこの変化が三回繰り返されることになる。これを図示すると、図8に示すようになる。第4の角度データΔPS1512は、第4の角度データ保存部23に保存される。
次に第1の差分演算部15の動作について説明する。15枚の歯を備えた歯車3Aの電気角θe15は、θe15=15×θmと表すことができる。
そして、第1の角度データPS15は、PS15=θe15/360×1024=15×θm/360×1024となる。同様にして、歯車16枚の電気角θe16は、θe16=16×θmと表わすことができる。そして、第2の角度データPS16=θe16/360×1024=16×θm/360×1024となる。
第1の差分演算部15は、第1の角度データPS15と第2の角度データPS16の差PS16−PS15を計算する。
すなわちPS16−PS15
=16×θm/360×1024−15×θm /360×1024
=1×θm/360×1024
=θm/360×1024
となる。第2の角度データPS16と第1の角度データPS15との差、すなわち第5の角度データΔPS1615(PS16−PS15)は、歯車が360度回転する毎に、デジタル値で0−1023まで変化し、歯車が一回転360度回転する度にこの変化が繰り返される。これを図示すると、図9のようになる。第5の角度データΔPS1615は、第5の角度データ保存部21に保存される。
=16×θm/360×1024−15×θm /360×1024
=1×θm/360×1024
=θm/360×1024
となる。第2の角度データPS16と第1の角度データPS15との差、すなわち第5の角度データΔPS1615(PS16−PS15)は、歯車が360度回転する毎に、デジタル値で0−1023まで変化し、歯車が一回転360度回転する度にこの変化が繰り返される。これを図示すると、図9のようになる。第5の角度データΔPS1615は、第5の角度データ保存部21に保存される。
絶対位置演算部14は、決定手段25を備えている。決定手段25は、第1のサイクル決定部27と、第2のサイクル決定部29と第3のサイクル決定部31と絶対位置決定部33を備えている。第1のサイクル決定部27は、回転軸1が回転して新たに演算された第5の角度データΔPS1615′(その時点のデータ)が、第4の角度データ保存部23に保存されている第4の角度データのmサイクルの何サイクル中に発生しているかを決定して第1の決定されたサイクルと定める。
第1のサイクル決定部27は、図9に示す第5の角度データΔPS1615の一山と図8に示す第4の角度データΔPS1512の三山とは、機械角360度で一致するため、第5の角度データΔPS1615の値を三等分したデジタル値から、第4の角度ΔPS1512の三山がそれぞれ何番目かが判別できる。すなわち、1024/3=341.3である そこで第5の角度データΔPS1615のデジタル値が、0から341ならば、第4の角度データΔPS1512は一つ目の山(サイクル)であることが判る。また第5の角度データΔPS1615のデジタル値が、342から682ならば、第4の角度データΔPS1512は二つ目の山(サイクル)であることが判る。そして第5の角度データΔPS1615のデジタル値が、683から1023ならば、第4の角度データΔPS1512は三つ目の山(サイクル)であることが判る。第1のサイクル決定部27は、新たに演算された第5の角度データPS1615′(その時点のデータ)が、第5の角度データΔPS1615の1サイクル中に発生するm山またはmサイクル(具体的には図8に示す3サイクル)の第4の角度データΔPS1512の何サイクル中に発生しているかを決定し、決定したサイクルを第1の決定されたサイクルと定める。
第2のサイクル決定部29は、図7及び図8に示す波形を対比すると判るように、図8に示す第4の角度データΔPS1512の一山(1サイクル)と図7に示す第1の角度データPS15の五山(5サイクルまたは五歯)とは、機械角120度で一致する。したがって第4の角度データΔPS1512の1つの山(サイクル)のデジタル値を五等分することにより、第1の角度データPS15の五山(五サイクル)が何番目のサイクルかが判別できる。すなわち、1024/5=204.8であるため、第4の角度データΔPS1512が、0から204のデジタル値ならば、第1の角度データPS15は一つ目の山(サイクルまたは歯)であることが判る。また第4の角度データΔPS1512が、205から409のデジタル値ならば、第1の角度データPS15は二つ目の山(サイクルまたは歯)であることが判る。更に第4の角度データΔPS1512が、410から614のデジタル値ならば、第1の角度データPS15は三つ目の山(サイクルまたは歯)であることが判る。また第4の角度データΔPS1512が、615から819のデジタル値ならば、第1の角度データPS15は四つ目の山(サイクルまたは歯)であることが判る。さらに第4の角度データΔPS1512が、820から1023のデジタル値ならば、PS15は五つ目の山(サイクルまたは歯)であることが判る。このようにして第2のサイクル決定部29は、新たに演算された第5の角度データPS1615′(その時点のデータ)が、第1の決定サイクル[図8の3つの山(サイクル)のいずれか1つの山(サイクル)]中に発生するn山またはnサイクル(具体的には図7に示す5サイクル)の第1の角度データPS15の何サイクル中に発生しているかを決定し、決定したサイクルを第2の決定されたサイクルと定める。
第3のサイクル決定部31は、第1のサイクル決定部27が決定した第1の決定サイクルと第2のサイクル決定部29が決定した第2の決定サイクルとに基づいて、新たに第1のA/D変換器9から出力された第1の角度データPS15′が、第1の角度データPS15のN1サイクル(15サイクル)のどのサイクルにおいて発生しているかを決定して第3の決定されたサイクルと定める。最後に、絶対位置決定部33は、第3の決定されたサイクル[N1サイクル(15サイクル)の何番目のサイクルであるかという情報]と、そのときに第1のA/D変換器9から出力されている第1の角度データPS15′のデジタル値とから一回転内の絶対位置を決定する。
本実施の形態の動作を一般的に説明すれば、第1の差分演算部15は、歯数が1つ違いの第1の回転検出器3と第2の回転検出器5の出力を第1及び第2のA/D変換器9及び11でA/D変換した値から、機械角360°と1サイクルが一致する第5の角度データを作る。この第5の角度データを元にして絶対位置を決定する。第5の角度データは、使用する演算手段がMビットの演算手段であれば、1サイクルが0〜2M−1のデジタル値で表現される。第1のサイクル決定部27は、第4の角度データ保存部23に保存されたデータを利用して、回転軸1が回転して新たに演算された第5の角度データが、第4の角度データのmサイクルの何サイクル中に発生しているかを決定する(決定したサイクルを第1の決定されたサイクルと定める)。すなわち第5の角度データが、機械角360°の間にmサイクル発生する(1サイクルの機械角が機械角360°/m)第4の角度データの何番目のサイクル中において発生しているかが決定される。次に第2のサイクル決定部29は、新たに演算された第5の角度データが、第1の決定されたサイクル中に発生するnサイクル[1サイクルの機械角が機械角360°/(m×n)]の第1の角度データの何サイクル中に発生しているかを決定する(決定したサイクルを第2の決定されたサイクルと定める)。そして第3のサイクル決定部31は、第1の決定されたサイクルと第2の決定されたサイクルとに基づいて、その時点で発生している第1の角度データが、第1の角度データのN1サイクルのどのサイクルにおいて発生しているかを決定する(決定したサイクルを第3の決定されたサイクルと定める)。最後に絶対位置決定部33は、例えば、決定した第3の決定サイクルがN番目のサイクルであり、1サイクルのデジタル値が0〜2M−1のデジタル値であるとすると、絶対位置を「(N−1)×2Mのデジタル値)+(その時点に第1の回転検出器から出力されている第1の角度データのデジタル値)」として決定する。
上記の具体例の歯数は、理解を容易にするためのものであり、実際上は、例えば、N1=384、N2=385、N3=368等の歯数の組合せを用いることができる。384と385とは、一つ違いで互いに素の関係なので、二つの差分を計算することにより、384の歯の区別が分かる。一方、384=24×16、368=23×16であるから、二つの値の間には公約数16が存在する。すなわち、第一の歯が24番目まで来た時、第三の歯が23番目まで来て0点が一致する。これを16回繰り返す。よって第一歯と第三歯の出力値の差分を計算することにより、24歯の区別が分かる。次に16回繰り返しの判別は、第一歯と第二歯の差分の一山と第一歯と第三歯の差分の16山の比較で計算する。
本発明は、3つの歯車を利用する場合であるが、理論的には4個の歯車を持つ場合も可能である。この場合には、第1乃至第4の歯車の歯数N1乃至N4は次のように歯数を定める。
第1の歯数N1 (N1= m1×m2×n )
(m1は、2以上の整数)
(m2は、2以上の整数)
(nは、2以上の整数)
第2の歯数N2 (N2= N1+1 )
第3の歯数N3 (N3=m1× m2 ×(n−1))
第4の歯数N4 (N4=m1×((m2×n)−1))
N1とN2とは、歯数が一つ違いで互いに素の関係なので、二つの差分を計算することにより、N1個の歯の区別が分かる。但し精度は、360/N1(電気角)が必要となり、機械加工、電気回路の負担が大きい。
(m1は、2以上の整数)
(m2は、2以上の整数)
(nは、2以上の整数)
第2の歯数N2 (N2= N1+1 )
第3の歯数N3 (N3=m1× m2 ×(n−1))
第4の歯数N4 (N4=m1×((m2×n)−1))
N1とN2とは、歯数が一つ違いで互いに素の関係なので、二つの差分を計算することにより、N1個の歯の区別が分かる。但し精度は、360/N1(電気角)が必要となり、機械加工、電気回路の負担が大きい。
一方、N1=m1×m2×n、
N3=m1× m2×(n−1)、
二つの間には公約数(m1×m2)が存在する。
N3=m1× m2×(n−1)、
二つの間には公約数(m1×m2)が存在する。
すなわち、第一の歯が(n)番目まで来た時、第三の歯が(n−1)番目まで来て0点が一致する。これを(m1×m2)回繰り返す。
よって第一歯車と第三歯車の出力値の差分を計算することにより、(n)歯内の区別が分かる。このときの必要精度は、360/(n)(電気角)となる。
また、N1=m1×m2×n、
N4=m1×((m2×n)−1 )
二つの間には公約数(m1)が存在する。
N4=m1×((m2×n)−1 )
二つの間には公約数(m1)が存在する。
すなわち、第一の歯が(m2×n)番目まで来た時、第4の歯が((m2×n)−1)番目まで来て0点が一致する。これを(m1)回繰り返す。
よって第1歯車と第4歯車の出力値の差分((m1)山ある)を計算して、第1歯車と第3歯車の出力値の差分((m1×m2)山ある)の計算値と比較することにより、(m1)回内のm2(2、3、、、m2)山の区別が分かる。このときの必要精度は、360/(m2)(電気角)となる。
さらに、(m1)回繰り返しの判別は、第1歯と第2歯の差分の一山と、第1歯と第4歯の差分の(m1) 山の比較で計算する。このときの必要精度は、360/(m1)(電気角)となる。
次に一般化した場合について説明する。ここではS個の歯車を持つものとする。
第1の歯数N1は下記のように表現できる。
N1= m1 × m2 ×・・・・・・ ×m(s−2)×n
(m1は、2以上の整数)
(m2は、2以上の整数)
・・・
(m(s−2)は、2以上の整数)
(nは、2以上の整数)
第2の歯数N2;N2= N1+1
第3の歯数N3は以下のように表される;
N3= m1× m2 ×・・・・・・ ×m(s−2)×(n−1)
第四の歯数N4は、以下のように表される;
N4=m1×m2× ・・・・・・×m(s−3)×((m(s−2)×n)−1)
・
・
第k個目の歯数Nkは以下のように表される;
Nk=m1×m2×…× m(s-k+1) × ( m(s-k+2) × m(s-k+3) ×…× m(s-3) × m(s-2) ×n-1 )
・
・
s個目の歯数Nsは以下のように表される。
Ns= m1 × ( m2 × m3 ×…× m(s-3) × m(s-2) ×n-1 )
N1とN2とは、歯数が一つ違いで互いに素の関係なので、二つの差分を計算することにより、N1個の歯の区別が分かる。
N1= m1 × m2 ×・・・・・・ ×m(s−2)×n
(m1は、2以上の整数)
(m2は、2以上の整数)
・・・
(m(s−2)は、2以上の整数)
(nは、2以上の整数)
第2の歯数N2;N2= N1+1
第3の歯数N3は以下のように表される;
N3= m1× m2 ×・・・・・・ ×m(s−2)×(n−1)
第四の歯数N4は、以下のように表される;
N4=m1×m2× ・・・・・・×m(s−3)×((m(s−2)×n)−1)
・
・
第k個目の歯数Nkは以下のように表される;
Nk=m1×m2×…× m(s-k+1) × ( m(s-k+2) × m(s-k+3) ×…× m(s-3) × m(s-2) ×n-1 )
・
・
s個目の歯数Nsは以下のように表される。
Ns= m1 × ( m2 × m3 ×…× m(s-3) × m(s-2) ×n-1 )
N1とN2とは、歯数が一つ違いで互いに素の関係なので、二つの差分を計算することにより、N1個の歯の区別が分かる。
一方、N1=m1× m2 × ・・・・・・ × m(s−2)× n 、
N3=m1× m2 × ・・・・・・ × m(s−2)×(n−1) 、
二つの間には公約数(m1×m2・・・ ×m(s−2))が存在する。
N3=m1× m2 × ・・・・・・ × m(s−2)×(n−1) 、
二つの間には公約数(m1×m2・・・ ×m(s−2))が存在する。
すなわち、第一の歯が(n)番目まで来た時、第三の歯が(n−1)番目まで来て0点が一致する。これを(m1×m2×・・・ ×m(s−2))回繰り返す。
よって第一歯車と第三歯車の出力値の差分を計算することにより、(n)歯内の区別が分かる。このときの必要精度は、360/(n)(電気角)となる。
また、N1= m1×m2×・・・×m(s−3)× m(s−2)× n 、
N4= m1×m2×・・・×m(s−3)×((m(s−2)×n)−1)
二つの間には公約数(m1×m2×・・・・・・×m(s−3))が存在する。
N4= m1×m2×・・・×m(s−3)×((m(s−2)×n)−1)
二つの間には公約数(m1×m2×・・・・・・×m(s−3))が存在する。
すなわち、第一の歯が(m(s−2)×n)番目まで来た時、第四の歯が((m(s−2)×n)−1)番目まで来て0点が一致する。これを(m1×m2×・・・・・・×m(s−3))回繰り返す。
よって第一歯車と第四歯車の出力値の差分(m1×m2×・・・・・・×m(s−3)山ある)を計算して、第一歯車と第三歯車の出力値の差分(m1×m2×・・・・・・×m(s−3)×m(s−2)山ある)の計算値と比較することにより、(m1×m2× ・・・・×m(s−3))回内のm(s−2)(2、3、、、(m(s−2))山の区別が分かる。このときの必要精度は、360/(m(s−2))(電気角)となる。
さらに、N1=m1× m2 ×・・・・・×m(s−3)× m(s−2)× n 、
Nk= m1×m2×…× m(s-k+1)×(m(s-k+2)×m(s-k+3)×…×m(s-3)×m(s-2)×n-1)との間には公約数(m1×m2×…× m(s-k+1))が存在する。
Nk= m1×m2×…× m(s-k+1)×(m(s-k+2)×m(s-k+3)×…×m(s-3)×m(s-2)×n-1)との間には公約数(m1×m2×…× m(s-k+1))が存在する。
すなわち、第一の歯が(m(s-k+2) × m(s-k+3) ×…× m(s-3) × m(s-2) × n)番目まで来た時、第k番目の歯が(m(s-k+2) × m(s-k+3) ×…× m(s-3) × m(s-2) ×n-1)番目まで来て0点が一致する。これを(m1×m2×…× m(s-k+1))回繰り返す。
よって、第一歯車と第k番目歯車の出力値の差分(m1×m2×…× m(s-k+1) 山ある)を計算して、第一歯車と第(k−1)番目歯車の出力値の差分(m1×m2×…× m(s-k+1) ×m(s-k+2) 山ある)の計算値を比較することにより、(m1×m2×…× m(s-k+1))回内のm(s-k+2) (2,3,,(m(s-k+2))山の区別が分かる。このときの必要精度は、360/m(s-k+2)(電気角)となる。
最後に、(m1)回繰り返しの判別は、第1歯と第2歯の差分の一山と、第1歯と第s番目歯車の差分の(m1)山の比較で計算をする。このときの必要精度は、360/(m1)(電気角)となる。
本実施の形態によれば、バッテリレスで利用できる1回転アブソリュートエンコーダを構成することができる。
本発明によれば、小型にした場合にも、分解能を高めることができる磁気式アブソリュートエンコーダを提供できるので、産業上の利用可能性が高い。
1 回転軸
3 第1の回転検出器
5 第2の回転検出器
7 第3の回転検出器
9 第1のA/D変換器
11 第2のA/D変換器
13 第3のA/D変換器
15 第1の差分演算部
17 第2の差分演算部
19 第1の角度データ保存部
21 第5の角度データ保存部
23 第4の角度データ保存部
25 絶対位置演算部
27 第1のサイクル決定部
29 第2のサイクル決定部
31 第3のサイクル決定部
33 絶対位置決定部
3 第1の回転検出器
5 第2の回転検出器
7 第3の回転検出器
9 第1のA/D変換器
11 第2のA/D変換器
13 第3のA/D変換器
15 第1の差分演算部
17 第2の差分演算部
19 第1の角度データ保存部
21 第5の角度データ保存部
23 第4の角度データ保存部
25 絶対位置演算部
27 第1のサイクル決定部
29 第2のサイクル決定部
31 第3のサイクル決定部
33 絶対位置決定部
Claims (3)
- 回転軸に固定され所定枚の歯を持つ歯車と、前記所定枚の歯を通る磁束を検出する磁気検出素子を備えて、前記歯車の回転位置を検出する第1乃至第3の回転検出器と、
前記第1乃至第3の回転検出器から出力される電気信号をデジタル値に変換し、1サイクルが所定のデジタル値で表現される前記歯車の歯数に相当するサイクル数の第1乃至第3の角度データを出力するA/D変換部と、
前記A/D変換部の出力に基づいて、前記回転軸の1回転中の絶対位置を検出する絶対位置演算部とを備え、
前記第1乃至第3の回転検出器はN1乃至N3枚の歯をそれぞれ備え、
前記N1はm×nの整数であり、但しm及びnは2以上の整数、
前記N2はN1+1の整数であり、
前記N3はm×(n―1)の整数であり、
前記絶対位置演算部は、
事前に、N1サイクルの前記第1の角度データとN3サイクルの前記第3の角度データとの差から、前記回転軸が1回転する間に、1サイクルが所定のデジタル値で表現されるmサイクルの第4の角度データを求め、またN1サイクルの前記第1の角度データとN2サイクルの前記第2の角度データとの差から、前記回転軸が1回転する間に、1サイクルが所定のデジタル値で表現される1サイクルの第5の角度データを演算により求めて保存し、
新たに演算された前記第5の角度データが、前記第4の角度データの前記mサイクルの何サイクル中に発生しているかを決定して第1の決定されたサイクルと定め、前記新たに演算された第5の角度データが、前記第1の決定サイクル中に発生するnサイクルの前記第1の角度データの何サイクル中に発生しているかを決定して第2の決定されたサイクルと定め、
前記第1の決定サイクルと前記第2の決定サイクルとに基づいて、前記第1の角度データが、前記第1の角度データの前記N1サイクルのどのサイクルにおいて発生しているかを決定して第3の決定されたサイクルと定め、
前記第3の決定されたサイクルと前記第1の角度データの前記デジタル値とから前記絶対位置を決定することを特徴とする磁気式アブソリュートエンコーダ。 - 前記回転検出器は、導磁性材料により形成された所定枚の歯を持つ前記歯車と、バイアス用マグネットと、前記バイアス用マグネットから出て前記N1枚の歯を通る磁束を検出して電気角で90°の位相差を持つ2つの電気信号を出力する前記2つの磁気検出素子とを備えている請求項1に記載の磁気式アブソリュートエンコーダ。
- 回転軸に固定され、導磁性材料により形成されたN1枚の歯を持つ第1の歯車と、バイアス用マグネットから出て前記N1枚の歯を通る磁束を検出して電気角で90°の位相差を持つ2つの電気信号を出力する2つの磁気検出素子を備えた第1の回転検出器と、
前記回転軸に固定され、導磁性材料により形成されたN2枚の歯を持つ第2の歯車と、バイアス用マグネットから出て前記N2枚の歯を通る磁束を検出して電気角で90°の位相差を持つ電気信号を出力する2つの磁気検出素子を備えた第2の回転検出器と、
前記回転軸に固定され、導磁性材料により形成されたN3枚の歯を持つ第3の歯車と、バイアス用マグネットから出て前記N3枚の歯を通る磁束を検出して電気角で90°の位相差を持つ電気信号を出力する2つの磁気検出素子を備えた第3の回転検出器と、
前記第1の回転検出器から出力される前記2つの電気信号をMビット(Mは2以上の整数)のデジタル値に変換し、前記回転軸が1回転する間に、1サイクルが0〜2M−1のデジタル値で表現されるN1サイクルの第1の角度データを出力する第1のA/D変換器と、
前記第2の回転検出器から出力される前記2つの電気信号をMビットのデジタル値に変換し、前記回転軸が1回転する間に、1サイクルが0〜2M−1のデジタル値で表現されるN2サイクルの第2の角度データを出力する第2のA/D変換器と、
前記第3の回転検出器から出力される前記2つの電気信号をMビットのデジタル値に変換し、1サイクルが0〜2M−1のデジタル値で表現されるN3サイクルの第3の角度データを出力する第3のA/D変換器と、
前記第1乃至第3のA/D変換器の出力に基づいて、前記回転軸の1回転中の絶対位置を検出する絶対位置演算部とを備え、
前記N1はm×nの整数であり、但しm及びnは2以上の整数、
前記N2はN1+1の整数であり、
前記N3はm×(n―1)の整数であり、
前記絶対位置演算部は、
事前に、N1サイクルの前記第1の角度データとN3サイクルの前記第3の角度データとの差から、前記回転軸が1回転する間に、1サイクルが0〜2M−1のデジタル値で表現されるmサイクルの第4の角度データを求め、更にN1サイクルの前記第1の角度データとN2サイクルの前記第2の角度データとの差から、前記回転軸が1回転する間に、1サイクルが0〜2M−1のデジタル値で表現される1サイクルの第5の角度データを演算により求めて保存データとして保存しておき、
新たに演算された前記第5の角度データが、前記第4の角度データの前記mサイクルの何サイクル中に発生するかを前記保存データを利用して決定して第1の決定されたサイクルと定め、前記新たに演算された第5の角度データが、前記第1の決定されたサイクル中に発生するnサイクルの前記第1の角度データの何サイクル中に発生するかを、前記保存データを利用して決定して第2の決定されたサイクルと定め、
前記第1の決定サイクルと前記第2の決定されたサイクルとに基づいて、前記第1の角度データが、前記第1の角度データの前記N1サイクルのどのサイクルにおいて発生しているかを決定して第3の決定されたサイクルと定め、
前記第3の決定されたサイクルと前記第1の角度データの前記デジタル値とから前記絶対位置を決定することを特徴とする磁気式アブソリュートエンコーダ。
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