JP2011185711A - 多回転検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 摩耗による寿命低下および異物等の混入による誤検出のいずれも発生することがなく、かつ、保守に要するコストが小さい多回転検出装置を得る。
【解決手段】 回転体に取り付けられた磁石１０１と、磁石の磁界を検出できる位置に設けられ、検出する磁界の方向が反転する時に電流パルスを出力する磁界反転検出素子１０２と、電流パルスによる電流を制限する電流制限抵抗１０３と、上記電流の逆流を防止するダイオード１０４と、電流パルスによる電荷を蓄積するコンデンサ１０５と、コンデンサ１０５に蓄積された電荷量を計測する電荷量計測手段１０７とを備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、モータの回転軸などの回転体の回転回数および回転方向を検出する多回転検出装置に関する。

工場の産業ロボット、工作機械等においては、操業中に作業内容の変更、工具セットの交換などの工程準備作業、保守作業等のため、電源をオフにする必要が発生する。これらの作業の際に産業ロボット、工作機械等を手動等で動かした結果、作業停止直前の産業ロボットの姿勢と位置、工作機械に取り付けられた被加工物（ワーク）の位置などの情報が失われる場合がある。これらの場合に操業再開時に機械の基準位置設定のための原点復帰動作を行う必要があるが、この動作は生産効率の著しい低下をもたらすため、電源オフの間にも産業ロボットの位置と姿勢、被加工物（ワーク）の位置などの検出、すなわち絶対位置検出の必要がある。産業ロボットの関節部、工作機械の駆動軸の多くにはモータが用いられており、モータの回転軸などの回転体の回転回数および回転方向を回転体の電源がオフのときにも検出する必要がある。

従来の多回転エンコーダにおいては、回転運動をする入力軸に減速歯車を設けて、磁石を有するコード記録媒体を減速して駆動し、固定された基板上の磁気センサを用いて、コード記録媒体の角度の検出を行っている。これにより、入力軸の多回転量を一回転内の角度位置に変換して検出する構成としている。（例えば特許文献１参照。）

特表２００２−５１３９２３号公報（第５−７頁、図１）

上記のように従来の多回転エンコーダでは、減速歯車を用いているため、歯車の機械的な接触面を有することから摩耗による装置の寿命低下あるいは接触面への異物混入等によって誤検出が発生することが課題であった。この課題を解決することを目的として、光学式あるいは磁気式の回転角センサを用いて非接触で多回転量を検出する方式がある。しかしながら、この方式では多回転量の検出に電源を必要とするため、モータ等の本体の電源オフ時においても検出できるようにするには、バッテリを搭載する必要があった。バッテリには寿命があるため、一定期間が経過すると交換が必要となり、多回転検出装置の保守コストが大きいという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、歯車等を用いることがなく、機械的な接触部がないため、摩耗による寿命低下あるいは異物等の混入による誤検出の発生がなく、しかも、バッテリ等の外部電源を不要とするか、あるいは消費電力を抑えてバッテリ寿命を長くすることにより、バッテリ交換に伴う保守コストが小さい多回転検出装置を得ることを目的とする。

この発明に係る多回転検出装置は、回転体に取り付けられた磁石と、磁石の磁界を検出できる位置に設けられ、検出する磁界の方向が反転するときに電流パルスを出力する磁界反転検出素子と、電流パルスによる電流を制限する電流制限抵抗と、上記電流の逆流を防止するダイオードと、電流パルスによる電荷を蓄積するコンデンサと、コンデンサに蓄積された電荷量を計測する電荷量計測手段とを備えたものである。

この発明は、回転体に取り付けられた磁石と、磁石の磁界を検出できる位置に設けられ、検出する磁界の方向が反転するときに電流パルスを出力する磁界反転検出素子と、電流パルスによる電流を制限する電流制限抵抗と、上記電流の逆流を防止するダイオードと、電流パルスによる電荷を蓄積するコンデンサと、コンデンサに蓄積された電荷量を計測する電荷量計測手段とを備えることにより、歯車の機械的な接触部がないため、摩耗による寿命低下、異物等の混入による誤検出がなく、しかも、バッテリ等の外部電源なしで動作するか、あるいは消費電力が小さくバッテリの交換間隔が長いために、バッテリ交換に伴う保守コストが小さい多回転検出装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１における多回転検出装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１における多回転検出装置の磁界反転検出素子１０２からの発生電流およびコンデンサ１０５に蓄積される電荷量の時間変化を示す図である。 この発明の実施の形態２における多回転検出装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２における多回転検出装置の動作を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態２におけるコンデンサ１０５の電圧の時間変化を示す図である。 この発明の実施の形態３における多回転検出装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３における演算処理装置２１１の動作フローチャートである。 この発明の実施の形態３における読出装置２１５の動作フローチャートである。

実施の形態１．
この発明を実施するための実施の形態１における多回転検出装置の構成を図１に示す。図１において、モータ軸（図示せず）などの回転体に、Ｎ極Ｓ極１対が着磁された磁石１０１が取り付けられている。磁石１０１の磁界を検出できる位置に磁界反転検出素子１０２が配置されており、磁界反転検出素子１０２は、検出する磁界の方向が、磁石１０１が矢印１０９で示す向きに回転運動することによって反転するときに電流パルスを出力する。磁界反転検出素子１０２は、例えば大バルクハウゼン効果を応用したウィーガント・ワイヤなどの強磁性ワイヤの周囲にコイルが巻かれたものからなる。これは、強磁性ワイヤの長さ方向に磁界を与えておき、その後外部からその反対向きの磁界を印加したときに跳躍的に磁束が反転してコイルにパルス電圧が発生するものである。外部から印加する磁界が変化する周波数が非常に低い場合でも、周波数に無関係に鋭いパルス電圧を発生する。

本実施の形態を含め、以下の実施の形態においては回転体としてモータのモータ軸を例に挙げて説明するが、多回転を検出する対象となる回転体はモータ軸に限るものではない。回転軸、回転円盤等磁石１０１が接着、溶接、ねじ止めなど何らかの手段で回転体に固定できるものであれば、その回転回数および回転方向を検出することができる。

次に動作について説明する。
磁界反転検出素子１０２は、電気回路上はコイルであり、抵抗等を接続して閉回路を構成すると、上記パルス電圧によってパルス電流が流れる。図１に示すように磁界反転検出素子１０２の両端に、パルス電流を制限するための電流制限抵抗１０３、ダイオード１０４およびコンデンサ１０５を直列に接続した閉回路を形成する。このような回路構成にすると、磁界反転検出素子１０２で発生したパルス電流は、電流の向きが矢印１０８の方向のとき、ダイオード１０４を通ってコンデンサ１０５へ流入する。これにより、コンデンサ１０５には磁界反転検出素子１０２で発生した電流パルスに相当する電荷量が蓄積される。また、蓄積された電荷はダイオード１０４があるため、逆流して放電することはなく、パルス電流が流入する度にコンデンサ１０５に蓄積される電荷量は増大していく。

この場合における磁界反転検出素子１０２からの発生電流およびコンデンサ１０５に蓄積される電荷量の時間変化を図２に示す。同図（ａ）は磁界反転検出素子１０２からの発生電流の時間変化を示すものである。回転体に取り付けられた磁石１０１が回転することにより、磁界反転検出素子１０２からは、回転速度に応じた間隔でパルスが発生する。これに伴い、コンデンサ１０５に蓄積される電荷量は、同図（ｂ）に示すように増加していく。コンデンサ電圧はコンデンサに蓄積された電荷量に比例するので、コンデンサ１０５の電圧を計測することにより、磁界反転検出素子１０２で発生した電荷量が得られる。

磁界反転検出素子１０２で発生する電流パルスは周波数に無関係にほぼ一定の強度であるため、発生する電荷量も周波数に関係なくほぼ一定である。すなわち、磁石１０１が取り付けられた回転体の回転速度に無関係にほぼ一定の電荷量を発生するので、コンデンサ１０５の電圧を測定すれば、回転体の回転速度に関係なく、回転回数、すなわち多回転量を求めることができる。

図１における磁界反転検出素子１０２、電流制限抵抗１０３、ダイオード１０４、コンデンサ１０５で形成される直列閉回路はパッシブ素子のみで構成されているので、外部からの電源供給は全く不要である。すなわち、無電源で回転体の多回転量に相当する電荷量をコンデンサ１０５に蓄積することができる。例えば、回転体がモータ軸の場合、モータの電源がオフの間に外力などによりモータが回転したとしても、その際の回転回数に相当する電荷量がコンデンサ１０５に蓄えられる。モータの電源がオンになる際に、スイッチ１０６ａおよび１０６ｂを接続して電荷量計測手段１０７にてコンデンサ１０５の電圧を測定することにより、電源オフの間にモータ軸がどれだけ回転したかを検出することができる。

ここで、コンデンサ１０５と電荷量計測手段１０７の間をスイッチ１０６ａおよび１０６ｂの２つのスイッチを用いて入り切りするのは、電荷量計測手段１０７で計測するとき以外にコンデンサ１０５に蓄えられた電荷の漏れが生じるのを最小限に留めるためである。

また、磁石１０１が図１の矢印１０９で示す向きと反対向きに回転する場合には、磁界反転検出素子１０２は図１の矢印１０８と反対向きの電流パルスを発生するが、ダイオード１０４の整流作用により、コンデンサ１０５には電流パルスが流れることはないため、コンデンサ１０５に電荷量が蓄積されない。そのため、図１に示す多回転検出装置では矢印１０９の方向に回転体が回転する場合の回転数のみが検出される。これにより、回転体の回転回数と共に回転方向も検出可能である。
なお、矢印１０９の反対向きの回転回数を検出する必要がある場合には、磁界反転検出素子１０２を上記と反対向きに、具体的には強磁性ワイヤの長さ方向に与える磁界の向きが反対になるように配置すれば容易に検出可能であることは言うまでもない。

本実施の形態によれば、磁界反転検出素子１０２を用いて回転体の回転回数に相当する電荷量をコンデンサ１０５に蓄積し、この電荷量を計測することで、機械的な接触部を有する歯車等を用いることなく、しかも無電源で回転体の多回転量を検出することができる。すなわち、歯車等の機械的接触部がないため、摩耗による寿命低下あるいは異物混入等による誤検出の発生がなく、かつ、無電源で動作するためバッテリの交換等が不要で、保守に要するコストが小さい多回転検出装置を得ることができる。
また、磁界反転検出素子は周波数に無関係にほぼ一定のパルスを出力するので、低速回転時でも安定して多回転量を検出することができ、多回転量検出の信頼性を向上できる。さらに、減速歯車等を使用する必要がないため、装置を小型にすることができる。

実施の形態２．
この発明を実施するための実施の形態２による多回転検出装置の構成を図３に示す。同図に示すように、本実施の形態では実施の形態１の構成に加えて、タイマ１１０が設けられている。タイマ１１０は電荷量計測手段１０７に接続され、電荷量計測手段１０７に時刻情報を与える。同図において、タイマ１１０以外の構成については実施の形態１と同じであるため、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

次に動作について説明する。
本実施の形態による多回転検出装置の動作を示すタイミングチャートを図４に示す。本実施の形態では、タイマ１１０からの時刻情報により、電荷量計測手段１０７、スイッチ１０６ａおよび１０６ｂにて、コンデンサ１０５の電圧測定をタイマ１１０からの時刻情報を用いて定期的に行う点が実施の形態１と異なる。

図４（ａ）は電荷量計測手段１０７の動作状態を示したものであり、電荷量計測手段１０７は一定の時間間隔ｔｍにより、動作と停止のセットを繰り返す。各時間間隔ｔｍ内では、初めに電荷量計測に必要な所定の時間動作し、以降は停止する。動作時にはスイッチ１０６ａおよび１０６ｂを接続して、コンデンサ１０５の電圧を計測し、コンデンサ１０５に蓄えられた電荷を放電する。その結果、図４（ｂ）に示すように電荷量計測手段１０７が動作していないときは、コンデンサ１０５の電圧は回転体の回転回数に従ってステップ状に電圧が上昇していく。電荷量計測手段１０７が動作すると、コンデンサ１０５の電圧を計測して電荷を放電するので、コンデンサ１０５の電圧はゼロになる。これにより、電荷量計測手段１０７の計測値は、前回計測時点から今回計測時点までの時間ｔｍの間の多回転量に相当するものとなる。

時間間隔ｔｍは以下に述べる方法で設定するのが望ましい。磁界反転検出素子１０２、電流制限抵抗１０３、ダイオード１０４、コンデンサ１０５の直列接続からなる閉回路では、理想的にはコンデンサは放電せずに電荷を保持するが、実際にはコンデンサの絶縁抵抗は有限の値であるため、コンデンサの自己放電が起こる。

コンデンサ１０５の電圧の時間変化を図５に示す。同図（ｂ）に示すように、コンデンサ１０５の電圧は時間とともに減衰していく。この減衰時間、すなわちコンデンサの放電時間は回路定数、部品の特性、実装状態、表面状態等により変化する。電荷量計測手段１０７が計測動作する時間間隔、すなわち計測周期ｔｍは、放電による電圧降下量Ｖｄが、磁界反転検出素子が発生する１回のパルスの電荷量に相当するコンデンサ電圧Ｖｃよりも十分に小さい範囲になるように設定する。このようにすれば、たとえコンデンサの自己放電があったとしても、多回転量の検出を正確に行うことができるので、多回転検出装置の信頼性が向上する。

なお、電荷計測手段１０７は時間間隔ｔｍの間欠動作を行うため、これを駆動させる電源が必要になる。例えば、モータの電源がオフのときでも多回転量を検出する必要がある場合は、電荷計測手段１０７のみは間欠的に動作させておく必要があり、例えばバッテリを搭載することで実現する。間欠動作の頻度は、上述したようにコンデンサの放電時間で決まる。本実施の形態の場合、この放電時間は少なくとも数秒程度であり、放電対策や回路定数選択を適切に行えば、数分から数時間以上に長くすることが可能であるので、間欠動作の間隔を非常に長くすることができる。これにより、多回転検出に必要な電源の消費電力を大幅に小さくすることができるため、必要なバッテリの寿命を大幅に長くすることが可能となる。

本実施の形態によれば、実施の形態１と同様に、回転体の回転回数に相当する電荷量をコンデンサ１０５に蓄積し、この電荷量を計測することにより、摩耗による寿命低下あるいは異物混入等による誤検出が発生することがなく、かつ、消費電力が極めて小さいためにバッテリの交換が必要となるまでの期間を長くすることができ、保守に要するコストが小さい多回転検出装置を得ることができる。
また、電荷量計測手段１０７をタイマ１１０の時間情報を用いて間欠動作させることにより、コンデンサ１０５の自己放電が起こる場合であっても回転体の多回転量を正確に検出することができ、多回転検出装置の信頼性を向上することができる。
さらに、減速歯車等を使用する必要がないため、装置を小型にすることができる。

実施の形態３．
本実施の形態による多回転検出装置の構成を図６に示す。実施の形態１と同様に、モータ軸などの回転体に磁石１０１が取り付けられ、磁石１０１の磁界を検出できる位置に磁界反転検出素子１０２が配置される。すなわち、回転体が回転することにより、その周波数に無関係に磁界反転検出素子１０２は一定の電流パルスを出力する。

磁界反転検出素子１０２の両端には、値が十分大きな抵抗２０３が接続される。ここで値が十分大きいとは、概ね１ＭΩかそれ以上を指す。回転体が回転することにより、磁界反転検出素子１０２の両端には大きな電圧が誘起される。磁界反転検出素子１０２の一端は接地され、他端は電界効果トランジスタ２０９のゲート端子２０９ａに接続されているので、回転体が回転したときに発生する電流パルスにより、ゲート端子２０９ａに加わる電圧は十分高い値になる。電界効果トランジスタ２０９のソース端子２０９ｂおよびドレイン端子２０９ｃはそれぞれ、抵抗２１０ａおよび２１０ｂを介して直流電源２１２に接続される。

図６に示す接続点２１３には演算処理装置２１１の電源入力端子が接続され、演算処理装置２１１は接地端子を介して接地される。また、演算処理装置２１１には不揮発メモリ２１４が接続され、不揮発メモリ２１４にはその内容を読み出す読出装置２１５が接続される。

次に動作について説明する。
回転体が回転することにより、磁界反転検出素子１０２から電流パルスが発生し、電界効果トランジスタ２０９のゲート電位が上昇すると、ドレイン・ソース間に電流が流れ、その結果、接続点２１３の電位が上昇する。これにより、演算処理装置２１１に電源が供給されることになるので、演算処理装置２１１が起動される。

演算処理装置２１１の動作フローチャートを図７に示す。同図に示すように、スタート後に不揮発メモリ２１４上のある整数型変数を予めゼロで初期化しておく（ステップＳ３０１）。その後一旦終了動作（シャットダウン）を行い（ステップＳ３０２）、待機状態となる（ステップＳ３０３）。

演算処理装置２１１が待機状態にあるとき、電源端子の電圧が上昇すると（ステップＳ３０４）、演算処理装置２１１が起動する（ステップＳ３０５）。起動した後、演算処理装置２１１は不揮発メモリ２１４上の上記の整数型変数に１を加え（ステップＳ３０６）、その後、終了動作（シャットダウン）を行い（ステップＳ３０７）、演算処理装置２１１は停止し、再びステップＳ３０３に戻って待機状態に入る。
以下、演算処理装置２１１の電源端子の電圧が上昇するごとに以上述べたステップＳ３０３からステップＳ３０７の動作を繰り返す。

不揮発メモリ２１４上の整数型変数の値は、読出装置２１５によって読み出される。読出装置２１５の読出動作のフローチャートを図８に示す。同図に示すように、読出動作開始後、不揮発メモリ２１４中の上記の整数型変数の値を読み出し（ステップＳ３１１）、その後整数型変数をゼロで初期化し（ステップＳ３１２）、終了する。
以上述べた手順により、上記の整数型変数には前回読出装置２１５によって不揮発メモリ２１４上の整数型変数が読み出された直後からの演算処理装置２１１の起動回数が記憶される。この起動回数は磁界反転検出素子１０２が出力したパルス数と等しいため、回転体の多回転量がこの整数型変数に記憶される。

直流電源２１２が消費する電流は、電界効果トランジスタ２０９のゲート電位が高いときのみ、すなわち、磁界反転検出素子１０２が電流パルスを発生するときのみ、回路に流れるため、消費電力を非常に小さく抑えることができる。
このような構成とすることにより、磁界反転検出素子１０２で電流パルスが発生したときのみ演算処理装置が駆動され、演算処理装置の起動回数を不揮発メモリ上の整数型変数で記憶するため、回転体の回転速度に関係なく多回転量検出ができる。また、以上の動作を極めて少ない消費電力で実現することができる。これにより、多回転検出に必要な電源の消費電力を大幅に小さくすることができる。そのため、バッテリの寿命を大幅に長くすることが可能となる。

本実施の形態によれば、多回転検出に必要な電力を削減することができ、バッテリ交換が必要となるまでの期間を長くすることができ、保守に要するコストが小さい多回転検出装置を得ることができる。
また、実施の形態１と同様に、減速歯車を使用しないため、歯車の接触面の摩耗による装置の寿命低下あるいは接触面への異物等の混入による誤検出が発生することがない。また、歯車等を用いないことから装置全体を小型にすることができる。

１０１ 磁石、１０２ 磁界反転検出素子、１０３ 電流制限抵抗、１０４ ダイオード、１０５ コンデンサ、１０７ 電荷量計測手段、 １１０ タイマ、２０３、２１０ａ、２１０ｂ 抵抗、２０９ 電界効果トランジスタ、２０９ａ ゲート端子、２０９ｂ ソース端子、２０９ｃ ドレイン端子、２１０ａ、２１０ｂ 抵抗、２１１ 演算処理装置、２１２ 直流電源。

Claims (2)

1. 回転体に取り付けられた磁石と、
   上記磁石の磁界を検出できる位置に設けられ、検出する磁界の方向が反転する時に電流パルスを出力する磁界反転検出素子と、
   上記電流パルスによる電流を制限する電流制限抵抗と、
   上記電流の逆流を防止するダイオードと、
   上記電流パルスによる電荷を蓄積するコンデンサと、
   上記コンデンサに蓄積された電荷量を計測する電荷量計測手段とを備えた多回転検出装置。
2. 電荷量計測手段に接続されたタイマを備え、
   上記電荷量計測手段は、上記タイマの時間情報を用いて、コンデンサの自己放電による電圧降下量と磁界反転検出素子が出力する１回の電流パルスに相当するコンデンサ電圧とが等しくなる時間より短い周期で電荷量の計測動作を行うことを特徴とする請求項１記載の多回転検出装置。

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