JP2012007919A - 回転角度検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】機械側からの貫通穴サイズの拡大等の要望に際して、比較的容易に対応可能である検出部を有しながらも、被検出体の曲率の変化に対して、検出精度を損なわず、且つ、絶対位置化処理エラーの発生しづらい回転角度検出装置を提供する。
【解決手段】磁気抵抗素子101a〜101lが検出した信号は、ディジタル化された後、予め記憶器104a、104bに格納してあった最適な補正パラメータを、減算器105a〜105fにて除去される。なお、記憶器104a、104bでは、起動時等の初期通信時に、CPU107cが制御装置108から取得した被検出体のデータサイズ「n」が転送されており、被検出体のデータサイズに対して最適な補正パラメータを選択する。
【選択図】図1

Description

本発明は、産業機械や工作機械等の分野で使用される回転角度検出装置に関し、特に、被検出体の複数のサイズに対応可能な検出部を有する回転角度検出装置に関する。
近年の工作機械は、風力発電や石油掘削等の分野において、超大型部品加工の需要増を受け、加工機械自身も超大型のラインアップが増えてきた。これに伴い、回転軸も大径化し、この回転軸に搭載される回転角度検出装置も大径化されてきた。
図2は、従来の中空型回転角度検出装置の一例を示す断面図である。この回転角度検出装置の簡単な構造を説明する。貫通穴を有する回転軸201に、回転振れを調整して接着固定されたスリット円板202には、規則的な明暗の格子が付加されている。ハウジング208側には、スリット円板202を挟むように発光素子203と受光素子204が固定されている。回転軸201の回転に伴って回転するスリット円板202に対し、発光素子203から発せられた平行光を受光素子204が検出し、光電変換した電圧レベルを、処理回路基板205へ伝達する。処理回路基板205では、伝達された電圧値から内挿演算処理などを行い、回転軸201の回転位置を算出する。
本構造にあっては、軸受206a、206bやカップリング207を具備し、検出部と被検出体とが分離されていない構造のため、貫通穴を貫通する機械側の要素サイズは、回転軸201の貫通穴径より細いものでなくてはならない。もし、貫通穴径の大きな中空型回転角度検出装置が要求されれば、中空型回転角度検出装置全体の構造を新規に設計する必要があった。このように検出部と被検出体とが一体化されている構造は、例えば、特許文献1にも記載されている。
そこで、検出部と被検出体を分離した構造の回転角度検出装置が使用されるケースもあった。例えば、特許文献2に記載の構造は、一応エンコーダと検出部とが分離可能である。また、特許文献3には、高精度の回転角度検出装置が開示されている。図3は、そのような従来の回転角度検出装置の一例を示す斜視図である。検出用の歯車301と絶対位置コード円板302とからなる被検出体は、図示しない機械側の回転軸等に固定される。検出用の歯車301は、歯数360丁、モジュール0.4にて加工された平歯車であり、その基本ピッチ長は約1.256mmである。なお、内径はφ100mmである。絶対位置コード円板302は、外周に不規則な切り欠きを有しており、その切り欠きを以て、コードを二値化する。また、1ビット長は、検出用の歯車301の基本ピッチ長と等しい約1.256mmとなっており、連続する9ビット分のコードを読み取れば、同じコードが他に存在しないような不規則循環コードを付してある。
一方、図示しない機械側のフランジ等の非回転体に固定される検出部303は、検出用の歯車301の凹凸部によって変化する磁束密度を検出する8個の磁気抵抗素子と、絶対位置コード円板302の切り欠き部によって変化する磁束密度を検出する9個の磁気抵抗素子とを内包している。
検出用の歯車301の凹凸部を検出する8個の磁気抵抗素子からは、互いに直交する二相信号が得られるように配置されている。すなわち、1個目を基準として、2個目は1/4ピッチ(約0.314mm)、3個目は1/2ピッチ、4個目は3/4ピッチ、5個目は1ピッチ、6個目は5/4ピッチ、7個目は3/2ピッチ、8個目は7/4ピッチ、夫々測定軸方向にずらして配置されており、1個目と5個目が正弦正相、2個目と6個目が余弦正相、3個目と7個目が正弦負相、4個目と8個目が余弦負相を検出する。また、絶対位置コード円板302の切り欠き部を検出する9個の磁気抵抗素子からは、切り欠きの有無を二値化する信号が得られるように配置されている。すなわち、9個が夫々1ピッチ長ずつ隔てて配置され、連続する9ビット分のコードを読み取る。
さて、ここで、回転角度検出装置の貫通穴をφ100mmからφ150mmへ大きくしたいという要望があった場合を考える。図4は、貫通穴がφ150mmの回転角度検出装置の斜視図である。検出用の歯車401は、歯数500丁、モジュール0.4にて加工された平歯車であり、その基本ピッチ長は約1.256mmである。なお、内径はφ150mmである。絶対位置コード円板402は、図3の例と同様に、外周に不規則な切り欠きを有しており、その切り欠きを以て、コードを二値化する。また、1ビット長は、検出用の歯車401の基本ピッチ長と等しい約1.256mmとなっており、連続する9ビット分のコードを読み取れば、同じコードが他に存在しないような不規則循環コードを付してある。
一方、検出部303は、図3の検出部303と全く同じ構成、構造を流用している。検出用の歯車301と同401とは、基本ピッチ長が等しいため、その凹凸部を検出する8個の磁気抵抗素子の配置を変える必要はない。同様に、絶対位置コード円板302と同402とは、基本ピッチ長が等しいため、9個の磁気抵抗素子の配置を変える必要がない。
基本ピッチ長(モジュールと円周率との積)を同じくする歯数の異なる歯車の加工は、同じ工具(ホブカッター)で加工が可能なため、新たな検出用の歯車を製作するための設計や加工プログラミング時間等は、たいした手間を要しない。このように、被検出体と検出部とを分離し、被検出体の基本ピッチをサイズが変わっても一定とするようにすれば、検出部は被検出体の多種のサイズに対応可能となるため、機械側の貫通穴サイズの要望に対し、比較的容易な対応で応えることが可能となる。
図5は、図4の検出部で得られる信号を処理する回路の概略構成図である。検出用の歯車401の凹凸部によって変化する磁束密度を検出する磁気抵抗素子101a〜101hが発する抵抗変動レベル(変換して電圧レベル)は、同相の信号同士を接続し、極性の違いで増幅するよう差動増幅器102a、102bへ送られる。次に、アナログ/ディジタル変換器103a、103bにてディジタル化される。ディジタル化された二相信号Sdo、Cdoは、予め記憶器104aに格納されたオフセット補正値Sofs、Cofsを減算器105a、105bにて除去される。オフセット成分を除去された二相信号Sd、Cdは、除算器106にて、正接信号化されTan#dとなり、演算器107aにて逆正接演算され、基本ピッチ内の絶対位置θpを得る。
絶対位置コード円板402の切り欠き部によって変化する磁束密度を検出する磁気抵抗素子101i〜101l(簡素化のため、9個すべての図示を避けた)が発する抵抗変動レベル(変換して電圧レベル)は、増幅器102c〜102fにて増幅された後、アナログ/ディジタル変換器103c〜103fにてディジタル化され、ディジタル信号A1do〜A9doとなる。ディジタル信号A1do〜A9doは、予め記憶器104bに格納された二値化判定のためのスレッショルドレベル(オフセット補正値)A1ofs〜A9ofsを、減算器105c〜105fにて減算し、正負二値化信号A1d〜A9dとなる。
正負二値化信号A1d〜A9dは、当該回転角度検出装置が接続される制御装置108から得る被検出体のデータサイズ(検出用の歯車401の歯数、或いは、絶対位置コード円板402の絶対位置コードの最大コード長)を示す「500」という値とともに、演算器107bにて絶対位置化処理され、一回転を500分割したどの位置かを示すθaを得る。そして、CPU107cにて基本ピッチ内の絶対位置θpと一回転を500分割した際のどの位置かを示すθaとを桁合わせ(結合処理)し、一回転内絶対位置θを得る。
以上のような検出部を有する回転角度検出装置にあっては、多種の貫通穴サイズ、すなわち、多種の歯車サイズ(歯数)に比較的容易に対応可能である。しかし、多種の検出用の歯車301、401或いは絶対位置コード円板302、402に対応可能であるものの、測定軸方向(検出用の歯車の外周円接線方向)において、検出部の中心位置から比較的遠くに配置される磁気抵抗素子101a〜101lは、被検出体のサイズが変わると被検出体との距離が大きく変化してしまっていた。
図5に示した磁気抵抗素子101a〜101lの例でいえば、検出用の歯車401の凹凸部によって変化する磁束密度を検出する磁気抵抗素子101a〜101hのうち、測定軸方向の比較的端の位置に配置される磁気抵抗素子101a、101b、101g、101hは、検出用の歯車401のサイズが変わると、被検出体までの距離が大きく変化し、信号変化の中心レベル、すなわち、オフセットレベルも変動することになり、記憶器104aに格納されたオフセット補正値Sofs、Cofsが最適でない場合が発生していた。
同様に、絶対位置コード側でも、中心位置から比較的端に配置される磁気抵抗素子101i〜101lは、絶対位置コード円板402のサイズが変わると、被検出体までの距離が大きく変化し、信号変化の中心レベル、すなわち、スレッショルドレベル(オフセットレベル)も変動することになり、記憶器104bに格納されたスレッショルドレベル(オフセット補正値)が最適でない場合が発生していた。
特開2009−258002号公報 特開平11−183201号公報 特開2006−322764号公報
以上で示してきた従来の被検出体と検出部とが分離されない構造の回転角度検出装置にあっては、機械側からの貫通穴サイズの拡大の要望に際して、回転角度検出装置の全体の構造を新規に設計する必要があった。
これを解決すべく設計された、被検出体と検出部とを分離した構造の従来の回転角度検出装置にあっては、機械側からの貫通穴サイズの拡大の要望に際しては、比較的容易に対応可能となったものの、検出部に内包された検出素子が、被検出体の曲率の変化によって発生するオフセット変動という誤差発生要因を抱えることになってしまっていた。検出用の歯車の凹凸部によって変化する磁束密度を検出する検出素子のオフセット変動は、回転角度検出装置として最も重要な検出精度を損なうことに直結し、絶対位置コード円板の切り欠き部によって変化する磁束密度を検出する検出素子のオフセット変動は、二値化判定にミスが発生する可能性を誘発し、結果として、絶対位置化処理エラー等の異常状態に陥る場合もあった。
以上のような事情を鑑み、本発明は、機械側からの貫通穴サイズの拡大等の要望に際して、比較適容易に対応可能である検出部を有しながらも、被検出体の曲率の変化に対して、検出精度を損なわず、且つ、絶対位置化処理エラーの発生しづらい回転角度検出装置を提供することを目的とする。
本発明に係る回転角度検出装置は、歯車のように規則的なn回の繰り返しパターンを有するインクリメンタル円板とからなる被検出体と、nビットの最大長を有する2値乱数列からなる不規則循環コードを付与した絶対位置符号円板と、前記インクリメンタル円板に対向して配設されるインクリメンタル検出部と、前記絶対位置符号円板に対向して配設される絶対位置検出部とを備えた回転角度検出装置において、前記回転角度検出装置は、被検出体の繰り返しデータサイズnに応じた補正パラメータを格納する記憶器を有し、前記回転角度検出装置が接続される制御装置から起動時の初期化処理用に被検出体の繰り返しデータサイズを意味するnに相当するデータを入力すると、前記記憶器に予め格納してあったnという被検出体の繰り返しデータサイズに対応する補正パラメータを検出処理に反映することで解決する。また、前記補正パラメータは、前記絶対位置検出部のスレッショルドレベルの補正パラメータでもよく、前記インクリメンタル検出部の内挿補正パラメータでもよい。
また、前記記憶器には補正パラメータへ展開するための基本式が格納されており、被検出体のデータサイズnを入力したら前記基本式に基づいて補正パラメータを展開する手段で解決する場合には、補正パラメータを被検出体のサイズに応じて逐一持つ必要がなくなる。
本発明に係る回転角度検出装置によれば、機械側からのいろんな貫通穴サイズの要望に対して、検出精度や安定的な絶対位置化処理を行いつつも、比較的容易な設計、製造の対応が可能であり、開発期間の短縮や製品のコストダウンといった効果を奏する。また、検出部が一種類で対応可能なことから、保守交換用の在庫を大幅に削減可能である。
本発明に係る実施の形態の回転角度検出装置の信号処理回路の概略構成図である。 従来の中空型回転角度検出装置の一例を示す断面図である。 従来の回転角度検出装置の一例を示す斜視図である。 図3とは異なる従来の回転角度検出装置の一例を示す斜視図である。 図4の回転角度検出装置の信号処理回路の概略構成図である。
本発明に係る実施の形態について、以下図面を用いて説明する。図1は、図5に対応して示す本発明に係る回転角度検出装置の信号処理の概略構成図であり、図5と同一の構成要素には、同一符号を付す。なお、回転角度検出装置の構成自体は、図3や図4のような形態であるが、検出用の歯車の歯数をn丁とする。検出用の歯車の凹凸部によって変化する磁束密度を検出する磁気抵抗素子101a〜101hが発する抵抗変化レベル(変換し、電圧レベル)が、アナログ/ディジタル変換され、ディジタル信号Sdo、Cdoとなるまでの処理は、従来と同一のため、説明を省略する。
記憶器104aには、本回転角度検出装置の被検出体サイズのラインアップに応じたオフセット補正値が格納されている。例えば、機械側からの要望で、被検出体の貫通穴の種類が4種類必要となった結果、被検出体を構成する検出用の歯車の歯数が、256丁、360丁、420丁、500丁というラインアップ構成となった。この場合、記憶器104aには、この4種類の歯数に対して、夫々最適なオフセット補正値が格納されていることになる。一方、記憶器104aには、起動時等の初期通信時に、CPU107cが制御装置108から取得した被検出体のデータサイズ「n」が転送されており、歯数n丁に対して最適なオフセット補正値を選択される。而して、記憶器104aにてディジタル信号Sdo、Cdoから除去されるオフセット補正値Sofs#n、Cofs#nが選択され、減算器105a、105bにてオフセット成分が除去される。オフセット成分が除去された二相信号Sd、Cdは、除算器106にて、正接信号化されTan#dとなり、演算器107aにて逆正接演算され、基本ピッチ内の絶対位置θpを得る。
Sofs#nやCofs#nといった歯数に対応した最適なオフセット補正値は、予め、その歯数の検出用の歯車との組合せにて測定された補正値を、格納するものである。最適なオフセット補正値の測定手法に関しては、Sdo或いはCdoの信号レベルの最大値と最小値との中央値とする手法や、基本ピッチ内で信号レベルの全体平均を算出する手法などがあるが、本発明は最適なオフセット補正値を導出する手法については、特に制限を受けるものではない。いずれにしても、検出用の歯車の歯数が変化しても、オフセット成分が最適に除去されるため、回転角度検出装置としての検出精度が損なわれることはない。
他方、絶対位置コード円板の切り欠き部によって変化する磁束密度を検出する磁気抵抗素子101i〜101l側の処理について説明する。絶対位置コード円板402の切り欠き部によって変化する磁束密度を検出する磁気抵抗素子101i〜101lが発する抵抗変化レベル(変換し、電圧レベル)が、アナログ/ディジタル変換されるまでの処理は、従来例と同一のため、説明を省略する。
記憶器104bには、本回転角度検出装置の被検出体サイズのラインアップに応じたスレッショルドレベルの補正パラメータが格納されている。記憶器104bには、記憶器104aの場合と似ているが、使用される絶対位置コード円板の最大コード長の各サイズに対する、最適なスレッショルドレベルの補正パラメータを夫々格納されている。
また、記憶器104bにも、起動時等の初期通信時に、CPU107cが制御装置108から取得した被検出体のデータサイズ「n」が転送されており、絶対位置コードの最大コード長nに対して最適なスレッショルドレベルの補正パラメータが選択される。而して、記憶器104bにて最適なスレッショルドレベル(オフセット補正値)A1ofs#n〜A9ofs#nが選択され、減算器105a、105bにてディジタル信号A1do〜A9doから除去される。
正負二値化信号A1d〜A9dは、当該回転角度検出装置が接続される制御装置108から得る被検出体のデータサイズ「n」という値とともに、演算器107bにて絶対位置化処理され、一回転をn分割したどの位置かを示すθaを得る。そして、CPU107cにて基本ピッチ内の絶対位置θpと一回転をn分割した際のどの位置かを示すθaとを桁合わせ(結合処理)し、一回転内絶対位置θを得る。
A1ofs#n〜A9ofs#nといった絶対位置コードの最大コード長に対応したスレッショルドレベルの補正パラメータは、予め、そのサイズの絶対位置コード円板との組合せにて測定された最適な値を、格納するものである。最適なスレッショルドレベルの補正パラメータの決定手法に関しては、正側と負側の最もコントラストが低い値同士の中心値とする手法が一般的であるが、本発明は最適な補正パラメータを導出する手法については、特に制限を受けるものではない。いずれにしても、絶対位置コード円板の絶対位置コードの最大コード長が変化しても、スレッショルドレベルが最適に保たれるため、二値化判定時に検出ミスとなる確率が低下する。
次に、補正パラメータについて基本式を用いて求めることができる実施例について説明する。その前に、被検出体の曲率が変わると、オフセット値やスレッショルドレベルが変化してしまう要因の一つとして、次のような現象が挙げられる。
ここまで図示はしてこなかったが、磁気抵抗素子を取り巻く構成要素は、被検出体とは自身を挟んで反対側にバイアス磁石も配置されている。バイアス磁石から発せられる磁束は、被検出体の凹凸や切り欠きの有無によって、その磁束密度が高い領域や、逆に低い領域ができる。バイアス磁石と被検出体とに挟まれた位置に配置される磁気抵抗素子は、この磁束密度の高低を検出するしくみである。
ここで、被検出体の曲率が小さくなり、バイアス磁石と凹凸部や切り欠き部との距離が縮まると、磁束密度の変化幅(コントラスト)も大きくなるが、磁束密度のオフセット分も大きくなる性質がある。そこで、この関係を実験的に調査乃至測定した上で、被検出体の曲率(データサイズ)とオフセット成分との関係性や規則性を求めることができる。或いは、FEM磁場解析ツールなどの解析手法によって、被検出体の曲率(データサイズ)とオフセット成分との関係性や規則性を求めることもできる。このようにして求めた関係性や規則性を、近似式も含め基本数式化して、これに基いて補正パラメータを求めることができる。絶対位置コード円板の切り欠き部によって変化する磁束密度を検出する磁気抵抗素子101iに関する、スレッショルドレベルの補正パラメータを算出する基本式の一例を式1に示す。
A1ofs#n=α・n+β ・・・(式1)
ここで、nは被検出体のデータサイズを示す値であり、絶対位置コードの最大コード長に相当する。すなわち、被検出体の曲率とスレッショルドレベルの補正パラメータとの間に、線形的な変化があると求められたため、式1のように被検出体のデータサイズによってスレッショルドレベルの補正値が比例的に変化するようにしたということである。
記憶器104bでは、nという被検出体のデータサイズを入力したら、基本式に従ってスレッショルドレベルの補正パラメータを展開する。かかる構成の効果としては、新たな被検出体のサイズ要求があった場合に、そのサイズに対応する各種補正パラメータの測定等を行い、記憶器104a、104bへデータ入力する必要があったが、基本式により各種補正パラメータを導出するため、特に新たに測定等を行ってパラメータを求める必要がなくなっている点にある。
なお、本発明では基本式そのものをどういう式とするかについては、特に制限を受けるものではない。基本式の形態については、検出原理や被検出体の材質(透磁率)が変われば求められる形態が変化する可能性があり、本発明では、被検出体のデータサイズに対応して、基本式を以て最適となる各種補正値を展開することのみを特徴とする。
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はこれらだけに限定されるものではない。検出原理に磁気抵抗素子を利用した磁気式のものについて述べてきたが、コイルを利用した電磁誘導式でも、本発明の技術を応用することは可能である。要は、被検出体のいろんなサイズに対応可能な検出部を有し、被検出体の曲率の変化によって検出部内の各種補正パラメータを最適化できるものであれば、本発明の回転位置検出装置とすることができる。
また、概略構成図において、従来例と本発明とでは、演算器であるCPU107cから記憶器104a、104bへ被検出体のデータサイズを転送する差異があるが、一例を示したに過ぎない。各機能を説明するために分割して各要素を図示したが、記憶器104a、104bや減算器105a〜105f、除算器106、演算器107a、107b、CPU107cは、すべてひとつのCPUにてまかなうこともできる。よって、外観上は、従来例と本発明とでの違いが見受けられない構成とすることもできるが、処理段階で被検出体の曲率の変化によって検出部内の各種補正パラメータを最適化する機能を有していれば、すべからく本発明の回転角度検出装置とすることができる。
本発明に係る回転角度検出装置は、産業機械や工作機械に利用できる。
101a〜101l 磁気抵抗素子、102a,102b 差動増幅器、102c〜102f 増幅器、103a〜103f アナログ/ディジタル変換器、104a,104b 記憶器、105a〜105f 減算器、106 除算器、107a,104b 演算器、107c CPU、108 制御装置、201 回転軸、202 スリット円板、203 発光素子、204 受光素子、205 処理回路基板、206a,206b 軸受、207 カップリング、208 ハウジング、209 ナット、210 内輪カラー、211 外輪カラー、212a〜212d ボルト、213 蓋、214 オイルシール、301,401 検出用の歯車、302,402 絶対位置コード円板、303 検出部。

Claims (5)

  1. 規則的なn回の繰り返しパターンを有するインクリメンタル円板からなる被検出体と、nビットの最大長を有する2値乱数列からなる不規則循環コードを付与した絶対位置符号円板と、
    前記インクリメンタル円板に対向して配設されるインクリメンタル検出部と、前記絶対位置符号円板に対向して配設される絶対位置検出部とを備えた回転角度検出装置において、
    前記回転角度検出装置は、被検出体の繰り返しデータサイズnに応じた補正パラメータを格納する記憶器を有することを特徴とする回転角度検出装置。
  2. 前記回転角度検出装置が接続される制御装置から起動時の初期化処理用に被検出体の繰り返しデータサイズを意味するnに相当するデータを入力すると、前記記憶器に予め格納してあったnという被検出体の繰り返しデータサイズに対応する補正パラメータを検出処理に反映することを特徴とする請求項1に記載の回転角度検出装置。
  3. 請求項1または2に記載の回転角度検出装置において、前記記憶器に格納した補正パラメータは、前記絶対位置検出部のスレッショルドレベルの補正パラメータであることを特徴とする回転角度検出装置。
  4. 請求項1または2に記載の回転角度検出装置において、前記記憶器に格納した補正値は、前記インクリメンタル検出部の内挿補正パラメータであることを特徴とする回転角度検出装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1に記載の回転角度検出装置において、前記記憶器には補正パラメータへ展開するための基本式が格納されており、被検出体のデータサイズnを入力したら前記基本式に基づいて補正パラメータを展開することを特徴とする回転角度検出装置。
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