JP2012008024A

JP2012008024A - 多回転検出回路

Info

Publication number: JP2012008024A
Application number: JP2010144630A
Authority: JP
Inventors: Taro Kishibe; 太郎岸部; Takahiro Masuda; 隆宏増田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2012-01-12

Abstract

【課題】主電源がオフ時に低消費電力でモータの回転を検出するエンコーダの多回転検出回路に関し、バックアップ用バッテリの長寿命化を図った多回転回路を提供する。
【解決手段】発光素子の光源上に回転板を介して受光素子を配置し、前記回転板には光を透過または非透過させるパターンを円周方向に９０度の位相差を持たせて２本のトラックを配置し、前記発光素子からの光が透過あるいは非透過の状態によって回転を検出する多回転検出回路を備えたアブソリュートエンコーダにおいて、前記回転板が回転することによって正負のパルス電圧を発生する発電回路と、前記発電回路から発生した正負パルス電圧を正パルス電圧に変換する整流回路と、前記整流回路と前記発光素子を接続し、前記整流回路で直流に変換した電圧によって前記発光素子をパルス点灯する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主電源がオフ時に低消費電力でモータの回転を検出するエンコーダの多回転検出回路において、バックアップ用バッテリの長寿命化を図る方法に関するものである。

従来、半導体製造装置やロボット、各種工作機械などのＦＡ（ＦａｃｔｏｒｙＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ）システム装置には高精度の位置決め制御が必要なため、サーボモータが広く利用されている。サーボモータの回転位置の検出にはエンコーダが用いられ、特にバックアップ用バッテリを有したアブソリュートエンコーダは、主電源をオフにしたときにもモータの回転情報を保持し、モータが回転した場合にも回転数（多回転情報）を検出することが可能であることから、装置を起動した時に原点復帰動作を行う必要がないという利点がある。アブソリュートエンコーダには前述したようなバックアップ用バッテリを有したものと、モータのシャフトから多段ギアによって減速して電源復帰時に多回転情報を検出する構成としたものがあるが、バックアップ用バッテリを有したものは構成が容易で小型・低コスト化が可能という特徴がある。

図１０にバックアップ用バッテリを有したアブソリュートエンコーダの多回転処理の構成図を示す。間欠動作回路４０、発光素子７、回転板１、受光回路２２、検出回路２３、カウンタ２４、バッテリ２５で構成される。バッテリ２５を長寿命化するために発光素子７は間欠動作回路４０によってある間隔をもってパルス点灯するように動作させている。間欠動作の周期は長い程、バッテリの長寿命化を図ることができるが、モータが外部から速く回された場合に間欠動作の周期が長い場合には回転を検出することができないという課題がある。この課題を解決するために、モータの回転数を検出して回転数に応じて間欠動作の周期を短くする手法が提案されている（例えば、特許文献１）。

また、モータのロータに配置したマグネットと、基板上に発電用のコイルと、マグネットによる停止手段を設け、モータが外部から回転させる場合に、停止手段のマグネットの磁極とロータの磁極が切り替わる際に瞬時的に高トルクが掛けられて高速でモータが回転することを利用し、発電コイルから発生する誘起電圧で発電する手法が提案されている（例えば、特許文献２）。

特開平１１−９４５９５号公報特開２００７−２１８５９４号公報

しかしながら、特許文献１の手法では、モータの回転数増加に伴い間欠動作の周期が短くなり、発光素子７をパルス点灯するための消費電流が増加するため、モータが停止しているときと比較し、バッテリの寿命が極端に低下するという課題がある。

一方、特許文献２の手法では、発電コイルから発生する誘起電圧を大きくするには停止手段のマグネットを大型化する必要がある。さらにモータのコギングトルクを小さくする必要のあるサーボモータでは、停止手段によるトルク脈動が問題となる。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、主電源がオフ時に低消費電力でモータ
の回転を検出するエンコーダの多回転検出回路において、バックアップ用バッテリの長寿命化を図る多回転検出回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために請求項１に記載の多回転検出回路は、発光素子の光源上に回転板を介して受光素子を配置し、前記回転板には光を透過または非透過させるパターンを円周方向に９０度の位相差を持たせて２本のトラックを配置し、前記発光素子からの光が透過あるいは非透過の状態によって回転を検出する多回転検出回路を備えたアブソリュートエンコーダにおいて、前記回転板が回転することによって正負のパルス電圧を発生する発電回路と、前記発電回路から発生した正負パルス電圧を正パルス電圧に変換する整流回路と、前記整流回路と前記発光素子を接続し、前記整流回路で直流に変換した電圧によって前記発光素子をパルス点灯する。

また、請求項２に記載の多回転検出回路は、発光素子の光源上に回転板を介して受光素子を配置し、前記回転板には光を透過または非透過させるパターンを円周方向に９０度の位相差を持たせて２本のトラックを配置し、前記発光素子からの光が透過あるいは非透過の状態によって回転を検出する多回転検出回路を備えたアブソリュートエンコーダにおいて、前記回転板が回転することによって正負のパルス電圧を発生する発電回路と、前記発電回路と負のパルス電圧を消費する抵抗と前記発光素子を接続し、前記発電回路の正パルス電圧によって前記発光素子をパルス点灯する。

また、請求項３に記載の多回転検出回路は、前記発電回路は、マグネットと、磁極の変化でパルス電圧を発生する大バルクハウゼン現象を利用した磁気センサで構成され、前記回転板の２本のトラックの光を透過／非透過させる９０度位相差のパターン間に、前記磁気センサで発生する正パルス電圧が少なくとも１つ以上発生するように配置する。

請求項１に記載の多回転検出回路によれば、主電源がオフとなった場合に発光素子をパルス点灯させる電圧を発電回路から供給することができるため、バックアップ用バッテリの長寿命化を図ることができる。

また、請求項２に記載の多回転検出回路によれば、回転板の２本のトラックから生成されるＨ／Ｌの４通りの組み合わせの各状態で、２回のパルス点灯が発生するように発電回路を構成することで、整流回路を省略することができるため、発電回路で電圧のドロップがなくなるので発電回路が生成する電圧を小さくすることが可能となり、発電回路の小型化及び回路全体の低コスト化を図ることができる。

また、請求項３に記載の多回転検出回路によれば、回転板の回転数が低い場合にでもパルス電圧を安定して発生させることができるため、回転状態による誤検出がなく、バックアップ用バッテリの長寿命化を図ることができる。

したがって、発光素子への電圧供給を発電回路から供給し、受光素子、検出回路、カウンタは最小限の電力で動作させることができるため、バックアップ用バッテリの長寿命化を図った多回転検出回路を提供することができる。

（ａ）は本発明の実施例１の多回転検出回路を示す正面図、（ｂ）は同底面図実施例１の多回転検出回路のブロック図実施例１の多回転検出回路の各種動作波形を示す図（ａ）は実施例２の多回転検出回路を示す正面図、（ｂ）は同底面図実施例２の多回転検出回路のブロック図実施例２の多回転検出回路の各種動作波形を示す図（ａ）は実施例２の他の多回転検出回路を示す正面図、（ｂ）は同底面図実施例２の他の多回転検出回路のブロック図実施例２の他の多回転検出回路の各種動作波形を示す図従来の多回転検出回路のブロック図

第１の発明は、発光素子の光源上に回転板を介して受光素子を配置し、前記回転板には光を透過または非透過させるパターンを円周方向に９０度の位相差を持たせて２本のトラックを配置し、前記発光素子からの光が透過あるいは非透過の状態によって回転を検出する多回転検出回路を備えたアブソリュートエンコーダにおいて、前記回転板が回転することによって正負のパルス電圧を発生する発電回路と、前記発電回路から発生した正負パルス電圧を正パルス電圧に変換する整流回路と、前記整流回路と前記発光素子を接続し、前記整流回路で直流に変換した電圧によって前記発光素子をパルス点灯することにより、主電源がオフとなった場合に発光素子をパルス点灯させる電圧を発電回路から供給することができるため、バックアップ用バッテリの長寿命化を図ることができる。

第２の発明は、発光素子の光源上に回転板を介して受光素子を配置し、前記回転板には光を透過または非透過させるパターンを円周方向に９０度の位相差を持たせて２本のトラックを配置し、前記発光素子からの光が透過あるいは非透過の状態によって回転を検出する多回転検出回路を備えたアブソリュートエンコーダにおいて、前記回転板が回転することによって正負のパルス電圧を発生する発電回路と、前記発電回路と負のパルス電圧を消費する抵抗と前記発光素子を接続し、前記発電回路の正パルス電圧によって前記発光素子をパルス点灯することにより、回転板の２本のトラックから生成されるＨ／Ｌの４通りの組み合わせの各状態で、２回のパルス点灯が発生するように発電回路を構成することで、整流回路を省略することができるため、発電回路で電圧のドロップがなくなるので発電回路が生成する電圧を小さくすることが可能となり、発電回路の小型化及び回路全体の低コスト化を図ることができる。

第３の発明は、前記発電回路は、マグネットと、磁極の変化でパルス電圧を発生する大バルクハウゼン現象を利用した磁気センサで構成され、前記回転板の２本のトラックの光を透過／非透過させる９０度位相差のパターン間に、前記磁気センサで発生する正パルス電圧が少なくとも１つ以上発生するように配置することにより、回転板の回転数が低い場合にでもパルス電圧を安定して発生させることができるため、回転状態による誤検出がなく、バックアップ用バッテリの長寿命化を図ることができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施例によって本発明が限定されるものではない。

（実施例１）
本発明による多回転検出回路について、図１、図２及び図３を用いて説明する。図１は実施例１における多回転検出回路を搭載したエンコーダの構成図、図２は信号処理のブロック図、図３は各部の波形であり、以下に多回転検出回路の動作について説明する。

１は回転板であり、ガラス等の光を透過させる材料で作成され、回転板1上には円周上に幅を持った２本のトラック１０ａ、１０ｂが配置されている。トラック１０ａ、１０ｂには光を遮断する部分と透過する部分があり、遮断する部分には銀等の光を反射する材質が蒸着されている。トラック１０ａと１０ｂは図１（ａ）に示すように９０度位相をずらして配置する。また、回転板１には円を９０度で区切って着磁されたマグネット２があり
、トラック１０ａ、１０ｂの光が透過する部分と遮断する部分の境目となる部分と、マグネット２のＮＳ極の境目となる部分が４５度の位相差となるように配置する。これら回転板１とマグネットはモータ軸に直結されたシャフト８に固定し、モータの回転とともに回転板１とマグネット２は回転する。

７は発光素子であり、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）や半導体レーザー等が用いられる。特にＦＡサーボ用としては安価かつ信頼性の面からＬＥＤが広く採用されている。３は受光素子であり、ＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）やＰＤとトランジスタを内蔵したＰＴｒ（ＰｈｏｔｏＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられ、検出するトラック数に合わせて複数個の受光素子を１つのパッケージに内蔵したものが多い。発光素子７と受光素子３と回転板１のトラック１０ａ、１０ｂは光軸が直線状に並ぶように配置し、発光素子７から発生した光は回転板１のトラック１０ａ、１０ｂを透過または非透過し、受光素子３でトラックのパターンを検出する構成となっている。

４は磁気センサであり、マグネット２に対面するように配置し、回転板１が回転して磁気センサ４に対面するマグネット２のＮＳ極が切り替わり磁束が変化することで電圧が発生する構成となっている。

以上が主要部品の構成である。次にこれらの構成部品の動作について説明する。

発電回路２０は磁気センサ４とマグネット２で構成される。発電回路２０は前述したように磁気センサ４に鎖交する磁束の変化により正負パルス電圧３０を発生し、電圧の正負の向きは鎖交磁束の切り替わる方向で変化する。図３の波形は、Ｎ極からＳ極に切り替わる場合（０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇ）に正の電圧を発生し、Ｓ極からＮ極に切り替わる場合（９０ｄｅｇ、２７０ｄｅｇ）に負の電圧を発生するように配置した例である。発電回路２０から出力された正負パルス電圧３０は整流回路２１に入力する。整流回路２１はダイオードブリッジで構成されており、図３のように正負パルス電圧３０は正方向のみに変換され、正パルス電圧３１となる。整流回路２１で生成した正パルス電圧３１は発光素子７に印加され、電圧が発生している期間、発光素子７は点灯する。ＬＥＤ等の発光素子７を点灯する場合、バッテリで駆動する回路にとって数ｍＡといった大きな電流が必要であるが、このように構成することにより発電した電圧のみで点灯することができる。

次に信号検出の構成について説明する。

受光回路２２は検出するトラック数に合わせた複数個の受光素子３で構成されている。実施例１では多回転検出のみを記載しているので、２個の受光素子３となるが、実際には１回転検出も同一の受光回路２２で構成することが多い。前述の発光素子７が点灯し、かつ回転板１のトラック１０ａ、１０ｂのパターンが透過する場合、受光回路２２は光を検出し、光検出信号３２ａ、３２ｂを出力する。例えば、図３の１８０ｄｅｇの位置で正パルス電圧３１によって点灯した光は、パターン１０ａは透過（白色）し、パターン１０ｂは非透過（黒色）となるため、光検出信号３２ａは正パルスを出力するが、光検出信号３２ｂは出力しない。次に光検出信号３２ａ、３３ｂは検出回路２３へ出力される。

検出回路２３は、オペアンプやコンパレータ、ＦＦ回路（フリップフロップ回路）で構成され、入力した光検出信号３２ａ、３２ｂはオペアンプやコンパレータで波形成形された後、ＦＦ回路でラッチされ、位置信号３３ａ、３３ｂとしてカウンタ２４へ出力する。

受光回路２２、検出回路２３、カウンタ２４は電源ON時には電源から電圧は供給されるが、電源ＯＦＦ時には図２のようにバッテリ２５から電圧が供給され動作する。ここで、検出回路２３とカウンタ２４で使用するＦＦ回路は数ｋＨｚから数十ｋＨｚ程度の低速ク
ロックで常時動作させて消費電力を低減することが可能である。また、整流回路２１は発光素子７を点灯させるタイミングが分かるため、整流回路２１からのタイミング信号３５によって検出回路２３とカウンタ２４で使用するＦＦ回路を動作させることで、更に消費電力を低減することができる。

カウンタ２４は例えば位置信号３３ａがＬで、位置信号３３ｂの立ち上りエッジでカウントダウンし、位置信号３３ａがＬで、位置信号３３ｂの立ち下りエッジでカウントアップするように構成すれば、回転板１の回転した数をカウントすることができる。カウンタ２４も検出回路２３と同様に整流回路２１からのタイミング信号３５によって動作させることで、更に消費電力を低減することができる。

受光回路２２、検出回路２３、カウンタ２４は消費電流の小さなＣＭＯＳデバイスで構成することで消費電力を低減することが可能である。

トラック１０ａ、１０ｂのパターンの組み合わせは１回転で４つの状態があり、各４つの状態で１回の正パルス電圧３１が生成するように配置しているが、マグネット２の極数を２倍以上にする、あるいは磁気センサを２つ以上設置する等を行い、２回以上の正パルス電圧３１が生成するように配置してもよい。

また、トラック１０ａ、１０ｂの光が透過する部分と遮断する部分の境目となる部分と、マグネット２のＮＳ極の境目となる部分が４５度の位相差となるように配置しているが、磁気センサ４の位置をある角度移動した場合、それに合わせてトラックとマグネットの相対位置も移動し、前述したトラック１０ａ、１０ｂのパターンの組み合わせの４つの状態で１回の正パルス電圧３１が生成するように配置すればよい。

また、光学系の構造は発光素子７と受光素子３の間に回転板１を配置する透過型の光学系で構成したエンコーダについて説明したが、発光素子と受光素子を回転板に対し、同一方法に配置し、回転板には反射部と非反射部のパターンで構成し、受光素子は反射光を検出する反射型の光学系で構成したエンコーダでも同様の効果が得られる。

また、磁気センサには大バルクハウゼン現象を利用したセンサを用いれば、低速で回転板１が回転している場合においても安定したパルス電圧を生成することができる。

以上のような構成とすることで、大きな電流が必要となる発光素子７の点灯を発電回路から供給することで、バッテリ２５の寿命を長くすることができる。

（実施例２）
図４から図９を用いて本発明の実施例２について説明する。実施例１と異なるのは発電回路と発光素子周辺回路の構成であり、受光側の構成は実施例１と同一である。

図４は実施例２における多回転検出回路を搭載したエンコーダの構成図、図５は信号処理のブロック図、図６は各部の波形であり、実施例１との違いについて以下に説明する。

図４（ａ）に示すように発電回路２０ｘのマグネット２ｘは８極のマグネットを配置する。これによって、発電回路２０ｘから発生する正負パルス電圧３０ｘは、マグネット２ｘのＮＳの磁極の変化で生じるので、図６に示すように２倍の正負パルス電圧が発生する。図５のブロック図に示すように整流回路の代わりに抵抗２６を発光素子７に並列に接続する。発光素子７は負のパルス電圧では発光せず、正のパルス電圧の場合のみ発光するので、発光素子７には正パルス電圧３１ｘのみが印加され、負のパルス電圧は抵抗２６によって消費される。発光素子７が発光した後の動作は実施例１と同一である。

以上のように、マグネット２ｘのＮＳの極数を２倍にし、整流回路を抵抗に変更することで実施例１と同様の効果が得られるため、バッテリ２５の寿命を長くすることができ、かつ整流回路を抵抗で構成できるため、多回転検出回路を安価に構成することができる。

また、図７は磁気センサを２つにした例である。磁気センサ４ｘと４ｙの配置角αを９０度から正負パルス電圧３０ｙのパルス幅より大きくなるようにずらして配置することで、図９のように２つの磁気センサから出力する正負パルス３０ｙ、３０ｚを合わせると、９０度の間に正負の２つのパルスが発生する。前述と同様に正のパルスのみが発光素子７を発光することができるので、少なくとも９０度の間に１回発光素子７は発光することが可能となるため、同等の効果を得ることができる。

本発明の多回転検出回路は、電源をオフにした場合でもモータが回転したことを検出することが必要となるロボットのアーム等に用いられる位置検出装置で特に有効である。

１回転板
２、２ｘマグネット
３受光素子
４、４ｙ、４ｚセンサ
５多回転処理回路
６基板
７発光素子
８シャフト
９フレーム
１０、１０ａ、１０ｂトラック
２０、２０ｙ、２０ｚ発電回路
２１整流回路
２２発光回路
２３検出回路
２４カウンタ
２５バッテリ
２６抵抗
３０、３０ｘ、３０ｙ、３０ｚ正負パルス電圧
３１、３１ｘ、３１ｙ正パルス電圧
３２ａ、３２ｂ光検出信号
３３ａ、３３ｂ位置信号
３４カウント値
３５タイミング信号
４０間欠動作回路
４１パルス電圧

Claims

発光素子の光源上に回転板を介して受光素子を配置し、前記回転板には光を透過または非透過させるパターンを円周方向に９０度の位相差を持たせて２本のトラックを配置し、前記発光素子からの光が透過あるいは非透過の状態によって回転を検出する多回転検出回路を備えたアブソリュートエンコーダにおいて、
前記回転板が回転することによって正負のパルス電圧を発生する発電回路と、前記発電回路から発生した正負パルス電圧を正パルス電圧に変換する整流回路と、前記整流回路と前記発光素子を接続し、前記整流回路で直流に変換した電圧によって前記発光素子をパルス点灯することを特徴とする多回転検出回路。
発光素子の光源上に回転板を介して受光素子を配置し、前記回転板には光を透過または非透過させるパターンを円周方向に９０度の位相差を持たせて２本のトラックを配置し、前記発光素子からの光が透過あるいは非透過の状態によって回転を検出する多回転検出回路を備えたアブソリュートエンコーダにおいて、
前記回転板が回転することによって正負のパルス電圧を発生する発電回路と、前記発電回路と負のパルス電圧を消費する抵抗と前記発光素子を接続し、前記発電回路の正パルス電圧によって前記発光素子をパルス点灯することを特徴とする多回転検出回路。
前記発電回路は、マグネットと、磁極の変化でパルス電圧を発生する大バルクハウゼン現象を利用した磁気センサで構成され、前記回転板の２本のトラックの光を透過／非透過させる９０度位相差のパターン間に、前記磁気センサで発生する正パルス電圧が少なくとも１つ以上発生するように配置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多回転検出回路。