JP2014013163A - エンコーダ及びモータ - Google Patents

Abstract

【課題】磁界検出素子の個数を減らすことにより、小型化及び低コスト化を図ることが可能なエンコーダ及びモータを提供する。
【解決手段】回転可能な円板状のディスク１１０と、ディスク１１０の回転を磁気的に検出する磁気検出機構と、ディスク１１０の回転を光学的に検出する光学検出機構と、磁気検出機構の出力に基づいてＡ相パルス信号ａを生成するＡ相パルス生成部１４１と、光学検出機構の出力に基づいてＡ相パルス信号ａと９０度の位相差を有するＢ相パルス信号ｂを生成するＢ相パルス生成部１４２と、Ａ相パルス信号ａ及びＢ相パルス信号ｂに基づいてディスク１１０の多回転量を検出するカウンタ１４３と、を備える。
【選択図】図４

Description

開示の実施形態は、エンコーダ及びモータに関する。

回転体の多回転量を検出するエンコーダが知られている。例えば、特許文献１には、回転ディスクに備えられた磁性体部の洩れ磁束を検出し、互いに９０度位相の異なる１パルス／回転の信号を出力するＡ相磁界検出素子およびＢ相磁界検出素子を備えたエンコーダが記載されている。

特許第４４５３０３７号公報

磁界検出素子は、回転ディスクに対向配置された基板に実装される。一般に磁界検出素子は、基板に実装される素子の中で比較的外形が大きく、且つコストが高い部品である。ここで上記従来技術のエンコーダは、２つの磁界検出素子を備える。このため、２つの磁界検出素子の実装面積を確保するために基板が大型化し、エンコーダひいてはモータの大型化を招くと共に、コストが増大するという問題があった。

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、磁界検出素子の個数を減らすことにより、小型化及び低コスト化を図ることが可能なエンコーダ及びモータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、回転可能な円板状のディスクと、
上記ディスクの回転を磁気的に検出する磁気検出機構と、
上記ディスクの回転を光学的に検出する光学検出機構と、
上記磁気検出機構の出力に基づいて第１検出信号を生成する第１検出信号生成部と、
上記光学検出機構の出力に基づいて上記第１検出信号と所定の位相差を有する第２検出信号を生成する第２検出信号生成部と、
上記第１検出信号及び上記第２検出信号に基づいて上記ディスクの多回転量を検出する多回転検出部と、を備える、エンコーダが提供される。

また、上記エンコーダへの電源供給がバックアップ電源に切り替えられた場合に、上記第１検出信号のレベル変化を起点に上記光学検出機構の発光素子を所定時間点灯させた後消灯させる発光制御部をさらに備えてもよい。

また、上記磁気検出機構は、
上記ディスクと共に回転する磁石と、
上記磁石を検出する磁気検出部と、を有し、
上記第１検出信号生成部は、
上記磁気検出部による電圧と固定抵抗による電圧とをヒステリシスコンパレータにより比較し、上記第１検出信号を生成してもよい。

また、上記磁石は、
磁束の向きが略１８０度の回転角度範囲毎に反転し、反転する位置が上記ディスクの原点位置に対応しており、
上記第１検出信号生成部は、
上記磁気検出機構の出力に基づいて、上記ディスクの１回転毎に１パルスとなる上記第１検出信号を生成してもよい。

また、上記光学検出機構は、
上記発光素子と、
上記ディスクに略１８０度の回転角範囲に亘って連続して形成された円弧状のスリットと、
上記発光素子から照射され上記スリットの作用を受けた光を受光する受光素子と、有し、
上記第２検出信号生成部は、
上記受光素子の出力に基づいて、上記ディスクの１回転毎に１パルスとなる上記第２検出信号を生成してもよい。

また、上記光学検出機構は、
上記ディスクに形成されたアブソリュートパターンを有するスリットアレイと、
上記発光素子から照射され上記スリットアレイの作用を受けた光を受光する受光アレイと、を有し、
上記エンコーダは、
上記受光アレイの出力に基づいて上記ディスクの１回転内の絶対位置を表す絶対位置信号を生成する絶対位置信号生成部をさらに備えてもよい。

また、上記発光素子は、点光源として形成され、
上記受光素子及び上記受光アレイは、
上記発光素子から照射され上記スリット及び上記スリットアレイで反射された光を各々受光してもよい。

上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、シャフトを回転させるモータと、
上記シャフトの位置を検出するエンコーダと、を備え、
上記エンコーダは、
上記シャフトに連結された円板状のディスクと、
上記ディスクの回転を磁気的に検出する磁気検出機構と、
上記ディスクの回転を光学的に検出する光学検出機構と、
上記磁気検出機構の出力に基づいて第１検出信号を生成する第１検出信号生成部と、
上記光学検出機構の出力に基づいて上記第１検出信号と所定の位相差を有する第２検出信号を生成する第２検出信号生成部と、
上記第１検出信号及び上記第２検出信号に基づいて上記ディスクの多回転量を検出する多回転検出部と、を有する、モータが提供される。

以上説明したように本発明のエンコーダ及びモータによれば、磁界検出素子の個数を減らすことによって小型化及び低コスト化できる。

一実施形態に係るサーボシステムについて説明するための説明図である。 同実施形態に係るエンコーダについて説明するための説明図である。 同実施形態に係るディスクについて説明するための説明図である。 同実施形態に係る位置データ生成部について説明するための説明図である。 同実施形態に係るＡ相パルス生成部及びＢ相パルス生成部の回路例について説明するための説明図である。 同実施形態に係る外部電源供給時のＡ相パルス信号及びＢ相パルス信号の波形の一例について説明するための説明図である。 同実施形態に係るバックアップ電源供給時のＡ相パルス信号、Ｂ相パルス信号及び電源制御パルス信号の波形の一例について説明するための説明図である。 比較例と一実施形態に係るＡ相パルス信号、Ｂ相パルス信号及び電源制御パルス信号の原点近傍での波形の一例について説明するための説明図である。

以下、図面を参照しつつ実施の形態について詳細に説明する。

＜１．サーボシステム＞
まず、図１を参照しつつ、本実施形態に係るサーボシステムの構成について説明する。図１に示すように、本実施形態に係るサーボシステムＳは、サーボモータＳＭと、制御装置ＣＴとを有する。また、サーボモータＳＭは、エンコーダ１００と、モータＭとを有する。

モータＭは、エンコーダ１００を含まない動力発生源の一例である。このモータＭ単体をサーボモータという場合もあるが、本実施形態では、エンコーダ１００を含む構成をサーボモータＳＭということにする。このサーボモータＳＭが、モータの一例に相当する。モータＭはシャフトＳＨを有し、このシャフトＳＨを回転軸心ＡＸ周りに回転させることにより、回転力を出力する。

なお、モータＭは、例えば位置データ等のようなエンコーダ１００が検出するデータに基づいて制御されるモータであれば特に限定されるものではない。また、モータＭは、動力源として電気を使用する電動式モータである場合に限られるものではなく、例えば、油圧式モータ、エア式モータ、蒸気式モータ等の他の動力源を使用したモータであってもよい。ただし、説明の便宜上、以下ではモータＭが電動式モータである場合について説明する。

本実施形態に係るエンコーダ１００は、モータＭの回転力出力側とは反対側のシャフトＳＨに連結される。そして、エンコーダ１００は、シャフトＳＨの位置（角度）を検出することにより、モータＭの位置（回転角度ともいう。）を検出し、その位置を表す位置データを出力する。

エンコーダ１００は、モータＭの位置に加えて又は代えて、モータＭの速度（回転速度、角速度等ともいう。）及びモータＭの加速度（回転加速度、角加速度等ともいう。）の少なくとも一方を検出してもよい。この場合、モータＭの速度及び加速度は、例えば、位置を時間で１又は２階微分したり検出信号（例えばインクリメンタル信号）を所定時間の間カウントするなどの処理により検出することが可能である。説明の便宜上、以下ではエンコーダ１００が検出する物理量は位置であるとして説明する。

制御装置ＣＴは、エンコーダ１００から出力される位置データを取得して、当該位置データに基づいて、モータＭの回転を制御する。従って、モータＭとして電動式モータが使用される本実施形態では、制御装置ＣＴは、位置データに基づいて、モータＭに印加する電流又は電圧等を制御することにより、モータＭの回転を制御する。更に、制御装置ＣＴは、上位制御装置（図示せず）から上位制御信号を取得して、当該上位制御信号に表された位置等を実現可能な回転力がモータＭのシャフトＳＨから出力されるように、モータＭを制御することも可能である。なお、モータＭが、油圧式、エア式、蒸気式などの他の動力源を使用する場合には、制御装置ＣＴは、それらの動力源の供給を制御することにより、モータＭの回転を制御することが可能である。

＜２．エンコーダ＞
次に、図２〜図７を参照しつつ、本実施形態に係るエンコーダ１００について説明する。図２に示すように、本実施形態に係るエンコーダ１００は、いわゆる反射型エンコーダであり、ディスク１１０と、磁石ＭＧと、磁気検出部１２０と、光学モジュール１３０と、位置データ生成部１４０とを有する。

ここで、エンコーダ１００の構造の説明の便宜上、本実施形態では、上下等の方向を以下のように定める。つまり、図２において、ディスク１１０が光学モジュール１３０と面する方向、つまりＺ軸正の方向を「上」と表し、逆のＺ軸負の方向を「下」と表す。但し、本実施形態に係るエンコーダ１００の各構成の位置関係は、上下等の概念に特に限定されるものではない。また、説明の便宜に応じて、ここで定めた方向について他の表現等をしたり、これら以外の方向については適宜説明しつつ使用する場合もあることを付言しておく。

（２−１．ディスク）
ディスク１１０は、図３に示すように円板状に形成され、ディスク中心Ｏが回転軸心ＡＸとほぼ一致するように配置される。そして、ディスク１１０は、モータＭのシャフトＳＨに連結され、モータＭの回転、つまりシャフトＳＨの回転により回転する。本実施形態では、モータＭの回転を測定する被測定対象の例として、円板状のディスク１１０を例に挙げて説明するが、例えば、シャフトＳＨの端面などの他の部材を被測定対象として使用することも可能である。

ディスク１１０は、図３に示すように、磁石ＭＧと、スリットアレイＳＡと、スリットＳとを有する。ディスク１１０は上述のとおりモータＭの駆動とともに回転するが、これに対して、磁気検出部１２０と光学モジュール１３０とは、ディスク１１０の一部に対向しつつ固定配置される。言い換えれば、磁石ＭＧ、スリットアレイＳＡ及びスリットＳと、磁気検出部１２０及び光学モジュール１３０とは、モータＭの駆動に伴い、互いにディスク１１０の回転方向（円周方向）で相対移動可能に配置される。

磁気検出部１２０は、ディスク１１０の上面側において磁石ＭＧの一部に対向して配置され、磁石ＭＧと共に後述する磁気検出機構を構成する。光学モジュール１３０は、ディスク１１０の上面側においてスリットアレイＳＡ及びスリットＳの一部に対向して配置され、スリットアレイＳＡ及びスリットＳと共に後述する光学検出機構を構成する。この磁気検出機構及び光学検出機構について詳細に説明する。

（２−２．磁気検出機構）
磁気検出機構は、ディスク１１０の回転を磁気的に検出するものであり、磁石ＭＧと、磁気検出部１２０とを有する。図３に示すように、磁石ＭＧはディスク中心Ｏを中心としたリング状に形成されており、ディスク１１０の上面に設けられてディスク１１０と共に回転する。なお、磁石ＭＧは必ずしもリング状である必要はなく、例えば円板状としてもよい。磁石ＭＧの上面における磁束の向きは、ディスク１１０の略１８０°の回転角度範囲毎に反転する。また磁石ＭＧは、磁束が反転する位置がディスク１１０の絶対位置検出のための原点位置と略一致するように配置される。

磁気検出部１２０は、図２及び図３に示すように、ディスク１１０の原点位置において磁石ＭＧの一部に対向するようにディスク１１０と平行に固定され、磁石ＭＧの上面における磁束の向きを検出する。この磁気検出部１２０は、図示しない回路基板に実装されて設けられるが、磁気検出部１２０と光学モジュール１３０とを同じ回路基板上に実装してもよい。上述のとおり、磁石ＭＧの上面における磁束の向きはディスク１１０が１８０°回転する毎に反転するので、磁気検出部１２０は、ディスク１１０が１回転すると１周期変化する磁束の向きを検出する。この検出信号は、位置データ生成部１４０に出力され、ディスク１１０が基準位置から何回転したかを表す多回転量の検出に用いられる。このような多回転量の検出は、例えば電源ＯＦＦによるバックアップ電源供給時の位置検出に用いられる場合に特に有効である。

磁気検出部１２０は、磁束の向きを検出可能な構成であれば、特に限定されるものではない。磁気検出部１２０の一例として、例えばＭＲ（磁気抵抗効果：Ｍａｇｎｅｔｒｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ）素子やＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｒｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ）素子、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ）素子などのような磁気抵抗素子を使用することが可能である。また、例えばホール素子などの磁界検出素子を使用して、回転軸心ＡＸに対して垂直な２軸方向の磁界の強度を検出し、該検出信号に基づいて磁石ＭＧの磁界の向きを算出することで、ディスク１１０の回転を検出することも可能である。

（２−３．光学検出機構）
光学検出機構は、ディスク１１０の回転を光学的に検出するものであり、スリットアレイＳＡ及びスリットＳと、光学モジュール１３０とを有する。スリットアレイＳＡは、ディスク１１０の上面においてディスク中心Ｏを中心としたリング状に配置されたトラックとして形成される。スリットアレイは、トラックの全周にわたって、円周方向に沿って並べられた複数の反射スリット（図示省略）を有する。１つ１つの反射スリットは、光源１３１から照射された光を反射する。これら複数の反射スリットは、円周方向でアブソリュートパターンを有するように、ディスク１１０の全周に配置される。

なお、アブソリュートパターンとは、後述する光学モジュール１３０が有する受光アレイが対向する角度内における反射スリットの位置や割合等が、ディスク１１０の１回転内で一義に定まるようなパターンである。つまり、モータＭがある位置ｘとなっている場合に、対向した受光アレイの複数の受光素子それぞれの検出又は未検出による組み合わせ（検出によるオン／オフのビットパターン）が、その位置ｘの絶対値（絶対位置、アブソリュートポジション）を一義に表すことになる。アブソリュートパターンの生成方法は、モータＭの絶対位置を、受光アレイの受光素子数のビットにより、一次元的に表すようなパターンを生成できるものであれば、様々なアルゴリズムが使用可能である。

スリットＳは、図３に示すように、ディスク１１０の上面においてディスク中心Ｏを中心として形成された円弧状のスリットである。このスリットＳは、複数の反射スリットが円周方向に沿って並べられた上記スリットアレイＳＡとは異なり、原点位置を中心とする略１８０度の回転角度範囲に亘って連続した１つの反射スリットとして形成される。またスリットＳは、その両端の位置がディスク１１０の原点位置（磁石ＭＧの磁束が反転する位置）と各々略９０度ずれた位置となるように形成される。

ディスク１１０は、本実施形態では例えばガラスにより形成される。そして、スリットアレイが有する反射スリットは、ガラスのディスク１１０の面に、光を反射する部材が塗布されることにより、形成可能である。なお、ディスク１１０の材質は、ガラスに限られるものではなく、金属や樹脂等を使用することも可能である。また、反射スリットは、例えば、反射率の高い金属をディスク１１０として使用し、光を反射させない部分を、スパッタリング等により粗面としたり反射率の低い材質を塗布したりすることで、反射率を低下させて、形成されてもよい。ただし、ディスク１１０の材質や製造方法等については特に限定されるものではない。

光学モジュール１３０は、図２及び図３に示すように、一枚の基板ＢＡとして形成され、ディスク１１０のスリットアレイＳＡ及びスリットＳの一部に対向可能なように、ディスク１１０と平行に固定される。従って、ディスク１１０の回転に伴い、光学モジュール１３０は、スリットアレイＳＡ及びスリットＳに対して円周方向で相対移動することができる。なお、本実施形態では、エンコーダ１００を薄型化したり製造を容易にすることが可能なように、光学モジュール１３０を基板として構成する場合について説明するが、必ずしも基板状に構成される必要はない。

一方、光学モジュール１３０は、図２〜図４に示すように、基板ＢＡの下面（Ｚ軸負の方向の面）、すなわちディスク１１０に対向する側の面に、光源１３１と、受光アレイＰＡと、受光素子ＰＤとを有する。光源１３１は、対向する位置を通過するスリットアレイＳＡ及びスリットＳの一部分に光を照射する。

この光源１３１としては、照射領域に光を照射可能な光源であれば特に限定されるものではないが、例えば、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）が使用可能である。そして、この光源１３１は、特に光学レンズ等が配置されない点光源として形成され、発光部から拡散光を照射する。なお、点光源という場合、厳密な点である必要はなく、設計上や動作原理上、略点状の位置から拡散光が発せられるものとみなせる光源であれば、有限な面から光が発せられてもよいことは言うまでもない。このように点光源を使用することにより、光源１３１は、光軸からのズレによる光量変化や光路長の差による減衰などの影響は多少はあるにせよ、対向した位置を通過するスリットアレイＳＡ及びスリットＳのそれぞれの部分に拡散光を照射できるため、これらの部分にほぼ均等に光を照射することが可能である。また、光学素子による集光・拡散を行わないため、光学素子による誤差等が生じにくく、スリットアレイＳＡ及びスリットＳへの照射光の直進性を高める事が可能である。なお、光源１３１が発光素子の一例に相当する。

受光アレイＰＡは、光源１３１の周囲に配置され、対向するスリットアレイＳＡの作用を受けた光（この例では反射光）を受光する。そのために、受光アレイＰＡは、複数の受光素子（図示省略）を有する。また、受光素子ＰＤは、同様に光源１３１の周囲に配置され、ディスク１１０がスリットＳの形成された回転角度範囲である場合には対向するスリットＳの作用を受けた光（この例では反射光）を受光し、それ以外の回転角度範囲では受光しない。この受光素子ＰＤは、複数の受光素子を有する受光アレイＰＡとは異なり、１つの受光素子として構成される。

１つ１つの受光素子としては、例えばＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ（フォトダイオード））を使用することができる。但し、受光素子としては、ＰＤに限られるものではなく、光源１３１から発せられた光を受光して電気信号に変換可能なものであれば、特に限定されるものではない。

（２−４．位置データ生成部）
図４に示すように、位置データ生成部１４０は、Ａ相パルス生成部１４１と、Ｂ相パルス生成部１４２と、カウンタ１４３と、パルス発生回路１４４と、給電制御部１４５と、絶対位置信号生成部１４６とを有する。

Ａ相パルス生成部１４１は、磁気検出機構が有する磁気検出部１２０からの信号を検出し、この信号を矩形波状の信号に変換して、Ａ相パルス信号ａを生成する。前述のように、磁石ＭＧは磁束の向きが略１８０度の回転角度範囲毎に反転するので、Ａ相パルス信号ａはデューティ比５０％、ディスクの１回転毎に１パルスの信号となる。また前述のように、磁石ＭＧは磁束が反転する位置がディスク１１０の原点位置と略一致するので、Ａ相パルス信号のエッジは、絶対位置信号生成部１４６により受光アレイＰＡの出力に基づいて生成される絶対位置信号による光学０番地と略一致する。なお、Ａ相パルス生成部１４１が第１検出信号生成部の一例に相当し、Ａ相パルス信号ａが第１検出信号の一例に相当する。

Ｂ相パルス生成部１４２は、光学検出機構が有する受光素子ＰＤからの信号を検出し、この信号を矩形波状の信号に変換して、Ｂ相パルス信号ｂを生成する。前述のように、スリットＳはディスク１１０に略１８０度の回転角度範囲に亘って連続して形成されるので、Ｂ相パルス信号ｂはデューティ比５０％、ディスクの１回転毎に１パルスの信号となる。また前述のように、スリットＳはその両端の位置がディスク１１０の原点位置（磁石ＭＧの磁束が反転する位置）と各々略９０度ずれた位置となるように形成されるので、上記Ａ相パルス信号ａとＢ相パルス信号ｂとは、互いに位相が９０度異なる２相信号となる。なお、Ｂ相パルス生成部１４２が第２検出信号生成部の一例に相当し、Ｂ相パルス信号ｂが第２検出信号の一例に相当する。

カウンタ１４３は、Ａ相パルス信号ａ及びＢ相パルス信号ｂに基づいてディスク１１０の多回転量をカウントし、多回転信号ｃとして出力する。具体的なカウント方法は後述する。なお、カウンタ１４３が多回転検出部の一例に相当する。

パルス発生回路１４４は、電源切替部１５０により外部電源からバックアップ電源に切り替えられ、バックアップ電源による電源供給が行われている際に、Ａ相パルス信号ａのレベルが変化した場合、そのエッジを起点に所定のパルス幅の電源制御パルス信号ｄを生成し、給電制御部１４５に出力する。給電制御部１４５は、パルス発生回路１４４からの電源制御パルス信号ｄに基づいてＯＮ／ＯＦＦし、光源１３１に対してバックアップ電源をパルス的に供給する。これにより、光源１３１は、Ａ相パルス信号ａのエッジを起点に上記パルス幅に対応する所定の時間だけ点灯し、その後消灯する。所定の時間は、カウンタ１４３がＢ相パルス信号ｂのレベルを検出できるだけの時間幅であればよい。なお、パルス発生回路１４４が発光制御部の一例に相当する。

絶対位置信号生成部１４６は、受光アレイＰＡの出力に基づいてディスク１１０の１回転内の絶対位置を表す絶対位置信号ｆを生成する。具体的には、受光アレイＰＡが有する複数の受光素子では、１つ１つの受光又は非受光がビットとして扱われ、複数ビットの絶対位置ｘを表す。従って、複数の受光素子それぞれが出力する受光信号は、絶対位置信号生成部１４６において相互に独立して取り扱われて、シリアルなビットパターンに暗号化（コード化）されていた絶対位置ｘが、これらの出力信号の組み合わせから復号され、絶対位置信号ｆが生成される。この絶対位置信号ｆと、上記カウンタ１４３から出力される多回転信号ｃとが合成されて、位置データ生成部１４０は位置データを出力する。

電源切替部１５０は、この例では、図示しない検出回路からの電源切替信号ｅに基づいて切り替わるスイッチング素子として構成される。電源切替部１５０が外部電源側である場合には、外部電源がＡ相パルス生成部１４１、Ｂ相パルス生成部１４２、カウンタ１４３、パルス発生回路１４４、及び絶対位置信号生成部１４６に供給される。一方、電源オフや停電等により外部電源の供給が遮断された場合には、電源切替部１５０は電源切替信号ｅに基づいてバックアップ電源側に切り替わる。これにより、絶対位置信号生成部１４６への電源供給は遮断されるが、Ａ相パルス生成部１４１、Ｂ相パルス生成部１４２、カウンタ１４３、及びパルス発生回路１４４へはバックアップ電源が供給される。

図５（ａ）に、Ａ相パルス生成部１４１の電気回路の一例を示す。この例では、磁気検出部１２０は磁気抵抗素子として構成される。磁気検出部１２０の２つの抵抗線１２１ａ，１２１ｂの接続点の電圧と、２つの固定抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点の電圧とが、Ａ相パルス生成部１４１が有するコンパレータ１４１１に入力される。コンパレータ１４１１は、抵抗Ｒ３による負帰還を備えたヒステリシスコンパレータとして構成される。このコンパレータ１４１１は、上記２つの電圧を比較し、Ａ相パルス信号ａを出力する。

図５（ｂ）に、光源１３１の駆動回路とＢ相パルス生成部１４２の電気回路の一例を示す。この例では、光源１３１の駆動回路は、抵抗Ｒ４と、トランジスタとして構成される給電制御部１４５とを有する。給電制御部１４５のスイッチングは、パルス発生回路１４４からのゲート信号により制御される。受光素子ＰＤの出力回路は抵抗Ｒ５を有し、その出力電圧と、比較基準電圧Ｖｒｅｆとが、Ｂ相パルス生成部１４２が有するコンパレータ１４２１に入力される。コンパレータ１４２１は、上記２つの電圧を比較し、Ｂ相パルス信号ｂを出力する。

（２−５．エンコーダの動作）
次に、エンコーダ１００の動作について説明する。まず、外部電源が供給されている場合の動作について説明する。図４において、ディスク１１０が回転すると、磁石ＭＧはディスク１１０と共に回転する。磁気検出部１２０は磁石ＭＧの磁束の向きを検出し、検出信号をＡ相パルス生成部１４１に出力する。一方、外部電源供給時には給電制御部１４５は常時ＯＮとなり、光源１３１に対して外部電源が常時供給される。受光素子ＰＤは光源１３１の照射によるスリットＳからの反射光の有無に基づいて、受光信号をＢ相パルス生成部１４２に出力する。Ａ相パルス生成部１４１及びＢ相パルス生成部１４２は、入力された信号を増幅すると共にそれぞれ矩形波信号に変換し、生成された９０度の位相差を有するＡ相パルス信号ａ及びＢ相パルス信号ｂをカウンタ１４３に出力する。

図６に、このときのＡ相パルス信号ａ及びＢ相パルス信号ｂの波形の一例を示す。図６（ａ）は正転時の波形、図６（ｂ）は逆転時の波形である。なお、この例では、Ａ相パルス信号ａは磁石ＭＧの磁極がＮの場合に「Ｈ」レベルとなり、磁極がＳの場合に「Ｌ」となるものとし、ディスク１１０の回転方向は、図４に示すように時計回り方向を正転、反時計回り方向を逆転とする。正転時は、図６（ａ）に示すように、ディスク１１０の原点位置が磁気検出部１２０及び受光素子ＰＤの位置を通過する際に、Ａ相パルス信号ａが立ち上がりエッジとなると共にＢ相パルス信号ｂが「Ｈ」レベルとなる。この場合、カウンタ１４３は多回転量データに１を加えて多回転量をカウントアップする。一方、Ｂ相パルス信号ｂが「Ｌ」レベルとなるＡ相パルス信号ａの立ち下がりエッジでは、ディスク１１０の原点位置ではないのでカウントは行われない。

逆転時は、図６（ｂ）に示すように、ディスク１１０の原点位置が磁気検出部１２０及び受光素子ＰＤの位置を通過する際に、Ａ相パルス信号ａが立ち下がりエッジとなると共にＢ相パルス信号ｂが「Ｈ」レベルとなる。この場合、カウンタ１４３は多回転量データから１を減じて多回転量をカウントダウンする。一方、Ｂ相パルス信号ｂが「Ｌ」レベルとなるＡ相パルス信号ａの立ち上がりエッジでは、ディスク１１０の原点位置ではないのでカウントは行われない。カウンタ１４３は、このようにしてカウントした多回転量データを多回転信号ｃとして出力する。

なお、上記カウントの仕方は本実施形態の構成態様の場合における一例であり、これに限定されるものではない。例えば、磁石ＭＧの磁極（Ｎ極、Ｓ極）の位置が図３及び図４に示す位置と反対（１８０度ずれた位置）となる場合や、磁気検出部１２０を原点位置と１８０度ずれた位置に配置するような場合には、正転、逆転の対応関係が上述と反対となり、図６（ｂ）が正転時の波形、図６（ａ）が逆転時の波形となる。また例えば、スリットＳをディスク１１０の原点位置とは反対となる側に形成した場合や、受光素子ＰＤを原点位置と１８０度ずれた位置に配置するような場合には、ディスク１１０の原点位置が磁気検出部１２０及び受光素子ＰＤの位置を通過する際に、Ｂ相パルス信号ｂが「Ｌ」レベルとなる。このように、カウンタ１４３による多回転量のカウントの仕方は、磁石ＭＧの磁極位置やスリットＳの形成位置、磁気検出部１２０や受光素子ＰＤの配置位置等の構成態様に応じて適宜変更されるものである。

他方、受光アレイＰＡは、光源１３１から照射されスリットアレイＳＡで反射された光を受光し、受光信号を絶対位置信号生成部１４６に出力する。絶対位置信号生成部１４６は、入力された信号に基づいてディスク１１０の１回転内の絶対位置を表す絶対位置信号ｆを生成する。このように、エンコーダ１００に外部電源が供給されている場合には、位置データ生成部１４０の全ての回路に電源が供給され、上記カウンタ１４３から出力される多回転信号ｃと、絶対位置信号生成部１４６から出力される絶対位置信号ｆとが合成されて、位置データ生成部１４０は位置データを連続的に出力する。

次に、外部電源が遮断されバックアップ電源から電源が供給されている場合の動作について説明する。図４において、電源オフや停電等により外部電源が所定の電圧以下になった場合には、図示しない検出回路からの電源切替信号ｅにより、電源切替部１５０がバックアップ電源側に切り替わる。バックアップ電源に切り替わると、絶対位置信号生成部１４６には電源が供給されず、Ａ相パルス生成部１４１、Ｂ相パルス生成部１４２、カウンタ１４３、及びパルス発生回路１４４にバックアップ電源が供給される。さらに、パルス発生回路１４４は、Ａ相パルス信号ａのエッジを検出すると、そのエッジを起点に生成された所定のパルス幅の電源制御パルス信号ｄを生成し、給電制御部１４５を介してパルス的な電源を光源１３１へ供給する。

図７に、このときのＡ相パルス信号ａ、Ｂ相パルス信号ｂ、及び電源制御パルス信号ｄの波形の一例を示す。図７（ａ）は正転時の波形、図７（ｂ）は逆転時の波形である。電源制御パルス信号ｄが「Ｈ」レベルであるＴｏｎ期間は、バックアップ電源が光源１３１に供給されている期間で、電源制御パルス信号ｄが「Ｌ」レベルであるＴｏｆｆ期間は、バックアップ電源が供給されていない期間である。したがって、Ｂ相パルス信号ｂは、図７中実線で示したＴｏｎ期間のみＢ相パルス生成部１４２によって生成される。

カウンタ１４３は、Ａ相パルス信号ａのエッジを検出すると、Ｔｏｎ期間にＢ相パルス信号ｂのレベルを検出し、多回転量をカウントする。カウントの仕方は上述した外部電源供給時と同様であり、正転時は、図７（ａ）に示すように、Ａ相パルス信号ａが立ち上がりエッジのときにＢ相パルス信号ｂが「Ｈ」レベルの場合、カウンタ１４３は多回転量データに１を加えて多回転量をカウントアップする。一方、逆転時は、図７（ｂ）に示すように、Ａ相パルス信号ａが立ち下がりエッジのときにＢ相パルス信号ｂが「Ｈ」レベルの場合、カウンタ１４３は多回転量データから１を減じて多回転量をカウントダウンする。なお、Ｔｏｎ期間は、バックアップ電源の消費電力の節減のため、カウンタ１４３がＢ相パルス信号ｂ（図７中実線で示す部分）のレベルを検出可能な範囲で最短の時間幅に設定される。

他方、絶対位置信号生成部１４６にはバックアップ電源が供給されないので、絶対位置信号ｆは生成されない。したがって、位置データ生成部１４０は、上記カウンタ１４３から出力される多回転信号ｃを位置データとして出力する。なお、バックアップ電源供給時には多回転量データを図示しないメモリ等に記憶させておき、バックアップ電源から外部電源に切り替えられた際に、位置データ生成部１４０が当該メモリから多回転量データを読み出し、絶対位置信号ｆと合成して位置データを出力するようにしてもよい。

＜３．本実施形態による効果の例＞
以上、一実施形態に係るエンコーダ１００等について説明した。次に、このエンコーダ１００による効果の例について説明する。

上述のように、エンコーダ１００は、ディスク１１０の回転を磁気的に検出する磁気検出機構と、光学的に検出する光学検出機構を有する。これらの出力に基づいて、Ａ相パルス生成部１４１とＢ相パルス生成部１４２とは、ディスク１１０の回転に伴って互いに位相が９０度異なるＡ相パルス信号ａとＢ相パルス信号ｂとを生成する。そして、カウンタ１４３は、Ａ相パルス信号ａとＢ相パルス信号ｂとに基づいてディスク１１０の多回転量を検出する。

このような構成とすることで、２相信号を得るために磁気検出部１２０を２つ設ける必要がなく、１つ設ければ済む。これにより、外形が大きく高コストな部品である磁気検出部１２０の個数を減らすことができる。その結果、磁気検出部１２０が実装される回路基板（図示省略）を小型化できるので、エンコーダ１００ひいてはサーボモータＳＭを小型化することができる。また、部品コストを削減できるので、エンコーダ１００及びサーボモータＳＭを安価にすることができる。

また、本実施形態では特に、バックアップ電源による電源供給時にディスク１１０が回転し、Ａ相パルス信号ａのレベルが変化した場合、パルス発生回路１４４がそのエッジを起点に所定のパルス幅の電源制御パルス信号ｄを生成することにより、光源１３１に対してバックアップ電源をパルス的に供給する。これにより、光源１３１はＡ相パルス信号ａのエッジを起点に所定時間点灯し、その後消灯する。このときの所定時間は、カウンタ１４３がＢ相パルス信号ｂのレベルを検出できるだけの時間幅であればよいので、消費電流の大きい光源１３１への通電時間を大幅に短縮することができる。したがって、バックアップ電源の寿命を長くすることができる。

また、本実施形態では特に、Ａ相パルス生成部１４１は、磁気検出部１２０による電圧と固定抵抗Ｒ１，Ｒ２による電圧とをヒステリシスコンパレータ１４１１により比較し、Ａ相パルス信号ａを出力する。これにより、Ａ相パルス信号ａのエッジでのチャタリング（パルスのＯＮ／ＯＦＦの繰り返し）を防止できるので、光源１３１の点灯が頻繁に行われることを防止して、消費電力を節減することができる。また、ノイズなどのわずかの電圧差でコンパレータ１４１１が動作して不安定になるのを防ぐことが可能となるので、Ａ相パルス生成部１４１により生成されるＡ相パルス信号ａのパルス割れを防止できる効果もある。

また、本実施形態では特に、同一の光源１３１からの照射光を利用して、多回転量の検出と絶対位置の検出が行われる。これにより、光源１３１及びその駆動回路等を絶対位置検出と多回転量検出とで兼用することができるので、光源や駆動回路等を個別に設ける場合に比べて、小型化及びコスト削減を図ることができる。

また、本実施形態では特に、磁石ＭＧを、その磁束の向きが反転する位置がディスク１１０の絶対位置検出のための原点位置に対応するように配置する。これにより、Ａ相パルス生成部１４１により生成されるＡ相パルス信号ａのパルスのエッジが原点位置に対応することになる。これにより得られる効果を、比較例を用いて以下に説明する。

例えば、磁気検出によるＡ相信号と光学検出によるＢ相信号によってディスク１１０の多回転量を検出する構成として、次のような構成（比較例）が考えられる。すなわち、ディスク１１０に略１８０度の回転角範囲に亘ってエッジが原点と一致するように円弧状のスリットＳを形成すると共に、原点近傍に所定の回転角度範囲に亘って磁性体を設ける。磁気検出部１２０と受光素子ＰＤは、ディスク１１０の原点位置に配置される。この場合、Ｂ相パルス生成部１４２により生成されるＢ相パルス信号ｂのパルスのエッジが原点位置に対応することになる。

図８に、バックアップ電源供給時におけるＡ相パルス信号ａ、Ｂ相パルス信号ｂ、及び電源制御パルス信号ｄの波形の一例を示す。図８（ａ）は上記比較例による波形、図８（ｂ）は本実施形態による波形である。なお、いずれも正転時の波形である。正転時において、磁気検出部１２０が磁性体の一方のエッジを検出すると、図８（ａ）に示すように、Ａ相パルス信号ａが立ち上がりエッジとなり、前述と同様にして光源１３１が所定時間点灯され、Ｂ相パルス信号ｂが「Ｈ」レベルであることが検出される。その後、ディスク１１０の原点位置が磁気検出部１２０及び受光素子ＰＤの位置を通過し、磁気検出部１２０が磁性体の他方のエッジを検出すると、Ａ相パルス信号ａが立ち下がりエッジとなり、Ｂ相パルス信号ｂが「Ｌ」レベルであることが検出される。このようにして、カウンタ１４３は、Ｂ相信号のレベルが「Ｈ」から「Ｌ」に変化したことを検出した場合に、ディスク正転により原点位置を通過したとして多回転量のカウントを１増加させる。図示は省略するが、逆転時も同様であり、カウンタ１４３は、Ａ相パルス信号ａの両端のエッジを検出した際のＢ相信号のレベルが「Ｌ」から「Ｈ」に変化した場合に、ディスク逆転により原点位置を通過したとして多回転量のカウントを１減少させる。すなわちこの比較例では、正転及び逆転のいずれにおいても原点位置の通過の検出に光源１３１の発光が２回必要となる。

一方、本実施形態では、図８（ｂ）に示すように、Ａ相パルス信号ａのパルスのエッジが原点位置に対応する。したがって、カウンタ１４３は、Ａ相パルス信号ａが立ち上がりエッジのときにＢ相パルス信号ｂが「Ｈ」レベルであることを検出した場合に、ディスク正転により原点位置を通過したとして多回転量のカウントを１増加させる。図示は省略するが、逆転時も同様であり、カウンタ１４３は、Ａ相パルス信号ａが立ち下がりエッジのときにＢ相パルス信号ｂが「Ｈ」レベルであることを検出した場合に、ディスク逆転により原点位置を通過したとして多回転量のカウントを１減少させる。このように、本実施形態では原点位置の通過の検出は正転及び逆転のいずれにおいても光源１３１の１回の発光によって行われる。

したがって、例えばディスク１１０の揺動等によって、磁気検出部１２０と受光素子ＰＤがディスクの原点位置近傍を（比較例における磁性体を設けた回転角度範囲より大きな範囲で）行ったり来たりするような場合、本実施形態では上記比較例に比べて光源１３１の発光回数を１／２にすることができる。これにより、消費電力を大幅に減少させることが可能であり、バックアップ電源の寿命を長くすることができる。

＜４．変形例等＞
以上、添付図面を参照しながら一実施の形態について詳細に説明した。しかしながら、技術的思想の範囲は、ここで説明した実施の形態に限定されないことは言うまでもない。実施形態の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内において、様々な変更や修正、組み合わせなどを行うことに想到できることは明らかである。従って、これらの変更や修正、組み合わせなどの後の技術も、当然に技術的思想の範囲に属するものである。以下、そのような変形例を順を追って説明する。なお、以下の説明において前述の実施形態と同様の部分には同符号を付し、適宜説明を省略する。

例えば、以上においては、受光アレイＰＡや受光素子ＰＤがディスク１１０に対し光源１３１と同じ側に配置された、いわゆる反射型エンコーダである場合を例にとって説明したが、これに限定されない。すなわち、受光アレイＰＡや受光素子ＰＤがディスク１１０に対し光源１３１と反対側に配置された、いわゆる透過型エンコーダを用いてもよい。この場合、回転ディスク１１０において、スリットアレイＳＡやスリットＳを透過孔として形成する、あるいは、スリット以外の部分をスパッタリング等により粗面としたり透過率の低い材質を塗布したりすることで形成してもよい。

但し、このような透過型エンコーダとする場合、反射型に比べて次のような点で不利となる。まず、ディスク１１０を挟んでその両側に光源１３１と受光素子ＰＤ等が配置されるので、軸方向寸法が大きくなる。また、平行光を生成するための光学レンズや、分離配置された光源１３１と受光素子ＰＤ等を各々支持するホルダが必要となる等、部品点数が増大して構造が複雑化する。さらに、光源１３１と受光アレイＰＡ及び受光素子ＰＤとの間には非常に高い位置精度が要求されるが、これらが分離配置されることにより位置精度が低下し、エンコーダの性能に影響する可能性がある。反射型エンコーダでは、このような問題が生じない。さらに、高い位置精度が要求される光源１３１、受光アレイＰＡ、受光素子ＰＤ及び磁気検出部１２０等の全てをディスク１１０に対し同じ側に配置できることから、これらを例えば同一の回路基板上に実装させて組み付けることが可能である。この場合、各部品の位置精度を容易に確保できると共に、一部品化できることによる小型化及び構造の簡素化、組み付け性の向上等の効果が得られる。以上から、上記実施形態のように反射型エンコーダとするのが好ましい。

さらに、反射型エンコーダとする場合には拡散光を照射する点光源を用いることが可能となるので、透過型エンコーダに比べて次のような点で有利である。すなわち、透過型エンコーダでは平行光を用いることから照射面積が限定されてしまい、絶対位置検出用のスリットアレイＳＡ及び多回転量検出用のスリットＳのそれぞれの部分に光を照射するために２カ所に光源を設けることが必要となる可能性がある。この場合、２つの光源が必要となる上、光学モジュールの回路基板と光源との接続部品（例えばフレキシブルコネクタ等）や光源の支持ホルダ等の部品点数も増大するので、構造が複雑化すると共に、２つの光源用の発光回路が必要となるので、回路基板の面積の増大を招くこととなる。一方、上記実施形態のように点光源を用いることにより、拡散光によって照射面積を増大できるので、１つの光源でスリットアレイＳＡ及びスリットＳのそれぞれの部分に光をほぼ均等に照射することが可能となる。したがって、１つの光源で済むので、上記透過型エンコーダの場合に比べて部品点数を少なくできると共に回路基板の面積を小さくでき、小型化及び構造の簡素化、コスト低減等の効果が得られる。

また、上記実施形態では設けなかったが、ディスク１１０に円周方向でインクリメンタルパターンを有する複数の反射スリットを設けてもよい。インクリメンタルパターンは、所定のピッチで規則的に繰り返されるパターンである。このインクリメンタルパターンは、複数の受光素子による検出の有無それぞれをビットとして絶対位置ｘを表すアブソリュートパターンと異なり、少なくとも１以上の受光素子による検出信号の和により、１ピッチ毎又は１ピッチ内のモータＭの位置を表す。従って、インクリメンタルパターンは、モータＭの絶対位置ｘを表すものではないが、アプソリュートパターンに比べると非常に高精度に位置を表すことが可能である。

１００ エンコーダ
１１０ ディスク
１２０ 磁気検出部（磁気検出機構の一例）
１３１ 光源（発光素子の一例、光学検出機構の一例）
１４１ Ａ相パルス生成部（第１検出信号生成部の一例）
１４２ Ｂ相パルス生成部（第２検出信号生成部の一例）
１４３ カウンタ（多回転検出部の一例）
１４４ パルス発生回路（発光制御部の一例）
１５０ 電源切替部
１４１１ コンパレータ
ＭＧ 磁石（磁気検出機構の一例）
ＰＡ 受光アレイ
ＰＤ 受光素子（光学検出機構の一例）
Ｒ１，Ｒ２ 固定抵抗
Ｓ スリット（光学検出機構の一例）
ＳＡ スリットアレイ
ＳＨ シャフト
ＳＭ サーボモータ（モータの一例）
ａ Ａ相パルス信号（第１検出信号の一例）
ｂ Ｂ相パルス信号（第２検出信号の一例）

Claims (8)

1. 回転可能な円板状のディスクと、
   前記ディスクの回転を磁気的に検出する磁気検出機構と、
   前記ディスクの回転を光学的に検出する光学検出機構と、
   前記磁気検出機構の出力に基づいて第１検出信号を生成する第１検出信号生成部と、
   前記光学検出機構の出力に基づいて前記第１検出信号と所定の位相差を有する第２検出信号を生成する第２検出信号生成部と、
   前記第１検出信号及び前記第２検出信号に基づいて前記ディスクの多回転量を検出する多回転検出部と、を備える、エンコーダ。
2. 前記エンコーダへの電源供給がバックアップ電源に切り替えられた場合に、前記第１検出信号のレベル変化を起点に前記光学検出機構の発光素子を所定時間点灯させた後消灯させる発光制御部をさらに備える、請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記磁気検出機構は、
   前記ディスクと共に回転する磁石と、
   前記磁石を検出する磁気検出部と、を有し、
   前記第１検出信号生成部は、
   前記磁気検出部による電圧と固定抵抗による電圧とをヒステリシスコンパレータにより比較し、前記第１検出信号を生成する、請求項１又は２に記載のエンコーダ。
4. 前記磁石は、
   磁束の向きが略１８０度の回転角度範囲毎に反転し、反転する位置が前記ディスクの原点位置に対応しており、
   前記第１検出信号生成部は、
   前記磁気検出機構の出力に基づいて、前記ディスクの１回転毎に１パルスとなる前記第１検出信号を生成する、請求項３に記載のエンコーダ。
5. 前記光学検出機構は、
   前記発光素子と、
   前記ディスクに略１８０度の回転角範囲に亘って連続して形成された円弧状のスリットと、
   前記発光素子から照射され前記スリットの作用を受けた光を受光する受光素子と、有し、
   前記第２検出信号生成部は、
   前記受光素子の出力に基づいて、前記ディスクの１回転毎に１パルスとなる前記第２検出信号を生成する、請求項４に記載のエンコーダ。
6. 前記光学検出機構は、
   前記ディスクに形成されたアブソリュートパターンを有するスリットアレイと、
   前記発光素子から照射され前記スリットアレイの作用を受けた光を受光する受光アレイと、を有し、
   前記エンコーダは、
   前記受光アレイの出力に基づいて前記ディスクの１回転内の絶対位置を表す絶対位置信号を生成する絶対位置信号生成部をさらに備える、請求項５に記載のエンコーダ。
7. 前記発光素子は、点光源として形成され、
   前記受光素子及び前記受光アレイは、
   前記発光素子から照射され前記スリット及び前記スリットアレイで反射された光を各々受光する、請求項６に記載のエンコーダ。
8. シャフトを回転させるモータと、
   前記シャフトの位置を検出するエンコーダと、を備え、
   前記エンコーダは、
   前記シャフトに連結された円板状のディスクと、
   前記ディスクの回転を磁気的に検出する磁気検出機構と、
   前記ディスクの回転を光学的に検出する光学検出機構と、
   前記磁気検出機構の出力に基づいて第１検出信号を生成する第１検出信号生成部と、
   前記光学検出機構の出力に基づいて前記第１検出信号と所定の位相差を有する第２検出信号を生成する第２検出信号生成部と、
   前記第１検出信号及び前記第２検出信号に基づいて前記ディスクの多回転量を検出する多回転検出部と、を有する、モータ。

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