JP2024014598A - エンコーダ及びエンコーダの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】誤差の発生を抑制するエンコーダ及びエンコーダの制御方法を提供する。【解決手段】バルクハウゼン特性を利用して、磁気エネルギーを電気パルスに変換する発電素子と、前記発電素子が生成した発電パルスの極性を検出する極性検知回路と、外部から電源が供給されたときに、前記発電素子に、直前の前記極性と逆方向に励磁電流を流して励磁する励磁回路と、を備えるエンコーダ。【選択図】図２

Description

本開示は、エンコーダ及びエンコーダの制御方法に関する。

特許文献１には、パルスワイヤと、ホール素子と、を備える位置検出器が開示されている。

米国特許第７５９８７３３号明細書

バッテリレスエンコーダとして、バルクハウゼン特性を利用して発電する発電素子を利用する場合がある。バルクハウゼン特性を利用して発電する発電素子はヒステリシスを有している。バルクハウゼン特性を利用して発電する発電素子はヒステリシスを有するため、一方向で発電した後に、十分な磁気飽和に達していない場合に反対方向の発電量が少なくなる場合がある。発電素子において、発電量が少ないと、エンコーダの回転誤差が発生する場合がある。

本開示は、誤差の発生を抑制するエンコーダ及びエンコーダの制御方法を提供する。

本開示の一の態様によれば、バルクハウゼン特性を利用して、磁気エネルギーを電気パルスに変換する発電素子と、前記発電素子が生成した発電パルスの極性を検出する極性検知回路と、外部から電源が供給されたときに、前記発電素子に、直前の前記極性と逆方向に励磁電流を流して励磁する励磁回路と、を備えるエンコーダを提供する。

本開示のエンコーダ及びエンコーダの制御方法によれば、誤差の発生を抑制できる。

図１は、本実施形態に係るエンコーダを用いるサーボモータシステムを説明する図である。 図２は、本実施形態に係るエンコーダを用いるサーボモータの構成を説明する図である。 図３は、本実施形態に係るエンコーダの回路構成を説明する図である。 図４は、本実施形態に係るエンコーダの回路構成を説明する図である。 図５は、本実施形態に係るエンコーダの回路構成を説明する図である。 図６は、本実施形態に係るエンコーダの回路構成を説明する図である。 図７は、本実施形態に係るエンコーダの回路構成を説明する図である。 図８は、本実施形態に係るエンコーダの回路構成を説明する図である。 図９は、本実施形態に係るエンコーダの回路構成を説明する図である。 図１０は、本実施形態に係るエンコーダの回路構成を説明する図である。 図１１は、本実施形態に係るエンコーダの処理を説明する図である。 図１２は、本実施形態に係るエンコーダの動作について説明する図である。 図１３は、本実施形態に係るエンコーダの動作について説明する図である。 図１４は、本実施形態に係るエンコーダの動作について説明する図である。 図１５は、本実施形態に係るエンコーダの動作を説明するフロー図である。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態に係る明細書及び図面の記載に関して、実質的に同一の又は対応する機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省略する場合がある。また、理解を容易にするために、図面における各部の縮尺は、実際とは異なる場合がある。

例えば、エンコーダに外部電源が供給されていない場合に、不揮発性メモリ内の演算装置によって、発電不良（後述するラントパルス（ＲｕｎｔＰｕｌｓｅ））による誤回転を修正できる場合がある。一方、発電不良（ラントパルス）が発生した後で、不揮発性メモリが誤回転を修正する前に外部から電源を投入されると、不揮発性メモリによる誤回転の修正ができない場合がある。本開示は、発電不良（ラントパルス）が発生した後で、不揮発性メモリが誤回転を修正する前に外部から電源を投入された場合に適用される。

＜サーボモータシステム＞
最初に、本実施形態に係るエンコーダを用いるサーボモータシステムについて説明する。図１は、本実施形態に係るエンコーダ１２を用いるサーボモータシステム１を説明する図である。

サーボモータシステム１は、サーボモータ１０と、サーボコントローラ２０と、を備える。サーボコントローラ２０は、サーボモータ１０から回転軸１１ａの位置情報及び回転情報の少なくともいずれか一方を取得する。サーボコントローラ２０は、取得した位置情報及び回転情報の少なくともいずれか一方を用いて、サーボモータ１０を制御する

サーボモータ１０は、モータ１１と、エンコーダ１２と、を備える。モータ１１は、配線Ｌ１を介してサーボコントローラ２０と接続する。エンコーダ１２は、配線Ｌ２を介してサーボコントローラ２０と接続する。

モータ１１は、サーボコントローラ２０からの指令に基づいて矢印ＡＲの方向に回転軸１１ａを回転する。具体的には、モータ１１は、サーボコントローラ２０から供給される電力に基づいて、矢印ＡＲの方向に回転軸１１ａを回転する。サーボコントローラ２０は、配線Ｌ１から制御した電力を供給することにより、モータ１１を制御する。モータ１１は、例えば、ＡＣ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ）モータ、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）モータ等である。

エンコーダ１２は、磁場の変動を検出して、モータ１１の回転軸１１ａ等の対象の位置情報及び回転情報の少なくともいずれか一方を検出する。また、エンコーダ１２は、検出した位置情報及び回転情報の少なくともいずれか一方を、配線Ｌ２を介してサーボコントローラ２０に出力する。なお、回転軸１１ａの位置情報とは、例えば、回転軸１１ａの回転方向の角度である。回転軸１１ａの回転情報とは、例えば、回転軸１１ａの回転速度又は回転軸１１ａが所定の時点から何回転したかを示す回転回数である。

＜サーボモータ１０＞
次に、本実施形態に係るエンコーダ１２を用いるサーボモータ１０の構成について説明する。図２は、本実施形態に係るエンコーダ１２を用いるサーボモータ１０の構成を説明する図である。なお、矢印付き線は、電力又は電流の供給の流れを示す。

［モータ１１］
モータ１１は、回転軸１１ａのエンコーダ１２側に設けられるディスク１１ｄと、ディスク１１ｄ上に設けられる磁石１１ｍと、を備える。なお、モータ１１は、回転軸１１ａ、ディスク１１ｄ及び磁石１１ｍ以外に、回転軸１１ａを支持する軸受、回転軸１１ａを回転させるためのステータを構成する巻線、鉄芯及びロータを構成する永久磁石等の周知の要素を備えるが、ここでは説明を省略する。

ディスク１１ｄは、回転軸１１ａに固定される。ディスク１１ｄは、回転軸１１ａの矢印ＡＲの方向への回転に伴って、回転軸１１ａと一緒に回転する。ディスク１１ｄのエンコーダ１２側の面に、磁石１１ｍが固定される。

磁石１１ｍは、ネオジム等により形成される永久磁石である。磁石１１ｍは、ディスク１１ｄの面に平行な方向に、Ｎ極とＳ極を有するように設けられる。磁石１１ｍがディスク１１ｄとともに回転すると、エンコーダ１２側の磁場が変化する。

［エンコーダ１２］
エンコーダ１２について説明する。エンコーダ１２は、磁石１１ｍの回転によって変化する磁場によって、回転軸１１ａの位置情報及び回転情報の少なくともいずれか一方を検出する。本実施形態に係るエンコーダ１２は、少なくともマルチターンエンコーダとして動作する。すなわち、エンコーダ１２は、回転軸１１ａが何回転したかを計数する。また、エンコーダ１２は、磁石１１ｍの回転によって変化する磁場によって、エンコーダ１２を動作させるために必要な電力を生成する。

エンコーダ１２は、発電素子１２ｇと、整流回路１２ａと、安定化電源回路１２ｂと、反転検知回路１２ｃと、極性検知回路１２ｄと、駆動回路１２ｅと、ホール素子１２ｈと、信号処理回路１２ｆと、制御回路１２ｐと、記憶部１２ｒと、を備える。なお、整流回路１２ａ及び安定化電源回路１２ｂをまとめて電源回路１２ｎという。また、極性検知回路１２ｄ、駆動回路１２ｅ及び信号処理回路１２ｆをまとめて回転検知回路１２ｍと呼ぶ。

エンコーダ１２は、移動による磁束の変化により発電する発電素子１２ｇと、磁場を計測するホール素子１２ｈと、を備える。発電素子１２ｇ及びホール素子１２ｈのそれぞれは、磁石１１ｍにより生じる磁場の影響を受けやすいように、エンコーダ１２のモータ１１側に設けられる。

［発電素子１２ｇ］
発電素子１２ｇは、磁気エネルギーを電気パルスに変換して発電する素子である。発電素子１２ｇは、バルクハウゼン特性を利用して発電する発電素子である。発電素子１２ｇは、例えば、環境発電機（ＥＨＧ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）であるウィーガントワイヤ（Ｗｉｅｇａｎｄ ｗｉｒｅ）である。

発電素子１２ｇは、ハードコアと、ハードコアの周りに巻き付けられたソフトレイヤと、を備える。ハードコアは、保磁力の大きな素材により形成される。ソフトレイヤは、保磁力の小さい素材により形成される。発電素子１２ｇは、外部磁場の向きが反転する際に、発電パルスが発生する。

例えば、ウィーガントワイヤは、外部磁界が反転する零点近傍で、外部磁束の変化速度に依存せずに電気パルスを発生する。したがって、ウィーガントワイヤは、回転軸１１ａの回転速度によらずに一定の電力を発生する。ウィーガントワイヤは、低速の回転（移動）よる緩やかな磁束変化でも安定した電気パルス（電圧パルス）を発生する。ウィーガントワイヤは、磁場が反転するタイミングで電気パルスが発生する。

発電素子１２ｇにおいて、環境発電機を利用することにより、エンコーダ１２は、電池又は外部電源が不要である。すなわち、エンコーダ１２は、バッテリーレスのエンコーダである。ウィーガントワイヤは、回転軸１１ａの回転速度によらずに一定の電力を発生すること、特に低速回転でも安定した発電波形が得られることから、バッテリーレスのエンコーダであるエンコーダ１２の発電素子１２ｇとして使用するのに適している。

なお、発電素子１２ｇは、ウィーガントワイヤに限らず、バルクハウゼン特性を利用して発電する発電素子であればよい。

［ホール素子１２ｈ］
ホール素子１２ｈは、駆動電流が流れる半導体素子を横切る磁場を検出する。エンコーダ１２では、ホール素子１２ｈは、磁石１１ｍにより生じる磁場を主に検出する。ホール素子１２ｈは、例えば、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）等の半導体素子により構成される。ホール素子１２ｈは、駆動電流及び駆動電流を横切る磁束密度に比例した電圧を出力する。

ホール素子１２ｈは、磁場の検出信号を信号処理回路１２ｆに出力する。ホール素子１２ｈは、駆動回路１２ｅから定電流Ｉｄｒが供給される。

ホール素子１２ｈには、発電素子１２ｇで生成された電力を、整流回路１２ａで整流し、更に駆動回路１２ｅで定電流化された電流（定電流Ｉｄｒ）が供給される。

なお、エンコーダ１２は、１個のホール素子を備えているが、ホール素子の個数に関しては、１個に限らない。エンコーダ１２は、ホール素子を複数備えてもよい。また、磁場の測定は磁気を検出可能な素子（磁気検出素子）であれば、ホール素子に限らない。例えば、ホール素子１２ｈに換えて、磁気抵抗効果素子等を用いてもよい。

エンコーダ１２が備える回路構成について、図３に基づいて説明する。図３は、本実施形態に係るエンコーダ１２の回路構成を説明する図である。

［整流回路１２ａ］
整流回路１２ａは、発電素子１２ｇが生成した電力を整流して、正の電圧を生成する。整流回路１２ａは、全波整流回路１２ａ１と、コンデンサ１２ａ２と、を備える。

全波整流回路１２ａ１は、発電素子１２ｇが生成した電圧Ｖｇｎの正負のパルスを正のパルスに整流する。全波整流回路１２ａ１は、いわゆる、ダイオードブリッジ回路である。例えば、発電素子１２ｇがウィーガントワイヤである場合に、発電素子１２ｇは、正負のパルスを生成する。全波整流回路１２ａ１は、発電素子１２ｇが生成した正負のパルスを、正のパルスに変換する。

コンデンサ１２ａ２は、発電素子１２ｇが発電した電力を蓄電する。また、コンデンサ１２ａ２は、全波整流回路１２ａ１が生成した正のパルスを平滑化する。コンデンサ１２ａ２は、全波整流回路１２ａ１の出力端子と、共通電位との間に設けられる。コンデンサ１２ａ２によって正のパルスが平滑化されることにより、整流回路１２ａから、平滑化された電圧Ｖｒｃが出力される。

［安定化電源回路１２ｂ］
安定化電源回路１２ｂは、整流回路１２ａから出力された電圧を略一定の電圧にして出力する。安定化電源回路１２ｂは、レギュレータ１２ｂ１を備える。レギュレータ１２ｂ１は、例えば、ＬＤＯ（Ｌｏｗ Ｄｒｏｐｏｕｔ）レギュレータである。

安定化電源回路１２ｂは、所定の大きさの電圧が入力されると、略一定の電圧Ｖｄｄを出力する。

［反転検知回路１２ｃ］
反転検知回路１２ｃは、停止した後に逆向きに反転したことを検出する回路である。図４は、本実施形態に係るエンコーダ１２が備える反転検知回路１２ｃの回路構成を説明する図である。反転検知回路１２ｃは、ランプ電流生成回路１２ｃ１と、スイッチ回路１２ｃ２及びスイッチ回路１２ｃ３と、差動検出回路１２ｃ４と、電流検知抵抗１２ｃ５と、電流検知回路１２ｃ６と、励磁成分減算回路１２ｃ７と、比較回路１２ｃ８と、を備える。反転検知回路１２ｃは、エンコーダ１２の外部から電源が供給されることにより動作する。

反転検知回路１２ｃは、ランプ電流である電流Ｉｅｘを励磁電流として発電素子１２ｇに印加する。反転検知回路１２ｃは、電流Ｉｅｘを発電素子１２ｇに向きを切り替えて流せるように、スイッチ回路１２ｃ２及びスイッチ回路１２ｃ３を、発電素子１２ｇの両側端子に接続している。そして、反転検知回路１２ｃは、電流Ｉｅｘを発電素子１２ｇに印加中に、発電素子１２ｇの両側端子に発生する電圧Ｖｕと電圧Ｖｄとの差動電圧である電圧ｄＶを差動検出回路１２ｃ４で検知する。電圧Ｖｕと電圧Ｖｄとの差動電圧である電圧ｄＶは、発電素子１２ｇに残存するエネルギーで発電するパルス電圧と、電流Ｉｅｘで励磁している電圧とが合成された電圧である。

（ランプ電流生成回路１２ｃ１）
ランプ電流生成回路１２ｃ１は、一定の比率で電流値が上昇する電流を生成する回路である。ランプ電流生成回路１２ｃ１は、単調増加する励磁電流を生成する。図５は、本実施形態に係るエンコーダ１２におけるランプ電流生成回路１２ｃ１の回路構成を説明する図である。ランプ電流生成回路１２ｃ１は、ランプ電圧発生器１２ｃ１ａと、電圧電流変換器１２ｃ１ｂと、を備える。

ランプ電圧発生器１２ｃ１ａは、略一定の比率で上昇する電圧Ｖｓｌを生成する。ランプ電圧発生器１２ｃ１ａは、パルス発生回路３１と、フィルタ回路３２と、を備える。ランプ電圧発生器１２ｃ１ａは、一定の比率で上昇するスロープ状の電圧を生成することが理想である。しかしながら、バッテリレスエンコーダでは、消費電流と回路規模を低減することが求められている。したがって、本実施形態に係るエンコーダ１２では、時定数を大きくしたフィルタ回路３２を用いて、パルス発生回路３１から発生したステップ状の電圧をフィルタ処理することにより、ランプ電圧である電圧Ｖｓｌを生成する。

パルス発生回路３１は、ステップ状の電圧を生成するパルス発生器３１ａを備える。フィルタ回路３２は、抵抗３２ａと、コンデンサ３２ｂと、を備えるローパスフィルタである。フィルタ回路３２の時定数を大きくすることによって、一定の比率で上昇するスロープ状に電圧を変化させることができる。

なお、発電素子１２ｇによる発電パルスは、１０キロヘルツから１００キロヘルツ程度の周波数成分を有する電圧パルスである。したがって、発電素子１２ｇによる発電パルスが検出されやすいように、ランプ電圧発生器１２ｃ１ａは、例えば、２００ヘルツから１キロヘルツ程度の周波数成分を有するランプ電圧を生成するように、フィルタ回路３２の定数を選定する。

電圧電流変換器１２ｃ１ｂは、電圧Ｖｓｌを電流Ｉｅｘに変換する。電圧電流変換器１２ｃ１ｂは、差動増幅器４１と、抵抗４２、抵抗４３、抵抗４４、抵抗４５及び抵抗４６と、を備える。抵抗４６の両端に電圧Ｖｓｌに比例した電位差が発生する。したがって、電圧電流変換器１２ｃ１ｂは、電圧Ｖｓｌを、電圧Ｖｓｌに比例した電流Ｉｅｘに変換する。

（スイッチ回路１２ｃ２及びスイッチ回路１２ｃ３）
スイッチ回路１２ｃ２及びスイッチ回路１２ｃ３は、発電素子１２ｇに流す電流の向きを切り替える。スイッチ回路１２ｃ２及びスイッチ回路１２ｃ３は、直前に発生した発電パルスと逆方向に電流Ｉｅｘを流すように切り替えられる。具体的には、制御回路１２ｐは、直前に発生した発電パルスの向きをメモリから読み出す。そして、電流Ｉｅｘの向きが、直前に発生した発電パルスの向きと逆方向になるように、制御信号Ｃｓｌを切り替える。

スイッチ回路１２ｃ２及びスイッチ回路１２ｃ３のそれぞれは、接点ａ、接点ｂ及び接点ｃを備える。スイッチ回路１２ｃ２及びスイッチ回路１２ｃ３のそれぞれは、制御信号Ｃｓｌに応じて、接点ａ又は接点ｂのいずれか一方を接点ｃに接続する。

例えば、図４においては、電流Ｉｅｘは、スイッチ回路１２ｃ３から発電素子１２ｇに供給される。そして、発電素子１２ｇを流れた電流Ｉｅｘは、スイッチ回路１２ｃ２に流れる。また、制御信号Ｃｓｌによって、図４に示す状態から切り替えることにより、電流Ｉｅｘは、スイッチ回路１２ｃ２から発電素子１２ｇに供給される。また、制御信号Ｃｓｌによって、図４に示す状態から切り替えることにより、発電素子１２ｇを流れた電流Ｉｅｘは、スイッチ回路１２ｃ３に流れる。

（差動検出回路１２ｃ４）
差動検出回路１２ｃ４は、発電素子１２ｇにおける電流Ｉｅｘが流れる向きに対して上流側の電圧Ｖｕと下流側の電圧Ｖｄとの差分である電圧ｄＶを出力する。図６は、本実施形態に係るエンコーダ１２における差動検出回路１２ｃ４の回路構成を説明する図である。差動検出回路１２ｃ４は、差動増幅器５１、差動増幅器５２及び差動増幅器５３と、抵抗５４、抵抗５５、抵抗５６、抵抗５７、抵抗５８、抵抗５９及び抵抗６０と、を備える。

差動検出回路１２ｃ４は、フロントエンドに差動増幅器５１、差動増幅器５２、抵抗５６、抵抗５９及び抵抗６０を備える。差動増幅器５１、差動増幅器５２、抵抗５６、抵抗５９及び抵抗６０は、オペアンプバッファとして機能する。差動増幅器５３、抵抗５４、抵抗５５、抵抗５７及び抵抗５８は、フロントエンドからの入力を差動増幅する差動増幅回路である。

（電流検知抵抗１２ｃ５）
電流検知抵抗１２ｃ５は、発電素子１２ｇを流れた電流Ｉｅｘを共通電位に流す抵抗である。電圧Ｖｄは、電流検知抵抗１２ｃ５を流れる電流Ｉｅｘの大きさに比例して変動する。したがって、電圧Ｖｄにより、励磁電流である電流Ｉｅｘの大きさを検出できる。

（電流検知回路１２ｃ６）
電流検知回路１２ｃ６は、発電素子１２ｇにおける電流Ｉｅｘを検知する。具体的には、電流検知抵抗１２ｃ５における電圧Ｖｄを検知することにより、電流Ｉｅｘを検知して、電圧Ｖｂを出力する。図７は、本実施形態に係るエンコーダ１２における電流検知回路１２ｃ６の回路構成を説明する図である。電流検知回路１２ｃ６は、差動増幅器６１と、抵抗６２及び抵抗６３と、を備える。電流検知回路１２ｃ６は、いわゆる非反転増幅器である。

（励磁成分減算回路１２ｃ７）
励磁成分減算回路１２ｃ７は、差動検出回路１２ｃ４が出力した電圧ｄＶから、電流Ｉｅｘによる電圧成分であるＶｂを差し引く。差動検出回路１２ｃ４が出力した電圧ｄＶから、電流Ｉｅｘによる電圧成分であるＶｂを差し引くことにより、励磁成分減算回路１２ｃ７は発電素子１２ｇにおいて発生した電圧Ｖｇを出力する。図８は、本実施形態に係るエンコーダ１２における励磁成分減算回路１２ｃ７の回路構成を説明する図である。励磁成分減算回路１２ｃ７は、差動増幅器７１と、抵抗７２、抵抗７３、抵抗７４及び抵抗７５と、を備える。差動増幅器７１、抵抗７２、抵抗７３、抵抗７４及び抵抗７５は、いわゆる差動増幅回路である。

（比較回路１２ｃ８）
比較回路１２ｃ８は、電圧Ｖｇと基準となる電圧（閾値）とを比較して閾値処理を行う。比較回路１２ｃ８は、電圧Ｖｇを閾値処理して反転信号Ｓｒｐを出力する。

［極性検知回路１２ｄ］
極性検知回路１２ｄは、発電素子１２ｇが生成した電力の極性を検知する。図９は、本実施形態に係るエンコーダ１２における極性検知回路１２ｄの回路構成を説明する図である。極性検知回路１２ｄは、比較器１２ｄ１と、フィルタ回路１２ｄ２と、ダイオード１２ｄ３と、を備える。ダイオード１２ｄ３は、極性検知回路１２ｄから発電素子１２ｇに電流が流れることを防止する。フィルタ回路１２ｄ２は、抵抗１２ｄ２ａと、コンデンサ１２ｄ２ｂと、を備えるローパスフィルタである。

比較器１２ｄ１は、電圧Ｖｇｎｓと基準となる電位（基準電位Ｖｒｅｆ２）とを比較して、比較結果を制御回路１２ｐに出力する。比較器１２ｄ１は、いわゆるコンパレータである。比較器１２ｄ１は、差動増幅器１２ｄ１ａと、抵抗１２ｄ１ｂ、抵抗１２ｄ１ｃ及び抵抗１２ｄ１ｄと、を備える。差動増幅器１２ｄ１ａには、安定化電源回路１２ｂから電圧Ｖｄｄの電力が供給される。差動増幅器１２ｄ１ａは、発電素子１２ｇの出力の電圧Ｖｇｎをフィルタ回路１２ｄ２により平滑化した電圧Ｖｇｎｓと、電圧Ｖｄｄを抵抗１２ｄ１ｃ及び抵抗１２ｄ１ｄとで分圧して生成した基準電位Ｖｒｅｆ２とを比較する。そして、差動増幅器１２ｄ１ａは、比較結果を電圧信号である極性信号Ｓｐｌとして制御回路１２ｐに出力する。抵抗１２ｄ１ｂは帰還抵抗である。

［駆動回路１２ｅ］
駆動回路１２ｅは、ホール素子１２ｈに定電流Ｉｄｒを供給するいわゆる定電流回路である。駆動回路１２ｅは、定電流源として動作する。エンコーダ１２は、ホール素子１２ｈを定電流Ｉｄｒで駆動する。駆動回路１２ｅは、駆動電流として定電流がホール素子１２ｈに流れるように、ホール素子１２ｈに駆動電力を供給する。図１０は、本実施形態に係るエンコーダ１２における駆動回路１２ｅ及びホール素子１２ｈの回路構成を説明する図である。なお、図１０においては、抵抗１２ｈ１、抵抗１２ｈ２、抵抗１２ｈ３及び抵抗１２ｈ４を備えるブリッジ回路を用いて、ホール素子１２ｈを等価的に示す。

駆動回路１２ｅは、トランジスタ１２ｅ１と、電流検出用抵抗１２ｅ２と、差動増幅器１２ｅ３と、を備える。また、駆動回路１２ｅは、抵抗１２ｅ４と、ツェナーダイオード１２ｅ５と、コンデンサ１２ｅ６と、を備える。

トランジスタ１２ｅ１は、ホール素子１２ｈに定電流が流れるように制御される。トランジスタ１２ｅ１のゲート端子には、差動増幅器１２ｅ３の出力端子が接続される。差動増幅器１２ｅ３は、＋端子と－端子との間の電位差に基づく電圧を、出力端子から出力する。駆動回路１２ｅは、＋端子に入力される電圧と、電流検出用抵抗１２ｅ２の抵抗値に基づく一定の電流（定電流Ｉｄｒ）が、トランジスタ１２ｅ１のソースとゲートの間に流れるように制御される。

ホール素子１２ｈは、定電流Ｉｄｒにより駆動され、定電流Ｉｄｒ及びホール素子１２ｈを横切る磁束密度に比例する電圧Ｖｈ＋及び電圧Ｖｈ－を出力する。

なお、駆動回路１２ｅは、安定化電源回路１２ｂから供給される電圧Ｖｄｄにより駆動される。

［信号処理回路１２ｆ］
信号処理回路１２ｆは、ホール素子１２ｈからの検出信号を処理して、磁石１１ｍの磁場の方向を検出する。図３を用いて、信号処理回路１２ｆについて説明する。

信号処理回路１２ｆは、差動増幅器１２ｆ１と、比較器１２ｆ２と、を備える。

（差動増幅器１２ｆ１）
差動増幅器１２ｆ１は、ホール素子１２ｈから出力された電圧Ｖｈ＋及び電圧Ｖｈ－の電位差を増幅した電圧Ｖｄを、比較器１２ｆ２に出力する。差動増幅器１２ｆ１には、安定化電源回路１２ｂから電圧Ｖｄｄの電力が供給される。

（比較器１２ｆ２）
比較器１２ｆ２は、差動増幅器１２ｆ１から出力された電圧Ｖｄと基準となる電位（基準電位Ｖｒｅｆ）とを比較して、比較結果を制御回路１２ｐに出力する。比較器１２ｆ２は、いわゆるコンパレータである。比較器１２ｆ２は、差動増幅器１２ｆ２ａと、抵抗１２ｆ２ｂ、抵抗１２ｆ２ｃ及び抵抗１２ｆ２ｄと、を備える。差動増幅器１２ｆ２ａには、安定化電源回路１２ｂから電圧Ｖｄｄの電力が供給される。差動増幅器１２ｆ２ａは、差動増幅器１２ｆ１の出力の電圧Ｖｄと、電圧Ｖｄｄを抵抗１２ｆ２ｃ及び抵抗１２ｆ２ｄとで分圧して生成した基準電位Ｖｒｅｆとを比較して、比較結果を電圧信号である磁極信号Ｓｍｇとして制御回路１２ｐに出力する。抵抗１２ｆ２ｂは帰還抵抗である。

［制御回路１２ｐ］
制御回路１２ｐは、信号処理回路１２ｆからの入力に基づいて、モータ１１の回転軸１１ａの回転位置、回転数等の位置情報及び回転情報の少なくともいずれか一方を算出する。また、制御回路１２ｐは、検出したモータ１１の回転軸１１ａの位置情報及び回転情報の少なくともいずれか一方を記録したり、外部の制御システム、例えば、サーボコントローラ２０、に伝送したりする。

制御回路１２ｐは、例えば、マイコン、ＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）等である。また、制御回路１２ｐは、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）等でもよい。

制御回路１２ｐは、外部に設けられた記憶部１２ｒに接続する。なお、制御回路１２ｐは、外部の記憶部１２ｒに換えて、強誘電体メモリ等の不揮発性のメモリを内部に備えてもよい。

制御回路１２ｐは、端子ＰＷＲ、端子ＳＩＧ１、端子ＳＩＧ２、端子ＳＩＧ３及び端子ＣＴＬを少なくとも備える。

制御回路１２ｐの端子ＰＷＲはプラス側の電源が供給される端子である。端子ＰＷＲには、安定化電源回路１２ｂから電圧Ｖｄｄの電力が供給される。制御回路１２ｐは、端子ＰＷＲに電力が供給されることにより動作する。

制御回路１２ｐの端子ＳＩＧ１、端子ＳＩＧ２及び端子ＳＩＧ３のそれぞれは、外部から信号が入力される端子である。

端子ＳＩＧ１は、信号処理回路１２ｆに接続される。端子ＳＩＧ１から、信号処理回路１２ｆで検出された検出結果である磁極信号Ｓｍｇが入力される。磁極信号Ｓｍｇは、ホール素子１２ｈで検出された磁場の方向を示す信号である。

端子ＳＩＧ２は、極性検知回路１２ｄに接続される。端子ＳＩＧ２から、極性検知回路１２ｄで検出された検出結果である極性信号Ｓｐｌが入力される。極性信号Ｓｐｌは、発電素子１２ｇの発電極性を示す信号である。

本実施形態に係るエンコーダ１２は、回転軸１１ａが何回転したかを計数する。制御回路１２ｐは、磁極信号Ｓｍｇ及び極性信号Ｓｐｌを用いて、回転軸１１ａが何回転したかを計数する。また、制御回路１２ｐは、磁極信号Ｓｍｇ及び極性信号Ｓｐｌを用いて、回転軸１１ａが一周を９０度ごとに分けた領域のどの領域にあるかを検出する。そして、制御回路１２ｐは、回転軸１１ａが何回転したか計数した結果と回転軸がどの領域にあるかを検出した結果を、記憶部１２ｒに保存する。また、制御回路１２ｐは、最後に検出した磁極信号Ｓｍｇ及び極性信号Ｓｐｌを記憶部１２ｒに保存する。

端子ＳＩＧ３は、反転検知回路１２ｃに接続される。端子ＳＩＧ３から、反転検知回路１２ｃで検出された検出結果である反転信号Ｓｒｐが入力される。反転信号Ｓｒｐは、回転軸の反転が検出されたかどうかを示す信号である。

制御回路１２ｐの端子ＣＴＬは、外部に信号を出力する端子である。端子ＣＴＬは、反転検知回路１２ｃに接続される。端子ＣＴＬから、反転検知回路１２ｃに、制御信号Ｃｓｌを出力する。制御回路１２ｐは、外部から電源が供給されると、記憶部１２ｒから最後に検出した極性信号Ｓｐｌを読み出す。そして、制御回路１２ｐは、読み出した極性信号Ｓｐｌと反対の方向に励磁するように、制御信号Ｃｓｌを出力する。反転検知回路１２ｃは、制御回路１２ｐから出力された制御信号Ｃｓｌに基づいて、発電素子１２ｇを励磁する。

［記憶部１２ｒ］
記憶部１２ｒは、例えば、回転カウント等を保存する。記憶部１２ｒは、例えば、強誘電体メモリである。制御回路１２ｐは、記憶部１２ｒに、回転軸１１ａが何回転したか示す計数値と、回転軸の位置と、最後に検出した磁極信号Ｓｍｇ及び極性信号Ｓｐｌと、を少なくとも保存する。

＜エンコーダ１２の処理＞
図１１は、本実施形態に係るエンコーダ１２の処理を説明する図である。図１１に示すように発電素子１２ｇの発電デバイスであるウィーガントワイヤを配置した場合、磁石１１ｍの回転と共に発電が角度１８０度ごとに発生する。図１１に示す配置の場合、角度０度付近で時計向きに回るとマイナス発電、反時計向きに回るとプラス発電となる。一方、角度１８０度付近では、時計向きに回るとプラス発電、反時計向きに回るとマイナス発電となる。

また、図１１に示すように配置したホール素子１２ｈのセンサ極性は、角度０度から角度９０度及び角度２７０度から角度３６０度（角度０度）、すなわち、図１１の右側半分ではＮになる。一方、ホール素子１２ｈのセンサ極性は、角度９０度から角度２７０度、すなわち、図１１の左側半分ではＳとなる。

したがって、発電素子１２ｇの発電極性と、ホール素子１２ｈのセンサ極性から角度９０度で位置が検出可能である。角度９０度の位置検出を発電のタイミング（角度０度付近及び角度１８０度付近）で実施する。

具体的には、発電素子１２ｇの発電極性がマイナスで、ホール素子１２ｈのセンサ極性がＮの場合、回転軸１１ａの位置は、角度が０度から９０度の範囲である位置ＰＯＳ０であると判断する。発電素子１２ｇの発電極性がマイナスで、ホール素子１２ｈのセンサ極性がＳの場合、回転軸１１ａの位置は、角度が９０度から１８０度の範囲である位置ＰＯＳ２であると判断する。

発電素子１２ｇの発電極性がプラスで、ホール素子１２ｈのセンサ極性がＳの場合、回転軸１１ａの位置は、角度が１８０度から２７０度の範囲である位置ＰＯＳ１であると判断する。発電素子１２ｇの発電極性がプラスで、ホール素子１２ｈのセンサ極性がＮの場合、回転軸１１ａの位置は、角度が２７０度から３６０度（０度）の範囲である位置ＰＯＳ３であると判断する。

そして、発電素子１２ｇの発電極性と、ホール素子１２ｈのセンサ極性により、例えば角度０度を時計方向を正とした場合の回転数を求める。本実施形態に係るエンコーダ１２の位置検出について、発電素子１２ｇにおける発電では、１回転すると、２回パルスが発生する。発生する２回のパルスは、プラスのパルス及びマイナスのパルスがそれぞれ１回ずつである。また、発生するパルスの極性は、逆回転の時は、正回転のときと逆の符号となる。

発電パルスの極性だけでは角度３６０度の範囲において位置を検出できないが、発電パルスと９０度位相が異なる位置にホール素子１２ｈを配置することで、発電パルスの極性とホール素子１２ｈの極性で９０度位相を検知することができる。また、前回の発電位置と今回の発電位置を比較することで、角度０度を基準角度とすると、基準角度を何回回転したかを決定できる。

＜エンコーダ１２の動作＞
エンコーダ１２を動作させているときの発電素子１２ｇについて説明する。図１２は、本実施形態に係るエンコーダ１２の動作させているときの発電素子１２ｇの状態について説明する図である。図１２は、バルクハウゼン特性を有する発電素子１２ｇについて、外部磁場に対する磁化特性について説明する図である。

図１２の横軸は、発電素子１２ｇにおける外部磁場Ｈｅｘｔを示す。図１２は、発電素子１２ｇにおける磁化を示す。線Ｌａは、一方の方向に回転するときの発電素子１２ｇの磁化状態を示す。

また、図１２において、発電素子１２ｇの磁化状態を説明するために簡易図ＰＳ１、簡易図ＰＳ２、簡易図ＡＳ１及び簡易図ＡＳ２を示す。簡易図ＰＳ１、簡易図ＰＳ２、簡易図ＡＳ１及び簡易図ＡＳ２のそれぞれにおいて、中心の円柱はハードコアＨＣ、外側の円筒はソフトレイヤＳＬを表す。また、ハードコアＨＣ及びソフトレイヤＳＬのそれぞれにおける矢印により、それぞれの磁化の向きを示す。

なお、簡易図ＰＳ１は、ハードコアＨＣ及びソフトレイヤＳＬのそれぞれにおける磁化が正の外部磁場に対して同じ向きを向いている状態（パラレル状態）を示す。簡易図ＰＳ２は、ハードコアＨＣ及びソフトレイヤＳＬのそれぞれにおける磁化が負の外部磁場に対して同じ向きを向いている状態（パラレル状態）を示す。簡易図ＡＳ１は、ハードコアＨＣが正の外部磁場の向き、ソフトレイヤＳＬが負の外部磁場の向きになっていて、互いに反対向きとなっている状態（アンチパラレル状態）を示す。簡易図ＡＳ２は、ハードコアＨＣが負の外部磁場の向き、ソフトレイヤＳＬが正の外部磁場の向きになっていて、互いに反対向きとなっている状態（アンチパラレル状態）を示す。

最初に、一方向に回転する場合における発電素子１２ｇの特性について説明する。ここでは、点Ａから一方の方向に回る場合について説明する。なお、点Ａは、発電素子１２ｇに最大の外部磁場がかかっている状態を示す。点Ａは、図１１における角度９０度または角度２７０度に相当する。点Ａにおいて、発電素子１２ｇは、ハードコアＨＣ及びソフトレイヤＳＬの両方が、正の外部磁場の向きに磁化されている（パラレル状態）。

磁石が回転すると、点Ａから矢印Ｂに沿って、発電素子１２ｇの磁化状態が変化する。そして、外部磁場Ｈｅｘｔが正から負になると、ウィーガント効果により、矢印Ｃに示すように、急激に磁化が変化する。磁化が急激に変化するのは、ソフトレイヤＳＬの磁化が反転する際に生じる大バルクハウゼンジャンプが発生するからである。矢印Ｃに示すように、磁化が急激に変化することにより、発電素子１２ｇにおいて大きな発電パルスが発生する。また、発電素子１２ｇは、簡易図ＡＳ１に示すようにアンチパラレル状態になる。

そして、更に磁石が回転すると、矢印Ｄに沿って発電素子１２ｇの磁化状態が変化する。点Ｅまで到達すると、簡易図ＰＳ２に示すように、発電素子１２ｇはパラレル状態になっている。

そして、上記の説明と同様に、発電素子１２ｇの磁化状態は、点Ｅから矢印Ｆに沿って変化する。そして、外部磁場Ｈｅｘｔが負から正になると、ウィーガント効果により、矢印Ｇに示すように、急激に磁化が変化する。矢印Ｇに示すように、磁化が急激に変化することにより、発電素子１２ｇにおいて大きな発電パルスが発生する。また、発電素子１２ｇは、簡易図ＡＳ２に示すようにアンチパラレル状態になる。そして、矢印Ｈに沿って磁化状態が変化する。

このように、線Ｌａのようなループ（メジャーループ）により発電素子１２ｇの磁化状態が変化すると、矢印Ｃ及び矢印Ｇで示すように、大きな発電パルスが発生する。

ここで、例えば、矢印Ｃで示すように大きな発電パルスが発生した後に、点Ｘにおいて、逆に回転した場合、すなわち、点Ｘにおいて反転した場合について説明する。

点Ｘで反転すると、線Ｌｚに示すように状態が変化する。点Ｘで反転すると、矢印Ｍに沿って、発電素子１２ｇの磁化状態が変化する。なお、点Ｘで反転すると、簡易図ＰＳ２に示すようなパラレル状態になる前に、外部磁場Ｈｅｘｔが反対方向に変化する。すなわち、発電素子１２ｇは、十分磁化される前に、逆方向に外部磁場Ｈｅｘｔがかかる。そのため、矢印Ｎに示すように、小さく磁化が変動する。矢印Ｎに示すように、小さな磁化変動による発電パルスをラントパルス（ＲｕｎｔＰｕｌｓｅ）という。

ラントパルスが発生すると、発電量が小さいため、反転したことがカウントされず、回転誤差となる。

そこで、本実施形態に係るエンコーダ１２は、反転検知回路１２ｃにより、反転したことを検知する。具体的には、反転検知回路１２ｃから、発電素子１２ｇに、直前に検知した発電パルスと逆向きにランプ電流である電流Ｉｅｘを流す。電流Ｉｅｘを流すと、例えば、図１２において、矢印Ｐに沿って磁化状態が変化する。すると、矢印Ｑに示すように、線Ｌａ（メジャーループ）とエネルギーの差による発電が発生する。矢印Ｑによる発電は、発電素子１２ｇの両端の電圧を差動検出回路１２ｃ４で検出することにより検出できる。なお、反転検知回路１２ｃにおいて、差動検出回路１２ｃ４からランプ電流である電流Ｉｅｘの成分を減算することにより、発電素子１２ｇで発生した残存エネルギーによる発電パルスのみを取り出す。そして、残存エネルギーによる発電パルスの電圧が、一定レベル以上あれば、外部電源投入時に発電素子１２ｇに残存エネルギーが残っていたことを検知できる。すなわち、発電素子１２ｇにおいて、ラントパルスが発生したことが確認できる。

図１３及び図１４のそれぞれは、本実施形態に係るエンコーダ１２を動作させたときの動作結果について説明する図である。図１３及び図１４のそれぞれは、本実施形態に係るエンコーダ１２の動作をシミュレーションにより求めた結果である。

図１３及び図１４の縦軸は電圧、横軸は時間を示す。図１３の線Ｌｇは、発電素子１２ｇにおける残存エネルギーによる発電パルスを示す。図１３の線Ｌｖｇは、励磁成分減算回路１２ｃ７における出力電圧である電圧Ｖｇを示す。図１４の線Ｌｄｖは、差動検出回路１２ｃ４における出力である電圧ｄＶを示す。図１４の線Ｌｖｂは、電流検知抵抗１２ｃ５における出力である電圧Ｖｂを示す。

図１４の線Ｌｖｂに示すように、ランプ電流生成回路１２ｃ１から一定の比率で電流値が上昇する電流（ランプ電流）である電流Ｉｅｘが生成される。ランプ電流である電流Ｉｅｘが発電素子１２ｇを流れることにより、発電素子１２ｇの両端の電圧を示す電圧ｄＶは、図１４の線Ｌｄｖに示すように、電流Ｉｅｘが上昇するのに応じて、電圧が高くなる。

ここで、図１３の線Ｌｇに示すように、時刻０．５ミリ秒（ｍｓ）付近において、残存エネルギーによる発電パルスが発生する。残存エネルギーによる発電パルスが発生すると、図１４の線Ｌｄｖに示すように、発電素子１２ｇの両端の電圧を示す電圧ｄＶが大きくなる。したがって、図１３の線Ｌｖｇに示すように、反転検知回路１２ｃにおいて電流Ｉｅｘによる電圧上昇分を差し引くことにより、残存エネルギーによる発電パルスを検出できる。

本実施形態に係るエンコーダ１２における処理について説明する。本実施形態に係るエンコーダ１２における処理について説明することによって、エンコーダ１２の制御方法に含まれる工程を説明する。図１５は、本実施形態に係るエンコーダ１２の動作を説明するフロー図である。

最初に、上位制御部であるサーボコントローラ２０から電源を供給する（上位制御部から電源を供給する工程、ステップＳ１０）。次に、記憶部１２ｒから電源供給前の状態を取得する（記憶部から電源供給前の状態を取得する工程、ステップＳ２０）。具体的には、制御回路１２ｐは、記憶部１２ｒから、直前の励磁方向ビット（ＰＰ）（最後に検出した極性信号Ｓｐｌ）を読み取る。

次に、制御回路１２ｐは、ステップＳ２０において読み出した直前の励磁方向から、発電素子１２ｇを励磁する方向を決定する（発電素子を励磁する方向を決定する工程、ステップＳ３０）。制御回路１２ｐは、決定した励磁する方向に応じて、制御信号Ｃｓｌを反転検知回路１２ｃに出力する。次に、制御回路１２ｐは、反転検知回路１２ｃを動作させて、発電素子１２ｇを励磁する（発電素子を励磁する工程、ステップＳ４０）。

そして、制御回路１２ｐは、反転検知回路１２ｃにおいて、ステップＳ４０における発電素子１２ｇの励磁により、残存エネルギーによる電圧が発生したかどうかを判定する（励磁により、発電素子で電圧が発生したかどうか判定する工程、ステップＳ５０）。励磁により残存エネルギーによる電圧が発生したと判定した場合（ステップＳ５０のＹｅｓ）は、制御回路１２ｐは、ステップＳ６０に処理を進める。励磁により残存エネルギーによる電圧が発生していないと判定した場合（ステップＳ５０のＮｏ）は、制御回路１２ｐは、ステップＳ９０に処理を進める。

制御回路１２ｐは、ホール素子１２ｈにより、磁場情報を取得する（磁場情報を取得する工程、ステップＳ６０）。そして、制御回路１２ｐは位置情報補正する（位置情報を補正する工程、ステップＳ７０）。

補正は例えば、表１に基づいて行う。前回の位置に基づいて、位置の補正（位相の補正）と、カウント値の修正を行う。

次に、制御回路１２ｐは、補正を行った結果を記憶部１２ｒに保存する（記憶部における状態情報を更新する工程、ステップＳ８０）。

そして、制御回路１２ｐは、上位制御部であるサーボコントローラ２０に情報を送信する（上位制御部に情報を送信する工程、ステップＳ９０）。

＜まとめ＞
本開示のエンコーダ１２及びエンコーダ１２の制御方法によれば、ラントパルスが発生したことによる誤差の発生を抑制できる。

なお、反転検知回路１２ｃは、励磁回路の一例である。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

１ サーボモータシステム
１０ サーボモータ
１１ モータ
１２ エンコーダ
１２ａ 整流回路
１２ｂ 安定化電源回路
１２ｃ 反転検知回路
１２ｃ１ ランプ電流生成回路
１２ｃ１ａ ランプ電圧発生器
１２ｃ１ｂ 電圧電流変換器
１２ｃ２、１２ｃ３ スイッチ回路
１２ｃ４ 差動検出回路
１２ｃ５ 電流検知抵抗
１２ｃ６ 電流検知回路
１２ｃ７ 励磁成分減算回路
１２ｃ８ 比較回路
１２ｄ 極性検知回路
１２ｅ 駆動回路
１２ｆ 信号処理回路
１２ｇ 発電素子
１２ｈ ホール素子
１２ｍ 回転検知回路
１２ｎ 電源回路
１２ｐ 制御回路
１２ｒ 記憶部
２０ サーボコントローラ
３１ パルス発生回路
３１ａ パルス発生器
３２ フィルタ回路
３２ａ 抵抗
３２ｂ コンデンサ

Claims (6)

1. バルクハウゼン特性を利用して、磁気エネルギーを電気パルスに変換する発電素子と、
   前記発電素子が生成した発電パルスの極性を検出する極性検知回路と、
   外部から電源が供給されたときに、前記発電素子に、直前の前記極性と逆方向に励磁電流を流して励磁する励磁回路と、
   を備える、
   エンコーダ。
2. 前記励磁回路は、
   単調増加する前記励磁電流を生成する生成回路と、
   前記発電素子に発生する電圧を差動で検出する差動検出回路と、
   を備える、
   請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記生成回路は、パルス発生回路と、前記パルス発生回路の出力が入力されるコンデンサ及び抵抗を備えるフィルタ回路と、を備える、
   請求項２に記載のエンコーダ。
4. 前記励磁回路は、
   前記発電素子に発生する差動電圧から前記励磁電流に基づく成分を減算する減算回路と、
   前記減算回路の出力を閾値と比較する比較回路と、
   を備える、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエンコーダ。
5. 前記極性検知回路で検出した前記極性に基づいて、回転数を検出する制御回路と、
   前記回転数を保持する不揮発性の記憶部と、
   を更に備え、
   前記制御回路は、前記励磁回路における検出結果に基づいて、前記記憶部に保存されている前記回転数を修正する、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエンコーダ。
6. バルクハウゼン特性を利用して、磁気エネルギーを電気パルスに変換する素子で発電素子と、前記発電素子が生成した発電パルスの極性を検出する検出回路と、を備えるエンコーダの制御方法であって、
   外部から電源が供給されたときに、前記発電素子に、直前の前記極性と逆方向に励磁電流を流して励磁する、
   エンコーダの制御方法。

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