JP3322036B2 - ロータリーエンコーダ - Google Patents
ロータリーエンコーダInfo
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Description
機械等の位置制御および速度制御に用いるACサーボモ
ータに用いて最適なロータリーエンコーダに関する。
産業機械等(以下、機械と言う)の多くは、その駆動力
を、サーボモータに依っており、その機械に要求される
最大速度と必要な分解能を、サーボモータの回転数と、
ボールスクリューのピッチ、および、サーボモータに内
蔵されるロータリーエンコーダの一回転当たりのA/B
相信号パルス数(以下、A/B相パルス数と言う)の組
み合わせにより実現しており、一般には、その機械に要
求される最大速度と、モータの最大回転数によって、ま
ず、ボールスクリューのピッチを決定し、要求される直
線分解能に応じて、サーボ増幅器に内蔵するロータリー
エンコーダの一回転当たりのA/B相信号のパルス数を
決めていた。
れる最大速度が12m/minであり、利用可能な(馬
力、トルク等から)サーボモータの回転数が3000r
pmとすると、少なくとも4mmピッチのボールスクリ
ューを用い、更に、直線分解能として1μmを得るため
には、4000パルス/回転のエンコーダを使用する必
要があった。
る増幅器(以下、サーボアンプと言う)には、ロータリ
ーエンコーダからのパルスを積算して現在位置を求める
為の積算回路が内蔵されており、少ない部品点数で多く
のパルスを計数するため、2進型の積算回路で構成され
ることがあり、サーボアンプの都合から、2進数に対応
するピッチのボールスクリューと2進系列のロータリー
エンコーダ、上記の例では、4.096mmのボールス
クリューと、4096パルスのロータリーエンコーダが
要求されることがあった。
タの回転数、利用できるボールスクリューのピッチ、必
要な分解能等、市場ニーズに対応するためには、10進
系列および2進系列の非常に多くのバリエーションを準
備する必要があり、下記のようにして対応していた。 (1)ロータリーエンコーダのA/B相パルス数に応じ
て、再生波長が等しく波数が異なる複数のスケール媒体
(以下、ドラムと言う)と、1個の記録ヘッドで対応す
る。 (2)必要な波数に応じて再生波長を変えた1個のドラ
ムと、その波長に応じた複数の記録ヘッドで対応する。 (3)更には、上記(1)と(2)を組み合わせること
により、ドラム径と記録ヘッドのバリエーションを最適
化する。 上記のような対応の仕方では、部品点数と、管理工数の
拡大は避けられず、結果としてコストが上昇し、納期が
長くなる等の問題を抱えていた。
Cサーボモータが主力となり、サーボモータの回転位置
とサーボモータ駆動用の3相信号を同期させる為の、3
相同期信号を持つロータリーエンコーダが要求されるこ
とが多くなってきた。
と、3相同期信号用のトラックを別体に設け、それらに
対する検出回路を組み合わせて実現していたが、一回転
当たりの3相同期信号パルス数(以下、同期信号パルス
数と言う)も、モータの極数に応じて種々のバリエーシ
ョンが要求されることがあり、前記A/B相パルス数の
バリエーションとの組み合わせによって益々製品のバリ
エーションが増大し、更なる部品点数と管理工数の増大
に伴うコストアップを招いている。
を解決するためになされたものであり、ドラムとヘッド
との相対移動量を、位相変調信号の位相の変化として取
り出し、位相の変化量を検出することによって移動量を
検出する位相検出型の変位検出装置を基本原理とし、
(1)2進系列と、10進系列の何れのA/B相パルス
出力にも対応でき、(2)回転位置に対応した正確な3
相同期信号と、(3)上記、3相同期信号に同期した原
点パルスを生成できる、ロータリーエンコーダを提供す
る。
記のような構成をとることができる。すなわち、本発明
のロータリーエンコーダは、一回転当たりの再生波数の
差が3*M(但し、Mは0でない整数)の関係を有する
第1および第2のトラックを備え、第1のトラックには
10進数に対応したパルス数を、第2のトラックには2
進数に対応したパルス数を記録し、上記第1及び第2の
トラックの再生波数の差3*Mに対応したパルス(以
下、ビート信号パルスと言う)を用いて、3相同期信号
の生成タイミングを決定し、第3のトラックに記録され
た、上記3*Mに対応して分割されたゾーンの記録パタ
ーンの復調信号を用いて前記3相信号の論理状態を決定
するように構成する。
記第1および第2のトラックからの位相変調信号を乗算
し、その低域成分によって、上記第1と第2のトラック
のパルス数の差に対応したビート信号を得るように構成
するのが好ましい。又、本発明のロータリーエンコーダ
は、上記第1および第2のトラックからの位相変調信号
を波形整形し、該信号をディジタル的に位相比較するこ
とによって上記第1と第2のトラックのパルス数の差に
対応したビート信号を得るように構成するのが好まし
い。更に、本発明のロータリーエンコーダにおいて、前
記第3のトラックの記録パターンを、第1または第2の
トラックと再生波長が等しいか再生波数が等しく、且
つ、ゾーン毎に位相の異なる信号として記録して位相変
調の形で取り出し、前記第1または第2のトラックから
得られる位相変調信号と比較することにより、上記ゾー
ンを特定する復調信号となすように構成するのが好まし
い。更に、前記第3のトラックの記録パターンが各々3
つのゾーンを含む4つのブロックから成ること、前記第
3のトラックの記録パターンがモータ一回転につき唯一
回だけ現れるパターンを含む、前記第1及び第2のトラ
ックの信号を位相変調信号の形で検出し、この信号を切
り替えることにより10進系列および2進系列のパルス
出力に対応できるように構成することが好ましい。
を備えることにより、次のような作用上の利点がある。 (1)1個のロータリーエンコーダが10進および2進
の2系列のA/B相信号用の記録トラックを有し、且
つ、内挿回路の分割数を容易に可変できる為、1個のロ
ータリーエンコーダで10進および2進系列を問わず非
常に広いA/B相信号パルス出力バリエーションに対応
できる。従って、部品点数と製造管理工数を削減でき、
コスト低減と納期短縮を図ることができる。 (2)ACサーボモータ駆動用の3相信号を生成する為
の3相同期信号を、上記2系列の記録トラックから得て
いる為、上記2系列の記録トラックの記録精度によって
決まる精度で、無調整で3相同期信号のパルス幅及び相
対的位置関係が決定される。この為、製造段階でのバラ
ツキ要素が少なく、かつ管理工数も低減でき、低コスト
化が図れる。 (3)3相同期信号の発生位置が電気的に調整可能な
為、モータとの結合時における複雑な調整機構が不要と
なり、簡単かつ正確な位相合わせが可能となり、品質と
コストの改善が図れる。 (4)上記、3相同期信号のパルス数は、第3の記録ト
ラックの記録パターンもしくは該トラックの記録パター
ンを復調する回路によって容易に変更可能であり、前記
3相同期信号のパルス数バリエーションの拡大にも容易
に対応できる。
リーエンコーダに適用した場合について説明する。ここ
で、エンコーダの再生パルス数を次のように仮定する。 a、同期信号パルス‥‥‥4パルス/回転 b、原点信号パルス‥‥‥1パルス/回転 c、10進系列A/B相パルス数‥‥‥2,000パル
ス/回転 d、2進系列A/B相パルス数‥‥‥‥2,048パル
ス/回転
ヘッドとして磁気抵抗効果素子(以下、MRセンサと言
う)を用いたときは、その構成方法によっては記録波長
の1/2倍、即ち、記録波長の2倍の波数が得られるこ
とがあるが、ここでは、再生信号の波長を実効波長と定
義し、以下の説明においては、この再生波長を用いて説
明することとし、これに対応する一回転当りの記録波数
については特に言及しないこととする。
と、その磁気ドラム1の上に形成されたスケール2及び
スケール2上の各記録トラックの信号を検出する磁気ヘ
ッド3の関係を示したものである。磁気スケール2上に
は、図11に拡大して示すとおり、3つのトラックが形
成されており、第1のトラック21には実効波長λ1の
磁気目盛りが500パルス、第2のトラック22には実
効波長λ2の磁気目盛りが512パルス分記録されてい
る。また、第3のトラック23には、記録波長がλ1ま
たはλ2で、回転位置によって位相の異なる磁気目盛り
が記録されているが、この部分については後述する。
ーダの全体の構成を示したもので、スケール2及び磁気
ヘッド3、検出回路部分4A,4Bから構成されてい
る。磁気ヘッド3は、前記磁気スケールの各トラックに
対応して、第1トラック検出ヘッド31、第2トラック
検出ヘッド32、及び第3トラック検出ヘッド33から
構成されており、例えばMRセンサ等が用いられる。こ
こで、各ヘッドは一つの素子で成るように表わされてい
るが実際には複数の素子で構成される。
の部分は、A/B相パルス生成部4Aと、3相同期信号
及び原点信号生成部4Bで構成されている。そこでま
ず、A/B相パルス生成部4Aについて説明する。同図
に示す位相検出回路1(41)と位相検出回路2(4
4)は、入力信号が波長λ1の信号か、波長λ2の信号
かの違いを除いては、回路構成は全く同一のものであ
り、それらの詳細は図2に示してあり、後ほど説明す
る。
検出回路44からの信号S2は、切替回路42の入力に
供給され、そこで、どちらか一方が内挿回路43に通過
される。内挿回路43は、位相検出型の内挿回路で、例
えば、特公昭50−7226号に説明されているような
内挿回路が用いられる。
路の説明をする。ここで説明する位相検出回路は、図1
において、位相検出回路1,2,3で示した回路を詳細
に示したものであり、これらの検出回路は同一の構造を
有しているので、まとめて説明する。
いては31a,31bの二つのヘッドで構成されてい
る。これら二つの磁気ヘッドには励磁用の信号が印加さ
れ、この信号をキャリア信号として、それを変調する形
で検出が行われる。同図において、磁気ヘッド31a,
31bの励磁信号として、周波数fの矩形波、EX信号
がローパスフィルタ41fを通して正弦波に変換された
後、励磁アンプ41gを通して磁気ヘッド31a及び3
1bに印加されている。
再生波長λ1に対して、電気的に90度だけ離れた位置
関係をもって配置されているので、CH1前置アンプ4
1a及びCH2前置アンプ41bからは、次式で表され
る信号が得られる。 CH1前置アンプの出力‥‥sinωt*cos(2πx/λ1)‥‥(1) CH2前置アンプの出力‥‥sinωt*sin(2πx/λ1)‥‥(2) 但し、ω=2πf,xは波長λ1内の移動量(円周上の
移動量)である。
ャリアの移相が90度変えられた後、加算アンプ41d
に供給される為、加算アンプ41dの出力には、 sin{ωt+(2πx/λ1)}‥‥(3) が出力される。
れ、そこで矩形波に変換され、信号S(但し、Sは信号
S1または信号S2)として出力される。信号S1およ
びS2は、位相検出型のシステムであるから、その位相
のみに着目すれば、 S1=sin{ωt+(2πx/λ1)}‥‥(4) S2=sin{ωt+(2πx/λ2)}‥‥(5) の様に表すことができる。即ち、位相変調信号S1及び
S2は、λ1及びλ2の移動毎に、位相が2π(360
゜)変化する位相変調信号である。
42は、内挿回路43に入力する位相変調信号を切り替
える回路で、今、この切替回路の制御信号がPSEL=
“H”で内挿回路43に位相検出回路41からの位相変
調信号S1が入力されているものとすると、内挿回路4
3は、位相変調信号S1のキャリア周波数fのN倍のク
ロック周波数N*fで波長λ1を1/N、ここでは1/
16に内挿し、λ1の移動毎に15個の加減算パルスを
発生する。
たりλ1の波長が500個分記録されているので、内挿
回路43からは、一回転当たり500*16個の加減算
パルスが発生する。この加減算パルス(Up,Dn)を
図3に示すように、パルス加算回路43cを通して一系
列のパルス列(Up+Dn)に変換するとともに、計数
方向切替回路43bで計数方向に応じて論理レベルの変
わる信号(U/D)に変換し、前記一系列パルス列(U
p+Dn)を振り分け、前記フリップフロップ43e及
び43fを交互にトグルし、1/4に逓減された90度
位相差の信号を出力する。即ち、内挿回路からは、2,
000パルスのA/B相信号を出力することができる。
替回路42に与えられる制御信号をユーザが切り替え
て、PSEL=“L”にすると、位相検出回路2からの
信号が内挿回路43に供給されるので、内挿回路の出力
には512*4=2,048パルスが得られる。更に、
内挿回路43の内挿数を変えることにより、10進系列
および2進系列の任意のA/B相パルス数を持つロータ
リーエンコーダが実現できることは容易に理解できるで
あろう。
4Bの動作について説明する。位相比較回路46として
は、例えば、図9に示すような回路が用いられ、一回転
当たり、500*2πの位相変化を生ずる位相変調信号
S1がD−F/FのCK入力端子に入力される。従っ
て、図7に示すように、D−F/FのQ出力端子から
は、一回転当たり12個の同期パルスPCが得られ、こ
の信号を(図1の)パルス化回路47に入力し、前記同
期パルスPCの立ち上がり及び立ち下がりで、クロック
パルスCKに同期した微分パルスPG及びNG(図7)
を発生する。
S2の相対的な位相、即ち、第1の記録トラック21と
第2の記録トラック22の記録時における位相関係によ
って、一回転内での出力位置が自動的に決定される。
のいずれかの位相を可変位相回路に通した後、位相比較
することにより、電気的に、前記微分パルスPGおよび
NGの発生位置を可変でき、記録時におけるバラツキ等
を補正することができる。
回路1(41)や位相検出回路2(44)と全く同じも
のであるが、図8に示すように、スケールの第3のトラ
ック13には、一回転を12のゾーンに分割して、トラ
ック11と同一の波長λ1を持ち、且つ、位相が90度
ずつ異なる4種類のパターン(P0〜P3)が記録さ
れ、そのうち一つのゾーンは一回転で唯一のパターンP
0を持っている。従って、位相変調信号S1,S3の一
周期毎に、S1とS2の位相を比較することによって、
上記記録パターン(P0〜P3)、即ち、S1とS3と
の位相差に応じて磁気ヘッドの位置するゾーンを検出で
きる。
SK復調回路(48)の構成例を、図5はその動作タイ
ミングを示したものである。図4の左端に供給される信
号S1およびS3は図1の位相検出回路41および45
から供給される信号であり、それぞれ同期微分回路51
および52に入力する。これらの同期微分回路は図5に
示すとおり、信号S1およびS3の立ち上がり部分を微
分した信号SP1及びSP3を作る。
供給され、そこで比較され図5にPDで示す信号を出力
する。この信号PDはゲート2を開いてクロックCK/
2を4進カウンタ54に供給する。このクロック信号は
図5にCPとして示してある。4進カウンタ54の出力
はラッチ回路55にラッチされ、出力DM1およびDM
2を出力する。
に印加されクロックCK/2の反転信号を4進カウンタ
54に供給する。この信号は図4、図5においてCLと
して示されており、カウンタ54をクリアする働きをす
る。換言すると、カウンタ54は信号CLが到来する毎
にクリアされ、信号CPが供給されると、それを加算計
数する。
は、図6に示す同期信号発生回路に供給される。同図の
回路において、信号DM1およびDM2はデコード回路
61に供給され、図7に示すように、これらの信号が共
に“L”の時記録パターンP0となり、共に“H”の
時、記録パターンP2,“L”と“H”の時記録パター
ンP3,“H”と“L”の時記録パターンP1となり、
これらのパターン信号がそれぞれJKフリップフロップ
62,63,64に印加され、これらのフリップフロッ
プのCK端子に印加されるクロック信号PGによってタ
ーンオンして、それぞれの出力Qに信号U,V,Wを出
力する。
も供給され、該リセットパルス発生回路に前記信号NG
が印加された時、その出力によってフリップフロップ回
路がリセットされ、その出力U,V,Wがターンオフさ
れる。ここで、PSK復調回路48で復調された2ビッ
トのコード信号DM1およびDM2信号のうち、一回転
に唯一のパターンP0からの出力に対するDM1=
“L”,DM2=“L”と信号PGとによって作られる
信号は一回転に一パルスのみ発生し、原点信号Zとして
利用できる。
およびDM2は、微分パルス信号PGおよびNGと共
に、同期信号発生回路49に入力され、三相同期信号
U,V,Wを生成する。図7の動作タイミングチャート
に示されているように、U信号はゾーンP0およびP1
のPG信号に、VおよびW信号は各々ゾーンP2および
P3のPG信号に同期してセットされ、U信号は自身が
セットし、且つ、V信号がセットした後、NG信号に同
期して、V信号およびW信号も自身がセットした後、W
信号およびU信号がセットした後でNG信号に同期して
リセットされる。
2パルス発生するので記録パターンP1,P2,P3の
3つのパターンが4回繰り返されるから、U,V,W信
号は一回転に4パルス発生する。各々120°ずつ位相
がずれた信号となり、サーボモータ駆動用の3相同期信
号として使用できる。また、前述のとおり、微分パルス
PGおよびNGは、電気的にその発生位置を可変できる
ため、ロータリーエンコーダをモータに組み込んだとき
の相互の位置関係を調整するための機構を必要とせず、
正確に且つ容易に相互の位置関係を調整することができ
る。
ンを変えることにより、或いは、PSK復調回路の検出
分解能を変えることにより、任意の同期パルス数を持つ
3相同期信号を生成できることは説明を持たないであろ
う。
ンコーダで10進、2進系列を問わず非常に広いバリエ
ーションを有するA/B相信号パルス出力を得ることが
できる。従って、部品点数と製造管理工数を削減でき、
コスト低減と納期短縮を図ることができる。また、3相
同期信号のパルス幅及び相対位置関係が無調整で決定で
きるので、製造段階でのバラツキが少なく、且つ管理工
数も低減でき、低コスト化が図れる。3相同期信号のパ
ルス数を容易に変更できるので、3相同期信号のパルス
数バリエーションの拡大にも容易に対応できる。
の一例のブロック図である。
ある。
る。
である。
る。
図である。
る。
ーンの一例を示す波形図である。
ある。
ある。
図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 一回転当たりの再生波数の差が3*M
(但し、Mは0でない整数)の関係を有する第1および
第2のトラックを備え、 第1のトラックには10進数に対応したパルス数を、第
2のトラックには2進数に対応したパルス数を記録し、 上記第1及び第2のトラックの再生波数の差3*Mに対
応したパルス(以下、ビート信号パルスと言う)を用い
て、3相同期信号の生成タイミングを決定し、 第3のトラックに記録された、上記3*Mに対応して分
割されたゾーンの記録パターンの復調信号を用いて前記
3相信号の論理状態を決定するように構成したことを特
徴とするロータリーエンコーダ。 - 【請求項2】 請求項1に記載のロータリーエンコーダ
において、上記第1および第2のトラックからの位相変
調信号を乗算し、その低域成分によって、上記第1と第
2のトラックのパルス数の差に対応したビート信号を得
るように構成したことを特徴とするロータリーエンコー
ダ。 - 【請求項3】 請求項1に記載のロータリーエンコーダ
において、上記第1および第2のトラックからの位相変
調信号を波形整形し、該信号をディジタル的に位相比較
することによって上記第1と第2のトラックのパルス数
の差に対応したビート信号を得るように構成したことを
特徴とするロータリーエンコーダ。 - 【請求項4】 請求項1に記載のロータリーエンコーダ
において、前記第3のトラックの記録パターンを、第1
または第2のトラックと再生波長が等しいか再生波数が
等しく、且つ、ゾーン毎に位相の異なる信号として記録
して位相変調の形で取り出し、前記第1または第2のト
ラックから得られる位相変調信号と比較することによ
り、上記ゾーンを特定する復調信号となすように構成し
たことを特徴とするロータリーエンコーダ。 - 【請求項5】 請求項4に記載のロータリーエンコーダ
において、前記第3のトラックの記録パターンが各々3
つのゾーンを含む4つのブロックから成ることを特徴と
するロータリーエンコーダ。 - 【請求項6】 請求項4に記載のロータリーエンコーダ
において、前記第3のトラックの記録パターンがモータ
ー回転につき唯一回だけ現れるパターンを含むことを特
徴とするロータリーエンコーダ。 - 【請求項7】 請求項1に記載のロータリーエンコーダ
において、前記第1及び第2のトラックの信号を位相変
調信号の形で検出し、この信号を切り替えることにより
10進系列および2進系列のパルス出力に対応できるよ
うに構成したことを特徴とするロータリーエンコーダ。
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JP26413694A JP3322036B2 (ja) | 1994-10-27 | 1994-10-27 | ロータリーエンコーダ |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP26413694A JP3322036B2 (ja) | 1994-10-27 | 1994-10-27 | ロータリーエンコーダ |
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JPH08122096A JPH08122096A (ja) | 1996-05-17 |
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JP26413694A Expired - Fee Related JP3322036B2 (ja) | 1994-10-27 | 1994-10-27 | ロータリーエンコーダ |
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