JP4269246B2 - エンコーダおよびエンコーダ付モータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転型モータやリニアモータ用のエンコーダおよびエンコーダ付モータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、産業用ロボットの回転駆動部分あるいは工作機械の直線駆動部分に用いられると共に、永久磁石をもつ回転型モータあるいはリニアモータの位置制御や速度制御を行うため、移動体の位置とモータの磁極位置の情報を制御装置側に伝えるエンコーダが用いられている。以下、エンコーダに関して、回転型モータの場合を例に取って説明する。
エンコーダは一般にインクリメンタルエンコーダとアブソリュートエンコーダに分けることができる。一方のアブソリュートエンコーダは、回転軸位置検出信号から磁極検出信号も生成できるが、形状が大きくなり、コストも高くなるという問題がある。他方のインクリメンタルエンコーダは、アブソリュートエンコーダに対して小型でコストも安いという特徴をもつが、回転軸位置検出信号の他に、モータの磁極検出信号生成するためのセンサや回路が必要となる。
図17は、従来の回転軸位置検出に用いるインクリメンタルエンコーダの斜視図である。図において、91は回転ディスク、92は位置検出用格子パターン、93は位置センサ、94は磁極検出用格子パターンである。磁極検出用格子パターン94は、モータの極対数に対応して歯部95および切り欠き部96が形成されており、発光素子と受光素子で構成された3個の磁極センサ97、98、99で検出する。3個の磁極センサ97、98、99は、モータの磁極対ピッチを360°としてお互いに120°ずつ離れた位置に配置され、3相の磁極検出信号U、V、Wを生成するようになっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
このように、インクリメンタルエンコーダでは位置検出と磁極検出のため、位置センサと磁極センサをそれぞれ別々に設けていることから、センサ毎に設置時の調整が必要となり、調整に時間や労力などの手間がかかっていた。また、別々の場所でセンサが複数個必要となるため、結局小型化出来ない上にコスト高になっていた。本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、位置センサと磁極センサをそれぞれ別々に設ける必要がなく、センサを一台にして位置検出と磁極検出を行うことができると共に、センサの設置時の調整が容易で、しかも小型・低コストのエンコーダおよびこのエンコーダを備えたエンコーダ付モータを提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1のエンコーダは、スケールを構成してなる2組の格子パターンが形成された回転ディスクと、前記スケールと相対的に移動し、前記2組の格子パターンに対応した2組のMR素子組を備えた磁気センサと、前記2組のMR素子組からの信号をそれぞれ位相信号に変換する位相変調部と、前記位相変調部で得られた位相信号間の位相差から位相差信号を生成し、前記位相差信号に所定のバイアス信号を加えることによって3相の、モータの磁極検出信号を生成する磁極検出信号生成部と、前記位相変調部で得られた2組の位相信号の一方の位相信号に基づいてモータの位置検出信号を生成する位置検出信号生成部と、を備え、前記2組の格子パターンは、前期2組の格子パターン間におけるバーニア周期のピッチ数がモータの磁極対数と等しくなるようなそれぞれ等ピッチのパターンが形成されるものである。上記手段により、エンコーダの1箇所にセンサを配置するだけでモータの位置検出信号と磁極検出信号が出来るため調整が容易で且つ、小型で低コストのセンサが実現できる。
また、請求項2の発明は、エンコーダ付回転型モータに係るものであって、請求項1記載のエンコーダを備えている。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明の実施例を説明する。
(第1の実施例)
図1は本発明の第1の実施例を示すエンコーダとその信号処理ブロック図である。
1は回転ディスク、2は格子パターン、3は磁気センサである。本エンコーダは検出部Dと信号処理部Sから構成される。このうち、検出部Dは回転ディスク1および磁気センサ3から構成されると共に、信号処理部Sは位相変調部4、磁極検出信号生成部5、位置検出信号生成部6、発信器7および分周器8から構成される。
【0006】
図2は検出部の斜視図であり、図3は、磁気センサの構成を説明するための断面図である。
磁気センサ3はMR素子(磁気抵抗素子:MR1〜MR4)とバイアス磁石33で構成され、磁性鋼板でつくられた回転ディスク1上の格子パターン2に対向して配置されている。すなわち、1つの格子パターン列に対して1組4個のMR素子MR1〜MR4が配置され、バイアス磁界用永久磁石33によりバイアス磁界が加えられる。2組のMR素子組とバイアス磁界用永久磁石がセンサケース34内に納められている。格子パターン2がMR素子の下を移動すると、MR素子に加わる磁界の強さが変化し、MR素子の抵抗が変化する。
【0007】
図4はMR素子組の接続を説明するための図である。
電源端子37、38間に直流電圧が加えられた場合、格子パターンの移動によってMR素子の抵抗が変化すると、出力端子35、36の電圧が変化し、パターンピッチ1ピッチに対して1サイクルの2相の正弦波状の信号が得られる。
【0008】
図5は格子パターンの図を示す。
格子パターン2は、2組のそれぞれ等ピッチの格子パターン21および22を持ち、ピッチ数は回転ディスク1回転あたり、それぞれ格子パターン21が128、格子パターン22が124である。両格子パターン間のピッチ数の差が1となる回転角をバーニア周期とするとバーニア周期のピッチ数は、両格子間のピッチ数の差(128−124)から、1回転あたり4ピッチとなる。
【0009】
図6は本エンコーダが適用されるモータの断面図を示す。
モータは積層コア101に電機子巻線102を有する固定子100と、固定子100と磁気的空隙を介して表面に永久磁石103を有する回転子104で構成された永久磁石型同期電動機の例を示している。永久磁石103の磁極対数は4(磁極数は8)で、バーニア周期のピッチ数はこの値に合わせている。
図1において、磁気センサ3は2組の素子組31および32を持ち、それぞれ格子パターン21および22に対応している。素子組31からは回転ディスク1回転あたり128サイクルの2相の正弦波状のセンサ信号a1、b1が得られ、素子組32からは回転ディスク1回転あたり124サイクルの2相の正弦波状のセンサ信号a2、b2が得られる。
この信号は信号処理部の位相変調部4へ入力される。位相変調部4では、搬送波信号msをセンサ信号で変調することにより2組のセンサ信号a1、b1およびa2、b2に対する位相信号φ1及びφ2に変換する。
【0010】
次に、位相変調部の動作について説明する。
位相変調部4は、2組のそれぞれのスリット列に対応した2組の位相変調回路部41、42から構成されている。
図7は位相変調回路部4のブロック図である。
位相変調回路部4は、多相変換部41、マルチプレクサ42、ローパスフィルタ(LPF)43、コンパレータ44から構成される。多相変換部41は、2相のセンサ信号を重み付けして加算することにより、4相や8相といった多相信号へ変換する。
【0011】
図8は8相の多相信号s1〜s8の波形を示す。
多相信号は、回転ディスク回転角に対してスリットピッチに等しい周期を持つ正弦波状の波形である。多相信号は、マルチプレクサ42により、順次サンプリングされる。サンプリングするための搬送波信号msは、多相信号が8相の場合、3ビットのバイナリ信号(d0、d1、d2)で構成され、発信器7を分周して得られる。最も周期の長いd2を位相の基準信号φとして用いる。
【0012】
図9は搬送波信号msと、サンプリングされた信号(位相変調信号)のタイムチャートを示したものである。
図9に示した位相変調信号は、回転ディスク1の回転位置が、図8に示した多相信号の電気角で0度と45度の場合のタイムチャートである。高調波成分がLPF43によって除去され、基本波成分が取り出される。さらに、コンパレータ44で矩形波信号に変換される。これが2値化された位相信号で、基準信号φ とのエッジ位置の差が回転ディスク1の角度を表す情報になる。
【0013】
図10は位相信号のタイムチャートを示したものである。
図10において、回転位置が多相信号の電気角で0°の場合、位相信号は、多相変換部やLPFによる位相遅れによるφdの位相遅れをもつ信号になる。次に、回転位置が多相信号の電気角で45°の場合、前述の位相遅れφdに多相信号の位相である45° をプラスしたφd+45°の位相遅れをもつ信号になり、位相信号は45°変化したことになる。すなわち、位相信号は、センサ信号の位相を表す信号になる。
位相信号φ1とφ2は、磁極検出信号生成部5へ入力され、基準信号φと位相信号φ1は位置信号生成部6へ入力される。ここでは、磁極検出信号生成部についてのみ説明する。
【0014】
図11は磁極検出信号生成部5のブロック図、図12は各部の信号波形を示したものである。
図11において、51はフリップフロップであり、φ1の立ち上がりエッジでセットされφ2の立ち上がりエッジでリセットされる。52はカウンタであり、セット区間(φ1の立ち上がりエッジからφ2の立ち上がりエッジまで)のクロック(ck)をカウントし、デジタルの位相差信号φ01を生成する。53および54は加算器である。φ01に対して、デジタルのバイアス信号BVおよびBWをφ01に加算し、図12に示すようにφ01に対してそれぞれ120°および240°の位相差をもつデジタル信号DVおよびDWを生成する。DUにはφ01を使用する。加算回路の動作をDVの生成を例にして説明する。
【0015】
図13は加算器53の詳細図であって、4ビットのバイナリ加算器を2個用いて8ビットの加算を行っている。
【0016】
図14は加算の動作を説明する図である。
B1〜B8はバイアス信号BVで、DVがDUに対して120° 遅れの信号となるよう240°(360°−120°=240°)分に相当する信号を加えている。位相差360°をFF(16進表示)出力に対応させることにより、φ01とBVの加算結果がFFを超える区間(図14の区間2)についてもDUに対して120° 遅れの所要の信号が得られる。55、56、57はデジタルコンパレータで、その出力U、V、WはそれぞれDU、DV、DWが80(16進表示)以上になるとHレベルになるよう比較レベルが設定されている。U、V、Wは位相180° 点で1、0が反転するお互いに120° 位相の異なる2値化された信号となる。これらの信号とモータの磁極位置との関係を回転ディスクの位置調整や位相信号の位相調整によって所定の位置にあわせ、磁極検出信号として用いる。
【0017】
したがって、スケールを構成してなる格子と、スケールと相対的に移動し、格子パターンに対応した複数組の磁気センサと、位相変調部と、磁極検出信号生成部と、位置検出信号生成部とを備えたエンコーダであって、複数組の格子パターンを等ピッチのパターンで形成すると共に、磁極検出信号は任意の格子パターン間におけるバーニア周期のピッチ数がモータの磁極対数の整数倍と等しくなるような少なくとも1組のバーニア周期を持つ1組または複数組の位相差信号を基に生成するようにしたため、スケール上に通常の位置検出用としても用いられる格子パターンと比較的ピッチの近い格子パターンを使うことで、両格子パターン間の位相差信号から磁極検出信号を生成することが可能である。また、センサを一台にして位置検出と磁極検出の両方が可能なことから、センサの設置時の調整が容易で、しかも小型・低コストのエンコーダを提供することをできる。
【0018】
(第2の実施例)
図15は本発明の第2の実施例を示す回転ディスクの格子パターンである。
説明を分かり易くするために角度を直線距離に変換したリニアスケールで示している。第1の実施例では格子パターン21および22は等ピッチのパターンを使用したが、第2の実施例では、格子パターン21は第1実施例と同様に等ピッチの格子パターンであるが、格子パターン22は、格子パターン21に対し、1磁極対ピッチ内に60°ずつ位相を変えた6つの位相差(30°、90°、150°、210°、270°、330°)をもつパターンとこれらの間を直線的な位相でつなぐパターンから構成されている。
図16は両格子パターン間の位相差信号φ01および磁極検出信号Uの波形を示したものである。
位相差信号φ01は、あるビット数からなるバイナリ信号であるが、説明を分かり易くするためにD/A変換器を通して観た波形を示している。磁極検出信号生成部は、第1の実施例の場合と同じ構成で実現できる。第1の実施例の場合に比べて、位相差180°点における検出感度が高くなるので、精度の高い磁極信号がつくれる。
なお、上例では、いずれも回転型モータに用いられるロータリエンコーダに対して磁極検出信号生成方法を説明したが、リニアエンコーダでも同様な磁極検出信号生成方法が可能であることは明らかである。
【0019】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、スケールを構成してなる格子パターンと、スケールと相対的に移動し、格子パターンに対応した複数組の磁気センサと、位相変調部と、磁極検出信号生成部と、位置検出信号生成部とを備え、複数組の格子パターンは等ピッチのパターンで形成すると共に、磁極検出信号は任意の格子パターン間におけるバーニア周期のピッチ数がモータの磁極対数の整数倍と等しくなるような少なくとも1組のバーニア周期を持つ1組または複数組の位相差信号を基に生成するようにしたので、スケール上に位置検出用の格子パターンと比較的ピッチの近い格子パターンを使って、両格子パターン間の位相差信号から磁極検出信号を生成できる、また、センサを一台にして位置検出と磁極検出の両方が可能なことから、センサ設置時の調整が容易で、且つ小型で低コストのエンコーダが実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示すエンコーダの信号処理ブロック図
【図2】第1の実施例における検出部の構成を示す斜視図
【図3】第1の実施例における磁気センサの断面図
【図4】第1の実施例におけるMR素子組の接続図
【図5】第1の実施例における回転ディスクの格子パターン図
【図6】第1の実施例に適用されるモータの磁極配置を説明する図
【図7】位相変調回路各部のブロック図
【図8】多相信号の波形図
【図9】搬送波信号および位相変調信号のタイムチャート
【図10】位相信号のタイムチャート
【図11】本発明の実施の形態1の磁極検出信号生成部のブロック図
【図12】本発明の実施の形態1の磁極検出信号生成部の各部の信号波形図
【図13】加算回路53の詳細図
【図14】加算の動作を説明する図
【図15】本発明の実施の形態2に関する回転ディスクの格子パターン図
【図16】本発明の実施の形態2の磁極検出信号生成部の各部の信号波形図
【図17】従来の磁極信号検出方式を説明する図
【符号の説明】
1 回転ディスク
2、21、22 格子パターン
3、31、32 磁気センサ
33 バイアス磁界用永久磁石
34 センサケース
35、36 出力端子
37、38 電源端子
4 位相変調部
41 多相変換部
42 マルチプレクサ
43 ローパスフィルタ(LPF)
44 コンパレータ
5 磁極検出信号生成部
51 フリップフロップ
52 カウンタ
53、54 加算器
55、56、57 デジタルコンパレータ
6 位置検出信号生成部
7 発信器
8 分周器
Claims (2)
- スケールを構成してなる2組の格子パターンが形成された回転ディスクと、
前記スケールと相対的に移動し、前記2組の格子パターンに対応した2組のMR素子組を備えた磁気センサと、
前記2組のMR素子組からの信号をそれぞれ位相信号に変換する位相変調部と、
前記位相変調部で得られた位相信号間の位相差から位相差信号を生成し、前記位相差信号に所定のバイアス信号を加えることによって3相の、モータの磁極検出信号を生成する磁極検出信号生成部と、
前記位相変調部で得られた2組の位相信号の一方の位相信号に基づいてモータの位置検出信号を生成する位置検出信号生成部と、を備え、
前記2組の格子パターンは、前期2組の格子パターン間におけるバーニア周期のピッチ数がモータの磁極対数と等しくなるようなそれぞれ等ピッチのパターンが形成されることを特徴とするエンコーダ。 - 請求項1記載のエンコーダを備えたことを特徴とするエンコーダ付回転型モータ。
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