JP4950713B2

JP4950713B2 - アブソリュートエンコーダ

Info

Publication number: JP4950713B2
Application number: JP2007073247A
Authority: JP
Inventors: 康一林; 憲之福井
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2027-03-20
Also published as: DE102008014075A1; CN101271004A; JP2008232846A; CN101271004B; DE102008014075B4; ITRM20080143A1; US20080231266A1; US7508199B2

Description

本発明は、アブソリュートコードを磁性体の表面に切り欠きによって記録したスケール部を有するアブソリュートエンコーダに関する。

従来技術について、図７を参照して説明する。図７は、特許文献１に示されたアブソリュートエンコーダを示しており、エンコーダ円板７には、２相正弦波信号を検出するためのインクレメンタルなギア形状を持った部分と、アブソリュートパターンを検出するための２進循環乱数数列に従った凹凸を持った部分とがある。そして、磁気抵抗素子で構成され２相正弦波信号を検出する磁気センサ５ｓ、５ｃとアブソリュートパターンを検出する磁気センサ１ａ〜ｄ、２ａ〜ｄ、３ａ〜ｄ、４ａ〜ｄが、図示しない永久磁石とエンコーダ円板７との間の磁気抵抗変化を検出する構成になっている。この図示されていない永久磁石は、磁気センサ５ｓ、５ｃと同１ａ〜ｄ、２ａ〜ｄ、３ａ〜ｄ、４ａ〜ｄから見て、エンコーダ円板７とは反対側、即ち裏側（後側）に配設されるのが一般的である。ここで、エンコーダ円板７の回転位置によって、エンコーダ円板７の外周部に付された凹凸が変化することは明らかであるが、凸部が多い回転位置では、永久磁石から磁気センサ５ｓ、５ｃと同１ａ〜ｄ、２ａ〜ｄ、３ａ〜ｄ、４ａ〜ｄを通過してエンコーダ円板７へ通る総磁束量が多くなり、逆に凹部が多い回転位置では、永久磁石から磁気センサ５ｓ、５ｃと同１ａ〜ｄ、２ａ〜ｄ、３ａ〜ｄ、４ａ〜ｄを通過してエンコーダ円板７へ通る総磁束量が少なくなる。特に、エンコーダ円板７の２進循環乱数数列に従った凹凸部については、回転位置によって、凹部或いは凸部の割合が極端に変化するため、上述した永久磁石からの総磁束量の変化も激しい。２相正弦波信号を検出するためのエンコーダ円板７の凹凸部については、インクリメンタルなギア形状であるので、上述した永久磁石からの総磁束量の変化は僅かであるが、ギア回転方向についての永久磁石の寸法がインクリメンタルなギア形状のピッチの整数倍でない場合には、ギア形状の１ピッチ内での回転位置によって永久磁石からの総磁束量が変化する。また、三次元的に２進循環乱数数列用の凹凸部の影響も受けるため、磁気センサ５ｓ、５ｃを通過する永久磁石からの磁束量は、インクリメンタルなギア形状との磁気抵抗変化以外の要因でも、回転位置によって変化する。

さて、上述の永久磁石から磁気センサ５ｓ、５ｃと同１ａ〜ｄ、２ａ〜ｄ、３ａ〜ｄ、４ａ〜ｄを通過する総磁束量の変化についてであるが、基本的には、磁気センサ５ｓ、５ｃと同１ａ〜ｄ、２ａ〜ｄ、３ａ〜ｄ、４ａ〜ｄは、エンコーダ円板７の凹凸部との空隙量変化を磁気抵抗変化として検出するため、これ以外の要因で永久磁石からの磁束量が変化することについては、検出誤差となってしまう。特に、２相正弦波信号を検出する磁気センサ５ｓ、５ｃで、検出精度が悪化を招くことがあった。

つぎに、特許文献１とは異なる従来のアブソリュートエンコーダについて述べる。図５は、従来のアブソリュートエンコーダの検出部の一例を示す斜視図である。回転軸５０１は図示しない複数の軸受けに軸支され回転自在となっている。２相正弦波信号検出用の歯車５０２と２進循環乱数数列コード板５０３とは、それぞれ回転軸５０１に固定されている。磁気抵抗素子からなる２相正弦波信号検出用の磁気センサ５０４ａ〜ｄは、２相正弦波信号検出用の歯車５０２の外周面と対向するように、所定の空隙量を隔てて配設されている。磁気抵抗素子からなる２進循環乱数数列検出用の磁気センサ５０４ｅ〜ｎも、２進循環乱数数列コード板５０３の外周面と対向するように、所定の空隙量を隔てて配設されている。フェライト等の磁性材からなる２相正弦波信号励磁用のコア５０５ａは、２相正弦波信号検出用の磁気センサ５０４ａ〜ｄの背面近くに配設されている。同様に、２進循環乱数数列励磁用のコア５０５ｂも２進循環乱数数列検出用の磁気センサ５０４ｅ〜ｎの背面近くに配設されている。

２つの励磁用コア５０５ａ、ｂの励磁方法については、図６にて説明する。図６は、Ｅ字型の励磁用のコアに励磁巻線を巻装した場合の励磁磁路を示す断面図である。Ｅ字型の励磁用のコア６０５の真ん中の凸部に、巻線６０６が巻装されており、Ｅ字型の励磁用のコア６０５の外部へは矢印で示した磁路が形成される。２相正弦波信号用と２進循環乱数数列用とで、Ｅ字型をした励磁用のコア５０５ａ、ｂを分けたことにより、それぞれ専用の励磁磁路を持たせるようにしたものである。このような励磁磁路を形成した場合、Ｅ字型の励磁用のコア自身でループを形成する磁束となるため、棒磁石形状による励磁磁路に比べて、磁束の損失量が少ないメリットがある。

しかしながら、Ｅ字型の励磁用のコア５０５ａ、ｂで形成される磁路は、三次元的な干渉を起こす。即ち、励磁用のコア５０５ａの真ん中の凸部から発せされた磁束が、励磁用のコア５０５ｂの左右の凸部へ到達するループや、励磁用のコア５０５ｂの真ん中の凸部から発せられた磁束が、励磁用のコア５０５ａの左右の凸部へ到達するループが発生するということである。この励磁磁束の干渉の影響と、２進循環乱数数列コード板５０３の凹凸部の凸部或いは凹部の割合に従って励磁用のコア５０５ｂからの励磁磁束の総磁束量が変化してしまう影響とが相俟って、２相正弦波信号検出用の磁気センサ５０４ａ〜ｄを通過する励磁磁束の総磁束量が変化してしまい、前述した検出精度阻害要因となってしまっていた。また、Ｅ字型をした励磁用のコア５０５ａ、ｂは、歯車の接線方向に配置された磁気センサ５０４ａ〜ｎの寸法よりも大きくなってしまう。特に、磁気センサ５０４ａ〜ｎの内、２進循環乱数数列用の磁気センサ５０４ｅ〜ｎの方が歯車の接線方向に長く配置されているため、Ｅ字型の励磁用コア５０５ｂがより大きくなっていた。これにより、図示はしていないがセンサ部分を収めるケースが大型化するデメリットがあった。

特開平５−１１８８７４号公報

以上で示した特許文献１に記載のアブソリュートエンコーダにあっては、永久磁石から発せられた総磁束量が、エンコーダ円板７の凹凸部の凸部或いは凹部の割合によって変化してしまうため、磁気センサ１ａ〜ｄ、２ａ〜ｄ、３ａ〜ｄ、４ａ〜ｄが２進循環乱数数列を検出する上で、検出ミスを起こす可能性があった。また、磁気センサ５ｓ、ｃが２相正弦波信号を検出する上でも、２進循環乱数数列の凹凸部の凸部或いは凹部の割合の影響を受けて励磁磁束の総磁束量が変化するため、精度を損なう要因となっていた。この影響を抑えるために２相正弦波信号検出用の励磁手段と、２進乱数数列検出用の励磁手段とを分けた図５の例にあっても、Ｅ字型の励磁用のコアによって生成される励磁磁路が、三次元的に干渉するため、磁気センサ５０４ａ〜ｄが２相正弦波信号を検出する上で、精度を損なう要因となっていた。一方、サイズ面での課題として、Ｅ字型の励磁用のコアを採用すると、磁気センサ５０４ａ〜ｄ、５０４ｅ〜ｎが配置された歯車接線方向の寸法よりも長い寸法が励磁用のコア５０５ａ、ｂとして必要となり、センサのユニットとして大型化してしまっていた。他方、励磁手段に永久磁石や巻線を使用しているので、永久磁石の温度特性や巻線抵抗の温度変化により、励磁磁束量が変化しやすく、温度変化により、２進循環乱数数列コードを検出する磁気センサ５０４ｅ〜ｎの出力レベルも変動し、２進循環乱数数列コードを検出ミスするという問題もあった。

本発明のアブソリュートエンコーダでは、アブソリュートコードの凹凸部の凸部或いは凹部の割合による励磁磁束の総磁束量の変化が、他の磁気センサへの影響を低減することを目的とする。

本発明は、絶対位置を示すアブソリュートコードを磁性体の表面に設けた切り欠きによって記録したスケール部と、前記スケール部と所定の空隙量を介し、且つ、相対的に移動可能に配設され、前記アブソリュートコードを検出するセンサ部とから構成されるアブソリュートエンコーダにおいて、前記センサ部には、複数の磁気センサと、前記複数の磁気センサを励磁する磁性材コアとが具備されており、前記複数の磁気センサは、移動方向に隣接して配置され、前記アブソリュートコードを検出するための信号をそれぞれ独立して出力し、前記磁性体コアは、前記スケール部の表面および移動方向に直交する面で切断した切断面が、コの字型形状である１個の磁性材からなり、前記複数の磁気センサ全てを励磁することを特徴とする。

また、前記スケール部は円板で構成され、前記センサ部は前記円板の中心に対して９０°未満の領域に設置できる大きさであることが好適である。

また、前記励磁手段は励磁巻線を含み、前記複数の磁気センサは、アブソリュートコードを検出する巻線からなることが好適である。

また、本発明は、絶対位置を示すアブソリュートコードを磁性体の表面に設けた切り欠きによって記録したスケール部と、前記スケール部と所定の空隙量を介し、且つ、相対的に移動可能に配設され、前記アブソリュートコードを検出するセンサ部とから構成されるアブソリュートエンコーダにおいて、前記センサ部には、複数の磁気センサと、前記複数の磁気センサを励磁する磁性材コアとが具備されており、前記磁性体コアは、前記スケール部の表面および移動方向に直交する面で切断した切断面が、コの字型形状であり、前記励磁手段は励磁巻線を含み、前記複数の磁気センサは、アブソリュートコードを検出する巻線からなり、前記励磁巻線と前記アブソリュートコードを検出する巻線は、同一のプリント基板上の導体パターンによって形成され、磁性体コアのうち前記コの字型形状の２つに分かれた先端部分と、前記プリント基板が近接しており、前記２つに分かれた先端部分が対向する前記プリント基板上の２つの領域のうち、一方の領域には、前記励磁巻線を配置し、他方の領域には、前記複数のアブソリュートコードを検出する巻線を配置したことを特徴とする。

また、前記コの字型形状の磁性体コアを通る励磁磁束の大きさを検出する励磁磁束検出巻線を前記プリント基板上の励磁巻線とほぼ同じ位置に、導体パターンを用いて前記励磁磁束検出巻線を配置したことが好適である。

また、前記コの字型形状の磁性体コアを通る励磁磁束の大きさを検出する励磁磁束検出巻線を具備し、前記複数の磁気センサの出力信号を、前記励磁磁束検出巻線の出力信号の大小に基づいて修正することが好適である。

本発明のアブソリュートエンコーダによれば、アブソリュートコードを検出する側の励磁磁束はコの字型形状の励磁用のコアで形成された磁路でループする。このため、通常隣接する２相正弦波信号検出のための励磁磁束との干渉が無く、２相正弦波信号の検出に際して精度阻害のないアブソリュートエンコーダを実現できる。また、アブソリュートコードを検出する側の励磁用のコアが、Ｅ字型ではないため、励磁用のコアのスケール部の移動方向寸法を、スケール部の移動方向に配設された磁気センサより遙かに大きい寸法にする必要がない。これにより、センサ側のケースを含めたサイズを小型化することができる。

更に、励磁磁束検出巻線を追加する構成とすれば、磁気センサ等の温度特性を修正できるため、温度変化によるアブソリュートコードの検出ミスを低減でき、広い温度動作範囲のアブソリュートエンコーダを実現できる。

「実施形態１」
以下本発明の実施形態１を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態のアブソリュートエンコーダのアブソリュートコード検出部の一例を示す斜視図である。２進循環乱数数列コード板１０１は、図示しない回転軸に固定され、回転自在となっている。２進循環乱数数列コード板１０１の外周面と所定の空隙量を介して配設されたプリント基板１０２には、導体パターンからなる検出巻線１０３ａ〜ｊと、導体パターンからなる励磁巻線１０４が敷設されている。プリント基板１０２の背面には、フェライトコア等の磁性材からなるコの字型の励磁用のコア１０５が配設されている。励磁巻線１０４からは、コの字型の励磁用のコア１０５を磁路とする励磁磁束が発せられる。

図２は、図１のセンサ側の断面図であり、図１と同一構成要素には同一符号を付す。コの字型の励磁用のコア１０５の外部では、図２に示すような磁路が形成されており、２進循環乱数数列コード板１０１の凹凸部によって発生するリラクタンス変化を、検出巻線１０３ａ〜ｊが、検出巻線１０３ａ〜ｊを鎖交する磁束量変化を起電圧に変換して検出する。図示はしなかったが、２相正弦波信号の検出を行う検出部分は、図１及び図２の下側に配設されるが、図２のように励磁用の磁路が形成されているため、２相正弦波信号検出部分の励磁用の磁路との干渉が極めて少なくなっている。また、励磁用のコア１０５の歯車接線方向の寸法は、検出巻線１０３ａ〜ｊを敷設したプリント基板とほぼ同じ寸法となっている。なお、図１において図示を省略した回転軸、２相正弦波信号の検出を行う部分は、図５や図７に示すような構成をとればよい。

このように、本実施形態のアブソリュートエンコーダによれば、アブソリュートコードを検出する側の励磁磁束はコの字型形状の励磁用のコア１０５で形成された磁路でループする。このため、通常隣接する２相正弦波信号検出のための励磁磁束との干渉が無く、２相正弦波信号の検出に際して精度阻害のないアブソリュートエンコーダを実現できる。また、アブソリュートコードを検出する側の励磁用のコアが、上下方向のコ字型であり、励磁用のコアの２進循環乱数数列コード板１０１の接線方向寸法を、比較的小さな寸法にすることができる。これにより、センサ側のケースを含めたサイズを小型化することができる。

「実施形態２」
図３は、図１とは異なる実施形態２のアブソリュートエンコーダの検出部の一例を示す斜視図である。図３と図１の同一構成要素には、同一符号を付す。ただし、図１と異なる点は、励磁巻線２０４を励磁用のコア１０５に直接巻装しており、プリント基板１０２上に敷設された上側の巻線は、励磁磁束検出巻線１０６である。従って、励磁巻線２０４によって図２と同様の磁束が形成される。

このように、形成される励磁磁路も図１とほぼ同じであるので、ここでは励磁磁束検出巻線１０６の役割について説明する。励磁巻線２０４や磁性材からなる励磁用のコア１０５は、温度が変化すると、巻線抵抗や透磁率等が変動する特性を有しており、励磁巻線２０４から発せられる励磁磁束も安定しない。励磁磁束が温度変化によって増減すると、２進循環乱数数列コード板１０１の凹凸部との間のリラクタンス変化を検出する検出巻線１０３ａ〜ｊの出力信号レベルも不安定になる。また、２進循環乱数数列コード板１０１の凹凸部の凸部或いは凹部の割合によっても、励磁磁束が変動する。そこで、励磁磁束検出巻線１０６は、励磁磁束検出巻線１０６に囲われた部分を鎖交する磁束量を電圧値として検出させる。

図４は、図３のアブソリュートエンコーダの検出部からの出力信号の処理を説明する図であり、図３と同一構成要素には、同一符号を付す。なお、図１のアブソリュートエンコーダの検出部からは、励磁磁束検出巻線１０６からの出力信号がないだけで、その他の構成は同一である。

検出巻線１０３ａ〜ｊから出力された信号（具体的には電圧値等）は、アナログスイッチ４０１に入力される。アナログスイッチ４０１は、タイミング発生器４０３からの指令により、入力信号のうちの１つを選択し、選択された信号を信号ＳＴＡとして出力する。出力された信号ＳＴＡは、増幅器４０２ａで増幅された後、アナログ／ディジタル変換器４０４ａにおいてタイミング発生器４０３が指令するタイミングでディジタル化され、信号ＳＴＤとなる。ディジタル化された信号ＳＴＤは、記憶手段や演算手段を有するＣＰＵ４０５にて二値化処理や、２進循環乱数数列処理が行われ、アブソリュート位置データとなる。

一方、励磁磁束検出巻線１０６の出力信号ＳＥＡは、増幅器４０２ｂで増幅された後、タイミング発生器４０３でアナログ／ディジタル変換器４０４ａがサンプリングするタイミングと同じタイミングを、アナログ／ディジタル変換器４０４ｂに指令し、そのタイミングでアナログ／ディジタル変換器４０４ｂにてディジタル化され信号ＳＥＤとなる。ディジタル化された励磁磁束検出巻線１０６の信号ＳＥＤは、ＣＰＵ４０５へ送出される。ＣＰＵ４０５では、信号ＳＥＤの値に応じて、信号ＳＴＤを修正する。

ここで、信号ＳＥＤに基づく、信号ＳＴＤの修正の仕方について説明する。温度変化等によって変動した励磁磁束によって、検出巻線１０３ａ〜ｊが本来の２進循環乱数数列コードに従った信号を出力すべき値とは異なる値を出力してしまう。本実施形態では、励磁磁束検出巻線１０６からの出力信号によって、現在励磁磁束がどういう状態にあるか知ることができる。そこで、予め励磁磁束検出巻線１０６が検出する励磁磁束レベルと検出巻線１０３ａ〜ｊの出力レベルとの相関性を調査しておき、ＣＰＵ４０５に内包された記憶手段にそのデータを記憶させておく。例えば、励磁磁束レベルと検出巻線１０３ａ〜ｊの出力レベルとにほぼ比例的な関係があるとすれば、ＣＰＵ４０５では、励磁磁束レベルに従った係数を信号ＳＴＤに乗算処理し、その後に二値化処理や２進循環乱数数列処理を行えばよい。或いは、二値化処理を行う際のしきい値（スレッシュホールドレベル）を、励磁磁束レベルに応じて操作して検出ミスの発生しないようにしても良い。また、図４では図示していないが、励磁磁束検出巻線１０６からの出力レベルに応じて、単純に励磁磁束レベルが一定となるよう、励磁巻線２０４へ流す電流量を変えても良い。このようにして、励磁磁束検出巻線からの出力信号ＳＥＤによって、励磁磁束の変化について知ることによって、信号ＳＴＤの変化から励磁磁束の変化の影響を除去することができる。

以上、実施形態１，２について述べてきたが、本発明はこれらに限定されるものではない。本実施形態では、磁気センサとして巻線をプリント基板上に敷設したものについて述べたが、特許文献１にあるように磁気抵抗素子を用いても実現可能である。また、本実施形態では、励磁磁束検出巻線として、プリント基板上に敷設した導体パターンを使用したが、励磁磁束検出巻線をコの字型の励磁用のコアに直接巻装しても良い。或いは、プリント基板上のほぼ同じ位置に励磁巻線と励磁磁束検出巻線を敷設しても良い。励磁巻線については、プリント基板上に敷設した導体パターンによるものと、コの字型の励磁用のコアに直接巻装したものとを説明したが、巻線をまったく使用せず、コの字型の励磁用のコアそのものが、永久磁石であっても良い。励磁磁束検出巻線の使用と、その方法については、上述したように様々な修正方法が考えられるが、励磁磁束検出巻線の出力を参照して、磁気センサの値が検出ミスを起こさないようにするものであれば、本発明のアブソリュートエンコーダとすることができる。なお、本発明の実施形態等では、回転型のアブソリュートエンコーダについて述べてきたが、直線型のアブソリュートエンコーダについても実現できる。

本発明のアブソリュートエンコーダのアブソリュートコード検出部の一例を示す斜視図である。図１のセンサ側の断面図であり、励磁磁束の磁路を示す図である。図１とは異なる本発明のアブソリュートエンコーダの検出部の一例を示す斜視図である。図３のアブソリュートエンコーダの検出部からの出力信号の処理を説明する図である。従来のアブソリュートエンコーダの検出部の一例を示す斜視図である。Ｅ字型の励磁用のコアに励磁巻線を巻装した場合の励磁磁路を示す断面図である。従来のアブソリュートエンコーダの一例を示す図である。

符号の説明

１０１２進循環乱数数列コード板、１０２プリント基板、１０３ａ〜ｊ検出巻線、１０４励磁巻線、１０５励磁用のコア、１０６励磁磁束検出巻線、２０４励磁巻線、４０１アナログスイッチ、４０２ａ〜ｂ増幅器、４０３タイミング発生器、４０４ａ〜ｂアナログ／ディジタル変換器、４０５ＣＰＵ、５０１回転軸、５０２２相信号検出用の歯車、５０３２進循環乱数数列コード板、５０４ａ〜ｎ磁気センサ、５０５ａ〜ｂ励磁用のコア、６０５Ｅ字型の励磁用のコア、６０６巻線。

Claims

絶対位置を示すアブソリュートコードを磁性体の表面に設けた切り欠きによって記録したスケール部と、前記スケール部と所定の空隙量を介し、且つ、相対的に移動可能に配設され、前記アブソリュートコードを検出するセンサ部とから構成されるアブソリュートエンコーダにおいて、
前記センサ部には、複数の磁気センサと、前記複数の磁気センサを励磁する磁性材コアとが具備されており、前記複数の磁気センサは、移動方向に隣接して配置され、前記アブソリュートコードを検出するための信号をそれぞれ独立して出力し、前記磁性体コアは、前記スケール部の表面および移動方向に直交する面で切断した切断面が、コの字型形状である１個の磁性材からなり、前記複数の磁気センサ全てを励磁することを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
前記スケール部は円板で構成され、前記センサ部は前記円板の中心に対して９０°未満の領域に設置できる大きさであることを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
前記励磁手段は励磁巻線を含み、前記複数の磁気センサは、アブソリュートコードを検出する巻線からなることを特徴とする請求項１または２に記載のアブソリュートエンコーダ。
絶対位置を示すアブソリュートコードを磁性体の表面に設けた切り欠きによって記録したスケール部と、前記スケール部と所定の空隙量を介し、且つ、相対的に移動可能に配設され、前記アブソリュートコードを検出するセンサ部とから構成されるアブソリュートエンコーダにおいて、
前記センサ部には、複数の磁気センサと、前記複数の磁気センサを励磁する磁性材コアとが具備されており、前記磁性体コアは、前記スケール部の表面および移動方向に直交する面で切断した切断面が、コの字型形状であり、
前記励磁手段は励磁巻線を含み、前記複数の磁気センサは、アブソリュートコードを検出する巻線からなり、
前記励磁巻線と前記アブソリュートコードを検出する巻線は、同一のプリント基板上の導体パターンによって形成され、
磁性体コアのうち前記コの字型形状の２つに分かれた先端部分と、前記プリント基板が近接しており、前記２つに分かれた先端部分が対向する前記プリント基板上の２つの領域のうち、一方の領域には、前記励磁巻線を配置し、他方の領域には、前記複数のアブソリュートコードを検出する巻線を配置したことを特徴とするアブソリュートエンコーダ。
前記コの字型形状の磁性体コアを通る励磁磁束の大きさを検出する励磁磁束検出巻線を前記プリント基板上の励磁巻線とほぼ同じ位置に、導体パターンを用いて前記励磁磁束検出巻線を配置したことを特徴とする請求項４記載のアブソリュートエンコーダ。
前記コの字型形状の磁性体コアを通る励磁磁束の大きさを検出する励磁磁束検出巻線を具備し、前記複数の磁気センサの出力信号を、前記励磁磁束検出巻線の出力信号の大小に基づいて修正することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のアブソリュートエンコーダ。