JP5111200B2 - 多回転型アブソリュートエンコーダ - Google Patents

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Description

本発明は、モータおよび減速機を備えたアクチュエータの出力軸の回転角度位置を検出するために、モータ回転軸の１回転内の絶対位置および当該モータ回転軸の予め定めた原点位置からの回転数（多回転位置）を検出する多回転型アブソリュートエンコーダに関する。さらに詳しくは、アクチュエータが同一方向に連続して回転した場合においても回転数をカウントするための多回転値カウンタにオーバーフローが発生することのないように設定可能な多回転型アブソリュートエンコーダに関する。
多回転型アブソリュートエンコーダ、例えば磁気式の多回転型アブソリュートエンコーダは、多極着磁された回転子あるいは磁気ドラムと、一対の磁気検出素子を備えている。多極着磁された回転子あるいは磁気ドラムは検出対象のモータ回転軸に同軸状態に取り付けられ、一対の磁気検出素子は、モータ回転軸の回転に伴って位相が９０度異なる正弦波信号を出力するように、空間的に９０度離した角度位置に配置される。一対の磁気検出素子の出力を演算処理して、モータ回転軸の１回転内の絶対角度位置（１回転絶対値）、および、モータ回転軸の予め定めた原点からの回転数（多回転値）を検出している。多回転型アブソリュートエンコーダは、モータおよび波動歯車減速機などの減速機を備えたアクチュエータにおける出力軸回転位置を検出するために用いられている。
多回転型アブソリュートエンコーダには多回転値カウンタのオーバーフローを検出するためのオーバーフロー検出回路が搭載されている。アクチュエータが一方向に無限に回転し続けた場合などにおいて、多回転値カウンタのカウント値が予め設定されている値を超えたオーバーフロー状態になると、オーバーフロー検出回路がオーバーフロー状態を検出してアラームなどを発生して、オーバーフロー状態を上位システムに報知するようにしている。特許文献１にはオーバーフロー検出回路を備えた多回転型アブソリュートエンコーダが開示されている。
特開平０８−５００３４号公報
ここで、多回転値カウンタがオーバーフローした場合には、多回転型アブソリュートエンコーダの電源遮断後または電源オン後に、アクチュエータ出力軸の角度位置を特定できなくなる。このため、アクチュエータを連続して使用することができないという不具合がある。
本発明の課題は、この点に鑑みて、アクチュエータが一方向に回転し続けた場合においても、多回転値カウンタがオーバーフローせずにアクチュエータ出力軸の１回転内の回転角度位置を特定できるようにした多回転型アブソリュートエンコーダを提案することにある。
上記の課題を解決するために、本発明は、モータと、当該モータの回転を減速して出力する減速機とを備えたアクチュエータに取り付ける多回転型アブソリュートエンコーダにおいて、
前記モータの回転軸の回転に伴って１回転内の絶対位置を検出する１回転絶対値検出手段と、
前記１回転絶対値検出手段による検出位置に基づき、前記回転軸の１回転の切り替わり点で回転方向に応じて加減算する、前記回転軸の予め定めた原点からの回転数を表す多回転値カウンタと、
前記減速機の減速比Ｒを記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶保持された前記減速比Ｒに基づき、前記多回転値カウンタのカウント値の範囲を零回転から（Ｒ−１）回転までに設定し、前記カウント値が（Ｒ−１）の状態から前記回転軸が正方向に１回転すると前記カウント値を零にリセットし、前記カウント値が零の状態から前記回転軸が逆方向に１回転すると前記カウント値を（Ｒ−１）にセットするカウンタ制御部と、
前記多回転値カウンタのカウント値が予め定めた値を超えたオーバーフロー状態になったことを検出するオーバーフロー検出部とを有しており、
前記カウンタ制御部は、前記記憶部に前記減速比Ｒが設定されている場合には前記オーバーフロー検出部を不能状態にすることを特徴としている。
ここで、前記記憶部に前記減速比Ｒを設定入力するための設定入力部を有していることが望ましい。記憶部に設定される減速比を変更することにより、アクチュエータの減速機の減速比が異なる場合にも対応できる。
なお、前記１回転絶対値検出手段としては、前記モータの回転軸の回転に伴って位相が９０度異なるＡ、Ｂ２相のインクリメンタル信号を出力する回転検出部と、当該回転検出部の出力を所定の検出周期でサンプリングして、前記回転軸１回転内の絶対位置をカウントする１回転絶対値カウンタとを備えた構成のものを用いることができる。
また、主電源からの電力供給が遮断された場合に、バックアップ電源からの供給電力によって前記多回転値カウンタをバックアップする電源制御部を有していることが望ましい。
アクチュエータを一方向へ無限に回転させる場合などのように、多回転値カウンタがオーバーフローするような用途にアクチュエータを用いる場合においては、当該アクチュエータの波動歯車減速機などの減速機の減速比Ｒを多回転型アブソリュートエンコーダの記憶部に設定する。
カウンタ制御部は、記憶部に設定された減速比Ｒに基づき、多回転値カウンタのカウント範囲を零回転から（Ｒ−１）回転に設定する。また、カウント値が零の場合には、逆方向にモータ回転軸が１回転すると、カウント値を（Ｒ−１）にセットし、カウント値が（Ｒ−１）の場合に正方向にモータ回転軸が１回転すると、カウント値を零にリセットする。これにより、多回転値カウンタはオーバーフローすることなく多回転値をカウントでき、アクチュエータ出力軸の１回転内の角度位置を常に特定することができる。
以下に、図面を参照して、本発明を適用した多回転型アブソリュートエンコーダの実施の形態を説明する。
図１は、本実施の形態に係る多回転型アブソリュートエンコーダ付きアクチュエータを示す概略構成図である。アクチュエータ１は、モータ２と、このモータ２の回転軸３に連結された減速機、例えば波動歯車減速機４とを備えており、この波動歯車減速機４の減速回転出力要素にアクチュエータ出力軸５が取り付けられている。モータ２の回転軸３の１回転内の絶対角度位置および当該回転軸３の予め定めた原点位置からの回転数が磁気式の多回転型アブソリュートエンコーダ１０によって検出され、この検出結果に基づき、上位システム１００においてアクチュエータ出力軸５の回転位置が算出され、これに基づきアクチュエータ１のモータ２の駆動制御等が行われる。
多回転型アブソリュートエンコーダ１０は、アクチュエータ１のモータ２の回転軸３の回転状態を検出するための回転検出部１１を有しており、この回転検出部１１は、回転子１２と一対の磁気検出素子Ｓ１、Ｓ２から構成されている。回転子１２は、回転軸３に同軸状態に固定されており、その円周方向に沿って１８０度の角度間隔で２極着磁されたリング状の永久磁石である。一対の磁気検出素子Ｓ１、Ｓ２は、回転子１２の外周面に対して一定のギャップで対向配置されていると共に、その円周方向に９０度の角度間隔で配置されており、回転子１２の回転に伴って位相が９０度異なる正弦波状の検出信号ａ、ｂを出力する。磁気検出素子としてはホール素子、ＭＲ素子などを用いることができる。
磁気検出素子Ｓ１、Ｓ２の検出信号は、増幅器１３を介して増幅された後にＡＤ変換器１４を介してデジタル信号に変換された後に、１回転絶対値カウンタ１５に供給される。１回転絶対値カウンタ１５では、検出信号に基づき、回転子１２の１回転内の絶対値をカウントする。なお、本例では、回転子１２の１回転内の絶対値を２相の検出信号ａ、ｂに基づき検出しているが、１回転内の絶対値の検出方式はいずれの方式であってもよい。
次に、１回転絶対値カウンタ１５からの信号に基づき、多回転値カウンタ１６においては、１回転の切り替わり点で回転方向に応じてカウント値が加減算されることによって、回転子１２の予め定めた原点からの回転数がカウントされる。図２には、１回転内の絶対位置と多回転カウント値との対応関係を示してある。これらのカウンタ１５、１６のカウント値は、データ変換部１７を介してシリアルデータに変換された後に上位システム１００に出力される。
多回転値カウンタ１６のカウント値はオーバーフロー検出部１８によって監視されている。カウント値が予め定めた値を超えたオーバーフロー状態になると、当該オーバーフロー検出部１８からその旨を示す検出信号が出力されて上位システム１００に供給されるようになっている。
ここで、多回転値カウンタ１６の動作はカウンタ制御部１９によって制御される。カウンタ制御部１９は、アクチュエータ１の波動歯車減速機４の減速比Ｒが記憶部２０に設定されている場合には、多回転値カウンタ１６のカウント値の範囲を零回転から（Ｒ−１）回転までに設定する。
また、図３に示すように、この場合のカウント動作を制御する。すなわち、カウント値が（Ｒ−１）の状態から回転軸３が正方向に１回転するとカウント値を零にリセットし、カウント値が零の状態から回転軸３が逆方向に１回転するとカウント値を（Ｒ−１）にセットする。
記憶部２０への減速比Ｒの設定入力および設定されている減速比Ｒの更新は、入力部２１を介して行うことができるようになっている。入力部２１を省略して、予め記憶部２０に減速比Ｒを設定しておくことも可能である。
本例のカウンタ制御部１９は、記憶部２０に減速比Ｒが設定されている場合には、オーバーフロー検出部１８の検出動作を不能にし、図３に示すように多回転値カウンタ１６のカウント動作を制御することにより、多回転値カウンタ１６がオーバーフロー状態に陥ることが無いようにしている。減速比Ｒが設定されていない場合にはオーバーフロー検出部１８が動作し、多回転値カウンタ１６のカウント値が予め定められている値を超えてオーバーフロー状態になると、それを検出して上位システム１００に通報させる。
次に、上記の各部に対する電力供給制御は、電源制御部２２によって行われる。電源制御部２２は通常時には外部電源から供給される電力を各部に供給する。外部電源が遮断された場合には、電力供給源を内蔵のバックアップ電源２３あるいは外部のバックアップ電源（図示せず）に切り替えて、少なくとも多回転値カウンタ１６に電力を供給して多回転値をバックアップする。これにより、電源遮断後においても多回転値を保持できる。
この構成の磁気式アブソリュートエンコーダ付きアクチュエータ１を一方向に無限に回転する用途に使用する場合には、記憶部２０に波動歯車減速機４の減速比Ｒを設定しておく。これにより、カウンタ制御部１９の制御を元に、多回転値カウンタ１６はオーバーフロー状態に陥ることなく回転軸３のＲ回転分の回転数を繰り返しカウントする。したがって、アクチュエータ１が一方向の無限に回転するような用途に用いられる場合においても、多回転値カウンタ１６がオーバーフロー状態に陥ることなく、アクチュエータ出力軸５の１回転内の回転位置を常に特定することができる。また、通常の正逆回転を繰り返す用途においては、記憶部２０への減速比Ｒの設定を解除しておくことにより、オーバーフロー検出部１８が有効となり、多回転値カウンタ１６のカウント値が所定値を超えてオーバーフロー状態になったことを検出することができる。
（その他の実施の形態）
上記の例は減速機として波動歯車減速機を備えたアクチュエータについてのものであるが、減速機としてはその他の形式の減速機であってもよい。また、モータ回転軸の回転情報を検出するための回転検出部としては、磁気センサ以外の形式のセンサを用いることができる。例えば、スリット板を備えた光学式エンコーダを用いて９０度位相の異なるＡ、Ｂ２相のインクリメンタル信号を発生させ、これらに基づき回転位置を検出するようにしてもよい。
本発明を適用した磁気式アブソリュートエンコーダ付きアクチュエータを示す概略構成図である。 １回転内の絶対位置と多回転カウント値の対応関係を示す説明図である。 多回転値カウンタのカウント動作を示す説明図である。
符号の説明
１ アクチュエータ
２ モータ
３ 回転軸
４ 波動歯車減速機
５ アクチュエータ出力軸
１０ 多回転型アブソリュートエンコーダ
１１ 回転検出部
１２ 回転子
１３ 増幅器
１４ ＡＤ変換器
１５ １回転絶対値カウンタ
１６ 多回転値カウンタ
１７ データ変換部
１８ オーバーフロー検出部
１９ カウンタ制御部
２０ 記憶部
２１ 入力部
２２ 電源制御部
２３ バックアップ電源
１００ 上位システム
Ｓ１、Ｓ２ 磁気検出素子
Ｒ 減速比

Claims (4)

  1. モータと、当該モータの回転を減速して出力する減速機とを備えたアクチュエータに取り付ける多回転型アブソリュートエンコーダにおいて、
    前記モータの回転軸の回転に伴って１回転内の絶対位置を検出する１回転絶対値検出手段と、
    前記１回転絶対値検出手段による検出位置に基づき、前記回転軸の１回転の切り替わり点で回転方向に応じて加減算する、前記回転軸の予め定めた原点からの回転数を表す多回転値カウンタと、
    前記減速機の減速比Ｒを記憶する記憶部と、
    前記記憶部に記憶保持された前記減速比Ｒに基づき、前記多回転値カウンタのカウント値の範囲を零回転から（Ｒ−１）回転までに設定し、前記カウント値が（Ｒ−１）の状態から前記回転軸が正方向に１回転すると前記カウント値を零にリセットし、前記カウント値が零の状態から前記回転軸が逆方向に１回転すると前記カウント値を（Ｒ−１）にセットするカウンタ制御部と、
    前記多回転値カウンタのカウント値が予め定めた値を超えたオーバーフロー状態になったことを検出するオーバーフロー検出部とを有しており、
    前記カウンタ制御部は、前記記憶部に前記減速比Ｒが設定されている場合には前記オーバーフロー検出部を不能状態にすることを特徴とする多回転型アブソリュートエンコーダ。
  2. 請求項１に記載の多回転型アブソリュートエンコーダにおいて、
    前記記憶部に前記減速比Ｒを設定入力するための設定入力部を有していることを特徴とする多回転型アブソリュートエンコーダ。
  3. 請求項１または２に記載の多回転型アブソリュートエンコーダにおいて、
    前記１回転絶対値検出手段は、
    前記モータの回転軸の回転に伴って位相が９０度異なるＡ、Ｂ２相のインクリメンタル信号を出力する回転検出部と、当該回転検出部の出力を所定の検出周期でサンプリングして、前記回転軸１回転内の絶対位置をカウントする１回転絶対値カウンタとを備えていることを特徴とする多回転型アブソリュートエンコーダ。
  4. 請求項１ないし３のうちのいずれかの項に記載の多回転型アブソリュートエンコーダにおいて、
    主電源からの電力供給が遮断された場合に、バックアップ電源からの供給電力によって前記多回転値カウンタをバックアップする電源制御部を有していることを特徴とする多回転型アブソリュートエンコーダ。
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