JP5177639B2 - 磁気式エンコーダ装置及びこれを用いた位置検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、産業用ロボット、ＮＣ工作機械等に用いられるモータの回転位置を検出するエンコーダ装置に関し、特にオフセット補正機能を備えた磁気式エンコーダ装置及びこれを用いた位置検出方法に関する。

（従来技術１）
従来、磁界検出素子を用い、回転体の回転軸に対して垂直方向の一方向に磁化され回転体に固定された永久磁石の磁界を磁界検出素子で検出し、１回転内の角度を検出する磁気式エンコーダ装置が開示されている。（例えば、特許文献１参照）。

図７は従来の磁気式エンコーダ装置の構成図である。
図において、４は検出部、５は駆動回路、６は信号処理回路である。
検出部４は、回転体１０、回転体１０の端部に固定された円板状の発磁体を構成する永久磁石２０、永久磁石２０の外周側に設けられたリング状の固定体３０及び回転体１０の回転中心に対し同心円状にして設けられ、且つ、固定体３０の周方向に互いに等間隔に配設された磁界検出素子４０から構成されている。磁界検出素子４０は、互いに機械角で９０度位相の異なるＡ₁相検出素子４１、Ｂ₁相検出素子４２、Ａ₂相検出素子４３及びＢ₂相検出素子４４から構成され、駆動回路５により駆動されている。
また、信号処理回路６は差動増幅器６２、６３及び角度演算回路６４から構成されている。

次に本従来技術における角度演算処理の動作について説明する。
図８は、角度演算処理を示すフローチャートである。
先ず、磁気式エンコーダ装置に電源が投入されると、信号処理回路６は各パラメータを初期値に設定する初期設定を行われ、ステップ３０１（以後ｓ３０１と記す）で、差動増幅されたＡ相信号Ｖａ及びＢ相信号Ｖｂが入力される。
次に、ｓ３０２で、θ＝ｔａｎ^−１（Ｖａ／Ｖｂ）の演算を行って回転角度θを導出し、ｓ３０３でθを信号処理回路６に接続された上位機器（図示せず）に出力する。
このように、従来の装置は、永久磁石２０が発する磁界を磁界検出素子４０により検出して信号処理回路６により角度演算を行い、回転体１０の位置信号である１回転以内の回転角度θを演算している。

（従来技術２）
また、磁界検出素子の出力信号の振幅値と温度との関係から温度を推定し、予め個々の素子のデータに基づいて記憶されている温度とオフセットの関係から出力信号のオフセットを補正し、回転角度を算出する発明が開示されている（例えば特許文献２参照）。

図を用いて演算処理の動作について説明する。
図９は、本従来技術における角度演算処理を示すフローチャートである。
先ず、ｓ４０１にて、磁界検出素子から２相の出力信号Ｖａ、Ｖｂを取得し、ｓ４０２にて、振幅の正規化と位相補正を行う。

次に、ｓ４０３にて、Ｒ＝（Ｖａ^２＋Ｖｂ^２）^１／２を用いて、振幅Ｒを算出し、ｓ４０４ にて、予め記憶している温度Ｔとその温度における振幅Ｒ（Ｔ）の比較表に基づいて、素子の温度Ｔを推定する。次に、ｓ４０５にて、個々の素子の特性データに基づいて予め記憶されている温度とオフセットの関係から、オフセット補正値を推定する。次に、ｓ４０６にて、ｓ４０２において振幅の正規化と位相補正された２相の信号にｓ４０５で得られたオフセット補正値をそれぞれ加算する。最後にｓ４０７にて、ｓ４０６で求めた推定オフセット補正値を加えた出力信号から、ａｒｃｔａｎの演算によって回転角度θを得る。

このように、本従来例では、温度と振幅及び温度とオフセットの関係示す比較表を予め記憶しておき、出力信号の振幅値で比較表を参照することによってオフセット値を推定していた。
ＷＯ９９／０１３２９６号公報 特開２００４−３４０６８１号公報

第１従来技術に示した磁気式エンコーダ装置は、オフセットの温度ドリフトが発生しても修正することができないため精度が劣化していた。また素子を事前に選別することも考えられるが、コストが上がるため、従来の磁気式エンコーダ装置の適用範囲を狭めるという問題があった。

また、第２従来技術に示した磁気式エンコーダ装置は、温度と振幅及び温度とオフセットの関係示す比較表を記憶しておく必要があるため、大きな記憶エリアが必要となりまた、温度と振幅との一致を調べる必要があるためＣＰＵの負担を大きくすることになる。このように、回路が大型化するため、コストが上がり、従来の磁気式エンコーダ装置の適用範囲を狭めるという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、素子を選別することなく、 また、ＣＰＵに大きな負担を掛けずに磁界検出素子のオフセットの温度ドリフトを低減できる低コストで高精度の磁気式エンコーダ装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
すなわち、本発明の一の観点による磁気式エンコーダ装置は、移動体の変位に応じて正弦波状の信号を出力する少なくとも２つの磁界検出素子を有する検出部と、前記磁界検出素子を駆動する駆動回路と、前記磁界検出素子からの信号を処理し前記移動体の位置信号を出力する信号処理回路を備えた磁気式エンコーダ装置において、 前記信号処理回路は、前記正弦波状の信号のオフセット値を検出するオフセット検出回路と、前記オフセット値の変動を検出するための比較基準となるオフセット基準値を記憶するオフセット記憶回路と、前記オフセット値と前記オフセット基準値の差分値を演算する差分演算回路と、前記差分値と所定の閾値を比較する比較回路とを備え、前記差分値が前記閾値を超えた場合、前記オフセット記憶回路に記憶するオフセット値を前記オフセット検出回路の出力で更新することを特徴としている。

また、上記一の観点による磁気式エンコーダ装置は、前記検出部は、回転体と垂直方向の一方向に磁化され、回転体に固定された永久磁石と、前記永久磁石に空隙を介して対向し、固定体に取り付けられた少なくとも２つの磁界検出素子とを備えたことを特徴としてもよい。

また、上記一の観点による磁気式エンコーダ装置は、前記永久磁石は、円板形状であることを特徴としてもよい。
また、上記一の観点による磁気式エンコーダ装置は、前記永久磁石は、リング形状であることを特徴としてもよい。

また、上記一の観点による磁気式エンコーダ装置は、更に前記信号処理回路が、前記比較回路の出力をカウントする計数回路を備え、前記計数回路のカウント値が２回以上の所定の設定数を超えたとき、前記オフセット基準値を前記オフセット値で更新することを特徴としてもよい。

また、本発明の他の観点による磁気式エンコーダ装置による位置検出方法は、移動体の変位に応じて正弦波状の信号を出力する少なくとも２つの磁界検出素子を有する検出部と、前記磁界検出素子を駆動する駆動回路と、前記磁界検出素子からの信号を処理し前記移動体の位置信号を出力する信号処理回路を備えた磁気式エンコーダ装置による位置検出方法において、起動時に予め設定されたオフセット基準値を記憶し、起動後の動作時に前記磁界検出素子のオフセット値を検出し、前記オフセット基準値と前記オフセット値の差である差分値を演算し、前記差分値と所定の閾値を比較し、前記差分値が所定の閾値を超えた場合前記オフセット基準値を前記動作時のオフセット値で更新し、動作時において、前記更新されたオフセット基準値とオフセット値の差である差分値が、所定の閾値を超えた場合、前記オフセット基準値を前記動作時のオフセットで更新し、前記更新されたオフセット値を前記磁界検出素子のオフセット値として、前記位置信号を演算することを特徴としている。

また、本発明の更に他の観点によるサーボモータは、上記一の観点による磁気式エンコーダ装置を備えたことを特徴としている。

本発明の一の観点による磁気式エンコーダ装置によると、オフセット値とオフセット基準値の差分値が閾値を超えた場合、オフセット基準値をオフセット値で更新しているので、頻繁にオフセット値を求めない。従って、ＣＰＵへの負担の小さい小規模の回路で位置検出できるので、低コストで高精度の磁気式エンコーダ装置を提供することができる。

また、上記一の観点による磁気式エンコーダ装置によると、検出部が、回転体と垂直方向の一方向に磁化され、回転体に固定された永久磁石、永久磁石に空隙を介して対向し、固定体に取り付けられた少なくとも２つの磁界検出素子とを備えれば、温度変動の小さい絶対値エンコーダが実現できる。

また、上記一の観点による磁気式エンコーダ装置によると、検出部の永久磁石を円板形状とすれば小型で温度変動の小さい絶対値エンコーダが実現できる。
また、上記一の観点による磁気式エンコーダ装置によると、検出部の永久磁石をリング形状とすれば、固定子を永久磁石の内部に配置できるので、アウターロータ型の温度変動の小さい絶対値エンコーダが実現できる。

また、上記一の観点による磁気式エンコーダ装置によると、差分値が前記閾値を２回以上超えたとき、オフセット基準値をオフセット値で更新すれば更新すれば、ノイズに強い磁気式エンコーダ装置が実現できる。

また、本発明の一の観点による磁気式エンコーダ装置による位置検出方法によると、オフセット基準値とオフセット値の差である差分値を演算し、差分値と所定の閾値を比較し、差分値が所定の閾値を超えた場合前記オフセット基準値を動作時のオフセット値で更新しているので、頻繁にオフセット値を求めない。従って、ＣＰＵの負担を加えずに位置検出できるので適用範囲の広い磁気式エンコーダ装置の位置検出方法を提供することができる。

また、本発明の更に他の観点によるサーボモータによると、上記一の観点による磁気式エンコーダ装置を備えているので、温度による特性への影響の小さいサーボモータが実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示す磁気式エンコーダ装置のブロック図である。
図において、４は検出部、５は駆動回路、６は信号処理回路である。
検出部４は、回転体１０、回転体１０の端部に固定された円板状の発磁体を構成する永久磁石２０、永久磁石２０の外周側に設けられたリング状の軟磁性体からなる固定体３０及び回転体１０の回転中心に対し同心円状にして設けられ、且つ、固定体３０の周方向に互いに等間隔に配設された磁界検出素子４０から構成され、駆動回路５により駆動される。
また、信号処理回路６は差動増幅器６２、６３、角度演算回路６４及びオフセット補正回路６５、６６から構成される。

オフセット補正回路６５は、差動増幅器６２の出力であるＡ相信号Ｖａ及び差動増幅器６３の出力であるＢ相信号Ｖｂから、それぞれオフセット補正されたＡ相信号Ｖａ’及びＢ相信号Ｖｂ’を演算し、角度演算回路６４に出力する。

図２は、本実施例におけるオフセット補正回路の構成を示すブロック図である。
なお、オフセット補正回路は、Ａ相信号用のオフセット補正回路６５とＢ相信号用のオフセット補正回路６６があるが、同一の構成であるのでＡ相信号用のオフセット補正回路６５を用いて説明する。

図において６５１はＡ相信号Ｖａのオフセット値を演算するオフセット演算回路、６５２は予め設定されたオフセット基準値又は所定の演算によって更新されたオフセット基準値を記憶するオフセット記憶回路である。オフセット基準値は角度演算回路において、角度演算を行なうとき必要となる入力信号の中心電圧を与えるためのもので、予め実験データ等を基に得られた代表的な数値を入れておく。また、６５３はオフセット値とオフセット基準値との差分値を演算する差分演算器、６５４はオフセット変動分の閾値を設定する閾値設定回路である。閾値の設定は、オフセット変動分による角度検出誤差が所定の範囲内となるように設定されるが、閾値をあまり小さくするとオフセット基準値の更新動作が行なわれ、ＣＰＵに負担をかけるためこの点についても考慮して設定される。また、６５５は前記差分値と前記閾値を比較する比較器、６５６は、Ａ相信号Ｖａから更新されたオフセット基準値を差し引くことによって、オフセット補正されたＡ相信号Ｖａ’を’得るオフセット除去回路である。

本実施例が第１従来技術と異なる点は、信号処理回路６にオフセット補正回路６５、６６を備えた点である。また、本実施例が第２従来技術と異なる点は、オフセット補正回路６が、オフセット記憶回路６５２、差分演算器６５３、閾値設定回路６５４、比較器及６５５及びオフセット除去回路６５６を備え、オフセット記憶回路６５２に記憶しているオフセット基準値とオフセット演算回路で算出されたオフセット値との差である差分値が、所定の閾値を超えた場合、オフセット基準値を更新し、更新されたオフセット基準値で、Ａ相信号及びＢ相信号のオフセット値を補正している点である。

次に本発明の動作について説明する。
検出部の動作については第１従来技術と同じであるのでその説明を省略し、オフセット補正動作について説明する。

図３は、本発明の第１実施例におけるオフセット補正動作を示すフローチャートである。
磁気式エンコーダ装置に電源が投入されると、ステップ１０１（以後ｓ１０１と記す）において、オフセット基準値Ｖｏｆｆｎ及び閾値ｄＶｃが設定される。

次に、ｓ１０２で磁界検出素子４の信号が差動増幅されたＡ相信号ＶaおよびＢ相信号Ｖｂを入力し、ｓ１０３で入力信号の最大値及び最小値を検出し、ｓ１０４でオフセット値Ｖｏｆｆｍを演算する。なお、最大値及び最小値の検出方法については、公知であるのでその説明を省略する。

オフセット値は、Ｖaの最大値Ｖａｍａｘ、最小値Ｖａｍｉｎ、及びＶｂの最大値Ｖｂｍａｘ、最小値Ｖｂｍｉｎから、Ａ相オフセット値Ｖｏｆｆｍａ及びＢ相オフセット値Ｖｏｆｆｍｂを１式によって演算する。
Ｖｏｆｆｍ＊＝Ｖ＊ｍａｘ−（（Ｖ＊ｍａｘ−Ｖ＊ｍｉｎ）／２） （１）
ただし、＊＝ａ又は＊＝ｂ

次に、ｓ１０５であらかじめ設定されているオフセット値Ｖｏｆｆｎとの差である差分値ｄＶｏｆｆを２式によって算出する。
ｄＶｏｆｆ＊＝Ｖｏｆｆｎ＊−Ｖｏｆｆｍ＊ （２）
ただし、＊＝ａ又は＊＝ｂ

次に、ｓ１０６で、Ａ相信号のオフセット差分値ｄＶｏｆｆａがＡ相信号の閾値ｄＶｃａを超えているかどうかの閾値判定をし、ｄＶｏｆｆａがｄＶｃａを超えた場合、ｓ１０７でＶｏｆｆｎａにＶｏｆｆｍａ代入することによってオフセット基準値を更新し、ｓ１０８に進む。超えていない場合は、直接ｓ１０８に進む。

次に、ｓ１０８及びｓ１０９でＢ相信号Ｖｂに対してＡ相信号と同様の閾値判定及びオフセット更新処理が進められ、ステップｓ１１０に進む。
次に、ｓ１１０で、Ｖａ’にＶａ−Ｖｏｆｆｎａを、Ｖｂ’にＶｂ−Ｖｏｆｆｎｂを代入することによってオフセット除去処理を行う。

次に、ｓ１１１で角度信号θをｔａｎ^−１（Ｖａ’／ Ｖｂ’）によって導出し、ｓ１１２で角度信号θを信号処理回路６に接続された図示しない上位機器に出力する。

以上のオフセット更新処理は、温度変動によるオフセットの変動に対してオフセット値を更新すればよいのでゆっくりとしたタイミングで実行すればよい。
なお、上記オフセット更新処理と並行してｓ１０２からｓ１１０へ飛び、ｓ１１０〜ｓ１１２を実行する通常の角度演算処理が高速（例えば５μＳ周期）で行われていることは言うまでもない。

このように、本実施例ではオフセット値Ｖｏｆｆｎを複数記憶させる必要がないので、記憶エリアを小さくすることが出来、記憶容量が小さい素子を用いることが出来る。また多くのオフセット値をスキャンする必要が無いので、ＣＰＵの負担を軽くした磁気式エンコーダ装置を提供できる。

図４は、本発明の第２実施例を示す磁気式エンコーダ装置のブロック図である。
図において、４は検出部、５は駆動回路、６は信号処理回路である。
検出部４は、リング形状の回転体１１、回転体１１の内部に固定された発磁体を構成するリング状の永久磁石２１、永久磁石２１の内周側にギャップを介して設けられた軟磁性体からなる固定体３１及び回転体１１の回転中心に対し同心円状にして設けられ、且つ、固定体３１の外周に周方向に互いに等間隔に配設された磁界検出素子４０から構成され、駆動回路５により駆動される。

また、信号処理回路６は差動増幅器６２、６３、角度演算回路６４及びオフセット補正回路６５、６６から構成される。
オフセット補正回路６５は、差動増幅器６２の出力であるＡ相信号Ｖａ及び差動増幅器６３の出力であるＢ相信号Ｖｂから、それぞれオフセット補正されたＡ相信号Ｖａ’及びＢ相信号Ｖｂ’を演算し、角度演算回路６４に出力する。

図５はオフセット補正回路の構成を示すブロック図である。
図において、６５７は差分値が閾値を超えた回数をカウントする計数回路である。
本実施例が第１実施例と異なる点は、リング形状の永久磁石２１から成る検出部を備えていることと、オフセット補正回路が計数回路６５７を備えている点である。

次に、動作について説明する。
図６は、本実施例におけるオフセット補正動作を示すフローチャートである。
ｓ１０５までの動作については、第１実施例とほぼ同じである。すなわち、第１実施例ではｓ１０１において、閾値ｄＶｃ及びオフセット基準値Ｖｏｆｆｎが設定されるが、本実施例ではさらに、差分値が閾値を超えた回数を示す閾値チェック用のパラメータＮａ，Ｎｂに０が代入され初期化される。これ以外のｓ１０５までの動作と、ｓ１１０以後の動作については第１実施例と同じであるのでその説明を省略する。

ｓ１０５が実行された後、ｓ２０１において、Ａ相のオフセットの差分値ｄＶｏｆｆａが閾値ｄＶｃａを超えるか判断する。超えた場合、ｓ２０２に進みＮａに１を足して再度Ｎａに代入し、ｓ２０３に進む。超えない場合ｓ２０５に進む。ｓ２０３ではＮａが設定数を超えていないか判定される。

本実施例では設定数は２としている。Ｎａが２以下の場合はそのまま、次のｓ２０５に進む。Ｎａが２を超える場合はｓ２０４に進みＶｏｆｆｎａにＶｏｆｆｍａが入力される。さらにＮａに０が入力されて初期化され、次のステップｓ２０５に進む。ｓ２０５〜ｓ２０８ではｓ２０１〜ｓ２０４と同様の判定と処理がｄＶｏｆｆｂに対して進められ、ｓ１１０に進む。

本実施例では、中空形状を成した状態で閾値に達した回数をチェックし、予め設定した所定の設定回数超えた場合に補正用のオフセット値Ｖｏｆｆｎを変更するので、閾値判定におけるチャタリングによるオフセットの変更が頻発することを防ぐことが出来る。従って、ノイズに強くＣＰＵの負担を軽くした適用温度範囲の広い中空形状の磁気式エンコーダ装置を提供できる。

このように、起動時もしくは変更設定されたオフセット値と毎時計測されるオフセット値との差であるオフセット値の差分があらかじめ記録された閾値を超えたか判定して、磁界検出素子のオフセット値を再設定し角度演算を行う信号処理回路を備えているので、閾値となるオフセット値を大量に記憶させる必要がないので、容量の小さな記憶素子を用いることが出来、ＣＰＵに負担を加えずに位置検出できるので適用範囲の広い磁気式エンコーダ装置の位置検出方法を提供することができる。

本発明によってＣＰＵに負担をかけずに位置検出を高精度で補正することができるようになるので、基板が小さくなり、温度適用範囲が広がるので、高温対応のサーボモータや、さらに小型サーボモータという用途にも適用できる上、中空形状のアウターロータ型サーボモータへ広い温度適用範囲を維持して適用できる。

本発明の第１実施例を示す磁気式エンコーダ装置のブロック図 本発明の第１実施例におけるオフセット補正回路の構成を示すブロック図 本発明の第１実施例におけるオフセット補正動作を示すフローチャート 本発明の第２実施例を示す磁気式エンコーダ装置のブロック図 本発明の第２実施例を示すオフセット補正回路の構成を示すブロック図 本発明の第２実施例におけるオフセット補正動作を示すフローチャート 従来の磁気式エンコーダ装置の構成を示すブロック図 従来の角度演算処理を示すフローチャート 従来の角度演算処理を示すフローチャート

符号の説明

１０、１１ 回転体
２０ 永久磁石
２１ リング形状永久磁石
３０、３１ 固定体
４ 検出部
４０ 磁界検出素子
４１ Ａ１相検出素子
４２ Ｂ１相検出素子
４３ Ａ２相検出素子
４４ Ｂ２相検出素子
５ 駆動回路
６ 信号処理回路
６２、６３ 差動増幅器
６４ 角度演算回路
６５ オフセット補正回路
６５１ オフセット演算回路
６５２ オフセット記憶回路
６５３ 差分演算回路
６５４ 閾値設定回路
６５５ 比較回路
６５６ オフセット除去回路
６５７ 計数回路

Claims (7)

1. 移動体の変位に応じて正弦波状の信号を出力する少なくとも２つの磁界検出素子を有する検出部と、
   前記磁界検出素子を駆動する駆動回路と、
   前記磁界検出素子からの信号を処理し前記移動体の位置信号を出力する信号処理回路と、
   を備え、
   前記信号処理回路は、
   前記正弦波状の信号のオフセット値を演算するオフセット演算回路と、
   前記オフセット値の変動を検出するための比較基準となるオフセット基準値を記憶するオフセット記憶回路と、
   前記オフセット値と前記オフセット基準値の差分値を演算する差分演算回路と、
   所定の閾値を設定する閾値設定回路と、
   前記差分値と前記閾値を比較する比較回路と、
   を有し、
   前記差分値が前記閾値を超えた場合、前記オフセット基準値を前記オフセット値で更新する、磁気式エンコーダ装置。
2. 前記検出部は、
   回転体と垂直方向の一方向に磁化され、回転体に固定された永久磁石と、
   前記永久磁石に空隙を介して対向し、固定体に取り付けられた少なくとも２つの磁界検出素子と、
   を備えた、請求項１記載の磁気式エンコーダ装置。
3. 前記永久磁石は、円板形状である、請求項２記載の磁気式エンコーダ装置。
4. 前記永久磁石は、リング形状である、請求項２記載の磁気式エンコーダ装置。
5. 前記信号処理回路は、
   更に前記比較回路の出力をカウントする計数回路を備え、
   前記計数回路のカウント値が２回以上の所定の設定数を超えたとき、前記オフセット基準値を前記オフセット値で更新する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気式エンコーダ装置。
6. 移動体の変位に応じて正弦波状の信号を出力する少なくとも２つの磁界検出素子を有する検出部と、前記磁界検出素子を駆動する駆動回路と、前記磁界検出素子からの信号を処理し前記移動体の位置信号を出力する信号処理回路と、を備えた磁気式エンコーダ装置を使用して、
   起動時に予め設定されたオフセット基準値を記憶し、
   起動後の動作時に前記磁界検出素子のオフセット値を演算し、
   前記オフセット基準値と前記オフセット値の差である差分値を演算し、
   前記差分値と所定の閾値を比較し、
   前記差分値が所定の閾値を超えた場合前記オフセット基準値を前記動作時のオフセット値で更新し、
   動作時において、前記更新されたオフセット基準値と動作時のオフセット値の差である差分値が、所定の閾値を超えた場合、前記オフセット基準値を前記動作時のオフセットで更新し、
   前記更新されたオフセット値を前記磁界検出素子のオフセット値として、前記位置信号を演算する、磁気式エンコーダ装置による位置検出方法。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気式エンコーダ装置を備えた、サーボモータ。
   

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