JP5306468B2 - マルチターン回転エンコーダー - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に基づくマルチターン回転エンコーダーに関する。本発明は、特に、シャフトが実行した回転回数を算出するための回転データをマルチターンユニットから評価ユニットに伝送するためのインタフェースアーキテクチャに関する。

駆動技術において、マルチターン回転エンコーダーは、シャフトの位置及びシャフトが実行した回転回数を測定するために使用されている。そのようなマルチターン回転エンコーダーは、従来技術において以前から知られている。それらは、大抵一回の全回転内のシャフトの位置に関する情報を取得するために走査される第一の基準尺と、シャフトが実行した回転回数に関する位置情報を供給するために走査される一つ以上の別の基準尺とから構成されている。

シャフトの一回転内の位置を計測するためのユニットは、「シングルターン段」という用語で要約される。シャフトが実行した回転回数に関する位置情報を算出するためのユニットは、マルチターンユニットを構成する。評価ユニットでは、シングルターン段とマルチターンユニットの位置情報から、それまでに実行した全回転回数とその時々の回転内の絶対位置とを含む共通の位置の値が算出される。

最新の位置測定器では、多くの場合評価ユニットとして、理想的にはシングルターン段の走査のための検出器と検出器信号を処理して位置の値とするために必要な回路部分とを予め備えた高集積の特定用途向け部品（ＡＳＩＣ）が用いられている。光学走査方式を使用する場合、検出器は、例えば、光検出器配列である。そのような組合せは、オプトＡＳＩＣとも呼ばれている。

第二の基準尺を走査するために、マルチターンユニットには、位置の値を絶対形式で生成する別個の走査ユニットが配備されている。典型的なマルチターン回転エンコーダーのマルチターンユニットは、例えば、伝達係数が一定の三段式伝動機構によって駆動される三つのマルチターン段で構成される。伝動機構の歯車に軸方向に取り付けられた磁石が基準尺の役割を果たし、それらの磁石は、例えば、分解能が８ビットの絶対値として、伝動機構の対応する歯車の角度位置を出力するホールセンサーを用いて、それぞれ走査される。それらの絶対値は、デジタルインタフェースを介して評価ユニットに伝送される。そのようなマルチターン回転エンコーダーは、例えば、特許文献１に記載されている。

更に、マルチターンユニットが、シャフトの全回転毎に生成される計数パルスによってカウントアップ又はカウントダウンされるカウンタを有するマルチターン回転エンコーダーが知られている。その場合、カウンタ値は、シャフトが実行した回転回数を直接表す。カウンタ値の典型的なデータワード幅は１８ビットである。

これまで、マルチターンユニットから評価ユニットへのデータ伝送のために、有利には、簡単に実現でき、速いデータ伝送速度が達成できるので、パラレルインタフェースが用いられている。その解決策の欠点は、必要な信号配線の数が多いことである。即ち、上記の三段式構成は、８ビット幅の三つのデータワードの伝送に２４本もの配線を必要とする。それには、種々の制御配線も必要である。特に、ＡＳＩＣ又はオプトＡＳＩＣを評価ユニットとして使用する場合、必要な端子パッドの数が直接チップ面積とそのためＡＳＩＣ当りのコストに影響するので、そのことが問題となる。

同様に、小さい負担でＡＳＩＣに組み込むことができる簡単なシリアルインタフェースは、要求の厳しい位置測定器、例えば、高速スピンドルの測定のためには、大抵遅すぎ、速いシリアルインタフェースは、大きな回路負担を必要とし、そのため又もや必要なチップ面積に関して不利に作用して、コストを上昇させることとなるので、シリアルインタフェースの使用も問題であることが分かっている。更に、速いシリアルインタフェースは、クロックの立ち上がりと立ち下りが急勾配の高いクロック周波数を必要とし、特に、シングルターン段の信号処理へのクロストークによる問題が発生する可能性が有るとともに、パッドの所要のドライバ強度のために消費電力を大きくしてしまうこととなる。

欧州特許第１０７６８０９号明細書

以上のことから、本発明の課題は、改善されたインタフェースアーキテクチャを有するマルチターン回転エンコーダーを提示することである。

本課題は、請求項１に基づくマルチターン回転エンコーダーによって解決される。マルチターン回転エンコーダーの有利な細目は、請求項１に従属する請求項から明らかとなる。

ここで、シャフトと回転しない形で接続されるとともに、シャフトの一回転内の絶対位置を算出するためにシングルターン走査ユニットによって走査することが可能なコードトラックを備えたシングルターンコーディングディスクと、シャフトが実行した回転回数を算出するのに適した回転データを測定するためのマルチターンユニットと、回転データを伝送するための少なくとも二つのデジタルインタフェースを介して、マルチターンユニットと接続された評価ユニットとを有するマルチターン回転エンコーダーを提案する。本発明は、回転データがシャフトの回転時に異なる変化速度を示す少なくとも二つのデータワードを有することと、最も大きな変化速度を示すデータワードを評価ユニットに伝送するためのインタフェースがパラレルインタフェースであることと、最も小さい変化速度を示すデータワードを評価ユニットに伝送するためのインタフェースがシリアルインタフェースであることとを特徴とする。

このシリアルインタフェースは、ポイントツーポイント接続形態としても、バス接続形態としても実現することができ、バス接続形態は、それと関連して評価ユニットのピンを一層削減することができるので有利である。

評価ユニットとしてＡＳＩＣを用いた場合、必要な端子ピンの数が削減されることによって、チップ面積を大きく増大させることなく、最適な費用対効果比率が達成されるので、本発明の利点が、特に大きな作用効果を奏することとなる。

本発明の更に別の利点及び詳細は、以下の図面に基づく記述から明らかとなる。

本発明によるマルチターン回転エンコーダーの第一の実施例の基本図 第一の実施例の本発明のインタフェースアーキテクチャのブロック接続図 本発明の別のインタフェースアーキテクチャのブロック接続図 本発明によるマルチターン回転エンコーダーの第二の実施例の基本図 第二の実施例のインタフェースアーキテクチャのブロック接続図

図１は、本発明によるマルチターン回転エンコーダーの第一の実施例の基本構成を図示している。シングルターン段、即ち、シャフトＷの一回転内の位置の値を測定するための機器は、中心点Ｍが、測定すべきシャフトと回転しない形で接続されるとともに、中心点Ｍと同心に配置されたリング形状のコードトラック１１を搭載したシングルターンコーディングディスク１０から構成されている。更に、コードトラック１１を読み取るとともに、シングルターンコーディングディスク１０の角度位置に応じた絶対位置の値を算出するために、シングルターン走査ユニット１２が配備されている。位置の検出のために、光学走査方式を使用する場合、例えば、コードトラック１１は、異なる光学特性、例えば、光を通す特性と光を通さない特性又は光を反射する特性と光を反射しない特性の領域から成る目盛パターンで構成される。光源からの光は、コードトラック１１の方向に放出されて、それによって変調され、最終的に、シングルターン走査ユニット１２内に配置された光検出器に当たる。ここでは、見易くするために、光源の図面は省略されている。コードトラック１１は、絶対方式で符号化されるか、或いは増分方式で実現されており、場合によっては、複数の互いに並んで配置された目盛トラックから構成される。

シャフトＷが実行した回転回数の算出に適した回転データを測定するために、マルチターンユニット１８が配備されている。それは、図示された例では、三つのマルチターン段から構成されている。それらのマルチターン段の各々は、それぞれ一つのコードエレメント２１，３１，４１を備えたマルチターンコーディングディスク２０，３０，４０と、マルチターン走査ユニット２２，３２，４２とを有する。回転データは、マルチターン走査ユニット２２，３２，４２で算出されるデータワード２４，３４，４４である。マルチターンコーディングディスク２０，３０，４０は、測定すべきシャフトＷによって、三段式の減速伝動機構２３，３３，４３を介して駆動され、シャフトＷの回転時に、第一の伝動段２３によって駆動される第一のマルチターンコーディングディスク２０は、最も高い回転数を示し、第三の、しかも最後の伝動段４３によって駆動される第三のマルチターンコーディングディスク４０は、最も低い回転数を示す。それに対応して、マルチターン走査ユニット２２，３２，４２で生成されるデータワード２４，３４，４４は、異なる変化速度を示すこととなり、第一のマルチターン段の第一のデータワード２４は、最も高い変化速度を示し、第三の、しかも最後のマルチターン段の第三のデータワード４４は、最も低い変化速度を示す。

マルチターン段の特に簡単な構造が得られるが、それは、磁気走査方式を使用した場合に得られる。その場合、コードエレメント２１，３１，４１は、マルチターンコーディングディスク２０，３０，４０と回転しない形で接続されるとともに、それぞれ一つのダイポール、即ち、磁極として一つの北極Ｎと南極Ｓを有する円盤状の永久磁石から構成される。マルチターンコーディングディスク２０，３０，４０として、減速伝動機構２３，３３，４３の好適な歯車を使用するのが特に有利である。コードエレメント２１，３１，４１の角度位置を検出するためのダイポールの走査は、各マルチターン走査ユニット２２，３２，４２内に配置されたホールセンサーを用いて行われる。マルチターン走査ユニット２２，３２，４２の分解能は、例えば、８ビットである、即ち、マルチターンコーディングディスク２０，３０，４０の一回転は、２５６個の絶対位置の値で区分されて、データワード２４，３４，４４の形で提供される。

そのような構成のマルチターン回転エンコーダーは、例えば、特許文献１に記載されている。

シングルターン段とマルチターン段の個々の位置の値を評価して、全体的な位置の値を算出するために、評価ユニット１３が配備されている。評価ユニット１３は、有利には、シングルターン走査ユニット１２が予め統合されたＡＳＩＣである。前述した通り、シングルターン段が、光学走査方式に基づき構成され、ＡＳＩＣが、コードトラック１１によって変調された光を検出するための検出器も有する場合、そのようなＡＳＩＣは、オプトＡＳＩＣとも呼ばれる。マルチターン段の絶対位置の値を含むデータワード２４，３４，４４は、以下で説明する通り、デジタルインタフェース２５，３５，４５を介して、評価ユニット１３に伝送される。

図２は、本発明によるマルチターンユニット１８から評価ユニット１３にデータワード２４，３４，４４を伝送するためのインタフェースアーキテクチャを図示している。簡略化して、マルチターンユニット１８の中には、デジタルインタフェース２５，３５，４５を介して評価ユニット１３と接続されたマルチターン走査ユニット２２，３２，４２だけが図示されている。

シングルターン段と三つのマルチターン段の個々の絶対位置の値から全体的な位置の値を算出するためには、それらを組み合わせる必要が有る。その場合、各コーディングディスクの全回転の完了を次に遅い伝動段のコーディングディスクによって検知することが特に重要である。

更なる考察のために、減速伝動機構２３，３３，４３の三つの伝動段の各々に対して１／１６の伝達係数を仮定する、即ち、第一の伝動段２３は、第一のマルチターンコーディングディスク２０の回転数を測定すべきシャフトＷ（又はシングルターンコーディングディスク１０）の回転数の１／１６に低減し、第二の伝動段３３は、第二のマルチターンコーディングディスク３０の回転数を第一の伝動段２３（又は第一のマルチターンコーディングディスク２０）の回転数の１／１６に低減し、最終的に第三の最後の伝動段４３は、第三のマルチターンコーディングディスク４０の回転数をその前の第二の伝動段３３（又は第二のマルチターンコーディングディスク３０）の回転数の１／１６に低減する。各マルチターンコーディングディスク２０，３０，４０の分解能は、８ビットであり、シングルターン段と三つのマルチターン段の個々の絶対位置の値を正しく組み合わせて全体的な位置の値とすることができるように、上位の４ビット（４... ７）は、回転を計数するために用いられ、下位の４ビット（０... ３）は、所謂コード結合のために用いられて、その次に高い回転数のその前の伝動段の上位の４ビット（４... ７）と重ね合わされる。従って、４０９６回転の最大計数範囲が得られる。測定すべきシャフトＷの最大回転数として、１８０００回転／分が想定される。

マルチターン走査ユニット２２，３２，４２で生成されるデータワード２４，３４，４４は、シャフトＷの回転時に、マルチターンコーディングディスク２０，３０，４０の回転数に対応して異なる変化速度を示す。第一のマルチターン走査ユニット２２で生成される第一のデータワード２４は、最も高い変化速度を示し、第二のマルチターン走査ユニット３２で生成される第二のデータワード３４は、中間の変化速度を示し、第三のマルチターン走査ユニット４２で生成される第三のデータワード４４は、最も低い変化速度を示す。

確実な結合のためには、評価ユニット１３の位置の値がリアルタイムに提供されることが重要である。そのような要件は、パラレルインタフェースによって問題なく満たされる一方、マルチターン走査ユニット２２，３２，４２から評価ユニット１３にデータワード２４，３４，４４を伝送するためにシリアルインタフェースを使用することが問題となる可能性が有る。

そのための数値例は、次の通りである。

マルチターン走査ユニット２２，３２，４２から評価ユニット１３にデータワード２４，３４，４４を伝送するためのインタフェース２５，３５，４５は、２００ｋＨｚの伝送周波数を持つべきである。それは、特に、短い間隔の集積回路間のシリアル伝送用の２本の電線によるインタフェースとして適しており、そのような回路内に簡単に組み込むことができる広帯域の１２Ｃ型インタフェースの典型的な値に相当する。

それらのインタフェース２５，３５，４５は、８ビットの一つの値を伝送するために、少なくとも４０μｓ必要である（この考察では、スタート又はストップビットなどの追加の伝送すべきビットは考慮しない）。それは、シングルターンコーディングディスク１０に関して言うと、最大の回転数でのデータ伝送の間、それが４．３２°の角度値だけ変化することを意味する。即ち、第一のマルチターン走査ユニット２２から評価ユニット１３に第一のデータワード２４を伝送している間に、シャフトの停止状態の０°と最大回転数の４．３２°の間で、シングルターンコーディングディスク１０の角度位置が回転数に応じて変化する。その結果、確実な結合が著しく悪化することとなる。

第二のマルチターン段を考察すると、第二のマルチターン走査ユニット３２から第二のインタフェース３５を介して評価ユニット１３に第二のデータワード３４を伝送する間に、第一のマルチターンコーディングディスク２０の角度位置が、シャフトＷの最大回転数に対して、最大０．２７°しか変化しないことが分かる。そのような値は、多くの場合確実な結合に関して容易に無視することができる。

第三のマルチターン段に関して、第二のマルチターンコーディングディスク３０の角度位置の最大の偏差は、僅か０．０１７°であり、もはや確実な結合に対して何ら影響を与えない。

即ち、要約すると、組み込みし易い簡単なシリアルインタフェースの伝送速度は、第三のマルチターン走査ユニット４２から評価ユニット１３に絶対位置の値を伝送するのに十分であり、少なくともそのような場合には、所要の端子ピンに関して負担のかかるパラレルインタフェースを不要にできると決定することができる。

この例では、更に、第二のマルチターン走査ユニット３２から評価ユニット１３に第二のデータワード３４を伝送するためにも、シリアルインタフェースが適している。対応する第一のマルチターンコーディングディスク２０が最も高い回転数を示す第一のマルチターン走査ユニット２２から評価ユニット１３への伝送に関して、そのようなシリアルインタフェースは、確実な結合が悪化するために、もはや適していない。

しかし、より速いシリアルインタフェースの組み込みは、冒頭に述べた通り、コストのかかる所要のチップ面積と所要の高いクロック周波数による回路技術的な欠点の理由から、この目的に適っていない。しかし、第一のマルチターン走査ユニット２２と評価ユニット１３の間のデータ伝送用の第一のインタフェース２５としてパラレルインタフェースを使用することは、必要なピン数の低減によるチップ面積の削減及び組み込みし易いインタフェースの採用という要件に関して、最善の費用対効果比率を生み出すことが分かった。その具体的な例では、一つのパラレルインタフェースと二つのシリアルインタフェースの使用によって、インタフェース（制御配線を無視するとして、それぞれ８ビットの三つのパラレルインタフェース）に必要な２４本のピンを１２本（シリアルインタフェース毎に２本のピン）に削減することが達成されている。

シリアルインタフェースが、図２に図示されている通り、ポイントツーポイント接続形態として実現されるのではなく、図３に図示されている通り、バス接続形態として実現される場合、所要のピン数は、更に削減することができる。それは、第二のインタフェース３５を介した第二のマルチターン走査ユニット３２と第三のインタフェース４５を介した第三のマルチターン走査ユニット４２とが並列に接続された、ただ一つの共通のシリアルインタフェース１５を評価ユニット１３に配備することを意味する。そうすることによって、評価ユニット１３において、２本のピンの更なる削減が達成される。しかし、その結果第二又は第三のマルチターン走査ユニット３２，４２の絶対位置データを伝送するために、各時点でマルチターン走査ユニット３２，４２の中のどれを呼び出すべきか、或いは読み出すべきかを定義するために、先ずはアドレッシング情報を評価ユニット１３から伝送しなければならないので、伝送速度が一層低下する。更に、マルチターン走査ユニット３２，４２からの位置データの読み出しは、順次行われる。

図４は、本発明によるマルチターン回転エンコーダーの第二の実施例の基本構造を図示している。シングルターン段の構造は、図１と関連して既に述べたシングルターン段と同じである。第一の実施例と比較して、マルチターンユニット１１８は、ここでは、例えば、データワード幅が１８ビットのカウンタ値の形で回転データを算出する一つのマルチターン走査ユニット１２２だけを有する。この例では、減速伝動機構は配備されていない。シャフトＷの回転毎に計数パルスを発生させるために、例えば、（図示されていない）磁気センサーを用いて走査される円盤状の永久磁石から成るコードエレメント１２１がシャフトに配置されている。それには、磁気抵抗効果に基づくセンサー（所謂ＭＲセンサー）が特に適している。二つのＭＲセンサーをコードエレメント１２１の周囲に渡って９０°ずらして分散配置した場合に、有利な構成が得られる。マルチターン走査ユニット１２２は、センサー信号から、回転方向に応じた計数パルスを導き出し、それに対応してカウンタ値をカウントアップ又はカウントダウンさせる。

当然のことながら、計数パルスの発生は、磁気走査方式に限定されない。即ち、例えば、光学又は誘導走査方式も採用することができる。

シャフトＷの回転毎に一つの計数パルスを発生させて、回転方向に応じて評価することによって、各時点におけるカウンタ値は、シャフトＷが実行した回転回数を直接表すこととなる。マルチターン回転エンコーダーの電源の停止又は障害後に、カウンタ値が失われないようにするために、マルチターンユニット１１８には、カウンタ値を保持するために必要な電気エネルギーを供給するバッテリー１２８が更に配置されている。

ここで、カウンタ値は、二つのデータワード１２４，１３４に分割されており、第一のデータワード１２４は、カウンタ値の下位のビットで構成され、第二のデータワード１３４は、カウンタ値の上位のビットで構成される。ここで、シャフトＷが回転すると、第一のデータワード１２４は、二つのデータワード１２４，１３４の中の最も高い変化速度を示し、第二のデータワード１３４は、最も低い変化速度を示す。評価ユニット１３への第一のデータワード１２４の伝送は、第一のインタフェース１２５を介して行われ、第二のデータワード１３５の伝送は第二のインタフェース１３５を介して行われる。本発明では、図５にも図示されている通り、第一のインタフェース１２５は、パラレルインタフェースであり、第二のインタフェース１３５は、シリアルインタフェースである。

評価ユニット１３へのデータ伝送に必要な端子ピンの削減に関して、カウンタ値のビットの中の出来る限り多くを、有利には、少なくとも半分をシリアルインタフェースを介して伝送するように努めるべきである。データワード幅が１８ビットのカウンタ値の有利な分割方法は、下位の８ビット（０... ７）を第一のデータワード１２４として使用し、上位の１０ビット（８... １７）を第二のデータワード１３４として使用することである。シャフトＷの最大回転数と使用する第二のインタフェース１３５、即ち、シリアルインタフェースのデータ伝送速度とに応じて、場合によっては、第一のデータワード１２４のデータワード幅を更に削減することができ、それは、又もや評価ユニット１３からマルチターンユニット１１８への所要の配線数を一層低減する。特別な場合として、カウンタ値の最下位ビット（ＬＳＢ）だけを第一のデータワード１２４として使用することができる。その場合、第一のインタフェース１２５は、一本の配線だけに削減される。

本発明は、回転データを生成するマルチターンユニット１８，１１８を有し、評価ユニット１３において、回転データを用いて、シャフトＷが実行した回転回数を算出することが可能であり、回転データが、そのような目的のためにデジタルインタフェース２５，３５，４５，１２５，１３５を介して評価ユニット１３に伝送されるマルチターン回転エンコーダーに適している。

Claims (10)

1. シャフト（Ｗ）と回転しない形で接続されるとともに、シャフト（Ｗ）の一回転内の絶対位置を検出するために、シングルターン走査ユニット（１２）によって走査することが可能なシングルターンコーディングディスク（１０）と、
   シャフト（Ｗ）が実行した回転回数を算出するのに適した回転データを測定するためのマルチターンユニット（１８，１１８）と、
   回転データを伝送するための少なくとも二つのデジタルインタフェース（２５，３５，４５，１２５，１３５）を介してマルチターンユニット（１８，１１８）と接続された評価ユニット（１３）と、
   を有するマルチターン回転エンコーダーにおいて、
   上記の回転データが、シャフト（Ｗ）の回転時に異なる変化速度を示す少なくとも二つのデータワード（２４，３４，４４，１２４，１３４）で構成され、最も高い変化速度を示すデータワードを評価ユニット（１３）に伝送するためのインタフェース（２５，３５，４５，１２５，１３５）がパラレルインタフェースであり、最も低い変化速度を示すデータワードを評価ユニット（１３）に伝送するためのインタフェース（２５，３５，４５，１２５，１３５）がシリアルインタフェースであることを特徴とするマルチターン回転エンコーダー。
2. 当該のシリアルインタフェースが、ポイントツーポイント接続形態として実現されていることを特徴とする請求項１に記載のマルチターン回転エンコーダー。
3. 当該のシリアルインタフェースが、バス接続形態として実現されていることを特徴とする請求項１に記載のマルチターン回転エンコーダー。
4. 当該のシリアルインタフェースが、２本の電線によるインタフェースであることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載のマルチターン回転エンコーダー。
5. 評価ユニット（１３）がＡＳＩＣであることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載のマルチターン回転エンコーダー。
6. シングルターン走査ユニット（１２）が評価ユニット（１３）に統合されていることを特徴とする請求項５に記載のマルチターン回転エンコーダー。
7. 当該のシャフト（Ｗ）の絶対位置が光学走査方式に基づき生成され、評価ユニット（１３）がオプトＡＳＩＣであることを特徴とする請求項６に記載のマルチターン回転エンコーダー。
8. マルチターンユニット（１８，１１８）が、コードエレメント（２１，３１，４１）を備えた少なくとも二つのマルチターンエンコーダディスク（２０，３０，４０）と、マルチターンエンコーダディスク（２０，３０，４０）とシャフト（Ｗ）の間に配置された減速伝動機構（２３，３３，４３）と、コードエレメント（２１，３１，４１）の走査によってマルチターンエンコーダディスク（２０，３０，４０）の絶対位置を測定するためのマルチターン走査ユニット（２２，３２，４２）とを有し、マルチターン走査ユニット（２４，３４，４４）において、マルチターンエンコーダディスク（２０，３０，４０）の絶対位置を用いて、データワード（２４，３４，４４）の形の回転データを生成することが可能であることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載のマルチターン回転エンコーダー。
9. マルチターンユニット（１８，１１８）が、カウンタ値の形の回転データを生成し、その下位ビットが第一のデータワード（１２４）に割り当てられ、上位ビットが第二のデータワード（１３４）に割り当てられ、第一のデータワード（１２４）が、最も高い変化速度を示すデータワードであり、第二のデータワード（１３４）が、最も低い変化速度を示すデータワードであることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載のマルチターン回転エンコーダー。
10. マルチターンユニット（１８，１１８）が、シャフト（Ｗ）に配置されたコードエレメント（１２１）と、カウンタ値を生成するためのマルチターン走査ユニット（１２２）とを有し、マルチターン走査ユニット（１２２）が、コードエレメント（１２１）の走査によって、回転方向に応じた、カウンタ値をカウントアップ又はカウントダウンするための計数パルスを発生させることを特徴とする請求項９に記載のマルチターン回転エンコーダー。

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