JP6006069B2 - エンコーダおよびエンコーダの異常検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転体の回転角度を検出するエンコーダに関する。また、本発明は、かかるエンコーダが有する第１センサおよび第２センサの異常を検出するためのエンコーダの異常検出方法に関する。

従来、モータを構成するロータの回転角度を検出するためのエンコーダシステムが知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のエンコーダシステムは、ロータを構成する回転軸に固定される検出用の永久磁石と、永久磁石に対向配置される磁気センサとを備えている。磁気センサは、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）を備えるＭＲセンサであり、正弦波信号および余弦波信号を出力する。

特許文献１に記載のエンコーダシステムでは、磁気センサから、機械角１回転（ロータの１回転）に対して電気角が２周期分出力されるため、ロータが、２周期のうちのどちらの周期に対応する回転角度にあるのかを判別することはできない。そこで、このエンコーダシステムでは、永久磁石に第１ホールＩＣおよび第２ホールＩＣが対向配置されており、磁気センサからの出力と、第１ホールＩＣおよび第２ホールＩＣからの出力とに基づいて、ロータの回転角度を検出することが可能になっている。

また、特許文献１に記載のエンコーダシステムは、モータを駆動および制御するモータ駆動装置に接続されている。モータ駆動装置は、エンコーダシステムで検出されたロータの回転角度に基づいて、モータを駆動および制御している。

特開２０１１−６４４７０号公報

特許文献１に記載のエンコーダシステムでは、磁気センサ、第１ホールＩＣおよび第２ホールＩＣの全てが正常に動作しているときに、ロータの回転角度を適切に検出することが可能になる。すなわち、このエンコーダシステムでは、磁気センサ、第１ホールＩＣおよび第２ホールＩＣの少なくともいずれか１つに異常が発生すると、ロータの回転角度を適切に検出できない。適切なロータの回転角度の検出ができていないエンコーダシステムでの検出結果に基づいて、モータ駆動装置がモータを駆動および制御すると、モータが連結される動作対象物が予期せぬ動作をして、事故に繋がるおそれがある。

そこで、本発明の課題は、回転体の回転角度を検出するための第１センサおよび第２センサを備えるエンコーダにおいて、簡易な構成で、第１センサおよび第２センサの異常を検出することが可能なエンコーダを提供することにある。また、本発明の課題は、回転体の回転角度を検出するための第１センサおよび第２センサを備えるエンコーダにおいて、簡易な構成で、第１センサおよび第２センサの異常を検出することが可能なエンコーダの異常検出方法を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明のエンコーダは、回転体の回転角度を検出するための第１センサおよび第２センサと、第１センサからの出力信号である第１出力信号と第２センサからの出力信号である第２出力信号とに基づいて回転体の回転角度を算出する回転角度検出部と、回転体に固定される検出用磁石とを備え、第１センサは、回転体の回転の軸方向から見たときに、回転体の回転中心に対して互いに９０°ずれた位置に配置される２個のホール素子であり、第２センサは、軸方向から見たときに、回転中心とその中心とが略一致するように配置される磁気抵抗素子であり、検出用磁石の、ホール素子および磁気抵抗素子の対向面には、回転体の周方向においてＮ極とＳ極とが１極ずつ着磁され、第１出力信号のレベルは、回転体の回転角度に応じて周期的に変動し、第２出力信号のレベルは、回転体の回転角度に応じて周期的に変動するとともに、第１出力信号の周期と異なる周期で変動し、２個のホール素子は、第１出力信号として、回転体の１回転を１周期とする第１の正弦波信号および第１の余弦波信号を出力し、磁気抵抗素子は、第２出力信号として、第１の正弦波信号および第１の余弦波信号の半分の周期を有する第２の正弦波信号および第２の余弦波信号を出力し、１周期分の第１の正弦波信号のレベルと第１の余弦波信号のレベルとの組合せに基づいて特定される回転体の１回転内の４つの状態を第１状態、第２状態、第３状態および第４状態とし、１周期分の第２の正弦波信号のレベルと第２の余弦波信号のレベルとの組合せに基づいて特定される回転体の半回転内の４つの状態を第５状態、第６状態、第７状態、第８状態とすると、回転体が一方向へ回転しているときには、回転体の状態は、第１状態、第２状態、第３状態および第４状態の順番に変わっていくとともに、回転体が１回転すると第４状態から第１状態に戻り、回転体が一方向へ回転しているときには、回転体の状態は、第５状態、第６状態、第７状態および第８状態の順番に変わっていくとともに、回転体が半回転すると第８状態から第５状態に戻り、回転角度検出部は、第１の正弦波信号のレベルの変動および第１の余弦波信号のレベルの変動に基づいて回転体の状態が第１状態から第４状態のうちのある状態から次の状態へ変わったことを検出したときに、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて検出される回転体の状態が第５状態から第８状態のうちの所定の状態であるか否かによって、磁気抵抗素子が正常であるのか異常であるのかを判断するとともに、第２の正弦波信号のレベルの変動および第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいて回転体の状態が第５状態から第８状態のうちのある状態から次の状態へ変わったことを検出したときに、第１の正弦波信号および第１の余弦波信号に基づいて検出される回転体の状態が第１状態から第４状態のうちの所定の状態であるか否かによって、ホール素子が正常であるのか異常であるのかを判断することを特徴とする。また、上記の課題を解決するため、本発明のエンコーダの異常検出方法は、回転体の回転角度を検出するための第１センサおよび第２センサと、回転体に固定される検出用磁石とを有し、第１センサは、回転体の回転の軸方向から見たときに、回転体の回転中心に対して互いに９０°ずれた位置に配置される２個のホール素子であり、第２センサは、軸方向から見たときに、回転中心とその中心とが略一致するように配置される磁気抵抗素子であり、検出用磁石の、ホール素子および磁気抵抗素子の対向面には、回転体の周方向においてＮ極とＳ極とが１極ずつ着磁されているエンコーダにおいて第１センサおよび第２センサの異常を検出するエンコーダの異常検出方法であって、第１センサからの出力信号である第１出力信号のレベルは、回転体の回転角度に応じて周期的に変動し、第２センサからの出力信号である第２出力信号のレベルは、回転体の回転角度に応じて周期的に変動するとともに、第１出力信号の周期と異なる周期で変動し、２個のホール素子は、第１出力信号として、回転体の１回転を１周期とする第１の正弦波信号および第１の余弦波信号を出力し、磁気抵抗素子は、第２出力信号として、第１の正弦波信号および第１の余弦波信号の半分の周期を有する第２の正弦波信号および第２の余弦波信号を出力し、１周期分の第１の正弦波信号のレベルと第１の余弦波信号のレベルとの組合せに基づいて特定される回転体の１回転内の４つの状態を第１状態、第２状態、第３状態および第４状態とし、１周期分の第２の正弦波信号のレベルと第２の余弦波信号のレベルとの組合せに基づいて特定される回転体の半回転内の４つの状態を第５状態、第６状態、第７状態、第８状態とすると、回転体が一方向へ回転しているときには、回転体の状態は、第１状態、第２状態、第３状態および第４状態の順番に変わっていくとともに、回転体が１回転すると第４状態から第１状態に戻り、回転体が一方向へ回転しているときには、回転体の状態は、第５状態、第６状態、第７状態および第８状態の順番に変わっていくとともに、回転体が半回転すると第８状態から第５状態に戻り、第１の正弦波信号のレベルの変動および第１の余弦波信号のレベルの変動に基づいて回転体の状態が第１状態から第４状態のうちのある状態から次の状態へ変わったことを検出したときに、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて検出される回転体の状態が第５状態から第８状態のうちの所定の状態であるか否かによって、磁気抵抗素子が正常であるのか異常であるのかを判断するとともに、第２の正弦波信号のレベルの変動および第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいて回転体の状態が第５状態から第８状態のうちのある状態から次の状態へ変わったことを検出したときに、第１の正弦波信号および第１の余弦波信号に基づいて検出される回転体の状態が第１状態から第４状態のうちの所定の状態であるか否かによって、ホール素子が正常であるのか異常であるのかを判断することを特徴とする。

本発明では、第１の正弦波信号のレベルの変動および第１の余弦波信号のレベルの変動に基づいて回転体の状態が第１状態から第４状態のうちのある状態から次の状態へ変わったことを検出したときに、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて検出される回転体の状態が第５状態から第８状態のうちの所定の状態であるか否かによって、磁気抵抗素子が正常であるのか異常であるのかを判断するとともに、第２の正弦波信号のレベルの変動および第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいて回転体の状態が第５状態から第８状態のうちのある状態から次の状態へ変わったことを検出したときに、第１の正弦波信号および第１の余弦波信号に基づいて検出される回転体の状態が第１状態から第４状態のうちの所定の状態であるか否かによって、ホール素子が正常であるのか異常であるのかを判断している。すなわち、本発明では、第１センサを用いて第２センサの異常を検出し、第２センサを用いて第１センサの異常を検出している。そのため、本発明では、第１センサや第２センサの異常を検出するための構成を別途、設けなくても、第１センサおよび第２センサの異常を検出することが可能になる。すなわち、本発明では、簡易な構成で、第１センサおよび第２センサの異常を検出することが可能になる。

また、本発明では、回転体の状態が第１状態から第４状態のうちのある状態から次の状態へ変わったことが検出された時点で、磁気抵抗素子に異常があるか否かを判断することできるとともに、回転体の状態が第５状態から第８状態のうちのある状態から次の状態へ変わったことが検出された時点で、ホール素子に異常があるか否かを判断することができる。すなわち、定期的に、磁気抵抗素子やホール素子に異常があるか否かを判断することができる。また、回転体の状態が第１状態から第４状態のうちのある状態から次の状態へ変わったことが検出された時点で磁気抵抗素子に異常があるか否かが判断され、回転体の状態が第５状態から第８状態のうちのある状態から次の状態へ変わったことが検出された時点で、ホール素子に異常があるか否かが判断されるため、常時、磁気抵抗素子やホール素子に異常があるか否かが判断される場合と比較して、回転角度検出部での処理の負担を低減することが可能になる。

本発明において、たとえば、回転角度検出部は、第１の正弦波信号のレベルの変動および第１の余弦波信号のレベルの変動に基づいて回転体の状態が第１状態から第２状態に変わったことを検出したとき、および／または、回転体の状態が第３状態から第４状態に変わったことを検出したときに、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて検出される回転体の状態が第６状態または第７状態であれば、磁気抵抗素子は正常であると判断し、回転体の状態が第５状態または第８状態であれば、磁気抵抗素子は異常であると判断する。この場合には、回転体が１回転する間に、１回または２回、定期的に、磁気抵抗素子に異常があるか否かを判断することができる。また、この場合には、回転体の状態が第２状態から第３状態に変わったことが検出されたときや、回転体の状態が第４状態から第１状態に変わったことが検出されたときに、磁気抵抗素子の異常検出を行う場合と比較して、回転角度検出部における磁気抵抗素子の異常判断処理を容易に行うことが可能になる。

本発明において、たとえば、回転角度検出部は、第２の正弦波信号のレベルの変動および第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいて回転体の状態が第５状態から第６状態に変わったことを検出したときに、第１の正弦波信号および第１の余弦波信号に基づいて検出される回転体の状態が第１状態または第３状態であれば、ホール素子は正常であると判断し、回転体の状態が第２状態または第４状態であれば、ホール素子は異常であると判断すること、および／または、第２の正弦波信号のレベルの変動および第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいて回転体の状態が第７状態から第８状態に変わったことを検出したときに、第１の正弦波信号および第１の余弦波信号に基づいて検出される回転体の状態が第２状態または第４状態であれば、ホール素子は正常であると判断し、回転体の状態が第１状態または第３状態であれば、ホール素子は異常であると判断する。この場合には、回転体が１回転する間に、２回または４回、定期的に、ホール素子に異常があるか否かを判断することができる。

本発明において、回転体は、産業用ロボットのアームを上下動させる昇降用モータのロータであり、回転角度検出部は、第１センサまたは第２センサの異常を検出すると、昇降用モータを駆動および制御するモータ駆動装置に第１センサまたは第２センサが異常であることを伝えることが好ましい。回転体が産業用ロボットのアームを上下動させる昇降用モータのロータである場合、適切なロータの回転角度の検出ができていないエンコーダでの検出結果に基づいてモータ駆動装置が昇降用モータを駆動および制御すると、アーム等が落下して、事故に繋がるおそれがあるが、このように構成すると、第１センサまたは第２センサが異常であることを伝えられたモータ駆動装置が昇降用モータを停止させることで、かかる事故を防止することが可能になる。

以上のように、本発明のエンコーダでは、簡易な構成で、第１センサおよび第２センサの異常を検出することが可能になる。また、本発明のエンコーダの異常検出方法によれば、簡易な構成で、第１センサおよび第２センサの異常を検出することが可能になる。

本発明の実施の形態にかかるエンコーダおよびその関連部分の概略構成を説明するためのブロック図である。 図１に示すエンコーダの機械的な構成を説明するための概略図である。 図１に示すコンパレータから回転角度検出部へ入力される入力信号と、磁気抵抗素子からの入力信号に基づいて回転角度検出部で算出される計算値とを説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。

（エンコーダの構成）
図１は、本発明の実施の形態にかかるエンコーダ１およびその関連部分の概略構成を説明するためのブロック図である。図２は、図１に示すエンコーダ１の機械的な構成を説明するための概略図である。図３は、図１に示すコンパレータ１２から回転角度検出部１１へ入力される入力信号Ｓ１、Ｓ２と、磁気抵抗素子１０からの入力信号に基づいて回転角度検出部１１で算出される計算値とを説明するための図である。

本形態のエンコーダ１は、回転体の回転角度（回転位置）を検出するための装置である。具体的には、エンコーダ１は、回転体としてのサーボモータ２のロータの回転角度を検出するための装置である。このエンコーダ１は、サーボモータ２に取り付けられている。また、エンコーダ１は、サーボモータ２を駆動および制御するモータ駆動装置（モータドライバ）３に接続されている。

サーボモータ２は、たとえば、産業用ロボット（図示省略）のアームを上下動させる昇降用モータである。このサーボモータ２は、ロータの回転を停止させるブレーキ４を有するブレーキ付きのモータである。ブレーキ４は、たとえば、電磁ブレーキである。このブレーキ４は、モータ駆動装置３からの制御指令に基づいてロータにブレーキをかける。

エンコーダ１は、アブソリュートエンコーダ（絶対値エンコーダ）である。また、本形態のエンコーダ１は、磁気式のロータリーエンコーダである。このエンコーダ１は、図１、図２に示すように、サーボモータ２のロータを構成する回転軸７に固定される検出用磁石８と、ロータの回転角度を検出するための第１センサとしての２個のホール素子９と、ロータの回転角度を検出するための第２センサとしての１個の磁気抵抗素子１０と、２個のホール素子９からの出力信号である第１出力信号と磁気抵抗素子１０からの出力信号である第２出力信号とに基づいてロータの回転角度を算出する回転角度検出部１１とを備えている。２個のホール素子９および磁気抵抗素子１０は、検出用磁石８に対向配置されている。

検出用磁石８は、円板状に形成された永久磁石である。検出用磁石８の、ホール素子９および磁気抵抗素子１０との対向面には、ロータの周方向において、Ｎ極とＳ極とが１極ずつ形成されている。検出用磁石８は、回転軸７の軸方向から見たときに、ロータの回転中心と検出用磁石８の中心とが一致するように回転軸７に固定されている。

２個のホール素子９は、回転軸７の軸方向から見たときに、ロータの回転中心に対して（すなわち、検出用磁石８の中心に対して）互いに９０°ずれた位置に配置されている。２個のホール素子９のうちの一方のホール素子９は、第１出力信号として、ロータの１回転を１周期とする第１の正弦波信号を出力し、他方のホール素子９は、第１出力信号として、ロータの１回転を１周期とする第１の余弦波信号を出力する。すなわち、ホール素子９は、ロータの回転角度に応じて周期的にそのレベルが変動する第１の正弦波信号および第１の余弦波信号を出力する。第１の余弦波信号の位相は、第１の正弦波信号の位相に対して９０°ずれている。

磁気抵抗素子１０は、回転軸７の軸方向から見たときに、ロータの回転中心と磁気抵抗素子１０の中心とが略一致するように配置されている。磁気抵抗素子１０には、互いに略直交する方向に配置される磁気抵抗パターンが形成されている。磁気抵抗素子１０は、第２出力信号として、ロータの半回転を１周期とする第２の正弦波信号および第２の余弦波信号を出力する。すなわち、磁気抵抗素子１０は、ホール素子９が出力する第１の正弦波信号および第１の余弦波信号の半分の周期を有するとともに、ロータの回転角度に応じて周期的にそのレベルが変動する第２の正弦波信号および第２の余弦波信号を出力する。第２の余弦波信号の位相は、第２の正弦波信号の位相に対して９０°ずれている。

回転角度検出部１１は、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）である。回転角度検出部１１とホール素子９との間には、コンパレータ１２が配置されている。ホール素子９から出力される第１の正弦波信号および第１の余弦波信号は、コンパレータ１２でロータの１回転を１周期とする矩形波状の入力信号Ｓ１および入力信号Ｓ２に変換され、入力信号Ｓ１および入力信号Ｓ２が回転角度検出部１１へ入力される。たとえば、ロータが一定速度で回転している場合には、図３に示すような入力信号Ｓ１および入力信号Ｓ２が回転角度検出部１１に入力される。

入力信号Ｓ２の位相は、入力信号Ｓ１の位相に対して９０°ずれている。そのため、１周期分の入力信号Ｓ１および入力信号Ｓ２に基づいて、入力信号Ｓ１のレベルおよび入力信号Ｓ２のレベルがともに「ロー」である第１状態Ａ１と、入力信号Ｓ１のレベルが「ロー」で入力信号Ｓ２のレベルが「ハイ」である第２状態Ａ２と、入力信号Ｓ１のレベルおよび入力信号Ｓ２のレベルがともに「ハイ」である第３状態Ａ３と、入力信号Ｓ１のレベルが「ハイ」で入力信号Ｓ２のレベルが「ロー」である第４状態Ａ４とのロータの１回転内の４つの状態を特定することができる（図３参照）。すなわち、１周期分の入力信号Ｓ１のレベルと入力信号Ｓ２のレベルとの組合せからロータの１回転内の４つの状態を特定することができる。

また、回転角度検出部１１は、磁気抵抗素子１０から入力される第２の正弦波信号および第２の余弦波信号を用いた所定の演算を行って、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号の１周期ごとに所定値から所定値まで増加する計算値を算出する。具体的には、回転角度検出部１１は、第２の正弦波信号の値と第２の余弦波信号の値との比のＡＴＡＮ（アークタンジェント）を算出する。たとえば、回転角度検出部１１は、ロータが一定速度で回転している場合に、図３に示すのこぎり刃状の直線をなす計算値を算出する。また、回転角度検出部１１は、この計算値と、１周期分の入力信号Ｓ１および入力信号Ｓ２に基づいて特定されるロータの４つの状態から、ロータの１回転内の回転角度の絶対値を検出する。

（ホール素子および磁気抵抗素子の異常検出方法）
上述のように、１周期分の入力信号Ｓ１のレベルと入力信号Ｓ２のレベルとの組合せから第１状態Ａ１〜第４状態Ａ４のロータの１回転内の４つの状態を特定することができる。すなわち、１周期分の第１の正弦波信号のレベルと第１の余弦波信号のレベルとの組合せに基づいてロータの１回転内の４つの状態を特定することができる。また、回転角度検出部１１は、所定のサンプリングタイムで入力信号Ｓ１、Ｓ２のレベルを取得しており、ロータの状態が第１状態Ａ１〜第４状態Ａ４のどの状態であるのかを検出することができる。

ロータが一方向へ回転しているときに、２個のホール素子９が正常であれば、回転角度検出部１１で検出されるロータの状態は、第１状態Ａ１、第２状態Ａ２、第３状態Ａ３および第４状態Ａ４の順番に変わっていくとともに、ロータが１回転すると第４状態Ａ４から第１状態Ａ１に戻る。また、所定の原点を基準にすると、理想的には、ロータの回転角度が０°〜９０°の間であるときに、ロータの状態は第１状態Ａ１であり、ロータの回転角度が９０°〜１８０°であるときに、ロータの状態は第２状態Ａ２であり、ロータの回転角度が１８０°〜２７０°であるときに、ロータの状態は第３状態Ａ３であり、ロータの回転角度が２７０°〜３６０°であるときに、ロータの状態は第４状態Ａ４である。

同様に、磁気抵抗素子１０から出力される１周期分の第２の正弦波信号のレベルと第２の余弦波信号のレベルとの組合せに基づいて、第５状態Ｂ１、第６状態Ｂ２、第７状態Ｂ３および第８状態Ｂ４のロータの半回転内の４つの状態を特定することができる（図３参照）。第５状態Ｂ１は、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて回転角度検出部１１で算出される計算値がＣ０〜Ｃ１の範囲にあるときのロータの状態であり、第６状態Ｂ２は、計算値がＣ１〜Ｃ２の範囲にあるときのロータの状態であり、第７状態Ｂ３は、計算値がＣ２〜Ｃ３の範囲にあるときのロータの状態であり、第８状態Ｂ４は、計算値がＣ３〜Ｃ４の範囲にあるときのロータの状態である。また、回転角度検出部１１は、所定のサンプリングタイムで第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づく計算値を取得しており、ロータの状態が第５状態Ｂ１〜第８状態Ｂ４のどの状態であるのかを検出することができる。

また、ロータが一方向へ回転しているときに、磁気抵抗素子１０が正常であれば、回転角度検出部１１で検出されるロータの状態は、第５状態Ｂ１、第６状態Ｂ２、第７状態Ｂ３および第８状態Ｂ４の順番に変わっていくとともに、ロータが半回転すると第８状態Ｂ４から第５状態Ｂ１に戻る。原点を基準にすると、理想的には、ロータの回転角度が０°〜４５°および１８０°〜２２５°の間であるときに、ロータの状態は第５状態Ｂ１であり、ロータの回転角度が４５°〜９０°および２２５°〜２７０°であるときに、ロータの状態は第６状態Ｂ２であり、ロータの回転角度が９０°〜１３５°および２７０°〜３１５°であるときに、ロータの状態は第７状態Ｂ３であり、ロータの回転角度が１３５°〜１８０°および３１５°〜３６０°であるときに、ロータの状態は第８状態Ｂ４である。

入力信号Ｓ１、Ｓ２のレベルの変動に基づいてロータの状態が第１状態Ａ１から第２状態Ａ２に変わったことを回転角度検出部１１が検出したときに、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて検出されるロータの状態は、磁気抵抗素子１０が正常であれば、図３に示すように、第６状態Ｂ２または第７状態Ｂ３である。したがって、回転角度検出部１１は、入力信号Ｓ１、Ｓ２のレベルの変動に基づいてロータの状態が第１状態Ａ１から第２状態Ａ２に変わったことを検出したときに、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて検出されるロータの状態が第６状態Ｂ２または第７状態Ｂ３であるか否かを判断し、ロータの状態が第６状態Ｂ２または第７状態Ｂ３であれば、磁気抵抗素子１０が正常であると判断する。

一方、回転角度検出部１１は、このときに、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて検出されるロータの状態が第５状態Ｂ１または第８状態Ｂ４であれば、第２の正弦波信号のレベルや第２の余弦波信号のレベルが変動していないと判断して、磁気抵抗素子１０に異常が生じていると判断する。すなわち、回転角度検出部１１は、このときに、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて検出されるロータの状態が第５状態Ｂ１または第８状態Ｂ４であれば、磁気抵抗素子１０が異常であると判断する。

また、第２の正弦波信号のレベルの変動および第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいてロータの状態が第５状態Ｂ１から第６状態Ｂ２に変わったことを回転角度検出部１１が検出したときに、入力信号Ｓ１、Ｓ２に基づいて検出されるロータの状態は、２個のホール素子９が正常であれば、図３に示すように、第１状態Ａ１または第３状態Ａ３である。したがって、回転角度検出部１１は、第２の正弦波信号のレベルの変動および第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいてロータの状態が第５状態Ｂ１から第６状態Ｂ２に変わったことを検出したときに、入力信号Ｓ１、Ｓ２に基づいて検出されるロータの状態が第１状態Ａ１または第３状態Ａ３であるか否かを判断し、ロータの状態が第１状態Ａ１または第３状態Ａ３であれば、２個のホール素子９が正常であると判断する。

一方、回転角度検出部１１は、このときに、入力信号Ｓ１、Ｓ２に基づいて検出されるロータの状態が第２状態Ａ２または第４状態Ａ４であれば、入力信号Ｓ１、Ｓ２のレベルが変動していないと判断して（すなわち、第１の正弦波信号のレベルや第１の余弦波信号のレベルが変動していないと判断して）、２個のホール素子９の少なくともいずれか一方に異常が生じていると判断する。すなわち、回転角度検出部１１は、このときに、入力信号Ｓ１、Ｓ２に基づいて検出されるロータの状態が第２状態Ａ２または第４状態Ａ４であれば、２個のホール素子９の少なくともいずれか一方は異常であると判断する。

また、第２の正弦波信号のレベルの変動および第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいてロータの状態が第７状態Ｂ３から第８状態Ｂ４に変わったことを回転角度検出部１１が検出したときに、入力信号Ｓ１、Ｓ２に基づいて検出されるロータの状態は、２個のホール素子９が正常であれば、図３に示すように、第２状態Ａ２または第４状態Ａ４である。したがって、回転角度検出部１１は、第２の正弦波信号のレベルの変動および第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいてロータの状態が第７状態Ｂ３から第８状態Ｂ４に変わったことを検出したときに、入力信号Ｓ１、Ｓ２に基づいて検出されるロータの状態が第２状態Ａ２または第４状態Ａ４であるか否かを判断し、ロータの状態が第２状態Ａ２または第４状態Ａ４であれば、２個のホール素子９が正常であると判断する。

一方、回転角度検出部１１は、このときに、入力信号Ｓ１、Ｓ２に基づいて検出されるロータの状態が第１状態Ａ１または第３状態Ａ３であれば、入力信号Ｓ１、Ｓ２のレベルが変動していないと判断して、２個のホール素子９の少なくともいずれか一方に異常が生じていると判断する。すなわち、回転角度検出部１１は、このときに、入力信号Ｓ１、Ｓ２に基づいて検出されるロータの状態が第１状態Ａ１または第３状態Ａ３であれば、２個のホール素子９の少なくともいずれか一方は異常であると判断する。

このように、本形態の回転角度検出部１１は、第１の正弦波信号および第１の余弦波信号のレベルの変動状況と、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号のレベルの変動状況とに基づいて、ホール素子９および磁気抵抗素子１０の異常を検出する。すなわち、回転角度検出部１１は、第１の正弦波信号および第１の余弦波信号が変換されて生成される入力信号Ｓ１、Ｓ２のレベルが変動して入力信号Ｓ１、Ｓ２に基づいて検出されるロータの状態が変わっているもかかわらず、第２の正弦波信号のレベルや第２の余弦波信号のレベルが変動していない場合に、磁気抵抗素子１０の異常を検出している。また、回転角度検出部１１は、第２の正弦波信号のレベルおよび第２の余弦波信号のレベルが変動して第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて検出されるロータの状態が変わっているにもかかわらず、第１の正弦波信号および第１の余弦波信号に基づいて算出される入力信号Ｓ１、Ｓ２のレベルが変動していない場合に、２個のホール素子９の少なくともいずれか一方の異常を検出している。

なお、回転角度検出部１１は、２個のホール素子９の少なくともいずれか一方、または、磁気抵抗素子１０の異常を検出すると、モータ駆動装置３に、２個のホール素子９の少なくともいずれか一方、または、磁気抵抗素子１０が異常であることを伝える。すなわち、回転角度検出部１１は、２個のホール素子９の少なくともいずれか一方、または、磁気抵抗素子１０が異常であることを伝えるエラー信号をモータ駆動装置３に向かって出力する。このエラー信号が入力されたモータ駆動装置３は、たとえば、ブレーキ４を効かせて、サーボモータ２を停止させる。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、回転角度検出部１１は、第１の正弦波信号および第１の余弦波信号のレベルの変動状況と、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号のレベルの変動状況とに基づいて、ホール素子９および磁気抵抗素子１０の異常を検出している。すなわち、本形態では、ホール素子９を用いて磁気抵抗素子１０の異常を検出し、磁気抵抗素子１０を用いてホール素子９の異常を検出している。そのため、本形態では、ホール素子９や磁気抵抗素子１０の異常を検出するための構成を別途、設けなくても、ホール素子９および磁気抵抗素子１０の異常を検出することができる。すなわち、本形態では、簡易な構成で、ホール素子９および磁気抵抗素子１０の異常を検出することが可能になる。

本形態では、回転角度検出部１１は、入力信号Ｓ１、Ｓ２のレベルの変動に基づいてロータの状態が第１状態Ａ１から第２状態Ａ２に変わったことを検出したときに、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて検出されるロータの状態が第６状態Ｂ２または第７状態Ｂ３であるか否かを判断して、磁気抵抗素子１０が異常であるか否かを判断している。そのため、本形態では、ロータが１回転する間に、１回、定期的に、磁気抵抗素子１０に異常があるか否かを判断することができる。

また、本形態では、回転角度検出部１１は、第２の正弦波信号のレベルの変動および第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいてロータの状態が第５状態Ｂ１から第６状態Ｂ２に変わったことを検出したときに、入力信号Ｓ１、Ｓ２に基づいて検出されるロータの状態が第１状態Ａ１または第３状態Ａ３であるか否かを判断して、２個のホール素子９に異常があるか否かを判断するとともに、第２の正弦波信号のレベルの変動および第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいてロータが第７状態Ｂ３から第８状態Ｂ４に変わったことを検出したときに、入力信号Ｓ１、Ｓ２に基づいて検出されるロータの状態が第２状態Ａ２または第４状態Ａ４であるか否かを判断して、２個のホール素子９に異常があるか否かを判断している。そのため、本形態では、ロータが１回転する間に、４回、定期的に、ホール素子９に異常があるか否かを判断することができる。

また、本形態では、回転角度検出部１１が、定期的に、ホール素子９や磁気抵抗素子１０に異常があるか否かを判断しているため、回転角度検出部１１が常時、ホール素子９や磁気抵抗素子１０に異常があるか否かを判断する場合と比較して、回転角度検出部１１での処理の負担を低減することが可能になる。

本形態では、回転角度検出部１１は、２個のホール素子９の少なくともいずれか一方、または、磁気抵抗素子１０の異常を検出すると、２個のホール素子９の少なくともいずれか一方、または、磁気抵抗素子１０が異常であることを伝えるエラー信号をモータ駆動装置３に向かって出力している。また、本形態では、このエラー信号が入力されたモータ駆動装置３は、たとえば、ブレーキ４を効かせて、サーボモータ２を停止させている。本形態のサーボモータ２は、産業用ロボットのアームを上下動させる昇降用モータであるため、適切なロータの回転角度の検出ができていないエンコーダ１での検出結果に基づいてモータ駆動装置３がサーボモータ２を駆動および制御すると、アーム等が落下して、事故に繋がるおそれがあるが、本形態では、かかる事故を防止することが可能になる。

（他の実施の形態）
上述した形態は、本発明の好適な形態の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形実施が可能である。

上述した形態では、回転角度検出部１１は、入力信号Ｓ１、Ｓ２のレベルの変動に基づいてロータの状態が第１状態Ａ１から第２状態Ａ２に変わったことを検出したときに、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて検出されるロータの状態が第６状態Ｂ２または第７状態Ｂ３であるか否かを判断して、磁気抵抗素子１０が異常であるか否かを判断している。この他にもたとえば、回転角度検出部１１は、入力信号Ｓ１、Ｓ２のレベルの変動に基づいてロータの状態が第３状態Ａ３から第４状態Ａ４に変わったことを検出したときに、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて検出されるロータの状態が第６状態Ｂ２または第７状態Ｂ３であるか否かを判断して、磁気抵抗素子１０が異常であるか否かを判断しても良い。

また、回転角度検出部１１は、入力信号Ｓ１、Ｓ２のレベルの変動に基づいてロータの状態が第２状態Ａ２から第３状態Ａ３に変わったことを検出したとき、および／または、入力信号Ｓ１、Ｓ２のレベルの変動に基づいてロータの状態が第４状態Ａ４から第１状態Ａ１に変わったことを検出したときに、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて検出されるロータの状態が第８状態Ｂ４または第５状態Ｂ１であるか否かを判断して、磁気抵抗素子１０が異常であるか否かを判断しても良い。

すなわち、回転角度検出部１１は、入力信号Ｓ１、Ｓ２のレベルの変動に基づいてロータの状態が第１状態Ａ１〜第４状態Ａ４のうちの任意の状態から次の状態へ変わったことを検出したときに、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて検出されるロータの状態が第５状態Ｂ１〜第８状態Ｂ４のうちの所定の状態であるか否かを判断して、磁気抵抗素子１１が正常であるのか異常であるのかを判断すれば良い。

ただし、入力信号Ｓ１、Ｓ２のレベルの変動に基づいてロータの状態が第２状態Ａ２から第３状態Ａ３に変わったことを検出したとき、および／または、入力信号Ｓ１、Ｓ２のレベルの変動に基づいてロータの状態が第４状態Ａ４から第１状態Ａ１に変わったことを検出したときに、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて検出されるロータの状態が第８状態Ｂ４または第５状態Ｂ１であるか否かを判断して、磁気抵抗素子１０が異常であるか否かを判断する場合には、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて算出される計算値が不連続となる箇所で、ロータの状態が第８状態Ｂ４または第５状態Ｂ１であるか否かを判断しなければならないため、回転角度検出部１１における処理が複雑になるおそれがある。これに対して、回転角度検出部１１が、入力信号Ｓ１、Ｓ２のレベルの変動に基づいてロータが第１状態Ａ１から第２状態Ａ２に変わったことを検出したとき、および／または、入力信号Ｓ１、Ｓ２のレベルの変動に基づいてロータが第３状態Ａ３から第４状態Ａ４に変わったことを検出したときに、第２の正弦波信号および第２の余弦波信号に基づいて検出されるロータの状態が第６状態Ｂ２または第７状態Ｂ３であるか否かを判断して、磁気抵抗素子１０が異常であるか否かを判断する場合には、回転角度検出部１１での処理を容易に行うことが可能になる。

上述した形態では、回転角度検出部１１は、第２の正弦波信号のレベルの変動および第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいてロータの状態が第５状態Ｂ１から第６状態Ｂ２に変わったことを検出したとき、および、第２の正弦波信号のレベルの変動および第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいてロータが第７状態Ｂ３から第８状態Ｂ４に変わったことを検出したときに、２個のホール素子９に異常があるか否かを判断している。この他にもたとえば、回転角度検出部１１は、第２の正弦波信号のレベルの変動および第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいてロータの状態が第５状態Ｂ１から第６状態Ｂ２に変わったことを検出したとき、または、第２の正弦波信号のレベルの変動および第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいてロータが第７状態Ｂ３から第８状態Ｂ４に変わったことを検出したときのいずれか一方に、２個のホール素子９に異常があるか否かを判断しても良い。

上述した形態では、エンコーダ１は、ロータの回転角度を検出するための第１センサおよび第２センサとして、磁気式のホール素子９と磁気抵抗素子１０とを備えているが、エンコーダ１は、第１センサおよび第２センサとして、たとえば、発光素子および受光素子を有する光学式のセンサを備えていても良い。この場合には、たとえば、発光素子からの光を受光素子へ透過するスリットが形成されたスリット板が回転軸７に固定される。また、エンコーダ１は、第１センサとして磁気式のセンサを備えるとともに、第２センサとして光学式のセンサを備えていても良い。また、エンコーダ１は、第１センサおよび第２センサとして、磁気式のセンサおよび光学式のセンサ以外のセンサを備えていても良い。

上述した形態では、エンコーダ１は、アブソリュートエンコーダであるが、エンコーダ１は、インクリメンタルエンコーダであっても良い。また、上述した形態では、エンコーダ１は、ロータリーエンコーダであるが、エンコーダ１は、リニアエンコーダであっても良い。また、上述した形態では、エンコーダ１が取り付けられるサーボモータ２は、産業用ロボットのアームを上下動させる昇降用モータであるが、サーボモータ２は、昇降用モータ以外のモータであっても良い。

１ エンコーダ
２ サーボモータ（昇降用モータ）
３ モータ駆動装置
８ 検出用磁石
９ ホール素子（第１センサ）
１０ 磁気抵抗素子（第２センサ）
１１ 回転角度検出部
Ａ１ 第１状態
Ａ２ 第２状態
Ａ３ 第３状態
Ａ４ 第４状態
Ｂ１ 第５状態
Ｂ２ 第６状態
Ｂ３ 第７状態
Ｂ４ 第８状態

Claims (5)

1. 回転体の回転角度を検出するための第１センサおよび第２センサと、前記第１センサからの出力信号である第１出力信号と前記第２センサからの出力信号である第２出力信号とに基づいて前記回転体の回転角度を算出する回転角度検出部と、前記回転体に固定される検出用磁石とを備え、
   前記第１センサは、前記回転体の回転の軸方向から見たときに、前記回転体の回転中心に対して互いに９０°ずれた位置に配置される２個のホール素子であり、
   前記第２センサは、前記軸方向から見たときに、前記回転中心とその中心とが略一致するように配置される磁気抵抗素子であり、
   前記検出用磁石の、前記ホール素子および前記磁気抵抗素子の対向面には、前記回転体の周方向においてＮ極とＳ極とが１極ずつ着磁され、
   前記第１出力信号のレベルは、前記回転体の回転角度に応じて周期的に変動し、
   前記第２出力信号のレベルは、前記回転体の回転角度に応じて周期的に変動するとともに、前記第１出力信号の周期と異なる周期で変動し、
   ２個の前記ホール素子は、前記第１出力信号として、前記回転体の１回転を１周期とする第１の正弦波信号および第１の余弦波信号を出力し、
   前記磁気抵抗素子は、前記第２出力信号として、前記第１の正弦波信号および前記第１の余弦波信号の半分の周期を有する第２の正弦波信号および第２の余弦波信号を出力し、
   １周期分の前記第１の正弦波信号のレベルと前記第１の余弦波信号のレベルとの組合せに基づいて特定される前記回転体の１回転内の４つの状態を第１状態、第２状態、第３状態および第４状態とし、
   １周期分の前記第２の正弦波信号のレベルと前記第２の余弦波信号のレベルとの組合せに基づいて特定される前記回転体の半回転内の４つの状態を第５状態、第６状態、第７状態、第８状態とすると、
   前記回転体が一方向へ回転しているときには、前記回転体の状態は、前記第１状態、前記第２状態、前記第３状態および前記第４状態の順番に変わっていくとともに、前記回転体が１回転すると前記第４状態から前記第１状態に戻り、
   前記回転体が一方向へ回転しているときには、前記回転体の状態は、前記第５状態、前記第６状態、前記第７状態および前記第８状態の順番に変わっていくとともに、前記回転体が半回転すると前記第８状態から前記第５状態に戻り、
   前記回転角度検出部は、前記第１の正弦波信号のレベルの変動および前記第１の余弦波信号のレベルの変動に基づいて前記回転体の状態が前記第１状態から前記第４状態のうちのある状態から次の状態へ変わったことを検出したときに、前記第２の正弦波信号および前記第２の余弦波信号に基づいて検出される前記回転体の状態が前記第５状態から前記第８状態のうちの所定の状態であるか否かによって、前記磁気抵抗素子が正常であるのか異常であるのかを判断するとともに、前記第２の正弦波信号のレベルの変動および前記第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいて前記回転体の状態が前記第５状態から前記第８状態のうちのある状態から次の状態へ変わったことを検出したときに、前記第１の正弦波信号および前記第１の余弦波信号に基づいて検出される前記回転体の状態が前記第１状態から前記第４状態のうちの所定の状態であるか否かによって、前記ホール素子が正常であるのか異常であるのかを判断することを特徴とするエンコーダ。
2. 前記回転角度検出部は、前記第１の正弦波信号のレベルの変動および前記第１の余弦波信号のレベルの変動に基づいて前記回転体の状態が前記第１状態から前記第２状態に変わったことを検出したとき、および／または、前記回転体の状態が前記第３状態から前記第４状態に変わったことを検出したときに、前記第２の正弦波信号および前記第２の余弦波信号に基づいて検出される前記回転体の状態が前記第６状態または前記第７状態であれば、前記磁気抵抗素子は正常であると判断し、前記回転体の状態が前記第５状態または前記第８状態であれば、前記磁気抵抗素子は異常であると判断することを特徴とする請求項１記載のエンコーダ。
3. 前記回転角度検出部は、前記第２の正弦波信号のレベルの変動および前記第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいて前記回転体の状態が前記第５状態から前記第６状態に変わったことを検出したときに、前記第１の正弦波信号および前記第１の余弦波信号に基づいて検出される前記回転体の状態が前記第１状態または前記第３状態であれば、前記ホール素子は正常であると判断し、前記回転体の状態が前記第２状態または前記第４状態であれば、前記ホール素子は異常であると判断すること、および／または、前記第２の正弦波信号のレベルの変動および前記第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいて前記回転体の状態が前記第７状態から前記第８状態に変わったことを検出したときに、前記第１の正弦波信号および前記第１の余弦波信号に基づいて検出される前記回転体の状態が前記第２状態または前記第４状態であれば、前記ホール素子は正常であると判断し、前記回転体の状態が前記第１状態または前記第３状態であれば、前記ホール素子は異常であると判断することを特徴とする請求項１または２記載のエンコーダ。
4. 前記回転体は、産業用ロボットのアームを上下動させる昇降用モータのロータであり、
   前記回転角度検出部は、前記第１センサまたは前記第２センサの異常を検出すると、前記昇降用モータを駆動および制御するモータ駆動装置に前記第１センサまたは前記第２センサが異常であることを伝えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のエンコーダ。
5. 回転体の回転角度を検出するための第１センサおよび第２センサと、前記回転体に固定される検出用磁石とを有し、前記第１センサは、前記回転体の回転の軸方向から見たときに、前記回転体の回転中心に対して互いに９０°ずれた位置に配置される２個のホール素子であり、前記第２センサは、前記軸方向から見たときに、前記回転中心とその中心とが略一致するように配置される磁気抵抗素子であり、前記検出用磁石の、前記ホール素子および前記磁気抵抗素子の対向面には、前記回転体の周方向においてＮ極とＳ極とが１極ずつ着磁されているエンコーダにおいて前記第１センサおよび前記第２センサの異常を検出するエンコーダの異常検出方法であって、
   前記第１センサからの出力信号である第１出力信号のレベルは、前記回転体の回転角度に応じて周期的に変動し、
   前記第２センサからの出力信号である第２出力信号のレベルは、前記回転体の回転角度に応じて周期的に変動するとともに、前記第１出力信号の周期と異なる周期で変動し、
   ２個の前記ホール素子は、前記第１出力信号として、前記回転体の１回転を１周期とする第１の正弦波信号および第１の余弦波信号を出力し、
   前記磁気抵抗素子は、前記第２出力信号として、前記第１の正弦波信号および前記第１の余弦波信号の半分の周期を有する第２の正弦波信号および第２の余弦波信号を出力し、
   １周期分の前記第１の正弦波信号のレベルと前記第１の余弦波信号のレベルとの組合せに基づいて特定される前記回転体の１回転内の４つの状態を第１状態、第２状態、第３状態および第４状態とし、
   １周期分の前記第２の正弦波信号のレベルと前記第２の余弦波信号のレベルとの組合せに基づいて特定される前記回転体の半回転内の４つの状態を第５状態、第６状態、第７状態、第８状態とすると、
   前記回転体が一方向へ回転しているときには、前記回転体の状態は、前記第１状態、前記第２状態、前記第３状態および前記第４状態の順番に変わっていくとともに、前記回転体が１回転すると前記第４状態から前記第１状態に戻り、
   前記回転体が一方向へ回転しているときには、前記回転体の状態は、前記第５状態、前記第６状態、前記第７状態および前記第８状態の順番に変わっていくとともに、前記回転体が半回転すると前記第８状態から前記第５状態に戻り、
   前記第１の正弦波信号のレベルの変動および前記第１の余弦波信号のレベルの変動に基づいて前記回転体の状態が前記第１状態から前記第４状態のうちのある状態から次の状態へ変わったことを検出したときに、前記第２の正弦波信号および前記第２の余弦波信号に基づいて検出される前記回転体の状態が前記第５状態から前記第８状態のうちの所定の状態であるか否かによって、前記磁気抵抗素子が正常であるのか異常であるのかを判断するとともに、前記第２の正弦波信号のレベルの変動および前記第２の余弦波信号のレベルの変動に基づいて前記回転体の状態が前記第５状態から前記第８状態のうちのある状態から次の状態へ変わったことを検出したときに、前記第１の正弦波信号および前記第１の余弦波信号に基づいて検出される前記回転体の状態が前記第１状態から前記第４状態のうちの所定の状態であるか否かによって、前記ホール素子が正常であるのか異常であるのかを判断することを特徴とするエンコーダの異常検出方法。

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