JP7412103B2 - エンコーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動体の移動を検出するエンコーダ装置に関するものである。

ロボット等には、移動体の移動に伴って変動する磁石の磁界に基づいて移動体の位置を検出するエンコーダが設けられている。ここで、エンコーダは、ロボット等に搭載されている駆動用のモータの回転軸（回転部材）と一体に回転する磁石の磁界を検出して、回転軸の回転数と角度位置とからなる多回転全体角度位置を検出する（特許文献１参照）。かかるエンコーダは、電源からの電力の供給が停止している期間中、回転軸の回転の検出が不能であるため、回転軸が外力によって回転した際の回転数をカウントすることができない。そこで、バックアップ用のバッテリ等によって駆動される磁気素子によって、回転軸の回転数を常時、カウントして不揮発性メモリに記憶させておく技術が検討されている。かかる技術によれば、電源からの電力の供給が再開された際、不揮発性メモリに記憶されているカウント値を読み出せば、以降、回転軸の多回転絶対角度位置を検出することができる。

特開２０１８－１３２３６０号公報

電源からの電力の供給が停止している期間中、移動体を駆動するモータが停止しているため、不揮発性メモリは、低い温度条件下で累積回転数が記憶される一方、電源からの電力の供給が再開されてモータが作動すると、周辺温度が上昇するため、不揮発性メモリは高温に晒される。ここで、不揮発性メモリは、強誘電体コンデンサで保持される電荷を利用するため、データを記憶した際の温度より高い温度に晒されると、データを記憶しておく時間が短くなる。それ故、電源からの電力の供給が停止している期間中に不揮発性メモリが記憶したデータが、電源からの電力の供給が再開されてモータが作動すると、周囲温度が上昇し、不揮発性メモリが記憶したデータが消失することがある。かかるデータの消失が発生すると、以降、回転軸の多回転絶対角度位置を検出することができなくなるという問題点がある。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、不揮発性メモリの温度が上昇した場合でも、移動体の移動回数に対応するカウント値を不揮発性メモリに記憶させておくことのできるエンコーダ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明を適用したエンコーダ装置は、電源から電力が供給されている期間中、移動体の一定間隔毎の移動回数、および前記間隔内における位置の検出結果に基づいて絶対位置を検出する第１エンコーダと、前記電源からの電力の供給の有無にかかわらず、前記移動体の前記一定間隔毎の累積移動回数をカウントして不揮発性メモリに記憶しておく第２エンコーダと、を有し、前記電源からの電力の供給が停止する際、前記第１エンコーダに駆動電圧が供給される所定の時間のバックアップ時間が設定されており、前記電源からの電力の供給が開始された際に前記不揮発性メモリから読み出した前記累積移動回数のカウント値と前記電源からの電力の供給が開始された以降に前記第１エンコーダでカウントされた前記移動回数のカウント値とを加算した累積カウント値に基づいて前記絶対位置を算出し、前記電源からの電力の供給が停止した後の前記バックアップ時間において、前記不揮発性メモリが記憶している前記カウント値を前記累積カウント値に書き換え、前記不揮発性メモリに対しては、前記電源からの電力の供給が開始された以降、前記不揮発性メモリが書き換えられた温度より高い予め設定された雰囲気温度に達したタイミングで、前記第２エンコーダでの前記カウント値が更新されることを特徴とする。

本発明において、第２エンコーダは、電源からの電力の供給の有無にかかわらず、移動体の一定間隔毎の累積移動回数をカウントして不揮発性メモリに記憶しておくため、第１エンコーダは、電源からの電力の供給が開始された際に不揮発性メモリから読み出したカウント値と電源からの電力の供給が開始された以降に第１エンコーダでカウントされた移動回数のカウント値とを加算した累積カウント値に基づいて絶対位置を算出することができる。また、電源からの電力の供給が再開された以降、不揮発性メモリの温度が上昇してデータが消失した場合でも、電源からの電力の供給が停止する際、不揮発性メモリが記憶しているカウント値を累積カウント値に書き換えるため、移動体の移動回数に対応するカウント値を不揮発性メモリに正確に記憶させておくことができる。

本発明において、前記第１エンコーダは、前記電源からの電力の供給が停止した後の前
記バックアップ時間において、前記不揮発性メモリが記憶している前記カウント値と前記累積カウント値とを比較し、前記不揮発性メモリが記憶している前記カウント値と前記累積カウント値とが相違しているときには、前記不揮発性メモリが記憶している前記カウント値を前記累積カウント値に書き換え、前記不揮発性メモリが記憶している前記カウント値と前記累積カウント値とが一致しているときには、前記不揮発性メモリが記憶している前記カウント値の書き換えを行わない態様を採用することができる。

本発明において、前記移動体は、回転部材であり、前記第１エンコーダおよび前記第２エンコーダはロータリエンコーダであり、前記一定間隔毎の移動回数は、前記回転部材の回転数であり、前記間隔内における位置は、前記回転部材の角度位置であり、前記絶対位置は、前記回転数および前記角度位置からなる多回転絶対角度位置である態様を採用することができる。

本発明において、前記第２エンコーダは、前記移動体と連動して移動する磁石が発生する磁界の変化に対応するパルス信号を出力する磁気素子と、前記パルス信号から駆動電圧を生成する電源回路と、前記駆動電圧および前記パルス信号を利用して、前記累積移動回数をカウントして、前記不揮発性メモリに記憶されている前記カウント値を更新するカウント処理部と、を有する態様を採用することができる。

本発明において、前記磁気素子は、ウィーガンドワイヤである態様を採用することができる。

本発明において、前記第１エンコーダは、前記移動体と連動して移動する磁石が発生する磁界の変化に基づいて、前記移動体の移動量をカウントする態様を採用することができる。

本発明において、前記不揮発性メモリは、前記移動体を駆動するモータの近傍に配置されている態様を採用することができる。

本発明において、第２エンコーダは、電源からの電力の供給の有無にかかわらず、移動体の一定間隔毎の累積移動回数をカウントして不揮発性メモリに記憶しておくため、第１エンコーダは、電源からの電力の供給が開始された際に不揮発性メモリから読み出したカ
ウント値と電源からの電力の供給が開始された以降に第１エンコーダでカウントされた移動回数のカウント値とを加算した累積カウント値に基づいて絶対位置を算出することができる。また、電源からの電力の供給が再開された以降、不揮発性メモリの温度が上昇してデータが消失した場合でも、電源からの電力の供給が停止する際、不揮発性メモリが記憶しているカウント値を累積カウント値に書き換えるため、移動体の移動回数に対応するカウント値を不揮発性メモリに正確に記憶させておくことができる。

本発明を適用したエンコーダ装置の磁界発生部等の構成を模式的に示す説明図。 図１に示すエンコーダ装置の電気的構成を示すブロック図。 図１に示す磁気素子から出力されるパルス信号の説明図。 図１に示すエンコーダ装置の動作を示す説明図である

図面を参照して、本発明を適用したエンコーダ装置を説明する。

（エンコーダ装置１の構成）
図１は、本発明を適用したエンコーダ装置１の電気的構成を示すブロック図である。図２は、図１に示すエンコーダ装置１の磁界発生部等の構成を模式的に示す説明図である。図３は、図１に示す磁気素子６０から出力されるパルス信号の説明図である。

図１および図２に示すように、本形態のエンコーダ装置１は、電源３０から電力が供給されている期間中、移動体１０の一定間隔毎の移動回数、および前記間隔内における位置からなる絶対位置を検出する第１エンコーダ４０と、電源３０からの電力の供給の有無にかかわらず、移動体１０の一定間隔毎の累積移動回数をカウントして、ＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）等の不揮発性メモリ８５に記憶しておく第２エンコーダ５０とを有している。

本形態において、移動体１０は、モータ１１の回転軸等の回転部材１５であり、第１エンコーダ４０および第２エンコーダ５０はロータリエンコーダ４１、５１である。従って、移動体１０の一定間隔毎の移動回数は、回転部材１５の回転数であり、間隔内における位置は、回転部材１５の角度位置であり、絶対位置は、回転部材１５の回転数および角度位置から算出された多回転絶対角度位置である。それ故、移動体１０の累積移動回数は、回転部材１５の累積回転数である。

ここで、不揮発性メモリ８５は、強誘電体コンデンサで保持される電荷を利用するため、データを記憶した際の温度より高い温度に晒されると、データを記憶しておく時間が短くなる。また、本形態において、エンコーダ装置１は、モータ１１の近傍に配置されており、それ故、不揮発性メモリ８５は、モータ１１の近傍に位置する。従って、モータ１１が作動した際に発生する熱が不揮発性メモリ８５に伝わりやすい。

本形態において、第１エンコーダ４０および第２エンコーダ５０は磁気式のロータリエンコーダである。より具体的には、エンコーダ装置１は、回転部材１５と一体に回転する磁界発生部２０を有しており、磁界発生部２０は、第１エンコーダ４０において回転部材１５の回転数をカウントするための第１磁界を発生させる第１磁石２６と、第２エンコーダ５０において回転部材１５の回転数をカウントするための第２磁界を発生させる第２磁石２７とを備えており、第１磁石２６および第２磁石２７はいずれも、回転部材１５に同軸状に保持されている。従って、磁界発生部２０（第１磁石２６および第２磁石２７）は、回転部材１５とともに軸線Ｌ周りに一体に回転する。第１磁石２６は、例えば、軸線Ｌ
周りにＳ極とＮ極が１極ずつ設けられた円板状磁石である。第２磁石２７は、例えば、軸線Ｌの延在方向に軸線を向けた円柱状磁石であり、軸線Ｌの延在方向の一方側部分２７１および軸線Ｌの延在方向の他方側部分２７２には、軸線Ｌ周りにＳ極とＮ極が２極ずつ設けられている。但し、軸線Ｌの延在方向の一方側部分２７１と軸線Ｌの延在方向の他方側部分２７２とでは、軸線Ｌの延在方向で隣り合う部分が異なる極に着磁されている。

第１エンコーダ４０は、電源３０から電力が供給されている期間中、回転部材１５が回転した際に変化する第１磁石２６の磁界（第１磁界）の変化を検出する磁気センサ４６と、磁気センサ４６からの出力に基づいて回転部材１５の回転等を検出するデータ処理部４２とを有している。本形態において、磁気センサ４６は、磁気抵抗パターン４６０を備えた磁気抵抗素子からなる。データ処理部４２は、予めメモリ等に格納されたプログラムによって動作するＣＰＵ等を備えており、磁気センサ４６からの出力に基づいて回転部材１５の回転量をカウントするカウント部４７と、磁気センサ４６からの出力に基づいて回転部材１５の角度位置を算出する角度位置演算部４８とを有している。また、データ処理部４２は、上位の制御装置（図示せず）からの要求に基づいて、回転部材１５の累積回転量、および回転部材１５の角度位置を出力する。従って、上位の制御装置では、多回転絶対位置を算出することができる。

第２エンコーダ５０は、回転部材１５が回転した際に第２磁石２７の磁界（第２磁界）の変化に対応するパルス信号を出力する磁気素子６０と、磁気素子６０から出力されたパルス信号から駆動電圧Ｖｄｄを生成する電源回路７０と、電源回路７０によって生成された駆動電圧Ｖｄｄ、および磁気素子６０から出力されたパルス信号を利用して、回転部材１５の累積回転数をカウントするとともに、カウント値を不揮発性メモリ８５に記憶されるカウント処理部８０とを有している。従って、第２エンコーダ５０は、電源３０からの電力の有無にかかわらず、回転部材１５の累積回転数をカウントすることができる。

電源回路７０は、磁気素子６０から出力されるパルス信号を整流する整流回路７１と、平滑用のコンデンサ７２とを有している。カウント処理部８０は、磁気素子６０から出力されるパルス信号から回転部材１５の回転に対応するパルスを判定する判定回路８１と、判定回路８１で判定されたパルス数（回転数）をカウントして不揮発性メモリ８５に記憶されている累積移動量を更新する計数回路８２とを有するとともに、不揮発性メモリ８５を含んで構成されている。計数回路８２は、予めメモリ等に格納されたプログラムによって動作するＣＰＵ等を備えている。

ここで、磁気素子６０は、第２磁石２７の近傍において周方向で、電気角で９０°離間する位置に配置された２つのウィーガンドワイヤ６１、６２からなり、大バルクハウゼン効果を発揮する。ウィーガンドワイヤ６１、６２は、強磁性ワイヤ６６にコイル６７が巻かれた素子であり、例えば、コイル６７で直流磁界（バイアス磁界）を与えておき、外部から反対向きの磁界を与えると磁束が反転してコイル６７にパルス電圧が発生する。従って、電源回路７０において、コイル６７からの出力を整流回路７１によって整流するとともに、コンデンサ７２で平滑すると、直流の駆動電圧Ｖｄｄを生成して、カウント処理部８０に供給することができる。それ故、第２エンコーダ５０ではバックアップ用のバッテリを必要としない。

また、２つのウィーガンドワイヤ６１、６２は各々、図３に示すように、出力するパルスの位置が、回転部材１５の角度位置と同期する２箇所に配置されている。従って、電源回路７０は、直流の駆動電圧Ｖｄｄをカウント処理部８０に安定して供給することができるとともに、ウィーガンドワイヤ６１、６２から出力するパルスを判定回路８１で判定すれば、回転部材１５の回転数を検出することができる。

（動作）
図４は、図１に示すエンコーダ装置１の動作を示す説明図である。以下に説明する動作は、第１エンコーダ４０のデータ処理部４２に設けられたＣＰＵ、および第２エンコーダ５０の計数回路８２に設けられたＣＰＵ等の制御の下、実行される。まず、図４に示すように、本形態のエンコーダ装置１において、電源３０からの電力の供給が停止している期間中（時間Ｔ１）、第２エンコーダ５０は、回転部材１５の回転を監視し、累積回転数のカウント値（Ｃ０）を不揮発性メモリ８５に記憶させる。従って、電源３０からの電力の供給が停止している期間中、外力によって回転部材１５が回転した場合には、かかる回転も考慮した実際の累積回転数のカウント値（Ｃ０）を不揮発性メモリ８５に記憶させる。

次に、時間Ｔ２において、電源３０からモータ１１および第１エンコーダ４０に対して電力の供給が開始されると、回転部材１５は、基準となる角度位置に戻されてから駆動される。また、電源３０からの電力の供給が開始されると、第１エンコーダ４０のデータ処理部４２は、シリアル通信によって、不揮発性メモリ８５から累積回転数のカウント値（Ｃ０）を読み出す。

次に、時間Ｔ３において、電源３０からの電力の供給が開始された以降、モータ１１が作動して回転部材１５が回転すると、モータ１１の周囲温度が上昇する。その間、第１エンコーダ４０において、カウント部４７は、不揮発性メモリ８５から読み出された累積回転数のカウント値（Ｃ０）と、現時点までに磁気センサ４６によってカウントされた回転部材１５の回転数のカウント値とを加算した累積カウント値（Ｃ１）を算出する。また、角度位置演算部４８は、回転部材１５の角度位置を算出する。従って、データ処理部４２は、現時点における回転部材１５の多回転絶対角度位置に関する情報を上位の制御装置に出力することができる。

一方、第２エンコーダ５０において、カウント処理部８０は、磁気素子６０から出力されたパルス信号に基づいて、回転部材１５の累積回転数のカウントを継続する。本形態においては、電源３０からの電力の供給が開始された以降、予め設定されたタイミング（時間Ｔ３１）で、不揮発性メモリ８５に対して、第２エンコーダ５０でのカウント値が更新される。例えば、第２エンコーダ５０では、不揮発性メモリ８５に対して、電源３０からの電力の供給が開始された以降、雰囲気温度が４０℃になったタイミングで、第２エンコーダ５０でのカウント値が更新される。

その後、時間Ｔ４において、電源３０からの電力の供給が停止したとする。本形態では、電源３０からの電力の供給が停止する際、所定の時間、第１エンコーダ４０に駆動電圧が供給されるバックアップ時間が設定されている。従って、データ処理部４２は、電源３０からの電力の供給が停止した後のバックアップ時間において、不揮発性メモリ８５が記憶しているカウント値（Ｃ０）を、カウント部４７で算出した累積カウント値（Ｃ１）に書き換え、時間Ｔ１に戻る。

本形態において、データ処理部４２は、電源３０からの電力の供給が停止した後のバックアップ時間において、不揮発性メモリ８５が記憶しているカウント値（Ｃ０）と、カウント部４７で算出した累積カウント値（Ｃ１）とを比較し、不揮発性メモリ８５が記憶しているカウント値（Ｃ０）と、カウント部４７で算出した累積カウント値（Ｃ１）とが相違している場合には、不揮発性メモリ８５が記憶しているカウント値（Ｃ０）を、カウント部４７で算出した累積カウント値（Ｃ１）に書き換え、不揮発性メモリ８５が記憶しているカウント値（Ｃ０）と、カウント部４７で算出した累積カウント値（Ｃ１）とが一致している場合には、不揮発性メモリ８５が記憶しているカウント値（Ｃ０）の書き換えを行わない。

（本形態の主な効果）
このように本形態のエンコーダ装置１において、第２エンコーダ５０は、電源３０からの電力の供給の有無にかかわらず、移動体１０（回転部材１５）の一定間隔毎の累積移動回数（回転数）をカウントして不揮発性メモリ８５に記憶しておくため、第１エンコーダ４０は、電源３０からの電力の供給が開始された際に不揮発性メモリ８５から読み出したカウント値（Ｃ０）と電源３０からの電力の供給が開始された以降に第１エンコーダ４０でカウントされた移動回数（回転数）のカウント値とを加算した累積カウント値（Ｃ１）に基づいて多回転絶対角度位置を算出することができる。また、電源３０からの電力の供給が再開された以降、不揮発性メモリ８５の温度が上昇してデータが消失した場合でも、電源３０からの電力の供給が停止する際、不揮発性メモリ８５が記憶しているカウント値（Ｃ０）を累積カウント値（Ｃ１）に書き換える。このため、不揮発性メモリ８５は、データを記憶した際の温度より高い温度に晒されると、データを記憶しておく時間が短くなるという問題を有する場合でも、移動体１０の移動回数に対応するカウント値を不揮発性メモリ８５に正確に記憶させておくことができる。特に本形態では、モータ１１の近傍に不揮発性メモリ８５が配置されているため、不揮発性メモリ８５の温度が上昇しやすいが、この場合でも、移動体１０の移動回数に対応するカウント値を不揮発性メモリ８５に正確に記憶させておくことができる。

［他の実施形態］
上記実施形態では、第１エンコーダ４０の磁気センサ４６として磁気抵抗素子を用いたが、磁気センサ４６として、１対のホール素子を用いた態様や、一対のホール素子と磁気抵抗素子とを用いた態様であってもよい。

上記実施形態では、磁界発生部２０に第１磁石２６および第２磁石２７を設けたが、磁界発生部２０に１つの磁石を設け、１つの磁石からの磁束によって、磁気センサ４６および磁気素子６０が動作する態様であってもよい。

上記実施形態では、第１エンコーダ４０および第２エンコーダ５０がロータリエンコーダであったが、第１エンコーダ４０および第２エンコーダ５０がリニアエンコーダである場合に本発明を適用してもよい。

上記実施形態では、第１エンコーダ４０および第２エンコーダ５０が磁気式のエンコーダであったが、第１エンコーダ４０および第２エンコーダ５０の一方、あるいは双方が光学式のエンコーダである場合に本発明を適用してもよい。

１…エンコーダ装置、１０…移動体、１５…回転部材、２０…磁界発生部、２６…第１磁石、２７…第２磁石、２８…磁石、３０…電源、４０…第１エンコーダ、４２…データ処理部、４６…磁気センサ、４７…カウント部、４８…角度位置演算部、５０…第２エンコーダ、６０…磁気素子、６１、６２…ウィーガンドワイヤ、６６…強磁性ワイヤ、６７…コイル、７０…電源回路、７１…整流回路、７２…コンデンサ、８０…カウント処理部、８１…判定回路、８５…不揮発性メモリ、４６０…磁気抵抗パターン

Claims (7)

1. 電源から電力が供給されている期間中、移動体の一定間隔毎の移動回数、および前記間隔内における位置の検出結果に基づいて絶対位置を検出する第１エンコーダと、
   前記電源からの電力の供給の有無にかかわらず、前記移動体の前記一定間隔毎の累積移動回数をカウントして不揮発性メモリに記憶しておく第２エンコーダと、
   を有し、
   前記電源からの電力の供給が停止する際、前記第１エンコーダに駆動電圧が供給される所定の時間のバックアップ時間が設定されており、
   前記電源からの電力の供給が開始された際に前記不揮発性メモリから読み出した前記累積移動回数のカウント値と前記電源からの電力の供給が開始された以降に前記第１エンコーダでカウントされた前記移動回数のカウント値とを加算した累積カウント値に基づいて前記絶対位置を算出し、前記電源からの電力の供給が停止した後の前記バックアップ時間において、前記不揮発性メモリが記憶している前記カウント値を前記累積カウント値に書き換え、
   前記不揮発性メモリに対しては、前記電源からの電力の供給が開始された以降、前記不揮発性メモリが書き換えられた温度より高い予め設定された雰囲気温度に達したタイミングで、前記第２エンコーダでの前記カウント値が更新されることを特徴とするエンコーダ装置。
2. 請求項１に記載のエンコーダ装置において、
   前記電源からの電力の供給が停止した後の前記バックアップ時間において、前記不揮発性メモリが記憶している前記カウント値と前記累積カウント値とを比較し、前記不揮発性メモリが記憶している前記カウント値と前記累積カウント値とが相違しているときには、前記不揮発性メモリが記憶している前記カウント値を前記累積カウント値に書き換え、前記不揮発性メモリが記憶している前記カウント値と前記累積カウント値とが一致しているときには、前記不揮発性メモリが記憶している前記カウント値の書き換えを行わないことを特徴とするエンコーダ装置。
3. 請求項１または２に記載のエンコーダ装置において、
   前記移動体は、回転部材であり、
   前記第１エンコーダおよび前記第２エンコーダはロータリエンコーダであり、
   前記一定間隔毎の移動回数は、前記回転部材の回転数であり、
   前記間隔内における位置は、前記回転部材の角度位置であり、
   前記絶対位置は、前記回転数および前記角度位置からなる多回転絶対角度位置であることを特徴とするエンコーダ装置。
4. 請求項１から３までの何れか一項に記載のエンコーダ装置において、
   前記第２エンコーダは、前記移動体と連動して移動する磁石が発生する磁界の変化に対応するパルス信号を出力する磁気素子と、前記パルス信号から駆動電圧を生成する電源回路と、前記駆動電圧および前記パルス信号を利用して、前記累積移動回数をカウントして、前記不揮発性メモリに記憶されている前記カウント値を更新するカウント処理部と、を有することを特徴とするエンコーダ装置。
5. 請求項４に記載のエンコーダ装置において、
   前記磁気素子は、ウィーガンドワイヤであることを特徴とするエンコーダ装置。
6. 請求項４または５に記載のエンコーダ装置において、
   前記第１エンコーダは、前記移動体と連動して移動する磁石が発生する磁界の変化に基づいて、前記移動体の移動量をカウントすることを特徴とするエンコーダ装置。
7. 請求項１から６までの何れか一項に記載のエンコーダ装置において、
   前記不揮発性メモリは、前記移動体を駆動するモータの近傍に配置されていることを特徴とするエンコーダ装置。
   

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