JPH0443216B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、たとえば電動機によつて作業端を駆
動するようにした、いわゆる電動ロボツトなどに
おいて、電動機の回転角度などを検出するために
好適に実施されるエンコーダ装置に関する。

背景技術 典型的な既製技術では、モータの回転軸からの
動力は減速機によつて減速されて作業端に伝達さ
れ、この作業端の回転角度を検出するためにモー
タの前記出力軸に作業端のための減速機と同一減
速比を有するもう１つの検出用減速機を設け、前
記検出用減速機の減速出力軸の回転角度をポテン
シオメータによつて検出し、これによつて作業端
の概略の回転角度の絶対値を知ることができ、一
方、モータの出力軸にはいわゆるインクリメンタ
ルエンコーダが設けられ、出力軸の360゜以内の回
転角度を高精度で検出することができるような構
造になつている。

上述したような先行技術では、検出用の減速機
を必要とし、エンコーダ装置が大型化するととも
に、その検出用減速機のバツクラツシユによつて
測定誤差を生じるという問題があつた。またイン
クリメンタルエンコーダは回転軸に装着された回
転部材の両端に発光素子と受光素子とをそれぞれ
設け、回転部材に形成されている透光部分または
遮光部分を検出する構成を有しており、停電時に
は、このようなインクリメンタルエンコーダをバ
ツテリによつて動作させようとすれば、インクリ
メンタルエンコーダの消費電力が大きいので、バ
ツテリの容量は大きくなければならず、エンコー
ダ関連の電源が大型化するようになる。

他の先行技術は、いわゆるアブソリユートエン
コーダと呼ばれているものであり、360゜以内の各
角度位置に対応した複数ビツトのコード信号が得
られるように構成される。このために、角変位を
検出すべき回転部材によつて回転駆動されるコー
ド板には、同心の複数のコード領域が周方向に形
成され、各コード領域を検出素子によつて個別的
に検出するように構成されている。このような構
成によれば、コード板が大型化するという問題が
ある。アブソリユートエンコーダの他の問題は、
360゜以内の角度しか検出できないということであ
る。これによつてアブソリユートエンコーダの用
途が限定されることになる。

発明が解決すべき問題点 本発明の目的は、装置全体を大型化することな
く、高精度の変位を検出することができるように
したエンコーダ装置を提供することである。

本発明の他の目的は、電力消費が少なくて済む
ようにしたエンコーダ装置を提供することであ
る。

問題点を解決すべき手段 本発明は、軸線方向に沿つて延び、その軸線方
向に磁化されており、その軸線まわりに回転され
る第１永久磁石８と、 第１永久磁石８の軸線方向両端部にそれぞれ設
けられ、周縁部に凸部９ａ，１０ａと、凹部とが
交互に繰り返し形成された磁性材料から成る一対
の回転円板９，１０であつて、各回転円板９，１
０の凸部９ａ，１０ａは相互に前記軸線方向に間
隔をあけて対向している回転円板９，１０と、 固定位置に設けられる第１〜第５の検出要素２
１〜２５を有する検出ヘツド１１とを含み、 各検出要素２１〜２５は、 第１永久磁石８の軸線に平行に延び、回転円板
９，１０の前記軸線方向に対向する凸部９ａ，１
０ａ間に位置することができるようにして周方向
に間隔をあけて順次的に配置される長手の強磁性
材料３１〜３５と、 強磁性材料３１〜３５に巻回されて出力を導出
する検出コイル５１〜５５と、 強磁性材料３１〜３５に関して第１永久磁石８
とは反対側で第１永久磁石８の軸線に平行に配置
され、第１永久磁石８とは逆極性にかつ小さい磁
化力で磁化される長手の第２永久磁石４１〜４５
とを含み、 強磁性材料３１〜３５は、 コア３１ａと、 そのコア３１ａよりも大きい保持力を有しコア
３１ａを外囲するシエル３１ｂとを有し、 シエル３１ｂは、第１永久磁石８の近接時に磁
化方向が反転し、これによつて検出コイル５１〜
５５にインパルス状誘起電圧を発生させ、さら
に、 第２検出要素５２の出力によつてセツトされ、
第４検出要素５４の出力によつてリセツトされる
第１フリツプフロツプ７７と、 第１フリツプフロツプ７７のセツト出力Ｑのエ
ツジを検出する第１検出回路７９と、 第１フリツプフロツプ７７のリセツト出力の
エツジを検出する第２検出回路８０と、 第３検出要素５３の出力によつてセツトされ、
第１および第５検出要素５１，５５の各出力によ
つてリセツトされる第２フリツプフロツプ７８
と、 第２フリツプフロツプ７８の出力維持期間中に
おける第１および第２検出回路７９，８０の各出
力をアツプダウン計数するカウンタ手段８１，８
２，８３とを含むことを特徴とするエンコーダ装
置である。

作 用 本発明に従うエンコーダ装置では、検出される
べき回転軸などに、第１永久磁石８が固定されて
おり、この第１永久磁石８の検出ヘツド１１にお
ける第１〜第５の各検出要素２１〜２５への近接
によつて、強磁性材料３１〜３５の磁化方向が反
転し、これによつて検出コイル５１〜５５にイン
パルス状誘起電圧が発生され、このような合計５
つの検出要素２１〜２５の各出力に応答する第１
および第２フリツプフロツプ７７，７８と、第１
および第２検出回路７９，８０とによつて、さら
にアツプダウン計数するカウンタ手段８１，８
２，８３とによつて、回転部材８の回転方向と、
少なくとも360度以内の回転角度と、回転数とを
検出することができる。このような構成は小形で
実現することができ、また第１および第２フリツ
プフロツプ７７，７８、第１および第２検出回路
７９，８０およびカウンタ手段８１，８２，８３
の消費電力はごくわずかであるので、全体の消費
電力を少なくすることができる。

特に本発明に従えば、回転円板９，１０は、そ
の周縁部に凸部９ａ，１０ａと凹部とが交互に繰
り返し形成された磁性材料から成り、凸部９ａ，
１０ａは相互に永久磁石８の軸線方向に間隔をあ
けて対向しており、第１〜第５の検出要素２１〜
２５に備えられた強磁性材料３１〜３５は、回転
円板９，１０の軸線方向に対向する凸部９ａ，１
０ａ間に位置することができるようにして配置さ
れるので、検出コイル５１〜５５からは、大きな
インパルス状誘起電圧を得ることができるように
なる。

実施例 第１図は、本発明に従うエンコーダ装置を備え
た電動ロボツトのブロツク図である。この電動ロ
ボツトでは、モータ１の回転軸２は、歯車３，４
を含む減速機５によつて減速され、出力軸６によ
つて作業端７が回転駆動される。モータ１の回転
軸２には、直円筒状の永久磁石８が同軸に固着さ
れる。永久磁石８は軸線方向に磁化されている。
永久磁石８の両端部には、一対の軟鉄などの磁性
材料から成る回転円板９，１０が間隔をあけて固
着される。この回転円板９，１０は、前記回転軸
２と共通な回転軸線を有する。回転円板９，１０
の円周部には、回転軸２に対して平行に延びる複
数の突片９ａ，１０ａが相互に対向して一体的に
形成される。この突片９ａ，１０ａ間には、固定
位置に取り付けられた検出ヘツド１１が介在し、
突片９ａ，１０ａの対向面と磁気的に結合されて
いる。検出ヘツド１１の出力はバツテリ１２によ
つて電力付勢される電子回路１３に入力され、回
転円板９，１０の位置が検出される。

第２図は、検出ヘツド１１とその付近の簡略化
した斜視図である。検出ヘツド１１は回転円板
９，１０の回転方向１４に間隔をあけて配置され
た検出要素２１，２２，２３，２４，２５から構
成されている。検出要素２１，２２，２３，２
４，２５はそれぞれ強磁性材料３１，３２，３
３，３４，３５、永久磁石４１，４２，４３，４
４，４５および検出コイル５１，５２，５３，５
４，５５を含む。強磁性材料３１〜３５の径は、
前記突片９ａ，１０ａの径とほぼ同一である。永
久磁石８は、回転円板９側がＮ極に磁化され、回
転円板１０側がＳ極に磁化されている。したがつ
て突片９ａの遊端部はＮ極に磁化され、突片１０
ａの遊端部はＳ極に磁化されている。永久磁石４
１〜４５の磁化方向は永久磁石８の磁化方向と逆
であり、突片９ａに臨む側がＳ極で突片１０ａに
臨む側がＮ極に磁化されている。また永久磁石８
は、永久磁石４１〜４５よりも磁化力が強い。

たとえば１つの突片９ａ，１０ａが強磁性材料
３１の両端面に臨む位置に角変位したときには、
永久磁石８の磁束経路φは第３図の破線で示され
る。

第４図は、１つの突片９ａ，１０ａと１つの検
出要素２１との関係を説明するための周方向展開
図であり、第５図は強磁性材料３１に加わる外部
磁界の変化と検出コイル５１の出力との関係を説
明するための図である。強磁性材料３１に加えら
れる外部磁界は、回転円板９，１０が回転方向１
４に回転することにより突片９ａ，１０ａによる
磁界６０と永久磁石４１による磁界６１との影響
によつて第５図１のように変化する。第５図２は
検出コイル５１の出力を示し、第５図３は突片９
ａ，１０ａの位置を示す。

第６図は、１つの突片９ａ，１０ａが強磁性材
料３１の両端間を通過する際に生じる強磁性材料
３１の磁化の態様を示す断面図である。強磁性材
料３１は異なつた保磁力を有するコア３１ａとシ
エル３１ｂを有する。ここでは、シエル３１ｂの
保磁力がコア３１ａの保磁力より強い材料を用い
ることとして説明する。強磁性材料３１は、突片
９ａ，１０ａが第４図の位置Ｐ１にあるとき第５
図１で示すように弱い負の方向の磁界の影響をう
け、保磁力の小さいコア３１ａは外部磁界７０の
方向に磁化され、保磁力の大きいシエル３１ｂは
逆の方向に磁化されている。したがつて強磁性材
料３１は第６図１の状態にある。突片９ａ，１０
ａが強磁性材料３１の近傍の位置Ｐ２に達する
と、強磁性材料３１に加わる外部磁界７０はコア
３１ａの保磁力より大きくなり、コア３１ａの磁
化の方向が反転し、第６図２の状態になる。突片
９ａ，１０ａが位置Ｐ３に達すると再び外部磁界
７０の方向が反転し、コア３１ａの磁化の方向も
反転し、第６図３の状態になる。

第７図は、強磁性材料３１の外部磁界が第５図
１のように変化したときのヒステリシスループで
ある。第６図１の状態から第６図２の状態に移る
とき内部磁束密度の大きなジヤンプが生じ、第６
図２の状態から第６図３の状態に移るとき小さな
ジヤンプが生じる。第５図２に示すように検出コ
イル５１には、前者のジヤンプのとき比較的高い
インパルス状電圧が発生し、後者のジヤンプのと
き小さな電圧が発生する。前者の発生電圧の波高
値はたとえば0.5〜12Vであり、その半値幅は約
20μ秒であり、SN比が良好である。後者の発生
電圧は前者の発生電圧に比べて十分小さく方向が
逆であるので、後述する電子回路１３では無視さ
れる。

回転円板９，１０が回転方向１４の逆方向に回
転するときにも同様に検出コイル５１には同じ極
性の大きなインパルス状電圧が誘起される。

検出要素２２，２３，２４，２５も検出要素２
１と同じ構成であり、回転円板９，１０の回転時
に検出コイル５２，５３，５４，５５に同様の電
圧を発生する。

このように検出ヘツド１１は永久磁石、強磁性
材料および検出コイルから構成されているので、
何等の電力源を必要とすることなく回転円板９，
１０の回転を確実に検出することができる。

第８図に検出ヘツド１１の出力を処理し回転円
板９，１０の位置を求める電子回路１３の構成を
示す。検出コイル５１，５２，５３，５４，５５
の出力をそれぞれB″，Ａ，Ｂ，A′，B′とする。
Ａ，A′，Ｂ，B′，B″はそれぞれ波形整形回路７
１，７２，７３，７４，７５に入力され波形が整
形される。波形整形回路７１，７２の出力は、そ
れぞれフリツプフロツプ７７のセツト入力端子、
リセツト入力端子に入力される。フリツプフロツ
プ７７の正の出力〓、負の出力〓はそれぞれ立上
り検出回路７９，８０に入力され、フリツプフロ
ツプ７７がリセツト状態からセツトされたときの
信号△〓とセツト状態からリセツトされたときの
信号△〓が出力される。

波形整形回路７４，７５の出力は論理和回路７
６に入力され、その出力はフリツプフロツプ７８
のリセツト入力端子に入力される。波形整形回路
７３の出力はフリツプフロツプ７８のセツト入力
端子に入力される。フリツプフロツプ７８の正の
出力信号〓と立上り検出回路７９の出力△Ａを論
理積回路８１に入力することにより、回転方向１
４の逆方向の回転パルス（CW）が出力される。
フリツプフロツプ７８の出力〓と立上り検出回路
８０の出力△〓を論理積回路８２に入力すること
により回転方向１４の回転パルス（CCW）が出
力される。第９図に信号Ａ，A′，Ｂ，B′，B″，
Ａ，Ｂ，（CW），（CCW）の関係図を示す。論理
積回路８１，８２の出力をそれぞれアツプダウン
カウンタ８３のダウン入力端子、アツプ入力端子
に入力することによりアツプダウンカウンタ８３
の計数値は回転円板９，１０の角変位位置を表わ
す。なお、これらの電子回路１３はバツテリ１２
により電力付勢されている。

こうして本実施例では、複数の検出コイルの出
力をバツテリによつて電力付勢された電子回路に
よつて回転方向の判別および回転パルスの計数を
行なうようにしたので、停電時にも回転部材の位
置を検出することができる。そのため、いわゆる
アブソリユートエンコーダとして本発明に従うエ
ンコーダ装置を用いることができる。

前述の第２図および第３図から明らかなよう
に、永久磁石４１〜４５は、強磁性材料３１〜３
５に関して第１永久磁石８とは反対側で、その第
１永久磁石８の軸線に平行に配置される。強磁性
材料３１は第５図から明らかなように、コア３１
ａと、そのコア３１ａを外囲するシエル３１ｂと
を有する。立上り検出回路７９，８０は、前述の
ようにフリツプフロツプ７７のセツト出力Ｑとリ
セツト出力の立上り波形、すなわちエツジを検
出する。カウンタ手段８３は、フリツプフロツプ
７８の出力維持期間中、すなわちそのセツト出力
Ｑがハイレベルである期間中における各立上り検
出回路７９，８０の各出力をアツプダウン計数す
る。

効 果 以上のように本発明によれば、第１永久磁石８
がその軸線まわりに回転することによつて、検出
ヘツド１１の第１〜第５の検出要素２１〜２５に
おける強磁性材料３１〜３５のシエル３１ｂの磁
化方向が反転し、これによつて検出コイル５１〜
５５にインパルス状誘起電圧が発生され、その出
力を、第１および第２フリツプフロツプ７７，７
８、第１および第２検出回路７９，８０およびカ
ウンタ手段８１，８２，８３によつて回転方向と
ともに回転角度の検出を行うことができるように
したので、簡単な構成によつて、しかもわずかな
消費電力で、第１永久磁石８の角度を検出するこ
とができるようになる。

特に本発明によれば、回転円板９，１０にはそ
の周縁部に凸部９ａ，１０ａと凹部とが交互に繰
り返し形成された磁性材料から成り、これらの対
向する凸部９ａ，１０ａ間に、検出ヘツド１１の
検出要素２１〜２５の強磁性材料３１〜３５が位
置することができるので、検出コイル５１〜５５
からのインパルス状誘起電圧を大きくすることが
できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のエンコーダ装置を
備えた電動ロボツトのブロツク図、第２図は検出
ヘツド１１とその近傍の簡略化した斜視図、第３
図は１つの突片９ａ，１０ａに関する磁気回路、
第４図は回転円板９，１０を周方向に展開した状
態を示す断面図、第５図は強磁性材料３１に加わ
る外部磁界の変化と検出コイル５１の出力との関
係を説明するための図、第６図は強磁性材料３１
の磁化の方向の変化を説明するための断面図、第
７図は強磁性材料３１のヒステリシスループを示
す図、第８図は電子回路１３のブロツク図、第９
図は検出コイルの出力信号の処理過程を示すタイ
ムチヤートである。 １……モータ、２……回転軸、８……永久磁
石、９，１０……回転円板、９ａ，１０ａ……突
片、１１……検出ヘツド、１２……バツテリ、１
３……電子回路、２１，２２，２３，２４，２５
……検出要素、３１，３２，３３，３４，３５…
…強磁性材料、４１，４２，４３，４４，４５…
…永久磁石、５１，５２，５３，５４，５５……
検出コイル、７１，７２，７３，７４，７５……
波形整形回路、７６……論理和回路、７７，７８
……フリツプフロツプ、７９，８０……立上り検
出回路、８１，８２……論理積回路、８３……ア
ツプダウンカウンタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 軸線方向に沿つて延び、その軸線方向に磁化
   されており、その軸線まわりに回転される第１永
   久磁石８と、 第１永久磁石８の軸線方向両端部にそれぞれ設
   けられ、周縁部に凸部９ａ，１０ａと、凹部とが
   交互に繰り返し形成された磁性材料から成る一対
   の回転円板９，１０であつて、各回転円板９，１
   ０の凸部９ａ，１０ａは相互に前記軸線方向に間
   隔をあけて対向している回転円板９，１０と、 固定位置に設けられる第１〜第５の検出要素２
   １〜２５を有する検出ヘツド１１とを含み、 各検出要素２１〜２５は、 第１永久磁石８の軸線に平行に延び、回転円板
   ９，１０の前記軸線方向に対向する凸部９ａ，１
   ０ａ間に位置することができるようにして周方向
   に間隔をあけて順次的に配置される長手の強磁性
   材料３１〜３５と、 強磁性材料３１〜３５に巻回されて出力を導出
   する検出コイル５１〜５５と、 強磁性材料３１〜３５に関して第１永久磁石８
   とは反対側で第１永久磁石８の軸線に平行に配置
   され、第１永久磁石８とは逆極性にかつ小さい磁
   化力で磁化される長手の第２永久磁石４１〜４５
   とを含み、 強磁性材料３１〜３５は、 コア３１ａと、 そのコア３１ａよりも大きい保持力を有しコア
   ３１ａを外囲するシエル３１ｂとを有し、 シエル３１ｂは、第１永久磁石８の近接時に磁
   化方向が反転し、これによつて検出コイル５１〜
   ５５にインパルス状誘起電圧を発生させ、さら
   に、 第２検出要素５２の出力によつてセツトされ、
   第４検出要素５４の出力によつてリセツトされる
   第１フリツプフロツプ７７と、 第１フリツプフロツプ７７のセツト出力Ｑのエ
   ツジを検出する第１検出回路７９と、 第１フリツプフロツプ７７のリセツト出力の
   エツジを検出する第２検出回路８０と、 第３検出要素５３の出力によつてセツトされ、
   第１および第５検出要素５１，５５の各出力によ
   つてリセツトされる第２フリツプフロツプ７８
   と、 第２フリツプフロツプ７８の出力維持期間中に
   おける第１および第２検出回路７９，８０の各出
   力をアツプダウン計数するカウンタ手段８１，８
   ２，８３とを含むことを特徴とするエンコーダ装
   置。