JPH053924U - エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エンコーダ回転軸がどのような回転速度で回
転しようと、また受光素子の応答性がどの程度であろう
と、実際のロータ位置に対するエンコーダの出力信号の
偏差を補正し、モータから最適なトルクを引き出すこと
のできるエンコーダを得る。 【構成】 実際のロータ位置に対し、進み位相となる信
号が出力されるように、取り付け角度をずらして回転軸
に取り付けられた回転格子板と、回転軸の回転速度情報
を得るためのＦ／Ｖ変換回路と、実際のロータ位置とエ
ンコーダ出力信号との位相偏差を補正するための遅延回
路を設けた。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、実際のロータ位置（以後基準位置と呼ぶ）と、エンコーダが出力す るロータ位置検出信号との位相偏差をロータ回転速度に応じて補正する機能を有 するエンコーダに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

図４、図５は例えば「オートメーション」８９年４月号（日刊工業新聞社Ｐ１ ６〜Ｐ１７）に示されたエンコーダの構造図と原理を示す回路図である。図４に おいて、１は基板３に取付けられた発光素子で、２は基板９に取付けられた受光 素子である。両者の間には回転軸７に取付けられた回転格子板５と本体８に取付 けられている固定格子板６があり、回転軸７はベアリング４とベアリング１０に よって支えられている。

【０００３】 上記のような構成を持つエンコーダの動作について説明する。 図５はエンコーダの動作原理を示した回路図である。図５において、１は発光 素子であり、発光素子１の発する光を遮るように回転格子板５、固定格子板６が 置かれ、この回転格子板５と固定格子板６に設けられたスリットを通って絞り込 まれた光を受光素子１２が受ける。受光素子１２が受けた光は電気信号に変換さ れて比較器１３へ送られる。比較器１３は送られてきた電気信号を基にして出力 信号を発生し、この比較器１３の出力によりスイッチング素子１４がＯＮ・ＯＦ Ｆされ、端子１５よりパルス信号が取り出される。

【０００４】 図６は、受光素子１２の発する出力信号と比較器１３の出力信号の関係を示す 一例である。 以上がエンコーダの動作原理であり、図７はこれを三相ブラシレスＤＣモータ の駆動に用いた例である。本図７では図５中の発光素子１、回転格子板５及び固 定格子板６は省略されている。本図７中１６〜２０は受光素子、２１〜２４は比 較器、２５〜２８はスイッチング素子であり、３９〜４２はスイッチング素子２ ５〜２８と電源Ｖ_ecとの間に直列に接続された抵抗器である。本図７の動作を簡 単に説明すると、回転格子板５のＵ相用、Ｖ相用、Ｗ相用の各々のスリットを通 過してきた光を受光素子１８〜２０が受光し、電気信号に変換して比較器２２〜 ２４へ送る。この時、回転格子板５のＵ相用、Ｖ相用、Ｗ相用のスリツトの位置 のズレに従い、受光素子１８〜２０の出力する電気信号はそれぞれ１２０゜の位 相差をもっている。この１２０゜の位相差を持つそれぞれの電気信号を入力する と比較器２２〜２４の出力信号で、スイッチング素子２６〜２８をＯＮ・ＯＦＦ すると、エンコーダ出力として取り出されるパルス信号も互いに１２０゜の位相 差をもって論理回路３２へ送られる。論理回路３２で様々に論理変換された信号 は、インバータ回路３３内のスイッチング素子（図示せず）をＯＮ・ＯＦＦし、 モータ（図示せず）の固定子巻線のＵ相、Ｖ相、Ｗ相をそれぞれ励磁して、モー タよりトルクを引き出す。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

上記のような従来のエンコーダでは、受光素子１６〜２０回転格子板５と固定 格子６を通り抜けた光を受光してから電気信号を発生するまでの時間は受光素子 のスイッチング時間に起因するため、基準位置に対しエンコーダの出力する位置 検出信号は遅れを生じる。この位置検出信号の遅れは、そのままモータ駆動用の インバータ回路３３のスイッチングの遅れとなる。インバータ回路３３のスイツ チングが遅れると、モータのロータ位置に対して、固定子巻線の各相（Ｕ相 、Ｖ相、Ｗ相）に最適なタイミングで相励磁が行えず、必要なトルクを得るため に、必要以上の電流が流れることとなり、モータのトルク効率が落ちてしまう。 また、この位置検出信号の位相遅れは、回転が低速であれば小さく、高速であれ ば大きくなるため、特に高速回転時においては、モータから効率よくトルクを取 り出せない、という問題点があった。

【０００６】 この考案は、このような問題点を解消するためになされたもので、エンコーダ 回転軸がどのうよな回転速度で回転しようと、また受光素子の応答性がとの程度 であろうと、基準位置に対するエンコーダの出力信号の偏差を補正し、モータか ら最適なトルクを引き出すことのできるエンコーダを得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

この考案に係るエンコーダは、基準位置に対し進み位相となる出力信号が発生 するように、取り付け角度をずらして回転軸に取り付けられた回転格子板と、回 転軸の回転速度情報を得るためのＦ／Ｖ変換回路と、基準位置とエンコーダ出力 信号との位相偏差を補正するため遅延時間を作る遅延回路と、遅延回路の出力信 号を入力とし、基準位置と位相差のない出力信号を発生する論理回路とを設けた ものである。

【０００８】

【作用】

この考案においては、電気角で１８０゜のパルス幅が出力されるように切られ ているＵ相、Ｖ相、Ｗ相用のスリットを有し、このスリットが基準位置に対し進 み位相となるよう取り付け角度をずらして回転軸に取り付けられた回転格子板か ら、基準位置に対して位相の進んだパルス信号を出力させ、この出力パルス信号 から回転速度を測定する。測定した回転速度と出力パルス信号とで、基準位置と 出力パルスの位相偏差量に見合った遅延時間を制御する。

【０００９】

【実施例】

実施例１． 図１はこの考案の一実施例を示す全体構成図である。図１において、１、２、 ５、６は前記従来例図４と同じである。３０は受光素子２の出力する電気信号を 入力とする回転速度判定手段で、４３は回転速度判定手段３０と受光素子２の出 力する電気信号とに基づき遅延時間を作る遅延時間制御手段で、４６は遅延時間 制御手段４３で作られた遅延時間だけ位相の遅れた信号を、モータ駆動用のドラ イバ回路４７へ出力する論理回路である。

【００１０】 図２は図１の実施例の電気接続を示す回路図である。図中エンコーダ２９内の 回路構成のうち１６〜４０は前記従来例図７と同じである。３０はスイッチング 素子２５のＯＮ・ＯＦＦによって取り出されるパルス信号から速度情報を得るＦ ／Ｖ変換回路、４３はスイッチング素子２６〜２８のＯＮ・ＯＦＦにより取り出 されたパルス信号と、Ｆ／Ｖ変換回路３０からの速度情報とから遅延時間を作る 遅延回路である。遅延回路４３の出力信号を入力とする論理回路４６は、遅延回 路４３からの信号を受け、これを論理反転するインバータ回路４４と、インバー タ回路４４から出る信号を基準として、基準位置と位相差のないエンコーダ出力 信号を発生するフリップフロップ４５からなる。

【００１１】 次に上記実施例の動作を図１〜図３を用いて説明する。図３は各信号の様子を 示したタイムチャート図である。 まず、エンコーダ出力信号が基準位置に対して進み位相となるように、出力信 号のパルス幅が電気的で１８０゜となるＵ相用、Ｖ相用、Ｗ相用のスリツトを有 する回転格子板５を回転軸７に取り付け角度をずらして取り付け、従来通り運転 すると、発光素子１から発せられた光は回転格子板５と固定格子板６を通過し、 図２の受光素子１６〜２０によって電気信号に変換される。受光素子１６〜２０ より出力された電気信号は比較器２１〜２４へ送られ、この比較器２１〜２４の 出力信号はスイッチング素子２５〜２８をＯＮ・ＯＦＦする。図３のＵ_E、Ｖ_E、 Ｗ_Eはスイッチング素子２６〜２８のＯＮ・ＯＦＦにより取り出されたパルス信 号を示している。比較器２１の出力信号でスイツチング素子２５をＯＮ・ＯＦＦ して取り出したパルス信号は、回転速度を測定するためにＦ／Ｖ変換回路へ送ら れる。

【００１２】 一方、図３のＵ_E、Ｖ_E、Ｗ_Eに示される比較器２２〜２４の出力により、スイ ッチング素子２６〜２８をＯＮ・ＯＦＦして得られたパルス信号は遅延回路４３ へ送られる。遅延回路４３内のタイマー（図示せず）内ではＦ／Ｖ変換回路３０ より入力した回転速度の情報を基に遅延時間が決められ、スイッチング素子２６ 〜２８のＯＮ・ＯＦＦによって取り出されたパルス信号Ｕ_E、Ｖ_E、Ｗ_Eの立ち上 り、及び立ち下りと共に、図３のＵ_T、Ｖ_T、Ｗ_Tに示されるパルス信号を出力す る。遅延回路４３より出力された遅延時間量を持つパルスは、フリップフロップ ４５の入力条件に適合する様にインバータ回路４４で論理反転される。図３のＵ _T ^＊ 、Ｖ_T ^＊、Ｗ_T ^＊はインバータ回路４４で論理反転された様子を示す。インバ ータ回路４４の出力信号としてＵ_T ^＊、Ｖ_T ^＊、Ｗ_T ^＊がフリップフロップ４５へ 送られる。フリップフロップ４５内には、Ｊ−Ｋフリップフロップ（図示せず） を有しており、入力信号Ｕ_T ^＊、Ｖ_T ^＊、Ｗ_T ^＊の立ち下りに応じて出力パルスを 反転させる。このフリップフロップ４５の出力信号が図３のＵ_OUT，Ｖ_OUT，Ｗ_{OU T} で、これらの信号は基準位置に対して位相差のない、パルス幅が電気角で１８ ０゜のエンコーダ出力信号として出力される。このエンコーダの出力信号は論理 回路３２にを経て、モータ駆動用インバータ回路３３へ送られ、モータ駆動用イ ンバータ回路３３内のスイッチング素子（図示せず）をＯＮ・ＯＦＦすることで 、モータ５１の固定子巻線のＵ相、Ｖ相、Ｗ相を、回転するロータ位置に対して 最適なタイミングで励磁し、モータから効率よくトルクを取り出せることとなる 。

【００１３】

【考案の効果】

以上のように、この考案によれば、出力信号が基準位置に対して進み位相にな るように、出力信号のパルス幅が電気角で１８０゜となるＵ相用、Ｖ相用、Ｗ相 用のスリットを有する回転格子板の取り付け角度をずらすことと、出力信号に遅 延時間を与える遅延回路を設けたことで、常に基準位置に対し、位相偏差のない 出力信号を発生することができひいては常に最適なトルクを、モータから取り出 すことができる。

【提出日】平成３年６月１１日

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】 図６は、受光素子１２の発する出力信号と比較器１３の出力信号の関係を示す 一例である。 以上がエンコーダの動作原理であり、図７はこれを三相ブラシレスＤＣモータ の駆動に用いた例である。本図７では図５中の発光素子１、回転格子板５及び固 定格子板６は省略されている。本図７中１６〜２０は受光素子、２１〜２４は比 較器、２５〜２８はスイッチング素子であり、３９〜４２はスイッチング素子２ ５〜２８と電源Ｖ_{C C} との間に直列に接続された抵抗器である。本図７の動作を簡 単に説明すると、回転格子板５のＵ相用、Ｖ相用、Ｗ相用の各々のスリットを通 過してきた光を受光素子１８〜２０が受光し、電気信号に変換して比較器２２〜 ２４へ送る。この時、回転格子板５のＵ相用、Ｖ相用、Ｗ相用のスリットの位置 のズレに従い、受光素子１８〜２０の出力する電気信号はそれぞれ１２０°の位 相差をもっている。この１２０°の位相差を持つそれぞれの電気信号を入力する と比較器２２〜２４の出力信号で、スイッチング素子２６〜２８をＯＮ・ＯＦＦ すると、エンコーダ出力として取り出されるパルス信号も互いに１２０°の位相 差をもって論理回路３２へ送られる。論理回路３２で様々に論理変換された信号 は、インバータ回路３３内のスイッチング素子（図示せず）をＯＮ・ＯＦＦし、 モータ（図示せず）の固定子巻線のＵ相、Ｖ相、Ｗ相をそれぞれ励磁して、モー タよりトルクを引き出す。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

上記のような従来のエンコーダでは、受光素子１６〜２０が回転格子板５と固 定格子６を通り抜けた光を受光してから電気信号を発生するまでの時間は受光素 子のスイッチング時間に起因するため、基準位置に対しエンコーダの出力する位 置検出信号は遅れを生じる。この位置検出信号の遅れは、そのままモータ駆動用 のインバータ回路３３のスイッチングの遅れとなる。インバータ回路３３のスイ ッ チングが遅れると、モータのロータ位置に対して、固定子巻線の各相（Ｕ相、 Ｖ相、Ｗ相）に最適なタイミングで相励磁が行えず、必要なトルクを得るために 必要以上の電流が流れることとなり、モータのトルク効率が落ちてしまう。また 、この位置検出信号の位相遅れは、回転が低速であれば小さく、高速であれば大 きくなるため、特に高速回転時においては、モータから効率よくトルクを取り出 せない、という問題点があった。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】 図２は図１の実施例の電気接続を示す回路図である。図中エンコーダ２９内の 回路構成のうち１６〜４２は前記従来例図７と同じである。３０はスイッチング 素子２５のＯＮ・ＯＦＦによって取り出されるパルス信号から速度情報を得るＦ ／Ｖ変換回路、４３はスイッチング素子２６〜２８のＯＮ・ＯＦＦにより取り出 されたパルス信号と、Ｆ／Ｖ変換回路３０からの速度情報とから遅延時間を作る 遅延回路である。遅延回路４３の出力信号を入力とする論理回路４６は、遅延回 路４３からの信号を受け、これを論理反転するインバータ回路４４と、インバー タ回路４４から出る信号を基準として、基準位置と位相差のないエンコーダ出力 信号を発生するフリップフロップ４５からなる。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】 次に上記実施例の動作を図１〜図３を用いて説明する。図３は各信号の様子を 示したタイムチャート図である。 まず、エンコーダ出力信号が基準位置に対して進み位相となるように、出力信 号のパルス幅が電気的で１８０°となるＵ相用、Ｖ相用、Ｗ相用のスリットを有 する回転格子板５を回転軸７に取り付け角度をずらして取り付け、従来通り運転 すると、発光素子１から発せられた光は回転格子板５と回転格子板６を通過し、 図２の受光素子１６〜２０によって電気信号に変換される。受光素子１６〜２０ より出力された電気信号は比較器２１〜２４へ送られ、この比較器２１〜２４の 出力信号はスイッチング素子２５〜２８をＯＮ・ＯＦＦする。図３のＵ_E、Ｖ_E、 Ｗ_Eはスイッチング素子２６〜２８のＯＮ・ＯＦＦにより取り出されたパルス信 号を示している。比較器２１の出力信号でスイッチング素子２５をＯＮ・ＯＦＦ して取り出したパルス信号は、回転速度を測定するためにＦ／Ｖ変換回路へ送ら れる。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】 一方、図３のＵ_E、Ｖ_E、Ｗ_Eに示される比較器２２〜２４の出力により、スイ ッチング素子２６〜２８をＯＮ・ＯＦＦして得られたパルス信号は遅延回路４３ へ送られる。遅延回路４３内のタイマー（図示せず）内ではＦ／Ｖ変換回路３０ より入力した回転速度の情報を基に遅延時間が決められ、スイッチング素子２６ 〜２８のＯＮ・ＯＦＦによって取り出されたパルス信号Ｕ_E、Ｖ_E、Ｗ_Eの立ち上 り、及び立ち下りと共に、図３のＵ_T、Ｖ_T、Ｗ_Tに示されるパルス信号を出力す る。遅延回路４３より出力された遅延時間量を持つパルスは、フリップフロップ ４５の入力条件に適合する様にインバータ回路４４で論理反転される。図３のＵ _T ＊、Ｖ_T＊、Ｗ_T＊はインバータ回路４４で論理反転された様子を示す。インバ ータ回路４４の出力信号としてＵ_T＊、Ｖ_T＊、Ｗ_T＊がフリップフロップ４５へ 送られる。フリップフロップ４５内には、Ｊ−Ｋフリップフロップ（図示せず） を有しており、入力信号Ｕ_T＊、Ｖ_T＊、Ｗ_T＊の立ち下りに応じて出力パルスを 反転させる。このフリップフロップ４５の出力信号が図３のＵ_OUT、Ｖ_OUT、 Ｗ_OUTで、これらの信号は基準位置に対して位相差のない、パルス幅が電気角で １８０°のエンコーダ出力信号として出力される。このエンコーダの出力信号は 論理回路３２を経て、モータ駆動用インバータ回路３３へ送られ、モータ駆動用 インバータ回路３３内のスイッチング素子（図示せず）をＯＮ・ＯＦＦすること で、モータ５１の固定子巻線のＵ相、Ｖ相、Ｗ相を、回転するロータ位置に対し て最適なタイミングで励磁し、モータから効率よくトルクを取り出せることとな る。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】

【考案の効果】

以上のように、この考案によれば、出力信号が基準位置に対して進み位相にな るように、出力信号のパルス幅が電気角で１８０°となるＵ相用、Ｖ相用、Ｗ相 用のスリットを有する回転格子板の取り付け角度をずらすことと、出力信号に遅 延時間を与える遅延回路を設けたことで、常に基準位置に対し位相偏差のない出 力信号を発生することができ、ひいては常に最適なトルクをモータから取り出す ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案によるエンコーダの一実施例の全体構
成図である。

【図２】この考案によるエンコーダの電気接続を示す回
路図である。

【図３】この考案によるエンコーダの動作説明用の信号
のタイムチャート図である。

【図４】従来のエンコーダを示す構造図である。

【図５】従来の動作原理を説明する回路図である。

【図６】従来の動作原理説明用波形図である。

【図７】従来のエンコーダの回路図である。

【符号の説明】

１ 発光素子 ２ 受光素子 ５ 回転格子板 ６ 固定格子板 ３０ 速度判定手段 ４３ 遅延時間制御手段 ４５ フリップフロップ

【手続補正書】

【提出日】平成３年６月１１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【請求項１】 光源となる発光素子、この発光素子の発
する光を、ある一定の時間だけ通過させるように切られ
たスリットを持つ回転格子板、この回転格子 板を通過し
た光を更に絞り込むように切られたスリットを持つ固定
格子板、前記固定格子板を通過した光を受け、前記回転
格子板と固定格子板を通過した光を受け電気信号に変換
する受光素子、この受光素子より出力される電気信号か
ら回転速度を判定する速度判定手段、この速度判定手段
の出力をもとに遅延時間を決定する遅延時間制御手段、
及びこの遅延時間制御手段によって決定された遅延時間
だけ位相の遅れた出力信号を作り出す論理回路を備えた
エンコーダ。 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成３年６月１１日

【手続補正８】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

【手続補正９】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 【請求項１】 光源となる発光素子、この発光素子の発
   する光を、ある一定の時間だけ通過させるように切られ
   たスリットを持つ回転格子板、この回転格子板のスリッ
   トと同じ幅に切られたスリットを持つ固定格子板、前記
   回転格子板と固定格子板を通過した光を受け電気信号に
   変換する受光素子、この受光素子より出力される電気信
   号から回転速度を判定する速度判定手段、この速度判定
   手段の出力をもとに遅延時間を決定する遅延時間制御手
   段、及びこの遅延時間制御手段によって決定された遅延
   時間だけ位相の遅れた出力信号を作り出す論理回路を備
   えたエンコーダ。